JPS6041281A - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

半導体レ−ザ素子

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JPS6041281A
JPS6041281A JP14944884A JP14944884A JPS6041281A JP S6041281 A JPS6041281 A JP S6041281A JP 14944884 A JP14944884 A JP 14944884A JP 14944884 A JP14944884 A JP 14944884A JP S6041281 A JPS6041281 A JP S6041281A
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semiconductor layer
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Takaro Kuroda
崇郎 黒田
Takashi Kajimura
梶村 俊
Yasutoshi Kashiwada
柏田 泰利
Junichi Umeda
梅田 淳一
Kunio Aiki
相木 国男
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    • 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
    • H01S5/20Structure 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
    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2232Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode
    • H01S5/2234Buried stripe structure with inner confining structure between the active layer and the lower electrode having a structured substrate surface
    • 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
    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2237Buried stripe structure with a non-planar active layer

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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体レーザに関し、さらに詳述すれば活性層
が彎曲したダブルへテロレーザに関するものである。
〔発明の背景〕
半導体レーザは、光通信、情報処理端末、計測等の応用
に適した光源として期待されている。これらの応用分野
で要求されるレーザの特性としては、低いしきい電流、
高い微分量子効率、横基本モードを保ったままで、可能
な限り高い光出力を得ること、ビーム広がり角の等方性
、等がある。
一方、素子の作製歩留り、量産性等の県からは、構造が
出来る限り学純で、工程数が少なく、プロセス時の許容
誤差範囲の大きい構造が望ましい。
以上の条件をみたす1つの構造として従来知られている
ものに、第1図のレーザがある。これは、溝2をはった
基板l上にクラッド層3,5を介して活性層4を懸垂状
にたらしこむ形で通常のダブルへテロ構造を結晶成長さ
せたのち、溝の中央部分のみを電流励起するようなスト
ライプ電極6を設けたものである。なお、図中7は負電
極である。
このような溝埋め成長においては、活性層4の厚みが、
溝の中心で厚く、両側へいくに従ってうずくなるような
形状が一般にとられている。このような、厚みが中央部
分で厚くなった活性層をもっ光導波路3.5では、以下
に述べるような、横方向の実効屈折率差が生じて、横モ
ードが安定化されると云われていた。しかし、この従来
構造では、活性層の厚さが少くとも0.1μm通常0.
3〜0.5μmの厚さを要していたため実用上2つの大
きな欠点があった。
1つは、横基本モードを保ったまま安定に発振する最大
光出力が3〜5mWと比較的小さいことである。これ以
上の電流励起下では、横モードの中に1次モード成分が
混じってきて、モード変形をおこす。
他の1つは、端面破壊によるいわゆるカタストロフ劣化
をおこす光出力の最大値が7〜10mWと比較的小さい
ことである。これは、レーザに過電流が瞬間的に流れた
場合容易ζこ破壊されることになり、実用上重要な雑魚
となる。
なお、上述した如き構造を持つ半導体レーザの代表的な
例は特開昭51−3392号公報にみられる。
〔発明の目的〕
本発明の目的は上記欠点を除去して光出力が大きく、か
つ横基本モードの安定した半導体レーザを提供すること
にある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するための本発明の構成は、クラッド層
間に結晶組成がGa1−xAtxAS(O≦X≦0.3
5)でかつ懸垂深さ0.4〜0.6 It m 、厚さ
が0.03〜0.07μmの活性層を設けることにある
