JPH04186687A

JPH04186687A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH04186687A
Application number: JP31178390A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Watanabe; 和昭渡辺
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-11-17
Filing date: 1990-11-17
Publication date: 1992-07-03

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】［産業上の利用分野コ本発明は、■−■族化合物半導体レーザに一関する。

［従来の技術］セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）などの
Ｉ［−Ｖｌ族化合物半導体、およびこれらの混晶は、広
い禁制帯幅、高比抵抗、低屈折率といった他の材料系に
はない特徴を有しており、これらの特徴を生かして、例
えばＺｎ５ｅ薄膜はＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の
電流狭窄層及び光閉じ込め層として利用されている。第
５図は岩野らにより応物学会講演予稿集（昭和６２年春
期、２８ｐ−ＺＨ−８）に発表された、Ｚｎ５ｅ埋め込
み型ＡｌＧａＡｓ半導体レニザの構造断面図である。上
記半導体レーザは、活性層（４１）の両側を活性層より
も小さな屈折率を有するクラッド層（１３，１７）では
さんだダブルへテロ接合を有しており、上側クラッド層
（１３）の途中までエツチングを施すことによってリブ
状の光導波路が形成されている。この光導波路をＺｎ５
ｅ層（２０）で埋め込むことにより光導波路が形成され
ているが、ＺｎＳ　ｅ層は電流狭窄層としての役割を果
たすと同時に、その低屈折率という特徴を生かして、リ
ブ直下とその両側の領域との間に実効屈折率段差を生じ
させ、光間し込め層としての役割をも果たしている。Ｚ
ｎ５ｅは他の埋め込み層に用いられる材料系と比較して
、高比抵抗、低屈折率という特徴を有しているおり、キ
ャリア、及び光波を光導波路内に有効に閉じ込め、半導
体レーザの低しきい値化、高効率化に大きく貢献してい
る。

［発明が解決しようとする課題］しかし、従来技術による通常のダブルへテロ接合型半導
体レーザでは、構造を最適化したとしてもレーザチップ
の発熱等も考慮すると、最高８力は５０ｍＷ程度と見積
られる。光デイスクシステムのピックアップ用光源とし
て半導体レーザ使用する場合、今後予想される転送レー
トの高速化のためには６０ｍＷを超える高出力半導体レ
ーザが必要となり、従来構造の半導体レーザでは対応で
きない。

そこで、本発明はこれらの問題点を解決するもので、そ
の目的とするところは、１００ｍＷ以上の高出力で連続
発振することが可能な高出力半導体レーザを、再現性よ
く提供するところにある。

［課題を解決するための手段］本発明の半導体レーザは（１）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の積層構造からなるリ
ブ状の光導波路を有し、かつ該光導波路を■−■族化合
物半導体眉で埋め込んでなる半導体レーザにおいて、該
半導体レーザの光導波路は少なくとも半導体基板上に積
層された第１のクラッド層、第１の光導波路層、活性層
、東２の光導波路層、第２のクラッド層より形成されて
おり、該活性層は複数の井戸層及び障壁層よりなる量子
井戸構造を有しており、かつ第１と第２の光導波路層の
材質、膜厚の内少なくとも一方が異なるここと（２）上
記（１）記載の半導体レーザにおいて量子井戸層の数が
２であることを特徴とする。

［実　　施　　例コ本発明の高出力半導体レーザの第１の実施例を、第１図
に示す。

ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型バッファー層、ｎ型下側クラ
ッド層、ｎ型下側光導波路層、量子井戸構造活性層、ｐ
型上側光導波路層、ｎ型下側クラッド層、ｐ型コンタク
ト層が順次積層されており、コンタクト層、及び上側ク
ラッド層はリブ状に加工されていて、光導波路を形成し
ている。■−■族化合物半導体によって形成される上記
光導波路は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるＺｎ５ｅ
によって埋め込まれている。活性層はノンドープＧａＡ
Ｓ及びノンドープＡｌＧａＡｓをそれぞれ井戸層、及び
障壁層とする二重量子井戸構造を有しており、井戸層の
膜厚は５０λ（０，００５μｍ）である。

