JPS5992590A - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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JPS5992590A
JPS5992590A JP20267582A JP20267582A JPS5992590A JP S5992590 A JPS5992590 A JP S5992590A JP 20267582 A JP20267582 A JP 20267582A JP 20267582 A JP20267582 A JP 20267582A JP S5992590 A JPS5992590 A JP S5992590A
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JP
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active layer
resonator
region
active
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JP20267582A
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Shinsuke Ueno
上野 眞資
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NEC Corp
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NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
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    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

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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。
近年、AlGaAs / GaAs等の結晶材料を用い
る可視光半導体レーザは、低閾値で高効率の室温連続発
振を行う事ができるので、光方式のディジタル・オーデ
ィオ・ディスク(DAD)用光源として最適であり、こ
の半導体レーザを用いた装置が実用化されつつある。こ
の可視光半導体レーザは、光プIリンタ等の光書きこみ
用光源として用いる要求も高まっているが、この要求を
満すため大光出力発振に耐える可視光半導体レーザの研
究開発が進められている。この可視光半導体レーザとし
ては、光学系との結合効率を上げる事が望ましく、また
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。
従来の半導体レーザの中で、ツヵダにより米国雑誌″J
ournal of Applied Physics
”、第45巻4899頁〜4906頁 に報告されてい
るものは、活性層をクラッド層でとり囲みpn接合の組
合せによシ活性層内にのみ有効にキャリアを注入できる
構造のいわゆるBH(Buried Heterost
ruc−ture )レーザであり、活性層の水平方向
と垂直方向との拡がシ角が等しい円形に近い光源であり
、低閾直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程度ときわめて小さいので、室温連続
発振(CW)光出力が1−2 mW。
パルス動作(100ns ii )光出力が10mW程
度の動作限界となっておシ、これ以上の光出力を放出す
ると容易に反射面が破壊される。と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I
MW/cJ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B OG (Bu
ried 0ptical Quide B Hv−ザ
)が、ナカジマ等によシ雑誌” Japanese J
ournal ofApplied Physics−
”、第19巻L591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埋込
み活性層の光の一部を隣接したガイド層しみ出させ光学
