JPS643078B2 - - Google Patents

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JPS643078B2
JPS643078B2 JP57112632A JP11263282A JPS643078B2 JP S643078 B2 JPS643078 B2 JP S643078B2 JP 57112632 A JP57112632 A JP 57112632A JP 11263282 A JP11263282 A JP 11263282A JP S643078 B2 JPS643078 B2 JP S643078B2
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active layer
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injection laser
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JP57112632A
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JPS5810885A (ja
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Horasu Burutsuke Tonpuson Jooji
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International Standard Electric Corp
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International Standard Electric Corp
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/3235—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers
    • H01S5/32391—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers based on In(Ga)(As)P

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  • Geometry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術的背景〕 この発明は、半導体レーザに関し、特に平担な
活性層を備えた横断モードを安定化したレーザに
関する。
そのようなレーザの１例は1979年９月17日〜19
日アムステルダムで行なわれた“Optical
Communication Conference”で発表されたフル
セ氏の論文“Transverse Mode Stabilised
AlGaAs KHlaserhaving ａ Built−in
Planoconvex Waveguide”中に記載されてい
る。その論文には横断導波効果が、活性層が成長
する前に成長した中間のバンドギヤツプの材料の
倒立リブ（rib）の存在により平担な活性層に対
して与えられることが示されている。しかしなが
らこの構造は幾つかの欠点を有している。特に活
性層の形成前に基体上に倒立リブが存在するため
に層の平滑で適切なエピタキシヤル成長に関する
問題が生じる。
〔発明の概要〕
したがつて、この発明の目的は従来技術の欠点
を除去することである。
さらに云えば、この発明の目的は、この型式の
通常のレーザ素子の欠点を有しないここで検討す
る型式の注入レーザ素子を提供することである。
この発明のさらに別の目的は通常のレーザ素子
と比較して改善された導波効果を有する上記型式
のレーザ素子を開発することである。
これ等の目的および後述の説明により明らかに
されるその他の目的を達成するために、この発明
の特徴の１つは次のような構成の注入レーザ素子
にある。すなわちこのレーザ素子は基体上にエピ
タキシヤル成長された複数の層を備え、この複数
の層は屈折率が低くバンドギヤツプの大きい上部
および下部非活性層に挾まれた平担な活性層と、
阻止層と、活性層の屈折率と上部非活性層の屈折
率との中間の屈折率を有する中間屈折率層とを含
み、上部非活性層および中間屈折率層は共に阻止
層と反対の導電型である同じ導電型を有し、阻止
層はレーザの端面から端面に延在している条帯の
区域を除いて上部非活性層を覆い、条帯上では阻
止層は除去され、中間屈折率層は条帯区域におい
て低屈折率の層中にのびて上部非活性層の材料と
