JP3237870B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体材料を用
いた半導体レーザに係わり、特に活性層にInGaAl
P系材料を用いた半導体レーザ装置に関する。
いた半導体レーザに係わり、特に活性層にInGaAl
P系材料を用いた半導体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、高密度光ディスクシステムや高速
レーザプリンタ或いはバーコードリーダ等への応用を目
的として、短波長の半導体レーザの開発が進められてい
る。この中でも0.6μm帯(赤色)に発振波長を持つ
InGaAlP系半導体レーザは、有望な短波長の半導
体レーザとして注目されている。
レーザプリンタ或いはバーコードリーダ等への応用を目
的として、短波長の半導体レーザの開発が進められてい
る。この中でも0.6μm帯(赤色)に発振波長を持つ
InGaAlP系半導体レーザは、有望な短波長の半導
体レーザとして注目されている。
【0003】InGaAlP半導体レーザの特徴を十分
に生かして実用に供するためには、諸特性や信頼性が従
来のGaAlAs半導体レーザに劣らないものであるこ
とが要求される。
に生かして実用に供するためには、諸特性や信頼性が従
来のGaAlAs半導体レーザに劣らないものであるこ
とが要求される。
【0004】長期信頼性に関しては3〜5mWレベルで
10000時間以上、10〜20mWレベルで2000
時間以上の実用レベルのものが得られている。しかしな
がら、瞬時の電圧印加に対する破壊レベルを現わすサー
ジ耐量はGaAlAs半導体レーザに比べて著しく低
く、これがレーザ素子を実装する際の大きな問題点とな
っている。
10000時間以上、10〜20mWレベルで2000
時間以上の実用レベルのものが得られている。しかしな
がら、瞬時の電圧印加に対する破壊レベルを現わすサー
ジ耐量はGaAlAs半導体レーザに比べて著しく低
く、これがレーザ素子を実装する際の大きな問題点とな
っている。
【0005】サージによりInGaAlP半導体レーザ
が破壊されるメカニズムは、GaAlAs半導体レーザ
と同じであることが明らかとなっている。即ち、電圧印
加に対してパルス電流が流れ、そのとき発生する光のレ
ベルが活性層の光許容レベルを越えてしまい非可逆的な
破壊を起こすためである。InGaAlP半導体レーザ
の場合、この活性層の光許容レベルが小さい。また、I
nGaAlP半導体レーザにおいては、GaAlAs半
導体レーザで用いられている端面部に誘電体膜を形成す
る、或いは活性層の薄膜化といった光許容レベル向上対
策では効果がない。
が破壊されるメカニズムは、GaAlAs半導体レーザ
と同じであることが明らかとなっている。即ち、電圧印
加に対してパルス電流が流れ、そのとき発生する光のレ
ベルが活性層の光許容レベルを越えてしまい非可逆的な
破壊を起こすためである。InGaAlP半導体レーザ
の場合、この活性層の光許容レベルが小さい。また、I
nGaAlP半導体レーザにおいては、GaAlAs半
導体レーザで用いられている端面部に誘電体膜を形成す
る、或いは活性層の薄膜化といった光許容レベル向上対
策では効果がない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】このように従来のIn
GaAlP半導体レーザではサージ対策は全くなされて
おらず、活性層の光許容レベルが小さいためにサージ耐
量はGaAlAs半導体レーザに比べて著しく低いとい
う問題点があった。
GaAlP半導体レーザではサージ対策は全くなされて
おらず、活性層の光許容レベルが小さいためにサージ耐
量はGaAlAs半導体レーザに比べて著しく低いとい
う問題点があった。
【0007】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、InGaAlPのレー
ザ構造に対する最適構造パラメータを与えることによ
り、サージ耐量が十分に高く、かつ特性にも十分すぐれ
た半導体レーザ装置を提供することにある。
ので、その目的とするところは、InGaAlPのレー
ザ構造に対する最適構造パラメータを与えることによ
り、サージ耐量が十分に高く、かつ特性にも十分すぐれ
た半導体レーザ装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、InG
aAlPからなる活性層を有する半導体レーザにおい
て、クラッド層を薄くする、又はクラッド層中に光吸収
層を形成することにより導波モード損失を増加させ、外
部微分量子効率を低くすることにより印加パルスに対す
る内部光出力の増加を抑えることにある。
aAlPからなる活性層を有する半導体レーザにおい
て、クラッド層を薄くする、又はクラッド層中に光吸収
層を形成することにより導波モード損失を増加させ、外
部微分量子効率を低くすることにより印加パルスに対す
る内部光出力の増加を抑えることにある。
【0009】
【0010】即ち本発明は、第1導電型半導体基板上
に、In1-v (Ga1-x Alx )v Pからなる第1導電
型クラッド層,In1-v (Ga1-y Aly )v P活性
層,及びIn1-v (Ga1-z Alz )v Pからなる第2
導電型クラッド層を順次成長形成してなるダブルヘテロ
構造部を有する半導体レーザ装置において、第1導電型
クラッド層の厚さH1 及び第2導電型クラッド層の厚さ
H2 の少なくとも一方を、各クラッド層と活性層とのA
l組成比の差Δx1 (=x-y),Δx2 (=z-y)に対し
て、dを活性層厚,λを発振波長としたときに、 H1 ≦0.27λ(Δx1 d/λ)-1/2 H2 ≦0.27λ(Δx2 d/λ)-1/2 の範囲に設定し、より望ましくは、 0.3μm≦H1 ≦0.24λ(Δx1 d/λ)-1/2 0.3μm≦H2 ≦0.24λ(Δx2 d/λ)-1/2 の範囲に設定するようにしたものである。
に、In1-v (Ga1-x Alx )v Pからなる第1導電
型クラッド層,In1-v (Ga1-y Aly )v P活性
