JPH01181493A - 端面窓型半導体レーザ素子 - 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〉 本発明はし゛−ザ光出射端面近傍にレーザ光に対して光
吸収の少ない窓領域を有する半導体レーザ素子の新しい
構造に関するものである。

〈従来の技術〉 半導体レーザの寿命を左右する要因の１つに、光出射面
となるレーザ共振面即ちレーザ端面結晶の劣化があるこ
とはよく知られている。また、半導体レーザ素子を高出
力で動作させた場合にこのレーザ端面は破壊されること
がある。このときの端面破壊出力は、端面での発光面積
が小さい程、即ち光密度が大きい程低くなる。そして、
通常の半導体レーザでは端面近傍でも電流が流れ、また
端面に活性層端部が露出している。従って、レーザ素子
内部で発生したレーザ光は端面で吸収され発熱する。こ
の発熱は活性層の禁制帯幅をさらに縮小させ、光吸収は
増々大きくなる。このようにして、端面での活性層結晶
は破壊に至るのである。

このような端面破壊または端面劣化を防止するために、
端面近傍を活性層よりも禁制帯幅の大きい物質とし、端
面での光吸収を少なくした端面窓型レーザ、るるいはＮ
ＡＭ　（Ｎｏｎ　Ａｂｓｏｒｂｅｄ　Ｍｉｒｖｏｖ　）
レーザと呼ばれるものが提案されている。しかし、これ
までに提案されているＮＡＭレーザは■しきい値電流が
高く、■高出力動作時に構モードが不安定になる、■製
造法が複雑である、■微分効率が低い、等の欠点を有し
ているので、量産性に問題がラシ、実用化された例はほ
とんどない。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は従来のＮＡＭレーザの欠点を克服した新規な構
造を有する半導体レーザ素子の構造と製造方法に関する
ものである。

本発明のＮＡＭレーザの励起領域及び窓領域には、横モ
ード安定化のだめの工夫がなされた実効屈折率差光導波
路が形成され、さらにその両側、及びレーザ光出射端面
近傍かレーザ光に対して透明であると同時に、高抵抗の
物質で取り囲まれていることに特徴がある。実効屈折率
差光導波路は基板結晶上に形成されたチャネル溝の両肩
部で、活性層より発生される光の一部を吸収することに
より得られる。

く作　用〉 チャネル溝の両肩部での光吸収は高次横モードの発振利
得を抑圧するので、高出力動作においても安定な基本横
モードで発振させることができる。

また、チャネル溝の両側部で活性層を含むダブルヘテロ
多層構造が削除され、活性層内キャリアの横方向拡散を
防ぎ、電流リークを防止する高抵抗物質で埋め込まれて
いるので、チャネル溝外側での無効な電流及びキャリア
が減少し、発振しきい値電流が埋め込み工程のない場合
に比べて半減するという長所がるる。これは動作電流低
減及び発熱低減につながシ、高出力レーザとして有利で
あるＯ さらに、レーザ光出射端面においてもレーザ光に対して
透明で電流の流れない高抵抗物質で埋め込まれているの
で高出力動作時の端面での光吸収による破壊や劣化がな
い。

このように、本発明の半導体レーザは、安定基本横モー
ド、低しきい値、端面無劣化とい９高出力レーザとして
ふされしい特長を有している。

以下、本発明を実施例に従って、図面を参照しながら詳
説する。

〈実施例１〉 第１図（Ｎは本発明の一実施例の半導体レーザの構成を
説明するための図である。また、第１図（Ｂ）。

第１図（Ｃ）、第１図（Ｄ）はそれぞれ導波路に直角な
方向での励起領域の断面図、同じく窓領域の断面図、共
振方向での導波路中央部での断面図を示し、第１図（Ｅ
）は素子の上面図を示す。また、第１図（Ｄ）。

第１図（Ｅ）にはレーザ光が出射される様子も示す。

Ｐ−ＧａＡｓ基板ｌにＶチャネル９を形成した後、Ｐ−
Ｇａｏ、５Ａｔａ、ｓ　Ａｓ　　クラッド層２、Ｇａｏ
、ａｓＡｔｏ、＋ｓＡｓ活性層３、ｎ−Ｇａ（１，５Ａ
ｔｏ、ｓＡｓクラッド層４、ｎ−Ｇａｏ、５ＡｔＯ９Ｈ
Ａｓ保護層５からなるダブルヘテロ接合構造の多層膜を
液相エピタキシャル（ＬＰＥ）成長法により成長させた
。

次に、メサエッチング工程によって、励起部ではＶチャ
ネル９の両側にストライプ状溝１０．１１を形成しまた
窓部ではＶチャネルの中心に一致した溝１２を形成した
。励起部のメサ幅Ｗｓは６μｍ程度どし、窓部の溝１２
の幅ＷＷは７〜８μｍ　とした。また、励起部の長さＬ
Ｓは２７０μｍ１窓部の長さＬｗは１５μｍとした。

次に、埋め込み工程として、低キヤリア濃度のｎ７−　
Ｇ　ａｏ、２Ａｔｏ、ｓ　Ａ　ｓ　（アンドープ）６、
Ｐ−ＧａＯ１６Ａｔａ４Ａｓ（Ｇｅ　ドープ）７を励起
部のメサ上部以外の部分に、さらにｎ−ＧａＡｓ最終層
（Ｔｅ　ドープ）８を全面にわたってＬＰＥ成長させた
。

次に、成長面にはｎ側電極１３を、基板裏面にはｐ側電
極１４を形成した後、窓部で骨間して共振面を形成した
。

このようにして、メサ部周囲の側面は、活性層よりも禁
制帯幅の大きい低キヤリア濃度の高抵抗Ｇａｏ、ｚＡｔ
ｏ、ｓＡｓ　６で取シ囲まレテイルノテ、活性層内キャ
リアの横方向拡散はへテロ障壁によって阻止され、さら
にメサ側面を流れよ５とするリーク電流は高抵抗層６に
よって防がれる。メサ部以外の領域はｐｎｐｎ又はｐｎ
”ｐｎ接合によって電流阻止される。

また、レーザ両端面近傍の窓領域の溝１２は、活性層よ
りも禁制帯幅の大きいＧａＡＡＡｓ層６により完全に埋
められているので、レーザ光に対して透明であるので、
光吸収による発熱や破壊を防止することができる。

■チャネル９によって形成される実効屈折率導波路によ
って、導波されて、励起部端部１５から放射されるレー
ザビーム光は窓部で拡がシ、レーザ端面（骨間面）で反
射されて、励起部端部１６から励起部へ戻っていく。こ
の戻シ光量は、窓部の長さが長い場合や、窓部に光導波
路が形成されていない場合に少なくなシ、しきい値電流
の増加や、外部量子効率の低下を招く。また、窓部に光
導波路がないと、横モードが不安定になシやすい。

本実施例の端面感型半導体レーザの窓領域では溝１２の
底部が７字型のＧａＡｓとなっており、また上部もＧａ
Ａｓ８となっているのでレーザ光の光分布のすその部分
の吸収によって作られる実効屈折率導波路が形成されて
いる。従って、しきい値電流及び外部量子効率は窓領域
のない通常のレーザとほとんど同じになシ、また横モー
ドも高出力まで非常に安定であった。

さらに、大きな利点として、レーザ端面での発光スポッ
トが、励起部端部の発光スポットに比べて大きくなる結
果、出射レーザ光の放散角が小さくなることである。こ
れはレンズ等の光学系と結合させる際、非常に有利なも
のとなる。

本実施例の半導体レーザは波長７８０　ｎｍ　の可視域
で、しきい値電流３０ｍＡで発振し、３００ｍＷまで基
本横モードであった。端面破壊出力はパルス動作で８０
０ｍＷ、ＣＷ動作で４５０ｍＷを得ることができた。ビ
ーム放散角の半値全幅は接合に平行方向で６°、垂直方
向で１４°であった。また、５０℃、８０ｍＷ　でのエ
ージングテストではａｏｏ。

時間以上にわたって劣化の徴候が見られていない。

〈実施例２〉 第２図（Ａ）は本発明の別の実施例の構成を説明するた
めの図である。また、第２図（Ｂ）、第２図（Ｃ）。

第２図ＣＤ）はそれぞれ、導波路に直角な方向での励起
領域の断面図、同じく窓領域の断面図、共振方向での導
波路中央部での断面図を示し、第２図（Ｅ）は素子の上
面図を示す。また、第２図（Ｄ）、第２図（Ｅ）にはレ
ーザ光が出射される様子も示す。

第２図（Ｂ）及び第２図（Ｃ）に示すように、まずＰ−
ＧａＡｓ基板１表面に、励起領域ではテラス１７を思領
域では溝Ｉ８をレーザ光が導波される方向に形成した。

テラス１７と溝夏８はその中心軸が合致している。次に
、ｎ−ＧａＡＢ層２０全２０．８μｍの厚さにＬＰＥ成
長させた後、励起領域にのみＶチャネル９を形成した。

次に、第１の実施例と同様なダブルヘテロ接合構造の成
長層２，３，４．５をＬＰＥ成長させた後、■チャネル
の両側及びレーザ両端面近傍のダブルヘテロ接合多層膜
をｎ−ＧａＡｓ層２０に達するまでエツチングにより除
去した。このようにして形成されるメサ部の幅Ｗｓは約
５μｍとした。尚、■チャネルの幅は４μｍである。さ
らに、窓領域には、励起領域のＶチャネル９の中心線に
一致した溝１９をさらに形成した。この溝の幅ＷＷは約
６μｍとした。

次に、埋め込み工程として、低キヤリア濃度のＰ−−Ｇ
ａｏ、２ＡｔＯ０８Ａｓ　　（Ｇｅ　　ドープ）２＋、
Ｐ−Ｇａｏ、６Ａ４ｏ、４Ａｓ　（Ｇｅドープ）２２を
メサ上部以外の領域全体に、さらに、ｎ　　Ｇａｏ、５
Ａｔｏ、４Ａｓ　（Ｔ　ｅドープ）２３、ｎ−ＧａＡｓ
（Ｔｅ　ドープ）２４を全面にわたってＬＰＥ成長させ
た。

