JPH02123778A - 半導体レーザ装置 - 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〕 この発明は、特に基本モードで、かつ高出力動作が可能
な半導体レーザ装置に関するものである〔従来の技術〕 第６図（ａ）、（ｂ）は、例えば従来の半導体レーザ装
置の上面図およびレーザ出射端面から見た断面図をそれ
ぞれ示す。

第６図において、１はｐ型ＧａＡｓ基板、２はｐ型Ａｌ
＠、１　ａａｏ、？　Ａｓクラッド層、３はアンドープ
ＧｎＡｓ活性層、４はｎ型Ａ　ｅ　６３Ｇ　ａ　＠、７
Ａｓクラッド層、５はｎ型ＧａＡｓコンタクト層、７は
ｐｆｉ極、８はｎＴｉ極、９は５ｉＯｚ絶縁膜、１０は
前記５ｉｎ２絶縁膜９に形成されたストライブ状の開口
部をそれぞれ示す。

次に動作について説明する。

第６図の半導体レーザ装置において、ｐｎ接合に対して
順方向に？Ｉｉ流を流すと、活性層３に少数キャリアが
注入されろ。活性層３に閉じ込められた電子とホールは
発光再結きし、光を発する。注入キャリアを増加するに
つれて、光との相互作用による誘導放出遷移の割合が増
す。誘導放出の増１５が共振器の損失に打ち勝つとレー
ザ光が外部に出射される。

第６図に示す半導体し・−ザ装置では、電流はＳ１０．
絶縁膜９によって狭窄され、第７図（ａ）に示すように
８１０．絶縁膜９中の開口部１０のみを流れる。したが
って、注入キャリア密度分布は第７図（ｂ）に示すよう
な山形の形状となる。

また、第７図（Ｃ）に示すような利得係数分布も注入キ
ャリア密度にほぼ比例するので、同様な山形の分布とな
る。この構造の半導体レーザ装置では、活性層３に対し
て垂直方向には、光はクラッド層２，４に比べて屈折率
の大きい活性層３に閉じ込められる。これは、光は屈折
率の大きい領域に集まる性質をもっているからである。

ところが、活性層３に対して水平方向は、屈折率差によ
る光間し込め機構は何等設けられていない。しかしなが
ら、屈折率分布がない場合でも、光利得の高いところに
沿って誘導放出により増幅されるので、利得の高い領域
が導波領域になるという利得導波機構が機能する。利得
係数分布は上述したように開口部１ｏの中央は最も高い
山形の形状を呈している。したがって、モードに関して
も、ストライブ中央部にピークを有するようなモード、
しかも次数の低いモード、つまり基本モードが選択され
やすい。

以上のような機構（ごより、第６図の半導体レザ装置で
は、単峰のし・−ザビームを得ろことができろ。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上の上うに構成されている従来の半導体レザ装置は、
−ｍに半導体し・−ザ装置の最大光出力は発光領域の面
積で決定づけられている。これは光出力を大きくしてい
くと端面近傍の温度が上邦し、最後には融解し共振器端
面として機能しなくなるからである。第６図の半導体レ
ーザ装置で発光面積を増すためには、単に５ｉＯ７絶縁
膜９中のストライゴ状の開口部１０の幅Ｗを拡げれば良
い。しかしながら、Ｋｍ　Ｗを拡げると７１人キャリア
密度分布や利得係数分布はクラ、ソトになっていく。

したがって、ストライブ端部にピークを有するような高
次モードも発生しやすくなる１、このような半導体レー
ザ装置では低電流領域で（ま基本モードで発振している
が、電流を増加すると高次モー）８も発生する。この結
果、先出カー電ｉ／ｌｔ特性てキシクが生じたり、ファ
ーフィールドバター７が多重になるという実用上に障害
が生じる。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、高光出力動作時も基本モードで発振する半
導体し・−ザ装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る半導体レーザ装置は、活性層内でし・−
ザ光の進行方向に対して垂直方向に一定の幅を有する活
性領域が形成され、共振器端面近傍に、長さが前記活性
領域の幅方向に対して中央部が最も短く、端部にいくに
したがって長（なる窓構造領域を形成したものである。

