JPH03185889A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体光素子に係り、特に半導体レーザ素子
のうち情報端末用の光源として有用なＡＱＧａＩｎＰ系
可視半導体レーザ素子等に関し。

特に自己整合構造による単一横モード制御構造に関する
ものである。

〔従来の技術〕

短波長可視半導体レーザにおける横モード制御構造とし
て、有機金属熱分解法による選択成長を利用し、電流阻
止層と先導波構造を形成した例として特開昭６３−８１
８８４号公報がある。この構造は、第１回目の成長でｎ
型ＧａＡｓ基板上にｎ型（Ａ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、ａ）
ｏ、ａｔ　Ｉ　ｎｏ、ａｅＰ　　クラッドＭ。

ＧａＩｎＰ活性層ｇｐ型（Ａ　Ｑ　ｏ、５Ｇａｏ、ｓ）
ｏ、６ｚＩｎｏ、ｉｅＰクラッド層、ｐ型Ｇ　ａ　Ａ　
ｓキャラプ層を順次成長し１次に５ｉＯｚをマスクとし
てメサストライプを形成する。その後５ｉＯｚをつけた
まま第２回目の成長でｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓで埋込む。次
いでＳｉ０ｇマスクを除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト
層を成長するというものであった。

また別の例として特開昭６３−３１４８８２号公報があ
る。この構造は例えばｎ型ＧａＡｓ基板上にこの基板に
格子整合する（Ａ　Ｑ　ｘＧａｔ−ｘ）ｗ　Ｉ　ｎｌ−
ｗＰ（０＜ｘ＜０．３．ｗ二ｏ、５１）からなる活性層
とこの活性層を挟む（Ａ　Ｑ　ｙＧａｘ−ｙ）ｗ　Ｉ　
ｎｌ−ｗＰ　（ｘ＋０．４＜ｙ）からなるｎ、ｐ−クラ
ッド層により形成されたダブルヘテロ構造を設け、基板
とｐ型クラッド層上に両側を（Ａ　Ｑ　ｙ　Ｇ　ａ　１
−Ｆ）ＩＴ　Ｉ　ｎｌ−ｗ　Ｐで挟まれた時の量子準位
が、活性層の発振エネルギーよりも大きくなる膜厚のｐ
型（Ａ　Ｑ　ｚ　Ｇ　ａ　１−２）ｗＩｎｔ−ｗＰ（ｚ
ｌ−２）、４）層と、この層上に設けられたメサストラ
イプ状のｐ型（Ａ　Ｑ　ｙ　Ｇ　ａ　ｌ−ｙ）ｗＩｎｔ
−ｗＰクラッド層と、このメサストライプ状のクラッド
層以外の部分にｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層を設けるというも
のであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の２例のａ造の内、まず第１の例では、活性層とｎ
型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ間の距離を決定するメサストライプ形
成時のエツチングが時間制御型であるため、エツチング
後のｐ型りラッド層厚み制御性が悪く、素子性能のバラ
ツキが大きいという欠点がある。また第２の例では、エ
ツチングストッパ層である（ＡＵｚＧａｔ−ｚＬｗＩｎ
ｌ−ｗＰ（ｚ＜ｙ　　０．４）層を設けることによりｐ
型りラッド層の厚み制御性は結晶成長の制御性に迄高め
られるという利点がある。しかしながら基板Ｇ　ａ　Ａ
　ｓの面方位が（１００）を用いる限りｐ型りラッド層
のホール濃度が４　Ｘ　Ｉ　Ｏ１７ｔｙｍ−”より高く
ならないという物性的制約の為、メサストライプの狭い
部分（約３μｍ）への電流集中により、素子抵抗が低く
ならないという欠点を有している。

本発明の目的は上記従来技術の欠点を克服し、各層の厚
み制御性に優れ、かつ、素子抵抗の低い、つまり温度特
性の良い単一横モード半導体レーザおよびその製造方法
を提供せんとするところにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を遠戚するために、本発明においては第１図及
び第２図に示すように基板１上に第１回目の成長でｎ型
（Ａ　Ｑ　ｏ、ｌ５Ｇａｏ、ａ）ｏ、ＩＩｔ　Ｉ　ｎｏ
、ａｅ　Ｐクラッド層３．アンドープＧａＩｎＰ活性層
４ｍＰ型（Ａ　Ｑ　ｏ、５Ｇａｏ、＋りｏ、ｓｔ　Ｉ　
ｎｏ、ａｅＰクラッド層５．ｐ型ＧａＩｎＰエッチスト
ッパ層６．ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ電流阻止層７を設ける。