接触し、中間屈折率層、阻止層、上部非活性層お
よび活性層の屈折率はそれ等の厚さと関連して中
間屈折率層がレーザ放射波長において活性層の条
帯の下の領域中で活性層の隣接領域におけるより
も光の伝播方向に誘導される波長が短くされるよ
うに活性層光学的に結合されている。
したがつて、この発明は、横断導波効果が活性
層の成長後に成長された中間のバンドギヤツプの
材料の倒立リブの存在によつて与えられる構造に
関するものである。この構造の１つのすぐれた特
徴はエピタキシヤル層を成長するために平担な基
体表面が使用されることである。これは第１のエ
ピタキシヤル層の成長が開始する前に基体表面が
不飽和溶融体によつてエツチングできることを意
味し、さらにこの第１の層は成長が適切に進行す
ることを確実にするために比較的厚い層にするこ
とができる。さらに、電流の集中のための構造と
導波体とのセルフアラインは比較的直線的であ
る。
この構造によつて阻止層の厚さの一部を中間屈
折率層の屈折率より高い屈折率の材料から作るこ
とにより高次横断モードに対して付加的な区別を
与えることができる。それ故高次モードは阻止層
のこの部分中への漏洩によつて選択的に減衰され
る。
この発明の注入レーザ素子の特に好ましい構成
は複数の層として中間屈折率層を覆う中間屈折率
層の材料より屈折率の低い材料の層を設けること
によつて得られる。
阻止層の材料が上部非活性層の材料と実質上同
じ屈折率を有するようにしてもよい。しかし阻止
層の材料が中間屈折率層の材料より大きい屈折率
を有する場合には特に良好な結果が得られる。ま
たこれに関して阻止層の材料が活性層の材料と実
質上同一の屈折率を有する場合にもよい結果が得
られる。
この発明の好ましい態様によれば、阻止層は上
部非活性層に接し、上部非活性層の材料と実質上
同一の屈折率の材料から成る第１の部分と、中間
屈折率層の材料より屈折率が高く、特に活性層材
料の屈折率と実質上等しい屈折率を有する材料よ
り成り第１の部分を覆う第２の部分とを有してい
る。一般的に云えば阻止層は上部非活性層と接し
ている中間屈折率層の材料よりも高い屈折率の部
分を少なくとも備え、それは条帯の下を伝播する
高次横断モードに対して区別を与えるように活性
層の材料と光学的に結合されている。
特に良好な結果は活性層を４成分材料（In，
Ga）（As，Ｐ）で構成することによつて得られ
る。それにおいて上部および下部非活性層は砒素
で置換された４成分材料（In，Ga）（As，Ｐ）
より成り、その中のリンに対して置換される砒素
の割合は活性層の材料中の等価置換量の２分の１
から３分の１の範囲である。
上述のおよびその他のこの発明の特徴および目
的は図面を参照した以下の説明によりさらに明ら
かにされる。
〔発明の実施例〕
基体１上にこの発明のレーザ素子はエピタキシ
ヤルに成長されている。第１図の基体１はｎ型の
リン化インジウム基体である。以下の説明におい
てこの発明は４成分材料（In，Ga）（As，Ｐ）
の活性層３を有するレーザ素子に適用したものと
して説明する。しかしながらここで使用された構
造は他の半導体材料系や組合せにおいても同様に
使用できることは明らかである。
素子の各層がエピタキシヤル成長されるべき基
体表面はリン化インジウムの不飽和溶融体でエツ
チングすることによつて最終的な清浄化処理が行
なわれ、それから第１のエピタキシヤル層である
ｎ型リン化インジウムの下部非活性層２が、典型
的には数ミクロンの厚さに成長される。次に４成
分（Inx，Ga1-x）（AsyP1-y）活性層３が下部非活
性層２の上に成長される。この活性層３は典型的
には約0.2ミクロンの厚さであり、ｐ型であつて、
ｙは典型的には0.6である。活性層３は薄い、典
型的には約0.3ミクロンの厚さのエピタキシヤル
成長によるｐ型リン化インジウムの上部非活性層
４によつて覆われ、この層は次いでリン化インジ
ウムのｎ型阻止層５によつて覆われる。阻止層５
は典型的には約0.6ミクロンの厚さである。標準
的なフオトリソグラフ技術によつて阻止層５の下
にある上部非活性層４の材料の条帯６が露出され
るように阻止層の一部がエツチングされる。この
条帯６はレーザ素子の一方の側方端面から他方の
端面に延在している。この条帯６は典型的には幅
が略々４乃至６ミクロンである。次に中間屈折率
層７が阻止層および上部非活性層４の露出された
条帯６を覆うように成長される。この層７はｐ型
材料であり、リン化インジウムの屈折率と活性層
３の４成分材料の屈折率との中間の屈折率を有す
る４成分材料（In，Ga）（As，Ｐ）で構成され
る。層７の材料中のリンに対する砒素の置換比率
は活性層３の材料中の等価置換の２分の１から３
分の１の範囲であることが望ましい。中間屈折率
層７はｐ型の低屈折率層８で覆われる。この低屈
折率層８の屈折率は中間屈折率層７のそれよりも
