JPS59987A - 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、とくに横モードの安定化された
ストライプ形半導体レーザ化量するものである。

半導体レーザは、小形、高効率で、直接変調が可能なこ
とから、光通信、光情報処理、光集積回路用の光源とし
て種々の用途が考えられている。特に単一横モード発振
可能なレーザが増々重要となり、゜各種の半導体゛レー
ザが開発されてきた。しかしながら、ストライプ幅を非
常に狭くしてゆくと、極端にしきい値電流密度が増加し
たり、軸モードも単一でなく、多《の軸モードが発振し
てしまう等の欠点を有する。光集積回路では半導体レー
ザ自体の大きさが非常ニ問題となり、狭ストライプ化は
さけられなＩｌｌ。

又、これまでに本発明者等によって、光集積回路に適し
た三端子型半導体レーザの特許出願（特願昭５６−１３
３１１４号；半導体レーザ）力（なされている。

三端子型半導体レーザとは）くイボーラモード静電誘導
トランジスタと半導体レーザを一体イヒしたもので代表
的な例である第１図を参照しながら原理を説明する。

第１図は代表例の斜視図である。ＧａＡｓ、ＧａＡｊＡ
ｓを半導体層としている場合につ１１）で具体例を述べ
る。

１はｐ＋　ＧａＡ３の結晶基板、２は第２の半導体層Ｐ
”　Ｇａ１−ｇＡｊ、ｚＡｓ、３は第１の半導体層Ｇａ
１−ｙＡｌｙＡｓ、−”４は第３の半導体層ｎ　Ｇａ１
−ｇＡｊｇｅＡｓ、５（よ第４の半導体層ｎ　ＧａＡｓ
であり、Ｏ＜　ｙ　＜　ａｅ　＜　１なる関係にある。

６はｐ十領域、７はｎ十領域、８．９．１０は金属電極
である。９がアノード、８がカソード、１０がゲートで
ある。電極９と電極８の間に流れる電流をゲート１０に
印加する電圧によって高効率、高速曇と、ル制御するの
力（、第１図の半導体レーザの機能である。第３の半導
体層のキャリア濃度によっても異なる力（、ゲート印加
電圧により、効率的覗こｆｌｉｌ制御しようとする場合
は、ゲートから流れこむ正孔の拡散Ｖ巨離ＬＡの２倍程
度以下にゲート間隔Ｗをしなけれｉｆならない。領域４
のキャリア濃度を１×１０１５ｃｒｎ−３程度にしたと
き、ゲート間隔は３μｍ以下刃（よ０゜すなわち、電流
通路が非常に狭（１ストライプとなり、前述したように
狭ストライプの欠点を同様に有する。

本発明の目的は狭ストライプを有した半導イ本ことであ
る。

第２図は、本発明による実施例である。図１１１〜１０
は第１図と同じてあり、２１は第２の半導体層のうちの
凸部を示している。２２は例え＋−ｘ　ｎ＋のＧａＡｓ
てあり、基板、第１半導体層と反対導電るためには光導
波部−分の屈折率を高める必要力（あるが、第１図に示
すような構造ではｐｎ接合に平行な方向では屈折率分布
は設けられて０ない。実効的に屈折率を高めるには二つ
の方法があり、一方は最初から、屈折率の高（１部分、
あるいは光の伝搬損失の大きい部分を材質、構造を選択
することによりストライプ中に設けるこ−とであり、他
法は光導波のために光の利得の高い所を設け４ヒ、その
場所は実効約１こ屈折率が高くなる。利得の高い所とは
、注入電流を集中させて、半導体中にキャリアの反転分
布を作り出すことによって可能である。すなわち、第１
１図における構造では番４横方向に屈折率分布力１５構
造的に設けられていない。さら１こ、カッ−と７から注
入される電子の流れはゲート６によってしぼられるが、
その後は拡がる。又、アノードの電極は通常全面に設け
る上、基板１の厚さは通常１００μｍ程度と厚く電流は
第１−図中の矢印の如（拡がり、活性層３で横方向の電
流とじ込めができずに、しきい値電流が増加しかつ゛電
流集中もできないために、横モードの０安定化も計れな
い。第２図においては、内部に実質的な屈折率差を設け
る２構造を取り入れている。まず第１の構造として第２
の半導体層で発光領域に対応して厚い領域２１、それ以
外の部分は薄い領域となる様にしている。即ち発光領域
とそれ以外の領域に対応する部分の少なくとも境界に第
２、第３の半導体層のいず゛れかあるいは同時ｌｄｊ亭 厚みに段差を持たせ、且この半導体層の厚さ件薄い領域
の外にしみ出した光の実効的複素屈餡率を変化させる層
を設けたものである。第３図は活性層３を０．１μｍ厚
さのＧａ　Ａｓ、その外側をＧａ　１−ｃ　Ａ口Ａ８半
導体層（クコ０．３）としたときの各層に対して垂直方
向の光の強度分布である。

