JP3987138B2

JP3987138B2 - Semiconductor laser element

Info

Publication number: JP3987138B2
Application number: JP18249196A
Authority: JP
Inventors: 靖雄大枝; 毅藤本; 博渋谷; 由美内藤
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1995-07-11
Filing date: 1996-07-11
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JPH0983070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信、光情報処理、レーザ加工、レーザ医療などに好適に用いられる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体レーザの高出力化が望まれているが、高出力化を妨げる要因の一つとして瞬時光学損傷（ＣＯＤ）があり、これは半導体レーザの端面が自らのレーザビームによって溶融する現象である。こうしたＣＯＤが発生しないように高出力化を図った半導体レーザとして、完全分離閉じ込めヘテロ構造（ＰＳＣＨ）が本出願人によって提案されている（特願平５−５０５５４２号）。
【０００３】
図８（ａ）はＡｌＧａＡｓ系を用いたＰＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の一例を示す構成図であり、図８（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。図８の縦軸は膜厚を示し、横軸はアルミニウム（Ａｌ）組成を示し、Ａｌ組成が大きいほどエネルギーギャップも大きくなる。
【０００４】
半導体レーザ素子は、バリア層４６、バリア層４６を挟む量子井戸層４５、および量子井戸層４５を挟むサイドバリア層４４から成る活性層５０と、活性層５０の両側に設けられたｎ型キャリアブロック層４３およびｐ型キャリアブロック層４７と、ｎ型キャリアブロック層４３およびｐ型キャリアブロック層４７の外側にそれぞれ設けられたｎ型導波層４２およびｐ型導波層４８と、ｎ型導波層４２およびｐ型導波層４８の外側にそれぞれ設けられたｎ型クラッド層４１およびｐ型クラッド層４９とで構成されている。
【０００５】
ＰＳＣＨ構造では、導波層４２、４８とクラッド層４１、４９の特性で決定されるレーザ光の導波モードを乱さない程度に、活性層５０近傍を両側から挟むように２つのキャリアブロック層４３、４７を形成している。キャリアブロック層４３、４７は活性層５０内の電子や正孔を閉じ込めて発振効率を向上させる機能を有し、しかも導波モードを理想的なガウス型に改善できるため、半導体レーザ端面でのレーザビームのピーク強度を低減化でき、端面溶融が起こる出力レベル、すなわちＣＯＤレベルを大幅に向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＰＳＣＨ構造を持つ半導体レーザ素子では、ＣＯＤレベルが向上して得られる出力が増大すると、熱的な負荷が厳しくなる連続発振状態においては、最大出力が熱飽和現象によって制限を受けてしまう。この熱飽和現象はＰＳＣＨ構造をもつ半導体レーザ素子特有の現象ではなく、半導体レーザ素子一般におこり得る現象である。すなわち半導体レーザ素子を連続発振させると活性層の温度が上昇する。特に高出力にするため注入電流を増大させていくにしたがい、温度上昇が大きくなり出力が飽和して最大出力が制限される現象である。
【０００７】
半導体レーザの熱飽和出力を高める手法として、１）共振器長を長くする。２）量子井戸数を増やす。などが一般に考えられる。共振器の長尺化および多重量子井戸化によってレーザ発振時の量子井戸１本当りのキャリア密度を低減化できるため、しきい電流の温度依存性を規定する特性温度が向上する。また共振器を長くすると各層の面積が大きくなるため、素子の熱抵抗が小さくなる。こうした手法によって熱飽和出力を高くすることができるが、何れも発振効率の低下を招いてしまう。
【０００８】
本発明の目的は、発振効率を維持しつつ特性温度を向上させ、たとえば連続発振状態での最大出力を決定している熱飽和出力を向上させた半導体レーザ素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、量子井戸層、バリア層およびサイドバリア層から成る活性層と、
前記活性層の両側に設けられ、前記バリア層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率が小さいキャリアブロック層と、
前記キャリアブロック層に対して活性層と反対側に設けられ、キャリアブロック層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率が大きい導波層と、
前記導波層に対して活性層と反対側に設けられ、導波層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率が小さいクラッド層とを備えた半導体レーザにおいて、
前記キャリアブロック層に最隣接する前記量子井戸層との間のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１、前記キャリアブロック層のエネルギーギャップＥＧ２、および前記導波層のうちキャリアブロック層に隣接する部分のエネルギーギャップＥＧ３が、
ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３
の関係式を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子である。
本発明に従えば、活性層内のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１を導波層のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きくし、かつキャリアブロック層のエネルギーギャップＥＧ２よりも小さく形成することによって、素子の温度が上昇したとき量子井戸層内のキャリアが熱励起によってサイドバリア層に蒸発する割合を減らすことができる。その結果、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。その際、共振器長や量子井戸数を変えることなく実現できるため、発振効率の低下をもたらさない。さらに、クラッド層および導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、素子の熱抵抗や電気抵抗の上昇もなく、素子内の発熱量の増加もない。したがって、高い発振効率で高出力の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１０】
