(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に活性層と光閉じ込め層とレーザ発振を起こさせるための反射構造とを有し、上部の光閉じ込め層がリッジ構造をなす端面発光型の半導体レーザ装置において、前記基板上に形成した、前記活性層となるべき層を含む化合物半導体の、前記リッジ構造の直下を除く領域へ半絶縁性を示す不純物がドーピングされて半絶縁層化した層により、側面が前記半絶縁層化した層に接している前記活性層の領域がリッジ構造の直下に設定され、
前記リッジ構造は、レーザ光の放射方向と並行な両側面に化合物半導体を半絶縁化した層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記リッジ構造の外側にリッジ構造と同一高さの半導体層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
半絶縁化層は、内部に半導体が混晶化した構造を含んでいることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記不純物は、周期表における第IＶＢ族、第ＶIＢ族、第ＶIIＢ族及び第ＶIII族の遷移金属からなる群から選択された金属又はその組み合わせであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記不純物は、Ｆe，Ｃr，Ｔi及びＲuからなる群から選択された金属又はその組合わせであることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記基板は、Ｉn及びＰを含有するIII−Ｖ族化合物半導体からなり、前記活性層は、Ｉn，Ｇa，Ａs及びＰを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記基板は、Ｉn及びＰを含有するIII−Ｖ族化合物半導体からなり、前記活性層は、Ｉn，Ｇa，Ａl及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記基板は、Ｉn及びＰを含有するIII−Ｖ族化合物半導体からなり、前記活性層は、Ｉn，Ｇa，Ａs及びＰを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有する層と、Ｉn，Ｇa，Ａl及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有する層とを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記基板は、Ｇa及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体からなり、前記活性層は、Ｇa，Ｉn，Ｎ及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記基板は、Ｇa及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体からなり、前記活性層は、Ｇa及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有する層と、Ｇa，Ａl及びＡsを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有する層とを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記基板はサファイアであり、前記活性層は、Ｉn，Ｇa及びＮを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
前記基板は、Ｇa及びＮを含有するIII−Ｖ族化合物半導体であり、前記活性層は、Ｉn，Ｇa及びＮを含有するIII−Ｖ族化合物半導体を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
電界吸収型の光変調器が集積化されていることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
出射光のモード拡大器が集積化されていることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか一に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
