WO2002021578A1 - Element laser semi-conducteur - Google Patents

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Takeshi Koiso
Tsuyoshi Fujimoto
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Mitsui Chemicals Inc.
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    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs

Definitions

  • the present invention relates to a high-power semiconductor laser having a current non-injection region near an end face, and particularly to a high end face optical damage level and high reliability in long-term continuous operation.
  • Semiconductor laser devices are used in various fields, including pumping light sources for optical amplifiers used in the communication field. High power operation may be required for these lasers. However, there is a problem that it is difficult to obtain a semiconductor laser having a sufficient life in high-power operation. In general, it is known that the main cause of deterioration of semiconductor lasers is catastrophic optical damage (COD) at the end face. Optical damage destruction is caused by the following process. First, non-radiative recombination occurs due to defects near the end face, causing a temperature rise. The rise in temperature also causes the bandgap to shrink and reabsorb light, leading to a vicious cycle when the temperature rises further. Through these processes, melting of the end face is induced, the light output is reduced, and irreversible blasting occurs.
  • COD catastrophic optical damage
  • One way to prevent optical damage from destruction at the end face is to use a method in which no current is injected near the end face. In this case, the current injection to the vicinity of the end face is suppressed, so that the state is not excited near the end face. For this reason, non-radiative recombination is suppressed, and the level of end face optical damage can be improved.
  • a method of implanting ions near the end surface to make the end surface non-current-injected may damage the semiconductor laser device.
  • each of these end face current block structures is formed apart from the waveguide layer. When a current block structure is provided, it is conceivable that the current may sneak. It is considered that the current wraparound has a greater effect when the distance between the current block structure and the active layer is longer.
  • any of the above-mentioned prior arts is not always a preferable method for forming a current block structure near the end face.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and has a current block structure near the end face with a structure that is easy to manufacture, does not damage semiconductor laser elements, and minimizes characteristic deterioration. It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device having a high level of optical damage due to end face damage and high reliability in long-term continuous operation.
  • the present invention provides an n-type and p-type cladding layer formed so as to sandwich an active layer, and an n-type and p-type cladding layer sandwiching the outside of these waveguide layers.
  • a semiconductor laser device comprising a first current block layer formed and defining a stripe-shaped current injection region extending in a direction connecting a front end surface from which laser light is emitted and a rear end surface facing the front end surface, A second current block layer formed so as to cross the stripe-shaped current injection region near the front end face, wherein the first current block layer and the second current block layer are semiconductor laser elements formed of the same layer. is there.
  • one side or both sides of the first current block layer formed so as to sandwich the stripe-shaped current injection region extending in the cavity direction. Since the second current block layer for preventing current injection in the vicinity of the side end face is formed with the same layer, that is, with the same composition and the same film thickness, manufacture is easy, and compared with the conventional case at the time of manufacture. Since the number of processing steps does not increase, the current block structure can be provided near the end face without damaging the semiconductor laser element. As a result, a semiconductor laser device having a high level of edge optical damage and destruction and high reliability in long-term continuous operation can be provided.
  • a current block layer may be provided not only on the front end face but also near the rear end face. One of both sides of the second current blocking layer reaches the end face.
  • a refractive index waveguide structure can be formed by providing an equivalent refractive index difference between the current injection region and the region where the current block layer exists. Furthermore, a carrier block layer having an energy gap larger than that of the waveguide layer is provided between the active layer and the waveguide layer to confine carriers and expand the waveguide mode in the epitaxy direction. The concentration of the light intensity on the layer can be suppressed to further increase the level of damage to the end face optical damage.
  • the first and second current blocking layers be formed in the waveguide layer.
  • the first and second current block layers may be formed adjacent to the waveguide layer.
  • the width of the second current block layer is practically preferably 2 to 25 ⁇ um.
  • the waveguide layer near the end face is formed by the low refractive index layer near the end face. The profile can be shifted from the active layer.
  • the beam energy density near the active layer near the end face can be reduced, and a semiconductor laser element with a large improvement in the end face optical damage level and high reliability in long-term continuous operation can be provided.
  • the waveguide layer is near the active layer, the influence of the current sneak into the active layer can be reduced by providing the end face current block structure in the waveguide layer.
  • the level of optical damage at the end face can be improved, and the current block area necessary for ensuring high reliability in long-term continuous operation can be reduced. . If the current block area can be narrowed, the effect of light absorption in this area can be reduced. Characteristics (threshold, slope efficiency, temperature characteristics, etc.) can be minimized.
  • the active layer of the semiconductor laser device of the present invention is made of InGaAs, and the waveguide layer is made of GaAs not containing A1.
  • InGaAs for the quantum well of the active layer, it becomes possible to use GaAs without A1 for the waveguide layer. Accordingly, in the process of forming the current blocking layer, there is no oxidation at the regrowth interface, so that the process is stable and a good film can be formed. Also, by using a GaAs waveguide layer that does not contain A1, the electric resistance and the thermal resistance can be reduced.
  • the waveguide mode near the end face will be affected by this layer.
  • the waveguide mode can be controlled by changing the position of the current block layer near the end face embedded in the waveguide layer, the distance from the end face, and the refractive index.
  • the beam energy density near the active layer is represented by the optical confinement coefficient ⁇ .