次に本発明の高出力半導体レーザの製造方法を、第２図
を用いて説明する。

ｎ型ＧａＡｓ基板（１１）上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ
ー層（１２）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下側クラッド層（１３
）、ｎ型−ＡｌＧａＡｓ上側光導波路層（１４）、量子
井戸構造活性層（１５）、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上側光導波
路層（１６）、ｐ−ＡｌＧａＡｓ上側クラッド層（１７
）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（１８）を順次エピタキ
シャル成長する。各層の組成及び膜厚は表１に示す通り
である。成長はトリメチルガリウム（（ＣＨ３）３表１Ａ１組成　膜厚（μｍ）コンタクト層　（１８）、　　　０　　　　　１．０上
側クラッド層（１７）　　　０．４５　　１．０上側光
導波路層（１６）　　　０．３５　　０．３量子井戸活
性庖（１５）　　　Ｏ／、０．３５下側光導波路層（１
４）　　　０．３０　　０．１５下側クラッド層（１３
）　　　０．４０　　０．４５バツフア一層　（１２）
　　　０　　　　　１．０基板　　　　　（１１）　　
　０Ｇａ：ＴＭＧ）等の有機金属化合物、およびアルシン（
ＡＳＨ３）　　等の水素化物を原料とする有機金属化学
気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって行い、成長温度は
７３０℃とする。

次いで、上記コンタクト層上に二酸化ケイ素（ＳｉＯ２
）等の絶縁膜（１９）を蒸着する。５ｉ０２蒸着は常圧
化学気相蒸着法を用いて行い、その膜厚は６００〜５０
００人とする（第２図（ａ））。

その後、フォトリソグラフィー工程によって絶縁膜をパ
ターンニングし、さらに上記絶縁膜をマスクとしてリブ
のエツチングを行う。リブのエツチングには硫酸系エッ
チャントを使用し、上側の光導波路層とクラッド層の境
界部までエツチングを行う（第２図（ｂ））。

リブのエツチング後、絶縁物マスクを残したままの状態
でリブをＺｎ５ｅによって埋め込む。ここで行う埋め込
み成長も、有機金属化学気相成長法によって行なう。原
料として、ジメチル亜鉛ニジメチルセレンニアダクト（
ＤＭＺｎ−ＤＭＳ　ｅ）、及びセレン化水素を用い、そ
の成長温度は２７５℃とする。Ｚｎ５ｅのエピタキシャ
ル成長を行うと、リブの側面及びリブのない部分には単
結晶のＺｎ５ｅ　（２０）が、リブ上には多結晶Ｚｎ５
ｅ（２１）が成長する（第２図（Ｃ））。

リブ上に積層した多結晶Ｚｎ５ｅは、反応性イオンビー
ムエツチング（ＲＩ　Ｂ　Ｅ）法により除去する。多結
晶Ｚｎ５ｅ、単結晶Ｚｎ５ｅ、及び５ｉ０２のエツチン
グレートは、多結晶Ｚ　ｎ　Ｓ　ｅ　ｂ；１番大きく、
５ｉ０２が１番手さい。そこで、このエツチングレート
の差を利用し、リブ上の多結晶Ｚｎ５ｅを完全に除去し
、かつリブの上面と単結晶Ｚｎ５ｅ埋め込み層の上面と
が同じ高さになる様エツチング時間を調整し、レーザチ
・ノブの平坦化を図る（第２図（ｄ））。なお、５ｉ０
２のエツチングレートは、ＺｎＳ　ｅのそれに比べ１／
３〜１／４と大変小さいため、Ｓｉｏ２マスクはオーバ
ーエツチングによってリブ頭部が工・ノチングされてし
まうといった危険性を防ぐ、工・ソチングストップ層と
しての役割も果たしている。

リブ上に積層した多結晶Ｚｎ５ｅの除去後、マスクの絶
縁膜を除去し、基板を１００μｍ厚まで研磨する。最後
に、ｐ側、ｐ側それぞれの電極を蒸着すると、Ｚｎ５ｅ
埋め込み分離閉じ込め型二重量子井戸レーザ（ＳＣＨ−
ＤＱＷ−ＬＤ）が完成する（第２図（ｅ））。

本発明の半導体レーザは、活性層に超薄膜よりなる量子
井戸構造を採用している。量子井戸構造の導入によりキ
ャリアは狭い井戸内に閉じ込められ、電子、あるいはホ
ールの単位は量子化される。

この結果、通常のダブルへテロへテロ接合型半導体レー
ザに比べて発光効率が向上し、レーザ発振を開始するし
きい電流値は小さくなる。ただし井戸層の膜厚が薄い場
合、あるいは注入電流が多い場合、井戸層からのキャリ
アのオーバーフローが増加し、この結果発光に関与しな
い電流が流れたり、発振モードが不安定になったりする
。無効電流の増加はチップの温度上昇を意味し、端面が
光学損傷（ＣＯＤ　：　Ｃａｔａｓｔｒｏｐｉｃ　０ｐ
ｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ。

