JP3606933B2 - Semiconductor laser - Google Patents
Semiconductor laser Download PDFInfo
- Publication number
- JP3606933B2 JP3606933B2 JP1956395A JP1956395A JP3606933B2 JP 3606933 B2 JP3606933 B2 JP 3606933B2 JP 1956395 A JP1956395 A JP 1956395A JP 1956395 A JP1956395 A JP 1956395A JP 3606933 B2 JP3606933 B2 JP 3606933B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- light guide
- active layer
- semiconductor laser
- guide layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体レーザに係り、特に、ロボットの目やレーザレーダシステム等を構成する測距用の半導体レーザとして好適なものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体レーザを用いて自動車間の距離を測定し、車間距離を一定に保ったり、また前方の車に接近し過ぎた場合に警報を発する、あるいはブレーキをかけるというようなシステムが検討されている。このようなシステムでは、100m先の物体を検知する必要があり、半導体レーザにおいてはパルス駆動で数十Wクラスの光出力が要求されている。この大出力半導体レーザの構造を図8に示す。n−GaAs基板21上にn−GaAs層22、n−AlGaAsクラッド層23が積層され、その上に活性層24、p−AlGaAsクラッド層25、p−GaAs層26がメサ状に積層されている。ここで、活性層とは、注入されたキャリアを閉じ込め、再結合させることで光に変換する層である。さらに、絶縁膜27およびp型電極28が形成されている。一方、n−GaAs基板21の裏面にはn型電極29およびAu/Sn層30が形成されている。
【0003】
一般に、数十Wクラスの大出力パルス半導体レーザは大出力化のため図8に示すようにストライプ幅を少なくとも100μm以上とする必要がある。一方、活性層24の厚さはキャリアを狭い領域に閉じ込め、しきい値電流を小さくするという目的から0.1μm程度にする必要がある。このように、大出力パルス半導体レーザは波長に比べストライプ幅が大きく、かつ活性層の厚さは小さくなっているため、活性層の拡がり方向(水平方向)には光の回折が起こらず、活性層の厚さ方向(垂直方向)には回折が起こるため、ビーム形状は活性層の厚さ方向(垂直方向)に広がった楕円形状となっており、楕円比(図9でのビーム断面の長径Hと短径Wの比H/W)が2.5〜3.2程度となっている。
【0004】
そして、レーザ光のビームを所望の広がり角を持つ範囲に集光するために光学レンズが用いられており、レンズ設計の容易さ、システムの小型化という観点から、放射されるレーザ光のビーム形状はなるべく円形に近い方が望ましく、楕円比が「2.5」よりも小さいものが要求されている。
【0005】
円形に近いビーム形状のレーザ光を得るための一般的手法として、特開昭55−143092号公報では小出力半導体レーザにおいて、半導体に高屈折率のレンズ部を形成している。ところが、半導体内にレンズ部を形成しようとすると、新たなる工程が必要となる問題があった。そこで、レンズ部を必要とせず円形に近いレーザ光を得るようにしたものとして、特開平4−151887号公報がある。特開平4−151887号公報では、同じく小出力半導体レーザにおいて、活性層の上下に活性層より屈折率の低い光ガイド層(閉じ込め層)を形成し、さらに、活性層の幅を0.5μm以上、1.5μm以下としている。ここで、光ガイド層というのは、活性層で発生した光を閉じ込め、導波させる働きをする層のことである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平4−151887号公報に示された半導体レーザは、小出力(数十mW)クラスの半導体レーザ(ストライプ幅;数μm〜数十μm)に用いることにより円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができるが、上記ストライプ幅が100μm以上の大出力パルス半導体レーザに用いた場合、単に活性層の幅を限定し、光ガイド層で挟んだ構造にしただけでは円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができないことが分かった。
【0007】
これは、一般的に小出力の半導体レーザ(ストライプ幅が100μm未満)においては、発光開始電流(しきい値電流)が変わってしまうという問題により、光ガイド層の厚さをあまり大きくとれず、従って、ビーム形状を変化させるためにはストライプ幅を変化させたり、活性層の幅を変えたり、また活性層の両側にキャリア障壁層を付加させたり(特開昭61−79288号公報)するしかないと考えられていたためである。そして、この発光開始電流変化はストライプ幅が100μm以上の半導体レーザにおいても生じると考えられていたため大出力半導体レーザにおいては、上記のように楕円比2.5〜3.2程度のものしか得られていなかった。
【0008】
そこで、この発明の目的は、ストライプ幅が100μm以上を有する大出力の半導体レーザにおいて円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができる半導体レーザを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、光の閉じ込め効果は光ガイド層と活性層の厚みの合計で決定されることを見出した。
【0010】
そこで、請求項1に記載の発明は、ストライプ幅が100μm以上である半導体レーザであって、キャリアが注入され、該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、前記活性層の上下に隣接して形成され、前記活性層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されて前記活性層で発生された前記光を閉じ込める光ガイド層と、前記光ガイド層を介して前記活性層の上下に形成され、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されたクラッド層とを有し、前記活性層と前記光ガイド層との厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下とした半導体レーザをその要旨とする。
【0011】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明における前記活性層の厚さを0.05μm以上、0.15μm以下とした半導体レーザをその要旨とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明における前記活性層と前記光ガイド層と前記クラッド層とを、AlGaAs系材料にて構成した半導体レーザをその要旨とする。
