JPH0416032B2 - - Google Patents

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JPH0416032B2
JPH0416032B2 JP57014986A JP1498682A JPH0416032B2 JP H0416032 B2 JPH0416032 B2 JP H0416032B2 JP 57014986 A JP57014986 A JP 57014986A JP 1498682 A JP1498682 A JP 1498682A JP H0416032 B2 JPH0416032 B2 JP H0416032B2
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JP
Japan
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semiconductor laser
laser device
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Takaro Kuroda
Yasutoshi Kashiwada
Naoki Mene
Kunio Aiki
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2232Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2232Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode
    • H01S5/2234Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode having a structured substrate surface

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体レーザ装置、とくに活性層が
わん曲した構造を有するダブルヘテロ構造レーザ
に関するものである。
半導体レーザの横モード制御はレーザの実用化
に不可欠であり、これを実現するため種々の素子
構造が提案されている。その1つに活性層わん曲
構造がある。この構造はたとえばV字もしくは台
形溝を持つ半導体基板上にダブルヘテロ構造を、
活性層をわん曲させて形成することにより作成す
る。この時、活性層の厚さは液相成長機構によ
り、溝中央部で最も厚く、周辺に近づくにつれて
薄くなる。したがつて、活性層の実効屈折率は中
央で最も高く、周辺に近づくにつれて低くなり、
接合に平行な方向に実効屈折率差が生じるため、
レーザ横モードの安定化ができる(第28回応用物
理学会予稿集、P182、(1981)、第42回応用物理
学会予稿集、P171(1981))。しかし、この構造で
は接合に平行な方向の実効屈折率差が大きくなり
すぎるため、低い光出力で横高次モードが発生し
てしまうという問題があつた。
本発明は低しきい値電流で安定な横基本モード
発振し、かつ信頼性の高い活性層わん曲型半導体
レーザを提供することを目的とする。
本発明では活性層わん曲型半導体レーザ装置の
活性層をはさむ2つの光および電流閉じ込め層の
屈折率を互いに異ならせることにより、高い光出
力で安定な横基本モード動作を得ようとするもの
である。閉じ込め層の屈折率が非対称の場合には
活性層中の光は活性層がある値よりも薄くなると
導波されなくなることが知られている(カツト・
オフと称している)。活性層がわん曲したレーザ
では活性層が溝中央部で最も厚く、溝周辺に近づ
くにつれて薄くなる。したがつて、活性層わん曲
型レーザでは光閉じ込め層の屈折率を非対称にす
ることにより、溝中央部近傍では光が導波され、
周辺部ではカツトオフを生ぜしめることが可能で
ある。なお、活性層のわん曲は半導体基板側で
も、又反対側にわん曲させても同じ効果を奏し得
る。本発明はこの点に着目して、横高次モードの
発生を抑制し、高い光出力まで安定な横基本モー
ド動作する半導体レーザ装置を提供しようとする
ものである。
以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。第1図は本発明の一実施例としての半導体レ
ーザ装置の概略断面図である。レーザ光の進行方
向に垂直な面での断面図である。n形GaAs基板
(Teドープ、n〜1×1018cm-3)1の(100)面上
に通常のホトレジスト工程により、巾3〜10μm
の窓を持つホトレジスト膜を形成する。この窓を
通して化学エツチングをすることにより、基板1
に巾3〜10μm、深さ1〜5μmの凹状の溝9を形
成する。ホトレジスト膜を除去した後、基板上に
連続液相成長法により、n−Ga1-yAlyAsクラツ
ド層(0.3y0.7、例えばy=0.45)2、Ga1-x
