【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
〈技術分野〉
本発明は半導体レーザに関し、特にGaAlAs
（ガリウムアルミ砒素）系材料からなる半導体レ
ーザの共振器端面のコートに関する。
〈背景技術〉
半導体レーザは活性層を含む共振器の対向する
２面をへき開面（以下端面と称す）とし、斯る２
面間で活性層より発した光を共振させることによ
りエネルギーの大なるレーザ光を得ることができ
る。
また斯る共振器端面は従来SiO2（２酸化シリコ
ン）、Si3N4（窒化シリコン）、Al2O3（酸化アルミ
ニウム）等からなる膜（結晶構造：非晶質もしく
は多結晶）でコートされ、斯る端面に劣化が生じ
ないように保護されている。
ところが上記した膜の材料はGaAlAs系材料と
熱膨張係数が異なるため端面にストレスによる劣
化（非発光中心）が生じる。また上記材料は熱伝
導率が低いためレーザ発振時に斯る非発光中心よ
り生じる熱が端面近傍に蓄積され、更に非発光中
心が増殖されることとなる（オプテイカルダメー
ジ）。従つて光出力が低減すると共に寿命が短く
なる。
〈発明の目的及び開示〉
本発明は斯る点に鑑みてなされたもので長寿命
の半導体レーザを提供せんとするものであり、そ
の特徴は共振器端面をSiC（シリコンカーバイド）
でコートしたことである。
SiCは多結晶もしくは非晶質状態においては熱
膨張係数6.0×10-6／℃程度であり、GaAlAs系材
料のそれと近似している。またSiCの熱伝導率は
約0.1cal／cm・sec・℃と非常に高い。下表に、
従来のコート材料及びGaAs（ガリウム砒素）単
結晶の熱伝導率及び熱膨張係数を参考のために示
す。
<Technical Field> The present invention relates to semiconductor lasers, and in particular to GaAlAs semiconductor lasers.
The present invention relates to a coating on the cavity end face of a semiconductor laser made of (gallium aluminum arsenide) based material. <Background Art> In a semiconductor laser, two opposing surfaces of a resonator including an active layer are cleaved planes (hereinafter referred to as end surfaces).
Laser light with high energy can be obtained by causing the light emitted from the active layer to resonate between the surfaces. In addition, such resonator end faces are conventionally coated with a film (crystalline structure: amorphous or polycrystalline) made of SiO 2 (silicon dioxide), Si 3 N 4 (silicon nitride), Al 2 O 3 (aluminum oxide), etc. The end face is protected from deterioration. However, since the film material described above has a coefficient of thermal expansion different from that of the GaAlAs-based material, deterioration (non-luminescent center) occurs at the end face due to stress. Furthermore, since the above materials have low thermal conductivity, heat generated from such non-luminous centers during laser oscillation is accumulated near the end face, and the non-luminous centers are further multiplied (optical damage). Therefore, the light output is reduced and the lifetime is shortened. <Objective and Disclosure of the Invention> The present invention has been made in view of the above points, and aims to provide a long-life semiconductor laser.
It was coated with SiC has a thermal expansion coefficient of about 6.0×10 -6 /°C in a polycrystalline or amorphous state, which is similar to that of GaAlAs-based materials. Furthermore, the thermal conductivity of SiC is extremely high at approximately 0.1 cal/cm・sec・℃. In the table below,
The thermal conductivity and thermal expansion coefficient of conventional coating materials and GaAs (gallium arsenide) single crystals are shown for reference.
【表】
本発明は上述したSiCの諸特性を巧みに利用し
たものである。
〈実施例〉
第１図、第２図は本発明の一実施例を示し、第
１図は第２図のＩ―I′線断面図であり、第２図は
第１図の―′線断面図である。
図において、１は一主面が（100）面であるｎ
型GaAs基板であり、該基板の一主面には第１図
に示すように紙面垂直方向に延在する溝２が形成
されている。３は上記基板１の一主面上に積層さ
れたｎ型Ga1―XAlXAs（０＜Ｘ＜１）からなる
第１クラツド層であり、該第１クラツド層は基板
１の一主面形状に従つて溝２上で凹状に湾曲して
いる。４は上記第１クラツド層３上に積層された
Ga1―YAlYAs（０≦Ｙ＜１，Ｘ＞Ｙ）からなる
活性層、５は該活性層上に積層されたＰ型Ga1―
XAlXAsからなる第２クラツド層、６は該第２
クラツド層上に積層されたオーミツク特性が良好
なキヤツプ層である。上記第１クラツド層３、活
性層４、第２クラツド層５、キヤツプ層６は順次
エピタキシヤル成長により積層できる。
斯る半導体レーザでは第１、第２クラツド層
３，５のAl濃度が活性層４のそれより大である
ため斯るクラツド層は活性層に比べてバンドキヤ
ツプが大でかつ光屈折率が小となる。
従つて第１、第２クラツド層３，５及び活性層
４により光共振器が形成され、活性層４内で電子
及び正孔の再結合により生じた光は溝２に沿つて
進行しながら増幅され溝２に対して垂直に位置す
る共振器端面１ａ，１ａよりレーザ光として発振
する。
７，７は上記端面１ａ，１ａ表面に形成された
多結晶もしくは非晶質SiCからなる保護膜であ
る。斯る保護膜７は、周知のスパツタリング法、
プラズマCVD法等により形成でき、その形成温
度は低温（約300℃以下）であるので活性層４等
に熱的損傷を与える危惧はない。
尚、より好ましくは、上記保護膜７は例えばタ
ーゲツト材料としてSiCセラミツクスを用い、ス
パツタリングガスとしてArもしくはHeガスを用
いたスパツタリング法で形成する方が良い。これ
は例えばCVD法でSiCを形成する際に、原料ガス
として水素化合物であるSiH4（シラン）ガス等を
用いると、形成されたSiCは実質的に水素が含有
されてなる（SiC）1−xHxとなることがあり、こ
の場合、素子寿命の低下を招く原因となる。この
原因は水素を含有した（SiC）1−xHxを保護膜７
とした場合、長時間の発振に伴なつて、微小電圧
（レーザ発振しきい値以下の電圧）印加時に端面
１ａと保護膜７との界面を流れるリーク電流が、
水素を含有しないSiCを保護膜とした場合に較べ
て大となり、その結果端面劣化の度合が大きくな
るためであると考えられる。
第５図は、（SiC）0.9H0.1を保護膜７としてなる
半導体レーザとSiCを保護膜７としてなる半導体
レーザとを夫々50℃の温水中で3mW、100時間の
連続発振を行なつた後の、微小電圧印加時のリー
ク電流値を調べた結果を示す。尚、図中、（SiC）
0.9H0.1を保護膜７としてなるレーザの結果は〇印
で示し、SiCを保護膜７としてなるレーザの結果
は△印で示してある。また、図中実線Ａで上記連
続発振前の両レーザの微小電圧とリーク電流との
関係を参考までに示した。
第５図より明らかな如く、上記両レーザ共に連
続発振前に較べてリーク電流の上昇が見られるが
特に（SiC）0.9H0.1を保護膜７としたレーザの方が
リーク電流の上昇が大となる。また（SiC）1−
xHxの組成比ｘと上記リーク電流との関係を調
べたところ、上記ｘが大きくなるに従つてリーク
電流も大となることが実験により判明した。
このように端面の保護膜７としてSiCを用いる
と、既述した如くSiCとGaAlAs系単結晶との熱
膨張係数が近似しているためストレスにより劣化
が生じることはなく、また、SiCの熱伝導率は高
いのでオプテイカルダメージが生じることもほと
んどない。
第３図は、本実施例レーザ（直線Ａ）と端面１
ａを例えばSiO2で構成した場合（曲線Ｂ）との
光出力―電流特性を示す。尚図中横軸には電流
を、縦軸には光出力をとつてある。
図より明らかな如く、端面１ａ，１ａをSiCで
コートすると光出力は電流に比例するがSiO2で
コートすると電流がある一定値を越えると光出力
は徐々に飽和状態に近づいてくる。尚Si3N4、
Al2O3でコートした際にもSiO2と同じような現象
が見られた。
第４図は本実施例レーザと端面１ａをSiO2で
構成した場合の寿命試験を行なつた結果を示す。
尚斯る試験は上記各材料で端面コートされたレー
ザを50℃の温水中に浸漬し、A.P.C.（Automatic
Power Contorol）法を用いた。具体的には出力
を3mWに固定して駆動電流の変化を調べた。
図中〇印で示したものが本実施例レーザであり
×印で示したものが端面１ａ，１ａをSiO2で構
成したものである。尚、図中横軸には駆動時間
を、縦軸には駆動電流を夫々とつてある。
図から明らかな如く、本実施例レーザの方が長
時間に渡つて安定した駆動電流で動作できる。つ
まり、寿命特性が優れていることがわかる。
〈効果〉
本発明の半導体レーザでは共振器端面をSiCで
コートしているので高出力発振が可能で、かつ長
寿命化が達成できる。[Table] The present invention skillfully utilizes the various properties of SiC described above. <Embodiment> FIGS. 1 and 2 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line I-I' in FIG. 2, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line -' in FIG. FIG. In the figure, 1 is n where one principal surface is the (100) plane.
The substrate is a type GaAs substrate, and a groove 2 extending perpendicular to the plane of the paper is formed in one main surface of the substrate, as shown in FIG. 3 is a first clad layer made of n-type Ga 1 -XAlXAs (0<X<1) laminated on one main surface of the substrate 1, and the first clad layer is formed in the shape of one main surface of the substrate 1. It is therefore concavely curved on the groove 2. 4 is laminated on the first cladding layer 3.
An active layer made of Ga 1 -YAlYAs (0≦Y<1,X>Y), 5 is a P-type Ga 1 - layered on the active layer.
a second cladding layer made of XAlXAs; 6 is the second cladding layer;
A cap layer with good ohmic properties is laminated on the cladding layer. The first cladding layer 3, active layer 4, second cladding layer 5, and cap layer 6 can be sequentially laminated by epitaxial growth. In such a semiconductor laser, since the Al concentration of the first and second cladding layers 3 and 5 is higher than that of the active layer 4, the cladding layer has a larger band cap and a lower optical refractive index than the active layer. becomes. Therefore, an optical resonator is formed by the first and second cladding layers 3 and 5 and the active layer 4, and light generated by recombination of electrons and holes within the active layer 4 is amplified while traveling along the groove 2. The resonator end faces 1a, 1a located perpendicularly to the groove 2 oscillate as laser light. 7, 7 are protective films made of polycrystalline or amorphous SiC formed on the surfaces of the end faces 1a, 1a. Such a protective film 7 can be formed by a well-known sputtering method,
It can be formed by a plasma CVD method or the like, and the formation temperature is low (approximately 300° C. or less), so there is no risk of thermal damage to the active layer 4 and the like. More preferably, the protective film 7 is formed by a sputtering method using, for example, SiC ceramics as the target material and Ar or He gas as the sputtering gas. For example, when forming SiC using the CVD method, if a hydrogen compound such as SiH 4 (silane) gas is used as a raw material gas, the formed SiC will substantially contain hydrogen (SiC) 1 − xHx, which may lead to a reduction in element life. The cause of this is hydrogen-containing (SiC) 1 −xHx as a protective film 7
In this case, with long-term oscillation, a leakage current flowing through the interface between the end face 1a and the protective film 7 when a minute voltage (voltage below the laser oscillation threshold) is applied is as follows.
This is thought to be because the protective film becomes larger than that when SiC, which does not contain hydrogen, is used as the protective film, and as a result, the degree of end face deterioration increases. Figure 5 shows a semiconductor laser with (SiC) 0.9 H 0.1 as the protective film 7 and a semiconductor laser with SiC as the protective film 7 after continuous oscillation at 3 mW for 100 hours in warm water at 50°C. The results of investigating the leakage current value when applying a minute voltage are shown. In the figure, (SiC)
The results of the laser using 0.9 H 0.1 as the protective film 7 are indicated by ◯, and the results of the laser using SiC as the protective film 7 are indicated by △. Further, solid line A in the figure shows the relationship between the leakage current and the minute voltage of both lasers before continuous oscillation. As is clear from Fig. 5, an increase in leakage current is seen in both of the above lasers compared to before continuous oscillation, but in particular, the increase in leakage current is greater in the laser with (SiC) 0.9 H 0.1 as the protective film 7. Become. Also (SiC) 1 −
When the relationship between the composition ratio x of xHx and the above leakage current was investigated, it was found through experiments that as the above x becomes larger, the leakage current also becomes larger. When SiC is used as the protective film 7 on the end face in this way, as mentioned above, the thermal expansion coefficients of SiC and GaAlAs single crystal are similar, so no deterioration occurs due to stress, and the thermal conductivity of SiC The rate is so high that optical damage rarely occurs. Figure 3 shows the laser of this embodiment (straight line A) and the end face 1.
The optical output-current characteristics are shown when a is made of, for example, SiO 2 (curve B). In the figure, the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents optical output. As is clear from the figure, when the end faces 1a, 1a are coated with SiC, the optical output is proportional to the current, but when coated with SiO 2 , the optical output gradually approaches a saturated state when the current exceeds a certain value. Furthermore, Si 3 N 4 ,
A similar phenomenon to SiO 2 was observed when coated with Al 2 O 3 . FIG. 4 shows the results of a life test performed on the laser of this embodiment and the end face 1a made of SiO 2 .
In this test, a laser whose end face was coated with each of the above materials was immersed in warm water at 50°C, and APC (Automatic
Power Control) method was used. Specifically, we fixed the output at 3mW and examined changes in drive current. In the figure, the laser indicated by a circle is the laser of this embodiment, and the laser indicated by an x is a laser whose end surfaces 1a and 1a are made of SiO 2 . In the figure, the horizontal axis represents driving time, and the vertical axis represents driving current. As is clear from the figure, the laser of this embodiment can operate with a more stable drive current over a longer period of time. In other words, it can be seen that the life characteristics are excellent. <Effects> Since the semiconductor laser of the present invention coats the cavity end face with SiC, high output oscillation is possible and a long life can be achieved.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]
第１図、第２図は本発明の一実施例を示し、第
１図は第２図のＩ―I′線断面図、第２図は第１図
の―′線断面図であり、第３図は光出力―電
流特性を示す特性図、第４図は寿命試験結果を示
す特性図、第５図は微小電圧印加時のリーク電流
を示す特性図である。
１ａ……（共振器）端面、７……保護膜。
1 and 2 show one embodiment of the present invention, FIG. 1 is a sectional view taken along the line II' in FIG. 2, FIG. FIG. 3 is a characteristic diagram showing optical output-current characteristics, FIG. 4 is a characteristic diagram showing life test results, and FIG. 5 is a characteristic diagram showing leakage current when a minute voltage is applied. 1a... (resonator) end face, 7... protective film.