JP2004095822A

JP2004095822A - Semiconductor laser device

Info

Publication number: JP2004095822A
Application number: JP2002254388A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakatani; 中谷　洋幸
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser device, whose optical output hardly saturates even when big current is injected thereinto. <P>SOLUTION: The semiconductor laser device 100 is provided with a multiple quantum well-separated and entrapped heterostructure. A carrier stop layer 15 is arranged between an upper separated and entrapped heterosturcture layer 12 and a p-type upper clad layer 16. The carrier stop layer functions as a potential barrier with respect to an electron, going from an activating layer toward an upper clad layer by carrier overflow. According to this constitution, a leakage current due to the carrier overflow is reduced. Especially, when the thickness of the carrier stop layer is not larger than 5nm and the p-type dopant concentration of the carrier stop layer is not less than 1.0×10<SP>18</SP>cm<SP>-3</SP>, the leakage current is reduced remarkably. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、光ファイバ増幅器の励起光源に適した半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムでは、光信号を増幅するために光ファイバ増幅器が使用されることがある。光ファイバ増幅器の励起光源としては、一般に、半導体レーザ素子が使用される。半導体レーザ素子の特性は、例えば、「半導体レーザ」（伊賀健一編著、応用物理学会編、オーム社、１９９４年）の第１１章「高出力レーザとその特性」で説明されている。
【０００３】
半導体レーザ素子に電流を注入し、十分な反転分布が生じてレーザ発振に至ると、光出力は電流増加に対して線形的に増加していく。そのスロープ効率は、共振器損失αｍと吸収損失αａを用いて、次式によって与えられる。
【０００４】
【数１】