層,及びIn1-v (Ga1-z Alz )v Pからなる第2
導電型クラッド層を順次成長形成してなるダブルヘテロ
構造部を有する半導体レーザ装置において、第1導電型
クラッド層の厚さH1 及び第2導電型クラッド層の厚さ
H2 の少なくとも一方を、各クラッド層と活性層とのA
l組成比の差Δx1 (=x-y),Δx2 (=z-y)に対し
て、dを活性層厚,λを発振波長としたときに、 H1 ≦0.27λ(Δx1 d/λ)-1/2 H2 ≦0.27λ(Δx2 d/λ)-1/2 の範囲に設定し、より望ましくは、 0.3μm≦H1 ≦0.24λ(Δx1 d/λ)-1/2 0.3μm≦H2 ≦0.24λ(Δx2 d/λ)-1/2 の範囲に設定するようにしたものである。
【0011】また本発明は、第1導電型半導体基板上
に、InGaAlPからなる第1導電型クラッド層,I
nGaAlP活性層,及びInGaAlPからなる第2
導電型クラッド層を順次成長形成してなるダブルヘテロ
構造部を有する半導体レーザ装置において、第1導電型
クラッド層又は第2導電型クラッド層中に、活性層のバ
ンドギャップと同じか又は小さいバンドギャップを持
ち、かつ厚さが0.02μm以上の光吸収層を挿入する
ようにしたものである。
に、InGaAlPからなる第1導電型クラッド層,I
nGaAlP活性層,及びInGaAlPからなる第2
導電型クラッド層を順次成長形成してなるダブルヘテロ
構造部を有する半導体レーザ装置において、第1導電型
クラッド層又は第2導電型クラッド層中に、活性層のバ
ンドギャップと同じか又は小さいバンドギャップを持
ち、かつ厚さが0.02μm以上の光吸収層を挿入する
ようにしたものである。
【0012】
【作用】本発明によれば、クラッド層を薄くする、又は
クラッド層中に光吸収層を形成することにより、導波モ
ード損失を増加させて外部微分量子効率を低くすること
ができる。従って、電圧印加に対してパルス電流が流れ
たとき、その小さい外部微分量子効率のために、発生す
る光のピーク値が抑えられ、これによって非可逆的な破
壊を抑制することが可能となる。
クラッド層中に光吸収層を形成することにより、導波モ
ード損失を増加させて外部微分量子効率を低くすること
ができる。従って、電圧印加に対してパルス電流が流れ
たとき、その小さい外部微分量子効率のために、発生す
る光のピーク値が抑えられ、これによって非可逆的な破
壊を抑制することが可能となる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。
説明する。
【0014】図1は、本発明の第1の実施例に係わる半
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。図中1
1はn−GaAs基板であり、この基板11上にはn−
GaAsバッファ層12が形成されている。バッファ層
12上には、n−In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P
クラッド層13
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。図中1
1はn−GaAs基板であり、この基板11上にはn−
GaAsバッファ層12が形成されている。バッファ層
12上には、n−In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 P
クラッド層13
【0015】 (Siドープ,3〜5×1017cm-3)、 In0.5 Ga0.5 P活性層14(アンドープ)、 p−In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 Pクラッド層1
5 (Znドープ,3〜5×1017cm-3)、 p−In0.5 Ga0.5 Pエッチング停止層16 (Znドープ,3〜5×1017cm-3)、 p−In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 Pクラッド層1
7 (Znドープ,3〜5×1017cm-3)、 からなるダブルヘテロ構造部が形成されている。
5 (Znドープ,3〜5×1017cm-3)、 p−In0.5 Ga0.5 Pエッチング停止層16 (Znドープ,3〜5×1017cm-3)、 p−In0.5 (Ga0.3 Al0.7 )0.5 Pクラッド層1
7 (Znドープ,3〜5×1017cm-3)、 からなるダブルヘテロ構造部が形成されている。
【0016】クラッド層17上にはp−In0.5 Ga
0.5 Pキャップ層18(Znドープ,1×1018c
m-3)が形成され、キャップ層18,クラッド層17及
びエッチング停止層16はストライプ状メサに加工され
てリッジを形成している。ダブルヘテロ構造部の各層及
びキャップ層18の格子定数はGaAs基板11と等し
く、且つクラッド層13,15のバンドギャップエネル
ギーは活性層14のそれより大きくなるように、In、
Ga、Alの組成が決定されている。
0.5 Pキャップ層18(Znドープ,1×1018c
m-3)が形成され、キャップ層18,クラッド層17及
びエッチング停止層16はストライプ状メサに加工され
てリッジを形成している。ダブルヘテロ構造部の各層及
びキャップ層18の格子定数はGaAs基板11と等し
く、且つクラッド層13,15のバンドギャップエネル
ギーは活性層14のそれより大きくなるように、In、
Ga、Alの組成が決定されている。
【0017】キャップ層18及びクラッド層15上に
は、p−GaAsコンタクト層20(Znドープ,5×
1018cm-3)が形成されている。そして、コンタクト
層20の上面に金属電極21が被着され、基板11の下
面に金属電極22が被着されている。
は、p−GaAsコンタクト層20(Znドープ,5×
1018cm-3)が形成されている。そして、コンタクト
層20の上面に金属電極21が被着され、基板11の下
面に金属電極22が被着されている。
【0018】このレーザにおける電流狭搾は、p−In
