JP2008135786A

JP2008135786A - 高出力半導体レーザダイオード

Info

Publication number: JP2008135786A
Application number: JP2008039079A
Authority: JP
Inventors: Dmitri Zalmanovitch Garbuzov; ザラマノヴィッチガルバゾフデミトリィ; Joseph Hy Abeles; ハイエイベルズジヨセフ; John Charles Connolly; チャールズカンリージョン
Original assignee: Trumpf Photonics Inc
Current assignee: Trumpf Photonics Inc
Priority date: 1996-11-27
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2008-06-12
Also published as: USRE41643E1; JPH10303500A; US5818860A

Abstract

【課題】高い効率と高い出力を有する半導体レーザダイオードを提供する。
【解決手段】本発明のレーザダイオードは、導波領域を内部に有する半導体材料からなる本体を含んでいる。この導波領域は、約５×１０^１６／ｃｍ^３以下のドーピングレベルを有するように、意図的なドーピングが行われていない。導波領域の内部には、光子の光モードを発生させる手段、例えば少なくとも一つの量子井戸量域、が存在している。導波領域の両側には、反対の導電型のクラッド領域が位置している。少なくとも５００ナノメートルである導波領域の厚さ、ならびに導波領域およびクラッド領域の組成は、発生する光モードが導波領域からクラッド領域に約５％を超えて重畳しない程度に導波領域中の光モードを閉じ込めるものである。
【選択図】図１

Description

発明の属する技術分野

本発明は、高い出力を有する半導体レーザダイオードに関し、特に、拡大された導波路を有する高出力半導体レーザダイオードに関する。

従来の技術

半導体レーザダイオードは、基本的に、一または複数の半導体材料からなる本体を備えており、この本体は、導波領域と、導波領域の各々の側に位置するクラッド領域と、を有している。導波領域内には、電流によってダイオードに適切にバイアスがかけられると光子が生成される領域、例えば量子井戸領域、が存在している。クラッド領域は、反対の導電型にドーピングされており、導波領域に光子を閉じ込めるように導波領域の材料よりも低い屈折率を有する材料から構成されている。

従来から製造され当業者に最適な設計として知られているレーザダイオードの設計では、しきい電流の最小化が達成されるように、導波領域の厚さはある程度の値、通常は０．２〜０．３マイクロメートル（μｍ）のオーダ、に制限されていた。しきい電流の最小化を達成するため、導波領域で発生する光モードの隣接するドープ領域、例えばクラッド領域、への実質的な重畳が発生した。導波領域で発生した光モードの大部分は、導波領域に残り、導波領域に沿って伝搬するが、光モードの一部分は、導波領域の各端部において導波領域に隣接するダイオードの領域内にまで広がる、すなわち重畳する。これにより、通常、望ましくない光伝搬損失が生じる。クラッド領域内の伝搬損失は、前記クラッド領域の伝搬損失とレイジングモードによるクラッド領域の重畳係数との積の程度までレイジングモードの伝搬損失に寄与する。クラッド領域の重畳係数は、クラッド領域内で搬送される光子の割合である。本明細書を通じて、用語「伝搬損失」とは、レイジングモードの伝搬損失を意味する。このようにデバイス全体の効率が低下するので、デバイスの可能出力が直接的および間接的に制限される。従来製造されていた通常の半導体レーザダイオードの別の定数は、ダイオードの長さ、すなわち両端間の距離である。レーザダイオードが長いとダイオードの熱抵抗および電気抵抗が低くなり、従って一般に、出力が大きくなる。しかしながら、伝搬損失に起因する低効率のため、レーザダイオードの長さは制限されていた。

固体レーザおよびファイバレーザの光ポンピング、直接材料処理、印刷、通信、センシングなどの応用分野では、高効率、高出力のレーザが長い間追求されてきた。従って、このようなレーザダイオードの効率を改善し、損失を低減してデバイスの出力を高めることが要望されている。

半導体材料からなる本体から形成される半導体レーザダイオードである。この本体は、意図的なドーピングがされていない導波領域であって光子発生手段を内部に有する導波領域を含んでいる。別個のクラッド領域は、導波領域の各々の側に位置しており、このクラッド領域は、反対の導電型になるように少なくとも部分的にドーピングされている。導波領域の厚さ、ならびに導波領域およびクラッド領域の組成は、導波領域で発生する光モードのクラッド領域への重畳が約５％以下となるものである。

