JPH0945989A - Semiconductor laser element - Google Patents

Semiconductor laser element

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JPH0945989A
JPH0945989A JP19562795A JP19562795A JPH0945989A JP H0945989 A JPH0945989 A JP H0945989A JP 19562795 A JP19562795 A JP 19562795A JP 19562795 A JP19562795 A JP 19562795A JP H0945989 A JPH0945989 A JP H0945989A
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clad
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Takeshi Fujimoto
毅 藤本
Yumi Naito
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Mitsui Petrochemical Industries Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To decrease the internal loss and the electric resistance of an element by performing modulation doping such that the second clad layer in an n-type and p-type clad layer is doped heavier than the first clad layer thereby confining the carriers surely in an active layer. SOLUTION: An n-type and p-type clad layer comprises first clad layers 12, 16 and second clad layers 11, 17 formed sequentially starting from an active layer 14. Assuming π is a circle ratio, λ is oscillation wavelength, N1 is the maximum refractive index of first clad layers 12, 16 including the active layer 14 and carrier block layers 13, 15, N2 is the refractive index of second clad layers 11, 17, and d1 is the effective thickness between the second clad layers, the standardization frequency V defined by formula I satisfies a relationship V>π/3. The n-type and p-type carrier block layers 13, 15 are doped heavier than the first clad layers 12, 16 in n-type and p-type clad layer. The second clad layer is doped heavier than the first clad layer.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device which is suitable for use in communications, laser printers, laser medical treatments, laser processing, etc., and which can operate with high efficiency and high output.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art For the purpose of increasing the output of a semiconductor laser device, by providing a carrier block layer having a large forbidden band width and a thin thickness on both sides of an active layer, a forbidden clad layer formed outside the carrier block layer is forbidden. There has been proposed a semiconductor laser device having a wide band width. In such a structure, the carrier block layer has a function of efficiently confining the injected carriers in the active layer, and since the carrier block layer is thinly formed, light generated in the active layer passes through the carrier block layer. And can easily leak to the outer cladding layer. Therefore, it is possible to prevent instantaneous optical damage caused by local concentration of laser light on the emission end face of the semiconductor laser device, and to increase the end face destruction level, thus realizing high output operation.

【0003】図7(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7(b)は各層に対応した
禁制帯幅の分布図、図7(c)は各層に対応した屈折率
の分布図である。図7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)。
FIG. 7A is a sectional view showing an example of such a semiconductor laser device, FIG. 7B is a distribution diagram of a forbidden band width corresponding to each layer, and FIG. 7C is a refraction corresponding to each layer. It is a distribution chart of a rate. The structure shown in FIG. 7 is a well-known separate confinement heterostructure (SCH, Separate Confinement Heteros).
tructure), perfect separation confinement structure (Perfect
SCH) (International Publication WO93 / 16513).

【0004】図7(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。
In FIG. 7A, a second n-type clad layer (n-AlGaAs) 1 and a first n-type clad layer (n-) are sequentially formed on a semiconductor substrate (not shown) made of n-GaAs.
AlGaAs) 2, n-type carrier block layer (n-Al
GaAs) 3, active layer (GaAs / AlGaAs multiple quantum well layer) 4, p-type carrier block layer (p-AlG)
aAs) 5, first p-type cladding layer (p-AlGaAs)
6, the second p-type cladding layer (p-AlGaAs) 7 is formed.

【0005】図7(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。
As shown in FIG. 7B, the forbidden band width of each carrier block layer 3, 5 is formed so as to be larger than that of any of the active layer 4 and each of the cladding layers 1, 2, 6, 7. As a result, the injected carriers are efficiently injected into the active layer 4
Trapped in. Therefore, the number of carriers that contribute to laser oscillation increases, and the oscillation efficiency improves.

【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7(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。
Further, when the carrier block layer and the active layer are sufficiently thin and the influence on the guided mode can be ignored, the effective refractive index distribution is from the first n-type cladding layer 2 as shown in FIG. 7 (c). Since each layer up to the first p-type cladding layer 6 is a high refractive index portion and the second n-type cladding layer 1 and the second p-type cladding layer 7 are low refractive index portions, a slab waveguide structure is formed, so that the active layer 4 is formed. The light generated in 2 spreads and propagates in the high refractive index portion. Therefore, the peak intensity of the guided mode is reduced, optical damage is less likely to occur at the exit end face, and higher output can be achieved.

【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 el
ectronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600)
In addition to this, an MQW (Multiple Quantum Well) -DCH (Decoupled Confinement Heteros) provided with a hole barrier layer.
An InGaAsP / InP semiconductor laser device having a tructure structure has been reported. (IEEE journal of quantum el
ectronics, vol.29, No.6, JUNE.1993, p1596 ~ 1600)

【0008】[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。
In order to achieve high efficiency and high output in a semiconductor laser device, it is important to efficiently confine injected carriers in the active layer and reduce internal loss due to free carrier absorption.

【0009】完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子
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〜
0.03μm程度に極めて薄く形成される。禁制帯幅が
大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドー
ピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の
空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分と
なる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有
するドーピング元素(ドーパント)によって、キャリア
ブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要があ
る。ところが従来p型ドーパントとして一般的に用いら
れる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるた
め、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブ
ロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極
薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成
することができなかった。
In the semiconductor laser device having a complete isolation confinement structure, the injected carriers are close to the active layer and are confined in the active layer by the carrier block layer having the largest forbidden band width among the layers. This carrier block layer is usually added in an amount of 0.01 to 0.01 to facilitate light leakage into the cladding layer.
It is formed to an extremely thin thickness of about 0.03 μm. If the doping concentration of the carrier block layer having a large forbidden band width and formed extremely thin is insufficient, depletion of the entire carrier block layer occurs and carrier confinement in the active layer becomes insufficient. Therefore, it is necessary to form a high doping concentration in the carrier block layer with a doping element (dopant) having high doping efficiency and low diffusivity. However, since zinc, which is conventionally generally used as a p-type dopant, is an element that is very easily diffused in the bulk, the diffusion length of zinc during the manufacturing process becomes an order of magnitude larger than the thickness of the carrier block layer. It was not possible to form a high doping concentration in the extremely thin carrier block layer.