  • ⁇ The beam energy density near the active layer.
  • the relationship of n is
  • the beam energy density near the active layer at the end face is reduced
  • the light confinement coefficient at the position of the current injection region ⁇ ld Injeeti . n is 0.084, and the optical confinement coefficient in the film thickness direction at the current non-injection region near the end face is ld ld Non . injecti . n is 0.0071, and the beam energy density near the active layer near the end face is reduced.
  • the formula for calculating the optical confinement coefficient 1 of the one-dimensional slab waveguide used at this time is as follows: It is.
  • E (x) is the electric field in the film thickness direction
  • a and B are the maximum and minimum values of the electric field coordinates, respectively.
  • a and b are values determined by the boundary of the active layer.
  • the guided mode propagates the beam dynamically.
  • the manner in which the waveguide mode is affected by the current block layer near the end face can be analyzed by, for example, computer simulation using the beam propagation method.
  • FIG. 7 shows the structure shown in FIG. 3 of an embodiment to be described later. Of both sides of the current block layer 23 provided at the front end, the side opposite to the side contacting the front end face 40 is shown.
  • E (x, y) is the electric field
  • (A, B) and (C, D) are the maximum and minimum values of the electric field coordinates, respectively.
  • (A, b) and (c, d) are values determined by the boundaries of the active layer.
  • the width of the current blocking layer at the end face is around 5 // m, and the optical confinement coefficient is minimal at around 15 / z m.
  • the optimum value of the width of the current block layer near the end face that minimizes the light confinement coefficient of the end face is appropriately designed according to the layer configuration.
  • the width at which the light confinement coefficient is minimized also changes by changing the position, width, and refractive index of the current block layer near the end face.
  • FIG. 1A is a perspective view of an example of the semiconductor laser device of the present invention
  • FIG. 1B is a partially enlarged view thereof.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the current block layer according to the present invention.
  • 3A to 3C are cross-sectional views of the semiconductor laser device shown in FIG.
  • 4A to 4C are diagrams showing the steps of manufacturing the semiconductor laser shown in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing the output characteristics of the semiconductor laser device.
  • FIG. 6A and FIG. 6B are diagrams showing the change over time of the injection current of the semiconductor laser device.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the width of the current non-injection region at the end face and the light confinement coefficient.
  • FIG. 1A is a perspective view showing an example of a semiconductor laser device of the present invention
  • FIG. 2 shows a layer structure virtually divided for easy understanding of a current block layer 23 according to the present invention.
  • Figure 3A to 3C are cross-sectional views of FIG. 2, and FIG. 3A is a cross section taken in a direction A—A ′ perpendicular to the laser cavity length direction, and is located away from the emission end face (front end face) and the rear end face. is there.
  • FIG. 3B shows a cross section BB ′ parallel to AA ′ near the emission end face.
  • Figure 3C is a cross section taken along line C-C 'of the center of the stripe where light is guided in the cavity length direction.
  • a buffer layer 32, an n-side cladding layer 31, an n-side waveguide layer 30, an active layer region 35, a p-side waveguide layer 24, and a current block layer are formed on an n_GaAs substrate 33.
  • 23, a p-side waveguide layer 22, a p-side cladding layer 21, and a p-side cap layer 20 are formed.
  • the active layer region 35 has an active layer 27 composed of an n-side carrier block layer 29, an n-side side barrier layer 28, a quantum well layer and a barrier layer interpolating them, and an p-side It comprises a side barrier layer 26 and a p-side carrier block layer 25.
  • the current block layers 23 are provided on both sides of the stripe so as to define the stripe S in the resonator length direction, and are provided across the stripe S near the front end face 40 and the rear end face 41.
  • FIG. 4A to 4C show the cross-sections taken along the line AA ′ of FIG. 2 arranged in the order of the manufacturing process.
  • Figure 4A the n-type
  • a buffer layer 32 A 1 0. 09 G a 0. 91 A s (2.5 ⁇ m) made of n-type (1 X 10 24 nf 3) clad layer 3 1, G a A s ( 0.45 / im) made of n-type (1 X 10 23 m- 3) waveguide layer 30, A 1 0. 4 .G a A s (0.02 111) made of n-type (1 X 10 24 m- 3) Kiyaryapurokku layer 2 9, A 1 0-1 G a. . 9 A s Saidobaria layer 28 made of (0.05 ⁇ ), 2 pieces of I n 018 G a 0.
  • . 9 A s active layer 27 composed of a barrier layer made of (0.006 ⁇ m), A 1 a 0. 9 A s Sa Idobaria layer 26 made of (0.05 ⁇ m), A 1 o. 4 G a 0. 6 A s (0.02 ⁇ m) p-type (1 ⁇ 10 24 m— 3 ) carrier block layer 25, G a s (0.1 m) p-type (1 ⁇ 10 24 m— 3 ) conduction
  • the wave layer 24 is sequentially grown.
  • the MOCVD method was used for the first crystal growth, other crystal growth methods such as the MBE method can be used.
  • the substrate on which the crystal was grown in this manner was taken out of the crystal growth apparatus and put into, for example, an electron beam evaporation apparatus, and a mask 34 of, for example, SiO 2 was formed on the entire surface. Thereafter, the mask other than the central region that becomes the striped window is removed by using photolithography technology to form a striped mask 34. At this time, the mask near the end face is also removed to form a current non-injection region on the end face. Since the mask 34 is extremely thin, it can be formed with high accuracy and high reproducibility even by the conventional photolithography technology.