発明の実施の形態

まず図１を参照すると、本発明を具体化した半導体レーザダイオードが全体として符号１０で示されている。レーザダイオード１０は、一又は複数の半導体材料からなる本体１２を備えている。この本体１２は、底面１４、上面１６、端面１８および側面２０を有している。本体１２は、本体１２を横断して延びる導波領域２２を含んでいる。導波領域２２の内部には、適切な電気バイアスがダイオード１０にかけられると光子が発生する活性領域２４が存在している。この活性領域２４は、レーザダイオード技術で周知な構造であって光子を発生させることの可能な任意の構造とすることができる。活性領域２４は、一つ以上の量子井戸を有していることが好ましい。導波領域２２は、活性領域２４の各々の側に位置する層２６を含んでいる。これらの層２６は、約５×１０¹⁶原子／ｃｍ³以下のドーピングレベルを有するアンドープ半導体材料からなる。

導波領域２２の各々の側には、別個のクラッド領域２８および３０がある。これらのクラッド領域２８および３０は、導波領域２２の層２６の材料よりも低い屈折率を有する組成の半導体材料からなる層である。また、クラッド領域２８および３０は、反対の導電型となるように少なくとも部分的にドーピングされている。クラッド領域２８および３０中のドーピングレベルは、通常、約５×１０¹⁷／ｃｍ³〜２×１０¹⁹／ｃｍ³である。例えば、導波領域２２と本体１２の上面１６との間のクラッド領域２８をＰ導電型とし、導波領域２２と本体１２の底面１４との間のクラッド領域３０をＮ導電型としてもよい。

金属等の導電性材料からなるコンタクト層３２は、Ｐ導電型クラッド領域２８とオーミック接触している。コンタクト層３２は、本体１２の端面１８間に延在するストリップであって本体１２の幅、すなわち本体１２の側面２０間の距離、よりも狭いストリップの形状を有している。金属等の導電性材料からなるコンタクト層３４は、Ｎ導電型クラッド領域３０とオーミック接触している。コンタクト層３４は、本体１２の底面１４の全領域にわたって広がっている。

レーザダイオード１０で高効率および高出力を達成するためには、導波領域２２の厚さと導波領域２２ならびにクラッド領域２８および３０の組成は、活性領域２４によって生成された光モードが導波領域２２からクラッド領域２８および３０へ５％、好ましくは２％を超えて重畳しないようなものである必要がある。しかしながら、クラッド領域２８および３０への光子の重畳量が１％未満である必要はない。このことは、主として導波領域２２内に存在しクラッド領域２８および３０内に広がる（重畳する）光モードの量が全光モードの約５％以下であることを意味している。これを達成するためには、導波領域の厚さが少なくとも５００ナノメートル（ｎｍ）であるべきであり、また、導波領域２２ならびにクラッド領域２８および３０の組成は、これらの領域の屈折率が導波領域２２中の光モードをクラッド領域２８および３０への光モードの重畳が５％以下となる程度まで閉じ込めるようなものであるべきである。本体１２の様々な領域は、レーザダイオードの作製に使用される周知の半導体材料のいずれかから作製することができる。このような半導体材料としては、例えば、ガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムリン、インジウムガリウムヒ素、およびインジウムやガリウムヒ素リンのような第４材料、を挙げることができる。但し、これらの材料に限定されるわけではない。しかしながら、様々な領域に使用される材料は、光モードの所望の閉じ込めをもたらす屈折率を有していなければならない。クラッド領域２８および３０は、その厚さの全体にわたって均一にドーピングが行われていてもよく、あるいは導波領域２２との接合部で全く又はほとんどドーピングが行われず本体１２のそれぞれの表面で最大濃度のドーピングが行われるグレーデッド型としてもよい。