また本発明は、活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ＜１）で形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、活性層、キャリアブロック層、導波層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ＜１）で形成されていることによって、組成の変化によるエネルギーギャップの制御が容易で、しかも高い信頼性の半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１１】
また本発明は、量子井戸層は、Ｉｎ_YＧａ_1-YＡｓ（０＜Ｙ＜１）で形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、量子井戸層がＩｎ_YＧａ_1-YＡｓ（０＜Ｙ＜１）で形成されていることによって、サイドバリア層、キャリアブロック層および導波層の各エネルギーギャップの関係式ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３とした場合の上述した効果が充分に得られる。また、ＡｌＧａＡｓ系と比べて量子井戸層のエネルギーギャップをより小さく設定できるため、量子井戸層でのキャリア存在確率が増加するとともに、量子井戸層からサイドバリア層へのキャリア蒸発を有効に抑制できる。
【００１２】
また本発明は、導波層は、Ａｌ_ZＧａ_1-ZＡｓ（０≦Ｚ≦０．２０）で形成されていることを特徴とする。
本発明に従えば、量子井戸層をＩｎＧａＡｓ系で形成する場合、導波層のＡｌ組成を０．２以下と比較的小さく形成することが可能になり、これによって導波層の熱抵抗および電気抵抗を低減でき、素子全体の熱抵抗および電気抵抗の低減化に寄与する。
【００１３】
また本発明は、πを円周率とし、λを発振波長とし、導波層の最大屈折率をＮ１とし、クラッド層の屈折率をＮ２とし、クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、
規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１² −Ｎ２² ）^0.5
と定義したとき、
Ｖ＞π／３
となることを特徴とする。
ここで、導波層の屈折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、導波層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両クラッド層間の任意の位置（α）における屈折率をＮｗ（α）とし、ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をα１、およびｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をα２とすると、次式で求められる。
【００１４】
【数１】

【００１５】
本発明に従えば、上下のクラッド層に挟まれる活性層、キャリアブロック層、導波層から成る光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく設定することによって、導波モードを理想的なガウス型に近付けることが可能となる。また、活性層領域での導波モードのピーク強度が減少して、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。また横モードがマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。図１の縦軸は膜厚を示し、横軸はアルミニウム（Ａｌ）組成を示し、Ａｌ組成が大きいほどエネルギーギャップも大きくなる。
【００１７】
この半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）やＭＢＥ（分子ビーム成長）等の薄膜製造方法を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌ_XＧａ_1-XＡｓのＡｌ組成Ｘや膜厚を制御しながら製造することができる。
【００１８】
図１（ａ）において、ｎ型ＧａＡｓから成る基板（不図示）の上に、ｎ型クラッド層（Ｘ＝０．４８）１１、ｎ型導波層（Ｘ＝０．３１）１２、ｎ型キャリアブロック層１３（Ｘ＝０．５）、活性層２０、ｐ型キャリアブロック層（Ｘ＝０．５）１７、ｐ型導波層（Ｘ＝０．３１）１８、およびｐ型クラッド層（Ｘ＝０．４８）１９を順次形成している。
【００１９】
また図１（ｂ）に示すように、活性層２０は２重量子井戸構造を有し、バリア層（Ｘ＝０．３７）１６と、バリア層１６を挟むＧａＡｓから成る２本の量子井戸層１５と、量子井戸層１５の外側で各キャリアブロック層１３、１７に最隣接するサイドバリア層１４（Ｘ＝０．３７）とで構成される。
【００２０】
ここで、ｎ型ドーパントとしてＳｅ（セレン）、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）をそれぞれ使用している。ドーピング量に関しては、ｎ型およびｐ型ともにクラッド層１１、１９および導波層１２、１８で約３×１０¹⁷ｃｍ^-3、キャリアブロック層１３、１７で約１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。また、活性層２０内のバリア層１６、量子井戸層１５、サイドバリア層１４は何れもノンドープである。
【００２１】
こうした構成において、サイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１、キャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２、導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３は、ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３という関係式を満たしている。すなわち、活性層２０内のサイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１を従来よりも大きく、すなわちキャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２未満として導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きくなるように形成している。
【００２２】
これによって量子井戸層１５が相対的に深くなり、素子温度が上昇したとき量子井戸層１５内のキャリアが熱励起によって外側のサイドバリア層１４に蒸発する割合を減らすことができる。その結果、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。
【００２３】
図２は、半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。図８の従来例および図１の第１実施形態ともに、ストライプ幅は５０μｍ、共振器長は９００μｍ、各端面には反射率４％と９６％のコーティングを形成している。図２に示すように、従来のものは電流１．６Ａあたりから次第に飽和が始まって、電流３Ａで完全に飽和状態になり、最大レーザ出力は約２．２Ｗである。一方、実施例のものは電流２．４Ａあたりまで直線性が保たれ、最大レーザ出力は約２．６Ｗを達成している。
【００２４】
図３は、各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。なお、従来例および第１実施形態ともに、ストライプ幅は５０μｍ、共振器長は３００μｍ、５００μｍ、７００μｍ、９００μｍで、何れも端面コーティング無しで測定している。図３に示すように、何れも共振器長が長くなるほど特性温度が高くなる傾向があるが、同一共振器長で比較すると実施例の方が３０〜４０Ｋ程度改善されていることが判る。
【００２５】
このように活性層２０内のサイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１を導波層のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きく形成することによって、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。その際、共振器長や量子井戸数を変えることなく実現できるため、発振効率の低下をもたらさない。さらに、クラッド層および導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、素子の熱抵抗や電気抵抗の上昇もなく、素子内の発熱量の増加もない。
【００２６】
（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、図５はその比較例である。縦軸は膜厚を示し、横軸の正軸でアルミニウム（Ａｌ）組成を示し、横軸の負軸でインジウム（Ｉｎ）組成を示し、Ａｌ組成が大きいほどエネルギーギャップも大きくなり、逆にＩｎ組成が大きいほどエネルギーギャップは小さくなる。
【００２７】
この半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）やＭＢＥ（分子ビーム成長）等の薄膜製造方法を用いて、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌ_XＧａ_1-XＡｓのＡｌ組成Ｘ、Ｉｎ_YＧａ_1-YＡｓのＩｎ組成Ｙや膜厚を制御しながら製造することができる。
【００２８】
図４において、ｎ型ＧａＡｓから成る基板（不図示）の上に、ｎ型クラッド層（Ｘ＝０．１６）１１、ｎ型導波層（Ｘ＝０）１２、ｎ型キャリアブロック層１３（Ｘ＝０．４）、活性層２０、ｐ型キャリアブロック層（Ｘ＝０．４）１７、ｐ型導波層（Ｘ＝０）１８、およびｐ型クラッド層（Ｘ＝０．１６）１９を順次形成している。
【００２９】
また、図１（ｂ）と同様に、活性層２０は２重量子井戸構造を有し、バリア層（Ｘ＝０）と、バリア層を挟むＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ａｓ（Ｙ＝０．１８）から成る２本の量子井戸層と、量子井戸層の外側で各キャリアブロック層１３、１７に最隣接するサイドバリア層（Ｘ＝０．１）とで構成される。
【００３０】
ここで、ｎ型ドーパントとしてＳｅ（セレン）、ｐ型ドーパントとしてＣ（炭素）をそれぞれ使用している。ドーピング量に関しては、ｎ型およびｐ型ともにクラッド層１１、１９および導波層１２、１８で約３×１０¹⁷ｃｍ^-3、キャリアブロック層１３、１７で約１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。また、活性層２０内のバリア層、量子井戸層、サイドバリア層は何れもノンドープである。
【００３１】
こうした構成において、サイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１、キャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２、導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３は、ＥＧ２＞ＥＧ１＞ＥＧ３という関係式を満たしている。すなわち、活性層２０内のサイドバリア層のエネルギーギャップＥＧ１を従来よりも大きく、すなわちキャリアブロック層１３、１７のエネルギーギャップＥＧ２未満として導波層１２、１８のエネルギーギャップＥＧ３よりも大きくなるように形成している。
【００３２】
これによって量子井戸層が相対的に深くなり、素子温度が上昇したとき量子井戸層内のキャリアが熱励起によって外側のサイドバリア層に蒸発する割合を減らすことができる。その結果、半導体レーザの特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。
【００３３】
一方、図５に示す比較例において、活性層２０は２重量子井戸構造を有し、バリア層およびサイドバリア層のＡｌ組成をＸ＝０で形成してｎ型導波層１２およびｐ型導波層１８のエネルギーギャップに一致させており、その他の層に関しては図４と同一組成である。
【００３４】
図６は、半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。図４の第２実施形態および図５の比較例ともに、ストライプ幅は５０μｍ、共振器長は１５００μｍ、前側端面には反射率４％、後側端面には反射率９６％のコーティングを形成している。
【００３５】
図６に示すように、第２実施形態および比較例ともに注入電流１０Ａであっても完全な熱飽和が現れず、何れも良好な特性を示している。しかし、全体の傾向として、注入電流を徐々に増加する場合、第２実施形態の出力の増加割合が比較例のものと比べて大きいことが判る。これは比較例の方が熱飽和に早く到達してしまうということを意味し、逆に第２実施形態の熱飽和レベルがより高いことを意味する。
【００３６】
図７は、各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。なお、第２実施形態および比較例ともに、ストライプ幅は５０μｍで何れも端面コーティング無しで測定している。図７に示すように、何れも共振器長が長くなるほど特性温度が高くなる傾向があるが、同一共振器長で比較すると第２実施形態の方が４０〜８０Ｋ程度改善されていることが判る。
