JPH04133381A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、発振波長の安定化された内部反射干渉型の半
導体レーザ装置に関する。

（従来の技術） 現在量産されている半導体レーザは、低しきい電流での
発振が可能となり１．また単一横モード、単一縦モード
、寿命等の緒特性についてもかなり満足し得る値が得ら
れるようになってきた。しかしながら、発振波長（縦モ
ード）の安定性の観点からはまだ解決すべき問題を残し
ている。即ち、温度変化や電流変化によって、発振波長
は連続的或いは不連続に変化し、それと同時に大きな光
出力雑音が発生する問題かあった。

（発明か解決しようとする課題） このように、従来の半導体レーザ装置においては、温度
変化や電流変化によって発振波長が連続的或いは不連続
に変化する問題があり、光計測システム等の安定な発振
波長の光源を必要とする用途には使用できなかった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、発振波長が安定した波長安定型半導
体レーザ装置を提供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、レーザ共振器内の一部でダブルヘテロ
構造の活性層のバンドギャップエネルギーが、活性層の
原子の無秩序化により他の部分よりも大きい領域を形成
することにより、発振波長の安定化をはかることにある
。

即ち本発明（請求項１）は、半導体基板の主面上に、活
性層をｎ型及びｎ型のクラッド層で挟んだＩｎＧａＡＩ
Ｐ系材料からなるダブルヘテロ構造部を形成し、且つス
トライプ方向にレーザ共振器を形成した半導体レーザ装
置において、前記レーザ共振器内の一部で基板の主面に
該主面とは異なる面方位を持つ傾斜面を形成し、この傾
斜面上に形成されるダブルヘテロ構造部の活性層のバン
ドギャップエネルギーを他の部分よりも大きくしてなる
ことを特徴としている。

また、本発明（請求項２）は、半導体基板の主面上に、
活性層をｎ型及びｎ型のクラッド層で挾んだＩ　ｎＧａ
Ａ　Ｉ　Ｐ系材料からなるダブルヘテロ構造部を形成し
、且つストライプ方向にレーザ共振器を形成した半導体
レーザ装置において、前記レーザ共振器内の一部でダブ
ルヘテロ構造部の基板と反対側面上にｎ型の半導体層を
形成し、このｎ型半導体層下に形成されるダブルヘテロ
構造部の活性層のバンドギャップエネルギーを他の部分
よりも大きくしてなることを特徴としている。

（作用） 半導体基板の主面（一般には（１００）面）の一部に傾
斜面（例えば（１１１）面）を形成することにより、こ
の斜面上に形成される結晶のバンドギャップエネルギー
が他の領域のバンドギャップエネルギーよりも大きくな
る。本発明では、レーザ共振器内の一部で基板の主面に
該主面とは異なる面方位を持つ傾斜面を形成しているの
で、レーザ共振器内の傾斜面上の活性層のバンドギャッ
プエネルギーが他の部分よりも大きくなり、活性層の主
たる発光部の発光波長より短い波長で発光することにな
る。このため、バンドギャップエネルギーの大きい領域
と他の領域とで実効的な屈折率差を形成でき、内部反射
効果を有する部分となり、内部反射鏡によって分けられ
たレーザの光の干渉効果により安定な発振波長が得られ
る。

また、基板に傾斜面を形成する代わりに、ダブルヘテロ
構造部の上にｎ型半導体層を選択的に形成することによ
り、このｎ型半導体層下の活性層のバンドギャップエネ
ルギーを他の部分より大きくすることができ、これによ
り上記と同様に発振波長の安定化をはかることが可能と
なる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例に係わる波長安定型半
導体レーザの概略構成を示す斜視図である。図中１０は
面方位（１００）のｎ　−ＧａＡｓ基板であり、この基
板１ｏの中央部上面には例えば（１，１１）面の傾斜部
１１が設けられている。基板１０には、 ｎ　　Ｉｎｏ、ｓ　　（Ｇａ０．１Ａ１ｏ、ｔ）ｏ、５
Ｆクラッド層１２、Ｉ　ｎＧａＰ活性層１３及びｐ　−
Ｉ　ｎｏ、５　　（Ｇａｏ、ｉ　Ａ　１０．７　）　ｏ
、ｓ　Ｐクラッド層１４を順次積層してなるダブルヘテ
ロ構造部が形成され、ｐクラッド層１４にはストライプ
状のメサ部１５が形成されている。メサ部１５の側面に
はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層１６か形成され、メサ部
１５及び電流ブロック層１６上にｐ−ＧａＡｓオーミッ
クコンタクト層１７が形成されている。そして、コンタ
クト層１７上にｐ側電極１８か形成され、基板１０の下
面にｎ側電極１９が形成されている。

