JP2940462B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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Description
ムの光源などに用いられる低雑音自励発振型半導体レー
ザに関するものである。
クなどの分野で半導体レーザの需要が高まり、GaAs
系、およびInP系を中心として活発に研究開発が進め
られてきた。光情報処理分野においては、特に波長が7
80nmのAlGaAs系半導体レーザの光による情報
の記録・再生を行う方式が実用化され、コンパクトディ
スク等で広く普及するに至っている。
置に益々記憶容量の増加が求められるようになり、それ
に伴い短波長のレーザの要望が強まってきている。Al
GaInP系半導体レーザは波長が630〜690nm
での赤色領域で発振が可能であり、現在実用レベルにあ
る半導体レーザの中で最も短波長の光が得られるもので
ある。したがって、従来のAlGaAs系半導体レーザ
に代わる次世代の大容量光情報記録用光源として有望で
ある。ところで、半導体レーザは光ディスクの再生時
に、ディスク面からの反射光の帰還や温度の変化により
強度雑音を発生し、信号の読取エラーを誘発する。した
がって光ディスクの光源用には強度雑音の少ないレーザ
が不可欠となる。
半導体レーザでは雑音を低減するためにリッジストライ
プの両側に意図的に可飽和吸収体が形成されるような構
造を採用することによって低雑音化を図ってきた。これ
によって縦モードをマルチ化することができる。レーザ
が縦単一モードで発振しているときに光の帰還や温度変
化等の外乱が入ると利得ピークの微少な変化によって近
接する縦モードが発振を開始し、元の発振モードとの間
で競合を起こす。これが雑音の原因となっており、縦モ
ードをマルチ化すると各モードの強度変化が平均化さ
れ、しかも外乱によって変化しないので安定な低雑音特
性を得ることができる。
のように、共振器方向に可飽和吸収層を形成し、ノイズ
レベルを小さくした半導体レーザが報告がなされてい
る。このレーザの断面図を図9に示す。このレーザは、
共振器端面にp型電極を形成せず、活性層に電流を注入
しない領域を設けて、この領域を可飽和吸収領域として
いるものである。
レーザのように、単に電流注入をしない領域を可飽和吸
収層とするだけでは、ノイズレベルを下げるために自励
発振を得ることは困難である。発明者らの実験により、
AlGaInP系半導体レーザは、AlGaAs系に比
べ、材料の利得特性が大きく異なるため、自励発振特性
を得ることが困難であることが明らかとなった。それを
図10に示す。図10には、GaAsとGaInPの利
得特性を示す。ここでGaAsおよびGaInPは、そ
れぞれAlGaAs系半導体レーザおよびAlGaIn
P系半導体レーザの活性層に主に用いられる材料であ
る。
に対する利得特性の傾きが大きいことが要求される。と
ころが、GaInPの場合GaAsに比べ傾きが小さい
ため相対的に自励発振特性を得ることが困難であること
が判明した。
導体レーザの場合、上記の利得特性の違いにより、従来
例のように、単に可飽和吸収領域を設けただけでは、安
定した自励発振特性を得ることは困難であることがわか
った。つまり、自励発振現象は、可飽和吸収層のキャリ
ア寿命が小さいほど生じやすく、可飽和吸収領域に何ら
工夫をしなければ、キャリア寿命が小さくならず、自励
発振が生じにくいのである。その理由は、キャリア寿命
が大きいと、可飽和吸収層のキャリア密度の時間変化率
に与える自然放出光の寄与が小さくなり、キャリアの振
動が生じにくくなるためである。
あり、特に半導体レーザを構成する可飽和吸収領域を最
適に設定することによって、安定な自励発振特性を有す
る半導体レーザを提供することを目的とする。
めに本発明の半導体レーザは、共振器方向に発光領域と
可飽和吸収領域とを形成する。可飽和吸収領域中の可飽
和吸収層は、発光領域からのレーザ光を吸収し、その吸
収によって生じたキャリアをすぐさま消滅させる働きを
もつ。つまり、キャリアの寿命を短くし、その結果、キ
ャリアの時間変化率に対する自然放出の寄与が増大し、
自励発振を容易に生じることができ、相対雑音を下げる
ことができる。キャリアの寿命は、約6ns程度以下で
あればかなり効果的であることがわかっている。
ーザ光を吸収させるとともに吸収を飽和させる。レーザ
光の吸収により生じたキャリアの寿命を短くするため
に、活性層に不純物をドーピングする。これにより、レ
ーザ光の吸収により生じたキャリアの寿命を短くでき
る。
