JPS6318686A - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

半導体レ−ザ素子

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JPS6318686A
JPS6318686A JP61164150A JP16415086A JPS6318686A JP S6318686 A JPS6318686 A JP S6318686A JP 61164150 A JP61164150 A JP 61164150A JP 16415086 A JP16415086 A JP 16415086A JP S6318686 A JPS6318686 A JP S6318686A
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JP
Japan
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layer
diffraction grating
refractive index
semiconductor laser
light guide
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JP61164150A
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Haruhisa Takiguchi
治久 瀧口
Shinji Kaneiwa
進治 兼岩
Hiroaki Kudo
裕章 工藤
Tomohiko Yoshida
智彦 吉田
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Sharp Corp
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/321Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures having intermediate bandgap layers

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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】 く技術分野〉 本発明は、回折格子が形成され単一縦モードでレーザ発
振する発振波長660〜890 nmの分布帰還形また
は分布ブラッグ反射形半導体レーザ素子に関するもので
ある。
〈従来技術〉 光ファイバを利用した光情報伝送システムあるいは光計
測システムにおける光源として半導体レーザ装置を利用
する場合、半導体レーザ装置は単−縦モードで発振する
動作特性をもつことが望ましい。単一縦モードのレーザ
発振特性を得るためのレーザ素子構造としては、活性領
域もしくは活性領域に近接して周期的な凹凸形状の回折
格子を形成した分布帰還形tiは分布ブラッグ反射形の
レーザ素子が知られている。
第3図に従来の一般的な分布帰還形半導体レーザ素子の
構造を示す。n型InP基板1上9こn型InPクラッ
ド層(緩衝層)2、ノンドープInGaPAs活性層3
、p型InGaPAs光ガイド層4、p型1nPクラッ
ド層5及びp型1nGaPAsキャップ層6が順次積層
されて力る。またキャップ層6と基板11こはそれぞれ
p側及びn側のオーミック電極7.8が形成され、レー
ザ発振波長制御用回折格子は光ガイド層4の上面に形成
されている。このレーザ素子は発振波長1.300nm
のInGaPAs/InP系半導体レーザであり、半導
体レーザとしては長波長の発振特性を有する。一方これ
に対[7て一般的lこ用カられる発振波長890 nm
以下の半導体レーザにおいても同様な構造のものが考え
られる。この場合のレーザ素子は、n型GaAs基板1
上にn型GaA)Asクラッド層2、ノンドープGaA
sまたはG a AfflAs活性層3、p型GaAノ
As光ガイド層4、p型GaAfflAsクラッド層5
.p型GaAsキャップ層6を順次積層した構造のもの
となる。しかしながらこの場合の構造はGaAノAs光
ガイド層4上に回折格子を形成し、その上にGaAiA
Sクラッド層5を成長させることになるが、G a A
iA sのようなAJ2を成分として含む結晶層は空気
中で容易lこ酸化して瞬時に酸化膜全形成する性質を有
するため、GaAlAs上への結晶の再成長を困難なも
のとする。従って、発振波長890 nm以下のレーザ
素子においては、回折格子を形成した半導体レーザの技
術はまだ充分(こ確立されていないのが実情である。
上記問題点に鑑み、回折格子を印刻する光ガイド層とし
て、酸化の問題がなくGaAsに格子整合するI nl
−kGakPl−7Asffl(0,51≦に≦l。
O≦〕≦1.ノー2.04に−1,04)を利用した素
子構造が提唱されてbる。このレーザ素子構造(こつい
て再度第3図を参照しながら説明する。n型GaAs基
板l上にn型GaA、AAsクラッド層2、ノンドープ
GaAs活性層3、p型InGaPAs光ガイド層4?
液相エピタキシャル成長法により連続的lこ成長させる
次に、光ガイド層4上にホトレジスト膜を塗布し、紫外
線レーザを用いた干渉露光により、周期2500λでホ
トし・シストの回折格子全形成するこれをマスクとして
化学エツチングにより光ガイド層4上に清音刻設し、ホ
トレジスト膜を除去する。以上により光ガイド農4上に
周期2500人の凹凸状回折格子が形成される。この表
面lと回折格子を備えた光ガイド局4上lこ同様の液相
エピタキシャルlff1長法によりp型GaA)Asク
ラッド層5、p型GaAsキャップ層6全順次成長させ
た後、キャップ層6上及び基板l上lこそれぞれオーミ
ック性金属電極7.8を形成する。
上記構造のレーザ素子において、ダブルへテロ接合のレ
ーザ動作用多層結晶構造を構成する各層は、活性層3が
GaAsから成り、クラッド層2゜5がG a 1−X
 A lxA、 sの混晶で混晶比Xが0.2以上(こ
設定された層より成る。この場合の発振波長は約89Q
nmとなる。また光ガイド層4はIn1−yGayPl
−zAszの4元混晶で各混晶比は0.68<y<1.
