DE102014204938A1

DE102014204938A1 - Halbleiterlaservorrichtung

Info

Publication number: DE102014204938A1
Application number: DE102014204938.5A
Authority: DE
Inventors: Kimio Shigihara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: US20140294028A1; JP6123427B2; DE102014204938B4; US9203216B2; JP2014197598A

Abstract

Eine Halbleiterlaservorrichtung LD1 umfasst ein Halbleitersubstrat (4) vom n-Typ, eine Mantelschicht (5) vom n-Typ, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist, eine Lichtleitschicht (6) der n–Seite, die auf die Mantelschicht vom n-Typ laminiert ist, eine aktive Schicht (7, 8, 9, 10, 11), die auf die Lichtleitschicht der n-Seite laminiert ist, eine Lichtleitschicht (12) der p-Seite, die auf die aktive Schicht laminiert ist, und eine Mantelschicht (13) vom p-Typ, die auf die Lichtleitschicht der p-Seite laminiert ist. Die Summe der Dicken der Lichtleitschichten der n-Seite und der p-Seite ist derart, dass die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können. Eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem niedrigeren Brechungsindex als die Mantelschicht vom n-Typ ist zwischen der Lichtleitschicht der n-Seite und der Mantelschicht vom n-Typ vorgesehen, und die aktive Schicht ist von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterlaservorrichtung.
Halbleiterlaservorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie ein relativ schmales Fernfeldmuster (FFP) aufweisen, waren bekannt, wie z. B. in JP H11-233882-A offenbart. Insbesondere offenbart diese Veröffentlichung einen Halbleiterlaser, in dem eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite (oder der Seite des ersten Leitfähigkeitstyps) zwischen einer Mantelschicht vom n-Typ und einer Lichtleitschicht der n-Seite vorgesehen ist, wobei die Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die Mantelschicht vom n-Typ. Diese Konfiguration ermöglicht das Verbreitern der Verteilung der optischen Intensität in der Kristallwachstumsrichtung und dadurch das Verschmälern des Fernfeldmusters (FFP) des Halbleiterlasers.
Der andere Stand der Technik umfasst JP H11-233882-A , JP 2000-151018 , JP 2007-220692 , JP 58-195529 .
Der andere Stand der Technik umfasst eine Nicht-Patent-Veröffentlichung M. Alam und M. Lundstrom, "Simple Analysis of Carrier Transport and Buildup in Separate Confinement Heterostructure Quantum Well Lasers", IEEE, Pnotonics Tecnol. Lett., Band 6, Nr. 12, S. 1418–1420, 1994. Der andere Stand der Technik umfasst auch eine Nicht-Patent-Veröffentlichung Iga, "Semiconductor Laser", S. 35–38, 25. Oktober 1994, Ohmsha, Ltd.
Die obige Halbleiterlaservorrichtung ist jedoch insofern nachteilig als die Breite des Nahfeldmusters (NFP) oder Nahfeldintensitätsprofils des Laserstrahls in der Kristallwachstumsrichtung gemessen relativ groß ist, da die Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem niedrigeren Brechungsindex als die Mantelschicht vom n-Typ zwischen der Mantelschicht vom n-Typ und der Lichtleitschicht der n-Seite angeordnet ist. Dies verringert den optischen Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht, was zu einem erhöhten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung führt.
In üblichen Halbleiterlaservorrichtungen kann die aktive Schicht von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur (die aus den Lichtleitschichten der n-Seite und der p-Seite gebildet ist, wobei die aktive Schicht dazwischen eingefügt ist) in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert sein, um die Steilheitseffizienz zu verbessern. Diese Konfiguration führt jedoch zu einem erhöhten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung.
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die obigen Probleme zu lösen. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiterlaservorrichtung mit einem niedrigen Schwellenstrom, einer hohen Steilheitseffizienz und einer hohen Leistungsumsetzungseffizienz zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Halbleiterlaservorrichtung nach den Ansprüchen 1–3 gelöst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterlaservorrichtung Folgendes: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist; eine erste Lichtleitschicht, die auf die Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps laminiert ist; eine aktive Schicht, die auf die erste Lichtleitschicht laminiert ist; eine zweite Lichtleitschicht, die auf die aktive Schicht laminiert ist; und eine Mantelschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die zweite Lichtleitschicht laminiert ist. Wobei eine Summe der Dicke der ersten Lichtleitschicht und der Dicke der zweiten Lichtleitschicht derart ist, dass Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können. Wobei die Dicke der ersten Lichtleitschicht größer ist als die Dicke der zweiten Lichtleitschicht. Wobei eine erste Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, zwischen der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Lichtleitschicht vorgesehen ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterlaservorrichtung Folgendes: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist; eine erste Lichtleitschicht, die auf die Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps laminiert ist; eine aktive Schicht, die auf die erste Lichtleitschicht laminiert ist; eine zweite Lichtleitschicht, die auf die aktive Schicht laminiert ist; und eine Mantelschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die zweite Lichtleitschicht laminiert ist. Wobei eine Summe der Dicke der ersten Lichtleitschicht und der Dicke der zweiten Lichtleitschicht derart ist, dass Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können. Wobei die Dicke der ersten Lichtleitschicht größer ist als die Dicke der zweiten Lichtleitschicht. Wobei eine erste Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, zwischen der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Lichtleitschicht vorgesehen ist. Wobei eine zweite Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, zwischen der zweiten Lichtleitschicht und der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist. Wobei ein Produkt der Dicke der ersten Schicht mit niedrigem Brechungsindex und einer Quadratwurzel der Differenz zwischen einem Quadrat des Brechungsindex der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und einem Quadrat des Brechungsindex der ersten Schicht mit niedrigem Brechungsindex größer ist als ein Produkt der Dicke der zweiten Schicht mit niedrigem Brechungsindex und einer Quadratwurzel der Differenz zwischen einem Quadrat des Brechungsindex der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und einem Quadrat des Brechungsindex der zweiten Schicht mit niedrigem Brechungsindex.
Gemäß einem weiteren anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleiterlaservorrichtung Folgendes: ein Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist; eine erste Lichtleitschicht, die auf die Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps laminiert ist; eine aktive Schicht, die auf die erste Lichtleitschicht laminiert ist; eine zweite Lichtleitschicht, die auf die aktive Schicht laminiert ist; und eine Mantelschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die zweite Lichtleitschicht laminiert ist. Wobei eine Summe der Dicke der ersten Lichtleitschicht und der Dicke der zweiten Lichtleitschicht derart ist, dass Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können. Wobei die Dicke der ersten Lichtleitschicht größer ist als die Dicke der zweiten Lichtleitschicht. Wobei eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, zwischen der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Lichtleitschicht vorgesehen ist. Wobei eine Schicht mit hohem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der aktiven Schicht, aber höher als jener der zweiten Lichtleitschicht, zwischen der zweiten Lichtleitschicht und der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 ein Diagramm, das eine Schichtstruktur einer Halbleiterlaservorrichtung zeigt, und wird verwendet, um eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
2 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem ersten praktischen Beispiel der ersten Ausführungsform.
3 mit 3A und 3B, die vorteilhafte Eigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung der ersten Ausführungsform zeigen.
4 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem zweiten praktischen Beispiel der ersten Ausführungsform.
5 ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung des zweiten praktischen Beispiels von der Position der aktiven Schicht abhängt.
6 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einem dritten praktischen Beispiel der ersten Ausführungsform.
7A ein Diagramm, das einen optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung des dritten praktischen Beispiels zeigt, und 7B ein Diagramm, das einen Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des Fernfeldmusters (FFP) der Halbleiterlaservorrichtung des dritten praktischen Beispiels zeigt.
8 ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung des dritten praktischen Beispiels von der Position der aktiven Schicht abhängt.
9 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 mit 10A und 10B, die vorteilhafte Eigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung der zweiten Ausführungsform darstellen.
11 ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung der zweiten Ausführungsform von der Position der aktiven Schicht abhängt.
12 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung der dritten Ausführungsform von der Position der aktiven Schicht abhängt.