この時のｐ型りラッド層５の厚みはｎ−ＧａＡｓ電流阻
止層７により容易に光のとじ込めが可能な厚みにする。

次にホトレジストマスクにより既ｎ型ＧａＡｓ電流阻止
層７をストライプ状にエッチ除去する。その後、第２回
目の成長で、ｐ型（Ａ　Ｑ　ｏ、８Ｇａｏ、ａ）ｏ、＋
ｓｔ　Ｉ　ｎｏ、ｎｓ　Ｐクラッド層Ｌｏｏｐ型ＧａＩ
ｎＰバッファ層１１゜ｐ中型ＧａＡｓコンタクト層１２
を順次形成する。

この構造により電流はｎ型ＧａＡｓ電流阻止層によりブ
ロックされ、ストライプ部のみに注入され、光導波され
る。またｎ−ＧａＡｓ電流阻止層の一部の除去によるス
トライプ溝形状は活性層側からみて拡大する形状となる
ために、溝底部の幅（約５μｍ）が電流注入幅に一致す
る。これは従来法（約３μｍ）に比べて十分に広くとれ
るため、電流集中の度合いが小さく、素子抵抗を小さく
することができる。

〔作用〕

上述の本発明の構成を用いることにより、まず電流狭窄
効果については、機構は従来構造と同一であり、先導波
についてもｐ型 （Ａ　Ｑ　ｏ、６Ｇａｏ、ＩＩ）ｏ、ｒ＋ｔ　Ｉ　ｎｏ
、ａｅ　Ｐで挟まれたｐ型Ｇａ１ｎＰ層が、バルクでは
活性層の光を吸収することになるが、本発明でも膜厚を
準位が量子化し、その量子準位が活性層の発振エネルギ
ーよりも大きくなる厚みに規定してあり、光は吸収され
ず、第２回目で成長じたｐ型（Ａ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、
ｓ）ｏ、５ｚＩｎｏ、ａｅＰ　層に浸み出すこと、およ
び第１回目で成長するｐ型（Ａ　Ｑ　ｏ、５Ｇａｏ、２
１）ｏ、ＩＩｔ　Ｉ　ｎｏ、ａｅ　Ｐが十分に薄く、ス
トライブ領域以外ではｎ型ＧａＡｓ電流阻止層に光が吸
収されるため、横モードが制御された良好な半導体レー
ザが得られる６またｎ型ＧａＡｓ電流阻止層をエッチ除
去する時に、硫酸系のエツチング液を用いると、ｎ−Ｇ
ａＡｓとｐ−ＧａＩｎＰエッチストッパ層間の選択比が
１００倍以上とれるため、十分に精度良くストライプ幅
を制御できる。このため有機金属分解法等の厚み制御性
の良い結晶成長法を採用すれば、再現性良く良好なレー
ザ特性が得られる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

（実施例１）活性層の構成として単一層から成るダブル
ヘテロ構造半導体レーザを構成する場合。

第２図（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。

まずＳｉドープｎ　＝　Ｉ　Ｘ　Ｉ　０１８０１−３の
面方位（１００）Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１上にＳｅドープ
ＧａＡｓバッファ層２（ｎ　＝　２　Ｘ　１０”ｃｍ−
３，０，５μｍ）。

Ｓｅドープ（Ａ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、ｓ）ｏ、ＩＩｔ　
Ｉ　ｎｏ、ｎｓＰクラッド層３　（ｎ＝ＩＸ１０１８ｃ
ｍ″″δ、１μｍ）、アンドープＧａｏ、Ｉ！ｉ　Ｉ　
ｎｏ、ａｅＰ活性層４（３０〜８０ｎｍ）。

