JP2001257417A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ストライプ幅の広い利得導波路タイプの半導
体レーザ素子において注入電流を増加させても、安定し
て発振する半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】 半導体レーザチップ１９を半田材２を介
してヒートシンク１に接合させ、素子の側端面はＴＭモ
ードのブリュースタ角近傍の角度だけ傾斜している。チ
ップ１９は、Ｐ側電極３とＮ‐キャップ層４、Ｐ＋‐キ
ャップ層５で電流狭窄し、歪量子井戸９の活性層がガイ
ド層８、１０を介してＰ‐クラッド層７とＮ‐クラッド
層１１とで挟さまれ、さらにＰ‐キャップ層６とＮ‐Ｇ
ａＡｓ基板１３とで挟まれた量子井戸形レーザを形成
し、ＴＭモードの利得が大きく、ＴＥモードの利得が小
さくされ、側端面でのＴＭモードの光の反射率を略零に
している。そのため、横方向の誘導放出が抑制され、安
定したレーザ発振をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光計測、
光情報処理システム等に用いられる高出力のストライプ
幅の広い利得導波路タイプの半導体レーザ素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子は種々の分野で利用さ
れているが、光通信、光計測、光情報システムなどに用
いられる半導体レーザ素子は、高出力のレーザ発振でき
るものが要求されている。また、波長変換、溶接加工な
どの分野では、さらに超高出力のレーザ発振できるもの
が要求される。このような分野で用いられる半導体レー
ザ素子としては、ストライプ幅の広い利得導波路タイプ
の半導体レーザ素子が使われることが多い。レーザは、
原子の中の電子がエネルギーの高い準位から低い準位に
遷移したときに発生する光の放出であり、その電子の遷
移過程には自然放出、誘導放出、被放射遷移が有る。電
子の遷移過程における発光は、直接遷移形半導体（Ｇａ
ＡｓやＩｎＰ）の特徴であり、レーザダイオードは直接
遷移形の半導体を用いて作られる。熱平衡状態では、高
いエネルギー準位にある電子数よりも低いエネルギー準
位にある電子数のほうがはるかに多く、その比はｅｘｐ
（−ｈν／ｋＴ）である。ここで、ｈはプランク定数、
νはエネルギー準位差に対応した光の波長である。誘導
放出させるためには、この比を１より大きくしなければ
ならない。このような状態は負温度状態、または反転分
布と呼ばれ、反転分布を起こさせるためにエネルギーの
低い準位から高い準位へ電子を移動させるポンピングを
行なう。その手段として、レーザダイオードではｐｎ接
合を形成して、そこに外部より電流注入することによっ
て反転分布を得ている。注入型半導体レーザＧａＡｓに
おいては、ＧａＡｓのｐｎ接合に順方向に電流を流すと
反転分布の状態になり、ｐｎ接合の付近で電子と正孔の
再結合によって発光する。この光は自然発光と呼ばれ、
レーザダイオードはこの光を内部に閉じ込めこれによっ
て誘導放出させるために、ｐｎ接合の両端に、平行な２
枚の反射鏡を設けておくとレーザ発振する。反射鏡とし
てＧａＡｓの壁開面をそのまま用いるか、またはその面
に鏡面メッキして反射鏡とする場合がある。通常は前者
を用いる。

【０００３】図３に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸
構造１７の半導体レーザ素子の断面を示す。チップ１９
は、放熱器のヒートシンク１を備えた半田材２の上に設
けられ、チップ１９の上部にＮ側電極１４、下部にＰ側
電極３を設け、Ｐ側電極３の上部にＮ‐キャップ層４と
Ｐ＋‐キャップ層５を設けて、この電流狭窄層１８で電
流狭窄を行なう。その上部に歪量子井戸９を中心として
上下にガイド層８、１０、さらに、Ｐ‐クラッド層７、
Ｎ‐クラッド層１１が設けられ、サンドイッチ構造を形
成している。そして、Ｐ‐キャップ層６を介して電流狭
窄層１８に接合されている。これらの層は、Ｎ‐ＧａＡ
ｓ基板１３上に、Ｎ‐バッファ層１２を介して、エピタ
キシャル成長させて形成される。上部のＮ側電極１４に
は電流供給端子のワイヤ１５が接続され、そして、上部
のＮ側電極１４と下部のＰ側電極３から電力が供給され
る。

