JP4570353B2 - Semiconductor laser element - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device.
光通信システムの発展・高度化に伴って、励起用光源・信号光源などとして用いられる半導体レーザ素子に要求される特性は従来にも増して厳しくなっており、特に、高出力化・温度特性の向上が求められている。温度特性としては、光出力や閾値電流の温度依存性が小さく、高温動作時においても十分な光出力と低閾値が得られることが求められる。 With the development and sophistication of optical communication systems, the characteristics required for semiconductor laser elements used as pumping light sources and signal light sources are becoming more stringent than ever, especially with higher output and temperature characteristics. There is a need for improvement. As temperature characteristics, the temperature dependence of the light output and the threshold current is small, and it is required that a sufficient light output and a low threshold can be obtained even during high temperature operation.
ここで、高出力化のためには、光吸収の低減、キャリアのオーバーフローの抑制などが重要であり、温度特性を向上するためには、キャリアのオーバーフローを抑制することなどが重要である。 Here, for high output, reduction of light absorption and suppression of carrier overflow are important, and suppression of carrier overflow is important for improving temperature characteristics.
InP/GaInAsP系の半導体レーザ素子は、発振波長1.3μm以上の発光材料であるGaInAsPを活性層として用いることが可能であるため、長波長帯の発光素子として、光ファイバ増幅器の励起用光源や光通信用の信号光源などに用いられており、上述したような特性向上が特に重要となっている。 InP / GaInAsP-based semiconductor laser elements can use GaInAsP, which is a light emitting material having an oscillation wavelength of 1.3 μm or more, as an active layer, and therefore, as a light emitting element in a long wavelength band, an excitation light source for an optical fiber amplifier, It is used for a signal light source for optical communication, and the improvement of characteristics as described above is particularly important.
半導体レーザ素子において、高出力化や良好な温度特性を阻む原因は、半導体レーザ素子に電流を注入したとき、活性層で発光に寄与すべきキャリアがクラッド層にオーバーフローしてしまうことが一因であった。特に、1.3μm帯など、InP系の中でも波長の短い半導体レーザにおいては、活性層のバンドギャップとクラッド層のバンドギャップが比較的近いため、光閉じ込め層などを採用してもキャリアの閉じ込め効果が弱く、オーバーフローが特に問題となっていた。 In a semiconductor laser device, the reason why high output and good temperature characteristics are hindered is that carriers that should contribute to light emission in the active layer overflow into the cladding layer when current is injected into the semiconductor laser device. there were. In particular, in semiconductor lasers with a short wavelength, such as the 1.3 μm band, the band gap of the active layer and the band gap of the cladding layer are relatively close, so even if an optical confinement layer is used, the carrier confinement effect Was weak and overflow was a particular problem.
キャリアのオーバーフローを抑制するための方法としては、非特許文献1に示されているように、活性層と光閉じ込め層との間にキャリアブロック層を設けるDCH(Decoupled confinement heterostructure)構造がある。この構造を持つ半導体レーザの組成波長プロファイルを図11に示す。この半導体レーザは、組成波長1.3μmのGaInAsP量子井戸層と組成波長1.03μmの障壁層からなる多重量子井戸活性層4、組成波長1.15μmのn側GaInAsP光閉じ込め層23、組成波長1.10μmのp側GaInAsP光閉じ込め層25、n型InPクラッド層22およびp型InPクラッド層27からなっており、多重量子井戸活性層24とn側光閉じ込め層23の間に、n型InPからなるキャリアブロック層30が設けられている。なお、本明細書においては材料のバンドギャップエネルギーを特定するのに組成波長を用いることとする。
また、キャリアである電子のオーバーフローを抑制する別の方法として、p型クラッドのドーピング濃度を高く設定するということが考えられる。InP/GaInAsP系の材料では、p型のドーパントとしてZnが用いられることが多いが、Znによる光吸収は光出力の低下の一因となる。つまり、キャリアのオーバーフローを抑制するためにZnの濃度を高くすると、Znによる光吸収が多くなってしまって高出力化の効果が充分に得られないという問題があった。 Another method for suppressing the overflow of electrons as carriers is to set the doping concentration of the p-type cladding high. In InP / GaInAsP-based materials, Zn is often used as a p-type dopant, but light absorption by Zn contributes to a decrease in light output. That is, if the Zn concentration is increased in order to suppress the overflow of carriers, there is a problem that light absorption by Zn increases and the effect of increasing the output cannot be obtained sufficiently.
従来、InP基板上の半導体レーザにおいて、クラッド層や光閉じ込め層を構成する材料は、結晶構造を安定にするため、通常、基板を構成するInPと格子整合するような組成に限って用いられていた。すなわち、格子定数がInPに近い材料がクラッド層や光閉じ込め層の材料として用いられていた。InPに格子整合するGaInAsP系の材料としては、InPよりもバンドギャップの大きい材料がないため、特許文献1に示された技術のようにキャリアブロック層を導入しても、十分な効果を得ることができなかった。
Conventionally, in a semiconductor laser on an InP substrate, the material constituting the cladding layer and the optical confinement layer is usually used only in a composition that lattice-matches with InP constituting the substrate in order to stabilize the crystal structure. It was. That is, a material having a lattice constant close to that of InP has been used as a material for the cladding layer and the optical confinement layer. As a GaInAsP-based material lattice-matched to InP, there is no material having a larger band gap than InP, so that even if a carrier block layer is introduced as in the technique disclosed in
上記の問題を解決するため、本発明は、半導体基板上に、量子井戸活性層と、該量子井戸活性層の少なくとも片側に接する光閉じ込め層と、前記量子井戸活性層および前記光閉じ込め層を挟んで設けられた一組のクラッド層を有し、前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層が設けられており、前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有することを特徴とする半導体レーザ素子であって、前記半導体基板はInPからなり、前記ワイドギャップ層は、前記クラッド層がInPからなる場合にはGaInPまたはGaAsで構成し、前記クラッド層が、InPと格子整合するGaInAsPからなる場合にはInPまたはGaInAsPとするものである。なお、前記ワイドギャップ層は、臨界膜厚以下の厚さである。 In order to solve the above problems, the present invention sandwiches a quantum well active layer, a light confinement layer in contact with at least one side of the quantum well active layer, and the quantum well active layer and the light confinement layer on a semiconductor substrate. And a resonator formed in parallel to the semiconductor substrate, the semiconductor laser element includes a band gap that is greater than that of the pair of cladding layers. A wide gap layer made of a large material is provided, and the wide gap layer is doped to have the same conductivity type as the clad layer closer to the wide gap layer of the set of clad layers. A semiconductor laser device comprising: a semiconductor laser device, wherein the semiconductor substrate is made of InP, and the wide gap layer is formed of the clad layer of I If made of P is composed of GaInP or GaAs, the cladding layer, if made of GaInAsP that is lattice-matched to InP is to the InP or GaInAsP. In addition, the said wide gap layer is the thickness below a critical film thickness.
ワイドギャップ層は、半導体レーザ素子中のどの部分に設けられているものであってもよいが、クラッド層中であって光閉じ込め層に接した部分もしくは光閉じ込め層に近い部分に設けられていることが特に好ましい。 The wide gap layer may be provided in any part of the semiconductor laser element, but is provided in a part of the cladding layer that is in contact with or close to the optical confinement layer. It is particularly preferred.
ここで、ワイドギャップ層を構成する材料のバンドギャップは大きい方がオーバーフロー抑制の効果は高くなる。しかしながら、ワイドギャップ層のバンドギャップを大きくすると歪量の絶対値も大きくなるので、結晶性が悪くなる。したがって、用途に応じて適宜バンドギャップの大きさを選択する必要がある。 Here, the larger the band gap of the material constituting the wide gap layer, the higher the effect of suppressing overflow. However, when the band gap of the wide gap layer is increased, the absolute value of the strain amount is also increased, so that the crystallinity is deteriorated. Therefore, it is necessary to appropriately select the band gap according to the application.
また、ワイドギャップ層は、互いにバンドギャップの異なる二以上の層からなることとすると、キャリアのオーバーフローを抑制する効果が大きくなり、好ましい。 Further, it is preferable that the wide gap layer is composed of two or more layers having different band gaps from each other because the effect of suppressing carrier overflow is increased.
ワイドギャップ層の材料は、たとえば、クラッド層がInPからなる場合にはGaInPまたはGaAsで構成することが好ましい。また、クラッド層がGaInAsPからなる場合にはInPとするとワイドギャップ層も格子整合系とすることができる。また、キャリアのオーバーフローを抑制する効果を大きくしたい場合にはGaInPを用いることも可能である。 For example, when the clad layer is made of InP, the material of the wide gap layer is preferably made of GaInP or GaAs. In addition, when the cladding layer is made of GaInAsP, the wide gap layer can also be a lattice matching system if InP is used. In addition, GaInP can be used to increase the effect of suppressing carrier overflow.