【００３７】
このように活性層２０内のサイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１を導波層のエネルギーギャップＥＧ３より大きく形成することによって、半導体レーザの特性温度が向上し、熱飽和出力を上昇させることができる。その際、共振器長や量子井戸数を変えることなく実現できるため、発振効率の低下をもたらさない。さらに、クラッド層および導波層のエネルギーギャップを大きくする必要がないため、素子の熱抵抗や電気抵抗の上昇もなく、素子内の発熱量の増加もない。
【００３８】
以上説明した各実施形態において、量子井戸層１５によって挟まれたバリア層１６のエネルギーギャップは、サイドバリア層１４のエネルギーギャップＥＧ１以下に形成した場合でも、本発明と同様な効果が得られる。
【００３９】
また、各実施形態では活性層に対して対称となる構造を示したが、非対称となる構造でも構わない。
【００４０】
また、各実施形態ではクラッド層、導波層、キャリアブロック層、サイドバリア層が均一層である例を示したが、層厚方向にＡｌ組成が変化したグレーデッド層であっても構わない。
【００４１】
また、各実施形態では量子井戸数が２本である例を示したが、３本以上でも本発明と同様な効果が得られる。
【００４２】
なお、本発明はＡｌＧａＩｎＰ系やＧａＩｎＡｓＰ系などの４元系にも同様に適用できる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、素子の温度が上昇したとき量子井戸層内のキャリアが熱励起によってサイドバリア層に蒸発する割合を減らすことができる。そのため、特性温度が向上し、連続発振状態での熱飽和出力を上昇させることができる。したがって、高い発振効率で高出力の半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。
【図２】半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。
【図３】各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図５】図４に対する比較例を示す構成図である。
【図６】半導体レーザの電流−光出力特性を示すグラフである。
【図７】各種共振器長に対する特性温度の変化を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）はＡｌＧａＡｓ系を用いたＰＳＣＨ構造の半導体レーザ素子の一例を示す構成図であり、図８（ｂ）は活性層近傍の拡大図である。
【符号の説明】
１１ｎ型クラッド層
１２ｎ型導波層
１３ｎ型キャリアブロック層
１４サイドバリア層
１５量子井戸層
１６バリア層
１７ｐ型キャリアブロック層
１８ｐ型導波層
１９ｐ型クラッド層
２０活性層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser element suitably used for optical communication, optical information processing, laser processing, laser medicine, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been desired to increase the output of a semiconductor laser. However, instantaneous optical damage (COD) is one of the factors hindering the increase in output. This is a phenomenon in which the end face of a semiconductor laser is melted by its own laser beam. It is. The present applicant has proposed a completely isolated and confined heterostructure (PSCH) as a semiconductor laser designed to increase the output so that such COD does not occur (Japanese Patent Application No. 5-505542).
[0003]
FIG. 8A is a block diagram showing an example of a semiconductor laser device having a PSCH structure using an AlGaAs system, and FIG. 8B is an enlarged view near the active layer. The vertical axis in FIG. 8 indicates the film thickness, the horizontal axis indicates the aluminum (Al) composition, and the energy gap increases as the Al composition increases.
[0004]
The semiconductor laser element includes an active layer 50 including a barrier layer 46, a quantum well layer 45 sandwiching the barrier layer 46, and a side barrier layer 44 sandwiching the quantum well layer 45, and n-type carrier blocks provided on both sides of the active layer 50. Layer 43 and p-type carrier block layer 47, n-type waveguide layer 42 and p-type waveguide layer 48 provided outside n-type carrier block layer 43 and p-type carrier block layer 47, respectively, and n-type waveguide The n-type cladding layer 41 and the p-type cladding layer 49 are provided outside the layer 42 and the p-type waveguide layer 48, respectively.
