JP4894398B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置 Download PDF

Info

Publication number
JP4894398B2
JP4894398B2 JP2006209746A JP2006209746A JP4894398B2 JP 4894398 B2 JP4894398 B2 JP 4894398B2 JP 2006209746 A JP2006209746 A JP 2006209746A JP 2006209746 A JP2006209746 A JP 2006209746A JP 4894398 B2 JP4894398 B2 JP 4894398B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
guide layer
difference
semiconductor laser
guide
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.)
Active
Application number
JP2006209746A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007227870A (ja
Inventor
君男 鴫原
吉彦 花巻
公隆 柴田
和重 川崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2006209746A priority Critical patent/JP4894398B2/ja
Priority to US11/550,841 priority patent/US7289546B1/en
Publication of JP2007227870A publication Critical patent/JP2007227870A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4894398B2 publication Critical patent/JP4894398B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2036—Broad area lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H01S5/34373—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers based on InGa(Al)AsP

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は半導体レーザ装置全般に関し、特に、NdまたはYbをドープしたYAGレーザ等の固体レーザ、Ybをドープしたファイバーレーザ、Erをドープしたファイバアンプ等の励起光源として用いられる半導体レーザ等に関するものである。
半導体レーザ装置は、光通信システムなどの光源として広く用いられている。例えば、発振波長が９４０ｎｍである半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板等を用いて形成される。
上記半導体レーザ装置の断面構造について説明する。この構造では、例えば、ｎ型基板上にｎ型クラッド層、ｎ側ガイド層、ｎ側のエンハンス層、活性層、ｐ側のエンハンス層、ｐ側ガイド層、ｐ型クラッド層、ｐ型GaAsコンタクト層、ｐ電極が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面には、ｎ電極が設けられている。
上記活性層の材料としては、例えば、In0.07Ga0.93Asが用いられる。このバンドギャップエネルギーは、１．３１９eVである（非特許文献１参照）。また、上記ｎ側ガイド層、ｐ側ガイド層の材料としては、例えば、In0.49Ga0.51Pが用いられる。このバンドギャップエネルギーは、１．８４８eVである（非特許文献２参照）。また、上記ｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層の材料としては、例えば、(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pが用いられる。このバンドギャップエネルギーは、１．９７１eVである（非特許文献３参照）。
K. S. Chan，E. H. Li, and M. C. Y. Chan, " Optical Gain of Interdiffused InGaAs-GaAs and AlGaAs-GaAs Quantum Wells," IEEE J. Quantum. Electron., Vol. 34, No. 1, pp. 157-165, Jan. 1998 伊賀健一編著、" 半導体レーザ," p.41 Z. C. Feng、 E. Armour、 I. Ferguson、 R. A. Stall、 T. Holden, L. Malikova, J. Z. Wan, and F. H. Pollak, " Nondestructive assessment of In0.48(Ga1-xAlx)0.52P films grown on GaAs (001) by low pressure metalorganic chemical vapor deposition," J. Appl. Phys., Vol. 85, No. 7, pp. 3824-3831, Apr. 1999