上述の様に活性層厚が従来のものに較べて、極めて薄い
ので、動作時の光分布は上記活性層を大きくはみ出すこ
ととなる。すなわち光分布の殆んどが活性層外に占める
こととなる。発光による発熱領域も同様に活性層外がそ
の殆んどを占める。
従って、動作電流を大ならしめても従来の様な活性層の
みに熱が集中するのを妨げ、核熱が分散するので該活性
層端面は熱破損から保護される。よって、従来の2倍以
上の実用性ある20〜30mWの光出力を得ることがで
きる。上記活性層厚さが0.07μmを越える値では熱
破損があるため高々15mWl、か得られず極めて用途
が限定されて実用性が乏しい。また、0.03μm未満
ではレーザ光の光学的品質が低下しこれ又実用性に乏し
くなる。
本発明は上述の様に極めて薄い活性層を有するものであ
るが更に、活性層の中央部が裾部分より厚く形成されて
いるとなおよい。裾部分がさらに狭く形成されていると
該部分での高次モード光の発生が阻止される。従来は裾
部分における光分布を他の半導体層に唱収させることに
より実質的に′除去する法が用いられてきた。本発明で
は、高次モード光自身の発生が閉止され横基本モードの
みの発光が行なわれるので高品質・高出力のレーザ光が
得られる。
さらにまた、本発明の活性層は上述の様に懸垂された形
状を呈している。普通溝幅に対応して4〜7μmの幅で
懸垂する。一方、懸垂深さが0.4μm未満だとモード
不安定が生じ電流特性が劣化する。一方、0.6μmを
越えると高次モード(普通1次)が発生して光品質が低
下する。従って、懸垂深さは0.4〜0.6μmがよい
。この懸垂の形状は正規化された値で用いられる。最深
部を原点にとって垂れ下りの勾配が0.10〜0.■5
が適切である。
この様に本発明のタイプのレーザでは、発振しきい電流
値が20〜30mAと非常に小さく、発光部分が2μm
φ程度の真円状をした点光源であるために、ビーム広が
り角が等方向である等のすぐれた光品質としての特徴を
有している。以下実施例を用いて詳細に説明する。
〔発明の実施例〕
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
断面図である。図はファブリ、ペロー共振器の鏡面に平
行な面での断面図である。(toe)面をもつn −G
aAs基板(Te添加、濃度〜l×lQcm−3)上に
通常のホトレジスト工程により幅5〜20μmの窓を持
ったホトレジスト膜を形成する。この窓を通して基板表
面をたきえばりん酸:過酸化水素:エチレングリコール
=l:l:3を用いて化学エツチングすることにより深
さ方向に凹状の溝を持った基体21を形成する。普通溝
の幅(W)は5〜20μml深さくd)は1〜5μmと
した。次lここの上に周知の連続液相成長法により第2
の半導体層としてn −Ga、−yAt、As層(O2
5≦)r≦07例えばy=0.3)23.第1の半導体
層としてG a +−x AlxA、s層(0≦X≦0
.35例λばx=0.05)24.第3の半導体層とし
てP −Ga、−、At、As層(0,25≦2≦0.
7例えば2=0.3)25.およびこの上部にn−Ga
As層を成長させる。
層24の裾の薄い部分の厚さは0.06μmμ下厚い層
は0.03〜0.07μmとした。通常液相成長を行な
うと溝部分を補填する形で結晶成長が進むので厚く形成
され、る。層25およびこの上部のn−GaAs層の厚
さはそれぞれ2μm、1μmである。添加不純物として
n形層にはSnを、p形層にはGeを用いた。次に先の
場合と同様のホトレジスト工程を経て形成されたAt2
03の窓を通してZnを拡散し、電流の通路となる領域
にp形拡赦領域27を形成した。その後、正電極28お
よび負電極29としてAn、JzCrおよびAu −G
e−Ni合金を蒸着し、最後に結晶を相対する平行な面
が得られるように(110而)でへき開し反射器を形成
しレーザ装置を構成した。レーザ長は300μmである
上記半導体レーザは室温で〜2 kA/cm2のしきい
電流密度で発振が得られた。発振波長は〜8300λ、
外部量子効率は約40チであった。
発振時の横姿態はレーザの実用電流範囲であるしきい電
流値の2倍以上まで安定で、従来構造でみられる励起強
度と発光出力の非直線特性やパス変調時における信号対
雑音比の低下は観測されなかった。
上記実施例における素子の有効性を確めるために次の様
な素子特性の観察を行なった。
第3図は、溝の中心での活性層の厚ささく光放射)端面
破壊限界出力との特性をプロットしたものである。レー
ザの端面破壊によるいわゆるカタストロフ劣化をひきお
こす光出力を従来のlOmW程度以上に引上げるには、
曲線31に示したように、活性層の厚さをきわめてうず
くすることが非常に効果的であるこきがわかった。前記
第2図で、溝の中心部分での活性層の厚さをd(μm)
とすると、dを0.07μm以下にすることにより、端
面破壊限界の光出力は30mW程度に高くなることがわ
かった。これは、GaA4As系材料を用いた第2図の
ようなダブルへテロ構造をもつ素子に対して一般に成立
つことであるが、活性層を0.07μm以下に薄くする
ことにより、光出力対電流特性の折れ曲りl/ベルも、
20〜30 m Wの破壊限界ぎりぎりまで高めうろこ
とが明らかになった。これは、活性層かうすくなること
により、第2図の構造の光間じこめを生じている、横方
向の実効的屈折率の変化が小さくなって、1次モード以
上の横高次モードが発生しなくなるためである。このこ
とは、次に第4図に示す活性層の厚さdの変化した3層
光導波路での等偏屈折率neffを計算した結果からも
