JP2565909B2 - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents
半導体レ−ザ素子Info
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、高出力特性にすぐれた高性能半導体レーザ
素子に関するものである。
素子に関するものである。
＜従来技術＞ 近年、YAGレーザの励起用光源等として小型軽量の半
導体レーザによる1W以上の高出力動作が求められてい
る。
導体レーザによる1W以上の高出力動作が求められてい
る。
一般に、非常に小さな体積で動作する半導体レーザの
高出力限界は主に大きな駆動電流時の発熱による光出力
の飽和や高い光密度による破壊限界によってきまってい
る。したがって高出力動作においては数十ミクロン（μ
ｍ）のストライプ幅を持った広ストライプレーザを用い
ることにより単位体積あたりの光密度を低下している。
このような広ストライプレーザにおいては成長層の均一
性が問題となるが近年分子線エピタキシイ法（MBE法）
や有機金属気相成長法（MO−CVD法）等によって大面積
でかつ均一な結晶成長が可能となっており、上述のよう
なストライプ幅の広いレーザによって高い出力の発振が
得られるようになっている。
高出力限界は主に大きな駆動電流時の発熱による光出力
の飽和や高い光密度による破壊限界によってきまってい
る。したがって高出力動作においては数十ミクロン（μ
ｍ）のストライプ幅を持った広ストライプレーザを用い
ることにより単位体積あたりの光密度を低下している。
このような広ストライプレーザにおいては成長層の均一
性が問題となるが近年分子線エピタキシイ法（MBE法）
や有機金属気相成長法（MO−CVD法）等によって大面積
でかつ均一な結晶成長が可能となっており、上述のよう
なストライプ幅の広いレーザによって高い出力の発振が
得られるようになっている。
従来、活性層厚が500Å以上のいわゆるダブルヘテロ
（DH）型レーザを高出力用レーザとして用いるとき、共
振器両端面の反射率を後面75％以上、前面約５％の非対
称になるようにコーティングを施し、後面への光出力の
損失を少なくしている。一般に半導体レーザにおいて発
振閾値電流密度は共振器長を長くすると低下するが、DH
レーザの場合共振器長を長くすると量子効率の低下が大
きいため高出力動作時の駆動電流を上昇し発熱の効果に
よる光出力の飽和がおこるため共振器長は250μｍ程度
が最適と考えられる。
（DH）型レーザを高出力用レーザとして用いるとき、共
振器両端面の反射率を後面75％以上、前面約５％の非対
称になるようにコーティングを施し、後面への光出力の
損失を少なくしている。一般に半導体レーザにおいて発
振閾値電流密度は共振器長を長くすると低下するが、DH
レーザの場合共振器長を長くすると量子効率の低下が大
きいため高出力動作時の駆動電流を上昇し発熱の効果に
よる光出力の飽和がおこるため共振器長は250μｍ程度
が最適と考えられる。
＜発明の目的＞ 本発明は高出力動作に有利な量子井戸レーザを用いて
発熱による光出力飽和の影響を少なくし、高い出力での
動作を可能にするものである。
発熱による光出力飽和の影響を少なくし、高い出力での
動作を可能にするものである。
活性層に量子井戸構造を用いた場合、注入されたキャ
リァは、量子井戸方向に量子化され、キャリァのエネル
ギ状態密度が階段状となるためレーザの利得係数が注入
キャリァ密度に対して急激に立ち上がり、低い閾値電流
密度で発振する。
リァは、量子井戸方向に量子化され、キャリァのエネル
ギ状態密度が階段状となるためレーザの利得係数が注入
キャリァ密度に対して急激に立ち上がり、低い閾値電流
密度で発振する。
＜発明の構成及び効果の説明＞ 本発明は、駆動電流が低く高出力動作に有利な量子井
戸活性層を有し前後端面の反射率をそれぞれ低反射率と
した高出力半導体レーザにおいて、共振器長を300μｍ
以上1000μｍ以下とすることにより連続発振時に発熱に
よる光出力の飽和の影響のない高出力動作を得るもので
ある。
戸活性層を有し前後端面の反射率をそれぞれ低反射率と
した高出力半導体レーザにおいて、共振器長を300μｍ
以上1000μｍ以下とすることにより連続発振時に発熱に
よる光出力の飽和の影響のない高出力動作を得るもので
ある。
＜実施例＞ 第１図に本発明の１実施例の断面図を示す。ｎ−GaAs
基板１上にｎ−Al0.7Ga0.3Asクラッド層２、Al混晶比を
0.7から0.3まで放物線状に徐々に変化させたAlxGa1-XAs