図２には、本発明に係るレーザダイオードの一形態３６が概略図示されている。レーザダイオード３６は、図１に示されるレーザダイオード１０と同様の構造を有しており、アンドープＩｎ₂₀Ｇａ₈₀Ａｓからなる単一の量子井戸領域４０と量子井戸領域４０の各々の側に位置するアンドープＡｌ₃₀Ｇａ₇₀Ａｓからなる分離閉込め層４２とを内部に有する導波領域３８を含んでいる。Ｐ導電型クラッド領域４４は導波領域３８の一方の側に位置しており、Ｎ導電型クラッド領域４６は導波領域３８の他方の側に位置している。クラッド領域４４および４６の各々は、Ａｌ₆₀Ｇａ₃₀Ａｓからなる。レーザダイオード３６は、単一の量子井戸領域４０のみを有しているように図示されているが、レーザダイオード技術で周知のように、バリヤ領域によって離間された複数の量子井戸領域を有していてもよい。

図３には、本発明に係るレーザダイオードの別の形態が概略図示されており、この形態は全体として符号４８で示されている。レーザダイオード４８は、導波領域５０を備えている。この導波領域５０は、ＩｎＧａＡｓＰからなる量子井戸領域５２であって１．０ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰからなるバリヤ領域５４によって離間された三つの量子井戸領域５２を内部に有している。量子井戸領域５２の各々の側には、これもまた１．０ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰからなる内側閉込め層５６が存在している。内側閉込め層５６の各々には、１．１３ｅＶのバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰからなる外側閉込め層５８が隣接している。外側閉込め層５８には、Ｎ型およびＰ型にそれぞれドーピングされたＩｎＰからなるクラッド領域６０および６２が隣接している。これらのクラッド領域６０および６２は、５×１０¹⁷／ｃｍ³〜２×１０¹⁹／ｃｍ³のレベルまでドーピングされている。Ｎ型クラッド領域６０は、その厚さの全体にわたって均一にドーピングが行われるが、Ｐ型クラッド領域６２は、外側閉込め領域５８との界面における最低レベルから表面における最高レベルまでのグレーデッドドーピングを有していてもよい。

レーザダイオード４８は、厚さ４．５ｎｍの量子井戸領域５２と厚さ１６ｎｍバリヤ領域を有するように作製した。内側閉込め層５６の厚さは、３０ｎｍとした。あるレーザダイオード４８では外側閉込め層の厚さを３００ｎｍとし、別のレーザダイオード４８では外側閉込め層の厚さを６００ｎｍとした。これにより、導波領域５０の全体の厚さがそれぞれ０．７μｍおよび１．３μｍであるレーザダイオード４８が得られる。試験を行ったところ、これらのダイオードは、厚さが大きいほど高い効率を有することが分かった。１．３μｍ厚の導波領域５０を有するレーザダイオード４８は、０．７μｍ厚の導波領域５０を有するレーザダイオード４８よりも１．３倍高い効率と１０〜２０％低いしきい電流を有している。これらのレーザダイオード４８からは、１．４２〜１．５μｍの波長においてＣＷで４．６Ｗ、準ＣＷで６．８Ｗの出力が得られた。

図４には、本発明を組み込んだレーザダイオードの更に別の形態が概略図示されており、この形態は全体として符号６２で示されている。レーザダイオード６２は、量子井戸領域６６を内部に有する導波領域６４を有している。量子井戸領域６６の各々の側には、閉込め領域６８がある。Ｎ導電型およびＰ導電型のクラッド領域７０および７２は、導波領域６４の両側に位置している。レーザダイオード６２では、閉込め領域６８は、グレーデッドバンドギャップを形成するように徐々に変化する組成を有する材料から構成されている。レーザダイオード６２は、単一の量子井戸領域６６を有するように図示されているが、図３のレーザダイオード４８に示されるように、バリヤ領域によって離間された複数の量子井戸領域を有していてもよい。

