JPH1022561A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH1022561A JPH1022561A JP17028196A JP17028196A JPH1022561A JP H1022561 A JPH1022561 A JP H1022561A JP 17028196 A JP17028196 A JP 17028196A JP 17028196 A JP17028196 A JP 17028196A JP H1022561 A JPH1022561 A JP H1022561A
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- layer
- conductivity type
- cladding layer
- type cladding
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 活性層に垂直方向のビーム広がり角度が小さ
く、且つ、接合部の温度上昇を抑えることができる高信
頼性の半導体レーザ素子を提供することが目的である。 【解決手段】 レーザの垂直ビーム広がり角度が２０度
程度と薄い活性層３を中心にして、左右非対称の導波構
造を設定し、その左右非対称の屈折率分布によって活性
層３からの光のしみ出しを基板１側のクラッド層２の方
へ片寄らせ、コンタクト層５側への光のしみ出しを抑
え、コンタクト層５側のクラッド層４の膜厚を薄く設定
することによって、活性層３で発生した熱をヒートシン
ク側へ効率良く逃がし温度特性を改善する。
く、且つ、接合部の温度上昇を抑えることができる高信
頼性の半導体レーザ素子を提供することが目的である。 【解決手段】 レーザの垂直ビーム広がり角度が２０度
程度と薄い活性層３を中心にして、左右非対称の導波構
造を設定し、その左右非対称の屈折率分布によって活性
層３からの光のしみ出しを基板１側のクラッド層２の方
へ片寄らせ、コンタクト層５側への光のしみ出しを抑
え、コンタクト層５側のクラッド層４の膜厚を薄く設定
することによって、活性層３で発生した熱をヒートシン
ク側へ効率良く逃がし温度特性を改善する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速光ディスク用
光源等として用いられる高信頼性及び高性能半導体レー
ザ素子に関する。
光源等として用いられる高信頼性及び高性能半導体レー
ザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】高速光ディスク用の光源として開発が進
められている半導体レーザには、（１）高出力化及び高
信頼性化、（２）狭い垂直ビーム広がり角度、等が要求
されている。
められている半導体レーザには、（１）高出力化及び高
信頼性化、（２）狭い垂直ビーム広がり角度、等が要求
されている。
【０００３】半導体レーザの高出力化及び高信頼性化を
実現するには、一般にＣＯＤ（瞬時光学損傷）レベルを
高めることが要求されている。このＣＯＤレベルとは半
導体レーザの高出力動作領域において、突然の発振停止
現象を起こすレベルをいう。図３にこの現象を電流−光
出力特性図で模式的に示すとともに、メカニズムのフロ
ーチャートを示す。図の横軸は半導体レーザに注入する
電流値であり、縦軸はレーザから出射される光出力であ
る。
実現するには、一般にＣＯＤ（瞬時光学損傷）レベルを
高めることが要求されている。このＣＯＤレベルとは半
導体レーザの高出力動作領域において、突然の発振停止
現象を起こすレベルをいう。図３にこの現象を電流−光
出力特性図で模式的に示すとともに、メカニズムのフロ
ーチャートを示す。図の横軸は半導体レーザに注入する
電流値であり、縦軸はレーザから出射される光出力であ
る。
【０００４】ここに示すように、発振しきい値電流を越
えて電流を増加していくとそれに比例して光出力は急峻
に増加していくが、ある電流値を越えると突然光出力が
急速に低下し、発振停止に至る現象が観察される。この
種の発振停止に至った半導体レーザ素子を走査型電子顕
微鏡で調べると、活性層端面に溶融部が生じていること
が観察される。
えて電流を増加していくとそれに比例して光出力は急峻
に増加していくが、ある電流値を越えると突然光出力が
急速に低下し、発振停止に至る現象が観察される。この
種の発振停止に至った半導体レーザ素子を走査型電子顕
微鏡で調べると、活性層端面に溶融部が生じていること
が観察される。
【０００５】斯る現象が発生するメカニズムとしては、
通常以下のように考えられている。半導体レーザ素子に
電流を注入すると、活性層端面近傍におけるキャリアの
非発光再結合による発熱が増加し、斯る部分の温度上昇
が生じる。この温度上昇は活性層のエネルギーバンドギ
ャップを小さくする方向に働き、さらにこの活性層端面
での光吸収を増大させ、温度上昇を加速することとな
り、ついには端面の溶融を引き起こすこととなる。
通常以下のように考えられている。半導体レーザ素子に
電流を注入すると、活性層端面近傍におけるキャリアの
非発光再結合による発熱が増加し、斯る部分の温度上昇
が生じる。この温度上昇は活性層のエネルギーバンドギ
ャップを小さくする方向に働き、さらにこの活性層端面
での光吸収を増大させ、温度上昇を加速することとな
り、ついには端面の溶融を引き起こすこととなる。
【０００６】このＣＯＤレベルを上げる代表的な方法と
して、（１）活性層端面での光吸収を減少させる方法と
（２）発光面積を大きくする方法とがある。
して、（１）活性層端面での光吸収を減少させる方法と
