JPS6136719B2

JPS6136719B2 -

Info

Publication number: JPS6136719B2
Application number: JP3374179A
Authority: JP
Inventors: Isamu Sakuma; Katsuhiko Nishida
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-03-22
Filing date: 1979-03-22
Publication date: 1986-08-20
Also published as: JPS55125691A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は基本縦、横モード発振する分布帰還型
半導体レーザの構造に関するものである。

半導体レーザを高温下において連続発振させる
ためには、その接合部から熱を除去する最良の熱
経路を与えかつ同時に光の損失と無駄な再結合を
最小にする特定領域に光エネルギー及び注入電流
を閉じ込めるいわゆる電極ストライプ型半導体レ
ーザが出現した。その後各種のストライプ構造が
開発され現在に至つているが、いずれもそれぞれ
の欠点を有し特性上不満足なものである。

たとえば、電極ストライプ型等、単に電流分布
のみを規定した場合には、レーザ光は主として利
得分布によりストライプ方向に、導かれるが、こ
の利得による導波路作用は不安定でもあり、容易
に高次横モード発振や多モード発振を起し、更に
これにより電流一光出力特性が歪む場合も多い。

そのため、導波路作用を構造的に半導体レーザ
の内部に作り込んでこれらの欠点を修正しようと
する試みが行なわれている。いわゆるリブガイド
ストライプ型半導体レーザもこうした試みの一つ
として理解しうる。この構造では、以下に述べる
ように活性層のストライプ状領域内の厚さをその
外側より厚くするため、導波路作用をもたせ基本
モード発振を得ようとするものである。

本発明に先行する従来技術としては、このリブ
ガイドストライプ型半導体レーザを挙げるべきで
あり、以下まずこの型式の構造、機能等について
その何処を本発明で解決すべきかを図面を用いて
簡単に説明する。

第１図は、その概略を示す断面図である。

例えば｛100｝面ｎ型InP基体１に〔01１〕方
向に平行なストライプ状凹部７を形成する。この
InP基体の上に液相エピタキシヤル法を用いてｐ
型In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉活性層２、ｐ型InP層３
の２層を順次形成する。ｐ型InP層３上にSiO₂膜
４を付け、ストライプ状凹部７の真上の活性層領
域に一様に電流が流れるようにストライプ状電流
域に相当する部分にSiO₂膜４の窓を設け、電極
５，６を取り付けて、リブガイドストライプ型半
導体レーザが出来る。

この半導体レーザの発振領域にあたる活性層は
凹部内でその層厚が厚く、その外側部でわずかに
薄くなつている。又この活性層を上下から挾み込
む結晶層は活性層よりも屈折率を小さく選んだ
InP層である。活性層内の光は活性層の厚さが幅
方向で異なるため、その層厚が薄い所では厚い部
分に比べて、基体であるInP結晶の影響をより強
く受け易くなる。このことは活性層の薄い部分の
屈折率がその厚い所の屈折率と比べて実効的に小
さくなつたのと等価である。

すなわち、これが単なる光導波路であるとして
も、活性層平面内に一定の方向と適当な幅をもつ
ストライプ状導波路構造を設けたこととなる。例
えば、リブガイドストライプ型半導体レーザに限
つて考えれば、横モード制御機能は電極ストライ
プ型のように利得分布に依存しなくなり、その結
果広範囲の注入電流レベルにわたつて安定した基
本横モード発振が簡単に得られ、従来の電極スト
ライプ型等の欠点が大いに改良された。この点、
このリブ構造は画期的な提案であつたといえる。

しかし、このリブガイドストライプ型半導体レ
ーザの縦モード制御に関しては単一縦モード発振
が得にくいという欠点があつた。その理由は劈開
面を反射鏡として使つているために複数の波長で
発振が可能となり、温度変化、電流変動等で簡単
に縦モードが多モード化したり、発振波長が変動
したりする。又、このリブガイドストライプ型の
別の欠点は構造寸法的に製作が難かしいという事
であつた。例えば、基本横モード発振に必要な光
導波機能を実現するため等価屈折率差を活性層領
域に形成するための実際の大きさは、活性層が
2000Åの場合、基体に設ける溝の深さが400Å、
その幅が８μｍ程度の寸法で最適であり、溝の深
さが上記値の２倍以上になると簡単に等価屈折率
差が大きくなり、高次横モード発振しやすくな
る。

