JPS641071B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 活性領域層２０３及び該活性領域層と境を接
する閉じ込め層２０２及び２０４を有し、閉じ込
め層の少くとも一つは、活性領域層の屈折率より
低い屈折率を有し、閉じ込み層の少くとも一つ
は、活性層とは異つてドープされる半導体ダイオ
ードレーザにおいて、 活性領域層に、Ｎをキヤリヤ濃度、Ｖをキヤリ
ヤの熱速度、C₀を材料中の光速とするとき、Ps
＝（Nσ_eＶ／σ₀C₀）に対する１立方センチメート
ル当りのフオトン数Ｐの比が0.1ないし100の間に
なるように、キヤリヤ捕獲断面積σ_eと光断面積σ₀
を有する深いレベルのトラツプをドープすること
を特徴とする半導体ダイオードレーザ。

２ 請求の範囲第１項に記載された半導体ダイオ
ードレーザにおいて、該活性領域層は該活性領域
層のイオン照射により発生した深いレベルの電子
トラツプを有することを特徴とする半導体ダイオ
ードレーザ。

３ 請求の範囲第２項に記載された半導体ダイオ
ードレーザにおいて、活性層を貫いてプロトンが
分散するのに十分な加速電位を用い、約10¹³cm^-2
の密度のプロトンにより照射されたGaAsで活性
層が作られることを特徴とする半導体ダイオード
レーザ。

４ 請求の範囲第１項に記載された半導体ダイオ
ードレーザにおいて、該活性領域中の深いレベル
のトラツプは、該活性領域にクロム、鉄及び酸素
から成る種類の元素をドープすることにより生ず
ることを特徴とする半導体ダイオードレーザ。

５ 請求の範囲第２項に記載された半導体ダイオ
ードレーザにおいて、該活性領域中の深いレベル
のトラツプの密度は、これらのトラツプに対応す
る光吸収パラメータが、約６cm^-1となるようなも
のであることを特徴とする半導体ダイオードレー
ザ。

本発明の背景 通常のダブルヘテロ構造ダイオードレーザは、
一般にいくつかの縦モードで同時にレーザ発振す
る。各縦モードは異なる波長においてであるか
ら、この型のレーザは、もしその出力を単一の主
要縦モードに限定できた場合ほど、有用ではな
い。具体的には、たとえばホログラフイのように
可干渉性を必要とする用途は、単一モードレーザ
で行うことができるが、多モードを放射するもの
では行えない。加えて、単一モード光フアイバ
は、単一の主要出力波長を有する光源によつては
じめて有用となる。

ダブルヘテロ構造レーザにおいて、縦モード制
御を行う一つの技術については、1979年１月２日
W.ストライフアー（Strifer）らに付与された特
許第4132960号に述べられている。この特許にお
いて、ダブルヘテロ構造半導体レーザの活性領域
は、亜鉛又はゲルマニウムのようなドーパントが
約10¹⁹／cm³の濃度に高濃度ドープされている。活
性領域の高ドーピング濃度を用いるこの技術は、
高パルスパワーで動作するレーザで、縦モード制
御を実現できることがわかつた。１ないし10ミリ
ワツト程度の出力を有する低パワー連続半導体レ
ーザでは、高濃度ドーパントのこの技術は、縦モ
ード制御を行うのに有効ではない。

発明の要約 縦モード安定化は、ヘテロ構造半導体レーザに
おいて、活性領域をイオン照射するか、酸素、ク
ロム又は鉄のような元素を加えることにより、活
性領域内にあらかじめ決められた濃度の深いレベ
ルの電子又は正孔トラツプを作ることによつて実
現される。あらかじめ決めておく濃度は、ドーパ
ント又はイオン照射強度を、比（Ｐ／Ps）が0.1
ないし100になるように選択することによつて決
められる。ここで、Ｐはフオトン／cm³の平均数
で、Psは（Nσ_eＶ／σ₀C₀）に等しい。ここで、Ｎ
はキヤリヤ濃度、σ_eは空のトラツプのキヤリヤ捕
獲断面積、Ｖはキヤリヤの熱速度、σ₀はトラツプ
の光断面積、C₀は材料中の光の速度である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の動作を説明するのに有用な半
導体レーザ中のエネルギーレベルを示す図、 第２図は本発明に従い作成される半導体レーザ
を示す図、 第３図は本発明の動作を説明するのに有用なレ
ーザに沿つた距離と光強度のグラフを示す図、 第４図は半導体レーザ中の主要なモード及び他
のモードの動作に対して、規格化されたモード損
失対規格化されたフオトン密度のグラフを示す図
である。

