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JP3443241B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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JP3443241B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JP3443241B2
JP3443241B2 JP17028196A JP17028196A JP3443241B2 JP 3443241 B2 JP3443241 B2 JP 3443241B2 JP 17028196 A JP17028196 A JP 17028196A JP 17028196 A JP17028196 A JP 17028196A JP 3443241 B2 JP3443241 B2 JP 3443241B2
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active layer
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高速光ディスク用
光源等として用いられる高信頼性及び高性能半導体レー
ザ素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly reliable and high performance semiconductor laser device used as a light source for a high speed optical disk.

【0002】[0002]

【従来の技術】高速光ディスク用の光源として開発が進
められている半導体レーザには、(1)高出力化及び高
信頼性化、(2)狭い垂直ビーム広がり角度、等が要求
されている。
2. Description of the Related Art A semiconductor laser which is being developed as a light source for a high-speed optical disk is required to have (1) high output and high reliability, and (2) narrow vertical beam divergence angle.

【0003】半導体レーザの高出力化及び高信頼性化を
実現するには、一般にCOD(瞬時光学損傷)レベルを
高めることが要求されている。このCODレベルとは半
導体レーザの高出力動作領域において、突然の発振停止
現象を起こすレベルをいう。図3にこの現象を電流−光
出力特性図で模式的に示すとともに、メカニズムのフロ
ーチャートを示す。図の横軸は半導体レーザに注入する
電流値であり、縦軸はレーザから出射される光出力であ
る。
In order to realize high output and high reliability of the semiconductor laser, it is generally required to raise the COD (instantaneous optical damage) level. The COD level is a level at which a sudden oscillation stop phenomenon occurs in a high output operation region of a semiconductor laser. FIG. 3 schematically shows this phenomenon with a current-light output characteristic diagram and a flow chart of the mechanism. The horizontal axis of the figure is the current value injected into the semiconductor laser, and the vertical axis is the optical output emitted from the laser.

【0004】ここに示すように、発振しきい値電流を越
えて電流を増加していくとそれに比例して光出力は急峻
に増加していくが、ある電流値を越えると突然光出力が
急速に低下し、発振停止に至る現象が観察される。この
種の発振停止に至った半導体レーザ素子を走査型電子顕
微鏡で調べると、活性層端面に溶融部が生じていること
が観察される。
As shown here, when the current exceeds the oscillation threshold current and the current is increased, the light output sharply increases in proportion to it. However, when the current exceeds a certain value, the light output suddenly increases. It is observed that the phenomenon that the oscillation is stopped and the oscillation is stopped. When the semiconductor laser device that has stopped oscillation of this kind is examined by a scanning electron microscope, it is observed that a melted portion is generated at the end face of the active layer.

【0005】斯る現象が発生するメカニズムとしては、
通常以下のように考えられている。半導体レーザ素子に
電流を注入すると、活性層端面近傍におけるキャリアの
非発光再結合による発熱が増加し、斯る部分の温度上昇
が生じる。この温度上昇は活性層のエネルギーバンドギ
ャップを小さくする方向に働き、さらにこの活性層端面
での光吸収を増大させ、温度上昇を加速することとな
り、ついには端面の溶融を引き起こすこととなる。
The mechanism by which such a phenomenon occurs is as follows:
It is usually thought as follows. When a current is injected into the semiconductor laser device, heat generation due to non-radiative recombination of carriers in the vicinity of the end face of the active layer increases, and the temperature of such part rises. This temperature rise works in the direction of reducing the energy band gap of the active layer, further increases the light absorption at the end face of the active layer, accelerates the temperature rise, and finally causes melting of the end face.

【0006】このCODレベルを上げる代表的な方法と
して、(1)活性層端面での光吸収を減少させる方法と
(2)発光面積を大きくする方法とがある。
Typical methods for increasing the COD level are (1) a method of reducing light absorption at the end face of the active layer and (2) a method of increasing the light emitting area.

【0007】前者は、レーザ活性層端面近傍の材料を活
性層中央部よりエネルギーバンドギャップの大きい材料
とし、レーザ光に対して透明な構造にすることによっ
て、斯る活性層端面近傍での光吸収を低減しようとする
窓構造といわれる方法である。この方法は端面での光吸
収の低減に大きな効果があるが、素子構造及び素子作製
工程が複雑になるので、再現性に問題がある。
In the former case, the material near the end surface of the laser active layer is made to have a larger energy band gap than the central portion of the active layer, and a structure transparent to the laser light is used to absorb light near the end surface of the active layer. This is a method called a window structure that attempts to reduce Although this method has a great effect on reducing light absorption at the end face, it has a problem in reproducibility because the device structure and the device manufacturing process become complicated.

【0008】後者は、発光面積を拡大して単位面積当り
の光密度を低減し、素子の温度上昇を低減しようとする
ものであり、これは、活性層を薄くしてレーザ光をクラ
ッド層へ多くしみ出させる方法と、活性層の両側に光ガ
イド層を設ける方法の2つに大別される。
The latter is intended to expand the light emitting area to reduce the light density per unit area and to reduce the temperature rise of the element. This is to thin the active layer to direct the laser light to the cladding layer. The method is roughly classified into two methods, that is, a method of exuding much and a method of providing light guide layers on both sides of the active layer.

【0009】図4は、前記の方法であるレーザ光の活性
層からクラッド層へのしみ出しを大きくした半導体レー
ザ素子の従来構造の一例であり、図4(a)は共振器に
垂直な方向の断面構造図、図4(b)はA−A′断面か
ら見た屈折率分布及び光強度分布を示す図、図4(c)
はA−A′断面でのバンド構造模式図である。
FIG. 4 shows an example of a conventional structure of a semiconductor laser device in which the laser light is exuded from the active layer to the clad layer by the above method, and FIG. 4 (a) shows a direction perpendicular to the resonator. 4B is a view showing the refractive index distribution and the light intensity distribution seen from the AA ′ cross section, FIG. 4C.
[FIG. 3] is a schematic view of a band structure in the AA ′ cross section.

【0010】図中、21はn型GaAs基板、22はこ
のn型GaAs基板11上に形成されたn型AlxGa
1-xAsクラッド層(x=0.5、層厚1.6μm、S
iドープ)である。このn型クラッド層22上には、A
yGa1-yAs量子井戸層(y=0.05、層厚100
Å)23aとAlzGa1-zAs光ガイド層(z=0.3
5、層厚450Å)23bとを積層させた単一量子井戸
活性層23が形成されている。
In the figure, 21 is an n-type GaAs substrate, 22 is an n-type Al x Ga formed on this n-type GaAs substrate 11.
1-x As clad layer (x = 0.5, layer thickness 1.6 μm, S
i-dope). On the n-type clad layer 22, A
l y Ga 1-y As quantum well layer (y = 0.05, layer thickness 100
Å) 23a and Al z Ga 1-z As optical guide layer (z = 0.3
5, the single quantum well active layer 23 is formed by stacking the layer thickness of 450 Å) 23b.

【0011】この活性層23上には、p型AlpGa1-p
As(p=0.5、層厚1.6μm)クラッド層24が
形成されている。このp型クラッド層24上には、p型
GaAs(層厚0.2μm)からなるコンタクト層25
が形成されている。このコンタクト層25の上面には、
Cr−Auからなるp型オーミック電極26が、前記n
型GaAs基板21の下面にはCr−Sn−Auからな
るn型オーミック電極27が形成されている。素子は、
前記Cr−Au電極26側をヒートシンク上にマウント
した、ジャンクションダウン構造になっている。
On the active layer 23, p-type Al p Ga 1-p is formed.
The As (p = 0.5, layer thickness 1.6 μm) clad layer 24 is formed. On the p-type cladding layer 24, a contact layer 25 made of p-type GaAs (layer thickness 0.2 μm).
Are formed. On the upper surface of this contact layer 25,
The p-type ohmic electrode 26 made of Cr-Au is
An n-type ohmic electrode 27 made of Cr—Sn—Au is formed on the lower surface of the type GaAs substrate 21. The element is
It has a junction down structure in which the Cr-Au electrode 26 side is mounted on a heat sink.

【0012】次に、狭い垂直ビーム広がり角度に関して
は、一般に、光出力が数十mW級の半導体レーザの活性
層に垂直方向のビーム広がり角度(θ⊥)は、30度以
下、できれば、レンズとの結合効率を考えて、20度程
度にするのが望ましいとされている。これは、光学系に
おいては、レーザ光のスポット径はレンズの有効面積に
制限され、狭い垂直ビーム広がり角度の方がレーザ光を
効率的に使用できるからであり、垂直ビーム広がり角度
と水平ビーム広がり角度の比(アスペクト比)をできる
だけ1に近づける必要があるからである。
Regarding the narrow vertical beam divergence angle, generally, the beam divergence angle (θ⊥) in the direction perpendicular to the active layer of a semiconductor laser having a light output of several tens of mW is 30 degrees or less, preferably a lens. It is said that it is desirable to set it to about 20 degrees in consideration of the coupling efficiency of. This is because in the optical system, the spot diameter of the laser beam is limited to the effective area of the lens, and the narrow vertical beam divergence angle allows the laser beam to be used more efficiently. This is because the angle ratio (aspect ratio) needs to be as close to 1 as possible.

【0013】図4のレーザ構造では、活性層に垂直方向
のビーム広がり角度20度程度を実現するために、極薄
膜の活性層を成長し、この活性層を中心にして接合と垂
直方向に対称な導波構造を形成している。この構造は活
性層を中心に対称な屈折率分布を形成しているので、そ
れによって閉じ込められるレーザ光の光強度分布も対称
形となる。活性層から左右のクラッド層への光のしみ出
し幅は、片側で1.5μm程度となるため、p側及びに
n側クラッド層厚もそれぞれ1.5μm以上必要となっ
ている。
In the laser structure shown in FIG. 4, in order to achieve a beam divergence angle of about 20 degrees in the vertical direction in the active layer, an extremely thin active layer is grown, and the active layer is symmetrical with respect to the junction in the vertical direction. It forms a simple waveguide structure. Since this structure forms a symmetrical refractive index distribution around the active layer, the light intensity distribution of the laser light confined by it is also symmetrical. Since the width of light seeping out from the active layer to the left and right clad layers is about 1.5 μm on one side, the p-side and n-side clad layer thicknesses are also required to be 1.5 μm or more.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、AlG
aAs系赤外半導体レーザの場合、クラッド層のAl組
成は0.5程度であるので、熱伝導率はGaAsに比べ
ると著しく小さくなる。そのため、高出力動作時に活性
層で生じる発熱については、クラッド層での放熱が悪い
ため、接合部の温度上昇が大きくなり、素子特性及び信
頼性を低下させるという問題を有していた。
However, the AlG
In the case of an aAs-based infrared semiconductor laser, the Al composition of the clad layer is about 0.5, so the thermal conductivity is significantly smaller than that of GaAs. Therefore, with respect to the heat generated in the active layer during high-power operation, the heat dissipation in the clad layer is poor, so that there is a problem that the temperature rise of the junction becomes large and the device characteristics and reliability are deteriorated.

【0015】本発明は上述の問題点に鑑み成されたもの
であり、活性層に垂直方向のビーム広がり角度が小さ
く、且つ、接合部の温度上昇を抑えることができる高信
頼性の半導体レーザ素子を提供することが目的である。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has a small beam divergence angle in the direction perpendicular to the active layer and a highly reliable semiconductor laser device capable of suppressing an increase in temperature at the junction. The purpose is to provide.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、第1導電型の基板上に形成された、前記第1導電
型のクラッド層と、活性層と、前記第1導電型とは逆の
導電型となる第2導電型クラッド層と、前記第2導電型
のコンタクト層と、がこの順に積層されてなる半導体レ
ーザ素子において、前記活性層を中心にして、該活性層
の上層と下層とが非対称な導波構造としたことを特徴と
する。
In a semiconductor laser device of the present invention, a clad layer of the first conductivity type formed on a substrate of the first conductivity type, an active layer, and the first conductivity type are provided. In a semiconductor laser device in which a second-conductivity-type clad layer having an opposite conductivity type and the second-conductivity-type contact layer are stacked in this order, with the active layer as a center, an upper layer above the active layer The waveguide structure is asymmetric with the lower layer.

【0017】この場合、いずれか一方のクラッド層厚を
薄くすることができるので、活性層で発生した熱を効率
よく逃がすことになり、温度特性を改善することができ
る。また、レーザ素子を高出力動作にするほど、あるい
は、活性層を薄くするほど、垂直方向のビーム広がり角
度が小さくなり、光のしみ出し量が大きくなる。この結
果、活性層で発生した熱をより効率良く逃がすことにな
り、温度特性改善の効果は大きくなる。
In this case, since either one of the cladding layers can be thinned, the heat generated in the active layer can be efficiently dissipated, and the temperature characteristics can be improved. Further, the higher the output power of the laser element or the thinner the active layer, the smaller the beam divergence angle in the vertical direction and the larger the amount of light seeping out. As a result, the heat generated in the active layer is released more efficiently, and the effect of improving the temperature characteristics is increased.

【0018】特に、前記活性層で発生した光を、前記第
2導電型クラッド層側よりも前記第1導電型クラッド層
側に多くしみ出させることを特徴とする。
In particular, it is characterized in that the light generated in the active layer is exuded to the first conductivity type cladding layer side more than to the second conductivity type cladding layer side.

【0019】この場合、第2導電型クラッド層厚を薄く
することができるので、活性層で発生した熱を効率良く
逃がすことができる。
In this case, the thickness of the second-conductivity-type cladding layer can be reduced, so that the heat generated in the active layer can be efficiently dissipated.

【0020】また、本発明の半導体レーザ素子は、前記
コンタクト層側を下面にしてヒートシンクに取り付けて
なることを特徴とする。
Further, the semiconductor laser device of the present invention is characterized in that it is attached to a heat sink with the contact layer side being the lower surface.

【0021】この場合も、活性層で発生した熱を効率良
くヒートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を
改善することができる。
Also in this case, the heat generated in the active layer can be efficiently released to the heat sink, so that the temperature characteristics can be improved.

【0022】また、本発明の半導体レーザ素子は、前記
第2導電型クラッド層の熱伝導率が、前記第1導電型ク
ラッド層の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。
Further, the semiconductor laser device of the present invention is characterized in that the second conductivity type clad layer has a thermal conductivity higher than that of the first conductivity type clad layer.

【0023】この場合も、活性層で発生した熱を効率良
くヒートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を
改善することができる。
Also in this case, the heat generated in the active layer can be efficiently released to the heat sink, so that the temperature characteristics can be improved.

【0024】さらに、本発明の半導体レーザ素子は、前
記第2導電型クラッド層の層厚が、前記第1導電型クラ
ッド層の層厚よりも薄いことを特徴とする。
Further, the semiconductor laser device of the present invention is characterized in that the layer thickness of the second conductivity type cladding layer is thinner than the layer thickness of the first conductivity type cladding layer.

【0025】この場合も、クラッド層でのジュール熱に
よる発熱はクラッド層厚に比例するので、全体の発熱量
を低減するとともに、活性層で発生した熱を効率良くヒ
ートシンクへ逃がすことができるので、温度特性を改善
することができる。
Also in this case, since the heat generated by the Joule heat in the cladding layer is proportional to the thickness of the cladding layer, the total amount of heat generated can be reduced and the heat generated in the active layer can be efficiently released to the heat sink. The temperature characteristic can be improved.

【0026】また、本発明の半導体レーザ素子は、前記
第2導電型クラッド層が、バンドギャップエネルギーま
たは層厚の異なる複数の前記第2導電型クラッド層で構
成され、前記第1導電型クラッド層及び複数の前記第2
導電型クラッド層のバンドギャップエネルギーを、それ
ぞれ、Ex及びEy1,Ey2,…,Eym,…,Eyn(2≦
m<n;m,nは自然数、第1導電型クラッド層側より
1,2,…,m,…,nと設定)とするとき、 Ey1<Ex≦Eym<Eyn であり、且つ、前記第1導電型クラッド層及び前記第2
導電型クラッド層の対応する層厚を、d1及びdy1,d
y2,…,dym,…,dyn(2≦m≦n)とするとき、 (dy1+ … +dyn)<d1 であることを特徴とする。
In the semiconductor laser device of the present invention, the second conductivity type clad layer is composed of a plurality of second conductivity type clad layers having different bandgap energies or layer thicknesses, and the first conductivity type clad layer. And a plurality of the second
The band gap energy of the conductivity type cladding layer, respectively, E x and E y1, E y2, ..., E ym, ..., E yn (2 ≦
m <n; m and n are natural numbers, and are set as 1, 2, ..., M, ..., N from the first conductivity type cladding layer side), E y1 <E x ≦ E ym <E yn , And, the first conductivity type cladding layer and the second
Corresponding layer thicknesses of the conductivity type cladding layers are given as d 1 and d y1 , d
y2, ..., d ym, ... , when the d yn (2 ≦ m ≦ n ), characterized in that it is a (d y1 + ... + d yn ) <d 1.

【0027】この場合も、前記活性層を中心にして、該
活性層の上層と下層とが非対称な導波構造を形成するこ
とによって、前記活性層で発生した光を、前記第2導電
型クラッド層側よりも前記第1導電型クラッド層側に多
くしみ出させることになり、前記第2導電型クラッド層
を薄くすることができるので、活性層で発生した熱を効
率良くヒートシンクへ逃がし、温度特性を改善すること
ができる。
In this case as well, by forming a waveguide structure in which the upper layer and the lower layer of the active layer are asymmetrical with the active layer at the center, the light generated in the active layer is caused to flow through the second conductivity type clad. Since the second conductivity type clad layer can be extruded more to the first conductivity type clad layer side than to the layer side, and the second conductivity type clad layer can be thinned, the heat generated in the active layer is efficiently released to the heat sink, The characteristics can be improved.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態であるAl
GaAs系半導体レーザ素子を図1を用いて説明する。
尚、図1(a)は共振器に垂直な方向の断面構造図、図
1(b)はA−A′断面から見た屈折率分布及び光強度
分布を示す図、図1(c)はA−A′断面でのバンド構
造模式図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Al which is an embodiment of the present invention
A GaAs semiconductor laser device will be described with reference to FIG.
Incidentally, FIG. 1A is a cross-sectional structural view in a direction perpendicular to the resonator, FIG. 1B is a view showing a refractive index distribution and a light intensity distribution seen from the AA ′ cross section, and FIG. It is a band structure schematic diagram in an AA 'cross section.

【0029】図1(a)中、1はn型GaAs基板、2
はこのn型GaAs基板1上に形成されたn型Alx
1-xAsクラッド層(本形態ではx=0.45、層厚
2.2μm、Siドープ)である。
In FIG. 1A, 1 is an n-type GaAs substrate, 2
Is an n-type Al x G formed on the n-type GaAs substrate 1.
a 1-x As clad layer (x = 0.45 in the present embodiment, layer thickness 2.2 μm, Si-doped).

【0030】このn型クラッド層2上には、AlyGa
1-yAs量子井戸層(本形態ではy=0.05、層厚1
00Å)3aとAlzGa1-zAs光ガイド層(本形態で
はz=0.35、層厚450Å)3bとの単一量子井戸
層構造からなる活性層3が形成されている。
Al y Ga is formed on the n-type cladding layer 2.
1-y As quantum well layer (y = 0.05, layer thickness 1 in this embodiment)
00 Å) 3a and an Al z Ga 1-z As optical guide layer (z = 0.35 in this embodiment, layer thickness 450 Å) 3b, the active layer 3 having a single quantum well layer structure is formed.

【0031】この活性層3上には、p型AlpGa1-p
s(本形態ではp=0.4、層厚0.2μm)第1層4
aとp型AlqGa1-qAs(本形態ではq=0.5、層
厚0.7μm)第2層4bが積層されてなるp型クラッ
ド層4が形成されている。
On the active layer 3, p-type Al p Ga 1 -p A is formed.
s (p = 0.4 in this embodiment, layer thickness 0.2 μm) First layer 4
A p-type clad layer 4 is formed by laminating a and a second layer 4b of p-type Al q Ga 1-q As (q = 0.5, layer thickness 0.7 μm in this embodiment).

【0032】このp型クラッド層4上には、p型GaA
s(本形態では層厚0.2μm)からなるコンタクト層
5が形成されている。このコンタクト層5の上面には、
Cr−Auからなるp型オーミック電極6が、前記n型
GaAs基板1の下面にはCr−Sn−Auからなるn
型オーミック電極7が形成されている。素子は、コンタ
クト層6を下面にした、いわゆるジャンクションダウン
構造で、ヒートシンク上にマウントされている。
On the p-type cladding layer 4, p-type GaA is formed.
The contact layer 5 made of s (layer thickness 0.2 μm in this embodiment) is formed. On the upper surface of this contact layer 5,
A p-type ohmic electrode 6 made of Cr-Au is provided on the lower surface of the n-type GaAs substrate 1 and made of Cr-Sn-Au.
A type ohmic electrode 7 is formed. The element has a so-called junction-down structure with the contact layer 6 on the lower surface, and is mounted on the heat sink.

【0033】本発明の実施の一形態であるレーザ素子で
は、活性層3を中心にして、該活性層の上層と下層とが
非対称な導波構造を形成するので、非対称な屈折率分布
を得ることができる。活性層3から共振器と垂直な方向
への光のしみ出しは、屈折率の大きいn型ラッド層2側
へ片寄るので、コンタクト層5側への光のしみ出しは抑
えられ、p型クラッド層4の膜厚を薄く設定することが
できる。その結果、活性層3で発生した熱をヒートシン
ク側へ効率良く逃がし、温度特性を改善することができ
る。
In the laser device according to the embodiment of the present invention, since the upper layer and the lower layer of the active layer form an asymmetrical waveguide structure with the active layer 3 as the center, an asymmetrical refractive index distribution is obtained. be able to. Light bleeding from the active layer 3 in the direction perpendicular to the resonator is biased toward the n-type Rad layer 2 side having a large refractive index, so that the light bleeding to the contact layer 5 side is suppressed, and the p-type cladding layer is suppressed. The film thickness of 4 can be set thin. As a result, the heat generated in the active layer 3 can be efficiently released to the heat sink side, and the temperature characteristics can be improved.

【0034】本発明の実施の一形態では、活性層からの
光のしみ出しは、n型クラッド層2側へは約2.2μm
(従来構造では約1.6μm)、p型クラッド層4側へ
は約0.9μm(従来構造では約1.6μm)と計算さ
れる。
In one embodiment of the present invention, the leakage of light from the active layer is about 2.2 μm toward the n-type cladding layer 2 side.
(About 1.6 μm in the conventional structure) and about 0.9 μm toward the p-type cladding layer 4 side (about 1.6 μm in the conventional structure).

【0035】したがって、活性層で発生した熱は、従来
構造よりも0.7μm薄いp型AlGaAsクラッド層
4を通って、ヒートシンク側へ効率良く逃げるため、接
合部の温度上昇を低減する効果が期待できる。
Therefore, the heat generated in the active layer efficiently escapes to the heat sink side through the p-type AlGaAs cladding layer 4 which is 0.7 μm thinner than that of the conventional structure, so that the effect of reducing the temperature rise at the junction is expected. it can.

【0036】本発明の実施の一形態における、熱的効果
を計算によって評価する。ここでは、「光通信素子光学
−発光・受光素子−」(米津宏雄著、昭和59年発
行、工学図書株式会社、pp.115〜121参照)の
計算モデルを使用する。
The thermal effect in one embodiment of the present invention is evaluated by calculation. Here, the calculation model of "Optical communication element optics-Light emitting / light receiving element-" (written by Hiroo Yonezu, published in 1984, Engineering Book Co., Ltd., pp. 115-121) is used.

【0037】図2に、熱抵抗の計算モデルを示す。コン
タクト層側をヒートシンク面にしたジャンクションダウ
ン構造の例である。ここで、Pjは活性層11での発熱
量、Pclはクラッド層12でのジュール熱による発熱
量、Pcontはコンタクト層13でのジュール熱による発
熱量、Pcはオーミック電極14での抵抗率による発熱
量、djは活性層11の膜厚、dclはp型クラッド層1
2の膜厚、dcontはコンタクト層13の膜厚、Rthj
活性層11の熱抵抗、Rthclはp型クラッド層12の熱
抵抗、Rthcontはコンタクト層13の熱抵抗、Dは発光
径である。
FIG. 2 shows a calculation model of thermal resistance. This is an example of a junction down structure in which the contact layer side is the heat sink surface. Here, P j is the amount of heat generated in the active layer 11, P cl is the amount of heat generated by Joule heat in the cladding layer 12, P cont is the amount of heat generated by Joule heat in the contact layer 13, and P c is the amount of heat generated by the ohmic electrode 14. Heat generation due to resistivity, d j is the thickness of the active layer 11, and d cl is the p-type cladding layer 1.
2 of thickness, the film thickness of d cont the contact layer 13, R THJ the thermal resistance of the active layer 11, R thcl the thermal resistance of the p-type cladding layer 12, the thermal resistance of R Thcont the contact layer 13, D is the light emitting Is the diameter.

【0038】計算では、近似的に、発光領域で消費され
るエネルギーの全てが発光領域で熱になり、活性層1
1、クラッド層12及びコンタクト層13での発熱は各
層厚の中心に局在し、発生した熱は全てヒートシンク1
5側に流れると仮定する。また、ヒートシンクを無限大
の大きさに仮定し、無限遠での温度をTM とし、発光領
域の平均温度をTj、発光領域の温度上昇をΔTjとする
と以下のようになる。
In the calculation, approximately all the energy consumed in the light emitting region becomes heat in the light emitting region, and the active layer 1
1, the heat generated in the clad layer 12 and the contact layer 13 is localized at the center of each layer thickness, and the generated heat is entirely generated in the heat sink 1.
Suppose it flows to the 5 side. Further, assuming that the heat sink has an infinite size, the temperature at infinity is T M , the average temperature of the light emitting region is T j , and the temperature rise of the light emitting region is ΔT j .

【0039】Tj=TM+Pj(Rthj+Rthcl+Rthcont
+RthHS)+Pcl〔(Rthcl/2)+Rthcont
thHS〕+Pcont〔(Rthcont/2)+RthHS〕+Pc
thHS ΔTj≡Tj−TM =Pj・Rthj+〔Pj+(Pcl/2)〕・Rthcl+〔Pj
+Pcl+(Pcont/2) 〕 ・Rthcont+(Pj+Pcl
+Pcont+Pc)・RthHScl=I2・(ρcl・dcl)/〔π・(D/2)2〕 Rthcl=(1/κcl)/{dcl/〔2π(D/
2)2〕} ここで、ρcl及びκclは、それぞれ p型クラッド層で
の比抵抗及び熱伝導率である。
T j = T M + P j (R thj + R thcl + R thcont
+ R thHS ) + P cl [(R thcl / 2) + R thcont +
R thHS ] + P cont [(R thcont / 2) + R thHS ] + P c
R thHS ΔT j ≡T j −T M = P j · R thj + [P j + (P cl / 2)] · R thcl + [P j
+ P cl + (P cont / 2)] ・ R thcont + (P j + P cl
+ P cont + P c ) · R thHS P cl = I 2 · (ρ cl · d cl ) / [π · (D / 2) 2 ] R thcl = (1 / κ cl ) / {d cl / [2π (D /
2) 2 ]} Here, ρ cl and κ cl are the specific resistance and thermal conductivity of the p-type cladding layer, respectively.

【0040】本発明の実施の一形態におけるブロードエ
リア型の単一量子井戸レーザ(ストライプ幅を150μ
m、共振器長600μm、端面反射率が前面5%、後面
95%)を、光出力2W(動作電流3.2A、発熱量約
5W)で動作させる。
A broad area single quantum well laser (with a stripe width of 150 μm according to an embodiment of the present invention
m, resonator length 600 μm, end face reflectivity 5% on front face, rear face 95%), operated with optical output 2 W (operating current 3.2 A, heat generation amount about 5 W).

【0041】p型クラッド層の熱伝導率を0.086W
/(cm・℃)とすると、本発明の実施の一形態におけ
るレーザのp型クラッド層の全熱抵抗及び全温度上昇
は、それぞれ1.4℃/W及び7℃となる。一方、前記
図4で示した従来構造レーザのp型クラッド層の熱抵抗
及び温度上昇は、それぞれ2.4℃/W及び12℃とな
る。したがって、本発明の実施の一形態におけるレーザ
は、従来構造に比べ、接合部の温度上昇を約5℃低減す
ることができる。
The thermal conductivity of the p-type cladding layer is 0.086 W.
/ (Cm · ° C.), the total thermal resistance and the total temperature rise of the p-type cladding layer of the laser in the embodiment of the present invention are 1.4 ° C./W and 7 ° C., respectively. On the other hand, the thermal resistance and temperature rise of the p-type cladding layer of the conventional structure laser shown in FIG. 4 are 2.4 ° C./W and 12 ° C., respectively. Therefore, the laser according to the embodiment of the present invention can reduce the temperature rise of the junction by about 5 ° C. as compared with the conventional structure.

【0042】なお、本発明の実施形態における光閉じ込
め係数Γは、従来構造とはほとんど変わらない0.01
7と計算される。したがって、動作電流の増加といった
問題は発生しないので、上記温度特性の改善により、高
信頼性化が図られる。
The optical confinement coefficient Γ in the embodiment of the present invention is 0.01 which is almost the same as that of the conventional structure.
Calculated as 7. Therefore, the problem of increase in operating current does not occur, and the improvement of the above-mentioned temperature characteristics can improve the reliability.

【0043】ところで、上記の実施形態では、2層のp
型クラッド層を有する例について述べたが、2層以上の
複数のp型クラッド層を有する場合でも、活性層に近い
側のp型クラッド層からバンドギャップエネルギーと層
厚を段階的に増加させ、n型クラッド層のバンドギャッ
プエネルギーがp型クラッド層のバンドギャップエネル
ギーの中間にあり、かつ、p型クラッド層合計膜厚がn
型クラッド層厚よりも薄くなるように設定すれば、同様
の効果が得られる。
By the way, in the above embodiment, two layers of p
Although an example having a type clad layer has been described, even in the case of having a plurality of p type clad layers of two or more layers, the band gap energy and the layer thickness are increased stepwise from the p type clad layer on the side closer to the active layer, The band gap energy of the n-type cladding layer is in the middle of the band gap energy of the p-type cladding layer, and the total film thickness of the p-type cladding layer is n.
The same effect can be obtained by setting the thickness so that it is thinner than the thickness of the mold cladding layer.

【0044】また、上記の実施形態では、ブロードエリ
ア型レーザ素子について述べたが、本発明はストライプ
状リッジ部あるいは欠除部を有する電流ブロック層を備
えた半導体レーザ素子等にも適用できる。
Although the broad area type laser device has been described in the above embodiment, the present invention can be applied to a semiconductor laser device having a current block layer having a stripe ridge portion or a cutout portion.

【0045】また、上記の実施形態では、活性層は単一
量子井戸構造からなるが、多重量子井戸構造からなって
もよく、さらには非量子井戸層である活性層でもよい。
Further, in the above embodiment, the active layer has a single quantum well structure, but it may have a multiple quantum well structure, or may be an active layer which is a non-quantum well layer.

【0046】さらに、上記では、AlGaAs系半導体
レーザ素子について述べたが、他の材料系、例えばAl
GaInP系、GaInAsP系等を用いた半導体レー
ザ素子にも適宜応用できる。
Further, although the AlGaAs semiconductor laser device has been described above, other material systems such as Al can be used.
It can be appropriately applied to a semiconductor laser device using a GaInP system, a GaInAsP system, or the like.

【0047】[0047]

【発明の効果】レーザの垂直ビーム広がり角度が20度
程度と小さい、即ち、非常に薄い活性層を中心にして、
共振器と垂直な方向に、非対称な導波構造を形成するこ
とによって、活性層からコンタクト層側への光のしみ出
しを抑える。その結果、コンタクト層側のクラッド層の
膜厚を薄くすることによって、活性層で発生した熱をヒ
ートシンク側へ効率良く逃がし、接合部の温度上昇を抑
え、温度特性を改善するので、高信頼性の半導体レーザ
素子を提供することができる。
The vertical beam divergence angle of the laser is as small as about 20 degrees, that is, centering on a very thin active layer.
By forming an asymmetrical waveguide structure in a direction perpendicular to the resonator, light leakage from the active layer to the contact layer side is suppressed. As a result, by reducing the thickness of the clad layer on the contact layer side, the heat generated in the active layer is efficiently dissipated to the heat sink side, the temperature rise at the junction is suppressed, and the temperature characteristics are improved. The semiconductor laser device can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a)は、本発明の実施の一形態である半導体
レーザ素子の断面構造模式図であり、(b)は、本発明
の実施の一形態である半導体レーザ素子の屈折率分布及
び光強度分布を示す図であり、(c)は、本発明の実施
の一形態である半導体レーザ素子のバンド構造模式図で
ある。
FIG. 1A is a schematic sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a refractive index distribution of the semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. FIG. 3C is a diagram showing a light intensity distribution, and FIG. 6C is a schematic band structure diagram of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.

【図2】熱抵抗計算モデルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a thermal resistance calculation model.

【図3】CODの原理を説明するための電流−光出力特
性図とCODの発生メカニズムを表すフローチャート図
である。
FIG. 3 is a current-light output characteristic diagram for explaining the principle of COD and a flowchart diagram showing a COD generation mechanism.

【図4】(a)は、従来の半導体レーザ素子の断面構造
模式図であり、(b)は、従来の半導体レーザ素子の屈
折率分布と光強度分布を示す図であり、(c)は、従来
の半導体レーザ素子のバンド構造模式図である。
4A is a schematic sectional view of a conventional semiconductor laser device, FIG. 4B is a diagram showing a refractive index distribution and a light intensity distribution of a conventional semiconductor laser device, and FIG. FIG. 6 is a schematic view of a band structure of a conventional semiconductor laser device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型GaAs基板 2 n型クラッド層 3 活性層 3a 単一量子井戸層 3b 光ガイド層 4 p型クラッド層 5 p型コンタクト層 6 p型オーミック電極 7 n型オーミック電極 1 n-type GaAs substrate 2 n-type clad layer 3 Active layer 3a Single quantum well layer 3b light guide layer 4 p-type clad layer 5 p-type contact layer 6 p-type ohmic electrode 7 n-type ohmic electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1導電型の基板上に形成された、前記
第1導電型のクラッド層と、活性層と、前記第1導電型
とは逆の導電型となる第2導電型クラッド層と、前記第
2導電型のコンタクト層とが、この順序で積層されてな
る半導体レーザ素子において、前記第2導電型クラッド層が、バンドギャップエネルギ
ーまたは層厚の異なる複数の前記第2導電型クラッド層
で構成され、 前記第1導電型クラッド層及び複数の前記第2導電型ク
ラッド層のバンドギャップエネルギーを、それぞれ、E
x 及びE y1 ,E y2 ,…,E ym ,…,E yn (2≦m<n;
m,nは自然数、第1導電型クラッド層側より1,2,
…,m,…,nと設定)とするとき、 y1 <E x ≦E ym <E yn であり、且つ、前記第1導電型クラッド層及び前記第2
導電型クラッド層の対応する層厚を、d 1 及びd y1 ,d
y2 ,…,d ym ,…,d yn (2≦m≦n)とするとき、 (d y1 + … +d yn )<d 1 である ことを特徴とする半導体レーザ素子。
1. A clad layer of the first conductivity type formed on a substrate of the first conductivity type, an active layer, and a second conductivity type clad layer having a conductivity type opposite to the first conductivity type. And a contact layer of the second conductivity type are stacked in this order, the clad layer of the second conductivity type has a bandgap energy.
Or a plurality of the second conductivity type clad layers having different layer thicknesses
And a plurality of second conductivity type cladding layers and a plurality of second conductivity type cladding layers.
The band gap energies of the Rad layers are respectively E
x and E y1 , E y2 , ..., E ym , ..., E yn (2 ≦ m <n;
m and n are natural numbers, 1, 2 from the first conductivity type cladding layer side,
, M, ..., N), E y1 <E x ≦ E ym <E yn , and the first conductivity type cladding layer and the second
Corresponding layer thicknesses of the conductivity type cladding layers are given as d 1 and d y1 , d
y2, ..., d ym, ... , when the d yn (2 ≦ m ≦ n ), the semiconductor laser device which is a (d y1 + ... + d yn ) <d 1.
【請求項2】 第1導電型の基板上に形成された、前
記第1導電型のクラッド層と、活性層と、前記第1導電
型とは逆の導電型となる第2導電型クラッド層と、前記
第2導電型のコンタクト層とが、この順序で積層されて
なる半導体レーザ素子において、 前記第2導電型クラッド層が、前記活性層上に順に積層
された第1層と第2層とで構成され、 前記第1導電型クラッド層及び前記第2導電型クラッド
層の第1層、第2層のバンドギャップエネルギーを、そ
れぞれ、E x 及びE y1 ,E y2 とするとき、 y1 <E x <E y2 であり、且つ、前記第1導電型クラッド層及び前記第2
導電型クラッド層の第1層、第2層の層厚を、d 1 及び
y1 ,d y2 とするとき、 (d y1 +d y2 )<d 1 であることを特徴とする 半導体レーザ素子。
2. A front substrate formed on a first conductivity type substrate.
A clad layer of the first conductivity type, an active layer, and the first conductivity type.
A second conductivity type cladding layer having a conductivity type opposite to the conductivity type;
The second conductivity type contact layer is laminated in this order.
In the semiconductor laser device, the second conductivity type clad layer is sequentially laminated on the active layer.
A first conductive type clad layer and a second conductive type clad.
The bandgap energies of the first and second layers of the layer are
Respectively, when the E x and E y1, E y2, a E y1 <E x <E y2 , and said first conductivity type cladding layer and the second
The thicknesses of the first layer and the second layer of the conductivity type cladding layer are set to d 1 and
When the d y1, d y2, the semiconductor laser device which is a (d y1 + d y2) < d 1.
【請求項3】 前記コンタクト層側を下面にしてヒー
トシンクに取り付けてなることを特徴とする請求項1又
は2記載の半導体レーザ素子。
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is mounted on a heat sink with the contact layer side facing down.
【請求項4】 前記第2導電型クラッド層の熱伝導率
が、前記第1導電型クラッド層の熱伝導率よりも大きい
ことを特徴とする請求項1、2、又は3記載の半導体レ
ーザ素子。
4. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the second conductivity type clad layer has a thermal conductivity higher than that of the first conductivity type clad layer. .
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