JPS61226986A - 複合半導体レ−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】 （産業上の利用分野） 本発明は光情報処理用複合半導体レーザに関する。

（従来技術とその問題点） 光情報処理半導体レーザの中でも、ビデオディスクや光
デイスク上の読み取り用光源として使用する場合には、
雑音特性、特に戻り光に誘起される雑音の特性が問題と
なる。半導体レーザの戻り光誘起雑音を低減するために
、種々の方式が試みられているが中でも出力コヒーレン
スの低減は特に有効である。

この方式のひとつとして高周波重畳による半導体レーザ
の低雑音化が大君、茎根、中村、尾島により１９８３年
秋季応用物理学関係連合講演会予稿集１０２頁２６ａ−
ｐ−６“高周波重畳による半導体レーザの低雑音化と縦
モード特性”′において提案され有効である事が示きれ
ている。しかしこの方式では高周波駆動回路の付加が必
要であるばかりでなく、外部機構へ高周波が漏れる等の
弊害を伴なっている。

これに対して自励振動を生じさせ縦モードをマルチ化し
て低雑音化する方式が、鉛末、松本、田村、渡辺、栗原
により電子通信学会技術報告、光量子エレクトロニクス
０ＱＥ８４−５７．３９頁“Ｉ　ＳＳＳレーザの雑音特
性と自己パルス変調の機構”において提案され試みられ
ている。しかしこの方式ではレーザ構造（Ｍ厚や溝幅な
ど）に対して自励振動の特性がきわめて敏感に依存する
事が予想され、このため安定な自励振動を示すデバイス
の収率は低くなる欠点を有していた。半導体レーザに自
励振動を生じさせる方式としては、上記のほかに共振器
内に可飽和吸収体を導入する方式がある。しかし現状で
は可飽和吸収体の各種パラメータの大きさと出現する現
象（自励振動か双安定動作か）との間の関係も十分明ら
かにきれていない。

更に現在ではより多機能化をねらい光ディスク等の読み
取り用光源だけでなく光ディスク等への光書きこみ用光
源をかねそなえた光情報用複合レーザ素子が要求されつ
つある。特に光ディスク等への光書きこみ用光源として
用いる場合には安定な基本横モード発振でかつ大光出力
発振に耐える必要がある。複合レーザ素子としては例え
ば用野、遠藤、伊藤、桑科、上野、古瀬により１９８４
年秋季第４５回応用物理学会学術講演会講演予稿集１９
０頁１５ａ−Ｒ−７“ＡｌＧａＡｓ　ＢＣＭレーザアレ
イ”で発表された如く、電極を分離した独立駆動の二個
のレーザをそなえた素子が提案され試作されている。

しかし上記を含めこれまで提案されたものは単に二つの
レーザをならべただけであり、光情報用複合レーザ素子
に要求されている光書きこみ用としての大光出力発振光
源と、低雑音特性を有する読み取り用光源とをかねそな
えていなかった。

そこで、本発明の目的は、上記諸欠点を除去し、安定な
自動振動を生じ低雑音特性を持つ読み取り用光源を有す
ると共に安定な基本横モード発振を維持し大光出力発振
が可能な光書きこみ用光源を持つ、制御性および再現性
のすぐれた複合半導体レーザを提供する事にある。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する複合半
導体レーザは、活性層よりもバンドギャップの大きい半
導体で前記活性層が挾みこんである多層構造を有し、前
記活性層のバンドギャップより小言いバンドギャップを
有すると共に前記活性層に対し正の実効的な屈折率差を
有する互いに平行なストライプ状の第１及び第２の活性
領域が前記活性層内に共振器の長て方向に設けてあり、
前記第１及び第２の活性領域が前記共振器の内反射面に
接していない構造を有し、前記第１活性領域の共振器の
長で方向延長上にその第１活性領域の長さに対する比が
（１−ｈ）：ｈ（０＜ｂ＜１）である吸収領域が形成し
てあり、前記吸収領域の損失αをキャビティ損失「を用
いて規１活性領域における利得係数ｇｌと前記吸収領域
における利得係数ｇ、との比ｇ＋／ｇｘ及び前記第１活
性領域のキャリア自然寿命τ工と前記吸収領域のキャリ
ア自然寿命τ、との比τ、／τ、が有する事を特徴とす
る。

（実施例） 次に図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は本実施例の斜視図、第２図はその平面図、第３
図は第２図のＡ−Ａ’矢視断面図、第４図は第２図のＢ
−Ｂ’矢視断面図、第５図は第１図実施例の製造に用い
るウェハの断面図、第６図は第５図のウェハに高濃度の
Ｚｎを拡散した工程後の半製品の断面図である。

