JP2913652B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高信頼，高出力の半導体レーザに関する。
従来普通に用いられる半導体レーザは、電流注入型で
あり、活性層となる半導体を、それよりも大きなバンド
ギャップエネルギをもつ半導体をクラッド層として挟ん
だダブルヘテロ構造をもつ。さらに通常の半導体レーザ
は活性層の組成および不純物ドーピングによるキャリア
濃度は共振器内全域に亘って均一である。しかし、光の
反射或いは出射面となる端面の劣化や損傷を防ぐため
に、端面近傍の活性層を中央部の活性層よりもバンドギ
ャップの大きな材料で形成すると効果のあることが知ら
れている。その一例、ウィンド・ストライプレーザ（IE
EE ジャーナル・オブ・クァンタム・エレクトロニスク
ス 第QE−15巻、775ページ（1979年）の構造を第２図
に示す。Al0.06GA0.94As活性層103をAl0.3Ga0.7Asクラ
ッド層102,104で挟むことにより、GaAs基板101の上にダ
ブルヘテロ構造が形成されている。最初にすべてをn+型
として形成し、次に、端面近傍以外の中央部に選択的に
亜鉛などのｐ型不純物を拡散し、表面から活性層までを
p+型とする。こうして、活性層103のうち中央部をp+、
端面近傍をn+型とする。同じ材料の場合n+型の方がp+型
よりも実効的エネルギギャップが大きいため、このよう
にして端面付近のみエネルギギャップを大きくすること
ができる。その結果端面109での光の吸収がへり、端面1
09の劣化や損傷を防ぐことができ、高信頼，高出力を実
現できる。この考え方はAlGaAs系に限らず、他の材料系
にも適用できる。
あり、活性層となる半導体を、それよりも大きなバンド
ギャップエネルギをもつ半導体をクラッド層として挟ん
だダブルヘテロ構造をもつ。さらに通常の半導体レーザ
は活性層の組成および不純物ドーピングによるキャリア
濃度は共振器内全域に亘って均一である。しかし、光の
反射或いは出射面となる端面の劣化や損傷を防ぐため
に、端面近傍の活性層を中央部の活性層よりもバンドギ
ャップの大きな材料で形成すると効果のあることが知ら
れている。その一例、ウィンド・ストライプレーザ（IE
EE ジャーナル・オブ・クァンタム・エレクトロニスク
ス 第QE−15巻、775ページ（1979年）の構造を第２図
に示す。Al0.06GA0.94As活性層103をAl0.3Ga0.7Asクラ
ッド層102,104で挟むことにより、GaAs基板101の上にダ
ブルヘテロ構造が形成されている。最初にすべてをn+型
として形成し、次に、端面近傍以外の中央部に選択的に
亜鉛などのｐ型不純物を拡散し、表面から活性層までを
p+型とする。こうして、活性層103のうち中央部をp+、
端面近傍をn+型とする。同じ材料の場合n+型の方がp+型
よりも実効的エネルギギャップが大きいため、このよう
にして端面付近のみエネルギギャップを大きくすること
ができる。その結果端面109での光の吸収がへり、端面1
09の劣化や損傷を防ぐことができ、高信頼，高出力を実
現できる。この考え方はAlGaAs系に限らず、他の材料系
にも適用できる。
前述の従来技術では、活性層の全域がp+またはn+にド
ープされている。このため、結晶品質の低下や、フリー
キャリアによる吸収係数の増大を招き、半導体レーザの
発振閾値の上昇や、効率の低下を招く。さらにpn接合
は、活性層とｎクラッド層の間でとらねばならぬため、
その拡散の制御は難しい。また、レーザゲインを与える
領域が高不純物濃度となるので信頼性に問題がある。従
来構造は以上述べた如きいくつかの欠点を有していた。
ープされている。このため、結晶品質の低下や、フリー
キャリアによる吸収係数の増大を招き、半導体レーザの
発振閾値の上昇や、効率の低下を招く。さらにpn接合
は、活性層とｎクラッド層の間でとらねばならぬため、
その拡散の制御は難しい。また、レーザゲインを与える
領域が高不純物濃度となるので信頼性に問題がある。従
来構造は以上述べた如きいくつかの欠点を有していた。
そこで本発明の目的は、結晶成長の性質や材料の性質
を利用して上述の欠点を除き、高信頼，高性能の半導体
レーザを提供することにある。
を利用して上述の欠点を除き、高信頼，高性能の半導体
レーザを提供することにある。
本発明の半導体レーザは、（001）面と等価な面上
に、結晶中でIII族原子とＶ族原子間の結合長が互いに
異なる３元以上のIII−Ｖ化合物混晶で形成された活性
層と、出射端面に形成された（111）面上に前記活性層
と同じ組成のIII−Ｖ化合物混晶で形成された窓構造を
備え、前記活性層のIII−Ｖ化合物混晶のエネルギーギ
ャップが前記窓構造のIII−Ｖ化合物混晶のエネルギー
ギャップよりも小さいことを特徴とする。（001）面上
に形成された活性層の両端の｛110｝端面が、（111）面
上の成長で活性層と同じ組成で埋め込まれた層で形成さ
れていることが重要である。結合長の異るIII−Ｖ化合
物の例としては、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、GaAsSb、
等多数あり、いずれの場合にも適用される。
に、結晶中でIII族原子とＶ族原子間の結合長が互いに
異なる３元以上のIII−Ｖ化合物混晶で形成された活性
層と、出射端面に形成された（111）面上に前記活性層
と同じ組成のIII−Ｖ化合物混晶で形成された窓構造を
備え、前記活性層のIII−Ｖ化合物混晶のエネルギーギ
ャップが前記窓構造のIII−Ｖ化合物混晶のエネルギー
ギャップよりも小さいことを特徴とする。（001）面上
に形成された活性層の両端の｛110｝端面が、（111）面
上の成長で活性層と同じ組成で埋め込まれた層で形成さ
れていることが重要である。結合長の異るIII−Ｖ化合
物の例としては、GaInP、AlGaInP、GaInPAs、GaAsSb、
等多数あり、いずれの場合にも適用される。
III−Ｖ化合物混晶のエネルギギャップは、従来その
組成により一義的に決まると考えられてきた。しかし、
例えば有機金属熱分解気相成長法（MOVPE法）で（001）
面上に成長したGaInPやAlGaInPのように、成長温度、気
相中Ｖ族原料対III族原料比（V/III比）、不純ドーピン
グなどによって、その混晶組成が一定でもエネルギギャ
ップが異なり得ることが示されている（例えば1987年春
季第34回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第１分
冊、講演番号18p−ZA−４および28p−ZA−５（1987
年））。つまり、ある成長温度とV/III比の値の組み合
せを用いると、GaInPやAlGaInPのエネルギギャップが、
通常混晶に対する値として知られているものよりも最大
50〜90meVと小さくなるということが示されている。
組成により一義的に決まると考えられてきた。しかし、
例えば有機金属熱分解気相成長法（MOVPE法）で（001）
面上に成長したGaInPやAlGaInPのように、成長温度、気
相中Ｖ族原料対III族原料比（V/III比）、不純ドーピン
グなどによって、その混晶組成が一定でもエネルギギャ
ップが異なり得ることが示されている（例えば1987年春
季第34回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第１分
冊、講演番号18p−ZA−４および28p−ZA−５（1987
年））。つまり、ある成長温度とV/III比の値の組み合
せを用いると、GaInPやAlGaInPのエネルギギャップが、
通常混晶に対する値として知られているものよりも最大
50〜90meVと小さくなるということが示されている。
また、上述は（001）面に成長した場合（（001）面と
等価な面でも同じ）であるが、（111）面上に成長した
場合にはMOVPE法での成長時の温度あるいはV/III比によ
らず、常に正常値をとる。これは、GaInP中のGa−ＰとI
n−ＰあるいはAlGaInP中のAl−ＰとIn−PGa−ＰとIn−
Ｐのようにそれぞれの結合長が異なることにより非混和
領域に関連して生じている。従って、AlGaAs中のAl−As
とGa−Asのように結合長がほぼ等しいものでは顕著にみ
られなかった現象である。GaInAsやAlGaInAs、或いはGa
AsSbなどのように、結晶中III族−Ｖ族の結合長の異な
るものより構成されているものでは、同様の現象がおき
ている。本発明で利用する作用をMOVPE法により成長し
たGa0.5In0.5Pを例として説明する。この場合、成長温
度650℃、V/III比を400とすると、エネルギギャップEg
の値は1.85eVとなる。これはGa0.5In0.5P混晶の値とし
て知られている。1.90eVよりも50meV程小さい。この1.8
5eVのGa0.5In0.5P層の成長を（111）面上に成長した場
合、エネルギギャップは1.9eVの値をとる。このことをG
a0.5In0.5Pを活性層とした半導体レーザに適用する。共
振器中の中心部をEg〜1.85eVのGa0.5In0.5PのGa0.5In
0.5Pで形成し、端面を（111）面に成長したGa0.5In0.5P
でおおうことにより、レーザ光出射面におけるEgを1.9e
V程度とする。Egを大きくした領域は、レーザゲインに
は寄与しないので、その領域は必要最小限に留めること
が望ましい。そこで発振閾値の上昇を低く抑える目的で
（111）面への成長層を端面から60μｍ以下にとどめ
る。レーザ発振は1.85eVで決まる値でおこるため、大き
なEgをもつ端面近傍で光吸収が起らず、光損傷や端面劣
化を防ぐことができる。またレーザゲインを与える領域
は高不純物濃度とする必要がない。このために、高信
頼，高出力の半導体レーザを実現することができる。ま
た、次の実施例でも明らかなように従来例よりも容易に
本構造が実現できるものである。
等価な面でも同じ）であるが、（111）面上に成長した
場合にはMOVPE法での成長時の温度あるいはV/III比によ
らず、常に正常値をとる。これは、GaInP中のGa−ＰとI
n−ＰあるいはAlGaInP中のAl−ＰとIn−PGa−ＰとIn−
Ｐのようにそれぞれの結合長が異なることにより非混和
領域に関連して生じている。従って、AlGaAs中のAl−As
とGa−Asのように結合長がほぼ等しいものでは顕著にみ
られなかった現象である。GaInAsやAlGaInAs、或いはGa
AsSbなどのように、結晶中III族−Ｖ族の結合長の異な
るものより構成されているものでは、同様の現象がおき
ている。本発明で利用する作用をMOVPE法により成長し
たGa0.5In0.5Pを例として説明する。この場合、成長温
度650℃、V/III比を400とすると、エネルギギャップEg
の値は1.85eVとなる。これはGa0.5In0.5P混晶の値とし
て知られている。1.90eVよりも50meV程小さい。この1.8
5eVのGa0.5In0.5P層の成長を（111）面上に成長した場
合、エネルギギャップは1.9eVの値をとる。このことをG
a0.5In0.5Pを活性層とした半導体レーザに適用する。共
振器中の中心部をEg〜1.85eVのGa0.5In0.5PのGa0.5In
0.5Pで形成し、端面を（111）面に成長したGa0.5In0.5P
でおおうことにより、レーザ光出射面におけるEgを1.9e
V程度とする。Egを大きくした領域は、レーザゲインに
は寄与しないので、その領域は必要最小限に留めること
が望ましい。そこで発振閾値の上昇を低く抑える目的で
（111）面への成長層を端面から60μｍ以下にとどめ
る。レーザ発振は1.85eVで決まる値でおこるため、大き
なEgをもつ端面近傍で光吸収が起らず、光損傷や端面劣
化を防ぐことができる。またレーザゲインを与える領域
は高不純物濃度とする必要がない。このために、高信
頼，高出力の半導体レーザを実現することができる。ま
た、次の実施例でも明らかなように従来例よりも容易に
本構造が実現できるものである。
次に図面を参照して本発明の実施例を説明することに
より、本発明の構成を一層具体的に示す。
より、本発明の構成を一層具体的に示す。
第１図は本発明の実施例を側面より見た図である。60
0nmで帯で発振するAlGaInP系可視光半導体レーザを例と
して示す。（001）面のｎ型GaAs基板１上に、MOVPE法に
より、ｎ型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pクラッド層２、Ga0.5
In0.5P活性層３、ｐ型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pクラッド
層４、P+型GaAsキャップ層５を順次成長する。活性層３
の成長条件は、温度650℃、V/III比を400で、不純物ド
ーピングなしで成長する。共振器全長が、200〜300μｍ
となる様、200〜300μｍ間隔でストライプ方向（レーザ
光の伝播方向）と直交する方向に延びる溝を表面から深
さ200μｍ程度（111）面が出る様にドライエッチング等
により形成する。その後溝の（111）面上にのみ選択的
にGa0.5In0.5P層６を成長する。その後ｐ型電極７はGaA
sコンタクト層５上に、ｎ型電極８はGaAs基板１裏面１
に形成する。端面９はGa0.5In0.5P層６を形成した部分
で劈開することによりつくる。こうして得られた半導体
レーザは、（111）面上に成長したGa0.5In0.5P層のない
半導体レーザと較べて閾値の上昇は５％以下にとどま
り、端面劣化が軽減されるため、信頼性が飛躍的に向上
した。また、端面の光学的破壊を防げるため、最大光出
力が数倍向上した。また、この構造をつくる場合、レー
ザゲインを与える領域に高濃度不純物を導入しないた
め、その信頼性が高い。
0nmで帯で発振するAlGaInP系可視光半導体レーザを例と
して示す。（001）面のｎ型GaAs基板１上に、MOVPE法に
より、ｎ型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pクラッド層２、Ga0.5
In0.5P活性層３、ｐ型(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pクラッド
層４、P+型GaAsキャップ層５を順次成長する。活性層３
の成長条件は、温度650℃、V/III比を400で、不純物ド
ーピングなしで成長する。共振器全長が、200〜300μｍ
となる様、200〜300μｍ間隔でストライプ方向（レーザ
光の伝播方向）と直交する方向に延びる溝を表面から深
さ200μｍ程度（111）面が出る様にドライエッチング等
により形成する。その後溝の（111）面上にのみ選択的
にGa0.5In0.5P層６を成長する。その後ｐ型電極７はGaA
sコンタクト層５上に、ｎ型電極８はGaAs基板１裏面１
に形成する。端面９はGa0.5In0.5P層６を形成した部分
で劈開することによりつくる。こうして得られた半導体
レーザは、（111）面上に成長したGa0.5In0.5P層のない
半導体レーザと較べて閾値の上昇は５％以下にとどま
り、端面劣化が軽減されるため、信頼性が飛躍的に向上
した。また、端面の光学的破壊を防げるため、最大光出
力が数倍向上した。また、この構造をつくる場合、レー
ザゲインを与える領域に高濃度不純物を導入しないた
め、その信頼性が高い。
ここに示した実施例で、ｐ型とｎ型と逆にしても同様
の効果は得られる。又、他の材料系でも条件を満たして
いれば適用できることはいうまでもない。なお、実施例
では活性層をクラッド層で挟んだ構造について説明した
が、他の積層構造、例えば活性層に隣接して光ガイド層
を設け、この外側にクラッド層を配した堰層構造等でも
同様の効果が得られる。また、ファブリペロ共振器型の
レーザ（実施例）でなく、回折格子を備えたDFB,DBR型
のレーザでもよい。ストライプ構造は埋め込み型、プレ
ーナ型等どのようなストライプ構造でも適用できる。
の効果は得られる。又、他の材料系でも条件を満たして
いれば適用できることはいうまでもない。なお、実施例
では活性層をクラッド層で挟んだ構造について説明した
が、他の積層構造、例えば活性層に隣接して光ガイド層
を設け、この外側にクラッド層を配した堰層構造等でも
同様の効果が得られる。また、ファブリペロ共振器型の
レーザ（実施例）でなく、回折格子を備えたDFB,DBR型
のレーザでもよい。ストライプ構造は埋め込み型、プレ
ーナ型等どのようなストライプ構造でも適用できる。
この様に、本発明の構造をとることにより、端面の光
吸収による劣化や端面損傷を防ぐことができ、従来より
も高信頼，高出力の半導体レーザを安価で実現できる。
吸収による劣化や端面損傷を防ぐことができ、従来より
も高信頼，高出力の半導体レーザを安価で実現できる。
第１図は本発明の実施例の模式的側面図、第２図は従来
例の模式的側面図である。 1,101……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−(Al0.4Ga0.5)0.5In
0.5Pクラッド層、３……Ga0.5In0.5P活性層、４……ｐ
−(Al0.5Ga0.6)0.5In0.5Pクラッド層、５……p+GaAsキ
ャップ層、６……（111）面上Ga0.5In0.5P層、７……ｐ
型電極、８……ｎ型電極、９……端面、102,104……ｎ
−Al0.3Ga0.7Asクラッド層、103……n+Al0.06Ga0.94As
活性層、105……拡散領域。
例の模式的側面図である。 1,101……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−(Al0.4Ga0.5)0.5In
0.5Pクラッド層、３……Ga0.5In0.5P活性層、４……ｐ
−(Al0.5Ga0.6)0.5In0.5Pクラッド層、５……p+GaAsキ
ャップ層、６……（111）面上Ga0.5In0.5P層、７……ｐ
型電極、８……ｎ型電極、９……端面、102,104……ｎ
−Al0.3Ga0.7Asクラッド層、103……n+Al0.06Ga0.94As
活性層、105……拡散領域。
Claims (1)
- 【請求項１】（001）面と等価な面上に、結晶中でIII族
原子とＶ族原子間の結合長が互いに異なる３元以上のII
I−Ｖ化合物混晶で形成された活性層と、出射端面に形
成された（111）面上に前記活性層と同じ組成のIII−Ｖ
化合物混晶で形成された窓構造を備え、前記活性層のII
I−Ｖ化合物混晶のエネルギーギャップが前記窓構造のI
II−Ｖ化合物混晶のエネルギーギャップよりも小さいこ
とを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1034024A JP2913652B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1034024A JP2913652B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02213184A JPH02213184A (ja) | 1990-08-24 |
| JP2913652B2 true JP2913652B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
ID=12402810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1034024A Expired - Fee Related JP2913652B2 (ja) | 1989-02-13 | 1989-02-13 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2913652B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2758598B2 (ja) * | 1987-07-08 | 1998-05-28 | 日本電気株式会社 | 半導体レーザ |
-
1989
- 1989-02-13 JP JP1034024A patent/JP2913652B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| １９８８年（昭和６３年）秋季第４９回応物学会予稿集６ａ−Ｗ−１０ |
| １９８８年（昭和６３年）秋季第４９回応物学会予稿集６ａ−Ｗ−６ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02213184A (ja) | 1990-08-24 |
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