この等価屈折率差の大きさを基本横モード発振
する最適値に制御するには、溝の深さを適当な深
さにする他に活性層の厚さを変えることでなされ
る。溝の深さが一定ならばその層厚を厚くすると
等価屈折率差は小さくなり、逆に薄くすると大き
くなる。製作の容易さ、層厚の制御性等から活性
層がある程度厚い方が都合が良い。しかし発振閾
値電流が高まる欠点となる。一方、活性層を薄く
すると発振閾電流は低くなるが、等価屈折率差は
大きくなる傾向にあり、わずかな溝深さの不均一
でその等価屈折率差は大きく変動する。又、溝の
深さも実際は400Å以下を再現性良く均一に形成
する必要がある。

このような特性的に必要な構造寸法条件は自ず
と製作上制御性、再現性を著しく悪くする。更に
高出力化を計ろうとすると高次横モード発振しや
すくなり、又閾値電流も高まる等の障害が生じ
る。

この発明に目的は従来の半導体レーザが有して
いる欠点を除去し基本縦、横モード発振の制御が
簡単であり、発振閾値電流が小さく、高出力化が
可能でかつ製作が容易であり、歩留りの高い量産
性に適した分布帰還型半導体レーザの構造を提供
することである。

本発明は以下に述べるような半導体レーザの構
造によつて解決される。本発明の半導体レーザの
構造の骨子は次の通りである。最初、半導体基体
表面に細長い溝を設け、その基体表面上に周期的
な凹凸からなる回折格子を形成する。続いて光ガ
イド及びキヤリア閉じ込め層（以下光ガイド層と
略記する）、活性層、および光子及びキヤリア閉
じ込め層（以下キヤリア閉じ込め層と略記する）
が普通のエピタキシヤル成長によつて半導体基体
の溝のある表面上に連続的に成長される。そして
その活性層が光ガイド層またはキヤリア閉じ込め
層と整流接合を形成するようにドーピングされ
る。

溝は光ガイド層で完全に満たされるようにし、
その光ガイド層の平坦とした表面上に活性層を成
長する。電極をストライプ状の溝の真上に相当す
る活性層領域に注入電流を注入できるようにキヤ
リア閉じ込め層と半導体基体に設ける。

第２図、第３図を参照しながら本発明の基本原
理を説明する。図面は本発明を実施した場合の分
布帰還型半導体レーザの代表例で、第２図はレー
ザ光に垂直な素子の主要断面図、第３図は素子の
側面断面図をそれぞれ示すものである。

８は帯状の凹溝１５を有し、その表面に周期的
凹凸からなる回折格子１６を形成した半導体基体
でこの上に以下の各層が順次成長される。第１半
導体層の光ガイド及びキヤリア閉じ込め層９、第
２半導体層の活性層１０、第３半導体層の光子及
びキヤリア閉じ込め層１１である。光ガイド層９
と活性層１０は異なる伝導型のものであり、それ
らの間に整流接合１７を形成する。電極１３と１
４が半導体基体８及びキヤリア閉じ込め層１１に
それぞれ接触するように設けてあり、光ガイド層
９と活性層１０の界面において順方向バイアス整
流接合１７を形成する。

整流接合１７が順方向にバイアスされると、キ
ヤリアが注入され再結合により光を発生する。活
性層１０の両側をこれより禁止帯幅が大きく屈折
率の小さい光ガイド層９とキヤリア閉じ込め層１
１とで挾みキヤリアの閉じ込めを行い、一方発生
した光をわずかに屈折率の小さい光ガイド層９に
しみ出させ光子の完全な閉じ込めは半導体基体８
とキヤリア閉じ込め層１１で行う。即ち、光子の
閉じ込めと、キヤリア閉じ込めとを分離したダブ
ルヘテロ構造となつている。InP−InGaAsP半導
体層として用いる場合について具体的に述べる。