以下ＣＯＤと略する）レベルに達する前にレーザ光の出
力は熱的に飽和し、発振を停止してしまう。

本発明の半導体レーザでは、井戸層の数を２以上の複数
とすることによってキャリアのオーバーフローを抑え、
低しきい値、高効率を達成している。

また量子井戸構造の導入によって、半導体レーザの最高
出力を決定するファクターの一つである端面破壊密度が
大幅に向上している。その値は約６ｍＷ／ｃｒｎ２であ
り、通常のダブルへテロ接合型半導体レーザの端面破壊
密度（２〜４ｍＷ／ｃｍ２）と比較すると、約２倍向上
したことになる。

また、活性層は超薄膜により形成されているため、活性
層で生じた光は上下の光導波路層にしみだし、活性層に
おける光密度は通常のダブルへテロ接合型半導体レーザ
に比べて低（なっている。

さらに、光導波路層を活性層の上下で非対称としたこと
により光の強度分布の中心が活性層から外れる。第１の
実施例の半導体レーザを光導波路と見たてたときの電界
強度の分布を第４図に示す。

電界分布のピークは活性層から　０，１２８ｍ上側光導
波路層に入った地点になっており、活性層の電界強度は
ピーク位置の７５％程度になっている。

実際には利得が存在するため光の強度分布は第４図とは
異なるが、光強度の分布の中心を活性層からはずす効果
は十分得られる。

本発明の半導体レーザは、量子井戸構造活性層の井戸数
を複数にすることによって注入キャリアのオーバーフロ
ーを抑え、低しきい電流値、高効率を達成している。し
かし、井戸層の複数化によってキャリアの閉じ込めをよ
くすると、活性層の光閉じ込め係数も大きくなってしま
い、光のしみ出し効果が期待できなくなる。そこで本発
明の半導体レーザでは光導波路を活性層の上下で非対称
とし、光強度分布の中心を活性層から外して活性層に光
が集中するのを防いでいる。本発明の半導体レーザはし
きい電流値が２０ｍＡ、最高出力が１２ｍＷであった。

さて、埋め込み層として用いたＺｎ５ｅは、■−■族化
合物半導体と比較して比抵抗が高く、キャリアの閉じ込
めが有効に働く。また、屈折率が約　２．５４とＧａＡ
ｓ等に比べて小さいため、光波の横方向の閉じ込めも有
効に行われる。このキャリア、及び光波の閉じ込め効果
により低しきい値化、高効率化が容易に達成できる。

また、Ｚｎ５ｅはＳｉＯ２等の他の誘電体絶縁膜と比べ
熱伝導性に優れている。従って、電流狭窄に使用する場
合、高出力で連続駆動する必要があっても発生した熱は
効率よく放熱され、チップの温度上昇に基づく効率の低
下、あるいはしきい電流値の上昇等を最小限に抑えるこ
とができる。

Ｚｎ５ｅを埋め込み層に用いる効果は、チップの発熱が
大きい場合、すなわち高出力駆動する場合はど有効とな
る。

本発明の第２の実施例を、第３図に示す。第１図に示し
た第１の実施例との違いは、光導波路構造が基板に達す
るまでエツチングされている点と、リブの埋め込みをＧ
ａＡｓと格子整合するＺｎＳ［］、１Ｉ６Ｓ　ｅ　ｅ、
ｓ４（３１）によって行っている点の２点である。

この実施例においては、活性層と格子定数が一致するＺ
ｎＳＳｅ混晶でリブを埋め込んでいるため、格子ミスマ
ツチに基づく活性層へのストレスがかかりにくくなって
いる。従って、活性層に格子欠陥が生じにくくなり、こ
の結果半導体レーザの高信頼性、高性能化が可能となる
。また、埋め込み層を形成するＺｎＳＳｅの側からみて
も、埋め込み成長中、リブ側面との界面においてストレ
スが生じないため、良質の埋め込み層を形成することが
できると同時に、リブ側面への密着性が向上し、光波、
及びキャリアの閉じ込め効果がより向上する。

なお、本発明の半導体レーザの実施例の説明においては
、埋め込み層としてＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるＺ
　ｎ　Ｓ　ｅ　％　　あるいはＺｎＳＳｅを用いた場合
について説明を行ってきたが、他の■−■族化合物半導
体を用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。

すなわち、■族原料としてはセレン、硫黄、テルル等が
あげられ、■族原料としては亜鉛、カドミウム等が利用
でき、これらを組み合わせた、２元系、３元系、４元系
等の混晶においても、良好な特性を得ることができる。

なお、いずれの場合でも、活性層を形成するｍ−ｖ族化
合物半導体と埋め込み層とを格子マツチングさせた方が
よい結果が得られることは言うまでもない。

加えて、本発明の半導体レーザはＡｌＧａＡｓ系以外の
レーザ材料、例えばＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＰ系の
材料に対しても同様に適用できる。

また、実施例において各層の導電型をすべて反対にした
構造（ｐをｎに、ｎをｐに置き換えた構造）についても
同様の効果が期待できる。

［発明の効果］本発明の半導体レーザは以下に述べるような効果を有し
、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の持つ特徴を十分生かすと
同時に、１００ｍＷクラスの高出力で連続発振できる半
導体レーザの作製を可能とする。

（１）多重量子井戸構造の導入により、端面破壊密度が
通常のダブルへテロ接合を有する半導体レーザに比べて
約２倍に向上する。このことは、最高己力の向上を意味
する。また井戸層の数を複数とすることによって、井戸
層からのキャリアのオーバーフローを減らすことができ
、単一量子井戸構造活性層を有する半導体レーザと比べ
ても、低しきい値、高スロープ効率が達成される。

（２）光導波路層を活性層の上下で非対称にしたことに
より光強度分布のピークを活性層からはずすことができ
る。井戸層の数を複数にすると光の活性層からのじみだ
しが少なくなるが、光導波路層を上下で非対称としたこ
とによって活性層にレーザ光が集中することがなくなる
。

また、量子井戸構造の導入によってＩ［−ＶＩ族化合物
半導体埋め込みレーザが持つ特性は何ら損ねられること
ない。そればかりか、高８力時には低出力の場合よりも
ｎ−ｖｉ族化合物半導体の持つ特性がより有効に発揮さ
れる。

（３）　Ｉ［−ＶＩ族化合物半導体の格子定数はＧａＡ
Ｓのそれと近いため、格子ミスマツチに基づく活性領域
に与えるストレスを最小限に抑えることができ、半導体
レーザの長寿命、及び高出力時の信頼性の向上が計れる
。

（４）　Ｉ［−ＶＩ族化合物半導体は、ｍ−ｖ族化合物
半導体と比べて高比抵抗、低屈折率である。従って、キ
ャリア、及び光波が有効に光導波路内に閉じ込められ、
半導体レーザの低しきい値化、高効率化が容易に達成さ
れる。特に、高出力時にはわずかな漏れ電流がチップの
発熱等につながるので、電流及び光を有効に閉じ込める
ことは必要である。

ぐ５）また、Ｕ−ＶＩ族化合物半導体は誘電体薄膜と比
べて熱伝導率が非常に大きい。このため、高出力で連続
発振をした場合でも発生した熱がスムーズにチップから
放熱され、チップの温度上昇に基づく効率の低下、ある
いはしきい値の上昇を招くことが少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す半導体レーザの
構造断面図。第２図＜ａ＞〜（ｅ）は、本発明の第１の実施例の半導
体レーザの製造工程を説明する工程断面図。第３図は、本発明の第２の実施例を示す半導体レーザの
構造断面図。第４図は、本発明の半導体レーザの積層方回の電界分布
を説明する図第５図は、従来例を示す半導体レーザの構造断面図。１１　・−ｒｌ型ＱａＡｓ基板１２・・・ｎ型ＧａＡｓバッファー層１３・・・ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１４・・・ｎ型
ＡｌＧａＡｓ光導波路層１５・・・多重量子井戸活性層１６・・・ｎ型ＡｌＧａＡｓ光導波路層１７・・・ｐ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層１８・・・ｐ型ＧａＡｓコンタ
クト層１９・・・５ｉ０２マスク２０・・・単結晶Ｚｎ５ｅ２１・・・多結晶Ｚｎ５ｅ２２・・・ｐ型オーミック電極２３・・・ｎ型オーミック電極３１　・・・単結晶Ｚｎ５Ｓｅ５１・・・活性層以上（ａ）　　　　　　　　　　　（ｄ）（ｂ）　　　　　　　　　　　（ｅ）（Ｃ）第２図０、０　　　　　　０．５第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）III−Ｖ族化合物半導体の積層構造からなるリブ
状の光導波路を有し、かつ該光導波路をII−VI族化合物
半導体層で埋め込んでなる半導体レーザにおいて、該半
導体レーザの光導波路は少なくとも半導体基板上に積層
された第１のクラッド層、第１の光導波路層、活性層、
第２の光導波路層、第２のクラッド層より形成されてお
り、該活性層は複数の井戸層及び障壁層よりなる量子井
戸構造を有しており、かつ前記第１と第２の光導波路層
の材質、膜厚の内少なくとも一方が異なることを特徴と
する半導体レーザ。
（２）前記量子井戸層の数が２であることを特徴とする
請求項１記載の半導体レーザ。