JPS6017980A - 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】 本発明は半導体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／ＧａＡｓ等の結晶材料を用いた可
視光半導体レーザは、低閾値で高効率の室温連続発振を
行うことができる点で、光方式のディジタル・オーディ
オ・ディスク（ＤＡＤ）用光源として好適であるとして
その実用化が進められている。まだ、同時にこの可視光
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
の需要も高壕り、この要求をみだ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も進められている
。これらの目的に使用するだめ、光学系との結合効率を
上げ、しかも活性層水平方向と垂直方向との広がり角が
等しい半導体レーザの開発が要求されている。

半導体レーザの中で、ツカダによシＭ、誌’Ｊｏｕｒｎ
ａｌｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｌｃｓ　’第４５
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、ｐＨ接合の組合せによ
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Ｂ　Ｈ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏａｔｒ
ｕｃｔｕｒｅ　）レーザで、活性層の水平方向と垂１１
′方向との広がり角が等しい円形に近い光源で・ちり、
低閾値電流で高効率のレーザ発振を行うすぐれた特性を
有している。しかし、通常のＢ　Ｔ−（レーザはスポッ
トサイズが２〜３μｍ程度ときわめて小さ−ので、室温
連続発振（ＣＷ）光出力が２〜３　ｍＷ、パルス動作（
１００ｎｓ幅）光出力が１Ｏｎ＃程度の動作限界で、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１賢ｄ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
接してガイド層を設けた構造ＢＯＧ　（１３ｕｒｉｅｄ
　０ｐｔｉｃａｌ　Ｇｕｉｄ６　Ｂ　ＩＩ）レーザが、
ナカジマ等によりｄｉｇ　Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ”第１
９巻Ｌ５９１頁〜工、５９４頁に報告されてい乙。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。

この方法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１０ｍＷ前後が限界で
ある。

また、Ｂ）ｆ構造の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、大光出力発振をさ
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集１６１頁（１９８２年春季）に報
告されている。しかしこの方法で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
射されて活性領域内にはいり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をきたす欠点を有している。

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。更にこの構造を形成する場
合、結晶成長後エツチングして反射面となる領域を埋込
むので、埋込んだクラッド層領域と活性層との界面部分
に結晶欠陥が生じゃすく信頼性の点で問題がある等の欠
点を有していた。

本発明の目的は、これらの欠点を除去し、低閾値高効率
で発振するのみならず基本横モード発振による大光出力
発振かり能であり比較的容易に製作でき再現性およびイ
イ頼性の上ですぐれた半導体レーザな提供することにあ
る。

すなわち、本発明は活性層に該活性層よりも屈折率が小
さい材質からなる第１および第２のクラッド層ではさみ
こんだダブルへテロ接合半導体材料を用い、長手方向に
沿って中央部分に幅が広い領域と、その両端に隣接して
形成された幅の狭い領域とからなるストライプ状構造を
設け、幅の広いストライプ状領域とこれに隣接した幅の
狭いストライプ状領域との境界をなす面がレーザ光に対
する全反射角を有し、畝幅の狭いストライプ状領域に隣
接して内反射面近傍に形成された溝部領域とストライプ
状構造の外部の領域とを第３のクラッド層、クラッド層
よりも屈折率が大きく活性層よりも屈折率が小さい材質
からなるガイド層、第４のクラッド層を連続してうめこ
んだ状態において該ガイドｊΔを溝部領域では厚く、他
の埋込み領域では薄くシ、その長手方向において該スト
ライプ状構造内の活性層を溝部領域のガイド層と隣接さ
せたことを特徴とする半導体レーザである。

以下図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第６図において、（１００）面を平面とするｎ形ＧａＡ
ｓ基板１０上に、ｎ形Ａｌｏ、４Ｇａｏ、６Ａｓ第１ク
ラッド層１１を１゜０８ｍ１次いでアンドープＡｌ（、
，１，Ｇａ０．８．Ａｓ活性層１２を０．０７μｍ、Ｐ
形Ａｌ　（、、＝Ｇａｏ　、６Ａｓ　第２クラッド層１
３を１゜５μｍ順次連続成長させる。次にＳｉｎ！膜１
４で全体を被膜した後、フォトレジスト法およびエツチ
ング法により形成すべき共振器の長手方向である（Ｏ１
ｌ〕方向に、中央部分に３００μｍの幅をおいて、内反
射面近傍に幅３μ７π長さ２０μｍの窓をあけた後、深
さ１．０μｍエツチングする。これによって形成される
溝両端に接し、その長手方向において溝の中心と５ＬＯ
ｎ膜１４の中心とが一致する様に幅５μｍ長さ２２０μ
ｍのＳｉ０３Ｍ１４を中央部分に、これに隣接しかつ溝
に隣接する様に幅３μｍ長さ４０μｍのスト２イブ状の
５ｉｎｓ膜１４を中央部分の両端に残し、残部をｎ形Ｇ
ａＡａ基板１０に達するまで全体を一様にエツチングす
る（第７図）、このとき、初期に溝をつけた内反射面近
傍領域も同時にエツチングが進行し、内反射面近傍には
幅の狭い深さ１μｍの溝２２が他のエツチング領域に対
して形成され、又中央部分にはストライプ状領域が島状
に残される（第８図）、又中央の幅の広いストライプ状
領域とこれに隣接する幅の狭いストライプ状領域との境
界では各々の余１面が形成すべき共振器の長手方向とな
す角度０（第８図）はｉ−θが臨界角よりも大きくなる
ようにする。

