JPH03123092A - 半導体レーザ - 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、半導体レーザに関し、特に高光出力動作の
可能なブロード・エリア型の半導体レーザに関するもの
である。

〔従来の技術〕

近年、Ｎｄ　：　ＹＡＧ、ＧＧＧ等の固体レーザの励起
用光源として半導体レーザが用いられるようになりつつ
ある。これは、゛従来用いられているフラッシュランプ
より半導体レーザを用いる方が、装置の小型化、高信鯨
性といった面で優れているからである。

第２図（ａ）は、固体レーザ励起用光源として用いられ
る、従来のブロード・エリア型半導体レーザを示す断面
図である。図において、１はＰ型ＧａＡｓ基板である。

Ｐ型Ａ　ｌ　ｏ、　５Ｇａｏ、　５Ａｓクラッド層２は
基板１上に配置される。アンドープｉ。、　ｌＧａ０．
９Ａｓ活性層３はＰ型クラッド層２上に配置される。

Ｎ形Ａ　４２　ｏ、　５Ｇａ６．　ｓ＾Ｓクラッド層４
は活性層３上に配置される。Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
５はＮ形りラッド層４上に配置される。５ｉＯｚ絶縁膜
６はコンタクト層５の一部上に配置される。Ｎ電極７は
コンタクト層５及び絶縁膜６上に配置され、Ｐ電極８は
基板１の裏面に配置される。

また、第２図（ｂ）は第２図（ａ）のブロード・エリア
型半導体レーザの発振時の端面上での光強度分布を示す
図である。

固体レーザを励起するためには、半導体レーザから発し
たレーザ光が効率良く固体レーザ結晶に照射されればよ
い。サイドポンプ型の励起を行なう場合、半導体レーザ
は固体レーザロッドの横方向から数ｍｍ程度の近接した
距離に設置されるので、半導体レーザより出射されるレ
ーザビームは光デイスク用半導体レーザのような単峰性
のレーザビームである必要はなく、多峰のレーザビーム
で十分使用できる。従って、固体レーザ励起用半導体レ
ーザの構造としては、出射されるレーザビームは単峰性
ではないが光出力の大きい、第２図に示すようなブロー
ド・エリア型のものが選ばれることが多い。

この構造は、半導体基板１上に１回の結晶成長を行なっ
た後に、絶縁膜６による電流狭窄機構を設けるという簡
素な形となっているので、容易に作製できる長所がある
。

次にこのブロード・エリア型半導体レーザの動作につい
て簡単に説明する。

半導体レーザのＰ電極８に正（＋）　、Ｎ電極７に負（
−）の電圧を印加し、ＰＮ接合に対して順方向に電流を
流すと、活性層３に電子とホールが注入される。ここで
活性層３のバンドギャップはクラッド層２．４のバンド
ギャップに比べて小さいので、キャリアは活性層３に閉
じ込められる。

電流を増加してキャリア密度を上げると、誘導放出が生
じ、あるしきい値電流を超えるとレーザ発振が始まる。

発振後は電流に対してリニアにレーザ光出力が外部に放
出される。

なお、第２図（ａ）に示すブロード・エリア型半導体レ
ーザでは、５ｉＯｚ絶縁膜６によって電流経路が制限さ
れるので、レーザ発振はＳｔｏｗ膜６直下の活性層領域
で生じる。固体励起用のものでは、Ｓｉｎ、膜６の開口
幅は５０〜１５０μｍが一般的である。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のブロード・エリア型半導体レーザは以上のように
構成されており、この構成では、レーザ光を基板に対し
て水平方向に閉じ込める機構が何ら存在していないので
、活性層内のわずかな不均一を反映して、局所的なレー
ザ発振、いわゆるフィラメンテーションが生じる。この
フィラメンテーションは下記の症状を誘発する。

■　動作電流の増加につれてレーザ発振領域が変わり、
ニアフィールドパターン、ひいてはファーフィルド・バ
ターソが変化する。

■　Ｓｔ○２膜開口部直下の活性層領域でもレーザ発振
しない領域が生じ、この箇所に注入された電流は自然放
出光となり、活性層で再吸収されて温度上昇を招くので
、レーザ光出力の熱的飽和を促進する。

一般的に、ブロード・エリア型半導体レーザの最大光出
力は熱的飽和、つまり活性領域の温度が上昇し、レーザ
発振に寄与しないキャリアが増加し、ついにはレーザ光
出力が飽和するという現象で決定される。即ち、上記の
■の症状が非常に問題となる。

この発明は上記の問題点を解消するためになされたもの
で、フィラメンテーションが生じず、活性領域が均一に
発光するブロード・エリア型の半導体レーザを得ること
、また、フィラメンテーションが生じず、かつ活性領域
のレーザ光はすべて同期しているブロード・エリア型の
半導体レーザを得ること、また、基本モードのレーザビ
ームを得ることのできるブロード・エリア型の半導体レ
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〕

