JPH11145547A - 半導体レーザダイオード - Google Patents
半導体レーザダイオードInfo
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- H01S5/2206—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on III-V materials
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 npnトランジスタを用いた高速な駆動IC
と組み合わせて用いることができ、かつ従来例と同等以
上の性能を有するp型GaAs基板を用いて構成した半
導体レーザダイオードを提供する。 【解決手段】 p型GaAsからなる半導体基板と、p
型AlGaAs下クラッド層を含み半導体基板上に形成
されたp型半導体層領域と、n型AlGaAs上クラッ
ド層を含みp型半導体層領域上に活性層を介して形成さ
れたn型半導体層領域とを備え、n型AlGaAs上ク
ラッド層が、活性層に光を閉じ込めるために活性層のほ
ぼ全面にわたって形成された第1の領域と活性層の所定
の幅のレーザ発振領域に電流を集中して注入するための
リッジ部とからなる半導体レーザダイオードであって、
n型AlGaAs上クラッド層が、x≧0.4に設定さ
れたAlxGa1-xAsからなり、かつ6×1017cm-3
以下のキャリア濃度を有する。
と組み合わせて用いることができ、かつ従来例と同等以
上の性能を有するp型GaAs基板を用いて構成した半
導体レーザダイオードを提供する。 【解決手段】 p型GaAsからなる半導体基板と、p
型AlGaAs下クラッド層を含み半導体基板上に形成
されたp型半導体層領域と、n型AlGaAs上クラッ
ド層を含みp型半導体層領域上に活性層を介して形成さ
れたn型半導体層領域とを備え、n型AlGaAs上ク
ラッド層が、活性層に光を閉じ込めるために活性層のほ
ぼ全面にわたって形成された第1の領域と活性層の所定
の幅のレーザ発振領域に電流を集中して注入するための
リッジ部とからなる半導体レーザダイオードであって、
n型AlGaAs上クラッド層が、x≧0.4に設定さ
れたAlxGa1-xAsからなり、かつ6×1017cm-3
以下のキャリア濃度を有する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザダイ
オード、特に情報処理用光源として利用される半導体レ
ーザダイオードに関するものである。
オード、特に情報処理用光源として利用される半導体レ
ーザダイオードに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体レーザダイオードは、例え
ば、図10に示すように、n型GaAs基板1上に、n
型AlGaAs下クラッド層2、活性層3、p型AlG
aAs上クラッド層4及びp型GaAsコンタクト層6
が積層された半導体層構造を有し、リッジ部を残してエ
ッチングされたp型AlGaAs上クラッド層4の両側
には、n型GaAs電流阻止層5が形成され、さらにn
型GaAs基板1の下面にn電極7が形成され、かつp
型GaAsコンタクト層6上にはp電極8が形成されて
構成される。また、一般に半導体レーザダイオードは、
駆動用ICと組み合わせて使用され、図10の従来例の
半導体レーザダイオードはn型GaAs基板1を用いて
構成されている(カソードコモンレーザダイオード)の
で、npnトランジスタと組み合わせて使用される。し
かしながら、一般的にトランジスタは、npnトランジ
スタに比較して、pnpトランジスタの方が高速動作が
可能であり、駆動ICは、pnpトランジスタを用いて
構成した方が好ましい。そのためには、図10の半導体
レーザダイオードの導電型を反転させた構造、すなわ
ち、p型GaAs基板を用い正電極を共通電極とする、
いわゆるアノードコモンタイプの半導体レーザダイオー
ドを用いることが好ましい。
ば、図10に示すように、n型GaAs基板1上に、n
型AlGaAs下クラッド層2、活性層3、p型AlG
aAs上クラッド層4及びp型GaAsコンタクト層6
が積層された半導体層構造を有し、リッジ部を残してエ
ッチングされたp型AlGaAs上クラッド層4の両側
には、n型GaAs電流阻止層5が形成され、さらにn
型GaAs基板1の下面にn電極7が形成され、かつp
型GaAsコンタクト層6上にはp電極8が形成されて
構成される。また、一般に半導体レーザダイオードは、
駆動用ICと組み合わせて使用され、図10の従来例の
半導体レーザダイオードはn型GaAs基板1を用いて
構成されている(カソードコモンレーザダイオード)の
で、npnトランジスタと組み合わせて使用される。し
かしながら、一般的にトランジスタは、npnトランジ
スタに比較して、pnpトランジスタの方が高速動作が
可能であり、駆動ICは、pnpトランジスタを用いて
構成した方が好ましい。そのためには、図10の半導体
レーザダイオードの導電型を反転させた構造、すなわ
ち、p型GaAs基板を用い正電極を共通電極とする、
いわゆるアノードコモンタイプの半導体レーザダイオー
ドを用いることが好ましい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、p型G
aAs基板を用いて構成したアノードコモンタイプの半
導体レーザダイオードは、リーク電流が大きく、しかも
n型クラッド層において電流が拡がって、活性領域に効
率的に電流を注入するこができないという問題点があっ
た。そのために、p型GaAs基板を用いて構成したア
ノードコモンタイプの半導体レーザダイオードは、所望
のレーザ発振特性を得ることが困難であった。また、n
型GaAs基板を用いて構成した半導体レーザダイオー
ド(カソードコモンタイプ)の配線を変えることによ
り、pnpトランジスタを用いた駆動ICと組み合わせ
