JP4402775B2 - 半導体レーザダイオード - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、情報処理、光通信及び固体レーザ励起用等に用いられる半導体レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図15は、従来の半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である。図15において、101はn側電極、102はn−GaAs基板、103はn−AlGaAsクラッド層(Al組成比Xnc=0.54)、104はアンドープn側AlGaAsガイド層(Al組成比Xng=0.40)、105はアンドープAlGaAsウエル層(Al組成比Xa=0.10)、106はアンドープAlGaAsバリア層(Al組成比Xb=0.40)、107はアンドープp側AlGaAsガイド層(Xpg=0.40)、108は第1p−AlGaAsクラッド層(Al組成比Xpc1=0.54)、109はp−AlGaAs表面保護層(Al組成比XpS=0.15)、110は第2p−AlGaAsクラッド層(Al組成比Xpc2=0.54)、111はプロトン注入領域、112はp−GaAsコンタクト層、113はp側電極、114はZnあるいはSi等拡散又は注入することで無秩序化を図った窓領域である。
尚、この窓領域は、端面近傍における温度上昇を防止するために、レーザ光の吸収を抑えるように設けられた領域である。
【0003】
図15に示すように構成された従来の半導体レーザダイオードにおいて、n側電極101から注入された電子はn−GaAs基板102、n−AlGaAsクラッド層103、アンドープn側AlGaAsガイド層104を経てアンドープAlGaAsウエル層105に至る。一方、p側電極113から注入された正孔はプロトン注入領城111で拡がり幅が制限されつつp−GaAsコンタクト層112、第2p−AlGaAsクラッド層110、p−AlGaAs表面保護層109、第1p−AlGaAsクラッド層108、アンドープp側AlGaAsガイド層107を経てアンドープAlGaAsウエル層105に至り、アンドープAlGaAsウエル層105において電子と再結合して発光する。
【0004】
また、この図15の従来例の半導体レーザダイオードは、上述の窓領域を形成するために以下のように作製される。
先ずn−GaAs基板102上に表面保護層109の途中まで順次エピタキシャル成長し、一旦成長を止め、窓領域114を形成するためのZnあるいはSi等を拡散又は注入等を行った後、更に表面保護層109の残りからp−GaAsコンタクト層までを順次成長する。その後、プロトン注入を行って電流狭窄構造とし、更にp側及びn側電極を作製する。
このように作製される半導体レーザダイオードにおいて、表面保護層109の中には、再成長界面が存在することになる。
ここで、表面保護層109のAl組成比は、アンドープAlGaAsウエル層105(尚、本明細書ではこのウエル層のことを活性層とも呼ぶ)で発生した光を吸収しないように、活性層より大きく0.15としている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体レーザダイオードでは、比較的高温において、第1p−AlGaAsクラッド層108の電子がオーバーフローして、しきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を招くという問題点があった。
【0006】
そこで、本発明は、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下の少ない半導体レーザダイオードを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
以上の目的を達成するために、本発明に係る第1の半導体レーザダイオードは、p型クラッド層とn型クラッド層の間に活性層を有し、上記p型クラッド層内に、成長を中断した際の成長表面を保護する表面保護層またはエッチングを止めるためのエッチングストッパー層であって該p型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体層を有する半導体レーザダイオードにおいて、上記半導体層の伝導帯の下端が、上記半導体レーザダイオードを動作させた時のエネルギーダイアグラムにおいて、上記n型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致、又は該エネルギーレベル以上であることを特徴とする。
このように構成すると、高温における電子のオーバーフローを抑制でき、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を防止できる。
尚、上記n型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致とは、上記半導体層の伝導帯の下端が、上記n型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに±50meVの範囲内で一致していることをいう。
【0008】
