JPS6390882A - 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
するものである。

〔従来の技術１ ＾に　ＧａＡｓ／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
振を行なうことができるので、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
要求をみた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＾ｅＧａＡｓ／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（Ｍｅｔａｌｏｒｇ
ａｏｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｉｏｎ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のなっている。

特にディピュス（Ｒ，Ｄ、Ｄｕｐｕｉｓ）　、ダピカス
（Ｐ、Ｄ、口ａｐｋｕｓ）が雑誌［アプライド・フィジ
ックス・レター（＾ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔｅｒ）」、１９７７年３１巻　Ｎ１Ｌ７４６６頁
から４６８頁にｒＭＯｃＶＤ法で成長したＧａ、−ｙ＾
ｅ　ｘＡｓ／ＧａＡｓダブルヘテロ構造レーザの室温発
振（Ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｐｅｒａｔ
ｉｏｎ　ｏｒＧａｌ−ｘ、Ａｊ？　ｘＡｓ／ＧａＡｓ　
ｄｏｕｂｌｅ−ｈｅＬｅｒｏｓＬｒｕｃｔｕｒｅｌａｓ
ｅｒｓ　ｇｒｏｖｒｎ　ｂｙ　ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉ
ｃ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）１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ＡＪＩ’　ＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ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−０，１８μｍのＡ
／　ＧａＡｓ／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４４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ｒＭＯｃＶＤ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う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ＭＯＣＶＤ半導体レーザがミハシ（
Ｙ、Ｍｉｈａｓｈｉ）、ナガイ（Ｙ。

Ｎａｇａｉ）、マツバラ（）１．Ｍａｔｓｕｂａｒａ）
、イケダ（ｋ。

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（Ｅｘｔ
ｅｎｄｅｄ　　Ａｌ＋５ｔｒａｃＬｓ　　ｏｒ　　７ｔ
ｈ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏｎＳｏｌｉｄ　　５
ｔａｔｅ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ　　ａｎｄ　　Ｍａｔｅｒ
ｉａｌｓ）４　１９８５年６３頁〜６６頁にｒ　Ｍ　□
　−ＣＶ　Ｄによって成長した新しいセルフ　アライン
　レーザ（Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｓｅｌ「−Ａｌｉｇｎｅｄ
　Ｌａ５ｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｓｍａｌｌ　Ａｓｔｉｇａｔ
ｉｓｍ　Ｇｒｏｗｎｂｙ　　ＭＯ−ＣＶＤ）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（Ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ
　１ａｓｅｒ　ｗｉｔｈ　ｂｅｎｔ　ａｃｔｉｖｅｌａ
ｙｅｒ＞）と名づけでいる。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１０
２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１
０２まで達するようにあけ、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および
キャップ層１０７を連続して成長した構造を有しており
、活性層１０５は溝に沿って成長し溝部でへこんでおれ
ま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Ｓ　Ｂ　Ａ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Δη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２．５メｌｔｎ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１２ｍＷ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の成
長で製作でき、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〕

前述の問題点を解決するために本発明が提供する半導体
レーザは、共振器の長手方向中央部分にストライプ状の
凸部領域を形成し、その共振器長手方向の延長１両反射
面近傍に凹部領域を形成した半導体基板上に、活性層を
この活性層よりもバンドギャップの広い材質からなる第
１と第２とのクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合構造
を設け、第２のクラッド層に隣接して第１と第２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設
け、このガイド層に隣接してガイド層よりも屈折率の小
さい第３のクラッド層を設け、この第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とし、各成長層が凸部
領域の凸部と凹部領域の凹部とに沿って一様な層厚で成
長されており、共振器の長手方向中央部分の凸部領域の
活性層が共振器の長手方向において第２のクラッド層を
介して両反射面近傍の凹部領域のガイド層に隣接してお
り、キャップ層のうちで凸部領域の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。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図、第３図お
よび第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、第５図に示
すように、（１００）面を平面とするｎ形ＧａＡｓ基板
１０の共振器長手方向両反射面近傍〔０１Ｔ〕方向にフ
ォＩ・レジスト法により幅５μｍ長さ３０μｍのストラ
イプ状の窓をフォＩ・レジス１−膜にあけ深さ０．５μ
ｍエツチングする。このフォトレジスト により上記ストライプ状のエツチングした溝の中心線を
通る共振器長手方向中央部分に幅３μｍ長さ２５０μｍ
のストライプ状領域を除いた外部のフォＩ・レジスＩ〜
膜１１を除去し深さ０，５μｍエッチ〉′グする。この
結果、共振器中央部分がストライプ状の凸部領域１２に
なり、両反射面近傍にストライプ状の凹部領域１３が形
成される。このときエツチング面は〔０了１〕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Ａｆｆ
（、，５Ｇａ（、，５＾Ｓ第１クラッド層１４を１．０
μｍ、アンドープ＾（！　０．ｌ５Ｇａ０．８５ＡＳ活
性層１５を０．０７μｍ、ｐ形＾（！　０．４５ＧａＯ
−５５＾Ｓ第２クラッド層１６を０．１　μｍ、ｐ形＾
１！　０．３５ＧａＯ−６５ＡＳガイド層１７を１．０
　μｍ、ｐ形＾１　ｏ、５Ｇａｏ、５Ａｓ第３クラッド
層１８を１．５　μｍ、　ｎ形ＧａＡｓキャップ層１９
を１．０μｍＭＯｃＶＤ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窓して基板
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ことは不可能である。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ことで任意の組成の層
を任意の多層に容易に成長させることができるので本発
明の構造の成長を制御よく容易に行うことができる。Ｍ
ＯＣＶＤ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一様な
厚さで成長する。従って、本発明の構造のように凸部領
域１２と凹部領域１３とに多層成長させても、それぞれ
凸部と四部との形状に沿って一様な層厚の層が成長して
いく。

次に、ｎ形ＧａＡｓキャップ層１９の成長表面上に５ｉ
０２膜２０を形成した後、フォトレジスト法で基板の凸
部領域１２上にくるようにして５ｉ０２膜２０に幅４μ
ｍ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］８内にくるように拡散する（拡散領域２１
）。このとき拡散領域は凸部領域１２上に成長した活性
層に対して幅および長さが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１つ側にｐ形オーミックコンタクト２
２を形成し、基板１０側にｎ形オーミックコンタクＩ・
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）。

次に、本発明の半導体レーザの動作および作用について
説明する。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１つおよび第３クラッド層１８の亜鉛拡
散領域２１を通って第３クラッド層１８に流れこみ、ガ
イドＮ１７、第２クラッド層１６を通って活性層１５に
注入される。

活性層１５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。

このとき活性層１５に隣接するガイド層１７の抵抗を比
較的高くすると、両度射面近傍まで広がる電流は少なく
なる。特に本発明の構造では、共振器の中央部分の凸部
領域の活性層１５は共振器の長手方向において両度射面
近傍の凹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に接しているので凸部領域の
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
振器の長手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かできる。

本発明の構造では活性層１５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・ンド層１６につづ
いてガイド層１７にはさみこまれている。従って、活性
層１５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Ｉ
Ｒ横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束−次横モード
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１６は層厚が薄いので光はガイド層１７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分比較的
小さく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
とき第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１７があるのでガイド層へと大きく広がる。本発
明の構造では共振器の長手方向において活性Ｎ１５は両
度射面近傍では第２クラット層１６を介して凹部領域の
ガイド層１７と隣接しており、またガイド層１７は共振
器全長にわたってつながっている。前述したように光は
、活性層水平横方向では凸部領域のストライブ幅全体に
広がっており、垂直方向では活性層からガイド層１７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を通過して凹部領１或１３のガイド層１７内へ進行
していく。このとき光の一部は凹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
のでレーザ発振光に対して１５０ｃｍ−’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ように光の大部分は共振器の中央
部分凸部領域１２の活性層から凹部領域１３のガイド層
１７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、凹部領域１３のガイド層１７は垂直方向では
第３クラッド層１８と第２クラッド層１６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・ン
ド層１６で挟みこまれておりス■・ライブ状の先導波路
を形成している。而って、光は広がることなくストライ
ブ状の先導波路を形成する凹部領域］３のガイド層１７
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１５７ｍｅＶ以上広がっているので、ガイド層
内を進行する光は吸収損失を受けない。こうして両度射
面近傍の凹部領域１３においてストライブ状の光導波路
をなずガイド層１７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凹部領域１３のガイド層１
７内を損失をうけることなく戻り、凸部領域１２の活性
Ｍ２Ｓ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。特に本実施例のように凹
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
活性領域となる凸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入ることがで
きる。

本実施例の構造では、両度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＜Ｃ０Ｄ）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
では両度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１５７ｍｅＶ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上　Ｌ１５
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ヶをθ／、　＝　１２〜１５度にするこ
とができる。更に両度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ｐｎ
を反転させてもよい。また、本実施例は＾１ＧａＡｓ／
ＧａＡｓダブルヘテロ接合結晶材料について説明したが
、その池の結晶材料例えばＴｎＧａＰ／＾ｅＩｎＰ、Ｉ
ｎＧａ＾ｓｌ’／ｌｎＰ、ＴｎＧａＡｓＰ７’１ｎＧａ
Ｐ、入１２　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てきスボッＩ・
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、両度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、以丁の効果を有す
る。

（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−Ｉ−昇するので光学系をコンパクトにする
ことができる。

（ニ）−回の成長で製作できる。

等である。

【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。 第３図および第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形ＧａＡｓ基板、１１・・・フォトレジス
ト膜、１２・・・凸部領域、１３・・・凹部領域、１４
・・・ｎ形人ｆ　０．５ＧａＯ１５＾Ｓ第１クラッド層
、１５・・・アンドープＡｔ？　０．１５ｃａＯ−８５
ＡＳ活性層、１．６−ｐ形人ｅ　０−４５Ｇａｏ、５５
ＡＳ第２クラッド層、１７　・−ｐ形人ｊ’　０．３５
ｃａｒｔ、６５人Ｓガイド層、１８　＝−ｐ形入ｅ　ｎ
−５ｃａｎ、５＾Ｓ第３クラッド層、１９−ｎ形ＧａＡ
ｓキャップ層、２０・・・５ｉ０２膜、２１・・・亜鉛
拡散領域、２２第　５　区 第　乙　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器の長手方向中央部分にストライプ状の凸部領域を
   形成し、その共振器長手方向の両反射面近傍に凹部領域
   を形成した半導体基板上に、活性層をこの活性層よりも
   バンドギャップの広い材質からなる第１と第２とのクラ
   ッド層で挟んだダブルヘテロ接合構造を設け、前記第２
   のクラッド層に隣接して前記第１と第２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設け、この
   ガイド層に隣接してガイド層よりも屈折率の小さい第３
   のクラッド層を設け、この第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とし、各成長層が前記凸部領域
   の凸部と前記凹部領域の凹部とに沿って一様な層厚で成
   長されており、共振器の長手方向中央部分の前記凸部領
   域の活性層が共振器の長手方向において前記第２のクラ
   ッド層を介して両反射面近傍の前記凹部領域のガイド層
   に隣接しており、前記キャップ層のうちで前記凸部領域
   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。