JPS60163484A - 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】 （技術分野ン 本発明は半導体レーザ、特に大光出力を得られる半導体
レーザに関するものである。

最近、ＡｌＧａＡｓ　／ＧａＡｓ等の結晶材料を用いｔ
可視光半導体レーザは低閾値で高効率の室温連続発振全
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（ＤＡＤＪ用光源として最適であシこの半導
体レーザを用いた装置が実用化されつつある。この可視
光半導体レーザは光グリ／り等の光書キこみ用光源とし
ての需要も高まっているが、この要求ｔみたすため火元
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。また、この可視光半導体レーザとしては光
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ｐ角が等しい請求されている。

（従来技術フ このような半導体レーザの中で、ツカダにより米国雑誌
″Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　’″第４５巻４８９９頁〜４９０６頁に報告され
てい６ＢＨ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ　）　ｖ−ザがあるが、このＢＨレーザは活性ｍ
ｗクラッド層でとり囲みｐｎ接合の組合せにより活性層
内にのみ有効にキャリア？注入できる構造ｔもつもので
あり、活性層の水平方向と垂直方向との広が９角が等し
い円形に近い光源であり、低量１直電流で高効率のレー
ザ発振金貸うすぐれた特性？有している。しかし。

通常の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
〜３　ｍＷ　、パルス動作（１００ｎｓ幅）の光出力が
１０　ｍＷ程度の動作限界となっておジ。

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。この現象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／Ｃｄ前後である。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ｒ設けた構造Ｂ　ＯＧ　（Ｂｕｒ
ｉｅｄ　（Ｊｐｔｉｃａｌ　Ｇｕｉｄｅ　ＢＨ）レーザ
が、ナカジマ等により雑誌“ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　”第
１９巻Ｌ５９１貞〜Ｌ５９４頁に報告されている。この
構成は。

活性層及びガイド層ｔクラッド層で埋込み活性層の光の
一部全隣接したガイド層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。この構成はガ
イド層にしみ出す光の量に依存するが信頼性よく使用で
きる最大光出力はｌＯｍＷ前後が限界であった。

また、ＢＨ溝構造反射面近傍を活性層よりもバンドギャ
ップの大きいクラッド層で埋込み火元出力発振ｔさせよ
うという試みは、渡辺等により第２９回応用物理学関係
連合講演会予稿果１６１頁（１９８２年春季）に報告さ
れている。しかし、この方法は、レーザ光が反射面近傍
のクラッド層を伝播する際に広がるため反射面で反射さ
れて活性領賊内に入ジ再励起される光の量（カップリン
グ効率）が低くなるので、閾値電流の上昇および外部微
分量子効率の低下ｔきたす欠点ｔＭしている。

この渡辺等の報告によれば、閾値電流は通常のＢＨ半導
体レーザの２倍になり、外部微分量子効率はわずか１１
．８％しか得られていない。更にこの構造全形成する場
合、結晶成長後エヴテングして反射面となる領ＩＩＪＩ
埋込むので埋込んだクランド層領吠と活性層との界面部
分に結晶欠陥が生じやすく信頼性の点で問題がある等の
欠点１−［していた。

（発明の目的〕 本発明の目的は、上記欠点を除去し、低閾値高効率で発
振するのみならず大光出力基本横モード発振が可能であ
り、比較的容易に製作でき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、基板上に形成されに共
振器長手方向の肉皮射面近傍に設けられ。

第１のガイド層ｔこの第１のガイド層よりも屈折率が低
い第１および第２のクランド層で挾みこんだ第１の多層
構造ｒもつストライプ状領域と；このストライプ状領域
の下側ｔストライプ状に残してその両側に溝部を設けた
基板上に、活性層とこの活性層よりも屈折率が低い第２
のガイド層とｔこの第２のガイド層よりも屈折率が低い
第３と第４とのクラッド層で挾みこんだ半導体層により
前記ストライプ状領域以外の領＠を埋込んだ第２の多層
構造とｔ備え；前記共振器の中央部分の前記活性層は、
前記ストライプ状領域とほぼ同一の幅でその両側面が前
記第２のガイド層に隣接し、かつ前記共振器の長手方向
では前記ストライプ領域の第１のガイド層に隣接してい
ることｔ特徴とする。

