JP2014229743A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser.
半導体レーザにおいて、注入電流の増加や電流注入領域の狭小化に伴う注入電流密度の増大時、あるいは高温動作時に、発光層におけるキャリア、特に有効質量の小さい電子のオーバーフローの増加により光出力が低下する。特に、InP系材料はGaAs系材料に比べて伝導帯側のバンドオフセットが小さいため、その影響が顕著である。 In a semiconductor laser, the light output decreases due to an increase in overflow of carriers in the light-emitting layer, particularly electrons with a small effective mass, when the injection current density increases due to an increase in injection current or a narrow current injection region, or during high temperature operation. . In particular, the effect of the InP-based material is significant because the band offset on the conduction band side is smaller than that of the GaAs-based material.
この問題に対して、図5に示すように、n型基板P1上に、n型クラッド層P3、発光層P5、及びp型クラッド層P7を備える半導体レーザにおいて、発光層P5とp側クラッド層P7間にキャリアストップ層(キャリアストッパ層、電子ストッパ層、電子バリア層などとも呼ばれる)P9を設けることで、電子のオーバーフローを低減する構造が特開平5−102600号公報(特許文献1)、特開平10−294524号公報(特許文献2)等で提案されている。 To solve this problem, as shown in FIG. 5, in a semiconductor laser including an n-type cladding layer P3, a light-emitting layer P5, and a p-type cladding layer P7 on an n-type substrate P1, the light-emitting layer P5 and the p-side cladding layer A structure that reduces the overflow of electrons by providing a carrier stop layer (also called carrier stopper layer, electron stopper layer, electron barrier layer, etc.) P9 between P7 is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-102600 (Patent Document 1). It is proposed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-294524 (Patent Document 2).
一般に、発光層における電子のオーバーフローの抑制には、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーが大きいほど効果的であり、例えばGaAs系レーザでは、AlInP等の材料が有効であり、また、InP系レーザでは、AlInAs等の材料が有効である。さらに、同じ材料でも、組成によりバンドギャップエネルギーを大きくする(例えばAlxIn1-xP、およびAlyIn1-yAs(0<x<1、0<y<1)においてAlの組成x、およびyを大きくする)ことで、より効果的となる。 In general, the larger the band gap energy of the carrier stop layer, the more effective the suppression of the overflow of electrons in the light emitting layer. For example, a material such as AlInP is effective in a GaAs laser, and in an InP laser, A material such as AlInAs is effective. Furthermore, even if the same material is used, the band gap energy is increased depending on the composition (for example, Al composition x in Al x In 1-x P and Al y In 1-y As (0 <x <1, 0 <y <1)). , And y) are made more effective.
ところが、キャリアストップ層の組成を変化させ、バンドギャップエネルギーを大きくすると、基板に対する結晶歪みが大きくなり、結晶内の欠陥が増大してしまう。欠陥が増大すると、結晶内でのレーザ光の吸収や散乱が生じ、半導体レーザの光出力が低下してしまう。 However, when the composition of the carrier stop layer is changed and the band gap energy is increased, crystal distortion with respect to the substrate increases and defects in the crystal increase. When the defect increases, laser light is absorbed and scattered in the crystal, and the optical output of the semiconductor laser decreases.
特に、高出力化を目的に、図6に示すように、基板P11上に、n型クラッド層P13、発光層P15、及びp型クラッド層P17を積層して成るレーザ構造単位P23、P25(P23は第1のレーザ構造単位、P25は第2のレーザ構造単位)を、トンネル層P21を介して複数積層した半導体レーザにおいて、第1のレーザ構造単位P23、及び第2のレーザ構造単位P25内にそれぞれキャリアストップ層P19を設けた場合、第2のレーザ構造P25の発光層P15は第1のレーザ構造単位P23に設けたキャリアストップ層P19の上部に位置する。そのため、第1のレーザ構造単位P23におけるキャリアストップ層P19の結晶性の低下は、同時に、第2のレーザ構造単位P25における発光層P15の結晶性の低下をもたらすことになり、発光特性や長期動作させた場合の信頼性が低下してしまう。 In particular, for the purpose of increasing the output, as shown in FIG. 6, laser structural units P23 and P25 (P23) formed by laminating an n-type cladding layer P13, a light emitting layer P15, and a p-type cladding layer P17 on a substrate P11. Is a first laser structural unit and P25 is a second laser structural unit) in a semiconductor laser in which a plurality of layers are stacked via a tunnel layer P21, the first laser structural unit P23 and the second laser structural unit P25 When the carrier stop layer P19 is provided, the light emitting layer P15 of the second laser structure P25 is positioned above the carrier stop layer P19 provided in the first laser structure unit P23. Therefore, the decrease in the crystallinity of the carrier stop layer P19 in the first laser structural unit P23 results in a decrease in the crystallinity of the light emitting layer P15 in the second laser structural unit P25. If this is done, the reliability will be reduced.
