JPH041514B2

JPH041514B2 -

Info

Publication number: JPH041514B2
Application number: JP57110264A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; Tadahiro Oomi; Masakazu Morishita
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-06-26
Filing date: 1982-06-26
Publication date: 1992-01-13
Also published as: JPS59987A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は半導体レーザ、とくに横モードの安定
化されたストライプ形半導体レーザに関するもの
である。半導体レーザは、小形、高効率で、直接変調が
可能なことから、光通信、光情報処理、光集積回
路用の光源として種々の用途が考えられている。
特に単一横モード発振可能なレーザが増々重要と
なり、各種の半導体レーザが開発されてきた。し
かしながら、ストライプ幅を非常に狭くしてゆく
と、極端にしきい値電流密度が増加したり、軸モ
ードも単一でなく、多くの軸モードが発振してし
まう等の欠点を有する。光集積回路では半導体レ
ーザ自体の大きさが非常に問題となり、狭ストラ
イプ化はさけられない。又、これまでに本発明者
等によつて、光集積回路に適した三端子型半導体
レーザの特許出願（特開昭57−78180号；半導体
レーザ）がなされている。三端子型半導体レーザとはバイポーラモード静
電誘導トランジスタと半導体レーザを一体化した
もので代表的な例である第１図を参照しながら原
理を説明する。第１図は代表例の斜視図である。GaAs、
GaAlAsを半導体層としている場合について具体
例を述べる。１はP⁺GaAsの結晶基板、２は第２の半導体層
p⁺Ga_1-xAl_xAs、３は第１の半導体層Ga_1-yAl_y
As、４は第３の半導体層nGa_1-xAl_xAs、５は第
４の半導体層nGaAsであり、０ｙ＜ｘ＜１な
る関係にある。６はp⁺領域、７はn⁺領域、８，
９，１０は金属電極である。９がアノード、８が
カソード、１０がゲートである。電極９と電極８
の間に流れる電流をゲート１０に印加する電圧に
よつて高効率、高速に制御するのが、第１図の半
導体レーザの機能である。第３の半導体層のキヤ
リア濃度によつても異なるが、ゲート印加電圧に
より、効率的に制御しようとする場合は、ゲート
から流れこむ正孔の拡散距離L_Aの２倍程度以下
にゲート間隔Ｗをしなければならない。領域４の
キヤリア濃度を１×10¹⁵cm^-3程度にしたとき、ゲ
ート間隔は3μｍ以下がよい。すなわち、電流通
路が非常に狭いストライプとなり、前述したよう
に狭ストライプの欠点を同様に有する。本発明の目的は狭ストライプを有した半導体レ
ーザの欠点を改良して、単一横モードで、しきい
値電流密度も小さく、消費電力の小さい制御電極
を有する三端子形半導体レーザを提供することで
ある。第２図は、本発明による実施例である。図中１
〜１０は第１図と同じであり、２１は第２の半導
体層のうちの凸部を示している。２２は例えば
n⁺のGaAsであり、基板、第１半導体層と反対導
電型で層２より屈折率の高い第６の半導体層であ
る。モードを安定させるためには光導波部分の屈
折率を高める必要があるが、第１図に示すような
構造ではpn接合に平行な方向では屈折率分布は
設けられていない。実効的に屈折率を高めるには
二つの方法があり、一方は最初から、屈折率の高
い部分、あるいは光の伝搬損失の大きい部分を材