すなわち臨界角ψは ｓｉｎψ＝１１１　（、、；皿込み層の屈折率、ｎ！；
活３ 性層の屈折率） このとき、θとしては ０くθ（Ｔ　−５ｉ１１　（就−） とする。本発明の実施例の場合埋込み層は下記に述べる
如くｐ−形Ａｌ。、４Ｇａ、、Ａｓ　第３クラッド層と
なるのでＯ〈θ（２１度にする事が望ましい。こうすれ
ば幅の広いストライプ状領域から発光し共振器の長手方
向に伝搬する光のうち斜面にぶつかったものはこの斜面
で全反射されて隣接した幅の狭いストライプ状領域内を
進行する。

第１図〜第５図にお−て、次に５ｔＯ２膜１４を残した
まｔｐ−形Ａ１ｏ、４Ｇａｏ、６Ａｓ第３クラッド層１
５を１゜５／’ｄ長する。ストライプ状領域の外部領域
の平担部に成長した第３クラッド層１５にストライプ状
領域の第１クラッド層１１、活性層１２および第２クラ
ッド層１３の一部が隣接する・このとき、溝２２は第３
クラッド層１５で埋込まれ、この溝部領域の表面は他の
埋込み領域に対して深さ〜１μｍ程度の湾曲した凹状に
なる。次いで連続してｐ−形Ａｌ　ｏ、ａｚＱａｏ、ａ
ｓｈガイド層１６で溝部領域の凹状を埋めつくし全体が
平担になるように成長させる。一般に凹状領域の成長速
度は平担部にくらべて速いのでこれを利用して凹部領域
を埋めつくし平担部では層厚が０．１〜０．２μｍ８度
になるように成長させることが望ましいやこのとき、ス
トライプ状領域の活性層の位置は第３クラッド層１５を
成長した後には垂直方向において溝部凹状の中心部分に
くるようにしガイド層１６を成長したときには共振器の
長手方向において、幅の狭いストライプ状領域の活性層
はガイド層と内反射面近傍で隣接するようにする。更に
ｎ−形Ａｌｏ、、Ｇａ、。、Ａｓ第４クラッド層１７で
全体を埋込む。

このときｓｉｏ、膜］４上には結晶成長はしないので溝
の部分およびストライプ状領域の外部全体が埋込まれる
。上記において第３クラッド層１５、ガイド層１６、第
４クラッド層１７は高抵抗層にすることが望ましい。又
第４クラッド層１７の成長厚を調整して表面が平担にな
るようにすることがより望ましい。

次にＳｉＯ，Ｊ［１４を除去した後５ｉｌｌ膜１８で全
体を被膜し中央部分の幅の広いストライプ状領域に幅３
μｍ長さ２００μｍの窓をあけ、第２クラッド層１３の
途中まで亜鉛を拡散する（亜鉛拡散領域１９）、次に亜
鉛拡散をした領域に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を形成すると本発明
の構造の半導体レーザが得られる。

本発明の構造において、ストライプ状領域全体が高抵抗
層である第３クラッド層１５、ガイド層１６、第４クラ
ッド層１７で囲まれているので、亜鉛拡散領域１９を通
して幅の広い中央のストライプ状領域に注入された電流
はもれることなく活性層１２に有効にはいり、発振に寄
与する。中央の幅の広いストライプ状領域で発光した光
は共振器の長手方向に進行するが幅の広いストライプ状
領域に隣接して境界面が共振器の長手方向に進行する光
に対して全反射角を持った幅の狭いストライプ状領域が
形成されているので、光は損失なくこの領域にはいり進
行する。この幅の狭いストライプ状領域の活性層１２は
溝部領域のガイド層１６に隣接しているので光は内反射
面近傍にあるこの溝部領域のガイド層内にはいり進行す
る。この溝部領域のガイド層１６はその断面が半円状に
近い形状をしており、成長表面の平担部分を除いて他の
部分はこのガイド層よりも屈折率の小さい第３および第
４のクラッド層で埋込まれて光導波路を形成し、光は広
がることなくこのガイド層内に集光して進行する。

本発明の一例として上記に記述したガイド層１６の組成
の場合、ガイド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
行する光は吸収損失を全くうける事はない。又内反射面
近傍のガイド層はその成長表面が平担な領域の成長層と
つながっているが、との層厚はごく薄いので光は実効的
に屈折率の高くなっている層厚の厚い溝部領域のガイド
層内を進行し平担部分にもれる葉は微量である。こうし
て反射面近傍のガイド層内を進行した光の一部は反射面
で反射され、再び光導波路機能なもつ溝部領域のガイド
層内を損失をうけることなくもどり、活性層内にはいり
再励起されるので、低閾値高効率でレーザ発振すること
ができる。上記のように本発明の構造は前記した第２９
回応用物理学関係連合講演会予稿集１６１頁に渡辺等に
よって報告された端面埋め込み型Ｂ　Ｈレーザと仲全く
異なシ、本発明の構造ではカップリング効率が飛躍的に
高くなっており、低閾値高効率というＢＥ構造レーザの
もつ基本的特性をそこなうことなくこれを有している。

更に本発明の構造で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著しく上昇
させることができる。すなわち、通常の半導体レーザで
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、そこでは表面再結合が生じて
空乏層化し、バンドギャップが縮少している。従って、
大光出力発振をさせると、この縮少したバンドギャップ
によシ光の吸収が生じ、そこは発熱して融点近くまで温
度が上昇し、ついには光学損傷が生じる。

これに対し、本発明の構造では内反射面近傍は非励起領
域になっているばかりでなく、レーザ発振光はバンドギ
ャップ差が２３０ｍｅＶ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はなく光学損傷は生じ
にくく大光出力発振が可能になる。

又本発明の構造ではレーザ光の横モードは幅の狭いスト
ライプ状領域とこれに隣接する溝部領域のガイド層との
幅によってその大きさが規定されている。従ってこの幅
を基本横モードを保持できる大きさにしておけば、光出
力を増加し中央の幅の広いストライプ状領域に空間的な
ホールバーニングが生じても共振器の長手方向において
一次横モードの損失が大きくなっているため、キャリア
はホールバーニングをうめる方向に働き、基本横モード
発振が維持される。

又内反射面近傍にある光導波機構を進行するうちに光は
この領域全体に広がるが、端面から放射されるレーザ光
はこの機構を形成しているガイド層の幅と厚さとに限定
され、外部光学系とのカップリングが容易となってその
効率を上昇させることができる。

以上に説明した本発明による半導体レーザによれば、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ことができ、また通常
のＢＨレーザと同一製造過程でつくることができる。

各領域の寸法及び組成は前記実施例に限られたものでは
ない。又本実施例はＡｌＧａＡｓ／ＣａＡｇダプルペテ
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
ＩＩｎＰ　ｒＩｎＧａＡｓＰ／ＴｎＰ　＃　ＡｌＧａＡ
ｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ　等数多くの結晶材料に適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す斜視図、第２図。 Ｍ３図、第４図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’
、Ｃ−Ｃ’の各断面図、第５図は第１図の上面図、第６
図はこの実施例の作製の過程においてダブルへテロ接合
結晶を成長したときの断面図、第７図はこの実施例の作
製過程において上記ダブルへテロ接合結晶をエツチン、
グしたときの斜視図、第８図は第７図の上面図である・ １０−ｎ形Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、１１−ｎ形Ａ１０．４
Ｇａｏ、ｓＡ８第１クラッド層、１２−・・アンドープ
ＡＬ、ｔｉＧａｏ、ｍ５ＡＩ！活性層、１３−ｐ形Ａｌ
ｏ、４Ｇ＆ｏ、＠ＡＳ第２クラッド層、１４・Ｓｉｎ、
膜、１５−Ｉ）−形Ａ１．０．Ｇａ、、、、Ａｓ第３ク
ラッド層、１６・ｐ−形尤ｏ、５ｚＧａｏ、＠ｓＡ３ガ
イド層、１７・・・ｎ−１形Ａｌｏ、４ＧｊＬ　６，６
ｋＢ　第４クラッド層、１８・・・５ｉ０１膜、１９・
・・亜鉛拡散領域、２゜・・・ｐ形オーミックコンタク
ト、２１・・・ｎ形オーミックコンタクト、２２・・・
溝 特許出願人　日本電気株式会社 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層に、該活性層よりも屈折率が小さい材質か
   らなる第１および第２のクラッド層ではさみこんだダブ
   ルへテロ接合半導体材料を用い、長手方向に沿って中央
   部分に幅が広い領域とその両端に隣接して形成された幅
   の狭い領域とからなるストライブ状構造を設け、幅の広
   いストライブ状領域とこれに隣接した幅の狭いストライ
   ブ状領域との境界をなす面がレーザ光に対する全反射角
   を有し、該幅の狭いストライブ状領域に隣接して両反射
   面近傍に形成された溝部領域とストライブ状構造の外部
   領域とを、第３のクラッド層、クラッド層よりも屈折率
   が大きく活性層よシも屈折率が小さい材質からなるガイ
   ド層、第４のクラッド層を連続してうめこんだ状態にお
   いて、該ガイド層を、溝部領域では厚く、他の埋込み領
   域では薄くし、その長手方向において、該ストライブ状
   構造内の活性層を溝部領域のガイド層に隣接させたこと
   を特徴とする半導体レーザ。