GaAlP/p−GaAsヘテロ接合と、p−InGa
AlP/p−InGaP/p−GaAsヘテロ接合にお
ける電圧降下の差を利用して行っている。即ち、中間の
バンドギャップを持つp−InGaP層を挟むとバリヤ
ーが低くなり、電圧降下を減少させることができること
を利用し、リッジ部のみにp−InGaPキャップ層1
8を設けて電流狭搾をはかっている。光導波は、ストラ
イプ状のメサに形成されたクラッド層15,17により
行われる。
GaAlP/p−GaAsヘテロ接合と、p−InGa
AlP/p−InGaP/p−GaAsヘテロ接合にお
ける電圧降下の差を利用して行っている。即ち、中間の
バンドギャップを持つp−InGaP層を挟むとバリヤ
ーが低くなり、電圧降下を減少させることができること
を利用し、リッジ部のみにp−InGaPキャップ層1
8を設けて電流狭搾をはかっている。光導波は、ストラ
イプ状のメサに形成されたクラッド層15,17により
行われる。
【0019】ここで、nクラッド層13の厚さH1 は
1.0μm、活性層14の厚さは0.04μm、pクラ
ッド層15,17の厚さH2 はリッジ部で0.7μm、
エッチング停止層16の厚さは0.01μm、メサ底部
の幅は5μmとした。なおバッファ層12は、GaAs
上に形成するInGaAlP系結晶の品質向上のために
設けた。
1.0μm、活性層14の厚さは0.04μm、pクラ
ッド層15,17の厚さH2 はリッジ部で0.7μm、
エッチング停止層16の厚さは0.01μm、メサ底部
の幅は5μmとした。なおバッファ層12は、GaAs
上に形成するInGaAlP系結晶の品質向上のために
設けた。
【0020】サージ耐量の十分高いレーザを得るために
は、構造パラメータ、ここではクラッド層厚を所定の範
囲に設定する必要があり、上述した値はその一例を示し
たものである。以下に、このクラッド層厚の最適化につ
いて説明する。
は、構造パラメータ、ここではクラッド層厚を所定の範
囲に設定する必要があり、上述した値はその一例を示し
たものである。以下に、このクラッド層厚の最適化につ
いて説明する。
【0021】まず、サージと外部微分量子効率の関係に
ついて説明する。図2にレーザに流れる電流と光出力及
び光許容レベルの関係を示す。サージは静電放電による
電圧印加に対してレーザにパルス電流が流れ(図2の挿
入図)、そのとき発生するレーザ光のレベルが活性層の
光許容レベルを越えてしまうために生じる。この時、図
3のようにレーザの外部微分量子効率ηD を小さくする
と、同じ電流値に対して光出力の増加分は小さくなり、
より高い電流レベルまで光許容レベル以下に維持するこ
とができる。即ち、サージ耐量を改善することができ
る。実際に使用する電流(光出力)レベルは光許容レベ
ルよりも低いために、外部微分量子効率が小さくなった
ことによる動作電流の増加といったことは問題にならな
い。
ついて説明する。図2にレーザに流れる電流と光出力及
び光許容レベルの関係を示す。サージは静電放電による
電圧印加に対してレーザにパルス電流が流れ(図2の挿
入図)、そのとき発生するレーザ光のレベルが活性層の
光許容レベルを越えてしまうために生じる。この時、図
3のようにレーザの外部微分量子効率ηD を小さくする
と、同じ電流値に対して光出力の増加分は小さくなり、
より高い電流レベルまで光許容レベル以下に維持するこ
とができる。即ち、サージ耐量を改善することができ
る。実際に使用する電流(光出力)レベルは光許容レベ
ルよりも低いために、外部微分量子効率が小さくなった
ことによる動作電流の増加といったことは問題にならな
い。
【0022】InGaAlP赤色レーザの場合、外部微
分量子効率ηD は約0.5の値であり、サージの場合の
ような短パルスの電流に対する光許容レベルは素子ディ
メンジョンにはあまり関係なく、約50mWのレベルで
あった。しきい値が50mAの横モード制御型レーザの
場合、図3に示すように外部微分量子効率ηD を0.3
5としたことで、サージ耐量はほぼ1.5倍(1.5倍
の電流値)まで高くすることができた。次に、レーザの
外部微分量子効率を小さくする方法について説明する。
一般に半導体レーザの外部微分量子効率ηD は、次のよ
うな式で表現される。
分量子効率ηD は約0.5の値であり、サージの場合の
ような短パルスの電流に対する光許容レベルは素子ディ
メンジョンにはあまり関係なく、約50mWのレベルで
あった。しきい値が50mAの横モード制御型レーザの
場合、図3に示すように外部微分量子効率ηD を0.3
5としたことで、サージ耐量はほぼ1.5倍(1.5倍
の電流値)まで高くすることができた。次に、レーザの
外部微分量子効率を小さくする方法について説明する。
一般に半導体レーザの外部微分量子効率ηD は、次のよ
うな式で表現される。
【0023】 1/ηD =1/ηi (1+αL/ln(1/R)) … (1) ここで、ηi は内部微分量子効率、Lは共振器長、Rは
端面反射率、αは導波損失である。αは次式示すように
いくつかの要因から構成される。 α=α1 +α2 +α3 … (2) ここで、α1 は接合平面垂直方向の導波モード損失、α
2 は接合平面に水平方向の導波損失、α3 は活性層の自
由キャリヤによる吸収損失である。このうち、α3 は材
料固有のものであり、制御は困難である。
端面反射率、αは導波損失である。αは次式示すように
いくつかの要因から構成される。 α=α1 +α2 +α3 … (2) ここで、α1 は接合平面垂直方向の導波モード損失、α
2 は接合平面に水平方向の導波損失、α3 は活性層の自
由キャリヤによる吸収損失である。このうち、α3 は材
料固有のものであり、制御は困難である。
【0024】接合平面垂直方向の導波モード損失である
α1 は導波モードの広がりがコンタクト層、或いはバッ
ファ層として用いているGaAs層に達し、吸収を受け
るために生じる。このα1 に関して、シミュレーション
による計算により解析を行った。図4にΔx=0.7の
場合についてα1 の等高線を示す。図5には活性層厚
(d)が0.06μmの場合についてα1 の等高線を示
