JPH10209553A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH10209553A JPH10209553A JP611397A JP611397A JPH10209553A JP H10209553 A JPH10209553 A JP H10209553A JP 611397 A JP611397 A JP 611397A JP 611397 A JP611397 A JP 611397A JP H10209553 A JPH10209553 A JP H10209553A
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- gainp
- semiconductor laser
- laser device
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Abstract
(57)【要約】
【課題】アスペクト比が小さく、光出力−電流特性が優
れた高信頼の半導体レーザ素子を容易に実現できる素子
構造を提供する。 【解決手段】半導体基板上にGaInP/AlGaIn
P量子井戸構造を活性領域としたダブルヘテロ構造を有
し、電流狭窄構造となる埋込構造を設けたAlGaIn
P半導体レーザ素子において、レーザ光の吸収が少ない
半導体結晶として無秩序化させたGaInP混晶を埋込
層の一部に用い、埋込層の中でレーザ光に対して吸収層
となる層へのレーザ光の漏れを抑制した構造とし、電流
狭窄を行うストライプ構造の幅を狭めて高次の横モード
を抑制する。
れた高信頼の半導体レーザ素子を容易に実現できる素子
構造を提供する。 【解決手段】半導体基板上にGaInP/AlGaIn
P量子井戸構造を活性領域としたダブルヘテロ構造を有
し、電流狭窄構造となる埋込構造を設けたAlGaIn
P半導体レーザ素子において、レーザ光の吸収が少ない
半導体結晶として無秩序化させたGaInP混晶を埋込
層の一部に用い、埋込層の中でレーザ光に対して吸収層
となる層へのレーザ光の漏れを抑制した構造とし、電流
狭窄を行うストライプ構造の幅を狭めて高次の横モード
を抑制する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ素子に
関する。
関する。
【0002】
【従来の技術】情報端末機器、特に光ディスクに用いら
れる高出力半導体レーザでは、単一横モード発振を維持
しながら所望の光出力を得ることが必要である。GaA
s基板上に形成したAlGaInP半導体レーザの場
合、GaAsブロック層とコンタクト層を埋込成長によ
り形成し、電流狭窄構造と横モード制御構造を構成する
ことが一般的になっている。レーザの横モードは、電流
注入部となるストライプ構造により制御され、ストライ
プの幅を狭くすると共に基本モードと高次モードの伝搬
損失差が増加する。キンクのない良好な光出力−電流特
性を得るには、ストライプの幅を狭くすることが望まし
い。
れる高出力半導体レーザでは、単一横モード発振を維持
しながら所望の光出力を得ることが必要である。GaA
s基板上に形成したAlGaInP半導体レーザの場
合、GaAsブロック層とコンタクト層を埋込成長によ
り形成し、電流狭窄構造と横モード制御構造を構成する
ことが一般的になっている。レーザの横モードは、電流
注入部となるストライプ構造により制御され、ストライ
プの幅を狭くすると共に基本モードと高次モードの伝搬
損失差が増加する。キンクのない良好な光出力−電流特
性を得るには、ストライプの幅を狭くすることが望まし
い。
【0003】一方、半導体レーザの光出力は、レーザ端
面部の光損傷により制限されており、光出力を増加させ
るためにはレーザ端面近傍での光吸収による熱の発生を
抑制することが重要になる。ストライプ幅を広げた場
合、活性層に対して水平方向のスポットサイズが広がる
ため、光子の密度が低下して端面破壊レベルを増加させ
ることができる。従来のレーザ素子では、このようなト
レードオフ並びに、他の諸特性を考慮し、所望の光出力
が得られるようにストライプ幅を設定していた。
面部の光損傷により制限されており、光出力を増加させ
るためにはレーザ端面近傍での光吸収による熱の発生を
抑制することが重要になる。ストライプ幅を広げた場
合、活性層に対して水平方向のスポットサイズが広がる
ため、光子の密度が低下して端面破壊レベルを増加させ
ることができる。従来のレーザ素子では、このようなト
レードオフ並びに、他の諸特性を考慮し、所望の光出力
が得られるようにストライプ幅を設定していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記のような半導体レ
ーザでは、横モード制御を行うストライプ構造の幅は、
5μm程度となっていることが多く、基本的には多モー
ド導波路となっている。光出力30mW程度のレーザで
は、活性層に対して垂直な方向のビーム放射角は20度
程度、水平方向は9度程度であり、アスペクト比は2よ
り大きくなる。
ーザでは、横モード制御を行うストライプ構造の幅は、
5μm程度となっていることが多く、基本的には多モー
ド導波路となっている。光出力30mW程度のレーザで
は、活性層に対して垂直な方向のビーム放射角は20度
程度、水平方向は9度程度であり、アスペクト比は2よ
り大きくなる。
【0005】しかし、光ディスクの光源に用いる場合に
は、アスペクト比はできるだけ1に近い方が望ましい。
光ディスクの面上での集光スポットは円形に近くする必
要があるため、アスペクト比が大きい場合にはビーム整
形を行う必要が生じる。このような場合、ビーム整形を
行うための光学部品や、光軸調整に労力が必要となり、
低コスト化が困難となる。
は、アスペクト比はできるだけ1に近い方が望ましい。
光ディスクの面上での集光スポットは円形に近くする必
要があるため、アスペクト比が大きい場合にはビーム整
形を行う必要が生じる。このような場合、ビーム整形を
行うための光学部品や、光軸調整に労力が必要となり、
低コスト化が困難となる。
【0006】また、このような多モード導波路を用いた
レーザでは、レーザの動作条件によっては基本モードと
高次モードの間で干渉が生じ、光出力−電流特性の線形
性が損なわれることがある(例えば、第14回 アイイ
ーイーイー インタナショナルセミコンダクタ レーザ
カンファレンス ダイジェスト(14th IEEE Internat
ional Semiconductor Laser Conference Digest)pp.2
41−242,1996において報告されている)。
レーザでは、レーザの動作条件によっては基本モードと
高次モードの間で干渉が生じ、光出力−電流特性の線形
性が損なわれることがある(例えば、第14回 アイイ
ーイーイー インタナショナルセミコンダクタ レーザ
カンファレンス ダイジェスト(14th IEEE Internat
ional Semiconductor Laser Conference Digest)pp.2
41−242,1996において報告されている)。
【0007】このような問題点を解決するためには、高
次モードが発生しにくい導波路構造とすることが重要で
あり、ストライプ幅を狭くして高次モードの伝搬損失を
増加させることが最も容易な方法である。幅の狭いスト
ライプ構造を用いた場合には、水平方向のスポットサイ
ズが小さくなるため、同時に水平方向のビーム放射角を
大きくできる。従って、アスペクト比は1に近付き、光
ディスク等に応用する際にビーム整形に要するコストを
省けることになる。
次モードが発生しにくい導波路構造とすることが重要で
あり、ストライプ幅を狭くして高次モードの伝搬損失を
増加させることが最も容易な方法である。幅の狭いスト
ライプ構造を用いた場合には、水平方向のスポットサイ
ズが小さくなるため、同時に水平方向のビーム放射角を
大きくできる。従って、アスペクト比は1に近付き、光
ディスク等に応用する際にビーム整形に要するコストを
省けることになる。
【0008】しかし、従来のAlGaInPレーザでは
電流狭窄層としてGaAs層を用いており、電流狭窄層
において光吸収が生じるためにレーザ内部での伝搬損失
が急激に増加する。特に、ストライプ幅を狭くするに従
って電流狭窄層に漏れる光量が増加するため、閾値電流
の増大,スロープ効率の低下等の問題が生じる。
電流狭窄層としてGaAs層を用いており、電流狭窄層
において光吸収が生じるためにレーザ内部での伝搬損失
が急激に増加する。特に、ストライプ幅を狭くするに従
って電流狭窄層に漏れる光量が増加するため、閾値電流
の増大,スロープ効率の低下等の問題が生じる。
【0009】
【課題を解決するための手段】GaInP/AlGaI
nP量子井戸活性層を有し、電流狭窄構造としてGaAs埋
込構造を設けたAlGaInP半導体レーザにおいて、
レーザ光の光子エネルギよりもバンドギャップエネルギ
が大きい半導体材料として無秩序化させたGaInP混
晶もしくはAlGaInP混晶を埋込層の一部に用い、
光吸収層となるGaAs埋込層へのレーザ光の漏れを抑
制できる構造とすると共に、レーザ共振器内の少なくと
も一部のストライプ構造の幅を制御し、高次の横モード
を抑制できる構造とすることにより上記課題を解決でき
る。
nP量子井戸活性層を有し、電流狭窄構造としてGaAs埋
込構造を設けたAlGaInP半導体レーザにおいて、
レーザ光の光子エネルギよりもバンドギャップエネルギ
が大きい半導体材料として無秩序化させたGaInP混
晶もしくはAlGaInP混晶を埋込層の一部に用い、
光吸収層となるGaAs埋込層へのレーザ光の漏れを抑
制できる構造とすると共に、レーザ共振器内の少なくと
も一部のストライプ構造の幅を制御し、高次の横モード
を抑制できる構造とすることにより上記課題を解決でき
る。
【0010】従来のAlGaInPレーザ素子の一般的
な断面構造を図2に示した。同図において、1はn型G
aAs基板、2はn型AlGaInPクラッド層、3は
GaInP/AlGaInP量子井戸構造、4はp型A
lGaInPクラッド層、5はエッチングストップ層、