【0010】また、半導体レーザ素子の効率はフリーキ
ャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリ
ーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で
決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きく
なる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必
要最小限に低く形成する必要がある。
The efficiency of the semiconductor laser device largely depends on the internal loss due to absorption of free carriers. This free carrier absorption is determined by the doping concentration of each layer through which light propagates, and the higher the doping concentration, the larger the internal loss. Therefore, the doping concentration of each layer through which light propagates needs to be formed as low as possible.

【0011】しかし、各層のドーピング濃度をあまり低
く抑えてしまうと、素子の電気抵抗が大きくなって自己
発熱量が増加し、低い出力での出力飽和や素子の劣化を
早める等の問題を生じていた。
However, if the doping concentration of each layer is suppressed to be too low, the electric resistance of the element increases and the amount of self-heating increases, which causes problems such as output saturation at low output and accelerated deterioration of the element. It was

【0012】本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込
めを確実にし、内部損失をより低く抑えるとともに、素
子の電気抵抗の低減化を図って、高効率で高出力かつ高
信頼性の半導体レーザ素子を提供することである。
The object of the present invention is to ensure carrier confinement in the active layer, suppress the internal loss to a lower level, and reduce the electric resistance of the device, thereby achieving a highly efficient, high output and highly reliable semiconductor laser device. Is to provide.

【0013】さらに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を目的とする。
It is another object of the present invention to provide a semiconductor laser device which suppresses optical damage on the emitting end face which is an obstacle to higher output and further facilitates higher output.

【0014】[0014]

【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にお
いて、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−N220.5 と定義したとき、V>π/3が成立するとともに、n型
およびp型キャリアブロック層のドーピング量は、n型
およびp型クラッド層の第1クラッド層より高濃度であ
って、n型およびp型クラッド層の第2クラッド層のド
ーピング量は、第1クラッド層より高濃度となるように
変調ドーピングが施されていることを特徴する半導体レ
ーザ素子である。ここで第1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1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x
1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、下記の式で表わされる。
According to the present invention, n-type and p-type clad layers are provided on both sides of an active layer, and a forbidden band having a forbidden band width of the active layer or both of the clad layers is provided in the vicinity of the active layer. In a semiconductor laser provided with an n-type carrier block layer and a p-type carrier block layer each having a band width, the n-type and p-type clad layers each include a first clad layer and a second clad layer in the order of being closer to the active layer. Is the circular constant, λ is the oscillation wavelength, the maximum refractive index of the active layer, the carrier block layer and the first cladding layer is N1, the refractive index of the second cladding layer is N2, and the effective thickness between the second cladding layers is d1. And the normalized frequency V is defined as V = (π · d1 / λ) · (N1 2 −N2 2 ) 0.5 , V> π / 3 holds, and the n-type and p-type carrier block layers are doped. Quantity is The doping concentration of the n-type and p-type cladding layers is higher than that of the first cladding layer, and the doping amount of the second cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is higher than that of the first cladding layer. The semiconductor laser device is characterized by being applied. Here, when the refractive index of the first cladding layer is constant, the maximum refractive index N1 has the constant value, but when the refractive index has a distribution in the first cladding layer, it means the maximum value. The effective thickness d1 is Nw (x), which is the refractive index at an arbitrary position (x) between the two second cladding layers, and x is the position of the interface of the second n-type cladding layer near the active layer.
When the position of the interface between the first and second p-type cladding layers near the active layer is x2, it is expressed by the following formula.

【0015】[0015]

【数1】 [Equation 1]

【0016】また本発明は、n型およびp型キャリアブ
ロック層のドーピング量は1×10 18cm-3以上に、n
型およびp型クラッド層の第1クラッド層のドーピング
量は3×1017cm-3以下に、n型およびp型クラッド
層の第2クラッド層のドーピング量は1×1018cm-3
以上になるように変調ドーピングが施されていることを
特徴とする。また本発明は、p型キャリアブロック層の
ドーパントが、炭素またはマグネシウムであることを特
徴とする。また本発明は、キャリアブロック層ならびに
第1および第2クラッド層は、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、
キャリアブロック層ならびに第1および第2クラッド層
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。
The present invention also provides an n-type and p-type carrier loop.
The doping amount of the lock layer is 1 × 10 18cm-3Above, n
Of the first cladding layer of the p-type and p-type cladding layers
The amount is 3 × 1017cm-3Below, n-type and p-type cladding
The doping amount of the second cladding layer of the layer is 1 × 1018cm-3
Make sure that the modulation doping is applied as described above.
Features. The present invention also relates to the p-type carrier block layer.
Specially, the dopant is carbon or magnesium.
Sign. The present invention also provides a carrier block layer and
The first and second cladding layers are III-V compound semiconductors.
It is characterized by being formed by the body. The present invention also provides
Carrier block layer and first and second cladding layers
Is made of AlGaAs compound semiconductor
It is characterized by.

【0017】[0017]

【作用】本発明に従えば、n型およびp型クラッド層を
第1および第2クラッド層という複数層のクラッド層で
構成し、さらに活性層、キャリアブロック層および第1
クラッド層から成る光導波層の規格化周波数Vをπ/3
より大きく形成することによって、ほぼガウス型での導
波モードのレーザ発振を実現できる。そして導波モード
のピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面で
の光学損傷レベルをより高くすることが可能となる。な
お、導波モードがマルチ化しないためには、規格化周波
数Vは2π以下であることが好ましい。
According to the present invention, the n-type and p-type clad layers are composed of a plurality of clad layers of the first and second clad layers, and further, the active layer, the carrier block layer and the first clad layer.
The normalized frequency V of the optical waveguide layer composed of the clad layer is π / 3
By forming it to a larger size, it is possible to realize guided-mode laser oscillation in a substantially Gaussian type. Then, the peak intensity of the guided mode is reduced, and the optical damage level at the emission end face of the semiconductor laser device can be increased. Note that the normalized frequency V is preferably 2π or less in order to prevent the waveguide modes from becoming multiple.