14 eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ein Diagramm, das eine Halbleiterlaservorrichtung zeigt, die als Vergleichsbeispiel für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
16A ein Diagramm, das einen optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht einer Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung zeigt, 16B ein Diagramm, das einen Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des Fernfeldmusters (FFP) der Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung zeigt.
17 ein Diagramm, das die Ladungsträgerverteilung und die Verteilung der optischen Intensität innerhalb der Lichtleitschichten einer Halbleiterlaservorrichtung zeigt.
Die folgende Beschreibung von Halbleiterlaservorrichtungen nimmt manchmal auf Querschnittsansichten Bezug und ein System von x-, y- und z-Koordinatenachsen ist in diesen Querschnittsansichten wegen der Bequemlichkeit der Orientierung gezeigt, wobei die y-Achse der Kristallwachstumsrichtung der Halbleiterschichten der Halbleiterlaservorrichtung entspricht, die z-Achse der Tiefenrichtung der Halbleiterlaservorrichtung, das heißt der Richtung der Länge des Resonators, der durch die vordere und hintere Facette der Halbleiterlaservorrichtung definiert ist, entspricht und die x-Achse der Breitenrichtung der Halbleiterlaservorrichtung entspricht.
Erste Ausführungsform
[Erläuterung der Anzahl von möglichen Moden]
Die Anzahl von Oszillationsmoden, die im Resonator einer Halbleiterlaservorrichtung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können, wird kurz mit Bezug auf 1 beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das eine Schichtstruktur einer Halbleiterlaservorrichtung zeigt, und wird verwendet, um eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Diese Schichtstruktur umfasst Schichten, die in der Kristallwachstumsrichtung der Halbleiterlaservorrichtung gestapelt sind. Insbesondere umfasst die in 1 gezeigte Schichtstruktur eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex (oder eine Mantelschicht vom n-Typ) 1 mit einem Brechungsindex n2, eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex (oder eine Mantelschicht vom p-Typ) 1a mit einem Brechungsindex n2, und eine Schicht 2 mit hohem Brechungsindex mit einem Brechungsindex n1, die zwischen diese Schichten mit niedrigem Brechungsindex eingefügt ist und als Lichtleitschicht dient.
Die Struktur mit drei Schichten ist auf der rechten Seite von 1 schematisch gezeigt und die Brechungsindizes der drei Halbleiterschichten der Struktur sind auf der linken Seite von 1 schematisch angegeben. Wie vorstehend beschrieben, weisen die Schichten 1 und 1a mit niedrigem Brechungsindex denselben Brechungsindex (n2) auf. Die Schicht 2 mit hohem Brechungsindex weist einen Brechungsindex n1 auf, der größer ist als der Brechungsindex n2.
Die Schicht 2 mit hohem Brechungsindex ist als typische Schicht mit hohem Brechungsindex konfiguriert und der Lichtbegrenzungsfaktor und die Anzahl von Oszillationsmoden in der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex sind durch die normierte Frequenz oder den v-Wert, der aus der später beschriebenen Gleichung (1) berechnet wird, bestimmt. In Gleichung (1) ist λ die Wellenlänge von Licht in der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex und T ist eine Hälfte der Dicke der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex. Die Anzahl von Oszillationsmoden in der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex nimmt mit dem v-Wert zu. Insbesondere wenn der v-Wert π/2 oder mehr ist, können die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung (zusätzlich zur Grundoszillationsmode) in der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex auftreten.
Es sollte beachtet werden, dass in den Halbleiterlaservorrichtungen dieser und nachfolgender Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, die Lichtleitschichten und andere Halbleiterschichten (die die Lichtleitschichtstruktur bilden) eine ausreichende kombinierte Dicke aufweisen, so dass die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung im Resonator auftreten können. Das heißt, die Halbleiterlaservorrichtung von jeder dieser Ausführungsformen ist so konfiguriert, dass der v-Wert π/2 oder mehr ist.
Wie aus der folgenden Gleichung (1) zu sehen ist, ist, wenn der Brechungsindex der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex nahe jenem der Schichten 1 und 1a mit niedrigem Brechungsindex liegt (das heißt n1 n2), der v-Wert zur Quadratwurzel von Δn und zur Dicke T der Schicht mit hohem Brechungsindex proportional, wobei Δn die Differenz zwischen dem Brechungsindex der Schicht 2 mit hohem Brechungsindex und jenem der Schichten 1 und 1a mit niedrigem Brechungsindex ist.
[Konfiguration und Operation der Vorrichtung der ersten Ausführungsform]
(Erstes praktisches Beispiel der ersten Ausführungsform)
2 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung LD1 gemäß einem ersten praktischen Beispiel der ersten Ausführungsform. Die Halbleiterlaservorrichtung LD1 ist vom sogenannten Fabry-Perot-Typ. Die in 2 gezeigte Querschnittsstruktur erstreckt sich entlang der ganzen Länge der Halbleiterlaservorrichtung LD1 in der z-Achsen-Richtung (senkrecht zur Ebene des Papiers in 2).
Die Halbleiterlaservorrichtung LD1 weist eine gespaltene Facette an jedem der entgegengesetzten Enden davon auf, die in die z-Achsen-Richtung gewandt sind. Eine von diesen gespaltenen Facetten dient als vordere Facette zum Emittieren von Laserlicht, das in der Halbleiterlaservorrichtung LD1 erzeugt wird, und die andere gespaltene Facette dient als hintere Facette. An der vorderen und der hinteren Facette sind ein Antireflexfilm und ein Schutzfilm ausgebildet, die jeweils eine geeignete Dicke aufweisen. Die vordere und die hintere Facette definieren mit mehreren Halbleiterschichten einen Resonator mit einer Länge, die sich zwischen der vorderen und der hinteren Facette erstreckt.
Die Halbleiterlaservorrichtung LD1 umfasst ein GaAs-Substrat 4 vom n-Typ mit einer Elektrode 3 vom n-Typ auf seiner unteren Oberfläche. Mehrere Halbleiterschichten sind in Kristallform auf dem GaAs-Substrat 4 vom n-Typ gezüchtet. Diese Halbleiterschichten umfassen eine AlGaAs-Mantelschicht 5 vom n-Typ, eine AlGaAs-Lichtleitschicht 6 der n-Seite, eine AlGaAs-Sperrschicht 7 der n-Seite, eine InGaAs-Quantentopfschicht 8, eine AlGaAs-Sperrschicht 9, eine InGaAs-Quantentopfschicht 10, eine AlGaAs-Sperrschicht 11 der p-Seite, eine AlGaAs-Lichtleitschicht 12 der p-Seite, eine AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ und eine GaAs-Kontaktschicht 14 vom p-Typ. Es sollte beachtet werden, dass die Quantentopfschichten 8 und 10 und die Sperrschichten 7, 9 und 11 eine aktive Schicht bilden, die zwischen die Lichtleitschichten 6 und 12 eingefügt ist, und dass die Lichtleitschichten 6 und 12 und die aktive Schicht eine Lichtleitschichtstruktur bilden. Die Dicke dieser Lichtleitschichtstruktur ist im Wesentlichen gleich der Summe der Dicken der Lichtleitschichten 6 und 12.
Die AlGaAs-Mantelschicht 5 vom n-Typ weist einen Al-Molanteil von 0,250 und eine Dicke von 1,5 μm auf. Die AlGaAs-Lichtleitschicht 6 der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,183 und eine Dicke von 465 nm auf. Die AlGaAs-Sperrschicht 7 der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,100 und eine Dicke von 10 nm auf. Die InGaAs-Quantentopfschicht 8 weist einen In-Molanteil von 0,138 und eine Dicke von 8 nm auf.
Die AlGaAs-Sperrschicht 9 weist einen Al-Molanteil von 0,100 und eine Dicke von 3 nm auf. Die InGaAs-Quantentopfschicht 10 weist einen In-Molanteil von 0,138 und eine Dicke von 8 nm auf.
Die AlGaAs-Sperrschicht 11 der p-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,100 und eine Dicke von 10 nm auf.
Die AlGaAs–Lichtleitschicht 12 der p-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,183 und eine Dicke von 465 nm auf. Die AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ weist einen Al-Molanteil von 0,250 und eine Dicke von 1,5 μm auf. Die GaAs-Kontaktschicht 14 vom p-Typ weist eine Dicke von 0,2 μm auf.
