JP2014229743A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser.
半導体レーザにおいて、注入電流の増加や電流注入領域の狭小化に伴う注入電流密度の増大時、あるいは高温動作時に、発光層におけるキャリア、特に有効質量の小さい電子のオーバーフローの増加により光出力が低下する。特に、ＩｎＰ系材料はＧａＡｓ系材料に比べて伝導帯側のバンドオフセットが小さいため、その影響が顕著である。 In a semiconductor laser, the light output decreases due to an increase in overflow of carriers in the light-emitting layer, particularly electrons with a small effective mass, when the injection current density increases due to an increase in injection current or a narrow current injection region, or during high temperature operation. . In particular, the effect of the InP-based material is significant because the band offset on the conduction band side is smaller than that of the GaAs-based material.
この問題に対して、図５に示すように、ｎ型基板Ｐ１上に、ｎ型クラッド層Ｐ３、発光層Ｐ５、及びｐ型クラッド層Ｐ７を備える半導体レーザにおいて、発光層Ｐ５とｐ側クラッド層Ｐ７間にキャリアストップ層（キャリアストッパ層、電子ストッパ層、電子バリア層などとも呼ばれる）Ｐ９を設けることで、電子のオーバーフローを低減する構造が特開平５−１０２６００号公報（特許文献１）、特開平１０−２９４５２４号公報（特許文献２）等で提案されている。 To solve this problem, as shown in FIG. 5, in a semiconductor laser including an n-type cladding layer P3, a light-emitting layer P5, and a p-type cladding layer P7 on an n-type substrate P1, the light-emitting layer P5 and the p-side cladding layer A structure that reduces the overflow of electrons by providing a carrier stop layer (also called carrier stopper layer, electron stopper layer, electron barrier layer, etc.) P9 between P7 is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-102600 (Patent Document 1). It is proposed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-294524 (Patent Document 2).
一般に、発光層における電子のオーバーフローの抑制には、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーが大きいほど効果的であり、例えばＧａＡｓ系レーザでは、ＡｌＩｎＰ等の材料が有効であり、また、ＩｎＰ系レーザでは、ＡｌＩｎＡｓ等の材料が有効である。さらに、同じ材料でも、組成によりバンドギャップエネルギーを大きくする（例えばＡｌxＩｎ1-xＰ、およびＡｌyＩｎ1-yＡｓ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）においてＡｌの組成ｘ、およびｙを大きくする）ことで、より効果的となる。 In general, the larger the band gap energy of the carrier stop layer, the more effective the suppression of the overflow of electrons in the light emitting layer. For example, a material such as AlInP is effective in a GaAs laser, and in an InP laser, A material such as AlInAs is effective. Furthermore, even if the same material is used, the band gap energy is increased depending on the composition (for example, Al composition x in Al x In 1-x P and Al y In 1-y As (0 <x <1, 0 <y <1)). , And y) are made more effective.
ところが、キャリアストップ層の組成を変化させ、バンドギャップエネルギーを大きくすると、基板に対する結晶歪みが大きくなり、結晶内の欠陥が増大してしまう。欠陥が増大すると、結晶内でのレーザ光の吸収や散乱が生じ、半導体レーザの光出力が低下してしまう。 However, when the composition of the carrier stop layer is changed and the band gap energy is increased, crystal distortion with respect to the substrate increases and defects in the crystal increase. When the defect increases, laser light is absorbed and scattered in the crystal, and the optical output of the semiconductor laser decreases.
特に、高出力化を目的に、図６に示すように、基板Ｐ１１上に、ｎ型クラッド層Ｐ１３、発光層Ｐ１５、及びｐ型クラッド層Ｐ１７を積層して成るレーザ構造単位Ｐ２３、Ｐ２５（Ｐ２３は第１のレーザ構造単位、Ｐ２５は第２のレーザ構造単位）を、トンネル層Ｐ２１を介して複数積層した半導体レーザにおいて、第１のレーザ構造単位Ｐ２３、及び第２のレーザ構造単位Ｐ２５内にそれぞれキャリアストップ層Ｐ１９を設けた場合、第２のレーザ構造Ｐ２５の発光層Ｐ１５は第１のレーザ構造単位Ｐ２３に設けたキャリアストップ層Ｐ１９の上部に位置する。そのため、第１のレーザ構造単位Ｐ２３におけるキャリアストップ層Ｐ１９の結晶性の低下は、同時に、第２のレーザ構造単位Ｐ２５における発光層Ｐ１５の結晶性の低下をもたらすことになり、発光特性や長期動作させた場合の信頼性が低下してしまう。 In particular, for the purpose of increasing the output, as shown in FIG. 6, laser structural units P23 and P25 (P23) formed by laminating an n-type cladding layer P13, a light emitting layer P15, and a p-type cladding layer P17 on a substrate P11. Is a first laser structural unit and P25 is a second laser structural unit) in a semiconductor laser in which a plurality of layers are stacked via a tunnel layer P21, the first laser structural unit P23 and the second laser structural unit P25 When the carrier stop layer P19 is provided, the light emitting layer P15 of the second laser structure P25 is positioned above the carrier stop layer P19 provided in the first laser structure unit P23. Therefore, the decrease in the crystallinity of the carrier stop layer P19 in the first laser structural unit P23 results in a decrease in the crystallinity of the light emitting layer P15 in the second laser structural unit P25. If this is done, the reliability will be reduced.
