JPH0349283A - 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〕 本発明は電気光変換素子として利用する半導体レーザ装
置およびその製造方法に関する。

本発明は、光通信装置、光情報処理装置、光記録装置、
光応用計測装置、その他光電子装置の光源として利用す
るに適する。

〔概要〕

本発明は、活性層に回折格子を設け、光分布帰還によっ
てその活性層で電子と正孔の再結合による誘導放出光を
発生させる分布帰還型半導体レーザ装置において、 回折格子に相応する凹凸形状を印刻した半導体層の表面
に、薄い緩衝層をその凹凸形状を保存したまま成長させ
、さらにその表面上に、量子井戸層を含む活性層を成長
させた構造とすることにより、 活性層に回折格子を形成することを可能とし、これによ
り誘起される利得係数の周期的摂動を主因とする光分布
帰還を施し、完全に単一波長の縦モード発振を得るもの
である。

〔従来の技術〕

半導体レーザの活性層近傍に回折格子を形成し、この回
折格子により光分布帰還を施して活性層に誘導放出光を
発生させる分布帰還型半導体レーザ装置の技術が広く知
られている。分布帰還型半導体レーザ装置は、比較的簡
単に発振スペクトル特性の優れた誘導放出光が得られる
とともに、回折格子のピッチにより発振波長を制御でき
るので、単一モード光ファイバを利用するあるいは光波
長多重を行う長距離大容量光通信装置その地元電子装置
の光源としてその有用性が期待されている。

このための従来例レーザ装置は、活性層にきわめて近接
して透明な導波路層を作り、この導波路層の活性層より
遠い側の面に断面形状がおおむね三角波状である凹凸形
状を形成して、導波路層のみかけの屈折率を周期的に変
化させて光分布帰還を施すものである。この構造は広く
知られたものであって、一般的なハンドブックであるオ
ーム社：電子情報通信ハンドブック、１９８８年９８４
−９８５頁 にも記載がある。この構造の半導体レーザ装置は、先導
波路層の層厚変化の周期に対応して生じるブラッグ波長
の光に対して、光位相についての適正な帰還が行われな
いので、このブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じる
。すなわち、従来例装置では、ブラング波長の上下にほ
ぼ対称に離隔した二つの波長の縦モード発振が生じる現
象がある。

さまざまな実験的検討から、この二つの波長の縦モード
発振の一方のみが生じるように設定すること、さらにそ
の一方のみを予め設定することは、実用的な半導体レー
ザ装置を設計および製作するうえで困難であることが経
験されている。このため、製造歩留りを高くすることが
できない。

これを解決するために、回折格子をそのほぼ中央で４分
の１波長分だけ位相ンフトさせる構造が提案され実施さ
れた。これにより二つの波長の縦モードの利得差が大き
くなり、発振モードを一つに設定することができるよう
になる。しかし、この構造は回折格子の形成が複雑であ
るため特別の製造工程が必要であり、さらにレーザ素子
端面に反射防止膜を形成する必要があるなど複雑であり
、製造工数が大きく高価である。この構造の半導体レー
ザ装置についても上記ハンドブックに記載がある。

一方、上述のように屈折率結合により光分布帰還を行う
とブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じるが、利得係
数の周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行
うとすれば、発振阻止帯域は現れず完全に単一波長の縦
モード発振が得られるはずであるとの原理的な理論が、 コゲルニック他「分布帰還レーザの結合波理論（Ｃｏｕ
ｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋｌａｓｅｒｓ）　Ｊ米
国雑誌、アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　１９７２　
ＶＯＩ、４３ｐｐ　２３２７−２３３５） によって示された。この論文はあくまでも原理的な検討
結果であって、上記の利得結合を実現するための半導体
レーザ装置の構造やその製造方法についてはなんら記述
がない。

本願発明者の一部は、上記コゲルニック他の基礎理論を
適用した新しい半導体レーザ装置として、特許出願（特
願昭６３−１８９５９３号）昭和６３年７月３０日出願
、本願出願時において未公開（以下「先願」という） を出願した。この先願に記載された技術は、活性層の近
傍に半導体の不透明層を設け、その不透明層に回折格子
を形成し、その不透明層の利得係数または損失係数に周
期的摂動に基づく分布帰還を施すものである。

この構造により上記コゲルニック他の理論を満たす装置
を実現できた。しかし、この構造では活性層の近傍に不
透明層を設けてこの不透明層により帰還を施すものであ
るから、この不透明層にエネルギの吸収損失があり、誘
導放出光を発生させるために供給するエネルギが大きく
なる欠点がある。

