JPS6362391A - 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】 ｒ産業上の利用分野〕 本発明は、光情報処理用の半導体レーザに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

光情報処理用の半導体レーザの中でも、ビデオディスク
や光デイスク上の読み取り用光源としてｊ重用されるも
のについては、雑音特性、特に戻り光に誘起される雑音
の特性が問題となる。半導体レーザの戻り光誘起雑音を
低減するために、種々の方法が試みられているが、中で
も出力コヒーレンスの低減は特に有効である。

この方法のひとつとして、高周波重畳による半導体レー
ザの低雑音化が大面、茅根、中村９尾島により１９８３
年秋季応用物理学関連連合講演会予稿集１０２頁２６ａ
−ｐ−６°゛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、有効である事が示
されている。

これに対して、自励振動を生じさせ縦モードをマルチ１
ヒ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”　Ｉ　Ｓ　Ｓ　Ｓν−ザ
の雑音特性と自己パルス変調の機構”において提案され
試みられている。

１発明が解決しようとする問題点〕 上記高周波重畳を用いる方法では、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。

一方、自動振動を生じさせる方法ではレーザ構造く層厚
や溝幅など）に対して自励振動の特性がきわめて敏感に
依存するため、安定な自動振動を示すデバイスの収率は
低くなる欠点を有している。

本発明の目的は、上記諸欠点を除去し、安定な自動振動
を生じ、低雑音特性を持つと共に基本横モード発振を維
持する制御性および再現性のすぐれた半導体レーザを提
供する事にある。

し問題点を解決するための手段〕 本発明の半導体レーザは、活性層を該活性層よりもバン
ドギャップの広い材質からなる第１および第２クラッド
層で挟んだダブルヘテロ接合構造を備え、対向する反射
面間に共振器を構成する半導体レーザにおいて、該第２
クラッド層に隣接する第３クラッド層と、該第３クラッ
ド層上に設けられ該第２および第３クラッド層と反対の
導電型の第４クラッド層と、該第４クラッド層に設けら
れた該共振器の長て方向の第１の渦と、該第４クラッド
層上に設けられレーザ発振光を吸収するとともに該第４
クラッド層と同じ導電型の電流ブロック層と、該電流ブ
ロック層に設けられ該共振器の長て方向中央領域では該
第１の溝よりも幅が広く該反射面の近傍では該第１の溝
と同じ幅をもつ第２の溝と、該第１および第２の溝を埋
込んだ第５クラッド層とを含み、該第１クラッド層の屈
折率ｎ１と、該第２クラッド層の屈折率ｎ２と該第３ク
ラッド層の屈折率ｎ３と該第４クラッド層の屈折率ｎ４
および該第５クラッド層の屈折率ｎ５間にｎ＋　　＜ｎ
ｓ　、ｎ２　　＜ｎｓ　、ｎ４　＜ｎｓ　。

ｎ４　〈ｎ５の関係があり、かつ屈折率ｎ１とｎ２とｎ
ｓとｎ４およびｎ５が該活性層の屈折率よりも小さいこ
とを特徴とする。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明について説明する。

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図。

第３図は第１図に示すＡＡ′断面図およびＢＢ’断面図
である。

第１図に示す実施例の製作は、第４図に示すように、ｎ
形ＧａＡｓ基板１０上にｎ形ＡＪ’　０．４５Ｇ！０．
５５＾Ｓ第１クラッド層１１を２．０　μｍ、　ｎ形＾
１！０−１゜Ｇａ（１，３ｑ＋へＳ活性層（ｎ形濃度ｎ
＝１．５Ｘ１０　　ｃｓ）１２を０．０８μｍ　、ｐ形
人１０．４５Ｇａ０．５５＾Ｓ第２クラッド層１３を０
．２μｍ、ｐ形Ａｆｆ　Ｑ、３６ａａＯ１６４＾Ｓ第３
クラッド層１４を０．５μｍ、ｎ形＾ｅ　０−５ｃａＯ
−５＾Ｓ第４クラッド層１５を０．２μｍ、ｎ形Ｇａ人
Ｓブロック層１６を０．１μｍ　Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ法で連
続成長する。ＭＯＣＶＤ法では薄膜成長が可能であり、
かつ精密な膜厚制御性を兼ね備えているので上記の如き
層構造を制御よく成長する事ができる。また、上記の如
く活性層１２のｎ形濃度を１．５　Ｘ　１０　”ｃｍ−
３にしておくと、キャリアの拡散長を１ノ１ｍ以下にす
る事ができる。この濃度の時、発光効率も最も高くなる
事が明らかになった。

