JPH041514B2 - - Google Patents
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Description
本発明は半導体レーザ、とくに横モードの安定
化されたストライプ形半導体レーザに関するもの
である。
半導体レーザは、小形、高効率で、直接変調が
可能なことから、光通信、光情報処理、光集積回
路用の光源として種々の用途が考えられている。
特に単一横モード発振可能なレーザが増々重要と
なり、各種の半導体レーザが開発されてきた。し
かしながら、ストライプ幅を非常に狭くしてゆく
と、極端にしきい値電流密度が増加したり、軸モ
ードも単一でなく、多くの軸モードが発振してし
まう等の欠点を有する。光集積回路では半導体レ
ーザ自体の大きさが非常に問題となり、狭ストラ
イプ化はさけられない。又、これまでに本発明者
等によつて、光集積回路に適した三端子型半導体
レーザの特許出願(特開昭57−78180号;半導体
レーザ)がなされている。
三端子型半導体レーザとはバイポーラモード静
電誘導トランジスタと半導体レーザを一体化した
もので代表的な例である第1図を参照しながら原
理を説明する。
第1図は代表例の斜視図である。GaAs、
GaAlAsを半導体層としている場合について具体
例を述べる。
1はP+GaAsの結晶基板、2は第2の半導体層
p+Ga1-xAlxAs、3は第1の半導体層Ga1-yAly
As、4は第3の半導体層nGa1-xAlxAs、5は第
4の半導体層nGaAsであり、0y<x<1な
る関係にある。6はp+領域、7はn+領域、8,
9,10は金属電極である。9がアノード、8が
カソード、10がゲートである。電極9と電極8
の間に流れる電流をゲート10に印加する電圧に
よつて高効率、高速に制御するのが、第1図の半
導体レーザの機能である。第3の半導体層のキヤ
リア濃度によつても異なるが、ゲート印加電圧に
より、効率的に制御しようとする場合は、ゲート
から流れこむ正孔の拡散距離LAの2倍程度以下
にゲート間隔Wをしなければならない。領域4の
キヤリア濃度を1×1015cm-3程度にしたとき、ゲ
ート間隔は3μm以下がよい。すなわち、電流通
路が非常に狭いストライプとなり、前述したよう
に狭ストライプの欠点を同様に有する。
本発明の目的は狭ストライプを有した半導体レ
ーザの欠点を改良して、単一横モードで、しきい
値電流密度も小さく、消費電力の小さい制御電極
を有する三端子形半導体レーザを提供することで
ある。
第2図は、本発明による実施例である。図中1
〜10は第1図と同じであり、21は第2の半導
体層のうちの凸部を示している。22は例えば
n+のGaAsであり、基板、第1半導体層と反対導
電型で層2より屈折率の高い第6の半導体層であ
る。モードを安定させるためには光導波部分の屈
折率を高める必要があるが、第1図に示すような
構造ではpn接合に平行な方向では屈折率分布は
設けられていない。実効的に屈折率を高めるには
二つの方法があり、一方は最初から、屈折率の高
い部分、あるいは光の伝搬損失の大きい部分を材
質、構造を選択することによりストライプ中に設
けることであり、他法は光導波のための光の利得
の高い所を設けると、その場所は実効的に屈折率
が高くなる。利得の高い所とは、注入電流を集中
させて、半導体中にキヤリアの反転分布を作り出
すことによつて可能である。すなわち、第1図に
おける構造では横方向に屈折率分布が構造的に設
けられていない。さらに、カソード7から注入さ
れる電子の流れはゲート6によつてしぼられる
が、その後は拡がる。又、アノードの電極は通常
全面に設ける上、基板1の厚さは通常100μm程
度と厚く電流は第1図中の矢印の如く拡がり、活
性層3で横方向の電流とじ込めができずに、しき
い値電流が増加しかつ電流集中もできないため
に、横モードの安定化も計れない。第2図におい
ては、内部に実質的な屈折率差を設ける2構造を
取り入れている。まず第1の構造として第2の半
導体層で発光領域に対応して厚い領域21、それ
以外の部分は薄い領域となる様にしている。即ち
発光領域とそれ以外の領域に対応する部分の少な
くとも境界に第2、第3の半導体層のいずれかあ
るいは同時に厚みに段差を持たせ、且つこの半導
体層の厚さの薄い領域の外にしみ出した光の実効
的複素屈折率を変化させる層を設けたものであ
る。第3図は活性層3を0.1μm厚さのGaAs、そ
の外側をGa1-xAxxAs半導体層(x=0.3)とした
ときの各層に対して垂直方向の光の強度分布であ
る。横軸は垂直方向の距離d(μm)、縦軸は相対
的光強度R.Iであり、図中に活性層厚さd1=0.1μ
mを示している。すなわち、活性層d1から外への
光のしみ出しの量を示していて、活性層外に相当
の量の光がしみ出している事がよく理解される。
さらに、Ga0.7Al0.3As層においても少なくとも
0.6μm程度は厚さがないと、外部への光のしみ出
しが生じて、損失が多くなる。第2図の構造のレ
ーザを例とすると、厚さd 2=0.6μmよりも薄く
し、領域21の厚さは1μm程度よりも厚くして
おくと、溝幅aより外側で損失が多く、溝幅a以
内では損失が少くて、溝内にレーザ光をとじ込め
ることができる。光の導波特性は、溝のある部分
とない部分の複素屈折率差δn〓で決定される。δn〓
はδn〓=△n+i1/2K0α〜と書くことができる。こ
こで△nは実効屈折率、α〓は実効吸収係数、K0は
レーザ光の真空中での波数である。△nはα〓にほ
ぼ比例し、構造よりα〓を決めることにより、光の
導波特性が記述できる。d1=0.1μm、d2=0.6μm
でα〓≒40cm-1、△n≒4×10-4程度となる。d1が
大きくなると第3図における光のしみ出しが少な
くなるのでα〓40cm-1とするにはd1=0.15μmの場
合、d20.5μm(△n=3×10-4)d1=0.2μmの
場合、d20.45μm(△n≒2×10-4)となる。
実効屈折率が少し小さいが、△n≧1×10-3に保
とうとすると、d1=0.1μm、d20.45μm(α〓≒
200cm-1)d1=0.15μm、d20.35μm(α〓=300cm
-1)、d1=0.2μm、d20.25μm(α〓=500cm-1)の
条件にすればよい。その場合は損失α〓が非常に大
きくなる。
一方、第2の構造として、第2図の領域22に
基板1と第2の半導体層に対して、反対導電型の
半導体層若しくは高抵抗の層を設けている。これ
により電流の通路を半導体基板側でもしぼること
になり、電流の拡がりはレーザ発光部だけに殆ん
どおさえることができる。例えば第2図中の矢印
の如く電流は流れるようになり、半導体レーザの
活性層における電流効果は非常によくなり、その
ためモードとじこめもよくなつて、さらに実質的
に全体のしきい値電流も小さくなる。活性層中に
注入された電子密度と光導波路の利得△gの関係
は、GaAs−Ga1-xAlxAsのダブルヘテロ構造レー
ザでは、しきい値電流の式(実験式)より以下の
様に表わされる。
△g=eηΓ/20τsn−225Γ(cm-1) …(1)
ただし、e≒1.602×10-19クーロン、η:内部
量子効率、τs:キヤリアの寿命、Γ:光のとじこ
め係数、n=キヤリア密度cm-3である。x=0.3、
d=0.1μm、τs=1nsec、η=1として、x=0.3
とd=0.1μmよりΓ≒0.28とすると
△g=2.24×10-16n−63(cm-1) …(2)
となる。一方、損失(αtotal)は以下のようにな
る。
αtotal=αi+1/2L(ln1/R1+ln1/R2) …(3)
ただし、αi:半導体内の散乱、吸収損失、L:
半導体レーザの長さ、R1,R2:ミラーの反射率
である。この場合だとnが2.8×1017cm-3から利得
が生じ始め、△g=αtotalでレーザ発振が起こ
る。
αi=10cm-1、L=100μm、R1=R2=0.31
(GaAs)とするとαtotal=127cm-1となり、nth=
8.5×1017cm-3(Jth=1360A/cm2)でレーザ発振が
起こる。内部での利得はそのときgnet=117cm-1
程度の利得がある。
第4図aはストライプの横方向における電流の
拡がりを示している。第4図bはストライプ横方
向の正味利得gnetの分布を示している。第4図a
で横軸はストライプ幅方向x(μm)でストライ
プの中心を0とし、縦軸は注入電子密度n(cm-3)
を示している。ストライプ幅はS=6μmの例で
あり、図中41は、第1図のような半導体レーザ
における活性層での電流拡がりを示し、42は第
2図の構造の基板側に電流のしぼり構造を導入し
た場合の電流拡がりを示す。電流しぼりの効果は
非常に大きく、しきい値電流を低減化できる。特
に2〜3μm以下のストライプ幅の半導体レーザ
では電流拡がりはさらに大きくなり、しきい値電
流は極端に大きくなり、余分の電流がストライプ
幅より外に流れることにより、レーザストライプ
外での損失による局部発熱等が生じ、モード不安
定性の誘因になる。故に、狭ストライプにすれば
するほど電流拡がりを防ぐ構造は重要となる。第
4図bでは横軸はストライプ幅方向x(μm)で、
ストライプの中心を0とし、縦軸は半導体レーザ
内部での吸収、散乱損失をひいた正味の利得gnet
である。図中、43,44は第4図aの電子密度
分布41,42に対応した利得である。計算には
式(2)を使用している。45,46は、光のしみ出
し構造において、光導波路以外の部分の損失を
100cm-1程度としたときの43,44からの変化
を示す。2方法を用いる事によつて、ストライプ
幅の所だけ光増幅利得を非常に大きくすることが
容易となり、しきい値電流の低減と横モード安定
性をさらに高めることができる。ストライプ幅横
方向における複素屈折率差は、前述した損失と利
得により、δn〓=△n+i1/2K0(α〓〜g)によつ
て
表わすことができる。この実部△nと虚部1/2K0
(α〓〜g)はクラマー・クローニツヒの関係によ
つて関連づけることができ、(α〓−g)がわかれ
ば△nが導出され得る。前述した利得、損失よ
り、△nは通常大きくしても△n≒10-3程度であ
る。
ストライプ幅を狭くしてゆき、伝送光波の波長
の長さが問題になつてくると、ストライプ幅と活
性層の厚さの関係を適性値にしないと伝搬利得が
小さくなつたり、高次モードが生じたりする。方
形誘電体線路の場合について検討すると、方形の
場合、幅W、厚みdでの内部の屈折率n1、周囲の
屈折率は全部n2として、単一基本モードのみを伝
える条件は第1表のようになる。第1表中、λ:
自由空間波長であり、表中の値が基本モードだけ
を伝搬する最大の大きさである。
The present invention relates to a semiconductor laser, and particularly to a striped semiconductor laser with stabilized transverse mode. Semiconductor lasers are small, highly efficient, and capable of direct modulation, and are therefore being considered for a variety of uses as light sources for optical communications, optical information processing, and optical integrated circuits.
