JPS6239087A - 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Ｏ中でも、ビデオティスフや光
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、特に戻り尤に誘起される雑音の特性が問題と
なる。半導体レーザ０戻り光肪起雑音を低減するために
、撞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％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１尾島によりｒ１９８３
年秋季応用物理学関係連合ＦＩｒ４演会予禍集Ｊ　１０
２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ねている。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。

これに対して自励振動を生じさせ樅モード全マルチ化し
て低雑音化する方法が、銘木、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「ｌ５ＳＳ　レーザ
の雑音特性と自己パルスに調の機構」において提案され
試みられている。

しかしこの方法ではＶ−ザ構造（ＷＩ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事が予
想され、このｔめ安定な自助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
、これらのほかに共振器内に可飽和吸収体を導入する方
法がある、しかし、現状でに可飽和吸収体の各棟パラメ
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間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
機能化をねらって元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火元出力発
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、古瀬によりｒ１９８４年秋季第４５
回応用物理学会学術講演会講演予稿集」１９０頁の論文
番号１５ａ−Ｒ−７の論文ｒＡＩ　ＧａＡｓＢ　ＣＭ−
レーザアレイ」で発表された如く、電極を分離し几独立
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
を並べただけであり、元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元出力発振元源と、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
かっ几。

（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り用光源と、安定な基
本横モード発振を維持し火元出力発振可能な／ｆＳ４＃
きこみ用光源との機能を合せもつと共に、制御性および
再現性のすぐれ九半導体レーザを提供する事にある。

（発明の構成） 本発明の構１１ｉ２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のクラッド層で挾みこんだ多
層構造金有し、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つと共にこの活性層
に対し正の実効的屈折率をもつストライプ状の活性領域
を共振器の長て方向に肉皮射面に接しない様に設けた半
導体レーザにおいて、前記クラッド層内で前記活性領域
の共振器の長て方向に設けられ前記クラッド層と反対の
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ｔ（ｘ−ｈ）：ｈとし、その空乏層領域の損失αを
キャビティ損失Ｆ前記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ｇｘ１９２および各領域のキャ
リア自車を特徴とする。

（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図は本実施例の斜視図および上面図、第３
図は第１図の−４，−Ａ　’の断面図、第４図。

第５図は本実施例の製造工程を説明する断面図である。

第４図に示すように、ｎ形ＱａＡｓ基板１０上に３μｒ
ｌｌＯｎ形Ａｌ　ｏ、ａｓ（ｊａｏ、５ｓＡｓ　第１ク
ラクド層１１゜約０．２μ＋ｎ厚のｎ形Ａ　１　ｏ、ｔ
ｓ　Ｇ　ａ　ｏ、ｓ５　Ａ　ｓ活性層１２（不純物＃度
Ｈ＝＝３ＸＩＱ　　Ｃｍ　　）、２μｍ厚のｎ形Ａ　Ｉ
　Ｏ，４５Ｇａ　ｏ、ｓｓ　Ａ　ｓ　第２クラッド層ｉ
３’を成長サセる。この第２クラクド層１３上につけた
８ｉ０ｚｌ１ｇ１４中にフォトレジスト技術でミラー面
から２０μｍ離し共振器の長て方向に幅５μｍ長さ２５
μｍの窓をあけＺｎを高濃度拡散させる（Ｚｎ拡散領域
１５）。ソノ拡散７ａｙト１６はｎ形Ａｌ　Ｏ，４５Ｇ
ａ　Ｏ，５５Ａｓ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５〜６　Ｘ　ｌ
　０１９ｃｍ−３以上にする。こうして形成し７ｔ−Ｚ
ｎ拡散領域１５を逆バイアス領域にする（第５図）。

次に、８ｉ０２膜１４を除去し、新たに第２クラッド層
１３上に５ｉ０２膜１７をつける。この５ｉ０２膜１７
中に７オトレジスト技術で前述のＺｎ　ｆ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のストライプｋ、”拡散領域１５から１０μ
ｍ１　ミラー面から２０μｍそれぞれ離して窓ｙｋあけ
る。次に、このストライプを通してＺｎを低濃度拡散す
る（低濃度拡散領域１８）。この時拡散フロノド１９は
活性層１２と第１クラツドＩＶＩｌｌとの境界に接する
か、もしくは第１クラクド層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Ｚｎ　ｆ低
濃度拡散されて形成された活性領域２０はキャリア濃度
４〜６　Ｘ　Ｉ　０１８ｃｍ−３のｐ形にｆ換されて、
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３ その後ＳｉＯ２膜１７中にフォトレジスト技術でＺｎを
高ａ度拡散させて形成したＺｎ拡散領域１５上に窓をあ
けてｐ形オーミックコンタクト２１をつけ、Ｚｎｉ低濃
度拡散させて形成した低濃度拡散領域１８にｐ形オーミ
ックコンタクト２２をつける。次に、基板ｌＯにｎ形オ
ーミック；ンタクト２３を形成し、ｐ形オーミックコン
タクト２１にパルス電源から任意のパルス幅■逆バイア
ス金かけ、ｐ形オーミックコノタクト２２に直ｉｔ源か
ら順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３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活性領域２０は次の様な特性を
持つ。雑誌［ジェルナル・オブ・ザ・アプライド・フィ
シイックス（、Ｔｏｕｒｎａｌ　ｏｆｔｈｅ　Ａｐｐｌ
ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　）　Ｊ、４５巻（１９７４年
）、２６５０〜２６５７頁に掲載されｔセル（Ｄ、Ｄ。