次に、フォトレジスト法を行ない共振器の長て方向全長
にわたって幅２μｍのストライプ状の窓をフォトレジス
ト膜１８（第５図）にあけ、このフォトレジスト膜１８
をマスクにしてＧａＡｓ層１６１．’＋ｌ　ｎ、ｓ；Ｇ
ａ、）、５Ａｓ第４クラッド層１５をエツチングしてス
トライブ状の第１の満１７（第５図参照）を形成する。

さ′らにフォトレジスト法をおこない、第１の満１７と
中心線を一致させ、幅４μｍのストライプ状の窓を両反
射面からそれぞれ３０μｍずつを残してフォトレジスト
膜１８にあけ、この７オトレジスト膜］８をマスクにし
てＧａＡｓ層１６のみを選択的にエツチングする。この
選択エツチングにはアンモニア水と１１２０２との混合
液が最適であり、この液はＧａＡｓ層１６のみエツチン
グし、その下の＾ｅ　ｎ−’１ＧａＬ１．５＾Ｓ第４ク
ラッド層１５および第１の溝１７の表面にあたるｐ形Ａ
Ｎ。

、３６Ｇａｎ、６４＾Ｓ第３クラッド層１４は共にエツ
チングされない、こうして第１の満１７の上に重ねて、
共振器の長て方向の中央領域では第１の溝１７より幅が
広く、両反射面近傍では第１の溝１７とほぼ同じ幅の第
２の溝１９が形成される（第５図）。

次に、フォＩ・レジスト膜１８を除去した後、ｐ形＾！
！　０−４Ｇａ０．６＾Ｓ第５クラッド層２０を２．０
μｍ、ｐ形ＧａＡｓキャップ層２１を１．０メ１ｍ連続
成長する。この成長において従来から行なわれている液
相成長法においては、＾ｅＸＧａｌ−ｘＡｓ層である＾
ｊ’　０．３６Ｇａ０．６４＾Ｓ第３クラッド層１４、
ｋｅｎ−。

Ｇａｏ、５Ａｓ第４クラッド層１５の上にはいかなる液
相層も成長しないが、ＭＯＣＶＤ法では容易に成長させ
る事ができる。特に、このＭＯＣＶＤ法において第５ク
ラッド層２０を成長する直前にＨＣｌ等のガスで成長す
る面の表面を微量にガスエツチングすると成長素子の再
現性、信頼性を一般に向上させる事ができる。

この後、成長表面側にｐ形オーミックコンタクト２２、
基板側にｎ形オーミックコンタクト２３をつけると本実
施例の半導体レーザを得る（第１図、第２図、第３図〉
。屈折率は、＾１　ｘＧａｌ−）（Ａｓでは＾ｅモル比
Ｘによって決まる。本実施例では、発振波長＾＝　０．
７８μｍであるので活性層１２の屈折率ｎ、は３．６４
となる。第１クラッド層１１の屈折率ｎ１と第２クラッ
ド層１３の屈折率ｎ２とは３，３Ａｌ　、第３クラッド
層１４の屈折率ｎ３は３．４２６　、第４クラッド層１
５の屈折率ｎ４は３．３６゜第５クラッド層２０の屈折
率ｎ５は３．４０５となる。