また、ワイドギャップ層は、p側に設けられると、有効質量が小さく閉じ込めの点で不利な電子のオーバーフローを抑制することができるため、好ましい。 In addition, it is preferable that the wide gap layer be provided on the p side, because the effective mass is small and it is possible to suppress an overflow of electrons that is disadvantageous in terms of confinement.
本発明によれば、クラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなる層を有することにより、キャリアのオーバーフローが抑制され、高出力で温度特性に優れた半導体レーザを得ることができる。 According to the present invention, by having a layer made of a material having a band gap larger than that of the cladding layer, it is possible to obtain a semiconductor laser with suppressed carrier overflow, high output and excellent temperature characteristics.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[実施形態1] 本発明の実施形態1に係る半導体レーザ素子を図1に示す。図1は、実施形態1に係る半導体レーザの共振器方向に垂直な断面図である。この半導体レーザ素子20は、n型InP基板1上に、1×1018cm−3にドーピングされたn型InPからなる厚さ1μmのn型クラッド層2、組成を階段状に変化させたノンドープGaInAsPとInPからなる厚さ0.045μmのn側光閉じこめ層3、組成波長1.65μmのGaInAsP量子井戸層と組成波長1.2μmのGaInAsP障壁層からなる合計厚さ0.06μmの多重量子井戸活性層4、組成を階段状に変化させたノンドープGaInAsPとInPからなる厚さ0.045μmの上部光閉じこめ層5、7×1017cm−3にドーピングされたp型InPからなる厚さ3.5μmのp型クラッド層7、p型GaInAsPからなる厚さ0.5μmのp型コンタクト層8が積層されている。多重量子井戸活性層4においては、量子井戸層が+1%程度の圧縮歪を持ち、かつ障壁層が−0.02〜−0.8%程度の引張り歪を持つような組成すると好適である。また、多重量子井戸活性層4には1×1017〜5×1018cm−3程度のn型ドーピングがされていると、素子抵抗が低減されるため、素子の熱抵抗を小さくすることができ、より優れた温度特性が得られる。また、この活性層へのドーピングは、n型ドーピングの代わりにp型ドーピングであってもよい。
p側光閉じ込め層5とp型クラッド層7とに挟まれた部分に、組成波長0.87μmで3×1018cm−3にドーピングされたp型GaInPからなる厚さ8nmのp側ワイドギャップ層6bが設けられている。また、n側光閉じ込め層3において、n型クラッド層2に接する部分に、組成波長0.87μmで1×1018cm−3にドーピングされたn型GaInPからなる厚さ8nmのn側ワイドギャップ層6aが設けられている。
In a portion sandwiched between the p-side
なお、ワイドギャップ層6a、6bは活性層4の近くに設けた方がオーバーフロー抑制の効果は大きい。しかし、近すぎるとワイドギャップ層のドーパントが活性層に拡散したり、ワイドギャップ層のドーパントによる光吸収が起きるなどの問題がある。よって、活性層の端からワイドギャップ層までの距離、(図2において、5+5b+6b/2の長さ)は、250nm以下であることが好ましく、更に50nm以下であればより好ましい。したがって、ワイドギャップ層の位置は、本実施形態1に示したようなクラッド層内に限られず、クラッド層と光閉じ込め層の境界または光閉じ込め層内部であってもよい。
The
ここで、量子井戸活性層の場合、活性層の端とは、最外側の障壁層と光閉じ込め層との境界(図2において、4と5の境界または4と3の境界)を指すものとする。また、ワイドギャップ層の位置とは、ワイドギャップ層の厚さ方向における中心位置を指すものとする。 Here, in the case of the quantum well active layer, the end of the active layer refers to the boundary between the outermost barrier layer and the optical confinement layer (the boundary between 4 and 5 or the boundary between 4 and 3 in FIG. 2). To do. Further, the position of the wide gap layer refers to the center position in the thickness direction of the wide gap layer.