6はp型AlGaInPクラッド層、7はp型GaIn
Pバッファ層、9はn型GaAs電流ブロック層、10
はp型GaAsコンタクト層、11はp~電極、12は
n~電極である。
な断面構造を図2に示した。同図において、1はn型G
aAs基板、2はn型AlGaInPクラッド層、3は
GaInP/AlGaInP量子井戸構造、4はp型A
lGaInPクラッド層、5はエッチングストップ層、
6はp型AlGaInPクラッド層、7はp型GaIn
Pバッファ層、9はn型GaAs電流ブロック層、10
はp型GaAsコンタクト層、11はp~電極、12は
n~電極である。
【0011】これは、AlGaInPクラッド層の一部
にリッジ状のストライプ構造を設け、その両側をGaA
sブロック層9で埋め込み、電流狭窄と横モードの制御
を行う構造となっている。リッジ状のクラッド層6下側
の活性領域を中心に閉じ込められたレーザ光は、バンド
ギャップエネルギが小さいGaAsブロック層にも漏れ
を生じ、ブロック層内で吸収を受けることになる。この
ような導波路を用いた素子では、共振器内部でのレーザ
光の伝搬損失は比較的大きくなる。
にリッジ状のストライプ構造を設け、その両側をGaA
sブロック層9で埋め込み、電流狭窄と横モードの制御
を行う構造となっている。リッジ状のクラッド層6下側
の活性領域を中心に閉じ込められたレーザ光は、バンド
ギャップエネルギが小さいGaAsブロック層にも漏れ
を生じ、ブロック層内で吸収を受けることになる。この
ような導波路を用いた素子では、共振器内部でのレーザ
光の伝搬損失は比較的大きくなる。
【0012】例えば、リッジストライプの幅(リッジ下
部)が5μm程度の素子では、伝搬損失は15〜20
(1/cm)となる。従来の構造では、諸特性を考慮して
ストライプ幅は5μm程度に設定されることが多いが、
ストライプ幅が5μm程度の導波路構造では3〜4個の
横モードが存在しうる多モード導波路となってしまう。
部)が5μm程度の素子では、伝搬損失は15〜20
(1/cm)となる。従来の構造では、諸特性を考慮して
ストライプ幅は5μm程度に設定されることが多いが、
ストライプ幅が5μm程度の導波路構造では3〜4個の
横モードが存在しうる多モード導波路となってしまう。
【0013】導波路構造が多モードとなっていても、光
学利得や伝搬損失の差から多くの場合は基本モードで発
振する。しかし、動作温度や駆動電流波形等のレーザ駆
動条件が変わり、基本モードと1次モードの間で位相条
件が整うと、両者の間に干渉が生じて光出力−電流特性
にはキンクが発生する。多モード導波路を用いる限りこ
の問題を避けるのは困難であり、任意のレーザ駆動条件
でキンクのない良好な光出力−電流特性を得ることは難
しい。
学利得や伝搬損失の差から多くの場合は基本モードで発
振する。しかし、動作温度や駆動電流波形等のレーザ駆
動条件が変わり、基本モードと1次モードの間で位相条
件が整うと、両者の間に干渉が生じて光出力−電流特性
にはキンクが発生する。多モード導波路を用いる限りこ
の問題を避けるのは困難であり、任意のレーザ駆動条件
でキンクのない良好な光出力−電流特性を得ることは難
しい。
【0014】一方、この問題を避けるためにストライプ
幅を狭くして単一モードに近い導波路構造を形成した場
合、GaAsブロック層9での光吸収が増大するため、
基本モードに対する損失も増加してしまう。
幅を狭くして単一モードに近い導波路構造を形成した場
合、GaAsブロック層9での光吸収が増大するため、
基本モードに対する損失も増加してしまう。
【0015】図5は、ストライプ幅に対して基本モード
の伝搬損失をプロットした図である。従来の素子では、
ストライプ幅が5μm以下になると損失が増大し、この
ためにレーザのスロープ効率は2/3〜1/2程度まで
低下することになる。
の伝搬損失をプロットした図である。従来の素子では、
ストライプ幅が5μm以下になると損失が増大し、この
ためにレーザのスロープ効率は2/3〜1/2程度まで
低下することになる。
【0016】これに対し、図1に示した本発明のレーザ
素子では、電流ブロック層9を、バンドギャップエネル
ギが大きくレーザ光の吸収が少ない層8とGaAs層9
の2層構造とすることで損失の増加を抑える。本発明に
よれば、ストライプ幅を1μm程度まで狭くしても損失
が増加しない。従って、本発明を用いると単一モードに
近い導波路構造を用いても、スロープ効率の低下や閾値
電流の増大などの悪影響を引き起こすことはない。Ga
InP層の最適な膜厚範囲は活性領域各層の膜厚,スト
ライプの形状等によって変化するが、クラッド層から漏
れたレーザ光がGaAs層に漏れる量を、GaAsのみ
でブロック層を形成した従来の素子に比べて1/10以
下に抑制できるように設計すればよい。
素子では、電流ブロック層9を、バンドギャップエネル
ギが大きくレーザ光の吸収が少ない層8とGaAs層9
の2層構造とすることで損失の増加を抑える。本発明に
よれば、ストライプ幅を1μm程度まで狭くしても損失
が増加しない。従って、本発明を用いると単一モードに
