JPS6167982A - 半導体レ−ザ素子 - 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】 く技術分野〉 本発明は高出力状態まで基本横モードで発振し、しかも
非点収差のない半導体レーザの素子構造及び製造方法に
関するものである。

〈従来技術〉 従来の半導体レーザ素子を光導波機構で分類すると、利
得導波形と屈折率導波形とに区分される０前者の場合は
横モードが不安定であり、接合に平行方向と垂直方向と
で光ビーム幅が最小となるビームウェストの位置が３０
μｍ以上異なっている為、即ち非点収差が大きい為、レ
ーザ光源として１知 の応用不都合なことがある。一方、後者の屈折率導波形
は横モードが安定で非点収差も小さいという利点がある
。この屈折率導波形半導体レーザ素子の代表的な例とし
てＢＨ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏ　）レーザ及びＢ
Ｓ　Ｉ　Ｓ　（Ｂｒｏａｄ−ｃｈａｎｎｅｌｅｄＳｕｂ
ｓｔｒａｔｅ　　Ｉｎｎｅｒ　　５ｔｒｉｐｅ　）Ｌ／
−ザがある。’ＢＨレーザは活性層を低屈折率物質で埋
め込んでいるので完全な屈折率導波を示し、閾値電流が
小さく、基本横モードで発振するとともに非点収差もな
いという利点を有する。しかしながらその反面、比較的
低い光出力で高次横モードが発生し、しかも光出力端面
が破壊し易いという欠点を有しているので高出力用レー
ザには不適当である。

これに対して、第２図（Ａ＞に示されるＢ５ｌ５レーザ
は基板に形成された電流通路となるチャネル溝の内側と
外側に対応する活性層の実効屈折率差（ΔＮ）と損失差
（△α）によって光が導波される０ 図において、ｌはＰ−基板、２はｎ−電流阻止層、３は
Ｐ−クラッド層、４は活性層、５はｎ−クラッド層、６
ｉ’ｊｎ−キャップ層、７１”ｉｎ側電極、８はＰ側電
極である。また９は幅Ｗのチャネル溝である。このＢ５
ｌ５レーザはＢＨレーザに比べて閾値電流（Ｉｔｈ）は
大きくなるが、実効屈折率差（ΔＮ）を十分大きく（〜
］　０−２　）　しても、チャネル溝９の外側で高次モ
ードの光を電流阻止層２へ吸収するので高出力まで基本
横モードを維持することができるという利点がある。し
かしながら、ΔＮｉ大きくすると同時にΔαも大きくな
るという矛盾を有している。チャネル溝９の外の損失が
大きくなるとそこでの光の位相が遅れ、ビームウェスト
ハ端面より奥へ入り込み易くなる。このため、従来のＢ
５ｌ５レーザは接合に平行なビームウェストが端面から
５〜１５μｍ奥に存在するという欠点を有していた。第
２図（Ｂ）は低光出力状態での零次モードの光分布１０
とキャリア分布１１を示す。この光分布のすその部分が
チャネル溝９の外側の電流阻止層２に吸収されるので、
そこでの光の位相が遅れ、接合に平行方向のビームウェ
ストは端面より奥へ入り込む。これに対して、第２図（
Ｑで示す光出力の高い状態では、ホールバーニング効果
によりキャリア分布＋１’Ｈストライプ（チャネル溝９
）中央部で凹んだ形となる。

屈折率はキャリアが増えると大きくなるので、キャリア
分布は屈折率分布に大きな影響を及ぼす。

次に第２区割は光出力の低い状態での屈折率分布１２及
び光出力の高い状態での屈折率分布＋３ｉ示す。高光出
力状態ではキャリア分布Ｉ＋’　が作る屈折率分布１３
によって光が閉じ込められ、その幅はチャネル溝９の幅
Ｗよりも小さくなり、光は電流阻止層２での吸収を受け
なくなる。その結果、ビームウェストは端面に一致する
。このようにして低元出力時と高光出力時とでビームウ
ェストが異なるため、光学系との結合等に不都合な事態
を招くこととなる。

〈発明の目的〉 本発明は、上述の問題点に鑑み、高い光出力状態まで安
定な基本横モードで発振しかつビームウェスト位置が縦
横ともにほぼ一致して非点収差がほとんどない半導体レ
ーザ素子全提供することを目的とする。

〈構成及び効果の説明〉 本発明の半導体レーザ素子は電流通路となるストライプ
状チャネル溝の中央部をチャネル溝に沿ってストライプ
状の非導通領域とし、その両側辺の２方向に限定して電
流を活性層へ注入するストライプ構造を有している。即
ち、第２図においてはチャネル溝の全域にわたって電流
が注入されるため活性層内での零次モードのピークとキ
ャリア分布のピークとがストライプ状チャネル溝の中央
で一致していたが、本発明の構造ではこれらのピークが
一致しなくなる。

