JPH02305487A

JPH02305487A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH02305487A
Application number: JP12725089A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Ikuta; 晃久生田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-05-20
Filing date: 1989-05-20
Publication date: 1990-12-19

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、高出力化、および、低しきい値電流化のため
の半導体レーザ、特にその素子構造に関するものである
。

（従来の技術）半導体レーザの主要な応用分野である光通信は、実用段
階に入りつつあり、半導体レーザも、よりいっそうの高
性能化が要求されている。

半導体レーザの特性の基本的な要素である。基本モード
発振、低しきい値電流、高出力性は、材料、素子構造に
依存するため、現在まで、さまざまな素子構造が開発さ
れてきている。以下、従来例として、高出力化に効果的
なレーザアレイと、低しきい値電流化に効果的な量子井
戸レーザの２つについて詳述する。

（ア）レーザアレイ半導体レーザの高出力化の方法の１つであるレーザアレ
イは、モノリシックに、複数の半導体レーザを並列に集
積化させたものである。特に、光学的な結合ができる程
、隣りのレーザとの間隔を狭くして、各レーザの位相が
同期するようにしたものを位相同期レーザと言う。

第２図は、２連ＳＢＨレーザ（文献基（１））と呼ばれ
る位相同期レーザの断面図である。図において１はＧａ
Ａｓを主成分とする反転分布層で１幅は２〜３μｍに制
御され、反転分布層の間隔は約６μｍである。２は反転
分布層１に光を閉じ込める作用をするＮ型のＧａＡＱＡ
ｓからなるＮ型光閉じ込め層、３も同様の作用を行うＰ
型のＧａＡＧＡｓからなるＰ型光閉じ込め層である。４
は各エピタキシャル層の機械的な保持と、結晶成長の母
結晶の役割を担うＮ型ＧａＡｓ基板である。５はＰ型の
ＧａＡＱＡｓからなる埋め込み第１層、６はＮ型のＧａ
ＡＱＡｓからなる埋め込み第２層で、第１層５と第２層
６は反転分布層１に電流を狭搾させるための形成される
。７は電極とのオーミック接触を容易にするために備え
られたＰ型のＧａＡｓからなるオーミック接触層、８も
オーミック接触抵抗を下げるために導入されたＺｎ拡散
領域である。９はＺｎ拡散領域８に電流を狭搾するため
に備えられた絶縁膜、１０はＺｎ拡散領域８を全面に覆
っている正電極、１１はＮ型ＧａＡｓ基板４の裏面に形
成されている負電極である。以下このレーザの動作につ
いて説明する。

レーザ発振すると、反転分布層１を伝播する光の電場成
分のＴＥモードは、隣りの反転分布層のＴＥモードと干
渉し合い、位相が同期される。接合平面に平行な近視野
像は、スーパモードと呼ばれ、２連導波路レーザの場合
、対称モードは反対称モードの２つが発振可能である。

対称モードは、２つの導波路を伝播する位相の差がＯｏ
、反対称モードは、１８０°のときで、僅かではあるが
、伝播定数が異る。

また、一般に、複数の反転分布層があるときには１反転
分布層の数だけスーパモードが存在し、すべての導波路
を伝播する光の位相差が０°のときを、０次のスーパモ
ードという。

０次スーパモードで発振した場合、遠心野像が。

鋭い単峰性のピークになるため、位相同期レーザでは、
０次スーパモードのみ安定に発振させることが重要とな
る。

（イ）量子井戸レーザ半導体レーザの低しきい値化のために、近年。

量子井戸レーザが提案されている。これは発光領域に、
量子井戸構造、すなわち、反転分布層（ウェル層）電子
のドブロイ波長よりも薄くし、バリア層と交互に積層し
た多重構造を用いたものである。このレーザが、低しき
い値電流化になると考えられているのは、反転分布層内
の電子が、厚さ方向に量子化を受けるため、通常のレー
ザに比べ、状態密度が変化する結果、利得スペクトルが
鋭くなり、同じ電流密度でも利得が高くなるということ
からである。