0.34≦z≦1.z=2.04y−〇、4の範囲で選
択され、禁制帯幅及び屈折率が活性層3とクラッド層5
の中間の値となるように設定される。発振波長890n
m以下とするためには活性層3とクラッド層2.5の組
成は上記以外に、活性層3iGal−XA)XASで構
成し混晶比Xを0≦x≦04の範囲で選定するととも(
こクラッド層2 、5 k G aJ−x A)XAS
で構成しその混晶比xk活性層3よりも高め0.2≦x
≦1の範囲で選定し活性層3に対してバンドギャップエ
ネルギーが0.3eV以上の差を有するように設定して
も良い。このような範囲で適宜混晶比全選定することに
より発振波長が660 nmから890nmのレーザ素
子が得られる。発振波長?この範囲に収めるための材料
としてはGaAs−GaA、I2As系の池、活性層3
としてI nl−、c ayPl−zAszを使用し各
混晶比を0.51≦y≦1.0≦z≦1゜z−2,04
y−1,04の範囲で選定しまたクラッド層2.5とし
てI nl−yGayPl−2As z f使用し各混
晶比を0.51≦y≦0.81.0≦z≦0.6 、 
z=2.04y−1,04の範囲で選定してもよい。光
ガイド偕4は従来のAノの酸化を回避するためGaAJ
2Asを使用せず I nl−yc ayPx−zAsz (z=2.04
 y−1,04)の4元混晶とし、活性層3とクラッド
層2.5の双方の材料全選定することによりその混品比
全決定している。
この構造におりては光ガイド層4としてInGaPAs
を用いているため、後の回折格子を形成するホトエツヂ
ング等の加工(こ際して光ガイド層表面が酸化すること
なく再成長が容易に行われ、再現性よく高品質の分布帰
還形レーザ素子を得ることができる。しかしながら、こ
の半導体レーザ素子(こおいても以下(こ述べるような
問題点がある。
即ち、GaAs1こ格子整合したInGaPAs混晶(
こは、混合不安定領域の存在することが知られている。
混合不安定領域については、例えば、尾鍋研太部、応用
物理第53巻802頁(1984)等に詳述されている
が、この混合不安定領域の念めlこ第3図の半導体レー
ザ素子の一般的な成長温度である800℃の成長温度で
は、禁制帯幅が1.77〜1.68 eVでIn1−k
GakPl−jlAS4(0,64≦に≦0.72,0
.27≦)≦0.43)の範囲の組成のInGaAs層
は成長が困難である。
またこの組成の近傍のInGaPAs層は一応成長ハス
るもののフォトルミネッセンスL発光強度が小さくスペ
クトルの半値幅も広rなど、結晶性が良くない。
そこで、GaAsに格子整合するInGaPAs混晶の
うち、結晶品質が最も良lAI nG、51 G ao
、4g Pをガイド層として使用することが要求される
。ところで−Ga1−XAノX A s系の可視光半導
体レーザで最も信頼性のある活性層は発振波長780n
m全得るGa80g7Aノ。、□3Asである。この発
振波長の分布帰還型半導体レーザを構成する場合、活性
層。
光ガイド層およびクラッド層の各々の屈折率を基lこ各
層の層厚を決定する必要がある。この場合、回折格子に
よる等偏屈折率の変化が大きくなり帰還がか力・るよう
lこガイド側に十分なHJoの光が導波されることが必
要である。ところが、AI2混晶比がx=o、+3であ
るA、gGaAs活性層の発振波長780nmでの屈折
率は3.56である。一方、光ガイド層としてInO,
5□GaO,49P ’T:使用した場合光ガイド層の
屈折率は337となる。従って、活性層の屈折率とガイ
ド層の屈折率の差が大きすぎ活性層内の光が光ガイド層
側(こ充分に洩れないため回折格子による充分な帰還が
か≠・らないという問題が生じている。
〈発明の目的〉 未発明は、上述の問題点に還み、活性層の屈折率(こ比
して過小な屈折率を有する材料全回折格子付の光ガイド
層とし念場合も充分に光ガイド層側(こ光が導波され、
回折格子による帰還が十分lこ大きくなる構造の半導体
レーザ素子を提供すること全目的とする。
〈発明の構成〉 未発明の半導体レーザ素子は、回折格子を印刻し次光ガ
イド層の活性層と反対側の位置に屈折率の高い層を介設
した構造を有する。即ち、活性層の屈折率knAL、光
ガイド層の屈折率f n aとした場合にnG<n<n
ALの範囲の屈折率nf有する層を挿入して活性層−光
ガイド層−屈折率nの層の順に配置し、屈折率nの層で
活性層の光を引き出すことにより途中にある光ガイド層
の光密度を高くしたものである。
〈実施例〉 第1図は、未発明の一実施例を示す半導体レーザ素子の
構成図である。n型GaAs基板11上に光全閉じ込め
るn型G aQ、5 A’0.5 Asクラッド層12
、レーザ発振を得るためのノンドープGao、g9A 
Io、z ! As活性層13.回折格子全形成するp
