JPS59197181A - 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特に大光出力半導体レーザに関す
るものである。

最近ＡｌＧａＡｓ　／　ＧａＡｓ等の結晶材料音用いた
町視元半導体レーザば、低閾値で尚効率の室温連続発振
を行う事ができるので、元方式のディジタル・オーテ゛
イオ・ディスク（ＤＡＤ　）用光詠として最適であり実
用化されつつある。この司視九半碑体レーザは元プリン
タ等の元書きこみ用元源としての需要も筒まシ、この要
求をみたすため犬元出力発据に耐える′１ｌｌｉ］視元
半導体レーザの研究開発が進められている。この可視元
手４体レーザは九字糸との結合効率全土げる事が望まし
く活性層水平方向と垂直方向との広がシ角が等しいレー
ザが要求されている。

半導体レーザの中で、ツヵダにより雑誌ジャーナル・オ
フ１アゾライドフイジツクス（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　）第４５巻４８９９頁
〜４９ｏ６貞に報告されているものは、活性層をクラッ
ド層でとジかこみｐｎ接合の組合せにより活性層内にの
み有効にキャリア全注入できる構造をもついわゆるＢＨ
（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔ　ｒｕｃｔｕｒｅ　
）レーザであり、活性層の水平方向と垂直方向との広が
υ角が等しい円形に近い光源であシ、低１副値電流で高
効率のレーザ発振を行うすぐれた特性を有している。し
かし、通常のＢＨレーザはスポットサイズが２〜３μｍ
程度ときわめて小はいので、室温連続発振（ｃｗ）光出
力が２〜３　ｍＷ　、パルス動作（１００ｎｓ幅）光出
力が１．０　ｍＷ程度の動作限界となっておシ、これ以
上の光出力全放出すると容易に反射面が破壊される。こ
の現象は光学損傷として知られており、そのＣＷ動作の
限界光出力密度はＩＭＷ／ｉ前後である。これに対し光
学損傷を防ぎ大光出力を得る方法として、活性層に隣接
してガイド層を設けた構造ＢＯＧ　（Ｂｕｒｉｅｄ　０
ｐｔｉｃｏｌ　Ｇｕｉｄｅ　ＢＨレーザ）が、ナカジマ
等によシ雑誌ジャパニーズ・ジャーナル・オフ・アプラ
イドフィジックス（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ　
ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　）第１９巻Ｌ
５９１頁〜Ｌ５９４頁に報告されている。この構成は活
性層及びガイド層をクラッド層でうめこみ活性層の元の
一部を隣接したガイド層にしみ出させ光学損傷の生じる
レベルを上昇させようというものである。この方法はガ
イド層にしみ出す元の量に依存するが最大光出力は１０
ｍＷ前後が限界であった。

又ＢＨ構造の利点を生かし高濃反の活性層を有するＢＨ
構造の共振器の長で方向の内反射面からキャリアの拡散
長程度以上はなれた中央部分に活性層とは逆のタイプの
不純物拡＊をおこない不純物補償したバンドギャップの
実効的に縮少した励起領域を設は内反射面近傍を実効的
にバンドギャップの広いウィンドウ構造し大光出力発振
を可能にした半導体レーザが林地によυ特願昭５３−５
６７８１に提案されている。

上記特１６’Ｒ昭５３−５６７８１記載の半導体レーザ
は活性層両端を第１と第２とのクラッド層ではさんだＤ
Ｈ構造全メサ状に加工しまわりを第３のクラッド層でう
めこんだ後不純物拡散をしたもので不純物拡散によって
形成されるｐｎ接合面はうめこみ層の第３クラッド層内
もしくは活性層と基板との間にある第２クラッド層内に
ある構造になっている。