上述のコゲルニック他の理論に基づき利得係数の周期的
摂動を与えるように分布帰還を施すには、活性層の一方
の面に回折格子を形成し、活性層の厚さそのものを回折
格子の凹凸に応じて光波の進行方向にそって変化させる
ことが最適である。ところで、利得結合を実現する目的
とは別であるが、半導体レーザ装置の活性層に直接に回
折格子を印刻する実験結果が 中村性「ガリウム・ヒ素−ガリウム・アルミニウム・ヒ
素ダブルへテロ構造分布帰還型半導体レーザ」　（Ｇａ
八へ−Ｇａ八へＡｓ　　Ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏ　　
５ｔｒｕｃｔｕｒｅＯ＋５ｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ
ｂａｃｋ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａ５ｅｒｓ）米国雑誌アプラ
イド・フィジックス・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　１９７４　ｖｏｌ、　２
５　ｐｐ４８７−４８８）に報告されている。しかし、
活性層に直接に回折格子として凹凸を印刻すると、凹凸
を形成するための成長中断、印刻加工、再成長などの一
連の模作により活性層の半導体結晶に欠陥が発生してし
まう。この半導体結晶の欠陥により、非発光再結合が増
加して誘導放出光が大きく減少し、半導体レーザ装置と
しては効率の悪い装置となり実用的な装置が得られない
ことがわかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、このような背景に行われたものであって、上
述の発振阻止帯域を生じる屈折率結合による光分布帰還
ではなく、上述のコゲルニック他による理論にしたがい
主として利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により
光分布帰還を行う半導体レーザ装置の実現を目指すもの
である。しかも、上記先願に記載されたもののように不
透明層を設けてエネルギ吸収損失を生じさせることなく
、また、活性層に回折格子を形成しても半導体結晶構造
に欠陥を生じさせることがないように、これを実現しよ
うとするものである。

すなわち本発明は、２モ一ド発振を起こすことなく発振
モードが単一モードでありかつ安定であり、その発振モ
ードを予め設定することが可能であり、構造が簡単であ
り、製造工程が簡単であり、良好な製造歩留りが期待さ
れ、したがって安価であり、しかも、上記先願発明の欠
点を除いてエネルギ吸収損失がなく、さらに活性層に回
折格子を形成しても活性層となる半導体結晶構造に欠陥
を引き起こすことがなく誘導放出光を効率的に発生させ
る半導体レーザ装置およびその製造方法を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、活性層を成長形成させる基板となる半導体層
の表面に、回折格子に相応する凹凸形状を印刻し、その
半導体層の表面に、まず薄い半導体緩衝層をその凹凸形
状を保存したまま成長させ、さらにその表面に活性層を
エピタキシャル成長させる。ここで、その活性層は単一
または多重量子井戸を含んだ構造であることを特徴とす
る。

すなわち本発明の半導体レーザ装置は、その活性層の一
方の面は回折格子として凹凸形状が形成された構造であ
り、この活性層の一方の面に形成された凹凸形状に接し
て薄い半導体緩衝層があり、この緩衝層の上面の凹凸形
状はこの緩衝層の下面の凹凸形状とほぼ合同の形状をな
していることを特徴とする。

この緩衝層の厚さを一様にして、その両面の凹凸形状が
平行になるように形成することが製作しやすい形態であ
るが、その両面の凹凸形状が正確に平行であることは必
要条件ではない。

活性層はこの緩衝層の凹凸形状の上にその凹部を埋める
ように、すなわち凹凸形状がしだいに平坦になるように
成長させる。この活性層はここでは量子井戸層をその両
面から例えば傾斜屈折率層で挟み込んだ構造になる。こ
のとき結果的に凸部より凹部でのエピタキシャル成長速
度が大きいから、凹部上での量子井戸幅は凸お上での量
子井戸幅より相対的に厚く形成されることになる。

〔作用〕

本発明の半導体レーザ装置は、活性層の厚さが光波の進
行方向にそって、回折格子の凹凸形状にしたがって周期
的に変化するから、上述のコゲルニック他による理論に
おける利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により光
分布帰還を行う。したがって、特定の波長領域に発振阻
止帯域が生じるようなことがなく、その特定の波長領域
の上下に二つの波長の縦モード発振が生じることもなく
、回折格子の周期により定まる安定な一つのモードの発
振を行う。この安定な一つのモードの発振波長はブラッ
グ波長に対応するからこれを予め設定し設計製造するこ
とができる。

