JPS597237B2 - 注入型半導体レ−ザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、注入型半導体レザーに関するものである。

（Ａｌ−Ｇａ）Ａｓダブルヘテロ接合レーザは、小形、
高効率、高速動作等の特徴により、光ファイバー通信装
置の光源として有望視されている。

このためには、基本モード動作、入力電流−光出力特性
の直線性、１０ｍＷ程度の光出力等が要求される。この
種の目的のために、発振領域を幅狭く限定したいわゆる
ストライプ構造が各種提案実現されている。１０ｍＷ程
度の光出力を安定にうるためには、まず反射面での自ら
のレーザ光による破壊（光学損傷）を防がねばならない
。

このため通常、ストライプ幅を１０〜２０μｍ程度に拡
げて光出力密度を１×１Ｏ６Ｗ／ＣＴｉｌ以下に下げて
いる。このような通常のストライプ構造では、活性層に
、幅狭くストライプ状に層流注入することによつて、発
振領域を幅狭く限定している。その最も典型的な例は電
極ストラ・イプ構造（第１図ａ）である。１０〜２０μ
巾のストラ、イプ電極ＩＴを通じて活性層１２に電流が
注入される。

このような構造では、広い電流範囲にわたつて、活性層
に平行な横モードの基本動作は得られず、電流−光出力
特性も第１図ｃに示すようなキックをもつ曲線１９にな
ることが多い。これ迄多く報告されてきた各種ストライ
プ構造に於ても、このような望ましくない特性を非常に
再現性よく示すことは近年よく知られるようになつた。

本発明の目的は、活性層に平行な方向の横モードの基本
動作と籠流−光出力特性の直線性とを広い電流範囲にわ
たつて実現する注入型半導体レーザ素子を提供すること
にある。

本発明によれば、注入キーヤリヤー分布領域をストライ
プ状に限定する実効的に等電位面とみなし得る電気良導
体が、実効的にストライプ幅の両端とみなし得る部分に
於て、実効的にストライプ中央部とみなし得る部分に於
けるよりも、より活性層に近く配置され、注入キャリヤ
ー密度分布が実効的にストライプ全幅にわたつて平坦と
みなし得るようにしたことを特徴とする注入型半導体レ
ーザ素子が得られる。

本発明は、本発明者等が、第１図ｃのキックをもつ電流
一光出力特性が現れる原因を追及した結果、第１図ｂに
示す如く活性層に於ける注入キヤリヤ一密度分布１８が
山型を呈していることに依る事が明らかになつたことに
端を発する。

このような山型の注入キヤリヤ密度分布は、第１図ａに
於て等電位面たるストライプ電極１７の幅とストライプ
電極１７から活性層１２迄の距離及び電極１７と活性層
１２との間に介在するｐ−ＡｌｘＧａｌ−、Ａｓ層１３
の電気伝導度とによつて決定される。一般にストライプ
電極１７の巾を狭くし、ストライプ電極１７から活性層
１２迄の距離を長くし、その間の層１３の電気伝導度を
小さくする程、中央に平坦な領域のない、より山型のキ
ヤリヤ一密度分布を示す。キヤリヤ一密度分布は利得分
布を反映しており、ストライプ中央の利得が高い事を第
１図ｂは意味している。ところが屈折率は、キヤリヤ密
度の少い領域程即ちストライプの中央から外側の領域に
行く程高い。このため、注入電流を増していくとまず利
得の大きなストライプ中央で基本横モード発振をするが
、すぐに不安定になり、屈折率の高いストライプの外側
のどちらかへ発振領域がずれてしまう。このように、発
振領域は利得の小さい領域に移行してしまうので、吸収
損失が大きくなり、かつ発振に使われない電流注入領域
が発生して効率を低下させる。従つて第１図ｃの電流一
光出力特性にみられるように、電流を増しても光出力が
増えにくい領域１９１が現れる。更に電流を増していく
と、一般に高次多モード化し、発振領域が拡がつて効率
を増す。ストライプ幅を増し、ストライプ電極１７から
活性層１２迄の距離を短かくし、その間の層１３の電気
伝導度を上げれば、ストライプ中央にキヤリヤ密度分布
の平坦な領域が現れる。この場合ζこは、第１図ｂに示
すよりも幅広く電流が注入されているため、発振領域が
広くなる。そして、第１図ｃの如き特性は消え、電流一
光出力特性は直線的になるが、発振領域が広いために高
次多モード動作になり易く、また発振に要する閾値電流
も大きくなるという欠点をもつ。逆に、もし仮に、キヤ
リヤ密度分布を狭いストライプ幅のまま、ほぼそのスト
ライプ幅に等しい領域だけ急峻に平坦にする事ができれ
ば、広い電流範囲にわたつて基本横モード動作、直線性
の良い電流一光出力特性及び低閾値電流を実現できると
いうことであり理想を達成できる。

通常、第１図ｂでみるようにストライプ電極１７の両端
部に対応する活性層１２の領域では注入キヤリヤ密度が
下つている。従つて、平坦な注入キヤリヤ密度分布を得
るためには、この両端部に於けるキヤリヤ注入量を相対
的に増せばよい。このためには、実効的に等電位面であ
る電極１７を活性層１２に対して一様に平行にせず、ス
トライプ両端近傍に於て活性層１２に特価的に近ずけれ
ばよい。このようにすれば、近ずけた距離に応じて第１
図ｂのようなストライプ両端部附近での注入キヤリヤ密
度の減少を補償する事ができる。第１図ａの場合、等電
位面は金属のストライプ電極１７であるが、完全な等電
位面でなくても本原理を実現することができる。例えば
、ｐ＋層、ｎ＋層等の電気伝導度の高い層を擬等電位面
と考えて本発明の主旨を実現する事ができる。ストライ
プ幅は通常５〜２０゛μの範囲が適切であるが、高次横
モード動作でもかまわない場合にはストライプ幅を拡げ
る事ができる。次に本発明の実施態様の数例について図
面を参照し乍ら説明する。

第２図ａは、本発明を電極ストライプ構造に適用した場
合の累子断面図である。

ｎ形ＧａＡｓ基板１０上に厚さ３μｍ１キヤリヤ濃度２
×１０１７α「３のｎ−ＡｌＯ、３Ｇａ０．７ＡＳ層１
１、厚さ０．２μｍのｎ−ＡＩＯ．Ｏ５ＧａＯ．９５Ａ
Ｓ活性層１２及び厚さ２μｍ１キヤリヤ濃度２×１７１
７ｃＴｎ−３のｐ−ＡｌＯ．３ＧａＯ．７Ａｓ層１３が
、よく知られた連続液相成長法で形成されている。ｐ−
ＡｌＯ．３ＧａＯ．７Ａｓ層１３上には電気絶縁用に約
３０００Ａ厚のＳｉＯ２ｌ４が設けられている。

このＳｉＯ２膜１４には幅６μｍのストライプ状の溝２
０が３μｍ離して二列にフオトレジスト技術を用いて作
られている。この二列のストライプ溝２０からＺｎが約
１ＸＬ０２０（７Ｌ−３の表面濃度で≧０．５μｍの深
さ迄拡散され、オーミツク抵抗を下げている（領域２１
）。