n側光閉じ込め層3およびp側光閉じ込め層5は、活性層へのキャリア注入の観点からは、活性層からクラッド層に近づくにつれて、バンドギャップが徐々に大きくなるように設計されていることが望ましい。よって、本実施形態1に示されているように、p側ワイドギャップ層6bは、p型クラッド層7中であってp側光閉じ込め層5に近接した部分に設けられていると好適である。同様に、n側ワイドギャップ層6aは、n側光閉じ込め層3とn型クラッド層2の間に設けられていると好適である。しかし、ワイドギャップ層の位置は、上記の位置に限らなくても、キャリアのオーバーフロー抑制効果は発揮される。
From the viewpoint of carrier injection into the active layer, the n-side
p型コンタクト層8の上面には上部電極9が、また、n型InP基板1の下面には下部電極10が形成されている。
An upper electrode 9 is formed on the upper surface of the p-
この半導体レーザ素子20は、有機金属気相成長法(MOCVD法)などのエピタキシャル成長法を利用して製造される。p型の層に用いられるドーパントは亜鉛(Zn)、n型の層に用いられるドーパントはセレン(Se)や硫黄(S)などである。この他に、n型ドーパントとしてSi、p型ドーパントとしてCやMgを用いてもよい。GaInPは、InPに比べて格子定数が小さいため、InPからなるクラッド層上において約−1%の引張り歪みを持つ。しかし、ワイドギャップ層の厚さを臨界膜厚以下の8nmとしたため、歪みによる結晶欠陥の発生などの弊害は生じない。
The
ワイドギャップ層の厚さは、厚い方がキャリアのオーバーフローを抑制する効果は大きい。よって、ワイドギャップ層は、歪量に従って決まる臨界膜厚以下の厚さ、例えば30nm程度以下でなるべく厚い方が好ましい。 The thicker the wide gap layer, the greater the effect of suppressing carrier overflow. Therefore, it is preferable that the wide gap layer is as thick as possible with a thickness not more than a critical thickness determined according to the amount of strain, for example, not more than about 30 nm.
図2に、この半導体レーザ素子の基板に垂直な方向における組成波長プロファイルを示す。p型クラッド層7中に設けられたp側ワイドギャップ層6bが電子に対するキャリアブロックの役割を、また、n型クラッド層2中に設けられたn側ワイドギャップ層6aが正孔に対するキャリアブロックの役割を果たす。
FIG. 2 shows a composition wavelength profile in a direction perpendicular to the substrate of this semiconductor laser device. The p-side
また、p側ワイドギャップ層6bは本実施形態のようにp型にドーピングされていることが望ましい。また、同様に、n側ワイドギャップ層6aはn型にドーピングされていることが望ましい。これらのドーピング量としては、1×1017〜5×1018cm−3が適当である。
The p-side
キャリアのオーバーフロー抑制効果に対するワイドギャップ層へのドーピング量の影響を評価するため、キャリアのオーバーフローの程度を反映するリーク電流のシミュレーションを、Crosslight Software Inc.社の汎用シミュレーションソフト「PICS3D」を用いて行った。半導体レーザ構造は図1に示すものとし、GaInPからなるp側ワイドギャップ層6bへのドーピング量をパラメータとした。なお、温度は300Kとした。シミュレーション結果を図3に示す。図3の縦軸は電子電流である。但し、該電子電流はn型領域での電子電流の値で規格化されている。横軸は基板に対して垂直な方向における位置であり、1.6〜1.7μmの位置が活性層に相当するように軸を取っている。図3よりわかるように、p側ワイドギャップ層へのドーピングを行わない(ノンドープ)場合には、p型領域における規格化された電子電流は0.26程度と大きいのに対し、7×1017cm−3のドーピングを行った場合には0.05以下となり、5×1018cm−3のドーピングを行った場合にはほぼゼロとなっている。以上のように、p側ワイドギャップ層へのドーピング濃度を高くするほど、p型クラッド層中での電子電流は小さくなる、つまり、p型クラッド層へのキャリアオーバーフローが小さくなることが示された。
In order to evaluate the influence of the doping amount on the wide gap layer on the carrier overflow suppression effect, a simulation of leakage current reflecting the degree of carrier overflow was performed by Crosslight Software Inc. This was performed using a general-purpose simulation software “PICS3D”. The semiconductor laser structure is as shown in FIG. 1, and the doping amount into the p-side
これまで述べてきたように、ワイドギャップ層を設けることや、ワイドギャップ層へのドーピングでキャリアのオーバーフローを抑制することができる。この方法は、たとえばクラッド層のドーピング濃度を高くしてキャリアのオーバーフローを抑制する場合に比べ、以下の理由により有利である。本発明では、キャリアのオーバーフロー抑制の効果をワイドギャップ層で担うことができ、光吸収の原因となるpクラッド層のドーピング濃度を下げても、キャリアのオーバーフローが起こりにくい。つまり、ワイドギャップ層のない従来の構造に比べて、p型クラッド層のドーピング濃度を下げることができるため好適である。但し、この点に関して、p型クラッド層のドーピング濃度を下げすぎると、素子抵抗の上昇などの問題が出てくるので、p型クラッド層のドーピング濃度は、おおよそ7×1016cm−3〜1×1018cm−3、更に好ましくは、1×1017cm−3〜5×1017cm−3程度であることが望ましい。また、ワイドギャップ層のドーピング濃度は高い方がオーバーフロー抑制の効果は高いが、高すぎるとワイドギャップ層での光吸収が問題になったり、イオン化されないZnが活性層に拡散したりするなどの問題が起きるため、あまりに高すぎることもかえって好ましくない。
As described above, carrier overflow can be suppressed by providing a wide gap layer or doping the wide gap layer. This method is advantageous for the following reason as compared with the case where the doping concentration of the cladding layer is increased to suppress the overflow of carriers. In the present invention, the effect of suppressing the overflow of carriers can be carried out by the wide gap layer, and even if the doping concentration of the p-cladding layer that causes light absorption is lowered, the overflow of carriers hardly occurs. That is, it is preferable because the doping concentration of the p-type cladding layer can be lowered as compared with the conventional structure having no wide gap layer. However, regarding this point, if the doping concentration of the p-type cladding layer is lowered too much, problems such as an increase in device resistance will occur, so the doping concentration of the p-type cladding layer is approximately 7 × 10 16 cm −3 to 1. It is desirable that it is about × 10 18 cm −3 , more preferably about 1 × 10 17
また、本実施形態1の半導体レーザ素子においては、p型クラッド層7へのp型ドーパントは、通常よく用いられるZnとしている。このZnは、エピタキシャル成長中にp型クラッド層7から拡散しやすく、多重量子井戸活性層4中にZnが取り込まれてしまう。そして、Znはレーザの動作中に光を吸収しやすい性質を持つため、高出力化にとっては不利であった。ここで、本実施形態1に示したようにp側光閉じ込め層5中にGaInPからなるp側ワイドギャップ層6bを設けることによって、p側ワイドギャップ層6bが、Znのp型クラッド層7から多重量子井戸活性層4への移動をブロックする役割も兼ねることができる。この効果をより明確にするためには、p型クラッド層7を構成する層のうち、GaInPからなるp側ワイドギャップ層6bに隣接する層5bをInPで構成することが重要である。
In the semiconductor laser device of the first embodiment, the p-type dopant to the p-
また、GaInPからなるワイドギャップ層は、既に説明したように、InP上において引張り歪を持つため、オージェ吸収を抑制する働きを持ち、半導体レーザの高出力化に有利である。 Further, as already described, the wide gap layer made of GaInP has tensile strain on InP, and thus has a function of suppressing Auger absorption, which is advantageous for increasing the output of the semiconductor laser.
このように、本実施形態1においては、光閉じ込め層において、隣接するクラッド層よりもバンドギャップの大きいワイドギャップ層を設けたため、高出力で温度特性に優れた半導体レーザを得ることができる。 As described above, in the first embodiment, since the wide gap layer having a larger band gap than the adjacent cladding layer is provided in the optical confinement layer, a semiconductor laser having high output and excellent temperature characteristics can be obtained.
本実施形態1に係る半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子について測定された光出力−電流特性を図4に示す。これらの半導体レーザ素子は、共に共振器長が1500μmであり、出射側端面に低反射膜が、また、反射側端面に光反射膜がコーティングされている。また、電流閉じ込め構造として埋込みへテロ構造を採用している。光出力−電流特性の測定は、チップ状態での半導体レーザ素子を用い、パルス電流での測定とした。測定時のステージ温度は20℃とした。 FIG. 4 shows optical output-current characteristics measured for the semiconductor laser device according to the first embodiment and the conventional semiconductor laser device. Both of these semiconductor laser elements have a resonator length of 1500 μm, and a low-reflection film is coated on the emission side end face, and a light reflection film is coated on the reflection side end face. In addition, a buried heterostructure is adopted as a current confinement structure. The light output-current characteristics were measured using a semiconductor laser element in a chip state and a pulse current. The stage temperature during measurement was 20 ° C.
図4よりわかるように、本実施形態1に係る半導体レーザ素子は、従来の半導体レーザ素子に比べて高出力となり、500mW以上の光出力を達成できた。 As can be seen from FIG. 4, the semiconductor laser device according to the first embodiment has a higher output than the conventional semiconductor laser device, and can achieve an optical output of 500 mW or more.
なお、本実施形態1においては、ワイドギャップ層をp側とn側の両方に設けたが、p側のみに設けることとしても、キャリアのオーバーフロー抑制効果は得られる。これは、以下の理由による。すなわち、電子は正孔に比べて有効質量が小さいため、半導体レーザ素子に電流を注入した場合におけるキャリアのオーバーフローは、電子の方が正孔よりも問題となる。特にInP系の材料では、価電子帯よりも伝導帯の方が活性層における量子井戸層と障壁層とのエネルギー差が小さいことから、電子のオーバーフローが正孔のオーバーフローよりも起こりやすい。そのため、ワイドギャップ層は少なくともp側に設ければ、キャリアのオーバーフロー効果を抑制する一定の効果が得られる。 In the first embodiment, the wide gap layer is provided on both the p side and the n side. However, even if the wide gap layer is provided only on the p side, the carrier overflow suppressing effect can be obtained. This is due to the following reason. That is, since electrons have a smaller effective mass than holes, carrier overflows when electrons are injected into the semiconductor laser device are more problematic for electrons than for holes. In particular, in an InP-based material, the conduction band is more likely to occur than the hole overflow because the conduction band has a smaller energy difference between the quantum well layer and the barrier layer in the active layer than the valence band. Therefore, if the wide gap layer is provided at least on the p side, a certain effect of suppressing the carrier overflow effect can be obtained.
しかし、GaInPからなるワイドギャップ層をp側のみに設けたとすると、以下のような不都合が生じうる。すなわち、GaInPはクラッド層を構成するInPよりも屈折率が高いため、p側のみにGaInPからなるワイドギャップ層を設けると、光強度分布のp側への偏りが生じる。すると、ドーパントとしてp型クラッド層に添加されているZnによる光吸収が大きくなり、高出力化の妨げとなる。したがって、ワイドギャップ層は、本実施形態1で示したように、p側とn側の両方の光閉じ込め層に設けることが好ましい。これに対し、ワイドギャップ層をp側のみに設ける場合には、n型クラッド層に接する光閉じ込め層の厚さを厚くするなどして、屈折率分布を対称にする、あるいはn側への偏りを生じさせることが有効である。 However, if a wide gap layer made of GaInP is provided only on the p side, the following inconvenience may occur. That is, since GaInP has a higher refractive index than InP constituting the cladding layer, if a wide gap layer made of GaInP is provided only on the p side, the light intensity distribution is biased toward the p side. As a result, light absorption by Zn added to the p-type cladding layer as a dopant increases, which hinders high output. Therefore, the wide gap layer is preferably provided in both the p-side and n-side optical confinement layers as shown in the first embodiment. On the other hand, when the wide gap layer is provided only on the p side, the refractive index distribution is made symmetrical by increasing the thickness of the optical confinement layer in contact with the n-type cladding layer, or biased toward the n side. It is effective to generate
なお、本実施形態1では、ワイドギャップ層をGaInPにより構成したが、更にバンドギャップの大きいGaAsで構成してもよい。この場合、キャリアのオーバーフロー抑制効果が一段と優れたものになる。 In the first embodiment, the wide gap layer is made of GaInP, but may be made of GaAs having a larger band gap. In this case, the carrier overflow suppressing effect is further improved.
[実施形態2] 実施形態1では、光閉じ込め層に単層のワイドギャップ層を設けた半導体レーザ素子を示したが、実施形態2では、ワイドギャップ層を互いにバンドギャップの異なる複数の層で構成した半導体レーザ素子を示す。
[Embodiment 2] In
実施形態2に係る半導体レーザ素子を図5に示す。図5は、本実施形態2に係る半導体レーザの共振器方向に垂直な断面図である。本実施形態2に係る半導体レーザ素子の構造は、p側ワイドギャップ層以外については実施形態1に示したものと同様である。p側ワイドギャップ層6bは、組成波長がそれぞれ0.89μm、0.87μm、0.85μmのGaInPからなるワイドギャップ層6b1、6b2,6b3からなっている。また、この近傍の組成波長プロファイルを図6に示す。このように、ワイドギャップ層6bを活性層4から遠いほどバンドギャップが大きくなるような複数の層で構成することによって、ワイドギャップ層6b1、6b2、6b3およびp側光閉じ込め層5の全体のバンドプロファイルをなだらかな状態に近くすることができ、活性層4へのキャリアの注入がスムーズとなる。
A semiconductor laser device according to the second embodiment is shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view perpendicular to the cavity direction of the semiconductor laser according to the second embodiment. The structure of the semiconductor laser device according to the second embodiment is the same as that shown in the first embodiment except for the p-side wide gap layer. The p-side
ワイドギャップ層6bを構成する複数の層は、上述したように、活性層から遠いほどバンドギャップを大きくすることが好ましいが、これに限られるものではなく、たとえば図7に示すように中心の層6b2のバンドギャップを最大としたり、図8に示すように多重量子井戸活性層4に近い層6b1のバンドギャップを最大とするものであってもよい。
As described above, the plurality of layers constituting the
また、図9に示すように、p側ワイドギャップ層6bをp側光閉じ込め層5とp型クラッド層7の間に設けた構造とし、p側光閉じ込め層5とp側ワイドギャップ層6bが全体として直線的な組成波長プロファイルを示すようにすると更に好ましい。
Further, as shown in FIG. 9, the p-side
なお、本実施形態2では、p側ワイドギャップ層を互いにバンドギャップの異なる複数の層で構成した場合について説明したが、n側ワイドギャップ層についてこれを適用してもよいことは言うまでもない。
[実施形態3] 実施形態1および実施形態2では、クラッド層がInPである半導体レーザにおいて、GaInPからなるワイドギャップ層を導入した場合について説明したが、実施形態3では、クラッド層をGaInAsPとし、InPからなるワイドギャップ層を導入した場合について説明する。このクラッド層とワイドギャップ層の材料の組合せは、特に、Znのドーピングされたp型クラッド層での光吸収を抑制するために屈折率非対称型のクラッド層を用いる場合に特に有効である。n型クラッド層としてInPよりも屈折率の高い組成波長0.95μm程度のGaInAsPを使用した場合、n型クラッド層のバンドギャップがInPを使用した場合よりも小さくなり、キャリアの閉じ込めの上で不利となるため、n側光閉じ込め層にn側ワイドギャップ層を設けることが効果的である。この場合、n側ワイドギャップ層の材料としてInPを用いることができる。
In the second embodiment, the case where the p-side wide gap layer is composed of a plurality of layers having different band gaps has been described. Needless to say, this may be applied to the n-side wide gap layer.
[Embodiment 3] Embodiments 1 and 2 have described the case where a wide gap layer made of GaInP is introduced in a semiconductor laser whose cladding layer is InP. However, in
実施形態3に係る半導体レーザは、n型クラッド層とn側光閉じ込め層を除いては、実施形態1に示したものと同様である。
The semiconductor laser according to
図10に、本実施形態3に係る半導体レーザのn側光閉じ込め層近傍の組成波長プロファイルを示す。組成波長0.95μmのGaInAsPからなるn型クラッド層2’とn側光閉じ込め層3との間に、InPからなるn側ワイドギャップ層6aが設けられている。この実施形態3に係る半導体レーザは、光強度のn側への偏りを生じさせると共に、格子整合系の材料のみを用いながら、クラッド層よりもバンドギャップの大きな材料でキャリアのオーバーフローを抑制でき、高出力で温度特性に優れた半導体レーザとなる。
FIG. 10 shows a composition wavelength profile near the n-side optical confinement layer of the semiconductor laser according to the third embodiment. An n-side
なお、本実施形態3において、ワイドギャップ層をGaInPで構成してもよい。 In the third embodiment, the wide gap layer may be made of GaInP.
以上の実施形態1乃至3で説明した半導体レーザ素子の構造に回折格子層を設けて、分布帰還型半導体レーザ(DFBレーザ)などとすることも可能である。その場合、回折格子層とワイドギャップ層の位置関係は問わない。 It is also possible to provide a distributed feedback semiconductor laser (DFB laser) or the like by providing a diffraction grating layer in the structure of the semiconductor laser element described in the first to third embodiments. In that case, the positional relationship between the diffraction grating layer and the wide gap layer does not matter.
また、実施形態1および実施形態2で示した例では、ワイドギャップ層であるGaInPの屈折率がクラッド層であるInPより高いが、このような場合、ワイドギャップ層自体に回折格子を形成することにより、ワイドギャップ層を回折格子層としてもよい。このような構造は、以下の点から有利である。一般に、回折格子層を設けて回折格子を形成する場合、回折格子層はクラッド層よりも屈折率が高いことが求められる。InP/GaInAsP系のレーザでは、屈折率が高い組成の材料ほどバンドギャップが小さくなるため、回折格子層がキャリアのブロッキング効果を阻害し、キャリアのオーバーフローに対しては弱い構造となっていた。したがって、ワイドギャップ層を設けることや、回折格子層自体をワイドギャップ層で形成することによって、DFBレーザで特に問題となっていたキャリアのオーバーフローに対して優れた効果を発揮する。
In the examples shown in
本発明は、上記実施形態例で説明した構造に限定されるものではない。たとえば半導体基板としてInP以外のGaAsなどの材料を用いた半導体レーザ素子にも適用できる。さらに、本発明は、基板に平行な共振器を有する構造であれば、半導体レーザの導波構造によらず適用可能である。たとえば、埋込みへテロ構造、リッジ構造、セルフアライン構造などであってもよい。また、レーザの光出射端面には、低反射膜/高反射膜コーティングを施すと好適である。 The present invention is not limited to the structure described in the above embodiment. For example, the present invention can also be applied to a semiconductor laser element using a material such as GaAs other than InP as a semiconductor substrate. Furthermore, the present invention can be applied regardless of the waveguide structure of the semiconductor laser as long as it has a resonator parallel to the substrate. For example, a buried hetero structure, a ridge structure, a self-aligned structure, or the like may be used. Further, it is preferable to apply a low reflection film / high reflection film coating to the light emitting end face of the laser.
