JP2685801B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は光情報処理や光計測等の光源として用いられ
る半導体レーザ装置に関する。

（従来の技術） 近年，高密度光ディスクシステムや高速レーザプリン
タあるいはバーコードリーダ等への応用を目的として短
波長の半導体レーザの開発が進められている。この中で
0.6μｍ帯（赤色）に発振波長を持つInGaAlPレーザは，
従来の技術He−Neガスレーザの代替としても様々な応用
の可能性を持っており，光情報処理や光計測の分野にお
いて，小型，軽量で低消費電力の光源を実現するキーデ
バイスとして注目されている。このInGaAlPレーザの特
徴を十分に生かし実用に共し得るものにするためには，
諸特性や信頼性が従来のGaAlAsレーザに劣らないもので
あることが要求される。

上記用途の中で，光ディスクシステム応用において
は，出射光を１μｍオーダーのスポットに絞り込む必要
があるため，基本横モードで発振する横モード制御レー
ザが必要とされる。そのような横モード制御InGaAlPレ
ーザとしてリッジストライプ型のSBRレーザ（Extended
Abstracts,19th Conf.SolidState Devices and Materia
ls,Tokyo（1987）,pp.115−118）がある。このレーザは
適当な構造パラメータを選ぶことにより，基本横モード
発振が得られるが，これまで，このレーザの構造パラメ
ータの最適化は行われておらず，非点収差や横モードの
安定性等に関して良好な特性の得られる構造パラメータ
の範囲についての検討は行われていなかった。

このレーザでは，各層の組成，活性層膜厚，ストライ
プ幅等により光学的特性が大きく変わり，例えば構造パ
ラメータによっては水平方向の実効屈折率差がとれなく
なり，利得導波形レーザの特性に近くなって，非点収差
が増大してしまう場合がある。また，ストライプ幅等が
最適化されていないと，高次モードが発生し，低パワー
領域で電流−光出力特性にキンクが現れ，光ディスク応
用には使えない場合もある。上述したように，このよう
な特性の構造パラメータ依存性については，これまで定
量的な解析がなされておらず，良好な光学的特性の得ら
れる構造パラメータの範囲もわかっていなかった。

（発明が解決しようとする課題） このように，従来の横モード制御構造InGaAlP系半導
体レーザでは，構造最適化が未だ十分には行われていな
い。特に，横モードの安定性や低非点収差特性を確保す
るための構造最適化に関して定量的な解析がなされてお
らず，構造パラメータによっては，非点収差が増大す
る，あるいは高次モードが発生するというような問題が
あった。

本発明は，上記事情を考慮してなされたもので，その
目的とするところは，横モード制御構造InGaAlP系半導
体レーザの最適構造パラメータを与え，横モードが安定
で，非点収差が小さく，かつ低しきい値で発振する半導
体レーザ装置を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は，横モード制御構造InGaAlP系半導体
レーザの構造パラメータの最適範囲を与えることによ
り，低しきい値，低非点収差で安定な基本横モード発振
を可能とすることにある。

即ち本発明は，第一導電型半導体基板上に形成され,I
n_1-w（Ga_1-xAl_x）_wPからなる第一導電型クラッド層と,I
n_1-w（Ga_1-yAl_y）_wP活性層と,In_1-w（Ga_1-zAl_z）_wP（０
≦ｙ＜x,z≦１）からなりストライプ状のリッジを有し
た第二導電型クラッド層とから構成されるダブルヘテロ
構造部と，このダブルヘテロ構造部上の少なくとも前記
第二導電型クラッド層のリッジ部外の領域に形成された
光閉じ込め層とを備えた半導体レーザ装置において，第
一導電型クラッド層および第二導電型クラッド層のう
ち，各活性層に接したIn_1-w（Ga_1-xAl_x）_wP層およびIn
_1-w（Ga_1-zAl_z）_wP層のAl組成比ｘおよびｚを 0.65≦x,z≦0.8 の範囲に設定し，活性層の厚さｄを 0.03μｍ≦ｄ≦0.1μｍ の範囲に設定するようにしたものである。

また本発明は，上記第一導電型半導体基板および光閉
じ込め層をGaAsとし，ストライプの外側における光閉じ
込め層と活性層との距離ｈを，第二導電型クラッド層の
うち活性層に接したIn_1-w（Ga_1-zAl_z）_wP層と活性層と
のAl組成比の差Δx₂（＝ｚ−ｙ），活性層厚d,および発
振波長λに対して h/λ≦0.13（Δx₂d/λ）^−1/2 を満たす範囲に設定するようにしたものであり，さらに
望ましくは h/λ≦0.09（Δx₂d/λ）^−1/2 を満たすようにしたものであり，またリッジ底部の幅Ｗ
を w/λ≦20［（h/λ）（Δxd/λ）^−1/2］^1/3 を満たす範囲に設定するようにしたものである。

さらに本発明は，第一導電型クラッド層の厚さH₁およ
び第二導電型クラッド層のリッジ部における厚さH₂を，
各クラッド層と活性層とのAl組成比の差Δx₁（＝ｘ−
ｙ），およびΔx₂（＝ｚ−ｙ）に対して，それぞれ 0.25（Δx₁d/λ）^−1/2≦H₁/λ≦0.38（Δx₁d/λ）
^−1/2 および 0.25（Δx₂d/λ）^−1/2≦H₂/λ≦0.38（Δx₂d/λ）
^−1/2 を満たす範囲に設定するようにしたものである。

さらにまた本発明は，第二導電型クラッド層をリッジ
部において少なくとも３層で構成し，そのうち活性層の
側から２番目の層を，活性層の側から３番目のIn_1-w（G
a_1-sAl_s）_wP層よりもAl組成比の少ないIn_1-w（Ga_1-vA
l_v）_wP層（０≦ｖ＜ｓ）とし，この２番目の層の厚さｔ
を 45Å≦ｔ≦200Å の範囲に範囲に設定するようにしたものである。

（作用） 本発明によれば，クラッド層のAl組成比x,zおよび活
性層膜厚ｄを上記のように定めることにより，低しきい
値での基本横モード発振が可能となる。また，ストライ
プの外側における光閉じ込め層と活性層との距離ｈを上
記のように定めることにより，低非点収差の特性が得ら
れ，さらにストライプ幅Ｗを上記の範囲に定めることに
より，安定な基本横モード発振が得られる。また，クラ
ッド層の厚さを上記範囲に定めることにより，温度特性
も良好な半導体レーザが得られる。さらにまた，リッジ
部のクラッド層を３層以上で構成して,2番目の層をリッ
ジ作製時のエッチングストップ層とする場合，この層の
厚さを上記範囲に設定することにより，エッチングスト
ップ層を設けたことによる導波モードへの影響を最小限
に抑え，かつエッチングストップ層としての役割も十分
に果たすことが可能となる。

（実施例） 以下，本発明の実施例を図面を参照して説明する。第
１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザ装置の概
略構造を示す図である。図中,10はｎ−GaAs基板,11はｎ
−In_0.5（Ga_1-xAl_x）_0.5Ｐクラッド層,12はアンドープI
nGaP活性層,13はｐ−In_0.5（Ga_1-zAl_z）_0.5Ｐクラッド
層,14はｐ−InGaPキャップ層,15はｎ−GaAs光閉じ込め
層,16はｐ−GaAsコンタクト層,17はｎ電極,18はｐ電極
をそれぞれ示している。ここで，クラッド層のアルミニ
ウム組成比ｘおよびｚはいずれも0.7,活性層12の膜厚ｄ
は0.06μm,リッジ部19の外側の光閉じ込め層15と活性層
12との距離ｈは0.2μm,リッジ底部のストライプ幅Ｗは
５μm,またｎ−クラッド層11の膜厚H₁およびｐ−クラッ
ド層13のリッジ部における膜厚H₂はいずれも0.8μｍと
してある。

このレーザでは，ストライプ外でｎ−GaAs光閉じ込め
層15が活性層12に近接して置かれており，このGaAs層の
吸収の影響により，リッジ層とリッジ部外とで複素屈折
率の差が生じ，これにより水平方向の光閉じ込めが実現
される。また，光閉じ込め層15は，同時に電流狭窄層と
しての役割も果しており，電流は中央のリッジ部のみに
流れるので，低しきい値の特性が得られる。この横モー
ド制御構造レーザで，非点収差が少なく，かつ安定な基
本横モード発振を得るには，構造パラメータを所定の範
囲に設定する必要があり，上述した値はその一例を示し
たものである。以下にこの横モード制御構造半導体レー
ザの構造パラメータの最適化について説明する。

まず、半導体レーザの特性として考慮する必要がある
のは発振しきい値である。発振しきい値は，基本構造と
なるダブルヘテロ構造のしきい電流密度によってほぼ決
まり，横モード制御構造レーザの場合には，これに導波
モード損失の影響が加わる。第２図は活性層がInGaP,n
クラッド層およびｐクラッド層がIn_0.5（Ga_1-xAl_x）_0.5
Ｐで構成されるダブルヘテロ構造のしきい値電流密度J
_thの活性層膜厚依存性を示したものである。パラメータ
として両クラッド層のAl組成比ｘをとってある。図から
わかるように，それぞれのクラッド層Al組成比に対し
て，しきい電流密度J_thを最小にする活性層膜厚が存在
する。第３図にJ_thが最小となる活性層膜厚ｄとクラッ
ド層Al組成比ｘとの関係を破線で示した。

