JPS6298690A - 半導体レ−ザ素子及びその製造方法 - Google Patents
半導体レ−ザ素子及びその製造方法Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
く技術分野〉
本発明は主に可視領域に発振波長を有する半導体レーザ
に関するもので、特にMBE(分子線エピタキシー)法
を用いて容易に製作が可能な高性能半導体レーザ素子に
関するものである。
に関するもので、特にMBE(分子線エピタキシー)法
を用いて容易に製作が可能な高性能半導体レーザ素子に
関するものである。
〈従来技術〉
近年、分子線エピタキシー(MBE)法あるいは有機金
属を用いた気相成長(MO−CVD)法などの薄膜単結
晶成長技術の進歩は著しく、これらの成長技術を用いれ
ばIOA程度の極めて薄いエピタキシャル成長層を得る
ことが可能となってきている。このような製造技術の進
歩は、半導体レーザにおいても従来の液相エピタキシャ
ル成長法(LPE)では製作が困難であった極めて薄い
層を有する素子構造に基く新しい効果を利用したレーザ
素子の製作を可能とした。その代表的なものは量子井戸
(Quautum Well ;略してQW)レーザで
ある。このQWレーザは従来の二重へテロ接合(DH)
レーザでは数百Å以上あった活性層厚を100A程度あ
るいはそれ以下とすることによって、活性層中に量子化
阜位が形成されることを利用しており、従来のDHレー
ザ(こ比べて閾値電流が下がる、温度特性が良い、ある
いは過渡特性に優れている等の数々の利点を有している
。これに関する参考文献としては次のようなものがある
。
属を用いた気相成長(MO−CVD)法などの薄膜単結
晶成長技術の進歩は著しく、これらの成長技術を用いれ
ばIOA程度の極めて薄いエピタキシャル成長層を得る
ことが可能となってきている。このような製造技術の進
歩は、半導体レーザにおいても従来の液相エピタキシャ
ル成長法(LPE)では製作が困難であった極めて薄い
層を有する素子構造に基く新しい効果を利用したレーザ
素子の製作を可能とした。その代表的なものは量子井戸
(Quautum Well ;略してQW)レーザで
ある。このQWレーザは従来の二重へテロ接合(DH)
レーザでは数百Å以上あった活性層厚を100A程度あ
るいはそれ以下とすることによって、活性層中に量子化
阜位が形成されることを利用しており、従来のDHレー
ザ(こ比べて閾値電流が下がる、温度特性が良い、ある
いは過渡特性に優れている等の数々の利点を有している
。これに関する参考文献としては次のようなものがある
。
1)〜■汀、Tsang、Ahysics Lette
rs、vol、 39゜NO,l0pp、786(+9
81)。
rs、vol、 39゜NO,l0pp、786(+9
81)。
2) N、に、Dutta、Journal of
AppliedPhysics、vol、53.No
、11.I)I)、7211(1982)。
AppliedPhysics、vol、53.No
、11.I)I)、7211(1982)。
3) H,Iwamura、T、5aku、T、l5
hibashi。
hibashi。
K+0tsuka、Y、Horikoshi 、Ele
ctrnnicsLetters、vol、19.No
、5.pp、180 (1983)。
ctrnnicsLetters、vol、19.No
、5.pp、180 (1983)。
このように、MBE法やMO−CVD法などの薄膜単結
晶成長技術を用いることにより、新しい多層構造を有す
る高性能半導体レーザの実用化への道が開けてきた。
晶成長技術を用いることにより、新しい多層構造を有す
る高性能半導体レーザの実用化への道が開けてきた。
従来の量子井戸レーザの代表的な構造とじてA ll
G a A s系GRIN−3CH(Graded I
ndex −5eparate Confinemen
t Heterostructure )レーザが知ら
れている。この半導体レーザの活性領域におけるAl混
晶比分布を第5図Iこ示す。従来行なわれているように
、G a A sを量子井戸層とするGaAs−GaA
j?As系レーザの場合にはMBE成長で製作する際に
活性層をクラッド層で挟設したダブルへテロ接合構造を
構成するクラッド層41の界面からAlセル温度を下げ
ることによりGRIN領域42を成長させ、次にA6セ
ルのシャッタを閉じてGaAs1子井戸層43を成長さ
せた後、再度Alセルシャッタを開くとともIcAJ?
セルの温度を上げてGRIN領域44を成長させ、その
後クラッド層45を成長させる。従って、Alセルの温
度とシャッタの開閉を制御すれば1つのAlセルを用い
るだけで成長が可能となり、MBE装置が複雑にならな
い利点があった。しかしながら、この構造をそのままA
dGaAs 量子井戸層を用いた可視光レーザに適用す
る場合、第6図のようf、XA(l混晶比分布となり、
2つのAlセルを用いる必要が生ずる。すなわち、一方
のAj?セルは0.3のA e混晶比を与えるように開
かれており、他方のAlセルてクラッド層3,7とGR
IN領域4,6を制御する。従ってA’6セルは2つ必
要となる。またバルクA6GaAs を母子井戸層とし
ているため、キャリア注入が悪くなり発光効率を高く維
持することは困難である。
G a A s系GRIN−3CH(Graded I
ndex −5eparate Confinemen
t Heterostructure )レーザが知ら
れている。この半導体レーザの活性領域におけるAl混
晶比分布を第5図Iこ示す。従来行なわれているように
、G a A sを量子井戸層とするGaAs−GaA
j?As系レーザの場合にはMBE成長で製作する際に
活性層をクラッド層で挟設したダブルへテロ接合構造を
構成するクラッド層41の界面からAlセル温度を下げ
ることによりGRIN領域42を成長させ、次にA6セ
ルのシャッタを閉じてGaAs1子井戸層43を成長さ
せた後、再度Alセルシャッタを開くとともIcAJ?
セルの温度を上げてGRIN領域44を成長させ、その
後クラッド層45を成長させる。従って、Alセルの温
度とシャッタの開閉を制御すれば1つのAlセルを用い
るだけで成長が可能となり、MBE装置が複雑にならな
い利点があった。しかしながら、この構造をそのままA
dGaAs 量子井戸層を用いた可視光レーザに適用す
る場合、第6図のようf、XA(l混晶比分布となり、
2つのAlセルを用いる必要が生ずる。すなわち、一方
のAj?セルは0.3のA e混晶比を与えるように開
かれており、他方のAlセルてクラッド層3,7とGR
IN領域4,6を制御する。従ってA’6セルは2つ必
要となる。またバルクA6GaAs を母子井戸層とし
ているため、キャリア注入が悪くなり発光効率を高く維
持することは困難である。
〈発明の目的〉
本発明は以上のような問題点に鑑み、MBE法の層厚制
御性を最大限に活用することにより、従来よりはるかに
高性能で低閾値の可視半導体レーザをA6セル1木で製
作することのできる半導体レーザの構造及び製造法を提
供することを目的とする。
御性を最大限に活用することにより、従来よりはるかに
高性能で低閾値の可視半導体レーザをA6セル1木で製
作することのできる半導体レーザの構造及び製造法を提
供することを目的とする。
〈発明の構成〉
上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ素子
はGRIN領域を含む光ガイド層を有し、AlGaAs
1種類で母子井戸層を構成することなく各色が数A
の極めて薄いG a A sとA I G a A s
あるいはGaAsとA6Asから成る超格子半導体層を
母子井戸層とすることにより、Alセル1本で可視光量
子井戸半導体レーザをM B E法で成長させることを
特徴とする。また超格子という基本的に3次元のキャリ
アの状態を有するがバルク結晶とはエネルギーバンド構
造の異なる半導体層を量子井戸化することにより超格子
内のキャリアを2次元化することで更に短波長域におけ
る低閾値化を図ることができるという利点を有する。
はGRIN領域を含む光ガイド層を有し、AlGaAs
1種類で母子井戸層を構成することなく各色が数A
の極めて薄いG a A sとA I G a A s
あるいはGaAsとA6Asから成る超格子半導体層を
母子井戸層とすることにより、Alセル1本で可視光量
子井戸半導体レーザをM B E法で成長させることを
特徴とする。また超格子という基本的に3次元のキャリ
アの状態を有するがバルク結晶とはエネルギーバンド構
造の異なる半導体層を量子井戸化することにより超格子
内のキャリアを2次元化することで更に短波長域におけ
る低閾値化を図ることができるという利点を有する。
〈実施例〉
第1図は本発明の1実施例を示す半導体レーザの断面模
式図である。n−GaAs基板1(キャリア濃度S i
= 1018cm−3)上にn−GaAsバッファ層
2 (S r = 10””備a、厚さ0.5μm)、
nA ll a、7G a o、a A sクラッド層
3 (S i = 10’ 8CU3゜厚さ1.5pm
)、ノンドープA l x G a 1xA s GR
I N層4(厚さ0.2um)、ノンドープGaAs/
Alo5Gao5As 超格子量子井戸層15 (Ga
As ; 4A厚×8 、Aj?o、5 G a o、
5 As + 6 A厚×7=計厚さ約74A)、ノン
ドープA l x G a + xA s G RI
N層6(厚さ0.2 μm ) 、 p−Aj?0.
7Gao、3ASクラッド層7 (Be=1018cy
x a、厚さ1.5 Pm ) 、 p −G a
A sキaeyプ層8 (B e= 10+5−−s、
厚さ0.5μm ) 、n A (10,5G a
O,5A s電流閉じ込め層9 (S i = 101
8r3 、厚さ0.3um)をMBE法により連続的に
成長させる。量子井戸層15近傍の模式的なAN混晶比
分布を第2図に示す。
式図である。n−GaAs基板1(キャリア濃度S i
= 1018cm−3)上にn−GaAsバッファ層
2 (S r = 10””備a、厚さ0.5μm)、
nA ll a、7G a o、a A sクラッド層
3 (S i = 10’ 8CU3゜厚さ1.5pm
)、ノンドープA l x G a 1xA s GR
I N層4(厚さ0.2um)、ノンドープGaAs/
Alo5Gao5As 超格子量子井戸層15 (Ga
As ; 4A厚×8 、Aj?o、5 G a o、
5 As + 6 A厚×7=計厚さ約74A)、ノン
ドープA l x G a + xA s G RI
N層6(厚さ0.2 μm ) 、 p−Aj?0.
7Gao、3ASクラッド層7 (Be=1018cy
x a、厚さ1.5 Pm ) 、 p −G a
A sキaeyプ層8 (B e= 10+5−−s、
厚さ0.5μm ) 、n A (10,5G a
O,5A s電流閉じ込め層9 (S i = 101
8r3 、厚さ0.3um)をMBE法により連続的に
成長させる。量子井戸層15近傍の模式的なAN混晶比
分布を第2図に示す。
MBE装置内でn −Ag、7G ao、3A sクラ
ッド層3成長後5iセルのシャッタを閉じAlセルの温
度を下げることによりAl混晶比が2乗分布をもって0
.7から0.5まで変化するGRIN領域4を形成する
。このGRIN領域4は光ガイド層としての作用を呈す
る。次にAeセルシャッタの閉・開を繰り返すことによ
り厚さ4AのG a A s層と厚さ6AのAlo5G
ao5AS層を交互に成長させる。この成長によりレー
ザ発振用超格子量子井戸領域15が形成される。次にA
lセルシャッタを開いてA6セルの温度を上げることに
よりA6混晶比が2乗分布をもって0.5から0.7ま
で変化する光ガイド層としてのGRIN領域6を形成し
た後、Beセルシャッタを開いてpA l o、7 G
a o、a A sクラッド層7を成長させる。以上
の成長法により、超格子量子井戸領域I5を両面方向か
らGRIN領域4,6で挾み、その外方にクラッド層3
,7を重畳させた可視光域のレーザ発振動作部をAgセ
ル1本で成長させることが可能となる。上記MBE成長
後、HF(フッ化水素)エツチング液を用いて電流閉じ
込め層9を幅5μmでストライプ状に選択エツチングし
、電流を流すチャネル領域を形成する。この電流閉じ込
め層9とチャネル領域でレーザ発振動作部に対する電流
狭窄用ストライプ構造が構成される。n側電極としてA
u G e−Ni 、p側電極としてAuZnをそれ
ぞれG a A s基板裏面lとキャップ層8及び電流
閉じ込め層9上に蒸着して合金化し、オーミック電極を