上記従来の半導体レーザ装置の活性層とガイド層のバンドギャップエネルギー差は、０．５２９eVである。また、活性層とクラッド層のバンドギャップエネルギー差は、０．６５２eVである。このとき、前者は後者の０．８１倍となる。このような半導体レーザ装置では、図９に示すように、電圧−電流特性の立ち上がり電圧（ジャンクション電圧）Ｖｊが大きくなり、動作電圧が高くなる。このため、動作電流が同一の場合、半導体レーザに入力される電力が大きくなる。そうすると、電気入力に対する光出力の割合（電気変換効率）が小さくなる。このとき、光として取り出せない分は熱に変換されるので、半導体レーザの特性や信頼性が低下する。
上記従来の半導体レーザ装置の動作中のバンドダイアグラムを図１０に示す。伝導帯Ｅｃの擬フェルミレベルＥf1を点線で示し、価電子帯Ｅｖの擬フェルミレベルＥf2を一点鎖線で示す。また、ｎ型クラッド層、ｎ側ガイド層、活性層、ｐ側ガイド層、ｐ型クラッド層の各層の位置をＹ１〜Ｙ５とする。上記半導体レーザ装置の動作時には、ｎ型クラッド層Ｙ１から電子が注入され、ｎ側ガイド層Ｙ２、活性層Ｙ３を経てｐ側ガイド層Ｙ４に達する。ここでｎ側ガイド層には不純物がドーピングされていないため、この層を通過する電子密度と正孔密度は同一となる必要がある。このため、ｎ側ガイド層と活性層のバンドギャップエネルギー差が大きい場合は、この層内のＥf1（Ａの部分）が大きく傾斜する。
また、上記動作時にはｐ型クラッド層Ｙ５から正孔が注入され、ｐ側ガイド層Ｙ４、活性層Ｙ３を経てｎ側ガイド層Ｙ２に達する。この場合も上記と同様の現象により、ｐ側ガイド層内のＥf2（Ｂの部分）が大きく傾斜する。このようにＥf1、Ｅf2の傾斜が発生すると、半導体レーザのジャンクション電圧Ｖｊ、動作電圧の増加を引き起こす。
上述したｎ側ガイド層、ｐ側ガイド層が１００ｎｍ未満である場合は、拡散やドリフトにより電子および正孔を十分に輸送できるため、ジャンクション電圧Ｖｊが小さくなることが期待される。しかしこの場合、レーザ光の光強度分布がｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層内に存在することになり、フリーキャリア吸収の影響を受けて半導体レーザのスロープ効率が低下する。これを避けるためには、上記ガイド層の厚さを１００ｎｍ以上とする必要がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ｎ側ガイド層、ｐ側ガイド層のうち少なくとも一方の厚さが１００ｎｍ以上の半導体レーザ装置において、ジャンクション電圧、動作電圧を低く抑えることを目的とする。
本発明に係る半導体レーザ装置は、バンドギャップエネルギーがEg(C1)である第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(Ｇ１）である第１ガイド層と、前記第１ガイド層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(Ａ）であり、レーザ光を発生させる活性層と、前記活性層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(G2）である第２ガイド層と、前記第２ガイド層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(C2)である第２導電型の第２クラッド層とを備え、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層は、AlGaInP又はInGaPで形成され、前記第１ガイド層と前記第２ガイド層は、InGaAsPで形成され、不純物がドーピングされておらず、前記活性層は、InGaAsで形成され、前記第１ガイド層および前記第２ガイド層の少なくとも一方は１００ｎｍ以上の厚さを有し、Eg(G1）とEg(A）との差、およびEg(G2）とEg(A）との差のうち大きい方が、Eg(C1)とEg(A）との差、およびEg(C2）とEg(A）との差のうち小さい方の０．６６倍以下であることを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
本発明によれば、ｎ側ガイド層、ｐ側ガイド層のうち少なくとも一方の厚さが１００ｎｍ以上の半導体レーザ装置において、動作時のジャンクション電圧、動作電圧を低く抑えることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