一般に、しきい値電流の十倍から数十倍のオーダーまで注入電流を増加させていくと、光出力はもはや増加しなくなる。半導体レーザ素子の光出力を制限する要因としては、素子の温度上昇による光出力の飽和や発光領域以外に流れるリーク電流の増加などが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバ増幅器の励起用レーザ素子に要求される光出力は、１００ｍｗ以上である。この光出力を得るためには、１００ｍＡ以上の電流注入を必要とする。さらに高出力の励起用レーザ素子では、１Ａ以上もの電流注入が必要となる。しかし、注入電流が大電流となると、スロープ効率の劣化が顕著になり、光出力は飽和する。このため、所望の光出力が得られない可能性がある。
【０００６】
そこで、この発明は、大電流が注入されても光出力が飽和しにくい半導体レーザ素子の提供を課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、１．４８μｍ帯の出力波長を有する半導体レーザ素子を提供する。このレーザ素子は、多重量子井戸構造を有する活性層と、活性層の上に配置された上部分離閉じ込めヘテロ構造層と、上部分離閉じ込めヘテロ構造層の上に配置されたキャリアストップ層と、キャリアストップ層の上に配置された上部クラッド層と、活性層の下に配置された下部分離閉じ込めヘテロ構造層と、下部分離閉じ込めヘテロ構造層の下に配置された下部クラッド層を備えている。活性層、上部分離閉じ込めヘテロ構造層および下部分離閉じ込めヘテロ構造層は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。上部クラッド層は、ｐ型のＩｎＰから構成されている。下部クラッド層は、ｎ型のＩｎＰから構成されている。キャリアストップ層は、上部クラッド層のｐ型ドーパント濃度よりも高い濃度でｐ型ドーパントを含むｐ^＋型のＩｎＰから構成されている。キャリアストップ層の伝導帯の下端は、上部クラッド層の伝導帯の下端よりも高い。キャリアストップ層の厚みは、５ｎｍ以上である。キャリアストップ層のｐ型ドーパント濃度は、１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上である。
【０００８】
キャリアストップ層は、キャリアオーバーフローによって活性層から上部クラッド層へ向かう電子に対する電位障壁として機能する。したがって、キャリアストップ層は、キャリアオーバーフローによるリーク電流の上部クラッド層への侵入を抑制する。これにより、リーク電流が低減される。特に、キャリアストップ層の厚みが５ｎｍ以下であり、ｐ型ドーパント濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上だと、リーク電流が大きく低減される。リーク電流は半導体レーザ素子の光出力を飽和させる一要因なので、リーク電流が低減されれば、光出力は飽和しにくくなる。
【０００９】
この発明のレーザ素子は、上部分離閉じ込めヘテロ構造層の上面に被着された中間層をさらに備えていてもよい。この場合、キャリアストップ層は、中間層の上面に被着される。中間層の存在により、上部分離閉じ込めヘテロ構造層とキャリアストップ層との間に距離が開く。これにより、キャリアストップ層のｐ型ドーパントの上部分離閉じ込めヘテロ構造層への拡散が抑えられる。
【００１０】
中間層は、真性半導体、例えばｉ型のＩｎＰ、から構成されていることが好ましい。中間層自身にドーパントが含まれないので、上部分離閉じ込めヘテロ構造層へのドーパントの拡散がいっそう抑えられる。
【００１１】
中間層の厚みは、好ましくは３０ｎｍ以下である。この場合、ｐ型ドーパントの拡散が十分に防がれるとともに、キャリアストップ層によってリーク電流が十分に低減される。中間層の厚みは、より好ましくは１０ｎｍ以下である。この場合、リーク電流が特に大きく低減される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を説明する前に、従来技術と比較をしながら本発明の概要を説明する。
【００１３】
図８は、従来の１．４８μｍ帯レーザ素子２００の一例を示す斜視図である。図９は、レーザ素子２００の伝導帯を示すエネルギーバンド図である。レーザ素子２００の活性層１０は、多重量子井戸構造を有している。活性層１０の上下には、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層１２および１４が被着されている。活性層１０およびＳＣＨ層１２、１４は、ＧａＩｎＡｓＰから構成されている。上部ＳＣＨ層１２の上面には、上部クラッド層１６が被着されている。下部ＳＣＨ層１４の下面には、下部クラッド層１８が被着されている。上部クラッド層１６は、ｐ−ＩｎＰから構成されている。下部クラッド層１８は、ｎ−ＩｎＰから構成されている。図８の符号２０および２２は、それぞれｐ型電流ブロック層およびｎ型電流ブロック層である。上部クラッド層１６の上面は、コンタクト層２４によって覆われている。図８の符号２６は絶縁層であり、符号２８はｐ電極、符号３０はｎ電極である。
【００１４】
ｐ電極２８に接続された導線４０およびｎ電極３０に接続された導線４２を介してレーザ素子２００に電流を流すと、その電流は、活性層１０に注入される。これにより、活性層１０のキャリア密度が高まる。キャリア密度がしきい値を超えると、活性層１０で発生する光が増幅されるようになる。最終的には、レーザ素子２００の端面からレーザ光３５が放出される。
【００１５】
注入電流を増加させていくと、出力パワーは、当初、増加する。しかし、従来のレーザ素子２００では、注入電流がしきい値電流の十倍から数十倍のオーダーに達すると、光出力はもはや増加しなくなる。このような光出力の飽和の理由としては、リーク電流の増大によって活性層１０に有効に電流が注入されなくなることが考えられる。
【００１６】
図１０は、レーザ素子２００内のリーク電流を示す概略図である。ここで、符号７０は、導線４２を介して活性層１０に注入される電子電流を示し、符号７４は、導線４０を介してレーザ素子２００から流出する電子電流を示している。
【００１７】
図１０に示されるように、リーク電流には、主に三つある。すなわち、（１）活性層１０からのリーク電流６１、（２）電流ブロック層２０、２２におけるリーク電流６２、および（３）活性層１０の両側のリークパスにおけるリーク電流６３である。このうち（１）活性層１０からのリーク電流６１は、キャリアオーバーフローと呼ばれる現象に起因する。キャリアオーバーフローとは、活性層１０に注入されたキャリアが活性層１０からあふれ出てしまい、活性層１０に有効に注入されずに上部クラッド１６へ到達してしまう現象を指す。
【００１８】
本発明では、キャリアオーバーフローを抑えるために、上部ＳＣＨ層と上部クラッド層との間にキャリアストップ層を設ける。このキャリアストップ層の伝導帯の下端は、上部クラッド層の伝導帯の下端よりも高い。このため、キャリアストップ層は、上部クラッド層へ向かう電子に対する電位障壁となる。これにより、上部クラッド層へ電子が流出しにくくなる。したがって、キャリアオーバーフローを抑制し、リーク電流を低減することができる。
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００の構造を示す斜視図である。レーザ素子１００は、１．４８μｍ帯の出力波長を有している。したがって、レーザ素子１００は、光ファイバ増幅器の１．４８μｍ帯励起光源として使用できる。レーザ素子１００の前端面２には、ＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：無反射）コートが施されている。前端面２の反対側に位置する後端面４には、ＨＲ（Ｈｉｇｈ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：高反射）コートが施されている。レーザ素子１００で生成されたレーザ光３５は、前端面２から出射する。レーザ素子１００の幅は、３００μｍであり、長さ（共振器長）は、９００μｍである。
