JPS6237833B2

JPS6237833B2 -

Info

Publication number: JPS6237833B2
Application number: JP12029979A
Authority: JP
Inventors: Isamu Sakuma
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1979-09-18
Filing date: 1979-09-18
Publication date: 1987-08-14
Also published as: JPS5643794A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は基本モード発振する半導体レーザの構
造に関するものである。

半導体レーザは近年光フアイバ通信における光
信号源として不可欠な素子となつている。特に伝
送損失が波長1.3μｍ近辺で0.5dB／Km程度に低く
なる光フアイバが開発され、一方、この波長帯に
好適な半導体レーザとしてInP―InGaAsPダブル
ヘテロ構造が実現した結果、50Km以上にわたつて
無中継の長距離光フアイバ通信が可能となつた。
長距離光フアイバ通信に使用する半導体レーザは
基本モード化された構造のものが必要であり、そ
こで最初のモード制御された半導体レーザは、光
の損失と、むだ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構造、い
わゆる電極ストライプレーザで実現された。その
後、各種のストライプレーザ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
イプ型半導体レーザ等、単に電流分布のみ規定し
た場には、通電により生ずるわずかな屈折率分布
及び利得分布により発振モードが決る。このよう
な屈折率分布や利得分布は励起電流や温度の変化
により著しく変化し、通常発振モードは非に不規
則な変動を示し、再現性がない。この不安定性は
出力光の指向性も悪くし、レーザ出力を光フアイ
バ等の他の光学系に効率よく安定に導くことを困
難とするなど、実用上の多くの障害があつた。

そのため、屈折率分布による導波路作用を構造
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理解し得る。この構造は、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ことにより、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、以下まずこの形式の構造、機能等につい
て、その何処を本発明で解決すべきか、図面を用
いて簡単に説明する。第１図は従来のリブガイド
ストライプ型半導体レーザの概略を示す断面図で
ある。

例えばｎ型InP基体１にストライプ状に溝部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In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₅P₀.₄₅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、ストライプ状溝部
７の真上の活性層領域に均一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部分は、溝部でそ
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ら
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に比らべて実効的に小さ
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、屈折率分布による導波
路構造を設けたことになる。したがつて従来の電
極ストライプ型半導体レーザのように利得分布に
依存することなく広範囲の電流レベルにわたつて
安定した基本モード発振が簡単に得られる。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
ーザは最適寸法の構造で製作するのが難かしい欠
点を有した。たとえば基本横モード発振に必要な
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InP基体に設
ける溝の深さが400Å、その幅が８μｍ程度の寸
法で、溝の深さが上記値の２倍以上になると等価
屈折率差が大きくなり、簡単に高次横モード発振
する。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、溝の深さと、活
性層の厚さを最適化する必要がある。溝の深さを
一定にした場合、活性層の厚さが厚くなる程、等
価屈折率差は小さくなり、逆に層厚が薄くなると
その値は大きくなる。製作の容易性、層厚の制御
性から、活性層はある程度厚い方が都合良い、し
かし発振閾値電流を高める程の活性層厚では好ま
しくない。

一方、活性層を薄くすると発振閾値電流は低下
するが、特価屈折率差は大きくなる傾向にあり、
僅かな溝の深さの不均一でも等価屈折率差が大き
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。この様
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、歩留を著しく悪くする。

更に別の欠点は、活性層でのキヤリア横拡散に
より、発光パターンが裾広がりの形状となる。こ
の発光パターンはガウシアンにほど遠い形のた
め、光フアイバとの結合効率を悪くする。

この発明の目的は従来の半導体レーザが有して
いる上記欠点を除去し、基本モード発振の制御が
簡単、光フアイバとの結合効率の高い製作が容
易、歩留りの高い生産性に富む半導体レーザの構
造を提供することである。

本発明は次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。

細長い溝を有する半導体上に光ガイド及びキヤ
リア閉じめ層（以下光ガイド層と略記する）、活
性層、光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）、光吸収層がエピタキ
シヤル成長法によつて順次成長される、そして、
光吸収層の一部をストライプ状にエツチング除去
し、再度その場所にキヤリア閉じ込の層を成長す
る。電極をキヤリア閉じ込め層と半導体基体に設
ける。

第２図を参照しながら本発明の基本原理を説明
する。第２図はInP―InGaAsP半導体に実施した
場合の半導体レーザの代表例でレーザ光に垂直な
素子の主要断面図を示すものである。半導体基体
８はｎ型InP、光ガイド層９はｎ型
In₀.₈₃Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄、活性層１０は
In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₅P₀.₄₅、キヤリア閉じ込め層１１
はＰ型InP、光吸収層１２はＮ型
In₀.₇₃Ga₀.₂₆As₀.₆P₀.₄である。半導体基体８に設
けた溝１６部分の光ガイド層９は表面が平坦で矩
形の断面を有する。更に、溝１６の外側に位置す
るキヤリア閉じ込め層１１の上にのみ光吸収層１
２が設けられている。電極１４，１５のｎ型電極
１４は半導体に又ｐ型電極はｐ型InP層１１の表
面にそれぞれ接触する様に取り付ける。典形的な
各層厚は溝１６の近傍でそれぞれ光ガイド層９が
0.3μｍ、活性層１０が0.1μｍキヤリア閉じ込め
層１１が２μｍ、溝の外側に於けるキヤリア閉じ
込の層１１が0.2μｍ、光吸収層１２が1.8μｍで
ある。

動作は電極１５に正、電極１４に負を印加する
ことにより、キヤリアが活性層１０に注入され
る。活性層１０が上下方向で禁止帯幅の広い光ガ
イド層９とキヤリア閉じ込め層１１ではさまれて
いる。すなわち、活性層１０
In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₅P₀.₄₅の禁止帯0.95eVに対し、光
ガイド層９In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄の禁止帯が
1.15eV、キヤリア閉じ込め層１１InPの禁止帯が
1.34eVよりなるヘテロ接合により、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内での
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。このレーザ光は光ガイド層９
にしみ出す。光ガイド層９は活性層１０で発光し
たレーザ光（発振波長は約1.3μｍ）に対して十
分に透明なため、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にし、光ガイド
層９の屈折率はn₁≒3.46である。この両者の実効
屈折率の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１０，９をはさむ半導体基体８とキヤリア
閉じ込め層１１の屈折率（InPの屈折率ｎ＝3.2）
は層９，１０の値に比較して低いため、強い導波
路を形成する。ことにレーザ光は屈折率の低い層
８，１１にガイドされ、光子がこの領域に閉じ込
められる。活性層１０の横方向の光は、光ガイド
層９が溝１６領域と溝１６の外側とで異なる層厚
を有するた、光ガイド層の溝内の屈折率が溝１６
の外側での屈折率に比らべて、実効的にに大きく
なるため、屈折率分布による光導波作用を強くう
ける。

すなわち、リブガイドストライプ型半導体レー
ザと同様な光導波機構を設けたと同じくなる。

本実施例によれば基本横モードのみ伝播し得る
ような光導波路を層９，１０内に設けることは、
活性層１０厚を一定にして、光ガイド層９の厚さ
と溝１６の深さを適当に制御することで行なえ
る。したがつて、活性層厚は発振閾値電流が最小
になるような最適設計することが出来る利点を有
する。

又、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、光導波路を形成する屈折率
分布に鋭敏に影響しないため、本発明は、製作の
容易、再現性、量産性に富む等の利点も有する。

溝の外側に、光吸収層を設けたことで、キヤリ
アの横拡散による発光の内、キヤリア閉じ込め層
からもれた光が吸収される。この吸収を効率より
成らしめるには、溝外側のキヤリア閉じ込め層の
厚さを0.2μｍ以下にする事が必要となる。この
吸収により本発明の半導体レーザの発光パターン
は、裾広がりのない、ガウス分布に非常に似た形
状を提する。故に光フアイバとの結合効率が従来
の半導体レーザよりも高くなる利点が有る。

更に光吸収層が電流狭窄を有効ならしめる働を
有する。活性層の極く近傍に光吸収層が接近して
形成されているため、キヤリア閉じ込め層での横
拡がり電流は少なくなる。すなわち、注入効率が
良くなり、発光の微分量子効率の向上、動作電流
の低減等の改善が見られる。

なお上記実施例では半導体基体に形成する溝を
矩形状としたがこれは半円形状あるいはＵ字状や
Ｖ字状であつても良く、又、これらの変形であつ
ても、まつたく同様な効果が得られる。

【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半導体レーザ
の概略的断面図をそれぞれ示す。図面において、１，８…半導体基体、２，１０
…活性層、３，１１…光子及びキヤリア閉じ込め
層、９…光ガイド及びキヤリア閉じ込め層、１２
…光吸収層、４，１３…SiO₂膜、６，１５…ｐ
型電極、５，１４…ｎ型電極、７，１６…溝をそ
れぞれ示す。

Claims

【特許請求の範囲】

１溝を有する第１導電型の半導体基体と該半導
体よりも禁止帯幅が狭く、且つ大きな屈折率を有
し、前記半導体基体上に形成された第１導電型の
凸状の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
狭く、且つ大きな屈折率を有し、前記光ガイド及
びキヤリア閉じ込め層上に形成された平坦状の活
性層と、該光ガイド及びキヤリア閉じ込め層と該
活性層とのどちらの層の禁止帯幅よりも広い禁止
帯幅を有し且つ前記２つの層のそれぞの屈折率よ
りも小さに屈折率を有し、前記活性層上に形成さ
れた第２導電型の光子及びキヤリア閉じ込め層と
を少なくとも含むヘテロ構造を有し、更に該溝の
外側の位置に相対する該光子及びキヤリア閉じ込
め層の薄くなつた領域上に、該活性層よりも禁止
帯幅が狭く、かつ大きな屈折率を有する第１導電
型の半導体層を形成したことを特徴とする半導体
レーザ。