JPS6349919B2 - - Google Patents

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JPS6349919B2
JPS6349919B2 JP57108201A JP10820182A JPS6349919B2 JP S6349919 B2 JPS6349919 B2 JP S6349919B2 JP 57108201 A JP57108201 A JP 57108201A JP 10820182 A JP10820182 A JP 10820182A JP S6349919 B2 JPS6349919 B2 JP S6349919B2
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JP
Japan
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semiconductor layer
semiconductor
layer
conductivity type
laser device
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JP57108201A
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English (en)
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JPS58223395A (ja
Inventor
Hirobumi Namisaki
Ryoichi Hirano
Hideyo Higuchi
Etsuji Oomura
Yasushi Sakakibara
Wataru Suzaki
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to US06/506,261 priority patent/US4561096A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/24Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a grooved structure, e.g. V-grooved, crescent active layer in groove, VSIS laser
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223Buried stripe structure
    • H01S5/2237Buried stripe structure with a non-planar active layer

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体レーザ装置に係り、特に低し
きい値が得られ、かつ温度特性の優れた半導体レ
ーザ装置に関するものである。
この種の半導体レーザ装置として従来から様々
な構造のものが提唱されているが、安定な発振モ
ードと低しきい値の得られる装置としてBC型半
導体レーザ装置及びBH型半導体レーザ装置が知
られている。
第1図は従来のBC型半導体レーザ装置の模式
的断面図であり、図において1は他主面に第1の
電極2が設けられたn−InPである半導体基板
で、キヤリア密度が7×1018/cm3程度である。3
はこの半導体基板の一主面上に液相エピタキシヤ
ル成長によつて形成されたP−InPである第1の
半導体層で、キヤリア密度が1×1018/cm3であ
る。4はこの第1の半導体層上に液相エピタキシ
ヤル成長によつて形成されたn−InPである第2
の半導体層、5はこの第2の半導体層表面から上
記半導体基板1まで届くようにエツチングにて形
成された帯状の溝、6はこの溝が形成されたもの
を2回目の成長用基板として、この成長用基板の
主面上に液相エピタキシヤル成長により形成され
たn−InPである第5の半導体層で、溝5内底部
に、上部が上記第1の半導体層3の側面3a下部
に接するように形成されるとともに、上記第2の
半導体層4上の一部に形成されるものである。7
は上記溝5内に形成された第5の半導体層5上に
液相エピタキシヤル成長により両端が上記第1の
半導体層3の側面3aに接するように形成された
断面三ケ月状のn−InGaAsPである活性層で、
禁制帯巾がInPより狭く、いわゆるダフルヘテロ
接合を形成しているものである。なお、この活性
層7形成と同時に上記第5の半導体層6上の一部
にもInGaAsP層が形成されるものであり、また、
活性層7はP−InGaAsPであつても良いもので
ある。9は上記活性層7上、第1の半導体層3の
側面3a上部および第2の半導体層4aの側面4
aに接するように溝5内に形成されるとともに、
第2の半導体層4およびInGaAsP層8上に液相
エピタキシヤル成長により形成されたP−InPで
ある第3の半導体層で、この主面には第2の電極
10が形成されているものである。
また、第2図は従来のBH型半導体レーザ装置
の模式的断面図であり、1はn−InPである半導
体基板、7はこの半導体基板の一主面上に液相エ
ピタキシヤル成長によつて形成されたnまたはP
−InGaAsPである活性層、9はこの活性層上に
液相エピタキシヤル成長によつて形成されたP−
InPである第3の半導体層で、上記半導体基板1
の上部活性層7、および第3の半導体層9が帯状