質、構造を選択することによりストライプ中に設
けることであり、他法は光導波のための光の利得
の高い所を設けると、その場所は実効的に屈折率
が高くなる。利得の高い所とは、注入電流を集中
させて、半導体中にキヤリアの反転分布を作り出
すことによつて可能である。すなわち、第１図に
おける構造では横方向に屈折率分布が構造的に設
けられていない。さらに、カソード７から注入さ
れる電子の流れはゲート６によつてしぼられる
が、その後は拡がる。又、アノードの電極は通常
全面に設ける上、基板１の厚さは通常100μｍ程
度と厚く電流は第１図中の矢印の如く拡がり、活
性層３で横方向の電流とじ込めができずに、しき
い値電流が増加しかつ電流集中もできないため
に、横モードの安定化も計れない。第２図におい
ては、内部に実質的な屈折率差を設ける２構造を
取り入れている。まず第１の構造として第２の半
導体層で発光領域に対応して厚い領域２１、それ
以外の部分は薄い領域となる様にしている。即ち
発光領域とそれ以外の領域に対応する部分の少な
くとも境界に第２、第３の半導体層のいずれかあ
るいは同時に厚みに段差を持たせ、且つこの半導
体層の厚さの薄い領域の外にしみ出した光の実効
的複素屈折率を変化させる層を設けたものであ
る。第３図は活性層３を0.1μｍ厚さのGaAs、そ
の外側をGa_1-xAx_xAs半導体層（ｘ＝0.3）とした
ときの各層に対して垂直方向の光の強度分布であ
る。横軸は垂直方向の距離ｄ（μｍ）、縦軸は相対
的光強度R.Iであり、図中に活性層厚さd₁＝0.1μ
ｍを示している。すなわち、活性層d₁から外への
光のしみ出しの量を示していて、活性層外に相当
の量の光がしみ出している事がよく理解される。
さらに、Ga_0.7Al_0.3As層においても少なくとも
0.6μｍ程度は厚さがないと、外部への光のしみ出
しが生じて、損失が多くなる。第２図の構造のレ
ーザを例とすると、厚さｄ ₂＝0.6μｍよりも薄く
し、領域２１の厚さは1μｍ程度よりも厚くして
おくと、溝幅ａより外側で損失が多く、溝幅ａ以
内では損失が少くて、溝内にレーザ光をとじ込め
ることができる。光の導波特性は、溝のある部分
とない部分の複素屈折率差δn〓で決定される。δn〓
はδn〓＝△ｎ＋ｉ１／2K₀α^〜と書くことができる。ここで△ｎは実効屈折率、α〓は実効吸収係数、K₀は
レーザ光の真空中での波数である。△ｎはα〓にほ
ぼ比例し、構造よりα〓を決めることにより、光の
導波特性が記述できる。d₁＝0.1μｍ、d₂＝0.6μｍ
でα〓≒40cm^-1、△ｎ≒４×10^-4程度となる。d₁が
大きくなると第３図における光のしみ出しが少な
くなるのでα〓40cm^-1とするにはd₁＝0.15μｍの場
合、d₂0.5μｍ（△ｎ＝３×10^-4）d₁＝0.2μｍの
場合、d₂0.45μｍ（△ｎ≒２×10^-4）となる。
実効屈折率が少し小さいが、△ｎ≧１×10^-3に保
とうとすると、d₁＝0.1μｍ、d₂0.45μｍ（α〓≒
200cm^-1）d₁＝0.15μｍ、d₂0.35μｍ（α〓＝300cm
^-1）、d₁＝0.2μｍ、d₂0.25μｍ（α〓＝500cm^-1）の
条件にすればよい。その場合は損失α〓が非常に大
きくなる。一方、第２の構造として、第２図の領域２２に
基板１と第２の半導体層に対して、反対導電型の
半導体層若しくは高抵抗の層を設けている。これ
により電流の通路を半導体基板側でもしぼること
になり、電流の拡がりはレーザ発光部だけに殆ん
どおさえることができる。例えば第２図中の矢印
の如く電流は流れるようになり、半導体レーザの
活性層における電流効果は非常によくなり、その
ためモードとじこめもよくなつて、さらに実質的
に全体のしきい値電流も小さくなる。活性層中に
注入された電子密度と光導波路の利得△ｇの関係
は、GaAs−Ga_1-xAl_xAsのダブルヘテロ構造レー
ザでは、しきい値電流の式（実験式）より以下の
様に表わされる。 △ｇ＝eηΓ／20τsｎ−225Γ（cm^-1） …(1) ただし、ｅ≒1.602×10^-19クーロン、η：内部
量子効率、τ_s：キヤリアの寿命、Γ：光のとじこ
め係数、ｎ＝キヤリア密度cm^-3である。ｘ＝0.3、
ｄ＝0.1μｍ、τs＝1nsec、η＝１として、ｘ＝0.3
とｄ＝0.1μｍよりΓ≒0.28とすると △ｇ＝2.24×10^-16n−63（cm^-1） …(2) となる。一方、損失（αtotal）は以下のようにな
る。 αtotal＝α_i＋１／2L（ln１／R₁＋ln１／R₂） …(3) ただし、α_i：半導体内の散乱、吸収損失、Ｌ：
半導体レーザの長さ、R₁，R₂：ミラーの反射率
である。この場合だとｎが2.8×10¹⁷cm^-3から利得
が生じ始め、△ｇ＝αtotalでレーザ発振が起こ
る。 α_i＝10cm^-1、Ｌ＝100μｍ、R₁＝R₂＝0.31
（GaAs）とするとαtotal＝127cm^-1となり、nth＝
8.5×10¹⁷cm^-3（Jth＝1360A／cm²）でレーザ発振が
起こる。内部での利得はそのときgnet＝117cm^-1
程度の利得がある。第４図ａはストライプの横方向における電流の
拡がりを示している。第４図ｂはストライプ横方
向の正味利得gnetの分布を示している。第４図ａ
で横軸はストライプ幅方向ｘ（μｍ）でストライ
プの中心を０とし、縦軸は注入電子密度ｎ（cm^-3）
を示している。ストライプ幅はＳ＝6μｍの例で
あり、図中４１は、第１図のような半導体レーザ
における活性層での電流拡がりを示し、４２は第
２図の構造の基板側に電流のしぼり構造を導入し
た場合の電流拡がりを示す。電流しぼりの効果は
非常に大きく、しきい値電流を低減化できる。特
に２〜3μｍ以下のストライプ幅の半導体レーザ
では電流拡がりはさらに大きくなり、しきい値電
流は極端に大きくなり、余分の電流がストライプ
幅より外に流れることにより、レーザストライプ
外での損失による局部発熱等が生じ、モード不安
定性の誘因になる。故に、狭ストライプにすれば
するほど電流拡がりを防ぐ構造は重要となる。第
４図ｂでは横軸はストライプ幅方向ｘ（μｍ）で、
ストライプの中心を０とし、縦軸は半導体レーザ
内部での吸収、散乱損失をひいた正味の利得gnet
である。図中、４３，４４は第４図ａの電子密度
分布４１，４２に対応した利得である。計算には
式(2)を使用している。４５，４６は、光のしみ出
し構造において、光導波路以外の部分の損失を
100cm^-1程度としたときの４３，４４からの変化
を示す。２方法を用いる事によつて、ストライプ
幅の所だけ光増幅利得を非常に大きくすることが
容易となり、しきい値電流の低減と横モード安定
性をさらに高めることができる。ストライプ幅横
方向における複素屈折率差は、前述した損失と利
得により、δn〓＝△ｎ＋ｉ１／2K₀（α〓〜ｇ）によつ
て表わすことができる。この実部△ｎと虚部１／2K₀ （α〓〜ｇ）はクラマー・クローニツヒの関係によ
つて関連づけることができ、（α〓−ｇ）がわかれ
ば△ｎが導出され得る。前述した利得、損失よ
り、△ｎは通常大きくしても△ｎ≒10^-3程度であ
る。ストライプ幅を狭くしてゆき、伝送光波の波長
の長さが問題になつてくると、ストライプ幅と活
性層の厚さの関係を適性値にしないと伝搬利得が
小さくなつたり、高次モードが生じたりする。方
形誘電体線路の場合について検討すると、方形の
場合、幅Ｗ、厚みｄでの内部の屈折率n₁、周囲の
屈折率は全部n₂として、単一基本モードのみを伝
える条件は第１表のようになる。第１表中、λ：
自由空間波長であり、表中の値が基本モードだけ
を伝搬する最大の大きさである。

