JPS6136720B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基体モード発振する半導体レーザの構
造に関するものである。

半導体レーザを高温下において連続発振させる
ためには、その接合部から熱を除去する最良の熱
経路を与えかつ同時に損失とむだな再結合を最小
にする特定領域に光エネルギーおよび注入電流を
閉じ込める、いわゆる電極ストライプ型半導体レ
ーザが出現した。その後、各種のストライプ構造
が開発され現在に至つているが、いずれもそれぞ
れの欠点を有し特性上不満足なものである。

たとえば、電極ストライプ型半導体レーザ等、
単に電流分布のみを規定した場合には、レーザ光
は主として利得分布によりストライプ方向に導か
れるが、この利得による導波路作用は不安定でも
あり容易に高次横モード発振や多モード発振を起
し、更にこれにより電流−光出力特性が歪む場合
も多い。

そのため、導波路作用を構造的に半導体レーザ
の内部に作り込んでこれらの欠点を修正しようと
する試みが行われている。

いわゆる、リブガイドストライプ型半導体レー
ザもこうした試みの一つと理解し得る。この構造
では、以下に述べるように活性層のストライプ状
領域内の厚さをその外側より厚くすることによ
り、導波路作用をもたせ、基体モード発振を得よ
うとするものである。

本発明に先行する従来技術としては、このリブ
ガイドストライプ型半導体レーザを挙げるべきで
あり、以下まずこの型式の構造、機能等につい
て、その何処を本発明で解決すべきか図面を用い
て簡単に説明する。第１図は、その概略を示す断
面図である。

例えば｛100｝面ｎ型InP基体１に〔０｜Ｔ〕
方向に平行なストライプ状構部７を形成する。こ
のInP基体の上に液相エピタキシヤル法を用いて
Ｐ型In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉活性層２、Ｐ型InPの
２層を順次形成する。Ｐ型InP層３上にSiO₂膜を
付け、ストライプ状溝部７の真上の活性層領域に
一様に電流が流れるようにストライプ状電流域に
相当する部分にSiO₂の窓を設け電極５，６を取
り付けて、リブガイドストライプ型半導体レーザ
が出来る。

この半導体レーザの発振領域にあたる活性層は
溝部内でその層厚が厚くその外周部でわずかに薄
くなつている。又この活性層を上下から挾み込む
結晶層は活性層よりも屈折率を小さく選んだInP
層である。活性層内の光は活性層の厚さが幅方向
で異なるため、その層厚が薄い所では厚い部分に
比べ基体であるInP結晶の影響をより強く受け易
くなる。このことは活性層の薄い部分の屈折率が
その厚い所の屈折率に比らべて実効的に小さくな
つたのと等価である。

すなわちこれが単なる光導波路であるとして
も、活性層平面内に一定の方向と適当な幅をもつ
ストライプ状導波路構造を設けたこととなる。例
えばリブガイドストライプ型半導体レーザに限つ
て考えれば、横モード制御機能は電極ストライプ
型のように利得分布に依存しなくなり、その結
果、広範囲の注入電力レベルにわたつて安定した
基本横モード発振が簡単に得られ、従来の電極ス
トライプ型等の欠点が大いに改良された。この点
このリブ構造の半導体レーザは画期的な提案であ
つたといえる。

しかしこのリブガイドストライプ型半導体レー
ザは構造寸法的に製作が難かしくなる欠点を有し
た。たとえば基本横モード発振に必要な光導波機
能を実現するため等価屈折率差を活性層領域に形
成するための実際の大きさは、活性層が2000Åの
場合、半導体基体に設ける溝の深さが400Å、そ
の幅が８μｍ程度の寸法で最適であり、溝の深さ
が上記値の２倍以上になると、簡単に等価屈折率
差が大きくなり、高次モード発振しやすくなる。
この等価屈折率差の大きさを基本モード発振する
最適値に制御するには、溝の深さを適当な深さに
する他に活性層の厚さを変えることでなされる。
溝の深さが一定ならばその層厚を厚くすると等価
屈折率差は小さくなり、逆に薄くすると大きくな
る。製作の容易さ、層厚の制御性等から活性層が
ある程度厚い方が都合良い。しかし発振閾値電流
が高まる欠点となる。一方活性層を薄くすると発
振閾電流は低くなるが、等価屈折率差は大きくの
なる傾向があり、わずかな溝深さの不均一でその
等価屈折率差は大きく変動する。

又溝の深さも、実際は400Å以下を再現性良
く、均一に形成する必要がある。この様な特性的
に必要な構造上の寸法条件は自ずと製作上、制御
性、再現性を著しく悪くする原因となる。

更に高出力化を計るため溝幅を広め、活性層厚
を厚くする等の構造設計では簡単に高次横モード
発振し、又発振閾電流も高まる等の欠点を有す
る。又、別の欠点は発光領域に於いて、注入電流
が拡がる、すなわち、電流閉じ込め効果が弱いと
いう事である。この結果、発振に寄与する電流の
変換効率が小さくなり、微分量子効率を低くめ、
発振閾値電流を高める事となる。

この発明の目的は従来の半導体レーザが有して
いる欠点を除去し基本横モード発振が容易で発振
閾値電流が低く、微分量子効率も高く高出力化も
可能で且つ製作が簡単、歩留りの高い量産性に適
した半導体レーザの構造を提供することである。

本発明は以下に述べるような半導体レーザの構
造によつて解決される。

本発明の半導体レーザの構造の骨子は次の通り
である。

最初ｎ型半導体基体表面に細長い溝を形成す
る。続いて光ガイド及びキヤリア閉じ込め層（以
下光ガイド層と略記する）、活性層、最後に光及
びキヤリア閉じ込め層（以下キヤリア閉じ込め層
と略記）が普通のエピタキシヤル成長によつて半
導体基体の溝のある表面上に連続的に成長され
る。そして各層はｎ型電導体になる様不純物がド
ーピングされる。溝が光ガイド層で完全に満され
るように光ガイド層を形成し、その平坦とした光
ガイド層表面上に活性層を成長する。ストライプ
状溝の位置に相対する各層の領域をｐ型半導体に
ストライプ状に変換せしめ、電極を各々ｐ型層と
ｎ型層に設ける。

第２図、第３図を参照しながら、本発明の基本
原理を説明する。第２図は、本発明を実施した場
合の半導体レーザの代表例で、レーザ光に垂直な
素子の主要断面図を示すものである。

８はストライプ状に矩形状溝１５を形成した半
導体基体で、この上に以下の層が順次成長され
る。第１半導体層の光ガイド層９、第２半導体層
の活性層１０、第３半導体層のキヤリア閉じ込め
層１１である。層９，１０，１１は半導体基体と
同型の伝導型に形成する。１６，１７，１８は、
１１の表面から不純物拡散により、半導体基体と
異なる伝導型に変換した領域で、電極１３と１４
が半導体基体８及びキヤリア閉じ込め層１１にそ
れぞれ接触するように設けてあり、活性層１０内
に於いて順方向バイアス整流接合面１９を形成す
る。

整流接合１９が順方向バイアスされるとキヤリ
アが活性層１０の１７の領域中に注入し、再結合
により光を発生する。活性層１０の上下をこれよ
り禁制帯幅が大きく屈折率の小さい光ガイド層９
とキヤリア閉じ込め層１１で挾みキヤリアの閉じ
込めをおこない一方発生した光をわずかに屈折率
の小さい光ガイド層９にしみ出させ、光子の完全
な閉じ込めは半導体基体８とキヤリア閉じ込め層
１１で行なう。すなわち光子の閉じ込めとキヤリ
アの閉じ込めとを分離したダブルヘテロ構造にな
つている。InP−InGaAsPを半導体層として用い
る場合について具体的に述べる。

ｎ型InP基体８表面にフオトレジスト膜を付着
し、露光した後、幅５μｍの細長い矩形状溝１５
を形成する。深さ0.1μｍ、幅５μｍの溝寸法と
する。残りのフオトレジスト膜をInP基体の表面
から除去し、以下の層が液相エピタキシヤル成長
によつて連続して成長される。光ガイド層のｎ型
In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄層９を成長する。この成長
は溝１５部分が完全にうまり全上面が実質上平坦
になるまで続ける。次いで第２半導体層の活性層
にあたるｎ型In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉層１０キヤリ
ア閉じ込め層のｎ型InP層１１が成長されて終了
する。

典形的は各層厚は溝の領域でそれぞれ光ガイド
層９が0.3μｍ、活性層１０が0.1μｍ、キヤリア
閉じ込め層１１が1.5μｍである。

続いて、キヤリア閉じ込め層１１表面にSiO₂
膜１２を付着し、フオトレジストによつて、スト
ライプ状に膜を除去する。この窓位置は、InP基
体８に設けた溝１５の真上に配置する。次に表面
から亜鉛を拡散し、ｎ型InP１１、ｎ型
In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉１０、ｎ型
In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄９の一部Ｐ型に変換し、そ
れぞれＰ型InP１８、Ｐ型In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉
１７、Ｐ型In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄１６となす。Ｐ
型変換領域は、反射面に接した領域まで形成して
もよいし、また反射面から離れた領域のみに形成
してもよい。更に表裏に電極１３，１４を各々形
成して完了する。

動作は電極１４に正、電極１３に負を印加する
ことにより整流接合１９は順方向バイアスされ
る。整流接合１９はInPホモ接合、
In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉ホモ接合、
In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄ホモ接合、による並列結合
から成る故に注入電流の大部分は拡散電位の低い
接合に集中する。活性層１０の禁制帯幅が最も狭
いため、電流はIn₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉ホモ接合に
流れる。従つてレーザ発振は活性層１０のＰ領域
１７で起る。

活性層１０がその上下を禁制帯幅の大きい光ガ
イド層９とキヤリア閉じ込め層１１で挾まれてい
る。すなわち活性層１０In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₈の
禁制帯幅0.98eVに対し、光ガイド層９
In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄の禁制帯幅が1.1eV、キヤ
リア閉じ込め層１１InPの禁制帯幅が1.34eVより
なる二重ヘテロ接合により活性層１０のＰ領域１
７に注入されたキヤリアは拡散することなくこの
領域内に閉じ込められる。一方活性層１０のＰ領
域１７内の再結合により光が発生し、十分な注入
電流によつて損失に利得がうち勝つたとき、Ｐ領
域１７からレーザ光が生じる。この光は第１半導
体層の光ガイド層９にしみ出す。光ガイド層９は
レーザ光（発振波長は約1.26μｍ）に対して十分
に透明なため、この光ガイド層９内でレーザ光が
損失することはない。そこでレーザ光は光ガイド
層９と活性層１０の間に拡がつて伝播する。この
際活性層１０の屈折率n₂＝3.5に対し、光ガイド
層９の屈折率n₁＝3.46である。この両者の屈折率
差が小さいことから、活性層１０と光ガイド層９
の界面での導波作用は非常に弱い。しかし層９，
１０を挾む、半導体基体８とキヤリア閉じ込め層
１１の屈折率は（InPの屈折率ｎ＝3.2）層９，１
０のその値に比較して小さいため強い導波路を構
成する。ことにレーザ光屈折率の小さい半導体基
体８、キヤリア閉じ込め層１１にガイドされ、光
子が層９，１０の領域に閉じ込められる。光ガイ
ド層９の厚さは溝１５領域と、溝１５の外側とで
異なる。従つて光ガイド層９の横方向屈折率分布
は溝領域が溝の外側に比らべて大きくなる。すな
わちリブ構造と同様な光導波機構を発光領域に作
り込んだと等価である。

本実施例によれば、基本横モード発振を可能に
する光導波路を設けるのに、活性層厚を変えるこ
となく、光ガイド層９の厚さと溝１５の深さを適
当に制御することで得られる。又、キヤリアの閉
じ込め領域と光の閉じ込め領域とが完全に分離さ
れた構造を有する。これらの特徴は、基本横モー
ド発振が広い動作電流範囲にわたつて持維され、
発振閾値電流も小さい利点を提供する。

又、発光領域の層方向の厚さが大きい事は、高
出力が容易に得られる別の利点を提供する。

更に活性層の横方向にPN接合を形成する事は
たとえば外側のｎ領域のキヤリア濃度をｎ＞１×
10¹⁸cm^-3、Ｐ領域のキヤリア濃度をＰ＜５×10¹⁸
cm^-3の範囲で制御すると、その濃度差により屈折
率差が実現する。

この屈折率差は溝領域に作り込んだ屈折率分布
と組合させ、更に確実な光導波機構を構成する特
徴ををもたらす。

又、別な特徴は動特性上の緩和振動が抑制され
た半導体レーザが得られることである。すなわ
ち、活性層内にキヤリア拡散長程度に狭い発光領
域が形成されることで、発光に伴い急激にキヤリ
ア濃度が減少するいわゆるホール・バーニング現
象が起りにくくなるためである。

製法上の特徴として従来のリブ構造に比較し
て、半導体基体に形成する溝の深さが光導波機構
を構成する実効屑折率差の大きさに鋭敏に影響し
ないため、製作の簡単さ、再現性、量産性に富む
ことである。さらに、ｐ型変換領域を反射面から
離した構造では、ｐ型不純物濃度を制御すること
により、反射面近傍のｎ型領域がレーザ光に対し
透明となるため高出力、長寿命となる特徴と有す
る。本実施例の電流注入が拡散電位の違いによる
電流集中機構に基づくため、すなわち、拡散電位
が最も低いホモ接合を活性層１０内に設けられ、
このホモ接合に電流が集中するようになされてい
る。これは、発光領域への電流注入効率を高め、
発光出力の微分量子効率を改善する。更に動作電
流を少なくする利点も有する。

第３図に示す実施例は、第２図に示す実施例と
似ているが異なるところは、第３図に示すように
ストライプ状ｐ型変換領域１７，１８をｎ型InP
層１１とｎ型In₀.₇₇Ga₀.₂₃As₀.₅₁P₀.₄₉層１０に形成
したことである。（ｎ型In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄層
９にはｐ型変換領域を形成しない。）この場合、
活性層１０内に設けられた発光領域にあたるｐ型
領域１７へのキヤリア注入は、その両側のｎ型領
域からと、ｎ型In₀.₈₈Ga₀.₁₂As₀.₂₆P₀.₇₄層９からの
３方よりなされる。一方キヤリアの拡散長は数μ
ｍであり、第２図の構造では、ストライプ状発光
領域１７の幅を広くすると、しばしば発光が２点
に分離することがあるが、第３図の構造はその様
な現象は起きない。故に発光領域１７のストライ
プ幅を広くして大出力化を図ることが可能とな
る。この際、活性層１０内の一部分のみｐ型に変
換し活性層内にホモPN接合を形成した構造でも
得られる効果作用は同じである。

上記実施例では半導体基体に形成する溝は矩形
としたが、他の形状の溝、例えばＶ字状あるいは
Ｕ字状または半円状等でも本発明と同様の効果が
得られる。

さらに上記効果に加えて、Ｖ字状溝のように場
所により深さの異なる溝を形成した半導体レーザ
ではその溝の深さに対応して光ガイド層の溝にお
ける実効的屈折率も変化するため集光作用が生じ
発光スポツト径の小さいものが得られる特長を有
する。また、このような特性は光フアイバーと効
率よく結合する上で有利なだけでなく、光ビデオ
デイスクプレヤーなどの光学機器への応用にも有
利であるという特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体レーザの概略的断面図、
第２図は飽発明の一実施例における半導体レーザ
の概略的断面図、第３図は本発明の他の実施例の
概略的断面図をそれぞれ示す。 図面において、１，８……半導体基体、２，１
０……活性層、３，１１……光子及びキヤリア閉
じ込め層、９……光ガイド及びキヤリア閉じ込め
層、４，１２……SiO₂膜、６，１４……Ｐ型電
極、５，１３……ｎ型電極、１６，１７，１８…
…Ｐ型変換領域、１９……ホモ接合、をそれぞれ
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溝部を有する第１導電型の半導体基体と、該
   半導体基体よりも禁止帯幅が狭く、且つ大きな屈
   折率を有し、前記半導体基体上に形成された第１
   導電型の光ガイド及びキヤリア閉じ込め層と、該
   光ガイド及びキヤリア閉じ込め層よりも禁止帯幅
   が狭く、且つ大きな屈折率を有し、前記光ガイド
   及びキヤリア閉じ込め層上に形成された第１導電
   型の活性層と、該光ガイド及びキヤリア閉じ込め
   層と該活性層のどちらの層の禁止帯幅よりも広い
   禁止帯幅を有し、且つ前記２つの層のそれぞれの
   屈折率よりも小さい屈折率を有し、前記活性層上
   に形成された第１導電型の光子及びキヤリア閉じ
   込め層とを少なくとも含むヘテロ構造を有し、少
   なくとも該光子及びキヤリア閉じ込め層を貫通す
   る深さまでストライプ状に第２導電型を有する半
   導体領域が形成されたことを特徴とする半導体レ
   ーザ。