本実施例の製造においては、第５図に示すように、ｎ形
ＧａＡｓ基板１０上に３所厚のｎ形ＡＱｏ、ａＧａｓ、
、Ａｓ第１クラッド層１１、約０．２−厚のｎ形ＡＱｏ
、＋ｇＧａａ、５ｇＡｓ活性層１２（キャリア濃度ｎｚ
３×１０Ｉ″ｃｍ−”）、２Ｐｒｍ厚のｎ形Ａｌ１ｏ、
ａＧａｏ、ｓＡ９第２クラッド層１３をまず成長させる
。第２クラッド層１３上につけたＳｉｎ、膜１４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た幅４
Ｆｍ長さ２５ｐｒｒＩのストライプを通してＺｎを高濃
度拡散する（高濃度拡散領域１５）。その拡散フロント
は活性層１２をつきぬけ第１クラッド層１１内部でとど
まるように制御する。このとき、活性層１２中Ｚｎの高
濃度拡散された領域１６はｐ形に変換きれｐ＝５Ｘ１０
”ｃｍ−”　〜ＩＸＩ　Ｏ″ｏＣＴｎ　−”になる（第
６図）。次にＳｉｎ、膜１４を除去し、新たに第２クラ
ッド層１３上に５ｉ０．膜１７をつける。

このＳｉｎ、膜１７中に、フォトレジスト技術で前述の
Ｚｎを拡散したストライプの中心を通った共振器の長て
方向に幅３ＰｒｒｒＩ長さ２５０）ＱＴＩの第１ストラ
イプを前述のＺｎ拡散した領域から１０Ｐ＠けなしてあ
（つるとともに、この第１ストライプの中心線から１０
Ｆはなして第１ストライプブと平行に幅３ＰＭ１長さ２
８５Ｉ＠の第２ストライプを同時にあける。このとき、
第２ストライプはその両端が共にミラー面から２０囮は
なれており第１ストライプもミラー面側の端がミラー面
から２０Ｉｒｒｒｌはなれているようにする。

次にこの二つのストライプ状 拡散する（第１ストライプからの第１低濃度拡散領域１
８、第２ストライプからの第２低濃度拡散領域１９）。

この拡散フロントは共に活性層１２と第１クラッド層１
１との界面に接するか、もしくは第１クラッドＭ１１内
部にとどまるように制御する。このとき、ｎ形活性層１
２内において第１ス１へライブからＺｎを低濃度拡散さ
れて形成きれた第１活性領域２０と第２ストライプから
Ｚｎを低濃度拡散されて形成された第２活性領域２１と
は共にキャリア濃度４〜６Ｘ　Ｉ　Ｑ　”ｃｍ−”のｐ
形に変換され、いわゆる不純物補償されたｐ形になって
いる。こうしてＺｎが低濃度拡散きれた領域はそれぞれ
活性領域になると共にこの領域の屈折率はその外部の活
性層の屈折率よりも高くなり正の屈折率分布が形成され
る。その後第１ストライプの部分に第１ｐ形オーミツク
コンタクト２２、第２ストライプの部分に第２ｐ形オー
ミツクコンタクト２３をそれぞれ分離して形成し、基板
１０にｎ形オーミックコンタクト２４を形成して、本実
施例の半導体レーザが得られる（第１図、第２図、第３
図、第４図）。

（発明の作用と原理） 本発明の構造において活性層内まで低濃度拡散して形成
したストライプ状の第１活性領域と第２活性領域とは次
の様な特性を持つ。

ジル−ナル・才ブ・ザ・アプライド・フィジイックス（
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ　）誌４５巻（１９７４年）、２６５０〜２
６５７頁に掲載されたセル（Ｄ、　Ｄ、　５ｅｌｌ　）
氏等によって報告されている様にｐ形ＧａＡｓ、及びｎ
形ＧａＡｓの屈折率は不純物濃度と共に変化する。特に
ｎ形ＧａＡｓの屈折率はその濃度がｌ　Ｘ　１０　”ｃ
ｍ−’以上になると急激に減少する。これに対しｐ形Ｇ
ａＡｓの屈折率は同濃度に対して緩やかに減少する。従
って不純物がｎ形かｐ形かの相違及び濃度の相違による
屈折率の変化を利用することにより、ダブルへテロ接合
ウェハに不純物をストライプ状に拡散許せ、その拡散フ
ロントを活性層まで到らしめて不純物補償又は高濃度不
純物を導入することによりストライプ状活性領域の屈折
率をその外部領域に対して大きくする事ができる。