注入電流はチャネル溝の中央では流れず、チャネル溝の
底部の両側辺のみに流れ、この結果キャリア分布は活性
層内でチャネル溝両側辺に対応して２つのピークをもつ
合成されたものとなる。このピークはともに光分布のピ
ークの左及び右方向へずれることとなり、結果的に光出
力の高い状態でともに第２図（Ｑに示したと同様な光分
右曲線及びキャリア分布曲線となる。即ち、光出力状態
が変化しても光分布とキャリア分布の相対関係はほとん
ど変わらずキャリア分布が作る屈折率分布によって光が
閉じ込められ、光分布のすその部分がチャネル溝の外側
で基板方向へ吸収されることがない。従って、その部分
での位相遅れも生ずることなくビームウェストも端面に
一致する。なお、高次横モードについては、チャネル溝
の外側で基板方向への光吸収によって、抑制されるので
発振されない。

以上の如く、本発明の半導体レーザは、低光出力状態か
ら高光出力状態まで安定な基本横モードで発振し、非点
収差も変化しないので光学系等への結合も容易であり、
光通信、光情報処理その他へのレーザ光源として利用し
た場合に非常に有利である。

〈実施例〉 第１図は本発明の１実施例を示す半導体レーザ素子の構
成説明図及び緒特性図である。第３図は第１図に示す半
導体レーザ素子のチャネル溝部の工程説明図である。以
下、ＧａＡ　５−Ｇ　ａＡ　ＬＡ　ｓ系Ｂ５ｌ５レーザ
を例にとって図面とともに説明する。

第３図（Ａ）で示すようにＰ−ＧａＡｓ基板１４の（１
００）面上に、（ＴＩＯ）方向にストライプ溝２２′を
エツチングにより形成する。この溝２２′の幅はＷ′＝
３μｍとする。

次に、第３図（ト）に示すように、液相エピタキンヤ／
１ｚ（ＬＰＥ）法により　ｎ　−ＧａＡｓ電流阻止層１
５’ｉ０．６μｍの厚さに積層し、成長表面をほぼ平坦
にする。この電流阻止層１５表面より、ストライプ状の
溝をエツチング加工し、上記溝２２′が中央になるよう
な幅Ｗ＝６．５μｍのチャネル溝２２を形成する。この
場合、上記溝２２′はチャネル溝２２より深く基板１４
に刻設されているため、チャネル溝２２の中央に溝２２
′が残存される。チャネル溝２２に電流阻止層１５より
深く刻設されるため、チャネル溝２２によって電流阻止
層１５は基板１４から除去されるが、チャネル溝２２の
中央の溝２２′内には電流阻止層１５が残存されること
となる。この上に、ＬＰＥ法によりダブルへテロ接合構
造のレーザ動作用多層結晶を成長させ、第１図（Ａ）に
示す半導体レーザ素子を作製する。即ち、チャネル溝２
２及び電流阻止層１５上にＰ　−Ｇａｏ、５　Ａｔｇ、
　ｓ　Ａ　ｓクラッド層１６を成長させ、その成長表面
を平坦化した後、Ｐ−Ｇａｏ、５ｓＡｔｏ、　＋ｓＡｓ
活性層１７　、　ｎ−Ｇａｇ、５ＡＡｏ、ｓＡｓクラッ
ド層１８．ｎ−ＧａＡｓキャップ層１９を順次成長させ
る。次に、キャップ層１９上にＡＨ−Ｇｅ−Ｎｉから成
るｎ側電極２０．基板Ｉ４裏面にＡｕ−Ｃｒから成るＰ
側電極２１ｉ蒸着した後加熱して合金化する。

チャネル溝２２は中央部がストライプ方向に沿って残存
する電流阻止層１５のため、非導通領域となっており、
この非導通領域を中央分離帯としてチャネル溝２２内の
両側縁部に沿って電流阻止層ｌ゛５の除去された部分が
幅Ｓの電流通路となる。

