JPS5851583A - 半導体レ−ザ - 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】 本発明は、半導体レーザに関し、とくに、半導体レーザ
・プレイ及び、半導体レーザと電気回路とを集積した素
子に利用して効を素するものである。

従来の半導体レーザは、ダブルへテロ接合面に対し、平
行にレーザ・ビームを取シ出している。

このことは、厚さ０，０５〜１μｍ程度の活性層の端面
（一般に骨間面）にレーザ光が集中することを意味し、
端面において物理的な破壊を生じる。

これがレーザ出力の上限を決める原因の一つとなってい
る。

又、レーザ共振器を２つの骨間面で構成しているため、
レーザ特性の評価は、数１００μｍ角のチップに骨間し
てから、１個ずつ行なっている。

プロセス管理上、多数のレーザを含むウェーハ状態のま
まで、レーザ特性の予備的評価を可能にすることが望ま
れている。

さらに、半導体レーザをマトリックス状のプレイとした
爪集積回路の任意の位置に、レーザをモノリシックに組
みこむためには、骨間面を利用したレーザは不適切であ
る。

本発明の目的は、集積度の高い、そして光品質の高いレ
ーザ光の得られる半導体レーザを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の構成は、光閉じ込め
領域の表面に２次のモード光を回折する回折格子を設け
、かつ周囲に集積化された電子回路を有する。

本発明は、第１図の要部断面模型図に示される様に、光
導波路２内で導波される為ξ、該導波路２の表面に設け
られた２次のモード光を回折する薄膜回折格子１によっ
て、光は該導波路に垂直な方向、即ち、表面側にも放射
され表面光４となる。

乙の表面光４は、上記回折格子１の凹凸領域の周期を２
次の回折格子の周期とすることで得られる。

この周期よシ短い表面光の発生しない回折格子は１次回
折格子又は、３次以上の回折格子は、本発明に適さない
。−次の回折格子では、面方向にレーザ出力を得ること
ができないし、又３次以上では、垂直方向以外の出射成
分を持ち、璽スとなるからである。

すなわち、本発明の回折格子の凹凸間隔は、１次回折格
子よシも長く、３次回折格子よシも短くすることが肝要
である。このため、低しきい値で発振し、光モードの揃
った高品質のレーザ光を照射する面発光レーザが得られ
た。以下、図面を用いて詳述する。

第２図、および第３図は、本発明の一実施例としての半
導体レーザの要部の概略断面図、および平面図である。

図において、この回折格子１が薄膜導波路２の上に同心
円状に形成されている。図において同心円状の回折格子
が５で示されている。

上記第２図は、本発明のレーザを、回折格子の中心で切
断した断面図である。半導体基板６上に、６と同じ導電
型でかっ光導波路２よシも、高いバンドギャップを有す
る半導体層７、アンドープヌは、ｎ型又はｐ型の半導波
路層２．７と反対の導電型を有し、かつ２よシ高いバン
ドギャップヲ持つ半導体層８．８と同じ導電型を持ち、
８よシ高いバンドギャップを有する半導体層９をのせ、
いわゆるダブルへテロ構造によシ、光と電子の閉じ込め
を行な′づ。回折格子は、８と９の境界に形成し、導波
路２に対し、２次の回折格子となる様に周期的に間隔が
設けられている。なお、光導波路に対し、基板側の層７
を２分割し、層８及び９と同等の役割をも゛たせた上で
８及び９を同一組成物とし、光導波路２と、回折格子５
との上下関係を逆にしたものも同様に可能である。これ
に就いては後述する。

１１は、９と同じ導電型を有する半導体層で、層９が酸
化されやすい場合に付加させる半導体層であシ、１２は
、オーミック電極である。１４は、６に対するオーミッ
ク電極である。１０は、導波光に対し、透明な保護膜で
ある。

この素子の上平面図が前記第３図に示されている。電圧
を１２と１４間に順方向に印加することで、円形電極１
２の下の部分の光導波路１５に、電子及び正孔が注入さ
れ、レーザの利得を与える領域１５となる。導波光のう
ち、円状の回折格子と結合するモードを、回折格子に垂
直に入射するモード１６と、斜入射するモード１７とに
分類す１５を通シ、増巾され、発振にいたる。一方、競
合するモード１７は、回折格子で、斜めに反射され、入
射角θと同じ角度で回折される。この様子を拡大させて
も第４図に示す。また、この入射角と、回折の強さの関
係を第５図に示す。縦軸は、結合係数にの絶一対値で、
回折効率Ｒとは、Ｒｃｃｔｕｈ”　（Ｋ） という関係にある。図中で、１８は、回折格子に入射す
る光がＴＥｏモードで、回折される光が、同じくＴＥｏ
モードで出ていく場合、１９は、ＴＥｏモードで入射し
た光がＴＥｏモードに変換される場合、２０は、ＴＥｏ
モードがＴＥｏモードで出ていく場合を示す。図から明
らかなように、入射角がゼロでＴＥｏモードの場合の回
折が一番効率よく起ることを示している。これは、前に
述べた回折格子の中心を通るそ−ド１６に相当する。

