JPH01160078A - 面発光型双安定半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体レーザ特に双安定半導体レーザに関する
ものである。

（従来の技術） 光出力特性にヒステリシス現象をもつ光双安定素子は高
速光スイッチ、光論理演算、光メモリなどの機能をもち
光情報処理、光コンピュータなどの基本的な機能デバイ
スとして広く注目され、現在研究開発か進められている
。ＤＨ（ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏ）構造をもつ通常の
半導体レーザを用いて双安定動作をさせる双安定半導体
レーザとしては、カワクチ（Ｈ，Ｋａｗａｃｕｃｈｉ）
とイヮネ（Ｇ、Ｉｗａｎｅ）がエレクトロニクス・レタ
ーズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｌｅｔｔｅｒｓ）　１９
８１年１７巻１６７頁〜１６８頁に「不均一励起を伴っ
た半導体レーザにおける双安定動作」（Ｂｉｓｔａｂｌ
ｅ　０ｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ　ｗｉｔｈｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｅｘｃ
ｉｔａｔｉｏｎ）と題して発表している。このレーザは
第５図に示すように、ストライプ状の共振器長で方向に
おいて、六角形状をしたキャリア注入領域をＩ　ｎＧａ
ＡｓＰ／Ｉ　ｎＰ半導体レーザのキャップ層に亜鉛（Ｚ
ｎ）拡散によって周期的に形成し、励起する事により双
安定動作をさせるものである。

（発明が解決しようとする問題点） 前記カワクチ等の双安定半導体レーザでは温度やキャリ
ア注入領域の長さによって双安定動作は変動し不安定で
あり、その動作領域（動作電流領域）は狭く再現性にも
欠けている。更に光が共振器端面から放出されるので面
発光型デバイスに比べて集積化し雑いという欠点もあっ
た。

そこで本発明の目的は、上記諸欠点を除去し、双安定動
作の原理に基づき、双安定動作の電流領域か広く安定に
動作し再現性にすぐれるとともに、餡蜜な集積化の可能
な面発光型双安定半導体レーザを提供する事にある。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する手段は
、半導体基板上に活性層を該活性層よりもバンドギャッ
プの大きい半導体で挾みこんだタプルへテロ接合構造を
少くとも含んでいる多層構造を有し、共振器の長手方向
に連なって該活性層内に該活性層のバンドギャップより
小さいバンドギャップを有するストライプ状の励起領域
と非励起領域とを備え、前記多層′！ｌＩＪ＠の前記長
手方向における片方の端面か該半導体基板の底面に対し
て４５度たけ傾斜しており、前記端面のうちで該活性層
か現れている部分であってかつ該ストライプ状の励起領
域の中心線の共振器長手方向にあたる位置から垂直に該
半導体基板におろした線を中心に、該ストライプ状の励
起領域の幅にわたって該半導体基板に穴を設けることに
よりレーザ発振光に対して透明な層の表面を露出してあ
り、前記励起領域全長と非励起領域全長との比を（１−
ｈ）：ｈ　（０＜ｈ＜１　）としかつ該非励起領域全体
での損失αを共振器損失「を用いて規格化した損失β得
係数ｇ＆と該非励起領域全長の微分利得係数ｇａとの比
ｇａ　／ｇｂおよびキャリア自然寿命の係にあることを
特徴とする面発光型双安定半導体レーザである。

（実施例） 以下に図面を参照して本発明の一実施例を説明する。第
１図は本実施例の斜視図、第２図はその実緒例の平面図
、第３図は共振器の長て軸を通り基板底面に垂直な面に
おけるその実施例の断面図である。第４図はその実施例
の作製１稈のうちの非励起領域形成後における積層′！
Ｍ造を示す断面図である。

