JP2005294633A

JP2005294633A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2005294633A
Application number: JP2004109159A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Suzuki; 洋一鈴木; Hiroki Nagasaki; 洋樹長崎
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】パルセーションレーザにおけるパルセーションの安定化を図り、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大してパルセーションレーザの使用できる範囲の拡大を図る。
【解決手段】活性層２５と、該活性層２５を挟む下側クラッド層２４及び上側クラッド層２６とを有するパルセーションレーザの、少なくとも下側クラッド層２４に該下側クラッド層２４より屈折率が大きく光の分布をコントロールする光コントロール層３２が設けられて成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルセーションレーザを主体とした半導体レーザ、マルチレーザ、あるいは光集積回路等の、いわゆる半導体発光装置に関する。

光ディスク用の半導体レーザとして、例えば情報の読み取りの用途において、半導体レーザへの戻り光により発生するノイズを抑制可能にしたパルセーション（自励発振）動作する半導体レーザ（パルセーションレーザ）が提案されている（特許文献１、２参照）。このパルセーションレーザには、活性層の近くに過飽和吸収層（ＳＡＬ；ＳａｔｕｒａｂｌｅＡｂｓｏｒｂｉｎｇｌａｙｅｒ）を設けたＳＡＬ型と、インディクスガイドとゲインガイドの中間的な導波ガイドを実現する弱い屈折率差を設定し、動作時に活性層内部に過飽和吸収領域が形成されるＷＩ（ＷｅａｋｌｙＩｎｄｅｘｇｕｉｄｅ）型とがある。

図５は、従来のＷＩ型のパルセーションレーザの概略的構成を示す。このパルセーションレーザ１は、例えばｎ型基板２上にｎ型バッファ層３、ｎ型クラッド層４、活性層５、ｐ型クラッド層６、ｎ型中間層７及びｎ型コンタクト層８が積層され、ｎ型コンタクト層８、ｎ型中間層７及びｐ型クラッド層６の一部にわたってメサエッチングされ、メサエッチングの両側にｎ型電流ブロック層９が形成されて成る。基板１の裏面にはｎ電極１０が形成され、コンタクト層８上にはｐ電極１１が形成される。
このパルセーションレーザ１では、図６に示すように、動作時に活性層３内のレーザ発振領域１３の両側に過飽和吸収領域１４が形成され、パルセーション動作が行われる。レーザ発振領域１３は光の分布１６と電流分布１５とが重なる領域に形成され、過飽和吸収領域１４は活性層５の光の分布１６と重なる領域に形成される。このようなパルセーションレーザ１においては、通常図６に示すように、光の分布１６がｐ型クラッド層６側に寄って形成されている。
特開２００１−２３７４９１号公報特開平６−２６０７１６号公報

パルセーションレーザにおいては、パルセーション動作がレーザ素子の温度、パワーバンド（レーザ出力パワー）に依存しており、パルセーションを安定させて使用できる範囲、即ちその使用される温度、パワーバンドの範囲が制限される。従来のパルセーション構造では、高温、高パワー、あるいは低温、低パワーになると、パルセーションが不安定になり、使用できる範囲が限定されていた。例えば、温度上昇すると温度に応じてキャリアが発生し、このキャリアも過飽和吸収領域に吸収され過飽和吸収領域の光吸収容量が減る。また、高パワーにすることは電流を多く流すことになり、それにつれて電流の広がりも大きくなり、過飽和吸収領域の体積が減る。つまり、光の吸収能力が落ちることで、使用範囲が限られる。
従って、パルセーションの温度、パワーバンドに対するマージンを高め、パルセーションレーザとして使用できる範囲の拡大が望まれていた。

本発明は、上述の点に鑑み、パルセーションを安定化させ、温度、パワーバンドに対するマージンを高めて使用できる範囲を広げるようにした半導体発光装置を提供するものである。

本発明に係る半導体発光装置は、活性層と、この活性層を挟む下側クラッド層及び上側クラッド層とを有するパルセーションレーザの、少なくとも下側クラッド層にこの下側クラッド層より屈折率が大きく光の分布をコントロールする光コントロール層を設けて構成する。

本発明は、上記半導体発光装置において、光コントロール層により光の分布をより活性層に近づくようにコントロールして、活性層内に過飽和吸収領域を形成するように構成する。
本発明は、上記半導体発光装置において、さらに上側クラッド層にこの上側クラッド層より屈折率が大きく光の分布をコントロールする光コントロール層を設けて構成する。

本発明の半導体発光装置では、パルセーションレーザの少なくとも下側クラッド層、例えば下側クラッド層に、もしくは上側クラッド層と下側クラッド層の両方に、これより屈折率が大きい光コントロール層が設けられることにより、動作時の光の分布が下側クラッド層側に引きつけられ、活性層に近づくようになる。光の分布が活性層に近づくことで、レーザ発振領域を挟む両側に形成される光の分布と活性層が重なる過飽和吸収領域が広がる。

本発明に係る半導体発光装置によれば、パルセーションレーザにおける電流分布を変えずに過飽和吸収領域が広がるので、パルセーションが安定化する。これにより、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大することができ、パルセーションレーザの使用できる範囲を広げることができる。また、パルセーションレーザの設計の自由度を拡大することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る半導体発光装置をパルセーションレーザに適用した実施の形態を示す。本実施の形態に係るパルセーションレーザ２１は、第１導電型の半導体基体２２上に第１導電型のバッファ層２３、第１導電型のクラッド層２４、活性層２５、第２導電型のクラッド層２６、第２導電型の中間層２７及び第２導電型のコンタクト層２８が積層され、第２導電型のコンタクト層２８、中間層２７及びクラッド層２６の一部にわたってメサエッチングされ、そのメサ部の両側面及びメサ部より連続する第２導電型のクラッド層２６の上面にわたって第１導電型の電流ブロック層２９が形成される。基体２２の裏面には、第１導電側電極３０が形成され、コンタク層２８の上面、本例では電流ブロク層２９の上面に延長するように第２導電側電極３１が形成される。

そして、本実施の形態においては、特に第１導電型のクラッド層２４内に、動作時に形成される光の分布をコントロールする光コントロール層３２が形成される。この光コントロール層３２は第１導電型のクラッド層２４の屈折率より大きい屈折率の層で形成され、且つ光を吸収しない層で形成される。光コントロール層３２は、レーザ２１の共振器長方向の全長、及びこれと直交する全幅にわたって形成することができる。また、光コントロール層３２と活性層２５間の距離ｄ１及び光コントロール層３２の層厚ｔ１は光の分布を光コントロール層３２側へ寄せるコントロール量により設定することができる。

本例では、基体２２として、ｎーＧａＡｓ基板を用い、このｎ型基板２２上に、ｎーＧａＡｓ層（基板側）とｎーＧａＩｎＰ層（クラッド層側）とによるｎ型バッファ層２３、ｎー（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ１．１μｍ）のｎ型クラッド層２４、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｎ型光コントロール層３２、ｎ-（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ０．４μｍ）のｎ型クラッド層２４、ノンドープＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層の活性層２５、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（厚さ０．４μｍ）のＰ型クラッド層２６、ｐーＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｐ型中間層２７、ｐーＧａＡｓ層のｐ型コンタクト層２８、ｎーＧａＡｓ層の電流ブロック層２９が形成され、ｎ型基板２２の裏面に下から順次ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを積層したｎ電極３０がオーミック接続され、ｐ型コンタクト層２８に下から順次Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層したｐ電極３１がオーミック接続される。光コントロール層３２としては、ｎ型クラッド層２４より高屈折率とするため、ＡｌＧａＩｎＰ系において、そのＡｌ量をｎ型クラッド層２４のＡｌ量より少なくした（０を含む）組成とすることができる。

なお、活性層に多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、例えばＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層を繰り返し積層してなるＭＱＷを用いた構成とすることもできる。また、活性層とクラッド層との間にガイド層を有する構成とすることもできる。
パルセーションレーザ２１の各層は、上例の組成に限らず目的に応じて例えばレーザ波長等により種々の組成で形成することができる。

本実施の形態のパルセーションレーザ２１では、動作時に図２に示すように、活性層２５内の光の分布４１と電流分布４２とが重なる領域にレーザ発振領域４３が形成され、このレーザ発振領域４３の両側に過飽和吸収領域４４が形成され、パルセーション動作が行われる。このとき、ｎ型クラッド層２４内に設けられた光コントロール層３２により、光の分布４１は、鎖線で示す従来の光の分布１６より活性層２５側に寄せられる。即ち、模式的にみると、従来の場合は扁平な楕円状の光の分布１６が層の構成により活性層から外れる形になる場合がある。しかし、本実施の形態では、光コントロール層３２により光の分布４１が活性層２５の中心に近づき、光分布４１に両先端部４１ａが活性層２５内に存するようになる。このため、光の分布４１と活性層２５とが重なる過飽和吸収領域４４が広がる。この過飽和吸収領域４４が広くなることで、光の吸収能力が向上し、パルセーションが安定化し、使用範囲の拡大が図れる。

このように光コントロール層３２によって光の分布４１がより活性層２５の中心に近づくことで、電流分布４２と光の分布４１との差、すなわちキャリアが注入されている領域（電流分布）と、電流注入が不十分で光のゲインが取れていない領域（光の分布）の差が大きくなり、パルセーションを強くすることができる。図３は、パルセーションの強弱を示すパラメータとしてγを使用したときのγ温度特性を示す。なお、このγ温度特性は、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）での測定である。γは可干渉性といい、レーザの干渉の度合いを示し、次のように定義されます。λ指定光出力１で測定したときの波長データの最大レベルを１とした時のセカンドピークをγとする。γ値が大きいと干渉が強いことを意味し、パルセーション（自励発振）が弱くなる。

図３において、曲線Ｉは光コントロール層を有しない従来構造のパルセーションレーザであり、曲線ＩＩは光コントロール層を挿入した本発明構造のパルセーションレーザである。γ値としては、０．５以下が望ましいと考えられる。図３によれば、従来構造のパルセーションレーザ１では、８０℃（高温）でγ値が０．５を大きく越えているのに対し、本発明構造のパルセーションレーザ２１は８０℃（高温）でγ値が０．５以下に抑えられている。

本実施の形態に係るパルセーションレーザ２１によれば、パルセーションを安定化することができ、温度、パワーバンド（いわゆるレーザの出射パワーの範囲）に対するマージンを拡大することができる。従って、パルセーションレーザとしての使用できる範囲を広げることができる。また、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大できるので、パルセーションレーザの設計の自由度を拡大することができる。

因みに、図５の従来構造において、活性層と電流ブロック層間の距離を大きくすれば、光の閉じ込めが弱くなり光の分布が広がり過飽和吸収領域を広げることができるが、同時に電流分布も広がるために、動作電流を上げることになり、発熱して結果的にパルセーションが悪くなる。本実施の形態では、活性層２５と電流ブロック層２９間の距離Ｌ１を変えずに電流分布４２の広がりを抑え、また、光の分布を広げ過ぎることなく、光コントロール層３２によって光の分布４１をより活性層２５側に引き付けて過飽和吸収領域を広げことができるので、特性を変化させずにパルセーションを強くすることができる。

一方、活性層とクラッド層の間に光ガイド層を有するパルセーションレーザに適用した場合には、光ガイド層、ｐ型クラッド層の厚さ、活性層体積を微調整することで、静特性を変化させることなく、パルセーションを強くすることができる。

上述の図１における実施の形態に係るパルセーションレーザ２１は、光コントロール層３２をｎ型クラッド層２４に設けた構成としたが、さらにｐクラッド層２６側にも光コントロール層を設ける構成とすることができる。

図４は、ｎ型クラッド層２４とｐ型クラッド層２６に光コントロール層３６を設けた本発明に係るパルセーションレーザの他の実施の形態を示す。
本実施の形態に係るパルセーションレーザ３５は、前述と同様に基体２２上に、バッファ層２３、第１導電型の例えばｎ型クラッド層２４、活性層２５、第２導電型の例えばｐ型クラッド層２６、中間層２７、コンタクト層２８、電流ブロック層２９、両電極３０、３１を有する。そして、ｎ型クラッド層２４内に第１の光コントロール層３２を形成するとともに、ｐ型クラッド層２６内に第２の光コントロール層３６を形成して構成される。この第２の光コントロール層３６は、エッチングストップ層として利用することもできる。各層を例えば前述と同様の組成で形成したときには、第２の光コントロール層３６は、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層で形成することができる。第２の光コントロール層３６は、ｐ型クラッド層２６より大きい屈折率の層で形成されかつ光を吸収しない層で形成され、例えば第１の光コントロール層３２と導電型を異にして同じ組成で形成することができる。

すなわち、本例では、ｎーＧａＡｓ基板２２上に、ｎーＧａＡｓ層（基板側）とｎーＧａＩｎＰ層（クラッド層側）とによるｎ型バッファ層２３、ｎー（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｎ型クラッド層２４、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｎ型光コントロール層３２、ｎー（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｎ型クラッド層２４、ノンドープＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層の活性層２５、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のＰ型クラッド層２６、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｐ型光コントロール層３６、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のＰ型クラッド層２６、ｐーＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層のｐ型中間層２７、ｐーＧａＡｓ層のｐ型コンタクト層２８、ｎーＧａＡｓ層の電流ブロック層２９が形成され、ｎ型基板２２の裏面に下から順次ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを積層したｎ電極３０がオーミック接続され、ｐ型コンタクト層２８に下から順次Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを積層したｐ電極３１がオーミック接続される。

本実施の形態に係るパルセーションレーザ３５によれば、ｎ型クラッド層２４内に設けられた第１の光コントロール層３２とｐ型クラッド層２６内に設けられた第２の光コントロール層３６により光の分布がコントロールされ、図２と同様に光の分布４１をより活性層２５側に寄せて過飽和吸収領域を拡大することができる。従って、この構成においても、パルセーションを安定化することができ、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大することができる。従って、パルセーションレーザとしての使用できる範囲を広げることができる。また、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大できるので、パルセーションレーザの設計の自由度を拡大することができる。

図５は、本発明に係るパルセーションレーザのさらに他の実施の形態を示す。本例は、ｎ型クラッド層２４とｐ型クラッド層２６に光コントロール層３６を設けた場合であるが、図４と構成を異にする。本実施の形態に係るパルセーションレーザ３７は、前述の図４と同様に基体２２上に、バッファ層２３、第１導電型の例えばｎ型クラッド層２４、活性層２５、第２導電型の例えばｐ型クラッド層２６、中間層２７、コンタクト層２８、電流ブロック層２９、両電極３０、３１を有する。そして、ｎ型クラッド層２４内に第１の光コントロール層３２を形成するとともに、ｐ型クラッド層２６内に第２の光コントロール層３６を形成して構成される。

本実施の形態では、特に、第２の光コントロール層３６とその上のｐ型クラッド層２６、中間層２７、コンタクト層２８が電流ブロック層２９により幅が規制された構造に形成される。各層の組成は、例えば図4と同様の組成で形成することができる。

本実施の形態にかかるパルセーションレーザ３７によれば、図４のパルセーションレーザ３５と同様に、ｎ型クラッド層２４内に設けられた第１の光コントロール層３２とｐ型クラッド層２６内に設けられた第２の光コントロール層３６により光の分布がコントロールされ、図２と同様に光の分布４１をより活性層２５側に寄せて過飽和吸収領域を拡大することができる。従って、この構成においても、パルセーションを安定化することができ、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大することができる。従って、パルセーションレーザとしての使用できる範囲を広げることができる。また、温度、パワーバンドに対するマージンを拡大できるので、パルセーションレーザの設計の自由度を拡大することができる。

本発明のパルセーションレーザとしては、上例の他、活性層とクラッド層の間に光ガイド層を設けた構成のレーザにも適用できる。

上述の実施の形態では、本発明をパルセーションレーザ素子に適用した場合であるが、その他、パルセーションレーザを主体としたマルチレーザ、あるいはパルセーションレーザを組み込んだ例えばレーザカプラ等の光集積回路等にも適用することができる。

本発明に係る半導体発光装置の一実施の形態を示す構成図である。本発明に係る半導体発光装置であるパルセーションレーザの動作説明に供する説明図である。本発明と従来のパルセーションレーザを比較したγ温度特性を示すグラフである。本発明に係る半導体発光装置の他の実施の形態を示す構成図である。本発明に係る半導体発光装置の更に他の実施の形態を示す構成図である。従来のパルセーションレーザの例を示す構成図である。従来パルセーションレーザの動作説明に供する説明図である。

符号の説明

２１、３５、３７・・パルセーションレーザ、２２・・基体、２３・・バッファ層、２４・・ｎ型クラッド層、２５・・活性層、２６・・ｐ型クラッド層、２７・・中間層、２８・・コンタクト層、２９・・電極ブロック層、３０、３１・・電極、３２、３６・・光コントロール層、４１・・光の分布、４２・・電極分布、４３・・レーザ発振領域、４４・・過飽和吸収領域

Claims

活性層と、該活性層を挟む下側クラッド層及び上側クラッド層とを有するパルセーションレーザの、
少なくとも前記下側クラッド層に該下側クラッド層より屈折率が大きく光の分布をコントロールする光コントロール層が設けられて成る
ことを特徴とする半導体発光装置。
前記光コントロール層により、光の分布がより活性層に近づくようにコントロールされ、前記活性層内に過飽和吸収領域が形成されて成る
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
前記上側クラッド層に該上側クラッド層より屈折率が大きく光の分布をコントロールする光コントロール層が設けられて成る
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。