JPH04372185A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分布反射型（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　：Ｄ
ＢＲ）による面発光型の半導体レーザに関し、特に高出
力、低雑音かつ単一基本モードで発振でき半導体レーザ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２は、例えばＫ．コジマ等によりアプ
ライド・フィジックス・レターズ（Ｋ．Ｋｏｊｉｍａ　
ｅｔ　ａｌ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，　
５０（２４），　ｐｐ１７０５−１７０７，　１９８７
　）に掲載された従来の面発光ＤＢＲレーザの構造を示
す斜視図である。

【０００３】図中の１は、ｎ型のＧａＡｓ基板である。 この基板１上には、ｎ型のＡＩＧａＡｓクラッド層（下
クラッド層）２、活性層３、及びｐ型のＡＩＧａＡｓリ
ブ型クラッド層（上クラッド層）４が夫々形成されてい
る。前記基板１の裏面には、ｎ型電極５が形成されてい
る。前記上クラッド層４には選択的にグレーティング６
が形成されている。このグレーティング６が存在しない
上グラッド層４上には誘電体膜７が形成されている。前
記誘電体膜７上にはｐ型電極９が形成されている。なお
、図中の１０は単一基本モード発振を得るための活性領
域である。

【０００４】次に、動作について説明する。共振器中を
伝搬する光は、主に活性層３中に存在するが、その一部
は上下のクラッド層２、４にしみ出している。この上ク
ラッド層中に回折格子６を設けた場合、各回折格子から
の反射（散乱）光の位相がどのようになっているかで、
光の進行方向が決定される。各回折格子の間隔がλ／２
（λ：波長）の整数倍のとき元の方向へ戻るが、倍数が
大きいほどいろいろな方向へ進むことになり、λ／２の
偶数倍のとき基板１に対して垂直方向へも光が進むこと
になる。本従来例のレーザは上述の原理より面発光動作
を行うものであり、このとき、発振するレーザ光の横方
向のモードを基本モード化するため、通常ストライプ幅
を３〜４μｍと狭くしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＤＢＲ面発光型の半導体レーザは、活性領域１０のスト
ライプの幅が狭いため、注入電流を大きくして高出力を
得ようとすると熱による端面破壊、あるいは光学損傷（
ＣＯＤ）が起こり出力が律速されるという問題があった
。

【０００６】また、戻り光に対して、ＤＢＲ面発光型の
半導体レーザでは、発振波長が安定していることが逆に
可干渉性に大きく寄与し、雑音が増大する。従って、従
来の半導体レーザの使用には、アイソレータを導入し、
戻り光の波面を回転させ、干渉防止を行っている。しか
し、アイソレータの導入は、システムのコストを上昇さ
せると共に、光軸系の調整が必要となり、光情報処理シ
ステムには適さない。本発明は上記事情に鑑みてなされ
たもので、ウェハ表面に出射する横基本モード発振する
戻り光に対して低雑音な半導体レーザを得ることを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体レー
ザは、量子井戸活性層上に形成されたメサ状クラッド層
を具備し、前記クラッド層を電流ブロック層で埋め込ま
れてなるセルフ・アライン型ダブルヘテロ構造であり、
前記メサ状クラッド層の底面部の共振器方向に対してグ
レーティング溝が形成され、一方の光出力側の端面近傍
にはメサストライプのメサトップ上にもグレーティング
が形成され、他方の端面は高反射コートされていること
を特徴としている。

【０００８】また、前記構造で、化合物半導体基板より
もバンドギャップが狭い活性量を形成すれば、前記化合
物半導体基板をメサストライプ部分のみ除去し、裏面に
グレティングを形成して、裏面から光を取り出すことを
特徴とする半導体レーザである。

【０００９】

【作用】以上のような構成の回折格子領域付面発光半導
体レーザにおいて、メサストライブ上にグレーティング
領域をもつ領域（回折領域）とメサストライプ有底両サ
イドにグレーティング領域をもつ領域（活性領域）とは
、テーパー状にスムーズに結合されている。活性領域に
おいて、Ｐ型第１クラッド層４のメサストライプ有底両
側の残量を０．２μｍより０．４μｍに変えることによ
り、活性層がＧａＡｓ１０ｎｍの二重量子井戸構造の場
合には、水平横方向の屈折率差が１×１０−２より３×
１０−３と大きく変化する。そこで、発振波長λ０　に
対して、定在波の周期でグレーティングを形成すること
により、屈折率変化は、１×１０−２より３×１０−３
と変化するが、グレーティング周期で波長依存性が有る
ために、過飽和吸収層としてのグレーティングの山に波
長選択性を有する。さらに、自励発振でスペクトル幅が
広がるが、回折領域のメサストライプ上に形成されたグ
レーティングにより、波長フィルターの効果により、グ
レーティング周期と一致したスペクトルのみが結合して
垂直方向に導波される。したがって、高出力で波長安定
な面発光レーザで、自励発振も期待でき、低雑音化が期
待できる。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例に係る面発光半導体レーザ
図１を参照して説明する。