この実施例の製作においては、まずｎ形ＧａＡｓ基板１
０上に液相成長法で約３μｍ厚のｎ形Ａ　！Ｊ０．４　
Ｇ　ａ　０．６　Ａ　Ｓ第１クラツド層１１．０．１５
μｍ厚のｎ形Ａρ。＋　ｓＧ　ａ　ｏ、　ｓｓＡ　ｓ活
性層１２（−８ヤリア濃度ｎ　＝　３　Ｘ　１０１０１
８ａ’、　Ｔ　ｅドープ）、約２１１Ｉ１１厚のｎ形Ａ
ρｏ４Ｇａｏ、６　Ａ６第２クラッド層１３を成長させ
る。第３層目のｎ形Ａρ。＜Ｇａｏ６Ａｓ第２クラッド
層１３の上につけたＳｉＯ２膜１４中にフォトレジスト
技術で共振器の長て方向に幅３μｍ長さ２５μｍのスト
ライプ状の窓をあけＺｎを低濃崩拡散する。（Ｚｎ拡散
領域１５）。その拡散フロント１６はｎ形Ａｕｏ、＜　
Ｇａｏ６Ａｓ第１クラッド層１１の内部にとどまるよう
にする。このとき拡散するＺｎ濃度を６ｘ１０１８／ｃ
ｃに制御すれば拡散された活性層内の領域（非励起領域
）１７は、キャリア濃度３　Ｘ　１０１１０１８ａのＰ
形に変換され、不純物補償されたＰ形になっている（第
４図）。次にＳｉＯ２膜１４全１４し、新たに第３層の
ｎ形第２クラッド層１３にＳ　ｉ　０２膜１８をつける
（第１図参照）。このＳｉＯ□膜１８膜中８フォトレジ
スト技術で前述のＺｎ拡散したストライプの中心を通っ
た共振器の長で方向に幅３μｍ長さ２５０μｍのストラ
イプを前述のＺｎ拡散した領域に接しないようにさらに
反射面から２０μｍ以上はなしてあけ、Ｚｎを拡散する
（Ｚｎ拡散領域１９第３図）。その拡散フロント２０は
ｎ形第１クラッド層１１内部にとどめる。

より制御してｎ形Ａ　Ａ　ｏ、　＋　ｓＧ　ａ　ｏ、　
ａｓＡ　ｓ活性層１２とｎ形Ａ、Ｑｏ４Ｇａｏ６Ａｓ第
４Ｇａｏド層１１との界面に接するようにすると最も望
ましいく第３図参照）。このとき通常のＺｎ拡散を行う
と、活性層内のＺｎの拡散された領域（ストライプ状活
性領域）２１はキャリア濃度的７　ｘ　１０１８■−３
のＰ形に変換され、不純物補償されたＰ形になっている
。

こうしてＺｎの拡散された活性領域２１の屈折率はそれ
以外のｎ形Ａ　４Ｑ　。、　１５Ｇ　ａｏ、　ｓｓＡ　
Ｓ活性層の屈折率よりも高くなり、正の屈折率ステップ
が生じる。その後活性領域２１側にＰ形オーミックコン
タクト２２．基板側にｎ形オーミックコンタクト２３を
形成する。次にＰ形オーミックコンタクト２２の上にフ
ォトレジストをつけ片方の反射面近傍のフォトレジス１
へ膜を幅２０μｍ臂開面上平行方向にストライプ状に除
く。次にこの素子をドライエツチングをする。このとき
エツチングビームに対して素子を４５度傾むけておく。

フォトレジスト膜を除いた部分のエツジは垂直にドライ
エツチングされるかビームに対して素子が４５度傾むけ
ているので、この反射面はＰ形成長表面に対して１３５
度基板平面に対して４５度基板側にせり出した傾斜反射
面２４か形成される（第３図参照）。フォトレジス１〜
膜でおおわれた部分はフォトレジスト膜でエツチングが
防止される。

次にフォトレジスト膜を除去後ｎ側基板形にフォトレジ
スト膜をつける。傾斜反射面２４上の活性層において励
起領域２１のストライプ中心と共振器長て方向で一致す
る点から基板側に垂直におろした点を中心として半径２
μｍの円状にフォトレジスト膜を除去する。次にドライ
エツチングおよび化学エツチングを用いて第１クラッド
層１１の表面か現われるまで基板に穴２５を掘りその後
フォｌ〜レジスト膜を除去する。傾斜反射面２４と対と
なる反射面は耐量し、Ｐ形を下にマウントすると本発明
のレーザが得られる（第１図、第２図、第３図）。