す。
α1 は導波モードの広がりがコンタクト層、或いはバッ
ファ層として用いているGaAs層に達し、吸収を受け
るために生じる。このα1 に関して、シミュレーション
による計算により解析を行った。図4にΔx=0.7の
場合についてα1 の等高線を示す。図5には活性層厚
(d)が0.06μmの場合についてα1 の等高線を示
す。
【0025】等高線は、クラッド層厚に対して大きく依
存する。図1に示すようなリッジ型レーザの場合、クラ
ッド層の膜厚Hを十分厚くしたとき、αは約10cm-1
となる。この値に対して外部微分量子効率を効果的に小
さくさせる値としてα1 を10cm-1以上とする範囲は
近似的に次式で与えられる。 H≦0.27λ(Δxd/λ)-1/2 … (3)
存する。図1に示すようなリッジ型レーザの場合、クラ
ッド層の膜厚Hを十分厚くしたとき、αは約10cm-1
となる。この値に対して外部微分量子効率を効果的に小
さくさせる値としてα1 を10cm-1以上とする範囲は
近似的に次式で与えられる。 H≦0.27λ(Δxd/λ)-1/2 … (3)
【0026】nクラッド層,pクラッド層のAl組成が
異なる場合には、それに対応して各クラッド層での導波
モードの広がりが変わるため、それぞれの膜厚H1 ,H
2 のどちらかを次式の範囲に設定すればよい。 H1 ≦0.27λ(Δx1 d/λ)-1/2 … (4) H2 ≦0.27λ(Δx2 d/λ)-1/2 … (5)
異なる場合には、それに対応して各クラッド層での導波
モードの広がりが変わるため、それぞれの膜厚H1 ,H
2 のどちらかを次式の範囲に設定すればよい。 H1 ≦0.27λ(Δx1 d/λ)-1/2 … (4) H2 ≦0.27λ(Δx2 d/λ)-1/2 … (5)
【0027】さらに、α1 を20cm-1以上とすれば外
部微分量子効率を小さくさせることができる。α1 を2
0cm-1以上とする範囲は、同様に近似式として次式で
与えられる。 H1 ≦0.24λ(Δx1 d/λ)-1/2 … (6) H2 ≦0.24λ(Δx2 d/λ)-1/2 … (7)
部微分量子効率を小さくさせることができる。α1 を2
0cm-1以上とする範囲は、同様に近似式として次式で
与えられる。 H1 ≦0.24λ(Δx1 d/λ)-1/2 … (6) H2 ≦0.24λ(Δx2 d/λ)-1/2 … (7)
【0028】例としてλ=0.67μm、Δx1 =Δx
2 =0.7、d=0.04μmとした場合、nクラッド
層(H1 )又はpクラッド層(H2 )のどちらかを H1 ≦0.78μm H2 ≦0.78μm なる範囲に設定すればよい。
2 =0.7、d=0.04μmとした場合、nクラッド
層(H1 )又はpクラッド層(H2 )のどちらかを H1 ≦0.78μm H2 ≦0.78μm なる範囲に設定すればよい。
【0029】図1に示す実施例では導波損失をpクラッ
ド層側で考え、素子特性を劣化させない範囲でpクラッ
ド層を薄くしている。このように導波損失を主にpクラ
ッド層側で考え、pクラッド層を積極的に薄くすること
は素子の熱抵抗低減に有効であり、導波損失を増加さ
せ、しきい値を上昇させ、外部微分量子効率を低下させ
たことによる素子特性の劣化を防ぐことができる。ま
た、素子抵抗が低減できることで電圧印加の際の時定数
を小さくできる。これは、光に晒される時間を短縮でき
るためにサージ特性改善に有利である。
ド層側で考え、素子特性を劣化させない範囲でpクラッ
ド層を薄くしている。このように導波損失を主にpクラ
ッド層側で考え、pクラッド層を積極的に薄くすること
は素子の熱抵抗低減に有効であり、導波損失を増加さ
せ、しきい値を上昇させ、外部微分量子効率を低下させ
たことによる素子特性の劣化を防ぐことができる。ま
た、素子抵抗が低減できることで電圧印加の際の時定数
を小さくできる。これは、光に晒される時間を短縮でき
るためにサージ特性改善に有利である。
【0030】一方、クラッド層を薄くし過ぎるとやはり
大きなしきい値の上昇、外部微分量子効率を低下を招き
素子特性を劣化させる。特に、0.3μm以下の厚さに
なると著しく信頼性特性が損なわれた。従って、クラッ
ド層厚は0.3μm以上にするのが望ましい。
大きなしきい値の上昇、外部微分量子効率を低下を招き
素子特性を劣化させる。特に、0.3μm以下の厚さに
なると著しく信頼性特性が損なわれた。従って、クラッ
ド層厚は0.3μm以上にするのが望ましい。
【0031】この実施例で示したようなリッジ導波型レ
ーザの場合、ストライプ幅を狭くすることによってもα
2 を増やし、外部微分量子効率を小さくすることができ
る。しかしながら、同時に光のスポット径が小さくな
り、レーザの内部光密度は大きくなり、サージ耐量を改
善することは困難である。また、端面に多層反射膜を付
けることにより端面反射率を大きくする方向でも外部微
分量子効率は小さくなるが、これも実際にはレーザの内
部光密度は大きくなっており、サージ耐量を改善するこ
とは困難である。
ーザの場合、ストライプ幅を狭くすることによってもα
2 を増やし、外部微分量子効率を小さくすることができ
る。しかしながら、同時に光のスポット径が小さくな
り、レーザの内部光密度は大きくなり、サージ耐量を改
善することは困難である。また、端面に多層反射膜を付
けることにより端面反射率を大きくする方向でも外部微
分量子効率は小さくなるが、これも実際にはレーザの内
部光密度は大きくなっており、サージ耐量を改善するこ
とは困難である。
【0032】図1の実施例では、レーザの共振器長を4
00μmとした場合でしきい値50mAで発振した。ク
ラッド層厚をいずれも1μmとした場合に比べてしきい
値は約5mA増加したが、温度特性,信頼性特性など全
く問題はなかった。パルス幅を200nsとした場合、
電流値で2倍のレベルまで非可逆的な破壊は起こさなか
った。コンデンサからの放電によるサージ特性比較にお
いても、通常の2倍以上改善されていた。
00μmとした場合でしきい値50mAで発振した。ク
ラッド層厚をいずれも1μmとした場合に比べてしきい
