JPH0680859B2 - Semiconductor laser - Google Patents
Semiconductor laserInfo
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- JPH0680859B2 JPH0680859B2 JP59281590A JP28159084A JPH0680859B2 JP H0680859 B2 JPH0680859 B2 JP H0680859B2 JP 59281590 A JP59281590 A JP 59281590A JP 28159084 A JP28159084 A JP 28159084A JP H0680859 B2 JPH0680859 B2 JP H0680859B2
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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、特に高出力半導体レーザー
に係わる。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor laser, particularly a high-power semiconductor laser.
〔従来の技術〕 半導体レーザーの高出力化において、光放出端面におけ
る光学損失、いわゆるCOD（Catastrophic Optical Dama
ge）が問題となる。[Prior Art] In the high output of a semiconductor laser, optical loss at the light emitting end face, so-called COD (Catastrophic Optical Dama)
ge) becomes a problem.
このCODの改善をはかるためには、従来においても、種
々の工夫がなされているところである。In order to improve this COD, various efforts have been made in the past.
すなわち、通常のダブルヘテロ接合型半導体レーザー
は、例えば第４図に示すように、例えばｎ型のGaAs基板
（１）上にこれと同導電型の例えばｎ型のAlGaAsより成
る第１のクラッド層（２）と、ｎ型またはｐ型、或いは
真性の例えばGaAsより成る活性層（３）と、第１のクラ
ッド層（２）と異なる導電型の例えばｐ型の第２のクラ
ッド層（４）と、これと同導電型のキャップ層（５）と
が順次エピタキシャル成長され、活性層（３）と第１及
び第２のクラッド層（２）及び（４）との間に夫々ヘテ
ロ接合が形成されるようになされている。第４図は電極
ストライプ型構成の例で、キャップ層（５）に被着形成
された絶縁層（６）に穿設されたストライプ状の電極窓
（6a）を通じて一方の電極（７）がキャップ層（５）に
オーミックに被着されている。（８）は基板（１）に設
けられた他方の電極を示す。That is, as shown in FIG. 4, for example, an ordinary double heterojunction semiconductor laser has a first clad layer made of, for example, n-type AlGaAs of the same conductivity type as that of an n-type GaAs substrate (1). (2), an active layer (3) made of n-type or p-type, or intrinsic GaAs, for example, and a second clad layer (4) of a conductivity type different from that of the first clad layer (2). And a cap layer (5) of the same conductivity type as this are sequentially epitaxially grown to form heterojunctions between the active layer (3) and the first and second cladding layers (2) and (4), respectively. It is designed to be. FIG. 4 shows an example of an electrode stripe type structure in which one electrode (7) is capped through a striped electrode window (6a) formed in an insulating layer (6) formed on a cap layer (5). Ohmicly applied to layer (5). (8) shows the other electrode provided on the substrate (1).
第５図は、この半導体レーザーの活性層近傍のエネルギ
ーバンドギャップEgの分布を示すもので、活性層（３）
を挾んで、この活性層（３）のエネルギーバンドギャッ
プEg1に比し、大なるエネルギーバンドギャップEg2を有
する第１及び第２のクラッド層（２）及び（４）が配さ
れていて活性層（３）と第１及び第２のクラッド層
（２）及び（４）との間に所要のギャップ差ΔEgが存在
するようにして活性層（３）にキャリアの閉じ込めを行
うと同時に、活性層（３）と第１及び第２のクラッド層
（２）及び（４）との屈折率の差によって光の閉じ込め
を行って光発振が生じるようにしている。Fig. 5 shows the distribution of the energy band gap Eg near the active layer of this semiconductor laser.
In comparison with the energy bandgap Eg 1 of the active layer (3), the first and second cladding layers (2) and (4) having a larger energy bandgap Eg 2 are arranged and Carriers are confined in the active layer (3) at the same time that the required gap difference ΔEg exists between the layer (3) and the first and second cladding layers (2) and (4). Light is confined by the difference in the refractive index between the layer (3) and the first and second cladding layers (2) and (4) to cause optical oscillation.
