JP2004336085A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体レーザに係り、特に、ロボットの目やレーザレーダシステム等を構成する測距用の半導体レーザとして好適なものである。 The present invention relates to a semiconductor laser, and is particularly suitable as a semiconductor laser for distance measurement that constitutes a robot eye, a laser radar system, or the like.
近年、半導体レーザを用いて自動車間の距離を測定し、車間距離を一定に保ったり、また前方の車に接近し過ぎた場合に警報を発する、あるいはブレーキをかけるというようなシステムが検討されている。このようなシステムでは、100m先の物体を検知する必要があり、半導体レーザにおいてはパルス駆動で数十Wクラスの光出力が要求されている。この大出力半導体レーザの構造を図8に示す。n−GaAs基板21上にn−GaAs層22、n−AlGaAsクラッド層23が積層され、その上に活性層24、p−AlGaAsクラッド層25、p−GaAs層26がメサ状に積層されている。ここで、活性層とは、注入されたキャリアを閉じ込め、再結合させることで光に変換する層である。さらに、絶縁膜27およびp型電極28が形成されている。一方、n−GaAs基板21の裏面にはn型電極29およびAu/Sn層30が形成されている。
In recent years, systems that measure the distance between automobiles using a semiconductor laser and maintain a constant inter-vehicle distance, or issue an alarm or apply a brake when approaching a car ahead ahead too much have been studied. I have. In such a system, it is necessary to detect an object at a distance of 100 m, and a semiconductor laser is required to emit light of several tens of watts by pulse driving. FIG. 8 shows the structure of this high-power semiconductor laser. An n-
一般に、数十Wクラスの大出力パルス半導体レーザは大出力化のため図8に示すようにストライプ幅を少なくとも100μm以上とする必要がある。一方、活性層24の厚さはキャリアを狭い領域に閉じ込め、しきい値電流を小さくするという目的から0.1μm程度にする必要がある。このように、大出力パルス半導体レーザは波長に比べストライプ幅が大きく、かつ活性層の厚さは小さくなっているため、活性層の拡がり方向(水平方向)には光の回折が起こらず、活性層の厚さ方向(垂直方向)には回折が起こるため、ビーム形状は活性層の厚さ方向(垂直方向)に広がった楕円形状となっており、楕円比(図9でのビーム断面の長径Hと短径Wの比H/W)が2.5〜3.2程度となっている。
In general, a large output pulse semiconductor laser of several tens of W class needs to have a stripe width of at least 100 μm or more as shown in FIG. On the other hand, the thickness of the
そして、レーザ光のビームを所望の広がり角を持つ範囲に集光するために光学レンズが用いられており、レンズ設計の容易さ、システムの小型化という観点から、放射されるレーザ光のビーム形状はなるべく円形に近い方が望ましく、楕円比が「2.5」よりも小さいものが要求されている。 An optical lens is used to focus the laser beam in a range having a desired divergence angle. From the viewpoint of easy lens design and system miniaturization, the beam shape of the emitted laser beam is used. Is preferably as close as possible to a circle, and an elliptic ratio smaller than “2.5” is required.
円形に近いビーム形状のレーザ光を得るための一般的手法として、特許文献1では小出力半導体レーザにおいて、半導体に高屈折率のレンズ部を形成している。ところが、半導体内にレンズ部を形成しようとすると、新たなる工程が必要となる問題があった。そこで、レンズ部を必要とせず円形に近いレーザ光を得るようにしたものとして、特許文献2がある。特許文献2では、同じく小出力半導体レーザにおいて、活性層の上下に活性層より屈折率の低い光ガイド層(閉じ込め層)を形成し、さらに、活性層の幅を0.5μm以上、1.5μm以下としている。ここで、光ガイド層というのは、活性層で発生した光を閉じ込め、導波させる働きをする層のことである。
しかしながら、特許文献2に示された半導体レーザは、小出力(数十mW)クラスの半導体レーザ(ストライプ幅;数μm〜数十μm)に用いることにより円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができるが、上記ストライプ幅が100μm以上の大出力パルス半導体レーザに用いた場合、単に活性層の幅を限定し、光ガイド層で挟んだ構造にしただけでは円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができないことが分かった。
However, the semiconductor laser disclosed in
これは、一般的に小出力の半導体レーザ(ストライプ幅が100μm未満)においては、発光開始電流(しきい値電流)が変わってしまうという問題により、光ガイド層の厚さをあまり大きくとれず、従って、ビーム形状を変化させるためにはストライプ幅を変化させたり、活性層の幅を変えたり、また活性層の両側にキャリア障壁層を付加させたり(特許文献3)するしかないと考えられていたためである。そして、この発光開始電流変化はストライプ幅が100μm以上の半導体レーザにおいても生じると考えられていたため大出力半導体レーザにおいては、上記のように楕円比2.5〜3.2程度のものしか得られていなかった。 This is because, in general, in the case of a semiconductor laser having a small output (stripe width is less than 100 μm), the emission start current (threshold current) changes, so that the thickness of the light guide layer cannot be made too large. Therefore, it is thought that the only way to change the beam shape is to change the stripe width, change the width of the active layer, or add a carrier barrier layer on both sides of the active layer (Patent Document 3). It is because. Since it is considered that this emission start current change occurs even in a semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more, a high-power semiconductor laser can obtain only an elliptic ratio of about 2.5 to 3.2 as described above. I didn't.
そこで、この発明の目的は、ストライプ幅が100μm以上を有する大出力の半導体レーザにおいて円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができる半導体レーザを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of obtaining a laser beam having a nearly circular beam shape in a high-output semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more.
本発明者らは、光の閉じ込め効果は光ガイド層と活性層の厚みの合計で決定されることを見出した。 The present inventors have found that the light confinement effect is determined by the total thickness of the light guide layer and the active layer.
そこで、請求項1に記載の発明は、ストライプ幅が100μm以上である半導体レーザであって、
キャリアである電子および正孔が注入され、該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、前記活性層に対して前記電子を注入する側に少なくとも形成され、前記活性層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されて前記活性層で発生された前記光を閉じ込める光ガイド層と、前記光ガイド層を含めた前記活性層の上下に形成され、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されたクラッド層とを有し、
前記活性層と前記光ガイド層との厚さの合計が1.5μm以上とされ、かつ、
前記電子および正孔の前記クラッド層から前記活性層に到達する距離が前記正孔の方において前記電子よりも短くされている半導体レーザをその要旨とする。
Therefore, the invention according to
Electrons and holes as carriers are injected, an active layer that generates light by recombining the injected carriers, and an active layer formed at least on a side of the active layer that injects the electrons, A light guide layer formed of a material having a refractive index substantially lower than that of the light guide layer and confining the light generated in the active layer; and the light guide layer formed above and below the active layer including the light guide layer. Having a cladding layer substantially composed of a material having a lower refractive index,
The total thickness of the active layer and the light guide layer is 1.5 μm or more, and
A gist of the present invention is a semiconductor laser in which the distance of the electrons and holes from the cladding layer to the active layer is shorter in the holes than in the electrons.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明における前記活性層の厚さを0.05μm以上、0.15μm以下とした半導体レーザをその要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser according to the first aspect, wherein the thickness of the active layer is set to 0.05 μm or more and 0.15 μm or less.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明における前記活性層と前記光ガイド層と前記クラッド層とを、AlGaAs系材料にて構成した半導体レーザをその要旨とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser according to the first or second aspect, wherein the active layer, the light guide layer, and the cladding layer are made of an AlGaAs-based material.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発明における前記活性層と前記光ガイド層と前記クラッド層とを、InGaAlP系材料、InGaAsP系材料、InGaAsSb系材料、AlGaInN系材料のいずれかの材料にて構成した半導体レーザをその要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the active layer, the light guide layer, and the clad layer according to any one of the first to third aspects are formed of an InGaAlP-based material, an InGaAsP-based material, and an InGaAsSb-based material. The gist of the present invention is a semiconductor laser made of any one of AlGaInN-based materials.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発明における前記活性層と前記光ガイド層との厚さの合計を5.5μm以下とした半導体レーザをその要旨とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor laser according to any one of the first to fourth aspects, wherein the total thickness of the active layer and the light guide layer is 5.5 μm or less. And
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発明における前記活性層の一方の面にn型の光ガイド層を介してn型のクラッド層を配置するとともに、前記活性層の他方の面にp型のクラッド層を直接配置した半導体レーザをその要旨とする。 According to a sixth aspect of the present invention, an n-type cladding layer is disposed on one surface of the active layer according to any one of the first to fifth aspects with an n-type light guide layer interposed therebetween. A gist of the present invention is a semiconductor laser in which a p-type cladding layer is directly disposed on the other surface of the active layer.