In particular, lasers capable of single transverse mode oscillation have become increasingly important, and various semiconductor lasers have been developed. However, if the stripe width is made extremely narrow, there are drawbacks such as an extremely increased threshold current density and oscillation of many axial modes instead of a single axial mode. In optical integrated circuits, the size of the semiconductor laser itself is a serious problem, and narrow stripes cannot be avoided. The present inventors have also filed a patent application for a three-terminal semiconductor laser suitable for optical integrated circuits (Japanese Unexamined Patent Publication No. 78180/1989; Semiconductor Laser). A three-terminal semiconductor laser is a device that integrates a bipolar mode electrostatic induction transistor and a semiconductor laser, and the principle thereof will be explained with reference to FIG. 1, which is a typical example. FIG. 1 is a perspective view of a typical example. GaAs,
A specific example will be described in which GaAlAs is used as the semiconductor layer. 1 is a P + GaAs crystal substrate, 2 is a second semiconductor layer
p + Ga 1-x Al x As, 3 is the first semiconductor layer Ga 1-y Al y
As, 4 is the third semiconductor layer nGa 1-x Al x As, and 5 is the fourth semiconductor layer nGaAs, and they have a relationship of 0y<x<1. 6 is p + region, 7 is n + region, 8,
9 and 10 are metal electrodes. 9 is an anode, 8 is a cathode, and 10 is a gate. Electrode 9 and Electrode 8
The function of the semiconductor laser shown in FIG. 1 is to control the current flowing during this time with high efficiency and high speed by the voltage applied to the gate 10. Although it varies depending on the carrier concentration of the third semiconductor layer, if you want to control it efficiently by applying a voltage to the gate, the gate spacing W should be set to about twice the diffusion distance L A of holes flowing from the gate. must be done. When the carrier concentration in region 4 is about 1×10 15 cm −3 , the gate interval is preferably 3 μm or less. That is, the current path becomes a very narrow stripe, which also has the drawbacks of the narrow stripe described above. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the drawbacks of semiconductor lasers with narrow stripes and to provide a three-terminal semiconductor laser having a single transverse mode, low threshold current density, and a control electrode with low power consumption. It is. FIG. 2 is an embodiment according to the present invention. 1 in the diagram
10 are the same as those in FIG. 1, and 21 indicates a convex portion of the second semiconductor layer. 22 is for example
The sixth semiconductor layer is made of n + GaAs, has a conductivity type opposite to that of the substrate and the first semiconductor layer, and has a higher refractive index than layer 2. In order to stabilize the mode, it is necessary to increase the refractive index of the optical waveguide portion, but in the structure shown in FIG. 1, there is no refractive index distribution in the direction parallel to the pn junction. There are two ways to effectively increase the refractive index. One is to provide a portion with a high refractive index or a portion with a large light propagation loss in the stripe from the beginning by selecting the material and structure. In other methods, when a place with a high optical gain is provided for optical waveguide, the refractive index of that place becomes effectively high. A high gain region can be achieved by concentrating the injection current and creating a population inversion of carriers in the semiconductor. That is, in the structure shown in FIG. 1, no refractive index distribution is structurally provided in the lateral direction. Further, the flow of electrons injected from the cathode 7 is restricted by the gate 6, but then expands. In addition, the anode electrode is usually provided over the entire surface, and the thickness of the substrate 1 is usually about 100 μm, so that the current spreads as shown by the arrow in FIG. 1, and the active layer 3 cannot contain the current in the lateral direction. Since the threshold current increases and the current cannot be concentrated, it is impossible to stabilize the transverse mode. In FIG. 2, two structures are adopted that provide a substantial internal refractive index difference. First, as a first structure, the second semiconductor layer has a thick region 21 corresponding to the light emitting region, and a thin region in other parts. That is, the thickness of either or both of the second and third semiconductor layers is made to have a step difference at least at the boundary between the light-emitting region and the portion corresponding to the other region, and the semiconductor layer is made to seep outside of the thinner region. A layer is provided that changes the effective complex refractive index of the emitted light. FIG. 3 shows the intensity distribution of light in the direction perpendicular to each layer when the active layer 3 is GaAs with a thickness of 0.1 μm and the outside thereof is a Ga 1-x Ax x As semiconductor layer (x=0.3). The horizontal axis is the vertical distance d (μm), the vertical axis is the relative light intensity RI, and the active layer thickness d 1 = 0.1 μm is shown in the figure.
It shows m. In other words, it shows the amount of light seeping out from the active layer d1 , and it is well understood that a considerable amount of light seeps out of the active layer.
Furthermore, in the Ga 0.7 Al 0.3 As layer, at least
If the thickness is less than about 0.6 μm, light will seep out to the outside, resulting in increased loss. Taking the laser structure shown in FIG. 2 as an example, if the thickness d 2 is made thinner than 0.6 μm and the thickness of the region 21 is made thicker than about 1 μm, there will be a large loss outside the groove width a. Within the groove width a, the loss is small and the laser beam can be confined within the groove. The waveguide characteristics of light are determined by the complex refractive index difference Δn between the grooved part and the grooved part. δn〓
can be written as δn〓=△n+i1/2K 0 α ~ . Here, Δn is the effective refractive index, α〓 is the effective absorption coefficient, and K 0 is the wave number of the laser beam in vacuum. Δn is approximately proportional to α〓, and by determining α〓 from the structure, the waveguide characteristics of light can be described. d 1 = 0.1 μm, d 2 = 0.6 μm
Therefore, α=≒40cm -1 and △n≒4×10 -4 . As d 1 increases, light seepage in Figure 3 decreases, so to set α = 40 cm -1 , if d 1 = 0.15 μm, d 2 0.5 μm (△n = 3 × 10 -4 ) d 1 = 0.2 μm, d 2 is 0.45 μm (△n≒2×10 −4 ).
Although the effective refractive index is a little small, if we try to keep △n≧1×10 -3 , d 1 = 0.1 μm, d 2 0.45 μm (α〓≒
200cm -1 ) d 1 = 0.15 μm, d 2 0.35 μm (α = 300 cm
-1 ), d 1 =0.2 μm, and d 2 0.25 μm (α=500 cm −1 ). In that case, the loss α〓 becomes very large. On the other hand, as a second structure, a semiconductor layer of a conductivity type opposite to that of the substrate 1 and the second semiconductor layer or a layer of high resistance is provided in the region 22 of FIG. As a result, the current path is also narrowed on the semiconductor substrate side, and the spread of the current can be suppressed almost exclusively to the laser emitting portion. For example, the current flows as shown by the arrow in Figure 2, and the current effect in the active layer of the semiconductor laser becomes very good.As a result, mode confinement improves, and the overall threshold current also becomes substantially smaller. Become. The relationship between the electron density injected into the active layer and the gain △g of the optical waveguide is as follows based on the threshold current equation (experimental equation) for a GaAs-Ga 1-x Al x As double heterostructure laser. is expressed in △g=eηΓ/20τsn−225Γ (cm -1 ) ...(1) where, e≒1.602×10 -19 coulombs, η: internal quantum efficiency, τ s : carrier lifetime, Γ: light confinement coefficient, n= The carrier density is cm -3 . x=0.3,
Assuming d=0.1μm, τs=1nsec, η=1, x=0.3
If we set Γ≒0.28 from d=0.1 μm, then △g=2.24×10 -16 n-63 (cm -1 )...(2). On the other hand, the loss (αtotal) is as follows. αtotal=α i +1/2L (ln1/R 1 +ln1/R 2 ) ...(3) where, α i : scattering and absorption loss in the semiconductor, L:
Length of semiconductor laser, R 1 , R 2 : Reflectance of mirror. In this case, gain begins to occur when n is 2.8×10 17 cm −3 and laser oscillation occurs when Δg=αtotal. α i =10cm -1 , L = 100μm, R 1 = R 2 = 0.31
(GaAs), αtotal=127cm -1 , and nth=
Laser oscillation occurs at 8.5×10 17 cm -3 (Jth=1360A/cm 2 ). The internal gain is then gnet = 117cm -1
There is some gain. Figure 4a shows the spread of the current in the lateral direction of the stripe. FIG. 4b shows the distribution of the net gain gnet across the stripe. Figure 4a
The horizontal axis is the stripe width direction x (μm), with the center of the stripe being 0, and the vertical axis is the injected electron density n (cm -3 ).
It shows. In the example, the stripe width is S = 6 μm. In the figure, 41 indicates the current spread in the active layer of the semiconductor laser as shown in Fig. 1, and 42 indicates the current narrowing structure on the substrate side of the structure shown in Fig. 2. This shows the current spread when introduced. The effect of current throttling is very large, and the threshold current can be reduced. In particular, in semiconductor lasers with a stripe width of 2 to 3 μm or less, the current spread becomes even larger and the threshold current becomes extremely large. This generates heat and causes mode instability. Therefore, the narrower the stripes, the more important is the structure that prevents current spread. In Fig. 4b, the horizontal axis is the stripe width direction x (μm),
The center of the stripe is set to 0, and the vertical axis is the net gain gnet after subtracting absorption and scattering loss inside the semiconductor laser.
It is. In the figure, 43 and 44 are gains corresponding to the electron density distributions 41 and 42 in FIG. 4a. Equation (2) is used for calculation. 45 and 46, in the light seepage structure, the loss in parts other than the optical waveguide is
It shows the change from 43 and 44 when it is about 100 cm -1 . By using the two methods, it becomes easy to greatly increase the optical amplification gain only in the stripe width, and it is possible to further reduce the threshold current and improve the transverse mode stability. The complex refractive index difference in the horizontal direction of the stripe width can be expressed by δn = Δn + i1/2K 0 (α = ~g) using the loss and gain described above. The real part Δn and the imaginary part 1/2K 0 (α〓~g) can be related by the Kramer-Kronig relationship, and if (α〓−g) is known, Δn can be derived. From the gain and loss described above, Δn is usually about Δn≒10 −3 even if it is increased. As the stripe width becomes narrower and the wavelength of the transmitted light wave becomes an issue, propagation gain may decrease or higher-order modes may occur unless the relationship between stripe width and active layer thickness is set to an appropriate value. Occurs. Considering the case of a rectangular dielectric line, if it is rectangular, the internal refractive index at width W and thickness d is n 1 and the surrounding refractive index is all n 2 , and the conditions for transmitting only a single fundamental mode are shown in Table 1. become that way. In Table 1, λ:
It is the free space wavelength, and the value in the table is the maximum size that propagates only the fundamental mode.
【表】
故にこの値より大きいと高次モードが伝搬する
ようになり、しかし逆にこれより小さい寸法にな
るに従つて伝搬損失が大きくなる。例えば、
GaAs系では、n1=3.6、Inp系のレーザではn1=
3.3とし、ほぼn1/n2=1.05が通常であるから、その
寸法を第2表に表わす。[Table] Therefore, if the value is larger than this value, higher-order modes will propagate, but conversely, as the size is smaller than this value, the propagation loss will increase. for example,
For GaAs-based lasers, n 1 = 3.6; for Inp-based lasers, n 1 =
3.3, and since n 1 /n 2 =1.05 is normal, the dimensions are shown in Table 2.