【０００４】サンドイッチされた半導体層は、電子が注
入され、再結合による発光を生じる領域で活性層と呼ば
れる。また、屈折率の小さい半導体層をクラッド層と呼
ぶ。クラッド層は、ｐ型とｎ型の半導体で形成して活性
層を挟み、このｐｎ接合に電流注入して活性層にキャリ
アを閉じ込めるとともに、屈折率差によって光も閉じ込
めレーザ発振する。ここでは活性層として、歪量子井戸
９を用いている。量子井戸構造は、バンドギャップの小
さい材料（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系でＧａＡｓ）とバ
ンドギャップの大きい材料（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系
でＡｌＧａＡｓ）による非常に薄い層（１００Åくら
い）を交互に積層したものである。

【０００５】ＧａＡｓダイオードレーザは、一種の集積
光素子であり、異なる不純物組成をもつ領域の屈折率の
差によって光を閉じ込め、レーザの効率を上げている。
屈折率の小さいＰ‐クラッド層７とＮ‐クラッド層１２
により、屈折率の高い活性層の歪量子井戸９をサンドイ
ッチにして、導波路を形成している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザ素
子は以上のように構成されているが、Ｐ側電極３に正、
Ｎ側電極１４に負の電圧を加えると（順方向バイア
ス）、Ｎ形領域からＰ形領域へ電子が、Ｐ形領域からＮ
型領域へ正孔が注入される（キャリア注入）。注入され
た電子と正孔が再結合する時にエネルギーを放出して発
光する。さらに多くの電流が注入されると、熱平衡の分
布以上に多くの電子が伝導帯に、多くの正孔が価電子帯
にできて、負温度の状態が生じる。この状態からさらに
注入電流を増加させていくと、共振器を備えたレーザ素
子では、自由キャリアの吸収、内部の散乱、回折などに
よる内部での光損失に打ち勝ってレーザ発振が行なわれ
る。しかし、注入電流を増加させていくと、本来発振さ
せたい方向と直角方向にエネルギーが漏洩して、急に発
振しなくなることがある。この傾向はストライプ幅の広
い利得導波路タイプの半導体レーザ素子において特によ
く発生するという問題がある。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、ストライプ幅の広い利得導波路タイプ
の半導体レーザ素子において、注入電流を増加させて
も、安定して発振する半導体レーザ素子を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体レーザ素子は、Ｐ‐Ｎ接合の順方向
に電流を流し、接合付近へ電子、正孔を注入し再結合さ
せて発光させ、Ｐ‐Ｎ接合の両端にレーザ発振用の反射
面を設けてレーザ発振させる半導体レーザ素子におい
て、ＴＭモードの利得がＴＥモードよりも大きくなる構
造の活性層を用いるとともに、横方向の誘導放出を抑制
するために側端面の傾斜角をＴＭモードのブリュースタ
角近傍にし、ＴＭモードで発振するものである。

