JP2565909C - - Google Patents
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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、高出力特性にすぐれた高性能半導体レーザ素子に関するものである
。 〈従来の技術〉 近年、ＹＡＧレーザの励起用光源等として小型軽量の半導体レーザによる１Ｗ
以上の高出力動作が求められている。一般に、非常に小さな体積で動作する半導
体レーザの高出力限界は主に大きな駆動電流時の発熱による光出力の飽和や高い
光密度による破壊限界によってきまっている。したがって高出力動作においては
数十ミクロン（μｍ）のストライプ幅を持った広ストライプレーザを用いること
により単位体積あたりの光密度を低下している。このような広ストライプレーザ
においては成長層の均一性が問題となるが近年分子線エピタキシイ法（ＭＢＥ法
）や有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）等によって大面積でかつ均一な結晶
成長が可能となっており、上述のようなストライプ幅の広いレーザによって高い
出力の発振が得られるようになっている。 従来、活性層厚が５００Å以上のいわゆるダブルヘテロ（ＤＨ）型レーザを高
出力用レーザとして用いるとき、共振器両端面の反射率を後面７５％以上、前面
約５％の非対称になるようにコーティングを施し、後面への光出力の損失を少な
くしている。一般に半導体レーザにおいて発振閾値電流密度は共振器長を長くす
ると低下するが、ＤＨレーザの場合共振器長を長くすると量子効率の低下が大き
いため高出力動作時の駆動電流を上昇し発熱の効果による光出力の飽和がおこる
ため共振器長は２５０μｍ程度が最適と考えられる。 〈発明の目的〉 本発明は高出力動作に有利な量子井戸レーザを用いて発熱による光出力飽和の 影響を少なくし、高い出力での動作を可能にするものである。活性層に量子井戸
構造を用いた場合、注入されたキャリァは、量子井戸方向に量子化され、キャリ
ァのエネルギ状態密度が階段状となるためレーザの利得係数が注入キャリァ密度
に対して急激に立ち上がり、低い閾値電流密度で発振する。 〈発明の構成及び効果の説明〉 本発明は、駆動電流が低く高出力動作に有利な量子井戸活性層を有し前後端面
の反射率をそれぞれ低反射率、高反射率とした高出力半導体レーザにおいて、共
振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下とすることにより連続発振時に発熱に
よる光出力の飽和の影響のない高出力動作を得るものである。 即ち、本発明に係る半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に、層厚が電子のド
ブロイ波長より薄い活性層を単層または多層に形成した半導体レーザ素子におい
て、前記活性層の共振端面をそれぞれ７５％以上及び１０％以下の反射率に設定
しかつ共振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下としたことによって上記効果
を得る。 〈実施例〉 第１図に本発明の１実施例の断面図を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ａｌ
0.7Ｇａ0.3Ａｓクラッド層２、Ａｌ混晶比を０．７から０．３まで放物線状に徐
々に変化させたＡｌxＧａ1-xＡｓグレーディドインデックスガイド層３、層厚６
０ÅのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ量子井戸活性層４、Ａｌ混晶比を０．３から０．７ま
で放物線状に徐々に変化させたＡｌxＧａ1-xＡｓグレーディドインデックスガイ
ド層５、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓクラッド層６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層７、
ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ電流狭窄層８、ｎ−ＧａＡｓ保護層を、順次ＭＢＥ法に
よって成長した。これに一般に用いられるフォトレジストを用いた化学エッチン
グにより１００μｍ幅のストライプ状にｎ−ＧａＡｓ保護層９及びｎ−Ａｌ0.5
Ｇａ0.5Ａｓ電流狭窄層８を除去し、その後ｎ側，ｐ側にそれぞれオーミック電
極を形成しレーザ端面前面に反射率５％の低反射コーティング、後面に反射率９
５％の高反射コーティングを施し高出力用のグレーディドインデックスガイド層
付量子井戸レーザの１００μｍ電極ストライプ型素子を作製した。 第３図にこの素子の共振器長を２５０μｍから１３００μｍの間で変えた多数
の素子の室温連続発振における最大光出力の実測値を示す。 第３図に代表的な素子として共振器長２５０μｍと３７５μｍの場合の光出力
−電流特性を示す。 第３図から判るように共振器長が３００μｍ末満の場合、素子の最大出力は急
激に低下する。この場合光出力−電流特性は、第４図のＬ＝２５０μｍの素子に
ついて示したように発熱によって飽和している。 一方、共振器長Ｌが３００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍの範囲では第３図のＬ＝３
７５μｍの素子に対して示したように、光出力は破壊限界までのびており発熱に
よる出力飽和の影響はほとんどない。 しかしＬ＞１０００μｍ以上では、再び、最大出力は熱による飽和によって決
っている。このような熱による光出力飽和の共振器存性を第５、６、７図を用い
て説明する。 第５図に共振器長２５０μｍ及び３７５μｍの素子についての熱抵抗の実測値
を示す。これよりＬ＝３００μｍ以上の素子と以下の素子では、熱抵抗には有為
差はないと考えられる。 第６図に量子井戸レーザにおける光出力１Ｗにおける駆動電流密度の共振器長
依存性の理論値を示す。これは発熱による温度の上昇の効果は含まれていない。 これよりＬ＝３００μｍ以下の領域で電流密度の急上昇が見られる。これより
第３図における３００μｍ以下での出力飽和は、この電流密度の上昇によるもの
と考えられる。次に第７図に光出力１Ｗを得るのに必要な駆動電流の共振器長依
存性の理論値を一般のＤＨレーザと量子井戸レーザに対して示す。発熱による駆
動電流上昇はないものと仮定している。高出力動作時の駆動電流は、素子の微分
量子効率に大きく依存する。一般に微分量子効率は に比例する。ここで、Ｒ，Ｒはレーザ両端面の反射率、Ｌは共振器長、αｉは素
子の内部損失をあらわす。したがって共振器長を長くした場合、微分量子効率は
低下し、高出力動作時の駆動電流は増大する。しかし量子井戸レーザの場合内部
損失αｉが約５ｃｍ-1程度まで低くできＤＨレーザが約５ｃｍ-1に比べて極めて
小さい値となり、第１式のＬ依存性が小さく共振器を長くしても駆動電流の上昇 は小さい。ただしこのような効果は式（１）からも判るように内部損失αｉとミ
ラー損失１／２Ｌｌｎ（１／Ｒ1Ｒ2）の相対関係できまっているため、ミラー損
失が小さい場合には、この効果は現れない。実験によると後面反射率が９０％以
上の場合、前面反射率は１０％以下でないと高出力時の熱による光出力飽和を抑
制する効果はあらわれない。これは以下のような理論解析より説明できる。 第８図に端面反射率を変えた場合の式（１）の値のＬ依存性の理論値を示す。
ここでは、前面より効率よく光をとり出すため後面の反射率を９５％と一定にし
てある。前面反射率を５％とした場合、量子井戸レーザの内部損失５ｃｍ-1に対
しミラー損失が大きいため、量子効率の共振器長依存性が小さい。しかし前面の
反射率を１５％と大きくした場合、ミラー損失が内部損失に対して小さくなり、
共振器長を大きくした場合の量子効率の低下は大きくなり高出力時の駆動電流が
上昇する。比較のために内部損失１５ｃｍ-1のＤＨレーザに関する式（１）の値
を図中に示す。これより前面反射率を大きくした場合内部損失が小さな量子井戸
レーザにおいてもＤＨレーザに近い量子効率の低下が起る。 第３図において３００μｍから１０００μｍまでの広い範囲で熱による光出力
の飽和の影響が光出力１Ｗ以上でもほとんどあらわれないことは第７図の駆動電
流の上昇が非常に小さいことに起因していると考えられる。 しかし共振器長が１０００μｍ以上となった場合駆動電流の上昇と共に徐々に
光出力の飽和があらわれる。 以上の議論よりレーザ端面の前後面にそれぞれ５％、９５％のコーティングを
施した量子井戸レーザにおいて、共振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下と
した場合、発熱による光出力飽和の影響のない高出力レーザが得られる。 次に本発明の第２の実施例を第２図によって説明する。 ＭＢＥ法によって第１の実施例と全く同じ層構造をＭＢＥ法により成長した後
、フォトレジストを用いた化学エッチングにより第８，９層を約１００μｍ幅の
ストライプ状にエッチングする。次に８，９層を取除いたストライプ内に同じく
フォトレジストを用いた化学エッチングにより間隔１μｍ幅２μｍのメサ部が残
るように第７層及び第６層をエッチングする。この場合、エッチング部分の第６
層は約０．２μｍ残した。このようにして１００μｍ幅リッヂ導波路アレイを製
作した。 なおリッヂ部側面には絶縁膜を蒸着により形成しその後ｐ・ｎ両電極を形成し
た。このウェハを用いて、共振器長の異なる多くの素子を作製したところ最大光
出力の共振器長依存性はほぼ第３図と同様の傾向をあらわし、共振器長３００μ
ｍ以上１０００μｍ以下の領域で、光出力１Ｗまで光出力の飽和はみられなかっ
た。ただしこれらの素子の端面反射率は後面９５％、前面５％とした。 上記実施例においては活性領域としてＡｌの混晶比をｘ＝０．１としたが、０
≦ｘ≦０．２の範囲では、量子井戸レーザによる内部損失はＤＨレーザに比べて
非常に低い値であり、かつ混晶比依存性はないため、本実施例と同様に３００μ
ｍ≦Ｌ≦１０００μｍとした場合熱による出力飽和のない高出力レーザが得られ
る。 また実施例では活性領域をＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造としたが、量子井戸活性層を
多層に積層した多重量子井戸構造としても全く同様の効果が得られる。 上記実施例においては、端面反射率を後面９５％、前面３％又は５％とする例
を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、後面が７５％以上、前面
が１０％以下であれば、本願の目的を達成することができる。
。 〈従来の技術〉 近年、ＹＡＧレーザの励起用光源等として小型軽量の半導体レーザによる１Ｗ
以上の高出力動作が求められている。一般に、非常に小さな体積で動作する半導
体レーザの高出力限界は主に大きな駆動電流時の発熱による光出力の飽和や高い
光密度による破壊限界によってきまっている。したがって高出力動作においては
数十ミクロン（μｍ）のストライプ幅を持った広ストライプレーザを用いること
により単位体積あたりの光密度を低下している。このような広ストライプレーザ
においては成長層の均一性が問題となるが近年分子線エピタキシイ法（ＭＢＥ法
）や有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）等によって大面積でかつ均一な結晶
成長が可能となっており、上述のようなストライプ幅の広いレーザによって高い
出力の発振が得られるようになっている。 従来、活性層厚が５００Å以上のいわゆるダブルヘテロ（ＤＨ）型レーザを高
出力用レーザとして用いるとき、共振器両端面の反射率を後面７５％以上、前面
約５％の非対称になるようにコーティングを施し、後面への光出力の損失を少な
くしている。一般に半導体レーザにおいて発振閾値電流密度は共振器長を長くす
ると低下するが、ＤＨレーザの場合共振器長を長くすると量子効率の低下が大き
いため高出力動作時の駆動電流を上昇し発熱の効果による光出力の飽和がおこる
ため共振器長は２５０μｍ程度が最適と考えられる。 〈発明の目的〉 本発明は高出力動作に有利な量子井戸レーザを用いて発熱による光出力飽和の 影響を少なくし、高い出力での動作を可能にするものである。活性層に量子井戸
構造を用いた場合、注入されたキャリァは、量子井戸方向に量子化され、キャリ
ァのエネルギ状態密度が階段状となるためレーザの利得係数が注入キャリァ密度
に対して急激に立ち上がり、低い閾値電流密度で発振する。 〈発明の構成及び効果の説明〉 本発明は、駆動電流が低く高出力動作に有利な量子井戸活性層を有し前後端面
の反射率をそれぞれ低反射率、高反射率とした高出力半導体レーザにおいて、共
振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下とすることにより連続発振時に発熱に
よる光出力の飽和の影響のない高出力動作を得るものである。 即ち、本発明に係る半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に、層厚が電子のド
ブロイ波長より薄い活性層を単層または多層に形成した半導体レーザ素子におい
て、前記活性層の共振端面をそれぞれ７５％以上及び１０％以下の反射率に設定
しかつ共振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下としたことによって上記効果
を得る。 〈実施例〉 第１図に本発明の１実施例の断面図を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ａｌ
0.7Ｇａ0.3Ａｓクラッド層２、Ａｌ混晶比を０．７から０．３まで放物線状に徐
々に変化させたＡｌxＧａ1-xＡｓグレーディドインデックスガイド層３、層厚６
０ÅのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ量子井戸活性層４、Ａｌ混晶比を０．３から０．７ま
で放物線状に徐々に変化させたＡｌxＧａ1-xＡｓグレーディドインデックスガイ
ド層５、ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓクラッド層６、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層７、
ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ電流狭窄層８、ｎ−ＧａＡｓ保護層を、順次ＭＢＥ法に
よって成長した。これに一般に用いられるフォトレジストを用いた化学エッチン
グにより１００μｍ幅のストライプ状にｎ−ＧａＡｓ保護層９及びｎ−Ａｌ0.5
Ｇａ0.5Ａｓ電流狭窄層８を除去し、その後ｎ側，ｐ側にそれぞれオーミック電
極を形成しレーザ端面前面に反射率５％の低反射コーティング、後面に反射率９
５％の高反射コーティングを施し高出力用のグレーディドインデックスガイド層
付量子井戸レーザの１００μｍ電極ストライプ型素子を作製した。 第３図にこの素子の共振器長を２５０μｍから１３００μｍの間で変えた多数
の素子の室温連続発振における最大光出力の実測値を示す。 第３図に代表的な素子として共振器長２５０μｍと３７５μｍの場合の光出力
−電流特性を示す。 第３図から判るように共振器長が３００μｍ末満の場合、素子の最大出力は急
激に低下する。この場合光出力−電流特性は、第４図のＬ＝２５０μｍの素子に
ついて示したように発熱によって飽和している。 一方、共振器長Ｌが３００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍの範囲では第３図のＬ＝３
７５μｍの素子に対して示したように、光出力は破壊限界までのびており発熱に
よる出力飽和の影響はほとんどない。 しかしＬ＞１０００μｍ以上では、再び、最大出力は熱による飽和によって決
っている。このような熱による光出力飽和の共振器存性を第５、６、７図を用い
て説明する。 第５図に共振器長２５０μｍ及び３７５μｍの素子についての熱抵抗の実測値
を示す。これよりＬ＝３００μｍ以上の素子と以下の素子では、熱抵抗には有為
差はないと考えられる。 第６図に量子井戸レーザにおける光出力１Ｗにおける駆動電流密度の共振器長
依存性の理論値を示す。これは発熱による温度の上昇の効果は含まれていない。 これよりＬ＝３００μｍ以下の領域で電流密度の急上昇が見られる。これより
第３図における３００μｍ以下での出力飽和は、この電流密度の上昇によるもの
と考えられる。次に第７図に光出力１Ｗを得るのに必要な駆動電流の共振器長依
存性の理論値を一般のＤＨレーザと量子井戸レーザに対して示す。発熱による駆
動電流上昇はないものと仮定している。高出力動作時の駆動電流は、素子の微分
量子効率に大きく依存する。一般に微分量子効率は に比例する。ここで、Ｒ，Ｒはレーザ両端面の反射率、Ｌは共振器長、αｉは素
子の内部損失をあらわす。したがって共振器長を長くした場合、微分量子効率は
低下し、高出力動作時の駆動電流は増大する。しかし量子井戸レーザの場合内部
損失αｉが約５ｃｍ-1程度まで低くできＤＨレーザが約５ｃｍ-1に比べて極めて
小さい値となり、第１式のＬ依存性が小さく共振器を長くしても駆動電流の上昇 は小さい。ただしこのような効果は式（１）からも判るように内部損失αｉとミ
ラー損失１／２Ｌｌｎ（１／Ｒ1Ｒ2）の相対関係できまっているため、ミラー損
失が小さい場合には、この効果は現れない。実験によると後面反射率が９０％以
上の場合、前面反射率は１０％以下でないと高出力時の熱による光出力飽和を抑
制する効果はあらわれない。これは以下のような理論解析より説明できる。 第８図に端面反射率を変えた場合の式（１）の値のＬ依存性の理論値を示す。
ここでは、前面より効率よく光をとり出すため後面の反射率を９５％と一定にし
てある。前面反射率を５％とした場合、量子井戸レーザの内部損失５ｃｍ-1に対
しミラー損失が大きいため、量子効率の共振器長依存性が小さい。しかし前面の
反射率を１５％と大きくした場合、ミラー損失が内部損失に対して小さくなり、
共振器長を大きくした場合の量子効率の低下は大きくなり高出力時の駆動電流が
上昇する。比較のために内部損失１５ｃｍ-1のＤＨレーザに関する式（１）の値
を図中に示す。これより前面反射率を大きくした場合内部損失が小さな量子井戸
レーザにおいてもＤＨレーザに近い量子効率の低下が起る。 第３図において３００μｍから１０００μｍまでの広い範囲で熱による光出力
の飽和の影響が光出力１Ｗ以上でもほとんどあらわれないことは第７図の駆動電
流の上昇が非常に小さいことに起因していると考えられる。 しかし共振器長が１０００μｍ以上となった場合駆動電流の上昇と共に徐々に
光出力の飽和があらわれる。 以上の議論よりレーザ端面の前後面にそれぞれ５％、９５％のコーティングを
施した量子井戸レーザにおいて、共振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下と
した場合、発熱による光出力飽和の影響のない高出力レーザが得られる。 次に本発明の第２の実施例を第２図によって説明する。 ＭＢＥ法によって第１の実施例と全く同じ層構造をＭＢＥ法により成長した後
、フォトレジストを用いた化学エッチングにより第８，９層を約１００μｍ幅の
ストライプ状にエッチングする。次に８，９層を取除いたストライプ内に同じく
フォトレジストを用いた化学エッチングにより間隔１μｍ幅２μｍのメサ部が残
るように第７層及び第６層をエッチングする。この場合、エッチング部分の第６
層は約０．２μｍ残した。このようにして１００μｍ幅リッヂ導波路アレイを製
作した。 なおリッヂ部側面には絶縁膜を蒸着により形成しその後ｐ・ｎ両電極を形成し
た。このウェハを用いて、共振器長の異なる多くの素子を作製したところ最大光
出力の共振器長依存性はほぼ第３図と同様の傾向をあらわし、共振器長３００μ
ｍ以上１０００μｍ以下の領域で、光出力１Ｗまで光出力の飽和はみられなかっ
た。ただしこれらの素子の端面反射率は後面９５％、前面５％とした。 上記実施例においては活性領域としてＡｌの混晶比をｘ＝０．１としたが、０
≦ｘ≦０．２の範囲では、量子井戸レーザによる内部損失はＤＨレーザに比べて
非常に低い値であり、かつ混晶比依存性はないため、本実施例と同様に３００μ
ｍ≦Ｌ≦１０００μｍとした場合熱による出力飽和のない高出力レーザが得られ
る。 また実施例では活性領域をＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造としたが、量子井戸活性層を
多層に積層した多重量子井戸構造としても全く同様の効果が得られる。 上記実施例においては、端面反射率を後面９５％、前面３％又は５％とする例
を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、後面が７５％以上、前面
が１０％以下であれば、本願の目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図はそれぞれ本発明の１実施例である１００μｍ電極ストライ
プ型グレーディドインデックスガイド層付量子井戸レーザの断面図である。第３
図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの最大光出力の共振器長依存性を示す特性図である
。第４図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの光出力電流特性を示す特性図である。第５
図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの熱抵抗の共振器依存性の実測値を示す特性図であ
る。第６図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの光出力１Ｗにおける駆動電流密度の共振
器長依存性の理論値を示す説明図である。第７図及び第８図はＧＲＩＮ−ＳＣＨ
レーザ及びＤＨレーザの光出力１Ｗにおける、駆動電流の共振器長依存性の理論
値を示す。 １……ｎ−ＧａＡｓ基板、２……ｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓクラッド層、３……Ａ
ｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３〜０．７）グレーディドインデックスガイド層、４
……Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ（６０Å）活性層、５……ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッ
ド層、７……ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、８……ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ電流狭
窄層、９……ｎ−ＧａＡｓ保護層、１０……ｐ型オーミック電極、１１……ｎ型 オーミック電極、１２……絶縁層。
プ型グレーディドインデックスガイド層付量子井戸レーザの断面図である。第３
図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの最大光出力の共振器長依存性を示す特性図である
。第４図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの光出力電流特性を示す特性図である。第５
図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの熱抵抗の共振器依存性の実測値を示す特性図であ
る。第６図はＧＲＩＮ−ＳＣＨレーザの光出力１Ｗにおける駆動電流密度の共振
器長依存性の理論値を示す説明図である。第７図及び第８図はＧＲＩＮ−ＳＣＨ
レーザ及びＤＨレーザの光出力１Ｗにおける、駆動電流の共振器長依存性の理論
値を示す。 １……ｎ−ＧａＡｓ基板、２……ｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓクラッド層、３……Ａ
ｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３〜０．７）グレーディドインデックスガイド層、４
……Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ（６０Å）活性層、５……ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓクラッ
ド層、７……ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、８……ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ電流狭
窄層、９……ｎ−ＧａＡｓ保護層、１０……ｐ型オーミック電極、１１……ｎ型 オーミック電極、１２……絶縁層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ＧａＡｓ基板上に、層厚が電子のドブロイ波長より薄い活性層
を単層または多層に形成した半導体レーザ素子において、 前記活性層の共振端面をそれぞれ７５％以上及び１０％以下の反射率に設定し
かつ共振器長を３００μｍ以上１０００μｍ以下としたことを特徴とする半導体
レーザ素子。
Family
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