また、本発明に係る第2の半導体レーザダイオードは、p型クラッド層とn型クラッド層の間に活性層を有し、上記n型クラッド層内に、成長を中断した際の成長表面を保護する表面保護層またはエッチングを止めるためのエッチングストッパー層であって該n型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体層を有する半導体レーザダイオードにおいて、上記半導体層の価電子帯の上端が、上記半導体レーザダイオードを動作させた時のエネルギーダイアグラムにおいて、上記p型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致、又は該エネルギーレベル以下であることを特徴とする。
このように構成すると、高温におけるホール(正孔)のオーバーフローを抑制でき、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を防止できる。
【0009】
さらに、本発明に係る第3の半導体レーザダイオードは、第1又は第2の半導体レーザダイオードにおいて、
上記半導体層のバンドギャップエネルギーを上記活性層のバンドギャップエネルギーに比較して、180meV以上大きく設定したことを特徴とする。
このように構成すると、高温における電子又はホール(正孔)のオーバーフローを抑制でき、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を防止できる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態について説明する。
本実施の形態の半導体レーザダイオードは、図1に示すように、従来例の半導体レーザダイオードにおいて、表面保護層109に代えて半導体層としての表面保護層109aを用いて構成した以外は、図15の従来例と同様に構成される。尚、図1において、図15と同様のものには同様の符号を付して示している。また、半導体層として表面保護層109aではなく、エッチングストッパー層を介在させる場合もある。
ここで、特に本実施の形態における表面保護層109aは、その伝導帯の端が、n−AlGaAsクラッド層103のフェルミレベル以上になるように構成されていることを特徴とし、これにより、高温時における電子のオーバーフローにより第1p−AlGaAsクラッド層108を介して流れる電流を抑制することができ、しきい値電流上昇の防止、スロープ効率の低下の防止を図ったものである。
【0012】
すなわち、本発明は、従来例の高温におけるしきい値電流の増加およびスロープ効率の低下が表面保護層の組成にあることに着目して、種々の検討を重ねた結果、発振状態におけるエネルギーダイアグラムにおいて、n−AlGaAsクラッド層103のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルと表面保護層109aの伝導帯の端が実質的に同一、又は表面保護層109aの伝導帯の端をn−AlGaAsクラッド層103のフェルミレベル以上に設定することにより、電子のオーバーフローを防止でき、高温におけるしきい値電流の増加およびスロープ効率の低下を防止できることを確認して完成させたものである。
尚、上述の説明において、n−AlGaAsクラッド層103のフェルミレベルと表面保護層109aの伝導帯の端が実質的に同一とは、±50meVの範囲でn−AlGaAsクラッド層103のフェルミレベルと表面保護層109aの伝導帯の端が一致していることをいう。
【0013】
変形例.
以上の実施の形態では、表面保護層109aを第1p−AlGaAsクラッド層108と、第2p−AlGaAsクラッド層110の間に形成した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、n−AlGaAsクラッド層103内に表面保護層109aを形成するようにした場合にも適用することができる。この場合、表面保護層の価電子帯の端(上端)が、p−AlGaAsクラッド層のフェルミレベル以下になるように構成する。このようにすると、高温時におけるホールのオーバーフローによりn−AlGaAsクラッド層を介して流れる電流を抑制することができ、しきい値電流上昇の防止、スロープ効率の低下の防止を図ることができる。
【0014】
またさらに、本発明では、表面保護層109aを第1p−AlGaAsクラッド層108と、第2p−AlGaAsクラッド層110の間、及びn−AlGaAsクラッド層103内の双方に形成した場合にも適用することができる。
この場合、第1p−AlGaAsクラッド層108と第2p−AlGaAsクラッド層110の間に形成された表面保護層は、その伝導帯の端が、他方のn−AlGaAsクラッド層103のフェルミレベル以上になるように構成し、n−AlGaAsクラッド層103内に形成された表面保護層の価電子帯の端(上端)が、p−AlGaAsクラッド層のフェルミレベル以下になるように構成する。
このようにすると、高温時における電子とホールの双方のオーバーフローによる電流を抑制することができ、しきい値電流上昇の防止、スロープ効率の低下の防止を図ることができる。
【0015】
以上の実施の形態及び変形例における各層のエネルギーバンド構造は、n側及びp側の各クラッド層の組成及び不純物濃度、及び表面保護層の組成等を種々選択することにより実現できる。
【0016】
【実施例】
次に、実施例によりさらに詳細に本発明の具体的な構成を説明する。
実施例1.
