JP4688900B2

JP4688900B2 - 半導体レーザダイオード

Info

Publication number: JP4688900B2
Application number: JP2008114090A
Authority: JP
Inventors: 君男鴫原; 和重川崎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: JP2008187201A

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

以上の目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザダイオードは、互いに異なる導電型を有する２つのクラッド層の間に活性層を有し、上記２つのクラッド層のうちの少なくとも一方のクラッド層に該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ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザダイオードにおいて、
上記活性層はＡｌ _Xa Ｇａ _1-Xa Ａｓ（但し、０≦Ｘａ＜１）からなりかつ上記半導体層がそれぞれＡｌ _Xs Ｇａ _1-Xs Ａｓ（但し、０≦Ｘｓ＜１）からなり、上記活性層と上記半導体層のＡｌ組成比の差Ｘｓ−Ｘａが０．１５以上に設定されてい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。

本発明に係る半導体レーザダイオードは、一方のクラッド層に該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上記半導体層を有するＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザダイオードにおいて、上記活性層はＡｌ _Xa Ｇａ _1-Xa Ａｓ（但し、０≦Ｘａ＜１）からなりかつ上記半導体層がそれぞれＡｌ _Xs Ｇａ _1-Xs Ａｓ（但し、０≦Ｘｓ＜１）からなり、上記活性層と上記半導体層のＡｌ組成比の差Ｘｓ−Ｘａが０．１５以上に設定されている。
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ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Ａｌ_xＧａ_1-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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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

１０１ｎ側電極、１０２ｎ−ＧａＡｓ基板、１０３ｎ−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、１１２ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１１３ｐ側電極。

Claims

互いに異なる導電型を有する２つのクラッド層の間に活性層を有し、上記２つのクラッド層のうちの少なくとも一方のクラッド層に該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ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザダイオードにおいて、
上記活性層はＡｌ_XaＧａ_1-XaＡｓ（但し、０≦Ｘａ＜１）からなりかつ上記半導体層がそれぞれＡｌ_XsＧａ_1-XsＡｓ（但し、０≦Ｘｓ＜１）からなり、上記活性層と上記半導体層のＡｌ組成比の差Ｘｓ−Ｘａが０．１５以上に設定されていることを特徴とする半導体レーザダイオード。