グレーディドインデックスガイド層３、層厚60ÅのAl
0.1Ga0.9As量子井戸活性層４、Al混晶比を0.3から0.7ま
で放物線状に徐々に変化させたAlxGa1-XAsグレーディド
インデックスガイド層５、ｐ−Al0.7Ga0.3Asクラッド層
６、ｐ−GaAsコンタクト層７、ｎ−Al0.5Ga0.5As電流狭
窄層８、ｎ−GaAs保護層を、順次MBE法によって成長し
た。これに一般に用いられるフォトレジストを用いた化
学エッチングにより100μｍ幅のストライプ状にｎ−GaA
s保護層９及びｎ−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層８を除去
し、その後ｎ側,p側にそれぞれオーミック電極を形成し
レーザ端面前面に反射率３％の低反射コーティング、後
面に反射率95％の高反射コーティングを施し高出力用の
グレーディドインデックスガイド層付量子井戸レーザの
100μｍ電極ストライプ型素子を作製した。
基板１上にｎ−Al0.7Ga0.3Asクラッド層２、Al混晶比を
0.7から0.3まで放物線状に徐々に変化させたAlxGa1-XAs
グレーディドインデックスガイド層３、層厚60ÅのAl
0.1Ga0.9As量子井戸活性層４、Al混晶比を0.3から0.7ま
で放物線状に徐々に変化させたAlxGa1-XAsグレーディド
インデックスガイド層５、ｐ−Al0.7Ga0.3Asクラッド層
６、ｐ−GaAsコンタクト層７、ｎ−Al0.5Ga0.5As電流狭
窄層８、ｎ−GaAs保護層を、順次MBE法によって成長し
た。これに一般に用いられるフォトレジストを用いた化
学エッチングにより100μｍ幅のストライプ状にｎ−GaA
s保護層９及びｎ−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層８を除去
し、その後ｎ側,p側にそれぞれオーミック電極を形成し
レーザ端面前面に反射率３％の低反射コーティング、後
面に反射率95％の高反射コーティングを施し高出力用の
グレーディドインデックスガイド層付量子井戸レーザの
100μｍ電極ストライプ型素子を作製した。
第３図にこの素子の共振器長を250μｍから1300μｍ
の間で変えた多数の素子の室温連続発振における最大光
出力の実測値を示す。
の間で変えた多数の素子の室温連続発振における最大光
出力の実測値を示す。
第３図に代表的な素子として共振器長250μｍと375μ
ｍの場合の光出力−電流特性を示す。
ｍの場合の光出力−電流特性を示す。
第３図から判るように共振器長が300μｍ未満の場
合、素子の最大出力は急激に低下する。この場合光出力
−電流特性は、第４図のＬ＝250μｍの素子について示
したように発熱によって飽和している。
合、素子の最大出力は急激に低下する。この場合光出力
−電流特性は、第４図のＬ＝250μｍの素子について示
したように発熱によって飽和している。
一方、共振器長Ｌが300μｍ≦Ｌ≦1000μｍの範囲で
は第３図のＬ＝375μｍの素子に対して示したように、
光出力は破壊限界までのびており発熱による出力飽和の
影響はほとんどない。
は第３図のＬ＝375μｍの素子に対して示したように、
光出力は破壊限界までのびており発熱による出力飽和の
影響はほとんどない。
しかしＬ＞1000μｍ以上では、再び、最大出力は熱に
よる飽和によって決っている。このような熱による光出
力飽和の共振器存性を第5,6,7図を用いて説明する。
よる飽和によって決っている。このような熱による光出
力飽和の共振器存性を第5,6,7図を用いて説明する。
第５図に共振器長250μｍ及び375μｍの素子について
の熱抵抗の実測値を示す。これよりＬ＝300μｍ以上の
素子と以下の素子では、熱抵抗には有為差はないと考え
られる。第６図に量子井戸レーザにおける光出力1Wにお
ける駆動電流密度の共振器長依存性の理論値を示す。こ
れは発熱による温度の上昇の効果は含まれていない。こ
れよりＬ＝300μｍ以下の領域で電流密度の急上昇が見
られる。
の熱抵抗の実測値を示す。これよりＬ＝300μｍ以上の
素子と以下の素子では、熱抵抗には有為差はないと考え
られる。第６図に量子井戸レーザにおける光出力1Wにお
ける駆動電流密度の共振器長依存性の理論値を示す。こ
れは発熱による温度の上昇の効果は含まれていない。こ
れよりＬ＝300μｍ以下の領域で電流密度の急上昇が見
られる。
これより第３図における300μｍ以下での出力飽和
は、この電流密度の上昇によるものと考えられる。次に
第７図に光出力1Wを得るのに必要な駆動電流の共振器長
依存性の理論値を一般のDHレーザと量子井戸レーザに対
して示す。発熱による駆動電流上昇はないものと仮定し
ている。高出力動作時の駆動電流は、素子の微分量子効
率に大きく依存する。一般に微分量子効率は に比例する。ここで、R,Rはレーザ両端面の反射率、Ｌ
は共振器長、αｉは素子の内部損失をあらわす。したが
って共振器長を長くした場合、微分量子効率は低下し、
高出力動作時の駆動電流は増大する。しかし量子井戸レ
ーザの場合内部損失αｉが約５cm-1程度まで低できDHレ
ーザが約５cm-1に比べて極めて小さい値となり、第１式
のＬ依存性が小さく共振器を長くしても駆動電流の上昇
は小さい。ただしこのような効果は式（１）からも判る
ように内部損失αｉとミラー損失1/2L ln（1/R1R2）の
相対関係できまっているため、ミラー損失が小さい場合
には、この効果は現れない。実験によると後面反射率が
90％以上の場合、前面反射率は10％以下でないと高出力
時の熱による光出力飽和を抑制する効果はあらわれな
い。これは以下のような理論解析より説明できる。第８
図に端面反射率を変えた場合の式（１）の値のＬ依存性
の理論値を示す。ここでは、前面より効率よく光をとり
出すため後面の反射率を95％と一定にしてある。前面反
射率を５％とした場合、量子井戸レーザの内部損失５cm
-1に対しミラー損失が大きいため、量子効率の共振器長
依存性が小さい。しかし前面の反射率を15％と大きくし
た場合、ミラー損失が内部損失に対して小さくなり、共
振器長を大きくした場合の量子効率の低下は大きくなり
高出力時の駆動電流が上昇する。比較のために内部損失
15cm-1のDHレーザに関する式（１）の値を図中に示す。
これより前面反射率を大きくした場合内部損失が小さな
量子井戸レーザにおいてもDHレーザに近い量子効率の低
下が起る。
は、この電流密度の上昇によるものと考えられる。次に
第７図に光出力1Wを得るのに必要な駆動電流の共振器長
依存性の理論値を一般のDHレーザと量子井戸レーザに対
して示す。発熱による駆動電流上昇はないものと仮定し
ている。高出力動作時の駆動電流は、素子の微分量子効
率に大きく依存する。一般に微分量子効率は に比例する。ここで、R,Rはレーザ両端面の反射率、Ｌ
は共振器長、αｉは素子の内部損失をあらわす。したが
って共振器長を長くした場合、微分量子効率は低下し、
高出力動作時の駆動電流は増大する。しかし量子井戸レ
ーザの場合内部損失αｉが約５cm-1程度まで低できDHレ
ーザが約５cm-1に比べて極めて小さい値となり、第１式
のＬ依存性が小さく共振器を長くしても駆動電流の上昇
は小さい。ただしこのような効果は式（１）からも判る
ように内部損失αｉとミラー損失1/2L ln（1/R1R2）の
相対関係できまっているため、ミラー損失が小さい場合
には、この効果は現れない。実験によると後面反射率が
90％以上の場合、前面反射率は10％以下でないと高出力
時の熱による光出力飽和を抑制する効果はあらわれな
い。これは以下のような理論解析より説明できる。第８
図に端面反射率を変えた場合の式（１）の値のＬ依存性
の理論値を示す。ここでは、前面より効率よく光をとり
出すため後面の反射率を95％と一定にしてある。前面反
射率を５％とした場合、量子井戸レーザの内部損失５cm
-1に対しミラー損失が大きいため、量子効率の共振器長
依存性が小さい。しかし前面の反射率を15％と大きくし
た場合、ミラー損失が内部損失に対して小さくなり、共
振器長を大きくした場合の量子効率の低下は大きくなり
高出力時の駆動電流が上昇する。比較のために内部損失
15cm-1のDHレーザに関する式（１）の値を図中に示す。
これより前面反射率を大きくした場合内部損失が小さな
量子井戸レーザにおいてもDHレーザに近い量子効率の低
下が起る。
第３図において300μｍから1000μｍまでの広い範囲
で熱による光出力の飽和の影響が光出力1W以上でもほと
んどあらわれないことは第７図の駆動電流の上昇が非常
に小さいことに起因していると考えられる。
で熱による光出力の飽和の影響が光出力1W以上でもほと
んどあらわれないことは第７図の駆動電流の上昇が非常
に小さいことに起因していると考えられる。
しかし共振器長が1000μｍ以上となった場合駆動電流
の上昇と共に徐々に光出力の飽和があらわれる。
の上昇と共に徐々に光出力の飽和があらわれる。
以上の議論よりレーザ端面の前後面にそれぞれ３％,9
5％のコーディングを施した量子井戸レーザにおいて、
共振器長を300μｍ以上1000μｍ以下とした場合、発熱
による光出力飽和の影響のない高出力レーザが得られ
る。