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、発光特性や長期動作させた場合の信頼性において優れる半導体レーザを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser that is excellent in emission characteristics and reliability when operated for a long period of time.
本発明の半導体レーザは、n型クラッド層、発光層、及びp型クラッド層を積層して成るレーザ構造単位を複数備え、最上位を除く少なくとも1つのレーザ構造において、発光層とp型クラッド層との間、又はp型クラッド層の中に、バンドギャップエネルギーがp型クラッド層より大きいキャリアストップ層を備える。そして、そのキャリアストップ層について、下記式1が成立する。
(式1)A×B≦22
ここで、Aはキャリアストップ層のnmを単位とする層厚であり、Bはキャリアストップ層の%を単位とする基板に対する伸長歪量である。なお、歪量とは、基板の格子定数をxとし、成長層の格子定数をyとした場合に、(x−y)/xで表される量であり、x>yの場合は伸長歪量となる。
The semiconductor laser of the present invention includes a plurality of laser structural units formed by laminating an n-type cladding layer, a light-emitting layer, and a p-type cladding layer, and in at least one laser structure excluding the uppermost layer, the light-emitting layer and the p-type cladding layer Or in the p-type cladding layer, a carrier stop layer having a band gap energy larger than that of the p-type cladding layer is provided. And about the carrier stop layer, following formula 1 is materialized.
(Formula 1) A × B ≦ 22
Here, A is a layer thickness in units of nm of the carrier stop layer, and B is an amount of elongation strain with respect to the substrate in units of% of the carrier stop layer. The strain amount is an amount expressed by (xy) / x where x is the lattice constant of the substrate and y is the lattice constant of the growth layer. It becomes quantity.
本発明の半導体レーザでは、最上位を除く少なくとも1つのレーザ構造に、上記式1を充足するキャリアストップ層を備える。上記式1を充足するキャリアストップ層は、その層を起点とする結晶性の低下を抑制することができる。その結果、上記式1を充足するキャリアストップ層よりも上部に位置する発光層を、結晶性を低下させることなく成長させることができる。よって、本発明によれば、キャリアストップ層の効果を奏するとともに、発光特性や長期動作させた場合の信頼性の低下を防止できる。 In the semiconductor laser of the present invention, at least one laser structure excluding the uppermost layer is provided with a carrier stop layer that satisfies Equation 1 above. The carrier stop layer satisfying the above formula 1 can suppress a decrease in crystallinity starting from the layer. As a result, the light emitting layer positioned above the carrier stop layer satisfying the above formula 1 can be grown without reducing the crystallinity. Therefore, according to the present invention, the effect of the carrier stop layer can be obtained, and the light emission characteristics and the deterioration of the reliability when operated for a long time can be prevented.
キャリアストップ層の層厚は、2〜40nmの範囲内にあることが好ましく、4〜40nmの範囲内にあることがさらに好ましい。この範囲内であることにより、半導体レーザの光出力が一層大きくなる。 The thickness of the carrier stop layer is preferably in the range of 2 to 40 nm, and more preferably in the range of 4 to 40 nm. By being within this range, the optical output of the semiconductor laser is further increased.
キャリアストップ層の%を単位とする伸長歪量は、0.55%以上であることが好ましい。この範囲内であることにより、キャリアストップ層の効果が一層顕著になる。
前記キャリアストップ層は、Al、又はPを含むことが好ましい。Al、又はPを含むことにより、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。また、前記キャリアストップ層は、AlInAs、又はAlInPから成ることが好ましい。AlInAs、又はAlInPから成るものとすることで、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。AlInP、AlInAsは、AlxIn1-xP、AlyIn1-yAs(0<x<1、0<y<1)と表すことができる。
The amount of elongation strain in units of% of the carrier stop layer is preferably 0.55% or more. By being within this range, the effect of the carrier stop layer becomes more remarkable.
