JP2000236141A - 半導体発光素子 - Google Patents
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 注入電流に対して、安定した光出力及び縦多
モード発振スペクトルを得る構成を備えた半導体発光素
子を提供する。 【解決手段】 本半導体発光素子２００は、９８０ｎｍ
帯のＩｎＧａＡｓ系端面発光型レーザ素子であって、厚
さ１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、順次、エ
ピタキシャル成長した、膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.3 Ｇa
0.7 Ａｓクラッド層１１０、膜厚３０ｎｍの非導電型Ａ
ｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１２０、非導電型ＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＩｎＡｓ量子井戸層１３０、膜厚３０ｎｍの
非導電型Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１４０、膜厚２
μｍのｐ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層１５０、及
び膜厚０．３μｍのＧａＡs キャップ層１６０からなる
積層構造を備えている。クラッド層１５０の上層とキャ
ップ層とは、幅４μｍのメサストライプ状に加工され、
キャップ層上にはＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜
１７０が成膜されている。
モード発振スペクトルを得る構成を備えた半導体発光素
子を提供する。 【解決手段】 本半導体発光素子２００は、９８０ｎｍ
帯のＩｎＧａＡｓ系端面発光型レーザ素子であって、厚
さ１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、順次、エ
ピタキシャル成長した、膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.3 Ｇa
0.7 Ａｓクラッド層１１０、膜厚３０ｎｍの非導電型Ａ
ｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１２０、非導電型ＩｎＧａ
Ａｓ／ＧａＩｎＡｓ量子井戸層１３０、膜厚３０ｎｍの
非導電型Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１４０、膜厚２
μｍのｐ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層１５０、及
び膜厚０．３μｍのＧａＡs キャップ層１６０からなる
積層構造を備えている。クラッド層１５０の上層とキャ
ップ層とは、幅４μｍのメサストライプ状に加工され、
キャップ層上にはＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜
１７０が成膜されている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光素子に
関し、更に詳細には、装荷損失の小さな半導体発光素
子、特に光通信システムの光増幅器として最適な半導体
レーザ等の半導体発光素子に関するものである。
関し、更に詳細には、装荷損失の小さな半導体発光素
子、特に光通信システムの光増幅器として最適な半導体
レーザ等の半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】９８０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓ系半導体レ
ーザ素子は、光通信システムで種々の光源、例えば光フ
ァイバ増幅器では励起光源として多用されている。
ーザ素子は、光通信システムで種々の光源、例えば光フ
ァイバ増幅器では励起光源として多用されている。
【０００３】ここで、図３を参照して、従来の９８０ｎ
ｍ帯ＩｎＧａＡｓ系レーザ素子（以下、ＩｎＧａＡｓ系
レーザ素子と言う）の構造を説明する。図３は従来のＩ
ｎＧａＡｓ系レーザ素子の構成を示す断面図である。従
来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子２０は、基本的には、図
３に示すように、厚さ１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１
上に、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚１．７μ
ｍのｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、膜厚３０ｎｍの非
導電型ＡｌＧa Ａs のＳＣＨ層３、ＩｎＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ量子井戸４、膜厚３０ｎｍの非導電型ＡｌＧa Ａs
のＳＣＨ層５、膜厚１．７μｍのｐ−ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層６、及び膜厚０．３μｍのＧａＡｓキャップ層７
からなる積層構造を備えている。
ｍ帯ＩｎＧａＡｓ系レーザ素子（以下、ＩｎＧａＡｓ系
レーザ素子と言う）の構造を説明する。図３は従来のＩ
ｎＧａＡｓ系レーザ素子の構成を示す断面図である。従
来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子２０は、基本的には、図