【００１１】図中の２１は、Ｓｉドープ（１００）ｎ型
ＧａＡｓ基板である。ここで、この基板２１の不純物濃
度は２×１０１８ｃｍ−３である。前記基板２１上には
、ＭＯＶＰＥ法により、厚み１．５μｍのｎ型ＡＩ０．
４５Ｇａ０．５５Ａｓ第１クラッド層２２（Ｓｉドープ
、不純物濃度１×１０１７ｃｍ−３）、量子井戸型活性
層２３（二重量子井戸；ＧａＡｓ量子井戸幅１０ｎｍ、
ＡＩ０．３　Ｇａ０．７　Ａｓバリア幅５ｎｍ：ノンド
ーブ）、厚み０．７μｍのｐ型ＡＩ０．４５Ｇａ０．５
５Ａｓメサ状第２クラッド層２４（Ｍｇドーブ、不純物
濃度７×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍのｐ型Ａ
Ｉ０．３　Ｇａ０．７　Ａｓ第３クラッド層２５（Ｍｇ
ドーブ、不純物濃度７×１０１７ｃｍ−３）、更に厚み
０．５μｍのｐ＋　型ＧａＡｓキャップ層２６（Ｍｇド
ーブ、不純物濃度７×１０１８ｃｍ−３）が夫々形成さ
れている。

【００１２】前記メサ状第２クラッド層２４の底面部の
共振器方向（矢印Ｘ方向）には、第１グレーティング２
７が形成されている。前記第１グレーティング２７は活
性領域Ａにのみ形成され、グレーティング周期２５１ｎ
ｍ，　深さ０．２μｍである。前記第２クラッド層２４
の頂部には、第２グレーティング２８が形成されている
。前記第２グレーティング２８は回折領域Ｂにのみ形成
され、グレーティング周期２５１ｎｍ、深さ０．２μｍ
である。前記第２グレーティング２８上にはＳｉＯ２　
からなる保護膜２９が形成されている。図中の３０は、
前記キャップ層２６、第３クラッド層２５及び第２クラ
ッド層２４の任意の側面に接するｎ型ＧａＡｓ電流ブロ
ック層３０（Ｓｉドープ、不純物濃度２×１０１８ｃｍ
−３）が埋め込まれている。また、活性領域Ａの表面側
にはｐ型電極３１が形成され、裏面側にはｎ型電極３２
が形成されている。また、前記基板２１，第１〜第３ク
ラッド層，活性層２３，電流ブロック層３０，ｐ型電極
３１及びｎ型電極３２の側面には高反射膜３３が形成さ
れている。次に、上記構成の半導体レーザの製法につい
て説明する。

【００１３】まず、（１００）ｎ型ＧａＡｓ基板２１上
にＭＯＶＰＥ法により、ｎ型の第１クラッド層２２、量
子井戸型活性層２３、ｐ型の第２クラッド層２４、ｐ型
の第３クラッッド層２５、最後にｐ＋　型のキャップ層
２６を順次連続成長する。次に、ＳｉＯ２　をウェハ全
面に０．３μｍ付けた後、幅５μｍのストライプを形成
する。このストライプをマスクとして、リン酸系エッチ
ングで第１クラッド層２２を０．４μｍ残してエッチン
グ除去する。次いで、干渉露光法により、活性領域Ａの
み、グレーティング周期２５１ｎｍ、深さ０．２μｍの
第１グレーティング２７を形成する。その後、ＭＰＶＰ
Ｅによる選択成長法により、ｎ型の電流ブロック層３０
でメサストライプを埋め込む。

【００１４】ＳｉＯ２　膜除去後、回折領域のメサスト
ライプ領域のみ、エッチングにより前記第３クラッド層
２５の表面を出し、再び干渉露光法によりメサストライ
プ上にグレーティング周期２５１ｎｍ、深さ０．２μｍ
の第２グレーティング２８を形成する。その後、第２グ
レーティング２８上にＳｉＯ２　からなる保護膜２９を
形成し、活性領域のみにｐ型電極３１、裏面にｎ型電極
３２を形成する。劈開後、活性領域の端面には高反射膜
３３を形成するが、グレーティング側端面は、劈開面は
エッチングで、反射率を下げることにより、本発明の実
施例の面発光レーザは成る。

【００１５】かかる構成の面発光半導体レーザ装置にお
いて、ｐ型電極３１より注入されたキャリアは、電流ブ
ロック層３０により中央部のメサストライプ部分にのみ
注入される。本構造では、量子井戸構造を用いているの
で、その微分利得の波長急峻性により、導波路損失は通
常のバルク結晶に比べ、１／２〜１／３に低減される。 従って、活性層内でキャリア再結合で発生した光は、上
記理由により効率よく高反射端面と分布反射器との間で
帰還を繰り返してレーザ発振する。

【００１６】しかして、上述した構成の半導体レーザに
よれば、ｐ型ＡＩＧａＡｓメサ状第２クラッド層２４の
メサストライブの有底部分の厚さが、共振器方向に対し
て周期的に変化しているので、この周期と共振器内の定
在波の波長とが一致させることにより、共振器方向に周
期的に損失が変化するとともに水平横方向の屈折率差が
１０−２から３×１０−３まで変化している。水平横方
向に屈折率差を変化させると、注入キャリアの横方向へ
の拡散分に対して、時間的に可飽和吸収領域となるため
、自励発振が生じる。しかし、共振器方向には回折格子
の周期で決まった波長に対して、自励発振が助長される
ために、自励発振による波長スペクトルの広がりは抑制
される。

【００１７】また、高反射端面で反射された光は、回折
領域Ｂとテーパ状に結合され、ｐ型ＡＩＧａＡｓ第３ク
ラッド層２５上に形成された２次のグレーティングによ
って波長が限定される。つまり、波長フィルター機能を
有する。ここで、回折格子の間隔がλ／２（λは発振波
長）の整数倍のとき元の方向へ戻るが、倍数が大きいほ
どいろいろな方向へ進むことになり、λ／２の偶数倍の
ときには、基板２１に対して垂直方向へも光が進むこと
になる。活性領域Ａを３００μｍと長くして有るために
、自励発振でスペクトル線幅は広がるが、回折領域Ｂで
はλ／２の偶数倍で結合するが、自励発振パルス幅とは
充分結合できる様に高次グレーティングであるため、分
布反射器レーザの様な狭いスペクトルではなく、スペク
トル線幅は広いが、戻り光雑音に強い高効率、高出力の
レーザ光を面方向へ出射できる。

【００１８】なお、上記実施例では、化合物半導体基板
としてＧａＡｓ基板を用いた場合について述べたが、こ
れに限定されない。例えばＩｎＰ系の基板を用いてもよ
い。この際、活性層の材料としてＩｎＰよりもバンドギ
ャップが狭い例えばＩｎＧａＡｓＰを用いることにより
、基板の裏面側（図１の下側）から光を出射させること
が可能である。このように、基板の裏面側から光を出射
させれば、上記実施例に比べて良好な放熱性が得られる
。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の半導体レ
ーザは、制御性、量産性に優れたＭＯＶＰＥ技術を利用
できる構造であるとともに、活性層が量子井戸構造であ
り微分量子利得が急峻で、高効率、温度特性が良い素子
である。

【００２０】また、量子井戸構造であることにより、活
性層内での光閉じ込め係数を低減させ、つまりクラッド
層への光のしみ出し効果を強めるとともに、グレーティ
ング領域との結合を高効率にする。

【００２１】更に、水平横方向に対して、上部メサ状ク
ラッド層のメサ両サイドの残量をグレーティングの深さ
程度で大きく屈折率差を変化でき、キャリアの横方向拡
散効果に対して容易に可飽和吸収領域を形成でき、自励
発振が期待できる。更には、自励発振によって生じたス
ペクトル線幅に対しては、効率よく、回折領域で、ウェ
ハ面方向へ出射させることを可能にしている。この様に
、本発明によれば、高効率、高出力で、温度特性が良好
で、波長が安定な戻り光雑音に対して低雑音なレーザを
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る面発光半導体レーザを
一部展開して示す説明図。

【図２】従来の面発光半導体レーザの説明図。

【符号の説明】

２１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２２…第１クラッド層、２３
…量子井戸型活性層、２４…メサ状第２クラッド層、２
５…第３クラッド層、２６…キャップ層、２７…第１グ
レーティング、２８…第２グレーティング、２９…保護
膜、３０…電流ブロック層、３１…ｐ型電極、３２…ｎ
型電極、３３…高反射膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　　　化合物半導体基板上に第１クラッ
   ド層を介して形成された量子井戸活性層と、この活性層
   上に形成されたメサ状第２クラッド層とを具備し、前記
   第２クラッド層が電流ブロック層で埋め込まれてなるセ
   ルフ・アライン型グブルヘテロ構造で、前記メサ状第２
   クラッド層底面部に共振器方向に対して第１グレーティ
   ングが形成され、かつ出力側の端面近傍の頂部に第２グ
   レーティングが形成され、更に他方の端面には高反射膜
   が形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
2. 【請求項２】　　　　前記活性層のバンドキャップが前
   記化合物半導体基板のバンドギャップよりも狭い請求項
   １項記載の半導体レーザ。