【表】
ストライプ幅Wを1μm程度の寸法にすると活
性層厚さは、第2表dに示すような値にした方が
伝搬損失は小さくなる。又、Inp系の半導体レー
ザの方が寸法的に大きくしなければならず、狭ス
トライプ化には不利である。
しかしながら、多くの半導体レーザでは、スト
ライプ幅の外部でn1/n2=1.001程度であり、上記の
寸法制限よりは活性層の厚さを薄くできる。ただ
し、バリードヘテロ接合DH半導体レーザ(BH
レーザ)では、上記の条件がそのまま適用され
る。狭ストライプ化について、さらにモデルを使
つて詳述する。
第5図は光導波路モデルの断面図である。光導
波領域100をかこむ周囲の領域98,99で構
成されている。100の領域の屈折率n1、99の
屈折率n2、98の屈折率n3とし、n1>n2、n3とす
る。100の領域が半導体レーザの活性領域に対
応し、導波路の幅aがストライプ幅に対応し、導
波路厚さbがレーザの活性層厚さに対応するので
ある。斜線の領域は光がないという近似を使つて
無視する。
第6図は第5図における光導波路の分散特性で
ある。但し、△n1=n1−n2/n1=5×10-2を一定と
して△n2=n1−n3/n1と光導波路の厚さbと波長入
に関係したn1b/λをパラメータとしている。横軸は
光導波路幅aと波長λに対応したn1a/λであり、縦
軸は(K2〓−K2 2)/(K1 2−KZ 2)である。Kは波
数であり、K1=2πn1/λ、K2=2πn2/λとなる。
λは自由空間長である。K〓が導波路中を伝搬
するモードの伝搬波数である。(K2〓−K2 2)/
(K1 2−K2 2)が0に近ずくことは、K〓=K2であ
り、導波路光はクラツド層の波数で伝搬し、広い
空間に拡がつて流れることを意味しており、損失
が非常に大きくなつていることがわかる。逆に
(K〓2−K2 2)/(K1 2−K2 2)が1に近づくときは
K〓=K1となり、導波路中に殆んどの光がとじ込
められて、屈折率n1だけで、その波数が決つてい
ることになる。1に近づくにつれて、導波特性は
良好である。第5図では、n1b/λ=0.5、1、1.5に
対して、△n2=n1−n3/n1=10-3、10-2、5×10-2の
場合の分散特性を示している。但し、基本モード
(TEoo、TMoo)に対して示している。n1b/λが
増加するにつれて、導波特性はよくなつている
が、n1b/λ=1.5以上になつてくると高次モードが
伝搬するようになる上、レーザのしきい値電流も
増大するのであまり大きくとることはできない。
しきい値電流を低く抑えることからGaAsの場合
だと短共振器の場合には通常d=0.1〜0.2μmに
選択する。すなわち、0.4<n1b/λ<0.8がよいこと
になる。さらに光導波路の幅aに対して、△n2=
10-3のときはほとんど関係なく一定である。横方
向の光とじ込めがあまり効果的におこなわれてい
ないということである。△n2=10-2、5×10-2に
なるに従い、光導波路幅の依存性が顕著になつて
きて、n1a/λで、2〜3の付近で急激に減少し、導
波特性が悪くなる。この分散特性だけでは、明僚
に狭ストライプの限界がわからないので、光導波
路の閉じ込め係数を求めてみる。第7図は閉じ込
め係数pとストライプ幅に相当するn1a/λの関係で
ある。閉じ込め係数pは全領域の光強度の全量に
対して、光導波路内(a×b)の領域に光がどれ
だけ在存するかの量である。Γが1に近いという
ことは、殆んどの光がコア部、すなわち活性層部
に集中していることを意味する。△n2=5×10-2
ではn1a/λは1〜2の間まで狭くできるが、△n2=
10-2だとn1b/λの限界は2〜3程度となり、△n2=
10-3になるとn1a/λを5〜6にしても閉じ込め係数
は大きくならない。△n2をある程度大きくしない
とよい光の伝搬特性は得られず、しきい値電流密
度を低くすることができない。Γの効果は(1)式に
出ていて、Γが1にくらべて小さいと内部損失、
ミラー損失が見かけ上大きくなつてしまうのであ
る。
ダブルヘテロ構造を導入しているために、ヘテ
ロ接合に垂直の方向では活性層のバンドギヤツプ
をクラツド層にくらべてある程度小さくすればキ
ヤリアの閉じ込めは充分なされるが、通常ヘテロ
接合に平行な方向では、充分なキヤリア閉じ込め
が行なわれてはいない。バリードヘテロ(BH)
やTJSレーザで行なわれているのみである。よう
するにストライプ幅方向でのキヤリアとじ込めを
行なうため横方向にヘテロ構造を導入したり、反
対導電型の障壁などをもうければ、キヤリアの閉
じ込めを行なうことが可能なのである。
第2図の構造の概略を述べておく。アノードで
あるp+GaAs基板1の不純物密度:1×1018〜2
×1019cm-3、21は基板1に設けた溝(深さは例
えば1〜1.5μm)、2は溝を含み基板上に成長し
たp−Ga1-xAlxAs層(x〜0.3、p=〜1×
1017-3)22は基板1、層2と反対導電型のn−
GaAs層で厚さ及び不純物密度:0.1〜1.5μm、1
×1016〜1×1018cm-3、GaAs活性層3の厚さ、不
純物密度、0.05〜1μm程度及び1×1014〜1×
1017cm-3、n−Ga1-xAlxAs(例えばx=0.3)4の
厚さ及び不純物密度は、0.5〜3μm程度及び1×
1013〜1×1016cm-3程度、n−GaAs層5は、厚さ
0.5〜2μm程度、不純物密度1×1013〜1×1016cm
-3程度、p+ゲート領域6の不純物密度は1×1017
〜5×1019cm-3程度、n+ソース領域7の不純物密
度は1×1017〜5×1019cm-3程度である。ゲー
ト・ゲート間隔(チヤンネル幅)は0.3〜3μm程
度である。又、各部の導電型が全く反対になり、
1、2、6がn形、他はp形になつても(活性層
はどちらでもよい)、領域1がアノード、領域6
をゲート、領域7をソースと呼ぶ。
第2図の構造製作方法としては、例えば、p+
基板にイオン注入により、表面にTe、S、Se、
Siなどのn形イオンを1×1016〜1×1018cm-3程
度打ち込み、1〜3Torr程度のAsH3雰囲気中800
〜900℃アニールを行なつた後、エツチングによ
り基板部にストライプ状溝を堀り、層2,3,
4,5を連続的にエピタキシヤル成長を行い、領
域6,7に、拡散やイオン注入で再び高濃度領域
を形成することによりできる。
p+領域は、イオン注入ではBe、Cd等を使い、
拡散ではZn等の不純物を使用する。
光導波路を形成するには様々な構造により達成
することができる。第2図に示した構造だけでは
ない。すなわち、実質的に光の伝搬する部分に周
囲より屈折率の高い所をつくりこめばよい。大き
く分けて屈折率が階段状(ステツプ構造)に変化
しその境界で光が反射しながら、伝搬する場々と
凸レンズと同様に光導波の中心の屈折率が高く周
囲にゆくに従つて屈折率の減少する(集束性構
造)ことにより光が蛇行しながら伝搬する場合に
分けることができる。第2図の21の部分は大き
く分けるとステツプ構造である。第8図は本発明
における光導波部及び電流しぼり部の各種形状で
ある。a〜dはステツプ構造、e〜hは集束性構
造をしている。これらの形状にとらわれることな
く、例えば光導波部が台形、三角形、その他多角
形であろうと実質的に屈折率の高い屈折率と電流
集中部を有すればよい。
第2図でゲート領域6は層4,5にわたつて形
成されているが、層4と5はヘテロ接合であり、
層4のバンドギヤツプの方が大きくなつているた
め、層4のゲート領域のP−N接合におけるホー
ル注入は層5のゲートp−n接合からのホール注
入より少なくなり、デバイスの特性上の電流利得
(gm=△ID/△IG)がよくない。第9図は層5を
厚く、層4を薄くすることによつて、ゲート領域
6を層5中に形成して電流利得をあげた実施例で
ある。又、層5は通常レーザしきい値電流等には
影響しないで、電極8,10等のオーミツクコン
タクト抵抗を下げるために形成されているので本
質的には必要がない。第10図は層5をなくし、
層4を厚くしその中にゲート領域を形成した実施
例である。GaAs、GaAlAs系のダブルヘテロ構
造半導体レーザで上記述べたオーミツク低減用の
層5が形成されるが、InP、InGaPAs系のダブル
ヘテロ構造半導体レーザでは、通常第10図の構
造となり、例えばp+InP基板1、n+InGaAsP層2
2、P−InP層2、InGaPAs活性層3、n−InP
層4、p+InP領域6によつて形成される。In1-x
GaxPyAs1-yの活性層を有しているために、InP
の結晶粒子と格子整合を実現しながら種々の組成
が実現でき入=1.0〜1.7μm程度は実現できる。
但し、InGaPAsの場合、λ1.4μm以上の組成
になると、液相成長を用いて形成すると、成長時
のメルトバツクなどの原因から活性層3とクラツ
ド層4の間にバツフア層を設ける場合もある。さ
らに他の実施例も同様であるが、第10図中71
の如く、プロトン照射などにより高抵抗領域を形
成することにより、余分な領域へのキヤリアの注
入が減り電流利得が上昇する他、ゲート領域のキ
ヤパシタンスが減少し、変調周波数が高くなる。
本願発明による構造は、必ずしも三端子型半導
体レーザに限ることなく、通常の二端子形半導体
レーザにも適用可能である。第11,12図は二
端子形半導体レーザの実施例である。先にも述べ
た如く、特に狭ストライプにしたとき有効とな
り、ストライプ幅W=5μm以下において特に効
果が出てくる。さらにW≦2〜3μm以下におい
ては、従来の構造の半導体レーザでは、モード不
安定、しきい値増加が著しいが、本願の構造によ
ると各種特性は著しく改善される。
第11図では81の領域が例えばn型のGaAs
で、82が拡散、イオンインプランテーシヨン等
によつて形成されるp+領域である。81と82
の界面は逆バイアスとなつて電流は流れず、層4
の接する領域のみ電流が流れる。V溝で形成する
ことにより、狭ストライプ化が簡単に達成でき
る。
さらに第12図では、80の領域もn形にし
て、例えばnのGaAlAsにして、V溝を深くし
て、領域82を活性層3をさらに越して、層2ま
で到達させる。そうすると、ヘテロ接合のため、
電流の流れる領域は、領域82と層3の接合部分
にほとんど集中するようになり、非常に高効率と
なる。
本発明の半導体レーザで横モードを安定化する
ことができるが軸モードは必ずしも安定しない。
特に狭ストライプになと軸モードのマルチ化が起
こるのが、第13図に示すような構造にして、単
一発光波長の安定な半導体レーザが実現できる。
第13図が横モード、軸モードの安定化された半
導体レーザの一実施例である。第13図aは表面
図、bはA−A′線に沿う断面図、cはB−B′線
に沿う断面図である。InP−InGaAsP系半導体レ
ーザを例にして各領域を説明する。101:
p+InP基板、102:p+−InP成長層、103:
InGaPAs活性層、104:n-−InP層、105:
n+−InP領域、106:p+−InP領域、107:
カソード電極、108:ゲート電極、109:ア
ノード電極、110:Si3N4、Al2O3などの絶縁
膜、111:n+InGaPAs層である。p+ゲートの
レーザ発光方向の周期は、m・λ/2n(λ:自由空
間波長、n:活性層の屈折率、m:整数1、2
…)になされてゆく。mが1より大きくなるにつ
れてモード選択の効率は悪くなる。例えばλ=
1.5μm、n=3.3、m=1とすれば0.23μmとなる。
m=3で0.69μm程度となる。この構造において
は、電流がレーザ光の軸方向定在波の電界強度が
最大になる近傍にだけ電流が周期的に流れるよう
に成されているので、軸方向モードが単一モード
で発振しやすく、しかも電流値がしきい値電流に
くらべて相当に大きくなつても、単一軸モードで
動作する。又、同様にDFB(Distributed−
feedback)DH構造半導体レーザなどにも適用す
ることができる。このように、軸モード、縦モー
ド、横モードともに完全に単一モードで動作する
半導体レーザは、半導体レーザの注入電流を変調
する直接変調を行なつても、単一波長動作が保た
れていて、通信などに使用したとき、システム全
体が安定できわめて有効である。
以上述べたのはすべて単チヤンネル型の半導体
レーザであつたが、マルチチヤンネル型の半導体
レーザを容易にできる。レーザ共振器方向に垂直
な方向の実施例の断面構造を第14,15,16
図に示す。第14図はゲート領域6が半導体領域
4に埋めこまれた三端子形マルチチヤンネル半導
体レーザである。第12図は表面拡散あるいはイ
オン注入などにより作成される表面ゲート型マル
チチヤンネル三端子半導体レーザである。第14
図はしいて言うとすべてのスポツトが同時にレー
ザ発光する大出力型半導体レーザに適している。
第14図のようにゲートを埋込み領域で構成する
とカソードアノード間に同じ電流を流すのに必要
なゲートに流れる電流が大きくなつて、電流利得
が小さい。第16図の半導体レーザは、各スポツ
トを同時に発光させることもできるし、各スポツ
トを制御することもできる。又、全部の発光領域
が同時に発光するときは、光の位相関係も重要で
あり、例えば、第16図において、GaAlAs、
GaAsレーザで層4を3μm厚さ、カソードストラ
イプ幅3μm、拡散深さ2μm、ストライプ中心間
略々10μm以下にして、導波路結合構造を導入す
ると各レーザ発光スポツトの位相が同期したレー
ザ発光が得られる。レーザ発光領域の間隔は、キ
ヤリアの横方向拡散距離や、レーザ光のしみ出し
距離、導波路結合構造に依存し、材料、構造など
によつて異なる。各レーザ領域を独立に制御した
いときは、第16図に示す如く、1つおきのゲー
ト間にプロトンやヘリウム照射による高抵抗領域
71を設けると、各素子を各ゲートの電圧によ
り、独立に制御できる。又、領域71の部分をエ
ツチングなどによつて素子分離を行なつてもよ
い、但し、もちろん、エツチングした後光照射
CVDにより、Si3N4やAlNを堆積してもよい。発
光領域の間隔はあまり狭すぎてはいけない。又、
ゲートは上記の構造に限らず、切り込みゲートな
どでもよい。
以上においては、チヤンネル領域が1つの導電
型だけであつたが、一部に反対導電型の層が入つ
ていてもよい。第17図a,bにそのレーザの断
面図を示す。171で示すp層がa図で挿入され
ている。b図では、カソード領域105とゲート
領域106を絶縁領域172で区切つている。
又、半導体と電極の接触抵抗を少なくするため
に、チヤンネル層104の材料より禁止帯幅の小
さい材料の層173が104の上に積層されてい
る。p領域171を設けることにより、ポテンシ
ヤル障壁が高くなり、チヤンネル長(カソードと
アノード間)を1つの導電型のレーザより短くす
ることができる。
本発明の半導体レーザの構造が、ここで述べた
ものに限らないことはいうまでもない。上記実施
例では基板がp+のものを用いていたが、n+基板
を使用し、その他の領域の導電型が実施例とまつ
たく反対になつていてもよい。レーザ発光部もこ
こに説明した構造だけでなく、BH(Buried
Heterostructire)、PCW(Plano−Convex
Waveguide)、BC(Buried Crescent)構造等を
導入できることはいうまでもない。材料も
GaAs、GaAlAs、InP−InGaPAsに限ることな
く、他の−族、−族、−族の化合物
半導体、及びそれらの混晶を用いたヘテロ構造を
用いてもよい。他の半導体では屈折率、キヤリア
の拡散長などが変化するため寸法はそれぞれにお
いて設計しなければならない。
本発明は以上述べた如く、光導波する部分(ス
トライプ幅内)をその周囲より実質的に、光導波
利得、損失に差をつけ、且つ屈折率に差をつける
と共に、電流の横方向拡散を抑えるために基板側
にも反対導電型あるいは高抵抗部分をつけること
により、狭ストライプレーザにおいても、横モー
ド安定及び軸モードの安定化が行える。要する
に、半導体レーザに流れる電流を制御するために
ゲート領域が導入されて、電流は導入された高不
純物密度領域よりなるゲートとゲートの間に閉じ
込められた形で流れることになるわけであるか
ら、実際にレーザ発光を行う活性領域内の接合面
に平行な方向にも導波路構造を持ち込んだ構造に
なつていて、ゲート・ゲート間隔と光導波路の幅
が略々等しいか、それより少し狭くなつていれば
よいのである。こうすることによつてレーザ光強
度の強い所にだけ集中して電流が流れるため、発
光効率がきわめて良くなるのである。
又、さらにゲートをレーザ発光方向に周期的に
設けることにより、さらに単一波長、単一横モー
ド、単一縦モードが広範囲な電流に渡り達せら
れ、又、光変調時にも発光波長の安定化が実現さ
れ、各分野できわめて有効である。さらにマルチ
チヤンネル化により、その応用範囲が広がり、本
願は工業的に極めて価値の高いものである。[Table] When the stripe width W is set to about 1 μm, the propagation loss becomes smaller when the active layer thickness is set to the value shown in Table 2 d. Furthermore, the Inp-based semiconductor laser must be larger in size, which is disadvantageous for narrow stripe formation. However, in many semiconductor lasers, n 1 /n 2 = about 1.001 outside the stripe width, and the thickness of the active layer can be made thinner than the above-mentioned dimensional limitations. However, the buried heterojunction DH semiconductor laser (BH
(laser), the above conditions apply as is. Narrow striping will be explained in more detail using a model. FIG. 5 is a cross-sectional view of the optical waveguide model. It is composed of surrounding regions 98 and 99 surrounding the optical waveguide region 100. The refractive index n 1 of the area is 100, the refractive index n 2 is 99, and the refractive index n 3 is 98, and n 1 >n 2 and n 3 are satisfied. The region 100 corresponds to the active region of the semiconductor laser, the waveguide width a corresponds to the stripe width, and the waveguide thickness b corresponds to the active layer thickness of the laser. The shaded area is ignored using the approximation that there is no light. FIG. 6 shows the dispersion characteristics of the optical waveguide in FIG. 5. However, assuming that △n 1 = n 1 - n 2 / n 1 = 5 × 10 -2 is constant, △n 2 = n 1 - n 3 / n 1 and n 1 related to the thickness b of the optical waveguide and the wavelength input. The parameter is b/λ. The horizontal axis is n 1 a/λ corresponding to the optical waveguide width a and wavelength λ, and the vertical axis is (K 2 〓−K 2 2 )/(K 1 2 −K Z 2 ). K is a wave number, K 1 =2πn 1 /λ, and K 2 =2πn 2 /λ. λ is the free space length. K〓 is the propagation wave number of the mode propagating in the waveguide. (K 2 〓−K 2 2 )/
