JP2687694B2 - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は長寿命な半導体レーザに関するものであ
る。
(従来の技術) 従来例として次の構造が挙げられる。すなわち、量子
井戸活性層上のクラッド部に形成されたメサストライプ
と、該ストライプ側面に電流ブロック層を有する自己整
合型量子井戸半導体レーザが報告されている。例えば、
1989年石川らにより春季応用物理学会予稿集4a-ZC-6で
報告された「高出力高信頼セルフアライン型量子井戸レ
ーザ」の概略構造を第6図に示す。このレーザ構造は、
n型GaAs基板上1に、MOVPE技術により、n型Al0.45Ga
0.55Asクラッド層2、GaAs/AlGaAs量子井戸活性層3、
p型Al0.45Ga0.55Asクラッド層4、p+型GaAsキャップ層
5を順次形成した後、活性層より上の領域をメサストラ
イプ部を残してエッチングし、選択成長により電流ブロ
ック層6で埋め込み、さらに上面と低面に電極7,8を形
成してなる。この構造によりメサ部直下の量子井戸活性
層に電流が注入され、レーザ発振が得られる。
(発明が解決しようとする課題) 半導体レーザの長寿命動作を歩留まり良く可能にする
ためには、結晶成長時にすでに導入された発光領域近傍
の結晶欠陥を起点とする転位網が運動し、それが発光領
域に到達することによって発生する劣化を抑制すること
が重要である。
ところが、実際、従来例で示した構造のレーザにおい
ては、基板から延びた貫通転位がメサ状の電流狭窄部の
近傍の活性層を通過している場合、電流注入によって貫
通転位から転位網が成長し発光領域に達することによ
り、見かけ上安定動作が続いた後に突発的に故障するも
のが少なくない。また活性層上のクラッド層と電流ブロ
ック層の間の埋め込み界面は、結晶欠陥の密度が高く、
動作中に埋め込み界面の欠陥から発生した転位がクラッ
ド層内を徐々に運動し、活性層に到達することにより発
生する故障で寿命が制限されるという不都合が生じるた
め、長寿命化は困難である。
本発明の目的は、転位の発生源である貫通転位や埋め
込み界面の結晶欠陥から発生する転位の運動が抑制され
た、動作寿命の長いレーザを得ることにある。
(課題を解決するための手段) 本発明の半導体レーザは、基板に第1導電型クラッド
層、量子井戸活性層、第2導電型クラッド層が順次形成
されてなるダブルヘテロ構造を内包する多層積層構造を
もつGaAs/AlGaAs系量子井戸半導体レーザにおいて、前
記量子井戸活性層が、単一または多重の量子井戸層と、
アルミニウム組成が量子井戸層のアルミニウム組成より
も大きい光ガイド層からなり、その量子井戸層と光ガイ
ド層がInを含有していることを特徴としている。
また、本発明の半導体レーザは、基板に第1導電型ク
ラッド層、量子井戸活性層、第2導電型クラッド層が順
次形成されてなるダブルヘテロ構造を内包する多層積層
構造をもつGaAs/AlGaAs系量子井戸半導体レーザにおい
て、前記量子井戸活性層が、単一または多重の量子井戸
層と、量子井戸層のアルミニウム組成よりも大きいアル
ミニウム組成をもつ光ガイド層からなり、その光ガイド
層のみがInを含有していることを特徴としている。
また、基板に第1導電型クラッド層、量子井戸活性
層、第2導電型クラッド層が順次形成されてなるダブル
ヘテロ構造を内包する多層積層構造をもつGaAs/AlGaAs
系量子井戸半導体レーザにおいて、前記第2導電型クラ
ッド層の一部が前記活性層まで達しない深さに除去され
ており、前記除去された部分が第1導電型電流ブロック
層で埋め込まれ、前記活性層と電流ブロック層の間の第
2導電型クラッド層にInを含有した層が挿入されてなる
ことを特徴としている。
また、基板に第1導電型クラッド層、量子井戸活性
層、第2導電型クラッド層が順次形成されてなるダブル
ヘテロ構造を内包する多層積層構造をもつGaAs/AlGaAs
系量子井戸半導体レーザにおいて、前記第2導電型クラ
ッド層の一部が前記活性層まで達しない深さに除去さ
れ、前記除去された部分がInを含有する層と第1導電型
電流ブロック層で順次埋め込まれてなることを特徴とし
ている。
(作用) 半導体レーザ内部に導入されている欠陥を起点とする
転位は、通電により成長する。第5図は、GaAs層をウェ
