JPS5963788A - 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】 本発明は半導体レーザ、特に大光出力半導体レーザに関
するものである。

最近％Ａ７Ｇａ　Ａｓ　／Ｇａ　Ａｓ等の結晶材料を用
いた可視光半導体レーザは、低閾値で高効率の室温連続
発振を行うことができるので、光方式のディジタトオー
ディオ・ディスク（ＤＡＤ）用光源として重連であシそ
の実用化が進みつつある。この可視串導体レーザは光プ
リンタ等の光書きこみ用光源゛と′しての需要も高まυ
、この要求をみたすため大光出力発振に耐える可視光半
導体レーザの研究開発が進められている。

従来のストライプ＠ｌＯ〜２０μｍのＡｔＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ半導体レーザは室温連続発振（ＣＷ）光出力ｌ　
Ｑ　ｍＷ　、パルス動作（ｔｏｏｍｓ幅）光出力ｉｏ。

ｍＷ程度が動作限界であシ、これ以上の光出力を放出す
ると容易に反射面が破壊される現象があった。この現象
は古くから光学損傷として知られておシ、とのＣＷ動作
の限界光出力密鹸はＩ　Ｍ　Ｗ／ｃ４前後である。また
、従来、大光出力を得るために、反射面での光出力密度
を下げる試みとして、ストライプ幅の拡大、活性層厚の
拡大、二重ダブルへテロ構造等が報告されている。これ
らの試みにおいては必ず顯１値電流密度の増加を伴い室
温連続発振を困難にさせていた。また、大光出力動作に
すると、たとえストライプ幅が狭くても発振領域が拡が
シ、水平横モード（活性層に平行な方向の横モード）は
複雑な多モード化し、このため大光出力半導体レーザの
用途は障害物検知等に限られ、セ１ザプリンタ等の新し
い用途は実現されていな究Ｉた・ ―れに対し反射面近傍には電流を流さず非励起吠態にし
、中央部のストライプ領域にのみ電流を流して励起領域
とし１反射面近傍がレーザ光に対し透明な非励起領域と
なる構造のストライプ半導不レーザが、本発明の発明者
らによシ特願昭５３−１８８８２において提案されてい
る。

ＡｔＧａＡｓ／ＧａＡｓダブルへテロ接合構造の場合に
ついて説明すると、励起領域をとシ囲む非励起領域の活
性層をｎ形にし、この活性層の励起領域となる部分をＺ
ｎ拡散等でストライプ状にｐ形にすると、励起領域のバ
ンドギャップに対して非励起領域のバンドギャップは約
３０〜５０ｍｅＶ縮少する。この場合ｎ形濃度が高くｐ
形濃度が高い程バンドギャップの相対的な変化量は大き
い。従って励起領域で生じたレーザ光に対して非励起領
域はほぼ透明になる。この構造においては、光学損傷が
従来の限界光出力の５倍をこえても発生せず、非励起領
域が小数キャリアの拡散長以上長ければ充分効果があシ
、かつこれらの効果はダブルへテロ接合構造に限られる
事が確認された。

しかし、この構造の半導体レーザは励起領域が不純物補
償をされたｐ形になっており、内部吸収損失が大きく閾
値電流が高くなる傾向があシ、また拡散長が短くなるた
め高次横モードの利得の上昇が犬きく、大光出力動作時
には水平横モードが高次多モード化する欠点があった。

その上レーザ、道が非励起領域を伝播する場合には、光
はガウス；捧布状に拡がシながら伝播するため、反射面
で反１されてもどってきた光が再び励起領域に入シレー
ザ発振に必要な利得の増大に寄与する割合（カップリン
グ効率）は低くなシ、そのため損失が大きくな多閾値電
流が上昇し外部微分量子効率が低下する等の欠点をもっ
ていた。

また、この構造とは別に反射面近傍を活性層よシもバン
ドギャップの大きいクラッド層で埋込む方法が提案され
ている。この場合にも前記構造と同様にレーザ光がクラ
ッド層を伝播する際に光は拡がりカップリング効率が低
くなる為、閾値電流の上昇及び外部微分量子効率の低下
をもたらし。