更ｌここの上ｌこは一面１ｒ：．ｐ形電極を構成するＣ
ｒ−Ａｎ層１５が約１μｍ蒸着で設けられている。ｎ形
ＧａＡｓ基板１０上にはＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉのオーミツク
電極１６が設けられている。この累子に電流を流すと、
注入キヤリヤ密度分布を反映すると考えられる自然発光
強度分布は、約９μｍにわたつてほぼ平坦になり、従来
の如き山型の分布は示さなかつた（第２図ｂ１曲線２２
）。そして、電流を増してレーザ発振させると、二つの
ストライプ電極２０の中間の領域を中心に望み通りの基
本横モードが発生した。共振器長２５０μｍの場合レー
ザ発振は約１００ｍＡで生じた。更に電流を増すと電流
に比例して光出力は増し、約１５０ｍＡ迄基本横モード
動作が得られた。更に電流を増すと１次横モード発振に
移行したが、約２００ｍＡ迄の電流範囲に於ては、電流
一光出力特性は良い直線性を示した。参照例として第２
図と同じ結晶上に幅９μｍ及び１５μｍの通常の一本の
ストライプ電極を設けたそれぞれの場合では、自然発光
強度分布はストライプ中央で強い山型の分布を示し、第
１図ｂに於けるようなキックをもつ電流一光出力特性を
示した。また他の参照例とし・て、両ストライプ電極２
０を約１０μｍ離して設けた場合では、両ストライプ電
極２０間で谷を示す発光強度分布になり、わずかの電流
増加で高次横モードに移行した。第２図ａの場合、実効
的なストライプ幅は、両ストライプ電極２０間にわたつ
ていると考えることができる。即ち両ストライプ電極２
０が単独に充分離れて一つづつ存在する場合には、それ
ぞれ点線２３で示す注入キヤリヤ密度分布を示すが、両
ストライプ電極２０間を短かくすると実線で示したよう
なほぼ平坦な注入キヤリヤ密度分布２２を両ストライプ
電極間中央附近に得ることができる。電気的に考えれば
両ストライプ電極２０間に設けたＳｉＯ２膜によつて、
両ストライプ電極２０の間のＣｒ−Ａｕ層１５等電位面
は活性層１２から充分遠くに離されており、実効的なス
トライプ幅両端ではストライプ電極２０の等電位面が活
性層１２に近ずいている。従つて実効的にｔ虞、８スト
ライプ幅の両端部に注入キヤリヤ密度の多い領域を形成
した事に相当する。

これと同じ効果はオーミツク抵抗を下げるために設けた
二つの低抵抗のＺｎ拡散領域２１をより深く活性層１２
の近くに設けることによつて得られる。低抵抗の擬等電
位面を実効的なストライプ幅の両端部で活性層１２に近
づけたため、第２図ｂと同じ効果が得られるのである。
結果として得られる注入キヤリヤ一密度分布（又は自然
発光強度分布）２２は、ストライプ電極２０の幅、Ｚｎ
拡散領域２１の深さ、両ストライプ電極２０の間隔及び
ｐ−ＡｌＯ．３ＧａＯ．７Ａｓ層１３の比抵抗と厚さに
よつて決定される。以上第２図を用いて説明した本発明
の実施態様の如く、ストライプ電極を２本近接して設け
たものが、リツパ一（ＪＯｓｅＥ．Ｒｉｐｐｅｒ）及び
パオリ（ＴｈＯｍａｓＬ．ＰａＯｌｌ）両氏によつてア
プライド・フイジツクス・レターズ（ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）誌；第１７巻第９号（１
９７０年１１月）第３７１〜３７３頁に発表されている
。

両氏の目的は、両ストライプで発生するレーザ光を結合
することであり、あくまでも２つのレーザであつた。従
つて、両ストライプ電極の間隔は１２μｍも離して設け
られており、注入キヤリヤ一密度分布は理想的に中央が
谷を構成する２つの山からなつていた。

しかるに本発明の目的は、注入キヤリヤ一密度分布を理
想的に平坦になした一のレーザとして機能するレーザを
得ることてあり、当然ながらその実現のための技術思想
を異にする別異の発明である。リツパ一及びパオリ両氏
の構成に本発明を適用しようとするときは、当然ながら
両ストライプ電極を有意差をもつて大幅に近接して設け
ねばならない。第３図に示したのは、本発明の別な実施
態様である。