こうして活性層内に導入された屈折率ステップの高言は
レーザ発振時においてはストライプ状活性領域へのキャ
リア注入によって生じるプラズマ効果及びバンド間遷移
等の負の屈折率の寄り、のために減少する。従ってレー
ザ発振時における実効的な屈折率は不純物拡散によって
導入した正の屈折率ステップにキャリア注入による屈折
率の減少を加えたものである。ところでｐ形、ｎ形不純
物の組合わせによって１０−１のオーダーの正の屈折率
ステップを導入することができるのに対し負の屈折率効
果は１０−８のオーダーであるから、実効的な屈折率差
を５Ｘ１０−”以上につけることができる。正の大きな
屈折率ステップを導入するには高濃度ｎ形活性層に高濃
度のｐ形不純物をストライプ状に拡散許せ不純物補償許
せるのがもつとも効果的である。

本発明者は活性層ｎ形濃度を３．ｌＸ１０”ｃｍ−”　
、　２．　ＯＸ　１０　”ｃｍ−”及び１．０Ｘ１０”
ｃｍ−”と変化許せたウェハを用い各ウェハごとにスト
ライプ状のＺｎ拡散を行い、ストライプ状Ｚｎ拡散活性
領域のｐ形濃度を不純物補償した状態から１〜１．５Ｘ
１０”ｃｍ−”に変化させてストライプ型ダブルへテロ
接合レーザ素子を製作し、レーザ発振時における各素子
の実効的な屈折率ステップの高さを測定すると共に、レ
ーザ発振機構を観測した。

その結果、活性層のｎ形濃度が３．ｌＸ１０”ｃｍ　−
”の場合にはストライプ状Ｚｎ拡散活性領域のｐ形濃度
を３．５　Ｘ　１０　”ｃｍ−”から１〜１．５ＸＩＱ
”ｃｍ−”に変化させた場合〜３Ｘ１０−’から〜５Ｘ
１０−”にわたる正の実効的な屈折率差（ＮニーＮｃ　
）を生じることができた。このときレーザ素子は屈折率
ガイディングを行ない閾値電流値の２．５〜３倍の電流
範囲にわたって安定な基本モード発振を行なった。これ
に対し活性層のｎ形濃度を２　Ｘ　１０　”ｃｍ−”以
下にした場合にはストライプ状活性領域のｐ形濃度を不
純物補償から１〜１．５Ｘ１０口ｃｍ　−”にわたって
変化させて、実行的な屈折率差（ＮｚＮｒ、）が１０−
’以下かもしくは負になる実効的な屈折率差（Ｎｘ　−
Ｎｚ）が１０−’以下の場合には、ゲインガイディング
が支配的であり注入電流とともにモード変形が生じた。

また実効的な屈折率ステップが負の場合にはリーキモー
ド（アンタイガイディング）となり、大きなモードロス
を生じると共に遠視野像が双峰性になり、ファイバー結
合効率が大幅に減少するなどレーザ特性上きわめて不都
合である事がわかった。従って第１図の実施例の如く高
濃度のｎ形活性層１２に、不純物補償する程度の低濃度
拡散して形成したストライプ状の第１活性領域２０と第
２活性領域２１とには共に正の屈折率ガイディングに基
づく安定な基本横モード発振が得られる。

ところでＧａＡｓ半導体結晶では高濃度のｎ形結晶にす
るとバンドギャップが実効的に拡大するバースタインシ
フトという効果が生じる。従って、第１図の実施例にお
いてｎ形活性層１２は実効的にバンドギャップが拡大し
ている。これに対して不純物補償して形成した第１およ
び第２の活性領域ではパントチイルのためにバンドギャ
ップは実効的に縮少している。従って第１図の実施例の
如くミラー面近傍をｎ形活性層１２のままにしておけば
ストライプ状活性領域で発生した光はほとんど吸収され
る事なく伝播する。本発明者の実験結果によれば、高濃
度ｎ形活性層に対して不純物補償して形成したストライ
プ状活性領域で発生した光量子の受ける吸収損失は２Ｏ
ＣＴ１１−”〜３Ｑｃｍ−”である事が明らかになった
。

第１図の実施例において特に第２活性領域２１の両反射
面近傍は非励起領域の高濃度ｎ形活性層のままになって
いるので以下の理由によって大光出力発振をする事がで
きる。