このようなダブル接合型半導体レーザーにおいて、COD
を改善する代表的な例としては、光の閉じ込めキャリア
の閉じ込めとを別々に行って、光の閉じ込めは広く行っ
て活性層の光強度を弱めるようにしたいわゆるSCH（Sep
atate Confinment Heterostructure）がある。第６図は
このSCH型の半導体レーザーのエネルギーバンドギャッ
プの分布を示すものであり、この場合、活性層（３）と
第１及び第２のクラッド層（２）及び（４）との間に両
者のエネルギーバンドギャップの差ΔEgより小さい差Δ
Egsを有し、キャリアに対しては閉じ込め効果を有する
が光に関してはしみ出しが生じ得るようにした第１及び
第２の光のしみ出し層（９）及び（10）が設けられて成
るものである。In such a double-junction semiconductor laser, COD
As a typical example for improving the above, the so-called SCH (Sep (Sep), in which the confinement of light and the confinement of carriers are performed separately and the light confinement is widened to weaken the light intensity of the active layer,
atate Confinment Heterostructure). FIG. 6 shows the distribution of the energy band gap of this SCH type semiconductor laser. In this case, between the active layer (3) and the first and second cladding layers (2) and (4). Difference in energy band gap between the two ΔEg less than
A first and a second light exudation layer (9) and (10) provided with Egs and having a confinement effect on carriers but capable of exuding light. Is.
また、他の例としては、第４図で説明した通常のダブル
接合型においてその活性層（３）の厚さを300〜500Å程
度に充分薄くして、実質的に活性層（３）から光のしみ
出しが生じるようにしたものがある。As another example, in the normal double junction type described in FIG. 4, the thickness of the active layer (3) is made sufficiently thin to about 300 to 500 Å so that light is substantially emitted from the active layer (3). Some have been designed to cause exudation.
更に、第７図にそのバンドギャップの分布を模式的に示
すように、活性層（３）の両側に250〜450Åという肉薄
の第１及び第２のバリア層（11）及び（12）を設けて、
実質的に光のつき抜けによるしみ出しが生じるようにな
したものも提案された（アプライド フィジックス レ
ター,Appl.phys.Lett.38（11）.1 June1981参照）。Further, as shown schematically in FIG. 7 as the distribution of the band gap, first and second barrier layers (11) and (12) having a thin thickness of 250 to 450 Å are provided on both sides of the active layer (3). hand,
It has also been proposed that bleeding is caused by the passage of light (see Applied Physics Letter, Appl.phys.Lett.38 (11) .1 June 1981).
ところが、前述した第６図のSCH型の半導体レーザーに
おいては、キャリアが活性層に充分閉じ込められずに熱
によるしみ出しが生じ、しきい値電流Ithの温度依存性
が大きいという問題点がある。However, in the SCH type semiconductor laser of FIG. 6 described above, there is a problem that the carriers are not sufficiently confined in the active layer and are exuded by heat, and the temperature dependence of the threshold current Ith is large.
また、前述した活性層を薄くするものや、第７図で説明
したエネルギーギャップの大きいバリア層を設けるもの
においては、夫々その薄いエピタキシャル成長層を形成
すること、特に後者のもののように、高いエネルギーギ
ャップを得るものにおいては、例えばAlGaAs系において
そのAl添加量を高める必要があることから結晶性の良い
層を得ることに技術的な問題がある。そして、これら薄
い層は、活性層自体、或いは活性層に隣接する層である
ことから、特性に及ぼす影響は大きく信頼性や、再現性
に問題がある。Further, in the case where the active layer is thinned as described above and the case where the barrier layer having a large energy gap described in FIG. 7 is provided, it is necessary to form a thin epitaxial growth layer for each of them. In order to obtain a layer having high crystallinity, there is a technical problem in obtaining a layer having good crystallinity because it is necessary to increase the amount of Al added in an AlGaAs system. Since these thin layers are the active layer itself or a layer adjacent to the active layer, they have a great influence on the characteristics and have problems in reliability and reproducibility.
上述したようにいずれのものにおいても、CODのパワー
を高める上で問題があり、充分満足すべき高出力化され
た半導体レーザーが得られていない。As described above, in any of them, there is a problem in increasing the power of COD, and a sufficiently high output semiconductor laser cannot be obtained.
本発明は第１のクラッド層と、活性層と、第２のクラッ
ド層とを順次設け、活性層と第１及び第２のクラッド層
とのエネルギーバンドギャップの差ΔEgを0.35≦ΔEg≦
0.45（eV）に選定し、第１及び第２のクラッド層の少な
くともいずれか一方に、光のしみ出し層を設ける。そし
てこの光のしみ出し層のエネルギーバンドギャップを、
活性層のエネルギバンドギャップに比し大に選定する。According to the present invention, a first clad layer, an active layer, and a second clad layer are sequentially provided, and an energy bandgap difference ΔEg between the active layer and the first and second clad layers is 0.35 ≦ ΔEg ≦
0.45 (eV) is selected, and a light seeping layer is provided on at least one of the first and second cladding layers. And the energy bandgap of this light exudation layer,
It is selected to be large compared to the energy band gap of the active layer.
ここに活性層の厚さdaは、これのエピタキシャル成長に
当って通常のダブルヘテロ接合型の半導体レーザーにお
けると同程度の信頼性及び再現性が得られる程度の数百
〜1500Åに選定し、活性層と光のしみ出し層との間の間
隔ds1及びds2は、夫々同様に活性層と光のしみ出し層に
介在する各クラッド層の一部を構成する半導体層に信頼
性と再現性の得られる厚さであり、しかも活性層から光
のしみ出しをなし得る程度の厚さの500〜5000Åに選定
し得る。Here, the active layer thickness da is selected to be several hundreds to 1500 Å, which is about the same level of reliability and reproducibility as in a normal double-heterojunction semiconductor laser for epitaxial growth of the active layer. The distances d s1 and d s2 between the light-extracting layer and the light-exuding layer are similar to those of the active layer and the semiconductor layer forming a part of each clad layer interposed in the light-extracting layer. The thickness can be selected to be 500 to 5000 Å, which is the thickness that can be obtained and is such that light can be exuded from the active layer.
また、光のしみ出し層の厚さは、同様にこれにそのエピ
タキシャル成長に当って信頼性及び再現性が得られる厚
さの数百Å、例えば500Åとし得る。Also, the thickness of the light bleeding layer can be several hundred Å, for example, 500 Å, which is the thickness at which the epitaxial growth of the light bleeding layer can be similarly reliable and reproducible.
上述の構成によれば、クラッド層内にこれよりエネルギ
ーギャップの小さい光のしみ出し層を設けたことによ
り、活性層からの光のしみ出しが生じ、これによって活
性層における光強度分布をそのピーク値を下げ且つその
分布を広げる作用をなさしめ得る。すなわち、CODは、
光強度のピークの値によって決まるので、この光強度の
ピークが下げられ且つ広げられることにより、CODが生
じにくくなり且つ高出力化をはかることができるのであ
る。そして、特に本発明においては、活性層（３）に接
してエネルギーバンドギャップ差ΔEgが0.35〜0.45eVの
第１及び第２のクラッド層（２）及び（４）によってそ
のキャリアの閉じ込めを行ったことによって熱的なキャ
リアのしみ出しを効果的に抑制できることが確められた
ものであり、しきい値電流Ithの熱による依存性を小さ
くすることができ、特性の安定化をはかることができ
た。According to the above configuration, by providing the light bleeding layer having a smaller energy gap in the clad layer, light bleeding from the active layer occurs, which causes the light intensity distribution in the active layer to reach its peak. It has the effect of lowering the value and broadening its distribution. That is, COD is
Since it is determined by the value of the peak of light intensity, COD is less likely to occur and higher output can be achieved by lowering and widening the peak of light intensity. Then, particularly in the present invention, the carriers are confined by the first and second cladding layers (2) and (4) having an energy band gap difference ΔEg of 0.35 to 0.45 eV in contact with the active layer (3). By doing so, it was confirmed that thermal carrier leakage can be effectively suppressed, the dependence of the threshold current Ith on heat can be reduced, and the characteristics can be stabilized. It was
第１図を参照して本発明の一例を説明するが、第１図に
おいて、第４図と対応する部分には同一符号を付す。こ
の例においても、例えばｎ型のGaAs基板（１）上に、こ
れを同導電型のAlxGa1-xAsより成る第１のクラッド層
（２）と、ｎ型またはｐ型或いは真性のAlyGa1-yAsの活
性層（３）と、第１のクラッド層（２）と異なる導電型
のｐ型のAlxGa1-xAsより成る第２のクラッド層（４）と
これと同導電型のGaAsより成るキャップ層（５）とを形
成するものであるが、特に第１及び第２のクラッド層
（２）及び（４）に、これらと夫々同導電型のAlzGa1-z
Asより成る第１及び第２の活性層（３）からの光のしみ
出し層（21）及び（22）を設ける。具体的には基板
（１）上に、第１のクラッド層（２）の一部となる下層
の第１のクラッド層（2A）をエピタキシャル成長し続い
てこれの上に第１の光のしみ出し層（21）をエピタキシ
ャル成長させ、これの上に第１のクラッド層（２）の一
部となる上層の第１のクラッド層（2B）をエピタキシャ
ル成長し、これの上に活性層（３）をエピタキシャル成
長させる。そして、これの上に、第２のクラッド層
（４）の一部となる下層の第２のクラッド層（4A）をエ
ピタキシャル成長し、これの上に第２の光のしみ出し層
（22）をエピタキシャル成長し、これの上に上層の第２
のクラッド層（4B）をエピタキシャル成長する。An example of the present invention will be described with reference to FIG. 1. In FIG. 1, parts corresponding to those in FIG. Also in this example, for example, on an n-type GaAs substrate (1), a first cladding layer (2) made of the same conductivity type Al x Ga 1-x As and an n-type or p-type or intrinsic An active layer of Al y Ga 1-y As (3), a second cladding layer (4) made of p-type Al x Ga 1-x As of a conductivity type different from that of the first cladding layer (2), and this And a cap layer (5) made of GaAs having the same conductivity type as those of Al z Ga having the same conductivity type as those of the first and second cladding layers (2) and (4), respectively. 1-z
Light seeping layers (21) and (22) from the first and second active layers (3) made of As are provided. Specifically, a lower first clad layer (2A), which is a part of the first clad layer (2), is epitaxially grown on the substrate (1), and then the first light bleeds on the first clad layer (2A). A layer (21) is epitaxially grown, an upper first clad layer (2B) which is a part of the first clad layer (2) is epitaxially grown on the layer (21), and an active layer (3) is epitaxially grown on the first clad layer (2B). Let Then, a lower second clad layer (4A) which is a part of the second clad layer (4) is epitaxially grown on this, and a second light exudation layer (22) is formed thereon. Epitaxially grown on top of this, the second upper layer
Epitaxially grow the clad layer (4B).
キャップ層（５）上には絶縁層（６）が被着され、これ
に穿設された電極窓（6a）を通じて電極（７）がオーミ
ックに被着され、基板（１）に他方の電極（８）がオー
ミックに被着される。An insulating layer (6) is deposited on the cap layer (5), an electrode (7) is ohmic deposited through an electrode window (6a) formed in the insulating layer (6), and the other electrode () is attached to the substrate (1). 8) is applied ohmic.
ここに各層（2A）（21）（2B）（３）（4A）（22）（4
B）（５）は、連続的にMOCVD（Metalorganic Chemical
Vapour Deposition）によってその供給原料ガスを切換
えることによって形成し得る。活性層（３）の厚さdaは
例えば800Åとし、第１及び第２の光のしみ出し層（2
1）及び（22）は、夫々その厚さdc1及びdc2を500Åと
し、上層の第１のクラッド層（2B）と下層の第２のクラ
ッド層（4A）は夫々その厚さds1及びds2を500Åとす
る。また、各層の上記組成において、x,y及びｚはｙ＜
ｚ＜ｘとするものである。第２図はこの場合の各層にお
けるエネルギーバンドギャップEgを示し、活性層（３）
とクラッド層（２）及び（４）とのエネルギーバンドギ
ャップの差ΔEgは、前述したように0.35≦ΔEg≦0.45
（eV）とされ、活性層（３）と光のしみ出し層（21）及
び（22）とのエネルギーバンドギャップの差ΔEgsは、
ΔEgs＜ΔEgとする。Each layer (2A) (21) (2B) (3) (4A) (22) (4
B) and (5) are continuously MOCVD (Metalorganic Chemical
It can be formed by switching the feedstock gas by vapor deposition. The thickness da of the active layer (3) is, for example, 800 Å, and the first and second light exudation layers (2
1) and (22) have thicknesses dc 1 and dc 2 of 500 Å, respectively, and the upper first clad layer (2B) and the lower second clad layer (4A) have thicknesses d s1 and Set d s2 to 500Å. In the above composition of each layer, x, y and z are y <
z <x. FIG. 2 shows the energy band gap Eg in each layer in this case, showing the active layer (3)
The difference ΔEg in energy band gap between the cladding layers (2) and (4) is 0.35 ≦ ΔEg ≦ 0.45 as described above.
(EV), the difference ΔEgs in the energy band gap between the active layer (3) and the light exuding layers (21) and (22) is
ΔEgs <ΔEg.
第３図中実線図示の曲線は、この場合の光強度分布を示
す。同図中破線曲線は、第１及び第２のクラッド層
（２）及び（４）内に、光のしみ出し層（21）及び（2
2）を設けない場合の第４図の構造による場合の光強度
分布を示すもので両曲線を比較して明らかなように、光
のしみ出し層を設けないものにあっては、光強度分布が
急峻であるに比し、本発明のそれは、光強度分布が広が
り、そのピーク値が下がっている。このように光強度が
弱められ、CODが生じにくくなり、積分量すなわち、全
体の光量、したがってパワーは充分得られている。The solid line curve in FIG. 3 represents the light intensity distribution in this case. In the figure, the broken line curve indicates that the light exuding layers (21) and (2) are present in the first and second cladding layers (2) and (4).
2) shows the light intensity distribution in the case of the structure shown in FIG. 4 in the case of not providing 2). As can be seen by comparing both curves, the light intensity distribution is shown in the case of not providing the light exuding layer. Is steeper, that of the present invention has a broader light intensity distribution and a lower peak value. In this way, the light intensity is weakened, COD is less likely to occur, and the integrated amount, that is, the total light amount, and thus the power, is sufficiently obtained.
尚、上述した例においては、AlGaAs系の半導体レーザー
に本発明を適用した場合であるが、短波長発光をなすIn
GaAs P系、或いは長波長発光のInGaAs P系半導体レーザ
ー等に適用することもできる。In the example described above, the present invention is applied to an AlGaAs semiconductor laser.
It can also be applied to GaAs P-based or InGaAs P-based semiconductor lasers that emit long wavelength light.
上述したように本発明によれば、活性層（３）に接して
クラッド層（２）及び（４）を設けて光とキャリアの閉
じ込めを行うものであるが、これら間のエネルギーバン
ドギャップ差ΔEgを0.35〜0.45eVに選定し、しかもこれ
らクラッド層内に光のしみ出し層（21）及び（22）を設
けたことによって、光強度分布を広げることができ、CO
Dの改善、したがって高出力化がはかられ、しかも活性
層に接してクラッド層が設けられてキャリアの閉じ込め
を確実になさしめたので、しきい値電流Ithの温度依存
性を小とすることができ、熱的に安定な特性を得ること
ができる。As described above, according to the present invention, the cladding layers (2) and (4) are provided in contact with the active layer (3) to confine light and carriers, but the energy band gap difference ΔEg between them is ΔEg. Of 0.35 to 0.45 eV, and by providing the light exuding layers (21) and (22) in these clad layers, the light intensity distribution can be widened and CO
Improvement of D, and hence higher output, and a clad layer provided in contact with the active layer ensured carrier confinement, so the temperature dependence of the threshold current Ith should be reduced. Therefore, it is possible to obtain thermally stable characteristics.
また各半導体層の厚さ、特に活性層とこれに接する半導
体層の厚さは、さほど小さくする必要はないので、製造
技術上の問題から、結晶性を低下させたり再現性を低め
るような不都合も回避できるものである。Further, the thickness of each semiconductor layer, in particular, the thickness of the active layer and the semiconductor layer in contact with the active layer does not need to be so small. Therefore, there is a problem in that crystallinity is lowered or reproducibility is lowered due to problems in manufacturing technology. Can be avoided.
第１図は本発明による半導体レーザーの一例の略線的断
面図、第２図及び第３図はその説明に供するエネルギー
バンドギャップの模式図及び光強度分布曲線図、第４図
は従来の半導体レーザーの略線的断面図、第５図乃至第
７図は夫々従来の半導体レーザーの各例の説明に供する
エネルギーバンドギャップの模式図である。 （１）は基板、（２）及び（４）は第１及び第２のクラ
ッド層、（３）は活性層、（21）及び（22）は第１及び
第２の光のしみ出し層、（５）はキャップ層、（７）及
び（８）は電極である。FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a semiconductor laser according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are schematic diagrams of an energy band gap and a light intensity distribution curve diagram used for the explanation, and FIG. 4 is a conventional semiconductor. A schematic cross-sectional view of a laser and FIGS. 5 to 7 are schematic diagrams of energy band gaps for explaining respective examples of conventional semiconductor lasers. (1) is a substrate, (2) and (4) are first and second clad layers, (3) is an active layer, (21) and (22) are first and second light seepage layers, (5) is a cap layer, and (7) and (8) are electrodes.
Claims (1)
ラッド層とが順次設けられ、上記活性層と上記第１及び
第２のクラッド層とのエネルギーバンドギャップの差Δ
Egが0.35≦ΔEg≦0.45（eV）に選定され、上記第１及び
第２のクラッド層の少なくともいずれか一方に、光のし
み出し層が設けられて、該光のしみ出し層のエネルギー
バンドギャップは、上記活性層のエネルギーバンドギャ
ップに比し大に設定され、上記光しみ出し層の厚さが数
百Åとされたことを特徴とする半導体レーザ。1. A first clad layer, an active layer, and a second clad layer are sequentially provided, and a difference Δ in energy band gap between the active layer and the first and second clad layers.
Eg is selected to be 0.35 ≦ ΔEg ≦ 0.45 (eV), and a light seepage layer is provided on at least one of the first and second clad layers, and the energy bandgap of the light seepage layer is provided. Is a semiconductor laser characterized in that it is set to be larger than the energy band gap of the active layer, and the thickness of the light bleeding layer is set to several hundred Å.
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