５ｅｌｌ　）氏等によって報告されている様に、ｐ形Ｇ
ａＡｓ及びｎ形ＧａＡｓの屈折率は不純物濃度と共に変
化する。特に口形ＧａＡｓの屈折率はその濃度がＩ　Ｘ
　Ｉ　ＯｔｓＣｍ−３以上になると急激に減少する。こ
れに対しｐ形ＱａＡｓ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ｐ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、その拡散フロントを活性層まで到らしめて不純゛
物補償又は高濃度不純物を専大することＶＣより、スト
ライプ状活性領域の屈折率？その外部領域に対して大き
くする哄ができる。こうして活性層内に導入された屈折
率ステップの高さにレーザ発振時においてはストライプ
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
果及びパ／ド間遷移等の負の屈折率の寄与のｔ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げ不
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ｖｃ、よる屈折率の減少全顎えたものである。

ところで、ｐ形、ｎ形不純物の組合わせによってｌｏ−
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１ｄｌｏ”３のオーダであ
る力・ら、実効的な屈折率差を５　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”以上
につけることができる。正の大きな屈折率ステップ？導
入するには高＃度ｎ　Ｉｔ多活性層に高碇度のｐ形不純
物全ストライプ状に拡散させ不純物補償きせるのがもっ
とも効果的である。

本発明者は活性層ｎ形濃＋ｔＶ、３．Ｉ　Ｘ　ｌ　０１
８ｒｍ−３゜２、ＯＸ　Ｉ　０１８ｃｍ−’　、及び１
．　ＯＸ　Ｉ　Ｏ１８ｃｍ−”　　と変化させたウェハ
ーを用い各ウェハーごとにストライプ状のＺｎ拡散全行
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１〜１．５ＸＩＯｃｍ　　に変化させ
てストライプ型ダブルへ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几。

その結果、活性層のｎ形濃度が３．　Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｏ”
ｃｍ−３の場合にはストライプ状Ｚｎ拡散活性領域のｐ
形濃度ｋ　３．５　Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃｍ−３から１　”　
１．５　Ｘ　ｌ　０１９ｃｍ−３に変化させ九場合〜３
　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”がら〜５　Ｘ　ｌ　Ｏ−３にゎ九る正
の実効的な屈折率差（Ｎｔ−Ｎｒｔ）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　ｌ　ｏ１８ｃｍ
−３以下にし７を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　Ｉ　Ｏ１９Ｃｍ
−３にわたって変化させても、実効的な屈折率差（ＮＺ
　−Ｎｌｌ　）は１０　　以下かもしくは負になる。実
効的な屈折率差（Ｎｌ−Ｎｌｌ）がｉ　ｏ−’以下の場
合には、ゲイ／ガイディングが支配的ヤあり注入電流と
共にモード変形が生じ九。

ま友、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）となり、大きなモードロ
ス音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１本実施例の如く高濃度のｎ形活性層１２に、不
純物補償する程間の低濃度拡散して形成したストライプ
状の活性領域２０は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、ＧａＡｓ半導体結晶では高幾度の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。

これに対して不純物補償して形成した活性領域２０では
バノドテイルのためにバンドギャップハ実効的に縮少し
ている。

従って本実施例の如くミラー面近傍全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
し几光量子の受ける吸収損失は２０ｃｍ”〜３０ｃｍ　
　である事が明らかになった。

本実施例において、特に高濃度Ｚｎ拡散領域１５に逆バ
イアスをかけない時活性領域２０の内反射面近傍は非励
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
の理由によって火元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
起り難いため、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ｔ
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几め大出力
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、ストライプ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を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
火元出力発振をする機能をもつ。

−万、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クラスト層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
全有している。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九活性層は大
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、この逆バイアス金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下か
けた時には共振器内に可飽和吸収体全導入した事と等価
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６図の様なパ
イセクション（ｂｉｓｅｃｔｉｏｎ　）レーザの模式図
により解析した。

共掘器長を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、
Ｑ（ｈ＜’１とする。

各領域へのキャリア注入速度Ｔｈ１）ｔ、Ｉ）ｚ　　と
し、励起キャリア密度ｋｎｘ　＋　ｎｚ　　とすれば、
レーザフォト／密度Ｎと中ヤ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。