〔作用〕

この発明の半導体レーザ装置においては、ストライブ幅
方向に対して長さの異なる窓構造領域を設けたため、ス
トライブ幅方向に対して実効的な端面反射率が、中央部
が大きく、端部にいくにしたがって低下するという山形
の分布を育し、中央部の光強度も同様な山形の分布を有
するので中央部にピークをもつ基本モードのみが選択さ
れやすくなる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図面について説明ずろつ 第１図（ａｌ、（ｂ）はこの発明の一実施例を示す半導
体レーザ装置の上面図およびＡ−Ａ断面図である。第１
図において、１はｐ型ＧａＡｓ基板、２はＩＪ型Ａ　Ｉ
　Ｏ，Ｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａｓクラッド層、４はｎ型Ａ
　１　ｇ、　、　Ｇ　ａ　Ｏ，、、Ａ　ｓクラ・ソド層
、５はｎ型ＧａＡｓコンククト層、６は不純物拡散領域
、７はｐ電極、８はｎ電極、１０はストライブ端部の開
口部、１１は超格子層で構成された活性層、１２は不純
物拡散により無秩序化された超格子層からなる活性層を
それぞれ示す。

第２図（ａ）、（ｂ）はこの発明の他の実施例を示す半
導体レーザ装置の上面図およびＢ−Ｂ断面図である。こ
の実施例は第１図の実施例の半導体Ｌ・ザ装置とは活性
層１１と窓構造領域１３のみが異なる。すなわち第３図
において、３はアシトープＧ　ａＡｓ活性層であり、１
３は高抵抗ＡＩ０．３Ｇａ０．、Ａｓ層からなる構造領
域である。

次にこの発明の・半導体レーザ装置の動作について説明
する。

上釜実施例の半導体レーザ装置も基本動作は、従来の半
導体レーザとほぼ同じであるので、この発明の半導体レ
ーザ装置に特有な湾曲した窓構造領域の役割について詳
述する。

通常、何ら端面コートを施していない半導体レーザ装置
では、活性層１１で生じたレーザ光のうち３０％程度は
共振器端面で反射され、再び活性層１１に戻る。活性層
１１内に戻ったレーザ光はキャリアと相互作用してさら
にレーザ光を発するという光増幅作用を受ける。

窓構造領域を有するレーザでは、実効的な反射率は端面
反射率のみで決定されるのではなく、窓構造領域の構造
および長さにも依存している。

これは、窓構造領域では活性層はど垂直方向の閉じ込め
が強くないか、あるいは全くないので、活＋！ｌＥ層か
ら窓構造領域に入ると垂直方向に拡がり出す。この状態
を第３図に示す。実効的な反射率は定址的には、 λ・　２Ｌ′　　＋　　　（１） Ｓｚ　＝Ｓｏ　　（１＋　（，３Ｊ−１２Ｅの２式で表
されろ。な才３、図中、 Ｓｏ：活性層から窓領域へ出る直前のレーザ光のスボ・
−）１・径 Ｓｌ：端面で反射して再び活性層の位置まで戻ってきた
時のスポット径 Ｌ′；窓領域の長さ Ｒｏ：端面反射率 Ｒｏ、：実効反射率 λＬ＝波長 をそれぞれ表す。

第１図、第２図に示すような窓構造領域を有する半導体
レーザ装置では、実効長ｑ１率Ｒｅａ＋もストライブ幅
方向に対して第（１）、（２１式で計算されるような山
形の分布となる。

上記の構造では、スｊ・ライフ′中央部でピークをもつ
ようなモード、例丸ば基本モードは端面中央の実効反射
率Ｒｅ（（の大きい領域で主に反射を受けろため、し・
−ザ光の活性層内部への反射成分は３０％に近い値とな
る。ところが、ストライブ端部でピークをもつようなモ
ード、例えば−次モードはストライプ端部での実効反射
率Ｒｅｆｆが低いため、活性層内部への反射成分は前述
した基本モードに比へて小さい。ところで、各モードの
利得、つまりモード利得の値は、それぞれのモードによ
って異なる。これは、モードによって電界強度分布が異
なり、また、利得係数分布、つまりキャリア密度分布も
一様でないからである。モード利得Ｇ２は、ストライブ
幅方向をＸとすると、電界強度分布の２乗Ｅ　、”　（
ｘ　）と局所利得係数ｇ（ｘ）の積をモード全体に積分
した値、つまり次式で表される値、Ｇ　＝　Ｓ　ｇ　（
Ｘ）Ｅｘ”（ｘ）ｄ　ｘ　　　　　−−−１３１で表さ
れる。この発明の半導体レーザ装置ではｇｆｘ）はほぼ
一定であるので、ＥＸ”（Ｘ）の項のみが導波路の影響
を受ける。光強度部分は電界強度分布の２乗に比例する
ので、第（３）式は、Ｇｏｃ　ｇ　Ｅ　Ｐ　（ｘ）ｄ　
ｘ　　　　　　　　−−−（４１とｉ３き換丸られる。