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光の量に依存するが、
信頼できる最大光出力はlQmW前後であり限界があっ
た。
またBH槽構造反射面近傍を活性層よりもバンドギャッ
プの大きいクラッド層で埋込み大光出力発振をさせよう
という試みが、渡辺等により第29回応用物理学関係連
合講演会予稿集161頁(1982年春季)に報告され
ている。しかし、この構成は、レーザ光が反射面近傍の
クラッド層を伝播する際に光が拡がるため、反射面で反
射されて活性領域内に入り再励起される光の量(カップ
リング効率)が低くなるので閾値電流の上昇および外部
微分量子効率の低下をきたす欠点を有している。この渡
辺等の報告によれば、閾値電流は通常のBH半導体レー
ザの2倍になり、外部微分量子効率はわずか11.8%
しか得られていない。更にこの構造を形成する場合、結
晶成長後エツチングして反射面となる領域を埋込むので
、埋込んだクラッド層領域と活性層との界面部分に結晶
欠陥が生じやすく信頼性の点で問題がある等の欠点を有
していた。
さらに、光書きこみ用光源等としては、この半導体レー
ザをPCM動作をさせる必要がある。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大光出
力発振を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
をする事はもとより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振による大光出力発
振が可能であると共に緩和振動の5− 抑圧されたすぐれた動特性を示しかつ高速変調可能であ
り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、共振器Iの長さ方向の
およびこの共振器の両端の両度射面近傍にそれぞれ凹面
を有した半導体基板と、この半導体基板の前記共振器長
方向に活性層とこの活性層よシ屈折率が小さいガイド層
とをこのガイド層より屈折率の小さい第1及び第2のク
ラッド層で挾んだストライプ状構造と、このストライプ
状構造の両側を前記ガイド層よシも屈折率が小さい材質
で埋込んだ第3のクラッド層とを含み、前記共振器中央
領域と両度射面近傍との凹面領域上の活性層が前記凹面
領域を除いた共振器領域である凸面領域上の活性層に対
しそれぞれ段差を設け、前記共振器中央領域の凹面によ
って分離された前記凸面領域上の活性層にそれぞれ独立
に電流注入領域を設けた事を特徴とする。
以下図面により本発明の詳細な説明する。
6一 第1図は本発明の実施例の斜視図、第2図、第3図およ
び第4図は第1図のA−A’、B−B’およびC−0部
分の断面図、第5図は第1図の製作過程における基板の
側断面図、第6図は第1図の製作過程における側面エッ
チオフ時の斜視図である。
まず、第5図に示すような、(100)面を平面とする
p形G a A s基板10を形成する。すなわち、p
形G a A s基板10上に5i02膜11を設け、
このS!02膜11全11トレジスト法で[011’1
方向に幅100μmで50μm間隔をあけて2本平行な
ストライプを残して他を除去し、Brzとメチルアルコ
ールとの混合溶液を用いてM2.0μmエツチングする
。この時共振器の長さく011)方向において、5in
2膜11を残した凸状平面とエツチングして形成された
基板10の凹状部とは安定な逆メサ状の135度16分
傾斜として再現性よく形成される。
次に、8i0a膜11を除去した後、p形A104Qa
o、aAsクラッド層12(第1のクラッド層)を1、
5 μm 、次いでアンドープAlo、tsQao、5
sAa活性層13を0.08 tim%n形Alo、2
yQao、yaAsガイド層14全145 pm、 n
形kl o、a Qa o、a Asクラッド層15(
第2のクラッド層)を1.0μm更にp形Alo、oa
Qao、oyAsキャップ層16全165μm成長し、
成長表面が平担になるようにする。この時凸状平面上の
活性層13と凹状平面上の活性層13とは、凸状平面と
凹状平面とが逆メサ状の段差を形成しているのでとぎれ
て成長する。また、凸状平面上の活性層13は凹状平面
上のガイド層14と隣接するように成長させる。次に、
8iOz膜17を形成した後フォトレジスト法及びエツ
チング法で共振器長[011”1 方向に幅3μmのス
トライプ状にSiO2膜17全17て他をp形GaAs
