JPH05509444A - 半導体ダイオードレーザー - 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】 半導体ダイオードレーザ− 発明の分野 本発明は、半導体ダイオードレーザ−に関するものであり、詳しくは、分配フィ ードバック・チャンネル支持体（ｃｈａｎｎｅｌｅｄ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ）　 ・平面（Ｐｌａｎａｒ）半導体ダイオードレーザ−に関するものである。

発明の背景 波長固定単一縦モード（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−４ｏｃｋｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　 ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｍｏｄｅ）及び良い単一横空間モード（ｗｅｌｌ　 ｄｅｆｉｎｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　１ａｔｅｒａｌ　５ｐａｔｉａｌ　ｍｏｄｅ） で動作する高出力インデックスガイデッドダイオードレーザ−（ｈｉｇｈ−ｐｏ ｗｅｒ　ｉｎｄｅｘ−ｇｕｉｄｅｄ　ｄｉｏｃｌｅ　Ｌａ５ｅｒ）を得ることは 望ましいことである、ことが見出された。前記ダイオードレーザ−は、宇宙通信 、光記録、及びファイバーオプチックスにおいて用いられる。そのようなダイオ ードレーザ−を達成するために、チャンネル支持体・平面（Ｃ３Ｐ）ＡＩＧａＡ ｓダイオードレーザ−が開発された。前記ダイオードレーザ−は、横閉込めのた めに、支持体中にチャンネルを有し、更に前記支持体の上にクラッド層を有する ことによって前記チャンネルを塞いでいる。クラッド層は、その上に、ダイオー ドレーザ−の活性層をエピタキシャル成長させた平面を有する。このタイプのダ イオードレーザ−は、スペクトル安定化を除く上記の望ましい特性の全てを有す る。

スペクトル安定と空間的安定の双方を達成するために、チャンネル支持体・平面 ・分配フィードバックダイオードレーザ−が開発された。そのようなダイオード レーザ−は、Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎらによる論文「効率の良いＡｌＧａＡｓチャン ネル−支持体一平面−分配フィードバックＬ／−ｆ−Ｊ　（ＡＰＰＬＩＥＤ　Ｐ ＢＹＳＩＣ３ＬＥＴ’ｒＥＲ３，Ｍｏ１．５３（７）、　ｐ、５５０−５５２． １９８８年８月１５日）に３己載されている。該ダイオードは、スペクトル安定 を達成するために、格子（ｇｒａｔｉｎｇ）を含んでいる。前記論文に示されて いる格子は、支持体中のＶチャンネルの両側にあるデバイスの袖（ｗｉｎｇ）又 は肩に配置されている断続格子（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｃｔ　ｇｒａｎｔｉｎｇ ）である。該Ｗｌｔ造は、分配フィードバック特性と望ましい空間安定化を示す が、デバイスは、限定された温度範囲（＜　１０’Ｃ）でのみ分配フィードバッ ク挙動を示す。これらの望ましい特性を有するデバイスの収率は、極めて低い（ 約５％未満）。その理由は、光学モードのみか、デバイスの肩又は袖の上の格子 に結合しているので、ダイオードレーザ−の光学的場（ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｅ ｌｄ）と格子との間の相互作用の広がりを示す結合係数が低くなるからである。

格子と光学的場との相互作用を高めるために、光学モードの大部分が格子と相互 作用するような構造の中に格子を配置すべきである、ということが示唆されてい る。１９８１年３月１７日に設定された、「半導体ダイオードレーザ−」という 名称の米国特許第４．２５７．０１１号（Ｍ、ナカムラら）と、Ｓ、タキガワら によるｒ７５９−ｎｍ　ＧａＡＬＡｓ分配フィードバックレーザーの連続室温動 作」という名称の論文（ＡＰＰＬＩＥＤ　ＰＨＹＳＩＣ３ＬＥＴｒＥＲ３，Ｖｏ Ｌ、５１（２０）、　ｐ、１５８０−１５８Ｌ　１９８７’Ｆ１１ＦP １６日）には、デバイス全体に広がっている格子によってチャンネルが閉込めら れているダイオードレーザ−が記載されている。前記特許及び前記論文に記載さ れた構造によって、結合係数は大きく増大するが、又それと同時に、その構造に よって、放射ビームのビーム広がり角も大きくなる（５０’）。そのようなビー ムの広がりは、光学システムとの結合が要求される殆どの用途において望ましく ない。

ビームの広がりが、約２５°〜２９’の範囲の小さい広がりである場合、簡便な 光学システムによって、ダイオードレーザ−からの出力光をより効率良く利用す ることができる。

