JPH0730186A

JPH0730186A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH0730186A
Application number: JP16914093A
Authority: JP
Inventors: Haruki Kurihara; 春樹栗原; Motoyuki Yamamoto; 基幸山本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-07-08
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、電流阻止層と光吸収層とをストライ
プ外に設定してなる内部ストライプ構造の半導体レーザ
素子において、電源の極性に対する制約の回避とモード
・ホッピング雑音の抑制とを両立できるようにすること
を最も主要な特徴とする。【構成】たとえば、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１８
の上面を除く、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１７の上
に、屈折率がｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１６，１
７，１８よりも大きく、バンドギャップがＩｎＧａＰ活
性層１５よりも大きくて、しかも光の波長よりも厚さの
薄いｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１９を形成すること
で、光誘起電流の発生を阻止し得る内部ストライプ構造
と、モード・ホッピング雑音の小さい複素屈折率型光導
波路とを備えた構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば内部ストラ
イプ構造の半導体レーザ装置に関し、特にバーコード読
取装置、ポインタ、光ディスク装置のピックアップある
いは光応用計測装置などの光源として使用されるもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザ素子としては、いわ
ゆる内部ストライプ構造を有するものが知られている。
図２は、内部ストライプ構造の一具体例として、たとえ
ば特開昭５７−１５９０８４号公報にて開示された、ス
トライプ状に形成された溝によって電流を狭窄する機構
が素子の内部に組み込まれた、ＶＳＩＳ構造の近赤外半
導体レーザ素子を示すものである。

【０００３】この近赤外半導体レーザ素子は、たとえば
ｐ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＧａＡｓからなる電流
阻止兼光吸収層１０２を形成した後、ストライプ状の開
口部であるストライプ溝１０３を形成し、この上にｐ−
Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓからなる第１クラッド層１０４、
ｎ−Ｇａ_0.95Ａｌ_0.05Ａｓからなる活性層１０５、ｎ−
Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓからなる第２クラッド層１０６、
およびｎ−ＧａＡｓからなるキャップ層１０７を順に積
層したものである。

【０００４】そして、上記ｎ−ＧａＡｓキャップ層１０
７の上面にはｎ側電極１０８が、また上記ｐ−ＧａＡｓ
基板１０１の下面にはｐ側電極１０９がそれぞれ形成さ
れた構成とされている。

【０００５】このような構造の近赤外半導体レーザ素子
においては、ｐ側電極１０９より注入された電子が、ｐ
−ＧａＡｓ基板１０１からｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸
収層１０２に開けられた幅ｗのストライプ溝１０３を経
て、ｐ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１０４、
ｎ−Ｇａ_0.95Ａｌ_0.05Ａｓ活性層１０５、ｎ−Ｇａ_0.7
Ａｌ_0.3 Ａｓ第２クラッド層１０６、ｎ−ＧａＡｓキャ
ップ層１０７、およびｎ側電極１０８の順で流れる。

【０００６】この場合、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収
層１０２とｐ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１
０４との間に形成されるｎｐ接合は逆バイアスされ、ｐ
−ＧａＡｓ基板１０１とｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収
層１０２との間に形成されるｐｎ接合、およびｐ−Ｇａ
_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１０４とｎ−Ｇａ_0.95
Ａｌ_0.05Ａｓ活性層１０５との間に形成されるｐｎ接合
は順バイアスされる。

【０００７】すなわち、ｎ側電極１０８とｐ側電極１０
９とを介して通電すると、ストライプ溝１０３の形成さ
れた領域のみが電流通路となる。したがって、この電流
通路に対応する上記ｎ−Ｇａ_0.95Ａｌ_0.05Ａｓ活性層１
０５の近傍においてのみ、レーザ発振が開始される。

【０００８】図３は、上記ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸
収層１０２を横切る位置でのエネルギーバンドを示すも
のである。たとえば、通電時における、ｐ−ＧａＡｓ基
板１０１、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層１０２、お
よびｐ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１０４の
各電位は、同図（ａ）に示すようになる。

