JPH02178986A - 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を有する半導体レーザ素子に関する
。

（従来の技術） ビデオディスクプレーヤ等の分野で使用される半導体レ
ーザには、極めて低雑音であることが要求される。この
ような低雑音特性の要求に対して自動発振現象を利用し
た半導体レーザ素子がしばしば用いられる。自動発振現
象を利用すれば１発振スペクトルがマルヂ縦モード化す
る。さらに各縦モードのスペクトル幅が広（なり、低雑
音特性が得られる。このような自動発振半導体レーザ素
子に関する従業がいくつかなされている（例えば林他、
信学技報ＭＷ、８１−２４．Ｐ、６５　（１，９８４）
、構造が若干界るものとして、鈴木他、信学技報０ＱＥ
８４−５７．Ｐ、３９　（１９８４））。

第６回に従来の自助発振半導体レーザ素子の一例を示す
。この半導体レーザ素子ばＶＳＩＳ（Ｖｃｈａｎｎｅｌ
ｅｄ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ　Ｉｎｎｅｒ　５ｔｒｉｐｅ
）構造を有する。ｐ−ＧａＡｓ基板４１上にｎ　−Ｇ　
ａ　Ａ、　ｓ電流阻止層４２が形成され、その表面から
基板４１に達するＶ字溝５０が形成されている。その上
方にｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４３．Ａ］ＧａＡＳ活
性層４４．ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ｎ　　Ｇａ
Ａｓキャップ層４６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．Ｐ側電極４８が設けられてい
る。自動発振現象は電流狭窄のためのＶ字溝５０の両外
側のクラッド層４３の層厚ｄを大きくして屈折率導波機
構を弱め１発光スポツトを大きくすることによって起こ
される。

しかしこのような半導体レーザ素子では光の分布幅が大
きくなること、及びこれによって電流阻止層４２による
光の吸収が大きくなるため５発振閾値電流が大きくなっ
てしまうという欠点がある。

第６図の半導体レーザ素子の発振闇値電流は約５０ｍＡ
である。また、この半導体レーザでは屈折率導波機構が
弱いため、非点隔差が大きくなるという欠点がある。

（発明が解決しようとする課題） 発振闇値電流を低減するために、活性層を量子井戸構造
にすることが考えられる。量子井戸構造は通常Ｍ　Ｂ　
Ｅ　（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ
）法又はＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒｌ）ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
法によって形成される。ところが第６図の半導体レーザ
素子は、液相成長法によって形成され、この液相成長法
の特性を用いて、Ｖ字溝５０上に平坦な活性層を形成し
ている。しかしこの液相成長法は成長層厚の制御性が悪
＜、１００人程度の薄い量子井戸構造を形成することは
困難である。またＭＢＥ法やＭＯＣＶ法を用いてもＶ字
溝上では、この溝の形をほぼ保って成長するため平坦な
（量子井戸）゛活性層を得ることは出来ない。

この問題点を回避するため、量子井戸構造を形成した後
に電流狭窄構造を形成することが考えられる。第５図は
その一例を示す図である。ｎ−ＧａＡｓ基板２１上にＭ
ＢＥ法によりｎ−〇ａＡｓバッファ層２２．ｎ−ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層２３、ＡｌＧａＡｓ傾斜屈折率型光ガ
イド層２４゜ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層２５．ＡｌＧ
ａＡｓ傾斜屈折率型光ガイド層２６．ｐ　　ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層２７．ｐ−ＧａＡｓキャップ層２８を連続
的に形成する。傾斜屈折率型光ガイド層２４及び２６の
Ａｌ混晶比は活性層に遠い方から近い方へ向って徐々に
小さくなっている。次にフォトリソグラフィと反応性イ
オンエツチングを用いてストライフ状のリッジ部３２（
幅Ｗ３−３μｍを形成し、ＳｉＮｘ絶縁膜２９を形成す
る。その後に、ｎ側電極３０及びｎ側電極３１を設ける
。

この半導体レーザ素子でもリッジ部３２の外側に於ける
。ｐ−クラッド層２７の層厚ｄが大きいので、リッジ部
３２の存在する領域とその両外側のりッジ部の存在しな
い領域との間の等偏屈折率差が小さい。そのため、自動
発振による低雑音特性が得られる。そして活性層が量子
井戸構造を有するし、電流阻止層が存在しないため、レ
ーザ光の吸収が小さく発振闇値電流の低減が可能である
。

しかし、この半導体レーザ素子では第６図の半導体レー
ザ素子と同様に屈折率導波機構が弱いためレーザ光の特
性は依然として利得導波機構によるレーザ光の特性に近
い。そのため非点隔差が非常に大きく、３０μｍ以上と
なっている。