詳細な記述 本発明の別の背景として、ダブルヘテロ構造半
導体レーザ中の縦モード制御は、N.中村らによ
り、彼らの論文“モード安定化Al_xGa_1-xAs注入
レーザの縦モード動作”アプライド・フイジクス
（Applied Physics）、第49巻、第９号、1978年９
月、4644−4648頁に報告されているように、最近
観測された。この中村らの論文に報告されている
レーザは、単一モードに固定され、数度の温度変
化があつても、そのモードは維持されるといわれ
ている。この論文はこの振舞が、日本のM.山田
及びY.末松らによる未発表の解析に基く“レー
ザモード周辺の利得減少”のいくつかの形による
ものとしている。これらの結果をくり返し得るた
めに、どのようにレーザを構成するかについて
は、説明がない。

中村らの論文で用いられているレーザの解析に
より、そのレーザで実現された縦モードの制御
は、論文で予測しているモード波長付近で利得が
減少することではなく、レーザ波長における損失
が減少することが基本的な原因であると、私は結
論した。主要モード波長において得られる損失の
減少は、活性層の一方の側の上にあるｎ形クラツ
ド層中の各ドナに付随して、深いレベルのDXセ
ンターが存在することを、基本的な原因とする。
その論文に報告されているレーザの場合、活性領
域の厚さは0.1ミクロン程度と比較的小さく、従
つてクラツド層中には多くの放射エネルギーが存
在し、それによりクラツド層内の深いレベルの
DXセンターが、効果をもつことになる。0.1ミク
ロンの厚さの活性領域は、閾値電流を最適化する
という観点からは、非常に小さい。この点に関し
ては、より厚い活性領域をもつことが、非常に望
ましい。しかし、厚い活性層があると、クラツド
層中のドナにより、深いレベルのDXセンター
は、放射エネルギーに対し、かなり効果が減少す
るであろう。従つて、クラツド層内のドナによる
深いレベルのセンター以外の何らかの技術によ
り、モード安定化を実現することが、非常に望ま
れる。これがどう実現されるかについて、ここで
述べる。

第１図のエネルギーレベルを示す図において、
伝導帯中の電子１０１と価電子帯からの正孔１０
２がフオトン１０３を生じるように結合すること
は、半導体レーザ中にフオトンを生成する際に起
る通常の電子−正孔結合を表す。数字１０４で示
されるような深いレベルのトラツプが、もし価電
子帯と伝導帯間のエネルギー帯に存在するなら
ば、これらの深いレベルのトラツプは、活性領域
内に存在するフオトンに対し、損失を与えること
ができる。これらのトラツプはそれらのエネルギ
ーレベルが、伝導帯及び価電子帯から数kT以上
あるという意味で、深いレベルである。ここで、
ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。第１
図において、トラツプ１０４は電子トラツプ、す
なわちトラツプに通常電子を伴つているもので、
フオトン１０５とトラツプ１０４の組合せによ
り、それに伴う電子を、第１図に示したように、
伝導帯に上げる。このフオトン１０５の吸収は、
レーザ中の活性領域内の損失による。伝導帯から
の電子は、電子１０７及びトラツプ１０８で表さ
れるように、トラツプと再結合でき、それにより
熱エネルギーの放出か、レーザ動作の点では重要
でない波長におけるフオトンの放射を起す。通
常、後者の再結合は非発光型である。

