JPS6055997B2 - ストライプ型ヘテロ接合レ−ザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多層ヘテロ接合ストライプ状レーザ素子に
関する。

（Ａｌ・ Ｇａ）Ａｓ等の多層ヘテロ構造半導体レー
ザは低い閾値電流値を持ち、室温でも高効率の発振を行
うことができるので、光ファイバー通信用等の用途に用
いられている。

この種のレーザをできるだけ小さい電流値で動作させ、
かつ単一横モードもしくはこれに近い状態て発振させる
ために、各種のストライプ構造が提案され試作されてい
る。主なものとしては、プロトン照射ストライプ半導体
レーザ、メサ型ストライプ半導体レーザ、プレーナ型ス
トライプ半導体レーザ、電極型ストライプ半導体レーザ
などが報告されている。これらのストライプ半導体レー
ザはストライプ幅が２車μｍ程度以上になると、高次横
モードが容易に発振するため、通常１０μｍから２０μ
ｍ程度のストライプ幅に設定されている。しカルいずれ
の場合も次のような共通した欠点をもつている。レーザ
発振を行う活性層領域中のストライプ横方向（ｐ−ｎ接
合面に平行かつ出力光光軸に垂直な方向）には注入キャ
リアによる光増幅利得分布がゆるい光導波作用を持ち、
これがレーザ光を閉じ込める作用をしているだけである
。その上、低次横モード発振の可能な川数μｍ前後のス
トライプ幅にした場合には注入によつて形成されがちな
ベル型のキャリア密度分布は、負の光導波作用をもち、
かつレーザ光の強い誘導放出によつてストライプ中央の
キャリア密度分布は減少し、光増幅導波作用が減少する
。このため横モードは不安定になり、左右に動きやすく
なり、その結果損失の多い状態で発振が生じ、電流−光
出力特性に非線形部（キック）が発生する。このキック
を解消する方法としてストライプ幅を数μｍ程度に狭く
してフィラメント状の発振をさせることが報告されてい
る。しカルこの方法では完全にキックがなくなるわけで
はなく、キックの出る点の光出力が上昇・するにすぎな
い。その上、このストライプ幅を狭くする方法は閾値電
流密度の急激な上昇、及び、外部微分量子効率の低下を
きたすなど半導体レーザの特性上望ましくない。 上述
した従来のストライプ型半導体レーザの欠門点を除去す
るためにはストライプ幅をあまり狭くすることなく水平
横方向の光導波を安定化することが必要である。

又一方、半導体レーザが主たる用途となる光通信システ
ムでは、光源として用いられる半導体レーザの動特性上
の安定化が必要である。動特性において現われる緩和振
動が抑圧され、矩形駆動電流波形に対し、安定した矩形
応答波形を持つ半導体レーザ素子が光通信光源として要
求される。本発明の目的は安定した低次横モード発振を
するとともに、緩和振動が抑圧された動作特性の優れた
ストライプ型ヘテロ接合レーザ素子を提供することにあ
る。

本発明によれば、活性層内に不純物拡散によつて、外部
領域と実効的な複数屈折率差を持つストライプ状領域を
設け、かつこのストライプ状領域を含んでその両端から
それぞれキャリアの拡散長と同程度ないしそれ以下に渡
つてひろがるキャリア注入領域を設けたことを特徴とす
るストライプ型ヘテロ接合レーザ素子が得られる。

本発明の原理は、活性層内に広い一様な利得領域を設け
るとともに、その内部に結晶に固定された実効的な複数
屈折率差をつくり、安定した光導波をおこなうとともに
動特性における緩和振動を抑圧するものてある。

すなわち、本発明と同一出願人による特願昭５１−２６
４４０号明細書に明記されているように、不純物導入に
よつて生じる実効バンドギャップの変化及び、屈折率の
増減を利用すれば、活性層内のストライプ横方向に、結
晶に固定した屈折率の空間分布を形成し、これによつて
、安定な光導波作用を行なわせることができる。この場
合、多層ヘテロ接合ウェハーに不純物を．ストライプ状
に低濃度拡散させ、その拡散フロントを活性層まて至ら
しめ不純物拡散部分とその外部領域とに実効的な屈折率
差を設ければ、低次横モード発振を安定に得ることがで
きる。