次に、成長面にはｎ側電極Ｉ３を、基板裏面にはｐ側電
極１４を形成した後、窓部で見開して共振面を形成した
。

このようにして、メサ部以外の領域はｐｎｐ　ｐｎ接合
によって電流阻止され、メサ側面を流れようとするリー
ク電流は高抵抗層６によって防止される。

窓領域の溝１９上の埋め込み層２１，２２．２３を伝搬
してくるレーザ光の光分布のすその部分は溝Ｉ９の両肩
のｎ−ＧａＡ３２０及びｎ−ＧａＡｓ埋め込み層２４に
よって吸収されるので、実効屈折率導波路が形成される
。従って、しきい値電流及び外部量子効率は窓領域のな
い通常のレーザとほとんど同じになシ、また横モードも
高出力まで非常に安定なものとなった。

本実施例の半導体レーザも波長７８０　ｎｍの可視域で
、しきい値電流約３０ｍＡで発振し、２５０〜３５０ｍ
Ｗまで基本横モードであった。端面破壊出力はパルス動
作で７００ｍＷ、ＣＷ動作で５００ｍＷであった。ビー
ム放散角の半値全幅は接合に千竹方向で７ス垂直方向で
１６°であった。また、７０°Ｃ９Ｃ９６Ｏでのニージ
ングチストでは１０００時間以上にわたって劣化の徴候
は見られていない。

以上の実施例ではｐ−ＧａＡｓ基板を用いた場合につい
て述べたが、ｎ−ＧａＡｓ基板を用いても良く、その場
合にはすべての層の導電型を逆転させて製作すれば良い
。

〈発明の効果〉 本発明の端面窓（ＮＡＭ）型半導体レーザの特徴を以下
にまとめる。

（１）励起領域と窓領域の双方にレーザ光分布のすその
部分の吸収によって発生する実効屈折率導波路が形成さ
れているので横モードが高出力まで非常に安定でるる。

（２）　　レーザ端面での光吸収による発熱や破壊が起
らないので、高出力動作においても非常に高信頼性を有
している。

（３）励起領域での活性層の周囲が完全に活性層よりも
禁制帯幅の大きい高抵抗ＧａＡｔＡｓで取シ囲まれてい
るためキャリア及び電流のリークが非常に少ないので、
しきい値電流が低い。

（４）　　レーザビームの放散角が窓領域のない素子に
比べて狭いので、光学系と結合させる場合、非常に有利
である。

本発明の半導体レーザは、動作電流、横モード。

信頼性等の面で、従来の端面窓（ＮＡＭ）型レーザの実
用化を阻んできた問題点を解決した、産業上有用な半導
体デバイスである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の１実施例を示す半
導体レーザ素子の構成図でるる。 ！−Ｐ−ＧａＡｓ基板、２−Ｐ−ＧａＡ７Ａｓクラッド
層、３・ＧａＡｔＡ３活性層、４−　ｎ−ＧａＡｔＡｓ
クラッド層、５・・・ｎ　　ＧａＡＡＡｓ保護層、６・
・・ｎ−−ＧａＡｔＡｓ埋め込み層、７−Ｐ−ＧａＡｔ
Ａｓ埋め込み層、８・・・ｎ−ＧａＡ３埋め込み最終層
、９・・・Ｖチャネノペ　１０．ＩＩ・・・平行な溝、
１２・・・窓領域チャネル、１３・・・ｎ側電極、１４
・・・ｐ側電極、１５・・・励起領域端部、１６・・・
メサ部、１７・・・基板テラス、１８・・・基板溝、１
９・・・窓領域チャネル、２Ｏ−ｆｉ−ＧａＡＳ層、２
１　・Ｐ−−ＧａＡｔＡｓ埋め込み層、２２−Ｐ−Ｇａ
ＡｔＡｓ埋め込み層、２３　・−ｎ　−ＧａＡｔＡｓ埋
め込み層、２４−ｎ−ＧａＡｓ埋め込み最終層。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）ｌ４　　　
：Ｊ２図　（，４） 第２図（Ｏ） 第２図ＣＥ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ストライプ溝を有する基板上に形成されたダブルヘ
   テロ接合構造体の活性層より発生される光の一部が、該
   ストライプ溝両肩部で吸収されることによって得られる
   光導波路と、該光導波路の左右両側、及びレーザ光出射
   端面近傍の前記ダブルヘテロ構造体が基板に達する深さ
   に除去されることによって形成されるメサ部を有し、該
   メサ部周囲の活性層に接する部分が活性層よシも大きい
   禁制帯幅を有する高抵抗半導体よって取り囲まれ、さら
   に前記レーザ光出射端面近傍にも光導波路を設けた端面
   窓型半導体レーザ素子。