JP2757578B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

半導体レーザおよびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、バーコードリーダー,
光ディスク等の光源に用いられる半導体レーザに関し、
特に発振波長680nm以下の可視光半導体レーザに関
する。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザは、光情報処理装置用の光
源として、利用されており、各種構造の半導体レーザが
提案されている。
【0003】従来の可視レーザの一例として、電子情報
通信学会研究会資料OQE88−10,P65に報告さ
れている。
【0004】上記の従来例の構造を図5に示す。この半
導体レーザは、n−GaAs基板(1)上にn−(Al
Y Ga1-Y 0.5In0.5 Pクラッド層(2),アンド
ープGa0.5 In0.5 P活性層(3),P−(AlY
1-Y 0.5 In0.5 Pクラッド層(4),n−GaA
s電流ブロック層(6)を順次積層し、n−GaAs電
流ブロック層(6)に真直な溝(7)を形成し、この上
にp−GaAsコンタクト層(8)を積層し、電極
(9),(10)を形成して半導体レーザが得られる。
【0005】従来例では、クラッド層組成y=0.7,
共振器長300μmにおいて、下記の表1のような特性
を有する。
【0006】
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一般に、半導体レーザ
は、消費電力を少なくするため発振しきい電流が低いこ
とが要求され、光利用効率を高めるため垂直放射角と水
平放射角の比が1に、すなわち円形ビームに近い方が良
く、使用光出力範囲を広くするため光出力のキンクレベ
ルが高い方が良く、放熱設計に余裕をもたせるため最高
CW発振温度が高い方が良い。
【0008】この従来の半導体レーザでは、発振しきい
電流の低減のため活性層厚とp−クラッド層厚を最適化
して65〜70mAの発振しきい電流を得ている。しか
し、表1に示すように活性層厚に対して、垂直放射角,
キンクレベル,最高CW発振温度が変化するため、従来
例の半導体レーザの特性は、実用上使い易い特性を持っ
ていないという問題点があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、垂直放射角,キンクレベル,最高CW発振温度が、
活性層を中心に構成されるダブルヘテロ構造に関係する
ことから、クラッド層に用いるAlGaInP型の結晶
の物性に注目し、n−クラッド層のバンドギャップをp
−クラッド層のバンドギャップより小さくし、非対称な
屈折率差を形成することにより、垂直放射角,キンクレ
ベルは、活性層厚0.06μmと同レベルの特性を、ま
た最高CW発振温度は、活性層厚0.1μmと同レベル
の特性を有する半導体レーザが得られる。
【0010】
【実施例】次に、本発明について、図面を参照して説明
する。図1は本発明の実施例のレーザ断面図である。ま
ず、有機金属気相成長法(MO−VPE法)により、成
長圧力76Torr,成長温度660℃にて1回目の結
晶成長を行う。この1回目の気相成長により、n−Ga
As基板(100)面(1)上にn−GaAs中間層
(12)を厚さ0.3μm,キャリア濃度1×1018
-3,n−(Al0.58Ga0.420.5 In0.5 Pクラッ
ド層(2)を厚さ1.0μm,キャリア濃度6×1017
cm-3,発光領域となるアンドープGa0.5 In0.5
活性層(3)を厚さ0.07μm,p−(Al0.6 Ga
0.4 0.5 In0.5 Pクラッド層(4)を厚さ0.8μ
m,キャリア濃度3〜5×1017cm-3,p−Ga0.5
In0.5 P又は、p−Al0.6 Ga0.4 Asバッファ層
(5)を厚さ0.1μm,キャリア濃度1×1018cm
-3,n−GaAs電流ブロック層(6)を厚さ0.6μ
m,キャリア濃度3×1018cm-3を順次積層する。ド
ーパントには、p型がZn、n型がSiを用いる。
【0011】次に、フォトレジスト法により[0−1
1]方向にp−バッファ層(5)に達するストライプ状
の溝(7)を形成する。この溝の幅は、p−バッファ層
(5)側で7μmとする。
【0012】続いて、2回目の結晶成長をMO−VPE
法により、常圧の成長圧力において、成長温度650℃
にて、p−GaAsコンタクト層(8)を厚さ4μm,
キャリア濃度2×1019cm-3を成長する。この後、電
極(9),(10)を形成して本発明に係る半導体レー
ザが構成される。
【0013】1回目の結晶成長条件の成長温度は、図2
に示すGaAs基板に格子整合するGaInPのバンド
ギャップの成長温度依存性において、バンドギャップが
極小となる温度以上で行なうものとする。このようなバ
ンドギャップの変化は、GaとInの配列の規則性によ
るものである。
【0014】本発明に係る結晶成長条件において(Al
Y Ga1-Y 0.5 In0.5 P結晶のバンドギャップは、
Al組成yに対し、y=0.5〜0.6の範囲では、y
=0.01あたり5meV程度変化する。また、p−ク
ラッド層は、p型ドーパントによらず、ドーピング量に
より結晶中の3族原子の配列状態が変化し、バンドギャ
ップの変化が生じる。AlGaInP系の結晶では、ド
ーピングが高くなるとバンドギャップは大きくなる。こ
のようなことから、本実施例におけるp−クラッド層と
n−クラッド層のバンドギャップ差は、30meV程度
ある。
【0015】
【発明の効果】以上、説明した実施例の構造を有する半
導体レーザの特性は、活性層厚0.07μm,共振器長
300μmにて、発振しきい電流70mA,垂直放射角
34°,キンクレベル9〜10mW,最高CW温度95
℃が得られた。
【0016】垂直放射角の改善は、p−クラッド層とn
−クラッド層のバンドギャップ差、すなわち、屈折率差
があるため、非対称導波路が構成されている。レーザ光
は、クラッド層に屈折率差があるため、p−クラッド層
よりもn−クラッド層に多く光がしみ出して、導波され
る。これにより、出射端面のレーザ光のニアフィールド
は、垂直方向に広がるため垂直放射角が小さくなり、図
3に示すように、従来例より約6°低減され34°にな
った。
【0017】キンクレベルの改善は、次のように説明で
きる。本発明のレーザは、利得導波型半導体レーザであ
るため、ストライプ部を中心とした光導波は、空間的ホ
ールバーニングという現象により維持されるが、これに
より生じた横方向屈折率差は、光出力の増加に伴い、プ
ラズマ効果による横方向屈折率差の減少をもたらし、横
モードのくずれ、すなわちキンクが発生する。横モード
の維持のため、活性層の光密度を低減すれば、キンク発
生光出力を高くすることが可能となる。従って、本発明
の半導体レーザは利得導波型であるため、横方向屈折率
差の操作は、電流注入窓口となる溝(7)の幅で、注入
電流の拡がりを操作すれば変わるが、発振しきい値への
影響が大きく困難であり、垂直方向の光閉じ込め低減す
るのが得策である。このため、クラッド層の屈折率差
(バンドギャップ)を非対称化すればキンクレベルの改
善ができ、実験の結果、図4の傾向が得られ、クラッド
層のバンドギャップ差25〜30meVでキンクレベル
は10mWと改善できた。
【0018】また、本発明の半導体レーザの信頼性とし
ては、50℃,5mWの定光出力通電で2万時間以上の
推定寿命が得られている。
【0019】上記のような特性は、図2に示すGaIn
Pのバンドギャップの成長温度依存性をもとに見た成長
温度として、620℃以上では得られるものの、620
℃以下では、満足な結果が得られなかった。これについ
ては、3族原子Al,Ga,Inの配列の規則性とドー
パントのZnとに関係すると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体レーザの断面図。
【図2】GaInPのバンドギャップの成長温度依存性
を示す図。
【図3】垂直放射角の活性層厚依存性を示す図。
【図4】p−クラッド層とn−クラッド層のバンドギャ
ップ差とキンクレベルの関係を示す図。
【図5】従来型の半導体レーザの断面図。
【符号の説明】
1 n−GaAs基板 12 n−GaAs中間層 2 n−(AlY Ga1-Y 0.5 In0.5 Pクラッド
層(0.5≦y≦1) 3 アンドープGa0.5 In0.5 P活性層 4 p−(AlY Ga1-Y 0.5 In0.5 Pクラッド
層 5 p−Ga0.5 In0.5 P又はp−AlZ Ga1-Z
Asバッファ層(0.4≦z≦1) 6 n−GaAs電流ブロック層 7 溝 8 p−GaAsコンタクト層 9,10 電極

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型GaAs基板上に、n型(Aly
    1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層、
    前記n型(AlyGa1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦
    1)クラッド層よりもバンドギャップの小さいGa 0.5
    In 0.5 P活性層、前記n型(AlyGa1-y0.5In
    0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層よりもバンドギャ
    ップが25〜30meV大きいp型(AlyGa1-y
    0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層を順次積層
    して成るダブルヘテロ構造を有し、前記p型(Aly
    1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層に
