JP3235778B2 - Semiconductor laser - Google Patents

Semiconductor laser

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JP3235778B2
JP3235778B2 JP30536296A JP30536296A JP3235778B2 JP 3235778 B2 JP3235778 B2 JP 3235778B2 JP 30536296 A JP30536296 A JP 30536296A JP 30536296 A JP30536296 A JP 30536296A JP 3235778 B2 JP3235778 B2 JP 3235778B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクシステ
ムの光源などに用いられる低雑音自励発振型半導体レー
ザに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low-noise self-oscillation type semiconductor laser used for a light source of an optical disk system or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信、レーザプリンタ、光ディ
スクなどの分野で半導体レーザの需要が高まり、GaA
s系及びInP系を中心として、活発に研究開発が進め
られてきた。光情報処理分野においては、特に波長が7
80nmのAlGaAs系半導体レーザの光による情報
の記録・再生を行う方式が実用化され、コンパクトディ
スク等で広く普及するに至っている。
2. Description of the Related Art In recent years, the demand for semiconductor lasers in the fields of optical communication, laser printers, optical discs, etc.
Research and development have been actively promoted mainly on s-systems and InP-systems. In the optical information processing field, the wavelength
A system for recording / reproducing information with the light of an 80 nm AlGaAs-based semiconductor laser has been put into practical use, and has been widely used in compact discs and the like.

【0003】しかし、最近になって、これらの光ディス
ク装置に益々記憶容量の増加が求められるようになり、
それに伴い、短波長レーザの実現に対する要望が強まっ
てきている。AlGaInP系半導体レーザは、波長が
630〜690nmでの赤色領域で発振が可能であり、
現在実用レベルにある半導体レーザの中で最も短波長の
光が得られるものである。従って、従来のAlGaAs
系半導体レーザに代わる次世代の大容量光情報記録用光
源として有望である。
However, recently, an increase in the storage capacity of these optical disk apparatuses has been required,
Accordingly, there is an increasing demand for realizing a short wavelength laser. An AlGaInP-based semiconductor laser can oscillate in a red region at a wavelength of 630 to 690 nm.
This is the one that can obtain the shortest wavelength light among the semiconductor lasers currently in practical use. Therefore, the conventional AlGaAs
It is promising as a next-generation large-capacity optical information recording light source that replaces semiconductor lasers.

【0004】ところで、半導体レーザは、光ディスクの
再生時にディスク面からの反射光の帰還や温度の変化に
より強度雑音を発生し、信号の読取エラーを誘発する。
従って、光ディスクの光源用には、強度雑音の少ないレ
ーザが不可欠となる。
Incidentally, a semiconductor laser generates intensity noise due to feedback of reflected light from the disk surface or a change in temperature during reproduction of an optical disk, thereby inducing a signal reading error.
Therefore, a laser with low intensity noise is indispensable for the light source of the optical disk.

【0005】従来、再生専用・低出力のAlGaAs系
半導体レーザでは、リッジストライプの両側に意図的に
可飽和吸収体が形成されるような構造を採用することに
よって、低雑音化を図ってきた。これによって、縦モー
ドをマルチ化することができる。すなわち、レーザが縦
単一モードで発振しているときに光の帰還や温度変化等
の外乱が入ると、利得ピークの微少な変化によって近接
する縦モードが発振を開始し、元の発振モードとの間で
競合を起して、これが雑音の原因となる。縦モードをマ
ルチ化すると、各モードの強度変化が平均化され、しか
も外乱によって変化しないので、安定な低雑音特性を得
ることができる。
Conventionally, in a read-only, low-output AlGaAs semiconductor laser, noise has been reduced by adopting a structure in which a saturable absorber is intentionally formed on both sides of a ridge stripe. This makes it possible to multiply the vertical mode. In other words, if a disturbance such as feedback of light or temperature change enters while the laser oscillates in the longitudinal single mode, the neighboring longitudinal mode starts to oscillate due to a small change in the gain peak, and the laser oscillates with the original oscillation mode. And this causes noise. When the longitudinal mode is multiplied, the intensity change of each mode is averaged and does not change due to disturbance, so that stable low noise characteristics can be obtained.

【0006】また、別の方法として、さらに安定な自励
発振特性を得る方法が、特開昭63−202083号公
報に示されている。ここでは、出力光を吸収することの
できる層を設けることによって、自励発振型半導体レー
ザを実現している。
As another method, a method for obtaining a more stable self-excited oscillation characteristic is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-20883. Here, a self-pulsation type semiconductor laser is realized by providing a layer capable of absorbing output light.

【0007】さらに、特開平6−260716号公報で
は、活性層のエネルギーギャップと吸収層のエネルギー
ギャップとをほぼ等しくすることによって特性を改善し
たとの報告がなされている。特に、歪量子井戸活性層の
エネルギーギャップと歪量子井戸可飽和吸収層のそれ
が、ほぼ等しくなっている。この構成によって、良好な
自励発振特性を得ようとしている。同様の構成が、特開
平7−22695号公報にも記載されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-260716 reports that the characteristics were improved by making the energy gap of the active layer substantially equal to the energy gap of the absorbing layer. In particular, the energy gap of the strained quantum well active layer is substantially equal to that of the strained quantum well saturable absorption layer. With this configuration, an attempt is made to obtain good self-excited oscillation characteristics. A similar configuration is also described in JP-A-7-22695.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らの検討によると、可飽和吸収層と活性層とのエネル
ギーギャップをほぼ等しくするだけでは、良好な自励発
振特性が得られないことが明らかとなった。
However, according to the study of the present inventors, it is found that good self-pulsation characteristics cannot be obtained only by making the energy gap between the saturable absorbing layer and the active layer substantially equal. It became clear.

【0009】さらに、自励発振特性のレーザは、同波長
で同出力の自励発振しないレーザと比較して、若干、し
きい値電流が高いということが言える。
Further, it can be said that the laser having the self-excited oscillation characteristic has a slightly higher threshold current than the laser which does not self-oscillate at the same wavelength and the same output.

【0010】そこで本発明は、可飽和吸収層と活性層と
のエネルギーギャップ差、さらに、端面反射の条件等も
検討することにより、小さいしきい値電流で、低雑音特
性に有効な安定した自励発振特性をもつ半導体レーザを
提供することを目的とする。
Therefore, the present invention considers the energy gap difference between the saturable absorbing layer and the active layer, the conditions of the end face reflection, and the like, so that a stable threshold current with a small threshold current and effective for low noise characteristics can be obtained. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser having excitation oscillation characteristics.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、少なくとも量子井戸層を有する活性層と、該活性層
を挟むクラッド構造と、を備えた半導体レーザであっ
て、該クラッド構造は、可飽和吸収層および該可飽和吸
収層の上に設けられたエッチングストッパ層を含んでお
り、該可飽和吸収層のエネルギーギャップが、該活性層
の該量子井戸層の基底準位間のエネルギーギャップより
も、約30meVから約200meVだけ小さく、それ
ぞれの端面の反射率が約40%〜約90%であり、前記
可飽和吸収層の基底準位と該可飽和吸収層に隣接する層
の伝導帯の底との間のエネルギーギャップ差が、約10
0meV〜約210meVであって、そのことにより上
記目的が達成される。
A semiconductor laser according to the present invention is a semiconductor laser having at least an active layer having a quantum well layer and a clad structure sandwiching the active layer. A saturated absorbing layer and the saturable absorbing layer;
An etching stopper layer provided on the converging layer , wherein an energy gap of the saturable absorbing layer is about 30 meV to about 200 meV higher than an energy gap between ground levels of the quantum well layer of the active layer. And the reflectivity of each end face is about 40% to about 90% ,
Ground level of saturable absorption layer and layer adjacent to saturable absorption layer
Energy gap difference with the bottom of the conduction band of
0 meV to about 210 meV, thereby achieving the above objective.

【0012】本発明の他の局面によれば、少なくとも量
子井戸層を有する活性層と、該活性層を挟むクラッド構
造と、を備えた半導体レーザであって、該クラッド構造
は、可飽和吸収層および該可飽和吸収層の上に設けられ
たエッチングストッパ層を含んでおり、該可飽和吸収層
のエネルギーギャップが、該活性層の該量子井戸層の基
底準位間のエネルギーギャップよりも、約30meVか
ら約200meVだけ小さく、スロープ効率が約0.1
mW/mA〜約0.4mW/mAであり、前記可飽和吸
収層の基底準位と該可飽和吸収層に隣接する層の伝導帯
の底との間のエネルギーギャップ差が、約100meV
〜約210meVであって、そのことによって上記目的
が達成される。好ましくは、前記スロープ効率が約0.
15mW/mA〜約0.35mW/mAである。なお、
ここでいう「スロープ効率」とは、「自励発振特性を有
する半導体レーザの光出力−電流特性に見られる光吸収
領域(例えば、図13を参照のこと)を除く部分での効
率」を言う。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser including at least an active layer having a quantum well layer, and a clad structure sandwiching the active layer, wherein the clad structure has a saturable absorption layer. And provided on the saturable absorption layer
And includes an etching stopper layer, the energy gap of the saturable absorption layer, than the energy gap between the ground level of the quantum well layer of the active layer, less about 30meV by about 200 meV, the slope efficiency of about 0.1
mW / mA to about 0.4 mW / mA.
Ground level of the absorption layer and conduction band of the layer adjacent to the saturable absorption layer
Energy gap difference with the bottom of
~ 210 meV, thereby achieving the above objectives. Preferably, the slope efficiency is about 0.5.
15 mW / mA to about 0.35 mW / mA. In addition,
The term “slope efficiency” as used herein refers to “the efficiency in a portion excluding a light absorption region (see, for example, FIG. 13) found in the light output-current characteristics of a semiconductor laser having self-sustained pulsation characteristics”. .

【0013】ある実施形態では、前記クラッド構造がさ
らに光ガイド層を含んでいる。
In one embodiment, the cladding structure further includes a light guide layer.

【0014】好ましくは、共振器長Lが約350μm≦
L≦約700μmである。
Preferably, the resonator length L is about 350 μm ≦
L ≦ about 700 μm.

【0015】また、好ましくは、ストライプ幅Wが約
2.0μm≦W≦約6.0μmである。
Preferably, the stripe width W is about 2.0 μm ≦ W ≦ about 6.0 μm.

【0016】前記活性層及び前記可飽和吸収層は、Al
xGayIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)から構成
される層であり得る。
The active layer and the saturable absorption layer are made of Al
It is a layer composed of x Ga y In 1-y P (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1).