（２）発光面積を大きくする方法とがある。
【０００７】前者は、レーザ活性層端面近傍の材料を活
性層中央部よりエネルギーバンドギャップの大きい材料
とし、レーザ光に対して透明な構造にすることによっ
て、斯る活性層端面近傍での光吸収を低減しようとする
窓構造といわれる方法である。この方法は端面での光吸
収の低減に大きな効果があるが、素子構造及び素子作製
工程が複雑になるので、再現性に問題がある。
性層中央部よりエネルギーバンドギャップの大きい材料
とし、レーザ光に対して透明な構造にすることによっ
て、斯る活性層端面近傍での光吸収を低減しようとする
窓構造といわれる方法である。この方法は端面での光吸
収の低減に大きな効果があるが、素子構造及び素子作製
工程が複雑になるので、再現性に問題がある。
【０００８】後者は、発光面積を拡大して単位面積当り
の光密度を低減し、素子の温度上昇を低減しようとする
ものであり、これは、活性層を薄くしてレーザ光をクラ
ッド層へ多くしみ出させる方法と、活性層の両側に光ガ
イド層を設ける方法の２つに大別される。
の光密度を低減し、素子の温度上昇を低減しようとする
ものであり、これは、活性層を薄くしてレーザ光をクラ
ッド層へ多くしみ出させる方法と、活性層の両側に光ガ
イド層を設ける方法の２つに大別される。
【０００９】図４は、前記の方法であるレーザ光の活性
層からクラッド層へのしみ出しを大きくした半導体レー
ザ素子の従来構造の一例であり、図４（ａ）は共振器に
垂直な方向の断面構造図、図４（ｂ）はＡ−Ａ′断面か
ら見た屈折率分布及び光強度分布を示す図、図４（ｃ）
はＡ−Ａ′断面でのバンド構造模式図である。
層からクラッド層へのしみ出しを大きくした半導体レー
ザ素子の従来構造の一例であり、図４（ａ）は共振器に
垂直な方向の断面構造図、図４（ｂ）はＡ−Ａ′断面か
ら見た屈折率分布及び光強度分布を示す図、図４（ｃ）
はＡ−Ａ′断面でのバンド構造模式図である。
【００１０】図中、２１はｎ型ＧａＡｓ基板、２２はこ
のｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されたｎ型ＡｌxＧａ
1-xＡｓクラッド層（ｘ＝０．５、層厚１．６μｍ、Ｓ
ｉドープ）である。このｎ型クラッド層２２上には、Ａ
ｌyＧａ1-yＡｓ量子井戸層（ｙ＝０．０５、層厚１００
Å）２３ａとＡｌzＧａ1-zＡｓ光ガイド層（ｚ＝０．３
５、層厚４５０Å）２３ｂとを積層させた単一量子井戸
活性層２３が形成されている。
のｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されたｎ型ＡｌxＧａ
1-xＡｓクラッド層（ｘ＝０．５、層厚１．６μｍ、Ｓ
ｉドープ）である。このｎ型クラッド層２２上には、Ａ
ｌyＧａ1-yＡｓ量子井戸層（ｙ＝０．０５、層厚１００
Å）２３ａとＡｌzＧａ1-zＡｓ光ガイド層（ｚ＝０．３
５、層厚４５０Å）２３ｂとを積層させた単一量子井戸
活性層２３が形成されている。
【００１１】この活性層２３上には、ｐ型ＡｌpＧａ1-p
Ａｓ（ｐ＝０．５、層厚１．６μｍ）クラッド層２４が
形成されている。このｐ型クラッド層２４上には、ｐ型
ＧａＡｓ（層厚０．２μｍ）からなるコンタクト層２５
が形成されている。このコンタクト層２５の上面には、
Ｃｒ−Ａｕからなるｐ型オーミック電極２６が、前記ｎ
型ＧａＡｓ基板２１の下面にはＣｒ−Ｓｎ−Ａｕからな
るｎ型オーミック電極２７が形成されている。素子は、
前記Ｃｒ−Ａｕ電極２６側をヒートシンク上にマウント
した、ジャンクションダウン構造になっている。
Ａｓ（ｐ＝０．５、層厚１．６μｍ）クラッド層２４が
形成されている。このｐ型クラッド層２４上には、ｐ型
ＧａＡｓ（層厚０．２μｍ）からなるコンタクト層２５
が形成されている。このコンタクト層２５の上面には、
Ｃｒ−Ａｕからなるｐ型オーミック電極２６が、前記ｎ
型ＧａＡｓ基板２１の下面にはＣｒ−Ｓｎ−Ａｕからな
るｎ型オーミック電極２７が形成されている。素子は、
前記Ｃｒ−Ａｕ電極２６側をヒートシンク上にマウント
した、ジャンクションダウン構造になっている。
【００１２】次に、狭い垂直ビーム広がり角度に関して
は、一般に、光出力が数十ｍＷ級の半導体レーザの活性
層に垂直方向のビーム広がり角度（θ⊥）は、３０度以
下、できれば、レンズとの結合効率を考えて、２０度程
度にするのが望ましいとされている。これは、光学系に
おいては、レーザ光のスポット径はレンズの有効面積に
制限され、狭い垂直ビーム広がり角度の方がレーザ光を
効率的に使用できるからであり、垂直ビーム広がり角度
と水平ビーム広がり角度の比（アスペクト比）をできる
だけ１に近づける必要があるからである。
は、一般に、光出力が数十ｍＷ級の半導体レーザの活性
層に垂直方向のビーム広がり角度（θ⊥）は、３０度以
下、できれば、レンズとの結合効率を考えて、２０度程
度にするのが望ましいとされている。これは、光学系に
おいては、レーザ光のスポット径はレンズの有効面積に
制限され、狭い垂直ビーム広がり角度の方がレーザ光を
効率的に使用できるからであり、垂直ビーム広がり角度
と水平ビーム広がり角度の比（アスペクト比）をできる
だけ１に近づける必要があるからである。
【００１３】図４のレーザ構造では、活性層に垂直方向
のビーム広がり角度２０度程度を実現するために、極薄
膜の活性層を成長し、この活性層を中心にして接合と垂
直方向に対称な導波構造を形成している。この構造は活
性層を中心に対称な屈折率分布を形成しているので、そ
れによって閉じ込められるレーザ光の光強度分布も対称
形となる。活性層から左右のクラッド層への光のしみ出