The carrier stop layer preferably contains Al or P. By including Al or P, the band gap energy of the carrier stop layer can be increased. The carrier stop layer is preferably made of AlInAs or AlInP. By using AlInAs or AlInP, the band gap energy of the carrier stop layer can be increased. AlInP and AlInAs can be expressed as Al x In 1-x P, Al y In 1-y As (0 <x <1, 0 <y <1).
本発明の半導体レーザは、例えば、基板上に、各層(n型クラッド層、発光層、p型クラッド層、キャリアストップ層等)を積層することで製造することができる。基板としては、InPから成る基板が好ましい。InP基板では、従来、電子のオーバーフローが生じやすかったが、本発明により電子のオーバーフローを抑制できる。 The semiconductor laser of the present invention can be manufactured, for example, by laminating each layer (n-type cladding layer, light emitting layer, p-type cladding layer, carrier stop layer, etc.) on a substrate. As the substrate, a substrate made of InP is preferable. Conventionally, an InP substrate has been apt to cause an overflow of electrons, but the present invention can suppress an overflow of electrons.
本発明の半導体レーザは、最上位のレーザ構造単位にもキャリアストップ層を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。最上位のレーザ構造単位にもキャリアストップ層を備える場合、そのキャリアストップ層は、上記式1を充足してもよいし、充足しなくてもよい。 The semiconductor laser of the present invention may or may not include a carrier stop layer in the uppermost laser structural unit. When the uppermost laser structural unit is also provided with a carrier stop layer, the carrier stop layer may or may not satisfy the above formula 1.
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
<第1の実施形態>
(1)半導体レーザ100の製造
図1に示すように、n型InP基板1上に、MOCVD法により、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4、第1のp型光ガイド層5、第1のp型キャリアストップ層6、第1のp型クラッド層7、InGaAsから成るp型層8a、InGaAsから成るn型層8b、第2のn型クラッド層9、第2のn型光ガイド層10、第2の多重量子井戸活性層(発光層)11、第2のp型光ガイド層12、第2のp型キャリアストップ層13、第2のp型クラッド層14、及びp型コンタクト層15を順に積層し、半導体レーザ100を製造した。各層の組成、層厚、及びキャリア濃度は表1に示すとおりである。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<First Embodiment>
(1) Manufacture of Semiconductor Laser 100 As shown in FIG. 1, a first n-type cladding layer 2, a first n-type light guide layer 3, and a first multiplex are formed on an n-type InP substrate 1 by MOCVD. Quantum well active layer (light emitting layer) 4, first p-type light guide layer 5, first p-type carrier stop layer 6, first p-type cladding layer 7, p-type layer 8 a made of InGaAs, and made of InGaAs n-type layer 8b, second n-type cladding layer 9, second n-type light guide layer 10, second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11, second p-type light guide layer 12, second The p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15 were sequentially laminated to manufacture the semiconductor laser 100. The composition, layer thickness, and carrier concentration of each layer are as shown in Table 1.
なお、第1のp型キャリアストップ層6の伸長歪量は2.0%であり、第2のp型キャリアストップ層13の伸長歪量は2.0%である。また、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4と第2の多重量子井戸活性層(発光層)11は、いずれも、厚さ10nmのAl0.03Ga0.3In0.67Asからなる井戸層と、厚さ15nmのAl0.25Ga0.23In0.52Asからなる障壁層との積層構造である。 The first p-type carrier stop layer 6 has an elongation strain of 2.0%, and the second p-type carrier stop layer 13 has an elongation strain of 2.0%. Each of the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4 and the second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11 is a well layer made of Al 0.03 Ga 0.3 In 0.67 As having a thickness of 10 nm. A laminated structure with a barrier layer made of Al 0.25 Ga 0.23 In 0.52 As having a thickness of 15 nm.
第1のp型キャリアストップ層6のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第1のp型クラッド層7のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、第2のp型キャリアストップ層13のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第2のp型クラッド層14のバンドギャップエネルギーよりも大きい。 The band gap energy of the first p-type carrier stop layer 6 is obviously larger than the band gap energy of the first p-type cladding layer 7 from its composition. In addition, the band gap energy of the second p-type carrier stop layer 13 is clearly larger than the band gap energy of the second p-type cladding layer 14 as apparent from the composition.
