JPS6235687A - 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もので
ある。

（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シ用光源として使用する場合には、
雑音特性、特に戻）光に誘起される雑音の特性が問題と
なる。この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
レンスを低減する方法は特に有効である。

この方法の一つとして、高周波重畳による半導体レーザ
の低雑音化が、大石、茅根、中村０尾島により［１９８
３年秋季応用物理学関係連合講演会予稿集」１０２頁の
論文番号２６ａ−ｐ−６の論文「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
その有効性が示されている。しかし、この方法では高周
波駆動回路の付加が必要であるばかシでなく、外部機構
へ高周波が漏れる等の弊害を伴なっている。

これに対して自動振動を生じさせ縦モードをマルチ化し
て低雑音化する方法が、鈴木、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頁の論
文「ｌ８Ｓ８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、この方法では、レーザ構造（層厚や溝幅など）
Ｋ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
率が低くなる欠点を有していた。

この半導体レーザに自励振動を生じさせる方法−として
は、これらの他に共振器内に可飽和吸収体を導入する方
法もある。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
）との間の関係も充分明らかにされていない。

更に、光ディスク等の読み取り用光源だけでなくより多
機能化をねらって光ディスク等への光書きこみ用光源を
兼ね備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、桑村、上野、古瀬によ＃）「１９８４年秋季第４
５回応用物理学会学術講演会講演予稿集」１９゜頁の論
文番号１５ａ−几−７の論文ｒ　ＡＩ　ＧａＡｓ　Ｂ　
０Ｍレーザアレイ」として発表された如く、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、これまで提案されたものは、単に二つのレーザ
を並べただけでアシ、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。

（発明の目的） 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読み取シ用光源と、安定な基
本横モード発振を維持し大光出力発振可能な光書きこみ
用光源との機能を持つと共に、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ことにある。

（発明の構成） 本発明の構成は、活性層をこの活性層よりもバンドギャ
ップの大きい半導体で挾みこんだ多層構造を有し、その
活性層内にこの活性層のバンドギャップより小さいバン
ドギャップをもち、かつこの活性層に対し正の実効的な
屈折率差をもつストライプ状の第１および第２の活性領
域を平行に共振器の長て方向に両反射面に接しないよう
に設けた複合半導体レーザにおいて、前記第１の活性領
域の共振器の長て方向の延長上でこの第１の活性領域に
隣接した半導体層内にこの半導体層と反対の電気的特性
をもつ逆バイアス領域を備え、この逆バイアス領域に逆
バイアスを任意のパルス幅でかけ、空乏層を少くとも前
記活性層内に広げ、前記第１の活性領域と前記活性層内
に広がった空乏層領域との共振器の長て方向の長さの比
を（１−ｈ）：ｈとし、前記空乏層領域の損失αをキャ
ビｈα ティ損失ｒｆ用いて規格化した損失をβ（＝了）とした
時、前記第１の活性領域と前記空乏層領域とＫおける微
分利得係数９の比１／ｓ／ｈ、およびキことを特徴とす
る。

（発明の実施例） 以下図面を用いて本発明の一実施例を説明する。

第１図、第２図は本発明の一実施例の斜視図および上面
図、第３図、第４図は第１図のＡ−Ａ’およびＢ−Ｂ’
で切った断面図、第５図、第６図は本実施例の製造工程
を示す断面図である。

第５図に示すように、ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０上に
３μｍ厚のｎ形ＡｌＯ，４５Ｇａ　ｏ、５ｓＡｓ第１ク
ラッド層１１．０．２．ｃ＋ｍ厚のｎ形Ａｌ　Ｏ，１５
Ｇａ　ｏ、ｓｓ　Ａｓ活性層１２（不純物濃度ｎ　＝　
３　Ｘ　Ｉ　９１８ｃｍ−３）、２　μｍ厚のｎ形Ａｌ
　Ｏ，４５Ｇａ　Ｏ，５６Ａｓ第２クラッド層１３を成
長させる。