横軸は垂直方向の距離ｄ　（μｒｒＬ）、縦軸は相対的
光強度Ｒ，Ｉであり、図中に活性層厚さｄｌ＝０．１μ
ｍを示している。すなわち、活性層ｄｌから外への光の
しみ出しの量を示していて、活性層外に相当の量の光が
しみ出している事がよく理解される。さらに、Ｇａ　ｏ
、７　Ａｌ６ＪＡｓ層においても少なくとも０．６μｍ
程度は厚さがないと、外部への光のしみ出しが生じて、
損失が多くなる。第２図の構造のレーザを例とすると、
厚さｄｌは０．６μｍよりも薄くし、領域２１の厚さは
１μｍ程度よりも厚（しておくと、溝幅ａより外側で損
失が多く、溝幅８以内では損失が少くて、溝内にレーザ
光をとじ込めることができる。光の導波特性は、溝のあ
る部分とない部分の複素屈折率差δにで決定される。δ
芹はδｉ＝ム”’ＴＩＧ”と書くことができる。ここで
湖は実効屈折率、１は実効吸収係数、ＫＯはレーザ光の
真空中での波数である。Δｎは１にほぼ比例し、構造よ
り１を決めることにより４光の導波特性が記述できる。

ｄｌ＝０．１μｍ’ｉ、　　ｄ２＝０．６μｍで１中Ｉ
Ｍ：）ｃｍ−！、Δｎ中４　Ｘ　１０−４程度となる。

ｄｌが大きくなると第３図における光のしみ出しが少な
くなるのでａ”　＞　４Ｑ　ｃｍ　−”とするにはｄｉ
　＝０．１５μｓ　（７）場合、ｄ　２　＜０．５１１
ｍ（ｍｎ　＝　３　Ｘｌ（ｈうｄｔ＝０．２／Ａｍの場
合、ｄ２＜０．４５μｍ　（Ｎ神２　Ｘ　１０−りとな
る。実効屈折率が少し小さいが、ムｎλｌＸｌ０−３に
保とうとすると、ｄ１＝０．１μｍ　、　　ｄ２＜０．
４′５μｍ（１中２００ｏｎ　　’　）　　ｄｔ＝０．
１５μｒｎ　、　　ｄ２＜０．３５μｒｎ（’　＝３０
０ｃｍ−１）　　、ｄｔ＝０．２μｍ　１ｄｚ　＜　０
．２５１１ｍ　（Ｆｒ　＝５ＱＱｚ　’）の条件にすれ
ばよい。その場合は損失１が非常に大きくなる。

一方、第２の構造として、第２図の領域２２に基板１と
第２の半導体層に対して、反対導電型の半導体層若しく
は高抵抗の層を設けている。

これにより電流の通路を半導体基板側でもしぼることに
なり、電流の拡がりはレーザ発光部たけに殆んどおさえ
ることができる。例えば第２図中の矢印の如く電流は流
れるようになり、半導体レーザの活性層における電流効
率は非常によくなり、そのためモードとじこめもよくな
って、さら１こ実質的に全体のしきい値電流も小さくな
る。活性層中に注入された電子密度と先導波路の利得Δ
９の関係は、ＧａＡｓ−Ｇａｘ　−Ｚ　Ａｌｘ　Ａ８　
（Ｄダブルへテロ構造レーザでは、しきい値電流の式（
実験式）より以下の様に表わされる。

Δ、　＝−！−！−［−Ｈ２２５Ｆ←−１）・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
２０τＢ ただし、ｅキ１．６０２　ｘ　ＩＦ　”クーロン、グ：
内部量子効率、τ８：キャリアの寿命、Ｆ：光のとじこ
め係数、ｎ：キャリア密度ｆｆｉ”である。２＝０．３
、ｄ　＝　０．１μｍ、τｓ　＝　Ｉ　Ｗｓｅｃ　、　
ｔｔセ１として、Ｚ　＝　０．３とｄ　＝　０．１μｍ
よりＰ中０．２８とするとΔ？＝　２．２４　×１（ｊ
１６ｎ　−６３（ｍ−”　）　−＝−−（２１となる。

一方、損失（αｔｏｔａｌ　）は以下のようになる。

αｔｏｔａｌ　＝αＪ　　＋　７〜：＜ｔｎ＊＋ノｎ−
ｉ　　）　　−−−−−−・−・−４３まただし、αｉ
：半導体内の散乱、吸収損失、Ｌ二手導体レーザの長さ
、Ｒ１、Ｒ２”　ミラーの反射率である。ξの場合だと
ｎが２．８　Ｘ　１０　”ｃｍ−３から利得が生じ始め
、Δ針”　ｔｏｔａｌでレーザ発振が起こる。