ることも考えられる。しかし、この場合には、1ビーム
では対応可能であるが、マルチビームでは対応が困難で
あった。
aAs基板を用いて構成したアノードコモンタイプの半
導体レーザダイオードは、リーク電流が大きく、しかも
n型クラッド層において電流が拡がって、活性領域に効
率的に電流を注入するこができないという問題点があっ
た。そのために、p型GaAs基板を用いて構成したア
ノードコモンタイプの半導体レーザダイオードは、所望
のレーザ発振特性を得ることが困難であった。また、n
型GaAs基板を用いて構成した半導体レーザダイオー
ド(カソードコモンタイプ)の配線を変えることによ
り、pnpトランジスタを用いた駆動ICと組み合わせ
ることも考えられる。しかし、この場合には、1ビーム
では対応可能であるが、マルチビームでは対応が困難で
あった。
【0004】そこで、本発明は、npnトランジスタと
組み合わせて用いることができ、かつn型GaAs基板
を用いて構成した従来例の半導体レーザダイオードと同
等以上の性能を有するp型GaAs基板を用いて構成し
た半導体レーザダイオードを提供することを目的とす
る。
組み合わせて用いることができ、かつn型GaAs基板
を用いて構成した従来例の半導体レーザダイオードと同
等以上の性能を有するp型GaAs基板を用いて構成し
た半導体レーザダイオードを提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、p型GaAs
基板を用いて構成された半導体レーザダイオードにおい
て、n型下クラッド層を特定の組成にし、かつキャリア
濃度を所定の値に設定することにより、良好な特性が得
られることを見いだして完成させたものである。すなわ
ち、本発明の半導体レーザダイオードは、p型GaAs
からなる半導体基板と、p型AlGaAs下クラッド層
を含み上記半導体基板上に形成されたp型半導体層領域
と、n型AlGaAs上クラッド層を含み上記p型半導
体層領域上に活性層を介して形成されたn型半導体層領
域とを備え、上記n型AlGaAs上クラッド層が、上
記活性層に光を閉じ込めるために上記活性層のほぼ全面
にわたって形成された第1の領域と上記活性層の所定の
幅のレーザ発振領域に電流を集中して注入するためのリ
ッジ部とからなる半導体レーザダイオードであって、上
記n型AlGaAs上クラッド層が、x≧0.4に設定
されたAlxGa1-xAsからなり、かつ6×1017cm
-3以下のキャリア濃度を有することを特徴とする。
基板を用いて構成された半導体レーザダイオードにおい
て、n型下クラッド層を特定の組成にし、かつキャリア
濃度を所定の値に設定することにより、良好な特性が得
られることを見いだして完成させたものである。すなわ
ち、本発明の半導体レーザダイオードは、p型GaAs
からなる半導体基板と、p型AlGaAs下クラッド層
を含み上記半導体基板上に形成されたp型半導体層領域
と、n型AlGaAs上クラッド層を含み上記p型半導
体層領域上に活性層を介して形成されたn型半導体層領
域とを備え、上記n型AlGaAs上クラッド層が、上
記活性層に光を閉じ込めるために上記活性層のほぼ全面
にわたって形成された第1の領域と上記活性層の所定の
幅のレーザ発振領域に電流を集中して注入するためのリ
ッジ部とからなる半導体レーザダイオードであって、上
記n型AlGaAs上クラッド層が、x≧0.4に設定
されたAlxGa1-xAsからなり、かつ6×1017cm
-3以下のキャリア濃度を有することを特徴とする。
【0006】また、上記半導体レーザダイオードにおい
てさらに、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ
部の両側にp型GaAsからなる電流ブロック層を形成
し、該電流ブロック層のキャリア濃度を1×1019cm
-3以上に設定すると、キャリアを活性層に効果的に閉じ
込めることができる。
てさらに、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ
部の両側にp型GaAsからなる電流ブロック層を形成
し、該電流ブロック層のキャリア濃度を1×1019cm
-3以上に設定すると、キャリアを活性層に効果的に閉じ
込めることができる。
【0007】また、上記半導体レーザダイオードにおい
て、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ部の両
側に一般式AlyGa1-yAsで表されるp型半導体から
なり0.5μm以上の膜厚を有する電流ブロック層を備
え、該電流ブロック層においてy≧xに設定しかつキャ
リア濃度を1×1018cm-3以上に設定すると、GaA
sを用いて電流ブロック層を形成した場合に比較してさ
らに電流ブロック効果をよくでき、しかも上記電流ブロ
ック層における光の吸収を小さくできる。
て、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ部の両
側に一般式AlyGa1-yAsで表されるp型半導体から
なり0.5μm以上の膜厚を有する電流ブロック層を備
え、該電流ブロック層においてy≧xに設定しかつキャ
リア濃度を1×1018cm-3以上に設定すると、GaA
sを用いて電流ブロック層を形成した場合に比較してさ
らに電流ブロック効果をよくでき、しかも上記電流ブロ
ック層における光の吸収を小さくできる。
【0008】さらに、上記半導体レーザダイオードで
は、より効果的な電流ブロック効果を得るために、上記
電流ブロック層は、1μm以上の膜厚を有しかつキャリ
ア濃度が3×1018cm-3以上であることが好ましい。
は、より効果的な電流ブロック効果を得るために、上記
電流ブロック層は、1μm以上の膜厚を有しかつキャリ
ア濃度が3×1018cm-3以上であることが好ましい。
【0009】また、上記半導体レーザダイオードにおい
て、ドループ特性を良好にするためには、両共振端面に