高収率と、安定な単一空間モード動作及び単−横モード動作をより広い温度範囲 で可能にする高い結合係数とを有するだけでなく、ビームの広がりが小さい半導 体ダイオードレーザ−を得ることは望ましい。

発明の概要 本発明は、比較的広い温度範囲にわたる分配フィードバック動作を可能にするた めに、格子がチャンネルを少なくとも横断しているチャンネル支持体・平面構造 （ｃｈａｎｎｅｌｅｄ　５ｕｂｓｔｒａｔｅ、　ｐｌａｎａｒ　５ｔｒｕｃｔｕ ｒｅ）を有し、更に空間安定性、比較的高い収率、及び小さいビームの広がりを 達成するための手段をも含んでいる半導体ダイオードレーザ−に関するものであ る。それは、チャンネル支持体の上に、逆導電性タイプ（ｏｐｐｏｓｉｔｅ　ｃ ｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ｔｙｐｅ）の第−及び第二クラッド層、前記クラッド 層とクラッド層との間に活性層、活性層とクラッド層のうちの１つとの間にあり 且つチャンネルの上にある格子、及び活性層と格子との間にスペーサー層（ｓｐ ａｅｅｒ　１ａｙｅｒ）を有するダイオードレーザ−によって達成される。活性 層、スペーサー層、及び格子層の厚さと組成物は、光学的場と格子との間の結合 係数が高い状態において、小さいビームの広がりを提供するような厚さと組成物 である。

更に詳しくは、半導体ダイオードレーザ−は、第−及び第二対向表面を有し、且 つ第一表面にチャンネルを有する一導電性タイブの半導体材料がら成る支持体を 含む。−導電性タイプの半導体材料から成る第一クラッド層は、支持体の第一表 面上にある。第一クラッド層は、チャンネルを塞ぎ、且つ平面を有する。半導体 材料から成る活性層は、第一クラ７ド層上にある。逆導電性タイプの半導体材料 から成るスペーサー層は活性層上にあり、逆導電性タイプの半導体材料から成る 格子層はスペーサー層の上にある。格子層は、その中に、支持体中にあるチャン ネルを少なくとも横断して広がっている格子を有する。逆導電性タイプの半導体 材料から成る第二クラッド層は、格子層上にある。活性層、スペーサー層、及び 格子層の厚さと組成物は、ダイオードレーザ−から放射される光ビームの広がり 角が、約２５°〜２９″となるような厚さと組成物である。

以下、添付の図面を参照しながら、更に詳しく本発明を説明する。

図面の簡単な睨咽 図１は、本発明に従う半導体ダイオードレーザ−の透視図であり：図２は、図１ の半導体ダイオードレーザ−を達成するための半導体ダイオードレーザ−の活性 層とスペーサー層との関係を示しているグラフである。

図面は、必ずしも一定の比に拡大して描かれたものではないことを理解すべき図 １を参照すると、本発明に従う半導体ダイオードレーザ−１０の透視図が示され ている。ダイオードレーザ−１０は、−導電性タイプの半導体材料、好ましくは シリコンドープされたｎ−型導電性砒化ガリウム（ＧａＡｓ）から成り、第−及 び第二対向主表面１４及び１６を有する支持体１２を含む。Ｖ形の平底を有する チャンネル１８が、支持体１２中にあって、主表面１４に延びている。チャンネ ル１８は、幅約５μｍ、深さ約１μｍである。チャンネル１８は、支持体１２の 端面２０と中間側面２２との間にある支持体１２に沿って縦に延びている。

支持体の第一主表面１４上には、−導電性タイプの半導体材料（好ましくは、ｌ Ｘｌ０”不純物／Ｃｍ３のレベルまで、Ｓｎでドープされているｎ−型導電性砒 化アルミニウムガリウムＡ１゜３４Ｇａｏ、ａｓＡＳ）から成る第一クラッド層 ２４がある。第一クラツド層は、チャンネル１８を塞いでおり、且つ平らな表面 を有する。