Ｚｎドープ（Ａ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、ｓ）ｏ、ＩＩｔ　
Ｉ　ｎｏ、ａｅＰクラッド層５（ｐ＝４Ｘ１０１７ａｎ
−３，０，３μｍ）、ＺｎドープＧａｏ、ｓｔ　Ｉ　ｎ
ｏ、４ｅＰエッチストッパ層６　（ｐ＝ｌＸ１０”ｃｍ
−３，４ｎｍ）、ＳｅドープＧａＡｓ電流阻止層７　（
ｎ＝２Ｘ１０”、１μｍ）を順次形成した［第２図（ａ
）］。しかる後ホトレジストマスク８により硫酸：過酸
化水素：水＝１：２：２０の比からなるＧａＡｓエツチ
ング液により３分３０秒エッチしストライプ溝９を形成
する［第２図（ｂ）］。溝底部の幅は測定の結果５μｍ
であった。この後レジスト８を除去し十分に洗浄した後
、再び成長炉内でｐ型（Ａ　Ｑ　ｏ、ＩＩＧａｏ、ｒ＋
）ｏ、ａｚＩ　ｎｏ、ａｏ　Ｐクラッド［１０（ｐ　＝
４　Ｘ　１０”ｓ＋″″３０．７ｕｍ）ｔ　ｐ型Ｇａｏ
、Ｂｉ　Ｉｎｏ、ｔｅＰ　バッファ層１１　（ｐ＝ＩＸ
１０”ｃｍ−”、０．１μｍ）Ｉ　Ｐ＋型Ｇ　ａ　Ａ　
ｓコンタクト層１２（ｐ＝２Ｘｌｏ”ｃｎ″″３３μｍ
）を順次形成した第２図（Ｃ）。

結晶成長には常圧有機金属熱分解法を用い、成長温度６
８０℃、活性層の■族■族比（Ｖ／ｍ比）を９０とした
。原料にはトリエチルガリウム（ＴｔＩ）、　トリエチ
ルガリウム（ＴＥＧ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥ
Ａ）、アルシン（ＡｓＨａ）、ホスフィン（ＰＨ３）、
ｎ型ドーパントとして水素化セレン（Ｈ２Ｓｅ）＋　Ｐ
型ドーパントとしてジメチル亜鉛（ＤＭＺ）を用いた。

このウェハにｐ型電極１３としてＴｉ−Ｐｔ−Ａｕをｎ
型電極１４としてＡｕＧｅ−Ｎｉ−Ａｕを蒸着法により
形成した。これをキャビティ長２５０μｒｎにへき関し
チップ状にして活性層厚７０ｎｍのレーザ特性を測定し
たところ、しきい値電流３５ｍＡで光出力９ｍＷ迄横基
本モードで発振した。次に活性層厚３０ｎｍのレーザ特
性を測定したところしきい値電流３０ｍＡで光出力２０
ｍＷ迄横基本モードで発振した。また各レーザ素子の素
子抵抗は従来素子の８〜１０Ω（オーム）に比べ５〜６
Ω（オーム）と、電流通過領域１５の幅が広い効果が出
ていることが明らかとなり、温度特性も１００℃を越え
るところ迄発振していることもまた明らかとむった。

（実施例２）活性層の構成として量子井戸層と量子障壁
層の多重量子井戸構造から成る場合について説明する。

実施例１におけるアンドープＧａｏ、５ｔ　Ｉ　ｎｏ、
番ｏＰ活性層の代わりに同様の有機金属熱分解法により
アンドープＧａｏ、ｓｔ　Ｉ　ｎｏ、ａｅＰ井戸層２１
（７ｎｍ）と（Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ　）ｏ、Ｉ！ｔ　Ｉ　ｎ
ｏ、４ｏＰ障壁層２２（５ｎｒｎ）を５周期繰返して多
重量子井戸活性層を形成し、以下同様の工程によりレー
ザチップを作製した。

