JP3246148B2 - 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Info
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Description
横モード性に優れた半導体レーザおよびその製造方法に
関するものである。
る半導体レーザは、レーザ・ビーム・プリンターや光デ
ィスク等の光情報処理用光源などの用途があり、最近そ
の重要性を増している。中でも、(AlxGa1-x)0.5
In0.5P系の材料は、良質の基板であるGaAsに格
子整合し、組成xを変化させることで波長0.69μm
から0.56μmの範囲でレーザ発振を得ることができ
るため注目されている。
ロ構造の横モード制御型の赤色領域に発振波長を有する
半導体レーザについて説明する。この半導体レーザは、
n−GaAs基板1上にn−GaAsバッファ層2、n
−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層3、Ga
0.5In0.5P活性層4、p− (Al0.6Ga0.4)0. 5I
n0.5Pクラッド層5、p−Ga0.5In0.5P層6、n
−GaAs電流狭窄層8、p−GaAsコンタクト層9
を備えている。そのコンタクト層9上にはp側電極10
が、基板1の裏面にはn側電極11が形成されている。
法(MOVPE法)などの結晶成長技術が用いられる。
これらの結晶成長技術を用いて、n−GaAs基板1上
にn−GaAsバッファ層2、n−(Al0.6Ga0.4)
0.5In0.5Pクラッド層3、Ga0.5In0.5P活性層
4、p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5
およびp−Ga0.5In0.5P層6を順次堆積する。次に
ホトリソグラフィー技術とエッチング技術により、p−
Ga0.5In0.5P層6とp−(Al0.6Ga0.4) 0.5I
n0.5Pクラッド層5の一部とを台形状にエッチングし
てストライプ状リッジをクラッド層5に形成する。その
後MOVPE法などを用いてn−GaAs電流狭窄層8
をストライプの外部に選択的に堆積し、さらにp−Ga
Asコンタクト層9を堆積する。
GaAs電流狭窄層8により電流の狭窄を行うことがで
き、またp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド
層5を台形上にエッチングする際に、ストライプ状リッ
ジの外部のクラッド層5の厚さ及びストライプ状リッジ
の幅を最適化することにより、単一横モードの条件を満
足する実効屈折率差を台形状のストライプの内外でつけ
ることができ、活性層4のうち、クラッド層5のストラ
イプ状リッジ下部に光を効果的に閉じこめることができ
る。ストライプの幅は典型的には約5μmである。
モード化する傾向がある。このため、光ディスク等に用
いた場合、雑音の原因となる。雑音には、戻り光誘起雑
音、モードホッピング雑音等がある。
れたレーザ光が、レンズ、光ディスク等によって反射
し、半導体レーザの共振器内に戻るために発生する雑音
である。単一縦モードの半導体レーザでは可干渉性が強
く、レンズ、光ディスク面等の反射面位置や反射された
光の強度によって光出力の変動、スペクトルの変動(モ
ードホッピング)が生じ、雑音となる。
ザの環境温度が変化する時に発生する。温度の変化に伴
い、縦モードが次のモードに飛び移る時、すなわちモー
ドホッピングする時に縦モード間で交互にランダムな発
振を繰り返すことや、縦モード間で光出力レベルが異な
り光出力が変動することの両方から雑音が生じる。
クに応用した場合、音質や画質を損なうために実用上、
問題となる。
提案されている(特開昭62−39084号公報)。こ
の半導体レーザは図17に示すように、n−GaAs基
板201、内部電流狭窄層203、バッファー層20
4、n−クラッド層205、活性層206、p−クラッ
ド層207、p−GaAs層208、p電極209、n
電極210から成る。この半導体レーザを構成する材料
は、AlGaAsである。共振器端面付近のB領域では
図17(c)のような屈曲した導波構造となっている。
これに対し、中央付近のA領域ではストライプ幅の広い
構造となっている。電流は内部電流狭窄層203によっ
て活性層206の所望の領域に注入されるようになって
いる。共振器長は約300μm、B領域の長さは約30
μm、幅は約2.5μm、A領域の長さは約240μ
m、幅は約8μmとなっている。
し、そのことによって雑音特性を向上させる試みであ
る。
す従来例の構造のように、n−GaAs基板201側に
内部電流狭窄層を設けた場合、電子の移動度が大きいこ
とにより電流が各層に水平方向に広がりすぎ、電流を所
望の活性層領域に注入することが困難となる。そのため
に、横モードが不安定になったり、半導体レーザの駆動
電流が上昇したりといった問題が生じる。
クラッド層207側に設けたとする。この場合、p−ク
ラッド層207と、その上に電極を設けるためにp−ク
ラッド層207の上に設けたp−GaAs層208の間
の、正孔に対するヘテロ障壁が大きいために、A領域に