Ein SiN-Film 15 und eine Elektrode 16 vom p-Typ sind auf der GaAs-Kontaktschicht 14 vom p-Typ vorgesehen. Der SiN-Film 15 weist eine Dicke von 0,2 μm auf. Der SiN-Film 15 bedeckt einen longitudinalen mittleren Abschnitt der Oberfläche der GaAs-Kontaktschicht 14 vom p-Typ nicht, wobei der Abschnitt eine Breite von W aufweist. Die Elektrode 16 vom p-Typ ist so ausgebildet, dass sie direkt diesen freigelegten Abschnitt bedeckt, wodurch eine Streifenstruktur (oder Stromeinengungsstruktur) mit derselben Breite (W) wie dieser Abschnitt ausgebildet wird.
Eine AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite ist zwischen der AlGaAs-Mantelschicht 5 vom n-Typ und der AlGaAs-Lichtleitschicht 6 vom n-Typ vorgesehen. Die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,500 und eine Dicke t1 auf. Das Laserlicht, das von den Quantentopfschichten 8 und 10 emittiert wird, die einen In-Molanteil von 0,138 und eine Dicke von 8 nm aufweisen, weist eine Wellenlänge von 980 nm auf. Bei dieser Wellenlänge weist eine AlGaAs-Schicht mit einem Al-Molanteil von 0,100 (wie z. B. die AlGaAs-Sperrschicht 7 der n-Seite, die AlGaAs-Sperrschicht 9 und die AlGaAs-Sperrschicht 11 der p-Seite) einen Brechungsindex von 3,455246 auf, eine AlGaAs-Schicht mit einem Al-Molanteil von 0,500 (wie z. B. die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite) weist einen Brechungsindex von 3,217492 auf und eine InGaAs-Schicht mit einem In-Molanteil von 0,138 (wie z. B. die InGaAs-Quantentopfschichten 8 und 10) weist einen Brechungsindex von 3,543268 auf.
Der vorliegende Erfinder hat Halbleiterlaserstrukturen mit Lichtleitschichten untersucht, die eine ausreichende kombinierte Dicke aufweisen, so dass die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung (zusätzlich zur Grundoszillationsmode) im Resonator auftreten können. Diese Untersuchung hat zu der Entdeckung geführt, dass das Einfügen einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex zwischen die Mantelschicht vom n-Typ und die Lichtleitschicht der n-Seite, die einen niedrigeren Brechungsindex als die Mantelschicht vom n-Typ aufweist, die folgenden vier Effekte hat:
Ein erster Effekt besteht darin, dass das Nahfeldmuster (NFP) oder Nahfeldintensitätsprofil verschmälert wird, was zu einem erhöhten optischen Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht führt.
Ein zweiter Effekt besteht darin, dass das Fernfeldmuster (FFP) verbreitert wird.
Ein dritter Effekt besteht darin, dass der Punkt maximaler Intensität in der Lichtleitschichtstruktur von der seitlichen oder longitudinalen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verschoben wird.
Ein vierter Effekt besteht darin, dass die maximale Intensität in der Lichtleitschichtstruktur erhöht wird.
In der Halbleiterlaservorrichtung LD1 des ersten praktischen Beispiels der ersten Ausführungsform sind die Mantelschicht vom n-Typ und die Mantelschicht vom p-Typ aus AlGaAs mit einem Al-Molanteil von 0,250 ausgebildet und die Lichtleitschicht der n-Seite und die Lichtleitschicht der p-Seite sind aus AlGaAs mit einem Al-Molanteil von 0,183 ausgebildet. Wenn in solchen Halbleiterlaservorrichtungen die Summe der Dicken der Lichtleitschichten der n-Seite und der p-Seite 929,7 nm ist, ist der durch obige Gleichung (1) gegebene v-Wert π/2. Es sollte beachtet werden, dass, wenn der v-Wert π/2 ist, die Oszillationsmode erster Ordnung (zusätzlich zur Grundoszillationsmode) im Resonator auftreten kann.
In der Halbleiterlaservorrichtung LD1 sind ferner InGaAs-Quantentopfschichten und AlGaAs-Sperrschichten mit einem Al-Molanteil von 0,100 zwischen den Lichtleitschichten der n-Seite und der p-Seite angeordnet. Diese Quantentopfschichten und Sperrschichten weisen einen höheren Brechungsindex auf als die Lichtleitschichten der n-Seite und der p-Seite. Dies bedeutet, dass die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung auftreten können, wenn die Summe der Dicken der Lichtleitschichtender der n-Seite und der p-Seite mindestens 929,7 nm ist.
Die folgende Beschreibung wird auf Eigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung LD1 als Funktion der Dicke t1 der AlGaAs-Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite gerichtet, wobei die Lichtleitschichten der n-Seite und der p-Seite eine Dicke von 465 nm aufweisen (wie vorstehend beschrieben). 3 umfasst 3A und 3B, die vorteilhafte Eigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung LD1 der ersten Ausführungsform zeigen.
3A ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD1 des ersten praktischen Beispiels von der Dicke der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite abhängt. Insbesondere zeigt 3A den optischen Begrenzungsfaktor Γ der Grundmode in den InGaAs-Quantentopfschichten 8 und 10 als Funktion der Dicke t1 der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite.
Wie gezeigt, nimmt der optische Begrenzungsfaktor mit zunehmender Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex allmählich zu. Dieses Phänomen steht zu dem im Gegensatz, was im Stand der Technik festgestellt wurde, und ergibt sich aus dem verschmälerten NFP (oder Nahfeldintensitätsprofil) aufgrund der Anwesenheit der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite.
3B ist ein Diagramm, das zeigt, wie ein Merkmal des Fernfeldmusters (FFP) der Halbleiterlaservorrichtung LD1 des ersten praktischen Beispiels von der Dicke der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite abhängt. Insbesondere zeigt 3B den Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des FFP in der Kristallwachstumsrichtung als Funktion der Dicke der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite. Wie gezeigt, nimmt der Divergenzwinkel θy mit zunehmender Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex allmählich zu (d. h. das FFP verbreitert sich allmählich). Dies weist auch darauf hin, dass das Nahfeldmuster (NFP) oder Nahfeldintensitätsprofil aufgrund der Anwesenheit der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite verschmälert wird.
Diese NFP-Eigenschaft steht zu der Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung, die in 15 (später beschrieben) gezeigt ist, im Gegensatz, die so konfiguriert ist, dass nur die Grundoszillationsmode im Resonator auftreten kann. Das heißt, in Halbleiterlaservorrichtungen wie z. B. der Halbleiterlaservorrichtung LD1 der ersten Ausführungsform, in der die Summe der Dicken der Lichtleitschichten groß genug ist, so dass die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung auftreten können, kann der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht durch Einfügen einer Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite zwischen die Mantelschicht vom n-Typ und die Lichtleitschicht der n-Seite erhöht werden. Dies führt zu einem verringerten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung.
(Zweites praktisches Beispiel der ersten Ausführungsform)
4 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung LD11 gemäß einem zweiten praktischen Beispiel der ersten Ausführungsform. Diese Halbleiterlaservorrichtung LD11 unterscheidet sich von der Halbleiterlaservorrichtung LD1 des ersten praktischen Beispiels darin, dass sie eine AlGaAs-Lichtleitschicht 6a der n-Seite und eine AlGaAs-Lichtleitschicht 12a der p-Seite anstelle der AlGaAs-Lichtleitschicht 6 der n-Seite und der AlGaAs-Lichtleitschicht 12 der p-Seite umfasst. Die Summe der Dicke tgn der AlGaAs-Lichtleitschicht 6a der n-Seite und der Dicke tgp der AlGaAs-Lichtleitschicht 12a der p-Seite ist 930 nm.