例えば、ストライプ幅を８μｍにした時には、実効的な
屈．折率差比（不純物拡散部分とその外部領域との屈折
率差を不純物拡散部分の屈折率で割つた値）が１．０×
１０−３以下であるかもしくは−１．０×１０−２以上
であれば基本横モード発振をすることが出願人によつて
明らかになつた。この様に屈折率差は必ず・しも正（不
純物領域がその外部領域より高い屈折率をもつ）である
必要はなく、負であつても安定なレーザ発振をする。負
の時は、もれ姿態のレーザ発振をおこなうが、そのため
による閾値電流値の上昇及び外部微分量子効率の低下は
８μｍ程度のストライプ幅では小さいことも本出願人に
よつて明らかになつた。又、低濃度拡散方法としては、
例えば押し込み法、塗布拡散法等かある。

なお、出願人によるその後の研究によれば上述活性層内
横方向に関する光導波の安定化のためには、必ずしも屈
折率差を設ける必要はなく、活性層内のストライプ状領
域のキャリア注入がないＪ（非励起）状態での光学的な
吸収係数を、その外部の領域より、数十ないし数百α−
１実効的に低くすることによつても、光導波安定化が可
能であることが明らかになつている。

一方、動特性については、通常の半導体レーザの場合、
最初の基本モードの緩和振動ピークの立ち上りによつて
、キャリア分布に穴があき、そのため光集束性は増強さ
れる。

この光集束性によつて、モード変形が生じそのためモー
ド利得の変動によつて緩和振動が助長されることになる
。ところがレーザ発振部分に対してキャリア注入領域を
広くすれば、レーザ発振領域外部の充分のキャリアが存
在すれば、その拡散によつて緩和振動によつて生じるキ
ャリア分布の穴が効果的に埋められるために、緩和振動
は抑制される上に、光集束性の発生とモード変形による
緩和振動の助長を防ぐことができるらキャリア注入領域
はレーザ発振部分の両端にキャリア拡散長を加えた広さ
程度以下にしておけばキャリアは、活性層に注入された
後拡散していくので閾値電流値をあまり上昇させること
もなく、光導波作用をする不純物拡散領域以外でレーザ
発振することも防ぐことができる。すなわち、本特許の
構造をしたストライプ型ダブルヘテロ接合レーザ素子は
次のような効果をもつ。実効的な複数屈折率差による光
導波作用により安定した低次横モード発振を行なう。レ
ーザ発振部分に対してキャリア注入領域を広くすること
は、モード変形をおこしにくい光導波と相まつて、緩和
振動を抑圧する作用をする。更に、こうした構造をもつ
レーザ素子を製作する際に、活性層に達する不純物拡散
につづいて、幅の広い電流注入領域が活性層近くまであ
ることにより、オーミックコンタクトの部分が広くなり
、コンタクト抵抗が小さくすることができると同時に、
シリーズ抵抗も小さくすることもでき、レーザ素子特性
上、きわめて有利である。以下図面を用いて本発明の実
施例を説明する。

