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発明の名称 半導体レーザ装置及びその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−125147
公開日 平成6年(1994)5月6日
出願番号 特願平4−274688
出願日 平成4年(1992)10月14日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】薄田 利幸
発明者 中塚 慎一 / 内田 憲治 / 矢野 振一郎
要約 目的
半導体レーザ端面の光密度を下げ、端面光破壊レベルをあげる機能を保ちながら、端部領域とその他の領域の光結合が改善され、長期に渡る高信頼動作が可能で安価な高出力半導体レーザ装置を提供すること。

構成
通電により光利得を発生する活性層4と、活性層より小さな屈折率を持ち、活性層を挟んで設けられたクラッド層2、5と、レーザ光出射部近傍のクラッド層5中に配置され、クラッド層よりも大きな屈折率を持つ光ガイド層10とを有し、クラッド層5中の光ガイド層10のレーザ光出射部端面の方を内側よりも活性層により近い位置に設けた半導体レーザ装置。また、クラッド層中の光ガイド層の厚さをレーザ光出射部端面の方が内側よりも厚くすることもできる。
特許請求の範囲
【請求項1】通電により光利得を発生する活性層と、該活性層より小さな屈折率を持ち、該活性層を挟んで設けられたクラッド層と、レーザ光出射部近傍の該クラッド層中に配置され、クラッド層よりも大きな屈折率を持つ光ガイド層とを有する半導体レーザ装置において、上記クラッド層中の光ガイド層は、レーザ光出射部端面の方が、内側よりも活性層により近い位置に設けられたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項2】請求項1記載の半導体レーザ装置において、上記クラッド層中の光ガイド層の厚さは、レーザ光出射部端面の方が、内側よりも厚いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項3】通電により光利得を発生する活性層と、該活性層より小さな屈折率を持ち、該活性層を挟んで設けられたクラッド層と、レーザ光出射部近傍の該クラッド層中に配置され、クラッド層よりも大きな屈折率を持つ光ガイド層とを有する半導体レーザ装置において、上記クラッド層中の光ガイド層の厚さは、レーザ光出射部端面の方が、内側よりも厚いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項4】請求項3記載の半導体レーザ装置において、上記クラッド層中の光ガイド層は、レーザ光出射部端面の方が、内側よりも活性層により近い位置に設けられたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項5】請求項1又は4記載の半導体レーザ装置において、上記光ガイド層は、10μm以上の範囲に渡って活性層に対する距離を分散的に変化させることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項6】請求項2又は3記載の半導体レーザ装置において、上記光ガイド層の厚さは、10μm以上の範囲に渡って分散的に変化することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項7】請求項1から4のいずれか一に記載の半導体レーザ装置において、上記レーザ光出射部端面部の上記活性層の先端は、上記光ガイド層に置き変えられたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項8】基板上に、クラッド層を構成する第1の半導体層を形成する工程と、該第1の半導体層上に所望の領域の周囲の一部に絶縁体よりなるマスクを形成する工程と、該第1の半導体層上に光ガイド層を構成する第2の半導体層を、該マスクによる結晶成長速度の変化を利用して、その厚みを変化させて形成する工程とを有し、請求項2又は4記載の半導体レーザ装置を形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク、レーザビームプリンタ、固体レーザ励起、光2次高調波励起、光ファイバ励起等に用いる高出力半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の高出力半導体レーザ装置は、図9に示すように、半導体レーザの端面近傍の窓領域において上部クラッド層5中に、クラッド層よりも屈折率の大きい光ガイド層14を設け、レーザ端面におけるレーザスポット径を広げ、高出力化するものであった。