JPH0267777A - 半導体レーザ - 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１ 本発明は、低雑音かつ高光出力発振可能な半導体レーザ
（以下ＬＤと記す、）の構造に関する。

［従来の技術Ｉ ＬＤを光情報処理装置、特に書き換＾・消去可能な光デ
イスクシステム等に応用する際には、ＬＤに対して基本
的な要求事項である、安定した基本横モード発振・低非
点収差特性に加え、以下の項目を満足する必要がある。

１）ＬＤからの出射光の１部が、光デイスク面あるいは
外部光学系等により反射され再度ＬＤの共振器内に戻る
ことで、干渉効果によってＬＤからの出力光の雑音成分
（以下戻り光雑音と記す、）が増大し、実用に共するこ
とが不可能となる。故にこの戻り光雑音を低減した低雑
音特性。

２）光デイスク面に、情報を書き込んだりあるいはすで
に書き込まれている情報を消去したりする際には、ＬＤ
の光出力に対して、３０ｍｗあるいは４０ｍｗ以上とい
った高光出力が必要となる。

故に高光出力特性。

上記ｌ）の低雑音特性に対しては、ＬＤをコヒ−レント
長の短い縦マルチモード発振させる方法が一般に知られ
ている。これを実現する方法には、縦単一モード発振Ｌ
Ｄに数百ＭＨｚの高周波電流を駆動電流に加＾合わせて
駆動することにより、縦マルチモード発振とする高周波
重畳法あるいは、特開昭６０−１４０７７４、特開昭６
０−１５０６８２等の様に、ＬＤ共振器端面近傍では、
光の導波が屈折率導波によってなされ、中央部分では、
利得導波あるいは屈折率導波と利得導波とが混在した光
導波をさせることにより、共振器中央部の導波機構を反
映した縦マルチモード発振を実現する等といった方法が
あった。

また高光出力特性を実現する方法に、複数の発光ストラ
イブを有し、各ストライブ間に光結合を生じさせるフェ
ーズドアレイ型ＬＤがあった。公知例としては、第３２
回応用物理学関係講演会予稿集１４９頁に示されている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、前述の屈折率導波および利得導波両導波機横を
兼ね備えたＬＤで示す従来技術では、共振器の光出射端
面近傍において、安定した基本横モード特性ならびに低
非点収差特性といった要求事項を満足させる為に、ＬＤ
のクラッド層、活性層等各層の接合に平行な方向にも、
光閉じ込めが有効に行なわれるよう、活性領域とその他
の領域の間に実効的な屈折率段差（△ｎｅｆｆ）を持た
せ、かつ活性領域幅を、１次の横モードがカットオフさ
れる程度にまで細くしたいわゆる屈折率導波機構となっ
ている。加えて前述の従来技術で示したＬＤでは、この
屈折率導波機構を有する領域はただ１ケ所であることか
ら、導波される光は、活性領域である活性層内に強く閉
じ込められ、活性層内での光密度は数ＭＷ／ｃｍ”にも
達する。

一方光情報処理用装置で一般に広く利用されているＡＩ
ＧａＡｓＬＤでは光密度が数ＭＷ／ｃｍ”に達すると端
面破壊が生ずる現象が知られており、高出力化の上限を
決めている。したがって前述の例のＬＤでは、単体のＬ
Ｄで書き換え消去可能な光デイスクシステム等、高出力
かつ低雑音特性を必要とするシステムに搭載することは
、書き込み・消去時に必要とされる高光出力が得られな
いという理由で実用に供せないという課題を有する。

また端面部をフェーズドアレイ構造とするＬＤでは、高
光出力特性は得られるものの高次のスーパーモードが発
振する為に出射ビームは双峰性となり応用上支障を生ず
る。

そこで本発明はこのような課題を解決するもので、その
目的とするところは共振器端面部ではフェーズドアレイ
構造としかつ共振器中央付近ではモードフィルター機能
および利得導波機構を有する構造とすることで、高光出
力特性・低雑音特性かつ安定した単峰性横モード発振す
るＬＤを提供することにある。

〔課題を解決するための手段Ｊ 本発明のＬＤは、リブ状の光導波路を有し、かつ該リブ
状の光導波路側面はＩＩ　−ＩＶ族化合物半導体層で埋
め込まれて成る半導体レーザにおいて、少なくとも一方
の共振器端面近傍では、電流注入幅と該リブ状の光導波
路の幅をほぼ等しくかつ細くして屈折率導波構造とした
該リブ状の光導波路を、相互に光結合を生ずる間隔で複
数本配置し、かつ共振器中央部付近では該リブ状の光導
波路の幅を電流注入幅より十分法（して利得導波構造と
しかつ最上部に開口を有する高抵抗層を有する該リブ状
の光導波路を有してなることを特徴とする。

