JPH0945986A

JPH0945986A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH0945986A
Application number: JP19221195A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujimoto; 毅藤本; Yumi Naito; 由美内藤
Original assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Current assignee: Mitsui Petrochemical Industries Ltd
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1995-07-27
Publication date: 1997-02-14
Anticipated expiration: 2015-07-27
Also published as: JP3658048B2

Abstract

(57)【要約】【目的】活性層へのキャリア閉じ込めを確実にしつ
つ、内部損失および電気抵抗を低く抑えて、高効率で高
出力の半導体レーザ素子を提供する。【構成】半導体基板２０上に、順次、第２ｎ型クラッ
ド層１１、第１ｎ型クラッド層１２、ｎ型キャリアブロ
ック層１３、活性層１０、ｐ型キャリアブロック層１
５、第１ｐ型クラッド層１６、第２ｐ型クラッド層１
７、電流狭窄層１８、ｐ型コンタクト層１９が形成され
る。活性層１０は単一量子井戸を有し、下から順次、無
ドーピングバリア層１４、ｐ型ドーピングバリア層１
５、無ドーピングバリア層１６、量子井戸層１７、無ド
ーピングバリア層１８、ｐ型ドーピングバリア層１９、
無ドーピングバリア層２０がそれぞれ形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通信、レーザプリン
タ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効
率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子の高出力化を目的とし
て、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリ
アブロック層を設けることによって、キャリアブロック
層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を
大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このよ
うな構造において、キャリアブロック層は注入キャリア
を活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するととも
に、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活
性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側
のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため
半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集
中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベ
ルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現でき
る。

【０００３】図５（ａ）はこうした半導体レーザ素子の
一例を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応した
禁制帯幅の分布図、図５（ｃ）は各層に対応した屈折率
の分布図である。図５に示す構造は、周知の分離閉じ込
めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heteros
tructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect
ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。

【０００４】図５（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る
半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−
ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重
量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）
６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成
される。

【０００５】図５（ｂ）に示すように、各キャリアブロ
ック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド
層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成さ
れているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４
に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャ
リア数が増加して、発振効率が向上する。

【０００６】またキャリアブロック層および活性層が十
分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効
的な屈折率分布は図５（ｃ）に示すように、第１ｎ型ク
ラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈
折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッ
ド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成され
ているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広
がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減
少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力
化が可能となる。

【０００７】この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多
重量子井戸）−ＤＣＨ（DecoupledConfinement Heteros
tructure ）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レー
ザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum
electronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596-1600）

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ素子にお
いて高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリア
を活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリ
ア吸収による内部損失の低減が重要である。

【０００９】図６（ａ）は分離閉じ込め構造（ＳＣＨ）
の半導体レーザ素子の禁制帯図であり、図６（ｂ）は完
全分離閉じ込め構造（ＰＳＣＨ）の半導体レーザ素子の
禁制帯図である。ここでは、活性層が１つの量子井戸層
と該層を挟む２つのバリア層で構成されている例を示
す。

【００１０】図６（ａ）の分離閉じ込め構造では、禁制
帯幅が大きく、かつ充分に厚く形成されたクラッド層
が、注入キャリアを活性層内に閉じ込めている。活性層
内のキャリアは熱励起によってクラッド層へオーバーフ
ローしようとするが、クラッド層が厚いため、一定の確
率で活性層内へ逆拡散する。そのため、活性層へのキャ
リア閉じ込めの効率がよい。しかしながら、導波モード
が活性層内に集中するため、高出力動作に伴って端面破
壊が発生し易くなる。

【００１１】図６（ｂ）の完全分離閉じ込め構造では、
注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で
最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込
められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への
光の洩れ出しを容易にするため通常、０．０１〜０．０
３μｍ程度に極めて薄く形成される。こうして導波モー
ドが広がって、端面破壊レベルが向上するため高出力動
作が可能になる。

【００１２】図６（ｂ）に示すように、キャリアブロッ
ク層を越えてオーバーフローしたキャリアは、キャリア
ブロック層よりも低い禁制帯幅を有する第１クラッド層
に分布する。この場合、いったんオーバーフローしたキ
ャリアは、キャリアブロック層の高いポテンシャル障壁
によって活性層内への逆拡散が阻止される。そのためこ
うした構造では活性層へのキャリア閉じ込めの効率が低
下し易くなる。したがって、キャリアのオーバーフロー
自体を抑制することが必要になる。