【0012】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発明における前記活性層と前記光ガイド層と前記クラッド層とを、InGaAlP系材料、InGaAsP系材料、InGaAsSb系材料、AlGaInN系材料のいずれかの材料にて構成した半導体レーザをその要旨とする。
【0015】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発明における前記クラッド層は前記活性層の一方の面に形成された第1導電型の第1のクラッド層と、前記活性層の他方の面に形成された第2導電型の第2のクラッド層とからなり、さらに、前記第1のクラッド層側に形成された半導体基板と、該半導体基板の前記第1のクラッド層とは反対側に形成された下面電極と、前記第2のクラッド層上に形成され100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有する半導体レーザをその要旨とする。
【0016】
請求項6に記載の発明は、下面に下面電極を有する第1導電型の半導体基板と、前記半導体基板の前記下面電極とは反対側の上面に形成され、第1導電型の第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に形成され、前記第1のクラッド層よりも実質的に屈折率が高くAlGaAs系材料からなる第1導電型の第1の光ガイド層と、前記第1の光ガイド層上に隣接して形成され、AlGaAs系材料からなり、前記第1の光ガイド層よりも実質的に屈折率が高く、キャリアが注入されて該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、前記活性層上に隣接して形成され、前記活性層よりも実質的に屈折率が低くAlGaAs系材料からなる第2導電型の第2の光ガイド層と、前記第2の光ガイド層上に形成され、前記第2の光ガイド層よりも実質的に屈折率が低い第2導電型の第2のクラッド層と、前記第2のクラッド層上に形成され、100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有し、前記第1の光ガイド層と前記活性層と前記第2の光ガイド層との厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下とした半導体レーザをその要旨とする。
【0017】
【作用】
請求項1,5,6に記載の発明によれば、光ガイド層の厚さを厚くしていくと、光ガイド層の厚さ方向(垂直方向)の光の回折効果が小さくなりビームは狭くなる。一方、光ガイド層の拡がり方向(水平方向)の回折効果は変化しない。図4に示すように、活性層と光ガイド層の厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下とすることでビームが円形に近づく。
【0018】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の作用に加え、活性層の厚さを0.05μm以上、0.15μm以下としたので、キャリアは活性層の狭い領域のみに閉じ込められるためしきい値電流の増加、光出力の低下は起こらない。
【0019】
請求項3に記載の発明によれば、請求項1または2に記載の発明の作用に加え、活性層と光ガイド層とクラッド層とを、AlGaAs系材料にて構成したので、ビームの楕円比が「2.5」よりも小さくなる。
【0020】
請求項4に記載の発明によれば、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発明の作用に加え、活性層と光ガイド層とクラッド層とを、InGaAlP系材料、InGaAsP系材料、InGaAsSb系材料、AlGaInN系材料のいずれかの材料にて構成したので、ビームの楕円比が「2.5」よりも小さくなる。
【0023】
【実施例】
(第1実施例)
以下、この発明を具体化した第1実施例を図面に従って説明する。
【0024】
図2は本実施例の大出力半導体レーザの斜視図を示し、図1には大出力半導体レーザの断面図を示す。図3には、大出力半導体レーザのエネルギーバンド図を示す。この大出力半導体レーザはパルス駆動されるようになっている。
【0025】
半導体基板としてのn−GaAs基板1上に、n−GaAs層2、第1のクラッド層としてのn−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層3、第1の光ガイド層としてのn−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層4、Al0.2 Ga0.8 As/GaAs多重量子井戸構造からなる活性層5、第2の光ガイド層としてのp−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層6、第2のクラッド層としてのp−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層7、p−GaAs層8が順に積層されている。活性層5は、Al0.2 Ga0.8 AsとGaAsとが交互に積層され、Al0.2 Ga0.8 Asが5層、GaAsが6層形成されている。又、クラッド層3と光ガイド層4と活性層5と光ガイド層6とクラッド層7とGaAs層8とは、メサ形となっている。そして、活性層5の前端面(図2における手前側端面)には低反射膜、後端面には高反射膜がコーティングされている。
【0026】
n−GaAs層2の厚さは500nm(0.5μm)、n−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層3の厚さは1μm、n−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層4の厚さは0〜2.25μmである。又、活性層5においては、Al0.2 Ga0.8 Asの一層の厚さが7.5nm(0.0075μm)であり、かつ、Al0.2 Ga0.8 Asが5層あるので、Al0.2 Ga0.8 Asの合計の厚さは37.5nm(=7.5nm×5層)となっている。又、活性層5におけるGaAsの一層の厚さが15nm(0.015μm)であり、かつ、GaAsが6層あるのでGaAsの合計の厚さは90nm(=15nm×6層)となっている。よって、活性層5の厚さは127.5nm、即ち、0.1275μmとなっている。
【0027】
p−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層6の厚さは0〜2.25μm、p−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層7の厚さは1μm、p−GaAs層8の厚さが0.8μmである。
【0028】
本実施例では、活性層5の厚さが127.5nmで、活性層5と光ガイド層4と光ガイド層6との合計の厚さが1.5μm以上となっている。
又、活性層5の屈折率(平均屈折率)は「3.6」であり、n−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層4およびp−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層6の屈折率はそれぞれ「3.5」であり、n−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層3およびp−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層7の屈折率はそれぞれ「3.3」である。そして、図3に示すように、光ガイド層4,6は活性層5よりもバンドギャップが大きくなるように設定されている。
