JP3183683B2 - 窓型半導体レーザ素子 - Google Patents

窓型半導体レーザ素子

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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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    • H01S5/164Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface with window regions comprising semiconductor material with a wider bandgap than the active layer
    • HELECTRICITY
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    • 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
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は活性領域を素子内部に埋
め込んだ窓型半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年,小型・高出力・低価格という利点
を有する半導体レーザの実用化により,従来レーザ光源
の使用が困難であった一般産業機器や民生機器へのレー
ザの応用が進んでいる。なかでも,光ディスク装置や光
通信などの分野における進歩にはめざましいものがあ
る。今後,半導体レーザは,さらに多くの分野に応用さ
れて行くものと考えられる。このような状況下におい
て,特に光ディスク装置の光源として用いられる半導体
レーザ素子は,光出力が大きく,かつ信頼性の高いこと
が要望されている。
【0003】これまで,半導体レーザ素子を高出力動作
させると,活性領域の端面部における結晶性劣化により
動作不良を起こすことが知られている。これは,レーザ
光が端面部の表面準位に吸収されて発熱し,端面部に著
しい結晶転移が発生するからである。この問題点を解消
するために,活性層を含む活性領域を活性層より禁制帯
幅の大きい埋め込み層で素子内部に埋め込み,活性領域
の端面に窓部を形成した窓型半導体レーザ素子が提案さ
れている。
【0004】従来の代表的な窓型半導体レーザ素子を図
4に示す(特開昭58-159388号)。また,図5に,図4のC
C線における素子内部の断面構造を示す。この半導体レ
ーザ素子は,例えば,以下のようにして作製される。
【0005】まず,図5に示すように,適当な結晶成長
技術により,n-GaAs基板21上に,n-AlGaAsクラッド層2
2,n-AlGaAs補助クラッド層23,GaAs活性層24,p-AlGaA
s補助クラッド層25,p-AlGaAsクラッド層26およびp-GaA
sコンタクト層27を順次成長させる。次いで,適当なエ
ッチング技術により,この積層構造をメサストライプ状
に加工した後,その側面部および端面部を,図4に示す
ように,活性層24より禁制帯幅の大きいAlGaAs埋め込み
層28で埋め込む。ここで,活性領域を構成するクラッド
層22,補助クラッド層23,活性層24,補助クラッド層25
およびクラッド層26は,SCH(Separate Confinment Hete
rostructure)構造をなしている。
【0006】さらに,コンタクト層27上に,Si3N4膜29
を形成した後,メサストライプの直上方に位置するSi3N
4膜29の部分をエッチングにより除去して,電流注入路
を規定する。最後に,Si3N4膜29を除いたコンタクト層2
7上にp側電極30を形成し,基板21の裏面にn側電極31を
形成することにより,図4に示すような窓型半導体レー
ザ素子が得られる。活性領域の端面部には,埋め込み層
28が窓部を構成しているので,表面準位による光吸収が
抑制され,信頼性が著しく向上する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし,上記従来の窓
型半導体レーザ素子では,積層構造をエッチングしてメ
サストライプ状に加工する際に,エッチングの終点を精
度よく決定できないので,メサストライプ部分を所定の
高さに形成するのが困難である。また,窓部には,垂直
・水平の両方向に,レーザ光を導波する機構が付与され
ていない。このため,従来の窓型半導体レーザ素子に
は,以下のような大きな問題点がある。
【0008】まず,第1に,活性領域の内部導波路と窓
部導波路との光強度分布(導波モード)を空間的に精度
よく一致させることが困難であるので,互いの結合効率
を充分に大きくすることができず,端面反射率が低下し