また、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4、第1のp型光ガイド層5、第1のp型キャリアストップ層6、及び第1のp型クラッド層7は、第1のレーザ構成単位16であり、第2のn型クラッド層9、第2のn型光ガイド層10、第2の多重量子井戸活性層(発光層)11、第2のp型光ガイド層12、第2のp型キャリアストップ層13、及び第2のp型クラッド層14は第2のレーザ構造単位17である。また、InGaAsから成るp型層8aとInGaAsから成るn型層8bとは、トンネル接合層8を構成する。 The first n-type cladding layer 2, the first n-type light guide layer 3, the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4, the first p-type light guide layer 5, the first p-type The carrier stop layer 6 and the first p-type cladding layer 7 are the first laser structural unit 16, and include the second n-type cladding layer 9, the second n-type light guide layer 10, and the second multiple quantum. The well active layer (light emitting layer) 11, the second p-type light guide layer 12, the second p-type carrier stop layer 13, and the second p-type cladding layer 14 are the second laser structural unit 17. The p-type layer 8 a made of InGaAs and the n-type layer 8 b made of InGaAs constitute a tunnel junction layer 8.
半導体レーザ100の製造において、n型層の成長にはドーパントとしてSeを用い、p型層の成長にはドーパントとしてZnを用いた。また、成長時の基板温度は550〜800℃とした。 In manufacturing the semiconductor laser 100, Se was used as a dopant for the growth of the n-type layer, and Zn was used as the dopant for the growth of the p-type layer. The substrate temperature during growth was 550 to 800 ° C.
各層の層厚は、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた断面観察により算出した。また、伸長歪量は、(1)X線回折により、基板1及び伸長歪量を算出する層(第1のp型キャリアストップ層6又は第2のp型キャリアストップ層13)の結晶軸(c軸)の長さを求める、(2)求めた結晶軸の長さから、伸長歪量を算出する層の歪みが入っていない状態の結晶軸の長さを算出する、(3)基板1の結晶軸の長さ(格子定数)と、(2)で算出した伸長歪量を算出する層の結晶軸の長さ(格子定数)との比により、伸張歪量を算出する、という手順で求めた。なお、層厚及び伸長歪量の算出方法は、後述する第2の実施形態以降でも同様である。 The layer thickness of each layer was calculated by cross-sectional observation using a transmission electron microscope (TEM). Further, the amount of elongation strain is (1) the crystal axis of the substrate 1 and the layer (first p-type carrier stop layer 6 or second p-type carrier stop layer 13) for calculating the amount of elongation strain by X-ray diffraction ( The length of the c axis) is obtained. (2) From the obtained length of the crystal axis, the length of the crystal axis in a state in which the strain for calculating the amount of elongation strain is not included is calculated. (3) Substrate 1 The elongation strain amount is calculated based on the ratio of the length of the crystal axis (lattice constant) to the crystal axis length (lattice constant) of the layer for which the elongation strain amount calculated in (2) is calculated. Asked. Note that the method for calculating the layer thickness and the amount of elongation strain is the same in the second and later embodiments described later.
結晶を構成する各元素の原料としては、Gaには、トリメチルガリウム、Alにはトリメチルアルミニウム、Inにはトリメチルインジウム、 Znにはジメチルジンクを用いた。また、Asには、AsH3(アルシン)、PにはPH3(ホスフィン)、SeにはH2Se(セレン化水素)を用いた。
(2)半導体レーザ素子の製造
半導体レーザ100のp型コンタクト層15上に、SiO2から成る絶縁膜を所定のパターンで設け、その上にCr/Pt/Auから成る電極を形成した。次に、n型InP基板1の厚さが100μm程度となるように、 n型InP基板1の片面(第1のn型クラッド層2を形成した面とは反対側の面)を研削し、研削面にAu-Ge/Ni/Auから成る電極を形成した。さらに、電極と半導体レーザ100とのコンタクトを安定化させるために360℃で30秒間の熱処理を実施した。
As raw materials for each element constituting the crystal, trimethyl gallium was used for Ga, trimethyl aluminum for Al, trimethyl indium for In, and dimethyl zinc for Zn. Moreover, AsH 3 (arsine) was used for As, PH 3 (phosphine) was used for P, and H 2 Se (hydrogen selenide) was used for Se.
