JPS6364385A - 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、半導体レーザ、特に光情報処理装置の光源と
して用いられる半導体レーザに関するものである。

〔従来の技術〕

光情報処理用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力ｙ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面、茅根
、中村、埋めにより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ｌ１ｉｌＪ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、田村、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ｒ　Ｉ　ＳＳＳ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。更に現在ではより多機能化をねらい
光ディスク等の読み取り用光源だけでなく、光ディスク
等への光書きこみ用光源をかねそなえた光情報処理用複
合半導体レーザ素子が要求されつつある。特に光ディス
ク等への光書きこみ用光源として用いる場合には、安定
な基本横モード発振でかつ大光出力発振に耐える必要が
ある。複合半導体レーザ素子としては、例えば用野、遠
藤、伊藤、桑村、上野、古瀬により１９８４年秋季第４
５回応用物理学会学術講演会講演予ｍＡ、１９０頁、１
５ａ−Ｒ−７ｒＡ＆ＧａＡｓ　　ＢＣＭレーザアレイ」
において電極を分離した独立駆動の二個のレーザをそな
えた素子が提案され試作されている。

〔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、自動振動を生じさせる方法
では、レーザ構造（層厚や溝幅など）に対して自動信号
の特性がきわめて敏感に依存することが予想され、この
ため安定な自動振動を示すデバイスの収率は低くなる欠
点を有しており、更に光書き込みに必要な大光出力動作
は不可能である。また、複合半導体レーザ素子では、前
記の例を含めこれまで提案されたものは単に二つのレー
ザをならべただけであり、光情報処理用複合半導体レー
ザ素子に要求されている光書きこみ用光源としての大光
出力発振特性と読み取り用光源としての低雑音特性とを
かねそなえていなかった。

本発明の目的は、上記諸欠点を除去し安定な自動振動を
生じ低雑音特性を持つ読み取り用光源の機能と、安定な
基本横モード発振を維持し大光出力発振可能な光書きこ
み用光源の機能とを単一の光源で合せもつ特徴をもつと
共に、制御性および再現性のすぐれた半導体レーザを提
供することにある。

〔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の半導体レーザは
、共振器の両反射面近傍において共振器の長て方向にス
トライプ状の凹部領域を有する基板上に、活性層をこの
活性層よりもバンドギャップの広い材料からなる第１と
第２とのクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合構造を備
え、第２のクラッド層上に第１と第２とのクラッド層よ
りも屈折率の大きいガイド層を備え、このガイド層上に
第１の溝を両反射面近傍を除いた共振器の長て方向でか
つストライプ状凹部領域延長上にくるように有すと共に
ガイド層と反対の導電型を有する第１のブロック層を備
え、この第１のブロック層上に第１の溝よりも幅の広い
第２の溝を共振器の長て方向に有すると共に前記第１の
ブロック層と同じ導電型でかつ活性層よりもバンドギャ
ップの侠い第２のブロック層を両反射面３ｄ傍を除いた
共振器中央領域に備え、第１と第２の溝を埋め込んで設
けられた半導体層を第２のブロック層上に備えたことを
特徴とする。なお、活性層内のキャリア拡散長が第１と
第２の溝の半分よりも短かくなるように各溝幅を定める
のが望ましい。

〔実施例〕

以下図面を用いて本発明を説明する。第１図は本発明の
１実施例の斜視図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ
第１図のＡ−Ａ′、Ｂ−Ｂ′、Ｃ−ｃ’断面図である。

まず、第５図に示すように、（１００）面を表面とする
ｎ形ＧａＡｓ基板１０上にフォトレジスト法により共振
器の長て方向において長さ２５０μＩｎの共振器中央領
域を残してその両端に幅５μｍ、長さ３０μｍのストラ
イプ状の窓をあけ、フォｌ、レジスト膜１１をマスクに
して深さ０．４μｍエツチングして両反射面近傍にスト
ライブ状の凹部領域１２を形成する。フォトレジスト膜
１１を除去した後、ｎ形Ａｅ　０．５ａａＯ，５人Ｓ第
１クラツド層１３を２．０　μｍ、　ｎ形＾ｅ　０−１
５ｃａ０．８５＾Ｓ活性層（ｎ形濃度ｎ　＝　１．５　
：’、　１０１８Ｃ１１１−３）　１４を０．０８μｍ
　、　ｐ形人！！　＋１．４５ＧａＯ０’５５＾Ｓ第２
クラット層１５を０．１ノ１ｍ、ｐ形＾Ｉ；！０−３５
ＧａＯ１６ＳＡＳガイド層１６を０．７μｍ、ｎ形Ａ／
　、）、５Ｇａ□、５Ａｓ第１ブロック層１７を１）ｊ
　）ｔ　ｍ　、　　ｎ形ＧａＡｓ第２ブロック層１８を
１．０　μｍＭＯｃＶＤ法で連続成長する。

