JPS62179191A - 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に用いるのに適した半導体レーザに
関する。

（従来の技術） 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にな
る。半導体レーザの戻り光誘起雑音を低減するために、
種々の方法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。

この方法のひとつとして高周波重畳による半導体レーザ
の低雑音化が穴石、下根、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されて
いる。これに対して自励振動を生じさせ縦モードをアル
チ化して低雑音化する方法が、銘木、松本、円相、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工８８８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。

（発明が解決しようとする問題点） 上記高周波重畳を用いる方法では、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。一方自励振動を生じさせる
方法ではレーザ構造（層厚や溝幅など）に対して自励振
動の特性がきわめて敏感に依存するから、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。

そこで、本発明の目的は、これらの欠点を除去し、安定
な自励振動を生じ低雑音特性を持つと共に基本横モード
発振を維持し、制御性および再現性にすぐれた半導体レ
ーザを提案する事にある。

（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半導体
レーザは、活性層を当該活性層よりもパ／ドギャップの
広い材料からなるクラッド層ではさんだダブルヘテロ接
合構造と、このクラッド層上に設けてあり第１の溝を有
する第１のブロック層と、この第１のブロック層上に設
けてあり前記第１の溝よりも幅の広い第２の溝を有する
第２のブロック層と、前記第１及び第２の溝を埋めこん
で前記第２のブロック層上に設けた半導体層とからなる
半導体多層構造を備え、この多層構造では共振器の長て
方向の一部領域において前記第１及び第２のブロック層
が欠けており、この一部領域に逆バイアス領域を設け、
この逆バイアスを任意のパルス幅でかけ空乏層を少くと
も前記活性層内にまで広げた状態において前記活性層内
のキャリア拡散長が前記第２の溝幅と第１の溝幅との差
の半分より短かく、かつ活性層内の活性領域のキャリア
ライフタイムが活性層内空乏層領域よりも長い事を特徴
とする。

（実施例） 以下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であり、第２図、第３図及び第４
図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ／、Ｂ−Ｂ′及びＣ−Ｃｔ
断面図である。但し、第４図はこの実施例にパルス回路
を付加して示す模式図である。

本実施例の製造に当っては、まず第５図に示すように、
ｐ形ＧａＡｓ基板１０上にｐ形Ａｌｅ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ
Ａｓ第１クラッド層１１を２．ｓμｍ＋ｎ形Ａｌｏ、１
５Ｇａｏ、１１Ａ８活性層（ｎ形濃度ｎ＝１．５ｘｌ　
Ｏ”ｃｒｎ−”　）１２を０．０８　μｍ＋　ｎ形Ａｌ
ｅ、４０＆ｏ、ｓ　Ａｓ第２クラッド層１３を０．３μ
ｍ＋ｐ形Ａｌｅ、５　Ｇａｓ、ｓ　Ａｓ第１ブロック層
１４を０．３μｍ、ｐ形ＧａＡｓ第２ブロック層１５を
１．Ｑ　ｔｉｍ　ＭＯＣＶＤ法テ連続成長スル。

ＭＯＣＶＤ法では薄膜成長が可能であり、かつ精密な膜
厚制御性を兼ね備えているので上記の如き層構造を制御
性よく成長する事ができる。また上記の如く活性層１２
のｎ形濃度を１．５Ｘ１０”α−Ｓ）にしておくとキャ
リアの拡散長は１μｍ以下にする事ができる。この濃度
の時発光効率も最も高くなる事が同時に明らかになった
。

次に８１０２膜１６で全体を被膜した後フォトレジスト
法により共振器の長て方向に対して垂直になるように幅
５０μｍの窓をあけ第２ブロック層１５と第１ブロック
層１４とをエツチングして第２クラッド層１３の表面を
出す。

次にフォトレジスト法により上記エツチング領域を除い
た共振器の長て方向に幅４μｍのストライプ状の窓をあ
けＧａＡ３第２ブロック層１５をエツチングして溝を形
成しＡｌｏ、５　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓ第１ブロック層１４
の表面を露出する。さらにフォトレジスト法をおこない
上記の溝の中心線と一致させるように幅２μｍのストラ
イプ状の窓をレジスト膜１７にあけこのレジスト膜をマ
スクにしてＡｌｅ、ｓＧａａ４Ａｇ第１ブロック層１４
をエツチングして溝を形成しＡｌ　ｏ、４　Ｇ　ａ　（
１，６Ａｓ第２クラッド層１３の表面を出す（第６図）
。

