JP3555727B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク、レーザビームプリンタ及び光伝送等の分野において光源として用いられる半導体レーザ素子に関し、特に多重量子井戸構造の活性層を有する半導体レーザ素子の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の低電流化のために、例えば、特公平4−67354号公報には、活性層に電子のドブロイ波長以下の層厚、即ち、約20nm以下の量子井戸層を多重に設けた多重量子井戸(MQW:Multiple Quantum
Well)活性層を用いることが記載されている。
【0003】
図13に示すように、この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板701上に、n−GaAsバッファ層702、n−AlGaAsクラッド層703、n−AlGaAsガイド層704、MQW活性層705、p−AlGaAsガイド層706、p−AlGaAsクラッド層707及びp−GaAsキャップ層708が順次積層された構造を有する。
【0004】
ここで、MQW活性層705は、複数のGaAs量子井戸層710と、量子井戸層710で挟まれたAlGaAs量子障壁層711とからなり、この量子井戸層3層と量子障壁層2層による交互の繰り返しにより構成されている。
【0005】
図14は、このMQW活性層705付近における各層のエネルギーバンドダイヤグラムである。n−AlGaAsガイド層704及びp−AlGaAsガイド層706の禁制帯幅は共に量子障壁層711の禁制帯幅と等しく設定されている。ガイド層704、706の禁制帯幅と量子障壁層711の禁制帯幅を等しくすることにより、量子井戸層710は全て同じ禁制帯幅の半導体層で挟まれるので、量子井戸層710間で量子化準位の拡がりは小さくなり、発光スペクトルが狭くなることにより、閾値電流の低減が可能となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近の半導体レーザ素子においては、閾値電流のさらなる低減が要求されており、上記の従来例で閾値電流をさらに低減せんとすれば、MQW活性層の量子井戸層への光の閉じ込め率を増大させる必要がある。従って、従来例ではガイド層の層厚を厚くしていた。
【0007】
しかし、ガイド層の層厚を厚くすると次に述べる問題が発生する。
【0008】
一般に、ガイド層のドーパント濃度は、ガイド層からMQW活性層へのドーパント拡散を抑制するために、通常、クラッド層のドーパント濃度よりかなり低く設定するか、又はノンドープに設定する。そのために、ガイド層を厚くすると、ガイド層における素子抵抗の増大の影響で、動作電圧が増大する。従って、従来例では、閾値電流を低減できるものの、動作電圧の増大による特性悪化という新たな問題が生じていた。
【0009】
また、この従来例では、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅と等しく設定している。このことは、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比と同じまで高く設定することに相当する。従って、この場合には、クラッド層からのドーパントが活性層まで拡散して量子井戸層のAl組成比が変化し易くなって、発振波長が設定値からずれてしまい、波長制御が困難になるといった問題が生じていた。
【0010】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、動作電圧の増大を伴わずに閾値電流を低減することが可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【0011】
また、本発明の他の目的は、併せて発振波長ずれを防止することが可能な半導体レーザ素子を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、少なくともAlを含む複数の量子井戸層のそれぞれと、禁制帯幅が等しく少なくともAlを含む複数の量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層を挟んで、少なくともAlを含む第1ガイド層及び少なくともAlを含む第2ガイド層が設けられた半導体レーザ素子であって、該第1ガイド層及び該第2ガイド層を該量子井戸層に隣接させると共に該第1ガイド層及び該第2ガイド層の禁制帯幅を該量子井戸層の禁制帯幅より大きくし、且つ、該第1ガイド層及び該第2ガイド層のAl組成比を該量子障壁層のAl組成比よりも小さくして、該第1ガイド層及び該第2ガイド層の禁制帯幅を該量子障壁層の禁制帯幅よりも小さくし、前記第1ガイド層及び前記第2ガイド層を挟むように第1導電型の第1クラッド層と第2導電型の第2クラッド層が設けられ、該第2クラッド層の外側であって該第1クラッド層と反対側の位置に第2導電型の第3クラッド層が設けられ、該第1クラッド層と該第3クラッド層との間に前記活性層のレーザ発振光のエネルギーと略等しい発光エネルギーを有する可飽和吸収層を設けており、そのことにより上記目的が達成される。
【0015】
また、好ましくは、前記第1ガイド層及び前記第2ガイド層を挟むように第1導電型の第1クラッド層と第2導電型の第2クラッド層が設けられ、該第2クラッド層の外側であって該第1クラッド層と反対側の位置に第2導電型の第3クラッド層がストライプ状に形成され、ストライプ内部の活性層に閉じ込められた光の屈折率nとストライプ外部の活性層に閉じ込められた光の屈折率nとの差Δnが下記(1)式の条件
2×10−3≦Δn≦7×10−3・・・・(1)
を満たす構成とする。
【0017】
また、好ましくは、前記第1ガイド層又は前記第2ガイド層の禁制帯幅が異なる場合に、小さい方の禁制帯幅を前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きくした構成とする。
【0018】
また、好ましくは、前記第1ガイド層又は前記第2ガイド層の禁制帯幅の内、小さい方の禁制帯幅をEg、前記量子障壁層の禁制帯幅をEb、前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅をEλとした場合に、Eg、Eb及びEλが下記(2)式の条件
Eλ+100meV≦Eg≦Eb−50meV・・・・(2)
を満たす構成とする。
【0019】
以下に、本発明の作用について説明する。
【0020】
上記構成において、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることは、ガイド層の屈折率を量子障壁層の屈折率より大きく設定することに相当する。従って、MQW活性層の量子井戸層への光の閉じ込め率が増大し、閾値電流が低減する。しかも、上記従来例のように閾値電流の低減のためにガイド層の層厚を厚くする必要もないので、素子抵抗の増大に伴う動作電圧の増大も抑制される。
【0021】
また、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることは、例えば、Al系半導体層の場合は、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比より小さく設定することに相当する。このため、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散が抑制される。従って、MQW活性層へのドーパント拡散が抑制されるので、MQW活性層の量子井戸層のAl組成比の変化が抑制され発振波長ずれが防止される。
【0022】
また、ガイド層の禁制帯幅を制御することは屈折率を制御することに相当する。従って、2つのガイド層の屈折率をそれぞれ適当な値に設定して、垂直放射角を調整することが可能となる。
【0023】
さらに、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比より小さく設定することにより、ガイド層の非発光再結合準位の数が低減する。このため、量子井戸層からガイド層に漏れだしたキャリヤに対して、非発光再結合が抑制される。その結果、キャリヤが発光に有効に利用され、閾値電流の低減が可能となる。
【0024】
加えて、MQW活性層のレーザ発振光の禁制帯幅と略等しい発光エネルギーの禁制帯幅を有する可飽和吸収層を、2つのクラッド層の間、例えば、上記第1クラッド層と上記第2クラッド層の間又は上記第1クラッド層と上記第3クラッド層の間に設ける構成による場合には、可飽和吸収効果によりレーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音が低減される。
【0025】
尚、この可飽和吸収層を設ける構成による場合には、MQW活性層と可飽和吸収層の間のクラッド層のドーパントが可飽和吸収層で拡散が抑制され、MQW活性層側への拡散が増大することが考えられる。しかしながら、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比より小さく設定しているため、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散が抑制される。従って、MQW活性層へのドーパント拡散が抑制されるので、MQW活性層の量子井戸層のAl組成比の変化が抑制され発振波長ずれが防止される。
【0026】
さらに、ストライプ状の第3クラッド層を設け、上記屈折率差Δnを上記(1)式の範囲内で設定すると、ストライプ外部の活性層における可飽和吸収量が増大し、ストライプ内部に光を閉じ込めたまま自励発振が起きる。その結果、ストライプ外部の可飽和吸収効果による波面の影響を受け難くなって、活性層に水平方向の放射光のスポット位置のずれが小さくなる。即ち、非点隔差が低減し、光学特性が改善する。
【0027】
また、クラッド層の種類によっては、例えば、AlGaInP系クラッド層では、特にAlGaAs系クラッド層に比べてp型クラッド層のドーパントがより拡散しやすい傾向にある。従って、このようなクラッド層にあっては、p型クラッド層側の第2ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることにより、ドーパントの活性層への拡散が抑制され、上記の波長ずれが一層効果的に防止される。
【0028】
また、2つのガイド層の内、禁制帯幅の小さい方のガイド層の禁制帯幅を活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きく設定すると、図3に示すように閾値電流を一層効果的に低減することが可能となる。
【0029】
特に、2つのガイド層の内、禁制帯幅の小さい方のガイド層の禁制帯幅Egを上記(2)式の関係を満たすように設定すると、図3に示すように閾値電流をより一層効果的に低減することが可能となる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【0031】
(実施形態1)
図1及び図2は本発明の半導体レーザ素子の実施形態1を示す。
【0032】
図1に示すように、この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板101上に、層厚0.5μmのn−GaAsバッファ層102、層厚1.5μmのn−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層103、層厚15nmのAl0.25Ga0.75As第1ガイド層104、ノンドープMQW活性層105、層厚15nmのAl0.25Ga0.75As第2ガイド層106、層厚0.2μmのp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層107、層厚0.003μmのp−GaAsエッチングストッパ層108、層厚1.2μmのp−Al0.5Ga0.5As第3クラッド層109及び層厚0.8μmのp−GaAsキャップ層110を有機金属気相成長法(MOCVD法)により順次積層した構造を有する。
【0033】
ここで、MQW活性層105は、図2に示すように層厚8nmのAl0.1Ga0.9As量子井戸層120と、層厚5nmのAl0.35Ga0.65As量子障壁層121とからなり、この量子井戸層3層と量子障壁層2層による交互の繰り返しにより構成されている。尚、各半導体層の禁制帯幅はAl組成比によって決まる。
【0034】
尚、P−GaAsエッチングストッパ層108の層厚は0.003μmと非常に薄いために、エッチングストッパ層は光の閉じ込め作用又は内部の光吸収に影響を及ぼさない。また、エッチングストッパ層は次に述べるリッジストライプをエッチングにより制御よく形成するのに有用である。但し、エッチングストッパ層がない場合にも、リッジストライプ形成に対して時間でエッチングを制御することは可能である。
【0035】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングによりp−GaAsエッチングストッパ層108の表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅2.2μmのリッジストライプ111を形成する。
【0036】
リッジストライプ111の両側を埋め込むように、層厚0.6μmのn−Al0.7Ga0.3As第1電流光閉じ込め層112、層厚0.3μmのn−GaAs第2電流閉じ込め層113及び層厚0.3μmのp−GaAs平坦化層114をMOCVD法により順次成長させる。
【0037】
次に、p−GaAsキャップ層110及びp−GaAs平坦化層114の表面を覆うように、層厚3μmのp−GaAsコンタクト層115をMOCVDの法により成長させる。n−GaAs基板101表面及びp−GaAsコンタクト層115表面にそれぞれn型電極116及びp型電極117を形成する。劈開法により共振器長を375μmに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が10%、後側の端面反射率が75%となるように、各端面にAl膜とSi膜を形成する。
【0038】
本実施形態1の半導体レーザ素子において、n型電極116とp型電極117の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長0.78μm、閾値電流15mA、電流−光出力特性のスロープ効率1.0W/A、光出力35mWにおける動作電流50mA、動作電圧1.8Vが得られた。
【0039】
これに対して、従来例の第1ガイド層704と第2ガイド層706の禁制帯幅を量子障壁層711の禁制帯幅に等しくした場合(従来形態1)、即ち、第1ガイド層704と第2ガイド層706のAl組成比を0.35とした場合は、閾値電流25mA、動作電流60mA、動作電圧1.8Vとなる。
【0040】
このように、本実施形態1の半導体レーザ素子では、動作電圧の増大を伴わずに閾値電流を25mAから15mAまで低減することができた。その結果を表1に示す。
【0041】
【表1】

Figure 0003555727
【0042】
また、第1ガイド層704及び第2ガイド層706の層厚を50nmまで厚く設定した場合(従来形態2)には、閾値電流を本実施形態と同じ15mAまで低減することができる。しかし、その場合にはガイド層704、706の層厚の増大による素子抵抗の増大のために、動作電圧は2.1Vに増大するという問題が発生する。その結果を表2に示す。
【0043】
【表2】
Figure 0003555727
【0044】
本実施形態1では、発振波長の設定値0.78μmに対して、作製した半導体レーザ素子の発振波長も0.78μmとなり、発振波長の制御ができる。これに対して、上記従来形態1の場合には、発振波長の設定値0.78μmに対して、発振波長が0.775μmまで波長ずれが起こり、発振波長の制御が困難となる。
【0045】
本実施形態1の半導体レーザ素子では、図2に示すように、第1ガイド層104及び第2ガイド層106を量子井戸層120に隣接させると共に第1ガイド層104及び第2ガイド層106の禁制帯幅を量子井戸層120の禁制帯幅より大きくし、且つ、第1ガイド層104及び第2ガイド層106の禁制帯幅を量子障壁層121の禁制帯幅よりも小さくしている。
【0046】
ここで、第1ガイド層104及び第2ガイド層106の禁制帯幅を量子障壁層121の禁制帯幅よりも小さくすることは、ガイド層104、106のAl組成比を量子障壁層121のAl組成比より小さく設定することに相当する。このため、クラッド層103、107からガイド層104、106へのドーパント拡散が抑制される。従って、MQW活性層105へのドーパント拡散が抑制されるので、MQW活性層105の量子井戸層120のAl組成比の変化が抑制され発振波長ずれが防止される。
【0047】
また、第1ガイド層104又は第2ガイド層106の禁制帯幅を制御することは屈折率を制御することに相当する。従って、2つのガイド層104、106の屈折率をそれぞれ適当な値に設定して、垂直放射角を調整することが可能となる。
【0048】
さらに、ガイド層104、106のAl組成比を量子障壁層121のAl組成比より小さく設定することにより、ガイド層104、106の非発光再結合準位の数を低減できる。このため、量子井戸層120からガイド層104、106に漏れだしたキャリヤに対して、非発光再結合を抑制できる。従って、キャリヤを発光に有効に利用でき、閾値電流の低減が可能となる。
【0049】
本実施形態1の半導体レーザ素子において、第1ガイド層104及び第2ガイド層106のAl組成比を変化させた場合、即ち、禁制帯幅を変化させた場合の閾値電流の変化を調べた。図3に、その結果をガイド層104、106の禁制帯幅と閾値電流との関係で示す。ここで、Egは第1ガイド層104及び第2ガイド層106の禁制帯幅を、Ebは量子障壁層121の禁制帯幅を、EλはMQW活性層105のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅をそれぞれ表す。この結果から、EgがEbより小さくなると閾値電流は減少し、EgがEλ以下ではEg=Ebのときよりも逆に閾値電流は増大することがわかる。特に、Egが下記(2)式の条件を満たすときに閾値電流は最小になる。
【0050】
Eλ+100meV≦Eg≦Eb−50meV・・・・(2)
このように、閾値電流はガイド層104、106の禁制帯幅に大きく依存する。ここで、EgがEλ+100meVより小さくなると閾値電流が増大するのは、MQW活性層105の量子井戸層120に注入されたキャリヤが、第1ガイド層104及び第2ガイド層106に隣接する量子井戸層120から第1ガイド層104及び第2ガイド層106にキャリヤが漏れだして、量子井戸層120内のキャリヤの閉じ込め率が低下するために、発振に必要なキャリヤが増大して、閾値電流が増加するためである。
【0051】
また、EgがEb−50meVより大きいときに閾値電流が増大するのは、EgがEb−50meVより大きいと第1ガイド層104及び第2ガイド層106の屈折率が低下するので、MQW活性層105への光の閉じ込め率が減少し、発振に多くの電流を必要とするためである。
【0052】
(実施形態2)
図4及び図5は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態2を示す。
【0053】
図4に示すように、この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板201上に、層厚0.5μmのn−GaAsバッファ層202、層厚1.5μmのn−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層203、層厚10nmのAl0.27Ga0.73As第1ガイド層204、ノンドープMQW活性層205、層厚10nmのAl0.27Ga0.73As第2ガイド層206、層厚0.2μmのp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層207、層厚0.2μmのp−Al0.2Ga0.8Asエッチングブロック層208、層厚0.003μmのp−GaAsエッチングストッパ層209、層厚1.2μmのp−Al0.5Ga0.5As第3クラッド層210及び層厚0.8μmのp−GaAsキャップ層211をMOCVD法により順次積層した構造を有する。
【0054】
ここで、MQW活性層205は、図5に示すように層厚10nmのAl0.1Ga0.9As量子井戸層220と、層厚5nmのAl0.35Ga0.65As量子障壁層221とからなり、この量子井戸層3層と量子障壁層2層による交互の繰り返しにより構成されている。
【0055】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングによりp−GaAsエッチングストッパ層209表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅2.2μmのリッジストライプ212を形成する。
【0056】
リッジストライプ212の両側を埋め込むように、層厚0.6μmのn−Al0.7Ga0.3As第1電流光閉じ込め層213、層厚0.3μmのn−GaAs第2電流閉じ込め層214及び層厚0.3μmのp−GaAs平坦化層215を順次MOCVD法により成長させる。
【0057】
次に、p−GaAsキャップ層211及びp−GaAs平坦化層215の表面を覆うように、層厚3μmのp−GaAsコンタクト層216をMOCVD法により成長させる。n−GaAs基板201表面及びp−GaAsコンタクト層216表面にそれぞれn型電極217及びp型電極218を形成する。劈開法により共振器長を375μmに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が12%、後側の端面反射率が95%となるように、各端面にAl膜とSi膜を形成する。
【0058】
本実施形態2の半導体レーザ素子において、n型電極217とp型電極218の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長0.78μm、閾値電流30mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.75W/A、光出力30mWにおける動作電流70mA、動作電圧1.8Vが得られた。
【0059】
本実施形態2の半導体レーザ素子では、図5に示すように、第1ガイド層204及び第2ガイド層206を量子井戸層220に隣接させると共に第1ガイド層204及び第2ガイド層206の禁制帯幅を量子井戸層220の禁制帯幅より大きくし、且つ、第1ガイド層204及び第2ガイド層206の禁制帯幅を量子障壁層221の禁制帯幅よりも小さくしている。また、第1クラッド層203と第3クラッド層210との間にMQW活性層205のレーザ発振光のエネルギーと略等しい発光エネルギーを有するp−GaAsエッチングストッパ層209を設けている。
【0060】
ここで、層厚0.2μmのp−Al0.2Ga0.8Asエッチングブロック層208に隣接する層厚0.003μmのp−GaAsエッチングストッパ層209の発光エネルギーを、MQW活性層205のレーザ発振光のエネルギーに略等しくしているため、このエッチングストッパ層209が可飽和吸収層として機能する。このエッチングストッパ層209の可飽和吸収効果により、レーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音を低減させることができる。
【0061】
本実施形態2では、発振波長の設定値0.78μmに対して、作製した半導体レーザ素子の発振波長も0.78μmとなり、発振波長の制御ができる。
【0062】
これに対して、従来例の第1ガイド層704と第2ガイド層706の禁制帯幅を量子障壁層711の禁制帯幅に等しくした場合(従来形態1)、即ち、第1ガイド層704と第2ガイド層706のAl組成比を0.35とした場合には、発振波長の設定値0.78μmに対して、発振波長が0.77μmまで波長ずれが起こり、発振波長の制御が困難となる。
【0063】
これは、本実施形態2では、可飽和吸収用に低Al組成比からなるp−Al0.2Ga0.8Asエッチングブロック層208及びp−GaAsエッチングストッパ層209をp型第2クラッド層207に隣接して配置したために、p型第2クラッド層207のドーパントがこれらの低Al組成比の層で拡散が抑制され、逆に反対側のMQW活性層205側への拡散が増大したことに起因する。
【0064】
これに対し、上記従来形態1では、ガイド層704、706のAl組成比が量子障壁層711のAl組成比と同じになるために、p型第2クラッド層707のドーパントがMQW活性層705の量子井戸層710まで拡散し易くなり、拡散により量子井戸層710のAl組成比の変化が生じて、発振波長が短波長側にシフトしてしまう。
【0065】
このように、本実施形態2は波長ずれを防止するのに有効である。また、ドーパント拡散によるMQW活性層205の量子井戸層220のAl組成比の変化は、量子井戸層220の層厚、量子障壁層221の層厚にも影響を及ぼす。このため、波長ずれ以外にも、電気的特性及び光学的特性においても設計値とのずれが生じる。本実施形態2によれば、このような問題を解決することも可能となる。
【0066】
尚、上記の実施形態2では、可飽和吸収層として、p−Al0.2Ga0.8Asエッチングブロック層208に隣接してp−GaAsエッチングストッパ層209を設ける例を示したが、それ以外に、p型クラッド層中に、MQW活性層の量子準位と略等しい量子準位の単一量子井戸層を設ける形態、MQW活性層の量子準位と略等しい量子準位の多重量子井戸層を設ける形態及びMQW活性層の量子準位と略等しい禁制帯幅の20nmよりも厚いバルク型半導体層を設ける形態とすることも可能である。上記いずれの形態においても同様の効果が得られる。
【0067】
さらに、上記の実施形態2では、p型クラッド層中に可飽和吸収層を設ける形態を示しているが、それ以外にn型クラッド層中に可飽和吸収層を設ける形態とすることも可能である。即ち、可飽和吸収層は、MQW活性層を挟むp型クラッド層とn型クラッド層との間に適宜設ければ良い。
【0068】
(実施形態3)
図6は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態3を示す。
【0069】
図6に示すように、この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板301上に、n−Ga0.5In0.5Pバッファ層302、層厚1.5μmのn−(Al0.7Ga0.30.5In0.5p第1クラッド層303、層厚35nmの(Al0.4Ga0.60.5In0.5P第1ガイド層304、ノンドープMQW活性層305、層厚35nmの(Al0.4Ga0.60.5In0.5P第2ガイド層306、層厚1.5μmのp−(Al0.7Ga0.30.5In0.5p第2クラッド層307及び層厚0.3μmのp−Ga0.5In0.5pキャップ層308を分子線エピタキシャル成長法(MBE法)により順次積層した構造を有する。
【0070】
ここで、MQW活性層305は、層厚8nmのGa0.5In0.5P量子井戸層と、層厚5nmの(Al0.5Ga0.50.5In0.5P量子障壁層とからなり、この量子井戸層4層と量子障壁層3層による交互の繰り返しにより構成されている。
【0071】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングを行い、p−(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第2クラッド層307の平坦部の残し厚さが0.3μmとなるようにエッチングを停止させて、幅5μmのリッジストライプ309を形成する。
【0072】
次に、リッジストライプ309の外側を埋め込むように、層厚1.2μmのn−GaAs電流光閉じ込め層310をMBE法により成長させる。
【0073】
次に、n−GaAs基板301表面及びp−GaAキャップ層308表面にそれぞれn型電極311及びp型電極312を形成する。劈開法により共振器長を500μmに調整し、共振器端面の光出射側端面の反射率が50%、後側の反射率が85%となるように、各端面にAl膜とSi膜を形成する。
【0074】
本実施形態3の半導体レーザ素子で、n型電極311とp型電極312の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長0.65μm、閾値電流30mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.6W/A、光出力3mWにおける動作電流35mA、動作電圧2Vが得られた。このように、本実施形態3では、動作電圧の増大を抑制して閾値電流を低減できる。
【0075】
また、本実施形態3では、発振波長の設定値0.65μmに対して、作製した半導体レーザ素子の発振波長も0.65μmとなり、発振波長の制御ができる。
【0076】
これに対して、第1ガイド層704及び第2ガイド層706の禁制帯幅を量子障壁層711の禁制帯幅に等しくした場合(従来形態1)、即ち、第1ガイド層704及び第2ガイド層706のAl組成比を0.5とした場合には、発振波長の設定値0.65μmに対して、発振波長が0.64μmまで波長ずれが起こり、発振波長の制御が困難となる。これは、p型クラッド層707のドーパントが拡散しやすい傾向にあるため、p型クラッド層707のドーパントがMQW活性層705へ拡散し、量子井戸層710のAl組成比が変化するために波長ずれを起こすためである。
【0077】
このように、クラッド層の種類によっては、例えば、AlGaInP系クラッド層では、特にAlGaAs系クラッド層に比べてp型クラッド層のドーパントがより拡散しやすい傾向にある。従って、このようなクラッド層にあっては、p型クラッド層側の第2ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることにより、ドーパントの活性層への拡散を抑制して、波長ずれを一層効果的に防止できる。
【0078】
(実施形態4)
図7は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態4を示す。
【0079】
図7に示すように、この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板401上に、層厚0.5μmのn−GaAsバッファ層402、層厚1.2μmのn−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層403、層厚0.2μmのn−Al0.48Ga0.52As第2クラッド層404、層厚5nmのAl0.27Ga0.73As第1ガイド層405、ノンドープMQW活性層406、層厚5nmのAl0.27Ga0.73As第2ガイド層407、層厚0.15μmのp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層408、層厚0.002μmのp−GaAsエッチングストッパ層409、層厚1.0μmのp−Al0.5Ga0.5As第3クラッド層410及び層厚0.8μmのp−GaAsキャップ層411をMOCVD法により順次積層した構造を有する。
【0080】
ここで、MQW活性層406は、層厚10nmのAl0.13Ga0.87As量子井戸層と、層厚5nmのAl0.35Ga0.65As量子障壁層とからなり、この量子井戸層8層と量子障壁層7層による交互の繰り返しにより構成されている。
【0081】
尚、n型第2クラッド層404は、垂直方向の放射角の制御用に用いられるものであり、本発明の効果には影響を及ぼさない。
【0082】
次に、上記の積層体の表面にフォトレジストからなるストライプマスクを形成し、選択エッチングによりp−GaAsエッチングストッパ層409表面でエッチングを停止させて、底部のストライプ幅2.2μmのリッジストライプ412を形成する。
【0083】
リッジストライプ412の両側を埋め込むように、層厚0.6μmのn−Al0.7Ga0.3As第1電流光閉じ込め層413、層厚0.3μmのn−GaAs第2電流閉じ込め層414及び層厚0.3μmのp−GaAs平坦化層415をMOCVD法により順次成長させる。
【0084】
次に、p−GaAsキャップ層411及びp−GaAs平坦化層415の表面を覆うように、層厚3μmのp−GaAsコンタクト層416をMOCVD法により成長させる。n−GaAs基板401表面及びp−GaAsコンタクト層416表面にそれぞれn型電極417及びp型電極418を形成する。劈開法により共振器長を200μmに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が30%、後側の端面反射率が75%となるように、各端面にAl膜とSi膜を形成する。
【0085】
本実施形態4の半導体レーザ素子において、n型電極417とp型電極418の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長0.78μm、閾値電流15mA、電流−光出力スロープ効率0.75W/A、光出力3mWの動作電流19mA、動作電圧1.8Vが得られた。
【0086】
本実施形態4の半導体レーザ素子では、ストライプ外部のMQW活性層での可飽和吸収効果を利用して、レーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音を低減させることができる。
【0087】
本実施形態4の半導体レーザ素子においては、活性層に水平方向と垂直方向の放射光の最小スポット位置の差、即ち、非点隔差は5μmとなる。
【0088】
これに対して、従来例の第1ガイド層704及び第2ガイド層706の禁制帯幅を量子障壁層711の禁制帯幅に等しくした場合(従来形態1)、即ち、第1ガイド層704及び第2ガイド層706のAl組成比を0.35とした場合には、放射角の非点隔差は15μmに増大する。非点隔差が増大すると、放射光をレンズで集光するとき、集光スポットサイズの増大を生じ、光デイスク等のシステムで使用することが困難となる。
【0089】