近い導波路構造を用いても、スロープ効率の低下や閾値
電流の増大などの悪影響を引き起こすことはない。Ga
InP層の最適な膜厚範囲は活性領域各層の膜厚,スト
ライプの形状等によって変化するが、クラッド層から漏
れたレーザ光がGaAs層に漏れる量を、GaAsのみ
でブロック層を形成した従来の素子に比べて1/10以
下に抑制できるように設計すればよい。
【0017】次に、GaAsに代えて用いる光吸収が少
ない層について述べる。AlGaInP 半導体レーザの出射光
(波長600〜720nm)に対して光吸収の少ない半
導体材料として(Al)GaInP混晶を用いる。本発
明の実施例ではGaInPを用いているが、Al原子の
入った四元混晶とすることでバンドギャップエネルギを
高め、より光吸収の少ない埋込層を構成できる。
ない層について述べる。AlGaInP 半導体レーザの出射光
(波長600〜720nm)に対して光吸収の少ない半
導体材料として(Al)GaInP混晶を用いる。本発
明の実施例ではGaInPを用いているが、Al原子の
入った四元混晶とすることでバンドギャップエネルギを
高め、より光吸収の少ない埋込層を構成できる。
【0018】以下では三元混晶GaInPを用いる場合
について述べているが、AlGaInP 混晶を用いた場合でも
同様のことが言える。
について述べているが、AlGaInP 混晶を用いた場合でも
同様のことが言える。
【0019】GaInP混晶では、有機金属気相成長法
により形成した結晶のバンドギャップエネルギが、結晶
の成長条件により大きく変化することが知られている。
例えば、n型のドーパントとなるSiを不純物として添
加した場合、GaInP混晶のバンドギャップエネルギ
は図6のように変化する。
により形成した結晶のバンドギャップエネルギが、結晶
の成長条件により大きく変化することが知られている。
例えば、n型のドーパントとなるSiを不純物として添
加した場合、GaInP混晶のバンドギャップエネルギ
は図6のように変化する。
【0020】Siのドーピング量が非常に小さく、キャ
リア濃度が1×1017(1/cm3)以下の場合、或いは、
不純物を添加していない場合には、GaInPの結晶内
にはGa原子とIn原子が交互に並ぶ自然超格子構造を
持つ秩序化されたドメインが多数存在する。この時のG
aInP混晶のバンドギャップエネルギEg は1.8e
V程度であった。Siのドーピング量を増すと共に結晶
内の無秩序化が進み、キャリア濃度が1×1018(1/c
m3)以上となるとGaInP混晶内には自然超格子構造
はほぼ見られなくなる。この時のバンドギャップエネル
ギは1.93eV程度であった。
リア濃度が1×1017(1/cm3)以下の場合、或いは、
不純物を添加していない場合には、GaInPの結晶内
にはGa原子とIn原子が交互に並ぶ自然超格子構造を
持つ秩序化されたドメインが多数存在する。この時のG
aInP混晶のバンドギャップエネルギEg は1.8e
V程度であった。Siのドーピング量を増すと共に結晶
内の無秩序化が進み、キャリア濃度が1×1018(1/c
m3)以上となるとGaInP混晶内には自然超格子構造
はほぼ見られなくなる。この時のバンドギャップエネル
ギは1.93eV程度であった。
【0021】このような現象は、GaInPのキャリア
濃度だけでなく、GaAs基板の基板傾角,成長時の基
板温度等によっても影響を受ける。従って、埋込成長時
の結晶成長の諸条件を無秩序化が起こるように設定する
ことで、光子エネルギが2eVより小さいレーザ光に対
して光吸収が小さい埋込層が形成できることがわかる。
特に、光子エネルギが1.93eV より小さいレーザ素
子、即ち、発振波長が645nmよりも長いレーザ素子
では、GaInP層は透明な層となるため、非常に損失
が小さい導波路構造を得られる。
濃度だけでなく、GaAs基板の基板傾角,成長時の基
板温度等によっても影響を受ける。従って、埋込成長時
の結晶成長の諸条件を無秩序化が起こるように設定する
ことで、光子エネルギが2eVより小さいレーザ光に対
して光吸収が小さい埋込層が形成できることがわかる。
特に、光子エネルギが1.93eV より小さいレーザ素
子、即ち、発振波長が645nmよりも長いレーザ素子
では、GaInP層は透明な層となるため、非常に損失
が小さい導波路構造を得られる。
【0022】このように、本発明によって単一モードに
近い幅の狭いストライプ構造を利用できるため、基本モ
ードと高次モードの干渉によるキンクを抑制できるだけ
でなく、横モードの水平方向への拡がりを抑えてアスペ
クト比の小さなレーザ素子を得ることが可能となる。
近い幅の狭いストライプ構造を利用できるため、基本モ
ードと高次モードの干渉によるキンクを抑制できるだけ
でなく、横モードの水平方向への拡がりを抑えてアスペ
クト比の小さなレーザ素子を得ることが可能となる。
【0023】一方、幅の狭い導波路構造を用いたことの
弊害としては、端面付近での光密度が増大することか
ら、光出力が低下することが考えられる。レーザ素子の