第１図に示すようにｎ形ＧａＡｓ基板１０上に液相成長
法で約３μｍ厚のｎ形ＡｌＯ．３ＧａＯ．７Ａｓ層１１
、約０．２μｍ厚のｎ形ＧａＡｓ活性層１２（キャリア
濃度〜２刈０１８ｃｍ−３、Ｔｅドープ）、約２μｍ厚
のＰ形ＡｌＯ．？ＡＯ・７Ａｓ層１３、約１μｍ厚のｎ
形Ｇａ．Ａｓ層１４を成長させる。第４層１４上につけ
たＳｉＯ２膜１５中に、フォトレジスト技術で臂開面に
対し垂直方向にあけられた幅８μｍのストライプを通し
てＺｎを低濃度拡散する（Ｚｎ拡散領域１６）。その拡
散フロント１７は活性層１２とｎ形ＡＩＯ．３ＧａＯ．
７Ａｓ層１１の界面に接するか、やや深めに制御されて
いる。この時、活性層１２内のＺｎの拡散された領域１
２″は、キャリア濃度３〜６刈０１８ａｎ−３のＰ形に
変換され、いわゆる不純物補償されたＰ形になつている
。こうして、Ｚｎの拡散された領域１２″とそれ以外の
活性層１２とには屈折率差が生じる。次にＳｌＯ２膜１
５を除去し、第２図に示すように新たに第４層１４上に
つけたＳｉＯ２膜１８中にフォトレジスタ技術で前述の
Ｚｎ拡散したストライプを中心にして幅２０μｍのスト
ライプをあける。このストライプを通してＺｎを拡散す
る（Ｚｎ拡散領域１９）。その拡散フロント２０はＰ形
ＡｌＯ．３ＧａＯ・７Ａｓ層１３中活性層１２の直前に
なるように制御されている。この時のＺｎ拡散は７００
゜Ｃの金属Ｚｎソースを用いた閉管法によるＺｎ拡散を
行ない、その濃度を２〜３刈σ９ｃｍ−３〜１戸０−３
にする。その後、ＳＲ２被膜１８を除去し、第３図に示
すように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２２を形成し半導体レーザ素子を得る。従
つて、活性層内に注入されるキャリア分布は平担に近く
なる。又、こうして得られた素子はコンタクト抵抗、シ
リーズ抵抗ともに小さくなる。上記各実施例は、ＧａＡ
ｓ−ＡｌＧａＡｓダブルヘテロ接合ウェ−ハー以外の材
料例えば、ＩｎＧａＡｌｌ．Ｐ−ＩｒｌＰ，．ＧａＡｓ
Ｓｂ等他の材料にも適用することができる。

又、拡散不純物もＺｎに限らず他の元素でも同様の効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明て使用する半導体ウェハーにＺｎを低濃
度拡散した状態について示した断面図。 第２図は第１図の状態のウェハーに更に広いストライプ
状にＺｎを高濃度拡散した状態について示した断面図。
第３図は本発明によつて得られる半導体レーザ素子の断
面図。１０・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ基板、１１・・・
・・・ｎ形”ＡｌＯ．３ＧａＯ．７Ａｓ層、１２・・・
・・・高濃度ｎ形ＧａＡｓ活性層、１２″・・・・・・
レーザ発振領域、１３・・・・・・Ｐ形ＡｌＯ．３Ｇａ
Ｏ・７Ａｓ層、１３″・・・・・・高濃度Ｐ形ＡｌＯ．
３ＧａＯ・７Ａｓ層、１４・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ層
、１４″・・・・・・高濃度Ｐ型ＧａＡｓ層、１５・・
・・・・ＳｉＯ２絶縁・膜、１６・・・・・・低濃度Ｚ
ｎ拡散領域、１７・・・・・・低濃度拡散領域フロント
、１８・・・・・・ＳｉＯ２絶縁膜、１９・・・・・・
高濃度Ｚｎ拡散領域、２０・・・・・・高濃度Ｚｎ拡散
領域フロント、２１・・・・・・Ｐ形オーミック電極、
２２・・・・・・ｎ形オーミック電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 多層ヘテロ接合半導体結晶を構成する半導体レーザ
   素子の活性層が実効的な屈折率差または実効的な光学的
   吸収係数差により規定される不純物拡散により形成した
   ストライプ状領域と前記ストライプ状領域を含んで前記
   領域両端からそれぞれキャリアの拡散長程度またはそれ
   以下にわたる範囲のキャリア注入領域とを有することを
   特徴とするストライプ型ヘテロ接合半導体レーザ素子。