おいてp電極209から注入された正孔が広がりすぎ、
半導体レーザの駆動電流が上昇したり、環境温度の変動
に伴い注入された正孔の広がり方が変動したりするとい
った問題が生じる。特に、AlGaInP系の材料に図
17に示すような構造を用いた場合、価電子帯のヘテロ
障壁がAlGaAs系よりもさらに大きいために、その
影響が大きくなる。例えば、670nm帯に発振波長を
持つ赤色半導体レーザでは、注入された正孔が各層に水
平方向に50μm近くも広がってしまい、駆動電流を上
昇させ、実用的ではない。
イプ幅の広い中央付近のA領域が存在するために、横モ
ードの安定な光出力が低くなる恐れが生じる。
し、雑音の低く、横モードの安定な半導体レーザおよび
その製造方法を提供することである。
は、半導体基板と、該半導体基板上に形成され、活性層
と、該活性層を挟む一対のクラッド層と、該活性層のス
トライプ状所定領域に電流を注入するための電流狭窄層
とを有する積層構造とを備えた半導体レーザであって、
該電流狭窄層は、該活性層の該所定領域に対応する領域
以外の領域に形成された第1の電流狭窄層を備えてお
り、該電流狭窄層は、該活性層の禁制帯幅よりも大きい
禁制帯幅を有し、かつ該活性層よりも小さな屈折率を有
しているおり、そのことにより、上記目的が達成され
る。
うち、前記活性層よりも上方に位置するクラッド層は、
該半導体レーザの共振器方向に沿って延びるストライプ
状リッジを有しており、前記第1の電流狭窄層は、該ス
トライプ状リッジを有する該クラッド層上において、該
ストライプ状リッジ以外の領域を覆っている。
第1の電流狭窄層上に設けられた第2電流狭窄層を更に
具備しており、該第2の電流狭窄層は、前記活性層の禁
制帯幅よりも小さな禁制帯幅を有している。
Asから形成されており、前記活性層は、GaInPか
ら形成されており、前記一対のクラッド層は、AlGa
InPから形成されており、前記第1の電流狭窄層がA
lGaAs若しくはAlGaInP、前記第2の電流狭
窄層がGaAsから形成されている。
井戸構造または歪量子井戸構造を有している。
体基板上に積層構造を形成する工程を包含する半導体レ
ーザを製造する方法であって、該工程は、更に、第1ク
ラッド層を形成する工程と、該第1クラッド層上に活性
層を形成する工程と、該活性層上に第2クラッド層とな
る膜を形成する工程と、該膜の一部を選択的にエッチン
グすることにより、該半導体レーザの共振器方向に延び
るストライプ状リッジを該膜に形成して、それによって
第2クラッド層を形成する工程と、該第2クラッド層の
うち該ストライプ状リッジ部以外の部分の上に、該活性
層よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の小さな第1
の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層上に、
該活性層よりも小さな禁制帯幅を有している第2の半導
体層を形成する工程と、を包含しており、そのことによ
り上記目的を達成される。。
半導体基板上に積層構造を形成する工程を包含する半導
体レーザを製造する方法であって、該工程は、更に、第
1クラッド層を形成する工程と、該第1クラッド層上に
活性層を形成する工程と、該活性層上に第2クラッド層
となる膜を形成する工程と、該第2クラッド上に該活性
層よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の小さな第1
の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層上に、
該活性層よりも小さな禁制帯幅を有している第2の半導
体層を形成する工程と、該第1の半導体層と該第2の半
導体層とをストライプ状にリセス・エッチングして除去
する工程と、更にその上に第3クラッド層となる膜を形
成する工程と、を包含しており、そのことにより上記目
的を達成できる。
導体基板上に形成され、活性層と、該活性層を挟む一対
のクラッド層と、該活性層のストライプ状所定領域に電
流を注入するための電流狭窄層とを有する積層構造とを
備えた半導体レーザであって、該電流狭窄層は、該活性
層の該所定領域に対応する領域以外の領域に形成された
第1の電流狭窄層を備えており、該電流狭窄層は、該活
性層の禁制帯幅よりも大きい禁制帯幅を有し、かつ該活
性層よりも小さな屈折率を有しているおり、そのことに
より、ストライプ状リッジの外部に漏れる光が増え、セ
ルフ・パルセーションを起こし、その結果縦モードが多
モード化して相対雑音強度(RIN)を低くすることが
できる。
のクラッド層のうち、前記活性層よりも上方に位置する
クラッド層は、該半導体レーザの共振器方向に沿って延
びるストライプ状リッジを有しており、前記第1の電流
狭窄層は、該ストライプ状リッジを有する該クラッド層
上において、該ストライプ状リッジ以外の領域を覆って
おり、該活性層の所望の部分に効率よくキャリアを注入
できる。
狭窄層は、前記第1の電流狭窄層上に設けられた第2の
電流狭窄層を更に具備しており、該第2の電流狭窄層
は、前記活性層の禁制帯幅よりも小さな禁制帯幅を有し