本構造により、再現性よく、端面でのレーザ光密度を下げることができるので、倍近い高出力化が可能である。なお、図において、1は基板、2はクラッド層、4は活性層、5’は第2クラッド層、6はコンタクト層、12はキャップ層である。なお、この半導体レーザ装置については、第41回応用物理学会講演会講演要旨集、1988年秋、第856頁に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、端部領域とその他の領域の光結合損失のために約2割のしきい値電流の増加が起こるので長期に渡る高信頼動作は困難であるという問題があった。
【0004】本発明の目的は、半導体レーザ端面の光密度を下げ、端面光破壊レベルをあげる機能を保ちながら、端部領域とその他の領域の光結合が改善され、長期に渡る高信頼動作が可能で安価な高出力半導体レーザ装置及びその製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、通電により光利得を発生する活性層と、活性層より小さな屈折率を持ち、活性層を挟んで設けられたクラッド層と、レーザ光出射部近傍のクラッド層中に配置され、クラッド層よりも大きな屈折率を持つ光ガイド層とを有し、クラッド層中の光ガイド層のレーザ光出射部端面の方を内側よりも活性層により近い位置に設けるように構成される。また、この半導体レーザ装置は、クラッド層中の光ガイド層の厚さを、レーザ光出射部端面の方が内側よりも厚くすることができる。
【0006】さらに、本発明の半導体レーザ装置は、通電により光利得を発生する活性層と、活性層より小さな屈折率を持ち、活性層を挟んで設けられたクラッド層と、レーザ光出射部近傍のクラッド層中に配置され、クラッド層よりも大きな屈折率を持つ光ガイド層とを有し、クラッド層中の光ガイド層の厚さを、レーザ光出射部端面の方が内側よりも厚くするように構成される。また、この半導体レーザ装置は、クラッド層中の光ガイド層のレーザ光出射部端面の方を内側よりも活性層により近い位置に設けることができる。
【0007】上記した光ガイド層の厚さは、10μm以上の範囲に渡って、分散的に変化させることが好ましい。また、上記した光ガイド層は、10μm以上の範囲に渡って、活性層に対する距離を分散的に変化させることが好ましい。
【0008】さらに、本発明の半導体レーザ装置は、レーザ光出射部端面部の活性層の先端を光ガイド層に置き変えた構造とすることができる。
【0009】また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、基板上に、クラッド層を構成する第1の半導体層を形成し、第1の半導体層上に所望の領域の周囲の一部に絶縁体よりなるマスクを形成し、第1の半導体層上に光ガイド層を構成する第2の半導体層を、マスクによる結晶成長速度の変化を利用して、その厚みを変化させて形成する過程を有する。
【0010】
【作用】上記従来の半導体レーザ装置においてしきい値電流が増加した原因は、端部の窓領域と中央領域で導波される光の強度分布の形状が大きく異なり、素子中央領域から窓領域に光が入射する際に大きな損失を受けることにあった。この問題は、この半導体レーザ装置が窓領域における光分布を変えることにより高出力化を行うものであるため、高出力化と背反するものであった。
【0011】一方、本発明半導体レーザ装置は、光ガイド層を徐々に活性層に近付けるか又は光ガイド層を徐々に厚くして、レーザ光の形状が導波された状態のまま徐々に窓領域での形状に変化するようにするため、導波路の結合損失を防止することができる。この時、結合損失を十分に小さくするためには導波ビームの形状が徐々に変化する範囲が10μm以上であることが好ましい。
【0012】さらに、このような方法により素子中央部で主に活性層に導波されていたレーザ光を光ガイド層に移した後には活性層が取り除かれても、それによる結合損失が発生しないので、活性層の先端を光ガイド層に置き変えた構造とし、より完全に端面破壊現象を防止することができる。
【0013】
【実施例】
