JPH08307005A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH08307005A JPH08307005A JP11153095A JP11153095A JPH08307005A JP H08307005 A JPH08307005 A JP H08307005A JP 11153095 A JP11153095 A JP 11153095A JP 11153095 A JP11153095 A JP 11153095A JP H08307005 A JPH08307005 A JP H08307005A
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- Japan
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- quantum well
- layer
- semiconductor laser
- laser device
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、半導体レーザの閾値電流や
動作電流を低減させ、温度特性を従来よりも格段に向上
させるとともに、高温動作と高出力動作を同時に達成
し、レーザ素子の信頼性を改善してこれまでより高出力
特性の必要な応用に対応することにある。 【構成】 素子断面のリッジストライプ導波路構造３，
５，６，７をGaAs基板１上にAlGaInP材料を用いて作製
する。活性層構造は、窒素を含有して圧縮歪１.８％を
有する量子井戸層と窒素を含有して引張歪０.５％を有
する量子障壁層からなる歪を補償した多重量子井戸構造
１３とする。 【効果】 本発明では、従来達成困難であった７０℃に
おける長期安定動作を達成した。これにより、動作温度
７０℃において７０ｍＷ光出力動作時に５０００時間以
上の長期安定動作を得た。
動作電流を低減させ、温度特性を従来よりも格段に向上
させるとともに、高温動作と高出力動作を同時に達成
し、レーザ素子の信頼性を改善してこれまでより高出力
特性の必要な応用に対応することにある。 【構成】 素子断面のリッジストライプ導波路構造３，
５，６，７をGaAs基板１上にAlGaInP材料を用いて作製
する。活性層構造は、窒素を含有して圧縮歪１.８％を
有する量子井戸層と窒素を含有して引張歪０.５％を有
する量子障壁層からなる歪を補償した多重量子井戸構造
１３とする。 【効果】 本発明では、従来達成困難であった７０℃に
おける長期安定動作を達成した。これにより、動作温度
７０℃において７０ｍＷ光出力動作時に５０００時間以
上の長期安定動作を得た。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光情報端末及び光応用
計測や光通信用の光源に適する半導体レーザ素子に関す
る。
計測や光通信用の光源に適する半導体レーザ素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の技術では、例えば短波長AlGaInP
半導体レーザにおける高出力動作に関する内容につい
て、公知例１）アプライド・フィジックス・レタース19
93年、62巻、1173頁（Appl.Phys.Lett.,62(1993)1173）
において述べられている。
半導体レーザにおける高出力動作に関する内容につい
て、公知例１）アプライド・フィジックス・レタース19
93年、62巻、1173頁（Appl.Phys.Lett.,62(1993)1173）
において述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、例
えばAlGaInP半導体材料を用いて半導体レーザの６０ｍ
Ｗまでの高出力動作が温度１００℃まで得られ、５０℃
での光出力３５ｍＷ動作時において１０００時間の安定
動作が示されている。しかしながら、５０℃以上の高温
における５０ｍＷ以上の高出力動作は実現されていな
い。これは、より高温における閾値電流や高出力時の動
作電流がまだ十分低減できておらず、かつ温度特性をさ
らに改善する必要があるためである。
えばAlGaInP半導体材料を用いて半導体レーザの６０ｍ
Ｗまでの高出力動作が温度１００℃まで得られ、５０℃
での光出力３５ｍＷ動作時において１０００時間の安定
動作が示されている。しかしながら、５０℃以上の高温
における５０ｍＷ以上の高出力動作は実現されていな
い。これは、より高温における閾値電流や高出力時の動
作電流がまだ十分低減できておらず、かつ温度特性をさ
らに改善する必要があるためである。
【０００４】本発明の目的は、半導体レーザの閾値電流
や動作電流を低減させ、温度特性を従来よりも格段に向
上させるとともに、高温動作と高出力動作を同時に達成
し、レーザ素子の信頼性を改善してこれまでより高出力
特性の必要な応用に対応する半導体レーザ素子を提供す
ることにある。
や動作電流を低減させ、温度特性を従来よりも格段に向
上させるとともに、高温動作と高出力動作を同時に達成
し、レーザ素子の信頼性を改善してこれまでより高出力
特性の必要な応用に対応する半導体レーザ素子を提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段を以下に説明する。
の手段を以下に説明する。
