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JPH0212885A - 半導体レーザ及びその出射ビームの垂直放射角の制御方法 - Google Patents

半導体レーザ及びその出射ビームの垂直放射角の制御方法

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JPH0212885A
JPH0212885A JP63164034A JP16403488A JPH0212885A JP H0212885 A JPH0212885 A JP H0212885A JP 63164034 A JP63164034 A JP 63164034A JP 16403488 A JP16403488 A JP 16403488A JP H0212885 A JPH0212885 A JP H0212885A
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JP
Japan
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active layer
layer
refractive index
cladding layer
cladding
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Pending
Application number
JP63164034A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenichi Kobayashi
健一 小林
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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

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の層構造に関するものである。
（従来の技術） 半導体レーザは光通信、光情報処理用光源等に広く用い
られている。半導体レーザの出射ビームの形状は光通信
においてファイバへの結合という点で、光情報処理にお
いては低ＮＡレンズの使用による光ヘッドの低価格化と
いう点で重要であり、一般に出射ビーム放射角の小さい
ものほど望しい。
半導体レーザは一般にはダブルヘテロ構造を有し、その
構造による出射ビームの垂直放射角（活性層に直交する
方向での放射角）は、活性層厚と、活性層とクラッド層
の屈折率差によって決まる。第３図にそのダブルヘテロ
構造と屈折率分布を示す。
垂直放射角は活性層厚が薄いほど、また活性層とクラッ
ド層の屈折率が小さいほど、小さくなる。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら半導体の禁制帯幅と屈折率はクラマスクロ
ニッヒの関係より、バンドギャップが大きくなれば同一
波長の光に対する屈折率は小さくなるため、活性層１０
とクラッド層２０．３０の禁制帯幅の差と、活性層１０
とクラッド層２０．３０の屈折率差を独立には制御でき
ない。禁制帯幅の差は半導体レーザの発振しきい値電流
及び温度特性と密接に結びつき、屈折率差は半導体レー
ザの垂直放射角と密接に結びついている。発振しきい値
電流及び温度特性を向上させるため禁制帯幅を大きくと
れば必然的に垂直放射角は大きくなってしまう。また半
導体レーザにおいては、活性層とｐｎ接合の位置は一致
していなければならない。第５図に活性層とｐｎ接合の
位置関係を示す。（ａ）は正常な場合であり、（ｂ）は
異常な場合でリモートジャンクションと呼ばれるもので
、レーザの特性は悪くなる。この（ｂ）のりモートジャ
ンクションは結晶成長中でのオートドーピング現象によ
りよく起こる大きな問題である。Ｚｎをドーパントとす
るＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ及びＡＩＧａＩ
ｎＰ／ＧａＡｓ可視光半導体レーザでは顕著に見られる
現象である。通電によりこの現象が起こ′る場合もある
が、この場合は半導体レーザの劣化としてとらえられる
。結晶成長におけるドーピング制御及び劣化率に対して
は、活性層厚が厚いほど有利であり、また、制御しやす
い。活性層厚が０．１ｐｍ以上あれば非常に制御しやす
い。しかしながら垂直放射角は大きくなってしまう。ま
た、本発明では二重クラッド構造を有するものであり、
二重クラッド構造は従来技術の中でセパレートコンファ
インメント構造として開示されているが、この構造では
外側のクラッド層はど屈折率は小さく上述の議論の延長
線上で垂直放射角は論じられるものであり、決して厚い
活性層で低放射角は得られない構造である。
本発明の目的は、活性層と活性層の接するクラッド層の
禁制帯幅を大きくとった状態であるいは厚い活性層を採
用した場合、さらには厚い活性層を採用し、かつ禁制帯
幅を大きくなった状態で垂直放射角の小さい半導体レー
ザを提供することにある。
（議論を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明の半導体レーザは半導
体基板上に活性層を前記活性層より禁制帯幅が大きな半
導体結晶でなる第１のクラッド層で挟み込んだダブルヘ
テロ構造を有し、さらに前記ダブルヘテロ構造を第２の
クラッド層により上下に挾み込んだ光導波路層構造を有
し、前記活性層の屈折率ｎ１と前記第１のクラッド層の
屈折率ｎ２と前記第２のクラッド層の屈折率ｎ３の関係
を、活性層、第２のクラッド層、第１のクラッド層の順
（ｎ＋　＞　ｎ３＞　ｎ２）に大きくなるように構成し
、かつ上述の活性層、第１のクラッド層、第２のクラッ
ド層の層厚の和は光を導波するに十分な厚さであるよう
に設定したものである。
さらに、任意の値の垂直放射角を得るために、垂直放射
角を活性層厚及び活性層に接する第１のクラッド層の屈
折率ではなく、第１のクラッド層厚と第２のクラッド層
の屈折率で制御するものである。
（作用） 本発明の作用について、従来技術と比較しながら説明す
る。本発明の半導体レーザの断面模式図と屈折率分布を
第１図に、従来の一般的なダブルヘテロ構造の断面模式
図を第３図に示す。本発明の層構造は二重クラッド構造
である。従来の場合、活性層１０へのキャリアの閉じ込
めは活性層１０と第１のクラッド層２０．３０のバンド
ギャップ差により決まる。それと同時に垂直放射角も活
性層１０と第１のクラッド層２０．３０の屈折率差によ
って決まる。このギンドギャップ差と屈折率差は個別に
制御できない。一般にバンドギャップ差を大きくとると
放射角は大きくなる。本発明の場合はキャリアの活性層
への閉じ込めは従来と同じだが、本発明の二重クラッド
であるために垂直放射角は活性層１０、第１のクラッド
層２０，３０、第３のクラッド層４０．５０でなる導波
路全体の構造で決まり、第１のクラッド層２０．３０と
活性層１０のみ関係では決まらない。よって垂直放射角
を新たな生じたパラメータ、第１のクラッド層２０．３
０の厚さと第３のクラッド層４０．５０の屈折率ｎ３に
より制御できることになる。従来二重クラッド構造はセ
パレートコンファインシフト構造として開示されている
。以下では本発明とセパレートコンファインシフト構造
の作用上構造上の違いについて述べる。第４図にセパレ
ートコンファインシフト構造の断面図とその屈折率分布
を示す。セパレートコンファインシフト構造の屈折率に
は以下の関係がある。活性層の屈折率ｎ１、第１のクラ
ッド層の屈折率ｎ２、第２クラッド層の屈折率ｎ３はこ
の順に大きい（ｎｘ　＞　ｎｚ＞　ｎ３）。しかしなが
ら活性層厚が薄いことが特徴であり、これにより第１の
クラッド層２０．３０と第２のクラッド４０．５０の屈
折率差が光の垂直放射角を支配的に制御するようにした
ものである。
すなわち、キャリアは活性層１０と第１のクラッド層の
バンドギャップ差により閉じ込められ、光は第１のクラ
ッド層と第２のクラッド層により導波される。これがこ
の構造の名のいわれでもある。
よって厚膜の活性層においては大きな効果を発揮しない
。本発明では屈折率の関係は活性層１０の屈折率ｎ１、
第２のクラッド層２０．３０の屈折率ｎ３、第１のクラ
ッド層４０．５０の屈折率ｎ２の順に大きい（ｎｌ＞　
ｎ３＞　ｎｚ）という関係であり、垂直放射角特性を活
性層の厚い側にシフトさせるものである。よって活性層
が薄い場合においては非導波モードが存在することにな
る。これはセパレートコンファインシフト構造との作用
の違いによって生じるものだが、カットオフ以上の厚さ
の活性層にすればよいことであり、この方向は前述した
りモートジャンクションにならないようにすることにと
ってもよい方向となっている。また全層厚に関して言え
ば半導体レーザは有限の厚さの層構造で形成されること
になるため全層厚は光を導波するに十分な厚さであるこ
とは当然のことである。
以下では計算例を用いて具体的に説明する。
第２図に活性層１０の屈折率ｎ１を３．５３、第１のク
ラッド層２０．３０の屈折率ｎ２を３．３８、第２のク
ラッド層４０．５０の屈折率ｎ３を３．３８．３．４１
．３．４４と変えた場合の活性層厚に対する垂直出射ビ
ーム半値角の依存性を示す。第１のクラッド層２０．３
０の厚さは各々０．１μｍの場合である。第２図中ｎ３
を３．３８とした場合の第３図の従来のダブルヘテロ構
造の一例となっている。第２図を見て明らかなように、
垂直出射ビーム半値角２０°を得るためにはｎ３＝３．
３８の場合（従来）では活性層厚は０．０６１１ｍ　、
本発明の一例であるｎ３　＝：３．４１の場合では０．
１Ｐｍとなり、厚い活性層において低放射角が得られる
。第２図は第１のクラッド層２０．３０を０．１Ｐｍと
した場合であるが、第１のクラッド層厚２０．３０の厚
さを厚くすると放射角は小さくなり、薄くすると放射角
は大きくなる。よって第１のクラッド層２０．３０の層
厚と第２のクラッド層４０．５０の屈折率ｎ３を変える
ことにより任意の放射角に設定することが可能となる。
すなわち、温度特性と成長時におけるドーピング制御の
点より、活性層１０と第１のクラッド層２０．３０の禁
制帯幅の差と、活性層１０の厚さを任意に決定した後に
、垂直出射ビーム半値角を第１のクラッド層２０．３０
の層厚と第２のクラッド層４０．５０の屈折率ｎ３によ
り任意の値に設定できることになる。
（実施例） 本発明の構造の実施はＡＩＧａＩｎＰ可視光半導体レー
ザによって行なった。ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッフ
ァ層を積層後、Ｓｅドープ”０．３３ＧａＯ，６７）０
．５■ｎＰＯ，５Ｐでなる厚さ１．５ｐｍの第２のクラ
ッド層４０、Ｓｅドープ（ＡＩＯ，４ＧａＯ，６）０．
５ＩｎＯ，５Ｐでなる厚さ０．１Ｐｍの第１のクラッド
層ノンドープのＧａｏ、５Ｉｎｏ、５Ｐでなる厚さ０．
１Ｐｍの活性層１０、Ｚｎドープ”０．４ＧａＯ，６）
０．５ＩｎＯ，５Ｐでなる厚さ０．１Ｐｍの第１のクラ
ッド層３０　、Ｚｎドープ”０．３３ＧａＯ，６７）０
．５ＩｎＯ，５Ｐでなる厚さ１．５ｐｍの第２のクラッ
ド層５０、及びＺｎドープＧａｏ５Ｉｎ。、５Ｐ　、　
ＺｎドープＧａＡｓキャップ層をこの順に順次積層しレ
ーザ用のＤＨウェファを作製した。その後電極ストライ
プ型の半導体レーザに加工し特性を調べた。この構造は
第２図中ｎ３＝＝　３．４１、活性層０．１０ｐｍにほ
ぼ対応し、実際の垂直出射ビーム半値角は約２０°であ
り、０．１μｍという厚い活性層で非常に低い放射角を
得ることができた。
発振しきい値電流は１２０ｍＡ前後（共振器長２５０ｐ
ｍ、ストライプ輻９ｐｍ）でありウェファ間で大きなば
らつきはなかった。一方活性層厚を０．０５ｐｍとしク
ラッド層を”０．４Ｇａ０．６）０．５ＩｎＯ，５Ｐと
した従来タイプのダブルヘテロ構造では確かに垂直出射
ビーム半値角は２Ｏ４前後になったが、ウェファ間では
大幅にしきい値がばらつき、発振しないウェファも存在
した。これはドーパントであるＺｎが成長中に拡赦しリ
モートジャンクションになることによって生じているた
めと考えており、実際に安定した発振しきい値電流が得
られていない。
（発明の効果） 以上述べてきたように本発明によれば厚膜の活性層を有
する半導体レーザにおいて低放射角の出射ビームを得る
ことができる。また、半導体レーザの設計において温度
特性と放射角を分離し個別に考慮することができるよう
になる。特にＡＩＧａＩｎＰ可視光半導体レーザについ
て述べれば現在温度特性に対して種々の値が報告されて
いる。その中で温度特性か活性層とクラッド層の禁制帯
幅に大きく依存し、”０．４Ｇａ０．６）０．５ＩｎＯ
，５Ｐでなる層をクラッド層とするもので特性温度Ｔｏ
が６０Ｋ。
（ＡＩＯ，７ＧａＯ，３）０．５ＩｎＯ，５Ｐでなる層
をクラッド層とするもので１２０にという報告がある。
もしにこの値に従いかつ本発明の構造を採用しなければ
特性温度ＴＯが１００にで垂直出射ビーム半値角２０°
という半導体レーザを安定に作成することは非常に難し
い。
本実施例では現在液も効果か多大で考えられるＡＩＧａ
ＩｎＰ可視光半導体レーザについて述べたが、半導体レ
ーザの材料にはよらず種々の材料においても効果を発揮
するものである。
【図面の簡単な説明】
第１図に本発明の半導体レーザの断面図及び屈折率分布
を、第２図に本発明の半導体レーザの出射ビーム半値角
の活性層厚依存性を、第３図及び第４図に従来の半導体
レーザの断面図と屈折率分布を示した。第５図はダブル
ヘテロ構造におけるドーピング制御に関する説明図であ
る。 図中、１０は活性層、２０．３０は第１のクラッド層、
４０．４０は第２のクラッド層、６０は半導体基板であ
る。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １）半導体基板上に活性層を前記活性層より禁制帯幅が
    大きな半導体結晶でなる第１のクラッド層で挟み込んだ
    ダブルヘテロ構造を有し、さらに前記ダブルヘテロ構造
    を第２のクラッド層により上下に挟み込んだ光導波路層
    構造をもつ半導体レーザにおいて、前記活性層の屈折率
    ｎ＿１と前記第１のクラッド層の屈折率ｎ＿２と前記第
    ２のクラッド層の屈折率ｎ＿３の関係が、活性層、第２
    のクラッド層、第１のクラッド層の順（ｎ＿１＞ｎ＿３
    ＞ｎ＿２）に大きく、かつ前記活性層、前記第１のクラ
    ッド層、前記第２のクラッド層でなる光導波路層厚が光
    を導波するに十分な厚さを有することを特徴とする半導
    体レーザ。２）半導体基板上に活性層を前記活性層より
    禁制帯幅が大きな半導体結晶でなる第１のクラッド層で
    挟み込んだダブルヘテロ構造を有し、さらに前記ダブル
    ヘテロ構造を第２のクラッド層により上下に挟み込んだ
    光導波路層構造を有し、かつ前記活性層の屈折率ｎ＿１
    と前記第１のクラッド層の屈折率ｎ＿２と前記第２のク
    ラッド層の屈折率ｎ＿３の関係が活性層、第２のクラッ
    ド層、第１のクラッド層の順（ｎ＿１＞ｎ＿３＞ｎ＞２
    ）に大きい半導体レーザにおいて、出射ビームの垂直放
    射角の制御を第１のクラッド層厚および第２のクラッド
    層の屈折率により行うことを特徴とする半導体レーザの
    出射ビーム垂直放射角の制御方法。
JP63164034A 1988-06-29 1988-06-29 半導体レーザ及びその出射ビームの垂直放射角の制御方法 Pending JPH0212885A (ja)

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