JP3135960B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ装置に関
し、より詳しくはキャリアオーバーフローを抑制し、高
出力を可能とした半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、小型・高出力・定価格という利点
を有する半導体レーザ装置の実用化により、従来レーザ
光源の使用が困難であった一般産業機械や民生機械への
レーザの応用が進んでいる。今後、半導体レーザ装置は
さらに多くの分野に応用されていくものと考えられる。
【０００３】半導体レーザ装置は、特に光通信、光ディ
スクからの読みだし用光源を初めとして多くの分野で利
用されており、その進歩はめざましいものがある。今後
その特性改善によって応用分野のさらなる拡張が期待さ
れる。その一つは、光ディスクへの書き込み用光源であ
り、特に記録密度向上の観点から、より短波長で発振す
る半導体レーザの高出力動作が要求されている。
【０００４】図３は、従来のAlGaInP 系結晶を用いたゲ
インガイド型の半導体レーザ装置の一例を示す。このAl
GaInP 半導体レーザ装置３００は活性層３５を量子井戸
構造とし、分離閉じ込めヘテロ構造を発光領域とする例
である。
【０００５】この半導体レーザ装置３００は、ほぼ中央
にＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ量子井戸活性層３５を有する。こ
のＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ量子井戸活性層３５の裏面側にノ
ンドープ（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐサイドバリ
ア層３４、ｎ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層３３、ｎ
型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層３２、ｎ型GaAs基板３
１、Au-Ge-Ni電極３１２を順に積層している。
【０００６】更に、Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ量子井戸活性層
３５の表面側には、ノンドープ（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51
Ｉｎ0.49Ｐサイドバリア層３７、ｐ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49
Ｐクラッド層３８、ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層３
９、ｐ型GaAsコンタクト層３１０、窒化シリコン膜３１
３、Au-Ge-Ni電極３１１を順に積層している。これらの
各結晶層は、順次分子線結晶成長法で成長される。
【０００７】図４（ａ）は、図３に示すゲインガイド型
半導体レーザ装置３００に於て、順方向バイアスを印加
し、活性層３５にレーザ発振しきい値程度の電流を注入
した時のバンドエネルギー構造を示す。活性層３５とサ
イドバリア層３４、３７の間のエネルギー差は、活性層
３５内に注入されたキャリア（正孔）、特に電子のオー
バーフローを抑制するに十分でない。活性層３５とサイ
ドバリア層３４、３７の間にキャリア（正孔）が高注入
された状態では、図４（ｂ）のようにキャリア（正孔）
が活性層３５からリークし、しきい値電流の増加を招
く。
【０００８】このキャリアオーバーフロー、特に電子が
活性層３５からのリークアウトすることを防止するため
には、伝導帯のエネルギー差を大きくするようにｐ型キ
ャリアバリア層の組成を選択する必要がある。しかし、
これにも限界があり、例えばＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ／（Ａ
ｌxＧａ1-x）0.51Ｉｎ0.49Ｐヘテロ接合では、ｘ＝０．
７での約０．１５ｅｖのエネルギー差が限界となる。上
記キャリアオーバーフローの１つの解決策は、例えば図
３に示すような分離閉じ込め構造の半導体レーザ装置で
は、サイドバリア層３４、３７にドーピングすること
で、ｐ型バリア層３４、３７の価電子帯を持ち上げるこ
とである。これにより、図５に示すように、活性層３５
内の電子に対する実質的なポテンシャルバリアを高くで
きる。すなわち、電子の拡散によるリークアウト（拡散
電流）に対して、活性層３５近傍のサイドバリア層３
４、３７に逆向きのポテンシャル勾配（電界）を形成
し、いわゆるドリフト電流成分によってリークアウトを