請求項7に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発明における前記クラッド層は前記活性層の一方の面に形成された第1導電型の第1のクラッド層と、前記活性層の他方の面に形成された第2導電型の第2のクラッド層とからなり、さらに、前記第1のクラッド層側に形成された半導体基板と、該半導体基板の前記第1のクラッド層とは反対側に形成された下面電極と、前記第2のクラッド層上に形成され100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有する半導体レーザをその要旨とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the cladding layer includes a first conductivity type first cladding layer formed on one surface of the active layer. A second cladding layer of a second conductivity type formed on the other surface of the active layer, a semiconductor substrate formed on the first cladding layer side, and a first cladding layer of the semiconductor substrate. The gist of the present invention is a semiconductor laser having a lower surface electrode formed on the side opposite to the above-mentioned cladding layer and an upper surface electrode formed on the second cladding layer and having a stripe width of 100 μm or more.
請求項8に記載の発明は、下面に下面電極を有するN型の半導体基板と、前記半導体基板の前記下面電極とは反対側の上面に形成されたN型の第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に形成され、前記第1のクラッド層よりも実質的に屈折率が高くAlGaAs系材料からなるN型の光ガイド層と、前記光ガイド層上に形成され、AlGaAs系材料からなり、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率が高く、キャリアが注入されて該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、前記活性層上に形成され、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率が低いP型の第2のクラッド層と、前記第2のクラッド層上に形成され、100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有し、前記第1の光ガイド層と前記活性層と前記第2の光ガイド層との厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下とした半導体レーザをその要旨とする。
The invention according to
請求項1乃至8に記載の発明によれば、光ガイド層の厚さを厚くしていくと、光ガイド層の厚さ方向(垂直方向)の光の回折効果が小さくなりビームは狭くなる。一方、光ガイド層の拡がり方向(水平方向)の回折効果は変化しない。図4に示すように、活性層と光ガイド層の厚さの合計を1.5μm以上とすることでビームが円形に近づく。 According to the first to eighth aspects of the present invention, as the thickness of the light guide layer increases, the diffraction effect of light in the thickness direction (vertical direction) of the light guide layer decreases, and the beam becomes narrower. On the other hand, the diffraction effect in the spreading direction (horizontal direction) of the light guide layer does not change. As shown in FIG. 4, when the total thickness of the active layer and the light guide layer is 1.5 μm or more, the beam approaches a circular shape.
さらに、クラッド層から注入される電子および正孔が活性層まで到達する距離は正孔の方において電子よりも短くされており、従って、全体の抵抗が減少し、素子の発熱が抑えられ信頼性が向上する。請求項6、8に記載の発明では、活性層の一方の面にn型の光ガイド層を介してn型のクラッド層を配置するとともに、活性層の他方の面にp型のクラッド層を直接配置しており、キャリアである電子がn型のクラッド層からn型の光ガイド層を介して活性層に注入される一方、キャリアである正孔はp型のクラッド層から直接活性層に注入される。
Furthermore, the distance that electrons and holes injected from the cladding layer reach the active layer is shorter in the holes than in the electrons, so that the overall resistance is reduced, the heat generation of the element is suppressed, and the reliability is reduced. Is improved. In the invention according to
請求項2に記載の発明のように、活性層の厚さを0.05μm以上、0.15μm以下とすれば、キャリアは活性層の狭い領域のみに閉じ込められるためしきい値電流の増加、光出力の低下は起こらない。 When the thickness of the active layer is 0.05 μm or more and 0.15 μm or less as in the second aspect of the invention, carriers are confined only in a narrow region of the active layer, so that the threshold current increases, The output does not decrease.