(2) Manufacturing of Semiconductor Laser Element An insulating film made of SiO 2 was provided in a predetermined pattern on the p-type contact layer 15 of the semiconductor laser 100, and an electrode made of Cr / Pt / Au was formed thereon. Next, one surface of the n-type InP substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the first n-type cladding layer 2 is formed) is ground so that the thickness of the n-type InP substrate 1 is about 100 μm. An electrode made of Au-Ge / Ni / Au was formed on the ground surface. Furthermore, in order to stabilize the contact between the electrode and the semiconductor laser 100, heat treatment was performed at 360 ° C. for 30 seconds.
次に、共振器を形成するために劈開により幅500μmで短冊化し、 Al2O3、a-Si等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方の端面に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を製造した。
(3)半導体レーザ100が奏する効果
本実施形態において、第1のp型キャリアストップ層6の層厚は10nm(=0.01μm)、伸長歪量は2.0%であり、第1のp型キャリアストップ層6の層厚(nm)をAとし、伸長歪量(%)をBとした場合の、A×Bの値は20(≦22)となるため、第1のp型キャリアストップ層6の結晶性低下に伴う第1の発光層4における光出力の低下や第1のp型キャリアストップ層6上に成長する第2の発光層11の結晶性の低下を抑制することができる。
Next, in order to form a resonator, it is shortened to a width of 500 μm by cleavage, and a material such as Al 2 O 3 or a-Si is used, and one end face has a low reflectance with respect to the wavelength of the laser beam, the other A semiconductor laser device was manufactured by forming a reflective layer having a high reflectivity on the end face and making the device into a predetermined size.
(3) Effects of Semiconductor Laser 100 In the present embodiment, the first p-type carrier stop layer 6 has a layer thickness of 10 nm (= 0.01 μm), an elongation strain of 2.0%, and the first p Since the value of A × B is 20 (≦ 22) when the layer thickness (nm) of the type carrier stop layer 6 is A and the amount of elongation strain (%) is B, the first p-type carrier stop A decrease in light output in the first light-emitting layer 4 and a decrease in crystallinity in the second light-emitting layer 11 grown on the first p-type carrier stop layer 6 due to the decrease in crystallinity of the layer 6 can be suppressed. .
また、第2のp型キャリアストップ層13の層厚は10nm(=0.01μm)、伸長歪量は2.0%であり、第2のp型キャリアストップ層13の層厚(nm)をA‘とし、伸長歪量(%)をB’とした場合の、A‘×B’2の値は40(≦55)となるため、第2のp型キャリアストップ層13の結晶性低下に伴う第2の発光層11における光出力の低下をもたらすことなく、各結晶層(第2のp型キャリアストップ層13、第2のp型クラッド層14、及びp型コンタクト層15)を形成することができる。 The layer thickness of the second p-type carrier stop layer 13 is 10 nm (= 0.01 μm), the elongation strain is 2.0%, and the layer thickness (nm) of the second p-type carrier stop layer 13 is Since A ′ × B ′ 2 is 40 (≦ 55) when A ′ and the elongation strain amount (%) is B ′, the crystallinity of the second p-type carrier stop layer 13 is lowered. The respective crystal layers (the second p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15) are formed without causing a decrease in the light output in the second light-emitting layer 11. be able to.
以上の構造とすることにより、各p型キャリアストップ層6、13をより効果的に機能させることができ、電流密度の増加時や高温下での動作時の光出力低下を抑制することが可能となる。 With the above structure, each of the p-type carrier stop layers 6 and 13 can be made to function more effectively, and it is possible to suppress a decrease in light output when the current density is increased or when operating at a high temperature. It becomes.
本実施形態では、基板にInPを用いているが、これらに限るものではなく、GaAsなどを用いてもよい。また、発光層を2層としている(発光層4、11)が、3層以上としてもよい。その場合は、トンネル接合層8及び第2のレーザ構造単位17と同様の層構成を、第2のp型クラッド層14とp型コンタクト層15との間に挿入すればよい 。
<第2の実施形態>
(1)半導体レーザ100の製造
図2に示すように、n型GaAs基板1上に、MOCVD法により、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4、第1のp型光ガイド層5、第1のp型キャリアストップ層6、第1のp型クラッド層7、GaAsから成るp型層8a、GaAsから成るn型層8b、第2のn型クラッド層9、第2のn型光ガイド層10、第2の多重量子井戸活性層(発光層)11、第2のp型光ガイド層12、第2のp型キャリアストップ層13、第2のp型クラッド層14、及びp型コンタクト層15を順に積層し、半導体レーザ100を製造した。各層の組成、層厚、及びキャリア濃度は表2に示すとおりである。
In this embodiment, InP is used for the substrate. However, the present invention is not limited to this, and GaAs or the like may be used. Moreover, although the light emitting layer is made into two layers (light emitting layers 4 and 11), it is good also as three or more layers. In that case, a layer configuration similar to that of the tunnel junction layer 8 and the second laser structural unit 17 may be inserted between the second p-type cladding layer 14 and the p-type contact layer 15.