第１図の半導体レーザにおいては、基板１０上に（１０
０）面ではない例えば（１１１）面、即ち溝形成による
傾斜面１１が存在するため、この傾斜面１１上に成長し
た結晶２０はバンドギャップエネルギーか大きくなって
いる。即ち、文献（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　Ｌｅｔｔ、　
ｖｏｌ、２５．　ＰＰ、９０５−９０７゜１９８９）に
見られるように、（１００）面から°の面方位のずれが
ｌＯｄｅｇ程度で飽和傾向を示すものの、０．０８ｅｖ
程度のバンドギャップエネルギーの差が現われ、（１０
０）面からの面方位がずれるに従ってバンドギャップエ
ネルギーが大きくなる。従って、傾斜面１１上に成長し
た結晶（特に、活性層１３）のバンドギャップエネルギ
ーは、他の領域のそれよりも大きくなっている。

これにより、本実施例では前述したストライプ状のメサ
部１５を溝に直交するように形成し、チップへの切り出
しの最にメサ部に沿ってへき開し、中央部にバンドギャ
ップエネルギーの大きな成長層２０がくるようにレーザ
共振器を形成した。この溝部によって分けられた共振器
長１１の第ル−ザ動作部２１と共振器長ｇ２の第２レー
ザ動作部２２との光の干渉効果によって、安定な発振波
長（縦モード）が得られる。

第ル−ザ動作部２１の縦モード間隔Δλ１はλ２／　２
　ｎ　１）　１に比例し、第２レーザ動作部２２の縦モ
ード間隔Δλ２はλ２／　２　ｎ　Ｉ　２に比例する。

ここで、λは発振波長、ｎは活性層の屈折率である。そ
して、第１．第２レーザ動作部２１．２２の縦モードの
干渉により、広い縦モード間隔Δ−λ２／２ｎｌＮ２１
’＋ｌが発生し、利得分布のピーク近傍の縦モードのみ
が安定に発振することになる。

第２図は、本発明の第２の実施例に係わる波長安定型半
導体レーザの概略構成を示す斜視図である。図中３０は
面方位（１００）のｎＧａＡｓ基板であり、この基板３
０の中央部上面には例えば（１１１）面の傾斜部３１か
設けられている。基板３０上には、ｎ−ＧａＡｓバッフ
ァ層３２゜ ｎ　　Ｉｎｏ５　（Ｇａｏ３Ａ１ｏ、７）ｏ、Ｐ第１ク
ラッド層３３゜ アンドープのＩ　ｎｏ、ｓ　Ｇａ、、、Ｐ活性層３４゜
ｐ　　Ｉ　ｎｏ、ｓ　　（Ｇａｏ、３　Ａ　１０．７　
）　ｏ、ｓ　Ｐ第２クラッド層３５゜ ｐ　−１ｎｏ、ｓ　Ｇａ、、、　Ｐキャブ１層３６゜ｐ
　−Ｉ　ｎｏ、５　　（Ｇａｏ、ｉ　Ａ　１０．７　）
　ｏ、、Ｐ第３クラッド層３７及びｎ−ＧａＡｓ電流ブ
ロック層３８が積層形成されている。