次にレジスト膜１７と８１０！膜１６とを除去した後、
ｎ形Ａ１（１，４Ｇａ　Ｏ，６Ａｓ第３クラッド層１８
を２．０μｍ＋ｎ形ＧａＡａキャップ層１９を１．Ｏｔ
ｔｍ連続成長する。この成長において従来から行われて
いる液相成長法においては、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｅ層で
あるＡｌｏ、４　Ｇａｏ、ａ　Ａｓ第２クラッド層１３
やＡｌｏ、。

Ｇａ６．５Ａｓ第１ブロック層１４の上にはｂかなる液
相層も成長しないが、ＭＯＣＶＤ法では容易に成長させ
る事ができる。特にこのＭＯＣＶＤ法において第３クラ
ッド層１８を成長する直前ＫＨＣ，等のガスで成長する
面の表面を微量にガスエツチングをすると成長素子の再
現性、信頼性を一段と向上する事ができる。

この後成長表面全面に８１０！膜２ｏをっけフォトレジ
スト法で、前記第１、第２のブロック層を除去した領域
の表面にあたる部分に共握器の長て方向に＠５μｍ長さ
２５μｍの窓をあけＺｎを高濃度拡散させる（Ｚｎ拡散
領域２１）。その拡散フロント２２は第２クラッド層１
３と第３クラッド層１８との界面近傍もしくは第２クラ
ッド層１３内にくるようにする。こうして形成したＺｎ
拡散領域２１を逆バイアス領域にする。

次にＳ　１０Ｈ膜２ｏにさらにフォトレジスト法を用い
てＧａＡａ第２ブロック層１５にあけた溝の部分にあた
る領域に＠５μｍの窓をあけｎ形オーミックコンタクト
２３をつける。さらにＺｎ拡散領域２１および基板ｌｏ
側にそれぞれｐ形オーミックコンタクト２４およびｐ形
オーミックコンタクト２５をつけ、ｎ形オーミックコン
タクト２３とｐ形オーミックコンタクト２４との間に逆
バイアス、ｎ形オーピックコンタクト２３とｐ形オーミ
ンクコンタクト２５との間に順バイアスをかけると本実
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）。

（実施例の作用効果〕 第１図実施例の構造においてｎ形オーミックコンタクト
２３から流入された電流はキャップ層１９と第３クラッ
ド層１８を通って流れるが、第３クラッド層１８に隣接
して電気的極性の異なるｐ形ＧａＡ３第２ブロック層１
５さらにこれＫｒｓ接してｐ形Ａｌｅ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ
　Ａｓ第１ブロック層１４があるため電流は第１および
第２のブロック層で阻止され、最終的にｐ形Ａ１（１４
（）ａ（１，１Ａｓ第１ブロック層１４にあけたストラ
イプ状の窓からｎ形Ａｌｅ、４Ｇａｅ、ｓＡｓ　第２ク
ラッド層１３を通って、ｎ形ＡｌＯ，を蓼Ｇ＆ｏ、＠Ｓ
Ａｓ活性層１２に注入される。活性層に注入されたキャ
リアは活性層水平横方向に拡散していき利得分布を形成
しレーザ発振を開始する。このとき前に記した様に活性
層内のキャリア拡散長が短かいから、利得分布は主に第
１ブロック層１４にあけたストライプ状の窓下の活性層
の部分に形成され、またその形状は急峻になり、その結
果ストライプ状の窓の下の部分のみ利得が高くなりその
外部は損失領域になる。

一方光は活性層からしみ出し垂直方向に広がる。

このとき第２クラッド層１３にしみ出した光は第２クラ
ッド層１３に隣接してｐ形へｌｏ、ｓ　Ｇａｓ、３　Ａ
ｓ第１ブロック層１４があり光はこの層にまで広がる。

さらに第１ブロック層１４に隣接してｎ形ＧａＡｓ第２
ブロック層１５があるがこの層は屈折率が第１ブロック
層１４より高く光をひきこむばかつてなく、レーザ発振
光に対してバンドギャップが狭く〜１００１００Ｏ０’
以上の光の吸収層になっている。従って光は第２ブロッ
ク層１５にひきこまれそこで大きな吸収損失をうける事
になる。その結果この第２ブロック層１５にあけた窓に
わたって正の屈折率差Δη１が生じる。その値は本実施
例においてはΔηＢ＝５Ｘ１０″″ｊになる事が本発明
者の計算結果より明らかＫなった。

