JP3876023B2 - Semiconductor laser element - 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、光伝送等に用いられる半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光ディスクに用いられる半導体レーザ素子では、レンズで微小スポットに集光可能なように近赤外の波長帯(λ=0.75〜0.88μm)が一般的に用いられる。そのために、GaAs基板上にダブルヘテロ構造から成るAlxGa1-xAs活性層(x=0.01〜0.20)を形成し、電流及び光閉じ込めのためにストライプ構造を用いる。さらに、光ディスク用の半導体レーザの動作電流を低減するために、活性層を含む領域にメサストライプを形成し、半導体層で埋め込み成長を行ってヘテロ接合を形成した、埋め込みヘテロ構造のレーザがこれまでに提案されている。
【0003】
図6に埋め込みヘテロ構造のレーザの従来例を示す。n−GaAs基板1上に、n−AlxGa1-xAs(x=0.3〜0.35)第1クラッド層2、n−AlxgGa1-xgAs(xg=0.25〜0.3)ガイド層4、Alx1Ga1-x1As(x1=0.01〜0.06)活性層5、p−Alx2Ga1-x2As(x2=0.35〜0.4)第2クラッド層7を成長し、活性層5を含む成長層に基板1まで到達するメサストライプ9を形成し、メサストライプ9の外部にp−Alx3Ga1-x3As(x3=0.27〜0.32)第1電流阻止層10、n−Alx3Ga1-x3As(x3=0.27〜0.32)第2電流阻止層11の成長を行い、メサストライプ9表面に選択的にZn拡散層31及びメサストライプ表面以外にSiO2膜32を形成し、基板1側と成長層表面に電極14、15を形成する。
【0004】
本従来例では発振閾値電流20mAが報告されている。
【0005】
本従来例では、メサ状のストライプ9から成る活性層5とその外部の埋め込み層10、11のヘテロ接合により、活性層5内部に効率的にキャリヤを閉じ込めることができる。従って、活性層5の内部に注入されたキャリヤが発光領域外へ拡散することによる、動作電流の増大を防止することができ、動作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】
従来例の半導体レーザ素子では、GaAs基板1上にAlGaAs活性層5を含むダブルヘテロ構造を成長し、大気中で活性層5を含む領域にメサストライプ9を形成する。活性層5にはAlを含むので、メサ側面の活性層が酸化される。メサストライプ9の外部を半導体層で埋めこみ、ダブルへテロ接合の形成を行なう場合、メサストライプ9側面の活性層5の酸素の除去が困難であるので、接合界面付近の活性層5に酸化に起因する非発光再結合準位が形成される。この状態で、活性層5にキャリヤ注入を行なってレーザ発振を生じさせると、メサストライプ9側面の活性層5において、キャリヤが非発光再結合するために、レーザ発振に寄与しない無効電流が発生する。さらに、通電中にメサストライプ9側面の活性層5に形成された非発光再結合準位を基点に、結晶欠陥が発生し、無効電流のさらなる増大が生じる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザ素子は、第1導電型のGaAs基板上に、少なくとも第1導電型の第1クラッド層と、活性層と、第2導電型の第2クラッド層とを有し、少なくとも前記活性層と第2クラッド層を含む領域がメサ状領域からなり、該メサ状領域の外部には電流阻止領域を備えてなる半導体レーザ素子において、前記活性層はAlを含まないInGaAsPから成り、前記第1、第2クラッド層は少なくともAlを含有し、前記第1クラッド層と前記活性層の間に、前記第1クラッド層よりもAl組成比の小さな、もしくはAlを含有しない第1ガイド層を設けてなり、前記第1クラッド層と前記第1ガイド層の間に、前記第1クラッド層よりもAl組成比の小さな、もしくはAlを含有しない保護層を設け、前記保護層より上の領域が前記メサ状領域からなることを特徴とする。
【0008】
また、上記において、前記活性層の両側に、それぞれ第1、第2クラッド層よりも禁制帯幅の小さい第1、第2ガイド層を、あるいはさらに、第1クラッド層の上に、第1クラッド層よりも禁制帯幅の小さい保護層を設けてもよい。
【0009】
さらに、前記保護層の禁制帯幅は前記活性層の禁制帯幅に略等しいことが望ましく、また、メサ状領域の外部の電流阻止領域は少なくも第1電流阻止層と、該第1電流阻止層の外側に形成される第2電流阻止層を有してなり、前記第1電流阻止層の禁制帯幅は前記活性層の禁制帯幅より大きく、前記第2電流阻止層の禁制帯幅は前記活性層の禁制帯幅より小さいことが望ましい。
【0010】
本発明の半導体レーザ素子は、上記のようにGaAs基板上にAlを含有しないInGaAsPから成る活性層を設けることにより、メサストライプ側面の活性層表面のAlの酸化に起因する無効電流の発生を抑制でき、動作電流の低減が図れる。同時に、クラッド層にAlを含有する層とすることにより、クラッド層の禁制帯幅を充分大きくして、活性層からクラッド層への漏れ出しに起因する無効電流の発生を抑制できる。
【0011】
さらに、活性層に隣接して、第1、第2クラッド層よりもAl組成比の小さな層、もしくはAlを含有しない層、すなわちそれぞれのクラッド層より禁制帯幅の小さなガイド層を設けることにより、メサストライプ側面のガイド層表面のAlの酸化に起因する無効電流の発生を抑制して、動作電流の低減が図れる。
【0012】