この発明に係る半導体レーザは、従来のブロード・エリ
ア型半導体レーザにおいて、その共振器の前端面上の全
面に形成された低反射率膜と、該低反射率膜上の、活性
領域の幅方向の複数領域に設けられた部分高反射膜とを
備えたものである。

またこの発明に係る半導体レーザは、上述の構成で部分
高反射膜間の間隔を１０μｍ以下としたものである。

またこの発明に係る半導体レーザは、上述の構成で複数
の部分高反射膜の各々の幅をその活性領域の中央部に設
けられた部分高反射膜の幅が一番大きく、端部に行（程
狭くなる構成としたものである。

〔作用〕

この発明においては、低反射率膜が形成された共振器端
面上に活性領域の幅方向の複数領域に部分高反射膜を設
けた構成としたから、その領域でレーザ発振が安定に生
じ、フィラメンテーションを防止できる。

またこの発明においては、上述の構成で部分高反射膜間
の間隔を１０μｍ以下としたから、各部分高反射膜領域
で生じたレーザ光を互いに同期させることかでき、これ
によりしきい値電流を低減できる、あるいは単一波長発
振を実現できる。

またこの発明においては、上述の構成で複数の部分高反
射膜の各々の幅をその活性領域の中央部に設けられた部
分高反射膜の幅が一番大きく、端部に行く程狭くなる構
成としたから、単峰性のレーザビームを得ることができ
る。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図（ａ）はこの発明の一実施例の半導体レーザの断
面を示す図である。図において、１はＰ型ＧａへＳ基板
である。Ｐ型へＩ！、６．５Ｇａｏ、　ｓ＾Ｓクラッド
層２は基板１上に配置される。アンドープ＾ｌ　ｏ、　
１Ｇａｏ、　ｑＡｓ活性層３はＰ型りラ、ラド層２上に
配置される。

Ｎ形Ａ　１６．５Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層４は活性
層３上に配置される。Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５はＮ
形りラッド層４上に配置される。５ｉＯｚ絶縁膜６はコ
ンタクト層５の一部上に配置される。Ｎ電極７はコンタ
クト層５及び絶縁膜６上に配置され、Ｐ電極８は基板１
の裏面に配置される。また部分高反射膜９は図に示すよ
うに半導体レーザの端面のうち活性領域となる部分に複
数箇所設けられる。

船釣なブロード・エリア型の半導体レーザの活性領域の
幅は１００〜２００μｍ程度である。

また第１図（ｂ）は第１図（ａ）の半導体レーザの発振
時の共振器端面上での光強度分布を示す図である。

また第３図はこの発明の一実施例の半導体レーザを部分
高反射膜が形成された領域でレーザ光の進行方向に切っ
た共振器端面近傍の断面図であり、図において、１０は
低反射膜である。

次にこの半導体レーザの製造方法について述べる。

まず第５図（ａ）に示すＰ形ＧａＡｓ基板１上にエピタ
キシャル結晶成長法で、第５図（ｂ）に示すようにＰ形
＾１　ｏ、　５Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層２．アンド
ープＡ２０、１Ｇａｏ、　９へＳ活性層３．Ｎ形八１　
ｏ、　５Ｇａｏ、５Ａｓクラッド層４．及びＮ形ＧａＡ
ｓコンタクト層５を順次成長する。エピタキシャル結晶
成長法としては、液相成長法（ＬＰＥ法）、気相成長法
（ＶＰＥ法１ＭＢＥ法、ＭＯ−ＣＶＤ法）等が考えられ
る。この中でもＭＢＥ法、ＭＯ−ＣＶＤ法は良質のエピ
タキシャル結晶成長層が容易に得られ、かつ大面積で再
現性良く均一に成長できるというメリットがある。

エピタキシャル成長が終了したウェハの上に、電流狭窄
用の５ｉＯｚ絶縁膜６を形成する。形成法としては、ス
パッタ蒸着、電子ビーム蒸着、熱ＣＶＤ蒸着等の方法が
挙げられる。絶縁膜としてＳｉＮｘ膜を用いることもで
きる。

次にＳｉｎ、膜６に活性領域として必要な幅（１００〜
２００μｍ程度）のストライプ状の開口部を設ける。こ
の方法としては従来のフォトリソグラフィ技術とフッ酸
溶液による５ｉｎ２膜６のエツチングによって達成され
る。この工程終了後の開口部に対して垂直な方向の断面
図を第５図（Ｃ）に示す。

