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JPH06164064A - 可視光半導体レーザ - Google Patents

可視光半導体レーザ

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Publication number
JPH06164064A
JPH06164064A JP4335006A JP33500692A JPH06164064A JP H06164064 A JPH06164064 A JP H06164064A JP 4335006 A JP4335006 A JP 4335006A JP 33500692 A JP33500692 A JP 33500692A JP H06164064 A JPH06164064 A JP H06164064A
Authority
JP
Japan
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layer
active layer
semiconductor laser
visible light
type
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
JP4335006A
Other languages
English (en)
Inventor
Masayoshi Takemi
政義 竹見
Akio Hayafuji
紀生 早藤
Wataru Suzaki
渉 須崎
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric 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 Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP4335006A priority Critical patent/JPH06164064A/ja
Priority to US08/150,884 priority patent/US5394417A/en
Priority to NL9301981A priority patent/NL9301981A/nl
Publication of JPH06164064A publication Critical patent/JPH06164064A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES 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
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 クラッド層による活性層内へのキャリアの閉
じ込めを有効に行うことができ、しかも、従来よりも低
しきい値電流密度でもってレーザ発振することができる
可視光半導体レーザを得る。 【構成】 ｎ型ＧａＰ基板１上に、ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.
7 Ｐ下クラッド層２，アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活
性層３，ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ上クラッド層４，ｎ型
Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐ電流ブロック層５をこの順にエピタ
キシャル成長した後、該ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐ電流ブ
ロック層５の中央部分をストライプ状にエエッチング除
去し、ｐ型ＧａＰ埋め込みキャップ層をエピタキシャル
成長する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は可視光半導体レーザに
関し、特に、しきい値電流密度を低減できる素子構造を
備えた可視光半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４は、アプライド・フィジックス・レ
ターズ（Applied Physics Letters)，Vol.56, No.18, 1
990 年1719頁に記載された可視光半導体レーザの構造を
示す斜視図である。図において、３００は半導体レーザ
であり、該半導体レーザ３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１
１上に、厚さ１．０μｍのシリコンドープｎ型Ｉｎ0.5
(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.5 Ｐ下クラッド層１２，厚さ０．
０４μｍのアンドープＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ活性層１３，
厚さ１．０μｍの亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5(Ｇａ0.3Ａｌ