【0029】
n−GaAs層2およびメサ状部の上面にはSiO2 からなる絶縁膜9が形成されるとともに、メサ状部の上面には絶縁膜9の無い窓部13が形成されている。さらに、その上にはCr/Auからなる上面電極としてのp型電極10が形成され、p−GaAs層8とオーミックコンタクトが取られている。窓部13の幅、即ち、ストライプ幅は400μmとなっている。
【0030】
n−GaAs基板1の裏面にはAuGe/Ni/Auからなる下面電極としてのn型電極11が形成され、n−GaAs基板1とオーミックコンタクトが取られている。又、n型電極11の表面にはAu/Sn層12が形成され、このAu/Sn層12は半導体レーザ素子と、台座であるCu製のヒートシンクを接合するための接合剤である。
【0031】
図2に示すように、この大出力半導体レーザの縦横の寸法は、500μm×600μmとなっている。
次に、この大出力半導体レーザの製造方法を説明する。
【0032】
まず、n−GaAs基板1上にn−GaAs層2、n−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層3、n−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層4、Al0.2 Ga0.8 As/GaAs多重量子井戸構造からなる活性層5、p−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層6、p−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層7、p−GaAs層8を順次MOCVD(Metal Organic Chemical Vaper Deposition)法により積層する。その後、エッチングによりメサ状部を形成する。
【0033】
引き続き、n−GaAs層2およびメサ状部の上面にSiO2 からなる絶縁膜9をプラズマCVD法により成膜し、エッチングにより窓あけをして窓部13を形成する。そして、絶縁膜9上に、Cr/Auからなるp型電極10を電子ビーム蒸着法により形成し、約360℃において熱処理を行いオーミックコンタクトを取る。
【0034】
さらに、n−GaAs基板1の裏面にAuGe/Ni/Auからなるn型電極11を電子ビーム蒸着法により形成し、熱処理を行いオーミックコンタクトを取る。その後、Au/Sn層12を電子ビーム蒸着法により形成する。最後に、端面をへき開し半導体レーザチップとする。
【0035】
このレーザのp型電極10とn型電極11の間にパルスの電流を流すことにより、p−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層7側より正孔が、n−Al0.4 Ga0. 6 Asクラッド層3側より電子がそれぞれ活性層5内に注入され、再結合することにより発光する。このようにして発光した光がへき開した前後の端面で反射を繰り返すことで増幅されレーザ発振し、前端面よりレーザ光が発射される。
【0036】
図4には、活性層5の厚さを127.5nmとし、n−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層4およびp−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層6の厚さを変えることにより、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の合計の厚さを変えた場合のビームの楕円比(図9におけるH/W)の測定結果を示す。尚、このとき、光ガイド層4の膜厚と光ガイド層6の膜厚は等しくなっている。
【0037】
この図4から次のことが分かる。即ち、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の厚さの合計を1.5μm以上とすることでビームの楕円比を「2.5」よりも小さくすることができる。さらに、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の厚さの合計を4.5μm付近に選べば楕円比が「1」、即ち完全な円形に近いビームを得ることができる。これは、光ガイド層の膜厚を大きくしていくと、光ガイド層の厚さ方向(垂直方向)には光の回折効果が小さくなりビームは狭くなるのに対し、光ガイド層の拡がり方向(水平方向)の回折効果は変化しないためである。その結果、図4に示すように、ビームの楕円比を「1」程度から「3」程度にまで制御することができる。又、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の厚さの合計を5.5μm以下とすることで、ビームの楕円比を0.4よりも大きくすることができる。これは、楕円比2.5の縦横を入れ換えたものにほかならない。
【0038】
尚、図4において、ハッチングで示した領域は、図8に示した大出力半導体レーザ(光ガイド層の無い半導体レーザ)の楕円比を示し、その楕円比は2.5〜3.2程度である。
【0039】
ここで、活性層5の厚さを0.1μm付近(0.1±0.05μmの間)とすることで、キャリアを狭い所に閉じ込め、キャリアを有効に再結合させることができるため、しきい値電流を低くすることができ、又、光出力が低下することも防止できる。
【0040】
このように、活性層5と光ガイド層4および光ガイド層6の合計の膜厚を1.5μm以上にし、かつ、活性層5の膜厚を0.1μm付近にするために、本実施例では、光ガイド層4および光ガイド層6の合計の厚さを1.5μm以上にしている。
【0041】
尚、n−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層4とp−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層6の膜厚は同一でも異なっていてもよい。
このように本実施例の半導体レーザでは、ストライプ幅を400μmの大出力用とし、活性層5の上下に、活性層5より屈折率の低い光ガイド層4,6を有し、さらに、その光ガイド層4,6を含めた活性層5の上下に光ガイド層4,6より屈折率の低いクラッド層3,7を有し、かつ活性層5と光ガイド層4,6の厚さの合計を1.5μm以上とした。よって、光ガイド層4,6の厚さを厚くしていくと、光ガイド層4,6の厚さ方向(垂直方向)の光の回折効果が小さくなりビームは狭くなる。一方、光ガイド層4,6の拡がり方向(水平方向)の回折効果は変化しない。このようにして、活性層5と光ガイド層4,6の厚さの合計を1.5μm以上とすることでビームを円形に近づけることができる。
【0042】
又、活性層5の厚さを、0.05〜0.15μmの範囲内である0.1275μmとしたので、キャリアは活性層5の狭い領域のみに閉じ込められるため、これによってもしきい値電流の増加、光出力の低下は防止できる。
【0043】
さらに、活性層5と光ガイド層4,6とクラッド層3,7とを、AlGaAs系材料にて構成した。よって、活性層5と光ガイド層4,6の合計の厚さを1.5μm以上とすることで、ビームの楕円比を「2.5」よりも小さくすることができる。このように、大出力のままビームの楕円比が「2.5」よりも小さい円形に近いビーム形状を得ることができ、集光のためのレンズ設計およびレンズ製作が容易になり、又、システムの要求に適合したビーム形状のレーザの製作が可能となる。
