JPS6360556B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は半導体レーザ装置に関し、とりわけ、
いわゆる活性領域の両側に、これより禁制帯幅の
大きな半導体層を接合させてなるダブルヘテロ構
造を有する半導体レーザに使用して効あるもので
ある。 半導体レーザは、光通信、光デイスク、レーザ
ビームプリンタ等に実用化され、システムの機
能、経済性両面から重要度を増しつつある。今
後、高速化などで機能向上を図る上で、レーザ出
力の向上に開発が進められている。 現在のGaAlAs／GaAs系半導体レーザでは、
基本モードにモード制御された室温連続（cw）
発振素子については、出力は15mW程度が実用上
の限界である。これは、高出力で素子を動作させ
ると、レーザ共振器の光放射および反射面（普通
結晶の劈開面）に熱による損傷が生じ、素子特性
が劣化するためである。 この様な、端面損傷の改善策としては、
Al₂O₃、SiO₂等の誘電体膜で端面を覆つて素子を
保護する方法が採られている。また、他の方法と
しては、端面近傍がレーザ光に対して透明になる
様なレーザ構造にする提案がなされている。例え
ば、この例として特公昭55−27474に記載されて
いる様に、共振器の中央部分にのみ、活性層に達
するZn拡散領域を設け、端面近くには拡散領域
を設けないレーザがある。この例に於いては、レ
ーザ発光の起る領域は、Znの拡散により、伝導
帯とZnのアクセプタ準位との間で発光遷移が起
るために、端面近傍に比べて実効的にバンドギヤ
ツプ（禁制帯幅、Eg）が狭くなつて、端面を透
明体で保護した形と等価になつている。 しかし、これらの構造の難点としては、 (1) 作製上、Zn拡散プロセスによる拡散フロン
ト（拡散深さ、幅など）の精密な制御が必要で
ある。 (2) 端面近くでは、横モードに対する光導波機構
が無いため、出力光には非点収差が伴なう。従
つて、これを利用するためには補正光学系の装
置が必要である。 ことなどが挙げられる。 本発明の目的は、上記欠点を除去して、光出射
端面の損傷のない高品質・高出力光の得られる半
導体レーザを提供することにある。 上記目的を達成するための本発明の構成は、活
性層を光出射用劈開面に対して所定の傾斜角を持
たせたことにある。 レーザ素子の動作時における共振レーザ光は、
活性層およびクラツド層などの実質的な光導波路
（以下W.G.と略称する）中を反復伝達して劈開面
から出射し放射レーザ光となる。上記傾斜角θ
は、活性層が光出射端面における垂直な光軸に対
してθ（deg）傾斜しており、かつ、θは下式 θ_Z−θ_C／２θπ−θ_Z−θ_C／２ を満足する範囲に置くことである。但し、ここで
θ_Zは幾何光学近似で考えたときに、上記W.G.内
における共振レーザ光のジグザグ運動の光導波路
壁面での反射角（以下単に反射角と略称する）、
θ_Cは臨界角とする。なお、上記θ_Zはレーザ光の波
長（λ）、活性層およびクラツド層の屈折率n_a、
n_eおよび活性層厚ｄによつて一意的に決まる値で
ある。また、上記θ_Cは波長（λ）、および、屈折
率n_a、n_eによつて一意的に決まる値である。即
ち、 θ_Z＝tan^-1（β／ｈ） 但し、β：進行方向の伝播定数 ｈ：進行方向に垂直な伝播定数 （βおよびｈはλ、n_a、n_e、ｄを選択すると誘電
体導波路の固有方程定式で決定される。）、 θ_C＝sin^-1（n_e／n_a） で決定される。 本発明は上述の様に、端面から垂直な光軸と活
性層とが平行でなくθだけ傾斜しているため、共
振レーザ光の一部は光洩れを生じてしまう。する
と、この光洩れに応じて光分布のピークが移動し
てしまうので、結果として、放射レーザ光は少く
共活性層端面の中心から出射されず、活性層から
僅かに上または下にずれたクラツド層端面に光分
布の中心を置いて放射される。 この様に、レーザ光出射端面において、放射レ
ーザ光は、活性層中心外から出射されるので、光
吸収による発熱をおこす領域と光放射領域とが位
置的に分離されており、活性層に大きな熱的負担
が掛るのが回避される。従つて、端面破損がない