小さい。層８はリン化インジウムで作ると便利で
あり、この層８はp+接触層９で覆われ、その層
９に接点が形成される。層９は典型的には３成分
（In，Ga）As或４成分（In，Ga）（As，Ｐ）材
料で構成される。
このレーザ素子の組成および構造は光学的フイ
ールドが上部非活性層４を通つて活性層３から条
帯６の上方の中間屈折率層７の領域中へあまり顕
著でない範囲で侵入するように設計されている。
この中間屈折率材料中への光学的フイールドの侵
入は活性層３の条帯の下にある領域中で活性層３
の隣接領域中と比較してレーザ放射の誘導される
波長λzを短縮させることによつて横断導波効果を
与えるように設計される。誘導される波長はλpを
光の自由空間波長としてλz／εeff＝λpの公式によ
つて実効屈折率εeffと関係している。周辺効果を
無視すれば実効屈折率は層に垂直な方向（ｙ方
向）における光の強度Ｉおよび屈折率εyの変化に
関係して決定され、任意の点における屈折率はそ
の点における光の強度に略々比例した実効屈折率
に貢献する。
関係する上下の非活性層４および２が接着され
た活性層３によつて構成される第１の導波体と低
屈折率層８および上部非活性層４が接着された条
帯６上にある中間屈折率層７の領域により構成さ
れる第２の導波体との間の光学的な結合はεeffを
増加させ、したがつて２個の導波体の無限の分離
に対して計算された第１の導波体に対するεeffが
２個の導波体の無限の分離に対して同様に計算さ
れた第２の導波体に対するεeffより大きくされる
ことによる誘導される波長λzの短縮を生じる。こ
の条件は中間屈折率層７が活性層３に比較して厚
くおよび／または屈折率の値が活性層３にそれに
あまりにも接近していることが避けられる条件に
容易に合致される。或る状況では低屈折率層８の
存在は前述のような第２の導波体の形成において
省略することができる。
阻止層５はｎ型材料で形成され、それ故素子を
通つて流れる電流を制限する逆バイアスされたｐ
−ｎ接合を生じ、条帯６に一致した領域に活性層
３を横切る電流を集中させる。このようにして電
流の閉じ込めは横断導波効果とセルフアラインさ
れる。
多くの応用において高次の横断モードを区別す
ることは望ましいことであり、通常ゼロ次の横断
モードに動作は限定されている。これ等の応用に
対しては前述のレーザ素子は電気的駆動のない状
態でゼロ次モードだけがカツトオフ以下にあるよ
うに設計することができる。これは高次横断モー
ドに対する区別手段を与えるものであるが、しか
しこれ等の状況下ではカツトオフモードは単一モ
ード動作が要求される駆動レベルにおいて誘導す
る利得によつてそれ等の伝播を阻止するように大
きく減衰させるには不充分であることが認められ
る。この問題は条帯の幅の増加と共に増加する。
１乃至２ミクロンの領域における条帯の幅に対し
て１次およびそれより高次の横断モードは比較的
強力な横断方向導波を与える構造でカツトオフさ
れる。幅の広い条帯６に対して横断導波作用は弱
く、したがつて高次モードはそう大きく減衰され
ない。
この問題は第１図の構造を変形して高次横断モ
ードの光学的フイールドが選択的に侵入して高次
モードに対して選択的に区別する付加的な減衰に
貢献するように阻止層中に高屈折率の材料を含ま
せることによつて改善できる。このような変形の
１実施例が第２図に示されている。
第２図を参照するとこのレーザ素子の製造処理
は少なくとも活性層３の成長が行なわれるまでは
同じ成長パターンで行なわれる。成長されるべき
次の層はｐ型リン化インジウムの上部非活性層２
４である。層２４は４成分（In，Ga）（As，Ｐ）
のｎ型阻止層２５で覆われ、次いで標準のフオト
リソグラフ技術を使用して上部非活性層２４の材
料の条帯２６が露出されるように阻止層２５を貫
通し、その下の上部非活性層２４を部分的にエツ
チングするようにエツチングが行なわれる。この
条帯２６は第１図の素子の条帯６と全く同様のも
のである。すなわちそれは典型的には幅が２乃至
４ミクロンでありレーザ素子の一方の端面から他
方へ延在している。レーザ素子の処理はその後第
１図のレーザ素子の処理と同じ方法で続行され、
中間屈折率層７、低屈折率層８および接触層９が
成長される。
第１図のレーザ素子と同様に活性層３から上部
非活性層２４を通つて条帯２６で画定された中間
屈折率層７の領域に侵入する光学的フイールド
は、この光学的フイールドが層７の中間屈折率材
料まで侵入しない場合の値に比較して実効屈折率
を増加させるように設計されている。レーザ素子
はまた条帯２６の外側において光学的フイールド
は阻止層２５の４成分材料の領域中に侵入するよ
うに設計されている。それ故阻止層２５は条帯２
６から横断方向に光を遠去けるように導き、高次
モード程強い減衰を与える。阻止層２５の材料は