この第２クラッド層１３に８　ｉ０２膜１４をつけ、こ
のＳ　ｉｏｚ膜中にフォトレジスト技術でミラー面から
２０　ｔｔｍ離して共振器の長て方向に幅５μｍ長さ２
５μｍの窓をあけ、Ｚｎを高濃度拡散させる（Ｚｎ拡散
領域１５）。その拡散フロント１６はｎ形Ａｌ　ｏ、４
ｓ　Ｇａ　ｏ、ｓｓ　Ａｓ第２クラッド層１３と活性層
１２との界面近傍にくるように制御し、その濃度を５〜
６Ｘ１０１９ｃｍ−３以上にする。こうして形成したＺ
ｎ拡散領域１５を逆バイアス領域にする（第６図）。

次に、Ｓ　ｉ（Ｍ膜１４を除去し新たに第２クラッド層
上にＳ　ｉ０２膜１７をつける。この５ｉＯｚ膜１７中
にフォトレジスト技術で前述のＺｎ　′ｆｒ：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３μｍ
長さ２５０μｍの第１ストライブを、そのＺｎ拡散した
領域１５から１αμｍ離して明けると共に、このストラ
イプの中心線から１０μｍ離してこのストライプと平行
に幅３μｍ、長さ２８５μｍの第２ストライブを同時に
９ける。この時第２ストライプはその両端が共にミラー
面から２０μｍはなれておシ、第１ストライブもミラー
面側の端はミラー面から２０μｍはなれているようにす
る。

次に１この二つのストライプを通してＺｎを低濃度拡散
し、第１ストライブからのものが第１低濃度拡散領域１
８．第２ストライプからのものが第２低濃度拡散領域１
９となる。この拡散フロントは、共に活性層１２と第１
クラッド層１１との界面に接するかもしくは第１クラッ
ド層１１内部にとどまるように制御する。この時、ｎ形
活性層１２内において第１ストライブからＺｎを低濃度
拡散されて形成された第１活性領域２０と第２ストライ
ブから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４〜６×１０１８ｃｍ”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が低濃度拡散された領域は、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
。その第１ストライブの部分に第１ｐ形オーミツクコン
タクト２２．第２ストライブの部分に第２ｐ形オーミツ
クコンタクト２３、Ｚｎ拡散領域１５に第３ｐ形オーミ
ツクコンタクト２４をそれぞれ分離して形成し、基板１
０にｎ形オーミックコンタクト２５を形成する。

この時、第１および第２のｐ形オーミックコンタクト２
１．２２に直流電源２６から順バイアスをかけ、第３ｐ
形オーミツクコンタクト２４にパルス電源２７から逆バ
イアスをかけることにより、本実施例の半導体レーザが
動作する（第１図〜第４図）。

（発明の作用と原理） 本実施例の構造において、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２０と第２活性領
域２１とは次の様な特性を持つ。

雑誌［ジュルナル・オブ・ザＯアプライド舎フィシイッ
ク、ｘ、　（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｈｅ　Ａｐｐｌ
ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）Ｊ、４５巻（１９７４年）、
２６５０〜２６５７頁に掲載されたセル（Ｄ、Ｄ、５ｅ
ｌｌ　）氏等によって報告されている様に、ｐ形Ｇａ　
Ａ　ｓ及びｎ形Ｇ　ａＡ　ｓの屈折率は不純物濃度と共
に変化する。特に、ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓの屈折率はその
濃度が１　×１０”ｃｍ　’　　以上になると急激に減
少する。これに対しｐ形ＧａＡｓ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
プ状に拡散させ、その拡散フロントラ活性層まで到らし
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さは
レーザ発振時に２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与のために減小する。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形不鈍物の組合わせによって１０−
２のオーダ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１０−３のオーダである
から、実効的な屈折率差を５×１０　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形不鈍物をストライプ状に
拡散させ不純物補償させるのがもっとも効果的である。