さらに、第1クラッド層よりもAl組成比の小さな保護層、もしくはAlを含有しない保護層、すなわち第1クラッド層の上に、第1クラッド層よりも禁制帯幅の小さい保護層をメサストライプの底面に設けると、Alの酸化に起因する無効電流の発生を抑制でき、動作電流の低減が図れる。
【0013】
また、この保護層はメサストライプの形成時のエッチング停止層の機能を持たせることができ、メサストライプ外部の埋め込み成長層の層厚を精密に制御でき有用である。
【0014】
さらに、本発明の半導体レーザ素子において、保護層の禁制帯幅を活性層の禁制帯幅に略等しく設定することにより、保護層に可飽和吸収層の効果を持たせることができ、自励発振による戻り光雑音の低減が図れる。
【0015】
なお、可飽和吸収効果を有する保護層がストライプ内部にのみ存在する場合には、光吸収で生成されたキャリヤの飽和により、可飽和吸収効果が低減して、自励発振が起こりにくくなる。これに対して、上記のように可飽和吸収効果を有する保護層をストライプ内部および外部に存在させると、さらにストライプ内部の光吸収で生成されたキャリヤが効率よく、ストライプ外部に拡散することができる。このため、キャリヤの吸収飽和が生じにくく、自励発振が起こりやすい。また、可飽和吸収効果を有する保護層がストライプ内部にのみ存在する場合には、基本横モードの光吸収が増大して、高次横モードの混在発振が起こる。これに対して、同様に、上記の可飽和吸収効果を有する保護層をストライプ内部と外部に存在させると、基本横モードと高次横モードが同時に光吸収の影響を受けるが、ストライプ内部の活性層の利得が大きいために、基本横モードの選択発振を起こさせることができる。
【0016】
さらに、本発明の半導体レーザ素子において、メサストライプの外部の電流阻止領域の第1電流阻止層の禁制帯幅が活性層の禁制帯幅より大きく、第1電流阻止層の外部の第2電流阻止層の禁制帯幅が活性層の禁制帯幅より小さくするとよい。すなわち、一般に基本横モードと高次横モードを比べると、高次横モードの方がストライプ外部の拡がりが大きい。そこで、上記のように構成することによって、高次横モードは基本横モードに比べて、第2電流阻止層における光吸収の影響を受けやすくなり、したがって、光吸収の少ない基本横モード発振が起こり、実用上重要な基本横モード発振が実現できる。
【0017】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の実施例を説明する。
【0018】
実施例1
図1に実施例1の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【0019】
p−GaAs基板1上に、p−Al0.6Ga0.4As第1クラッド層2(層厚1.2μm)、p−GaAs保護層3(層厚0.007μm)、アンドープIn0.48Ga0.52P第1ガイド層4(層厚0.01μm)、アンドープIn0.35Ga0.65As0.40P0.60歪量子井戸活性層5(層厚0.005μm)、アンドープIn0.48Ga0.52P第2ガイド層6(層厚0.01μm)、n−Al0.6Ga0.4As第2クラッド層7(層厚1.2μm)、n−GaAsキャップ層8(層厚0.1μm)、を順次有機金属気相成長法(MOCVD法)により成長し、選択エッチングによりp−GaAs保護層3表面でエッチングを停止させて、メサストライプ9(底幅1μm)を形成する。
【0020】
メサストライプ9の外側を埋め込むように、n−Al0.6Ga0.4As第1電流阻止層10(層厚0.2μm)、p−GaAs第2電流阻止層11(層厚0.6μm)、n−GaAs第3電流阻止層12(層厚0.5μm)を順次、MOCVD法により成長する。
【0021】
n−GaAsキャップ層8、n−GaAs第3電流阻止層12を埋め込むように、n−GaAsコンタクト層13(層厚2μm)をMOCVD法により成長する。
【0022】
p−GaAs基板1表面とn−GaAsコンタクト層13表面にp型電極14とn型電極15を形成する。共振器長を100μmに調整し、共振器端面の光出射側端面の反射率が30%、後側の反射率が65%となるようにAl2O3膜とSi膜を形成する。
【0023】
本実施例の素子で、p型電極14とn型電極15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0.5mA、電流−光出力特性のスロープ効率1.0W/A、光出力3mWの動作電流は3.5mAである。雰囲気温度70℃、一定光出力3mWにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期の20%増大する走行時間は10000時間以上である。また、本実施例の素子の放射光は、pn接合に平行方向の放射角25度、垂直方向の放射角25度の単峰の円形ビームであり、基本横モード動作が実現できている。さらに、本実施例の素子の戻り光雑音は光ディスク装置に必要とされる基準、すなわち−130dB/Hz以下であり、光ディスク装置に十分適用可能である。
【0024】
以上のような構成からなり、本実施例の素子において、p−GaAs基板1上にGaAsと格子整合するInGaAsP活性層5を形成し、活性層5の組成比を調整することにより、発振波長0.78μmを得る。また、クラッド層2、7に少なくともAlを含有する、活性層5より禁制帯幅が300meV以上大きなAlGaAsを用いるために、活性層5からクラッド層2、7へのキャリヤリークによる無効電流の発生を抑制できる。
【0025】
本実施例の素子では、メサストライプ9の側面のInGaAsP活性層5、InGaP第1ガイド層4、InGaP第2ガイド層6、さらにメサストライプ9の底面のp−GaAs保護層3は全てAlを含有しない半導体層により形成されている。そこで、大気中でメサストライプ9の形成を行う場合、Alに起因した酸化、即ちAlと酸素との結合を抑制することができる。各層のAl以外の構成元素はGa、As、In、Pであり、大気中の酸素と結合が起こるが、その結合はAlに比べて格段に弱く実際上全く影響がない。