Das Verhältnis der Dicke tgn und der Dicke tgp kann jedoch verändert werden, um die Position der aktiven Schicht relativ zur seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur (die aus der Lichtleitschicht 6a der n-Seite und der Lichtleitschicht 12 der p-Seite gebildet ist, wobei die aktive Schicht dazwischen eingefügt ist) zu verändern. Die mittlere Position der AlGaAs-Sperrschicht 9 (die zwischen den InGaAs-Quantentopfschichten 8 und 10 angeordnet ist) relativ zur seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur wird hier als Position P der aktiven Schicht bezeichnet. Die seitliche Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur ist in 4 durch eine Strichpunktlinie angegeben und die Position P der aktiven Schicht ist in dieser Ebene angeordnet, wenn tgn = tgp = 465 nm.
Das Ändern des Verhältnisses der Dicken tgn und tgp führt zur Verlagerung der Position P der aktiven Schicht zur AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ hin oder von dieser weg (z, B. nach oben oder nach unten in 4). Abgesehen von diesem Merkmal ist die Halbleiterlaservorrichtung LD11 zur Halbleiterlaservorrichtung LD1 des ersten praktischen Beispiels, die in 2 gezeigt ist, ähnlich; der Al-Molanteil oder In-Molanteil jeder Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD11 ist beispielsweise derselbe wie jener der entsprechenden Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD1.
5 ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD11 des zweiten praktischen Beispiels von der Position der aktiven Schicht abhängt. Insbesondere zeigt 5 den optischen Begrenzungsfaktor Γ der Grundmode in der aktiven Schicht als Funktion der Position P der aktiven Schicht für verschiedene Dicken t1 der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite.
In 5 stellt die einfache Strichlinie den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn t1 = 0 nm, das heißt, wenn die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite fehlt. In diesem Fall, wie in 5 gezeigt, ist der optische Begrenzungsfaktor maximiert, wenn die Position P der aktiven Schicht in der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur angeordnet ist (P = 0 nm). Der optische Begrenzungsfaktor nimmt vom Maximalwert in derselben Weise sowohl, wenn die aktive Schicht von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom n-Typ verschoben ist als auch wenn sie in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verschoben ist, ab.
Die Strichpunktlinie in 5 stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite eine Dicke von 50 nm aufweist. Wie gezeigt, ist die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verschoben und ferner ist der Maximalwert des optischen Begrenzungsfaktors durch das Hinzufügen der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite erhöht.
Die durchgezogene Linie in 5 stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite eine Dicke von 100 nm aufweist. Wie gezeigt, ist die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, weiter in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verschoben und der Maximalwert des optischen Begrenzungsfaktors ist im Vergleich dazu, wenn die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite eine Dicke von 50 nm aufweist, weiter erhöht.
Die Steilheitseffizienz der Halbleiterlaservorrichtung kann durch Verlagern der aktiven Schicht von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verbessert werden. (Es sollte beachtet werden, dass die Lichtleitschichtstruktur aus den Lichtleitschichten 6a und 12a der n-Seite und der p-Seite besteht, wobei die aktive Schicht dazwischen eingefügt ist.)
In der obigen Ausführungsform ist die aktive Schicht von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ (d. h. nach oben in 4) verlagert, wobei die seitliche Mittelebene durch eine Strichpunktlinie in 4 dargestellt ist. Im Graphen von 5 stellt die horizontale Achse die Position P der aktiven Schicht relativ zur seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur dar, und größere Werte auf der horizontalen Achse geben kürzere Abstände von der Mantelschicht vom p-Typ an.
Wie vorstehend beschrieben, ist in der ersten Ausführungsform eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex mit einem niedrigeren Brechungsindex als die Mantelschicht vom n-Typ zwischen der Lichtleitschicht der n-Seite und der Mantelschicht vom n-Typ vorgesehen und die aktive Schicht ist von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert. (Es sollte beachtet werden, dass die seitliche Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur durch eine Strichpunktlinie in 4 angegeben ist.) Dies führt zu einem verbesserten optischen Begrenzungsfaktor (der Grundmode) in der aktiven Schicht und daher zu einem verringerten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung. Ferner macht es die Verlagerung der aktiven Schicht in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ möglich, die Steilheitseffizienz und daher die Leistungsumsetzungseffizienz der Halbleiterlaservorrichtung zu erhöhen.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl die Verlagerung der aktiven Schicht in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ auch zu einer Erhöhung des optischen Begrenzungsfaktors der Moden erster und höherer Ordnung führt, dies nicht problematisch ist, da der erhöhte optische Begrenzungsfaktor dieser Moden typischerweise immer noch niedriger ist als der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode. Wenn der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode höher ist als jener der Moden erster und höherer Ordnung, treten Oszillationsmoden höherer Ordnung nicht auf, in welchem Fall es nur erforderlich ist, den optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode zu betrachten.
(Drittes praktisches Beispiel der ersten Ausführungsform)
6 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung LD12 gemäß einem dritten praktischen Beispiel der ersten Ausführungsform. Die in 6 gezeigte Halbleiterlaservorrichtung LD12 unterscheidet sich von der Halbleiterlaservorrichtung LD1 des ersten praktischen Beispiels darin, dass sie eine AlGaAs-Lichtleitschicht 6b der n-Seite, eine AlGaAs-Lichtleitschicht 12b der p-Seite und eine AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite anstelle der AlGaAs-Lichtleitschicht 6 der n-Seite, der AlGaAs-Lichtleitschicht 12 der p-Seite und der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite umfasst. Der Brechungsindex der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite ist irgendein Wert, der geringer ist als der Brechungsindex der Mantelschicht vom n-Typ. Das heißt, die Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex kann einen anderen Al-Molanteil als 0,500 aufweisen.
Im dritten praktischen Beispiel sind die AlGaAs-Lichtleitschicht 6b der n-Seite und die AlGaAs-Lichtleitschicht 12b der p-Seite so konfiguriert, dass die Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung (zusätzlich zur Grundoszillationsmode) im Resonator in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können, und die Summe der Dicken dieser Lichtleitschichten 1000 nm ist.
7A ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD12 des dritten praktischen Beispiels von der Dicke der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigen Brechungsindex der n-Seite abhängt. 7B ist ein Diagramm, das zeigt, wie der Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des Fernfeldmusters (FFP) der Halbleiterlaservorrichtung des dritten praktischen Beispiels von der Dicke der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite abhängt.
Insbesondere zeigt 7A den optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht, wenn die aktive Schicht in der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur angeordnet ist, als Funktion der Dicke der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite für verschiedene Al-Molanteile der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite. Wie gezeigt, nimmt der optische Begrenzungsfaktor mit zunehmender Dicke und zunehmendem Al-Molanteil der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite zu.
7B zeigt den Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des FFP in der Kristallwachstumsrichtung als Funktion der Dicke der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite. Wie gezeigt, nimmt der Divergenzwinkel θy mit zunehmender Dicke der Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex zu (d. h. das FFP verbreitert sich). Es sollte beachtet werden, dass der Brechungsindex einer AlGaAs-Schicht 3,303083 ist, wenn ihr Al-Molanteil 0,35 ist, und 3,24653 ist, wenn ihr Al-Molanteil 0,45 ist.
8 ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD12 des dritten praktischen Beispiels von der Position der aktiven Schicht abhängt. Insbesondere zeigt 8 den optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht als Funktion der Position der aktiven Schicht für verschiedene Al-Molanteile der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite.
In 8 stellt eine einfache Strichlinie den optischen Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite fehlt. Die Strichpunktlinie stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite einen Al-Molanteil von 0,35 und eine Dicke von 50 nm aufweist. Die durchgezogene Linie stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite einen Al-Molanteil von 0,45 und eine Dicke von 50 nm aufweist.
Wie aus 8 zu sehen ist, wird, wenn der Al-Molanteil der Schicht mit niedrigem Brechungsindex erhöht wird und daher der Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex verringert wird, die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert und ferner wird der Maximalwert des optischen Begrenzungsfaktors erhöht. Diese Tendenz ist vorhanden, selbst wenn die AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite eine Dicke von 100 nm aufweist.