ｄｉ　＝　ＬＯｃｍ　’、Ｌ　＝　１００μｍ　ｓ　Ｒ
１＝　Ｒ２＝　０−３１（ＧａＡｓ　）とするとαも０
もａｌ　＝＝　１２７ｃｍ　’　　となり、ｎ　ｔｈ　
＝　８．５　Ｘ　１０１７ｃｍ−３（Ｊもｈ　＝　１３
６０　Ａ／６ｎりてレーザ発振が起こる。内部での利得
はそのとき？−＝＝１１７ｃｒｎｌ程度の利得がある。

第４図（ａ）はストライプの横方向における電流の拡が
りを示している。第４゛図（ｂｌはストライプ横方向の
正味利得？ｎｅｔの分布を示している。

第４図＋ａ＋で横軸はストライプ幅方向２（μｒｎ）で
ストライプの中心を０とし、縦軸は注入電子密度ｎ（ｃ
ｖｎ３）を示している。ストライプ幅はＳ；６μｍの例
であり、図中４１は、第１図のような半導体レーザにお
ける活性層での電流拡がりを示し、４２は第２図の構造
の基板側に電流のしはり構造を導入した場合の電流拡が
りを示す。電流しぼりの効果は非常に大きく、しきい値
電流を低減化できる。特に２〜３μｍ以下のストライプ
幅の半導体レーザでは電流、拡がりはさらに大きくなり
、しきい値電流は極端に大きくなり、余分の電流がスト
ライプ幅より外に流れることにより、レーザストライプ
外での損失による局部発熱等が生じ、モード不安定性の
誘因になる。

故に、狭ストライプにすればするほど電流拡がりを防く
構造は重要となる。第４図＋ｂ＋て横軸は散乱損失をひ
いた正味の利得９ｎｅｃである。図ｔｆ１−；４３．４
４は第４図（ａｔの電子密度分布４１．４２に対応した
利得である。計算には式（２）を使用している。

４５．４６は、光のしみ出し構造において、光導波路以
外の部分の損失を１００ｃＩｎｔ程度としたときの４３
．４４からの変化を示す。２方法を用いる事によって、
ストライプ幅の所だけ光増幅利得を非常に大きくするこ
とが容易となり、しきい値電流の低減と横モード安定性
をさらに高めることができる。ストライプ幅横方向にお
ける複素屈折率差は、前述した損失と利得により、δ町
＝Δｎ　＋　ｉ　ｆ・（？ｒ？　）によって表わすこと
ができる。こ゛の実部Δｎと虚部士”　　”はクラマー
・クローニツヒの関係によって関連ブけることができ、
＜＝４＞がわかればΔｎが導出され縛る。前述した利得
、損失より、Δｎは通常大きくしてもΔｎ中１０−３程
度である。

ストライプ幅を狭くしてゆき、伝送光波の波長の長さが
問題になってくると、ストライプ幅と活性層の厚さの関
係を適性値にしないと伝搬利得が小さくなったり、高次
モードが生じたりする。方形誘電体線路の場合について
検討すると、方形の場合、幅Ｗ、厚みｄで内部の屈折率
ｎｌ、周囲の屈折率は全部ｎ２として、単一基本モード
のみを伝える条件は第１表のようになる。

第１表中、λ：自由空間波長であり、表中の値が基本モ
ードだけを伝搬する最大の大きさである。

第１表 故にこの値より大きいと高次モードが伝搬するようにな
り、しかし逆にこ′れより小さい寸法になるに従って伝
搬損失が大きくなる。例えば、ＧａＡｓ系では、ｎｘ　
＝　３．６、Ｉｎｐ系のレーザではｎｌ　＝　３．３　
トＬ、ホホ−！＃＝　１．０５　カ通常−ｒ：　アルカ
２ ら、その寸法を第２表に表わす。

第２表 ストライプ幅Ｗを１μｍ程度の寸法にすると活性層厚さ
は、第２表ｄに示すような値にした方が伝搬損失は小さ
くなる。又、Ｉｎｐ系の半導体レーザの方が寸法的に大
きくしなければならず、狭ストライプ化には不利である
。

しかしながら、多くの半導体レーザでは、ストライプ幅
の外部で−ｉ＝　１．００１程度であり、上記の寸法制
限よりけ活性層の厚さを薄くできる。

ただし、バリードへテロ接合ＤＨ半導体レーザ（ＢＨレ
ーザ）では、上記の条件がそのまま適用される。狭スト
ライプ化について、さらにモデルを使って詳述する。

率ｎ３とし、ｎｌ＞　ｎ２、ｎ３とする。１００の領域
が半導体レーザの活性領域に対応し、導波路の幅ａがス
トライプ幅に対応し、導波路厚さｂがレーザの活性層厚
さに対応するのである。斜線のある。但し、Δｎ１＝Ｊ
Ｌ二五Ｌ＝　５　Ｘ　１０　”を一定と一１ してΔｎ２＝１１−二Ｊｌ−と先導波路の厚さｂと波長
式ｚＩ に関係した架トパラメータとしている。横軸は光導波路
・幅ａと波長へに、対応した二であり、ｐ。