【００２１】
レーザ素子１００は、多重量子井戸−分離閉じ込め構造を有している。すなわち、レーザ素子１００は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する活性層１０と、その上下に配置された分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層１２および１４を有している。上部ＳＣＨ層１２は、活性層１０の上面全体に被着されている。下部ＳＣＨ層１４は、活性層１０の下面全体に被着されている。活性層１０およびＳＣＨ層１２、１４は、ＧａＩｎＡｓＰから構成されている。活性層１０の厚みは、５０ｎｍであり、ＳＣＨ層１２および１４の厚みは、それぞれ３０ｎｍである。活性層１０の幅は、２．０μｍである。
【００２２】
上部ＳＣＨ層１２の上には、キャリアストップ層１５を挟んで上部クラッド層１６が配置されている。上部クラッド層１６は、キャリアストップ層１５の上に順次に積層された第１層１６ａおよび第２層１６ｂから構成されている。第１層１６ａは、キャリアストップ層１５の上面に被着されている。第２層１６ｂは、第１層１６ａの上面に被着されており、第１層１６ａよりも広い面積を有している。第１および第２層１６ａ、１６ｂは、どちらもｐ−ＩｎＰから構成されている。これらの層には、ｐ型ドーパントとしてＺｎがドープされている。Ｚｎの濃度は、第２層１６ｂの方が第１層１６ａよりも高い。この結果、第２層１６ｂは、第１層１６ａよりも高いｐ型導電性を有している。第１層１６ａの厚みは、３００ｎｍであり、第２層１６ｂの厚みは、１５００ｎｍである。
【００２３】
上述のように、上部ＳＣＨ層１２と上部クラッド層１６の間には、キャリアストップ層１５が配置されている。キャリアストップ層１５は、上部ＳＣＨ層１２の上面に被着されている。キャリアストップ層１５は、ｐ^＋−ＩｎＰから構成されている。すなわち、キャリアストップ層１５には、ｐ型ドーパントとしてＺｎが極めて高い濃度でドープされている。この結果、キャリアストップ層１５は、上部クラッド層１６よりも高いｐ型導電性を有している。キャリアストップ層１５の詳細については、後述する。
【００２４】
下部ＳＣＨ層１４の下には、下部クラッド層１８が配置されている。下部クラッド層１８は、下部ＳＣＨ層１４の下に順次に配置された第１層１８ａおよび第２層１８ｂから構成されている。第１層１８ａは、下部ＳＣＨ層１４の下面に被着されている。第２層１８ｂは、第１層１８ａの下面に被着されており、第１層１８ａよりも広い面積を有している。第２層１８ｂは、レーザ素子１００の基板である。第１および第２層１８ａ、１８ｂは、どちらもｐ−ＩｎＰから構成されている。第１層１８ａの厚みは、３００ｎｍであり、第２層１８ｂの厚みは、１００μｍである。
【００２５】
第１下部クラッド層１８ａ、下部ＳＣＨ層１４、活性層１０、上部ＳＣＨ層１２、キャリアストップ層１５、および第１上部クラッド層１６ａは、メサ構造を成している。このメサ構造の両側面は、ｐ型電流ブロック層２０によって覆われている。電流ブロック層２０は、ｐ−ＩｎＰから構成されている。ｐ型電流ブロック層２０の上には、ｎ型電流ブロック層２２が配置されている。ｎ型電流ブロック層２２は、ｎ−ＩｎＰから構成されている。第１上部クラッド層１６ａ、埋め込み層２０、およびｎ型電流ブロック層２２の上には、第２上部クラッド層１６ｂが被着されている。このように、ｎ型電流ブロック層２２は、ｐ型の第２上部クラッド層１６ｂとｐ型電流ブロック層２０との間に介在している。
【００２６】
第２上部クラッド層１６ｂの上面全体は、コンタクト層２４によって覆われている。コンタクト層２４は、ｐ^＋−ＧａＩｎＡｓから構成されている。コンタクト層２４の厚みは、０．３μｍである。
【００２７】
コンタクト層２４の上面の一部には、ｐ型電極（陽極）２８が被着されている。ｐ型電極２８は、メッキ形成されたオーミック電極である。コンタクト層２４の上面の残りの部分とｐ型電極２８との間には、絶縁層２６が介在している。絶縁層２６は、ＳｉＯ_２から構成されている。絶縁層２６の厚みは、０．１μｍである。
【００２８】
第２下部クラッド層１８ｂの下面の全体には、ｎ型電極（陰極）３０が被着されている。ｎ型電極３０は、メッキ形成されたオーミック電極である。
【００２９】
レーザ素子１００の動作時には、ｐ型電極２８に導線４０が接続され、ｎ型電極３０に導線４２が接続される。導線４０は、図示しない駆動電源のプラス端子に接続される。導線４２は、同じ駆動電源のマイナス端子に接続され、あるいは駆動電源のマイナス端子とともに接地される。駆動電源からレーザ素子１００に駆動電圧が印加されると、導線４０および４２を介して活性層１０に電流が注入される。これにより、レーザ素子１００の前端面２からレーザ光３５が放出される。
【００３０】
図２は、レーザ素子１００の伝導帯を示すエネルギーバンド図である。図２に示されるように、活性層１０は、複数の井戸層５０および複数のバリア層５２が交互に積層された多重量子井戸構造を有している。各井戸層５０は、１．４８μｍのバンドギャップ波長を有している。
【００３１】
ＳＣＨ層１２および１４は、異なるバンドギャップを有する３層からそれぞれ構成されている。上部ＳＣＨ層１２は、順次に積層された第１層５３、第２層５４および第３層５５から構成されている。第１層５３、第２層５４および第３層５５のバンドギャップ波長は、それぞれ１．２μｍ、１．１μｍおよび１．０５μｍである。同様に、下部ＳＣＨ層１４は、順次に積層された第１層５６、第２層５７および第３層５８から構成されている。第１層５６、第２層５７および第３層５８のバンドギャップ波長は、それぞれ１．２μｍ、１．１μｍおよび１．０５μｍである。
【００３２】
キャリアストップ層１５は、第３上部ＳＣＨ層５５と第１上部クラッド層１６ａの間に配置されている。図２に示されるように、キャリアストップ層１５の伝導帯の下端は、第１上部クラッド層１６ａの伝導帯の下端よりも高い。このため、キャリアストップ層１５は、上部クラッド層１６へ向かう電子に対する電位障壁として機能する。
【００３３】
図３は、レーザ素子１００中の電子電流を示す概略図である。図２および図３において矢印７０で示されるように、導線４２およびｎ型電極３０を介して注入された電子の一部は、活性層１０に入り、そこで光に変換される。他の電子は、矢印７２で示されるように、上部ＳＣＨ層１２を通過して、上部クラッド層１６へ向かう。キャリアストップ層１５は、この電子を遮断する。これにより、キャリアオーバーフローが抑えられる。
【００３４】
発明者は、本実施形態におけるキャリアオーバーフロー抑制効果をシミュレーションにより確認した。図４は、一次元解析を行った結果を示すグラフである。注入電流は２Ａに設定した。
【００３５】
図４に示されるように、キャリアストップ層１５のドーパント濃度が０．３×１０^１８ｃｍ^−３のときは、キャリアオーバーフローによるリーク電流は６３２ｍＡにもなる。しかし、キャリアストップ層１５のドーパント濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３になると、リーク電流は急激に減少する。ドーパント濃度が２．０×１０^１８ｃｍ^−３になると、リーク電流は２００ｍＡ以下にまで低減される。同じドーパント濃度では、キャリアストップ層１５が厚いほど、リーク電流が大きく低減される。キャリアストップ層１５の厚みが２０ｎｍ、ドーパント濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−３の場合、リーク電流は約半分に減少する。なお、ドーパント濃度が２．５×１０^１８ｃｍ^−３を超えると、ドーパント濃度を高くしてもリーク電流の低減効果はそれほど上昇しない。
【００３６】