反射膜を形成しかつ該反射膜の反射率を60%以上、9
0%以下の範囲に設定することが好ましい。
て、ドループ特性を良好にするためには、両共振端面に
反射膜を形成しかつ該反射膜の反射率を60%以上、9
0%以下の範囲に設定することが好ましい。
【0010】さらに上記半導体レーザダイオードでは、
上記反射膜の反射率を70%以上、80%以下の範囲に
設定することが好ましい。
上記反射膜の反射率を70%以上、80%以下の範囲に
設定することが好ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施の形態について説明する。 実施の形態1.本発明の実施の形態1の半導体レーザダ
イオードは、図1に示すように、下面にp側の正電極1
7が形成されたp型GaAs基板11上に、p型AlG
aAsからなるp型下クラッド層12と、活性層13
と、n型AlGaAsからなるn型上クラッド層14
と、n型GaAsからなるコンタクト層16と、n側の
負電極18とが形成されている。そして、この実施の形
態1では、n型上クラッド層14は上記活性層に光を閉
じ込めるために上記活性層のほぼ全面にわたって形成さ
れた第1の領域141と所定の幅の電流経路を形成する
リッジ部142とによって構成される。尚、本明細書に
おいて、単にAlGaAsと記す場合は、GaAsにお
いてGaの一部がAlによって置換された化合物半導体
を総称して示すものとする。
る実施の形態について説明する。 実施の形態1.本発明の実施の形態1の半導体レーザダ
イオードは、図1に示すように、下面にp側の正電極1
7が形成されたp型GaAs基板11上に、p型AlG
aAsからなるp型下クラッド層12と、活性層13
と、n型AlGaAsからなるn型上クラッド層14
と、n型GaAsからなるコンタクト層16と、n側の
負電極18とが形成されている。そして、この実施の形
態1では、n型上クラッド層14は上記活性層に光を閉
じ込めるために上記活性層のほぼ全面にわたって形成さ
れた第1の領域141と所定の幅の電流経路を形成する
リッジ部142とによって構成される。尚、本明細書に
おいて、単にAlGaAsと記す場合は、GaAsにお
いてGaの一部がAlによって置換された化合物半導体
を総称して示すものとする。
【0012】ここで、特に、実施の形態1の半導体レー
ザダイオードでは、n型上クラッド層14を、一般式A
lxGa1-xAsで表されx≧0.4に設定されたn型A
lGaAs半導体で形成し、かつそのキャリア濃度を6
×1017cm-3以下に設定している。これによって、リ
ッジ部142を介して所定の幅に注入された電流が、第
1の領域で幅方向に拡がることを防止している。すなわ
ち、本実施の形態1では、一般式AlxGa1-xAsで表
されるn型上クラッド層14において、x≧0.4に設
定することにより、図3に示すように、電子移動度を比
較的小さい値に設定し、かつキャリア濃度を6×1018
cm-3以下に設定することにより、図2に示すように、
n型上クラッド層14の抵抗率を比較的大きい値に設定
している。尚、図3のグラフでは、xが0.4以上にお
いて、電子移動度がほぼ一定になることを示している
が、このx=0の変曲点は、半導体層の作成条件によつ
て若干変動する場合もあり、そのことを考慮すると本発
明では、x≧0.45に設定する事が好ましい。また、
n型上クラッド層14において、n型不純物として、S
i、Se等がドープされ、p型下クラッド層12には、
p型不純物としてZn、Mg等がドープされる。
ザダイオードでは、n型上クラッド層14を、一般式A
lxGa1-xAsで表されx≧0.4に設定されたn型A
lGaAs半導体で形成し、かつそのキャリア濃度を6
×1017cm-3以下に設定している。これによって、リ
ッジ部142を介して所定の幅に注入された電流が、第
1の領域で幅方向に拡がることを防止している。すなわ
ち、本実施の形態1では、一般式AlxGa1-xAsで表
されるn型上クラッド層14において、x≧0.4に設
定することにより、図3に示すように、電子移動度を比
較的小さい値に設定し、かつキャリア濃度を6×1018
cm-3以下に設定することにより、図2に示すように、
n型上クラッド層14の抵抗率を比較的大きい値に設定
している。尚、図3のグラフでは、xが0.4以上にお
いて、電子移動度がほぼ一定になることを示している
が、このx=0の変曲点は、半導体層の作成条件によつ
て若干変動する場合もあり、そのことを考慮すると本発
明では、x≧0.45に設定する事が好ましい。また、
n型上クラッド層14において、n型不純物として、S
i、Se等がドープされ、p型下クラッド層12には、
p型不純物としてZn、Mg等がドープされる。
【0013】Al組成比の上限値に関していえば、図3
に示すように、一般式AlxGa1-xAsで表されるn型
上クラッド層14において、x≧0.4以上では電子移
動度がほぼ一定値を示すので、xは1より小さければよ
く、n型上クラッド層14が必要とする屈折率に基づい
て1>x≧0.4の範囲内で所定の値に設定することが
できる。また、キャリア濃度の下限値に関していえば、
本発明は特にキャリア濃度の下限値によって限定される
ものではないが、電流経路としてのn型上クラッド層1
4の機能を考慮すると、抵抗率をあまり高くすることは
好ましくなく、5×1016cm-3以上に設定することが
好ましい。
に示すように、一般式AlxGa1-xAsで表されるn型
上クラッド層14において、x≧0.4以上では電子移
動度がほぼ一定値を示すので、xは1より小さければよ
く、n型上クラッド層14が必要とする屈折率に基づい
て1>x≧0.4の範囲内で所定の値に設定することが
できる。また、キャリア濃度の下限値に関していえば、
本発明は特にキャリア濃度の下限値によって限定される
ものではないが、電流経路としてのn型上クラッド層1
4の機能を考慮すると、抵抗率をあまり高くすることは