Wie vorstehend beschrieben, dient die Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite, die zwischen der Mantelschicht vom n-Typ und der Lichtleitschicht der n-Seite vorgesehen ist, zum Verlagern des Punkts maximaler Intensität des NFP oder Nahfeldintensitätsprofils von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ. Ferner weist diese Schicht mit niedrigem Brechungsindex den Effekt der Erhöhung der maximalen Intensität des NFP im Vergleich dazu auf, wenn die Schicht mit niedrigem Brechungsindex fehlt, wodurch die Steilheitseffizienz erhöht wird und der Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung verringert wird.
[Vergleichsbeispiel für Ausführungsformen der Erfindung]
(Konfiguration der Vorrichtung des Vergleichsbeispiels)
15 ist ein Diagramm, das eine Halbleiterlaservorrichtung LD150 darstellt, die als Vergleichsbeispiel für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Die Halbleiterlaservorrichtung LD150 unterscheidet sich von den Halbleiterlaservorrichtungen der ersten Ausführungsformen darin, dass nur die Grundoszillationsmode im Resonator auftreten kann.
Die Halbleiterlaservorrichtung LD150 umfasst ein GaAs-Substrat 102 vom n-Typ mit einer Elektrode 101 vom n-Typ, die auf seiner unteren Oberfläche ausgebildet ist. Mehrere Halbleiterschichten sind in Kristallform auf dem GaAs-Substrat 102 vom n-Typ gezüchtet. Diese Halbleiterschichten umfassen eine AlGaAs-Mantelschicht 103 vom n-Typ, eine AlGaAs-Lichtleitschicht 104 der n-Seite, eine AlGaAs-Sperrschicht 105 der n-Seite, eine InGaAs-Quantentopfschicht 106, eine AlGaAs-Sperrschicht 107, eine InGaAs-Quantentopfschicht 108, eine AlGaAs-Sperrschicht 109 der p-Seite, eine AlGaAs-Lichtleitschicht 110 der p-Seite, eine AlGaAs-Mantelschicht 111 vom p-Typ und eine GaAs-Kontaktschicht 112 vom p-Typ. Es sollte beachtet werden, dass die Quantentopfschichten 106 und 108 und die Sperrschichten 105, 107 und 109 eine aktive Schicht bilden, die zwischen die Lichtleitschichten 104 und 110 eingefügt ist, und dass die Lichtleitschichten 104 und 110 und die aktive Schicht eine Lichtleitschichtstruktur bilden. Die Dicke dieser Lichtleitschichtstruktur ist im Wesentlichen gleich der Summe der Dicken der Lichtleitschichten 104 und 110.
Die AlGaAs-Mantelschicht 103 vom n-Typ weist einen Al-Molanteil von 0,250 und eine Dicke von 1,5 μm auf. Die AlGaAs-Lichtleitschicht 104 der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,183 und eine Dicke von 50 nm auf. Die AlGaAs-Sperrschicht 105 der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,100 und eine Dicke von 10 nm auf.
Die InGaAs-Quantentopfschicht 106 weist einen In-Molanteil von 0,138 und eine Dicke von 8 nm auf. Die AlGaAs-Sperrschicht 107 weist einen Al-Molanteil von 0,100 und eine Dicke von 3 nm auf. Die InGaAs-Quantentopfschicht 108 weist einen In-Molanteil von 0,138 und eine Dicke von 8 nm auf. Die AlGaAs-Sperrschicht 109 der p-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,100 und eine Dicke von 10 nm auf.
Die AlGaAs-Lichtleitschicht 110 der p-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,183 und eine Dicke von 50 nm auf. Die AlGaAs-Mantelschicht 111 vom p-Typ weist einen Al-Molanteil von 0,250 und eine Dicke von 1,5 μm auf. Die GaAs-Kontaktschicht 112 vom p-Typ weist eine Dicke von 0,2 μm auf. Eine Elektrode 113 vom p-Typ ist auf der Oberseite dieser Schichtstruktur vorgesehen.
Eine AlGaAs-Schicht 114 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite ist zwischen der AlGaAs-Mantelschicht 103 vom n-Typ und der AlGaAs-Lichtleitschicht 104 der n-Seite vorgesehen. Die AlGaAs-Schicht 114 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,50 und eine Dicke t1 auf, die als Parameter der in 16 gezeigten Graphen (später beschrieben) verwendet wird.
(Anzahl von Moden in der Vorrichtung des Vergleichsbeispiels) Der v-Wert der Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung LD150, die in 15 gezeigt ist, wird nachstehend unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) berechnet. Die AlGaAs-Sperrschicht 109 der p-Seite, die InGaAs-Quantentopfschicht 108, die AlGaAs-Sperrschicht 107, die InGaAs-Quantentopfschicht 106 und die AlGaAs-Sperrschicht 105 der n-Seite weisen einen Brechungsindex auf, der ungefähr gleich jenem der Lichtleitschichten ist, die einen Al-Molanteil von 0,183 aufweisen. Das heißt, alle dieser Quantentopfschichten, Sperrschichten und Lichtleitschichten sind Schichten mit hohem Brechungsindex und ihre kombinierte Dicke ist 139 nm.
Ein Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex einer Halbleiterschicht ist bekannt (siehe z. B. Iga et al. "Semiconductor Laser", S. 35–38, 25. Okt. 1994, Ohmsha). Unter Verwendung dieses Verfahrens wird der Brechungsindex einer AlGaAs-Schicht mit einem Al-Molanteil von 0,183 (wie z. B. die Lichtleitschichten 104 und 110) als 3,403186 bei einer Wellenlänge von 980 nm berechnet. Ferner wird der Brechungsindex einer AlGaAs-Schicht mit einem Al-Molanteil von 0,250 (wie z. B. die Mantelschichten 103 und 111) als 3,362125 bei einer Wellenlänge von 980 nm berechnet. Durch Einsetzen dieser Werte in obige Gleichung (1) ist der resultierende v-Wert 0,4697. Da der v-Wert der Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung geringer ist als π/2, kann folglich nur die Grundoszillationsmode in ihrem Resonator auftreten.
(Eigenschaften des Vergleichsbeispiels)
16A ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung LD150 von der Dicke der AlGaAs-Schicht 114 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite abhängt. 16B ist ein Diagramm, das zeigt, wie der Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des Fernfeldmusters (FFP) der Vergleichs-Halbleiterlaservorrichtung LD150 von der Dicke der AlGaAs-Schicht 114 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite abhängt.
Wie in 16A gezeigt, nimmt der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht mit zunehmender Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex allmählich ab. Wie in 16B gezeigt, nimmt ferner der Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des Fernfeldmusters (FFP) in der Kristallwachstumsrichtung auch mit zunehmender Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex allmählich ab. Diese Eigenschaften weisen darauf hin, dass das Nahfeldmuster (NFP) oder Nahfeldintensitätsprofil in der Kristallwachstumsrichtung sich mit zunehmender Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex verbreitert.
17 ist ein Diagramm, das die Ladungsträgerverteilung und die Verteilung der optischen Intensität innerhalb der Lichtleitschichten einer Halbleiterlaservorrichtung zeigt. Die in 17 gezeigte Halbleiterlaservorrichtung weist eine Struktur auf, die aus einer Mantelschicht 120 vom n-Typ, einer Lichtleitschicht 121 der n-Seite, einer aktiven Schicht 122, einer Lichtleitschicht 123 der p-Seite und einer Mantelschicht 124 vom p-Typ besteht. Es sollte beachtet werden, dass die Lichtleitschicht 121 der n-Seite, die aktive Schicht 122 und die Lichtleitschicht 123 der p-Seite zusammen eine Lichtleitschichtstruktur bilden.
Der Gradient der Ladungsträgerverteilung in der Lichtleitschicht der p-Seite ist μn/μp Mal größer als der Gradient der Ladungsträgerverteilung in der Lichtleitschicht der n-Seite, wobei μn die Mobilität von Elektronen ist und μp die Mobilität von Löchern ist (siehe M. Alam und M. Lundstrom, "Simple Analysis of Carrier Transport and Buildup in Separate Confinement Heterostructure Quantum Well Lasers", IEEE, Photonics Technol. Lett., Band 6, Nr, 12, S. 1418–1420, 1994).
