JPS63258092A - 逆チャネル基板プレーナ半導体レーザ - 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】 この発明は一般に半導体レーザに関し、さらに特定的に
は比較的高い出力を与える半導体レーザ構造に関する。

宇宙通信や、レーザ印刷や、光学式記録法など、比較的
高い出力を必要とする半導体レーザの使用は数多い。近
年、半導体レーザ開発努力の多くは連続波（ＣＷ）動作
におけるレーザからの出力を増加させることに向けられ
てきている。

基本的に、半導体レーザは、余剰の電子（ｎ型）あるい
は余剰の電子欠乏即ち正孔（ｎ型）を与える不純物を化
学的にドープして作られた異なる型の半導体物質からな
る多層構造を有している。この半導体レーザの基本構造
は、ｎ型層と、ｐ型層と、これら二つの層の間に挟まれ
たドープをしてない活性層とを持つダイオード構造を有
している。

このダイオードは普通の作動において順方向にバイアス
され、電子と正孔はこの活性層の領域で結合し、光が発
せられる。この活性層の両側に位置する層は活性層より
も低い屈折率を持ち、この活性層平面内に光を閉じ込め
るためのクラッド層として機能する。横方向に光を閉じ
込めるためにも様々な技術が用いられており、また、こ
の構造内の縦方向で光が折り返し反射するようにクリス
タルファセットがこの構造の両端に位置している。

もしダイオード電流がしきい値以上なら、この活性層面
内においてレーザ発振が行われ、光がファセツトの一方
から発せられる。

横方向の光を半導体レーザ内に閉じ込めるために、即ち
、放射された光の方向に垂直な方向でかつこの活性層の
平面内に光を閉じ込めるために様々な解決手段が用いら
れている。この装置に電流を供給するために狭い電気的
接点が用いられるなら、一般に利得ガイド法と呼ばれる
過程においてはレーザ発振の動作は電気的接点に対応す
る狭い領域に制限される。こととなる。高出力では利得
ガイド法による装置は極めて不安定であり、また、強い
非点収差を有する二重のピークを有するビームを作り出
す。殆どの高出力半導体レーザの応用に対して、出力が
光の回折のみによって制限され、発射された光の波長を
放射源の幅で割った値に大よそ比例する回折制限された
ビームが求められている。回折制限されたビームに対す
る要求があるので、この分野での殆どの研究は屈折率（
インデックス）ガイド付レーザに向けられている。これ
らレーザにおいては、レーザ光を横方向の、光の放出方
向に垂直で活性層とほぼ同一の平面に閉じ込めるために
様々な幾何学的形状の誘電体導波管構造が用いられてい
る。

半導体レーザの設計におけるこれらおよび他の考察への
有用な紹介記事がＤａｎ　Ｂｏｔｅｚ　　（ダン・ポテ
ス）の論文のｒＬａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅｓ　ａｒｅ　ｐ
ｏｗｅｒ　−ｐａｃｈｅｃｌ　Ｊと標題されたＩ　Ｅ　
Ｅ　Ｅ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍの１９８５年６月号の４３ペ
ージより５３ページに見られる。高出力と適切な横方向
屈折率ガイディングを達成するための一つの非常に有望
な技術は半導体基板内の縦のチャネル形成を含む。チャ
ネルを含むこの基板は第１クラッド層に覆おわれ、次に
活性層と別のクラッド層に覆おわれる。このチャネル付
基板プレーナ（Ｃ３Ｐ）構造はチャネルの両側の基板へ
高い光吸収能を与える。それゆえ、より高い次数の発振
を弁別する。このＣ８Ｐレーザ構造は液相エピタキシア
ル（Ｌ　Ｐ　Ｅ）工程を使い非常に容易に製造できるが
、これには避けるのが最も望ましい実際的限界がある。

第一に、ＬＰＥの工程には取り扱うことのできる半導体
のサイズに制限があり、そのため、デバイスの大量生産
に限界がある。さらには、ＬＰＥの工程はある典型的就
業日に一生産工程が完遂されるのみというような非常に
時間が掛かるものなのである。