【0026】
また、本実施例のInGaAsP活性層5の場合、従来のAlGaAs活性層に比べて、メサストライプ側面の再成長界面あるいは端面反射膜との界面におけるInGaAsP活性層内部のフェルミ準位のピンニングが生じにくいために、キャリヤの表面再結合が抑制され、無効電流抑制に伴う動作電流の低減及び信頼性の向上が可能となる。
【0027】
さらに、本実施例の素子では、保護層3の禁制帯幅が活性層5の禁制帯幅と略等しく設定している。したがって、本実施例では、保護層3が可飽和吸収効果を有するために、自励発振が起こり、戻り光雑音を低減できる。また、保護層3がストライプ9内部および外部に存在するため、ストライプ9内部の光吸収で生成されたキャリヤが効率よくストライプ9の外部に拡散する。このため、保護層3においてキャリヤの吸収飽和が生じにくく、光出力の増大に対して自励発振が起こりやすくなり、低雑音特性が実現できる。さらに、本実施例の素子では、可飽和吸収効果を有する保護層3がメサストライプ9の内部と外部に存在するために、基本横モードと高次横モードが同時に光吸収の影響を受けるが、ストライプ内部の活性層の利得が大きいために、基本横モードの選択発振が可能となる。
【0028】
さらに、本実施例の素子では、メサストライプ9の外部の電流阻止領域の第1電流阻止層10の禁制帯幅が活性層5の禁制帯幅より大きく、第1電流阻止層10の外部の第2電流阻止層11の禁制帯幅が活性層5の禁制帯幅より小さい。基本横モードと高次横モードを比べると、高次横モードの方がストライプ9外部への拡がりが大きく、高次横モードは基本横モードに比べて第2電流阻止層11における光吸収の影響を受けやすくなる。したがって、光吸収の少ない基本横モード発振が起き、実用上重要な基本横モード発振が実現できる。
【0029】
図2に参考例の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【0030】
n−GaAs基板1上に、n−(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P第1クラッド層2(層厚1.2μm)、アンドープIn0.23Ga0.77As0.57P0.43活性層5(層厚0.07μm)、p−(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P第2クラッド層7(層厚1.2μm)、p−GaAsキャップ層8(層厚0.7μm)を順次、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)により成長し、選択エッチングによりInGaAsP活性層5表面でエッチングを停止させて、幅2μmのメサストライプ9を形成する。
【0031】
メサストライプ9の外側を埋め込むように、p−(Al0.4Ga0.6)0.5In0 .5P第1電流阻止層10(層厚0.6μm)、n−GaAs第2電流阻止層11(層厚0.6μm)、p−GaAs第3電流阻止層12(層厚0.7μm)を順次、MOCVD法により成長する。p−GaAsキャップ層8とp−GaAs第3電流阻止層12の表面にp−GaAsコンタクト層13をMOCVD法により成長する。n−GaAs基板1表面とp−GaAsコンタクト層13表面にn型電極14とp型電極15を形成する。へき開法により共振器長を200μmに調整し、共振器端面の反射率が30%となるようにAl2O3膜を形成する。
【0032】
本参考例の素子で、n型電極14とp型電極15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2mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.6W/A、光出力3mWの動作電流は6.5mAである。雰囲気温度80℃、一定光出力3mWにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期の20%増大する走行時間は10000時間以上である。また、本参考例の素子の放射光は、pn接合に平行方向の放射角15度、垂直方向の放射角25度である。本参考例の素子では、メサストライプ9の底面のInGaAsP活性層5はAlを含有しない半導体層により形成されている。そこで、メサストライプ9の形成を行う場合、Alに起因した大気中の酸化、即ちAlと酸素との結合を抑制することができる。活性層のAl以外の構成元素はGa、As、In、Pであり、前記と同様の理由により、メサストライプ9底面のInGaAsP活性層5の再成長界面には、酸化による非発光再結合準位が非常に少なくできる。
【0033】
また、第1、第2クラッド層2、7は(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5PでAlを含有し、活性層5とのバンドギャップの差が非常に大きく、活性層5からクラッド層2、7へのキャリヤリークの漏れ出しを十分にを抑制し、メサストライプ9底面の活性層5におけるキャリヤの非発光再結合による無効電流および結晶欠陥発生による信頼性の悪化を抑制することができ、低電流特性が得られる。
【0034】
実施例2
図3に実施例2の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【0035】
