JPH02178985A - 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） 本発明は低雑音特性、低発振闇値電流を有する半導体レ
ーザ素子に関する。

（従来の技術） 半導体レーザは種々の光情報処理機器の光源として実用
化されている。光情報処理機器は、デジタル信号を扱う
ものとアナログ信号を扱うものとに大別される。アナロ
グ信号を扱うものでは、半導体レーザの雑音特性がダイ
レクトに信号に影響を与えるため、特に低雑音の半導体
レーツ素子が望まれている。

コンパクトディスク、ビデオディスク等の光ディスクに
於いても、半導体レーザが光源として使用されている。

この場合には、光ディスクから反射して半導体レーザ素
子に再入射する戻り光により発生ずる戻り光雑音と呼ば
れる非常に大きな雑音が問題となる。この戻り光雑音が
低減された半導体レーザ素子が望まれている。

戻り光雑音を低減するために幾つかの構造が提案されて
いるが、しばしば用いられるのは、レーザ光のコヒーレ
ンス（可干渉性）を悪＜して、コヒーレンス長を短くす
ることにより、レーザ素子を戻り光に対して鈍感にする
方法である。第６図に示すようなＶ　Ｓ　Ｉ　Ｓ　（Ｖ
−Ｃｈａｎｎｅｌｅｄ　５ｕｂｓｔｒａｔｅＴｎｎｅｒ
　５ｔｒｉｐｅ　）レーザに於いで、この構造バラメー
タを適切に制御して自動発振が生ずるようにすることが
行われている（例えば、林地、信学技報ＭＷ８／ｌ−２
４Ｐ、６５　（１９８４））。第６図のＶＳＩＳレーザ
では、ｐ−ＧａＡｓ基板４１」二にｎ−ＧａＡｓ電流ブ
ロック層４２が形成され。

電流ブロック層４２の表面から基板４１に達する７字形
溝４９が形成されている。その上方に、ｐ−Ａ］ＧａＡ
ｓクラッド層４３．Ａ１．ＧａＡｓ活性Ｎ４４．ｎ−Ａ
］ＧａＡｓクランド層４５　　ｎＧａＡｓキャップ層４
６がエピタキシャル成長によって形成され、更にｎ側電
極４７及びｐ　ａＩＪ電極４８が設けられている。この
ＶＳＩＳレーザでは低雑音化のために、ｐ−クラッド層
４３の７字形溝４９の外側での層厚が大きく設定されて
いる。

この構成によって屈折率導波路とそれ以外の部分との間
の屈折率差を小さくシ、屈折率導波機構を弱くして発光
スポットを広げ２発振領域でのキャリア分布や光分布に
ゆらぎを生じさせて自励発振と呼ばれる現象を起こすこ
とができる。自励発振状態では発振スペクトルはマルチ
縦モード化し。

さらに各縦モーｌ−のスペクトル幅ば広くなるのでコヒ
ーレンスが低下し、戻り光雑音の低減が達成される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら」１述のような自励発振レーザでは屈折率
導波機構を弱くしたことにより２発光領域が広がる。発
光領域が拡大されると、電流ブロック層４２の７字形溝
４９の両肩部での光吸収が増加し２発振闇値電流が増加
するという欠点が生じる。また、上述のようなりｓｒｓ
レーザでは結晶成長法として液相成長法が用いられるた
め、再現性が悪く１歩留まりが低くなってしまう。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたものであり、
その目的は、自励発振を効果的に起こすことができ、し
かも低閾値電流を有する半導体レーザ素子を提供するこ
とである。

（課題を解決するだめの手段） 本発明の半導体レーザ素子は量子井戸構造を有する活性
層と、ストライブ状の電流注入路を有する電流狭窄構造
とを有する積層構造を備え、該電流注入路の幅が０．５
〜４μｍであり、該電流注入路と該活性層との間の距離
が０．　２〜０．８μｍであり、該電流注入路近傍の領
域と該領域に隣接する領域との間の等価屈折率差がＩ　
Ｘ　１０−４〜５×１０−３とされておりそのことによ
り上記目的が達成される。

また本発明の半導体レーザ素子は、前記等価屈折率差が
少なくとも一方の端面近傍領域においては、１ｘｌＯ−
３より大きくすることもできる。

本発明は一つの量子井戸の厚さが約５００λ以下の単一
又は多重量子井戸構造を有する活性層を備えた半導体レ
ーザ素子に有用である。

（実施例） 本発明を実施例について以下に説明する。

次１朋↓ 第１図は本発明の半導体レーザ素子の一実施例を示す図
である。

ｎ−ＧａＡｓ基板１上にＭＢＥ法によって、ｎＧａＡＳ
バッファ層２（厚さ０．　５μｍ　）、　　ｎＡ　ｌｏ
、−、Ｇａｏ、ｓ　Ａｓクラッド層３（厚さ１゜２μｍ
　）　、　Ａ　ＩＸ　Ｃａｔ−ｘ　Ａｓ傾斜屈折率型光
ガイド層４　　（ｘ＝０，５　→０，３．厚さ０．１．
５μｍ　）、ＡＩｏ、＋　Ｇａｏ、、Ａｓ単一量子井戸
活性層５　（厚さ０．０１　ｕｍ　）、Ａｌｘ　Ｃａｔ
−、Ａｓｆ頃斜屈折率型光ガイド層６　（ｘ＝ｏ、３→
０，５゜厚さ０．１５μｍ　）、ｐ−Ａｌｏ、ｓ　Ｇａ
ｏ、５　Ａｓクラッド層７（厚さ１．２μｍ　）、ｐ−
ＧａＡｓキャップ層８（厚さ０．５μｍ）を連続的に成
長させる。ここで傾斜屈折率型光ガイド層４及び６に於
ては、第１図の下から上に向かってそのＡｌ混晶比Ｘが
それぞれ徐々に０．５−〉０．３，０゜３→０．５と変
化している。

次にフォトリソグラフィと反応性イオンエンチング法を
用いて、ストライブ状のりッジ部１２を形成する。リッ
ジ部１２は最も活性層５に近い側での幅ＷＩが２．５μ
ｍとなるように形成される。

またエツチングはリッジ部１２の両側で光ガイド層６及
びクラッド層７の残厚が約０．５５μｍになるまで行わ
れる。リッジ形成後、絶縁層としてＳ　ｉ　ＮＸ膜９を
プラグ７　ＣＶ　Ｄ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ
Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ　）法で形成した後、再びフォトリ
ソグラフィ等を用いてリッジ部１２の上部平坦部」二の
５ｉＮＸ膜９を選択的に除去し、その後にｐ側電極１０
．ｎ側電極１１を形成する。最後に襞間法によりチップ
に分割して半導体レーザ素子を得る。

本実施例の半導体レーザ素子は活性層として量子井戸構
造を有し、さらに傾斜屈折率型の光ガイド層４．６を活
性層の両側に設げたＧＲＩＮ−３ＣＨ（Ｇｒａｄｅｄ　
Ｉｎｄｅｘ　５ｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎ
ｔ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　）型であるため
１発振闇値電流が低減されている。本実施例の半導体レ
ーザ素子では。

１５ｍＡ程度の低閾値電流が得られた。

本実施例の半導体レーザ素子は次のようにして自動発振
が起こる。

電流はリッジ部１２からＰ−クラッド層７及び光ガイド
層６を通じて活性層５へ注入されるが。

光ガイド層６及びクラッド層７の残厚が約０．５５μｍ
であるので、電流の広がりは比較的小さく活性層５での
電流注入幅、すなわち利得の生じる幅は、リッジ部１２
の電流注入路の幅、すなわちリッジ部１２の最も活性層
１５に近い側の電流の出口の幅Ｗ１にほぼ等しくなる。

このような状態で、もし活性層が通常のダブルへテロ型
のレーザと同様の厚みで形成されているのであれば、量
子井戸構造で得られるような発振閾電流の低減の効果は
なく、キャリア密度の小さい領域では活性層による光吸
収効果が大きくなり、利得導波型となりやすい。しかし
１本実施例では活性層５が量子井戸構造であるため厚み
が小さく、活性層５でのレーザ光の吸収効果が小さい。