0.7)0.5 Ｐ上クラッド層１４，厚さ０．０５μｍの亜鉛
ドープｐ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5 Ｐキャップ層１５をこの順
にエピタキシャル成長した後、亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5
(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.5 Ｐ上クラッド層１４と亜鉛ドー
プｐ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5 Ｐキャップ層１５とを、所定の
エッチャントを用いて〔０１／１〕方向にエッチングし
てリッジストライプ１９を形成し、次いで、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１１の全面に対して厚さ３μｍの亜鉛ドープｐ型
ＧａＡｓコンタクト１６をエピタシキャル成長し、この
後、ＡｕＺｎ／Ａｕをｐ型ＧａＡｓコンタクト１６の上
面に堆積してｐ側電極１７を形成し、ＡｕＧｅ／Ａｕを
ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面に堆積してｎ側電極１８を
形成して得られたものである。次に、動作について説明
する。
【０００３】上記半導体レーザ３００のｐ側電極１７に
プラスの電圧を、ｎ側電極１８にマイナスの電圧を印加
し、順バイアス状態にすると、コンタクト１６から基板
１１に向かって電流が流れる。半導体内での主たる電流
の担い手は、ｐ型半導体中では正孔であり、ｎ型半導体
中では電子であり、上記半導体レーザ３００を順バイア
ス状態にすると、コンタクト層１５中の正孔は基板１１
に向かって移動し、基板１１中の電子はコンタクト層１
５方向に向かって移動し、活性層１３内に正孔と電子が
注入される。そして、活性層１３内に注入された正孔と
電子は、活性層１３と下クラッド層１２との間及び活性
層１３と上クラッド層１４との間に形成されるヘテロ接
合界面におけるバリアにより活性層１３内に閉じ込めら
れ、再結合して、波長６７０ｎｍのレーザ光を発光す
る。尚、正孔は活性層１３においてリッジストライプ１
９の下部にのみ多く分布し、発光はリッジストライプ１
９下部の活性層１３内付近でのみ起こる。また、発光し
た光は層方向ではダブルヘテロ構造による屈折率差、幅
方向ではキャリア密度の差による実効屈折率差により、
リッジストライプ１９の下部の活性層１３内にストライ
プ状に形成される導波路をストライプ方向に進み、この
活性層１３内のストライプ方向に垂直な、対向する劈開
端面によって構成されるファブリペロー（Fabri-Perot)
型共振器によりレーザ発振に至る。
【０００４】尚、この可視光半導体レーザにおいて、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ系材料よりダブルヘテロ構造の半導体層を
形成するのは、活性層がレーザ発振に必要な直接遷移型
のエネルギーバンド構造に形成でき、しかも、活性層
（の禁制体幅）とクラッド層（の禁制体幅）の間のエネ
ルギーステップが最大で０．２ｅＶ程度になり、該活性
層内にキャリアが有効に閉じ込められるようにするため
である。また、ＧａＡｓ基板を用いるのは、上記ＩｎＧ
ａＡｌＰ系材料からなる半導体層を、基板に対して格子
不整を生じることなく、良好な結晶性でもって成長させ
ることができるためである。
【０００５】一方、従来より半導体レーザの活性層に歪
みを導入すると、活性層における価電子帯の状態密度が
減少し、価電子帯の非放物線性が取り除かれて、低い注
入キャリア密度でもってレーザ発振できるようになるこ
とが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記図４に
示した従来の可視光半導体レーザの発光効率を更に改善
するためには、その活性層に歪みを導入して、しきい値
電流密度を低減させることが考えられるが、ＧａＡｓ基
板上にＩｎＧａＡｌＰ系材料からなるダブルヘテロ構造
の半導体層を形成する場合、材料制約上、ミスフィット
転位を発生することなく活性層のみに歪みを加えること
は困難であり、しきい値電流密度を十分に低減させるこ
とができないという問題点があった。
【０００７】そこで、ＩｎＧａＡｌＰクラッド層の代わ
りにIII-Ｖ族化合物半導体の中で最も禁制体幅が大きい
ＡｌＧａＰをクラッド層として用いれば、キャリアの閉
じ込め効果が一層向上し、且つ、ＩｎＧａＰ活性層に歪
みが導入されてしきい値電流密度を低減できるものと考
えられるが、ＡｌＧａＰとＩｎＧａＰとの格子定数差が
非常に大きく、ミスフィット転位を生ずることなくＩｎ
ＧａＰ活性層に歪みを加えようとすれば、ＩｎＧａＰ活
性層を非常に薄く、即ち、１００オングストロームに満
たない程度に形成しなければならず、該活性層からのキ
ャリアのオーバーフロー量が多くなり、却って発光効率
を低下させてしまう。また、上記従来の可視光半導体レ
ーザでは、ＧａＡｓ基板を用いており、該ＧａＡｓ基板
が高価なため、製造コストが高くなるという問題点もあ
った。