p−GaAs基板1上に、p−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層2(層厚2.0μm)、p−In0.60Ga0.40As0.18P0.82保護層3(層厚0.02μm)、アンドープAl0.25Ga0.75As第1ガイド層4(層厚0.01μm)、アンドープIn0.35Ga0.65As0.40P0.60ウエル層(層厚0.01μm、3層)とアンドープIn0.48Ga0.52Pバリア層(層厚0.007μm、2層)を交互に配置してなる歪多重量子井戸活性層5、アンドープAl0.25Ga0.75As第2ガイド層6、p−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層7(層厚1.5μm)、n−GaAsコンタクト層13(層厚0.1μm)、を順次MOCVD法により成長し、選択エッチングによりp−InGaAsP保護層3表面でエッチングを停止させて、幅3μmのメサストライプ9(底幅1μm)を形成する。
【0036】
メサストライプ9の外側に酸素ドープの高抵抗AlInP層21及びp−GaAs平坦化層22を選択的埋め込み成長する。p−GaAs基板1表面とn−GaAsコンタクト層13表面及びp-GaAs平坦化層22表面にp型電極14とn型電極15を形成する。へき開法により共振器長を375μmに調整し、光出射側の共振器端面の反射率を12%、反対側の反射率を75%となるようにAl2O3膜及びSi膜を形成する。
【0037】
本実施例の素子で、p型電極14とn型電極15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5mA、電流−光出力特性のスロープ効率1.0W/A、光出力35mWの動作電流は40mAである。雰囲気温度70℃、一定光出力35mWにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期の20%増大する走行時間は5000時間以上である。また、本実施例の素子の放射光は、pn接合に平行方向の放射角12度、垂直方向の放射角24度である。本実施例は電流阻領域を酸素ドープの高抵抗AlInP層21及びp−GaAs平坦化層22により構成している点で特色があるものであるが、本実施例の素子でも、実施例1と全く同様の作用および効果を得ることができる。
【0038】
実施例3
図4に実施例3の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【0039】
n-GaAs基板1上に、n−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層2(層厚1.2μm)、n−InGaP保護層3(層厚0.01μm)、アンドープIn0.60Ga0.40As0.18P0.82第1ガイド層4(層厚0.02μm)、アンドープIn0.52Ga0.48As0.22P0.78歪量子井戸活性層5、アンドープIn0.60Ga0.4As0.18P0.82第2ガイド層6(層厚0.02μm)、n−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層7(層厚1.2μm)、p−GaAsキャップ層8(層厚0.1μm)、を順次、ガスソースMBE法により成長し、選択エッチングによりn−InGaP保護層3表面でエッチングを停止させて、幅2μmのメサストライプ9を形成する。
【0040】
メサストライプ9の外側に電流阻止のためにSiN誘電体23、表面平坦化のためのポリイミド埋め込み層24を形成する。
【0041】
n−GaAs基板1表面とp−GaAsキャップ層8表面にn型電極14とp型電極15を形成する。共振器長を150μmに調整し、共振器端面の反射率が30%となるようにAl2O3膜を形成する。
【0042】
本実施例の素子で、n型電極14とp型電極15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1.0mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.6W/A、光出力3mWの動作電流は6.0mAである。雰囲気温度70℃、一定光出力3mWにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期の20%増大する走行時間は10000時間以上である。また、本実施例の素子の放射光は、pn接合に平行方向の放射角15度、垂直方向の放射角25度である。
【0043】
本実施例の素子は、電流阻止領域部分での作用、効果が異なるだけで、他は実施例1と同様である。なお、本実施例の素子は1回の結晶成長により作製できる利点がある。従って、電流阻止層形成のために結晶成長を行うことに起因するドーパントの再拡散を抑制でき、再拡散に起因した無効電流の発生を抑制することができる。
【0044】
実施例4
図5に実施例4の半導体レーザ素子の断面図を示す。
【0045】
p−GaAs基板1上に、p−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層2(層厚0.6μm)、p−Al0.14Ga0.86As保護層3(層厚0.2μm)、p−In0.5Ga0.5P第1ガイド層4(層厚0.6μm)、アンドープIn0.25Ga0.75As0.50P0.50活性層5(層厚0.05μm)、n−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層7(層厚1.2μm)、n−GaAsキャップ層8(層厚0.2μm)、を順次、MOCVD法により成長し、選択エッチングによりp−AlGaAs保護層3表面でエッチングを停止させて、メサストライプ9(底幅1μm)を形成する。
【0046】
