JPS62271486A

JPS62271486A - 半導体レ−ザ装置

Info

Publication number: JPS62271486A
Application number: JP17601886A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishikawa; 信石川; Hideo Kawano; 川野　英夫
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-12-23
Filing date: 1986-07-25
Publication date: 1987-11-25

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】発明の詳細な説明（産業上の利用分野）本発明は基本モード発振する高出力半導体レーザの構造
に関するものである。

（従来の技術）近年、光ディスクへの情報の書き込みやレーザプリンタ
等への応用目的から、高い光出力の得られる半導体レー
ザの要求が高まっている。特に、光ディスクへの書き込
みのためには、半導体レーザの光をｌｐｍ程度の微小ス
ポットに集光する必要がある。このためには、レーザ光
をレンズを通して効率良く光デイスク面上に集光させる
、いわゆる集光効率を高める必要かつ、レーザビーム放
射角が小さく、作り付は屈折率導波構造を有する槓モー
ドの制御された高出力半導体レーザが必要である。

この様な基本横モード発振する半導体レーザの一例とし
て第４図に示すようなＰＣＷ（Ｐｉａｎｏ−Ｃｏｎｖｅ
ｘＷａｖｅｇｕｉｄｅ）型半導体レーザがある。（アプ
ライド。

フィジクス・レターズ（Ａｐｐｌ、ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ
、３６（１９８０）１２１））この構造は活性層の下側
に平凸状の光ガイド層を設けて接合の横方向に屈折率分
布を形成し、活性層に強い光導波作用を持たせたもので
ある。

第４図は従来のＰＣＷ型半導体レーザの概略図を示す断
面図である。図中、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型Ａ
ｌｙＧａ１−ＸＡＳクラッド層、３はｎ型ＡｌｙＧａ１
−　ｙＡｓ光ガイド層、４はＡ１２Ｇａ１　ｚＡｓ活性
層、５はｐ型ＡＩＷＧａ１　ｗＡｓクラッド層、６はｎ
型ＧａＡｓキャップ層、７はストライプ溝、８は拡散層
、９はｐ側電極、１０はｎ側電極を各々示している。光
ガイド層３と活性層４の屈折率を相互に近づけ、光ガイ
ド層の屈折率がわずかに小さくなる（ｙ＞ｚ）ように設
計する。この様な構造においては活性層厚さが一定の場
合、光ガイド層３側に活性層４からレーザ光がしみ出し
、そのしみ出す程度は光ガイド層厚さの相違により変わ
る。したがって、光ガイド層３の下側に凸部領域とその
両側部で光ガイド層３へのレーザ光のしみ出し量が異な
り、それがために両領域部間で実効屈折率分布が生じる
。この実効屈折率分布がレーザ光を接合面に平行な横方
向に閉じ込める光導波作用をもたらし、レーザ発振の槙
モード制御化がなされる。

（発明が解決しようとする問題点）しかし、従来のＰＣＷ型半導体レーザでは、以下に述べ
る様な問題点がある。第２図は、発振波長８３０ｎｍ帯
における垂直方向のビーム放射角と反射層（従来構造で
は第４図に示すｐ型Ａ１ｗＧａ１−　ｗＡｓクラッド層
５に相当する）のＡ１組成との関係を示す図であり、ｎ
型ＡｌｘＧａ１　＋　ｘＡｓクラッド層のｘ　＝　０．
４１、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ光ガイド層のｙ＝０．
３５、ＡｌｚＧａｌ−ｚＡｓ活性層のｚ＝０．０９、ｐ
型Ａ１ｗＧａ１−ＷＡｓクラッド層のｗ＝０．３８の値
を一定とした場合の活性層厚さ依存性を計算した結果で
ある。図から判る様に、従来構造ではｐ型Ａ１ｗＧａ□
−ｗＡＳクラッド層のＡＩＪｆｉ成（Ｗ）が０゜３８と
小さいため、層厚方向の屈折率非対称性が小さく、例え
ば活性層厚さが０．１μｍの場合、垂直方向のビーム放
射角が４０（ｄｅｇ）以上と大きく、前にも述べた様に
、光ディスク等の応用分野において、レーザ光のレンズ
集光効率が悪くなり、光デイスク面上に情報の書き込み
を行うために必要な光出力が低下し、そのために半導体
レーザの光出力を高めざるを得なくなり、半導体レーザ
に加わる負担が大きく、信頼性上間開となる。

一般にレンズ集光効率を高め、半導体レーザに加わる負
担を実用レベルに維持しておくには、垂直方向のビーム
放射角を３５ｄｅｇ以下にする必要がある。

一方、従来構造でｐ型Ａ１ｗＧａ１　ｗＡｓクラッド層
５のＡ１組成（Ｗ）を高めて、例えば、第２図に示すｗ
＝０゜５にすれば垂直方向のビーム放射角を３５ｄｅｇ
以下（活性層厚さ０．１ｐｍ以下）に低減できるが、拡
散層８を形成するために一定の厚さく通常〜２ｐｍ程度
）が必要であり、かつＡ１組成が高いがためにレーザ発
振時の熱放射が悪くなり、素子自体の熱抵抗が高くなり
、高温、高出力動作が困難となる。また、拡散層８の形
成において、拡散速度のＡ１組成依存性があり、ｎ型Ｇ
ａＡｓキャップ層９とｐ型Ａ１ｗＧａｌ　　ＷＡＳクラ
ッド層５（ｗ　＝０．５）とて、例えばＺｎの拡散速度
で約５倍の差があるために、拡散深さの制御性が悪くな
る。

一般にＡｌＧａＡｓ系に代表される半導体レーザでは、
一定の光出力の動作限界があり、これ以上の光出力を放
出すると共振器端面が破壊されるいわゆる光学損傷（Ｃ
ＯＤ：Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｄ
ａｍａｇｅ）が起こることが知られており、その室温連
続（ＣＷ）発振動作の限界光出力密度（ｋ）は／ＭＥ／
ｃｍ”前後であり、最大光出力ＰＣＯＤはｄａ　　　Ｗ・ＰＣＯＤ”Ｋ”□ Ｌｒ− ｄａ：活性層の厚さｗ＝　：ｙ方向のスポットサイズｒ層厚み方向閉じ込め係数ｒ、二膚方向閉じ込み係数で表わされる。したがって基本膚モード光出力を維持し
くｗ、　／ｒ＝は一定以上大きくはできない）、ＰＣＯ
Ｄレベルを高めるために［ｄａ／ｒ’土］を大きくすれ
ば良い。第３図に（活性層の厚さ）／（垂直方向の閉じ
込め係数）と反射層（従来構造では第４図に示すｐ型Ａ
ＩＷＧａ１−ｗＡｓクラッド層５に相当する）のＡ１組
成との関係を示す図であり、各層の組成は第２図と同一
の値を用いて計算した結果である。図から判る様に、従
来構造では、一定の活性層厚さでは垂直方向の閉じ込め
係数が大きいため、ＰＣＯＤレベルが低く、一般に光デ
ィスクへの情報書き込みに必要な出力レベル（２０ｍＷ
）を得ることが困難である。

本発明の目的は、前記従来のＰＣＷ型半導体レーザの問
題点を解決し、光ディスク等の情報処理用光源に適した
性能を有し、高出力・高信頼で製作も容易な債モード制
御性の半導体レーザを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、活性層とｐ型Ａ１ｗＧａｌ　ｗＡｓク
ラッド層との間に所望の厚さ反射層（他の層よりも屈折
率が最も小さい）を挟み、レーザ光の光ガイド層側への
しみ出しを大きくし、膚モード制御されたＰＣＷ型半導
体レーザのビーム放射角の低減と高出力化を図ることに
ある。

本発明の半導体レーザは、溝を備えた半導体基板の溝を
形成した側の表面上に、少なくとも第１半導体層とこの
第１半導体層よりも屈折率の大きい第２半導体層とこの
第２半導体層よりも屈折率の大きい活性層と前記第１半
導体層よりも屈折率の小さい第３半導体層とこの第３半
導体層よりも屈折率の大きい第４半導体層とを順次積層
してなる多層構造であって、前記第２半導体層は前記溝
部上において、半導体基板方向にわん曲し、前記第２半
導体層の層厚は前記わん曲部の中心で最も厚く、わん曲
部端部ほど薄くなっており、前記活性層に注入される電
流は前記溝に相対する活性層領域に制限したことに特徴
がある。

（作用）本発明の構造は、活性層に隣接して屈折率の低い反射層
（第３半導体層）を設け、層厚方向の屈折率非対称性を
高め、レーザ光の光ガイド層（第２半導体層）側へのし
み出しを大きくしたものであり、第２図に示す様に、例
えば反射層のＡ１組成を０，５とすれば垂直方向のビー
ム放射角を比較的厚目（〜０．１μｍ）の活性層の場合
においても、３５ｄｅｇ以下とすることが可能なことが
判る。また、第３図に示す様に（活性層の厚さ）／（垂
直方向の閉じ込め係数）比も反射層のＡ１組成の増大と
ともに大きくなり高出力化が達成できることが判る。

ここで、従来のＰＣＷ型半導体レーザどの他の相違点と
して、前記反射層の厚さが熱放散に悪影響をおよぼさな
い程度に薄い（０，３ｐｍ程度）ことが重要である。ま
た、０．３ｐｍ程度の厚さでもＡｌｆｆ１成の大きい低
屈折率層であるために、光及びキャリアの閉じ込め効果
は充分有している。

従って、反射層上部に積層されたｐ型Ａ１ｗＧａ１−ｗＡｓクラッド層（第４半導体層）のＡ
ＩＪｆｉ成は従来と同様でもよく、拡散層の形成におい
ても、その制御性をそこなうことはない。また、情報処
理用、高出力半導体レーザには、光デイスク盤面上で焦
点位置ずれを少なくするためには、レーザ自体の非点収
差が３ｐｍ以下であることが望まれる。

一般にＡｌＧａＡｓのブレーナ型ＬＤはＧａＡｓ基板の
吸収損失の影響を受けやすいため、接合に水平方向に波
面がわん曲しやすく非点収差が大きくなりやすい。この
ようなレーザ構造では文献（電子通信学会技術研究報告
光量子エレクトロニクス０ＱＥ８４−５６）によれば非
点収差３μｍ以下を実現するためには水平方向屈折差へ
ｎ＞２Ｘ１０−３、水平方向損失差Δα＜６００ｃｍ−
１、複素屈折率差Δ石の実部と虚部の比Ｒ＝Ｒｅ（Δ、
ｎ）／Ｉｍ（６石）〉１が必要である。本発明の構造で
は、光ガイド層の層厚差を用いて、水平方向の屈折率差
６石を形成するため、クラッド層を平坦部で薄くする必
要がない。従って、基板１の吸収損失の影響を受けずら
く、非点収差の問題は少ない。

第５図には、後述する本発明の実施例の構造における光
ガイド層（第２半導体層）の層厚ｄｇを変化させた時の
、水平方向損失差Δｄ、　Ｒパラメータの水平方向屈折
率Δｎ依存性を示しである。図中パラメータは、ｎ型ク
ラッド層（第１半導体層）の層厚ａＣである。

これより通常必要な屈折率差△ｎ＝３．０〜１０゜０Ｘ
ＩＯ−３のの範囲ではｄｃが０．２ｐｍ以上であれば、
Δａ≦５００ｃｍ−ＩＲ≧３となり、非点収差３μｍ以
下を十分に実現することが可能となる。実際に本発明の
構造を製作し、非点収差の測定を行った結果を第６図（
ａ）、　（ｂ）に示す。屈折率差Δｎによらず出力５０
ｍＷまで非点収差１ｐｍ以下の値が得られた。以上本発
明の構造では垂直方向放射角が小さく、ＣＯＤレベルが
高く、かつ、非点収差の小さい高性能な半導体レーザを
実現することが出来る。

（実施例）第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造を示す断面図である。

先ず面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１１上に写真
製版技術を用いて＜０１１＞方向に平行な幅３〜４μｍ
のＡＺマスクストライプを形成し、Ｈ３ＰＯ４−Ｈ２Ｏ２−ＣＨ３ＯＨ系またハＮＨ４ＯＨ
−Ｈ２Ｏ２系のエンチング液を用いて輻４〜５ｐｍ、深
さ２ｐｍのストライブ溝１２を形成する。

しかる後、液相成長法によりストライブ溝１２を形成し
たｎ型ＧａＡｓ基板１１上に厚さ０．３ｐｍのｎ型ＡＩ
Ｑ。

４１ＧａＯ，５９ＡＳクラッド層１３（第１半導体層）
、厚さ０゜３ｐｍのｎ型ＡｌＯ，３５Ｇａ□、６５Ａｓ
光ガイド層１４（第２半導体層）、厚さ０．０８ｐｍの
Ａｌ□、（ＩｇＧａ□、ｇＩＡｓ活性層１５、厚さ０．
３ｐｍのｐ型Ａｌ□、５Ｇａｏ、５Ａｓ反射層１６（第
３半導体層）、厚さ１．５ｐｍのｐ型Ａｌ（１，３ＢＧ
ａＯ，６２Ａｓクラッド層１７（第４半導体層）、厚さ
０．５ｐｍのｎ型ＧａＡｓキャップ層１８を順次成長形
成する。ここで、ｎ型ＡｌＯ，４１Ｇａ□、５ｇＡｓク
ラッド層１３はストライブ溝１２の部分で弓形に沈下し
た断面を有する所で成長を終わり、その上のｎ型Ａ１０
，３５Ｇａ□、６５Ａｓ光ガイド層１４はストライプ溝
１２上部が完全に埋まり、全上面が完全に平らになるま
で成長を続ける。従って、ストライブ溝１２の中央部で
それぞれｎ型Ａｌ□、４１　Ｇａ□、５ｇＡｓクラッド
層１３の厚さが１．８ｐｍ、　ｎ型Ａ１０，３５Ｇａ□
、６５Ａｓ光ガイド層１４の厚さが０．８ｐｍとなる。

この場合には、横方向の実効屈折率差Δｎとして〜ｌＸ
ｌ０−２の平凸導波路（光ガイド層）が形成される。

しかる後、５ｉ０２膜等をマスクとして輻４〜６ｐｍの
Ｚｎ拡散層１９をストライブ溝１２に対向した位置にｐ
型Ａ１０，３ＢＧａＯ，６２Ａｓクラッド層１７までと
どく深さに形成し、その後５ｉ０２膜等のマスクをエツ
チング除去する。

次に、ｐ側電極２０、ｎ側電極２１を形成して本実施例
に係わる半導体レーザが形成される。

（発明の効果）かくして得られた半導体レーザの特性は、発振閾値電流
５５ｍＡ、垂直方向のビーム放射角３０（ｄｅｇ）、基
本横モード光出力９０ｍＷであり、光ディスク等の光源
として最適な高出力特性が得られた。

第２図に示した様に、本構造は活性層が０．１ｐｍと比
較的厚目（本実施例では０．０８ｐｍとした）の場合で
も、垂直方向のビーム放射角を３５ｄｅｇ以下低減する
ことが可能となり、また第３図に示した様に、（活性層
の厚さ）／（垂直方向の閉じ込め係数）比が大きく、即
ちＣＯＤレベルを大きくできる利点を有している。

一方、本構造では高Ａ１組成を有する反射層の厚さが０
．３ｐｍ程度で薄いために、拡散層の深さ制御が容易で
素子製作歩留りが良好であり、がつ熱放散が良好となり
、高温、高出力動作が容易で、高信頼性に優れている。

本実施例では、反射層のＡＩＪｆｌ成として０．５を用
いたが、さらに高Ａ１組成にすることによって、さらに
ビーム放射角を低減することが可能であり、またＣＯＤ
レベルをも高めることが可能である。

また、本実施例ではｎ型ＧａＡｓ基板を用いた場合につ
いて述べたがｐ型ＧａＡｓ基板の場合でも同様な効果が
得られる。その他の、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザの概略
構造の断面図、第２図は垂直方向のビーム放射角と反射
層のＡ１組成との関係を示す図、第３図は（活性層の厚
さ）／（垂直方向の閉じ込め係数ン比と反射層のＡ１組
成との関係を示す図、第４図は従来の半導体レーザの概
略構造の断面図、第５図は本発明の詳細な説明するため
の水平方向損失差とＲパラメータの屈折率差Δｎ依存性
を示す図、第６図は本発明の半導体レーザの非点収差測
定結果を示す図である。１、１１・−・ｎ型ＧａＡｓ基板、２−ｎ型ＡｌｘＧａ
１−ｘＡｓクラッド層、３−ｎ型ＡｌｒＧａ１−　ｘＡ
ｓＡｓイガイ層、４０．。ＡｌｚＧａｌ−７Ａｓ活性層、５−ｐ型ＡｌｘＧａ１−
ｘＡｓクラッド層、６，１８・・・ｎ型ＧａＡｓキャッ
プ層、７，１２・・・ストライブ溝、８，１９・・・拡
散層、９，２０・・−ｐ側電極、１０．２１．−・ｎ側
電極、１３−ｎ型Ａｌ（３４１Ｇａ□、５ｇＡｓ光ガイ
ド層、１４−ｎ型Ａｌ□、３５Ｇａ□、６５Ａｓ光ガイ
ド層、　１５−ＡｌＯ，□ｇＧａ□、ｇＩＡｓ活性層、
１６・ｐ型Ａ１０，５ＧａＯ，５Ａｓ反射層、１７・Ｐ
型。。３８ＧａＯ，６２ＡＳクラッド層。第２図反射層のＡ１組成（ｘ）第３図従来の構造　　　本発明の一実施例反射層のＡ１組成（Ｘ）第５図 ΔｎｄＯ１活性層の厚さｄ９．溝肩部の光ガイド層の厚さｄＣ：　　溝肩部のクラノド層の厚さａ　：　基板の吸収損失

Claims

【特許請求の範囲】

溝を備えた半導体基板の溝を形成した側の表面上に、少
なくとも第１半導体層と、この第１半導体層よりも屈折
率の大きい第２半導体層と、この第２半導体層よりも屈
折率の大きい活性層と、前記第１半導体層よりも屈折率
の小さい第３半導体層と、この第３半導体層よりも屈折
率の大きい第４半導体層と、を順次積層してなる多層構
造であって、前記第２半導体層は前記溝部上において、
半導体基板方向にわん曲し、前記第２半導体層の層厚は
前記わん曲部の中心で最も厚く、わん曲部端部ほど薄く
なっており、前記活性層に注入される電流は前記溝に相
対する活性層領域に制限したことを特徴とする半導体レ
ーザ装置。