【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、クラッド層による活性層内への
キャリアの閉じ込めを有効に行うことがてきるととも
に、閉じ込められたキャリアのオーバーフローを防止で
き、しかも、従来に比べて低しきい値電流密度でもって
レーザー発振できる素子構造を備えた可視光半導体レー
ザを得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる可視光
半導体レーザは、ＧａＰ基板上にＰ組成が０．４５以下
のＧａＡｓＰ活性層とＡｌＧａＰクラッド層とからなる
ダブルヘテロ構造の半導体層を結晶成長したものであ
る。
【００１０】更に、この発明にかかる可視光半導体レー
ザは、ＧａＰ基板上にＰ組成が０．４５以下のＧａＡｓ
ＰとＧａＰとから構成される多重量子井戸構造の活性層
と、ＡｌＧａＰクラッド層とからなるダブルヘテロ構造
の半導体層を結晶成長したものである。更に、この発明
にかかる可視光半導体レーザは、上記ＧａＰ基板に代え
てＧａＰと格子定数がほぼ等しいＳｉ基板を用いたもの
である。
【００１１】
【作用】この発明においては、ＧａＰ基板上にＰ組成が
０．４５以下のＧａＡｓＰ活性層とＡｌＧａＰクラッド
層とからなるダブルヘテロ構造の半導体層を結晶成長さ
せたから、ＡｌＧａＰクラッド層がＧａＰ基板に対して
格子整合して、ミスフィット転位のない良好な結晶構造
に形成でき、該ＡｌＧａＰクラッド層はその禁制体幅が
最大で２．２６〜２．４６ｅＶの範囲にあるため、Ｇａ
ＡｓＰ活性層に対してキャリアの閉じ込めに必要なエネ
ルギーステップを形成する。更に、ＧａＡｓＰ活性層の
Ｐ組成を０．４５以下にしたことから、該ＧａＡｓＰ活
性層のエネルギーハンド構造を直接遷移型にでき、しか
も、ＧａＡｓＰ活性層とＡｌＧａＰクラッド層との間の
若干の格子不整から該ＧａＡｓＰ活性層に圧縮歪みが加
わり、該圧縮歪みを緩和することなく（ミスフィット転
位を生ずることなく）その層厚を１００〜２００オング
ストローム程度に厚く形成できるため、低い注入キャリ
ア密度でレーザ発振するようになる。
【００１２】更に、この発明においては、ＧａＰ基板上
にＰ組成が０．４５以下のＧａＡｓＰ層とＧａＰ層とで
構成される多重量子井戸構造の活性層とＡｌＧａＰクラ
ッド層とからなるダブルヘテロ構造の半導体層を結晶成
長させたから、活性層のバンド構造が直接遷移型になる
とともに、活性層とＡｌＧａＰクラッド層との間の若干
の格子不整から活性層に圧縮歪みが加わり、より低い注
入キャリア密度でレーザ発振するようになり、更に、該
活性層を２００オングストロームより大きい層厚に形成
できることから、キャリアのオーバーフローが一層少な
くなり、発光効率が一層向上する。更に、この発明にお
いては、上記ＧａＰ基板に代えてＳｉ基板を用いるよう
にしたから、可視光半導体レーザを安価に作成すること
ができる。
【００１３】
【実施例】実施例１．図１は、この発明の第１の実施例
による可視光半導体レーザの構成を示す斜視図であり、
図において、図４と同一符号は同一または相当する部分
を示し、１００は半導体レーザであり、該半導体レーザ
１００は、ｎ型ＧａＰ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法（Meta
l Organic Chemical Vapor Deposition)，ＭＯＭＢＥ(M
etal Organic Molecular Beam Epitaxy ) 法等の結晶成
長法により、層厚が１μｍのｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ下
クラッド層２，層厚が２００オングストロームのアンド
ープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性層３、層厚が０．７μｍの
ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ上クラッド層４、層厚が０．２
μｍのｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐ電流ブロック層５をこの
順にエピタキシャル成長した後、この上に通常の写真製
版技術により、５μｍ幅のストライプ状の開口部を備え
たマスクパターンを形成し、Ｈ2 ＳＯ4 ，Ｈ2 Ｏ2 及び
Ｈ2 ＯをＨ2 ＳＯ4 ：Ｈ2 Ｏ2 ：Ｈ2 Ｏ＝５：１：１の
混合比に混合したエッチャントで上記マスクパターン開
口部から露出するｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐ電流ブロック
層５をエッチング除去し、この後、ＭＯＣＶＤ法，ＭＯ
ＭＢＥ法等の結晶成長法により層厚が０．２μｍのｐ型
ＧａＰ埋め込みキャップ層６をエピタキシャル成長し、
更に、ｐ型ＧａＰ埋め込みキャップ層６の上面にＡｕＺ
ｎ／Ａｕを堆積してｐ側電極７を形成し、ｎ型ＧａＰ基
板１の裏面にＡｕＧｅ／Ａｕを堆積してｎ側電極８を形
成して作成されたものである。
【００１４】ここで、上記アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.
