JPH03209897A

JPH03209897A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH03209897A
Application number: JP548190A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Fujii; 宏明藤井
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-01-12
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1991-09-12
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: JP2775950B2

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）本発明は、半導体レーザの高出力化に関するものである
。

（従来の技術）現在、光ディスクの高密度化のため、０．６１１ｍ帯に
発振波長を有するＡＩＧａＩｎＰ系可視光半導体レーザ
の開発が盛んに行われている。このＡＩＧａＩｎＰ系可
視光半導体レーザを光デイスク用光源、特に、書換え型
光ディスク用光源として用いる場合、高出力、低雑音等
の特性が要求される。このうち特に高出力に着目すると
、従来、ＡＩＧａＩｎＰ系半導体レーザの高出力化には
、以下の文献（１）に示すように、非対称クラッド構造
で、活性層厚を薄膜化することにより行っていた［（１
）　Ｋ、　Ｋｏｂａｙａｓｈｉ　ｅｔ　ａｌ、　５ＰＩ
Ｅ　Ｖｏｌ。

８９８　Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ　０ｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　
Ｌａ５ｅｒｓ　１９８８　ｐｐ、　８４−８８］。

以下に、活性層薄膜化による高出力化の方法に付いて概
説する。

まず、第５図に従来試作されている半導体レーザの構造
断面図を、第４図に従来試作されている半導体レーザの
屈折率分布図と層構成を示す断面図を示す。右側の断面
図の各層の屈折率を左側の図に示している。第８図にこ
の半導体レーザの端面破壊で決まる光出力（以下、ＣＯ
Ｄパワーと呼ぶ。ここで、ＣＯＤとは、ＣＡＴＡＳＴＲ
ＯＰＨＩＣＯＰＴＩＣＡＬＤＡＭＡＧＥのことである。

）の活性層厚依存性の計算結果を、第９図に規格化しき
い値電流密度（しきい値電流密度を活性層厚で割った値
、すなわちしきい値電流の体積密度を意味する。）の活
性層厚依存性の計算結果を示す。

一般に、半導体レーザにおいて、光電界分布は活性層と
クラッド層の屈折率差を小さくすると広がり、また、活
性層厚を小さくすると広がることが知られている。また
、光電界分布が広がることにより、光電界分布のピーク
強度の全先出力に対する比率は小さくなり、ＣＯＤパワ
ーが大きくなり、高出力化が図れることがわかっている
。しかし同時に光電界分布が広がるとしきい値電流密度
も増大することも知られている。

ところで、第４図屈折率分布を持つ従来の構造の半導体
レーザでは、２層のクラッド層の内、活性層に近い方の
クラッド層の厚さを非対称とすることにより、活性層を
薄膜化した時の光電界分布の広がりを層厚の厚い方のク
ラッド層に広げ、しかも、光電界分布の広がりの大きさ
を内側のクラッド層の層厚で制御できるように制御性を
高めた構造である。この構造によって、従来は、第８図
に示すように活性層厚を薄膜化することにより、制御性
を保ちつつ高出力化を行ってきた。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、第４図の屈折率分布を持つ従来構造の半
導体レーザ（第５図）にも以下に示す様な課題がある。

すなわち、活性層厚を薄膜化していく場合、光電界分布
が広がり、それに伴いしきい値電流密度も増加して行く
。そしてこの時、規格化しきい値電流密度は、活性層厚
薄膜化の効果により相乗的に増大し、バンドフィリング
等の効果により、規格化しきい値電流密度の増大は半導
体レーザ素子の温度特性の悪化を招来してしまう。とこ
ろで、半導体レーザの高出力化を行う場合、ＣＯＤパワ
ーを増大させると同時に、半導体レーザ素子の熱飽和が
重要な要素となるため、温度特性の悪化は高出力化にと
って重大な問題となってくる。

