JPH0945989A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH0945989A JPH0945989A JP19562795A JP19562795A JPH0945989A JP H0945989 A JPH0945989 A JP H0945989A JP 19562795 A JP19562795 A JP 19562795A JP 19562795 A JP19562795 A JP 19562795A JP H0945989 A JPH0945989 A JP H0945989A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 活性層へのキャリア閉じ込めを確実にしつ
つ、内部損失および電気抵抗を低く抑えて、高効率で高
出力の半導体レーザ素子を提供する。 【構成】 半導体基板２０上に、順次、第２ｎ型クラッ
ド層１１、第１ｎ型クラッド層１２、ｎ型キャリアブロ
ック層１３、活性層１４、ｐ型キャリアブロック層１
５、第１ｐ型クラッド層１６、第２ｐ型クラッド層１
７、電流狭窄層１８、ｐ型コンタクト層１９が形成され
る。キャリアブロック層１３、１５を１×１０18ｃｍ-3
以上の高ドーピング濃度に、第１クラッド層１２、１６
を３×１０17ｃｍ-3以下の低ドーピング濃度に、第２ク
ラッド層１１、１７を１×１０18ｃｍ-3以上の高ドーピ
ング濃度に形成している。またｐ型ドーパントとして、
拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いている。
つ、内部損失および電気抵抗を低く抑えて、高効率で高
出力の半導体レーザ素子を提供する。 【構成】 半導体基板２０上に、順次、第２ｎ型クラッ
ド層１１、第１ｎ型クラッド層１２、ｎ型キャリアブロ
ック層１３、活性層１４、ｐ型キャリアブロック層１
５、第１ｐ型クラッド層１６、第２ｐ型クラッド層１
７、電流狭窄層１８、ｐ型コンタクト層１９が形成され
る。キャリアブロック層１３、１５を１×１０18ｃｍ-3
以上の高ドーピング濃度に、第１クラッド層１２、１６
を３×１０17ｃｍ-3以下の低ドーピング濃度に、第２ク
ラッド層１１、１７を１×１０18ｃｍ-3以上の高ドーピ
ング濃度に形成している。またｐ型ドーパントとして、
拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、通信、レーザプリン
タ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効
率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
タ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効
率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ素子の高出力化を目的とし
て、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリ
アブロック層を設けることによって、キャリアブロック
層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を
大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このよ
うな構造において、キャリアブロック層は注入キャリア
を活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するととも
に、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活
性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側
のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため
半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集
中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベ
ルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現でき
る。
て、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリ
アブロック層を設けることによって、キャリアブロック
層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を
大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このよ
うな構造において、キャリアブロック層は注入キャリア
を活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するととも
に、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活
性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側
のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため
半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集
中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベ
ルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現でき
る。
【０００３】図７（ａ）はこうした半導体レーザ素子の
一例を示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した
禁制帯幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率
の分布図である。図７に示す構造は、周知の分離閉じ込
めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heteros
tructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect
ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
一例を示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した
禁制帯幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率
の分布図である。図７に示す構造は、周知の分離閉じ込
めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heteros
tructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect
ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】図７（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る
半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−
ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重
量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）
６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成
される。
半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−
ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重
量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）
６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成
される。
【０００５】図７（ｂ）に示すように、各キャリアブロ
ック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド
層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成さ
れているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４
に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャ
リア数が増加して、発振効率が向上する。
ック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド
層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成さ
れているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４
に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャ
リア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】またキャリアブロック層および活性層が十
分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効
的な屈折率分布は図７（ｃ）に示すように、第１ｎ型ク
ラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈
折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッ
ド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成され
ているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広
がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減
少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力
化が可能となる。
分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効
的な屈折率分布は図７（ｃ）に示すように、第１ｎ型ク
ラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈
折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッ
ド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成され
ているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広
がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減
少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力
化が可能となる。
【０００７】この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多
重量子井戸）−ＤＣＨ（DecoupledConfinement Heteros
tructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ
素子が報告されている。（IEEE journal of quantum el
ectronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
重量子井戸）−ＤＣＨ（DecoupledConfinement Heteros
tructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ
素子が報告されている。（IEEE journal of quantum el
ectronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ素子にお
いて高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリア
を活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリ
ア吸収による内部損失の低減が重要である。
いて高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリア
を活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリ
ア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子
では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層
の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に
閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド
層への光の洩れ出しを容易にするため通常、０．０１〜
０．０３μｍ程度に極めて薄く形成される。禁制帯幅が
大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドー
ピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の
空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分と
なる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有
するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリア
ブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要があ
る。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いら
れる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるた
め、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブ
ロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極
薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成
することができなかった。
では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層
の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に
閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド
層への光の洩れ出しを容易にするため通常、０．０１〜
０．０３μｍ程度に極めて薄く形成される。禁制帯幅が
大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドー
ピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の
空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分と
なる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有
するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリア
ブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要があ
る。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いら
れる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるた
め、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブ
ロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極
薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成
することができなかった。
【００１０】また、半導体レーザ素子の効率はフリーキ
ャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリ
ーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で
決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きく
なる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必
要最小限に低く形成する必要がある。
ャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリ
ーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で
決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きく
なる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必
要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】しかし、各層のドーピング濃度をあまり低
く抑えてしまうと、素子の電気抵抗が大きくなって自己
発熱量が増加し、低い出力での出力飽和や素子の劣化を
早める等の問題を生じていた。
く抑えてしまうと、素子の電気抵抗が大きくなって自己
発熱量が増加し、低い出力での出力飽和や素子の劣化を
早める等の問題を生じていた。
【００１２】本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込
めを確実にし、内部損失をより低く抑えるとともに、素
子の電気抵抗の低減化を図って、高効率で高出力かつ高
信頼性の半導体レーザ素子を提供することである。
めを確実にし、内部損失をより低く抑えるとともに、素
子の電気抵抗の低減化を図って、高効率で高出力かつ高
信頼性の半導体レーザ素子を提供することである。
【００１３】さらに高出力化の障害となる出射端面での
光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レ
ーザ素子を提供することを目的とする。
光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レ
ーザ素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、活性層の両側
にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接
して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上
の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型
キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザにお
いて、ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近
い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、πを円
周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリアブロッ
ク層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、第２ク
ラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間の実効
厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5 と定義したとき、Ｖ＞π／３が成立するとともに、ｎ型
およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型
およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度であ
って、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のド
ーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように
変調ドーピングが施されていることを特徴する半導体レ
ーザ素子である。ここで第１クラッド層の屈折率が一定
の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１ク
ラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を
意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層
間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）と
し、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ
１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置
をｘ２とすると、下記の式で表わされる。
にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接
して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上
の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型
キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザにお
いて、ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近