本実施の形態に係る半導体レーザについて説明する。上記半導体レーザ装置の断面斜視図を図１に示す。この半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板２を用いて形成されている。ｎ型ＧａＡｓ基板２の上に、ｎ型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pからなる第１クラッド層３、In0.33Ga0.67As0.40P0.60からなる第１ガイド層４（層厚６００ｎｍ）、GaAs0.88P0.12からなる第１エンハンス層５（層厚１０ｎｍ）、In0.07Ga0.93Asからなる活性層６（層厚１２ｎｍ）、GaAs0.88P0.12からなる第２エンハンス層７（層厚１０ｎｍ）、In0.33Ga0.67As0.40P0.60からなる第２ガイド層８（層厚６００ｎｍ）、ｐ型(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pからなる第２クラッド層９が積層されている。第２クラッド層９の上面の両側には、プロトン注入領域１２が設けられている。第２クラッド層９およびプロトン注入領域１２の上には、ｐ型GaAsからなるコンタクト層１０、ｐ電極１１が積層されている。また、ＧａＡｓ基板２の裏面には、ｎ電極１が設けられている。
この半導体レーザの動作時には、第２クラッド層９側から活性層６に正孔が注入され、第１クラッド層３側から活性層６に電子が注入される。これらの正孔と電子を結合させることにより、活性層６にレーザ光が発生する。
図１に示した構造において、活性層６のIn組成比を０.０７、層厚を１０ｎｍとすることにより、半導体レーザの発振波長を９４０ｎｍ近傍とすることができる。また、プロトン注入領域１２は、他の領域と比較して高抵抗である。このため、プロトン注入領域１２以外の領域に電流を集中させることができる。なお、第１ガイド層４および第２ガイド層８の層厚を６００ｎｍとしたが、１００ｎｍ以上であれば、この層厚に限定されるものではない。
次に、図１に示した半導体レーザのバンドギャップエネルギー（以下、バンドギャップエネルギーを「Ｅｇ」という）について説明する。図１の第１クラッド層３から第２クラッド層９までの積層膜の伝導帯、価電子帯のバンドダイアグラムを図２に示す。図２に示すように、第１クラッド層３、第１ガイド層４、第１エンハンス層５、活性層６、第２エンハンス層７、第２ガイド層８、第２クラッド層９の各層の伝導帯４１ｃ〜４７ｃが形成されている。この伝導帯に対応するように、価電子帯４１ｖ〜４７ｖが形成されている。
ここで、第１クラッド層３のEgは、伝導帯４１ｃと価電子帯４１ｖとの差、すなわちEg(C1)に等しい。第１ガイド層４のEgは、伝導帯４２ｃと価電子帯４２ｖとの差、すなわちEg(G1)に等しい。活性層６のEgは、伝導帯４４ｃと価電子帯４４ｖとの差、すなわちEg(A)に等しい。第２ガイド層８のEgは、伝導帯４６ｃと価電子帯４６ｖとの差、すなわちEg(G2)に等しい。第２クラッド層９のEgは、伝導帯４７ｃと価電子帯４７ｖとの差、すなわちEg(C2)に等しい。ここでは、Eg(C1)=Eg(C2)>Eg(G1)=Eg(G2)>Eg(A)の関係が成立している。
ここで、非特許文献３によれば、(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5PのEg、すなわち第１クラッド層３および第２クラッド層９のEgは１．９７１ｅＶである。つまり、Eg(C1)=Eg(C2)=１．９７１eVである。また、非特許文献２によれば、In0.33Ga0.67As0.40P0.60のEg、すなわち第１ガイド層４および第２ガイド層８のEgは１．６５３ｅＶである。つまり、Eg(G1)=Eg(G2)=１．６５３eVである。また、非特許文献１によれば、In0.07Ga0.93AsのEg、すなわち活性層６のEgは１．３１９ｅＶである。つまり、Eg(A)=１．３１９eVである。
これらのEgの値より、Eg(A)とEg(G1)との差（または、Eg(A)とEg(G2)との差）は０．３３４eVである。また、Eg(A)とEg(C1)との差（または、Eg(A)とEg(C2)との差）は０．６５２eVである。すなわち|Eg(G1）−Eg(A）|＝|Eg(G2）−Eg(A）|＝０．３３４ｅＶ、|Eg(C1)−Eg(A）|＝|Eg(C2）−Eg(A）|＝０．６５２eVであり、前者は後者の０．５１倍となっている。
次に、図１に示した半導体レーザの電圧−電流特性のシミュレーション結果を図３に示す。図１の構造の電圧−電流特性をＶａとして示す。また、ガイド層のEgと活性層のEgとの差が、クラッド層のEgと活性層のEgとの差の６８％である場合（従来技術）の電圧−電流特性をＶｂとして示す。図３に示すように、Ｖｂのジャンクション電圧Ｖｊは１．５Ｖよりも大きく、これに伴い動作電圧も大きくなっている。これに対してＶａのジャンクション電圧Ｖｊは約１．４Ｖであり、従来技術と比較して低く抑えられている。また、動作電圧も大きく低減されていることが分かる。
次に、図１の半導体レーザのバンドダイアグラムのシミュレーション結果を図４に示す。伝導帯Ｅｃの擬フェルミレベルＥf1を点線で示し、価電子帯Ｅｖの擬フェルミレベルＥf2を一点鎖線で示す。また、図１の第１クラッド層３、第１ガイド層４、活性層６、第２ガイド層８、第２クラッド層９のＹ方向の位置をそれぞれＹ１〜Ｙ５とする。図４に示すように、第１ガイド層４の位置Ｙ２において、Ａの部分にＥf1の傾斜はほとんど見られていない。つまり、第１ガイド層４内では、伝導帯の擬フェルミレベルの傾斜をほぼ無くすことができる。また、第２ガイド層８の位置Ｙ４において、Ｂの部分にＥf2の傾斜はほとんど見られていない。つまり、第２ガイド層８内では、価電子帯の擬フェルミレベルの傾斜をほぼ無くすことができる。