さらに結晶成長後にエツチングをして反射面となる領域
をクラッド層で埋込むという製法が複雑であり、更に埋
込んだクラッド層領域と活性層との界面部分に結晶欠陥
が生じやすく信頼性の点で問題がある等の欠点を有して
いた。

本発明の目的は、従来の欠点を除去し、低閾値で発振す
るのみならず基本横モード発振による大光出力発振が可
能であシ信頼性の上ですぐれた半導体レーザを提供する
事にある。

本発明の半導体レーザの構成は、発振波長よりも狭いバ
ンドギャップをもつ光吸収層と仁の光吸亀層に接した上
層に形成されこの光吸収層の導電峠反対の導電型でＩ共
振器の長さ方向に対し忙中央部外を凹部としたブロック
層とを有し、前記甲央部分では前記共振器の長さ方向の
浅い溝を設けこの共振器の反射面近傍では先端が前記光
吸収層に達する深い溝を設けた半導体基体と、この半導
体基体上に形成され、活性層とこの活性層よシ屈折率の
小さい材質からなるガイド層とこのガイド層よυ屈折率
の小さい材質からなシこれら活性層とガイド層とを上下
から挾んだ第１および第２のクラッド層とからなる多層
構造とを備え、前記深い溝の活性層がこの活性層の垂直
方向において前記浅い溝の先端よシも低くかつこの浅い
溝の活性層との間に段差をもち、かつ前記深い溝が前記
ガイド層の材質で埋込まれていることを特徴とする。

本発明は、屈折率差による光のし７み出し効果とバンド
ギャップ差による光の吸収および透過現象とを応用した
ものである。

以下図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図、第３図、第
４図は第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ／およびＣ−Ｃ′の各
断面図、第５図はこの実施例の製造途中の斜視図で、波
長λ＝０．７８μｍの半導体レーザを゛岐ｌ造する場合
を示している。第５図に示すように、夢ｌ振光の吸収層
となるｐ型ＧａＡｓ基板１０の（１００）膓９上にｎ型
Ｇａ　Ａｓ層１１を１．５μｍ成長させてブロック層と
する。このブロック層ａυ上に８　ｊ　Ｏ２膜をつけフ
ォトレジスト法で（ｏｒＴ＞方向に幅２５０μｍの窓を
共振器長方向中央領域に位置するように開け、リン酸過
酸化水素水、メチルアルコールの混合溶液で深さ０．８
μｍエツチングして段差を設ける。次に、ブロック層１
１上に８ｉ０２膜１２をつけフォトレジスト法で＜ｔＴ
ｏ＞方向に凹部になっている中央部分の幅が２．５μｍ
凸部領域の端面部分の幅が９μｍの窓を形成し、更にＢ
ｒ２とメチルアルコールとの混合溶液を用いてエツチン
グする。この時平面に対して５４°４４′の（１１１）
Ａ面を側斜面とするＶ溝２０が形成される。との■溝２
０はエツチング用のマスクとして用いだ５ｉ０２膜１２
°に開けた窓の幅に対応して中央部分の深さが１．８μ
ｍ端面部分の深さは６．４μｍになる。この時浅い溝の
長さは２５０μｍＫなるが端面部分の深い溝の長さは各
々ｌＯμｍ以上５０μＩｎ以下程度にしておく事が望ま
しい。このＶ溝２０のエツチングはマスクにあけた窓の
ストライプ幅にのみ依存してきわめて安定に形成される
ので、−ストライプ幅に応じて共振器の中央部分が浅く
両嚇面近傍が深い溝が再現性よく形成される。

次に、第１図〜第４図に示すように、５ｉｎ２膜、２を
除去し、Ｐ型ＡｔＯ，４Ｇａ　ｏ、ｓ　Ａｓクラッド層
１３を成長させて中央部分の浅い溝を埋めつくシ。

溝両端の屑の部分の厚さが０．２μｍになるようにして
ほぼ平坦な成長面が凹部領域内に形成される。

この時端面近傍の深い溝は溝の先端から２５μｍ程度う
まる。

次いてアンドープＡｔｏ、ｔ　ｓ　Ｇ　ａ　ｏ、Ｂｓ　
Ａ　ｓ活性層１４を０．０８μｍ連続成長させ、中央部
分に平坦な活・性層が形成される。一方、共振器長方向
に対して深い溝領域の境界部分では逆メサ状になってい
るので活性層は端面近傍の深い溝の領域で溝の内部にの
み成長し境界の逆メサ状の部分でとぎれて成長する。こ
の時深い溝内部では活性層１４は約ｌμｎｌ程度成長す
るが、成長表面は深い溝の先端から３．５μｍになシ中
央部分の浅い溝の先端より約０．３μｍ低い位置になシ
光吸収層のｐ　−Ｇ　ａ　Ａｓ基板ｘｏ＋＜接する事に
なる。

続いて屈折率がクラッド層１３よシ高く活性層Ｉ４よシ
低いｎ形ｋｌ　（１２７Ｇ　ａ　６，７３　Ａ　ｓガイ
ド層１５を１．５μｍ成長すると、中央部分の凹部内に
は約０．５μｍのカイト層１５が活性層１４内に隣接し
、漂動溝の部分は平坦部よシ成長速度が速いので全体用
うめつくすようになる。更に続いてｎ形ＡＺｏ、４４”
Ｑｌａ　ｏ、６Ａｓクラッド層１６を１．５μｍ、ｎ形
Ａｚ（、、（，２伊”　０．９８　Ａ　ｓキャラプ層１
７を１．０μｍ成長させる。

七の後成長表面にｎ形オーミックコンタク）１８゜基板
側にｐ形オーミックコント１９を形成して半導体レーザ
を完成させる。

この構造において、浅い溝の領域では光の一部は活性層
から隣接したガイド層をしみ出て発振し。

また活性層からしみ出た光は主に発振波長に対してバン
ドギャップの広いガイド層を通るので吸収損失を受ける
事なく透過する。一方、活性層を通る光は活性層で吸収
されて光学損傷を引きおこす要因となるので、活性層内
の光の量を少くすれば光学損傷の生じるレベルは上昇す
る。ところで。

光のしみ出し量はガイド層の屈折率によって変化させる
事ができるが、光のしみ出し量を大きくすると一般的に
閾値電流が上昇する。しかし、本発明の構造では電流狭
窄用のブロック層を有しておシ、電流はこのブロック層
にあけられた溝の先端を通って活性層内に注入されるの
で、注入電流は有効に発振に寄与し低閾値で発振する事
ができる。

この実施ＮＫおける計算によれば、浅い溝領域の活性層
が０．０８μｍと薄く、かつＡｔ０．２７　Ｇ　ａ　Ｏ
，７３Ａｓガイド層に接しているとき、８７％の光が活
性層、澗シにしみ出る゛ことができる。この構成によれ
ば、・リレド層への光のしみ出し量を多くし光学損傷し
くへ）１ルを上げると共に低閾値のレーザ発振を実現す
゛る事ができる。

また、本発明の構造においては、・共振器長方向の浅い
溝を中央部分に深い溝を両側の反射面近傍に有し、活性
層は浅い溝と深い溝との間の段差の部分でとぎれている
ので、レーザ光の大部分は浅い溝の活性層及びガイド層
から直進してレーザ発振を開始する。

又一方、全面電極の場合には深い溝での活性層にもキャ
リアが注入され発光を生じるが、光〆対し共振器長方向
に吸収層を有しているので光は大きな吸収損失をうけ深
い溝の活性層でレーザ発振する事はできない。

特に、浅い溝の活性層はその共振器長方向の両反射面近
傍の深い溝領域との境界で深い溝領域のガイド層の一部
に隣接し、すなわち中央部分の凹部内に活性層とガイド
層の一部が位置している。

これに対し深い溝の活性層は活性層垂直方向においては
浅い溝先端よシ低い位置に成長するので、深い溝領域の
全体を埋めたガイド層は活性層垂直方向において浅い溝
の先端から浅い溝領域のクラッド層、活性層更にはその
上のガイド層の一部にわたる高さまで成長している。従
ってレーザ発振１ｔはその反射面となる両反射面近傍で
は浅い溝領神の活性層とガイド層の一部がガイド層につ
ながらているので、そのままガイド層内を直進する事に
なる。又この時ガイド層はレーザ発振光に対して透明で
ある。この実施例ではエネルギー差は１７０ｍｅＶ以上
となるので反射面近傍での光の吸収損失は無視でき低閾
値で発振する事ができる。

本発明の構造では、反射面近傍には光のガイド機能をも
つレーザ発振光に対して透明で光の吸収を無視できるガ
イド層があるため光はこのガイド層内に閉じこもって進
行する。この場合、活性層が共振器長方向両度射面近傍
でガイド層に接しておシ、シかもこのガイド層は浅い溝
領域のガイド層と一部つながシ又活性層の垂直方向下部
にも位置しているので、光はクラッド層へもれる事もな
くガイド層内を通って直進する。すなわち、浅い溝領域
の活性領域で発振した光は隣接したガイド層にしみ出し
、更に反射面近傍でガイド層内にしみ出て進行するので
、等制約には活性領域の両端にガイド層をかねそなえた
構成となる。このため。

一般の半導体レーザでは活性層垂直方向の広がシ角θよ
は４０度〜５０度以上であるが、この構成では活性層水
平方向の広が）角θ７．は１０度〜２０度４．前後とな
りスポットサイズは偏平な形状をしてい”ｉ、ｔｌ。一
方、従来活性層の片側にのみ隣接してガイ山崩を設は光
をしみ出させた場合には光のしみ出Ｐの形状は偏平で活
性層垂直方向の光の、広かｐ角は３０〜３５度程度しか
減少しないが、この構造では共振器中央部分と両反射近
傍とのガイド層への光のしみ出しによシ光は活性領域を
中心として垂直方向にｔｌは対称に広げられ、光の垂直
方向の広がシ角０工を２０〜２５度前後まで減少でき、
また活性層水平横方向の広がシ角θ、ｌは水平横モード
のスポットサイズに依存するが電流狭窄を利用してスポ
ットサイズを小さくして１５〜２０度前後に制御する事
ができるので円形に近い発振光源を得る事ができ、他の
光学系へのカップリング効率を上昇できる。

また、従来の半導体レーザは、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シ、そ
こで表面再結合が生じ空乏層化してバンドギャップが縮
少しているので、大光出力発振をさせるとこの縮少した
バンドギャップによシ光の吸収を生じそこが発熱して融
点近くまで温度が上昇して光学損傷を生ずる。これに対
し本発明の構造では、光の反射面となる両端面近傍では
発振光はバンドギャップ差が１７ＱｍｅＶ以上も広Ｗ層
を透過して発振するので１反射面近傍での光　　−・Ｉ
Ｑ吸収はなく光学損傷は生じにくいので反射面破７（ｃ
ｏＤ）レベルを上昇でき大光出力発振が可能になる。

更に、共振器長中央部分では光はガイド層例しみ出てレ
ーザ発振をするので、米国雑誌“ＩＢＥＥＪｏｕｒ＋ｎ
ａｌ　　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓ“第ＱＥ−１５巻７７５頁〜７８１頁にヨネズ他に
よって報告されているような大光出力発振によって活性
層内部に生じる破壊現象もおさえる事ができレーザ素子
の光出力レベルがはるかに高くなる。

また、本発明の構造は、両度射面近傍で光のガイド機構
をかねそなえたガイド層が共振器長方向浅い溝領域の活
性層に接しているとともＫその垂直方向の両端にも成長
しているので効果的に光のガイドをするのに対し、深い
溝が共振器中心部分にある従来の構造は光のガイド層へ
の拡がり領域が中心部分と反射面付近では垂直方向にお
いて活性層の上下についているので光のガイドがスムー
ズにおこなわれず不充分であった。さらに、又深い溝が
共振器中央にある従来の構造の活性層は、深い溝の内部
にたれこませて成長させるため成長の制御がむつかしく
再現性が悪く一般に閾値が上昇するおそれがあったが、
本発明の構造では平坦１１活性層を有しさらに電流狭窄
機構を持ち注入電顎艇有効にレーザ発振に寄与するので
低閾値発振数など不要で全面電極でよく製作が簡単でな
る利点もある。

さらに、本発明による半導体レーザは励起領域が直接反
射面に露出している通常の半導体レーザにくらべて、外
部との化学反応が起りにくく、反射面の光学反応による
劣化を阻止する事ができる。

また、本発明の構造では二回成長を必要とするが結晶成
長後はオーミックコンタクト用の拡散などの工程を必要
とせずレーザ素子製作はきわめて簡単であり再現性よく
かつ高歩留りに製作できる。

なお、この実施例はｐ形基板を用いたものを説明したが
、ｐｎを反転させてｎ形基板を用いる事もできる。また
１本実施例では全面電極の場合について説明したが、浅
い溝領域にのみキャリアを注入できるようにすれば反射
面近傍に流れ込む無効キャリアを除去する事ができるの
で更に低閾値で発振することができる。また、溝の形状
についてもＶ字形溝以外の溝も適用できる。

この本実施例では、ブロック層としてｎ形ＧａＡｓ層を
用いだが、このＧａ　Ａｓ層は発振波長０．７８μｍに
対して数千０ｍ−’から一万ｃｒＩＬ−１にわたる吸収
抗原を有し、このため浅い溝の部分外部の平坦部で粘、
大きな吸収損失を受けるので光は浅い溝の部分・グみ発
振し、又−次横モードの利得の上昇は犬き′翼、“吸収
損失で抑圧されて基本横モード発振が大光出力発振にお
いて維持される。

また、この実施例はＡｔＧａ　Ａｓ　／Ｇａ　Ａｓダブ
ルへテロ接合結晶材料について説明したが、この材料以
外にも１例えはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ　、　Ｉｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　、ＡｔＧａＡｓ　Ｓｂ／ＧａＡｓ
５ｂ　４ｆｆ多くの結晶材料に適用する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の斜視図、第２図、第３図、第
４図は第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’およびＣＣ／の各部
分の断面図、第５図はこの実施例の素子作製の過程でｐ
−ＧａＡｓ基板上Ｋｎ　　ＧａＡｓ　をつけ凹部領域お
よび溝を形成した斜視図である。 図において １０・・・・・・ｐ形ＧａＡｓ基板、１１・・・・・・
ｎ形ＱａＡｓフ。 ロック層、１２・・・・・・５ｉ０２膜、１３・・・・
・・ｐ形ｆｉＪ、６，４ＧａＯ，ｓＡｓクラッド層、１
４・・・・・・アンドープＡｔＯ，１５Ｇ　ａ　Ｏ，８
！ｌ　Ａ　ｓ活性層、１５・・団・ｎ形Ａｔ□、２７　
Ｇ　ａ６．７３　Ａｓガイド層、１６・・・・・・ｎ形
Ａｚｏ、４ｏａｏ、ｓＡｓクラッドＪＬ１７°０°−’
−ｎ形ＡｔＯ，０２ＧａＯ，９８Ａ　Ｓキーｙツフ゛層
、１８・・・・・・ｎ形オーミックコンタクト、１９・
・・・・・ｐ、− 修′オーミックコンタクト、２０・・・・・・Ｖ溝ずあ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発振波長よシも狭いバンドギャップをもつ光吸屋層とこ
   の光吸収層に接した上層に形成されこの・　光吸収層の
   導電型と反対の導電型であシ共振器の泉さ方向に対して
   中央部分を凹部としたブロック層とを有し、このブロッ
   ク層上の前記中央部分では前記共振器の長さ方向の浅い
   溝を設けこの共振器の反射面近傍では先端が前記光吸収
   層に達する深い溝を設けた半導体基体と、この半導体基
   体上に形成され、活性層とこの活性層よシ屈折率の小さ
   い材質からなるガイド層とこのガイド層よシ屈折率の小
   さい材質からなシこれら活性層とガイド層とを上下から
   挾んだ第１および第２のクラッド層とからなる多層構造
   とを備え、前記深い溝の活性層がこの活性層の垂直方向
   において前記浅い溝の先端よりも低くかつこの浅い溝の
   活性層との間に段差をもち、かつ前記深い溝が前記ガイ
   ド層の材質で埋込まれていることを特徴とする半導体レ
   ーザ。