The fact that (K 1 2 − K 2 2 ) approaches 0 means that K = K 2 , and the waveguide light propagates at the wave number of the cladding layer and spreads over a wide space. , it can be seen that the losses have become very large. Conversely, when (K〓 2 − K 2 2 )/(K 1 2 − K 2 2 ) approaches 1,
K = K 1 , and most of the light is confined within the waveguide, and its wave number is determined only by the refractive index n 1 . The closer the value is to 1, the better the waveguide characteristics are. In Figure 5, for n 1 b/λ = 0.5, 1, 1.5, the variance when △n 2 = n 1 − n 3 /n 1 = 10 -3 , 10 -2 , 5×10 -2 It shows the characteristics. However, it is shown for the basic mode (TEoo, TMoo). As n 1 b / λ increases, the waveguide characteristics improve, but when n 1 b / λ = 1.5 or more, higher-order modes begin to propagate, and the laser threshold value increases. Since the current will also increase, it cannot be made too large.
In order to keep the threshold current low, in the case of GaAs, d is usually selected to be 0.1 to 0.2 μm in the case of a short resonator. In other words, it is preferable that 0.4<n 1 b/λ<0.8. Furthermore, for the width a of the optical waveguide, △n 2 =
When 10 -3 , it is almost constant regardless. This means that light is not trapped in the lateral direction very effectively. As △n 2 = 10 -2 and 5 × 10 -2 , the dependence on the optical waveguide width becomes more pronounced, and at n 1 a/λ, it rapidly decreases around 2 to 3, and the waveguide width becomes more pronounced. Characteristics deteriorate. Since we cannot clearly determine the limit of narrow stripes from this dispersion characteristic alone, we will try to find the confinement coefficient of the optical waveguide. FIG. 7 shows the relationship between the confinement coefficient p and n 1 a/λ, which corresponds to the stripe width. The confinement coefficient p is the amount of light present in the area (a×b) within the optical waveguide with respect to the total amount of light intensity in the entire area. When Γ is close to 1, it means that most of the light is concentrated in the core region, that is, in the active layer region. △n 2 = 5×10 -2
Then, n 1 a/λ can be narrowed to between 1 and 2, but when △n 2 = 10 -2 , the limit of n 1 b/λ is about 2 to 3, and when △n 2 = 10 -3 , n 1 Even if a/λ is set to 5 to 6, the confinement coefficient does not increase. Good light propagation characteristics cannot be obtained unless Δn 2 is increased to a certain extent, and the threshold current density cannot be lowered. The effect of Γ is shown in equation (1), and if Γ is smaller than 1, the internal loss,
The mirror loss appears to be large. Because a double heterostructure is introduced, in the direction perpendicular to the heterojunction, carrier confinement is sufficient if the band gap of the active layer is made somewhat smaller than that of the cladding layer, but normally in the direction parallel to the heterojunction, There is not enough carrier confinement. Buried Hetero (BH)
This has only been done using TJS and TJS lasers. In order to confine carriers in the stripe width direction, it is possible to confine carriers by introducing a heterostructure in the lateral direction or by creating barriers of opposite conductivity type. An outline of the structure shown in FIG. 2 will be described below. Impurity density of p + GaAs substrate 1, which is an anode: 1×10 18 ~2
×10 19 cm -3 , 21 is a groove provided in the substrate 1 (depth is e.g. 1 to 1.5 μm), 2 is a p-Ga 1-x Al x As layer (x ~ 0.3 , p=~1×
10 17-3 ) 22 is n- of the opposite conductivity type to substrate 1 and layer 2.
GaAs layer thickness and impurity density: 0.1-1.5μm, 1
×10 16 to 1 × 10 18 cm -3 , thickness of GaAs active layer 3, impurity density, approximately 0.05 to 1 μm, and 1 × 10 14 to 1 ×
10 17 cm -3 , the thickness and impurity density of n-Ga 1-x Al x As (e.g. x = 0.3) 4 are about 0.5 to 3 μm and 1×
The thickness of the n-GaAs layer 5 is about 10 13 to 1×10 16 cm -3 .