この発明の半導体し−ザ装置°Ｃは、実効反射率Ｒａ（
ｆによって活性層内部へし・−ザ光が戻る成分が大きい
方のモードの方がＰ（ｘ）が大きくなるので、モード利
得が大きくなる。したがって、基本モード利得が他の高
次モード利得に比べて大きくなる。

また、上記実施例では、利得領域、つまり窓構造領域を
除く活性領域は中央部が最も長く、◇１ルｉ部にいくに
したがって短くなる。したがって、ストライブ中央部で
ピークをもつようなモードの方が、９１ル）部でピーク
をもつようなモードより利得領域での増幅作用を受けや
すい。

以上のような効果によって、基本モードは選択されて、
単峰のレーザビームを容易に得ろことができるう 次に第１図の実施例の半導体レーザ装置の製造方法につ
いて第４図を参照して説明する。

まず、第４図（ａ）に示すように、ｐ型のＧａＡｓ基板
１上に、液相成長法（ＬＰＥ法）、あるいは気相成長法
（ＭＯ−ＣＶＤ法、ＭＢＥ法）等で、ｐ型Ａ　Ｉ　Ｄ、
、Ｇ　ａ　Ｏ，ＳＡ　Ｓクラッド層２．ＧａＡｓウェル
層とＡｊ！Ａｓバリア層からなる超格子層で構成された
活性層１１．ｎ型Ａ　Ｉ　Ｏ，ＳＧ　ａ　０１ＳＡｓク
ラッド層４．ｎ型ＧａＡｓ＝＋ンタクト層５の各層を順
次成長する。

上記各層の成長後、コンタクト層５上部にＳｉＯ２絶縁
膜９を形成する。その後、窓構造領域となるべき箇所の
８１０２絶縁膜９を７オトリソグラフイ技術とエツチン
グ技術を用いて除去し、開口部１４を形成する。この状
態が第４図（ｂ＞（ｃ）である。

次に開口部１４を通して結晶内部に不純物を拡散させる
。この不純物拡散により超格子層で構成された活性層１
１は無秩序化され第２図に示す窓構造領域１３となる。

窓構造領域１２を形成後、活性領域となるべき領域の上
部の５ｉｎ２絶縁膜９を除去する。なお、残された５Ｉ
Ｏ２絶縁膜９は活性領域への電流狭窄の役割を担う。

最後に、基板１側にｐ側電極７．コンタクト層５側にｎ
電極８を形成し、襞間によって共振器を形成することに
より、この半導体レーザ装置が完成ずろ。

以上は第１図に示す半導体レーザ装置の製造方法につい
て説明したが、次に、第２図に示す半導体し一ザ装置の
製造方法について説明する。

第２図の半導体レーザ装置の製造方法は、ｐ型ＧａＡｓ
基板１上に各層を結晶成長し、窓構造領域１３に対応し
た開口部１４を有するＳｉＯ２絶縁膜９の形成までは第
１図の半導体し・−ザ装置の製造方法と同一の工程が適
用できる。なお、第２図の半導体し・−ザ装置の活性層
３は第１図の半導体し・−ザ装置の活性層１１のように
、超格子層で構成されている必要性は全くない。

次に、５１０２絶縁膜９を形成後、ＳｉＯ□絶縁股９に
形成したＩＪＵ口部１ｏを通してクラッド層２までエッ
チ、グずろ。工・ソチジグ法と（）ては、ウェットエツ
チング、ドライエ・ソチンゲいずれの方法でもよいが、
なるべくサイドエツチングの少ない方法が望ましい。こ
の状態を第５図に示す。