非点隔差を小さくするために第４図に示すような半導体
レーザ素子が考えられる。第４図（ａ）はその平面図で
ある。この半導体レーザ素子は第５図に示す半導体レー
ザ素子と同様の積層構造を有しているが、一方の出射端
面領域３３でのクラッド層２７の層厚は自励発振領域３
４のそれよりも薄くなっている。第４図（ｂ）、　（ｄ
）はそれぞれ第４図（ａ）に示ず自励発振領域３４及び
出射端面領域３３におけるＢ″−Ｂ°線及びＤ”−Ｄ”
線に沿った断面図である。このような構造により、自助
発振領域３４では第５図の半導体レーザ素子と同様に屈
折率導波機構が弱くなって自動発振が起こる。

方、出射端面領域３３ではリッジ部３２の存在する領域
とそれ以外の領域との間の等偏屈折率差が大きいので屈
折率導波機構が強くなる。そのため非点隔差を小さくす
ることができる。

ところがこのような構造によって非点隔差を小さくする
ことができても他の問題が生しる。自動発振領域３４で
はクラッド層２７の層厚が大きいため、第４図（Ｃ）に
示すように光の分布の広がりは大きくなり、５〜６μｍ
となる。一方１出射端面領域３３ではクランド層２７の
層厚が小さいため第４図（ｅ）に示すように光の分布の
広がりは小さくなり、２．５〜３μｍとなる。このよう
に２つの領域で導波される光のモードが異なるため、こ
のモード差に起因するロスが２つの領域の界面で生じる
。このロスにより発振闇値電流が増加することになる。

第４図の半導体レーザ素子の発振闇値電流は１第５図の
それに比べ１０〜２０ｍＡ増加している。発振闇値電流
の増加は、活性層がＧＲＩＮＳ　ＣＨ（Ｇｒａｄｅｄ　
Ｉｎｄｅｘ　５ｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎ
ｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｒｕｅ　）構造やＳ　ＣＨ
構造を伴なう量子井戸構造を有する場合に大きくなる。

以上のような問題点に鑑み２本発明の目的は発振闇値電
流が小さい自動発振半導体レーザ素子であって２発振闇
値電流を増加させることなく非点隔差を小さくした半導
体レーザ素子を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の半導体レーザ素子は、量子井戸構造を有する活
性層と該活性層の上方の第１のクラッド層と該活性層の
下方の第２のクラッド層とを有する積層構造、及び該積
層構造の上方のストライフ状の電流注入路を備え、少な
くとも一方の端面近傍領域の該電流注入路の幅Ｗ２と、
該領域以外の領域の該電流注入路の幅Ｗ、とか １．５Ｗ、≦Ｗ２≦４Ｗ の関係を満たし、、該端面該近傍領域の該電流注入路以
外の領域での該活性層の該第１クラッド層側の界面から
該第１のクランド層表面までの厚さｄ２と、、該端面該
近傍領域以外の領域の該電流注入路以外の領域での該活
性層の該第１のクラッド層側の界面から該第１のクラッ
ド層表面までの厚さｄｌとが ２０００Å≦ｄ１≦８００ＯＡ １０００Å≦ｄ２≦５０００Å、及び ｄ、＞６２ の関係を満たており、そのことにより上記目的が達成さ
れる。

また、前記電流注入路の幅Ｗ１を、０．５μｍ≦Ｗ、≦
４μｍとすることもできる。

（実施例） 本発明を実施例について以下に説明する。

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。第１図（ａ）は本実施例の平面図である。第１
図（ｂ）及び（ｄ）はそれぞれ第１図（ａ）のＢＢ線及
びＤ−Ｄ線に沿った断面図である。ＭＢＥ法によりｎ−
ＧａＡｓ基板１上にｎ−〇　ａ　Ａ　ｓ　バッファ層２
（厚さ約１．　ｕｍ　）　、　　ｎ　−Ａ　Ｉ　ＧａＡ
ｓクランド層３（厚さ１．２μｍ　）、ＡｌＧａＡｓ傾
斜屈折率型光ガイド層４（厚さ０．２μｍ）２Ａ］Ｇａ
Ａｓ単一量子井戸活性層５（厚さ７０人）ＡｌＧａＡｓ
傾斜屈折率型光ガイド層６（厚さ０．２μｍ　）、ｐ−
ＡｌＧａＡｓクラ・ンド層７（厚さ１．２μｍ　）、ｐ
−ＧａＡｓキャップ層８　（厚さ０．６μｍ）を連続的
に形成した。傾斜屈折率型光ガイド層４及び６のＡ１混
晶比は活性層５に遠い方から近い方へ向って徐々に小さ
くなっている。次にフォトリソグラフィを用いて電流注
入路として作用するリッジ部１２ａ及び１２ｂを形成し
た。第１回に示す形状のリッジ部１２ａ、１２ｂを形成
するため、フォトレジストマスクを、ピッチを２Ｌとし
、長さ２Ｌ−２ｒで幅Ｗ１の領域及び長さ２ｒで幅Ｗ２
の領域が交互になり、かつ１．５Ｗ、≦Ｗ２≦４　Ｗ　
＋になるように形成した。