ｎ型InP基体８表面にフオトレジスト膜を付着
し露光した後、幅５μｍの細長い窓を設け、これ
を選択エツチングのマスクとしてストライプ状の
溝１５を形成する。深さ0.1μｍ、幅５μｍ寸法
の溝とする。

フオトレジスト膜をInP基体の表面から除去し
再度フオトレジスト膜を塗布する。波長3250Åの
He−Cdレーザ光で露光したフオトレジストの回
折格子を作る。次にこれをマスクとしてｎ型InP
基体８を化学エツチングして周期的1800ÅのInP
回折格子１６を形成する。回折格子１６の方向は
先に設けたストライプ状の溝１５に対して直角と
する。このｎ型InP基体上に以下各層が液相エピ
タキシヤル成長によつて連続して成長される。光
ガイド層のｎ型In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄層９を成長
する。この成長は溝１５部分が完全に埋まり全面
が実質上平坦になるまで続ける。次いで、第２半
導体層の活性層にあたるｐ型
In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉層１０、キヤリア閉じ込め
層のｐ型InP層１１が成長されて終了する。

典型的な各層厚は溝の領域でそれぞれ
In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄層９が0.3μｍ、
In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉層１０が0.1μｍ、InP層１
１が1.5μｍである。最後にｐ型電極１３はSiO₂
膜１２を介して、又ｎ型電極１４はInP基体８の
裏側に各々形成して完了する。

動作は電極１３に正、電極１４に負を印加する
ことにより整流接合１７は順方向バイアスされ、
キヤリアが活性層１０に注入される。活性層１０
がその両側を禁止帯幅の大きい光ガイド層９とキ
ヤリア閉じ込め層１１で挾まれている。すなわ
ち、活性層１０In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉の禁制帯幅
0.98eVに対し、光ガイド層９
In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄の禁制帯幅が1.1eV、キヤ
リア閉じ込め層１１InPの禁制帯幅が1.34eVより
なる二重ヘテロ接合により活性層１０に注入され
たキヤリアは拡散することなく活性層１０内に閉
じ込められる。一方活性層１０内の再結合により
光が発生し十分な注入電流によつて損失に利得が
うち勝つたとき活性層１０からレーザ光が生じ
る。この光は第１半導体層の光ガイド層９にしみ
出す。光ガイド層９は活性層１０で発生したレー
ザ光（発振波長は約1.26μｍ）に対して十分な透
明なため、この光ガイド層９内でレーザ光が損失
することはない。そこで光ビームは光ガイド層９
と活性層１０の間に拡がつて伝播する。この際活
性層１０の屈折率n₂＝3.5に対し光ガイド層９の
屈折率n₁＝3.46である。この両者の実効屈折率差
が小さいことから、活性層１０と光ガイド層９の
界面での導波作用は非常に弱い。しかし層９，１
０を挾む半導体基体８とキヤリア閉じ込め層１１
の屈折率は（InPの屈折率ｎ＝3.2）各層９，１０
のその値に比較して小さいため強い導波路を形成
する。ことに、光ビームは屈折率の小さい半導体
基体８及びキヤリア閉じ込め層１１にガイドされ
光子が各層９，１０の領域に閉じ込められる。

整流接合１７に対して水平方向の光ガイド層９
の厚さは溝１５領域と、溝１５の外側とで異な
る。したがつて、光ガイド層９の屈折率分布は溝
領域が溝の外側に比べて大きくなる。すなわち、
リブ構造と同様な光導波路機構を発光層領域に作
り込んだと等価である。

本実施例によれば、基本横モード発振を可能に
する光導波路を設けるのに、活性層１０厚を変え
ることなく光ガイド層９の厚さと溝１５の深さを
適当に制御することで得られる。又、キヤリア閉
じ込め領域と光の閉じ込め領域とが完全に分離さ
れた構造を有する。

これらの特徴は、基本横モード発振が広い動作
電流範囲にわたつて維持され、発振閾値電流も小
さい利点を提供する。又、発光領域の層方向の厚
さが大きいことは高出力化が容易に得られる別の
利点を提供する。更に、従来のリブ構造に比較し
て半導体基体に形成する溝の深さが光導波機構を
構成する実効屈折率差の大きさに鋭敏に影響しな
いため、本発明の半導体レーザは製作の簡単さ、
再現性、量産性に富む結晶成長を提供する。

本実施例の縦モード制御は、半導体基体に設け
た回折格子でなされる。光ガイド層９にしみ出た
光は光ガイド層９と半導体基体８の境界に形成さ
れた凹凸のある回折格子によりその光の波数ベク
トルと凹凸の周期で決まる方向に、すなわち進行
方向と逆方向に回折される。この回折によりレー
ザ発振に必要な帰還が得られ発振する。

又、半導体基体に設けた回折格子は半導体レー
ザのレーザ発振領域全体を覆うため、レーザ光の
回折効果が効率良くなされる。すなわちレーザ光
のほんのわずかな量が回折されるだけで強い帰還
が得られる特徴を有する。

この際レーザ発振の波長（縦モード）は回折格
子のブラツク条件と、共振器長で一次的に決ま
る。

このようなレーザを一般に分布帰還レーザと呼
ばれる。

故に本発明の半導体レーザは分布帰還型構造を
有するため、単一横モード発振とかねて、単一縦
モード発振が容易、更に反射鏡を必要としない特
徴を有している。

活性層にキヤリアを注入する手段を形成する際
ストライプ状溝の位置に相対する活性層領域に効
率良く電流を注入できるよう配慮すると、更に動
作電流は少なく出来、発光の微分量子効率が高ま
る。故に、上記実施例のようなSiO₂膜を介して
形成されるストライプ状電極は注入効率が悪い。
例えば電流を溝領域を通る通路に制限するような
層を半導体基体内に設ける構造、すなわち半導体
基体内に逆バイアス接合を形成する手段が好まし
い。

それにはｎ型InP基体表面ｐ型不純物を拡散し
たｐ型層を形成し、そのInP基体表面にストライ
プ状溝と回折格子を形成すればよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザの概略的断面図、
第２図は本発明の一実施例における分布帰還型半
導体レーザのレーザ光に主要断面図、第３図は本
発明の分布帰還型半導体レーザの側面断面図をそ
れぞれ示す。図において、１，８は半導体基体、２，１０は
活性層、３，１１は光子及びキヤリア閉じ込め
層、４，１２はSiO₂膜、５，１３はｐ型電極、
６，１４はｎ型電極、７，１５は溝９は光ガイド
及びキヤリア閉じ込め層、１６は回折格子、１７
は整流接合をそれぞれ示す。

Claims

【特許請求の範囲】

１ストライプ状凹部を形成した表面を有する半
導体基体上に、該半導体基体よりも禁止帯幅が小
さく、かつ大きな屈折率を有する光ガイド及びキ
ヤリア閉じ込め層と、該光ガイド及びキヤリア閉
じ込め層よりも禁止帯幅が小さく、かつ大きな屈
折率を有する活性層と、該光ガイド及びキヤリア
閉じ込め層と該活性層の両方の禁止帯幅より大き
くかつ両方の屈折率より小さい屈折率を有する光
子及びキヤリア閉じ込め層とを順次形成して成る
多層構造を有し、少なくともストライプ領域の該
活性層の伝導型を該光ガイド及びキヤリア閉じ込
め層あるいは該光子及びキヤリア閉じ込め層の伝
導型のどちらかとは異なるように形成し、該スト
ライプ状凹部領域に相対する該活性層に電流を注
入する手段を備えた半導体レーザであつて、該半
導体基体と該光ガイド及びキヤリア閉じ込め層の
境界に光伝播方向に周期的凹凸からなる回折格子
を形成したことを特徴とする分布帰還型半導体レ
ーザ。