JPH03173488A

JPH03173488A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH03173488A
Application number: JP31369489A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kaneiwa; 進治兼岩
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1989-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1991-07-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉この発明は、高出力動作を目的とする半導体レーザ素子
に関し、特にチップからヒートシンクへの放熱を改善し
た半導体レーザ素子に関する。

〈従来の技術〉従来、この種の半導体レーザ素子としては、第４図に示
すように、Ｃ５Ｐ（チャネルド・サブストレート・ブレ
ーナ）構造のものがある。この半導体レーザ素子は、ｎ
型ＧａＡｓ基板１０上に、幅４μｍ、深さ１．５μｍの
台形状の１１１をエツチングにより形成した後、液相エ
ピタキシャル成長法により上記溝１１の外部での厚さが
０２μｍのｎ型Ｇａｏ、５ｓｉｏ、＊ｓＡＳクラッド層
１２層厚２．厚０８μｍのノンドープＧａｏ、ｅ７ＡＱ
ａ、＋ｙＡＳ活性層１３゜厚さ１μｍのｐ型Ｇ　ａｏ、
、５Ａ４ｏ、＋ｓＡｓクラッド層！４層上４早さ２μｍ
のｎ型ＧａＡｓキャップ層１５を順次積層している。さ
らに、図示しないＳ　ｉ　Ｏを膜等をマスクとして溝１
１に対応する位置に幅４７ｚｍ。

深さ２．２μｍにわたり、ｐ型クラッド層１４に達する
Ｚｎ拡散部１６を形成した後、ｎ、ｐ両側に低抗性電極
１７．１８を形成し、さらに活性層からの距離が短いｐ
側電極１８を下にして、Ｃｕからなるヒートシンク２０
上にＩｎからなる蝋付１９によって融着している。画電
極１７．１８間に通電した場合、電流がキャップ層１５
に形成されたｐ型Ｚｎ拡散部１６に集中して流れて、こ
の結果、活性層１３のうち上記溝１１．Ｚｎ拡散部１６
にはさまれた発振領域においてレーザ発振が得られる。

そして、レーザ発振により発生した熱は、上記活性層１
３の発振領域からｐ型りラッド層＋４．キャップ層１５
　、ｐ（１１１１電ｈｌｉ１８および蝋付１９を通して
ヒートシンク２０に逃がすようにしている。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら、上記従来の半導体レーザ素子は、出射端
面での光出力を３０ｍＷ以上とするような高出力動作を
させた場合、出射端面での非発光再結合により活性層の
端面近傍の温度が局所的に１５０℃〜２００℃にも上昇
する（轟他。ジャーナル・才ブ・アプライド・フィジイ
クス５８１１２４（１９８５））。このため、非発光再
結合中心となる酸化がチップの結晶内部にまで進行して
動作電流が増加し、更なる発熱が生じて、長期的信頼性
に悪影響を及ぼすという問題がある。

このような局所的な温度上昇を抑えるためにはヒートシ
ンク２０への熱放散を向上させなければならない。ここ
で、上記活性層１３からヒートシンク２０までの各層の
熱伝導率および厚さは第５図に示すようになっている。

第５図に示す値から、各層のうち最も熱伝導率が小さい
のはｐ型クラッド層１４であり、このｐ型クラッド層１
４が主に熱放散を妨げていることがわかる。このことは
、ｐ型クラッド層１４の組成を変えて熱伝導率を大きく
すべきことを促している。しかしながら、そもそもクラ
ッド層の組成は、注入キャリアおよび光の閉込めを効果
的に行うために、活性層に対してのエネルギバンドギャ
ップ差および屈折率差の観点から定められており、簡単
には変えることができない。一方、クラッド層の厚さは
上記ｐ型りラット層１４のように必ずしも１μｍ必要な
ものではない。けれども、単に例えば厚さを０．５μｍ
以下にまで半減してしまうと、活性層１３で発生した光
がキャップ層１５にまで分布してＧａＡｓからなるキャ
ップ層１５に吸収され、この結果、発振しきい値が増加
したり効率が低下したりして、レーザ特性に悪影響が生
じることになる。

そこで、この発明の目的は、活性層に隣接する上記クラ
ッド層の構造に工夫をこらして、レーザ特性に悪影響を
及ぼすことなくヒートシンクへの熱放散を巧みに向」ニ
させた半導体レーザ素子を提供することにある。

く課題を解決するための手段〉上記１］的を達成するために、この発明はヒートシンク
に接するチップ内に、活性層と、この活性層のヒートシ
ンク側に隣接するクラッド層とを有する半導体レーザ素
子において、上記クラッド層は、活性層側の部分よりも
ヒートシンク側の部分の方が熱伝導率が高い組成からな
ることを特徴としている。

また、上記活性層、クラッド層の活性層側の部分および
上記クラッド層のヒートシンク側の部分はそれぞれＧａ
＋−ｘＡ＋２ｘＡｓ、Ｇａ＋−ｙＡＱｙＡｓ、Ｇａ＋−
ｚＡＱｚＡｓからなり、ｘ＜ｚ＜ｙであるのが望ましい
。

