JPS6331189A - 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〕 本発明は半導体レーザ、特に大光出力半導体レーザに関
する。

〔従来の技術〕

Ａ　ｅＧａＡｓ／ＧａＡｓ等の結晶材料を用いた可視光
半導体レーザは、小型・低消費電力で高効率の室温連続
発振を行なう事ができるので、光方式のディジタル・オ
ーディオ・ディスク（ＤＡＤ）用光源として最適であり
実用化されつつある。この可視光半導体レーザは光ディ
スク等の光書きこみ用光源としての需要も高まり、この
要求をみなすため大光出力発振に耐えうる可視光半導体
レーザの研究開発が進められている。最近では、これら
の可視光半導体レーザの需要の急速な高まりに対応する
ため大量生産が行なわれるようになってきた。

このｋｌ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ可視光半導体レーザの製
法としては従来から液相成長法が用いられてきた。

これに対、して有機金属を用いた気相成長法（Ｍｅｔａ
ｌｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　、以下ＭＯＣＶＤ法という〉は
量産性と精密な膜厚制御性とを兼ね備えていることから
光デバイス作製のためのきわめて重要な技術の一つとな
っている。特に、ディピュス（Ｒ，Ｄ、Ｄｕｐｕｉｓ）
　、ダビカス（Ｐ、Ｄ。

［１ａｐｋｕｓ）が雑誌「アプライド・フィジックス・
レター（＾ｐｐｌｉｅｄ　ｌ’ｂｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒ）」、１９７７年、３１巻、Ｎ［Ｌｌ　、４６６頁
から４６８頁にｒＲｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔ＋＋ｒｅ
　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｒ　Ｇａｐ−ｘＡｅＸＡｓ／
ＧａＡｓ　ｄｏｕｂｌ’ｅ−ｂｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ　１ａｓｅｒｓ　ｇｒｏｗｎ　ｂｙ　ｍｅｔａｌ
ｏ＋４ａｏｉｃ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｕｒ　ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　　（Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ法で成長した
Ｇａ、−ｘＡｆ　Ｘ入ｓ／Ｇａ人Ｓダブルヘテロ構造レ
ーザの室温発振）」という表題で発表して以来その実用
性が着目され、ＭＯＣＶＤ法を用いた人Ｉ　ＧａＡｓ／
ＧａＡｓ可視光半導体レーザの研究が進められるように
なった。このうち横モード制御した波長λ＝０．１８１
ｔ　ｍの入ｅＧｚ入ｓ／ＧａＡｓ可視光半導体レーザ素
子としては、例えば中塚、小野、梶村、中村により第４
４回応用物理学会学術講演予稿集、１９８３年、１０９
頁、２６ｐ−Ｐ−１６に発表された論文「ＭＯＣＶＤ法
による横モード制御半導体レーザ」に見られるように、
活性層に隣近してストライブ状領域の両側に吸収層を設
は活性層からの光のしみ出しをこの吸収層で吸収し損失
領域となし、吸収層のないストライブ状領域との間に利
得−損失のステップを設けて、横モード制御を行なおう
とするものが試作されている。この構造では閾値電流が
上昇することやモード安定性が悪い等の弊害を伴うため
、最近ではさらに光のガイディング機構を改善したＭＯ
ＣＶＤ半導体レーザがミハシ（Ｙ。

