JPH05267776A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- JPH05267776A JPH05267776A JP4064183A JP6418392A JPH05267776A JP H05267776 A JPH05267776 A JP H05267776A JP 4064183 A JP4064183 A JP 4064183A JP 6418392 A JP6418392 A JP 6418392A JP H05267776 A JPH05267776 A JP H05267776A
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- semiconductor laser
- laser device
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/16—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface
- H01S5/164—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface with window regions comprising semiconductor material with a wider bandgap than the active layer
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 光出射端面における酸化物に起因する表面準
位を抑制することができ、高出力状態においても端面破
壊が生じにくいようにする。 【構成】 半導体レーザ装置の光出射端面上にＩｎＰ又
はＩｎＧａＰを含む材料からなる層５１が形成されてい
る。この層５１は格子定数がＡｌＧａＡｓ活性層１３よ
りも大きいので、圧縮応力を受けて、層５１のバンドギ
ャップが著しく大きくなる。この層５１の表面にもわず
かに表面準位が形成されるものの、その表面準位に捕捉
されたキャリアは、ＡｌＧａＡｓ活性層１３の伝導帯あ
るいは価電子帯へトンネリング効果で再注入され発光に
使われるので、表面での発熱にはつながらない。つま
り、この層５１は一種の窓層として作用する。したがっ
て、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ装置に於て端面破壊
が起こりにくくなる。
位を抑制することができ、高出力状態においても端面破
壊が生じにくいようにする。 【構成】 半導体レーザ装置の光出射端面上にＩｎＰ又
はＩｎＧａＰを含む材料からなる層５１が形成されてい
る。この層５１は格子定数がＡｌＧａＡｓ活性層１３よ
りも大きいので、圧縮応力を受けて、層５１のバンドギ
ャップが著しく大きくなる。この層５１の表面にもわず
かに表面準位が形成されるものの、その表面準位に捕捉
されたキャリアは、ＡｌＧａＡｓ活性層１３の伝導帯あ
るいは価電子帯へトンネリング効果で再注入され発光に
使われるので、表面での発熱にはつながらない。つま
り、この層５１は一種の窓層として作用する。したがっ
て、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ装置に於て端面破壊
が起こりにくくなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＡｌＧａＡｓ系の端面出
射型の高出力半導体レーザ装置に関する。
射型の高出力半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光ディスク装置などの光源として、Ａｌ
ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置が幅広く用いられてきて
いる。半導体レーザ装置を書き込み可能な追記型光ディ
スク装置の光源として用いる場合には、５０mW以上の高
い光出力状態においても高い信頼性を有することが要求
される。またＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レー
ザ装置の励起用光源や、高精細プリンター用の光源とし
て使用されるような場合は、１００mW以上の高出力が要
求される。
ＧａＡｓ系の半導体レーザ装置が幅広く用いられてきて
いる。半導体レーザ装置を書き込み可能な追記型光ディ
スク装置の光源として用いる場合には、５０mW以上の高
い光出力状態においても高い信頼性を有することが要求
される。またＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レー
ザ装置の励起用光源や、高精細プリンター用の光源とし
て使用されるような場合は、１００mW以上の高出力が要
求される。
【０００３】半導体レーザ装置の高出力化を図る実用的
な方法として、光出射端面に反射率が１０％になるよう
な、例えばＡｌ2０3などからなる低反射率保護膜を、光
出射側と逆側の端面には反射率が９０％となるような、
例えばＡｌ2Ｏ3層とＳｉ層との多層膜からなる高反射率
保護膜を形成して外部量子効率を上げる方法がある。本
方法で横モード制御された７８０nm帯の半導体レーザ装
置で１００mW以上の高出力特性が確認されている。
な方法として、光出射端面に反射率が１０％になるよう
な、例えばＡｌ2０3などからなる低反射率保護膜を、光
出射側と逆側の端面には反射率が９０％となるような、
例えばＡｌ2Ｏ3層とＳｉ層との多層膜からなる高反射率
保護膜を形成して外部量子効率を上げる方法がある。本
方法で横モード制御された７８０nm帯の半導体レーザ装
置で１００mW以上の高出力特性が確認されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、単に低反射
率保護膜及び高反射率保護膜を端面に形成しただけの半
導体レーザ装置では、長期にわたっての高出力特性の信
頼性に問題があった。その主たる原因は端面劣化であ
る。これは光出射端面では光密度が高いので、局部的に
発熱を生じることに起因している。この発熱は光出射端
面に存在する表面準位に、キャリアとしての電子あるい
は正孔が捕捉され、非発光過程を経てエネルギーが解放
されるときに生じる。特に高出力でレーザ発振させてい
る場合には、発熱量が大きくなって光出射端面の温度が
上昇し、ひいては結晶の融点にまで至り端面破壊（ＣＯ
Ｄ）が生じる。
率保護膜及び高反射率保護膜を端面に形成しただけの半
導体レーザ装置では、長期にわたっての高出力特性の信
頼性に問題があった。その主たる原因は端面劣化であ
る。これは光出射端面では光密度が高いので、局部的に
発熱を生じることに起因している。この発熱は光出射端
面に存在する表面準位に、キャリアとしての電子あるい
は正孔が捕捉され、非発光過程を経てエネルギーが解放
されるときに生じる。特に高出力でレーザ発振させてい
る場合には、発熱量が大きくなって光出射端面の温度が
上昇し、ひいては結晶の融点にまで至り端面破壊（ＣＯ
Ｄ）が生じる。
【０００５】このような光出射端面の発熱に起因する端
面劣化を防止するために光出射端面にＳ（硫黄）を含む
膜を形成する方法が提案されている（たとえば、Extend
edAbstracts of the 21st Conference on Solid State
Devices and Materials,Tokyo,(1989) p337〜340 参
照）。この方法により、半導体レーザ素子の最大光出力
は通常の２倍に相当する２００mW以上まで向上する。こ
れはＳ原子層あるいはＳ分子層が半導体レーザの光出射
端面に存在する未結合手を終端し、光出射端面を不活性
化するためである。言い換えれば、半導体レーザの光出
射特性の向上の妨げとなっていた上記の表面準位密度を
著しく低減させ得るからである。
面劣化を防止するために光出射端面にＳ（硫黄）を含む
膜を形成する方法が提案されている（たとえば、Extend
edAbstracts of the 21st Conference on Solid State
Devices and Materials,Tokyo,(1989) p337〜340 参
照）。この方法により、半導体レーザ素子の最大光出力
は通常の２倍に相当する２００mW以上まで向上する。こ
れはＳ原子層あるいはＳ分子層が半導体レーザの光出射
端面に存在する未結合手を終端し、光出射端面を不活性
化するためである。言い換えれば、半導体レーザの光出
射特性の向上の妨げとなっていた上記の表面準位密度を
著しく低減させ得るからである。
【０００６】しかしながら、上記のＳを含む膜を光出射
端面に形成する提案された方法によっても半導体レーザ
装置の長期にわたる信頼性には問題が残っていた。なぜ
ならば、光出射端面の未結合手とＳとの結び付きは弱
く、長期にわたる高出力状態での駆動の結果、Ｓの代わ
りに表面準位の原因になるＯ（酸素）が光出射端面の未
結合手と結び付いて酸化膜が形成されてしまうからであ
る。
端面に形成する提案された方法によっても半導体レーザ
装置の長期にわたる信頼性には問題が残っていた。なぜ
ならば、光出射端面の未結合手とＳとの結び付きは弱
く、長期にわたる高出力状態での駆動の結果、Ｓの代わ
りに表面準位の原因になるＯ（酸素）が光出射端面の未
結合手と結び付いて酸化膜が形成されてしまうからであ
る。
【０００７】ところで、ＧａＡｓを対象としたものであ
るが、その表面状態を改善すべく、ＧａＡｓの表面にＧ
ａＡｓより格子定数の大きいＩｎＰ層を数原子層形成す
る方法が知られている（Extended Abstractsof the 23r
d Conference on Solid State Devices and Materials,
Yokohama (1991) pp683〜685 参照）。これはＧａＡｓ
の表面の表面準位形成の原因となる酸化膜を取り除き、
ＧａＡｓ表面に一種の窓層を形成するものである。この
ＩｎＰ層が窓層となるのは、ＩｎＰ層がレーザ素子のＧ
ａＡｓから圧縮応力を受けることで起こる歪みの影響で
ＩｎＰ層のバンドギャップが著しく増大するからであ
る。
るが、その表面状態を改善すべく、ＧａＡｓの表面にＧ
ａＡｓより格子定数の大きいＩｎＰ層を数原子層形成す
る方法が知られている（Extended Abstractsof the 23r
d Conference on Solid State Devices and Materials,
Yokohama (1991) pp683〜685 参照）。これはＧａＡｓ
の表面の表面準位形成の原因となる酸化膜を取り除き、
ＧａＡｓ表面に一種の窓層を形成するものである。この
ＩｎＰ層が窓層となるのは、ＩｎＰ層がレーザ素子のＧ
ａＡｓから圧縮応力を受けることで起こる歪みの影響で
ＩｎＰ層のバンドギャップが著しく増大するからであ
る。
【０００８】しかしながら、光素子の端面、中でもＡｌ
ＧａＡｓ系半導体レーザ装置の端面については、上述の
ような表面への超薄膜形成による改良がこれまで試みら
れていなかった。これはＡｌが非常に活性な物質であ
り、しかもその酸化膜が安定であって、上記のような方
法では表面準位の少ない良好なＡｌＧａＡｓ表面を形成
することができないと考えられていたからである。
ＧａＡｓ系半導体レーザ装置の端面については、上述の
ような表面への超薄膜形成による改良がこれまで試みら
れていなかった。これはＡｌが非常に活性な物質であ
り、しかもその酸化膜が安定であって、上記のような方
法では表面準位の少ない良好なＡｌＧａＡｓ表面を形成
することができないと考えられていたからである。
【０００９】本発明の目的は、光出射端面における酸化
物に起因する表面準位を抑制することができ、高出力状
態においても端面破壊の生じにくいＡｌＧａＡｓ系半導
体レーザ装置を提供することにある。
物に起因する表面準位を抑制することができ、高出力状
態においても端面破壊の生じにくいＡｌＧａＡｓ系半導
体レーザ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、複数層を積層してなるレーザ素子の１つの層がＡ
ｌＧａＡｓ活性層からなる半導体レーザ装置において、
該レーザ素子の光出射端面にＩｎＰ又はＩｎＧａＰを含
む材料からなる層が形成されており、そのことにより上
記目的が達成される。
置は、複数層を積層してなるレーザ素子の１つの層がＡ
ｌＧａＡｓ活性層からなる半導体レーザ装置において、
該レーザ素子の光出射端面にＩｎＰ又はＩｎＧａＰを含
む材料からなる層が形成されており、そのことにより上
記目的が達成される。
【００１１】前記光出射端面と該端面上に形成した層と
の間にＡｌ混晶比が前記ＡｌＧａＡｓ活性層よりも高い
ＡｌＧａＡｓからなる窓層を形成してもよい。
の間にＡｌ混晶比が前記ＡｌＧａＡｓ活性層よりも高い
ＡｌＧａＡｓからなる窓層を形成してもよい。
【００１２】前記光出射端面上に形成した層をＩｎＧａ
Ｐを含む材料で形成し、そのＩｎＧａＰにおけるＩｎの
構成比率をIII族元素であるＩｎとＧａとの全体に対し
て４９％よりも大きくしてもよい。
Ｐを含む材料で形成し、そのＩｎＧａＰにおけるＩｎの
構成比率をIII族元素であるＩｎとＧａとの全体に対し
て４９％よりも大きくしてもよい。
【００１３】前記光出射端面上に形成した層の厚さは、
該層に転位が生じる臨界層厚よりも薄くしてもよい。
該層に転位が生じる臨界層厚よりも薄くしてもよい。
【００１４】
【作用】本発明の半導体レーザ装置は、その光出射端面
上にＩｎＰ又はＩｎＧａＰを含む材料からなる層が形成
されている。この光出射端面上に形成した層の表面にも
わずかに表面準位が形成されるものの、光出射端面上に
形成した層の格子定数がＡｌＧａＡｓ活性層より大きい
ため、圧縮応力を受けると、ＩｎＰ又はＩｎＧａＰ中間
層のバンドギャップが著しく大きくなる。よって、その
表面準位に捕捉されたキャリアは、ＡｌＧａＡｓ活性層
の伝導帯あるいは価電子帯へトンネリング（共鳴）効果
で再注入されて発光に使われるので、表面での発熱には
つながらない。つまり、光出射端面上に形成した層は一
種の窓層として作用する。
上にＩｎＰ又はＩｎＧａＰを含む材料からなる層が形成
されている。この光出射端面上に形成した層の表面にも
わずかに表面準位が形成されるものの、光出射端面上に
形成した層の格子定数がＡｌＧａＡｓ活性層より大きい
ため、圧縮応力を受けると、ＩｎＰ又はＩｎＧａＰ中間
層のバンドギャップが著しく大きくなる。よって、その
表面準位に捕捉されたキャリアは、ＡｌＧａＡｓ活性層
の伝導帯あるいは価電子帯へトンネリング（共鳴）効果
で再注入されて発光に使われるので、表面での発熱には
つながらない。つまり、光出射端面上に形成した層は一
種の窓層として作用する。
【００１５】前記光出射端面と前記光出射端面上に形成
した層との間に、Ａｌ混晶比が前記ＡｌＧａＡｓ活性層
よりも高いＡｌＧａＡｓからなる窓層を形成した場合
は、より効果的である。
した層との間に、Ａｌ混晶比が前記ＡｌＧａＡｓ活性層
よりも高いＡｌＧａＡｓからなる窓層を形成した場合
は、より効果的である。
【００１６】前記光出射端面上に形成した層の格子定数
をＡｌＧａＡｓ活性層より大きくするためには、光出射
端面上に形成した層をＩｎＰを含む材料で形成する場合
は問題はないが、ＩｎＧａＰを含む材料で形成する場合
は、そのＩｎＧａＰにおけるＩｎの構成比率をIII族元
素であるＩｎとＧａとの全体に対して４９％よりも大き
くすればよい。
をＡｌＧａＡｓ活性層より大きくするためには、光出射
端面上に形成した層をＩｎＰを含む材料で形成する場合
は問題はないが、ＩｎＧａＰを含む材料で形成する場合
は、そのＩｎＧａＰにおけるＩｎの構成比率をIII族元
素であるＩｎとＧａとの全体に対して４９％よりも大き
くすればよい。
【００１７】また、前記光出射端面上に形成した層はＡ
ｌＧａＡｓ系に対して格子不整合系ではあるものの、転
位が生じる臨界層厚よりも薄く形成すると、結晶性に影
響を及ぼさないようにできる。
ｌＧａＡｓ系に対して格子不整合系ではあるものの、転
位が生じる臨界層厚よりも薄く形成すると、結晶性に影
響を及ぼさないようにできる。
【００１８】
【実施例】以下に本発明の実施例について説明する。
【００１９】本発明を適用する母体としてのＡｌＧａＡ
ｓ系半導体レーザ素子の基本的な構造については、従来
から用いられているいかなる公知の端面出射型のもので
も良いが、ここではＶＳＩＳ（ V-channeled substrate
inner stripe ）レーザ（たとえばApplied Physics Le
tters vol.40 (1982) 372 参照）を例に挙げて説明す
る。
ｓ系半導体レーザ素子の基本的な構造については、従来
から用いられているいかなる公知の端面出射型のもので
も良いが、ここではＶＳＩＳ（ V-channeled substrate
inner stripe ）レーザ（たとえばApplied Physics Le
tters vol.40 (1982) 372 参照）を例に挙げて説明す
る。
【００２０】《第１実施例》第１実施例にかかる半導体
レーザ装置の端面近傍を示す斜視図を図１に示す。本発
明を適用する母体としてのＶＳＩＳレーザは、ｐ-Ｇａ
Ａｓ基板１１上にｎ-ＧａＡｓ電流狭窄層２１、ｐ-Ａｌ
0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層１２、ｐ-Ａｌ0. 15Ｇａ
0.85Ａｓ活性層１３、ｎ-Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッ
ド層１４、ｎ-ＧａＡｓキャップ層１５をこの順に積層
したもので、その上下に更に電極３１、３２も形成され
ている。このうちｎーＧａＡｓ電流狭窄層２１は電流通
路、並びに光導波路を形成するため、Ｖ状の溝が形成さ
れている。本レーザ素子は７８０nm帯のものであり、２
回のＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）成長で作製され
る。
レーザ装置の端面近傍を示す斜視図を図１に示す。本発
明を適用する母体としてのＶＳＩＳレーザは、ｐ-Ｇａ
Ａｓ基板１１上にｎ-ＧａＡｓ電流狭窄層２１、ｐ-Ａｌ
0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッド層１２、ｐ-Ａｌ0. 15Ｇａ
0.85Ａｓ活性層１３、ｎ-Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓクラッ
ド層１４、ｎ-ＧａＡｓキャップ層１５をこの順に積層
したもので、その上下に更に電極３１、３２も形成され
ている。このうちｎーＧａＡｓ電流狭窄層２１は電流通
路、並びに光導波路を形成するため、Ｖ状の溝が形成さ
れている。本レーザ素子は７８０nm帯のものであり、２
回のＬＰＥ（Liquid Phase Epitaxy）成長で作製され
る。
【００２１】かかるレーザ素子の光出射端面にＩｎＰか
らなる層５１が厚み１５オングストロームで形成され、
その上にＡｌ2Ｏ3からなる低反射保護膜６１が作成され
ている。以下層５１を中間層という。光出射側と反対側
の端面上には高反射保護膜が形成されている。中間層５
１は半導体レーザ装置の光出射端面を劈開により形成し
た後、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）とＰＨ3（フォ
スフィン）を用いてＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemic
al Vapor Deposition）法で形成した。また保護膜６１
は電子ビーム蒸着法で作成した。
らなる層５１が厚み１５オングストロームで形成され、
その上にＡｌ2Ｏ3からなる低反射保護膜６１が作成され
ている。以下層５１を中間層という。光出射側と反対側
の端面上には高反射保護膜が形成されている。中間層５
１は半導体レーザ装置の光出射端面を劈開により形成し
た後、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）とＰＨ3（フォ
スフィン）を用いてＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemic
al Vapor Deposition）法で形成した。また保護膜６１
は電子ビーム蒸着法で作成した。
【００２２】図２に上記半導体レーザ装置の電流対光出
力特性を曲線Ａで示すと共に、比較のため、劈開後の端
面に直接保護膜を形成した従来と同様の構成を有する半
導体レーザ装置の特性を曲線Ｂで示した。この図より理
解されるように、従来例では約１２０mWの光出力におい
て端面破壊によりレーザ素子の劣化が生じているのに対
して、本実施例では最大約２５０mWの光出力が得られ、
しかもその時点で端面破壊が生じていない。
力特性を曲線Ａで示すと共に、比較のため、劈開後の端
面に直接保護膜を形成した従来と同様の構成を有する半
導体レーザ装置の特性を曲線Ｂで示した。この図より理
解されるように、従来例では約１２０mWの光出力におい
て端面破壊によりレーザ素子の劣化が生じているのに対
して、本実施例では最大約２５０mWの光出力が得られ、
しかもその時点で端面破壊が生じていない。
【００２３】上述のように本実施例が高い光出力を得ら
れた理由を解明すべく試験を行った。Ａｌ0.15Ｇａ0.85
Ａｓ単層をＧａＡｓ基板上に成長させただけの試料と、
同様の試料の表面にＩｎＰ層を１５オングストローム形
成した別の試料とを作製し、これらをフォトルミネッセ
ンス法で評価した結果、後者は前者より５０倍大きな強
度が得られた。このことより、本実施例では酸化膜に起
因する表面準位の低減が図られたことが解る。
れた理由を解明すべく試験を行った。Ａｌ0.15Ｇａ0.85
Ａｓ単層をＧａＡｓ基板上に成長させただけの試料と、
同様の試料の表面にＩｎＰ層を１５オングストローム形
成した別の試料とを作製し、これらをフォトルミネッセ
ンス法で評価した結果、後者は前者より５０倍大きな強
度が得られた。このことより、本実施例では酸化膜に起
因する表面準位の低減が図られたことが解る。
【００２４】ＩｎＰ層が形成されたＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａ
ｓ活性層における表面改善効果は、図３に示した端面近
傍のエネルギー状態図を用いて次のように説明できる。
図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれＩｎＰ層を形成した場合
としない場合の状態図である。ＩｎＰ層を形成しない場
合、Ａｌ0.15Ｇａ0.85ＡｓはＡｌを含んでいるために表
面に多くの準位ができてしまい、図３（ｂ）に示すよう
にその準位にＡｌＧａＡｓ活性層から溢れ捕捉されたキ
ャリアが非発光再結合し、発熱が生じてしまう。一方、
ＩｎＰ層を形成した場合、図３（ａ）に示すようにＡｌ
0.15Ｇａ0.85Ａｓ活性層の表面はＩｎＰ層との界面とな
り、Ａｌ0.15Ｇａ0.85ＡｓとＩｎＰの強固な結合ができ
ているため、表面準位は殆ど生じない。このとき、Ｉｎ
Ｐ層は圧縮応力を受けると、バンドギャップエネルギー
が著しく大きくなり、図示のような状態となる。この場
合、ＩｎＰ層の表面にわずかに表面準位が残るが、Ｉｎ
Ｐ層がＡｌを含まないので表面準位の密度はきわめて小
さく、この準位にキャリアが捕捉されても、ＩｎＰ層が
薄いこともあってキャリアはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ半導
体層内にトンネリング（共鳴）効果で再注入され、発光
過程に使われて発熱には寄与しない。したがって、一種
の窓効果が生じて出力特性が向上する。
ｓ活性層における表面改善効果は、図３に示した端面近
傍のエネルギー状態図を用いて次のように説明できる。
図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれＩｎＰ層を形成した場合
としない場合の状態図である。ＩｎＰ層を形成しない場
合、Ａｌ0.15Ｇａ0.85ＡｓはＡｌを含んでいるために表
面に多くの準位ができてしまい、図３（ｂ）に示すよう
にその準位にＡｌＧａＡｓ活性層から溢れ捕捉されたキ
ャリアが非発光再結合し、発熱が生じてしまう。一方、
ＩｎＰ層を形成した場合、図３（ａ）に示すようにＡｌ
0.15Ｇａ0.85Ａｓ活性層の表面はＩｎＰ層との界面とな
り、Ａｌ0.15Ｇａ0.85ＡｓとＩｎＰの強固な結合ができ
ているため、表面準位は殆ど生じない。このとき、Ｉｎ
Ｐ層は圧縮応力を受けると、バンドギャップエネルギー
が著しく大きくなり、図示のような状態となる。この場
合、ＩｎＰ層の表面にわずかに表面準位が残るが、Ｉｎ
Ｐ層がＡｌを含まないので表面準位の密度はきわめて小
さく、この準位にキャリアが捕捉されても、ＩｎＰ層が
薄いこともあってキャリアはＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ半導
体層内にトンネリング（共鳴）効果で再注入され、発光
過程に使われて発熱には寄与しない。したがって、一種
の窓効果が生じて出力特性が向上する。
【００２５】ところで、ＧａＡｓを活性層とする半導体
レーザ装置について同様の評価を行った結果、ＩｎＰ層
形成によるフォトルミネッセンス強度の改善は１０倍程
度であり、ＡｌＧａＡｓを活性層とする本発明の半導体
レーザ装置の場合の方が表面状態の改善度が大きいこと
がわかった。従って、上記したようなＡｌＧａＡｓ半導
体層の表面状態の大きな改善効果は、従来考えられてい
るのとは逆にＡｌが存在することに起因するものと推測
される。
レーザ装置について同様の評価を行った結果、ＩｎＰ層
形成によるフォトルミネッセンス強度の改善は１０倍程
度であり、ＡｌＧａＡｓを活性層とする本発明の半導体
レーザ装置の場合の方が表面状態の改善度が大きいこと
がわかった。従って、上記したようなＡｌＧａＡｓ半導
体層の表面状態の大きな改善効果は、従来考えられてい
るのとは逆にＡｌが存在することに起因するものと推測
される。
【００２６】このように、ＡｌＧａＡｓ活性層の表面準
位を低減する効果は、先述したように従来の手法である
Ｓ原子膜、あるいは分子膜で表面の未結合手を終端し不
活性化することでも実現できる。実際、Ｓ膜で表面を被
覆した７８０nm帯ＶＳＩＳレーザにおいても２２０mW程
度の光出力が観測されている（Extended Abstractsof t
he 21st Conference on Solid State Devices and Mate
rials, Tokyo,(1989) p337〜340 参照）。しかし、Ｉｎ
Ｐ層を用いた場合はＡｌＧａＡｓとの結合が、ＳとＡｌ
ＧａＡｓとの結合に比べてはるかに強いため、長期にわ
たって表面状態を良好に保つことが出来る。それを証明
するために、ＩｎＰ層を表面に形成した７８０nm帯ＶＳ
ＩＳレーザと、Ｓ膜を形成した同じレーザを５０℃、５
０mWの条件で５００時間駆動させた後、最大光出力を測
定した。前者の半導体レーザ装置では長時間駆動前と同
様に２５０mWまで光出力がみられたが、後者の半導体レ
ーザ装置では１３０mWと普通の半導体レーザ装置程度し
か観測されなかった。すなわち、ＩｎＰ層を形成する本
発明の方がはるかに耐久性に優れていることが証明され
た。
位を低減する効果は、先述したように従来の手法である
Ｓ原子膜、あるいは分子膜で表面の未結合手を終端し不
活性化することでも実現できる。実際、Ｓ膜で表面を被
覆した７８０nm帯ＶＳＩＳレーザにおいても２２０mW程
度の光出力が観測されている（Extended Abstractsof t
he 21st Conference on Solid State Devices and Mate
rials, Tokyo,(1989) p337〜340 参照）。しかし、Ｉｎ
Ｐ層を用いた場合はＡｌＧａＡｓとの結合が、ＳとＡｌ
ＧａＡｓとの結合に比べてはるかに強いため、長期にわ
たって表面状態を良好に保つことが出来る。それを証明
するために、ＩｎＰ層を表面に形成した７８０nm帯ＶＳ
ＩＳレーザと、Ｓ膜を形成した同じレーザを５０℃、５
０mWの条件で５００時間駆動させた後、最大光出力を測
定した。前者の半導体レーザ装置では長時間駆動前と同
様に２５０mWまで光出力がみられたが、後者の半導体レ
ーザ装置では１３０mWと普通の半導体レーザ装置程度し
か観測されなかった。すなわち、ＩｎＰ層を形成する本
発明の方がはるかに耐久性に優れていることが証明され
た。
【００２７】《第２実施例》本発明の第２の実施例は、
第１の実施例を示す図１のＩｎＰからなる中間層５１を
２０オングストロームの厚さのＩｎ0.9Ｇａ0.1Ｐからな
る中間層としたものである。この中間層の場合もＡｌＧ
ａＡｓ系に比べて格子定数が大きく、レーザ素子のＡｌ
ＧａＡｓからなる半導体層から圧縮応力を受けると、バ
ンドギャップエネルギーが増大する。本構造を有する半
導体レーザ装置においても、第１の実施例と同様の理由
により最大２６０mWの光出力が得られ、通常の２倍の効
果が確認された。
第１の実施例を示す図１のＩｎＰからなる中間層５１を
２０オングストロームの厚さのＩｎ0.9Ｇａ0.1Ｐからな
る中間層としたものである。この中間層の場合もＡｌＧ
ａＡｓ系に比べて格子定数が大きく、レーザ素子のＡｌ
ＧａＡｓからなる半導体層から圧縮応力を受けると、バ
ンドギャップエネルギーが増大する。本構造を有する半
導体レーザ装置においても、第１の実施例と同様の理由
により最大２６０mWの光出力が得られ、通常の２倍の効
果が確認された。
【００２８】《第３実施例》本発明の第３の実施例を図
４に示す。本実施例の半導体レーザ装置は、母体として
のＡｌＧａＡｓ系ＶＳＩＳレーザを成長させた後、劈開
法又はエッチングで端面を形成し、その光出射端面にＭ
ＯＣＶＤ法で厚さ０．２μｍのＡｌ0.5Ｇａ0 .5Ａｓ窓層
５２、厚さ１０オングストロームのＩｎＰからなる中間
層５１を連続して成長させ、更にその上にスパッタリン
グにより保護膜６１を形成して作製した。
４に示す。本実施例の半導体レーザ装置は、母体として
のＡｌＧａＡｓ系ＶＳＩＳレーザを成長させた後、劈開
法又はエッチングで端面を形成し、その光出射端面にＭ
ＯＣＶＤ法で厚さ０．２μｍのＡｌ0.5Ｇａ0 .5Ａｓ窓層
５２、厚さ１０オングストロームのＩｎＰからなる中間
層５１を連続して成長させ、更にその上にスパッタリン
グにより保護膜６１を形成して作製した。
【００２９】本半導体レーザ装置と、端面にＡｌ0.5Ｇ
ａ0.5Ａｓ窓層５２と保護膜６１のみを形成して、中間
層５１を形成しない半導体レーザ装置とを比較した場
合、後者の最大光出力が３４０mWであったのに比べて、
前者では最大５００mWの光出力が得られ、やはり大幅な
出力特性の改善がみられた。
ａ0.5Ａｓ窓層５２と保護膜６１のみを形成して、中間
層５１を形成しない半導体レーザ装置とを比較した場
合、後者の最大光出力が３４０mWであったのに比べて、
前者では最大５００mWの光出力が得られ、やはり大幅な
出力特性の改善がみられた。
【００３０】上記改善理由は、前同様にエネルギー状態
図を用いて以下のように説明することが出来る。図５
（ａ）は本実施例の半導体レーザ装置における表面近傍
のエネルギー状態を示し、同図（ｂ）は中間層を省略し
た半導体レーザ装置について表したものである。中間層
を省略した半導体レーザ装置の場合、図５（ｂ）に示す
ようにＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ窓層５２によって、端面近傍
での光吸収、並びにキャリアの拡散が防止されるもの
の、表面を流れる微小なリーク電流１０１がＡｌ0. 5Ｇ
ａ0.5Ａｓ窓層５２の表面に形成された表面準位に捕捉
され、非発光過程を経てわずかにではあるが発熱につな
がってしまう。これに対し、本実施例の場合は、中間層
５１の存在でＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ窓層５２の表面準位は
なくなっており、代わりに中間層５１表面にわずかに表
面準位が形成されるだけである。この準位に捕捉された
微小リーク電流によるキャリアはトンネリング（共鳴）
効果でレーザ素子のＡｌＧａＡｓ活性層へ再注入されて
発光に使われるので、発熱につながることはない。従っ
て上述のような最大光出力の上昇といった効果が得られ
る。
図を用いて以下のように説明することが出来る。図５
（ａ）は本実施例の半導体レーザ装置における表面近傍
のエネルギー状態を示し、同図（ｂ）は中間層を省略し
た半導体レーザ装置について表したものである。中間層
を省略した半導体レーザ装置の場合、図５（ｂ）に示す
ようにＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ窓層５２によって、端面近傍
での光吸収、並びにキャリアの拡散が防止されるもの
の、表面を流れる微小なリーク電流１０１がＡｌ0. 5Ｇ
ａ0.5Ａｓ窓層５２の表面に形成された表面準位に捕捉
され、非発光過程を経てわずかにではあるが発熱につな
がってしまう。これに対し、本実施例の場合は、中間層
５１の存在でＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ窓層５２の表面準位は
なくなっており、代わりに中間層５１表面にわずかに表
面準位が形成されるだけである。この準位に捕捉された
微小リーク電流によるキャリアはトンネリング（共鳴）
効果でレーザ素子のＡｌＧａＡｓ活性層へ再注入されて
発光に使われるので、発熱につながることはない。従っ
て上述のような最大光出力の上昇といった効果が得られ
る。
【００３１】本実施例の半導体レーザ装置は長期的な信
頼性の点でも優れた特性が得られるすなわち、中間層を
形成せず、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ窓層だけを形成した半導
体レーザ装置が６０℃、７０mWの駆動条件下で１０００
時間経過後、１％の故障率を示したのに対して、本実施
例の半導体レーザ装置の故障率は、同条件下で０．１％
であった。
頼性の点でも優れた特性が得られるすなわち、中間層を
形成せず、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ窓層だけを形成した半導
体レーザ装置が６０℃、７０mWの駆動条件下で１０００
時間経過後、１％の故障率を示したのに対して、本実施
例の半導体レーザ装置の故障率は、同条件下で０．１％
であった。
【００３２】なお、上記の第１、２、３の実施例では、
ＡｌＧａＡｓ系レーザ素子の光出射端面上に形成する中
間層はＩｎＰ又はＩｎ0.9Ｇａ0.1Ｐで形成したが、中間
層の材料には、ＡｌＧａＡｓ活性層より格子定数が大き
いもの、即ち、圧縮応力を受けてバンドギャップエネル
ギーがＡｌＧａＡｓ活性層より大きくなる材料であれば
よい。具体的には材料がＩｎxＧａ1-xＰの場合は、ｘ＞
０．４９のものでよい。また中間層はＩｎＰ又はＩｎＧ
ａＰを主成分とし、それ以外の元素を若干含んでもよ
い。中間層の厚さについては、上記例では１０〜２０オ
ングストロームと非常に薄かったが、歪みのために中間
層の結晶に転位が発生せず表面準位を形成しない範囲の
厚さであればよい。また適用されるレーザ素子はＶＳＩ
Ｓレーザに限られるものではなく、いかなる構造のもの
であってもよい。
ＡｌＧａＡｓ系レーザ素子の光出射端面上に形成する中
間層はＩｎＰ又はＩｎ0.9Ｇａ0.1Ｐで形成したが、中間
層の材料には、ＡｌＧａＡｓ活性層より格子定数が大き
いもの、即ち、圧縮応力を受けてバンドギャップエネル
ギーがＡｌＧａＡｓ活性層より大きくなる材料であれば
よい。具体的には材料がＩｎxＧａ1-xＰの場合は、ｘ＞
０．４９のものでよい。また中間層はＩｎＰ又はＩｎＧ
ａＰを主成分とし、それ以外の元素を若干含んでもよ
い。中間層の厚さについては、上記例では１０〜２０オ
ングストロームと非常に薄かったが、歪みのために中間
層の結晶に転位が発生せず表面準位を形成しない範囲の
厚さであればよい。また適用されるレーザ素子はＶＳＩ
Ｓレーザに限られるものではなく、いかなる構造のもの
であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の半導体レーザ装置は、その光出射端面上にＩｎＰ又は
ＩｎＧａＰを含む材料からなる中間層が形成されいるの
で、発熱にはつながらないため光出射端面の破壊が起こ
りにくくなり、最大光出力を向上できる。更に窓層を設
けた場合には、より効果を増大できる。ＩｎＧａＰから
なる中間層の場合には、Ｉｎの構成比率をＩｎとＧａと
の全体に対して４９％より大きくすると、中間層の格子
定数をＡｌＧａＡｓからなる半導体層より大きくでき
る。中間層はＡｌＧａＡｓ系に対して格子不整合系では
あるものの、転位が生じる臨界層厚よりも薄く形成する
場合は、結晶性に悪影響が及ばないようにできる。
の半導体レーザ装置は、その光出射端面上にＩｎＰ又は
ＩｎＧａＰを含む材料からなる中間層が形成されいるの
で、発熱にはつながらないため光出射端面の破壊が起こ
りにくくなり、最大光出力を向上できる。更に窓層を設
けた場合には、より効果を増大できる。ＩｎＧａＰから
なる中間層の場合には、Ｉｎの構成比率をＩｎとＧａと
の全体に対して４９％より大きくすると、中間層の格子
定数をＡｌＧａＡｓからなる半導体層より大きくでき
る。中間層はＡｌＧａＡｓ系に対して格子不整合系では
あるものの、転位が生じる臨界層厚よりも薄く形成する
場合は、結晶性に悪影響が及ばないようにできる。
【図１】第１の実施例の半導体レーザ装置における端面
近傍を示す斜視図である。
近傍を示す斜視図である。
【図２】第１の実施例の半導体レーザ装置における電流
と光出力との間の関係を、従来例の関係と併せて示した
図である。
と光出力との間の関係を、従来例の関係と併せて示した
図である。
【図３】（ａ）は第１の実施例の半導体レーザ装置の出
射端面近傍のエネルギー状態図であり、（ｂ）は従来の
半導体レーザ装置の出射端面近傍のエネルギー状態図で
ある。
射端面近傍のエネルギー状態図であり、（ｂ）は従来の
半導体レーザ装置の出射端面近傍のエネルギー状態図で
ある。