【0017】[0017]

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【0020】[0020]

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明者らは、「活性層と可飽和
吸収層とのエネルギーギャップ差(△E)」と自励発振
との関係を検討した。本願明細書において、活性層と可
飽和吸収層とのエネルギーギャップ差(△E)とは、活
性層及び可飽和吸収層が量子井戸構造を有している場
合、「レーザ発振前における活性層の量子井戸層の基底
準位間のエネルギーギャップ(E’ga)から、可飽和
吸収層の基底準位間のエネルギーギャップ(E’gs)
を引いた値(E’ga−E’gs)」を意味する。これ
らのエネルギーギャップ(E’ga、E’gs)とバン
ドギャップ(Ega、Egs)との関係を、図1に模式
的に示す。一般に、量子井戸構造を持つ半導体層におい
て、基底準位間のエネルギーギャップは、伝導帯の底と
価電子帯の底との間ではなく、それぞれの量子準位間の
エネルギー差(E’g)であるので、通常のバンドギャ
ップ(Eg)よりも、約70meV程度、エネルギーギ
ャップは大きくなる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have studied the relationship between the "energy gap difference (ΔE) between an active layer and a saturable absorbing layer" and self-excited oscillation. In the specification of the present application, the energy gap difference (ΔE) between the active layer and the saturable absorption layer means “the active layer and the saturable absorption layer have a quantum well structure” when “the active layer and the saturable absorption layer have a quantum well structure. From the energy gap between the ground levels of the quantum well layer (E'ga), the energy gap between the ground levels of the saturable absorption layer (E'gs)
(E′ga−E′gs) ”. FIG. 1 schematically shows the relationship between these energy gaps (E′ga, E′gs) and band gaps (Ega, Egs). In general, in a semiconductor layer having a quantum well structure, the energy gap between the ground levels is not between the bottom of the conduction band and the bottom of the valence band, but the energy difference (E'g) between the quantum levels. Therefore, the energy gap is about 70 meV larger than the normal band gap (Eg).

【0022】なお、活性層が量子井戸構造を有し、可飽
和吸収層がバルク構造を有している場合は、活性層と可
飽和吸収層とのエネルギーギャップ差は、「レーザ発振
前における活性層の基底準位間のエネルギーギャップ
(E’ga)から、可飽和吸収層のバンドギャップ(E
gs)を引いた値」を意味することとする。
When the active layer has a quantum well structure and the saturable absorption layer has a bulk structure, the difference in energy gap between the active layer and the saturable absorption layer is determined as follows: From the energy gap between the ground levels of the layer (E'ga), the band gap (E
gs) minus “value”.

【0023】本発明において、可飽和吸収層は、量子井
戸構造を持つこともあれば、バルク構造を持つこともあ
る。そのため、本願明細書では、便宜上、「可飽和吸収
層のエネルギーギャップ」を、次のように定義すること
とする。すなわち、可飽和吸収層が量子井戸構造を有す
る場合は、「基底準位間のエネルギーギャップ(E’g
s)」を意味し、可飽和吸収層がバルク構造を有する場
合は、その「バンドギャップ(Egs)」を意味するこ
とする。この「可飽和吸収層のエネルギーギャップ」と
いう言葉を用いれば、「活性層と可飽和吸収層とのエネ
ルギーギャップ差」は、「レーザ発振前における活性層
の量子井戸層の活性層の基底準位間のエネルギーギャッ
プから可飽和吸収層のエネルギーギャップを引いた値」
と表現される。
In the present invention, the saturable absorbing layer may have a quantum well structure or a bulk structure. Therefore, in the present specification, for convenience, the “energy gap of the saturable absorbing layer” is defined as follows. That is, when the saturable absorption layer has a quantum well structure, the energy gap between ground levels (E′g
s), and when the saturable absorption layer has a bulk structure, it means its “band gap (Egs)”. By using the term “energy gap of the saturable absorption layer”, “the energy gap difference between the active layer and the saturable absorption layer” is defined as “the ground level of the active layer of the quantum well layer of the active layer before laser oscillation. Value obtained by subtracting the energy gap of the saturable absorber from the energy gap between
Is expressed as

【0024】本願発明者らによる検討の結果、活性層と
可飽和吸収層とのエネルギーギャップ差(△E)を約3
0meVから約200meVとすることで、可飽和吸収
層がレーザ光を効率よく吸収するとともに、光の吸収も
飽和するため、安定した自励発振が得られることが明ら
かとなった。活性層と可飽和吸収層とのエネルギーギャ
ップ差(△E)が約30meVより小さければ、自励発
振は得られない。これはエネルギーギャップ差が小さい
ため、可飽和吸収層があまりレーザ光を吸収しないため
であると考えられる。また、エネルギーギャップ差(△
E)が約200meVを越えると、可飽和吸収層での光
吸収が大きくなりすぎ、可飽和吸収層が飽和特性を示さ
なくなるので、自励発振が起こらない。従って、エネル
ギーギャップ差(△E)は、約30meV〜約200m
eVがよいことがわかった。
As a result of a study by the inventors of the present invention, the energy gap difference (ΔE) between the active layer and the saturable absorbing layer was set to about 3
It has been clarified that when the voltage is changed from 0 meV to about 200 meV, the saturable absorbing layer efficiently absorbs the laser light and also saturates the light absorption, so that stable self-pulsation can be obtained. If the energy gap difference (ΔE) between the active layer and the saturable absorbing layer is smaller than about 30 meV, self-excited oscillation cannot be obtained. This is probably because the energy gap difference is small and the saturable absorbing layer does not absorb much laser light. In addition, the energy gap difference (△
If E) exceeds about 200 meV, light absorption in the saturable absorption layer becomes too large, and the saturable absorption layer does not exhibit saturation characteristics, so that self-pulsation does not occur. Therefore, the energy gap difference (ΔE) is about 30 meV to about 200 m.
It turned out that eV was good.

【0025】現在の結晶成長技術によれば、各半導体層
のエネルギーギャップ及びエネルギーギャップ差(△
E)は数meV以下の精度で制御できる。このため、形
成された活性層と可飽和吸収層とのエネルギーギャップ
差(△E)が約10meVもあれば、これらの活性層及
び可飽和吸収層は、エネルギーギャップ差(△E)を設
けることを意図して形成されたものと認められる。従っ
て、活性層と可飽和吸収層とのエネルギーギャップ差
(△E)が約10meV以上あれば、活性層の量子井戸
層の基底準位間のエネルギーギャップと可飽和吸収層の
エネルギーギャップとが「ほぼ同一である」とは言えな
い。
According to the current crystal growth technology, the energy gap and the energy gap difference (△
E) can be controlled with an accuracy of several meV or less. Therefore, if the energy gap difference (ΔE) between the formed active layer and the saturable absorbing layer is about 10 meV, the active layer and the saturable absorbing layer must have the energy gap difference (ΔE). It is recognized that it was formed with the intention of. Therefore, if the energy gap difference (ΔE) between the active layer and the saturable absorbing layer is about 10 meV or more, the energy gap between the ground level of the quantum well layer of the active layer and the energy gap of the saturable absorbing layer becomes “ Almost the same. "

【0026】特に、エネルギーギャップ差(△E)が約
50meV〜約100meVの範囲では、可飽和吸収層
の飽和条件が最適となり、高い動作温度でも安定な自励
発振が達成される。エネルギーギャップ差(△E)が約
100meVを越えると、可飽和吸収層での光吸収がだ
んだん大きくなり、動作電流もやや大きくなる。よっ
て、エネルギーギャップ差は約100meV以下であれ
ば好ましいといえる。このように、エネルギーギャップ
差が約50meV〜約100meVの範囲内にあるとき
には、半導体レーザの動作電流が大きくならない上に、
極めて特性のよい自励発振特性が得られる。特に、自動
車に搭載する場合など比較的高温の環境で半導体レーザ
を動作させる可能性がある場合には、このようなエネル
ギーギャップ差に設定することが好ましい。
In particular, when the energy gap difference (ΔE) is in the range of about 50 meV to about 100 meV, the saturation condition of the saturable absorbing layer is optimal, and stable self-sustained pulsation is achieved even at a high operating temperature. When the energy gap difference (ΔE) exceeds about 100 meV, the light absorption in the saturable absorbing layer gradually increases, and the operating current slightly increases. Therefore, it can be said that the energy gap difference is preferably about 100 meV or less. Thus, when the energy gap difference is in the range of about 50 meV to about 100 meV, the operating current of the semiconductor laser does not increase, and
Very good self-excited oscillation characteristics can be obtained. In particular, when there is a possibility that the semiconductor laser may be operated in a relatively high temperature environment such as when the semiconductor laser is mounted on an automobile, it is preferable to set such an energy gap difference.

【0027】可飽和吸収層の体積を小さくすると、可飽
和吸収層でのキャリア密度を容易に上げられる。活性層
が放出したレーザ光を可飽和吸収層が吸収し、電子とホ
ールのペアを生じるが、可飽和吸収層の体積が小さい
と、単位体積あたりの光の吸収量が増加し、このキャリ
ア密度を容易に上げることができる。そして飽和状態に
なりやすく、可飽和吸収の効果が顕著となる。従って、
可飽和吸収層が薄いほど強くて安定な自励発振特性を得
ることができることが、本発明者らの実験により明らか
となった。このような強くて安定な自励発振を引き起こ
すためには、可飽和吸収層の厚さを、約10オングスト
ローム〜約100オングストロームの範囲内にすること
が好ましい。ただし、可飽和吸収層の厚さが約100オ
ングストロームを越えてバルク構造を持つような厚さで
あっても、エネルギーギャップ差を好ましい範囲内に設
定すれば、問題ない。また可飽和吸収層は、複数に分離
されて設けられても良い。
When the volume of the saturable absorbing layer is reduced, the carrier density in the saturable absorbing layer can be easily increased. The saturable absorption layer absorbs the laser light emitted by the active layer, and generates a pair of electrons and holes. If the volume of the saturable absorption layer is small, the amount of light absorbed per unit volume increases, and the carrier density increases. Can be easily raised. Then, the state easily becomes saturated, and the effect of saturable absorption becomes remarkable. Therefore,
The experiments by the present inventors have clarified that the thinner the saturable absorption layer, the stronger and more stable self-pulsation characteristics can be obtained. In order to cause such strong and stable self-sustained pulsation, it is preferable that the thickness of the saturable absorbing layer be in the range of about 10 Å to about 100 Å. However, even if the thickness of the saturable absorption layer exceeds about 100 Å and has a bulk structure, there is no problem if the energy gap difference is set within a preferable range. Further, the saturable absorbing layer may be provided separately in a plurality.

【0028】さらに、本発明の半導体レーザは、このよ
うな体積の小さい可飽和吸収層と光ガイド層とを組み合
わせた構成を有するようにすることもできる。本発明の
半導体レーザで、クラッド構造中に光ガイド層を設けれ
ば、可飽和吸収層の体積を小さくするために可飽和吸収
層の厚さを量子井戸層のように薄くした場合であって
も、可飽和吸収層での光の閉じ込め率が極端に減少する
結果として安定な自励発振が得られなくなることを、防
止することができる。光ガイド層を用いれば、例えば、
活性層への光閉じ込め率を約5.0%以上に維持したま
まで可飽和吸収層への閉じ込め率を少なくとも1.2%
程度以上にして、安定な自励発振を生じさせることが可
能となる。
Further, the semiconductor laser of the present invention may have a configuration in which such a small-volume saturable absorption layer and a light guide layer are combined. In the semiconductor laser of the present invention, if the light guide layer is provided in the cladding structure, the thickness of the saturable absorption layer is reduced as in the quantum well layer in order to reduce the volume of the saturable absorption layer. In addition, it is possible to prevent a situation in which stable self-sustained pulsation cannot be obtained as a result of an extremely reduced light confinement rate in the saturable absorption layer. If a light guide layer is used, for example,
At least 1.2% of the confinement rate in the saturable absorber layer while maintaining the light confinement rate in the active layer at about 5.0% or more.
At about the same level or more, stable self-sustained pulsation can be generated.