３に示すように、厚さ１００μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１
上に、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚１．７μ
ｍのｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２、膜厚３０ｎｍの非
導電型ＡｌＧa Ａs のＳＣＨ層３、ＩｎＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ量子井戸４、膜厚３０ｎｍの非導電型ＡｌＧa Ａs
のＳＣＨ層５、膜厚１．７μｍのｐ−ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層６、及び膜厚０．３μｍのＧａＡｓキャップ層７
からなる積層構造を備えている。
【０００４】クラッド層６の上層とキャップ層７とは、
幅４μｍのメサストライプ状に加工され、キャップ層７
の上面を除いて、キャップ層７上にはＳｉＮ膜からなる
パッシベーション膜８が成膜されている。パッシベーシ
ョン膜８上にはｐ側電極９としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属
積層膜が、基板１の裏面にはｎ側電極１０としてＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属積層膜がそれぞれ形成されている。
幅４μｍのメサストライプ状に加工され、キャップ層７
の上面を除いて、キャップ層７上にはＳｉＮ膜からなる
パッシベーション膜８が成膜されている。パッシベーシ
ョン膜８上にはｐ側電極９としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属
積層膜が、基板１の裏面にはｎ側電極１０としてＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属積層膜がそれぞれ形成されている。
【０００５】従来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子２０は、
ｎ−ＧａＡｓ基板１のバンドギャップエネルギーＥｇ1
が１．４１ｅＶ、活性層４のバンドギャップエネルギー
Ｅｇ 2 が１．２７ｅＶであって、Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 である
ことから、バンドギャップエネルギーＥｇ2 の光は、基
板の中を伝搬することが可能となる。
ｎ−ＧａＡｓ基板１のバンドギャップエネルギーＥｇ1
が１．４１ｅＶ、活性層４のバンドギャップエネルギー
Ｅｇ 2 が１．２７ｅＶであって、Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 である
ことから、バンドギャップエネルギーＥｇ2 の光は、基
板の中を伝搬することが可能となる。
【０００６】次に、図４を参照して、従来のＩｎＧａＡ
ｓ系レーザ素子２０の作製方法を説明する。図４はＩｎ
ＧａＡｓ系レーザ素子２０を作製する過程での積層構造
を示す断面図である。従来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子
２０を作製するには、先ず、図４に示すように、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１上に、順次、膜厚１．７μｍでｎ−ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層２、膜厚３０ｎｍの非導電型ＡｌＧa
Ａs のＳＣＨ層３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸
４、膜厚３０ｎｍの非導電型ＡｌＧa Ａs のＳＣＨ層
５、膜厚１．７μｍでｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層６、
及び、膜厚０．３μｍでＧａＡｓキャップ層７を、それ
ぞれ、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。
ｓ系レーザ素子２０の作製方法を説明する。図４はＩｎ
ＧａＡｓ系レーザ素子２０を作製する過程での積層構造
を示す断面図である。従来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子
２０を作製するには、先ず、図４に示すように、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１上に、順次、膜厚１．７μｍでｎ−ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層２、膜厚３０ｎｍの非導電型ＡｌＧa
Ａs のＳＣＨ層３、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸
４、膜厚３０ｎｍの非導電型ＡｌＧa Ａs のＳＣＨ層
５、膜厚１．７μｍでｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層６、
及び、膜厚０．３μｍでＧａＡｓキャップ層７を、それ
ぞれ、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させる。
【０００７】次に、キャップ層７及びクラッド層６の上
層をエッチングして、幅４μｍのメサを形成し、続いて