この構造では大光出力発振を行うために大電流をｔｌ−
人すると各クラッド層のｐｎ接合面の耐圧をこえて（社
）流が流れこの電流はすべて無効電流となるので注入電
流のうち有効に発振に寄与する割合が減少し外部做分量
子効率が悪くなり光出力がすぐに飽第１」する現象をき
たす。埋込み層を絶縁層にするす↓も考えられるが通常
の液相結晶技術ではきわめて内軸であり実現性に乏しい
。更に上記の如き構造ではメサ状の活性層領域幅を狭く
しないと大光出力発振とともにキャリア分布に架間的な
ホールバーニングが生じやすく一次桶モード発振を容易
に許容する。しかし活性層領域幅を狭くするとスポット
サイズが狭くなり発振光出力が減少し大光出力発振が困
難になる。又この構造ではある程度の大光出力密度ＣＷ
発振はｂ」能であるが通常のＡｌＧａＡｓ　／ＧａＡｓ
半導体レーザを犬光出力密Ｈｃｗ発振をさせた時に生じ
る反射面破壊レベルを数倍程度上昇させるにすぎなかっ
た。

さらに元書きこみ用光源等としては、この半導体レーザ
全ＰｃＭ動作をさせる必要かめる。従来の半導体レーザ
はＰＣＭ動作をさせる際には閾値電流近傍の一定電流を
流した状態においてパルス駆動をおこない犬光出力発振
金させる直接変調方式が用いられている。しかし、この
方式は、各素子における閾値電流のバラつきに伴い、各
素子ごとにバイアス電流を設定する必要があるばかシで
なく駆動装置が複雑になるとともに集積化する上でも困
難であった。この場合においても大光出力発振・をする
事はもとよシ広い電流動作にわたって単−横モード発振
をし更に緩和振動の抑圧されたすぐれた動特性を示す半
導体レーザが必要である。

本発明の目的はこれら欠点を除去し低閾値高効率で発振
するのみならず基本横モード発揚による火元出力発振が
１」能であると共に緩和振動の抑圧はれたすぐれた動特
性全示しかつ高速変調可能でちゃ比較的容易に製作でき
再現性および信頼性の上ですぐれた半導体レーザを提供
する事にある。

本発明の半導体レーザの構成は不純物ドープした活性層
とこの活性層に隣接して活性層と同一の４、電性を有し
活性層よシも屈折率が小さい材質からなるガイド層とを
、活性層と同一の導電性を有しこのガイド層よシも屈折
率が小さい材質の第１および第２のクラッド層ではさみ
こんだダブルへテロ接合半導体材料を用いて共振器の長
さ方向に中火部分と内反射面近傍との幅が狭く、この中
央部分で分離された幅の広い第１と第２のストライプ状
領域を備えたストライプ状構造を形成し、このストライ
プ状構造の両側を活性層と逆の導電性を有する第３のク
ラッド層で埋込み、幅の広い第１および第２のストライ
プ状領域と内反射面近傍の幅の狭いストライプ状領域と
の境界となる面がレーザ光に対して全反射角となシ幅の
広い第１および第２のストライプ状領域内の活性層内に
それぞれ活性層と逆の導電性を有する不純物をその幅よ
りも狭くかつ共振器の長さ方向に拡散し不純物補償した
ストライプ状の励起領域を設けこのそれぞれの不純物拡
散領域に独立の電流注入機構を設けた事を特徴とする。

以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図、第３図、第
４図、第５図は第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’。