ており、単一横モードでのレーザ発振を可能たらしめて
いる。
体基板は、GaAsから形成されており、前記活性層
は、GaInPから形成されており、前記一対のクラッ
ド層は、AlGaInPから形成されており、前記第1
の電流狭窄層がAlGaAs若しくはAlGaInP、
前記第2の電流狭窄層がGaAsから形成されているた
め、RINが低く、且つ横モード安定性の高い半導体レ
ーザを得ることができる。
層が多重量子井戸構造または歪量子井戸構造を有してお
り、発振効率を上げることができ、しきい値電流を低減
できる。
ば、半導体基板上に積層構造を形成する工程を包含する
半導体レーザを製造する方法であって、該工程は、更
に、第1クラッド層を形成する工程と、該第1クラッド
層上に活性層を形成する工程と、該活性層上に第2クラ
ッド層となる膜を形成する工程と、該膜の一部を選択的
にエッチングすることにより、該半導体レーザの共振器
方向に延びるストライプ状リッジを該膜に形成して、そ
れによって第2クラッド層を形成する工程と、該第2ク
ラッド層のうち該ストライプ状リッジ部以外の部分の上
に、該活性層よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の
小さな第1の半導体層を形成する工程と、該第1の半導
体層上に、該活性層よりも小さな禁制帯幅を有している
第2の半導体層を形成する工程とを包含しており、その
ことによりRINが低く、横モード安定性の高い半導体
レーザを歩留まりよく作製することができる。
は、半導体基板上に積層構造を形成する工程を包含する
半導体レーザを製造する方法であって、該工程は、更
に、第1クラッド層を形成する工程と、該第1クラッド
層上に活性層を形成する工程と、該活性層上に第2クラ
ッド層となる膜を形成する工程と、該第2クラッド上に
該活性層よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の小さ
な第1の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層
上に、該活性層よりも小さな禁制帯幅を有している第2
の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層と該第
2の半導体層とをストライプ状にリセス・エッチングし
て除去する工程と、更にその上に第3クラッド層となる
膜を形成する工程とを包含しており、そのことによりR
INが低く、横モード安定性の高い半導体レーザを歩留
まりよく作製することができる。
がら説明する。
型の赤色半導体レーザの断面図を示す。
例えばn−GaAs基板1上にn−GaAsバッファ層
2を介してGa0.5In0.5P活性層4(厚さ600Å)
をn−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層3お
よびp−(Al0.6Ga0.4) 0.5In0.5Pクラッド層5
で挟むダブルヘテロ構造を有している。p−(Al0. 6
Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5(屈折率3.33
7)の上部には、p−Ga0.5In0.5P層6(厚さ0.
1μm)を有し、p−Ga0.5In0.5P層6およびp−
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5の一部
は、台形状のストライプ状リッジに加工されている。ク
ラッド層5においてストライプ状リッジの部分の厚さは
1μm、ストライプ状リッジ部分以外の部分の厚さは
0.25μmである。p−GaAsコンタクト層9側に
はp側電極10がn−GaAs基板1側にはn側電極1
1が設けてある。
0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5の上には、0.
1μmのn−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7と0.5
μmのn−GaAs電流狭窄層8が堆積されている。n
−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7とn−GaAs電流
狭窄層8は、活性層4の所望の領域にキャリアを注入す
る働きとともに、半導体レーザの横モード制御の働きも
具備する。本発明のn−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層
7の禁制帯幅は約2eVで活性層の禁制帯幅より大き
く、屈折率は3.38である。n−GaAs電流狭窄層
8の禁制帯幅は活性層4のそれよりも小さく、キャリア
の再結合で発生した光の一部はn−GaAs電流狭窄層
8によって吸収される。ストライプ状リッジの幅が約5
μmでは、1次モード以上の高次の横モードに対する光
の吸収量が大きく、導波損失が大きくなるために単一横
モードでの発振を可能たらしめる。
ラッド層5側に設けてある。もし仮にn−クラッド層側
に設けてあるとする。この場合、n−クラッド層の多数
キャリアである電子の移動度は大きいために、電流狭窄
層を通過した電子は容易に各層と水平方向に広がってし
まい、電流狭窄としての効果が薄れ、駆動電流の上昇、
横モードの不安定化といった問題が生じる。
と高次の横モードとの利得の差が十分得られるような幅
となっており、半導体レーザの単一横モード発振を可能
としている。ストライプ状リッジの外部、すなわち電流
狭窄層7の下のp−(Al0. 6Ga0.4)0.5In0.5Pク
ラッド層5の厚さは共振器方向で均一となっており、厚
さは0.25μmである。この厚さが厚いと、ストライ
プ状リッジの外部に漏れ出すキャリアが増大し、駆動電
流が上昇して信頼性の低下につながったり、高次のモー
ドが発振しやすくなって横モードが不安定となったりす
る。
状は台形であるが、この断面形状は長方形であってもよ
い。
16の従来構造の半導体レーザのストライプ状リッジ近
傍の光の分布を示したものである。実線の従来構造に比
べ、本発明の半導体レーザではストライプ状リッジの外
部への光のしみだしが多くなっている。これは図3に示
す横方向の実効屈折率分布において、本発明の半導体レ
ーザのストライプ状リッジ内外での実効屈折率差が、従
来構造のそれに比べて小さく、光の閉じ込めが小さくな
っているためである。ストライプ状リッジの外部にしみ
だした光は、この領域に利得が存在しないためにセルフ
・パルセーション(自励発振)が起こり、縦モードが多
モード化する。その結果、RINを−135dB/Hz
以下にまで下げることができる。本発明のような2層の
電流狭窄層が存在しない構造、すなわち図16に示す従
来構造ではRINは約−120dB/Hzである。
として、図16に示す従来構造において、n−GaAs
電流狭窄層8下のp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P
クラッド層5の厚さを厚くし、ストライプの外部に漏れ
出す光を増加させるという方法も考えられる。しかし、
この場合、基本横モードと高次の横モードとのしきい値
利得の差を十分大きくとることができず、横モードが不
安定となる恐れが生じて実用的ではない。また、ストラ
イプの外部に漏れ出すキャリアも増大し、駆動電流の増
大も招いて信頼性を低下させる恐れも生じる。
体レーザでは光強度のピークの高さが従来構造のピーク
の高さに比べ小さくなっている。これにより、空間的ホ
ールバーニングに起因する横モードの不安定さも低減で
き、半導体レーザの電流−光出力特性におけるキンクの
発生を抑制できるという効果も生じる。
7の厚さを変えた時のしきい値利得の変化を示す。厚さ
が0(横軸の0の位置)の時は図16の従来構造の場合
である。m=0が基本横モードで、m=1が1次モード
である。図4ではミラー損失を34cm-1、フリーキャ
リア損失を5cm-1としている。従来構造に比べn−A
l0.5Ga0.5As電流狭窄層7を有する構造では基本モ
ードと1次モードとのしきい値利得の差が大きくなって
おり、本発明の方が従来構造よりも基本横モードの安定
性が高いことがわかる。n−Al0.5Ga0.5As電流狭
窄層7が厚いほど、しきい値利得の差は大きくなってい
くが、厚くなりすぎると基本モードに対するしきい値利
得が増大し、レーザ発振を困難にしたり、発振しても外
部微分量子効率を低下させて駆動電流が上昇したりす
る。図1の実施例の材料の構成ではn−Al0.5Ga0.5
As電流狭窄層7の厚さは0.3μm以下が望ましい。
しかし、この厚さは半導体レーザを構成する各層の屈折
率やレーザ光に対する吸収係数等で変わってくる。ま
た、電流狭窄層の材料によっても変化する。
よって変わってくるが、半導体レーザが、活性層のスト
ライプ状所定領域に電流を注入するための2層の電流狭
窄層とを有し、第1の電流狭窄層が、活性層の禁制帯幅
よりも大きい禁制帯幅を有し、かつ該活性層よりも小さ
な屈折率を有しており、第1の電流狭窄層の上に設けら
れた第2の電流狭窄層が活性層の禁制帯幅よりも小さな
禁制帯幅を有するような構成とすれば、セルフ・パルセ
ーションを起こし、縦モードが多モード化してRINを
下げることができる。
としたが、活性層に近い方の第1の電流狭窄層すなわち
n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7が活性層のストラ
イプ状所定領域に電流を注入する能力が十分であるなら
ば、前記第2電流狭窄層すなわちn−GaAs電流狭窄
層8はストライプ状リッジの形状を有するクラッド層と
同じ伝導型でも構わず、p型伝導としてもよい。即ち図
18に示すような構造でも構わない。
5から図9を用いて説明する。まず、MOVPE法など
の結晶成長方法を用いて、n−GaAs基板1上にn−
GaAsバッファ層2、n−(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5Pクラッド層3、Ga0. 5In0.5P活性層4、p
−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5、p−
Ga0.5In0.5P層6をエピタキシャル成長する(図
5)。熱CVDによってSiO2101をp−Ga0.5I
n0.5P層6上に堆積させた後、ホトリソグラフィー技
術とエッチング技術を用いて、SiO2101をストラ
イプ状に加工し、SiO2101をエッチングマスクと
してp−Ga0.5In0.5P層6とp−(Al0 .6G
a0.4)0.5In0.5Pクラッド層5の一部をエッチング
する(図6)。SiO2101の幅は約5μmである。
そして、MOVPE法の選択成長技術を用いて、電流ブ
ロック層としてn−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7と
n−GaAs電流狭窄層8をSiO2101上に堆積さ
せることなく、ストライプの両脇のp−(Al0.6Ga
0.4)0.5In0.5Pクラッド層5上に結晶成長させる
(図7)。その後、SiO2101を除去し、p−Ga
Asコンタクト層9を結晶成長させる(図8)。最後に
p−GaAsコンタクト層9上にCr/Pt/Auを堆
積してp側電極10とし、n−GaAs基板1上にAu
/Ge/Niを堆積してn側電極11とする(図9)。
n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7下のp−(Al
0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5の厚さは0.2
5μmである。
うな横モード制御型の赤色半導体レーザを作製すること
ができる。
電流狭窄層7とn−GaAs電流狭窄層8は、MOVP
E法等の選択成長技術を用いて堆積するのが望ましい。
n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7の厚さは半導体レ
ーザの横モード安定性や雑音特性を決定する重要な要素
であり、エッチング等ではなく、膜厚の制御性に優れた
結晶成長によって作製する必要がある。また、n−Al
0.5Ga0.5As電流狭窄層7はAlを含むためAlの酸
化物を形成しやすく、信頼性の低下を招くことから、大
気中に曝すことはさける必要がある。そのために、n−
Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7とn−GaAs電流狭
窄層8は連続して堆積することが望ましい。
Nの低い半導体レーザを歩留まりよく作製することが可
能である。、をSiO2101上に堆積させることな
く、ストライプの両脇のp−(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5Pクラッド層5上に結晶成長させる(図7)上記
実施例では半導体レーザを構成する材料を指定したが、
クラッド層が(AlyGa1-y)0.5In0.5P、活性層が
(AlzGa1-z)0.5In0.5P(ここで、0≦z≦y≦
1)の場合でも、RINの低い半導体レーザを容易に作
製することができる。活性層に多重量子井戸、歪多重量
子井戸を用いた場合、単一縦モード性が強く、雑音特性
が悪化しがちであるが、本発明半導体レーザによればR
INの低い半導体レーザを得ることができる。
Pを用いた半導体レーザについて説明したが、他の材料
でも本発明の効果が大きいことは言うまでもない。III-
V族の半導体レーザのみならず、II-VI族の材料から成る
半導体レーザでも、半導体レーザが電流狭窄層として活
性層より禁制帯幅が大きい層を少なくとも1層有し、そ
の上に活性層よりも禁制帯幅の小さな層を有する構造と
することにより、RINの低い半導体レーザを得ること
ができる。
よる他の半導体レーザを説明する。
上にn−GaAsバッファ層2を介してGa0.5In0.5
P活性層4(厚さ600Å)をn−(Al0.6Ga0.4)
0.5In0.5Pクラッド層3およびp−(Al0.6G
a0.4)0.5In0.5Pクラッド層5で挟むダブルヘテロ
構造を有している。p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5
Pクラッド層5の上部には、p−Ga0.5In0.5Pエッ
チング停止層301(厚さ0.01μm)を有し、p−
Ga0.5In0.5Pエッチング停止層301の上部にはn
−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7およびn−GaAs
電流狭窄層8が堆積されている。Ga0.5In0.5P活性
層4のストライプ状の所定領域にキャリアを注入するた
めに、n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7およびn−
GaAs電流狭窄層8はストライプ状の開口部が存在す
る。ストライプ状に露出したp−Ga 0.5In0.5Pエッ
チング停止層301およびn−GaAs電流狭窄層8の
上部には第2のp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pク
ラッド層302が堆積され、さらにその上部にはp−G
a0.5In0.5P層6、p−GaAsコンタクト層9が堆
積されている。p−GaAsコンタクト層9の上にはp
側電極10が、n−GaAs基板1側にはn側電極11
が設けてある。
−GaAs電流狭窄層8は、活性層4の所望の領域にキ
ャリアを注入する働きとともに、半導体レーザの横モー
ド制御の働きも具備する。本発明のn−Al0.5Ga0.5
As電流狭窄層7の禁制帯幅は約2eVで活性層の禁制
帯幅より大きく、屈折率は3.38である。n−GaA
s電流狭窄層8の禁制帯幅は活性層4のそれよりも小さ
く、キャリアの再結合で発生した光の一部はn−GaA
s電流狭窄層8によって吸収される。ストライプの幅
は、基本横モードと高次の横モードとの利得の差が十分
得られるような幅となっており、半導体レーザの単一横
モード発振を可能としている。開口したストライプの幅
が約5μmでは、基本モードに比べ、1次モード以上の
高次の横モードに対する光の吸収量が大きく、導波損失
が十分大きくなるために単一横モードでの発振を可能た
らしめる。
ラッド層5側に設けてある。もし仮にn−クラッド層側
に設けてあるとする。この場合、n−クラッド層の多数
キャリアである電子の移動度は大きいために、電流狭窄
層を通過した電子は容易に各層と水平方向に広がってし
まい、電流狭窄としての効果が薄れ、駆動電流の上昇、
横モードの不安定化といった問題が生じる。
の下のp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層
5の厚さは0.25μmである。この厚さが厚いと、ス
トライプの外部に漏れ出すキャリアが増大し、駆動電流
が上昇して信頼性の低下につながったり、高次のモード
が発振しやすくなって横モードが不安定となったりす
る。
と、図16の従来構造の半導体レーザのストライプ状リ
ッジ近傍の光の分布を示したものである。実線の従来構
造に比べ、本発明の半導体レーザではストライプ状リッ
ジの外部への光のしみだしが多くなっている。これは本
発明の半導体レーザのストライプ状リッジ内外での実効
屈折率差が、従来構造のそれに比べて小さく、光の閉じ
込めが小さくなっているためである。ストライプ状リッ
ジの外部にしみだした光は、この領域に利得が存在しな
いためにセルフ・パルセーションが起こり、縦モードが
多モード化する。その結果、RINを−135dB/H
z以下にまで下げることができる。本発明のような2層
の電流狭窄層が存在しない構造、すなわち図16に示す
従来構造ではRINは約−120dB/Hzである。
導体レーザでは光強度のピークの高さが従来構造のピー
クの高さに比べ小さくなっている。これにより、空間的
ホールバーニングに起因する横モードの不安定さも低減
でき、半導体レーザの電流−光出力特性におけるキンク
の発生を抑制できるという効果も生じる。
よって変わってくるが、半導体レーザが、活性層のスト
ライプ状所定領域に電流を注入するための2層の電流狭
窄層とを有し、第1の電流狭窄層が、活性層の禁制帯幅
よりも大きい禁制帯幅を有し、かつ該活性層よりも小さ
な屈折率を有しており、第1の電流狭窄層の上に設けら
れた第2の電流狭窄層が、活性層の禁制帯幅よりも小さ
な禁制帯幅を有するような構成とすれば、セルフ・パル
セーションを起こし、縦モードが多モード化してRIN
を下げることができる。
層としたが、活性層に近い方の第1電流狭窄層すなわち
n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7が活性層のストラ
イプ状所定領域に電流を注入する能力が十分であるなら
ば、前記第2電流狭窄層すなわちn−GaAs電流狭窄
層8はストライプ状リッジの形状を有するクラッド層と
同じ伝導型でも構わず、p型伝導としてもよい。
12から図15を用いて説明する。まず、MOVPE法
などの結晶成長方法を用いて、n−GaAs基板1上に
n−GaAsバッファ層2、n−(Al0.6Ga0.4)
0.5In0.5Pクラッド層3、Ga0.5In0.5P活性層
4、p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層
5、p−Ga0.5In0.5Pエッチング停止層301、n
−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7、n−GaAs電流
狭窄層8をエピタキシャル成長する(図12)。熱CV
DによってSiO2101をn−GaAs電流狭窄層8
上に堆積させた後、ホトリソグラフィー技術とエッチン
グ技術を用いて、SiO2101をストライプ状にエッ
チングし、SiO2101をエッチングマスクとしてn
−GaAs電流狭窄層8およびn−Al0.5Ga0.5As
電流狭窄層7をエッチングし、p−Ga 0.5In0.5Pエ
ッチング停止層301をストライプ状に露出させる(図
13)。エッチングのよって作製されたストライプの幅
は約5μmである。そして、MOVPE法の選択成長技
術を用いて、ストライプ状に露出したp−Ga0.5In
0.5Pエッチング停止層301およびn−GaAs電流
狭窄層8の上部には第2のp−(Al0.6Ga0.4)0.5
In0.5Pクラッド層302、p−Ga0.5In0.5P層
6が堆積され、さらにその上部にはp−GaAsコンタ
クト層9を結晶成長させる(図14)。最後にp−Ga
Asコンタクト層9上にCr/Pt/Auを堆積してp
側電極10とし、n−GaAs基板1上にAu/Ge/
Niを堆積してn側電極11とする(図15)。n−A
l0.5Ga0.5As電流狭窄層7下のp−(Al0.6Ga
0.4)0.5In0.5Pクラッド層5の厚さは0.25μm
である。
ような横モード制御型の赤色半導体レーザを作製するこ
とができる。
電流狭窄層7とn−GaAs電流狭窄層8は、MOVP
E法等の結晶成長技術を用いて堆積するのが望ましい。
それは、n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7の厚さが
半導体レーザの雑音特性や横モード安定性を決定する重
要な要素であり、エッチング等ではなく、膜厚の制御性
に優れた結晶成長によって作製する必要がある。また、
n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層7はAlを含むため
Alの酸化物を形成しやすく、信頼性の低下を招くこと
から、大気中に曝すことはさける必要がある。そのため
に、n−Al0. 5Ga0.5As電流狭窄層7とn−GaA
s電流狭窄層8は連続して堆積することが望ましい。
Nの低い半導体レーザを歩留まりよく作製することが可
能である。
料を指定したが、クラッド層が(AlyGa1-y)0.5I
n0.5P、活性層が(AlzGa1-z)0.5In0.5P(こ
こで、0≦z≦y≦1)の場合でも、RINの低い半導
体レーザを容易に作製することができる。活性層に多重
量子井戸、歪多重量子井戸を用いた場合、単一縦モード
性が強く、雑音特性が悪化しがちであるが、本発明半導
体レーザによればRINの低い半導体レーザを得ること
ができる。
Pを用いた半導体レーザについて説明したが、他の材料
でも本発明の効果が大きいことは言うまでもない。III-
V族の半導体レーザのみならず、II-VI族の材料から成る
半導体レーザでも、半導体レーザが電流狭窄層として活
性層より禁制帯幅が大きい層を少なくとも1層有し、そ
の上に活性層よりも禁制帯幅の小さな層を有する構造と
することにより、RINの低い半導体レーザを得ること
ができる。例えば、AlGaAs系を材料とする半導体
レーザにおいては図19に示すような構造とすればよ
い。
層と、該活性層を挟む一対のクラッド層と、該活性層の
ストライプ状所定領域に電流を注入するための電流狭窄
層とを有する積層構造とを備えた半導体レーザであっ
て、該電流狭窄層は、該活性層の該所定領域に対応する
領域以外の領域に形成された第1の電流狭窄層を備えて
おり、該電流狭窄層は、該活性層の禁制帯幅よりも大き
い禁制帯幅を有し、かつ該活性層よりも小さな屈折率を
有しているおり、そのことにより、ストライプ状リッジ
内外の実効屈折率差を小さくできてストライプ状リッジ
の外部に漏れる光が増え、セルフ・パルセーションを起
こし、その結果縦モードが多モード化して相対雑音強度
(RIN)を低くすることができる。
上方に位置するクラッド層は、該半導体レーザの共振器
方向に沿って延びるストライプ状リッジを有しており、
前記第1の電流狭窄層は、該ストライプ状リッジを有す
る該クラッド層上において、該ストライプ状リッジ以外
の領域を覆っており、該活性層の所望の部分に効率よく
キャリアを注入できる。
けられた第2の電流狭窄層を更に具備しており、該第2
の電流狭窄層は、前記活性層の禁制帯幅よりも小さな禁
制帯幅を有しており、単一横モードでのレーザ発振を可
能たらしめている。
り、前記活性層は、GaInPから形成されており、前
記一対のクラッド層は、AlGaInPから形成されて
おり、前記第1の電流狭窄層がAlGaAs若しくはA
lGaInP、前記第2の電流狭窄層がGaAsから形
成されているため、RINが低く、且つ横モード安定性
の高い半導体レーザを得ることができる。
構造を有しており、発振効率を上げることができ、しき
い値電流を低減できる。
ば、 (6)半導体基板上に積層構造を形成する工程を包含す
る半導体レーザを製造する方法であって、該工程は、更
に、第1クラッド層を形成する工程と、該第1クラッド
層上に活性層を形成する工程と、該活性層上に第2クラ
ッド層となる膜を形成する工程と、該膜の一部を選択的
にエッチングすることにより、該半導体レーザの共振器
方向に延びるストライプ状リッジを該膜に形成して、そ
れによって第2クラッド層を形成する工程と、該第2ク
ラッド層のうち該ストライプ状リッジ部以外の部分の上
に、該活性層よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の
小さな第1の半導体層を形成する工程と、該第1の半導
体層上に、該活性層よりも小さな禁制帯幅を有している
第2の半導体層を形成する工程とを包含しており、その
ことによりRINが低く、横モード安定性の高い半導体
レーザを歩留まりよく作製することができる。
れば、 (7)半導体基板上に積層構造を形成する工程を包含す
る半導体レーザを製造する方法であって、該工程は、更
に、第1クラッド層を形成する工程と、該第1クラッド
層上に活性層を形成する工程と、該活性層上に第2クラ
ッド層となる膜を形成する工程と、該第2クラッド上に
該活性層よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の小さ