（実施例） 以下図面を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２図、第３−９第
４図は第１図のＡ−Ａ’　、　Ｂ−Ｂ’　、ＣＣ／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
よび平面図である。この実施例の製造方法は、（１００
）面を平面とするｐ形ＧａＡｓ基板ｌＯ上にｐ−形Ａｌ
　ｇ、４　Ｇａｇ、６　Ａｓ第１クラツドＲ１ｌｋＯ，
５／ｌ１ｍ、次いてｐ−形Ａ１０，３２ｏａＯ，６８Ａ
ｓ第１ガイド層１２に０．５　ｔｌｍ、ｎ−形ＡＩ０，
４Ｇａｏ、６Ａｓ第０．ラッド層１３’ｉｒＯ，５μｍ
連続成長させる。ここで第１クラ・ノド層１１．第１ガ
イド層１２．第２クラッド層１３からなる第１の多層構
造は高抵抗層とする事が望ましい。

次にＳｉ□ｚ　膜１４で全体を被膜し罠後％７オトレジ
スト法およびエツチング法により共振器の畏さ方向であ
る［０１丁］方向に幅４μｍのストライプ状にＳｉ０ｇ
膜を残し外部領１ｉ１１．５μｍエツチングする。次い
てこのストライプ状の５ｔＯｆｆｉｉの肉皮射面近傍４
０μｍづつ残して共振器の長さ方向の中央部分を基板ｌ
Ｏに達するまで約１．６μｍエーノテングする。この時
エツチングする共振器中央部分の長さは２５０μｍにす
る。この結果、ストライプ状の共振器の両端にはその中
央部分では深さ１．５μｍの溝が、又肉皮射面近傍の第
２クラッド層１３の表面からは深さ３．１μｍの溝が形
成された事になる（第５図、■６図）。ま誤この共振器
中央部分は両端の溝に対して逆メサになるようにエツチ
ング全制御する事が望ましい。

次に、５ｉ０２膜１４’に残したままｐ形ＡＩＬＩ、４
Ｇａ　Ｏ，６Ａｓ第３クラッド層１５ケ共振器中央部分
の逆メサ頂部で０．５μｍ９次いてアンドープＡＩｏ、
１５０ａ６３５　Ａｓ　活性層１ｆｌ−共振器中央部分
の逆メサ頂部で０，０６μｍになるように成長する。乙
の成長速度は溝部分が平担部より２倍はやいので、ｎ部
分では第３クラッド層１５が１．０μｍ成長するが、こ
の成長表面は共振器中央部分での第３クラッド層１５の
成長表面に対して１．０μｍ深くなっている。従って５
次いて成長する活性層１６は成長層が薄く、共振器中央
部分がその両端の溝よりも高くかつ逆メサになっている
ので、共振器中央部分と溝の領賊とにとぎれて別々に成
長する。更にｎ形Ａｌ　Ｏ，３２ＧａＯ，６６Ａｓ　第
２ガイド層Ｉｎ”共振器中央部分に０．５μｍ成長する
。この時溝部では１．０μｍ第２ガイド層エフが成長す
るが、その成長表面は共振器中央部分に成長した活性活
性層よりも約０．０６μｍ高くなハ活性層１６は上部及
び両端が第２ガイド層１７で埋込まれた状態になる。次
にｐ形Ａｌ　ｇ、４０ａｇ６Ａｓ第４クランド層１８を
全体が平坦に埋まるように成長する（第２の多層構造り
。

この結果５両度射面近傍のストライプ状領賊の両端は、
第２図に示し１ζ如く第１クラ・ノド層１１に隣接して
第２ガイド層１７が成長し、第１ガイド層１２および第
２クラ・ノド層１３に隣接して第４クラツドｔｔｉｔｓ
が成長しているのに対し、共振器の長手方向においては
、第４図に示した様に第１クラッド層１１に隣接して第
３クラ・ノド層１５が成長し、第１ガイド層１２に隣接
して活性層１６および第２ガイド層１７が成長し第２ク
ラ・ノド層１３に隣接して第４クラ・ノド層１８が成長
している。