キャップ層７上にＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜
８を成膜し、更に、メサ上部のパッシベーション膜８を
除去して電流注入用の窓明けを行う。次に、基板１の厚
さが１００μｍになるまで基板裏面を研磨し、パッシベ
ーション膜８上にｐ側電極９としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金
属積層膜を、基板１の裏面にｎ側電極１０としてＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属積層膜を蒸着することにより、図３
に示すＩｎＧａＡｓ系レーザ素子２０を得ている。
層をエッチングして、幅４μｍのメサを形成し、続いて
キャップ層７上にＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜
８を成膜し、更に、メサ上部のパッシベーション膜８を
除去して電流注入用の窓明けを行う。次に、基板１の厚
さが１００μｍになるまで基板裏面を研磨し、パッシベ
ーション膜８上にｐ側電極９としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金
属積層膜を、基板１の裏面にｎ側電極１０としてＡｕＧ
ｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属積層膜を蒸着することにより、図３
に示すＩｎＧａＡｓ系レーザ素子２０を得ている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のＩｎＧ
ａＡｓ系レーザ素子には、次のような素子特性上の問題
があった。上述した構成と同様な構成で、活性層のみを
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系とした発振波長が８５０ｎｍ
帯である半導体発光素子を作製して評価したところ、従
来のＩｎＧａＡｓ系レーザに比べて、導波損失が数ｃｍ
-1低いことが判明した。つまり、従来のＩｎＧａＡｓ系
レーザ素子には、過剰な導波損失があり、この導波損失
の増分は、発振しきい値の増大やレーザ効率の低下と言
った特性の悪化を招いていることになる。
ａＡｓ系レーザ素子には、次のような素子特性上の問題
があった。上述した構成と同様な構成で、活性層のみを
ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系とした発振波長が８５０ｎｍ
帯である半導体発光素子を作製して評価したところ、従
来のＩｎＧａＡｓ系レーザに比べて、導波損失が数ｃｍ
-1低いことが判明した。つまり、従来のＩｎＧａＡｓ系
レーザ素子には、過剰な導波損失があり、この導波損失
の増分は、発振しきい値の増大やレーザ効率の低下と言
った特性の悪化を招いていることになる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上述したＩ
ｎＧａＡｓ系半導体レーザの問題点を調べ、次のことを
見いだした。導波損失の原因として従来から検討されて
いたものの一つに基板の光吸収がある。これは、半導体
発光素子の発光波長が基板に対して不透明であると、発
光モードの光電界が基板に到達した際に、発光モードが
基板の光吸収の影響を受け、導波損失が増大するという
ものである。従来の光吸収の理論によれば、ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの発光波長はＧａＡｓ基板
に対して不透明であるため、発光モードの光電界がＧａ
Ａｓ基板に到達するような状態では、発光モードが基板
の光吸収の影響を受けて導波損失が増大する。一方、Ｉ
ｎＧａＡｓ系半導体レーザの発光波長はＧａＡｓ基板に
対して透明であるため、発光モードの光電界が、仮にＧ
ａＡｓ基板に到達するような状態では、発光モードが基
板の光吸収の影響を受けることがないので、導波損失は
増大しないと考えられて来た。
ｎＧａＡｓ系半導体レーザの問題点を調べ、次のことを
見いだした。導波損失の原因として従来から検討されて
いたものの一つに基板の光吸収がある。これは、半導体
発光素子の発光波長が基板に対して不透明であると、発
光モードの光電界が基板に到達した際に、発光モードが
基板の光吸収の影響を受け、導波損失が増大するという
ものである。従来の光吸収の理論によれば、ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの発光波長はＧａＡｓ基板
に対して不透明であるため、発光モードの光電界がＧａ
Ａｓ基板に到達するような状態では、発光モードが基板
の光吸収の影響を受けて導波損失が増大する。一方、Ｉ
ｎＧａＡｓ系半導体レーザの発光波長はＧａＡｓ基板に
対して透明であるため、発光モードの光電界が、仮にＧ
ａＡｓ基板に到達するような状態では、発光モードが基
板の光吸収の影響を受けることがないので、導波損失は
増大しないと考えられて来た。
【００１０】しかしながら、発明者らが導波損失の実験
を行ったところ、基板の光吸収の理論に基づいた検討結
果に反して、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの
導波損失よりもＩｎＧａＡｓ系半導体レーザの導波損失
の方が高いという結果が得られ、基板の光吸収以外に導
波損失の損失要因があることが判った。
を行ったところ、基板の光吸収の理論に基づいた検討結
果に反して、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの
導波損失よりもＩｎＧａＡｓ系半導体レーザの導波損失