【0018】さらに、n型およびp型キャリアブロック
層のドーピング量は、n型およびp型クラッド層の第1
クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施
されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ第
1クラッド層でのフリーキャリア吸収を低減化できる。
したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導
波路を形成できる。
Further, the doping amount of the n-type and p-type carrier block layers is set to the first amount of the n-type and p-type clad layers.
Since the modulation doping is performed so that the concentration is higher than that of the cladding layer, free carrier absorption in the first cladding layer can be reduced while maintaining the carrier blocking function.
Therefore, it is possible to form a low-loss slab waveguide that does not disturb the guided mode.

【0019】また、n型およびp型クラッド層の第2ク
ラッド層のドーピング量は、第1クラッド層より高濃度
となるように変調ドーピングが施されているため、素子
全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させるこ
とができる。
Since the doping amount of the second cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is higher than that of the first cladding layer, the modulation doping is performed to reduce the electric resistance of the entire device. Therefore, self-heating can be reduced.

【0020】以下詳細に説明する。図1(a)は完全分
離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフで
あり、図1(b)は規格化周波数V=πの場合の導波モ
ードを示すグラフである。グラフに示すように、導波モ
ードの大部分は、活性層14、キャリアブロック層1
3、15および第1クラッド層12、16から成る光導
波層を伝搬しており、裾の僅かな部分が第2クラッド層
11、17に洩れ出ていることが判る。こうして導波モ
ードが拡がり、そのピーク強度が減少するため、素子の
出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能
になる光学的な内部損失を減らすためには、光導波層の
部分、特に第1クラッド層12、16のキャリア濃度を
低くすることが好ましいことになる。また、光の伝搬が
少ない第2クラッド層11、17は、キャリア濃度を高
くして、素子の電気抵抗を低減化する方が好ましいこと
になる。
The details will be described below. FIG. 1A is a graph showing the forbidden band width of each layer in the completely separated confinement structure, and FIG. 1B is a graph showing the guided mode when the normalized frequency V = π. As shown in the graph, most of the guided modes are the active layer 14 and the carrier block layer 1.
It can be seen that the light propagates through the optical waveguide layer composed of 3, 15 and the first clad layers 12, 16 and a small portion of the skirt leaks to the second clad layers 11, 17. In this way, the guided mode is expanded and its peak intensity is reduced, so that it is possible to increase the optical damage level at the exit end face of the device, thereby reducing the optical internal loss. In particular, it is preferable to lower the carrier concentration of the first cladding layers 12 and 16. In addition, it is preferable that the second cladding layers 11 and 17 in which light propagation is small have a high carrier concentration to reduce the electric resistance of the device.

【0021】図2は、スラブ導波路構造において規格化
周波数Vに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラ
フである。規格化周波数Vは、πを円周率、λを発振波
長、活性層14、キャリアブロック層13、15および
第1クラッド層12、16の最大屈折率をN1、第2ク
ラッド層11、17の屈折率をN2とし、第2クラッド
層11、17間の実効厚みをd1として、V=(π・d
1/λ)・(N12−N220.5で定義される。
FIG. 2 is a graph showing the change in the optical propagation rate of the optical waveguide layer with respect to the normalized frequency V in the slab waveguide structure. The normalized frequency V is such that π is the circular constant, λ is the oscillation wavelength, the maximum refractive index of the active layer 14, the carrier block layers 13 and 15 and the first cladding layers 12 and 16 is N1, and the maximum refractive index of the second cladding layers 11 and 17 is V = (π · d) where N2 is the refractive index and d1 is the effective thickness between the second cladding layers 11 and 17.
1 / λ) · (N1 2 −N2 2 ) 0.5 .

【0022】規格化周波数Vが小さいと、光導波層の厚
みに比べて導波モードの幅が大きくなり、光導波層での
光伝搬率が低下する。逆に、規格化周波数Vが大きい
と、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が小さくな
り、光伝搬率は増大する。そこで、完全分離閉じ込め構
造の半導体レーザにおいて、規格化周波数Vはπ/3よ
り大きいことが好ましく、これによって光伝搬率を70
%以上確保できる。このようにVがπ/3より大きくな
って光伝搬率が大きくなると、第2クラッド層への光の
伝搬が小さくなるので、第2クラッド層のドーピングを
高濃度にしても、これに起因するフリーキャリア吸収に
よる内部損失は小さくなる。また、基本モード以外のマ
ルチモードの発生を抑制するため規格化周波数Vは2π
より小さいことが好ましく、活性層での利得導波作用と
相俟って単一横モードを安定に維持できる。
When the standardized frequency V is small, the width of the guided mode becomes larger than the thickness of the optical waveguide layer, and the light propagation rate in the optical waveguide layer decreases. On the contrary, when the standardized frequency V is large, the width of the guided mode becomes smaller than the thickness of the optical waveguide layer, and the light propagation rate increases. Therefore, it is preferable that the normalized frequency V is higher than π / 3 in the semiconductor laser having the complete isolation and confinement structure, and thus the light propagation rate is 70%.
% Or more can be secured. As described above, when V becomes larger than π / 3 and the light propagation rate becomes large, the propagation of light to the second cladding layer becomes small. Therefore, even if the doping of the second cladding layer is made high, this is caused. Internal loss due to free carrier absorption is reduced. Further, the normalized frequency V is 2π in order to suppress the occurrence of multi modes other than the fundamental mode.
It is preferably smaller, and the single transverse mode can be stably maintained in combination with the gain guiding effect in the active layer.

【0023】また本発明に従えば、n型およびp型キャ
リアブロック層のドーピング量は1×1018cm-3以上
に、n型およびp型クラッド層の第1クラッド層のドー
ピング量は3×1017cm-3以下に、n型およびp型ク
ラッド層の第2クラッド層のドーピング量は1×1018
cm-3以上になるように変調ドーピングを施すことによ
って、キャリア閉じ込め機能を十分に発揮しつつ、光の
内部損失を充分低く抑えることができる。
According to the invention, the doping amount of the n-type and p-type carrier block layers is 1 × 10 18 cm −3 or more, and the doping amount of the first cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is 3 ×. The doping amount of the second cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is 1 × 10 18 or less at 10 17 cm −3 or less.
By performing the modulation doping so as to be cm −3 or more, it is possible to sufficiently exhibit the carrier confinement function and sufficiently suppress the internal loss of light.