このウェハの上面、つまりエピタキシャル成長層が形成
された側にＮ電極７、Ｐ形ＧａＡｓ基板１側にＰ電極を
それぞれ成形する。これでウェハのプ０ ロセス工程が完了する。

次にこのウェハから１００〜１５００μｍの幅のバーを
襞間によって切り出す。それぞれのバーの襞間面は原子
レベルで平坦なのでレーザ光の共振器面となる。第５図
（ｄ）はバー切り出し後の外観を示す図である。

このバーの画情開端のうち、レーザ共振器の後端面とな
る側に高反射膜１１、前端面（出射端面）側に低反射膜
１０を形成する。この時の断面図を第５図（ｅ）に示す
。反射膜の材料としては、ＳｉｎｇＳ　ｉＮ、、　　Ａ
１．０．、ａ−３Ｌ等が用いられる。

所定の反射率に制御するため、複数の材質の多層膜コー
ティングを行なうことが多い。低反射膜１０の反射率は
０〜１５％、裏面の高反射膜１１の反射率は８０〜１０
０％が一般的値である。

次に部分高反射膜の作製法について述べる。

第５図（ｆ）は部分高反射膜の作製方法の第１の実施例
を示す図である。この第１の方法について述べる。低反
射膜１０形成後の端面上にレジスト膜１２を塗布する。

塗布後、リソグラフィ技術により部分高反射膜９となる
べき箇所に、部分高反射膜９の幅とほぼ等しい開口部を
設ける。この上に部分高反射膜９に該当する材質、層構
成の反射膜を形成する。図はこの段階のバーを上側から
見た状態を示している。このバーをレジスト剥離液に浸
しレジスト膜を剥がす。この時、レジスト膜１２上に形
成された高反射膜も一緒に剥離され部分高反射膜９の箇
所だけが残る。以上はいわゆるリフトオフという方法で
ある。こうして部分高反射膜９が形成されたバーを一つ
一つの素子に分離し、ヒートシンクにダイポンドし上面
の電極に電線をワイヤをワイヤボンドすることにより素
子が完成する。

第５図（ｇ：）は部分高反射膜の作製方法の第２の実施
例を示す図である。この第２の方法を以下に説明する。

第２の方法は、上述したリフトオフの方法の代りに蒸着
するマスクを用いる方法である。第５図（局に示すよう
に、バーの全面の共振器端面の直前に金属製であらかじ
め部分高反射膜９の幅に対応１ ２ した穴が開いている蒸着用マスク１３を用いる事により
部分高反射膜９を形成する。部分高反射膜９を形成した
後の工程は上記と同様である。

次に本実施例による半導体レーザの動作について説明す
る。

半導体レーザの利得は、一般に以下のような式％式％ ここで、ｇは利得、αは損失、Ｒｆは前面の端面反射率
、Ｒｒは裏面の端面反射率、Ｌはキャビティ長である。

（１）式から、前端面反射率Ｒｆが大きくなると利得ｇ
は小さくなることがわかる。利得ｇが小さくなるという
事は、発振しきい値電流が下がるつまり発振しやすくな
ることを示している。また逆に前端面反射率Ｒｆが小さ
くなると利得ｇが太き（なり発振しにくくなる。

この発明における半導体レーザの前面の共振器端面ば、
低反射膜１０で全体を覆った後、部分的に高反射膜９を
形成している。従ってレーザ発振は部分高反射膜９が設
けられた個々の領域を中心にして発生する。レーザ発振
後電流を増していっても同様で、レーザ光の強度分布は
個々の部分高反射膜９の領域で安定に保ちつづける。つ
まり、近視野像（Ｎ　Ｆ　Ｐ　：　Ｎｅａｒ　Ｆｉｅｌ
ｄ　Ｐａｔｅｒｎ）は安定に保たれる。

ここで、第１図の半導体レーザにおいて高反射膜９の幅
を４０μｍ以下にすると、各々の高反射膜の領域より出
射されるレーザビームの活性層に対して水平方向の形状
を単峰とすることができる。

本実施例では約２０μｍとしている。

レーザ光強度分布は、前述したように、共振器端面近傍
では部分高反射膜９に対応した形となる。

ところが高反射膜９で半導体レーザ内部に反射した成分
はほとんど拡がらず裏面まで進行する。従って半導体レ
ーザ内部でも端面部と同様、高反射膜９に対応したレー
ザ光強度分布となる。高反射膜９間の間隔を適切に、つ
まり５０μｍ以下にすれば、半導体レーザに注入された
電流は非レーザ３ ４ 発振領域で自然放出光になることなく有効にレーザ光に
変換される。