好ましくなく、5×1016cm-3以上に設定することが
好ましい。
【0014】以上のように構成された実施の形態1の半
導体レーザダイオードは、n型上クラッド層14におい
て、リッジ部142を介して所定の幅に注入された電流
が、第1の領域で幅方向に拡がることを防止できるの
で、活性領域に効率的に電流を注入するこができる。こ
れによって、p型GaAs基板11を用いて構成したア
ノードコモンタイプの半導体レーザダイオードにおい
て、n型GaAs基板を用いて構成された従来の半導体
レーザダイオードと同等またはそれ以上のレーザ発振特
性を得ることができる。また、配線構造を特に工夫する
ことなく、高速なnpnトランジスタを用いた駆動IC
と組み合わせることができ、1ビームの場合のみなら
ず、マルチビーム化した場合においても対応が可能であ
る。また、実施の形態1の半導体レーザダイオードは、
後述する実施の形態2,3のような電流ブロック層を備
えていないので、電流ブロック層を介してリークする電
流(図9において矢印101で示している。)がないの
で、しきい値を小さくでき、しかも高効率にできる。さ
らに、電流ブロック層が無い分製造工程を簡単にでき、
かつ再結晶成長時に問題となるポリ付着やピットの形成
を回避でき、信頼性のよい半導体レーザダイオードを製
造できる。
導体レーザダイオードは、n型上クラッド層14におい
て、リッジ部142を介して所定の幅に注入された電流
が、第1の領域で幅方向に拡がることを防止できるの
で、活性領域に効率的に電流を注入するこができる。こ
れによって、p型GaAs基板11を用いて構成したア
ノードコモンタイプの半導体レーザダイオードにおい
て、n型GaAs基板を用いて構成された従来の半導体
レーザダイオードと同等またはそれ以上のレーザ発振特
性を得ることができる。また、配線構造を特に工夫する
ことなく、高速なnpnトランジスタを用いた駆動IC
と組み合わせることができ、1ビームの場合のみなら
ず、マルチビーム化した場合においても対応が可能であ
る。また、実施の形態1の半導体レーザダイオードは、
後述する実施の形態2,3のような電流ブロック層を備
えていないので、電流ブロック層を介してリークする電
流(図9において矢印101で示している。)がないの
で、しきい値を小さくでき、しかも高効率にできる。さ
らに、電流ブロック層が無い分製造工程を簡単にでき、
かつ再結晶成長時に問題となるポリ付着やピットの形成
を回避でき、信頼性のよい半導体レーザダイオードを製
造できる。
【0015】実施の形態2.本発明に係る実施の形態2
の半導体レーザダイオードは、図4に示すように、実施
の形態1においてさらにn型上クラッド層14のリッジ
部142の両側にp型GaAsからなる電流ブロック層
15が形成され、n型上クラッド層14上(リッジ部1
42上)と電流ブロック層15上とに、コンタクト層1
6を介してn側の負電極18が形成されている。尚、実
施の形態2において、上述以外の点は実施の形態1と同
様に形成される。
の半導体レーザダイオードは、図4に示すように、実施
の形態1においてさらにn型上クラッド層14のリッジ
部142の両側にp型GaAsからなる電流ブロック層
15が形成され、n型上クラッド層14上(リッジ部1
42上)と電流ブロック層15上とに、コンタクト層1
6を介してn側の負電極18が形成されている。尚、実
施の形態2において、上述以外の点は実施の形態1と同
様に形成される。
【0016】ここで、リッジ部142の両側に形成され
た電流ブロック層15として形成されたp型GaAs層
は、通常ブロック層として形成される条件(キャリア濃
度が1〜3×1018cm-3であって、厚さが1μm程
度)では、電子の拡散長が長いために必要な電流ブロッ
ク効果を得ることが困難である。例えば、電子の拡散長
を考慮すると、1〜3×1018cm-3程度のキャリア濃
度のp型GaAs層で、十分な電流ブロック効果を得る
ためには、3〜5μm程度の厚さを必要とし、構造及び
製造上実用的でない。そこで、本実施の形態2では、p
型GaAsからなる電流ブロック層15において、その
キャリア濃度を1×1019cm-3以上に設定することに
より、膜厚が1μm程度でも十分な電流ブロック効果を
得ている。すなわち、本発明は、p型GaAsからなる
電流ブロック層15において、そのキャリア濃度を1×
1019cm-3以上に設定することにより、膜厚が1μm
程度でも十分な電流ブロック効果が得られることを見い
だして完成させたものである。
た電流ブロック層15として形成されたp型GaAs層
は、通常ブロック層として形成される条件(キャリア濃
度が1〜3×1018cm-3であって、厚さが1μm程
度)では、電子の拡散長が長いために必要な電流ブロッ
ク効果を得ることが困難である。例えば、電子の拡散長
を考慮すると、1〜3×1018cm-3程度のキャリア濃
度のp型GaAs層で、十分な電流ブロック効果を得る
ためには、3〜5μm程度の厚さを必要とし、構造及び
製造上実用的でない。そこで、本実施の形態2では、p
型GaAsからなる電流ブロック層15において、その
キャリア濃度を1×1019cm-3以上に設定することに
より、膜厚が1μm程度でも十分な電流ブロック効果を
得ている。すなわち、本発明は、p型GaAsからなる
電流ブロック層15において、そのキャリア濃度を1×
1019cm-3以上に設定することにより、膜厚が1μm
程度でも十分な電流ブロック効果が得られることを見い
だして完成させたものである。
【0017】以上のように構成された実施の形態2の半
導体レーザダイオードは、実施の形態1と同様の効果を
有し、さらに、電流ブロック層15によってキャリア閉
じ込め効果を向上させることができるので、高効率動作
をさせることができる。
導体レーザダイオードは、実施の形態1と同様の効果を
有し、さらに、電流ブロック層15によってキャリア閉
じ込め効果を向上させることができるので、高効率動作