【表】故にこの値より大きいと高次モードが伝搬する
ようになり、しかし逆にこれより小さい寸法にな
るに従つて伝搬損失が大きくなる。例えば、
GaAs系では、n₁＝3.6、Inp系のレーザではn₁＝
3.3とし、ほぼn₁／n₂＝1.05が通常であるから、その寸法を第２表に表わす。

【表】ストライプ幅Ｗを1μｍ程度の寸法にすると活
性層厚さは、第２表ｄに示すような値にした方が
伝搬損失は小さくなる。又、Inp系の半導体レー
ザの方が寸法的に大きくしなければならず、狭ス
トライプ化には不利である。しかしながら、多くの半導体レーザでは、スト
ライプ幅の外部でn₁／n₂＝1.001程度であり、上記の寸法制限よりは活性層の厚さを薄くできる。ただ
し、バリードヘテロ接合DH半導体レーザ（BH
レーザ）では、上記の条件がそのまま適用され
る。狭ストライプ化について、さらにモデルを使
つて詳述する。第５図は光導波路モデルの断面図である。光導
波領域１００をかこむ周囲の領域９８，９９で構
成されている。１００の領域の屈折率n₁、９９の
屈折率n₂、９８の屈折率n₃とし、n₁＞n₂、n₃とす
る。１００の領域が半導体レーザの活性領域に対
応し、導波路の幅ａがストライプ幅に対応し、導
波路厚さｂがレーザの活性層厚さに対応するので
ある。斜線の領域は光がないという近似を使つて
無視する。第６図は第５図における光導波路の分散特性で
ある。但し、△n₁＝n₁−n₂／n₁＝５×10^-2を一定として△n₂＝n₁−n₃／n₁と光導波路の厚さｂと波長入に関係したn₁b／λをパラメータとしている。横軸は光導波路幅ａと波長λに対応したn₁a／λであり、縦軸は（K²〓−K₂ ²）／（K₁ ²−K_Z ²）である。Ｋは波
数であり、K₁＝2πn₁／λ、K₂＝2πn₂／λとなる。 λは自由空間長である。K〓が導波路中を伝搬
するモードの伝搬波数である。（K₂〓−K₂ ²）／
（K₁ ²−K₂ ²）が０に近ずくことは、K〓＝K₂であ
り、導波路光はクラツド層の波数で伝搬し、広い
空間に拡がつて流れることを意味しており、損失
が非常に大きくなつていることがわかる。逆に
（K〓²−K₂ ²）／（K₁ ²−K₂ ²）が１に近づくときは
K〓＝K₁となり、導波路中に殆んどの光がとじ込
められて、屈折率n₁だけで、その波数が決つてい
ることになる。１に近づくにつれて、導波特性は
良好である。第５図では、n₁b／λ＝0.5、１、1.5に対して、△n₂＝n₁−n₃／n₁＝10^-3、10^-2、５×10^-2の場合の分散特性を示している。但し、基本モード
（TEoo、TMoo）に対して示している。n₁b／λが増加するにつれて、導波特性はよくなつている
が、n₁b／λ＝1.5以上になつてくると高次モードが伝搬するようになる上、レーザのしきい値電流も
増大するのであまり大きくとることはできない。
しきい値電流を低く抑えることからGaAsの場合
だと短共振器の場合には通常ｄ＝0.1〜0.2μｍに
選択する。すなわち、0.4＜n₁b／λ＜0.8がよいことになる。さらに光導波路の幅ａに対して、△n₂＝
10^-3のときはほとんど関係なく一定である。横方
向の光とじ込めがあまり効果的におこなわれてい
ないということである。△n₂＝10^-2、５×10^-2に
なるに従い、光導波路幅の依存性が顕著になつて
きて、n₁a／λで、２〜３の付近で急激に減少し、導波特性が悪くなる。この分散特性だけでは、明僚
に狭ストライプの限界がわからないので、光導波
路の閉じ込め係数を求めてみる。第７図は閉じ込
め係数ｐとストライプ幅に相当するn₁a／λの関係である。閉じ込め係数ｐは全領域の光強度の全量に
対して、光導波路内（ａ×ｂ）の領域に光がどれ
だけ在存するかの量である。Γが１に近いという
ことは、殆んどの光がコア部、すなわち活性層部