突起になるように、これらの両側部がエツチング
除去されているものである。3は上記半導体基板
1のエツチング除去された部分上に液相エピタキ
シヤル成長されたP−InPである第1の半導体層
で、その側面3aに活性層7の側端が接するもの
である。4はこの第1の半導体層上に液相エピタ
キシヤル成長されたn−InPである第2の半導体
層、11はこの第2の半導体層上に液相エピタキ
シヤル成長されたP−InPである第6の半導体
層、10はこの第6の半導体層および第3の半導
体層9上に形成された第2の電極である。
この様に構成されたBC型半導体レーザ装置お
よびBH型半導体レーザ装置にあつては、次の様
な電流の流れ方をするものである。第3図は第1
図、第2図に示したもののさらに模式的に示した
図であり、この図に基づいて説明する。
すなわち、幅が通常発振モード制御の観点から
2μm程度に定められた狭い幅を有する活性領域
7に、レーザ発振の効率を高めるため、電流を集
中して流すような構造になつているものであり、
第1および第3の半導体層3,9からなる第2導
電型層(第2図のものにおいては、第1、第3お
よび第6の半導体層3,4,11からなる第2導
電型層)中に丁度スリツトの様に第1導電型の第
2半導体層4を設けた構造をとつているものであ
る。この様な構造であるため、第2導電型層中の
第2の半導体層4は、第2導電型層中の電荷の担
体であるホールにとつてはエネルギー障壁となつ
ており、通常の状態ではこの第2の半導体層を乗
り越えて電流は流れず、第2の半導体層4はまさ
に電流をしぼり込むスリツトとなり、電流を狭い
幅の活性層7に集中できるようになるものであ
る。
しかるに、この様な構造にされたものにおいて
は、不可避的に半導体基板1および第5の半導体
層6と第1の半導体層3との接合面に、InPのP
−n接合12が形成されるため、活性層7近傍に
おいて、上から順に第2導電型の第3の半導体層
9(又は第6の半導体層11)、第1導電型の第
2半導体層4、第2導電型の第1半導体層3、第
1導電型の半導体基板1からなるP−n−P−n
なる層が形成された構造となり、この構造は良く
知られたサイリスタの構造と酷似したものであ
る。しかも、半導体基板1は結晶中の欠陥密度を
少なくするため添加不純物量を多くしてあり、一
般的に7×1018/cm3程度のキヤリア密度になつて
おり、また第1の半導体層3は液相エピタキシヤ
ル成長によつて形成されているため、キヤリア密
度の高いものが得られ難く、通常2×1018/cm3
下(上記従来例では1×1018/cm3)になつている
ものである。このため、第3図図示矢印Igに示す
漏れ電流により、サイリスタとしてはターンオン
し易い構造となつているものである。
すなわち、第3図に示す構造の電気的等価回路
図は第4図に示すようなものになり、漏れ電流Ig
は活性領域7に流れる電流IDが小さいときには小
さく、サイリスタ構造部はターンオンせず、流し
た電流は有効に発振に寄与するが、温度が上ると
発振に必要な電流が増加するため、流す電流は大
きくする必要があり、この時、漏れ電流Igも大き
くなるため、サイリスタ構造部がターンオンし、
大きな無効電流ISが流れることになり、活性領域
7に流れる電流IDは小さく、有効かつ安定な発振
が得られなくなるものである。
第5図は第1の電極2と第2の電極10間に流
した電流と、レーザ装置の出力との関係を周囲温
度を変化させた場合に測定した結果を相対的に示
した図である。この図からも明らかなように、低
温においては電流がレーザ出力に対して有効に寄
与しているが、高温になつた場合には、電流−レ
ーザ出力特性は飽和傾向を示し、有効に寄与され
ておらず、極端な場合には、発振が停止してしま
うものも生じた。
この発明は上記した点に鑑みてなされたもので
あり、低しき値を与える狭い活性領域を有する半
導体装置において、この活性領域が接する第2導
電型の第1の半導体層と第1導電型の半導体基板
との間に、第1の半導体層のキヤリヤ密度より低
いキヤリヤ密度を有した第1導電型の第4の半導
体層を形成して、高温においても安定な発振が得
られるようにすることを目的とするものである。
以下この発明の一実施例を第6図に基づいて説
明すると、第1図に示した従来のものに比して、
第1導電型の半導体基板1と第2導電型の第1の
半導体層3との間に、この第1の半導体層3のキ
ヤリヤ密度よりキヤリヤ密度が低い第1導電型の
第4の半導体層13を形成したことを特徴とし、
この第4の半導体層13はn−InPである。
この様に構成したことにより、活性層7近傍に
おいて、第3の半導体層9第2の半導体層4、第
1の半導体層3、第4の半導体層13および半導
体基板1からなるP−n−P−nなる層から形成
されるサイリスタ構造は低温ばかりでなく高温に
おいてもターンオンし難い構造となり、無効電流
ISは流れなく、第1および第2の電極2,10間
に流れる電流により有効かつ安定なレーザ出力が
得られることになるものである。このことは第4
の半導体層13のキヤリア密度が相対する第1の
半導体層3のキヤリヤ密度に比べて低いために、
漏れ電流Igによる電子の第1の半導体層3への注
入が少なく、また注入された電子も容易に第1の
半導体層3内でホールと再結合するために、第2
の半導体層4へはほとんど流れ込まず、この第2
の半導体4のエネルギー障壁を下げないことによ
るものである。
次に、具体的一例を示す。半導体基板1のキヤ
リア密度を7×1018/cm3、第4の半導体層13の
キヤリア密度を2×1017/cm3、第1の半導体層3
