JPS6194387A - 半導体レ−ザアレイ装置 - 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】 く技術分野〉 本発明は位相同期型半導体レーザアレイ装置の構造に関
するものである。

〈従来技術〉 半導体レーザな高出力動作させる場合、単体の半導体レ
ーザ素子では現在のところ実用性を考慮すると、せいぜ
い５０ｎｉａ＋が限度である。そこで、複数個の半導体
レーザを同一基板上に並べて大出力化をはかる半導体レ
ーザアレイの研究がなされている。しかしながら、ただ
単に、半導体レーザを並べただけでは各レーザからの出
射ビームの位相が同期していないため、レンズを用いて
レーザ光を絞っても１個のレーザスポットにすることが
できない。

そこで、複数個のレーザを光学的に位相同期させて、単
一ピークをもつレーザビームを得ようとする試みがなさ
れている。しかし、利得導波路型半導体レーザは発振領
域のみに電流注入による利得があり、その両側では損失
領域となっている。

このような半導体レーザを並列に並べても、各レーザの
中間領域で電界が零になり、隣り合ったレーザの位相力
弓８０°反転してしまう。従って、利得導波路型半導体
レーザアレイでは単一ピークは得られず、双峰のビーム
しか得られない。

一方、屈折率導波型半導体レーザの場合は必ずしも発振
領域にのみ電流を流す必要がないので、上記に述べたよ
うな１８０°位相同期の飢に、各レーザが同一位相で発
振した単一ビームが得られる可能性がある。

ところで、半導体レーザに作り付けの屈折率差をつける
方法として、例几ばＣ８Ｐレーサ（ＣＩ＋ａｎｎｅｌｌ
ｅｄ　−５ｕｂｓｔｒａｔｅ　ｐｌａｎｅｒ　１ａｓｅ
ｒ）がある。

ここでは第１図（、）に示すような平坦な活性層をらっ
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　−（：；　ａ　Ａ　、ｅ　Ａ　ｓ系し
−サアレイについて述べる。第１図（ａ）に示すレーザ
アレイは、犬のようにして製作される。ｎ　　ＧａＡｓ
基板（］１）上に幅Ｗの溝（１２）を平行にとンチＤで
５本、エツチングにより形成する。この基板（１１）上
にｎ−ＧａＡｓ基板　クランド層（］３）、ｐ−ＧａＡ
ｓ活性層（］４）、ｐ−ＧａＡＺＡＳクラッド層（１５
）及びｐに　ａ　Ａ　ｓキャップ層（１６）からなるダ
ブルへテロ構造をエピタキシャル成長させる。その後、
ｐ　−ＧａＡｓキャップ層（１６）上に電流狭窄のため
の絶縁膜（１７）を形成した後、　ｎ側電極（１８）、
ｎ側電極（１９）を形成する。このレーザアレイをｎｆ
ｕｌｌ。

ｎ側電極（１８）、　（１９）開に電圧を印加して駆動
した場合、各半導体レーザは屈折率導波機構で発振する
が、溝（１２）の両側へにじみ出た光はｎ−ＧａＡｓ基
板（１］）に吸収され損失領域となる。

発振領域及び申開領域の光強度分布を夫々Ａ、Ｂで示し
である。上記損失領域の吸収係数は１（）〕〜Ｉ　Ｏ’
ｃｍ−’　　と大きなものとなる。従って、第１図（ｂ
）に示すような隣り合った半導体レーザの電界の位相が
１８０゛反転し、その中間で零となるモードに対して閾
値利得が最も小さくなるｔこめ、このモードが安定して
発振することになる。このレーザアレイの出射ビームの
接合に平行方向の遠視野像は第１図（ｃ）に示すような
複数のピークをもつものとなる。さらに通常、基板に溝
を形成したレーザは活性層を平坦に成長させるために液
相成長法が用いられる。しかしながら、３本以」二の溝
を基板上に近接したレーザアレイでは、中央部の溝と周
辺部の溝に対するＧａ溶液中のＡｓの拡散量が異なるた
め、一般に第１クラッド層（１３）、活性層（１４）の
厚さが中央部の溝と周辺部の溝とでは異ってしまうため
、各レーザの発振閾値が異なり、光出力−電流特性にキ
ンク（ｋｉｎｋ）が生じ、直線性が悪くなる。

〈発明の目的〉 そこで、本発明は、同一基板上の複数個の半導体レーザ
がすべて同一位相で、同時に発振し単一ピークの放射パ
ターンで大出力のレーザビームを放射する半導体レーザ
７レイ装置を提供することを目的とする。

〈発明の！＋ｌｌ成およびイヤ用〉 まず、本発明の原理を具体的に説明するため、第２図に
屈折率のキャリヤー濃度依存性を示す。

これより、半導体レーザアレイ装置において、発振領域
とその中間領域の活性層のキャリヤー濃度を変えること
によって中間領域の実効屈折率をレーザ発振領域より小
さくすることができることがわかる、 一方、通常レーザ発振部の発振状態でのキャリヤー濃度
は注入電流のため、たとえば１〜２×１０’ｊ／ｃＩｌ
＋　となる。このため中間領域のキャリヤー濃度を２　
Ｘ　１０　”／ａｍ３以上とすることによって、中ｆｌ
ＩＩ領域の活性層の屈折率を発振領域に比べて最大３Ｘ
１０−’程度まで小さくすることができ、さらにキャリ
ヤー濃度を変化させることによって１、屈折率＃波路に
必要な約２Ｘ１０−’の屈折率差から３Ｘ１０．２の屈
折率差まで、任意に制御することがでこる。

このように、屈折率分布を活性層の不純物濃度差により
形成するため、従来の如＜ＧａＡｓ基板に溝を形成して
光吸収の差を利用して実効屈折率差を作る必要がなく、
このため中間領域において基板による光吸収によって生
じる光損失はなくなり、発振領域と同じになる。かつ、
電流注入ら発振領域、中間領域共に均一にできるため、
利得も均一にすることができ、０゛位相同期モードの発
振閾値利得力弓８０°位相同期モードに比べて小さくな
り、０°位相同期モードで発振させることができる。

すなわち、本発明の構成および作用は、複数個のダブル
へテロ形半導体レーザを同一基板上に７レイ状に配置し
た半導体レーザアレイ装置において、活性層にキャリヤ
ー濃度の異なる領域を７互に設けて活性層の実効屈折率
を変化させて形成した複数個の基本姿勢屈折率導波路を
設けることにより、各半導体レーザの中間領域の光損失
をなくし、がっ、均一な利得分布を持たせることによっ
て、各半導体レーザの電界位相を一致させるようにした
ことを特徴としている。つまり、本発明においては、半
導体レーザ開の中間領域における光損失をなくし、かつ
、利得を与えることによって電界位相の１８０゛反転を
阻止して、位相を一致させるようにしているのである。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例にかかる半導体レーザアレイにつ
いて、図面を参照にしながら説明する６第３図（、）に
おいて、（３１）はｎ−ＧａＡｓ基板、（３２）はｎ−
Ｇａ１−ｙＡ　乏ｙＡｓクラッド層、（３３）はｐ　　
ＧａビｘＡ　乏ｘＡｓ活性層、（３４）はｐＧａｌ−ｙ
Ａｊ！ｙＡｓクラッド層、（３５）はｐ−ＧａＡｓキャ
。

ブ層、（３６）はｎ側電極、（３７）はｎ側電極、（３
８）は絶縁膜、（３つ）はｐ−ＧａＡｓキャンプ層（３
５）がらｐ−Ｇａｐ−ｘＡ　乏ｘＡｓ活性層（３３）に
至り、さらにこの活性層（３３）とローＧａｐ−ｙＡ之
ｙＡＳクラ／ド層（３２）との接合面を若干越えたｐ型
不純物拡散領域であり、この不純物拡散領域（３つ）は
一定とノチで設けている。上記各層のＡ　、ｅ　Ａ　ｓ
モル比は０≦χくｙとする。

第３図（ｂ）に上記活性層（３３）の実効ｇ１祈重分布
を示す。このように、平坦な基板（３Ｉ）の」二に各層
をエピタキシャル成長した後、不純物拡散領域（３９）
を形成して、前述の屈折率分布を形成できるｒこめ、従
来の基板に溝を形成し、基板による光吸収の差によって
生しる実効屈折率分布を形成する必要がなく、その結果
、各レーザ素子の層厚分布が均一に成長できるため、各
レーザ素子の発振閾値が同し値となる。この結果、光出
力−電流特性に折れ曲りが生じず、かつ、各レーザ素子
間の位相同期が発振閾値から発生する。さらに、中間領
域における光吸収の減少によって内部損失が少なくなる
ため、光出力−電流特性における余分量子効率が上がる
ため、熱的な光出力の飽和が少なくなり、高光出力を発
生することができる。かつ、中間領域での光吸収のｊ減
少と利得の増加によって、１１図（ｂ）に示すような１
８０°位相同期は起こりにくくなり、第３図（ｃ）で示
すように同一位相で発振する。二の結果、第３図（ｄ）
に示すように接合に平行方向の遠視野像はほとんど単一
ピークとなる。

犬に、第３図（、）に示す半導体レーザ７レイの製作例
について説明する。

まず、ｎ　　ＧａＡｓ基板（Ｓｉｔ’−プ、ｌＸｌ０”
Ｃ＋ｏ−３）（３１＋上にｎ　　Ｇａ□、６Ａ　ｆｏ、
４Ａ、ｓクラッド層（Ｔｅドープ、３　Ｘ　１０　”ｃ
ｍ−’）（３２）、ｐ　　”ａＯ，９５Ａ’０，０５Ａ
Ｓ活性層（Ｍｇ　）’−ブ、ｌＸ１０”ｃｍ−コ）（３
３）、　ｐ　　ａ　ａｏ、　ｅ　Ａ　ｌ　ｏ、　４　Ａ
　Ｓクラッド層（Ｍ　ｇドープ、１×１０目ａｍ−コ）
（３４）、ｐ−ＧａＡｓキ＋ノブ層（Ｍｇドープ、ＩＸ
ｌ（Ｈａｃｍ−’）（３５）を各々、１μ狛、０．０８
μｍ、１μｍ及び２μＩの厚さに連続エピタキシャル成
長させるつ 次いで、Ｓ　ｉ、Ｎ　、絶縁膜（３８）をプラズマＣＶ
Ｄ法によってｐ　　ＧａＡｓキャ、ブ層（３５）上に厚
さ１　ｏ　ＯＯ／！１’に形成し、ホトリソグラフィ技
術とケミカルエ／チングによってｐ型不純物拡散領域（
３９）に対応する箇所を幅３μｍ、ピッチ７μｍで除去
し、ストリップ状のマスクを形成した。その後、閉管法
で、Ｚｎの拡散ソースとしてＺｎＡｓ＋を使用し、所定
温度で１時間の拡散を行い、活性層（３３）までＺｎの
拡散を行った。この結果、Ｚｎの拡散領域（３９）での
活性層（３３）のキャリヤー濃度は約ＩＸＩＯ１ｇａｍ
−’となった。このとき拡散領域（３９）はｆｆ５ＩＪ
ｉのｎ−Ｇａ０．６Ａ（ｊ□、４Ａｓクラッド層（３２
）に達して、Ｐ−Ｎ接合が第１層に形ＩＩｔされでも特
に特性には支障がない。

その後、電ＩｉＬ狭窄用の５ｉ−Ｎ、絶縁膜を再度プラ
ズマＣＶＤ法で形成し、ホトリングラフィ技術を用いて
電流注入口をストリップ状に除去した。

基板裏面をラッピングすることにより、フエハーを約ｉ
ｏｏμｍとした後、　ＴＩ　　Ｃ；ａＡｓキャ／ブ層（
３５）、５ｉ＝Ｎ、絶縁膜（３８）の表面にｐＨｌｌｌ
電極（３７）としてＡｕ−Ｚｎを、またｎ　−Ｇ　ａ　
／’１１５基板（３１）にはｎ制電１ｉｔ（３６）とし
てＡｕ　　Ｇｅ　　Ｎｉ　を蒸着し、４５０°Ｃに加熱
し合金化した。その後、共振器長が２５０μ珀になるよ
うに襞間して素子化を完了させた。この素子を銅ヒート
ンンクにＩｎ金属を介して口側を下にしてマウントした
。

この半導体レーザアレイは、閾値電流約１５０ｍＡ、波
長８２０ｎ＋ｎで発振し、接合に平行方向の遠視野像は
第３図（ｄ）に示すように、単一ピークをもち、その半
値全幅は約２，５°であった。従って、この半導体レー
ザ７レイは完全に同一位相で発振していることがわかる
。また、微分量子効率は片面で３５％と非常に高かった
。これは各発振領域での光損失がほとんどないためであ
った。

次に、第４図に示す本発明の＠２の実施例にがかる半導
体レーザアレイについて説明する。

第４図（、）において、（４１）はｐ−ＧａＡｓ基板、
（４２）はｐ−Ｇａ１−ｙＡ　乏ｙＡｓクラッド層、（
４３）はｎ−Ｇａ、−ｘＡ、ｅｘＡｓ活性層、（４４）
はｎ−Ｇａ１−ｙＡ　ｌ１ｙＡｓクラッド層、（４５）
はｎ−ＧａＡｓキャンプ層、（４６）は口側電極、（４
７）はｎ側電極、（４８）は絶縁膜、（４９）はｎ型不
純物拡散領域である。

第４図（ｂ）に上記第２の実施例の実効屈折率分布を示
す。これより、活性層の導電型がｎ型でもｐ型でも同様
な作用、効果を得る二とができることが分る。

なお、本発明の半導体レーザアレイは上述したＧａＡｓ
−ＧａＡｓ基板系に限定されず、ＩｎＰ　　ＩｎＧ　ａ
　Ａ　ｓ　Ｐ等のその池のへテロ接合レーザにも適用で
きる。

〈発明の効果〉 以上述べたように、本発明の半導体レーザ７レイ装置に
よれば、各屈折率導波路の中間“領域の光損失がなくて
、Ｏ°位相同期を行うため、単一ピーク発振、高微分効
率、高出力が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は、従来のＣ３Ｐレーサアレイの断面図、
第１図（ｂ）はその電界強度分布を示す図、第１図（ｃ
）は活性層に平行方向の遠視野像を示す図、第２図は屈
折率のキャリヤー濃度依存性を示す特性図、第３図（ａ
）は本発明の半導体レーザアレイの断面説明図、第３図
（ｂ）はその活性層に平行方向の実効屈折率分布を示す
図、第３図（ｃ）は電界強度分布を示す図、１３図（ｄ
）は活性層に平行方向の遠視野像を示す図、ｖ、４図（
ａ）は本発明の第２の半導体レーザアレイの断面説明図
、第４図（ｂ）はその活性層に平行方向の実効屈折率分
布を示す図である。 （１１）、（３１１＝ｎ−ＧａＡｓ基板、（１３）＋（
３２）・・ｎ−Ｇａｐ−ｙＡ　１ｙＡｓクラ、ド層、（
１４）＋（３３）・・ｐ−Ｇａ、−ｘＡ　１ｘＡｓ活性
層、（］　５　）＋（３４）・・ｐ　　Ｇａｐ−ｙＡ　
乏ｙＡｓクラッド層、（＋　６）、（３５）−ｐ　　Ｇ
ａＡｓキャンプ層、（１７）、（３’８）・・・５ｉ＝
Ｎ４絶縁膜、（１８）、（３６）・・・ｎ側電極、 （１９）、（３７）・・・口側電極、 （３９）・・・口型不純物拡散領域、 （４１）−ｐ　　ＧａＡｓ基板、 （４２）−ｐ　　Ｇａｔ−ｙＡ　、ｅｙＡｓクランド層
、（４３）・＝　ｎ−Ｇａ１−ｘＡ　ｅｘＡｓ活性層、
（４４）−ｎ　　Ｇａ１−ｙＡ　９ｙＡｓクラッド層、
（４Ｓ）−ｎ−ＧａＡｓキャップ層、 （４６）・・・口側電極、 （−４７）・・　口側電極、 （４８）・・・Ｓｉ、Ｎ、絶縁膜、 （４９）・・・口型不純物拡散領域。 特　許　出　願　人　シャープ株式会社代　理　人　弁
理士　青白　葆　外２名第１図（ａ） 角　７＆（彦） 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層にキャリア濃度の異なる領域を交互に設け
   て、上記活性層の実効屈折率を変化させて形成した複数
   個の基本姿勢屈折率導波路を備えて、各レーザ光が零度
   位相で同期して発振するようにした半導体レーザアレイ
   装置。