い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、πを円
周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリアブロッ
ク層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、第２ク
ラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間の実効
厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5 と定義したとき、Ｖ＞π／３が成立するとともに、ｎ型
およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型
およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度であ
って、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のド
ーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように
変調ドーピングが施されていることを特徴する半導体レ
ーザ素子である。ここで第１クラッド層の屈折率が一定
の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１ク
ラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を
意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層
間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）と
し、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ
１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置
をｘ２とすると、下記の式で表わされる。
【００１５】
【数１】
【００１６】また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリアブ
ロック層のドーピング量は１×１０ 18ｃｍ-3以上に、ｎ
型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング
量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド
層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3
以上になるように変調ドーピングが施されていることを
特徴とする。また本発明は、ｐ型キャリアブロック層の
ドーパントが、炭素またはマグネシウムであることを特
徴とする。また本発明は、キャリアブロック層ならびに
第１および第２クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体で形成されていることを特徴とする。また本発明は、
キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層
は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とする。
ロック層のドーピング量は１×１０ 18ｃｍ-3以上に、ｎ
型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング
量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド
層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3
以上になるように変調ドーピングが施されていることを
特徴とする。また本発明は、ｐ型キャリアブロック層の
ドーパントが、炭素またはマグネシウムであることを特
徴とする。また本発明は、キャリアブロック層ならびに
第１および第２クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体で形成されていることを特徴とする。また本発明は、
キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層
は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とする。
【００１７】
【作用】本発明に従えば、ｎ型およびｐ型クラッド層を
第１および第２クラッド層という複数層のクラッド層で
構成し、さらに活性層、キャリアブロック層および第１
クラッド層から成る光導波層の規格化周波数Ｖをπ／３
より大きく形成することによって、ほぼガウス型での導
波モードのレーザ発振を実現できる。そして導波モード
のピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面で
の光学損傷レベルをより高くすることが可能となる。な
お、導波モードがマルチ化しないためには、規格化周波
数Ｖは２π以下であることが好ましい。
第１および第２クラッド層という複数層のクラッド層で
構成し、さらに活性層、キャリアブロック層および第１
クラッド層から成る光導波層の規格化周波数Ｖをπ／３
より大きく形成することによって、ほぼガウス型での導
波モードのレーザ発振を実現できる。そして導波モード
のピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面で
の光学損傷レベルをより高くすることが可能となる。な
お、導波モードがマルチ化しないためには、規格化周波
数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００１８】さらに、ｎ型およびｐ型キャリアブロック
層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１
クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施
されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ第
１クラッド層でのフリーキャリア吸収を低減化できる。
したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導
波路を形成できる。
層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１
クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施
されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ第
１クラッド層でのフリーキャリア吸収を低減化できる。
したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導
波路を形成できる。
【００１９】また、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２ク
ラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度
となるように変調ドーピングが施されているため、素子
全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させるこ
とができる。
ラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度
となるように変調ドーピングが施されているため、素子
全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させるこ
とができる。
【００２０】以下詳細に説明する。図１（ａ）は完全分
離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフで
あり、図１（ｂ）は規格化周波数Ｖ＝πの場合の導波モ
ードを示すグラフである。グラフに示すように、導波モ
ードの大部分は、活性層１４、キャリアブロック層１
３、１５および第１クラッド層１２、１６から成る光導
波層を伝搬しており、裾の僅かな部分が第２クラッド層
１１、１７に洩れ出ていることが判る。こうして導波モ
ードが拡がり、そのピーク強度が減少するため、素子の
出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能
になる光学的な内部損失を減らすためには、光導波層の
部分、特に第１クラッド層１２、１６のキャリア濃度を
低くすることが好ましいことになる。また、光の伝搬が
少ない第２クラッド層１１、１７は、キャリア濃度を高
くして、素子の電気抵抗を低減化する方が好ましいこと
になる。
離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフで
あり、図１（ｂ）は規格化周波数Ｖ＝πの場合の導波モ
ードを示すグラフである。グラフに示すように、導波モ
ードの大部分は、活性層１４、キャリアブロック層１
３、１５および第１クラッド層１２、１６から成る光導
波層を伝搬しており、裾の僅かな部分が第２クラッド層
１１、１７に洩れ出ていることが判る。こうして導波モ
ードが拡がり、そのピーク強度が減少するため、素子の
出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能
になる光学的な内部損失を減らすためには、光導波層の
部分、特に第１クラッド層１２、１６のキャリア濃度を
低くすることが好ましいことになる。また、光の伝搬が
少ない第２クラッド層１１、１７は、キャリア濃度を高
くして、素子の電気抵抗を低減化する方が好ましいこと
になる。
【００２１】図２は、スラブ導波路構造において規格化
周波数Ｖに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラ
フである。規格化周波数Ｖは、πを円周率、λを発振波
長、活性層１４、キャリアブロック層１３、１５および
第１クラッド層１２、１６の最大屈折率をＮ１、第２ク
ラッド層１１、１７の屈折率をＮ２とし、第２クラッド
層１１、１７間の実効厚みをｄ１として、Ｖ＝（π・ｄ
１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5で定義される。
周波数Ｖに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラ
フである。規格化周波数Ｖは、πを円周率、λを発振波
長、活性層１４、キャリアブロック層１３、１５および
第１クラッド層１２、１６の最大屈折率をＮ１、第２ク
ラッド層１１、１７の屈折率をＮ２とし、第２クラッド
層１１、１７間の実効厚みをｄ１として、Ｖ＝（π・ｄ
１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5で定義される。
【００２２】規格化周波数Ｖが小さいと、光導波層の厚
みに比べて導波モードの幅が大きくなり、光導波層での
光伝搬率が低下する。逆に、規格化周波数Ｖが大きい
と、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が小さくな
り、光伝搬率は増大する。そこで、完全分離閉じ込め構
造の半導体レーザにおいて、規格化周波数Ｖはπ／３よ
り大きいことが好ましく、これによって光伝搬率を７０
％以上確保できる。このようにＶがπ／３より大きくな
って光伝搬率が大きくなると、第２クラッド層への光の
伝搬が小さくなるので、第２クラッド層のドーピングを
高濃度にしても、これに起因するフリーキャリア吸収に
よる内部損失は小さくなる。また、基本モード以外のマ
ルチモードの発生を抑制するため規格化周波数Ｖは２π
より小さいことが好ましく、活性層での利得導波作用と
相俟って単一横モードを安定に維持できる。
みに比べて導波モードの幅が大きくなり、光導波層での
光伝搬率が低下する。逆に、規格化周波数Ｖが大きい
と、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が小さくな
り、光伝搬率は増大する。そこで、完全分離閉じ込め構
造の半導体レーザにおいて、規格化周波数Ｖはπ／３よ
り大きいことが好ましく、これによって光伝搬率を７０
％以上確保できる。このようにＶがπ／３より大きくな
って光伝搬率が大きくなると、第２クラッド層への光の
伝搬が小さくなるので、第２クラッド層のドーピングを
高濃度にしても、これに起因するフリーキャリア吸収に
よる内部損失は小さくなる。また、基本モード以外のマ
ルチモードの発生を抑制するため規格化周波数Ｖは２π
より小さいことが好ましく、活性層での利得導波作用と
相俟って単一横モードを安定に維持できる。
【００２３】また本発明に従えば、ｎ型およびｐ型キャ
リアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上
に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドー
ピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型ク
ラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18
ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングを施すことによ
って、キャリア閉じ込め機能を十分に発揮しつつ、光の
内部損失を充分低く抑えることができる。
リアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上
に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドー
ピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型ク
ラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18
ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングを施すことによ
って、キャリア閉じ込め機能を十分に発揮しつつ、光の
内部損失を充分低く抑えることができる。
【００２４】なお、各キャリアブロック層および各第２
クラッド層への過度のドーピングはフリーキャリア吸収
の増大や結晶性の劣化を招くため、ドーピング量の上限
は、１×１０19ｃｍ-3が好ましい。また、各第１クラッ
ド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きく
しないために、１×１０16ｃｍ-3が好ましい。
クラッド層への過度のドーピングはフリーキャリア吸収
の増大や結晶性の劣化を招くため、ドーピング量の上限
は、１×１０19ｃｍ-3が好ましい。また、各第１クラッ
ド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きく
しないために、１×１０16ｃｍ-3が好ましい。
【００２５】また本発明に従えば、ｐ型キャリアブロッ
ク層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する
炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いること
によって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に
添加することが可能となり、キャリアブロック層が極め
て薄い場合であっても、製造プロセス中に発生するドー
パントの拡散を事実上無視できる程に抑えることができ
る。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しに
くい元素であるため、製造プロセス中における各元素の
拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視で
きるほど小さくなる。その結果、極薄のキャリアブロッ
ク層であっても高いドーピング濃度を形成することがで
きる。
ク層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する
炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いること
によって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に
添加することが可能となり、キャリアブロック層が極め
て薄い場合であっても、製造プロセス中に発生するドー
パントの拡散を事実上無視できる程に抑えることができ
る。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しに
くい元素であるため、製造プロセス中における各元素の
拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視で
きるほど小さくなる。その結果、極薄のキャリアブロッ
ク層であっても高いドーピング濃度を形成することがで
きる。
【００２６】このように各キャリアブロック層１３、１
５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、
キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制さ
れ、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、
注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めること
ができる。
５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、
キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制さ
れ、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、
注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めること
ができる。
【００２７】ところで従来はｐ型ドーパントとして亜鉛
を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常
に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における
亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違い
に大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には
高いドーピング濃度を形成することができなかった。
を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常
に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における
亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違い
に大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には
高いドーピング濃度を形成することができなかった。
【００２８】また、ｐ型キャリアブロック層のドーパン
トとして炭素またはマグネシウムを用いることによって
キャリアブロック層のポテンシャル障壁をより高くする
ことができる。
トとして炭素またはマグネシウムを用いることによって
キャリアブロック層のポテンシャル障壁をより高くする
ことができる。
【００２９】図３は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型
ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。こ
のグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛
はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる
傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組
成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター
準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック
層１５のポテンシャル障壁を高くすることができ、キャ
リア閉じ込め作用が大きくなる。したがって、活性領域
へのドーパントの拡散を防ぎつつキャリアブロック層全
体の空乏化を防ぐために必要な高いドーピング濃度を形
成するとともに浅いアクセプター準位によってポテンシ
ャル障壁を高く形成することができる。
ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。こ
のグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛
はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる
傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組
成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター
準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック
層１５のポテンシャル障壁を高くすることができ、キャ
リア閉じ込め作用が大きくなる。したがって、活性領域
へのドーパントの拡散を防ぎつつキャリアブロック層全
体の空乏化を防ぐために必要な高いドーピング濃度を形
成するとともに浅いアクセプター準位によってポテンシ
ャル障壁を高く形成することができる。
【００３０】特に、キャリアブロック層を例えば０．０
１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成した場合であっ
ても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネ
シウムを用いることによって、前述のような変調ドーピ
ングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロッ
クの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しな
い無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特
性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成した場合であっ
ても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネ
シウムを用いることによって、前述のような変調ドーピ
ングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロッ
クの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しな
い無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特
性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
【００３１】ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定
数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ
（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×
１０ -13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報
告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Techn
ology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：Jour
nal Appl. Phys.59(4),15(1986)1156)。したがって炭素
がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比
例する。
数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ
（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×
１０ -13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報
告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Techn
ology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：Jour
nal Appl. Phys.59(4),15(1986)1156)。したがって炭素
がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比
例する。
【００３２】また、キャリアブロック層ならびに第１お
よび第２クラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成
されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡
散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のド
ーピング濃度を高く形成できる。
よび第２クラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成
されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡
散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のド
ーピング濃度を高く形成できる。
【００３３】また、キャリアブロック層ならびに第１お
よび第２クラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形
成することが好ましく、その場合、図３に示すように、
炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅
くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を
高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性に
よってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成
できる。
よび第２クラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形
成することが好ましく、その場合、図３に示すように、
炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅
くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を
高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性に
よってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成
できる。
【００３４】
（実施例１）図４（ａ）は本発明の実施例１の構成を示
す断面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピン
グ濃度の分布図である。この半導体レーザにおいて、半
導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型ク
ラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１
×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型ク
ラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３
×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリ
アブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃
度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、
活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇ
ａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロ
ック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃
度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、
第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アク
セプター濃度：３×１０ 17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）
１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａ
ｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．
７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃
度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型
コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×
１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９
が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されてい
る。ここで、ドナーとしてＳｅ（セレン）をドープし、
アクセプターとしてｐ型コンタクト層以外はＣ（炭素）
をドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎ（亜鉛）をドープ
している。
す断面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピン
グ濃度の分布図である。この半導体レーザにおいて、半
導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型ク
ラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１
×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型ク
ラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３
×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリ
アブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃
度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、
活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇ
ａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロ
ック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃
度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、
第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アク
セプター濃度：３×１０ 17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）
１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａ
ｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．
７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃
度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型
コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×
１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９
が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されてい
る。ここで、ドナーとしてＳｅ（セレン）をドープし、
アクセプターとしてｐ型コンタクト層以外はＣ（炭素）
をドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎ（亜鉛）をドープ
している。
【００３５】ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体
基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれ
ぞれ形成される。光共振器は紙面垂直方向に形成され、
素子の両端面で反射することによってレーザ発振が起き
る。
基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれ
ぞれ形成される。光共振器は紙面垂直方向に形成され、
素子の両端面で反射することによってレーザ発振が起き
る。
【００３６】注目すべき点は、図４（ｂ）に示すよう
に、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ
型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１
０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第１ｎ型
クラッド層１２のドナー濃度および第１ｐ型クラッド層
１６のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3またはそれ
以下の低濃度に形成し、さらに第２ｎ型クラッド層１１
のドナー濃度および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプ
ター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に
形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点であ
る。
に、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ
型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１
０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第１ｎ型
クラッド層１２のドナー濃度および第１ｐ型クラッド層
１６のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3またはそれ
以下の低濃度に形成し、さらに第２ｎ型クラッド層１１
のドナー濃度および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプ
ター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に
形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点であ
る。
【００３７】このようにｎ型キャリアブロック層１３お
よびｐ型キャリアブロック層１５のドーピング量は、第
１ｎ型クラッド層１２および第１ｐ型クラッド層１６よ
り高濃度となるように変調ドーピングが施されているた
め、キャリアブロック機能を維持しつつ第２ｎ型クラッ
ド層１１および第２ｐ型クラッド層１７でのフリーキャ
リア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱
さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
よびｐ型キャリアブロック層１５のドーピング量は、第
１ｎ型クラッド層１２および第１ｐ型クラッド層１６よ
り高濃度となるように変調ドーピングが施されているた
め、キャリアブロック機能を維持しつつ第２ｎ型クラッ
ド層１１および第２ｐ型クラッド層１７でのフリーキャ
リア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱
さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
【００３８】また、第２ｎ型クラッド層１１および第２
ｐ型クラッド層１７のドーピング量は、第１ｎ型クラッ
ド層１２および第１ｐ型クラッド層１６より高濃度とな
るように変調ドーピングが施されているため、素子全体
の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少できる。
ｐ型クラッド層１７のドーピング量は、第１ｎ型クラッ
ド層１２および第１ｐ型クラッド層１６より高濃度とな
るように変調ドーピングが施されているため、素子全体
の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少できる。
【００３９】なお、実施例１の規格化周波数Ｖはπであ
る。したがって光導波層内での光伝搬率が高くなり、さ
らには出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一
層容易になる。
る。したがって光導波層内での光伝搬率が高くなり、さ
らには出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一
層容易になる。
【００４０】（比較例１）図５（ａ）は比較例１の構成
を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応するドー
ピング濃度の分布図である。この半導体レーザ素子にお
いて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第
２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第
１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ
型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ド
ナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）
１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ
0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリ
アブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプタ
ー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１
５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、
アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μ
ｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52
Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：
０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ
型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３
×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１
９が、ＭＯＣＶＤでそれぞれ形成されている。
を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応するドー
ピング濃度の分布図である。この半導体レーザ素子にお
いて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第
２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第
１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ
型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ド
ナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）
１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ
0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリ
アブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプタ
ー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１
５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、
アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μ
ｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52
Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：
０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ
型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３
×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１
９が、ＭＯＣＶＤでそれぞれ形成されている。
【００４１】ここで、実施例１と比較して相違する点
は、図５（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１
３、１５、第１クラッド層１２、１６および第２クラッ
ド層１１、１７を全て１×１０18ｃｍ-3という高濃度で
ドーピングしている点である。
は、図５（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１
３、１５、第１クラッド層１２、１６および第２クラッ
ド層１１、１７を全て１×１０18ｃｍ-3という高濃度で
ドーピングしている点である。
【００４２】（比較例２）図６（ａ）は比較例２の構成
を示す断面図であり、図６（ｂ）は各層に対応するドー
ピング濃度の分布図である。この半導体レーザ素子にお
いて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第
２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー
濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第
１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー
濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ
型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ド
ナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）
１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ
0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリ
アブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプタ
ー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１
５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、
アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μ
ｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.43Ｇａ0.57
Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：
０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ
型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３
×１０17ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで
形成されている。
を示す断面図であり、図６（ｂ）は各層に対応するドー
ピング濃度の分布図である。この半導体レーザ素子にお
いて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第
２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー
濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第
１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー
濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ
型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ド
ナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）
１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ
0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリ
アブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプタ
ー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１
５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、
アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μ
ｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.43Ｇａ0.57
Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：
０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ
型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３
×１０17ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで
形成されている。
【００４３】ここで、実施例１と比較して相違する点
は、図６（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１
３、１５を１×１０18ｃｍ-3という高濃度でドーピング
し、第１クラッド層１２、１６および第２クラッド層１
１、１７を３×１０17ｃｍ-3という低濃度でドーピング
している点である。
は、図６（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１
３、１５を１×１０18ｃｍ-3という高濃度でドーピング
し、第１クラッド層１２、１６および第２クラッド層１
１、１７を３×１０17ｃｍ-3という低濃度でドーピング
している点である。
【００４４】（比較例３）比較例３の構成は、図５の比
較例１と同じであるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ
（亜鉛）を使用している点が相違する。
較例１と同じであるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ
（亜鉛）を使用している点が相違する。
【００４５】（比較例４）比較例４の構成は、図６の比
較例２と同様であるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ
（亜鉛）使用している点が相違する。ここで、実施例１
と比較例１〜４とを比較するため、素子の特性温度、内
部損失を測定した結果および活性層を除くｎ型第２クラ
ッド層からｐ型クラッド層までの電気抵抗をシミュレー
ションした値を下記（表１）に示す。なお、半導体レー
ザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ
幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件はいずれ
も共通である。
較例２と同様であるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ
（亜鉛）使用している点が相違する。ここで、実施例１
と比較例１〜４とを比較するため、素子の特性温度、内
部損失を測定した結果および活性層を除くｎ型第２クラ
ッド層からｐ型クラッド層までの電気抵抗をシミュレー
ションした値を下記（表１）に示す。なお、半導体レー
ザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ
幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件はいずれ
も共通である。
【００４６】
【表１】
【００４７】その結果、実施例１は比較例３、４と比べ
て、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１４０Ｋに
改善されることが確認された。これはドーパントとし
て、亜鉛より拡散性が格段に小さい炭素を使用すること
によって、キャリアブロック層を所望の濃度に維持する
ことができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを
活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられ
る。
て、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１４０Ｋに
改善されることが確認された。これはドーパントとし
て、亜鉛より拡散性が格段に小さい炭素を使用すること
によって、キャリアブロック層を所望の濃度に維持する
ことができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを
活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられ
る。
【００４８】また、実施例１は比較例１と比べて、特性
温度は同程度であるが、内部損失が５分の１と大幅に改
善されていることが判る。これは、第１クラッド層のド
ーピング濃度が低くなって、フリーキャリア吸収が減っ
てためと考えられる。
温度は同程度であるが、内部損失が５分の１と大幅に改
善されていることが判る。これは、第１クラッド層のド
ーピング濃度が低くなって、フリーキャリア吸収が減っ
てためと考えられる。
【００４９】また、実施例１は比較例２と比べて、第２
クラッド層のドーピング濃度が高いためにその部分の電
気伝導率が向上して、電気抵抗の低減化が可能になっ
た。
クラッド層のドーピング濃度が高いためにその部分の電
気伝導率が向上して、電気抵抗の低減化が可能になっ
た。
【００５０】このようにキャリアブロック層を高ドーピ
ングにすることによって特性温度を改善でき、第１クラ
ッド層を低ドーピングにすることによって、光学的な内
部損失を改善でき、さらに第２クラッド層を高ドーピン
グにすることによって素子の電気抵抗を改善することが
できる。
ングにすることによって特性温度を改善でき、第１クラ
ッド層を低ドーピングにすることによって、光学的な内
部損失を改善でき、さらに第２クラッド層を高ドーピン
グにすることによって素子の電気抵抗を改善することが
できる。
【００５１】なお以上の説明において、半導体レーザ素
子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示し
たが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能
する材料であれば本発明が適用できる。
子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示し
たが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能
する材料であれば本発明が適用できる。
【００５２】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、ｎ
型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ
型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度と
なるように変調ドーピングが施されているため、キャリ
アブロック機能を維持しつつ内部損失を低減化できる。
型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ
型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度と
なるように変調ドーピングが施されているため、キャリ
アブロック機能を維持しつつ内部損失を低減化できる。
【００５３】また、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２ク
ラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度
となるように変調ドーピングが施されているため、素子
全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させるこ
とができる。
ラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度
となるように変調ドーピングが施されているため、素子
全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させるこ
とができる。
【００５４】そして出射端面での光学損傷を抑制できる
ので、上記の効果と相俟ってより高出力化できる。
ので、上記の効果と相俟ってより高出力化できる。
【００５５】さらに、ｐ型ドーパントとして炭素または
マグネシウムを用いることによって、薄い層であっても
充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリア
ブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に
行われ、特性温度の向上に寄与する。
マグネシウムを用いることによって、薄い層であっても
充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリア
ブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に
行われ、特性温度の向上に寄与する。
【００５６】こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レ
ーザ素子において、高効率化および高出力化を図ること
ができる。
ーザ素子において、高効率化および高出力化を図ること
ができる。
【図１】図１（ａ）は完全分離閉じ込め構造における各
層の禁制帯幅を示すグラフであり、図１（ｂ）は規格化
周波数Ｖ＝πの場合の導波モードを示すグラフである。
層の禁制帯幅を示すグラフであり、図１（ｂ）は規格化
周波数Ｖ＝πの場合の導波モードを示すグラフである。
【図２】スラブ導波路構造において規格化周波数Ｖに対
する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。
する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。
【図３】ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントの
アクセプター準位を示すグラフである。
アクセプター準位を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断
面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピング濃
度の分布図である。
面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピング濃
度の分布図である。
【図５】図５（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であ
り、図５（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布
図である。
り、図５（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布
図である。
【図６】図６（ａ）は比較例２の構成を示す断面図であ
り、図６（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布
図である。
り、図６（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布
図である。
【図７】図７（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を
示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した禁制帯
幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布
図である。
示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した禁制帯
幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布
図である。
１１ 第２ｎ型クラッド層 １２ 第１ｎ型クラッド層 １３ ｎ型キャリアブロック層 １４ 活性層 １５ ｐ型キャリアブロック層 １６ 第１ｐ型クラッド層 １７ 第２ｐ型クラッド層 １８ 電流狭窄層 １９ ｐ型コンタクト層 ２０ 半導体基板 ２１、２２ オーミック電極
Claims (5)
- 【請求項１】 活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド
層を設け、前記活性層に近接して前記活性層および前記
両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キ
ャリアブロック層およびｐ型キャリアブロック層をそれ
ぞれ設けた半導体レーザにおいて、 ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近い順に
第１クラッド層と第２クラッド層を含み、 πを円周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリア
ブロック層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、
第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間
の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5 と定義したとき、Ｖ＞π／３が成立するとともに、 ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、
ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度
であって、 ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピン
グ量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ド
ーピングが施されていることを特徴する半導体レーザ素
子。 - 【請求項２】 ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のド
ーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、ｎ型およびｐ型
クラッド層の第１クラッド層のドーピング量は３×１０
17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラ
ッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上になるよ
うに変調ドーピングが施されていることを特徴とする請
求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 ｐ型キャリアブロック層のドーパント
が、炭素またはマグネシウムであることを特徴とする請
求項１または２記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 キャリアブロック層ならびに第１および
第２クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成さ
れていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載
の半導体レーザ素子。 - 【請求項５】 キャリアブロック層ならびに第１および
第２クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成
されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レー
ザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19562795A JP3645320B2 (ja) | 1995-07-31 | 1995-07-31 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19562795A JP3645320B2 (ja) | 1995-07-31 | 1995-07-31 | 半導体レーザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0945989A true JPH0945989A (ja) | 1997-02-14 |
| JP3645320B2 JP3645320B2 (ja) | 2005-05-11 |
Family
ID=16344318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19562795A Expired - Lifetime JP3645320B2 (ja) | 1995-07-31 | 1995-07-31 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3645320B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6351479B1 (en) | 1998-05-14 | 2002-02-26 | Anritsu Corporation | Semiconductor laser having effective output increasing function |
| EP1380077A4 (en) * | 2001-03-19 | 2005-12-07 | Trumpf Photonics Inc | METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING THE EFFICIENCY IN OPTOELECTRONIC RADIATION SOURCE DEVICES |
| US7084444B2 (en) | 2001-03-19 | 2006-08-01 | Trumpf Photonics, Inc. | Method and apparatus for improving efficiency in opto-electronic radiation source devices |
| CN102315589A (zh) * | 2010-07-06 | 2012-01-11 | 索尼公司 | 激光器二极管 |
| JP2013048266A (ja) * | 2012-10-11 | 2013-03-07 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
-
1995
- 1995-07-31 JP JP19562795A patent/JP3645320B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6351479B1 (en) | 1998-05-14 | 2002-02-26 | Anritsu Corporation | Semiconductor laser having effective output increasing function |
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| US7084444B2 (en) | 2001-03-19 | 2006-08-01 | Trumpf Photonics, Inc. | Method and apparatus for improving efficiency in opto-electronic radiation source devices |
| CN102315589A (zh) * | 2010-07-06 | 2012-01-11 | 索尼公司 | 激光器二极管 |
| US9112333B2 (en) | 2010-07-06 | 2015-08-18 | Sony Corporation | Laser diode |
| US9660420B2 (en) | 2010-07-06 | 2017-05-23 | Sony Corporation | Laser diode |
| JP2013048266A (ja) * | 2012-10-11 | 2013-03-07 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3645320B2 (ja) | 2005-05-11 |
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