メサストライプ9の外側を埋め込むように、n−Al0.6Ga0.4As第1電流阻止層10(層厚0.2μm)、p−GaAs第2電流阻止層11(層厚0.6μm)、n−GaAs第3電流阻止層12(層厚0.5μm)を順次、MOCVD法により成長する。n−GaAsキャップ層8、n−GaAs第3電流阻止層12を埋め込むように、n−GaAsコンタクト層13(層厚2μm)をMOCVD法により成長する。p−GaAs基板1表面とn−GaAsコンタクト層13表面にp型電極14とn型電極15を形成する。共振器長を200μmに調整し、共振器端面の反射率が65%となるようにAl2O3膜とSiを形成する。
【0047】
本実施例の素子は、p型電極14とn型電極15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1.0mA、電流−光出力特性のスロープ効率0.8W/A、光出力3mWの動作電流は4.8mAである。雰囲気温度70℃、一定光出力3mWにおける動作電流の変化を調べると、動作電流が初期の20%増大する走行時間は10000時間以上である。また、本実施例の素子の放射光は、pn接合に平行方向の放射角15度、垂直方向の放射角25度である。
【0048】
本実施例の素子では、保護層3にAlを含有する場合であるが、Al組成比が0.12〜0.16であれば、大気中の酸素の度合いが少ないので、無効電流の発生を抑制できるという効果になんら支障はない。
【0049】
なお、本実施例の素子では、保護層3の禁制帯幅が活性層の禁制帯幅5と略等しく、実施例1と同様に、保護層3が過飽和吸収効果を有するために、自励発振が起こり、戻り光雑音を低減できる。
【0050】
なお、本発明は、以上述べた実施例に限定されるものではなく、実施例以外の層厚、Al組成比、キャリア濃度においても、本発明の効果を有する限り適用可能である。また、成長法については、MOCVD法及びMBE法、ガスソースMBE法以外に、LPE法、ALE(原子線エピタキシー)法においても、本発明の効果を有する限り適用可能である。また、本発明はメサストライプの場合について述べたが、それ以外に円形のメサ状領域を有し、表面からレーザ光を出射する面発光レーザの場合にも適用可能である。
【0051】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子は、GaAs基板上にAlを含有しないInGaAsPから成る活性層を設けることにより、メサストライプ側面の活性層表面のAlの酸化に起因する無効電流発生を抑制でき、動作電流の低減が図れる。同時に、本発明の半導体レーザ素子では、クラッド層にAlを含有することにより、クラッド層の禁制帯幅を十分大きくして、活性層からクラッド層へのキャリヤの漏れだしに起因する無効電流発生を抑制でき、動作電流の低減が図れる有用な半導体レーザ素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図2】参考例に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図3】本発明の実施例2に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図4】本発明の実施例3に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図5】本発明の実施例4に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図6】従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
1 GaAs基板
2 第1クラッド層
3 保護層
4 第1ガイド層
5 InGaAsP活性層
6 第2ガイド層
7 第2クラッド層
10 第1電流阻止層
11 第2電流阻止層
12 第3電流阻止層
21 高抵抗層
23 誘電体膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser element used for optical discs, laser beam printers, optical transmission, and the like.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor laser element used for an optical disc, a near-infrared wavelength band (λ = 0.75 to 0.88 μm) is generally used so that a lens can focus on a minute spot. Therefore, an Al x Ga 1-x As active layer (x = 0.01 to 0.20) having a double hetero structure is formed on a GaAs substrate, and a stripe structure is used for current and optical confinement. Furthermore, in order to reduce the operating current of a semiconductor laser for optical discs, a buried heterostructure laser in which a mesa stripe is formed in a region including an active layer and a heterojunction is formed by performing buried growth in the semiconductor layer has been hitherto. Has been proposed.