形成する。
ッド層3成長後5iセルのシャッタを閉じAlセルの温
度を下げることによりAl混晶比が2乗分布をもって0
.7から0.5まで変化するGRIN領域4を形成する
。このGRIN領域4は光ガイド層としての作用を呈す
る。次にAeセルシャッタの閉・開を繰り返すことによ
り厚さ4AのG a A s層と厚さ6AのAlo5G
ao5AS層を交互に成長させる。この成長によりレー
ザ発振用超格子量子井戸領域15が形成される。次にA
lセルシャッタを開いてA6セルの温度を上げることに
よりA6混晶比が2乗分布をもって0.5から0.7ま
で変化する光ガイド層としてのGRIN領域6を形成し
た後、Beセルシャッタを開いてpA l o、7 G
a o、a A sクラッド層7を成長させる。以上
の成長法により、超格子量子井戸領域I5を両面方向か
らGRIN領域4,6で挾み、その外方にクラッド層3
,7を重畳させた可視光域のレーザ発振動作部をAgセ
ル1本で成長させることが可能となる。上記MBE成長
後、HF(フッ化水素)エツチング液を用いて電流閉じ
込め層9を幅5μmでストライプ状に選択エツチングし
、電流を流すチャネル領域を形成する。この電流閉じ込
め層9とチャネル領域でレーザ発振動作部に対する電流
狭窄用ストライプ構造が構成される。n側電極としてA
u G e−Ni 、p側電極としてAuZnをそれ
ぞれG a A s基板裏面lとキャップ層8及び電流
閉じ込め層9上に蒸着して合金化し、オーミック電極を
形成する。
以上により作製された半導体レーザ素子にp側電極及び
n側電極を介して駆動電流を注入すると、レーザ発振動
作部より可視光のレーザ光が放射される。その発振波長
は690nm、閾値電流は80mAで、室温連続発振が
得られた。
n側電極を介して駆動電流を注入すると、レーザ発振動
作部より可視光のレーザ光が放射される。その発振波長
は690nm、閾値電流は80mAで、室温連続発振が
得られた。
第3図は本発明の他の実施例に係る半導体レーザの活性
領域におけるA66混晶比布を示す説明図である。本実
施例では超格子量子井戸領域25をGaAs/A6As
超格子層(GaAs層の厚さ6Aにより形成している。
領域におけるA66混晶比布を示す説明図である。本実
施例では超格子量子井戸領域25をGaAs/A6As
超格子層(GaAs層の厚さ6Aにより形成している。
上述の実施例と同様にGRIN領域4を成長した後、A
lセルシャッタを閉じてG a A s層(6A)を形
成し、次にAffセルシャッタを開くと同時にGaセル
シャッタを閉じてA6As (4A )を形成する。A
lセルシャッタとGaセルシャッタの開閉を繰り返すこ
とによってGaAs/Aj?As超格子層が形成される
。レーザ発振動作部はG a A s /A I A
s超格子量子井戸領域25をGRIN領域4.6で挾み
その外方へクラッドJω3,7を配置した構造となり、
他の素子構造部分は上記実施例と同一である。
lセルシャッタを閉じてG a A s層(6A)を形
成し、次にAffセルシャッタを開くと同時にGaセル
シャッタを閉じてA6As (4A )を形成する。A
lセルシャッタとGaセルシャッタの開閉を繰り返すこ
とによってGaAs/Aj?As超格子層が形成される
。レーザ発振動作部はG a A s /A I A
s超格子量子井戸領域25をGRIN領域4.6で挾み
その外方へクラッドJω3,7を配置した構造となり、
他の素子構造部分は上記実施例と同一である。
以上の実施例のように超格子層を構成する一つの層が3
分子層程度以下に設定された超格子構造Sこ用いる層を
Aj?GaAs層とA6As層のいずれかより選択する
こと及び各層の層厚を変化させることにより超格子層の
エネルギーバンド構造を制御することが可能となり、従
来の数十Aの層により構成された多重量子井戸構造と異
なってキャリア注入効率の低下を防ぐことができる。ま
た、量子井戸層全体の厚みを変えることにより超格子層
内に形成される量子孕位を制御することができるため、
発振波長存び閾値電流の最適値を幅広く制御することが
できるという利点を有する。更にA6セル1本でMBE
成長させることができるため、MBE装置もより簡単な
ものが用いられる。
分子層程度以下に設定された超格子構造Sこ用いる層を
Aj?GaAs層とA6As層のいずれかより選択する
こと及び各層の層厚を変化させることにより超格子層の
エネルギーバンド構造を制御することが可能となり、従
来の数十Aの層により構成された多重量子井戸構造と異
なってキャリア注入効率の低下を防ぐことができる。ま
た、量子井戸層全体の厚みを変えることにより超格子層
内に形成される量子孕位を制御することができるため、
発振波長存び閾値電流の最適値を幅広く制御することが
できるという利点を有する。更にA6セル1本でMBE
成長させることができるため、MBE装置もより簡単な
ものが用いられる。
尚、上記実施例では光ガイド層全体をGRIN層により
形成したが、第4図に示すように光ガイド層34.36
の一部をGRIN層として超格子量子井戸領域35と接
する側のAl混晶比を超格子量子井戸領域35と同程度
に下げておけばAeセル1本で成長が可能となる。第4
図は本発明の他の実施例を示す半導体レーザ素子の活性
領域におけるA66混晶比布を示す説明図であり量子井
戸領域35は第1図の実施例と同様に厚さ4λのG a
’A s層と厚さ6AのA 1! o、5 G a
o、s A s mを交互に成長させた超格子構造より
成る。この量子井戸領域35にはAβ混晶比が0.5か
ら0.7の範囲で変化する光ガイド層34.36が重畳
されているが、この光ガイド層はクラッド層3.7との
接合界面近傍でAl混晶比が急峻に変化するGRIN層
となり、量子井戸領域35の近くでは量子井戸領域35
とほぼ同程度のAe混晶比に設定されている。
形成したが、第4図に示すように光ガイド層34.36
の一部をGRIN層として超格子量子井戸領域35と接
する側のAl混晶比を超格子量子井戸領域35と同程度
に下げておけばAeセル1本で成長が可能となる。第4
図は本発明の他の実施例を示す半導体レーザ素子の活性
領域におけるA66混晶比布を示す説明図であり量子井
戸領域35は第1図の実施例と同様に厚さ4λのG a
’A s層と厚さ6AのA 1! o、5 G a
o、s A s mを交互に成長させた超格子構造より
成る。この量子井戸領域35にはAβ混晶比が0.5か
ら0.7の範囲で変化する光ガイド層34.36が重畳
されているが、この光ガイド層はクラッド層3.7との
接合界面近傍でAl混晶比が急峻に変化するGRIN層
となり、量子井戸領域35の近くでは量子井戸領域35
とほぼ同程度のAe混晶比に設定されている。
〈発明の効果〉
以上詳説した如く本発明によれば、MBE法を活用して
極めて制御因子の自由度が広い低閾値の可視半導体レー
ザをA/セル1本だけ用いて構成することができ、実用
上極めて有用である。
極めて制御因子の自由度が広い低閾値の可視半導体レー
ザをA/セル1本だけ用いて構成することができ、実用
上極めて有用である。
第1図は本発明の1実施例を示す半導体レーザ素子の模
式断面図である。 第2図は第1図に示す半導体レーザ素子の活性領域にお
けるAl混晶比分布図である。 第3図は本発明の他の実施例に係る半導体レーザ素子の
活性領域におけるAl混晶比分布図である。 第4図は本発明の更に他の実施例に係る半導体レーザ素
子の活性領域におけるAl混晶比分布図である。 第5図は従来のGRIN−5CH赤外半導体レーザのA
n混晶比分布を示す説明図である。 第6図は従来のGRIN−5CH可視可半導体レーザの
An混晶比分布を示す説明図である、l・・・GaAs
基板、2・・・バッフ1層、3・・・n−クラッド層、
4.6・=GRI N層、7−p−クラッド層、8・・
・キャップ層、15,25.35・・・量子井戸層。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦(他2名)i$2
臨 第5 図 $6 g A!並西化 Al 5昆品化
式断面図である。 第2図は第1図に示す半導体レーザ素子の活性領域にお
けるAl混晶比分布図である。 第3図は本発明の他の実施例に係る半導体レーザ素子の
活性領域におけるAl混晶比分布図である。 第4図は本発明の更に他の実施例に係る半導体レーザ素
子の活性領域におけるAl混晶比分布図である。 第5図は従来のGRIN−5CH赤外半導体レーザのA
n混晶比分布を示す説明図である。 第6図は従来のGRIN−5CH可視可半導体レーザの
An混晶比分布を示す説明図である、l・・・GaAs
基板、2・・・バッフ1層、3・・・n−クラッド層、
4.6・=GRI N層、7−p−クラッド層、8・・
・キャップ層、15,25.35・・・量子井戸層。 代理人 弁理士 福 士 愛 彦(他2名)i$2
臨 第5 図 $6 g A!並西化 Al 5昆品化
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、GaAsとAl_xGa_1_−x_As(0<x
≦1)の各薄膜層を1層が3分子層以下となる厚さに設
定して交互に積層した超格子構造の量子井戸領域にAl
混晶比が徐々に変化する光ガイド層を積層し、該光ガイ
ド層にクラッド層を重畳してレーザ発振動作部を構成し
たことを特徴とする半導体レーザ素子。 2、分子線エピタキシー法でAl混晶比が漸次変化する
光ガイド層を成長させる工程と、該光ガイド層に重畳し
て分子線エピタキシー法でAlセルシャッタの開閉を繰
り返しながら厚さ3分子層以下のGaAs層とAl_x
Ga_1_−_xAs(0<x≦1)層を交互に成長さ
せることにより超格子構造の量子井戸領域を成長させる
工程と、を具備して成り、前記光ガイド層及び前記量子
井戸領域をレーザ発振動作部とすることを特徴とする半
導体レーザ素子の製造方法。
Priority Applications (5)
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JP60240162A JPS6298690A (ja) | 1985-10-24 | 1985-10-24 | 半導体レ−ザ素子及びその製造方法 |
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KR1019860008870A KR910004168B1 (ko) | 1985-10-24 | 1986-10-23 | 반도체 레이저소자 및 그 제조방법 |
FR868614700A FR2589281B1 (fr) | 1985-10-24 | 1986-10-23 | Dispositif a laser semiconducteur et son procede de fabrication |
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JP60240162A JPS6298690A (ja) | 1985-10-24 | 1985-10-24 | 半導体レ−ザ素子及びその製造方法 |
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Family Applications (1)
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- 1986-10-23 FR FR868614700A patent/FR2589281B1/fr not_active Expired - Lifetime
- 1986-10-23 KR KR1019860008870A patent/KR910004168B1/ko not_active IP Right Cessation
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GB8625439D0 (en) | 1986-11-26 |
KR870004541A (ko) | 1987-05-11 |
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