縦軸は（Ｋｇ”　−Ｋ２２）　／　（Ｋ＊２−　Ｋｚ２
）である。

そ・ λは自由空間波長である。Ｋ２が導波路中を伝搬するモ
ードの伝搬波数である。（ＫＺ２−　Ｋ２２）／（Ｋ１
２−　Ｋ２”　）がＯに近ず（ことは、Ｋ、　＝　Ｋ２
であり、導波光はクラッド層の波数で伝搬し、広。

い空間に拡がって流れることを意味しており、損失が非
常に大きくなっていることがわかる。

逆に（Ｋ−−ＫＺ”　）／（Ｋ１２−　Ｋ２２）がＩＩ
こ近づくときはに、　＝　Ｋ、となり、導波路中に殆ん
どの光がとじへめられて、屈折率ｎ１だけで、その波数
が決っていることになる。１に近づくにつれて、導波　
特性は良好である。第６図では　ｎｉｂ　＝ｎｌ　　−
８３ ０，５，１１，，１，５に対して、Δｎ２＝−］ｒ−＝
１領３．１０−２４１５　Ｘ　１０−２の場合の分散特
″性を示している。

但し、基本モード（ＴＥｏｏ、ＴＭｏｏ）に対して示し
ている。年が増加するにつれて、導波特性はＬ よくなっているが、二＝１．５以上になってく〜　　　
　　　へ ると高次モードが伝搬するようになる上１、レーザのし
きい値電流も増大するのであまり大きくとることはでき
ない。しきい値電流を低く抑えることからＧａＡ３の場
合だと短共振器の場合にはａに対して、△ｎ２＝１０−
３のときはほとんど関係なく一定である。横方向の光と
じ込めがあまり効果的におこなわれていないということ
である。

Δｎｚ＝１０−２．５　Ｘ　１０’−２になるに従い、
先導波路幅五Ｗ の依存性が顕著になってきて、　　で、２〜３に の付近で急激に減少し、導波特性が悪くなる。

この分散特性たけでは、明瞭に狭ストライプの限界がわ
からないので、先導波路の閉じ込め係数を求めてみる。

第７図は閉じ込め係数Ｖとストライプ幅に相当する二の
関係である。閉じ？−・ 込め係数ｐは全領域の光強度の全量に対して、先導波路
内（ａ　Ｘ　ｂ）の領域に光がどれだけ在存するかの量
である。Ｖが１に近いということは、殆んどの光がコア
部、すなわち活性層部に集中していることを意味する。

△ｎ２＝　５　Ｘ　１０　’では一シ」−は１〜２の間
まて狭（できるが、△ｎ２　＝７し １０−２だと山上の限界は　２〜３程度となり、聞２＝
γ（ １０−３になると二を５〜６にしても閉じ込め係数γ℃ は大き（ならない。Δｎ２をある程度大きく　しないと
よい光の伝搬特性は得られず、しきい値電流密度を低（
することができない。「の効果は（１）式に出ていて、
ビが１に（らべて小さいと内部損失、ミラー損失が見か
け上大きくなってしまうのである。

ダブルへテロ構造を導入しているため番こ、ヘテロ接合
に垂直の方向では活性層のバンドギャップをクラッド層
にくらべである程度小さくすればキャリアの閉じ込めは
充分なされるが、通常へテロ接合に平行な方向では、充
分なキャリア閉し込めが行なわれてはいない。バリード
゛ヘテロ（ＢＨ）やＴＪＳレーザて行なわれているのみ
である。ようするにストライプ幅方向でのキャリアとじ
込めを行なうため横方向にヘテロ構造を導入したり、反
対導電型の障壁などをもうければ、キャリアの閉じ込め
を行なうことが可能なのである。