第一クラッド層は、好ましくは、チャンネル１８においては約１．３μｍ、チャ ンネル１８の両側にある支持体の層領域又は袖頭域の上においては０．３μｍの 厚さを有する。薄い活性層２６は、第一クラッド層２４の上にある。活性１１２ ６は、未ドープの半導体材料、好ましくはＡｌｏｏａＧａｏ、ｓ＜Ａｓから成り 、０．０５μｍの呼称厚を有する。この材料は、５Ｘ１０”不純物／ｃｍ”のド ープレベルにおいて、通常は、ｎ−型導電性である残留バックグランドドーピン グ（ｒｅｓｉｄｕｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｄｏｐｉｎｇ）を有する。ｐ−型半 導体材料（好ましくは、約５Ｘ１０”不純物／ｃｍ３のレベルまで、Ｇｅでドー プされているＡｌｏ、５４Ｇａｏ、５ｓＡｓ）から成るスペーサー層２８は、活 性層２６上にある。スペーサー層２８は、約０．１５〜０．２μｍの呼称厚を有 する。

スペーサー層２８上には、ｐ−型導電性半導体材料（好ましくは、約５×１０１ ７不純物／ｃｍ　３のレベルまで、ＧｅでドープされているＡｌｏ、３４Ｇａｏ 、ａｏＡＳ）から成る格子層３０がある。格子層３０は、約０．０５μｍの呼称 厚を有する。約２４００人の周期を有する二次格子が、格子層３０の中にある。

格子は、格子層３０の中を貫通し一定の間隔で並んでいる溝によって形成されて 、一定の間隔で並ぶ平行バー３１を形成する。格子のバー３１の間にある溝（ｇ ｒｏｏｖｅ）は、スペーサー１！ｉ２８の中へ部分的に延びている。

ｐ−型半導体材料（好ましくは、約５Ｘ１０′７不純物／ａｍ’のレベルまで、 ＺｎでドープされているＡ１゜３４Ｇａ６．ＢＡＳ）から成る第二クラブト層３ ２は、格子層３０の上にあって、格子のバー３１の間にある溝を通って、スペー サー層２８へ広がっている。第二クラブト層３２は、格子層３０の上に、約１． ５０μｍの厚さを有する。ｎ−型半導体材料（好ましくは約ｌＸｌ０”不純物／ ｃｍ’のレベルまで、ＳｅでドープされたＧａＡｓ）から成るキャップ層３４は 、第二クラッド層３２上にある。高導電性のｐ−型導電性接触佃域３６は、キャ ップ層を通って、チャンネル１８の真上にある第二クラッド層３２の中へと広が っている。約０．１５μｓの厚さを有する絶縁層３８（好ましくは、二酸化ケイ 素から成る）は、キャップ層３４の上にある。絶縁層３８は、接触領域３６の真 上に、開口部４０を有する。導電性接触層４２は、絶縁層３８の上にあって、且 つ開口部４０において接触領域３６と接触している。接触層４２は、ｐ−型接触 領域３６と良好な電気接触をする材料から成っている。適当な材料の１つは、第 一層がチタンのフィルム、第二層が白金のフィルム、第三層が金のフィルムから 成る三層材料である。導電性接触層４４は、支持体１２の第二主表面１６の上に 広がっている。

接触層４４は、ｎ−型導電性材料と良好な電気接触をする材料から成っている。

適当な材料の１つは、第一層が金・ゲルマニウム合金のフィルム、第二層がニッ ケルのフィルム、第三層が金のフィルムから成る三層材料である。

ダイオードレーザ−１０を製造するために、まず最初にチャンネル溝１８を、支 持体１２の第一主表面１４中にエツチングする。次に、第一クラッド層２４を、 支持体の第一主表面１４上に及びチャンネル溝１８中に、エピタキシャル成長さ せて蒸着させる。この方法は、チャンネル溝１８を塞ぐだけでな（、平面を有す る第一クラッド層２４をも提供するので、液相エビタクシ−（ＬＰＥ）によって 行う。次に、活性層２６を、第一クラッド層２４上にエピタキシャル成長させて 蒸着させ、その後、続けてスペーサー層２８と格子層３０を同様にして蒸着させ る。活性層２６、スペーサー層２８、及び格子層３０も全て液相エビタクシ−に よって蒸着させる。次に、ホログラフィ−法及びエツチング法を用いて、格子を 、格子層３０に形成する。格子層３０は、格子層３０を貫通させてエツチングし 、０％の閉込め係数を得るのに必要な活性層の厚さを、おおよそ示している。水 平の線は、５０ｃｍ−１の格子結合を得るのに必要なスペーサー層の厚さを、お およそ示している。本明細書でモデルとした構造に関しては、閉込め係数は、主 として、活性層厚の関数である。格子結合は、主として、スペーサー層厚の関数 である。又これらのパラメーターは、スペーサー層と格子層の組成物、及び格子 層の構造にも左右される。垂線の右側にある陰影部分と水平線の左側にある陰影 部分は、望ましいビームの広がりを提供するスペーサー層と活性層の厚さを提供 する。

