JPH01181492A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH01181492A JPH01181492A JP283888A JP283888A JPH01181492A JP H01181492 A JPH01181492 A JP H01181492A JP 283888 A JP283888 A JP 283888A JP 283888 A JP283888 A JP 283888A JP H01181492 A JPH01181492 A JP H01181492A
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- Japan
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- quantum well
- optical guide
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は安定で、高出力化を図るための半導体レーザ素
子の改良に関するものである。
子の改良に関するものである。
〈従来技術〉
高出力半導体レーザは、元ディスクメモリ書き込み用光
源をはじめとして、各種情報処理機器の光源やYAGレ
ーザの励起用光源などの幅広い応用が期待されている。
源をはじめとして、各種情報処理機器の光源やYAGレ
ーザの励起用光源などの幅広い応用が期待されている。
現在、この様な半導体レーザの高出力化に関しては、液
相成長法を用いた通常のダブルへテロ構造を中心とし友
研究開発が進められている。
相成長法を用いた通常のダブルへテロ構造を中心とし友
研究開発が進められている。
そのためには、活性層厚の減少や光ガイド層の導入によ
る光スポットのサイズの拡大(光密度の低減)や窓構造
の採用による共振器端面での光吸収の低減などの方法が
種々検討されている。
る光スポットのサイズの拡大(光密度の低減)や窓構造
の採用による共振器端面での光吸収の低減などの方法が
種々検討されている。
他方、近年M B E (Molccular+Bea
m Epitaxy)やMOCVD(Metal Or
ganic Chemical Deposition
)と呼ばれる超薄層の成長が可能で、かつ組成の制御性
にも優れた結晶成長技術が急速に発達し、量子井戸レー
ザと呼ばれる超薄層の活性層を有する半導体レーザが注
目されてきている。
m Epitaxy)やMOCVD(Metal Or
ganic Chemical Deposition
)と呼ばれる超薄層の成長が可能で、かつ組成の制御性
にも優れた結晶成長技術が急速に発達し、量子井戸レー
ザと呼ばれる超薄層の活性層を有する半導体レーザが注
目されてきている。
この量子井戸レーザは通常のダブルへテロ構造レーザに
比べ、大幅な低閾値電流が得られるなどの優れた特性を
有しており、個別の半導体レーザ素子ばかりではなく、
光電子集積回路(OEIC)などへの適用が期待されて
いる。
比べ、大幅な低閾値電流が得られるなどの優れた特性を
有しており、個別の半導体レーザ素子ばかりではなく、
光電子集積回路(OEIC)などへの適用が期待されて
いる。
〈発明が解決しようとする問題点〉
しかしながら液相成長法では得られる光出力の増大をも
たらす一方で、レーザの横モードの安定性や信頼性の低
下などをもたらす場合が多く、各種の応用機器に適した
特性を及する高出力半導体を得るまでは至っていない。
たらす一方で、レーザの横モードの安定性や信頼性の低
下などをもたらす場合が多く、各種の応用機器に適した
特性を及する高出力半導体を得るまでは至っていない。
他方、量子井戸レーザは、1つの量子井戸の厚さが通常
のダブルへテロ接合型レーザの活性層の厚さの10分の
1程度と非)常に薄いので、良好な特性を得るために、
MQW(Multi−Quautum Well)構造
、 S CH(Seperate Confineme
nt Heterostructure)構造、 GR
IN−5CH(Graded−Index Seper
ateConfinement Heterostru
cture) 構造と呼ばれる構造によって、量子井
戸層(活性層)への光とじ込め係数を大きくしている。
のダブルへテロ接合型レーザの活性層の厚さの10分の
1程度と非)常に薄いので、良好な特性を得るために、
MQW(Multi−Quautum Well)構造
、 S CH(Seperate Confineme
nt Heterostructure)構造、 GR
IN−5CH(Graded−Index Seper
ateConfinement Heterostru
cture) 構造と呼ばれる構造によって、量子井
戸層(活性層)への光とじ込め係数を大きくしている。
その一方で、共振器内の光密度が犬きく、最大光出力が
制御されて高出力動作時の信頼性低下の一因になってい
る。
制御されて高出力動作時の信頼性低下の一因になってい
る。
この傾向は、第6図に示す光とじ込め効果の大きい従来
のGRIN−8CH構造(量子井戸近傍の組成と屈折率
)のものでも顕著に表われている。
のGRIN−8CH構造(量子井戸近傍の組成と屈折率
)のものでも顕著に表われている。
すなわち、第6図の光ガイド”4.6は量子井戸層6に
接している部分を原点としてAA’X G a I −
XAsの組成を0.2≦X≦0.7になる様に成長させ
ると、組成の濃度分布及び屈折率の形状は第1次関数−
第2次関数を示し、 〈問題点を解決するための手段〉 本発明は上述の事情に鑑み創出されたものである。量子
井戸レーザは、低閾値電流、高微分効率といった特徴を
有しており、高出力半導体レーザとして好ましい特性で
あり、この量子井戸構造を採用し構造を改良することに
よりレーザの出力特性は大幅に改善する可能性がある。
接している部分を原点としてAA’X G a I −
XAsの組成を0.2≦X≦0.7になる様に成長させ
ると、組成の濃度分布及び屈折率の形状は第1次関数−
第2次関数を示し、 〈問題点を解決するための手段〉 本発明は上述の事情に鑑み創出されたものである。量子
井戸レーザは、低閾値電流、高微分効率といった特徴を
有しており、高出力半導体レーザとして好ましい特性で
あり、この量子井戸構造を採用し構造を改良することに
よりレーザの出力特性は大幅に改善する可能性がある。
すなわち、MBE法に於いてその作製が容易なGRIN
−5CH構造による高出力化を図り、高出力半導体レー
ザの提供を目的としている。
−5CH構造による高出力化を図り、高出力半導体レー
ザの提供を目的としている。
上記目的を実現するためには、GRIN−9CH構造の
光ガイド層の屈折率変化を適切に選び、光の広がりを犬
きぐする。つまり、レーザ光のスポットサイズを大きく
することによって活性層で生ずる光密度を低減化させ、
高出力の達成を図る。
光ガイド層の屈折率変化を適切に選び、光の広がりを犬
きぐする。つまり、レーザ光のスポットサイズを大きく
することによって活性層で生ずる光密度を低減化させ、
高出力の達成を図る。
く作用〉
本発明のGRIN−8CH構造の量子井戸レーザは、そ
の光ガイド層の組成変化を量子井戸(活性層)との界面
からの距離の3次間数〜5次関数とすることにより、非
常に大きな光とじ込め係数が得られると同時に大きな光
の広がりを示す様になる。従って光ガイド層の屈折率の
形態を従来のものと変えることにより光の広がりが大き
くなる。
の光ガイド層の組成変化を量子井戸(活性層)との界面
からの距離の3次間数〜5次関数とすることにより、非
常に大きな光とじ込め係数が得られると同時に大きな光
の広がりを示す様になる。従って光ガイド層の屈折率の
形態を従来のものと変えることにより光の広がりが大き
くなる。
量子井戸活性層に係る光密度を従来のものと同一にする
と本発明の方が光の広がり分だけ高い出力光が得られ高
出力が可能になる。
と本発明の方が光の広がり分だけ高い出力光が得られ高
出力が可能になる。
特にMBE法で成長する場合には原料セルの数が少なく
てすみ制御性が改善される。
てすみ制御性が改善される。
〈実施例〉
本発明の1実施例の量子井戸近傍の結晶組成及び屈折率
変化を第1図に示す。また第2図には、本実施例の構造
断面図を示す。
変化を第1図に示す。また第2図には、本実施例の構造
断面図を示す。
以下、本発明を、1実施例に基づいて詳細に説明する。
第2図に示す様にn −GBA3基板1上に、MBE法
により、n−GaAsバッファー層2 (0,5μm)
。
により、n−GaAsバッファー層2 (0,5μm)
。
n −klO,7GaO,3As第1クラッド層3 (
1,2μm)+AI!、 Ga I−y A s第1光
ガイド層4 (0,2ttm、 0.24y工0.7)
、GaAs量子井戸活性層s(0,6nm)AlzGa
H−2As第2光ガイド層6 (0,2pmo、24z
≦0.7)、p Al□、7Gao、、、3As第2ク
ラット層7(1,2μm)+ p−GaAsキャップ層
8(0,51tm)+n−AIQ、5Ga(L5AS電
流阻止層9(0,4μm)を連続して成長はせる。
1,2μm)+AI!、 Ga I−y A s第1光
ガイド層4 (0,2ttm、 0.24y工0.7)
、GaAs量子井戸活性層s(0,6nm)AlzGa
H−2As第2光ガイド層6 (0,2pmo、24z
≦0.7)、p Al□、7Gao、、、3As第2ク
ラット層7(1,2μm)+ p−GaAsキャップ層
8(0,51tm)+n−AIQ、5Ga(L5AS電
流阻止層9(0,4μm)を連続して成長はせる。
次に電流阻止層9をフォ) IJソグラフィ法を用いて
5μ幅でストライブ状に選択的にエツチングする。更に
、ウェーハの裏面を研磨して、全厚を1′oOμm程度
の厚さにする。最後に、p側電極10+n側電極11を
形成して完成きせる。
5μ幅でストライブ状に選択的にエツチングする。更に
、ウェーハの裏面を研磨して、全厚を1′oOμm程度
の厚さにする。最後に、p側電極10+n側電極11を
形成して完成きせる。
先にも述べた様に同様な方法で作製される通常のGRI
N−9CH型レーザは良好な低閾値電流特性を得るため
に光ガイド層4,6の屈折率の変化を量子井戸活性層5
との界面からの距離に対して直線的もしくは2次関数で
変化させることにより、非常に強い光のどじ込めを実現
している。この強い光とじ込めの効果により、量子井戸
レーザの閾値電流値は非常に小さく、第2図に示す電極
ストライプ型の構造に於いても約40mAと通常のダブ
ルへテロ接合構造の場合に比べて3分の1程度になって
いる。
N−9CH型レーザは良好な低閾値電流特性を得るため
に光ガイド層4,6の屈折率の変化を量子井戸活性層5
との界面からの距離に対して直線的もしくは2次関数で
変化させることにより、非常に強い光のどじ込めを実現
している。この強い光とじ込めの効果により、量子井戸
レーザの閾値電流値は非常に小さく、第2図に示す電極
ストライプ型の構造に於いても約40mAと通常のダブ
ルへテロ接合構造の場合に比べて3分の1程度になって
いる。
又、横方向の電流及び光のとじ込めが良好なストライプ
構造を採用すれば10mAないしそれ以下の値を容易に
得ることが出来る。
構造を採用すれば10mAないしそれ以下の値を容易に
得ることが出来る。
それに対して、第1図に示す本実施例では光ガイド層4
,6の厚さが従来のものと同じ0゜2μmであるが、M
BE法の原料セルAl、Ga+ Asの各温度のプログ
ラム制御はブラッド層3,7に近い部分を高いAlAs
組成になる様に調整されるこの組成を第1図に示す様な
量子井戸活性層5の端から距離の5次関数に変化する様
にする。
,6の厚さが従来のものと同じ0゜2μmであるが、M
BE法の原料セルAl、Ga+ Asの各温度のプログ
ラム制御はブラッド層3,7に近い部分を高いAlAs
組成になる様に調整されるこの組成を第1図に示す様な
量子井戸活性層5の端から距離の5次関数に変化する様
にする。
すなわち、AlGaAs系においては、その組成と屈折
率はほぼ比例関係にあるので具体的には組成比y+
Zを5次の関数的に変化させており第1図の屈折率変化
として表わせる。
率はほぼ比例関係にあるので具体的には組成比y+
Zを5次の関数的に変化させており第1図の屈折率変化
として表わせる。
第1クラッド層3の屈折率はAlxGa1−xAsの組
成X。=0.7よt)n(仝3.]が求められ、量子井
戸活性層5に接している側の第1光ガイド層4のAI!
>(Gal−)(Asの組成xO=0.2よりno 含
3.45になる。
成X。=0.7よt)n(仝3.]が求められ、量子井
戸活性層5に接している側の第1光ガイド層4のAI!
>(Gal−)(Asの組成xO=0.2よりno 含
3.45になる。
第1光ガイド層4内の屈折率ngは量子井戸活性層5と
第1光ガイド層の界面を原点として第1光ガイド層4側
への距離eg(μm)に対して、次の式で表わせる。
第1光ガイド層の界面を原点として第1光ガイド層4側
への距離eg(μm)に対して、次の式で表わせる。
また組成Xは
の上記式(4)で示せる。
5次関数である(31. (41式は明らかに、第1光
ガイド層4内(o<Ig <lc )に於いてng(J
’g)<n□Ixg(lg)ンXQであり1の上記;1
1. (2]式を満足させ本発明が成立っている。
ガイド層4内(o<Ig <lc )に於いてng(J
’g)<n□Ixg(lg)ンXQであり1の上記;1
1. (2]式を満足させ本発明が成立っている。
同様に第2光ガイド層6側に対しても量子井戸活性層5
に接している界面を原点として、上述の式と対称な屈折
率変化9組成変化のものを作り込んでrる。
に接している界面を原点として、上述の式と対称な屈折
率変化9組成変化のものを作り込んでrる。
次に第1光ガイド層3の屈折率の変化をA l+G a
rAsの各セル温度を調整して3次関数的に変化させ
た。
rAsの各セル温度を調整して3次関数的に変化させ
た。
この場合でも、量子井戸活性層5と第1光ガイド層4の
界面を原点として、第1光ガイド層4側への距離lg(
μm)に対して の上記+51. +61式で表わせ、同様なことをyJ
E2元ガイド層側にも対称になる様に作製する。
界面を原点として、第1光ガイド層4側への距離lg(
μm)に対して の上記+51. +61式で表わせ、同様なことをyJ
E2元ガイド層側にも対称になる様に作製する。
上記の如く屈折率の変化を連続的に3,5次関数に設定
させると、第4図に示す様に、共振器断面での光の分布
は屈折率が従来の2次関数的に変化しているものに比べ
て、非常に広くなでいることが分かる。
させると、第4図に示す様に、共振器断面での光の分布
は屈折率が従来の2次関数的に変化しているものに比べ
て、非常に広くなでいることが分かる。
そのため、量子井戸活性層5内への光のとじ込め係数は
やや減少し、ピーク光強度も減少するものの全体的な発
光強度は少し減少するに留る。つまり同一のピーク光強
度で見ると、本発明の方が量子井戸活性層5での負担が
軽減出来る様に成った0 それ等により、従来から量子井戸活性層5で信頼性が制
約されていたものが改善され、高出力動作時の信頼性が
大幅に向上して来た。
やや減少し、ピーク光強度も減少するものの全体的な発
光強度は少し減少するに留る。つまり同一のピーク光強
度で見ると、本発明の方が量子井戸活性層5での負担が
軽減出来る様に成った0 それ等により、従来から量子井戸活性層5で信頼性が制
約されていたものが改善され、高出力動作時の信頼性が
大幅に向上して来た。
実際に90%−5%の非対称端面コーテングを行った素
子で比較して見ると、第4図に示す様に、従来の構造素
子に比べ、本発明では約1.5倍の大きな破壊出力(4
20+11W)を得ることが出来た。
子で比較して見ると、第4図に示す様に、従来の構造素
子に比べ、本発明では約1.5倍の大きな破壊出力(4
20+11W)を得ることが出来た。
又、第5図は本発明の他の実施例を示したもので、上述
のものより、光の拡がりを犬きくするために光ガイド層
の厚ざを0.4μrrLまで厚くさせている。しかしこ
のままでは閾値電流が大きくなるので、量子井戸活性層
を多重量子井戸にして、光とじ込め係数を増加させ、閾
値電流の増加を防いでいる。この場合でも光ガイド層の
屈折率変化は第1図の実施例と同様な5次関数にしてい
る。
のものより、光の拡がりを犬きくするために光ガイド層
の厚ざを0.4μrrLまで厚くさせている。しかしこ
のままでは閾値電流が大きくなるので、量子井戸活性層
を多重量子井戸にして、光とじ込め係数を増加させ、閾
値電流の増加を防いでいる。この場合でも光ガイド層の
屈折率変化は第1図の実施例と同様な5次関数にしてい
る。
なお上述の実施例ではMBE法について行っているが、
MOCVD法でも同様な組成、屈折率変化のものが作れ
る。
MOCVD法でも同様な組成、屈折率変化のものが作れ
る。
更に、第1図第5図の1実施例は光ガイド層の材料とし
て、AA’GaAs を用いていたが、他の材料として
イオン半径のほぼ等しいAl+Ga+を含むInGaA
/pなどについても適用出来ることは言うまでもない。
て、AA’GaAs を用いていたが、他の材料として
イオン半径のほぼ等しいAl+Ga+を含むInGaA
/pなどについても適用出来ることは言うまでもない。
〈発明の効果〉
本発明による良好な閾値電流特性等を有するGRIN−
8CH構造の量子井戸レーザは、高出力動作と高信頼性
を得ることが出来る。
8CH構造の量子井戸レーザは、高出力動作と高信頼性
を得ることが出来る。
また光分布の幅を拡げることにより活性層に垂直方向の
遠視野像の半値幅が狭くなるため、光の利用効率が容易
に増加するなどの効果を有してrる。
遠視野像の半値幅が狭くなるため、光の利用効率が容易
に増加するなどの効果を有してrる。
更に、MBE法によって作製する場合には最少限のセル
数で成長が可能であり、放出ガスや液体窒素の消費量な
どの点でも少なくて済みその利点は大きい。
数で成長が可能であり、放出ガスや液体窒素の消費量な
どの点でも少なくて済みその利点は大きい。
第1図は本発明による1実施例の量子井戸近傍の組成及
び屈折率の変化を示したもので、第2図・は、本発明の
1実施例に用いた半導体レーザ素子の構造断面図である
。第3図は従来例と本発明の共振器内の光分布の違いを
示すもので、第4図は従来例と本発明の特性を比較した
例である。第5図は本発明の他の実施例を示したもので
ある。第6図は従来例のGRIN−3CHレーザの量子
井戸近傍の組成及び屈折率の変化を示したものである。 1 : n−GaAs基板 2 : n G aA sバッファ層 3 :nAl
GaAs第4クラ、ド層 4 : AlyGa+−yAs第1光ガイド層5:量子
井戸活性層 6 :AlzGal −ZAS 第2光ガイド層7
: p−AlGaAsJ2クラッド層8 : p−Ga
Asキャッ、プ層 9 : n AlGaAs電流ブロック層io:p側
電極 11:n側電極 代理人 弁理士 杉 山 毅 至(他1名)何j図 第3図
び屈折率の変化を示したもので、第2図・は、本発明の
1実施例に用いた半導体レーザ素子の構造断面図である
。第3図は従来例と本発明の共振器内の光分布の違いを
示すもので、第4図は従来例と本発明の特性を比較した
例である。第5図は本発明の他の実施例を示したもので
ある。第6図は従来例のGRIN−3CHレーザの量子
井戸近傍の組成及び屈折率の変化を示したものである。 1 : n−GaAs基板 2 : n G aA sバッファ層 3 :nAl
GaAs第4クラ、ド層 4 : AlyGa+−yAs第1光ガイド層5:量子
井戸活性層 6 :AlzGal −ZAS 第2光ガイド層7
: p−AlGaAsJ2クラッド層8 : p−Ga
Asキャッ、プ層 9 : n AlGaAs電流ブロック層io:p側
電極 11:n側電極 代理人 弁理士 杉 山 毅 至(他1名)何j図 第3図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、屈折率傾斜型の光ガイド層及び量子井戸活性層を有
する半導体レーザ素子に於いて、前記半導体レーザ素子
に第1クラッド層、第1光ガイド層、量子井戸活性層、
第2光ガイド層、第2クラッド層を備え、前記量子井戸
活性層が少なくとも接続している側の光ガイド層の端を
原点として、クラッド層と接続している側の光ガイド層
の端をl_cとした時、光ガイド層の位置lgに対して
、光ガイド層の屈折率ng(lg)がo<lg<l_c
の範囲において、lg=o:lg=l_cでの屈折率n
_o、n_cに対して、 n_o>ng(lg)≧−[(n_o−n_c)/(l
_c)^3]・(lg)^3+n_o であることを特徴とする半導体レーザ素子
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP283888A JPH01181492A (ja) | 1988-01-09 | 1988-01-09 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP283888A JPH01181492A (ja) | 1988-01-09 | 1988-01-09 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01181492A true JPH01181492A (ja) | 1989-07-19 |
Family
ID=11540554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP283888A Pending JPH01181492A (ja) | 1988-01-09 | 1988-01-09 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH01181492A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0649200A3 (en) * | 1993-10-15 | 1995-06-28 | Ibm | Semiconductor laser with quantum wells, single mode, planar, without mirror window topology with current confinement. |
| US6078602A (en) * | 1996-02-12 | 2000-06-20 | Nec Corporation | Separate confinement heterostructured semiconductor laser device having high speed characteristics |
-
1988
- 1988-01-09 JP JP283888A patent/JPH01181492A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0649200A3 (en) * | 1993-10-15 | 1995-06-28 | Ibm | Semiconductor laser with quantum wells, single mode, planar, without mirror window topology with current confinement. |
| US6078602A (en) * | 1996-02-12 | 2000-06-20 | Nec Corporation | Separate confinement heterostructured semiconductor laser device having high speed characteristics |
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