単一の反転分布層からなる単一量子井戸レーザ（Ｓｉｎ
ｇｌｅ　ＱｕａｎｔｕｌｌＷｅｌｌ　Ｌａ５ｅｒ−以下
、略してＳＱＷレーザという。）は、反転分布層厚が、
数十人と薄いため、光の閉じ込め効果が悪い。この欠点
を克服するため、多重の反転分布層をもつ多重量子井戸
レーザ（Ｍｕｌｔｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｌａ
５ｅｒ−以下、略してＭＱＷレーザという、）が、一般
的に、用いられている。

ＧａＡｆｌＡｓ系のＭＱＷレーザでは、反転分布層にＧ
ａＡｓをバリア層にＡ（１，Ｇａ１−ｘＡ５（ｘ　：混
晶比）が用いられる。このときの混晶比Ｘと、しきい電
流密度の関係を第３図に示す。図かられかるように、混
晶比Ｘが高い程、エネルギーギャップは太きくなるので
、バリア層のエネルギーギャップが大きい程、しきい値
電流が高くなる。これはバリア層のエネルギーギャップ
が大きい程、各反転分布層に対する均一なキャリアの注
入が難しくなるからである。

一方、エネルギーのギャップが小さい程、しきい値電流
が高くなるのは、量子効果が薄れていくからと考えられ
ている。このため、ＭＱＷレーザの反転分布層の多重度
は、経験的に、４〜５層となっている。

ところで、第３図から、キャリアの注入の不均一をなり
シ、かつ混晶比Ｘを高くすることができるならば、さら
に、しきい値電流を低減することが可能であることがわ
かる。

これを実現するために、横方向電流注入ＭＱＷレーザ（
文献例（２））が提案されている。以下、このについて
詳述する。

第４図は、横方向電流注入ＭＱＷレーザの断面図である
。同図において１２は半絶縁性のＧａＡｓ基板。

１３、１５は、高抵抗ＡＵｘＧａ、−ｘＡｓ層（ｘ　＝
０．７５）、１４は多重量子井戸構造、１４Ａは多重量
子井戸構造からなる発光領域で、幅０．５〜１．５μｍ
、１６はＰ型不純物（Ｚｎ）の拡散により形成したＰ型
半導体領域、１６ＡはＰ型拡散による無秩序化領域、１
７はＮ型不純物ＳＬの拡散により形成したＮ型半導体領
域、１７ＡはＮ型拡散による無秩序化領域である。

第５図は、第４図の発光領域１４Ａの詳細図で、１８が
電子のドブロイ波長以下の厚さにしたＧａＡｓからなる
反転分布層、１９はアンドープ、又は高抵抗のＡＱｘＧ
ａ、−ｘＡｓからなるバリア層である。このレーザの動
作を以下に説明する。

正電極は第４図に示すＰ型拡散領域１６の表面に形成さ
れ、正孔は、Ｐ型拡散無秩序化領域１６Ａから横方向に
反転分布層１８に注入される。一方、負電極は第４図に
示すＮ型拡散領域１７の表面に形成され、電子はＮ型拡
散無秩序化領域１７Ａから横方向に反転分布層１８に注
入される。このため、どの反転分布層１８にも横方向か
ら均一にキャリアが注入されるので、通常のＭＱＷレー
ザで問題があった厚さ方向のキャリア分布の不均一は生
じない。

従って、バリア層１９の混晶比Ｘを高くして、エネルギ
ーギャップを高くしても何ら問題がなく、さらに、反転
分布層１８を、４〜５層以上にすることも可能であるこ
とから、横方向電流注入ＭＱＷレーザは、低しきい値電
流化に適した構造であると言える。

（発明が解決しようとする課題）（ア）レーザアレイの問題位相同期レーザを、０次スーパモードで発振させるため
には、高次のスーパモードをカットオフするような素子
構造を設計しなければならない。

