JPS6237557B2

JPS6237557B2 -

Info

Publication number: JPS6237557B2
Application number: JP11684077A
Authority: JP
Inventors: Konen Doi; Kunio Aiki; Naoki Kayane; Kyohiko Funakoshi; Satoshi Nakamura; Yutaka Takeda; Ryoichi Ito
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1977-09-30
Publication date: 1987-08-13
Also published as: JPS5451491A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、発振モードを安定化した半導体レー
ザの構造に関するものである。

これまで主に採用されてきた半導体レーザは、
第１図に示す如きダブルヘテロ構造のものであ
る。第１図は光と垂直な方向の断面図である。こ
れはｎ−GaAs基板１にｎ−Ga_1-xAl_xAs層２、ｎ
またはｐ−GaAs層３、ｐ−Ga_1-xAl_xAs層４、ｐ
−GaAs層５、電極６，７からなつている。この
半導体レーザでは、ダブルヘテロ構造により、第
１図の上下方向はキヤリアおよび光がよく閉じ込
められるようになる。しかし、第１図の横方向に
ついては、光は電流分布によつて生じる利得差で
閉じ込められるのみで、レーザ発振の横モードは
不安定であつた。

このような問題を解決するために、CSP
（Channeled Substrate Planar）型半導体レーザ
が提案された。（たとえば特願昭51−60009号に提
案されたものである。）第２図を参照しながら、この半導体レーザの基
本原理を説明する。構成材料がGa−Al−As系の
場合、１１は凹溝を形成したｎ−GaAs基板、１
２は凸部を有するｎ−Ga_1-xAl_xAs層、１３はレ
ーザ発振の生ずるGa_1-yAl_yAs層、１４はｐ−
Ga_1-xAl_xAs層、１５はｎ−GaAs層、１６，１７
は電極、１８はｐ型拡散層である。ｘとｙは、０
ｙ＜ｘ＜１なる関係を満すように選び、レーザ
発振の生ずるGa_1-yAl_yAs層の両側にこれより禁
制帯幅が大きく、屈曲率の小さなGa_1-xAl_xAs層
を設けたダブルヘテロ構造を形成している。凸部
を有する半導体層１２の厚さは、薄い部分（この
厚みをt₁と記す）では光のしみ出しが生じ得る距
離に設定されている。

この様な構造では、Ga_1-xAl_xAs層１２の凸部
以外の領域では、導波光の一部がGaAs基板１１
まで到達し、吸収される。これに対し凸部に対応
する領域ではこのような吸収はない。従つて凸部
に対応する領域に比較して、それ以外の光導波路
の実効吸収係数は十分大きくなる。この実効吸収
係数の差により、導波光は接合面に平行な横方向
に閉じ込められ、レーザ発振はGa_1-xAl_xAs層１
２の凸部の上に存在するGa_1-yAl_yAs層１３を中
心に安定した横モードでおこることとなる。以上
は実効吸収係数の差による導波効果に基づいてい
るが、一般には、複素屈折率の差を生じせしめる
ことで横モードが安定化できる。

しかし、第２図の構造においては、溝の部分で
ｎ−Ga_1-xAl_xAsの比抵抗は約0.1Ω−cmで、ｎ−
GaAs基板の比抵抗約0.003Ω−cmと比べて大き
い。この数値は一例であるが、一般にAlGaAsは
GaAsに比べｎ形のドーパントが入り難く、比抵
抗を下げることが困難なためであり、かなり本質
的な問題である、溝の部分に電流が集中し難いた
めに、しきい電流の増大光出力効率の減少等不都
合なことが起る。

さらに導波光の一部が溝の外部でGaAs基板１
１により吸収されるために、外部に取り出される
光の効率も必然的に小さくなる。第１図の如き半
導体レーザ構造と、第２図の半導体レーザを比較
すると、設計にも依るが出力光の微分量子効率
は、後者は前者の約80％程度となる。

本発明の目的は、上記の欠点を除き、より特性
のすぐれた半導体レーザを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明の半導体レーザ
においては、レーザ発振の生じる第１の半導体層
をはさんで設けた第１の半導体層より禁制帯幅が
大きい且一般に屈折率が第１の半導体層より小さ
い第２および第３の半導体層の、少くとも一方の
半導体層に凸部領域を設け、凸部領域の外側に凸
部領域より禁制帯幅の大きい領域を形成する。こ
の領域により、電流を選択的に凸部領域に流すこ
とができ、直接レーザ発振に寄与しない電流を低
減することができる。さらに、レーザ発振の横モ
ードは、複素屈折率の実数部の差によつて安定化
されるため、レーザ光の吸収損失を低減できる。

本発明の半導体レーザーにおいては、前記凸部
領域を設けた半導体層の厚さの薄い部分の厚み
（t₁）を次の如く設定することが重要である。今第
１の半導体層からの導波光のしみ出し距離をγと
すると、これは近似的にと表わせる。

