JPS6399592A - 半導体レーザ装置 - 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】 本発明は安定に大出力を得ることが出来る半導体レーザ
装置に関するものである。

従来、半導体レーザ装置では、屈折率が大きく禁制帯幅
の小さな活性層の両側を屈折率が小さく、禁制帯幅の大
きなりラッド層ではさんだ基本的には３層の薄膜よりな
る積層構造が用いられてきた。

ところで近年活性層と平行な方向のレーザ光分布がレー
ザ発振特性に重要な影響を及ぼすことが明らかにされた
。レーザ光分布を安定化するためには、ストライプ幅を
ある程度細くしなければならないことが明らかとなった
。半導体レーザから取り出し得る最大光出力は、端面破
壊を生じる光束密度によって決まっているので、ストラ
イプ幅を細くすることによって利用できる光出力が減少
することとなった。−力先出力を大きくする方法として
、上記の３層の積層構造の両側にさらに薄膜を設けて５
層構造とし、活性層に垂直な方向のレーザ光分布を拡げ
る　Ｓ　ｅｐａｒａｔｅ　−Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　
−Ｈａｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｒｅ　（Ｓ　ＣＨ）構造が
提案されている。ところが、活性層中に注入されたキャ
リアが十分閉じ込められるためには、少なくとも活性層
に隣接するｐ型層と活性層との禁制帯幅の差をかなり大
きくする必要のあることが明らかにされ、ＳＣＨ構造の
利点は小さくなった。このためＳＣＨ構造の利点を生か
した半導体レーザ装置は一般に発振特性の温度による影
響が大きい。

本発明の目的は上述した各種半導体レーザ装置に代わる
モードが安定化し、光出力の大きな半導体レーザ装置を
提供することにある。

本発明は従来のダブルへテロ構造における活性層とｎ形
りラッド層との間にこの活性層と禁制帯幅の差が少なく
とも０．１５ｅＶ以上を有する光ガイド層を導入するも
のである。この手段によってしきい電流密度の温度特性
を極めて安定に維持すると共に光出力を増大ならしめる
ことが出来る。

′本発明の積層構造の屈折率分布を図示すれば、第１図
の如くである。半導体基体１０上に少なくとも第１のク
ラッド層１．光ガイド層２．活性層３゜第２のクラッド
層４が積層される。第１および第２のクラッド層は一般
に互いに反対導電型を持つ。

また半導体基体１０は複数の半導体層より成ることもあ
る。場合によっては第２のクラッド層上に更に半導体層
を設けることもある。しかし基本構造は上述の通りであ
る。

第１図に図示した如く、活性層３の屈折率ｎ３とクラッ
ド層１，４の屈折率ｎ１＋ｎ４はｎ　３＞　ｎ　１＋ｎ
４の関係となし従来のダブルへテロ構造と同様の構成と
なす。これに対し光ガイド層２の屈折率ｎ２はｎ３＞ｎ
２＞ｎ□＋ｎ４となる様に構成する。

屈折率のこの関係によってレーザ光は活性層および光ガ
イド層に分布する様になり光出力の増大をはかることが
可能となる。一方、活性層３とこれに隣接するクラッド
層１および光ガイド層２の禁制帯幅Ｅ　ｇ３　＋　Ｅ　
ｇｔ　ｌ　Ｅ　ｇ□の各々の関係をＥ　ｇＳ　ｒ　Ｅ　
ｇｌ　＋Ｅｇ□となすことにより活性層内へのキャリア
閉じ込めを十分となす。この場合光ガイド層２と活性層
３の禁制帯幅の差は少なくとも０．１５ｅＶ以上必要で
ある。この禁制帯幅の差がこれより小さいと特にしきい
電流の温度特性が悪化し実用に供し得ない。

ここで光ガイド層はｎ形のクラッド層側に挿入すること
が肝要である。レーザの発振特性の温度に対する安定性
を確保することができる。ｎ形りラッド層側では正孔の
とじ込めを、ｐ形りラッド層側では電子のとじ込めを行
なっているが、電子の有効質量は正孔のそれに比較して
小さい。従って電子の方が熱的な影響を受けやすく、ｐ
形りラッド層側のエネルギー障壁は大きく取ることによ
って熱的な安定性を確保する必要がある。従って、光ガ
イド層はｎ形りラッド層側に挿入せしめるのが良い。

更に少なくとも活性層に対し、レーザ光の進行方向と直
交する側面により屈折率が小さく且禁制帯幅が大なる半
導体層を設は埋め込み層とするのが好ましい。この構造
は活性層に平行な方向のモードを制御するに有用である
。一般には基体上の上記積層構造を埋め込み層で埋め込
むのが得策である。