このように、本発明によれば、少なくとも厚さが５００ｎｍの厚い導波領域を有し、クラッド領域への光モードの重畳が約５％以下と小さいレーザダイオードが得られる。導波領域には意図的なドーピングがされていないことから、導波領域の熱抵抗および電気抵抗が小さいため、光モードは導波領域を小さな光損失で伝搬することができる。より高濃度にドーピングされたクラッド領域（これは、より大きな熱抵抗および電気抵抗を有する）には光モードのわずかな部分しか重畳しないので、クラッド領域にはわずかな光損失しか存在しない。光損失が低いため、このデバイスは、大きな効率と大きな光出力を有する。更に、本発明のレーザダイオードは、大面積のスポットサイズの出射ビームを形成する。この大きなスポットサイズにより、レーザダイオードの出射面に対する損傷が減少し、レーザダイオードの動作寿命が増加する。更に、本発明のレーザダイオードは、大きな長さ、すなわち２ミリメートル以上の長さ、を有するように作製することができる。このレーザダイオードは損失が低いため、大きな長さを有するように作製して大きな出力を得ることができる。更にまた、本明細書で図示および説明したレーザダイオードは分離閉込め量子井戸構造を有しているが、本発明は任意の周知構造、例えばラテラル導波リッジ構造、埋込み構造、利得ガイド構造、分布帰還型構造、分布ブラッグ反射器構造など、のレーザダイオードで使用することが可能である。

本発明を組み込んだ基本的な半導体レーザダイオードの斜視図である。本発明を組み込むことの可能な分離閉込めヘテロ構造（ＳＣＨ）レーザダイオードの図である。本発明を組み込むことの可能なステップＳＣＨレーザダイオードの図である。本発明を組み込むことの可能なＧＲＩＮ−ＳＣＨ形態のレーザダイオードの図である。

符号の説明

１０…半導体レーザダイオード、１２…本体、２２…導波領域、２４…活性領域、２６…アンドープ層、２８および３０…クラッド領域、３２および３４…コンタクト層。

Claims

導波領域を内部に有する、半導体材料からなる本体と、
前記導波領域内に配置され、ある光モードの光子を発生させる手段と、
前記導波領域の両側に位置し、互いに反対の導電型となるように少なくとも部分的にドーピングされたクラッド領域と、
を備える半導体レーザダイオードであって、
前記導波領域は、意図的なドーピングがされておらず、光子を自身の内部に実質的に閉じ込め、自身に沿って光子が流れることを可能にする材料から構成されており、
前記光子発生手段は、前記導波領域の厚さよりも薄く、前記クラッド領域から離間しており、
前記導波領域の厚さ、ならびに前記導波領域および前記クラッド領域の組成は、前記導波領域で発生する前記光モード全体のうち前記クラッド領域に重畳する部分の割合が５％以下となるものであり、
前記導波領域の厚さが５００ナノメートル以上であり、
前記導波領域が５×１０^１６／ｃｍ^３以下のドーピングレベルを有している、半導体レーザダイオード。
前記導波領域および前記クラッド領域の材料は、前記光モード全体のうち前記クラッド領域に重畳する部分の割合が５％以下となるような前記導波領域への光モードの閉込めをもたらす屈折率を有している、請求項１記載の半導体レーザダイオード。
前記導波領域中の前記光子発生手段は、少なくとも一つの量子井戸領域を含んでいる、請求項２記載の半導体レーザダイオード。
前記導波領域中の前記光子発生手段は、複数の離間した量子井戸領域を含んでおり、隣接する前記量子井戸領域の各対の間にバリヤ領域が設けられている、請求項３記載の半導体レーザダイオード。
前記クラッド領域は、前記導波領域のうち前記クラッド領域に隣接する部分の材料よりも低い屈折率を有する半導体材料から構成されている、請求項３記載の半導体レーザダイオード。
前記導波領域のうち前記量子井戸領域の両側に位置する部分は、前記量子井戸領域よりも大きなバンドギャップを有する半導体材料から構成されている、請求項５記載の半導体レーザダイオード。
前記導波領域のうち前記量子井戸領域の両側に位置する前記部分は、その厚さの全体にわたって均一の組成を有している、請求項６記載の半導体レーザダイオード。
前記導波領域のうち前記量子井戸領域の両側に位置する前記部分の各々は、前記量子井戸領域に隣接する内側部分であって前記量子井戸領域よりも大きなバンドギャップを有する内側部分と、前記クラッド領域に隣接する外側部分であって前記内側部分よりも大きなバンドギャップを有する外側部分と、を有している、請求項６記載の半導体レーザダイオード。
前記導波領域のうち前記量子井戸領域の両側に位置する前記部分は、グレーデッド型の組成を有している、請求項６記載の半導体レーザダイオード。