分布帰還型の反射構造と、リッジ構造の側下部近傍に発光波長より短い波長のレーザ光を照射せしめる窓構造とを有し、レーザ照射により発振波長を制御することが可能な構造を有することを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか一に半導体レーザ装置。
【請求項１６】
前記リッジ構造が逆メサ形状であること特徴とする請求項１〜請求項２のいずれか一に半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料からなるレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ装置は、光通信や光記録等の情報産業に幅広く使用されており、その低コスト化及び高性能化が求められている。半導体レーザ装置は、光を発する活性層と、発光した光を活性層を中心にその近傍に閉じ込める層とを有し、これらの層を含んで光を増幅する活性領域と発振に必要な帰還を生じさせる反射構造を有する共振器が形成され、発光した光がレーザ光となって放射する。活性領域と共振器は、光の放射方向に細長い構造をなす。半導体レーザ装置には、共振器が基板面に並行に配置され、基板面に垂直な端面からレーザ光を放射する端面発光型と、共振器が基板面に垂直に形成され、基板に垂直な方向にレーザ光を放射する面発光型がある。なお、注入する電流は、端面発光型では共振器を横切って流れ、また、面発光レーザでは、共振器を貫通してその長手方向に流れ、活性領域を定める所定の電流注入領域が設定される。
【０００３】
端面発光型は、更に、両端面を反射面とする反射構造の共振器を備えたファブリペロー（Fabry-Perot）レーザと、内部に設けた多数の分布反射面からなる反射構造の共振器を備えた分布帰還型とがある。
【０００４】
端面発光型レーザには、埋め込み型が広く採用されてきたが、最近になりリッジ型半導体レーザ装置が提案された〔米国文献「ＩＥＥＥフォトニクス・テクノロジー・レターズ（IEEE Photonics Technology Letters）」第７巻第１号（１９９５年１月発行）の第１３頁〜第１５頁参照〕。リッジ型は、端面発光型レーザの低コスト化を目的としたもので、光閉じ込め層の一部である上部クラッド層を基板面から突出するリッジ構造としたものである。リッジ構造は、その直下が所定の電流注入領域となるように設計され、細長いストライプ形状をなす。リッジ構造の半導体レーザ装置では活性層が基板面の全面に形成されるが、リッジ構造によって電流注入領域が制限されるので、有効な活性層領域が設定される。
【０００５】
半導体レーザ装置の製作工程において、埋め込み型が３回程度の結晶成長が必要であるのに対し、リッジ型は、１回の結晶成長で良く、従ってプロセスが簡単になり、コストの低減が可能となる。しかし、リッジ型は、埋め込み型に比較して閾値電流が大きいという欠点があった。閾値電流が大きくなるのは、リッジ構造を通って注入した電流が所定の電流注入領域を越えて横方向に拡散するためである。拡散は、電流が基板に近づく程広がる。
【０００６】
そのような電流の拡散を阻止するために、クラッド層の一部に水素イオンを注入し、その部分を高抵抗化するリッジ型が提案された（例えば特開平１０−２２９２４６号公報参照）。この場合、図８に示すように、まず基板５面の全面に形成した下部クラッド層１２の上に活性層１を形成し、更にその上に全面に上部クラッド層４を形成してからリッジ構造の導波路２０を形成し、続いて、リッジ導波路２０の上面をマスクして、リッジ導波路２０の側面及びクラッド層４の上面に水素イオンを注入する。この場合、水素イオンは、活性層１に達しないように浅く注入し、リッジ導波路２０の側面及びクラッド層４の上面の浅い層２１のみを高抵抗化する。高抵抗化した層２１よって電流の拡散は、ある程度阻止されるが、高抵抗化部分を通った後での電流の拡散を抑える構造がなく、電流拡散阻止の効果が不十分という問題点があった。
【０００７】
一方、横方向への注入電流の拡散が問題となるのは、面発光型レーザの場合も同様であり、その対策として、上部のクラッド層の中間に電流の流れる範囲を中心部分に制限する酸化層を設ける提案がある。しかし、この方法では、製作工程が複雑になってコストが上がるばかりでなく、上記と同様、電流の拡散を抑える効果が十分でないという問題点があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