【0029】このように、本発明における光ガイド層
は、可飽和吸収層の光閉じ込め率を高めるためのもので
あり、活性層から離れた位置に配置される。この点で、
活性層の光閉じ込め率を高めるために活性層に隣接する
位置に配置された従来の光ガイド層とは、大きく異な
る。
As described above, the light guide layer in the present invention is for increasing the light confinement rate of the saturable absorption layer, and is disposed at a position away from the active layer. In this regard,
It is significantly different from a conventional light guide layer arranged at a position adjacent to the active layer in order to increase the light confinement rate of the active layer.

【0030】なお、可飽和吸収層と光ガイド層との位置
関係は、可飽和吸収層の体積及び光閉じ込めを考慮し
て、最適に決定される。可飽和吸収層は、光ガイド層中
に形成してもよいし、また光ガイド層近傍のp型クラッ
ド層の中に形成してもよい。
The positional relationship between the saturable absorbing layer and the light guide layer is optimally determined in consideration of the volume of the saturable absorbing layer and light confinement. The saturable absorption layer may be formed in the light guide layer, or may be formed in the p-type cladding layer near the light guide layer.

【0031】さらに、半導体レーザの積層構造の中にエ
ッチングストッパ層を設けることにより、リッジストラ
イプ形成のためのエッチング工程においても、可飽和吸
収層がエッチングされることがなくなる。これより、製
造時のウエハ内でのばらつきが抑制できて、ウエハ内
で、特性のばらつきの少ない半導体レーザを大量に製造
することができるようになる。
Further, by providing the etching stopper layer in the laminated structure of the semiconductor laser, the saturable absorption layer is not etched even in the etching step for forming the ridge stripe. As a result, variations in the wafer during manufacturing can be suppressed, and a large number of semiconductor lasers with small variations in characteristics can be manufactured in the wafer.

【0032】半導体レーザの端面の反射率に関して、端
面反射率が小さいと、光出力−電流特性における吸収領
域が大きくなり、電流による光出力の制御が困難とな
る。一方、端面反射率が大きすぎると、スロープ効率が
小さくなって駆動電流が大きくなり、その結果として、
キンクの低下による最高光出力の低下が起こる。そこ
で、端面の反射率を制御することで、光吸収領域を小さ
くしてしきい値電流を小さくできるとともに、光吸収領
域の次に現れる安定した光出力領域でレーザの光出力を
制御できる。これにより、安定した制御性を有する自励
発振型の半導体レーザが実現される。
Regarding the reflectivity of the end face of the semiconductor laser, if the end face reflectivity is small, the absorption region in the light output-current characteristic becomes large, and it becomes difficult to control the light output by the current. On the other hand, if the end face reflectance is too large, the slope efficiency becomes small and the drive current becomes large, and as a result,
A decrease in the maximum light output occurs due to a decrease in the kink. Therefore, by controlling the reflectivity of the end face, the light absorption region can be reduced and the threshold current can be reduced, and the light output of the laser can be controlled in a stable light output region appearing next to the light absorption region. Thus, a self-pulsation type semiconductor laser having stable controllability is realized.

【0033】同様に、レーザの共振器長及びストライプ
幅の制御により、安定した制御性を有する自励発振型の
レーザとすることができる。
Similarly, by controlling the resonator length and stripe width of the laser, a self-pulsation type laser having stable controllability can be obtained.

【0034】可飽和吸収層を用いた自励発振型半導体レ
ーザでは、光出力−電流特性において、レーザ発振の直
前に「とび」が生じることが知られている。
In a self-pulsation type semiconductor laser using a saturable absorption layer, it is known that a jump occurs immediately before laser oscillation in light output-current characteristics.

【0035】一般に半導体レーザでは、レーザ発振のた
めのしきい値電流を小さくすることが望ましい。ここ
で、半導体レーザのしきい値電流は、レーザの損失と関
係がある。すなわち、しきい値利得をgth、光の伝搬損
失をαp、レーザ内部でのフリーキャリア損失をαf、
端面でのミラー損失をαMとすると、gth=αp+αf
+αMと表すことができる。この式から、しきい値電流
を小さくするためには、損失を少なくすればよいことが
わかる。
Generally, in a semiconductor laser, it is desirable to reduce a threshold current for laser oscillation. Here, the threshold current of the semiconductor laser is related to the loss of the laser. That is, the threshold gain is gth, the light propagation loss is αp, the free carrier loss inside the laser is αf,
When the mirror loss at the end face is αM, gth = αp + αf
+ ΑM. From this equation, it can be seen that the loss can be reduced to reduce the threshold current.

【0036】上式に現れる3つの損失項のうち、フリー
キャリア損失αfは、活性層などへのキャリアの注入な
どによって生じるものであって、その制御は困難であ
る。従って、しきい値電流の低減のためには、残る伝搬
損失αp及びミラー損失αMの制御をすることが考えられ
る。そこで、発明者らは、上記のうちで特にミラー損失
αMに着目し、しきい値電流の低減との関連性について
検討した。
Of the three loss terms appearing in the above equation, the free carrier loss αf is caused by injection of carriers into the active layer and the like, and its control is difficult. Therefore, in order to reduce the threshold current, it is conceivable to control the remaining propagation loss αp and mirror loss αM. Therefore, the present inventors have paid particular attention to the mirror loss αM among the above, and have examined the relevance to the reduction of the threshold current.

【0037】以下では、添付の図面を参照しながら、上
記で述べたような点に関する検討結果を含めて、本発明
の様々な実施の形態における具体的な構成を説明する。
In the following, specific configurations of various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, including the results of studies on the points described above.

【0038】(第1の実施形態)図2は、本発明による
半導体レーザの実施形態の断面図である。
(First Embodiment) FIG. 2 is a sectional view of an embodiment of a semiconductor laser according to the present invention.

【0039】この半導体レーザは、n型GaAs基板1
01と、GaAs基板101上に形成された半導体積層
構造を備えている。この半導体積層構造は、n型GaA
sバッファ層102、n型AlGaInPクラッド層1
03、AlGaInP及びGaInPからなる多重量子
井戸活性層104、第1のp型AlGaInPクラッド
層105a、p型GaInPからなる可飽和吸収層10
6、第2のp型AlGaInPクラッド層105bを含
んでいる。
This semiconductor laser has an n-type GaAs substrate 1
01 and a semiconductor laminated structure formed on a GaAs substrate 101. This semiconductor laminated structure has an n-type GaAs
s buffer layer 102, n-type AlGaInP cladding layer 1
03, a multiple quantum well active layer 104 composed of AlGaInP and GaInP, a first p-type AlGaInP cladding layer 105a, and a saturable absorption layer 10 composed of p-type GaInP.
6. The second p-type AlGaInP cladding layer 105b is included.

【0040】第2のp型AlGaInPクラッド層10
5bの上には、第3のp型クラッド層105cにより、
共振器長方向に延びるストライプ状リッジ部分(幅:約
2.0μm〜約6.0μm)が形成されている。第3の
p型クラッド層105cのリッジ上面に相当する箇所に
は、コンタクト層110が形成されている。また、第3
のp型クラッド層105c及びコンタクト層110の両
側には、n型GaAs層電流ブロック層111が形成さ
れている。n型GaAs層電流ブロック層111は、リ
ッジ側面からさらに横方向に延長されて形成されてい
る。
Second p-type AlGaInP cladding layer 10
5b, a third p-type cladding layer 105c
Stripe-shaped ridge portions (width: about 2.0 μm to about 6.0 μm) extending in the resonator length direction are formed. A contact layer 110 is formed at a position corresponding to the upper surface of the ridge of the third p-type cladding layer 105c. Also, the third
An n-type GaAs current blocking layer 111 is formed on both sides of the p-type cladding layer 105c and the contact layer 110. The n-type GaAs layer current block layer 111 is formed to extend further laterally from the side surface of the ridge.

【0041】コンタクト層110と電流ブロック層11
1との上には、p型GaAsキャップ層112が形成さ
れている。キャップ層112の上面にはp電極113が
形成され、基板101の裏面にはn電極114が形成さ
れている。
Contact layer 110 and current block layer 11
1, a p-type GaAs cap layer 112 is formed. A p-electrode 113 is formed on the upper surface of the cap layer 112, and an n-electrode 114 is formed on the back surface of the substrate 101.

【0042】なお、活性層104は、3層の井戸層と障
壁層とからなる多重量子井戸構造となっている。
The active layer 104 has a multiple quantum well structure including three well layers and barrier layers.

【0043】さらに、可飽和吸収層106の上であって
第3のp型クラッド層105cのリッジストライプ及び
電流ブロック層111の下には、エッチングストッパ層
100が設けられている。このエッチングストッパ層1
00の組成比はGa0.51In0.49Pであり、第3のp型
クラッド層105cのAlGaInPとの間で、エッチ
ング工程での選択比がとることができる。
Further, an etching stopper layer 100 is provided on the saturable absorption layer 106 and below the ridge stripe and the current block layer 111 of the third p-type cladding layer 105c. This etching stopper layer 1
The composition ratio of 00 is Ga 0.51 In 0.49 P, and a selection ratio in the etching step can be obtained between the third p-type cladding layer 105c and AlGaInP.

【0044】本願明細書では、半導体積層構造から、バ
ッファ層、活性層、エッチングストッパ層、コンタクト
層、キャップ層、及び電流ブロック層を除いた残りの部
分を、全体として「クラッド構造」と呼ぶことにする。
本実施形態の場合は、n型AlGaInPクラッド層1
03、第1のp型AlGaInPクラッド層105a、
可飽和吸収層106、第2のp型AlGaInPクラッ
ド層105b、及び第3のp型AlGaInPクラッド
層105cが、クラッド構造を構成している。
In the present specification, the remaining portion of the semiconductor laminated structure excluding the buffer layer, the active layer, the etching stopper layer, the contact layer, the cap layer, and the current blocking layer is referred to as a “cladding structure” as a whole. To
In the case of this embodiment, the n-type AlGaInP cladding layer 1
03, the first p-type AlGaInP cladding layer 105a,
The saturable absorption layer 106, the second p-type AlGaInP cladding layer 105b, and the third p-type AlGaInP cladding layer 105c form a cladding structure.

【0045】本実施形態の積層構造を構成する各半導体
層のドーピングレベル及び膜厚は、以下の表1に示す通
りである。
The doping levels and film thicknesses of the respective semiconductor layers constituting the laminated structure of this embodiment are as shown in Table 1 below.

【0046】[0046]

【表1】 [Table 1]

【0047】図3は、本実施形態の半導体レーザについ
て、活性層104の付近からエッチングストッパ層10
0の付近までの(AlxGa1-x0.5In0.5PのAl組
成xの分布を示す。上記に説明した本実施形態では、n
型クラッド層103、第1のp型クラッド105a、第
2のp型クラッド層105b、及び第3のp型クラッド
層105cのAl組成は、0.7である。活性層104
の内の量子井戸層、及び可飽和吸収層106は、それぞ
れGa0.45In0.55P及びGa0.40In0.60Pから形成
されているため、まわりの層よりも格子定数が大きく、
ともに圧縮歪が加えられている。
FIG. 3 shows the semiconductor laser of this embodiment from the vicinity of the active layer 104 to the etching stopper layer 10.
The distribution of the Al composition x of (Al x Ga 1 -x ) 0.5 In 0.5 P up to around 0 is shown. In the embodiment described above, n
The Al composition of the mold cladding layer 103, the first p-type cladding layer 105a, the second p-type cladding layer 105b, and the third p-type cladding layer 105c is 0.7. Active layer 104
Are formed of Ga 0.45 In 0.55 P and Ga 0.40 In 0.60 P, respectively, and therefore have a larger lattice constant than the surrounding layers.
In both cases, compression strain is applied.