設計パラメータは、反転分布層１の等価屈折率と幅、お
よび、間隔である。

第６図は２連導波路の反対称モードのカットオフ条件で
ある１通常、屈折率差Δは屈折率は屈折率キャリアのプ
ラズマ振動の影響（ｔｏ−’オーダ）を受けない程度に
低く抑えられる。しかし、第６図から明らかなように、
Δ＝０．０３としたとしても反転分布層１の幅Ｗ、間隔
ｄは、両者とも、２μｍ以下にしなければならない。こ
れは、結晶成長、エツチング上、極めて困難であり、０
次スーパモード発振は、殆ど不可能であると言える。

（イ）量子井戸レーザの課題従来の横方向電流性ＭＱＷレーザでは厚さ方向に対して
各量子井戸層のキャリア分布では均一になるが、横方向
にキャリア分布は量子井戸の幅が拡散長程度なので、横
方向へのキャリアの注入効率が悪くなる。従って再結合
の確率の低下を招き、むしろ、しきい値電流は高くなる
という結果となる。さらに、キャリアの注入が、量子井
戸層５数十人から注入されるため、抵抗が高くなり、発
光領域の温度を上昇させ、温度特性、高出方特性の悪化
を招く。このため、横方向電流注入レーザでは、しきい
値電流の改善が困難であるという課題があった。

本発明は上記レーザアレイ、量子井戸レーザの課題を解
決し、０次スーパをモード発振に最適な半導体レーザを
得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段）本発明は上述した課題を解決し、目的を達成するだめに
、半導体レーザは、縦方向に反転分布層を集積化した素
子構造としたことを特徴とする。

すなわち、絶縁性もしくは半絶縁性半導体基板上または
半導体層上に、直接遷移型半導体からなる反転分布層と
、この反転分布層よりも大きいエネルギーギャップを有
するＮ型とＰ型の半導体からなる光閉じ込め層あるいは
バリア層が前記基板または半導体層に平行に、がっ、交
互に積層されている多層構造が形成されている。この多
層構造は、ファブリペロ−共振器を形成し、その光の伝
播方向に垂直な方向に対向している２つの側面には。

一方にＰ型半導体領域、もう一方にはＮ型半導体領域が
接触するように基板上または半導体層上に形成されてい
る。ここで、光閉じ込め層あるいはバリア層は１反転分
布層を挾んでＰ型半導体層とＮ型半導体層が交互積層さ
れているので縦方向にもＰＮ接合が形成されている。

（作　用）（ア）レーザアレイこの構成によって、従来横方向に並列に集積化された位
相同相レーザで課題であった。設計パラメータであると
ころの反転分布層の幅、間隔の制御性の困難が解決する
。つまり、縦方向に反転分布層を集積化するために、設
計パラメータが反転分布層厚、光閉じ込め層厚となり、
この厚さは、通常液相エピタキシャル成長で、０．２μ
醗程度まで制御が可能である。したがって、屈折率差Δ
（ＧａＡＱＡｓ系＝Ｑ、１５．　ＩｎＧａＡｓＰ系＝０
．１１）であっても９反転分布層厚を０．１μ醗程度に
すれば、光閉じ込め層厚を、数μｍ程とることができ、
高次スーパモードのカットオフが容易に得られる。

（イ）量子井戸レーザまた、量子井戸構造を構成した場合は、縦方向にもＰＮ
接合が形成されていることから、反転分布層内の横方向
に対するキャリアの注入効率も均一にすることができ、
低しきい値電流化、高出力化することができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら
説明する。第１図はＧａＡｓを反転分布層、ｌＧａＡｓ
層を光閉じ込め層として半導体レーザの構成を示す要部
断面図である。図において２０はＧａＡｓを主成分とす
る反転分布層、２１はＰ型ＡＱＧａＡｓからなるＰ型光
閉じ込め層あるいはバリア層、２２はＮ型Ａ（ｌＧａＡ
ｓからなるＮ型光閉じ込め層あるいはバリア層、２３は
Ｎ型ＡＯＧａＡｓからなるＮ型半導体領域で、１回目の
エツチングと２回目のエピタキシャル成長で形成した。

２４はＰ型ＡＱＧａＡｓからなるＰ型半導体領域で、２
回目のエツチングと３回目のエピタキシャル成長で形成
した。２５は半絶縁性のＧａＡｓ基板で、Ｐ型半導体領
域２４からＮ型半導体領域２３への漏れ電流を低減する
役割をしている。２６はＮ型半導体領域２３の表面に形
成された負電極、２７はＰ型半導体領域２４の表面に形
成された正電極である。

以上のように作製した実施例の半導体レーザについて以
下その動作を説明する６正電極２７から注入された正孔
は、Ｐ型半導体領域２４と、Ｐ型光閉じ込め層２１を通
過し１反転分布層２０に注入される。

一方、負電極２６から注入された電子は、Ｎ型半導体領
域２３と、Ｎ型光閉じ込め層２２を通過し１反転分布層
２０に注入され正孔と再結合する。

位相同期レーザの作製においては、各反転分布層２０を
、低しきい値電流化、基本横モード発振のために、厚さ
０．１μ醗、幅２μ扉に設定し、２連集積レーザを作製
した。接合面に垂直方向の分光近視野像と、遠心好機の
測定から、２つの導波路に現れるスポットが、全て単一
モードで、波長が一致して、かつ遠視野像が、鋭い単峰
性のピークとなっている状態が、広範囲のバイアス電流
領域で。

安定して存在していることがわかり、縦方向に集積化さ
れたレーザアレイが、０次スーパモード発振に適した素
子構造であることがわかった。

また、垂直方向の遠心好機の半値幅が、通常の半導体レ
ーザの比べ、格段に小さくなるため、光ファイバーとの
結合効率を大幅に改善すると考えられ、光通信への実用
性は極めて高いと言える。

横方向電流注入ＭＱＷレーザの作製においては、各反転
分布層厚２０の厚さを、数十人にすることで達成できた
。また、バリア層を、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層の交
互に配置した構造をとることにより、しきい値電流は１
０ｍＡとなり、大幅に改善されることがわかった。

（発明の効果）本発明は、縦方向に反転分布層を設け、光閉じ込め層あ
るいはバリア層に、Ｐ型半導体層、Ｎ型半導体層を交互
に配置することにより、０次スーパモード発振の良好な
位相同期レーザと、低しきい値電流、量子井戸レーザを
実現することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における半導体レーザの要部
断面図、第２図は従来の位相同期レーザ（２連ＳＢＨレ
ーザ）の断面図、第３図は量子井戸レーザにおけるＡＱ
の混晶比Ｘとしきい値電流との関係、第４図は従来の横
方向電流注入ＭＱＷレーザの断面図、第５図はその発光
領域の断面詳細図、第６図は２連導波路の反対称モード
のカットオフ条件を説明する図である。２０・・・反転分布層、２１・・・Ｐ型光閉じ込め層あ
るいはバリア層、２２・・・Ｎ型光閉じ込め層あるいは
バリア層、　２３・・・Ｎ型半導体領域、　２４・・・
Ｐ型半導体領域、　２５・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板、
　２６・・・負電極、　２７・・・正電極。参考文献

Claims

【特許請求の範囲】

絶縁性もしくは半絶縁性半導体基板または半導体層上に
、直接遷移型半導体の反転分布層をはさんで、前記反転
分布層より大きいエネルギーギャップを有するＮ型導電
型の光閉じ込め層あるいはバリア層と、Ｐ型導電型の光
閉じ込め層あるいはバリア層を交互に積層した多層構造
を選択的に形成し、光の伝播方向とは垂直方向の前記多
層構造の側面の一方に接するようにＮ型導電型の半導体
領域を、他方に接するようにＰ型導電型の半導体領域を
形成したことを特徴とする半導体レーザ。