JP3242955B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP3242955B2 JP27291091A JP27291091A JP3242955B2 JP 3242955 B2 JP3242955 B2 JP 3242955B2 JP 27291091 A JP27291091 A JP 27291091A JP 27291091 A JP27291091 A JP 27291091A JP 3242955 B2 JP3242955 B2 JP 3242955B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、化合物半導体材料を用いた半導
体レーザ装置に係わり、特に共振器方向端面部に電流非
注入領域（阻止領域）を設け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ー等への応用を
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系レーザや０．８μｍ帯（赤外）に
発振波長を持つＧａＡｌＡｓ系レーザは、有望な短波長
の半導体レーザとして注目を集めている。また、光ディ
スク等の応用分野を中心として、３０ｍＷ級の高出力レ
ーザも強く望まれるようになっている。
【０００３】この種の要望に答えるため最近、端面部の
活性層のバンドギャップを大きくすることで発振波長に
対して端面部を透明とした窓構造のレーザや、端面部に
電流非注入領域を設けた端面部電流非注入構造のレーザ
が提案されている。
【０００４】窓構造のレーザは、端面部が発振波長に対
して透明であることから、ＣＯＤ（Catastrophic Optic
al Damage ）劣化を防ぐことができ、飛躍的な高出力化
が期待できる。このため、超３０ｍＷ級、或いは高出力
化と短波長化を同時に実現するといった目的には重要な
技術と考えられる。しかし、このレーザを作成するには
複雑なプロセスを必要とする。
【０００５】一方、端面部電流非注入構造のレーザは、
比較的簡単なプロセスで作成でき、端面部の温度上昇を
抑制する、端面部でのキャリアの再結合を抑制する、等
の効果で高出力化が期待できる。しかし、端面部の電流
非注入領域では、注入領域に比較して励起されたキャリ
アが不足気味となり、端面部で実効的にバンドギャップ
が小さくなってしまう。このため、発振波長に対して端
面部で光吸収が生じ、ＣＯＤレベルが低下するなど高出
力化がリミットされる大きな問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、高出
力化に有望な端面部電流非注入構造の半導体レーザにお
いては、端面部での活性層のバンドギャップが実効的に
小さくなってしまい、これがＣＯＤレベルの低下を招
き、十分な高出力化を阻害する要因となっていた。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、端面部における光吸収を抑制することが
でき、ＣＯＤレベルが高く、且つ高出力特性に優れた端
面部電流非注入構造の半導体レーザ装置を提供すること
にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、端面部
を電流非注入構造にした半導体レーザにおいて、端面部
での光吸収を抑制するために、利得のピーク波長（発振
波長）を長波長側にシフトさせたことにある。
【０００８】即ち本発明は、基板上に設けられた、活性
層をクラッド層で挟んでなるダブルヘテロ構造部と、こ
のダブルヘテロ構造部の少なくとも一方の共振器方向端
面部に設けられた電流阻止領域とを備えた端面部電流非
注入構造（電流阻止構造）の半導体レーザ装置におい
て、前記活性層における発振波長を該活性層のバンドギ
ャップよりも３５ｍｅＶ以上小さいバンドギャップに相
当する長波長側に制御する波長制御構造部を設けるよう
にしたものである。
【０００９】また、本発明の望ましい実施態様として
は、次の(1) 〜(3) が上げられる。 (1) 活性層の厚さを０．０４〜０．１μｍの範囲に設定
すること。 (2) 半導体基板として［１００］方向から［００１］方
向に２°以上傾斜させたＧａＡｓ基板を用い、ダブルヘ
テロ構造部をＩｎＧａＡｌＰ系材料から形成すること。 (3) 電流非注入領域を端面部の一方に設け、高反射コー
トを電流非注入領域とは反対側の端面に設けること。
【００１０】また本発明は、化合物半導体基板上に設け
られた、活性層をクラッド層で挟んでなるダブルヘテロ
構造部と、このダブルヘテロ構造部の少なくとも一方の