グラフでは、閉込め係数は約１０％である。閉込め係数が小さくなると、垂線は 左に動き、閉込め係数が大きくなると、垂線は右に動く。グラフでは、前述した 構造において、約０．１５μｍのスペーサー層厚で達成される５０／ｃｍの格子 結合を選択した。格子結合が小さくなると、水平線は上に動き、大きくなると下 に動くと考えられる。故に、ダイオードレーザ−１０に望まれる特性を考慮して 、活性層とスペーサー層の厚さを、望ましいビームの広がりが得られるように決 定することができる。

本発明によって、比較的高出力、申し分のない空間安定性とスペクトル安定性、 及び小さいビーム広がりを有する分配フィードバック・チャンネル支持体・平面 ダイオードレーザ−を提供する。

発明の特有な態様は、発明の一般原理に関する単なる例である、ことを評価し理 解するべきである。上述した原理に従って様々な改良を行うことができる。例え ば、先に述べたように、層の厚さとビームの広がりが厳密に関係している限りに おいては、スペーサー層、活性層、及び格子層の厚さを変化させて、望ましく小 さいビームの広がりを達成することができる。更に、前記の層が担体と光の閉込 めを提供するための必要な禁止帯幅の違いを有する限りにおいては、前記様々な 層の組成物は、異なる組成物であることができる。

〜ｃｏ！〜　ｃｏｃｏ　ｗ　Ｃ）〜 で 区 要約書 その端面と端面との間にある１つの表面にチャンネルを有する、ｎ−型導電性砒 化ガリウムから成る支持体を含む分配フィードバック半導体ダイオードレーザ− ０ｎ−型砒化ガリウムアルミニウムから成る第一クラッド層は、支持体の表面上 にある。第一クラッド層は、チャンネルを塞いでいて且つ平らな表面を有する。

未ドープの砒化アルミニウムガリウムから成る薄い活性層は、第一クラッド層上 にあり、ｐ−型導電性砒化アルミニウムガリウムから成るスペーサー層は、活性 層上にある。ｐ−型導電性砒化アルミニウムガリウムから成る格子層は、スペー サー層上にあって、その中に、支持体にあるチャンネルを横断して延びている二 次格子を有する。ｐ−型導電性砒化アルミニウムガリウムから成る第二クラッド 層は、格子層上にあって、ｎ−型導電性砒化ガリウムから成るキャップ層は、第 二クラッド層上にある。ｐ−型導電性接触領域は、キャップ層を貫通して、第二 クラッド層へ広がっていて、支持体にあるチャンネルの上方にある。導電性接触 は、接触頭載と支持体の第二表面とに存在する。活性層、スペーサー層、及び格 子層の組成物と厚さは、約２７°の比較的小さい広がり角を有するダイオードレ ーザ−の出力ビームが得られるように選択する。

