JP2508625B2 - 半導体レ−ザ− - Google Patents
半導体レ−ザ−Info
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- JP2508625B2 JP2508625B2 JP60191718A JP19171885A JP2508625B2 JP 2508625 B2 JP2508625 B2 JP 2508625B2 JP 60191718 A JP60191718 A JP 60191718A JP 19171885 A JP19171885 A JP 19171885A JP 2508625 B2 JP2508625 B2 JP 2508625B2
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- Japan
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- layer
- active layer
- superlattice structure
- semiconductor laser
- clad
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザー特に化合物半導体レーザー
に係わる。
に係わる。
本発明は、活性層に隣接して設けられるクラッド層の
少なくとも一方を２元素のみによる化合物薄膜半導体に
よる超格子構造として熱放散を良好にする。
少なくとも一方を２元素のみによる化合物薄膜半導体に
よる超格子構造として熱放散を良好にする。
化合物半導体レーザーにおいては、この発光部、すな
わち活性層で発生する熱を、いかに効率良く外部に放散
させるかによってレーザー特性や、寿命に大きな影響を
与える。
わち活性層で発生する熱を、いかに効率良く外部に放散
させるかによってレーザー特性や、寿命に大きな影響を
与える。
化合物半導体レーザーとしては、種々の構造のものが
提案されているが、基本的には活性層に隣接してこの活
性層に対してキャリアと光の閉じ込めを行なうクラッド
層が設けられた構造とされる。このクラッド層は、活性
層に比してエネルギーバンドギャップが大で屈折率が小
さく、しかも格子整合のとれた３元もしくは４元混晶の
化合物半導体層によって構成される。例えばAlGaAsの３
元系の半導体レーザーの場合、第３図に示すように、Ga
As基板（１）の１の主面に、AlGaAs層より成る第１のク
ラッド層（２）と、GaAs層より成る活性層（３）と、例
えば第１のクラッド層（２）と同一組成の半導体層より
成る第２のクラッド層（４）と、更にこれの上に例えば
GaAsより成るキャップ層（５）とが順次MOCVD（Metalor
gnic Chemical Vapor Deposition）或いはMBE（Molecul
ar Beam Epitaxy）法等によってエピタキシャル成長さ
れて成る。（６）及び（７）は、GaAs基板（１）の他の
主面とキャップ層（５）とに夫々オーミックに被着され
た電極を示す。電極（７）は、これ自体がヒートシンク
としての機能を有するようになされるとか、これとは別
に設けられたヒートシンク（９）すなわち放熱体に、半
田層（８）によって半田付けされる。
提案されているが、基本的には活性層に隣接してこの活
性層に対してキャリアと光の閉じ込めを行なうクラッド
層が設けられた構造とされる。このクラッド層は、活性
層に比してエネルギーバンドギャップが大で屈折率が小
さく、しかも格子整合のとれた３元もしくは４元混晶の
化合物半導体層によって構成される。例えばAlGaAsの３
元系の半導体レーザーの場合、第３図に示すように、Ga
As基板（１）の１の主面に、AlGaAs層より成る第１のク
ラッド層（２）と、GaAs層より成る活性層（３）と、例
えば第１のクラッド層（２）と同一組成の半導体層より
成る第２のクラッド層（４）と、更にこれの上に例えば
GaAsより成るキャップ層（５）とが順次MOCVD（Metalor
gnic Chemical Vapor Deposition）或いはMBE（Molecul
ar Beam Epitaxy）法等によってエピタキシャル成長さ
れて成る。（６）及び（７）は、GaAs基板（１）の他の
主面とキャップ層（５）とに夫々オーミックに被着され
た電極を示す。電極（７）は、これ自体がヒートシンク
としての機能を有するようになされるとか、これとは別
に設けられたヒートシンク（９）すなわち放熱体に、半
田層（８）によって半田付けされる。
このようにクラッド層（２）及び（４）は、例えばAl
GaAsの３元混晶によって構成されてGaAsの活性層に対し
て光及びキャリアの閉じ込めをなすものであるが、熱伝
導等の観点からは、混晶の構成元素数が増加するほど熱
抵抗が増大するので、３元混晶のAlGaAsより成るクラッ
ド層は、熱伝導が低い。そして、この傾向は、GaInAsP
系或いはAlGaInP系の４元素半導体レーザーのようにそ
の混晶の構成元素数が増加するにつれ、より顕著とな
る。
GaAsの３元混晶によって構成されてGaAsの活性層に対し
て光及びキャリアの閉じ込めをなすものであるが、熱伝
導等の観点からは、混晶の構成元素数が増加するほど熱
抵抗が増大するので、３元混晶のAlGaAsより成るクラッ
ド層は、熱伝導が低い。そして、この傾向は、GaInAsP
系或いはAlGaInP系の４元素半導体レーザーのようにそ
の混晶の構成元素数が増加するにつれ、より顕著とな
る。
そして、このように活性層に隣接するクラッド層の熱
伝導が低い場合、動作時における活性層から発生する熱
が効果的に発散されないことによって、活性層の温度上
昇が大となり、発振が害われたり、活性層及びその付近
の結晶に転位の発生や、結晶成長による変成が生じ、レ
ーザー特性の安定性や、寿命の低下を来す。
伝導が低い場合、動作時における活性層から発生する熱
が効果的に発散されないことによって、活性層の温度上
昇が大となり、発振が害われたり、活性層及びその付近
の結晶に転位の発生や、結晶成長による変成が生じ、レ
ーザー特性の安定性や、寿命の低下を来す。
化合物半導体において、２元化合物に更に構成元素を
加えて３元混晶にした場合に、熱伝導率が減少するこ
と、すなわち熱抵抗が増大することは、例えばピー・デ
ィー・メイコック：ソリッド−スティト エレクトロニ
ックス,67 10 161−168（P.D.Maycock;Solid−State El
ectronics,Pergamon Press）でその報告がなされている
通りであり、構成元素によっては１桁以上も、その熱伝
導率が低下する系がある。
加えて３元混晶にした場合に、熱伝導率が減少するこ
と、すなわち熱抵抗が増大することは、例えばピー・デ
ィー・メイコック：ソリッド−スティト エレクトロニ
ックス,67 10 161−168（P.D.Maycock;Solid−State El
ectronics,Pergamon Press）でその報告がなされている
通りであり、構成元素によっては１桁以上も、その熱伝
導率が低下する系がある。
また、化合物半導体中での熱は、主としてフォノンに
よって伝搬されることが知られているが、このフォノン
が種々の原因で散乱されていることが熱導電率を減少さ
せる要因となる。このフォノンの散乱の１つの原因とし
ては、例えばIII−Ｖ族化合物半導体についていえば、
そのIII族サイトを２種の元素がランダムに占有してい
るいわゆるディスオーダーリングによる効果がある。
よって伝搬されることが知られているが、このフォノン
が種々の原因で散乱されていることが熱導電率を減少さ
せる要因となる。このフォノンの散乱の１つの原因とし
ては、例えばIII−Ｖ族化合物半導体についていえば、
そのIII族サイトを２種の元素がランダムに占有してい
るいわゆるディスオーダーリングによる効果がある。
そして、フォノンの中でも熱の伝導に関わるのは、主
に群速度が大で、長い平均自由行程を有するLAフォノン
である。
に群速度が大で、長い平均自由行程を有するLAフォノン
である。
本発明は、上述した半導体レーザーにおけるクラッド
層におけるLAフォノンの散乱を減少させ、熱伝導率の向
上をはかって、レーザー特性、寿命の改善をはかるもの
である。
層におけるLAフォノンの散乱を減少させ、熱伝導率の向
上をはかって、レーザー特性、寿命の改善をはかるもの
である。
本発明は、例えば第１図に示すように、例えばGaAsよ
り成る基板（11）上に、図示しないが必要に応じて同様
にGaAsのバッファ層を介して順次第１のクラッド層（1
2）、活性層（13）、第２のクラッド層（14）、キャッ
プ層（15）をMOCVD法、MBE法等によって連続エピタキシ
ーする。（16）及び（17）は基板（11）の他の主面とキ
ャップ層（15）とに夫々オーミックに被着された電極を
示す。電極（17）はこれ自体がヒートシンクとしての機
能を有するか、或いは図示にように、他のヒートシンク
（19）に半田層（18）によって半田付けされる。
り成る基板（11）上に、図示しないが必要に応じて同様
にGaAsのバッファ層を介して順次第１のクラッド層（1
2）、活性層（13）、第２のクラッド層（14）、キャッ
プ層（15）をMOCVD法、MBE法等によって連続エピタキシ
ーする。（16）及び（17）は基板（11）の他の主面とキ
ャップ層（15）とに夫々オーミックに被着された電極を
示す。電極（17）はこれ自体がヒートシンクとしての機
能を有するか、或いは図示にように、他のヒートシンク
（19）に半田層（18）によって半田付けされる。
本発明においては、３元系以上のクラッド層による半
導体レーザーにおいて第１及び第２のクラッド層（12）
及び（14）、或いはヒートシンク側の第１のクラッド層
（12）を、最も低次元の２元化合物薄膜半導体層の繰返
し周期的積層構造による超格子構造の半導体層とする。
例えばAlGaAsの３元系半導体レーザーにおいては、これ
より低いAlAsおよびGaAsの各２元のｎ及びｍ原子層によ
る薄膜半導体の周期的重ね合せによる（AlAs）ｎ（GaA
s）ｍの超格子構造とする。そして、この超格子構造の
クラッド層の組成は、その全体の平均的組成が、その本
来の混晶、例えばAlGaAsにおいて、活性層（13）に対し
て、キャリアと光の閉じ込め効果を奏するに必要なだけ
の活性層（13）に対し所要の屈折率差とエネルギーバン
ドギャップ差、すなわち活性層（３）に比し、小なる屈
折率を有し、大なるエネルギーバンドギャップを有する
組成とほぼ同程度の組成となるように選定し、超格子構
造のクラッド層を構成する２元化合物のLAフォノンの分
散が重なりを有することにより熱伝導率を高めるように
する。
導体レーザーにおいて第１及び第２のクラッド層（12）
及び（14）、或いはヒートシンク側の第１のクラッド層
（12）を、最も低次元の２元化合物薄膜半導体層の繰返
し周期的積層構造による超格子構造の半導体層とする。
例えばAlGaAsの３元系半導体レーザーにおいては、これ
より低いAlAsおよびGaAsの各２元のｎ及びｍ原子層によ
る薄膜半導体の周期的重ね合せによる（AlAs）ｎ（GaA
s）ｍの超格子構造とする。そして、この超格子構造の
クラッド層の組成は、その全体の平均的組成が、その本
来の混晶、例えばAlGaAsにおいて、活性層（13）に対し
て、キャリアと光の閉じ込め効果を奏するに必要なだけ
の活性層（13）に対し所要の屈折率差とエネルギーバン
ドギャップ差、すなわち活性層（３）に比し、小なる屈
折率を有し、大なるエネルギーバンドギャップを有する
組成とほぼ同程度の組成となるように選定し、超格子構
造のクラッド層を構成する２元化合物のLAフォノンの分
散が重なりを有することにより熱伝導率を高めるように
する。
上述した本発明によれば、クラッド層（12）及び（1
4）の双方または一方のクラッド層（12）を超格子構造
として、混晶の次元を低めたので前述した混晶中のディ
スオーダリングによる散乱が減少し、これによってここ
における熱伝導率が高められる。
4）の双方または一方のクラッド層（12）を超格子構造
として、混晶の次元を低めたので前述した混晶中のディ
スオーダリングによる散乱が減少し、これによってここ
における熱伝導率が高められる。
しかしながら、異種の半導体の境界面であるヘテロ接
合部において、一方の結晶中を伝搬してきたLAフォノン
が、他方の結晶中へ伝搬する際、２種の結晶のLAフォノ
ンの分散関係に重なりを持たなければ、LAフォノンは散
乱され、伝搬することができない。なぜなら運動量とエ
ネルギーの保存が成り立たないからである。したがっ
て、異種の薄い結晶の周期的に重り合っている超格子に
おいてはヘテロ接合が数多く存在するので、LAフォノン
の伝搬についての考察がなされなければないないが、例
えば上述したAlAs層とGaAs層との周期的重ね合せによる
超格子（AlAs）ｎ（GaAs）ｍ系では両半導体層AlAsと、
GaAsとにおけるLAフォノンの分散関数が殆んど重なり合
っているので、上述したこれに関するLAフォノンの散乱
については特に問題は生じない。そして、他の系につい
てみても、超格子構造を構成する異種の半導体層におい
て夫々LAフォノンの分散曲線が例えば第２図中曲線（2
1）及び（22）に示すように異なっていても、超格子構
造における特長のいわゆるゾーン・フォルディング（zo
ne folding）により、各分散曲線が1/（ｎ＋ｍ）にたた
まれており、 同図中左端に夫々分散曲線（21）及び（22）のゾーン
・フォルディング後の状態を鎖線及び破線で模式的に示
したように、（ｎ＋ｍ）＝８で重なりを持つことが示さ
れ、LAフォノンは散乱されずに伝搬できることになる。
したがって本発明構成による半導体レーザーでは活性層
（13）に隣接するクラッド層において単原子層すなわち
ｎ＋ｍ＝２からｎ＋ｍ＝８において熱伝導度が高められ
例えばヒートシンク（９）に向って効率良い熱の伝達に
よる放熱がなされる。
合部において、一方の結晶中を伝搬してきたLAフォノン
が、他方の結晶中へ伝搬する際、２種の結晶のLAフォノ
ンの分散関係に重なりを持たなければ、LAフォノンは散
乱され、伝搬することができない。なぜなら運動量とエ
ネルギーの保存が成り立たないからである。したがっ
て、異種の薄い結晶の周期的に重り合っている超格子に
おいてはヘテロ接合が数多く存在するので、LAフォノン
の伝搬についての考察がなされなければないないが、例
えば上述したAlAs層とGaAs層との周期的重ね合せによる
超格子（AlAs）ｎ（GaAs）ｍ系では両半導体層AlAsと、
GaAsとにおけるLAフォノンの分散関数が殆んど重なり合
っているので、上述したこれに関するLAフォノンの散乱
については特に問題は生じない。そして、他の系につい
てみても、超格子構造を構成する異種の半導体層におい
て夫々LAフォノンの分散曲線が例えば第２図中曲線（2
1）及び（22）に示すように異なっていても、超格子構
造における特長のいわゆるゾーン・フォルディング（zo
ne folding）により、各分散曲線が1/（ｎ＋ｍ）にたた
まれており、 同図中左端に夫々分散曲線（21）及び（22）のゾーン
・フォルディング後の状態を鎖線及び破線で模式的に示
したように、（ｎ＋ｍ）＝８で重なりを持つことが示さ
れ、LAフォノンは散乱されずに伝搬できることになる。
したがって本発明構成による半導体レーザーでは活性層
（13）に隣接するクラッド層において単原子層すなわち
ｎ＋ｍ＝２からｎ＋ｍ＝８において熱伝導度が高められ
例えばヒートシンク（９）に向って効率良い熱の伝達に
よる放熱がなされる。
第１図を参照して本発明の一例を詳説に説明する。
基板（11）は１の導電型の例えばＮ型のGaAs基板より
構成する。
構成する。
第１のクラッド層（12）は、基板（11）と同導電型を
有し、AlAsのｎ原子層の薄膜半導体層とGaAsのｍ原子層
の薄膜半導体層との繰返えし積層による周期的重ね合せ
による（AlAs）ｎ（GaAs）ｍ（２≦ｎ＋ｍ≦８）の超格
子構造とする。
有し、AlAsのｎ原子層の薄膜半導体層とGaAsのｍ原子層
の薄膜半導体層との繰返えし積層による周期的重ね合せ
による（AlAs）ｎ（GaAs）ｍ（２≦ｎ＋ｍ≦８）の超格
子構造とする。
活性層（13）は、GaAs層によって構成する。
第２のクラッド層（14）は、第１のクラッド層（12）
と同様の組成及び構造の超格子とするも第１のクラッド
層（12）とは異る導電型の例えばＰ型とする。
と同様の組成及び構造の超格子とするも第１のクラッド
層（12）とは異る導電型の例えばＰ型とする。
キャップ層（15）は、第１のクラッド層（14）と同導
電型のＰ型のGaAs層によって構成する。
電型のＰ型のGaAs層によって構成する。
そして、破線図示のように、キャップ層（15）側から
中央部をストライプ状に残し、その左右に選択的に第２
のクラッド層（14）に至る深さに亘ってプロトン等のイ
オン注入を行って例えば高比抵抗の電流狭窄領域（20）
を形成し、その後電極（16）及び（17）を被着し、電極
（17）側をヒートシンク（19）に半田層（18）によって
半田付けする。
中央部をストライプ状に残し、その左右に選択的に第２
のクラッド層（14）に至る深さに亘ってプロトン等のイ
オン注入を行って例えば高比抵抗の電流狭窄領域（20）
を形成し、その後電極（16）及び（17）を被着し、電極
（17）側をヒートシンク（19）に半田層（18）によって
半田付けする。
尚、上述した例では、AlGaAsの３元系半導体レーザー
に本発明を適用した場合であるが、４元系の例えばGaIn
AsP系の半導体レーザーに適用することもでき、この場
合においては（GaAs）ｎ（InP）ｍ▲（Gap）′ ｎ▼▲
（InAs）′ ｍ▼（順不同）の超格子構造によってクラッ
ド層を構成する。またAlGaInP系の半導体レーザーに適
用する場合においては（AlP）ｌ（GaP）ｍ（InP）ｎの
２元化合物薄膜半導体の超格子構造とする。
に本発明を適用した場合であるが、４元系の例えばGaIn
AsP系の半導体レーザーに適用することもでき、この場
合においては（GaAs）ｎ（InP）ｍ▲（Gap）′ ｎ▼▲
（InAs）′ ｍ▼（順不同）の超格子構造によってクラッ
ド層を構成する。またAlGaInP系の半導体レーザーに適
用する場合においては（AlP）ｌ（GaP）ｍ（InP）ｎの
２元化合物薄膜半導体の超格子構造とする。
上述したように本発明によれば、活性層に隣接するク
ラッド層の少くとも一方を最も低次元の２元系薄膜半導
体による超格子構造としてその熱伝導率を高めるように
したので、活性層（13）とその近傍部の温度上昇を効果
的に回避でき、これによって、レーザーの特性、安定
性、寿命の改善がはかられ、更に例えばAlGaInP系の短
波長領域の室温での連続発振が可能な半導体レーザーの
構成を可能にする。
ラッド層の少くとも一方を最も低次元の２元系薄膜半導
体による超格子構造としてその熱伝導率を高めるように
したので、活性層（13）とその近傍部の温度上昇を効果
的に回避でき、これによって、レーザーの特性、安定
性、寿命の改善がはかられ、更に例えばAlGaInP系の短
波長領域の室温での連続発振が可能な半導体レーザーの
構成を可能にする。
第１図は本発明による半導体レーザーの一例の略線的拡
大断面図、第２図は本発明の説明に供するLAフォノンの
分散曲線図、第３図は従来の半導体レーザーの略線的拡
大断面図である。 （11）は基板、（12）及び（14）は第１及び第２のクラ
ッド層、（13）は活性層、（15）はキャップ層、（16）
及び（17）は電極、（20）は電流狭窄領域である。
大断面図、第２図は本発明の説明に供するLAフォノンの
分散曲線図、第３図は従来の半導体レーザーの略線的拡
大断面図である。 （11）は基板、（12）及び（14）は第１及び第２のクラ
ッド層、（13）は活性層、（15）はキャップ層、（16）
及び（17）は電極、（20）は電流狭窄領域である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 昌夫 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ ニー株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−130878（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−152178（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−244086（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−234587（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−131414（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】活性層に接して設けられるクラッド層の少
なくとも一方を、それぞれ２元化合物の薄膜半導体のみ
の周期的積層による超格子構造のクラッド層によって構
成し、 該超格子構造のクラッド層は、その平均組成が上記活性
層に対し所要のバンドギャップ差と屈折率差とを有し、
上記活性層にキャリアと光の閉じ込め効果を奏し得る３
元系以上の混晶の組成と同程度の組成に選定され、 該超格子構造によるクラッド層のゾーンフォルディング
分散曲線が２≦ｎ＋ｍ≦８にたたまれていることによ
り、LAフォノンの分散に重なりを有せしめて熱伝導率を
高めて成ることを特徴とする半導体レーザー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60191718A JP2508625B2 (ja) | 1985-08-30 | 1985-08-30 | 半導体レ−ザ− |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60191718A JP2508625B2 (ja) | 1985-08-30 | 1985-08-30 | 半導体レ−ザ− |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6297918A Division JP2653986B2 (ja) | 1994-11-07 | 1994-11-07 | 半導体レーザー |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6251282A JPS6251282A (ja) | 1987-03-05 |
| JP2508625B2 true JP2508625B2 (ja) | 1996-06-19 |
Family
ID=16279323
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60191718A Expired - Lifetime JP2508625B2 (ja) | 1985-08-30 | 1985-08-30 | 半導体レ−ザ− |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2508625B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63245984A (ja) * | 1987-04-01 | 1988-10-13 | Seiko Epson Corp | 半導体発光素子及びその製造方法 |
| JP2653986B2 (ja) * | 1994-11-07 | 1997-09-17 | ソニー株式会社 | 半導体レーザー |
| US5577061A (en) * | 1994-12-16 | 1996-11-19 | Hughes Aircraft Company | Superlattice cladding layers for mid-infrared lasers |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57152178A (en) * | 1981-03-17 | 1982-09-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor light emitting device with super lattice structure |
| JPS60130878A (ja) * | 1983-12-19 | 1985-07-12 | Nec Corp | 超格子半導体レ−ザ |
| NL8401120A (nl) * | 1984-04-09 | 1985-11-01 | Centraal Diergeneeskundig Inst | Viruspreparaat, waarmee gevaccineerd kan worden tegen de ziekte van marek. |
| JPS61131414A (ja) * | 1984-11-29 | 1986-06-19 | Sharp Corp | 半導体装置 |
| JPS61244086A (ja) * | 1985-04-22 | 1986-10-30 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
-
1985
- 1985-08-30 JP JP60191718A patent/JP2508625B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6251282A (ja) | 1987-03-05 |
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