  • the substrate with the mask 34 is returned to the crystal growth apparatus, and the ⁇ -type (1 ⁇ 10 24 m ′′ 3 ) A is placed on the p-type (1 ⁇ 10 24 ⁇ 3 ) waveguide layer 24. 1.,. 9 when G a .. 91 a s (0. 18 / m) or Ranaru current blocking layer 2 3 is selectively grown, as shown in FIG. 4 B, crystals in the region where the mask 3 4 adheres A layer structure in which growth is not performed is obtained Remove the mask 34 with, for example, a hydrofluoric acid aqueous solution
  • the current blocking layer may have a layer structure of two or more layers. After the formation, only the central region through which the current flows may be removed by the etching process, so that the first current block layer and the second current block layer can be simultaneously formed as the same layer.
  • the cap layer 20 of (1.4 m) one example of the semiconductor laser device of the present invention shown in FIG. 2 is obtained. Thereafter, when an electrode is formed on the substrate and the cap layer 20 and a current is passed, laser oscillation is enabled by carrier injection.
  • the semiconductor laser device thus obtained has a current block layer in the waveguide layer near the end face.
  • the optical confinement coefficient in the film thickness direction in the current injection region of this semiconductor laser ⁇ ld Injeeti . n does not depend on the cavity length direction and is constant.
  • the light intensity ratio gamma 2d Facet that against the propagation mode in the active layer at the front surface when allowed to propagate with a bicycloalkenyl over beam propagation method waveguide modes of the current injection region current injection region and the second current proc ⁇ 2d Injecti by changing layer position, width and refractive index. can be smaller than n .
  • r '2d Facet 7 is gamma 2d injecti. can be smaller than n, with an active layer on the end face The ⁇ 2d Facet can be made smaller by selecting the width of the current block layer so that the nearby r 2d Pacet is between adjacent inflection points including the local minimum.
  • the position of the current blocking layer is not limited to the inside of the waveguide layer, and may be adjacent to the waveguide layer.
  • the semiconductor laser device configured as described above current injection to the vicinity of the end face is suppressed, so that the semiconductor laser element is not excited near the end face. For this reason, non-radiative recombination is suppressed, and the level of edge optical damage can be improved.
  • the semiconductor laser device of the present invention may have a bridge structure in which the active region is sandwiched between current block layers.
  • first current block layer and the second current block layer may be continuous as in this embodiment, or may be partially interrupted so as not to deteriorate the characteristics.
  • FIG. 5 shows the state of light output when an overcurrent is applied to the semiconductor laser device obtained as described above.
  • several samples were prepared in which the width X of the current block layer crossing the stripe near the end face embedded in the waveguide layer was changed. In the vicinity of the end face, one edge of the current block layer is in contact with the end face, and the other edge is at a position X away from the end face in the resonator length direction.
  • devices with a current block layer near the end face are completely saturated with heat without causing optical damage and destruction.
  • FIGS. 6A and 6B show the results obtained by controlling the injection current so that a constant laser light output is output at an ambient temperature of 70 ° C., and measuring the time change of the injection current.
  • FIG. 6A shows the result for a semiconductor laser device without a current blocking layer near the end face. The current is controlled so that the output is constant, so the current will increase if it deteriorates. From Fig. 6A, it can be seen that the semiconductor laser device with no current blocking layer near the end face has deteriorated from the initial stage.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is applicable to semiconductor lasers having various structures and compositions.

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Description

明 細 書
半導体レーザ素子
【技術分野】
この発明は、 端面近傍に電流非注入領域を有する高出力半導体レーザに関する ものであり、 とくには、 高い端面光学損傷レベル、 長期連続動作での高い信頼性 をもたらすものである。
【背景技術】
半導体レーザ素子は通信分野で用いられる光増幅器用の励起光源を始めとして 様々な分野で使用されている。 これらのレーザには高出力動作が求められる場合 がある。 しかしながら、 高出力動作において十分な寿命を持つ半導体レーザは得 にくいという問題がある。 一般に半導体レーザの劣化の主要因としては端面での 光学損傷破壊 COD (Catastrophic Optical Damage)であることが知られている。 光 学損傷破壊は以下の過程により引き起こされる。 まず端面近傍の欠陥により非発 光再結合が生じ温度上昇を引き起こす。 またこの温度上昇によってバンドギヤッ プが縮小し光の再吸収が起こり、 これによつてさらに温度が上昇するといぅ悪循 環に陥る。 これらの過程により端面の溶融等が誘起され光出力が低下し、 非可逆 的な破壌が起こることになる。
以上のことから半導体レーザの高出力化には端面を強化することが端面光学損 傷破壊防止の上で重要となる。 端面光学損傷破壊防止の 1つの方策として端面近 傍を電流非注入にする方法がある。 この場合、 端面近傍への電流注入が抑えられ ているため、 端面近傍では非励起状態となっている。 このため非発光再結合が抑 制され、 端面光学損傷レベルの向上が可能になる。 具体的な例として、 端面の電 極の下に S i Nなどの絶縁膜を設けて端面を電流非注入にする手法、 半導体層か らなる電流プロック層を端面に形成し端面を電流非注入にする手法そして端面近 傍にイオン打ち込みをして端面を電流非注入にする手法などがある。
端面の電極の下に S i Nなどの絶縁膜を設けて端面を電流非注入にする手法、 半導体層からなる電流プロック層を端面に形成し端面を電流非注入にする手法そ して端面近傍にイオン打ち込みをして端面を電流非注入にする手法はいずれも製 造工程が複雑になってしまう。 また端面近傍にイオン打ち込みをして端面を電流 非注入にする手法は半導体レーザ素子にダメージを与えてしまう。 また、 これら の端面電流プロック構造はいずれも導波層から離れて形成されている。 電流プロ ック構造を設けた場合、 電流の回り込みが起こることが考えられる。 電流の回り 込みは、 電流プロック構造と活性層の距離が長いほうが影響は大きいと考えられ る。 端面に電流ブロック構造を設けても電流の回り込みの影響が大きい場合、 端 面にまで電流が回りこんでしまい、 これによつて端面電流プロック構造の機能が 低下してしまう。 よって、 電流の回り込みを考慮すると、 どうしても端面電流ブ 口ック領域を広く取らざるを得ない。 端面電流プロック領域を広く取った場合、 その領域内での光の吸収の影響が大きくなるため、 半導体レーザ素子の特性 （閾 値、 スロープ効率、 温度特性など） が悪くなる。 ゆえに上記で挙げた従来技術は いずれも端面近傍に電流プロック構造を形成する上では必ずしも好ましいやり方 とは限らない。
【発明の開示】
本発明は以上のような問題を解決するためのものであり、 製造が容易で、 半導 体レーザ素子にダメージを与えずかつ特性劣化を最小限に抑えた構造で端面近傍 に電流ブロック構造を設けることによって、 高い端面光学損傷破壌レベル、 長期 連続動作での高い信頼性を備えた半導体レーザ素子を提供することを目的とした ものである。