以上の結果本実施例の構造においては第１ブロック層１
４にあけた狭い窓幅程度の利得分布に対し第２ブロック
層１５にあけたそれより広い窓幅にわたって光が広がり
そこでは正の屈折率ガイディ７グ機構が作りつけられて
いる事になる。ところでキャリアが活性層に注入され利
得分布が形成されると屈折率のキャリア密度に対する負
の依存性のため屈折率は減少する。しかしその値は３〜
４ＸｌＯ””程度であるので本実施例ではレーザ発振時
では１〜２Ｘ１０−”　　の屈折率が作りつけられてお
りこの正の屈折率ガイディ７グと上記に述べた第２ブロ
ック層１５による光の急激な吸収との相乗効果により基
本横モード発振を維持する事ができる。

本実施例の構造では光の広がりの幅が利得分布の幅にく
らべて広いので光は利得領域からその外部の損失領域ま
で広がっておりこれは等価的には可飽和吸収体をもって
いる事になり自励振動を生じやすくなる。本実施例の構
造では更にキャリア拡散長が屈折率分布の幅と利得分布
幅を決定するキャリア注入領域幅との半分以下であると
ともにレーザ発振時での屈折率が比較的小さいため自励
振動を助長する効果をもつ。

すなわちまずキャリア拡散長が短かいから、注入キャリ
ア密度分布の変動がはげしくなり、これに伴なって基本
横モードの幅が大きく変動しその収縮と拡大が生じその
結果自励振動の大きさが助長される。本発明者の解析結
果によれば、本実施例の構造においてキャリア拡散長１
μｍと２μｍとを用いてした計算では、キャリア拡散長
１μｍの自動振動は２μｍの５．５〜６倍になる事が明
らかになった。

さらにレーザ発振時の屈折率の大きさが比較的小さい事
も基本横モードの幅の変動を助長する。

本発明者の解析結果によれば本実施例の構造においてキ
ャリア拡散長１μｍを用いて計算した結果自励振動の第
１ピーク強度と第１の谷での強度との比率がηｉ＋＝１
．０Ｘ１０−”では１６０に対しηＢ＝５Ｘ１０−”　
では１９５になる事がわかった。

また本実施例の構造は活性層の共振器の長て方向の一部
に第３クラッド層１８ないしは第１クラッド層１３内に
これらのクラッド層とは逆の電気的特性を有するＺｎ拡
散領域２１を有している。

ｎ形オーミツクコ／タクト２３とｐ形オーミックコンタ
クト２４との間を逆バイアスにするとこのＺｎ拡散領域
２１に逆バイアスがかがり空乏層が広がる。この空乏層
を活性層まで広げると空乏層化した活性層は大きな光吸
収領域となる。さらにレーザ光を吸収する事によって発
生する励起キャリアは逆バイアスによって引きこまれる
のでそのライフタイムは急激に減少する。従って、この
逆バイアスをかけた領域は可飽和吸収体の特性を有する
ので、この構造は逆バイアスをかけた時には共振器内に
可飽和吸収体を導入した事と等価になる。

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
係は本発明者によって特願昭６０−１６５７で明らかＫ
した。特に低雑音特性をもたらす自励振動を生じるには
吸収領域の非飽和吸収が大きくさらに励起領域のキャリ
アライフタイムが吸収領域のキャリアライフタイムより
長い程望ましい事を明らかにした。特に本実施例におい
て逆バイアスとして数十Ｖを逆バイアス領域（Ｚｎ拡散
領域２１）にかけると空乏層は活性層にまで広がり、逆
バイアス領域に〜１０’Ｖ／ｍ以上の電場を生じる。こ
のように逆バイアス領域下の活性層の吸収損失を５００
ｃｒＩＬ″″′にする事ができる。