【００１３】その対策として、キャリアブロック層の禁
制帯幅を大きくし、キャリアブロック機能を強化してい
る。

【００１４】しかしながら、キャリアブロック層に用い
る材料の禁制帯幅に限界がある。特にＡｌＧａＡｓ等の
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においては、バンド端が間接
端化するため禁制帯幅の広い材料を用いても伝導帯のバ
ンドオフセットは増加しない。このような場合キャリア
ブロック層へのドーピング濃度を高く形成することによ
ってポテンシャル障壁の高さを維持することになるが、
過度なドーピングがフリーキャリア吸収をもたらし、内
部損失の増大を招いてしまう。

【００１５】本発明の目的は、活性層へのキャリア閉じ
込めを確実にすること、特に問題となる電子のオーバー
フラッドを阻止することによって高効率で高出力な半導
体レーザ素子を提供することである。

【００１６】また本発明の目的は、高出力化の障害とな
る出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易
にする半導体レーザ素子を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、活性層の両側
にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接
して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上
の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型
キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザ素子
において、前記活性層は、量子井戸層および該量子井戸
層の禁制帯幅より大きい禁制帯幅を持つバリア層から成
る単一または多重の量子井戸構造を有し、該バリア層
は、炭素またはマグネシウムでドープされていることを
特徴とする半導体レーザ素子である。また本発明の前記
バリア層のドーピング濃度は１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3の範囲であることを特徴とする。また本発明は、ｎ
型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近い順に第
１クラッド層と第２クラッド層を含み、πを円周率と
し、λを発振波長とし、活性層、キャリアブロック層お
よび第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、第２クラッド
層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間の実効厚みを
ｄ１とし、規格化周波数ＶをＶ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１² −Ｎ２² ）^0.5 と定義したときＶ＞π／３となることを特徴とする。ここで、第２クラッド層の屈
折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとる
が、第２クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はそ
の最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２
クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ
（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の
位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界
面の位置をｘ２とすると、下記の（数１）で表わせる。

【００１８】

【数１】

【００１９】また本発明は、量子井戸層およびバリア層
は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを
特徴とする。また本発明は、量子井戸層およびバリア層
は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明に従えば、量子井戸構造を持つ活性層の
バリア層が炭素またはマグネシウムでドープされて、い
わゆる変調ドーピングが施されている。

【００２１】図１は、変調ドーピングされた多重量子井
戸構造の禁制帯図である。ここでは２つの量子井戸層の
間、およびその両側に合計３つのバリア層が形成されて
いる。バリア層を炭素またはマグネシウムでドーピング
することによって、バリア層の正孔の数が増加して、禁
制帯幅の小さい量子井戸層に移動し局在することにな
る。このため量子井戸内の正孔濃度が高くなる。

【００２２】図２は、注入キャリア密度に対する光利得
を示すグラフである。横軸の注入キャリア密度は、素子
の層厚方向に流れる単位面積１ｃｍ² 当りのキャリア数
であり、縦軸は半導体レーザ素子の光利得を示す。グラ
フの各曲線は、バリア層のドーピング濃度による変化を
示し、曲線Ｌ１はバリア層がノンドープ、曲線Ｌ２はバ
リア層のドーピング濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3、曲線Ｌ３
は１×１０¹⁸ｃｍ^-3、曲線Ｌ４は１．５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、曲線Ｌ５は２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００２３】グラフを見ると、注入キャリア密度の増加
に応じて光利得も増加するとともに、バリア層のドーピ
ング濃度が高いほど光利得が増加することが判る。な
お、過度のドーピングは格子定数の不一致をもたらすた
め、ドーピング濃度の上限は１×１０¹⁹ｃｍ^-3が好まし
く、結局１×１０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲内のドー
ピングが好ましい。

【００２４】図３は、電流密度に対する光利得を示すグ
ラフである。横軸の電流密度は、素子の層厚方向に流れ
る単位面積１ｃｍ² 当りの電流であり、縦軸は半導体レ
ーザ素子の光利得を示す。グラフの各曲線は、バリア層
のドーピング濃度による変化を示し、曲線Ｌ６はノンド
ープ、曲線Ｌ７は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００２５】グラフを見ると、電流密度の増加に応じて
光利得も増加するとともに、バリア層のドーピング濃度
が高いほど光利得が増加することが判る。