〈実施例1〉本発明の第1の実施例を図1及び図2を用いて説明する。図2(a)(b)(c)は、本実施例の半導体レーザ装置の素子中央領域横断面図、端部領域横断面図及びストライプ領域縦断面図である。図1は、素子製造途中のその平面図である。
【0014】まず、GaAs基板1上に、MOCVD(有機金属化学気相成長)法により、n−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層2(Seドープ、n=1×10~18、厚さ1.5μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、GaAsからなる活性層4(厚さ0.01μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層5(Znドープ、p=1×10~18、厚さ1.5μm)、p−GaAsからなるコンタクト層6(Znドープ、p=1×10~19、厚さ0.5μm)を順次結晶成長させた。
【0015】次に、図1に示すレーザ端部となる窓領域8部分をクラッド層5の途中まで化学エッチングする。この時、ホトリソグラフ技術を用いて残留するクラッド層5の厚さが、レーザ端面から20μm以内では約0.25μm、レーザ端面から20μmから30μmの領域では約0.5μmとなるようにエッチング量を調整した。
【0016】次に、このような構造の上に、熱CVD(化学気相成長)技術及びホトリソグラフ技術を用いて、図1のようなストライプ状のSiO2膜7を設け、さらに端部の窓領域8にホトレジスト保護膜を設けた後化学エッチングを行い、素子中央領域にリッジ状のストライプを形成する。次に、ホトレジストを取り除いた後、MOCVD法によりSiO2膜7のない領域に、n−GaAsからなるブロック層9(Seドープ)を選択的に成長させた。次にSiO2膜を取り除いた後、再びMOCVD法によりクラッド層よりも大きな屈折率を持つp−Al0.3Ga0.7Asからなる光ガイド層10(Znドープ)、p−Al0.5Ga0.5Asからなる第2クラッド層11(Znドープ)、p−GaAsからなるキャップ層12 (Znドープ)を順次成長させた。
【0017】窓領域開始位置からクラッド層5の厚さが0.25μmになるまでの間にクラッド層5の厚さが0.5μmの領域が10μmあり、これによりレーザビームが10μm以上の距離に渡って形状を徐々に変えながら伝搬するため、低損失の光結合が可能となり、しきい値電流の増加を招かずにレーザ端面での光密度を増大することができる。
【0018】〈実施例2〉本発明の第2の実施例を図3及び図4を用いて説明する。図4(a)(b)(c)は、本実施例の半導体レーザ装置の素子中央領域横断面図、端部領域横断面図及びストライプ領域縦断面図である。図3は、素子製造途中のその平面図である。
【0019】まず、GaAs基板1上にMOCVD法によりn−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層2(Seドープ、n=1×10~18、厚さ1.5μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、GaAsからなる活性層4(厚さ0.01μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層5(Znドープ、p=1×10~18、厚さ1.5μm)、p−GaAsからなるコンタクト層6(Znドープ、p=1×10~19、厚さ0.5μm)を順次結晶成長させた。
【0020】次に、熱CVD法及びホトリソグラフ技術を用いてSiO2膜7、30を設け、さらに図3に示すレーザ端部となる窓領域8においてこのSiO2膜を取り除く。次に、図3に示すような形状のホトレジストマスク13を設けて再度SiO2膜のエッチングを行った後、コンタクト層6をエッチングし、さらにホトレジストマスク13を除去して、さらにもっとも薄い部分でクラッド層5が0.25μm残るように追加エッチングを行う。クラッド層5をエッチングする範囲は、端部から30μmの範囲である。
【0021】次に、MOCVD法により、SiO2膜のない領域にクラッド層よりも大きな屈折率を持つn−Al0.3Ga0.7Asからなる光ガイド層14(Seドープ)、n−Al0.5Ga0.5As層15(Seドープ)を選択的に成長させる。この時、端部領域ではストライプ状のSiO2膜7の他に、図3のような形状のSiO2膜30が設けられており、このように結晶表面に結晶成長しない部分があるため、光ガイド層14の厚さが端面に近付くに従い厚くなる。
【0022】次にSiO2膜により保護された領域を露出させた後、再びMOCVD法によりp−GaAsからなるキャップ層12(Znドープ)を成長させる。光ガイド層14の厚さはMOCVDの結晶成長中のIII族原子のマイグレーションのために10μm以上の距離にわたり徐々に変化するので、この間をレーザビームが形状を徐々に変えながら伝搬するため低損失の光結合が可能となり、しきい値電流の増加を招かずにレーザ端面での光密度を増大することができる。
【0023】〈実施例3〉本発明の第3の実施例として第1の実施例と同様の構造をAlGaInP系材料により形成した例を示す。すなわち、図2に示すように、GaAs基板1上に、クラッド層2としてn−(Al0.5Ga0.50.5In0.5Pを、光閉じ込め層3としてアンドープ(Al0.3Ga0.70.5In0.5Pを、活性層4としてGa0.5In0.5Pを、再び光閉じ込め層3としてアンドープ(Al0.3Ga0.70.5In0.5Pを、クラッド層5としてp−(Al0.5Ga0.50.5In0.5Pを、コンタクト層6としてp−Ga0.5In0.5Pを、ブロック層9としてn−(Al0.7Ga0.30.5In0.5Pを、光ガイド層10としてp−(Al0.3Ga0.70.5In0.5Pを、第2クラッド層11としてp−(Al0.7Ga0.30.5In0.5P層を、キャップ層12としてp−GaAsを実施例1と全く同じ作製工程で製造した。この半導体レーザ装置の機能は、実施例1と全く同じである。
【0024】〈実施例4〉本発明の第4の実施例として、第2の実施例と同様の構造をGaInAsP系材料により形成した例を示す。すなわち、図2に示すように、実施例2と同様にGaAs基板1上に、n−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層2を形成した後光閉じ込め層3としてアンドープGaAsを、活性層4としてGa0.8In0.2Asを、再び光閉じ込め層3としてアンドープGaAsを形成し、実施例2と同様のクラッド層5、コンタクト層6を形成し、光ガイド層14としてn− Ga0.8In0.2As0.60.4を、さらにn−Al0.5Ga0.5As層15に変えてGa0.5In0.5P層を、キャップ層12としてp−GaAsを、いずれも実施例2と全く同じ作製工程で製造した。この半導体レーザ装置の機能は、実施例2と全く同じである。
【0025】〈実施例5〉本発明の第5の実施例を図5を用いて説明する。図5(a)は、本実施例の半導体レーザ装置の製造途中の縦断面図、図5(b)は、その平面図、図5(c)は、製造した半導体レーザ装置の縦断面図である。
【0026】まず、GaAs基板1上にMOCVD法によりn−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層2(Seドープ、n=1×10~18、厚さ1.5μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、GaAsからなる活性層4(厚さ0.01μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層5(Znドープ、p=1×10~18、厚さ1.5μm)、p−GaAsからなるコンタクト層6(Znドープ、p=1×10~19、厚さ0.5μm)を順次結晶成長させた。
【0027】次に、熱CVD法によりSiO2膜を設け、その上にホトレジストマスク(図示せず)を設け、このホトレジストマスクの下のSiO2膜のサイドエッチングとコンタクト層6のGaAsのエッチングを交互に行なうことにより、コンタクト層6に、図7に示す傾斜膜厚領域28を形成する。傾斜膜厚領域の長さは約10μmで段差は0.5μmである。さらに図7に示すレーザ端部となる領域全体においてこのSiO2膜を取り除く。
【0028】次に、図5(b)に示すような形状のホトレジストマスク13を設けて再度SiO2膜のエッチングを行った後、ホトレジストマスク13を除去して、さらに傾斜膜厚領域28以外の部分でクラッド層5が0.25μm残るように追加エッチングを行う。このとき傾斜膜厚領域28の部分は、クラッド層5から光閉じ込め層3、活性層4、光閉じ込め層3、クラッド層2まで、表面が傾斜した構造となる。
【0029】次に、MOCVD法によりSiO2膜のない領域にn−Al0.3Ga0.7Asからなる光ガイド層14(Seドープ)、n−Al0.5Ga0.5Asからなる第2クラッド層11(Seドープ)を選択的に成長させる。この時、端部領域ではストライプ状のSiO2膜7の他に図5(b)のような形状のSiO2膜30が設けられており、実施例2の場合と同様に、光ガイド層14の厚さが端面に近付くに従って厚くなる。次にSiO2膜により保護された領域を露出させた後、再びMOCVD法によりp−GaAsからなるキャップ層12を成長させる。
【0030】以上のようにして形成された半導体レーザ装置は、光ガイド層の厚さが段階的に厚くなるので導波路結合損失が小さく、しきい値電流の増加を招かずにレーザ端面での光密度を増大することができる。しかも、ストライプ形成前に設けた傾斜膜厚のためにレーザ端面部分では活性層が完全に光ガイド層14に入れ替わっておりより完全な端面破壊の防止が可能となる。この場合の活性層から光ガイド層14への光結合は、光ガイド層14が徐々に活性層と入れ替わり、且つ光ガイド層14の光導波が十分に強いため、ほとんど損失なしに行われる。
【0031】〈実施例6〉本発明の第6の実施例を図6及び図7を用いて説明する。図7(a)(b)(c)は、本実施例の半導体レーザ装置の素子中央領域横断面図、端部領域横断面図及びストライプ領域縦断面図である。図6は、素子製造途中のその平面図である。
【0032】まずGaAs基板1上にMOCVD法によりn−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層2(Seドープ、n=1×10~18、厚さ1.5μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、GaAsからなる活性層4(厚さ0.01μm)、アンドープAl0.3Ga0.7Asからなる光閉じ込め層3(厚さ0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5Asからなるクラッド層5(Znドープ、p=1×10~18、厚さ1.5μm)、n−GaAsからなるブロック層9(Seドープ、n=4×10~18、厚さ0.5μm)を順次結晶成長させた。
【0033】次に、ホトリソグラフ技術にを用いてブロック層9をストライプ状に取り除く。さらに図6に示すレーザ端部となる窓領域8においては、ストライプ内部のクラッド層5も光閉じ込め層3に達するまで化学エッチングする。次に、熱CVD法によりSiO2膜30を設け、ホトリソグラフ技術により、図6に示すような形状に加工する。
【0034】このような構造の上に、MOCVD法により、p−Al0.3Ga0.7Asからなる光ガイド層10(Znドープ)、p−Al0.5Ga0.5Asからなる第2クラッド層11(Znドープ)、p−GaAsからなるキャップ層12(Znドープ)、を順次成長させる。この時、端部領域では図6のような形状のSiO2膜のため光ガイド層10の厚さが端面に近付くに従い厚くなる。
【0035】以上のようにして形成された半導体レーザは、光ガイド層の厚さが段階的に厚くなっているので導波路結合損失が小さく、しきい値電流の増加を招かずにレーザ端面での光密度を増大することができる。
【0036】〈実施例7〉本発明の第7の実施例として、第5の実施例の構造を応用し、低動作電流の半導体レーザを作製した例を示す。図8(a)は、本実施例の半導体レーザ装置の製造途中の平面図、図8(b)は、製造した半導体レーザ装置の縦断面図である。
【0037】本構造の作製工程は実施例5と同様であるが、本構造においては図8に示すように素子全体に占める窓領域の割合をそれ以外の領域に比べ大きくした。具体的には全長600μmの素子のうち、窓領域以外の領域は150μm以下となっている。このため、従来半導体レーザのへき開制度の限界のため作製困難であった200μm以下の短共振器が容易に作製できる。しかも、レーザの端面が光損傷を受ける心配がないので、活性層の光密度を高くでき、1mA以下の低しきい値動作が可能となった。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、端部領域と素子中央領域の光結合の悪化を招かずに端部の光密度を低減でき、長期に渡り信頼性の良好な高出力半導体レーザが得られた。




 

 


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