よって屈折率ｎｌ　、ｎ’２．ｎ３．ｎ４．ｎ５はすべ
て活性層の屈折率ｎ８より小さい。またｎｌ＜ｎｓ　　
　、　　　ｎ２　　　＜ｎ　　３　　、　　　ｎ４　　
　＜ｎｓ　　　、　　　ｎ４　　　＜ｎｑであり、本発
明の条件を満たしている。

本実施例において、全面電極から注入された電流はキャ
ップ層２１．第５クラッド層２０と全面にわたって流れ
るが、第５クラッド層２０に隣接して電気的極性の異な
るｎ形ＧａＡｓブロック層１６、さらにこのブロック層
１６に隣接してｎ形＾ｅ　０．５ＧａＯ−５＾Ｓ第４ク
ラッド層１５があるので、電流はブロック層１６で阻止
され、最終的にはブロック層１６と第４クラッド層１５
とにあけたストライブ状の満１９と溝１７からｐ形第３
クラッド層１４に流れこむ。さらに第２クラッド層１３
を通って活性層１２に注入される。

活性層１２に注入されたキャリアは、活性層１２の水平
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。特に、活性層１２より上部の第３クラッド層１
４と第２クラッド層１３との抵抗を比較的高くすると電
流の構法がりも少なく活性層１２のストライプ状の溝直
下の部分に電流が集中しやすくなり、低閾値で発振可能
になる。この時、上記した様に活性層１２内にキャリア
拡散長が短かいため、利得分布は主に第４クラッド層１
５にあけたストライブ状の窓下の活性層１２の部分に形
成され、またその形状は急峻になり、その結果ストライ
ブ状の窓の下の部分のみ利得が高くなりその外部は損失
領域になる。

一方、光は活性層１２からしみ出し垂直方向に大きく広
がる。この時、第２クラッド層１３の層厚は薄くさらに
この層１３に隣接してこの層の屈折率ｎ２よりも大きい
ｎ３の屈折率を持つ第３クラッド層１４があるので光は
第３クラッド層へ大きく広がる。本実施例の如く、第１
クラッド層１２の屈折率ｎ１が第３クラッド層１４の屈
折率ｎ３より小さい事により第３クラッド層１４への光
のしみ出しが助長される。第２クラッド層１３の層厚ｄ
２は薄い程望ましいが、数百Å以下と薄くするとキャリ
アが第２クラッド層１３をとおって活性層１２からもれ
、閾値電流を上昇させ、その上温度上昇率ΔＴ゛に対す
る閾値電流１ｔｂ（ΔＴ）が小さくなり、高温動作がで
きなくなるので望ましくない。

すなわち第２クラッド層１３の層厚ｄ２は活性層１２の
電子がトンネル効果により第２クラッド層１３を通って
第３クラッド層１４にもれ出るのを防ぐ、厚さｄ。０１
００人）より厚くする必要がある。一方、屈折率ガイデ
ィング機構をつけるには後述するように光を第２クラッ
ド層１２からこれに隣接する第３クラッド層１４を通し
て満１７の部分までしみ出させる必要がある。このため
には第２クラッド層１３の層厚ｄ２を薄くし、屈折率が
第２クラッド層１３より大きい第３クラッド層１４の層
厚ｄ３を厚くする必要がある。

層厚ｄ３がｄ２より厚い程第３クラッド１１４にしみ出
す光の量が増加し、より有効に屈折率ガイディング機構
をくくりつける事ができる。以上のことから第２クラッ
ド層１３の層厚ｄ２はｄ。

＜ｄ２　　＜ｄ３となる必要がある。従って層厚ｄ２は
本実施例の如く０．１〜０．２μｍ程度が最適である。

またこのとき、第２クラッド層１３の層厚ｄ２に対して
屈折率の大きい第３クラッド層１４の層厚ｄ３を変化す
ると第３クラッド層への光のしみ出しも変化し、層厚ｄ
３の調整によりその割合を任意に設定する事ができる。