本実施例では幅Ｗ、を約２．５μｍ１幅Ｗ２を約６μｍ
として作製した。次にリアクティブイオンビームエツチ
ングにより、リッジ部１２ａ及び１２ｂの両側の領域で
の光ガイド層６及びｐ−クランド層７の二層の残厚ｄ１
が約４０００人となるようにエツチングを行なった。そ
してフォトレタスｌ−マスクが形成されている長さ２Ｌ
−２ｒで幅Ｗ、の領域の両外側の領域にさらにフォトレ
ジストを形成した。再びリアクティブイオンビームエツ
チングを行ない１長さ２ｒで幅Ｗ２の領域の両外側の領
域の光ガイド層６及びｐ−クラッド層７の二層の残厚ｄ
２が１０００〜２０００人となるようにした。この後、
フォトレジストマスクを除いてプラズマＣＶＤによりＳ
ｉＮｘ絶縁膜９を形成した。再びフォトリソグラフィ等
を用いてリッジ部１２ａ及び１．２　ｂの上部平坦部に
存在するＳｉＮχ絶縁膜を除去した。ウェハ全体の厚さ
が約１、００μｍになるまで基板１を研磨し、ｎ側電極
１０及びｎ側電極１１を形成した。次に襞間法などによ
り、長さをＬとするチップに分割した。分割は長さ２ｒ
の領域及び長さ２Ｌ−２ｒの領域の中央で行なった。こ
のようにして製造された半導体レーザ素子では、長さｒ
１幅Ｗ２のリッジ部１２ｂを有する領域が出射端面領域
１４に、長さＬｒ１幅Ｗ１のリッジ部１２ａを有する領
域が自動発振領域１３に形成されている。

第１．ｌｆｆ１（ｂ）に示ず自励発振領域１３ではリッ
ジ部１２ａ外での活性層５のクラッド層７例の界面から
クラッド層７表面までの層厚ｄ１が大きいのでリッジ部
］、　２　ａの存在する領域とその両外側のリッジ部１
２ａの存在しないｅＭ域との間の等価屈折率の差が小さ
くなっている。そのため屈折率導波機構が弱くなって光
の分布幅は広がる。活性層５は量子井戸構造を有してお
り、また活性層近傍には光を吸収する電流阻止層が存在
しないので、これらによる光の吸収による損失は殆どな
い。リッジ部１２ａの幅Ｗ、ば光の分布より小さくなる
ように設定されているので、第１図（Ｃ）に示すように
活性層５での利得の得られる幅よりも光の分布の方が大
きくなる。このようにして自動発振が起る。

第１図（ｄ）に示ず出射端面領域１４ではリッジ部１２
ｂ外での活性層５のクランド層７　（ｊｊｌｌの界面か
らクラ・ンド層７表面までの層厚ｄ２が層厚ｄ、より小
さいので、リッジ部１２ｂの存在する領域とその両外側
のりッジ部１２ｂの存在しない領域との間の等価屈折率
の差が大きくなっている。等価屈折率が大きくなると屈
折率導波機構が強くなるので非点隔差を小さくすること
ができる。またリッジ部１．２　ｂの幅Ｗ２が大きく設
定されると共に、リッジ部のクラッド層７の厚さが適度
に厚く設定されているので、出射端面領域１４での光の
分布は小さ（なることはなく、自動発振領域１３での光
の分布とほぼ等しい大きさとなる（第１図（ｅ））。こ
のため自励発振領域１３と出射端面領域１４とで光のモ
ードの差に起因するロスがほとんど無くなる。このよう
にして発振闇値電流を低く保ったまま非点隔差を小さく
することができる。

本実施例に於いては２発振闇値電流は１０〜１５ｍＡ、
非点隔差は３μｗ以下であった。

第２図は本発明の半導体レーザ素子の第２の実施例を示
す図である。第２図（ａ）、　（ｂ）はそれぞれ自動発
振領域及び出射端面領域に於ける断面図である。ＭＢＥ
法によりｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎＧ　ａ　Ａ　ｓ　ハ
フフッ層２．ｎ−ＡｌＧａＡｓクラ、７Ｌ層３．ＡｌＧ
ａＡｓ多重量子井戸活性層１５（井戸層・・・厚さ１０
０人２層数５．バリア層・・・厚さ３５人２層数４）、
ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７、ＰＧａＡｓＧａＡｓ基
板１層８に形成した。本実施例では、リッジ部１２ａ及
び１．２　ｂの両側に２木の溝１６を形成することによ
って、クラッド層７の層厚の異なる部分を形成した。溝
１６のさらに外側の部分は除去されずに残されている。