ので高出力レーザ光が得られる。また、後述する
ように、傾斜角の影響により、真円に近いスポツ
ト状発光が得られ、非点収差がなくなる。以下詳
細に説明する。 本発明における半導体レーザにおける素子内部
の光の伝播の模様を模型的に表わすと第１図ａお
よびｂの如く表わされる。クラツド領域１１中に
層状の活性層１２が形成されており、動作時に鏡
面１３相互間を共振レーザ光が所定の反射角で反
復している。普通上記W.G.はクラツド層、活性
層およびクラツド層の３層により構成されてい
る。勿論目的に応じ適宜他の構成もとり得、本発
明が適用されることは云うまでもない。これにつ
いては後述する。上記W.G.は上記鏡面１３に対
してθ傾斜している。共振レーザ光は反射するの
で、上記活性層１２は、レーザ光に対して、第１
図ｂに示した様に鋸歯状に屈曲したW.G.１２′中
を進行するW.G.と等価なものということができ
る。これは、上記鏡面１３を対称面１４に置き換
えて、半ば無限に鋸歯状に屈曲しているものとす
ることができるからである。ただし、上記屈曲部
分の角度は2θになつている。 従つて、上記屈曲したW.G.を有するレーザ光
の光量など光特性を考えるには、２種類の光の反
射の様子を述べればよい。第２図ａおよびｂはこ
の様子を図解したものである。すなわち、第１の
場合は、第２図ａに示す様に前記対称面１４近傍
において、下の面から上の面（上の面から下の面
でも全く同様）の様に対向する面へ反射する場合
である。この場合（）のW.G.下面で角度θ_Zで
反射してきた光が、（）のW.G.の上面で角度
θ′で反射するとき、 2θ＋（π／２＋θ′）＋（π／２−θ_Z）＝π が成り立つ。従つて、 θ′＝θ_Z−2θ が、W.G.の臨界角θ_Cより小さいとき、光はW.G.
の外へ突き抜けさせることができる。すなわち、 θθ_Z−θ_C／２ …(1) のとき光をW.Gから洩らすことができる。これ
は、レーザをリーキーモード的等価W.G.で発振
させることに該当する。従つて、伝播してきた光
を対向する面によつて不要な漏洩光と分離するた
めには、θは上式１の右辺より大きいことが必要
である。第２の場合は、第２図ｂに示す様に、上
記対称面１４近傍において、上の面から上の面
（下の面から下の面でも全く同様）の様に同じ側
の面へ反射する場合である。この場合、（）の
W.G.の上面で角度θ_Zで反射してきた光が、（）
のW.G.の上面で角度θ″で反射するとき、 （π／２−θ_Z）＋（π−2θ）＋（π／２−θ″）＝
π が成り立つ。従つて、 θ″＝π−θ_Z−2θ が、W.G.の臨界角θ_Cより小さいとき、光はW.G.
の外へ突き抜けてしまう。すなわち、 θ≧π−θ_Z−θ_C／２ …(2) のとき反射せずに突き抜けてしまう。 従つて、伝播してきた光が（）の非透光性領
域に突き抜けさせないためにはθは上式(2)の右辺
より小さいことが必要である。換言すれば、レー
ザ光を反復共振させるための限界角（度）でもあ
る。 従つて、θは上記(1)および(2)式より π−θ_Z−θ_C／２≧θ≧θ_Z−θ_C／２ …(3) の条件を満たすことにより、上記第１の場合の光
を洩らして、上記第２の場合の光を閉じ込めるこ
とができる。すなわち、上記第１の場合では共振
レーザ光の光量の一部を不要な漏洩光と分離さ
せ、上記第２の場合では同じく共振レーザ光の光
量の残りの部分を必要な光とする。従つて、レー
ザ光の放射端面においては、一定の領域にレーザ
光のフイラメント領域が集中するのを妨げ、熱破
損を阻止者ることができる。 本発明は、傾斜角θの勾配の上限をＷ／ｌにする となおよい。但し、ここでＷは上記W.G.の厚さ
の1/2、ｌはキヤビテイ長とする。これは、上記
W.G.の傾斜勾配を緩和させ、かつ、共振レーザ
光が上記へ衝突或いは触れたりして必要な光に対
してまで光吸収が行なわれるのを阻止する効があ
り、高品質のレーザ光を得る利点がある。以下実
施例を用いて詳細に説明する。 第３図ａは本発明の一実施例としての半導体レ
ーザのレーザ光の進行方向に沿つた概略断面図で
ある。 後述するように所定の面を有したｎ導電型の
GaAs基板３１上に膜厚が1.0〜5.0μｍのｎ−
