JPS6297385A - 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。

（従来の技術） 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ｑｓｃ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、茅根、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ことが示され
ている。

これに対して自励振動を生じさせ縦モードをアルチ化し
て低雑音化する方法が、鈴木、松本、山村、護送、栗原
により電子通信学会技術報告、光墳子エレクトロニクス
ＯＱＦ、８４−５７，３９頁Ｉ　ｌ５ＳＳレーザの雑音
特性と自己パルス変調の機構Ｉにおいて提案され試みら
れている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記高周波重畳を用いる方法では、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。一方自励振動を生じさせる
方法では、レーザ構造（層厚や溝幅など）に対して自励
振動の特性がきわめて敏感に依存するから、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
。

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、基本横モード発振を維
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
案することにある。

（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する半導体
レーザは、活性層を該活性層よりもバンドギャップの大
きい半導体で挾みこんだ多層構造を有し、該活性層内に
該活性層のバンドギャップより小さいバンドギャップを
有しかつ該活性層に対し正の実効的な屈折率差を有する
ストライプ状の活性領域が共振器の長で方向に設けてあ
り、該活性領域の幅よりも狭い幅をもつキャリア注入領
域が該活性領域の垂直方向に設けてあり、該活性領域内
のキャリア拡散長が該活性領域幅とキャリア注入領域幅
との差の半分よりも短かいことを特徴とする。

（実施例） 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は共振器軸
に垂直な面における第１図実施例の断面図である。

本実施例の製造においては、まず第３図に示すように、
ｎ形Ｇａ　Ａｓ基板ＩＯ上に、３μｍ厚のｎ形ＡＡ！ｏ
、ａｓ　Ｇａａ、ｓｓ　Ａｓ第１クラッド層１１．０．
２ｓｍ厚のｎ形Ａｘｏ、１５　Ｇａ６．＠Ｉ　Ａｓ活性
層１２（ｎ形濃度３ｘｌＯｃ！ＩＬ　）、〜０．３μｍ
厚のｎ形ｋｌ　ｏ、ａ　＊Ｃ）ａ（１，！ｌ　＠　Ａｓ
第２クラッド層１３．１．５μｍ厚の高濃度ｎ形ＡＪ６
．．　Ｇａ６．ｙ　Ａｓプロ７り）層１４（ｎ形濃度３
ｘｌＯｃｍ）をＭＯＣＶＤ法テ連続成長する。ＭＯＣＶ
Ｄ法では薄膜成長が可能でろりかつ清缶な膜厚制御性を
兼ね備えているので、上記の如き層構造を制御性よく成
長することができる。次に８１０．膜１５で全体を被膜
した後に、フォトレジスト法により共振器の長て方向に
＠２μｍのストライプ状の窓をあけ、ｋｌ（、、、（）
ａ（１，？　Ａｓ　ブロックｒ＊１４をエツチングして
ＡＪｏ、４ｓ　Ｇａｏ、ｓｓ　Ａｓ第２クラッド層１３
の面を出す（第４図）。

次Ｋ　Ｓｉｎ、膜１５を除去した後、ｎ形Ａｌｏ、ａ　
５Ｃ）ａＯＪＩ　Ａｓ第３クラッド層１６を３．０μｍ
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Ａｌｘ（）ａｌ−エＡｓ層であるｋｌ
　ｏ、。

Ｇａ０ＪＳ　Ａｓ第２クラッド層１３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
せることができる。特にこのＭＯＣＶＤ法において第３
クラッド層１６を成長する直前にＨＣＩ等のガスで成長
する面の表面を微祉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ことができる。

この後成長表面全面を８１０．膜１７で被膜した後フォ
トレジスト法により前記Ａｌ（Ｌ　Ｉ　Ｇａ　（Ｌ７　
Ａｓブロック層１４にあけた窓の中心線と一致させて幅
６μｍのストライプ状の窓をあけ、Ｚｎを低濃度拡散す
る（　Ｚｎ拡散領域１８）。この時拡散フロントは活性
層１１と第１クラッド層１１との界面に接するかもしく
は第１クラッド層１１内部にとどまるように制御する。

こうしてｎ形活性層１２内にＺｎを低濃度拡散して形成
した活性領域１９は濃度４〜６Ｘ１０　　ｃｍ　　　の
ｐ形に変換されいわゆる不純物補償されたｐ形になって
いる。一方Ｚｎ拡散領域１８はＡＩｇ、３　Ｇａ６．ｙ
　Ａｓブロック層１４０部分ではその窓の部分を中心と
して両端はブロック層１４とかざなるが、ブロック層１
４のｎ形濃度がはるかに高いのでこの部分はｎ形が保さ
れ電流ブロック層として作用する。この後成長表面全面
Ｋｐ形オーミックコンタク）２０１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な
得る（第１図、第２図）。

（作用） 本実施例の構造において全面電極から注入された電流は
、第３クラッド層１６内に形成されたＺｎ拡散領域を通
って流れるが、この層に隣接して形成されたブロック層
１４の部分では電流は阻止され、最終的にはブロック層
１４内にあけたストライプ状の窓から第２クラッド層１
３内のＺｎ拡散領域を通り活性領域１９にはいる。活性
領域１９内に注入されたキャリアは利得分布を形成しレ
ーザ発振を開始する。このとき活性領域１９は、前に記
した様に不純物補償したｐ形になっており、高い不純物
ドーピングのためキャリア拡散長はきわめて短くなって
いる。本実施例では〜０．８μｍ〜１．０μｍ程度にな
っている。この時本実施例の如く第２クラッド層１３を
薄くしかつそのＺｎ拡散領域の比抵抗が高くなるように
制御しておけば、利得分布は主にブロック層１４にあけ
たストライプ状の窓下の活性領域の部分に形成され、ま
たその形状は１急峻になりその結果ストライプ状の窓下
のみ利得が高くなりその外部の活性領域は損失をもつ。

ざらに活性領域１９は上記のほかに光に対しては次の作
用をもたらす。

ジュルナル・オプ・ザ働アプライド・フィンイツクス（
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈ
ｙｓｉｃｓ　）誌、４５巻（１９７４年）、２６５０〜
２６５７頁に掲載されたセル（Ｄ、Ｄ、５ｅｌｌ　）氏
等によって報告されている様に、ｐ形ＧａＡｓ及びｎ形
ＧａＡｓの屈折率は不純物濃度と共に変化する。特にｎ
形ＧａＡｓの屈折率はその濃度がＩ×１０　α　以上に
なると急激に減少する。これに対しｐ形ＧａＡｓの屈折
率は同濃度に対して緩やかに減少する。従って不純物が
ｎ形かｐ形かの相違及び濃度の相違による屈折率の変化
を利用することにより、ダブルへテロ接合ウェハに不純
物をストライプ状に拡散させ、その拡散フロントを活性
層まで至らしめて不純物補償又は高濃度不純物を導入す
ることにより、ストライプ状活性領域の屈折率をその外
部領域に対して大きくすることができる。こうして活性
層内に導入された屈折率ステップの高さは、レーザ発振
時においてはストライプ状活性領域へのキャリア注入に
よって生じるプラズマ効果及びバンド間遷移等の負の屈
折率の寄与のだめに減少する。従ってレーザ発掘時にお
ける実効的な屈折率は、不純物拡散によって導入した正
の屈折率ステップにキャリア注入による屈折率の減少を
加えたものである。ところでｐ形、ｎ形不純物の組合わ
せによって１０　のオーダーの正の屈折率ステップを導
入することができるのに対し負の屈折率効果は１０　の
オーダーであるから、実効的な屈折率差を５×１０　以
上につけることができる。

正の大きな屈折率ステップを導入するには高濃度ｎ形活
性層に高濃度のｐ形不純物をストライプ状に拡散させ不
純物補償させるのがもつとも効果的である。本発明者は
活性層ｎ形濃度なａ、ｔｘｔｏ”ｃｍ　　＋　　２．０
Ｘ１０　　ＣｒｒＬ　　　及び１．ＯＸＬＯｃｍと変化
させたウェハを用い各ウェハごとにストライプ状のＺｎ
拡散を行い、ストライプ状Ｚｎ　拡散活性領域のｐ形濃
度を不純物補償した状態から１〜１．５ＸＬＯ函　に変
化させてストライプ型ダブルへテロ接合レーザ素子を製
作し、レーザ発振時における各素子の実効的な屈折率ス
テップの高さを測定すると共に、レーザ発振機構を観測
した。

その結果、活性層のｎ形濃度が３．　ｌ　Ｘ　１０　”
（Ｘ”の場合にはストライプ状ｚｎ拡散活性領域のｐ形
１ｆＷＬ１１ヲ３．５　Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃｍ−”　カｃ−
）　Ｌ〜Ｌ、５　Ｘ　Ｌ　Ｏ”儂　に変化させた場合〜
３×１０　から〜５×１０　にわたる正の実効的な屈折
率差（ｔ’ｙｔ−Ｎｏ）を生じることができた。このと
きレーザ素子は屈折率ガイディングを行い閾値電流値の
２．５〜３倍の電流範囲にわたって安定な基本モード発
振を行った。これに対し活性層のｎ形濃度を２×１０　
　ｃｍ　　以下にした場合にはストライプ状活性領域の
ｐ形儂度を不純物補正から１〜１．５ＸＩＯ”α　にわ
たって変化させても、実効的な屈折率差（Ｎｔ　　Ｎｏ
）　　は１ｏ−４以下がもしくは負になる。

実効的な屈折率差（Ｎｔ−Ｎｏ）が１ｆｆ４以下の場合
には、ゲインガイディングが支配的であり注入電流と共
にモード変形が生じた。また実効的なＭｌ　折率−１テ
ツプが負の場合にはリーキモード（アンタイガイディン
グ）となり、大きなモードロスを生じると共に遠視野像
が双峰性になり、ファイバー結合効率が大幅に減少する
などレーザ特性上きわめて不都合であることがわかった
。

従って第１図実施例の如く高濃度のｎ形活性層１２に不
純物補償する程度にＺｎを低濃度拡散して形成したスト
ライプ状の活性領域１９は正の屈折率ガイディング機構
を形成し安定な横モード発振を維持する。

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、これは等価的には可飽和吸収体をもっ
ていること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
さいから、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かいから、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１
μｍと２μｍとな用いて計算した結果キャリア拡散長１
μｍの自励振動は２μｍの５．５〜６倍になることが明
らかになった。

ざらにレーザ発振時の屈折率の大きさが比較的小さいこ
と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、第１図実施例の構造にお
いてキャリア拡散長１μｍ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η、
＝ｔ、ｏｘｔｏ　　では１６０　に対しη、＝ｓｘｔｏ
　　では１９５になることがわかった。

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から、反射光に対する
雑音もへ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） 以上に詳しく説明したように１本発明の半導体レーザは
、基本横モード発振を維持することができ、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こと
ができ、構造が比較的簡単であるので再現性よく高歩留
りにりくることができる。

なお、上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたが、こ
の実施例とはｐｎを反転させた構造でも本発明は実現で
きる。また実施例ではＡｌＧａ　Ａｓ　／ＧａＡｓダブ
ルへテロ接合結晶材料を用いたが、その他の結晶材料例
えばＩｎＧａＰ　／　ｋｌ　ＩｎＰ　ＩｎＧａＡｓＰ　
／　ＩｎＧａＰ　＋　　ＩｎＧａＡｓＰ／　ＩｎＰ＋　
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ等数多くの結晶材料の
半導体レーザにも本発明は適用することができる。

【図面の簡単な説明】

７５１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は共振器
軸に垂直な面における第１図実施例の断面図、第３図は
この実施例の作製の過程におけるダブルペテロ接合結晶
の成長工程により形成される半導体構造の断面図、第４
図は第１同実施例の作製の過程において第３図のダブル
へテロ接合結晶にストライプ状の電流注入口を形成した
構造の断面図でおる。 １０−”　ｎ形ＧａＡｓ基板、１１・ｎ形ＡムＪｉＧａ
０，５１Ａｓ＝ＪＬクラッド層、１２　・−ｎ形Ａｌｏ
、ａｓ　’）ａｏ）５　Ａｓ活性層、１３　・−ｎ形ｋ
ｌｏ、４ｓ　Ｃ）ａｏ、ｓ　ｓ　Ａｓ　（ｇ　２クラッ
ド層、Ｌ　４　”−ｎ形Ａｌｏａ　Ｇａｏ、ｙ　Ａｓブ
ロック層、１５・ｓｌｏ、膜、ｌ　６　・ｎ形Ａｌｏ、
ａｓ　ｏａ、、！、　ｋｓ　ｇ　３クラッド層、１７・
・・５ｉ０２膜、１８・・・Ｚｎ拡散領域、１９・・・
活性領域、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。 代理人　弁理士　本　庄　伸　介 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層を該活性層よりもバンドギャップの大きい半導体
   で挾みこんだ多層構造を有し、該活性層内に該活性層の
   バンドギャップより小さいバンドギャップを有しかつ該
   活性層に対し正の実効的な屈折率差を有するストライプ
   状の活性領域が共振器の長手方向に設けてあり、該活性
   領域の幅よりも狭い幅をもつキャリア注入領域が該活性
   領域の垂直方向に設けてあり、該活性領域内のキャリア
   拡散長が該活性領域幅と該キャリア注入領域幅との差の
   半分よりも短かいことを特徴とする半導体レーザ。