JPS63248190A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光情報処理に用いる半導体レーザに関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザをビデオディスクや光ディスクの読み取り
用光源として使用する場合には、雑音特性、特に戻り光
によって誘起される雑音の特性が問題となる。半導体レ
ーザの戻り光誘起雑音を低減するために、従来、種々の
方法が試みられているが中でも出力コヒーレンスの低減
は特に有効である。

この方法のひとつとして高周波重畳による半導体レーザ
の低雑音化が大石、茅根、中村１尾島により１９８３年
秋季応用物理学関係連合講演会予稿集１０２頁、２６ａ
−Ｐ−６ｒ高周波重畳による半導体レーザの低雑音化と
縦モード特性ｊにおいて提案され有効であることが示さ
れている。

これに対して自動振動を生じさせ縦モードをマルチ１ヒ
して低雑音化にする方法が銘木、松本、田村、渡辺、栗
原により電子通信学会技術報告、光量子エレクトロニク
ス０ＱＥ８４−５７．３９頁ｒ　Ｉ　ＳＳＳレーザの雑
音特性と自己パレス変調の機構」において提案され試み
られている。

さらに現在ではより多機能化をねらい光ディスク等の読
み取り用光源だけでなく、光ディスク等への光書きこみ
用光源をかねそなえた光情報複合半導体レーザ素子が要
求されつつある。特に光ディスク等への光書きこみ用光
源として用いる場合には安定な基本横モード発振でかつ
大光出力発振に耐える必要がある。かかる複合半導体レ
ーザ素子としては、例えば用野、遠藤、伊藤、桑村、上
野、古瀬により１９８４年秋季第４５回応用物理学会学
術講涜会講演予稿集１９０頁、１５ａ−Ｒ−７、ｒＡＩ
ＧａＡｓ　　ＢＣＭレーザアレイ」で発表された如く電
極を分離した独立駆動の二個のレーザをそなえた素子が
提案され試作されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記高周波重畳を用いる方法では、高周波駆動回路が必
要であるばかりでなく、外部機構へ高周波が漏れる等の
弊害を伴なうという問題がある。

一方、自動振動を生じさせる方法では、層厚や溝幅なと
のレーザ構造に対して自動振動の特性がきわめて敏感に
依存することが予想され、このため安定な自動振動を示
すデバイスの収率は低くなる欠点を有している。更に、
光書き込みに必要な大光出力動作は不可能である。また
、複合半導体レーザ素子では前記例を含めこれまでに提
案されたものは単に二つのレーザをならべただけであり
、光情報処理複合半導体レーザ素子に要求されている光
書きこみ用としての大光出力発振光源と低雑音特性を有
する読み取り用光源とをかねそなえていなかった。

本発明の目的は上記諸欠点を除去し安定な自励振動を生
じ低雑音特性を持つ読み取り用光源を有すると共に安定
な基本横モード発振を維持し大光出力発振が可能な光書
きこみ用光源をら持つ、制御性および再現性のすぐれた
複合半導体レーザを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の半導体レーザは、共振器の長手方向に第１の凸
部領域と該第１の凸部領域の凸部よりも幅の広い凸部を
有する第２の凸部領域とを平行に形成した半導体基板上
に、第１のクラッド層を備え、該第１のクラッド層に隣
接して互いにバンドギャップの異なる数十原子層からな
る二種の超薄膜層を交互に積み重ねた多重量子井戸の活
性層を。

備え、該活性層に隣接して該活性層よりも屈折率が小さ
くクラッド層よりも屈折率が大きい材質からなるガイド
層を備え、該ガイド層に隣接して該ガイド層と反対の導
電型を有し該ガイド層よりも屈折率の小さい材質からな
る第２のクラッド層を備えた多層構造を有し、各成長層
は該第１と第２との凸部領域の凸部に沿って一様な層厚
で成長されており、該第１の凸部領域の両層射面近傍で
は不純物を該凸部の活性層内まで拡散してその活性層を
混晶化するとともに該第２の凸部領域の両層射面近傍で
は不純物を第２の凸部領域の凸部の中央部をのぞいたそ
の外側部で活性層内まで拡散してその活性層を混晶化し
た形態を有し、共振器の長手方向において両層射面近傍
の各々の不純物拡散領域からそれぞれ少なくともキャリ
ア拡散長以上はなれた共振器中央領域でかつ該第１と第
２の凸部領域の凸部に位置する領域に電流注入領域を設
けたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の詳細な説明丈る。