型I no、s I G ao、49 P光ガイド層1
4?順次エピタキシャル成長法で積層させる。ここで、
光ガイド層14は活性層13より禁制帯幅が大きく屈折
率の小さい二元混晶である。次に光ガイド層14上(こ
従来と同様の方法で回折格子を印刻する。即ち。
光ガイド層14上にホトレジストVfJ:塗布し、紫外
線レーザを用l、−また干渉露光により、周期2500
Aでホトレジストの回折格子?形成する。これをマスク
としてエツチングにより光ガイド層14上ニ1苺を刻設
した後、ホトレジスト膜を除去する。これにより光ガイ
ド層14上に周期250 OAの凹凸回折格子が形成さ
れる。この表面(こ回折格子を備えた光ガイド層14上
(こ同様のエビタキンヤル成長法でp型Ga0.75A
ノ0.25AS中′J!!1層15.p型G a o、
s AJo、5 A sクララド層16.電極とオーミ
ックコンタクh’を得るためのp型GaAsキャップ韻
17を、・順次成長させた後、キャップ層17及び基板
11裏面にそれぞれオーミック性金属電極18.19を
形成する。以上番こより、発振波長780nmの半導体
レーザ素子が作製される。活性層13のAノ混晶比全制
御することにより発振波長は適宜変更可能である。
上記実施例において、中間層15はその屈折率nが活性
層の屈折率”nAL’回折格子を印刻し次光ガイド層の
屈折率kn。とするとn。<n<nALとなるような混
晶比のGaAJ!As又はGaAs基板と格子整合した
InGaPAsで形成される。上記実施例ではAノ混晶
比が0.25のGaAJAsで形成されている。
上記実施例の半導体レーザ素子lこおける各層の層厚方
向の屈折率変化を第2図に示す。中間層15を挿入する
ことにより、活性層13の光が屈折率差の小さい中間層
15に引き出され、中間層15に洩出しようとするため
、屈折率差の大きい光ガイド層14の光密度も高くなる
。その結果、光が光ガイド層14側に洩れやすくなる。
従って光ガイド層14の回折格子によって波長選択性全
付与された光が多量に活性層13に帰還される念め、単
一波長のレーザ発振が得られる。尚、本発明は上述の分
布帰還型(こ限定されるものではなく分布ブラッグ反射
形のレーザ索子にも適用することができる。
〈発明の効果〉 以上詳細番こ説明したように、未発明によれば、活性層
の屈折率に比し最小な屈折率を有する光ガイド層全使用
した回折格子付の半導体レーザ素子においても、充分光
ガイド層に光を導波することができ1回折格子による十
分な帰還が行なえる。
【図面の簡単な説明】
第1図は未発明の一実施例を示す分布帰還型半導体レー
ザ索子の模式断面図である。第2図は第1図に示す半導
体レーザ素子の層厚方向の屈折率分布を示す説明図であ
る。第3図は従来の半導体レーザ索子の構造を示す模式
断面図である。 11・・・基板、12・・・n−クラッド層、13・・
・活性層、14・・・光ガイド層、15・・・中間層。 16・・・p−クラッド層、17・・・キャップ層。 代理人 弁理士 杉 山 毅 至(他1名)第1図 第2図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、Ga_1_−_xAl_xAs(0≦x≦0.4)
    又はIn_1_−_yGa_yP_1_−_zAs_z
    (0.51≦y≦1,0≦z≦1,z=2.04y−1
    .04)から成る活性層を有する発振波長660nm乃
    至890nmの半導体レーザ素子に於いて、前記活性層
    の近傍にIn_1_−_uGa_vP_1_−_vAs
    (v=2.04u−1.04)から成る回折格子の形成
    された層を付設しかつ該回折格子の形成された層の前記
    活性層と反対の位置に、屈折率nが、前記活性層の屈折
    率をn_a_l、前記回折格子の形成された層の屈折率
    をn_Gとした場合にn_a_l>n>n_Gとなる組
    成のGa_1_−_wAl_wAs(0≦w≦1.0)
    又はIn_1_−_kGa_kp_1_−_lAs_l
    (0.51≦k≦1,0≦l≦1,l=2.04k−1
    .04)から成る層を挿設したことを特徴とする半導体
    レーザ素子。
JP61164150A 1986-07-10 1986-07-10 半導体レ−ザ素子 Pending JPS6318686A (ja)

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US07/072,125 US4852116A (en) 1986-07-10 1987-07-10 Semiconductor laser device
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