なお、ストライブ状領吠の衆面には８ｉυ２膜１４がつ
いているために第４クラ・ノド層１８は成長しない。次
に、Ｓ＋（Ｊｚ膜１４に除去し新たに５ｉＱｚ膜１９’
に全面につけた後２両度射面近傍のストライプ状領吠を
除いに共振器−の中央部分の逆メサ頂部に位置する第４
クラッド層１８上の３１（Ｊｚ膜に幅４μｍ共振器の長
手方向に長さ２３０μｍの窓？あけ、Ｓ（イオウノ等の
ｎ形不純物を第２ガイド層１７に達するまで拡散しｎ形
不純物拡散領賊２（ｌ形成する。更ｌｌＣ，Ｃの拡散領
賊２０にｎ形オーミックコンタクト２１忙つけ、基板１
０側にｐ形オーミックコンタクト２２につけると本発明
の半導体レーザが得られる。

本実施例の構造は、共振器の中央部分の逆メサ頂部に成
長した活性層１６が活性層垂直方向で第３クラッド層１
５と第２クラ・ノド層１７とで挾まれておハ更に活性層
水平横方向が活性層１６よりも屈折率の低い第２ガイド
層１７で挾まれ７＝ｃＢＨ１ｌ造になっている。この構
造においては、ｎ形不純物拡散領域２（１通して注入さ
れたキャリアは拡散７０／トが活性層１６に隣接した第
２ガイド層１７内にあるのでＭ効に活性層１６に注入さ
れて発振に寄与する。この活性層１６は層厚が薄く、垂
直方向において屈折率がクランド層よりも高い第２ガイ
ド層１７に隣接しているので、活性層１６で発光した光
はこのガイド層１７にしみ出て共振器内會進行する。こ
の構造においては、共振器部分の活性層１６と第２ガイ
ド層１７とは共に内反射面近傍において第１ガイド層１
２に隣接しているので、光はもれることなくこの第１ガ
イド層１２内に入る。この反射面近傍の第１ガイド層１
２全体はこのガイド層よりも屈折率の小さい第１．第２
および第４クラシト層１１．１３゜１８で埋込まれて光
導波路ケ形成しているので。

光は広がる事なくこのガイド層内を集光して進行する。

本実施例の第１ガイド層１２の組成の層のバンドギャッ
プは、レーザ発振光に対して２３０ｍｅＶ以上広がって
いるので、ガイド層を進行する光が吸収損失を受ける事
はない。こうして反射面近傍のガイド層内を進行し窺光
の一部は反射面で反射され、再び光導波路機能ｔもつガ
イド層内を損失ｔうける事なく戻り、活性層内に入り再
励起されるので、低閾値高効率でレーザ発振する事がで
きる。

（発明の効果） この実施例の構造は、渡辺等の報告による端面埋め込み
梨ＢＨレーザとは全く異り、カップリング効率が飛眺的
に高くなっており、低閾値高効率というＢＨ構造レーザ
のもつ基本的特性を有してい−る。

更に、本発明の構造は、内反射面近傍がレーザ発振光に
対してバンドギャップの広いガイド層になっているので
、光学損傷（ＣＯＤ）の生じる光出力レベルを者しく上
昇させる事ができる。すなわち、通常の半導体レーザは
キャリア注入による励起領戟となる活性層端面が反射面
として露出しておシ、そこでは表面再結合を生じ空乏層
化してバンドギャップが縮少している。この時大光出力
発振をさせると、この縮少したバンドギャップによジ光
の吸収ｒ生じ、そこで発熱して融点近くまで温度が上昇
しついには光学損傷を生じるが２本発明の構造では内反
射面近傍は非励起領域になりているばか９でなく、レー
ザ発振光はバンドギャップ差が２３０　ｍｅＶ以上も広
い層を透過して発振するので、反射面近傍での光の吸収
がなく光学損傷を生じにくく大光出力発振を可能とする
。