第２図の構造の概略を述べておく。アノ′−ドであるｐ
”ＧａＡｓ基板１の不純物密度：１×１０１Ｓ〜２ｘｌ
Ｏ１９ｃｒｎ−３，２１は基板２１に設けた溝（深さは
例えば１〜１．５μｍ）、２は溝を含み基板上に成長し
たＰ　　Ｇａｌ−ｇＡｊｇＡｓ層（Ｚ〜０．３、Ｐ＝〜
１×１０１７ｃｒｎ−３）２２は基板１、層２と反対導
電型の７２−ＧａＡｓ層で厚さ及び不純物密度：　０．
１〜１．５μｍ、１×１０！６〜ｌ　Ｘ　１９１８ｃｍ
　”、Ｇ　ａＡ　ｓ活性層３の厚さ、不純物密度、０．
０５〜１μｍ程度及びｌＸ１０’４〜Ｉ　Ｘ　１０１７
ｃｍ　３　、　、ｎ　−Ｇａ　ｌ−ｘ　Ａ／ｌｚ　Ａｓ
　（例えばｇ＝０．３）４の厚さ及び不純物密度は、０
．５〜３μｍ程度及び１ｘＩＯ１３〜ＩＸＩＱ　”　ｃ
ｍ−３程度、７２−　ＧＩＬＡ８層５は、厚さ０．５〜
２μｎ程度、不純物密度ｌＸ１０１３〜１Ｘ１０１６ｃ
ｒｎ−３程度、Ｐ＋ゲート領域６の不純物密度はｌＸｌ
０”〜５×１０”　ｃｍ−３程度、ｎ＋ソース領域７の
不純物密度はｌＸ１０１７〜５Ｘ１０１９傭−３程度で
ある。ゲート・ゲート間隔（チャンネル幅）は０．３〜
３μｍ程度である。又、各部の導電型が全く反対になり
、■、２．６がｎ形、他はｐ形になっても（活性層はと
ちらでもよい）、領域１がアノード、領域６をゲ−ト、
領域７をソースと呼ぶ。

第２図の構造製作方法とし′ては、例えば、ｐ＋基板に
イオン注入化より、表面にＴｅ、Ｓ、Ｓｅ、Ｓｉなどの
ｎ形イオンをｌ　Ｘ　ＩＱ１６〜ｌ　Ｘ　ＩＱ１８ｃＭ
−３程度打ち込み、１〜３　Ｔｏｒｒ程度のＡｓ　Ｈ３
雰囲気中８００〜９０００Ｃアニールを行なった後、エ
ツチングにより基板部にストライプ状溝を堀り、層２．
３．４，５を連続的にエピタキシャル成長を行い、領域
６．７に、拡散やイオン注入で再び高濃度領域を形成す
ることによりできる。

ｐ十領域は、イオン注入ではＢｅ、Ｃｄ等を使い、拡散
ではｚｎ等の不純物を使用する。

光導波路を形成するには様々な構造により達成すること
ができる。第２図に示した構造だけではない。すなわち
、実質的に光の伝搬する部分に周囲より屈折率の高い所
をつくりこめばよい。大きく分けて屈折率が階段状（ス
テップ構造）に変化しその境界で光が反射しながら、伝
搬する場合と凸レンズと同様に光導波の中心の屈折率が
高く周囲にゆくに従って屈折率の減少する（集束性構造
）ことにより光が蛇行し”ながら伝搬する場合に分ける
ことができる。第２図の２１の部分は大きく分けるとス
テップ構造である。第５図は本発明における光導波部及
び電流しぼり部の各種形状である。ｔａｌ〜ｆｄｌはス
テップ構造、ｔｅｌ〜ｆｈｌは集束性構造をしている。

これらの形状にとられれることなく、例えば光導波部が
台形、三角形、その他多角形であろうと実質的に屈折率
の高い屈折率と電流集中部を有すればよい。

第２図でゲート領域６は層４．５にわたって形成されて
いるが、層４と５はへテロ接合であり、層４のバンドギ
ャップの方が大きくなっているため、層４のゲート領域
のＰ−Ｎ接合におけるホール注入は層５のゲートｐ−ｎ
接合からのホール注入より少なくなり、デバイスの特性
上の電流利得（９ｍ　＝　”■Ｄ／、１ｏ）がよくない
。

第９図は層５を厚く、層４を薄くすることによって、ゲ
ート領域６を層５中化形成して電流利得をあげた実施例
である。又、層５は通常レーザしきい値電流等には影響
しないで、電極８．１０等のオーミックコンタクト抵抗
を下げるため番こ形成されているので本質的には必要が
ない。

第１０図は層５をなくし、層４を厚（しその中にゲート
領域を形成した実施例である。ＧａＡｓ、ＧａＡＪＡｓ
系のダブルへテロ構造半導体レーザて上記述べたオーミ
ック低減用の層５が形成されるが、ＬｎＰ、ＩｎＧａ１
Ａｓ系のダブルへテロ構造半導体レーザでは、通常第１
０図の構造となり、例えばｐ”　１ｎＰ基板１、ｎ”　
ＩｎＧｔｈＡｓｐ層２２、ｐ−１ｎｐｔｆＭ２、Ｉ　ｔ
ｌＧ　ａ　ｐＡｓ活性層３、ｎ−ＩｎＰ層４、ｐｌｎＰ
領域６によって形成される。Ｉｎｔ−ａＧａ雲ＰｙＡ８
１　、の活性層を有しているために、ＩｎＰの結晶格子
と格子整合を実現しながら種々の組成が実現でき入＝１
．０〜’１．７　ａｍ程度は実現できる。　但し、Ｉｙ
ｘＧａＰＡ８の場合、入〉１．４μｍ以上の組成になる
と、液相成長を用いて形成すると、成長時のメルトバッ
クなどの原因から活性層３とクラッド層４の間にバッフ
ァ層を設ける場合もある。さらに他の実施例も同様であ
るが、第１０図中７１の如く、プロトン照射などにより
高抵抗領域を形成することにより、余分な領域へのキャ
リアの注入力（減り電流利得が上昇する他、ゲート領域
のキャパシタンスが減少し、変調周波数力（高くなる。