ｃ−ｃ’断面図および上面図、第６図、第７図、第８図
はこの実施例の製造途中の側面図、斜視図。

および平面図である。この実施例の製造方法は第６図に
示すように（１００）面を平面とするｎ形ＧａＡｓ基板
１０上にｎ形Ａ１４１．３２Ｇａｏ３ｇＡ１１の第４ク
ラッド層１１　’ｋ　１．５μｍ次いでｎ形磯ＩＫｎ＝
　］　Ｘ　１０　ｃｎｌのＡＩ（１，２５Ｇａｏ、７５
Ａ８ガイド層１２　’！ｒ　Ｏ，５μｍ、　　ｎ形湿度
ｎ＝３Ｘ１０　ｃｍ　　のＡｌ８１５Ｇａ（１，３，Ａ
ｓ活性層１３　’ｅ　０．０８μｍ、　ｎ形Ａ　１（１
，４Ｇ　ａｏ、６　Ａ　ａの第２クラッド層１４を１．
０μｍ成長する。上記において高濃度のｎ形ＡｌＧａＡ
ｓ層は５ｎＴｅ　、もしくはＴｅなどのドーピングによ
り形成する事ができる。次に５ｉ０２膜１５で全体を被
膜した後フォトレジスト法およびエツチング法によシ共
振器の長さ方向である［０１１］方向において、中心部
分に幅４μｍ長さ１０μｍそれに続いて内反射面近傍に
それぞれ幅８μｍ長さ１５０μｍの第１及び第２のスト
ライプ状領域、史に続いて内反射面近傍にそれぞれ幅３
μｍ長さ３０μｍのストライプ状領域に５ｉｎ２膜１５
を残して他の領域をｎ形ＧａＡｓ基板１０に達するまで
エツチングする（第７図）。このときストライプの中心
は共振器の長さ方向で一致するようにし又幅の広い第１
と第２のストライプ状領域と幅の狭い内反射面近傍のス
トライプ状領域との境界では斜面が共振器の長さ方向と
なす角度θ（第８図）は百−θが臨界角よりも大きくな
るようにする。

すなわち臨界角ψは このときθとしては ０〈θ＜　　−５ｉｎ”（） ２　　　　　ｎ２ とする。本発明の実施例の場合には活性層のみならずガ
イド層へしみ出して伝搬する元も全反射するように０度
〈θ〈１４度にする事が望ましい。こうすれば各々第１
及び第２の励起領域から発光し活性層およびガイド層内
を共振器長方向に伝搬する光のうち斜面にぶつかったも
のはこの斜面で全反射されて内反射面近傍の幅の狭いス
トライプ状領域内を進行する。

次にＳｉＯ□膜を残したままガイド層よシも屈折率の低
い材質からなシ上記ストライプ状のダブルへテロ（ＤＨ
）接合構造の構成分質と不純物タイプの異なるＰ−形−
ＡＩ。、３５ＧａＯ，６５Ａｓ＋埋込み層（第３クラッ
ド層）１６で埋込む。このとき５ｉ０２膜１５上には結
晶成長はされないのでストライプ状ＤＨ接合構造の両側
だけを埋込む事ができる。この埋込み層は比抵抗の高い
Ｐ形にする事がより望ましい。次にＳｉｎ、膜１５？：
除去した後５ｉ０２膜１７で全体を被膜し中央部分に位
置する１隅の広い第１及び第２のストライプ状領域の中
央にそれぞれ幅４μｍ長さ１５０μｍの窓をあけ埋込み
法や２ゾーン法等による低濃度拡散法によｐ　８　Ｘ　
Ｉ　Ｏ”ｃｍ−”の亜鉛を活性層内にまで拡散する（亜
鉛拡散領域１８）。このとき活性層は不純物補償された
Ｐ形になるが、一方活性層に隣接したガイド層のｎ形濃
駄は亜鉛拡散濃度よりも高いので亜鉛拡散の深さを制御
しなくても活性層とガイド層との境界にｐｎ接合が形成
される。次に第１及び第２のストライプ状領域内の亜鉛
拡散をした領域の拡散表面にそれぞれ独立にｐ形オーミ
ックコンタクト１９及び２０ヲ形成し基板側にはｎ形オ
ーミックコンタクト２１全形成し各ｐ形オーミックコン
タクトにそれぞれ独立に電流注入機構金もうけると本発
明の構造の半導体レーザが得られる。

本発明の構造において第１及び第２のストライプ状領域
内のｎ形活性層に亜鉛を拡散し不純物補体して形成した
励起領域にはそれぞれ独立に電流注入機構が設けられて
いる。このとき一方には一定電流を注入し励起状態にし
ておき他方には電流性入金せず非励起状態にしておくと
非励起領域は伝播する元に対して〜１５０ｃｒ；１程度
の損失全１程るので一方の励起領域から伝播してきた光
は吸収されレーザ発振は阻止される。これに対して電流
全注入し励起状態に変換すれば伝播してきた光は再励起
されただちにレーザ発振が開始される。従って片方の励
起領域には常に一定電流を注入し他方へは電流注入のｏ
ｎ−ｏｆｆ　全＜　Ｄかえす事によってＰＣＭ動作をさ
せる事ができしかも注入電流量を制御する事により任意
の火元出力発振を得る事ができる。従って本発明の構造
では簡単にＰＣＭ駆動する事ができる。

又本発明の構造では第１と第２との幅の広いストライプ
状領域内に形成した励起領域は励起領域両端の活性層と
の間に生じるｐｎ接合面およびガイド層と活性層との境
界面に形成されたｐｎ接合面に隣接しておりこれらのｐ
ｎ接合面からキャリア（′を導体レーザとは異なり三方
のｐｎ接合面からキャリアが注入されて利得分布が形成
され基本横モード発振に必要な利得の上昇をうながすの
で低閾値でのレーザ発振が可能となる。

更に亜鉛拡散によって不純物補償して形成した励起領域
ではパントチイルのために実効的なバンドギャップが縮
少しているのに対し非励起領域の活性層は高濃度のｎ影
領域になっているのでＢｕｒｓｔｅｉｎシフトのために
フェルミレベルがコンダクションバンド内にはいシ実効
的なバンドギャップは広がっている。本発明者の実験結
果によればている。従って励起領域で発光したレーザ光
は吸収をほとんどうける事なくｎ形活性層内を伝播する
。特に本発明の構造では内反射面近傍に形成した幅の狭
いストライプ状領域をレーザ光は吸収をうける事なく伝
播する。しかもこのストライプ状領域は活性層垂直方向
がクラッド層で挾まれているばかシでなく活性層水平横
方向も埋込み層（第３クラッド層）で両端が挾みこまれ
ているのでレーザ光に対して光導波路を形成している。

従ってレーザ光は漏れる事なくレーザ光に対して透明に
近いとの光導波路全進行する。

上記の如く内反射面近傍をレーザ光に対して透明にする
事は光学損失レベルを著しく上昇させる事ができ火元出
力発振が可能となる。すなわち通常の半導体レーザはキ
ャリア注入によって励起領域となる活性層端面が反射面
として露出してお探そこでは表面再結合が生じ空乏層化
してバンドギ１１＼ め元が吸収され局所的な発熱が生じ融点近くまで上昇し
て光学損傷を生じる。これに対して不発明の構造は上記
した如くレーザ光は内反射面近傍のレーザ進行領域のバ
ンドギャップよ勺も５０ｍｅＶ以上縮少した領域から生
じているので反射面近傍での光の吸収は小さく光学損傷
は著しく上昇する。

又本発明の構造では励起領域で発光したレーザ光は共振
器長方向に進行していくが幅の広いストライプ領域と光
導波ｊｌ形成している内反射面近傍の幅の狭いストライ
プ状領域との境界は進行してくるレーザ光に対して全反
射面となっているのでレーザ光は反射され両反射面近傍
の光導波路内にはいシ進行する事ができる。更に反射面
で反射された光は再び光導波路内をとおりこの光導波路
よシも幅の広す励起領域にもれる事なくもどシそこで再
励起はれるので損失なく発振に寄与する。

更に、本発明の構造では第１と第２のストライプ状領域
が共振器中火部分の１隅の狭いくびれだ領域で分離され
ており次の如き利点がある。

各ストライプ状領域内に形成された励起領域かびれがあ
る場合くびれの両端は第３クラッド層で挾まれているの
で光導波機構をそなえてお９片方の励起領域から発光し
た元は広がる事なく有効に他方の励起領域にはいるので
両者が励起状態になっている場合は遅れ時間なくレーザ
発振が生じ片方が非励起状態になっている場合は友だち
にレーザ発振は停止し高速ＰＣＭ駆動ができる。

特に本発明の構造は前記特願昭５３−５６７８１記載の
半導体レーザとは異なり活性層に隣接してガイド層をも
ち次の如き利点を有する。

第一に光字損失レベルを著しく上昇できる。すなわちレ
ーザ発振時において光の一部は活性層から隣接したガイ
ド層にしみ出てレーザ発振するが、しみ出た元は発振波
長に対してバンドギャップの広いガイド層を通るので吸
収損失を全く受ける事なく透過する。一方、励起領域で
発光したレーザ光は非励起領域を進行するうちにわずか
ではあるが吸収をうける。本発明者の実験結果によれば
〜３０ｃｒｎ　の吸収損失が生じる。このような場合大
電流を注入して火元出力発振を行うとこの吸収損失の為
ＣＷ発振時での光学損傷が通常のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ半導体レーザの５４′＠〜６倍程度の光出力で生じる
事も本発明者によって明らかになった。従って本発明の
構造のようにガイド層に光をしみ出させ活性層内の元の
量を少くすれば光学損傷の生じるレベルを更に上昇させ
る事ができ、火元出力発振が月相になる。

又本発明の構造ではガイド層内を進行する元も幅の広い
ストライプ領域と両反射面近傍の幅の狭いストライプ積
載との境界で全反射され幅の狭いストライプ頭域内には
いりこのｊＪ負域ではガイド層もより屈折率の低いクラ
ッド層で全体ケうめこまれてお９元４阪路となっている
ので光はもれる事なく進行し損失なく発振する事ができ
る。史にガイド層金有する事は第二の効果として以下の
如き第１」点がある。

一般の半導体レーザでは活性層垂直方向の広がり角θ上
は４０度〜５０度以上であるが活性層垂直方向の広がシ
角θ、は１０度〜１５厩前後となりスポットサイズは偏
平な形状をしている。これに対し本発明の構造は九はガ
イド層にしみ出ているので活性層垂直方向の広がシ角θ
上を２５１＆〜３０度まで狭くする事ができる。一方本
構造の反射面は埋込み層によって活性層水平横方向はは
さまれているので活性水平横方向の広がり角θ・は１５
星〜２０度Ｍ後となりほぼ等心円的な光臨を得る事がで
きる、 本発明の構造では前記特；即昭５３−５６７８１とは異
なり中火の幅の広いストライプ状領域内に不純物補償し
て励起領域が形成されている。ところでｎ形、ｐ形不純
物タイプの差、不純物製置によりＧａＡｓ等の半導体結
晶は屈折率が異なる。本発明の実施例ではキャリア注入
時では〜９×１０　の屈折率差が生じ活性層水平横方向
において励起領域の屈折率が上昇している事が本発明者
の実験結果よシ明らかになった。このように屈折率差が
通常のＢＨレーザのへテロ接合によって形成される値よ
シも充分小さくかつ横モード制御が月相な程度の大きさ
であると共にガイド層と活性層との境界のｐｎ接合から
主にキャリアが注入されるのでほぼ矩形に近いキャリア
分布が保たれるので両反射面近傍のストライプの幅すな
わち光導波路の幅を本発明の実施例程度に広くしておけ
ばキャリア分布に空間的ホールバーニングは生じにくく
一次横モード発振に必要な利得の上昇は抑圧されるので
安定な基本横モード発振が火元出力発振時でも維持され
る。

又本発明の構造では中火のストライプ状領域の第２クラ
ッド層の亜鉛拡散領域との間にｐｎ接合が形成てれてい
るが大電流注入によってここからキャリアがもれても第
２クラッド層金沖＜シておけばその割合は小さい。又第
２り２ラド層を薄くする事は熱抵抗を減少させるので火
元出力発振上か領域がｉＭ接反射面に露出している通常
の半導体レーザにくらべて外部との化学反応はおこ９に
くく反射面の光学反応による劣化を阻止する事ができま
た通常の埋込みへテロ嵌合（ＢＨ）レーザと同一・樅造
過程でつくる墨ができる。更に本発明による半導体レー
ザは芙用上特に必要な高速ＰＣＭ駆動を容易に行う事が
できる。

以上のように実施例はＡｌＧａＡｓ　／ＧａＡｓダブル
へテロ嵌合結晶材料について説明したが他の結晶材料例
えばＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＣａＰ、　ＩｎＧａＰ／Ａ
ＩＩｎＰ　。

ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、　ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＡ
ｓＳｂ等数多くの結晶材料に過用する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の斜視図、第２図、第３図、笛４
図は第１図のＡ−Ａ’　、Ｂ−Ｂ’、　Ｃ−Ｃ’の各断
面図、第５図は第１図の上面図、第６図はこの来７ｆｉ
例の作製の過程においてダブルへテロ接合結晶全成長し
た時の断面図、第７図はこの実施例の作製病程において
上記ダブルへテロ接合結晶をストライプ状領域全残して
その両側をエッチオフした時の斜視図、第８図は第７図
の上面図である。 図において １０−　ｎ形ＧａＡｓ、４板、１１・・−ｎ形Ａ１０．
３２Ｇａ０．６８ＡＳ第１クラッド層、１２−ｎ形Ａｌ
ｏ、２．Ｇａｏ−、、Ａｓガイド層、１３−ｎ形Ａ１０
．ｌ５ＧａＱ、８５Ａ”活性層、１４−’ｎ形Ａ　１　
ｏＡＧ　ａｏ、６Ａ　ｓ　第２クラツド層、　１５　・
５ｉｎ２膜、１６・・・Ｐ−形Ａ　Ｉ　ＯＪ５　Ｇ　ａ
　ｏ、６５　Ａ　ｓ埋込み層＋　１７−８ｉｎ２膜。 １８・・・亜鉛拡散領域、１９・・ｐ形オーミ、７クコ
ンタクト、２０・・ｐ形オーミックコンタクト、２１・
・・ｎ形オーミックコンタクトである。 代理人弁理士内原　　晋 第　２　図 第　３　図 第　ｌｌ−霞 第　５　胆 ／ヲ　　　　　　　Ｚθ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 不純物ドープした活性層とこの活性層に隣接して活性層
   と四−の導電性を有し活性層よυも屈折率が小さい材質
   からなるガイド層とを、活性層と同一の導電性を有しこ
   のガイド層よシも屈折率が小でい材質からなる第１およ
   び第２のクラッド層ではさみこんだダブルへテロ接合半
   導体材料を用いて、共伽器の長さ方向に中火部分と画成
   射面近傍との幅が狭くこの中央部分で分離された鴨の広
   い第１と第２のストライプ状領域を俯えたストライプ状
   構ａｋ形成し、このストライプ状構造の両側を活性層と
   逆の導電性を有する第３のクラッド層で埋込んだ状態に
   おいて、幅の広い第１および第２のストライプ状領域と
   画成射面近傍の幅の狭いストライプ状領域との境界面が
   レーザ元に対して全反射角＋　（ｆｉｔえ幅の広い第１
   および第２のストライプ状領域内の活性層内にそれぞれ
   活性層と逆の導電性を有する不純物をその幅よりも狭く
   かつ共振器の長さ方向に拡散し不純物補償したストライ
   プ状の励起領域を各ストライプ状領域内に設けこの不純
   物拡散領域に独立の電流注入機構を設けた事を特徴とす
   る半導体レーザ。