次に現在量も広く応用されているＧ　ａ　Ａ　Ｑ　−Ｇ
　ａ　Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ系のダブルへテロ構造の半導体レ
ーザ装置を例にとれば各半導体層は次の如く構成される
。

第２図はＧａＡＱ−ＧａＡｎＡｓ系の半導体レーザ装置
の斜視図である。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０上にｎ　　Ｇ
ａｚ−ｘＡＱｘＡｓ（０，２くｘ＜０．６）層１゜ｎ−
Ｇａｌ−２ＡｎｚＡｓ（０，１くｚく０．５）層２゜ｎ
　　Ｇ　ａ　１−　ｗ　Ａ　Ｑ　ｗ　Ａ　ｓ　（Ｏ＜ω
＜０　、３　）層３゜ｐ　　Ｇａ１−ｙＡＱｖＡ８（０
，２くｖ＜０．６）層４が形成されている。半導体層６
は埋め込み層Ｇ　ａｌ−ｕＡ　ＱｕＡ　ｓ　（０，１り
ｕ　＜　０．６）層である。

なお、１１．１３は電極で一例として、１１はＡｕ＋Ａ
ｕＧｅＮｉ、１３はＣｒ十Ａｕである。

活性層３およびクラッド層１，４は従来のダブルへテロ
構造と同様の構成にすれば良い。各層の厚さは一般に活
性層３は０．０２μｍないし０．２μｍ、クラッド層１
，４は０．３　μｍないし２．５μｍ程度の範囲で選択
する。なお、クラッド層１゜４の厚さは活性層および後
述する光ガイド層の厚さ程特性への影響は大きくない。

活性層３と第１のクラッド層１の屈折率ｎ３およびｎｌ
は実用上その差が０．１８〜０．２２程度に設定される
。

光ガイド層は次の如く設定する。光ガイド層２を設ける
に当って、キャリアが有効に活性層３に閉じ込めるため
に活性層３と光ガイド層２の禁制帯幅の差が０．１５２
ｅＶ以上にすべきことは前述した。この制限から光ガイ
ド層２の屈折率ｎ２の最大値が定められる。従って同時
にＧａ１−２Ａ　ＱｚＡｓの混晶比２の最小値が与えら
れることとなる。前述した（　ｎ　３ｎ、　１　）が０
．１８〜０．２２の実用的な条件において（ｎｚ　　ｎ
ｔ）／（ｎｚ　ｎｔ）〈０，６の関係を誤差範囲内で満
たす必要が生ずることとなる。なお、前記活性層３と光
ガイド層２の禁制帯幅の差は０．２５３ｅＶ以上とする
のがより好ましい。この場合（１’１２　　ｎｉ）／　
（ｎａ　　ｎｔ）＜０．４の関係を誤差範囲内で満たす
こととなる。

次に光ガイド層２を設けたことの効果が認められるため
（ｎ２−ｎｌ）／（ｎｚ−ｎ、）の値を第３図ないし第
６図に示す曲線ａｌ＋　８２＋　８３＋　ａ４より大な
る範囲に設定することが肝要である。各図は光ガイド層
の厚みｄ２を２．０　μｍ、１．０　μｍ。

０．６層μｍ、０．４μｍとした場合である。即ちｎｚ
とｎ２の差を大きく取りすぎると実質的に光ガイド層２
を設けないのと同様の構成となってしまう。

今、前述のＧ　ａ　Ａ、　ｓ　−Ｇ　ａ　Ａ　Ｑ　Ａ　
ｓ系の半導体レーザ装置の例でこの関係を示すと第１表
の通りである。活性層３の厚さｄ３、光ガイド層２の厚
さｄ２をパラメータとし、光ガイド層を設けたことの効
果を生ぜしめるに必要な（ｎｚ−ｎ２）／（ｎｚ　ｎｉ
）の最小値およびこれに対応するｘ２の最大値を示す。

第　　　１　　　表 なお、欄中、上位はｘ２の最大値、括弧内は（ｎ２−ｎ
、）／（ｎｚ−ｎｚ）の最小値を示す。またｘ４＝０．
３２．ｘ３＝０．０５とした。

光ガイド層は前述の（ｎ２　ｎｌ）／（ｎｚ　ｎ□）く
０．６の条件と共に第３図ないし第６図に斜線で示した
領域に設定することが必要となる。なお、活性層が０．
０２μｍ以下のものは製造が実際上困難となる。

また第３図ないし第６図に格子状に斜線を施こした範囲
に光ガイド層を設けることがより好ましし）＋ なお、光ガイド層の図示した以外の厚さのものに対して
は第３図ないし第６図より内挿し求められる範囲に各条
件を設定して十分である。