発明者は、キャリアオーバーフローによるリーク電流を効果的に低減できるキャリアストップ層１５の構造パラメータを特定した。すなわち、キャリアストップ層１５のドーパント濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上であり、かつキャリアストップ層１５の厚みが５ｎｍ以上であれば、リーク電流を効率良く低減できる。図４に示されるように、ドーパント濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３以上であると、リーク電流が大きく低減される。このリーク電流の低減効果は、キャリアストップ層１５の厚みが５ｎｍ以上であれば十分に発揮される。
【００３７】
このように、レーザ素子１００では、キャリアストップ層１５がキャリアオーバーフローによるリーク電流を大きく低減する。したがって、レーザ素子１００は、大電流が注入されても、その光出力が飽和しにくい。
【００３８】
なお、リーク電流を低減させるために、ブロック層２０、２２のドーパント濃度を高める手法も考えられる。この手法によれば、ブロック層からのリーク電流が低減される。しかし、この手法では、キャリアオーバーフローによるリーク電流は低減されない。したがって、ブロック層のドーパント濃度を高める場合でも、キャリアストップ層を設けることは有効である。
【００３９】
（第２実施形態）
第１実施形態のように、キャリアストップ層１５は、上部ＳＣＨ層１２と上部クラッド層１６の境界に配置することが効果的である。しかし、キャリアストップ層１５には、ｐ型ドーパントであるＺｎが高い濃度でドープされている。Ｚｎは、半導体中で拡散しやすく、約２０〜３０ｎｍ拡散すると言われている。Ｚｎが上部ＳＣＨ層１２まで拡散してしまうのは、好ましくない。そこで、第２実施形態では、上部ＳＣＨ層１２とキャリアストップ層１５との間に中間層を配置し、キャリアストップ層１５中のｐ型ドーパントが上部ＳＣＨ層１２に拡散することを防ぐ。
【００４０】
図５は、第２実施形態の半導体レーザ素子１２０の構造を示す斜視図である。図６は、レーザ素子１２０の伝導帯を示すエネルギーバンド図である。図５および図６に示されるように、この実施形態では、上部ＳＣＨ層１２の上面に中間層８０が被着されている。中間層８０は、真性半導体であるｉ−ＩｎＰから構成されている。キャリアストップ層１５は、中間層８０の上面に被着されている。他の構成は、第１実施形態の半導体レーザ素子１００と同じである。したがって、重複する説明を省略する。
【００４１】
中間層８０が存在することにより、上部ＳＣＨ層１２とキャリアストップ層１５との間に距離が開く。これにより、キャリアストップ層１５中のＺｎが上部ＳＣＨ層１２まで拡散しにくくなる。中間層８０が厚くなるにつれて、ドーパント拡散抑制効果は高まるが、その一方で、キャリアストップ層１５のリーク電流低減効果は低くなる。したがって、中間層８０は、ドーパントの拡散を十分に抑制できるのであれば、薄い方が好ましい。上述のように、Ｚｎは３０ｎｍにわたって拡散しうるので、中間層８０の厚みは、好ましくは３０ｎｍ以下である。
【００４２】
中間層８０の厚みは、１０ｎｍ以下であることが特に好ましい。中間層８０の厚みが１０ｎｍ以下なら十分なリーク電流遮断効果を得られることが、シミュレーションにより確認されている。発明者は、キャリアストップ層１５のドーパント濃度とキャリアオーバーフローによるリーク電流との関係を、様々な厚みの中間層８０について調べた。図７は、その結果を示すグラフである。図７に示されるように、ドーパント濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の場合、中間層８０の厚みが１０ｎｍ以下であれば、リーク電流が大きく低減される。
【００４３】
なお、上部ＳＣＨ層１２へのドーパントの拡散を防ぐため、中間層８０には、ドーパントが添加されていないことが好ましい。しかし、十分に低濃度であれば、ドーパントが添加されていても、上部ＳＣＨ層１２への影響は少ない。したがって、中間層８０は、真性半導体に限られず、弱いｐ型またはｎ型導電性を有する半導体であってもよい。
【００４４】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子は、適切なドーパント濃度と厚みを有するキャリアストップ層を備えているので、キャリアオーバーフローによるリーク電流を大きく低減できる。したがって、この発明の半導体レーザ素子は、大電流が注入されても、光出力が飽和しにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の半導体レーザ素子の伝導帯を示すエネルギーバンド図である。
【図３】第１実施形態の半導体レーザ素子中の電子電流を示す概略図である。
【図４】第１実施形態の半導体レーザ素子について、キャリアストップ層のドーパント濃度とキャリアオーバーフローによるリーク電流との関係を示す図である。
【図５】第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【図６】第２実施形態の半導体レーザ素子の伝導帯を示すエネルギーバンド図である。
【図７】第２実施形態の半導体レーザ素子について、キャリアストップ層のドーパント濃度とキャリアオーバーフローによるリーク電流との関係を示す図である。
【図８】従来技術の半導体レーザ素子の構造を示す斜視図である。
【図９】従来技術の半導体レーザ素子の伝導帯を示すエネルギーバンド図である。
【図１０】従来技術の半導体レーザ素子中のリーク電流を示す概略図である。
【符号の説明】
２…前端面、４…後端面、１０…活性層、１２…上部ＳＣＨ層、１４…下部ＳＣＨ層、１５…キャリアストップ層、１６…上部クラッド層、１８…下部クラッド層、８０…中間層、１００…半導体レーザ素子。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device suitable for an excitation light source of an optical fiber amplifier.
[0002]
[Prior art]
In optical communication systems, an optical fiber amplifier may be used to amplify an optical signal. Generally, a semiconductor laser device is used as an excitation light source of an optical fiber amplifier. The characteristics of the semiconductor laser device are described, for example, in Chapter 11 “High-power laser and its characteristics” of “Semiconductor laser” (edited by Kenichi Iga, edited by the Japan Society of Applied Physics, Ohmsha, 1994).
[0003]
When a current is injected into the semiconductor laser element and a sufficient population inversion occurs to cause laser oscillation, the optical output increases linearly with an increase in the current. The slope efficiency is given by the following equation using the resonator loss αm and the absorption loss αa.
[0004]
(Equation 1)