中間屈折率層７の屈折率よりも高い屈折率の材料
から成る。その屈折率は活性層３の材料の屈折率
より小さくても大きくてもよいが、一般に同じで
あることが好ましい。
上部非活性層２４および中間屈折率層７と接し
ている高屈折率の阻止層２５は２個の非活性層
２，２４と接している活性層３によつて構成され
た導波構造と光学的に結合された別の導波構造を
構成している。この光学的結合は上方に条帯２６
がある区域の外側の活性層３の領域中を伝播する
光の波長および阻止層２５自身内で励起されるか
も知れない何等かの光の波長の両者に影響を与え
る。中央の条帯２６の区域に対して斜めに光を外
方へ伝送する阻止層２５に対しては条帯２６の下
方の活性層の屈折率より大きい実効屈折率を有す
るようにされなければならない。その下方の活性
層３の領域中を導かれる波長に対する効果はそれ
故層２６によつて生じた効果と反対であり、その
ため実効屈折率は低下する。その結果条帯２６の
下方の活性層３の領域中を伝播する光に対する導
波作用は若干増加する。
「阻止層導波構造」中に結合された光に対する
実効的な横方向導波効果が存在しないために、こ
の導波構造は放射損失を与える。この損失は高次
横断モードほど大きいから望ましいものである。
しかしそれはまたゼロ次モードに対しても若干の
損失を与えるから、阻止層２５は条帯２６の区域
における中間屈折率層７のように活性層３に近付
けてはならない。このようにすることによつてゼ
ロ次モードに対する損失は許容できる値に保たれ
る。
条帯の幅を狭くすることによる横断導波におけ
る所要の増加は阻止層２５の高屈折率材料と活性
層３のそれとの間の間隔を変化させずそのままと
して中間屈折率層７と活性層３との間隔を減少さ
せることによつて実現できる。
高次横断モードを選択的に減衰させるため阻止
層中で高屈折率材料を使用することは西井氏外の
「InGaAsP／InP DHレーザにおけるセルフアラ
イン構造」という表題の論文（Applied Physics
Letters、第35巻第３号232〜４頁、1979年８月）
に記載されているが、その例では低屈折率材料が
阻止層中の条帯のエツチングによつて形成された
空間に充填されている。これは横断導波体は活性
層と光学的に結合されている阻止層の効果によつ
てのみ与えられていることを意味している。この
限界は条帯の幅を狭くするとそれに対応してより
強い横断方向導体効果が要求されるためにその技
術は条帯の幅を減少させると共に効率の悪さが増
加し、もしもこれが阻止層だけによつて与えられ
るものであればゼロ次横断モードの減衰の増加が
生じると云うことである。
両方の構造の相補的な導電型の変更がｐ型基体
を使用して成長できることを認識すべきである。
ｐ型基体の使用は、これが中間屈折率層に対して
ｎ型材料の使用を必要とする点で有利である。こ
れ等の状況では活性層から附近の中間屈折率材料
中への拡散によるキヤリア漏洩の問題は正孔の移
動度が電子のそれよりも小さいことを考慮すれば
小さくなる。
第２図に示したレーザ素子の製造上困難な問題
の１つは条帯２６の下の上部非活性層２４が必要
な厚さを有するようにエツチングを終了させるこ
とである。一方の導電型の材料が他方の導電型の
材料よりも著しく速くエツチングされるような選
択的エツチングが存在する材料に対しては、この
問題は第３図に示す構造を適用することによつて
改善される。第３図においては上部非活性層４は
第１図に関して説明した装置のそれと本質的に同
一である。この層４は２部分から成る阻止層を沈
着して覆われる。沈着層は低屈折率のリン化イン
ジウムの第１の部分３５Ａと、それを覆う同じ導
電型で第２図の素子の阻止層２５と同一の組成を
有する高屈折率の４成分材料（In，Ga）（As，
Ｐ）の第２の部分３５Ｂより成る。これは層４の
反対導電型材料の露出によつてエツチングが終了
されることを可能にする。他の全ての観点ではこ
の素子の構造は第２図を参照に前に説明した素子
と同じである。もちろん構成されるべき構造の２
つの相補的な導電型の変形の選択は選択的エツチ
ングのために使用される特定のエツチング液によ
つてその導電型の材料から成る層４がエツチング
されにくいものであることの必要性によつて決定
されることが条件である。
第３図の構造はまたその逆バイアスされた接合
部がInP材料中に位置しているから電流阻止作用
の信頼性を高めることができる。InPは活性層よ
りも大きなバンドギヤツプであるから活性層３に
よつて放射された自然発生的な電気ルミネセンス
の吸収によつてpn接合に漏洩電流が発生される
ことがない。
以上特定の装置に関連してこの発明の原理につ
いて説明したが、この説明は単なる例示に過ぎな
いものであり特許請求の範囲に記載されたこの発
明の技術的範囲を限定するものでないことを明確
に理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は阻止層が低屈折材料で作られているこ
の発明の１実施例のレーザの断面の略図であり、
第２図は阻止層が高屈折材料で作られた第１図に
類似したレーザの断面の略図であり、第３図は阻
止層が高屈折率材料と低屈折率材料の２部分から
成る第３の実施例のレーザの断面の略図である。 １……基体、２……下部非活性層、３……活性
層、４，２４……上部非活性層、５，２５……阻
止層、６，２６……条帯、７……中間屈折率層、
８……低屈折率層、９……接触層、３５Ａ……阻
止層の低屈折率部分、３５Ｂ……阻止層の高屈折
率部分。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 基体上にエピタキシヤル成長された複数の層
    を備えた注入レーザ素子において、該レーザ素子
    は、 下部非活性層と、平担な活性層と、該活性層を
    それ自身と前記下部非活性層との間で挾んでおり
    前記活性層の材料より低い屈折率と大きいバンド
    ギヤツプを有している材料より成る上部非活性層
    と、該上部非活性層上で層に実質上垂直な対向す
    る端面の一方から他方まで延在する条帯区域を除
    いて上部非活性層を覆つている阻止層と、活性層
    の材料の屈折率と上部非活性層の材料の屈折率の
    中間の屈折率を有し上部非活性層と同一導電型で
    あり阻止層と反対導電型である材料から成り、阻
    止層を覆い、上部非活性層の材料と接触するよう
    に前記条帯区域まで突出している中間屈折率層と
    を成長方向に順次具備し、前記中間屈折率層、阻
    止層、上部非活性層および活性層の材料の屈折率
    は相互の関係およびそれぞれの層の厚さに関係し
    て前記中間屈折率層がレーザ放射波長において活
    性層と光学的に結合されて伝播方向における波長
    が活性層の前記条帯の下方の領域において活性層
    の隣接領域におけるよりも短くされる如く為され
    ている対向する実質上の端面を有する注入レーザ
    素子。 ２ 前記複数の層は中間屈折率層を覆い、中間屈
    折率層の材料よりも屈折率の低い材料の低屈折率
    層を含んでいる特許請求の範囲第１項記載の注入
    レーザ素子。 ３ 阻止層の材料は上部非活性層の材料と実質上
    同一の屈折率を有している特許請求の範囲第１項
    記載の注入レーザ素子。 ４ 阻止層の材料は中間屈折率層の材料より高い
    屈折率を有している特許請求の範囲第１項記載の
    注入レーザ素子。 ５ 阻止層の材料が活性層の材料の屈折率と実質
    上等しい屈折率を有している特許請求の範囲第４
    項記載の注入レーザ素子。 ６ 阻止層が上部非活性層と接触し上部非活性層
    の材料と実質上同じ屈折率の材料から成る第１の
    部分と、該第１の部分を覆い中間屈折率層の材料
    よりも高い屈折率の材料より成る第２の部分とを
    有している特許請求の範囲第１項記載の注入レー
    ザ素子。 ７ 阻止層の第２の部分の材料が活性層の材料の
    屈折率に実質上等しい屈折率を有している特許請
    求の範囲第６項記載の注入レーザ素子。 ８ 阻止層が上部非活性層と接触している中間屈
    折率層の材料の屈折率よりも高い屈折率の部分を
    少なくとも有し、それが活性層の材料と光学的に
    結合されて条帯の下方を伝播する高次横断モード
    に対する識別を与えている特許請求の範囲第１項
    記載の注入レーザ素子。 ９ 活性層が４成分材料（In，Ga）（As，Ｐ）
    より成る特許請求の範囲第１項記載の注入レーザ
    素子。 １０ 上部および下部非活性層がリン化インジウ
    ムより成る特許請求の範囲第９項記載の注入レー
    ザ素子。 １１ リンと置換された砒素の比率が活性層の材
    料中の等価置換量の２分の１から３分の１の範囲
    である如く中間屈折率層が砒素で置換された４成
    分材料（In，Ga）（As，Ｐ）より成る特許請求
    の範囲第１項記載の注入レーザ素子。
JP57112632A 1981-07-02 1982-07-01 注入レ−ザ Granted JPS5810885A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB8120465 1981-07-02
GB08120465A GB2105099B (en) 1981-07-02 1981-07-02 Injection laser

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