JPH0722696A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子

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JPH0722696A
JPH0722696A JP5163515A JP16351593A JPH0722696A JP H0722696 A JPH0722696 A JP H0722696A JP 5163515 A JP5163515 A JP 5163515A JP 16351593 A JP16351593 A JP 16351593A JP H0722696 A JPH0722696 A JP H0722696A
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semiconductor laser
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less
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JP5163515A
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Masaharu Honda
正治 本多
Masayuki Shono
昌幸 庄野
Takatoshi Ikegami
隆俊 池上
Yasuyuki Bessho
靖之 別所
良治 ▲広▼山
Ryoji Hiroyama
Hiroyuki Kase
裕之 賀勢
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Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 発振しきい値電流が小さく且つ最高発振温度
が大きな半導体レーザ素子を提供することを目的とす
る。 【構成】 n型GaAs基板1と、この基板1の一主面
上に形成されたn型クラッド層3と、n型クラッド層3
上に形成された引張り歪量子井戸層を有する量子井戸構
造からなる活性層5と、この活性層5上に形成されたp
型クラッド層5と、を備え、前記基板1の一主面は(1
00)面から[011]方向に9度〜15度傾斜した面
であり、且つ共振器長が150μm以上300μm以下
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、AlGaInP系半導
体レーザ素子等の半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、発振波長が630nm帯の半導体
レーザ素子としてAlGaInP系半導体レーザ素子が
活発に研究開発されている。この630nm帯は視感度
が高いことから、斯る素子はレーザーポインターやライ
ンマーカー等にも使用されている。このような製品に使
用される場合には、斯る素子は電池駆動で使用されるこ
とが多く、低消費電力の素子の開発が望まれている。
【0003】近年、上記半導体レーザ素子において、活
性層を量子井戸(QW)構造とする研究が行われてい
る。特に温度特性及び発振しきい値電流特性の改善のた
めに、この量子井戸構造の量子井戸層に歪を導入するこ
とが提案されている。この歪を有する多重量子井戸Al
GaInP系半導体レーザ素子は、例えば1992年秋
季第53回応用物理学会学術講演会講演予稿集、No.
3、18a−V−10、第954頁に記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、低消費
電力化のためには、この消費電力と密接に関連する上記
発振しきい値電流は、実用上の通常条件下、例えばステ
ムの良放熱体(銅ブロック)上に固着されたSiヒート
シンク上に素子を載置した条件下において、40mA程
度以下が望ましく、30mA程度以下がより望ましい
が、上記発振波長が短波長の半導体レーザ素子では、4
0℃での安定動作が保証された下では発振しきい値電流
は60mA程度までしか得られていない。
【0005】これら従来の圧縮歪みまたは歪みのない素
子では、共振器長を短くすることにより発振しきい値電
流を漸次的に小さくできることが知られている。しか
し、このようにした場合には、信頼性を高めること、即
ち信頼性に密接に関連する最高発振温度(発振可能な最