収層のドーピングレベルを、好ましくは1×1018(c
m-3)以上とすることによって、キャリアの寿命時間を
低減している。その結果、キャリアの時間変化率に対す
る自然放出の寄与が増大し、自励発振を容易に生じるこ
とができ、相対雑音を下げることができる。
は、レーザ共振器の一部だけに形成され、発光領域に
は、レーザ光を積極的に吸収する領域は形成されていな
い。よって、このレーザは、吸収が少ないので、高出力
用のレーザとしても用いることができる。
として用いると、このレーザ1台で、光ディスクの再生
時の雑音特性もよく、また、高出力でも使用できること
から、光ディスクの記録も可能であり、1台のレーザで
再生も記録もできるので、簡単な構成で性能のよい光情
報処理装置を実現できる。
参照しながら説明する。
れた可飽和吸収層のドーピング濃度に対する電子の寿命
時間の変化を示す。これよりそのドーピングレベルによ
って寿命時間が大きく影響されていることがわかる。
寿命時間を得ることが困難となる。自励発振現象は、可
飽和吸収層の寿命時間が短いほど生じ易い。これは寿命
時間が短いほど、自励発振現象を生じさせるために必要
な可飽和吸収層のキャリアの時間変化が大きくなるから
である。発明者らの実験によれば、その寿命時間は、約
6ナノ秒以下が望ましいことがわかった。寿命時間とド
ーピングレベルとの関係は、ドーピングレベルが低い場
合、寿命時間が長くなり、たとえば1×1018(c
m-3)以下で6ナノ秒を越えている。それに対して、ド
ーピングレベルを2×1018(cm-3)程度と高くする
ことによって3ナノ秒程度まで減少させることが可能と
なる。
ーピングレベルを増加した以下の構造の半導体レーザを
作製した。第1の実施例の断面構造図および構成斜視図
を図2に示す。
1]方向へ8度傾斜したn型GaAs基板であり、この
基板101上にn型のGaInPからなるバッファ層1
02、AlGaInPからなるn型クラッド層103、
GaInPからなる活性層104、p型のAlGaIn
Pからなる第1のクラッド層105a、p型のGaIn
Pからなるエッチングストッパ層106が順次形成され
る。
ジ状の第2のp型クラッド層105bとp型のGaIn
Pからなるコンタクト層110が形成される。このリッ
ジ状の第2のp型クラッド層105bおよびコンタクト
層110の両側はn型のGaAs層からなる電流ブロッ
ク層111が形成されている。さらにコンタクト層11
0と電流ブロック層111上にはp型のGaAsからな
るキャップ層112が形成されており、キャップ層11
2上にはp電極113、基板101側にはn電極114
がそれぞれ形成されている。ドーピングレベルおよび膜
厚は以下の通りである。また図11には、n型クラッド
層から第2のp型クラッド層までのバンドギャップエネ
ルギー図を示している。
る。図の正面のレーザ共振器端面は、(0ー11)面で
あり、後ろ端面は、(01ー1)面であり、レーザ光
は、正面の(0ー11)端面から出射される。図12
は、(0ー1ー1)面(実際には[100]方向へ8度傾
斜している)をみた構成側面図である。
飽和吸収領域とからなる。さらに可飽和吸収領域中に
は、p型拡散領域がある。可飽和吸収領域の上面には電
流注入のための電極は形成されておらず、上面を保護す
るためのSiO2層が形成されている。可飽和吸収領域
には、p型拡散領域があり、p型ドーパントがエッチン
グストッパ層106からn型クラッド層103の途中に
まで拡散されている。
れている。この可飽和吸収層104sは、発光層の活性
層104と同時に形成されたものである。可飽和吸収層
104sにはp型ドーパントとしてZnが2×1018c
m-3程度ドーピングされている。これにより発光領域で
のレーザ光をこの高ドープされた可飽和吸収層104s
が吸収するとともに吸収を飽和し、キャリアの寿命を低
減できるので、安定した自励発振特性を実現することが
できる。
出力領域では、自励発振特性を示すが、これ以上の高出
力領域では、自励発振特性は示さなくなる。しかし、可
飽和吸収層が、レーザ共振器全面にわたって形成されて
いるのではなく、共振器の一部に形成されているだけな
ので、 10〜15mWより大きい高出力領域になって
もレーザ光の吸収量はすくなく、高出力レーザにも適し
ている。もし、全面にわたって吸収領域が形成されてい
ると、電流注入によって高出力になる前にCODによる
キンクが起こってしまう。よって、本実施例のように、
共振器の一部分に可飽和吸収領域を形成し、その領域に
可飽和吸収層を設けることで、低出力領域では自励発振
を示し、かつ、高出力領域では単一モード発振の高出力
レーザとしても機能する。
したものを図8に示す。半導体レーザ80より波長66
0nmのレーザ光802は、コリメータレンズ803で
平行光にされた後、回折格子804で3ビームに分割さ
れ(図示していない)、ハーフプリズム805を通り集
光レンズ806で集光され、光ディスク807上に直径
1μmのスポットを結ぶ。ディスク807上での反射光
は再度、集光レンズ806を通り、ハーフプリズム80
5で反射され、受光レンズ808で絞られたシリンドリ
カルレンズ809を経てホトダイオード810に入り電
気信号に変換される。この際、分割された3ビームによ
り光ディスク807の半径方向のずれを検出し、またシ
リンドリカルレンズ809により焦点の位置ずれを検出
する。そしてこのずれは、駆動系811により光学系が
微動調整され修正される。
ザからのレーザ光を光ディスクに導く集光光学系、光デ
ィスクで反射した光を読む受光部を備えた光ディスク装
置に応用すれば、低出力では、自励発振特性により、レ
ーザへの戻り光の影響をあまり受けることなくディスク
の読み出し(再生)ができ、高出力でも使用できること
から、ディスクへの書き込み(記録)もできることがで
き、1台のレーザで、読み出しと書き込みとができる簡
単な構成で優れた特性をもつ光ディスク装置となる。
する。n型GaAs基板101上に、MOVPE法によ
り、n型のGaInPバッファ層202、AlGaIn
Pのn型クラッド層203、GaInPからなる活性層
204、p型のAlGaInPからなる第1のクラッド
層105、p型のGaInPからなるエッチングストッ
パ層206、AlGaInPからなる第2のp型クラッ
ド層105bを順次エピタキシャル成長させる。活性層
はノンドープであり、p型のドーパントにはトリメチル
ZnのZnを用い、n型ドーパントはSiとした。
ッド層上にSiO2膜をマスクとして、可飽和吸収領域
となる部分の上面から、Znを気相拡散する。このZn
をn型クラッド層103の途中にまで拡散し、活性層1
04をこのZnの拡散によりp型とし、可飽和吸収層と
する。
2×1018cmー3としたが、光学的吸収により生じたキ
ャリアの寿命を低減するには、1×1018以上とするの
が好ましい。
器方向に5ミクロンのストライプパターンをドライエッ
チングによりエッチングし、第2のp型クラッド層10
5bをリッジ状に加工する。
流量が11SCCM、窒素が3.5SCCMであり、よって塩素
流量/窒素流量比は、3.1である。加速電圧を650
V、内圧2.5mTorr、試料温度を100℃として、ドラ
イエッチングを行ったところ、リッジの形状は、左右対
称な台形状となった。通常、オフ基板を用いたエッチン
グでは、図7(b)のように左右対称とはならない。基
板が(100)面から傾斜しているため、通常、硫酸系
のエッチング液によるウエットエッチングでは、リッジ
の底部における側面の傾斜が緩やかとなり、リッジは非
対称となる。その結果、活性層へのキャリアの注入およ
び光の閉じ込めが不均一になり、横モードが不安定にな
る。特に、レーザを高温で動作させるときには、このこ
とが顕著になる。
は、レーザ光の波長を短波長化するためには、傾斜角度
をますます大きくしており、この角度が大きくなるほ
ど、リッジの非対称性が大きくなる。
では、図7(a)のように、この条件でのドライエッチ
ングでは、オフ基板を用いているにもかかわらず、対称
なリッジ702を形成できる。
ングストッパ層106で停止させる。p型AlGaIn
P第2クラッド層105bをドライエッチングでエッチ
ングするが、p型AlGaInP第2クラッド層の厚み
は1.5μmである。よって、まず、スパッタ成分の強
い第1のドライエッチングで1.3μmエッチングし、
化学反応成分の強い第2のドライエッチングで残りの
0.2μmエッチングすればよい。こうすれば、エッチ
ングストッパ層より下の層にもエッチング時のダメージ
を及ぼすこともない。
あと、SiO2膜マスクをそのまま用いて、n型埋め込
み層である、n型GaAs電流ブロック層111を選択
成長させる。
aAsキャップ層112を成長させた後、n型GaAs
基板101にn型電極114、キャップ層112上にp
型電極113を形成してレーザ構造が完成する。p型電
極は、図12のようにp型拡散領域上に形成されないよ
うにしている。このp型電極をp型拡散領域に近づけす
ぎるとリーク電流が大きくなるからである。
の形成に、ハロゲンガスと窒素ガスとの流量比が特に、
1.4≦塩素流量/窒素流量≦4.0の範囲のものを用
いることにより、リッジ底面からリッジ側面への角度θ
が60度〜90度となるとともに、オフ基板を用いるに
もかかわらず、対称のリッジ構造のレーザを製造するこ