すなわち、図１の構造とすることにより、図４に示すように、第１ガイド層４内の伝導帯の擬フェルミレベルの傾斜、第２ガイド層８内の価電子の擬フェルミレベルの傾斜をほぼ無くすことができる。これにより、図３に示したように、半導体レーザの動作時のジャンクション電圧Ｖｊ、および動作電圧を低減させることができる。
次に、図１の第１ガイド層４および第２ガイド層８の厚さ、Asの組成比を変化させて、半導体レーザの動作電圧をシミュレーションした結果を図５に示す。ここでは半導体レーザの共振器長を１０００μｍ、ストライプ幅を１μｍ、動作時の注入電流を２０ｍＡとする。上記ガイド層の層厚は１００〜６００ｎｍの範囲とする。ここで、第１ガイド層４および第２ガイド層８のInGaAsPのGa組成比をｙ、As組成比をｘとすると、In1-yGayAsxP1-x
のｘとｙは、ｙ=(1.0+x)/2.08の関係を有する。上記Asの組成比（In1-yGayAsxP1-xのＸの値、但しy=(1.0+X)/2.08）が０．２、０．３、０．４、０．５の場合の動作電圧をそれぞれＶ0.2、Ｖ0.3、Ｖ0.4、Ｖ0.5として示す。また、これらのリファレンスとして、上記ガイド層としてIn0.49Ga0.51Pを用いた場合の動作電圧をＶ０として示す。
図５に示すように、Ｖ０と比較して、Ｖ0.2、Ｖ0.3、Ｖ0.4、Ｖ0.5は、半導体レーザの動作電圧が大幅に低減されていることが分かる。つまり、第１ガイド層４および第２ガイド層８の層厚が１００ｎｍ以上である場合、In1-yGayAsxP1-x（但しy=(1.0+X)/2.08）に含まれるAs組成比ｘを０．２以上とすることにより、半導体レーザの動作電圧を大幅に低減させることができる。
なお、図５では、上記ガイド層の層厚が１００〜６００ｎｍの場合を示したが、６００ｎｍより厚い層厚であっても良い。但し、電子及び正孔の相互拡散定数は数μｍ程度なので、これ以上厚くするとドリフトにより強制的に電流を流すこととなり、動作電圧の増加を招くため現実的ではない。
また、上記Asの組成比が０．２、０．３、０．４、０．５のとき、非特許文献２によれば、上記ガイド層のEgはそれぞれ１．７５０、１．７０１、１．６５３、１．６０４eVとなる。このとき、活性層６のEg（１．３１９eV）との差は、それぞれ０．４３１、０．３８２、０．３３４、０．２８５eVとなる。これらの値は、Eg(C1)とEg(A）の差（またはEg(C2）とEg(A）の差）のそれぞれ０.６６倍、０.５９倍、０.５１倍、０.４４倍である。上記Asの組成比を更に大きくすると、InGaAsPガイド層のEgは小さくなるので、上記倍率はさらに小さくなる。
図３〜図５に示した結果により、第１ガイド層４のEgと活性層６のEgとの差（または第２ガイド層８のEgと活性層６のEgとの差）が、第１クラッド層３のEgと活性層６のEgとの差（または第２クラッド層９のEgと活性層６のEgとの差）の０．６６倍以下とすることが好適である。すなわち、Eg(G1）とEg(A）の差（またはEg(G2）とEg(A）の差）が、Eg(C1)とEg(A）の差（またはEg(C2）とEg(A）の差）の０．６６倍以下とすることが好適である。
これにより、半導体レーザの動作時のジャンクション電圧、および動作電圧を低減させることができる。従って、電気変換効率の低下を抑制し、半導体レーザの特性や信頼性の劣化を防止することができる。
図１に示した構造では、第１クラッド層３および第２クラッド層９として(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pが用いられ、第１ガイド層４および第２ガイド層８としてIn0.33Ga0.67As0.40P0.60が用いられ、活性層６としてIn0.07Ga0.93Asが用いられている。しかし、図５に示した結果より、第１ガイド層４および第２ガイド層８としてIn0.33Ga0.67As0.40P0.60の他、In0.42Ga0.58As0.20P0.80、In0.37Ga0.63As0.30P0.70、In0.28Ga0.72As0.50P0.50等の膜を用いるようにしても、半導体レーザの動作電圧を低減させることができる。
また、本実施の形態では、第１クラッド層３および第２クラッド層９として(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pを用い、第１ガイド層４および第２ガイド層８としてIn0.33Ga0.67As0.40P0.60を用いる例を示した。すなわち、第１クラッド層３および第２クラッド層９の組成が同一で、第１ガイド層４および第２ガイド層８の組成が同一である場合の例を示した。しかし、第１クラッド層３と第２クラッド層９の組成が異なるものであっても良く、第１ガイド層４と第２ガイド層８の組成が異なるものであっても良い。これらの場合には、Eg(G1）とEg(A）との差、およびEg(G2）とEg(A）との差のうち大きい方（同じ場合はいずれでも良い）が、Eg(C1)とEg(A）との差、およびEg(C2）とEg(A）との差のうち小さい方（同じ場合はいずれでも良い）の０．６６倍以下となるようにする。このような構造であっても、図１の構造と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、活性層６が第１エンハンス層５および第２エンハンス層７により挟まれた構造（図１参照）の例を示した。しかし、上記エンハンス層がない構造、つまり活性層６が第１ガイド層４および第２ガイド層８と接触する構造であっても良い。