本発明者は活性層ｎ形濃度を、３．　Ｉ　Ｘ　１０１８
ｃｍ　”。

２、　ＯＸ　１０１８ｃｍ−３，及び１．　ＯＸ　１０
１８ｃｍ−３と変化さ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．
５×１０ｃｍ　　に変化させてストライプ型ダブルヘテ
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．　Ｉ　Ｘ　１０１８
　Ｃｍ３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　Ｉ　Ｑ”Ｃｍ−３から１〜１．５
　Ｘ　１０１９ｃｍ−３に変化させた場合〜３Ｘ１０”
から〜５Ｘ１０”にわたる正の実効的な屈折率差（Ｎｒ
　−Ｎｍ）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　１０１８ｃｍ　
３以下にした場合にはストライプ状活性領域のｐ形濃度
を不純物補正から１〜１．５　Ｘ　１０１９ａｎ−３に
わたって変化させても、実効的な屈折率差（Ｎｒ−Ｎｍ
）は１０　以下かもしくは負になる。実効的な屈折率差
（Ｎｘ−ＮＩＩ）が１０−４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共にモード変形が
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）となシ、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。

従って本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、Ｇａ　Ａ　ｓ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を生じるので、本実施例において
ｎ形活性層１２は実効的にバンドギャップが拡大してい
るう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、本実施例の如くミラ
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２０ゴ１〜３０ｃｍ−１
である事が明らかになった。

本実施例において、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
起シ難いため、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、ストライブ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全劣化させることなく反射面の加工
を行うことができる等の利点をあわせもつ。

このように本実施例のレーザ素子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、本実施例の構造は、活性領域２０の共振器の長て
方向の一部に位置し、かつ第２クラッド層１３内にこの
クラッド層と逆の電気的特性を有するＺｎ拡散領域１５
を有している。このＺｎ拡散領域１５に逆バイアスをか
け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。更に、活性領域２０のレーザ
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、本構造は逆バイアス
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
係は充分には明らかになっていないが、第７図の様なパ
イセクション（ｂｉｓｅｃｔｉｏｎ　）Ｖ−ｆの模式図
により解析できる。

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）：ｈとする。ただし０
　＜　ｈ　−ＣＩとする。

各領域へのキャリア注入速度’ｅＰｔ、Ｐ２とし、励起
キャリア密度をｎｌ、　ｎ２　とすれば、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
程式で近似的に表わされる。

これら弐において、Ｇ＋（ｎＩ）は各領域における利得
、γ１−１は各領域のキャリアの自然寿命（τ−１Ｆは
共振器損失をそれぞれ示す。

利得Ｇ１とキャリア密度ｎ４との関係は、ｎｅｔを０に
０のときのキャリア密度とすると、次式のように近似で
きる。

Ｇｌ　（ｎｔ　）＝９１（ｎ４−ｎｏｔ　）　　　　　
　　　　　・・・・”（４）Ｇ２　（ｒ＋ｚ　）＝ｇｚ
　（ｎ２−ｎｏ２）　　　　　　　　　・”−（５）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０１とｎＩとの間の微係数ｇ＋（＝ａ（ｈ
／δｎ＋）に異なる値を入れて導入した。

これらの式を用いて自励振動および双安定動作の発生条
件を求てみた。この時吸収領域（領域２）の非飽和吸収
の大きさをβとする。この解析については、特願昭６０
−１６５７診照。

９かった。

従って、本実施例では、第１活性佃域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
もかなシ広く再現性よくできると考えられる。特に、本
実施例では逆バイアスとして数十■を逆バイアス領域（
Ｚｎ拡散領域１５）にかけると空乏層は活性層全体に広
がシ、逆バイアス領域に〜１０’Ｖ／ｃｍ　以上の電場
を生じる。

こうしてこの逆バイアス領域下の活性層の吸収損失αを
α＝５００ｃｍ’　に容易にする事ができ、ｒ＝　５９
　ｃｍ−”とするとｈ　＝　０．１よ）β＝−１０とな
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
引ばられるので、そのキャリアライフタイムτ２はきわ
めて短く、活性領域のキャリアライフタイムτｌに対し
てτ２／τ１２８〜１０となる。、！７ｘ／、！ｉ’２
＝０．８〜１．０と予想されるので、充分自励振動が発
生しその結果軸モードが多モード化して低雑音特性が得
られる。このように本実施例のレーザ素子は読み取シに
必要な低雑音特性もあわせもっている。

更に、この第１活性領域２０はその外部の活性層よりバ
ンドギャップが縮少しており、レーザ光は逆バイアス領
域とは反対側の反射面近傍では吸収金はとんど受ける事
なく透過するので、通常のＡＩ　ＧａＡｓ　／　ＧａＡ
ｓ半導体レーザに必要な反射面保護膜も不要であシ、か
つ反射面近傍の自由な加工も可能になる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の構造によれば、光書きこ
み用光源に要求される基本横モード大光出力発振が可能
であると共に、自励振動を生じ低雑音特性を有するレー
ザ共振器を有し、特に低雑音特性を得るに必要充分な条
件の許容範囲が従来にくらべて比類なく広くできる。し
たがって、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数μｍ程度まで近づける事ができ、
更に反射面から両店性領域までの位置を同じにする事に
よって、両弁振器の出射光の非点収差を同じにする事が
でき、同一レンズで岡山射光を集光させる事ができる。

また、両店性領域が反射面近傍から離れているので、反
射面保護の効果があシ、レーザ素子の信頼性を向上させ
る事ができる。更に１成長ウエハに高濃度と低濃度との
２回拡散するだけで農作でき再現性歩留りにすぐれてい
る。

なお、本実施例は、ＡｌＧａＡｓ　／ＧａＡｓについて
述べてきたが他の結晶材料たとえばＩ　ｎＧａＡｓ　ｐ
　／　ＩｎＰ。

ＩｎＧａＰ　／　ＡＩ　Ｉｎｋ、　ＧａＡｓ８ｂ　／Ａ
ｌＧａＡｓ５ｂｌ数多くの結晶材料に適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の一実施例の斜視図および上面
図、第３図、第４図は第１図のＡ−Ａ’およびＢ−Ｂ’
の共振器長て方向に切った断面図、第５図は本実施例に
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拡散をしたプロセス過程の断面図、第
７図は本実施例の解析に用いたモデルを示す模式図であ
る。図において １０　・・−−−−ｎ形ＧａＡｓ基板、１１　・・・−
ｎ形ＡＩ０．４ＳＧａ　ｏ、ｓｓ　Ａｓ第１クラッド層
、１２・・・・・・ｎ形Ａｌｏ、ｔｓＧａｏ、ｓｓＡ！
１活性層、１３　・−・−・ｒｌ形Ａ　１　ｏ、４ｓＧ
ａ　ｏ、ｓｓ　Ａｓ第、２クラッド層、１４・・・・・
・８ｉ０２膜、１５・・・・・・Ｚｎ拡散領域、１６・
・・・・・Ｚｎ拡散フロント、１７・・・・・・Ｓ　ｉ
０２膜、１８・・・・・・第１低濃度拡散領域、１９・
・・・・・第２低濃度拡散領域、２０・・・・・・第１
活性領域、２１・・・・・・第２活性領域、２２・・・
・・・第１ｐ形オーミツクコンタクト、２３・・・・・
・第２ｐ形オーミツクコンタクト、２４・・・・・・第
３ｐ形オーミツクコンタクト、２５・・・・・・ｎ形オ
ーミックコンタクト、２６・・・・・・直流電源、２７
・・・・・・パルス電源。 をそれぞれ示す。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋　′□＋１．−．； 、−７′

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層をこの活性層よりもバンドギャップの大きい半導
   体で挾みこんだ多層構造を有し、前記活性層内にこの活
   性層のバンドギャップより小さいバンドギャップをもち
   、かつこの活性層に対し正の実効的な屈折率差をもつス
   トライプ状の第１および第２の活性領域を平行に共振器
   の長て方向に両反射面に接しないように設けた複合半導
   体レーザにおいて、前記第１の活性領域の共振器の長て
   方向の延長上でこの第１の活性領域に隣接した半導体層
   内にこの半導体層と反対の電気的特性を有する逆バイア
   ス領域を備え、この逆バイアス領域に逆バイアスを任意
   のパルス幅でかけ、空乏層を少くとも前記活性層内に広
   げ、前記第１の活性領域と前記活性層内に広がった空乏
   層領域との共振器の長て方向の長さの比を（１−ｈ）：
   ｈとし、前記空乏層領域の損失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）とした時、前
   記第１の活性領域と前記空乏層領域とにおける微分利得
   係数ｇの比ｇ＿１／ｇ＿２、およびキャリア自然寿命の
   比τ＿１／τ＿２が（τ＿１／τ＿２）（ｇ＿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
   。