5％のコーディングを施した量子井戸レーザにおいて、
共振器長を300μｍ以上1000μｍ以下とした場合、発熱
による光出力飽和の影響のない高出力レーザが得られ
る。
次に本発明の第２の実施例を第２図によって説明す
る。
る。
MBE法によって第１の実施例と全く同じ層構造をMBE法
により成長した後、フォトレジストを用いた化学エッチ
ングにより第8,9層を約100μｍ幅のストライプ状にエッ
チングする。次に8,9層を取除いたストライプ内に同じ
くフォトレジストを用いた化学エッチングにより間隔１
μｍ幅２μｍのメサ部が残るように第７層及び第６層を
エッチングする。この場合、エッチング部分の第６層は
約0.2μｍ残した。このようにして100μｍ幅リッヂ導波
路アレイを製作した。なおリッヂ部側面には絶縁膜を蒸
着により形成しその後ｐ・ｎ両電極を形成した。このウ
ェハを用いて、共振器長の異なる多くの素子を作製した
ところ最大光出力の共振器長依存性はほぼ第３図と同様
の傾向をあらわし、共振器長300μｍ以上1000μｍ以下
の領域で、光出力1Wまで光出力の飽和はみられなかっ
た。ただしこれらの素子の端面反射率は後面95％、前面
５％とした。
により成長した後、フォトレジストを用いた化学エッチ
ングにより第8,9層を約100μｍ幅のストライプ状にエッ
チングする。次に8,9層を取除いたストライプ内に同じ
くフォトレジストを用いた化学エッチングにより間隔１
μｍ幅２μｍのメサ部が残るように第７層及び第６層を
エッチングする。この場合、エッチング部分の第６層は
約0.2μｍ残した。このようにして100μｍ幅リッヂ導波
路アレイを製作した。なおリッヂ部側面には絶縁膜を蒸
着により形成しその後ｐ・ｎ両電極を形成した。このウ
ェハを用いて、共振器長の異なる多くの素子を作製した
ところ最大光出力の共振器長依存性はほぼ第３図と同様
の傾向をあらわし、共振器長300μｍ以上1000μｍ以下
の領域で、光出力1Wまで光出力の飽和はみられなかっ
た。ただしこれらの素子の端面反射率は後面95％、前面
５％とした。
上記実施例においては活性領域としてAlの混晶比をｘ
＝0.1としたが、０≦ｘ≦0.2の範囲では、量子井戸レー
ザによる内部損失はDHレーザに比べて非常に低い値であ
り、かつ混晶比依存性はないため、本実施例と同様に30
0μｍ≦Ｌ≦1000μｍとした場合熱による出力飽和のな
い高出力レーザが得られる。
＝0.1としたが、０≦ｘ≦0.2の範囲では、量子井戸レー
ザによる内部損失はDHレーザに比べて非常に低い値であ
り、かつ混晶比依存性はないため、本実施例と同様に30
0μｍ≦Ｌ≦1000μｍとした場合熱による出力飽和のな
い高出力レーザが得られる。
また実施例では活性領域をGRIN−SCH構造としたが、
量子井戸活性層を多層に積層した多重量子井戸構造とし
ても全く同様の効果が得られる。
量子井戸活性層を多層に積層した多重量子井戸構造とし
ても全く同様の効果が得られる。
第１図及び第２図はそれぞれ本発明の１実施例である10
0μｍ電極ストライプ型グレーディドインデックスガイ
ド層付量子井戸レーザの断面図である。 第３図はGRIN−SCHレーザの最大光出力の共振器長依存
性を示す特性図である。 第４図はGRIN−SCHレーザの光出力電流特性を示す特性
図である。 第５図はGRIN−SCHレーザの熱抵抗の共振器依存性の実
測値を示す特性図である。 第６図はGRIN−SCHレーザの光出力1Wにおける駆動電流
密度の共振器長依存性の理論値を示す説明図である。 第７図及び第８図はGRIN−SCHレーザ及びDHレーザの光
出力1Wにおける、駆動電流の共振器長依存性の理論値を
示す。 １……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−Al0.7Ga0.3Asクラッド
層、３……AlxGa1-xAs（ｘ＝0.3〜0.7）グレーディドイ
ンデックスガイド層、４……Al0.1Ga0.9As（60Å）活性
層、５……ｐ−AlxGa1-xAsクラッド層、７……ｐ−GaAs
コンタクト層、８……ｎ−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層、９
……ｎ−GaAs保護層、10……ｐ型オーミック電極、11…
…ｎ型オーミック電極、12……絶縁層。
0μｍ電極ストライプ型グレーディドインデックスガイ
ド層付量子井戸レーザの断面図である。 第３図はGRIN−SCHレーザの最大光出力の共振器長依存
性を示す特性図である。 第４図はGRIN−SCHレーザの光出力電流特性を示す特性
図である。 第５図はGRIN−SCHレーザの熱抵抗の共振器依存性の実
測値を示す特性図である。 第６図はGRIN−SCHレーザの光出力1Wにおける駆動電流
密度の共振器長依存性の理論値を示す説明図である。 第７図及び第８図はGRIN−SCHレーザ及びDHレーザの光
出力1Wにおける、駆動電流の共振器長依存性の理論値を
示す。 １……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−Al0.7Ga0.3Asクラッド
層、３……AlxGa1-xAs（ｘ＝0.3〜0.7）グレーディドイ
ンデックスガイド層、４……Al0.1Ga0.9As（60Å）活性
層、５……ｐ−AlxGa1-xAsクラッド層、７……ｐ−GaAs
コンタクト層、８……ｎ−Al0.5Ga0.5As電流狭窄層、９
……ｎ−GaAs保護層、10……ｐ型オーミック電極、11…
…ｎ型オーミック電極、12……絶縁層。
Claims (1)
- 【請求項１】層厚が電子のドブロイ波長より薄い活性層
を単層または多層に形成した半導体レーザ素子におい
て、前記活性層の共振端面をそれぞれ75％以上及び10％
以下の反射率に設定しかつ共振器長を300μｍ以上1000
μｍ以下としたことを特徴とする半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62169164A JP2565909B2 (ja) | 1987-07-06 | 1987-07-06 | 半導体レ−ザ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62169164A JP2565909B2 (ja) | 1987-07-06 | 1987-07-06 | 半導体レ−ザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6412592A JPS6412592A (en) | 1989-01-17 |
| JP2565909B2 true JP2565909B2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=15881454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62169164A Expired - Fee Related JP2565909B2 (ja) | 1987-07-06 | 1987-07-06 | 半導体レ−ザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2565909B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0448406A3 (en) * | 1990-03-23 | 1992-02-26 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor laser diode |
| JPH07297498A (ja) * | 1994-03-01 | 1995-11-10 | Seiko Epson Corp | 半導体レーザおよびこれを用いた光センシング装置 |
| CN117638644B (zh) * | 2023-12-12 | 2024-11-05 | 天津赛米卡尔科技有限公司 | 具有非均匀折射率分布强耦合的多结fp激光器及制备方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62112391A (ja) * | 1985-11-12 | 1987-05-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 分布帰還形半導体レーザ |
-
1987
- 1987-07-06 JP JP62169164A patent/JP2565909B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62112391A (ja) * | 1985-11-12 | 1987-05-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 分布帰還形半導体レーザ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6412592A (en) | 1989-01-17 |
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