【０００６】本発明では、より高温まで活性層に注入さ
れたキャリアを閉じ込めるために、活性層のバンド構造
を改善する。従来用いられてきた歪量子井戸構造におい
て、有効質量の小さい電子キャリアを量子井戸層の伝導
帯により高温まで十分閉じ込めて、レーザ発振の光学利
得に寄与するように、伝導帯バンドオフセットを従来よ
り大きくする工夫を行う。半導体材料に対して窒素を構
成元素として導入した場合、格子歪を加えて歪の効果を
引き出せるとともに、窒素を含んだ半導体材料が示す、
禁制帯幅のボーイングが主に伝導帯において生ずること
を活用し、伝導帯バンドオフセットをより大きく増大さ
せる。
れたキャリアを閉じ込めるために、活性層のバンド構造
を改善する。従来用いられてきた歪量子井戸構造におい
て、有効質量の小さい電子キャリアを量子井戸層の伝導
帯により高温まで十分閉じ込めて、レーザ発振の光学利
得に寄与するように、伝導帯バンドオフセットを従来よ
り大きくする工夫を行う。半導体材料に対して窒素を構
成元素として導入した場合、格子歪を加えて歪の効果を
引き出せるとともに、窒素を含んだ半導体材料が示す、
禁制帯幅のボーイングが主に伝導帯において生ずること
を活用し、伝導帯バンドオフセットをより大きく増大さ
せる。
【０００７】
【作用】目的を達成するため、本発明では単一または多
重量子井戸構造活性層において、少なくとも量子井戸層
に窒素を構成元素として導入する。Ｖ族元素がAs系やP
系からなるIII-Ｖ族半導体材料に対して、窒素を構成要
素として導入すると、禁制帯幅の窒素組成に対するボー
イングが大きく生ずる。このため、比較的小さい窒素組
成により禁制帯幅が縮まる。このとき、禁制帯幅の縮小
は主に伝導帯側で生じるので、窒素を含有しないヘテロ
障壁材料に対して伝導帯オフセットが大きくとれるよう
になる。図１には、従来の多重量子井戸構造の伝導帯と
価電子帯のバンドオフセットに関する概略図を示す。量
子井戸層と量子障壁層の禁制帯幅の差ΔＥg＝Ｅg(B)−
Ｅg(W)は、伝導帯オフセットΔＥc(1)と価電子帯オフセ
ットΔＥv(1)に分配される。例えば、AlGaInP半導体材
料において、伝導帯のバンドオフセット比ΔＥc(1)/Δ
Ｅgは、歪による効果を考慮しても、０.５から０.７の
範囲である。一方、図２には、窒素を含む量子井戸層を
有した多重量子井戸構造の伝導帯と価電子帯のバンドオ
フセットに関する概略図を示す。AlGaInP半導体材料に
おいて、窒素を含有した量子井戸層では伝導帯のバンド
オフセット比ΔＥc(2)/ΔＥgが少なくとも０.７以上に
でき、０.７から０.９の範囲に設定可能である。このよ
うに、窒素を含有した量子井戸層では、その禁制帯幅Ｅ
g(W)は小さくなるが、伝導帯バンドオフセットを従来よ
り大きくできるので、有効質量の小さい電子キャリアに
対して閉じ込めが格段に向上し、高キャリア注入時にお
ける光学利得の飽和が抑制されることになる。これによ
り、素子特性では、低閾値電流や高出力動作及び高出力
時における高効率動作が達成される。また、高温時にお
けるキャリア閉じ込めも改善されるので、高温時の閾値
電流や動作電流が低減でき、高温動作や高温時の高出力
動作の向上が期待できる。これらの結果、高温時の動作
電流を格段に低減できることになるので、素子の信頼性
に対して明らかに従来より改善させ、これまでよりも高
出力特性の必要な応用に対応させることが可能であっ
た。
重量子井戸構造活性層において、少なくとも量子井戸層
に窒素を構成元素として導入する。Ｖ族元素がAs系やP
系からなるIII-Ｖ族半導体材料に対して、窒素を構成要
素として導入すると、禁制帯幅の窒素組成に対するボー
イングが大きく生ずる。このため、比較的小さい窒素組
成により禁制帯幅が縮まる。このとき、禁制帯幅の縮小
は主に伝導帯側で生じるので、窒素を含有しないヘテロ
障壁材料に対して伝導帯オフセットが大きくとれるよう
になる。図１には、従来の多重量子井戸構造の伝導帯と
価電子帯のバンドオフセットに関する概略図を示す。量
子井戸層と量子障壁層の禁制帯幅の差ΔＥg＝Ｅg(B)−
Ｅg(W)は、伝導帯オフセットΔＥc(1)と価電子帯オフセ
ットΔＥv(1)に分配される。例えば、AlGaInP半導体材
料において、伝導帯のバンドオフセット比ΔＥc(1)/Δ
Ｅgは、歪による効果を考慮しても、０.５から０.７の
範囲である。一方、図２には、窒素を含む量子井戸層を
有した多重量子井戸構造の伝導帯と価電子帯のバンドオ
フセットに関する概略図を示す。AlGaInP半導体材料に
おいて、窒素を含有した量子井戸層では伝導帯のバンド
オフセット比ΔＥc(2)/ΔＥgが少なくとも０.７以上に
でき、０.７から０.９の範囲に設定可能である。このよ
うに、窒素を含有した量子井戸層では、その禁制帯幅Ｅ
g(W)は小さくなるが、伝導帯バンドオフセットを従来よ
り大きくできるので、有効質量の小さい電子キャリアに
対して閉じ込めが格段に向上し、高キャリア注入時にお
ける光学利得の飽和が抑制されることになる。これによ
り、素子特性では、低閾値電流や高出力動作及び高出力
時における高効率動作が達成される。また、高温時にお
けるキャリア閉じ込めも改善されるので、高温時の閾値
電流や動作電流が低減でき、高温動作や高温時の高出力
動作の向上が期待できる。これらの結果、高温時の動作
電流を格段に低減できることになるので、素子の信頼性
に対して明らかに従来より改善させ、これまでよりも高
出力特性の必要な応用に対応させることが可能であっ
た。
【０００８】窒素を導入することによる禁制帯幅の縮小
に起因して、レーザ素子の発振波長が長波長化すること
に対しては、量子井戸層の膜厚を薄くして量子サイズ効
果を利用するか、或いは混晶材料におけるIII族元素の
組成または格子歪の効果により、補正させることができ
る。このため、発振波長の制御は、窒素を含む量子井戸
構造の設計により実現できる。
に起因して、レーザ素子の発振波長が長波長化すること
に対しては、量子井戸層の膜厚を薄くして量子サイズ効
果を利用するか、或いは混晶材料におけるIII族元素の
組成または格子歪の効果により、補正させることができ
る。このため、発振波長の制御は、窒素を含む量子井戸
構造の設計により実現できる。
【０００９】さらに、端面破壊を抑制することにより、
光出力の制限を改善して高出力動作を向上させる。Fabr
y-Perot共振器における端面近傍では、表面準位の形成
と相対的に高い光密度のために、禁制帯幅が内部よりも
小さくなるので、光吸収を受けやすいという性質を持
つ。これにもとづく端面破壊が光出力レベルを制限する
ので、端面近傍において光吸収を受けない導波路構造を
選択成長により作製する。選択成長では、共振器内部に
おいて絶縁膜マスクのパターン幅を狭くしておき、端面
近傍ではマスクパターン幅を広く設定しておく。こうし
ておくことにより、活性層を量子井戸構造とした場合、
共振器内部では成長速度が速くなるので、膜厚の厚い量
子井戸層が形成でき、量子サイズ効果による短波長化は
小さいのに対して、他方端面近傍では成長速度が遅いた
め相対的に膜厚の薄い量子井戸層が形成されるので、量
子サイズ効果による短波長化が大きく設定できる。さら
にこの他に、マスク幅や窒素原料を適切に選択すること
により、共振器方向の領域において窒素の組成を変化さ
せた導波路構造を作製できる。狭いマスクパターン幅の
共振器内部では、窒素原料のマイグレーションを利用し
て、広いマスクパターン幅の端面近傍部よりも量子井戸
層に窒素を多く取り込ませることが可能となる。これら
の結果、共振器内部では膜厚の厚い量子井戸層により多
くの窒素組成を取り込むことになるので、端面近傍にお
ける量子井戸層に比較してボーイングにより禁制帯幅が
効果的に小さくなる。共振器内部の導波路構造において
レーザ発振させるように利得を与えると、禁制帯幅が相
対的に大きい端面近傍は導波されたレーザ光に透明な導
波領域として働く。端面近傍において光吸収を受けない
ように、共振器内部との禁制帯幅の差を有効に設定すれ
ば、端面近傍での高い光密度や熱による禁制帯幅の縮小
を極端に小さくし、端面破壊による光出力の制限をなく
すことが可能である。本発明では、従来の端面破壊レベ
ルの光出力から熱飽和にいたるまでの高い光出力動作レ
ベルへと改善させることができた。
光出力の制限を改善して高出力動作を向上させる。Fabr
y-Perot共振器における端面近傍では、表面準位の形成
と相対的に高い光密度のために、禁制帯幅が内部よりも
小さくなるので、光吸収を受けやすいという性質を持
つ。これにもとづく端面破壊が光出力レベルを制限する
ので、端面近傍において光吸収を受けない導波路構造を
選択成長により作製する。選択成長では、共振器内部に
おいて絶縁膜マスクのパターン幅を狭くしておき、端面
近傍ではマスクパターン幅を広く設定しておく。こうし
ておくことにより、活性層を量子井戸構造とした場合、
共振器内部では成長速度が速くなるので、膜厚の厚い量
子井戸層が形成でき、量子サイズ効果による短波長化は
小さいのに対して、他方端面近傍では成長速度が遅いた
め相対的に膜厚の薄い量子井戸層が形成されるので、量
子サイズ効果による短波長化が大きく設定できる。さら
にこの他に、マスク幅や窒素原料を適切に選択すること
により、共振器方向の領域において窒素の組成を変化さ
せた導波路構造を作製できる。狭いマスクパターン幅の
共振器内部では、窒素原料のマイグレーションを利用し
て、広いマスクパターン幅の端面近傍部よりも量子井戸
層に窒素を多く取り込ませることが可能となる。これら
の結果、共振器内部では膜厚の厚い量子井戸層により多
くの窒素組成を取り込むことになるので、端面近傍にお
ける量子井戸層に比較してボーイングにより禁制帯幅が
効果的に小さくなる。共振器内部の導波路構造において
レーザ発振させるように利得を与えると、禁制帯幅が相
対的に大きい端面近傍は導波されたレーザ光に透明な導
波領域として働く。端面近傍において光吸収を受けない
ように、共振器内部との禁制帯幅の差を有効に設定すれ
ば、端面近傍での高い光密度や熱による禁制帯幅の縮小
を極端に小さくし、端面破壊による光出力の制限をなく
すことが可能である。本発明では、従来の端面破壊レベ
ルの光出力から熱飽和にいたるまでの高い光出力動作レ
ベルへと改善させることができた。
【００１０】
（実施例１）本発明の一実施例を図３により説明する。
まず、(001)面を有するｎ型GaAs基板１を用いて、その
上にｎ型GaAsバッファ層２，ｎ型AlGaInP光導波層３，
膜厚7nmで歪量1.5%のアンドープGaInPN圧縮歪量子井戸
層３層と，膜厚4nmのアンドープAlGaInP無歪量子障壁層
２層及び量子井戸層両側に膜厚10nmとしたアンドープ無
歪AlGaInP光分離閉じ込め層とで構成される多重量子井
戸活性層４，ｐ型AlGaInP光導波層５，ｐ型AlGaInPエッ
チストップ層６，ｐ型AlGaInP光導波層７，ｐ型GaInP層
８を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長し
た。この後、ホトリソグラフィーによりSiO2マスクを形
成し、ケミカルエッチングにより層６に至るまで層８と
層７をエッチング除去してリッジストライプを形成す
る。次に、SiO2マスクを残したまま、ｎ型GaAs電流狭窄
兼光吸収層９を選択成長する。さらに、ｐ型GaAsコンタ
クト層１０を埋め込み成長した後、ｐ電極１１及びｎ電
極１２を蒸着する。さらに、劈開スクライブして素子の
形に切り出して、図３の断面構造を有する素子を得る。
まず、(001)面を有するｎ型GaAs基板１を用いて、その
上にｎ型GaAsバッファ層２，ｎ型AlGaInP光導波層３，
膜厚7nmで歪量1.5%のアンドープGaInPN圧縮歪量子井戸
層３層と，膜厚4nmのアンドープAlGaInP無歪量子障壁層
２層及び量子井戸層両側に膜厚10nmとしたアンドープ無
歪AlGaInP光分離閉じ込め層とで構成される多重量子井
戸活性層４，ｐ型AlGaInP光導波層５，ｐ型AlGaInPエッ
チストップ層６，ｐ型AlGaInP光導波層７，ｐ型GaInP層
８を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長し
た。この後、ホトリソグラフィーによりSiO2マスクを形
成し、ケミカルエッチングにより層６に至るまで層８と
層７をエッチング除去してリッジストライプを形成す
る。次に、SiO2マスクを残したまま、ｎ型GaAs電流狭窄
兼光吸収層９を選択成長する。さらに、ｐ型GaAsコンタ
クト層１０を埋め込み成長した後、ｐ電極１１及びｎ電
極１２を蒸着する。さらに、劈開スクライブして素子の
形に切り出して、図３の断面構造を有する素子を得る。
【００１１】本実施例において、窒素を含有した量子井
戸層では伝導帯バンドオフセット比を従来の０.５〜０.
６から０.８〜０.９にまで増大し、低閾値電流や低動作
電流の向上を図り、高温動作と高出力動作を改善させる
ことができた。発振波長６７０〜６９０ｎｍにおいて２
５℃の閾値電流が３０〜４０ｍＡであり、最高光出力１
５０ｍＷを得た。温度７０℃までの特性温度は１６０〜
１８０Ｋであり、最高レーザ発振温度は１４０〜１５０
℃が得られた。温度７０℃の閾値電流は４３〜５３ｍＡ
であり、５０ｍＷ光出力時における動作電流は１０５〜
１１５ｍＡと従来よりも２０〜３０ｍＡ低減することが
できた。これにより、動作温度７０℃において５０ｍＷ
光出力動作時に５０００時間以上の長期安定動作が達成
できた。
戸層では伝導帯バンドオフセット比を従来の０.５〜０.
６から０.８〜０.９にまで増大し、低閾値電流や低動作
電流の向上を図り、高温動作と高出力動作を改善させる
ことができた。発振波長６７０〜６９０ｎｍにおいて２
５℃の閾値電流が３０〜４０ｍＡであり、最高光出力１
５０ｍＷを得た。温度７０℃までの特性温度は１６０〜
１８０Ｋであり、最高レーザ発振温度は１４０〜１５０
℃が得られた。温度７０℃の閾値電流は４３〜５３ｍＡ
であり、５０ｍＷ光出力時における動作電流は１０５〜
１１５ｍＡと従来よりも２０〜３０ｍＡ低減することが
できた。これにより、動作温度７０℃において５０ｍＷ
光出力動作時に５０００時間以上の長期安定動作が達成
できた。
【００１２】（実施例２）本発明の他実施例を図４によ
り説明する。活性層構造以外を実施例１と同様にして作
製する。活性層構造は、膜厚7nmで歪量1.8%のアンドー
プGaInPN圧縮歪量子井戸層３層と、膜厚4nmの歪量0.5%
のアンドープAlGaInPN引張歪量子障壁層２層及び量子井
戸層両側に膜厚10nmとしたアンドープ無歪AlGaInP光分
離閉じ込め層とから構成される多重量子井戸構造とす
る。
り説明する。活性層構造以外を実施例１と同様にして作
製する。活性層構造は、膜厚7nmで歪量1.8%のアンドー
プGaInPN圧縮歪量子井戸層３層と、膜厚4nmの歪量0.5%
のアンドープAlGaInPN引張歪量子障壁層２層及び量子井
戸層両側に膜厚10nmとしたアンドープ無歪AlGaInP光分
離閉じ込め層とから構成される多重量子井戸構造とす
る。
【００１３】本実施例では、実施例１と同様に量子井戸
層の伝導帯バンドオフセット比を改善した効果の上に、
歪補償の量子井戸構造にもとづいて量子井戸層により多
く導入した歪量の効果を加えることが可能であるため、
実施例１に比べて低閾値電流や低動作電流を図り、高温
動作及び高出力動作を向上させることができた。発振波
長６７０〜６９０ｎｍの素子において、２５℃の閾値電
流が２０〜３０ｍＡであり、最高光出力２００ｍＷを得
た。温度７０℃までの特性温度は１８０〜２００Ｋであ
り、最高レーザ発振温度は１７０〜１８０℃が得られ
た。温度７０℃の閾値電流は３３〜４３ｍＡであり、７
０ｍＷ光出力時における動作電流は１２０〜１３０ｍＡ
と従来よりも３０〜４０ｍＡ低減することができた。こ
れにより、動作温度７０℃において７０ｍＷ光出力動作
時に５０００時間以上の長期安定動作が達成できた。
層の伝導帯バンドオフセット比を改善した効果の上に、
歪補償の量子井戸構造にもとづいて量子井戸層により多
く導入した歪量の効果を加えることが可能であるため、
実施例１に比べて低閾値電流や低動作電流を図り、高温