本発明に係る実施例1の半導体レーザダイオードは、図1の半導体レーザダイオードにおいて、各層を以下のように形成したものである。
(1)p−AlGaAs表面保護層109aは、Al0.4Ga0.6Asで形成する。すなわち、p−AlGaAs表面保護層109aにおいて、Al組成比Xps=0.40である。
尚、本明細書において、AlGaAsのAl組成比とは、一般式AlxGa1-xAsにおけるxの値をいう。
(2)n−AlGaAsクラッド層103は、Al組成比Xnc=0.54のAlGaAsで形成し、層厚及びキャリア濃度を各々1.5μmおよび2×1017cm-3とする。
(3)アンドープn側AlGaAsガイド層104は、Al組成比Xng=0.40とし、層厚を90nmとする。
(4)アンドープAlGaAsウエル層105は、Al組成比Xa=0.10とし、層厚を8nmとする。
(5)アンドープAlGaAsバリア層106は、Al組成比Xb=0.40とし、層厚を8nmとする。
(6)アンドープp側AlGaAsガイド層107は、Al組成比Xpg=0.40とし、層厚を90nmとする。
(7)第1p−AlGaAsクラッド層108は、Al組成比Xpc1=0.54とし、層厚及びキャリア濃度を0.1μm及び5×1017cm-3とする。
(8)第2p−AlGaAsクラッド層110は、Al組成比Xpc2=0.54とし、層厚及びキャリア濃度を1.4μm及び5×1017cm-3とする。
そして、ストライプ幅を3.0μm、共振器長を1000μmとして、レーザ特性のシミュレーションを行った。
【0017】
この実施例1の半導体レーザダイオードの周囲温度400Kにおける発振状態バンドダイアグラムを図2に示す。図2において、距離xは基板の表面を基準(0)として示し、11の符号を付して示す実線が伝導帯下端のエネルギーを示し、13の符号を付して示す実線が価電子帯の上端のエネルギーを示し、12の符号を示す実線はn−クラッド層のフェルミエネルギーを示す。
図2から明らかなように、実施例1の半導体レーザダイオードでは、表面保護層109aの伝導帯(コンダクションバンド)の端(下端)がn−AlGaAsクラッド層103のフェルミエネルギーレベルをそのエネルギーダイアグラム上で表面保護層109aの部分まで延長したエネルギーレベルの上に位置していることが分かる。
【0018】
また、図3は、実施例1の半導体レーザダイオードの周囲温度400Kにおける発振状態の距離xに対する電子電流密度を示すグラフである。尚、図3において破線14及び破線15の間が第1p−AlGaAsクラッド層に対応する部分である。
この図3に示すように、実施例1の半導体レーザダイオードは、周囲温度400Kの発振状態においても、オーバーフローによって第1p−AlGaAsクラッド層を流れる電子電流密度を実質的に無くすことができる。
【0019】
このため、実施例1の半導体レーザダイオードでは、図4の光出力電流特性に示すように、しきい値電流14.4mA、スロープ効率0.930W/Aと良好な特性が得られる。
【0020】
比較のために、従来型のAl組成比が0.15であるp−AlGaAs表面保護層109を用いた場合のシミュレーション結果を図5〜7に示す。従来型は図5に示すように表面保護層の価電子帯の下端がn−AlGaAsクラッド層3のフェルミエネルギーレベルより下にある。このため、図6に示すように表面保護層と活性層の間(破線16と破線17の間)にある第1p−AlGaAsクラッド層108を多くの電子電流が流れることになる。このことは、注入した電子の一部は活性層を越え、第1p−AlGaAsクラッド層108ヘオーバーフローすることを示している。
この結果、比較例では、図7に示すようにしきい値電流が20.6mAと実施例1に比較して高くなり、スロープ効率が0.887W/Aと実施例1に比較して低くなる。すなわち、本発明に係る実施例1に比べて大きく特性が悪化する。
【0021】
本実施例1では、プロトン注入で電流狭窄をする例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、リッジ型構造、内部に電流ブロック層を設ける構造、埋込みリッジ構造等でも有効である。
また、本実施例1では、AlGaAs系半導体レーザを例に説明を行ったが、本発明はこれに限られるものではなく、GaN系、ZnSe系、AlGAlnP系、InP系等でも有効である。
さらに、本実施例1では、nクラッド層のキャリア濃度を2×1017cm-3、pクラッド層のキャリア濃度を5×1017cm-3の場合を示したが、本発明はこれらに限られるものではなく、任意のキャリア濃度で、それによって決まるフェルミエネルギーレベルが実施の形態及び請求項1で特定した関係を満たしているならば有効である。
また、ガイド層、バリア層及びウエル層をアンドープとした例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、これらの層が、p型或はn型の不純物を含んでいても同様な効果が得られる。
【0022】
実施例2.