【０００９】なお、図に示すΔＥｃは、異種接合（ＨＥ
ＴＥＲＯＪＵＮＣＴＩＯＮ）における伝導帯の不連続
量、ΔＥｖは、同じく価電子帯の不連続量である。この
電位の関係を考慮すると、ｐ−ＧａＡｓ基板１０１、ｎ
−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層１０２、およびｐ−Ｇａ
_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１０４のそれぞれは、
通常にバイアスされたトランジスタのエミッタ（Ｅ）、
ベース（Ｂ）、コレクタ（Ｃ）とみなすことができる。

【００１０】したがって、ベースに相当するｎ−ＧａＡ
ｓ電流阻止兼光吸収層１０２に多数キャリア（電子）が
注入されないかぎり、このｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸
収層１０２を横切って流れる電流は、実用上、無視でき
るほど小さいことが理解できる。

【００１１】すなわち、順バイアスによってエミッタか
らベースに注入される小数キャリア（正孔）の一部はコ
レクタまで到達してドリフト電流となるが、残りはベー
スにて多数キャリア（電子）と再結合する。

【００１２】これにより、ベースは、同図（ｂ）に示す
ように正に帯電され、この帯電によって生じる電位によ
り、エミッタからベースへの小数キャリア（正孔）の注
入が阻止される。

【００１３】この結果、ベースに多数キャリア（電子）
を注入して帯電を消去しないかぎり、これ以上の電流は
流れなくなる。ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層１０２
がこのように機能するとき、電流によって励起されるの
は、前記ストライプ溝１０３の直上のｎ−Ｇａ_0.95Ａｌ
_0.05Ａｓ活性層１０５だけである。

【００１４】しかして、この部分に発生した光ｈνは、
ｎ−Ｇａ_0.95Ａｌ_0.05Ａｓ活性層１０５と二つのクラッ
ド層、つまりｐ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層
１０４およびｎ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第２クラッド層
１０６で形成される、スラブ状（層状）光導波路により
導波される。

【００１５】その際、ｐ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１ク
ラッド層１０４の厚さが相対的に薄い、前記ストライプ
溝１０３の脇では、図２に矢印で示したように、導波光
の一部が漏れてｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層１０２
に吸収される。

【００１６】この光吸収の作用により、導波光は、前記
ストライプ溝１０３の直上の導波路に閉じ込められ、そ
のモード姿態が安定されると理解されている。ところ
で、前記の光吸収にともない、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼
光吸収層１０２中では電子−正孔対が発生する。

【００１７】たとえば、図３（ｂ）に白丸で示した正孔
は、電位勾配によってｐ−Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3 Ａｓ第１ク
ラッド層（コレクタ）１０４へ排出される。その結果、
ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層（ベース）１０２に
は、黒丸で示した電子だけが残される。これは、ベース
への電子の注入とみなすことができる。

【００１８】この電子の注入を電流値（光誘起電流）Ｉ
_OPT で表わすとすると、これが前記の帯電の原因である
再結合を電流値に直したＩ_REC よりも大きい場合には帯
電が消去されるから、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層
１０２はその機能を失うことになる。

【００１９】したがって、Ｉ_OPT ＜Ｉ_REC の関係は、内
部ストライプ構造が機能するのに必要な条件であるとい
える。この条件は、小数キャリア（正孔）の拡散長Ｌ_p
がｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層１０２の厚さｄ_CBよ
りも小さい、つまりＬ_p ＜ｄ_CBのときに満たされる。

【００２０】図４は、小数キャリアの拡散長と多数キャ
リアの濃度との関係を示すものである。この図によれ
ば、容易に実現できる電子濃度範囲ｎ＝２〜３×１０¹⁸
ｃｍ^-3においては、小数キャリア（正孔）の拡散長Ｌ_p
の値が１μｍ以下になるから、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼
光吸収層１０２の厚さｄ_CBを約１μｍとすることができ
る。