本願発明による構造は、必ずしも三端子型半導体レーザ
に限ることなく、通常の二端子化半導体レーザにも適用
可能である。第１１．１２図（ま二端子的半導体レーザ
の実施例である。先Ｇこも述べた如り、特に狭ストライ
プにしたとき有効となり、ストライプ幅Ｗ＝５μｍ以下
１こおｔλで特に効果が出て（る。さらにＷ≦２〜３μ
ｍ以下１こおいては、従来の構造の半導体レーザてｌｉ
、モード不安定、しきい値増加が著しく１が、本願の構
造によると各種特性は著し、く改善される。

第１１図では８１の領域が例えばｎ型のＧ　ａ　Ａ　ｓ
て↓−８２が拡散、イオンインプランテーショＡよりて
形成され）ｐ十領域である。８１と８２の界面は逆−バ
イアスとなって電流は流れず、層４の接する領域のみ電
流が流れる。■溝で形成することにより、狭ストライプ
化が簡単に達成できる。

さらに第１２図では、８０の領域もｎ形にして、例えば
ｎのＧ　ａＡｊＡ　ｓにして、■溝を深くして、領域８
２を活性層３をさらに越して、層２まて到達させる。そ
うすると、ヘテロ接合のため、電流の流れる領域は、領
域８７と層３の接合部分にほとんど集中するようになり
、非常に高効率となる。

本発明の半導体レーザで横モードを安定化することがで
きるが軸モードは必ずしも安定しない。特に狭ストライ
ブになると軸モードのマルチ化が起こるのが、第１Ｂ図
に示すような構造にして、単一発光波長の安定な半導体
レーザが実現できる。第１３図が横モード、軸モードの
安定化された半導体レーザの一実施例である。第１３図
ｔａｌは・表面図、（ｂｌはＡ−Ａ’線に沿う断面図、
ｆｃｌはＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。ＩｎＰ　−Ｉ
ｎＧａＡｓＰ系半導体レーザを例にして各領域を説明す
る。

１０１　：　ｐ＋ｌｎＰ基板、１０２　：　ｐ＋−Ｉｎ
Ｐ成長眉、１０３：　ＩｎＧａＰＡｓ活性層、ｌＱ４　
：　ｎ−−ＩｎＰ層、　１０５：ｎ”　−１ｎＰ領域、
１０６　：　ｐ＋−ＩｎＰ領域、１０７：カソード実極
、１０８：ゲート電極、１０９ニアノー　ド電極、１１
０　：　Ｓｉａ　Ｎ４　、ＡＪｚ　Ｏｓなどの絶縁膜、
１１１：ｎ＋ＩｎＧａＰＡｓ層である。ｐ＋ゲートのレ
ーザ発光方向の周期は、ｍ・−名−（λ：自由空間波長
、ｎ　：ｎ 活性層の屈折率、ｍ：整数１．２・・・・・・・）にな
されてゆ（。ｍが１より大きくなるにつれてモード選択
の効率は悪くなる。例えばへニ１．５μｍ。

ｎ　＝　３．３、扉＝１とすれば０．２３μｍとなる。

ｍ−３て０．６９μｍ程度となる。この構造においては
、電流がレーザ光の軸方向定在波、の電界強度が最大に
なる近傍にだけ電流が周期的に流れるように成されてい
るので、軸方向モードが単一モードで発振しやすく、し
かも電流値がしきい値電流に（らべて相当に大きくなっ
ても、単一軸モードで動作する。又、同様にＤ　Ｆ　Ｂ
　（ＤｉｓもｒｉｂｕＬｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ　）　
ＤＨ構造半導体レーザなどにも適用することができる。

このように、軸モード、縦モード、横モードともに完全
に単一モードで動作する半導体レーザは、半導体レーザ
の注入電流を変調する直接変調を行なっても、単一波長
動作が保たれていて、通信などに使用したとき、システ
ム全体が安定できわめて有効である。

以上述べたのはすべて単チヤンネル型の半導体レーザて
あったが、マルチチャンネル型の半導体レーザも容易に
できる。レーザ共振器方向に垂直な方向の実施例の断面
構造を第１４．１５．１６図番こ示す。第１４図はゲー
ト領域６が半導体領域４に埋めこまれた三端子形マルチ
チャンネル半導体レーザである。第１２図は表面拡散あ
るいはイオン注入などにより作成される表面ゲート型マ
ルチチャンネル三端子半導体レーザである。

第１４図はしいて言うとすべてのスポットが同時にレー
ザ発光する大出力型半導体レーザに適している。第１４
図のようにゲートを埋込み領域で構成するとカン−ドア
ノード間に同じ電流を流すのに必要なゲートに流れる電
流が大きくなって、電流利得が小さい。第１６図の半導
体レーザは、各スポットを同時に発光させることもてき
るし、各スポットを制御することもできる。又、全部の
発光領域が同時に発光するときは、先の位相関係も重要
であり、例えば、第１６図において、ＧａＡｊＡｓ　１
（、ａｓｓレーザて層４を３μｍ厚さ、カッーｔストラ
イプ幅３μｍ１　拡散深さ２μｍ１　ストライプ中心間
略々１０μｍ以下にして、導波路結合構造を導入すると
各レーザ発光スポットの位相が同期したレーザ発光が得
られる。レーザ光などによって異なる。各レーザ領域を
独立に制御したいときは、第１θ図に示す如く、１つお
きのゲート間にプロトンやヘリウム照射による高抵抗領
域７１を設けると、各素子を各ゲートの電圧により、独
立に制御てきる。又、領域７１の部分をエツチングなど
によって、素子分離を行なってもよい、但し、もちろん
、エツチングした後光照射ＣＶＤにより、Ｓｉ３Ｎ４や
ＡＩＮを堆積してもよい。発光領域の間隔はあまり狭す
ぎてはいけない。又、ゲートは上記の構造に限らず、切
り込みゲートなどてもよい。

本発明の半導体レーザの構造が、ここで述へたものに限
らないことは１ζうまでもない。上記く反対−どなって
いてもよい。レーザ発光部もここに説明した構造だけで
なく、Ｂ　Ｈ’（Ｂｕｒｉｅｄｌ（ｅＬｅｒｏｓｔｒｕ
ｃｔｉｒｅ　）、Ｐ　ＣＷ　（Ｐｌａｎｏ　−Ｃｏｎｖ
ｅｘ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、Ｂ　Ｃ（Ｂｕｒｉｅｄ　
（ｒｅｓｃｓｎＬ　）構造等を導入できルコとはいうま
でもない。材料もＧａＡｓ、ＧａＡｊＡｓ　、ＩｎＰ−
ＩｎＧａＰＡｓに限ることなく、他のｍ−ｖ族、■−■
族、ＩＶ−Ｖｌ族の化合物半導体、及びそれらの混晶を
用いたベテロ構造を用いてもよい。他の半導体では屈接
率、キャリアの拡散長などが変化するため寸法はそれぞ
れにおいて設計しなければならない。

本発明は以上述べた如く、光導波する部分（ストライプ
幅内）をその周囲より実質的に、光導波利得、損失に差
をつけ、且つ屈折率に差をつけると共に、電流の横方向
拡散を抑えるために基板側にも反対導電型あるいは高抵
抗部分をつけることにより、狭ストライプレーザ１こお
いても、横モード安定及び軸モードの′安定化が行える
。要するに、半導体レーザに流れる電流を制御するため
番こゲート領域が導入されて、電流は導入された高不純
物密度領域よりなるゲートとゲートの間に閉じ込められ
た形で流れることになるわけであるから、実際にレーザ
発光を行う活性領域内の接合面に平行な方向にも導波路
構造を持ち込んだ構造になっていて、ゲート・ゲート間
隔と光導波路の幅が略々等しいか、それより少し狭くな
っていればよいのである。