をさせることができる。
【0018】実施の形態3.本発明に係る実施の形態3
の半導体レーザダイオードは、図5に示すように、実施
の形態2のp型GaAsからなる電流ブロック層15に
代えて、一般式AlyGa1-yAsで表わされるp型の半
導体からなる電流ブロック層35を用いた以外は、実施
の形態2と同様に構成される。ここで、実施の形態3に
おいて、効果的な電流ブロック効果を得るために、電流
ブロック層35におけるAlの含有量が、AlxGa1-x
Asからなるn型上クラッド層14に比較して多くなる
ように(y>x)設定し、かつ電流ブロック層35のキ
ャリア濃度を1×1018cm-3以上に設定し、しかも電
流ブロック層35の膜厚は0.5μm以上に設定してい
る。尚、本実施の形態3において、さらに効果的な電流
ブロック効果を得るために、電流ブロック層35のキャ
リア濃度を3×1018cm-3以上に設定し、電流ブロッ
ク層35の膜厚を1μm以上に設定することが好まし
い。
の半導体レーザダイオードは、図5に示すように、実施
の形態2のp型GaAsからなる電流ブロック層15に
代えて、一般式AlyGa1-yAsで表わされるp型の半
導体からなる電流ブロック層35を用いた以外は、実施
の形態2と同様に構成される。ここで、実施の形態3に
おいて、効果的な電流ブロック効果を得るために、電流
ブロック層35におけるAlの含有量が、AlxGa1-x
Asからなるn型上クラッド層14に比較して多くなる
ように(y>x)設定し、かつ電流ブロック層35のキ
ャリア濃度を1×1018cm-3以上に設定し、しかも電
流ブロック層35の膜厚は0.5μm以上に設定してい
る。尚、本実施の形態3において、さらに効果的な電流
ブロック効果を得るために、電流ブロック層35のキャ
リア濃度を3×1018cm-3以上に設定し、電流ブロッ
ク層35の膜厚を1μm以上に設定することが好まし
い。
【0019】この実施の形態3において、電流ブロック
層35として形成したp型AlGaAsは、実施の形態
2の電流ブロック層15に用いたGaAsに比較して、
(1)電子移動度が小さく(GaAsの電子移動度が5
000cm2/Vsであるのに対し、例えばAl0.4Ga
0.6Asの電子移動度は4000cm2/Vsであ
る。)、(2)しかもキャリア寿命が短い(例えば、キ
ャリア濃度が1×1017cm-3の時の、GaAsのキャ
リア寿命は20nsecであるのに対し、Al0.4Ga
0.6Asのキャリア寿命は数nsecである。)。従っ
て、電流ブロック層35の電子拡散長は、実施の形態2
の電流ブロック層15の電子拡散長に比較して短くでき
る。例えば、上述の(1)(2)の括弧内に示した電子
移動度とキャリア濃度とを用いて、電子拡散長を計算す
ると、電流ブロック層35の電子拡散長は、実施の形態
2の電流ブロック層15の電子拡散長の概略20%にな
る。
層35として形成したp型AlGaAsは、実施の形態
2の電流ブロック層15に用いたGaAsに比較して、
(1)電子移動度が小さく(GaAsの電子移動度が5
000cm2/Vsであるのに対し、例えばAl0.4Ga
0.6Asの電子移動度は4000cm2/Vsであ
る。)、(2)しかもキャリア寿命が短い(例えば、キ
ャリア濃度が1×1017cm-3の時の、GaAsのキャ
リア寿命は20nsecであるのに対し、Al0.4Ga
0.6Asのキャリア寿命は数nsecである。)。従っ
て、電流ブロック層35の電子拡散長は、実施の形態2
の電流ブロック層15の電子拡散長に比較して短くでき
る。例えば、上述の(1)(2)の括弧内に示した電子
移動度とキャリア濃度とを用いて、電子拡散長を計算す
ると、電流ブロック層35の電子拡散長は、実施の形態
2の電流ブロック層15の電子拡散長の概略20%にな
る。
【0020】以上のように構成された実施の形態3の半
導体レーザダイオードは、電流ブロック層35の電子拡
散長を実施の形態2の電流ブロック層15の電子拡散長
より短くできるので、電流ブロック効果をさらによくで
き、より高効率特性が得られる。また、実施の形態3の
半導体レーザダイオードは、GaAsに比べてレーザ発
振した光の吸収の少ないAlGaAsからなる電流ブロ
ック層35を備えているので、実質的に屈折率導波構造
となるため、実施の形態2に比較してしきい値を低くで
きる。
導体レーザダイオードは、電流ブロック層35の電子拡
散長を実施の形態2の電流ブロック層15の電子拡散長
より短くできるので、電流ブロック効果をさらによくで
き、より高効率特性が得られる。また、実施の形態3の
半導体レーザダイオードは、GaAsに比べてレーザ発
振した光の吸収の少ないAlGaAsからなる電流ブロ
ック層35を備えているので、実質的に屈折率導波構造
となるため、実施の形態2に比較してしきい値を低くで
きる。
【0021】実施の形態4.本発明に係る実施の形態4
の半導体レーザダイオードは、図6に示すように、実施
の形態3の半導体レーザダイオードにおいて、さらに、
共振端面にそれぞれ、反射率が60%〜90%に設定さ
れた反射層10,20を形成したことを特徴とする。こ
れによって、例えば、レーザビームプリンタやレーザビ
ーム複写機に用いられる半導体レーザダイオードに要求
される低いドループ特性を得ている。ここで、ドループ
特性とは、図7(a)に示すような一定の電流を注入し
た場合において、レーザ発振が開始されてから一定時間
(tw)が経過した後の光出力の変化率(低下率)を表
す指標である(図7(b))。この光出力の変化は、主
として、レーザ発振に伴う発熱によって引き起こされ
る。
の半導体レーザダイオードは、図6に示すように、実施
の形態3の半導体レーザダイオードにおいて、さらに、
共振端面にそれぞれ、反射率が60%〜90%に設定さ
れた反射層10,20を形成したことを特徴とする。こ
れによって、例えば、レーザビームプリンタやレーザビ
ーム複写機に用いられる半導体レーザダイオードに要求
