JPH0636456B2 - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

半導体レ−ザ素子

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JPH0636456B2
JPH0636456B2 JP59101354A JP10135484A JPH0636456B2 JP H0636456 B2 JPH0636456 B2 JP H0636456B2 JP 59101354 A JP59101354 A JP 59101354A JP 10135484 A JP10135484 A JP 10135484A JP H0636456 B2 JPH0636456 B2 JP H0636456B2
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    • H01S5/2237Buried stripe structure with a non-planar active layer

Description

【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明は発振横モードが制御され、しかも非点収差のな
い半導体レーザ素子に関するものである。
〈従来技術〉 従来の半導体レーザ素子を光導波機構から分類すると、
利得導波形と屈折率導波形に区分される。前者の利得導
波形は横モードが不安定であり、接合に平行な方向と垂
直な方向とで光ビーム幅が最小となるビームウエストの
位置から30μm以上異って、非点収差が大きくなるた
め、応用上種々の不都合がある。
後者の屈折率導波形は横モードが安定で、非点収差も小
さいという利点がある。この屈折率導波形半導体レーザ
の代表的な例として、埋め込みレーザ及びVSIS(V
−channelled Substrate Inner Stripe) レーザ
がある。
埋め込みレーザは、活性層を低屈折率物質で埋め込んで
いるため、完全な屈折率導波を示し、しきい値電流Ith
が小さく、基本横モードで発振し、非点収差もないとい
う利点を有する。その反面、比較的低い光出力で高次横
モードが発生し、端面が破壊しやすいという欠点を有し
ているので高出力レーザには不向きである。
第7図に示されるGaAs−GaAlAs系VSISレーザ
は、V−チャネル9の内側と外側での活性層4の実効屈
折率差ΔNと損失差Δαによって、光が導波される。従
って、埋め込みレーザに比べてしきい値電流Ithは高く
なるが、実効屈折率差ΔNを十分大きくしても、チャネ
ル外側で高次モードの光を電流阻止層2で吸収してしま
うので、高出力まで基本横モードを維持できるという利
点がある。しかしながら、実効屈折率差ΔNを大きくす
ると、損失差Δαも同時に大きくなる。
例えば従来のVSISレーザのΔαは1000〜200
0cm−1である。V−チャネル外の損失が大きいと、そ
こでの光の位相が遅れ、ビームウエストは端面より奥へ
入り込み易くなる。この理由により、従来のVSISレ
ーザは接合に平行方向のビームウエストが端面から5〜
15μm奥に入り込でしまうという欠点を有していた。
〈発明の目的〉 本発明は、高出力まで安定な基本横モードで発振し、ビ
ームウエストが端面に一致した、即ち非点収差のない半
導体レーザを提供することを目的とする。
〈発明の構成及び作用〉 本発明の半導体レーザ素子について、第1図を参照しな
がら説明する。
p−GaAs基板11上に n−GaAs電流阻止層12を堆
積して、 p−GaAs基板11に対する電流遮断機能を付
与した後、電流阻止層12表面より幅 w、深さDの広
幅溝19をエッチングにより形成する。次に、溝19の
中央部に最大幅 wのV字形溝20をエッチングにより
形成する。このようにして、形成された二段式チャネル
21を有する基板11上に、 p−GaAlAsクラッド層
13、 p−GaAlAs活性層14、 n−GaAlAsクラ
ッド層15、 n−GaAsキャップ層16からなるダブル
ヘテロ構造を積層する。
ここで、V字形溝20の内側と外側との複素屈折率差 の実数部 と虚数部 が活性層厚d2と溝19内の p−クラッド層厚 によって、いかに変るかを計算した結果を第2図に示