第３クラッド層３７にはストライプ状の開口が設けられ
、また電流ブロック層３８にはこの開口よりも僅かに大
きなストライプ状の開口が設けられている。電流ブロッ
ク層３８及び第３クラッド層３７の開口に露出したキャ
ップ層３Ｂ上、さらに第３クラッド層３７及び電流ブロ
ック層３８上には、 ｐ　−１ｎａ５（Ｇａｏ、ｓ　Ａ　ｌｏ、ｓ　）　ｏＳ
Ｐ光ガイド層３９か成長形成されている。この光ガイド
層３９上には、 ｐＩ　ｎａ、ｓ　　（Ｇａｏ５Ａ　１０．７　）　ｏ、
ｓ　Ｐ第４クラッド層４０、ｐ　−１ｎｏ、５　Ｇａｏ
５Ｐ中間バンドギャップ層４１及びｐ−ＧａＡｓコンタ
クト層４２が成長形成されている。そして、コンタクト
層４２上にｐ側電極４３としてＡｕＺｎが形成され、基
板３ｏの下面にｎ側電極４４としてＡｕＧｅが形成され
ている。

本実施によっても先の実施例と同様に、溝部３１によっ
て分けられた共振器長１１．の第ル−ザ動作部４５と共
振器長１２の第２レーザ動作部４６との光の干渉効果に
よって、安定な発振波長が得られる。

第３図は、本発明の第３の実施例に係わる波長安定型半
導体レーザの概略構成を示す斜視図である。図中５０は
面方位（１００）のｎ　−ＧａＡｓ基板であり、この基
板５ｏの中央部上面には例えば（１１１，）面の傾斜部
５１か設けられている。基板５０上には、ｎ−ＧａＡｓ
バッファ層５２゜ ｎ−Ｉ　ｎｏ、ｓ　　（Ｇａｏ３ＡＩ０．７　）　ｏ、
ｓ　Ｐ第１クラッド層５３゜ アンドープＩ　ｎｏ、５　Ｇ　ａｏ、、　ｐ活性層５４
゜ｐ　−１ｎｏ、（Ｇａｏ３Ａ　１０．７　）　ｏ、ｓ
　Ｐ第２クラッド層５５゜ ｐ　−Ｉ　ｎｏ５　Ｇａｏ、５　Ｐエツチングストップ
層５６及び ｎ　　Ｉ　ｎｏ、ｓ　　（Ｇａｏ、３　Ａ　ｌｏ。？）
０．５Ｆ電流ブロック層５７が積層形成されている。

電流ブロック層５７にはエツチングストップ層５６に達
するストライプ状の開口部が設けられている。電流ブロ
ック層５７の開口に露出したエッチラングストップ層５
６上、さらに電流ブロック層５７には、 ｐ　−１ｎｏ、ｓ　　（Ｇａｏ、ｓ　Ａ　ｌｏ、ｓ　）
　ｏ、ｓ　Ｐ光ガイド層５８が成長形成されている。こ
の光ガイド層５８上には、 ｐ　−１ｎｏ、５　　（Ｇａ（１，５Ａ　　１０．７　
　）　　ｏ、５　　Ｐ第３クラッド層５９、ｐ　−１ｎ
Ｑ、５　Ｇａｏ、Ｐ中間バンドギャップ層６０及びｐ−
ＧａＡｓコンタクト層６１が成長形成されている。そし
て、コンタクト層６１上にｎ側電極６２としてＡｕＺｎ
が形成され、基板５０の下面にｎ側電極６３としてＡｕ
Ｇｅか形成されている。本実施によっても先の実施例と
同様の作用により、安定な発振波長特性が得られる。

第４図は、本発明の第４の実施例に係わる波長安定型半
導体レーザの概略構成を示す斜視図であり、（ａ）はキ
ャップ層まで形成した状態、（ｂ）は電極まで形成した
状態を示している。

この実施例では、まず第４図（ａ）に示すように、ｎ−
ＧａＡｓ基板７０上に、 ｎ　−Ｉ　ｎｏ、ｓ　　（Ｇａｏ、３　Ａ　１０．７　
）　ｏ５Ｐクラッド層７１．　　Ｉ　ｎＱ、５　Ｇａａ
、５　Ｐ活性層７２゜ｐ　Ｉｎ０．５　　（Ｇａｏ、３
Ａｌｏ７）ｏ、ｓＰクラッド層７３．Ｉ　ｎｏ、ｓ　Ｇ
ａｏ、ｓ　Ｐ中間バンドギャップ層７４及びｎ−ＧａＡ
ｓキャップ層７５を積層形成する。続いて、キャップ層
７５にストライプ状のメサ部を形成し、１回目の成長の
結晶の表面温度より５０〜１００℃低い温度で、Ｎ２或
いはＨ２雰囲気中で１０分〜６０分のアニルを行う。

