JPS625354B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、発振モードの制御に有効な構造を有
する半導体レーザに関するものである。

半導体レーザを光通信や光情報処理用の光源と
して使用するにはパルス又は直流電流で駆動した
場合に、その電流の大小によらずに安定な基本横
モード並びに、単一軸モード発振をすることが要
求される。基本横モードを安定化するには、活性
層に平行な方向、即ち横方向につくりつけの屈折
率差を設けることにより達成される。この種の半
導体レーザとして最も基本的なものに活性領域を
レーザ出射端面以外の全ての方向からより低屈折
率の半導体で包囲した構造の埋め込みヘテロレー
ザの試みがある。この構造は横モード安定化を確
実に行なえる一方でその製造方法は、一度結晶成
長を中断し、エツチングにより活性領域を形成
し、再び結晶成長によりこの活性領域を埋め込む
という複雑なものであり、特に２回の結晶成長が
必要なため、基体の熱劣化により結晶欠陥が導入
され、これらがキヤリアの非発光再結合中心とな
り発振値閾電流を増大させ、又、動作寿命を短く
するなどの問題がある。さらに埋め込みヘテロレ
ーザでは基本横モード発振を得るためには活性層
の幅を１μｍ程度に制御しなければならないう
え、光のスポツトサイズは小さくならざるを得
ず、光の出射端面での光エネルギー密度が大きく
なり、端面の光学損傷が著しく、高出力動作が難
しい。又、スポツトサイズが小さいためレーザ放
射角が大きくなつて、例えば光フアイバーとの結
合効率が低くなる問題がある。一方、以上の問題
点を解決し、１回の結晶成長で形成され、やはり
横方向に屈折率差をつくりつけた構造の半導体レ
ーザが提案されている。レーザ発振の微分量子効
率を下げることなく埋め込みヘテロレーザと同様
の安定な基本横モード発振を行なうこの種の半導
体レーザとして、幅が一定の溝を有する半導体基
体の上に結晶成長することにより、通常の電極ス
トライプ構造のダブルヘテロ接合半導体レーザに
おいて光を導波する領域として層厚が一様な活性
層と、この活性層に隣接して溝幅の中央部で層厚
が溝端部より厚くなるように活性層に平行な方
向、即ち、横方向に厚さが変化し、屈折率が活性
層より低く、禁制帯幅が大きい光ガイド層を設け
た構造の平凸導波路（Plano−Convex
Waveguide、PCW）レーザ（以下、PCWレーザ
と称す）が提案されている（第26回応用物理学関
係連合講演会、講演予稿集1979年((昭和54年))春
季170ページ、講演番号27a−Ｗ−６、特願54−
4961「半導体レーザ」参照）。PCWレーザでは、
光ガイド層の断面が平凸状となつているため横方
向にゆるい実効的な屈折率差△ｎがつくり付けら
れており、幅２〜３μｍのスポツトサイズで安定
な基本横モードで発振する。従つて埋め込みヘテ
ロレーザより高出力まで、しかも小さな放射角で
動作する。しかしながら、このPCWレーザは、
以下の欠点を有している。即ち、直流電流動作時
にはほぼ単一な軸モードで発振するがパルス動作
時には少くとも２〜３本の軸モードに増えてしま
い、しかもそれらの各モードの強度が不安定であ
る。このような軸モードの不安定性は、何らかの
工夫をしない限り半導体レーザに共通の問題点で
ある。従来、軸モード安定化のために活性層の幅
を光の導波方向、即ち共振器長方向に沿つて変化
させた埋込みヘテロ構造の半導体レーザが提案さ
れている。（特開昭52−152182参照）。第１図はこ
の軸モード安定化を図つた半導体レーザの斜視図
を示し、第２図ａ，ｂは活性層の幅が異なつた２
つの部分の共振器長方向に垂直な断面図である。
GaAs活性層３は、幅が大きい部分と小さい部分
を有し、GaAs活性層３より屈折率の低いｎ型
Al₀.₃Ga₀.₇As層２及びｐ型Al₀.₃Ga₀.₇As層４によ
つて共振器端面以外の面を包囲されている。１は
ｎ型GaAs基体、５はｎ型GaAs層で、GaAs活性
層３の直上に電流狭窄用のZnプレーナ拡散部６
が設けられている。この従来の半導体レーザで
は、光が活性層３に閉じ込められて導波されるの
で基本横モードで発振する。一方、導波される光
に対する周辺の実効的屈折率差△ｎは、活性層の
幅が大きい部分では小さく、逆に小さい部分では
大きくなつている。従つてこの構造は、異なるモ
ードを導波する光導波路が直列に結合した、等価
的には、レーザ共振器の中に別のレーザ共振器が
複合されたものとみなせる。このため光はある単
一の軸モードが選択されて発振する。しかしなが
らこの従来の軸モード選択性を有した埋め込みヘ
テロレーザには次のような欠点がある。即ち、軸
モード選択性は、横方向の実効屈折率の変化を大
きくすること、従つてGaAs活性層３の幅の変化
を大きくすることにより、又、このことによつて
のみ強められる。しかし、幅を導波光のモードの
大きさより大幅に大きくすると注入電流が無駄に
なるため発光効率が低くなり、発振閾値電流が高
くなつてしまう。

本発明の目的は、形状の変化した溝を形成した
基体上にエピタキシヤル成長することで２回の結
晶成長を回避し、基本横モード発振を行ない、か
つ軸モード選択性を有する半導体レーザを提供す
ることである。

本発明の半導体レーザの構造の骨子は次の通り
である。即ち、幅の変化した溝を有する半導体基
体上に形成したダブル・ヘテロ接合構造の半導体
レーザであつて、活性領域を形成する活性層単層
あるいは、活性層とこの活性層よりも屈折率が低
く禁制帯幅が大きい光ガイド層とから成る活性領
域を有し、この活性領域を形成する半導体層をこ
の半導体層の何れよりも屈折率の低い２つの光閉
じ込め層で挾み込んだ層構造にあつて溝の直上の
ストライプ状の領域において活性領域を形成する
半導体層のうちの少なくとも１層の形状が半導体
基体側に凸状にふくらんだものとなつており、こ
の凸状の部分の幅と厚みが溝の延びている方向、
に変化しており、さらにこの溝の延びている方向
に光を導波するようにした半導体レーザである。

本発明によれば、前述の溝の延びている方向に
垂直にフアブリ・ペロ共振器となる出射端面を形
成することにより、共振器長方向に活性領域の形
状、即ち厚みと幅が共に変化した半導体レーザが
得られる。

次に本発明の実施例について図面を参照して説
明する。まず前述のPCWレーザに軸モード選択
性を与えたところの本発明の一実施例に用いられ
る半導体基体を第３図に示し、第４図にその半導
体基体上に形成した半導体レーザの斜視図、第５
図にそのレーザ共振器長方向に平行な断面図を示
した。第６図１〜５は、その溝幅の大きい部分で
のレーザ共振器長方向に垂直な断面図、第６図６
〜１０は、同じく溝幅の小さい部分の断面図によ
つて示した本発明の半導体レーザの主要な製造工
程を示す図である。この構造は、前述した従来の
PCWレーザにおいて光ガイド層の形状、即ち層
厚と凸部の幅が共振器長方向に変化したものに対
応している。以下に本発明の半導体レーザの構造
をその製造工程によつて説明する。まず、第６図
１，６に示すｎ型GaAs層７の｛100｝面に幅の変
化したストライプ状の窓を有するフオトレジスト
膜を形成し、これをマスクとして化学的エツチン
グにより幅が変化した溝を形成する。残りのフオ
トレジスト膜を除去し、良く洗浄して第３図に示
したような溝を形成した半導体基体を得る（第６
図２，７）。次に、液相エピタキシヤル成長によ
り順次、光及びキヤリア閉じ込め用のｎ型
Al₀.₃Ga₀.₇As光閉じ込め層８Ｃ第６図３，８）、
光ガイド及びキヤリア閉じ込め用のｎ型
Al₀.₁Ga₀.₉As光ガイド層９，９′（第６図４，
９）ｐ型GaAs活性層１０、ｐ型Al₀.₃Ga₀.₇As光
閉じ込め層１１、そしてｐ型GaAs接触容易化層
１２を形成する（第６図５，１０）。この際、溝
が狭い部分では成長速度が大きいのでこのような
部分でも第６図８のように、光閉じ込め層２の中
央部がくぼんでいる状態で成長を終えるように冷
却速度、成長時間を制御する。次にｐ型GaAs接
触容易化層１２の表面に帯状の窓を有したSiO₂
絶縁膜１３を、窓がｎ型GaAs基体７の溝の直上
に位置するように形成し、次にｐ型電極１４を付
着して溝に沿つたストライプ状電極を設ける。更
にｎ型GaAs基体７の裏面にｎ型電極１５を付着
させ、ストライプ状のｐ型電極１４のストライプ
方向に垂直に共振器反射面を形成し第４図に示し
た半導体レーザが得られる。本実施例によれば、
第５図及び第６図５，１０に示されるように活性
領域を形成する活性層１０と光ガイド層９，９′
のうち光ガイド層９，９′の形状がレーザ共振器
長方向に変化しており、従つて光の導波方向に実
効的な屈折率が変化した光導波路が半導体レーザ
の活性領域となつている。こうして製造された本
発明の半導体レーザでは活性領域の幅と厚みが光
の導波方向に変化している。活性領域の厚みは、
通常活性領域の横幅の数分の１程度と小さいので
光の導波モードの規定は厚み方向で極めて強い。
即ち、本発明では、厚みを変化させ、このより強
い導波機構を利用して軸モードに対する実効屈折
率変化を容易に得ることができる。このことはま
た光が導波されていく際の散乱損失を考えた場合
極めて有利である。即ち前述の従来の軸モード選
択性のある埋め込みヘテロレーザでは、幅の変化
したGaAs活性層３の側面での散乱損失が無視で
きないが、本発明の場合光の導波が強いのでこの
ような散乱損失は少なくなる。一方、本発明では
前述したPCWレーザと同様に活性層に平行な方
向に実効屈折率差△ｎがついているので横モード
も高出力まで基本モードで安定している。さら
に、本発明では活性領域の凸部の幅が大きい部分
では横方向の実効屈折率差△ｎが小さくなるので
こうした凸部の幅が大きい部分、即ち半導体基体
の溝の幅の大きい部分と、同じく小さい部分との
組合せを加減することで横方向の△ｎが加減さ
れ、軸モードだけでなく基本横モードの安定性を
も考慮した素子設計の自由度が増す利点がある。
さらにまた、本実施例においてレーザ出射端面付
近で溝幅が大となるように共振器端面を形成すれ
ばこの部分では光が活性層から光ガイド層にしみ
出して厚み方向に拡つて導波されるため整流接合
に垂直な方向のレーザ放射角が小さく、光フアイ
バーとの結合効率に優れた半導体レーザを得る。

以上、述べてきたように、本発明によれば安定
な基本横モードで発振し、軸モード選択性を有
し、基体の熱劣化のない１回の結晶成長工程によ
り容易に製造できる半導体レーザが得られる。

前述した実施例は、活性領域として活性層１０
と光ガイド層９，９′を有した、いわばPCWレー
ザにおいて溝幅が変化したものであつたが、活性
領域としては、活性層のみで光ガイド層のない構
造であつても同じ効果と機能を有する。この場合
は、GaAs活性層が第４図における光ガイド層
９，９′のような形状となるため横方向の屈折率
差が前述のPCWレーザより大きくなりより小さ
いスポツトサイズとなり、又、より強い軸モード
選択性を得る。また、これら２つの実施例では、
活性領域の凸部が厚い部分では幅も大きかつた
が、幅が小さい部分で厚くても本発明の効果、機
能を有する。

以上の実施例では、GaAs基体上に形成した場
合について述べたが、Ｉ_oＰを基体として光ガイ
ド層及び活性層にＩ_oxGa_1-xAs_yP_1-y等の４元系結
晶であつても良いことは言うまでもない。この場
合には、Ｉ_oＰ基体の方が活性層、あるいは光ガ
イド層を形成するＩ_oGaAsPより屈折率が小さ
く、禁制帯幅も大きいので、溝を形成したＩ_oＰ
基体そのものが光閉じ込め層となる。従つてＩ_o
Ｐ基体上に幅と深さを変化させた溝を形成し、活
性領域を形成する半導体層としてInGaAsPを用
いれば本発明の機能、効果を有する。しかし、幅
のみ変化した溝を設けたInP基体を用いた場合で
もInPかInGaAsPの光閉じ込め層を形成してから
光ガイド層としてInGaAsP層を形成すればやは
り本発明の機能、効果を有することは言うまでも
ない。

尚、実施例では、直線上に伸びた溝を用いてい
るが溝幅が変化していればわん曲した溝であつて
も良いことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の半導体レーザの斜視図、第２
図ａ，ｂは、従来の半導体レーザの断面図、第３
図は本発明の半導体レーザの半導体基体の斜視
図、第４図は、本発明の半導体レーザの斜視図、
第５図は、本発明の半導体レーザのレーザ共振器
長方向に平行な方向の主要断面図、第６図は、本
発明の半導体レーザの主要な製造工程を示す図で
ある。 各符号はそれぞれ、１……ｎ型GaAs基体、２
……ｎ型Al₀.₃Ga₀.₇As層、３……GaAs活性層、
４……ｐ型Al₀.₃Ga₀.₇As層、５……ｎ型GaAs
層、６……Znプレーナ拡散部、７……半導体基
体、８，１１……光閉じ込め層、９，９′……光
ガイド層、１０……活性層、１２……接触容易化
層、１３……SiO₂絶縁膜、１４……ｐ型電極、
１５……ｎ型電極に対応する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光の導波方向に沿つて幅が変化した溝を設け
   た半導体基体上に、活性層単層から成る活性領域
   あるいは活性層と当該活性層よりも屈折率が低
   く、禁制帯幅の大きい光ガイド層とから成る活性
   領域を当該活性領域を構成する半導体層の何れよ
   りも屈折率が低い２つの光閉じ込め層で挾み込ん
   だ層構造を形成し、前記活性層領域を構成する半
   導体層のうち少なくとも１層は前記溝の直上部の
   ストライプ状領域部において前記半導体基体側に
   凸なる形状を有し、当該凸部は前記溝の中央部に
   該当する部分で厚さが最も厚く溝端部程厚さが薄
   く、かつ導波方向においては幅及び厚みが変化し
   ていることを特徴とする半導体レーザ。