但し λ：自由空間波長 n₁、n₂、n₃：各々第１、第２、第３の半導体の屈
折率、ｄは第１の半導体層の厚みである。

なお、しみ出し距離の近似法についてはBell
Syst.Tech.J.vol48.p2071〜2102（1969）掲載の
E.A.J.Marchatiliの論文等に説明されている。

この様の表わし方を用いる時、導波光は3rを越
える距離で実質的にしみ出しがないものと考えら
れる。本発明の原理からt₁は小さい程横モードが
安定することは当然であるが凸部領域を設けた半
導体層の薄い領域の厚さをt₁〓3rの条件を満す如
く設定すれば良い。2r以下がより好ましい条件と
いえる。

また凸部領域を持つ半導体層とこの外側に配す
る領域の禁制帯幅は30meV以上差を有すること
が必要である。多くの場合30meV〜60meV程度
に設定している。

以下、本発明を実施例を参照して詳細に説明す
る。

実施例１第３図は、本発明の実施例１における半導体レ
ーザの断面図である。本実施例はGaInAsP−InP
系レーザの例である。図は光と垂直な方向のレー
ザ断面図である。（100）面をもつｎ−InP基板２
１の上に、幅10μｍ、深さ約1.5μｍの溝を選択
的に化学エツチングにより形成する。その後、第
２の半導体層となるｎ−Ga₀.₀₃In₀.₉₇As₀.₀₆P₀.₉₄
（禁制帯幅1.3eV、Snドープ、凸部の厚さ1.7μ
ｍ、電子濃度10¹⁸／cm³）層２２、第１の半導体層
となるアンドープGa₀.₂₂In₀.₇₈As₀.₄₇P₀.₅₃（禁制帯
幅1.0eV、厚さ0.1μｍ）層２３、第３の半導体層
となるＰ−InP（禁制帯幅1.35eVZnドーブ、厚さ
２μｍ、正孔濃度10¹⁸／cm³）層２４を連続液相成
長法で成長させる。オーミツク電極は、正電極２
５としてAu−Zn合金、負電極２６としてAu−Sn
合金を真空蒸着して形成する。最後に結晶をへき
開し、長さ300μｍのレーザチツプを得る。

上記レーザにおいては、溝幅10μｍの場合、室
温でしきい電流密度は2.2kA／cm²であつた。半導
体層２２の厚みが薄い部分を0.2μｍと薄くした
ため、光は半導体層２１までしみ出し、光導波路
の凸部以外の屈折率は凸部に比べて小さくなる。
このため横モードが安定化されて、励起電流−光
出力特性の曲りはほとんど起らず直線的で、良好
な素子が得られる歩留りが向上した。

なお、第１の半導体層の厚みは0.05〜0.2μｍ
程度を用いている。t₁は0.2〜0.6μｍ程度、溝の
巾は２〜20μｍを用いる。溝の深さは上記のしみ
出し距離以上とすれば良い。一般には約1.5μｍ
程度を用いている。

実施例２上記実施例１はGaInAsP−InP系レーザにおけ
る本発明の実施例であるが、これ以外の半導体に
本発明が適用できることはいうまでもない。

第４図は、本実施例２におけるレーザの光に垂
直な方向の断面図である。この構造を作成するた
めに、ｎ−GaAs基板（禁制帯幅1.44eV、Snドー
プ、電子濃度10¹⁸／cm³）３１の上に、ｎ−
Ga₀.₆Al₀.₄As（禁制帯幅1.97eV、Snドープ、厚さ
１μｍ、電子濃度10¹⁶／cm³）層３２を液相成長法
で成長する。次に通常のホトレジスト工程によ
り、幅10μｍのホトレジスト窓を形成し、この窓
を通して半導体層３２を基板まで化学エツチング
して深さ1.3μｍの凹溝を形成する。次に表面の
Al酸化物をGaCl雰囲気でガスエツチングし、続
いてこの上に連続液相成長法により、ｎ−
Ga₀.₇Al₀.₃As（禁制帯幅1.83eV、Snドープ、凸部
領域の厚さ1.5μｍ、電子濃度10¹⁷／cm³）層３
３、ｎ−Ga₀.₉₅Al₀.₀₅As（禁制帯幅1.50eV、アン
ドープ厚さ0.1μｍ、電子濃度10¹⁶／cm³）活性層
３４、ｐ−Ga₀.₇Al₀.₃As（禁制帯幅1.83eV、Geド
ープ、厚さ２μｍ、正孔濃度10¹⁷／cm³）層３５、
ｎ−GaAs（Snドープ、厚さ0.5μｍ、電子濃度
10¹⁷／cm³）層３６を成長する。

次にAl₂O₃マスクを用いて、Znを選択的に領域
３７の部分に拡散し、その後、正電極３８および
負電極３９としてAu−Cr合金およびAu−Ge−
Ni合金を真空蒸着する。

上記レーザにおいては、溝幅10μｍの場合、室
温で1.2kA／cm²のしきい電流密度で発振が得られ
た。本実施例においては、半導体層３２は光導波
路の屈折率を変えるのみならず、半導体層３３よ
り禁制帯幅が大きいため、電流を半導体層３３の
凸部にのみ選択的に流す効果がある。また、半導
体層３３より半導体層３２の方がAlAs濃度が大
きく、不純物添加量が少いため比抵抗が高くなつ
ている。これは電流を半導体層３３の凸部にのみ
選択的に流すのになお好ましい効果をもつことが
わかつた。

なお、本実施例では半導体層３２の表面に設け
た溝は、基板３１に到達しているが、溝の底が半
導体層３２の内部にある場合も電流広がりは小さ
くなり、室温でしきい電流密度は1.3kA／cm²が得
られた。この場合には、溝底の部分の半導体層３
２の残り厚さが大きいと素子の直列抵抗を増加す
るため、この部分は１μｍ以下にすることが、連
続動作の場合望ましいことがわかつた。また層３
２はｎ形である必要はなく、ｐ形であつてもよ
い。この場合には、レーザ発振を起させるために
順方向電流を流すとき層３１，３２，３３はｎ−
ｐ−ｎ構造であるため逆方向にバイヤスされ、電
流がレーザ発振領域により集中的に流れることに
なる。

実施例３第５図は、本発明の実施例３における半導体レ
ーザの光に垂直な方向の断面図である。このよう
な構造を作成するために、（100）面をもつｐ−
InP基板４１の上にｐ−InP（禁制帯幅1.35eV、
Znドープ、厚さ２μｍ、正孔濃度10¹⁸／cm³）層４
２を連続液相成長法により成長させて、結晶性を
良くするためのバツフア層とする。次に、アンド
ープのGa₀.₂₂In₀.₇₈As₀.₄₇P₀.₅₃（禁制帯幅1.0eV、
厚さ0.1μｍ、層４３、およびSnドープの
Ga₀.₀₃In₀.₉₇As₀.₀₆P₀.₉₄（禁制帯幅1.3eV、厚さ２
μｍ、電子濃度（10¹⁸／cm³）層４４を成長する。
以上の３層を連続的に成長した後、通常のCVD
工程とホトレジスト工程により、幅２〜20μｍの
SiO₂マスクを形成し、半導体層４４を化学エツ
チングして凸状に形成する。この上に、連続成長
法により、ｎ−InP（禁制帯幅1.35eV、Snドー
プ、厚さ0.2μｍ、電子濃度10⁷／cm³）層４５、ア
ンドープGa₀₂₂In₀₇₈As₀₄₇P₀₅₃（禁制帯幅1.0eV、
厚さ１μｍ層４６を成長する。オーミツク電極
は、正電極４８としてAu−Zn合金、負電極４７
としてAu−Sn合金を真空蒸着して形成する。最
後に結晶をへき開し、長さ300μｍのレーザチツ
プにする。

上記レーザにおいては、溝幅10μｍの場合、室
温で2.3kA／cm²の電流密度で発振が得られた。こ
れは、半導体層４５を設けない場合の発振しきい
電流密度の約30％減に対応した。本実施例では、
層４３と層４６の距離を0.3μｍとしたため、光
は層４６までしみ出し、層４５と層４６によつて
もたらされる導波路の複素屈折率の分布により横
モードが安定化され、励磁電流−光出力特性が直
線的な素子が得られた。なお、本実施例では層４
５は電流の広がりを防止する効果をもつことは言
うまでもない。

実施例４実施例３において、半導体層４４の厚さが薄い
領域を無くして、この領域で半導体層４３と電流
の拡がりを防止するための層４５とを隣接させた
場合にも、実施例３と同様な結果を得た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のダブルヘテロ構造レーザの断
面図、第２図は、CSP型半導体レーザの断面図、
第３図ないし第５図は、本発明の実施例における
レーザの断面図である。

Claims

【特許請求の範囲】１第１の半導体層より禁制帯幅が大きい第２、
および、第３の半導体層を、前記第１の半導体層
をはさんで設け、前記第２および第３の半導体層
の少くとも一層に凸部領域を設け、且凸部領域の
外側に凸部領域より大きい禁制帯幅を有する半導
体領域を設けて成ることを特徴とする半導体レー
ザ。２前記凸部領域より大きい禁制帯幅を有する前
記半導体領域は、前記各半導体層を積層する半導
体基板によつて達成されることを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の半導体レーザ。３前記凸部領域より大きい禁制帯幅を有する前
記半導体領域は、半導体基板上に形成された半導
体層によつて構成されることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載の半導体レーザ。４前記凸部領域より大きい禁制帯幅を有する前
記半導体領域は、前記第１の半導体層に対し、半
導体基板と反対側に設けたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の半導体レーザ。