に集中していることを意味する。△n₂＝５×10^-2
ではn₁a／λは１〜２の間まで狭くできるが、△n₂＝ 10^-2だとn₁b／λの限界は２〜３程度となり、△n₂＝ 10^-3になるとn₁a／λを５〜６にしても閉じ込め係数は大きくならない。△n₂をある程度大きくしない
とよい光の伝搬特性は得られず、しきい値電流密
度を低くすることができない。Γの効果は(1)式に
出ていて、Γが１にくらべて小さいと内部損失、
ミラー損失が見かけ上大きくなつてしまうのであ
る。ダブルヘテロ構造を導入しているために、ヘテ
ロ接合に垂直の方向では活性層のバンドギヤツプ
をクラツド層にくらべてある程度小さくすればキ
ヤリアの閉じ込めは充分なされるが、通常ヘテロ
接合に平行な方向では、充分なキヤリア閉じ込め
が行なわれてはいない。バリードヘテロ（BH）
やTJSレーザで行なわれているのみである。よう
するにストライプ幅方向でのキヤリアとじ込めを
行なうため横方向にヘテロ構造を導入したり、反
対導電型の障壁などをもうければ、キヤリアの閉
じ込めを行なうことが可能なのである。第２図の構造の概略を述べておく。アノードで
あるp⁺GaAs基板１の不純物密度：１×10¹⁸〜２
×10¹⁹cm^-3、２１は基板１に設けた溝（深さは例
えば１〜1.5μｍ）、２は溝を含み基板上に成長し
たｐ−Ga_1-xAl_xAs層（ｘ〜0.3、ｐ＝〜１×
10^17-3）２２は基板１、層２と反対導電型のｎ−
GaAs層で厚さ及び不純物密度：0.1〜1.5μｍ、１
×10¹⁶〜１×10¹⁸cm^-3、GaAs活性層３の厚さ、不
純物密度、0.05〜1μｍ程度及び１×10¹⁴〜１×
10¹⁷cm^-3、ｎ−Ga_1-xAl_xAs（例えばｘ＝0.3）４の
厚さ及び不純物密度は、0.5〜3μｍ程度及び１×
10¹³〜１×10¹⁶cm^-3程度、ｎ−GaAs層５は、厚さ
0.5〜2μｍ程度、不純物密度１×10¹³〜１×10¹⁶cm
^-3程度、p⁺ゲート領域６の不純物密度は１×10¹⁷
〜５×10¹⁹cm^-3程度、n⁺ソース領域７の不純物密
度は１×10¹⁷〜５×10¹⁹cm^-3程度である。ゲー
ト・ゲート間隔（チヤンネル幅）は0.3〜3μｍ程
度である。又、各部の導電型が全く反対になり、
１、２、６がｎ形、他はｐ形になつても（活性層
はどちらでもよい）、領域１がアノード、領域６
をゲート、領域７をソースと呼ぶ。第２図の構造製作方法としては、例えば、p⁺
基板にイオン注入により、表面にTe、Ｓ、Se、
Siなどのｎ形イオンを１×10¹⁶〜１×10¹⁸cm^-3程
度打ち込み、１〜3Torr程度のAsH₃雰囲気中800
〜900℃アニールを行なつた後、エツチングによ
り基板部にストライプ状溝を堀り、層２，３，
４，５を連続的にエピタキシヤル成長を行い、領
域６，７に、拡散やイオン注入で再び高濃度領域
を形成することによりできる。 p⁺領域は、イオン注入ではBe、Cd等を使い、
拡散ではZn等の不純物を使用する。光導波路を形成するには様々な構造により達成
することができる。第２図に示した構造だけでは
ない。すなわち、実質的に光の伝搬する部分に周
囲より屈折率の高い所をつくりこめばよい。大き
く分けて屈折率が階段状（ステツプ構造）に変化
しその境界で光が反射しながら、伝搬する場々と
凸レンズと同様に光導波の中心の屈折率が高く周
囲にゆくに従つて屈折率の減少する（集束性構
造）ことにより光が蛇行しながら伝搬する場合に
分けることができる。第２図の２１の部分は大き
く分けるとステツプ構造である。第８図は本発明
における光導波部及び電流しぼり部の各種形状で
ある。ａ〜ｄはステツプ構造、ｅ〜ｈは集束性構
造をしている。これらの形状にとらわれることな
く、例えば光導波部が台形、三角形、その他多角
形であろうと実質的に屈折率の高い屈折率と電流