高温度)を50℃程度以上、好ましくは60℃程度以上
にすることができないため、低消費電力の素子が実用化
できなかった。
【0006】また、圧縮歪とは反対の歪である引張り歪
を有する量子井戸AlGaInP系半導体レーザ素子も
知られており、例えば1992年秋季第53回応用物理
学会学術講演会講演予稿集、No.3、18a−V−1
1、第954頁に記載されている。しかしながら、この
場合も実用的には発振しきい値電流は60mA程度であ
り、上記条件下で最高発振温度(発振可能な最高温度)
が50℃程度以上で発振しきい値電流を40mA程度以
下にすることができなかった。
【0007】本発明は上記問題点を鑑み成されたもので
あり、信頼性が高く且つ低消費電力の半導体レーザ素子
を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、第1導電型のGaAs基板と、該基板の一主面上
に形成された第1導電型のクラッド層と、該第1導電型
のクラッド層上に形成された引張り歪量子井戸層を有す
る量子井戸構造からなる活性層と、該活性層上に形成さ
れた第2導電型のクラッド層と、を備え、前記基板の一
主面は{100}面から<011>方向に9度〜15度
傾斜した面であり、且つ共振器長が150μm以上30
0μm以下であることを特徴とする。
【0009】
【作用】本発明の構成では、第1導電型のGaAs基板
と、該基板の一主面上に形成された第1導電型のクラッ
ド層と、該第1導電型のクラッド層上に形成された引張
り歪量子井戸層を有する量子井戸構造からなる活性層
と、該活性層上に形成された第2導電型のクラッド層
と、を備え、前記基板の一主面は{100}面から<0
11>方向に9度〜15度傾斜した面であり、且つ共振
器長が150μm以上300μm以下であるので、最高
発振温度を高く且つ発振しきい値電流を小さくできる。
【0010】
【実施例】本発明の一実施例に係る発振波長が630n
m帯のAlGaInP系半導体レーザ素子を図を用いて
説明する。尚、図1はこの半導体レーザ素子の概略断面
構造図、図2はこの半導体レーザ素子の活性層近傍のバ
ンド構造図である。
【0011】図中、1はn型GaAs基板で、その一主
面は(100)面から[011]方向に角度θ(θ=9
〜15度:以下角度θをオフ角度θという)で傾斜した
面である。前記一主面上には層厚0.3μmのn型Ga
0.5In0.5Pバッファ層2及び層厚0.8〜0.9μm
のn型(AlxaGa1-xa0.5In0.5P(xa>ya,
yb>p≧0:本実施例ではxa=0.7)クラッド層
3がこの順序で形成されている。
【0012】前記n型クラッド層3上には、層厚500
Åのアンドープの(AlyaGa1-ya0.5In0.5P(y
a≧r:本実施例ではya=0.5)光ガイド層4、層
厚75Åの引張り歪みを有する(AlpGa1-pqIn
1-qP(q>0.51:本実施例ではp=0、q=0.
58)引張り歪量子井戸層5a、5a、5a、5a(典
型的には、全6層以下、本実施例では全4層)と層厚4
0Åの(AlrGa1-r 0.5In0.5P(xa,xb,x
c>r>p:本実施例ではr=0.5)量子障壁層5
b、5b、5b(典型的には、全5層以下、本実施例で
は全3層)とが交互に積層されてなる引張り歪多重量子
井戸構造(引張り歪MQW構造)からなるアンドープの
活性層5、及び層厚500Åのアンドープの(Alyb
1-yb0.5In0.5P(yb≧r:本実施例ではyb=
0.5)光ガイド層6がこの順序で形成されている。
尚、本実施例の引張り歪量子井戸層5a、5a、・・・
の歪量Δa/a0(Δa=引張り歪量子井戸層の格子定
数−GaAs基板の格子定数a0)は−0.5%であ
る。
【0013】前記光ガイド層6上には、層厚300Åの
p型(AlxbGa1-xb0.5In0.5P(xb>ya,y
b>p≧0:本実施例ではxb=0.7)クラッド層7
が形成されている。このp型クラッド層7上には層厚8
Åのp型(AltGa1-tuIn1-uP(t<v:本実施
例ではt=0、u=0.5)量子井戸層8a、8a、・
・・(全10層)と層厚12Åのp型(AlvGa1-v
wIn1-wP(望ましくはv=xb=xc:本実施例では
v=0.7、w=0.5)量子障壁層8b、8b、・・
・(全9層)とが交互に積層されてなる多重量子障壁構
造(MQB)層8が形成されている。
【0014】前記多重量子障壁構造層8上には、高さ