請求項3に記載の発明のように、活性層と光ガイド層とクラッド層とをAlGaAs系材料にて構成すれば、ビームの楕円比が「2.5」よりも小さくなる。 When the active layer, the light guide layer, and the cladding layer are made of an AlGaAs-based material, the ellipticity of the beam becomes smaller than “2.5”.
請求項4に記載の発明のように、活性層と光ガイド層とクラッド層とをInGaAlP系材料、InGaAsP系材料、InGaAsSb系材料、AlGaInN系材料のいずれかの材料にて構成すれば、ビームの楕円比が「2.5」よりも小さくなる。
If the active layer, the light guide layer, and the cladding layer are made of any one of InGaAlP-based materials, InGaAsP-based materials, InGaAsSb-based materials, and AlGaInN-based materials as in the invention according to
請求項5に記載の発明のように、活性層と光ガイド層との厚さの合計を、さらに5.5μm以下とすれば、ビームが円形に近づく。 When the total thickness of the active layer and the light guide layer is further set to 5.5 μm or less, the beam approaches a circular shape.
(第1実施形態)
以下、この発明を具体化した第1実施形態を図面に従って説明する。
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図2は本実施形態の大出力半導体レーザの斜視図を示し、図1には大出力半導体レーザの断面図を示す。図3には、大出力半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。この大出力半導体レーザはパルス駆動されるようになっている。 FIG. 2 is a perspective view of the high-power semiconductor laser according to the present embodiment, and FIG. 1 is a cross-sectional view of the high-power semiconductor laser. FIG. 3 shows an energy band diagram of the high-power semiconductor laser. This high power semiconductor laser is pulse-driven.
半導体基板としてのn−GaAs基板1上に、n−GaAs層2、第1のクラッド層としてのn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3、第1の光ガイド層としてのn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4、Al0.2Ga0.8As/GaAs多重量子井戸構造からなる活性層5、第2の光ガイド層としてのp−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6、第2のクラッド層としてのp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、p−GaAs層8が順に積層されている。活性層5は、Al0.2Ga0.8AsとGaAsとが交互に積層され、Al0.2Ga0.8Asが5層、GaAsが6層形成されている。又、クラッド層3と光ガイド層4と活性層5と光ガイド層6とクラッド層7とGaAs層8とは、メサ形となっている。そして、活性層5の前端面(図2における手前側端面)には低反射膜、後端面には高反射膜がコーティングされている。
On an n-
n−GaAs層2の厚さは500nm(0.5μm)、n−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3の厚さは1μm、n−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4の厚さは0〜2.25μmである。又、活性層5においては、Al0.2Ga0.8Asの一層の厚さが7.5nm(0.0075μm)であり、かつ、Al0.2Ga0.8Asが5層あるので、Al0.2Ga0.8Asの合計の厚さは37.5nm(=7.5nm×5層)となっている。又、活性層5におけるGaAsの一層の厚さが15nm(0.015μm)であり、かつ、GaAsが6層あるのでGaAsの合計の厚さは90nm(=15nm×6層)となっている。よって、活性層5の厚さは127.5nm、即ち、0.1275μmとなっている。
The thickness of the n-
p−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6の厚さは0〜2.25μm、p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7の厚さは1μm、p−GaAs層8の厚さが0.8μmである。
The thickness of the p-Al 0.2 Ga 0.8 As
本実施形態では、活性層5の厚さが127.5nmで、活性層5と光ガイド層4と光ガイド層6との合計の厚さが1.5μm以上となっている。
In the present embodiment, the thickness of the
又、活性層5の屈折率(平均屈折率)は「3.6」であり、n−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4およびp−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6の屈折率はそれぞれ「3.5」であり、n−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3およびp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7の屈折率はそれぞれ「3.3」である。そして、図3に示すように、光ガイド層4,6は活性層5よりもバンドギャップが大きくなるように設定されている。