【図４】第３の実施例の半導体レーザ装置における端面
近傍を示す斜視図である。
近傍を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は第３の実施例の半導体レーザ装置の出
射端面近傍のエネルギー状態図であり、（ｂ）は従来の
半導体レーザ装置の出射端面近傍のエネルギー状態図で
ある。
射端面近傍のエネルギー状態図であり、（ｂ）は従来の
半導体レーザ装置の出射端面近傍のエネルギー状態図で
ある。
１１ ｐーＧａＡｓ基板 １２ ｐ-ＡｌＧａＡｓクラッド層 １３ ｐ-ＡｌＧａＡｓ活性層 １４ ｎ-ＡｌＧａＡｓクラッド層 １５ ｎーＧａＡｓキャップ層 ２１ ｎーＧａＡｓ電流狭窄層 ３１、３２ 電極 ５１ ＩｎＰ又はＩｎＧａＰからなる層 ５２ ＡｌＧａＡｓ窓層 ６１ 保護膜 １０１ 表面を流れる微少リーク電流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹岡 忠士 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 渡辺 昌規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 山本 修 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 中津 弘志 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 複数層を積層してなるレーザ素子の１つ
の層がＡｌＧａＡｓ活性層からなる半導体レーザ装置に
おいて、 該レーザ素子の光出射端面にＩｎＰ又はＩｎＧａＰを含
む材料からなる層が形成されている半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 前記光出射端面と該端面上に形成した層
との間にＡｌ混晶比が前記ＡｌＧａＡｓ活性層よりも高
いＡｌＧａＡｓからなる窓層が形成されている請求項１
記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項３】 前記光出射端面上に形成した層がＩｎＧ
ａＰを含んだ材料で形成され、そのＩｎＧａＰにおける
Ｉｎの構成比率がIII族元素であるＩｎとＧａとの全体
に対して４９％よりも大きい請求項１又は２記載の半導
体レーザ装置。 - 【請求項４】 前記光出射端面上に形成した層の厚さ
が、該層に転位が生じる臨界層厚よりも薄い請求項１、
２又は３記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4064183A JP2828235B2 (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4064183A JP2828235B2 (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05267776A true JPH05267776A (ja) | 1993-10-15 |
| JP2828235B2 JP2828235B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=13250692
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4064183A Expired - Fee Related JP2828235B2 (ja) | 1992-03-19 | 1992-03-19 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2828235B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10112566A (ja) * | 1996-10-07 | 1998-04-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ |
| JPH11121877A (ja) * | 1997-08-13 | 1999-04-30 | Mitsubishi Chemical Corp | 化合物半導体発光素子 |
-
1992
- 1992-03-19 JP JP4064183A patent/JP2828235B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10112566A (ja) * | 1996-10-07 | 1998-04-28 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ |
| JPH11121877A (ja) * | 1997-08-13 | 1999-04-30 | Mitsubishi Chemical Corp | 化合物半導体発光素子 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2828235B2 (ja) | 1998-11-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19980903 |
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| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |