JPS6239088A - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は光情報処理用半導体レーザに関するものである
。

（従来技術とその問題点） 光情報処理半導体レーザの中でも、ビデオディスクや光
デイスク上の読み取り用光源として使用する場合には、
雑音特性、特に戻り光に誘起される雑音の特性が、問題
となる。半導体レーザの戻り光誘起雑音を低減するため
に、種々の方法が試みられているが中でも出力コヒーレ
ンスの低減は特に有効である。

この方法のひとつとして高周波重畳による半導体レーザ
の低雑音化が大石、下根、中村、尾島により１９８３年
秋季応用物理学関係連合講演会予稿集１０２頁２６ａ−
Ｐ−６”高周波重畳による半導体レーザの低雑音化と縦
モード特性″において提案され有効である事が示されて
いる。しかしこの方法では高周波駆動回路の付加が必要
であるばかりでなく、外部機構へ高周波が漏れる等の弊
害を伴なっている。

これに対して自励振動を生じさせ縦モードをマルチ化し
て低雑音化する方法が、銘木、松本、旧材、渡辺、栗原
により電子通信学会技術報告、光量子エレクトロニクス
０ＱＥ８４−５７．３９頁”ｌ５ＳＳレーザの雑音特性
と自己パルス変調の機構″において提案され試みられて
いる。しかしこの方法ではレーザ構造（層厚や溝幅なと
）に対して自励振動の特性がきわめて敏感に依存するた
め安定な自励振動を示すデバイスの収率は低くなる欠点
を有していた。

すなわち銘木等が提案したレーザ構造は第５図に示した
如く基板５０の上に多層の層構造を成長した後丁字状の
溝５５を形成し、次にこの溝をクラッド層５１で平担に
埋めその上に平担な活性層５２クラッド層５３を形成し
た構造になっている。この結果第５図の構造では電流注
入口が光吸収効果で形成される屈折率分布領域よりも活
性層から離れているため電流は屈折率分布の幅と同等以
上に広がって活性層内に注入されるので活性層内に形成
されるキャリア分布は屈折率分布と同程度の幅になり、
活性層水平横方向で生じる光吸収効果は著しく低減され
自励振動は生じにくい。後述するようにキャリア拡散長
が実効的な屈折率分布の幅とキャリア注入領域の幅との
差の半分以下に短かくする事が、本質的に重要でありこ
の事が自励振動を生じさせかつ助長する効果をもたらし
、その結果低雑音レーザ特性が生じる。しかるに銘木等
の提案した構造ではこのような効果を考慮しておらずそ
のため自励振動の生じる許容範囲がきわめて狭くなる。

（発明の目的） 本発明の目的は上記諸欠点を除去し安定な自励振動を生
じ低雑音特性を持つと共に基本構モード発振を維持する
制御性および再現性のすぐれた半導体レーザを提案する
事にある。

（発明の構成） 本発明は活性層を当該活性層よりもバンドギャップの広
い材料から成るクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合構
造を備え、さらに、クラッド層上に第１の溝を有する第
１のブロック層を備え、この第１のブロック層上に前記
第１の溝よりも幅の広い第２の溝を有する第２のブロッ
ク層を備え、前記第１、第２の溝を埋め込んで設けられ
た半導体層を前記第２のブロック層上に備えた多層構造
から成り、かつ、前記活性層内のキャリア拡散長が前記
第２の溝の幅と第１の溝の幅との差の半分よりも短かく
なるよう各溝幅を定め、さらに、第２の溝の領域での実
効的屈折率の大きさはキャリアの注入による屈折率の減
少量よりも大きくなるよう定めた構成となっている。

（発明の実施例） 以下図面を用いて本発明の一実施例を説明する。第１図
は本実施の斜視図、第２図は第１図の断面図である。第
３図に示すように、ｎ形ＧａＡｓ基板１０上にｎ形Ａｌ
ｏ、５　Ｇａ□、５Ａｓ第１クラッド層１工を２．５ｐ
ｍ。

ｎ形Ａｌｏ、１５Ｇａｏ、５５Ａｓ活性層（ｎ形濃度ｎ
＝１．５Ｘ　１０１８ｃｍ−３）１２を０．０８ｐｍ、
　ｐ形Ａｌｏ、４Ｇａ０．６Ａｓ第２クラッド層１３を
０．３　ｐｍ、ｎ形Ａｌ□、５Ｇａ□、５Ａｓ第１ブロ
ック層１４を０．６ｐｍ、　ｎ形ＧａＡｓ第２ブロック
層１５を１．０ｐｍ。

ＭＯＣＶＤ法で連続成長する。ＭＯＣＶＤ法では薄膜成
長が可能であり、かつ精密な膜厚制御性を兼ね備えてい
るので上記の如き層構造を制御よく成長する事ができる
。

また上記の如く活性層１２のｎ形濃度を１．５Ｘ　１０
１１０ｌ８にしておくとキャリアの拡散長は１１１ｍ以
下にする事ができる。この濃度の時発光効率も最も高く
なる事が同時に明らかになった。

次に５ｉ０２膜１６で全体を被膜した後７オトレジ法に
より共振器の長さ方向に幅Ｑｍのストライプ状の窓をあ
けＧａＡｓ第２ブロック層１５をエツチングして溝を形
成し、ＡＩｏ、５ＧａＯ，５Ａｓ第１ブロック層１４の
上面を露出する。さらにフォトレジスト法をおこない上
記の溝の中心線と一致させるように幅２μｍのストライ
プ状の窓をレジスト膜１７にあけ、このレジスト膜をマ
スクにしてＡＩ□、５Ｇａ□、５Ａｓ第１ブロック層１
４をエツチング１−て溝を形成し、ＡＩ□、４Ｇａ□、
６Ａｓ第２クラッド層１−３の表面を出すく第４図）。

次にレジスト膜１７と５ｉ０２膜１６とを除去した後、
ｐ形ＡＮ□、４Ｇａ□、６Ａｓ第３クラッド層１８を２
．０１３．ｍ、高濃度のｐ十形ＧａＡｓキャップ層１９
を１．０ｐｍ連続成長する。この成長において従来から
行われている液相成長法においては、Ａｌ、ｚＧａｌ−
ｚＡｓ層であるＡｌｏ、４Ｇａ□、６Ａｓ第２クラッド
層１３やＡＩｏ、５Ｇａ□、５Ａｓ第１ブロック層１４
の上にはいかなる液相層も成長しないが、ＭＯＣＶＤ法
では容易に成長させる事ができる。特にこのＭＯＣＶＤ
法において第３クラッド層１８を成長する直前にＨＣＩ
等のガスで成長する面の表面を微量にガスエツチングを
すると成長素子の再現性、信頼性を一段と向上させる事
ができる。この後成長表面全面にｐ形オーミックコンタ
クト２０、基板側にｎ形オーミックコンタクト２１をつ
けると本発明の半導体レーザを得る（第１図、第２図）
。

（発明の作用効果） 本発明の構造において全面電極から注入された電流はキ
ャップ層１９、第３クラッド層１８と全面に広がって流
れるが、第３クラッド層１８に隣接して電気的極性の異
なるｎ形ＧａＡｓ第２ブロック層１５さらにこれに隣接
してｎ形ＡＮ□、５Ｇａ□、５Ａｓ第１ブロック層１４
があるため電流は第１および第２のブロック層で阻止さ
れ、最終的にｎｖＡｌｏ、５Ｇａ□、５Ａｓ第１ブロッ
ク層１４にあけたストライプ状の窓からｐ形Ａｌ□、４
Ｇａ□、６Ａｓ第２クラッド層１−３を通って、ｎ形Ａ
ｌｏ、１５Ｇａｏ、Ｂ５Ａｓ活性層１２に注入される。

活性層に注入されたキャリアは活性層水平横方向に拡散
していき利得分布を形成しレーザ発振を開始する。この
とき前記した様に活性層内のキャリア拡散長が短かいた
め、利得分布は主に第１ブロック層１４にあけたストラ
イプ状の窓下の活性層の部分に形成され、またその形状
は急峻になり、その結果ストライプ状の窓の下の部分の
み利得が高くなりその外部は損失領域になる。

一方光は活性層からしみ出し垂直方向に広がる。この時
第２クラツド層１３にしみ出した光は、第２クラッド層
１３に隣接してｎ形Ａｌ□、５ＧａＯ，５Ａｓ第１ブロ
ック層１４があり、光はこの層にまで広がる。さらに第
１ブロック層１４に隣接してｎ形ＧａＡｓ第２ブロック
層１５があるがこの層は屈折率が第１ブロック層より高
く光をひきこむばかりでなく、レーザ発振光に対してバ
ンドギャップが狭く〜１００１００Ｏ０”以上の光の吸
収層になっている。従って光は第２ブロック層にひきこ
まれそこで大きな吸収損失をうける事になる。その結果
この第２ブロック層１５にあけた窓にわたって正の屈折
率差Δ１１３が生じる。その値は本実施例においてはΔ
！ＩＢ＝５Ｘ１０−３になる事が本発明者の計算結果よ
り明らかになった。

以上の結果本発明の構造においては第１．ブロック層１
４にあけた狭い窓幅程度の利得分布に対し第２ブロック
層１５にあけたそれより広い窓幅にわたって光が広がり
そこでは正の屈折率ガイディング機構が作りつけられて
いる事になる。ところでキャリアが活性層に注入され利
得分布が形成されると屈折率のキャリア密度に対する負
の依存性のため屈折率は減少する。しかしその値は３〜
４Ｘ１０−３程度であるので本実施例ではレーザ発振時
では１〜２Ｘ１０−３の屈折率が作りつけられておりこ
の正の屈折率ガイディングと上記に述べた第２ブロック
層による光の急激な吸収との相乗効果により基本横モー
ド発振を維持する事ができる。

本発明の構造では光の広がりの幅が利得分布の幅にくら
べて広いので光は利得領域からその外部の損失領域まで
広がっておりこれは等測的には可飽和吸収体をもってい
る事になり自励振動を生じやすくなる。本発明の構造で
は更にキャリア拡散長が屈折率分布の幅と利得分布幅を
決定するキャリア注入領域幅との半分以下であるととも
にレーザ発振時での屈折率が比較的小さいため自励振動
を助長する効果をもつ。

すなわちまずキャリア拡散長が短がいため、注入キャリ
ア密度分布の変動がはげしくなり、これに伴なって基本
横モードの幅が大きく変動しその収縮と拡大が生じその
結果自励振動の大きさが助長される。本発明者の解析結
果によれば本実施例の構造においてキャリア拡散長１１
１ｍと２ｐｍとを用いて計算した結果キャリア拡散長１
ｐｎｎの自励振動は２ｐｍの５．５〜６倍になる事が明
らかになった。

さらにレーザ発振時の屈折率の大きさが比較的小さい事
も基本横モードの幅の変動を助長する。

本発明者の解析結果によれば本実施例の構造においてキ
ャリア拡散長１ｐｍを用いて計算した結果自励振動の第
１ピーク強度と第１の谷での強度との比率がｒ１８＝１
．０刈０−２では１６０に対しｒｌＢ＝５刈Ｑ−３では
１９５になる事がわかった。以上のすべての相乗効果の
結果本発明の構造では容易に自励振動が生じその結果軸
モードが多モード化し軸モードのコヒーレントが低減す
るために反射光に対する雑音もきわめて低く低雑音特性
が得られる。従って本発明のレーザ素子は光読み取りに
必要な低雑音レーザになる。

（発明の効果） 本発明の半導体レーザは （１）基本横モード発振を維持する事ができる。

（２）自励振動を生じその条件の許容範囲が広いので再
現性よく得る事ができる。

（３）構造が比較的簡単であるので再現性よく高歩留り
につくる事ができる利点を有する。

なお、上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたがｐｎ
を反転させてもよい。また実施例は ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓダブルヘテロ接合結晶材料につ
いて説明したが、その他の結晶材料例えば ＩｎＧａＰ／ＡＩＩｎＰ、　　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧ
ａＰ、　　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ。

ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ等数多くの結晶材料に
適用する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の斜視図、第２図は第１図の断面
図、第３図はこの実施例の作製の過程においてダブルヘ
テロ接合結晶を成長した時の側面図、第４図はこの実施
例の作製の過程において上記ダブルヘテロ接合結晶にス
トライブ状の電流注入口を設けた時の断面図第５図は従
来の半導体レーザを示す図である。図において １０−ｎ形ＧａＡｓ基板、 １１−ｎ形Ａｌ□、５　Ｇａ□、５　Ａｓ第１クラッド
層、１２−ｎ形ＡｌＯ，１５Ｇａ００３５　Ａｓ活性層
、１３−ｐ形Ａｌ□、４　ＧａＯ，６Ａｓ第２クラッド
層、１４−ｎ形Ａｌｏ、５　Ｇａｏ、５　Ａｓ第１ブロ
ック層、１５−ｎ形ＧａＡｓ第２ブロック層、 １６・・・５ｉ０２膜、　　　　　１７・・・レジスト
膜、１８−ｐ形Ａｌ□、４　Ｇａ□、６　Ａｓ第３クラ
ッド層、１９・・・ｐ十形ＧａＡｓキャップ層、２０・
・・ｐ形オーミックコンタクト、２１・・・ｎ形オーミ
ックコンタクト、をそれぞれ示す。 オ　２　図 オ　４　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層を当該活性層よりもバンドギャップの広い材料か
   ら成るクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合構造を備え
   、さらに、クラッド層上に第１の溝を有する第１のブロ
   ック層を備え、この第１のブロック層上に前記第１の溝
   よりも幅の広い第２の溝を有する第２のブロック層を備
   え、前記第１、第２の溝を埋め込んで設けられた半導体
   層を前記第２のブロック層上に備えた多層構造から成り
   、かつ、前記活性層内のキャリア拡散長が前記第２の溝
   の幅と第１の溝の幅との差の半分よりも短かくなるよう
   各溝幅を定め、さらに、第２の溝の領域での実効的屈折
   率の大きさはキャリアの注入による屈折率の減少量より
   も大きくなるよう定めてあることを特徴とする半導体レ
   ーザ。