すなわち、励起領域が直接反射面に露出している通常の
ダブルへテロ接合レーザに比べて、外気との化学反応が
起り難いため、反射面の光学反応による劣化を阻止する
ことができる。又、通常のレーザでは反射面に露出した
活性層の表面付近は表面準位の存在等により、空乏層化
している。

従ってレーザ光の吸収領域になるため大出力のレーザ発
振を行うと、レーザ光を吸収して発熱し、更には光学損
傷を生じることになる。

これに対し、反射面に接する活性層をレーザ光の吸収の
小さい非励起領域にしておけば光学損傷　　　゛は非常
に発生しにくくなり、ストライプ幅を狭くしても高出力
発振ができる。その他励起領域が直接反射面に露出して
いないのでレーザ発振の特性を劣化させることなく反射
面の加工を行なうことができる等の利点をあわせもつ。

以上の事によって、本発明の複合半導体レーザは、光書
きこみに必要な大光出力発振をする機能をもつ。

一方これに対して第１活性領域２０の共振器の長て方向
の一部に高濃度拡散して活性層内に形成した高濃度拡散
領域１５では高濃度のｎ形活性層に高濃度のｐ形ドーパ
ントを拡散しているためバンドギャップが著しく縮少し
ている。ストライプ状の第１活性領域２０も不純物補償
されたｐ形になっているのでそのバンドギャップはその
外部の活性層よりは縮少しているが、高濃度拡散領域１
５とくらべると広がっている。従って活性領域２０から
のレーザ発振光は高濃度拡散領域１５では吸収きれこの
領域１５は吸収領域になる。これは共振器内に可飽和吸
収体を導入した事と等価になる。前に記した様にこのよ
うな場合に出現する現象と各種パラメータとの関係は十
分用らかになっていない。

そこで本発明者は第７図の様なパイセクション（ｂｉｓ
ｅｃｔｉｏｎ　）レーザを考えて解析した。

共振器長をＬとし励起領域（領域１）と吸収領域（領域
２）との長さの比を（１−ｈ）：　ｂとする。ただしｏ
＜ｈ＜ｉとする。

各領域へのキャリア注入速度をＰ　ｒ　、　Ｐ　ｘとし
、励起キャリア密度をｆｌ　Ｉ　＋　ｎ　１とずればレ
ーザフォトン密度Ｎとキャリア密度との時間変化は、次
のレート方程式で近似的に記述できる。

ｈｃ＝（ｎｔ）ｒ）Ｎ 上式において、Ｇｔ（ｎｔ）は各領域における利得７、
−１は各領域のキャリアの自然 寿命 「は共振器損失 をそれぞれ示す。

利得Ｇ、とキャリア密度ｎ、との関係はＧｔ（ｎｔ）＝
ｇ＋（ｎｔ　　ｎｏｔ）　　　　　　　　（４）Ｇｘ（
ｎｔ）＝　ｇａ（ｎｔ−ｎｅｔ＞　　　　　　　　（５
）と近似した（ｎ、１はＧ、−〇の時のキャリア密度）
。双安定や非定常の出現に本質的に重要な非線形性は、
それぞれの領域のＧ、とｎ、との間の微係数ｇ＋（＝ｃ
Ｅｉ＋Ｇ＋／ａｎ＋）に異なる値を入れて導入した。

上記の式を用いて自励振動および双安定動作の発生条件
を求めた。この解析結果から 動が生じる主な領域になる事がわかった。

従って第１図の実施例では、第１活性領域２０において
自励振動が生じ、その結果雑音を低減でき、またその許
容範囲もかなり広く再現性よく製造できる。特に本実施
例では吸収領域の損失αはαｍ−５９Ｑｃｎ＋−”であ
り、「＝５Ｑｃｍ−’とするとｈ＝０．１よりβ−−１
，０となる。また、吸収領域でのτ、：＝９．５ｐｍ一
方活性領域ではτ、−１．５Ｆｒｎ〜２．０−と測定さ
れたのでτＩ／τ、−３〜４でありｇ＋／ｇａ＝０．５
〜０．８と予想され充分自動振動が発生し、その結果縦
モードが多モード化し低雑音特性が得られる。

以上により本発明の複合半導体レーザは、茂み取りに必
要な低雑音特性も持つ。

更に、この第１活性領域２０は前に記した如くその外部
の活性層よりバンドギャップが縮少しており、レーザ光
は吸収をほとんど受ける事なく反射面近傍の活性層を透
過する。従って通常のＡＱＧａＡｓ／　ＧａＡｓ半導体
レーザに必要な反射面保護膜も不要でありかつ反射面近
傍の自由な加工も可能になる。

（発明の効果） 本発明の複合半導体レーザは、以上に説明したように、
光書きこみ用光源に要求される安定な基本横モード大光
出力発振が可能なレーザ共振器と、安定な自動振動が可
能であり低雑音特性を有するレーザ共振器とを持つ。特
に低雑音特性を得るに必要な条件の許容範囲が従来にく
らべて比類なく広い。大光出力発振レーザ共振器と低雑
音特性を持つレーザ共振器とを般用程度まで近付ける事
ができ、更に反射面から両活性領域までの位置を同じに
する事によって両会振器の出射光の非点収差を同じにす
る事ができ、同一レンズで両川射光を集光させる事がで
きる。更に、両活性領域が反射面近傍からはなれている
ので反射面保護の効果がありレーザ素子の信頼性を向上
させる事ができる。更に、成長ウェハに高濃度と低濃度
との２回拡散するだけで製作でき再現性、歩留りにすぐ
れている。

なお、前述の実施例の説明では、ＡＱＧａＡｓ／　Ｇａ
Ａｓについて述べてきたが、他の結晶材料例えばＩｎＧ
ａＡｓＰ／　ＩｎＰ　、　ＩｎＧａＰ／　ＡｕＩｎＰ　
、　ＧａＡｓＳｂ／　ＡＱＧａＡｓＳｂ等多くの結晶材
料にも本発明は適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図実
施例の平面図、第３図は第２図のＡ−Ａ゛面（共振器長
て方向）に切って矢印方向に見た断面図、第４図は第２
図のＢ−Ｂ’面（共振器長て方向）に切って矢印方向に
見た断面図、第５図は第１図実施例に用いた成長ウェハ
の断面図、第６図は第５図の成長ウェハに高濃度のＺｎ
拡散をした工程の後における半製品の断面図である。第
７図は本発明の解析に用いたレーザのモデルを示す図で
あり、Ｌは共振器長、ｈは吸収領域（領域２）の長さの
共振器長に対する比、ＰＩＩＦｍはそれぞれ励起領域（
領域１）と吸収領域（領域２）とへのキャリア注入速度
を示す。 １０　・・−ｎ形ＧａＡｓ基板、１１−　ｎ形ＡＱ、、
、Ｇａ、、Ｊｓ第１クラッド層、１２−　ｎ形ＡＱｏ、
ｒｓＧａｏ、ａｌｌＡＢ活性層、１３−　ｎ形ＡＱｏ　
、　４Ｇａｏ　、　ａＡｓ第２クラッド層、１４・・・
Ｓｉｎ、膜、１５・・・高濃度拡散領域、１６・・・高
濃度拡散された活性領域（吸収領域）、１７・・・Ｓｉ
ｎ、膜、１８・・・第１低濃度拡散領域、１９・・・第
２低能度拡散領域、２０・・・第１活性領域、２１・・
・第２活性領域、２２・・・第１ｐ形オーミンクコンタ
クト、２３・・・第２ｐ形オーミツクコンタクト、２４
・・・ｎ形オーミックコンタクト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 活性層よりもバンドギャップの大きい半導体で前記活性
   層が挾みこんである多層構造を有し、前記活性層のバン
   ドギャップより小さいバンドギャップを有すると共に前
   記活性層に対し正の実効的な屈折率差を有する互いに平
   行なストライプ状の第１及び第２の活性領域が前記活性
   層内に共振器の長て方向に設けてあり、前記第１及び第
   ２の活性領域が前記共振器の両反射面に接していない構
   造を有し、前記第１活性領域の共振器の長て方向延長上
   にその第１活性領域の長さに対する比が（１−ｈ）：ｈ
   （０＜ｈ＜１）である吸収領域が形成してあり、前記吸
   収領域の損失αをキャビティ損失Γを用いて規格化した
   損失を β（≡ｈα／Γ）としたとき前記第１活性領域における
   利得係数ｇ＿１と前記吸収領域における利得係数ｇ＿２
   との比ｇ＿１／ｇ＿２及び前記第１活性領域のキャリア
   自然寿命τ＿１と前記吸収領域のキャリア自然寿命τ＿
   ２との比τ＿１／τ＿２が τ＿１／τ＿２ｇ＿１／ｇ＿２＞−β／１−βでかつτ
   ＿１／τ＿２＞｛１／１−ｈ（１−β／−β）（ｇ＿１
   ／ｇ＿２）＋１｝なる関係を有する事を特徴とする複合
   半導体レーザ。