45活性層３は、そのＰ組成を０．４５にしていることか
ら、直接遷移型のエネルギーバンドになり、更に、上下
のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐクラッド層２，４との間の若干の
格子不整（約２％）によって歪みが導入されるため、図
３に示すように、上記直接遷移型のエネルギーバンドに
おける価電子帯の状態密度が減少し、その非放物線性が
取り除かれることになる。次に、動作について説明す
る。
【００１５】上記半導体レーザ１００のｐ側電極７に数
ボルトのプラスの電圧を、ｎ側電極８に数ボルトのマイ
ナスの電圧を印加し、順バイアス状態にすると、ｐ型Ｇ
ａＰ埋め込みキャップ層６から基板１に向かって電流が
流れる。半導体内での主たる電流の担い手は、ｐ型半導
体中では正孔であり、ｎ型半導体中では電子であり、上
記半導体レーザ１００を順バイアス状態にすると、キャ
ップ層６中の正孔は、ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐ電流ブロ
ック層５に挟まれた、ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ上クラッ
ド層４に接合した部分から、基板１に向かって移動し、
基板１中の電子はキャップ層６方向に向かって移動し、
活性層３内に正孔と電子が注入される。そして、活性層
３内に注入された正孔と電子は、活性層３と下クラッド
層２との間及び活性層３と上クラッド層４との間に形成
されるヘテロ接合界面におけるバリアにより活性層３内
に閉じ込められ、再結合して、波長６５０ｎｍの赤色の
レーザ光を発光する。尚、活性層３において正孔は電流
ブロック層５で挟まれた部分のキャップ層６の下部にの
み多く分布し、発光は電流ブロック層５で挟まれた部分
のキャップ層６の下部の活性層３内付近でのみ起こる。
また、発光した光は層方向ではダブルヘテロ構造による
屈折率差、幅方向ではキャリア密度の差による実効屈折
率差により、電流ブロック層５で挟まれた部分のキャッ
プ層６の下部の活性層３内にストライプ状に形成される
導波路をストライプ方向に進み、この活性層３内のスト
ライプ方向に垂直な、対向する劈開端面によって構成さ
れるファブリペロー（Fabri-Perot)型共振器によりレー
ザ発振に至る。
【００１６】このような本実施例の可視光半導体レーザ
では、上下のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐクラッド層２，４の禁
制帯幅が２．２６〜２．４６ｅＶの範囲内にあり、アン
ドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性層３（の禁制体幅）に対
して、大きなエネルギーステップ（ΔＥｃ）を形成する
ことができるため、アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性
層３内に注入されたキャリアはその内部に有効に閉じ込
められる。また、アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性層
３のＰ組成が０．４５であるため、エネルギーバンドが
直接遷移型になるとともに、上記上下のＡｌ0.3 Ｇａ0.
7 Ｐクラッド層２，４との間の若干の格子不整によって
圧縮歪みが導入され、上記エネルギーバンドの価電子帯
の状態密度が減少して、低い注入キャリア密度でレーザ
発振できるようになる。また、アンドープＧａＡｓ0.55
Ｐ0.45活性層３の層厚が２００オングストロームまで拡
大されているため、層内に閉じ込められたキャリアのオ
ーバーフローも低減される。更に、上下のＡｌ0.3 Ｇａ
0.7 Ｐクラッド層２，４の屈折率が小さく３．０３〜
３．４５の範囲にあるため、発光した光の閉じ込めも有
効に行うことができる。以上の結果、従来に比べてしき
い値電流密度が低減するとともに、発光効率が著ししく
向上する。
【００１７】実施例２．図２は、この発明の第２の実施
例による可視光半導体レーザの構造を示す図であり、図
２(a) はその斜視図、図２(b) は図２(a) 中の符号Ａで
特定した部分を拡大して示した図である。図において、
図２と同一符号は同一または相当する部分を示し、２０
０は半導体レーザであり、該半導体レーザ２００は、上
記実施例２の半導体レーザ１００の活性層３を、図２
(b) に示すようにそのＰ組成が０．４５である層厚が５
０オングストームのアンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45層３
０ａと層厚が２００オングストロームのアンドープＧａ
Ｐ層３０ｂとを交互に１０周期以上繰り返して形成した
多重量子井戸構造からなる活性層３ａに置き換えた構造
になっている。
【００１８】このような本実施例の可視光半導体レーザ
は、多重量子井戸構造からなる活性層３ａのＧａＡｓ0.