【0044】
さらには、AlGaAs系材料を用いたことにより、発振波長が0.8μm帯のレーザを得ることができる。
以上、一般的に小出力の半導体レーザ(ストライプ幅が100μm未満)においては、発光開始電流(しきい値電流)が変わってしまうという問題により、光ガイド層の厚さをあまり大きくとれず、従って、ビーム形状を変化させるためにはストライプ幅を変化させたり、活性層の幅を変えたり、また活性層の両側にキャリア障壁層を付加させたり(特開昭61−79288号公報)するしかないと考えられていた。そして、この発光開始電流変化はストライプ幅が100μm以上の半導体レーザにおいても生じると考えられていたため大出力半導体レーザにおいては、上記のように楕円比2.5〜3.2程度のものしか得られていなかった。しかしながら、本発明者等は、ストライプ幅100μm以上の半導体レーザにおいては、光ガイド層の厚さを変えても、しきい値電流(発光開始電流)はほとんど変化しないということを見出し、又、光ガイド層の厚さ及び活性層の厚さを積極的に変化させることによりビームの形状が制御できるということを見出した。そして、その光ガイド層及び活性層の厚さの合計を1.5μm以上とすることによりビームの形状を「2.5」より小さくできるということを見出した。
(参考例)
次に、参考例を第1実施例との相違点を中心に説明する。
【0045】
本参考例の大出力半導体レーザは、図5、6に示すように、活性層5の下のみn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4を設け、活性層5の上には光ガイド層が設けられていない。その結果、キャリアである電子がn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3からn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4を介して活性層5に注入されるとともに、キャリアである正孔がp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7から直接、活性層5に注入される。よって、キャリアである電子および正孔が活性層5まで到達する距離は正孔の方が電子よりも短くなる。従って、全体の抵抗が減少し、素子の発熱が抑えられ信頼性が向上する。この場合においても、活性層5とn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4の合計の膜厚を1.5μm以上とすることで第1実施例と同様に楕円比が「2.5」よりも小さいビーム形状を得ることができる。
【0046】
尚、この発明は上記実施例に限定されるものでなく、例えば、上記実施例ではストライプ幅が400μmであったが、ストライプ幅が100μm以上の半導体レーザであれば適用できる。又、パルス駆動の半導体レーザの他にも直流駆動(CW)の半導体レーザに使用してもよい。さらに、上記実施例では活性層と光ガイド層とクラッド層とを、AlGaAs系材料にて構成したが、他にも、InGaAlP、InGaAsP、InGaAsSb、AlGaInN系等の材料にて構成してもよい。この場合、活性層5と光ガイド層の厚さの合計を2.5μm以上、5.5μm以下とすることにより、ビームの楕円比をほぼ「2」以下に設定できる。そして、材料に応じた発振波長のレーザを得ることができる。
【0047】
さらに、上記実施例ではメサ形の半導体レーザを用いて説明したが、図7に示すように、メサ形でない半導体レーザとしてもよい。
【0048】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項1,6,7に記載の発明によれば、大出力で、かつ円形に近いビーム形状のレーザ光を得ることができる。
【0049】
請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、しきい値電流の増加、光出力の低下を防止することができる。請求項3,4に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、ビームの楕円比を「2.5」よりも小さくすることができる。
【0050】
請求項5に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、素子の発熱が抑えられ信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の大出力半導体レーザの断面図。
【図2】第1実施例の大出力半導体レーザの斜視図。
【図3】第1実施例の大出力半導体レーザのエネルギーバンド図。
【図4】活性層と光ガイド層の厚さの合計値と楕円比との関係を示すグラフ。
【図5】参考例の大出力半導体レーザの断面図。
【図6】参考例の大出力半導体レーザのエネルギーバンド図。
【図7】他の実施例の大出力半導体レーザの斜視図。
【図8】従来の大出力半導体レーザの斜視図。
【図9】ビームの断面を示す断面図。
【符号の説明】
1…半導体基板としてのn−GaAs基板、3…第1のクラッド層としてのn−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層、4…第1の光ガイド層としてのn−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層、5…活性層、6…第2の光ガイド層としてのp−Al0.2 Ga0.8 As光ガイド層、7…第2のクラッド層としてのp−Al0.4 Ga0.6 Asクラッド層、10…上面電極としてのp型電極、11…下面電極としてのn型電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor laser, and is particularly suitable as a semiconductor laser for ranging that constitutes the eyes of a robot, a laser radar system, and the like.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a system that measures the distance between cars using a semiconductor laser and keeps the distance between cars constant, or issues an alarm or brakes when the vehicle ahead is approached too much has been studied. Yes. In such a system, it is necessary to detect an object 100 m ahead, and a semiconductor laser is required to output light of several tens of watts by pulse drive. The structure of this high-power semiconductor laser is shown in FIG. An n-
