JP2565909B2 - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

半導体レ−ザ素子

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JP2565909B2 JP62169164A JP16916487A JP2565909B2 JP 2565909 B2 JP2565909 B2 JP 2565909B2 JP 62169164 A JP62169164 A JP 62169164A JP 16916487 A JP16916487 A JP 16916487A JP 2565909 B2 JP2565909 B2 JP 2565909B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、高出力特性にすぐれた高性能半導体レーザ
素子に関するものである。
<従来技術> 近年、YAGレーザの励起用光源等として小型軽量の半
導体レーザによる1W以上の高出力動作が求められてい
る。
一般に、非常に小さな体積で動作する半導体レーザの
高出力限界は主に大きな駆動電流時の発熱による光出力
の飽和や高い光密度による破壊限界によってきまってい
る。したがって高出力動作においては数十ミクロン(μ
m)のストライプ幅を持った広ストライプレーザを用い
ることにより単位体積あたりの光密度を低下している。
このような広ストライプレーザにおいては成長層の均一
性が問題となるが近年分子線エピタキシイ法(MBE法)
や有機金属気相成長法(MO−CVD法)等によって大面積
でかつ均一な結晶成長が可能となっており、上述のよう
なストライプ幅の広いレーザによって高い出力の発振が
得られるようになっている。
従来、活性層厚が500Å以上のいわゆるダブルヘテロ
(DH)型レーザを高出力用レーザとして用いるとき、共
振器両端面の反射率を後面75%以上、前面約5%の非対
称になるようにコーティングを施し、後面への光出力の
損失を少なくしている。一般に半導体レーザにおいて発
振閾値電流密度は共振器長を長くすると低下するが、DH
レーザの場合共振器長を長くすると量子効率の低下が大
きいため高出力動作時の駆動電流を上昇し発熱の効果に
よる光出力の飽和がおこるため共振器長は250μm程度
が最適と考えられる。
<発明の目的> 本発明は高出力動作に有利な量子井戸レーザを用いて
発熱による光出力飽和の影響を少なくし、高い出力での
動作を可能にするものである。
活性層に量子井戸構造を用いた場合、注入されたキャ
リァは、量子井戸方向に量子化され、キャリァのエネル
ギ状態密度が階段状となるためレーザの利得係数が注入
キャリァ密度に対して急激に立ち上がり、低い閾値電流
密度で発振する。
<発明の構成及び効果の説明> 本発明は、駆動電流が低く高出力動作に有利な量子井
戸活性層を有し前後端面の反射率をそれぞれ低反射率と
した高出力半導体レーザにおいて、共振器長を300μm
以上1000μm以下とすることにより連続発振時に発熱に
よる光出力の飽和の影響のない高出力動作を得るもので
ある。
<実施例> 第1図に本発明の1実施例の断面図を示す。n−GaAs
基板1上にn−Al0.7Ga0.3Asクラッド層2、Al混晶比を
0.7から0.3まで放物線状に徐々に変化させたAlxGa1-XAs
グレーディドインデックスガイド層3、層厚60ÅのAl
0.1Ga0.9As量子井戸活性層4、Al混晶比を0.3から0.7ま
で放物線状に徐々に変化させたAlxGa1-XAsグレーディド
インデックスガイド層5、p−Al0.7Ga0.3Asクラッド層
6、p−GaAsコンタクト層7、n−Al0.5Ga0.5As電流狭
窄層8、n−GaAs保護層を、順次MBE法によって成長し
た。これに一般に用いられるフォトレジストを用いた化
学エッチングにより100μm幅のストライプ状にn−GaA
s保護層9及びn−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層8を除去
し、その後n側,p側にそれぞれオーミック電極を形成し
レーザ端面前面に反射率3%の低反射コーティング、後
面に反射率95%の高反射コーティングを施し高出力用の
グレーディドインデックスガイド層付量子井戸レーザの
100μm電極ストライプ型素子を作製した。
第3図にこの素子の共振器長を250μmから1300μm
の間で変えた多数の素子の室温連続発振における最大光
出力の実測値を示す。
第3図に代表的な素子として共振器長250μmと375μ
mの場合の光出力−電流特性を示す。
第3図から判るように共振器長が300μm未満の場
合、素子の最大出力は急激に低下する。この場合光出力
−電流特性は、第4図のL=250μmの素子について示
したように発熱によって飽和している。
一方、共振器長Lが300μm≦L≦1000μmの範囲で
は第3図のL=375μmの素子に対して示したように、
光出力は破壊限界までのびており発熱による出力飽和の
影響はほとんどない。
しかしL>1000μm以上では、再び、最大出力は熱に
よる飽和によって決っている。このような熱による光出
力飽和の共振器存性を第5,6,7図を用いて説明する。
第5図に共振器長250μm及び375μmの素子について
の熱抵抗の実測値を示す。これよりL=300μm以上の
素子と以下の素子では、熱抵抗には有為差はないと考え
られる。第6図に量子井戸レーザにおける光出力1Wにお
ける駆動電流密度の共振器長依存性の理論値を示す。こ
れは発熱による温度の上昇の効果は含まれていない。こ
れよりL=300μm以下の領域で電流密度の急上昇が見
られる。
これより第3図における300μm以下での出力飽和
は、この電流密度の上昇によるものと考えられる。次に
第7図に光出力1Wを得るのに必要な駆動電流の共振器長