上記成長において従来から行われている液相成長法は各
成長層ごとに各組成を制御したメルトを用意して基板を
移動して各層を成長していく方法であるため本発明の如
き多層構造の成長はきわめて困難であるばかりでなく各
組成各層厚を制御することは不可能である。これに対し
てＭ　ＯＣＶ　Ｄ法は有機金属を用いた気相成長法であ
るので混合ガスの組成を変化させることで任意の組成の
層を任意の多層に容易に成長させることができるので本
発明の構造の成長を制御よく容易に行うことができる。

更に、Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ法では各組成の微粒子が結合しな
がら成長していくので成長の面方位依存性はなくどの方
向にも一様な厚さで成長する。

従って本発明の構造の如く凹部領域１２に多層成長させ
ても四部の形状に沿って一様な層厚の層が成長していく
。

また、上記の如く活性層１４のｎ形濃度を１．５×１０
１１０１８ＣＩにしておくとキャリアの拡散長を１μｍ
以下にすることができる。この濃度のとき発光効率も最
も高くなることが同時に明らかになった。次に、フォト
レジスト法により共振器の中央領域に凹部領域１２の中
心線と一致するように幅２μｍ、長さを２３０μｍのス
トライプ状の窓を共振器の長て方向にあけＧａＡｓ第２
ブロック層１８および第１ブロック層１７をエツチング
して第１の溝を形成し、ｐ形＾ｅ　００３５Ｇ１０．６
５人Ｓガイド層１６の上面を露出させる。フォトレジス
Ｉ・膜を除去後、再びフォトレジスト法をおこない上記
第１の溝の中心線と一致させるようにして幅４μｒｎ、
長さ２３０μｍのストライブ状の窓を共振器中央部分に
あけると共に両反射面近傍に各々幅３０μｍ反射面に平
行に窓をあけ、このフォトレジスト膜１９をマスクにし
てＧａＡｓ第２プロ・ンク層１８のみを工・ソチングし
てＡ　ｌ　ｏ、５Ｇａ□、５Ａｓ第１プロ・ンク層１７
の表面を出し、共振器中央領域に第２の溝を形成し両反
射面近傍の第２ブロック層１８は除去する（第６図）。

次に、フォトレジスト膜１９を除去した後、ｐ形＾ｅ　
ｏ、４Ｇａｏ、６人Ｓ第３クラツド層２０を１．５μｍ
、高濃度のｐ＋形ＧａＡｓキャップ層２１を１．０μｍ
連続成長する。この成長において、従来から行なわれて
いる液相成長法においてはＡｊ’　ｘＧａｌ−ｙＡＳ層
であるＡｆｆ　０１３５ＧａＯ−６５人Ｓガイド層１６
やＡｅＯ，’５ｃａＯ０５＾Ｓ第１ブロック層１７の上
にはいかなる液相層も成長しないが、Ｍ　ＯＣＶ　Ｄ法
では容易に成長させることができる。特にこのＭＯＣＶ
Ｄ法において第３クラッド層２０を成長する直前にＨＣ
Ｉ等のガスで成長する面の裏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
ことができる。この後、成長表面全面にｐ形オーミック
コンタクト２２５、基板側にｎ形オーミックコンタクト
２３をつけると本発明の半導体レーザが得られる（第１
図、第２図、第３図、第４図）。

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２１．第３クラッド層２０と全面に広がって
流れるが、第３クラッド層２０に隣接して電気的極性の
異なるｎ形ＧａＡｓ第２ブロック層１８さらにこれに隣
接してｎ形ｋｌ　ｏ、５Ｇａｏ、ｓ＾Ｓ第１ブロック層
１７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ｎ形Ａｆｆ　Ｏ，５ｃａ０．５＾Ｓ第
１ブロック層１７にあけたストライプ状の窓からｐ形Ａ
ｆ　０−３５ＧａＯ，６５人Ｓガイド層１６およびこれ
に隣接したｐ形ｈｅ　０．４５ｃａ０．５５人Ｓ第２ク
ラツド、層１５を通って、ｎ形ｋｅ　Ｏ，１５Ｇａ、）
４５人ｓ活性層１４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１７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、またその形状は息竣になり、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。本発明の構造では共振器の長
て方向においても電流は第２ブロック層で阻止され中央
領域の活性層に集中して流れこむ。両反射面近傍まで広
がって活性層に流れこむ電流は無視できる程になる。さ
らに、共振器中央領域の活性層は両反射面近傍の溝の部
分との境界では共振器の長て方向でもその両端がバンド
ギャップの広い第２クラッド層１５に接しているので、
中央領域の活性層に注入されたキャリアは垂直方向のみ
ならず共振器の長て方向にも閉じこめられ利得の上昇が
助長される。その結果、低い閾値電流で発振することが
できる。一方は光は活性層１４からしみ出し垂直方向に
広がる。このとき第２クラッド層１５にしみ出した光は
、第２クラッド層１５に隣接して屈折率の高いガイド層
１６さらに隣接して第１ブロック層１７があるので光は
この層まで広がる。さらに、第１ブロック層１７に隣接
してｎ形ＧａＡｓ第２ブロック層１８があるが、この層
は屈折率が第１ブロック層１７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１８にひきこまれそこで
大きな吸収損失をうけることになる。その結果、この第
２ブロック層１８にあけた窓にわたって正の屈折率差Δ
η８が生じる。その値は本実施例においてはΔηＢ＝５
×１０−’になること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１７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１８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
りつけられていることになる。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ことができ
る。

本発明のＩｉ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
っていることになり、自励振動が生じやすくなる。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
なめ自励振動を助長する効果をもつ。すなわち、まずキ
ャリア拡散長が短かいため、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動振動の
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１μｍと２μｍとを用いて計算した結果
、キャリア拡散長１μｍの自動振動は２μｍの５．５〜
６倍になることが明らかになった。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、
本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、自動振動の第１ピーク強度と第１の谷で
の強度との比率がΔηａ　”１．Ｑ　Ｘ　１０−”では
１６０に対しΔηａ””５Ｘ１０−３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
に自動振動が生じ、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ス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。

本発明の横道では、活性層１４は共振器の長て方向の両
反射面近傍において第２クラッド層１５を介してストラ
イブ状凹部領域１２のガイド層１゜６につながっている
。さらにガイド層１６は共振器全長にわたって一定の層
厚でつながっている。

前記した如く光は活性層水平横方向では第２ブロック層
１８の溝幅にわたって広がり、垂直方向では活性層から
ガイド層１６にわたって広がっているので光の大部分は
第２クラッド層１５を通過して凹部領域１２のガイド層
１６内へ進行していく。このとき光の一部は四部領域の
活性層内へと進行していくがこの領域の活性層は励起さ
れていないのでレーザ発振光に対して１５０Ｃ１１−１
程度の吸収領域となる。レーザ発振は最も利得が大きく
損失の小さい所で生じるので前記の如く光の大部分は共
振器中央領域から凹部領域１２のガイド層１６内を進行
してレーザ発振を開始する。更に本発明の構造では、凹
部領域１２のガイド層１６は垂直方向では第２クラッド
層１５と第１ブロック層１７とで挟みこまれており、水
平横方向ではその一部両端が第１ブロック層で挟みこま
れておりストライブ状の光導波路を形成している。本発
明の構造では四部領域１２では第１ブロック層１７に隣
接して第３クラッド層２０があり、共振器中央領域の如
く第１ブロック層１７に隣接して光の吸収層となる第２
ブロック層１８は除去されているので光導波路内に光は
閉じこもって進行する。

本実施例ではガイド層のバンドギャップはレーザ発振光
に対して１５７ｍｅＶ以上広がっているので、ガイド層
内を進行する光は吸収損失を受けない。こうして両反射
面近傍の凹部領域１２においてストライブ状の光導波路
をなすガイド層１６内を進行した光は一部反射面で反射
され、再び光導波機能をもつ凹部領域１２のガイド層１
６内を損失をうけることなく戻り、中央領域の活性層１
４内に入り再励起されるので低閾値、高効率でレーザ発
振をすることができる。特に本実施例の如く四部領域の
ガイド層の高さの半分付近に共振器中央部分の活性領域
となる中央領域の活性層を位置しておけば反射面で反射
された光はより有効に活性層にはいることができる。

本実施例の構造では、再反射近傍がレーザ発振光に対し
てバンドギャップの広いガイド層になっているので、光
学損！（ＣＯＤ＞の生じる光出力レベルを著しくく上昇
させることができる。すなわち、通常の半導体レーザで
はキャリア注入による励起領域となる活性層端面が反射
面として露出しており、そこでは表面再結合を生じ空乏
層化してバンドギャップが縮小している。大光出力発振
をさせると、この縮小したバンドギャップにより光の吸
収を生じ、そこで発熱して融点近くまで温度が上昇し、
ついには光学損傷を生じる。これに対し本実施例の構造
では両反射面近傍が非励起領域になっているばかりでな
く、レーザ発振光はバンドギャップ差が１５７ｍｅＶ以
上も広い層を透過して発振するので、反射面近傍での光
の吸収がなく光学損傷の生じる光出力レベルを１桁以上
上昇させることができ、大光出力発振が可能である。

本発明の構造では、両反射面近傍がガイディング機構を
もつガイド層になっているので、この領域を進行中にレ
ーザ発振光は制御され光導波機構を形成するガイド層の
幅と厚さとに限定されているので、外部光学系とのカッ
プリングもやりやすくその効率を上昇させることができ
る。

なお、上記実施例ではｎ形ＧａＡｓ基板を用いたが、ｐ
ｎを反転させても本発明は実現できる。また本実施例は
ＡｅＧλＡｓ／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１ｎＧａＰ
／人Ｅ　ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ／１ｎＧａｌ’、１ｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、人（２ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳ
ｂ等数多くの結晶材料の半導体レーザにも本発明は適用
できる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の半導体レーザは、 （イ）非点収差が小さくその上安定な基本横モード発振
を高光出力まで維持することができる。

（υ）大光出力発振が可能である。

（ハ〉自励振動を生じその条件の許容範囲が広く低雑音
特性をもつ。

（ニ）等心円的な光源にでき外部光学系とのカップリン
グ効率が上昇するので光学系をコンパクトにすることが
できる。

等の利点を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の斜視図、第２図。 第３図、第４図はそれぞれ第１図のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’
　、Ｃ−Ｃ’断面図、第５図はこの実施例において基板
を形成した時の斜視図、第６図はこの実施例の製作の過
程においてダブルヘテロ接合結晶を成長した後ストライ
プ状の電流注入口を形成した時の斜視図である。 １０・・・ｎ形ＧａＡｓ基板、１１・・・フォトレジス
ト膜、１２・・・凹部領域、１３　・−ｎ形Ａｆ　Ｏ，
５ＧａＯ，５Ａｓ第１クラッド層、１４−ｎ形＾ｅ　ｏ
、＋５Ｇａｏ、ｇ５Ａｓ活性層、１５−ｐ形入ｅ　０−
４５０ａＯ−５５人Ｓ第２クラツド層、１６　・−ｐ形
人ｅ　０１３５ＧａＯ，６５ＡＳガイド層、１７−−・
ｎ形＾ｌ！０．５Ｇａｏ、５Ａｓ第１ブロック層、１８
−・・ｎ形ＧａＡｓ第２ブロック層、１９・・・フォト
レジスト膜、２０　・ｐ形人ｅ　０−４ＧａＯ−６ＡＳ
Ａｓ第３クラツド２１・・・ｐ＋形ＧａＡｓキャップ層
、２２・・・ｐ形オーミックコンタクト、２３・・・ｎ
形オーミックコンタクト。 、パ、゛− 代理人　弁理士　内　原　　章′１・ニー１、ｓ　３　
　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 共振器の両反射面近傍において共振器の長て方向にスト
   ライプ状の凹部領域を有する基板上に、活性層をこの活
   性層よりもバンドギャップの広い材料からなる第１と第
   ２とのクラッド層で挟んだダブルヘテロ接合構造を備え
   、前記第２のクラッド層上に前記第１と第２とのクラッ
   ド層よりも屈折率の大きいガイド層を備え、このガイド
   層上に第１の溝を両反射面近傍を除いた共振器の長て方
   向でかつストライプ状凹部領域延長上にくるように有す
   と共にガイド層と反対の導電型を有する第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の溝を共振器の長て方向に有すると共に
   前記第１のブロック層と同じ導電型でかつ前記活性層よ
   りもバンドギャップの狭い第２のブロック層を両反射面
   近傍を除いた共振器中央領域に備え、前記第１と第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
   ク層上に備えたことを特徴とする半導体レーザ。