Ga_1-xAl_xAs（0.2ｘ0.7）からなるクラツド層
３２が設けられている。該層３２上に膜厚が0.03
〜0.20μｍのGa_1-yAl_yAs（０ｙ0.35）からなる
活性層３３が設けられている。該層３３上に膜厚
が1.0〜5.0μｍのＰ−Ga_1-xAl_xAs層中に．２ｘ
0.7）からなるクラツド層３４が設けられてい
る。必要ならば、該層上に膜厚が約1μｍのＰ−
GaAsからなるキヤツプ層３５、或いはｎ−
GaAs中に選択的にＰ導電型領域（図示せず）を
有したキヤツプ層３５が設けられてもよい。上記
層３４又は３５上に電極窓（普通ストライプ状）
を有した絶縁膜３６を設け、該膜３６上および上
記基板３１の裏面に金属電極３７および３８を設
けて半導体レーザが構成されている。 本実施例においては、上記基板３１の結晶表面
は、結晶学的な＜011＞方向に角度θの傾き角を
もつた（100）面である（一般に、（100）面に対
してオフ・アングルがθとも呼ばれている）。光
の進行方向の＜011＞方向に角度θが傾いており、
それに垂直な方向には傾いていないことが肝要で
ある。上記傾斜角θは0.281゜〜26.22゜の範囲にあ
る。 上記傾きは、当然、鏡面３９に対する基板３１
の表面の傾きをπ／２±θで表わされる。以下、傾 きと云つた場合は、特に断りの無い限り放射レー
ザ光の出射光線軸を基準に表わすものとする。 上記クラツド層３２および３４、活性層３３、
およびキヤツプ層３５などの半導体層は、上記基
板上に層状に結晶成長させて形成されるものであ
るため、共に傾き角はθである。 実用に際しては上記傾き角θは、レーザ光の波
長、活性層の厚さ、各半導体層の屈折率により異
なり、適宜目的に応じ設計される。普通、上述の
様に通常のレーザ使用領域で、少くとも0.110゜以
上、多くとも26.53゜を越えない範囲で用いられ
る。好ましくは5゜以下、より好ましくは2゜以下で
ある。これは、前述したように、実用的な活性層
の厚さを0.03〜0.20μｍとしたときに、0.03μｍの
場合は傾斜角を0.110〜23.20゜の範囲で使用でき
る。また、活性層厚さが0.20μｍの場合は傾斜角
を0.285〜26.53の範囲で使用できる。活性層の厚
さが上記0.03と0.20の中間の値でも全く同様であ
る。従つて、傾斜角は0.110〜26.53゜で使用でき良
好なレーザ光が得られる。これを表で表わす。第
１表は赤外レーザの例で、発振波長λ＝0.83μｍ、
クラツド層のAlAsモル比Ｘ＝0.37、活性層の屈
折率n_a＝3.6673、クラツド層の屈折率n_e＝3.3698、
臨界角Q_C＝sin^-1（n_e／n_a）＝66.76゜としたときの例で ある。

【表】 第２表は可視レーザの例で、λ＝0.78μｍ、モ
ル比Ｘ＝0.55、n_a＝3.6874、n_e＝3.2870、θ_C＝
63.05としたときの例である。

【表】 上述の実施例において、共振レーザ光の光強度
分布（光分布）３０は、第３図ａに示したよう
に、レーザ共振器の中央部では活性層と光分布の
ピークが一致するが、端面３９近くでは活性層部
での光強度は小さくなり、レーザ光が実質上透明
なGaAlAsクラツド層３２および３４に存在する
ようになる。そのため、端面近傍での光の自己吸
収が低減されて高出力光が得られる。 また、上述の実施例において、第３図ｂに示す
ように上記基板３１にストライプ溝を設けておけ
ば、該溝に対応してレーザ光が共振し、横モード
の揃つた高品質のレーザ光が得られるのでなおよ
い。一般に、基板にストライプ状の溝もしくは台
地（一般にメサ部）を有し、該基板上に活性層を
有しているものは、チヤンネル・サブストレー
ト・ブレーナ型レーザ（CSPレーザ）と呼ばれて
いる。この様な、CSPレーザは非点収差の無い良
好な光学特性が得られる。以下、具体的に記述す
る。なお、図面の符号は、第３図ａの場合と同じ
である。 ｎ−GaAs基板３１上に、断面が矩形状のスト
ライプ溝３１１が形成される。上記基板３１の表
面はオフ・アングル角を有する（100）面であつ
て、かつ上記溝３１１は＜110＞方向に伸展して
形成されている。上記溝は、上記基板３１面上に
所定のパターンを有した絶縁膜マスクを介して、
硫酸系又はハロゲン混入のアルコール溶液などで
エツチングされる。結晶面により蝕刻速度が異な
るので、結晶の種類、組成比、あるいはエツチン
グ液等を適宜選択することにより、所望の断面形
状の溝が容易に得られることは云うまでもない。
上記溝の大きさは、溝幅は４〜10μｍ、溝深さは
１〜3μｍである。次いで、上記溝３１１を有し
た基板３１上に、該溝部３１１で厚さが１〜3μ
ｍ、該溝外部で0.1〜1.0μｍの前記クラツド層３
２を液相成長により形成する。上記液相成長法は
普通700〜850℃の高温雰囲気中で、グラフアイト
を使用した所謂スライド治具により形成される。
液相成長の溶液は、例えば、Gaが４ｇ、Alが４
〜10mg、GaAsが200mg、そしてTeが0.1〜0.3mgで
ある。次いで、上記クラツド層３２上に、活性層
３３を上記液相成長法により形成する。溶液は、
例えば、Gaが４ｇ、Alが０〜10mg、GaAsが200
mgのアンドープ（不純物非添加）である。上記活
性層３３はほぼ均一の膜厚で平坦かつ水平に形成
される。次いで、上記活性層３３上に上記クラツ
ド層３４を上記液相成長法により形成する。溶液
は、例えば、Gaが４ｇ、Alが４〜10mg、GaAs
が200mg、そしてZnが10〜30mgである。次いで、
上記クラツド層３４上にキヤツプ層３５を上記液
相成長法により形成する。溶液は、例えば、Sn
が1000mg、Gaが４ｇ、そして、GaAsが200mgで
ある。次いで、上記キヤツプ層３５上に、上記溝
３１１に対応した位置に電極窓を有する酸化膜３
６を形成する。上記酸化膜は通常のCVD法によ
るものでよく、被膜形成後、公知の写真蝕刻技術
により上記窓が形成される。酸化膜に限らず、窒
化膜など他の絶縁膜であつてもよいことは勿論で
ある。上記キヤツプ層３５に上記溝３１１の位置
に対応させてＰ導電型の不純物拡散領域（図示せ
ず）を設けてもよいことは勿論である。次いで、
少く共上記電極窓を覆つて、Cr、Auの２層から
なるＰ導電型電極３７を形成する。次いで、上記
基板３１の裏面にAu−Ge合金からなるｎ導電型
電極３８を形成して半導体レーザが構成される。 第４図は本発明の他の実施例としての半導体レ
ーザの概略断面図である。 基本的には、前述の実施例における第３図ａお
よびｂの場合と同じなので、省略し、相違点を主
に述べる。 第４図においては、基板４１、クラツド層４２
および４４、活性層４３、キヤツプ層４５、絶縁
膜４６、および電極４７および４８は前記実施例
におけるそれぞれの符号に対応する。ここで、溝
４１１は逆台形状のストライプ溝を有している。
波長830nmのGaAlAsレーザで、クラツド層４２
および４４のAlAsモル比Ｘは0.37とし、活性層
４３の厚さが0.04μｍのCSPレーザを通常の液相
エピタキシヤル法で形成して得られる。この成長
に用いた基板４１はSiドープが２×10¹⁸cm^-3で、
（100）面から＜01１＞方向に角度θ＝0.5゜傾けた
ものである。普通このタイプのレーザでは0.3〜
2゜傾けられる。ストライプ電極、即ち、光の進行
方向に垂直方向には２分以内の傾きに抑えられて
いる。今、レーザの共振器長（一般にキヤビテイ
長）をｌとすると、劈開面でのレーザ光の広がり
はｌ（μｍ）×θ（rad）2.5μｍとなるので、ｐ型
及びｎ型クラツド層４２および４４の厚み合計が
これより十分大きいならば、光が基板４１や
GaAsキヤツプ層４５などの非透光性領域に吸収
されることはない。このため、従来CW発振で
30mWが上限であつた光出力を、約２倍の60mV
まで高出力化できた。この場合、レーザの中央部
分では、光分布は活性層４３と十分重なつている
ので、閾値電流は従来と殆んど同じ70mA程度に
抑えることができた。横モードはCPSレーザ構造
により横基本モードに保たれ、非点収差は殆んど
ない。 第５図は本発明のさらに実施例としての半導体
レーザの概略断面図である。第５図は、基本的に
は第４図の場合と同じなので相違点を主述する。
図において、基板５１、クラツド層５２および５