従って、Ｐ側電極２１及びｎ側電極２（ｌ介して電流を
流すと、チャネル溝２２の両側縁部の電流通路より活性
層Ｉ７ヘキヤリアが注入される。

光出力状態が低い場合の活性層１７内の光分布２３とキ
ャリア分布２４はチャネル溝２２内の電流通路に対応し
た２つの分布曲線の合成されたものとなり、ピークが２
つになる。また光分布２３はキャリア分布の２つのピー
クの間のチ、ヤネル溝２２中央に相当する位置にピーク
を有する分布曲線となる。次に光出力状態が高い場合の
活性層１７内の光分布２３′とキャリア分布２４′を第
１図（Ｑに示す。キャリア分布２４′はチャネル溝２２
の中央部で凹み、光分布２３′は上記同様チャネル溝２
２の中央部で高くチャネル溝２２の外側で低い正規分布
曲線に近い形となる。従って、光出力状態の低い場合と
高い場合で、光分布のピークの左右方向にキャリア分布
のピークが位置する相対関係は不変である。第１図（Ｄ
ｌは光出力状態が低い場合の屈折率分布２５と光出力が
高い場その屈折率分布２６を示している。いずれも屈折
４分布のピークはチャネル溝２２の中央部に対応してい
る。このように低光出力状態でも高光出力士態と同様に
キャリア分布２４が作る屈折率分布２５によって光が閉
じ込められ、光分布２３のすその部分がチャネル溝２２
の外側の電流阻止層］５に吸収されない。従ってチャネ
ル溝２２の外側で光の位相が遅れることもなくビームウ
ェスト位置も光出力状態に影響されることなくほとんど
不変であり、はぼ端面に合致している。また高次横モー
ドはチャネル溝２２の外側で電流阻止層１５に吸収され
る結果、単−横モード発振が得られる。

上記構造の半導体レーザは波長７８０　ｎｍ　＋閾値電
流５５　ｆｆ１Ａで基本横モード発撮し、接合に平行行
方向のビームウェスト位置は３ｍＷから４０ｍＷにわた
って端面にほとんど一致していた。

第４図はビームウェスト位置の光出力依存性を示してい
るＯ　ｔｚＴ’Ｓ第２図に示す従来のレーザ素子の場合
、ｔｌは第１図に示す本実施例のレーザ素子の場合であ
る。

第５図は本発明の他の実施例を示す半導体レーザ素子の
構成図である。本実施例に於いては非導通化されたチャ
ネル溝内に更にストライプ状のＶ字溝を２本平行に刻設
してこの部分に電流通路を開通させることによりストラ
イプ構造を構成し、レーザ動作用多層結晶を積層してい
る。即ち、Ｐ−ＧａＡｓ　基板１４上にｎ−ＧａＡｓ　
電流阻止層１５をエピタキシャル成長させた後、電流阻
止層１５表面より幅Ｗのストライプ溝２８をエツチング
加工する。ストライプ溝２８は電流阻止層１５よりも浅
く形成して基板１４に達しない深さとする。次にこのス
トライプ溝２８のストライプ方向に沿った底部左右対称
位置に幅ＳのＶ字溝２９を２本刻設する。Ｖ字溝２９は
基板１４に達する深さとし、このＶ字溝２９によって電
流阻止層１５の除去された電流通路が開通される。電流
阻止層１５上には第１図の実施例と同様にダブルへテロ
接合型のレーザ動作用多層結晶が積層される０本実施例
のレーザ素子も第１図とほぼ同様な特性が得られた。

尚、本発明の半導体レーザ素子は上述したＧａＡｓ−Ｇ
ａＡｔＡｓ系に限定されず、Ｉ　ｎ　Ｐ　−Ｉ　ｎＧａ
Ａｓｆ系やその他のへテロ接合レーザ素子に適用するこ
とができる。また成長方法はＬＰＥ法以外にもＭＯ−Ｃ
ＶＤ法、ＶＰＥ法、ＭＢＥ法等を適用することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）（ト）（Ｃ）（］：Ｏ１ｄ本発明の１実施
例を説明する半導体レーザ素子の構成説明図及び特性説
明図である。第２図（Ａ）（ａ　（Ｃ）（１１は従来の
Ｂ５ｌ５レーザを説明する構成説明図及び特性説明図で
ある。第３図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は第１図に示す半導体
レーザ素子のチャネル部の製造工程図である。第４図は
第１図に示す半導体レーザ素子の光出力対ビームウェス
ト位置の関係を示す説明図である０第５図は本発明の他
の実施例を示す半導体レーザ素子の構成図であるＯ １４・・・基板、１５・・・電流阻止層、１６・・・Ｐ
−クラッド層、１７・・・活性層、１８・・・ｎ−クラ
ッド層、１９・・・キャップ層、２２・・・チャネル溝
、２８・・・ストライプ溝、２９・・・７字溝。 代理人　弁理士　福　士　愛　彦（他２名）ＣＢ＞　　
　　　　　　　　　　　　ＣＢ）（ｃ）（Ｃ） （Ｄ）（Ｄ） 第１ｊａ　　　　　　　　第２図 （／４）　　　　　　　　（Ｅ）　　　　　　　　（ｃ
）第３図 第４ＩＩｌ ｊＩ５！ＩｌＩ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ストライプ状の電流通路をレーザ発振用活性領域の
   直近で２本平行に形設し、前記活性領域に光分布のピー
   クの両側へずれた２つのピークを有するキャリア分布を
   付与したことを特徴とする半導体レーザ素子。