す。また、 は次式で表わされる。
但し、ΔNは実効屈折率差,ΔαはV−チャネルの外側
における損失差,k は波数(2π/λ)である。第2図
には、波長λlが780nmで,p−GaAlAsクラ
ツド層13およびn−GaAlAsクラッド層15の屈
折率1.3がいずれも3.37であり、かつ、p−Ga
AlAs活性層14の屈折率が3.56である場合
について示した。この図より、 が厚くなる程、減少することがわかる。
上に述べた作り込みの実効屈折率差ΔN及び損失差Δα
の他に、活性層14への注入キャリアによる屈折率変化
を考慮する必要がある。光出力を増加させると、空間的
ホールバーニング等によりキャリア分布に変動が起り、
屈折率分布も変化し、横モードを乱す原因となる。その
変動は3×10−3程度である。
従って、横モードを安定化させるには、作り込みの実効
屈折率差ΔNを十分大きくして、キャリア分布の変動に
影響を受けないようにする必要がある。従来のVSIS
レーザでは活性層厚 d2=0.1μm、クラッド層厚 であるので、ΔN=1.5×10−2と十分大きい反
面、V−チャネル外側の吸収がΔα=2000cm−1
大き過ぎる。
このΔαが大き過ぎると、そこで光の位相が遅れ、ビー
ムウエストは端面より奥へ入り込み易くなる。その上、
微分量子効率も15%以下に低くなる。
以上述べた理由により、ΔNはできるだけ大きく、Δα
はできるだけ小さくするような活性層厚d2とp−クラッ
ド層厚 が存在するはずである。そこで、 の比をパラメータRと定義し、d2及び にどう依存するかを計算により調べた。
第3図はRパラメータのd2依存性、第4図はRパラメー
タの 依存性を夫々示している。これらの図からRパラメータ
はd2に大きく依存し、 にはほとんど依存しないことがわかった。
そこで、本発明者等は、種々の活性層厚d2を有するサン
プルについて、ビームウエストの端面からの距離が3μ
m以内にあるものおよび3μmより奥にあるものについ
て、 を算出したところ、第5図に示すような結果を得た。
第5図において、○印はビームウエストが端面から3μ
m以内にある場合を示し、×印はビームウエストが端面
から3μmよりも奥にある場合を示す。
上記第5図から明らかなように、ビームウエストが端面
から3μm以内にあるようにするには、 R≧1.5であればよいことが分かる。
上記条件を満足するようにすれば、高出力まで横モード
が安定で非点収差のない半導体レーザが実現できること
がわかった。従って、活性層厚d2はIthが増加しない範
囲で薄い方が良く、p−クラッド層厚 は上の条件を満足するまで厚くした方が良い。
本発明の半導体レーザのもう1つの利点は、従来のVS
ISレーザが一段の屈折率/損失分布により横モードを
決定しているのに対し、二段の屈折率/損失分布により
横モードを固定しているので、高出力動作においても、
ピークシフトが見られないことである。
本発明のレーザは p−クラッド層厚 の層厚制御の点からも優れている。なぜなら、広幅溝1
9の深さDはエッチングによって形成するので基板全面
で均一となり、また、液相エピタキシャル法による広幅
溝19の外側の p−クラッド層 は0.15μm程度までは内面で均一な層厚が得られる
からである。従って、 は面内でほとんど均一となる。もし、0.3μmの厚さ
を液相エピタキシャル法だけで形成しようとすると、層
厚は傾き易く、0.2〜0.45μmと不均一になり易
い。このレーザをBSISレーザ(Broad - channelled
Substrate Inner Stripe laser) と命名し
た。
〈実施例〉 GaAs−GaAlAs系の化合物半導体を用いて、本発明
の半導体レーザ素子の実施例について説明する。
第1図に示すように、 p型GaAs 基板11の(100)面
上にn 型GaAs の電流阻止層12を0.8μmの厚さ
に、液相エピタキシャル成長させ、その表面よりホトリ
ソグラフィ技術とケミカル・エッチングによって、幅w1
=6.5μm、深さD=0.2μmの溝19を形成し
た。次に、溝19の中心部に幅w2=3.5μmのV字形
溝20をp−GaAs基板11に到達するようにエッチン
グした。このようにして形成された二段式チャネルを有
する基板上に p−Ga0.5Al0.5Asクラッド層13、p
−Ga0.85Al0.15As活性層14、n−Ga0.5Al0.5
sクラッド層15、n−GaAsキャップ層16からなるダ
ブルヘテロ構造を液相エピタキシャル成長させた。層厚
は、 d2=0.06μmになるようにした。この時、計算によ
り求められるRパラメータ、ΔN及びΔαはそれぞれ、
2,8×10−3及び650cm−1である。
次に、基板裏面をラッピングすることにより半導体レー
ザ素子の厚さを約100μmとした後、n−GaAsキャ
ップ層16表面には n側電極として、Au−Ge−Ni
を、また、半導体レーザ素子11裏面には p側電極とし
てAu−Znを蒸着し、450℃に加熱して合金化した。
その後、共振器長が250μmになるように劈開した。
このように、本発明のBSISレーザの製作方法は容易
である。本実施例のBSISレーザはしきい値電流Ith
=45mA、発振波長λ=780nmで発振し、ほとん
どの素子が発光出力40mWまで安定な基本横モードで
動作し、近視野像,遠視野像ともにピークシフトは見ら
れなかった。更に、ビームウエストは接合に平行方向と
垂直方向ともに、40mWまで端面に一致していた。微
分量子効率は片面で25%であった。
第6図は第1図で示す実施例の溝形成をRIE(リアク
ティブ・イオン・エッチング)により行った場合の断面
図である。ケミカル・エッチングによって形成した溝と
比較して、溝側面がテーパーをもたないところに特徴が
ある。このRIEを利用して製作したBSISレーザも
前実施例とほとんど同じ特性を示した。
〈発明の効果〉 以上述べたように、本発明の半導体レーザ(BSISレ
ーザ)は、二段式チャネルによる二段の屈折率/損失分
布、及び活性層厚、p −クラッド層厚の制御によるRパ
ラメータ、ΔN,Δαの最適化により、高出力まで安定
横モード,無非点収差が実現できる。
なお、本発明の半導体レーザ素子は、上述したGaAs−
GaAlAs系に限定されず、InP−InGaAsP系やそ
の他のヘテロ接合レーザ素子に適用することができる。
また、成長方法は液相エピタキシャル(LPE)法に限定
されず、MO−CVD法,VPE法,MBE法等も適用
することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のBSISレーザの断面図, 第2図は複素屈折率差 と実数部 と虚数部 の p−クラッド層厚 依存性を示すグラフ, 第3図はRパラメータの活性層厚d2依存性を示すグラ
フ, 第4図はRパラメータのp−クラッド層厚 依存性を示すグラフ, 第5図は Rパラメータの最適範囲の説明図, 第6図は本発明の他の実施例の断面図, 第7図は従来のVSISレーザの断面図である。 11,21……p−GaAs基板, 12,22……n−GaAs電流阻止層, 13,23……p−GaAlAsクラッド層, 14,24……p−GaAlAs活性層, 15,25……n−GaAlAsクラッド層, 16,26……n−GaAsキャップ層, 17,27……n側電極, 18,28……p側電極, 19,29……幅w1,深さDをもつ溝, 20,30……幅w2をもつ溝。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 盛規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ヤープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−63885(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に、広狭2段の溝幅を有するチャネ
    ルが形成され、少なくとも上記チャネル部にダブルヘテ
    ロ接合構造が形成され、該ダブルヘテロ接合部の狭幅の
    溝部の内側と外側との複素屈折率差 の実数部 が4×10−3以上、虚数部 が4×10−3以下で、その比 が1.5以上であることを特徴とする半導体レーザ素
    子。
JP59101354A 1984-04-17 1984-05-18 半導体レ−ザ素子 Expired - Fee Related JPH0636456B2 (ja)

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