更に前記４層の半導体層を所望のストライプ幅とし、レ
ーザ光の進行方向と直交する側面を別な組成の半導体層
６で埋め込むことはモード安定化に対し極めて好ましい
ものである。即ち、従来の活性層をクラッド層で挾んだ
３層の積層のダブルへテロ構造では、仮に埋め込み構造
としても、活性層の厚みにより、レーザ・モードを受け
る有効屈折率が大きく変化するので、モードが安定に存
在するためには、埋は込み層の屈折率がかなり低くなる
必要があった。このため安定な基本モード発振を生ずる
ためにはストライプ幅を〜１μｍ以下にしなければなら
ず、当然のことながら取り出し得る光出力は最大１０ｍ
Ｗ程度にとどまった。

しかしながら、本発明の半導体レーザ装置では、活性層
に比較し厚さが大きい光ガイド層を設けているため、レ
ーザ・モードの受ける実効屈折率は光ガイド層のそれに
近くなる。活性層の厚さが光ガイド層のそれに比較し小
さいため、前記実効屈折率への活性層厚みの影響は極め
て小さいものとなる。なお、実効屈折率はマスクウェル
の方程式を用いた導波路のモデルを用いて算定される。

一般的な方法は ｒ　Ｉ　ｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　０ｐｔｉｃａ
ｌ　Ｆ　１ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＪＡ　ｍｎｏｎ　Ｙ　
ａｒｉｖ著＋　Ｈｏ１Ｌ　Ｒｉｎｅｈａｎｔ、　Ｗｉｎ
ｓｔｏｎＩｎｃ＋発行（１９７１）等に紹介されている
。

このことから埋め込み層の屈折率を光ガイド層の屈折率
の近くで制御することによもで、基本モード発振するス
トライプ幅を大きくすることが出来る。−例として４〜
５μｍにまで拡げることができる。さらに光ガイド層に
よって発振し得る垂直方向の高次モードを、埋め込み層
の屈折率を選択することによって、発振しないようにで
き、垂直方向にも基本モード発振が安定性良く得られる
。

なお、埋め込み層を用いない場合、縦方向の基本モード
での発振は困難なものとなる。モードを特に問題としな
ければ更に広いストライプ幅、例えば２０μｍ程度も当
然とり得る。

また、結晶成長用基板に積層半導体層の各半導体層を連
結液相成長することが可能であり、極めて製造方法が容
易である。このことは一般的な特性の安定をもたらすも
のである。

実施例１ 第２図を用いて説明する。

ｎ型ＧａＡｓ基板１０の上部に ｎ型−Ｇ　ａｌ、、ＸＡ　ＱｘＡ　ｓ　（０，２＜　ｘ
　Ｏ，６）層１（Ｓｎドープ、キャリア濃度５　ｘ　１
０１７ｃｍ＝）、ｎ型−Ｇａｚ−ｙＡＱｙＡｓ（０，１
＜ｙｏ、５）層２（Ｓｎドープ、キャリア濃度５　Ｘ　
１０１７Ｃｍ−３）、Ｇａ、、ＡＱ、Ａｓ（Ｏくｃ、＋
０．２）層３（アンドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０
１７ｃｍ−３）、ｐ型−Ｇａ１−ｖＡｌｖＡｓ（０，２
＜ｖｏ、６）層４（Ｇｅドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　
１０’８ｃｍ−３）、を周知の液相成長法にて連続的に
成長する。前述した各層の屈折率の関係を満たすため、
ｘ　＞　ｙ　＋Ｖ〉ω＊　ｖ　＞　ｙの関係に選択され
る。

試作した半導体レーザ装置の具体的構成を第２表に示す
。

一般的に半導体層１はｘ＝０．２〜０．４、厚さ１　、
０〜２　、　Ｏｔｔ　ｍ　、半導体層２はｙ＝０．１−
０．３、厚さ０．４−２．０μｍ、半導体層３（活性層
）はω＝０〜０．１５、厚さ０．０２〜０．２μｍ、半
導体層４はｖ＝０．２〜０．４、厚さ１．０〜２．５μ
ｍ程度の範囲で上述の屈折率の条件を満たしている。

次いで半導体層４の表面にストライプ幅３μｍのストラ
イプ状マスクを形成する。マスク形成はまずＰＳＧ膜を
結晶表面につけ、周知のフォト・レジストを用いた食刻
法によりストライプ以外の部分を除去する。エツチング
液、 （ＮＨ４０Ｈ＋Ｈ２Ｏ２＋Ｈ２０液合液）によって半導
体基板１０の面が露出する迄エツチングする。

本構造の半導体レーザ装置ではストライプ幅は通常１．
０μｍ〜５８０μｍの範囲に設定される。次いでメサ状
のストライプ部分以外の上に周知の液相成長法によりＧ
ａ１４ＡＱｕＡｓ層を成長させる。

ここで、ストライブ部分に光分布を閉じ込めるためにＵ
〉ωとする。

その後Ｓｉｎｌ膜１２をＣＶＤ法によって厚さ３０００
人に形成する。通常のフォトレジストを用いたフォトリ
ソグラフ技術によって、上記半導体層の積層構造の上部
に対応する領域を幅３μｍのストライプ状に選択的に除
去する。その後ｐ側電極１３としてＣｒ＋Ａｕ、ｎ側電
極１１としてＡｕ＋ＡｕＧｅＮｉを蒸着で形成する。半
導体レーザ装置の相対する端面７，８をへき開によ相互
に平行な共振反射面を形成する。

この装置を室温において連続動作させたときの注入電流
（ｍＡ）対レーザ出力（ｍＷ）の特性図例を示せば第８
図のごとくである。曲線Ａは第１表に示す例の装置の特
性である。曲線Ｂは本発明の如き光ガイド層４を設けな
い従来型の埋め込みダブルへテロ構造の半導体レーザ装
置の特性である。曲線の端部に矢印で示したのは半導体
レーザ装置の破壊を示すものである。この比較例にみら
れる如く本発明は約５倍の光出力を可能とする。

なお、半導体層の構成は第２表の試料番号Ｎα５である
。比較例はこの構成で光ガイド層を除去したものである
。

また第９図は活性層３と光ガイド層２の禁制帯幅の差、
即ちＥ８３　　ＥＨ□によって温度特性がどの様に変化
するかを示した図である。縦軸は２０℃および７０℃に
おけるしきい電流値の比を示したものである。この図よ
りＥｌ！３　　Ｅｇ２が０．１５ｅＶ以上にすることに
よって温度特性は極めて安定したものとなる。更に好ま
しくは０．２ｅＶ以上ということが出来る。この温度特
性の安定化は実用上極めて重要な技術である。

以上の説明ではＧ　ａ　Ａ　ｓ　−Ｇ　ａ　Ａ　Ｑ　Ａ
　ｓ系の半導体レーザ装置について説明したが、本発明
は原理説明で明らかな様に材料に限定されるものでなＵ
）。

この他に、ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＰ　−
Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ系、ＧａＡｌ５ｂ−ＧａＡｌ５
ｂＡｓ系などに適用できることはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体レーザ装置の光とじ込めのため
の構造およびその屈折率分布を示す説明図、第２図は本
発明の半導体レーザ装置の実施例を示す斜視図、第３図
から第６図までは光ガイド層を設ける際に設定すべき屈
折率の相互関係（ｎ２−ｎｌ）／（ｎ３−ｎｌ）と活性
層の厚みの関係を示す図、第７図は本発明の半導体レー
ザ装置の電流対先出力の関係を示す図、第８図はバンド
ギャップ差Ｅｇ３　　Ｅｇ□としきい電流値の温度依存
性の関係を示す図である。 図中の符号： １：クラッド層、２：光ガイド層、３：活性層、４：ク
ラッド層、６：埋め込み層、１０：基板。 １１．１３：電極、１２：絶縁層、７，８：結晶端面。 半　１　糧 竿ｚ１２］

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板と、この半導体基板上に少くとも第１の
   クラッド層と、光ガイド層と、活性層と、第２のクラッ
   ド層とが順次積層された半導体積層領域と、この半導体
   積層領域のレーザ光の進行方向と平行な側面を埋め込ん
   で形成された埋込層とを有し、上記第１のクラッド層は
   Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．６）
   により、上記光ガイド層はＧａ＿１＿−＿ｚＡｌ＿ｚＡ
   ｓ（０．１≦ｚ≦０．５）により、上記活性層はＧａ＿
   １＿−＿ｗＡｌ＿ｗＡｓ（０≦ｗ≦０．３）により、上
   記第２のクラッド層はＧａ＿１＿−＿ｖＡｌ＿ｖＡｓ（
   ０．２≦ｖ≦０．６）により、および上記埋込層はＧａ
   ＿１＿−＿ｕＡｌ＿ｕＡｓ（０．１≦ｕ≦０．６）によ
   り形成され、上記第１のクラッド層、光ガイド層、活性
   層、第２のクラッド層および埋込層の屈折率をそれぞれ
   ｎ＿１、ｎ＿２、ｎ＿３、ｎ＿４およびｎ＿５としたと
   き、 ｎ＿３＞ｎ＿２＞ｎ＿１、ｎ＿４、ｎ＿３＞ｎ＿５（ｎ
   ＿２−ｎ＿１）／（ｎ＿３−ｎ＿１）≦０．６の関係を
   満足することを特徴とする半導体レーザ装置。