[0003]
FIG. 6 shows a conventional example of a buried heterostructure laser. on n-GaAs substrate 1, n-Al x Ga 1 -x As (x = 0.3~0.35) first cladding layer 2, n-Al xg Ga 1 -xg As (xg = 0.25~ 0.3) guide layer 4, Al x1 Ga 1-x1 As (x1 = 0.01~0.06) active layer 5, p-Al x2 Ga 1 -x2 As (x2 = 0.35~0.4) The
[0004]
In this conventional example, an oscillation threshold current of 20 mA is reported.
[0005]
In this conventional example, carriers can be efficiently confined inside the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional semiconductor laser device, a double heterostructure including an AlGaAs
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a semiconductor laser device according to the present invention includes at least a first conductivity type first cladding layer, an active layer, and a second conductivity type second cladding on a first conductivity type GaAs substrate. In the semiconductor laser device, a region including at least the active layer and the second cladding layer is a mesa region, and a current blocking region is provided outside the mesa region. The first and second cladding layers contain at least Al, and the Al composition ratio is smaller than that of the first cladding layer or between the first cladding layer and the active layer, or Al. Ri Na provided first guide layer containing no, between the first guide layer and the first cladding layer, a protective layer containing no small or Al of the Al composition ratio than the first cladding layer Region above the protective layer is characterized Rukoto such from the mesa region.
[0008]
In the above, the first and second guide layers having a forbidden band width smaller than that of the first and second cladding layers on both sides of the active layer, respectively, or further on the first cladding layer. A protective layer having a forbidden bandwidth smaller than that of the layer may be provided.
[0009]
Further, the forbidden band width of the protective layer is preferably substantially equal to the forbidden band width of the active layer, and at least the current blocking region outside the mesa-shaped region includes at least the first current blocking layer and the first current blocking layer. A second current blocking layer formed outside the layer, wherein the forbidden band width of the first current blocking layer is larger than the forbidden band width of the active layer, and the forbidden band width of the second current blocking layer is It is desirable that the width is smaller than the forbidden band width of the active layer.
[0010]
The semiconductor laser device of the present invention suppresses generation of reactive current due to Al oxidation on the active layer surface on the side of the mesa stripe by providing an active layer made of InGaAsP not containing Al on the GaAs substrate as described above. The operating current can be reduced. At the same time, by making the clad layer contain Al, the forbidden band width of the clad layer can be made sufficiently large to suppress the generation of reactive current due to leakage from the active layer to the clad layer.
[0011]
Further, adjacent to the active layer, by providing a layer having a smaller Al composition ratio than the first and second cladding layers, or a layer not containing Al, that is, a guide layer having a forbidden band width smaller than each cladding layer, The generation of reactive current due to the oxidation of Al on the guide layer surface on the side of the mesa stripe can be suppressed, and the operating current can be reduced.
[0012]
Further, a protective layer having a smaller Al composition ratio than the first cladding layer or a protective layer not containing Al, that is, a protective layer having a forbidden band width smaller than that of the first cladding layer is formed on the first cladding layer. When provided on the bottom surface, the generation of reactive current due to oxidation of Al can be suppressed, and the operating current can be reduced.
[0013]
In addition, this protective layer can serve as an etching stop layer when the mesa stripe is formed, and is useful because the thickness of the buried growth layer outside the mesa stripe can be precisely controlled.
[0014]
Furthermore, in the semiconductor laser device of the present invention, by setting the forbidden band width of the protective layer substantially equal to the forbidden band width of the active layer, the protective layer can have the effect of a saturable absorption layer, and self-excited oscillation The return light noise due to can be reduced.
[0015]
When a protective layer having a saturable absorption effect exists only inside the stripe, saturation of the carriers generated by light absorption reduces the saturable absorption effect and makes it difficult for self-excited oscillation to occur. On the other hand, when the protective layer having a saturable absorption effect is present inside and outside the stripe as described above, carriers generated by light absorption inside the stripe can be efficiently diffused outside the stripe. . For this reason, absorption saturation of the carrier hardly occurs and self-excited oscillation is likely to occur. In addition, when a protective layer having a saturable absorption effect exists only inside the stripe, light absorption in the fundamental transverse mode is increased and mixed oscillation in higher order transverse modes occurs. On the other hand, similarly, if the protective layer having the saturable absorption effect described above is present inside and outside the stripe, the fundamental transverse mode and the higher order transverse mode are simultaneously affected by light absorption, but the activity inside the stripe is not affected. Since the gain of the layer is large, selective oscillation in the fundamental transverse mode can be caused.
[0016]
Furthermore, in the semiconductor laser device of the present invention, the forbidden band width of the first current blocking layer in the current blocking region outside the mesa stripe is larger than the forbidden band width of the active layer, and the second current blocking outside the first current blocking layer. The forbidden band width of the layer is preferably smaller than the forbidden band width of the active layer. That is, in general, when the basic transverse mode and the higher order transverse mode are compared, the higher order transverse mode has a larger spread outside the stripe. Therefore, by configuring as described above, the higher-order transverse mode is more susceptible to light absorption in the second current blocking layer than the fundamental transverse mode, and therefore, fundamental transverse mode oscillation with less light absorption occurs. The fundamental transverse mode oscillation which is important for practical use can be realized.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Examples of the present invention will be described below.
[0018]
Example 1
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser device of Example 1.
[0019]
On the p-
[0020]
N-Al 0.6 Ga 0.4 As first current blocking layer 10 (layer thickness 0.2 μm), p-GaAs second current blocking layer 11 (layer thickness 0.6 μm), n − so as to embed the outside of the
[0021]
An n-GaAs contact layer 13 (layer thickness: 2 μm) is grown by MOCVD so as to embed the n-
[0022]
A p-
[0023]
In the element of this example, when a forward voltage is applied between the p-
[0024]
In the element of this embodiment having the above-described configuration, the InGaAsP
[0025]
In the device of this embodiment, the InGaAsP
[0026]
Further, in the case of the InGaAsP
[0027]
Furthermore, in the device of this example, the forbidden band width of the
[0028]
Furthermore, in the element of this embodiment, the forbidden band width of the first
[0029]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of a semiconductor laser device of a reference example .
[0030]
On an n-
[0031]
So as to bury the outer mesa stripe 9, p- (Al 0.4 Ga 0.6 ) 0.5 In 0 .5 P first current blocking layer 10 (thickness 0.6μm), n-GaAs second current blocking layer 11 (layer thickness 0.6 μm) and the p-GaAs third current blocking layer 12 (layer thickness 0.7 μm) are sequentially grown by MOCVD. A p-
[0032]
In the element of this reference example, when a forward voltage is applied between the n-
[0033]
The first and second cladding layers 2 and 7 are (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.5 In 0.5 P and contain Al, and the difference in band gap from the
[0034]
Example 2
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser device of the second embodiment.
[0035]
p-Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 2 (layer thickness 2.0 μm), p-In 0.60 Ga 0.40 As 0.18 P 0.82 protective layer 3 (layer thickness 0.02 μm), undoped on p-
[0036]
An oxygen-doped high-
[0037]
In the element of this example, when a forward voltage is applied between the p-
[0038]
Example 3
FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device of Example 3 .
[0039]
On the n-
[0040]
An
[0041]
An n-
[0042]
In the device of this example, when a forward voltage is applied between the n-
[0043]
The element of the present embodiment is the same as that of the first embodiment except that the operation and effect in the current blocking region are different. Note that the element of this embodiment has an advantage that it can be manufactured by a single crystal growth. Therefore, dopant re-diffusion due to crystal growth for forming a current blocking layer can be suppressed, and generation of reactive current due to re-diffusion can be suppressed.
[0044]
Example 4
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser device of Example 4 .
[0045]
On the p-
[0046]
An n-Al 0.6 Ga 0.4 As first current blocking layer 10 (layer thickness 0.2 μm), a p-GaAs second current blocking layer 11 (layer thickness 0.6 μm), n − so as to embed the outside of the
[0047]
In the device of this example, when a forward voltage is applied between the p-
[0048]
In the element of this example, the
[0049]
In the device of this example, the forbidden band width of the
[0050]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and is applicable to layer thicknesses, Al composition ratios, and carrier concentrations other than the embodiments as long as the effects of the present invention are obtained. In addition to the MOCVD method, the MBE method, and the gas source MBE method, the growth method can be applied to the LPE method and the ALE (atomic beam epitaxy) method as long as the effects of the present invention are obtained. Although the present invention has been described with respect to a mesa stripe, it can also be applied to a surface emitting laser having a circular mesa region and emitting laser light from the surface.
[0051]
【The invention's effect】
In the semiconductor laser device of the present invention, by providing an active layer made of InGaAsP not containing Al on a GaAs substrate, the generation of reactive current due to the oxidation of Al on the active layer surface on the side of the mesa stripe can be suppressed. Reduction can be achieved. At the same time, in the semiconductor laser device of the present invention, by containing Al in the cladding layer, the forbidden band width of the cladding layer is sufficiently increased, and reactive current generation due to carrier leakage from the active layer to the cladding layer is generated. It is possible to provide a useful semiconductor laser device that can be suppressed and the operating current can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to Example 1 of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to a reference example .
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to Example 2 of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to Example 3 of the invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor laser device according to Example 4 of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
1
Claims (6)
前記活性層はAlを含まないInGaAsPから成り、前記第1、第2クラッド層は少なくともAlを含有し、
前記第1クラッド層と前記活性層の間に、前記第1クラッド層よりもAl組成比の小さな、もしくはAlを含有しない第1ガイド層を設けてなり、
前記第1クラッド層と前記第1ガイド層の間に、前記第1クラッド層よりもAl組成比の小さな、もしくはAlを含有しない保護層を設け、前記保護層より上の領域が前記メサ状領域からなることを特徴とする半導体レーザ素子。On the first conductivity type GaAs substrate, at least a first conductivity type first cladding layer, an active layer, and a second conductivity type second cladding layer are provided, and at least the active layer and the second cladding layer are provided. In the semiconductor laser device comprising a mesa-like region, and including a current blocking region outside the mesa-like region,
The active layer is made of InGaAsP not containing Al, and the first and second cladding layers contain at least Al,
Wherein between the first cladding layer and the active layer, a small Al composition ratio than said first cladding layer, or Ri Na provided first guide layer containing no Al,
A protective layer having an Al composition ratio smaller than that of the first cladding layer or not containing Al is provided between the first cladding layer and the first guide layer, and a region above the protective layer is the mesa-shaped region. Tona semiconductor laser device characterized Rukoto.
前記保護層の禁制帯幅が前記活性層の禁制帯幅に略等しいことを特徴とする半導体レーザ素子。The semiconductor laser device according to claim 1,
The semiconductor laser device, wherein the forbidden band width of the protective layer is substantially equal to the forbidden band width of the active layer .
前記活性層と前記第2クラッド層との間に、前記第2クラッド層よりもAl組成比の小さな、もしくはAlを含有しない第2ガイド層を設けてなることを特徴とする半導体レーザ素子。The semiconductor laser device according to claim 1 or 2,
A semiconductor laser device, wherein a second guide layer having an Al composition ratio smaller than that of the second cladding layer or containing no Al is provided between the active layer and the second cladding layer .
前記第1、第2クラッド層は、前記活性層より禁制帯幅が300meV以上大きいことを特徴とする半導体レーザ素子。In the semiconductor laser device according to claim 1 or 3,
The semiconductor laser device , wherein the first and second cladding layers have a forbidden band width of 300 meV or more larger than that of the active layer .
前記活性層は、発振波長が780nm帯となるよう構成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3 ,
The active layer, a semiconductor laser element characterized that you have configured the oscillation wavelength is 780nm band.
前記メサ状領域の外部の電流阻止領域は少なくも第1電流阻止層と、該第1電流阻止層の外側に形成される第2電流阻止層を有してなり、前記第1電流阻止層の禁制帯幅は前記活性層の禁制帯幅より大きく、前記第2電流阻止層の禁制帯幅は前記活性層の禁制帯幅より小さいことを特徴とする半導体レーザ素子。The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 5 ,
The current blocking region outside the mesa-shaped region has at least a first current blocking layer and a second current blocking layer formed outside the first current blocking layer. band gap greater than the band gap of the active layer, the band gap of the second current blocking layer is a semiconductor laser element characterized that no less than the band gap of the active layer.
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