（発明の作用と原理） 本発明の構造において活性層内まで低濃度拡散して形成
したストライプ状状の励起領域と非励起領域とは次の様
な特性を持つ。

ジャーナル・オブ・す・アゲライド・フィジイックス（
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ）誌４５巻（１９７４年）、２６５０〜２６
５７頁に掲載されたセル（Ｄ、Ｄ、５ｅｌｌ）氏等によ
って報告されている様にＰ形ＧａＡｓ、及びｎ形ＧａＡ
ｓの屈折率は不純物濃度と共に変化する。特にｎ形Ｇ　
ａ　Ａ　ｓの屈折率はその濃度がＩ　Ｘ　１０１０１８
ａ’以上になると急激に減少する。これに対しＰ形Ｇ　
ａ　Ａ　ｓの屈折率は同濃度に対して緩やかに減少する
。従って不純物かｎ形かＰ形かの相違及び濃度の相違に
よる屈折率の変化を利用することにより、タプルヘテロ
接合ウェハに不純物をストライプ状に拡散させ、その拡
散フロントを活性層まで到らしめて不純物＝　　８　− 補償又は高濃度不純物を導入することによりストライブ
状活性層領域の屈折率をその外部領域に対して大きくす
る事かできる。

こうして活性層内に導入された屈折率ステップの高さは
レーザ発振時においてはストライプ状活性領域へのキャ
リア注入によって生じるプラズマ効果及びバンド間遷移
等の負の屈折率の寄与のために減少する。従ってレーザ
発振時における実効的な屈折率は不純物拡散によって導
入した正の屈折率ステップにキャリア注入による屈折率
の減少を加えたものである。ところでＰ形、ｎ形不純物
の組合わせによって１０−２のオーダーの正の屈折率ス
テップを導入することができるのに対し負の屈折率効果
は１０ツのオーダーであるから、実効的な屈折率差を５
　Ｘ　１０−’以上につけることかできる。

正の大きな屈折率ステップを導入するには高濃度ｎ形活
性層に高濃度のＰ形不純物をストライプ状に拡散させ不
純物補ｆｌさせるのがもっとも効果的である。

本発明者は活性層ｎ形濃度を３．１ｘ　１０”ａｎづ。

２．０　ｘｌｏ】８［有］−３及び１．０ｘ１０１８■
〜３と変化させたウェハを用い各ウェハごとにストライ
プ状のＺｎ拡散を行い、ストライプ状Ｚｎ拡散活性領域
のＰ形濃度を不純物補償した状態から１〜１．５Ｘ１０
１９ａｎ−３に変化させてストライプ型ダブルへテロ接
合レーザ素子を製作し、レーザ発振時における各素子の
実効的な屈折率ステップの高さを測定すると共に、レー
ザ発振機構を観測した。

その結果、活性層のｎ形濃度か３、ＩＸ１ｌＸ１０ｌ８
’の場合にはストライプ状Ｚｎ拡散活性領域のＰ形濃度
を　３．５ｘ　１０１８ｃ＋ｎ−’がら１〜１．５ｘ　
１０１１０１９ａに変化させた場合〜３　Ｘ　１０−２
から〜５　ｘ　１０−’にわたる正の実効的な屈折率差
（ＮＩ　Ｎｚ）を生じることができた。このときレーザ
素子は屈折率カイディングを行ない閾値電流値の２．５
〜３倍の電流範囲にわたって安定な基本モード発振を行
なった。

これに対し活性層のｎ形濃度を２　Ｘ　１０１１０１８
ａ以下にした場合にはストライプ状活性領域のＰ形濃度
を不純物補償から１〜１．５ｘ　１０１１０１９ａにわ
たって変化させて、実効的な屈折率差（ＮＩ　Ｎｔ）が
１０−４以下かもしくは負になる実効的な屈折率差（Ｎ
ニーＮｌ）か１０−４以下の場合には、ゲインカイディ
ングが支配的であり注入電流とともにモード変形か生じ
た。また実効的な屈折率ステップか負の場合にはり一キ
モード（アンタイカイデインク）となり、大きなモード
ロスを生じると共に遠視野像か双峰性になり、ファイバ
ー結合効率が大幅に減少するなどレーザ特性上きわめて
不都合である事がわかった。従って本発明の実施例の如
く高濃度の活性層１２に不純物補償して形成したストラ
イプ状活性領域２１では正の屈折率カイディングによる
安定な基本横モード発振が得られる。

一方これに対してストライプ状活性領域２１の共振器の
長て方向にその中心線が一致するようにストライプ状に
Ｐ形ドーパントＺｎを低濃度拡散して形成した非励起領
域１７は高濃度のｎ形活性層に低濃度のＰ形ドーパント
を拡散して不純物補償した領域であり強い屈折率分布が
形成され光導波路を形成している。この領域１７はキャ
リア注入が行われない非励起領域であるため前記の如く
キャリア注入により屈折率か減少する事もない。よって
この非励起領域１７によっても横モードは安定にガイド
される。

さらにこの非励起領域１７は不純物補償されたＰ形にな
っておりバンドギャップが縮小している。

非励起領域１７は活性領域２１にくらべてＰ形ドーパン
トの濃度が低いなめ活性領域２１よりもバンドギャップ
は１０ｍ　ｅ　Ｖ程度法がっている。しかし活性領域２
１にキャリア注入してレーザ発振をさせるとキャリア注
入によりそのバンドギャップは等測的に広がり発振波長
は３０＋ｎ　ｅ　Ｖ〜４０ｍ　ｅ　Ｖ程度長波長側にす
れる。従って活性領域２１からのレーザ発振光は領域１
７で吸収され、非励起領域１７は吸収領域にもなる。

従って本発明の構造ではストライプ状の活性領域２１で
ある励起領域と吸収領域（非励起領域１７）とが共振器
の長て方向に連なった形状をしている。

これは共振器内に可飽和吸収体を導入した事と等価にな
る。

このような場合に出現する現象と各種バラメー夕との関
係はジャーナル・オプ・アプライド・フィジックス（Ｊ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
）１９８５年５８巻１６８９〜１６９２頁にウエノ（Ｍ
、Ｕｅｎｏ）とランク（Ｒ，Ｌａｎｇ）により「半導体
レーザにおける自励振動と双安定の発生条件」（Ｃｏｎ
ｄｉｔｉｏｎｓ　　ｆｏｒ　　ｓｅｔイー５ｕｓｔａｉ
ｎｅｄ　　ｐｕｌｓａｔｉｏｎａｎｄ　ｂｉｓｔａｂｉ
ｌｉｔｙ　ｉｎ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　１ａｓ
ｅｓｒｓ）の表題で発表されている。これによれば励起
領域（領域１）と吸収領域（領域２）との長さの比を（
１−ｈ）：ｈとし励起領域の吸収領域に対する微分利得
係数の比をｇ　＋　／　ｇ　２　、各領域のキャリア自
然寿命の比をτ１／τ２とすると規格化したの時双安定
動作か生じる事が報告されている。

本発明の実施例によれば光吸収領域での損失αは（２”
”　　５００　ｃｍ−’程度でありｒ’　＝５０ｃｍ−
’、　ｈ　〜０．４とするとβ−−４，０となる。光吸
収領域部分は非励起領域であるのてキャリアの自然寿命
τ２は比較的長くτ２−４μｍ〜５μｍ、一方活性領域
ではτ１−１，５ＩＪｆｆ１〜２、ｏＩＩＩ１１テあ’
）　ノテｒ　＋　／　ｒ　２　＝　−メー０．２〜０．
３７５でありｇ　＋　／　ｇ　２二０．８〜１．０と予
想されるので、上記の双安定発生条件を充分にみたし、
双安定動作か安定に生じる。

さらに本発明の構造では片方の反射面は共振器方向に対
し４５度傾むいている。従って活性領域で励起され共振
器長で方向に進行するレーザ光はこの傾斜反射面２４に
達するとここで反射され大部分は進行方向に対し９０度
方向、基板に垂直に第１クラッド層内を進行する。本発
明の構造では基板に穴がおいており第１クラッド層表面
が露出しているので光はこの面から外部に放出される。

光はこの第１クラッド層内を進行中には吸収をうけず第
１クラッド層表面で反射された光は再び４５度の傾斜反
射面２４に達しここで９０度方向共振器内へもどり再励
起される。この傾斜反射面２４がら第１クラッド層表面
に到る光の往復運動に際し光の広がり等による損失を生
じる恐れがあるので第１クラッド層は比較的薄い方が望
ましい。

本発明の構造では第１クラッド層表面がら放出されな光
は基板にあけた穴を通るが基板はレーザ発振光に対し吸
収層になるので基板に垂直にあけた穴に対し斜めに放出
された光は吸収される。よって基板から外部に放出され
るレーザ光は基板にあけた穴で形成され本実施例では円
形なレーザ光か共振器長て方向に対し垂直方向に放出さ
れ、面発光型の双安定半導体レーザとなる。

また上記の如き面発光型半導体レーザを集積化する場合
には一般に発熱による温度上昇が問題になる。しかし本
発明の構造では発熱するＰｎ接合面をヒートシンクに近
＜　（ｕｐ−ｓｉｄｅ−＋Ｉｏｗｎ）融着できるので発
熱をおさえる事ができ集積化が可能である。

なお、本実施例はＡ　り　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓタプルヘテロ接合結晶材料について説明したが
、その他の結晶材料例えばＩ　ｎＧａＰ／Ａ、Ｑ　Ｉ　
ｎＰ。

Ｉ　ｎＧａＡｓＰ／Ｉ　ｎＧａＰ、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ／
Ｉ　ｎＰ、Ａ、ＱＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ等数多く
の結晶材料の半導体レーザにも本発明は適用できる。

（発明の効果） カワクチ等の試作した従来の前記レーザはキャリア注入
の相違により吸収領域を設けたものであったが、本発明
の構造は光の吸収をする領域を備える面発光型の双安定
半導体レーザであり、カワクチ等のレーザとは全く異な
っている。本発明の構造には次の如き利点がある。

■双安定動作か可能であり更にその許容範囲が広く制御
性再現性において従来にくらべて比類なくすぐれている
。

■面発光型であり発光スポットは円形でしかも平行ビー
ムである。

■活性領域自体が正の屈折率ガイデイング機構をもち更
に共振器内に光カイト機構をもち安定な基本横モード発
振をする。

■発熱をおさえる事ができ集積型面発光機能デバイスと
する事かできる。

等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
実施例の平面図、第３図は第２図のＡ−Ａ’線において
切断し矢印方向に見たその実施例の断面図、第４図は第
１図実施例の製作過程において非励起領域を形成した直
後の構造を共振器長て方向に切って示す断面図、第５図
はカワクチ等が試作した従来の双安定半導体レーザの模
式％式％ Ｇａｏ６Ａｓ第１クラッド層、１２−ｎ形ＡＮｏ、＋ｓ
Ｇ　ａ　ｏ、　ａｓＡ　ｓ活性層、１３−・ｎ形Ａρ６
．４　Ｇ　ａ　０．６Ａｓ第２クラッド層、１４・・・
ＳｉＯ□膜、１５・・・Ｚｎ拡散領域、１６・・・Ｚｎ
拡散フロント、１７・・・非励起領域、１８・・・５ｉ
０２膜、１９・・・Ｚｎ拡散領域、２ｏ・・・Ｚｎ拡散
フロント、２１・・・活性領域、２２・・・Ｐ形オーミ
ックコンタクト、２３・・・ｎ形オーミックコンタクト
、２４・・・傾斜反射面、２５・・・円柱状穴。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に活性層を該活性層よりもバンドギャップ
   の大きい半導体で挟みこんだダブルヘテロ接合構造を少
   くとも含んでいる多層構造を有し、共振器の長手方向に
   連なって該活性層内に該活性層のバンドギャップより小
   さいバンドギャップを有するストライプ状の励起領域と
   非励起領域とを備え、前記多層構造の前記長手方向にお
   ける片方の端面が該半導体基板の底面に対して４５度だ
   け傾斜しており、前記端面のうちで該活性層が現れてい
   る部分であってかつ該ストライプ状の励起領域の中心線
   の共振器長手方向にあたる位置から該半導体基板に垂直
   におろした線を中心に、該ストライプ状の励起領域の幅
   にわたって該半導体基板に穴を設けることによりレーザ
   発振光に対して透明な層の表面を露出してあり、前記励
   起領域全長と非励起領域全長との比を（１−ｈ）：ｈ（
   ０＜ｈ＜１）としかつ該非励起領域全体での損失αを共
   振器損失Γを用いて規格化した損失βをβ＝ｈα／Γと
   したとき、該励起領域全長の微分利得係数ｇ＿ａと該非
   励起領域全長の微分利得係数ｇ＿ｂとの比ｇ＿ａ／ｇ＿
   ｂおよびキャリア自然寿命の比τ＿ａ／τ＿ｂがｇ＿ａ
   τ＿ａ／ｇ＿ｂτ＿ｂ＜−β／１−βなる関係にあるこ
   とを特徴とする面発光型双安定半導体レーザ。