以下、この本発明に係る実施例2について説明する。
この実施例2の半導体レーザダイオードは、図8に示すように、アンドープALGaAsウエル層105aとして、Al組成比0.10、バンドギャップエネルギー1.5487eVのものを用い、p−AlGaAs表面保護層109bとして、Al組成比0.30、バンドギャップエネルギー1.79815eVのものを用いて構成した以外は、実施例1と同様に構成される。
この実施例2の半導体レーザダイオードにおいて、活性層と表面保護層109bのバンドギャップエネルギー差は、249meVとなる。
【0023】
以上のように構成した実施例2の半導体レーザダイオードにおける、周囲温度400Kに於ける発振状態のバンドダイアグラム、電子電流密度分布及び光出力電流特性をそれぞれ図9、図10及び図11に示す。尚、図9、図10及び図11は、図2、図3及び図4とそれぞれ同様に示している。
本実施例2の半導体レーザダイオードでは、図9に示すように、表面保護層109bの伝導帯の下端がn−AlGaAsクラッド層103のフェルミエネルギーレベルの上に位置することがわかる。
【0024】
また、図10に示すように表面保護層109bと活性層の間の第1p−AlGaAsクラッド層108を流れる電子電流の増加は見られない。
従って、本実施例2の半導体レーザダイオードは、図11の光出力電流特性に示すように、しきい値電流14.5mA、スロープ効率0.925W/Aと良好な特性が得られる。
【0025】
本実施例2では、プロトン注入で電流狭窄をする例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、リッジ型構造、内部に電流ブロック層を設ける構造、埋込みリッジ構造等でも有効である。
また、本実施例2では、AlGaAs系半導体レーザを例に説明を行ったが、これに限るものではなく、GAN系、ZnSe系、AlGaAInP系、InP系等でも有効である。
【0026】
実施例3.
以下、本発明に係る実施例3の半導体レーザダイオード(図12)について説明する。本実施例3は、アンドープAlGaAsウエル層105bは、Al組成比0.10に固定し、p−AlGaAs表面保護層109cのAl組成比をパラメータ(変数)として検討したものである。
図13に、p−AlGaAs表面保護層109cのAl組成比を順次変化させた場合の、各Al組成比に対する400Kに於けるしきい値電流を示し、図14に、p−AlGaAs表面保護層109cのAl組成比を順次変化させた場合の、各Al組成比に対するスロープ効率を示す。
【0027】
図13及び図14より、表面保護層109cのAl組成比が0.25以上とすると、つまり活性層のAl組成比との差が0.15以上においては、しきい値電流の増加及びスロープ効率の低下は見られない。一方、表面保護層109cのAl組成比が0.25以下の場合、つまり活性層のAl組成比との差が0.15下になるとしきい値電流が大きくに増加し、またスロープ効率も急激に低下する。
【0028】
以上のように、本実施例3は、図12に示すAlGaAs系半導体レーザダイオードにおいて、表面保護層109cのAl組成比と活性層のAl組成比との差を0.15以上に設定することにより、高温におけるしきい値電流の増加がなくしかもスロープ効率の低下のない温度特性の良好な半導体レーザダイオードを提供できることを示している。
【0029】
また、この表面保護層109cのAl組成比と活性層のAl組成比との差が0.15以上であることは、この表面保護層109cのバンドギャップエネルギーと活性層のバンドギャップエネルギーとの差が180meV以上であることに対応する。
すなわち、本実施例3は、AlGaAs系半導体レーザダイオードにおいて、この表面保護層109cのバンドギャップエネルギーと活性層のバンドギャップエネルギーとの差が180meV以上に設定することにより、高温におけるしきい値電流の増加がなくしかもスロープ効率の低下のない温度特性の良好な半導体レーザダイオードを提供できることを示している。
【0030】
本実施例3では、プロトン注入で電流狭窄をする例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、リッジ型構造、内部に電流ブロック層を設ける構造、埋込みリッジ構造等でも有効である。
また、本実施例3では、nクラッド層のキャリア濃度を2×1017cm-3、pクラッド層のキャリア濃度を5×1017cm-3の場合を示したが、本発明はこれらに限られるものではない。
さらに、ガイド層、バリア層及びウエル層をアンドープとした例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、p型或はn型にドーピングしても同様な効果が得られる。
【0031】
また、本実施例3によって実証された、表面保護層109cのバンドギャップエネルギーと活性層のバンドギャップエネルギーとの差を180meV以上に設定することにより、高温におけるしきい値電流の増加がなくしかもスロープ効率の低下のない温度特性の良好な半導体レーザダイオードを提供できるという点については、AlGaAs系半導体レーザに限られず、GAN系、ZnSe系、AlGaAInP系、InP系等でも有効である。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明に係る第1の半導体レーザダイオードは、p型クラッド層とn型クラッド層の間に活性層を有し、上記p型クラッド層内に、成長を中断した際の成長表面を保護する表面保護層またはエッチングを止めるためのエッチングストッパー層であって該p型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体層を有する半導体レーザダイオードにおいて、上記半導体層の伝導帯の下端が、上記半導体レーザダイオードを動作させた時のエネルギーダイアグラムにおいて、上記n型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致、又は該エネルギーレベル以上としている。
これによって、高温における電子のオーバーフローを抑制できるので、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を防止でき、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下の少ない半導体レーザダイオードを提供できる。
【0033】
また、本発明に係る第2の半導体レーザダイオードは、p型クラッド層とn型クラッド層の間に活性層を有し、上記n型クラッド層内に、成長を中断した際の成長表面を保護する表面保護層またはエッチングを止めるためのエッチングストッパー層であって該n型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体層を有する半導体レーザダイオードにおいて、上記半導体層の価電子帯の上端が、上記半導体レーザダイオードを動作させた時のエネルギーダイアグラムにおいて、上記p型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致、又は該エネルギーレベル以下としている。
これによって、高温におけるホール(正孔)のオーバーフローを抑制できるので、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を防止でき、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下の少ない半導体レーザダイオードを提供できる。
【0034】
さらに、本発明に係る第3の半導体レーザダイオードは、上記第1及び第2の半導体レーザダイオードにおいて、上記半導体層のバンドギャップエネルギーを上記活性層のバンドギャップエネルギーに比較して、180meV以上大きく設定している。
これによって、高温における電子又はホール(正孔)のオーバーフローを抑制できるので、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下を防止でき、高温におけるしきい値電流の上昇及びスロープ効率の低下の少ない半導体レーザダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施の形態及び実施例1の半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である。
【図2】 実施例1の半導体レーザダイオードの発振状態に於けるバンドダイアグラムを示す図である。
【図3】 実施例1の半導体レーザダイオードの発振状態に於ける電子電流密度分布を示す図である。
【図4】 実施例1の半導体レーザダイオードの400Kにおける光出力電流特性を示す図である。
【図5】 従来例の半導体レーザの発振状態におけるバンドダイアグラムを示す図である。
【図6】 従来例の半導体レーザの発振状態における電子電流密度分布を示す図である。
【図7】 従来例の半導体レーザの400Kにおける光出力電流特性を示す図である。
【図8】 本発明に係る実施例2の半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である・
【図9】 実施例2の半導体レーザダイオードの発振状態に於けるバンドダイアグラムを示す図である。
【図10】 実施例2の半導体レーザダイオードの発振状態に於ける電子電流密度分布を示す図である。
【図11】 実施例2の半導体レーザダイオードの400Kに於ける光出力電流特性を示す図である。
【図12】 実施例3の半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である。
【図13】 実施例3の半導体レーザダイオードに於けるしきい値電流の表面保護層Al組成比依存性を示す図である。
【図14】 実施例3の半導体レーザダイオードに於けるスロープ効率の表面保護層Al組成比依存性を示す図である。
【図15】 従来の半導体レーザダイオードの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
101 n側電極、102 n−GaAs基板、103 n−AlGaAsクラッド層、104 アンドープn側AlGaAsガイド層、105,105a,105b アンドープAlGaAsウエル層、107 アンドープp側AlGaAsガイド層、108 第1p−AlGaAsクラッド層、109,109a,109b,109c 表面保護層、110 第2p−AlGaAsクラッド層、111 プロトン注入領城、112 p−GaAsコンタクト層、113 p側電極。
Claims (3)
- p型クラッド層とn型クラッド層の間に活性層を有し、上記p型クラッド層内に、成長を中断した際の成長表面を保護する表面保護層またはエッチングを止めるためのエッチングストッパー層であって該p型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体層を有する半導体レーザダイオードにおいて、
上記半導体層の伝導帯の下端が、上記半導体レーザダイオードを動作させた時のエネルギーダイアグラムにおいて、上記n型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致、又は該エネルギーレベル以上であることを特徴とする半導体レーザダイオード。 - p型クラッド層とn型クラッド層の間に活性層を有し、上記n型クラッド層内に、成長を中断した際の成長表面を保護する表面保護層またはエッチングを止めるためのエッチングストッパー層であって該n型クラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体層を有する半導体レーザダイオードにおいて、
上記半導体層の価電子帯の上端が、上記半導体レーザダイオードを動作させた時のエネルギーダイアグラムにおいて、上記p型クラッド層のフェルミレベルを延長したエネルギーレベルに実質的に一致、又は該エネルギーレベル以下であることを特徴とする半導体レーザダイオード。 - 上記半導体層のバンドギャップエネルギーを上記活性層のバンドギャップエネルギーに比較して、180meV以上大きく設定したことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザダイオード。
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