とができる。
め、光の閉じ込めが不均一にならず、横モードが安定な
信頼性の高いレーザとなる。さらに、このエッチングで
は、Alを含む化合物半導体のエッチングにもかかわら
ず、エッチングレートの低下もなかった。
より共振器端面を形成する。このとき、基板は、傾斜基
板を用いているので、応力をかける方向に注意する必要
がある。
s基板の(0−11)面をみた結晶構造を模式的にあら
わしている。A−Bは基板表面になっており、この表面
上に結晶を成長する。原子的に見ると、基板表面は階段
状になっており、これは原子ステップである。この基板
は、(100)面の面方位から[011]方向に8度傾
斜していることがわかる。図2(b)は、このレーザの
構成斜視図であり、基板が面方位が(100)面の面方
位から8度、[011]方向に傾斜している。すなわ
ち、この基板は、(100)面の面方位から[011]
方向へ8度傾いているので、B(B’)方向からA
(A’)方向に応力をかけて結晶をへきかいする。その
理由は、Aから応力をかけると、図3のようAからB方
向に向かっていた割れが途中から(100)面に沿った
方向に進んでしまい、へきかいによる不良となり、歩留
まりを落とすからである。したがって、へきかいはBの
方向からA方向に向かって行うのである。これは、Ga
As基板に限らず、半導体基板等の傾斜基板にあてはま
る。ジャスト面(ここでは、(100)面)と基板面と
の角度が小さくなる方向(AではなくB)から、傾斜し
ている方向に向かって応力をかけてへき開するのであ
る。
面をコーティングする。端面側から、λ/4の膜厚のS
iO2膜とλ/4の膜厚のSiN膜を1周期とした。S
iO2およびSiN膜の積層には、ECRスパッタ法を
用いた。
を図4に示す。閾値電流は、50mAとなっている。通常
の半導体レーザの特性と異なるのは、閾値電流近傍で急
激な立ち上がりが見られる点である。これは可飽和吸収
層が存在するために、ある程度のキャリアの注入量に達
するまでは光出力が外部へ放出されないことによる。
電流に比例して光出力増加しはじめる。図中Pにおける
時間に対する光出力波形のシミュレーション結果を図5
に示す。図5では光出力の振動現象が継続していること
が分かる。図6に自励発振型半導体レーザの出力波形を
示す。時間に対して光出力が大きく振動しており、自励
発振している。
力が10mW程度で自励発振は停止し、通常の単一モー
ド発振となる。しかし、前述したように、この実施例の
レーザでは、吸収領域をレーザ共振器方向の全体にわた
って形成していないので、光吸収が少ない分、40mW
程度の高出力の範囲までレーザ光を出力することができ
る。つまり、低出力では自励発振、高出力では単一モー
ド発振を実現し、光ディスク装置には欠かせないレーザ
となる。
て説明する。この実施例の半導体レーザは、活性層に量
子井戸構造を用いているため高効率となり、より高い光
出力を得ることができる。多重量子井戸活性層は、膜厚
50Åの量子井戸数は3ウエルからなる。
井戸構造を導入することによって最高光出力が2割程度
増加できた。また、低しきい値電流化、高温動作、高出
力化が可能となった。また、本実施例の半導体レーザに
よれば、図5と同様の自励発振現象が確認でき、−13
0dB/Hz以下の相対雑音強度(RIN)も得られて
いる。
レーザの共振器方向の一部に可飽和吸収領域を設け、こ
の領域中の可飽和吸収層での光学的吸収により生じたキ
ャリアの寿命時間を制御することにより、安定した自励
発振特性を有するものである。
部に形成されているだけなので、レーザ光の吸収は少な
く、高出力レーザとしての機能もあわせて実現できる。
台で、光ディスクの読み出し、書き込みまで実現できる
ものとなり、光ディスク装置にも欠かせないものとな
る。
ドーピング濃度とキャリアの寿命時間の相関図
系半導体レーザの構成断面図および構成斜視図
ア密度の時間波形の図
ア密度の実測時間波形の図
ジを比較する図
のバンドギャップエネルギ図
の構成側面図、平面図
Claims (16)
- 【請求項1】 活性層と、前記活性層を挟むクラッド層
と、共振器方向の一部に形成した可飽和吸収層とを備え
た自励発振特性を有する半導体レーザであって、前記可
飽和吸収層は、前記活性層に不純物がドープされ、導電
性を有するものであることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項2】 活性層と、前記活性層を挟むクラッド層
と、共振器方向の一部に形成した可飽和吸収層とを備
え、前記可飽和吸収層でのキャリアの寿命が、約6ns