端面破壊は光吸収によって生じる熱に起因するため、端
面近傍の温度上昇をできるだけ抑制することで端面破壊
の生じる光出力を上げられる。本発明を用いた素子で
は、GaAs層に代えて光吸収の少ないGaInP層も
しくはAlGaInP層を用いており、光吸収による発
熱が抑えられて端面付近の温度上昇は小さくなる。
弊害としては、端面付近での光密度が増大することか
ら、光出力が低下することが考えられる。レーザ素子の
端面破壊は光吸収によって生じる熱に起因するため、端
面近傍の温度上昇をできるだけ抑制することで端面破壊
の生じる光出力を上げられる。本発明を用いた素子で
は、GaAs層に代えて光吸収の少ないGaInP層も
しくはAlGaInP層を用いており、光吸収による発
熱が抑えられて端面付近の温度上昇は小さくなる。
【0024】さらに、光吸収の一因にはレーザ端面の表
面準位を介した吸収があり、端面付近にキャリア注入を
行わないようにすることによって光吸収による熱の発生
を低減できる。
面準位を介した吸収があり、端面付近にキャリア注入を
行わないようにすることによって光吸収による熱の発生
を低減できる。
【0025】また、このようなレーザを光ディスクシス
テムに適用することを考えた場合、アスペクト比の小さ
なレーザ素子では、従来素子に比べて小さい光出力でも
利用可能である。これは、通常のシステムでは、ビーム
整形を行ってディスクの面上で円形に近いスポット形状
に変形して利用していることによる。アスペクト比が小
さいと、ビーム整形のために用いられる光学系が不要と
なり、レーザの光出力を有効に利用できるからである。
このように、本発明を用いると、十分な光出力を持ち、
任意の動作条件でキンクのない低アスペクト比のレーザ
素子を容易に作製することができる。
テムに適用することを考えた場合、アスペクト比の小さ
なレーザ素子では、従来素子に比べて小さい光出力でも
利用可能である。これは、通常のシステムでは、ビーム
整形を行ってディスクの面上で円形に近いスポット形状
に変形して利用していることによる。アスペクト比が小
さいと、ビーム整形のために用いられる光学系が不要と
なり、レーザの光出力を有効に利用できるからである。
このように、本発明を用いると、十分な光出力を持ち、
任意の動作条件でキンクのない低アスペクト比のレーザ
素子を容易に作製することができる。
【0026】
(実施例1)図1は本発明の半導体レーザ素子の実施例
を示す断面図である。本実施例では、n−GaAs(1
00)基板1上に逆メサストライプを設けて屈折率導波
構造を作製した。本実施例の作製工程を次に示す。
を示す断面図である。本実施例では、n−GaAs(1
00)基板1上に逆メサストライプを設けて屈折率導波
構造を作製した。本実施例の作製工程を次に示す。
【0027】まず、MOCVD結晶成長装置を用いて多
層構造を作製した。基板1上にn−AlGaInPクラ
ッド層2(膜厚1.8μm),GaInP/AlGaIn
P多重量子井戸構造3,p−AlGaInPクラッド層
4(膜厚0.3μm),p−GaInPエッチング停止層
5,p−AlGaInP第2クラッド層6(膜厚1.3
μm),p−GaInPバッファ層7およびn−GaA
sキャップ層を順次積層した。次に、TCVD装置によ
りSiO2 膜を形成した後、ホト工程を経てSiO2 膜
をストライプ状に加工した。ストライプ状SiO2 膜を
マスクとして用いてGaAsキャップ層,GaInPバ
ッファ層7およびAlGaInPクラッド層6を化学エ
ッチングにより除去し、逆メサストライプを形成した。
ストライプ幅は、2.5〜3μmとした。
層構造を作製した。基板1上にn−AlGaInPクラ
ッド層2(膜厚1.8μm),GaInP/AlGaIn
P多重量子井戸構造3,p−AlGaInPクラッド層
4(膜厚0.3μm),p−GaInPエッチング停止層
5,p−AlGaInP第2クラッド層6(膜厚1.3
μm),p−GaInPバッファ層7およびn−GaA
sキャップ層を順次積層した。次に、TCVD装置によ
りSiO2 膜を形成した後、ホト工程を経てSiO2 膜
をストライプ状に加工した。ストライプ状SiO2 膜を
マスクとして用いてGaAsキャップ層,GaInPバ
ッファ層7およびAlGaInPクラッド層6を化学エ
ッチングにより除去し、逆メサストライプを形成した。
ストライプ幅は、2.5〜3μmとした。
【0028】2回の埋込成長によりn−GaInP埋込
層8,n−GaAs電流ブロック層9およびp−GaA
sコンタクト層10を形成した。n型の埋込層は、2層
合わせて1.4μmとし、n−GaInP層の膜厚は0.
3μmとした。n−GaInPにはSiドープを行い、キ
ャリア濃度2×1018(1/cm3)としてGaInPが無
秩序化を起こす条件で埋込成長を行った。その後、p,
n両面に電極11及び12を形成した。最後にチップに
劈開し、レーザ諸特性を評価した。
層8,n−GaAs電流ブロック層9およびp−GaA
sコンタクト層10を形成した。n型の埋込層は、2層
合わせて1.4μmとし、n−GaInP層の膜厚は0.
3μmとした。n−GaInPにはSiドープを行い、キ
ャリア濃度2×1018(1/cm3)としてGaInPが無
秩序化を起こす条件で埋込成長を行った。その後、p,
n両面に電極11及び12を形成した。最後にチップに
劈開し、レーザ諸特性を評価した。
【0029】共振器を変えて閾値電流及びスロープ効率
と共振器の相関を評価し、レーザの内部損失を測定した
ところ、約7dB/cmであり、従来のレーザ素子の1/
2〜1/3の値となった。また、スロープ効率は、共振
器600μmの素子で0.4mW/mA(アンコート素
子)であり、従来素子と遜色ない値が得られた。
と共振器の相関を評価し、レーザの内部損失を測定した
ところ、約7dB/cmであり、従来のレーザ素子の1/
2〜1/3の値となった。また、スロープ効率は、共振
器600μmの素子で0.4mW/mA(アンコート素
子)であり、従来素子と遜色ない値が得られた。
【0030】このように、本発明を用いることで損失を
増加させることなく単一モードに近い導波路構造が得ら
れることが確認された。これらの素子では、活性層に対
して垂直方向のファーフィールドパターン(FFP)の
半値角は19°、水平方向は14°、アスペクト比は
1.3〜1.4であった。次に、非対称コーティングを施
した素子を用いて光出力を評価した。光出力60mWま
での光出力−電流特性を−10〜70℃の温度範囲で評
価したが、全ての素子でキンクによる曲がりは見られ
ず、常に単峰性の基本横モードで発振していた。
増加させることなく単一モードに近い導波路構造が得ら
れることが確認された。これらの素子では、活性層に対
して垂直方向のファーフィールドパターン(FFP)の
半値角は19°、水平方向は14°、アスペクト比は
1.3〜1.4であった。次に、非対称コーティングを施
した素子を用いて光出力を評価した。光出力60mWま
での光出力−電流特性を−10〜70℃の温度範囲で評
価したが、全ての素子でキンクによる曲がりは見られ
ず、常に単峰性の基本横モードで発振していた。
【0031】この素子の最大光出力は、動作温度60℃
では70mW程度であり、光出力は端面破壊によって制
限されていた。この素子を光出力25mW,動作温度6
0℃で寿命試験を行った。3000時間まで動作させた
ところ、10%以上の動作電流増加や、端面劣化による
素子の劣化は見られず、高信頼の素子が得られることが
確認された。
では70mW程度であり、光出力は端面破壊によって制
限されていた。この素子を光出力25mW,動作温度6
0℃で寿命試験を行った。3000時間まで動作させた
ところ、10%以上の動作電流増加や、端面劣化による
素子の劣化は見られず、高信頼の素子が得られることが
確認された。
【0032】(実施例2)図3は本発明における第2の
実施例を示す半導体レーザ素子の断面図である。本実施
例では、n−GaAs傾角基板((511)A面)上に
順メサストライプを設けて屈折率導波構造を構成した。
ストライプ幅は3.5μm を中心に分布している。量子
井戸構造は、井戸層膜厚5nm,障壁層膜厚8nmとし
て井戸層に1.7% の圧縮歪を導入し、発振波長を68
0nm程度に設定した。素子の作製は第1の実施例と同
様に行った。傾角基板を用いているため、GaInP埋
込層8の不純物ドーピング濃度が小さくてもGaInP
層の無秩序化が生じる。本素子では、GaInP層8の
キャリア濃度は8×1017(1/cm3)に設定して膜厚を
0.15μm とし、フリーキャリアによる吸収損の増加
を防ぐように設計した。
実施例を示す半導体レーザ素子の断面図である。本実施
例では、n−GaAs傾角基板((511)A面)上に
順メサストライプを設けて屈折率導波構造を構成した。
ストライプ幅は3.5μm を中心に分布している。量子
井戸構造は、井戸層膜厚5nm,障壁層膜厚8nmとし
て井戸層に1.7% の圧縮歪を導入し、発振波長を68
0nm程度に設定した。素子の作製は第1の実施例と同
様に行った。傾角基板を用いているため、GaInP埋
込層8の不純物ドーピング濃度が小さくてもGaInP
層の無秩序化が生じる。本素子では、GaInP層8の
キャリア濃度は8×1017(1/cm3)に設定して膜厚を
0.15μm とし、フリーキャリアによる吸収損の増加
を防ぐように設計した。
【0033】リッジストライプの形状を順メサ形状とし
たことで、GaInP埋込層8がリッジの上部まで覆う
ことになるため、レーザの内部損失は5dB/cmに低減
された。逆メサ形状に比べると、埋込層へのレーザ光の
漏れは小さくなるため、光吸収による損失の増加が抑制
されたものと考えられる。本素子では、キンクレベルは
60mW以上、最大光出力は80mW以上が得られた。
また、順メサ構造としてストライプ幅が広くなったた
め、アスペクト比は1.5となっていた。
たことで、GaInP埋込層8がリッジの上部まで覆う
ことになるため、レーザの内部損失は5dB/cmに低減
された。逆メサ形状に比べると、埋込層へのレーザ光の
漏れは小さくなるため、光吸収による損失の増加が抑制
されたものと考えられる。本素子では、キンクレベルは
60mW以上、最大光出力は80mW以上が得られた。
また、順メサ構造としてストライプ幅が広くなったた
め、アスペクト比は1.5となっていた。
【0034】(実施例3)図4は本発明における第3の
実施例を示す半導体レーザ素子の断面図である。本実施
例では、共振器長を700μmとし、横モード制御部1
01(50μm),テーパ状のストライプ幅遷移領域10
3(50μm)、及び通常の電流注入部102(600
μm)を設けたストライプ構造とした。横モード制御部
101ではストライプ幅を2μmとし、高次の横モード
が抑制されるように設定した。
実施例を示す半導体レーザ素子の断面図である。本実施
例では、共振器長を700μmとし、横モード制御部1
01(50μm),テーパ状のストライプ幅遷移領域10
3(50μm)、及び通常の電流注入部102(600
μm)を設けたストライプ構造とした。横モード制御部
101ではストライプ幅を2μmとし、高次の横モード
が抑制されるように設定した。
【0035】横モード制御部では、端面部分から20μ
mの領域ではリッジ状部にもAlGaInP層8′及び
GaAs層9を成長し、レーザ光を出射する前面側の端
面付近には電流注入を行わない構造としている。また、
ストライプ幅は、テーパ状の遷移領域103を用いて広
げており、電流注入部102では5μmとした。本実施
例では、エッチングストップ層5を活性層3の下に設
け、活性層より下まで埋め込んだBH構造(Buried Het
ero Structure)とした。n−AlGaInPクラッド層4′の
膜厚は0.2μm、AlGaInP埋込層8′は0.5μ
mとした。
mの領域ではリッジ状部にもAlGaInP層8′及び
GaAs層9を成長し、レーザ光を出射する前面側の端
面付近には電流注入を行わない構造としている。また、
ストライプ幅は、テーパ状の遷移領域103を用いて広
げており、電流注入部102では5μmとした。本実施
例では、エッチングストップ層5を活性層3の下に設
け、活性層より下まで埋め込んだBH構造(Buried Het
ero Structure)とした。n−AlGaInPクラッド層4′の
膜厚は0.2μm、AlGaInP埋込層8′は0.5μ
mとした。
【0036】横モード制御部を設けたことによってFF
Pは円形に近くなり、垂直方向半値角19°,水平方向
半値角16°であり、アスペクト比は1.2 程度の非常
に小さい値が得られた。本素子では、横モード制御部を
端面付近に設けているが、高次モードが抑制できること
とテーパ状の遷移領域で基本モードのカップリングロス
が5dB以下に抑えられるように設計すれば、共振器内
のどの部分に設けても良い。尚、ビーム伝搬法を用いた
解析によると、本素子でのカップリングロスは約3dB
であった。非対称コーティングを施した素子で光出力を
評価したところ、本素子は光出力70mWで端面破壊を
生じ、−10〜70℃の温度範囲で評価したがキンクに
よる光出力−電流特性の曲がりは全く見られなかった。
また、光出力25mW,動作温度60℃において寿命試
験を行い、5000時間以上安定に動作することを確認
した。これは、比較的幅が広い電流注入部を設け、動作
電流密度を上げることなく高出力動作を行えるように設
計した効果が得られた結果である。
Pは円形に近くなり、垂直方向半値角19°,水平方向
半値角16°であり、アスペクト比は1.2 程度の非常
に小さい値が得られた。本素子では、横モード制御部を
端面付近に設けているが、高次モードが抑制できること
とテーパ状の遷移領域で基本モードのカップリングロス
が5dB以下に抑えられるように設計すれば、共振器内
のどの部分に設けても良い。尚、ビーム伝搬法を用いた
解析によると、本素子でのカップリングロスは約3dB
であった。非対称コーティングを施した素子で光出力を
評価したところ、本素子は光出力70mWで端面破壊を
生じ、−10〜70℃の温度範囲で評価したがキンクに
よる光出力−電流特性の曲がりは全く見られなかった。
また、光出力25mW,動作温度60℃において寿命試
験を行い、5000時間以上安定に動作することを確認
した。これは、比較的幅が広い電流注入部を設け、動作
電流密度を上げることなく高出力動作を行えるように設
計した効果が得られた結果である。
【0037】
【発明の効果】電流狭窄と横モード制御を行うGaAs
埋込層の一部を、光吸収の少ない無秩序化したGaIn
P層もしくはAlGaInP層で置き換えることにより
レーザ共振器内部でのレーザ光の伝搬損失を低減した。
このような低損失の導波路構造が得られたことで、スロ
ープ効率や閾値電流等の素子特性を劣化させることなく
単一モードに近い導波路を利用することが可能となっ
た。従って、基本モードと1次モードの干渉によって発
生するキンクが抑制でき、任意の動作条件において光出
力60mW以上までキンクのない良好な光出力−電流特
性を持つレーザ素子が得られた。また、GaAs層での
光吸収により生じる熱の発生が抑えられるため、ストラ
イプ幅が狭い素子でも十分な光出力(70〜80mW)
が得られた。60℃,25mWにおいて長期寿命試験を
行った結果、5000時間以上の安定動作が確認され
た。
埋込層の一部を、光吸収の少ない無秩序化したGaIn
P層もしくはAlGaInP層で置き換えることにより
レーザ共振器内部でのレーザ光の伝搬損失を低減した。
このような低損失の導波路構造が得られたことで、スロ
ープ効率や閾値電流等の素子特性を劣化させることなく
単一モードに近い導波路を利用することが可能となっ
た。従って、基本モードと1次モードの干渉によって発
生するキンクが抑制でき、任意の動作条件において光出
力60mW以上までキンクのない良好な光出力−電流特
性を持つレーザ素子が得られた。また、GaAs層での
光吸収により生じる熱の発生が抑えられるため、ストラ
イプ幅が狭い素子でも十分な光出力(70〜80mW)
が得られた。60℃,25mWにおいて長期寿命試験を
行った結果、5000時間以上の安定動作が確認され
た。
【図1】第1の実施例を示す半導体レーザ素子の断面
図。
図。
【図2】従来の半導体レーザ素子の断面図。
【図3】第2の実施例を示す半導体レーザ素子の断面
図。
図。
【図4】第3の実施例を示す半導体レーザ素子の断面
図。
図。
【図5】ストライプ幅と伝搬損失の特性図。
【図6】ドーピング量とバンドギャップエネルギの関係
の特性図。
の特性図。
1…n型GaAs基板、2…n型AlGaInPクラッ
ド層、3…GaInP/AlGaInP量子井戸構造、
4…p型AlGaInPクラッド層、4′…n型AlG
aInPクラッド層、5…エッチングストップ層、6…
p型AlGaInP クラッド層、7…p型GaInPバッファ
層、8…n型GaInP埋込層、8′…n型AlGaI
nP埋込層、9…n型GaAs電流ブロック層、10…
p型GaAsコンタクト層、11…p~ 電極、12…n~ 電
極。
ド層、3…GaInP/AlGaInP量子井戸構造、
4…p型AlGaInPクラッド層、4′…n型AlG
aInPクラッド層、5…エッチングストップ層、6…
p型AlGaInP クラッド層、7…p型GaInPバッファ
層、8…n型GaInP埋込層、8′…n型AlGaI
nP埋込層、9…n型GaAs電流ブロック層、10…
p型GaAsコンタクト層、11…p~ 電極、12…n~ 電
極。
Claims (6)
- 【請求項1】半導体基板上に設けた発光層となる活性領
域と、上記活性領域を挾み、互いに導電型が異なる二つ
のクラッド層からなるダブルヘテロ構造を有し、レーザ
内部の横モードを制御すると共に電流狭窄を行う埋込構
造を有する半導体レーザ素子において、埋込成長により
形成する電流狭窄層の一部をレーザ光の吸収が少ない半
導体材料により構成したことを特徴とする半導体レーザ
素子。 - 【請求項2】請求項1において、上記半導体基板にはG
aAs基板を用い、光吸収の少ない層として、Zn,S
i等のドーパントを高濃度ドープするか、或いは傾角基
板を用いること等により無秩序化させたGaInP混晶
もしくはAlGaInP四元混晶を用いる半導体レーザ
素子。 - 【請求項3】請求項1または2において、上記活性領域
には膜厚8nm以上のGaInP単一量子井戸構造もし
くは膜厚3nm〜20nmのGaInP量子井戸層をA
lGaInP障壁層と交互に積層した多重量子井戸構造
を用い、GaInP量子井戸層のIn組成を調整して格
子不整を導入することにより、発振波長を600nm〜7
10nm、望ましくは、645nm〜700nmの範囲
に設定した半導体レーザ素子。 - 【請求項4】請求項1,2または3において、電流狭窄
を行うストライプ構造の幅を2〜6μm、望ましくは、
2〜4μmの範囲に設定した半導体レーザ素子。 - 【請求項5】請求項1,2,3または4において、電流
狭窄を行うストライプ構造の一部にレーザの横モードを
制御するモード制御部を設け、基本横モードと高次の横
モードの伝搬損失差を増加させるか、或いは、高次モー
ドがカットオフとなるように上記モード制御部のストラ
イプの幅を設定した半導体レーザ素子。 - 【請求項6】請求項1,2,3または4において、埋込
成長により形成する上記電流狭窄層を光出力を取り出す
前面側のレーザ端面付近のみ、或いは、前後面両側のレ
ーザ端面付近のストライプ構造の上側にも設け、活性層
へのキャリア注入を行わない領域を設けた半導体レーザ
素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP611397A JPH10209553A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP611397A JPH10209553A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 半導体レーザ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10209553A true JPH10209553A (ja) | 1998-08-07 |
Family
ID=11629459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP611397A Pending JPH10209553A (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10209553A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002076512A (ja) * | 2000-09-05 | 2002-03-15 | Hitachi Ltd | 半導体レーザ装置及び光システム装置 |
| JP2002353566A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-12-06 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体レーザ素子 |
| JP2003101139A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-04 | Nec Corp | 端面発光型半導体レーザおよび半導体レーザ・モジュール |
| US6865202B2 (en) | 2001-06-15 | 2005-03-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser element |
| JP2006114605A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-04-27 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子 |
| DE102010046793B4 (de) | 2010-09-28 | 2024-05-08 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode und Verfahren zu dessen Herstellung |
-
1997
- 1997-01-17 JP JP611397A patent/JPH10209553A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002076512A (ja) * | 2000-09-05 | 2002-03-15 | Hitachi Ltd | 半導体レーザ装置及び光システム装置 |
| JP2002353566A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-12-06 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体レーザ素子 |
| US6865202B2 (en) | 2001-06-15 | 2005-03-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser element |
| KR100486470B1 (ko) * | 2001-06-15 | 2005-04-29 | 샤프 가부시키가이샤 | 반도체레이저소자 |
| JP2003101139A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-04 | Nec Corp | 端面発光型半導体レーザおよび半導体レーザ・モジュール |
| JP2006114605A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-04-27 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子 |
| DE102010046793B4 (de) | 2010-09-28 | 2024-05-08 | OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode und Verfahren zu dessen Herstellung |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050822 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20050906 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060104 |