[0003]
In general, a high output pulse semiconductor laser of several tens of W class needs to have a stripe width of at least 100 μm or more as shown in FIG. On the other hand, the thickness of the
[0004]
An optical lens is used to condense the laser beam into a range having a desired divergence angle. From the viewpoint of ease of lens design and miniaturization of the system, the beam shape of the emitted laser beam is used. It is desirable that the shape be as close to a circle as possible, and an ellipticity ratio smaller than “2.5” is required.
[0005]
As a general method for obtaining a laser beam having a beam shape close to a circle, Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-143092 discloses a low-power semiconductor laser in which a lens portion having a high refractive index is formed. However, there is a problem that a new process is required to form the lens portion in the semiconductor. Japanese Patent Laid-Open No. 4-151887 discloses a laser beam that does not require a lens portion and is capable of obtaining a laser beam having a nearly circular shape. In Japanese Patent Laid-Open No. 4-151877, in the same low-power semiconductor laser, light guide layers (confinement layers) having a lower refractive index than the active layer are formed above and below the active layer, and the width of the active layer is 0.5 μm or more , 1.5 μm or less. Here, the light guide layer is a layer that functions to confine and guide light generated in the active layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the semiconductor laser disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-151877 is a laser having a beam shape close to a circle when used for a semiconductor laser of a low output (several tens of mW) class (stripe width; several μm to several tens of μm). Light can be obtained, but when used in a high-power pulsed semiconductor laser with a stripe width of 100 μm or more, a beam shape close to a circle is obtained by simply limiting the width of the active layer and sandwiching it between the light guide layers. It was found that it was not possible to obtain the laser beam.
[0007]
This is because, in general, in a low-power semiconductor laser (with a stripe width of less than 100 μm), the light emission start current (threshold current) changes, so that the thickness of the light guide layer cannot be made very large. Therefore, in order to change the beam shape, it is only possible to change the stripe width, change the width of the active layer, or add a carrier barrier layer on both sides of the active layer (Japanese Patent Laid-Open No. 61-79288). It was because it was thought that there was not. Since this light emission start current change was considered to occur even in a semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more, a high-power semiconductor laser having only an ellipticity of about 2.5 to 3.2 as described above can be obtained. It wasn't.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of obtaining a laser beam having a beam shape close to a circle in a high-power semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have found that the light confinement effect is determined by the total thickness of the light guide layer and the active layer.
[0010]
Accordingly, the invention described in
[0011]
The gist of a second aspect of the present invention is a semiconductor laser in which the thickness of the active layer in the first aspect of the invention is 0.05 μm or more and 0.15 μm or less.
The gist of the invention described in
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, the active layer, the light guide layer, and the clad layer according to any one of the first to third aspects of the present invention are replaced with an InGaAlP-based material, an InGaAsP-based material, or an InGaAsSb-based material. The gist of the present invention is a semiconductor laser composed of any one of AlGaInN-based materials.
[0015]
The invention according to
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, a first conductivity type semiconductor substrate having a lower surface electrode on a lower surface, and a first conductivity type first clad formed on an upper surface of the semiconductor substrate opposite to the lower surface electrode. A first light guide layer of a first conductivity type formed on the first cladding layer and made of an AlGaAs-based material having a refractive index substantially higher than that of the first cladding layer, and the first cladding layer. Is formed adjacent to the light guide layer, made of an AlGaAs-based material, has a refractive index substantially higher than that of the first light guide layer, and carriers are injected to recombine the injected carriers. An active layer for generating light in the second conductive type second light guide layer formed adjacent to the active layer and made of an AlGaAs-based material having a refractive index substantially lower than that of the active layer; Formed on the second light guide layer; A second conductivity type second cladding layer having a refractive index substantially lower than that of the light guide layer, and an upper surface electrode formed on the second cladding layer and having a stripe width of 100 μm or more, The gist of the present invention is a semiconductor laser in which the total thickness of the first light guide layer, the active layer, and the second light guide layer is 1.5 μm or more and 5.5 μm or less.
[0017]
[Action]
According to the first, fifth , and sixth aspects of the invention, when the thickness of the light guide layer is increased, the diffraction effect of light in the thickness direction (vertical direction) of the light guide layer is reduced and the beam is narrowed. Become. On the other hand, the diffraction effect in the spreading direction (horizontal direction) of the light guide layer does not change. As shown in FIG. 4, when the total thickness of the active layer and the light guide layer is 1.5 μm or more and 5.5 μm or less, the beam approaches a circular shape.
[0018]
According to the invention described in
[0019]
According to the invention described in
[0020]
According to invention of
[0023]
【Example】
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 2 is a perspective view of the high-power semiconductor laser of this embodiment, and FIG. 1 is a cross-sectional view of the high-power semiconductor laser. FIG. 3 shows an energy band diagram of a high-power semiconductor laser. This high-power semiconductor laser is pulse-driven.
[0025]
On an n-
[0026]
The thickness of the n-
[0027]
The p-Al 0.2 Ga 0.8 As
[0028]
In this embodiment, the thickness of the
Further, the refractive index (average refractive index) of the
[0029]
An insulating
[0030]
An n-
[0031]
As shown in FIG. 2, the vertical and horizontal dimensions of this high-power semiconductor laser are 500 μm × 600 μm.
Next, a method for manufacturing this high-power semiconductor laser will be described.
[0032]
First, n-GaAs layer 2 on the n-GaAs substrate 1, n-Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 3, n-Al 0.2 Ga 0.8 As optical guide layer 4, Al 0.2
[0033]
Subsequently, an insulating
[0034]
Further, an n-
[0035]
By passing a pulse current between the p-
[0036]
In FIG. 4, the thickness of the
[0037]
The following can be understood from FIG. That is, the ellipticity of the beam can be made smaller than “2.5” by setting the total thickness of the
[0038]
In FIG. 4, the hatched area indicates the elliptic ratio of the high-power semiconductor laser (semiconductor laser without the light guide layer) shown in FIG. 8, and the elliptic ratio is about 2.5 to 3.2. is there.
[0039]
Here, by setting the thickness of the
[0040]
Thus, in order to make the total film thickness of the
[0041]
The n-Al 0.2 Ga 0.8 As
As described above, the semiconductor laser of this example has a stripe width for a large output of 400 μm, and has the light guide layers 4 and 6 having a refractive index lower than that of the
[0042]
Further, since the thickness of the
[0043]
Further, the
[0044]
Furthermore, by using an AlGaAs-based material, a laser having an oscillation wavelength of 0.8 μm band can be obtained.
As described above, in general, in a low-power semiconductor laser (stripe width of less than 100 μm), the thickness of the light guide layer cannot be made too large due to the problem that the emission start current (threshold current) changes. In order to change the beam shape, it is only necessary to change the stripe width, change the width of the active layer, or add a carrier barrier layer on both sides of the active layer (Japanese Patent Laid-Open No. 61-79288). It was thought. Since this light emission start current change was considered to occur even in a semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more, a high-power semiconductor laser having only an ellipticity of about 2.5 to 3.2 as described above can be obtained. It wasn't. However, the present inventors have found that in a semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more, the threshold current (light emission start current) hardly changes even when the thickness of the light guide layer is changed. It has been found that the shape of the beam can be controlled by actively changing the thickness of the guide layer and the thickness of the active layer. And it discovered that the shape of a beam could be made smaller than "2.5" by making the sum total of the thickness of the optical guide layer and an active layer into 1.5 micrometers or more.
( Reference example)
Next, a reference example will be described focusing on differences from the first embodiment.
[0045]
As shown in FIGS. 5 and 6, the high-power semiconductor laser of this reference example is provided with the n-Al 0.2 Ga 0.8 As
[0046]
The present invention is not limited to the above embodiments, for example, the stripe width in above embodiment was 400 [mu] m, the stripe width can be applied to any or more semiconductor lasers 100 [mu] m. In addition to the pulse-driven semiconductor laser, it may be used for a DC-driven (CW) semiconductor laser. Furthermore, in the above embodiment , the active layer, the light guide layer, and the clad layer are made of AlGaAs-based materials, but other materials such as InGaAlP, InGaAsP, InGaAsSb, and AlGaInN-based materials may also be used. In this case, by setting the total thickness of the
[0047]
Further, in the above embodiment , the description has been made using the mesa type semiconductor laser, but as shown in FIG. 7, it may be a non-mesa type semiconductor laser.
[0048]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the first, sixth , and seventh aspects of the present invention, a laser beam having a large output and a beam shape close to a circle can be obtained.
[0049]
According to the invention described in
[0050]
According to the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a high-power semiconductor laser according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of a high-power semiconductor laser according to a first embodiment.
FIG. 3 is an energy band diagram of the high-power semiconductor laser according to the first embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the total thickness of the active layer and the light guide layer and the ellipticity ratio.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a high-power semiconductor laser according to a reference example .
FIG. 6 is an energy band diagram of a high-power semiconductor laser according to a reference example .
FIG. 7 is a perspective view of a high-power semiconductor laser according to another embodiment.
FIG. 8 is a perspective view of a conventional high-power semiconductor laser.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cross section of a beam.
[Explanation of symbols]
N-GaAs substrate as 1 ... semiconductor substrate, 3 ... n-Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer as a first clad layer, 4 ... n-Al 0.2 as the first light guide layer Ga 0.8 As light guide layer, 5... Active layer, 6... P- Al.sub.0.2 Ga 0.8 As light guide layer as second light guide layer, 7... P- as second clad layer Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer, 10... P-type electrode as upper surface electrode, 11... N-type electrode as lower surface electrode
Claims (6)
キャリアが注入され、該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、
前記活性層の上下に隣接して形成され、前記活性層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されて前記活性層で発生された前記光を閉じ込める光ガイド層と、
前記光ガイド層を介して前記活性層の上下に形成され、前記光ガイド層よりも実質的に屈折率の低い材料で構成されたクラッド層とを有し、
前記活性層と前記光ガイド層との厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下としたことを特徴とする半導体レーザ。A semiconductor laser having a stripe width of 100 μm or more,
An active layer in which carriers are injected and light is generated by recombining the injected carriers;
A light guide layer formed adjacent to the upper and lower sides of the active layer and made of a material having a refractive index substantially lower than that of the active layer to confine the light generated in the active layer;
A cladding layer formed above and below the active layer via the light guide layer, and made of a material having a refractive index substantially lower than that of the light guide layer;
A semiconductor laser characterized in that the total thickness of the active layer and the light guide layer is 1.5 μm or more and 5.5 μm or less.
さらに、前記第1のクラッド層側に形成された半導体基板と、該半導体基板の前記第1のクラッド層とは反対側に形成された下面電極と、前記第2のクラッド層上に形成され100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ。The clad layer includes a first conductivity type first clad layer formed on one surface of the active layer and a second conductivity type second clad layer formed on the other surface of the active layer. Become
Further, a semiconductor substrate formed on the first cladding layer side, a bottom electrode formed on the opposite side of the semiconductor substrate from the first cladding layer, and a 100 μm layer formed on the second cladding layer. The semiconductor laser according to claim 1, further comprising an upper surface electrode having the above stripe width.