く作用〉クラッド層を構成する各部のうち、活性層側の部分を従
来と同様に注入キャリアおよび光の閉込めに最適な組成
とする一方、ヒートシンク側の部分を上記活性層側の部
分よりも熱伝導率を高くする。このようにした場合、上
記活性層側の部分の作用によって、注入キャリアおよび
光の閉込めが効果的に行われてレーザ特性への悪影響が
生じることがない。しかも上記ヒートシンク側の部分の
作用によって従来に比して熱放散の効果が高まる。

また、上記活性層、クラッド層の活性層側の部分および
上記クラッド層のヒートシンク側の部分はそれぞれＧａ
＋−ｘＡ１２ｘＡｓ、Ｇａ＋−ｙＡＱｙＡｓ、Ｇａ＋−
ｚＡＱｚＡｓからなり、ｘ＜ｚ＜Ｙであることが望まし
い。

〈実施例〉以下、この発明の半導体レーザ素子を実施例により詳細
に説明する。

第１図はこの発明の第１の実施例を示している。

この半導体レーザ素子は、活性層１３と、この活性ｆＦ
Ｊ　１３のヒートシンク２０側に隣接するクラッド層９
を備えている。なお、第４図に示した従来の半導体レー
ザ素子と同一の構成部品は同一番号を付して説明を省略
する。上記クラッドＷＩ９は、活性層１３側に設けたｐ
型Ｇａｏ、５ｓＡ（２ｏ、＊ｓＡＳからなる第１クラッ
ド層２１と、ヒートシンク２０側に設けたｐ型Ｇ　ａ　
ｏ　、　ｅ　Ａ　’２　ｏ　、　＊　Ａ　Ｓからなる第
２クラット層２２とで構成している。このように格子整
合をとっているので信頼性を高めることができる。

第１クラッド層２１と第２クラッド層２２の層厚は共に
０．５μｍとしている。第１クラツドｆｆ１２１は、上
記従来の半導体レーザ素子のｐ型クラッド層１−１と同
一の組成であり、注入キャリアおよび光の閉込めを効果
的に行うことができる。第２クラッド層２２を構成する
Ｇ　ａｏ、５ＡＱｏ、ｔＡｓは熱伝導率０　、　ｌ　６
　Ｗ／ｃｍ−ｄｅｇであって、第１クラッド層２１を構
成するＧａｏ、５ｓＡＱａ、ｈｅＡｓの約１．５倍とな
っている。したがって、上記従来の半導体レーザ索子に
比して、ヒートシンク２０への熱放散を向＝ヒさせるこ
とができる。実際に、４０ｍＷ出力時における端面活性
層温度を１８０°Ｃから１５００Ｃへ低下させることが
できた。また、４０ｍＷで５０００時間の安定な動作を
させることができ、信頼性を向上させることができた。

第２図はこの発明の第２の実施例を示している。

この半導体レーザ素子は、ＶＳＩＳ（Ｖチャネルド・サ
ブストレート・インナー・ストライブ）と呼ばれる構造
を基本としている。第１の実施例の半導体レーザ素子と
異なり、ｐ型ＧａＡｓ基板３０上に構成されており、内
部にｎ型ＧａＡｓからなる電流狭窄層３１と電流注入溝
３２を存している。

さらに順次、ｐ型Ｇ　ａ　ｏ　、　ｓ　ｓ　Ａ　Ｑ　ｏ
　、　４３　Ａ　Ｓからなるクラッド層３３と、ノンド
ープＧａｏ、ａｔＡ１２ｏ、＋３Ａｓからなる活性層３
４と、第１クラッド層３５および第２クラッド層３６か
らなるクラッド層２９と、ｎ型ＧａＡｓからなるキャッ
プ層を備えている。３８゜３９はそれぞれｐ側電極、ｎ
側電極を示し、４０はＩｎからなる螺材、４１はＣｕか
らなるヒートシンクを示している。上記第１クラッド層
３５は活性層３４側に設けられたｎ型Ｇａｏ、ａＡＱｏ
、ａＡＳからなる一方、第２クラッド層３６はヒートシ
ンク４１側に設けられ、ｎＷＧａｏ、ａＡ（２ｏ、ｔＡ
ｓからなっている。また、それぞれ層厚は０．４μｍ、
　０　、６μｍとしている。第１クラッド層３５は、組
成を光閉じ込め効果の大きいＧａｏ、ｈＡＱｏ、。Ａｓ
としているので層厚は０．４μｍまで減少させることが
できる。

また、Ｇａａ、４ＡＱａ、ａＡ８の熱伝導率はＧａｏ、
５ｓＡＱｏ　、　４　ｓ　Ａ　Ｓと同等となっている。

したがって、第２クラッド層を構成するＧ　ａｏ、ｅＡＱｏ、ｙＡｓの高い熱伝導率によって熱
放散の効果を高めることができる。実際に、４０ｍＷ出
力時の端面温度を１４０℃と更に低下さ仕ることができ
た。