55Ｐ0.45層３０ａのＰ組成を０．４５にし、該活性層３
ａの層厚を上記第１の実施例の半導体レーザ１００の活
性層３のそれより厚く、即ち、２００オングストローム
より厚く形成したため、そのエネルギーバンド構造が直
接遷移型になり、価電子帯の非放物線性が取り除かれる
とともに、層内に閉じ込められたキャリアのオーバーフ
ローが減少し、その結果、上記第１の実施例の半導体レ
ーザよりも、更に発光効率を向上させることができる。
【００１９】尚、上記いずれの実施例においても、アン
ドープＧａＡｓＰ層のＰ組成を０．４５にしたが、この
Ｐ組成を０．４５より小さくしても同様の効果を得るこ
とができ、このＰ組成を０．４５より大きくした場合
は、活性層のエネルギーバンドが間接遷移型のままで、
歪みも導入されないため、レーザ発振できなくなる。
【００２０】また、本発明では、第１，第２の実施例に
おけるＧａＰ基板を、ＧａＰ基板とほぼ格子定数が等し
いＳｉ基板に置き換えてもよく、この場合は、上記第
１，第２の実施例と同様の効果が得られるとともに、Ｓ
ｉ基板が安価なことから製造コストを削減でき、しか
も、Ｓｉメモリ等の他のＳｉ半導体素子（装置）との集
積化が可能になる。
【００２１】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、Ｇａ
Ｐ基板上にＰ組成が０．４５以下のＧａＡｓＰ活性層と
ＡｌＧａＰクラッド層とからなるダブルヘテロ構造の半
導体層を結晶成長するようにしたので、上記活性層を、
その内部に歪みが導入された状態で１００〜２００オン
グストローム程度の層厚に形成することができ、しか
も、上記活性層と上記クラッド層間に大きなエネルギー
ステップを形成することができるため、従来よりも発光
効率が向上し、しかも、より低いしきい値電流密度でも
ってレーザ発振することができる可視光半導体レーザを
得ることができる効果がある。
【００２２】更に、この発明によれば、ＧａＰ基板上に
Ｐ組成が０．４５以下のＧａＡｓＰ層とＧａＰ層とから
構成される多重量子井戸構造の活性層と、ＡｌＧａＰク
ラッド層とからなるダブルヘテロ構造の半導体層を結晶
成長するようにしたので、上記活性層を、その内部に歪
みが導入された状態で２００オングストロームより大き
い層厚に形成することができ、ＧａＡｓＰ層単層で活性
層を構成したものに比べて、活性層からのキャリアのオ
ーバフローが少なくなり、より一層発光効率を向上でき
る効果がある。
【００２３】更に、この発明にかかる可視光半導体レー
ザは、上記ＧａＰ基板に代えてＧａＰと格子定数がほぼ
等しいＳｉ基板を用いるようにしたので、従来に比べて
製造コストを削減でき、しかも、シリコンメモリ等の他
のシリコン半導体素子との集積化を図ることができる効
果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による可視光半導体レ
ーザの構造を示す斜視図である。
【図２】この発明の第２の実施例による可視光半導体レ
ーザの構造を示す斜視図及び該斜視図中の特定部分の拡
大図である。
【図３】この発明の第１の実施例による可視光半導体レ
ーザにおける活性層のエネルギーバンドの変形状態を説
明するための図である。
【図４】従来の可視光半導体レーザの構造を示す斜視図
である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＰ基板 ２ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ下クラッド層 ３ アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性層 ３ａ 多重量子井戸構造からなる活性層 ４ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ上クラッド層 ５ ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐブロック層 ６ ｐ型ＧａＰ埋め込みキャップ層 ７ ｐ側電極 ８ ｎ側電極 １１ ｎ型ＧａＡｓ基板 １２ シリコンドープｎ型Ｉｎ0.5(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.
5 Ｐクラッド層 １３ アンドープＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ活性層 １４ 亜鉛トープｐ型Ｉｎ0.5(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.5 Ｐ
クラッド層 １５ 亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐキャップ層 １６ 亜鉛ドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層 １７ ｐ型電極 １８ ｎ型電極 １９ リッジストライプ ３０ａ アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45層 ３０ｂ アンドープＧａＰ層 １００，２００，３００ 可視光半導体レーザ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成５年５月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００２】
【従来の技術】図４は、アプライド・フィジックス・レ
ターズ（Applied Physics Letters)，Vol.56, No.18, 1
990 年1719頁に記載された可視光半導体レーザの構造を
示す斜視図である。図において、３００は半導体レーザ
であり、該半導体レーザ３００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１
１上に、厚さ１．０μｍのシリコンドープｎ型Ｉｎ0.5
(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.5 Ｐ下クラッド層１２，厚さ０．
０４μｍのアンドープＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ活性層１３，
厚さ１．０μｍの亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5(Ｇａ0.3Ａｌ
0.7)0.5 Ｐ上クラッド層１４，厚さ０．０５μｍの亜鉛
ドープｐ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5 Ｐキャップ層１５をこの順
にエピタキシャル成長した後、亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5
(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.5 Ｐ上クラッド層１４と亜鉛ドー
プｐ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5 Ｐキャップ層１５とを、所定の
エッチャントを用いて＜０１／１＞方向にエッチングし
てリッジストライプ１９を形成し、次いで、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１１の全面に対して厚さ３μｍの亜鉛ドープｐ型
ＧａＡｓコンタクト層１６をエピタシキャル成長し、こ
の後、ＡｕＺｎ／Ａｕをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１６
の上面に堆積してｐ側電極１７を形成し、ＡｕＧｅ／Ａ
ｕをｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面に堆積してｎ側電極１
８を形成して得られたものである。次に、動作について
説明する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００３】上記半導体レーザ３００のｐ側電極１７に
プラスの電圧を、ｎ側電極１８にマイナスの電圧を印加
し、順バイアス状態にすると、コンタクト１６から基板
１１に向かって電流が流れる。半導体内での主たる電流
の担い手は、ｐ型半導体中では正孔であり、ｎ型半導体
中では電子であり、上記半導体レーザ３００を順バイア
ス状態にすると、コンタクト層１６中の正孔は基板１１
に向かって移動し、基板１１中の電子はコンタクト層１
６方向に向かって移動し、活性層１３内に正孔と電子が
注入される。そして、活性層１３内に注入された正孔と
電子は、活性層１３と下クラッド層１２との間及び活性
層１３と上クラッド層１４との間に形成されるヘテロ接
合界面におけるバリアにより活性層１３内に閉じ込めら
れ、再結合して、波長６７０ｎｍのレーザ光を発光す
る。尚、正孔は活性層１３においてリッジストライプ１
９の下部にのみ多く分布し、発光はリッジストライプ１
９下部の活性層１３内付近でのみ起こる。また、発光し
た光は層方向ではダブルヘテロ構造による屈折率差、幅
方向ではキャリア密度の差による実効屈折率差とによ
り、リッジストライプ１９の下部の活性層１３内にスト
ライプ状に形成される導波路をストライプ方向に進み、
この活性層１３内のストライプ方向に垂直な、対向する
劈開端面によって構成されるファブリペロー（Fabri-Pe
rot)型共振器によりレーザ発振に至る。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００４】尚、この可視光半導体レーザにおいて、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ系材料よりダブルヘテロ構造の半導体層を
形成するのは、活性層がレーザ発振に必要な直接遷移型
のエネルギーバンド構造に形成でき、しかも、活性層
（の禁制帯幅）とクラッド層（の禁制帯幅）の間のエネ
ルギーステップが最大で０．２ｅＶ程度になり、該活性
層内にキャリアが有効に閉じ込められるようにするため
である。また、ＧａＡｓ基板を用いるのは、上記ＩｎＧ
ａＡｌＰ系材料からなる半導体層を、基板に対して格子
不整を生じることなく、良好な結晶性でもって成長させ
ることができるためである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記図４に
示した従来の可視光半導体レーザの発光効率を更に改善
するためには、その活性層に歪みを導入して、しきい値
電流密度を低減させることが考えられるが、ＧａＡｓ基
板上にＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる歪系のダブルヘテ
ロ構造の半導体層を形成する場合、キャリアのオーバー
フローが生じるという問題点があった。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００７】そこで、ＩｎＧａＡｌＰクラッド層の代わ
りにIII-Ｖ族化合物半導体の中で最も禁制帯幅が大きい
ＡｌＧａＰをクラッド層として用いれば、キャリアの閉
じ込め効果が一層向上し、且つ、ＩｎＧａＰ活性層に歪
みが導入されてしきい値電流密度を低減できるものと考
えられるが、ＡｌＧａＰとＩｎＧａＰとの格子定数差が
非常に大きく、ミスフィット転位を生ずることなくＩｎ
ＧａＰ活性層に歪みを加えようとすれば、ＩｎＧａＰ活
性層を非常に薄く、即ち、１００オングストロームに満
たない程度に形成しなければならず、該活性層からのキ
ャリアのオーバーフロー量が多くなり、却って発光効率
を低下させてしまう。また、上記従来の可視光半導体レ
ーザでは、ＧａＡｓ基板を用いており、該ＧａＡｓ基板
が高価なため、製造コストが高くなるという問題点もあ
った。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正内容】
【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、クラッド層による活性層内への
キャリアの閉じ込めを有効に行うことができるととも
に、閉じ込められたキャリアのオーバーフローを防止で
き、しかも、従来に比べて低しきい値電流密度でもって
レーザー発振できる素子構造を備えた可視光半導体レー
ザを得ることを目的とする。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】
【作用】この発明においては、ＧａＰ基板上にＰ組成が
０．４５以下のＧａＡｓＰ活性層とＡｌＧａＰクラッド
層とからなるダブルヘテロ構造の半導体層を結晶成長さ
せたから、ＡｌＧａＰクラッド層がＧａＰ基板に対して
格子整合して、ミスフィット転位のない良好な結晶構造
に形成でき、該ＡｌＧａＰクラッド層はその禁制帯幅が
最大で２．２６〜２．４６ｅＶの範囲にあるため、Ｇａ
ＡｓＰ活性層に対してキャリアの閉じ込めに必要なエネ
ルギーステップを形成する。更に、ＧａＡｓＰ活性層の
Ｐ組成を０．４５以下にしたことから、該ＧａＡｓＰ活
性層のエネルギーバンド構造を直接遷移型にでき、しか
も、ＧａＡｓＰ活性層とＡｌＧａＰクラッド層との間の
若干の格子不整から該ＧａＡｓＰ活性層に圧縮歪みが加
わり、ミスフィット転位を生ずることなくその層厚を１
００〜２００オングストローム程度に厚く形成できるた
め、低い注入キャリア密度でレーザ発振するようにな
る。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１６】このような本実施例の可視光半導体レーザ
では、上下のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐクラッド層２，４の禁
制帯幅が２．２６〜２．４６ｅＶの範囲内にあり、その
禁制帯幅が２．１５のアンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活
性層３に対して、大きなエネルギーステップを形成する
ことができるため、アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性
層３内に注入されたキャリアはその内部に有効に閉じ込
められる。また、アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性層
３のＰ組成が０．４５であるため、エネルギーバンドが
直接遷移型になるとともに、上記上下のＡｌ0.3 Ｇａ0.
7 Ｐクラッド層２，４との間の若干の格子不整によって
圧縮歪みが導入され、上記エネルギーバンドの価電子帯
の状態密度が減少して、低い注入キャリア密度でレーザ
発振できるようになる。また、アンドープＧａＡｓ0.55
Ｐ0.45活性層３の層厚が２００オングストロームまで拡
大されているため、層内に閉じ込められたキャリアのオ
ーバーフローも低減される。更に、上下のＡｌ0.3 Ｇａ
0.7 Ｐクラッド層２，４の屈折率が小さく３．０３〜
３．４５の範囲にあるため、発光した光の閉じ込めも有
効に行うことができる。以上の結果、従来に比べてしき
い値電流密度が低減するとともに、発光効率が著しく向
上する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１７】実施例２．図２は、この発明の第２の実施
例による可視光半導体レーザの構造を示す図であり、図
２(a) はその斜視図、図２(b) は図２(a) 中の符号Ａで
特定した部分を拡大して示した図である。図において、
図１と同一符号は同一または相当する部分を示し、２０
０は半導体レーザであり、該半導体レーザ２００は、上
記実施例１の半導体レーザ１００の活性層３を、図２
(b) に示すようにそのＰ組成が０．４５である層厚が５
０オングストームのアンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45層３
０ａと層厚が２００オングストロームのアンドープＧａ
Ｐ層３０ｂとを交互に１０周期以上繰り返して形成した
多重量子井戸構造からなる活性層３ａに置き換えた構造
になっている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１９】尚、上記いずれの実施例においても、アン
ドープＧａＡｓＰ層のＰ組成を０．４５にしたが、この
Ｐ組成を０．４５より小さくしても同様の効果を得るこ
とができ、このＰ組成を０．４５より大きくした場合
は、活性層のエネルギーバンドが間接遷移型のままで、
レーザ発振できなくなる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例による可視光半導体レ
ーザの構造を示す斜視図である。
【図２】この発明の第２の実施例による可視光半導体レ
ーザの構造を示す斜視図及び該斜視図中の特定部分の拡
大図である。
【図３】この発明の第１の実施例による可視光半導体レ
ーザにおける活性層のエネルギーバンドの変形状態を説
明するための図である。
【図４】従来の可視光半導体レーザの構造を示す斜視図
である。
【符号の説明】 １ ｎ型ＧａＰ基板 ２ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ下クラッド層 ３ アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45活性層 ３ａ 多重量子井戸構造からなる活性層 ４ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ｐ上クラッド層 ５ ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ｐブロック層 ６ ｐ型ＧａＰ埋め込みキャップ層 ７ ｐ側電極 ８ ｎ側電極 １１ ｎ型ＧａＡｓ基板 １２ シリコンドープｎ型Ｉｎ0.5(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.