また、リッジ部１２の存在するりソジ領域の両外側の光
ガイド層及びクラッド層７の残厚が約０９５５μｍと厚
いため、リッジ領域とその両側の領域とにおける等側屈
折率の差Δｎは非常に小さく（本実施例では約１、ｘｌ
ｏ−’）なっている。従って、レーザ発振のためにキャ
リヤが活性層５に注入されると、このキャリヤによる屈
折率減少効果によって、リッジ部１２とリッジ部１２の
両外側との間の実効的な屈折率差はほとんどなくなる。

そのためリッジ部１２への光閉じ込め効果は非常に小さ
くなる。このキャリヤ注入による屈折率減少は２発振に
必要なギヤリヤ密度によって決まる。発振に必要なキャ
リヤ密度は、レーザの活性層付近の構造、共振器長、端
面反射率等によって変化する。本実施例のようにリッジ
部１２とその両外側の部分の実効屈折率をｉ　Ｘ　１０
−’〜５×１０″３とすれば、動作時の実効屈折率差は
非常に小さくなり、自動発振状態となる。このことは通
常の半導体レーザ素子のキャリヤ注入による屈折率の減
少が１〜２×１０−３程度（Ｈ，Ｃ，Ｃａ５ｅｙ、　Ｊ
ｒ、、　Ｍ、　Ｂ、　Ｐａｎ１ｓｈ、　　［１１ｅｔｅ
ｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌａ５ｅｒｓＪＰ、３］、）
であることからも理解される。このように屈折率導波機
構が弱いこと、活性層５での光吸収が小さいこと、及び
この構造ではＶＳＩＳ型のレーザ素子のような光吸収層
として働く電流ブロック層のようなものが活性層近傍に
存在しないことにより、光の分布の幅は活性層の電流が
注入される幅よりも大きくなる。

本実施例に於ては光の分布の幅は約５μｍとなりリッジ
部１２の幅の約２倍の大きさになっている。

このように利得領域の幅と光分布の幅が大きく異なるよ
うな状態では１発振領域でのキャリアと光との相互作用
によって、キャリア密度や光分布にゆらぎが生じ、自動
発振状態となる。

電流注入の幅が光分布の幅より広い場合は２　自己集束
（セルフフォーカシング）により、屈折率導波機構が強
くなり、光の分布の幅は広がらない。

そのため、電流注入幅は光の分布の幅よりも狭いことが
必要となる。

電流注入幅は、ｐ−クラッド層７のキャリア濃度ｎと、
リッジ部１２の両外側に於ける光ガイド層６及びクラン
ド層７の残厚ｄに大きく依存する。

すなわちキャリア濃度ｎ及び厚さｄが小さい程電流広が
りは小さくなる。

一方、光の分布の広がりは光ガイド層６及びｐクララド
層７の残厚ｄに大きく依存する。厚さｄが大きくなるに
つれてリッジ部１２に於ける光ガイド層６及びクラッド
層７の厚みとりソジ部１２の外側の光ガイド層６及びク
ラッド層７の残厚ｄとの比が小さくなり、リッジ部１２
とその両性側領域の等偏屈折率差Δｎは小さくなる。等
偏屈折率差Δｎがある程度小さ（なると、屈折率導波機
構は著しく弱くなり、光の分布の広がりは急激に大きく
なる。

このように厚さｄば、電流注入幅を小さくする為には小
さい方が望ましく、光の分布の広がりを大きくする為に
は逆に大きい方が望ましい。この両方の要求を満たずた
めの最適の厚さｄの範囲が存在することになる。望まし
い厚さｄの値は０゜２μｍ〜０．８μｍであることが確
かめられた。

また１等価屈折率差Δｎが１×１０−’〜５Ｘ１０−３
の範囲であれば、自動発振状態となる。また本実施例で
はｐ−クラッド層７のキャリア濃度ｎは１×１０１０ｃ
ｍ−３以下であることが望ましい。