依存性の理論値を一般のDHレーザと量子井戸レーザに対
して示す。発熱による駆動電流上昇はないものと仮定し
ている。高出力動作時の駆動電流は、素子の微分量子効
率に大きく依存する。一般に微分量子効率は に比例する。ここで、R,Rはレーザ両端面の反射率、L
は共振器長、αiは素子の内部損失をあらわす。したが
って共振器長を長くした場合、微分量子効率は低下し、
高出力動作時の駆動電流は増大する。しかし量子井戸レ
ーザの場合内部損失αiが約5cm-1程度まで低できDHレ
ーザが約5cm-1に比べて極めて小さい値となり、第1式
のL依存性が小さく共振器を長くしても駆動電流の上昇
は小さい。ただしこのような効果は式(1)からも判る
ように内部損失αiとミラー損失1/2L ln(1/R1R2)の
相対関係できまっているため、ミラー損失が小さい場合
には、この効果は現れない。実験によると後面反射率が
90%以上の場合、前面反射率は10%以下でないと高出力
時の熱による光出力飽和を抑制する効果はあらわれな
い。これは以下のような理論解析より説明できる。第8
図に端面反射率を変えた場合の式(1)の値のL依存性
の理論値を示す。ここでは、前面より効率よく光をとり
出すため後面の反射率を95%と一定にしてある。前面反
射率を5%とした場合、量子井戸レーザの内部損失5cm
-1に対しミラー損失が大きいため、量子効率の共振器長
依存性が小さい。しかし前面の反射率を15%と大きくし
た場合、ミラー損失が内部損失に対して小さくなり、共
振器長を大きくした場合の量子効率の低下は大きくなり
高出力時の駆動電流が上昇する。比較のために内部損失
15cm-1のDHレーザに関する式(1)の値を図中に示す。
これより前面反射率を大きくした場合内部損失が小さな
量子井戸レーザにおいてもDHレーザに近い量子効率の低
下が起る。
第3図において300μmから1000μmまでの広い範囲
で熱による光出力の飽和の影響が光出力1W以上でもほと
んどあらわれないことは第7図の駆動電流の上昇が非常
に小さいことに起因していると考えられる。
しかし共振器長が1000μm以上となった場合駆動電流
の上昇と共に徐々に光出力の飽和があらわれる。
以上の議論よりレーザ端面の前後面にそれぞれ3%,9
5%のコーディングを施した量子井戸レーザにおいて、
共振器長を300μm以上1000μm以下とした場合、発熱
による光出力飽和の影響のない高出力レーザが得られ
る。
次に本発明の第2の実施例を第2図によって説明す
る。
MBE法によって第1の実施例と全く同じ層構造をMBE法
により成長した後、フォトレジストを用いた化学エッチ
ングにより第8,9層を約100μm幅のストライプ状にエッ
チングする。次に8,9層を取除いたストライプ内に同じ
くフォトレジストを用いた化学エッチングにより間隔1
μm幅2μmのメサ部が残るように第7層及び第6層を
エッチングする。この場合、エッチング部分の第6層は
約0.2μm残した。このようにして100μm幅リッヂ導波
路アレイを製作した。なおリッヂ部側面には絶縁膜を蒸
着により形成しその後p・n両電極を形成した。このウ
ェハを用いて、共振器長の異なる多くの素子を作製した
ところ最大光出力の共振器長依存性はほぼ第3図と同様
の傾向をあらわし、共振器長300μm以上1000μm以下
の領域で、光出力1Wまで光出力の飽和はみられなかっ
た。ただしこれらの素子の端面反射率は後面95%、前面
5%とした。
上記実施例においては活性領域としてAlの混晶比をx
=0.1としたが、0≦x≦0.2の範囲では、量子井戸レー
ザによる内部損失はDHレーザに比べて非常に低い値であ
り、かつ混晶比依存性はないため、本実施例と同様に30
0μm≦L≦1000μmとした場合熱による出力飽和のな
い高出力レーザが得られる。
また実施例では活性領域をGRIN−SCH構造としたが、
量子井戸活性層を多層に積層した多重量子井戸構造とし
ても全く同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図はそれぞれ本発明の1実施例である10
0μm電極ストライプ型グレーディドインデックスガイ
ド層付量子井戸レーザの断面図である。 第3図はGRIN−SCHレーザの最大光出力の共振器長依存
性を示す特性図である。 第4図はGRIN−SCHレーザの光出力電流特性を示す特性
図である。 第5図はGRIN−SCHレーザの熱抵抗の共振器依存性の実
測値を示す特性図である。 第6図はGRIN−SCHレーザの光出力1Wにおける駆動電流
密度の共振器長依存性の理論値を示す説明図である。 第7図及び第8図はGRIN−SCHレーザ及びDHレーザの光
出力1Wにおける、駆動電流の共振器長依存性の理論値を
示す。 1……n−GaAs基板、2……n−Al0.7Ga0.3Asクラッド
層、3……AlxGa1-xAs(x=0.3〜0.7)グレーディドイ
ンデックスガイド層、4……Al0.1Ga0.9As(60Å)活性
層、5……p−AlxGa1-xAsクラッド層、7……p−GaAs
コンタクト層、8……n−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層、9
……n−GaAs保護層、10……p型オーミック電極、11…
…n型オーミック電極、12……絶縁層。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】層厚が電子のドブロイ波長より薄い活性層
    を単層または多層に形成した半導体レーザ素子におい
    て、前記活性層の共振端面をそれぞれ75%以上及び10%
    以下の反射率に設定しかつ共振器長を300μm以上1000
    μm以下としたことを特徴とする半導体レーザ素子。
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