JP3592730B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、歪量子井戸を有する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の歪量子井戸を有する半導体レーザ素子は、例えば図５（ａ）に示すような構造をしている。図中、１はｎ−ＩｎＰ基板、２はｎ−ＩｎＰバッファ層、３は歪量子井戸を含む活性層、４ａ、４ｂはｐ−ＩｎＰクラッド層、５はｐ−ＩｎＰ電流ブロック層、６はｎ−ＩｎＰ電流ブロック層、７はｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層である。この半導体レーザ素子は以下の工程で製造される。即ち、
１）ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層２、活性層３、ｐ−ＩｎＰクラッド層４ａを積層する。成長方法としては、例えば有機金属気相成長法を用いる。
２）次いで、幅１．５μｍ程度のメサストライプをＳｉＮ_ｘ マスク（図示せず）を用いて通常のフォトリソグラフィ、ケミカルエッチングにより形成する。
３）次いで、２回目の結晶成長により、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層６を形成し、次いでＳｉＮ_ｘ マスクを除去した後、３回目の結晶成長により、ｐ−ＩｎＰクラッド層４ｂ、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７を積層し、埋め込み構造を形成する。
図５（ｂ）は歪量子井戸を含む活性層３のバンドダイヤグラムである。活性層３は、厚さ４ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ井戸層９（λｇ ＝１．４μｍ）を、厚さ１２ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ光導波層８（λｇ ＝１．１μｍ）で挟んだ構造になっている。ＧａＩｎＡｓＰ井戸層９はＩｎＰ基板１に対して１％ほど格子定数が大きい組成になっており、ＧａＩｎＡｓＰ井戸層９には、圧縮歪みが加わっている。
この構造の半導体レーザ素子において、共振器長を１５０μｍとし、両面に高反射コーティング（反射率：８５％〜９５％）を施したものについて、発光特性の温度依存性を測定した。その結果を図６に示す。この素子は、室温では２．０ｍＡの低いしきい値電流を実現している。また、発光効率の温度依存性を図７に示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の半導体レーザ素子においては、図６からかるように、温度が上昇するにともない、しきい値電流が上昇し、１００℃以上では発振しなくなるという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願第１の発明は、上記問題点を解決した半導体レーザ素子を提供するもので、一層または複数層の歪量子井戸層を含む活性層をＩｎＰ基板上方に有する半導体レーザ素子において、活性層は６層以上の歪量子井戸層を有し、かつ該歪量子井戸層の厚さの総計と、歪み（％）との積が２０ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
また、本願第２の発明は、一層または複数層の歪量子井戸層を含む活性層を有する半導体レーザ素子において、活性層は歪みが１％程度である６層以上の歪量子井戸層を有し、かつ該歪量子井戸層の厚さの総計と、前記歪み（％）との積が２０ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
さらに、本願第３の発明は、一層または複数層の歪量子井戸層を含む活性層を有する半導体レーザ素子において、活性層は６層以上のＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体からなる歪量子井戸層を有し、かつ該歪量子井戸層の厚さの総計と、歪み（％）との積が２０ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であることを特徴とするものである。
【０００５】
【作用】
半導体レーザ素子において、活性層の歪量子井戸層数を増加すると、しきい値電流密度が減少することが知られている。一方、歪量子井戸層数を増加しすぎると、歪みにともなう格子欠陥が発生する。そこで、しきい値電流密度の温度特性に及ぼすＧａＩｎＡｓＰ系歪み量子井戸層の厚さの総計と歪みの影響を実験的に調べ、新しい知見を得た。本発明は、それに基づいた活性層の設計基準を示すものである。
即ち、本発明者らの実験によれば、ＧａＩｎＡｓＰ系歪み量子井戸層の厚さの総計と歪み（％）の積が２０ｎｍよりも小さく、また、４０ｎｍよりも大きくなると、高温でしきい値電流密度が増大することがわかった。因みに、従来は、ＧａＩｎＡｓＰ系歪み量子井戸層の厚さの総計と歪み（％）の積が２０ｎｍ以下で、活性層が構成されていた。
【０００６】
以下、図面に示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
本実施例の半導体レーザ素子の構造は、活性層を除いて従来技術の説明に用いた図５（ａ）と同様である。活性層１３は、図１に示すように、厚さ４ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ井戸層９（λｇ ＝１．４μｍ）と、厚さ１２ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ障壁層１０（λｇ ＝１．１μｍ）からなる歪多重量子井戸構造をなし、井戸層９数は６層である。この場合、歪みと井戸層の厚さの総計との積は、１％×４ｎｍ×６＝２４ｎｍとなる。共振器長を１７０μｍとし、両面の反射率を８５％、９５％とした。この素子の発光特性を図２に示す。図２からわかるように、しきい値電流は、室温において２．５ｍＡ、１００℃において６．５ｍＡであり、１５０℃以上まで発振することが確認できた。また、発光効率の温度上昇にともなう劣化は、従来に比較して小さくなった。例えば、発光効率が半分になる温度は、図３からわかるように、本実施例では１４５℃であるが、従来例では、図７に示すように８５℃付近である。
上記実施例において、各量子井戸層の厚さを４ｎｍ、歪みを１％として、量子井戸層の数を変えて、歪みと井戸層の厚さの総計との積としきい値電流の関係を測定した。その結果を図４に示す。図４からわかるように、歪みと井戸層の厚さの総計との積が２０ｎｍよりも小さくなると、また、４０ｎｍよりも大きくなると、しきい値電流は１５０℃以上の高温において急激に増加する。従って、歪みと井戸層の厚さの総計との積が２０ｎｍ以上、４０ｎｍ以下の範囲になるように活性層を設計することが望ましい。
なお、図８は、量子井戸数の異なるウェハの液体窒素温度（７７Ｋ）におけるフォトルミネッセンス測定結果である。歪みと井戸層の厚さの総計との積が４０ｎｍを越えると、半値幅の増大、ピーク波長の長波長化が顕著である。これは臨界膜厚による歪みの緩和に起因した結晶性の劣化を表したものである。この結晶性の劣化は素子の信頼性に悪影響を及ぼし、デバイスの信頼性も低下することを確認した。このような観点からも、歪みと井戸層の厚さの総計との積は４０ｎｍ以下であることが重要である。
なお、本発明は上記実施例に限定されず、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＰ／ＡｌＩｎＧａＰ系などにも適用できる。
【０００７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一層または複数層の歪量子井戸層を含む活性層を有する半導体レーザ素子において、活性層に含まれる前記歪量子井戸層はＧａＩｎＡｓＰ系化合物半導体からなり、前記ＧａＩｎＡｓＰ系歪量子井戸層の厚さの総計と、歪み（％）との積が２０ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であるため、高温におけるしきい値電流の増加と発光効率の低下を防ぎ、高温にける発光特性を改善することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の一実施例における活性層のバンドギャップ構造を示す図である。
【図２】上記実施例の電流と光出力の関係を示す図である。
【図３】上記実施例の電流と発光効率の関係を示す図である。
【図４】歪みと井戸層の厚さの総計との積としきい値電流の関係を示す図である。
【図５】（ａ）は従来の半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）はその活性層のバンドギャップ構造を示す図である。
【図６】従来の電流と光出力の関係を示す図である。
【図７】従来の電流と発光効率の関係を示す図である。
【図８】歪みと井戸層の厚さの総計との積とフォトルミネッセンス半値幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
３、１３ 活性層
４ａ、４ｂ ｐ−ＩｎＰクラッド層
５ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
６ ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
７ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
８ 光導波層
９ 井戸層
１０ 障壁層

Claims (2)

1. 複数層の歪量子井戸層を含む活性層をＩｎＰ基板上方に有する半導体レーザ素子において、活性層は、歪みが１％程度である６層以上の歪量子井戸層を有し、かつ該活性層の厚さの総計と、前記歪み（％）との積が２０ｎｍ以上、４０ｎｍ以下であって、レーザ素子として１４０℃まで発振することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. ４０℃における発光効率の１／２の発光効率になる温度が１４０℃以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。

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