旧ｂａｓｂｉ）、ナガイ（Ｙ、Ｎａｇａｉ）、マツバラ
（Ｈ，Ｍａｔｓｕｂａｒａ）、イケダ（に、Ｉｋｅｄａ
）により［固体素子および材料に関する第７回会議のエ
クステンプイツト・アブストラクト（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ
　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　７ｔｈＣｏｎｆｅｒｅｎ
ｃｅ　　ｏｎ　　５ｏｌｉｄ　　５ｔａｔｅ　　Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ　　ａｎｄ　　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）１１９８
５年、６３頁〜６６頁にｒＭｏ−ＣＶＤによって成長し
た新しいセルフ　アライン　レーザ（Ａ　　Ｎｏｖｅｌ
　　５ｅｌｆ−＾１ｉｇｏｅｄ　　Ｌａ５ｅｒ　　ｗｉ
ｔｈ　　Ｓｍａｌｌ　　Ａｓｔｉｇａｔｉｓｍ　Ｇｒｏ
ｗｎ　ｂｙ　　Ｍ　Ｏ−ＣＶ　Ｄ　）　Ｊとの題で発表
されている。ミハシ等はこのレーザをＳＢＡレーザ（曲
がった活性層をもったセルフ　アライン構造レーザ（Ｓ
ｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　１ａｓ
ｅｒ　ｗｉｔｈｂｅａｔ　ａｃｔｉｖｅ　１ａｙｅｒ）
）と名づけている。このＳＢＡレーザは第６図に示すよ
うに、基板１０１の上に第１のクラッド層１０２を設け
、この層に隣接して電流ブロック層１０３を設け、この
電流ブロック層１０３に溝を第１クラッド層１０２まで
あけ、その上に第２のクラッド層１０４、活性層１０５
、第３のクラッド層１０６、キャップ層１０７と連続し
て成長したｍ遣を有し、活性層１０５が溝に沿って成長
し溝部でへこんで折れ曲がった形状をしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記ＳＢＡレーザは活性層の活性領域（溝の部分）の両
端が屈折率の小さいクラッド層ではさみこまれているの
で、屈折率分布の大きさをΔｎが５Ｘ１０−２と通常の
半導体レーザにくらべてきわめて大きくなっている。そ
のため活性領域の幅を２．５μｍ程度に狭くしなければ
、基本横モード発振が維持できず、その最大光出力も１
２ｍＷ程度になっている。さらに活性領域幅がせまいの
で、それに伴ってスポットサイズが小さく、その結果光
学損傷（ＣＯＤ）の生じるレベルが〜１５ｍＷ程度で大
光出力発振が不可能である等の諸欠点を有していた。

本発明の目的は、上記欠点を除去しＭＯＣＶＤ法の特長
を充分に生かして低閾値高効率のレーザ発振をするのみ
ならず安定な基本横モード発振による大光出力発振が可
能であり、等心円的な光源となり比較的容易に一回成長
て製作でき再現性および信頼性の上ですぐれた半導体レ
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〕

本発明の半導体レーザの構成は、共振器の長て方向中央
部分にストライブ状の凹部領域を形成し、その共振器長
て方向の延長上両反射面近傍に凸部領域を形成した半導
体基板上に、第１のクラッド層を備え、この第１のクラ
ッド層に隣接して第１のクラッド層よりも屈折率の大き
い材質からなるガイド層を備え、その上に隣接して活性
層を当該活性層よりもバンドギャップの広い材質からな
る第２と第３とのクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合
構造を備え、さらに第３のクラッド層に隣接して第３の
クラッド層と電気的に反対の導電型を有するキャップ層
を設けた多層構造を有し、各成長層は凹部領域の凹部と
凸部領域の凸部とに沿って−様な層厚で成長されており
、共振器の長て方向中央部分の凹部領域の活性層が共振
器の長て方向において第２のクラッド層を介して凸部領
域のガイド層に隣接しており、かつキャップ層の凹部領
域上に相当する部分にストライブ状の電流注入領域を形
成したことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の１実施例の斜視図、第２図、第３図、
第４図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′、Ｃ−Ｃ
’断面図である。まず、基板の形成方法から説明する。

第５図に示すように（１００）面を平面とするｎ形Ｇａ
Ａｓ基板１０の共振器長て方向中央部分に、フォトレジ
スト法により〔０了１〕方向に幅８μｍ、［０１１）方
向に長さ２５０μｍのストライブ状の窓をフォトレジス
ト膜１１にあけると共にストライブ状の窓の中心線の共
振器長て方向両反射面近傍では（０１１：］方向に幅３
μｍ、〔０１１〕方向に長さ３０μｍのストライブ状の
フォトレジスト膜１１を残しその（０１１）方向両側に
窓をあける。次に、フォトレジスト膜１１をマスクにし
て深さ０．５μｍエツチングする。この時共振器中央部
分においてストライブ状にエツチングした部分が凹部領
域１２になり両反射面近傍においてストライブ状に残し
た領域が凸部領域１３になる。このときエツチング面は
（０１１）方向においては順メサの形状をし［０１１）
方向では逆メサの形状をしている。