〔実　施　例Ｊ 第１図は本発明の実施例における構造図であり同図（ａ
）は本発明のＬＤの上面図であり、同図（ｂ）および（
ｃ）は各々Ａ−Ａ′およびＢ−Ｂ′での断面構造図であ
る。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上のｎ型ＧａＡｓバッファ
ー層ｌｏ２・ｎ型ＡｌＧａＡｓ第１のクラッド層１０３
−ＡＩＧａＡｓ活性層１０４−　ｐ型ＡＩ　ＧａＡｓ第
２のクラッド層１０５・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０
６よりなる二重異種接合構造（以下ＤＨ槽構造記す、）
に同図（ａ）に示すリブ状光導波路上面形状１０９に第
２のクラッド層の途中までエツチングを施して形成した
リブ状の光導波路の側面を■−ＩＶ族化合物半導体たと
えばＺｎ５ｅで埋め込んだ構造である。１０８は高抵抗
層からなる電流狭容層である。

以下第２図を用いて説明を加える。

ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上にｎ型ＧａＡｓバッファー層
２０２−　ｎ型ＡＩ　ＧａＡｓ第１のクラッド層２０３
−ＡＩＧａＡｓ活性層２０４−　Ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２
のクラッド層２０５・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０６
を順次積層してＤＨ槽構造形成する。ＤＨ槽構造、液相
エピタキシャル成長法・有機金属気相成長法（以下ＭＯ
ＣＶＤ法と記す、）および分子線エピタキシャル成長（
以下ＭＢＥ法と記す、）等の方法により作製できる。

ＤＨ構造形成後二酸化シリコン等誘電体マスク２０７を
形成する。（第２図（ａ））続いて通常のフォトエツチ
ング工程を経て、まず第２図（Ｃ）に斜線で示す如く形
状に誘電体マスク２０７をバターニングし、さらにＤＨ
槽構造有する基板のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０６お
よびｐ型ＡｌＧａＡｓ第２のクラッド層の途中までエツ
チングを施す、エツチングは硫酸系等エッチャントを用
いたウェットエツチング工程あるいは塩素等ガスを用い
たドライエツチング工程により行な＾る。

（第２図（ｂ））第２図（ｂ）では本発明のＬＤの共振
器端面部でのＬＤの構造しか示していないが、第２図（
ｃ）の斜線部で示す形状はそのままリブ形成時のマスク
形状となっているので、ＬＤの中央部付近では幅広のリ
ブとなっている。加えて、第２図（ｂ）に示した各リブ
の間隔は、ＬＤ発振させた際隣接リブ間で光の電界の相
互作用が生ずる程度の狭い間隔とする０次に、ウェハ全
面にＩｆ　−ＩＶ族化合物半導体層を積層する。ここで
はＺｎ５ｅ層とするが他のＩＩ　−ＩＶ族化合物半導体
層の使用も可能である。Ｚｎ５ｅ層の成長には、ＭＯＣ
ＶＤ法あるいはＭＢＥ法による成長が可能であるが、こ
こでは、ジメチル亜鉛−ジメチルセレンよりなる付加体
を源料とするＭＯＣＶＤ法を用いた。この場合リブ上部
にはリブエツチングの際マスクとした誘電体膜が残存す
ることから、リブ上部ではＺｎ５ｅ層の結晶性は悪（な
り多結晶のＺｎ５ｅ層が成長する。一方その他の部分で
は、Ｚｎ５ｅとＡ　Ｉ　ＧａＡｓの格子不整合度は小さ
い為、単結晶Ｚｎ５ｅ層が成長する。第２図（ｄ）での
斜線部が多結晶Ｚｎ５ｅ層２０８であり、その他の部分
が単結晶Ｚｎ５ｅ層２０９である。ここで水酸化ナトリ
ウム水溶液を用いて、リブ上部の多結晶Ｚｎ５ｅ層ＩＩ
２をエツチング除去する。水酸化ナトリウム水溶液によ
るＺｎ５ｅ層のエツチングは、Ｚｎ５ｅ層の結晶性によ
りそのエツチングレートが異なる。すなわち、結晶性の
悪い多結晶Ｚｎ５ｅ層は、単結晶Ｚｎ５ｅ層よりエッチ
レートが早く、Ｚｎ５ｅ層の膜厚を適当に定めることで
リブ上部が露出し、しかもリブ両側のＺｎ５ｅ層厚をリ
ブの高さに等しく残すことができ平坦化が実現される。

（第２図（ｅ））加久てＺｎ５ｅ層は抵抗率がｌ　Ｘ　
１０’ΩＣｍ以上であり電流狭容層として有効である。

またＺｎ５ｅ層は屈折率がいかなるＡ１混晶比のＡｌＧ
ａＡｓ層よりも小さいことがらレーザ発振に重要な光閉
じ込めに対しても有効である。以後、ｐ側電極の形成、
ウェハ裏面のケンマ工程さらにｎ側電極形成工程を経て
ＬＤのプロセスが完了する。こうして出来上がったウェ
ハから、共振器長２５０μｍ程度のＬＤチップを切り出
し、ジャンクションダウンで、シリコンサブマウントを
介して銅ヒートシンク上にボンディングし、特性の測定
を行なう。

本ＬＤでは、屈折率導波機構を有するリブ状の光導波路
が共振器端面で複数本存在しておりかつ各リブ間の間隔
は狭く設定されているのでリブ部で発振した光は、リブ
間で光結合を生じフェーズドアレイ構造が共振器端面部
に形成されることになる。したがって共振器端面部での
光密度の低減が実現され高光出力発振が達成される。し
かし通常フェーズドアレイ構造構造では高次のスーパー
モードで発振が生じやすく出射ビームが双峰性となり応
用上支障を生ずる。高次のスーパーモードが選択される
理由を第３図を用いて説明する。ここで同図（ａ）に基
本スーパーモードの電界分布を同図（ｂ）に高次スーパ
ーモードの電界分布を示す、また矢印部分が作りつけの
光導波路いわゆる本ＬＤでのリブ状の光導波路部で、屈
折率が大きく利得の高い部分である。同図より矢印の中
間部分いわゆる損失の大きい部分で基本スーパーモード
の電界分布は零にならないのに対して、高次スーパーモ
ードは零レベルを横ぎる。したがって通常のフェーズド
アレイ構造では高次スーパーモードの受ける損失は、基
本スーパーモードより小さくなり高次スーパーモードの
方がしきい値利得が低くなり高次スーパーモードでの発
振が選択される。

そこで本発明のＬＤでは基本スーパーモードが選択され
るよう第１図（ａ）の斜線で示すように、共振器中央部
の幅広のリブ状の光導波路上部に、高抵抗層でなる電流
狭容層を設けた。電流狭容層の形状は、共振器端面部の
リブ状の光導波路総幅よりも細い幅に電流注入を制限す
る形状である。このような電流狭容層を設けることによ
り共振器中央部の広幅の光導波路での利得分布は、利得
導波型ＬＤである電極ストライプＬＤと同様に、第３図
（ｃ）に示す如く形状となる。すなわち電流注入部では
利得領域となるが、第１図（ａ）の斜線部に示す領域特
に電流注入部から離れた領域では損失領域となる。一方
策３図（ａ）（ｂ）より理解できるように基本モードの
スーパーモードは外側の光導波路はど電界のピークは小
さくなるのに対して、高次スーパーモードは光導波路の
位置によらずほぼ同じである。したがってこれら両スー
パーモードが本発明のＬＤの上記利得分布を有する光導
波路を伝撤する際には、損失領域で大きな電界ピークを
有する高次スーパーモードの方が、基本スーパーモード
よりも損失をより多く受け、この為高次スーパーモード
のしきい値利得が増大することになり基本スーパーモー
ドが選択されることになる。

以上の説明では、共振器端面部で４本のフェーズドアレ
イについて説明したが２本以上複数本でさえあれば同様
の構造とすることで同様の効果が得られる。

基本スーパーモードが選択されるが故に、放射されるビ
ームは単峰性であり、かつ非点収差も小さい。一方共振
器中央部付近では幅広のリブ状の光導波路を有している
ので、この領域での光導波は、利得導波あるいは利得導
波と屈折率導波が混在する機構により行なわれることに
なる。したがって利得導波機構を反映し、縦モードはマ
ルチモード化する。故にレーザ光のコヒーレント長が短
くなり戻り光等による干渉効果が低減され低雑音化が実
現されることになる。

実施例に示す４本のフェーズドアレイを有する本発明の
ＬＤにおいて、屈折率導波機構を有する共振端近傍のリ
ブ状光導波路の幅および中心間距離を３μｍおよび５μ
ｍとし、両出射端でのリブ状光導波路の長さを５０μｍ
ｊ５よび１００μｍとし、電流注入領域の最狭部の幅を
ｌＯμ、共振器長を２５０μｍとした時しきい値電流〜
１２０ｍＡ、非点収差６μｍ以下、相対雑音強度〜６×
１０”Ｈｚ−’、さらに１００ｍＷをこえる光出力まで
安定した単峰性ビームが得られた。

本発明によるＬＤは、ＡＩ　ＧａＡｓ系以外のレーザ材
料例えばＩｎＧａＡｓＰ系・ＩｎＧａＰ系の材料に対し
ても同様に適用できる。またＬＤの構造としては上記実
施例で示した３層導波路を基本にするものに限らず、活
性層の片側に隣接して光ガイド層を設けるＬＯＧ構造や
、活性層の両側にそれぞれ隣接して光ガイド層を設ける
ＳＣＨ構造およびこれらの光ガイド層の屈折率および禁
制帯幅が膜厚方向に分布しているＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造
等に対しても同様に適用することができる。

さらに活性層が量子井戸構造をしているものに対しても
有効である。また上記実施例において導電形を全て反対
にした構造（ｐをｎに、ｎをｐに置き換えた構造）にお
いても同様の結果が得られる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明のＬＤによれば以下のような多
大な効果が得られる。

ｌ）光出射端面近傍では、リブ光導波路幅と電流注入幅
を同程度でかつ狭くして屈折率導波機構とししかも複雑
本近接して配置することによりフェーズドアレイ構造と
したので、１００ｍｗをこえる高光出力発振が可能とな
った。

２）共振器中央部付近ではリプ光導波路幅を広くした構
造とすることで、この部分の光導波は利得導波あるいは
利得導波および屈折率導波が混在したものとなり、縦モ
ードは利得導波機構を反映してマルチモード化する。し
たがってコヒーレント長が短くなり、戻り光との干渉性
が低下し、低雑音化が実現される。

３）加λて共振中央部付近では、基本スーパーモードが
選択されるようモードフィルタ機能を有する構造とした
ので、単峰性の出射ビームが安定して得られる。

４）通常低雑音特性実現に対しては、高周波重畳法が用
いられているが、その為には高周波発振回路をＬＤとと
もに搭載する必要がある。しかし本ＬＤではＬＤ自体低
雑音特性を有するものであり、付加回路等不必要となり
、光ヘッドの軽量化、さらにはアクセスタイムの短縮等
の効果を有する。

５）本ＬＤ素子は作製工程、特に各層の成長においてＭ
ＯＣＶＤ法のみで実現されるものであり、大面積ウェハ
での成長可能・大面積にわたり膜特性が均一かつ膜厚の
制御性に秀れている等のＭＯＣＶＤ法の特徴を生かして
ＬＤ素子特性の均一化・高信頼化さらには低価格化が実
現される。

６）ＺｎＳｅ層は高抵抗・低屈折率材料でありキャリア
の閉じ込め、光の閉じ込めに有効である。

加えてＺｎ５ｅ層は、二酸化シリコン等誘電体層より熱
伝導性に秀れており、ＬＤ内部で発生した熱の放散に極
めて有効に作用する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明のＬＤの１実施例を示す
構造図。 第２図（ａ）〜（ｆ）は本発明のＬＤのプロセス工程図
。 第３図（ａ）〜（ｃ）はモードの電界分布を示す図。 １０１．２０１・−ｎ型ＧａＡｓ基板 １０２． １０３、 ｌ　０４゜ １０５゜ １０６． １０７　・ ｌ　０８． ２ＩＩ　・ ２１２　・ ２０７　・ ２０８　・ ２０９　・ ２０２　　・ ２０３　・ ２０４　・ ２０５　・ ・ｎ型ＧａＡｓバッファー層 ・ｎ型ＡｌＧａＡｓ第１の クラッド層 −Ａ　Ｉ　ＧａＡｓ活性層 ’ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２の クラッド層 ・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 ・Ｚｎ５ｅ埋め込み層 ・電流狭容層 ・ｐ側電極 ・ｎ側電極 ・誘電体マスク ・多結晶Ｚｎ５ｅ層 ・単結晶Ｚｎ５ｅ層 （〆） ＜Ｃ，） 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上　柳　雅　誉（他１名）ユＣΣ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. リブ状の光導波路を有し、かつ該リブ状の光導波路側面
   はII−IV族化合物半導体層で埋め込まれて成る半導体レ
   ーザにおいて、少なくとも一方の共振器端面近傍では、
   電流注入幅と該リブ状の光導波路の幅をほぼ等しくかつ
   細くして屈折率導波構造とした該リブ状の光導波路を、
   相互に光結合を生ずる間隔で複数本配置し、かつ共振器
   中央部付近では該リブ状の光導波路の幅を電流注入幅よ
   り十分広くして利得導波構造としかつ最上部に開口を有
   する高抵抗層を有する該リブ状の光導波路を有してなる
   ことを特徴とする半導体レーザ。