また,J_th2kA/cm²以下になる範囲を斜線で示してあ
る。この図は活性層がInGaPの場合であるが、In_0.5（Ga
_1-yAl_y）_0.5Ｐを活性層とする場合には，横軸はクラッ
ド層と活性層とのAl組成比の差Δｘ（＝ｘ−ｙ）に相当
する。第２図からわかるように,x（＝Δｘ）が小さくな
るとJ_th急激に増加する。

以上から，しきい電流密度の低減という観点からは，
クラッド層Al組成比x,zは大きい程良い。しかしx,zが大
きいとクラッド層と活性層との屈折率差も大きくなり，
活性層への光閉じ込めの効果が大きくなってビーム広が
り角が増大し，実用的に使いにくい場合もある。第４図
に活性層膜厚が0.06μｍの場合について，ビーム広がり
角θ_⊥とｘ（＝ｚ）との関係を示した。この図からわか
るように，θ_⊥はｘにほぼ比例して大きくなる。θ_⊥が
大きい半導体レーザの光をコリメートする場合にはNA
（開口数）の大きいレンズが必要であるが，一般にNAの
大きいレンズは使にくく、特にNAが0.3を越えると，光
軸調整の困難さやレンズの収差等の問題が生じ，またコ
スト的にも光学系が高いものになってしまう。NA＝0.3
はビーム広がり角に直すと，θ＝35゜（＝2 sin^-1（0.
3））に相当する。

したがって,NA≦0.3とするには，θ_⊥≦35゜である必
要がある。第４図よりこれを満たすｘの範囲を求めると
ｘ≦0.8となる。以上をまとめると，第３図および第４
図より,J_th≦2kA/cm²およびθ_⊥≦35゜となるx,dの範囲
は 0.55≦ｘ≦0.8 （１） 0.02μｍ≦ｄ≦0.1μｍ （２） で与えられる。これらはシミュレーションによる解析結
果であるが，実際のデバイスでは，クラッド層のドーピ
ングレベルの制約や，ここでは考慮しなかったキャリア
オーバーフローによる特性温度の低下，最高連続発振温
度の低下等の問題があるため，さらに範囲は狭められ
る。

第５図は，しきい電流密度J_th,特性温度T₀および最高
連続発振温度T^CW _maxのクラッド層Al組成比ｘに対する依
存性を実験値を示したものである。この図でまずJ_thに
注目すると,x＝0.4のとき約3kA/cm²と大きく,x＝0.5で
も1.8kA/cm²と比較的大きいことがわかる。ところがｘ
＝0.7とすると,1.3kA/cm²まで低減でき,x＝0.4〜0.5に
比べてｘ＝0.7が非常に優れている。

また特性温度T₀についても,xの値が大きくなると,T₀
が大きくなることがわかる。例えば,xが0.5から0.7にな
るとT₀は70Kから85Kになり，これに関連してT^CW _maxは約
20℃も上昇することになる。最高連続発振温度T^CW _maxは
半導体レーザの特性を示す値の一つで，これをいかに大
きくできるかで，半導体レーザの良否を決めることがで
きる。本発明者らの実験によれば,InGaAlP系半導体レー
ザでは,50℃での信頼性試験を行う場合,T^CW _maxが70℃未
満になるレーザ発振を安定に行わせることが困難である
ことがわかった。このT^CW _maxが70℃未満になるのは，第
５図からわかるように,xが0.6未満の場合である。以上
から，クラッド層Al組成比ｘが0.6以上であれば,J_thが
低くまた信頼性の点においても良好な特性が得られるこ
とがわかる。

また第６図は，特性温度T₀の活性層膜厚ｄに対する依
存性の実験値を示したものである。図からわかるよう
に,dが0.03μｍより小さくなると，特性温度が急激に減
少しており，これにより最高連続発振温度も低下するこ
とが実験結果からわかった。これらの実験結果と
（１），（２）より，低しきい値で，かつ良好な温度特
性を得るには， 0.65≦x,z≦0.8 （３） 0.03μｍ≦ｄ≦0.1μｍ （４） の範囲にx,zおよびｄを設定すれば良いことになる。こ
こで,pクラッド層のドーパントとの関連について簡単に
補足する。ｐ型ドーパントとしてはZnあるいはMgがある
が，このうちMgを用いる場合には,pn接合部形成の制御
が困難であることが実験からわかった。そこでｐ型ドー
パントとして制御性の良いZnを用いるが，このZnの場
合,Al組成比ｘが0.8の場合,p−キャリア濃度を１×10¹⁷
cm^-3までしか実現できず，特性温度T₀が低下し，最高発
振温度が下がることがわかった。本発明者らの実験によ
れば,x＝0.75の場合,p−キャリア濃度を２×10¹⁷cm^-3と
することができ,T₀を90Kと良好な値にできることが確認
された。したがって,pクラッド層のドーパントとしてZn
を用いる場合には，（３）式の上限をx,z≦0.75の範囲
にとると，良好な特性が得られる。

次に第１図の横モード制御構造において，安定な基本
横モードが得られる構造パラメータの範囲について説明
する。横方向の光閉じ込めには，水平方向に実効屈折率
の分布が形成されていることが必要であり，キャリア注
入に伴うプラズマ効果による屈折率変化を補うだけの，
実効屈折率差が必要である。GaAlAs系あるいはInGaAsP
系の半導体レーザでは，このプラズマ効果による屈折率
変化は10^-3のオーダーであり,InGaAlP系も同程度と考え
ることができる。水平方向の実効屈折率差ΔＮがこのオ
ーダーより小さくなると利得導波の効果が支配的とな
り，利得分布を反映した位相の遅れにより，出射光のビ
ームウェストの端面位置からずれ，即ち非点収差が大き
くなってしまう。第７図はストライプ幅Ｗが５μｍのレ
ーザについて，非点収差Δｚと水平方向の実効屈折率差
ΔＮとの関係を測定した実験結果を示したものである。
これからわかるように，ΔＮが小さくなると非点収差Δ
ｚは急激に大きくなる。

実験結果によると，ΔＮ＜２×10^-3の領域ではほとん
ど利得導波型の特性を示した。したがって、このレーザ
で水平方向の光閉じ込め十分に行うには，ΔＮが２×10
^-3以上であることが必要である。また，ΔＮが５×10^-3
以上であればさらに確実に屈折率導波の効果が現れ，第
７図からもわかるように，この領域では非点収差Δｚを
15μｍ以下とすることができた。

ところで第１図の場合，ΔＮはリッジ部の実効屈折率
とリッジ外の実効屈折率の差として定義されるが，リッ
ジ外の実効屈折率はGaAs光閉じ込め層と活性層との距離
ｈに大きく依存する。

第８図にｈおよび活性層膜厚ｄに対するΔＮの等高線
を示す。図からわかるように,dおよびｈが大きくなると
ΔＮは小さくなる。この図から，ΔＮが一定となるｈと
ｄとの関係は近似的にｈ∝ｄ^−1/2となっている。第８
図はクラッド層と活性層とのAl組成比の差Δｘを一定と
したものだが,dを0.06μｍに固定してｈとΔｘに対する
ΔＮの等高線を示したのが第９図である。これからわか
るように，ΔＮが一定となるｈとΔｘとの関係も近似的
にｈ∝Δｘ^−1/2となっている。

以上から，ΔＮが一定となるｈとd,Δｘとの関係は,
h,dをそれぞれ発振波長λで規格化して h/λ∝（Δx d/λ）^−1/2 （５） と表すことができる。図より，ΔＮ≦２×10^-3およびΔ
Ｎ≧５×10^-3となる範囲を求めると，それぞれ h/λ≦0.13（Δx d/λ）^−1/2 （６） および h/λ≦0.09（Δx d/λ）^−1/2 （７） とする。すなわち，プラズマ効果等による屈折率変化が
ある場合でも利得導波型になってしまわないためには少
なくとも（６）式で与えられる範囲にｈを設定する必要
があり，さらに屈折率導波の発生を十分に得るには，
（７）式の範囲にｈを設定すればよいことになる。例と
して，λ＝0.67μm,Δｘ＝0.7,d＝0.06μｍとすると，
（６），（７）式を満たすｈはそれぞれ ｈ≦0.35μｍ （８） および ｈ≦0.24μｍ （９） となる。なお,hの下限は計算上では０であるが，実際に
はｈが小さくなると，ストライプ外における電流ブロッ
クの効果が不安定になり，電流のリークが生じて電流−
電圧特性に異常が現れる。

実験結果によると,hが0.1μｍより小さい場合に電流
リークが見られた。したがって、このようなリークが生
じないためには,h≧0.1μｍであることが必要である。

次にストライプ幅Ｗと横モードとの関係について説明
する。上述したように，水平方向の光閉じ込めはh,d,Δ
ｘによってきまるΔＮと密接に関連している。（６），
（７）式はΔＮの下限を与えるものであるが，逆にΔＮ
が大きすぎるとストライプ幅によっては，高次モードの
発振が起きてしまうことがある。第１図に示した横モー
ド制御構造は損失導波型であるため，高次モードの解が
存在しても，しきい値付近では基本モードに対する利得
の方が大きく高次モード発振は起こらないが，注入電流
が大きくなると，高次モードに対しても利得が損失とつ
り合うようになって発振する場合がある。この高次モー
ドの発振はしきい値における高次モードと基本モードと
の損失の差が小さい程，低パワー領域で起こると考える
ことができる。第10図は光閉じ込め層と活性層との距離
ｈおよびリッジ底部のストライプ幅Ｗに対して,1次モー
ドと基本モードとの損失差Δα（＝α_１−α_０）の等高
線をプロットしたものである。この等高線は両対数プロ
ットで傾きが略1/3の直線になっているので，Δα＝一
定となるＷとｈとの関係は Ｗ∝ｈ^1/3 （10） で表される。モード損失差Δαは水平方向の実効屈折率
差ΔＮとストライプ幅Ｗによってほぼ決まると考えるこ
とができるので，他のパラメータ即ちｄおよびΔｘに対
する依存性はΔＮのd,Δｘの依存性と同じと考えてよ
い。（５）式よりΔＮは［（h/λ）（Δx d/λ）^1/2］
の関数として表すことができるので，（10）式と併せる
と，Δα＝一定となるＷとh,d,Δｘとの関係は W/λ∝［（h/λ）（Δx d/λ）^1/2］^1/3 （11） で表されることになる。ここで，安定な基本横モード発
振を得るのに必要なモード損失差Δαを20cm^-1と設定す
ることにする。この値は端面反射による共振器損失（1/
L）ln（1/R）の約半分に相当し，しきい値I_thにおいて
これだけの損失差があれば，〜1.5 I_thの電流値までは
高次モードの発振は抑えられると考えられる。

第10図および（11）式よりΔα≧20cm^-1となる範囲を
求めると W/λ≦20［（h/λ）（Δx d/λ）^1/2］^1/3 （12） となる。例えばλ＝0.67μm,Δｘ＝0.7,d＝0.06μm,h＝
0.2μｍとすると，（12）を満たすＷの範囲は Ｗ≦5.6μｍ （13） となる。

第10図と同じパラメータ（ｄ＝0.06μm,Δｘ＝0.7）
における，基本モードの損失α_０のW,h依存性を第11図
に示す。これからわかるように，（12）式を満足する範
囲内で,Wがあまり小さくなければ基本モードに対する損
失は共振器損失に比べて十分小さく，しきい値の上昇は
ほとんど問題とならない。しきい値に影響が現れるよう
なモード損失の値を，上で述べたのと同様に端面反射損
失の約半分である20cm^-1と設定することにすると，第11
図よりα_０≦20cm^-1となる範囲は W/λ≦13［（h/λ）（Δx d/λ）^1/2］^1/3 （14） となる。上と同様のパラメータに対して（14）式を満た
すＷの範囲を求めると Ｗ≧3.7μｍ （15） となる。

以上の説明は，第１図におけるｎクラッド層の膜厚H₁
およびｐクラッド層の膜厚H₂が無限大の場合に対するシ
ミュレーション結果を基にしたものである。一方，デバ
イス特性として重要な熱特性を考える場合には，クラッ
ド層の膜厚に依存した熱抵抗の変化の影響を考慮する必
要がある。

InGaAlP系材料で特徴的なことは,GaAlAs系等に比較し
て熱抵抗率が大きいことであり，例えば第１図のクラッ
ド層に用いられている In_0.5（Ga_0.3Al_0.7）_0.5Ｐの熱
抵抗率は17K・cm/Wという大きな値をとる。そのため，
この層の膜厚が素子の熱特性に大きく影響する。すなな
ち，クラッド層膜厚が大きくなると，それに比例して熱
抵抗が起きくなり，さらに，クラッド層，特にｐ−クラ
ッド層の電気抵抗が大きいため，クラッド層内での発熱
も増え，結果として活性層温度が上昇し，閾電流値が増
加する。したがって，熱特性の観点からはクラッド層膜
厚は小さい方が望ましい。しかしながら，クラッド層膜
厚が小さくなりすぎると，導波モードの膜厚方向の広が
りが基板およびコンタクト層に達するため,GaAsの吸収
損失の影響を受けてしきい電流密度が増加し，やはり活
性層温度が上昇することになる。

以上からクラッド層膜厚は，導波モードが基板および
コンタクト層の吸収損失の影響を受けない範囲内ででき
るだけ小さく設定すればよいことになる。３次元熱伝導
モデルによるシミュレーション結果によると，基板およ
びコンタクト層を含むダブルヘテロ構造の導波モード損
失αが 1 cm^-1≦α≦20cm^-1 （16） となるような範囲にクラッド層膜厚Ｈを設定すると,GaA
sによる導波モード損失の影響が少なく，かつ熱抵抗増
加によるしきい値上昇も最小限に抑えられることがわか
った。この結果は利得導波型の内部電流狭窄構造InGaAl
Pレーザについて，実験結果ともよく一致することが確
かめられている（昭和63年春季応用物理学会,31a−ZP−
１）。第12図に，Δｘ＝0.7の場合について（16）式を
満たす活性層膜厚ｄおよびクラッド層膜厚Ｈの範囲を示
す。また第13図に,d＝0.06μｍの場合について，（16）
式を満たすΔｘおよびＨの範囲を示す。これらの図の斜
線の範囲は近似的に次式で表される。

0.25（Δx d/λ）^−1/2≦H/λ≦0.38（Δx d/λ）^−1/2 （17） 第12図はｎクラッド層,pクラッド層のAl組成比が同じ
場合（Δx₁＝Δx₂＝Δｘ）を示したものであるが，異な
る場合には，それに対応して各クラッド層での導波モー
ドの広がりが変わるため，それぞれの膜厚H₁,H₂は次式
の範囲に設定すればよい。

0.25（Δx₁ d/λ）^−1/2≦H₁/λ ≦0.38（Δx₁ d/λ）^−1/2 （18） 0.25（Δx₂ d/λ）^−1/2≦H₂/λ ≦0.38（Δx₂ d/λ）^−1/2 （19） 例として λ＝0.67μm,Δx₁＝Δx₂＝0.7,d＝0.06μ
ｍとすると，（18），（19）式より，クラッド層膜厚
H₁,H₂は次式の範囲に設定すればよいことになる。

0.67μｍ≦H₁,H₂≦1.0μｍ （20） 第14図は本発明の第２の実施例を示したものである。
この構造は第１図に示した実施例と，層構造，組成等は
ほとんど同じであるが，リッジ断面形状が異なる。これ
は，化学エッチングによりリッジを形成する場合に，ス
トライプの方向により，断面形状が異なるためで，第１
図の例は＜01＞方向のストライプ，第14図では＜011
＞方向のストライプを用いている。いずれの場合にもス
トライプ幅Ｗはリッジ底部の幅として定義する。これ
は，垂直方向の実効屈折率がGaAs光閉じ光め層と活性層
との距離によって大きく変わり,GaAs層が活性層から遠
ざかると，ほぼリッジ中央での実効屈折率に近くなるた
め,GaAs光閉じ込め層と活性層との距離がｈより大きい
部分はリッジ部とみなしてさしつかえないからである。
したがって，第14図中に示したようにストライプ幅Ｗを
定義することにより，これまでに述べた議論はすべて成
立する。

また，リッジ断面形状は第１図あるいは第14図に示し
た例に限られるものではなく，エッチング方法に依存し
た様々なリッジ形状に対しても，本発明は適用できる。

第15図は本発明の第３の実施例を示したものである。
この構造が第１図の実施例と異なる点は,pクラッド層が
３層から成っていることである。すなわち，第15図にお
いて,33はｐ−In_0.5（Ga_1-zAl_z）_0.5Ｐ第１クラッド層,
34はｐ−In_0.5（Ga_1-vAl_v）_0.5Ｐ第２クラッド層,35は
ｐ−In_0.5（Ga_1-sAl_s）_0.5Ｐ第３クラッド層をそれぞれ
示している。ここで，第２クラッド層のAl組成比はｖ
は，第１クラッド層および第３クラッド層のAl組成比ｚ
およびｓより小さい値に設定してある（０≦ｖ＜z,
s）。この第２クラッド層は，化学エッチングでリッジ
を形成する際のエッチングストップ層としての役割を果
している。すなわち,v＜ｓとすることにより,In_0.5（Ga
_1-vAl_v）_0.5Ｐのエッチング速度を相対的に小さくでき
るため，活性層からｈの距離でエッチングを停止させる
ことができ，寸法ｈを再現性よく制御できる。

この例のようにｐクラッド層中にAl組成比の異なる第
２クラッド層がある場合，その膜厚ｔが問題となる。す
なわち,Al組成比が異なると屈折率が変わり，さらにｖ
の値が活性層のAl組成比以下の場合には，発振波長に対
して損失を与えるため，この層の膜厚が大きすぎると，
横モードおよびしきい値にも影響を与える。一方，この
層の膜厚が小さすぎると，エッチングストップ層として
の役割を果たさなくなり，この層を設けた意味がなくな
ってしまう。したがって，第２クラッド層の膜厚ｔはエ
ッチングを停止させるのに必要な厚さより大きく，かつ
横モードおよびしきい値に影響が現れるような厚さより
小さい値に設定する必要がある。実験結果によるとｔが
40Å以下だと，ウェハ面内でのばらつきを考えた場合,h
の制御が十分できない場合があり，一方,45Å以上だと
十分に制御できることがわかった。したがって,tの下限
を45Åに設定しておけば，寸法制御については問題な
い。ｔの上限については，しきい値，基本モードに対す
る損失，および１次モードと基本モードとの損失差がｔ
によってどう変わるかを調べる必要がある。

第16図はλ＝0.67μm,Δｘ＝0.7,d＝0.06μm,h＝0.2
μm,W＝５μｍの場合について，基本モードに対する損
失α_０および１次モードと基本モードとの損失差Δαの
ｔに対する依存性を計算した結果である。また第17図
は，同様のパラメータで，しきい値I_thのｔ依存性を示
したものである。二つの図からわかるように,tが200Å
を越えると１次モードと基本モードとの損失差Δαが20
cm^-1以下になってしまい，また基本モードに対する損失
α_０およびしきい値I_thも増大することがわかる。以上
の結果から，第２クラッド層の膜厚ｔは 45Å≦ｔ≦200Å （21） の範囲に設定することにより，第２クラッド層を設けた
ことによる導波モードへの影響を最小限に抑え，かつエ
ッチングストップ層としての役割も十分に果たすことが
可能となる。

本発明の第４の実施例を第18図に示す。図中,50はｎ
−GaAs基板,51はｎ−In_0.5（Ga_0.3Al_0.7）_0.5Ｐクラッ
ド層,52はアンドープInGaP活性層,53はｐ−In_0.5（Ga
_0.3Al_0.7）_0.5Ｐクラッド層,54はｎ−InGaPキャップ層,
55はｐ−GaAs光閉じ込め層,56はｎ電極,57はｐ電極をそ
れぞれ示している。この例では,p−GaAs光閉じ込め層が
電流狭窄層およびコンタクト層の２つの役割を果してい
る。すなわち，リッジ外ではｐ−GaAsとｐ−InGaAlPの
ｐ−ｐヘテロ接合における価電子帯端バンド不連続に起
因した電位障壁により，電流は流れず，一方リッジ部で
はｐ−GaAs層とｐ−InGaAlP層との間に，中間の禁制帯
幅を持つ p−InGaPキャップ層があるために電位障壁は
小さくなって，この領域では電流が流れる（昭和62年秋
季応用物理学会,19a−ZR−６）。この構造はリッジ形成
後の結晶再成長回数が１階で済むため，第１図，第14図
あるいは第15図の構造に比べて作製が容易という利点が
ある（本出願人の係る特願昭61−225842）。本発明は光
閉じ込め層がｎ型であるがｐ型であるかを問わず適用で
き，第18図中に示したd,h,W,H₁,H₂に対してこれまでの
議論はそのまま成り出つ。またこの構造においても，リ
ッジ断面形状は第14図のような逆メサ型あるいは他の形
状でも良く，さらに，第15図と同様にしてエッチングス
トップ層の役割を果たす第２クラッド層を設けることも
可能である。

以上説明したように，横モード制御構造InGaAlP半導
体レーザにおいて，クラッド層のAl組成比を（３）式，
活性層膜厚を（４）式の範囲に設定することにより，低
しきい値での基本横モード発振が可能となる。また，ス
トライプの外側における光閉じ込め層と活性層との距離
ｈを（６）式さらに望ましくは（７）式を満たす範囲に
設定することにより，低非点収差の特性が得られ，さら
にストライプ幅Ｗを（12）式を満たす範囲に設定するこ
とにより，安定な基本横モード発振が得られる。また，
クラッド層の膜厚を（18），（19）式の範囲に設定する
ことにより，温度特性を良好な半導体レーザが得られ
る。さらにまた，第15図のようなエッチングストップ層
を設ける場合においても，この層の膜厚を（21）式の範
囲に設定することにより，モード損失，しきい値等への
影響が最小限に抑えられ，かつ構造寸法の性格な制御が
可能となる。

なお，本発明は上述した実施例に限定されるものでは
なく，例えば（３），（４）式は光閉じ込め層がGaAsで
ない場合にも適用できる。また，第１図，第14図あるい
は第15図において，各層の導電型を逆にした構造に対し
ても適用が可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したように，本発明によれば，横モード制御
構造InGaAlP半導体レーザにおいて，低しきい値での基
本横モード発振を実現する半導体レーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる半導体レーザ装置の
概略構造を示す図，第２図はInGaP/InGaAlPダブルヘテ
ロ構造のしきい電流密度と活性層膜厚との関係を表す計
算結果を示す図，第３図はしきい電流密度を最小にする
活性層膜厚のクラッド層Al組成比依存性を表す計算結果
を示す図，第４図はビーム広がり角のクラッド層Al組成
比依存性を表す計算結果を示す図，第５図はしいき電流
密度，特性温度および最高連続発振温度のクラッド層Al
組成比依存性を表す実験結果を示す図，第６図は特性温
度の活性層膜厚依存性を表す実験結果を示す図，第７図
は非点収差の実効屈折率差ΔＮ依存性を表す実験結果を
示す図，第８図はリッジ外における光閉じ込め層と活性
層との距離ｈと活性層膜厚ｄに対するΔＮの等高線の計
算結果を示す図，第９図はｈとΔｘに対するΔＮの等高
線の計算結果を示す図，第10図はｈとストライプ幅Ｗに
対するモード損失差Δαの等高線の計算結果を示す図，
第11図はｈとＷに対する基本モード損失α_０の等高線の
計算結果を示す図，第12図は損失が1cm^-1≦α≦20cm^-1
となる活性層膜厚ｄとクラッド層膜厚Ｈの範囲を計算し
た結果を示す図，第13図は損失が1cm^-1≦α≦20cm^-1と
なるΔｘとＨの範囲を計算した結果を示す図，第14図は
本発明の第２の実施例を示す図，第15図は本発明の第３
の実施例を示す図，第16図はΔαおおびα_０の第２クラ
ッド層膜厚ｔに対する依存性を計算した結果を示す図，
第17図は発振しきい値のｔ依存性を計算した結果を示す
図，第18図は本発明の第４の実施例を示す図である。 10,20,30,50……ｎ−GaAs基板 11,21,31,51……ｎ−InGaAlPクラッド層 12,22,32,52……アンドープInGaP活性層 13,23,33,34,35,53……Ｐ−InGaAlPクラッド層 14,24,36,54……Ｐ−InGaPキャップ層 15,25,37……ｎ−GaAs光閉じ込め層 55……Ｐ−GaAs光閉じ込め層 16,26,38……Ｐ−GaAsコンタクト層 17,27,39,56……ｎ電極 18,28,40,57……ｐ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 正行 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−43387（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第一導電型半導体基板上に形成され、In
   _1-w（Ga_1-xAl_x）_wPからなる第一導電型クラッド層と、I
   n_1-w（Ga_1-yAl_y）_wP活性層とIn_1-w（Ga_1-zAl_z）_wP（０
   ≦ｙ＜x,z≦１）からなりストライプ状のリッジを有し
   た第二導電型クラッド層とから構成されるダブルヘテロ
   構造部と、このダブルヘテロ構造部上の少なくとも前記
   第二導電型クラッド層のリッジ部外の領域に形成された
   光閉じ込め層とを備えた半導体レーザ装置において、前
   記第一導電型クラッド層、および、前記第二導電型クラ
   ッド層のうち、活性層に接したIn_1-w（Ga_1-xAl_x）_wP層
   およびIn_1-w（Ga_1-zAl_z）_wP層のAl組成比ｘおよびｚが 0.55≦x,z≦0.8 の範囲にあり、前記活性層のIn_1-w（Ga_1-yAl_y）_wPのｙ
   が ｙ＝０ であって、前記活性層およびクラッド層のｗが ｗ≒0.5 であって、前記活性層の膜ｄが 0.02μｍ≦ｄ≦0.1μｍ の範囲にあり、前記第一導電型クラッド層の厚さH₁およ
   び前記第二導電型クラッド層のリッジ部における厚さH₂
   が、各クラッド層と活性層とのAl組成比の差Δx₁（＝ｘ
   −ｙ）、および_１Δ₂x₂（＝ｚ−ｙ）に対して、それぞ
   れ 0.25（Δx₁d/λ）≦H₁/λ≦0.38（Δx₁d/λ）^−1/2 および 0.25（Δx₂d/λ）^−1/2≦H₂/λ≦0.38（Δx₂d/λ）
   ^−1/2 を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ装
   置。
2. 【請求項２】前記光閉じ込め層がGa_1-uAl_uAs（０≦ｕ≦
   １）であることを特徴とする請求項１の半導体レーザ装
   置。
3. 【請求項３】前記第一導電型半導体基板および前記光閉
   じ込め層がGaAsであることを特徴とする請求項１記載の
   半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】前記ストライプの外側における前記光閉じ
   込め層と前記活性層との距離ｈが、前記第二導電型クラ
   ッド層のうち活性層に接したIn_1-v（Ga_1-zAl_z）_vP層と
   前記活性層とのAl組成比の差Δx₂（＝ｚ−ｙ）、活性層
   膜厚ｄ、および発振波長λに対して h/λ≦0.13（Δx₂d/λ） を満たす範囲にあることを特徴とする請求項３記載の範
   囲レーザ装置。
5. 【請求項５】前記光閉じ込め層と前記活性層との距離ｈ
   が、 h/λ≦0.09（Δx₂d/λ）^−1/2 を満たす範囲にあることを特徴とする請求項３記載の半
   導体レーザ装置。
6. 【請求項６】前記リッジ底部の幅ｗが w/λ≦20［（h/λ）（Δx₂d/λ）^−1/2］^1/3 を満たす範囲にあることを特徴とする請求項３記載の半
   導体レーザ装置。
7. 【請求項７】前記第二導電型クラッド層がリッジ部にお
   いて少なくとも３層から成り、そのうち、前記活性層の
   側から２番目の層が、活性層の側から３番目のIn_1-w（G
   a_1-sAl_s）_wP層よりAl組成比の少ないIn_1-w（Ga_1-yAl_y）
   _wP層（０≦ｙ≦ｓ）から成ることを特徴とする請求項１
   記載の半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】前記第二導電型クラッド層中の前記２番目
   のIn_1-w（Ga_1-vAl_v）_wP層の膜厚ｔが 45Å≦ｔ≦200Å の範囲にあることを特徴とする請求項７記載の半導体レ
   ーザ装置。