打ち消し、キャリアのオーバーフローを抑制できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図５は図３の半導体レ
ーザ装置の分離閉じ込め構造において、サイドバリア層
にドーピングした場合のバンド構造の解析結果を示す図
である。また、図６は電子に対する実質的なポテンシャ
ルバリアの高さを考える概念図である。
【００１０】図５において、キャリアバリア層にドーピ
ンクした場合にどれだけ実質的なバリア高さが高くなる
かは、図６で示すようにキャリアバリア層のバンドアッ
プエネルギーＥgbと、キャリアバリア層におけるホール
の擬フェルミレベルＥFVbとによって決まる。図６では
価電子帯の端を基準として、ホールに対するポテンシャ
ルが増加する方向をプラスにとっている。即ち、バンド
ギャップエネルギーＥgbが大きい程、またＥFVbが大き
く擬フェルミレベルＥFVbが価電子帯の中に入ってきて
いる程、δＥcは大きくなる。
【００１１】ところが通常キャリア（正孔）の有効質量
は重いために、例えばGaAsの場合図７に示すようにＥ
FVbが小さく、同じキャリア濃度でも有効質量の小さい
電子のようには擬フェルミレベルＥFVbがバンド内に入
って行かない。従って、前記の効果によって実質的なバ
リア高さをかせげない。また、バンドギャップエネルギ
ーＥgb自体を大きくするよう混成の組成を変えていく
と、通常AlGaAs混晶、AlGaInP混晶のように伝導帯では
間接ギャップとなるＸ谷が最も低いエネルギーとなる。
従って、もともとの伝導帯のエネルギー差δＥcは、バ
ンドギャップエネルギーＥgbを大きくする程逆に小さく
なり、バリア高さを高くするためには逆効果となる。
【００１２】本発明はこのような従来技術の欠点を解決
するためになされたものであり、その目的は活性層内の
電子に対する実質的なポテンシャルバリアを高くし、半
導体レーザ装置の高出力動作の妨げとなるキャリアオー
バーフローを抑制し、高出力化を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、量子井戸構造の活性層と、該活性層に隣接して設
けられ、圧縮歪を受けたｐ型ヘテロ障壁層と、を有し、
該ｐ型ヘテロ障壁層は混晶比を変えていくと間接遷移を
おこす材料からなり、そのことにより上記目的が達成さ
れる。
【００１４】前記圧縮歪を受けたｐ型ヘテロ障壁層は、
その厚さが歪による転移欠陥が生じない臨界膜以下であ
ってもよい。前記ｐ型ヘテロ障壁層のみ、又は前記ｐ型
ヘテロ障壁層と前記活性層とが、基板に対し格子不整合
であってもよい。
【００１５】
【作用】本発明の半導体レーザ装置は、分離閉じ込めヘ
テロ構造をなしており、量子井戸構造の活性層と、この
活性層に隣接するｐ型サイドバリア層の一部を圧縮歪に
よりフェルミレベルの位置が上げられた結晶からなるキ
ャリア閉じ込め用のｐ型ヘテロ障壁層とで構成すること
によって、実質的なバリア高さが大きくなる。具体的に
は、例えば、ｐ型ヘテロ障壁層を混晶で構成し圧縮歪を
加えると、図８に示すように、無歪状態と比べてそのバ
ンドギャップが広がる。また、価電子帯の構造が圧縮歪
の影響を大きく受け、特に価電子帯の最も高いエネルギ
ーに位置する重いキャリア（正孔）帯の有効質量が小さ
くなり、状態密度が低下する。その結果、この圧縮歪を
受けた混晶をｐ型バリア層に用いれば、同じドーピング
量でもキャリア（正孔）の擬フェルミレベルは、深く価
電子帯の中に入り込む。
【００１６】このように、ｐ型サイドバリア層が圧縮歪
を受けることによってによって価電子帯の有効質量が小
さくなり、キャリア（正孔）の擬フェルミレベルが少な
いキャリア密度でより価電子帯の中の方に入っていく。
その結果、上記分離閉じ込めヘテロ構造をなす半導体レ
ーザにおいて、レーザ発振条件を与えるBernard-Duraff
ourgの条件が低いキャリア密度で満足され、しきい値電
流が低減できる。図９はサイドバリア層に圧縮歪を受け
た混晶を用いた場合、期待される活性層近傍のバンド構
造は図９に示すように、バリア層は圧縮歪を受けること
でバンドギャップエネルギーＥgb、擬フェルミレベルＥ
FVbともに増大し、実質的なバリア高さ（△Ｅc＋δＥ
c）を大きくできる。ここで、圧縮歪を受けたバリアの
厚さは、歪による転移欠陥が生じないよう臨界膜以下と
する必要がある。例えば、１％の圧縮歪に対してはAlGa
InP系混晶で３０nm程度の膜厚が許容でき、実質的なバ
リア高さを得るために必要なバリア厚さとして十分であ
る。
【００１７】本発明の半導体レーザ装置は、分離閉じ込
めヘテロ構造をなしており、量子井戸構造の活性層と、
この活性層に隣接して設けられた、圧縮歪によりフェル
ミレベルの位置が上げられた結晶からなるキャリア閉じ
込め用のｐ型ヘテロ障壁層とで構成されている。このた
め、この障壁層を構成する結晶が、圧縮歪を受けていな
い結晶で構成した場合と同じバンドギャップ、同じドー
ピング濃度である場合には、圧縮歪を受けていない結晶
で構成した場合に比べ、活性層内の電子に対する実質的
なポテンシャルバリアを高くできる。また、この障壁層
のフェルミレベルの位置を上げるのに、ドーピング濃度
を高めることなく、圧縮歪により行う構成であるため、
ドーパントの拡散による半導体層の結晶性の低下を抑制
することが可能となる。その結果、活性層からのキャリ
アオーバーフローが抑制されるので、低しきい値で高出
力の半導体レーザ装置を実現できる。また、ｐ型ヘテロ
障壁層にＡｌを含む材料を用いる場合にあっても、バン
ドギャップエネルギーＥgbを大きくする場合における伝
導帯のエネルギー差δＥcの低下を抑制することが可能
となる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明半導体レーザ装置の一実施例で、活性層１
５がＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐの量子井戸構造からなる利得導波
型可視光半導体レーザ装置１００の断面図である。ここ
では、ショットキー接合領域では電流は流れず、電流は
それ以外の領域だけを流れ、レーザ利得が生じるように
工夫されている。
【００１９】この半導体レーザ装置１００は、そのほぼ
中央にノンドープＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸活性層１５
（厚さ１０nm）を有する。そして、活性層１５の裏面側
にｎ型（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.51Ｉｎ0.49Ｐサイドバリ
ア層１４（厚さ６０nm）、ｎ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラ
ッド層１３（厚さ１．０μm）、ｎ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49
Ｐバッファ層１２（厚さ０．５μm）、ｎ型GaAs基板１
１、Au-Ge-Ni電極１１２を順に積層している。
【００２０】更に、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸活性層１
５の表面側に、ｐ型Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ歪サイドバリア層
１６（厚さ２０nm）、ｐ型（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.51Ｉ
ｎ0.49Ｐサイドバリア層１７（厚さ４０nm）、ｐ型Ａｌ
0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層１８（厚さ０．８μm）、ｐ
型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層１９（厚さ５０nm）、ｐ型
GaAsコンタクト層１１０（厚さ０．５μm）、窒化シリ
コン膜１１３、Au-Zn電極１１１を順に積層している。
【００２１】これらの各結晶層は、分子線結晶成長法で
順次成長させて形成される。この半導体レーザ装置１０
０の表面には窒化シリコン膜１１３が形成され、フォト
リソグラフの技術で中央部に窓１１４が明けられた後、
Au-Zn電極１１１が積層される。AlGaInP混晶層であるバ
ッファ層１２、クラッド層１３、サイドバリア層１４、
活性層１５、サイドバリア層１７、クラッド層１８、中
間層１９の各層はGaAsに格子整合する組成であり、ｐ型
Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ歪サイドバリア層１６のみが約０．９
％の格子不整合をもち、圧縮応力を受ける。
【００２２】上記したように、この半導体レーザはIn
P、GaInPの薄い層（数nm〜数１０nm）が交互に積み重ね
られている。このように層厚を量子力学的なサイズ効果
の影響が出て来る程度まで薄くすると、それまでバンド
構造をとっていたエネルギー状態が不連続なエネルギー
状態へと変化する。その結果、これまでと原理の異なっ
た半導体レーザが実現される可能性がある。
【００２３】ｐ型Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ歪サイドバリア層１
６のバンドギャップエネルギーは、無歪状態でｎ型（Ａ
ｌ0.55Ｇａ0.45）0.51Ｉｎ0.49Ｐサイドバリア層１４、
ｐ型（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.51Ｉｎ0.49Ｐサイドバリア
層１７のバンドギャップエネルギーと同じで、直接遷移
領域で約２．２５ｅＶであり、圧縮歪が加わった状態で
はこれより大きくなる。
【００２４】図２は、本発明半導体レーザ装置の他の実
施例で、活性層２５がＧａ0.55Ｉｎ0.45Ｐの量子井戸構
造からなる利得導波型可視光半導体レーザ装置の断面図
である。この半導体レーザ装置２００は、そのほぼ中央
にノンドープＧａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ量子井戸活性層２５
（厚さ１０nm）を有する。そして、Ｇａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ
量子井戸活性層２５の裏面側にｎ型（Ａｌ0.55Ｇ
ａ0.45）0.51Ｉｎ0.49Ｐサイドバリア層２４（厚さ６０
nm）、ｎ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層２３（厚さ
１．０μm）、ｎ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐバッファ層２２
（厚さ０．５μm）、ｎ型GaAs基板２１、Au-Ge-Ni電極
２１２を順に積層している。
【００２５】更に、Ｇａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ量子井戸活性層
２５の表面側には、ｐ型Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ歪サイドバリ
ア層２６（厚さ２０nm）、ｐ型（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）
0.51Ｉｎ0.49Ｐサイドバリア層２７（厚さ４０nm）、ｐ
型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層２８（厚さ０．８μ
m）、ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層２９（厚さ５０n
m）、ｐ型GaAsコンタクト層２１０（厚さ０．５μm）、
窒化シリコン膜２１３、Au-Zn電極２１１を順に積層し
ている。
【００２６】これらの各結晶層は、分子線結晶成長法で
順次成長させて形成される。Ｇａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ量子井
戸活性層２５の表面側には、窒化シリコン膜２１３が形
成され、フォトリソグラフの技術で中央部に窓２１４が
形成された後、窒化シリコン膜２１３の上にAu-Zn電極
２１１が積層される。Ｇａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ量子井戸活性
層２５は格子不整合系であり、主に格子整合するＧａ
0.51Ｉｎ0.49Ｐ混晶よりもエネルギーギャップが広いこ
とにより、実施例１の場合よりも約１０nm程度短波長で
発振する。
【００２７】以上の実施例においては、Ｇａ0.55Ｉｎ
0.45Ｐ量子井戸活性層２５をGaInP量子井戸構造とし、
分離閉じ込め構造を有する半導体レーザ装置２００につ
いて説明した。本発明の半導体レーザ装置２００は、Ｇ
ａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ量子井戸活性層２５が通常のバルクか
らなるダブルヘテロ構造、あるいはＧａ0.55Ｉｎ0.45Ｐ
量子井戸活性層２５がAlGaInP混晶で構成されている場
合においても適用できる。
【００２８】また、本発明の半導体レーザ装置は、混晶
材料に関しても、例えばInGaAs系混晶など、基板結晶上
にそれと格子不整合する混晶が形成できる系で適用でき
る。本発明の半導体レーザ装置が結晶成長の方法によっ
て作製されないことはもちろんである。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、半導体レーザ装置は、
分離閉じ込めヘテロ構造をなしており、量子井戸構造の
活性層と、この活性層に隣接して設けられた、圧縮歪に
よりフェルミレベルの位置が上げられた結晶からなるキ
ャリア閉じ込め用のｐ型ヘテロ障壁層とで構成される。
このため、この障壁層を構成する結晶が、圧縮歪を受け
ていない結晶で構成した場合と同じバンドギャップ、同
じドーピング濃度である場合には、圧縮歪を受けていな
い結晶で構成した場合に比べ、活性層内の電子に対する
実質的なポテンシャルバリアを高くできる。また、この
障壁層のフェルミレベルの位置を上げるのに、ドーピン
グ濃度を高めることなく、圧縮歪により行う構成である
ため、ドーパントの拡散による半導体層の結晶性の低下
を抑制することができる。従って、半導体レーザ装置の
高出力動作の妨げとなるキャリアオーバーフローを抑制
でき、低しきい値で高出力の半導体レーザ装置を実現で
きる。
【００３０】また、ｐ型ヘテロ障壁層にＡｌを含む材料
を用いる場合にあっても、バンドギャップエネルギーＥ
gbを大きくする場合における伝導帯のエネルギー差δＥ
cの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である利得導波型AlGaInP半
導体レーザ装置の断面図。
【図２】本発明の他の実施例である利得導波型AlGaInP
半導体レーザ装置の断面図。
【図３】従来のAlGaInP半導体レーザー装置の断面図。
【図４】図３の半導体レーザ装置の活性層近傍に於るバ
ンド構造の解析結果を示す図。
【図５】図３の半導体レーザ装置の分離閉じ込め構造に
於て、サイドバリア層にドーピングした場合のバンド構
造の解析結果を示す図。
【図６】電子に対する実質的なポテンシャルバリアの高
さを考える概念図。
【図７】GaAsにおける電子と正孔のキャリア濃度に対す
る擬フェルミレベルの変化の違いを示す図。
【図８】図３の半導体レーザ装置の分離閉じ込め構造に
於て、サイドバリア層にドーピングした場合のバンド構
造の解析結果を示す図。
【図９】圧縮歪を加えた混晶をキャリアバリア層に用い
た場合の活性層近傍のバンド構造の概念図。
【符号の説明】
１１、２１ ｎ型GaAs基板 １２、２２ ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層 １３、２３ ｎ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層 １４、２４ ｎ型（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.51Ｉｎ
0.49Ｐサイドバリア層 １５、２５ Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸活性層１５ １６、２６ ｐ型Ａｌ0.4Ｉｎ0.6Ｐ歪サイドバリア
層 １７、２７ ｐ型（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.51Ｉｎ
0.49Ｐサイドバリア層 １８、２８ ｐ型Ａｌ0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層 １９、２９ ｐ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ中間層 １１０、２１０ ｐ型GaAsコンタクト層 １１１、２１１ Au-Zn電極 １１２、２１２ Au-Ge-Ni電極 １１３、２１３ 窒化シリコン膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細田 昌宏 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 角田 篤勇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 谷 健太郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 渡辺 昌規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−290984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−260181（ＪＰ，Ａ) 1991年（平成３年）秋季第52回応用物 理学会予稿集 ９Ｐ−ＺＭ−13ｐ．977

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 量子井戸構造の活性層と、 該活性層に隣接して設けられ、圧縮歪を受けたｐ型ヘテ
    ロ障壁層と、を有し、該ｐ型ヘテロ障壁層は混晶比を変
    えていくと間接遷移をおこす材料からなることを特徴と
    する半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】 前記圧縮歪を受けたｐ型ヘテロ障壁層
    は、その厚さが歪による転移欠陥が生じない臨界膜以下
    であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ
    装置。
  3. 【請求項３】 前記ｐ型ヘテロ障壁層のみ、又は前記ｐ
    型ヘテロ障壁層と前記活性層とが、基板に対し格子不整
    合であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導
    体レーザ装置。
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