[0005]
In the PSCH structure, the two carrier block layers 43 are arranged so as to sandwich the vicinity of the active layer 50 from both sides so as not to disturb the waveguide mode of the laser light determined by the characteristics of the waveguide layers 42 and 48 and the cladding layers 41 and 49. , 47 are formed. Since the carrier block layers 43 and 47 have a function of confining electrons and holes in the active layer 50 to improve the oscillation efficiency, and the waveguide mode can be improved to an ideal Gaussian type, the laser at the semiconductor laser end face The peak intensity of the beam can be reduced, and the power level at which end face melting occurs, that is, the COD level can be greatly improved.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a semiconductor laser device having a conventional PSCH structure, the maximum output is limited by the thermal saturation phenomenon in the continuous oscillation state where the thermal load becomes severe as the output obtained by improving the COD level increases. End up. This thermal saturation phenomenon is not a phenomenon peculiar to semiconductor laser elements having a PSCH structure, but is a phenomenon that can occur in general in semiconductor laser elements. That is, when the semiconductor laser element is continuously oscillated, the temperature of the active layer rises. In particular, as the injection current is increased to increase the output, the temperature rises and the output is saturated to limit the maximum output.
[0007]
As a technique for increasing the thermal saturation output of a semiconductor laser, 1) the cavity length is increased. 2) Increase the number of quantum wells. Etc. are generally considered. Since the cavity length and the multiple quantum well can reduce the carrier density per quantum well during laser oscillation, the characteristic temperature that defines the temperature dependence of the threshold current is improved. Further, when the resonator is lengthened, the area of each layer is increased, so that the thermal resistance of the element is decreased. Although the thermal saturation output can be increased by such a method, any of them causes a decrease in oscillation efficiency.
[0008]
An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device in which the characteristic temperature is improved while maintaining the oscillation efficiency, for example, the thermal saturation output that determines the maximum output in the continuous oscillation state is improved.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises an active layer comprising a quantum well layer, a barrier layer and a side barrier layer;
A carrier block layer provided on both sides of the active layer and having a larger energy gap and a lower refractive index than the barrier layer;
A waveguide layer provided on the opposite side of the carrier blocking layer from the active layer, having a smaller energy gap and a higher refractive index than the carrier blocking layer;
In a semiconductor laser provided with a cladding layer provided on the side opposite to the active layer with respect to the waveguide layer and having a larger energy gap and a lower refractive index than the waveguide layer,
The energy gap EG1 of the side barrier layer between the quantum well layer closest to the carrier block layer, the energy gap EG2 of the carrier block layer, and the energy gap of the portion of the waveguide layer adjacent to the carrier block layer EG3 is
EG2 > EG1> EG3
A semiconductor laser element characterized by satisfying the relational expression:
According to the present invention, by forming the energy gap EG1 of the side barrier layer in the active layer larger than the energy gap EG3 of the waveguide layer and smaller than the energy gap EG2 of the carrier block layer, the temperature of the element is increased. When rising, the rate at which carriers in the quantum well layer evaporate into the side barrier layer by thermal excitation can be reduced. As a result, the characteristic temperature of the semiconductor laser is improved, and the thermal saturation output in the continuous oscillation state can be increased. In this case, the oscillation efficiency is not lowered because it can be realized without changing the resonator length or the number of quantum wells. Furthermore, since it is not necessary to increase the energy gap between the cladding layer and the waveguide layer, there is no increase in the thermal resistance or electrical resistance of the element, and there is no increase in the amount of heat generated in the element. Therefore, a high-power semiconductor laser device with high oscillation efficiency can be obtained.
[0010]
Further, the present invention is characterized in that the active layer, the carrier block layer, the waveguide layer and the cladding layer are formed of a III-V group compound semiconductor.
Further, the present invention is characterized in that the active layer, the carrier block layer, the waveguide layer, and the clad layer are formed of Al _x Ga _1-x As (0 ≦ X <1).
According to the present invention, the active layer, the carrier block layer, the waveguiding layer, and the clad layer are formed of a III-V group compound semiconductor, preferably Al _x Ga _1-x As (0 ≦ X <1). As a result, an energy gap can be easily controlled by changing the composition, and a highly reliable semiconductor laser device can be realized.
[0011]
In addition, the present invention is characterized in that the quantum well layer is formed of In _Y Ga _1-Y As (0 <Y <1).
According to the present invention, since the quantum well layer is formed of In _Y Ga _1-Y As (0 <Y <1), the relational expressions of the energy gaps of the side barrier layer, the carrier block layer, and the waveguide layer The effects described above when EG2 > EG1> EG3 are sufficiently obtained. In addition, since the energy gap of the quantum well layer can be set smaller than that of the AlGaAs system, the carrier existence probability in the quantum well layer increases, and carrier evaporation from the quantum well layer to the side barrier layer can be effectively suppressed.
[0012]
The present invention, waveguiding layer, characterized in that it is formed by _{_{Al Z Ga 1-Z As (}} 0 ≦ Z ≦ 0.20).
According to the present invention, when the quantum well layer is formed of an InGaAs system, the Al composition of the waveguide layer can be formed to be relatively small as 0.2 or less. Resistance can be reduced, which contributes to a reduction in thermal resistance and electrical resistance of the entire device.