要するに、ＬＰＨの工程はプレーナ活性層の使用を促進
するためのチャネル領域の充填に適するが、この工程は
実際的限界があり、そのためより魅力のあるこれに代る
方法を開発するのが非常に望ましいのである。有機金属
化学蒸気蒸着（ＭＯＣＶＤ）の工程は大型の半導体ウェ
ーハに用いることができ、−日の就業日に３回から５回
の生産活動を可能とする約２時間の製造時間などの他の
利点を持つ。しかし、ＭＯＣＶＤは完全に基板のチャネ
ルを充填できないので容易にはＣＰＳ構造を形成できな
い。そして非プレーナ活性層が生ずる。それに加えて、
１次クラッド層をチャネル領域の基板上に生長させるこ
とは普通困難である。もしその物質がガリウムヒ素アル
ミニウム（ＧａＡＩＡｓ）であり、表面酸化が完全にこ
の基板表面より排除されないなら、このデバイスは実質
的に高いしきい値電流を持つことができる。

したがって、チャネル付基板プレーナ構造の作用機能を
有するが、液相エピタキシ以外の工程で製造される能力
を持つ半導体レーザ構造に対する要求がある。本発明は
この目的のために向けられたものである。

本発明は逆チャネル基板プレーナ（ＩＣ３Ｐ）レーザと
して最もよく特徴ずけられる半導体レーザ構造に在る。

本発明の構造は有機金属化学蒸気蒸着（ＭＯＣＶＤ）工
程を用いることを可能とし、これは液相エピタキシと比
較して多くの利点を与える。

要約し、一般的用語で言えば、本発明の逆チャネル基板
プレーナ半導体レーザはある選ばれた伝導型の半導体物
質のプレーナ基板と、この基板上に形成された同一の伝
導型の半導体物質の平坦な第１クラッド層と、この第１
クラッド層上に形成されたドープしてない半導体物質の
平坦な活性層と、この活性層上に形成されその上に形成
されたメサを持つ逆伝導型の半導体物質の第２クラッド
層とからできている。半導体積層は第２クラッド層上に
形成されており、基板と同一の型の伝導型を持つ。そし
て導電性接触領域は積層を通って延びており第２クラッ
ド層上に形成されたメサと接触している。この積層は第
２クラッド層のメサを横方向で取り囲み、このメサの領
域内に電流を制限しレーザ発振を横方向で同一領域内に
制限する両方の機能を果す。

本発明′の例示された実施例において、基板と第１クラ
ッド層はｎ型物質のものであり第２クラッド層はｐ型物
質のものである。積層もｎ型物質のものである。それゆ
え、デバイスが活性層を横切って順方向にバイアスを加
えられた場合、この積層と第２クラッド層はメサ領域の
外への電流の流れを抑止する逆バイアスのｐ−ｎ接合を
形成する。

さらには、このｎ型積層はｐ型第２クラッド層より高い
屈折率を持ち、光を横の方向で閉じ込めるための負の係
数ガイドを形成する。

本発明のもう一つの態様にしたがえば、２次クラッド層
のメサ領域の端部は横方向に拡張され、有効な屈折率が
急峻に変化しないようにされる。

図示した実施例において、この拡張は二段階エツチング
工程により達成され、これによってこのメサは中央台部
とこの台部の各々の側の中間棚部とを含む。しかし、本
発明はこのメサ領域がより多い処理段数を含むもの、ま
たはメサ領域をこのメサの中央台部の幅に接近させつつ
も各方向の意味のある範囲において連続的に先細にされ
ている構造をも含む。

拡張された構造により与えられた有効な屈折率のより緩
やかな変化は横方向におけるレーザのガイド特性を改良
し、高出力における基本横モードでの非常に安定な作動
をもたらす。レーザ発振領域の非点収差あるいは非対称
は活性層と第２クラッド層の厚さの適切な選定によって
より良く制御することができる。

前述の説明より本発明が比較的高出力作動の半導体レー
ザの分野での著しい進歩を表すものであることが判る。

特に、本発明は有機金属化学蒸気蒸着（ＭＯＣＶＤ）工
程を用い箭単に製造でき、チャネル付基板プレーナレー
ザの利点を保っている半導体構造を提出する。本発明の
他の態様と利点は付帯の図面を参照しながら以下のより
詳細な説明にしたがえば明らかとなる。

例示の目的のための図に示されているように、本発明は
比較的高い出力レベルで作動させるための半導体レーザ
に関する。チャネル型基板プレーナ（Ｃ３Ｐ）構造とし
て知られているレーザ構造は良好にレーザ発振領域の横
方向閉じ込めを行うが、有機金属化学蒸気蒸着（ＭＯＣ
ＶＤ）のような新たの製造技術を用い製造することは困
難であるか不可能である。

本発明に従かう半導体レーザは反転チャネルと呼ぶのが
最も相応しい構成を有する。そしてこれはＭＯＣＶＤを
用いれば製造が容易で、チャネル型基板プレーナレーザ
と同一の望ましい特性を保つ。第１図に示されているよ
うに、この構造は参照番号１０で示される半導体基板上
に形成されている。本発明の図示した実施例において、
基板１０は約４ＸｌＯ”の濃度のシリコンをドープした
ｎ゛型ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のものである。４ｘ　
ｌ　Ｑ　Ｉｌｌの濃度のセレンをドープしたｎ゛型ガリ
ウムヒ素スペーサＮ１２が基板上に形成され、第１クラ
ッド層１４がスペーサ層１２上に形成される。第１クラ
ッド層は約１．５マイクロメータの厚さで、１×１（１
１１′の濃度のセレンをドープしたｎ型ガリウムヒ素ア
ルミニウム（ＧａＡ　Ｉ　Ａｓ）のものである。第１ク
ラッド層１４上に形成されているのは約５００オングス
トロームの厚さのドープされていないガリウムヒ素から
なる活性層である。

活性層１６上に横たわっているのは、約５×１０′７の
濃度の亜鉛をドープしたｐ型ガリウムヒ素アルミニウム
の第２クラッド層１８である。亜鉛をドープしたｐ＋型
ガリウムヒ素のキャッピング層２０は２次被覆層１８上
に形成され、それからクラッド層とキャッピング層２０
は選択的にエツチングされ、層の平坦部分へ傾斜する側
部と中央台部とを持つ厚さ約０．３から０．５マイクロ
メータのメサ２２が形成される。約１×１（１１″の濃
度のセレンをドープしたｎ型ガリウムヒ素の積層２４が
全面に形成される。積層２４はメサ領域２２の輪郭を辿
り、これは大よそ一定の厚さで約１．０マイクロメータ
のものである。最後に亜鉛拡散領域２６が積層内に形成
され、キャッピング層２２に延び入りこむ。電気的接点
が素子の亜鉛拡散領域２６と基板ｌＯの下部の金属蒸着
表面（図示されておらず）とで作られる。

積層２４はレーザ動作を強めるため二つの機能を果す。

第一に、積層２４は、第２クラッド層１８と共に阻止ｐ
−ｎ接合を形成し、漏れ電流の通過が亜鉛拡散領域２６
の下のメサ領域２２をバイパスするのを効果的に妨ぐ、
第二に、積層は構造内に光の屈折率によるガイドを与え
、そして基本横方向モードにおいて高度に安定した動作
をもたらす。ｎ型積層２４はその下のｐ型第２クラッド
層１８よりも高い屈折率を持つ。それゆえ、メサ領域２
２の外の有効な屈折率はメサ領域内部の有効な屈折率よ
りも高い。この構成がこのディバイス内に光の横方向屈
折率ガイドを達成する。

本発明の構造ゆ安定基本モードにおける高出力動作のよ
うなＣ８Ｐレーザ構造の利点を与える。

そしてまた高生産性、相対的大型半導体ウェーファーの
使用、および低しきい値ならびに高出力での使用に対し
て薄型活性層を与えるなどのＭＯＣＶＤ材生長技術の利
点も与える。

構造の製造には二段階のＭＯＣＶＤあるいは同等の過程
を必要とする。第一の生長段階ではプレーナ二重異質構
造（ＤＨ）が作られ、これは層１０．１２．１４．１６
．１８、および２０より成る。つぎに第２クラッド層１
８とキャッピング層２０はメサ領域２２を決定するため
に選択エツチングを施される。第二の生長段階では積層
２４はこの構造上に作られる。最終過程の段階はこの装
置とオーム接触をなすための亜鉛拡散Ｍ域２６の形成で
ある。