レーザ素子の特性を測定したところ、しきい値電流２５
ｍＡで光出力３５ｍＷ迄横基本モードで発振した。

（実施例３）基板ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓの面方位を（１０
０）より傾角した場合、ｎ型ＧａＡｓ基板として（１０
０）面より（１１０＞方向に各々５゜１０°、１６°傾
角したものを用い、実施例１と同様の工程により成長層
を形成した。ここで活性層上のＰ型（Ａ　Ｑｏ、３Ｇａ
ｏ、ａ）ｏ、ａｔＩｎｏ、＋ｅＰを各々の基板について
測定したところ（１００）５°基板のもので６　Ｘ　１
０１７ａｎ−３，（１００）１０’基板のもので８Ｘ１
０１７国″″８、（１００）１６°基板のものでＩ　Ｘ
　１０　”ａｎ−’のホール濃度が得られた。これに伴
って、完成したレーザ素子の素子抵抗は各巻４〜５Ω、
３〜４Ω、２〜３Ωと基板の傾角が大きくなるに従い小
さくなる傾向がみられた。レーザ特性は実施例１のもの
と大差なく、活性層が７０ｎｍのものではしきい値電流
は３０〜４０ｍＡ、光出カフ〜８ｍＷ迄横木モードで発
振した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザの横基本モードを決定するｐ型
（Ａ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、ｓ）ｏ、ａｔ　Ｉ　ｎｏ、ａ
ｅＰクラッド層の厚み制御を結晶成長の厚み精度で形成
できること５レーザストライプ形戒に、選択比の大きな
エツチング液を採用できること、自己整合的な光導波路
構造を形成でき、かつ電流通過幅も広く出来るため、素
子抵抗も低減出来る等、レーザ特性イし の高性能嚢に多大なる効果を有するのみでなく、結晶成
長法として厚み制御性の良い有機金属熱分解法を用いれ
ば、素子性能のウェハ内バラツキや、ロット間バラツキ
の小さい、高歩留りの素子作製が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１回は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの素子
構造を示す断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の製
造工程を示す断面図である。 １−　ｎ型基板、３　・＝　ｎ型（Ａ　１１　ｏ、５Ｇ
ａｏ、ｓ）ｏ、＋１１１ｎｏ、ａｅＰクラッド層、４・
・・アンドープＧａｏ、ａｘ　Ｉ　ｎｏ、ｉｅＰ活性層
、５−ｐ型（Ａ　Ｑ　ｏ、ｙ＋Ｇ　ａｏ、５）ｏ、＋ｓ
ｔ　Ｉ　１１０．４９　Ｐクララド層、６・・・ｐ型Ｇ
ａｏ、６ｒ　Ｉ　ｎｏ、ａｅ　Ｐエッチストッパ層、７
−ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層、１０・・・ｐ型（Ａ　Ｑ　
ｏ、ｇＧａｏ、ｓ）ｏ、ａｔ　Ｉ　ｎｏ、ａｅ　Ｐクラ
ラド層、１１”’ｐ型Ｇａｏ、ＩＩｔＩｎｏ、４ｓＰバ
ッファ層、１２−ｐ＋型ＧａＡｓコンタクト層。 猶 区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１導電型クラッド層、活性層、第１の第２導電型
   クラッド層、第２導電型エッチストッパ層、第１導電型
   電流阻止層が順次形成されたダブルヘテロ接合と、上記
   エッチストッパ層に達するように上記電流阻止層に形成
   された溝と、上記電流阻止層及びエッチストッパ層上に
   形成された第２の第２導電型クラッド層と、該クラッド
   層上に形成された第２導電型バッファ層及び第２導電型
   コンタクト層を有する半導体レーザ素子。 ２、前記第２導電型エッチストッパ層および第２導電型
   バッファ層は前記第２導電型クラッド層よりもバンドギ
   ャップエネルギが小さく、前記第２導電型コンタクト層
   よりもバンドギャップエネルギーが大きい、少なくとも
   １種の半導体層を含むことを特徴とする特許請求範囲第
   １項記載の半導体レーザ素子。 ３、前記第２導電型がｐ型であることを特徴とする特許
   請求範囲第１項又は第２項記載の半導体レーザ素子。 ４、前記基板がＧａＡｓで、前記活性層が （Ａｌ＿ｘＧａ＿ｙ）Ｉｎ＿１＿＿ｘ＿＿ｙＰ（ｘ＜０
   ．２５）前記第２導電型クラッド層が （Ａｌ＿ｘＧａ＿ｙ）Ｉｎ＿１＿＿ｘ＿＿ｙＰ（ｙ＜０
   ．２５）であることを特徴とする特許請求範囲第１項、
   第２項又は第３項記載の半導体レーザ素子。 ５、半導体基板と第１導電型クラッド層、活性層、第１
   の第２導電型クラッド層、第２導電型エッチストッパ層
   、第１導電型電流阻止層を順次積層して成るダブルヘテ
   ロ接合構造部を形成し、該第１導電型電流阻止層のみを
   ストライプ状にエッチ除去した後に、第２の第２導電型
   クラッド層、第２導電型バッファ層、第２導電型コンタ
   クト層を順次該第２導電型エッチストッパ層および第１
   導電型電流阻止層上に形成することを特徴とする半導体
   レーザ素子の製造方法。 ６．半導体基板上に有機金属原料を用いる気相成長法（
   ＭＯＣＶＤ法）により前記各半導体層を形成する工程を
   含み、第１回目の成長と第２回目の成長の間に、前記第
   １導電型電流阻止層のストライプ状エッチ工程を含むこ
   とにより自己整合的に光導波路構造を造りつけることを
   特徴とする特許請求範囲第５項記載の半導体レーザ素子
   の製造方法。