【００２１】これは、結晶成長などの製造技術力と半導
体レーザ素子の光学的素子としての寸法限定を考慮する
とき、満足すべきものである。これらの条件により、Ｖ
ＳＩＳ構造の半導体レーザ素子における主要部の寸法
は、たとえばｎ−Ｇａ_0.95Ａｌ_0.05Ａｓ活性層１０５の
厚さが０．０３〜０．１μｍ、ストライプ溝１０３の直
上のｐ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１０４の
厚さが１〜２μｍ、ストライプ溝１０３以外でのｐ−Ｇ
ａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第１クラッド層１０４の厚さが０．
１〜０．４μｍ、ｎ−Ｇａ_0.7 Ａｌ_0.3 Ａｓ第２クラッ
ド層１０６の厚さが１〜２μｍ、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止
兼光吸収層１０２の厚さｄ_CBが０．８〜１．５μｍ、ス
トライプ溝１０３の幅ｗが３．５〜４．５μｍとなる。

【００２２】しかし、電流阻止兼光吸収層をｐ型とする
とき、次のような問題が生じる。すなわち、図４に示す
ように、この場合の小数キャリアである電子の拡散長Ｌ
_n は、電流阻止兼光吸収層をｎ型としたときの小数キャ
リアである正孔の拡散長Ｌ_p の数倍ある。このため、前
述の理由により素子の制作が困難となっている。

【００２３】この従来例の要点は、電流阻止兼光吸収層
をｎ導電型としたことと、電流阻止兼光吸収層の厚さを
小数キャリアの拡散長と対応づけたことにある。用いら
れている材料が、ＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓに限定
されているが、それはこの提案がなされた時点での技術
水準によるものであり、この二つの要点は材料となる結
晶を選ばずに半導体レーザ素子に一般に適用できる。

【００２４】事実、その後に開発されて量産されている
（Ｇａ_x Ａｌ_1-x ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ（０≦ｘ≦１）を用
いる赤色の可視半導体レーザ素子においても、この二つ
の要点を含む内部ストライプ構造が用いられている。

【００２５】図５は、上記した二つの要素を含む内部ス
トライプ構造の、赤色可視半導体レーザ素子の概略構成
を示すものである。これは、たとえば特開昭６２−２０
０７８５号あるいは特開昭６２−２００７８６号公報に
て開示された、いわゆるＳＢＲ構造で、ｎ−ＧａＡｓ基
板１１１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１１２、ｎ−Ｉｎ
ＧａＰバッファ層１１３、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層１１４、ＩｎＧａＰ活性層１１５、およびｐ−ＩｎＧ
ａＡｌＰクラッド層１１６，１１７，１１８からなるダ
ブルヘテロ接合構造部が形成されている。

【００２６】上記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１７
は、低Ａｌ組成であり、エッチング・ストップ層として
作用し、上記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１８は、
ストライプ状に加工されてストライプ状リブを構成して
いる。

【００２７】このｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１８
の上には、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰコンタクト層１１９およ
びｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２０が形成され、これら
ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１８、ｐ−ＩｎＧａＡ
ｌＰコンタクト層１１９、およびｐ−ＧａＡｓコンタク
ト層１２０の側面には、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収
層１２１が形成されている。

【００２８】また、上記ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２
０、およびｎ−ＧａＡｓ電流阻止兼光吸収層１２１の上
部には、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１２２が形成されてい
る。そして、このｐ−ＧａＡｓキャップ層１２２の上面
にはｐ側電極１２３が、また上記ｎ−ＧａＡｓ基板１１
１の下面にはｎ側電極１２４がそれぞれ形成された構成
とされている。

【００２９】この場合の主要部の寸法は、たとえばｎ−
ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１４の厚さが１〜２μｍ、
ＩｎＧａＰ活性層１１５の厚さが０．０３〜０．０６μ
ｍ、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１６，１１７，１
１８からなるリッジ部分の厚さが１〜２μｍ、ｐ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰクラッド層１１６，１１７からなるリッジ以
外の部分の厚さが０．１〜０．４μｍ、ｎ−ＧａＡｓ電
流阻止兼光吸収層１２１の厚さが０．８〜１．５μｍ、
およびｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１８のリブ（リ
ッジの底の部分）の幅が４〜６μｍとなっている。

