JP3025747B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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Description
構造からなる活性層を有する半導体レーザ装置、特に6
30nm帯の半導体レーザ装置に関する。
プリンタ等の光源として、可視光領域の波長で発振する
半導体レーザ装置への要求が高まっている。現在この種
の可視レーザとしてGaAs基板上に多重量子井戸構造
の活性層を有する半導体レーザ装置がある。
その発振波長を短波長化することが求められており、6
30nm帯で発振するAlGaInP系半導体レーザが
注目されている。この短波長化によって、光ディスク等
においては、記録密度を大幅に向上させることができ、
また発振波長λ=630nmのHe−Neガスレーザと
の置換えが可能となってくる。
導体レーザにおいて、動作電流の低減、温度特性の改善
等、レーザ特性の改善を目的として、レーザ発振を行う
活性層に歪多重量子井戸構造(Strain Mult
iple QuantumWell:S−MQW)を採
用することが提案されている。この構造は、多重量子井
戸層の井戸層の組成を変更し、井戸層の結晶の格子定数
を変えることにより、井戸層に圧縮歪あるいは引っ張り
歪を加えるものである。
入れることにより、量子井戸構造による特性改善に加え
て、しきい値電流及び動作電流の低減等、レーザ特性の
改善につながることが知られており、この歪量は大きい
ほどレーザ特性が改善される。しかし、あまり大きな歪
を加えすぎると、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化す
る。この結晶欠陥は歪量が大きく、膜厚が厚い程発生し
易くなる。
性の改善のため、井戸層と障壁層に逆方向の歪を加え、
井戸層に大きな歪をかけることができる歪補償型MQW
が提案されている(例えば、特開平3−21093号公
報 H01S 3/18)。
型MQWは、圧縮歪と引っ張り歪がほぼ等しく(平均歪
量〜0)になるように歪を設定している。この発明者等
は、井戸層と障壁層に加える歪量としきい値電流との関
係につき鋭意検討した。その結果、従来のように、圧縮
歪と引っ張り歪がほぼ等しくなるように歪量を設定する
だけでは、レーザ特性の改善に十分な効果が得られない
ことが分かった。
し、井戸層と障壁層にそれぞれ、逆方向に加える歪量を
最適なものにし、井戸層に大きな歪をかけ、レーザ特性
の改善を行うことをその目的とする。
上に形成された井戸層と障壁層の積層構造からなる量子
井戸層で活性層が構成され、この活性層を挟むようにク
ラッド層が設けられた半導体レーザ装置において、上記
半導体基板の格子定数をa、i番目の上記井戸層の格子
定数をa wi 、i番目の上記井戸層の膜厚をtwi、i番目
の上記障壁層、ガイド層の格子定数abi、i番目の上記
障壁層、ガイド層の膜厚をtbiとして、i番目の上記量
子井戸層の歪量Δawiを、Δawi=(awi−a)/a
で定義し、かつi番目の上記障壁層、ガイド層の歪量Δ
abiを、Δabi=(abi−a)/a で定義し、上記活
性層部で累積される歪と膜厚の積をΔとし、
ド層の層数、で算出される時、上記Δa wi 、Δa bi 及び
Δがそれぞれ 0%<Δa wi ≦2.0%、 −1.5%≦Δa bi <0%、 0<Δ≦3.6×10 -10 (m) の関係を満足する ように構成する。
れた井戸層と障壁層を交互に積層した構造からなる量子
井戸層で活性層が構成され、この活性層を挟むようにク
ラッド層が設けられた半導体レーザ装置において、上記
各井戸層の歪量を−0.8%ないし−1.5%、膜厚8
0Åないし180Åで構成し、上記各障壁層の歪量を+
0.5%ないし+1.0%、膜厚20Åないし60Åで
構成し、上記井戸層及び障壁層を2ないし4層に積層し
たことを特徴とする。
り、630nm帯半導体レーザ装置のしきい値電流が低
減し、効率の向上、温度特性の改善が行える。
明する。図1は、この発明の一実施例に係る半導体レー
ザ装置の断面図、図2は活性層付近のバンド構造を示す
模式図である。
構造であり、結晶面の面方位が(100)面から〔01
1〕方向に9゜オフしたn型GaAs基板1上に膜厚
0.3μmのn型Ga0.5 In0.5 Pからなるバッファ
層2、膜厚0.8μmのn型(Al0.7 Ga0.3 )0.5
In0.5 Pからなるクラッド層3を順次MOCVD法等
により成長後、この発明の特徴とする歪補償型MQWか
らなる活性層4がMOCVD法等により形成される。こ
の活性層4上に膜厚200ÅのP型(Al0.7 Ga
0.3 )0.5 In0.5 Pからなるクラッド層5と温度特性
改善のために多重量子障壁6と更にその上に膜厚0.8
μmのP型(Al0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5Pからな
るクラッド層7が形成される。
り幅5μmの凸部が形成され、凸部の上面部をのぞいて
クラッド層7上に膜厚0.8μmのn型GaAsからな
るブロック層8が形成される。また、その凸部には膜厚
0.1μmのP型Ga0.5 In0.5 Pからなるコンタク
ト層9が形成され、その全面に膜厚3μmのP型GaA
sからなるキャップ層10が形成され、このキャップ層
10上にP型電極12、n基板1の下面にn電極11が
形成されている。
2に従い説明する。この発明の活性層4は、ガイド層4
1、井戸層42及び障壁層43で構成されている。
膜厚150Åのガイド層41、41間に、MBE法、M
OCVD法等を用いて、(Alx Ga1-X )InP組成
の井戸層42と障壁層43をペアとする歪多重量子井戸
層によって構成される活性層5が設けられている。
(歪量が負)、ガイド層、障壁層43に圧縮歪(歪量が
正)を加えるように(AlX Ga1-X )y Iny-1 Pの
組成のyの組成比を調整している。即ち、yが0.51
の時、格子整合が採られ歪はなく、yが0.51より小
さい場合に圧縮歪が加えられ、yが0.51より大きい
場合に引っ張り歪が加えられる。この図2においては、
斜線を施した部分に圧縮歪が加えられている。
0.5 In0.5 Pからなる井戸層と膜厚17Åの(Al
0.7 Ga0.3 )0.5 In0.5 Pからなる障壁層のペアを
10ペアで構成している。
す図である。この図から、同じAl組成の場合、歪量が
正、すなわち圧縮歪の場合、バンドキャップは小さくな
り、又歪量が負、すなわち引っ張り歪の場合、バンドキ
ャップは大きくなる。
び図2に示す構造の半導体レーザ装置において、歪量を
種々変化させて、しきい値電流を測定した。その測定結
果を図4及び図6に示す。図4は、図5に示す構造の活
性層4により形成した半導体レーザ装置を用いてしきい
値電流を測定した。この活性層は図5に示すように、井
戸層42の膜厚を100Åの3層とし、その井戸層42
の歪は−1%、障壁層43、ガイド層41の膜厚を40
Åとして、障壁層43、ガイド層41の歪量を変化させ
た。尚、この時の半導体レーザ素子の発振波長は635
nmであった。
a、i番目の井戸層42の格子定数をawi、i番目の井
戸層41の膜厚をtwi、i番目の障壁層43、ガイド層
41の格子定数abi、i番目の障壁層43、ガイド層4
1の膜厚をtbiとしたとき次のように定義した値であ
る。すなわち、i番目の量子井戸層42の歪量Δa
wiは、Δawi=(awi−a)/a 、i番目の障壁層4
3、ガイド層41の歪量Δabiは、Δa bi=(abi−
a)/a とする。
積をΔとし、次のように算出する。
ド層の層数である。
歪量Δabiと活性層部で累積される膜厚の積Δ、縦軸は
井戸層52にのみ歪を加えた時のしきい値(Itho)
との比(Ith/Itho)を示す。この図から分かる
ように、歪量が0.6%、Δでは−2.0×10-10 m
程度で最小値をとる。
の増加に伴いしきい値電流が低減し、0.6%を境にし
て、それ以上歪量が多くなるとしきい値電流が大きくな
る。従って、この障壁層43、ガイド層41の歪量に
は、最適値が存在し、その範囲は、 0%<Δabi≦
1.29 で、好ましくは 0.12≦Δabi≦1.2
9 、より好ましくは 0.33≦Δabi≦0.98
の範囲である。
形成した半導体レーザ装置を用いてしきい値電流を測定
したものである。この例では、井戸層42の膜厚を15
0Åの2層、その井戸層52の歪を−1.2%とし、膜
厚40Åの障壁層43、膜厚40Åのガイド層41の歪
量を変化させた。尚、この時の半導体レーザ素子の発振
波長は635nmであった。
図6の場合、図4と同様に歪量が増加し、障壁層42、
ガイド層41の歪量(Δabi)が0.8%(Δ:−2.
6×1010 m)まではしきい値電流が増加し、0.8
%でしきい値電流の低減の最大値を示し、歪量0.8%
以上を境にして、しきい値電流が大きくなる。従って、
この例の場合、歪量(Δabi)の範囲は、0%<Δabi
≦1.5% であり、好ましくは、 0.18≦Δabi
≦1.5 、より好ましくは、 0.52≦Δabi≦
1.13 である。
歪量はそれぞれ決めることができる。しかし、井戸層4
1の歪として加えることができる歪量(Δawi)は−2
%≦Δawi<0である。この歪量から、前述の図4及び
図7から、活性層4に適した各パラメータは次の通りで
ある。
m、 より好ましくは、 −2.98×10-10 m≦Δ<−1.43×10-10 m である。
引っ張り歪を加え、ガイド層41、障壁層43に圧縮歪
を加えたが、井戸層42に圧縮歪、ガイド層41、障壁
層43に引っ張り歪を加える場合にも前述した範囲と同
様の範囲が好ましい。
した図1及び図2に示す構造において、適した範囲を図
4及び図6に基づいて算出すると、井戸層42の歪量と
しては−0.8%ないし−1.5%、井戸層42の1つ
の層の膜厚は80〜180Å、層数は2〜4ペア、障壁
層43、光ガイド層41の歪量は+0.5%〜+1.0
%、1つの障壁層53の膜厚は20〜60Åである。こ
のようにして形成した半導体レーザ装置であれば、しき
い値電流の低い635nmの発振波長が得られた。
nmの素子で説明したが、同じ材料系であれば、ほかの
波長帯のレーザ素子でも同様の結果が得られる。
で説明したが利得導波型素子やブロードエリア型(ワイ
ドストライプ型)或いはレーザアレイに対し同様の効果
が得られることは明らかであろう。更に、多重量子障壁
やエッチングストッパ層の有無にもこの発明の効果には
関係がなく、活性層が多重量子構造でなく単一量子井戸
構造においても同様の効果が期待できる。
ば、630nm帯の半導体レーザ装置のしきい値電流を
低減することができ、レーザ特性を改善することができ
る。
である。
図である。
ある。
る。
バンド構造を示す模式図である。
る。
バンド構造を示す模式図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成された井戸層と障壁
層の積層構造からなる量子井戸層で活性層が構成され、
この活性層を挟むようにクラッド層が設けられた半導体
レーザ装置において、上記半導体基板の格子定数をa、
i番目の上記井戸層の格子定数をawi、i番目の上記井
戸層の膜厚をtwi、i番目の上記障壁層、ガイド層の格
子定数abi、i番目の上記障壁層、ガイド層の膜厚をt
biとして、i番目の上記量子井戸層の歪量Δawiを、 Δawi=(awi−a)/a で定義し、かつi番目の上
記障壁層、ガイド層の歪量Δabiを、Δabi=(abi−
a)/a で定義し、 上記活性層部で累積される歪と膜厚の積をΔとし、 【数1】 ここで、nは上記井戸層の層数、mは上記障壁層、ガイ
ド層の層数、で算出される時、上記Δawi、Δabi及び
Δがそれぞれ 0%<Δawi≦2.0%、 −1.5%≦Δabi<0%、 0<Δ≦3.6×10-10 (m) の関係を満足することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項2】 半導体基板上に形成された井戸層と障壁
層を交互に積層した構造からなる量子井戸層で活性層が
構成され、この活性層を挟むようにクラッド層が設けら
れた半導体レーザ装置において、上記各井戸層の歪量を
−0.8%ないし−1.5%、膜厚80Åないし180
Åで構成し、上記各障壁層の歪量を+0.5%ないし+
1.0%、膜厚20Åないし60Åで構成し、上記井戸
層及び障壁層を2ないし4層に積層したことを特徴とす
る半導体レーザ装置。 - 【請求項3】 半導体基板としてGaAs基板を用い、 上記井戸層の組成を(Alx1Ga1-x1)y1In1-y1Pと
し、 上記障壁層の組成を(Alx2Ga1-x2)y2In1-y2Pと
したとき、x1,x2が1.0≧x2>x1≧0の関係
を満足することを特徴とする請求項1又は2のいずれか
に記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
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JP6601195A JP3025747B2 (ja) | 1994-03-24 | 1995-03-24 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP6-54171 | 1994-03-24 | ||
JP5417194 | 1994-03-24 | ||
JP6601195A JP3025747B2 (ja) | 1994-03-24 | 1995-03-24 | 半導体レーザ装置 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP11233199A Division JPH11330636A (ja) | 1994-03-24 | 1999-04-20 | 半導体レ―ザ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH07312465A JPH07312465A (ja) | 1995-11-28 |
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Family
ID=26394914
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6601195A Expired - Fee Related JP3025747B2 (ja) | 1994-03-24 | 1995-03-24 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP3025747B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
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EP4042530A4 (en) * | 2019-09-30 | 2023-10-25 | NLIGHT, Inc. | STRESS-MODIFIED CLADDING LAYER FOR OPTIMIZED ACTIVE REGION DEFORMATION AND IMPROVED LASER DIODE PERFORMANCE |
WO2022137390A1 (ja) * | 2020-12-23 | 2022-06-30 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置 |
-
1995
- 1995-03-24 JP JP6601195A patent/JP3025747B2/ja not_active Expired - Fee Related
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