当業者には認識されるであろうが、電子は光強
度が高い領域において、それらに対応するトラツ
プから最も著しく分離する。半導体レーザ中の主
要モードの場合の、レーザに沿つた距離と光強度
の関係を、第３図に示す。第３図に示される周期
の数は、表現を明確にするため、半導体レーザ中
に実際に存在するものより、著しく減じてある。
半導体レーザ中の主要モードは、半導体レーザの
長さに沿つて、しばしば数百の光強度ピークと谷
を有する。光強度が最大になる活性領域内の点に
おいて、ほとんどの数のトラツプからそれらの電
子が空になり、それと対応して、光強度が最小に
なる点では、満されるトラツプの数は最大にな
る。

活性領域の長さに沿つて周期的に満されたトラ
ツプの濃度が変化する活性領域を有するこの効果
は、第２図に示されている。第２図中に示された
レーザは、ｐ形ガリウムヒ素基板２０１、ｐ形
Al.₄Ga.₆Asから成るクラツド層２０２から成る。
第２図のレーザに隣接する層は、ガリウムヒ素層
２０３で、それは10¹³cm^-2の照射密度と活性層を
貫いてプロトンが分散するのに十分な加速電位を
用いて、プロトン照射されている。プロトンは
100キロボルトの加速電位で、約１ミクロンの深
さまで浸透する。イオン照射のこの強度は、活性
領域中のこれらのトラツプに対応する光吸収パラ
メータが、約６cm^-1となるような濃度を有する電
子トラツプを、活性領域中に発生する。他の光吸
収パラメータに対応する電子トラツプ濃度の他の
レベルは、他のプロトン密度を用いて、活性領域
中に発生させることができる。指針としては、
H.松村及びK.G.ステイフアン（Stephens）によ
る、“GaAs中のプロトン分離層の横方向の広が
りの電気的測定”、ジヤーナル・オブ・アプライ
ト・フイジクス（Journal of Applied
Physics）、第48巻、第７号、1977年７月、2779−
2783頁を参照され度い。

Al.₄Ga.₆Asから成るｎ形クラツド層２０４は、
活性領域層２０３上に堆積され、最後にガリウム
ヒ素の高濃度ドープｎ形層２０５が、レーザに対
し金属電極２０６を作成するのを容易にするた
め、クラツド層２０４上に被着される。レーザダ
イオードに対する他の電極を形成するため、基板
２０１上に金属薄膜２０７が被着される。フアブ
リーペロ空胴を作るため、鏡２０９及び２０８が
活性領域の端部に被着される。活性領域中の満さ
れたトラツプの程度を示すため、第２図中の活性
領域層２０３は、満されたトラツプの最高濃度を
示す最高濃度の斑点で、点をつけてある。図面の
第２図及び第３図の比較により示されるように、
最高濃度の空のトラツプは、主モードの光強度が
ピークとなる点において起る。第３図におけるの
と同様第２図においても、空又は満されたトラツ
プ濃度の変化に対して示された周期の数は、簡単
にするという目的のためのみに、実際のレーザー
で生じるものより、かなり減じてある。

上で示したように、満されたトラツプはフオト
ンを吸収することのできる損失を、本質的に示
し、従つて活性領域内で発生する満された（又は
空の）トラツプの濃度の変化は、レーザの活性領
域内に、本質的に損失格子を生じる。本明細書の
補遺で指適されるように、主モード以外のモード
に対する活性領域中に存在する損失は、これらの
他のモードに対する光強度ピークが、しばしば満
ちたトラツプが高濃度である活性領域中の点で生
ずるため、より高い。補遺で述べる数学的な解析
を用いると、各モードに対する規格化されたモー
ド損失の、規格化された光強度に対するプロツト
が得られる。そのようなプロツトが図面の第４図
に示されている。曲線４００はレーザ中に存在す
る主モードに対する規格化されたモード損失対規
格化されたフオトン密度を示し、一方曲線４０１
は、レーザの活性領域中に存在する他のモードの
すべてに対する、モード損失対規格化されたフオ
トン密度のプロツトである。曲線４０１は実際に
は曲線群であるが、モードの多くは特に規格化さ
れたフオトン密度の低い値に対して、本質的に同
一のモード損失を有する。