0.9μm、下面部幅5μmのレーザ共振器長方向に延
伸したストライプ状リッジ部を有し、このリッジ部の両
側の層厚が0.2〜0.3μmであるp型(AlxcGa
1-xc0.5In0.5P(xc>ya,yb>p≧0:本実
施例ではxc=0.7)クラッド層9が形成されてい
る。
【0015】前記p型クラッド層9上にはそのリッジ部
の両側側面を覆うように層厚1μmのn型GaAs電流
阻止層10、10が形成されており、該リッジ部面上に
は層厚0.1μmのp型Ga0.5In0.5Pコンタクト層
11が形成されている。
【0016】前記電流阻止層10、10及びコンタクト
層11上にはこのコンタクト層11上の層厚が2〜3μ
mであるp型GaAsキャップ層12が形成されてい
る。
【0017】前記キャップ層12上面にはAu−Crか
らなるp型側オーミック電極13が、前記n型GaAs
基板1下面にはAu−Sn−Crからなるn型側オーミ
ック電極14が形成されている。
【0018】この半導体レーザ素子は、図2から判るよ
うに、活性層5はその量子障壁層5b、5b、・・・と
バンドギャップが等しい(又はこれらより大きい)光ガ
イド層4、6に挟まれ、その外側をこの光ガイド層4、
6よりバンドギャップが大きいクラッド層3、7、9に
より挟まれた構成になっており、更にクラッド層7、9
の間に多重量子障壁構造層8が設けられている。尚、屈
折率はバンドギャップが大きくなるに従って小さくなる
ので、屈折率についての説明は省略する。
【0019】次に、斯る半導体レーザ素子の製造方法に
ついて簡単に説明する。
【0020】最初に、n型GaAs基板1上に、n型バ
ッファ層2、n型第クラッド層3、ノンドープの光ガイ
ド層4、ノンドープの活性層5、ノンドープの光ガイド
層6、p型クラッド層7、p型多重量子障壁構造層8、
p型クラッド層9、及びp型コンタクト層11をMOC
VD法(有機金属気相成長法)により連続成長する。
【0021】次に、前記p型コンタクト層11上にスト
ライプ状のSiO2等からなるマスクを介して、前記p
型クラッド層9をストライプ状のリッジ部を有するよう
にエッチングした後、n型電流阻止層10、10をMO
CVD法により形成する。続いて、前記マスクを除去し
て前記コンタクト層11を露出させた後、n型電流阻止
層10、10及びコンタクト層11上にp型キャップ層
12をMOCVD法により形成する。
【0022】次に、前記キャップ層12上面にはp型側
オーミック電極13を、前記n型GaAs基板1下面に
はn型側オーミック電極14を蒸着法により形成した
後、熱処理して作成する。
【0023】図3は、斯る半導体レーザ素子の前記主面
が、(100)面から[011]方向に9度、13度、
及び15度傾斜した面である場合と、比較例として5度
傾斜した面である場合とにおける最高発振温度T
max(℃)と共振器長L(μm)の関係を示し、図中、
オフ角度θ=5度は白抜きの三角、オフ角度θ=9度は
黒塗りの三角、オフ角度θ=13度は白抜きの丸、オフ
角度θ=15度は黒塗りの丸で示す。尚、この測定は、
通常ステムの良放熱体(銅ブロック)上にハンダ等で接
着載置(固着)したSiヒートシンク(厚みは50〜5
00μm)上にジャンクションダウンで素子を錫等を介
して圧着載置(固着)した状態において、連続発振状態
で行った。
【0024】この図3から、斯る半導体レーザ素子は、
オフ角度θが9度以上15度以下の場合に、共振器長が
短くなるにしたがって最高発振温度が漸次的に低下する
従来周知の現象とは異なって、共振器長が200μmで
ピークをもつと共に150μm以上300μm以下で最
高発振温度が50℃程度以上、200μm以上300μ
m以下で最高発振温度が60℃程度以上になることが判
る。
【0025】図4は、図3と同じ測定を行って得た最高
発振温度Tmax(℃)と基板のオフ角度θ(度)の関係
を示す。尚、共振器長Lは200μmである。
【0026】この図4から、斯る半導体レーザ素子は、
共振器長が200μmにおいて、オフ角度θが9度以上
15度以下で最高発振温度が60℃以上となり、特にオ
フ角度θが11度以上15度以下で良好になり、更に略
13度がよいことが判る。また、図示はしないが、共振
器長300μmにおいても、オフ角度θが9度以上15
度以下で最高発振温度が60℃程度以上、特にオフ角度
θが11度以上15度以下、なかも略13度で良好にな
る。尚、共振器長が150μm以上300μm以下であ
れば前記オフ角度θに同様の傾向がある。
【0027】これら図3〜図4から、斯る半導体レーザ
素子は、共振器長が150μm以上300μm以下、望
ましくは200μm以上300μm以下がよく、且つオ
フ角度θが9度以上15度以下、好ましくは11度以上
15度以下がよく、更に好ましくは略13度がよいこと
が判る。
【0028】図5は、前記図3と同様の基板のオフ角度
θにおける前記半導体レーザ素子の発振しきい値電流
(mA)と共振器長L(μm)の関係を示し、図中、図
3と同じオフ角度θを示すものは、同様の印で示す。
尚、この測定は、素子環境温度が25℃で、他の条件は
図3での条件と同じとした。
【0029】この図5から、斯る半導体レーザ素子でも
従来素子と同様に共振器長が短くなるにしたがってしき
い値電流が漸次的に小さくなることが判る。特に、前記
オフ角度θが9度以上15度以下の場合に小さく、この
うち共振器長が300μm以下でしきい値電流が40m
A程度以下になり、共振器長が200μm以下でしきい
値電流が30mA程度以下となることが判る。
【0030】図6は、図5と同じ測定を行って得た発振
しきい値電流(mA)と基板のオフ角度θ(度)の関係
を示す。尚、共振器長Lは200μmである。
【0031】この図6から、斯る半導体レーザ素子は、
共振器長が200μmにおいて、オフ角度θが9度以上
15度以下でしきい値電流が40mA以下となり、特に
オフ角度θが11度以上15度以下、なかでも略13度
で良好になることがわかる。また、図示しないが、共振
器長が300μmにおいても、オフ角度θが9度以上1
5度以下でしきい値電流が40mA程度以下、特にオフ
角度θが11度以上15度以下、なかでも略13度で良
好になり、この傾向は共振器長が150μm以上300
μm以下であれば同じである。
【0032】これら図5〜図6から、斯る半導体レーザ
素子は、共振器長が300μm以下がよく、且つオフ角
度θが9度以上15度以下、好ましくは11度以上15
度以下、更に好ましくは略13度がよいことが判る。
【0033】従って、図3〜図6から、斯る半導体レー
ザ素子では、共振器長が150μm以上300μm以下
で且つオフ角度θが9度以上15度以下において、最高
発振温度が50℃以上で且つしきい値電流が40mA程
度以下にでき、更に 共振器長が200μm以上300
μm以下で且つオフ角度θが9度以上15度以下におい
て最高発振温度が60℃程度以上で且つしきい値電流が
40mA程度以下にでき、特にオフ角度θが11度以上
15度以下が好ましく、望ましくは略13度であること
が判る。
【0034】図7に、表1で用いた本実施例と比較例の
半導体レーザ素子の動作電流(mA)とエージング時間
(h:時間)の関係を示す。尚、測定は素子環境温度5
0℃、光出力4mW、連続発振で図3〜図6と同じ条件
で行った。尚、ここでは、一例として共振器長が200
μmで基板のオフ角度θが9、13、15度の各場合を
示す。
【0035】この図7から、しきい値電流(動作電流)
が高い比較例の半導体レーザ素子は数百時間程度で動作
電流が急激に上昇するのに対して、本実施例の半導体レ
ーザ素子は2000時間を越えても動作電流は略一定で
あり、信頼性が優れていることが判る。これは、図3〜
図4から判るように、本実施例の半導体レーザ素子が、
最高発振温度の特性が優れているためである。尚、共振
器長が150μm以上300μm以下で基板のオフ角度
θが9度以上13度以下あれば同様に長くエージングし
ても動作電流は略一定であった。
【0036】また、この図から従来周知の事項である
が、本素子もしきい値電流が小さければ、動作電流が小
さくなることが判る。
【0037】斯る実施例の半導体レーザ素子が、最高発
振温度が高く発振しきい値電流が小さくなるのは、n型
GaAs基板1と、この基板1の一主面上に形成された
n型クラッド層3と、このn型クラッド層3上に形成さ
れた引張り歪量子井戸層5aを有する量子井戸構造から
なる活性層5と、この活性層5上に形成されたp型クラ
ッド層7、9と、を備え、前記基板1の一主面は(10
0)面から[011]方向に9度〜15度傾斜した面で
あり、且つ共振器長が150μm以上300μm以下で
あるためである。即ち、少なくとも、上述のような一主
面上にはステップフロー成長が行われ、更に井戸層に引
張り歪を導入することで従来より幅広の井戸層を用いる
ことができるので、各層の結晶性がよくなるためであ
る。尚、多重量子障壁層はなくとも効果はあるが、具備
した方が好ましい。
【0038】上記実施例では活性層の量子井戸層の歪量
を−0.5%としたが、この歪量と異なった値の引張り
歪を有する量子井戸層でも効果が得られ、井戸層は上記
4層に限らず6層以下1層以上であればよい。
【0039】更に、上記実施例では、GaAs基板1の
一主面は(100)面から[011]方向に傾斜した面
であったが、これらと等価な関係にあれば同じ効果が得
られる。即ち、GaAs基板の一主面(結晶成長面)
は、(100)面から[0−1−1]方向に傾斜した
面、(010)面から[101]又は[−10−1]方
向に傾斜した面、(001)面から[110]又は[−
1−10]方向に傾斜した面でもよく、即ち{100}
面から<011>方向に傾斜した面であればよい。
【0040】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ素子は、第1導電
型のGaAs基板と、該基板の一主面上に形成された第
1導電型のクラッド層と、該第1導電型のクラッド層上
に形成された引張り歪量子井戸層を有する量子井戸構造
からなる活性層と、該活性層上に形成された第2導電型
のクラッド層と、を備え、前記基板の一主面は{10
0}面から<011>方向に9度〜15度傾斜した面で
あり、且つ共振器長が150μm以上300μm以下で
あるので、実用上においても最高発振温度が50℃程度
以上で且つしきい値電流が40mA程度以下にできる。
この結果、実用上においても斯る素子の信頼性が高くな
り且つ低消費電力となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る半導体レーザ素子の概
略断面構造図である。
【図2】上記実施例の半導体レーザ素子の活性層近傍の
バンド構造図である。
【図3】上記実施例と比較例の半導体レーザ素子の最高
発振温度と共振器長の関係を示す図である。
【図4】上記実施例と比較例の半導体レーザ素子の最高
発振温度とGaAs基板のオフ角度の関係を示す図であ
る。
【図5】上記実施例と比較例の半導体レーザ素子の発振
しきい値電流と共振器長の関係を示す図である。
【図6】上記実施例と比較例の半導体レーザ素子の発振
しきい値電流とGaAs基板のオフ角度の関係を示す図
である。
【図7】上記実施例と比較例の半導体レーザ素子のエー
ジング時間と動作電流の関係を示す図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板 3 n型(AlxaGa1-xa0.5In0.5Pクラッド層 5a (AlpGa1-pqIn1-qP引張り歪量子井戸層 5b (AlrGa1-r0.5In0.5P量子障壁層 5 活性層 7 p型(AlxbGa1-xb0.5In0.5Pクラッド層 8a p型(AltGa1-tuIn1-uP量子井戸層 8b p型(AlvGa1-vwIn1-wP量子障壁層 8 多重量子障壁構造層 9 p型(AlxcGa1-xc0.5In0.5Pクラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 別所 靖之 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 ▲広▼山 良治 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三洋 電機株式会社内 (72)発明者 賀勢 裕之 大阪府守口市京阪本通2丁目18番地 三洋 電機株式会社内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型のGaAs基板と、該基板の
    一主面上に形成された第1導電型のクラッド層と、該第
    1導電型のクラッド層上に形成された引張り歪量子井戸
    層を有する量子井戸構造からなる活性層と、該活性層上
    に形成された第2導電型のクラッド層と、を備え、前記
    基板の一主面は{100}面から<011>方向に9度
    〜15度傾斜した面であり、且つ共振器長が150μm
    以上300μm以下であることを特徴とする半導体レー
    ザ素子。
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