JP2723921B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子

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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素子に係り、特に光ディスクの
光源に好適な高出力低雑音半導体レーザ素子に関する。
〔従来の技術〕
低雑音半導体レーザとして自励発振型半導体レーザが
用いられている。しかし、従来の自励発振型半導体レー
ザは、例えば電子通信学会技術研究報告OQE84−57pp39
−66及び電子通信学会技術研究報告OQE84−30pp65−72
に述べられているように、キンク発生光出力及び自励発
振の得られる最大光出力は低く、7〜9mW程度であつ
た。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術は、キンク発生光出力及び自励発振の得
られる光出力を10mW以上にまで高出力化させる点につい
て配慮がされておらず、高出力低雑音特性が得られない
という問題があつた。
本発明の目的は、光デイスクの光源に要求される高出
力低雑音特性を有する半導体レーザ素子を提供すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は自励発振レーザの活性層を多重量子井戸構
造とすることにより達成できる。
具体的には次のとおりである。
(1)バンドギヤツプの小さな半導体材料を活性層に用
い、この層の上下にバンドギヤツプの大きな半導体材料
を用いた光導波層からなる異種接合半導体層において、
活性層上部の半導体層をエツチング加工することにより
中央にリツジ部を形成し、中央のリツジ部両側の段差に
電流狭窄層兼光吸収層を結晶成長することによつて活性
層横方向の実効的な屈折率差を所望の屈折率差に制御し
て作製される自励発振型半導体レーザであつて、活性層
に所定の多重量子井戸構造を導入したことを特徴とする
半導体レーザ素子。
(2)(1)項記載の半導体レーザ素子において、量子
障壁層と量子井戸層を交互にくり返えすことによる上記
多重量子井戸活性層全体の膜厚は0.05〜0.09μmである
半導体レーザ素子。
(3)(2)項記載の半導体レーザ素子において、上記
量子障壁層の幅は3〜7nmであり、上記量子井戸層の幅
は5〜20nmである半導体レーザ素子。
(4)(3)項記載の半導体レーザ素子において、上記
多重量子井戸活性層と上記電流狭窄兼光吸収層との間隔
は0.3〜0.7μmである半導体レーザ素子。
(5)(4)項記載の半導体レーザ素子において、上記
多重量子井戸活性層の上部に設けたリツジ状の光導波層
の膜厚は1.2〜1.8μmである半導体レーザ素子。
(6)(1)項記載の半導体レーザ素子において、上記
多重量子井戸活性層の上部に設けたリツジ状の光導波層
はエツチング加工により形成し、リツジ底部の幅よりも
リツジ上部の幅を小さくした半導体レーザ素子。
(7)(6)項記載の半導体レーザ素子において、上記
リツジ上部の幅は2〜5μmであり、上記リツジ底部の
幅は4〜8μmである半導体レーザ素子。
〔作用〕
自励発振型半導体レーザにおいて、活性層横方向にお
ける実効的な屈折率差が重要なパラメータであり、これ
を制御することにより自励発振が得られている。従来の
自励発振レーザでは活性層にバルク結晶を用いており、
キヤリア注入による屈折率減少が大きいため比較的低い
注入レベルで作り付けの屈折率差が失われる。このた
め、低い光出力で横モードが不安定になり、キンクが発
生しまた自励発振が得られなくなる。
一方、本発明のように、活性層を多重量子井戸構造と
することにより通常のバルクう活性層に比べてキンク発
生光出力及び自励発振光出力を向上できる。これは、多
重量子井戸構造にするとキヤリア注入による活性層の屈
折率減少分が従来のバルク活性層より小さいために、よ
り高い注入レベルまで活性層における作り付けの屈折率
差を大きく失わず、横モードの安定化を計ることができ
ることによる。なお、自励発振を生ずるためには多重量
子井戸層の全体膜厚、量子井戸層及び量子障壁層の幅等
の構造パラメータが所定の値でなければならない。すな
わち、自励発振レーザを得るために重要なパラメータで
ある活性層横方向の実効的な屈折率差を自励発振の得ら
れる領域に制御するためには、多重量子井戸層の全体膜
厚を0.05〜0.09μm、量子井戸層幅を5〜20nm、量子障
壁層幅を3〜7nmとする必要がある。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例のMQWレーザを第1図を用い
て説明する。n型GaAs基板1上に、n型GaAsバツフア層
2(厚さ0.5μm),n型AlxGa1-xAsクラツド層3(厚さ
1.5μm,x=0.45),アンドープAlGaAs多重量子井戸構造
活性層4(アンドープAlyGa1-yAs量子障壁層 厚さ3〜
5nm,y=0.25〜0.27,5層くり返し;アンドープAlzGa1-zA
s量子井戸層 厚さ9〜11nm,z=0.04〜0.06,4層くり返
し),p型AlxGa1-xAsクラツド層5(厚さ1.5μm,x=0.4
5),p型GaAs層6(厚さ0.2μm)をまず有機金属気相成
長(MOCVD)法あるいは分子線エピタキシー(MBE)法に
よつて順次結晶成長する。この後、結晶上部に絶縁膜を
形成し、ホトリソとエツチングによりストライプ状パタ
ーンの絶縁膜マスクを作製する。この絶縁膜マスクを利
用して、ストライプ状リツジ導波路11をリン酸系溶液の
ウエツトエツチングにより形成する。エツチングした後
のリツジ以外の層5の厚さdは0.3〜0.5μmとした。次
に、絶縁膜マスクを残したまま、n−GaAs電流狭窄層7
(厚さ0.9μm)をリツジ段差と同程度の高さだけ選択
再結晶成長する。これにより自己整合的に電流狭窄層を
結晶成長できる。絶縁膜マスクをフツ酸系溶液を用いて
エツチング除去した後、p−GaAs埋込み層8(厚さ1.5
μm)を再度結晶成長する。この後、p側電極9,n側電
極10を蒸着し、劈開スクライブ工程により素子の形に切
り出した。
基本横モードで安定に発振するレーザを得るために
は、リツジ11のストライプ幅は底部幅S2が4〜7μm,上
部幅S1が3〜5μmが適切であつた。
なお、比較のために活性層としてアンドープAl0.14Ga
0.86As(厚さ0.07μm)を用いた通常のダブルヘテロ
(DH)レーザを作製した。活性層以外の構造パラメータ
は実施例と同じ値としてある。
第2図に本実施例のMQWレーザ及び通常のDHレーザの
光出力−電流特性を示す。発振閾値電流は本実施例のMQ
Wレーザでは35〜40mAであり、通常のDHレーザの65〜70m
Aに比べ、30〜40%閾値電流を低減できた。さらに、本
実施例のMQWレーザは光出力20〜25mWまでキンクフリー
の基本横モード発振し、通常のDHレーザに比べ光出力を
2倍以上に大きくできた。キンクレベルを超えると、縦
単一モードとなつてしまうため、相対雑音強度は10-18H
z-1以下にできないが、キンクレベルまでは縦多モード
自励発振が得られるため、戻り光がない場合相対雑音強
度は光出力20〜25mWまで10-13Hz-1以下の5×10-15〜5
×10-14Hz-1のレベルであつた。このように、戻り光が
ない場合は光ビデオデイスク等の光源として要求されて
いる相対雑音強度10-13Hz-1レベル以下を十分満足し、
高出力まで良好な低雑音特性を得ることができた。ま
た、戻り光が生じた場合でも、自励発振周波数を制御す
れば相対雑音強度10-13Hz-1レベル以下の低雑音特性を
得ることができる。
また、活性層をMQW構造とした場合、微分利得が増大
するために自励発振周波数は通常のダブルヘテロ構造よ
りも高くなる傾向にある。すなわち、第3図の自励発振
周波数と、駆動電流の関係に示すように、MQW活性層の
自励発振周波数(図中□印)は通常のダブルヘテロ活性
層のそれ(図中○印)よりも高くなつている。しかし、
素子の端面反射率を大きくすることにより自励発振周波
数を抑制することができる。素子において、レーザ光出
射面と反対側の裏面に反射率90%の高反射膜コーテイン
グを施すことにより、自励発振周波数を低減することが
できた。この裏面高反射膜コーテイングした素子では光
ピツクアツプ系におけるレーザ素子と光デイスク間の光
路長50〜80mmにおいて戻り光が3〜6%生じても相対雑
音強度を10-13Hz-1レベル以下に抑えることができた。
また、光出力20mWにおいても自励発振周波数を1.3GHz以
下とすることが可能であり、光出力5〜20mWの範囲にお
いて戻り光が生じても相対雑音強度は8×10-15H〜8×
10-14Hz-1とすることができ、光ビデオデイスク光源と
して良好な低雑音特性を実現できた。
さらに、素子の前方後方端面に低反射高反射膜の非対
称コーテイングを施すことにより、自励発振領域を広げ
ることができ、光出力5〜50mWの範囲において上記の低
雑音特性を得ることができた。
本実施例の素子は、非対称コーテイングした場合には
キンクレベルが70〜80mWであり、端面破壊レベルは90〜
100mWであつた。また、素子の寿命試験では、環境温度5
0℃,40mW定出力動作で2000時間以上動作しても劣化する
ことはなかつた。
〔発明の効果〕
本発明によれば、活性層を多重量子井戸(MQW)構造
とすることにより、通常のダブルヘテロ(DH)構造に比
べ、自励発振の得られる最大光出力及びキンクレベルを
2〜3倍に高くすることができ、かつ閾値電流を30〜40
%低減することが可能である。素子に非対称コートした
場合、キンクレベル70〜80mW、自励発振光出力50〜60mW
を得た。さらに、MQW活性層とすると、微分利得が増大
し自励発振周波数が高くなつてしまうが、素子に裏面高
反射膜コーテイングを施すことによつて微分利得を下げ
ることができるので、光出力25〜30mWまで素子の自励発
振周波数を0.2〜1.0GHz程度に低く抑制することが可能
であつた。このため、光ビデオデイスクシステムにおけ
る光ツクアツプ系光路長50〜80mmにおいて、戻り光が3
〜6%生じても相対雑音強度10-18Hz-1レベル以下に押
えることができた。以上のように、本発明によつて半導
体レーザの高出力低雑音特性を従来技術より向上させる
効果があつた。
また、MQW活性層とすることにより、素子の閾値電流
の温度特性を改善することができ、非対称コーテイング
した素子の寿命試験では環境温度50℃,40mW定光出力動
作において2000時間以上経過しても劣化は見られなかつ
た。
本発明では、結晶材料をAlGaAs系としたが、他の材料
AlGaInP/GaAs系、InGaAsP/InP系等に応用できることは
言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例のMQW自励発振レーザの断
面図、第2図は本発明の一実施例のMQW自励発振レーザ
と従来例の通常のDH型の自励発振レーザの光出力−電流
特性を示す図、第3図は本発明の一実施例のMQW自励発
振レーザと従来例の通常のDH型の自励発振レーザの自励
発振周波数と駆動電流の関係を示す図である。 1……n−GaAs基板、2……n−GaAsバツフア層、3…
…n−AlxGa1-xAsクラツド層、4……アンドープAlGaAs
MQW層、5……p−AlxGa1-xAsクラツド層、6……p
−GaAs層、7……n−GaAs電流狭窄層、8……p−GaAs
埋込層、9……p側電極、10……n側電極、11……スト
ライプ状リツジ導波路。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】量子井戸層を該量子井戸層よりバンドギャ
    ップの大きい量子障壁層で挟むように積層され且つ該量
    子井戸層を複数層有する活性領域と、 該活性領域上に形成され且つ活性領域の反対側にストラ
    イプ状のリッジが形成された光導波層と、 該リッジの両側面に接し且つ該光導波層のリッジが形成
    されない領域上に離間して形成された光吸収層とを含
    み、 上記光導波層は上記量子障壁層より大きいバンドギャッ
    プを有し且つ上記リッジ幅が底部より上部で小さくなる
    ように形成され、 該光導波層の厚さは該リッジで1.2μm以上且つ1.8μm
    以下の範囲に、該リッジの両側で0.3μm以上且つ0.7μ
    m以下の範囲に夫々に設定され、 上記光吸収層は上記量子井戸層より小さいバンドギャッ
    プを有し、且つ 上記量子井戸層の厚さは5nm以上且つ20nm以下の範囲
    に、 上記量子障壁層の厚さは3nm以上且つ7nm以下の範囲に、 上記活性領域の厚さは0.05μm以上且つ0.09μm以下の
    範囲に夫々設定されていることを特徴とする半導体レー
    ザ素子。
  2. 【請求項2】上記光導波層のリッジの上部の幅は2μm
    以上且つ5μm以下の範囲に、底部の幅は4μm以上且
    つ8μm以下の範囲に夫々設定されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第1項に記載の半導体レーザ素子。
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