−−ｒ２ｎ２−１ｊｚ（ｎｚ）Ｎ＋ｐｚ　　　・””・
’＋２１ｔ Ｎ ””（（１”）Ｇｘ（ｎｔ）＋ｈＧ２（ｎｚ）　−１’
　）Ｎ　　・＝（３１ｔ これらの式において、Ｇｔ（ｎｔ）Ｉｒｅ各領域におけ
る利得、γ１−’　Ｉｒｅ各領域のキャリアの自然寿命
（τ１）、ｒに共振器損失金それぞれ示す。

利得ＣＩ、とキャリア密度ｎ１との関係は、ｎｅｔ＠　
Ｇ、　＝Ｏ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。

Ｇｔ（ｎｔ）＝、’７ｔ（ｎｘ　　ｎｏｔ）　　　　＋
＋・＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋（（ｉｌ（３ｚ（ｎｚ）　＝
９ｚ（ｎｚ−ｎｏｚ）　　　　＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
（ｓ）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Ｇ、とｎＩとの間の微係数、！１
１１（＝θＧ＋／δｎ＋）　　に異なる値金入れて導入
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
件を求めてみた。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。この解析になる事がわかり九。

従って、本実施例では、活性領域２０において自励低動
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
り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Ｖ＝ｉ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り
、逆バイアス領域に〜ｌｏ’Ｖ／ｃｍ以上の電場を生じ
る。このようにこの逆バイアス領域下の活性層の吸収損
失αをα＝　５００　ｃｍ　−１ＶＣ容易にする竪がで
き、ｒ−＝５゜ｃｍ−”とするとｈ＝ｏ、ｔよりβ＝−
１，０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
引っばられるので、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τ１に対
してτ２／τ１１８〜ｌＯとなる。、！ｉ’ｔ／、！ｉ
’ｚ＝０．８〜１．０と予想されるので、充分自励振動
が発生しその結果縦モードが多モード化し低雑音特性が
帰られる。

このように本実施例のレーザ素子は抗み取りに必ｇな低
雑音特性もあわせて持っている。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の半導体レーザは、光書き
こみ用元源に要求される基本横モード大忙出力発振が可
能であると共に、逆バイアスを加えると自励畿動が可能
であり、低雑音特性をもつ。

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い。又、一つのレーザ共振器
が光書きこみと仇みとりができるので、レンズ系も小さ
くでさコ／バクトな光ヘッド會つくる事ができる。

更に、活性領域および逆バイアス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り、レーザ素子
の信頼性を向上させる事ができる。

更に成長ウェハに高濃度と低濃度との２回拡散するだけ
で製作でき再現性歩留りにすぐれている。

なお、本実施例ｉｄ、　ＡｌＧａＡｓ　／ＧａＡｓにつ
いて述べてきたが他の結晶材料たとえばＩｎＧａＡｓＰ
　／ｌｎＰ　、　ＩｎＧａＰ　／　Ａｌ　１．ｎＰ　、
　ＧａＡｓＳｂ　／ＡｌＧａＡｓＳｂ等数多くの結晶材
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図は第１図のＡ−Ａ’の共（辰器長て方向に切
った断面図、第４図、第５図は本実施例の製造工程を示
す成長ウエノ・の断面図、第６図は本実施例の解析に用
いたモデル図である。図において、 １０−’　・”　ｎ形ＱａＡｓ基板、ｌｌ・・・・・・
ｎ形Ａ　１０．４５ＧａＯ，３５°Ａｓ第１クラッド層
、ｔ　２−−−−−・ｎ形Ａｌ　Ｏ，１５Ｇａ　Ｏ，８
５Ａｓ活性層、１３−・−・ｎ形Ａ　１６．４５　Ｇ　
ａ　ｏ、ｓｓ　Ａ’第２クラッド層、１４・・・・・・
５ｉＯｚｌｌａ、　　ｌ　５・・・・・・Ｚｎ拡散領域
（逆バイアス領域）、１６・・・・・・Ｚｎ拡散フｏ７
ト、１７・・・・・・５ｉｎ２膜、１８・・・・・・低
濃度拡散領域、１９・・・・・・低濃度拡散フロント、
２０・・・・・・活性領域、２１・・・・・・ｐ形オー
ミックコンタクト、２２・・・・・・ｐ形オーミックコ
ンタクト、２３・・・・・・ｎ形オーミックコノタクト
、２４・・・・・・パルス電源、２５・・・・・・直流
電源、 をそれぞれ示す。 （、／

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
   体のクラッド層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
   ャップをもつと共に、この活性層に対し正の実効的屈折
   率をもつストライプ状の活性領域を共振器の長て方向に
   両反射面に接しない様に設けた半導体レーザにおいて、
   前記クラッド層内で前記活性領域の共振器の長て方向に
   設けられ前記クラッド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
   活性層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および各領域の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なる関係を有することを特徴とする半導体レーザ。