の方が高いという結果が得られ、基板の光吸収以外に導
波損失の損失要因があることが判った。
【００１１】そこで、本発明者は、導波損失の要因を解
析し、リーキーモードによる導波損失がモード利得に比
べて大きいことに、上述の問題発生の原因があることを
突き止めた。ここで、リーキーモードとは、基板放射モ
ードとも呼ばれ、導波路中で全反射の条件が満足されな
くなったときに生じるモードである。また、モード利得
とは、次の式で表されるｇmax であって、発振モードに
対する利得を意味している。 Τｇmax ＝αi ＋（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒf Ｒr ） αi ：損失係数 Ｌ ：共振器長 Ｒf ：前端面での電界反射率の二乗 Ｒr ：後端面での電界反射率の二乗 Τ ：発振モードの光閉じ込め率
析し、リーキーモードによる導波損失がモード利得に比
べて大きいことに、上述の問題発生の原因があることを
突き止めた。ここで、リーキーモードとは、基板放射モ
ードとも呼ばれ、導波路中で全反射の条件が満足されな
くなったときに生じるモードである。また、モード利得
とは、次の式で表されるｇmax であって、発振モードに
対する利得を意味している。 Τｇmax ＝αi ＋（１／２Ｌ）ｌｎ（１／Ｒf Ｒr ） αi ：損失係数 Ｌ ：共振器長 Ｒf ：前端面での電界反射率の二乗 Ｒr ：後端面での電界反射率の二乗 Τ ：発振モードの光閉じ込め率
【００１２】そして、実験を重ねて、次の事実を見いだ
し、上述の問題を解決できる本発明を完成するに到っ
た。即ち、活性層を挟んで活性層の両面にＳＣＨ層を設
け、第１及び第２クラッド層の膜厚を従来に比べて厚く
して、発振波長でのリーキーモードによる導波損失を３
ｃｍ-1以下にすることにより、装荷損失の小さな半導体
発光素子を実現できる。
し、上述の問題を解決できる本発明を完成するに到っ
た。即ち、活性層を挟んで活性層の両面にＳＣＨ層を設
け、第１及び第２クラッド層の膜厚を従来に比べて厚く
して、発振波長でのリーキーモードによる導波損失を３
ｃｍ-1以下にすることにより、装荷損失の小さな半導体
発光素子を実現できる。
【００１３】今回の実験では、リーキーモードによる導
波損失は３ｃｍ-1であった。本質的にはリーキーモード
の導波損失が、他の要因による導波損失よりも小さい値
であれば、発振しきい値の低減などの効果が期待できる
のは言うまでもない。また、様々なクラッド組成、ＳＣ
Ｈ組成を持つ構造について導波損失について検討したと
ころ、ＳＣＨ層も含めた活性領域とクラッド層への光閉
じ込め係数が９０％以上であれば、３ｃｍ-1以下のリー
キーモードを実現できることを見いだした。さらに、基
板面に垂直なｙ方向の光強度分布Ｐが、次式のガウシア
ンビームであると仮定すると、 Ｐ＝Ｐ0 ＊ｅｘｐ（−（ｙ／ｗ）2 ） Ｗは強度がｅ-2になる半幅であり、Ｐ0 は比例係数であ
る。
波損失は３ｃｍ-1であった。本質的にはリーキーモード
の導波損失が、他の要因による導波損失よりも小さい値
であれば、発振しきい値の低減などの効果が期待できる
のは言うまでもない。また、様々なクラッド組成、ＳＣ
Ｈ組成を持つ構造について導波損失について検討したと
ころ、ＳＣＨ層も含めた活性領域とクラッド層への光閉
じ込め係数が９０％以上であれば、３ｃｍ-1以下のリー
キーモードを実現できることを見いだした。さらに、基
板面に垂直なｙ方向の光強度分布Ｐが、次式のガウシア
ンビームであると仮定すると、 Ｐ＝Ｐ0 ＊ｅｘｐ（−（ｙ／ｗ）2 ） Ｗは強度がｅ-2になる半幅であり、Ｐ0 は比例係数であ
る。
【００１４】この時、ＳＣＨ層も含めた活性層とクラッ
ド層への光閉じ込め係数が９０％以上であるためには、
少なくとも活性層の上側もしくは下側のＳＣＨ層の厚さ
をTsch、ＳＣＨ層と同じ側のクラッド層の厚さをTclad
、前記活性層の厚さをTactとすると、前記Ｗとの関係
が （Tact／２＋Tsch＋Tclad ）≧２．３Ｗ を満たせばよい。ここで、右辺の係数２．３は、先のＰ
の式をｙで−∞から＋∞まで積分した値と、−ｋｗから
＋ｋｗまで積分した値との比が０．９（閉じ込め係数９
０％に相当）になるように決定されたｋの値である。
ド層への光閉じ込め係数が９０％以上であるためには、
少なくとも活性層の上側もしくは下側のＳＣＨ層の厚さ
をTsch、ＳＣＨ層と同じ側のクラッド層の厚さをTclad
、前記活性層の厚さをTactとすると、前記Ｗとの関係
が （Tact／２＋Tsch＋Tclad ）≧２．３Ｗ を満たせばよい。ここで、右辺の係数２．３は、先のＰ
の式をｙで−∞から＋∞まで積分した値と、−ｋｗから
＋ｋｗまで積分した値との比が０．９（閉じ込め係数９
０％に相当）になるように決定されたｋの値である。
【００１５】なお、前記半幅Ｗはビームのファーフィー
ルドパターン（ＦＦＰ）測定をすると、以下の式で求め
ることができる。 Ｗ＝（λ／π）／ｔａｎθ ここで、λ：発光波長 θ：ＦＦＰ特性を角度と強度の関係を表すグラフにした
場合、強度がピーク値のｅ-2になる片側の角度 である。尚、以上の説明では、端面発光型半導体レーザ
素子を例に挙げて、問題を説明したが、これに限らず面
発光型半導体レーザ素子にも存在する問題であり、更に
は、半導体レーザ素子の出力波長にも関係なく存在する
問題である。
ルドパターン（ＦＦＰ）測定をすると、以下の式で求め
ることができる。 Ｗ＝（λ／π）／ｔａｎθ ここで、λ：発光波長 θ：ＦＦＰ特性を角度と強度の関係を表すグラフにした
場合、強度がピーク値のｅ-2になる片側の角度 である。尚、以上の説明では、端面発光型半導体レーザ
素子を例に挙げて、問題を説明したが、これに限らず面