明らかである。活性層を挾むクラッド層の混晶比Xをそ
れぞれ0.45.屈折率をn=3.3544とし、該活
性層の厚さを連続的に変えていったものである。なお活
性層の屈折率は3.3687である。曲線41はdが0
.07μm以下とdか0.15μIn以上で折れ曲った
S字状カーブになっているため%d<0.07μmと、
d>0.15μmでは、活性層の厚みの変化に対する等
偏屈折率変化が小さくなる。このため、高次モードがた
ちにくくなることを示す。
本発明は、クラッド層23および25の屈折率をそれぞ
れ異ならしめることによりさらに有効となる。次にその
例を示す。
前述の実施例に述べた構成に対しクラッド層23をn 
−Ga1−yAt、As層(y=o、33)、2sをp
 −Ga1−、At、As層(z=0.5)とし、層2
4の厚い部分の厚さを0.07μm1薄い部分の厚さを
0.03μmとする。他の部分の構成および作成プロセ
スは前記実施例と同様である。この実施例における室温
での発振しきい電流密度は2 kA/cm2、発振波長
は8300人、外部微分量子効率は40チである。発振
機姿態は、しきい電流値の1.3倍まで横基本モードの
みである。また、しきい電流値以上における電流−発振
出力特性は、上記電流範囲で直線的であり、パルス変調
時における信号対雑音比の低下も観測されない。
−h述の様に、高次モードの発生を抑制する方法として
、活性層が0.07μm以下とよすいときには、第5図
に示したように、ダブルへテロ構造のクラッドの屈折率
を上下非対称にする方法がある。
この理由を図を用いて説明する。第5図は活性層厚に対
する等偏屈折率の変化を表わしたものである。曲線51
はクラッド層23および25の結晶組成が共にy = 
z = 0.5の場合、曲線52も同じ<5’=Z=0
.45の場合である。曲線53はy=0.45 、 z
 =Q、5で非対称の場合である。図からも明らかな様
に、非対称の場合は活性層の厚さが0.04μm以下で
モードカットオフが発生している。このことから、溝の
中央で0.04μm<d〈0.07μmで、基本モード
の広がり幅の2μmよりも外側ではd<0.04μmと
なるような構造にすると、高次モードは全く発生せず、
いつまでも基本モード発振を維持しうる。クラッド層の
屈折率は非対称であればよく大小関係による差はない。
さらに、活性層を0.07μm以下に薄くすることによ
り、垂直方向のビーム広がり角は30°以下と小さくな
り、ビームの広がり角の垂直方向:θ上と水平方向:θ
Iの比がθよ:θ/劇30:15=2:1程度のほぼ円
形のスポットとなることがわかった。このことは、レー
ザビームをファイバーやレンズに効率よく結合する場合
や、ビデオディスクのような1μm以下のスポットに集
光する場合に有利である。
同様に本発明においては、クラッド層23の結晶組成が
Ga、−、At、As (0,25≦y≦0.7)、ク
ラッド層25がGa、−、At、As (0,25≦2
≦0.7)をこおいても上述の特性が該当し、破壊端面
の生じない高出力横基本モード安定のレーザに適用され
る。構成、製法などは前述の実施例と同じなので省略す
る。
〔発明の効果〕
以上詳述した様に、本発明は結晶組成がGa、xAzx
As (0≦X≦0.35)の懸垂状活性層厚を0.0
4〜0.07μmに設けることにより横基本モードの安
定した高出力のレーザ光を得る点、工業的利益大なるも
のである。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の半導体レーザの概略断面図、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
3〜5図は本発明の半導体レーザを説明するための特性
図である。 21・・基板、23.25・・・クラッド層(光導波路
)24・・・活性層、26・・・表面層、27・・・拡
散領域(Zn)、28.2’l・・電極。 x 1 ■ 、<2 図 27 冗 3 図 第4 (2) 7・′ イ3汗 し/− 第1頁の続き 0発 明 者 梅 1) 淳 −国分寺市東恋う央研究
所内 [相]発 明 者 相 木 国 男 国分寺市東恋う央
研究所内 ・窪1丁目28幡地 株式会社日立製作所中・窪1丁目
28幡地 株式会社日立製作所中424−

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 帯状の溝を有する結晶基板と、該基板上に形成された凹
    表面を有する第2の半導体層と、上記第2半導体層に接
    して形成された第1半導体層と、上記第1半導体層上に
    形成された第3の半導体層と、上記第2および第3の半
    導体層は上記第1の半導体層より禁制帯幅が大きく且つ
    屈折率が小なる半導体レーザにおいて、上記第1の半導
    体層の懸垂状の発光領域厚さが0.03〜0.07μm
    であることを特徴とする半導体レーザ素子。
JP14944884A 1984-07-20 1984-07-20 半導体レ−ザ素子 Granted JPS6041281A (ja)

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JP2007320159A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 King Jim Co Ltd 綴じ具及びそれを備えたファイリング用具

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