JP2522021B2 - 半導体レ―ザ - Google Patents
半導体レ―ザInfo
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- Japan
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- layer
- active layer
- clad
- semiconductor laser
- quantum well
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/16—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
- H01S5/223—Buried stripe structure
- H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3428—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers layer orientation perpendicular to the substrate
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- Electromagnetism (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高出力な半導体レーザに関する。
半導体レーザは活性層を禁制帯幅の大きいクラッド層
で挟んだ構造を含む多層構造から成り、多層構造の積層
面に垂直な一対の相対向する端面でレーザ共振器が構成
されている。最近は光情報機器や光通信機器の高性能化
に伴い、高出力な半導体レーザが必要とされている。発
振波長が900nm以下の短波長レーザや可視レーザでは、
最大光出力が光学損傷劣化で制限されている。光学損傷
劣化は、半導体レーザの共振器面近傍の活性層がレーザ
光を一部吸収して局所的に温度が上昇して損傷するため
に発生することが知られている。光学損傷劣化を抑制す
る対策として、活性層光導波路構造を工夫してレーザ光
の分布を拡大し共振器面近傍の活性層に照射するレーザ
光密度を低減する方法，共振器面近傍の活性層の吸収係
数を低減する方法などが知られている。
で挟んだ構造を含む多層構造から成り、多層構造の積層
面に垂直な一対の相対向する端面でレーザ共振器が構成
されている。最近は光情報機器や光通信機器の高性能化
に伴い、高出力な半導体レーザが必要とされている。発
振波長が900nm以下の短波長レーザや可視レーザでは、
最大光出力が光学損傷劣化で制限されている。光学損傷
劣化は、半導体レーザの共振器面近傍の活性層がレーザ
光を一部吸収して局所的に温度が上昇して損傷するため
に発生することが知られている。光学損傷劣化を抑制す
る対策として、活性層光導波路構造を工夫してレーザ光
の分布を拡大し共振器面近傍の活性層に照射するレーザ
光密度を低減する方法，共振器面近傍の活性層の吸収係
数を低減する方法などが知られている。
たとえば活性層とクラッド層の間に導波路層を設けた
ラージ・オプネィカル・キャビティ構造はレーザ光分布
を積層面に垂直な方向に拡大し、レーザ光密度の低減に
有効である。活性層を共振器の長手方向にバンドキャッ
プの広い半導体材料で埋め込んでそこに共振器面を形成
した構造や、励起領域の活性層をｐ型に共振器面近傍を
高濃度のｎ型にしたウインドウ構造は、共振器面近傍の
活性層の吸収係数を低減でき高出力化に効果的なことが
報告されている。また活性層に量子井戸構造を採用した
高出力レーザが電子通信学会光量IC研究会資料OQE85−7
9に報告されている。この構造を第３図に示す。この半
導体レーザはストライプ状の励起領域の周囲19にZnを選
択拡散して多量量子井戸活性層14を無秩序化し、屈折率
が低くバンドキャップが広い均一な組成に変換した構造
になっている。共振器面近傍の活性層は、レーザ光に対
して吸収係数が低減されており、高出力が得られる。
ラージ・オプネィカル・キャビティ構造はレーザ光分布
を積層面に垂直な方向に拡大し、レーザ光密度の低減に
有効である。活性層を共振器の長手方向にバンドキャッ
プの広い半導体材料で埋め込んでそこに共振器面を形成
した構造や、励起領域の活性層をｐ型に共振器面近傍を
高濃度のｎ型にしたウインドウ構造は、共振器面近傍の
活性層の吸収係数を低減でき高出力化に効果的なことが
報告されている。また活性層に量子井戸構造を採用した