リッジ部１２の電流の出口すなわち電流注入路の幅Ｗ１
は活性層の電流注入幅に影響するので自動発振させるに
は重要である。第５図に示すように、実際に活性層５に
電流注入される幅は、（Ｗｌ　＋２　Ｗ　ｃ　）で表さ
れる。Ｗｃは厚さｄをもつ光ガイド層６及びクラッド層
７を電流が通過する間に広がる片側の幅を表す。同様に
光の分布の幅は（ＷＩ　＋２　Ｗ　ｏ　）と表され、Ｗ
ｏは電流注入路の幅ＷＩから外へ広がる光の分布の片側
の幅を表す。第５図（ａ）及び第５図（ｂ）との比較か
ら明らかなようにＷ、の大きさが変わってもＷｃ及びＷ
Ｏの大きさは殆ど変動しないので、光の分布の幅と電流
注入の幅との比（Ｗ、＋２ＷＯ）／　（Ｗ、＠−２Ｗ　
ｃ　）はＷＩが小さい程大きくなり、キャリアと光との
間の相互作用の効果も大きくなる。従って電流注入路の
幅Ｗ−ま小さい程自動発振を起こすのに好都合となる。

つまりリンジ部１２の電流注入部の幅Ｗ１は、レーザ素
子の他の特性の著しい悪化を招かない範囲で小さくする
ことが望ましい。

本実施例の構造では、望ましいＷｌの値は０．　５〜４
μｍであることが確かめられた。

実扇朋１ 実施例１の半導体レーザ素子は屈折率導波機構を非常に
弱くしである。そのため屈折率導波型ストライブ構造で
は見られない非点隔差の問題が生ずることがある。本実
施例では非点隔差を小さくするため、実施例１の半導体
レーザ素子の出射端面から奥行が約３０μＭ以内のリッ
ジ部以外の部分の光ガイド層６及びクラット層７の厚み
ｄを約０．２５μｍまで薄くシた。第２図はこの端面領
域の断面図である。実施例１で説明したようにレーザ動
作時には注入キャリヤによる屈折率減少の効果があるが
、出射端面（４近のリッジ部１２以外の部分のｐ−クラ
ッド層７の層厚が小さいので実効屈折率差を大きく保つ
ことができる。この屈折率減少の影響を受けないために
必要な実効屈折率差は、半導体レーザ素子の構造によっ
て異なるが、ＩＸｌ、０−３以上、典型的には５Ｘ１０
−３〜ＩＸ１．０−２程度である。このような構造によ
り出射端面付近のみに於いて、屈折率導波機構を強くす
ることができ、非点隔差を小さくすることができる。

実渕ｌ」尖 第３図に１本発明の半導体レーザ素子の第３の実施例を
示す。実施例１と同様にして、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上
にＭＢＥ法によってｎ−ＧａＡｓバ’ツファ層２２．　
　ｎ　　Ａ　１ｏ、ｓ　Ｇａｏ、５　Ａｓクラッド層２
３．ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層２４、ｐ　　ＡＩ
ｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｒ＋　Ａｓクランド層２５ｎ−ＧａＡ
ｓ電流ブロック層２６が連続して形成される。多重量子
井戸活性層２４ば５個のＡ　ｌ　。

５　Ｇ　ａ　ｏ、　Ｂ５Ａ　Ｓの井戸層（厚さ１００人
）及び４個のＡ　Ｉ　ｏ、　ｓＢ　Ｇ　ａ　Ｏ，６ＺＡ
　Ｓ障壁層（厚さ３５人）によって構成さている。フォ
トリソグラフィにより電流ブロック層２６の中央部がス
トライプ状に除去され、電流注入路３１が形成される。

ＭＯＣＶＤ法によってｐ−Ａｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、５　Ａ
ｓクラッド層２７．及びｐ−ＧａＡｓキャップ層２８が
形成される。さらにｐ　（１，！Ｉ電極２９及びｎ側電
極３０が形成される。本実施例に於ても実施例１と同様
の理由で、ｐ−ＡＩｏ、ｓ　Ｇａｏ、５Ａｓクラッド層
２５の厚さと、電流注入路３１０幅とを適切な値に設定
することにより、自動発振を起こさせ１低雑音特性を有
する半導体レーザ素子を再現性良く得ることができる。

本実施例ではｐ−クラッド層２５は層厚制御性に優れた
ＭＢＥ法により形成され、その後エツチングされないの
で層厚がよく制御３ 御されている。そのため再現性がよく１歩留りは８０％
以」二の高いものとなる。

実−施例１ 実施例３の半導体レーザ素子では、電流ブロック層２６
がｎ−ＧａＡｓであるのでレーザ光を吸収してしま・う
。レーザ光の吸収を防ぎ、光の分布の広がりを大きく保
つにばｐ−クラッド層２５の層厚を大きくすればよいが
、そうすると電流法がりが大きくなって闇値電流の増加
につながってしまう。第４図にこの点を解消した半導体
レーザ素子の一例を示す。第４図の実施例では電流ブロ
ック層３２をｎ−ＡＩＧ、７　Ｇａｏ、３Ａｓとし、Ａ
Ｉの混晶比をｐ−クラッド層２７の０．５よりも大きい
０．７とすることによってレーザ光の吸収を低減してい
る。また本実施例では、ＭＯＣＶＤ法で形成されるｐ−
〇ａＡｓキャップ層２８層成８を容易にするため、電流
ブロック層３２の上面に薄いｎ−ＧａＡｓ表面保護層３
３（厚さ１００人）を設けである。

本発明の半導体レーザ素子は面方位が（１００）である
通常の半導体基板を用いた場合に十分な効果を発揮する
ことは言うまでもない。面方位が（１１１）の半導体基
板を用いた場合には、　Ｈａｙａｋａｗａらによって報
告されているように（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａ
ｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｊｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｖｏｌ、
　１２７　Ｎｏ、５　ｐａにｅｓ　Ｌ７６２〜Ｌ７６５
．１９８８）　、キャリヤの量子井戸への緩和レートが
大きくなることが知られている。上述の実施例のＧＲＩ
Ｎ−３ＣＨ構造のように、量子井戸の両側にキャリヤリ
ザーバーとして働くような構造が付加されている半導体
レーザに於いては、（１００）基板を用いた場合より（
］、、　１．１．　）基板を用いた場合の方がキャリヤ
リザーバーとして働く領域のキャリア密度が小さくなり
、量子井戸活性層への電流注入幅が実効的に小さくなる
ため、より効果的に自動発振現象が起こる。

なお２本発明の実施例としてすべてＡｌＣａＡｓ系の例
を説明したが１例えばＩｎＧａＡｓＰ系やＩｎＧａＡｓ
Ｐ系等の他の材料を用いても同様の効果が得られる。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザ素子はこのように自動発振を効果
的に起こさせることができ２低雑音化を回ることができ
る。また活性層として量子井戸構造を有するので、活性
層による光吸収が小さくなり、闇値電流の低減を図るこ
とができる。またレーザ動作領域は層厚制御性の優れた
ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法によって成長させることができ
るので１本発明の半導体レーザ素子を再現性良く、高い
歩留まりで製造することができる。

互−１坏ｌ旧［位礼班 第１菌は本発明の実施例１の断面図、第２図は実施例２
の出射端面近傍の断面口、第３図は実施例３の断面図、
第４図は実施例４の断面図、第５図は実施例１に於ける
電流注入の幅と発光スボントの大きさとの関係を示す回
、第６図は従来の半導体レーザ素子の一例の断面図であ
る。

１−　ｎ−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、３−ｎ−ＡｌＧａＡｓ
クラッド層、４，６・・・ＡｌＧａＡｓ傾斜屈折率型光
ガイド層、５・・・Ａ］ＧａＡｓ単一量子井戸活性層、
７・・・ｐ　−Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓクラッド層、１
２・・・リッジ部、２４・・・多重量子井戸活性層、２
６・・・ｎＧａＡｓ電流ブｏ　ツク層、２７−＝ｐ−Ａ
ＩＧａＡＳクラッド層、３１・・・電層性３１，３３・
・・ｎ−Ｇａ　Ａ　ｓ表面保護膜。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、量子井戸構造を有する活性層と、ストライプ状の電
   流注入路を有する電流狭窄構造とを有する積層構造を備
   え、該電流注入路の幅が０．５〜４μｍであり、該電流
   注入路と該活性層との間の距離が０．２〜０．８μｍで
   あり、該電流注入路近傍の領域と該領域に隣接する領域
   との間の等価屈折率差が１×１０＾−＾４〜５×１０＾
   −＾３である半導体レーザ素子。 ２、前記等価屈折率差が少なくとも一方の端面近傍領域
   においては、１×１０＾−＾３より大きい請求項１に記
   載の半導体レーザ素子。