し幅は、片側で１．５μｍ程度となるため、ｐ側及びに
ｎ側クラッド層厚もそれぞれ１．５μｍ以上必要となっ
ている。
のビーム広がり角度２０度程度を実現するために、極薄
膜の活性層を成長し、この活性層を中心にして接合と垂
直方向に対称な導波構造を形成している。この構造は活
性層を中心に対称な屈折率分布を形成しているので、そ
れによって閉じ込められるレーザ光の光強度分布も対称
形となる。活性層から左右のクラッド層への光のしみ出
し幅は、片側で１．５μｍ程度となるため、ｐ側及びに
ｎ側クラッド層厚もそれぞれ１．５μｍ以上必要となっ
ている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡｌＧ
ａＡｓ系赤外半導体レーザの場合、クラッド層のＡｌ組
成は０．５程度であるので、熱伝導率はＧａＡｓに比べ
ると著しく小さくなる。そのため、高出力動作時に活性
層で生じる発熱については、クラッド層での放熱が悪い
ため、接合部の温度上昇が大きくなり、素子特性及び信
頼性を低下させるという問題を有していた。
ａＡｓ系赤外半導体レーザの場合、クラッド層のＡｌ組
成は０．５程度であるので、熱伝導率はＧａＡｓに比べ
ると著しく小さくなる。そのため、高出力動作時に活性
層で生じる発熱については、クラッド層での放熱が悪い
ため、接合部の温度上昇が大きくなり、素子特性及び信
頼性を低下させるという問題を有していた。
【００１５】本発明は上述の問題点に鑑み成されたもの
であり、活性層に垂直方向のビーム広がり角度が小さ
く、且つ、接合部の温度上昇を抑えることができる高信
頼性の半導体レーザ素子を提供することが目的である。
であり、活性層に垂直方向のビーム広がり角度が小さ
く、且つ、接合部の温度上昇を抑えることができる高信
頼性の半導体レーザ素子を提供することが目的である。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、第１導電型の基板上に形成された、前記第１導電
型のクラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは逆の
導電型となる第２導電型クラッド層と、前記第２導電型
のコンタクト層と、がこの順に積層されてなる半導体レ
ーザ素子において、前記活性層を中心にして、該活性層
の上層と下層とが非対称な導波構造としたことを特徴と
する。
子は、第１導電型の基板上に形成された、前記第１導電
型のクラッド層と、活性層と、前記第１導電型とは逆の
導電型となる第２導電型クラッド層と、前記第２導電型
のコンタクト層と、がこの順に積層されてなる半導体レ
ーザ素子において、前記活性層を中心にして、該活性層
の上層と下層とが非対称な導波構造としたことを特徴と
する。
【００１７】この場合、いずれか一方のクラッド層厚を
薄くすることができるので、活性層で発生した熱を効率
よく逃がすことになり、温度特性を改善することができ
る。また、レーザ素子を高出力動作にするほど、あるい
は、活性層を薄くするほど、垂直方向のビーム広がり角
度が小さくなり、光のしみ出し量が大きくなる。この結
果、活性層で発生した熱をより効率良く逃がすことにな
り、温度特性改善の効果は大きくなる。
薄くすることができるので、活性層で発生した熱を効率
よく逃がすことになり、温度特性を改善することができ
る。また、レーザ素子を高出力動作にするほど、あるい
は、活性層を薄くするほど、垂直方向のビーム広がり角
度が小さくなり、光のしみ出し量が大きくなる。この結
果、活性層で発生した熱をより効率良く逃がすことにな
り、温度特性改善の効果は大きくなる。
【００１８】特に、前記活性層で発生した光を、前記第
２導電型クラッド層側よりも前記第１導電型クラッド層
側に多くしみ出させることを特徴とする。
２導電型クラッド層側よりも前記第１導電型クラッド層
側に多くしみ出させることを特徴とする。
【００１９】この場合、第２導電型クラッド層厚を薄く
することができるので、活性層で発生した熱を効率良く
逃がすことができる。
することができるので、活性層で発生した熱を効率良く
逃がすことができる。
【００２０】また、本発明の半導体レーザ素子は、前記
コンタクト層側を下面にしてヒートシンクに取り付けて
なることを特徴とする。
コンタクト層側を下面にしてヒートシンクに取り付けて
なることを特徴とする。
【００２１】この場合も、活性層で発生した熱を効率良
くヒートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を
改善することができる。
くヒートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を
改善することができる。
【００２２】また、本発明の半導体レーザ素子は、前記
第２導電型クラッド層の熱伝導率が、前記第１導電型ク
ラッド層の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。
第２導電型クラッド層の熱伝導率が、前記第１導電型ク
ラッド層の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。
【００２３】この場合も、活性層で発生した熱を効率良
くヒートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を
改善することができる。
くヒートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を
改善することができる。
【００２４】さらに、本発明の半導体レーザ素子は、前
記第２導電型クラッド層の層厚が、前記第１導電型クラ
ッド層の層厚よりも薄いことを特徴とする。
記第２導電型クラッド層の層厚が、前記第１導電型クラ
ッド層の層厚よりも薄いことを特徴とする。
【００２５】この場合も、クラッド層でのジュール熱に
よる発熱はクラッド層厚に比例するので、全体の発熱量
を低減するとともに、活性層で発生した熱を効率良くヒ
ートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を改善
することができる。
よる発熱はクラッド層厚に比例するので、全体の発熱量
を低減するとともに、活性層で発生した熱を効率良くヒ
ートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を改善
することができる。
【００２６】また、本発明の半導体レーザ素子は、前記
第２導電型クラッド層が、バンドギャップエネルギーま
たは層厚の異なる複数の前記第２導電型クラッド層で構
成され、前記第１導電型クラッド層及び複数の前記第２
導電型クラッド層のバンドギャップエネルギーを、それ
ぞれ、Ｅx及びＥy1，Ｅy2，…，Ｅym，…，Ｅyn（２≦
ｍ＜ｎ；ｍ，ｎは自然数、第１導電型クラッド層側より
１，２，…，ｍ，…，ｎと設定）とするとき、 Ｅy1＜Ｅx≦Ｅym＜Ｅyn であり、且つ、前記第１導電型クラッド層及び前記第２
導電型クラッド層の対応する層厚を、ｄ1及びｄy1，ｄ
y2，…，ｄym，…，ｄyn（２≦ｍ≦ｎ）とするとき、 ｄyn≦ｄy1＜ｄ1 であり、さらに （ｄy1＋ … ＋ｄyn）＜ｄ1 であることを特徴とする。
第２導電型クラッド層が、バンドギャップエネルギーま
たは層厚の異なる複数の前記第２導電型クラッド層で構
成され、前記第１導電型クラッド層及び複数の前記第２
導電型クラッド層のバンドギャップエネルギーを、それ
ぞれ、Ｅx及びＥy1，Ｅy2，…，Ｅym，…，Ｅyn（２≦
ｍ＜ｎ；ｍ，ｎは自然数、第１導電型クラッド層側より
１，２，…，ｍ，…，ｎと設定）とするとき、 Ｅy1＜Ｅx≦Ｅym＜Ｅyn であり、且つ、前記第１導電型クラッド層及び前記第２
導電型クラッド層の対応する層厚を、ｄ1及びｄy1，ｄ
y2，…，ｄym，…，ｄyn（２≦ｍ≦ｎ）とするとき、 ｄyn≦ｄy1＜ｄ1 であり、さらに （ｄy1＋ … ＋ｄyn）＜ｄ1 であることを特徴とする。
【００２７】この場合も、前記活性層を中心にして、該
活性層の上層と下層とが非対称な導波構造を形成するこ
とによって、前記活性層で発生した光を、前記第２導電
型クラッド層側よりも前記第１導電型クラッド層側に多
くしみ出させることになり、前記第２導電型クラッド層
を薄くすることができるので、活性層で発生した熱を効
率良くヒートシンクへ逃がし、温度特性を改善すること
ができる。
活性層の上層と下層とが非対称な導波構造を形成するこ
とによって、前記活性層で発生した光を、前記第２導電
型クラッド層側よりも前記第１導電型クラッド層側に多
くしみ出させることになり、前記第２導電型クラッド層
を薄くすることができるので、活性層で発生した熱を効
率良くヒートシンクへ逃がし、温度特性を改善すること
ができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態であるＡｌ
ＧａＡｓ系半導体レーザ素子を図１を用いて説明する。
尚、図１（ａ）は共振器に垂直な方向の断面構造図、図
１（ｂ）はＡ−Ａ′断面から見た屈折率分布及び光強度
分布を示す図、図１（ｃ）はＡ−Ａ′断面でのバンド構
造模式図である。
ＧａＡｓ系半導体レーザ素子を図１を用いて説明する。
尚、図１（ａ）は共振器に垂直な方向の断面構造図、図
１（ｂ）はＡ−Ａ′断面から見た屈折率分布及び光強度
分布を示す図、図１（ｃ）はＡ−Ａ′断面でのバンド構
造模式図である。
【００２９】図１（ａ）中、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２
はこのｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されたｎ型ＡｌxＧ
ａ1-xＡｓクラッド層（本形態ではｘ＝０．４５、層厚
２．２μｍ、Ｓｉドープ）である。
はこのｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されたｎ型ＡｌxＧ
ａ1-xＡｓクラッド層（本形態ではｘ＝０．４５、層厚
２．２μｍ、Ｓｉドープ）である。
【００３０】このｎ型クラッド層２上には、ＡｌyＧａ
1-yＡｓ量子井戸層（本形態ではｙ＝０．０５、層厚１
００Å）３ａとＡｌzＧａ1-zＡｓ光ガイド層（本形態で
はｚ＝０．３５、層厚４５０Å）３ｂとの単一量子井戸
層構造からなる活性層３が形成されている。
1-yＡｓ量子井戸層（本形態ではｙ＝０．０５、層厚１
００Å）３ａとＡｌzＧａ1-zＡｓ光ガイド層（本形態で
はｚ＝０．３５、層厚４５０Å）３ｂとの単一量子井戸
層構造からなる活性層３が形成されている。
【００３１】この活性層３上には、ｐ型ＡｌpＧａ1-pＡ
ｓ（本形態ではｐ＝０．４、層厚０．２μｍ）第１層４
ａとｐ型ＡｌqＧａ1-qＡｓ（本形態ではｑ＝０．５、層
厚０．７μｍ）第２層４ｂが積層されてなるｐ型クラッ
ド層４が形成されている。
ｓ（本形態ではｐ＝０．４、層厚０．２μｍ）第１層４
ａとｐ型ＡｌqＧａ1-qＡｓ（本形態ではｑ＝０．５、層
厚０．７μｍ）第２層４ｂが積層されてなるｐ型クラッ
ド層４が形成されている。
【００３２】このｐ型クラッド層４上には、ｐ型ＧａＡ
ｓ（本形態では層厚０．２μｍ）からなるコンタクト層
５が形成されている。このコンタクト層５の上面には、
Ｃｒ−Ａｕからなるｐ型オーミック電極６が、前記ｎ型
ＧａＡｓ基板１の下面にはＣｒ−Ｓｎ−Ａｕからなるｎ
型オーミック電極７が形成されている。素子は、コンタ
クト層６を下面にした、いわゆるジャンクションダウン
構造で、ヒートシンク上にマウントされている。
ｓ（本形態では層厚０．２μｍ）からなるコンタクト層
５が形成されている。このコンタクト層５の上面には、
Ｃｒ−Ａｕからなるｐ型オーミック電極６が、前記ｎ型
ＧａＡｓ基板１の下面にはＣｒ−Ｓｎ−Ａｕからなるｎ
型オーミック電極７が形成されている。素子は、コンタ
クト層６を下面にした、いわゆるジャンクションダウン
構造で、ヒートシンク上にマウントされている。
【００３３】本発明の実施の一形態であるレーザ素子で
は、活性層３を中心にして、該活性層の上層と下層とが
非対称な導波構造を形成するので、非対称な屈折率分布
を得ることができる。活性層３から共振器と垂直な方向
への光のしみ出しは、屈折率の大きいｎ型ラッド層２側
へ片寄るので、コンタクト層５側への光のしみ出しは抑
えられ、ｐ型クラッド層４の膜厚を薄く設定することが
できる。その結果、活性層３で発生した熱をヒートシン
ク側へ効率良く逃がし、温度特性を改善することができ
る。
は、活性層３を中心にして、該活性層の上層と下層とが
非対称な導波構造を形成するので、非対称な屈折率分布
を得ることができる。活性層３から共振器と垂直な方向
への光のしみ出しは、屈折率の大きいｎ型ラッド層２側
へ片寄るので、コンタクト層５側への光のしみ出しは抑
えられ、ｐ型クラッド層４の膜厚を薄く設定することが
できる。その結果、活性層３で発生した熱をヒートシン
ク側へ効率良く逃がし、温度特性を改善することができ
る。
【００３４】本発明の実施の一形態では、活性層からの
光のしみ出しは、ｎ型クラッド層２側へは約２．２μｍ
（従来構造では約１．６μｍ）、ｐ型クラッド層４側へ
は約０．９μｍ（従来構造では約１．６μｍ）と計算さ
れる。
光のしみ出しは、ｎ型クラッド層２側へは約２．２μｍ
（従来構造では約１．６μｍ）、ｐ型クラッド層４側へ
は約０．９μｍ（従来構造では約１．６μｍ）と計算さ
れる。
【００３５】したがって、活性層で発生した熱は、従来
構造よりも０．７μｍ薄いｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４を通って、ヒートシンク側へ効率良く逃げるため、接
合部の温度上昇を低減する効果が期待できる。
構造よりも０．７μｍ薄いｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４を通って、ヒートシンク側へ効率良く逃げるため、接
合部の温度上昇を低減する効果が期待できる。
【００３６】本発明の実施の一形態における、熱的効果
を計算によって評価する。ここでは、「光通信素子光学
−発光・受光素子−」（米津宏雄著、昭和５９年発
行、工学図書株式会社、ｐｐ．１１５〜１２１参照）の
計算モデルを使用する。
を計算によって評価する。ここでは、「光通信素子光学
−発光・受光素子−」（米津宏雄著、昭和５９年発
行、工学図書株式会社、ｐｐ．１１５〜１２１参照）の
計算モデルを使用する。
【００３７】図２に、熱抵抗の計算モデルを示す。コン
タクト層側をヒートシンク面にしたジャンクションダウ
ン構造の例である。ここで、Ｐjは活性層１１での発熱
量、Ｐclはクラッド層１２でのジュール熱による発熱
量、Ｐcontはコンタクト層１３でのジュール熱による発
熱量、Ｐcはオーミック電極１４での抵抗率による発熱
量、ｄjは活性層１１の膜厚、ｄclはｐ型クラッド層１
２の膜厚、ｄcontはコンタクト層１３の膜厚、Ｒthjは
活性層１１の熱抵抗、Ｒthclはｐ型クラッド層１２の熱
抵抗、Ｒthcontはコンタクト層１３の熱抵抗、Ｄは発光
径である。
タクト層側をヒートシンク面にしたジャンクションダウ
ン構造の例である。ここで、Ｐjは活性層１１での発熱
量、Ｐclはクラッド層１２でのジュール熱による発熱
量、Ｐcontはコンタクト層１３でのジュール熱による発
熱量、Ｐcはオーミック電極１４での抵抗率による発熱
量、ｄjは活性層１１の膜厚、ｄclはｐ型クラッド層１
２の膜厚、ｄcontはコンタクト層１３の膜厚、Ｒthjは
活性層１１の熱抵抗、Ｒthclはｐ型クラッド層１２の熱
抵抗、Ｒthcontはコンタクト層１３の熱抵抗、Ｄは発光
径である。
【００３８】計算では、近似的に、発光領域で消費され
るエネルギーの全てが発光領域で熱になり、活性層１
１、クラッド層１２及びコンタクト層１３での発熱は各
層厚の中心に局在し、発生した熱は全てヒートシンク１
５側に流れると仮定する。また、ヒートシンクを無限大
の大きさに仮定し、無限遠での温度をＴM とし、発光領
域の平均温度をＴj、発光領域の温度上昇をΔＴjとする
と以下のようになる。
るエネルギーの全てが発光領域で熱になり、活性層１
１、クラッド層１２及びコンタクト層１３での発熱は各
層厚の中心に局在し、発生した熱は全てヒートシンク１
５側に流れると仮定する。また、ヒートシンクを無限大
の大きさに仮定し、無限遠での温度をＴM とし、発光領
域の平均温度をＴj、発光領域の温度上昇をΔＴjとする
と以下のようになる。
【００３９】Ｔj＝ＴM＋Ｐj（Ｒthj＋Ｒthcl＋Ｒthcont
＋ＲthHS）＋Ｐcl〔（Ｒthcl／２）＋Ｒthcont＋
ＲthHS〕＋Ｐcont〔（Ｒthcont／２）＋ＲthHS〕＋Ｐc
ＲthHS ΔＴj≡Ｔj−ＴM ＝Ｐj・Ｒthj＋〔Ｐj＋（Ｐcl／２）〕・Ｒthcl＋〔Ｐj
＋Ｐcl＋（Ｐcont／２） 〕 ・Ｒthcont＋（Ｐj＋Ｐcl
＋Ｐcont＋Ｐc）・ＲthHS Ｐcl＝Ｉ2・（ρcl・ｄcl）／〔π・（Ｄ／２）2〕 Ｒthcl＝（１／κcl）／｛ｄcl／〔２π（Ｄ／
２）2〕｝ ここで、ρcl及びκclは、それぞれ ｐ型クラッド層で
の比抵抗及び熱伝導率である。
＋ＲthHS）＋Ｐcl〔（Ｒthcl／２）＋Ｒthcont＋
ＲthHS〕＋Ｐcont〔（Ｒthcont／２）＋ＲthHS〕＋Ｐc
ＲthHS ΔＴj≡Ｔj−ＴM ＝Ｐj・Ｒthj＋〔Ｐj＋（Ｐcl／２）〕・Ｒthcl＋〔Ｐj
＋Ｐcl＋（Ｐcont／２） 〕 ・Ｒthcont＋（Ｐj＋Ｐcl
＋Ｐcont＋Ｐc）・ＲthHS Ｐcl＝Ｉ2・（ρcl・ｄcl）／〔π・（Ｄ／２）2〕 Ｒthcl＝（１／κcl）／｛ｄcl／〔２π（Ｄ／
２）2〕｝ ここで、ρcl及びκclは、それぞれ ｐ型クラッド層で
の比抵抗及び熱伝導率である。
【００４０】本発明の実施の一形態におけるブロードエ
リア型の単一量子井戸レーザ（ストライプ幅を１５０μ
ｍ、共振器長６００μｍ、端面反射率が前面５％、後面
９５％）を、光出力２Ｗ（動作電流３．２Ａ、発熱量約
５Ｗ）で動作させる。
リア型の単一量子井戸レーザ（ストライプ幅を１５０μ
ｍ、共振器長６００μｍ、端面反射率が前面５％、後面
９５％）を、光出力２Ｗ（動作電流３．２Ａ、発熱量約
５Ｗ）で動作させる。
【００４１】ｐ型クラッド層の熱伝導率を０．０８６Ｗ
／（ｃｍ・℃）とすると、本発明の実施の一形態におけ
るレーザのｐ型クラッド層の全熱抵抗及び全温度上昇
は、それぞれ１．４℃／Ｗ及び７℃となる。一方、前記
図４で示した従来構造レーザのｐ型クラッド層の熱抵抗
及び温度上昇は、それぞれ２．４℃／Ｗ及び１２℃とな
る。したがって、本発明の実施の一形態におけるレーザ
は、従来構造に比べ、接合部の温度上昇を約５℃低減す
ることができる。
／（ｃｍ・℃）とすると、本発明の実施の一形態におけ
るレーザのｐ型クラッド層の全熱抵抗及び全温度上昇
は、それぞれ１．４℃／Ｗ及び７℃となる。一方、前記
図４で示した従来構造レーザのｐ型クラッド層の熱抵抗
及び温度上昇は、それぞれ２．４℃／Ｗ及び１２℃とな
る。したがって、本発明の実施の一形態におけるレーザ
は、従来構造に比べ、接合部の温度上昇を約５℃低減す
ることができる。
【００４２】なお、本発明の実施形態における光閉じ込
め係数Γは、従来構造とはほとんど変わらない０．０１
７と計算される。したがって、動作電流の増加といった
問題は発生しないので、上記温度特性の改善により、高
信頼性化が図られる。
め係数Γは、従来構造とはほとんど変わらない０．０１
７と計算される。したがって、動作電流の増加といった
問題は発生しないので、上記温度特性の改善により、高
信頼性化が図られる。
【００４３】ところで、上記の実施形態では、２層のｐ
型クラッド層を有する例について述べたが、２層以上の
複数のｐ型クラッド層を有する場合でも、活性層に近い
側のｐ型クラッド層からバンドギャップエネルギーと層
厚を段階的に増加させ、ｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがｐ型クラッド層のバンドギャップエネル
ギーの中間にあり、かつ、ｐ型クラッド層合計膜厚がｎ
型クラッド層厚よりも薄くなるように設定すれば、同様
の効果が得られる。
型クラッド層を有する例について述べたが、２層以上の
複数のｐ型クラッド層を有する場合でも、活性層に近い
側のｐ型クラッド層からバンドギャップエネルギーと層
厚を段階的に増加させ、ｎ型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがｐ型クラッド層のバンドギャップエネル
ギーの中間にあり、かつ、ｐ型クラッド層合計膜厚がｎ
型クラッド層厚よりも薄くなるように設定すれば、同様
の効果が得られる。
【００４４】また、上記の実施形態では、ブロードエリ
ア型レーザ素子について述べたが、本発明はストライプ
状リッジ部あるいは欠除部を有する電流ブロック層を備
えた半導体レーザ素子等にも適用できる。
ア型レーザ素子について述べたが、本発明はストライプ
状リッジ部あるいは欠除部を有する電流ブロック層を備
えた半導体レーザ素子等にも適用できる。
【００４５】また、上記の実施形態では、活性層は単一
量子井戸構造からなるが、多重量子井戸構造からなって
もよく、さらには非量子井戸層である活性層でもよい。
量子井戸構造からなるが、多重量子井戸構造からなって
もよく、さらには非量子井戸層である活性層でもよい。
【００４６】さらに、上記では、ＡｌＧａＡｓ系半導体
レーザ素子について述べたが、他の材料系、例えばＡｌ
ＧａＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系等を用いた半導体レー
ザ素子にも適宜応用できる。
レーザ素子について述べたが、他の材料系、例えばＡｌ
ＧａＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系等を用いた半導体レー
ザ素子にも適宜応用できる。
【００４７】
【発明の効果】レーザの垂直ビーム広がり角度が２０度
程度と小さい、即ち、非常に薄い活性層を中心にして、
共振器と垂直な方向に、非対称な導波構造を形成するこ
とによって、活性層からコンタクト層側への光のしみ出
しを抑える。その結果、コンタクト層側のクラッド層の
膜厚を薄くすることによって、活性層で発生した熱をヒ
ートシンク側へ効率良く逃がし、接合部の温度上昇を抑
え、温度特性を改善するので、高信頼性の半導体レーザ
素子を提供することができる。
程度と小さい、即ち、非常に薄い活性層を中心にして、
共振器と垂直な方向に、非対称な導波構造を形成するこ
とによって、活性層からコンタクト層側への光のしみ出
しを抑える。その結果、コンタクト層側のクラッド層の
膜厚を薄くすることによって、活性層で発生した熱をヒ
ートシンク側へ効率良く逃がし、接合部の温度上昇を抑
え、温度特性を改善するので、高信頼性の半導体レーザ
素子を提供することができる。
【図１】（ａ）は、本発明の実施の一形態である半導体
レーザ素子の断面構造模式図であり、（ｂ）は、本発明
の実施の一形態である半導体レーザ素子の屈折率分布及
び光強度分布を示す図であり、（ｃ）は、本発明の実施
の一形態である半導体レーザ素子のバンド構造模式図で
ある。
レーザ素子の断面構造模式図であり、（ｂ）は、本発明
の実施の一形態である半導体レーザ素子の屈折率分布及
び光強度分布を示す図であり、（ｃ）は、本発明の実施
の一形態である半導体レーザ素子のバンド構造模式図で
ある。
【図２】熱抵抗計算モデルを示す図である。
【図３】ＣＯＤの原理を説明するための電流−光出力特
性図とＣＯＤの発生メカニズムを表すフローチャート図
である。
性図とＣＯＤの発生メカニズムを表すフローチャート図
である。
【図４】（ａ）は、従来の半導体レーザ素子の断面構造
模式図であり、（ｂ）は、従来の半導体レーザ素子の屈
折率分布と光強度分布を示す図であり、（ｃ）は、従来
の半導体レーザ素子のバンド構造模式図である。
模式図であり、（ｂ）は、従来の半導体レーザ素子の屈
折率分布と光強度分布を示す図であり、（ｃ）は、従来
の半導体レーザ素子のバンド構造模式図である。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ ｎ型クラッド層 ３ 活性層 ３ａ 単一量子井戸層 ３ｂ 光ガイド層 ４ ｐ型クラッド層 ５ ｐ型コンタクト層 ６ ｐ型オーミック電極 ７ ｎ型オーミック電極
Claims (6)
- 【請求項１】 第１導電型の基板上に形成された、前
記第１導電型のクラッド層と、活性層と、前記第１導電
型とは逆の導電型となる第２導電型クラッド層と、前記
第２導電型のコンタクト層とが、この順序で積層されて
なる半導体レーザ素子において、 前記活性層を中心にして、該活性層の上層と下層とが非
対称な導波構造としたことを特徴とした半導体レーザ素
子。 - 【請求項２】 前記活性層で発生した光を、前記第２
導電型クラッド層側よりも前記第１導電型クラッド層側
に多くしみ出させ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】 前記コンタクト層側を下面にしてヒー
トシンクに取り付けてなることを特徴とする請求項１又
は２記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 前記第２導電型クラッド層の熱伝導率
が、前記第１導電型クラッド層の熱伝導率よりも大きい
ことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項５】 前記第２導電型クラッド層の層厚が、
前記第１導電型クラッド層の層厚よりも薄いことを特徴
とする請求項１、２、３、又は４記載の半導体レーザ素
子。 - 【請求項６】 前記第２導電型クラッド層が、バンド
ギャップエネルギーまたは層厚の異なる複数の前記第２
導電型クラッド層で構成され、前記第１導電型クラッド
層及び複数の前記第２導電型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーを、それぞれ、Ｅx及びＥy1，Ｅy2，…，
Ｅym，…，Ｅyn（２≦ｍ＜ｎ；ｍ，ｎは自然数、第１導
電型クラッド層側より１，２，…，ｍ，…，ｎと設定）
とするとき、 Ｅy1＜Ｅx≦Ｅym＜Ｅyn であり、且つ、前記第１導電型クラッド層及び前記第２
導電型クラッド層の対応する層厚を、ｄ1及びｄy1，ｄ
y2，…，ｄym，…，ｄyn（２≦ｍ≦ｎ）とするとき、 ｄyn≦ｄy1＜ｄ1 であり、さらに （ｄy1＋ … ＋ｄyn）＜ｄ1 であることを特徴とする請求項１、２、３、４、又は５
記載の半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17028196A JP3443241B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17028196A JP3443241B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | 半導体レーザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1022561A true JPH1022561A (ja) | 1998-01-23 |
| JP3443241B2 JP3443241B2 (ja) | 2003-09-02 |
Family
ID=15902045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17028196A Expired - Fee Related JP3443241B2 (ja) | 1996-06-28 | 1996-06-28 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3443241B2 (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11233883A (ja) * | 1998-02-18 | 1999-08-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| US6204512B1 (en) * | 1993-04-28 | 2001-03-20 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Gallium nitride-based III-V group compound semiconductor device and method of producing the same |
| JP2001102686A (ja) * | 1999-09-29 | 2001-04-13 | Denso Corp | 半導体レーザ |
| US6862311B2 (en) | 2003-01-30 | 2005-03-01 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| JP2005294306A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| CN100336274C (zh) * | 2003-12-05 | 2007-09-05 | 三菱电机株式会社 | 半导体激光器 |
| JP2008085367A (ja) * | 2007-12-17 | 2008-04-10 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| US7362788B2 (en) | 2003-09-26 | 2008-04-22 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and fabricating method thereof |
| JP2008219050A (ja) * | 2008-06-13 | 2008-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| JP2008219051A (ja) * | 2008-06-13 | 2008-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| KR100991989B1 (ko) | 2003-05-07 | 2010-11-04 | 삼성엘이디 주식회사 | 비대칭 웨이브가이드 레이저 다이오드 |
-
1996
- 1996-06-28 JP JP17028196A patent/JP3443241B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6204512B1 (en) * | 1993-04-28 | 2001-03-20 | Nichia Chemical Industries, Ltd. | Gallium nitride-based III-V group compound semiconductor device and method of producing the same |
| JPH11233883A (ja) * | 1998-02-18 | 1999-08-27 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| JP2001102686A (ja) * | 1999-09-29 | 2001-04-13 | Denso Corp | 半導体レーザ |
| US6862311B2 (en) | 2003-01-30 | 2005-03-01 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser device |
| KR100991989B1 (ko) | 2003-05-07 | 2010-11-04 | 삼성엘이디 주식회사 | 비대칭 웨이브가이드 레이저 다이오드 |
| US7362788B2 (en) | 2003-09-26 | 2008-04-22 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser and fabricating method thereof |
| CN100336274C (zh) * | 2003-12-05 | 2007-09-05 | 三菱电机株式会社 | 半导体激光器 |
| JP2005294306A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Nichia Chem Ind Ltd | 窒化物半導体素子 |
| JP2008085367A (ja) * | 2007-12-17 | 2008-04-10 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置 |
| JP2008219050A (ja) * | 2008-06-13 | 2008-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
| JP2008219051A (ja) * | 2008-06-13 | 2008-09-18 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3443241B2 (ja) | 2003-09-02 |
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