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図、第３図、
第４図、および第５図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ’　、
　Ｂ−Ｂ’　、　Ｃ−Ｃ’　、　Ｄ−Ｄ’断面図である
、まず、第６図に示すように（１００）面を平面とする
ｎ型ＧａＡｓ基板１０上にＳｉＯ□膜１１全１１フォト
レジスト法で（０１１）方向に幅２μｍと幅６μｍの２
本のストライプ状のＳｉＯ２膜を１００μｍ１ｉｌＩシ
て残し他の部分に窓をあけ深さ１．０μｍエツチングす
る。この時（０１１）方向においては、５ｉ０２膜１１
を残した領域が凸状の順メサの構造となり幅の狭い第１
の凸部領域１２と幅の広い第２の凸部領域１３とが形成
される。

次にこのＳｉＯ□膜１１全１１した後ｎ形ＡｅＯ，４５
Ｇ　ａ　（１，５５Ａ　Ｓ第１クラッド層１４を１．５
．ｃｚｍ成長し、アンドープのＧａＡｓを５０人、アン
ドープのＡ　Ｉ！　０．２　Ｇ　ａｏ、ｇ　Ａ　ｓバリ
ヤ一層を３０人交互に成長してＧａＡｓ層７層とバリヤ
一層６層とからなる多重量子井戸活性層１５を形成した
後ｐ形Ａ　ｅ　０．３５Ｇ　ａ　ｏ、６５Ａ　ｓガイド
層１６を１．０μｍ、ｎ形Ａ　！！　６．４５０　ａ　
（１，５５Ａ　Ｓ第２クラッド層１７を０．８μｍ、ｎ
形ＧａＡｓキャップ層１８を０．５μｍＭＯｃＶＤ法で
連続成長する。この場合、活性層の発振波長は０．７７
〜０，７８μｍとなる。

上記成長において従来から行なわれている液相成長は各
成長層ごとに各組成を制御したメルトを容易して基板を
移動して各層を成長していく方法であるため本発明の如
き多層構造の成長はきわめて困難であるばかりでなく各
組成各層圧を制御することは不可能である。これに対し
てＭＯＣＶＤ法は有機金属を用いた気相成長法であるの
で混合ガスの組成を変化させることで任意の組成の層を
任意の多層に容易に成長させることができるので本発明
の構造の成長を制御よく容易に行うことができる。更に
ＭＯＶＣＤ法では薄膜成長が可能でありかつ精密な膜厚
制御性を兼ね備えているので上記の如き層厚の薄い多重
量子井戸活性層１５を膜厚の制御よく成長することがで
きる。ＸＭＯＣＶＤ法では各組成の微粒子が結合しなが
ら成長していくので成長の面方位依存性はなくどの方向
にも一様な厚さで成長する。従って本発明の構造の如く
凸状基板上に多層成長させても凸部の形状に沿って一様
な層厚の層が成長していく。