即ち、本実施形態4の半導体レーザ素子によれば、ガイド層405、407に隣接する量子井戸層のストライプ外部における可飽和吸収量を増大することができ、ストライプ内部に光を閉じ込めたまま自励発振を起こすことができる。その結果、ストライプ外部の可飽和吸収効果による波面の影響を受け難くなって、活性層に水平方向の放射光のスポット位置のずれが小さくなって、非点隔差が改善される。従って、放射光の非点隔差を低減して、光学特性を改善することが可能となる。
【0090】
図8は、本実施形態4と従来形態1についての半導体レーザ素子の屈折率差Δnと非点隔差ΔZとの関係を示す。ここで、屈折率差Δnは、ストライプ内部の活性層に閉じこめられた光の屈折率nと、ストライプ外部の活性層に閉じこめられた光の屈折率nとの差を表す。この結果から屈折率差が非点隔差に依存することが認められ、しかも本実施形態4は従来形態1に比べ非点隔差ΔZが低く抑えられていることがわかる。
【0091】
自励発振を起こすには、ストライプ外部に光を滲みださせるために、屈折率差Δnを7×10−3以下にする必要がある。非点隔差ΔZは屈折率差Δnを減少するにしたがい増大する傾向にある。本実施形態4の半導体レーザ素子で、非点隔差ΔZを10μm以下にするには屈折率差Δnを2×10−3以上にする必要がある。そこで、本実施形態4では、屈折率差Δnを下記(1)式の条件を満たす範囲に設定することにより、非点隔差10μm以下の良好な光学特性を有する自励発振型の低雑音半導体レーザ素子を構成している。
【0092】
2×10−3≦Δn≦7×10−3・・・・(1)
これに対して、従来形態1では自励発振を起こすのに必要な屈折率差7×10−3以下において、非点隔差ΔZは10μmより大きくなる。従って、従来形態1では非点隔差を低減して、自励発振を起こすことはできない。
【0093】
(実施形態5)
図9及び図10は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態5を示す。
【0094】
図9に示すように、この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板501上に、層厚0.5μmのn−GaAsバッファ層502、層厚1.5μmのn−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層503、層厚15nmのAl0.3Ga0.7As第1ガイド層504、ノンドープMQW活性層505、層厚15nmのAl0.25Ga0.75As第2ガイド層506、層厚0.2μmのp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層507、層厚0.003μmのp−GaAs第1エッチングストッパ層508、層厚0.01μmのp−Al0.6Ga0.4As第2エッチングストッパ層509、層厚1.0μmのn−Al0.5Ga0.5As電流光閉じ込め層510及び層厚0.8μmのn−GaAsキャップ層511をMOCVD法により順次積層した構造を有する。
【0095】
ここで、MQW活性層505は、図10に示すように層厚8nmのAl0.1Ga0.9As量子井戸層520と、層厚5nmのAl0.35Ga0.65As量子障壁層521からなり、この量子井戸層2層と量子障壁層1層による交互の繰り返しにより構成されている。
【0096】
尚、p−GaAs第1エッチングストッパ層508及びp−Al0.6Ga0.4As第2エッチングストッパ層509の各層厚は非常に薄いために、エッチングストッパ層は光の閉じ込め作用又は内部の光吸収に影響を及ぼさない。
【0097】
次に、上記積層体の表面にフォトレジストからなるストライプ窓を形成し、選択エッチングによりp−GaAs第1エッチングストッパ層表面に到達する幅2.5μmのストライプ溝512を形成する。
【0098】
次に、ストライプ溝512を埋め込むように、層厚1.5μmのp−Al0.5Ga0.5As第3クラッド層513及び層厚2μmのp−GaAsコンタクト層514をMOCVD法により順次成長させる。
【0099】
n−GaAs基板501表面及びp−GaAsコンタクト層514表面にそれぞれn型電極515及びp型電極516を形成する。劈開法により共振器長を375μmに調整し、共振器端面の光出射側の端面反射率が30%、後側の端面反射率が95%となるように、各端面にAl膜を形成する。
【0100】
本実施形態5の半導体レーザ素子において、n型電極515とp型電極516の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長0.78μm、閾値電流10mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.75W/A、光出力3mWの動作電流14mA、動作電圧1.7Vが得られた。
【0101】
本実施形態5の半導体レーザ素子では、図10に示すように、第1ガイド層504及び第2ガイド層506を量子井戸層520に隣接させると共に第1ガイド層504及び第2ガイド層506の禁制帯幅を量子井戸層520の禁制帯幅より大きくし、且つ、第1ガイド層504及び第2ガイド層506の禁制帯幅を量子障壁層521の禁制帯幅よりも小さくしている。さらに、第1ガイド層504と第2ガイド層506の禁制帯幅を異ならせている。
【0102】
本実施形態5では、第1ガイド層504と第2ガイド層506の禁制帯幅が異なる、即ち、Al組成比が異なる。このとき、垂直方向の放射角度は25度である。これに対して、第1ガイド層504と第2ガイド層506の禁制帯幅を等しくした場合、即ち、Al組成比を共に0.25とした場合には、垂直方向の放射角度は30度になる。このように、両ガイド層504、506のAl組成比を適当な値に設定することによって、レーザの放射光特性を制御することが可能となる。
【0103】
(実施形態6)
図11及び図12は、本発明の半導体レーザ素子の実施形態6を示す。
【0104】
図11に示すように、この半導体レーザ素子は、サファイア基板601上に、層厚0.05μmのGaNバッファ層602、層厚3μmのn−GaN第1クラッド層603、層厚0.1μmのn−In0.05Ga0.95N第2クラッド層604、層厚0.5μmのn−Al0.05Ga0.95N第3クラッド層605、層厚20nmのノンドープIn0.1Ga0.9N第1ガイド層606、ノンドープMQW活性層607、層厚20nmのノンドープIn0.1Ga0.9N第2ガイド層608、層厚20nmのp−Al0.2Ga0.8N第4クラッド層609、層厚0.1μmのp−GaN第5クラッド層610、層厚0.5μmのp−Al0.05Ga0.95N第6クラッド層611及び層厚0.2μmのp−GaNコンタクト層612をMOCVD法により順次積層した構造を有する。
【0105】
ここで、MQW活性層607は、図12に示すように層厚4nmのIn0.2Ga0.8N量子井戸層620と、層厚8nmのIn0.05Ga0.95N量子障壁621とからなり、この量子井戸層3層と量子障壁層2層による交互の繰り返しにより構成されている。
【0106】
次に、上記積層体の表面にストライプ状のレジストマスクを形成し、ドライエッチングにより幅2μmのリッジストライプ630を形成し、n−GaN第1クラッド層603及びp−GaNコンタクト層612にそれぞれn型電極640及びp型電極641を形成する。劈開法により共振器長は700μm、共振器端面の光出射側の端面反射率と後側の端面反射率30%となるように誘電体膜のコーティングにより調整する。
【0107】
本実施形態6の半導体レーザ素子において、n型電極640とp型電極641の間に順方向電圧を印加した場合、発振波長0.41μm、閾値電流100mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.2W/A、閾値電流時の動作電圧6Vが得られた。このように、本実施形態6では、動作電圧の増大を抑制して閾値電流を低減できる。
【0108】
本実施形態6の半導体レーザ素子では、図12に示すように、第1ガイド層606及び第2ガイド層608を量子井戸層620に隣接させると共に第1ガイド層606及び第2ガイド層608の禁制帯幅を量子井戸層620の禁制帯幅より大きくし、且つ、第1ガイド層606及び第2ガイド層608の禁制帯幅を量子障壁層621の禁制帯幅よりも小さくしている。さらに、ガイド層606、608の禁制帯幅を量子井戸層620と量子障壁層621の中間に設定している。
【0109】
ここで、各半導体層の組成比と禁制帯幅との関係については、各半導体層のIn組成比が増大すると、禁制帯幅は減少し屈折率は増大する関係にある。また、各半導体層のAl組成比が増大すると、禁制帯幅は増大し屈折率は減少する関係にある。
【0110】
本実施形態6では、ガイド層606、608にノンドープのInGaN層を用いているので、n−第3クラッド層605及びp−第4クラッド層609からのドーパントがMQW活性層607に拡散するのが、ガイド層606、608によって抑制されるので、組成比の変動にともなう発振波長ずれを防止することができる。
【0111】
さらに、ガイド層606、608にInGaNを適用し、その禁制帯幅を量子井戸層620と量子障壁層621の中間に設定しているので、ガイド層606、608の屈折率を増大させることができる。このため、動作電圧の増大を抑制しつつMQW活性層607への光の閉じ込め率を増大させ、閾値電流を低減することが可能となる。
【0112】
これに対して、従来例では、ガイド層704、706にn型又はp型のGaN層を用いるために、ドーパントがMQW活性層705に拡散して発振波長ずれを引き起こすという問題が生じる。それを防止するために、ガイド層704、706をノンドープにすると、動作電圧が増大するという別の問題が生じる。
【0113】
尚、上記の各実施形態では、第1ガイド層及び第2ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくした場合について述べたが、第1ガイド層又は第2ガイド層のいずれか一方の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくすることも可能である。
【0114】
また、本発明は、上述の各実施形態で示した層厚、Al、In等の組成比、キャリヤ濃度に限定されるものではなく、それ以外の条件とすることも可能である。
【0115】
また、成長法については、MOCVD法及びMBE法以外に、LPE法、ガスソースMBE法、ALE(原子線エピタキシー)法を適用することも可能である。
【0116】
【発明の効果】
上記の本発明の半導体レーザ素子によれば、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくし、即ち、ガイド層の屈折率を量子障壁層の屈折率より大きく設定しているので、MQW活性層の量子井戸層への光の閉じ込め率を増大することができ、閾値電流を低減できる。加えて、従来例のようにガイド層の層厚を厚くする必要もないので、素子抵抗の増大に伴う動作電圧の増大も抑制することができ、閾値電流を低減できる。
【0117】
また、ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくし、例えば、Al系半導体層の場合は、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比より小さく設定しているので、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散を抑制することができる。その結果、MQW活性層へのドーパント拡散を抑制することができるので、MQW活性層の量子井戸層のAl組成比の変化を抑制することができ発振波長ずれを防止できる。
【0118】
また、ガイド層の禁制帯幅を制御することは屈折率を制御することに相当し、2つのガイド層の屈折率をそれぞれ適当な値に設定して、垂直放射角を調整することができる。
【0119】
さらに、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比より小さく設定することにより、ガイド層の非発光再結合準位の数を低減することができるので、量子井戸層からガイド層に漏れだしたキャリヤに対して、非発光再結合を抑制することができる。その結果、キャリヤを発光に有効に利用でき、閾値電流を低減できる。
【0120】
また、特に請求項2及び請求項3記載の半導体レーザ素子によれば、MQW活性層のレーザ発振光の禁制帯幅と略等しい発光エネルギーの禁制帯幅を有する可飽和吸収層を、2つのクラッド層の間に設ける構成をとるので、可飽和吸収効果によりレーザ発振光がパルス状に発振する自励発振が起こる。自励発振状態ではレーザの縦モードがマルチモードになり、各縦モードのスペクトル線幅が広がる。このため、レーザのコヒーレンシーが低下して、戻り光による影響を受け難くなり、雑音を低減することができる。
【0121】
尚、この可飽和吸収層を設ける構成による場合には、MQW活性層と可飽和吸収層の間のクラッド層のドーパントが可飽和吸収層で拡散が抑制され、MQW活性層側への拡散が増大することが考えられるが、ガイド層のAl組成比を量子障壁層のAl組成比より小さく設定しているため、クラッド層からガイド層へのドーパント拡散を抑制することができる。従って、MQW活性層へのドーパント拡散を抑制することができるので、MQW活性層の量子井戸層のAl組成比の変化を抑制して発振波長ずれを防止することができる。
【0122】
また、特に請求項4記載の半導体レーザ素子によれば、ストライプ状の第3クラッド層を設け、上記屈折率差Δnを上記(1)式の範囲内で設定するので、ストライプ外部の活性層における可飽和吸収量を増大させて、ストライプ内部に光を閉じ込めたまま自励発振を起こすことができる。その結果、ストライプ外部の可飽和吸収効果による波面の影響を受け難くなって、活性層に水平方向の放射光のスポット位置のずれを小さくでき、即ち、非点隔差を低減し、光学特性を改善できる。
【0123】
また、特に請求項5記載の半導体レーザ素子によれば、p型クラッド層側の第2ガイド層の禁制帯幅を量子障壁層の禁制帯幅より小さくするので、例えば、AlGaInP系クラッド層のようにp型クラッド層のドーパントが拡散しやすい傾向にあるクラッド層に対し、ドーパントの活性層への拡散を抑制して波長ずれを一層効果的に防止できる。
【0124】
また、特に請求項6記載の半導体レーザ素子によれば、2つのガイド層の禁制帯幅の内小さい方のガイド層の禁制帯幅を、活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きく設定するので、図3に示すように閾値電流を一層効果的に低減できる。
【0125】
また、特に請求項7記載の半導体レーザ素子によれば、2つのガイド層の禁制帯幅の内小さい方のガイド層の禁制帯幅Egを上記(2)式の関係を満たすように設定するので、図3に示すように閾値電流を一層効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図2】本発明の実施形態1の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図3】本発明のガイド層の禁制帯幅と閾値電流との関係を示す図である。
【図4】本発明の実施形態2の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図5】本発明の実施形態2の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図6】本発明の実施形態3の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図7】本発明の実施形態4の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図8】半導体レーザ素子の屈折率差と非点隔差との関係を示す図である。
【図9】本発明の実施形態5の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図10】本発明の実施形態5の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図11】本発明の実施形態6の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図12】本発明の実施形態6の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図13】従来の半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。
【図14】従来の活性層付近のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【符号の説明】
101,201,301,401,501,601,701 n−GaAs基板102,202,302,402,502,602,702 n−GaAsバッファ層
103,203,303,403,503,603,703 n−第1クラッド層
404,604 n−第2クラッド層