第４図に示された規格化されたフオトン密度の
範囲において、主要モードは他のモードより低い
損失を有し、この差が曲線４０２により示されて
いる。第４図中の規格化されたモード損失は、α₀
で割つたモード損失に等しい。α₀は最初又は低光
レベルにおける活性領域内のトラツプによる光吸
収パラメータを表す。第４図中の規格化されたフ
オトン密度は、Sd／Psに等しい。ここで、Sdは
主要モードの振幅、Psはトラツプの半分が空で、
従つて光吸収パラメータが1/2に減少するフオト
ン密度に等しい。もし、一つのモードが主である
ならば、フオトン／cm³の平均数ＰはほぼSdに等
しい。

補遺の第７式はPsに対する厳密な式を与え、
この式で示されるように、Psパラメータはキヤ
リヤ捕獲断面積σ_eの満ちたトラツプの光断面積の
比に比例する。ドーパント又はイオン照射により
発生させられるトラツプの光断面積は、約10^-14
ないし10^-21cm^-2の範囲であることが知られてい
る。同様に、空のトラツプのキヤリヤ捕獲断面積
は、10^-14ないし10^-12cm^-2の範囲であることが知
られている。従つて、σ_eのσ₀に対する比を14程度
の大きさの範囲にすることができる。

本発明は最初に考えているレーザにより発生す
べき出力を決定することにより、実施できる。こ
の出力は平均フオトン数／cm³、Ｐを決定するであ
ろう。次に、電子又は正孔トラツプを、σ_eのσ₀に
対する比が0.1P及び100Pの間の値に等しくなる
ようなPsを生ずる（第７式、補遺）ように選択
する。トラツプの形のこの選択は光定在波パター
ンのピークと谷の間にトラツプ数の著しい差を確
実に発生させる。トラツプのこの形の濃度が十分
ならば、モード損失における著しい差が、主要モ
ードと活性領域中に存在する他のすべてのモード
間に存在する。第４図中に示されるように、Ps
の最適値はＰと10Pの間にある。その結果、レー
ザはそのほとんどのエネルギーで、単一モードの
動作をし、従つて単一の波長を放出する。

深いレベルのトラツプは、活性領域をイオン照
射する以外の手段で、発生させることもできる。
深いレベルはレーザ製造中、酸素、鉄及びクロム
のようなドーパントを添加することによつても得
られる。ドーパント濃度の異なる値を得る指針と
しては、Y.オング（Houng）による“FETデバ
イスの応用のための半絶縁性ガリウムヒ素液相エ
ピタキシヤル層の作成と特性”と題する論文、テ
クニカル レポートNo.5125−１、固体電子ラボラ
トリ、スタンフオード大学、1977年１月を参照さ
れ度い。

本発明は１ないし10ミリワツトの出力を有する
低パワー連続（高周期）レーザを含む広範囲の出
力に亘り、出力を有する異なるレーザに対して有
用である。

補 遺 “深いレベルのトラツプによる半導体自己パル
ス発生”と題する私の論文、エレクトロニクス・
レター（Electronics Letters）、第14巻、809−
810頁、1978年12月７日において、レーザ中の深
いレベルに対する速度方程式が導かれ、パルスの
維持を説明するのに用いられた。この式は局部的
なフオトン密度（光強度）の関数として、局部的
な光吸収αを導くのにも使用できる。第１に、 dT／dt＝σ₀C₀P（T₀−Ｔ）−σ_eVNT (1) ここで、Ｔは空のトラツプの数（その電子又は
正孔は、光の刺激により伝導帯又は価電子帯中
へ、与えられている。）、σ₀は光断面積、C₀は材料
中の光の速度、T₀はトラツプの総数、σ_eは空の
トラツプのキヤリヤ捕獲断面積、Ｎはキヤリヤ濃
度、Ｖはキヤリヤの熱速度である。光吸収σは、
σ₀と満ちたトラツプの濃度の積で、 α＝σ₀（T₀−Ｔ） (2) 安定なレーザの場合、(1)の左辺はゼロで、従つ
て、 α＝σ₀T₀／１＋〔σ₀C₀／σ_eVN〕Ｐ (3) この式は、トラツプによる最初（低い光）の吸収
α₀、及び吸収が半分に減少するフオトン密度Ps
により表すと、簡単化できる。すると、 α（Ｐ）＝α₀／１＋（Ｐ／Ps） (5) ここで、定義により α₀＝σ₀T₀ (6) 及び Ps＝Nσ_eＶ／σ₀C₀ (7) である。