【００３０】このような構造の赤色可視半導体レーザ素
子においては、ｐ側電極１２３より注入された電子が、
ｐ−ＧａＡｓキャップ層１２２を介し、ｎ−ＧａＡｓ電
流阻止兼光吸収層１２１のストライプ状の開口部より、
ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２０、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ
コンタクト層１１９、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１
１８，１１７，１１６、ＩｎＧａＰ活性層１１５、ｎ−
ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１１４、ｎ−ＩｎＧａＰバッ
ファ層１１３、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１２、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１１１を順に経て、ｎ側電極１２４に流れ
る。

【００３１】この場合、先の従来例とは結晶材料が異な
り、また上下が入れ替わった形態をしている点で異なる
が、ストライプ状の領域のみに電流と光とを限定する構
成は同様である。

【００３２】このような内部ストライプ構造（より厳密
には屈折率導波型に分類される内部ストライプ構造）を
有する半導体レーザ素子においては、電流阻止と光吸収
の二つの作用を一つの層に行わせることができるため、
光の横モード姿態の安定化を比較的容易に実現できる。

【００３３】また、比較的に大出力に適した構造でもあ
り、量産されている近赤外半導体レーザ素子および可視
半導体レーザ素子の多くに、この構造が用いられてい
る。しかしながら、先に述べた二つの従来例において
は、光励起により発生する電流（光誘起電流）Ｉ_OPT を
制御する必要から、事実上、電流阻止兼光吸収層の導電
型がｎ導電型に限定される。このことは、半導体レーザ
素子を駆動する電源の極性に制約を加えることになる。

【００３４】すなわち、半導体レーザ素子は、通常、活
性層で発生する熱を効率良く取り去るために基板の反対
側がヒートシンクに接着される。一般に、ヒートシンク
は素子外囲器と同電位で、かつ共通端子に接続されるの
が普通である。このため、最初に示した近赤外半導体レ
ーザ素子では正電源が専ら用いられ、次に示した赤色可
視半導体レーザ素子では負電源が専ら用いられることに
なる。このような電源の極性への制約は、実用上、不具
合となる場合がある。

【００３５】このような不具合に対し、たとえば特開平
３−６２５８４号公報により、電源の極性への制約を解
決できる半導体レーザ素子が提案されている。図６は、
電源の極性への制約を解決できる半導体レーザ素子の概
略構成を示すものである。

【００３６】これは、たとえばｐ−ＧａＡｓ基板１３１
上にｐ−ＧａＡｓバッファ層１３２、ｐ−ＩｎＧａＰバ
ッファ（通電容易）層１３３、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラ
ッド層１３４、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３５、ｎ−Ｉｎ
ＧａＡｌＰクラッド層１３６，１３７，１３８が順に形
成されている。

【００３７】上記ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３８
は、ストライプ状に加工されてストライプ状リブを構成
している。また、上記ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１
３７の上部、およびｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３
８の側面には、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１３９が
形成されている。

【００３８】さらに、上記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止
層１３９の上部、およびこのｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻
止層１３９のストライプ状の開口部より露出する上記ｎ
−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３８の上部には、ｎ−Ｇ
ａＡｓキャップ層１４０が形成されている。

【００３９】そして、このｎ−ＧａＡｓキャップ層１４
０の上面にはｐ側電極１４１が、また上記ｐ−ＧａＡｓ
基板１３１の下面にはｎ側電極１４２がそれぞれ形成さ
れた構成とされている。

【００４０】すなわち、この半導体レーザ素子は、前記
のＳＢＲ構造におけるｎ−ＧａＡｓ電流素子兼光吸収層
１２１に変えて透明なｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１
３９を用いることで、光誘起電流Ｉ_OPT の発生の原因を
取り除くようにしたものであり、これによって電流阻止
層の導電型がｎ導電型に限定されないようにしたもので
ある。