される低いドループ特性を得ている。ここで、ドループ
特性とは、図7(a)に示すような一定の電流を注入し
た場合において、レーザ発振が開始されてから一定時間
(tw)が経過した後の光出力の変化率(低下率)を表
す指標である(図7(b))。この光出力の変化は、主
として、レーザ発振に伴う発熱によって引き起こされ
る。
【0022】以下に、半導体レーザダイオードの諸特性
とドループ特性との関係について説明する。まず、発振
開始時(T=0)における光出力をPaとし、一定時間
tw経過後の光出力をPbとすると、光出力の変化量Δ
Pは、次の式1で表される。
とドループ特性との関係について説明する。まず、発振
開始時(T=0)における光出力をPaとし、一定時間
tw経過後の光出力をPbとすると、光出力の変化量Δ
Pは、次の式1で表される。
【0023】
【数1】 ΔP={(Pa−Pb)/Pb}×100…式1
【0024】このとき、光出力の変化の原因を活性領域
(活性層13)の温度上昇によるしきい値電流の増大と
考えると、光出力Pa,Pbは、それぞれ次の式2、式
3で表される。
(活性層13)の温度上昇によるしきい値電流の増大と
考えると、光出力Pa,Pbは、それぞれ次の式2、式
3で表される。
【0025】
【数2】Pa=ηf×(Iop−Ith)…式2
【数3】 Pb=ηf×{Iop−Ithexp(ΔT/T0)}…式3
【0026】ここで、式2,3において、Ithはしきい
値電流であり、Iopは動作電流であり、ηfは前面スロ
ープ効率であり、ΔTは活性領域における上昇温度であ
り、T0は特性温度である。次に、式2,3を式1に代
入すると式1で表される変化量ΔPは次の式4で表され
る。
値電流であり、Iopは動作電流であり、ηfは前面スロ
ープ効率であり、ΔTは活性領域における上昇温度であ
り、T0は特性温度である。次に、式2,3を式1に代
入すると式1で表される変化量ΔPは次の式4で表され
る。
【0027】
【数4】 ΔP=Ith×{exp(ΔT/T0)−1}/{Iop−Ithexp(ΔT/T0)}…式4
【0028】ここで、式4において、ΔT≪T0である
ことを用いると、変化量ΔPは近似的に次の式5で表さ
れる。
ことを用いると、変化量ΔPは近似的に次の式5で表さ
れる。
【0029】
【数5】 ΔP=[1/{(Iop/Ith)−1}]×(ΔT/T0)…式5
【0030】式5から、しきい値電流Ithを小さくし、
動作電流Iopを大きくする(スロープ効率を小さくす
る)ことが、変化量ΔPを小さくするために有効である
ことがわかる。ここで、スロープ効率とは、しきい値以
上の電流における、(光出力の増加量/電流の増加量Δ
I)で表され、例えば、図8のグラフにおいて、直線2
01,202の傾きに対応する。例えば、図8のグラフ
において直線201で表されるものは、直線202で表
されるものよりスロープ効率は高い。しかしながら、実
施の形態1,3で説明した屈折率導波タイプの半導体レ
ーザダイオードは、実施の形態2で示した利得導波構造
の半導体レーザダイオードに比較して、高スロープ効率
を有するので、変化量ΔPが大きくなる。そこで、本実
施の形態4では、端面反射率を上述したように大きくす
ることにより、スロープ効率を小さくし、変化量ΔPを
小さくなるように構成している。尚、このスロープ効率
を低くする方法としては、共振器長を長くする方法も考
えられるが、共振器長を長くするとしきい値が高くなる
ため好ましくない。また、ドループ特性を考えると、変
化量ΔPを小さくするためには、しきい値を小さくして
スロープ効率を低くすることが有効であるから、共振器
長を長くして、スロープ効率を低くしてもしきい値が高
くなるため、しきい値が高くなる分、スロープ効率を高
くするように働き、効果的に変化量ΔPを小さくするこ
とはできない。従って、共振器長を長くするよりも、端
面反射率を調整する方がスロープ効率を低くするという
点では効果的である。
動作電流Iopを大きくする(スロープ効率を小さくす
る)ことが、変化量ΔPを小さくするために有効である
ことがわかる。ここで、スロープ効率とは、しきい値以
上の電流における、(光出力の増加量/電流の増加量Δ
I)で表され、例えば、図8のグラフにおいて、直線2
01,202の傾きに対応する。例えば、図8のグラフ
において直線201で表されるものは、直線202で表
されるものよりスロープ効率は高い。しかしながら、実
施の形態1,3で説明した屈折率導波タイプの半導体レ
ーザダイオードは、実施の形態2で示した利得導波構造
の半導体レーザダイオードに比較して、高スロープ効率
を有するので、変化量ΔPが大きくなる。そこで、本実
施の形態4では、端面反射率を上述したように大きくす
ることにより、スロープ効率を小さくし、変化量ΔPを
小さくなるように構成している。尚、このスロープ効率
を低くする方法としては、共振器長を長くする方法も考
えられるが、共振器長を長くするとしきい値が高くなる
ため好ましくない。また、ドループ特性を考えると、変
化量ΔPを小さくするためには、しきい値を小さくして
スロープ効率を低くすることが有効であるから、共振器
長を長くして、スロープ効率を低くしてもしきい値が高
くなるため、しきい値が高くなる分、スロープ効率を高
くするように働き、効果的に変化量ΔPを小さくするこ
とはできない。従って、共振器長を長くするよりも、端
面反射率を調整する方がスロープ効率を低くするという
点では効果的である。
【0031】この端面反射率は、上述のように60%〜
90%の間の所定の値に設定することが好ましく、これ
によって、反射膜10,20を形成しない場合(劈開面
の反射を利用した場合)の40%〜80%のスロープ効
率に設定することができる。尚、反射膜10,20を形
成しない場合(劈開面の反射を利用した場合)のスロー
プ効率は、例えば、共振器長が300μm程度の半導体
レーザダイオードでは0.4〜0.6W/A程度であ
る。
90%の間の所定の値に設定することが好ましく、これ
によって、反射膜10,20を形成しない場合(劈開面
の反射を利用した場合)の40%〜80%のスロープ効
率に設定することができる。尚、反射膜10,20を形
成しない場合(劈開面の反射を利用した場合)のスロー
プ効率は、例えば、共振器長が300μm程度の半導体
レーザダイオードでは0.4〜0.6W/A程度であ
る。
【0032】以上のように構成された実施の形態4の半
導体レーザダイオードは、共振器端面に反射膜10,2
0を形成し、かつ反射膜10,20の反射率を60%〜
90%に設定しているので、反射膜10,20の反射率
に対応した比較的低いスロープ効率に設定でき、ドルー
プ特性を改善できる。
導体レーザダイオードは、共振器端面に反射膜10,2
0を形成し、かつ反射膜10,20の反射率を60%〜
90%に設定しているので、反射膜10,20の反射率
に対応した比較的低いスロープ効率に設定でき、ドルー
プ特性を改善できる。
【0033】以上の実施の形態1〜4では、活性層13
に接するようにp型下クラッド層12を形成し、活性層
13に接するようにn型上クラッド層14を形成してい
る。しかしながら、本発明はこれに限らず、活性層13
とp型下クラッド層12との間、及び/又は活性層13
とn型上クラッド層14との間に、光ガイド層を形成し
てもよい。以上のように構成しても、実施の形態1〜3
と同様の作用効果を有する。また、本発明においては、
上述の光ガイド層に限らず、n側半導体層領域及び/又
はp側半導体層領域に他の半導体層が形成されていても
よい。すなわち、本発明は、p型GaAs基板を用い、
n側半導体層領域にn型上クラッド層を有しかつp側半
導体層領域にp型下クラッド層を有するものであって、
n側半導体層領域とp側半導体層領域との間に活性層を
有する構成であればよい。
に接するようにp型下クラッド層12を形成し、活性層
13に接するようにn型上クラッド層14を形成してい
る。しかしながら、本発明はこれに限らず、活性層13
とp型下クラッド層12との間、及び/又は活性層13
とn型上クラッド層14との間に、光ガイド層を形成し
てもよい。以上のように構成しても、実施の形態1〜3
と同様の作用効果を有する。また、本発明においては、
上述の光ガイド層に限らず、n側半導体層領域及び/又
はp側半導体層領域に他の半導体層が形成されていても
よい。すなわち、本発明は、p型GaAs基板を用い、
n側半導体層領域にn型上クラッド層を有しかつp側半
導体層領域にp型下クラッド層を有するものであって、
n側半導体層領域とp側半導体層領域との間に活性層を
有する構成であればよい。
【0034】また、本発明は、以上の実施の形態1〜4
で示した構成の半導体レーザダイオードに限定されるも
のではなく、VSIS型、SIS型等の他の構造を有す
る半導体レーザダイオードにも適用することができる。
すなわち、p型GaAs基板を用い、n型クラッド層に
おいて、電流を狭窄する構造を有する半導体レーザダイ
オードであれば適用できる。
で示した構成の半導体レーザダイオードに限定されるも
のではなく、VSIS型、SIS型等の他の構造を有す
る半導体レーザダイオードにも適用することができる。
すなわち、p型GaAs基板を用い、n型クラッド層に
おいて、電流を狭窄する構造を有する半導体レーザダイ
オードであれば適用できる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
本発明に係る半導体レーザダイオードは、p型GaAs
からなる半導体基板を用いて構成され、上記n型AlG
aAs上クラッド層が、x≧0.4に設定されたAlx
Ga1-xAsからなり、かつ6×1017cm-3以下のキ
ャリア濃度を有する。これによって、上記リッジ部を介
して注入された電流が、上記第1の領域において拡がる
ことを防止できるので、n型GaAs基板を用いて構成
した従来例の半導体レーザダイオードと同等又はそれ以
上の性能が得られ、さらに、pnpトランジスタと組み
合わせて用いることができる。
本発明に係る半導体レーザダイオードは、p型GaAs
からなる半導体基板を用いて構成され、上記n型AlG
aAs上クラッド層が、x≧0.4に設定されたAlx
Ga1-xAsからなり、かつ6×1017cm-3以下のキ
ャリア濃度を有する。これによって、上記リッジ部を介
して注入された電流が、上記第1の領域において拡がる
ことを防止できるので、n型GaAs基板を用いて構成
した従来例の半導体レーザダイオードと同等又はそれ以
上の性能が得られ、さらに、pnpトランジスタと組み
合わせて用いることができる。
【0036】また、上記半導体レーザダイオードにおい
てさらに、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ
部の両側にp型GaAsからなる電流ブロック層を形成
し、該電流ブロック層のキャリア濃度を1×1019cm
-3以上に設定すると、キャリアを活性層に効果的に閉じ
込めることができ、高効率動作をさせることができる。
てさらに、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ
部の両側にp型GaAsからなる電流ブロック層を形成
し、該電流ブロック層のキャリア濃度を1×1019cm
-3以上に設定すると、キャリアを活性層に効果的に閉じ
込めることができ、高効率動作をさせることができる。
【0037】また、上記半導体レーザダイオードにおい
て、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ部の両
側に一般式AlyGa1-yAsで表され0.5μm以上の
膜厚の電流ブロック層を形成し、キャリア濃度を1×1
018cm-3以上に設定することにより、電流ブロック効
果をよくできかつ上記n型AlGaAsにおける光の吸
収を小さくできるので、低い電流値で高効率動作をさせ