上記の如く、第３クラッド層１４へしみ出した光は溝１
７の部分では第５クラッド層２０に達し、溝外部では第
４クラッド層１５に達する。ここで第５クラッド層２０
の屈折率ｎ５は第４クラッド層１５の屈折率ｎ４より大
きいので溝部に正の屈折率分布が形成される。

本実施例においては、さらに、第４クラッド層１５に隣
接してｎ形Ｇａ人ｓブロック層１６があるがこの層は屈
折率が第４クラッド層より高く、光をひきこむばかりで
なく、レーザ発振光に対してバンドギャップが狭く、〜
１００ＯＯＣ１１−’以上の光の吸収層になっている。

従って光はブロック層１６にひきこまれ、そこで大きな
吸収損失をうける事になる。その結果このブロック層１
６にあけた窓にわたっても正の屈折率差が生じる。

この結果、共振器の長て方向の中央領域では、幅の広い
第２の溝１９にわたって形成された正の屈折率分布に加
えて、その中央部分に幅の狭い第１の溝１７にわたって
正の屈折率分布が形成される。これに対し両反射面近傍
では、第１の満１７と第２の溝１９との幅が等しく、こ
こでは二つの正の屈折率差の相乗効果により強い正の屈
折率ガイド機構が形成される。

本実施例において、その共振器の長て方向中央領域では
、上記した如く、第４クラッド層１５にあけた第１の１
ｌ１１７の幅程度の幅の狭い急峻な利得分布が形成され
るのに対し、光はこれよりも幅の広い第２の溝１９にわ
たって広がり、そこには正の屈折率ガイディング機構が
作りつけられている事になる。

すなわち、本実施例では光の広がりの幅が利得分布の幅
にくらべて広いので、光は利得領域から、その外部の損
失領域まで広がっており、これは等測的には可飽和吸収
体をもっている事になり自動振動を生じやすくなる。本
実施例の構造では、更にキャリア拡散長が屈折率分布の
幅と利得分布幅を決定するキャリア注入領域幅との半分
以下であるとともにレーザ発振時での屈折率が比較的小
さいため自動振動を助長する効果をもつ。

すなわち、まずキャリア拡散長が短かいため、注入キャ
リア密度分布の変動がはげしくなり、これに伴なって基
本横モードの幅が大きく変動し、その収縮と拡大が生じ
、その結果自動振動の大きさが助長される。本発明者の
解析結果によれば本実施例の構造においてキャリア拡散
長１μｍと２μｍとを用いて計算した結果キャリア拡散
長１μｍの自動振動は２μｍの５．５〜６倍になる事が
明らかになった。

さらに、本実施例においては、第２の溝１９の幅は両反
射面近傍では狭くなっている。このため共振器中央領域
において第２の７Ｉ４１つの幅にわたって広がった光の
一部は両反射面近傍で光の吸収を受ける事になる。これ
は共振器の長て方向にも可飽和吸収体をもっている事に
なり、自動振動をさらに助長する事になる。

以上のすべての相乗効果の結果本実施例では、容易に自
励振動が生じ、その結果軸モードが多モード化し、軸モ
ードのコヒーレンスが低減するために反射光に対する雑
音もきわめて低く、低雑音特性が得られる。従って、本
発明のレーザ素子は光読み取りに必要な低雑音レーザに
なる。

また、本実施例では両反射面近傍で大きい屈折率ガイデ
ィング機構をもっているので非点収差は小さくなり、そ
の結果外部光学系との結合効率がよくなり、外部光学系
をコンパクトにする事ができる。

さらに、本実施例は光の書きこみ等の大光出力発振時に
おいても安定な基本横モード発振を維持する事ができる
。すなわち、大光出力発振のために電流を高注入すると
光のスポットサイズが広くなるが、本実施例では共振器
の中央領域において第２の満１９の幅以上にわたって広
がった光はＧａＡｓブロック層１６で吸収されるので、
光はこの溝１９に集光して発振する。しかも第２の満１
９より幅の狭い第１の溝１７が共振器方向に同一幅で続
いており、両反射面近傍では強いガイディング機構をも
っている。その結果、これらの光導波機構により安定な
大光出力発振を維持する事ができる。