【００２６】このように量子井戸内の正孔濃度を高くす
ることにより、レーザ発振時（利得一定時）における活
性層内の電子の擬フェルミレベルを従来より下げること
が可能になる。これにより問題となる活性層内電子のキ
ャリアブロック層を超えてのオーバーフローを抑制で
き、活性層内へのキャリア閉じ込めの効率が向上する。

【００２７】特に、活性層を構成する量子井戸層および
バリア層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成される場
合、正孔と電子の有効質量比が約７と大きいために、レ
ーザ発振時における電子の擬フェルミレベルが高くなり
過ぎるという現象を回避しつつキャリアオーバーフロー
を抑制できる。そのため発光再結合に寄与しない無効電
流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）
が向上する。

【００２８】また、ドーパントとして使用する炭素また
はマグネシウムは、拡散性の小さい元素であるため、製
造プロセス中での拡散が抑制され、狭い領域において高
濃度ドーピングが可能になる。したがって、量子井戸層
はノンドープで、バリア層のみにドープするという変調
ドーピングを容易に実現できる。さらに、拡散による量
子井戸構造の無秩序化や発光スペクトルの拡がりによっ
て発生する発振閾値の上昇を回避できる。

【００２９】ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定
数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０^-15ｃｍ²／ｓｅｃ
（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×
１０^-13ｃｍ²／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報
告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Techn
ology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：Jour
nal Appl. Phys.59(4),15(1986)1156)。したがって炭素
がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比
例する。

【００３０】また、ｎ型およびｐ型クラッド層を活性層
に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という複数
層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層にはさ
まれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド層か
らなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形
成することによって半導体レーザ素子の出射端面の活性
領域におけるレーザ光の局所集中をさけ、端面破壊レベ
ルをより高くすることが可能になるため、前述のような
効果を有効且つ十分に発揮させることができる。またマ
ルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以
下であることが好ましい。

【００３１】また、量子井戸層およびバリア層は、ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体、好ましくはＡｌＧａＡｓ系化合
物半導体で形成されていることによって、炭素またはマ
グネシウムの拡散性がより低く保たれるため、バリア層
のドーピング濃度を高く形成できる。

【００３２】

【実施例】図４（ａ）は本発明の一実施例の構成を示す
断面図であり、図４（ｂ）は活性層１０の拡大断面図で
ある。

【００３３】この半導体レーザ素子において、半導体基
板（ｎ−ＧａＡｓ）２６の上に順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０
¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、ドナー濃度：３×１０
¹⁷ｃｍ^-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロ
ック層（ｎ−Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×
１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層
（ＳＱＷ：単一量子井戸）１０、ｐ型キャリアブロック
層（ｐ−Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１
×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．０２１μｍ）２１、第１ｐ
型クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、アクセプタ
ー濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚み：０．４μｍ）２２、
第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ、アク
セプター濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．７μｍ）
２３、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．３μｍ）２４、ｐ型コンタクト
層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０¹⁷ｃｍ
^-3〜３×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚み：２μｍ）２５が、ＭＯＣ
ＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここで
ドナーはＳｅをドープ、アクセプターはＰ型コンタクト
層以外はＣをドープしたものである。Ｐ型コンタクト層
はＺｎをドープしている。

【００３４】ｐ型コンタクト層２の上面および半導体基
板２６の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞ
れ形成される。また、レーザ光は紙面垂直方向に沿って
進行し、光共振器を構成する両端面の間で発振する。

【００３５】図４（ｂ）に示すように、活性層１０は単
一量子井戸を有し、下から順次、無ドーピングバリア層
（Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、厚み：０．０３８μｍ）１
４、ｐ型ドーピングバリア層（ｐ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａ
ｓ、炭素ドープ、アクセプター濃度：１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、厚み：０．０１０μｍ）１５、無ドーピングバリ
ア層（Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、厚み：０．００２μｍ）
１６、量子井戸層（ＧａＡｓ、ドーピング無し、厚み：
０．００４μｍ）１７、無ドーピングバリア層（Ａｌ
_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、厚み：０．００２μｍ）１８、ｐ型
ドーピングバリア層（ｐ−Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、炭素
ドープ、アクセプター濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：
０．０１０μｍ）１９、無ドーピングバリア層（Ａｌ
_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ、厚み：０．０３８μｍ）２０がそれ
ぞれ形成されている。