第二図に示されているように、本発明のもう一つの例示
的な実施例は、番号２２′で参照がなされているそのメ
サ領域において第１実施例のものと異なるのだが、これ
は二段階エンチング過程の使用により横方向に広げられ
ている。本実施例のメサ領域２２′は中央台部の各側面
に、この台部と第２クラッド層１８′の周囲のプレーナ
部分との間の中間の高さの棚部２８を含む。積層２４′
はメサ２２′の輪郭を大たい辿る。しかし、それ以外は
このデバイスの構造は第１図のそれと同一である。メサ
領域２２′を拡張することはメサ領域が周囲の領域への
屈折率の急変化を少なくする。

この効果は広チャネル基板内部ストライプレーザ（ＢＳ
ＩＳ）において達成される効果と類似している。そして
このことは高出力において小さな非点収差距離および安
定動作を呈示する。広範回道チャネル基板プレーナ（Ｂ
ＡＩＣ３Ｐ）レーザは同様の特性を示す。

製造の段階は、エツチングの過程が広いメサを形成する
のと、その後の中央台部と中間棚部を決定するためのエ
ツチングという二つの別の段階をこのエツチング過程が
必要とする以外には実質的には第１図の構造用に採用さ
れているものと同一である。広い、最初に形成されるメ
サは幅約６ないし７マイクロメータで、その後に形成さ
れる中央台部は約３．５から４マイクロメータの幅であ
る。

本発明は単一レーザに関連して図示および説明されてい
るが、本発明の原理は単一基板に形成された複数のレー
ザ群にも同様にうまく応用できるということが理解され
る。

さらには、ＭＯＣＶＤは新規の構造を製造するための最
も望ましい製造方法としてしばしば述べられているが、
本発明はこの方法や他の特定の製造技術に限定されるも
のではない。

前述の内容より、本発明は半導体レーザの分野での重要
な進歩をあられしていることが判る。特には、本発明は
チャネル型基板レーザの利点とＭＯＣＶＤあるいは同等
の製造過程の利点とを結合させているレーザ構造を与え
る。逆チャネルまたはメサおよび積層を用いた結果的に
生ずる構造が、電流を閉じ込め横方向に光をガイドし、
１００ｍＷ（ミリワット）の桁での相対的に高い出力レ
ベルで安定した基本モードの動作を行わせる。

本発明の二つの実施例が説明の目的で詳細に説明されて
きたが、本発明の精神と範囲から掛は離れることなしに
様々な改良ができることもまた理解できる。それゆえ本
発明は、付帯の特許請求の範囲によってのみ限定される
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく反転チャネル基板プレーナ（Ｉ
Ｃ３Ｐ）半導体レーザ構造の断面図、第２図は本発明の
別の実施例の断面図である。 １０・・・半導体基板 １２・・・スペーサ層 １４・・・第１クラッド層 １６・・・活性層 １８・・・第２クラッド層 ２０・・・キャッピング層 ２２・・・メサ ２４・　・　・積層 ２６・・・亜鉛拡散層 ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩＧ、２