AlxAs活性層(0x0.35、例えばx=0.14)
3、p−Ga1-zAlzAsクラツド層(0.3z0.7、
例えばz=0.5)4、およびn−GaAsキヤツプ層
5を形成する。この時、層4および5の厚さはそ
れぞれ、2〜3μmおよび1μmとした。また、層
2の厚さはこの上に成長させる活性層が溝の中央
部で溝肩部に対して0.2〜1μmの範囲わん曲する
よう設定した。活性層の厚さは液相成長機構によ
り、わん曲(たれ込み)の中央部で厚くなる。本
実施例ではたれ込み中央部での活性層厚を0.04〜
0.1μmとなるように成長を行なつた。p形および
n形の添加不純物としてはそれぞれZnおよびTe
を用いた。次に先の場合と同様のホトレジスト工
程を経て形成したAl2O3の窓を通してZnを拡散
し、電流通路となるp形Zn拡散領域6を形成し
た。その後、p形電極8およびn形電極7とし
て、AuとCrおよびAu−Ge−Niを蒸着し、最後
に結晶を、相対する面が平行となるように(110)
面でへき開し、レーザ装置を形成した。レーザの
共振器長は300μmである。
上記工程により作製した半導体レーザは室温に
おいて約2KA/cm2のしきい電流密度でレーザ発
振した。また、その微分量子効率は約40%であつ
た。半導体レーザの特性上最も重要な電流−光出
力特性の直線性に関してはクラツド層のAlAs組
成が対称の場合に比して大巾な改善効果が見られ
た。第2図にクラツド層のAlAs組成が対称の場
合および非対称の場合のキンク発生光出力を横軸
に活性層の中央部での厚さをとり示す。この図で
はクラツド組成が0.45および0.5で対称の場合、
およびn形クラツド層の組成が0.45、P形クラツ
ド層の組成が0.5と非対称の場合が比較されてい
る。図より、対称なクラツド組成を持つ素子では
活性層が厚くなるとキンク発生光出力が急激に低
下することがわかる。これは活性層が厚くなると
共にヘテロ接合に平行な方向で、活性層とクラツ
ド層の屈折率差が大きくなり、横高次モードが発
生するためである。一方、非対称なクラツド組成
を持つ素子ではキンク発生光出力の低下はそれほ
ど顕著ではない。これは以下で説明するように活
性層がわん曲した構造のレーザでは活性層の厚さ
がわん曲中心部から周辺にいくにつれて薄くなる
ことにより非対称クラツド組成を持つ場合にはモ
ード・カツト・オフが生じ、横高次モードが生じ
にくくなるためである。
第3図にGaAlAs半導体レーザの活性層厚と活
性層の等価屈折率の関係を示す。等価屈折率は対
称のクラツド層組成をもつ3層スラブ導波路モデ
ルで計算した値である。計算では素子の発振波長
を780nmとし、クラツド層のAlAs組成xをパラ
メータとした。図により、非対称のクラツド組成
を持つ素子でモード・カツト・オフが生じる活性
層の厚さ(dcut)がわかる。たとえば、クラツド
層の組成が0.5で対称の素子では活性層の厚さが
約0.052μmまで薄くなると、等価屈折率はクラツ
ド層組成が0.45の場合の屈折率に一致する。した
がつて、クラツド層組成が0.45および0.5の非対
称素子では活性層厚が0.052μm以下では活性層内
に生じた光はAlAs組成が0.45のクラツド層へと
漏れ出し、導波モードの光は存在しなくなる。活
性層のわん曲したレーザでは活性層の厚さが周辺
部で薄くなるため、非対称クラツド組成を持つレ
ーザでは素子周辺でモード・カツト・オフ条件が
成立する。したがつて、広い発振領域を必要とす
る横高次モードは非対称クラツド組成のレーザで
は存在しにくくなり、安定な横基本モード動作が
得られることになる。
半導体レーザのしきい電流密度Jthは活性層を
非常に薄くすると、活性層への光閉じ込め率が低
下するため、急激に上昇する。したがつてレーザ
発振状態での活性層中のキヤリア密度(Jth/d
に比例)は活性層が薄くなると急激に増大し、素
子信頼性低下の大きな原因となる。本実施例のn
およびP形クラツド層の組成がそれぞれ、0.45お
よび0.5と非対称で、活性層厚が0.06μm以上の素
子を環境温度70℃において定光出力動作させるこ
とにより、素子信頼性を調べた結果、5×103
間経過後も顕著な劣化は観察されず、高い信頼性
を持つことが判明した。対称なクラツド層組成を
持つ素子についても同様な信頼性試験を行なつた
が、キンク発生光出力を高くするため活性層を
0.05μm以下と薄くしたものではかなり急激な劣
化が進行することが判明した。これは上記、活性
層中のキヤリア密度増大に伴なう信頼性低下によ
るものである。
上記実施例の他、GaAlAsレーザで活性層およ
びクラツド層のAlAs組成を変えて、非対称レー
ザを作成し、その効果確認を行なつた。その結
果、クラツド層のAlAsの組成差を0.03ないし0.1
の範囲に設定した場合に良好な結果が得られるこ
とが判明した。この組成比の差は屈折率としてそ