な第1の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層
上に、該活性層よりも小さな禁制帯幅を有している第2
の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層と該第
2の半導体層とをストライプ状にリセス・エッチングし
て除去する工程と、更にその上に第3クラッド層となる
膜を形成する工程とを包含しており、そのことによりR
INが低く、横モード安定性の高い半導体レーザを歩留
まりよく作製することができる。
レーザの断面図
導体レーザの各層に水平な方向の光の強度分布を示した
図
導体レーザの各層に水平な方向の実効屈折率の分布を示
した図
図で、しきい値利得と第1の電流狭窄層の厚さとの関係
を示す図
工程順断面図
工程順断面図
工程順断面図
工程順断面図
工程順断面図
半導体レーザの断面図
造の半導体レーザの各層に水平な方向の光の強度分布を
示した図
の工程順断面図
の工程順断面図
の工程順断面図
の工程順断面図
図
半導体レーザの断面図
半導体レーザの断面図
層 303 p−GaAs層 304 n−Al0.4Ga0.6Asクラッド層 305 活性層 306 p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層 307 n−Al0.35Ga0.65As層 308 n−GaAs電流狭窄層 309 p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層
Claims (7)
- 【請求項1】 基板と、前記基板の上方に形成された第
一のクラッド層と、前記第一のクラッド層の上方に形成
された多重量子井戸構造又は歪量子井戸構造を有する活
性層と、前記活性層の上方に形成された第二のクラッド
層と、前記第二のクラッド層の上方に形成された第一の
電流狭窄層と、前記第一の電流狭窄層の上方に形成され
た第二の電流狭窄層とを備えた半導体レーザであって、 前記第一の電流狭窄層は、前記活性層の禁制帯幅よりも
大きな禁制帯幅を有し、かつ前記活性層の屈折率よりも
小さな屈折率を有しており、 前記第二の電流狭窄層は、前記活性層の禁制帯幅よりも
小さな禁制帯幅を有しており、 前記活性層の構成元素と前記第一の電流狭窄層の構成元
素とが異なることを特徴とする 半導体レーザ。 - 【請求項2】 第二のクラッド層が、半導体レーザの共
振器方向に沿ってのびるストライプ状リッジを有してお
り、 第一の電流狭窄層が、前記第二のクラッド層上におい
て、前記ストライプ状リッジ以外の領域を覆っているこ
とを特徴とする請求項1に記載の 半導体レーザ。 - 【請求項3】 活性層の構成元素がGaInP、第一の
電流狭窄層の構成元素がAlGaAsであることを特徴
とする請求項1に記載の半導体レーザ。 - 【請求項4】 第二の電流狭窄層の構成元素がGaAs
であることを特徴とする請求項3に記載の半導体レー
ザ。 - 【請求項5】 基板の構成元素がGaAs、第一のクラ
ッド層および第二のクラッド層の構成元素がAlGaI
nPであることを特徴とする請求項4に記載の半導体レ
ーザ。 - 【請求項6】 基板の上方に第一のクラッド層を形成す
る工程と、前記第一のクラッド層の上方に多重量子井戸
構造又は歪量子井戸構造を有する活性層を形成する工程
と、前記活性層の上方に第二のクラッド層となる膜を形
成する工程と、前記膜の一部を選択的にエッチングし、
半導体レーザの共振器方向にのびるストライプ状リッジ
を前記膜に形成して第二のクラッド層を形成する工程
と、前記第二のクラッド層のうち前記ストライプ状リッ
ジ部以外の部分の上に、前記活性層よりも禁制帯幅が大
きく、かつ、屈折率の小さな第一の半導体層を形成する
工程と、前記第一の半導体層上に、前記活性層よりも小
さな禁制帯幅を有している第二の半導体層を形成する工
程と、を包含する半導体レーザの製造方法であって、前
記活性層の構成元素と前記第一の電流狭窄層の構成元素
とが異なることを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 【請求項7】 基板の上方に第一のクラッド層を形成す
る工程と、前記第一のクラッド層の上方に多重量子井戸
構造又は歪量子井戸構造を有する活性層を形成する工程
と、前記活性層の上方に第二のクラッド層となる膜を形
成する工程と、前記第二のクラッド層上に、前記活性層
よりも禁制帯幅が大きく、かつ、屈折率の小さな第一の
半導体層を形成する工程と、前記第一の半導体層上に、
前記活性層よりも小さな禁制帯幅を有している第二の半
導体層を形成する工程と、前記第一の半導体層と前記第
二の半導体層とをストライプ状にリセス・エッチングし
て除去する工程と、更にその上に第三のクラッド層とな
る膜を形成する工程と、を包含する半導体レーザの製造
方法であって、前記活性層の構成元素と前記第一の電流
狭窄層の構成元素とが異なることを特徴とする半導体レ
ーザの製造方法。
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