ＴＥｏモードで、入射角θが大きくなるにつれ、回折効
率は低下し、第３図２１で示した様に回折光が広が９を
持ち、レーザ利得を持つ領域１５を通る量が少なくなる
。とくにθ＝４５’の場合には、光は回折される仁とな
くそのまま格子の外へ出る。このため、モード１６以外
は、きわめて高い発振しきい値となシ、モード１６のみ
がレーザ発振を起す。モード１７において、ＴＭＯモー
ドに変換されたものおよび、ＴＭｏで初めから伝播した
モードは、入射角４５°近くで、ＴＥｏ−ＴＥｏモード
に近い回折効率となるが、利得領域の外周付近を通るた
め十分な利得を得ることができない。

さらにＴＭｏモードを強く抑制するには、電極１２を、
層９に堀シこませ、１２を導波路２に近づけることで、
ＴＥｏモードはそのままで、′ＩＭ。

モードのみ吸収させる機能を電極部に特恵せることかで
きる。

以上の様に、この光導波路中で安定にレーザ発振するモ
ードは回折格子に対し、垂直に入射するモード１６のみ
となり、単一モード発振となる。

このモードは、前記第１図に示した様に導波路の□面内
に進む光と、垂直方向に出射する光にわけられるが、横
方向に進む光は、回折格子により、分布帰還を受け、同
心円状の回折格子外に抜けるこ　　、とができず、レー
ザ光は、垂直方向にのみ、出射する。以下再び第２図を
用いて実施例を説明する。

実施例１ 第２図において、Ｑ４Ａｓ（ｎ型）基板６上に、ｎ　−
Ｇａ、、、　Ａｚｏ９．　Ａｓ　　（厚さ１μｍ）ニア
、Ｖ　−ザ活性層（ｎ型−ＧａＡ８　、厚さ０．１μｍ
）：２゜薄膜回折格子層（ｐ型Ｐａ　６　、＠　ｋｌ−
ｏ、　ｓ　”層０．３μｍ）：８．ｐ型Ｇａ、、、　ｋ
ｌ６．、　Ａｓ層（厚さ１μｍ）：　９．ｐ型ＧａＡｓ
層０．３　／ｌ　ｍを作製するＫあｆｃシ、まず、８ま
で結晶成長を行ったのち、同心円状のグレーティングを
作製し、その上に９゜１１を結晶成長させた。

グレーティングの形成は、コンピュータ制御イオンビー
ム描画装置において、ビームの位置決めを行なった後、
円運動を行なう様にＸ軸、Ｙ軸にそれぞれ外部信号を印
加した。レジストに形成された回折格子の周期は、０．
２４μｍとし、エツチングによシ、８上に深さ０．０６
μｍの回折格子を形成した。この回折、格子の周期は１
次光のみを回折する回折格子の周期の約２倍で２次光を
回折する。

１２は、ｃｒ、　Ｔｔ、　Ａｕを横１１１．り電極、１
０は、ＣＶＤ法（化学的気相成長方法）で形成したｓｉ
ｏ、膜、１４は、ＡｕＱｅＮｉ　　７ｏイと、Ａｕｔ−
積層した′ｔＩｔ極である。

７７″Ｋにおいて、レーザ発振のしきい電流値は１５ｍ
Ａで、最大出力ｓｏｍｗのレーザ光が、ウェーハー面に
対し、垂直方向に得られた。

実施例２ 第６図は本発明の他の実施例としての半導体レーザの概
略断面図である。図面の符号は前記実施例の第２図に対
応する。

ｎ型ＩｎＰ基板６に同心円状の回折格子を直接形成し、
その上にＩｎ、ｍＧａｆｆ１Ａ８ＦＰ、、、（Ｘ＝０．
１８Ｍ＝０．４０）層８．レーザ活性Ｉ−アンドープＩ
　”１−ｍ　ＧＩ　ＨＡ８　ｙ　ＰＨ−ｙ　（Ｘ　”　
Ｑ、　３７　、７−Ｑ、　５９　）：２．Ｉ）−Ｉｆｌ
Ｐクラッド層９を順次メタル・オーガニックＣＶＤ法（
一般にＭＯＣＶＤ法）で成長する。１２は、ｐ側電極、
１４はｎ側電極である。

１２の下は、リセス構造となっており、２を導波される
ＴＭモードに対するモードフィルタと、ｐ側電極とが兼
用されている。

ｎ側電極１４は、同心円状グレーティングの下の部分が
除去されて、２１で示した様に、工ｎＰがむき出しにな
っておシ、レーザ光２２を、外部に取り出すことができ
る。

レーザは、波長１．３μｍで発振し、最大出力は７０ｍ
Ｗであった。

同様に、層８を１１１（１，ＩＨＧａ６．３１ＡＳ０４
　Ｐ’）４　とし、層２をＩｎ６．ｓｓＧ！ｏ、ａｒＡ
ｓｏ、＊　Ｐｏ、ｔ　　として、波長１．６μｍのレー
ザを発振させた。

実施例３ 第７図に示した加算回路の出力を面発光レーザの光とし
て取シ出す仁とができる「光・電気集積回路」を作製し
た。第８図に本回路の最終段のＰＥＴと、レーザ部分の
断面を示す。なお、図面の符号は第２図と同じである。

半絶縁性ＧａＡＳ基板２３にイオン打込法によシ、ｎ＋
領領域オーミック電極用）とｎ領域（ＦＥＴチャネル用
）を形成する。次いで、分子線エピタキシャル法でｎ　
二Ｇａｏ、ｙ　Ａ４．ｌ　”層７及び、レーザ活性層２
、薄膜回折格子層８、キャップ層９を実施例１で述べた
方法で作製し、レーザ部分以外をエツチングによシ除去
する。オーミック電極２７をｎ９　領域の上に形成し、
ゲート電極２６と、レーザのｐ側電極１２とを同時に、
形成する。レーザのｎ側と、ＦＥＴのドレイン側は、ｎ
ｏ　領域で接続されている。次いで、各素子間を配線用
電極で接続する。Ａ、Ｂ、Ｃの入力の内２個が高電圧と
なることで、桁上げのピットを発生し、レーザが発振す
る。

実施例４ 第９図は本発明の更に他の実施例である。本例は、前記
第８図で示したｎ−ＧａＡ’ｓウェーハー２Ｂ上に実施
例１で述べたレーザと同型の面発光レーザ２９をマトリ
ックスアレイ状に４００個配置し友ものである。レーザ
のｐ側電極３０をすべて電極３１につなぎ、並列接続と
した。本例では、１ｎ（６）のパルス巾で、２０Ｗの出
力が得られた。

本発明においては、更に種々の改良、及び、変形が可能
である。例えば、実施例３で示した論理回路を液体窒素
で冷却し、半導体レーザに対向接続し次光ファイバで、
演算結果を液体窒素中から取り出すことも可能である。

また、同心円状グレーティングを、Ｘ線リングラフィで
、作製しても全く同様に形成される。

以上、詳述した様に、本発明は、光閉じ込め領域の表面
に、高次光を回折する回折格子を設けることにより、モ
ードの揃った高品質のレーザ光が表ｍｌから取り出せ潜
るようにした点、工業的利益大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための概略模型断面図
、第２図は本発明の一実施例としての半導体レーザの概
略断面図、第３図は第２図の部分平面図、第４図は本発
明を説明するための概念図、第５図は本発明を説明する
ための特性図、第６図は本発明の他の実施例としての半
導体レーザの概略断面図、第７図は本発明に使用される
電気回路図、第８図は本発明のさらに他の実施例として
の半導体レーザの概略断面図、第９図は本発明の更に他
の笑飛例としての半導体レーザの概略平面図である。　
　　′ １・・・回折格子、２・・・薄膜光導波路、３・・・導
波光、４・・・表面光、５・・・回折格子（同心円状）
、６・・・基板、７・・・光導波路、８，９．１１・・
・半導体装置亮２図 肩３図 ￥１７図 ／’＋ＢＱ 第ｇ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光が閉じ込められる領域の内部に光を発生する活性
   領域を備え、注入電流の流れる領域の両側の上記光間じ
   込め領域の表面に周期的凹凸を有する半導体レーザにお
   いて、上記周期的凹凸に２次の回折格子を用い、かつ、
   周囲に集積化された電子回路を有することを特徴とする
   半導体レーザ。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記２次回折格子
   は同心円状の薄膜回折格子であることを特徴とする半導
   体レーザ。 ３、特許請求の範囲第１項において、上記２次回折格子
   領域の少々くとも中央部に利得保有領域を有してなるこ
   とを特徴とする半導体レーザ。 ４、特許請求の範囲第１〜３項において、スイッチング
   回路又は素子と近傍に一体化させて集積化させたことを
   特徴とする半導体レーザ。