ルとする2重量子井戸活性層を有するレーザとInGaAs層
(In組成18%)をウェルとする2重量子井戸活性層を有
するレーザについて、活性層内での転位の成長速度(μ
m/min)の電流密度J(kA/cm2)依存性を示したもので
ある。InGaAs量子井戸での転位成長速度は、GaAs量子井
戸でのそれの30分の1以下に低下する。この効果に従っ
て、以下に本発明の作用を説明する。
本発明によれば、Inを含有する層内で転位の成長速度
が低くなる効果により、発光領域外の活性層を通過する
貫通転位から延びる転位が発光領域まで到達するのにか
かる時間を大幅に長くして長寿命化することができる。
また、このことを利用した本発明によれば、量子井戸
層はInを含まず、量子井戸層を挟む光ガイド層のみがIn
を含んでいることにより、発振波長を変化させることな
く、活性層面内での転位の成長速度が低くなる効果によ
り長寿命化することができる。
また、本発明によれば、第2導電型クラッド層と第1
層導電型電流狭窄層の間の埋め込み界面に分布する結晶
欠陥から発生した転位が前記第2導電型クラッド層内を
成長する際、前記クラッド層内に挿入されたInを含有し
た層で成長速度が低下する効果により、転位が活性層に
到達するのにかかる時間を長くして長寿命化することが
できる。
また、本発明によれば、第2導電型クラッド層と埋め
込み層の間の結晶欠陥が埋め込み層側のInを含有された
層と接触していることによって前記結晶欠陥から発生す
る転位が活性層側に成長するのを抑制する効果により、
長寿命化することができる。
(実施例) 以下に第1図、第2図(a)を参照して、本発明の第
1の実施例を説明する。本実施例の半導体レーザの構造
は、第1図に示すようにn型GaAs基板上に、n型Al0.45
Ga0.55Asクラッド層2を1μm、量子井戸活性層3を有
し、さらにp型Al0.45Ga0.55Asクラッド層4を1.5μ
m、p+GaAsキャップ層5を0.5μmを有し、メサストラ
イプ部以外は活性層の上部にp型クラッド層4を0.2〜
0.3μmをのこしてn型GaAs電流ブロック層6で埋め込
まれており、これらの層構造の両側に電極7,8を設けた
構造を持ち、かつ量子井戸活性層3が第2図(a)に示
すように、(Al0.2Ga0.8As50Å/In0.1Al0.3Ga0.6As50
Å)6周期の光ガイド層11(厚さ600Å)、InxGa1-xAs
量子井戸層12(x=0.03〜0.3)(70Å)、Al0.2Ga0.8A
sバリア層13(50Å)、InxGa1-xAs量子井戸層14(x=
0.03〜0.3)(70Å)、(Al0.2Ga0.8As50Å/In0.1Al
0.3Ga0.6As50Å)6周期の光ガイド層15(600Å)から
なる構造を持つ。本実施例によれば、Inを含有する層内
で転位の成長速度が低下し、長寿命の半導体レーザが得
られる。
また、第1図と第2図(b)を参照して本発明の第2
の実施例を説明する。本実施例の半導体レーザは、第1
図の構造を持ち、かつ量子井戸活性層3が第2図(b)
に示すように、(Al0.3Ga0.7As50Å/Al0.35In0.1Ga
0.55As50Å)3周期の光ガイド層21、Al0.3Ga0.7As光ガ
イド層22(300Å)、GaAs量子井戸層23(70Å)、Al0.3
Ga0.7Asバリア層24(50Å)、GaAs量子井戸層25(70
Å)、Al0.3Ga0.7As光ガイド層26(300Å)、(Al0.35I
n0.1Ga0.55As50Å/Al0.3Ga0.7As50Å)層3周期の光ガ
イド層27からなる構造を持つ。本実施例によれば、量子
井戸層はInを含まず、量子井戸層を挟む光ガイド層のみ
がInを含んでいることにより、発振波長を変化させるこ
となく、活性層面内での転位の成長速度が低くなる効果
が得られる。
また、第3図を参照して、本発明の第3の実施例を説
明する。本実施例の半導体レーザは、第3図に示すよう
に、n型GaAs基板1上に、n型Al0.45Ga0.55Asクラッド
層2を1μm、量子井戸活性層3を有し、さらにp型Al
0.45Ga0.55Asクラッド層4を0.2μm、p型(Al0.5In
0.1Ga0.4As50Å/Al0.45Ga0.55As50Å)層3周期の転位
ストップ層9、p型(Al0.45Ga0.55Asクラッド層4を1.
2μm、p+GaAsキャップ層5を0.5μmを有し、メサスト
ライプ以外は、転位ストップ層9上のp型クラッド層4
を0.1μmをのこして、n型GaAs電流ブロック層6で埋
め込まれており、これらの層構造の両側に電極7,8を設
けた構造を持つ。ここで量子井戸活性層は従来例のよう
なGaAs/AlGaAs量子井戸でも良いし第1,第2の実施例の
ものでもよい。本実施例によれば、p型クラッド層とn
型電流ブロック層の間の埋め込み界面に分布する結晶欠
陥から発生した転位が前記p型クラッド層内を成長する
際、前記pクラッド層内に挿入されたInを含有した層で
成長速度が低下する効果が得られる。
また、第4図を参照して本発明の第4の実施例を説明
する。本実施例の半導体レーザは、第4図に示すよう
に、n型GaAs基板1上に、n型Al0.45Ga0.55Asクラッド
層2を1μm、量子井戸活性層3を有し、さらにp型Al
0.45Ga0.55Asクラッド層4を1.5μm、p+GaAsキャップ
層5を0.5μmを有し、メサストライプ部以外は活性層
の上部にp型クラッド層4を0.2〜0.3μm残してn型
(In0.1Ga0.9As50Å/GaAs50Å)層3周期の転位閉じ込
め層10、n型GaAs電流ブロック層6で順次埋め込まれて
おり、これらの層構造の両側に電極7,8を設けた構造を
持つ。量子井戸活性層3は従来例のような構造でも、本
発明の構造でもよい。本実施例によれば、p型クラッド
層と埋め込み層の間の結晶欠陥が埋め込み層側のInを含
有された層と接触していることによって前記結晶欠陥か
ら発生する転位が活性層側に成長するのを抑制する効果
が得られる。
(発明の効果) 本発明によれば転位の運動を抑制し長寿命の半導体レ
ーザが得られる。特に高出力高信頼な半導体レーザを得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の第1および第2の実施例の構造概略
図であり、第2図(a)は本発明の第1の実施例の構造
説明図、第2図(b)は第2の実施例の構造説明図、第
3図は、第3の実施例の構造概略図、第4図は第4の実
施例の構造概略図、第5図は本発明の作用を説明する図
である。第6図は、従来例の半導体レーザの構造概略図
である。 1……n型GaAs基板、2……n型Al0.45Ga0.55Asクラッ
ド層、3……量子井戸活性層、4……p型Al0.45Ga0.55
Asクラッド層、5……p+型GaAsキャップ層、6……n型
Al0.3Ga0.7As電流ブロック層、7……p電極、8……n
電極、9……p型(Al0.5In0.1Ga0.4As50Å/Al0.45Ga
0.55As50Å)3周期の転位ストップ層、10……n型(In
0.1Ga0.9As50Å/GaAs50Å)3周期の転位閉じ込め層、1
1,15……(Al0.2Ga0.8As50Å/In0.1Al0.3Ga0.6As50
Å)6周期光ガイド層、12,14……InxGa1-xAs量子井戸
層(x=0.03〜0.3)、13……Al0.2Ga0.8Asバリア層、2
1……(Al0.3Ga0.7As50Å/Al0.35In0.1Ga0.55As50Å)
3周期の光ガイド層、22,26……Al0.3Ga0.7As光ガイド
層、23,25……GaAs量子井戸量、24……Al0.3Ga0.7Asバ
リア層、27……(Al0.35In0.1Ga0.55As50Å/Al0.3Ga
0.7As50Å)3周期の光ガイド層、33……GaAs/AlGaAs量
子井戸活性層

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板に第1導電型クラッド層、量子井戸活
    性層、第2導電型クラッド層が順次形成されたダブルヘ
    テロ構造を内包する多層積層構造をもつGaAs/AlGaAs系
    量子井戸半導体レーザにおいて、前記第2導電型クラッ
    ド層の一部が前記活性層まで達しない深さに除去され、
    前記除去された部分が第1導電型電流ブロック層で埋め
    込まれ、前記活性層と電流ブロック層の間の第2導電型
    クラッド層にInを含有した層が挿入されていることを特
    徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】基板に第1導電型クラッド層、量子井戸活
    性層、第2導電型クラッド層が順次形成されたダブルヘ
    テロ構造を内包する多層積層構造をもつGaAs/AlGaAs系
    量子井戸半導体レーザにおいて、前記第2導電型クラッ
    ド層の一部が前記活性層まで達しない深さに除去され、
    前記除去された部分がInを含有する層と第1導電型電流
    ブロック層で順次埋め込まれていることを特徴とする半
    導体レーザ。
  3. 【請求項3】前記量子井戸活性層が、単一または多重の
    量子井戸層と、量子井戸層のアルミニウム組成よりも大
    きいアルミニウム組成をもつ光ガイド層からなり、 前記光ガイド層のみまたは前記光ガイド層と量子井戸層
    の両方が、Inを含有していることを特徴とする請求項1
    記載の半導体レーザ。
  4. 【請求項4】前記量子井戸活性層が、単一または多重の
    量子井戸層と、量子井戸層のアルミニウム組成よりも大
    きいアルミニウム組成をもつ光ガイド層からなり、 前記光ガイド層のみまたは前記光ガイド層と量子井戸層
    の両方が、Inを含有していることを特徴とする請求項2
    記載の半導体レーザ。
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