本発明の半導体レーザ装置では、実質的に活性層そのも
のに回折格子を形成することになる。上記先願に記載の
技術は、コゲルニック他による理論における利得係数の
周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行うも
のであっても、活性層に近接して不透明半導体層を設け
、この不透明半導体層における回折格子により光分布帰
還を施すものであるから、活性層そのものに回折格子を
形成する本発明とは本質的に異なる。上記先願記載の技
術では、この不透明半導体層に光エネルギの吸収があっ
たが、本発明の半導体レーザ装置はこの不透明層に相当
するものはもとよりなく、光エネルギの吸収もないので
、励起エネルギの効率が高くなる特徴がある。

また、従来構造で説明した活性層に直接に回折格子を加
工印刻するものと比べるといちじるしい改碧がある。す
なわち、この従来技術では活性層まで成長させ、そこで
−旦成長を中断しその上に回折格子を印刻し、さらにそ
の上にクラッド層となるべき半導体層を再び成長させる
工程を必要とするから、活性層の半導体結晶構造に欠陥
が生じてしまうが、本発明では、活性層を成長させるた
めの基板となる半導体層に回折格子に相応の凹凸形状を
印刻し、この凹凸形状の上にこの凹凸形状を保ったまま
薄い緩衝層を成長させてから、この緩衝層の凹凸形状の
上に活性層を成長させる。したがって印刻とその前後の
一連の操作により生じる半導体結晶構造の欠陥はその上
に新たに成長された緩衝層により次第に覆われるので、
活性層の一面には半導体結晶構造の欠陥のない凹凸形状
の回折格子が形成されることになる。

活性層の成長はこの凹凸形状の凹部を埋めるように制御
して行う。結果としてこの凹凸形状の膜厚分布をした量
子井戸層を含む活性層が得られる。

これにより、活性層の実効的な禁制帯幅、キャリア密度
ならびに光閉じ込め係数にレーザ共振器軸方向に沿って
所望のとおりの摂動が生じ、これらの総合効果として共
振器軸方向に伝搬する光波に対する利得係数が回折格子
の周期に一致する周期で変化することになり、利得結合
による分布帰還が実現される。

本発明の構造では、共振器中の定在波位置が利得係数変
化の周期に一致して固定されるから、レーザ素子端面の
反射の影響を受けにくくなり、単−縦モード発振を得る
ために、必ずしも反射防止措置を必要としない。したが
って、上記従来例で説明した４分の１波長分だけ回折格
子の位相をシフトさせる構造のものに比べて、その構造
はいちじるしく単純になり製造工数が小さくなり、この
ため製造歩留りが向上する。

凹凸形状を保存したまま薄い緩衝層を成長させる方法は
、凹凸形状の凹部が成長によってなるべく埋められない
方法を選ぶ。代表的な実用例として、上述の有機金属気
相成長法によることが望ましい。かりに、活性層の一面
に形成された凹凸形状が緩衝層の成長前に形成された凹
凸形状と完全に合同な形状でなくとも、その凹凸形状が
活性層において実質的に回折格子として作用し、その凹
凸形状の半導体結晶構造の欠陥が実用的に十分な程度に
少なければ本発明を実施できる。

〔実施例〕

以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。図は本発明実施例半導体レーザ装置の構造図であ
る。図示の構造においては、高濃度ｎ型砒化ガリウム（
ｎ”　−ＧａＡｓ）基板ｌ上に量子井戸構造の半導体レ
ーザ素子の各層をエピタキシャル成長により、二段階に
分けて連続的に有機金属気相成長させる。

すなわち第一段階では、基板１の上にｎ型クラッド層３
を成長させ、さらにｎ型砒化アルミニウムガリウム半導
体層４を順次連続して有機金属気相エピタキシャル成長
させる。次に成長層の最上層である半導体層４に、干渉
露光法および異方性エツチングができるケミカルエツチ
ングを適用して、周期１２５ｎｆｆｌの回折格子に相応
の凹凸形状５を（１１１）結晶面を出すように印刻する
。

エピタキシャル成長の第二段階では、上記の回折格子を
印刻した半導体層４の上に、平均０．１μｍ厚のｎ型砒
化アルミニウムガリウム緩衝層６を同じく有機金属気相
成長エビクキシャル成長させる。

緩衝層６には砒化アルミニウム混晶比０．３　ト０．６
の砒化アルミニウムガリウムで構成される超格子をもち
いることがよい。さらにこの緩衝層６の上に連続して、
砒化アルミニウム混晶比が０．６から０．３まで滑らか
に変化するようにｎ型砒化アルミニウムガリウム傾斜屈
折率層７Ｇを平均厚さ０１５μｍに成長させ、その上に
、きわめて薄い砒化ガリウム量子井戸７Ｗを平均厚さｌ
Ｑｎｍに成長させ、さらにその上に、砒化アルミニウム
混晶比が０．３から０，６まで滑らかに変化するように
ｐ型砒化アルミニウムガリウム傾斜屈折率層７Ｇ’を平
均厚さ０．１５μｍに成長させる。