共振器方向端面部に設けられた電流非注入領域と、活性
層における発振波長を制御する回折格子等からなる波長
制御構造部とを備えた半導体レーザ装置において、波長
制御構造部により、活性層における発振波長を該活性層
のバンドギャップよりも３５ｍｅＶ以上大きなバンドギ
ャップに相当する長波長側にシフトするようにしたもの
である。
【００１１】
【作用】本発明によれば、共振器方向端面部に高反射コ
ートを設けることにより、発振波長が活性層のバンドギ
ャップに相当する波長よりも長くなる。このため、端面
部は実効的に発振波長に対して光吸収が極めて起こりに
くいものとなり、ＣＯＤレベルが改善されると共に、信
頼性も向上させることができる。また、回折格子等の波
長制御構造部を用いて発振波長の長波長化をはかった場
合も、上記と同様にＣＯＤレベルが改善され、特に活性
層のバンドギャップよりも３５ｍｅＶ以上大きなバンド
ギャップに相当する波長にすれば、ＣＯＤレベルの改善
が著しいものとなる。
【００１２】
【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。
【００１３】図１は、本発明の第１の実施例に係わる半
導体レーザの概略構成を一部切欠して示す斜視図であ
る。図中１１は［１００］から［００１］方向に５°傾
けた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（Ｓｉドープ，３〜５×１０17ｃ
ｍ-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１５（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１７（Ｚｎドープ，３〜５
×１０17ｃｍ-3）からなるダブルヘテロ接合構造部が形
成されている。クラッド層１７はストライプ状のメサに
加工され、このクラッド層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）が形成されている。
【００１４】ここで、ダブルヘテロ接合の各層１３〜１
７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、Ｉ
ｎ，Ｇａ，Ａｌの組成が決定されている。
【００１５】クラッド層１７の側部には、ｎ−ＧａＡｓ
電流狭窄層１９が形成され、この電流狭窄層１９及びキ
ャップ層１８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。
ここで、電流狭窄層１９は、図に示すように共振器方向
の一方（前面）の端面部上にも形成されており、この部
分は電流非注入領域となっている。電流非注入領域の長
さは２５μｍとした。そして、コンタクト層２０の上面
にｐ側電極２１が形成され、基板１１の下面にｎ側電極
２２が形成されている。さらに、共振器方向の他方（後
面）の端面には、高反射コート２３が形成されている。
【００１６】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。クラッド層１
３の厚さは０．８μｍ、活性層１４の厚さは０．０５μ
ｍ、クラッド層１５，１７の厚さはリッジ部で０．８μ
ｍ、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。なお、バッファ層１２は、Ｇ
ａＡｓ上に形成するＩｎＧａＡｌＰ系結晶の品質向上の
ためであり、必ずしも必要ない。
【００１７】基本的な構成は従来の端面部電流非注入構
造と同様であるが、これに加え本実施例では、前面（非
注入領域を有する側）に２０％の低反射率、後面に９５
％の高反射コート２３を行ったこと、さらに基板１１の
面方位及び活性層１４の膜厚を最適化したことを特徴と
する。
【００１８】なお、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０の成
長後にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１９の下のｐ−クラッド
層１５中のＺｎを選択的に拡散させ、活性層１４の自然
超格子を無秩序化させ電流非注入領域を同時に窓部とす
る構造も提案されているが、本実施例ではこのような拡
散は行わせず、電流非注入領域の活性層１４のバンドギ
ャップは他のストライプ部分と同じである。自然超格子
を無秩序化させた窓構造レーザでは長期信頼性に関して
無秩序化が原因と考えられる劣化を示すものが生じた
が、本実施例の構造ではこの問題は回避されている。
【００１９】ＣＯＤレベルを改善し、高出力動作におい
ても高い信頼性を確保したレーザを得るためには、端面
コートを含めた、半導体レーザの構造パラメータを所定
の範囲に設定する必要があり、上述した値はその一例で
ある。以下に、端面部電流非注入レーザにおける利得の
ピークを長波長方向にシフトさせることを中心とした構
造パラメータの最適化について説明する。
【００２０】最初に、半導体レーザの端面における発振
光の吸収に関して説明する。一般に半導体のバンドギャ
ップは温度により変化を受け、また光吸収に関しては励
起されたキャリアの密度によっても実効的な影響を受け
る。入射光に対する光吸収係数はバンドギャップ付近で
は波長に大きく依存して変化していく。半導体レーザの
端面では、表面準位などの形成のために実効的なバンド
ギャップが小さくなる問題もある。
【００２１】端面部電流非注入レーザでは、端面部に電
流が注入されないために温度上昇が抑制される。この効
果は、ＩｎＧａＡｌＰ，ＧａＡｓ等の半導体層の熱伝導
率を考慮した計算によると２０〜３０℃になる。バンド
ギャップに換算すると、４〜６ｎｍの短波長側へのシフ
トが得られる。一方、キャリアの注入も抑制されるた
め、非励起のキャリアが多数存在することになり、端面
部では光吸収を増大する方向に向かう。
【００２２】しかしながら、半導体レーザの活性層に用
いられる直接遷移型の半導体は、入射光強度に対して吸
収係数が変化し、ある程度以上では透明となる過飽和吸
収の性質を有しており、ここで議論するＣＯＤ付近のレ
ベルではキャリアの非注入のための光吸収増大といった
問題は小さい。
【００２３】端面部電流非注入レーザの端面における発
振光の吸収に関して制御可能な因子として重要なのは、
発振波長すなわち利得のピークを極力、長波長方向にシ
フトさせることである。本実施例のような端面出射型レ
ーザでは、共振器方向にキャリアの損失を受けるため、
一般にバンド端より１０ｎｍ程度長波長側に利得のピー
クが立つ。
【００２４】端面部電流非注入レーザにおいてこれより
さらに利得のピークを長波長側にシフトさせることがで
きれば、前述した温度上昇が抑制されることによる端面
部のバンドギャップの短波長側へのシフト効果と重な
り、端面部の光吸収を激減させることができる。バンド
端と利得のピーク差が２０ｎｍ程度になれば、疑似的に
窓構造と同等レベルまでＣＯＤレベルを改善できる。ピ
ーク差が２０ｎｍ以下であっても、端面部の光吸収を減
らせるため、信頼性に関しては、格段の向上が得られ
る。
【００２５】ここで、利得のピークを長波長側にシフト
する方法としては、 (1) 発振時の電流密度、キャリア密度を小さくする。 (2) 結晶成長条件を最適化する。 という方法が挙げられる。
【００２６】(1) の方法は注入キャリア密度を減らすほ
ど利得のピークが長波長側にシフトするという利得の特
性を利用したものであり、具体的に本発明者らが効果を
見出したものとして、高反射コートの採用、活性層厚の
最適化、さらに片端面部のみに電流非注入領域を設ける
ことが挙げられる。高反射コートは反射損失を低減でき
るため、電流密度，キャリア密度の低減に効果がある。
自然へき開面よりも反射率が高ければ効果は得られる
が、十分な効果を得るためには８０％以上の反射率が望
ましい。本実施例では片側９５％とすることで、しきい
電流値は２０％低減できた。光の出射側においては、し
きい電流値を大きく上げない範囲で、端面内部光密度を
低減する目的で反射率を下げることは問題ない。
【００２７】図２に、活性層厚と発振波長との関係を示
す。活性層厚が０．０４μｍ以下では発振波長の短波長
化が始まる。これは、光のしみ出しが大きくなり、しき
い電流密度が大きくなること、活性層の薄膜化によるキ
ャリア密度の増加に伴う本質的な利得のピークの振舞い
のためである。よって、活性層厚は０．０４μｍ以上が
望ましい。一方、０．１μｍ以上となるとしきい電流密
度自身の上昇が急激になり、また活性層内部の光密度も
上昇するため、ＣＯＤレベルは低下し、本実施例のよう
な端面部電流非注入レーザによる高出力化は困難にな
る。よって、活性層厚は０．１μｍ以下とするのが望ま
しい。
【００２８】上述した方法によれば、電流非注入領域で
も損失を小さくできるため、しきい値の上昇などは起き
にくいが、へき開の容易さなどを考慮すると、非注入領
域を片端面に設けるのが望ましい。
【００２９】(2) の方法に関して本発明者らは、主面の
軸方向が［１００］から［００１］方向に傾斜した基板
を用いることで顕著な効果を見出した。図３に、基板表
面の傾斜角度と、発振波長とＰＬ波長（バンド端に相
当）の差との関係を示す。通常１０ｎｍのところが、２
°以上傾斜すると１５ｎｍと大きくなった。この理由は
明確には明らかではないが、自然超格子の無秩序化と関
与した現象であると考えられる。
【００３０】このように構造パラメータの最適化を行っ
た図１の実施例レーザは、共振器長を４００μｍとした
場合でしきい値５０ｍＡで発振し、１００ｍＷまでＣＯ
Ｄを起こさなかった。図４に、通常のレーザ，端面部電
流非注入構造レーザ，及び高反射コートした端面部電流
非注入構造レーザの信頼性を示す。５０℃，２０ｍＷの
条件で通常のレーザは数百時間で劣化し、非注入レーザ
でも１０００時間で劣化したのに対し、高反射コートし
た非注入レーザでは２０００時間以上安定した動作を続
けている。
【００３１】このように本実施例によれば、端面部電流
非注入の構造に加え、一方の端面に高反射コート２３を
形成し、さらに基板１１の面方位，活性層１４の膜厚等
を最適化することにより、発振波長を長波長側にシフト
させることができる。このため、端面部での光吸収を抑
制してＣＯＤレベルの向上をはかり、高出力化と共に信
頼性の向上をはかることができる。
【００３２】図５は、本発明の第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である。この実施例
が先に説明した第１の実施例と異なる点は、回折格子を
用いた分布帰還型（ＤＦＢ）構造として、波長をより積
極的に長波長側にシフトしたことにある。
【００３３】図中５１は［１００］から［００１］方向
に５°傾けたｎ−ＧａＡｓ基板であり、この基板５１上
にはｎ−ＧａＡｓバッファ層５２が形成されている。バ
ッファ層５２上には、ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５
３，ＩｎＧａＰ活性層５４，ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.65Ａ
ｌ0.35）0.5 Ｐ第１光ガイド層５５，ｐ−Ｉｎ0.5 （Ｇ
ａ0.9 Ａｌ0.1 ）0.5 Ｐ第２光ガイド層５６，及びｐ−
ＩｎＧａＡｌＰクラッド層５７からなるダブルヘテロ接
合構造部が形成されている。クラッド層５７上にはｐ−
Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐキャップ層５８（Ｚｎドープ，１×
１０18ｃｍ-3）が形成されている。
【００３４】ここで、光ガイド層５５，５６を除くダブ
ルヘテロ接合の各層及びキャップ層５８における組成や
不純物ドーピング量等は先の第１の実施例と同様に設定
されている。活性層５４のＰＬ波長（バンド端に相当す
る）は６６０ｎｍであるが、第２光ガイド層５６に形成
された回折格子の周期は６８０ｎｍに結合するように設
定されている。
【００３５】ストライプ部を除いたダブルヘテロ構造部
上には、ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層５９が形成され、この
電流狭窄層５９及びキャップ層５９上には、ｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層６０が形成されている。電流狭窄層５９
は接合平面平行方向にストライプを形成している。ま
た、図のように、前面端面上にも形成されており、端面
部電流非注入構造となっている。電流非注入領域の長さ
は２５μｍとした。そして、コンタクト層６０の上面に
ｐ側電極６１が形成され、基板５１の下面にｎ側電極６
２が形成されている。さらに、後面には９５％の高反射
コート６３が形成されている。
【００３６】本実施例では、利得のピークを長波長側に
シフトする方法として、ＤＦＢ構造を積極的に採用し、
分布帰還を構成する回折格子の結合波長とバンド端との
ピーク差をエネルギー換算で５０ｍｅＶに設定してい
る。この構造によって、容易に端面部の光吸収を防止で
きる発振波長を設定することができる。図６に、回折格
子の結合波長とバンド端のピーク差と、ＣＯＤレベルと
の関係を示す。ピーク差が３５ｍｅＶ以下では１５ｍＷ
程度にＣＯＤが存在するのに対して、３５ｍｅＶ以上で
はＣＯＤは殆ど起こさなかった。
【００３７】利得のピークを長波長側にシフトさせる他
の方法としては、第１の実施例でも説明したように、発
振時の電流密度，キャリア密度を小さくする方法、さら
には結晶成長条件を最適化する方法が挙げられる。本実
施例でもこれらの方法を採用することにより、より一層
の長波長化を可能としている。
【００３８】このように構造パラメータの最適化を行っ
た図５の実施例レーザは、共振器長を４００μｍとした
場合でしきい値５５ｍＡで発振し、１２０ｍＷまでＣＯ
Ｄを起こさなかった。
