JPS60163483A - 半導体レ−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】 （技術分野） 本発明は半導本レーザ特に大光出力半導体レーザに関す
るものである。

最近ＡｌＧａＡｓルａＡｓ等の結晶材料を用いた９税光
半導体レーザは、低閾値で高効率の室温連続発振を行う
事ができるので、光方式のディジタル・オーディオ・デ
ィスク（ＤＡＤ）　用光源として最適であシ実用化され
つつある。この可視光半導体レーザは光プリンタ等の光
書きこみ用光源としての需要も高まシ、この要求をみた
すため大光出力発振に耐える可視光半導体レーザの研究
開発が進められている。この可視光半導体レーザは光学
系との結合効率を上げる事が望ましく活性層水平方向と
垂直方向との広が９角が等しいレーザが要求されている
。

（従来技術） 半導体レーザの中で、ツカダにより米国雑誌”　Ｊｏｕ
ｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌ　ｆｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　
”　＠　４　５巻４８９９頁〜４９０６頁に報告されて
いるものは。

活性層をクラッド層でとりかこみｐｎ接什の組会せによ
り活性層内にのみ有効にキャリアを注入できる構造をも
ついわゆるＢＨ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔ−ｒ
ｕｃｔｕｒｅ　）レーザであり、活性層の水平方向と垂
直方向との広が９角が等し＾円形に近い光源であり、低
＠ｌ１ｆＬｔ流で高効率のレーザ発根を行うすぐれた特
性を有している。しかし５通虐のＢＨレーザはスポット
サイズが２〜３μｍ程度ときわめて小さいので、室温連
続発振（ＣＷ）光出力が２〜３ｍＷ、パルス動作（１０
０ｎｓ幅）光出力がＩＱｍＷ程度の動作限界となってお
し、これ以上の光出力を放出すると容易に反射面が破壊
される。この現像は光学損傷として知られており、その
ＣＷ動作の限界光出力密度はＩＭＷ／ｃｍ’　前後でお
る。これに対し光学損傷を防ぎ大光出力を得る方法とし
て、活性層に隣接してガイド層を設けた構造ＢＯＧ　（
Ｂｕｒｉｅｄ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｇｕｉｄｅ　ＢＨレー
ザ）が、ナカジマ等により雑誌”　ＪａｐａｎｅｓｅＪ
ｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ
”　第１９巻Ｌ５９１頁〜Ｌ５９４頁に報告されている
。この構成は、活性層及びガイド層をクラッド層でうめ
こみ活性層の光の一部を隣接したガイド端にしみ出させ
光学損傷の生じるレベルを上昇させようというものであ
る。この方法はガイド１藷にしみ出す光の通に依存する
が最大光出力はＩｇｍＷ前後が限界であった。

又ＢＨ層構造利点を生かし高濃度の活性層を有するＢＨ
構債の共振器の長で方向の両度射面からキャリアの拡散
長程度以上はなれた中央部分に活性−とは逆のタイプの
不純物拡散をおこない不純物補償したバンドギャップの
実効的に４少した励起項域を設は両度射面近傍を実効的
にバンドギャップの広いウィンドウ構造し大光出力発振
上可能にした半導本レーザが林他により特願昭５３−５
６７８１に提案されている。

この特願昭５３−５６７８１記載の半導体レーザは。

活性層両端ｔ−第１と第２とのクラッド層ではさんだＤ
Ｈ構造をメサ状に加工し、その周囲を第３のクラッド層
でうめこんだ後不純物拡散をしたもので、不純物拡散に
よって形成されるｐｎ接合面はうめこみ層の＄３クラッ
ド層内もしくは活性層と基板との間にある＄２クラッド
ｌ−内にある構造になっている。この構造では、大光出
力発振を行うために大屯流を注入すると各クラッド層の
ｐｎ接合面の耐圧をこえて電流が流れ、このｔ流はすべ
て無効・電流となるので、注入鑞流のうち有効に発振に
寄与する割合が減少し、外部微分量子効率が悪くなり、
光出力がすぐに飽和する現象をきたす。

そのため埋込み層を絶縁層にする事も考えられるが通常
の液相結晶技術ではきわめて困難であり実現性に乏しい
。更に、このような構造ではメサ状の活性層領域幅を狭
くしないと大光出力発根とともにキャリア分布に空間的
なホールパー二７グが生じやすく一次横モード発振ｔ８
易に許容する。

しかし、活性層領域幅を狭くするとスポットサイズが狭
くなりｆ５振光出力が減少し大光出力発振が困難になる
。又この構造ではある程度の大光出力密度ＣＷ全発振可
能であるが通帛のＡｌＧａＡｓルａＡｓ半導体レーザを
大光出力密度ＣＷ全発振させた時に生じる反射面破壊レ
ベルを数倍程度上昇させるにすぎなかった。

（発明の目的） 本発明の目的は、これらの欠点を除去し、低閾直高効率
で発掘すると共に基本横モード発成による大光出力発振
が可能で、比較的容易に製作で＠。

再現性および信頼性の上ですぐれた半導体レーザを提供
することにある。

（発明の構成） 本発明の半導体レーザの構成は、基板上に形成された共
振器の長手方向の両Ｊｉ面近傍にガイド層をこのガイド
層よシも屈折率の低い第１および第２のクラッド層で挾
みこんだ層構造を設けたストライプ状領域と、不純物ド
ープした活性層をこの活性層と同一の導を型でこの活性
層よりも屈折率の低い第３と第４のクラッド層で挟みこ
んだダブルへテロ接合半導体により前記ガイド層と前記
活性層とが隣接するように形成し、前記ストライプ状領
域を除いた全領域を前記基板上に設けたダブルへテロ構
造と、前記共振器の長で方向の中央部分の活性層内にこ
の活性層と逆の導′亀型の不純物を前記ストライプ状領
域０幅よりも狭く拡散して不純物補償したストライプ状
の励起領域とを設けたことを特徴とする。

（実施例） 以下図面音用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２１図、第３図、
第４図は第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’およびｃ−ｃ’断
面図、第５図、第６図、はこの実施例の製造途中の斜視
図およびその平面図である。

この実施例の製造方法は、まず（１００）面を平面とす
るｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０上にｐ−形Ａ　Ｉ　０．
４０ａ　０１６Ａｓの第１クラッド層１１を０．７μｍ
９次いてｐ−形Ａｌ　ｏ、ｚ　５Ｇａｏ、ｔ　ｓＡｓの
ガイド層１２ｋ１．０μｍ、ｐ″′形Ａｌ　ｏ、４Ｇａ
　ｏ、ａＡｓ　（ＯＮ　２１ラッド層１３に−１，０μ
ｍ成長する。この時各成長層は低濃度にして高抵抗にす
る事が望ましい。次に、５ｉ０２膜１４で全体を被膜し
た後フォトレジスト法およびエツチング法により共振器
の長て（０１１）方向の内反射面近傍にそれぞれ長さ４
０μｍ１幅５μｍのストライ／状で共振器の長さ方向に
２５０μｍ　の間隔ｔ−あけて８ｉ０ｚ膜１４を残して
他の領域をｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１０に達するまでエ
ツチングする（第５図）。

次に、　８ｉ０ｚ膜１４を残したまま高ｎ形＃度（ｎ＝
　〜１ｘｌＯｃｍ　）ｔ−有するｎ形Ａ１ｏ、５ｓＧａ
ｏ、ａｓＡｓの第３クラッド層１５を１．５　ａｍ　、
連続してｎ形濃度３×１Ｏ１８ＣｒＩｒ３のＡｌ　ｏ、
ｘＧａｏ、ｓＡｓ活性層１６ｆｔα２μｍ成長してガイ
ド層１２と隣接するようにし、更にｎ形Ａｌ　ｏ、ａＧ
ａｏ、ｓＡｓの第４クラッド層１７ｔ−１０μｍ成長し
全体を埋込む。

なお、高濃度のｎ形ＡｌＧａＡｓ層１５は５ｎＴｅ。

もしくはＴｅなどのドープにより形成する事ができ、ま
た埋込み層の層厚を制御しやすい様に、ストライプ状領
域を構成するガイド層１２と第２クラッド層１３との間
に中間層としてＡｌ　ｏ、５Ｇａｏ、４Ａｓ層を入れ、
埋込み前に中間層の部分の周辺をエツチングして切れ込
みを入れる事も考えられる。この時には埋込み層はきわ
めて制御よく成長する事ができ、活性層１６とガイド層
１２との成長表面を完全に一致させる事ができる。さら
に、この埋込みにおいて５ｉ０２膜１４の上には各埋込
み層は成長しないのでストライプ状領域外部の領域のみ
を埋込む事ができる。

次に、５ｉｎ２膜１４を除去した後８ｉ０２膜１８・で
全体を被膜し、両端面近傍にあるストライプ状領域によ
ってはさまれた共振器の長て方向の中央部分に幅３μｍ
長さ２３０μｍ　の窓をあけ、押込み法や２ゾーン法等
による低濃度拡散法により８）＜１０”ｃ’ｍ−３の亜
鉛を活性層内まで拡散し亜鉛拡散領域１９を形成する（
第３図）。このとき活性層１６は不純物補償されたｐ形
になる。一方、活性層１石に隣接した第３クラッド層１
５のｎ形濃度は亜鉛拡散濃度よりも高いので亜鉛拡散フ
ロントｔ−制御しなくても活性４１６と第３クラッド層
１５との境界にｐｎ接合が形成される。次に唾鉛拡牧を
した領域にｐ形オーミックコンタクト２０゜基板側にｎ
形オーミックコンタクト２１を形成すれば本発明の半導
体レーザが得られる。

（発明の効果） 本発明の構造において、共振器中央部分のｎ形活性層に
亜鉛を拡散し不純物補償して形成した励起領域は、励起
領域両端の活性Ｉ＠との間に生じるｐｎ接合面および第
３クラッド層１５と活性層１６との境界に形成されたｐ
ｎ接接台に廣しており、これらのｐｎ接曾面からキャリ
ア（電子）が注入されて利得分布が形成される。特に、
本発明の構造は、特願昭５３−５６７８１とは異なり、
三方のｐｎ接合面からキャリアが注入されて利得分布が
形成され、基本横モード発振に必要な利得の上昇を促す
ので、低閾値での発逗が０Ｔ能となる。

この亜鉛拡散により不純物補償して形成した励起領域は
、パントチイルのために実効的なバンドギャップが縮少
しているのに対し、非励起領域の活性層は高濃度のｎ形
頃域になっているので、バースタイン（Ｂｕｒｓｔｅｉ
ｎ　）シフトのために７エルミレベルがコンダクション
バインド内に入り、実効的なバンドギャップは広がって
いる。

本発明者の実験結果によれば、この実施例では、励起領
域のバンドギャップが非励起領域のｎ形活性層に比べて
５６ｍｅＶ縮小しているので、励起領域で発光したレー
ザ光があまり吸収をうける事なく活性層の非励起領域を
共儀器の長で方向に伝播する。特に、この構造では両度
射面近傍にストライプ状領域を有しているので、レーザ
光がムがる事なくこのストライプ状領域内に進行してい
く。

また、本発明の構造では、励起領域で発光レーザ光は共
機器の長で方向に進行していき両度射面近傍のストライ
プ状領域内に伝播していくが、活性７１１６とストライ
プ状領域内の屈折率の最も高いガイド層１２とは隣接し
ているので、このレーザ光は広がる事なく有効にガイド
嗜１２内に集光されてｂく。ストライプ状領域において
は、ガイド層１２の両端はほぼ屈折率の低い第３クラッ
ド層１５ではさまれてお抄、垂直方向は第１および第２
のクラッド層ではさまれているので、このガイド層１２
は完全な光導波路となる。また、ガイド層両端は一部活
性層に挾まれているが活性層は薄く、実効的な屈折率は
ガイド層より低くなり光はガイド層内に集光する。更に
ガイド層のバンドギャップはレーザ発振光に対して約２
４０ｍｅＶ広がっているので、レーザ発振光は吸収を受
ける事なくこの光導波路内を伝播する。更に反射面で反
射された光は再びこの光導波路内をとおり、励起領域に
もどｂそこで再励起されるので、損失なく低閾値、高効
率で発振する。

一方、従来の半導体レーザはキャリア注入による励起領
域となる活性層端面が反射面として露出しており、そこ
で表面再結合を生じ空乏層化してバンドギャップが縮小
しているので、大光出力発振をさせるとこの縮少したバ
ンドギャップにより光の吸収を生じ、そこが発熱して融
点近くまで上昇して光学損傷を生じるが、本発明の構造
では、両度射面近傍は非励起領戟になっているばかりで
なく１両反射面近傍の光の進行する導波路のバンドギャ
ップがレーザ発振光に対して約２４０　ｍｅＶも広がっ
ており、レーザ発振光の吸収がないので、光学損傷レベ
ルを飛躍的に上昇させる事ができ大光出力発振が可能に
なる。

更に、本発明の構造は、両度射面近傍にガイド層による
光導波路が形成されているので、レーザ光は進行中に光
導波路全体に広がり端面からの発振光の広がり角を狭く
でき、はぼ等心円的な光源を得る事ができる。

本発明の構造では、前記特願昭５３−５６７８１の半導
体Ｖ−ザとは異なり中央のストライプ状領域内に不純物
補償して励起領域が形成されている。

ところでｎ形、ｐ形不純物タイプの差、不純物濃度によ
υＧ　ａ　Ａ　ｓ等の半導本結晶は屈折率が異なる。

本発明の実施例ではキャリア注入時では約９ＸｌＯ−”
の屈折率差が生じ、活性層水平横方向において励起領域
の屈折率が上昇している事が本発明者の実験結果より明
らかになった。このように屈折率差が通常のＢＨレーザ
のへテロ接合によって形成される値よシも充分小さくか
つ横モード制御が可能な程度の大きさであると共に、第
３クラッド層と活性層との境界のｐｎ接合から主にキャ
リアが注入されるのでほぼ矩形に近いキャリア分布が保
たれるので両度射面近傍のストライプの幅すなわち光導
波路の幅を本実施例程度に広くしておけばキャリア分布
に空間的ホールバーニングは生じにくく、−次横モード
発振に必要な利得の上昇は抑圧されるので安定な基本横
モード発振が大光出力発振時でも維持される。

又、本発明の構造では中央のストライプ状領域の第４ク
ラッド層の亜鉛拡散領域との間にｐｎ接合が形成されて
いるが、大電流注入によってここからキャリアがもれて
も第４クラッド層を薄くしておけばその割合は小さい。

又第４クラッド層を薄くする事は熱抵抗を減少させるの
で大光出力発振上からも有効である。

以上に説明した本発明による半導体レーザは励起領域が
直接反射面に露出している通常の半導体レーザにくらべ
て外部との化学反応はおこりにくく反射面の光学反応に
よる劣化を阻止する事ができ、また通常の埋込みへテロ
接合（ＢＨ）レーザと同一製造過程でつくる事ができる
。

以上のように実施例はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓダブルへ
テロ接合結晶材料について説明したが、他の結晶材料例
えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ　、　ＩｎＧａＰ／Ａ
Ｉ　ＩｎＰ。

ＡｌＧａＡｓ８ｂ／ＧａＡｓ８ｂ等数多くの結晶材料に
適用する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図、第３図、第
４図は第１図のＡ−Ａ’　、Ｂ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’の
各断面図％第５図、第６図はこの実施例の作製の過程に
お贋で両端面近傍にストライプ状領域全残して他の領域
をエッチオフした時の斜視図およびその上面歯である。 図において１　ｇ　・−−−−−ｎ　−ＧａＡｓ　基板
、１１−−−−−−　ｐ−−ＡＩｏ、４Ｇａｏ、ａＡｓ
　第１クラッド層、１２−−−−・−ｐ−−ＡＩ　０．
２５（）ａ　ｏ、ｒ　ｓＡｓガイド層、ｌ　３−・−・
−・ｐ−−ＡＩ　Ｇ、４ＧａＯ，６ＡＳ　ｉ　２　クラ
ソドノ組　１　４−−−−８ｉ０２膜、ｌ　５・・・・
・・　ローＡＩ０．３５ＧａＯ１６ＩＩＡｓ　第３クラ
ツド層、１６　・・−・−ｎ−Ａｌｏ、ｘＧａｏ、ｅＡ
ｓ活性層、１７−・−ｎ−Ａｌｏ、１Ｇａｏ、ｓＡｓ第
４クラッド層。 １８・・・・・・５ｉＯｚ膜、１９・・・・・・亜鉛拡
赦領域、２０・・・・・・ｐ形オーミックコンタクト、
２１・・団・ｎ形オーミックコンタクト。 である。 Ｙ−２個 予３＠

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器長手方向の両端面近傍にガイド層をこのガイド層
   よりも屈折率の低い第１および第２のクラッド層で挾み
   こんだ層構造を設けたストライプ状領域と、不純物ドー
   プした活性層をこの活性層と同一の導電型でこの活性！
   −よりも屈折率の低い第３と第４のクラッド層で挾みこ
   んだダブルへテロ接台半導体により前記ガイド４と前記
   活性ノーとが隣接するように形成し前記ストライブ状領
   域を除いた全領域を前記基板上に設けたダブルへテロラ
   イブ状領域の幅よりも狭く拡散して不純物補償し之スト
   ライプ状の励起領域とを含むことを特徴とする半導体レ
   ーザ。