JP3886972B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、活性層に多重量子井戸を用いた半導体レーザに関し、特に高出力化を実現した半導体レーザに関する。

光通信システムに用いられる光信号は、長距離にわたって敷設された光ファイバ内を伝送されるので、この光信号の光源に用いられる半導体レーザの特性としては、高出力、高安定度が要求される。高出力特性が配慮された半導体レーザ１０の斜視図を図１１に、またその要部の断面模式図を図１２に示す。半導体レーザ１０は、図１１に示すように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ（光閉込構造）層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の一部（下層部）を順番に積層させ、その後にそれらをエッチングしてメサ型のストライプを形成し、そのストライプの両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６とｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７を積層させ、さらにｐ型クラッド層１８の下層部の上面及び上部埋込層１７の上面にｐ型クラッド層１８の残りの一部（上層部）とｐ型コンタクト層１９を積層させ、その後にｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極２０、半導体基板１１の下面にｎ電極２１をそれぞれ設けて形成されている。そして、光の出射端面は、高反射率膜の施された端面（ＨＲ端面）２２ｂ、低反射率膜の施された端面（ＬＲ端面）２２ａより成っている。

良好な発光特性を得るために、活性層１４として、図１２に示すように、複数の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの上下両側に位置する複数の障壁層１４ｂとを積層したＭＱＷ（多重量子井戸）構造が採用されている。また、このＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３及び上側に位置するＳＣＨ層１５は、それぞれ複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造とされている。

そして、ｎ型クラッド層１２、複数の層からなるＳＣＨ層１３、ＭＱＷ構造を有した活性層１４、複数の層からなるＳＣＨ層１５、ｐ型クラッド層１８の各層についての、活性層１４で発光する光に対する屈折率を、図１３に示す屈折率特性となるように設定されている。すなわち、中央の活性層１４の屈折率が最も大きく、両側の各クラッド層１２、１８の屈折率が等しくて最も小さく、そしてＳＣＨ層１３、１５の複数の層もその中間で段階的に変化されて、活性層１４を中心として上下対称の特性となるように設定されている。

このような屈折率特性を有する半導体レーザ１０のｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電流を印加すると、活性層１４で光が生起され、その生起された光Ｐの大部分が半導体レーザ１０のＬＲ端面２２ａから、そのわずかな残りがＨＲ端面２２ｂからそれぞれ外部へ出射される。

なお、活性層１４の屈折率が各クラッド層１２、１８の屈折率より大きいことによって、活性層１４で生起した光Ｐの散逸を防ぐ光導波路が形成され、また、活性層１４と上下両側のクラッド層１２、１８との間にそれぞれ中間の屈折率を有するＳＣＨ層１３、１５を介在させることにより、注入した電流すなわちキャリアを活性層１４の近傍に集中させることができ、キャリアと光が同時に同一領域に集中するので発光効率が高くなる。

この構造においては、活性層幅がＨＲ端面２２ｂとＬＲ端面２２ａ間で一定、例えばＨＲ端面２２ｂでの活性層幅をＷ₀、ＬＲ端面２２ａでの活性層幅をＷ_Lとすると、Ｗ₀＝Ｗ_L（＝約４μｍ（一般的な数値例））としていた。活性層１４内の光強度はＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって指数関数で増大し、活性層幅が一定の場合には、単位面積当たりの光強度すなわち光密度も同様に指数関数で増大する。ＨＲ端面２２ｂからの距離ｚのところの光強度Ｉ（ｚ）は、ＨＲ端面２２ｂでの光強度Ｉ₀、単位長さ当たりの内部利得ｇを用いて、［Ｉ（ｚ）＝Ｉ₀ｅｘｐ（ｇ・ｚ）］表される。