発光型半導体レーザ素子にも存在する問題であり、更に
は、半導体レーザ素子の出力波長にも関係なく存在する
問題である。
【００１６】上記目的を達成するために、本発明に係る
半導体発光素子は、半導体基板上に少なくとも第１のク
ラッド層、活性層、第１のクラッド層とは導電型が反対
の第２のクラッド層、及びキャップ層からなる積層構造
を備え、発光波長λと半導体基板のバンドギャップ波長
λｇの関係がλ＞λｇ、発光導波モードの等価屈折率ｎ
eff と半導体基板の屈折率ｎsub の関係がｎeff ＜ｎ
sub である半導体発光素子において、光が、第１のクラ
ッド層から半導体基板に、及び、第２のクラッド層から
キャップ層にそれぞれしみ出すリーキーモードの存在に
よる導波損失が、モード利得に比べて小さいことを特徴
としている。
半導体発光素子は、半導体基板上に少なくとも第１のク
ラッド層、活性層、第１のクラッド層とは導電型が反対
の第２のクラッド層、及びキャップ層からなる積層構造
を備え、発光波長λと半導体基板のバンドギャップ波長
λｇの関係がλ＞λｇ、発光導波モードの等価屈折率ｎ
eff と半導体基板の屈折率ｎsub の関係がｎeff ＜ｎ
sub である半導体発光素子において、光が、第１のクラ
ッド層から半導体基板に、及び、第２のクラッド層から
キャップ層にそれぞれしみ出すリーキーモードの存在に
よる導波損失が、モード利得に比べて小さいことを特徴
としている。
【００１７】本発明は、発光導波モードの等価屈折率ｎ
eff が半導体基板の屈折率ｎsub に対してｎeff ＜ｎ
sub である限り、端面発光型半導体レーザ素子及び面発
光型半導体レーザ素子の双方に適用でき、また、半導体
基板の組成、活性層の組成に限らず、例えばＧａＡs
系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮＡｓ系、ＩｎＰ系等の
半導体発光素子に適用できる。
eff が半導体基板の屈折率ｎsub に対してｎeff ＜ｎ
sub である限り、端面発光型半導体レーザ素子及び面発
光型半導体レーザ素子の双方に適用でき、また、半導体
基板の組成、活性層の組成に限らず、例えばＧａＡs
系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮＡｓ系、ＩｎＰ系等の
半導体発光素子に適用できる。
【００１８】好適には、発振波長でのリーキーモードに
よる導波損失が、３ｃｍ-1以下であるようにする。その
ためには、第１の導電型のクラッド層、活性層及び第２
の導電型のクラッド層の光閉じ込め係数の総和が９０％
以上であるようにする。具体的には、例えば光が９８０
ｎｍ帯の波長のときには、活性層を挟んでＳＣＨ（Sepa
rate Confinement Hetero-Structure ）層、即ち光導波
層を設け、第１のクラッド層及び第２のクラッド層の双
方の膜厚を２μｍ以上にすることにより達成される。
よる導波損失が、３ｃｍ-1以下であるようにする。その
ためには、第１の導電型のクラッド層、活性層及び第２
の導電型のクラッド層の光閉じ込め係数の総和が９０％
以上であるようにする。具体的には、例えば光が９８０
ｎｍ帯の波長のときには、活性層を挟んでＳＣＨ（Sepa
rate Confinement Hetero-Structure ）層、即ち光導波
層を設け、第１のクラッド層及び第２のクラッド層の双
方の膜厚を２μｍ以上にすることにより達成される。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明
する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る半導体発光素子の実施形
態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体発光素
子の構成を示す断面図である。本実施形態例の半導体発
光素子２００は、９８０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓ系端面発
光型レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ１０
０μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、順次、エピタキ
シャル成長した、膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａ
ｓクラッド層１１０、膜厚３０ｎｍの非導電型Ａｌ0.2
Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１２０、非導電型ＩｎＧａＡｓ／
ＧａＡｓの２層からなる量子井戸活性層１３０、膜厚３
０ｎｍの非導電型Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１４
０、膜厚２μｍのｐ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層
１５０、及び膜厚０．３μｍのＧａＡs キャップ層１６
０からなる積層構造を備えている。
例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明
する。実施形態例 本実施形態例は、本発明に係る半導体発光素子の実施形
態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体発光素
子の構成を示す断面図である。本実施形態例の半導体発
光素子２００は、９８０ｎｍ帯のＩｎＧａＡｓ系端面発
光型レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ１０
０μｍのｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、順次、エピタキ
シャル成長した、膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａ
ｓクラッド層１１０、膜厚３０ｎｍの非導電型Ａｌ0.2
Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１２０、非導電型ＩｎＧａＡｓ／
ＧａＡｓの２層からなる量子井戸活性層１３０、膜厚３
０ｎｍの非導電型Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層１４
０、膜厚２μｍのｐ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層
１５０、及び膜厚０．３μｍのＧａＡs キャップ層１６
０からなる積層構造を備えている。
【００２０】クラッド層１５０の上層とキャップ層１６
０とは、幅４μｍのメサストライプ状に加工され、キャ
ップ層１６０の上面を除いて、キャップ層１６０上には
ＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜１７０が成膜され
ている。パッシベーション膜１７０上にはｐ側電極１８
０としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属積層膜が、基板１００の
裏面にはｎ側電極１９０としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ金
属積層膜がそれぞれ形成されている。
０とは、幅４μｍのメサストライプ状に加工され、キャ
ップ層１６０の上面を除いて、キャップ層１６０上には
ＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜１７０が成膜され
ている。パッシベーション膜１７０上にはｐ側電極１８
０としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属積層膜が、基板１００の
裏面にはｎ側電極１９０としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ金
属積層膜がそれぞれ形成されている。
【００２１】本実施形態例では、基板１００の発光波長
での屈折率ｎsub が３．４６で、発光導波モードの等価
屈折率ｎeff が３．３５である。また、クラッド層１１
０、活性層１３０及びクラッド層１５０の光閉じ込め係
数の合計は、９９％であって、従って９０％以上であ
る。更には、クラッド層１１０及びクラッド層１５０の
膜厚は、双方とも、２μｍとなっている。
での屈折率ｎsub が３．４６で、発光導波モードの等価
屈折率ｎeff が３．３５である。また、クラッド層１１
０、活性層１３０及びクラッド層１５０の光閉じ込め係
数の合計は、９９％であって、従って９０％以上であ
る。更には、クラッド層１１０及びクラッド層１５０の
膜厚は、双方とも、２μｍとなっている。
【００２２】本実施形態例の半導体発光素子２００の試
作品を作製し、リーキーモードによる導波損失を測定し
たところ、３ｃｍ-1以下であることが確認できた。ま
た、電流−光出力特性及び発振スペクトルを測定し、図
２及び図３に示す測定結果を得た。
作品を作製し、リーキーモードによる導波損失を測定し
たところ、３ｃｍ-1以下であることが確認できた。ま
た、電流−光出力特性及び発振スペクトルを測定し、図
２及び図３に示す測定結果を得た。
【００２３】電流−光出力特性は、図２に示すように、
クラッド層の膜厚が１．７μｍの従来の半導体発光素子
１０では、しきい値電流が３５ｍＡであったのに対し
て、本半導体発光素子２００では、３０ｍＡまで低下し
ている。また、量子効率も２０％増加した。導波損失を
計算すると、クラッド層の膜厚２μｍに対して、クラッ
ド層の膜厚が１．７μｍでは、導波損失が３ｃｍ-1増大
していることが判った。本半導体発光素子２００は、導
波損失を低減させることにより、しきい値電流を低下さ
せることができ、効率を向上させることができる。
クラッド層の膜厚が１．７μｍの従来の半導体発光素子
１０では、しきい値電流が３５ｍＡであったのに対し
て、本半導体発光素子２００では、３０ｍＡまで低下し
ている。また、量子効率も２０％増加した。導波損失を
計算すると、クラッド層の膜厚２μｍに対して、クラッ
ド層の膜厚が１．７μｍでは、導波損失が３ｃｍ-1増大
していることが判った。本半導体発光素子２００は、導
波損失を低減させることにより、しきい値電流を低下さ
せることができ、効率を向上させることができる。
【００２４】
【発明の効果】本発明によれば、光が、 第１のクラッ
ド層から半導体基板に、及び、第２のクラッド層からキ
ャップ層にそれぞれしみ出すリーキーモードの存在によ
る導波損失をモード利得に比べて十分に小さくすること
により、しきい値電流値が低く、高効率な半導体発光素
子を実現している。
ド層から半導体基板に、及び、第２のクラッド層からキ
ャップ層にそれぞれしみ出すリーキーモードの存在によ
る導波損失をモード利得に比べて十分に小さくすること
により、しきい値電流値が低く、高効率な半導体発光素
子を実現している。
【図１】図１は実施形態例の半導体レーザ素子の層構造
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図２】注入電流と光出力との関係を示すグラフであ
る。
る。