構成する積層結晶そのものは第２図に示したものと同じ
であるが、ストライプ電極構成を異にしている。即ち、
ストライプ電極が溝状をなし、ストライプ幅方向の端部
にいく吟従つて溝を深くして、結果としてｐ形拡散電極
３１を活性層１２に近づけるようにした例である。この
ような溝は、（００１）面のく１１０〉方向にストライ
プ方向を取り、例えば、Ｂｒ：ＣＨ３ＯＨ＝１：１００
等のエツチング液を用いてエツチングすれば容易に形成
出来る。これはエツチング速度が結晶面とくに（１１１
）Ａ面と（１１１）Ｂ面で著しく異なるために生ずる現
象である。この場合は明らかに等電位面である金属のオ
ーミツク電極１５がストライプ３０の両端で活性層１２
に近く、注入キヤリヤを増してストライプ両端での注入
キヤリヤ密度の減少を補つている。ストライプ３０の巾
が１０〜１７μで基本横モード発振が得られた。ストラ
イプ幅を更に広くすると高次横モード発振に移行する。
電流一光出力特性は第２図に於けると同様、閾値電流の
２倍迄はほぼ直線的であ゛つた。この場合も、詳細な注
入キヤリヤ密度分布は、ストライプ幅、ストライプ３０
のエツチング深さ分布、エツチング表面と活性層１２と
の距離及びｐ−ＡｌＯ．３ＧａＯ，７Ａｓ層１３の比抵
抗によつて決定される。

この他にも第２図及び第３図の実施例を結合した例等が
考えられる。

例えば、第２図の２本のストライプ電極２０をｐ−Ａｌ
Ｏ．３ＧａＯ．７Ａｓ層１３の表面をエツチングして活
性層１２に近ずけて設けてもよい。また擬等電位面とし
て働くｐ＋Ｚｎ拡散層を２本のストライプ部に設けても
本発明の主旨が実現できる事を述べたが、結晶の層構造
をＰ，ｎ反対にした場合には、ｎ＋拡散層、イオン注入
層等も同様の役割を果たす。更に第２図、第３図に於て
は、ＳｌＯ２膜１４を除去してもＺｎ拡散領域２１及び
３１の有無によるオーミツク抵抗の相菓が発生するから
、本発明の目的をある程度達成することができる。とく
に第２図に於て両ストライプ２０間のＳｌＯ２膜のみを
除去した場合は、第２図ｂと殆んど同じ結果が得られる
。第４図は更に別の実施態様であり、ブレーナストライ
プ構造に本発明を適用した例である。

幅６μｍの２本のストライプ４０が３μｍ離れて平行に
配置されている。結晶の層構造、導電型は第２図に用い
たものと同じである。２本のストライプ４０以外の領域
には、Ｓが選択拡散されており（領域４１）、電気的絶
縁の役を果たしている。

この構造に於ても、第２図に於けると同様の基本横モー
ド発振、直線性の良い電流一光出力特性が得られる。第
５図も又別の実施態様であり、プロトンストライプ構造
に本発明を適用した例である。

層構造、導電型は第２図に用いたものと同じである。幅
８μｍの２本のストライプ５０が３μｍ離れて平行に配
置されている。両ストライプ５０間には幅８μｍのプロ
トン照射した高抵抗領域５１が設けてあり分離されてい
る。このプロトン照射領域５１の深さは活性層１２に迄
は達していない。両ストライプ５０の外側はプロトン照
射した高抵抗領域５２であり、その深さは活性層１２を
越している。この深さが領域５１の深さと同じであれば
、得られる結果は第４図のそれと同じである。プロトン
照射領域が第５図に於けるように活性層に迄達している
場合は、領域５２に於ける活性層１２は著）しく寿命の
短いキヤリヤの再結合領域として働く。

従つて、電流を増していくとストライプ５０の端の活性
層１２で注入キヤリヤ密度が増加して高次モード発振ζ
こ導くといつた、第２図に於けるような欠点が補われて
いる。この構造では基本横モードは著しく安定であり、
閾値電流の約２倍迄基本横モード発振が得られる。尚プ
ロトン照射以外にもＨｅ，Ｎ，Ｏ等のイオン照射によつ
ても同様の効果を得ることができる〇本発明の主旨から
考えれば、層構造、導電型等は上記に限らず、これ迄多
く知られている各種ストライブ構造に本発明を適用でき
ることは云う迄もない。

とくにオーミツク抵抗を下げるためにｐ−ＡｌＯ．３Ｇ
ａＯ．７Ａｓ層の上に更にｐ又はｎ−ＧａＡｓ層を設け
ることはよく行われているが、そのような構造にも本発
明は容易に適用できることは明らかである。また第５図
で説明したように、ストライプの外側の活性層にプロト
ンを照射して注入キヤリヤ一に対する速い再結合領域と
し、電流と共にストライプの外側で注入キヤリヤ一密度
が増大する現象を防ぐ手段は、本発明に附加すれば更に
有効である事は明らかである。既に述べた本発明の実施
例に於ても、第２図、第３図、第４図のストライプの外
側の活性層（こプロトンを照射すれば実施できる。また
第２図、第４図及び第５図に於ては、ストライプ領域が
２本の例であつたが多数本分布させても同様の効果が得
られることは明らかである。

本発明は（Ａｌ−Ｇａ）Ａｓダブルヘテロ接合レーザに
限らず、（ＩｎｘＧａ，−ＸＡｓｙＰ，一，ＩｎｐＧａ
，−ＰＡｓ，），（Ｐｂ−Ｓｎ）Ｔｅ系のダブルヘテロ
接合レーザ、注入キヤリヤ一と光波のとじこめとを別々
のヘテロ接合で行う二重ダブルヘテロ接合レーザ、更に
はシングルヘテロ接合レーザ、ホモ接合レーザにも適用
できることも又明らかである〇

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するための図である。 第１図ａは素子断面図、ｂは注入キヤリヤ密度分布図、
ｃは電流一光出力特性曲線である。第２図Ａ，．第３図
、第４図、第５図は、本発明実施例説明のための素子断
面図、第２図ｂは第２図ａの効果を示す注入キヤリヤ密
度分布図である。１０・・・・・・ｎ−ＧａＡｓ基板、
１１・・・・・・ｎ−ＡｌＯ．３ＧａＯ．７Ａｓエピタ
キシヤル層、１２・・・・・・ｎ一ＡＩＯ．Ｏ５ＧａＯ
．９５ＡＳ活性層）１３″″゜４′。 １ＰＡ１０．３Ｇａ０．７Ａｓエピタキシヤル層、１４
・・・・・・ＳｉＯ２膜、１５・・・・・・Ｃｒ−Ａｕ
電極、１６・・・・・・Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ電極、１７・
・・・・・ストライプ電極、１８・・・・・・注入キヤ
リヤ密度分布曲線、１９・・・・・・電流一光出力特性
曲線、２０・・・・・・ストライプ電極、２１・・・・
・・Ｚｕ拡散領域、２２，２３・・・・・・注入キヤリ
ヤ密度分布曲線、３０・・・・・・ストライプ電極、３
１・・・・・・Ｚｎ拡敞領域、４０・・・・・・ストラ
イプ領域、４１・・・・・・Ｓ拡散領域、５０・・・・
・・ストライプ領域、５１，５２・・・・・・プロトン
照射高抵抗領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 注入キャリヤー分布領域をストライプ状に限定する
   実効的に等電位面とみなし得る電気良導体が、実効的に
   ストライプ幅の両端とみなし得る部分に於て、実効的に
   ストライプ中央部とみなし得る部分に於けるよりも、よ
   り活性層に近く配置され、注入キャリヤー密度分布が実
   効的にストライプ全幅にわたつて平坦とみなし得るよう
   にしたことを特徴とする注入型半導体レザー素子。