Approximately 0.5 to 2μm, impurity density 1×10 13 to 1×10 16 cm
-3 , the impurity density of p + gate region 6 is 1×10 17
The impurity density of the n + source region 7 is about 1×10 17 to 5× 10 19 cm −3 . The gate-to-gate spacing (channel width) is approximately 0.3 to 3 μm. Also, the conductivity type of each part is completely opposite,
Even if 1, 2, and 6 are n-type and the others are p-type (the active layer can be either), region 1 is an anode and region 6 is
is called a gate, and region 7 is called a source. For example, p +
By ion implantation into the substrate, Te, S, Se,
N-type ions such as Si are implanted at about 1×10 16 to 1×10 18 cm -3 in an AsH 3 atmosphere of about 1 to 3 Torr at 800 m
After annealing at ~900°C, stripe-shaped grooves are dug in the substrate by etching, and layers 2, 3,
This can be achieved by epitaxially growing layers 4 and 5 successively, and forming high concentration regions again in regions 6 and 7 by diffusion or ion implantation. For the p + region, Be, Cd, etc. are used for ion implantation.
Impurities such as Zn are used for diffusion. Forming an optical waveguide can be achieved by various structures. The structure shown in FIG. 2 is not the only one. In other words, it is sufficient to create a portion having a higher refractive index than the surrounding area in a portion where light propagates. Broadly speaking, the refractive index changes stepwise (step structure), and the light propagates while reflecting at the boundaries.The refractive index is high at the center of the optical waveguide, similar to a convex lens, and decreases as it goes to the periphery. It can be divided into cases in which light propagates in a meandering manner due to a decrease in (focusing structure). The portion 21 in FIG. 2 can be roughly divided into a step structure. FIG. 8 shows various shapes of the optical waveguide section and the current throttle section in the present invention. A to d have a step structure, and e to h have a focusing structure. Without being limited to these shapes, for example, the optical waveguide may be trapezoidal, triangular, or other polygonal, as long as it has a substantially high refractive index and a current concentration portion. In FIG. 2, gate region 6 is formed across layers 4 and 5, but layers 4 and 5 are a heterojunction;
Since the bandgap of layer 4 is larger, the hole injection at the p-n junction in the gate region of layer 4 is smaller than the hole injection from the gate p-n junction of layer 5, which reduces the current gain due to the characteristics of the device. (gm=△I D /△I G ) is not good. FIG. 9 shows an embodiment in which the current gain is increased by forming the gate region 6 in the layer 5 by making the layer 5 thick and the layer 4 thin. Furthermore, the layer 5 is essentially unnecessary since it is formed to lower the ohmic contact resistance of the electrodes 8, 10, etc. without affecting the laser threshold current or the like. Figure 10 eliminates layer 5,
This is an example in which layer 4 is thickened and a gate region is formed therein. In GaAs and GaAlAs-based double heterostructure semiconductor lasers, the layer 5 for ohmic reduction described above is formed, but in InP and InGaPAs-based double heterostructure semiconductor lasers, the structure is usually as shown in FIG. 10, for example, p + InP. Substrate 1, n + InGaAsP layer 2
2, P-InP layer 2, InGaPAs active layer 3, n-InP
Layer 4 is formed by p + InP region 6 . In 1-x
InP has an active layer of Ga x PyAs 1-y .
Various compositions can be realized while achieving lattice matching with the crystal grains of 1.0 to 1.7 μm.
However, in the case of InGaPAs, when the composition is λ1.4 μm or more, a buffer layer may be provided between the active layer 3 and the cladding layer 4 due to meltback during growth when formed using liquid phase growth. The same applies to other embodiments, but 71 in FIG.
By forming a high-resistance region by proton irradiation or the like, the injection of carriers into the extra region is reduced and the current gain is increased, and the capacitance of the gate region is reduced and the modulation frequency is increased. The structure according to the present invention is not necessarily limited to three-terminal semiconductor lasers, but can also be applied to ordinary two-terminal semiconductor lasers. 11 and 12 show examples of two-terminal semiconductor lasers. As mentioned above, this is particularly effective when the stripes are narrow, and the effect is particularly effective when the stripe width W is 5 μm or less. Furthermore, when W≦2 to 3 μm or less, semiconductor lasers with conventional structures exhibit significant mode instability and threshold increases, but the structure of the present invention significantly improves various characteristics. In FIG. 11, the region 81 is made of n-type GaAs, for example.
82 is a p + region formed by diffusion, ion implantation, etc. 81 and 82
The interface of layer 4 becomes reverse biased and no current flows.
Current flows only in the area where the two are in contact. By forming V-grooves, narrow stripes can be easily achieved. Furthermore, in FIG. 12, a region 80 is also made n-type, for example, made of n-type GaAlAs, and the V-groove is deepened so that the region 82 extends beyond the active layer 3 and reaches the layer 2. Then, because of the heterojunction,
The region where current flows is almost concentrated in the junction between region 82 and layer 3, resulting in extremely high efficiency. Although the transverse mode can be stabilized in the semiconductor laser of the present invention, the axial mode is not necessarily stabilized.
In particular, multiplicity of longitudinal modes occurs in narrow stripes, and a stable semiconductor laser with a single emission wavelength can be realized by using a structure as shown in FIG. 13.
FIG. 13 shows an embodiment of a semiconductor laser in which transverse mode and axial mode are stabilized. FIG. 13a is a surface view, b is a cross-sectional view taken along the line A-A', and FIG. 13c is a cross-sectional view taken along the line B-B'. Each region will be explained using an InP-InGaAsP semiconductor laser as an example. 101:
p + InP substrate, 102: p + -InP growth layer, 103:
InGaPAs active layer, 104: n - -InP layer, 105:
n + -InP region, 106: p + -InP region, 107:
Cathode electrode, 108: Gate electrode, 109: Anode electrode, 110: Insulating film such as Si 3 N 4 or Al 2 O 3 , 111: n + InGaPAs layer. The period in the laser emission direction of the p + gate is m・λ/2n (λ: free space wavelength, n: refractive index of the active layer, m: integer 1, 2
…) will be done. As m becomes larger than 1, mode selection becomes less efficient. For example, λ=
If 1.5 μm, n=3.3, and m=1, it becomes 0.23 μm.
When m=3, it is about 0.69 μm. In this structure, the current flows periodically only in the vicinity where the electric field strength of the axial standing wave of the laser beam is maximum, so the axial mode tends to oscillate in a single mode. , and operates in single-axis mode even when the current value is significantly larger than the threshold current. Similarly, DFB (Distributed−
(feedback) It can also be applied to DH structure semiconductor lasers. In this way, a semiconductor laser that operates completely in a single mode in axial mode, longitudinal mode, and transverse mode maintains single wavelength operation even when direct modulation is performed to modulate the injection current of the semiconductor laser. When used for communications, etc., the entire system is stable and extremely effective. All of the semiconductor lasers described above are single-channel type semiconductor lasers, but multi-channel semiconductor lasers can be easily manufactured. The cross-sectional structure of the embodiment in the direction perpendicular to the laser resonator direction is shown in the 14th, 15th, and 16th sections.
As shown in the figure. FIG. 14 shows a three-terminal multichannel semiconductor laser in which a gate region 6 is embedded in a semiconductor region 4. FIG. 12 shows a surface gate type multi-channel three-terminal semiconductor laser manufactured by surface diffusion or ion implantation. 14th
In other words, the figure is suitable for a high-output semiconductor laser in which all spots emit laser light at the same time.
If the gate is configured as a buried region as shown in FIG. 14, the current flowing through the gate required to flow the same current between the cathode and anode becomes large, resulting in a small current gain. In the semiconductor laser shown in FIG. 16, each spot can emit light at the same time, or each spot can be controlled. Furthermore, when all light emitting regions emit light at the same time, the phase relationship of light is also important. For example, in FIG. 16, GaAlAs,
By using a GaAs laser and making the layer 4 3 μm thick, the cathode stripe width 3 μm, the diffusion depth 2 μm, and the stripe center spacing approximately 10 μm or less, and introducing a waveguide coupling structure, laser light emission with the phase of each laser emission spot synchronized can be obtained. It will be done. The spacing between the laser emitting regions depends on the lateral diffusion distance of the carrier, the seepage distance of the laser beam, and the waveguide coupling structure, and varies depending on the material, structure, etc. When it is desired to control each laser region independently, as shown in FIG. 16, by providing a high resistance region 71 by irradiating protons or helium between every other gate, each element can be controlled independently by the voltage of each gate. can. Further, element isolation may be performed by etching the region 71, but of course, after etching, light irradiation may be performed.
Si 3 N 4 or AlN may be deposited by CVD. The spacing between the light emitting regions should not be too narrow. or,
The gate is not limited to the above structure, and may be a cut gate or the like. In the above description, the channel region is of only one conductivity type, but a portion of the channel region may include a layer of the opposite conductivity type. Figures 17a and 17b show cross-sectional views of the laser. A p layer indicated at 171 is inserted in figure a. In figure b, the cathode region 105 and the gate region 106 are separated by an insulating region 172.
Further, in order to reduce the contact resistance between the semiconductor and the electrode, a layer 173 of a material having a smaller band gap than the material of the channel layer 104 is laminated on the layer 104. By providing the p region 171, the potential barrier becomes higher, and the channel length (between the cathode and the anode) can be made shorter than that of a single conductivity type laser. It goes without saying that the structure of the semiconductor laser of the present invention is not limited to that described here. Although the above embodiment uses a p + substrate, an n + substrate may be used, and the conductivity type of the other regions may be completely opposite to that of the embodiment. The laser emitting part has not only the structure explained here, but also a BH (Buried
Heterostructire), PCW (Plano-Convex)
It goes without saying that it is possible to introduce structures such as Waveguide (Waveguide) and BC (Buried Crescent) structure. Material too
It is not limited to GaAs, GaAlAs, and InP-InGaPAs, and heterostructures using other - group, - group, - group compound semiconductors, and mixed crystals thereof may also be used. With other semiconductors, the refractive index, carrier diffusion length, etc. change, so the dimensions must be designed for each. As described above, the present invention makes the optical waveguide portion (within the stripe width) substantially different from its surroundings in optical waveguide gain and loss, and also in refractive index, as well as lateral diffusion of current. By attaching an opposite conductivity type or high resistance portion to the substrate side to suppress this, it is possible to stabilize the transverse mode and the axial mode even in a narrow stripe laser. In short, a gate region is introduced to control the current flowing through the semiconductor laser, and the current flows in a confined manner between the gates formed by the introduced high impurity density regions. It has a structure in which the waveguide structure is also carried in the direction parallel to the junction plane in the active region where laser light is actually emitted, and the gate-to-gate interval and the width of the optical waveguide are approximately equal or slightly narrower. All you have to do is stay there. By doing this, the current flows in a concentrated manner only in areas where the laser light intensity is strong, resulting in extremely high light emission efficiency. Furthermore, by providing gates periodically in the laser emission direction, single wavelength, single transverse mode, and single longitudinal mode can be achieved over a wide range of current, and the emission wavelength can also be stabilized during optical modulation. has been realized and is extremely effective in various fields. Furthermore, the application range is expanded by multi-channeling, and the present application is of extremely high industrial value.
第1図は従来の三端子形半導体レーザの斜視
図、第2図は本発明の実施例、第3乃至7図は本
発明を説明するための図、第7乃至12図は本発
明の他の実施例、第13図はゲートに周期構造を
導入した実施例、第14乃至16図はマルチチヤ
ンネルにした実施例、第17図は本発明の他の実
施例である。
1……p+−GaAs基板、2……p−GaAlAs、
3……GaAs活性層、4……n-−GaAlAs層、5
……n-−GaAs、6……p+領域ゲート部、7……
n+GaAsカソード部、8……カソード電極、9…
…アノード電極、10……ゲート電極、21……
凸部、22……n−GaAs層。
Fig. 1 is a perspective view of a conventional three-terminal semiconductor laser, Fig. 2 is an embodiment of the present invention, Figs. 3 to 7 are diagrams for explaining the present invention, and Figs. FIG. 13 shows an embodiment in which a periodic structure is introduced into the gate, FIGS. 14 to 16 show an embodiment in which a multi-channel structure is used, and FIG. 17 shows another embodiment of the present invention. 1...p + -GaAs substrate, 2...p-GaAlAs,
3...GaAs active layer, 4...n - -GaAlAs layer, 5
...n - -GaAs, 6...p + region gate part, 7...
n + GaAs cathode section, 8... cathode electrode, 9...
...Anode electrode, 10...Gate electrode, 21...
Convex portion, 22...n-GaAs layer.
Claims (1)
ード領域、前記アノード領域に隣接して設けられ
た周囲より屈折率が大きく、禁制帯幅が小さい活
性層、前記活性層に隣接して高抵抗領域よりなる
第1導電形と反対導電形の第2導電形のチヤンネ
ル領域を備え、前記チヤンネル領域の一端に高不
純物密度領域よりなる前記第2導電形の領域及び
前記チヤンネル領域の少なくとも一部を囲うべく
設けられた第1導電形の高不純物密度領域よりな
るゲート領域を備え、上記ヘテロ接合に平行な方
向においてレーザ発光領域において実効屈折率、
実効利得を増加させる構造を有し、前記アノード
と活性層との間に電流集中のための第2導電形の
領域をレーザ発光領域の外に沿つて前記ゲート間
隔と等しい距離をおいて形成し、前記ゲート領域
をレーザ発光方向に周期的に複数個配置し、前記
ゲートにはさまれたチヤンネル領域の幅が3μm
以下で、前記レーザ発光領域の実効屈折率の高い
領域の幅に等しいか、もしくは小さいことを特徴
とする半導体レーザ。1. An anode region of a first conductivity type consisting of a high impurity density region, an active layer provided adjacent to the anode region and having a higher refractive index and a narrower forbidden band width than the surroundings, and a high resistance region adjacent to the active layer. a channel region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and surrounding at least a part of the channel region and a region of the second conductivity type consisting of a high impurity density region at one end of the channel region; the effective refractive index in the laser emitting region in the direction parallel to the heterojunction;
A region having a structure that increases effective gain and having a second conductivity type for current concentration is formed between the anode and the active layer along the outside of the laser emission region at a distance equal to the gate interval. , a plurality of the gate regions are arranged periodically in the laser emission direction, and the width of the channel region sandwiched between the gates is 3 μm.
In the following, a semiconductor laser is characterized in that the width is equal to or smaller than the width of the region having a high effective refractive index in the laser emission region.
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JPS59987A JPS59987A (en) | 1984-01-06 |
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JPS6215871A (en) * | 1985-07-15 | 1987-01-24 | Agency Of Ind Science & Technol | Semiconductor laser device |
KR940005454B1 (en) * | 1991-04-03 | 1994-06-18 | 삼성전자 주식회사 | Compound semiconductor device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS56152289A (en) * | 1980-04-25 | 1981-11-25 | Univ Osaka | Stripe type semiconductor laser with gate electrode |
JPS5710992A (en) * | 1980-06-24 | 1982-01-20 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Semiconductor device and manufacture therefor |
-
1982
- 1982-06-26 JP JP57110264A patent/JPS59987A/en active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS59987A (en) | 1984-01-06 |
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