【００４１】この構造の場合、バンドギャップの大きさ
を、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３５＜ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ
クラッド層１３４，ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３
６，１３７，１３８＜ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１
３９と設定することにより、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３
５から漏れてくる光に対してはｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流
阻止層１３９が透明であるため、光誘起電流Ｉ_OPT が発
生されることがない。

【００４２】しかし、透明なｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻
止層１３９を用いた代償として、リッジ直下に光を閉じ
込めるための導波路の形成には、先に述べた従来例にお
いて用いた光吸収による効果を利用することができな
い。

【００４３】そこで、この従来例では、屈折率の大きさ
を、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３６，１３７，１
３８＜ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１３９と設定する
ことで、ＩｎＧａＡｌＰ活性層１３５と二種のクラッド
層、つまりｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３４および
ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１３６，１３７，１３８
で構成される、スラブ状導波路におけるＩｎＧａＡｌＰ
活性層１３５での実効屈折率をリッジ直下＞リッジ外と
し、このリッジ直下に光を閉じ込めるようにしている。

【００４４】このように、本従来例におけるストライプ
状光導波路は等価屈折率の実数部分の差により形成され
るものであるため、実屈折率型光導波路に分類される。
なお、先に述べた従来例の場合は、ストライプ状光導波
路がいずれも光吸収損失（損失は実効屈折率の虚数部で
表わされる）の差により形成されるものであるため、複
素屈折率型光導波路に分類される。

【００４５】実屈折率型光導波路をもつ半導体レーザ素
子には、複素屈折率型光導波路をもつ半導体レーザ素子
と比べた場合、しきい値電流が低く、駆動電流の増加量
に対する光出力の増加量の比で定義されるスロープ効率
が高い、また、非点隔差が小さい（実屈折率型光導波路
をもつ半導体レーザ素子の非点隔差は一般に５μｍ以下
であり、複素屈折率型光導波路をもつ半導体レーザ素子
の非点隔差は１０μｍ前後である）、さらには光出力が
１本の縦モードに集中するので、光の可干渉性が高いな
どの長所がある。

【００４６】一方、出射光の一部が素子に戻ってきた場
合、あるいは素子の温度が変化した場合、縦モードのホ
ッピングが生じやすいという欠点がある。縦モードのホ
ッピングは、出射光量の揺らぎをともなうため、光ディ
スク装置などの光量を信号量とする機器においては致命
的な雑音増加をもたらす。

【００４７】このように、この従来例構造の半導体レー
ザ素子によれば、電源の極性への制約を回避することは
できるが、雑音も大きくなり、電源の極性に対する制約
を回避することとモード・ホッピング雑音を抑制するこ
とは両立できないという欠点があった。

【００４８】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、電源の極性に対する制約を回避するように
した場合、モード・ホッピング雑音が大きくなるなどの
問題があった。そこで、この発明は、電源の極性に対す
る制約を回避でき、しかもモード・ホッピング雑音を十
分に小さくすることが可能な半導体レーザ装置を提供す
ることを目的としている。

【００４９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の半導体レーザ装置にあっては、第１導
電型の半導体結晶で形成される基板と、この基板の上
に、バンドギャップがＥｇ_c1で、屈折率がｎ_c1の第１導
電型の半導体結晶で形成される第１クラッド層と、この
第１クラッド層の上に、バンドギャップがＥｇ_a で、屈
折率がｎ_a であって、Ｅｇ_c1＞Ｅｇ_a かつｎ_c1＜ｎ_a の
第１または第２導電型の直接遷移型半導体結晶で形成さ
れる活性層と、この活性層の上に、ストライプ状の凸部
を有し、バンドギャップがＥｇ_c2で、屈折率がｎ_c2であ
って、Ｅｇ_c2＞Ｅｇ_a かつｎ_c2＜ｎ_a の第２導電型の半
導体結晶で形成される第２クラッド層と、この第２クラ
ッド層の前記凸部に対応して形成された、ストライプ状
の電流注入用開口部を有し、バンドギャップがＥｇ
_cbで、屈折率がｎ_cbの第１導電型の半導体結晶で形成さ
れる電流阻止層と、この電流阻止層の上、およびその電
流阻止層の前記電流注入用開口部に露出する前記第２ク
ラッド層の凸部の上に、バンドギャップがＥｇ_cpで、屈
折率がｎ_cpであって、Ｅｇ_cp＜Ｅｇ_a の第２導電型の半
導体結晶で形成されるキャップ層と、このキャップ層の
上に金属で形成される第１電極と、前記基板の下に金属
で形成される第２電極とを具備し、光導波および電流狭
窄を行うものにおいて、前記電流阻止層の光学的厚さを
前記導波光の波長以下とし、かつＥｇ_cb＞Ｅｇ_a とした
構成とされている。