国際調査報告　ＰＣＴ／ＵＳ　９２１００７４３ＰＣＴ／ｕｓ　９２１００７４ ３

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. １．第一及び第二対向表面と、第一表面に沿って延びているチャンネルとを有し 、一導電性タイプの半導体材料から成る支持体；支持体の第一表面上にあって、 該チャンネルを塞ぎ且つ平らな平面を有する、一導電性タイプの半導体材料から 成る第一クラッド層；第一クラッド層上にあって、半導体材料から成る薄い活性 層；活性層上にあって、逆導電性タイプの半導体材料から成るスペーサー層；ス ペーサー層の上にあって、その中に、支持体中にあるチャンネルを少なくとも横 断して延びている格子を有する、逆導電性タイプの半導体材料から成る格子層； 及び、 格子層上にあって、逆導電性タイプの半導体材料から成る第二クラッド層；を特 徴とし、且つ活性層、スペーサー層、及び格子層の厚さと組成物が、ダイオード レーザーによって放射される光の広がり角が約２５°〜２９°になるような厚さ と組成物である、ことを特徴とする半導体ダイオードレーザー。
2. ２．第一導電性タイプがｎ−型であり、逆導電性タイプがｐ−型であり、活性層 がドープされている請求項１記載の半導体ダイオードレーザー。
3. ３．第二クラッド層の上にあって、一導電性タイプの半導体材料から成るキャッ プ層と、支持体中のチヤンネルの上にあって、キャップ層を貫通して第二クラッ ド層の中に広がっている逆導電性タイプの接触領域とを更に特徴とする請求項２ 記載の半導体ダイオードレーザー。
4. ４．活性層の厚さが、０．０５〜０．０６μｍであり、スペーサー層の厚さが、 約０．１５〜０．２μｍである請求項３記載の半導体ダイオードレーザー。
5. ５．クラッド層、活性層、スペーサー層、及び格子層が、砒化ガリウムアルミニ ウムから成っていて、クラッド層とスペーサー層がアルミニウムを同じ含有率で 有し、活性層がクラッド層に比べてアルミニウムを低い含有率で有する請求項４ 記載の半導体ダイオードレーザー。
6. ６．クラッド層が、活性層に比べて高いアルミニウム含有率を有するが、クラッ ド層に比べて低いアルミニウム含有率を有する請求項５記載の半導体ダイオード レーザー。
7. ７．格子が、格子層を完全に横断して延びている請求項６記載の半導体ダイオー ドレーザー。
8. ８．格子が、格子層を貫通して延びている間隔溝によって形成されていて、格子 層の間隔パーを形成している請求項７記載の半導体ダイオードレーザー。
9. ９．第二クラッド層が、格子層にある溝からスペーサー層まで広がっていて、格 子の溝が、第二クラッド層とスペーサー層によって完全に取り囲まれている請求 項８記載の半導体ダイオードレーザー。
10. １０．格子が、約２４００Åの周期と約０．０５μｍの厚さを有する二次格子で ある請求項９記載の半導体ダイオードレーザー。
11. １１．更に、キャップ層上にあって、接触領域とオーム接触状態にある導電性接 触と、支持体の第二表面とオーム接触状態にある導電性接触とを含む請求項１０ 記載の半導体ダイオードレーザー。
12. １２．第一及び第二対向主表面、一対の端面、及び一対の側面を有し、端面と端 面との間に広がっている第一主表面にチャンネルを有する、ｎ−型導電性砒化ガ リウムから成る支持体； 支持体の該第一表面上にあって、チャンネルを塞ぎ且つ平らな表面を有し、ｎ一 型導電性砒化アルミニウムガリウムから成る第一クラッド層；該第一クラッド層 上にあって、第一クラッド層に比べてより低いアルミニウム含有率を有する未ド ープの砒化アルミニウムガリウムから成る薄い活性層；活性層上にあって、第一 クラッド層と同じアルミニウム含有率を有するｐ−型導電性砒化アルミニウムガ リウムから成るスペーサー層；スペーサー層上にあって、活性層に比べて高いが 、第一クラッド層に比べて低いアルミニウム含有率を有するｐ−型導電性砒化ア ルミニウムガリウムから成り、その中に、支持体中にあるチャンネルを横断して 延びている二次格子を有する格子層：及び、 格子層上にあって、第一クラッド層と同じアルミニウム含有率を有するｐ−型導 電性砒化ガリウムアルミニウムから成る第二クラッド層；を特徴とし、且つ活性 層、スペーサー層、及び格子層の厚さが、ダイオードレーザーによって放射され る光の広がり角が約２５°〜２９°になるような厚さである、ことを特徴とする 半導体ダイオードレーザー。
13. １３．第二クラッド層の上にあって、ロー型導電性砒化ガリウムから成るキャッ プ層と、キャップ層を貫通して第二クラッド層〜広がっているｐ−型導電性の接 触領域とを更に特徴とする請求項１２記載の半導体ダイオードレーザー。
14. １４．活性層の厚さが、０．０５〜０．０６μｍであり、スペーサー層の厚さが 、約０．１５〜０．２μｍである請求項１３記載の半導体ダイオードレーザー。
15. １５．格子が、格子層を完全に横断して延びている請求項１４記載の半導体ダイ オードレーザー。
16. １６．格子が、格子層を貫通して延びている間隔溝によって形成されていて、格 子層の間隔バーを形成している請求項１５記載の半導体ダイオードレーザー。
17. １７．第二クラッド層が、格子層にある溝からスペーサー層まで広がっていて、 格子の溝が、第二クラッド層とスペーサー層の半導体材料によって、完全に取り 囲まれている請求項１５記載の半導体ダイオードレーザー。
18. １８．格子層が、約２４００λの周期と約０．０５μｍの厚さを有する請求項１ ６記載の半導体ダイオードレーザー。
19. １９．更に、キャップ層上にあって、接触領域とオーム接触状態にある導電性接 触、及び支持体の第二表面とオーム接触状態にある導電性接触を含む請求項１７ 記載の半導体ダイオードレーザー。