このようにＬＲ端面に向かって光強度が増大すると、それに伴ってキャリア密度が減少するため、光強度が大きいＬＲ端面２２ａ付近でキャリアが不足し、光出力の最大値が制限されるという現象が起こる。そこで、ＨＲ端面側の活性層幅が狭く、ＬＲ端面側の活性層幅が広くなっているテーパ型の導波路構造が考案されている（例えば、特許文献１参照）。
その構造を図１４に示す。活性層（導波路）２０２は、ＨＲ端面２０４側から広がる相対的に狭い領域２０８、およびＬＲ端面２０６側から広がる相対的に広い領域２１０を有する。そしてテーパー領域２１２が狭い領域２０８と広い領域２１０とを結んでいる。なお具体的寸法として、狭い領域２０８の活性層幅は約約２．３μｍ、広い領域２１０の活性層幅は約４．３μｍ、と記載されている。この構造においては、ＬＲ端面側の活性層がカットオフ幅以上の活性層幅に設定されており、光の回折現象を利用することによって、基本横モードを維持している。

特開平１４−２８０６６８号公報

しかしながら、この方式では、基本横モードを制御するのが以下の理由で困難であり、高出力領域まで回折限界光を実現することができなかった。つまり、テーパ状にストライプ幅を広げていくと、テーパ状の活性媒体の利得が大きいためにストライプ中心部で光強度が強くなり、空間的ホールバーニング、すなわち、ストライプ中心部の注入キャリア密度が相対的に低下し、屈折率が高くなる。そしてレーザ光が自己収束する。その結果、ストライプ中心部以外の領域の利得が増大し、不安定化が生じ、回折限界光が得られる条件が崩れ、基本横モード発振が乱されることになる。

また本テーパ構造であると、発光パターンが扁平化してしまい、光ファイバへの結合効率が落ちてしまうという問題もあった。活性層への光閉じ込めを減らすことでモード扁平を改善することはできるが、今度はｐ型クラッド層側の光吸収が大きくなり、光出力が低減してしまうという問題が発生していた。

本発明は、これらの課題を解決し、簡単な構成で高出力が得られ、且つ、広い活性層幅においてモード変移の起こりにくい半導体レーザを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の半導体レーザでは、ＩｎＰからなる半導体基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を上下から挟む一対のＳＣＨ層（１３、１５）と、該ＳＣＨ層の各外側に位置するｎ型クラッド層（３２）及びＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）と、前記活性層に電流を注入するためのｐ電極（２０）及びｎ電極（２１）とを設けるとともに、光の出射端面が高反射率膜の施された端面（２２ｂ）と低反射率膜の施された端面（２２ａ）とで構成されていて前記ＳＣＨ層を構成する各層（１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃ）の屈折率が前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下していく半導体レーザにおいて、前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層内の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くし、前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下して形成され、前記活性層の活性層幅が前記高反射率膜の施された端面側から前記低反射率膜の施された端面側に向かって少なくともその一部が徐々に広くなっていて、さらに、前記活性層の上方に位置する前記ｐ電極または前記ｎ電極のいずれか一方を、前記活性層のストライプ方向に複数個に分割し、前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の前記活性層上を占める長さが、前記高反射率膜の施された端面から前記低反射率膜の施された端面に向かって減少しており、前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の各電極にいずれも等しい大きさの電流が流れるようにしている。
上記課題を解決するために、本発明の請求項２の半導体レーザでは、ＩｎＰからなる半導体基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を上下から挟む一対のＳＣＨ層（１３、１５）と、該ＳＣＨ層の各外側に位置するｎ型クラッド層（３２）及びＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）と、前記活性層に電流を注入するためのｐ電極（２０）及びｎ電極（２１）とを設けるとともに、光の出射端面が高反射率膜の施された端面（２２ｂ）と低反射率膜の施された端面（２２ａ）とで構成されていて前記ＳＣＨ層を構成する各層（１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃ）の屈折率が前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下していく半導体レーザにおいて、前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層内の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くし、前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する各層の厚さが、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って増加して形成され、前記活性層の活性層幅が前記高反射率膜の施された端面側から前記低反射率膜の施された端面側に向かって少なくともその一部が徐々に広くなっていて、さらに、前記活性層の上方に位置する前記ｐ電極または前記ｎ電極のいずれか一方を、前記活性層のストライプ方向に複数個に分割し、前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の前記活性層上を占める長さが、前記高反射率膜の施された端面から前記低反射率膜の施された端面に向かって減少しており、前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の各電極にいずれも等しい大きさの電流が流れるようにしている。
上記課題を解決するために、本発明の請求項３の半導体レーザでは、ＩｎＰからなる半導体基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を上下から挟む一対のＳＣＨ層（１３、１５）と、該ＳＣＨ層の各外側に位置するｎ型クラッド層（３２）及びＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）と、前記活性層に電流を注入するためのｐ電極（２０）及びｎ電極（２１）とを設けるとともに、光の出射端面が高反射率膜の施された端面（２２ｂ）と低反射率膜の施された端面（２２ａ）とで構成されていて前記ＳＣＨ層を構成する各層（１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃ）の屈折率が前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下していく半導体レーザにおいて、前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層内の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くし、前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下して形成され、かつ前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する各層の厚さが、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って増加して形成され、前記活性層の活性層幅が前記高反射率膜の施された端面側から前記低反射率膜の施された端面側に向かって少なくともその一部が徐々に広くなっていて、さらに、前記活性層の上方に位置する前記ｐ電極または前記ｎ電極のいずれか一方を、前記活性層のストライプ方向に複数個に分割し、前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の前記活性層上を占める長さが、前記高反射率膜の施された端面から前記低反射率膜の施された端面に向かって減少しており、前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の各電極にいずれも等しい大きさの電流が流れるようにしている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４の半導体レーザでは、上述した請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザにおける前記活性層幅が、少なくともその一部が指数関数で表される曲線状に徐々に広くなるようにしている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項５の半導体レーザでは、上述した請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザにおける前記活性層幅が、少なくともその一部が直線的に徐々に広くなるようにしている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項６の半導体レーザでは、上述した請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザにおける前記ｎ型クラッド層を構成する前記ＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９８μｍ以下であるようにしている。