電流拡散阻止の効果を高めるために、不純物は、上記のように浅く導入するのではなく、活性層に達するように深く導入することが望ましい。しかし、イオン注入は、広い範囲の結晶に損傷を与える欠点があるので、活性層に達するイオン注入では信頼性に問題があった。活性層まで水素イオンをイオン注入した半導体の信頼性試験結果を図９に示す。本試験は、８５℃の環境温度下で光出力が５ｍＷで一定になるようにレーザ駆動回路を制御したときに、初期状態に比べた動作電流変化率を測定したものである。一般には、動作電流の変化率が２０％を越える時間を寿命時間と規定している。図９に示したように、活性層までイオン注入した半導体レーザは、４５時間で動作電流の変化率が２０％を越えてしまい、通常の実用寿命時間の１０，０００時間以上には至らなかった。この早い劣化減少は、イオン注入により半導体結晶に損傷を与えたためと考えられる。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術の前記問題点を解決し、注入電流の横方向への拡散を効果的に抑えることによって閾値電流を低くし、かつ、低コストの新規な半導体レーザ装置を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の最大の特徴は、基板上に活性層と光閉じ込め層とレーザ発振を起こさせるための反射構造とを有し、上部の光閉じ込め層がリッジ構造をなす端面発光型の半導体レーザ装置において、基板上に有する化合物半導体の一部を不純物拡散によって半絶縁層化した層により、前記活性層の領域をリッジ構造の直下に設定したことにある。
【００１１】
本発明の別の特徴は、基板上に活性層と光閉じ込め層とレーザ発振を起こさせるための反射構造とを有し、当該反射構造が活性層を挟んで上下に設けた多層反射鏡によって形成され、上部の多層反射鏡が頂部が基板面に平行な面をなしかつ突起構造をなす面発光型の半導体レーザ装置において、基板上に有する化合物半導体の一部を不純物拡散によって半絶縁層化した層により、前記活性層の領域を上部の多層反射鏡の直下に設定したことにある。
【００１２】
半導体に不純物を導入することによって半導体が半絶縁化することは公知であるが、本発明は、拡散がイオン注入と異なり結晶に与える損傷が少ないことに着目してなされた。即ち、不純物拡散を活性層に達するまで行ない、リッジ構造又は上部の多層反射鏡の直下の領域を半絶縁化した層で囲むことを可能ならしめた。この半絶縁化層によってリッジ構造又は上部の多層反射鏡の直下に活性層の領域が設定される。
【００１３】
半絶縁化層には電流が流れないので、注入電流は、リッジ構造又は突起構造の直下にのみ流れるようになり、電流の拡散が抑えられる。即ち、本発明により、リッジ構造又は突起構造の直下の活性層にのみ拡散を起こすことなく電流を注入することが可能となるので、閾値電流を低減することができる。このような活性層の領域が所定の電流注入領域となる。
【００１４】
図９には、本発明の半導体レーザの信頼性試験結果を合わせて示す。図９に示すように、リッジ型構造に活性層までＦeを拡散させた半導体レーザの動作電流変化率は、１０００時間経過後で約３％であり、これから推定寿命時間は、５０，０００時間以上と見積もられ、十分実用可能な推定寿命時間が得られている。
【００１５】
なお、図１０に示すように、イオン注入の場合の不純物の濃度が半導体の内部で最大となるのに対して、拡散の場合の不純物濃度が表面で最大となって深さ方向で減少するので、イオン注入と拡散とでは、半絶縁化層の構造の相違が明確である。
【００１６】
不純物として、Ｆe，Ｃr，Ｔi，Ｒu等の周期律表（東京天文台編纂丸善発行の「理科年表昭和５１年」参照）における第IＶＢ族、第ＶIＢ族、第ＶIIＢ族及び第ＶIII族の遷移金属が好ましい結果を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体レーザ装置を図面を用いた幾つかの実施例による発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。なお、図１〜図８における同一の記号は、同一物又は類似物を表示するものとする。
【００１８】
【実施例】
＜実施例１＞
本発明を光通信用送信光源として用いる１．３μｍ帯の半導体レーザ装置（以下単に「半導体レーザ」という）に適用した実施例を図１に示す。断面構造を示す同図において、５はｐ型ＩnＰ半導体基板、３は、半導体基板５上に形成した厚さ０．０５μｍのｐ型ＩnＧaＡsＰ下部ガイド層、１は、下部ガイド層３上に形成したＩnＧaＡsＰからなる５層の井戸層とその層間を埋める同材料の障壁層を有する波長１．３μｍで発光する厚さが０．０７μｍの多重量子井戸活性層、２は、活性層１の上に形成した厚さ０．１２μｍのｎ型ＩnＧaＡsＰ上部ガイド層、４は、上部ガイド層２上に形成した厚さ１．９μｍで幅が１．８μｍのリッジ構造のｎ型ＩnＰ上部クラッド層、６は、上部ガイド層２、活性層１及び下部ガイド層３の領域を上部クラッド層４の直下の電流注入領域とするための層であり、Ｆeを不純物として拡散させた半絶縁化層である。半絶縁化層６は、電流注入領域と上部クラッド層４の領域とが連続するように上部クラッド層４の側面にも形成される。本実施例では、半導体基板５が下部クラッド層として機能する。また、この下部クラッド層と、下部ガイド層３、上部ガイド層２及び上部クラッド層４とが光閉じ込め層になる。
【００１９】
更に、図１において、７は、オーミック接触を得るための厚さ０．２μｍのｎ型ＩnＧaＡsコンタクト層、８は、コンタクト層７の上に形成した上部電極、９は、半導体基板５の裏面に形成した下部電極、１０は、半絶縁化層６の表面を覆うＳiＯ2保護層である。
【００２０】
上記の本実施例の半導体レーザの製作方法を次に説明する。まず有機金属気相成長法による結晶成長により、半導体基板５の全面に下部ガイド層３となるｐ型ＩnＧaＡsＰ層を厚さ０．０５μｍに、多重量子井戸活性層１となる５層のＩnＧaＡsＰ層と同材料の障壁層を厚さ計０．０７μｍに、上部ガイド層２となるｎ型ＩnＧaＡsＰ層を厚さ０．１２μｍに、上部クラッド層４となるｎ型ＩnＰ層を厚さ１．７μｍに、コンタクト層７となるｎ型ＩnＧaＡs層を厚さ０．２μｍにこの順に形成する。続いて、ＳiＯ2膜１１を形成し、フォトリソグラフィとエッチングにより、最上層のＳiＯ2膜１１とその下のコンタクト層７となるｎ型ＩnＧaＡs層と更にその下の上部クラッド層４となるｎ型ＩnＰ層を半導体部の断面が幅１．８μｍ高さ１．９μｍの細長いストライプとなるように加工する。
【００２１】
次に、有機金属気相成長炉を用いて５００℃にてＰＨ3及びＨ2雰囲気中でＦe(Ｃ5Ｈ5)2ガスによりＦeの気相拡散で行なう。これによりＦe(Ｃ5Ｈ5)2ガスが熱で分解され、Ｆe原子が上記の各層、即ち化合物半導体層のマスク以外の領域に拡散する。拡散は、活性層１となる上記層に達するまで行なう。このときＳiＯ2膜１１がマスクとなるのでリッジ構造上部へはＦe原子は拡散しない。
【００２２】
さて、Ｆe原子が化合物半導体に導入されると、半導体のバンドギャップのほぼ中央部に準位ができるので、電子が注入されても電子は中央部の準位にトラップされるので半導体は半絶縁状態となり、従って、電流はＦeが拡散した領域には流れない。このようにして、Ｆe原子が拡散された半絶縁化層６が図１に示すように形成される。
【００２３】
半絶縁化層６を形成後、コンタクト層７上に金属による上部電極８を形成し、更に半導体基板５の裏面に金属による下部電極９を形成する。次に、フォトリソグラフィにより、半絶縁化層６の表面に保護層１０となるＳiＯ2膜を成膜し、最後に、４００μｍの長さでレーザ光の出射方向に直角に劈開することにより、両面劈開面を反射面とする反射構造の共振器を有するファブリペローレーザ構造の半導体レーザが完成する。なお、劈開により、リッジ構造のストライプの長さが４００μｍとなる。
【００２４】
以上により、本実施例の半導体レーザにおいて、活性層１は、半絶縁化層６に囲まれることによってリッジ構造の直下にその領域が定まり、当該領域が所定の電流活性領域になる。上記したように、半絶縁化層６には電流が流れないから、リッジ型レーザで問題となる横方向の電子の拡散が抑制され、これによって閾値電流を低減することができる。
【００２５】
図２において、Ｆeを拡散する領域の内、上部ガイド層２、多重量子井戸活性層１及び下部ガイド層３となるように基板５全面に形成した３層は、レーザ発振させるべくバンドギャップが異なる半導体の積層膜で構成されており、特に量子井戸層のバンドギャップは他の膜より小さい。この領域にＦeを拡散させると、温度や拡散量の条件により、バンドギャップが平均化される混晶化が起こる。このとき、混晶化した領域はバンドギャップの平均化によって量子井戸層よりもバンドギャップが大きくなり、レーザ光による光の吸収がなくなる。そのため、閾値電流は一層小さくなり、効率が高まる。また、バンドギャップが大きい分、半絶縁化の効果が大きい。
【００２６】
本実施例では、Ｆe原子を拡散させた領域において不純物濃度が平均して約５×１０17ｃｍ-3となり、抵抗率は、７×１０8Ωｃｍとなって良好な半絶縁特性を得た。また、温度及び拡散量の条件を設定することにより、この拡散領域で混晶化を起こさせた。Ｆe導入領域の上記半絶縁特性によって注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、かつ、混晶化によって閾値電流が下がり、両面劈開面を反射面とする共振器長４００μｍのファブリペローレーザとした本実施例の半導体レーザにおいて、３．４ｍＡの低閾値電流を得ることができた。また、８５℃の高温においても、８．５ｍＡの低閾値電流であった。拡散によって半絶縁領域を形成しているために結晶への損傷が小さく、８５℃における推定寿命時間は１．８×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
【００２７】
また、本実施例では、半絶縁化層６の形成に上記した一般的なプロセス技術が採用されるので、リッジ構造レーザが本来有する低コストの特徴を維持することができる。
【００２８】
なお、本実施例においては、半絶縁化層６を形成するためにＦeを用いたが、本発明は、それに限らず、Ｃr，Ｔi，Ｒu等の周期律表における第IＶＢ族、第ＶIＢ族、第ＶIIＢ族及び第ＶIII族の遷移金属又はその組合わせが採用可能であり、同様の効果を得ることができる。また、リッジ構造は、基板に平行などの断面も同じ形状の構造としたが、これを上部ほど断面積が大きくなる逆メサの構造とすることが可能である。更に、活性層１は、障壁層を井戸層と同じ材料で構成したが、障壁層をＩnＧaＡlＡsからなる層とすることが可能である。
【００２９】
＜実施例２＞
本発明を光通信用送信光源として用いる１．５５μｍ帯の半導体レーザに適用した実施例を図３に示す。断面構造を示す同図において、１２は、活性層１と半導体基板５との間に設けた厚さ０．２μｍのｎ型ＩnＡlＡs下部クラッド層、１３は、活性層１と上部クラッド層４との間に設けた幅１．５μｍのリッジ構造の一部をなす厚さ０．２μｍのｐ型ＩnＡlＡs上部クラッド層である。ここでは、層４を第２上部クラッド層、層１３を第１上部クラッド層ということとする。
【００３０】
本実施例の場合、半絶縁化層６は、上部ガイド層２、活性層１及び下部ガイド層３となる基板５全面に形成した３層にＦeを不純物として拡散させて形成したものであるが、実施例１の場合と異なり、リッジ構造の側面には形成されない。半絶縁化層６により、活性層１の領域が第２上部クラッド層４及び第１上部クラッド層１３の直下の電流注入領域となる。
【００３１】
活性層１は、ＩnＧaＡlＡsからなる７層の井戸層とその層間を埋める同材料による障壁層を有し、波長１．５５μｍで発光する厚さ０．０８μｍの多重量子井戸活性層である。更に、基板５はｎ型ＩnＰ半導体基板、下部ガイド層３は厚さ０．０５μｍのｎ型ＩnＧaＡlＡs層、上部ガイド層２は厚さ０．０５μｍのアンドープ（不純物を有さない）ＩnＧaＡsＰ層、第２上部クラッド層４は厚さ１．３μｍのｐ型ＩnＰ層、コンタクト層７は厚さ０．２μｍのｐ型ＩnＧaＡs層である。また、第１上部クラッド層１３と第２上部クラッド層４とコンタクト層７とが厚さ１．７μｍで幅１．５μｍのリッジ構造をなす。その他は、実施例２と同様である。以上の構造で、下部クラッド層１２、下部ガイド層３、上部ガイド層２、第１上部クラッド層１３及び第２上部クラッド層４が光閉じ込め層になる。
【００３２】
上記の本実施例の半導体レーザの製作方法を次に説明する。リッジ構造を形成するまでは、実施例１の場合と同様であり、各層は、有機金属気相成長法による結晶成長によって形成される。
【００３３】
次のＦe拡散の工程は、実施例１の場合とは異なり、図４に示すようにリッジ構造の側面に対してもＳiＯ2マスク膜を施し、リッジ構造側面へのＦe拡散が起こらないようにする。このセルフアライン（自己整合）形成を行なうマスク構造は、ドライエッチング技術により容易に実現可能である。拡散は、実施例１の場合と同様、拡散層１となる層に達するまで行なう。
【００３４】
さて、本実施例では、不純物にＺnを用いてｐ型半導体のリッジ構造を形成した。本実施例のＦe拡散を上記３層の領域に限定するレーザ構造は、このような不純物にＺnを用いたｐ型半導体によるリッジ構造に有効である。即ち、Ｆe及びＺnが相互拡散しやすいため、Ｚnを用いたｐ型半導体にＦeを拡散させるとその拡散距離が長くなり、半絶縁化層の所定の厚さを得ることが困難となるからである。
【００３５】
本実施例では、有機金属気相成長装置を用いて４５０℃にてＦe原子を拡散させた。その結果、平均約８×１０17ｃｍ-3の不純物濃度となり、抵抗率が９×１０8Ωｃｍの良好な半絶縁特性を得た。Ｆe導入領域のこの半絶縁特性によって注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、両面劈開面を反射面とする反射構造の長さ４００μｍの共振器のファブリペローレーザとした本実施例の半導体レーザにおいて、３．２ｍＡの低閾値電流を得ることができた。また、８５℃の高温においても、８．１ｍＡの低閾値電流であり、この温度における推定寿命時間は１．１×１０6時間と高い信頼性を得ることができた。
【００３６】
また、本実施例も実施例１と同様、リッジ構造レーザが本来有する低コストの特徴を維持することができる。
【００３７】
以上の実施例１、２では、劈開面を利用した共振器を有するファブリペロー型半導体レーザを取り上げたが、本発明は、これに限らず、他のタイプの半導体レーザや関連する装置に適用可能であり、例えば、分布帰還型半導体レーザや発振波長制御の分布帰還型半導体レーザの他、電界吸収型変調器を集積した半導体レーザ、出射光のモード拡大器を集積した半導体レーザ、更には共振器構造を持たない半導体光増幅素子に適用可能である。
【００３８】
発振波長制御の分布帰還型半導体レーザは、分布帰還型の反射構造を有し、リッジ構造の側下部近傍に発光波長より短い波長のレーザ光を照射せしめる窓構造を有し、レーザ照射により発振波長を制御することができる構造を有する半導体レーザ装置である。
【００３９】
電界吸収型変調器は、半導体レーザとほぼ同じ構造を有し、活性層に相当する層が逆バイアスを掛けると光を吸収する層になり、電圧を掛けない状態では光の透過層になることを利用して、レーザ光の変調を行なう。半導体レーザと共に同一基板上に形成可能である。モード拡大器は、端面発光型の端面の近傍で活性領域の断面積を端面に近づく程小さくした部分で形成され、従って、半導体レーザと同時に作製される。
【００４０】
＜実施例３＞
本発明を０．８５μｍ帯の面発光型半導体レーザに適用した実施例を図５に示す。断面構造を示す同図において、１４は、半導体基板５上と下部ガイド層３の間に配置したｎ型ＡlＡs／ＧaＡlＡsの２４．５対からなる下部半導体多層反射鏡、１５は、ｐ型ＡlＡs／ＧaＡlＡsからなる２２対の上部半導体多層反射鏡、１６は、上部反射鏡１５と同一構造の半導体多層膜を示す。
【００４１】
上部反射鏡膜１５は、基板に平行な断面が５μｍ×５μｍの正方形の形状で基板面から突起した構造をなし、半導体多層膜１６は、上部反射鏡１５の外周部に間隙を置いて配置される。
【００４２】
本実施例の場合、半絶縁化層６は、上記間隙に露出している半導体領域にＣrを不純物として拡散させて形成したものである。半絶縁化層６により、上部ガイド層２、活性層１及び下部ガイド層３の領域が上部反射鏡１５の直下の電流注入領域となる。また、活性層１は、ＧaＡsからなる３層の井戸層とその層間を埋めるＧaＡlＡsからなる障壁層を有し、波長０．８５μｍで発光する厚さ０．０４μｍの多重量子井戸活性層である。その他、基板５はｎ型ＧaＡs半導体基板、下部ガイド層３は厚さ０．１μｍのｎ型ＧaＡlＡs層、上部ガイド層２は厚さ０．１μｍのｐ型ＧaＡlＡs層であり、上部電極８は上部反射鏡１５上に形成され、下部電極９は、基板５の裏面に形成される。以上の構造で、下部反射鏡１４、下部ガイド層３、上部ガイド層２及び上部反射鏡１５が光閉じ込め層になる。
【００４３】
上記の本実施例の半導体レーザの製作方法を次に説明する。有機金属気相成長法による結晶成長により、基板５上に下部反射鏡１４、下部ガイド層３、活性層１、上部ガイド層２及び上部反射鏡１５となる各層をこの順に形成する。次に、フォトリソグラフィとエッチングにより上部反射鏡１５となる層に上記間隙を形成する。これによって矩形状の上部反射鏡１５と半導体多層膜１６とが形成される。この２者は同じ工程で成膜したもであるので、高さが同一となる。続いて、上部反射鏡１５の側面と半導体多層膜１６の表面にＳiＯ2の保護膜１０を形成する。
【００４４】
次に、図６に示すように、上部反射鏡１５の上面にマスクとなるＳiＯ2絶縁膜１１を形成し、その後、有機金属気相成長装置を用い、Ｃr有機化合物ガスを使用して４５０℃にてＣr原子を拡散させる。拡散は、活性層１となる層に達するまで行なう。本実施例では、半絶縁化層６の領域の半導体表面以外は、ＳiＯ2絶縁膜１０，１１で覆われるために拡散時に効率よくＣr原子が半絶縁化層６の領域の半導体表面に集まり、短時間で拡散を実施することができる。この場合、半導体多層膜１６は、Ｃr原子の拡散領域を上記間隙に制限するためだけに利用するもので、半導体レーザへの作用を持たない。
【００４５】
このように、金属原子を拡散する領域を電流の横方向への拡散を抑えるのに十分な効果が得られる範囲に限定する方法は、実施例１，２の半導体レーザにおいても適用できることは言うまでもない。逆に、実施例１，２のように半導体多層膜１６を持たず、面発光レーザを突起構造のみをマスクにして不純物を拡散させる構造とすることが可能である。なお、上部反射鏡膜１５は、本実施例では断面形状を正方形の形状としたが、これに限らず、矩形や円その他の断面形状で頂部が平坦な突起構造とすることも可能である。
【００４６】
本実施例の半絶縁化層６は、平均約１×１０18ｃｍ-3の不純物濃度となり、抵抗率は１．２×１０6Ωｃｍと良好な半絶縁特性を得た。製作した面発光半導体レーザは、室温で０．７ｍＡの低い閾値電流で発振し、更に８５℃では閾値電流が０．８２ｍＡと増加量が少なかった。更に、８５℃、２ｍＷ一定光出力動作寿命試験において３０００時間を経過しても劣化は認めらず、推定寿命は３万時間と、極めて高い信頼性を得ることができた。
【００４７】
なお、本実施例では、反射鏡１５，１４を半導体多層膜で形成したが、これに限らず、半導体多層膜と誘電体多層膜の組み合わせとすることが可能である。
【００４８】
＜実施例４＞
実施例２の発光波長１．５５μｍ帯を１．３μｍ帯に変更した実施例を以下に説明する。構造は図３とほぼ同様である。本実施例の場合、基板５はｎ型ＧaＡs半導体基板、下部クラッド層１２は厚さ１μｍのｎ型ＧaＡlＡs層、ガイド層３は厚さ０．１５μｍのｎ型ＧaＡlＡs層、活性層１は、ＧaＩnＮＡsからなる３層の井戸層とその層間を埋めるＧaＡsからなる障壁層を有し、波長１．３μｍで発光する厚さ０．０４μｍの多重量子井戸活性層、上部ガイド層２は厚さ０．１μｍのアンドープのＧaＡlＡs層、半絶縁化層６は、上部ガイド層２、活性層１及び下部ガイド層３となる基板５全面に形成した３層にＣrを不純物として拡散させて形成した層、第１上部クラッド１３は厚さ１．６μｍのｐ型ＧaＡlＡs層、第２上部クラッド層４は厚さ０．１μｍのｐ型ＧaＡs層、コンタクト層７は厚さ０．１μｍのｐ型ＧaＡs層である。また、第１上部クラッド１３と第２上部クラッド層４とコンタクト層７とが厚さ１．８μｍで幅１μｍのリッジ構造をなす。その他は、実施例２と同じである。
【００４９】
半絶縁化層６は、実施例２の場合と同様、リッジ構造の側面には形成されず、活性層１の領域が第２上部クラッド層４及び第１上部クラッド層１３の直下の電流注入領域となるように形成される。
【００５０】
Ｃr拡散までの工程は、実施例２の場合と同様である。半絶縁化層６を形成するための拡散工程において、本実施例では有機金属気相成長装置を用い、Ｃr有機化合物ガスを使用して５２０℃にてＣr原子を拡散させた。その結果、半絶縁化層６は、平均約３×１０17ｃｍ-3の不純物濃度となり、抵抗率は３×１０8Ωｃｍと良好な半絶縁特性を得た。Ｃr不純物導入領域の良好な半絶縁特性を反映して注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、両面劈開面を反射面とする共振器長４００μｍのファブリペローレーザとした本実施例の半導体レーザにおいて、２．８ｍＡの低閾値電流を得ることができた。また、ＧaＩnＮＡs半導体とＧaＡsの大きな伝導帯バンドギャップ差を反映して８５℃の高温においても４．１ｍＡの低閾値電流であり、この温度における推定寿命時間は３．９×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
【００５１】
＜実施例５＞
本発明を青色発光の半導体レーザに適用した実施例を図７に示す。断面構造の同図において、１７はサファイア基板である。また、本実施例の場合は、下部クラッド層１２はサファイア基板１７上に形成した厚さ１μｍのｎ型ＡlＧaＮ層、下部ガイド層３は厚さ０．２μｍのｎ型ＩnＧaＮ層、活性層１は、ＩnＧaＮからなる多層の井戸層とその層間を埋める同材料からなる障壁層を有し、青色で発光する厚さ０．０５μｍの多重量子井戸活性層、上部ガイド層２は厚さ０．２μｍのｐ型ＩnＧaＮ層、上部クラッド層４は厚さ２μｍのｐ型ＡlＧaＮ、コンタクト層７は厚さ０．２μｍのｐ型ＧaＮ層であり、上部クラッド層４とコンタクト層７とが厚さ２．２μｍで幅１．５μｍのリッジ構造をなす。
【００５２】
更に、本実施例では、クラッド層４と同一構造の半導体層１８をクラッド層４の周辺部の一部に設けている。この２者は、同じ工程で成膜したものであるので高さが同じである。クラッド層４と半導体層１８の間に間隙を設けており、半絶縁化層６は、当該間隙に露出している半導体領域にＦeを不純物として拡散させて形成したものである。半絶縁化層６により、活性層１の領域が上部クラッド層４の直下の電流注入領域となる。保護層１０は、リッジ構造の側面及び半導体層１８の表面に形成されている。
【００５３】
また、サファイア基板１７が絶縁体であるので、基板上面の一部分を下部クラッド層１２に達するまでエッチングし、露出した下部クラッド層４の上に下部電極９を形成する。これによって下部電極９と下部クラッド層４との電気的接触を取ることができる。また、上部電極８は、コンタクト層７の上に形成される。以上の構造で、下部クラッド層１２、下部ガイド層３、上部ガイド層２及び上部クラッド層４が光閉じ込め層になる。
【００５４】
半絶縁化層６を形成するための拡散工程において、本実施例では有機金属気相成長装置を用いて７００℃にてＦe原子を拡散させた。その結果、半絶縁化層６は、平均約３×１０17ｃｍ-3の不純物濃度となり、抵抗率は３×１０8Ωｃｍと良好な半絶縁特性を得た。Ｆe不純物導入領域のこの半絶縁特性を反映して注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられ、両面劈開面を反射面とする共振器長８００μｍのファブリペローレーザとした本実施例の青色半導体レーザにおいて、２５ｍＡの低閾値電流を得ることができた。また、７０℃の高温においても、５３ｍＡの低閾値電流であり、この温度における推定寿命時間は１．５×１０5時間と高い信頼性を得ることができた。
【００５５】
なお、基板は、サファイアとしたが、これに限らず、ＧaＮ基板とすることが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、注入電流の横方向の拡散が効果的に抑えられるので、閾値電流を大幅に低減することができ、更に、簡単な製作工程で半絶縁化層の形成が可能であるので、低コストの半導体レーザを実現することができる。また、リッジ形状に拡散するために拡散深さが小さく、従って拡散の横方向広がりが小さいので、活性層幅制御に優れる半導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の第１の実施例を説明するための断面図。
【図２】第１の実施例の製作工程を説明するための断面図。
【図３】本発明の第２及び第４の実施例を説明するための断面図。
【図４】第２の実施例の製作工程を説明するための断面図。
【図５】本発明の第３の実施例を説明するための断面図。
【図６】第３の実施例の製作工程を説明するための断面図。
【図７】本発明の第５の実施例を説明するための断面図。
【図８】従来の半導体レーザ装置を説明するための断面図。
【図９】半導体レーザの信頼性試験結果を示す曲線図。
【図１０】深さ方向の不純物濃度の変化を示す曲線図。
【符号の説明】
１…多重量子井戸活性層、２…上部ガイド層、３…下部ガイド層、４，１３…上部クラッド層、５…半導体基板、６…半絶縁化層、７…コンタクト層、８…上部電極、９…下部電極、１０…保護層、１１…マスク膜、１２…下部クラッド層、１４…下部半導体多層反射鏡、１５…上部半導体多層反射鏡、１６…半導体多層膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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