JPS595986Y2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体レーザに関するものであり、特に空乏層
を有効に利用することのできる半導体レーザに関する。

従来半導体レーザにおいて、活性層に電流を集中し、レ
ーザ発振のしきい値を下げるため、種々の構造のものが
提案されている。

第１図はその一例を示す断面図であり、中央部分に溝１
１ ａが設けられたｎ形ＧａＡｓの半導体基板１１上ニ
ｎ形Ｇａ１−ｘＡｌｘＡＳの第１クラツド層１２、Ｐ形
ＧａＡｓの活性層１３、Ｐ形Ｇａ１−ｙＡ１ｙＡｓノ第
２クラッド層１４、及ヒｎ形ＧａＡ ｓキャップ層１５
が形威される。

第２クラツド層１４、キャップ層１５内の溝１１ ａ上
にはＰ＋形ＧａＡｓ拡散層１６が形或される。

こうすればキャップ層１５に設けた陽極２３に正の所定
電圧を加えた場合には、拡散層１６と半導体基板１１の
溝１１ ａの間の領域には電流が流れるが、他の部分は
キャッフ゜層１５と第２クラッド層１４間が逆バイアス
となるため電流は流れない。

従って中央部分に電流が集中し、効率よくレーザ発光さ
せると同時に溝の存在により水平横モードのとじこめを
よくしている。

しかしこの半導体レーザは中央部分に溝を形威する必要
があり、製造に際して工程数が多くなる欠点があった。

第２図は他の従来例を示す断面図であり、溝を有さない
ｎ形ＧａＡｓ半導体基板１７上に前述の従来例と同様の
第１クラツド層１８、活性層１９、第２クラツド層２０
及び第１キャップ層２１が順次設けられる。

その上にＧａ１−ｙＡｌｙＡｓの第２キャップ層２２を
設け、その中央部のみを選択的にエッチングしてストラ
イプ状の溝を作り、第１，第２キャップ層２１．２２上
に一面に電極２４を設ける。

この例においては選択的エッチングの工程が必要となる
。

又電圧を印加した場合キャップ層２１がらだけ電流が第
２クラツド層２０に流出するが、図示のように半導体基
板側に近づくに従って電流が広がるため、電流の横方向
の閉じ込めが十分でなく、レーザ発振のためのしきい値
電流が大きくなる欠点があった。

本願考案はこのような従来の欠点を除去することを目的
とするものであり、空乏層を利用して活性層の中央部で
電流集中と屈折率の差を増大させることができる半導体
レーザを提供するものである。

以下本考案の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第３図は本願の半導体レーザ基板を示すものである。

本実施例ではｎ形ＧａＡｓ結晶基板１を用いており、外
部印加電界により活性領域の周辺に形或される空乏層領
域において屈折率を減少させるためにレーザ光の反射面
となるへき開面を０１ １面とする。

この結晶基板１の１００面上に第４図ａに示すようにア
ルミニウム原子を含み、屈折率の低いｎ形Ｇａ１−２Ａ
ｌ２Ａｓ （７）第１クラッド層２（Ｚ ＝０．３〜０
．５）をエビタキシャル或長させる。

その後レーザ光の反射面間の中央部分を（例えば６μｍ
）残して第１クラツド層２の両側部分にＧｅ等を不純物
とした高濃度キャリャ領域であるＰ形拡散層３を例えば
０．５〜１μｍの厚さで拡散する。

このＰ形拡散層３のキャリャ濃度は１×１０１８ｃｍ−
３オーダーとする。

次に第４図ｂに示すように第１クラツド層２及びＰ形拡
散層３上にｎ形ＧａＡｓ活性層４をエビタキシャル戊長
法により構或する。

活性層４の厚さｄは例えば０．１５μｍとし、キャリャ
濃度は例えばＩＸＩＯ”ｃｍ ”とする。

活性層４の上に同じくアルミニウム原子を含み屈折率の
低いＰ形Ｇａ１−ｕＡｌ ｕＡｓの第２クラツド層５（
ｕ ＝０．３〜０．５）をエビタキシャル戊長法によっ
て一面に或長させ、そのキャリャ濃度を例えばｌ×１０
１８ｃｍ−３とする。

こうして活性層４を屈折率の低い第１，第２クラツド層
２，５ではさみ込んだダブルへテロ構造とする。

更に第２クラツド層５の上にオーミツク型の電極を付け
るためにＰ形ＧａＡｓキャップ層６をエビタキシャル戊
長法により構或する。

その後結晶基板１の下部に陰極７を、キャップ層６の上
部に陽極８を夫々オーミツク型電極として形或する。

以上のようにして構戊した半導体レーザの斜視図を第５
図に示す。

次にこの半導体レーザの機能及び動作を第６，７図を用
いて説明する。

第６図は陰極７及び陽極８に電圧を加えた場合のこの半
導体レーザを示す断面図である。

本図において、４１は拡散層３の上部位置にある活性層
４の側部に発生する空乏層である。

ところでｎ形部分の空乏層の厚さＸｎは次式（１１で表
される。

但し、ε・・・媒質の誘電率， ■・・・逆バイアス電圧， ＶＤ・・・拡散電圧（ １．６ ４Ｖ） ，（ＮＤ”−
ＮＡ）・・ｎ形のキャリャ濃度。

ここで印加バイアス電圧が零及び１．４３ Ｖの場合に
はキャリャ濃度をＩ Ｘ １０１６ｃｒｎ ’とすると
、空乏層の厚さＸ．は夫々０．４８８ ｐ ｍ， ０．
６６８ ｐ ｍ．となる。

前述のように活性層４の厚さｄは０．１５μｍに選ばれ
ているので、拡散領域３の真上の活性層４は第６図のよ
うに全て空乏層４１となる。

ここで陽極８を陰極７に対して正の所定電位（例えば１
．４３■）とすると、Ｐ形の第２クラツド層５とｎ形の
活性層４の中央部分の活性領域４０は順方向バイアス電
圧が印加され順方向電流が流れる。

しかし活性層４の両周辺部分は空乏層４１が存在するた
め順方向電流は流れない。

従って電流を活性領域４０に集中させることかで゛きる
。

ところで、活性層４の当初の屈折率をｎ。

とすると、空乏層４１における屈折率ｎは、へき開面を
前述のように０１１としているため、ＴＥモードの光に
対して次式（２）で表される。

ｎ＝ｎｏ ＋Ｊｎ（ＪＮ）−７１ｎＣＩｌｉ）
−・−・−・＋２１ ，但し、Ｊｎ（＃） −・・
活性層が空乏層となる前後のキャリャ濃度差に基づく屈
折率の 変化量， Ｊｎ（Ｅ）・・・電気光学効果に基づく屈折率の変化量
。

ここに７Ｉｎ（ＪＮ）は次式（３）で表される。

但し、 ε０・・・真空の誘電率， ｍ＊・・・実効質量， −・・・光の角周波数． ｅ・・・電子の電荷， ７１Ｎ・・キャリャ濃度差。

上式（２》において屈折率ｎ ｏ ＝ ８．６、波長λ
＝０．８５（μｍ） の場合に、キャリャ濃度差Ｉ Ｎ ＝ Ｉ Ｘ １０１
６（ｃｍ−３）とすると、Ｊｎは１．４Ｘ１０−”とな
る。

次に電気光学効果に基づく屈折率変化Ｊ ｎ （Ｅ）は
次式（４）で表される。

但し、 ｒ・・・電気光学係数， Ｅ・−・電界強度。

ところで空乏層４１内の電界強度Ｅは次式（６】で表さ
れる。

但し、ｄｏ・・・厚さ， ｖＤ・・・拡散電圧（１．６４ｖ）， ■Ｇ・・・印加電圧。

従って陽極８への印加電圧が１．４３Ｖの場合、空乏層
４１の電界強度Ｅは式（５）より約２ Ｘ １０５（Ｖ
／ｃｒｎ）であり、その場合の屈折率変化ｊｎ（Ｅ）
は約６×１０−４となる。

以上をまとめると空乏層４１の屈折率ｎは式（２）によ
り、 ｎ＝ｎｏ ＋Ａｎ （ｊＮ）−Ｊｎ（Ｅ）＝ｎ６ ＋１
．４Ｘ １Ｇ ’−６Ｘ １Ｇ−’＋ｎ（１−６ Ｘ
１０−’ となる。

従って第６図と横方向偏位を等しくした第７図に示すよ
うに、活性層４の活性領域４０はその周辺の空乏層４１
に比べて屈折率が約６Ｘ１０−’だけ高くなる。

実際の動作では、利得に基づく屈折率の増大によりさら
に高くなる。

そのため横方向ではレーザ光を中央の活性領域に効率よ
く閉し込めることが可能となる。

なお活性層４は上下の屈折率の低い第１，第２クラツド
層２，５にはさまれたいわゆるダブルへテロ構造のため
、縦方向（上下方向）でもレーザ光の閉じ込めが行なわ
れる。

従って陽極８、陰極７間に所定値以上の電流を流せば活
性層４の活性領域４０で光の反射が繰り返され、レーザ
発光が行なわれる。

尚本実施例では拡散層３のキャリャ濃度を１×１０１８
ｃｍ−３としたが、５×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−
３の値をとりうる。

５×１０１７ｃｍ−３以下になれば拡散層３側にも空乏
層が広がり、その結果空乏層４１の電界強度が小さくな
って屈折率があまり下がらなくなる。

５×１０”ｃｍ−３以上にしても無意味である。

又活性層４のキャリャ濃度は１×１０１６ｃｍ−３とし
たが、５×１０１５〜５Ｘ１０１６ｃｍ−３の値をとり
うる。

５Ｘ１０１６ｃｎｎ ”より高くなればｎ形では光の吸
収係数が小さくなって発振が困難になり、５ Ｘ １０
１５ｃｍ− ３以下になれば製造が困難となる。

又上記実施例では第１クラツド層２にＰ形層３を設ける
に当って拡散法によって構或したが、ベリリウムイオン
Ｂｅ＋等を不純物としてイオン注入法により拡散層３と
同じ位置にイオン注入層を構威してもよく、又選択的エ
ビタキシャル法によってもよい。

第２クラツド層５のキャリャ濃度は、通常用いられてい
る１×１０１７〜５Ｘ１０１８ｃｍ ”であることが望
ましい。

又本実施例ではＧａＡｓ−ＧａＡＩＡｓ系で半導体レー
ザを構威したが、その代わりにＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ
系でも構戒できる。

本実施例の各層の全てを逆のタイプの導電形半導体とす
ることもできる。

その場合、Ｐ形活性層のキャリャ濃度は１×１０１７〜
５×１０１７ｃｍ−３とすることが望ましい。

更に本実施例ではキャップ層６の全面に陽極８を設けて
いるが、活性層４の中央の活性領域４０の真上に第８図
に示すようにストライプ状の陽極８１を設け、拡散層３
の真上にこの陽極８１と微小間隔を隔てて第２陽極８２
．８３を設けてもよい。

このように構或した第２陽極８２．８３に陽極８１より
高い電圧を与えると、電気光学効果によって空乏層４１
の電界が前述の実施例より高くなるため、空乏層内の屈
折率が更に低くなり、その結果横方向のレーザ光の閉じ
込め効果がより向上する。

又この実施例では活性層を第１クラッド層と同一タイプ
の導電形であるｎ形半導体としたが、第９図に示すよう
に第２クラッド層と同一タイプの導電形であるＰ形半導
体で構威してもよい。

この場合は第２クラツド層を構或した後、前実施例と同
じく、第２クラツド層５′の両側部分にｎ形の高濃度キ
ャリャ領域５０を拡散法等によって形或する。

活性層４の中央部の活性領域の外側に空乏層を形或する
ため、高濃度キャリャ領域５０を活性層４にほぼ接する
まで深く形或する。

この場合、活性層及び゛第２クラッド層のキャリャ濃度
は１×１０１７〜５×１０１７ｃｍ″′３の範囲内とす
ることが望ましい。

以上詳細に説明したように本願考案に係る半導体レーザ
においては、活性層の中央の活性領域以外を空乏層とし
ているため電流を有効を活性領域に集中することができ
る。

従ってレーザ発振のしきい値電流を小さくすることが可
能である。

更にレーザ光の反射面として０１１のへき開面を用いて
いるため、空乏層の部分は活性領域に比べて屈折率が低
くなり、その結果、活性領域の屈折率がその両側より相
対的に大きくなってレーザ光を有効に活性領域に閉じ込
めることができる。

これらのことから、半導体レーザの発光効率を高めるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の半導体レーザの異なる例を示す
断面図、第３図は本考案の半導体レーザに使用するＧａ
Ａｓ結晶基板を示す斜視図、第４図ａ，ｌ）は本考案の
半導体レーザの製造工程途中における断面図、第５図は
この半導体レーザの斜視図、第６図は陽極に所定電圧を
印加した場合の半導体レーザの断面図、第７図は第６図
と横方向偏位を等しくした活性層の屈折率変化を示すグ
ラフ、第８図は本考案の他の実施例を示す斜視図、第９
図は更に他の実施例を示す断面図である。 １−・−・・ｎ形ＧａＡｓ結晶基板、２・−・・・ｎ形
Ｇａ１−２Ａｌ２Ａｓ第ｌクラツド層、３・・・・・・
Ｐ形拡散層、４・・・・・・ｎ形ＧａＡｓ活性層、４０
・・・・・・活性領域゜、４１・・・・・・空乏層、５
・・・・・・Ｐ形Ｇａ１，ＡｌｕＡｓ第２クラッド層、
６・・・・・・Ｐ形ＧａＡｓキャップ層、７・・・・・
・陰極、８，８１・・・・・・陽極、８２，８３・・・
・・・第２陽極。

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. （１）活性層の上下に該活性層より屈折率の低い第２及
   び第１の互に異なるタイプの導電形の半導体から成るク
   ラツド層を夫々へテロ接合し、該第２クラツド層上に第
   ２クラツド層と同一タイプの導電形の半導体のキャップ
   層を接合してなるダブルへテロ構造の半導体層を第ｌク
   ラツド層と同一タイプの導電形の半導体基板上に設け、 また前記第１又は第２クラツド層のうち活性層と同一タ
   イプの半導体から構威されるクラツド層の中で、所定幅
   ストライプを残してその両側部分に上記第ｌ又は第２ク
   ラツド層と異なる導電タイプの高濃度キャリャ領域を設
   け、さらに該キャップ層上で前記ストライプの真上及び
   半導体基板の表面に夫々陽極及び陰極を設け、 前記ストライプの両側面の面方位が０・１１０面方位で
   ある半導体レーザにおいて、 前記キャップ層上で前記ストライプの両側の高濃度キャ
   リア領域のうち少なくとも一方の側の真上に、前記陽極
   と分離した第２の陽極を設け、上記第１又は第２クラツ
   ド層と異なる導電タイプの半導体領域と前記活性層内で
   前記ストラ、イブ近傍の活性領域の両側領域との境界に
   形威される空乏層の内部電界に起因する電気光学効果に
   より、前記両側領域内の屈折率の値が前記ストライプ近
   傍の前記活性領域の屈折率より小さい第１の屈折率の値
   になるように構或し、 レーザ発光に要する所定電圧を前記陽極，陰極間に印加
   した時に、前記活性領域の両側領域内の屈折率が、電気
   光学効果によって電圧印加前の前記両側領域における屈
   折率よりさらに小さい第２の屈折率の値になるように構
   威し、 前記所定電圧以上の第２の所定電圧を前記第２の陽極、
   陰極間に印加した時に、前記両側領域内の屈折率の値が
   、電気光学効果によって前記第２の所定電圧印加前の前
   記両側領域における前記第２の屈折率の値よりさらに小
   さい第３の屈折率の値になるように構威したことを特徴
   とする半導体レーザ。
2. （２）前記活性層がＧａＡｓであり、前記第１，第２の
   クラツド層が夫々Ｇａ１−ｚＡ ｌ ｚＡｓ及びＧａ１
   −ｕＡ １ｕＡｓ（ Ｚ ， ｕ ＝０．３〜０．５）
   であることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第ｌ項
   記載の半導体レーザ。
3. （３）前記第１クラツド層、活性層及び半導体基板がｎ
   形半導体であり、前記第２クラツド層、高濃度キャリャ
   領域及びキャップ層がｐ形半導体であることを特徴とす
   る実用新案登録請求の範囲第１又は第２項記載の半導体
   レーザ。
4. （４）前記高濃度キャリャ領域のキャリャ濃度が５ Ｘ
   １０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内にあること
   を特徴とする実用新案登録請求の範囲第３項記載の半導
   体レーザ。
5. （５）前記高濃度領域を有しないクラッド層のキャリャ
   濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲内に
   あることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第３項記
   載の半導体レーザ。
6. （６）前記高濃度キャリャ領域が、第１クラッド層の中
   の前記活性層と接する表面部分に設けられたことを特徴
   とする実用新案登録請求の範囲第１〜５項のいずれかに
   記載の半導体レーザ。
7. （７）前記高濃度キャリャ領域が、第２クラッド層の中
   のほぼ前記活性層と接する深さにまで設けられているこ
   とを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１〜５項のい
   ずれかに記載の半導体レーザ。