４、活性層５３、キヤツプ層５５、絶縁膜５６、
電極５７および５８、拡散領域５９、およびスト
ライプ溝５１１は、それぞれ前記実施例第４図に
おけるそれぞれの符号に対応する。ここで、活性
層５３は、上記溝５１１に対応する湾曲部分５３
１を有している。この湾曲部分５３１を有したレ
ーザは、溝肩に当る横方向の実効屈折率差が小さ
くなるため、上記湾曲部分で発光したレーザ光は
基本単一モードに揃えられ、かつ高い光出力が得
られる利点がある。 第６図は本発明のさらに他の実施例としての半
導体レーザの概略断面図である。第６図は、基本
的には上記第３図ａの場合と同じなので省略し、
相違点を主に述べる。図において、基板６１、ク
ラツド層６２および６４、活性層６３、キヤツプ
層６５は、それぞれ前記実施例第３図における、
それぞれの領域の符号に対応する。ここで、本実
施例は、上記クラツド層６２および６４と活性層
６３との間に、屈折率のやや高い光導波層６２２
および６４４を設けて、所謂ラージ・オプテイカ
ル・キヤビテイ（Large Optical cavity）化し
たものである。普通、発振波長が0.83μｍの場合
は上記光導波層６２２および６４４の屈折率は
3.3698〜3.6673の範囲が採られ、また、発振波長
が0.78μｍの場合は3.2870〜3.6874の範囲が採られ
る。組成材料としてGa_1-zAl_zAs（0.20≦ｚ≦0.30）
が用いられ、膜厚は約1μｍである。上記AlAsモ
ル比ｚは、活性層モル比をｘ、クラツド層のモル
比をｙすると、 ０＜ｙ＜ｚ＜ｚ なる関係にあることが望ましい。この実施例で
は、図に示した様に、端面でのレーザ光のモード
変換により、前述の実施例では光分布の裾部分に
おける捨てられていた光も、導波されて戻つてく
るようになつて充分活用できるため、閾値は
60mA程度にまで下がり、また、端面での光分布
も、上記導波路６２２および６４４のため安定化
される。 上述の実施例では、所謂ダブルヘテロ型のレー
ザであつたが、シングルヘテロ型のレーザにおい
ても同様に適用できた。また、埋込み型レーザ
（一般にBHレーザ）についても全く同様に適用
できた。勿論、基板材料および半導体層の材料が
GaAlAs、InP、InGaAsPなどの他の半導体材料
についても全く同様に適用できた。 以上詳述した様に、本発明は、活性層を劈開面
に対して所定の傾斜角を持たせたことにより、端
面破損のない高品質のレーザ光を得る点工業的利
益大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ、第２図ａおよびｂは本発明を説
明するための模型図、第３図ａは本発明の一実施
例としての半導体レーザの概略断面図、第３図ｂ
は本発明の他の実施例としての半導体レーザの概
略断面図、第４図、第５図および第６図は本発明
のさらに他の実施例としての半導体レーザの概略
断面図である。 ３１……基板、３２および３４……クラツド
層、３３……活性層、３５……キヤツプ層、３６
……絶縁膜、３７および３８……電極、３９……
鏡面、３１１……溝、４９……Zn拡散領域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の半導体層と、該層を挾んで形成された
   該層より禁制帯幅が広く、且つ、屈折率が小さい
   第２および第３の半導体層と、光共振器とを少な
   くとも有する半導体レーザ装置において、少く共
   上記第１の半導体層は上記光共振器を構成する鏡
   面に垂直な軸に対して傾斜角θを有してなり、こ
   の傾斜角θが θ_Z−θ_C／２≦θ≦π−θ_Z−θ_C／２ 但し、θ_Z＝tan^-1（β／ｈ） β：レーザ光進行方向の伝播定数 ｈ：レーザ光進行方向に垂直な方向の伝播定数 θ_C：臨界角 を満足することを特徴とする半導体レーザ装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記傾斜角
   θは次式 θ≦Ｗ／ｌ 但し、Ｗは光導波路（クラツド層および活性
   層）の厚さの1/2、ｌはキヤビテイ長で表わされ
   てなることを特徴とする半導体レーザ装置。