【0048】自励発振を安定に起こさせるための重要な
点は、活性層104の量子井戸層と可飽和吸収層とのエ
ネルギーギャップ差にある。第1の実施形態では、その
エネルギーギャップ差が約57meVとなっており、安
定した自励発振が得られた。
An important point for stably causing self-pulsation is the difference in energy gap between the quantum well layer of the active layer 104 and the saturable absorption layer. In the first embodiment, the energy gap difference was about 57 meV, and stable self-pulsation was obtained.

【0049】本願発明者は、可飽和吸収層のはたらきと
エネルギーギャップ差について検討してみた。その結果
を以下に説明する。
The inventor of the present application examined the function of the saturable absorbing layer and the energy gap difference. The results are described below.

【0050】まず、図4(a)から(c)を参照する。
図4(a)からわかるように、注入電流が約40mAに
なるとレーザ発振(自励発振)が起こり、その後、注入
電流を更に大きくすると、図4(a)中のA点で自励発
振が停止し、通常のレーザ発振となる。自励発振によっ
て得られる最大の光出力をPmaxと呼ぶことにする。図
4(a)の例では、Pmaxは4.0mWである。Pmaxを
与える電流よりも小さな電流では、図4(c)のよう
に、時間の経過とともに光出力が大きく振動し、安定し
た振幅を持つ自励発振が得られる。しかし、Pmaxを与
える電流よりも大きな電流では、図4(b)に示すよう
に、時間の経過とともに光出力の振幅が徐々に減少し、
通常のレーザ発振になる。
First, reference is made to FIGS. 4A to 4C.
As can be seen from FIG. 4A, laser oscillation (self-oscillation) occurs when the injection current reaches about 40 mA, and when the injection current further increases, self-oscillation occurs at point A in FIG. Stops and normal laser oscillation occurs. The maximum light output obtained by self-pulsation will be referred to as Pmax. In the example of FIG. 4A, Pmax is 4.0 mW. With a current smaller than the current that gives Pmax, as shown in FIG. 4C, the light output greatly oscillates with the passage of time, and self-pulsation having a stable amplitude is obtained. However, with a current larger than the current that gives Pmax, as shown in FIG. 4B, the amplitude of the light output gradually decreases over time,
Normal laser oscillation occurs.

【0051】注入電流と同様に、動作温度Tがあるレベ
ルを越えても、自励発振しなくなる傾向がある。ここ
で、自励発振が観測される最高の温度をTmaxとする。
Tmaxは、言い換えれば、自励発振が停止する温度とも
いえる。
Similarly to the injection current, even when the operating temperature T exceeds a certain level, there is a tendency that self-sustained pulsation does not occur. Here, the maximum temperature at which self-excited oscillation is observed is defined as Tmax.
In other words, Tmax can be said to be the temperature at which the self-sustained pulsation stops.

【0052】図5は、その横軸がエネルギーギャップ差
(meV)、縦軸がTmax(自励発振が停止する温度)
及びPmax(室温での自励発振の最大光出力)であり、
それぞれの関係を示すグラフである。実験の結果、エネ
ルギーギャップ差が約10meVの場合及び約20me
Vの場合には自励発振は観測されず、約30meVで自
励発振が観測された。30meVでは、51℃まで自励
発振が観測でき、その時、光出力が5mWまで自励発振
した。
In FIG. 5, the horizontal axis is the energy gap difference (meV), and the vertical axis is Tmax (temperature at which self-excited oscillation stops).
And Pmax (maximum light output of self-sustained pulsation at room temperature),
It is a graph which shows each relationship. As a result of the experiment, when the energy gap difference is about 10 meV and about 20 meV
In the case of V, self-excited oscillation was not observed, and self-excited oscillation was observed at about 30 meV. At 30 meV, self-sustained pulsation was observed up to 51 ° C. At that time, self-sustained pulsation was achieved up to an optical output of 5 mW.

【0053】図5に示されているように、エネルギーギ
ャップ差が約30meV以上になると自励発振がおこり
はじめ、約200meVまで自励発振が確認できた。特
にエネルギーギャップ差が約50meV〜約100me
Vの範囲では、Tmaxが高く且つPmaxも大きく、実用的
に好ましい範囲である。
As shown in FIG. 5, when the energy gap difference was about 30 meV or more, self-pulsation started to occur, and self-pulsation was confirmed up to about 200 meV. Especially, the energy gap difference is about 50 meV to about 100 me.
In the range of V, Tmax is high and Pmax is also large, which is a practically preferable range.

【0054】エネルギーギャップ差が約100meVを
越えると、活性層と可飽和吸収層とのエネルギーギャッ
プの差から、可飽和吸収層でのレーザ光の吸収が大きく
なり、その結果、動作電流がやや大きくなる傾向にあ
る。これについて、図6を用いて説明する。
If the energy gap difference exceeds about 100 meV, the absorption of laser light in the saturable absorption layer becomes large due to the difference in energy gap between the active layer and the saturable absorption layer. As a result, the operating current becomes slightly large. Tend to be. This will be described with reference to FIG.

【0055】図6は、横軸がエネルギーギャップ差(m
eV)、縦軸が動作電流(mA)のグラフである。これ
より、エネルギーギャップ差が約100meVを越える
と、動作電流が約130mAより大きくなる。
In FIG. 6, the horizontal axis represents the energy gap difference (m
eV), and the vertical axis is a graph of operating current (mA). Thus, when the energy gap difference exceeds about 100 meV, the operating current becomes larger than about 130 mA.

【0056】図7は、動作電流と本実施形態の半導体レ
ーザの寿命との相関関係を示すグラフである。このグラ
フは、半導体レーザの光出力を約5mWに維持し、動作
温度が約60℃の状態で測定された結果に基づいてい
る。これより、寿命を約5000時間以上にするには、
動作電流を約130mA以下にすればよいことが図13
からわかる。
FIG. 7 is a graph showing the correlation between the operating current and the life of the semiconductor laser of this embodiment. This graph is based on the results obtained when the optical output of the semiconductor laser is maintained at about 5 mW and the operating temperature is about 60 ° C. From this, to make the life more than about 5000 hours,
FIG. 13 shows that the operating current may be reduced to about 130 mA or less.
Understand from.

【0057】図6及び図7からわかるように、寿命の観
点からは、エネルギーギャップ差が約100meV以下
であることが望ましい。
As can be seen from FIGS. 6 and 7, it is desirable that the energy gap difference is about 100 meV or less from the viewpoint of life.

【0058】図8は、この半導体レーザの電流−光出力
特性を示すグラフである。グラフの横軸は、レーザへの
注入電流(mA)を、縦軸は光出力(mW)を示してい
る。閾値電流は、約50mAである。自励発振型半導体
レーザの特性が、通常の半導体レーザの特性と異なるの
は、図8にも表れているように、閾値電流近傍で光出力
の急激な立ち上がりが観測される点にある。これは、可
飽和吸収層が存在するために、ある程度のキャリアの注
入量に達するまでは、光出力が外部へ放出されないこと
による。注入電流がある値を越えるとレーザ発振が生じ
て、注入電流に比例して光出力が増加しはじめる。
FIG. 8 is a graph showing current-light output characteristics of this semiconductor laser. The horizontal axis of the graph indicates the injection current (mA) to the laser, and the vertical axis indicates the optical output (mW). The threshold current is about 50 mA. The characteristic of the self-pulsation type semiconductor laser is different from that of a normal semiconductor laser in that a sharp rise in optical output is observed near a threshold current as shown in FIG. This is because light output is not emitted to the outside until a certain amount of carriers is injected due to the presence of the saturable absorbing layer. When the injection current exceeds a certain value, laser oscillation occurs, and the light output starts to increase in proportion to the injection current.

【0059】図9は、本実施形態の半導体レーザの図8
のP点における出力波形を示す。図9に示されるよう
に、わずか2nsの間に光出力が大きく振動しており、
自励発振していることが確認できた。
FIG. 9 shows the semiconductor laser of this embodiment shown in FIG.
7 shows an output waveform at point P of FIG. As shown in FIG. 9, the light output greatly oscillates in only 2 ns,
Self-excited oscillation was confirmed.

【0060】本発明の半導体レーザでは、可飽和吸収層
のドーピングレベルを約2×1018(cm-3)として、
キャリアの寿命時間を低減している。その結果、キャリ
アの時間変化率に対する自然放出の寄与が増大し、自励
発振を容易に生じることができる。ドーピングは、ドー
パント濃度が約1×1018(cm-3)以上になるように
すれば、キャリアの寿命時間を低減する効果がある。
In the semiconductor laser of the present invention, the doping level of the saturable absorbing layer is set to about 2 × 10 18 (cm −3 ).
The lifetime of the carrier has been reduced. As a result, the contribution of spontaneous emission to the time change rate of carriers increases, and self-sustained pulsation can be easily generated. Doping has an effect of reducing the carrier lifetime if the dopant concentration is about 1 × 10 18 (cm −3 ) or more.

【0061】上記の構成では、厚さが約50オングスト
ロームの可飽和吸収層を用いているが、可飽和吸収層の
厚さは、これに限定されない。可飽和吸収層を多重量子
井戸構造を持つものとしても良く、また、バルク構造を
持つものとしてもよい。
In the above structure, the saturable absorbing layer having a thickness of about 50 Å is used, but the thickness of the saturable absorbing layer is not limited to this. The saturable absorption layer may have a multiple quantum well structure or a bulk structure.

【0062】この半導体レーザの製造工程を、図10
(a)〜(g)を参照して説明する。
FIG. 10 shows a manufacturing process of this semiconductor laser.
This will be described with reference to (a) to (g).

【0063】まず、図10(a)に示すように、n型G
aAs基板101上に、n型GaAsからなるバッファ
層102、AlGaInPからなるn型クラッド層10
3、AlGaInP及びGaInPからなる多重量子井
戸構造の活性層104、p型AlGaInPからなる第
1のp型クラッド層105a、p型GaInPからなる
可飽和吸収(SA)層106、AlGaInPからなる
第2のp型クラッド層105b、エッチングストッパ
(ES)層100、及び第3のp型クラッド層105c
を、順次、形成する。各層の形成には、例えば、有機金
属気相成長法(MOVPE法)、分子線エピタキシー法
(MBE法)などの方法を用いることができるが、典型
的にはMOVPE法が使用される。
First, as shown in FIG.
On an aAs substrate 101, a buffer layer 102 made of n-type GaAs and an n-type clad layer 10 made of AlGaInP
3, an active layer 104 having a multiple quantum well structure composed of AlGaInP and GaInP, a first p-type cladding layer 105a composed of p-type AlGaInP, a saturable absorption (SA) layer 106 composed of p-type GaInP, and a second layer composed of AlGaInP. P-type cladding layer 105b, etching stopper (ES) layer 100, and third p-type cladding layer 105c
Are sequentially formed. For forming each layer, for example, a method such as a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method) or a molecular beam epitaxy method (MBE method) can be used, and typically, the MOVPE method is used.

【0064】第3のp型クラッド層105cの上に、図
10(b)に示すようにストライプ状のSiO2膜をパ
ターニングする。そして、このSiO2膜をマスクにし
て、第3のp型クラッド層105cをエッチング液でウ
ェットエッチングし、図10(c)に示すようなリッジ
ストライプを形成する。
On the third p-type cladding layer 105c, a stripe-shaped SiO 2 film is patterned as shown in FIG. Then, using the SiO 2 film as a mask, the third p-type cladding layer 105c is wet-etched with an etching solution to form a ridge stripe as shown in FIG.