J.P.メルツ（Merz）、J.F.ヴアン・デル・ツイ
ード（Van der Zied）及びR.A.ローガン
（Logan）により、最近TeをドープしたAl_0.4
Ga_0.6Asにおいて、この形の飽和光吸収が観測さ
れた。論文“Al_xGa_1-xAs中の深いTe複合体中心
の光吸収と飽和”、フイジカル・レビユー
（Physical Reuiew）1979年７月15日を参照され
度い。この形の材料は、AlGaAsレーザにおける
クラツド層として共通に用いられている。各浅い
ドナに対し、恐らく格子欠陥の複合体であろう一
つの深いレベルが現れた。（同様の振舞は、スズ
のような他の共通の浅いドナに対して予想され
る。）300〓におけるAl_0.4Ga_0.6As中でのα₀の測定
値は、６cm^-1であつたが、0.1μｍの厚さの活性層
を有するレーザ（上で引用した中村らの論文中の
もののように）においては、約40パーセントの光
がクラツド層中にあり、そのためα₀＝2.4cm^-1の
実効値を、以下の計算で用いることができる。σ₀
及びσ_oの測定値はそれぞれ６×10^-17cm²及び５×
10^-17cm²で、これらはPsが約８×10¹⁴フオトン／
cm³であることを示している。これは0.1×5μｍの
端面から約８ｍＷを放出するレーザ中の、平均フ
オトン密度に対応する。

一つのモードが支配的であるとき、各種モード
に対する平均の損失を計算するため、トラツプに
よる吸収損は（モード数がｄである）主モードの
フオトン密度Pd（Ｘ）によるα（Ｘ）を、最初に
見出すことにより、計算できる。

Pd（Ｘ）＝Sd｜exp（βdX） −（＋）^dexp（−βdX）｜² (8) βd＝γd＋i2π／λd (9) ここで、Ｘはストライプの中でゼロであり、鏡
はＸ＝−Ｌ／２及びＬ／２に置かれている。モー
ド振幅はSdで、空胴中の波長はλdである。主要
モードγdの平均の光利得パラメータは、空胴損
失α_cにほぼ等しく、α_cは簡単な場合、鏡の反照率
Ｒと次の関係にある。

α_c＝Ln（１／Ｒ）／Ｌ (10) そこで、α（Ｘ）は与えられたSd／Ps、α₀、Ｌ
及びＲの一組の値に対し、第(5)式及び第(8)を用い
て計算できる。

各種モードに対するトラツプによる損失を計算
するため、もしモード数ｄをｎで置きかえるな
ら、“ｎ”番目のモードは、第(8)式により与えら
れると仮定した。デバイス中のモードｎの波長
は、次式で与えられる。

λ′_o＝Ｌ／2n (11) 空気中の波長λ_oは3.65倍長い。平均の損失α_oは
重みづけ関数として、規格化されたフオトン密度
でα（Ｘ）を平均化することにより、見出される。

α_o＝∫^L／₀α（Ｘ）Pn（Ｘ）dx／∫^L／₀Pn（
Ｘ）dx(12) α（Ｘ）はPd（Ｘ）が高いとき常に小さく、Pd
（Ｘ）が低いとき大きいから、主要モードは最低
のモード損失を有する。他のすべてのモードは、
それらの定在波最大値がしばしば損失のより高い
領域中にあることから、より高い損失をもつ。

第４図はトラツプの飽和パラメータPsで割つ
た中心における平均のフオトン密度Sdの関数と
して、主要モード及び他のモードに対する平均の
損失をプロツトしたものを示す。一つのモードが
支配的であるとき、cm³当りの平均フオトン数Ｐ
は、ほぼSdに等しい。隣接したモードと主要モ
ード間の平均損失の差もプロツトしてあり、この
差はモード安定化にとつて重要なパラメータであ
る。