【図３】従来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子の構成を示す
断面図である。
断面図である。
【図４】従来のＩｎＧａＡｓ系レーザ素子を作製する過
程での積層構造を示す断面図である。
程での積層構造を示す断面図である。
【図５】注入電流と光出力との関係を示すグラフであ
る。
る。
２０ 従来の９８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓ系レーザ素子 １ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２ ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層 ３ 非導電型ＡｌＧa Ａs のＳＣＨ層 ４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層 ５ 非導電型ＡｌＧa Ａs のＳＣＨ層 ６ ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層 ７ ＧａＡｓキャップ層 ８ ＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜 ９ ｐ側電極 １０ ｎ側電極 ２００ 実施形態例の９８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓ系レー
ザ素子 １００ ｎ−ＧａＡｓ基板 １１０ ｎ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層 １２０ Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層 １３０ 非導電型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層 １４０ 非導電型Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層 １５０ ｐ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層 １６０ ＧａＡs キャップ層 １７０ ＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜 １８０ ｐ側電極 １９０ ｎ側電極
ザ素子 １００ ｎ−ＧａＡｓ基板 １１０ ｎ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層 １２０ Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層 １３０ 非導電型ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸層 １４０ 非導電型Ａｌ0.2 Ｇa 0.8 Ａs ＳＣＨ層 １５０ ｐ−Ａｌ0.3 Ｇa 0.7 Ａｓクラッド層 １６０ ＧａＡs キャップ層 １７０ ＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜 １８０ ｐ側電極 １９０ ｎ側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粕川 秋彦 東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古 河電気工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA45 AA74 BA01 BA09 CA07 CB02 DA05 EA23
Claims (7)
- 【請求項１】 半導体基板上に少なくとも第１のクラッ
ド層、活性層、第１のクラッド層とは導電型が反対の第
２のクラッド層、及びキャップ層からなる積層構造を備
え、発光波長λと半導体基板のバンドギャップ波長λｇ
の関係がλ＞λｇ、発光導波モードの等価屈折率ｎeff
と半導体基板の屈折率ｎsub の関係がｎeff ＜ｎsub で
ある半導体発光素子において、 光が、第１のクラッド層から半導体基板に、及び、第２
のクラッド層からキャップ層にそれぞれしみ出すリーキ
ーモードの存在による導波損失が、モード利得に比べて
小さいことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】 発振波長でのリーキーモードによる導波
損失が、３ｃｍ-1以下であることを特徴とする請求項１
に記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記第１のクラッド層、前記活性層、及
び前記第２のクラッド層への光閉じ込め係数の合計が９
０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載
の半導体発光素子。 - 【請求項４】 前記活性層を挟んでＳＣＨ（Separate C
onfinement Hetero-Structure ）層を有し、かつ、発振
モードの縦方向の半幅をＷとしたとき、少くなくとも活
性層の上側もしくは下側のＳＣＨ層の厚さTsch、ＳＣＨ
層と同じ側のクラッド層の厚さTclad 、前記活性層の厚
さTactと前記Ｗとの関係が （Tact／２＋Tsch＋Tclad ）≧２．３Ｗ を満足することを特徴とする請求項１から３のうちのい
ずれか１項に記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】 ９８０ｎｍ帯域の波長の光を発光する半
導体発光素子では、活性層を挟んでＳＣＨ層を有し、か
つ、第１のクラッド層及び第２のクラッド層が、それぞ