【０００９】本発明の半導体レーザ素子は上記のように
構成されており、電流注入ストライプ幅に相当するガイ
ド層‐活性層である歪量子井戸‐ガイド層の側端面を、
ＴＭモードのブリュースタ角近傍に傾斜させて、活性層
からのＴＭモード発振の横方向の誘導放出を抑制するた
め、ＴＭモードで高出力まで安定したレーザ発振が可能
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の半導体レーザ素子の一実
施例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明の半
導体レーザ素子のＰＮ接合を電流狭窄に用いたストライ
プレーザのストライプに垂直な断面を示す図である。本
半導体レーザ素子は、電流注入ストライプ幅に相当する
ガイド層８‐活性層である歪量子井戸９‐ガイド層１０
の側端面が、ＴＭモードのブリュースタ角θ近傍に傾斜
している。図１ではチップ１９全体が傾斜して示されて
いる。活性層の構造として、歪量子井戸９を用い、ＴＭ
モード利得がＴＥモード利得よりも大きくなるように構
成されている。そして、半導体レーザチップ１９を半田
材２を介してヒートシンク１に接合させている。半導体
レーザチップ１９は、Ｐ側電極３と、Ｎ‐キャップ層
４、Ｐ＋‐キャップ層５により電流狭窄するようにした
量子井戸構造のストライプレーザを用いている。すなわ
ち、歪量子井戸９の活性層がガイド層８、１０を介して
Ｐ‐クラッド層７とＮ‐クラッド層１１とで挟さまれ、
さらに、Ｐ‐キャップ層６とＮ‐ＧａＡｓ基板１３とで
挟まれた構造により、量子井戸形レーザを形成してい
る。そして、Ｎ‐ＧａＡｓ基板１３にＮ側電極１４が形
成され、ワイヤ１５がボンディングされる。一方、Ｐ側
電極３としてＰ＋‐キャップ層５に対してＮ‐キャップ
層４を設け、電流狭窄層１８としここで電流狭窄が行な
われる。ヒートシンク１は熱伝導性、放熱性のよい銅板
などにＮｉ、Ｐｔなどがコーティングされたものが使わ
れ、この上にＩｎの半田材２が形成される。このＩｎ半
田材２に上記のＰ側電極３が接触するようにして、ヒー
トシンク１の上にチップ１９を載置し加熱して溶着し固
定される。

【００１１】上記の各半導体層は、Ｎ‐ＧａＡｓ基板１
３上にエピタキシャル成長で製作される。Ｎ‐ＧａＡｓ
基板１３自体がすでに傾斜させてスライスされ、ウエハ
の加工において、側端面の反射率を下げるための工程を
わざわざ含めることがなく、通常の壁開をするのみでよ
い。図２にＧａＡｓ基板の立方晶体の各面を示す、
（ａ）は結晶の上面図、（ｂ）は結晶の斜視側面図、
（ｃ）は面（１００）に対するスライス面の状態を示
す。（ａ）図から分かるように、ＯＦとＩＦで決まる結
晶の円ウエハミラー面（１００）に対する法線は、
（ｃ）図から分かるように、面（１００）に対する垂直
ベクトルで示され、これに対して、傾斜する方向α＝０
とし、スライス面に対する垂直ベクトルが示され、両者
の開き角度が、ブリュースタ角θになるようにスライス
面が決められる。このスライス面で切り出されたＧａＡ
ｓ基板は、ＴＭモードのブリュースタ角近傍の角度の傾
斜を持つので、その基板に成長する素子の左右の端面は
壁開によって形成される。

【００１２】上記のように本半導体レーザは、電流注入
ストライプ幅に相当するガイド層８‐活性層である歪量
子井戸９‐ガイド層１０の各両端面または片端面が、Ｔ
Ｍモードのブリュースタ角近傍に傾斜している。光が境
界面に当たると、その表面で一部分の光が反射し、他の
大部分の光は屈折して入る。その反射光のうち一部の光
は偏光し、その振動方向は入射面に垂直である。このと
き屈折光も偏光を含み、その振動方向は入射面に平行で
ある。反射光に含まれる偏光の割合は、入射角に関係す
る。反射光が完全に偏光しているときの入射角を偏光角
θという。偏光角θの正接（ｔａｎｇｅｎｔ）はその物
質の屈折率ｎに等しい（ブリュースターの法則）。すな
わち、ｔａｎθ＝ｎの関係が存在する。したがって、電
流注入ストライプ幅に相当する側端面をブリュースター
角θに傾斜しておけば、側端面でのＴＭモードの光の反
射率は略零になる。したがって、反射されたＴＭモード
の光は導波路内に戻りにくい。その結果、横方向の誘導
放出が抑制され、横方向の光学的モードへ分配されるエ
ネルギーが減り、本来の方向のレーザ発振が妨げられる
ことがない。