1 n型InP基板
2 n型クラッド層
3 n側光閉じ込め層
4 多重量子井戸活性層
5 p側光閉じ込め層
6a n側ワイドギャップ層
6b p側ワイドギャップ層
7 p型クラッド層
8 p型コンタクト層
9 上部電極
10 下部電極
20 半導体レーザ素子
1 n-type InP substrate 2 n-type cladding layer 3 n-side
Claims (16)
前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層が設けられており、
前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有し、
前記半導体基板はInPからなり、前記ワイドギャップ層はGaInPからなり、前記近い方のクラッド層はInPからなり、
前記ワイドギャップ層は、臨界膜厚以下の厚さであることを特徴とする半導体レーザ素子。 A semiconductor substrate has a quantum well active layer, a light confinement layer in contact with at least one side of the quantum well active layer, and a pair of cladding layers provided with the quantum well active layer and the light confinement layer interposed therebetween. ,
In the semiconductor laser device having a resonator formed in parallel to the semiconductor substrate, the semiconductor laser device is provided with a wide gap layer made of a material having a larger band gap than the pair of clad layers. ,
The wide gap layer has a layer doped so as to have the same conductivity type as the clad layer closer to the wide gap layer of the set of clad layers,
The semiconductor substrate is made of InP, the wide-gap layer is made of GaInP, the closer the cladding layer of InP Ri Tona,
The wide-gap layer, a semiconductor laser device characterized critical film thickness or less thick der Rukoto.
前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層が設けられており、
前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有し、
前記半導体基板はInPからなり、前記ワイドギャップ層はInPまたはGaInPからなり、前記近い方のクラッド層はInPと格子整合するGaInAsPからなり、
前記ワイドギャップ層は、臨界膜厚以下の厚さであることを特徴とする半導体レーザ素子。 A semiconductor substrate has a quantum well active layer, a light confinement layer in contact with at least one side of the quantum well active layer, and a pair of cladding layers provided with the quantum well active layer and the light confinement layer interposed therebetween. ,
In the semiconductor laser device having a resonator formed in parallel to the semiconductor substrate, the semiconductor laser device is provided with a wide gap layer made of a material having a larger band gap than the pair of clad layers. ,
The wide gap layer has a layer doped so as to have the same conductivity type as the clad layer closer to the wide gap layer of the set of clad layers,
The semiconductor substrate is made of InP, the wide-gap layer is made of InP, or GaInP, the closer cladding layer of Ri GaInAsP Tona that is lattice-matched to InP,
The wide-gap layer, a semiconductor laser device characterized critical film thickness or less thick der Rukoto.
前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層が設けられており、
前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有し、
前記半導体基板はInPからなり、前記ワイドギャップ層はGaAsからなり、近い方のクラッド層はInPからなり、
前記ワイドギャップ層は、臨界膜厚以下の厚さであることを特徴とする半導体レーザ素子。 A semiconductor substrate has a quantum well active layer, a light confinement layer in contact with at least one side of the quantum well active layer, and a pair of cladding layers provided with the quantum well active layer and the light confinement layer interposed therebetween. ,
In the semiconductor laser device having a resonator formed in parallel to the semiconductor substrate, the semiconductor laser device is provided with a wide gap layer made of a material having a larger band gap than the pair of clad layers. ,
The wide gap layer has a layer doped so as to have the same conductivity type as the clad layer closer to the wide gap layer of the set of clad layers,
The semiconductor substrate is made of InP, the wide-gap layer is made of GaAs, the closer the cladding layer of Ri InP Tona,
The wide-gap layer, a semiconductor laser device characterized critical film thickness or less thick der Rukoto.
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