次にｎ形ＧａＡｓキャップ層１８をＳｉＯ２膜で被膜し
た後、フォトレジスト法で第１の凸部領域ではその両反
射面において長さ２０μｍ幅６μｍのストライプ状の窓
をあけ、第２の凸部領域ではその両反射面において凸部
中央を４μｍ除いたその両端に幅５μｍ長さ２０μｍの
ストライプ状の窓を二本平行にあけ、Ｚ！１を第１クラ
ッド層１４の途中まで拡散する（第１凸部のＺ　ｒｒ拡
散領域１９．第２凸部のＺｎ拡散領域２０）。この時Ｚ
ｎを拡散した部分の多重量子井戸活性層では無秩序化が
おこりＡｅＧａＡｓの混晶になる（第１凸部領域の混晶
領域２１．第２凸部の混晶領域２２）。この無秩序化す
る現象は超格子の特徴としてレイディック（Ｗ、Ｄ、Ｌ
ａｉｄｉｇ）、ホロニヤツク（Ｎ、Ｈｏ　１ｏｎｙａｋ
）、カムラス（Ｄ、Ｃａｍｒａｓ）、　ヘス（Ｋ、Ｈｅ
５ｓ）。

コールマン（、Ｊ、Ｊ、Ｃｏ　ｌ　ｅｍａｎ）、ダブカ
ス（Ｐ、Ｄ、Ｄａｐｋｕｓ）、バーディーン（Ｊ。

Ｂ　ａ　ｒ　ｄ　ｅ　ｅ　ｎ　）がアプライド・フィジ
ックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌、１９８１年、３８巻、Ｎ０１１０
．７７６頁から７７８頁にわたって［不純物拡散による
ＡｌＡｓ−ＧａＡｓ超格子の無秩序化（Ｄｉｓｏｒｄｅ
ｒ　　ｏｆ　　ａｎ　　ＡｌＡｓ−ＧａＡｓ　　５ｕｐ
ｅｒｌａｔｔｉｃｅ　　ｂｙｉ　ｍ　ｐ　ｕ　ｒ　ｉ　
ｔ　ｙ　　ｄ　ｉ　ｆ　ｆ　ｕ　ｓ　ｉ　ｏ　ｎ　）　
Ｊと題して、ＡｌＧａ−ＧａＡｓ超格子に不純物（Ｚ　
ｒｌ）拡散するとＡｅＧａとＧａＡｓとが混晶化してＡ
　ｅ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓになることを発表している。

次にＳ　ｉ　０２膜を除去洟、再びｎ形ＧａＡｓキャッ
プ層１８表面上にＳｉ○２膜２３膜形３した後フォ）・
レジスト法で第１凸部領域１２と第２凸部領域１３とに
一致しかつ共振器の長て方向において前記Ｚｎ＃Ａ散領
域１９．２０の端からそれぞれ１０μｍはなれた共振器
中央領域に幅４μｍのストライプ状の窓を二本平行にあ
けＺｎをその拡散フロントがガイド層１６内にくるよう
に拡散する（第１凸部領域のＺｎ拡散領域２４．第２凸
部領域のＺｎ拡散領域２５）。この後成長表面側にｐ形
オーミックコンタクト２６．基板側にｎ形オ−ミックコ
ンタクト２７をつけると本実施例の半導体レーザを得る
（第１図、第２図、第３図、第４図、第５図）。

次にこのようにして製作した本発明の半導体レーザの動
作および作用について説明する。第１図の構造において
、電極２６から注入された電流はキャップ層１８および
第２クラッド層１７のＺｎ拡散領域２４と２５とを通り
、ガイド層１６を介して第１凸部領域１２と、第２凸部
領域１３との活性層１５に注入される。活性層１５に注
入されたキャリアは活性層の水平横方向に拡散していき
利得分布を形成しレーザ発振を開始する。本構造では電
流は共振器中央部においてＺｎ拡散領域２４．２５を通
って注入されるので側皮射面近傍のＺｎ拡散領域１９．
２０まで流れこみ無効電流になる割合はきわめて少ない
。特に本発明の構造では側皮射面近傍のＺｎ拡散領域１
９．２０は共振器中央領域の電流注入領域からキャリア
拡散長以上はなれているので、活性層に注入されたキャ
リアがＺｎ拡散領域１９．２０まで拡散していく割合も
きわめて少ない。特に活性層上部のガイド層１６の抵抗
を比較的高くすると側皮射面近傍のＺｎ拡散領域１９．
２０に流れこむ電流は無視できる程になる。一方、光は
活性層１５がらしみ出し垂直方向に広がる。活性層１５
に隣接して屈折率の比教的高いガイド層１６があるので
、光はこのガイドｆｆ１６にひきこまれる。その結果光
の垂直方向の広がりはより助長される。

、　　本発明の構造では活性層１５は第３図に見られ　
゛たように、水平横方向においてはガイド層１６にはさ
みこまれている。従って活性層１５の光は水平横方向で
は屈折率の高い活性層１５に集光し正の屈折率分布にも
とすく正の屈折率ガイディング機構が作りつけられてい
る。一般に活性層の両端が屈折率の低いクラッド層では
さみこまれている場合には正の屈折率分布が大きくなり
すぎてその結果−次槽モード発振が低励起レベルで生じ
るおそれがあるのでこれを抑圧するため活性層の幅を狭
く限定する必要がある。これに対して本発明の構造では
活性層両端に隣接したガイド層の影響を受ける。ガイド
層の屈折率はクラッド層より大きく活性層との屈折率差
は比較的小さいので活性層水平横方向に作りつけられる
正の屈折率分布の高さを比較的小さくすることができ安
定な基本横モード発振を広範囲にわたる電流注入領域で
維持することができる。

本発明の構造においては、第１凸部領域１２上の活性層
で発振したレーザ光に対してその共振器長で方向側反射
面近傍の活性層は、Ｚｎ拡散により混晶化してＡｅＧａ
Ａｓになり透明なウィンドウ構造になっている。本発明
の構造の第１凸部領域上の活性層は前述の如く共振器中
央部分の励起領域においてその両端がガイド層１６には
さまれているので光は安定した正の屈折率ガイディング
でガイディングされて進行する。また混晶領域２１であ
るウィンドウ部分の屈折率はガイド層１６よりは大きい
のでウィンドウ領域の水平横方向両端はガイド層１６に
はさまれており正の屈折率分布で光はガイディングされ
また垂直方向においてもウィンドウ部分に集光して進行
するので、ウィンドウ領域で光が広がることもない。こ
うしてウィンドウ領域を進行した光は損失をうけること
もなく反射面に達し、反射面で反射された光は混晶領域
２１に隣接した活性層に効率よくはいり再励起されるの
で低閾値、高効率でレーザ発振をすることができる。

本実施例の構造では、側皮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ウィンドウになっているので
、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を生じ空
乏層（ヒしてバンドギャップが縮小している。大光出力
発振をさせると、この縮小したバンドギャップにより光
の吸収を生じ、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。これに対し本実施例の
構造では側皮射面近傍は非励起領域になっているばかり
でなく、レーザ発振光を透過して発振するので、反射面
部分での光の吸収がなく光学損傷の生じる光出力レベル
を１桁以上上昇させることができ、大光出力発振が可能
となる。従って第１凸部領域では大光出力発振をする。

一方本発明の構造において、第２凸部領域１３ではその
共振器長で方向反射面近傍は凸部中央部分は活性層のま
まであるがその両端は混晶領域２２になっている。混晶
領域２２のＡ＆ＧａＡｓの屈折率は活性層そのものより
低いので第２の凸部領域１３上の活性層で発振したレー
ザ光ではこの両図射面近傍では凸部中央の活性層に集光
して進行する。共振器中央部分では前述の様に光は屈折
率ガイディング機構でガイディングされているので安定
な発振を維持することができる。ところで両図射面近傍
の凸部中央の活性層は非励起領域になっておりレーザ発
振光に対して１５０ｃｍ−’〜２００ｃｍ−１程度の吸
収領域になる。この吸収領域に光は集光して進行するの
で、この第１凸部領域は共振器長で方向に可飽和吸収体
をもっていることになる。その結果、自励振動が生じ軸
モードが多モード化し軸モードのコヒーレンスが低減す
るために反射光に対する雑音はきわめて低く低雑音特性
が得られる。従って本発明の半導体レーザ素子は第２の
凸部領域では光読み取りに必要な低雑音レーザになる。

なお上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたがｐｎを
反転させても本発明は実現できる。また本実施例はＡ　
ｅ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓダブルへテロ
接合結晶材料について説明したが、その池の結晶材４′
４例えばＩ　ｎＧａＰ／ＡｅＩ　ｎＰ、Ｉ　ｎＧａＡｓ
Ｐ、／Ｔ　ｎＧａＰ、Ｉ　ｎＧａＡｓＰ、／ｒ　ｎＰ。

Ａｊ？ＧａＡｓＳｂ、／ＧａＡｓＳｂ等数多くの結晶材
１１の半導体レーザにも本発明は適用できる。

〔発明の効果〕

本発明の半導体レーザは以上に説明したように、光書き
込み用光源に要求さｉする安定な基本横モード大光出力
発振が可能なレーザ共振器と、自励振動が可能であり低
雑音特性を有する共振器とを持っている。大光出力発振
レーザ共振器である第１凸部領域と低雑音特性をもつレ
ーザ共振器である第２凸部領域とは数μｍ程度まで近づ
けることができ同一レンズで百出射光を集光させること
ができる。また、両方のレーザ共振器とも共振器中央で
は光は透過的にＢＨ槽構造よってガイディンされさらに
両図射面近傍でもストライプ状のガイディング機構があ
るので共振器中央領域の活性領域と両層射面で反射され
た光とのカツプリングン効果も大きく低閾値、高効率の
発振をすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図。 第３図、第４図および第５図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ
’　、Ｂ−Ｂ’　、Ｃ−Ｃ’　、Ｄ−Ｄ’断面図、第６
図は本実施例において基板を形成した時の断面図である
。 １０−−−　ｎ形ＧａＡｓ基板、１ｌ−３ｉ０２膜、１
２・・・第１凸部領域、１３・・・第２凸部領域、１４
・・・ｎ形Ａ　Ｉ　Ｌｌ、４５Ｇ　ａ　Ｏ，５５Ａ　Ｓ
第１クラッド層。 １５・・・多重量子井戸活性層、１６・・・ｐ形Ａ　ｅ
　０．３５Ｇａｏ、６５Ａ３ガイド層、１７　・−・ｎ
形Ａ　１２０．４５Ｇ　ａＯ，５５ＡＳ第２クラッド層
、１８−・−ｎ形ＧａＡｓキャップ層、ｌｊ、２０，２
４．２５・・・Ｚ　ｎ拡散頭載、２１．２２・・・混晶
領域、２３・・・５ｉ０２膜、２６・・・ｐ形オーミッ
クコンタクト、２７・・・ｎ形オーミックコンタクト。 第３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器の長手方向に第１の凸部領域の該凸部領域の凸部
   よりも幅の広い凸部を有する第２の凸部領域とを平行に
   形成した半導体基板上に、第１のクラッド層を備え該第
   １のクラッド層に隣接して互いにバンドギャップの異な
   る数十原子層からなる二種の超薄膜層を交互に積み重ね
   た多重量子井戸の活性層を備え、該活性層に隣接して該
   活性層よりも屈折率が少さくクラッド層よりも屈折率が
   多きい材質からなるガイド層を備え、該ガイド層に隣接
   して該ガイド層と反対の導電型を有し該ガイド層よりも
   屈折率の少さい材質からなる第２のクラッド層を備えた
   多層構造を有し、該第１の凸部領域の両反射面近傍では
   不純物を該凸部の活性層内まで拡散してその活性層を混
   晶化するとともに該第２の凸部領域の両反射面近傍では
   不純物を第２の凸部領域の凸部の中央部をのぞいたその
   外側部に活性層内まで拡散してその活性層を混晶化し、
   両反射面近傍の各々の前記不純物拡散領域からそれぞれ
   少なくともキャリア拡散長以上はなれた共振器中央領域
   でかつ該第１と第２の凸部領域の凸部に位置する領域に
   電流注入領域を設けたことを特徴とする半導体レーザ。