【0024】なお、各キャリアブロック層および各第2
クラッド層への過度のドーピングはフリーキャリア吸収
の増大や結晶性の劣化を招くため、ドーピング量の上限
は、1×1019cm-3が好ましい。また、各第1クラッ
ド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きく
しないために、1×1016cm-3が好ましい。
Each carrier block layer and each second layer
Since excessive doping of the clad layer causes an increase in free carrier absorption and deterioration of crystallinity, the upper limit of the doping amount is preferably 1 × 10 19 cm −3 . Further, the lower limit of the doping amount of each first cladding layer is preferably 1 × 10 16 cm −3 in order not to increase the electric resistance so much.

【0025】また本発明に従えば、p型キャリアブロッ
ク層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する
炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いること
によって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に
添加することが可能となり、キャリアブロック層が極め
て薄い場合であっても、製造プロセス中に発生するドー
パントの拡散を事実上無視できる程に抑えることができ
る。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しに
くい元素であるため、製造プロセス中における各元素の
拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視で
きるほど小さくなる。その結果、極薄のキャリアブロッ
ク層であっても高いドーピング濃度を形成することがで
きる。
Further, according to the present invention, by using carbon or magnesium having a high doping efficiency and a low diffusivity as a dopant for the p-type carrier block layer, the dopant can be added at a high concentration in the manufacturing process. Therefore, even if the carrier block layer is extremely thin, the diffusion of the dopant generated during the manufacturing process can be suppressed to a practically negligible level. That is, since carbon and magnesium are elements that are difficult to diffuse in the bulk, the diffusion length of each element during the manufacturing process is practically negligible smaller than the thickness of the carrier block layer. As a result, a high doping concentration can be formed even with an extremely thin carrier block layer.

【0026】このように各キャリアブロック層13、1
5のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、
キャリアブロック層13、15全体の空乏化が抑制さ
れ、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、
注入キャリアを活性層14内に効率良く閉じ込めること
ができる。
In this way, each carrier block layer 13, 1
By making the doping concentration of 5 high,
Since depletion of the carrier block layers 13 and 15 as a whole is suppressed and a sufficient potential barrier height can be maintained,
The injected carriers can be efficiently confined in the active layer 14.

【0027】ところで従来はp型ドーパントとして亜鉛
を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常
に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における
亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違い
に大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には
高いドーピング濃度を形成することができなかった。
By the way, conventionally, it was general to use zinc as the p-type dopant, but since zinc is an element which is very easily diffused in the bulk, the diffusion length of zinc during the manufacturing process is the carrier block layer. The thickness is orders of magnitude larger than the thickness, and as a result, a high doping concentration cannot be formed in the ultrathin carrier block layer.

【0028】また、p型キャリアブロック層のドーパン
トとして炭素またはマグネシウムを用いることによって
キャリアブロック層のポテンシャル障壁をより高くする
ことができる。
The potential barrier of the carrier block layer can be further increased by using carbon or magnesium as the dopant of the p-type carrier block layer.

【0029】図3は、AlGaAs中における各種p型
ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。こ
のグラフは横軸をAl組成xの変化で示している。亜鉛
はAl組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる
傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Al組
成xが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター
準位を形成する元素であるため、p型キャリアブロック
層15のポテンシャル障壁を高くすることができ、キャ
リア閉じ込め作用が大きくなる。したがって、活性領域
へのドーパントの拡散を防ぎつつキャリアブロック層全
体の空乏化を防ぐために必要な高いドーピング濃度を形
成するとともに浅いアクセプター準位によってポテンシ
ャル障壁を高く形成することができる。
FIG. 3 is a graph showing acceptor levels of various p-type dopants in AlGaAs. In this graph, the horizontal axis represents the change in Al composition x. Zinc tends to have a deeper acceptor level as the Al composition increases, whereas carbon and magnesium are elements that form a shallower acceptor level than zinc as a whole even if the Al composition x changes. The potential barrier of the p-type carrier block layer 15 can be increased, and the carrier confinement action is increased. Therefore, it is possible to form a high doping concentration necessary for preventing the depletion of the entire carrier block layer while preventing the diffusion of the dopant into the active region, and it is possible to form a high potential barrier by the shallow acceptor level.

【0030】特に、キャリアブロック層を例えば0.0
1〜0.03μm程度に極めて薄く形成した場合であっ
ても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネ
シウムを用いることによって、前述のような変調ドーピ
ングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロッ
クの効果が十分発揮されるため、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)が向上してレーザ発振効率が向上する。
In particular, the carrier block layer is, for example, 0.0
Even when it is formed to a very thin thickness of about 1 to 0.03 μm, the above-mentioned modulation doping can be easily realized by using carbon or magnesium having a low diffusibility as a dopant. Therefore, since the effect of the carrier block is sufficiently exerted, the reactive current that does not contribute to the radiative recombination is significantly reduced, the temperature dependence (characteristic temperature) of the oscillation threshold is improved, and the laser oscillation efficiency is improved.

【0031】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。
Incidentally, the diffusion constant of each element in GaAs is determined.
The number is 1 × 10 carbon C under certain conditions-15cm2/ Sec
(900 ° C.) (Reference 1), magnesium Mg is 1.4 ×
10 -13cm2/ Sec (900 ° C) (reference 2)
There are precedents. (Reference 1: Journal Vacuum Science Techn
ology A. Vol8, No3, May / Jun 1990 p2980, Reference 2: Jour
nal Appl. Phys. 59 (4), 15 (1986) 1156). Thus carbon
Is more preferred. The diffusion length is the square root of the diffusion constant.
For example.

【0032】また、キャリアブロック層ならびに第1お
よび第2クラッド層はIII−V族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、キャリアブロック層のド
ーピング濃度を高く形成できる。
Further, since the carrier block layer and the first and second cladding layers are made of a III-V group compound semiconductor, the diffusivity of carbon or magnesium is kept lower, so that the doping of the carrier block layer is performed. A high concentration can be formed.

【0033】また、キャリアブロック層ならびに第1お
よび第2クラッド層がAlGaAs系化合物半導体で形
成することが好ましく、その場合、図3に示すように、
炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅
くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を
高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性に
よってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成
できる。
Further, it is preferable that the carrier block layer and the first and second cladding layers are made of AlGaAs compound semiconductor. In that case, as shown in FIG.
Since the acceptor level formed by carbon and magnesium becomes shallow, the potential barrier of the carrier block layer can be increased. Moreover, the doping concentration of the carrier block layer can be increased due to the high doping efficiency and the low diffusivity.

【0034】[0034]

【実施例】【Example】

(実施例1)図4(a)は本発明の実施例1の構成を示
す断面図であり、図4(b)は各層に対応するドーピン
グ濃度の分布図である。この半導体レーザにおいて、半
導体基板(n−GaAs)20の上に順次、第2n型ク
ラッド層(n−Al0.48Ga0.52As、ドナー濃度:1
×1018cm-3、厚み:0.7μm)11、第1n型ク
ラッド層(n−Al0.31Ga0.69As、ドナー濃度:3
×1017cm-3、厚み:0.4μm)12、n型キャリ
アブロック層(n−Al0.60Ga0.40As、ドナー濃
度:1×1018cm-3、厚み:0.014μm)13、
活性層(DQW:二重量子井戸、GaAs/Al0.31
0.69As、ドーピング無し)14、p型キャリアブロ
ック層(p−Al0.50Ga0.50As、アクセプター濃
度:1×1018cm-3、厚み:0.021μm)15、
第1p型クラッド層(p−Al0.31Ga0.69As、アク
セプター濃度:3×10 17cm-3、厚み:0.4μm)
16、第2p型クラッド層(p−Al0.48Ga0.52
s、アクセプター濃度:1×1018cm-3、厚み:0.
7μm)17、電流狭窄層(n−GaAs、ドナー濃
度:1×1018cm-3、厚み:0.3μm)18、p型
コンタクト層(p−GaAs、アクセプター濃度:3×
1017cm-3〜1×1019cm-3、厚み:2μm)19
が、MOCVD(有機金属気相成長法)で形成されてい
る。ここで、ドナーとしてSe(セレン)をドープし、
アクセプターとしてp型コンタクト層以外はC(炭素)
をドープし、p型コンタクト層はZn(亜鉛)をドープ
している。
 (Embodiment 1) FIG. 4A shows the configuration of Embodiment 1 of the present invention.
4B is a cross-sectional view of the dopin corresponding to each layer.
It is a distribution diagram of the black concentration. In this semiconductor laser,
On the conductor substrate (n-GaAs) 20, the second n-type mask is sequentially formed.
Rad layer (n-Al0.48Ga0.52As, donor concentration: 1
× 1018cm-3, Thickness: 0.7 μm) 11, first n-type
Rad layer (n-Al0.31Ga0.69As, donor concentration: 3
× 1017cm-3, Thickness: 0.4 μm) 12, n-type carrier
Block layer (n-Al0.60Ga0.40As, Donor
Degree: 1 x 1018cm-3, Thickness: 0.014 μm) 13,
Active layer (DQW: double quantum well, GaAs / Al0.31G
a0.69As, without doping) 14, p-type carrier block
Layer (p-Al0.50Ga0.50As, acceptor thick
Degree: 1 x 1018cm-3, Thickness: 0.021 μm) 15,
First p-type cladding layer (p-Al0.31Ga0.69As, Ac
Scepter concentration: 3 x 10 17cm-3, Thickness: 0.4 μm)
16, second p-type cladding layer (p-Al0.48Ga0.52A
s, acceptor concentration: 1 × 1018cm-3, Thickness: 0.
7 μm) 17, current confinement layer (n-GaAs, donor concentration)
Degree: 1 x 1018cm-3, Thickness: 0.3 μm) 18, p-type
Contact layer (p-GaAs, acceptor concentration: 3x)
1017cm-3~ 1 × 1019cm-3, Thickness: 2 μm) 19
Are formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)
You. Here, Se (selenium) is doped as a donor,
C (carbon) except the p-type contact layer as an acceptor
And the p-type contact layer is doped with Zn (zinc)
doing.

【0035】p型コンタクト層19の上面および半導体
基板20の下面には、オーミック電極21、22がそれ
ぞれ形成される。光共振器は紙面垂直方向に形成され、
素子の両端面で反射することによってレーザ発振が起き
る。
Ohmic electrodes 21 and 22 are formed on the upper surface of the p-type contact layer 19 and the lower surface of the semiconductor substrate 20, respectively. The optical resonator is formed in the direction perpendicular to the paper surface,
Laser oscillation occurs due to reflection on both end faces of the device.

【0036】注目すべき点は、図4(b)に示すよう
に、n型キャリアブロック層13のドナー濃度およびp
型キャリアブロック層15のアクセプター濃度を1×1
18cm-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第1n型
クラッド層12のドナー濃度および第1p型クラッド層
16のアクセプター濃度を3×1017cm-3またはそれ
以下の低濃度に形成し、さらに第2n型クラッド層11
のドナー濃度および第2p型クラッド層17のアクセプ
ター濃度を1×1018cm-3またはそれ以上の高濃度に
形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点であ
る。
The point to be noted is that as shown in FIG. 4B, the donor concentration and p of the n-type carrier block layer 13 are set.
Type carrier block layer 15 has an acceptor concentration of 1 × 1
It is formed to a high concentration of 0 18 cm -3 or more, and the donor concentration of the first n-type cladding layer 12 and the acceptor concentration of the first p-type cladding layer 16 are formed to a low concentration of 3 × 10 17 cm -3 or less. The second n-type cladding layer 11
That is, the donor concentration and the acceptor concentration of the second p-type cladding layer 17 are set to a high concentration of 1 × 10 18 cm −3 or higher, and so-called modulation doping is performed.

【0037】このようにn型キャリアブロック層13お
よびp型キャリアブロック層15のドーピング量は、第
1n型クラッド層12および第1p型クラッド層16よ
り高濃度となるように変調ドーピングが施されているた
め、キャリアブロック機能を維持しつつ第2n型クラッ
ド層11および第2p型クラッド層17でのフリーキャ
リア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱
さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
As described above, the n-type carrier block layer 13 and the p-type carrier block layer 15 are subjected to modulation doping so that the doping amounts thereof are higher than those of the first n-type cladding layer 12 and the first p-type cladding layer 16. Therefore, the free carrier absorption in the second n-type cladding layer 11 and the second p-type cladding layer 17 can be reduced while maintaining the carrier blocking function. Therefore, it is possible to form a low-loss slab waveguide that does not disturb the guided mode.

【0038】また、第2n型クラッド層11および第2
p型クラッド層17のドーピング量は、第1n型クラッ
ド層12および第1p型クラッド層16より高濃度とな
るように変調ドーピングが施されているため、素子全体
の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少できる。
Further, the second n-type cladding layer 11 and the second
Since the doping amount of the p-type clad layer 17 is modulation-doped so as to be higher than those of the first n-type clad layer 12 and the first p-type clad layer 16, the electric resistance of the entire device can be reduced, and Can reduce fever.

【0039】なお、実施例1の規格化周波数Vはπであ
る。したがって光導波層内での光伝搬率が高くなり、さ
らには出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一
層容易になる。
The normalized frequency V of the first embodiment is π. Therefore, the light propagation rate in the optical waveguide layer is increased, and further, the optical damage on the emission end face is suppressed, and the higher output is further facilitated.

【0040】(比較例1)図5(a)は比較例1の構成
を示す断面図であり、図5(b)は各層に対応するドー
ピング濃度の分布図である。この半導体レーザ素子にお
いて、半導体基板(n−GaAs)20の上に順次、第
2n型クラッド層(n−Al0.48Ga0.52As、ドナー
濃度:1×1018cm-3、厚み:0.7μm)11、第
1n型クラッド層(n−Al0.31Ga0.69As、ドナー
濃度:1×1018cm-3、厚み:0.4μm)12、n
型キャリアブロック層(n−Al0.60Ga0.40As、ド
ナー濃度:1×1018cm-3、厚み:0.014μm)
13、活性層(DQW:二重量子井戸、GaAs/Al
0.31Ga0.69As、ドーピング無し)14、p型キャリ
アブロック層(p−Al0.50Ga0.50As、アクセプタ
ー濃度:1×1018cm-3、厚み:0.021μm)1
5、第1p型クラッド層(p−Al0.31Ga0.69As、
アクセプター濃度:1×1018cm-3、厚み:0.4μ
m)16、第2p型クラッド層(p−Al0.48Ga0.52
As、アクセプター濃度:1×1018cm-3、厚み:
0.7μm)17、電流狭窄層(n−GaAs、ドナー
濃度:1×1018cm-3、厚み:0.3μm)18、p
型コンタクト層(p−GaAs、アクセプター濃度:3
×1017cm-3〜1×1019cm-3、厚み:2μm)1
9が、MOCVDでそれぞれ形成されている。
(Comparative Example 1) FIG. 5A is a sectional view showing the structure of Comparative Example 1, and FIG. 5B is a distribution diagram of the doping concentration corresponding to each layer. In this semiconductor laser device, the second n-type clad layer (n-Al 0.48 Ga 0.52 As, donor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.7 μm) is sequentially formed on the semiconductor substrate (n-GaAs) 20. 11, first n-type cladding layer (n-Al 0.31 Ga 0.69 As, donor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.4 μm) 12, n
Type carrier block layer (n-Al 0.60 Ga 0.40 As, donor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.014 μm)
13. Active layer (DQW: double quantum well, GaAs / Al
0.31 Ga 0.69 As, no doping 14, p-type carrier block layer (p-Al 0.50 Ga 0.50 As, acceptor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.021 μm) 1
5, the first p-type cladding layer (p-Al 0.31 Ga 0.69 As,
Acceptor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.4 μ
m) 16, the second p-type cladding layer (p-Al 0.48 Ga 0.52
As, acceptor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness:
0.7 μm) 17, current confinement layer (n-GaAs, donor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.3 μm) 18, p
-Type contact layer (p-GaAs, acceptor concentration: 3)
× 10 17 cm -3 to 1 × 10 19 cm -3 , thickness: 2 μm) 1
9 are each formed by MOCVD.

【0041】ここで、実施例1と比較して相違する点
は、図5(b)に示すように、キャリアブロック層1
3、15、第1クラッド層12、16および第2クラッ
ド層11、17を全て1×1018cm-3という高濃度で
ドーピングしている点である。
Here, the difference from the first embodiment is that, as shown in FIG. 5B, the carrier block layer 1
3 and 15, the first cladding layers 12 and 16 and the second cladding layers 11 and 17 are all doped at a high concentration of 1 × 10 18 cm −3 .

【0042】(比較例2)図6(a)は比較例2の構成
を示す断面図であり、図6(b)は各層に対応するドー
ピング濃度の分布図である。この半導体レーザ素子にお
いて、半導体基板(n−GaAs)20の上に順次、第
2n型クラッド層(n−Al0.48Ga0.52As、ドナー
濃度:3×1017cm-3、厚み:0.7μm)11、第
1n型クラッド層(n−Al0.31Ga0.69As、ドナー
濃度:3×1017cm-3、厚み:0.4μm)12、n
型キャリアブロック層(n−Al0.60Ga0.40As、ド
ナー濃度:1×1018cm-3、厚み:0.014μm)
13、活性層(DQW:二重量子井戸、GaAs/Al
0.31Ga0.69As、ドーピング無し)14、p型キャリ
アブロック層(p−Al0.50Ga0.50As、アクセプタ
ー濃度:1×1018cm-3、厚み:0.021μm)1
5、第1p型クラッド層(p−Al0.31Ga0.69As、
アクセプター濃度:3×1017cm-3、厚み:0.4μ
m)16、第2p型クラッド層(p−Al0.43Ga0.57
As、アクセプター濃度:3×1017cm-3、厚み:
0.7μm)17、電流狭窄層(n−GaAs、ドナー
濃度:1×1018cm-3、厚み:0.3μm)18、p
型コンタクト層(p−GaAs、アクセプター濃度:3
×1017cm-3、厚み:2μm)19が、MOCVDで
形成されている。
Comparative Example 2 FIG. 6A is a sectional view showing the structure of Comparative Example 2, and FIG. 6B is a distribution diagram of the doping concentration corresponding to each layer. In this semiconductor laser device, a second n-type clad layer (n-Al 0.48 Ga 0.52 As, donor concentration: 3 × 10 17 cm −3 , thickness: 0.7 μm) is sequentially formed on the semiconductor substrate (n-GaAs) 20. 11, first n-type cladding layer (n-Al 0.31 Ga 0.69 As, donor concentration: 3 × 10 17 cm −3 , thickness: 0.4 μm) 12, n
Type carrier block layer (n-Al 0.60 Ga 0.40 As, donor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.014 μm)
13. Active layer (DQW: double quantum well, GaAs / Al
0.31 Ga 0.69 As, no doping 14, p-type carrier block layer (p-Al 0.50 Ga 0.50 As, acceptor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.021 μm) 1
5, the first p-type cladding layer (p-Al 0.31 Ga 0.69 As,
Acceptor concentration: 3 × 10 17 cm −3 , thickness: 0.4 μ
m) 16, the second p-type cladding layer (p-Al 0.43 Ga 0.57
As, acceptor concentration: 3 × 10 17 cm −3 , thickness:
0.7 μm) 17, current confinement layer (n-GaAs, donor concentration: 1 × 10 18 cm −3 , thickness: 0.3 μm) 18, p
-Type contact layer (p-GaAs, acceptor concentration: 3)
19 × 10 17 cm −3 , thickness: 2 μm) 19 is formed by MOCVD.

【0043】ここで、実施例1と比較して相違する点
は、図6(b)に示すように、キャリアブロック層1
3、15を1×1018cm-3という高濃度でドーピング
し、第1クラッド層12、16および第2クラッド層1
1、17を3×1017cm-3という低濃度でドーピング
している点である。
Here, the difference from the first embodiment is that, as shown in FIG. 6B, the carrier block layer 1
3 and 15 are doped at a high concentration of 1 × 10 18 cm −3 , and the first cladding layers 12 and 16 and the second cladding layer 1 are doped.
1 and 17 are doped at a low concentration of 3 × 10 17 cm −3 .

【0044】(比較例3)比較例3の構成は、図5の比
較例1と同じであるが、p型ドーパントとして全てZn
(亜鉛)を使用している点が相違する。
Comparative Example 3 The structure of Comparative Example 3 is the same as that of Comparative Example 1 of FIG.
The difference is that (zinc) is used.

【0045】(比較例4)比較例4の構成は、図6の比
較例2と同様であるが、p型ドーパントとして全てZn
(亜鉛)使用している点が相違する。ここで、実施例1
と比較例1〜4とを比較するため、素子の特性温度、内
部損失を測定した結果および活性層を除くn型第2クラ
ッド層からp型クラッド層までの電気抵抗をシミュレー
ションした値を下記(表1)に示す。なお、半導体レー
ザ素子のキャビティ長700μm、電流注入ストライプ
幅50μm、光学コーティング無しという条件はいずれ
も共通である。
Comparative Example 4 The structure of Comparative Example 4 is the same as that of Comparative Example 2 of FIG.
(Zinc) The difference is that it is used. Example 1
In order to compare Comparative Examples 1 to 4 with the characteristic temperature of the element, the result of measuring the internal loss, and the value obtained by simulating the electrical resistance from the n-type second cladding layer excluding the active layer to the p-type cladding layer are shown below ( It is shown in Table 1). The semiconductor laser element has the same cavity length of 700 μm, current injection stripe width of 50 μm, and no optical coating.

【0046】[0046]

【表1】 [Table 1]

【0047】その結果、実施例1は比較例3、4と比べ
て、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は140Kに
改善されることが確認された。これはドーパントとし
て、亜鉛より拡散性が格段に小さい炭素を使用すること
によって、キャリアブロック層を所望の濃度に維持する
ことができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを
活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられ
る。
As a result, it was confirmed that the characteristic temperature showing the temperature dependence of the oscillation threshold in Example 1 was improved to 140K as compared with Comparative Examples 3 and 4. This is because the carrier block layer can be maintained at a desired concentration by using carbon, which has a significantly lower diffusivity than zinc, as a dopant, and therefore carriers are more reliably confined in the active layer than in the case of zinc. It is thought that this was possible.

【0048】また、実施例1は比較例1と比べて、特性
温度は同程度であるが、内部損失が5分の1と大幅に改
善されていることが判る。これは、第1クラッド層のド
ーピング濃度が低くなって、フリーキャリア吸収が減っ
てためと考えられる。
Further, it can be seen that Example 1 has substantially the same characteristic temperature as Comparative Example 1, but the internal loss is greatly improved to 1/5. It is considered that this is because the doping concentration of the first cladding layer becomes low and the free carrier absorption decreases.

【0049】また、実施例1は比較例2と比べて、第2
クラッド層のドーピング濃度が高いためにその部分の電
気伝導率が向上して、電気抵抗の低減化が可能になっ
た。
In addition, the first embodiment has a second comparison with the second comparison.
Since the doping concentration of the clad layer is high, the electric conductivity of that portion is improved and the electric resistance can be reduced.

【0050】このようにキャリアブロック層を高ドーピ
ングにすることによって特性温度を改善でき、第1クラ
ッド層を低ドーピングにすることによって、光学的な内
部損失を改善でき、さらに第2クラッド層を高ドーピン
グにすることによって素子の電気抵抗を改善することが
できる。
As described above, the characteristic temperature can be improved by making the carrier block layer highly doped, and the optical internal loss can be improved by making the first cladding layer lightly doped, and the second cladding layer can be made high. The doping can improve the electrical resistance of the device.

【0051】なお以上の説明において、半導体レーザ素
子の材料としてAlGaAs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が適用できる。
In the above description, an example in which the AlGaAs semiconductor is used as the material of the semiconductor laser device is shown, but the present invention can be applied as long as carbon or magnesium is a material that functions as a p-type dopant.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、n
型およびp型キャリアブロック層のドーピング量は、n
型およびp型クラッド層の第1クラッド層より高濃度と
なるように変調ドーピングが施されているため、キャリ
アブロック機能を維持しつつ内部損失を低減化できる。
As described above, according to the present invention, n
The doping amount of the n-type and p-type carrier block layers is n
Since the modulation doping is performed so that the concentration of the p-type and p-type clad layers is higher than that of the first clad layer, the internal loss can be reduced while maintaining the carrier block function.

【0053】また、n型およびp型クラッド層の第2ク
ラッド層のドーピング量は、第1クラッド層より高濃度
となるように変調ドーピングが施されているため、素子
全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させるこ
とができる。
Further, since the doping amount of the second clad layer of the n-type and p-type clad layers is modulated so as to be higher than that of the first clad layer, the electric resistance of the entire device is reduced. Therefore, self-heating can be reduced.