【００３６】注目すべき点は、単一量子井戸構造を持つ
活性層１０において、幾つかのバリア層が炭素でドープ
されている点である。炭素ドーピングによって形成され
た正孔は、量子井戸層内に局在して光利得の増加に資す
る。その結果、擬フェルミレベルが低下して、キャリア
ブロック層のポテンシャル障壁が相対的に高くなって、
キャリア閉じ込めの効率が向上する。また、半導体レー
ザ素子の特性温度も向上する。

【００３７】比較例として、ｐ型ドーピングバリア層１
５、１９の代わりに無ドーピングバリア層を置換して形
成した半導体レーザを作成した。実施例および比較例と
もに、キャビティー長：１５００μｍ、電流注入ストラ
イプ幅：５０μｍ、光学コーティング無しという共通条
件で比較したところ、発振閾値の温度依存性を示す特性
温度に関して、比較例は１１０Ｋ、実施例は１４０Ｋと
計測され、実施例のものが約３０％向上することが確認
された。

【００３８】なお以上の実施例において、ｐ型ドーピン
グバリア層１５、１９のドーパントとして炭素を用いた
例を示したが、同様に拡散性の低いマグネシウムなどを
使用することも可能である。

【００３９】また、活性層１０は単一量子井戸構造のも
のを示したが、量子井戸層の数が２つ以上の多重量子井
戸構造（ＭＱＷ）であっても構わない。

【００４０】また、半導体レーザ素子の材料としてＡｌ
ＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネ
シウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本
発明を適用することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、量
子井戸構造を持つ活性層のバリア層を炭素またはマグネ
シウムでドープすることによって、量子井戸内の正孔濃
度が高くなる。そのため、活性層内の電子の擬フェルミ
レベルが低くなって、電子が活性層からオーバーフロー
する確率が小さくなる。したがって、活性層内へのキャ
リア閉じ込めの効率が向上して、レーザ発振効率や特性
温度が向上する。

【００４２】こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レ
ーザ素子において、高効率化および高出力化を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】変調ドーピングされた多重量子井戸構造の禁制
帯図である。

【図２】注入キャリア密度に対する光利得を示すグラフ
である。

【図３】電流密度に対する光利得を示すグラフである。

【図４】図４（ａ）は本発明の一実施例の構成を示す断
面図であり、図４（ｂ）は活性層１０の拡大断面図であ
る。

【図５】図５（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を
示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応した禁制帯
幅の分布図、図５（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布
図である。

【図６】図６（ａ）は分離閉じ込め構造（ＳＣＨ）の半
導体レーザ素子の禁制帯図であり、図６（ｂ）は完全分
離閉じ込め構造（ＰＳＣＨ）の半導体レーザ素子の禁制
帯図である。

【符号の説明】

１０活性層１１第２ｎ型クラッド層１２第１ｎ型クラッド層１３ｎ型キャリアブロック層１４、１６、１８、２０無ドーピングバリア層１５、１９ｐ型ドーピングバリア層１７量子井戸層２１ｐ型キャリアブロック層２２第１ｐ型クラッド層２３第２ｐ型クラッド層２４電流狭窄層２５ｐ型コンタクト層２６半導体基板２７、２８オーミック電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド
層を設け、前記活性層に近接して前記活性層および前記
両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キ
ャリアブロック層およびｐ型キャリアブロック層をそれ
ぞれ設けた半導体レーザ素子において、前記活性層は、量子井戸層および該量子井戸層の禁制帯
幅より大きい禁制帯幅を持つバリア層から成る単一また
は多重の量子井戸構造を有し、該バリア層は、炭素またはマグネシウムでドープされて
いることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】前記バリア層のドーピング濃度は１×１
０¹⁷〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3の範囲であることを特徴とする
請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活
性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含
み、 πを円周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリア
ブロック層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、
第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間
の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数ＶをＶ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１² −Ｎ２² ）^0.5 と定義したときＶ＞π／３となることを特徴とする請求項１または２記載の半導体
レーザ素子。
【請求項４】量子井戸層およびバリア層は、ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする請
求項３記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】量子井戸層およびバリア層は、ＡｌＧａ
Ａｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする
請求項４記載の半導体レーザ素子。