の差が0.015〜0.08に対応している。組成差を0.03
未満とすると非対称の効果が小さくなり、活性層
を厚くするとマルチモード発振が生じやすくな
る。一方、組成差が0.1を越えるとモード・カツ
ト・オフの活性層厚が0.1μm以上となり、活性層
厚みの制御が困難となることが判明した。また、
AlAs組成の小さい層をP形クラツド層とした場
合には正孔の実効質量が小さいため、キヤリアが
漏れやすくなり、素子の温度特性がその逆の場合
(n形クラツド層のAlAs組成を小とした場合)に
較べて悪いことが判明した。
以上、実施例ではGaAlAs半導体レーザについ
て述べたが、他の材料(例えばInGaAsP)を用
いた活性層わん曲型半導体レーザについても同様
の効果があることは言うまでもない。この場合、
本発明の本質は材料の光学的特性の制御にあり活
性層をはさむ2つのクラツド層の屈折率差を
0.015ないし0.08の範囲で設定することが肝要で
ある。
以上説明したごとく本発明によれば、活性層の
わん曲した半導体レーザにおいて、活性層をはさ
む2つのクラツド層の屈折率を0.015ないし0.08
の範囲で異ならせた非対称構造を用いることによ
り、素子の横モードの安定化が容易に実現され、
また良好な素子寿命が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である半導体レーザ
の断面図、第2図は発振波長780nmの活性層わ
ん曲形レーザの活性層厚とキンク発生光出力の関
係を表わす図、第3図はGaAlAs対称3層スラブ
導波路モデルでの活性層厚と活性層の等価屈折率
を示す図である。 1……n形GaAs基板、2……n形Ga1-yAlyAs
クラツド層、3……Ga1-xAlxAs活性層、4……
P形Ga1-zAlzAsクラツド層、5……n−GaAsキ
ヤツプ層、6……Zn拡散領域、7……n形電極、
8……p形電極を表わす。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板上に、順次形成された第1クラツ
    ド層、活性層および第2クラツドから成るダブル
    ヘテロ構造体を有する半導体レーザ装置におい
    て、上記活性層の膜厚は共振器の幅方向で中央部
    が最も厚くその両側で薄くなるように変化してお
    り、上記第1および第2のクラツド層の屈折率は
    上記活性層の屈折率より小さくかつ禁止帯幅は活
    性層の禁止帯幅より大きく、かつ上記第1クラツ
    ド層と上記第2クラツド層の屈折率が異なつてい
    ることを特徴とする半導体レーザ装置。 2 上記第1および第2クラツド層相互の屈折率
    の差は0.015以上0.08以下の範囲にある特許請求
    の範囲第1項記載の半導体レーザ装置。 3 上記第1および第2クラツド層の屈折率は、
    導電型がn型のクラツド層の方がP型のクラツド
    層より大きい特許請求の範囲第1項又は第2項に
    記載の半導体レーザ装置。 4 上記半導体基板、第1クラツド層、活性層お
    よび第2クラツド層は−族化合物半導体より
    成る特許請求の範囲第1項、第2項又は第3項に
    記載の半導体レーザ装置。 5 上記半導体基板はGaAsから成り、上記第1
    クラツド層はGa1-yAlyAsから成り、上記活性層
    はGa1-xAlxAsから成り、上記第2クラツド層は
    Ga1-zAlzAsから成り、上記AlAs組成y、x、お
    よびzの範囲は各々0.3y0.7、0x0.35
    および0.3z0.7であり、かつAlAs組成yとz
    との差は0.03以上0.1以下である特許請求の範囲
    第4項記載の半導体レーザ装置。 6 上記第1および第2クラツド層のAlAs組成
    は、導電型がn型のクラツド層の方がP型のクラ
    ツド層より小さく、かつその差は0.05以上0.1以
    下である特許請求の範囲第5項記載の半導体レー
    ザ装置。 7 上記半導体基板は上記共振器長方向に凹溝が
    形成されており、上記活性層は上記半導体基板側
    にわん曲しており、かつ上記活性層の最大膜厚部
    分は上記凹溝上に位置している特許請求の範囲第
    1項、第2項又は第3項に記載の半導体レーザ装
    置。 8 上記活性層は上記半導体基板とは反対側にわ
    ん曲している特許請求の範囲第1項、第2項又は
    第3項に記載の半導体レーザ装置。
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DE8383100882T DE3381832D1 (de) 1982-02-03 1983-01-31 Halbleiterlaservorrichtung.
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