Generally, when the injection current is increased from the order of ten times to several tens times the threshold current, the light output no longer increases. Factors that limit the optical output of the semiconductor laser device include saturation of the optical output due to an increase in the temperature of the device and an increase in leak current flowing outside the light emitting region.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The optical output required for the pump laser element of the optical fiber amplifier is 100 mw or more. In order to obtain this light output, a current injection of 100 mA or more is required. Further, a high-output excitation laser element requires current injection of 1 A or more. However, when the injection current becomes large, the slope efficiency is significantly deteriorated, and the optical output is saturated. For this reason, a desired light output may not be obtained.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device whose optical output hardly saturates even when a large current is injected.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a semiconductor laser device having an output wavelength in the 1.48 μm band. The laser device includes an active layer having a multiple quantum well structure, an upper isolation confinement heterostructure layer disposed on the active layer, a carrier stop layer disposed on the upper isolation confinement heterostructure layer, and a carrier stop layer. An upper cladding layer disposed over the layer, a lower isolation confinement heterostructure layer disposed below the active layer, and a lower cladding layer disposed below the lower isolation confinement heterostructure layer. The active layer, the upper isolation confinement heterostructure layer and the lower isolation confinement heterostructure layer are composed of InGaAsP. The upper cladding layer is made of p-type InP. The lower cladding layer is made of n-type InP. The carrier stop layer is made of p ⁺ -type InP containing a p-type dopant at a higher concentration than the p-type dopant concentration of the upper cladding layer. The lower end of the conduction band of the carrier stop layer is higher than the lower end of the conduction band of the upper cladding layer. The thickness of the carrier stop layer is 5 nm or more. The p-type dopant concentration of the carrier stop layer is 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more.
[0008]
The carrier stop layer functions as a potential barrier for electrons from the active layer to the upper cladding layer due to carrier overflow. Therefore, the carrier stop layer suppresses leakage current from entering the upper clad layer due to carrier overflow. Thereby, the leak current is reduced. In particular, when the thickness of the carrier stop layer is 5 nm or less and the p-type dopant concentration is 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more, the leak current is significantly reduced. Since the leak current is one factor that saturates the optical output of the semiconductor laser device, if the leak current is reduced, the optical output is less likely to be saturated.
[0009]
The laser device of the present invention may further include an intermediate layer applied on the upper surface of the upper isolation confinement heterostructure layer. In this case, the carrier stop layer is applied on the upper surface of the intermediate layer. The presence of the intermediate layer increases the distance between the upper isolation confinement heterostructure layer and the carrier stop layer. This suppresses the diffusion of the p-type dopant in the carrier stop layer into the upper isolation confinement heterostructure layer.
[0010]
The intermediate layer is preferably made of an intrinsic semiconductor, for example, i-type InP. Since the intermediate layer itself contains no dopant, diffusion of the dopant into the upper isolation confinement heterostructure layer is further suppressed.
[0011]
The thickness of the intermediate layer is preferably 30 nm or less. In this case, the diffusion of the p-type dopant is sufficiently prevented, and the leakage current is sufficiently reduced by the carrier stop layer. The thickness of the intermediate layer is more preferably 10 nm or less. In this case, the leakage current is particularly greatly reduced.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Before describing the embodiments of the present invention, the outline of the present invention will be described in comparison with the prior art.
[0013]
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional 1.48 μm band laser device 200. FIG. 9 is an energy band diagram showing a conduction band of the laser device 200. The active layer 10 of the laser device 200 has a multiple quantum well structure. Above and below the active layer 10, separate confinement heterostructure (SCH)

layers

12 and 14 are deposited. The active layer 10 and the

SCH layers

12 and 14 are made of GaInAsP. On the upper surface of the upper SCH layer 12, an upper cladding layer 16 is deposited. On the lower surface of the lower SCH layer 14, a lower cladding layer 18 is adhered. The upper cladding layer 16 is made of p-InP. The lower cladding layer 18 is made of n-InP.

Reference numerals

20 and 22 in FIG. 8 indicate a p-type current block layer and an n-type current block layer, respectively. The upper surface of the upper cladding layer 16 is covered with the contact layer 24. 8 is an insulating layer, 28 is a p-electrode, and 30 is an n-electrode.
[0014]
When a current is applied to the laser element 200 via the conductive wire 40 connected to the p-electrode 28 and the conductive wire 42 connected to the n-electrode 30, the current is injected into the active layer 10. Thereby, the carrier density of the active layer 10 increases. When the carrier density exceeds the threshold, light generated in the active layer 10 is amplified. Finally, the laser light 35 is emitted from the end face of the laser element 200.
[0015]
As the injection current is increased, the output power initially increases. However, in the conventional laser element 200, when the injection current reaches the order of ten to several tens times the threshold current, the light output no longer increases. It is considered that the reason for such saturation of the optical output is that a current is not effectively injected into the active layer 10 due to an increase in the leak current.
[0016]
FIG. 10 is a schematic diagram showing a leak current in the laser element 200. Here, reference numeral 70 denotes an electron current injected into the active layer 10 via the conductor 42, and reference numeral 74 denotes an electron current flowing out of the laser element 200 via the conductor 40.
[0017]
As shown in FIG. 10, there are mainly three leakage currents. That is, (1) a leak current 61 from the active layer 10, (2) a leak current 62 in the current block layers 20 and 22, and (3) a leak current 63 in a leak path on both sides of the active layer 10. Among them, (1) the leak current 61 from the active layer 10 is caused by a phenomenon called carrier overflow. The carrier overflow refers to a phenomenon in which carriers injected into the active layer 10 overflow from the active layer 10 and reach the upper clad 16 without being effectively injected into the active layer 10.
[0018]
In the present invention, a carrier stop layer is provided between the upper SCH layer and the upper clad layer in order to suppress carrier overflow. The lower end of the conduction band of the carrier stop layer is higher than the lower end of the conduction band of the upper cladding layer. For this reason, the carrier stop layer serves as a potential barrier for electrons traveling toward the upper cladding layer. This makes it difficult for electrons to flow to the upper cladding layer. Therefore, carrier overflow can be suppressed and leak current can be reduced.
[0019]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. In addition, for convenience of illustration, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.
[0020]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a semiconductor laser device 100 according to the first embodiment of the present invention. The laser element 100 has an output wavelength in the 1.48 μm band. Therefore, the laser element 100 can be used as a 1.48 μm band excitation light source of an optical fiber amplifier. An AR (Anti-Reflection: non-reflection) coating is applied to the front end face 2 of the laser element 100. An HR (High Reflection) coating is applied to a rear end face 4 located on the opposite side of the front end face 2. The laser light 35 generated by the laser element 100 is emitted from the front end face 2. The width of the laser element 100 is 300 μm, and the length (resonator length) is 900 μm.
[0021]
The laser device 100 has a multiple quantum well-separation confinement structure. That is, the laser element 100 has an active layer 10 having a multiple quantum well (MQW) structure, and separate confinement heterostructure (SCH) layers 12 and 14 disposed above and below the active layer 10. The upper SCH layer 12 is deposited on the entire upper surface of the active layer 10. The lower SCH layer 14 is provided on the entire lower surface of the active layer 10. The active layer 10 and the SCH layers 12 and 14 are made of GaInAsP. The thickness of the active layer 10 is 50 nm, and the thicknesses of the SCH layers 12 and 14 are each 30 nm. The width of the active layer 10 is 2.0 μm.
[0022]
On the upper SCH layer 12, an upper clad layer 16 is disposed with a carrier stop layer 15 interposed therebetween. The upper cladding layer 16 is composed of a first layer 16a and a second layer 16b sequentially laminated on the carrier stop layer 15. The first layer 16a is provided on the upper surface of the carrier stop layer 15. The second layer 16b is attached to the upper surface of the first layer 16a and has a larger area than the first layer 16a. The first and

second layers

16a, 16b are both made of p-InP. These layers are doped with Zn as a p-type dopant. The concentration of Zn is higher in the second layer 16b than in the first layer 16a. As a result, the second layer 16b has higher p-type conductivity than the first layer 16a. The thickness of the first layer 16a is 300 nm, and the thickness of the second layer 16b is 1500 nm.
[0023]
As described above, the carrier stop layer 15 is disposed between the upper SCH layer 12 and the upper clad layer 16. The carrier stop layer 15 is deposited on the upper surface of the upper SCH layer 12. The carrier stop layer 15 is made of p ⁺ -InP. That is, the carrier stop layer 15 is doped with Zn as a p-type dopant at an extremely high concentration. As a result, the carrier stop layer 15 has higher p-type conductivity than the upper clad layer 16. Details of the carrier stop layer 15 will be described later.
[0024]
Below the lower SCH layer 14, a lower cladding layer 18 is arranged. The lower cladding layer 18 includes a first layer 18a and a second layer 18b which are sequentially arranged below the lower SCH layer 14. The first layer 18a is deposited on the lower surface of the lower SCH layer 14. The second layer 18b is attached to the lower surface of the first layer 18a and has a larger area than the first layer 18a. The second layer 18b is a substrate of the laser device 100. The first and

second layers

18a and 18b are both made of p-InP. The thickness of the first layer 18a is 300 nm, and the thickness of the second layer 18b is 100 μm.
[0025]
The first lower cladding layer 18a, the lower SCH layer 14, the active layer 10, the upper SCH layer 12, the carrier stop layer 15, and the first upper cladding layer 16a have a mesa structure. Both side surfaces of the mesa structure are covered with the p-type current block layer 20. The current block layer 20 is made of p-InP. An n-type current block layer 22 is arranged on the p-type current block layer 20. The n-type current block layer 22 is made of n-InP. On the first upper cladding layer 16a, the buried layer 20, and the n-type current blocking layer 22, a second upper cladding layer 16b is adhered. As described above, the n-type current blocking layer 22 is interposed between the p-type second upper cladding layer 16 b and the p-type current blocking layer 20.
[0026]
The entire upper surface of the second upper cladding layer 16b is covered with the contact layer 24. The contact layer 24 is made of p ⁺ -GaInAs. The thickness of the contact layer 24 is 0.3 μm.
[0027]
On a part of the upper surface of the contact layer 24, a p-type electrode (anode) 28 is adhered. The p-type electrode 28 is an ohmic electrode formed by plating. An insulating layer 26 is interposed between the remaining portion of the upper surface of the contact layer 24 and the p-type electrode 28. The insulating layer 26 is made of SiO ₂ . The thickness of the insulating layer 26 is 0.1 μm.
[0028]
An n-type electrode (cathode) 30 is provided on the entire lower surface of the second lower cladding layer 18b. The n-type electrode 30 is an ohmic electrode formed by plating.
[0029]
During operation of the laser element 100, the conductor 40 is connected to the p-type electrode 28, and the conductor 42 is connected to the n-type electrode 30. The conducting wire 40 is connected to a positive terminal of a driving power supply (not shown). The conducting wire 42 is connected to the negative terminal of the same driving power source or grounded together with the negative terminal of the driving power source. When a drive voltage is applied from the drive power supply to the laser element 100, a current is injected into the active layer 10 through the