5 Ｐクラッド層 １３ アンドープＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ活性層 １４ 亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5(Ｇａ0.3 Ａｌ0.7)0.5 Ｐ
クラッド層 １５ 亜鉛ドープｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐキャップ層 １６ 亜鉛ドープｐ型ＧａＡｓコンタクト層 １７ ｐ型電極 １８ ｎ型電極 １９ リッジストライプ ３０ａ アンドープＧａＡｓ0.55Ｐ0.45層 ３０ｂ アンドープＧａＰ層 １００，２００，３００ 可視光半導体レーザ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板上に下クラッド層、活性層、
    及び上クラッド層からなるダブルヘテロ構造の半導体層
    を結晶成長してなる可視光半導体レーザにおいて、 ＧａＰ基板上にＡｌx Ｇａ1-x Ｐ下クラッド層（０≦ｘ
    ≦１）、ＧａＡｓ1-yＰy 活性層（０＜ｙ≦０．４
    ５）、及びＡｌx Ｇａ1-x Ｐ上クラッド層（０≦ｘ≦
    １）をこの順に結晶成長したことを特徴とする可視光半
    導体レーザ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の可視光半導体レーザに
    おいて、 上記ＧａＡｓ1-y Ｐy 活性層（０＜ｙ≦０．４５）の層
    厚を１００〜２００オングストロームにしたことを特徴
    とする可視光半導体レーザ。
  3. 【請求項３】 半導体基板上に下クラッド層、活性層、
    及び上クラッド層からなるダブルヘテロ構造の半導体層
    を結晶成長してなる可視光半導体レーザにおいて、 ＧａＰ基板上にＡｌx Ｇａ1-x Ｐ下クラッド層（０≦ｘ
    ≦１）、ＧａＡｓ1-yＰy 層（０＜ｙ≦０．４５）とＧ
    ａＰ層の多重量子井戸構造からなる活性層、及びＡｌx
    Ｇａ1-x Ｐ上クラッド層（０≦ｘ≦１）をこの順に結晶
    成長したことを特徴とする可視光半導体レーザ。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の可視光半導体レーザに
    おいて、 上記多重量子井戸構造からなる活性層の層厚を２００オ
    ングスロームより大きくしたことを特徴とする可視光半
    導体レーザ。
  5. 【請求項５】 半導体基板上に下クラッド層，活性層及
    び上クラッド層からなるダブルヘテロ構造の半導体層を
    結晶成長してなる可視光半導体レーザにおいて、 Ｓｉ基板上にＡｌx Ｇａ1-x Ｐ下クラッド層（０≦ｘ≦
    １），ＧａＡｓ1-y Ｐy 活性層（０＜ｙ≦０．４５）及
    びＡｌx Ｇａ1-x Ｐ上クラッド層（０≦ｘ≦１）をこの
    順に結晶成長したことを特徴とする可視光半導体レー
    ザ。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の可視光半導体レーザに
    おいて、 上記ＧａＡｓ1-y Ｐy 活性層（０＜ｙ≦０．４５）の層
    厚を１００〜２００オングストロームにしたことを特徴
    とする可視光半導体レーザ。
  7. 【請求項７】 半導体基板上に下クラッド層，活性層及
    び上クラッド層からなるダブルヘテロ構造の半導体層を
    結晶成長してなる可視光半導体レーザにおいて、 Ｓｉ基板上にＡｌx Ｇａ1-x Ｐ下クラッド層（０≦ｘ≦
    １），ＧａＡｓ1-y Ｐy 層（０＜ｙ≦０．４５）とＧａ
    Ｐ層とを交互に形成した多重量子井戸構造からなる活性
    層及びＡｌx Ｇａ1-x Ｐ上クラッド層（０≦ｘ≦１）を
    この順に結晶成長したことを特徴とする可視光半導体レ
    ーザ。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の可視光半導体レーザに
    おいて、 上記多重量子井戸構造からなる活性層の層厚を２００オ
    ングスロームより大きくしたことを特徴とする可視光半
    導体レーザ。
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