JPH01175281A - 半導体レーザアレイ装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体レーザアレイ装置に関し、特に、高出力
までＯ°位相モードのみで発振する半導体レーザアレイ
装置に関する。

（従来の技術） 光ディスク、レーザプリンタ、光計測システム等の光源
として半導体レーザ装置が広く用いられているが、これ
らのシステムのより多様化した要求に応するために、半
導体レーザ装置の高出力化が切望されている。しかし、
従来の半導体レーザ装置は単一活性導波路構造であり、
窓効果や端面反射制御等を応用しても、その出力は実用
上は６０〜７０ｍＷ程度が限度である。

そこで、より高い出力の半導体レーザ装置を得ようとし
て、複数の活性導波路を有する半導体レーザアレイ装置
の研究開発が盛んに行われている。

半導体レーザアレイ装置は、全ての導波路に於ける光電
異位相が同期したスーパーモード（０°位相モード）を
選択的に発振させることにより、細い１本のビームで高
出力光を放出できる可能性があり、高出力の半導体レー
ザ装置として期待されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、提案されている従来の半導体レーザアレイ装置
に於いては、上述のような全ての導波路での光位相の完
全な一致は実現されていないのが実状である。具体的に
は、従来の半導体レーザアレイ装置では次のような現象
のいずれかが観測される。

（１）隣接する導波路間での光位相が１８０°のずれを
もったスーパーモード（１８０゛位相モード）で発振し
、出力光がある開き角をもった２本のビームの形で放射
される。

（２）０°位相モードまたは１８０゛位相モード以外の
スーパーモードで発振し、出力光は複数のビームとなっ
て放射される。

（３）２つ以上のスーパーモードが非干渉の状態で重な
り合い、出力光のビームが太くなる。

半導体レーザアレイ装置を、光ディスク、レーザプリン
タ等の光源として用いるには、単一のスーパーモードで
発振し、且つ出射光が細い１本のビームであることが必
要であるので、それらの現象は何れも半導体レーザアレ
イ装置を使用する立場からは不都合なものである。

以下に、そのような現象が観測される従来の半導体レー
ザアレイ装置の例をより詳細に説明する。

第８図に従来の半導体レーザアレイ装置の１例の断面図
を示す。このレーザアレイ装置は次のようにして作製さ
れる。

先ず、ｐ−ＧａＡｓ基板８０１の（００１）面上に、０
．７．ｃｚｍ厚のｎ”−Ａｌｇ、　＋Ｇａ、、、ｇＡｓ
電流狭窄層８０２及び１１μｍ厚のｎ−ＧａＡｓ表面保
護層８０３を、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、有
機金属気相エピタキシャル（ＭＯＣＶＤ）法、液相エピ
タキシャル（ＬＰＥ）法等により成長させる。

次に、第８図に示すように、これらの電流狭窄層８０２
及び表面保護層８０３を貫通して、ｐ−ＧａＡｓ基板８
０１に達する３本の互いに平行な溝８０８をエツチング
により形成する。これらの講８０８の幅は４μｍ、深さ
は約１μｍであり、中心間ピッチは５μｍである。講８
０８の方向は、レーザ共振器端面である（１１０）面に
垂直である。

その後、ｎ−ＧａＡｓ表面保護層８０３及び溝８０８の
上に、ｐ−Ａｌ５３３０ａｓ、ｅ７ＡＳクラッド層８０
４を、表面保護層８０３上方の部分で厚さ０．２μｍと
なるようにＬＰＥ法により成長させる。クラッド層８０
４の上に、ｐ−又はｎ−＾ＩＩ、、１１７Ｇ＆１！、９
９ＡＳ活性層８０５（厚さ、０．０８μｍ）、ｎ−Ａｌ
［１，３３Ｇａ９１ＴＡＳクラッド層８０６（厚さ、０
．８μｍ）及びｎ”−ＧａＡｓコンタクト層８０７（厚
さ、１．５μｍ）を順次成長させる。渭８０８は、ｐ−
クラッドｌ　８０４により完全に埋められるため、層８
０４．８０５．８０６及び８０７の各々の界面は平坦に
形成される。このウェハの両面に抵抗性電極を形成し、
合金化処理を行った後、（１１０）面で臂開して、複数
平行損失導波路構造の半導体レーザアレイ装置を得る。

このようにして作製された半導体レーザアレイ装置の光
電界分布及び遠視野像を第１０図及び第１１図に示す。

これらの図から、このレーザアレイ装置では、隣接する
活性導波路間での光の位相差が１８０°であることが判
る。この例示の装置のような複数平行損失導波路構造で
は１８０゛位相モードが選択的に発振するのは、各活性
導波路間の光結合領域で光吸収が存在するため、１８０
゛位相モードの閾値ゲインが最低になるからである。こ
れは理論計算からも理解される。３工レメント平行損失
導波路構造のレーザアレイ装置に於ける３つのスーパー
モードの閾値ゲインの横方向屈折率依存性を、導波路解
析より求めた結果を第１２図に示す。

このように、１８０゛位相モードを選択的に且つ安定し
て発振させることは理論的にも実験的にも可能であるこ
とが理解されるであろう。しかし、１８０゛位相モード
は、半導体レーザアレイ装置の応用の面からは、前述の
ように大きな障害となる。

上述の半導体レーザアレイ装置の欠点を改良するために
、結合領域での損失を無くした実屈折率導波路構造の半
導体レーザアレイ装置が提案されている。第１３図に実
屈折率導波２８構造の半導体レーザアレイ装置の一例を
示す。このレーザアレイ装置は、次のようにして作製さ
れる。先ず、ｐ−ＧａＡｓ基板１３１の（００１）面上
に、ｐ−Ａ　ｌ　ｘＧａｌ　−、Ａｓクラッド層１３２
（厚さ、０．８μｍ）、ｎ又はｐ　−Ａ　ｌ　ｙ　Ｇ　
ａ　＋　−ｙ　Ａ　ｓ活性層１３３（厚さ、０．１μｍ
＞、ｎ−Ａｌ、Ｇａ、−ｙＡｓクラッド層１３４（厚さ
、０．８μｍ）、ｎ　”−ＧａＡｓコンタクト層１３５
（厚さ、０、１　μｍ）を、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、
又はＬＰＥ法により順次成長させる。その後、ウェハの
両面に抵抗性電極を形成し、ホトリソグラフィ技術と反
応性イオンビームエツチング（ＲＩＢＥ）技術とを用い
て、３木の平行なメサストライプ１３６を形成する。メ
サストライブ１３６の幅は３μｍ、中心間距離は４μｍ
であり、方向は基板１３１の［１１０］方向に平行であ
る。メサストライプ１３６の高さは１．５μｍであり、
メサストライプ１３６以外のｎ−クラッド層１３４はそ
の厚さが０．３μｍになるまでエツチングされている。

更に、（１１０）面を新開して、共振器長が約２５０μ
ｍの実屈折率導波路構造の半導体レーザアレイ装置が得
られる。

このレーザアレイ装置の発振横モードを観察すると、複
数のスーパーモードが混在している。この現象は次の理
由によるものと考えられる。

第８図の損失導波路構造のレーザアレイ装置では、結合
領域での光吸収が大きい−ため、１８０°位相モードが
選択される。これに対して、この実屈折率導波路構造の
レーザアレイ装置では、結合領域での光吸収が無いため
、装置の構造が許容する全てのスーパーモードの閾値ゲ
インがほぼ等しくなり、全てのスーパーモードが同時に
発振するのである。

このような複数のスーパーモードが混在して発振するレ
ーザアレイ装置の出力ビームの太さは、回折限界の数倍
になる。これは、前述の（３）の現象であり、実用上の
大きな問題となる。

このように、従来の半導体レーザアレイ装置では、出力
ビームか２本になることや、複数のスーパーモードが混
在した状態で発振すること等の問題があり、レーザプリ
ンタや光ファイルのようなシステムの光源としての実用
化の大きな障害となっている。

本発明は上記従来の問題点を解決するものであり、その
目的とするところは、単一の０°位相スーパーモードで
発振する半導体レーザアレイ装置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アレイ装置は、レーザ発振用の活
性層となる第１の半導体層と、該第１の層の上下にそれ
ぞれ形成され、互いに導電型が異なり、該第１の層より
禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい第２の半導体層及び
第３の半導体層中に並列に形成された複数の活性導波路
とを有する半導体レーザアレイ装置であって、該第２の
半導体層及び第３の半導体層の少なくとも一方の層厚が
、中央の活性導波路から両端の導波路に向かって徐々に
変化しており、そのことにより上記目的が達成される。

（実施例） 以下に本発明の実施例について説明する。

第１図に本発明半導体レーザアレイ装置の一実施例の断
面精成を示す。この半導体レーザアレイ装置の作製工程
を第２Ａ図〜第２Ｅ図に示す、これらの図面を用いて、
本装置の作製方法を説明する。

先ず、ｐ−ＧａＡｓ基板１０１の（００１）面上に、ｐ
−ＡｌｘＧａｐ−ｘＡｓクラッド層１０２（厚さ、０．
８μｍ＞、ｎ又はｐ−Ａ　Ｉ　、Ｇａ　、　−、、Ａｓ
活性層１０３（厚さ、０．１μｍ）、ｎ−Ａｌ。

Ｇａ１−、Ａｓクラッド層１０４（厚さ、１．５μｍ）
、及びｎ”−ＧａＡｓコンタクトＪｉｌ１０５（厚さ、
０．５μｍ）を、ＬＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、又はＭＢＥ
法により順次成長させる０本実施例では、Ａ１混晶比ｘ
、ｙはそれぞれｘ＝０．４０、ｙ＝０゜１０である。そ
の後、ウェハの両面に抵抗性電８ｉ！１０６及び１０７
を形成する。ホトリソグラフィ技術を用いて、［１１０
］方向に延伸する幅３μｍのストライブ状のレジスト膜
１０８を電極１０６の上に形成する（第２Ａ図）。

反応性イオンビームエツチング（ＲＩＢＥ）技術を用い
てコンタクト層１０５及びクラッド層１０４をエツチン
グし、幅３μ転高さ１μｍのメサストライプ２０１を形
成する（第２Ｂ図、このエツチングを第２Ｂ図に於いて
矢印１２０で示す）、このとき、クラッド層１０４はそ
の上面から深さ０．５μｍの部分がエツチング除去され
る。次に、メサストライプ２０１の左右に、メサストラ
イプ２０１との中心間距離が４μｍ、幅が３μｍのレジ
ストＭＩ０９をそれぞれ形成する。ＲＩＢＨにより、ク
ラッド層１０４を深さ０．５μｍエツチング除去して、
幅３μｍのメサストライプ２０２及び２０３を形成する
（第２Ｃ図、このエツチングを第２Ｃ図に於いて矢印１
３０で示す）。

そして、メサストライプ２０２の左方及びメサストライ
プ２０３の右方にそれらの各メサストライプとの中心間
距離が４μｍ、幅が３μｍのレジスト膜１１０をそれぞ
れ形成する。同様にして、クラッド層１０４を深さ０．
５μｍエツチング除去して、幅３μｍのメサストライプ
２０４及び２０５を形成する。

このようにして、第２Ｄ図に示すように、５本の平行な
メサストライプ２０１〜２０５を形成する。これらのメ
サストライプの幅は３μｍ、中心間距離は４μｍであり
、高さは高い順に２．２μｍ、１．０μｍ、０．５μｍ
である。

その後、レジストＭ１０９及び１１０を除去し、メサス
トライプ２０１上のレジスト膜１０８を除くウェハ上面
にプラズマＣＶＤ法によりＳｉ３Ｎ４等の絶縁膜１１１
（厚さ、３０００人）を形成する（第２Ｅ図）、レジス
ト膜１０８を除去した後、（１１０）面で耐量し、共振
器長３００μｍの、第１図に示すような半導体レーザア
レイ装置を得る。

このようにして得られたレーザアレイ装置は、第１３図
に示す従来例と同様に複数の実屈折率導波路を有してい
る。しかし、本実施例では、メサストライプ２０１〜２
０５の高さ、換言すれば、クラッド層１０４の層厚が中
央から両端に向かって減少しているので、中央の活性導
波路の屈折率が最も大きく、その左右の活性導波路の屈
折率は中央から左右に遠ざかるにつれて対称的に小さく
なっている。従って、０°位相モードの光密度分布は同
様に、中央の活性導波路が最も大きく、中央から左右に
遠ざかるにつれて対称的に小さい分布となっている。

また、本実施例では、電極１０６がストライブ状に形成
されており、中央の活性導波路に対応する部分に設けら
れているので、注入キャリアも中央の活性導波路に重み
を付けて存在し、左右の活性導波路では両端に近付くほ
ど少なくなる傾向にある。

換言すれば、ゲインは中央の活性導波路が最も大きく、
左右の活性導波路では両端に近付くにつれて徐々に小さ
くなっている。このことは、０°位相モード発振には好
都合である。

以上のように、本発明の構成による本実施例レーザアレ
イ装置は０°位相モード単独で発振することが可能とな
る。本実施例の遠視野像を第７図に示す。この遠視野像
から判るように、共振器面に垂直な方向のみに細い出射
光が得られた。このパターンは出力約５００ｍＷ迄維持
された。このことは、本発明の半導体レーザアレイ装置
による０°位相モード選択の能力を確信させる結果であ
るといえる。

本発明の他の実施例を第３図〜第６図に示す。第３図に
示す実施例は、前述の実施例と同様にして構成された複
数のメサストライプ３０１〜３０５のうち、両端のメサ
ストライプ３０４，３０５が中央の高いメサストライプ
３０１と同じ高さにされている。この様な構成により、
より安定したマウントが得られる。

第４図に示す実施例は、第１図の実施例と同様の複数の
メサストライプ４０１〜４０５を形成した後、それらの
メサストライプをＬＰＥ法によりｎ−Ａｌ［！、ｈｓＧ
ａ、、９．．Ａｓ埋込層４０６で埋め込み、その後にｎ
”−ＧａＡｓコンタクト層１０５を成長させ、中央のメ
サストライプ４０１の上方にストライブ状のｔ極１０６
を形成した構造を有している。

第５図に示す実施例は、複数のメサストライプ５０１〜
５０５の上面の高さは同じであるが、各メサストライプ
以外（即ち、活性導波路の外部）のｎ−Ａｌ１，３ｇＧ
匂。□Ａｓクラッド層１０４の厚みを両端に向かって徐
々に変化させた構成を有している。

第６図に示す実施例は、損失導波路構造の半導体レーザ
アレイ装置に本発明を適用したものである。

この実施例の作製手順の概略を説明する。先ず、ｐ−Ｇ
ａＡｓ基板１０１上に厚さ０．８μｍのｎ−ＧａＡｓ電
流ブロック層６０６をエピタキシャル成長させる。次に
、ホトリソグラフィ技術と湿式エツチング技術とを用い
て、５本のストライプ講６０１〜６０５を電流ブロック
層６０６を貫通して基板１０１に形成する。溝の深さは
、中央の渭６０１が最も深く、両端に向がって徐々に浅
くされている。溝６０１〜６０５が形成された基板上に
、第１図の実施例と同様にして、ｐ−ＡｌｘＧａ、□Ａ
ｓクラッド層１０２（厚さ、０．８μｍ）、ｎ又はｐ　
−Ａ　１　ｙ　Ｇ　ａ　＋　−７Ａ　ｓ活性層１０３（
厚さ、０．１μｍ）、ｎ−ＡｌｘＧａ、　−、Ａｓクラ
ッド層１０４（厚さ、１．５μｍ）、及びｎ”−ＧａＡ
ｓコンタクト層１０５（厚さ、０．５μｍ）を、ＬＰＥ
法、ＭＯＣＶＤ法、又はＭＢＥ法により順次成長させる
。その後、？１Ｉ６０１上方のコンタクト層１０５上に
ストライブ状の電極１０６を、基板１゜１の下面に電ｉ
　１０７を形成する。この実施例では、活性導波路の深
さが中央では最も深く、両端に向かって徐々に浅くなる
ように構成されている。従って、活性導波路の屈折率は
中央が最も大きく、両端に行くに従って小さくなってい
るので、前述の実施例と同様の効果が得られる。

これらの第第３図〜第６図に示した各実施例に於いても
、第１図の実施例と同様に出力５００ｍＷ迄は第７図の
ような遠視野像が得られ、単一の０°位相モード発振を
得ることができた。

本発明は前述の各実施例の構成に限定されることなく、
例えば、次のような構成の半導体レーザアレイ装置に適
用することもできる。

（＆）各構成部分の導電型を全て逆にした構成（ｂ）を
液注入規制方法及び横方向屈折率差を作り出す方法が異
なる構成 （ｃ）各部分の材料及び組成が異なる構成（ｄ）導波路
の形状が直線ではなく、少なくとも一部が曲線とされた
、又は分岐結合された構成（発明の効果） 本発明の半導体レーザアレイ装置は、このように、単一
の０°位相モードで発振するので、レーザプリンタや光
ファイルのようなシステムの光源、として有用である。

、・　　　　ｔ＝日 第１図は本発明の実施例の概略断面構成を示す図、第２
Ａ図〜第２Ｅ図はその実施例の作製工程の説明図、第３
図〜第６図はそれぞれ他の実施例の概略断面構成を示す
図、第７図は第１図の実施例の遠視野像を示す図、第８
図は従来例の断面図、第９図はその従来例の作製手順の
説明図、第１０図はその従来例の光電界分布を示す図、
第１１図はその従来例の遠視野像を示す図、第１２図は
従来の半導体レーザアレイ装置の閾値ゲインの横方向屈
折率依存性を示す図、第１３図は他の従来例の斜視図で
ある。

１０１・・・基板、１０２．１０４・・・クラッド層、
１０３・・・活性層、１０５・・・コンタクト層、１０
６．１０７・・・電極、１１１・・・絶縁膜。

以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、レーザ発振用の活性層となる第１の半導体層と、該
   第１の層の上下にそれぞれ形成され、互いに導電型が異
   なり、該第１の層より禁制帯幅が大きく、屈折率が小さ
   い第２の半導体層及び第３の半導体層中に並列に形成さ
   れた複数の活性導波路とを有する半導体レーザアレイ装
   置であって、該第２の半導体層及び第３の半導体層の少
   なくとも一方の層厚が、中央の活性導波路から両端の導
   波路に向かって徐々に変化している半導体レーザアレイ
   装置。