JPS5826833B2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、発振姿態を安定化した半導体レーザの構造に
関するものである。

更に詳しくは、いわゆる活性領域を有する第１の半導体
層の両側にこれより禁制幅の大きな第２．第３の半導体
層を接合してなる、いわゆるダブルへテロ構造を採る半
導体レーザに関するものである。

半導体レーザは近年、光通信システムにおける光信号源
として不可欠な素子となっている。

この場合、常温で効率よく動作し得ることもあり上記の
ダブルへテロ構造のも−のが多く採用されている。

現在開発の最も進んでいるＧａＡｓ−ＧａＡＡＡｓダブ
ルへテロレーザの代表的な構造を説明する。

このような素子は通常、ｎ ＧａＡｓ基板に連続液相成
長法により、第２の半導体に当るｎ Ｇａ１−ｘＡｌｘＡｓ（Ｘ中０．３）層、第１の半導体
に当るＰ −Ｇａ Ａ ｓ層、第３の半導体に当るＰＧ
ａｌ−ｘＡｌｘＡｓ（Ｘ中０．３）層、および正電極と
の電気的接続を容易ならしめるＰ−ＧａＡｓ層を成長し
た後、電極を形成し、結晶をへき開して反射面を形成し
て作製される。

負電極はＧａＡｓ基板に設けられる。

この半導体レーザは室温で２．２Ｖ。１００ ｍＡ （
２ｋ Ａ／ｉ）で駆動することにより波長〜８９００人
、〜１０ｍＷの連続出力が得られる。

上記構造は作製が容易で、比較的作製歩留りが高く、ま
た素子の寿命等に有利な点が多い。

しかし、発振姿態が不安定となる欠点があった。

すなわち、この構造では正電極の下に位置する第１の半
導体層でレーザ発振がおこるが、この層はＸ方向に意図
的に屈折率変化をもたせてないので、通電により生ずる
わずかな屈折率分布および利得分布によりＸ方向の発振
姿態が決る。

このような屈折率分布や利得分布は励起電流や温度の変
化により著しく変化し、正電極のＸ方向の幅や層の厚さ
などの素子の形状等によっても異なるので、通常発振姿
態は非常に不規則な変動を示し再現性がない。

このような横姿態の不安定性は、励起電流とレーザ出力
の直線性を悪化させ、パルス状電流により変調を行なっ
た場合、レーザ出力に不安定な変動を生じ信号対雑音比
を劣化させる。

また、出力光の指向性を不安定にするので、レーザ出力
を光ファイバ等の他の光学系に効率よく安定に導くこと
を困難とするなど、実用上の多くの障害があった。

本発明の目的は、上記のダブルへテロ構造の持つ欠点を
なくし、製作が容易であり、且横発振姿態の安定化され
た信頼性の高い半導体レーザの構造を提供するものであ
る。

本発明は、以下に述べるような半導体レーザの構造によ
って解決される。

本発明の半導体レーザの構造の骨子は次の通りである。

第１の半導体層の両側に、これより禁制帯幅の大きく且
屈折率の小さな第２．第３の半導体層を接合する。

この第２の半導体層に次の様な形状を持たせる。

即ち、少なくとも前記第１．第２および第３の半導体層
の積層によって形成される光閉じ込め領域をとう載して
いる半導体基板に所定の帯状の凸部を形成し、少なくと
も第２の半導体層に厚さの薄い領域を有せしめ、且この
半導体層の厚さの薄い領域に第４の材料領域を設置しレ
ーザ光の進行方向と垂直な方向に沿ってレーザ光に対す
る複素屈折率（すなわち、屈折率変化または光の利得損
失変化またはその両者の変化）を不連続的に変化せしめ
るものである。

第１図を参照しながら本発明の基本原理を説明する。

第１図は本発明の半導体レーザの代表例で、レーザ光に
垂直な素子の主要部断面図を示すものである。

１０は帯状の凸部を形成した結晶基体で、この上に以下
の層が順次成長される。

１１は第２の半導体層で本例では凹部有している、１２
は第１の半導体層、１３は第３の半導体層であり、レー
ザ発振の生ずる第１の半導体層の両側をこれより禁制帯
幅が大きく、屈折率の小さな第２．第３の半導体層でサ
ンドイッチし、キャリアと光子を第１の半導体層に高密
度で閉じ込めるいわゆるダブルへテロ構造となっている
。

レーザ光が導波される領域がその周囲の光の閉じ込め領
域より実効的に屈折率が犬となっていることはいうまで
もない。

ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ を半導体層として用いる場合
について具体例を述べる。

基板は通常ＧａＡＳｌもしくはＧａ １ ｚＡｌｚＡｓ
、第１の半導体層はＧ ａ １ｙ Ａ１３ ｙ Ａ
ｓ第２．第３の半導体層はＧａ１−ＸＡＩ！ＸＡＳであ
る。

一般に０＜、ｚくｙ＜Ｘ〈１なる関係にある。

ここで第２の半導体層１１の厚さは薄い部分（この厚み
をｔｌ と記す）では第１の半導体層に沿った導波光の
一部が基体１０にしみ出す程度に小さい。

また厚い部分（この厚みを１２と記す）ではこれより十
分大きくしである。

この様な構造を取ると導波層のＸ方向に屈折率変化また
は光の利得損失変化またはその両者の変化をつけた導波
路と等価な働きをする。

第２図に第１図と等価な導波路のモデル図を示す。

前述のごとく半導体層１１．１３の材料そのものによっ
てｙ方向に、屈折率の変化を持たせていると共に、Ｘ方
向にも１２′という複素屈折率を異にする領域を実質的
に設定出来る。

第２図で１２．１２′として図示した領域は活性層１２
におけるレーザ光が結晶基体への光のしみ出し効果によ
り、第２の半導体層１１の凹部の段差部を境いとして実
効的に屈折率または、光の利得損失、またはその両者が
変化し、異なる複素屈折率を持った２つの領域に等価的
に表わし得ることを示している。

実際の装置においては、基体と第３の半導体層１３側に
適当な電極が設けられる。

この構造で導波光は第１の半導体層１２を中心に分布し
、紙面に垂直方向に伝播することとなる。

先に具体例を述べたＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓを半導体層
として用いる場合を例にとるｄは０．０５〜０．２μｍ
程度が実用に供されている。

この場合ｔ１ は大略０．３〜０．７μｍｌ １２は
しみ出しの距離以上十分深ければ良いので大略０．９μ
ｍ以上を多く用いている。

基板に凸部を形成する例の場合、この溝の幅（５）は実
用上１〜３０μｍ程度（光出力の関係もあるが３〜７μ
ｍないし１０μｍ程度が用い易い。

）を用いる。なお、ここに例示した如き結晶基体に凸部
を形成して作製された構造の半導体レーザは次のような
利点がある。

（１）活性層を含む光とじ込め領域の形成が一回の連続
液相成長ですむので製法上有利である。

（２）製造工程中、半導体層１１，１２，１３の形成に
メサエッチを用いる必要がない。

以上の事から量産時の再現性に優れたものとなる。

（３）プレーナ構造となるので信頼性、熱放散特性に優
れる。

本発明は、これまでの発明の詳細説明 かな如く、構成材料の種類によるものではない。

Ｇａ−Ａｌ−Ａｓ系，Ｇａ−Ａｌ一Ａｓ−Ｓｂ系はもと
よりＧａ−Ａ７−Ａｓ−Ｐ系， Ｇａ −Ａｓ − Ｐ
系。

Ｉｎ一〇ａ −Ａｓ−Ｐ系をはじめとするＩ −Ｖ族化
合物半導体や■−■族化合物半導体系など半導体レーザ
用として知られた広範な材料系に勿論適用しうるもので
ある。

実施例 １ 第１図を参照して本発明を説明する。

（１００）面をもつｎ ＧａＡｓ基板（Ｔｅ添加、濃
度〜１×１０１８ＣｒｒＬ）上にｎ−Ｇａ１− ｔＡｌ
ｔＡｓ（ ｔＯ．２）＃を３μｍ成長させ成長用基体を
準備し、次に通常のホトレジスト工程により幅１０μｍ
のホトレジストマスクを形成し、この窓を通して基板表
面を化学エツチングすることにより凸状の溝をもった基
体１０を形成する。

凸部溝の幅は約１０μｍ１深さは１．５μｍとした。

次にこの上に連続液相成長法によりｎ−Ｇａ，− ｘＡ
１！ｘＡｓ層（ＸＯ．３ ） １ １ 、 ｎ−ＧａＡ
ｓ層１２，Ｐ−Ｇａ１−ｘｋｌｘＡｓ （ ｘ ＝ ０
． ３ ） １ ３ 、次いで通常ｎＧａ Ａ ｓ層を
成長する。

層１１の薄い部分の厚さは０、３μｍとした。

層１２，層１３およびこの上部のｎ−ＧａＡｓ層の厚さ
はそれぞれ０．１μｍ 、２ｔ−ｔｍ１μｍである。

添加不純物としてｎ形層にはＳｎを、Ｐ形層にはＧｅを
用いた。

次に先の場合と同様のホトレジスト工程を経て形成され
たＡ４ ０３の窓を通してＺｎを拡散し、電流の通路と
なる領域にＰ形拡散領域を形成した。

その後、正電極６および負電極７としてＡｕ−Ｃｒ合金
およびＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金を蒸発し、最後に結晶を相
対する平行な面が得られるようにへき開し反射器を形成
しレーザ素子を構成した。

上記半導体レーザにおいては室温で〜２．１ｋＡ／ｃｆ
ＩＬのしきい電流密度で発振が得られた。

発振波長は〜８９００人、外部量子効率は約４０％であ
った。

発振時の横姿態はレーザの実用電流範囲であるしきい電
流値の２倍以上まで安定で、従来構造でみられる励起強
度と発光出力の非直線特性やパルス変調時における信号
対雑音比の低下は観測されなかった。

第３図は励起電流とレーザ出力の関係を示す。

曲線１４は本発明になる上記半導体レーザについての結
果である。

曲線１５は半導体基体に凸部がなく、従って第２の半導
体層にも凹部のない通常の半導体レーザにおける結果を
比較例として示す。

寿命に関して、従来の構造の場合との差は認められなか
った。

実施例 ２ 実施例１に述べた構成に対し、１３および１１をそれぞ
れＰ−およびｎ−Ｇａ １−＞（ＡｌＸＡＳ層（ＸＯ．
３３）、１２をｎ Ｇａ□ ｙＡ７ｙＡｓ層（ｙＯ．
０５）とし、層１１の薄い部分の厚さを０．４５μｍ１
層１２の厚さを０．１μｍとする。

他の部分の構成および作成プロセスは実施例１と同様で
ある。

この実施例における室温での発振しきい電流密度は１．
８ ｋ Ａ／ｉｓ発振波長は８３００人、外部微分量子
効率は４０％である。

発振横姿態は、しきい電流値の１．５倍まで横基本モー
ドのみである。

また、しきい電流値以上における電流一発振出力特性は
、上記電流範囲で直線的であり、パルス変調時における
信号対雑音比の低下も観測されない。

実施例 ３ 実施例２における層１２の厚さを０．０５μｍ１層１１
の薄い部分の厚さを１．０μｍとする。

他の部分の構成および作成プロセスは、実施例２、に記
したと同様である。

この実施例におけるレーザ発振特性は、実施例２、の場
合と同様であった。

実施例 ４ 実施例２における層１２の厚さを０．２５μｍ１層１１
の薄い部分の厚さを０．２μｍとする。

他の部分の構成および作成プロセスは、実施例２、に記
したと同様である。

この実施例においても、実施例２の場合と同様のレーザ
発振特性が得られた。

この様な効果を得るには、層１１と基体１０の光学的ま
たは電気的性質に差異がありさえすれば良いことは云う
までもなく、その構成材料が何であるかを問わぬことも
明らかであろう。

以上説明したごとく、本発明においては単に帯状の凸表
面を有する結晶成長用基体を用いることにより、従来と
同様の簡単な作製工程により従来構造の欠点であった横
発振姿態の不安定性を解消するもので、その実用的効果
は著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を説明する図、第２図は本
発明と等価な導波路のモデル図である。 第３図は励起電流とレーザ出力の関係を示す図である。 図面の符号、 １０：基体、 １２：活性層、 １１゜ １３：クラッド層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも第１の半導体層、および第１の半導体層
   より禁制帯幅が大きく且屈折率の小さな第２、および第
   ３の半導体層を前記第１の半導体層をはさんで形成した
   光閉じ込め領域を有する半導体レーザにおいて、前記光
   閉じ込め領域をとう載する半導体基板に所定の帯状の凸
   部を形成し、少なくとも前記第２の半導体層に厚さの薄
   い領域を有せしめ、この第２の半導体層の厚さの薄い領
   域に接して第４の半導体材料領域を設置し、レーザ光の
   進行方向と垂直な方向に沿ってレーザ光に対する複素屈
   折率を実質的に不連続的に変化せしめたことを特徴とす
   る半導体レーザ。