605 n−第3クラッド層
104,204,304,405,504,606,704 第1ガイド層
105,205,305,406,505,607,705 MQW活性層
120,220,520,620,710 量子井戸層
121,221,521,621,711 量子障壁層
106,206,306,407,506,608,706 第2ガイド層
107,207,307,507,707 p−第2クラッド層
408 p−第3クラッド層
609 p−第4クラッド層
610 p−第5クラッド層
611 p−第6クラッド層
208 p−エッチングブロック層
108,209,409,508,509 p−エッチングストッパ層
109,210,410,513 p−第3クラッド層
110,211,308,411 p−キャップ層
111,212,309,412,512 ストライプ
112,213,310,413,510 n−第1電流光閉じ込め層
113,214,414 n−第2電流閉じ込め層
114,215,415 p−平坦化層
115,216,416,514,612,708 p−コンタクト層
116,117,217,218,311,312,417,418,515,516,640,641 電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device used as a light source in fields such as an optical disk, a laser beam printer, and optical transmission, and more particularly to a structure of a semiconductor laser device having an active layer having a multiple quantum well structure.
[0002]
[Prior art]
In order to reduce the current of a semiconductor laser device, for example, Japanese Patent Publication No. 4-67354 discloses a multiplexing method in which a quantum well layer having a thickness less than the de Broglie wavelength of electrons, that is, a quantum well layer having a thickness of about 20 nm or less is provided in an active layer. Quantum well (MQW: Multiple Quantum)
(Well) The use of an active layer is described.
[0003]
As shown in FIG. 13, this semiconductor laser device has an n-GaAs substrate 701, an n-GaAs buffer layer 702, an n-AlGaAs cladding layer 703, an n-AlGaAs guide layer 704, an MQW active layer 705, and p-AlGaAs. It has a structure in which a guide layer 706, a p-AlGaAs cladding layer 707, and a p-GaAs cap layer 708 are sequentially stacked.
[0004]
Here, the MQW active layer 705 is composed of a plurality of GaAs quantum well layers 710 and an AlGaAs quantum barrier layer 711 sandwiched between the quantum well layers 710, and the three quantum well layers and the two quantum barrier layers are alternately formed. It consists of repetitions.
[0005]
FIG. 14 is an energy band diagram of each layer near the MQW active layer 705. The forbidden band widths of the n-AlGaAs guide layer 704 and the p-AlGaAs guide layer 706 are both set to be equal to the forbidden band width of the quantum barrier layer 711. By making the forbidden bandwidths of the guide layers 704 and 706 equal to the forbidden bandwidth of the quantum barrier layer 711, the quantum well layers 710 are all sandwiched between semiconductor layers having the same forbidden bandwidth. The spread of the level becomes small and the emission spectrum becomes narrow, so that the threshold current can be reduced.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in recent semiconductor laser devices, further reduction of the threshold current is required. If the threshold current is to be further reduced in the above-described conventional example, the light confinement rate of the MQW active layer to the quantum well layer can be reduced. Need to increase. Therefore, in the conventional example, the thickness of the guide layer is increased.
[0007]
However, when the thickness of the guide layer is increased, the following problem occurs.
[0008]
Generally, the dopant concentration of the guide layer is usually set to be much lower than the dopant concentration of the cladding layer or non-doped in order to suppress the diffusion of the dopant from the guide layer to the MQW active layer. Therefore, when the guide layer is thickened, the operating voltage increases due to the effect of the increase in the element resistance in the guide layer. Therefore, in the conventional example, although the threshold current can be reduced, a new problem of deterioration in characteristics due to an increase in operating voltage has occurred.
[0009]
In this conventional example, the forbidden bandwidth of the guide layer is set equal to the forbidden bandwidth of the quantum barrier layer. This corresponds to setting the Al composition ratio of the guide layer as high as the Al composition ratio of the quantum barrier layer. Therefore, in this case, the dopant from the cladding layer diffuses to the active layer, the Al composition ratio of the quantum well layer tends to change, the oscillation wavelength deviates from the set value, and wavelength control becomes difficult. There was a problem.
[0010]
An object of the present invention is to solve such a problem of the related art, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of reducing a threshold current without increasing an operating voltage.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can also prevent oscillation wavelength shift.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention The semiconductor laser element of Contains at least Al Each of the multiple quantum well layers has a bandgap Equally contains at least Al With an active layer of a multiple quantum well structure in which a plurality of quantum barrier layers are alternately stacked, Contains at least Al A first guide layer and Contains at least Al A semiconductor laser device provided with a second guide layer, wherein the first guide layer and the second guide layer are adjacent to the quantum well layer, and a forbidden band width of the first guide layer and the second guide layer is provided. Is larger than the forbidden band width of the quantum well layer, and Making the Al composition ratio of the first guide layer and the second guide layer smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer; The forbidden band width of the first guide layer and the second guide layer is made smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer, and the first conductive type first band is sandwiched between the first guide layer and the second guide layer. A first cladding layer and a second cladding layer of the second conductivity type are provided, and a third cladding layer of the second conductivity type is provided outside the second cladding layer and at a position opposite to the first cladding layer. A saturable absorbing layer having an emission energy substantially equal to the energy of the laser oscillation light of the active layer is provided between the first cladding layer and the third cladding layer. the above Objective is achieved.
[0015]
Also, preferably, a first cladding layer of a first conductivity type and a second cladding layer of a second conductivity type are provided so as to sandwich the first guide layer and the second guide layer, and the outside of the second cladding layer is provided. And a third cladding layer of the second conductivity type is formed in a stripe shape at a position opposite to the first cladding layer, and a refractive index n of light confined in the active layer inside the stripe. a And the refractive index n of light confined in the active layer outside the stripe b Is the condition of the following equation (1).
2 × 10 -3 ≦ Δn ≦ 7 × 10 -3 ... (1)
And a configuration that satisfies
[0017]
Also, preferably, the forbidden band width of the first guide layer or the second guide layer. Are different The smaller bandgap is made larger than the bandgap corresponding to the energy of the laser oscillation light of the active layer.
[0018]
Preferably, of the forbidden band widths of the first guide layer or the second guide layer, a smaller forbidden band width is Eg, a forbidden band width of the quantum barrier layer is Eb, and laser oscillation light of the active layer is provided. When the forbidden band width corresponding to the energy of E is Eλ, Eg, Eb and Eλ satisfy the condition of the following equation (2).