また、本実施の形態では、第１クラッド層３および第２クラッド層９として(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pを用い、第１ガイド層４および第２ガイド層８としてIn0.33Ga0.67As0.40P0.60を用い、活性層６としてIn0.07Ga0.93Asを用いるようにした。しかし、上記ガイド層のいずれか一方の層厚が１００μｍ以上であって、上記クラッド層、上記ガイド層、上記活性層のEgが本実施の形態に示した関係を満たしていれば、上記以外の材料を用いた半導体レーザ装置にも適用可能である。
実施の形態２．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。本実施の形態の半導体レーザは、図１で示した構造において、第１クラッド層３としてｎ型のIn0.49Ga0.51Pを用い、第２クラッド層９としてｐ型のIn0.49Ga0.51Pを用いるようにしたものである。また、第１ガイド層４および第２ガイド層８として、In0.23Ga0.77As0.60P0.40を用いるようにしたものである。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
ここで、非特許文献２によれば、In0.49Ga0.51PのEg、すなわち第１クラッド層３および第２クラッド層９のEgは１．８４８eVとなる。つまり、Eg(C1)=Eg(C2)=１．８４８eVとなる。また、上記文献によれば、In0.23Ga0.77As0.60P0.40のEg、すなわち第１ガイド層４および第２ガイド層８のEgは１．５５６ｅＶとなる。つまり、Eg(G1)=Eg(G2)=１．５５６eVとなる。また、活性層６は実施の形態１と同一の材料であるから、そのEgは１．３１９ｅＶである。つまり、Eg(A)=１．３１９eVである。
これらのEgの値より、Eg(A)とEg(G1)との差（または、Eg(A)とEg(G2)との差）は０．２３７eVである。また、Eg(A)とEg(C1)との差（または、Eg(A)とEg(C2)との差）は０．５２９eVである。すなわち|Eg(G1）−Eg(A）|＝|Eg(G2）−Eg(A）|＝０．２３７ｅＶ、|Eg(C1)−Eg(A）|＝|Eg(C2）−Eg(A）|＝０．５２９eVであり、前者は後者の０．４５倍となっている。
次に、上記ガイド層の厚さ、Asの組成比を変化させて、半導体レーザの動作電圧をシミュレーションした結果を図６に示す。実施の形態１と同様に、半導体レーザの共振器長を１０００μｍ、ストライプ幅を１μｍ、動作時の注入電流を２０ｍＡとする。また、上記ガイド層の層厚は１００〜６００ｎｍの範囲とする。上記Asの組成比（In1-yGayAsxP1-xのＸの値、但しｙ=(1.0+x)/2.08）が０．６、０．７、０．８の場合の動作電圧を、それぞれＶ0.6、Ｖ0.7、Ｖ0.8として示す。
図６に示すように、Ｖ0.6、Ｖ0.7、Ｖ0.8は、図５に示したＶ０（従来技術）と比較して、動作電圧が大幅に低減されていることが分かる。すなわちInGaAsPに含まれるAs組成比を０．６以上とすることにより、従来技術と比較して、半導体レーザの動作電圧を大幅に低減させることができる。つまり、第１クラッド層３および第２クラッド層９としてIn0.49Ga0.51Pを用い、第１ガイド層４および第２ガイド層８としてIn0.23Ga0.77As0.60P0.40を用い、これらのガイド層の層厚が１００ｎｍ以上である場合、In1-yGayAsxP1-xに含まれるAs組成比を０．６以上とすることにより、半導体レーザの動作電圧を大幅に低減させることができる。
また、上記ガイド層のAsの組成比が０．６、０．７、０．８のとき、非特許文献２によれば、上記ガイド層のEgはそれぞれ１．５５６、１．５０８、１．４６１eVとなる。このとき、活性層６のEg（１．３１９eV）との差は、それぞれ０．２３７、０．１８９、０．１４２eVとなる。これらの値は、Eg(C1)とEg(A）の差（またはEg(C2）とEg(A）の差）０．５２９eVのそれぞれ約０.４５倍、約０.３６倍、約０.２７倍である。
すなわち、本実施の形態２の構造によれば、Eg(G1）とEg(A）の差（またはEg(G2）とEg(A）の差）が、Eg(C1)とEg(A）の差（またはEg(C2）とEg(A）の差）の０．６６倍以下となる。これにより、実施の形態１と同様に、半導体レーザのジャンクション電圧、および動作電圧を低減させることができる。
実施の形態３．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。本実施の形態の半導体レーザは、図１で示した構造において、第１ガイド層４および第２ガイド層８として、Al0.15Ga0.85Asを用いるようにしたものである。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
ここで、非特許文献１によれば、Al0.15Ga0.85AsのEg、すなわち第１ガイド層４および第２ガイド層８のEgは１．５９４eVとなる。つまり、Eg(G1)=Eg(G2)=１．５９４eVとなる。また、活性層６のEgは１．３１９ｅＶ、すなわちEg(A)=１．３１９eVである。また、第１クラッド層３および第２クラッド層９のEgは１．９７１eV、すなわち、Eg(C1)=Eg(C2)=１．９７１eVである。