値は約5mA増加したが、温度特性,信頼性特性など全
く問題はなかった。パルス幅を200nsとした場合、
電流値で2倍のレベルまで非可逆的な破壊は起こさなか
った。コンデンサからの放電によるサージ特性比較にお
いても、通常の2倍以上改善されていた。
【0033】このように本実施例によれば、InGaA
lPのレーザ構造に対する最適構造パラメータを与えて
いるので、導波モード損失を増加させ、外部微分量子効
率を低くすることによって印加パルスに対する内部光出
力の増加を抑えることができる。従って、低しきい値
で、優れた素子特性を維持したサージ耐量が極めて大き
い信頼性の高い半導体レーザ装置が得ることができる。
lPのレーザ構造に対する最適構造パラメータを与えて
いるので、導波モード損失を増加させ、外部微分量子効
率を低くすることによって印加パルスに対する内部光出
力の増加を抑えることができる。従って、低しきい値
で、優れた素子特性を維持したサージ耐量が極めて大き
い信頼性の高い半導体レーザ装置が得ることができる。
【0034】図6は、本発明の第2の実施例に係わる半
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、
図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明
は省略する。
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、
図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明
は省略する。
【0035】この実施例が先に説明した第1の実施例と
異なる点は、リッジ部の側面に電流ブロック層を形成し
て、電流狭窄をより確実にしたことにある。即ち、n−
GaAs基板11上には、第1の実施例と同様にn−G
aAsバッファ層12が形成されており、その上にn−
InGaAlPクラッド層13,InGaP活性層1
4,p−InGaAlPクラッド層15,p−InGa
Pエッチング停止層16及びp−InGaAlPクラッ
ド層17からなるダブルヘテロ構造部が形成されてい
る。
異なる点は、リッジ部の側面に電流ブロック層を形成し
て、電流狭窄をより確実にしたことにある。即ち、n−
GaAs基板11上には、第1の実施例と同様にn−G
aAsバッファ層12が形成されており、その上にn−
InGaAlPクラッド層13,InGaP活性層1
4,p−InGaAlPクラッド層15,p−InGa
Pエッチング停止層16及びp−InGaAlPクラッ
ド層17からなるダブルヘテロ構造部が形成されてい
る。
【0036】クラッド層17上には、p−InGaPキ
ャップ層18が形成され、キャップ層18及びクラッド
層17はストライプ状メサに加工されてリッジを形成し
ている。エッチング停止層16上にはn−GaAs電流
ブロック層19が形成され、キャップ層18及び電流ブ
ロック層19上にはp−GaAsコンタクト層20が形
成されている。そして、コンタクト層20の上面に金属
電極21が被着され、基板11の下面に金属電極22が
被着されている。
ャップ層18が形成され、キャップ層18及びクラッド
層17はストライプ状メサに加工されてリッジを形成し
ている。エッチング停止層16上にはn−GaAs電流
ブロック層19が形成され、キャップ層18及び電流ブ
ロック層19上にはp−GaAsコンタクト層20が形
成されている。そして、コンタクト層20の上面に金属
電極21が被着され、基板11の下面に金属電極22が
被着されている。
【0037】このような構成であっても、先の第1の実
施例と同様にクラッド層の膜厚を制御することにより、
サージ耐量が十分に高く、かつ特性にも十分すぐれた半
導体レーザ装置を実現することができる。
施例と同様にクラッド層の膜厚を制御することにより、
サージ耐量が十分に高く、かつ特性にも十分すぐれた半
導体レーザ装置を実現することができる。
【0038】図7は、本発明の第3の実施例に係わる半
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、
図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明
は省略する。
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、
図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明
は省略する。
【0039】この実施例では、第1,第2の実施例とは
異なり、リッジ部を形成せずに電流狭窄を行っている。
即ち、n−GaAs基板11上にはn−GaAsバッフ
ァ層12が形成され、この上にn−InGaAlPクラ
ッド層13,InGaP活性層14及びp−InGaA
lPクラッド層15からなるダブルヘテロ構造部が形成
されている。
異なり、リッジ部を形成せずに電流狭窄を行っている。
即ち、n−GaAs基板11上にはn−GaAsバッフ
ァ層12が形成され、この上にn−InGaAlPクラ
ッド層13,InGaP活性層14及びp−InGaA
lPクラッド層15からなるダブルヘテロ構造部が形成
されている。
【0040】pクラッド層15上には、p−InGaP
キャップ層18が形成されている。キャップ層18上に
はn−GaAs電流ブロック層19が形成され、キャッ
プ層18及び電流ブロック層19上にはp−GaAsコ
ンタクト層20が形成されている。そして、コンタクト
層20の上面に金属電極21が被着され、基板11の下
面に金属電極22が被着されている。
キャップ層18が形成されている。キャップ層18上に
はn−GaAs電流ブロック層19が形成され、キャッ
プ層18及び電流ブロック層19上にはp−GaAsコ
ンタクト層20が形成されている。そして、コンタクト
層20の上面に金属電極21が被着され、基板11の下
面に金属電極22が被着されている。
【0041】このような構成であっても、各層のパラメ
ータ、特にクラッド層13,15の厚さH1 ,H2 等を
最適に設定することにより、先の第1の実施例と同様の
効果が得られる。
ータ、特にクラッド層13,15の厚さH1 ,H2 等を
最適に設定することにより、先の第1の実施例と同様の
効果が得られる。
【0042】次に、本発明の第4の実施例について説明
する。この実施例は、構造的には第1の実施例と同様で
あり、図1に示すように、n−GaAs基板11上に各
層12〜20を成長形成し、さらに電極21,22を形
成して構成されている。
する。この実施例は、構造的には第1の実施例と同様で
あり、図1に示すように、n−GaAs基板11上に各
層12〜20を成長形成し、さらに電極21,22を形
成して構成されている。
【0043】クラッド層13の厚さは1.0μm、活性
層14の厚さは0.04μm、クラッド層15,17の
厚さはリッジ部で1.0μm、エッチング停止層16の
厚さは0.02μm、メサ底部の幅は5μmとした。第
1の実施例とは、リッジ部でのクラッド層厚及びエッチ
ング停止層16の厚さが異なっている。
層14の厚さは0.04μm、クラッド層15,17の
厚さはリッジ部で1.0μm、エッチング停止層16の
厚さは0.02μm、メサ底部の幅は5μmとした。第
1の実施例とは、リッジ部でのクラッド層厚及びエッチ
ング停止層16の厚さが異なっている。
【0044】サージ耐量の十分高いレーザを得るために
は、光吸収層として機能するエッチング停止層16を所
定の範囲に設定する必要があり、上述した値はその一例
を示したものである。以下にサージ耐量を高くするため
にクラッド層中に挿入した層(ここではエッチング停止
層)の役割について説明する。
は、光吸収層として機能するエッチング停止層16を所
定の範囲に設定する必要があり、上述した値はその一例
を示したものである。以下にサージ耐量を高くするため
にクラッド層中に挿入した層(ここではエッチング停止
層)の役割について説明する。
【0045】前述したように、半導体レーザの外部微分
量子効率ηD は (1)式で表現され、また導波損失αは
(2)式で表現される。(2) 式において、接合平面垂直方
向の導波モード損失であるα1 は導波モードの広がりが
コンタクト層、或いはバッファ層として用いているGa
As層に達し、吸収を受けるために生じる。導波モード
に対して吸収となるような半導体層を設けることでもα
1 は大きくなる。本実施例ではこの半導体層として、活
性層14と同じInGaPを用いてエッチング停止層と
しても作用させている。
量子効率ηD は (1)式で表現され、また導波損失αは
(2)式で表現される。(2) 式において、接合平面垂直方
向の導波モード損失であるα1 は導波モードの広がりが
コンタクト層、或いはバッファ層として用いているGa
As層に達し、吸収を受けるために生じる。導波モード
に対して吸収となるような半導体層を設けることでもα
1 は大きくなる。本実施例ではこの半導体層として、活
性層14と同じInGaPを用いてエッチング停止層と
しても作用させている。
【0046】このように活性層14と同じ半導体層を用
いる場合でもクラッド層13,15中ではキャリヤが注
入された状態とはならないので、エッチング停止層16
は実効的に活性層14よりも小さいバンドギャップとな
る。図1に示したようなリッジ型レーザの場合、αは2
0cm-1程度となる。外部微分量子効率を効果的に小さ
くするためには、半導体層を設けることによるα1 の増
加分を20cm-1程度以上としなければならないが、本
実施例のように設定した半導体層の直接遷移型バンド吸
収により容易に実現できる。
いる場合でもクラッド層13,15中ではキャリヤが注
入された状態とはならないので、エッチング停止層16
は実効的に活性層14よりも小さいバンドギャップとな
る。図1に示したようなリッジ型レーザの場合、αは2
0cm-1程度となる。外部微分量子効率を効果的に小さ
くするためには、半導体層を設けることによるα1 の増
加分を20cm-1程度以上としなければならないが、本
実施例のように設定した半導体層の直接遷移型バンド吸
収により容易に実現できる。
【0047】しかしながら、モード特性等に影響を与え
ないようこの半導体層を薄膜にする場合には注意を要す
る。即ち、両側をバンドギャップの大きい層で挟まれた
半導体を薄膜化した場合、準位が量子化し、実効的なバ
ンドギャップが増大する。量子準位は半導体層の層厚に
依存し、図8に示すように、0.02μm以下の厚さに
なると急激に増大する傾向を示す。図8には半導体層が
InGaPの例を示したが、GaAs、GaAlAs等
でも全く同じ傾向を示す。かくのごとく外部微分量子効
率を効果的に小さくするためにはクラッド層15,17
に挿入する光吸収層としてのエッチング停止層16の層
厚を0.02μm以上の範囲に設定すればよい。
ないようこの半導体層を薄膜にする場合には注意を要す
る。即ち、両側をバンドギャップの大きい層で挟まれた
半導体を薄膜化した場合、準位が量子化し、実効的なバ
ンドギャップが増大する。量子準位は半導体層の層厚に
依存し、図8に示すように、0.02μm以下の厚さに
なると急激に増大する傾向を示す。図8には半導体層が
InGaPの例を示したが、GaAs、GaAlAs等
でも全く同じ傾向を示す。かくのごとく外部微分量子効
率を効果的に小さくするためにはクラッド層15,17
に挿入する光吸収層としてのエッチング停止層16の層
厚を0.02μm以上の範囲に設定すればよい。
【0048】このように本実施例によれば、pクラッド
層15,17中に光吸収層としてのエッチング停止層1
6を挿入し、その膜厚を最適化(0.02μm以上)す
ることにより、導波モード損失α1 を大きくして外部微
分量子効率を小さくすることができる。従って、先の第
1の実施例と同様の効果が得られる。
層15,17中に光吸収層としてのエッチング停止層1
6を挿入し、その膜厚を最適化(0.02μm以上)す
ることにより、導波モード損失α1 を大きくして外部微
分量子効率を小さくすることができる。従って、先の第
1の実施例と同様の効果が得られる。
【0049】次に、本発明の第5の実施例について説明
する。この実施例は、光吸収層を設けて導波モード損失
α1 を大きくする第4の実施例の考えを、第2の実施例
に適用したものである。即ち、構造的には第2の実施例
と同様であり、図6の構成において、エッチング停止層
16の厚さを0.02μmに設定することにより、導波
モード損失α1 を大きくして外部微分量子効率を小さく
している。このような構成であっても、第5の実施例と
同様の効果が得られる。
する。この実施例は、光吸収層を設けて導波モード損失
α1 を大きくする第4の実施例の考えを、第2の実施例
に適用したものである。即ち、構造的には第2の実施例
と同様であり、図6の構成において、エッチング停止層
16の厚さを0.02μmに設定することにより、導波
モード損失α1 を大きくして外部微分量子効率を小さく
している。このような構成であっても、第5の実施例と
同様の効果が得られる。
【0050】図9は、本発明の第6の実施例に係わる半
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、
図1及び図7と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。
導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。なお、
図1及び図7と同一部分には同一符号を付して、その詳
しい説明は省略する。
【0051】この実施例は、光吸収層を設けて導波モー
ド損失α1 を大きくする考えを、第第3の実施例構造に
適用したものである。即ち、n−GaAs基板11上に
はn−GaAsバッファ層12が形成され、その上にn
−InGaAlPクラッド層13,InGaP活性層1
4及びp−InGaAlPクラッド層15,17からな
るダブルヘテロ構造部が形成されている。そして、クラ
ッド層15,17内には、p−In0.5 Ga0.5 P光吸
収層16(Znドープ、3〜5×1017cm-3)が挿入さ
れ、この光吸収層16の厚さは0.02μm以上に設定
されている。
ド損失α1 を大きくする考えを、第第3の実施例構造に
適用したものである。即ち、n−GaAs基板11上に
はn−GaAsバッファ層12が形成され、その上にn
−InGaAlPクラッド層13,InGaP活性層1
4及びp−InGaAlPクラッド層15,17からな
るダブルヘテロ構造部が形成されている。そして、クラ
ッド層15,17内には、p−In0.5 Ga0.5 P光吸
収層16(Znドープ、3〜5×1017cm-3)が挿入さ
れ、この光吸収層16の厚さは0.02μm以上に設定
されている。
【0052】また、クラッド層17上にはp−InGa
Pキャップ層18が形成され、キャップ層18上にはn
−GaAs電流ブロック層19が形成され、さらにキャ
ップ層18及び電流ブロック層19上にはp−GaAs
コンタクト層20が形成されている。そして、コンタク
ト層20の上面に金属電極21が被着され、基板11の
下面に金属電極22が被着されている。
Pキャップ層18が形成され、キャップ層18上にはn
−GaAs電流ブロック層19が形成され、さらにキャ
ップ層18及び電流ブロック層19上にはp−GaAs
コンタクト層20が形成されている。そして、コンタク
ト層20の上面に金属電極21が被着され、基板11の
下面に金属電極22が被着されている。
【0053】このような構成であっても、光吸収層16
の存在により導波モード損失α1 が大きくなり、外部微
分量子効率を小さくすることができ、先の第1の実施例
と同様の効果が得られる。
の存在により導波モード損失α1 が大きくなり、外部微
分量子効率を小さくすることができ、先の第1の実施例
と同様の効果が得られる。
【0054】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例ではpクラッド層を単層又は
2層にしたが、このクラッド層は多重構造であってもよ
い。クラッド層が多重構造の場合でも、実効的な導波損
失が大きくなれば本発明の効果が得られる。また、ダブ
ルヘテロ構造部を構成する材料は必ずしもInGaAl
P系に限るものではなく、In,Al,Ga,As,P
等のIII-V族化合物半導体を含む他の材料系でもよい。
さらに、実施例では第1導電型をn型、第2導電型をp
型としたが、これらを逆にしてもよいのは勿論である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。
れるものではない。実施例ではpクラッド層を単層又は
2層にしたが、このクラッド層は多重構造であってもよ
い。クラッド層が多重構造の場合でも、実効的な導波損
失が大きくなれば本発明の効果が得られる。また、ダブ
ルヘテロ構造部を構成する材料は必ずしもInGaAl
P系に限るものではなく、In,Al,Ga,As,P
等のIII-V族化合物半導体を含む他の材料系でもよい。
さらに、実施例では第1導電型をn型、第2導電型をp
型としたが、これらを逆にしてもよいのは勿論である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。
【0055】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ク
ラッド層を薄く形成する、又はクラッド層中に光吸収層
を形成して、InGaAlPのレーザ構造に対する最適
構造パラメータを与えることによって、導波モード損失
を増加させ、外部微分量子効率を低くすることができ、
サージ耐量が十分に高く、かつ特性にも十分すぐれた半
導体レーザ装置を実現することが可能となる。
ラッド層を薄く形成する、又はクラッド層中に光吸収層
を形成して、InGaAlPのレーザ構造に対する最適
構造パラメータを与えることによって、導波モード損失
を増加させ、外部微分量子効率を低くすることができ、
サージ耐量が十分に高く、かつ特性にも十分すぐれた半
導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【図1】第1の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、
を示す断面図、
【図2】レーザに流れる電流と光出力及び光許容レベル
の関係を示す特性図、
の関係を示す特性図、
【図3】レーザの外部微分量子効率と電流−光出力特性
の関係を示す特性図、
の関係を示す特性図、
【図4】Δx=0.7の場合についてα1 の等高線を示
す特性図、
す特性図、
【図5】活性層厚が0.06μmの場合についてα1 の
等高線を示す特性図、
等高線を示す特性図、
【図6】第2の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、
を示す断面図、
【図7】第3の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図、
を示す断面図、
【図8】半導体層の膜厚とバンドギャップとの関係を示
す特性図、
す特性図、
【図9】第6の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を示す断面図。
を示す断面図。
11…n−GaAs基板(第1導電型半導体基板)、 12…n−GaAsバッファ層、 13…n−InGaAlPクラッド層(第1導電型クラ
ッド層)、 14…InGaP活性層、 15,17…p−InGaAlPクラッド層(第2導電
型クラッド層)、 16…p−InGaPエッチング停止層(光吸収層)、 18…p−InGaPキャップ層、 19…n−GaAs電流ブロック層、 20…p−GaAsコンタクト層、 21,22…電極。
ッド層)、 14…InGaP活性層、 15,17…p−InGaAlPクラッド層(第2導電
型クラッド層)、 16…p−InGaPエッチング停止層(光吸収層)、 18…p−InGaPキャップ層、 19…n−GaAs電流ブロック層、 20…p−GaAsコンタクト層、 21,22…電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新田 康一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 平1−286483(JP,A)
Claims (5)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成されたIn1-v(G
a1-xAlx)vPからなるn型クラッド層と、このn型
クラッド層上に形成されたIn1-v(Ga1-yAly)vP
からなる活性層と、この活性層上に形成されたIn1-v
(Ga1-zAlz)vPからなりストライプ状のリッジを
有したp型クラッド層とを具備してなり、このp型クラ
ッド層の厚さH 2 が、当該p型クラッド層と前記活性層
とのAl組成比の差Δx 2 (=z−y)に対して、dを
活性層厚,λを発振波長としたときに、0.3μm≦H 2 ≦0.24λ(Δx 2 d/λ) -1/2 を満たす範囲にあることを特徴とする半導体レーザ装
置。 - 【請求項2】 前記n型クラッド層の厚さH 1 が、当該
n型クラッド層と前記活性層とのAl組成比の差Δx 1
(=x−y)に対して、dを活性層厚,λを発振波長と
したときに、 0.3μm≦H 1 ≦0.24λ(Δx 1 d/λ) -1/2 を満たす範囲にあることを特徴とする請求項1記載の半
導体レーザ装置。 - 【請求項3】 前記p型クラッド層は第1の部分及びそ
の上に形成された第2の部分を備え、この第2の部分が
ストライプ状のリッジを構成することを特徴とする請求
項1又は2記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項4】 前記p型クラッド層の第1の部分及び第
2の部分の間に、前記活性層のバンドギャップと同じか
又は小さいバンドギャップを持ち、かつ厚さが0.02
μm以上の光吸収層を挿入してなることを特徴とする請
求項1乃至3のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項5】 前記光吸収層は、前記p型クラッド層の
第1の部分及び第2の部分の間に選択的に形成されてい
ることを特徴とする請求項4記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18755691A JP3237870B2 (ja) | 1991-07-26 | 1991-07-26 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18755691A JP3237870B2 (ja) | 1991-07-26 | 1991-07-26 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0537069A JPH0537069A (ja) | 1993-02-12 |
JP3237870B2 true JP3237870B2 (ja) | 2001-12-10 |
Family
ID=16208146
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18755691A Expired - Fee Related JP3237870B2 (ja) | 1991-07-26 | 1991-07-26 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3237870B2 (ja) |
-
1991
- 1991-07-26 JP JP18755691A patent/JP3237870B2/ja not_active Expired - Fee Related
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---|---|
JPH0537069A (ja) | 1993-02-12 |
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