以下である半導体レーザ。 - 【請求項3】 前記可飽和吸収層は、AlxGayIn
1-x-yP系(0≦x≦1、0≦y≦1)の材料である請
求項1または請求項2に記載の半導体レーザ。 - 【請求項4】 可飽和吸収層の不純物濃度が、1×10
18 cm― 3 以上である請求項1から請求項3のいずれか
に記載の半導体レーザ。 - 【請求項5】 可飽和吸収層がレーザの端面近傍に形成
され、レーザ光は、前記端面とは反対の端面から取り出
される請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体
レーザ。 - 【請求項6】 可飽和吸収層がp型であることを特徴と
する請求項1から請求項5のいずれかに記載の半導体レ
ーザ。 - 【請求項7】 低出力では自励発振特性を示し、高出力
では単一モード特性を示す請求項1から請求項6のいず
れかに記載の半導体レーザ。 - 【請求項8】 10mW以下の低出力では自励発振特性
を示し、それ以上の出力では単一モード特性を示す請求
項1から請求項7のいずれかに記載の半導体レーザ。 - 【請求項9】 請求項7または請求項8に記載の半導体
レーザと、前記半導体レーザから出射したレーザ光を情
報担体に集光する集光光学系と、前記情報担体からの反
射光を受ける受光部とを備えた情報処理装置。 - 【請求項10】 前記情報担体の読み取りには、自励発
振特性を用い、前記情報担体の書き込みには単一モード
発振特性を用いる請求項9に記載の情報処理装置。 - 【請求項11】 面方位が[100]方向から[01
1]方向へ傾斜している結晶のへき開方法において、
[0−1−1]方向から[011]方向へ応力をかける
ことで前記結晶をへき開する結晶のへき開方法。 - 【請求項12】 前記結晶がGaAsである請求項11
に記載のへき開方法。 - 【請求項13】 AlGaInPのドライエッチング方
法であって、AlGaInP上に形成したマスクによ
り、前記AlGaInP層を、塩素元素を含むガスの流
量と窒素ガスの流量との関係が、塩素元素を含むガスの
流量/窒素ガス流量≧1であり、内圧が1mTorr以
上でエッチングし、ほぼ対称のAlGaInPリッジ構
造とするエッチング方法。 - 【請求項14】 傾斜基板上に形成したAlGaInP
をエッチングする請求項13に記載のエッチング方法。 - 【請求項15】 n型GaAs傾斜基板上に、MOVP
E法により、n型AlGaInPクラッド層、活性層、
p型AlGaInPのクラッド層をエピタキシャル成長
させる工程と、 p型AlGaInPクラッド層上にマスクを形成して、
前記p型AlGaInPクラッド層を、塩素流量/窒素
流量≧1.4であり、内圧が1mTorr以上でエッチ
ングしてリッジを形成する工程と、 前記リッジの両側を電流ブロック層で埋め込む工程とを
有する半導体レーザの製造方法。 - 【請求項16】 p型AlGaInPクラッド層は、p
型AlGaInPの第1のクラッド層と、p型AlGa
InPの第2のクラッド層を有しており、前記第1のク
ラッド層と前記第2のクラッド層との間に、エッチング
ストッパ層を有する請求項15に記載の半導体レーザの
製造方法。
Priority Applications (1)
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JP5125296A JP2940462B2 (ja) | 1996-03-08 | 1996-03-08 | 半導体レーザ |
Publications (2)
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JPH09246662A JPH09246662A (ja) | 1997-09-19 |
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ID=12881770
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-
1996
- 1996-03-08 JP JP5125296A patent/JP2940462B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Title |
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電子材料 1995年7月 p.87−90 1995年(平成7年)秋季第56回応物学会予稿集 26p−ZA−5 p.902 |
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