The refractive index (average refractive index) of the
n−GaAs層2およびメサ状部の上面にはSiO2からなる絶縁膜9が形成されるとともに、メサ状部の上面には絶縁膜9の無い窓部13が形成されている。さらに、その上にはCr/Auからなる上面電極としてのp型電極10が形成され、p−GaAs層8とオーミックコンタクトが取られている。窓部13の幅、即ち、ストライプ幅は400μmとなっている。
An insulating
n−GaAs基板1の裏面にはAuGe/Ni/Auからなる下面電極としてのn型電極11が形成され、n−GaAs基板1とオーミックコンタクトが取られている。又、n型電極11の表面にはAu/Sn層12が形成され、このAu/Sn層12は半導体レーザ素子と、台座であるCu製のヒートシンクを接合するための接合剤である。
On the back surface of the n-
図2に示すように、この大出力半導体レーザの縦横の寸法は、500μm×600μmとなっている。 As shown in FIG. 2, the vertical and horizontal dimensions of this high-power semiconductor laser are 500 μm × 600 μm.
次に、この大出力半導体レーザの製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing this high-power semiconductor laser will be described.
まず、n−GaAs基板1上にn−GaAs層2、n−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3、n−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4、Al0.2Ga0.8As/GaAs多重量子井戸構造からなる活性層5、p−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6、p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、p−GaAs層8を順次MOCVD(Metal Organic Chemical Vaper Deposition)法により積層する。その後、エッチングによりメサ状部を形成する。
First, the n-GaAs substrate 1 n-
引き続き、n−GaAs層2およびメサ状部の上面にSiO2からなる絶縁膜9をプラズマCVD法により成膜し、エッチングにより窓あけをして窓部13を形成する。そして、絶縁膜9上に、Cr/Auからなるp型電極10を電子ビーム蒸着法により形成し、約360℃において熱処理を行いオーミックコンタクトを取る。
Subsequently, an insulating
さらに、n−GaAs基板1の裏面にAuGe/Ni/Auからなるn型電極11を電子ビーム蒸着法により形成し、熱処理を行いオーミックコンタクトを取る。その後、Au/Sn層12を電子ビーム蒸着法により形成する。最後に、端面をへき開し半導体レーザチップとする。
Further, an n-
このレーザのp型電極10とn型電極11の間にパルスの電流を流すことにより、p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7側より正孔が、n−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3側より電子がそれぞれ活性層5内に注入され、再結合することにより発光する。このようにして発光した光がへき開した前後の端面で反射を繰り返すことで増幅されレーザ発振し、前端面よりレーザ光が発射される。
By passing a pulse current between the p-
図4には、活性層5の厚さを127.5nmとし、n−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4およびp−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6の厚さを変えることにより、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の合計の厚さを変えた場合のビームの楕円比(図9におけるH/W)の測定結果を示す。尚、ここで、光ガイド層4の膜厚と光ガイド層6の膜厚は等しくした。
FIG. 4 shows that the thickness of the
この図4から次のことが分かる。即ち、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の厚さの合計を1.5μm以上とすることでビームの楕円比を「2.5」よりも小さくすることができる。さらに、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の厚さの合計を4.5μm付近に選べば楕円比が「1」、即ち完全な円形に近いビームを得ることができる。これは、光ガイド層の膜厚を大きくしていくと、光ガイド層の厚さ方向(垂直方向)には光の回折効果が小さくなりビームは狭くなるのに対し、光ガイド層の拡がり方向(水平方向)の回折効果は変化しないためである。その結果、図4に示すように、ビームの楕円比を「1」程度から「3」程度にまで制御することができる。又、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の厚さの合計を5.5μm以下とすることで、ビームの楕円比を0.4よりも大きくすることができる。これは、楕円比2.5の縦横を入れ換えたものにほかならない。
The following can be seen from FIG. That is, by setting the total thickness of the
尚、図4において、ハッチングで示した領域は、図8に示した大出力半導体レーザ(光ガイド層の無い半導体レーザ)の楕円比を示し、その楕円比は2.5〜3.2程度である。 In FIG. 4, the hatched area indicates the elliptic ratio of the high-power semiconductor laser (semiconductor laser without a light guide layer) shown in FIG. 8, and the elliptic ratio is about 2.5 to 3.2. is there.
ここで、活性層5の厚さを0.1μm付近(0.1±0.05μmの間)とすることで、キャリアを狭い所に閉じ込め、キャリアを有効に再結合させることができるため、しきい値電流を低くすることができ、又、光出力が低下することも防止できる。
Here, by setting the thickness of the
このように、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の合計の膜厚を1.5μm以上にし、かつ、活性層5の膜厚を0.1μm付近にするために、本実施形態では、光ガイド層4および光ガイド層6の合計の厚さを1.5μm以上にしている。
As described above, in order to make the total thickness of the
尚、図4の測定に際しては上述のようにn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4とp−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6の膜厚を同一としたが、異なっていてもよい。後述の第2実施形態で詳述するが、キャリアである電子および正孔がクラッド層から活性層まで到達する距離において正孔の方が電子よりも短くなれば、全体の抵抗が減少し、素子の発熱が抑えられ信頼性が向上する。
In the measurement shown in FIG. 4, the thickness of the n-Al 0.2 Ga 0.8 As
このように本実施形態の半導体レーザでは、ストライプ幅を400μmの大出力用とし、活性層5の上下に、活性層5より屈折率の低い光ガイド層4,6を有し、さらに、その光ガイド層4,6を含めた活性層5の上下に光ガイド層4,6より屈折率の低いクラッド層3,7を有し、かつ活性層5と光ガイド層4,6の厚さの合計を1.5μm以上とした。よって、光ガイド層4,6の厚さを厚くしていくと、光ガイド層4,6の厚さ方向(垂直方向)の光の回折効果が小さくなりビームは狭くなる。一方、光ガイド層4,6の拡がり方向(水平方向)の回折効果は変化しない。このようにして、活性層5と光ガイド層4,6の厚さの合計を1.5μm以上とすることでビームを円形に近づけることができる。
As described above, the semiconductor laser according to the present embodiment has a stripe width of 400 μm for large output, and has the light guide layers 4 and 6 having a lower refractive index than the
又、活性層5の厚さを、0.05〜0.15μmの範囲内である0.1275μmとしたので、キャリアは活性層5の狭い領域のみに閉じ込められるため、これによってしきい値電流の増加、光出力の低下は防止できる。
Also, since the thickness of the
さらに、活性層5と光ガイド層4,6とクラッド層3,7とを、AlGaAs系材料にて構成した。よって、活性層5と光ガイド層4,6の合計の厚さを1.5μm以上とすることで、ビームの楕円比を「2.5」よりも小さくすることができる。このように、大出力のままビームの楕円比が「2.5」よりも小さい円形に近いビーム形状を得ることができ、集光のためのレンズ設計およびレンズ製作が容易になり、又、システムの要求に適合したビーム形状のレーザの製作が可能となる。
Further, the
さらには、AlGaAs系材料を用いたことにより、発振波長が0.8μm帯のレーザを得ることができる。 Furthermore, by using an AlGaAs-based material, a laser having an oscillation wavelength of 0.8 μm can be obtained.