前記半導体基板の前記下面電極とは反対側の上面に形成され、第1導電型の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に形成され、前記第1のクラッド層よりも実質的に屈折率が高くAlGaAs系材料からなる第1導電型の第1の光ガイド層と、
前記第1の光ガイド層上に隣接して形成され、AlGaAs系材料からなり、前記第1の光ガイド層よりも実質的に屈折率が高く、キャリアが注入されて該注入されたキャリアを再結合させることで光を発生する活性層と、
前記活性層上に隣接して形成され、前記活性層よりも実質的に屈折率が低くAlGaAs系材料からなる第2導電型の第2の光ガイド層と、
前記第2の光ガイド層上に形成され、前記第2の光ガイド層よりも実質的に屈折率が低い第2導電型の第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層上に形成され、100μm以上のストライプ幅を有する上面電極とを有し、前記第1の光ガイド層と前記活性層と前記第2の光ガイド層との厚さの合計を1.5μm以上、かつ5.5μm以下としたことを特徴とする半導体レーザ。A first conductivity type semiconductor substrate having a bottom electrode on the bottom surface;
A first clad layer of a first conductivity type formed on the upper surface of the semiconductor substrate opposite to the lower electrode;
A first light guide layer of a first conductivity type formed on the first cladding layer and made of an AlGaAs-based material having a refractive index substantially higher than that of the first cladding layer;
It is formed adjacent to the first light guide layer and is made of an AlGaAs-based material. The refractive index is substantially higher than that of the first light guide layer. Carriers are injected and the injected carriers are recycled. An active layer that generates light when combined;
A second light guide layer of a second conductivity type formed adjacent to the active layer and made of an AlGaAs-based material having a refractive index substantially lower than that of the active layer;
A second clad layer of a second conductivity type formed on the second light guide layer and having a refractive index substantially lower than that of the second light guide layer;
A top electrode formed on the second cladding layer and having a stripe width of 100 μm or more, and a total thickness of the first light guide layer, the active layer, and the second light guide layer The semiconductor laser is characterized by having a thickness of 1.5 μm or more and 5.5 μm or less.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1956395A JP3606933B2 (en) | 1994-04-19 | 1995-02-07 | Semiconductor laser |
US08/423,345 US5559819A (en) | 1994-04-19 | 1995-04-18 | Semiconductor laser device |
DE19514392A DE19514392B4 (en) | 1994-04-19 | 1995-04-19 | Semiconductor laser device with large drive current |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6-80612 | 1994-04-19 | ||
JP8061294 | 1994-04-19 | ||
JP1956395A JP3606933B2 (en) | 1994-04-19 | 1995-02-07 | Semiconductor laser |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004251435A Division JP2004336085A (en) | 1994-04-19 | 2004-08-31 | Semiconductor laser |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH088494A JPH088494A (en) | 1996-01-12 |
JP3606933B2 true JP3606933B2 (en) | 2005-01-05 |
Family
ID=26356408
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1956395A Expired - Lifetime JP3606933B2 (en) | 1994-04-19 | 1995-02-07 | Semiconductor laser |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3606933B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3339369B2 (en) | 1997-05-30 | 2002-10-28 | 株式会社デンソー | Laser diode |
JP2001102686A (en) * | 1999-09-29 | 2001-04-13 | Denso Corp | Semiconductor laser |
WO2023074228A1 (en) * | 2021-10-27 | 2023-05-04 | ローム株式会社 | Semiconductor laser device |
-
1995
- 1995-02-07 JP JP1956395A patent/JP3606933B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH088494A (en) | 1996-01-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mawst et al. | 8 W continuous wave front‐facet power from broad‐waveguide Al‐free 980 nm diode lasers | |
Al-Muhanna et al. | High-power (> 10 W) continuous-wave operation from 100-μm-aperture 0.97-μm-emitting Al-free diode lasers | |
US20130301667A1 (en) | Semiconductor laser device and manufacturing method of the same | |
JPH11243259A (en) | Semiconductor laser and drive method thereof | |
JPH11112081A (en) | Semiconductor laser and manufacture thereof | |
US6700912B2 (en) | High-output semiconductor laser element, high-output semiconductor laser apparatus and method of manufacturing the same | |
JP3859839B2 (en) | Refractive index semiconductor laser device | |
JP3606933B2 (en) | Semiconductor laser | |
WO2007116564A1 (en) | Semiconductor laser device and method for manufacturing the same | |
JP2004165481A (en) | Self-oscillation type semiconductor laser | |
JP3932466B2 (en) | Semiconductor laser | |
JP2007201390A (en) | Semiconductor laser device, and method for manufacturing same | |
JPH05190972A (en) | Laser diode | |
JP3268958B2 (en) | Semiconductor laser device | |
JPH1187856A (en) | Gallium nitride compound semiconductor laser and manufacture thereof | |
JPH08125281A (en) | Semiconductor laser | |
JPH0671121B2 (en) | Semiconductor laser device | |
JP3246148B2 (en) | Semiconductor laser and method of manufacturing the same | |
JP2004336085A (en) | Semiconductor laser | |
JP4043672B2 (en) | Semiconductor laser element | |
JP2723921B2 (en) | Semiconductor laser device | |
JPH0832171A (en) | Semiconductor laser | |
JP2909133B2 (en) | Semiconductor laser device | |
JP3144821B2 (en) | Semiconductor laser device | |
JP3078553B2 (en) | Semiconductor laser device and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040831 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20041006 |
|
R150 | Certificate of patent (=grant) or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101015 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101015 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111015 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121015 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121015 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (prs date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131015 Year of fee payment: 9 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |