JPS6054796B2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザプリンター、光記憶装置等に利用出来る
高出力単一モードの半導体レーザに関するものである。

従来のストライフ型二重ヘテロ半導体レーザにおいて、
内部構造として固定されたストライフ状の光導波機構を
導入することが安定な横モード発振さらにはキックを持
たない直線的な電流−光出力関係を実現する上に必須で
あることは最近までの研究の結果既に確立された。そし
てこの目的のために二重ヘテロレーザの活性層内に不純
物をストライフ状に導入したり、埋めこみヘテロ構造を
作つたり、ストライフ状の利得−損失のステップを導入
したＣＳＨ冑造にしたり、又は接合面と平行な方向から
Ｚｎ拡散を行つたＴＪＳ構造にして光導波作用を持たせ
て目的を達成している例がある。しカル上記の諸構造に
おいて横幅の狭い埋めこみヘテロ構造をのぞき単一モー
ド発振が保持される限度はしきい値の２倍程度の電流値
までで、発振可能な最大限の光出力まで単一横モード、
望らくは単一基本横モードに保つことは困難である。

これは増大した発振光の振幅により、注入キャリヤーの
誘導放出による消耗が大きくなり、光モード分布を反映
して注入キャリヤー分布に孔があく、所謂「空間的なホ
ールバーニング効果」がおこるためである。即ちホール
バーニングにより基本モードの最も光振幅の大きい部分
のキャリヤーが減少し振幅の小さいところに相対的にキ
ャリヤーの密度の高い部分が生じ、これによつて高次モ
ードの発振が開始されることになるからである。一方、
最近の発明者達の研究結果によればレーザ端面付近の結
晶の禁制帯幅を、レーザ発振を起している内部の結晶の
それより大きくすることにより、レーザ発振の波長が共
振器端面付近の結晶の吸収端面波長よりも長くなるため
に端面結晶の発振光による破壊のしきい値パワーが著し
く上昇することが明らかになつた。即ち通常のＧａＡ、
／Ａ１ＧａＡｓ系レーザにおいて幅１０μｍのストライ
フ型二重ヘテロ半導体レーザで従来長時間にわたり端面
が破壊することなく発振出来た最大連続発振出力は約１
０ｍＷであつたが上記新構造により同じ寸法のストライ
フ型二重ヘテロ半導体レーザで許される連続発振出力が
約１００ｍＷに上昇した。しかし従来のストライプ型二
重ヘテロ半導体レーザではたとえこのような改良で大出
力が得られたとしても上記のような空間的ホールバーニ
ング効果のため単一モード発振が保持出来る限界は、１
０ｐｍ幅のストライプでは高々数十ミリワット程度に限
られてしまう。ストライプ幅の狭い埋めこみヘテロ構造
では元来発振光が狭い端面に集中しているので大きい出
力の発振は期特出来ない。本発明の目的は新しく可能と
なつた大出力発振の場合においても単一基本横モードの
発振を可能にする半導体レーザを与えるものである。

本発明の半導体レーザの構造は通常のストライプ型二重
ヘテロ半導体レーザと異なり光導波作用を行うストライ
プ構造の領域と、光増倍利得を与えるストライプ領域と
を分離し、後者を前者の中央の一部分に限定して配置す
ることにより高出力においても単一基本横モード発振を
可能とするものである。

すなわちレーザ発振を起す第１の半導体層をこの第１の
半導体層よりも禁制帯幅の大きい第２及び第３の半導体
層で挾み込んだ二重ヘテロ構造を有し、第１の半導体層
中には光導波作用を行なうストライプ状の導波領域を設
け、この導波領域内に、導波領域の禁制帯幅よりも小さ
い禁制帯幅を有する利得領域すなわち活性領域が設けて
あり、この利得領域の幅は導波領域幅の１１２〜１Ｂ程
度となつており、長さも導波領域の長さより短い構造と
なつている。通常のストライプ構造半導レーザーでは１
つのストライプ領域の中に電極を通じてキャリアー注入
が行われ、レーザ発振はこのストライプに沿つて起り、
ストライプ両端の結晶端面はレーザ光を閉じこめる鏡面
の作用をなしている。

即ちこの場合には１つのストライプが光導波の役目と光
増幅利得の役目をはたしている。本発明による半導体レ
ーザにおいては、レーザ発振の横モードを規定するため
に両側端に屈折率の段差又は光吸収の段差をもつストラ
イプ状光導波領域が作られ、レーザ発振光はこのストラ
イプ内に単一基本横モードを形成する。レーザ発振光に
利得を与えるための利得領域は上記のようにストライプ
状光導波領域の中央部にこれと平行に設定されている。
即ちこの部分だけにキャリアーの注入が起るようにｐ−
ｎ接合をもうけさらに注入キャリアーの拡散による広が
りを抑えるためにこのストライプ部分の禁ノ制帯幅を不
純物の導入又は分離して行われたエピ成長法等により、
周囲のストライプ状光導波領域にくらべて小さく構成し
てある。

そして結晶端面が大きい光出力で破壊しないように利得
領域の長さは光導波領域より短かくその両端はストライ
プ状光導波領域の端面から１０乃至１００ミクロン離さ
れている。光導波領域の構成法としては従来のストライ
プに用いられた手法即ちメサエツチング、メサエツチン
グのあとに光導波層より屈折率の小さい結晶を成長する
方法、又は不純物導入等の手法により、ストライプの両
側端に屈折率の段差をもうける方法等がある。又ＣＳ川
昔造において応用されているようなストライプ両側端に
おいて、側端より外側の光吸収を急増する方法を用いて
もよい。この目的のためにはストライプ両側端の外側に
高濃度の不純物導入部をもうける等の手法がある。利得
領域の構成法としては、ストライプ状の導波領域部分に
適当な不純物の導入、又は利得領域部と外部を別々のエ
ピ結晶成長を行うこと等により利得部分の禁制帯エネル
ギー幅を外部より小さくし利得領域内に設けられたｐ−
ｎ接合から注入されたキャリアーをこの利得領域部に保
有させる。

勿論同じ目的を利得領域部の外側に別種の不純物を導入
することによつて到達してもよろしい。次に本構造によ
る効果を説明する。光導波領域内のレーザ発振モードは
第１図にみられるように光導波領域の幅ｗ一杯に広がつ
た形となる。一方キャリアー注入と再結合発光は幅ｗ（
ｗ＜ｗ″）の利得領域部分限定されるので、この利得領
域部分においてしか誘導放出は行われない。今仮りにｗ
＝１１３Ｗ″とすると基本横モード（０次モード）の場
合利得は光振幅の大きい部分即ち最大値の約８５％以上
の振幅となる部分だけに与えられるのに対し、高次横モ
ードは光振幅の小さい部分をも利得領域内に持つために
それぞれのモードについて全体を積分した利得の値は基
本モードより大幅に小さくなる。即ち第１図Ｂに示すよ
うに２次モードでは光強度の全体の１１３が更に高次の
偶数次モード（第１図Ｃでは９次のモードを示してある
）でも約１１３が利得域に入るにすぎず基本モードに対
して利得は２Ｂ以下となる。中央に振幅の零をもつ１次
モードのような奇数次モードでは更に利得が小さい（１
次モードの例を第１図Ａに示す。）又この構造では大き
い光振幅によるホールバーニング効果も抑制される、即
ちキャリア注入はこの利得領域だけに限られていて、基
本モード振幅はこの領域内における値はほぼ一様である
（この例では１００〜８５％の範囲）従つてホールバー
ニングは殆どおこらない。

それ故高出力に至るまで基本モードが保たれる。又利得
領域の幅が狭いので注入キャリアーの拡散効果で、ホー
ルバーニングが起りにくい。次に本発明の具体的な実施
例について説明する。

第２図は第１の実施例で、レーザ発振光の出射方向に垂
直な面で半導体レーザを切断したときの断面図を示して
いる。

不純物濃度が約１×１０１８ｃＥ一３のｎ壓連ＡＡｓ基
板１上にストライドボード液相成長法により不純物濃度
が約３刈０１７ＣＴｆ１−３のｎ型ＡｌＯ．３ＧａＯ．
７Ａｓからなる第２の半導体層２、不純物濃度１〜３刈
０ｉ８Ｃ７１−３のｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体
層３、不純物濃度３×１０１７ｃ！ｎ−３のｐ型ＡｌＯ
．３ＧａＯ．７Ａｓからなる第３の半導体層４を順次成
長した二重ヘテロ構造が形成されている。幅ｗ″の光導
波領域６は、この導波領域６となる部分を残して二重ヘ
テロ層をエッチングした後、このエッチングした部分に
第１の半導体層３より禁制帯幅が大きく、かつ屈折率の
低い第４の半導体層５を成長させて形成される。利得領
域８は二重ヘテロ層表面に設けられた誘電体膜７の窓を
通して第２の半導体層２までｐ型不純物、例えばＺｎを
拡散して形成する。このｐ型不純物濃度は第１の半導体
層のｎ型不純物濃度と同程度は又はそれ以上の濃度とす
る。このようにして得られた半導体レーザでは利得領域
内てはｎ型とｐ型不純物の補償効果により、ｐ型不純物
の入らない領域の第１の半導体層の禁制帯幅にくらべて
２０〜６０ｒｎｅ■だけ禁制帯幅が狭い。

このために半導体レーザに順方向電圧を加えて動作させ
たい場合に、利得領域に注入される電子数の方が外側に
向つて注入される正孔数より大幅に大きく、注入による
発光、したがつてレーザ利得は殆んど利得領域８内だけ
に発生する。即ちこの場合禁制帯幅の差によるキャリア
ーの閉じこめ作用が有効に働いている。第３図は本発明
の第２の実施例を示したものである。

この第２の実施例は導波領域６の形成方法が第１の実施
例と異るだけで、この他は第１の実施例の場合と同じで
ある。導波領域６は二重ヘテロ層を形成した後、第３の
半導体層４を第３図に示したように一部エッチングによ
り除去して段差を形成した後、Ｚｎのようなｐ型不純物
を拡散した領域９を設けて形成している。このとき同時
に利得領域８も形成される。この実施例の構造では”表
面に段差を設けているため、拡散領域９の第１の半導体
層に達した部分のＺｎ濃度は、利得領域のＺ４度より高
濃度となつており、その結果拡散領域９の屈折率が下が
るので導波領域が形成される。このようにこの実施例で
は１回の拡散工程で利得領域８と導波領域６を同時に作
ることができる。第１及び第２の実施例では第１の半導
体層はｎ型高濃度ドープとしたが、先に説明したように
これは低濃度（１刈０１７／Ｃｍ−３以下）のｎ型又は
ｐ型であつてもｎ型高濃度の場合にくらべ性能は多少劣
るが従来の構造に比較すれば高い光出力が期待できる。

第３の実施例を第４図に示す。

この実施例では利得領域を作るのにメサエツチを利用し
ている。そしてこの利得領域の外側に光導波領域をつく
るために更に第２の二重ヘテロ構造をエピ成長により製
作する。光導波領域の外側に規定するには、第２図又は
第３図の場合と同様にその第２の二重ヘテロ層の外縁を
メサエツチ又は高濃度Ｚｎ拡散による屈折率変化を応用
することが出来る。光導波領域部分の二重ヘテロ構造に
おいては利得領域部分と異なり注入キャリアーの閉じこ
めを必要としない。従つて３″層は１乃至数μｍの厚さ
に広げることが出来る。これによつて第４図のように３
″層の位置が少々狂つても充分利得領域部分の第１の半
導体層３に接してこれを含むように作ることが行える。
又３″層が厚いため結晶端面における光密度は更に低下
し、端面破壊を起すことなくより大きい出力を得ること
が出来る。この実施例の場合には利得領域部分は導波領
域部分と全く別個に作られるので、利得領域の第１の半
導体層３と光導波領域の３″層の禁制帯幅はＡ１混入比
の調節により任意に設定することが出来る。この場合禁
制帯幅の差として２０乃至６０ｒｎｅＶ程度が適当であ
る。勿論この禁制帯幅の差のために端面破壊することな
く大きい光出力が得られる。第４図Ｂにこの構造の上面
図を示す。

利得領域（長さＬ）は光導波領域（長さＬ″）より約１
０乃至１００ＰＴｒＬ程度短い。このため利得領域で増
幅された光は第４図Ｂに示した矢印のように回折をおこ
して端面１０で反射された後はその大部分は光導波領域
に入つておく。このことは利得領域の内側だけのモード
で発振することを防止する意味で有効である。このため
に必要な両領域の長さに差Ｌ″上は利得領域の幅ｗの大
小によつても異なる。ｗが小さければＬ″上は小さくて
もよい。第１及び第２の実施例の場合にも全く同じ関係
があてはまる。即ち利得領域の長さは光導波領域り約１
０乃至百μｍ程度短くなつていることが必要である。２
つの領域の幅の比（ｗ：ｗ″）は先のモード選択の条件
から（２：１）乃至（５：１）程度が適当であるが、利
得領域の幅があまり大きいと高次モード状の発振が起る
恐れがある。

従つて単一横モード発振を望む場合利得領域の幅ｗとし
て最大１０μｍ程度が限度となる。又あまり狭い幅は製
作上困難があるので２〜３μｍ乃至７〜８μｍの間が最
も使いやすい。しかし高次モード発振又は多モード発振
が許されるならば、更に大きなストライプ幅も使用出来
る。端面破壊光出力のしきい値は、ストライプ幅と共に
大きくなる。一例としてｗ＝３μＭｗ″＝１０μｍで室
温連続発振出力最大１００ｎ１Ｗに達ししかも単一基本
横モードであつた。上述の実施例はＧａＡｓ／Ａ］Ｇａ
Ａｓ二重ヘテロ構造を示したが使用出来る半導体はこれ
に限るものではない。

二重ヘテロレーザーの作り得るすべての半導体例えばＧ
ａＡｓ／１ｎ０Ｇａ１−０Ｐ（波長＝０．９μｍ）、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ／ＩｒＰ（波長＝１．０〜１．６μｍ）Ｇ
ａＡｓＰ／■ＮＧａＡｓＰ（波長＝０．７〜０．６μ）
等の■一ｖ族混晶の二重ヘテロ構造又はＰｂＳｎＴｅ／
ＰｂＳｎ等■−■族混晶等にも適用出来る。又使用する
不純物もｎ型及びｐ型の組み合わせで所望の禁制帯幅の
差を得るもの例えば■−■族半導体に対してはｎ型とし
てＳ，Ｔｅ，又，ｐ型としてＢ，Ｚｎ，Ｃｄ等が使用出
来る。又上記構造及び実施例の説明では、利得領域にｐ
型不純物を拡散する場合を示したが、その代りに利得領
域の外側の光導波領域部分にｎ型不純物を高濃度（〉１
×１０１８／Ｃ７ｊ）に拡散することによつても、本発
明の目的とする利得領域内の禁制帯幅より外側の光導波
領域部分のそれを大きくすることが出来る。

但しこの場合にはｎ型不純物拡散前の第１の半導体層は
ｎ又はｐ型の低濃度ドープ（く１×１０１７／ｃ！ｌ）
されたものでなければならない。又、第１の半導体層が
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ等の場合高濃度ｎ型不純物の
代りに光導波領域部分に燐拡散としても同じ目的を達成
することも出来る。又上記第１及び第３の実施例におい
て第４の半導体層５は必ずしもエピタキシアルで作られ
た単結晶層でなくとも、禁制帯幅の大きい屈折率の小さ
い多結晶又はアモルファス半導体であつても差し支えな
い。

これらの場合しばしば比抵抗の高い物質となるがこのこ
とは今の目的にはかえつて適している。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体レーザ発振光の種々のモードの様子を示
す図、第２，第３，第４図Ａは本発明の各実施例を示す
図で、レーザ発振光の出射方向に垂直な面で切断したと
きの半導体レーザの断面図“を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ発振をおこす第１の半導体層を、それより禁
   制帯幅の大きい第２、第３の半導体層で両側よりはさん
   だ二重ヘテロ構造の半導体レーザにおいて、前記第１の
   半導体層内にレーザ発振光の進行方向に平行なストライ
   ブ状光導波領域を有し、更にこの光導波領域内にレーザ
   端面に達しない長さを持ち光導波領域より幅が狭い利得
   領域を有し、かつこの利得領域内の禁制帯幅が利得領域
   外の第１の半導体層の禁制帯幅より小さいことを特徴と
   する半導体レーザ。