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、発光特性や長期動作させた場合の信頼性において優れる半導体レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser that is excellent in emission characteristics and reliability when operated for a long period of time.
本発明の半導体レーザは、ｎ型クラッド層、発光層、及びｐ型クラッド層を積層して成るレーザ構造単位を複数備え、最上位を除く少なくとも１つのレーザ構造において、発光層とｐ型クラッド層との間、又はｐ型クラッド層の中に、バンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層より大きいキャリアストップ層を備える。そして、そのキャリアストップ層について、下記式１が成立する。
（式１）Ａ×Ｂ≦２２
ここで、Ａはキャリアストップ層のｎｍを単位とする層厚であり、Ｂはキャリアストップ層の％を単位とする基板に対する伸長歪量である。なお、歪量とは、基板の格子定数をｘとし、成長層の格子定数をｙとした場合に、（ｘ−ｙ）／ｘで表される量であり、ｘ＞ｙの場合は伸長歪量となる。
The semiconductor laser of the present invention includes a plurality of laser structural units formed by laminating an n-type cladding layer, a light-emitting layer, and a p-type cladding layer, and in at least one laser structure excluding the uppermost layer, the light-emitting layer and the p-type cladding layer Or in the p-type cladding layer, a carrier stop layer having a band gap energy larger than that of the p-type cladding layer is provided. And about the carrier stop layer, following formula 1 is materialized.
(Formula 1) A × B ≦ 22
Here, A is a layer thickness in units of nm of the carrier stop layer, and B is an amount of elongation strain with respect to the substrate in units of% of the carrier stop layer. The strain amount is an amount expressed by (xy) / x where x is the lattice constant of the substrate and y is the lattice constant of the growth layer. It becomes quantity.
本発明の半導体レーザでは、最上位を除く少なくとも１つのレーザ構造に、上記式１を充足するキャリアストップ層を備える。上記式１を充足するキャリアストップ層は、その層を起点とする結晶性の低下を抑制することができる。その結果、上記式１を充足するキャリアストップ層よりも上部に位置する発光層を、結晶性を低下させることなく成長させることができる。よって、本発明によれば、キャリアストップ層の効果を奏するとともに、発光特性や長期動作させた場合の信頼性の低下を防止できる。 In the semiconductor laser of the present invention, at least one laser structure excluding the uppermost layer is provided with a carrier stop layer that satisfies Equation 1 above. The carrier stop layer satisfying the above formula 1 can suppress a decrease in crystallinity starting from the layer. As a result, the light emitting layer positioned above the carrier stop layer satisfying the above formula 1 can be grown without reducing the crystallinity. Therefore, according to the present invention, the effect of the carrier stop layer can be obtained, and the light emission characteristics and the deterioration of the reliability when operated for a long time can be prevented.
キャリアストップ層の層厚は、２〜４０ｎｍの範囲内にあることが好ましく、４〜４０ｎｍの範囲内にあることがさらに好ましい。この範囲内であることにより、半導体レーザの光出力が一層大きくなる。 The thickness of the carrier stop layer is preferably in the range of 2 to 40 nm, and more preferably in the range of 4 to 40 nm. By being within this range, the optical output of the semiconductor laser is further increased.
キャリアストップ層の％を単位とする伸長歪量は、０．５５％以上であることが好ましい。この範囲内であることにより、キャリアストップ層の効果が一層顕著になる。
前記キャリアストップ層は、Ａｌ、又はＰを含むことが好ましい。Ａｌ、又はＰを含むことにより、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。また、前記キャリアストップ層は、ＡｌＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＰから成ることが好ましい。ＡｌＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＰから成るものとすることで、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。ＡｌＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓは、ＡｌxＩｎ1-xＰ、ＡｌyＩｎ1-yＡｓ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）と表すことができる。
The amount of elongation strain in units of% of the carrier stop layer is preferably 0.55% or more. By being within this range, the effect of the carrier stop layer becomes more remarkable.
The carrier stop layer preferably contains Al or P. By including Al or P, the band gap energy of the carrier stop layer can be increased. The carrier stop layer is preferably made of AlInAs or AlInP. By using AlInAs or AlInP, the band gap energy of the carrier stop layer can be increased. AlInP and AlInAs can be expressed as Al x In 1-x P, Al y In 1-y As (0 <x <1, 0 <y <1).
本発明の半導体レーザは、例えば、基板上に、各層（ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、キャリアストップ層等）を積層することで製造することができる。基板としては、ＩｎＰから成る基板が好ましい。ＩｎＰ基板では、従来、電子のオーバーフローが生じやすかったが、本発明により電子のオーバーフローを抑制できる。 The semiconductor laser of the present invention can be manufactured, for example, by laminating each layer (n-type cladding layer, light emitting layer, p-type cladding layer, carrier stop layer, etc.) on a substrate. As the substrate, a substrate made of InP is preferable. Conventionally, an InP substrate has been apt to cause an overflow of electrons, but the present invention can suppress an overflow of electrons.
本発明の半導体レーザは、最上位のレーザ構造単位にもキャリアストップ層を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。最上位のレーザ構造単位にもキャリアストップ層を備える場合、そのキャリアストップ層は、上記式１を充足してもよいし、充足しなくてもよい。 The semiconductor laser of the present invention may or may not include a carrier stop layer in the uppermost laser structural unit. When the uppermost laser structural unit is also provided with a carrier stop layer, the carrier stop layer may or may not satisfy the above formula 1.
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
（１）半導体レーザ１００の製造
図１に示すように、ｎ型InP基板１上に、MOCVD法により、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、第１のｐ型クラッド層７、InGaAsから成るｐ型層８ａ、InGaAsから成るｎ型層８ｂ、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５を順に積層し、半導体レーザ１００を製造した。各層の組成、層厚、及びキャリア濃度は表１に示すとおりである。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
(1) Manufacture of Semiconductor Laser 100 As shown in FIG. 1, a first n-type cladding layer 2, a first n-type light guide layer 3, and a first multiplex are formed on an n-type InP substrate 1 by MOCVD. Quantum well active layer (light emitting layer) 4, first p-type light guide layer 5, first p-type carrier stop layer 6, first p-type cladding layer 7, p-type layer 8 a made of InGaAs, and made of InGaAs n-type layer 8b, second n-type cladding layer 9, second n-type light guide layer 10, second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11, second p-type light guide layer 12, second The p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15 were sequentially laminated to manufacture the semiconductor laser 100. The composition, layer thickness, and carrier concentration of each layer are as shown in Table 1.
なお、第１のｐ型キャリアストップ層６の伸長歪量は２．０％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の伸長歪量は２．０％である。また、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４と第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１は、いずれも、厚さ１０ｎｍのAl0.03Ga0.3In0.67Asからなる井戸層と、厚さ１５ｎｍのAl0.25Ga0.23In0.52Asからなる障壁層との積層構造である。 The first p-type carrier stop layer 6 has an elongation strain of 2.0%, and the second p-type carrier stop layer 13 has an elongation strain of 2.0%. Each of the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4 and the second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11 is a well layer made of Al 0.03 Ga 0.3 In 0.67 As having a thickness of 10 nm. A laminated structure with a barrier layer made of Al 0.25 Ga 0.23 In 0.52 As having a thickness of 15 nm.
第１のｐ型キャリアストップ層６のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第１のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、第２のｐ型キャリアストップ層１３のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第２のｐ型クラッド層１４のバンドギャップエネルギーよりも大きい。 The band gap energy of the first p-type carrier stop layer 6 is obviously larger than the band gap energy of the first p-type cladding layer 7 from its composition. In addition, the band gap energy of the second p-type carrier stop layer 13 is clearly larger than the band gap energy of the second p-type cladding layer 14 as apparent from the composition.
また、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、及び第１のｐ型クラッド層７は、第１のレーザ構成単位１６であり、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、及び第２のｐ型クラッド層１４は第２のレーザ構造単位１７である。また、InGaAsから成るｐ型層８ａとInGaAsから成るｎ型層８ｂとは、トンネル接合層８を構成する。 The first n-type cladding layer 2, the first n-type light guide layer 3, the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4, the first p-type light guide layer 5, the first p-type The carrier stop layer 6 and the first p-type cladding layer 7 are the first laser structural unit 16, and include the second n-type cladding layer 9, the second n-type light guide layer 10, and the second multiple quantum. The well active layer (light emitting layer) 11, the second p-type light guide layer 12, the second p-type carrier stop layer 13, and the second p-type cladding layer 14 are the second laser structural unit 17. The p-type layer 8 a made of InGaAs and the n-type layer 8 b made of InGaAs constitute a tunnel junction layer 8.
半導体レーザ１００の製造において、n型層の成長にはドーパントとしてSeを用い、ｐ型層の成長にはドーパントとしてZnを用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。 In manufacturing the semiconductor laser 100, Se was used as a dopant for the growth of the n-type layer, and Zn was used as the dopant for the growth of the p-type layer. The substrate temperature during growth was 550 to 800 ° C.
各層の層厚は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面観察により算出した。また、伸長歪量は、（１）Ｘ線回折により、基板１及び伸長歪量を算出する層（第１のｐ型キャリアストップ層６又は第２のｐ型キャリアストップ層１３）の結晶軸（ｃ軸）の長さを求める、（２）求めた結晶軸の長さから、伸長歪量を算出する層の歪みが入っていない状態の結晶軸の長さを算出する、（３）基板１の結晶軸の長さ（格子定数）と、（２）で算出した伸長歪量を算出する層の結晶軸の長さ（格子定数）との比により、伸張歪量を算出する、という手順で求めた。なお、層厚及び伸長歪量の算出方法は、後述する第２の実施形態以降でも同様である。 The layer thickness of each layer was calculated by cross-sectional observation using a transmission electron microscope (TEM). Further, the amount of elongation strain is (1) the crystal axis of the substrate 1 and the layer (first p-type carrier stop layer 6 or second p-type carrier stop layer 13) for calculating the amount of elongation strain by X-ray diffraction ( The length of the c axis) is obtained. (2) From the obtained length of the crystal axis, the length of the crystal axis in a state in which the strain for calculating the amount of elongation strain is not included is calculated. (3) Substrate 1 The elongation strain amount is calculated based on the ratio of the length of the crystal axis (lattice constant) to the crystal axis length (lattice constant) of the layer for which the elongation strain amount calculated in (2) is calculated. Asked. Note that the method for calculating the layer thickness and the amount of elongation strain is the same in the second and later embodiments described later.
結晶を構成する各元素の原料としては、Gaには、トリメチルガリウム、Alにはトリメチルアルミニウム、Inにはトリメチルインジウム、 Znにはジメチルジンクを用いた。また、Asには、AsH3（アルシン）、PにはPH3（ホスフィン）、SeにはH2Se（セレン化水素）を用いた。
（２）半導体レーザ素子の製造
半導体レーザ１００のｐ型コンタクト層１５上に、SiO2から成る絶縁膜を所定のパターンで設け、その上にCr/Pt/Auから成る電極を形成した。次に、ｎ型InP基板１の厚さが１００μｍ程度となるように、 ｎ型InP基板１の片面（第１のｎ型クラッド層２を形成した面とは反対側の面）を研削し、研削面にAu-Ge/Ni/Auから成る電極を形成した。さらに、電極と半導体レーザ１００とのコンタクトを安定化させるために３６０℃で３０秒間の熱処理を実施した。
As raw materials for each element constituting the crystal, trimethyl gallium was used for Ga, trimethyl aluminum for Al, trimethyl indium for In, and dimethyl zinc for Zn. Moreover, AsH 3 (arsine) was used for As, PH 3 (phosphine) was used for P, and H 2 Se (hydrogen selenide) was used for Se.
(2) Manufacturing of Semiconductor Laser Element An insulating film made of SiO 2 was provided in a predetermined pattern on the p-type contact layer 15 of the semiconductor laser 100, and an electrode made of Cr / Pt / Au was formed thereon. Next, one surface of the n-type InP substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the first n-type cladding layer 2 is formed) is ground so that the thickness of the n-type InP substrate 1 is about 100 μm. An electrode made of Au-Ge / Ni / Au was formed on the ground surface. Furthermore, in order to stabilize the contact between the electrode and the semiconductor laser 100, heat treatment was performed at 360 ° C. for 30 seconds.
次に、共振器を形成するために劈開により幅５００μｍで短冊化し、 Al2O3、a-Si等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方の端面に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を製造した。
（３）半導体レーザ１００が奏する効果
本実施形態において、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚は１０ｎｍ（＝０．０１μｍ）、伸長歪量は２．０％であり、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（ｎｍ）をＡとし、伸長歪量（％）をＢとした場合の、Ａ×Ｂの値は２０（≦２２）となるため、第１のｐ型キャリアストップ層６の結晶性低下に伴う第１の発光層４における光出力の低下や第１のｐ型キャリアストップ層６上に成長する第２の発光層１１の結晶性の低下を抑制することができる。
Next, in order to form a resonator, it is shortened to a width of 500 μm by cleavage, and a material such as Al 2 O 3 or a-Si is used, and one end face has a low reflectance with respect to the wavelength of the laser beam, the other A semiconductor laser device was manufactured by forming a reflective layer having a high reflectivity on the end face and making the device into a predetermined size.
(3) Effects of Semiconductor Laser 100 In the present embodiment, the first p-type carrier stop layer 6 has a layer thickness of 10 nm (= 0.01 μm), an elongation strain of 2.0%, and the first p Since the value of A × B is 20 (≦ 22) when the layer thickness (nm) of the type carrier stop layer 6 is A and the amount of elongation strain (%) is B, the first p-type carrier stop A decrease in light output in the first light-emitting layer 4 and a decrease in crystallinity in the second light-emitting layer 11 grown on the first p-type carrier stop layer 6 due to the decrease in crystallinity of the layer 6 can be suppressed. .
また、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚は１０ｎｍ（＝０．０１μｍ）、伸長歪量は２．０％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚（ｎｍ）をＡ‘とし、伸長歪量（％）をＢ’とした場合の、Ａ‘×Ｂ’2の値は４０（≦５５）となるため、第２のｐ型キャリアストップ層１３の結晶性低下に伴う第２の発光層１１における光出力の低下をもたらすことなく、各結晶層（第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５）を形成することができる。 The layer thickness of the second p-type carrier stop layer 13 is 10 nm (= 0.01 μm), the elongation strain is 2.0%, and the layer thickness (nm) of the second p-type carrier stop layer 13 is Since A ′ × B ′ 2 is 40 (≦ 55) when A ′ and the elongation strain amount (%) is B ′, the crystallinity of the second p-type carrier stop layer 13 is lowered. The respective crystal layers (the second p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15) are formed without causing a decrease in the light output in the second light-emitting layer 11. be able to.
以上の構造とすることにより、各ｐ型キャリアストップ層６、１３をより効果的に機能させることができ、電流密度の増加時や高温下での動作時の光出力低下を抑制することが可能となる。 With the above structure, each of the p-type carrier stop layers 6 and 13 can be made to function more effectively, and it is possible to suppress a decrease in light output when the current density is increased or when operating at a high temperature. It becomes.
本実施形態では、基板にInPを用いているが、これらに限るものではなく、GaAsなどを用いてもよい。また、発光層を２層としている（発光層４、１１）が、３層以上としてもよい。その場合は、トンネル接合層８及び第２のレーザ構造単位１７と同様の層構成を、第２のｐ型クラッド層１４とｐ型コンタクト層１５との間に挿入すればよい 。
＜第２の実施形態＞
（１）半導体レーザ１００の製造
図２に示すように、ｎ型GaAs基板１上に、MOCVD法により、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、第１のｐ型クラッド層７、GaAsから成るｐ型層８ａ、GaAsから成るｎ型層８ｂ、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５を順に積層し、半導体レーザ１００を製造した。各層の組成、層厚、及びキャリア濃度は表２に示すとおりである。
In this embodiment, InP is used for the substrate. However, the present invention is not limited to this, and GaAs or the like may be used. Moreover, although the light emitting layer is made into two layers (light emitting layers 4 and 11), it is good also as three or more layers. In that case, a layer configuration similar to that of the tunnel junction layer 8 and the second laser structural unit 17 may be inserted between the second p-type cladding layer 14 and the p-type contact layer 15.
<Second Embodiment>
(1) Manufacture of Semiconductor Laser 100 As shown in FIG. 2, a first n-type cladding layer 2, a first n-type light guide layer 3, and a first multiplex are formed on an n-type GaAs substrate 1 by MOCVD. Quantum well active layer (light emitting layer) 4, first p-type light guide layer 5, first p-type carrier stop layer 6, first p-type cladding layer 7, p-type layer 8 a made of GaAs, and made of GaAs n-type layer 8b, second n-type cladding layer 9, second n-type light guide layer 10, second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11, second p-type light guide layer 12, second The p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15 were sequentially laminated to manufacture the semiconductor laser 100. The composition, layer thickness, and carrier concentration of each layer are as shown in Table 2.
なお、第１のｐ型キャリアストップ層６の伸長歪量は１．６％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の伸長歪量は１．６％である。また、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４と第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１は、いずれも、厚さ８ｎｍのIn0.1Ga0.9Asからなる井戸層と、厚さ１５ｎｍのAl0.1Ga0.9Asからなる障壁層との積層構造である。 The first p-type carrier stop layer 6 has an elongation strain of 1.6%, and the second p-type carrier stop layer 13 has an elongation strain of 1.6%. Each of the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4 and the second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11 has a well layer made of In 0.1 Ga 0.9 As having a thickness of 8 nm, It is a laminated structure with a barrier layer made of 15 nm thick Al 0.1 Ga 0.9 As.
第１のｐ型キャリアストップ層６のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第１のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、第２のｐ型キャリアストップ層１３のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第２のｐ型クラッド層１４のバンドギャップエネルギーよりも大きい。 The band gap energy of the first p-type carrier stop layer 6 is obviously larger than the band gap energy of the first p-type cladding layer 7 from its composition. In addition, the band gap energy of the second p-type carrier stop layer 13 is clearly larger than the band gap energy of the second p-type cladding layer 14 as apparent from the composition.
また、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、及び第１のｐ型クラッド層７は、第１のレーザ構成単位１６であり、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、及び第２のｐ型クラッド層１４は第２のレーザ構造単位１７である。また、GaAsから成るｐ型層８ａとGaAsから成るｎ型層８ｂとは、トンネル接合層８を構成する。 The first n-type cladding layer 2, the first n-type light guide layer 3, the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4, the first p-type light guide layer 5, the first p-type The carrier stop layer 6 and the first p-type cladding layer 7 are the first laser structural unit 16, and include the second n-type cladding layer 9, the second n-type light guide layer 10, and the second multiple quantum. The well active layer (light emitting layer) 11, the second p-type light guide layer 12, the second p-type carrier stop layer 13, and the second p-type cladding layer 14 are the second laser structural unit 17. The p-type layer 8 a made of GaAs and the n-type layer 8 b made of GaAs constitute a tunnel junction layer 8.
半導体レーザ１００の製造において、n型層の成長にはドーパントとしてSeを用い、ｐ型層の成長にはドーパントとしてZnを用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。 In manufacturing the semiconductor laser 100, Se was used as a dopant for the growth of the n-type layer, and Zn was used as the dopant for the growth of the p-type layer. The substrate temperature during growth was 550 to 800 ° C.
結晶を構成する各元素の原料としては、Gaには、トリメチルガリウム、Alにはトリメチルアルミニウム、Inにはトリメチルインジウム、 Znにはジメチルジンクを用いた。また、Asには、AsH3（アルシン）、PにはPH3（ホスフィン）、SeにはH2Se（セレン化水素）を用いた。
（２）半導体レーザ素子の製造
半導体レーザ１００のｐ型コンタクト層１５上に、SiO2から成る絶縁膜を所定のパターンで設け、その上にCr/Pt/Auから成る電極を形成した。次に、ｎ型GaAs基板１の厚さが１００μｍ程度となるように、ｎ型GaAs基板１の片面（第１のｎ型クラッド層２を形成した面とは反対側の面）を研削し、研削面にAu-Ge/Ni/Auから成る電極を形成した。さらに、電極と半導体レーザ１００とのコンタクトを安定化させるために３６０℃で３０秒間の熱処理を実施した。
As raw materials for each element constituting the crystal, trimethyl gallium was used for Ga, trimethyl aluminum for Al, trimethyl indium for In, and dimethyl zinc for Zn. Moreover, AsH 3 (arsine) was used for As, PH 3 (phosphine) was used for P, and H 2 Se (hydrogen selenide) was used for Se.
(2) Manufacturing of Semiconductor Laser Element An insulating film made of SiO 2 was provided in a predetermined pattern on the p-type contact layer 15 of the semiconductor laser 100, and an electrode made of Cr / Pt / Au was formed thereon. Next, one surface of the n-type GaAs substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the first n-type cladding layer 2 is formed) is ground so that the thickness of the n-type GaAs substrate 1 is about 100 μm. An electrode made of Au-Ge / Ni / Au was formed on the ground surface. Furthermore, in order to stabilize the contact between the electrode and the semiconductor laser 100, heat treatment was performed at 360 ° C. for 30 seconds.
次に、共振器を形成するために劈開により幅５００μｍで短冊化し、 Al2O3、a-Si等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方の端面に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を製造した。
（３）半導体レーザ１００が奏する効果
本実施形態において、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚は８ｎｍ（＝０．００８μｍ）、伸長歪量は１．６％であり、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（ｎｍ）をＡとし、伸長歪量（％）をＢとした場合の、Ａ×Ｂの値は１３（≦２２）となるため、第１のｐ型キャリアストップ層６の結晶性低下に伴う第１の発光層４における光出力の低下や第１のｐ型キャリアストップ層６上に成長する第２の発光層１１の結晶性の低下を抑制することができる。
Next, in order to form a resonator, it is shortened to a width of 500 μm by cleavage, and a material such as Al 2 O 3 or a-Si is used, and one end face has a low reflectance with respect to the wavelength of the laser beam, the other A semiconductor laser device was manufactured by forming a reflective layer having a high reflectivity on the end face and making the device into a predetermined size.
(3) Effects of Semiconductor Laser 100 In the present embodiment, the first p-type carrier stop layer 6 has a thickness of 8 nm (= 0.008 μm), an elongation strain of 1.6%, and the first p-type carrier stop layer 6 has a thickness of 1.6%. Since the value of A × B is 13 (≦ 22) when the layer thickness (nm) of the type carrier stop layer 6 is A and the amount of elongation strain (%) is B, the first p type carrier stop A decrease in light output in the first light-emitting layer 4 and a decrease in crystallinity in the second light-emitting layer 11 grown on the first p-type carrier stop layer 6 due to the decrease in crystallinity of the layer 6 can be suppressed. .
また、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚は８ｎｍ（＝０．００８μｍ）、伸長歪量は１．６％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚（ｎｍ）をＡ‘とし、伸長歪量（％）をＢ’とした場合の、Ａ‘×Ｂ’2の値は２０（≦５５）となり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の結晶性低下に伴う第２の発光層１１における光出力の低下をもたらすことなく、各結晶層（第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５）を形成することができる。 The layer thickness of the second p-type carrier stop layer 13 is 8 nm (= 0.008 μm), the amount of elongation strain is 1.6%, and the layer thickness (nm) of the second p-type carrier stop layer 13 is The value of A ′ × B ′ 2 is 20 (≦ 55) when A ′ and the elongation strain amount (%) is B ′, and the second p-type carrier stop layer 13 has a lower crystallinity. Each crystal layer (the second p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15) can be formed without causing a decrease in light output in the second light emitting layer 11. it can.
以上の構造とすることにより、各ｐ型キャリアストップ層６、１３をより効果的に機能させることができ、電流密度の増加時や高温下での動作時の光出力低下を抑制することが可能となる。 With the above structure, each of the p-type carrier stop layers 6 and 13 can be made to function more effectively, and it is possible to suppress a decrease in light output when the current density is increased or when operating at a high temperature. It becomes.
本実施形態では、基板にGaAsを用いているが、これらに限るものではなく、InPなどを用いてもよい。また、発光層を２層としている（発光層４、１１）が、３層以上としてもよい。その場合は、トンネル接合層８及び第２のレーザ構造単位１７と同様の層構成を、第２のｐ型クラッド層１４とｐ型コンタクト層１５との間に挿入すればよい 。
＜第３の実施形態＞
基本的には前記第１の実施形態と同様にして、半導体レーザ及び半導体レーザ素子を製造した。ただし、本実施形態では、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚及び伸長歪量を、表３に示すように、様々に変え、各条件の下でそれぞれ半導体レーザ及び半導体レーザ素子を製造した。
In this embodiment, GaAs is used for the substrate, but is not limited thereto, and InP or the like may be used. Moreover, although the light emitting layer is made into two layers (light emitting layers 4 and 11), it is good also as three or more layers. In that case, a layer configuration similar to that of the tunnel junction layer 8 and the second laser structural unit 17 may be inserted between the second p-type cladding layer 14 and the p-type contact layer 15.
<Third Embodiment>
Basically, the semiconductor laser and the semiconductor laser device were manufactured in the same manner as in the first embodiment. However, in this embodiment, the layer thickness and the amount of elongation strain of the first p-type carrier stop layer 6 are variously changed as shown in Table 3, and a semiconductor laser and a semiconductor laser element are manufactured under each condition. did.
なお、伸長歪量は、第１のｐ型キャリアストップ層６の組成を変化させること（例えば、ＡｌyＩｎ1-yＡｓ（０＜ｙ＜１）においてＡｌの組成ｙを大きくすること）により、大きくすることができる。また、第１のｐ型キャリアストップ層６がＡｌxＩｎ1-xＰである場合は、Ａｌの組成ｘを大きくすることにより、伸長歪量を大きくすることができる。 The amount of elongation strain is changed by changing the composition of the first p-type carrier stop layer 6 (for example, increasing the Al composition y in Al y In 1-y As (0 <y <1)). Can be bigger. When the first p-type carrier stop layer 6 is Al x In 1-x P, the amount of elongation strain can be increased by increasing the Al composition x.
本実施形態でも、第１のｐ型キャリアストップ層６のバンドギャップエネルギーは、第１のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きく、第２のｐ型キャリアストップ層１３のバンドギャップエネルギーは、第２のｐ型クラッド層１４のバンドギャップエネルギーよりも大きい。 Also in this embodiment, the band gap energy of the first p-type carrier stop layer 6 is larger than the band gap energy of the first p-type cladding layer 7, and the band gap energy of the second p-type carrier stop layer 13 is It is larger than the band gap energy of the second p-type cladding layer 14.
また、表３に示す各条件で半導体レーザを製造するとき、第１のｐ型クラッド層７までのみ成膜した試料を作製した。すなわち、この試料は、ｎ型InP基板１上に、MOCVD法により、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、及び第１のｐ型クラッド層７を形成したものである。この試料について、表面モホロジを評価した。具体的には、微分干渉顕微鏡を用いて試料を観察し、結晶面に沿った干渉縞がなければ表面モホロジを○と判断し、干渉縞があれば表面モホロジを×と判断した。表面モホロジの評価結果を上記表３に示す。 Further, when manufacturing a semiconductor laser under the conditions shown in Table 3, a sample was formed in which only the first p-type cladding layer 7 was formed. That is, this sample is formed on the n-type InP substrate 1 by the MOCVD method, the first n-type cladding layer 2, the first n-type light guide layer 3, and the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4. The first p-type light guide layer 5, the first p-type carrier stop layer 6, and the first p-type cladding layer 7 are formed. The sample was evaluated for surface morphology. Specifically, the sample was observed using a differential interference microscope, and if there was no interference fringe along the crystal plane, the surface morphology was judged as ◯, and if there was an interference fringe, the surface morphology was judged as x. The evaluation results of the surface morphology are shown in Table 3 above.
また、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚、及び伸長歪量と、表面モホロジの評価結果との関係を図３に示す。
表３及び図３から明らかなように、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（ｎｍ）をＡとし、伸長歪量（％）をＢとした場合に、Ａ×Ｂ≦２２の式が成立している領域では、表面モホロジの評価結果が○であり、それ以外の領域では、表面モホロジの評価結果が×であった。
FIG. 3 shows the relationship between the layer thickness of the first p-type carrier stop layer 6 and the amount of elongation strain, and the evaluation result of the surface morphology.
As is apparent from Table 3 and FIG. 3, when the layer thickness (nm) of the first p-type carrier stop layer 6 is A and the amount of elongation strain (%) is B, the formula of A × B ≦ 22 The evaluation result of the surface morphology was “◯” in the region where “” was established, and the evaluation result of the surface morphology was “x” in the other regions.
このことから、Ａ×Ｂ≦２２の式が成立していれば、第１のｐ型キャリアストップ層６の結晶性低下を防止し、その結果として、第１の発光層４における光出力の低下や、第１のｐ型キャリアストップ層６上に成長する第２の発光層１１の結晶性の低下を抑制できることが確認できた。 From this, if the formula of A × B ≦ 22 holds, the crystallinity of the first p-type carrier stop layer 6 is prevented from being lowered, and as a result, the light output in the first light emitting layer 4 is reduced. In addition, it was confirmed that the decrease in crystallinity of the second light-emitting layer 11 grown on the first p-type carrier stop layer 6 could be suppressed.
また、図４に、表３に示す各条件のうち、伸長歪量が０．５５％であるものについて、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（横軸）と、光出力（縦軸）との関係を示す。なお、図４における光出力は、第１のｐ型キャリアストップ層６がない場合の光出力を１とする。 FIG. 4 shows the thickness (horizontal axis) of the first p-type carrier stop layer 6 and the optical output (vertical) for each of the conditions shown in Table 3 with an elongation strain of 0.55%. Axis). Note that the light output in FIG. 4 is 1 when the first p-type carrier stop layer 6 is not provided.
表３及び図４から明らかなように、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚が２ｎｍ以上であれば光出力が１を超え、層厚が４ｎｍ以上であれば、光出力が顕著に大きくなった。 As is clear from Table 3 and FIG. 4, the light output exceeds 1 when the layer thickness of the first p-type carrier stop layer 6 is 2 nm or more, and the light output is remarkable when the layer thickness is 4 nm or more. It became bigger.
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、各実施形態において、第１のｐ型キャリアストップ層６は、第１のｐ型クラッド層７の中に位置していてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
For example, in each embodiment, the first p-type carrier stop layer 6 may be located in the first p-type cladding layer 7.
１・・・基板、２・・・第１のｎ型クラッド層、３・・・第１のｎ型光ガイド層、
４・・・第１の発光層、５・・・第１のｐ型光ガイド層、
６・・・第１のｐ型キャリアストップ層、７・・・第１のｐ型クラッド層、
８・・・トンネル接合層、８ａ・・・ｐ型層、８ｂ・・・ｎ型層、
９・・・第２のｎ型クラッド層、１０・・・第２のｎ型光ガイド層、
１１・・・第２の発光層、１２・・・第２のｐ型光ガイド層、
１３・・・第２のｐ型キャリアストップ層、１４・・・第２のｐ型クラッド層、
１５・・・ｐ型コンタクト層、１６・・・第１のレーザ構成単位、
１７・・・第２のレーザ構造単位、１００・・・半導体レーザ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... First n-type cladding layer, 3 ... First n-type light guide layer,
4 ... 1st light emitting layer, 5 ... 1st p-type light guide layer,
6 ... 1st p-type carrier stop layer, 7 ... 1st p-type cladding layer,
8 ... tunnel junction layer, 8a ... p-type layer, 8b ... n-type layer,
9 ... second n-type cladding layer, 10 ... second n-type light guide layer,
11 ... second light emitting layer, 12 ... second p-type light guide layer,
13 ... second p-type carrier stop layer, 14 ... second p-type cladding layer,
15 ... p-type contact layer, 16 ... first laser structural unit,
17 ... second laser structural unit, 100 ... semiconductor laser
Claims (5)
最上位を除く少なくとも１つの前記レーザ構造において、前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間、又は前記ｐ型クラッド層の中に、バンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッド層より大きいキャリアストップ層を備え、
下記式１が成立することを特徴とする半導体レーザ。
（式１）Ａ×Ｂ≦２２
（Ａは前記キャリアストップ層のｎｍを単位とする層厚であり、Ｂは前記キャリアストップ層の％を単位とする基板に対する伸長歪量である。） A plurality of laser structural units formed by laminating an n-type cladding layer, a light emitting layer, and a p-type cladding layer,
In at least one of the laser structures excluding the uppermost layer, a carrier stop layer having a larger band gap energy than the p-type cladding layer is provided between the light emitting layer and the p-type cladding layer or in the p-type cladding layer. Prepared,
A semiconductor laser characterized in that the following formula 1 is satisfied.
(Formula 1) A × B ≦ 22
(A is the layer thickness in units of nm of the carrier stop layer, and B is the amount of elongation strain with respect to the substrate in units of% of the carrier stop layer.)
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