ここで、ｎ型半導体層（キャップ層７５）は自由キャリ
アの吸収が多いため放射光を吸収し易く、アニール過程
で、このｎ型半導体層が他の層より高温になると考えら
れる。その結果、ｎ型半導体層が形成された領域に応じ
た下方のｐ型クラッド層７３から不純物が活性層中７２
に拡散し、活性層７２の原子配列が変化し、高エネルギ
ー領域７６が形成される。

アニール終了後にキャップ層７５を除去し、第４図（ｂ
）に示すように、ｐクララド層７３にストライプ状のメ
サ部７７を形成する。次いで、メサ部７７の側面に、ｎ
−ＧａＡｓ電流ブロック層７８を成長形成し、さらにメ
サ部７７及び電流ブロック層７８上にｐ−ＧａＡｓオー
ミックコンタクト層７９を成長形成する。そして、コン
タクト層７９上にｎ側電極８０を形成し、基板７０の下
面にｎ側電極８１を形成する。

第４図の半導体レーザにおいては、前述したストライプ
状のメサ部７７を活性層７２の高エネルギーギャップ領
域７６に直交するように形成し、チップへの切り出しの
際にメサ部に沿ってへき関し、中央部にバンドギャップ
エネルギーの大きな領域７６がくるようにレーザ共振器
を形成した。この高エネルギーギャップ領域７６によっ
て分けられた共振器長ｇ１の第ル−ザ動作部８２と共振
器長ｐ２の第２レーザ動作部８３との光の干渉効果によ
って、安゛定な発振波長（縦モード）が得られる。

第５図は、本発明の第５の実施例に係わる波長安定型半
導体レーザの概略構成を示す斜視図であり、（ａ）はキ
ャップ層まで形成した状態、（ｂ）は電極まで形成した
状態を示している。

この実施例では、まず第５図（ａ）に示すように、ｎ−
ＧａＡｓ基板９０上にｎ−ＧａＡｓバッファ層９１゜ ｎ　　　Ｉ　　ｎＱ、５　　（Ｇａｏ、３　　Ａ　　１
０．７　　）　　ｏ、ｔｙ　　Ｐ第１クラッド層９２゜ アンドープＩｎ　Ｏ，５Ｇ　ａ　ｏ、５　Ｐ活性層９３
゜ｐ　　−Ｉ　　　ｎｏ、５　　　　（Ｇａｏ　　　３
　　Ａ　　　１０．７　　　）　　　０．Ｓ　　　Ｐ第
２クラッド層９４．ｐ　　Ｉ　ｎｏ５Ｇａ０．５　Ｐエ
ツチングストップ層９５゜ ｎ　　Ｉｎ（、、（Ｇａｏ３Ａ１ｏ７）ｏ、ｓＰ電流ブ
ロック層９６及びｎ−ＧａＡｓキャップ層９７を積層形
成する。続いて、キャップ層９７にストライプ状のメサ
部を形成し、先の第４の実施例と同様にアニール工程を
施す。

次いで、第５図（ｂ）に示すように、電流ブロック層９
６にエッチングス、トップ層９５に達するストライプ状
の開口部を設ける。続いて、電流ブロック層９６の開口
に露出したエツチングストップ層９５上、さらに電流ブ
ロック層９６上にｐ　　１ｎｏ、５　　（Ｇａｏ、１Ａ
ｌｏ７）ｏ、ｓ　Ｐ光ガイド層９８を成長形成する。そ
の後、この光ガイド層９８上に、 ｐ　　Ｉ　ｎｏ、５　　（Ｇａｏ、ｉ　Ａ　１０．７　
）　ｏ、ｓ　Ｐ第３クラッド層９９．ｐ−１ｎｏ、Ｇａ
ｏ、Ｐ中間バンドギャップ層１００及びｐ−ＧａＡｓコ
ンタクト層１０１を成長形成する。そしてコンタクト層
１０１上にｎ側電極１０２を、基板９０の下面にｎ側電
極１０３をそれぞれ形成する。