次に、フォトレジスト膜１１を除去した後、ｎ形ＡＪ？
　０．５Ｇａ（、，５Ａｓ第１クラッド層１４を１．０
μｍ、ｎ形人ｅ　０−３５ＧＩＯ−６５ＡＳガイド層１
５を１．０　μｍ、ｎ形ｋｅ　Ｏ，４５ｃａＯ０５５Ａ
ｓ第２クラッド層１６を０、ｌｕｍ、アンドープＡＪ’
　０−１５ＧａＯ−８５人Ｓ活性層１７を０．０６μｍ
　、　ｐ形＾１０．５Ｇａｇ、５Ａｓ第３クラッド層１
８を１．５　μｍ、　ｎ形ＧａＡｓキャップ層１９を１
．０　μｍＭＯｃＶＤ法で連続成長する。

上記成長において従来から行われている液相成長法は各
成長層ごとに各組成を制御したメルトを用意して基板を
移動して各層を成長していく方法であるため本発明の如
き多層構造の成長はきわめて困難であるばかりでなく各
組成各層厚を制御する事は不可能である。これに対して
ＭＯＣＶＤ法は有機金属を用いた気相成長法であるので
混合ガスの組成を変化させる事で任意の組成の層を任意
の多層に容易に成長させる事ができるので本発明の構造
の成長を制御よく容易に行う事ができる。

更に、ＭＯＣＶＤ法では各組成の微粒子が結合しながら
成長していくので成長の面方位依存性はなくどの方向に
も−様な厚さで成長する。従って本発明の構造の如く凹
部領域に多層成長させても凹部の形状に沿って−様な層
厚の層が成長していく。

次に、ｎ形ＧａＡｓキャップ層１９成長表面上にＳｉＯ
２膜２０全２０した後、フォトレジスト法で基板の凹部
領域１２上にくるようにして５ｉ０２膜２０に幅４μｍ
、長さ２４０μｍの窓をあけ亜鉛を拡散フロントが第３
クラッド層１８内にくるように拡散する（２１は亜鉛拡
散領域）。このとき拡散領域は凹部領域１２上に成長し
た活性層１７に対して幅および長さともに小さい方が漏
れ電流が少なくなるのでより望ましい。

次に、キャップ層側にｐ形オーミックコンタクト２２を
形成し、基板側にｎ形オーミックコンタクト２３をつけ
ると本発明の構造の半導体レーザを得ることができる（
第１図、第２図、第３図。

第４図）。

本発明の構造において、電極から流入された電流はキャ
ップ層１９および第３クラッド層１８の亜鉛拡散領域２
１を通って第３クラッド層１８に流れこみ、続いて活性
層１７に注入される。活性層１７に注入されたキャリア
は、活性層水平横方向に拡散していき利得分布を形成し
レーザ発振を開始する。本発明の構造では、電流は共振
器長て方向中央部分に形成したストライブ状の亜鉛拡散
領域２１から注入されるが、活性層１７が第３クラッド
層１８の一部を介してこの亜鉛拡散領域２１に隣近して
いるので、四部領域外部の両反射面近傍（凸部領域１３
）に流れこむ電流はきわめて少ない。特に活性層１７に
隣接する第３クラッド層１８の抵抗を比較的高くすると
、両反射面近傍の活性層に流れこむ電流は無視できる程
になる。

さらに共振器の中央部分の四部領域の活性層は共振器の
長て方向において両反射面近傍凸部領域との境界ではそ
の両端がバンドギャップの広い第２クラッド層１６に接
しているので凹部領域の活性層内に注入されたキャリア
は垂直方向のみならず共振器の長て方向にも閉じこめら
れ利得の上昇が助長される。その結果、低閾値で発振す
ることができる。

本発明の構造では活性層は第３図に見られるようにその
水平横方向においては第２クラッド層１６につづいてガ
イド層１５にはさみこまれている。従って、活性層の光
は水平横方向では屈折率の高い活性層に集光し正の屈折
率分布にもとづく正の屈折率ガイディング機構が作りつ
けられている。一般に活性層の両端が屈折率の低いクラ
ッド層ではさみこまれている場合には正の屈折率分布が
大きくなりすぎその結果−次槽モード発振が低励起レベ
ルで生じるおそれがあるのでこれを抑圧するため、前記
ミハシ等が提案したＳＢＡレーザのように活性層の幅を
狭く限定する必要がある。

その結果、スポットサイズが小さくなり、光出力の上限
が低下する。これに対して本発明の構造では活性層両端
に隣接した第２クラッド層は層厚が薄いので光はガイド
層の影響を受ける。ガイド層の屈折率はクラッド層より
大きく活性層との屈折率差は比較的小さいので活性層水
平横方向に作りつけられる正の屈折率分布の高さを適切
にすることができ安定な基本横モード発振を広範囲にわ
たる電流注入領域で維持することができる。

一方、光は活性層からしみ出し垂直方向に広がる。この
時、第２クラッド層１６にしみ出した光は第２クラッド
層１６が薄くかつこの層に隣接して屈折率の高いガイド
層１５があるのでガイド層へど大きく広がる。

本発明の様に活性層からの光のしみ出しを太きくして活
性層垂直方向の光の閉じ込め係数（ｆｉｌｌｉｎｇ　ｆ
ａｃｔｏｒ）を小さくすることは大光出力レーザ発振の
上で著しい効果を持つ。通常のＡｊ７　ＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ半導体レーザを大光出力レーザ発振させると反射面
が破壊される現象が生じる。この現象は光学損傷として
古くから知られておりそのレベルはＣＷレーザ発振では
〜ＩＭＷ／ｃｍ２で生じる。

通常、Ａ　ｅ　ＧａＡｓ／ＧａＡｓ半導体レーザの反射
面破壊の生じる光出力ｐＭは活性層の層厚をｄ、閉じ込
め係数（ｆｉｌｌｉＢ　ｆａｃｔｏｒ）を「、横モード
のスポットサイズをＷｌ／とすると Ｐ’　ｚ　　−Ｘ　ｗ、、　Ｘ　Ｉ　Ｍ　Ｗ／　Ｃ１１
２となりＰ′は「に反比例して上昇する。

本発明の構造を用いれば、ｒ（０，０１になりｐＭｒ〜
） ＞１００ｍＷが可能となり大光出力レーザ発振が可能と
なる。

本発明の構造では、活性層１７は共振器の長て方向の両
反射面近傍において第２クラッド層１６を介して凸部領
域のガイド層１５につながっている。更にこのガイド層
１５は共振器の長て方向全域にわたってつながっている
。前記した如く光は活性層水平横方向では凹部領域のス
ト）イブ幅全体に広がっており、垂直方向では活性層か
らガイド層１５にわたって広がっているので、光の大部
分は第２クラッド層１６番通過して凸部領域１３のガイ
ド層１５内へ進行していく。このとき、光の一部は凸部
領域の活性層内へと進行していくが、この領域の活性層
は励起されていないのでレーザ発成光に対して１５０Ｃ
１＋−１程度の吸収領域となる。レーザ発振は最も利得
が大きく損失の小さい所で生じるので、前記の如く光の
大部分は共振器の中央部分凹部領域１２の活性層から凸
部領域１３のガイド層１５内を進行してレーザ発振を開
始する。

更に、本発明の構造では、凸部領域１３のガイド層１５
は垂直方向では第１クラッド層１４と第２クラッド層１
６とで挟みこまれており、水平横方向ではその一部両端
が第２クラッド層１６で挟みこまれておりストライプ状
の光導波路を形成している。従って光は広がることなく
ストライプ状の光導波路を形成する凸部領域１３のガイ
ド層１５内を集光して進行していく。

本実施例ではガイド層のバンドギャップはレーザ発振光
に対して１５７　ｍ　ｅ　Ｖ以上法がっているので、ガ
イド層内を進行する光は吸収損失を受けない。こうして
両反射面近傍の凸部領域１３においてストライプ状の光
導波路をなすガイド層１５内を進行した光は一部反射面
で反射され、再び光導波機能をもつ凸部領域１３のガイ
ド層１５内を損失をうけることなく戻り、四部領域１２
の活性層１７内に入り再励起されるので低閾値、高効率
でレーザ発振をすることができる。特に本実施例の如く
凸部領域のガイド層の高さの半分付近に共振器中央部分
の活性領域となる凹部領域の活性層を位置しておけば、
反射面で反射された光はより有効に活性層にはいること
ができる。

本実施例の構造では、両反射面近傍がレーザ発振光に対
してバンドギャップの広いガイド層になっているので、
光学損傷（ＣＯＤ）の生じる光出力レベルを著しく上昇
させることができる。すなわち、通常の半導体レーザで
はキャリア注入による励起領域となる活性層端面が反射
面として露出しており、そこでは表面再結合を生じ空乏
層化してバンドギャップが縮小している。大光出力発振
をさせると、この縮小したバンドギャップにより光の吸
収を生じ、そこで発熱して融点近くまで温度が上昇し、
ついには光学損傷を生じる。これに対し本実施例の構造
では両反射面近傍は非励起領域になっているばかりでな
く、レーザ発振光はバンドギャップ差が１５７　ｍ　ｅ
　Ｖ以上も広い層を透過して発振するので、反射面近傍
での光の吸収がなく光学損傷の生じる光出力レベルを１
桁以上上昇させることができ、大光出力発振が可能であ
る。