本発明の目的は、規格化しきい値電流密度が低く、ＣＯ
Ｄパワーが大きい、高出力半導体レーザな提供すること
にある。

（課題を解決するための手段）本発明の半導体レーザの構成は、半導体基板上に、活性
層を前記活性層よりも禁制帯幅の大きな半導体結晶で成
る第１のクラッド層で上下より挟み込んだダブルヘテロ
構造を有し、さらに前記ダブルヘテロ構造を第２のクラ
ッド層および第３のクラッド層で順次上下より挟み込ん
だ光導波路構造を有する半導体レーザにおいて、前記活
性層の屈折率ｎ１と、前記第１のクラッド層の屈折率ｎ
２、前記第２のクラッド層の屈折率ｎ３、前記第３のク
ラッド層の屈折率ｎ４の関係がｎｌ＞ｎ３＞ｎ２および
、ｎ３＞ｎ４の条件を満たし、さらに第２のクラッド層
の層厚が活性層の上下両側の２層について異なることを
特徴とする。

さらにまた、本発明の半導体レーザのもう１つの構成は
、半導体基板上に、活性層を前記活性層よりも禁制帯幅
の大きな半導体結晶で成る第１のクラッド層で上下より
挟み込んだダブルヘテロ構造を有し、さらに前記ダブル
ヘテロ構造を第２のクラッド層および第３のクラッド層
で順次上下より挟み込んだ光導波路構造を有する半導体
レーザにおいて、前記活性層の屈折率ｎ１と、前記第１
のクラッド層の屈折率ｎ２、前記第２のクラッド層の屈
折率ｎ３、前記第３のクララ下層の屈折率ｎ４の関係が
ｎｌ＞ｎ３＞ｎ２および、ｎ３＞ｎ４の条件を満たし、
さらに第２のクラッド層の屈折率ｎ３が活性層の上下両
側の２層について異なることを特徴とする。

（作用）本発明の請求項１による半導体レーザの層構成を示す断
面図および屈折率分布図をそれぞれ第１図の右側と左側
に示す。右側の断面図の各層に対応する屈折率の値を左
側の分布図に示している。請求項２による半導体レーザ
について構造図と屈折率の分布図を同様に第２図に示す
。第１図の層構成を有する半導体レーザを屈折率導波型
構造に加工した場合の具体的構成例を第３図に示す。ま
た、第３図の構造の半導体レーザについて、ＣＯＤパワ
ーの第１のクラッド層厚依存性を計算した結果を第６図
に、規格化しきい値電流密度の第１のクラッド層厚依存
性の計算結果を第７図に示す。ここで、第６図および第
７図の計算は、ＡＩＧａＩｎＰ系可視光半導体レーザに
ついて行った。計算に考慮した層構成、および用いた層
厚は以下に示す。活性層はＧａＩｎＰ、クラッド層はす
べてＡＩＧａＩｎＰζし、その組成は（ＡｌｘＧａｌ−
ｘ）０．５　Ｉｎ０．５Ｐと表記したときのＡＩ組組成
で、第１のクラッド層が０．６、第２のクラッド層が０
．４、第３のクラッド層が０．６の値を用いた。また、
活性層厚を０．０８ｐｍ、第１のクラッド層と第２のク
ラッド層の層厚の和を一定として、第１のクラッド層の
層厚は第６図、第７図の横軸に示すように可変とし、和
の層厚を活性層から見て基板に近い方のクラッド層が０
．７１１ｍ、活性層から見て基板から遠い方のクラッド
層が０．３１１ｍとした。また、第３のクラッド層中で
光は十分減衰するとして、第３のクラッド層厚は無限大
で計算した。その他のパラメータとしては、発振波長０
．６７ｐｍ、ストライプ幅５ｐｍ、共振器長３００１１
ｍで計算した。