【００３９】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、活性層としてＩｎＧａ
Ｐを用いたが、ＩｎＧａＡｌＰの四元混晶を用いてもよ
い。さらに、活性層及びクラッド層として、Ａｓ，Ｎ，
Ｚｎ，Ｓｅ，Ｂ等を含む他の材料を用いてもよい。ま
た、レーザ構造は、図１，図５に示す構造に限定される
ものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。ま
た、発振波長の制御に関しても、ＤＦＢに限らずレーザ
外部に波長制御構造を組み合わる構造であれば適用する
ことが可能である。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。
【００４０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、端
面部を電流非注入構造にした半導体レーザにおいて、利
得のピーク波長を長波長側にシフトさせ、端面部での光
吸収を抑制することにより、ＣＯＤレベルが高く、且つ
高出力化特性にも十分に優れた半導体レーザ装置を実現
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係わる半導体レーザの概略構成
を一部切欠して示す斜視図、
【図２】活性層厚と発振波長との関係を示す特性図、
【図３】傾斜角度と発振波長とＰＬの差の関係を示す特
性図、
【図４】実施例レーザの信頼性を従来レーザと比較して
示す特性図、
【図５】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、
【図６】回折格子の結合波長とバンド端とのピーク差
と、ＣＯＤレベルとの関係を示す特性図。
【符号の説明】
１１，５１…ｎ−ＧａＡｓ基板、 １２，５２…ｎ−ＧａＡｓバッファ層、 １３，５３…ｎ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、 １４，５４…ＩｎＧａＰ活性層、 １５，１７，５７…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、 １６…ｐ−ＩｎＧａＰエッチング停止層、 １８，５８…ｐ−ＩｎＧａＰキャップ層、 １９，５９…ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層、 ２０，６０…ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、 ２１，２２，６１，６２…電極、 ２３，６３…高反射コート、 ５５，５６…ｐ−ＩｎＧａＡｌＰ光ガイド層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−183498（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−206191（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−222487（ＪＰ，Ａ) 1991年（平成３年）秋季第52回応用物 理学会学術講演会予稿集第３分冊 ９ｐ −ＺＭ−６ ｐ．974，2001年９月15日 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ ｌ．27 Ｎｏ．８（1991）ｐ．661− 662，2001年９月15日 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に設けられた、活性層をクラッド層
    で挟んでなるダブルヘテロ構造部と、このダブルヘテロ
    構造部の少なくとも一方の共振器方向端面部に設けられ
    た電流阻止領域と、前記活性層における発振波長を該活
    性層のバンドギャップよりも３５ｍｅＶ以上小さいバン
    ドギャップに相当する長波長側に制御する波長制御構造
    部とを具備してなることを特徴とする半導体レーザ装
    置。
  2. 【請求項２】前記活性層の厚さは、０．０４μｍ以上で
    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。
  3. 【請求項３】前記基板は［１００］方向から［００１］
    方向に２°以上傾斜させたＧａＡｓ基板であり、前記ダ
    ブルヘテロ構造部はＩｎＧａＡｌＰ系材料からなること
    を特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
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