これらのEgの値より、Eg(A)とEg(G1)との差（または、Eg(A)とEg(G2)との差）は０．２７５eVである。また、Eg(A)とEg(C1)との差（または、Eg(A)とEg(C2)との差）は０．６５２eVである。すなわち|Eg(G1）−Eg(A）|＝|Eg(G2）−Eg(A）|＝０．２７５ｅＶ、|Eg(C1)−Eg(A）|＝|Eg(C2）−Eg(A）|＝０．６５２eVであり、前者は後者の約０．４２倍となっている。
すなわち、本実施の形態３の構造によれば、Eg(G1）とEg(A）の差（またはEg(G2）とEg(A）の差）が、Eg(C1)とEg(A）の差（またはEg(C2）とEg(A）の差）の０．６６倍以下となる。これにより、実施の形態１と同様に、半導体レーザのジャンクション電圧、および動作電圧を低減させることができる。
実施の形態４．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。上記半導体レーザ装置の断面斜視図を図７に示す。第１ガイド層４の上に活性層６が設けられ、その上に第２ガイド層８が設けられた構造となっている。すなわち、本実施の形態では、図１に示した第１エンハンス層５、第２エンハンス層７が設けられていない構造となっている。また、第１ガイド層４、第２ガイド層８の材料として、In0.47Ga0.53As0.10P0.90を用いるようにしたものである。また、活性層６として、GaAs0.88P0.12を用いるようにしたものである。活性層６として上記材料を用いることにより、発振波長が８０８ｎｍ近傍となる半導体レーザを実現することができる。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
ここで、非特許文献２によれば、In0.47Ga0.53 As0.10P0.90のEg、すなわち第１ガイド層４および第２ガイド層８のEgは１．７９９eVとなる。つまり、Eg(G1)=Eg(G2)=１．７９９eVとなる。また、文献「A. G. Thompson M. Cardona, and K. L. Shaklee, “Electroreflectance in the GaAs-GaP ,” Phys. Rev., Vol. 146, No. 2, pp. 601-610, June 1966」によれば、GaAs0.88P0.12のEg、すなわち活性層６のEgは１．５７５eVとなる。つまり、Eg(A)=１．５７５eVである。また、第１クラッド層３および第２クラッド層９は実施の形態１と同一の材料であるから、そのEgは１．９７１ｅＶである。つまり、Eg(C1)=Eg(C2)=１．９７１eVである。
これらのEgの値より、Eg(A)とEg(G1)との差（または、Eg(A)とEg(G2)との差）は０．２２４eVである。また、Eg(A)とEg(C1)との差（または、Eg(A)とEg(C2)との差）は０．３９６eVである。すなわち|Eg(G1）−Eg(A）|＝|Eg(G2）−Eg(A）|＝０．２２４ｅＶ、|Eg(C1)−Eg(A）|＝|Eg(C2）−Eg(A）|＝０．３９６eVであり、前者は後者の約０．５７倍となっている。
次に、上記ガイド層の厚さを変化させて、半導体レーザの動作電圧をシミュレーションした結果を図８に示す。実施の形態１と同様に、半導体レーザの共振器長を１０００μｍ、ストライプ幅を１μｍ、動作時の注入電流を２０ｍＡとする。上記ガイド層としてIn0.47Ga0.53As0.10P0.90を用いた場合の動作電圧をＶａ、上記ガイド層としてIn0.49Ga0.51P（リファレンス）を用いた場合の動作電圧をＶｂとして示す。図８に示すように、上記ガイド層としてIn0.49Ga0.51Pを用いた場合（Ｖｂ）と比較して、In0.47Ga0.53As0.10P0.90を用いた場合（Ｖａ）は、動作電圧が低減されている。
すなわち、本実施の形態４の構造によれば、Eg(G1）とEg(A）の差（またはEg(G2）とEg(A）の差）が、Eg(C1)とEg(A）の差（またはEg(C2）とEg(A）の差）の０．６６倍以下となる。これにより、図８に示したように、半導体レーザの動作電圧を低減させることができる。
なお、以上説明した実施の形態１〜４では、ＧａＡｓ基板を用いた半導体レーザの構造を示した。しかし、上記ＧａＡｓ基板の他、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの半導体材料を用いた窒化物系化合物半導体レーザにおいても、同様の効果を有する。
半導体レーザ装置の断面斜視図。 半導体レーザの伝導帯、価電子帯のバンドダイアグラム。 半導体レーザの電圧−電流特性のシミュレーション結果。 半導体レーザのバンドダイアグラムのシミュレーション結果。 半導体レーザの動作電圧のシミュレーション結果。 半導体レーザの動作電圧のシミュレーション結果。 半導体レーザ装置の断面斜視図。 半導体レーザの動作電圧のシミュレーション結果。 従来の半導体レーザの電圧−電流特性。 従来の半導体レーザの伝導帯、価電子帯のバンドダイアグラム。
符号の説明
１ ｎ電極、２ ＧａＡｓ基板、３ 第１クラッド層、４ 第１ガイド層、５ 第１エンハンス層、６ 活性層、７ 第２エンハンス層、８ 第２ガイド層、９ 第２クラッド層、１０ コンタクト層、１１ ｐ電極。