本発明の半導体レーザでは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、屈折率の大きいＩｎＧａＡｓＰによってｎ型クラッド層を構成し、かつ、活性層の活性層幅を高反射率膜の施された端面（ＨＲ端面）から低反射率膜の施された端面（ＬＲ端面）に向かってテーパ状に広くなるようにしている。したがって、活性層の閉じ込め係数を低くした場合でも、光の分布をｎ型クラッド層側に偏らせることができるので、ｐ型クラッド層における価電子帯間吸収による光出力の低下を防止でき、高出力化が図れる。そして、光の分布をｎ型クラッド層側に偏らせることができることにより、ｐ型クラッド層の厚さを薄くでき、素子の電気抵抗減少により光出力の飽和出力の電流値が向上できる。

また、活性層とｎ型クラッド層との屈折率差が従来のものより小さくなるので、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅（以下カットオフ幅）も拡大でき、これによっても素子電気抵抗が下がるため、高出力化にさらに有利になる。さらに、活性層幅をＨＲ端面からＬＲ端面に向かってテーパ状に広くする構造では、活性層幅の前後比率を大きくできるために、ＬＲ端面側での光密度の増大を抑え、さらに光出力の高出力化が図れる。

また、電極を複数個に分割し、それぞれの電極から活性層に注入される電流密度が高反射率膜の施された端面（ＨＲ端面）から低反射率膜の施された端面（ＬＲ端面）に向かって増加するようにしているので、ＬＲ端面側での光密度の増大によるキャリア密度の減少を抑えることができる。

以下に本発明の実施例を記載する。

本発明の実施例１の半導体レーザ３０の全体構成を示す斜視図を図１に、またその要部の断面模式図を図２に示す。従来の半導体レーザ１０と同一要素には同一の符号を付けてある。この半導体レーザ３０は、図１に示すように、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の一部（下層部）を順番に積層させ、その後にそれらをエッチングしてメサ型のストライプを形成し、そのストライプの両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６とｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７を積層させ、さらにｐ型クラッド層１８の下層部の上面及び上部埋込層１７の上面にｐ型クラッド層１８の残りの一部（上層部）とｐ型コンタクト層１９を積層させ、その後にｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極２０、半導体基板１１の下面にｎ電極２１をそれぞれ設けて形成されている。そして、光の出射端面は、高反射率膜の施された端面（ＨＲ端面）２２ｂ、低反射率膜の施された端面（ＬＲ端面）２２ａより成っている。