ることができる。
て、上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ部の両
側に一般式AlyGa1-yAsで表され0.5μm以上の
膜厚の電流ブロック層を形成し、キャリア濃度を1×1
018cm-3以上に設定することにより、電流ブロック効
果をよくできかつ上記n型AlGaAsにおける光の吸
収を小さくできるので、低い電流値で高効率動作をさせ
ることができる。
【0038】さらに、上記半導体レーザダイオードで
は、上記電流ブロック層を、1μm以上の膜厚に形成
し、キャリア濃度を3×1018cm-3以上に設定するこ
とにより、さらに電流ブロック効果をよくでき、より高
効率動作をさせることができる。
は、上記電流ブロック層を、1μm以上の膜厚に形成
し、キャリア濃度を3×1018cm-3以上に設定するこ
とにより、さらに電流ブロック効果をよくでき、より高
効率動作をさせることができる。
【0039】また、上記半導体レーザダイオードにおい
て、両共振端面に反射膜を形成しかつ該反射膜の反射率
を60%以上、90%以下の範囲に設定することによ
り、ドループ特性を良くでき、レーザビームプリンタや
レーザビーム複写機に適用可能な、半導体レーザダイオ
ードを提供できる。
て、両共振端面に反射膜を形成しかつ該反射膜の反射率
を60%以上、90%以下の範囲に設定することによ
り、ドループ特性を良くでき、レーザビームプリンタや
レーザビーム複写機に適用可能な、半導体レーザダイオ
ードを提供できる。
【0040】さらに上記半導体レーザダイオードでは、
上記反射膜の反射率を70%以上、80%以下の範囲に
設定することにより、さらに良好なドループ特性が得ら
れる。
上記反射膜の反射率を70%以上、80%以下の範囲に
設定することにより、さらに良好なドループ特性が得ら
れる。
【図1】 本発明に係る実施の形態1の半導体レーザダ
イオードの模式断面図である。
イオードの模式断面図である。
【図2】 AlxGa1-xAs半導体(x=0.48)に
Seをドープしたときの、キャリア濃度に対する抵抗率
を示すグラフである。
Seをドープしたときの、キャリア濃度に対する抵抗率
を示すグラフである。
【図3】 AlxGa1-xAs半導体において、Al組成
Xに対する電子移動度を示すグラフである。
Xに対する電子移動度を示すグラフである。
【図4】 本発明に係る実施の形態2の半導体レーザダ
イオードの模式断面図である。
イオードの模式断面図である。
【図5】 本発明に係る実施の形態3の半導体レーザダ
イオードの模式断面図である。
イオードの模式断面図である。
【図6】 本発明に係る実施の形態4の半導体レーザダ
イオードの模式断面図である。
イオードの模式断面図である。
【図7】 ドループ特性を説明するためのグラフであ
る。
る。
【図8】 スロープ効率を説明するために模式的に描い
たグラフである。
たグラフである。
【図9】 リーク電流及び上クラッド層における電流の
拡がりを示す模式断面図である。
拡がりを示す模式断面図である。
【図10】 従来例の半導体レーザダイオードの模式断
面図である。
面図である。
11 p型GaAs基板、12 p型下クラッド層、1
3 活性層、14 n型上クラッド層、16 コンタク
ト層、17 負電極、18 正電極。
3 活性層、14 n型上クラッド層、16 コンタク
ト層、17 負電極、18 正電極。
Claims (6)
- 【請求項1】 p型GaAsからなる半導体基板と、p
型AlGaAs下クラッド層を含み上記半導体基板上に
形成されたp型半導体層領域と、n型AlGaAs上ク
ラッド層を含み上記p型半導体層領域上に活性層を介し
て形成されたn型半導体層領域とを備え、上記n型Al
GaAs上クラッド層が、上記活性層に光を閉じ込める
ために上記活性層のほぼ全面にわたって形成された第1
の領域と上記活性層の所定の幅のレーザ発振領域に電流
を集中して注入するためのリッジ部とからなる半導体レ
ーザダイオードであって、 上記n型AlGaAs上クラッド層が、x≧0.4に設
定されたAlxGa1-xAsからなり、かつ6×1017c
m-3以下のキャリア濃度を有することを特徴とする半導
体レーザダイオード。 - 【請求項2】 上記半導体レーザダイオードはさらに、
上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ部の両側に
p型GaAsからなる電流ブロック層を有し、該電流ブ
ロック層のキャリア濃度を1×1019cm-3以上に設定
した請求項1記載の半導体レーザダイオード。 - 【請求項3】 上記半導体レーザダイオードはさらに、
上記n型AlGaAs上クラッド層のリッジ部の両側
に、一般式AlyGa1-yAsで表されるp型半導体から
なり0.5μm以上の膜厚を有する電流ブロック層を備
え、該電流ブロック層においてy≧xに設定しかつキャ
リア濃度を1×1018cm-3以上に設定した請求項1記
載の半導体レーザダイオード。 - 【請求項4】 上記電流ブロック層は、1μm以上の膜
厚を有しかつキャリア濃度が3×1018cm-3以上であ
る請求項3記載の半導体レーザダイオード。 - 【請求項5】 上記半導体レーザダイオードはさらに、
両共振端面に反射膜を有しかつ該反射膜の反射率を60
%以上、90%以下の範囲に設定した請求項1〜4のう
ちのいずれか1つに記載の半導体レーザダイオード。 - 【請求項6】 上記反射膜の反射率を70%以上、80
%以下の範囲に設定した請求項5記載の半導体レーザダ
イオード。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9303071A JPH11145547A (ja) | 1997-11-05 | 1997-11-05 | 半導体レーザダイオード |
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