【００５０】

【作用】この発明は、上記した手段により、リッジ直下
に光を閉じ込めるための導波路の形成に光吸収による効
果を利用できるようになるため、モード・ホッピング雑
音を抑制することが可能となり、かつ電源の極性に対す
る制約を回避できる構造を与えるものである。

【００５１】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図１は、本発明にかかる半導体レーザ
素子の概略構成を示すものである。すなわち、この半導
体レーザ素子は、たとえばｐ−ＧａＡｓ（ガリュウム・
ヒ素）基板１１上にｐ−ＧａＡｓバッファ層１２、通電
容易層としてのｐ−ＩｎＧａＰ（インジュウム・ガリュ
ウム・リン）バッファ層１３、第１クラッド層としての
ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ（インジュウム・ガリュウム・アル
ミニュウム・リン）クラッド層１４、ＩｎＧａＰ活性層
１５、およびｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層（第２クラ
ッド層）１６，１７，１８が順に形成されている。

【００５２】このｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１８
は、ストライプ状に加工されてストライプ状リブ（凸
部）を構成している。また、上記ｎ−ＩｎＧａＡｌＰク
ラッド層１７の上部、およびｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッ
ド層１８の側面には、このｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層１８の上面に対応してストライプ状の電流注入用開口
部が設けられたｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１９が形
成されている。

【００５３】さらに、上記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止
層１９の上部、およびこのｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止
層１９の電流注入用開口部より露出する上記ｎ−ＩｎＧ
ａＡｌＰクラッド層１８の上部には、ｎ−ＧａＡｓキャ
ップ層２０が形成されている。

【００５４】そして、このｎ−ＧａＡｓキャップ層２０
の上面にはｎ側電極（第１電極）２１が、また上記ｐ−
ＧａＡｓ基板１１の下面にはｐ側電極（第２電極）２２
がそれぞれ形成された構成とされている。

【００５５】ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１４は、た
とえばｐ導電型（第１導電型）の半導体結晶である（Ｇ
ａ_0.3 Ａｌ_0.7 ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ（バンドギャップをＥ
ｇ_c1、屈折率をｎ_c1とする）からなり、その厚さが約１
μｍとされている。

【００５６】ＩｎＧａＰ活性層１５は、たとえばｐ導電
型またはｎ導電型（第２導電型）の直接遷移型半導体結
晶であるＧａＩｎＰ（バンドギャップをＥｇ_a 、屈折率
をｎ_a とし、Ｅｇ_c1＞Ｅｇ_a かつｎ_c1＜ｎ_a とする）か
らなり、その厚さが約０．０５μｍとされている。

【００５７】ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１６，１
７，１８は、たとえばｎ導電型の半導体結晶である（Ｇ
ａ_0.3 Ａｌ_0.7 ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ（バンドギャップをＥ
ｇ_c2、屈折率をｎ_c2とし、Ｅｇ_c2＞Ｅｇ_a かつｎ_c2＜ｎ
_a とする）からなり、リブ（ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッ
ド層１８）の設けられたリッジ部分の厚さが約１．２μ
ｍ、リッジ以外の厚さが約０．２μｍとされている。

【００５８】また、リッジ部分の最大幅（底部）は約６
μｍとされている。ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１９
は、たとえばｐ導電型の半導体結晶であるＩｎ_0.5 （Ｇ
ａ_0.8 Ａｌ_0.2 ）_0.5 Ｐ（バンドギャップをＥｇ_cb、屈
折率をｎ_cbとし、Ｅｇ_cb＞Ｅｇ_a かつｎ_cb＞ｎ_c2とす
る）からなり、正孔濃度ｐが約５×１０¹⁸ｃｍ^-3で、そ
の厚さｄ_CBが約０．１μｍとされている。

【００５９】そして、前記ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止
層１９のストライプ状の電流注入用開口部の、その長軸
に直交する一対の反射面を有し、厚さが約１００μｍ、
幅が約３００μｍ、長さ（共振器長）が約３００μｍの
ほぼ直方体の外形を有して、半導体レーザ素子は構成さ
れる。

【００６０】このような構造の半導体レーザ素子におい
ては、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１９の屈折率ｎ_cb
が、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１６，１７，１８の
屈折率ｎ_c2よりも大きく設定されているため、実屈折率
型光導波路は形成されない。

【００６１】すなわち、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層
１９の厚さが十分に小さい、つまり厚さｄ_CBが約０．１
μｍとされているため、リッジ直下のＩｎＧａＰ活性層
１５から漏れ出した光の大部分が、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ
電流阻止層１９をこえてｎ−ＧａＡｓキャップ層２０に
吸収されることとなり、複素屈折率型光導波路が形成さ
れる。

【００６２】モード・ホッピング雑音が比較的小さいこ
と、非点隔差が１０μｍ前後と比較的大きいことなどに
より、複素屈折率型光導波路が形成されていることが実
際に確かめられる。

【００６３】このような素子特性を得るためには、ｐ−
ＩｎＧａＡｌＰ電流阻止層１９の光学的厚さ（厚さに屈
折率を乗じた値）を発振波長以下に設定する必要があ
る。しかして、このような構造、つまり図６に示した従
来の半導体レーザ素子で用いられているｐ−ＩｎＧａＡ
ｌＰ電流阻止層１３９よりも薄くて、バンドギャップが
小さく、屈折率の大きい、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰからなる
電流阻止層１９を挿入した構成の半導体レーザ素子にお
いては、安定した性能（つまり、発振波長６７０ｎｍ、
横モード単一、発振しきい値電流４０ｍＡ、スロープ効
率０．５Ｗ／Ａであった）が得られた。

【００６４】このように、本実施例素子においては、電
源の極性に対する制約を回避できる内部ストライプ構造
とするとともに、モード・ホッピング雑音の小さい複素
屈折率型光導波路を合わせもつ構造となっている。

【００６５】上記したように、リッジ直下に光を閉じ込
めるための導波路の形成に光吸収による効果を利用でき
るようにしている。すなわち、電流阻止層に活性層より
もバンドギャップの大きな結晶材料を用いるとともに、
電流阻止層の光学的厚さを光の波長よりも薄くするよう
にしている。これにより、光誘起電流Ｉ_OPT の発生を阻
止できるとともに、キャップ層によって光を吸収できる
ようになるため、電源の極性に対する制約を回避できる
内部ストライプ構造において、モード・ホッピング雑音
を抑制することが可能となる。したがって、電源の極性
に対する制約を回避することとモード・ホッピング雑音
を抑制することの両立が可能となり、電源の極性に対す
る制約がなく、しかもモード・ホッピング雑音の小さい
半導体レーザ素子を実現できるものである。

【００６６】なお、上記実施例においては、二重異種接
合構造（ＤｏｕｂｌｅＨｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕ
ｒｅ）および電流阻止層の材料としてＩｎＧａＡｌＰを
用いた半導体レーザ素子について説明したが、これに限
らず、たとえばＡｌＧａＡｓ（アルミニュウム・ガリュ
ウム・ヒ素）を用いた半導体レーザ素子にも適用でき
る。

【００６７】また、現在開発が進められているＺｎＳｅ
（ジンクセレン）などのII-VI 族結晶を用いた青色半導
体レーザ素子にも適用できる。その他、この発明の要旨
を変えない範囲において、種々変形実施可能なことは勿
論である。

【００６８】

【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、電源の極性に対する制約を回避でき、しかもモード
・ホッピング雑音を十分に小さくすることが可能な半導
体レーザ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる半導体レーザ素子
の構造を概略的に示す断面図。

【図２】従来技術とその問題点を説明するために示す半
導体レーザ素子の断面図。

【図３】同じく、電流阻止層を横切る位置でのエネルギ
ーバンド構造を説明するために示す図。

【図４】同じく、電流阻止層における電子の拡散長およ
び正孔の拡散長に対するキャリア濃度の依存特性につい
て説明するために示す図。

【図５】同じく、複素屈折率型光導波路をもつ半導体レ
ーザ素子の概略構成を示す断面図。

【図６】同じく、実屈折率型光導波路をもつ半導体レー
ザ素子の概略構成を示す断面図。

【符号の説明】

１１…ｐ−ＧａＡｓ基板、１４…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰク
ラッド層（第１クラッド層）、１５…ＩｎＧａＡｌＰ活
性層、１６，１７，１８…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド
層（第２クラッド層）、１９…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ電流
阻止層、２０…ｎ−ＧａＡｓキャップ層、２１…ｎ側電
極（第１電極）、２２…ｐ側電極（第２電極）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体結晶で形成される基
板と、この基板の上に、バンドギャップがＥｇ_c1で、屈折率が
ｎ_c1の第１導電型の半導体結晶で形成される第１クラッ
ド層と、この第１クラッド層の上に、バンドギャップがＥｇ_a
で、屈折率がｎ_a であって、Ｅｇ_c1＞Ｅｇ_a かつｎ_c1＜
ｎ_a の第１または第２導電型の直接遷移型半導体結晶で
形成される活性層と、この活性層の上に、ストライプ状の凸部を有し、バンド
ギャップがＥｇ_c2で、屈折率がｎ_c2であって、Ｅｇ_c2＞
Ｅｇ_a かつｎ_c2＜ｎ_a の第２導電型の半導体結晶で形成
される第２クラッド層と、この第２クラッド層の前記凸部に対応して形成された、
ストライプ状の電流注入用開口部を有し、バンドギャッ
プがＥｇ_cbで、屈折率がｎ_cbの第１導電型の半導体結晶
で形成される電流阻止層と、この電流阻止層の上、およびその電流阻止層の前記電流
注入用開口部に露出する前記第２クラッド層の凸部の上
に、バンドギャップがＥｇ_cpで、屈折率がｎ_cpであっ
て、Ｅｇ_cp＜Ｅｇ_a の第２導電型の半導体結晶で形成さ
れるキャップ層と、このキャップ層の上に金属で形成される第１電極と、前記基板の下に金属で形成される第２電極とを具備し、光導波および電流狭窄を行う半導体レーザ装置におい
て、前記電流阻止層の光学的厚さを前記導波光の波長以下と
し、かつＥｇ_cb＞Ｅｇ_a としたことを特徴とする半導体
レーザ装置。
【請求項２】前記第１導電型がｐ導電型であり、前記
第２導電型がｎ導電型であることを特徴とする請求項１
に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】前記基板および前記キャップ層を構成す
る結晶材料がＧａＡｓであり、前記第１クラッド層、前
記活性層、および前記第２クラッド層を構成する結晶材
料がそれぞれ（Ｇａ_x Ａｌ_1-x ）_0.5 Ｉｎ_0.5 Ｐ（ただ
し、ｘの値は層によって異なり、０≦ｘ≦１）であり、
前記電流阻止層を構成する結晶材料がＡｌ_y Ｇａ_1-y Ａ
ｓ（０≦ｙ＜１）または（Ｇａ_z Ａｌ_1-z ）_0.5 Ｉｎ
_0.5 Ｐ（０≦ｚ≦１）であることを特徴とする請求項１
に記載の半導体レーザ装置。