    隣接してp型Ga0.5In0.5Pバッファ層を備え、前記
    p型バッファ層に隣接して、真直な溝を有するn型Ga
    As層を備え、前記n型GaAs層に隣接してp型Ga
    Asコンタクト層を備えたことを特徴とする半導体レー
    ザ。
  2. 【請求項2】 n型GaAs基板上に、n型(Aly
    1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層、
    前記n型(AlyGa1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦
    1)クラッド層よりもバンドギャップの小さいGa 0.5
    In 0.5 P活性層、前記n型(AlyGa1-y0.5In
    0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層よりもバンドギャ
    ップが25〜30meV大きいp型(AlyGa1-y
    0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層を順次積層
    して成るダブルヘテロ構造を有し、前記p型(Aly
    1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層に
    隣接してAl 0.6 Ga 0.4 Asバッファ層を備え、前記p
    型バッファ層に隣接して、真直な溝を有するn型GaA
    s層を備え、前記n型GaAs層に隣接してp型GaA
    sコンタクト層を備えたことを特徴とする半導体レー
    ザ。
  3. 【請求項3】 n型GaAs基板上に、n型(Aly
    1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層、
    前記n型(AlyGa1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦
    1)クラッド層よりもバンドギャップの小さいGa 0.5
    In 0.5 P活性層、前記n型(AlyGa1-y0.5In
    0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層よりもバンドギャ
    ップが25〜30meV大きいp型(AlyGa1-y
    0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層、p型Ga
    0.5In0.5Pバッファ層、n型GaAs電流ブロック層
    を、有機金属気相成長法により、GaAs基板に格子整
    合するGaInPの成長温度に依存するバンドギャップ
    が極小となる温度以上の成長温度にて順次積層する工程
    と、前記n型GaAs電流ブロック層に溝を形成する工
    程と、前記溝を埋めて前記n型GaAs電流ブロック層
    上にGaAsコンタクト層を形成する工程と、前記Ga
    Asコンタクト層及びGaAs基板にそれぞれ電極を形
    成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする半導
    体レーザの製造方法。
  4. 【請求項4】 n型GaAs基板上に、n型(Aly
    1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層、
    前記n型(AlyGa1-y0.5In0.5P(0.5≦y≦
    1)クラッド層よりもバンドギャップの小さいGa 0.5
    In 0.5 P活性層、前記n型(AlyGa1-y0.5In
    0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層よりもバンドギャ
    ップが25〜30meV大きいp型(AlyGa1-y
    0.5In0.5P(0.5≦y≦1)クラッド層、Al 0.6
    Ga 0.4 Asバッファ層、n型GaAs電流ブロック層
    を、有機金属気相成長法により、GaAs基板に格子整
    合するGaInPの成長温度に依存するバンドギャップ
    が極小となる温度以上の成長温度にて順次積層する工程
    と、前記n型GaAs電流ブロック層に溝を形成する工
    程と、前記溝を埋めて前記n型GaAs電流ブロック層
    上にGaAsコンタクト層を形成する工程と、前記Ga
    Asコンタクト層及びGaAs基板にそれぞれ電極を形
    成する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする半導
    体レーザの製造方法。
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