さらに３両方の端面領域で第２図（ｂ）に示す構造とな
るように２つの溝１６間の幅を小さくシ。

深さを大きくした。次に、ＳｉＮｘ絶縁膜９を形成した
後、Ｐ側電極１０及びｎ側電極１】を形成した。上述の
ように溝１６の外側の部分を残した形状にすることによ
り、基板１側とは逆の面をマウント面とすることが可能
となる。このようにマウントすることにより放熱特性が
良くなり、出力特性や信頼性が改善される。

第３図は本発明の半導体レーザ素子の第３の実施例の平
面図である。この実施例では自励発振領域１３及び出射
端面領域１４は第１図（ｂ）及び（ｄ）に示す構造と同
じである。これら２つの領域１３１４の間には自動発振
領域１３の形状から出射端面領域１４の形状へ徐々に変
化する中間領域１７が設けられている。中間領域１７の
存在により自励発振領域１３と出射端面領域１４とに於
ける光のモートを滑らかにつなくことができる。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザ素子は、このように１発振闇値電
流が小さく２　自励発振による低雑音化が回られ、しか
も非点隔差が低減されているのでビデオディスクプレー
ヤ等の光源として最適である。また本発明の半導体レー
ザ素子は層厚制御性に優れたＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法
によって製造することができるので、自動発振の生ずる
素子を高い歩留りで製造することができる。

左−ｙＩＦｌ「１惰礼肌 第１図（ａ）は本発明の半導体レーザ素子の第１の実施
例の平面図、第１１１ｆｆｌ（ｂ）及び（ｄ）はそれぞ
れ第１図（ａ）のＢ−Ｂ線及びＤ−Ｄ線に沿った断面図
、第１図（Ｃ）及び（ｅ）はそれぞれ第１図（ｂ）及び
（ｄ）における先の分布を表す図、第２図（ａ）及び（
ｂ）は本発明の第２の実施例を示す図、第３図は本発明
の第３の実施例の平面図、第４１ｍ（ａ）は従来のりフ
ジ導波路型レーザ素子の改良例の平面図、第４図（ｂ）
及び（ｄ）はそれぞれ第４［１ａ（ａ）のＢ’−Ｂ’線
及びＤ’　−Ｄ線に沿った断面間、第４図（Ｃ）及び（
ｅ）はそれぞれ第４図（ｂ）及び（ｄ）における光の分
布を表す図、第５Ｍは従来のりフジ導波路型レーザ素子
の他の改良剤の断面図、第６図は従来の自動発振半導体
レーザ素子を表す図である。

１．２１．−ｎ−ＧａＡｓ基板、　　　３．２３・・・
ｎ　　Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓクラッド層、　　　４，
６．２４２６・・・Ａ］ＧａＡｓ傾斜屈折率型光ガイド
層、５゜２５・・・量子井戸活性層、　　　７．２７・
・・ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、　　　１２ａ、１２
ｂ、　・・・リッジ部、　　１３・・・自励発振領域、
１４・・・出射端面領域。

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該活性層の上方の第
   １のクラッド層と該活性層の下方の第２のクラッド層と
   を有する積層構造、及び該積層構造の上方のストライフ
   状の電流注入路を備え、少なくとも一方の端面近傍領域
   の該電流注入路の幅Ｗ＿２と、該領域以外の領域の該電
   流注入路の幅Ｗ＿１とが １．５Ｗ＿１≦Ｗ＿２≦４Ｗ＿１ の関係を満たし、 該端面該近傍領域の該電流注入路以外の領域での該活性
   層の該第１のクラッド層側の界面から該第１のクラッド
   層表面までの厚さｄ＿２と、該端面該近傍領域以外の領
   域の該電流注入路以外の領域での該活性層の該第１のク
   ラッド層側の界面から該第１のクラッド層表面までの厚
   さｄ＿１とが２０００Å≦ｄ＿１≦８０００Å、 １０００Å≦ｄ＿２≦５０００Å、及び ｄ＿１＞ｄ＿２ の関係を満たす半導体レーザ素子。 ２、前記電流注入路の幅Ｗ＿１が、 ０．５μｍ≦Ｗ＿１≦４μｍ である請求項１に記載の半導体レーザ素子。