Claims (1)

  1. バンドギャップエネルギーがEg(C1)である第１導電型の第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(G1）である第１ガイド層と、
    前記第１ガイド層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(Ａ）であり、レーザ光を発生させる活性層と、
    前記活性層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(G2）である第２ガイド層と、
    前記第２ガイド層の上に設けられ、バンドギャップエネルギーがEg(C2)である第２導電型の第２クラッド層とを備え、
    前記第１クラッド層と前記第２クラッド層は、AlGaInP又はInGaPで形成され、
    前記第１ガイド層と前記第２ガイド層は、InGaAsPで形成され、不純物がドーピングされておらず、
    前記活性層は、InGaAsで形成され、
    前記第１ガイド層および前記第２ガイド層の少なくとも一方は１００ｎｍ以上の厚さを有し、Eg(G1）とEg(A）との差、およびEg(G2）とEg(A）との差のうち大きい方が、Eg(C1)とEg(A）との差、およびEg(C2）とEg(A）との差のうち小さい方の０．６６倍以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
JP2006209746A 2006-01-24 2006-08-01 半導体レーザ装置 Active JP4894398B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006209746A JP4894398B2 (ja) 2006-01-24 2006-08-01 半導体レーザ装置
US11/550,841 US7289546B1 (en) 2006-01-24 2006-10-19 Semiconductor laser having an improved stacked structure

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006014625 2006-01-24
JP2006014625 2006-01-24
JP2006209746A JP4894398B2 (ja) 2006-01-24 2006-08-01 半導体レーザ装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007227870A JP2007227870A (ja) 2007-09-06
JP4894398B2 true JP4894398B2 (ja) 2012-03-14

Family

ID=38285515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006209746A Active JP4894398B2 (ja) 2006-01-24 2006-08-01 半導体レーザ装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7289546B1 (ja)
JP (1) JP4894398B2 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5002391B2 (ja) * 2007-09-26 2012-08-15 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
JP2010153564A (ja) * 2008-12-25 2010-07-08 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ素子及びその製造方法
JP2011014694A (ja) * 2009-07-01 2011-01-20 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置
JP5636773B2 (ja) * 2010-07-06 2014-12-10 ソニー株式会社 半導体レーザ
JP2012156559A (ja) * 2012-05-21 2012-08-16 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000332362A (ja) * 1999-05-24 2000-11-30 Sony Corp 半導体装置および半導体発光素子
JP2001148541A (ja) * 1999-11-19 2001-05-29 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体発光装置およびその半導体発光装置を励起光源に用いた固体レーザ装置
JP2004063537A (ja) 2002-07-25 2004-02-26 Sony Corp 半導体発光素子およびその製造方法ならびに半導体装置およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20070171948A1 (en) 2007-07-26
US7289546B1 (en) 2007-10-30
JP2007227870A (ja) 2007-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6618413B2 (en) Graded semiconductor layers for reducing threshold voltage for a nitride-based laser diode structure
JP5002391B2 (ja) 半導体レーザ装置
US8901595B2 (en) Semiconductor light emitting device
JP2005101542A (ja) 半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法
JPH098412A (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
JP3754226B2 (ja) 半導体発光素子
JPWO2006109418A1 (ja) 半導体発光素子
JP5485905B2 (ja) 半導体レーザ素子
JP4894398B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP2015188048A (ja) 窒化物半導体積層体および半導体発光素子
JP2008172188A (ja) 多波長量子ドットレーザ素子
US20080175293A1 (en) Semiconductor laser device
US20140231838A1 (en) Semiconductor light-emission device and manufacturing method
JP2007087994A (ja) 面発光半導体レーザ素子
JP2008124123A (ja) 半導体レーザ装置
US20110002351A1 (en) Semiconductor laser device
JP2019041102A (ja) レーザダイオード
JP2007005642A (ja) 半導体発光素子
JP3044604B2 (ja) 半導体レーザ
JPH10321960A (ja) 半導体発光素子
JP2024129541A (ja) 半導体発光素子
JP4688900B2 (ja) 半導体レーザダイオード
JP2007188990A (ja) 窒化物半導体素子
JPH0330486A (ja) 多重量子井戸発光素子
JP2008166571A (ja) 半導体レーザ装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090526

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110517

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110518

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110707

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20110708

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111129

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111212

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4894398

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150106

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250