Eλ + 100 meV ≦ Eg ≦ Eb−50 meV (2)
And a configuration that satisfies
[0019]
Hereinafter, the operation of the present invention will be described.
[0020]
In the above configuration, making the forbidden band width of the guide layer smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer is equivalent to setting the refractive index of the guide layer to be larger than the refractive index of the quantum barrier layer. Therefore, the confinement rate of light in the quantum well layer of the MQW active layer increases, and the threshold current decreases. In addition, since it is not necessary to increase the thickness of the guide layer in order to reduce the threshold current as in the above-described conventional example, an increase in operating voltage due to an increase in element resistance is suppressed.
[0021]
Making the forbidden band width of the guide layer smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer means that, for example, in the case of an Al-based semiconductor layer, the Al composition ratio of the guide layer is set smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer. It corresponds to that. Therefore, diffusion of the dopant from the cladding layer to the guide layer is suppressed. Therefore, the diffusion of the dopant into the MQW active layer is suppressed, so that the change in the Al composition ratio of the quantum well layer of the MQW active layer is suppressed, and the oscillation wavelength shift is prevented.
[0022]
Further, controlling the forbidden band width of the guide layer corresponds to controlling the refractive index. Therefore, it is possible to adjust the vertical radiation angle by setting the refractive indexes of the two guide layers to appropriate values.
[0023]
Further, by setting the Al composition ratio of the guide layer to be smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer, the number of non-radiative recombination levels of the guide layer is reduced. For this reason, non-radiative recombination of carriers leaked from the quantum well layer to the guide layer is suppressed. As a result, the carrier is effectively used for light emission, and the threshold current can be reduced.
[0024]
In addition, a saturable absorbing layer having a bandgap of emission energy substantially equal to the bandgap of laser oscillation light of the MQW active layer is provided between two clad layers, for example, the first clad layer and the second clad layer. In the case of a configuration provided between the layers or between the first clad layer and the third clad layer, self-pulsation occurs in which laser oscillation light oscillates in a pulse shape due to the saturable absorption effect. In the self-excited oscillation state, the longitudinal mode of the laser becomes a multimode, and the spectral line width of each longitudinal mode is widened. For this reason, the coherency of the laser is reduced, and the laser is hardly affected by the return light, and the noise is reduced.
[0025]
In the case where the saturable absorption layer is provided, the diffusion of the dopant in the cladding layer between the MQW active layer and the saturable absorption layer is suppressed by the saturable absorption layer, and the diffusion toward the MQW active layer increases. It is possible to do. However, since the Al composition ratio of the guide layer is set smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer, dopant diffusion from the cladding layer to the guide layer is suppressed. Therefore, the diffusion of the dopant into the MQW active layer is suppressed, so that the change in the Al composition ratio of the quantum well layer of the MQW active layer is suppressed, and the oscillation wavelength shift is prevented.
[0026]
Further, when a stripe-shaped third cladding layer is provided and the refractive index difference Δn is set within the range of the above formula (1), the saturable absorption amount in the active layer outside the stripe increases, and light is confined inside the stripe. Self-excited oscillation occurs. As a result, the influence of the wavefront due to the saturable absorption effect outside the stripe is reduced, and the shift of the spot position of the radiated light in the horizontal direction on the active layer is reduced. That is, the astigmatic difference is reduced, and the optical characteristics are improved.
[0027]
Further, depending on the type of the cladding layer, for example, the dopant of the p-type cladding layer tends to diffuse more easily in the AlGaInP cladding layer than in the case of the AlGaAs cladding layer in particular. Therefore, in such a cladding layer, by making the bandgap of the second guide layer on the p-type cladding layer side smaller than the bandgap of the quantum barrier layer, diffusion of the dopant into the active layer is suppressed. The wavelength shift described above is more effectively prevented.
[0028]
When the forbidden band width of the smaller one of the two guide layers is set to be larger than the forbidden band width corresponding to the energy of the laser oscillation light of the active layer, the threshold current is increased as shown in FIG. Can be more effectively reduced.
[0029]
In particular, when the forbidden band width Eg of the guide layer having the smaller forbidden band width of the two guide layers is set so as to satisfy the relationship of the above equation (2), the threshold current can be further reduced as shown in FIG. It is possible to reduce the total.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
[0031]
(Embodiment 1)
1 and 2 show a first embodiment of a semiconductor laser device of the present invention.
[0032]
As shown in FIG. 1, this semiconductor laser device has an n-GaAs buffer layer 102 having a layer thickness of 0.5 μm and an n-Al layer having a layer thickness of 1.5 μm on an n-GaAs substrate 101. 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 103, Al having a thickness of 15 nm 0.25 Ga 0.75 As first guide layer 104, non-doped MQW active layer 105, Al having a thickness of 15 nm 0.25 Ga 0.75 As second guide layer 106, p-Al having a thickness of 0.2 μm 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 107, p-GaAs etching stopper layer 108 having a thickness of 0.003 μm, p-Al having a thickness of 1.2 μm 0.5 Ga 0.5 It has a structure in which an As third cladding layer 109 and a p-GaAs cap layer 110 having a layer thickness of 0.8 μm are sequentially stacked by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
[0033]
Here, the MQW active layer 105 has an Al thickness of 8 nm as shown in FIG. 0.1 Ga 0.9 As quantum well layer 120 and 5 nm thick Al 0.35 Ga 0.65 An As quantum barrier layer 121 is formed by alternately repeating three quantum well layers and two quantum barrier layers. Note that the forbidden band width of each semiconductor layer is determined by the Al composition ratio.
[0034]
Since the P-GaAs etching stopper layer 108 has a very small thickness of 0.003 μm, the etching stopper layer does not affect light confinement or internal light absorption. The etching stopper layer is useful for forming a ridge stripe described below with good control by etching. However, even when there is no etching stopper layer, it is possible to control the etching with time for forming the ridge stripe.
[0035]
Next, a stripe mask made of a photoresist is formed on the surface of the laminate, and the etching is stopped at the surface of the p-GaAs etching stopper layer 108 by selective etching, and the ridge stripe 111 having a bottom stripe width of 2.2 μm is formed. To form
[0036]
An n-Al layer having a thickness of 0.6 μm is buried on both sides of the ridge stripe 111. 0.7 Ga 0.3 An As first current confinement layer 112, an n-GaAs second current confinement layer 113 having a thickness of 0.3 μm, and a p-GaAs flattening layer 114 having a thickness of 0.3 μm are sequentially grown by MOCVD.
[0037]
Next, a 3 μm-thick p-GaAs contact layer 115 is grown by MOCVD so as to cover the surfaces of the p-GaAs cap layer 110 and the p-GaAs planarization layer 114. An n-type electrode 116 and a p-type electrode 117 are formed on the surface of the n-GaAs substrate 101 and the surface of the p-GaAs contact layer 115, respectively. The cavity length was adjusted to 375 μm by the cleavage method, and Al was applied to each end face so that the end face reflectivity on the light emitting side of the resonator end face became 10% and the end face reflectivity on the rear side became 75%. 2 0 3 A film and a Si film are formed.
[0038]
In the semiconductor laser device according to the first embodiment, when a forward voltage is applied between the n-type electrode 116 and the p-type electrode 117, the oscillation wavelength is 0.78 μm, the threshold current is 15 mA, and the slope efficiency of the current-light output characteristic is 1. 0 W / A, an operating current of 50 mA at an optical output of 35 mW, and an operating voltage of 1.8 V were obtained.
[0039]
On the other hand, when the forbidden band width of the first guide layer 704 and the second guide layer 706 of the conventional example is equal to the forbidden band width of the quantum barrier layer 711 (conventional mode 1), that is, the first guide layer 704 When the Al composition ratio of the second guide layer 706 is 0.35, the threshold current is 25 mA, the operation current is 60 mA, and the operation voltage is 1.8 V.
[0040]
Thus, in the semiconductor laser device of the first embodiment, the threshold current was able to be reduced from 25 mA to 15 mA without increasing the operating voltage. Table 1 shows the results.
[0041]
[Table 1]
Figure 0003555727
[0042]
When the thicknesses of the first guide layer 704 and the second guide layer 706 are set to be as large as 50 nm (conventional mode 2), the threshold current can be reduced to 15 mA, which is the same as in the present embodiment. However, in this case, there is a problem that the operating voltage increases to 2.1 V due to an increase in element resistance due to an increase in the thickness of the guide layers 704 and 706. Table 2 shows the results.
[0043]
[Table 2]
Figure 0003555727
[0044]
In the first embodiment, the oscillation wavelength of the manufactured semiconductor laser device is 0.78 μm with respect to the set value of the oscillation wavelength of 0.78 μm, and the oscillation wavelength can be controlled. On the other hand, in the case of the first conventional example, a wavelength shift occurs up to 0.775 μm with respect to the set value of the oscillation wavelength of 0.78 μm, which makes it difficult to control the oscillation wavelength.
[0045]
In the semiconductor laser device of the first embodiment, as shown in FIG. 2, the first guide layer 104 and the second guide layer 106 are adjacent to the quantum well layer 120 and the first guide layer 104 and the second guide layer 106 are forbidden. The band width is larger than the forbidden band width of the quantum well layer 120, and the forbidden band width of the first guide layer 104 and the second guide layer 106 is smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer 121.
[0046]
Here, setting the forbidden band width of the first guide layer 104 and the second guide layer 106 to be smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer 121 is performed by setting the Al composition ratio of the guide layers 104 and 106 to that of the quantum barrier layer 121. This is equivalent to setting it smaller than the composition ratio. For this reason, dopant diffusion from the cladding layers 103 and 107 to the guide layers 104 and 106 is suppressed. Therefore, the diffusion of the dopant into the MQW active layer 105 is suppressed, so that the change in the Al composition ratio of the quantum well layer 120 of the MQW active layer 105 is suppressed, and the oscillation wavelength shift is prevented.
[0047]
Further, controlling the forbidden band width of the first guide layer 104 or the second guide layer 106 corresponds to controlling the refractive index. Accordingly, it is possible to adjust the vertical radiation angle by setting the refractive indexes of the two guide layers 104 and 106 to appropriate values.
[0048]
Furthermore, by setting the Al composition ratio of the guide layers 104 and 106 to be smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer 121, the number of non-radiative recombination levels of the guide layers 104 and 106 can be reduced. For this reason, non-radiative recombination of carriers leaking from the quantum well layer 120 to the guide layers 104 and 106 can be suppressed. Therefore, the carrier can be effectively used for light emission, and the threshold current can be reduced.
[0049]
In the semiconductor laser device of the first embodiment, the change in the threshold current when the Al composition ratio of the first guide layer 104 and the second guide layer 106 was changed, that is, when the forbidden band width was changed was examined. FIG. 3 shows the result in the relationship between the forbidden bandwidth of the guide layers 104 and 106 and the threshold current. Here, Eg is the forbidden band width of the first guide layer 104 and the second guide layer 106, Eb is the forbidden band width of the quantum barrier layer 121, and Eλ is the forbidden band corresponding to the energy of the laser oscillation light of the MQW active layer 105. Each represents a band width. From this result, it can be seen that the threshold current decreases when Eg is smaller than Eb, and that the threshold current increases when Eg is equal to or smaller than Eλ as compared to when Eg = Eb. In particular, when Eg satisfies the condition of the following equation (2), the threshold current becomes minimum.
[0050]
Eλ + 100 meV ≦ Eg ≦ Eb−50 meV (2)
Thus, the threshold current largely depends on the forbidden bandwidth of the guide layers 104 and 106. Here, the reason why the threshold current increases when Eg becomes smaller than Eλ + 100 meV is that the carriers injected into the quantum well layer 120 of the MQW active layer 105 are caused by the quantum well layer adjacent to the first guide layer 104 and the second guide layer 106. Since carriers leak from the first guide layer 104 to the first guide layer 104 and the second guide layer 106 and the confinement ratio of carriers in the quantum well layer 120 decreases, the number of carriers required for oscillation increases and the threshold current increases. To do that.
[0051]
Also, the reason why the threshold current increases when Eg is larger than Eb-50 meV is that the refractive index of the first guide layer 104 and the second guide layer 106 decreases when Eg is larger than Eb-50 meV. This is because the confinement ratio of light to the light decreases and a large amount of current is required for oscillation.
[0052]
(Embodiment 2)
4 and 5 show a second embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
[0053]
As shown in FIG. 4, this semiconductor laser device has an n-GaAs buffer layer 202 having a thickness of 0.5 μm and an n-Al layer having a thickness of 1.5 μm on an n-GaAs substrate 201. 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 203, Al having a thickness of 10 nm 0.27 Ga 0.73 As first guide layer 204, non-doped MQW active layer 205, Al having a thickness of 10 nm 0.27 Ga 0.73 As second guide layer 206, p-Al having a layer thickness of 0.2 μm 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 207, p-Al having a thickness of 0.2 μm 0.2 Ga 0.8 As etching block layer 208, p-GaAs etching stopper layer 209 having a thickness of 0.003 μm, p-Al having a thickness of 1.2 μm 0.5 Ga 0.5 It has a structure in which an As third cladding layer 210 and a p-GaAs cap layer 211 having a thickness of 0.8 μm are sequentially laminated by MOCVD.
[0054]
Here, the MQW active layer 205 has an Al thickness of 10 nm as shown in FIG. 0.1 Ga 0.9 As quantum well layer 220 and 5 nm thick Al 0.35 Ga 0.65 An As quantum barrier layer 221 is formed by alternately repeating three quantum well layers and two quantum barrier layers.
[0055]
Next, a stripe mask made of a photoresist is formed on the surface of the laminate, and the etching is stopped on the surface of the p-GaAs etching stopper layer 209 by selective etching, thereby forming a ridge stripe 212 having a bottom stripe width of 2.2 μm. Form.
[0056]
An n-Al layer having a thickness of 0.6 μm is buried on both sides of the ridge stripe 212. 0.7 Ga 0.3 An As first current confinement layer 213, an n-GaAs second current confinement layer 214 having a thickness of 0.3 μm, and a p-GaAs planarization layer 215 having a thickness of 0.3 μm are sequentially grown by MOCVD.
[0057]
Next, a 3 μm-thick p-GaAs contact layer 216 is grown by MOCVD so as to cover the surfaces of the p-GaAs cap layer 211 and the p-GaAs planarization layer 215. An n-type electrode 217 and a p-type electrode 218 are formed on the surface of the n-GaAs substrate 201 and the surface of the p-GaAs contact layer 216, respectively. The cavity length was adjusted to 375 μm by the cleavage method, and Al was applied to each end face so that the end face reflectivity on the light emitting side of the resonator end face was 12% and the end face reflectivity on the rear side was 95%. 2 O 3 A film and a Si film are formed.
[0058]
In the semiconductor laser device of the second embodiment, when a forward voltage is applied between the n-type electrode 217 and the p-type electrode 218, the oscillation wavelength is 0.78 μm, the threshold current is 30 mA, and the slope efficiency of the current-light output characteristic is 0. 75 W / A, an operating current of 70 mA at an optical output of 30 mW, and an operating voltage of 1.8 V were obtained.
[0059]
In the semiconductor laser device of the second embodiment, as shown in FIG. 5, the first guide layer 204 and the second guide layer 206 are adjacent to the quantum well layer 220 and the first guide layer 204 and the second guide layer 206 are forbidden. The band width is larger than the forbidden band width of the quantum well layer 220, and the forbidden band width of the first guide layer 204 and the second guide layer 206 is smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer 221. Further, a p-GaAs etching stopper layer 209 having emission energy substantially equal to the energy of laser oscillation light of the MQW active layer 205 is provided between the first cladding layer 203 and the third cladding layer 210.
[0060]
Here, p-Al having a layer thickness of 0.2 μm was used. 0.2 Ga 0.8 Since the emission energy of the 0.003-μm-thick p-GaAs etching stopper layer 209 adjacent to the As etching block layer 208 is substantially equal to the energy of the laser oscillation light of the MQW active layer 205, this etching stopper layer 209 It functions as a saturable absorption layer. Due to the saturable absorption effect of the etching stopper layer 209, self-pulsation where laser oscillation light oscillates in a pulse shape occurs. In the self-excited oscillation state, the longitudinal mode of the laser becomes a multimode, and the spectral line width of each longitudinal mode is widened. For this reason, the coherency of the laser is reduced, the influence of the return light is reduced, and noise can be reduced.
[0061]
In the second embodiment, the oscillation wavelength of the manufactured semiconductor laser device is 0.78 μm with respect to the set value of the oscillation wavelength of 0.78 μm, and the oscillation wavelength can be controlled.
[0062]
On the other hand, when the forbidden band width of the first guide layer 704 and the second guide layer 706 in the conventional example is equal to the forbidden band width of the quantum barrier layer 711 (conventional mode 1), that is, the first guide layer 704 When the Al composition ratio of the second guide layer 706 is set to 0.35, the oscillation wavelength shifts to 0.77 μm with respect to the set value of the oscillation wavelength of 0.78 μm, which makes it difficult to control the oscillation wavelength. Become.
[0063]
This is because, in the second embodiment, p-Al having a low Al composition ratio for saturable absorption is used. 0.2 Ga 0.8 Since the As etching block layer 208 and the p-GaAs etching stopper layer 209 are arranged adjacent to the p-type second cladding layer 207, the dopant of the p-type second cladding layer 207 diffuses in these low Al composition ratio layers. This is because the diffusion to the opposite side of the MQW active layer 205 is increased.
[0064]
On the other hand, in the first conventional example, since the Al composition ratio of the guide layers 704 and 706 is equal to the Al composition ratio of the quantum barrier layer 711, the dopant of the p-type second cladding layer 707 is different from that of the MQW active layer 705. It becomes easy to diffuse to the quantum well layer 710, and the diffusion causes a change in the Al composition ratio of the quantum well layer 710, so that the oscillation wavelength shifts to the shorter wavelength side.
[0065]
As described above, the second embodiment is effective for preventing a wavelength shift. Further, the change in the Al composition ratio of the quantum well layer 220 of the MQW active layer 205 due to the dopant diffusion affects the layer thickness of the quantum well layer 220 and the layer thickness of the quantum barrier layer 221. For this reason, in addition to the wavelength shift, a shift from the design value occurs in the electrical characteristics and the optical characteristics. According to the second embodiment, such a problem can be solved.
[0066]
In the second embodiment, p-Al 0.2 Ga 0.8 Although the example in which the p-GaAs etching stopper layer 209 is provided adjacent to the As etching block layer 208 has been described, in addition to the above, a single quantum level substantially equal to the quantum level of the MQW active layer is provided in the p-type cladding layer. A mode in which one quantum well layer is provided, a mode in which a multiple quantum well layer having a quantum level substantially equal to the quantum level of the MQW active layer is provided, and a bulk type having a forbidden band width substantially equal to the quantum level of the MQW active layer is thicker than 20 nm A mode in which a semiconductor layer is provided is also possible. A similar effect can be obtained in any of the above embodiments.
[0067]
Further, in the above-described Embodiment 2, the form in which the saturable absorbing layer is provided in the p-type cladding layer is shown. is there. That is, the saturable absorption layer may be appropriately provided between the p-type clad layer and the n-type clad layer sandwiching the MQW active layer.
[0068]
(Embodiment 3)
FIG. 6 shows a third embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
[0069]
As shown in FIG. 6, this semiconductor laser device has an n-GaAs substrate 0.5 In 0.5 P buffer layer 302, 1.5 μm thick n- (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 p First cladding layer 303, 35 nm thick (Al 0.4 Ga 0.6 ) 0.5 In 0.5 P first guide layer 304, non-doped MQW active layer 305, 35 nm thick (Al 0.4 Ga 0.6 ) 0.5 In 0.5 P second guide layer 306, p- (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 p-second cladding layer 307 and p-Ga having a thickness of 0.3 μm 0.5 In 0.5 It has a structure in which p-cap layers 308 are sequentially stacked by molecular beam epitaxy (MBE).
[0070]
Here, the MQW active layer 305 has a Ga thickness of 8 nm. 0.5 In 0.5 P quantum well layer and 5 nm thick (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 A P quantum barrier layer is formed by alternately repeating four quantum well layers and three quantum barrier layers.
[0071]
Next, a stripe mask made of a photoresist is formed on the surface of the above-mentioned laminated body, and selective etching is performed, and p- (Al 0.7 Ga 0.3 ) 0.5 In 0.5 The etching is stopped so that the remaining thickness of the flat portion of the P second cladding layer 307 becomes 0.3 μm, and a ridge stripe 309 having a width of 5 μm is formed.
[0072]
Next, an n-GaAs current / light confinement layer 310 having a layer thickness of 1.2 μm is grown by MBE so as to bury the outside of the ridge stripe 309.
[0073]
Next, an n-type electrode 311 and a p-type electrode 312 are formed on the surface of the n-GaAs substrate 301 and the surface of the p-GaAs cap layer 308, respectively. The length of the resonator was adjusted to 500 μm by a cleavage method, and Al was applied to each end face such that the reflectivity of the end face of the resonator on the light emission side was 50% and the reflectivity of the rear side was 85%. 2 O 3 A film and a Si film are formed.
[0074]
In the semiconductor laser device of the third embodiment, when a forward voltage is applied between the n-type electrode 311 and the p-type electrode 312, the oscillation wavelength is 0.65 μm, the threshold current is 30 mA, and the slope efficiency of the current-light output characteristic is 0. 6 W / A, an operating current of 35 mA at an optical output of 3 mW, and an operating voltage of 2 V were obtained. Thus, in the third embodiment, the threshold current can be reduced by suppressing an increase in the operating voltage.
[0075]
In the third embodiment, the oscillation wavelength of the manufactured semiconductor laser device is 0.65 μm with respect to the set value of the oscillation wavelength of 0.65 μm, and the oscillation wavelength can be controlled.
[0076]
On the other hand, when the forbidden band width of the first guide layer 704 and the second guide layer 706 is made equal to the forbidden band width of the quantum barrier layer 711 (conventional mode 1), that is, the first guide layer 704 and the second guide layer When the Al composition ratio of the layer 706 is 0.5, a wavelength shift occurs up to 0.64 μm from the set value of the oscillation wavelength of 0.65 μm, and it becomes difficult to control the oscillation wavelength. This is because the dopant of the p-type cladding layer 707 tends to diffuse easily, so that the dopant of the p-type cladding layer 707 diffuses into the MQW active layer 705 and the Al composition ratio of the quantum well layer 710 changes, so that the wavelength shift occurs. In order to cause
[0077]
As described above, depending on the type of the cladding layer, for example, the dopant of the p-type cladding layer tends to diffuse more easily in the AlGaInP cladding layer than in the AlGaAs cladding layer in particular. Therefore, in such a cladding layer, the diffusion of the dopant into the active layer is suppressed by making the bandgap of the second guide layer on the p-type cladding layer side smaller than the bandgap of the quantum barrier layer. Thus, wavelength shift can be more effectively prevented.
[0078]
(Embodiment 4)
FIG. 7 shows a fourth embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
[0079]
As shown in FIG. 7, this semiconductor laser device has an n-GaAs buffer layer 402 having a layer thickness of 0.5 μm and an n-Al layer having a layer thickness of 1.2 μm on an n-GaAs substrate 401. 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 403, n-Al having a thickness of 0.2 μm 0.48 Ga 0.52 As second cladding layer 404, 5 nm thick Al 0.27 Ga 0.73 As first guide layer 405, non-doped MQW active layer 406, 5 nm thick Al 0.27 Ga 0.73 As second guide layer 407, p-Al having a layer thickness of 0.15 μm 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 408, p-GaAs etching stopper layer 409 having a thickness of 0.002 μm, p-Al having a thickness of 1.0 μm 0.5 Ga 0.5 It has a structure in which an As third cladding layer 410 and a 0.8 μm-thick p-GaAs cap layer 411 are sequentially stacked by MOCVD.
[0080]
Here, the MQW active layer 406 is made of Al having a thickness of 10 nm. 0.13 Ga 0.87 As quantum well layer and 5 nm thick Al 0.35 Ga 0.65 An As quantum barrier layer is formed by alternately repeating eight quantum well layers and seven quantum barrier layers.
[0081]
Note that the n-type second cladding layer 404 is used for controlling the radiation angle in the vertical direction, and does not affect the effects of the present invention.
[0082]
Next, a stripe mask made of a photoresist is formed on the surface of the laminate, and the etching is stopped on the surface of the p-GaAs etching stopper layer 409 by selective etching. Form.
[0083]
An n-Al layer having a thickness of 0.6 μm is buried on both sides of the ridge stripe 412. 0.7 Ga 0.3 An As first current confinement layer 413, an n-GaAs second current confinement layer 414 having a thickness of 0.3 μm, and a p-GaAs planarization layer 415 having a thickness of 0.3 μm are sequentially grown by MOCVD.
[0084]
Next, a 3 μm-thick p-GaAs contact layer 416 is grown by MOCVD so as to cover the surfaces of the p-GaAs cap layer 411 and the p-GaAs planarization layer 415. An n-type electrode 417 and a p-type electrode 418 are formed on the surface of the n-GaAs substrate 401 and the surface of the p-GaAs contact layer 416, respectively. The length of the resonator was adjusted to 200 μm by a cleavage method, and Al was applied to each end face so that the end face reflectivity on the light emitting side of the end face of the resonator was 30% and the reflectivity on the rear side was 75%. 2 O 3 A film and a Si film are formed.
[0085]
In the semiconductor laser device of the fourth embodiment, when a forward voltage is applied between the n-type electrode 417 and the p-type electrode 418, the oscillation wavelength is 0.78 μm, the threshold current is 15 mA, and the current-optical output slope efficiency is 0.75 W / A, an operating current of 19 mA with an optical output of 3 mW, and an operating voltage of 1.8 V were obtained.
[0086]
In the semiconductor laser device of the fourth embodiment, self-sustained pulsation in which laser oscillation light oscillates occurs utilizing the saturable absorption effect in the MQW active layer outside the stripe. In the self-excited oscillation state, the longitudinal mode of the laser becomes a multimode, and the spectral line width of each longitudinal mode is widened. For this reason, the coherency of the laser is reduced, the influence of the return light is reduced, and noise can be reduced.
[0087]
In the semiconductor laser device of the fourth embodiment, the difference between the minimum spot positions of the emitted light in the horizontal and vertical directions on the active layer, that is, the astigmatic difference is 5 μm.
[0088]
On the other hand, when the forbidden band width of the first guide layer 704 and the second guide layer 706 of the conventional example is equal to the forbidden band width of the quantum barrier layer 711 (conventional mode 1), that is, the first guide layer 704 and the When the Al composition ratio of the second guide layer 706 is 0.35, the astigmatic difference of the radiation angle increases to 15 μm. When the astigmatic difference is increased, when the emitted light is focused by the lens, the size of the focused spot increases, and it becomes difficult to use the light in a system such as an optical disk.
[0089]
That is, according to the semiconductor laser device of the fourth embodiment, the amount of saturable absorption outside the stripe of the quantum well layer adjacent to the guide layers 405 and 407 can be increased, and self-excitation can be performed while light is confined inside the stripe. Oscillation can occur. As a result, the influence of the wavefront due to the saturable absorption effect outside the stripe is less likely to be exerted, the shift of the spot position of the emitted light in the horizontal direction on the active layer is reduced, and the astigmatic difference is improved. Therefore, it is possible to reduce the astigmatic difference of the emitted light and to improve the optical characteristics.
[0090]
FIG. 8 shows the relationship between the refractive index difference Δn and the astigmatic difference ΔZ of the semiconductor laser device according to the fourth embodiment and the conventional example 1. Here, the refractive index difference Δn is the refractive index n of the light confined in the active layer inside the stripe. a And the refractive index n of light confined in the active layer outside the stripe b And the difference. From this result, it is recognized that the refractive index difference depends on the astigmatic difference, and it is understood that the astigmatic difference ΔZ of the fourth embodiment is suppressed to be lower than that of the first embodiment.
[0091]
In order to cause self-sustained pulsation, the refractive index difference Δn is set to 7 × 10 -3 It must be: The astigmatic difference ΔZ tends to increase as the refractive index difference Δn decreases. In order to reduce the astigmatic difference ΔZ to 10 μm or less in the semiconductor laser device of the fourth embodiment, the refractive index difference Δn is set to 2 × 10 -3 It is necessary to do above. Therefore, in the fourth embodiment, by setting the refractive index difference Δn in a range that satisfies the condition of the following expression (1), a self-pulsation type low-noise semiconductor laser having good optical characteristics with an astigmatic difference of 10 μm or less. The element constitutes.
[0092]
2 × 10 -3 ≦ Δn ≦ 7 × 10 -3 ... (1)
On the other hand, in the first embodiment, the refractive index difference required for causing self-sustained oscillation is 7 × 10 -3 In the following, the astigmatic difference ΔZ will be greater than 10 μm. Therefore, in the first embodiment, it is impossible to reduce the astigmatic difference and cause self-pulsation.
[0093]
(Embodiment 5)
9 and 10 show a fifth embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
[0094]
As shown in FIG. 9, this semiconductor laser device has an n-GaAs buffer layer 502 having a thickness of 0.5 μm and an n-Al layer having a thickness of 1.5 μm on an n-GaAs substrate 501. 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 503, Al having a thickness of 15 nm 0.3 Ga 0.7 As first guide layer 504, non-doped MQW active layer 505, Al having a thickness of 15 nm 0.25 Ga 0.75 As second guide layer 506, p-Al having a thickness of 0.2 μm 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 507, p-GaAs first etching stopper layer 508 having a thickness of 0.003 μm, p-Al having a thickness of 0.01 μm 0.6 Ga 0.4 As second etching stopper layer 509, n-Al having a thickness of 1.0 μm 0.5 Ga 0.5 It has a structure in which an As current confinement layer 510 and an n-GaAs cap layer 511 having a thickness of 0.8 μm are sequentially stacked by MOCVD.
[0095]
Here, the MQW active layer 505 has an Al thickness of 8 nm as shown in FIG. 0.1 Ga 0.9 As quantum well layer 520 and 5 nm thick Al 0.35 Ga 0.65 It is composed of an As quantum barrier layer 521 and is formed by alternately repeating two quantum well layers and one quantum barrier layer.
[0096]
The p-GaAs first etching stopper layer 508 and the p-Al 0.6 Ga 0.4 Since each layer thickness of the As second etching stopper layer 509 is very thin, the etching stopper layer does not affect the light confinement function or the internal light absorption.
[0097]
Next, a stripe window made of a photoresist is formed on the surface of the laminate, and a stripe groove 512 having a width of 2.5 μm reaching the surface of the p-GaAs first etching stopper layer is formed by selective etching.
[0098]
Next, a 1.5 μm-thick p-Al layer is filled so as to fill the stripe groove 512. 0.5 Ga 0.5 An As third cladding layer 513 and a p-GaAs contact layer 514 having a thickness of 2 μm are sequentially grown by MOCVD.
[0099]
An n-type electrode 515 and a p-type electrode 516 are formed on the surface of the n-GaAs substrate 501 and the surface of the p-GaAs contact layer 514, respectively. The cavity length was adjusted to 375 μm by the cleavage method, and each end face was made of Al so that the end face reflectivity on the light emitting side of the resonator end face was 30% and the end face reflectivity on the rear side was 95%. 2 O 3 Form a film.
[0100]
In the semiconductor laser device of the fifth embodiment, when a forward voltage is applied between the n-type electrode 515 and the p-type electrode 516, the oscillation wavelength is 0.78 μm, the threshold current is 10 mA, and the slope efficiency of the current-light output characteristic is 0. As a result, an operating current of 14 mA and an operating voltage of 1.7 V with an optical output of 3 mW were obtained at 75 W / A.
[0101]
In the semiconductor laser device of the fifth embodiment, as shown in FIG. 10, the first guide layer 504 and the second guide layer 506 are adjacent to the quantum well layer 520, and the first guide layer 504 and the second guide layer 506 are forbidden. The band width is larger than the band gap of the quantum well layer 520, and the band gap of the first guide layer 504 and the second guide layer 506 is smaller than the band gap of the quantum barrier layer 521. Further, the forbidden band widths of the first guide layer 504 and the second guide layer 506 are different.
[0102]
In the fifth embodiment, the first guide layer 504 and the second guide layer 506 have different forbidden band widths, that is, different Al composition ratios. At this time, the vertical radiation angle is 25 degrees. On the other hand, when the forbidden band widths of the first guide layer 504 and the second guide layer 506 are made equal, that is, when both the Al composition ratios are 0.25, the vertical radiation angle becomes 30 degrees. Become. Thus, by setting the Al composition ratio of the guide layers 504 and 506 to an appropriate value, it becomes possible to control the radiation characteristics of the laser.
[0103]
(Embodiment 6)
11 and 12 show a sixth embodiment of the semiconductor laser device of the present invention.
[0104]
As shown in FIG. 11, this semiconductor laser device has a GaN buffer layer 602 having a thickness of 0.05 μm, an n-GaN first cladding layer 603 having a thickness of 3 μm, and an n-GaN layer having a thickness of 0.1 μm on a sapphire substrate 601. -In 0.05 Ga 0.95 N second cladding layer 604, n-Al having a thickness of 0.5 μm 0.05 Ga 0.95 N third cladding layer 605, non-doped In with a layer thickness of 20 nm 0.1 Ga 0.9 N first guide layer 606, non-doped MQW active layer 607, non-doped In with a layer thickness of 20 nm 0.1 Ga 0.9 N second guide layer 608, p-Al having a thickness of 20 nm 0.2 Ga 0.8 N fourth cladding layer 609, p-GaN fifth cladding layer 610 having a thickness of 0.1 μm, p-Al having a thickness of 0.5 μm 0.05 Ga 0.95 It has a structure in which an N-th sixth cladding layer 611 and a p-GaN contact layer 612 having a thickness of 0.2 μm are sequentially laminated by MOCVD.
[0105]
Here, the MQW active layer 607 has a 4 nm-thick In layer as shown in FIG. 0.2 Ga 0.8 N quantum well layer 620 and 8 nm thick In 0.05 Ga 0.95 An N quantum barrier 621 is formed by alternately repeating three quantum well layers and two quantum barrier layers.
[0106]
Next, a stripe-shaped resist mask is formed on the surface of the stacked body, a ridge stripe 630 having a width of 2 μm is formed by dry etching, and the n-GaN first cladding layer 603 and the p-GaN contact layer 612 are each n-type. An electrode 640 and a p-type electrode 641 are formed. The cavity length is adjusted to 700 μm by the cleavage method, and the dielectric film coating is adjusted so that the end face reflectivity on the light emission side of the end face of the resonator and the end face reflectivity on the rear side are 30%.
[0107]
In the semiconductor laser device of the sixth embodiment, when a forward voltage is applied between the n-type electrode 640 and the p-type electrode 641, the oscillation wavelength is 0.41 μm, the threshold current is 100 mA, and the slope efficiency of the current-light output characteristic is 0. An operating voltage of 2 W / A and a threshold voltage of 6 V were obtained. As described above, in the sixth embodiment, the threshold current can be reduced by suppressing an increase in the operating voltage.
[0108]
In the semiconductor laser device of the sixth embodiment, as shown in FIG. 12, the first guide layer 606 and the second guide layer 608 are adjacent to the quantum well layer 620, and the first guide layer 606 and the second guide layer 608 are forbidden. The band width is larger than the band gap of the quantum well layer 620, and the band gap of the first guide layer 606 and the second guide layer 608 is smaller than the band gap of the quantum barrier layer 621. Further, the forbidden band width of the guide layers 606 and 608 is set between the quantum well layer 620 and the quantum barrier layer 621.
[0109]
Here, the relationship between the composition ratio of each semiconductor layer and the forbidden band width is such that as the In composition ratio of each semiconductor layer increases, the forbidden band width decreases and the refractive index increases. When the Al composition ratio of each semiconductor layer increases, the forbidden band width increases and the refractive index decreases.
[0110]
In the sixth embodiment, since non-doped InGaN layers are used for the guide layers 606 and 608, the dopant from the n-third cladding layer 605 and the p-fourth cladding layer 609 diffuses into the MQW active layer 607. Since it is suppressed by the guide layers 606 and 608, it is possible to prevent the oscillation wavelength shift due to the fluctuation of the composition ratio.
[0111]
Furthermore, since InGaN is applied to the guide layers 606 and 608 and the forbidden band width is set between the quantum well layer 620 and the quantum barrier layer 621, the refractive index of the guide layers 606 and 608 can be increased. . Therefore, it is possible to increase the light confinement rate to the MQW active layer 607 while suppressing an increase in the operating voltage, and to reduce the threshold current.
[0112]
On the other hand, in the conventional example, since an n-type or p-type GaN layer is used for the guide layers 704 and 706, there is a problem that a dopant is diffused into the MQW active layer 705 to cause an oscillation wavelength shift. If the guide layers 704 and 706 are made non-doped in order to prevent this, another problem arises in that the operating voltage increases.
[0113]
In each of the above embodiments, the case where the forbidden band width of the first guide layer and the second guide layer is smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer has been described. It is also possible to make one of the band gaps smaller than the band gap of the quantum barrier layer.
[0114]
Further, the present invention is not limited to the layer thickness, the composition ratio of Al, In and the like, and the carrier concentration shown in each of the above-described embodiments, and other conditions can be used.
[0115]
As the growth method, an LPE method, a gas source MBE method, and an ALE (atomic beam epitaxy) method can be applied in addition to the MOCVD method and the MBE method.
[0116]
【The invention's effect】
According to the above-described semiconductor laser device of the present invention, the forbidden band width of the guide layer is made smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer, that is, the refractive index of the guide layer is set to be larger than the refractive index of the quantum barrier layer. Therefore, the confinement rate of light in the quantum well layer of the MQW active layer can be increased, and the threshold current can be reduced. In addition, since it is not necessary to increase the thickness of the guide layer as in the conventional example, it is possible to suppress an increase in operating voltage due to an increase in element resistance, and to reduce a threshold current.
[0117]
Further, the forbidden band width of the guide layer is made smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer. For example, in the case of an Al-based semiconductor layer, the Al composition ratio of the guide layer is set smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer. Therefore, dopant diffusion from the cladding layer to the guide layer can be suppressed. As a result, the diffusion of the dopant into the MQW active layer can be suppressed, so that the change in the Al composition ratio of the quantum well layer of the MQW active layer can be suppressed, and the oscillation wavelength shift can be prevented.
[0118]
Also, controlling the forbidden band width of the guide layer corresponds to controlling the refractive index, and the vertical radiation angle can be adjusted by setting the refractive indexes of the two guide layers to appropriate values.
[0119]
Further, by setting the Al composition ratio of the guide layer to be smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer, the number of non-radiative recombination levels of the guide layer can be reduced, and the leakage from the quantum well layer to the guide layer can be reduced. Non-radiative recombination of carriers can be suppressed. As a result, carriers can be effectively used for light emission, and the threshold current can be reduced.
[0120]
According to the semiconductor laser device of the present invention, the saturable absorbing layer having the emission energy band gap substantially equal to the laser energy band gap of the MQW active layer is formed by the two cladding layers. Since the structure is provided between the layers, self-sustained pulsation in which the laser oscillation light oscillates in a pulse shape occurs due to the saturable absorption effect. In the self-excited oscillation state, the longitudinal mode of the laser becomes a multimode, and the spectral line width of each longitudinal mode is widened. For this reason, the coherency of the laser is reduced, the effect of the return light is reduced, and noise can be reduced.
[0121]
In the case where the saturable absorption layer is provided, the diffusion of the dopant in the cladding layer between the MQW active layer and the saturable absorption layer is suppressed by the saturable absorption layer, and the diffusion toward the MQW active layer increases. However, since the Al composition ratio of the guide layer is set smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer, it is possible to suppress dopant diffusion from the cladding layer to the guide layer. Therefore, the diffusion of the dopant into the MQW active layer can be suppressed, so that the change in the Al composition ratio of the quantum well layer of the MQW active layer can be suppressed and the oscillation wavelength shift can be prevented.
[0122]
According to the semiconductor laser device of the fourth aspect, the third cladding layer in the form of a stripe is provided, and the refractive index difference Δn is set within the range of the expression (1). By increasing the saturable absorption amount, self-sustained pulsation can be generated while light is confined inside the stripe. As a result, the influence of the wavefront due to the saturable absorption effect outside the stripe is reduced, and the displacement of the spot position of the emitted light in the horizontal direction on the active layer can be reduced, that is, the astigmatic difference is reduced and the optical characteristics are improved. it can.
[0123]
According to the semiconductor laser device of the present invention, the forbidden band width of the second guide layer on the p-type cladding layer side is made smaller than the forbidden band width of the quantum barrier layer. In contrast to the clad layer in which the dopant of the p-type clad layer tends to diffuse easily, the diffusion of the dopant into the active layer can be suppressed, and the wavelength shift can be more effectively prevented.
[0124]
According to the semiconductor laser device of the present invention, the forbidden band width of the smaller one of the forbidden band widths of the two guide layers is set to the forbidden band width corresponding to the energy of the laser oscillation light of the active layer. Since the threshold current is set to be larger, the threshold current can be reduced more effectively as shown in FIG.
[0125]
According to the semiconductor laser device of the present invention, the forbidden band width Eg of the smaller one of the forbidden band widths of the two guide layers is set so as to satisfy the relationship of the above expression (2). As shown in FIG. 3, the threshold current can be reduced more effectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an energy band diagram near an active layer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a forbidden band width of a guide layer and a threshold current according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an energy band diagram near an active layer according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between a refractive index difference and an astigmatic difference of a semiconductor laser device.
FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an energy band diagram near an active layer according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is an energy band diagram near an active layer according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a cross-sectional structure of a conventional semiconductor laser device.
FIG. 14 is an energy band diagram near a conventional active layer.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301, 401, 501, 601, 701 n-GaAs substrate 102, 202, 302, 402, 502, 602, 702 n-GaAs buffer layer
103, 203, 303, 403, 503, 603, 703 n-first cladding layer
404,604 n-second cladding layer
605 n-third cladding layer
104, 204, 304, 405, 504, 606, 704 First guide layer
105, 205, 305, 406, 505, 607, 705 MQW active layer
120, 220, 520, 620, 710 Quantum well layer
121,221,521,621,711 Quantum barrier layer
106, 206, 306, 407, 506, 608, 706 Second guide layer
107, 207, 307, 507, 707 p-second cladding layer
408 p-third cladding layer
609 p-fourth cladding layer
610 p-fifth cladding layer
611 p-sixth cladding layer
208 p-etch block layer
108, 209, 409, 508, 509 p-etching stopper layer
109, 210, 410, 513 p-third cladding layer
110, 211, 308, 411 p-cap layer
111, 212, 309, 412, 512 stripe
112, 213, 310, 413, 510 n-first current light confinement layer
113, 214, 414 n-second current confinement layer
114,215,415 p-planarization layer
115,216,416,514,612,708 p-contact layer
116, 117, 217, 218, 311, 312, 417, 418, 515, 516, 640, 641

Claims (4)

少なくともAlを含む複数の量子井戸層のそれぞれと、禁制帯幅が等しく少なくともAlを含む複数の量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造の活性層を挟んで、少なくともAlを含む第1ガイド層及び少なくともAlを含む第2ガイド層が設けられた半導体レーザ素子であって、
該第1ガイド層及び該第2ガイド層を該量子井戸層に隣接させると共に該第1ガイド層及び該第2ガイド層の禁制帯幅を該量子井戸層の禁制帯幅より大きくし、且つ、該第1ガイド層及び該第2ガイド層のAl組成比を該量子障壁層のAl組成比よりも小さくして、該第1ガイド層及び該第2ガイド層の禁制帯幅を該量子障壁層の禁制帯幅よりも小さくし、
前記第1ガイド層及び前記第2ガイド層を挟むように第1導電型の第1クラッド層と第2導電型の第2クラッド層が設けられ、該第2クラッド層の外側であって該第1クラッド層と反対側の位置に第2導電型の第3クラッド層が設けられ、該第1クラッド層と該第3クラッド層との間に前記活性層のレーザ発振光のエネルギーと略等しい発光エネルギーを有する可飽和吸収層を設けた、半導体レーザ素子。
Across respectively the plurality of quantum well layer containing at least Al, an active layer of multiple quantum well structure in which a plurality of quantum barrier layers are alternately stacked, including the band gap at least equal Al, the at least Al A semiconductor laser device provided with one guide layer and a second guide layer containing at least Al ,
The first guide layer and the second guide layer are adjacent to the quantum well layer, and the forbidden band width of the first guide layer and the second guide layer is larger than the forbidden band width of the quantum well layer; The Al composition ratio of the first guide layer and the second guide layer is smaller than the Al composition ratio of the quantum barrier layer, and the forbidden band width of the first guide layer and the second guide layer is reduced . Smaller than the forbidden band width of
A first cladding layer of a first conductivity type and a second cladding layer of a second conductivity type are provided so as to sandwich the first guide layer and the second guide layer, and the second cladding layer is provided outside the second cladding layer. A third cladding layer of a second conductivity type is provided at a position opposite to the one cladding layer, and light emission substantially equal to the energy of the laser oscillation light of the active layer is provided between the first cladding layer and the third cladding layer. A semiconductor laser device provided with a saturable absorption layer having energy.
前記第1ガイド層及び前記第2ガイド層を挟むように第1導電型の第1クラッド層と第2導電型の第2クラッド層が設けられ、該第2クラッド層の外側であって該第1クラッド層と反対側の位置に第2導電型の第3クラッド層がストライプ状に形成され、ストライプ内部の活性層に閉じ込められた光の屈折率naとストライプ外部の活性層に閉じ込められた光の屈折率nbとの差Δnが下記(1)式の条件を満たす
2×10-3≦Δn≦7×10-3・・・・(1)
請求項1記載の半導体レーザ素子。
A first cladding layer of a first conductivity type and a second cladding layer of a second conductivity type are provided so as to sandwich the first guide layer and the second guide layer, and the second cladding layer is provided outside the second cladding layer. third cladding layer of the second conductivity type is formed in a stripe shape on the opposite side of the position and first cladding layer, confined in the active layer with a refractive index n a and the stripe external light confined in the active layer inside the stripe The difference Δn from the refractive index n b of the light satisfies the condition of the following formula (1): 2 × 10 −3 ≦ Δn ≦ 7 × 10 −3 (1)
The semiconductor laser device according to claim 1 .
前記第1ガイド層又は前記第2ガイド層の禁制帯幅が異なる場合に、小さい方の禁制帯幅を前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅より大きくした請求項1または請求項2に記載の半導体レーザ素子。 When the forbidden band widths of said first guide layer or the second guiding layer are different, the forbidden band width smaller and larger than the band gap corresponding to the energy of the laser oscillation light of the active layer according to claim 1, wherein Item 3. A semiconductor laser device according to item 2 . 前記第1ガイド層又は前記第2ガイド層の禁制帯幅の内、小さい方の禁制帯幅をEg、前記量子障壁層の禁制帯幅をEb、前記活性層のレーザ発振光のエネルギーに相当する禁制帯幅をEλとした場合に、Eg、Eb及びEλが下記(2)式の条件を満たす
Eλ+100meV≦Eg≦Eb−50meV・・・・(2)
請求項3記載の半導体レーザ素子。
Of the forbidden bandwidths of the first guide layer or the second guide layer, the smaller forbidden bandwidth is Eg, the forbidden bandwidth of the quantum barrier layer is Eb, and the energy of the laser oscillation light of the active layer is equivalent. When the forbidden band width is Eλ, Eg, Eb, and Eλ satisfy the condition of the following equation (2): Eλ + 100 meV ≦ Eg ≦ Eb−50 meV (2)
The semiconductor laser device according to claim 3 .
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