【0065】エッチングの停止は、p型クラッド層10
5a、105b及び105cの中に形成したエッチング
ストッパ層100で行なう。エッチングストッパ層10
0はGaInPから構成されており、AlGaInPで
できているp型クラッド層との間で、エッチング液に対
して選択比を有する。従って、このエッチングストッパ
層100で、エッチングは停止する。
The etching is stopped by the p-type cladding layer 10.
The etching is performed with the etching stopper layer 100 formed in 5a, 105b and 105c. Etching stopper layer 10
Numeral 0 is made of GaInP, and has a selectivity with respect to an etching solution with respect to a p-type cladding layer made of AlGaInP. Therefore, the etching stops at the etching stopper layer 100.

【0066】この後、図10(d)に示すように、リッ
ジストライプの両側にn型GaAs電流ブロック層11
1を形成する。そして、図10(e)に示すようにSi
2膜を除去した後に、図10(f)に示すように、p
型GaInPキャップ層112による埋め込み成長を行
なう。最後に、図10(g)に示すように、キャップ層
112の上にp型電極113、及びn型GaAs基板1
01の裏面にn型電極114を形成し、半導体レーザが
完成する。
Thereafter, as shown in FIG. 10D, the n-type GaAs current blocking layer 11 is formed on both sides of the ridge stripe.
Form one. Then, as shown in FIG.
After removing the O 2 film, as shown in FIG.
The buried growth is performed by using the GaInP cap layer 112. Finally, as shown in FIG. 10G, a p-type electrode 113 and an n-type GaAs substrate 1 are formed on the cap layer 112.
The n-type electrode 114 is formed on the back surface of the semiconductor device 01, and the semiconductor laser is completed.

【0067】このように、本実施形態では、可飽和吸収
層106の上のp型クラッド層105b及び105cの
中に、エッチングストッパ層100を設けている。これ
により、エッチング工程による可飽和吸収層106への
影響はない。これに対して、本実施形態のようなエッチ
ングストッパ層100を形成しない場合には、図11
(a)〜(c)を参照して説明するような不具合が生じ
得る。
As described above, in this embodiment, the etching stopper layer 100 is provided in the p-type cladding layers 105b and 105c on the saturable absorption layer 106. Thus, the saturable absorption layer 106 is not affected by the etching process. On the other hand, when the etching stopper layer 100 is not formed as in this embodiment, FIG.
Problems described with reference to (a) to (c) may occur.

【0068】リッジストライプを形成するためのエッチ
ングはウェットエッチングであり、エッチング深さなど
の制御性に優れていて、所望の形状を精度良く形成する
には最適である。しかし、ウェットエッチングであるた
めに、エッチング量がウエハ面内でばらつく可能性があ
る。この結果、具体的には、リッジストライプの形状が
ウエハ面内で異なることになる。
The etching for forming the ridge stripe is wet etching, has excellent controllability such as etching depth, and is optimal for accurately forming a desired shape. However, since the etching is wet etching, the amount of etching may vary within the wafer surface. As a result, specifically, the shape of the ridge stripe differs in the wafer plane.

【0069】図11(a)は、p型クラッド層のエッチ
ングが可飽和吸収層できっちり停止したときの断面図で
ある。この場合には、可飽和吸収層の厚みは、リッジス
トライプの内部でも外部でも均一になっており、膜厚が
かわらない。しかし、ウエハ面内には、図11(a)の
ように良好なエッチング加工が実現されたものだけでは
なく、図11(b)のように、エッチングが進行しすぎ
て、ストライプ外部の可飽和吸収層の膜厚が薄くなって
いるものも存在し得る。エッチングがさらに過度に進行
すると、図11(c)に示すように、ストライプ外部の
可飽和吸収層が完全に失われるケースもあり得る。この
ように、ウエハ面内の個々の半導体レーザチップ毎にエ
ッチングによる加工形状にばらつきがあると、各レーザ
チップの動作特性がばらつくことになる。特に、自励発
振型レーザでは、可飽和吸収層により自励発振特性が決
定するため、個々の半導体レーザチップの内部で可飽和
吸収層の膜厚が一定であり、且つ、異なったチップ間で
可飽和吸収層の膜厚のばらつきが抑制されていること
が、良好な動作特性を有するレーザを大量生産できるポ
イントとなる。
FIG. 11A is a cross-sectional view when the etching of the p-type cladding layer has been completely stopped at the saturable absorbing layer. In this case, the thickness of the saturable absorption layer is uniform both inside and outside the ridge stripe, and the thickness does not change. However, in the wafer surface, not only the good etching process is realized as shown in FIG. 11A, but also the etching progresses too much as shown in FIG. In some cases, the absorption layer has a reduced thickness. If the etching proceeds further excessively, there may be a case where the saturable absorbing layer outside the stripe is completely lost as shown in FIG. As described above, when there is a variation in the processing shape by etching for each semiconductor laser chip in the wafer surface, the operating characteristics of each laser chip vary. In particular, in the self-pulsation type laser, the self-pulsation characteristics are determined by the saturable absorption layer. Therefore, the thickness of the saturable absorption layer is constant inside each semiconductor laser chip, and between different chips. The fact that the variation in the thickness of the saturable absorption layer is suppressed is a point where a laser having good operation characteristics can be mass-produced.

【0070】本実施形態及び従来技術に従って同一ウェ
ハ面内に製造された複数の半導体レーザチップ間におけ
る光出力のばらつきの様子を、図12(a)及び(b)
を参照して説明する。
FIGS. 12A and 12B show variations in optical output among a plurality of semiconductor laser chips manufactured on the same wafer surface according to the present embodiment and the prior art.
This will be described with reference to FIG.

【0071】図12(a)に示すように、本実施形態に
従ってエッチングストッパ層を用いている構造では、異
なったサンプル毎にしきい値電流を測定しても、その測
定値は約60mAでほぼ一定である。しかし、エッチン
グストッパ層を有さない従来技術の構成では、図12
(b)のように、サンプル間でしきい値電流にばらつき
がある。これは、あるサンプルでは、リッジストライプ
を形成するためのエッチングが進行しすぎて、リッジス
トライプ外部の可飽和吸収層が薄くなったためである。
As shown in FIG. 12A, in the structure using the etching stopper layer according to the present embodiment, even if the threshold current is measured for each different sample, the measured value is almost constant at about 60 mA. It is. However, in the prior art configuration having no etching stopper layer, FIG.
As shown in (b), the threshold current varies between samples. This is because in a certain sample, the etching for forming the ridge stripe progressed too much, and the saturable absorption layer outside the ridge stripe became thin.

【0072】[0072]

【0073】ところで、本実施形態のように、可飽和吸
収層とは別個の層としてエッチングストッパ層を設ける
場合には、可飽和吸収層でのキャリアが、可飽和吸収層
に隣接する層(具体的には、可飽和吸収層を挟み込むp
型クラッド層)に拡散するのを抑制する必要がある。こ
れは、可飽和吸収層から隣接層にキャリアがあふれる
と、半導体レーザの可飽和特性が変化してしまうからで
ある。その点を、再び図2を参照して説明する。
When the etching stopper layer is provided as a layer separate from the saturable absorbing layer as in the present embodiment, the carriers in the saturable absorbing layer are separated from the layer adjacent to the saturable absorbing layer (specifically, In general, p that sandwiches the saturable absorption layer
It is necessary to suppress diffusion to the mold cladding layer). This is because when the carrier overflows from the saturable absorbing layer to the adjacent layer, the saturable characteristic of the semiconductor laser changes. This point will be described again with reference to FIG.

【0074】可飽和吸収層でレーザ光を吸収すると、可
飽和吸収層にキャリアが生成する。このキャリアが拡散
により可飽和吸収層からあふれると、半導体レーザの動
作に悪影響を及ぼすので、そのようなキャリアの拡散が
生じないようにする必要がある。ここでは、可飽和吸収
層とそれに隣接する層(p型クラッド層)との間におけ
る、伝導帯の底のエネルギーギャップ差について検討し
た。
When laser light is absorbed by the saturable absorption layer, carriers are generated in the saturable absorption layer. If the carrier overflows from the saturable absorption layer due to diffusion, the operation of the semiconductor laser is adversely affected. Therefore, it is necessary to prevent such carrier diffusion. Here, the energy gap difference at the bottom of the conduction band between the saturable absorption layer and the layer adjacent to it (p-type cladding layer) was examined.

【0075】可飽和吸収層は量子井戸構造になっている
ので、離散化した準位の底(基底準位)をエネルギーレ
ベルの原点とした。この結果、半導体レーザが良好な動
作特性を示すエネルギー差は、約100meV〜約21
0meVであることがわかった。エネルギー差が約10
0meVより小さければ、可飽和吸収層での光吸収によ
り生じたキャリアが隣接層へ拡散してしまう。また、エ
ネルギー差が約210meVより大きければ、p型クラ
ッド層での電気抵抗の増加や結晶性の劣化などの問題が
生じる。すなわち、可飽和吸収層の基底準位を原点とし
たエネルギー差を大きくするためには、pクラッド層
(AlxGa1-yyIn1-yPのyを大きくする必要があ
る。しかし、yを大きくすると、p型クラッド層のドー
ピングが難しくなって、電気抵抗が高くなる。さらに、
yの増加に伴って格子定数がGaAs基板よりも小さく
なるので、格子不整合の増大に伴うp型クラッド層内部
の歪が増えて、欠陥が生じる。従って、可飽和吸収層の
基底準位と隣接するp型クラッド層とのエネルギー差
は、約100meV〜約210meVとするのがよい。
Since the saturable absorption layer has a quantum well structure, the bottom of the discrete level (base level) was used as the origin of the energy level. As a result, the energy difference at which the semiconductor laser exhibits good operation characteristics is about 100 meV to about 21 meV.
It was found to be 0 meV. Energy difference is about 10
If it is smaller than 0 meV, carriers generated by light absorption in the saturable absorption layer will diffuse into the adjacent layer. If the energy difference is larger than about 210 meV, problems such as an increase in electric resistance in the p-type cladding layer and deterioration of crystallinity occur. That is, in order to increase the energy difference from the ground level of the saturable absorption layer as the origin, it is necessary to increase y of the p-cladding layer (Al x Ga 1 -y ) y In 1 -y P. However, when y is increased, doping of the p-type cladding layer becomes difficult, and the electric resistance increases. further,
Since the lattice constant becomes smaller than that of the GaAs substrate as y increases, the strain inside the p-type cladding layer increases due to the increase in lattice mismatch, and defects occur. Therefore, the energy difference between the ground level of the saturable absorption layer and the adjacent p-type cladding layer is preferably about 100 meV to about 210 meV.

【0076】p型クラッド層(AlxGa1-xyIn1-y
Pの組成において、GaAs基板に整合させるために
は、yは約0.51であればよい。yの増加に伴ってG
aAs基板よりも格子定数は小さくなり、クラッド層の
内部に引張り歪がかかるが、y>0.51であれば、必
要なエネルギーギャップが確保できる。一方、Al組成
xは、0.5以上(xとyとの積が0.5より大き
い)、より好ましくは0.6以上(xとyとの積が0.
3より大きい)が良い。キャリアの拡散を防ぐには伝導
帯の底のエネルギー差を大きくとることが必要となる
が、エネルギー差を大きくすることにより、これが実現
できる。
P-type cladding layer (Al x Ga 1 -x ) y In 1 -y
In order to match the composition of P with the GaAs substrate, y may be about 0.51. G with increasing y
The lattice constant is smaller than that of the aAs substrate, and tensile strain is applied inside the cladding layer. However, if y> 0.51, a necessary energy gap can be secured. On the other hand, the Al composition x is 0.5 or more (the product of x and y is larger than 0.5), and more preferably 0.6 or more (the product of x and y is 0.1 or more).
3 is better). To prevent the diffusion of carriers, it is necessary to increase the energy difference at the bottom of the conduction band. This can be realized by increasing the energy difference.

【0077】次に、端面でのミラー損失αMを小さくし
てしきい値電流を下げることについて、検討した。その
結果を、以下に説明する。
Next, reduction of the threshold current by reducing the mirror loss αM at the end face was examined. The result will be described below.

【0078】ミラー損失αMは、αM=1/(2L)×l
og(1/(Rf*Rr))と表すことができる。ここ
で、Lは共振器長、Rfはレーザ出射端面の反射率、及
びRrはレーザ出射しない端面の反射率である。
The mirror loss αM is given by αM = 1 / (2L) × l
og (1 / (Rf * Rr)). Here, L is the resonator length, Rf is the reflectance of the laser emission end face, and Rr is the reflectance of the end face that does not emit laser.

【0079】図13は、端面の反射率をパラメータとし
て測定した光電流出力特性を示すグラフである。ここ
で、共振器長L=500μmである。縦軸に光出力(m
W)、横軸に注入電流(mA)をとっている。なお、端
面反射率を変化してミラー損失を制御するために、端面
には、SiO2/TiO2の絶縁膜の多層構造をコーティ
ングした。
FIG. 13 is a graph showing the photocurrent output characteristics measured using the reflectance of the end face as a parameter. Here, the resonator length L = 500 μm. The light output (m
W), the horizontal axis represents the injection current (mA). In order to control the mirror loss by changing the reflectivity of the end face, the end face was coated with a multilayer structure of an SiO 2 / TiO 2 insulating film.

【0080】図13より、端面での反射率を大きくすれ
ば、しきい値電流を小さくすることができる。但し、し
きい値電流が小さくなるにつれてスロープ効率も下がる
ために、端面反射率を大きくしすぎると、高光出力領域
でキンクが発生する注入電流値が次第に低下し、高光出
力領域での半導体レーザの使用可能範囲が狭くなって、
実用に耐えなくなる。一方、反射率を小さくすると、キ
ンクが発生する注入電流値が大きくなる。このため、高
光出力領域での半導体レーザの使用可能範囲が大きくな
る(より高出力なレベルまで使用できる)が、しきい値
電流が増加して光吸収領域が大きくなり、この領域では
注入電流による光出力の制御が困難になる。
As shown in FIG. 13, the threshold current can be reduced by increasing the reflectance at the end face. However, since the slope efficiency also decreases as the threshold current decreases, if the end face reflectance is too large, the injection current value at which kink occurs in the high light output region gradually decreases, and the semiconductor laser in the high light output region The usable range has narrowed,
It cannot be put to practical use. On the other hand, when the reflectance is reduced, the injection current value at which the kink is generated increases. For this reason, the usable range of the semiconductor laser in the high light output region becomes large (it can be used up to a higher output level), but the threshold current increases and the light absorption region becomes large. It becomes difficult to control the light output.

【0081】図14は、端面反射率(横軸)と光出力
(縦軸)との関係において、キンクレベルが5mW以上
であることを示すライン及び光吸収領域が5mW以下で
あることを示すラインを、それぞれ付記したものであ
る。これより、半導体レーザのそれぞれの端面の反射率
を、約40%以上且つ約90%以下にすれば、キンクレ
ベル及び光吸収領域を考慮しても、実用的な半導体レー
ザが実現できることになる。なお、上記の測定では、温
度を約25℃に設定して行っているが、温度が高くなる
と、しきい値電流が大きくなる(温度特性)。半導体レ
ーザの実用的な使用温度範囲が約0℃〜約80℃である
ことを考慮すれば、端面反射率は、好ましくは約50%
〜約70%に設定するのがよい。
FIG. 14 shows a line indicating that the kink level is 5 mW or more and a line indicating that the light absorption region is 5 mW or less in the relationship between the end face reflectivity (horizontal axis) and the light output (vertical axis). Are respectively added. Thus, if the reflectivity of each end face of the semiconductor laser is set to about 40% or more and about 90% or less, a practical semiconductor laser can be realized even in consideration of the kink level and the light absorption region. In the above measurement, the temperature is set to about 25 ° C., but as the temperature increases, the threshold current increases (temperature characteristic). Considering that the practical operating temperature range of the semiconductor laser is about 0 ° C. to about 80 ° C., the end face reflectance is preferably about 50%.
It is good to set to about 70%.

【0082】ここで、スロープ効率の影響を、以下にさ
らに検討する。
Here, the influence of the slope efficiency will be further discussed below.

【0083】スロープ効率とは、半導体レーザの光出力
−電流特性における直線部分の傾きを言う。但し、半導
体レーザが自励発振特性を有すると、上記特性には、光
吸収領域に相当する「とび」が存在する。そこで、半導
体レーザが自励発振特性を有する場合の「スロープ効
率」とは、光出力−電流特性を示すグラフにおいて、こ
の「とび(光吸収領域)」を含まない部分の傾きとす
る。
The slope efficiency refers to the slope of a linear portion in the light output-current characteristics of a semiconductor laser. However, if the semiconductor laser has the self-sustained pulsation characteristic, the characteristic has a “jump” corresponding to the light absorption region. Therefore, the “slope efficiency” when the semiconductor laser has the self-excited oscillation characteristic is defined as a slope of a portion not including the “skip (light absorption region)” in the graph showing the light output-current characteristic.

【0084】図15(a)及び(b)は、温度と相対強
度雑音(RIN)との関係を示すグラフである。具体的
には、(a)は、スロープ効率(Se)が0.42mW
/mAの場合の測定データであり、(b)は、スロープ
効率(Se)が0.15mW/mAの場合の測定データ
である。これより、スロープ効率が小さい(b)のグラ
フでは、−10℃から70℃の温度範囲で、良好なRI
N特性が示されているが、スロープ特性が大きい(a)
のグラフでは、約30℃以下の温度範囲でRIN特性が
急激に悪化している。このように、発明者らの検討によ
れば、特に低温領域でのRIN特性に、スロープ効率の
値が関係していることが明らかになった。
FIGS. 15A and 15B are graphs showing the relationship between temperature and relative intensity noise (RIN). Specifically, (a) shows that the slope efficiency (Se) is 0.42 mW.
/ B and (b) are measurement data when the slope efficiency (Se) is 0.15 mW / mA. Thus, in the graph of (b) in which the slope efficiency is small, good RI is obtained in the temperature range of -10 ° C to 70 ° C.
The N characteristic is shown, but the slope characteristic is large (a)
In the graph, the RIN characteristic deteriorates rapidly in a temperature range of about 30 ° C. or less. As described above, according to the study by the inventors, it has become clear that the value of the slope efficiency is related to the RIN characteristic particularly in a low temperature region.

【0085】そこで、低温領域でのRIN特性の劣化に
対するスロープ効率の影響を検討するため、さらに以下
の実験を行った。すなわち、様々なスロープ特性を有す
るサンプルに対して、図15に示すような温度−RIN
特性データを測定し、さらにそのデータにおいて雑音強
度レベルがベースラインから3dB増加する温度(臨界
温度)を求めて、図16のようなグラフを作成した。図
16は、横軸がスロープ効率であり、縦軸が、上記によ
って求めた臨界温度である。
Therefore, in order to examine the effect of the slope efficiency on the deterioration of the RIN characteristic in a low temperature region, the following experiment was further performed. That is, for samples having various slope characteristics, temperature-RIN as shown in FIG.
The characteristic data was measured, and a temperature (critical temperature) at which the noise intensity level increased by 3 dB from the baseline in the data was obtained, and a graph as shown in FIG. 16 was created. In FIG. 16, the horizontal axis is the slope efficiency, and the vertical axis is the critical temperature determined as described above.

【0086】図16で、白丸プロットは、RIN特性の
劣化が許容範囲内の良品(OKサンプル)であり、黒丸
プロットは、RIN特性の劣化が顕著に生じた不良品
(NGサンプル)である。これより、スロープ効率Se
が約0.4mW/mAよりも大きいサンプルでは、臨界
温度が約30℃或いはそれ以上である。これは、約30
℃以下の温度範囲での雑音発生量が大きく、実用には向
かないことを意味している。一方、スロープ効率が約
0.4mW/mAであれば、臨界温度は約20℃であ
る。さらに、スロープ効率が約0.35mW/mAであ
れば、グラフ上の臨界温度は、10℃或いはそれ以下に
なっている(臨界温度が10℃以下のデータは図16で
は省略している)。これより、スロープ効率を小さくす
ることで、広い温度に渡って優れたRIN特性を有する
半導体レーザが得られることが確認された。
In FIG. 16, a white circle plot is a good product (OK sample) in which the deterioration of the RIN characteristic is within an allowable range, and a black circle plot is a defective product (NG sample) in which the deterioration of the RIN characteristic is remarkable. From this, the slope efficiency Se
For samples greater than about 0.4 mW / mA, the critical temperature is about 30 ° C. or higher. This is about 30
A large amount of noise is generated in a temperature range of less than ° C, which means that it is not suitable for practical use. On the other hand, if the slope efficiency is about 0.4 mW / mA, the critical temperature is about 20 ° C. Further, when the slope efficiency is about 0.35 mW / mA, the critical temperature on the graph is 10 ° C. or lower (data at the critical temperature of 10 ° C. or lower is omitted in FIG. 16). From this, it was confirmed that a semiconductor laser having excellent RIN characteristics over a wide temperature range can be obtained by reducing the slope efficiency.

【0087】このように、スロープ効率の好ましい設定
範囲の上限は、低温での雑音の低減という観点から決定
される。
As described above, the upper limit of the preferable setting range of the slope efficiency is determined from the viewpoint of reducing noise at a low temperature.

【0088】一方、スロープ効率の好ましい設定範囲の
下限は、動作電流の観点から決定される。すなわち、ス
ロープ効率が約0.1mW/mAよりも大きければ、環
境温度が約60℃まで増加しても、動作電流の増加が認
められない。さらに、スロープ効率が約0.15mW/
mAよりも大きければ、環境温度が約80℃まで増加し
ても、動作電流の増加は認められない。一般に、動作電
流が増加するとレーザ寿命が短くなるので、実用的に
は、できるだけ広い温度範囲で動作電流の増加が認めら
れないほうが好ましく、従って、この点がスロープ効率
の好ましい設定範囲の下限値の決定に影響する。
On the other hand, the lower limit of the preferable setting range of the slope efficiency is determined from the viewpoint of the operating current. That is, if the slope efficiency is greater than about 0.1 mW / mA, no increase in operating current is observed even if the environmental temperature increases to about 60 ° C. Furthermore, the slope efficiency is about 0.15 mW /
If it is larger than mA, no increase in operating current is observed even if the environmental temperature increases to about 80 ° C. Generally, as the operating current increases, the laser life is shortened. Therefore, in practice, it is preferable that the operating current does not increase over the widest possible temperature range. Therefore, this point is the lower limit of the preferable setting range of the slope efficiency. Influence decisions.