conductive wires

40 and 42. Thereby, the laser light 35 is emitted from the front end face 2 of the laser element 100.
[0030]
FIG. 2 is an energy band diagram showing a conduction band of the laser element 100. As shown in FIG. 2, the active layer 10 has a multiple quantum well structure in which a plurality of well layers 50 and a plurality of barrier layers 52 are alternately stacked. Each well layer 50 has a band gap wavelength of 1.48 μm.
[0031]
The SCH layers 12 and 14 are each composed of three layers having different band gaps. The upper SCH layer 12 includes a first layer 53, a second layer 54, and a third layer 55 that are sequentially stacked. The band gap wavelengths of the first layer 53, the second layer 54, and the third layer 55 are 1.2 μm, 1.1 μm, and 1.05 μm, respectively. Similarly, the lower SCH layer 14 includes a first layer 56, a second layer 57, and a third layer 58 that are sequentially stacked. The band gap wavelengths of the first layer 56, the second layer 57, and the third layer 58 are 1.2 μm, 1.1 μm, and 1.05 μm, respectively.
[0032]
The carrier stop layer 15 is disposed between the third upper SCH layer 55 and the first upper cladding layer 16a. As shown in FIG. 2, the lower end of the conduction band of the carrier stop layer 15 is higher than the lower end of the conduction band of the first upper cladding layer 16a. For this reason, the carrier stop layer 15 functions as a potential barrier for electrons traveling toward the upper cladding layer 16.
[0033]
FIG. 3 is a schematic diagram showing an electron current in the laser element 100. As shown by arrows 70 in FIGS. 2 and 3, some of the electrons injected through conductor 42 and n-type electrode 30 enter active layer 10 where they are converted to light. Other electrons pass through the upper SCH layer 12 to the upper cladding layer 16 as indicated by the arrow 72. The carrier stop layer 15 blocks the electrons. Thereby, carrier overflow is suppressed.
[0034]
The inventor has confirmed the effect of suppressing carrier overflow in the present embodiment by simulation. FIG. 4 is a graph showing the result of one-dimensional analysis. The injection current was set at 2A.
[0035]
As shown in FIG. 4, when the dopant concentration of the carrier stop layer 15 is 0.3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , the leakage current due to carrier overflow is as high as 632 mA. However, when the dopant concentration of the carrier stop layer 15 becomes 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , the leak current sharply decreases. When the dopant concentration becomes 2.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , the leak current is reduced to 200 mA or less. At the same dopant concentration, the thicker the carrier stop layer 15, the more the leakage current is reduced. When the thickness of the carrier stop layer 15 is 20 nm and the dopant concentration is 1.5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , the leak current decreases to about half. If the dopant concentration exceeds 2.5 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , the effect of reducing the leakage current does not increase so much even if the dopant concentration is increased.
[0036]
The inventor has specified the structural parameters of the carrier stop layer 15 that can effectively reduce the leakage current due to carrier overflow. That is, when the dopant concentration of the carrier stop layer 15 is 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more and the thickness of the carrier stop layer 15 is 5 nm or more, the leak current can be efficiently reduced. As shown in FIG. 4, when the dopant concentration is 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more, the leak current is significantly reduced. This effect of reducing the leak current is sufficiently exhibited when the thickness of the carrier stop layer 15 is 5 nm or more.
[0037]
Thus, in the laser element 100, the carrier stop layer 15 greatly reduces the leak current due to the carrier overflow. Therefore, even when a large current is injected into the laser element 100, its light output is unlikely to be saturated.
[0038]
In order to reduce the leak current, a method of increasing the dopant concentration of the block layers 20 and 22 may be considered. According to this method, the leak current from the block layer is reduced. However, this technique does not reduce the leakage current due to carrier overflow. Therefore, even when increasing the dopant concentration of the block layer, it is effective to provide the carrier stop layer.
[0039]
(2nd Embodiment)
As in the first embodiment, it is effective that the carrier stop layer 15 is disposed at the boundary between the upper SCH layer 12 and the upper clad layer 16. However, the carrier stop layer 15 is doped with Zn as a p-type dopant at a high concentration. Zn is easily diffused in a semiconductor and is said to diffuse by about 20 to 30 nm. It is not preferable that Zn diffuses to the upper SCH layer 12. Therefore, in the second embodiment, an intermediate layer is disposed between the upper SCH layer 12 and the carrier stop layer 15 to prevent the p-type dopant in the carrier stop layer 15 from diffusing into the upper SCH layer 12.
[0040]
FIG. 5 is a perspective view illustrating the structure of the semiconductor laser device 120 according to the second embodiment. FIG. 6 is an energy band diagram showing a conduction band of the laser element 120. As shown in FIGS. 5 and 6, in this embodiment, an intermediate layer 80 is applied to the upper surface of the upper SCH layer 12. The intermediate layer 80 is made of i-InP, which is an intrinsic semiconductor. The carrier stop layer 15 is provided on the upper surface of the intermediate layer 80. Other configurations are the same as those of the semiconductor laser device 100 of the first embodiment. Therefore, duplicate description will be omitted.
[0041]
The presence of the intermediate layer 80 increases the distance between the upper SCH layer 12 and the carrier stop layer 15. This makes it difficult for Zn in the carrier stop layer 15 to diffuse to the upper SCH layer 12. As the thickness of the intermediate layer 80 increases, the effect of suppressing the diffusion of the dopant increases, but on the other hand, the effect of reducing the leakage current of the carrier stop layer 15 decreases. Therefore, the intermediate layer 80 is preferably thin as long as the diffusion of the dopant can be sufficiently suppressed. As described above, since Zn can diffuse over 30 nm, the thickness of the intermediate layer 80 is preferably 30 nm or less.
[0042]
The thickness of the intermediate layer 80 is particularly preferably 10 nm or less. It has been confirmed by simulation that a sufficient leakage current blocking effect can be obtained if the thickness of the intermediate layer 80 is 10 nm or less. The inventor examined the relationship between the dopant concentration of the carrier stop layer 15 and the leakage current due to carrier overflow for the intermediate layers 80 having various thicknesses. FIG. 7 is a graph showing the result. As shown in FIG. 7, when the dopant concentration is 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more, if the thickness of the intermediate layer 80 is 10 nm or less, the leak current is significantly reduced.
[0043]
In order to prevent diffusion of the dopant into the upper SCH layer 12, it is preferable that no dopant is added to the intermediate layer 80. However, if the concentration is sufficiently low, even if the dopant is added, the influence on the upper SCH layer 12 is small. Therefore, the intermediate layer 80 is not limited to an intrinsic semiconductor, and may be a semiconductor having weak p-type or n-type conductivity.
[0044]
The present invention has been described in detail based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
[0045]
【The invention's effect】
Since the semiconductor laser device of the present invention includes the carrier stop layer having an appropriate dopant concentration and thickness, the leakage current due to carrier overflow can be greatly reduced. Therefore, in the semiconductor laser device of the present invention, even when a large current is injected, the light output is hardly saturated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment.
FIG. 2 is an energy band diagram showing a conduction band of the semiconductor laser device of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an electron current in the semiconductor laser device of the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a dopant concentration of a carrier stop layer and a leak current due to carrier overflow in the semiconductor laser device of the first embodiment.
FIG. 5 is a perspective view illustrating a structure of a semiconductor laser device according to a second embodiment.
FIG. 6 is an energy band diagram showing a conduction band of the semiconductor laser device of the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a dopant concentration of a carrier stop layer and a leakage current due to carrier overflow in the semiconductor laser device according to the second embodiment.
FIG. 8 is a perspective view showing the structure of a conventional semiconductor laser device.
FIG. 9 is an energy band diagram showing a conduction band of a conventional semiconductor laser device.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a leakage current in a conventional semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
2 front end face 4 rear end face 10 active layer 12 upper SCH layer 14 lower SCH layer 15 carrier stop layer 16 upper clad layer 18 lower clad layer 80 intermediate layer 100: semiconductor laser element.

Claims

1. A semiconductor laser device having an output wavelength in the 1.48 μm band,
An active layer having a multiple quantum well structure;
An upper isolation confinement heterostructure layer disposed on the active layer;
A carrier stop layer disposed on the upper isolation confinement heterostructure layer;
An upper cladding layer disposed on the carrier stop layer,
A lower isolation confinement heterostructure layer disposed below the active layer;
A lower cladding layer disposed below the lower isolation confinement heterostructure layer;
With
The active layer, the upper isolation confinement heterostructure layer and the lower isolation confinement heterostructure layer are composed of InGaAsP;
The upper cladding layer is made of p-type InP,
The lower cladding layer is made of n-type InP,
The carrier stop layer is made of p ⁺ -type InP containing a p-type dopant at a higher concentration than the p-type dopant concentration of the upper cladding layer,
The lower end of the conduction band of the carrier stop layer is higher than the lower end of the conduction band of the upper cladding layer,
The thickness of the carrier stop layer is 5 nm or more,
A semiconductor laser device wherein the p-type dopant concentration of the carrier stop layer is 1.0 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more.

2. The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising an intermediate layer applied on an upper surface of the upper isolation confinement heterostructure layer.
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein said carrier stop layer is attached to an upper surface of said intermediate layer.

3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein said intermediate layer is made of an intrinsic semiconductor.

3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein said intermediate layer has a thickness of 30 nm or less.

3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the thickness of the intermediate layer is 10 nm or less.