れ、２μｍ以上の膜厚を有することを特徴とする請求項
１から４のうちいずれか１項に記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】 半導体基板がＧａＡs で、並びに、活性
層がインジウム（Ｉｎ）及び窒素（Ｎ）の少なくともい
ずれか一方を含む化合物半導体で、それぞれ、形成され
ていることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれ
か１項に記載の半導体発光素子。 - 【請求項７】 半導体基板、第１のクラッド層、活性
層、第２のクラッド層、及びキャップ層が、それぞれ、
第１の導電型のＧａＡs 、第１の導電型のＡｌ x Ｇa
1-x Ａｓ、非導電型のＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの量子井
戸層、第１の導電型とは反対の第２の導電型のＡｌx Ｇ
a 1-x Ａｓ、及び第２の導電型のＧａＡsで形成され、 非導電型のＡｌ yＧa 1-y Ａs からなるＳＣＨ層が、第
１のクラッド層と活性層との間、及び活性層と第２のク
ラッド層との間に、それぞれ、介在し、 ＸとＹとが、０＜Ｘ≦１、及び０≦Ｙ＜１であって、か
つ、Ｘ＞Ｙの関係を満たしていることを特徴とする請求
項１から６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素
子。
Priority Applications (4)
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|---|---|---|---|
| JP3674699A JP2000236141A (ja) | 1999-02-16 | 1999-02-16 | 半導体発光素子 |
| CA002328287A CA2328287A1 (en) | 1999-02-16 | 2000-02-16 | Semiconductor light emitting device |
| EP00903967A EP1085626A1 (en) | 1999-02-16 | 2000-02-16 | Semiconductor laser |
| PCT/JP2000/000852 WO2000049694A1 (fr) | 1999-02-16 | 2000-02-16 | Laser a semi-conducteur |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3674699A JP2000236141A (ja) | 1999-02-16 | 1999-02-16 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000236141A true JP2000236141A (ja) | 2000-08-29 |
Family
ID=12478306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3674699A Pending JP2000236141A (ja) | 1999-02-16 | 1999-02-16 | 半導体発光素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1085626A1 (ja) |
| JP (1) | JP2000236141A (ja) |
| CA (1) | CA2328287A1 (ja) |
| WO (1) | WO2000049694A1 (ja) |
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| EP2015412B1 (en) * | 2007-07-06 | 2022-03-09 | Lumentum Operations LLC | Semiconductor laser with narrow beam divergence. |
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|---|---|---|---|---|
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| JP3540508B2 (ja) * | 1996-05-14 | 2004-07-07 | 古河電気工業株式会社 | リッジ導波路型半導体レーザダイオード |
| US5818860A (en) * | 1996-11-27 | 1998-10-06 | David Sarnoff Research Center, Inc. | High power semiconductor laser diode |
-
1999
- 1999-02-16 JP JP3674699A patent/JP2000236141A/ja active Pending
-
2000
- 2000-02-16 CA CA002328287A patent/CA2328287A1/en not_active Abandoned
- 2000-02-16 WO PCT/JP2000/000852 patent/WO2000049694A1/ja not_active Application Discontinuation
- 2000-02-16 EP EP00903967A patent/EP1085626A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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