集中部を有すればよい。第２図でゲート領域６は層４，５にわたつて形
成されているが、層４と５はヘテロ接合であり、
層４のバンドギヤツプの方が大きくなつているた
め、層４のゲート領域のＰ−Ｎ接合におけるホー
ル注入は層５のゲートｐ−ｎ接合からのホール注
入より少なくなり、デバイスの特性上の電流利得
（gm＝△I_D／△I_G）がよくない。第９図は層５を
厚く、層４を薄くすることによつて、ゲート領域
６を層５中に形成して電流利得をあげた実施例で
ある。又、層５は通常レーザしきい値電流等には
影響しないで、電極８，１０等のオーミツクコン
タクト抵抗を下げるために形成されているので本
質的には必要がない。第１０図は層５をなくし、
層４を厚くしその中にゲート領域を形成した実施
例である。GaAs、GaAlAs系のダブルヘテロ構
造半導体レーザで上記述べたオーミツク低減用の
層５が形成されるが、InP、InGaPAs系のダブル
ヘテロ構造半導体レーザでは、通常第１０図の構
造となり、例えばp⁺InP基板１、n⁺InGaAsP層２
２、Ｐ−InP層２、InGaPAs活性層３、ｎ−InP
層４、p⁺InP領域６によつて形成される。In_1-x
Ga_xPyAs_1-yの活性層を有しているために、InP
の結晶粒子と格子整合を実現しながら種々の組成
が実現でき入＝1.0〜1.7μｍ程度は実現できる。
但し、InGaPAsの場合、λ1.4μｍ以上の組成
になると、液相成長を用いて形成すると、成長時
のメルトバツクなどの原因から活性層３とクラツ
ド層４の間にバツフア層を設ける場合もある。さ
らに他の実施例も同様であるが、第１０図中７１
の如く、プロトン照射などにより高抵抗領域を形
成することにより、余分な領域へのキヤリアの注
入が減り電流利得が上昇する他、ゲート領域のキ
ヤパシタンスが減少し、変調周波数が高くなる。本願発明による構造は、必ずしも三端子型半導
体レーザに限ることなく、通常の二端子形半導体
レーザにも適用可能である。第１１，１２図は二
端子形半導体レーザの実施例である。先にも述べ
た如く、特に狭ストライプにしたとき有効とな
り、ストライプ幅Ｗ＝5μｍ以下において特に効
果が出てくる。さらにＷ≦２〜3μｍ以下におい
ては、従来の構造の半導体レーザでは、モード不
安定、しきい値増加が著しいが、本願の構造によ
ると各種特性は著しく改善される。第１１図では８１の領域が例えばｎ型のGaAs
で、８２が拡散、イオンインプランテーシヨン等
によつて形成されるp⁺領域である。８１と８２
の界面は逆バイアスとなつて電流は流れず、層４
の接する領域のみ電流が流れる。Ｖ溝で形成する
ことにより、狭ストライプ化が簡単に達成でき
る。さらに第１２図では、８０の領域もｎ形にし
て、例えばｎのGaAlAsにして、Ｖ溝を深くし
て、領域８２を活性層３をさらに越して、層２ま
で到達させる。そうすると、ヘテロ接合のため、
電流の流れる領域は、領域８２と層３の接合部分
にほとんど集中するようになり、非常に高効率と
なる。本発明の半導体レーザで横モードを安定化する
ことができるが軸モードは必ずしも安定しない。
特に狭ストライプになと軸モードのマルチ化が起
こるのが、第１３図に示すような構造にして、単
一発光波長の安定な半導体レーザが実現できる。
第１３図が横モード、軸モードの安定化された半
導体レーザの一実施例である。第１３図ａは表面
図、ｂはＡ−A′線に沿う断面図、ｃはＢ−B′線
に沿う断面図である。InP−InGaAsP系半導体レ
ーザを例にして各領域を説明する。１０１：
p⁺InP基板、１０２：p⁺−InP成長層、１０３：
InGaPAs活性層、１０４：n^-−InP層、１０５：
n⁺−InP領域、１０６：p⁺−InP領域、１０７：
カソード電極、１０８：ゲート電極、１０９：ア
ノード電極、１１０：Si₃N₄、Al₂O₃などの絶縁
膜、１１１：n⁺InGaPAs層である。p⁺ゲートの
レーザ発光方向の周期は、ｍ・λ／2n（λ：自由空間波長、ｎ：活性層の屈折率、ｍ：整数１、２
…）になされてゆく。ｍが１より大きくなるにつ
れてモード選択の効率は悪くなる。例えばλ＝
1.5μｍ、ｎ＝3.3、ｍ＝１とすれば0.23μｍとなる。
ｍ＝３で0.69μｍ程度となる。この構造において
は、電流がレーザ光の軸方向定在波の電界強度が
最大になる近傍にだけ電流が周期的に流れるよう
に成されているので、軸方向モードが単一モード
で発振しやすく、しかも電流値がしきい値電流に
くらべて相当に大きくなつても、単一軸モードで
動作する。又、同様にDFB（Distributed−
feedback）DH構造半導体レーザなどにも適用す
ることができる。このように、軸モード、縦モー
ド、横モードともに完全に単一モードで動作する
半導体レーザは、半導体レーザの注入電流を変調
する直接変調を行なつても、単一波長動作が保た
れていて、通信などに使用したとき、システム全
体が安定できわめて有効である。以上述べたのはすべて単チヤンネル型の半導体
レーザであつたが、マルチチヤンネル型の半導体
レーザを容易にできる。レーザ共振器方向に垂直
な方向の実施例の断面構造を第１４，１５，１６
図に示す。第１４図はゲート領域６が半導体領域
４に埋めこまれた三端子形マルチチヤンネル半導
体レーザである。第１２図は表面拡散あるいはイ
オン注入などにより作成される表面ゲート型マル
チチヤンネル三端子半導体レーザである。第１４
図はしいて言うとすべてのスポツトが同時にレー
ザ発光する大出力型半導体レーザに適している。
第１４図のようにゲートを埋込み領域で構成する
とカソードアノード間に同じ電流を流すのに必要
なゲートに流れる電流が大きくなつて、電流利得
が小さい。第１６図の半導体レーザは、各スポツ
トを同時に発光させることもできるし、各スポツ
トを制御することもできる。又、全部の発光領域
が同時に発光するときは、光の位相関係も重要で
あり、例えば、第１６図において、GaAlAs、
GaAsレーザで層４を3μｍ厚さ、カソードストラ
イプ幅3μｍ、拡散深さ2μｍ、ストライプ中心間
略々10μｍ以下にして、導波路結合構造を導入す
ると各レーザ発光スポツトの位相が同期したレー
ザ発光が得られる。レーザ発光領域の間隔は、キ
ヤリアの横方向拡散距離や、レーザ光のしみ出し
距離、導波路結合構造に依存し、材料、構造など
によつて異なる。各レーザ領域を独立に制御した
いときは、第１６図に示す如く、１つおきのゲー
ト間にプロトンやヘリウム照射による高抵抗領域
７１を設けると、各素子を各ゲートの電圧によ
り、独立に制御できる。又、領域７１の部分をエ
ツチングなどによつて素子分離を行なつてもよ
い、但し、もちろん、エツチングした後光照射
CVDにより、Si₃N₄やAlNを堆積してもよい。発
光領域の間隔はあまり狭すぎてはいけない。又、
ゲートは上記の構造に限らず、切り込みゲートな
どでもよい。以上においては、チヤンネル領域が１つの導電
型だけであつたが、一部に反対導電型の層が入つ
ていてもよい。第１７図ａ，ｂにそのレーザの断
面図を示す。１７１で示すｐ層がａ図で挿入され
ている。ｂ図では、カソード領域１０５とゲート
領域１０６を絶縁領域１７２で区切つている。
又、半導体と電極の接触抵抗を少なくするため
に、チヤンネル層１０４の材料より禁止帯幅の小
さい材料の層１７３が１０４の上に積層されてい
る。ｐ領域１７１を設けることにより、ポテンシ
ヤル障壁が高くなり、チヤンネル長（カソードと
アノード間）を１つの導電型のレーザより短くす
ることができる。本発明の半導体レーザの構造が、ここで述べた
ものに限らないことはいうまでもない。上記実施