Die Ladungsträgerdichte ist am niedrigsten in den Lichtleitschichten nahe der aktiven Schicht. Wenn die aktive Schicht in Richtung der Mantelschicht der p-Seite verlagert ist, wie durch einen offenen Pfeil in 17 angegeben, dann ist daher die Anzahl von Ladungsträgern in der Lichtleitschichtstruktur verringert. Dies führt zu einer verringerten Ladungsträgerabsorption des Laserlichts, was es möglich macht, eine Verringerung der Steilheitseffizienz zu verhindern. Daher ist die Verlagerung der aktiven Schicht in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ besonders wirksam bei Halbleiterlaservorrichtungen mit dicken Lichtleitschichten, da viele Ladungsträger in solchen Lichtleitschichten während der Laseroszillation eingefangen werden.
Da jedoch der Punkt maximaler Intensität des NFP oder Nahfeldintensitätsprofils in der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur angeordnet ist, ist, wenn die aktive Schicht in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert ist, der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht verringert, was zu einem erhöhten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung führt. Die Verlagerung der aktiven Schicht in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ ist jedoch vorteilhaft, wenn der Schwellenstrom im Vergleich zum Betriebsstrom nicht signifikant ist.
[Variationen der ersten Ausführungsform]
Obwohl die vorliegende Ausführungsform in Verbindung mit Halbleiterlaservorrichtungen beschrieben wurde, in denen die Sperrschichten, die Lichtleitschichten und die Mantelschichten aus AlGaAs bestehen, ist die vorliegende Erfindung selbstverständlich nicht auf dieses Halbleitermaterial begrenzt. Die Vorteile der vorstehend beschriebenen vorliegenden Ausführungsform ergeben sich aus einer speziellen Beziehung zwischen den Brechungsindizes von mehreren Halbleiterschichten. Daher kann eine Halbleiterlaservorrichtung, die aus einem anderen Material wie z. B. einem Material auf GaN-Basis, AlGaInP-Basis oder InP-Basis ausgebildet ist, so konfiguriert sein, dass die Brechungsindizes der Halbleiterschichten die obige spezielle Beziehung aufweisen, um die Vorteile der ersten Ausführungsform zu erreichen.
Obwohl die Halbleiterlaservorrichtungen der ersten Ausführungsform eine aktive Schicht aus InGaAs umfassen und eine Laserwellenlänge von 980 nm aufweisen, ist die vorliegende Erfindung ferner selbstverständlich nicht auf diesen speziellen Typ von Halbleiterlaservorrichtung begrenzt. Die vorliegende Ausführungsform kann auf Halbleiterlaservorrichtungen mit einer aktiven Schicht aus einem anderen Halbleitermaterial und mit einer anderen Laserwellenlänge als 980 nm angewendet werden, während die vorstehend in Verbindung mit der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Vorteile beibehalten werden.
Zweite Ausführungsform
[Konfiguration einer Vorrichtung der zweiten Ausführungsform]
9 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung LD2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Halbleiterlaservorrichtung ist in der Konfiguration zur Halbleiterlaservorrichtung LD12 des dritten praktischen Beispiels der ersten Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, ähnlich, außer dass sie eine AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite anstelle der AlGaAs-Schicht 17a mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite umfasst und ferner eine AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite umfasst. Die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,500 und eine Dicke von 100 nm auf. Die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite weist einen Al-Molanteil xlp und eine Dicke tlp auf.
Die Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform, die in der vorstehend beschriebenen Weise konfiguriert ist, ist durch die folgenden zwei Merkmale gekennzeichnet:
Ein erstes Merkmal besteht darin, dass die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite, die einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als die AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ, zwischen der AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ und der AlGaAs-Lichtleitschicht 12b der p-Seite angeordnet ist.
Ein zweites Merkmal besteht darin, dass ein Bemessungswert v'_n der n-Seite größer ist als ein Bemessungswert v'_p der p-Seite, wobei: der Bemessungswert v'_n der n-Seite das Produkt der Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und der Quadratwurzel der Differenz zwischen dem Quadrat des Brechungsindex der Mantelschicht vom n-Typ und dem Quadrat des Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite ist; und der Bemessungswert v'_p der p-Seite das Produkt der Dicke der Schicht mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite und der Quadratwurzel der Differenz zwischen dem Quadrat des Brechungsindex der Mantelschicht vom p-Typ und dem Quadrat des Brechungsindex der Schicht mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite ist.
[Operation und Eigenschaften der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform]
10 umfasst 10A und 10B, die vorteilhafte Eigenschaften der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform darstellen.
10A ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform von der Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite abhängt. Insbesondere zeigt 10A den optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht, wenn die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite einen Al-Molanteil xlp von 0,300 aufweist und die aktive Schicht in der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur angeordnet ist, als Funktion der Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite. Wie gezeigt, nimmt der optische Begrenzungsfaktor mit zunehmender Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite zu.
Es sollte beachtet werden, dass die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite, die zwischen der Mantelschicht 5 vom n-Typ und der AlGaAs-Lichtleitschicht 6b der n-Seite vorgesehen ist, einen Al-Molanteil von 0,500 und eine Dicke von 100 nm aufweist.
10B ist ein Diagramm, das zeigt, wie der Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des Fernfeldmusters (FFP) der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform von der Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite abhängt. Insbesondere zeigt 10B den Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des FFP in der Kristallwachstumsrichtung als Funktion der Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite. Wie gezeigt, nimmt der Divergenzwinkel θy mit zunehmender Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite zu (d. h. das FFP verbreitert sich). Es sollte beachtet werden, dass der Brechungsindex einer AlGaAs-Schicht mit einem Al-Molanteil von 0,300 (wie z. B. die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite) 3,332404 ist.
11 ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform von der Position der aktiven Schicht abhängt. Insbesondere zeigt 11 den optischen Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht als Funktion der Position der aktiven Schicht für verschiedene Dicken der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite.
In 11 stellt die einfache Strichlinie den optischen Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht dar, wenn die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite fehlt. Die Strichpunktlinie stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite einen Al-Molanteil xlp von 0,300 und eine Dicke tlp von 30 nm aufweist. Die durchgezogene Linie stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite einen Al-Molanteil xlp von 0,300 und eine Dicke tlp von 50 nm aufweist.
Wie in 11 gezeigt, nimmt der maximale Wert des optischen Begrenzungsfaktors mit zunehmender Dicke der Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex zu. Wenn die Dicke der Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex erhöht wird, wird ferner die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, geringfügig weiter in Richtung der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur verlagert, bleibt jedoch immer noch auf der Seite der Mantelschicht vom p-Typ der Lichtleitschichtstruktur.
Diese Eigenschaften weisen darauf hin, dass es möglich ist, den Schwellenstrom zu verringern und dadurch die Steilheitseffizienz der Halbleiterlaservorrichtung durch Anordnen der aktiven Schicht nahe der Stelle, wo der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, zu erhöhen. Es sollte beachtet werden, dass die Brechungsindexverteilung innerhalb der Lichtleitschichtstruktur symmetrischer wird, wenn die Dicke der Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex erhöht wird. Dies ist der Grund, dass die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, weiter in Richtung der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur verlagert wird, wenn die Dicke der Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex erhöht wird.
Das zweite Merkmal der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform wird genauer beschrieben. Mit Rückbezug auf 1 und Gleichung (1), die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wird der optische Begrenzungsfaktor in dem Bereich (oder der Schicht) 2 mit hohem Brechungsindex durch das Produkt der Dicke des Bereichs 2 mit hohem Brechungsindex und des Werts von (n₁ ² – n₂ ²)^1/2 bestimmt, wobei n₁ der Brechungsindex des Bereichs 2 mit hohem Brechungsindex ist und n₂ der Brechungsindex der Bereiche 1 und 1a mit niedrigem Brechungsindex ist (siehe 1). Es sollte beachtet werden, dass der Bereich 2 mit hohem Brechungsindex der Lichtleitschichtstruktur der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform entspricht (einschließlich der Lichtleitschichten 6b und 12b der n-Seite und der p-Seite und der aktiven Schicht) und die Bereiche 1 und 1a mit niedrigem Brechungsindex den Mantelschichten 5 bzw. 13 vom n-Typ bzw. vom p-Typ entsprechen.
Ferner funktioniert in der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform die Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite derart, dass die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, in Richtung der Mantelschicht 13 vom p-Typ verlagert ist. Das Ausmaß der Verlagerung wird als vom Brechungsindex und von der Dicke der Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex abhängig festgestellt, wie es bei der Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der Halbleiterlaservorrichtung LD11 der ersten Ausführungsform, die vorstehend mit Bezug auf 5 beschrieben wurde, der Fall ist.
Die Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform ist ferner mit der Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite versehen, von der in Betracht gezogen wird, dass sie derart funktioniert, dass die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, in Richtung der Mantelschicht 5 vom n-Typ verlagert ist. Das Ausmaß dieser Verlagerung wird als vom Brechungsindex und von der Dicke der Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite abhängig betrachtet, wie es bei der Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite der Fall ist.
Da die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, auf der Seite der Mantelschicht 13 vom p-Typ (oder Oberseite) der Lichtleitschichtstruktur angeordnet sein muss, müssen die Brechungsindizes und die Dicken der Schichten 17b und 18 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und der p-Seite und die Brechungsindizes der Mantelschichten 5 und 13 vom n-Typ und vom p-Typ so ausgewählt werden, dass das Ausmaß der Verlagerung in Richtung der Mantelschicht 13 vom p-Typ, die durch die Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite verursacht wird, größer ist als das Ausmaß der Verlagerung in Richtung der Mantelschicht 5 vom n-Typ, die durch die Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite verursacht wird. Um dies zu erreichen, muss der Bemessungswert v'_n der n-Seite größer sein als der Bemessungswert v'_p der p-Seite, wie vorstehend beschrieben.
Der Bemessungswert v'_n der n-Seite ist durch die nachstehende Gleichung (2) gegeben. v'_n = (n_1n ² – n_2n ²)^1/2 × T_n (2) wobei n_1n der Brechungsindex der AlGaAs-Mantelschicht 5 vom n-Typ ist, n_2n der Brechungsindex der AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite ist und T_n die Dicke der AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite ist.
Der Bemessungswert v'_p der p-Seite ist durch die nachstehende Gleichung (3) gegeben. v'_p = (n_1p ² – n_2p ²)^1/2 × T_p (3) wobei n_1p der Brechungsindex der AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ ist, n_2p der Brechungsindex der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite ist und T_p die Dicke der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite ist.
Als Ergebnis des vorstehend beschriebenen zweiten Merkmals ist die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht 13 vom p-Typ verlagert.
Die vorstehend beschriebene Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform weist sowohl eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite, die zwischen die Mantelschicht vom n-Typ und die Lichtleitschicht der n-Seite eingefügt ist, als auch eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite, die zwischen die Mantelschicht vom p-Typ und die Lichtleitschicht der p-Seite eingefügt ist. auf. Ferner ist die Halbleiterlaservorrichtung LD2 so konfiguriert, dass sie das vorstehend beschriebene zweite Merkmal aufweist.
Die Schichten mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und der p-Seite sind so konfiguriert, dass der Punkt maximaler Intensität in der Lichtleitschichtstruktur von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert ist, und so dass die maximale Intensität des NFP höher ist als es der Fall wäre, wenn diese Schichten mit niedrigem Brechungsindex fehlen würden. Dies führt zu einer erhöhten Steilheitseffizienz und einem verringerten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung LD2.
Dritte Ausführungsform
[Konfiguration der Vorrichtung der dritten Ausführungsform]
12 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung LD3 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Halbleiterlaservorrichtung LD3 der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der Halbleiterlaservorrichtung LD2 der zweiten Ausführungsform darin, dass die AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite durch eine AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der aktiven Schicht, aber höher als jener der AlGaAs-Lichtleitschicht 12b der p-Seite, ersetzt ist. Das heißt, in der Halbleiterlaservorrichtung LD3 ist die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite zwischen der AlGaAs-Mantelschicht 5 vom n-Typ und der AlGaAs-Lichtleitschicht 6b der n-Seite vorgesehen (wie in der zweiten Ausführungsform) und die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite ist zwischen der AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ und der AlGaAs-Lichtleitschicht 12 der p-Seite vorgesehen.
Die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite weist einen Al-Molanteil von 0,120 und eine Dicke von 20 nm auf. Es sollte beachtet werden, dass eine AlGaAs-Schicht mit einem Al-Molanteil von 0,120 einen Brechungsindex von 3,442407 aufweist. Folglich weist die Halbleiterlaservorrichtung LD3 eine Schichtstruktur ähnlich zu jener der Halbleiterlaservorrichtung LD2, die in 9 gezeigt ist, auf, außer dass sie die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite anstelle der AlGaAs-Schicht 18 mit niedrigem Brechungsindex der p-Seite aufweist.
[Operation und Eigenschaften der Vorrichtung der dritten Ausführungsform]
13 ist ein Diagramm, das zeigt, wie der optische Begrenzungsfaktor der Grundmode in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD3 der dritten Ausführungsform von der Position der aktiven Schicht abhängt.
In 13 stellt eine einfache Strichlinienkurve Cv2, die nur für Referenzwecke gezeigt ist, den optischen Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht der Halbleiterlaservorrichtung LD3 dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlen. Die Strichpunktlinienkurve Cv1, die nur für Referenzzwecke gezeigt ist, stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite (mit einem Al-Molanteil von 0,500 und einer Dicke von 50 nm) vorhanden ist, aber die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlt.
Die Kurve Cv0 der durchgezogenen Linie stellt den optischen Begrenzungsfaktor dar, wenn sowohl die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite (mit einem Al-Molanteil von 0,500 und einer Dicke von 50 nm) als auch die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite (mit einem Al-Molanteil von 0,120 und einer Dicke von 20 nm) vorhanden sind. Wenn sowohl die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite als auch die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite vorhanden sind, ist der Punkt maximaler Intensität in der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ weiter verlagert, als wenn die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite vorhanden ist, aber die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlt, obwohl der Wert der maximalen Intensität niedriger ist.
Wenn sowohl die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite als auch die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite vorhanden sind, weist die Halbleiterlaservorrichtung LD3 eine höhere Steilheitseffizienz auf, als wenn die AlGaAs-Schicht 17b mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite vorhanden ist, aber die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlt, da die Position der aktiven Schicht, in der der optische Begrenzungsfaktor in der aktiven Schicht maximiert ist, weiter in Richtung der AlGaAs-Mantelschicht 13 vom p-Typ verlagert ist, obwohl die Halbleiterlaservorrichtung LD3 einen höheren Schwellenstrom aufweist. Wie aus 13 zu sehen ist, weist ferner die Halbleiterlaservorrichtung LD3 einen niedrigeren Schwellenstrom und eine höhere Steilheitseffizienz auf, wenn die AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und die AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite vorhanden sind, als wenn beide von ihnen fehlen.
Wenn die aktive Schicht in der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur angeordnet ist, variiert der Divergenzwinkel (volle Breite bei halbem Maximum) θy des FFP in der Kristallwachstumsrichtung gemäß der Anwesenheit oder Abwesenheit der AlGaAs-Schicht 17 mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und der AlGaAs-Schicht 19 mit hohem Brechungsindex der p-Seite wie folgt: wenn sowohl die Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite als auch die AlGaAs-Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlen, ist der Divergenzwinkel θy 27,8°; wenn die AlGaAs-Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite vorhanden ist, aber die AlGaAs-Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlt, ist θy 28,6°; und wenn sowohl die Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite als auch die AlGaAs-Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite vorhanden sind, ist θy 28,6°. Selbst wenn die AlGaAs-Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite (zusätzlich zur AlGaAs-Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite) vorhanden ist, ist der Divergenzwinkel θy folglich größer als (das heißt das FFP ist breiter als) wenn beide Schichten fehlen.
Die vorstehend beschriebene Halbleiterlaservorrichtung LD3 der dritten Ausführungsform weist sowohl eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite, die zwischen der Mantelschicht vom n-Typ und der Lichtleitschicht der n-Seite vorgesehen ist, als auch eine Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite, die zwischen der Mantelschicht vom p-Typ und der Lichtleitschicht der p-Seite vorgesehen ist, auf.