〔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下記の効果
を有する。

（１）安定な基本横モード発振を大光出力まで維持でき
る。

〈２）自動振動を生じ、その条件の許容範囲が広いので
低雑音特性を容易に得る事ができる。

（３）非点収差が小さいので外部光学系との結合効率が
よく、外部光学系をコンパクトにする事ができる。

（４）構造が比較的簡単であるので再現性よく高歩留り
につくる事ができる。

なお、上記実施例ではｎ系ＧａＡｓ基板を用いたがｐｎ
を反転させてもよい。また上記実施例は人ＪＩ’ＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ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／ＡｅＩｎＰ
、　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ、　ＩｎＧａＡｓＰ／
］ｎＰ、ＡＩ！ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ５ｂ等数多くの
結晶材料を用いた半導等数−ザに本発明を適用する事が
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図および第３
図はそれぞれ第１図に示すＡＡ′断面図およびＢＢ’断
面図、第４図および第５図はそれぞれ第１図に示す実施
例の製作の過程におけるダブルヘテロ接合結晶を成長し
た時の側面図およびこのダブルヘテロ接合結晶にストラ
イプ状の二つの溝を設けた時の斜視図である。 １０−−−　ｎ形ＧａＡｓ基板、１１−ｎ形＾ｅ　０．
４５Ｇａ。、５５＾Ｓ第１クラッド層、１２−ｎ形＾ｆ
ｆＯ，ｌ５Ｇａ０．８５ＡＳ活性層、１３−１）形＾ｅ
　０１４５Ｇ！０．５５ＡＳ第２クラッド層、１４−ｐ
形Ａｆ　Ｏ，３６Ｇａ０．６４＾Ｓ第３クラッド層、１
５−ｎ形＾ｅ　０．５ｃａＯ−５＾Ｓ第４クラッド層、
１６・・・ｎ形ＧａＡｓブロック層、１７・・・第１の
溝、１８・・・フォトレジスト膜、１９・・・第２の溝
、２０−ｐ形＾ｅ　０−４Ｇａ０．６＾Ｓ第５クラッド
層、２１・・・ｐ形ＧａＡｓキャップ層、２２・・・ρ
形オーミックコント、２３・・・ｎ形オーミックコンタ
クト。 第２図 第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層を該活性層よりもバンドギャップの広い材質から
   なる第１および第２クラッド層で挟んだダブルヘテロ接
   合構造を備え、対向する反射面間に共振器を構成する半
   導体レーザにおいて、該第２クラッド層に隣接する第３
   クラッド層と、該第３クラッド層上に設けられ該第２お
   よび第３クラッド層と反対の導電型の第４クラッド層と
   、該第４クラッド層に設けられた該共振器の長て方向の
   第１の溝と、該第４クラッド層上に設けられレーザ発振
   光を吸収するとともに該第４クラッド層と同じ導電型の
   電流ブロック層と、該電流ブロック層に設けられ該共振
   器の長て方向中央領域では該第１の溝よりも幅が広く該
   反射面の近傍では該第１の溝と同じ幅をもつ第２の溝と
   、該第１および第２の溝を埋込んだ第５クラッド層とを
   含み、該第１クラッド層の屈折率ｎ＿１と、該第２クラ
   ッド層の屈折率ｎ＿２と該第３クラッド層の屈折率ｎ＿
   ３と該第４クラッド層の屈折率ｎ＿４および該第５クラ
   ッド層の屈折率ｎ＿５間にｎ＿１＜ｎ＿３、ｎ＿２＜ｎ
   ＿３、ｎ＿４＜ｎ＿３、ｎ＿４＜ｎ＿５の関係があり、
   かつ屈折率ｎ＿１とｎ＿２とｎ＿３とｎ＿４およびｎ＿
   ５が該活性層の屈折率よりも小さいことを特徴とする半
   導体レーザ。