【0054】そして出射端面での光学損傷を抑制できる
ので、上記の効果と相俟ってより高出力化できる。
Since optical damage at the exit end face can be suppressed, higher output can be achieved in combination with the above effect.

【0055】さらに、p型ドーパントとして炭素または
マグネシウムを用いることによって、薄い層であっても
充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリア
ブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に
行われ、特性温度の向上に寄与する。
Furthermore, by using carbon or magnesium as the p-type dopant, a sufficient doping concentration can be realized even in a thin layer. Therefore, carrier confinement in the active layer is surely performed by the carrier block layer, which contributes to improvement of the characteristic temperature.

【0056】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。
Thus, in the semiconductor laser device having the complete separation / confinement structure, higher efficiency and higher output can be achieved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1(a)は完全分離閉じ込め構造における各
層の禁制帯幅を示すグラフであり、図1(b)は規格化
周波数V=πの場合の導波モードを示すグラフである。
FIG. 1 (a) is a graph showing a forbidden band width of each layer in a completely separated confinement structure, and FIG. 1 (b) is a graph showing a guided mode when a normalized frequency V = π.

【図2】スラブ導波路構造において規格化周波数Vに対
する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a change in optical propagation factor of an optical waveguide layer with respect to a normalized frequency V in a slab waveguide structure.

【図3】AlGaAs中における各種p型ドーパントの
アクセプター準位を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing acceptor levels of various p-type dopants in AlGaAs.

【図4】図4(a)は本発明の実施例1の構成を示す断
面図であり、図4(b)は各層に対応するドーピング濃
度の分布図である。
FIG. 4A is a cross-sectional view showing the configuration of the first embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a distribution diagram of the doping concentration corresponding to each layer.

【図5】図5(a)は比較例1の構成を示す断面図であ
り、図5(b)は各層に対応するドーピング濃度の分布
図である。
5A is a cross-sectional view showing the structure of Comparative Example 1, and FIG. 5B is a distribution diagram of doping concentration corresponding to each layer.

【図6】図6(a)は比較例2の構成を示す断面図であ
り、図6(b)は各層に対応するドーピング濃度の分布
図である。
6 (a) is a cross-sectional view showing the structure of Comparative Example 2, and FIG. 6 (b) is a distribution diagram of the doping concentration corresponding to each layer.

【図7】図7(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7(b)は各層に対応した禁制帯
幅の分布図、図7(c)は各層に対応した屈折率の分布
図である。
7A is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor laser device, FIG. 7B is a distribution diagram of a forbidden band width corresponding to each layer, and FIG. 7C is corresponding to each layer. It is the distribution map of the refractive index which was done.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 第2n型クラッド層 12 第1n型クラッド層 13 n型キャリアブロック層 14 活性層 15 p型キャリアブロック層 16 第1p型クラッド層 17 第2p型クラッド層 18 電流狭窄層 19 p型コンタクト層 20 半導体基板 21、22 オーミック電極 11 second n-type clad layer 12 first n-type clad layer 13 n-type carrier block layer 14 active layer 15 p-type carrier block layer 16 first p-type clad layer 17 second p-type clad layer 18 current confinement layer 19 p-type contact layer 20 semiconductor Substrate 21,22 Ohmic electrode

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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において、 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−N220.5 と定義したとき、V>π/3が成立するとともに、 n型およびp型キャリアブロック層のドーピング量は、
n型およびp型クラッド層の第1クラッド層より高濃度
であって、 n型およびp型クラッド層の第2クラッド層のドーピン
グ量は、第1クラッド層より高濃度となるように変調ド
ーピングが施されていることを特徴する半導体レーザ素
子。
1. An n-type carrier block having n-type and p-type clad layers provided on both sides of an active layer and having a forbidden band width equal to or greater than the forbidden band widths of the active layer and the both clad layers adjacent to the active layer. In a semiconductor laser having a p-type carrier block layer and a p-type carrier block layer, the n-type and p-type clad layers each include a first clad layer and a second clad layer in the order of being closer to the active layer. With the oscillation wavelength, the maximum refractive index of the active layer, the carrier block layer and the first cladding layer is N1,
When the refractive index of the second cladding layer is N2, the effective thickness between the second cladding layers is d1, and the normalized frequency V is defined as V = (π · d1 / λ) · (N1 2 −N2 2 ) 0.5 , V> π / 3 holds, and the doping amounts of the n-type and p-type carrier block layers are
The doping concentration of the second cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is higher than that of the first cladding layers of the n-type and p-type cladding layers. A semiconductor laser device characterized by being applied.
【請求項2】 n型およびp型キャリアブロック層のド
ーピング量は1×1018cm-3以上に、n型およびp型
クラッド層の第1クラッド層のドーピング量は3×10
17cm-3以下に、n型およびp型クラッド層の第2クラ
ッド層のドーピング量は1×1018cm-3以上になるよ
うに変調ドーピングが施されていることを特徴とする請
求項1記載の半導体レーザ素子。
2. The doping amount of the n-type and p-type carrier block layers is 1 × 10 18 cm −3 or more, and the doping amount of the first cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is 3 × 10.
The modulation doping is performed so that the doping amount of the second cladding layers of the n-type and p-type cladding layers is 17 cm -3 or less and 1 × 10 18 cm -3 or more. The described semiconductor laser device.
【請求項3】 p型キャリアブロック層のドーパント
が、炭素またはマグネシウムであ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。
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the dopant of the p-type carrier block layer is carbon or magnesium.
【請求項4】 キャリアブロック層ならびに第1および
第2クラッド層は、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1〜3いずれかに記載
の半導体レーザ素子。
4. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the carrier block layer and the first and second cladding layers are made of a III-V group compound semiconductor.
【請求項5】 キャリアブロック層ならびに第1および
第2クラッド層は、AlGaAs系化合物半導体で形成
されていることを特徴とする請求項4記載の半導体レー
ザ素子。
5. The semiconductor laser device according to claim 4, wherein the carrier block layer and the first and second cladding layers are made of an AlGaAs compound semiconductor.
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