工・フチジグ後、ニー））チジグで生じた溝領域に窓構
造領域となるべき高抵抗のＡｊｏ３Ｇａ＠、７　Ａｓ層
を結晶成長によって形成する。

その後の工程は、第１図の半導体レーザ装置の製造工程
中の窓構造領域形成後の工程と同一である。

なお、上記実施例ではＡＪＧａＡｓ系半導体レーザ装置
について説明したが、他の■−■族化会物半導体で構成
された半導体し・−ザ装置、例えばＩ　ｎ、　Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ　Ｐ光半導体レーザ装置、あるいはＡ＃ＧａＡｓ
Ｐ系半導体レーザ装置についても同様に適用できること
はいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したようにこの発明は、活性層内でし・−ザ光
の進行方向に対して垂直方向に一定の幅を有する活性領
域が形成され、共振器端面近傍に、長さが活性領域の幅
方向に対して中央部が最も短く、端部にいくにしたがっ
て長くなる窓構造領域を形成したので、ストライブ幅を
広くしても基本モードのみで発振するので、容易に高出
力で、かつ？１′！峰なし一すビームが得られろという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ　）、　（ｂ　）はこの発明の一実施例を示
す半導体レーザ装置の上面図および断１ｆｉ図、第２図
（ｎ　ｌ、　（ｂ　）はこの発明の他の実施例を示す半
導体レーザ装置の上面図および断面図、第３図は窓構造
領域におけるレーザ光の垂直方向への拡がりを説明する
ための図、第４図はこの発明の半導体し・−ザ装置の製
造方法を説明するｔコめの図、第５図はこのＱ明の窓構
造領域の形成のためのエツチング状態を示す断面図、第
６図（ｆ１３．　（ｂ）は従来の半導体レーザ装置を示
す上面図および断面図、第７図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）
は従来の半導体し・−ザ装置の電流の分布、注入キャリ
ア密度分布、および利得係数分布を示す図である。 図において、１はｐ型ＧａＡｓ基板、２はｐ型Ａ＃Ｇａ
Ａｓクラッド層、３はアノドープＧａＡｓクラ・・７ド
層、４はｎ型ＧａＡｓクラッド層、５はｎ型Ｇ　ａＡｓ
コンタクト層、６は不純物拡散領域、７はｐｍ極、８は
ｎ電極、９は５ＩＯ２絶縁膜、１０は開口部、１１は超
格子層で構成された活性層、１２は不純物拡散により無
秩序化された超格子層からなる活性層、１３は高抵抗Ａ
ＪＧａＡｓ層からなる窓構造領域、１４は窓構造領域を
形成するための開口部をそれぞれ示す。 代理人　大　岩　増　雄　　　（外２名）第 図 第 図 ｊ ！１ｔｌｌＡノＧａＡｓ＃ｆ５７６１１％＠超ｊ頃賀第 図 第 図 第 図 落属ｔｌ’ｌＡ＠呪１角Ｕｖするための原口部第 図 ドーＷ← 第 図 利禮羞東分卆 １、事件の表示 特願昭６３−２７７７３７号 ２゜ 発明の名称 半導体し 一ザ装置 ３゜ 補正をする者 代表者 士 ＋Ｌ＋１ 岐 守 哉 ４゜ 代 理 人 ５、補正の対象 明細書の特許請求の範囲の欄および発明の詳細な説明の
欄 ６、補正の内容 （１）明細書の特許請求の範囲を別紙のように補正する
。 （２）明細書の第３頁１２行の「光利得」を、「光学利
得」と補正する。 （３）同じく第５頁７行、第１３頁１４行の「活性層内
」を、それぞれ「活性層面内」と補正する。 以　　上 ２、特許請求の範囲 半導体基板上に少なくとも第１クラッド石、活性層、第
２クラッド層の各層が順次形成された積層構造を有する
半導体レーザ装置において、前記活性層皿内でレーザ光
の進行方向に対して垂直方向に一定の幅を有する活性領
域が形成され、共振器端面近傍に、長さが前記活性領域
の幅方向に対して中央部が最も短く、端部にいくにした
がって長くなる窓構造領域を形成したことを特徴とする
半導体レーザ装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に少なくとも第１クラッド層、活性層、第
   ２クラッド層の各層が順次形成された積層構造を有する
   半導体レーザ装置において、前記活性層内でレーザ光の
   進行方向に対して垂直方向に一定の幅を有する活性領域
   が形成され、共振器端面近傍に、長さが前記活性領域の
   幅方向に対して中央部が最も短く、端部にいくにしたが
   って長くなる窓構造領域を形成したことを特徴とする半
   導体レーザ装置。