基板10に達するまでエツチングし、活性領域を形成す
る(第6図)。
次に、この5ins膜17を残したままガイド層14よ
り屈折率が低く抵抗が高く電気的に絶縁性の7Jo、a
sQaαas As埋込み層18(第3のクラッド層)
で埋込むと、その8i02膜17上には結晶が成長しな
いのでストライプ状のダブルへテロ構造の両側をその埋
込み層18で埋込む事ができる。
次に、この5iOz膜17を除去し、この埋込み層18
およびキャップ層16の全面に新たに8i0z膜19を
形成し、さらに凸状平面上のキャップ層160表面にそ
れぞれ窓をあけ、イオウSを拡散してn形拡散領域20
.21をそれぞれ形成する。
この時の拡散フロントはn形kl O,4Ga o、s
 Asクラッド層15内にくるように制御する。次に成
長面側のn形拡散領域20.21にn形オーミックコン
タク)22.23をそれぞれ形成し、基板11の側にp
形オーミックコンタクト24を形成して半導体レーザを
構成する。
この半導体レーザは、第4図に示すように、n形オーミ
ックコンタクト23とp形オーミックコンタクト24と
の間に直流電源30と抵抗32を介して一定電流を流し
、n形オーミックコンタクト22とp形オーミックコン
タクト24との間には抵抗33を介してパルス状の電流
を供給する駆動回路31を接続することによシ、レーザ
発振を行わせることができる。
9一 本発明の構成において、共振器中央の電流注入領域は、
光の一部が活性層13から隣接したガイド層14にしみ
出てレーザ発振をおこなうが、活性層13とガイド層1
4とは活性層垂直方向のみならず活性層水平方向にも屈
折率の小さいクラッド層12,15.18で囲まれた正
の屈折率ガイディング機構をそなえている。この活性層
13にに隣接してガイド層14を有している場合、活性
層水平方向の埋込み領域の第3クラッド層18の屈折率
をそのガイド層14の屈折率よりは小さく活性層垂直方
向のクラッド層12.15の屈折率よりは大きくしてお
けば、活性層幅をガイド層のない通常のBH構造の活性
層幅(キャリアの拡散長程度)の1.5倍から2倍程度
広くしても安定な基本横モード発振を維持する事ができ
る。
更に、活性層13に隣接してガイド層14を有している
事は、光学損傷レベルを著しく上昇させる点でもきわめ
て効果的である。すなわち、レーザ発振時に光の一部は
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、しみ出た光は発10− 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
で吸収損失を受ける事なく透過する。一方、活性層13
を通る光はこの活性層で吸収され光学損傷を引きおこす
要因となるが、活性層内の光の量を少くすれば光学損傷
の生じるレベルは上昇する。ところで、光のしみ出し量
を大きくすると一般に閾値電流が上昇するが、この実施
例の構造ではストライブ幅で限定された領域両側が半絶
縁性の第3のクラッド層で埋込まれて、電流がこのスト
ライプ領域のみ流れ有効に活性領域内に注入されるので
、注入電流はすべて発振に寄与し低閾値で発振する事が
できる。又、注入電流は有効に発振に寄与するので高効
率の外部微分量子効率を得る事ができる。したがって、
この実施例では、ガイド層の屈折率を制御してガイド層
への光のしみ出し量を多くできるので、光学損傷レベル
を上げると共に、低閾値、高効率のレーザ発振を実現す
る事ができる。
また、本発明の構造においては、共振器長方向において
凸状平面の基板以外、中央部分の一部と両度射面近傍と
の凹状の平面をした基板上にも各層が成長し、活性層1
3も凹凸の基板の各領域に形成されるが、共振器長方向
において凹状平面と凸状平面との境界では逆メサ状の段
差を生じているので、段差が大きい場合には活性層はそ
の部分でとぎれて成長しやすく、その一方の活性層がつ
ながっていても凹状平面領域の活性層は非励起領域とな
っている。このため電流注入領域を有する凸状平面領域
の活性層13から凹状平面領域の活性層13内を伝播し
てくる光は150crrL−1から200crrL−1
にわたる吸収損失をうけるためレーザ発振光の通路とは
ならず、光の大部分は凸状平面領域の活性層13から直
進してレーザ発振を開始する。
特に本実施例の構造では、活性領域となる凸状平面領域
の活性層13が凹状平面領域のガイド層14に隣接して
いるので、レーザ光は発振光に対しては透明となるガイ
ド層14内を直進する事になる。
例えば、発振波長λ=0.78μmにおいて、発振波長
とガイド層AlyGa 1−yAs (Y = 0.2
7 )の場合にはそのバンドギャップ差は170meV
以上となるので、反射面近傍での光の吸収損失が全く無
視でき低閾値で発振する事ができる。
また、凸状平面領域のいくつかに電流注入を行い励起領
域とし、残りの凸状平面領域の活性層を非励起状態にし
ておけば、そこでは伝播する光が損失領域となるので励
起領域から凹状平面領域のガイド層を透過して伝播して
きた光が吸収されレーザ発振が阻止される。これに対し
非励起領域の凸状平面領域の活性層に電流を注入し励起
領域に変換すれば、伝播してきた光は再励起されて直ち
にレーザ発振が開始される。従って、一つ以上の凸状平
面領域の活性層に一定電流を注入し、残りの凸状平面領
域への電流注入のon−offをくシかえず事によりP
CM動作をさせる事ができ、しかもこの注入電流量を制
御する事により、任意の大光出力発振を得る事ができる
更に、本実施例は、活性層13のまわ如をバンドギャッ
プの広いクラッド層12,15.18でとシ囲み注入電
流を有効に発振に寄与させて緩和振動の抑圧にきわめて
効果的である。通常の半導 13一 体レーザの動特性において、最初の基本モードの緩和振
動のピークの立上りによってキャリア分布に穴があき、
そのため光集束性が増強され、この光集束性によってモ
ード利得の変動を生じ緩和振動が助長される。一方、本
実施例の如く電流が活性領域のみに注入され有効に発振
に寄与する場合には緩和振動によって生じるキャリアの
穴は効果的に埋められ、緩和振動は抑圧され、光集束性
の発生に基づくモード変形による緩和振動の助長を防ぐ
ことができる。従って、この実施例においてはPCM動
作をする際矩形状でかつ高速の変調をおこなう事ができ
る。
また、この構造は、反射面近傍において活性層13が共
振器長方向でガイド層14に接しているので、活性層垂
直方向においてクラッド層へ光はもれる事なくガイド層
14内に集光されて直進し、さらにストライプ状のダブ
ルへテロ接合構造の両端を第3のクラッド層18で埋め
込んだ構造をしているので活性層水平方向においても光
はストライブ状のガイド層内に集光される。従って本実
施14− 例の構造は両反射面近傍において活性層垂直方向のみな
らず水平方向にも光の進行をきせいするガイド機構をそ
なえておシカツブリング効率も高く低閾値で高効率のレ
ーザ発振が可能になる。
ところで、本発明の構造は、共振器中央の活性領域で発
振した光は隣接したガイド層にしみ出し更に反射面近傍
ではガイド層内を進行するので、等測的には活性領域の
両端にガイド層をかねそなえた形状に近くなり、次の如
き効果をもつ。従来の半導体レーザは活性層垂直方向の
広がり角θ上は40度〜50度以上で、活性層水平横方
向の広がり角θ/は10度〜15度前後となるのでその
スポットサイズは偏平な形状をしている。一方、活性層
の片側にのみ隣接してガイド層を設は光をしみ出させた
場合、光のしみ出しの形状は偏平で活性層垂直方向の光
の広がり角は30〜35度しか減少しない。これに対し
、本発明の構造では共振器中央部分と両反射面近傍とで
のガイド層への光のしみ出しにより、光は活性領域を中
心として垂直方向にほぼ対称に広げる事ができ、光の垂
直方向の広がり角を20〜25度前後まで減少する事が
できる。一方、活性層水平横方向の広がシ角θ/はクラ
ッド層と活性領域との正の屈折率ガイディングによりス
ポットサイズが縮少するので20〜25度になり等心円
的な発振光源をうる事ができる。
更に、本実施例の如く両反射面近傍を発振光が透過する
層とする事により、反射面破壊(COD)レベルを飛躍
的に上昇させる事ができる。すなわち、通常の半導体レ
ーザではキャリア注入による励起領域となる活性層端面
が反射面として露出しておシ、そこでは表面再結合が生
じ空乏層化してバンドギャップが縮少している。従って
、大光出力発振をさせると、この縮少したバンドギャッ
プにより光の吸収が生じ、そこは発熱して融点近くまで
温度が上昇しついには光学損傷が生じる。とれに対し、
本実施例の構造では、光の反射面となる両端面近傍は非
励起領域になっているばかシですく、発振光はバンドギ
ャップ差が170meV以上も広い層を透過して発振す
るので、反射面近傍での光の吸収はなく光学損傷は生じ
にくいので大光出力発振が可能になる。更に、共振器長
中央部分では光はガイド層にしみ出てレーザ発振をする
ので米国雑誌” IEEEJournal of Qu
antumB 1ectronics”、第QE−15
巻775頁〜781頁にヨネズ他によって報告されてい
るような大光出力発振によって活性層内部に生じる破壊
現象もおさえる事ができ半導体レーザの最大光出力レベ
ルははるかに高くなる。
この実施例において共振器長方向に形成され凹状平面領
域で分離された凸状平面領域は、それぞれ励起領域とな
るが、一方が非励起状態になっているとき、他方の励起
領域から伝播してきた光は100crrL−1から15
0儒−1の光の吸収損失を受けるのでレーザ発振は生じ
ないが、パルス状の電流によシ非励起状態を励起状態に
転じると、他方の励起領域から伝播してきた光は再励起
されて直ちにレーザ発振を生ずる。特に、注入電流は共
振器中央のストライプ状領域でかつn形拡散をした凸状
平面領域しか流れないので、有効に発振に寄与し17− 緩和振動が抑圧された矩形状の光出力を得る事ができ、
しかも高速変調が可能である、 なお、実施例ではパルス1fの電流を流すとしたが直流
のon−offでもよい。また、この実施例ではp形基
板を用いたが、pn を反転させn形基板を用いて製作
する事もできる。又、埋込み層も絶縁層でなくn形A 
l o、ss Qa O,6!l As層、p形AJ0
.311Gao、5sAs層とをくみ合せた電気的なブ
ロック層としてもよい。さらに、この実施例はs Al
GaAs/ G a A sダブルへテロ接合結晶材料
について説明したが、他の結晶材料例えばInGa A
sP / InGaP。
InGaP /AIInP、 InGaAsP / I
nP 、  AA’GaAsSb /GaAsSb等数
多くの結晶材料に適用する事ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例の斜視図、第2図は第1図のh
−vの部分で切断した断面図、第3図は第1図のB −
B/の部分で切断した断面図、第4図は第1図のC−σ
の部分で切断した動作時の断面 18− 図、第5図は本実施例の製作過程における基板形成時の
断面図、第6図は本実施例の製作過程における側面エッ
チオフ時の斜視図である。図において 10・・・・・・p形GaAs基板、11,17,19
−・・・・・5i02膜、12・・・・・・p形kl 
O,4QB 0.6 Asクラッド層、13−・・・・
・アンドープA10.111 Qa o、5sAs活性
層、14・・・・・・n形AJ o、zt Qa o、
ysAsガイド層、15・・・・・・n形Alo、4Q
ao、gAsクラッド層、16・・・・・・p形Alo
、oaQao、eyAsキャップ層、18・・・・・・
絶縁性AJ o、as Qa o、as As埋込み層
、20,21・・・・・・n形拡散領域、22.23・
・・・・・n形オーミックコンタクト、24・・・・・
・p形オーミックコンタクト、30・・・・・・電源、
31・・・・・・駆動回路、32.33・・・・・・抵
抗である。 19−

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 共振器の長さ方向の中央領域およびこの共振器の両端の
    反射面近傍にもそれぞれ凹面を有した半導体基板と、こ
    の反導体基板の前記共振器長方向に活性層とこの活性層
    よシ屈折率が小さいガイド層とをこのガイド層より屈折
    率の小さい第1及び第2のクラッド層で挾んだストライ
    プ状構造と、このストライプ状構造の両側を前記ガイド
    層よシも屈折率が小さい材質で埋込んだ第3のクラッド
    層とを含み、前記共振器中央領域と前記両度射面近傍と
    の凹面領域上の各活性層が前記凹面領域を除いた共振器
    長領域である凸面領域上の活性層に対してそれぞれ段差
    を設け、前記各凸面領域上の活性層にそれぞれ独立の電
    流注入領域を設けた事を特徴とする半導体レーザ。
JP20267582A 1982-11-18 1982-11-18 半導体レ−ザ Pending JPS5992590A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61274383A (ja) * 1985-05-11 1986-12-04 Oki Electric Ind Co Ltd 半導体レ−ザの製造方法
JPS63194385A (ja) * 1987-02-09 1988-08-11 Fujitsu Ltd 半導体発光装置

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