例では基板がp⁺のものを用いていたが、n⁺基板
を使用し、その他の領域の導電型が実施例とまつ
たく反対になつていてもよい。レーザ発光部もこ
こに説明した構造だけでなく、BH（Buried
Heterostructire）、PCW（Plano−Convex
Waveguide）、BC（Buried Crescent）構造等を
導入できることはいうまでもない。材料も
GaAs、GaAlAs、InP−InGaPAsに限ることな
く、他の−族、−族、−族の化合物
半導体、及びそれらの混晶を用いたヘテロ構造を
用いてもよい。他の半導体では屈折率、キヤリア
の拡散長などが変化するため寸法はそれぞれにお
いて設計しなければならない。本発明は以上述べた如く、光導波する部分（ス
トライプ幅内）をその周囲より実質的に、光導波
利得、損失に差をつけ、且つ屈折率に差をつける
と共に、電流の横方向拡散を抑えるために基板側
にも反対導電型あるいは高抵抗部分をつけること
により、狭ストライプレーザにおいても、横モー
ド安定及び軸モードの安定化が行える。要する
に、半導体レーザに流れる電流を制御するために
ゲート領域が導入されて、電流は導入された高不
純物密度領域よりなるゲートとゲートの間に閉じ
込められた形で流れることになるわけであるか
ら、実際にレーザ発光を行う活性領域内の接合面
に平行な方向にも導波路構造を持ち込んだ構造に
なつていて、ゲート・ゲート間隔と光導波路の幅
が略々等しいか、それより少し狭くなつていれば
よいのである。こうすることによつてレーザ光強
度の強い所にだけ集中して電流が流れるため、発
光効率がきわめて良くなるのである。又、さらにゲートをレーザ発光方向に周期的に
設けることにより、さらに単一波長、単一横モー
ド、単一縦モードが広範囲な電流に渡り達せら
れ、又、光変調時にも発光波長の安定化が実現さ
れ、各分野できわめて有効である。さらにマルチ
チヤンネル化により、その応用範囲が広がり、本
願は工業的に極めて価値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の三端子形半導体レーザの斜視
図、第２図は本発明の実施例、第３乃至７図は本
発明を説明するための図、第７乃至１２図は本発
明の他の実施例、第１３図はゲートに周期構造を
導入した実施例、第１４乃至１６図はマルチチヤ
ンネルにした実施例、第１７図は本発明の他の実
施例である。１……p⁺−GaAs基板、２……ｐ−GaAlAs、
３……GaAs活性層、４……n^-−GaAlAs層、５
……n^-−GaAs、６……p⁺領域ゲート部、７……
n⁺GaAsカソード部、８……カソード電極、９…
…アノード電極、１０……ゲート電極、２１……
凸部、２２……ｎ−GaAs層。

Claims

【特許請求の範囲】

１高不純物密度領域よりなる第１導電形のアノ
ード領域、前記アノード領域に隣接して設けられ
た周囲より屈折率が大きく、禁制帯幅が小さい活
性層、前記活性層に隣接して高抵抗領域よりなる
第１導電形と反対導電形の第２導電形のチヤンネ
ル領域を備え、前記チヤンネル領域の一端に高不
純物密度領域よりなる前記第２導電形の領域及び
前記チヤンネル領域の少なくとも一部を囲うべく
設けられた第１導電形の高不純物密度領域よりな
るゲート領域を備え、上記ヘテロ接合に平行な方
向においてレーザ発光領域において実効屈折率、
実効利得を増加させる構造を有し、前記アノード
と活性層との間に電流集中のための第２導電形の
領域をレーザ発光領域の外に沿つて前記ゲート間
隔と等しい距離をおいて形成し、前記ゲート領域
をレーザ発光方向に周期的に複数個配置し、前記
ゲートにはさまれたチヤンネル領域の幅が3μｍ
以下で、前記レーザ発光領域の実効屈折率の高い
領域の幅に等しいか、もしくは小さいことを特徴
とする半導体レーザ。