[0013]
In the present invention, π is a circumference, λ is an oscillation wavelength, the maximum refractive index of the waveguide layer is N1, the refractive index of the cladding layer is N2, and the effective thickness between the cladding layers is d1.
The normalized frequency V is V = (π · d1 / λ) · (N1 ² −N2 ² ) ^0.5
When defined as
V> π / 3
It is characterized by becoming.
Here, when the refractive index of the waveguide layer is constant, the maximum refractive index N1 takes a constant value, but when the refractive index has a distribution in the waveguide layer, it means the maximum value. Further, the effective thickness d1 is that the refractive index at an arbitrary position (α) between the both cladding layers is Nw (α), the position of the interface near the active layer of the n-type cladding layer is α1, and the active layer of the p-type cladding layer Assuming that the position of the interface close to is α2, the following equation is obtained.
[0014]
[Expression 1]

[0015]
According to the present invention, the waveguide mode is idealized by setting the normalized frequency V of the optical waveguide composed of the active layer, the carrier block layer, and the waveguide layer sandwiched between the upper and lower cladding layers to be larger than π / 3. It becomes possible to approach a Gaussian shape. In addition, the peak intensity of the waveguide mode in the active layer region is reduced, and the optical damage level at the emission end face of the semiconductor laser element can be further increased. In order to prevent the transverse mode from becoming multimode, it is desirable that the normalized frequency V is 2π or less.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1A is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view in the vicinity of the active layer. The vertical axis in FIG. 1 indicates the film thickness, the horizontal axis indicates the aluminum (Al) composition, and the energy gap increases as the Al composition increases.
[0017]
The semiconductor laser device, MOCVD using thin-film manufacturing methods such as (metal organic chemical vapor deposition) and MBE (Molecular Beam Epitaxy), a group III-V compound semiconductor Al _X Ga _1-X As the Al composition X It can be manufactured while controlling the film thickness.
[0018]
In FIG. 1A, an n-type cladding layer (X = 0.48) 11, an n-type waveguide layer (X = 0.31) 12, and an n-type are formed on a substrate (not shown) made of n-type GaAs. Carrier block layer 13 (X = 0.5), active layer 20, p-type carrier block layer (X = 0.5) 17, p-type waveguide layer (X = 0.31) 18, and p-type cladding layer ( X = 0.48) 19 are sequentially formed.
[0019]
As shown in FIG. 1B, the active layer 20 has a double quantum well structure, a barrier layer (X = 0.37) 16 and two quantum well layers made of GaAs sandwiching the barrier layer 16. 15 and a side barrier layer 14 (X = 0.37) closest to the carrier block layers 13 and 17 outside the quantum well layer 15.
[0020]
Here, Se (selenium) is used as the n-type dopant, and C (carbon) is used as the p-type dopant. Regarding the doping amount, both the n-type and p-type are about 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ in the clad layers 11 and 19 and the waveguide layers 12 and ¹⁸ , and about 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ in the carrier block layers 13 and 17. . Moreover, the barrier layer 16, the quantum well layer 15, and the side barrier layer 14 in the active layer 20 are all non-doped.
[0021]
In such a configuration, the energy gap EG1 of the side barrier layer 14, the energy gap EG2 of the carrier block layers 13 and 17, and the energy gap EG3 of the waveguide layers 12 and 18 satisfy the relational expression EG2 > EG1> EG3. That is, the energy gap EG1 of the side barrier layer 14 in the active layer 20 is larger than the conventional one, that is, less than the energy gap EG2 of the carrier block layers 13 and 17, and larger than the energy gap EG3 of the waveguide layers 12 and 18. Forming.
[0022]
As a result, the quantum well layer 15 becomes relatively deep, and the rate at which carriers in the quantum well layer 15 evaporate to the outer side barrier layer 14 due to thermal excitation when the device temperature rises can be reduced. As a result, the characteristic temperature of the semiconductor laser is improved, and the thermal saturation output in the continuous oscillation state can be increased.
[0023]
FIG. 2 is a graph showing current-light output characteristics of the semiconductor laser. In both the conventional example of FIG. 8 and the first embodiment of FIG. 1, the stripe width is 50 μm, the resonator length is 900 μm, and coatings having a reflectance of 4% and 96% are formed on each end face. As shown in FIG. 2, in the conventional device, saturation starts gradually from around current 1.6A and is fully saturated at current 3A, and the maximum laser output is about 2.2W. On the other hand, in the example, the linearity is maintained up to around 2.4 A of current, and the maximum laser output is about 2.6 W.
[0024]
FIG. 3 is a graph showing changes in characteristic temperature with respect to various resonator lengths. In both the conventional example and the first embodiment, the stripe width is 50 μm, the resonator length is 300 μm, 500 μm, 700 μm, and 900 μm, and all are measured without end face coating. As shown in FIG. 3, the characteristic temperature tends to increase as the resonator length increases, but it can be seen that the embodiment is improved by about 30 to 40K when compared with the same resonator length.
[0025]
Thus, by forming the energy gap EG1 of the side barrier layer 14 in the active layer 20 larger than the energy gap EG3 of the waveguide layer, the characteristic temperature of the semiconductor laser is improved, and the thermal saturation output in the continuous oscillation state is increased. Can be raised. In this case, the oscillation efficiency is not lowered because it can be realized without changing the resonator length or the number of quantum wells. Furthermore, since it is not necessary to increase the energy gap between the cladding layer and the waveguide layer, there is no increase in the thermal resistance or electrical resistance of the element, and there is no increase in the amount of heat generated in the element.
[0026]
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a comparative example thereof. The vertical axis shows the film thickness, the horizontal axis shows the aluminum (Al) composition, the horizontal axis shows the indium (In) composition, the larger the Al composition, the larger the energy gap, and conversely, In The larger the composition, the smaller the energy gap.
[0027]
The semiconductor laser device, MOCVD using thin-film manufacturing methods such as (metal organic chemical vapor deposition) and MBE (Molecular Beam Epitaxy), a group III-V compound semiconductor Al _X Ga _1-X As the Al composition X , In _Y Ga _1-Y As can be manufactured while controlling the In composition Y and the film thickness.
[0028]
In FIG. 4, an n-type cladding layer (X = 0.16) 11, an n-type waveguide layer (X = 0) 12, and an n-type carrier block layer 13 (on a substrate (not shown) made of n-type GaAs). X = 0.4), active layer 20, p-type carrier block layer (X = 0.4) 17, p-type waveguide layer (X = 0) 18, and p-type cladding layer (X = 0.16) 19 Are formed sequentially.
[0029]
Similarly to FIG. 1B, the active layer 20 has a double quantum well structure, and is composed of a barrier layer (X = 0) and In _0.18 Ga _0.82 As (Y = 0.18) sandwiching the barrier layer. And two side barrier layers (X = 0.1) closest to the carrier block layers 13 and 17 outside the quantum well layer.
[0030]
Here, Se (selenium) is used as the n-type dopant, and C (carbon) is used as the p-type dopant. Regarding the doping amount, both the n-type and p-type are about 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ in the clad layers 11 and 19 and the waveguide layers 12 and ¹⁸ , and about 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ in the carrier block layers 13 and 17. . In addition, the barrier layer, the quantum well layer, and the side barrier layer in the active layer 20 are all non-doped.
[0031]
In such a configuration, the energy gap EG1 of the side barrier layer, the energy gap EG2 of the carrier block layers 13 and 17, and the energy gap EG3 of the waveguide layers 12 and 18 satisfy the relational expression EG2 > EG1> EG3. That is, the energy gap EG1 of the side barrier layer in the active layer 20 is larger than that of the conventional case, that is, less than the energy gap EG2 of the carrier block layers 13 and 17, and larger than the energy gap EG3 of the waveguide layers 12 and 18. is doing.
[0032]
As a result, the quantum well layer becomes relatively deep and the rate at which carriers in the quantum well layer evaporate into the outer side barrier layer by thermal excitation when the device temperature rises can be reduced. As a result, the characteristic temperature of the semiconductor laser is improved, and the thermal saturation output in the continuous oscillation state can be increased.
[0033]
On the other hand, in the comparative example shown in FIG. 5, the active layer 20 has a double quantum well structure, the Al composition of the barrier layer and the side barrier layer is formed with X = 0, and the n-type waveguide layer 12 and the p-type waveguide are formed. It matches the energy gap of the wave layer 18, and the other layers have the same composition as FIG.
[0034]
FIG. 6 is a graph showing current-light output characteristics of a semiconductor laser. In both the second embodiment of FIG. 4 and the comparative example of FIG. 5, the stripe width is 50 μm, the resonator length is 1500 μm, the front end face is coated with a reflectance of 4%, and the rear end face is coated with a reflectance of 96%. Yes.
[0035]
As shown in FIG. 6, in both the second embodiment and the comparative example, complete thermal saturation does not appear even at an injection current of 10 A, and both show good characteristics. However, as an overall trend, it can be seen that when the injection current is gradually increased, the output increase rate of the second embodiment is larger than that of the comparative example. This means that the comparative example reaches thermal saturation earlier, and conversely means that the thermal saturation level of the second embodiment is higher.
[0036]
FIG. 7 is a graph showing changes in characteristic temperature with respect to various resonator lengths. In both the second embodiment and the comparative example, the stripe width is 50 μm, and both are measured without end face coating. As shown in FIG. 7, the characteristic temperature tends to increase as the resonator length increases, but it can be seen that the second embodiment is improved by about 40 to 80 K when compared with the same resonator length. .
[0037]
Thus, by forming the energy gap EG1 of the side barrier layer 14 in the active layer 20 larger than the energy gap EG3 of the waveguide layer, the characteristic temperature of the semiconductor laser can be improved and the thermal saturation output can be increased. In this case, the oscillation efficiency is not lowered because it can be realized without changing the resonator length or the number of quantum wells. Furthermore, since it is not necessary to increase the energy gap between the cladding layer and the waveguide layer, there is no increase in the thermal resistance or electrical resistance of the element, and there is no increase in the amount of heat generated in the element.
[0038]
In each of the embodiments described above, even when the energy gap of the barrier layer 16 sandwiched between the quantum well layers 15 is less than or equal to the energy gap EG1 of the side barrier layer 14, the same effect as the present invention can be obtained.
[0039]
In each embodiment, a structure that is symmetric with respect to the active layer is shown. However, an asymmetric structure may be used.
[0040]
In each embodiment, an example in which the clad layer, the waveguide layer, the carrier block layer, and the side barrier layer are uniform layers is shown, but a graded layer in which the Al composition is changed in the layer thickness direction may be used.
[0041]
In each embodiment, an example in which the number of quantum wells is two has been described. However, the same effect as the present invention can be obtained with three or more quantum wells.
[0042]
Note that the present invention can be similarly applied to a quaternary system such as an AlGaInP system or a GaInAsP system.
[0043]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the rate at which carriers in the quantum well layer evaporate into the side barrier layer due to thermal excitation when the temperature of the device rises can be reduced. Therefore, the characteristic temperature is improved, and the thermal saturation output in the continuous oscillation state can be increased. Therefore, a high-power semiconductor laser device with high oscillation efficiency can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is an enlarged view in the vicinity of an active layer.
FIG. 2 is a graph showing current-light output characteristics of a semiconductor laser.
FIG. 3 is a graph showing changes in characteristic temperature with respect to various resonator lengths.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a comparative example with respect to FIG. 4;
FIG. 6 is a graph showing current-light output characteristics of a semiconductor laser.
FIG. 7 is a graph showing changes in characteristic temperature with respect to various resonator lengths.
FIG. 8A is a configuration diagram showing an example of a semiconductor laser device having a PSCH structure using an AlGaAs system, and FIG. 8B is an enlarged view in the vicinity of an active layer.
[Explanation of symbols]
11 n-type cladding layer 12 n-type waveguide layer 13 n-type carrier block layer 14 side barrier layer 15 quantum well layer 16 barrier layer 17 p-type carrier block layer 18 p-type waveguide layer 19 p-type cladding layer 20 active layer

Claims

An active layer comprising a quantum well layer, a barrier layer and a side barrier layer;
A carrier block layer provided on both sides of the active layer and having a larger energy gap and a lower refractive index than the barrier layer;
A waveguide layer provided on the opposite side of the carrier blocking layer from the active layer, having a smaller energy gap and a higher refractive index than the carrier blocking layer;
In a semiconductor laser provided with a cladding layer provided on the opposite side of the active layer with respect to the waveguide layer and having a larger energy gap and a lower refractive index than the waveguide layer,
The energy gap EG1 of the side barrier layer between the quantum well layer closest to the carrier block layer, the energy gap EG2 of the carrier block layer, and the energy gap of the portion of the waveguide layer adjacent to the carrier block layer EG3 is
EG2 > EG1> EG3
A semiconductor laser element characterized by satisfying the relational expression:

2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the active layer, the carrier block layer, the waveguide layer, and the cladding layer are formed of a III-V group compound semiconductor.

Active layer, the carrier blocking layer, the waveguide layer and the cladding layer, a semiconductor laser device according to claim 2, characterized in that it is formed by _{_{Al X Ga 1-X As (}} 0 ≦ X <1).

The quantum well layer, In _{_Y} Ga _1-Y As semiconductor laser device according to claim 2, characterized in that it is formed by (0 <Y <1).

Waveguiding layer, a semiconductor laser device according to claim 4, characterized in that it is formed by _{_{Al Z Ga 1-Z As (}} 0 ≦ Z ≦ 0.20).

π is the circumference, λ is the oscillation wavelength, the maximum refractive index of the waveguide layer is N1, the refractive index of the cladding layer is N2, the effective thickness between the cladding layers is d1, and the normalized frequency V is V = ( π · d1 / λ) · (N1 ² −N2 ² ) ^0.5
When defined as
V> π / 3
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein: