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JPS63150985A - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

Info

Publication number
JPS63150985A
JPS63150985A JP61298174A JP29817486A JPS63150985A JP S63150985 A JPS63150985 A JP S63150985A JP 61298174 A JP61298174 A JP 61298174A JP 29817486 A JP29817486 A JP 29817486A JP S63150985 A JPS63150985 A JP S63150985A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
mesa
doped
current
region
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP61298174A
Other languages
English (en)
Inventor
Toshiro Hayakawa
利郎 早川
Naohiro Suyama
尚宏 須山
Kousei Takahashi
向星 高橋
Masafumi Kondo
雅文 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP61298174A priority Critical patent/JPS63150985A/ja
Priority to US07/132,300 priority patent/US4852111A/en
Priority to EP87311052A priority patent/EP0272096B1/en
Priority to DE8787311052T priority patent/DE3778510D1/de
Publication of JPS63150985A publication Critical patent/JPS63150985A/ja
Priority to US07/348,807 priority patent/US4907239A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

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] この発明は、量子井戸構造の活性領域をMBE(分子線
エピタキシ)法やMOCVD (有機金属化学気相成長
)法を用いて容易に作製することのできる極めて低いし
きい値電流を有する半導体レーザの素子構造に関する。
[従来の技術] 近年、分子線エピタキシ(MBE)法あるいは有機金属
を用いた化学気相成長(MOCVD)法などの薄膜単結
晶成長技術の進歩が著しく、これらの薄膜成長技術を用
いれば、IOA程度の極めて薄いエピタキシャル成長層
を得ることが可能である。このような製造技術の進歩に
より、半導体レーザの分野においても、従来の液相エピ
タキシャル成長(L P E)法では製作が困難であっ
た極めて薄い層(層厚100A以下)を活性領域として
そこに量子井戸を形成した超低しきい値電流密度の量子
井戸レーザを製作することが可能となってきている。特
に、量子井戸構造の活性領域を傾斜アルミニウム組成分
布を有する光ガイド層で挟み込む構造のGRIN−3C
H(GradedIndex−Separate  C
onfinement  Heterostructu
re)型の単一量子井戸構造レーザにおいては、共振器
長約2504mで350A/Cm2、共振器長約500
μmでは200A/cm2程度の超低しきい値電流密度
を得ることが可能である(たとえば、W、T、Tsan
g、Applied  Physics  Lette
rs、Vol、40.1981、p、21?参照)。一
方、実際に半導体レーザを低電流動作させるためには、
効率良く電流を光発振領域内に閉じ込めることが必要で
あり、このような素子構造としてはVS IS (V−
channeled  5ubstrate  Inn
erStripe)レーザおよびBH(Buried 
 Heterostructure)レーザがよく知ら
れている。
第2図は従来のVSISレーザの断面構造を模式的に示
す図である。以下、第2図を参照してVSISレーザの
構造および製造方法について説明する。
まず半導体基板1表面上に電流阻止層6を形成する。こ
の電流阻止層6表面から半導体基板1に達するV字溝を
エツチング法を用いて形成し狭い電流通路を形成する。
次に7字溝上および電流阻止層6上にLPE (液相エ
ピタキシ)法の段差被覆性に優れている特性を利用して
、クラッド層2、活性層3、クラッド層4およびキャッ
プ層5を順次形成する。このV字溝により、電流通路が
狭くされ、発振モードの不安定性をなくし、基本横モー
ドで発振させるようにされている。このVSISレーザ
は、平坦な活性層3をクラッド層2,4で挟設したダブ
ルへテロ接合構造を積層したものであり、V字溝幅w−
4μmでしきい値電流40mA以下の半導体レーザが実
現されている。この種の屈折率導波型の半導体レーザは
従来からLPE法を用いて盛んに開発されているが、溝
加工やメサ加工をした基板上にLPE法を用いて作製さ
れた結晶層の特殊な形状を利用しているため、MBE法
やMOCVD法を用いてこの素子構造を実現することは
一般に困難であり、活性領域に量子井戸構造を適用して
半導体レーザの低電流化を図ることができないという欠
点を有している。
第3図はBHレーザの断面構造を模式的に示す図である
。以下、BHレーザの構成について説明する。半導体基
板1表面に形成されたメサ型領域(凸状のストライブ領
域)上に下側のクラッド層2、活性層3および上側のク
ラッド層4を順次形成し、メサ型のダブルへテロ接合発
振領域を形成する。次に半導体基板1表面上の発振領域
2,3゜4を除く領域に半導体基板1および下側クラッ
ド層2と反対の導電型を有する第1の埋込層8、埋込層
8および上側のクラッド層4と反対の導電型を有する第
2の埋込層9を順次形成し、発振領域2.3.4を埋込
む。この工程の後、キャップ層5を形成する。埋込層8
,9はともに発振領域の等偏屈折率よりも小さな屈折率
となるようにその屈折率が設定されており、レーザ光は
メサ型の発振領域内に強く閉じ込めることが可能である
。また、レーザ発振に必要とされる電流は、動作時にお
いては埋込層8,9に逆バイアスが印加されるため、こ
の領域を流れることはできず、発振領域2.3および4
にのみ流れることになり、電流通路を狭くすることが可
能である。この屈折率導波型のBHレーザは埋込層8,
9により電流および光を発振領域内に閉じ込めそれによ
り半導体レーザの低電流化を図るものである。この構造
の半導体レーザにおいては、ストライプ幅(メサ領域の
幅)W−2μm以下で10mA以下の低しきい値電流を
実現することが可能である。
また、このBHレーザに対しては活性領域に量子井戸構
造を採用し、かつストライプ幅(メサ領域幅)をさらに
小さくすることによりしきい値電流をさらに下げること
が可能であるが、しきい値電流を1mA程度まで下げる
ことは容易ではない。
すなわち、埋込層8,9の界面に形成されるp/n接合
と発振領域2,3および4のp / n接合となる活性
層3界面が第3図に示されるように一致している場合は
良いが、第4A図および第4B図に示すように、この埋
込層8,9が形成するp/n接合面と発振領域2.3お
よび4が形成するp/n接合面とに不一致が生じた場合
、第4A図および第4B図に示されるように矢印で示し
たような発振に利用されない無効電流の通路が生じる。
この無効電流は通常1〜5mA程度あるため、レーザ発
振に必要な電流よりも無効電流の方が大きくなり、半導
体レーザの低しきい値電流化に対する限界要因となって
いる。
さらに、埋込層8,9が形成するp / n接合面を活
性層3界面に一致させた場合においても、活性層3から
埋込層(8または9)へ漏れる1mA程度以下のわずか
な無効電流を防止することは不可能である。
[発明が解決しようとする問題点コ 以上のように、従来のVSISレーザにおいてはMBE
法やMOCVD法を用いて活性領域を量子井戸構造とす
ることが困難であり、またBHレーザにおいてはMBE
法やMOCVD法を用いて活性領域に量子井戸構造を適
用することは可能であるものの、活性領域界面と埋込層
の形成するp/n接合面とを一致させることは困難であ
り、またたとえ一致させることができても活性領域から
埋込層へ漏れ出す無効電流を防止することは困難であり
、いずれの場合においても半導体レーザの低しきい値電
流化を図ることが困難であるという問題点があった。
それゆえこの発明の目的は上述の従来の半導体レーザの
問題点を除去し、MBE法やMOCVD法を用いて量子
井戸構造を活性領域に適用することができるとともに、
無効電流の発生を抑止することができ、それにより超低
電流化が可能な新規な素子構造を有する半導体レーザを
提供することである。
[問題点を解決するための手段] この発明に係る半導体レーザは、電流挾搾用のメサ領域
を存する第1導電型の半導体基板表面に、メサ領域によ
り生じた段差を補償するに足る膜厚の第2導電型の半導
体層を形成して基板表面を平坦化した後、メサ領域を含
む領域上に発振領域を形成し、この後第2導電型半導体
層上に高抵抗層および第1導電型半導体層を含む多層埋
込層により発振領域を埋込むようにしたものである。
[作用] 半導体基板表面を第2導電型半導体層を用いて平坦化す
ることによりMBE法やMOCVD法を用いた超格子構
造の量子井戸領域を活性領域へ適用することが可能とな
り、また発振領域を高抵抗層および第1導電型半導体層
で埋込むことにより、埋込層に逆バイアス電圧が印加さ
れることとなり、発振動作中の電流は発振領域にのみ流
れ、かつさらに活性領域は特に高抵抗層で埋込まれるた
め、活性領域から埋込層への無効電流の漏れ出しが生じ
ることはない。
[発明の実施例] 第1A図ないし第1E図はこの発明の一実施例である半
導体レーザの製造工程および構造を模式的に示す断面図
である。以下、第1A図ないし第1E図を参照してこの
発明の一実施例である半導体レーザの製造方法および構
造について説明する。
第1A図において、p型GaAs基板11表面に、メサ
エッチングを施して上部の幅1μm高さ2μmのストラ
イプ状メサ20を形成する。次に、テルル(Te)を2
×1018/cm3 ドープしたn型GaAs電流阻止
層12をメサ20を埋込むように半導体基板11上に成
長させる。
第1B図に示すように、電流阻止層12に対しエツチン
グ処理を施して、メサ20上部のp型GaAs基板11
表面を露出させる。これによりメサ20上部表面と電流
阻止層12表面とが同一平面を形成し、基板表面が平坦
化される。
第1C図において、平坦化された基板表面上に、MBE
法を用いてベリリウム(B e)を1×1018/cm
3ドープした層厚1μmのp型A11゜、7G a 6
,3  A sクラッド層13、層厚0.2ttmのア
ンドープA(jxGa、xAsGRIN層(光ガイド層
)14、層厚70AのアンドープGaAs量子井戸層(
活性領域)15、層厚0. 2μmのアンドープALx
 Ga)X AsG IRN層(光ガイド層)16、シ
リコン(Si)をlX10’8/ c m 3 ドープ
した層厚1umのn型Au、7Ga、13 Asクラッ
ド層17、Slを1×1018/ c m ’ ドープ
した層厚0,05μmのn型Aαb、br Gaa、f
rA”キャンプ層18を順次連続的に成長させる。ここ
で、GRIN層14.16のA込混晶比Xは0. 2〜
0. 7の範囲で層厚とともに2次関数的に変化するよ
うにされる。すなわち、GRIN層14.16のA〔混
晶比は量子井戸層15から遠ざかるにつれて2次関数的
に増加している。
第1D図において、少なくともクラッド層13の下部が
順メサ型となり、かつメサ型クラツド層13底部が電流
通路19を含むように、発振領域13〜18をストライ
ブ状に電流阻止層12表面に達するまでエツチングする
。このエツチング法は通常のメサエッチング法を用いか
つエッチャントを適当に選択することにより実現される
。図示されるようにメサ型のクラツド層13底部を順メ
サ型とすることにより、量子井戸層15近傍のストライ
ブ幅を1μm程度に狭く形成しても、発振領域13〜1
8、すなわちクラッド層13が電流通路19を完全に含
むように容易に形成することができる。
第1E図において、LPE法を用いてメサストライプ状
に形成された発振領域13〜18を埋込むように、アン
ドープA込54Ga6.之 As埋込層21、マグネシ
ウム(Mg)をlX10’8/cm’ ドープしたp型
A L 6.g G a 11.2 A s埋込層22
、テルル(Te)をlXl018/cm3ドープしたn
型GaAsキャップ層23を順次成長させる。このとき
量子井戸層15(活性領域)15は高抵抗のアンドープ
AQ−、、、Ga、、As埋込層21でその周囲が完全
に覆われる横通となっている。この後キャップ層23上
にAuGe/Ni層を、GaAs基板11裏面上にAu
Zn層を蒸着し合金化させることによりオーミックなp
側(+側)電極31およびn側(−側>tS極32を形
成する。高Aα混晶比の埋込層21はLPE法を用いて
成長させることより容易に高抵抗層とすることができ、
またp型埋込層22、高抵抗埋込層21およびn型電流
阻止層12により動作中はこの911層には逆バイアス
が印加されることになり電流は発振領域13〜18にの
み流れることとなり、電流通路を狭くすることができ、
さらに発振領域はその周囲が高抵抗層21で囲まれてい
るため無効電流が生じることはない。
上述の製造方法を用いて作製した半導体レーザ素子は、
共振器長250μm1発振波長840nmにおいてしき
い値電流1.5mAで発振した。