本実施例の構造の様に活性層からの光のしみ出しを大き
くすることは活性層垂直方向の広がり角θ上を急激に減
少させることができる。特に活性層がガイド層に挟みこ
まれている本実施例では広がりが助長されθふ　立１５
度にすることができる。これに対し活性層水平横方向で
は正の屈折率ガイディング機構が作りつけであるので、
横モードのスポットサイズを調整して、活性層水平横方
向の広がり角θ／／をθ、、　＝　１２〜１５度にする
ことができる。更に、両反射面近傍にある光導波機構を
進行するうちに光はこの領域全体に広がるが端面から放
射されたレーザ光はこの機構を形成しているガイド層の
幅と厚さとに限定されているので、外部光学系とのカッ
プリングもやりやすくその効率を上昇させることができ
る。

なお、上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたが、ｐ
ｎを反転させてもよい。また、ｌ？　ＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓダブルヘテロ接合結晶材料について説明したが、その
他の結晶材料例えばＩｎＧａＰ／＾ｌ　ＩｎＰ、ＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰ、　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ、＾
ｅ　ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ等数多くの結晶材料に
適用することができる。

〔発明の効果〕

本発明の構造は前記ミハシ等が提案したＳＢＡレーザと
は異なり、屈折率分布を適切な値にできスポットサイズ
が大きくても安定な基本横モード発振を大光出力まで維
持できる上に、両反射面近傍にレーザ発振光を透過する
ウィンドウ構造を備えており以下の効果をもつ。

（イ）大光出力発振ができる、 （ロ）安定な基本横モード発振を大光出力においても維
持することができる。

（ハ）等心円的な光源にでき外部光学系とのカップリン
グ効率が上昇するので光学系をコンパクトにすることが
できる。

（ニ）−回成長て製作できる。

等の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の斜視図、第２図。 第３図、第４図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ’　、Ｂ−Ｂ
’　、Ｃ−Ｃ’断面図、第５図はこの実施例において基
板を形成した時の斜視図、第６図はミハシ等が提案した
ＳＢＡレーザの断面図である。 １０・・・ｎ系ＧａＡｓ基板、１１・・・フォトレジス
ｌ−膜、１２・・・凹部領域、１３・・・凸部領域、１
４・・・ｎ形ＡＩ　０．５ｃａＯ１５ＡＳ第１クラッド
層、１５−ｎ形入ｅ　Ｏ，３５ＧａＯ−６５ｋＳガイド
層、１６−ｎ形　＾１２　Ｑ、４５Ｇａ、）、５５Ａｓ
第２クラッド層、１７・・・アンドープ人２０．１５Ｇ
ａ０．８５ＡＳ活性層、１８−・ｐ形Ａｆ　０６５ｃａ
０．５杓第３クラッド層、１９・・・ｎ形ＧａＡｓキャ
ップ層、２０・・・５ｉ０２膜、２１・・・亜鉛拡散領
域、２２・・・ｐ形オーミックコンタクト、２３・・・
ｎ形オーミックコンタクト。 第　ｌ　ロ ＄３０　″

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器の長て方向中央部分にストライプ状の凹部領域を
   形成し、その共振器長て方向の延長上両反射面近傍に凸
   部領域を形成した半導体基板上に、第１のクラッド層を
   備え、該第１のクラッド層に隣接して該第１のクラッド
   層よりも屈折率の大きい材質からなるガイド層を備え、
   その上に隣接して活性層を当該活性層よりもバンドギャ
   ップの広い材質からなる第２と第３とのクラッド層で挟
   んだダブルヘテロ接合構造を備え、該第３のクラッド層
   に隣接して該第３のクラッド層と電気的に反対の導電型
   を有するキャップ層を設けた多層構造を有し、共振器の
   長て方向中央部分の前記凹部領域の活性層は共振器の長
   て方向において前記第２のクラッド層を介して前記凸部
   領域のガイド層に隣接しており、前記キャップ層の凹部
   領域上に相当する部分にストライプ状の電流注入領域を
   形成したことを特徴とする半導体レーザ。