さらにその上に、クラッド層８としてｐ型砒化アルミニ
ウムガリウム層を厚さ１．５μｍに成長させ、さらに、
ｐ型砒化ガリウムキャップ層９を０．４μｍ厚に成長さ
せる。このキャップ層９に絶縁層１２および電極１１を
蒸着により形成する。

この実施例の各層構造を表で示す。

表 上述の傾斜屈折率層および量子井戸を含む活性層７の形
成方法については、パート他による論文、オランダ国雑
誌、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース（ＲＢｈ
ａｔ　ｅｔ　ａｌ：ＰＡＴＴＥＲＮＥＤ　ＱＵＡＮＴＬ
Ｉ！、ＩＷＥＬＬ　ＩＩＥＴＥＲＯＳＴＲＣＴ［ＩＲＥ
Ｓ　ＧＲＯＷＮ　ＢＹ　Ｏ！、ｌＣＶＤ　ＯＮ　Ｎ０Ｎ
ＰＬＡＮＡＲ５ＵＢＳＴＲＡＴεＳ：ＡＰＰＬＩＣＡＴ
ＩＯＮＳ　　ＴＯεＸＴＲＥＭεしＹＮＡＲＲＯＷ　　
ＳＱＷ　　ＬＡＳＥＲ３，Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　
Ｃｒｙｓｔａｌ　　Ｇｒｏｗｔｈ９３（１９８８）ｐｐ
８５０−８５６　Ａｍｓｔｅｒｄａｍ　）に詳しい記載
があり、この記載にしたがって製造することができる。

また、量子井戸構造の半導体レーザ装置については、１
田「量子井戸レーザの利得特性と高次元量子化による極
低しきい値化の可能性」雑誌応用物理第５７巻第５号（
１９８８年）に解説記事がある。

なお、上記量子井戸７Ｗは、複数の量子井戸層および障
壁層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）とするこ
ともできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、コゲルニック他
による理論における利得係数の周期的摂動に基づく利得
結合により光分布帰還を行う半導体シーサ゛装置が実現
された。しかも、上記先願に記載されたもののように不
透明層を設けてエネルギ吸収損失を生じさせることなく
、また、活性層に回折格子を形成しても半導体結晶構造
に欠陥を生じさせることがない。また、反射防止措置を
必要としない。

したがって、本発明の半導体レーザ装置では、２モ一ド
発振を起こすことなく発振モードが安定であり、これを
予め設計設定することができる。

本発明の半導体レーザ装置は、回折格子の形成が簡単で
あり、素子端面に反射防止膜を形成する必要もなく、そ
の構造が簡単であり、製造工程が簡単であり、良好な製
造歩留りが期待され、したがって安価である。しかも、
上記先願発明の欠点を除いてエネルギ吸収損失がなく、
さらに活性層に回折格子を形成しても活性層の半導体結
晶構造に欠陥を引き起こすことがないので、誘導放出光
を効率的に発生させることができる。

本発明の半導体レーザ装置は、その発振波長を予め設計
設定しそのとおりに製造することができ、しかも量産に
適するから、長距離光通信用、波長多重光通信用、光情
報処理装置、光情報記録装置、光応用計測装置その他各
種の光電子装置の光源としてきわめて有用である。

４、

【図面の簡単な説明】

図面の浄書（内容に変更なし） 図は本発明実施例装置の構造図。 ｌ・・・基板、 ３・・・クララ ド層、 ４・・・半導体層、 １ ・・・凹凸形状、 ６・・・緩衝層、 ７・・・活性層、 ８・・・クラ ド層、 ９・・・コンタク ト層、 １０・・・電極、 １１・・・電極、 １２・・・絶縁層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導放出光を発生させる活性層と、この活性層に設
   けられこの活性層に光分布帰還を施す回折格子とを備え
   た半導体レーザ装置において、前記回折格子は前記活性
   層の一方の面に凹凸形状として形成され、 この一方の面に形成された凹凸形状に接して薄い半導体
   緩衝層（６）を備え、 前記凹凸形状はこの緩衝層の他面が接する半導体層（４
   ）に印刻された凹凸形状とこの緩衝層を挟みほぼ合同な
   形状であり、 前記活性層（７）は、単一または多重量子井戸層（７Ｗ
   ）を含む ことを特徴とする半導体レーザ装置。