一方、同一構造のGRIN−SCH構造の半導体レーザ
は全面電極型素子で、3 B OA / c m2(共
振器長250μm)のしきい値電流密度が得られている
ことから、この発明による半導体レーザ素子においては
、無効電流は少なくとも1.5mA−(360A/cm
2XiμmX250μm)=0.6mA(但し共振器幅
は1μm)と1mA以下の極めて低い値に抑制されてい
ることがわかる。
なお、上記実施例においては、p型GaAs基板上に発
振領域を構成する場合を示したが、n型のGaAs基板
を用い、各層の導電型を適当に変えることにより同様に
形成することができる。また用いる材料についても、A
lGaAs系に限定されず、InAuGaP系やInG
aAsP系などのヘテロ構造の半導体レーザに本願発明
を広く適用することが可能である。また、基板上への各
層の成長方法はLPE法、MBE法、MOCVD法、お
よびVPE(気相エピタキシ)法などを適当に組合わせ
て利用することが可能である。
[発明の効果コ 以上のようにこの発明によれば、電流挾搾用のメサ領域
を有する半導体基板を電流阻止層を用いて表面を平坦化
し、この平坦な表面上に発振領域を形成しているので、
活性領域をMBE法やMOCVD法を用いて量子井戸構
造とすることが可能であり、かつ発振領域を高抵抗層で
埋込むように構成しているので、BHレーザおける発振
に不要な無効電流を1mA以下の極小値に抑制すること
が可能となる。また、従来の半導体レーザにおけるよう
に凹凸加工を施した基板表面上とは異なり平坦な基板を
用いてその上に発振領域を形成しているため、MBE法
やMOCVD法を用いて量子井戸構造を有する活性領域
を結晶性を低下させることなく形成することができ、高
信頼度の超低しきい値レーザを実現することができる。
また、従来のBHレーザと異なり、埋込層のp / n
接合位置を活性層界面に整合させる必要がないため製造
工程が容易となり素子の歩留りも向上する。
【図面の簡単な説明】
第1A図ないし第1E図はこの発明の一実施例である半
導体レーザの製造工程および構造を模式的示す断面図で
ある。第2図は従来のVSISレーザの断面構造を模式
的に示す図である。第3図は従来のBHレーザの断面構
造を模式的に示す図である。第4A図および第4B図は
従来のBHレーザにおける無効電流通路を示す図である
。 図において、11はGaAs半導体基板、12は電流阻
止層、13は下側のクラッド層、14はGRIN層(光
ガイド層)、15は活性領域(量子井戸層)、16はG
RIN層(光ガイド層)、17は上側のクラッド層、1
8はキャップ層、21は高抵抗層、22は電流阻止層1
2と異なる導電型を有する半導体層、23はキャップ層
、31はp側電極、32はn側電極である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第2図 高。A回 2.4.クラッド1 6゛v流阻よ漫 9、第2つ埋込層 第3回 第48回 3 ° シ古 +9二/巳 8 第17)理込j

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 メサ領域を有する第1導電型の半導体基板と、前記メサ
    領域による段差を補償して前記半導体基板表面を平坦に
    する膜厚で前記半導体基板表面上に形成される第2導電
    型の半導体層と、 少なくとも前記メサ領域全てを含むように前記メサ領域
    表面上に形成される、レーザ光を放出するための発振領
    域と、 前記第2導電型の半導体層上に前記発振領域を埋込むよ
    うに形成される、少なくとも前記第2導電型の半導体層
    上に形成される高抵抗層と前記高抵抗層上に形成される
    第1導電型の半導体層を含む多層構造の埋込層とを備え
    る半導体レーザ。
JP61298174A 1986-12-15 1986-12-15 半導体レ−ザ Pending JPS63150985A (ja)

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EP87311052A EP0272096B1 (en) 1986-12-15 1987-12-15 A semiconductor laser device
DE8787311052T DE3778510D1 (de) 1986-12-15 1987-12-15 Halbleiterlaser.
US07/348,807 US4907239A (en) 1986-12-15 1989-05-08 Semiconductor laser device

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