以上の目的を達成するため、 本発明は活性層を挟むように n型と ; p型導波層が 形成され、 かつこれらの導波層の外側を挟むように n型と p型クラッド層が形成 され、 またレーザ光の出射する前端面とこれに対向する後端面とを結ぶ方向に延 びるストライプ状の電流注入領域を画定する第一電流プロック層を備えた半導体 レーザ素子であって、 前記前端面近傍で前記ストライプ状電流注入領域を横切る ように形成された第二の電流プロック層を備え、 第一電流プロック層と第二電流 ブロック層は同一の層で構成されている半導体レーザ素子である。
このように構成された半導体レーザ素子では、 共振器方向に延びるストライプ 状の電流注入領域を挟むように形成された第一電流ブロック層と片側もしくは両 側の端面近傍を電流非注入にするための第二電流プロック層とが同一の層、 すな わち同じ組成同じ膜厚で形成されているため、 製造が容易で、 なおかつ製造時に 従来と比べて加工工数が増えることがないので半導体レーザ素子にダメージを与 えずに端面近傍に電流プロック構造を設けることができる。 これによつて高い端 面光学損傷破壊レベル、 長期連続動作での高い信頼性を備えた半導体レーザ素子 を提供することができる。 前端面だけでなく後端面近傍にも電流ブロック層を設 けてもよい。 第二電流ブロック層の両側部の一方は、 端面に達している。
ここで電流注入領域と電流プロック層が存在する領域との間に等価屈折率差を 設けることによって屈折率導波構造を形成することができる。 さらに、 導波層よ り大きなエネルギーギヤップを有するキヤリャプロック層が活性層と導波層の間 に設けることによりキャリアを閉じ込めて、 かつェピタキシャル方向の導波モー ドを広げられるので、 端面での活性層への光強度の集中を抑えて端面光学損傷破 壊レベルをさらに高めることができる。
また第一および第二電流ブロック層が導波層の中に形成されていることが望ま しい。 あるいは第一および第二電流プロック層が導波層に隣接して形成されてい てもよい。 この場合、 第二電流ブロック層の幅が大きすぎると導波損失が大きく なるため、 実用的には第二電流プロック層の幅の範囲は 2〜 2 5 ^u mが好ましい。 導波層より低い屈折率を有する端面近傍の電流プロック層を導波層中あるいは 導波層に隣接して設けられた構成においては、 端面近傍の低屈折率層により端面 近傍での導波モードプロファイルを活性層からずらすことができる。 これによつ て端面近傍の活性層付近でのビームエネルギー密度を低減させることができ、 大 幅な端面光学損傷レベルの向上、 長期連続動作での高い信頼性を備えた半導体レ 一ザ素子を提供することができる。 また導波層は活性層の近傍にあるため、 導波 層中に端面電流ブロック構造を設けることによって、 活性層への電流の回り込み の影響を小さくできる。 これによつて、 電流ブロック構造が導波層よりも上にあ る場合に比べ、 端面光学損傷レベルの向上、 長期連続動作での高い信頼性を確保 するのに必要な電流プロック領域を狭くできる。 電流プロック領域を狭くできれ ばこの領域内での光の吸収の影響を小さくすることができるため、 半導体レーザ の特性 （閾値、 スロープ効率、 温度特性など） の劣化を小さく抑えることができ る。
またこれら本発明の半導体レーザ素子の活性層が InGaAsからなり、 かつ導波層 が A1を含まない GaAsからなることが望ましい。
活性層の量子井戸に InGaAsを用いることにより導波層に A1を含まない GaAsを用 いることが可能になる。 これによつて電流ブロック層の形成過程では、 再成長界 面での酸化が無いため、 プロセスが安定し、 良好な膜を形成することができる。 また A1を含まない GaAsの導波層を用いることによって、 電気抵抗、 熱抵抗の低減 することができる。
端面近傍の電流プロック層を導波層よりも低屈折率にした場合、 端面近傍の導 波モードがこの層によって影響を受ける。 つまり、 導波層中に埋め込まれた端面 近傍の電流プロック層の位置、 端面からの距離および屈折率を変えることにより 導波モードを制御することが可能になる。
端面の活性層付近のビームエネルギー密度を低減させることが端面光学損傷破 壊レベルを向上させる 1つの手段であることは一般に知られている。 活性層付近 でのビームエネルギー密度は光閉じ込め係数 Γで表される。 我々は、 電流非注入 領域を設けることによって、 膜厚方向の 1次元スラブ導波路から得られる電流注 入領域位置での光閉じ込め係数 Γ ld Injeeti。nと端面付近の電流非注入領域位置で の膜厚方向の光閉じ込め係数 r ld N。n― inje。ti。nの関係が、
■ Id ヽ id
Injection Non— i jection
となるように端面近傍の電流プロック層の位置、 幅おょぴ屈折率を設計すること により、 端面での活性層付近のビームエネルギー密度を低減させ、 端面光損傷
( C O D ) レベルを高めることができることを見出した。 たとえば後述の実施例 において、 電流注入領域位置での光閉じ込め係数 Γ ld Injeeti。nは 0 . 0 0 8 4に 対して、 端面付近の電流非注入領域位置での膜厚方向の光閉じ込め係数 Γ ld Non. injecti。nは 0 . 0 0 7 1 となっており端面付近の活性層付近のビームエネルギー密 度が低減されている。
このとき用いた 1次元スラブ導波路の光閉じ込め係数 Γの計算式は以下の通り である。
【式 1】 a
Figure imgf000007_0001
尸 ld =
A
J| E(x) I2 dx
B ここで、 E (x)は膜厚方向の電界、 Aと Bはそれぞれ電界座標の最大値と最小値 である。 また aと bは活性層の境界で決まる値である。
実際には、 導波モードは動的にビームが伝播していく。 導波モードが端面近傍 の電流プロック層によって影響を受ける様子は、 たとえばビーム伝搬法を用いた コンピュータシュミレーシヨンにより解析することができる。 我々は、 電流注入 領域位置での光閉じ込め係数 Γ 2d Injeeti。nと電流注入領域の導波モードを電流非 注入領域にビーム伝搬法を用いて伝搬させたときの前端面での活性層における伝 搬モードに対する光強度比 Γ 2d
Facetの関係が、
2d 、 " 2d
丄 Injection ^ Facet
となるように導波層中に埋め込まれた端面近傍の電流プロック層の位置、 幅およ び屈折率を設計して導波モードを制御することにより、 端面光学損傷破壊レベル を高くすることができることを見出した。 さらに端面の活性層付近のビームエネ ルギー密度が極小値を含む隣り合う変曲点の間になるように設計すれば端面光学 損傷破壊レベルがより高い半導体レーザ素子が得られる。 たとえば、 図 7は後述 の実施例の図 3に示した構造で、 前端部に設けられた電流ブロック層 2 3の両側 部のうち、 前端面 4 0に接する側部とは反対側の側部 （図 3 Cの 2 3 a ) での伝 搬モードに対する活性層の光強度比 （光閉じ込め係数） Γと、 電流ブロック層 2 3 (電流非注入領域） の幅 Wとの関係についてビーム伝搬法を用いたコンビユー タシユミレーンョン (Optiwave Corporation 製 BPM— CAD)により解析したもので ある。 このとき用いた光閉じ込め係数 Γの計算式は以下の通りである。 【式 2】 a ,h
Figure imgf000008_0001
A ,B
J| E(x,y) \' dxdy
CD ここで、 E (x，y)は電界、 （A， B )と（C， D )はそれぞれ電界座標の最大値と最 小値である。 また（a , b )と（c、 d )は活性層の境界で決まる値である。
図 7からわかるように、 この場合は端面での電流ブロック層の幅は 5 // m付近、 15 /z m付近それぞれで光閉じ込め係数が極小になる。 ただし、 端面の光閉じ込め 係数を最小にする端面近傍での電流プロック層の幅の最適値は層構成により適宜 設計されるものである。 また端面近傍の電流ブロック層の位置、 幅および屈折率 を変えることによつても光閉じ込め係数が極小になる幅は変わってくる。
【図面の簡単な説明】
図 1 Aは本発明の半導体レーザ素子の一例の斜視図で、 図 1 Bはその部分拡大 図である。
図 2は、 本発明に関わる電流プロック層の一例を示す図である。
図 3 A〜図 3 Cは、 図 1に示す半導体レーザ素子の断面図である。
図 4 A〜図 4 Cは、 図 1に示す半導体レーザの製造工程を示す図である。
図 5は、 半導体レーザ素子の出力特性を示すグラフである。
図 6 Aおよび図 6 Bは、 半導体レーザ素子の注入電流の経時変化を示す図であ る。
図 7は、 端面での電流非注入領域の幅と光閉じ込め係数の関係を示す図である。 【発明を実施するための最良の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 図 1 Aは本発明の半導 体レーザ素子の一例を示す斜視図であり、 図 2は本発明に関わる電流ブロック層 2 3を分かりやすくするため、 仮想的に層構成を分割して示したものである。 図 3 A〜図 3 Cは図 2の断面図で、 図 3 Aはレーザの共振器長方向に直角方向 A— A'での断面であり出射端面 （前端面） および後端面から離れた位置にある。 図 3 Bは A— A'と平行な断面 B— B'で出射端面の近傍を示す。 図 3 Cは共振器長 方向で光が導波するス トライプのほぼ中央の C一 C'での断面である。
これらの図において、 n_G a A s基板 3 3上にバッファ層 3 2、 n側クラッ ド層 3 1、 n側導波層 30、 活性層領域 3 5、 p側導波層 24、 電流プロック層 23、 p側導波層 22、 p側クラッド層 2 1、 p側キャップ層 20が形成されて いる。 活性層領域 3 5は図 1 Bで拡大して示すように、 n側キヤリャプロック層 29、 n側サイドバリア層 28、 量子井戸層とそれらを補間するバリア層で構成 される活性層 27、 p側サイドバリア層 2 6、 p側キャリアブロック層 25から なっている。 ここで電流ブロック層 2 3は、 共振器長方向でストライプ Sを画定 するようにストライプの両側に設けられ、 かつ前端面 40と後端面 41近傍でス トライプ Sを横切って設けられている。
次にこの半導体レーザ素子の製造方法を説明する。 図 4 A〜図 4 Cは、 図 2の A— A'断面部分を製造工程順に並べたものである。 まず図 4 Aにおいて、 n型
(1 X 1023 m'3) - G a A s基板 3 3上に G a A s (0.5 " m)からなる n型（1 X 10 23 ra
3)バッファ層 32、 A 10.09G a0.91A s (2.5 μ m)からなる n型（1 X 1024 nf3)クラッ ド層 3 1、 G a A s (0.45/im)からなる n型（1 X 1023 m—3)導波層 30、 A 10.4.G a A s (0.02 111)からなる n型（1 X 1024 m— 3)キヤリャプロック層 2 9、 A 10-1 G a。.9A s (0.05μπι)からなるサイドバリァ層 28、 2本の I n018G a0.82A s (0.007 /im/本）量子井戸層とそれらを補間する A 1 a。.9A s (0.006 μ m )から なるバリア層で構成される活性層 27、 A 1 a0.9A s (0.05 μ m)からなるサ イドバリア層 26、 A 1 o.4G a0.6A s (0.02 μ m)からなる p型（1 X 1024 m—3)キヤ リァプロック層 25、 G a A s (0· 1 m)からなる p型（1 X 1024 m— 3)導波層 24を 順次成長させる。 なお第 1回目の結晶成長には MOCVD法を用いたが、 MBE 法など他の結晶成長法を用いることもできる。
こうして結晶成長させた基板を結晶成長装置から取り出してたとえば電子ビー ム蒸着装置に投入して、 たとえば S i O2 からなるマスク 34を全面に形成した 後、 フォトリソグラフィ技術を用いてストライプ状の窓となる中央領域以外のマ スクを除去して、 ストライプ状のマスク 3 4を形成する。 このとき端面に電流非 注入領域を形成するために端面近傍のマスクも同時に除去する。 このマスク 3 4 は極めて薄いため、 従来のフォトリソグラフィー技術でも高い精度で再現性よく 形成可能である。
2回目の結晶成長においてマスク 3 4付の基板を結晶成長装置に戻して、 p型 (1 X 1024 πΓ3)導波層 2 4の上に η型（1 X 1024 m"3) A 1。,。9G a。.91A s (0. 18 / m)か らなる電流ブロック層 2 3を選択成長させると、 図 4 Bに示すように、 マスク 3 4が付着した領域では結晶成長が行われない層構成が得られる。 マスク 3 4を例 えばフッ酸水溶液で除去する。 もちろん、 電流ブロック層は 2層以上の層構成に なってもよい。 また、 電流ブロック層を全面に形成した後、 エッチング処理によ り電流が流れる中央領域のみを取り除いてもよい。 このようにして第一電流プロ ック層と第二電流プロック層は同一の層として、 同時に形成できる。