動作及び高出力動作を向上させることができた。発振波
長６７０〜６９０ｎｍの素子において、２５℃の閾値電
流が２０〜３０ｍＡであり、最高光出力２００ｍＷを得
た。温度７０℃までの特性温度は１８０〜２００Ｋであ
り、最高レーザ発振温度は１７０〜１８０℃が得られ
た。温度７０℃の閾値電流は３３〜４３ｍＡであり、７
０ｍＷ光出力時における動作電流は１２０〜１３０ｍＡ
と従来よりも３０〜４０ｍＡ低減することができた。こ
れにより、動作温度７０℃において７０ｍＷ光出力動作
時に５０００時間以上の長期安定動作が達成できた。
【００１４】（実施例３）本発明の他実施例を図５
（ａ），(ｂ）により説明する。実施例２と同様にして
素子を作製するが、層３まで結晶成長した後、選択成長
するための絶縁膜マスク１４のパターンを形成し、選択
成長によってアンドープAlGaInP光導波層１５，共振器
内部において実施例２と同構造となる窒素を含有したAl
GaInPN歪補償多重量子井戸構造１６，ｐ型AlGaInP光導
波層１７，ｐ型AlGaInPエッチストップ層１８，ｐ型AlG
aInP光導波層１９，ｐ型GaInP層２０を結晶成長する。
その後、実施例１や２と同様にして、素子を作製する。
本実施例における素子の共振器内部では、量子井戸層の
膜厚が7nmであるのに対し、端面近傍ではその膜厚が4nm
になり、かつ窒素組成は共振器内部の方が少なくとも
０.０２多く取り込まれ、それ以上はマスクパターン幅
に依存して制御できた。その結果、端面近傍領域の実効
的な禁制帯幅を共振器内部よりも少なくとも６０ｍｅＶ
より大きく設定することができた。
（ａ），(ｂ）により説明する。実施例２と同様にして
素子を作製するが、層３まで結晶成長した後、選択成長
するための絶縁膜マスク１４のパターンを形成し、選択
成長によってアンドープAlGaInP光導波層１５，共振器
内部において実施例２と同構造となる窒素を含有したAl
GaInPN歪補償多重量子井戸構造１６，ｐ型AlGaInP光導
波層１７，ｐ型AlGaInPエッチストップ層１８，ｐ型AlG
aInP光導波層１９，ｐ型GaInP層２０を結晶成長する。
その後、実施例１や２と同様にして、素子を作製する。
本実施例における素子の共振器内部では、量子井戸層の
膜厚が7nmであるのに対し、端面近傍ではその膜厚が4nm
になり、かつ窒素組成は共振器内部の方が少なくとも
０.０２多く取り込まれ、それ以上はマスクパターン幅
に依存して制御できた。その結果、端面近傍領域の実効
的な禁制帯幅を共振器内部よりも少なくとも６０ｍｅＶ
より大きく設定することができた。
【００１５】本実施例では、閾値電流や動作電流に関し
ては実施例２とほぼ同様な特性を得た。高出力特性にお
いては、本素子の端面透明領域の効果によって、最高光
出力が端面破壊による光出力の制限を受けず、熱飽和レ
ベルとして最大３００ｍＷを得た。温度７０℃までの特
性温度は１８０〜２００Ｋであり、最高レーザ発振温度
は１７０〜１８０℃が得られた。温度７０℃の閾値電流
は３３〜４３ｍＡであり、１００ｍＷ光出力時における
動作電流は１５５〜１６５ｍＡと従来よりも３０〜４０
ｍＡ低減することができた。これにより、動作温度７０
℃において１００ｍＷ光出力動作時に５０００時間以上
の長期安定動作が達成できた。
ては実施例２とほぼ同様な特性を得た。高出力特性にお
いては、本素子の端面透明領域の効果によって、最高光
出力が端面破壊による光出力の制限を受けず、熱飽和レ
ベルとして最大３００ｍＷを得た。温度７０℃までの特
性温度は１８０〜２００Ｋであり、最高レーザ発振温度
は１７０〜１８０℃が得られた。温度７０℃の閾値電流
は３３〜４３ｍＡであり、１００ｍＷ光出力時における
動作電流は１５５〜１６５ｍＡと従来よりも３０〜４０
ｍＡ低減することができた。これにより、動作温度７０
℃において１００ｍＷ光出力動作時に５０００時間以上
の長期安定動作が達成できた。
【００１６】（実施例４）本発明の他実施例を説明す
る。(001)面から１５.８°傾いた(511)面を有するｎ型G
aAs基板を用いて、活性層構造以外を実施例２と同様に
して作製する。活性層構造は、膜厚8nmで歪量1.0%のア
ンドープGaInPN引張歪量子井戸層３層と、膜厚4nmの歪
量0.5%のアンドープAlGaInPN圧縮歪量子障壁層２層及び
量子井戸層両側に膜厚10nmとしたアンドープ無歪AlGaIn
P光分離閉じ込め層とから構成される多重量子井戸構造
とする。
る。(001)面から１５.８°傾いた(511)面を有するｎ型G
aAs基板を用いて、活性層構造以外を実施例２と同様に
して作製する。活性層構造は、膜厚8nmで歪量1.0%のア
ンドープGaInPN引張歪量子井戸層３層と、膜厚4nmの歪
量0.5%のアンドープAlGaInPN圧縮歪量子障壁層２層及び
量子井戸層両側に膜厚10nmとしたアンドープ無歪AlGaIn
P光分離閉じ込め層とから構成される多重量子井戸構造
とする。
【００１７】本実施例では、発振波長６３０〜６５０ｎ
ｍの素子において、２５℃の閾値電流が３０〜４０ｍＡ
であり、最高光出力１００ｍＷを得た。温度７０℃まで
の特性温度は１３０〜１５０Ｋであり、最高レーザ発振
温度は１２０〜１３０℃が得られた。温度７０℃の閾値
電流は４３〜５３ｍＡであり、４０ｍＷ光出力時におけ
る動作電流は１００〜１１０ｍＡと従来よりも３０〜４
０ｍＡ低減することができた。これにより、動作温度７
０℃において４０ｍＷ光出力動作時に５０００時間以上
の長期安定動作が達成できた。
ｍの素子において、２５℃の閾値電流が３０〜４０ｍＡ
であり、最高光出力１００ｍＷを得た。温度７０℃まで
の特性温度は１３０〜１５０Ｋであり、最高レーザ発振
温度は１２０〜１３０℃が得られた。温度７０℃の閾値
電流は４３〜５３ｍＡであり、４０ｍＷ光出力時におけ
る動作電流は１００〜１１０ｍＡと従来よりも３０〜４
０ｍＡ低減することができた。これにより、動作温度７
０℃において４０ｍＷ光出力動作時に５０００時間以上
の長期安定動作が達成できた。
【００１８】（実施例５）本発明の他実施例を説明す
る。(001)面から１５.８°傾いた(511)面を有するｎ型G
aAs基板を用いて、活性層構造を実施例４と同様にし
て、さらに選択成長を利用して導波路構造に対しては実
施例３と同様にして作製する。
る。(001)面から１５.８°傾いた(511)面を有するｎ型G
aAs基板を用いて、活性層構造を実施例４と同様にし
て、さらに選択成長を利用して導波路構造に対しては実
施例３と同様にして作製する。
【００１９】本実施例では、閾値電流や動作電流は実施
例２とほぼ同様な特性を得た。高出力特性においては、
本素子の端面透明領域の効果によって、最高光出力が端
面破壊による光出力の制限を受けず、熱飽和レベルとし
て最大２００ｍＷを得た。温度７０℃までの特性温度は
１３０〜１５０Ｋであり、最高レーザ発振温度は１２０
〜１３０℃が得られた。温度７０℃の閾値電流は４３〜
５３ｍＡであり、６０ｍＷ光出力時における動作電流は
１２５〜１３５ｍＡと従来よりも３０〜４０ｍＡ低減す
ることができた。これにより、動作温度７０℃において
６０ｍＷ光出力動作時に５０００時間以上の長期安定動
作が達成できた。
例２とほぼ同様な特性を得た。高出力特性においては、
本素子の端面透明領域の効果によって、最高光出力が端
面破壊による光出力の制限を受けず、熱飽和レベルとし
て最大２００ｍＷを得た。温度７０℃までの特性温度は
１３０〜１５０Ｋであり、最高レーザ発振温度は１２０
〜１３０℃が得られた。温度７０℃の閾値電流は４３〜
５３ｍＡであり、６０ｍＷ光出力時における動作電流は
１２５〜１３５ｍＡと従来よりも３０〜４０ｍＡ低減す
ることができた。これにより、動作温度７０℃において
６０ｍＷ光出力動作時に５０００時間以上の長期安定動
作が達成できた。
【００２０】
【発明の効果】本発明では、窒素を含有させた歪量子井
戸構造活性層を有する半導体レーザを作製し、伝導帯バ
ンドオフセットを大きく改善させることにより、高温動
作時における動作電流を低減し、かつ高温時における高
出力特性を従来に比べて２〜４倍に向上できた。この結
果、素子の信頼性に対しても、従来達成困難であった７
０における長期安定動作を達成した。本発明の素子で
は、AlGaInP材料に窒素を構成元素として導入して、歪
補償量子井戸構造活性層を作製することにより、発振波
長６７０〜６９０ｎｍの素子において、動作温度７０℃
で光出力７０ｍＷの安定動作が５０００時間以上経過し
ても継続して得られた。また、選択成長を利用して端面
近傍をレーザ光に対して透明領域とすることにより、端
面破壊による光出力の制限を避け、動作温度７０℃で光
出力１００ｍＷの安定動作を５０００時間以上継続して
達成した。また、発振波長６３０〜６５０ｎｍの素子に
おいては、動作温度７０℃で光出力４０〜６０ｍＷの安
定動作が５０００時間以上継続して得られた。
戸構造活性層を有する半導体レーザを作製し、伝導帯バ
ンドオフセットを大きく改善させることにより、高温動
作時における動作電流を低減し、かつ高温時における高
出力特性を従来に比べて２〜４倍に向上できた。この結
果、素子の信頼性に対しても、従来達成困難であった７
０における長期安定動作を達成した。本発明の素子で
は、AlGaInP材料に窒素を構成元素として導入して、歪
補償量子井戸構造活性層を作製することにより、発振波
長６７０〜６９０ｎｍの素子において、動作温度７０℃
で光出力７０ｍＷの安定動作が５０００時間以上経過し
ても継続して得られた。また、選択成長を利用して端面
近傍をレーザ光に対して透明領域とすることにより、端
面破壊による光出力の制限を避け、動作温度７０℃で光
出力１００ｍＷの安定動作を５０００時間以上継続して
達成した。また、発振波長６３０〜６５０ｎｍの素子に
おいては、動作温度７０℃で光出力４０〜６０ｍＷの安
定動作が５０００時間以上継続して得られた。
【図１】従来の歪多重量子井戸構造活性層における伝導
帯と価電子帯オフセットを示す概略図。
帯と価電子帯オフセットを示す概略図。
【図２】窒素を含有する歪多重量子井戸構造活性層にお
ける伝導帯と価電子帯オフセットを示す概略図。
ける伝導帯と価電子帯オフセットを示す概略図。
【図３】本発明の一実施例を示す素子構造断面図。
【図４】本発明の他実施例を示す素子構造断面図。
【図５】本発明の他実施例を示す素子構造断面図（ａ）
と絶縁膜マスクパターン図。
と絶縁膜マスクパターン図。
１…ｎ型(001)面GaAs基板、２…ｎ型GaAsバッファ層、
３…ｎ型AlGaInP光導波層、４…窒素を含有した歪多重
量子井戸構造活性層、５…ｐ型AlGaInP光導波層、６…
ｐ型AlGaInPエッチストップ層、７…ｐ型AlGaInP光導波
層、８…ｐ型GaInP層、９…ｎ型GaAs光吸収兼電流狭窄
層、１０…ｐ型GaAsコンタクト層、１１…ｐ電極、１２
…ｎ電極、１３…窒素を含有した歪補償多重量子井戸構
造活性層、１４…絶縁膜マスク、１５…選択成長による
アンドープAlGaInP光導波層、１６…選択成長による窒
素を含有した歪補償多重量子井戸構造活性層、１７…選
択成長によるｐ型AlGaInP光導波層、１８…選択成長に
よるｐ型AlGaInPエッチストップ層、１９…選択成長に
よるｐ型AlGaInP光導波層、２０…選択成長によるｐ型G
aInP層。
３…ｎ型AlGaInP光導波層、４…窒素を含有した歪多重
量子井戸構造活性層、５…ｐ型AlGaInP光導波層、６…
ｐ型AlGaInPエッチストップ層、７…ｐ型AlGaInP光導波
層、８…ｐ型GaInP層、９…ｎ型GaAs光吸収兼電流狭窄
層、１０…ｐ型GaAsコンタクト層、１１…ｐ電極、１２
…ｎ電極、１３…窒素を含有した歪補償多重量子井戸構
造活性層、１４…絶縁膜マスク、１５…選択成長による
アンドープAlGaInP光導波層、１６…選択成長による窒
素を含有した歪補償多重量子井戸構造活性層、１７…選
択成長によるｐ型AlGaInP光導波層、１８…選択成長に
よるｐ型AlGaInPエッチストップ層、１９…選択成長に
よるｐ型AlGaInP光導波層、２０…選択成長によるｐ型G
aInP層。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成７年９月２１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正内容】
【図５】本発明の他実施例を示す素子構造断面図（ａ）
と絶縁膜マスクパタ−ン図（ｂ）。
と絶縁膜マスクパタ−ン図（ｂ）。
Claims (11)
- 【請求項１】基板上に設けた発光活性層と光導波層から
なる半導体レーザ素子において、該発光活性層が窒素を
導入することにより格子歪を導入した直接遷移型の材料
からなっており、該発光活性層が単一または多重量子井
戸構造であるときに少なくとも量子井戸層には窒素を導
入することにより格子歪を有する歪量子井戸層となって
いることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項２】請求項１記載の半導体レーザ素子におい
て、上記発光活性層と光導波層はダブルヘテロ構造を形
成し、該発光活性層に窒素を導入することにより窒素を
導入しない場合よりも該発光活性層の伝導帯オフセット
を大きくし少なくとも価電子帯オフセットよりも増大
し、該発光活性層が単一または多重量子井戸構造である
ときに少なくとも量子井戸層における伝導帯オフセット
を価電子帯オフセットよりも増大し禁制帯幅に対する伝
導帯オフセットを０.６から０.９の範囲に設定すること
を特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項３】請求項１記載の半導体レーザ素子におい
て、該発光活性層を単一量子井戸層と光分離閉じ込め層
を設けた単一量子井戸構造とするか、或は量子井戸層と
量子障壁層を繰り返し設けた多重量子井戸構造であると
きに、該量子井戸層と該量子障壁層は構成元素としてど
ちらか一方にあるいは両方において窒素を含んでおりか
つ該量子井戸層と該量子障壁層両者とも直接遷移型の材
料からなっており、該量子井戸層と該量子障壁層に対し
て互いに反対符号の圧縮または引張歪を導入してあるこ
とにより該単一または多重量子井戸構造全体において格
子歪量が補償されていることを特徴とする半導体レーザ
素子。 - 【請求項４】請求項３記載の半導体レーザ素子におい
て、窒素を導入した該量子井戸層と該量子障壁層に対し
て互いに反対符号の圧縮または引張歪を導入してあり少
なくとも量子井戸層に導入された格子歪量は該単一また
は多重量子井戸構造全体において低減されているが、圧
縮または引張歪のどちらかで該単一または多重量子井戸
構造全体における格子歪量が臨界膜厚を超えない範囲に
おいて残存していることを特徴とする半導体レーザ素
子。 - 【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、少なくとも該発光活性層を含んで
光導波層が結晶成長技術における選択成長を用いて形成
され、導波路構造が該発光活性層禁制帯幅の小さい領域
と禁制帯幅の大きい領域とから構成されていることを特
徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項６】請求項５記載の半導体レーザ素子におい
て、一つの共振器に形成されている導波路構造において
共振器中央部よりが該発光活性層禁制帯幅の小さい領域
により構成されており、共振器端面部近傍が禁制帯幅の
大きい領域から構成されていることを特徴とする半導体
レーザ素子。 - 【請求項７】請求項５記載の半導体レーザ素子におい
て、一つの共振器に形成されている導波路構造において
共振器中央部よりの該発光活性層禁制帯幅が小さい領域
において窒素がより多く取り込まれて構成されており、
共振器端面部近傍での禁制帯幅の大きい領域では窒素が
比較上少なく取り込まれて構成されていることを特徴と
する半導体レーザ素子。 - 【請求項８】請求項１から７のいずれかに記載の半導体
レーザ素子において、半導体基板上に設けた禁制帯幅の
小さい発光活性層と禁制帯幅の大きな光導波層からなる
発光素子を構成しており、光導波層がAlGaInP材料から
なりかつ少なくとも該発光活性層の構成元素として窒素
が導入してあり該発光活性層は直接遷移型のAlGaInNP材
料からなり、該発光活性層が単一または多重量子井戸構
造であるときに少なくとも量子井戸層には窒素を導入す
ることにより格子歪を有する歪量子井戸層となっている
ことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項９】請求項８記載の半導体レーザ素子におい
て、該発光活性層が単一または多重量子井戸構造である
ときに少なくとも量子井戸層には窒素を導入することに
より格子歪を有する歪量子井戸層となっており、量子障
壁層は該歪量子井戸層とは反対符号の格子歪を導入した
AlGaInNP材料からなるにより該単一または多重量子井戸
構造全体において格子歪量が補償されていることを特徴
とする半導体レーザ素子。 - 【請求項１０】請求項８又は９記載の半導体レーザ素子
において、該量子井戸層或いは該量子障壁層には窒素が
III族の構成元素として組成０.０１から０.３までの範
囲で導入してあることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項１１】請求項１から１０のいずれかに記載の半
導体レーザ素子において、該半導体基板に用いる基板面
方位が(001)面から０°から５４.７°の範囲で傾いた面
を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11153095A JPH08307005A (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11153095A JPH08307005A (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08307005A true JPH08307005A (ja) | 1996-11-22 |
Family
ID=14563684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11153095A Pending JPH08307005A (ja) | 1995-05-10 | 1995-05-10 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08307005A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6072196A (en) * | 1996-09-05 | 2000-06-06 | Ricoh Company, Ltd. | semiconductor light emitting devices |
| WO2006106467A1 (en) * | 2005-04-05 | 2006-10-12 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Allngap led having reduced temperature dependence |
| JP2010087083A (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Sony Corp | 半導体レーザの製造方法、半導体レーザ、光ピックアップおよび光ディスク装置 |
-
1995
- 1995-05-10 JP JP11153095A patent/JPH08307005A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6072196A (en) * | 1996-09-05 | 2000-06-06 | Ricoh Company, Ltd. | semiconductor light emitting devices |
| WO2006106467A1 (en) * | 2005-04-05 | 2006-10-12 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Allngap led having reduced temperature dependence |
| US7863631B2 (en) | 2005-04-05 | 2011-01-04 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | A1InGaP LED having reduced temperature dependence |
| JP2010087083A (ja) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Sony Corp | 半導体レーザの製造方法、半導体レーザ、光ピックアップおよび光ディスク装置 |
| US8896002B2 (en) | 2008-09-30 | 2014-11-25 | Sony Corporation | Method for producing semiconductor laser, semiconductor laser, optical pickup, and optical disk drive |
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