又本発明の構造では、活性領戟である活性層１６の両端
が第２ガイド層１７に接しており、活性層水平横方向に
つけられる屈折率差ｒ比較的小さくする事ができる。こ
れに対し通常のＢＨレーザでは活性層両端が活性層よシ
はるかに屈折率が小さいクラッド層で挾みこまれており
、このため活性層水平横方向に作りつけられる屈折率差
はきわめて大きく、この状態で基本横モード発振ｔさせ
るためには活性層の幅に１〜２μｍ程度に限定する必要
があった。本発明の構造ではその屈折率差が比較的小さ
いので、活性層の幅を通常のＢＨレーザの２〜３倍にし
ても基本横モード発振を維持する事ができる。ま１こ、
光出力および外部微分潰子効率がスポットサイズに比例
して大きくなるので、ウィンドウ効果による光学損傷レ
ベルの上昇と共に更に発振光出力を大喝に上昇させる事
ができる。又内反射面近傍にある光導波機構を進行する
うちに元はこの値頃全体に広がるが、端面から放射され
たレーザ光はこのｆ！！ＩＩ！ｗ形成しているガイド層
の幅と厚さとに限定されているので、外部光学系とのカ
ップリングもや９やすくその効率を上昇させる事ができ
る。

以上説明し友ように１本発明による半導体レーザは、励
起値頃が直接反射面に露出している通常の半導体レーザ
に比べて、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ＢＨ
レーザと同一製造過程でつくる事ができる。

なお、この実施例はｐ形とｎ形と葡反転してもよく、又
、　ＡｌＧａＡｓ　／　ＧａＡｓ　ダブルへテロ接合結
晶材料について説明し九が、他の結晶材料、例えばＩｎ
ＧａＡｓＰ　／　ＩｎＧａＰ、　ＩｎＧａＰ　／　Ａ１
１ｎｅ、　ＩｎＧａ−ＡｓＰ　／　ＩｎＰ、ＡｌＧａＡ
ｓ８ｂ　／ＧａＡｓ８ｂ等数多くの結晶材料にも適用す
る事かで＠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’　、ＣＣ／の各
断面図％第５図は本実施例の作製の過程におけるダブル
へテロ接合結晶ｔエッチングレ九時の斜視図、第６図は
第５図の上面図である。 図において ｌＯ・・・・・・ｐ形ＧａＡｓ基板、１１・・・・・・
ｐ−形ノｋｌＧ、４Ｇａ、、、Ａｓ第１クラッド層、１
２・・・・・・ｐ−形Ａｌ　００３２Ｇａ　ｇ、６Ｂ　
Ａｓ第１ガイド層、１３−・−・ｉｌ−形Ａｌ　（、，
４Ｇａ　００６Ａｓ第２クラッド層、１４・・・・・・
Ｓ　ｉＯｚ膜、１５１．。 −ｐ形Ａｌ　ｏ、４　Ｇａ　（１，６Ａｓ　第３クラツ
ド層、１６・・・・・・アンドープＡｌ　ｏ、ｘｓＧａ
ｏ、５５Ａｓ活性層、ｌ　７−・・−・・ｎ形Ａ１　ｏ
、３ｚＧａｇ、６ＢＡｓ第２ガイド層、１８・・・・・
・ｐ形Ａｌｏ、４ＧａＯ０６Ａｓ第４クラッド層、１９
−・・−・・５ｉ０２膜、２０・・・・・・ｎ形不純物
拡散領賊、２１・・・・・・ｎ形オーミックコンタクト
、２２・・・・・・ｐ形オーミックコンタクト、である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 共振器の長手方向の内反射面近傍にそれぞれ設けられ、
   第１のガイド層ｔこの第１のガイド層よりも屈折率が低
   い第１および第２のクラッド層で挾みこんだ第１の多層
   構造ｔもつストライプ状領域と；このストライプ状領域
   下側ｔストライプ状に残してその両側に溝部を設＃７九
   基板上に、活性層とこの活性層よりも屈折率が低い第２
   のガイド層とｔこの第２のガイド層よりも屈折率が低い
   第３と第４とのクラッド層で挾んだ半導体層により。 前記ストライプ状領峨以外の領域を埋込んだ第２の多層
   構造とｔ備え；前記共振器の中央部分の前記活性１１は
   、前記ストライプ状領域とはぼ同一の幅でその両側面が
   前記第２のガイド層に隣接し。 かつ前記共振器の長手方向で前記ストライプ領域の前記
   第１のガイド層に隣接していることｔ特徴とする半導体
   レーザ。