高出力レーザが電子通信学会光量IC研究会資料OQE85−7
9に報告されている。この構造を第３図に示す。この半
導体レーザはストライプ状の励起領域の周囲19にZnを選
択拡散して多量量子井戸活性層14を無秩序化し、屈折率
が低くバンドキャップが広い均一な組成に変換した構造
になっている。共振器面近傍の活性層は、レーザ光に対
して吸収係数が低減されており、高出力が得られる。
従来の高出力化技術にはそれぞれ次のような限界，問
題点があった。活性層に照射するレーザ光密度を低減す
るラージ・オプネィカル・キャビティ構造は、閾値電流
値の増大を伴う。動作電流値が高くなると電流発熱によ
る光出力飽和が生じ最大光出力は熱飽和で制限されるこ
とになる。また共振器面近傍の活性層の吸収係数を低減
する共振器面埋め込み型レーザやウインドウ構造では、
それぞれ活性層と埋め込み層との界面の結晶性の良否
や、励起領域のｐ濃度と共振器面近傍のｎ濃度の設定が
高出力化に影響するが、結晶性や不純物濃度の制御性が
困難なため均一な特性が得にくい問題があった。さらに
多量量子井戸活性層を共振器面領域で無秩序した構造の
レーザでは、無秩序化に用いた高濃度の不純物による自
由電子吸収が共振器面近傍で225〜450cm-1と高く、充分
な光出力化効果が得られていない問題があった。
題点があった。活性層に照射するレーザ光密度を低減す
るラージ・オプネィカル・キャビティ構造は、閾値電流
値の増大を伴う。動作電流値が高くなると電流発熱によ
る光出力飽和が生じ最大光出力は熱飽和で制限されるこ
とになる。また共振器面近傍の活性層の吸収係数を低減
する共振器面埋め込み型レーザやウインドウ構造では、
それぞれ活性層と埋め込み層との界面の結晶性の良否
や、励起領域のｐ濃度と共振器面近傍のｎ濃度の設定が
高出力化に影響するが、結晶性や不純物濃度の制御性が
困難なため均一な特性が得にくい問題があった。さらに
多量量子井戸活性層を共振器面領域で無秩序した構造の
レーザでは、無秩序化に用いた高濃度の不純物による自
由電子吸収が共振器面近傍で225〜450cm-1と高く、充分
な光出力化効果が得られていない問題があった。
本発明の目的は、上記従来の問題点を解決した高出力
で作製が容易な半導体レーザを提供することにある。
で作製が容易な半導体レーザを提供することにある。
本発明の半導体レーザは、活性層が量子井戸層とバリ
ア層から成る量子井戸構造で構成され、両共振器面近傍
の活性層へのキャリア注入を阻止する電流狭窄構造を具
備し、さらに導電型が活性層の同じ側のクラッド層と異
なるとともにレーザ光に対して透明な半導体層によって
この電流狭窄構造が構成され、かつ両共振器面の間に連
続した光導波路構造を具備した構成になっている。
ア層から成る量子井戸構造で構成され、両共振器面近傍
の活性層へのキャリア注入を阻止する電流狭窄構造を具
備し、さらに導電型が活性層の同じ側のクラッド層と異
なるとともにレーザ光に対して透明な半導体層によって
この電流狭窄構造が構成され、かつ両共振器面の間に連
続した光導波路構造を具備した構成になっている。
本発明の半導体レーザは、活性層が量子井戸構造で構
成されその共振器面近傍の領域に非キャリア注入領域を
設けたことにより、その領域のレーザ光に対する吸収係
数を低減し光学損傷劣化が発生する光出力を高めたもの
である。
成されその共振器面近傍の領域に非キャリア注入領域を
設けたことにより、その領域のレーザ光に対する吸収係
数を低減し光学損傷劣化が発生する光出力を高めたもの
である。
量子井戸構造の吸収スペクトル特性は、状態密度の量
子化効果によって非常に急峻な立ち上がりを示す。立ち
上がりのエネルギー幅として20〜30meVが報告されてい
る。量子井戸構造を活性層に用いた半導体レーザ（量子
井戸活性層レーザ）の発振波長は、通常のダブルヘテロ
構造レーザと同様に、キャリア注入によるバンドギャッ
プ縮小効果によって、吸収スペクトル特性から期待され
る波長に比較して長波長側にシフトする。通常の閾値キ
ャリア注入は〜２×1018cm-3で、発振波長のエネルギー
シフトは40〜50meVである。このため非キャリア注入領
域のレーザ光に対する吸収係数は〜100cm-1と非常に小
さくなる。このことから共振器面近傍に非キャリア注入
領域を設けた本発明の半導体レーザは光学損傷劣化が発
生しにくく、高出力が実現できる。
子化効果によって非常に急峻な立ち上がりを示す。立ち
上がりのエネルギー幅として20〜30meVが報告されてい
る。量子井戸構造を活性層に用いた半導体レーザ（量子
井戸活性層レーザ）の発振波長は、通常のダブルヘテロ