3回目の結晶成長において図 4 Cに示すように、 G a A s (0. 35 μ ηι)からなる 上部の ρ型（1 X 1023 πΓ3)導波層 2 2、 A 1。.32G a 0.68A s (0. 78 μ m)からなる p型 ( 1 X 1024 m—3)クラッド層 2 1、 p型（1 X 1024 m— 3)— G a A s (1. 4 m)からなるキ ヤップ層 2 0を順次形成すると、 図 2に示す本発明の半導体レーザ素子の一例が 得られる。 その後、 基板およびキャップ層 2 0に電極を形成して電流を流すと、 キヤリャ注入によってレーザ発振が可能になる。 こうして得られた半導体レーザ 素子は端面近傍の導波層中に電流プロック層が設けられている。 この半導体レー ザの電流注入領域での膜厚方向の光閉じ込め係数 Γ ld Injeeti。nは共振器長方向に 依存せず、 一定である。 電流非注入領域での膜厚方向の光閉じ込め係数 Γ Id
Won一 injecti。nは第二電流ブロック層の位置、 幅および屈折率を変えることによって Γ ld Injecti。nより小さくできる。 また電流注入領域の導波モードを電流非注入領域にビ ーム伝搬法を用いて伝搬させたときの前端面での活性層における伝搬モードに対 する光強度比 Γ 2d Facetは第二電流プロック層の位置、 幅および屈折率を変える ことによって Γ 2d Injecti。nより小さくできる。 たとえば本実施例においては、 図 7に示すように r ' 2d Facetは Γ 2d Injecti。nより小さくでき、 さらに端面の活性層付 近の r 2d Pacetが極小値を含む隣り合う変曲点の間になるように電流ブロック層 の幅を選択することによって Γ 2d Facetをより小さくできる。
ところで電流ブロック層の位置は導波層中に限定されるものではなく、 導波層 に隣接していてもよい。 このように構成された半導体レーザ素子では端面近傍へ の電流注入が抑えられているため、 端面近傍では非励起状態となっている。 この ため非発光再結合が抑制され、 端面光学損傷レベルの向上が可能になる。 本発明 の半導体レーザ素子は活性領域を電流プロック層によって挟むように構成したリ ッジ構造にしてもよい。
また第一電流プロック層と第二電流プロック層は、 この実施形態のように連続 でもよいし、 特性を劣化させない程度に一部が途切れていてもよい。
図 5に上記のようにして得られた半導体レーザ素子に過電流を流したときの光 出力の様子を示す。 ここでは導波層中に埋め込まれた端面近傍でストライプを横 切る電流プロック層の幅 Xを変えたサンプルをいくつか準備した。 端面近傍では 電流プロック層の一縁部は端面に接しており、 他縁部が端面から共振器長方向に X離れた位置にあることになる。 これらのサンプルについて電流—光出力特性を 測定したところ、 χ = 0 /ζ ιηの素子、 つまり端面近傍に電流ブロック層がない素 子は電流を流している途中で光学損傷破壌を起こしている。 それに対し、 端面近 傍に電流プロック層を設けた素子は光学損傷破壊を起こさずに完全に熱飽和しき つている。 この後、 端面近傍に電流ブロック層を設けた素子にもう一度、 過電流 を流しても再現性が確認された。 本実施例では、 活性層に近い導波層中に端面電 流ブロック層が形成されているため、 活性層への電流の回り込みの影響が少なく なる。 本発明の実施例では、 図 5に示してあるように、 x = 5 /i mにおいて端面 光学損傷レベルの向上が確認されたことから、 電流プロック層の領域が狭い場合 でも、 活性層への電流の回り込みの影響が少なくなり、 電流ブロック構造が十分 に機能していることがわかる。
また、 図 6 A · Bは環境温度を 7 0 °Cとして、 一定のレーザ光出力が出力する ように注入電流を制御し、 その注入電流の時間変化を測定した結果である。 図 6 Aは端面近傍に電流ブロック層がな 、半導体レーザ素子についての結果である。 一定出力になるように電流が制御された状態で動作しているため劣化した場合は 電流が增大していく。 図 6 Aから端面近傍に電流ブロック層がない半導体レーザ 素子については初期の段階から素子が劣化しているのがわかる。
それに対して図 6 Bは端面近傍に第二電流ブロック層の幅 Xの異なるサンプル として = 5 /1 111、 1 2 μ m 2 5 μ mおよぴ 3 5 / mの 4種類の半導体レーザ 素子を各 4素子づっ用いて試験を行った結果である。 端面近傍に電流プロック層 を設けた半導体レーザ素子については劣化がなく長時間安定して連続動作してい るのがわかる。
以上のことから端面近傍での電流プロック層によって端面光学損傷破壌レベル が大幅に向上したことは明らかである。 またこの結果から、 という電 流プロック層の領域が狭い場合でも十分に、 長期連続動作での高い信頼性が確保 できることがわかる。
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、 種々の構造、 組成の 半導体レーザについて適用可能である。

Claims

請 求 の 範 囲
1、 活性層を挟むように n型と p型導波層が形成され、 かつこれらの導波層の 外側を挟むように n型と p型クラッド層が形成され、 またレーザ光の出射する前 端面とこれに対向する後端面とを結ぶ方向に延びるストライプ状の電流注入領域 を画定する第一の電流プロック層を備えた半導体レーザ素子であって、
前記前端面近傍で前記ストライプ状電流注入領域を横切るように形成された第 二の電流プロック層を備え、 第一電流プロック層と第二電流プロック層は同一の 層で構成され、 該電流注入領域と第一およぴ第二電流プロック層が存在する領域 との間に等価屈折率差を設けることによって実屈折率導波構造を形成したことを 特徴とする半導体レーザ素子。
2、 導波層より大きなエネルギーギャップを有するキヤリャブ口ック層が活性 層と： n型導波層、 ； p型導波層の両方または片側一方の間に設けられたことを特徴 とする請求の範囲第 1項記載の半導体レーザ素子。
3、 前記第一および第二電流プロック層が導波層の中に形成されていることを 特徴とする請求の範囲第 1項または第 2項記載の半導体レーザ素子。
4、 前記第一および第二電流プロック層が導波層に隣接して形成されているこ とを特徴とする請求の範囲第 1項または第 2項記載の半導体レーザ素子。
.
5、 活性層が InGaAsからなり、 かつ導波層が A1を含まない GaAsからなることを 特徴とする請求の範囲第 3項または第 4項記載の半導体レーザ素子。
6、 活性層が InGaAsP層を含む多層からなり、 かつ導波層が A1を含まない GaAs からなることを特徴とする請求の範囲第 3項または第 4項記載の半導体レーザ素 子。
7、 電流注入領域位置での光閉じ込め係数 Γ ld Injecti。nと電流非注入領域での 光閉じ込め係数 Γ N。n-injecti。nの関係が、
Id \ - Id
1 injection Non-injection
となるように第二電流プロック層が形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 項〜第 6項のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
8、 電流注入領域位置での光閉じ込め係数 Γ 2d Injecti。nと電流注入領域の導波 モードを電流非注入領域にビーム伝搬法を用 V、て伝搬させたときの前端面での活 性層における伝搬モードに対する光強度比 Γ 2d Facetの関係が、
2d "Γ
Injection " Facet
となるように第二電流プロック層が形成されたことを特徴とする請求の範囲第 1 項〜第 7項のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
9、 前記 Γ 2d Faeetが極小値を含む隣り合う変曲点の間になるように第二電流 ブロック層の位置、 厚さ、 及び幅が構成されていることを特徴とする請求の範囲 第 9項記載の半導体レーザ素子。
1 0、 第二の電流ブロック層の幅が 2 μ m 2 5 μ mの範囲であることを特徴 とする請求の範囲第 3項〜第 5項のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
1 1、 活性層を挟むように n型と p型導波層が形成され、 かつこれらの導波層 の外側を挟むように n型と p型クラッド層が形成され、 またレーザ光の出射する 前端面とこれに対向する後端面とを結ぶ方向に延びるストライプ状の電流注入領 域を画定する第一の電流プロック層を備えた半導体レーザ素子であって、 前記前端面近傍で前記ストライプ状電流注入領域を横切るように形成された第 二の電流ブロック層を備え、 電流注入領域位置での光閉じ込め係数 Γ ld Injection と電流非注入領域での光閉じ込め係数 Γ ld N。n - injecti。nの関係が、
1 Injection " Non-injection
となるように第二電流プロック層が形成されたことを特徴とする半導体レーザ素 子。
1 2、 活性層を挟むように n型と : p型導波層が形成され、 かつこれらの導波層 の外側を挟むように n型と p型クラッド層が形成され、 またレーザ光の出射する 前端面とこれに対向する後端面とを結ぶ方向に延びるストライプ状の電流注入領 域を画定する第一の電流ブロック層を備えた半導体レーザ素子であって、 前記前端面近傍で前記ストライプ状電流注入領域を横切るように形成された第 二の電流ブロック層を備え、 電流注入領域位置での光閉じ込め係数 Γ 2d Injection と電流注入領域の導波モードを電流非注入領域にビーム伝搬法を用いて伝搬させ たときの前端面での活性層における伝搬モードに対する光強度比 Γ 2d Faeetの関 係が、
2d \ 2d
Injection ' A Facet
となるように第二電流ブロック層が形成されたことを特徴とする半導体レーザ素 子。
1 3、 前記 Γ 2d Facetが極小値を含む隣り合う変曲点の間になるように第二電 流ブロック層の位置、 厚さ、 及び幅が構成されていることを特徴とする請求の範 囲第 1 2項記載の半導体レーザ素子。
1 4、 第二の電流プロック層の幅が 2 μ π！〜 2 5 / mの範囲であることを特徴 とする請求の範囲第 1 1項〜第 1 3項のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
1 5、 該電流注入領域と第一および第二電流ブロック層が存在する領域との間 に等価屈折率差を設けて実屈折率導波構造を形成したことを特徴とする請求の範 囲第 1 1項〜第 1 4項のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
1 6、 導波層より大きなエネルギーギヤップを有するキヤリャブ口ック層が活 性層と n型導波層、 p型導波層の両方または片側一方の間に設けられたことを特 徴とする請求の範囲第 1 1項〜第 1 5項のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
1 7、 前記第一おょぴ第二電流ブロック層が導波層の中に形成されていること を特徴とする請求の範囲第 1 1項〜第 1 5項のいずれかに記載の半導体レーザ素 子。
1 8、 前記第一および第二電流ブロック層が導波層に隣接して形成されている ことを特徴とする請求の範囲第 1 1項〜第 1 7項のいずれかに記載の半導体レー ザ素子。
1 9、 活性層が InGaAsからなり、 かつ導波層が A1を含まない GaAsからなること を特徴とする請求の範囲第 1 7項または第 1 8項に記載の半導体レーザ素子。
2 0、 活性層が InGaAsP層を含む多層からなり、 かつ導波層が A1を含まない GaAsからなることを特徴とする請求の範囲第 1 7項または第 1 8項に記載の半導 体レーザ素子。
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