JPH06237041A

JPH06237041A - 高出力半導体レーザ

Info

Publication number: JPH06237041A
Application number: JP2258693A
Authority: JP
Inventors: Iwao Komazaki; 岩男駒崎
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、ｐ側２クラッド層への電子のリーク
抑制効果、高効率・高出力化を図ったことを主要な目的
とする。【構成】基板(11)と、この基板上に形成された第１クラ
ッド層(12)と、この第１クラッド層上に形成された第１
光出力導波路層(14)と、この導波路層上に形成され，各
量子井戸幅が５ｎｍ以下の多重量子井戸活性層(15)と、
この活性上に形成された第２光出力導波路層(16)と、こ
の導波路層上に形成され，中央部にメサ部を有する第２
クラッド層(18)と、前記第２クラッド層上に形成され，
第２クラッド層のメサ部を該メサ部の長手方向に沿って
挟みこむ電流ブロック層(2) と、前記第１光出力導波路
層と第１クラッド層間，及び前記第２光出力導波路層と
第２クラッド層間に夫々形成され，前記各クラッド層の
バンドギャップよりも100 meＶ〜300 meＶ大きなバンド
ギャップをもち前記光出力導波路層よりも薄い第１・第
２バリア層(12 ，17) とを具備することを特徴とする高
出力半導体レーザ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、特に光情報処理用光
源等に用いられる高出力半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＧａＡｓ量子井戸幅を狭くするこ
とにより、エネルギー準位を高くして、単波長レーザを
実現させる方法の報告例として次のものがある。

【０００３】図４は、１９８４年米国物理学会応用物理
レター巻48，ｐ．818 〜ｐ．820 に掲載された魚見らの
「屈折率導波型可視ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ多重量子井
戸レーザの高出力動作」（Ｋ．Ｕｏｍｉ et al，Ａppl
．phys．Lett，45 p.818 〜p.820 （１９８４）“Hig
h-power operation of index-guided visible ＧａＡ
ｓ／ＡｌＧａＡｓ multiquantum well lasers”の構造
を示す。

【０００４】図中の１は、ｎ型のＧａＡｓ基板である。
この基板１上には、ｎ型のＧａ_0.55Ａｌ_0.45Ａｓ第１ク
ラッド層２，多重量子井戸活性層３及びｐ型のＧａ_0.55
Ａｌ_0.45Ａｓ第２クラッド層４が形成されている。前記
活性層３は、ＧａＡｓ量子井戸幅Ｗ₁（＝３nm）とＡｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子バリア幅Ｗ₂（＝５nm）を交互に
積層した７重量子井戸構造をなしている。なお、図４
（Ｂ）中のトータル幅Ｗは、５１nmである。前記第２ク
ラッド層４上には、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層５、ｐ
型のＧａ_0.55Ａｌ_0.45Ａｓ第３クラッド層６及びｐ型の
ＧａＡｓキャップ層７が形成されている。ここで、水平
横方向のモード制御は、図中の実効ストライプ幅Ｌ₁と
前記電流ブロック層５の間隙５ａと前記第２クラッド層
４の厚さで行なっている。こうした構造の半導体レーザ
においては、共振器長３００μｍで最大出力４０ｍＶま
で基本モード発振が得られ、発振波長は７８０nmであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の半導
体レーザによれば、量子井戸幅を狭くすることにより、
短波長発振が得られる。しかし、キャリアの閉じ込めが
低くなり、電子がｐ側クラッド層を通してリークする量
が温度上昇に伴なって増大する。具体的には、温度特性
係数が１１８Ｋと通常の１０nmの量子井戸素子の２００
Ｋ以上に比べ小さくなっている。温度特性係数が小さい
と、出力増大に伴なう発熱により出力が著しく低下す
る。

【０００６】本発明は上記事情を鑑みてなされたもの
で、量子井戸幅が５nm以下のキャリアエネルギー準位を
高め、短波長レーザの高出力安定動作を実現しえる高出
力半導体レーザ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】この発明は、各量子井戸
幅が５nm以下の多重量子井戸活性層を光出力導波路層で
挟んでなる高出力半導体レーザにおいて、前記光出力導
波路層とクラッド層との間に少なくとも前記クラッド層
のバンドギャップよりも１００ｍｅＶ以上３００ｍｅＶ
以下の大きなバンドギャップをもつ半導体層を光出力導
波路層厚よりも薄く導入したことを特徴とする。

【０００８】即ち、本発明は、基板と、この基板上に形
成された第１クラッド層と、この第１クラッド層上に形
成された第１光出力導波路層と、この導波路層上に形成
され，各量子井戸幅が５ｎｍ以下の多重量子井戸活性層
と、この活性上に形成された第２光出力導波路層と、こ
の導波路層上に形成され，中央部にメサ部を有する第２
クラッド層と、前記第２クラッド層上に形成され，第２
クラッド層のメサ部を該メサ部の長手方向に沿って挟み
こむ電流ブロック層と、前記第１光出力導波路層と第１
クラッド層間，及び前記第２光出力導波路層と第２クラ
ッド層間に夫々形成され，前記各クラッド層のバンドギ
ャップよりも１００ｍｅＶ〜３００ｍｅＶ大きなバンド
ギャップをもち前記光出力導波路層よりも薄い第１・第
２半導体層とを具備することを特徴とする高出力半導体
レーザである。

【０００９】

【作用】量子井戸幅が５nm以下の場合、注入キャリアの
エネルギー準位が量子井戸のバンド端より１００〜１５
０ｍｅＶ高い。高出力動作では、注入キャリア密度の活
性層への増大に伴ない、電子は移動度が大きいため、活
性領域よりｐ側クラッド領域にあふれ出て、効率を低下
させる（キャリアのオーバーフロー効果）。

【００１０】そこで、クラッド層と光出力導波路層との
間にクラッド層のバンドギャップよりも１００meＶ以上
３００meＶ以下の大きなバンドギャップをもつ半導体層
（バリア層）を設ける。バンドギャップの広い前記半導
体層を光出力導波路層への光の閉じ込めを増加させ、光
出力を低下させる。また、バリア層を設けることによ
り、素子抵抗を増大させることを抑制するためにバンド
ギャップ及び層厚を限定している。

【００１１】一方、キャリアとしてのホールは、有効質
量が電子に比べて著しく大きいためにその移動度が１／
10以下で、活性層へのホールへの注入効率はこのバリア
により抑制されやすい。このホールを活性層に効率良く
注入させるために、ｐ側のバリア層はｎ側に比べ厚く、
ｐ型に不純物をドーピングして、この層から活性層へ注
入させている。

【００１２】更に、量子井戸構造において、量子バリア
層のみｐ型にドーピングを行なうことにより、井戸層内
に過剰な正孔を存在させ、小さな注入電子密度で効率よ
く再結合させ、微分利得を増大させ、高効率，高出力動
作を可能にする。この領域をｎ型にドーピングすると、
自由電子濃度が増加し、移動度の大きな電子は発生した
光と相互作用を生じ、導波路内の損失を増加させる。従
って、量子バリア内はｐ型にドーピングする必要があ
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１を参照して説
明する。

【００１４】図中の11は、ｎ型のＧａＡｓ基板（Ｓｉド
ープ，不純物濃度２×１０¹⁸cm^-3）である。この基板11
上には、厚み２μｍのｎ型のＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１
クラッド層（Ｓｅドープ，不純物濃度１×１０¹⁷cm^-3）
12，厚み１０nmのＡｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ第１バリア層1
3、厚み５０nmのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ第１光出力導波
路層14、多重量子井戸活性層15、厚み５０nmのＡｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ａｓ第２光出力導波路層16、厚み２０nmのｐ型
のＡｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ第２バリア層（Ｚｎドープ，不
純物濃度７×１０¹⁷cm^-3）17、厚み１．５μｍのメサ状
のｐ型のＡｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第２クラッド層18及び厚
み０．５μｍのｐ⁺ 型のＧａＡｓキャップ層（Ｚｎドー
プ，不純物濃度５×１０¹⁸cm^-3）19が形成されている。
ここで、前記多重量子井戸活性層15はＧａＡｓ量子井戸
幅３nm，Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ量子バリア幅５nmの二重
量子井戸構造になっている。

【００１５】また、前記第１バリア層13，第２バリア層
17のバンドギャップは、第１クラッド層12や第２クラッ
ド層18のバンドギャップより２００〜３００meＶ大き
い。前記第２クラッド層18のメサ部18ａ及びキャップ層
19は、ｎ型のＧａＡｓ電流ブロック層（Ｓｅドープ，２
×１０¹⁸cm^-3）20によってメサ部18ａの長手方向に埋め
込まれている構成になっている。前記キャップ層19及び
電流ブロック層20上にはｐ側電極21が形成され、前記基
板11の裏面にはｎ側電極22が形成されている。

【００１６】こうした構成の高出力半導体レーザにおい
て、ｐ側電極21より注入されたキャリアは、電流ブロッ
ク層20により第２クラッド層18のメサ部18ａに電流狭窄
されて、多重量子井戸活性層15に注入される。注入され
たキャリアは量子井戸内で再結合し、その際発生した自
然放出光が導波路内を導波する際に、この光に誘導さ
れ、キャリアの再結合を誘起し、光増幅される。そし
て、端面で帰還をくり返し、位相が一致し、光導波路内
の吸収損失よりも大きくなった時にレーザ発振が生じ
る。

【００１７】量子井戸幅が５nm以下の場合には、量子サ
イズ効果によりエネルギーバンド端よりも１００〜１５
０meＶエネルギー準位の高いレベルでの再結合が生じる
ため、図２に示す様に光出力導波路とクラッド層との間
に前記第１・第２バリア層を設け、活性領域内のキャリ
アの閉じ込めを安定にしている。

【００１８】また、前記第２クラッド層18のストライプ
部分18ａのバンドダイヤグラムは、図２に示すように光
出力導波路層とバリア層との間の障壁は４５０ｍｅＶと
高くしてあるために、量子井戸領域からあふれた電子が
第２クラッド層18へリークすることを抑制している。第
２バリア層17は、ドーピングすることにより、有効質量
が電子に比べ著しく大きく、移動度が小さいホールが量
子井戸内に効率よく注入される。上記した高出力半導体
レーザによれば、以下に列挙する効果を有する。

【００１９】（１）一般に、量子井戸幅を５nm以下にす
ると、エネルギー準位がバンド端より１００〜１５０me
Ｖ上昇するために、高出力半導体レーザでは、温度特性
が悪く、高出力の不安定が問題であった。しかし、上記
実施例の高出力半導体レーザでは、第１クラッド層12と
第１光出力導波路層14間、及び第２クラッド層18と第２
光出力導波路層16間に夫々第１バリア層13，第２バリア
層17を設けるため、電子の第２クラッド層18へのリーク
及びホールの第１クラッド層12へのリークを抑制でき
る。

【００２０】図３は、上記実施例に係る高出力半導体レ
ーザの温度特性係数の共振器長依存性の結果を示す。従
来の０．７８μｍの短波長のレーザでは共振器長４００
μｍで雰囲気温度５０℃以下（Ｔ_OL）の温度特性係数が
１２０Ｋで、雰囲気温度５０℃以上（Ｔ_OL）では８０Ｋ
と小さい値であったのに対し、上記実施例では１５０Ｋ
（５０℃以下），１２０Ｋ（５０℃を越えた場合）と、
３０〜４０Ｋ大きな値が得られ、第１バリア層13，第２
バリア層17によって第２クラッド層18への電子のリーク
抑制効果が確認できた。

【００２１】（２）前記第２バリア層17をｐ型にドーピ
ングすることにより、有効質量が電子に比べ著しく大き
く、移動度の小さいホールを効率よく活性層15へ注入で
き、高効率，高出力の半導体レーザを実現できる。

【００２２】（３）量子井戸数を多重化した場合には、
ホールを第２クラッド層18から活性層15に効率的に注入
することが困難となるが、第２バリア層17をドーピング
することにより過剰なアクセプタが量子井戸内に生じ、
少量の電子注入密度に対して利得の変化が大きくなると
共に、自由キャリアによる光吸収損失は有効質量の大き
なアクセプタでは低く抑えられることによっても、高効
率，高出力の半導体レーザとなる。

【００２３】（４）第１バリア層13は１０nmと薄いが、
活性層15へ電子が注入される際に、このバリア障壁を越
えるために、電子のエネルギー上昇が必要であり、結果
として素子抵抗が上昇し、しきい値電流がこの活性層15
の存在により１割程度上昇する。

【００２４】（５）Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ量子バリア層
５nm成長時、最初及び最後のＡｌＧａＡｓ２原子層を除
き、１×１０¹⁸cm^-3の濃度で、炭素又はベリリウム（Ｂ
ｅ）をｐ型にドーピングして、量子井戸内に過剰なホー
ルを形成する。この過剰なホールに対して、注入された
電子と効率的に再結合を生じ、素子効率を上昇させるこ
とができる。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、バリ
ア層により第２クラッド層への電子のリーク抑制効果が
得られるとともに、素子抵抗を上昇させてしきい値電流
を上昇でき、更に素子効率の上昇、高効率・高出力化
等、種々の効果が得られる高出力安定動作を実現した高
出力半導体レーザを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る高出力半導体レーザの
断面図。

【図２】図１の高出力半導体レーザの第２クラッド層の
メサ部分のバンドダイヤグラム図。

【図３】図１の高出力半導体レーザにおける特性温度と
共振器長との関係を示す特性図。

【図４】従来の高出力半導体レーザの説明図であり、図
４（Ａ）は断面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＸ部の詳
細な図。

【符号の説明】

11…ＧａＡｓ基板、 12…第１クラッド層、 1
3，17…バリア層、14，16…光出力導波路層、15…活性
層、 18…第２クラッド層、18ａ…メサ部、
19…キャップ層、 20…電流ブロック
層、21…ｐ側電極、 22…ｎ側電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、この基板上に形成された第１ク
ラッド層と、この第１クラッド層上に形成された第１光
出力導波路層と、この導波路層上に形成され，各量子井
戸幅が５ｎｍ以下の多重量子井戸活性層と、この活性上
に形成された第２光出力導波路層と、この導波路層上に
形成され，中央部にメサ部を有する第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に形成され，第２クラッド層のメ
サ部を該メサ部の長手方向に沿って挟みこむ電流ブロッ
ク層と、前記第１光出力導波路層と第１クラッド層間，
及び前記第２光出力導波路層と第２クラッド層間に夫々
形成され，前記各クラッド層のバンドギャップよりも１
００ｍｅＶ〜３００ｍｅＶ大きなバンドギャップをもち
前記光出力導波路層よりも薄い第１・第２半導体層とを
具備することを特徴とする高出力半導体レーザ。