本実施例によっても、先の第４の実施例と同様の作用に
より、安定な発振波長特性か得られる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例では、 Ｉ　ｎ（１，５（Ｇａ＋−、Ａ　ＩＸ　）　ｏ、５　Ｐ
と表わしたときのＡ１組成を、活性層ではｘ−０，クラ
ッド層ではｘ　−０，７としたが、このＡ１組成はクラ
ッド層のバンドギャップが活性層よりも十分大きくなる
範囲で適宜定めればよい。また、光ガイド層のＡ１組成
はＸ”−０，５に限るものではなく、クラッド層よりも
小さく活性層よりも大きい範囲で適宜変更可能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して
実施することかきる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、 １ｎＧａＡＩＰからなる活性層を有する半導体レーザ装
置において、レーザ共振器内の活性層の一部を基板の主
面と面方位の異なる傾斜面の上部に形成する、或いはア
ニール効果による活性層の原子配列の違いを利用するこ
とで、活性層にバンドギャップエネルギーの大きい領域
と他の領域とで実効的な屈折率差を形成しているので、
バンドギャップエネルギーの大きい領域が内部反射鏡と
なり、この反射鏡によって分けられたレーザ光の干渉効
果により安定な発振波長が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる波長安定型半導
体レーザの概略構成を示す斜視図、第２図〜第５図は本
発明のその他の実施例に係わる波長安定型半導体レーザ
の概略構成を示す斜視図である。 １０．３Ｇ、５０．７０．９０−−−　ｎ　−Ｇ　ａ　
Ａ、　ｓ基板、１２．３３，５３，７１．９２−＝　ｎ
　−１ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　　Ｐ第１クラッド層、 １３．３４，５４．フ２，９３−Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ｐ活
性層、１４．３５，５５，７３．９４−　ｐ　−１ｎ　
Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ｐ第２クラッド層、 ３７．９６−＝ｐ　−Ｉ　ｎＧａＡ　Ｉ　Ｐ第３クラッ
ド層、３６．７５．９７・ｐ　−Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ｐキ
＋　’７プ層、１６．３８．７８−ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ電流ブ０−／り層、７５．９７　・・ｎ−ＧａＡｓキ
ャップ層、５７−＝ｎ−ＩｎＧａＡＩＰ電流ブロック層
、１５．７７・・・メサ部、 １１．３１．５１・・・溝部、 ２０．４７，６７．７６．９８・・・高エネルギーギャ
ップ領域、２１．４５．６４，８２．１０４・・・第１
のレーザ動作部、２２．４Ｂ、６５，１８３，１０５・
・・第２のレーザ動作部。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　彦第 図 （ａ） （ｂ） 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板の主面上に、活性層をｐ型及びｎ型の
   クラッド層で挾んだＩｎＧａＡＩＰ系材料からなるダブ
   ルヘテロ構造部を形成し、且つストライプ方向にレーザ
   共振器を形成した半導体レーザ装置において、 前記レーザ共振器内の一部で基板の主面に該主面とは異
   なる面方位を持つ傾斜面を形成し、この傾斜面上に形成
   されるダブルヘテロ構造部の活性層のバンドギャップエ
   ネルギーを他の部分よりも大きくしてなることを特徴と
   する半導体レーザ装置。
2. （２）半導体基板の主面上に、活性層をｐ型及びｎ型の
   クラッド層で挟んだＩｎＧａＡＩＰ系材料からなるダブ
   ルヘテロ構造部を形成し、且つストライプ方向にレーザ
   共振器を形成した半導体レーザ装置において、 前記レーザ共振器内の一部でダブルヘテロ構造部の基板
   と反対側面上にｎ型の半導体層を形成し、このｎ型半導
   体層下に形成されるダブルヘテロ構造部の活性層のバン
   ドギャップエネルギーを他の部分よりも大きくしてなる
   ことを特徴とする半導体レーザ装置。