まず、第１図および第３図を用いて、本発明の半導体レ
ーザの作用および本発明の端面破壊で制限される光出力
の制御方法について説明する。第１図の構成は、活性層
１００を第１のクラッド層１１０．１１５で上下から挟
み込んでダブルヘテロ構造を形成し、さらに、上下から
第２のクラッド層１２０．１２５および第３のクラッド
層１３０．１３５で挟み込んで光導波路構造が形成され
る。この時、各層の屈折率の関係は、第１図に示すよう
に、活性層の屈折率をｎｌ、第１のクラッド層の屈折率
をｎ２、第２のクラッド層の屈折率をｎ３、第３のクラ
ッド層の屈折率をｎ４とした時、ｎｌ＞ｎ３＞ｎ２およ
びｉ１３＞ｎ４とする。このような屈折率分布を持つ場
合、光電界分布は屈折率の高い第２のクラッド層により
大きく広げられ、活性層厚が大きい場合にも第２のクラ
ッド層の層厚で決まる厚さ程度まで広がり、結果として
、端面破壊の起こるＣＯＤパワーを増大させることが可
能である。ここで、第３のクラッド層の役割は、第２の
クラッド層で引き出された光電界を減衰させ、キャップ
層あるいはバッファ層等による吸収を防ぐと同時に導波
モードのカットオフを防止している。従って、望ましく
はｎ２≧ｎ４の方がよい。また、第１のクラッド層の役
割は、活性層からの注入キャリアのオーバーフローを抑
制すると同時に、第６図に示すよかに光電界分布を広げ
、ＣＯＤパワーを増大させる働きをする。後者の働きに
ついては、直感的につかみにくいが、我々の数値解析お
よび実験結果より確認されている。以上のように、本発
明の第１図の層構成を有する半導体レーザによれば、活
性層厚を大きく保ち、活性層とそれに隣接するクラッド
層との禁制帯幅差を十分大きく確保した状態で、第１の
クラッド層の層厚を制御することにより、光電界分布を
制御し、ＣＯＤパワーを制御することが可能となる。従
って、従来例に比べ、キャリアオーバフロー電流が小さ
く、また、活性層厚が大きいので、規格化しきい値電流
密度が小さい、言い替えれば、温度特性の優れた高出力
半導体レーザが得られる。

ちなみに、従来の構造である第５図の構造の半導体レー
ザと、本発明の第３図の半導体レーザについて、ＣＯＤ
パワーと規格化しきい値電流密度の関係について計算を
行った結果について第１０図に示す。この計算に付いて
も先はどと同様にＡＩＧａＩｎＰ系可視光半導体レーザ
について行った。第１０図より明らかにわかる・ように
、本発明の構造で第１のクラッド層の層厚を制御して高
出力化を行う方法の方が、従来の活性層厚を薄膜化して
高出力化を行う方法に比べ、同一のＣＯＤパワーを得る
ための規格化しきい値電流密度が数倍小さく、温度特性
的に非常に有利であることがわかる。以上が第１図の層
構成を有する本発明の半導体レーザの作用である。

次に、第２図の構造の半導体レーザの作用に付いて簡単
に述べる。第２図の層構成は、第１図と同様に、活性層
１００を第１のクラッド層１１０．１１５で挟み込んで
ダブルヘテロ構造を形成し、さらに、上下から第２のク
ラッド層１２０．１２５および第３のクラッド層１３０
．１３５で順次挟み込んで光導波路構造を形成している
。この構造に於てもその屈折率分布の関係は、活性層の
屈折率をｎｌ、第１のクラッド層の屈折率をｎ２、第２
のクラッド層の屈折率をｎ３、第３のクラッド層の屈折
率をｎ４とした時に、ｎｌ＞ｎ３＞ｎ２およびｎ３＞ｎ
４の条件を満たすように設定している。第２図の構成で
第１図と異なる点は、第２のクラッド層１２０と１２５
の屈折率を異なる値にして、非対称性を与えている点で
ある。この場合、第２のクラッド層１２０．１２５の層
厚は等しい値に設定Ｃ１１）してもよく、第１図に於て第２のクラッド層の層厚を非
対称にして一方に光電界分布を広げたと同様の効果を、
非対称な屈折率分布により実現することが可能である′
。すなわち、第２図の構造では、第１のクラッド層の層
厚を制御することにより、光電界分布を屈折率の高い方
の第２のクラッド層へ多く広げ、端面破壊密度を高める
ことが可能である。

このとき、第１図の構造と同様に、従来の構造に比べ、
規格化しきい値電流密度は小さい値に抑えられ、良好な
温度特性が得られる。また、上記の例では、第２のクラ
ッド層１２０と１２５の層厚は等しいと設定したが、導
波路構造に非対称性を与えるのに、層厚と屈折率の両方
を併用してもよい。

（実施例）以下、本発明の請求項１の半導体レーザに付いて、具体
的数値例を用いて説明する。第３図が本発明の半導体レ
ーザの構造図である。以下、ＡＩＧａＩｎＰ系可視光半
導体レーザを例として説明する。活性層１００はＧａＩ
ｎＰでなり、それを挟み込むクラッド層はすべてＡＩＧ
ａＩｎＰでなる。クラッド層の組成は、（ＡｌｘＧａ１
−ｘ）ｏ、５Ｉｎｏ、５Ｐと表記したときのＡＩ組組成
が、第１のクラッド層１１０．１１５は０．６、第２の
クラッド層１２０．１２５は０．４、第３のクラッド層
１３０．１３５（上０．６である。また、各層の層厚は
、本実施例では、活性層厚０．０８ｐｍ、第１のクラッ
ド層１１０．１１５はともに０．１ｐｍ、第２のクラッ
ド層の層厚は、１２０が０．６１１ｍ。

１２５が０．２ｐｍ、第３のクラッド層厚は１３０．１
３５ともに０．８１１ｍである。また、活性層１００に
対して基板２００と反対側の第２のクラッド層１２５と
第３のクラッド層１３５の間にはエツチング停止層１４
０として、厚さ５ｎｍのＧａＩｎＰ薄膜を有し、同様に
第３のクラッド層１３５とキャップ層１７０の間には、
抵抗低域層１６０として厚さ２０ｎｍ（７）　ＧａＩｎ
Ｐ層を有する。また、活性層１００に対して基板２００
と反対側の第３のクラッド層１３５はメサストライプ状
に加工され、その他の部分はＧａＡｓでなる電流ブロッ
ク層１５０で埋め込まれ、屈折率導波構造と成っている
。以上の構造は、減圧の有機金属熱分解気相成長法を用
いた３回の結晶成長を含む工程により作製される。なお
、本実施例では、基板２００はｎ型ＧａＡｓ基板を用い
、レーザ構造形成後、基板を厚さ８０μｍ程度に研磨し
、電極１９０．１９５を形成し、ペレックイズしてレー
ザ特性の評価を行った。電極１９０には、ＡｕＧｅＮｉ
を用い、電極１９５には、ＴｉＰｔＡｕを用いた。

以下、得られたレーザ特性の典型的な値を述べる。試作
したレーザは、ストライプ幅５ｐｍ、共振器長３００１
１ｍの時、しきい値電流６５ｍＡで発振し、ＣＯＤによ
り端面破壊で劣化するまでキンクもなく、ＣＯＤパワー
の値として、端面コーティング無しで５ｍＷとほぼ設計
値通りの値が得られた。また、規格化しきい値電流密度
の値として、５５ｋＡ／ｃｍ２ｐｍとこれもほぼ設計値
通り値が得られた。これは、従来構造の半導体レーザか
ら予想される１５０ｋＡ／ｃｍ２１１ｍの値に比べ非常に低減された
値である。また、実際には、従来構造では、端面コーテ
ィング無しでは２０ｍＷ以上の光出力に関しては熱飽和
により得られておらず、この点からも本発明の半導体レ
ーザの有効性が確認できた。

請求項２の発明の一実施例として、請求項１の実施例に
おいて、第２のクラッド層１２０．１２５のＡｔ組成Ｘ
をそれぞれ０．４５．０．５５として屈折率を異なる値
にすればよい。層厚は同じでも違っていてもよく、導波
路構造に非対称性を与えればよい。この構造でも同様の
作用と効果がある。

（発明の効果）以上述べたように、本発明の半導体レーザおよび端面破
壊で制限される光出力の制御方法は、活性層厚を厚く保
ったまま、しかも隣接するクラッド層との禁制帯幅差を
大きく保ったまま、光電界分布を広げ高出力化が可能で
あるため、キャリアオーバフローが小さぐ、温度特性の
良好な高出力半導体レーザを実現する方法として有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の請求項１による半導体レーザの層構成
及び屈折率分布を表わす図。第２図は本発明の請求項２
による半導体レーザの層構成及び屈折率分布を表わす図
。第３図は本発明の半導体レーザの構造断面図。第４図
は従来の半導体レーザの層構成及び屈折率分布を表わす
図、第５図は従来の半導体レーザの構造断面図、第６図
は本９発明の半導体レー（１５）ザのＣＯＤパワーの第１のクラッド層厚依存性を示す図
。第７図は本発明の半導体レーザの規格化しきい値電流
密度の第１のクラッド層厚依存性を示す図。第８図は従来の半導体レーザのＣＯＤパワーの活性層厚
依存性を示す図。第９図は従来の半導体レーザの規格化
しきい値電流密度の活性層厚依存性を示す図。第１０図
は本発明の半導体レーザと従来の半導体レーザについて
、規格化しきい値電流密度とＣＯＤパワーの関係を示す
図である。各図において１００・・・活性層、１１０．１１５・・・第１のクラ
ッド層、１２０、１２５・・・第２のクラッド層、１３
０、１３５・・・第３のクラッド層、１４０・・・エツ
チング停止層、１５０・・・電流ブロック層、１６０・
・・抵抗低減層、１７０・・・キャップ層、１８０・・
・バッファ層、１９０，１９５・・・電極、２００・・
・半導体基板。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に、活性層を前記活性層よりも禁制
帯幅の大きな半導体結晶で成る第１のクラッド層で上下
より挟み込んだダブルヘテロ構造を有し、さらに前記ダ
ブルヘテロ構造を第２のクラッド層および第３のクラッ
ド層で順次上下より挟み込んだ光導波路構造を有する半
導体レーザにおいて、前記活性層の屈折率ｎ１と、前記
第１のクラッド層の屈折率ｎ２、前記第２のクラッド層
の屈折率ｎ３、前記第３のクラッド層の屈折率ｎ４の関
係がｎ１＞ｎ３＞ｎ２および、ｎ３＞ｎ４の条件を満た
し、さらに第２のクラッド層の層厚が活性層の上下両側
の２層について異なることを特徴をする半導体レーザ。
（２）半導体基板上に、活性層を前記活性層よりも禁制
帯幅の大きな半導体結晶で成る第１のクラッド層で上下
より挟み込んだダブルヘテロ構造を有し、さらに前記ダ
ブルヘテロ構造を第２のクラッド層および第３のクラッ
ド層で順次上下より挟み込んだ光導波路構造を有する半
導体レーザにおいて、前記活性層の屈折率ｎ１と、前記
第１のクラッド層の屈折率ｎ２、前記第２のクラッド層
の屈折率ｎ３、前記第３のクラッド層の屈折率ｎ４の関
係がｎ１＞ｎ３＞ｎ２および、ｎ３＞ｎ４の条件を満た
し、さらに第２のクラッド層の屈折率ｎ３が活性層の上
下両側の２層について異なることを特徴とする半導体レ
ーザ。