第３図（ａ）はこの発明の第３の実施例を示している。

この半導体レーザ素子は、分子線エピタキシャル（ＭＢ
Ｅ）法または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用い
て各層を積層している。ｎ型ＧａＡｓ基板５０上に、ま
ずｎ型Ｇａｏ、５ｓＡＱｏ、ａｓＡｓからなるクラッド
層５１とノンドープＧａｏ、ｓフＡ１２ｏ、＋３ＡＳか
らなる活性層５２を積層する。次に、クラッド層４９と
して厚さ０．３　μｍのｐ型Ｇａｏ、１ＡＱｏ、ａＡ８
からなる第１クラッド層５３と、厚さ０．７μｍのｐ型
の第２クラ・ソド層５４を積層している。第２クラッド
層５４の組成は、第３図（ｂ）に示すように、積層する
方向にＧａｏ、ａＡ（！ｏ、ｅＡｓからＧａＡｓまで連
続的に変化させている。次に、ｐ　　ＧａＡｓキャップ
層５５を積層した後、Ｓ　ｉ　Ｏｙ絶縁膜５６を蒸着し
、電流注入のためのストライプ５７をエツチングし、さ
らに電極５８．５９を形成する。６０．６１は他の実施
例と同様に、Ｉｎからなる螺材Ｃｕからなるヒートシン
クを示している。ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法を用いる
ことにより、上記クラッド層５４の組成を連続的に変化
させることができる。この半導体レーザ素子も、４０ｍ
Ｗ出力時の端面温度は１４０°Ｃと低く、信頼性に浸れ
ている。

なお、当然ながら、上記第２クラッド層５４の組成を連
続的でなく段階的に変化させて形成することもできる。

〈発明の効果〉以」二より明らかなように、この発明は、ヒートシンク
に接するチップ内に、活性層と、この活性層のヒートシ
ンク側に隣接するクラッド層とを有する半導体レーザ素
子において、上記クラッド層は、活性層側の部分よりも
ヒートシンク側の部分の方が熱伝導率が高い組成からな
るので、レーザ特性に悪影響を及ぼすことなくヒートシ
ンクへの熱放散を向上させることができる。

また、上記活性層、クラッド層の活性層側の部分および
上記クラッド層のヒートシンク側の部分はそれぞれＧ　
ａｔ−ｘＡ（！ｘＡｓ、　Ｇ　ａ（ＹＡＱ’／ＡＧ、　
Ｇ　ａｔ−ｙＡｌｙＡｓ、Ｇａ１−ｚＡｌｚＡｓからな
り、ｘ＜ｚ＜ｙであることが望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図（ａ）はそれぞれこの発明の第
１．第２．第３の実施例の半導体レーザ素子を示す断面
図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）に示した半導体レーザ
素子の各層のＡＱ混晶比を示す図、第４図は従来の半導
体レーザ素子を示す断面図、第５図は上記従来の半導体
素子を構成する各層の熱伝導率および厚さを示す表であ
る。１０．５０−ｎ型ＧａＡｓ基板、ａｏ＝・ｐ型ＧａＡｓ基板、９．１２，２９，３３，４９．５１・・・クラッド層、
１３．３４．５２・・活性層、２１．３５．５３・・・第１クラッド層、２２．３６．
５４・・・第２クラツド眉、１５．３７．５５・・・キ
ャップ層、１７．３９．５８−ｎ側電極、１８．３８．５９・・・ｐ側電極、＋９．４０．６０・・・螺材、２０．４１．６１・・・ヒートシンク、【１・・台形溝
、１６・・・Ｚｎ拡散部、３１・・・電流狭窄層、３２
・・・■形溝、５６・・・ＳｉＯｘ絶縁膜、５７・・・電流注入ストライプ。第１図第３図第２図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ヒートシンクに接するチップ内に、活性層と、こ
の活性層のヒートシンク側に隣接するクラッド層とを有
する半導体レーザ素子において、上記クラッド層は、活
性層側の部分よりもヒートシンク側の部分の方が熱伝導
率が高い組成からなることを特徴とする半導体レーザ素
子。
（２）上記活性層、クラッド層の活性層側の部分および
上記クラッド層のヒートシンク側の部分はそれぞれＧａ
＿１−ｘＡｌｘＡｓ、Ｇａ＿１−ｙＡｌｙＡｓ、Ｇａ＿
１−ｚＡｌｚＡｓからなり、ｘ＜ｚ≦ｙであることを特
徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
（３）上記活性層、クラッド層の活性層側の部分および
上記クラッド層のヒートシンクの部分は、それぞれＧａ
＿１−ｘＡｌｘＡｓ、Ｇａ＿１−ｙＡｌｙＡｓ、Ｇａ＿
１−ｚＡｌｚＡｓからなり、ｚがｘ＜Ｚ＿１≦ｙなるＺ
＿１からＺ＿２≧０なるＺ＿２まで減少して連続的また
は段階的に変化していることを特徴とする請求項１に記
載の半導体レーザ素子。