【0089】図17は、上記の事項を考慮して作成し
た、半導体レーザのスロープ効率と使用可能温度範囲と
の関係を示すグラフである。動作電流の安定という観点
からは、スロープ効率と動作電流の変動に関連した環境
温度との間の上述の関係に基づいて引かれている、図1
7の線(a)よりも下側が好ましい領域である。一方、
低温領域でのRIN特性という観点からは、図16のデ
ータに基づいて引かれている、図17の線(b)よりも
上側が好ましい領域である。
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the slope efficiency of the semiconductor laser and the usable temperature range, which was created in consideration of the above matters. From the perspective of operating current stability, FIG. 1 is drawn based on the above relationship between slope efficiency and ambient temperature associated with operating current variations.
The region below line 7 (a) is a preferred region. on the other hand,
From the viewpoint of the RIN characteristic in the low temperature region, a region above the line (b) in FIG. 17 drawn based on the data in FIG. 16 is a preferable region.

【0090】以上の点を考慮すれば、スロープ効率は、
好ましくは約0.1mW/mA〜約0.4mW/mA、
さらに好ましくは約0.15mW/mA〜約0.35m
W/mAの範囲に設定する。
In consideration of the above points, the slope efficiency becomes
Preferably from about 0.1 mW / mA to about 0.4 mW / mA,
More preferably, about 0.15 mW / mA to about 0.35 m
Set in the range of W / mA.

【0091】次に、この半導体レーザの共振器長につい
て検討した。図18に、共振器長と駆動電流との関係を
示す。
Next, the resonator length of this semiconductor laser was examined. FIG. 18 shows the relationship between the resonator length and the drive current.

【0092】共振器長が約700μm以上であると、必
要になる駆動電流が大きくなりすぎる。一方、共振器長
が約300μm以下では、必要な駆動電流のレベルは小
さいが、活性領域の体積が小さくなるために動作に伴っ
て注入される電流の密度が上昇し、信頼性に悪影響を与
える。従って、これらの点を考慮すれば、共振器長L
は、約300μm≦L≦約700μmの範囲に設定する
ことが好ましい。
When the resonator length is about 700 μm or more, the required driving current becomes too large. On the other hand, when the cavity length is about 300 μm or less, the level of the necessary driving current is small, but the volume of the active region is small, so that the density of the current injected with the operation increases, which adversely affects the reliability. . Therefore, considering these points, the resonator length L
Is preferably set in the range of about 300 μm ≦ L ≦ about 700 μm.

【0093】次に、この半導体レーザのリッジストライ
プの幅Wについて検討した。図19に、またストライプ
幅と駆動電流との関係を示す。
Next, the width W of the ridge stripe of this semiconductor laser was examined. FIG. 19 shows the relationship between the stripe width and the drive current.

【0094】ストライプ幅が小さいと、導波損失が増加
するためにしきい値電流が上昇して、高い駆動電流が必
要になる。一方、逆にストライプ幅が広いと、キンクレ
ベルが低下して最高光出力が低下する。図19に示した
ように、ストライプ幅Wを約2.0μm≦W≦約6.0
μmの範囲に設定すれば、低い駆動電流と高いキンクレ
ベルとを同時に実現できるので好ましい。
When the stripe width is small, the threshold current increases due to an increase in waveguide loss, and a high drive current is required. On the other hand, if the stripe width is large, the kink level decreases and the maximum light output decreases. As shown in FIG. 19, the stripe width W is set to about 2.0 μm ≦ W ≦ about 6.0.
It is preferable to set it in the range of μm because a low drive current and a high kink level can be realized at the same time.

【0095】以上のように、端面反射率、共振器長、及
びストライプ幅を制御することにより、光吸収領域を小
さくして、しきい値電流を小さくすることができる。こ
れより、光吸収領域に続く領域で光出力を制御できるの
で、安定した制御性を有する半導体レーザとすることが
できる。
As described above, by controlling the end face reflectivity, the cavity length, and the stripe width, the light absorption region can be reduced and the threshold current can be reduced. As a result, the light output can be controlled in a region following the light absorption region, so that a semiconductor laser having stable controllability can be obtained.

【0096】さらに、スロープ効率を適切な範囲に設定
することで、安定した動作電流を確保しながら低温領域
での雑音レベルを抑制して、半導体レーザの良好な動作
特性を実現することができる。
Furthermore, by setting the slope efficiency in an appropriate range, it is possible to suppress the noise level in a low-temperature region while securing a stable operating current, and to realize good operating characteristics of the semiconductor laser.

【0097】(第2の実施形態)次に、図20を参照し
ながら、本発明による半導体レーザの第2の実施形態を
説明する。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIG.

【0098】この半導体レーザは、n型のGaAs基板
701と、GaAs基板701上に形成された半導体積
層構造を備えている。この半導体積層構造は、n型Ga
Asバッファ層702、n型AlGaInPクラッド層
703、AlGaInP及びGaInPからなる多重量
子井戸活性層704、第1のp型AlGaInPクラッ
ド層705a、光ガイド層707、第2のp型AlGa
InPクラッド層705b、p型のGaInPからなる
可飽和吸収層706、第3のp型AlGaInPクラッ
ド層705cを含んでいる。第3のp型AlGaInP
クラッド層705cの上面には、第4のp型AlGaI
nPクラッド層705dから構成される共振器長方向に
延びるストライプ状リッジ部分(幅:約2.0μm〜約
6.0μm)が形成されている。第4のp型クラッド層
705dのリッジ部分上面には、コンタクト層710が
形成されている。第4のp型クラッド層705d及びコ
ンタクト層710の両側には、n型GaAs電流ブロッ
ク層711が形成されている。n型GaAs層電流ブロ
ック層711は、リッジ側面からさらに横方向に延長さ
れて形成されている。
This semiconductor laser has an n-type GaAs substrate 701 and a semiconductor laminated structure formed on the GaAs substrate 701. This semiconductor laminated structure has n-type Ga
As buffer layer 702, n-type AlGaInP cladding layer 703, multiple quantum well active layer 704 made of AlGaInP and GaInP, first p-type AlGaInP cladding layer 705a, light guide layer 707, second p-type AlGa
It includes an InP cladding layer 705b, a saturable absorption layer 706 made of p-type GaInP, and a third p-type AlGaInP cladding layer 705c. Third p-type AlGaInP
On the upper surface of the cladding layer 705c, a fourth p-type AlGaI
A stripe-shaped ridge portion (width: about 2.0 μm to about 6.0 μm) formed of the nP cladding layer 705d and extending in the resonator length direction is formed. A contact layer 710 is formed on the upper surface of the ridge portion of the fourth p-type cladding layer 705d. An n-type GaAs current blocking layer 711 is formed on both sides of the fourth p-type cladding layer 705d and the contact layer 710. The n-type GaAs layer current block layer 711 is formed to extend further laterally from the side surface of the ridge.

【0099】コンタクト層710及び電流ブロック層7
11の上には、p型GaAsキャップ層712が形成さ
れている。さらに、キャップ層712の上面にはp電極
713が形成され、基板701の裏面にはn電極714
が形成されている。
Contact layer 710 and current block layer 7
On top of this, a p-type GaAs cap layer 712 is formed. Further, a p-electrode 713 is formed on the upper surface of the cap layer 712, and an n-electrode 714 is formed on the back surface of the substrate 701.
Are formed.

【0100】上記のような本実施形態の構成において、
活性層704は、3層の井戸層と障壁層からなる多重量
子井戸構造となっている。
In the configuration of the present embodiment as described above,
The active layer 704 has a multiple quantum well structure including three well layers and barrier layers.

【0101】さらに、可飽和吸収層706(正確には第
3のp型クラッド層705c)の上であって第4のp型
クラッド層705dのリッジストライプの下には、エッ
チングストッパ層700が設けられている。このエッチ
ングストッパ層700の組成比はGa0.51In0.49Pで
あり、第3のp型クラッド層705c及び第4のp型ク
ラッド層705dのAlGaInPとの間で、エッチン
グ工程での選択比がとることができる。
Further, an etching stopper layer 700 is provided on the saturable absorption layer 706 (more precisely, the third p-type cladding layer 705c) and below the ridge stripe of the fourth p-type cladding layer 705d. Have been. The composition ratio of the etching stopper layer 700 is Ga 0.51 In 0.49 P, and the selectivity in the etching step should be high between the third p-type cladding layer 705c and the AlGaInP of the fourth p-type cladding layer 705d. Can be.

【0102】本実施形態の場合は、n型AlGaInP
クラッド層703、第1のp型AlGaInPクラッド
層705a、光ガイド層707、第2のp型AlGaI
nPクラッド層705b、可飽和吸収層706、第3の
p型AlGaInPクラッド層705c、及び第4のp
型AlGaInPクラッド層705dが、クラッド構造
を構成している。前述の実施形態の構成と異なる点は、
クラッド構造の中に光ガイド層707を設けたことにあ
る。
In this embodiment, the n-type AlGaInP
Cladding layer 703, first p-type AlGaInP cladding layer 705a, light guide layer 707, second p-type AlGaI
nP cladding layer 705b, saturable absorption layer 706, third p-type AlGaInP cladding layer 705c, and fourth p-type AlGaInP cladding layer 705c.
The type AlGaInP cladding layer 705d forms a cladding structure. The difference from the configuration of the above embodiment is that
That is, the light guide layer 707 is provided in the clad structure.

【0103】この構造の伝導帯のバンド図を図21に示
す。この実施形態の場合も可飽和吸収層でのキャリア
が、可飽和吸収層に隣接する層に拡散するのを抑制する
必要もある。ここでもエネルギーギャップ差は、可飽和
吸収層の基底準位と、隣接するクラッド層の伝導帯の底
とのエネルギー差は、約100meV〜約210meV
に設定する。
FIG. 21 shows a band diagram of the conduction band of this structure. Also in the case of this embodiment, it is necessary to suppress the carrier in the saturable absorption layer from diffusing into the layer adjacent to the saturable absorption layer. Again, the energy gap difference is about 100 meV to about 210 meV, the energy difference between the ground level of the saturable absorption layer and the bottom of the conduction band of the adjacent cladding layer.
Set to.

【0104】本実施形態では、可飽和吸収層の体積を小
さくするともに、光ガイド層をクラッド構造中に設けて
いる。可飽和吸収層の体積を小さくするほど、キャリア
密度を容易に上げることができる。キャリア密度が高い
ほど、光吸収は飽和状態になりやすくなるので、可飽和
吸収効果が顕著となる。このため、可飽和吸収層の体積
を小さくするほど、強い自励発振が得られることにな
る。しかしながら、可飽和吸収層の体積が小さくなるほ
ど、可飽和吸収層における光の閉じ込め率が小さくなっ
てしまうという問題がある。本実施形態では、活性層と
可飽和吸収層との間に光ガイド層を設けることによっ
て、活性層から可飽和吸収層の方向へレーザ光の分布を
広げ、それによって可飽和吸収層の光閉じ込め率を高
め、可飽和吸収層と光の相互作用の働きを強めている。
このように、本実施形態の光ガイド層は、可飽和吸収層
の光閉じ込め率を高めるものであり、活性層の光閉じ込
め率を高める従来の光ガイド層とは、機能が大きく異な
っている。
In this embodiment, the volume of the saturable absorption layer is reduced, and the light guide layer is provided in the clad structure. The smaller the volume of the saturable absorbing layer, the more easily the carrier density can be increased. As the carrier density is higher, the light absorption is more likely to be saturated, so that the saturable absorption effect becomes more remarkable. Therefore, as the volume of the saturable absorption layer is reduced, stronger self-pulsation is obtained. However, there is a problem that the smaller the volume of the saturable absorbing layer, the smaller the light confinement rate in the saturable absorbing layer. In the present embodiment, the light guide layer is provided between the active layer and the saturable absorbing layer, so that the distribution of the laser light from the active layer toward the saturable absorbing layer is widened, thereby confining the light in the saturable absorbing layer. The saturable absorption layer and the interaction of light are strengthened.
As described above, the light guide layer of the present embodiment increases the light confinement rate of the saturable absorption layer, and has a significantly different function from the conventional light guide layer that increases the light confinement rate of the active layer.

【0105】ここでも、端面反射率の最適な範囲は、光
ガイド層を設けることによって変化せず、第1の実施形
態の場合と同じ範囲でよい。共振器長Lやストライプ幅
W、さらにスロープ効率の適切な範囲についても、同様
である。
Here, the optimum range of the end face reflectivity does not change by providing the light guide layer, and may be the same range as in the first embodiment. The same applies to the appropriate range of the resonator length L, the stripe width W, and the slope efficiency.

【0106】[0106]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、可飽和吸
収層と活性層とのエネルギーギャップを制御し、かつ、
レーザ端面での反射率を制御することにより、光吸収領
域が小さく、しかもしきい値電流が小さく、光出力を安
定して制御することができる自励発振特性のレーザを実
現できる。或いは、スロープ効率を適切な範囲に設定す
ることによって、安定した動作電流を確保しながら低温
領域での雑音レベルを抑制して、半導体レーザの良好な
動作特性を実現することができる。
As described above, according to the present invention, the energy gap between the saturable absorbing layer and the active layer is controlled, and
By controlling the reflectivity at the laser end face, it is possible to realize a laser having a self-excited oscillation characteristic in which the light absorption region is small, the threshold current is small, and the light output can be controlled stably. Alternatively, by setting the slope efficiency in an appropriate range, it is possible to suppress the noise level in a low-temperature region while securing a stable operation current, and to realize good operation characteristics of the semiconductor laser.

【0107】また、可飽和吸収層上にエッチングストッ
パ層を設けることで、特性のばらつきの少ない半導体レ
ーザを安定に大量生産することができる。
Further, by providing an etching stopper layer on the saturable absorption layer, semiconductor lasers with little variation in characteristics can be stably mass-produced.

【0108】さらに、可飽和吸収層に隣接するクラッド
層とのエネルギーギャップ差を調整することにより、可
飽和吸収層から隣接する層へのキャリアの拡散が抑制さ
れ、特性のよい自励発振特性をもつレーザを実現するこ
とができる。
Further, by adjusting the energy gap difference between the saturable absorbing layer and the cladding layer adjacent to the saturable absorbing layer, the diffusion of carriers from the saturable absorbing layer to the adjacent layer is suppressed, and the self-sustained pulsation characteristics with good characteristics are improved. A laser having the above characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】エネルギーギャップを説明するための模式的な
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an energy gap.

【図2】本発明の第1の実施形態の半導体レーザの構造
断面図である。
FIG. 2 is a structural sectional view of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.

【図3】図2の半導体レーザのバンドギャップエネルギ
ー図である。
FIG. 3 is a band gap energy diagram of the semiconductor laser of FIG. 2;

【図4】(a)〜(c)は、図2の半導体レーザの光出
力特性を説明するための図である。
FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining light output characteristics of the semiconductor laser of FIG. 2;

【図5】エネルギーギャップ差とTmax(自励発振が停
止する温度)及びPmax(室温での自励発振の最大光出
力)との関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an energy gap difference and Tmax (temperature at which self-sustained pulsation stops) and Pmax (maximum optical output of self-sustained pulsation at room temperature).

【図6】エネルギーギャップ差と動作電流との関係を示
す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between an energy gap difference and an operation current.

【図7】動作電流と寿命時間との関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a relationship between an operating current and a lifetime.

【図8】光出力−電流特性を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing light output-current characteristics.

【図9】出力特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing output characteristics.

【図10】(a)から(g)は、図2の半導体レーザの
製造工程を示す断面図である。
FIGS. 10A to 10G are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the semiconductor laser of FIG. 2;

【図11】(a)から(c)は、リッジストライプ形成
時のエッチングによる不具合を説明するための図であ
る。
FIGS. 11A to 11C are views for explaining a problem caused by etching when forming a ridge stripe. FIGS.

【図12】(a)及び(b)は、同一ウエハ面内に形成
されたサンプル間での光出力のばらつきを模式的に示す
図である。
FIGS. 12A and 12B are diagrams schematically showing variations in optical output between samples formed on the same wafer surface.

【図13】端面の反射率を変化させたときの注入電流に
対する光出力を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing an optical output with respect to an injection current when the reflectance of the end face is changed.

【図14】端面の反射率の最適範囲を説明するための図
である。
FIG. 14 is a diagram for explaining an optimum range of the reflectance of the end face.

【図15】(a)及び(b)は、異なるスロープ効率値
に対する温度−相対雑音強度特性図である。
FIGS. 15A and 15B are temperature-relative noise intensity characteristic diagrams for different slope efficiency values.

【図16】スロープ効率と温度−相対雑音強度特性にお
ける臨界温度との関係を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a slope efficiency and a critical temperature in temperature-relative noise intensity characteristics.

【図17】スロープ効率の最適範囲を説明するための図
である。
FIG. 17 is a diagram for explaining an optimum range of slope efficiency.

【図18】共振器長と駆動電流との関係を示す図であ
る。
FIG. 18 is a diagram illustrating a relationship between a resonator length and a drive current.

【図19】ストライプ幅と駆動電流との関係を示す図で
ある。
FIG. 19 is a diagram showing a relationship between a stripe width and a drive current.

【図20】本発明の第2の実施形態の半導体レーザの構
造断面図である。
FIG. 20 is a structural sectional view of a semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.

【図21】図20の半導体レーザのバンドギャップエネ
ルギー図である。
21 is a band gap energy diagram of the semiconductor laser of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 エッチングストッパ層 101 基板 102 バッファ層 103 n型クラッド層 104 活性層 105a、105b、105c p型クラッド層 106 可飽和吸収層 110 コンタクト層 111 電流ブロック層 112 キャップ層 113 p電極 114 n電極 700 エッチングストッパ層 707 光ガイド層 REFERENCE SIGNS LIST 100 etching stopper layer 101 substrate 102 buffer layer 103 n-type cladding layer 104 active layer 105 a, 105 b, 105 c p-type cladding layer 106 saturable absorption layer 110 contact layer 111 current blocking layer 112 cap layer 113 p electrode 114 n electrode 700 etching stopper Layer 707 Light guide layer

フロントページの続き (72)発明者 福久 敏哉 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 萬濃 正也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 熊渕 康仁 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−106695(JP,A) 特開 平4−206984(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/50 - 5/50 Continuing from the front page (72) Inventor Toshiya Fukuhisa 1006 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Masaya Manno 1006 Odaka Kadoma Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co. (72) Inventor Yasuhito Kubuchi 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-7-106695 (JP, A) JP-A-4-206984 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/50-5/50

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 少なくとも量子井戸層を有する活性層
と、該活性層を挟むクラッド構造と、を備えた半導体レ
ーザであって、 該クラッド構造は、可飽和吸収層および該可飽和吸収層
の上に設けられたエッチングストッパ層を含んでおり、 該可飽和吸収層のエネルギーギャップが、該活性層の該
量子井戸層の基底準位間のエネルギーギャップよりも、
約30meVから約200meVだけ小さく、 それぞれの端面の反射率が約40%〜約90%であり、 前記可飽和吸収層の基底準位と該可飽和吸収層に隣接す
る層の伝導帯の底との間のエネルギーギャップ差が、約
100meV〜約210meVである、 半導体レーザ。
1. A semiconductor laser comprising: an active layer having at least a quantum well layer; and a cladding structure sandwiching the active layer, wherein the cladding structure includes a saturable absorbing layer and the saturable absorbing layer.
Includes an etching stopper layer provided on the energy gap of the saturable absorption layer, than the energy gap between the ground level of the quantum well layer of the active layer,
About 30 meV to about 200 meV, each end face having a reflectivity of about 40% to about 90% , and having a ground level of the saturable absorbing layer and an area adjacent to the saturable absorbing layer.
The energy gap difference between the bottom of the conduction band of
A semiconductor laser that is between 100 meV and about 210 meV .
【請求項2】 少なくとも量子井戸層を有する活性層
と、該活性層を挟むクラッド構造と、を備えた半導体レ
ーザであって、 該クラッド構造は、可飽和吸収層および該可飽和吸収層
の上に設けられたエッチングストッパ層を含んでおり、 該可飽和吸収層のエネルギーギャップが、該活性層の該
量子井戸層の基底準位間のエネルギーギャップよりも、
約30meVから約200meVだけ小さく、 スロープ効率が約0.1mW/mA〜約0.4mW/m
であり、 前記可飽和吸収層の基底準位と該可飽和吸収層に隣接す
る層の伝導帯の底との間のエネルギーギャップ差が、約
100meV〜約210meVである、 半導体レーザ。
2. A semiconductor laser comprising: an active layer having at least a quantum well layer; and a clad structure sandwiching the active layer, wherein the clad structure includes a saturable absorption layer and the saturable absorption layer.
Includes an etching stopper layer provided on the energy gap of the saturable absorption layer, than the energy gap between the ground level of the quantum well layer of the active layer,
Slope efficiency from about 0.1 mW / mA to about 0.4 mW / m
A , the ground level of the saturable absorption layer and the adjacent saturable absorption layer
The energy gap difference between the bottom of the conduction band of
A semiconductor laser that is between 100 meV and about 210 meV .
【請求項3】 前記スロープ効率が約0.15mW/m
A〜約0.35mW/mAである、請求項2に記載の半
導体レーザ。
3. The slope efficiency is about 0.15 mW / m.
3. The semiconductor laser according to claim 2, wherein the power is from A to about 0.35 mW / mA.
【請求項4】 前記クラッド構造がさらに光ガイド層を
含んでいる、請求項1から3のいずれかに記載の半導体
レーザ。
4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said cladding structure further includes a light guide layer.
【請求項5】 共振器長Lが約350μm≦L≦約70
0μmである、請求項1から4のいずれかに記載の半導
体レーザ。
5. The resonator length L is about 350 μm ≦ L ≦ about 70
5. The semiconductor laser according to claim 1, which has a thickness of 0 μm.
【請求項6】 ストライプ幅Wが約2.0μm≦W≦約
6.0μmである、請求項1から5のいずれかに記載の
半導体レーザ。
6. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a stripe width W satisfies about 2.0 μm ≦ W ≦ about 6.0 μm.
【請求項7】 前記活性層及び前記可飽和吸収層がAl
xGayIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)から構成
される層である、請求項1から6のいずれかに記載の半
導体レーザ。
7. The method according to claim 1, wherein the active layer and the saturable absorption layer are made of Al.
x Ga y In 1-y P (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) is a layer composed of a semiconductor laser according to any one of claims 1 to 6.
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