【００１３】歪量子井戸９は、バンドギャップの小さい
（屈折率が大きい）材料（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系で
はＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系ではＧａＩｎＡ
ｓＰ）とバンドギャップの大きい（屈折率が小さい）材
料（ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ではＡｌＧａＡｓ、Ｇａ
ＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系ではＩｎＰ）による非常に薄い層
（１００Åくらい）を交互に積層したもので、通常は結
晶に欠陥を導入しないように両者は同じ格子定数のもの
が使われるが、一方を非常に薄くすると、両者の格子定
数が違ったものであっても、欠陥が導入されない状態に
なり、薄い層には歪みがかかりながらも欠陥がなく、こ
の歪みによってバンド構造が変わり、電気的光学特性が
変化する。この歪量子井戸９の構造を活性層に用いたも
のである。この種の材料系では、上記の薄い層に引っ張
り歪みがかかっていると、ＴＭモードで発振しやすくな
る。屈折率の高い活性層の歪量子井戸９は、屈折率の小
さいＰ‐クラッド層７と、Ｎ‐クラッド層１２によっ
て、サンドイッチにされ導波路を形成している。導波路
内を伝播し得る単純な波はモードと呼ばれ、導波路内の
電磁波として無数の伝送モードが存在する。一般に、こ
れらのモードには２つの種類がある。ＴＥモード（ｔｒ
ａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｄｅ）で
は、電場ベクトルはいつも伝播方向に直角である。ＴＭ
モード（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍ
ｏｄｅ）では、磁場ベクトルが伝播方向に対して直角で
ある。物理的な制約、及び電磁波の周波数によってふつ
うモードの数が制限される。それぞれのモードに対して
カットオフ周波数があり、これらの導波路の大きさと形
状によって決まる。ここでは歪量子井戸９を用いて、Ｔ
Ｍモードの利得を大きくし、ＴＥモードの利得を小さく
した活性層とした。Ｐ‐クラッド層７、及びＮ‐クラッ
ド層１１は、屈折率の小さいｐ形、及びｎ形半導体層で
あり、このｐ形半導体クラッド層７とｎ形半導体クラッ
ド層１１で活性層、ここでは歪量子井戸９を、サンドイ
ッチにし、この層に電流注入して量子井戸９の活性層に
キャリアを閉じ込めると共に、屈折率の差によって光も
閉じ込めレーザ発振を行なわせる。活性層の厚みと幅
は、レーザダイオードの発振横モードに深く関係してい
る。

【００１４】本半導体レーザ素子は、屈折率の小さいＰ
‐クラッド層７と、Ｎ‐クラッド層１１に、屈折率の高
い活性層の歪量子井戸９をサンドイッチにして、導波路
を形成している。導波路内を伝播し得る単純な波はモー
ドと呼ばれ、モードは固有の速さで導波路内を伝播して
いく。導波路内には共振により一種の定在波が存在す
る。導波路内の波を作るには、この定在波に、導波路に
沿った方向の一様な速度を付ければよい。そのためにサ
ンドイッチの中間層がその他の層より高い屈折率を持つ
ことが、波を閉じ込めるために必要である。そして電流
注入によって常に反転分布が形成されているならば、反
射してきた光によって誘導放出が起きる。誘導放出した
光は、結晶中の原子に吸収されたり、反射鏡を通して外
部に光の出力として取り出される。放出した光の量が、
吸収されたり外部に取り出されて消失する光の量より大
きくないと、連続的に光を放出できない。さらに、鏡で
反射されて結晶中の原子に戻ってきた光は誘導放出を助
長させるように働かねばならないので、２枚の鏡で囲ま
れた結晶中に定在波が立っている。上記の動作で、電流
注入ストライプ両側または片側端面を、ＴＭモードのブ
リュースタ角近傍に傾斜させて、側端面でのＴＭモード
の光の反射率を略零にすることにより、ＴＭモードの光
は導波路内に戻りにくくなり、横方向の光学的モードに
分配されるエネルギーが減るので、活性層からのＴＭモ
ード発振の横方向の誘導放出を抑制することができる。

【００１５】上記の実施例では、活性層に歪量子井戸９
を用いた構造で説明したが、ＴＭモードの利得がＴＥモ
ードの利得よりも大きくなれば、歪量子井戸以外の構造
の活性層でもよい。また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系で
ない材料、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料で
も同様に適用することができる。また、電流狭窄の方法
は図１に示す方法でなくてもよい。例えば、Ｐ＋キャッ
プ層にＳｉＮｘの絶縁層を形成し、その後Ｔｉ層を設け
る方法でもよい。また、Ｎ形とＰ形を反転しても同様の
効果を得ることができる。また、基板の方位が図１に示
した方位とは別の方位であってもよい。また、半導体チ
ップ１９のＰ側電極がヒートシンク１に半田材２を介し
て接続されているが、図１に示す以外の実装形態でもよ
い。また、端面が壁開でなく、ドライエッチング等の技
術を用いて、側端面を製作することにより、側端面をＴ
Ｍモードのブリュースタ角度近傍の角度だけ傾斜させて
もよい。この場合は必ずしも基板の傾斜を配慮しなくて
もよい。また、図１では半導体チップ１９全体が傾斜し
た構造を示しているが、左右いずれかの端面のみＴＭモ
ードのブリュースタ角度近傍の角度だけ傾斜していれば
よい。

【００１６】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ素子は上記のよう
に構成されており、素子の光が主に導波される領域であ
る層、すなわち、ガイド層‐活性層‐ガイド層の両端面
または片端面を、ＴＭモードのブリュースタ角近傍に傾
斜させて、側端面でのＴＭモードの光の反射率を略零に
することにより、ＴＭモードの光は導波路内に戻りにく
くなる。そのため横方向の光学的モードに分配されるエ
ネルギーが減るので、活性層からのＴＭモード発振の横
方向の誘導放出を抑制することができる。したがって、
本来の発振方向である縦方向のレーザ発振が妨げられる
ことはなく、ＴＭモードで高出力まで安定したレーザ発
振が可能である。さらに、特有の効果として、基板を既
に傾斜させてスライスしているので、ウエハの加工にお
いて、素子の側端面の反射率を下げるための工程を、わ
ざわざ含める必要がなく、通常の壁開をするのみでよい
という利点が有る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の半導体レーザ素子の一実施例を示す
図である。

【図２】 本発明の半導体レーザ素子の立方晶体の面表
示を説明するための図である。

【図３】 従来の半導体レーザ素子の断面構造を示す図
である。

【符号の説明】

１…ヒートシンク ２…半田材 ３…Ｐ側電極 ４…Ｎキャップ層 ５…Ｐ＋キャップ層 ６…Ｐ‐キャップ層 ７…Ｐ‐クラッド層 ８…ガイド層 ９…歪量子井戸 １０…ガイド層 １１…Ｎ‐クラッド層 １２…Ｎバッファ層 １３…Ｎ‐ＧａＡｓ基板 １４…Ｎ側電極 １５…ワイヤ １７…ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造 １８…電流狭窄層 １９チップ ＯＦ…オリエンテーションフラット α…傾斜する方向 θ…傾斜角

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｐ‐Ｎ接合の順方向に電流を流し、接合付
   近へ電子、正孔を注入し再結合させて発光させ、Ｐ‐Ｎ
   接合の両端にレーザ発振用の反射面を設けてレーザ発振
   させる半導体レーザ素子において、ＴＭモードの利得が
   ＴＥモードよりも大きくなる構造の活性層を用いるとと
   もに、横方向の誘導放出を抑制するために側端面の傾斜
   角をＴＭモードのブリュースタ角近傍にし、ＴＭモード
   で発振することを特徴とする半導体レーザ素子。