Die Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite und die Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite sind so konfiguriert, dass der Punkt mit maximaler Intensität in der Lichtleitschichtstruktur von der seitlichen Mittelebene der Lichtleitschichtstruktur in Richtung der Mantelschicht vom p-Typ verlagert ist, und so, dass die maximale Intensität des NFP höher ist, als es der Fall wäre, wenn sowohl die Schicht mit niedrigem Brechungsindex der n-Seite als auch die Schicht mit hohem Brechungsindex der p-Seite fehlen würden. Dies führt zur erhöhten Steilheitseffizienz und zu einem verringerten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung LD3.
Vierte Ausführungsform
14 ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiterlaservorrichtung LD4 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Halbleiterlaservorrichtung LD4 ist eine Rippenhalbleiterlaservorrichtung, die durch Wegätzen von Seitenkanten der GaAs-Kontaktschicht vom p-Typ und der AlGaAs-Mantelschicht vom p-Typ an der Oberseite einer Halbleiterlaserstruktur und dadurch Erzeugen einer Rippe, die aus den restlichen zentralen Abschnitten der Kontaktschicht und der Mantelschicht gebildet ist, ausgebildet wird.
Folglich sind die Kontaktschicht vom p-Typ und die Mantelschicht vom p-Typ in der Breite durch Ätzen verringert und bilden zusammen eine Rippe, die sich entlang der Länge des Resonators (d. h. in der z-Richtung in 14) erstreckt. Folglich wird der Strom, der durch die Kontaktschicht vom p-Typ und die Mantelschicht vom p-Typ zur aktiven Schicht fließt, bezüglich der Ausbreitung in der x-Richtung eingeschränkt. Dies führt zu einem verringerten Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl in der vorliegenden Ausführungsform das obige Ätzen zum Ausbilden der Rippe gestoppt wird, wenn die Mantelschicht vom p-Typ durch ihre Dicke hindurch geätzt wurde, in anderen Ausführungsformen das Ätzen selbstverständlich gestoppt werden kann, wenn eine Tiefe auf halbem Wege durch die Mantelschicht vom p-Typ oder auf halbem Wege durch die Lichtleitschicht 12a vom p-Typ erreicht wurde. Alternativ kann nur die Kontaktschicht geätzt werden.
Wie vorstehend beschrieben, weist die Halbleiterlaservorrichtung LD4 der vierten Ausführungsform eine Rippenstruktur auf. Diese Rippenstruktur hat den Effekt der Einschränkung des Stroms, der durch diese fließt, bezüglich der Ausbreitung in einer Richtung senkrecht sowohl zur Kristallwachstumsrichtung als auch zur Resonatorlängenrichtung, wodurch der Schwellenstrom der Halbleiterlaservorrichtung LD4 verringert wird.
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden. Die Halbleiterlaservorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind so konfiguriert, dass sie einen niedrigen Schwellenstrom, eine hohe Steilheitseffizienz und eine hohe Leistungsumsetzungseffizienz aufweisen.
Offensichtlich sind viele Modifikationen und Veränderungen der vorliegenden Erfindung angesichts der obigen Lehren möglich. Daher kann selbstverständlich innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche die Erfindung anders als spezifisch beschrieben ausgeführt werden.
Die gesamte Offenbarung von JP 2013-072302-A , eingereicht am 29. März 2013, einschließlich der Patentbeschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, auf der die Unionspriorität der vorliegenden Anmeldung basiert, ist hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-233882 A [0002, 0003]
JP 2000-151018 [0003]
JP 2007-220692 [0003]
JP 58-195529 [0003]
JP 2013-072302- A [0128]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Alam und M. Lundstrom, ”Simple Analysis of Carrier Transport and Buildup in Separate Confinement Heterostructure Quantum Well Lasers”, IEEE, Pnotonics Tecnol. Lett., Band 6, Nr. 12, S. 1418–1420, 1994 [0004]
Iga, ”Semiconductor Laser”, S. 35–38, 25. Oktober 1994, Ohmsha, Ltd [0004]
Iga et al. ”Semiconductor Laser”, S. 35–38, 25. Okt. 1994, Ohmsha [0084]
M. Alam und M. Lundstrom, ”Simple Analysis of Carrier Transport and Buildup in Separate Confinement Heterostructure Quantum Well Lasers”, IEEE, Photonics Technol. Lett., Band 6, Nr, 12, S. 1418–1420, 1994) [0088]

Claims

Halbleiterlaservorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Mantelschicht (5) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist; eine erste Lichtleitschicht (6), die auf die Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps laminiert ist; eine aktive Schicht (7, 8, 9, 10, 11), die auf die erste Lichtleitschicht laminiert ist; eine zweite Lichtleitschicht (12), die auf die aktive Schicht laminiert ist; und eine Mantelschicht (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die zweite Lichtleitschicht laminiert ist; wobei eine Summe der Dicke der ersten Lichtleitschicht und der Dicke der zweiten Lichtleitschicht derart ist, dass Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können; wobei die Dicke der ersten Lichtleitschicht größer ist als die Dicke der zweiten Lichtleitschicht; und wobei eine erste Schicht (17, 17a) mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jene der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, zwischen der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Lichtleitschicht vorgesehen ist.
Halbleiterlaservorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Mantelschicht (5) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist; eine erste Lichtleitschicht (6), die auf die Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps laminiert ist; eine aktive Schicht (7, 8, 9, 10, 11), die auf die erste Lichtleitschicht laminiert ist; eine zweite Lichtleitschicht (12), die auf die aktive Schicht laminiert ist; und eine Mantelschicht (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die zweite Lichtleitschicht laminiert ist; wobei eine Summe der Dicke der ersten Lichtleitschicht und der Dicke der zweiten Lichtleitschicht derart ist, dass Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können; wobei die Dicke der ersten Lichtleitschicht größer ist als die Dicke der zweiten Lichtleitschicht; wobei eine erste Schicht (17b) mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, zwischen der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Lichtleitschicht vorgesehen ist; wobei eine zweite Schicht (18) mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, zwischen der zweiten Lichtleitschicht und der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist; und wobei ein Produkt der Dicke der ersten Schicht mit niedrigem Brechungsindex und einer Quadratwurzel der Differenz zwischen einem Quadrat des Brechungsindex der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und einem Quadrat des Brechungsindex der ersten Schicht mit niedrigem Brechungsindex größer ist als ein Produkt der Dicke der zweiten Schicht mit niedrigem Brechungsindex und einer Quadratwurzel der Differenz zwischen einem Quadrat des Brechungsindex der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps und einem Quadrat des Brechungsindex der zweiten Schicht mit niedrigem Brechungsindex.
Halbleiterlaservorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Halbleitersubstrat (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps; eine Mantelschicht (5) des ersten Leitfähigkeitstyps, die auf das Halbleitersubstrat laminiert ist; eine erste Lichtleitschicht (6), die auf die Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps laminiert ist; eine aktive Schicht (7, 8, 9, 10, 11), die auf die erste Lichtleitschicht laminiert ist; eine zweite Lichtleitschicht (12), die auf die aktive Schicht laminiert ist; und eine Mantelschicht (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, die auf die zweite Lichtleitschicht laminiert ist; wobei eine Summe der Dicke der ersten Lichtleitschicht und der Dicke der zweiten Lichtleitschicht derart ist, dass Oszillationsmoden erster und höherer Ordnung in der Kristallwachstumsrichtung auftreten können; wobei die Dicke der ersten Lichtleitschicht größer ist als die Dicke der zweiten Lichtleitschicht; wobei eine Schicht (17b) mit niedrigem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, zwischen der Mantelschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und der ersten Lichtleitschicht vorgesehen ist; und wobei eine Schicht (19) mit hohem Brechungsindex mit einem Brechungsindex, der niedriger ist als jener der aktiven Schicht, aber höher als jener der zweiten Lichtleitschicht, zwischen der zweiten Lichtleitschicht und der Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist.
Halbleiterlaservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einem Rippenabschnitt versehen ist.