のキヤリヤ密度を1×1018/cm3、厚さを1.8μm、
第2の半導体層4のキヤリヤ密度を2×1018
cm3、厚さを0.7μm、第3の半導体層9のキヤリア
密度を8×1017/cm3とし、活性層7の幅を2μmと
したものを作成した。このものを周囲温度(外気
温度)を種々変化させて、電流−レーザ出力特性
を測定したところ、周囲温度80℃に到るまで電流
−レーザ出力特性の飽和は見られず、安定なレー
ザ発振が得られた。
また、上記条件のもとに第4図に示した電気的
等価回路に基づいて計算すると、活性領域7を流
れる電流IDが100mAのとき、無効電流ISは10mA
程度でほとんど発振特性に影響がないことが判り
この結果は上記実験結果とも良く一致しているも
のである。
さらに、発明者らは第6図に示す構造の半導体
レーザ装置を種々作成し検討を加えた結果、一般
に良く使われる第2の半導体層4の厚さを0.5μ
m、第1の半導体層3の厚さを1.5μm程度とし、
第2の半導体層4のキヤリア密度を2×1018
cm3、第3の半導体層9のキヤリア密度を8×
1017/cm3とすると、第1の半導体層3のキヤリア
密度を5×1017/cm3以上とし、第4の半導体層1
3のキヤリア密度を5×1017/cm3未満とすれば、
大きな無効電流は流れず、電流−レーザ出力特性
の飽和は見られなかつた。
第7図はこの発明の他の実施例を示すものであ
り、第2図に示した従来のBH型半導体レーザ装
置において、半導体基板1と第1の半導体層3と
の間に、この第1の半導体層3のキヤリヤ密度よ
りキヤリヤ密度が低い第1導電型の第4の半導体
層13を形成したものである。
このものにおいても、第6図で示した上記実施
例のものと同様に、高温においても安定なレーザ
発振が得られるものであつた。
なお、上記実施例では、半導体基板1および第
1〜第6の半導体層2,4,9,13,6,11
にInPを、活性層7にInGaAsPを材料として用た
場合について述べたが、これらに限られるもので
はなく、その他の−族化合物を材料に用いた
半導体レーザ装置においても同様な効果を奏する
ものである。
この発明は以上に述べたように、狭い活性領域
を有する半導体装置において、第1導電型の半導
体基板と活性領域が接する第2導電型の第1の半
導体層との間に、キヤリヤ密度が第1の半導体層
のキヤリヤ密度より低い第1導電型の第4の半導
体層を形成したので、高温においても安定なレー
ザ発振が得られるという効果を有するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のBC型半導体レーザ装置を示す
模式的断面図、第2図は従来のBH型半導体レー
ザ装置を示す模式的断面図、第3図は第1図およ
び第2図に示したもののさらに模式的に示した
図、第4図は第3図に示す構造の電気的等価回路
図、第5図は第1図および第2図に示したものの
電流−レーザ出力特性を相対的に示した図、第6
図はこの発明の一実施例を示す模式的断面図、第
7図はこの発明の他の実施例を示す模式的断面図
である。 図において、1は半導体基板、3は第1の半導
体層、4は第2の半導体層、7は活性層、9は第
3の半導体層、13は第4の半導体層である。な
お、各図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 第1導電型の半導体基板、この半導体基板上
    に形成された第2導電型の第1の半導体層、この
    第1の半導体層の側面の一部に接して形成され、
    帯制帯幅の相対的に狭い第1または第2導電型の
    半導体層からなる活性層、上記第1の半導体層上
    に形成された第1導電型の第2の半導体層、一部
    が上記第1の半導体層の側面の一部及び第2半導
    体層の側面と接し、少なくとも上記活性層上に形
    成された第3の半導体層を具備した半導体レーザ
    装置において、上記半導体基板と第1の半導体層
    との間に、上記第1の半導体層のキヤリア密度よ
    り低いキヤリヤ密度を有した第1導電型の第4の
    半導体層を形成したことを特徴とする半導体レー
    ザ装置。 2 活性層は、第1の半導体層と第2半導体層を
    貫通する溝中に形成されたことを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載の半導体レーザ装置。 3 第1および第2の半導体層は、半導体基板上
    に形成された活性層を両側から挾むように形成さ
    れたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の半導体レーザ装置。 4 半導体基板をn−InP、第2および第4の半
    導体層をn−InP、第1および第3の半導体層を
    P−InP、活性層をnまたはP−InGaAsPとした
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第
    3項のいずれかに記載の半導体レーザ装置。 5 第1の半導体層のキヤリア密度を5×1017
    cm3以上とし、第4の半導体層のキヤリア密度を5
    ×1017/cm3末満としたことを特徴とする特許請求
    の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載の半
    導体レーザ装置。
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