こうすることによってレーザ光強度の強い所にたけ集中
して電流が流れるため、発光効率がきわめて良くなるの
である。

又、さらにゲートをレーザ、発光方向に周期的に設ける
こと化より、さらに単一波長、単−横モード、単−縦モ
ードが広範囲な電流に渡り達せられ、又、晃変調時にも
発光波長の安定化が実現され、各分野できわめて有効で
ある。さらにマルチチャンネル化により、その応用範囲
が広がり、本願は工業的に極めて価値の高いものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の三端子形半導体レーザの斜視図、第２図
は本発明の実施例、第３乃至７図は本発明を説明するた
めの図、第７乃至１２図は本発明の他の実施例、第１３
図はゲートに周期構造を導入した実施例、第１４乃至１
６図はマルチチャンネルにした実施例である。 １・・・・・・・・・ｐ＋−ＧａＡｓ基板、２・・・・
・・・・・ｐ−ＧａＡｊＡｓ、３・・・・・・・・・Ｇ
ａＡｓ活性層、４・・・・・・・・・ｎ　　ＧａＡｊＡ
ｓ層、５・・・・・・・・・ｎ−−ＧａＡｓ　、　　５
・・・・・・・・・ｐ十領域ゲート部、７・・・・・・
・・・ｎ＋Ｇ　ａ　Ａ　ｓカソード部、８・・・・・・
・・・カンード電極、９・・・・・・・・・アノード電
極、１０・・・・・・・・・ゲート電極、２１・・・・
・・・・・凸部、２２・・・・・・・・・ｎ−ＧａＡｓ
層。 特許出願人 第２Ｉ１１ ＊、ｆＯ＠ 嬉／２閣 姶７／図 （（） 手　　続　　補　　正　　書 昭和５８年８月　２　日 号 ２発明の名称　半一体レーザ ３補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　宮城系仙台市川内（番地なし）「明細書の°発
明の詳細な説明の欄」 ［明細−の図面の簡単な説明の欄」 「図面（第４図、第６図、第７図、第８図（ａ　）乃至
（ハ）、第９図、第１１図、第１２図、第１６図及び第
１７図）、１５補正の内容 別紙の通り １、本願明細書第９頁第５行記載のｒｐＪを「「」と補
正する。 ２、同書第９頁第９行乃至第１０行記載の「αと補正す
る。 ３、同１第９頁第１３行記載のｒ２．８ｘｌＯ−”Ｃ１
１ｌ−３Ｊ　ヲｒ２．８Ｘ　１０１７ａｍ−３Ｊ　ト補
正ｔル４、同書第１４頁第２０行記載のｒ（Ｋ、”−Ｋ
。 ）／（Ｋ−−に、”）Ｊをｒ　（Ｋ　、Ｌ”　−に、　
　）／（Ｋ−−に２”）Ｊと補正する。 、同−第１５頁第３行、第１５頁第５行及び第１０行記
載の「Ｋ工」をｒＫｅＬＪと補正する６、同書第１５頁
第４行乃至第５行及び第１５頁第９行記載のｒ　（Ｋ２
”−Ｋｆｆｉ２＞／　（Ｋ、”−に２２）」を「（Ｋ、
Ｌ２−に２′）／（Ｋ、′−に２′）」と補正する。 ７、同書第１６頁第３行乃至第４行記載の「Ｏ８５く几
ｉく１」をＩＯ，４＜血旦＜Ｑ。 λ　　　　　　　　　　　　１．　　　λ８」　と補正
する。 ８、同−第２６頁第１９行乃至第２０行記載のよい。本
発明の」を次の通り補正する。 ［よい。 以上においては、チャンネル領域が１つの導電型だけで
あったが、一部に反対導電型の層が入っていてもよい。 第１７図（ａ）、（ｂ）にそのレーザの断面図を示す。 １７１で示す０層が（ａ）図で挿入されている。（ｂ　
）図では、カソード領域１０５とゲート領域１０６を絶
縁領域１７２で区切っている。又、半導体と電極の接触
抵抗を少なくするために、チャンネル層１０４の材料よ
り禁止帯幅の小さい材料の層１７３が１０４の上に積層
されている。ｐ領域１７１を設けることにより、ポテン
シャル障壁が高くなり、チャンネル長（カソードとアノ
ード間）を１つの導電型のレーザより短くすることがで
き°る。 本発明の」 ９、同書第２９頁第８行記載の「実施例である。 」を［実施例、第１７図は本発明の伯の実施例である。 ］と補正する。 １０、図面第４図を添付図面の如く補正する。 １１、図面第６図を添付図面の如く補正する。 １２、図面第７図を添付図面の如く補正する。 １３、図面第８図（ｅ　）、（「）、（ｇ）及び（ｈ）
を添付図面の如く補正する。 １４、図面第９図を添付図面の如く補正する。 １５、図面第１１図を添付図面の如く補正する。 １６、図面第１２図を添付図面の如く補正する。 １７、図面第１６図を添付図面の如く補正づる。 １８、図面第１７図を添付図面の如く補正する。 （（”） （Ｊ＞ 第８ｍ ＊９ｍ 第１１ＩＩＩｌ 館１２Ｂ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高不純物密度領域よりなる第１導電形のア一　ノ
   ード領域、前記アノード領域化隣接して設けられた周囲
   より屈折率大きく、禁制帯幅が小さい活性層、前記活性
   層に隣接して高抵抗領域よりなる第１導電形と反対導電
   形の第２導電形のチャンネル領域を備え、前記チャンネ
   ル領域の一部１ζ高不純物密度領域よりなる前記第２導
   電形の領域及び前記チャンネル領域の少なくとも一部を
   囲うべく設けられた第１の導電形′の高不純物密度領域
   よりなるゲート領ｉを備え、上記へテロ接合に平行な方
   向において、レーザ発光領域において実効屈折率、実効
   利得を増加させる構造を有し、前記アノードと活性層の
   関与こ電流集中のための第２導電形の領域をレーザ発光
   領域の外に沿って形成したことを特徴とする半導体レー
   ザ。
2. （２）前記ゲートゲート間隔と前記電流集中のための第
   ２導電形の領域の間隔が等しいことを特徴とする特許 半導体レーザ。