以上、一般的に小出力の半導体レーザ(ストライプ幅が100μm未満)においては、発光開始電流(しきい値電流)が変わってしまうという問題により、光ガイド層の厚さをあまり大きくとれず、従って、ビーム形状を変化させるためにはストライプ幅を変化させたり、活性層の幅を変えたり、また活性層の両側にキャリア障壁層を付加させたり(特許文献3)するしかないと考えられていた。そして、この発光開始電流変化はストライプ幅が100μm以上の半導体レーザにおいても生じると考えられていたため大出力半導体レーザにおいては、上記のように楕円比2.5〜3.2程度のものしか得られていなかった。しかしながら、本発明者等は、ストライプ幅100μm以上の半導体レーザにおいては、光ガイド層の厚さを変えても、しきい値電流(発光開始電流)はほとんど変化しないということを見出し、又、光ガイド層の厚さ及び活性層の厚さを積極的に変化させることによりビームの形状が制御できるということを見出した。そして、その光ガイド層及び活性層の厚さの合計を1.5μm以上とすることによりビームの形状を「2.5」より小さくできるということを見出した。 As described above, in general, in a semiconductor laser having a small output (a stripe width of less than 100 μm), the thickness of the light guide layer cannot be made too large due to the problem that the emission start current (threshold current) changes. However, it was thought that the only way to change the beam shape was to change the stripe width, change the width of the active layer, and add a carrier barrier layer on both sides of the active layer (Patent Document 3). . Since it is considered that this emission start current change occurs even in a semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more, a high-power semiconductor laser can obtain only an elliptic ratio of about 2.5 to 3.2 as described above. I didn't. However, the present inventors have found that in a semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more, even if the thickness of the light guide layer is changed, the threshold current (light emission start current) hardly changes. It has been found that the shape of the beam can be controlled by positively changing the thickness of the guide layer and the thickness of the active layer. Then, they have found that the beam shape can be made smaller than “2.5” by making the total thickness of the light guide layer and the active layer 1.5 μm or more.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態を上記第1実施形態との相違点を中心に説明する。
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment.
本実施形態の大出力半導体レーザは、図5,6に示すように、活性層5の下のみn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4を設け、活性層5の上には光ガイド層が設けられていない。その結果、キャリアである電子がn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3からn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4を介して活性層5に注入されるとともに、キャリアである正孔がp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7から直接、活性層5に注入される。よって、キャリアである電子および正孔が活性層5まで到達する距離は正孔の方が電子よりも短くなる。従って、全体の抵抗が減少し、素子の発熱が抑えられ信頼性が向上する。この場合においても、活性層5とn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4の合計の膜厚を1.5μm以上とすることで第1実施形態と同様に楕円比が「2.5」よりも小さいビーム形状を得ることができる。
In the high-power semiconductor laser of this embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the n-Al 0.2 Ga 0.8 As
尚、本発明は上記各実施形態に限定されるものでなく、例えば、上記各実施形態ではストライプ幅が400μmであったが、ストライプ幅が100μm以上の半導体レーザであれば適用できる。又、パルス駆動の半導体レーザの他にも直流駆動(CW)の半導体レーザに使用してもよい。さらに、上記各実施形態では活性層と光ガイド層とクラッド層とを、AlGaAs系材料にて構成したが、他にも、InGaAlP、InGaAsP、InGaAsSb、AlGaInN系等の材料にて構成してもよい。この場合、活性層5と光ガイド層の厚さの合計を2.5μm以上、5.5μm以下とすることにより、ビームの楕円比をほぼ「2」以下に設定できる。そして、材料に応じた発振波長のレーザを得ることができる。
The present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiments, the stripe width is 400 μm, but the present invention can be applied to any semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more. Further, in addition to the pulse-driven semiconductor laser, it may be used for a DC-driven (CW) semiconductor laser. Furthermore, in each of the above embodiments, the active layer, the light guide layer, and the cladding layer are made of an AlGaAs-based material, but may be made of other materials such as InGaAlP, InGaAsP, InGaAsSb, and AlGaInN. . In this case, by setting the total thickness of the
さらに、上記各実施形態ではメサ形の半導体レーザを用いて説明したが、図7に示すように、メサ形でない半導体レーザとしてもよい。 Further, in each of the above embodiments, the description has been made using the mesa type semiconductor laser. However, as shown in FIG. 7, the semiconductor laser may be a non-mesa type semiconductor laser.
1 半導体基板としてのn−GaAs基板
3 第1のクラッド層としてのn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層
4 第1の光ガイド層としてのn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層
5 活性層
6 第2の光ガイド層としてのp−Al0.2Ga0.8As光ガイド層
7 第2のクラッド層としてのp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層
10 上面電極としてのp型電極
11 下面電極としてのn型電極
Reference Signs List 1 n-GaAs substrate as semiconductor substrate 3 n-Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer as first clad layer 4 n-Al 0.2 Ga 0.8 As light guide layer as first
Claims (8)
キャリアである電子および正孔が注入され、該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、
前記活性層に対して前記電子を注入する側に少なくとも形成され、前記活性層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されて前記活性層で発生された前記光を閉じ込める光ガイド層と、
前記光ガイド層を含めた前記活性層の上下に形成され、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されたクラッド層とを有し、
前記活性層と前記光ガイド層との厚さの合計が1.5μm以上とされ、かつ、
前記電子および正孔の前記クラッド層から前記活性層に到達する距離が前記正孔の方において前記電子よりも短くされていることを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more,
Electrons and holes as carriers are injected, an active layer that generates light by recombining the injected carriers,
A light guide layer formed at least on the side where the electrons are injected with respect to the active layer and made of a material having a refractive index substantially lower than that of the active layer and confining the light generated in the active layer;
A cladding layer formed above and below the active layer including the light guide layer, and made of a material having a substantially lower refractive index than the light guide layer;
The total thickness of the active layer and the light guide layer is 1.5 μm or more, and
A semiconductor laser, wherein a distance of the electrons and holes from the cladding layer to the active layer is shorter in the holes than in the electrons.
さらに、前記第1のクラッド層側に形成された半導体基板と、該半導体基板の前記第1のクラッド層とは反対側に形成された下面電極と、前記第2のクラッド層上に形成され100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ。 The cladding layer includes a first conductivity type first cladding layer formed on one surface of the active layer and a second conductivity type second cladding layer formed on the other surface of the active layer. Become
Further, a semiconductor substrate formed on the first clad layer side, a lower surface electrode formed on a side of the semiconductor substrate opposite to the first clad layer, and a semiconductor substrate formed on the second clad layer having a thickness of 100 μm The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 5, further comprising an upper electrode having the above stripe width.
前記半導体基板の前記下面電極とは反対側の上面に形成されたn型の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に形成され、前記第1のクラッド層よりも実質的に屈折率が高くAlGaAs系材料からなるn型の光ガイド層と、
前記光ガイド層上に形成され、AlGaAs系材料からなり、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率が高く、キャリアが注入されて該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、
前記活性層上に直接形成され、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率が低いp型の第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層上に形成され、100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有し、
前記第1の光ガイド層と前記活性層と前記第2の光ガイド層との厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下としたことを特徴とする半導体レーザ。 An n-type semiconductor substrate having a lower surface electrode on the lower surface;
An n-type first cladding layer formed on the upper surface of the semiconductor substrate opposite to the lower surface electrode;
An n-type light guide layer formed on the first clad layer and having a refractive index substantially higher than that of the first clad layer and made of an AlGaAs-based material;
An active layer formed on the light guide layer, made of an AlGaAs-based material, having a refractive index substantially higher than that of the light guide layer, injecting carriers and recombining the injected carriers to generate light. Layers and
A p-type second cladding layer formed directly on the active layer and having a substantially lower refractive index than the light guide layer;
An upper surface electrode formed on the second cladding layer and having a stripe width of 100 μm or more;
A semiconductor laser, wherein the total thickness of the first light guide layer, the active layer, and the second light guide layer is 1.5 μm or more and 5.5 μm or less.
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JP2009036650A (en) * | 2007-08-02 | 2009-02-19 | Minebea Co Ltd | Semiconductor ring laser gyro |
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