構造レーザと同様に、キャリア注入によるバンドギャッ
プ縮小効果によって、吸収スペクトル特性から期待され
る波長に比較して長波長側にシフトする。通常の閾値キ
ャリア注入は〜２×1018cm-3で、発振波長のエネルギー
シフトは40〜50meVである。このため非キャリア注入領
域のレーザ光に対する吸収係数は〜100cm-1と非常に小
さくなる。このことから共振器面近傍に非キャリア注入
領域を設けた本発明の半導体レーザは光学損傷劣化が発
生しにくく、高出力が実現できる。
この高出力化の効果は量子井戸活性層レーザにおいて
顕著である。通常のダブルヘテロ構造レーザでは、活性
層の吸収スペクトル特性の立ち上がりが緩やかで、〜10
0meVと広いため、キャリア注入によるバンドギャップ縮
小効果によって長波長側にシフトしたレーザ光に対する
非キャリア注入領域の吸収係数は100cm-1と高く。この
ため共振器面近傍に非キャリア注入領域を設けた構造で
は高出力化の効果が無い。
顕著である。通常のダブルヘテロ構造レーザでは、活性
層の吸収スペクトル特性の立ち上がりが緩やかで、〜10
0meVと広いため、キャリア注入によるバンドギャップ縮
小効果によって長波長側にシフトしたレーザ光に対する
非キャリア注入領域の吸収係数は100cm-1と高く。この
ため共振器面近傍に非キャリア注入領域を設けた構造で
は高出力化の効果が無い。
本発明の第１の実施例の半導体レーザの斜視図を第１
図（ａ）に示す。ｎ型GaAs基板１上に、エピタキャシル
成長したｎ型A10.45Ga0.55Asクラッド層2,AlGaAs量子井
戸活性層3,p型A10.45Ga0.55Asクラッド層4,p型A10.45Ga
0.55As埋め込み層5,n型A10.45Ga0.55As埋め込み層7,n型
GaAsブロック層６と、ｐ側電極8,n側電極９そして一対
の共振器面10とで構成されている。共振器の中央部Ａ−
Ａ′での断面構造を第１図（ｂ）に、発振領域の共振器
長手方向Ｂ−Ｂ′での断面構造を第１図（ｃ）に示す。
ｎ型GaAsブロック層６はストライプ状に除去されてお
り、共振器面近傍ではｎ型A10.45Ga0.55As埋め込み層7,
共振器中央部ではｐ型Al0.45Ga0.55As埋め込み層５で埋
め込まれている。ストライプ領域直下の活性層が発振領
域となる。注入キャリアは、ｎ型A10.45Ga0.55As埋め込
み層７で共振器の長手方向に狭窄される結果、共振器面
近傍の活性層へのキャリア注入は励起領域に比較して著
しく低くなる。この領域の活性層は上述した効果によっ
てレーザ光に対してほぼ透明になるため、光学損傷劣化
が発生しにくく、高出力が得られる。ｎ型GaAsブロック
層６は、注入キャリアの狭窄に加えて、発振光に対して
弱い吸収領域として作用する。これにより実効的な屈折
率がストライプ内で高く外で低い光導波路が形成され安
定な基本横モード発振が得られる。この光導波路構造は
共振器面近傍の非キャリア注入領域まで連続して設けら
れており、横モード制御が行われるから、横モード分布
が拡大して閾値電流値が増大することを防止できる。
図（ａ）に示す。ｎ型GaAs基板１上に、エピタキャシル
成長したｎ型A10.45Ga0.55Asクラッド層2,AlGaAs量子井
戸活性層3,p型A10.45Ga0.55Asクラッド層4,p型A10.45Ga
0.55As埋め込み層5,n型A10.45Ga0.55As埋め込み層7,n型
GaAsブロック層６と、ｐ側電極8,n側電極９そして一対
の共振器面10とで構成されている。共振器の中央部Ａ−
Ａ′での断面構造を第１図（ｂ）に、発振領域の共振器
長手方向Ｂ−Ｂ′での断面構造を第１図（ｃ）に示す。
ｎ型GaAsブロック層６はストライプ状に除去されてお
り、共振器面近傍ではｎ型A10.45Ga0.55As埋め込み層7,
共振器中央部ではｐ型Al0.45Ga0.55As埋め込み層５で埋
め込まれている。ストライプ領域直下の活性層が発振領
域となる。注入キャリアは、ｎ型A10.45Ga0.55As埋め込
み層７で共振器の長手方向に狭窄される結果、共振器面
近傍の活性層へのキャリア注入は励起領域に比較して著
しく低くなる。この領域の活性層は上述した効果によっ
てレーザ光に対してほぼ透明になるため、光学損傷劣化
が発生しにくく、高出力が得られる。ｎ型GaAsブロック
層６は、注入キャリアの狭窄に加えて、発振光に対して
弱い吸収領域として作用する。これにより実効的な屈折
率がストライプ内で高く外で低い光導波路が形成され安
定な基本横モード発振が得られる。この光導波路構造は
共振器面近傍の非キャリア注入領域まで連続して設けら
れており、横モード制御が行われるから、横モード分布
が拡大して閾値電流値が増大することを防止できる。
本発明の第２の実施例の半導体レーザの斜視図を第２
図（ａ）に、共振器の中央部Ａ−Ａ′での断面構造を第
２図（ｂ）に、発振領域の共振器長手方向Ｂ−Ｂ′での
断面構造を第２図（ｃ）に示す。ｎ型GaAs基板１上にｎ
型A10.45Ga0.55Asクラッド層2,Al0.45Ga0.55As量子井戸
活性層3,p型A10.45Ga0.55Asクラッド層４を順次エピタ
キャシル成長した後、ｐ型A10.45Ga0.55Asクラッド層４
を活性層近くまで選択的に除去してストライプ状に残
し、その周囲を、横方向にはｎ型GaAsブロック層6,共振
器の長手方向にはｎ型A10.45Ga0.55As埋め込み層７を埋
め込んで作製する。電流狭窄構造，光導波構造は本発明
の第１の実施例と同様であり、閾値電流値が低く高出力
な特性が得られる。
図（ａ）に、共振器の中央部Ａ−Ａ′での断面構造を第
２図（ｂ）に、発振領域の共振器長手方向Ｂ−Ｂ′での
断面構造を第２図（ｃ）に示す。ｎ型GaAs基板１上にｎ
型A10.45Ga0.55Asクラッド層2,Al0.45Ga0.55As量子井戸
活性層3,p型A10.45Ga0.55Asクラッド層４を順次エピタ
キャシル成長した後、ｐ型A10.45Ga0.55Asクラッド層４
を活性層近くまで選択的に除去してストライプ状に残
し、その周囲を、横方向にはｎ型GaAsブロック層6,共振
器の長手方向にはｎ型A10.45Ga0.55As埋め込み層７を埋
め込んで作製する。電流狭窄構造，光導波構造は本発明
の第１の実施例と同様であり、閾値電流値が低く高出力
な特性が得られる。
本発明において、量子井戸構造を構成する量子井戸層
とバリア層の層厚，組成，層数など、量子井戸活性層の
構造は、量子効果が得られる範囲で任意である。
とバリア層の層厚，組成，層数など、量子井戸活性層の
構造は、量子効果が得られる範囲で任意である。
本発明は、AlGaAsInPやGaAsPなどの他の半導体材料よ
りなる半導体レーザに対しても適用でき同様の効果を得
ることができる。
りなる半導体レーザに対しても適用でき同様の効果を得
ることができる。
本発明によれば、発振特性の均一性に優れた閾値電流
値の低い高出力な半導体レーザが比較的容易に得られ
る。本発明の高出力な半導体レーザを光源に用いること
によって光情報機器や光通信機器の高性能が可能とな
る。
値の低い高出力な半導体レーザが比較的容易に得られ
る。本発明の高出力な半導体レーザを光源に用いること
によって光情報機器や光通信機器の高性能が可能とな
る。
第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例の半導体レーザ
の模式的斜視図，同図（ｂ）は同実施例における共振器
中央部Ａ−Ａ′での断面構造図，同図（ｃ）は同実施例
における発振領域の共振器長手方向Ｂ−Ｂ′での断面構
造図であり、第２図（ａ）は、本発明の第２の実施例の
半導体レーザの模式的斜視図，同図（ｂ）は同実施例に
おける共振器中央部Ａ−Ａ′での断面構造図，同図
（ｃ）は同実施例における発振領域の共振器長手方向Ｂ
−Ｂ′での断面構造図であり、第３図は、従来の量子井
戸活性層高出力レーザの模式的斜視図で、理解を容易に
するために手前の一部を除去した斜視図である。これら
の図において、 １……ｎ型GaAs基板、２……ｎ型A10.45Ga0.55Asクラッ
ド層、３……量子井戸活性層、４……ｐ型A10.45Ga0.55
Asクラッド層、５……ｐ型A10.45Ga0.55As埋め込み層、
６……ｎ型GaAsブロック層、７……ｎ型A10.45Ga0.55As
埋め込み層、８……ｐ側電極、９……ｎ側電極、10……
共振器面、19……Zn拡散領域である。
の模式的斜視図，同図（ｂ）は同実施例における共振器
中央部Ａ−Ａ′での断面構造図，同図（ｃ）は同実施例
における発振領域の共振器長手方向Ｂ−Ｂ′での断面構
造図であり、第２図（ａ）は、本発明の第２の実施例の
半導体レーザの模式的斜視図，同図（ｂ）は同実施例に
おける共振器中央部Ａ−Ａ′での断面構造図，同図
（ｃ）は同実施例における発振領域の共振器長手方向Ｂ
−Ｂ′での断面構造図であり、第３図は、従来の量子井
戸活性層高出力レーザの模式的斜視図で、理解を容易に
するために手前の一部を除去した斜視図である。これら
の図において、 １……ｎ型GaAs基板、２……ｎ型A10.45Ga0.55Asクラッ
ド層、３……量子井戸活性層、４……ｐ型A10.45Ga0.55
Asクラッド層、５……ｐ型A10.45Ga0.55As埋め込み層、
６……ｎ型GaAsブロック層、７……ｎ型A10.45Ga0.55As
埋め込み層、８……ｐ側電極、９……ｎ側電極、10……
共振器面、19……Zn拡散領域である。
Claims (1)
- 【請求項１】活性層を当該活性層よりも禁制帯幅の広い
クラッド層で挟んだ構造を内包する多層構造と、当該多
層構造の積層面に垂直な一対の相対向する端面から成る
共振器面とを有する半導体レーザにおいて、前記共振器
面までストライプ状に除去されたブロック層を一方のク
ラッド層上に備えてストライプ横方向の電流狭窄構造を
構成し、さらに、前記共振器面近傍の前記活性層へのキ
ャリア注入を阻止する電流狭窄構造を前記多層構造中に
具備し、当該電流狭窄構造は、前記一方のクラッド層の
上でかつ共振器面近傍に前記一方のクラッド層と異なる
導電型でかつレーザ光に対して透明で、前記ブロック層
と異なる半導体層を備え、さらに前記一方のクラッド層
上前記半導体層間に前記一方のクラッド層と同じ導電型
の半導体層を備えた構成とし、前記活性層は、量子井戸
層とバリア層とを交互に積層して成る量子井戸構造で構
成したことを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63184163A JP2522021B2 (ja) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | 半導体レ―ザ |
| US07/382,878 US4961196A (en) | 1988-07-22 | 1989-07-21 | Semiconductor laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63184163A JP2522021B2 (ja) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | 半導体レ―ザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0233991A JPH0233991A (ja) | 1990-02-05 |
| JP2522021B2 true JP2522021B2 (ja) | 1996-08-07 |
Family
ID=16148465
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63184163A Expired - Lifetime JP2522021B2 (ja) | 1988-07-22 | 1988-07-22 | 半導体レ―ザ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4961196A (ja) |
| JP (1) | JP2522021B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4948822A (en) * | 1989-02-27 | 1990-08-14 | National Starch And Chemical Investment Holding Corporation | Laminating adhesives |
| JPH03126283A (ja) * | 1989-10-11 | 1991-05-29 | Toshiba Corp | 窓構造半導体レーザ素子の製造方法 |
| JPH06302906A (ja) * | 1993-04-12 | 1994-10-28 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ及びその製造方法 |
| US6590918B1 (en) * | 1999-11-17 | 2003-07-08 | Matsushita Electronics Corporation | Semiconductor laser device and method for producing the same |
| GB2380605B (en) | 2001-10-02 | 2004-01-14 | Toshiba Res Europ Ltd | A photon source and method of its fabrication and operation |
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