活性層１４としては、図２に示すように、４層の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの上下両側に位置する５層の障壁層１４ｂとを積層したＭＱＷ構造を採用し、また、この活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３及び上側に位置するＳＣＨ層１５は、それぞれ、層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる３層構造としている。また、活性層１４は、図３（ａ）に示すように、活性層幅をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かってテーパ状に広くなっている。

活性層１４を中心とした各層の屈折率は、図４に示すように、活性層１４から遠ざかるほど小さく設定し、かつ、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率はＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率より大きく設定している。具体的には、活性層１４における障壁層１４ｂの屈折率をｎ_s、ｎ型クラッド層３２の屈折率をｎ_a、ｐ型クラッド層１８の屈折率をｎ_b、ＳＣＨ層１３を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃの屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃及びＳＣＨ層１５を構成する各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂、ｎ₃（ＳＣＨ層１３を構成する各層と同一の屈折率）とすると、各層の屈折率の大小関係は、図４に示すように、ｎ_s＞ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃＞ｎ_a＞ｎ_bとなっている。

また、この半導体レーザ３０においては、図４に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が、活性層１４から各クラッド層３２、１８へ向かうほど小さくなるように、すなわち、ｎ_s−ｎ₁＞ｎ₁−ｎ₂＞ｎ₂−ｎ₃＞ｎ₃−ｎ_b＞ｎ₃−ｎ_aとなるように設定している。なお、ＳＣＨ層１３を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃのそれぞれの厚みｔ₁、ｔ₂、ｔ₃及びＳＣＨ層１５を構成する各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃのそれぞれ厚みｔ₁、ｔ₂、ｔ₃は、共にそれぞれ等しく、すなわちｔ₁＝ｔ₂＝ｔ₃としている。

そして、このように構成された半導体レーザ３０のｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電流を印加すると、活性層１４で光が生起され、その生起された光Ｐの大部分が半導体レーザ３０のＬＲ端面２２ａから、そのわずかな残りがＨＲ端面２２ｂからそれぞれ外部へ出射される。

以上のような構造の本発明の半導体レーザ３０は、次のような特徴を有している。すなわち、図４の屈折率特性に示したように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が、活性層１４から各クラッド層３２、１８へ向かうほど小さくなるように設定されているので、ＳＣＨ層１３、１５内における活性層１４の近傍領域の屈折率の大きい領域においては屈折率が急激に小さくなり、逆に各クラッド層３２、１８の近傍領域の屈折率の小さい領域においては屈折率が緩慢に小さくなる。このため、光導波路（活性層１４及びＳＣＨ層１３、１５）内で光の集中度を緩和する、すなわち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下する。

また、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎ_aは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎ_bより大きいので、図５に示すように、光の分布が、両クラッド層３２、１８を同一の屈折率にしたときの対称な特性Ａ´に対して、特性Ａのようにｎ型クラッド層３２側に偏って分布する。このため、活性層１４及びＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層１８における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力のレーザ光を得ることが出来る。

そして、上述したように、活性層１４とＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２との屈折率差が、ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２を用いた従来例のものより小さいので、横高次モードを抑圧できるカットオフ幅も拡大することができ、つまりＬＲ端面とＨＲ端面の活性層幅の比を大きくできる。従って、活性層幅をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって広くし、それによって、ＬＲ端面２２ａ側での光密度の増大を抑え、また光出力の高出力化を図り、且つ基本横モードを保ちながら従来にない広いカットオフ幅を実現することができる。また、扁平率も著しく劣化しないので、光ファイバへの良好な結合効率を維持することができる。

なお、活性層幅は図３（ａ）のような指数関数状のテーパでなくても、図３（ｂ）に示すような直線的なテーパ、図３（ｃ），（ｄ）に示すような一部が直線的なテーパ、及び図３（ｅ），（ｆ）に示すような一部が指数関数状なテーパでも光密度の増大の抑圧に対して同様の効果がある。

次に、本発明の半導体レーザ３０が、図６に示す屈折率特性を有する場合について説明する。上述の場合では、活性層１４及びＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くするための一つの方法として、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が活性層１４から各クラッド層３２、１８へ向かうほど小さく、かつ、各層の厚さが等しくなるように、すなわち、ｎ_s−ｎ₁＞ｎ₁−ｎ₂＞ｎ₂−ｎ₃＞ｎ₃−ｎ_b＞ｎ₃−ｎ_a、かつ、ｔ₁＝ｔ₂＝ｔ₃となるように設定していたが、この場合では、図６に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が等しくし、かつ、各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃのそれぞれの厚みｔ₁、ｔ₂、ｔ₃が共に活性層１４から各クラッド層３２、１８へ向かうほど大きくなるように、すなわち、ｎ_s−ｎ₁＝ｎ₁−ｎ₂＝ｎ₂−ｎ₃＝ｎ₃−ｎ_b＞ｎ₃−ｎ_a、かつ、ｔ₁＜ｔ₂＜ｔ₃となるように設定する。この場合にも図４に示す場合と同様な特徴を有している。

次に、本発明の半導体レーザ３０が、図７に示す屈折率特性を有する場合について説明する。上述の図４に示す場合では、ｎ_s−ｎ₁＞ｎ₁−ｎ₂＞ｎ₂−ｎ₃＞ｎ₃−ｎ_b＞ｎ₃−ｎ_a、かつ、ｔ₁＝ｔ₂＝ｔ₃となるように設定していたが、この場合では、図７に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差は図４の場合と同一に、かつ、各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃのそれぞれの厚みｔ₁、ｔ₂、ｔ₃は図６の場合と同一となるように、すなわち、ｎ_s−ｎ₁＞ｎ₁−ｎ₂＞ｎ₂−ｎ₃＞ｎ₃−ｎ_b＞ｎ₃−ｎ_a、かつ、ｔ₁＜ｔ₂＜ｔ₃となるように設定する。この場合にも図４に示す場合と同様な特徴を有している。

この図７に示す屈折率特性の場合の半導体レーザ３０について、屈折率、厚さ等の具体的数値例を示す。ＨＲ端面２２ｂとＬＲ端面２２ａ間の長さで決まる共振器長を２．３ｍｍとした。
活性層１４の活性層幅は、ＨＲ端面２２ｂでの活性層幅はＷ₀＝３μｍであり、これはレーザ光の基本横モードに基づいて決められている。ＨＲ端面２２ｂからｚ＝Ｌ＝２．３ｍｍ離れたＬＲ端面２２ａでの活性層幅はＷ_L＝９μｍであり、これは半導体レーザ３０からのレーザ光を受光する光ファイバとの結合効率を考慮して決められている。
また、それぞれの層の屈折率を組成波長で表して、ｎ_s＝１．２μｍ、ｎ₁＝１．１５μｍ、ｎ₂＝１．０８μｍ、ｎ₃＝０．９９μｍ、ｎ_a＝０．９５μｍ、ｎ_b＝０．９２５μｍとし、また、各層の厚さをそれぞれ、ｔ₁＝３．０ｎｍ、ｔ₂＝８．０ｎｍ、ｔ₃＝２５ｎｍとした。なお、ｎ_b＝０．９２５μｍは、ｐ型クラッド層１８が組成の決まっているＩｎＰによって構成されているので、一義的に決まる組成波長である。

ここで、上記の具体的数値例に基づく半導体レーザ３０の製造工程の一例を説明する。
（１）先ず、不純物濃度１〜２×１０¹⁸／ｃｍ³のｎ型ＩｎＰの半導体基板１１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、層厚７．５μｍ、不純物濃度１〜２×１０¹⁸／ｃｍ³、組成波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２を形成する。続いて、組成波長０．９９μｍ、１．０８μｍ、１．１５μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ２５ｎｍ、８．０ｎｍ、３．０ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１３を形成する。続いて、ＳＣＨ層１３の上に、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１４ａとＩｎＧａＡｓＰの障壁層１４ｂを交互に成長させ、井戸層数４の多重量子井戸構造の活性層１４を形成する。続いて、活性層１４の上に、組成波長１．１５μｍ、１．０８μｍ、０．９９μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ３．０ｎｍ、８．０ｎｍ、２５ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１５を形成する。そして、ＳＣＨ層１５の上に、層厚０．５μｍ、不純物濃度５〜７×１０¹⁷／ｃｍ³のＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を成長させる。

（２）次に、プラズマＣＶＤ法等により全面にＳｉＮ_x膜を数１０ｎｍ程度堆積し、これをフォトリソグラフィ工程で後端面側６μｍ、前端面側１２μｍ程度のテーパ状に形成したものをエッチングマスクとして、塩酸、過酸化水素水、水の混合液からなるエッチング溶液に浸し、メサ形状を形成する。これにより活性層幅はおよそ後端面側３μｍ、前端面側９μｍとなる。

（３）次に、上述のＳｉＮ_x膜を成長阻害マスクに利用して、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＩｎＰの下部埋込層１６、ｎ型ＩｎＰの上部埋込層１７を積層して、メサ型のストライプの両側を埋め込んだ後、ＳｉＮ_x膜を除去する。その後、全面に、層厚２．５μｍ、不純物濃度５〜７×１０¹⁷／ｃｍ³のＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の上層部を成長させ、さらに、層厚０．３μｍ、不純物濃度５×１０¹⁸／ｃｍ³程度のＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９を成長させる。

（４）そして、ｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極２０を形成し、半導体基板１１の下面にｎ電極２１を形成した後、長さ２．３ｍｍで切り出し、端面の一方にＨＲ膜を施してＨＲ端面２２ｂとし、他方にＬＲ膜を施してＬＲ端面２２ａとして、半導体レーザとなる。

なお、上述の（１）の工程で、ｎ型クラッド層３２の層厚を７．５μｍとしているが、４元素であるＩｎＧａＡｓＰの場合格子間間隔を合わせてこのような厚さに形成することは通常は困難であり、特に組成波長０．９５μｍの場合、ＧａとＡｓの割合がＩｎやＰに対して微量となってさらに困難さが増すが、希釈原料の導入や各ガスの流量と成長速度の制御によってこれを実現している。

本発明の実施例１の半導体レーザのｐ電極２０を、活性層のストライプ方向に分割した場合について説明する。
実施例１の半導体レーザは、上述したように、ＬＲ端面付近でのキャリア不足により光出力の最大値が制限される問題を解決している。その問題をより効率良く解決する手段として、実施例２の半導体レーザ４０を図８に示す。図８（ａ）は全体構成を示す斜視図、図８（ｂ）はその平面図である。図１と同一部分については同一符号を付し、その説明は省略する。

実施例２では、活性層１４に注入される電流密度をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって増加させて、キャリア密度の減少を抑えるようにした。具体的には、図８（ｂ）に示すように、活性層がＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かってテーパ状に広くなっており、且つ、ｐ電極２０が活性層１４のストライプ方向に例えば３個のｐ電極２０₁、２０₂、２０₃に分離溝２４ａ、２４ｂを挟んで分割されており、各ｐ電極２０₁、２０₂、２０₃はそれぞれＳ₁、Ｓ₂、Ｓ₃の面積を有するとともに、不図示の外部電源からそれぞれＩ₁、Ｉ₂、Ｉ₃の直流電流が印加される。活性層１４に注入される電流密度をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって増加させるために、図８（ａ）においては、各ｐ電極２０₁、２０₂、２０₃に供給されるそれぞれの直流電流Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃を等しく、かつ、各ｐ電極２０₁、２０₂、２０₃のそれぞれの面積Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって小さくしている。すなわち、直流電流をＩ₁＝Ｉ₂＝Ｉ₃とし、面積をＳ₁＞Ｓ₂＞Ｓ₃としている。

なお、上記説明では、直流電流Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃を等しくするようにしたが、面積Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃を等しくして、直流電流Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって、大きくしてもよい。すなわち、面積をＳ₁＝Ｓ₂＝Ｓ₃とし、直流電流をＩ₁＜Ｉ₂＜Ｉ₃とする。

本発明の実施例２の半導体レーザ４０においては、活性層１４に注入される電流密度をＨＲ端面２２ｂからＬＲ端面２２ａに向かって増加させることにより、ＬＲ端面２２ａ側での光強度密度の増大によるキャリア密度の減少を抑え、さらに効率的に光出力の高出力化を図ることができる。

次に、実施例２に示す活性層幅をテーパ状に広く、且つｐ電極が分割している半導体レーザの製造工程の一例を説明する。尚、実施例１にて説明した製造工程（１）〜（３）までは同一であり、製造工程（４）のみ相違する。よって以下では（４）の工程のみ説明する。

（１）〜（３）実施例１と同一。
（４）リフトオフ法によりｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極パターンを形成した後、これをマスクとしてコンタクト層を硫酸系エッチング溶液で削り、電極分離用の溝２４ａ、２４ｂを形成する。そして、半導体基板１１の下面にｎ電極２１を形成してから、長さ２．３ｍｍで切り出し、端面の一方にＨＲ膜を施してＨＲ端面２２ｂとし、他方にＬＲ膜を施してＬＲ端面２２ａとして、半導体レーザ４０となる。

なお、上述の実施例１〜２の半導体レーザでは、ｎ型の半導体基板１１上に各層を形成した例を示したが、図９に示すように、ｐ型の半導体基板１１´上に各層を形成した半導体レーザにおいても、そのｎ型クラッド層３２を、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８より屈折率が大きいＩｎＧａＡｓＰによって構成することで、実施例１と同様な効果を得ることができ、また活性層１４の上方に位置するｎ電極２１を活性層１４のストライプ方向に分割することで、実施例２と同様な効果を得ることができる。

また、上述の実施例１〜２の半導体レーザでは、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの屈折率を、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率より大きくしていたが、図１０に示すように、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率より小さくしてもよい。

また、上述の実施例１〜２の半導体レーザでは、ｎ型クラッド層３２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９５μｍとしていたが、本発明はこれに限定されるものではない。ただし、活性層１４への光閉じ込め係数にもよるが、一般的な高出力レーザにおいてＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９８μｍより大きくすると、活性層を導波する光（導波光）はこのｎ側クラッドの影響を強く受け過ぎて、導波モードが存在できなくなるので、ｎ型クラッド層３２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長は０．９８μｍ以下にするのが望ましい。

本発明の実施例１の全体構成を示す斜視図 本発明の実施例１の要部の断面模式図 本発明の実施例１の活性層幅を示す模式図 本発明の実施例１の各層の屈折率特性を示す図 本発明の実施例１の光の分布特性を示す図 本発明の実施例１の各層の屈折率特性を示す図 本発明の実施例１の各層の屈折率特性を示す図 本発明の実施例２の全体構成を示す図 本発明の他の実施例のｐ型半導体基板で構成した例を示す断面模式図 本発明の他の実施例の各層の屈折率特性を示す図 従来例の全体構成を示す斜視図 従来例の要部の断面模式図 従来例の要部の屈折率特性を示す図 従来例の活性層幅を示す模式図

符号の説明

１０，３０…半導体レーザ、１１，１１´…半導体基板、１２，３２…ｎ型クラッド層、１３，１５…ＳＣＨ層、１４…活性層、１４ａ…井戸層、１４ｂ…障壁層、１６，１７…上部埋込層、１８…ｐ型クラッド層、１９…ｐ型コンタクト層、２０…ｐ電極、２１…ｎ電極、２２ａ…ＬＲ端面、２２ｂ…ＨＲ端面、２４…分離溝

Claims (6)

1. ＩｎＰからなる半導体基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を上下から挟む一対のＳＣＨ層（１３、１５）と、該ＳＣＨ層の各外側に位置するｎ型クラッド層（３２）及びＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）と、前記活性層に電流を注入するためのｐ電極（２０）及びｎ電極（２１）とを設けるとともに、光の出射端面が高反射率膜の施された端面（２２ｂ）と低反射率膜の施された端面（２２ａ）とで構成されていて前記ＳＣＨ層を構成する各層（１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃ）の屈折率が前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下していく半導体レーザにおいて、
   前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層内の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くし、
   前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下して形成され、
   前記活性層の活性層幅が前記高反射率膜の施された端面側から前記低反射率膜の施された端面側に向かって少なくともその一部が徐々に広くなっていて、
   さらに、前記活性層の上方に位置する前記ｐ電極または前記ｎ電極のいずれか一方を、前記活性層のストライプ方向に複数個に分割し、
   前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の前記活性層上を占める長さが、前記高反射率膜の施された端面から前記低反射率膜の施された端面に向かって減少しており、
   前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の各電極にいずれも等しい大きさの電流が流れるようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
2. ＩｎＰからなる半導体基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を上下から挟む一対のＳＣＨ層（１３、１５）と、該ＳＣＨ層の各外側に位置するｎ型クラッド層（３２）及びＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）と、前記活性層に電流を注入するためのｐ電極（２０）及びｎ電極（２１）とを設けるとともに、光の出射端面が高反射率膜の施された端面（２２ｂ）と低反射率膜の施された端面（２２ａ）とで構成されていて前記ＳＣＨ層を構成する各層（１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃ）の屈折率が前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下していく半導体レーザにおいて、
   前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層内の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くし、
   前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する各層の厚さが、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って増加して形成され、
   前記活性層の活性層幅が前記高反射率膜の施された端面側から前記低反射率膜の施された端面側に向かって少なくともその一部が徐々に広くなっていて、
   さらに、前記活性層の上方に位置する前記ｐ電極または前記ｎ電極のいずれか一方を、前記活性層のストライプ方向に複数個に分割し、
   前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の前記活性層上を占める長さが、前記高反射率膜の施された端面から前記低反射率膜の施された端面に向かって減少しており、
   前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の各電極にいずれも等しい大きさの電流が流れるようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
3. ＩｎＰからなる半導体基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を上下から挟む一対のＳＣＨ層（１３、１５）と、該ＳＣＨ層の各外側に位置するｎ型クラッド層（３２）及びＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）と、前記活性層に電流を注入するためのｐ電極（２０）及びｎ電極（２１）とを設けるとともに、光の出射端面が高反射率膜の施された端面（２２ｂ）と低反射率膜の施された端面（２２ａ）とで構成されていて前記ＳＣＨ層を構成する各層（１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃ）の屈折率が前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下していく半導体レーザにおいて、
   前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層内の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くし、
   前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って低下して形成され、かつ前記多層構造からなるＳＣＨ層を構成する各層の厚さが、前記活性層から前記クラッド層に向かうに伴って増加して形成され、
   前記活性層の活性層幅が前記高反射率膜の施された端面側から前記低反射率膜の施された端面側に向かって少なくともその一部が徐々に広くなっていて、
   さらに、前記活性層の上方に位置する前記ｐ電極または前記ｎ電極のいずれか一方を、前記活性層のストライプ方向に複数個に分割し、
   前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の前記活性層上を占める長さが、前記高反射率膜の施された端面から前記低反射率膜の施された端面に向かって減少しており、
   前記複数個に分割された前記ｐ電極または前記ｎ電極の各電極にいずれも等しい大きさの電流が流れるようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
4. 前記活性層幅が、少なくともその一部が指数関数で表される曲線状に徐々に広くなっていることを特徴とする請求項１乃至３記載の半導体レーザ。
5. 前記活性層幅が、少なくともその一部が直線的に徐々に広くなっていることを特徴とする請求項１乃至３記載の半導体レーザ。
6. 前記ｎ型クラッド層を構成する前記ＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９８μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５記載の半導体レーザ。

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