また、高反射膜９の間隔を１０μｍ以下とした本発明の
他の実施例では、各部分高反射膜９で発生したレーザ光
が相互作用し同期する。レーザ光が同期すると、しきい
値電流が減少する。あるいは単一の波長になるという効
果があられれる。固体レーザのレーザ光吸収の効率はレ
ーザ光の波長に強く依存している。光吸収のピーク波長
から１〜２ｎｍずれると吸収効率はかなり低下してしま
う。従って、各部分高反射膜９０領Ｍで発生したレーザ
光が同期し、単一の波長となった本実施例のレーザ光は
固体レーザ励起用として非常に有用である。

第４図は本発明のさらに他の実施例の端面部分を示す図
である。本実施例では図に示すように中央部の部分高反
射膜９ａの幅β１が最も大きく端部に行くにしたがって
、部分高反射膜９ｂの幅！２゜９ｃの幅１３ようにだん
だん幅を小さくしている。

このように、 １、　＋　　＞　１２　　＞　１２３ の関係を持たせた構成にすると、中央部の領域の利得が
最も高くなり、端部に向かうに従って利得は小さくなっ
ていく。これにより、ブロード・エリア全体に単峰に拡
がるレーザ光のモードが生じる。このような半導体レー
ザから発するレーザ光はほぼ単一の波長で活性層の水平
、垂直両方向に単峰な形状となる、いわば理想的なレー
ザ光である。このようなレーザ光はレンズで容易に集光
できるので固体レーザ励起用のみでなく、光デイスク用
、“加工用、光通信用と床几な応用分野が期待できる。

なお、上記実施例ではＡ　Ｉ！ＧａＡｓ系材料の半導材
料−ザについて示したが、本発明は例えばＡｊ２Ｇａ〔
発明の効果〕 以上のように、この発明によれば、ブロード・エリア型
の半導体レーザの共振器前端面上の活性５ ６ 領域の部分に、その幅方向に複数個の部分高反射膜を形
成したので、フィラメンテーションが生じず、活性層が
均一に発光する半導体レーザが得られるという効果があ
る。

またこの発明によれば、上述の構成で部分高反射膜間の
間隔を１０μｍ以下としたから、各部分高反射膜領域で
生じたレーザ光を互いに同期させることができ、これに
よりしきい値電流が減少し、かつ単一の波長になるとい
う効果がある。

またこの発明によれば、上述の構成で、複数の部分高反
射膜の各々の幅をその活性領域の中央部に設けられた部
分高反射膜の幅が一番大きく、端部に行く程狭くなる構
成としたから、単峰性のレーザビームを得ることができ
、床几な分野に応用できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による半導体レーザ及びそ
の活性領域内の光強度分布を示す図、第２図は従来の半
導体レーザ及び活性領域内の光強度分布を示す図、第３
図は本発明の半導体レーザの出射端面近傍を示す断面図
、第４図は本発明の他の実施例による半導体レーザを示
す図、第５図（ａ）〜（ｇ）は本発明の一実施例による
半導体レーザの製造方法を示す図である。 １　・Ｐ形［；ａＡｓ基板、２　・Ｐ形Ａ　ｌ　ｏ、　
５Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層、３・・・アンドープＡ
　ｊ２　ｏ、　ｌＧａ６．　ｇＡｓ活性層、４−Ｎ型へ
ｉ　ｏ、　ｓ　Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層、５・・・
Ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、６・・・５ｉｎ２絶縁膜、
７・・・Ｎ電極、訃・・Ｐ電極、９・・・部分（高）反
射膜、１０・・・低反射膜、１１・・・高反射膜、１２
・・・レジスト膜、１３・・・蒸着マスクをそれぞれ示
す。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向して設けられた一組の共振器端面を有し、波
   長λでレーザ発振を行なう半導体レーザであって、 上記一組の共振器端面のうち一方の共振器端面上に設け
   られた、波長λのレーザ光に対して反射率Ｒ＿１を有す
   る反射膜と、 該反射膜上の、レーザ発振領域の複数箇所に設けられた
   、波長λのレーザ光に対して上記反射率Ｒ＿１よりも高
   い反射率Ｒ＿２を有する部分反射膜とを備えたことを特
   徴とする半導体レーザ。
2. （２）請求項１記載の半導体レーザにおいて、上記複数
   の部分反射膜間の間隔が１０μｍ以下であることを特徴
   とする半導体レーザ。
3. （３）請求項１記載の半導体レーザにおいて、中央部の
   部分反射膜の幅をｌ＿１、それに隣接した両側の部分反
   射膜の幅ｌ＿２、というように、活性領域の一番端部に
   位置し中央部に対してＮ番目の部分反射膜の幅をｌ＿Ｎ
   とした時、ｌ＿１＞ｌ＿２＞・・・＞ｌ＿Ｎの関係を満
   たすよう部分反射膜が構成されていることを特徴とする
   半導体レーザ。