また、逆バイアス下の活性層のキャリアは逆バイアスで
引っばられるので、この領域のキャリアライフタイムは
きわめて短かく活性領域のキャリアライフタイムはその
８倍〜１０倍となる。従って容易に自励振動を発生させ
る事ができる。

以上のすべての相乗効果の結果、本実施例の構造では容
易に自励振動が生じその結果軸モードが多モード化し軸
モードのコヒーレンスが低減するために反射光に対する
雑音もきわめて低く低雑音特性が得られる。従って本発
明のレーザ素子は光読み取りに必要な低雑音レーザにな
る。

なお、上記実施例ではｐ形ＧａＡｓ基板を用いたがｐｍ
を反転させてもよい。また実施例はＡｌＧａムａ　／Ｇ
ａＡｓダブルヘテロ接合結晶材料について説明したが、
本発明はその他の結晶材料例えば工ｎＧａＦ　／　Ａｊ
　Ｉｎｋ、　ＩｎＧａＡｓＰ　／工ｎＧａＰ、　工ｎＧ
ａＡｓＰ／工ｎｐ、ム１ＧａＡｓ８ｂ　／ＧａＡｓ８ｂ
等数多くの結晶材料に適用する事ができる。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザは、以上に詳しく説明したように
、 ■　基本横モード発振を維持する事ができる。

■　活性水平横方向に可飽和吸収体を持つばかりでなく
共振器の長て方向にも逆バイアスによるきわめて大きな
可飽和吸収体をもつので自励振動が確実に生じその条件
の許容範囲も広いので再現性よくつくる事ができる。

等の利点をもつ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の斜視図であり、第２図、第３図
及び第４図は第１図のＡ　−Ａ’、　　Ｂ　−Ｂ／及び
Ｃ−Ｃ／線をそれぞれ通り基板上面に垂直な面における
断面図、第５図はこの実施例の作製の過程においてダブ
ルヘテロ接合結晶を成長したときの断面図、第６図はこ
の実施例の作製の過程において溝を形成したときの斜視
図である。 １０−ｐ形ＧａＡａ基板、１１　・Ｉ）形Ａｌｏ、５Ｇ
ａｏ、ｓＡ８　第１クラッド層、１２−ｎ形Ａ１６．Ｂ
Ｇａｏ、５ｉＡ６活性層、１３・ｎ形Ａｌｅ、４０ａｏ
、ｓ　Ａ８第２クラッド層、１４−１）形Ａｌｅ、ｓ　
Ｇａｏ、ｓ　Ａｓ第１ブｏツク層、１５・・・ｐ形Ｇａ
Ａθ第２ブロック層、１６・・・Ｓ１０！膜、１７・・
・レジスト膜、１８−ｎ形Ａ１．．４Ｇａｏ、ａＡｓ第
３クラッド層、１９−ｎ形ＧａＡｓ　キャップ層、２０
・・・Ｓ１０！膜、２１・・・Ｚｎ拡散領域、２２・・
・Ｚｎ　拡ｅフロ／ト、２３・・・ｎ形オーミックコン
タクト、２４・・・ｐ形オーミックコンタクト、２５・
・・ｐ形オーミックコンタクト。 代理人　　弁理士　　本　庄　伸　介 第２図 第３図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層を当該活性層よりもバンドギャップの広い材料か
   らなるクラッド層ではさんだダブルヘテロ接合構造と、
   このクラッド層上に設けてあり第１の溝を有する第１の
   ブロック層と、この第１のブロック層上に設けてあり前
   記第１の溝よりも幅の広い第２の溝を有する第２のブロ
   ック層と、前記第１及び第２の溝を埋めこんで前記第２
   ブロック層上に設けた半導体層とからなる半導体多層構
   造を備え、この多層構造では共振器の長て方向の一部領
   域において前記第１及び第２のブロック層が欠けており
   、この一部領域に逆バイアス領域を設け、この逆バイア
   スを任意のパルス幅でかけ空乏層を少くとも前記活性層
   内にまで広げた状態において、前記活性層内のキャリア
   拡散長が前記第２の溝幅と第１の溝幅との差の半分より
   短かくかつ活性層内の活性領域のキャリアライフタイム
   が活性層内空乏層よりも長い事を特徴とする半導体レー
   ザ。