てレーザ利得が得られず,放射モードの発生などによる
遠視野像の歪が起こる。第2に,内部導波路と窓部導波
路とをずらして配置する必要がある場合には,窓部のGa
As基板やGaAsコンタクト層でレーザ光が吸収され,導波
路損失や波面歪曲による遠視野像の歪が起こる。第3
に,垂直・水平の両方向におけるビームウェストが一致
せず非点隔差が発生する。
【0009】本発明は,上記従来の問題点を解決するも
のであり,その目的とするところは,内部活性領域の導
波モードと窓部の導波モードとを制御性よく一致させ,
垂直・水平の両方向に安定な導波路を有する窓型半導体
レーザ素子を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は,半導体基板上に活性層をクラッド層で挟んだダブ
ルヘテロ構造が形成され,活性層を含む活性領域が活性
層よりも禁制帯幅の大きい埋め込み層により素子内部に
埋め込まれ,この埋め込み層が活性領域の両端面に位置
する窓部を構成している埋め込み窓型の半導体レーザ素
子であって,窓部が禁制帯幅の異なる複数の半導体層か
らなる導波路構造を有し,そのことにより上記目的が達
成される。
【0011】窓部における垂直方向の導波機構として
は,例えば,窓部導波層が,この層より複素屈折率の実
数部分の小さい(禁制帯幅が大きい)1組の窓部クラッ
ド層で挟まれたリアルガイド・スラブ型導波路により構
成することができる。この場合には,基板やコンタクト
層での光吸収が全くなく,波面歪曲による遠視野像の歪
みを防止できる。それゆえ,内部導波路と窓部導波路と
をずらして配置する必要がある場合に特に効果的であ
る。
【0012】なお,窓部導波層の位置(内部活性領域に
対する相対的な位置)および大きさは,複数の半導体層
からなることを利用した選択エッチング技術および導波
層の層厚制御により精度よく制御することができる。こ
れにより,内部導波路の導波モードと窓部導波路の導波
モードとが空間的に精度よく一致するので,互いの結合
効率が大きくなり,放射モードの発生や基板の光吸収に
起因した波面歪曲による遠視野像の歪みが防止される。
【0013】また,窓部における水平方向の導波機構と
しては,例えば,作製が容易なリッジ導波路により構成
することができる。このような導波機構により,レーザ
光は水平方向にも安定に導波される。
【0014】
【作用】本発明の窓型半導体レーザ素子は,窓部に禁制
帯幅の異なる複数の半導体層からなる導波路構造,例え
ば導波路層を複素屈折率の実数部分の小さいクラッド層
で挟んだ導波路構造を有する。それゆえ,基板やコンタ
クト層での光吸収が全くなく,波面歪曲による遠視野像
の歪みを防止できる。この窓部導波路は内部導波路に対
する相対的な位置が精度よく決定できるので,素子内部
の活性領域と窓部との導波モードが制御性よく一致す
る。また,垂直・水平の両方向に安定な導波路を設けて
いるので,レーザ光が安定に導波され,特に高出力動作
下で高い信頼性が得られる。
【0015】
【実施例】以下に,本発明の実施例について説明する。
【0016】本実施例の窓型半導体レーザ素子の概略構
造を図1に示す。図2および3は,それぞれ,図1のAA
線およびBB線における断面図であり,図1の窓型半導体
レーザ素子の素子内部の断面構造および窓部の断面構造
を示す。この半導体レーザ素子は,以下のようにして作
製される。
【0017】まず,(100)面を主面とするn-GaAs基板1
上に,n-Al0.3Ga0.7As窓部クラッド層2,n-Al0.2Ga0.8
Asエッチトップ層3,n-Al0.5Ga0.5Asクラッド層4,Al
0.13Ga0.87As活性層5,p-Al0.5Ga0.5Asクラッド層6,
およびn-GaAs電流狭窄層7を順次成長させる。
【0018】次いで,図2に示すように,電流狭窄層7
をクラッド層6に達するまで[110]方向に選択的にエッ
チングすることにより,幅4μmのストライプ状チャネ
ル8を形成する。さらに,電流狭窄層7,クラッド層
6,活性層5,クラッド層4およびエッチストップ層3
を窓部クラッド層2に達するまで,[110]方向に選択的
にエッチングすることにより,内部活性領域(長さ約30
0μm)を残して窓部(長さ約5μm)に対応する幅の溝
を形成し,窓部クラッド層2を露出させる。このとき,
Al混晶比の小さいAlxGa1-xAs(x≦0.4)層だけがエッチン
グされるNH4OH系エッチャントと,Al混晶比の大きいAlx
Ga1-xAs(x≧0.5)層だけがエッチングされるHF系エッチ
ャントとを交互に使い分けて選択的にエッチングを行
う。
【0019】さらに,ストライプ状チャネル8や窓部に
対応する溝部分を埋め込むように,p-Al0.5Ga0.5As窓部
導波層9を成長させた後,引き続いて,窓部導波層9上
に,p-Al0.3Ga0.7As窓部クラッド層10,およびp-GaAsコ
ンタクト層11を順次成長させる。活性層5を含む活性領
域は埋め込み層としての窓部導波層9により素子内部に
埋め込まれている。次いで,図3に示すように,窓部に
内部活性領域のストライプ状チャネル8とその中心位置
が一致するようにリッジ12を形成する。窓部の導波機構
は,垂直方向は窓部クラッド層2,窓部導波層9,およ
び窓部クラッド層10からなる3層スラブ導波路により構
成され,水平方向はリッジ12からなるリッジ導波路によ
り構成される。特に,窓部では,窓部導波層9が,垂直
方向がこの層より複素屈折率の実数部分の小さい(禁制
帯幅が大きい)クラッド層2および10で挟まれたリアル
ガイド・スラブ型導波路を,また水平方向も両側の等価
屈折率が小さいリッジ導波路を採用しているので,レー
ザ光の波面を曲げることなく,導波することができる。
【0020】このようにして作製された窓型半導体レー
ザ素子では,レーザ光は図2の内部活性領域で生成され
た後,図3の窓部導波路に導波され,その一部は窓部の
端面より出射されるが,残りの部分は端面で反射されて
レーザ増幅に利用される。
【0021】なお,上記実施例では,ファブリペロ型の
半導体レーザ素子について説明したが,本発明は分布帰
還型半導体レーザ素子に適用することもできる。この場
合,内部活性領域と窓部との界面を傾斜させれば,内部
活性領域への反射率が近似的に零となるので,ファブリ
ペロモードを効果的に抑制することができる。また,上
記実施例では,AlGaAs/GaAs系の半導体レーザ素子につ
いて説明したが,GaInPAs/GaAs系やGaInPAs/InP系にも
適用することができる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば,素子内部の活性領域と
窓部との導波モードの一致の良い窓型半導体レーザ素子
が得られる。このような半導体レーザ素子は,内部導波
路モードと窓部導波路モードとの結合効率が大きく,さ
らにリアルガイド・スラブ型導波路となるので放射モー
ドの発生や基板吸収に起因した波面歪曲による遠視野像
の歪みがない。しかも,垂直・水平の両方向にレーザ光
が安定に導波されるので,高出力動作下で高い信頼性を
示す。したがって,光通信用や光ディスク用の光源とし
て幅広く応用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である窓型半導体レーザ素子
の構造を示す斜視図である。
【図2】図1のAA線における素子内部の断面構造を示す
断面図である。
【図3】図1のBB線における窓部の断面構造を示す断面
図である。
【図4】従来の窓型半導体レーザ素子の構造を示す斜視
図である。
【図5】図4のCC線における素子内部の断面構造を示す
断面図である。
【符号の説明】
1,21 半導体基板 2,10 窓部クラッド層 3 エッチトップ層 4,6,22,26 クラッド層 5,24 活性層 7 電流狭窄層 8 ストライプ状チャネル 9 窓部導波層 11,27 コンタクト層 12 リッジ 23,25 補助クラッド層 29 埋め込み層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 裕章 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (72)発明者 中西 千登勢 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (72)発明者 奥村 敏之 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (72)発明者 菅原 聰 大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャー プ株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−307778(JP,A) 特開 昭60−17980(JP,A) 特開 昭64−61086(JP,A) 特開 平2−244687(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に活性層をクラッド層で挟
    んだダブルヘテロ構造が形成され,活性層を含む活性領
    域が活性層よりも禁制帯幅の大きい埋め込み層により素
    子内部に埋め込まれ,この埋め込み層が活性領域の両端
    面に位置する各窓部をそれぞれ構成している窓型半導体
    レーザ素子であって,各窓部が禁制帯幅の異なる複数の
    半導体層からなる導波路構造を有しており、各窓部の導
    波路構造が、各窓部を構成する埋め込み層の一部をエッ
    チングによってそれぞれ除去したリッジ導波路構造にな
    っていることを特徴とする窓型半導体レーザ素子。
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