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）選ばれた伝導型の半導体物質のプレーナ基板、前
   記基板上に形成された同一伝導型の半導体物質の平坦な
   第１クラッド層、 前記第１クラッド層上に形成されたドープしてない半導
   体物質のプレーナ活性層、 前記活性層上に形成されさらにその上に形成されたメサ
   を持つ逆伝導型の半導体物質の第２クラッド層、 前記第２クラッド層上に形成された前記基板と同一の伝
   導型を持つ半導体積層、および 前記第２クラッド層上に形成された前記メサに接触する
   ために前記積層を通って延びる導電性接触領域から構成
   されており、前記積層が第２クラッド層のメサを横方向
   に囲み電流を前記メサ領域に閉じ込めレーザ発振が横方
   向で同一領域内に制限されることを特徴とする逆チャネ
   ル基板プレーナ半導体レーザ。
2. （２）前記基板と、前記第１クラッド層と、積層とがｎ
   型物質のものであり、前記第２クラッド層がｐ型物質の
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項
   に記載の逆チャネル基板プレーナ半導体レーザ。
3. （３）前記基板がシリコンをドープしたガリウムヒ素か
   らなり、 前記第１クラッド層がセレンをドープしたガリウムヒ素
   アルミニウムからなり、 前記活性層がドープしていないガリウムヒ素からなり、 前記第２クラッド層が亜鉛をドープしたガリウムヒ素ア
   ルミニウムからなり、 前記積層がセレンをドープしたガリウムヒ素であること
   とを特徴とする特許請求の範囲第（２）項に記載の逆チ
   ャネル基板プレーナ半導体レーザ。
4. （４）前記導電性接触領域が前記積層を通って前記第２
   クラッド層へ延びる亜鉛拡散領域であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第（３）項に記載の逆チャネル基板プ
   レーナ半導体レーザ。
5. （５）前記第２クラッド層上の前記メサが、中央の台部
   とこの台部の両側の遷移領域からなり、この遷移領域に
   おいて第２クラッド層の厚さが前記台部の高さから周囲
   の平面部の高さまで漸減していることを特徴とする特許
   請求の範囲第（１）項記載の逆チャネル基板プレーナ半
   導体レーザ。
6. （６）前記メサ領域の前記中央台部に隣接の各遷移領域
   が少なくとも一つの中間棚部を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第（５）項に記載の逆チャネル基板プレー
   ナ半導体レーザ。
7. （７）前記メサ領域の前記中央台部に隣接の各遷移領域
   が前記中央台部と大よそ同一の幅であるものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第（５）項に記載の逆チャ
   ネル基板プレーナ半導体レーザ。
8. （８）前記基板と、前記第１クラッド層と、前記積層と
   がｎ型物質のものであり、前記第２クラッド層がｐ型物
   質のものであることを特徴とする特許請求の範囲第（５
   ）項に記載の逆チャネル基板プレーナ半導体レーザ。
9. （９）前記基板がシリコンをドープしたガリウムヒ素か
   らなり、前記第１クラッド層がセレンをドープしたガリ
   ウムヒ素アルミニウムからなり、前記活性層がドープし
   てないガリウムヒ素からなり、前記第２クラッド層が亜
   鉛をドープしたガリウムヒ素アルミニウムからなり、前
   記積層がセレンをドープしたガリウムヒ素からなること
   を特徴とする特許請求の範囲第（８）項に記載の逆チャ
   ネル基板プレーナ半導体レーザ。
10. （１０）前記導電性接触領域が前記積層を通って前記第
    ２クラッド層へ延びる亜鉛拡散領域であることを特徴と
    する特許請求の範囲第（９）項に記載の逆チャネル基板
    プレーナ半導体レーザ。
11. （１１）ｎ型ガリウムヒ素のプレーナ基板、前記基板上
    に形成されたｎ型ガリウムヒ素アルミニウムの平坦な第
    １クラッド層、 前記第１クラッド層上に形成されたドープしてないガリ
    ウムヒ素の平坦な活性層、 前記活性層上に形成されたｐ型ガリウムヒ素アルミニウ
    ムの半導体物質の第２クラッド層、前記第２クラッド層
    上に形成されたｐ型ガリウムヒ素のキャッピング層、 エッチングによって前記第２クラッド層と前記キャッピ
    ング層から形成されたメサ領域、前記第２クラッド層と
    前記キャッピング層の残余の部分上に形成されたｎ型ガ
    リウムヒ素の半導体積層、および 前記積層を通して前記メサ領域内の前記第２クラッド層
    まで延びる導電性接触領域から構成され、前記第２クラ
    ッド層の前記メサ領域を横方向に取り囲み、電流を前記
    メサ領域内に制限し、レーザ発振を横方向で同一領域へ
    と制限するようにしたことを特徴とする逆チャネル基板
    プレーナ半導体レーザ。
12. （１２）前記メサ領域が前記中央台部およびこの中央台
    部の両側の遷移領域からなり、この遷移領域において第
    ２クラッド層の厚さが前記台部の高さから周囲の平面部
    の高さまで漸減していることを特徴とする特許請求の範
    囲第（１１）項に記載の逆チャネル基板プレーナ半導体
    レーザ。
13. （１３）前記メサ領域の前記中央台部に隣接の各遷移領
    域が少なくとも一つの中間棚部を含むことを特徴とする
    特許請求の範囲第（１２）項に記載の逆チャネル基板プ
    レーナ半導体レーザ。
14. （１４）前記メサ領域の前記中央台部に隣接の各遷移領
    域が前記中央台部と大よそ同一の幅のものであることを
    特徴とする特許請求の範囲第（１２）項に記載の逆チャ
    ネル基板プレーナ半導体レーザ。