<Second Embodiment>
(1) Manufacture of Semiconductor Laser 100 As shown in FIG. 2, a first n-type cladding layer 2, a first n-type light guide layer 3, and a first multiplex are formed on an n-type GaAs substrate 1 by MOCVD. Quantum well active layer (light emitting layer) 4, first p-type light guide layer 5, first p-type carrier stop layer 6, first p-type cladding layer 7, p-type layer 8 a made of GaAs, and made of GaAs n-type layer 8b, second n-type cladding layer 9, second n-type light guide layer 10, second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11, second p-type light guide layer 12, second The p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15 were sequentially laminated to manufacture the semiconductor laser 100. The composition, layer thickness, and carrier concentration of each layer are as shown in Table 2.
なお、第1のp型キャリアストップ層6の伸長歪量は1.6%であり、第2のp型キャリアストップ層13の伸長歪量は1.6%である。また、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4と第2の多重量子井戸活性層(発光層)11は、いずれも、厚さ8nmのIn0.1Ga0.9Asからなる井戸層と、厚さ15nmのAl0.1Ga0.9Asからなる障壁層との積層構造である。 The first p-type carrier stop layer 6 has an elongation strain of 1.6%, and the second p-type carrier stop layer 13 has an elongation strain of 1.6%. Each of the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4 and the second multiple quantum well active layer (light emitting layer) 11 has a well layer made of In 0.1 Ga 0.9 As having a thickness of 8 nm, It is a laminated structure with a barrier layer made of 15 nm thick Al 0.1 Ga 0.9 As.
第1のp型キャリアストップ層6のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第1のp型クラッド層7のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、第2のp型キャリアストップ層13のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第2のp型クラッド層14のバンドギャップエネルギーよりも大きい。 The band gap energy of the first p-type carrier stop layer 6 is obviously larger than the band gap energy of the first p-type cladding layer 7 from its composition. In addition, the band gap energy of the second p-type carrier stop layer 13 is clearly larger than the band gap energy of the second p-type cladding layer 14 as apparent from the composition.
また、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4、第1のp型光ガイド層5、第1のp型キャリアストップ層6、及び第1のp型クラッド層7は、第1のレーザ構成単位16であり、第2のn型クラッド層9、第2のn型光ガイド層10、第2の多重量子井戸活性層(発光層)11、第2のp型光ガイド層12、第2のp型キャリアストップ層13、及び第2のp型クラッド層14は第2のレーザ構造単位17である。また、GaAsから成るp型層8aとGaAsから成るn型層8bとは、トンネル接合層8を構成する。 The first n-type cladding layer 2, the first n-type light guide layer 3, the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4, the first p-type light guide layer 5, the first p-type The carrier stop layer 6 and the first p-type cladding layer 7 are the first laser structural unit 16, and include the second n-type cladding layer 9, the second n-type light guide layer 10, and the second multiple quantum. The well active layer (light emitting layer) 11, the second p-type light guide layer 12, the second p-type carrier stop layer 13, and the second p-type cladding layer 14 are the second laser structural unit 17. The p-type layer 8 a made of GaAs and the n-type layer 8 b made of GaAs constitute a tunnel junction layer 8.
半導体レーザ100の製造において、n型層の成長にはドーパントとしてSeを用い、p型層の成長にはドーパントとしてZnを用いた。また、成長時の基板温度は550〜800℃とした。 In manufacturing the semiconductor laser 100, Se was used as a dopant for the growth of the n-type layer, and Zn was used as the dopant for the growth of the p-type layer. The substrate temperature during growth was 550 to 800 ° C.
結晶を構成する各元素の原料としては、Gaには、トリメチルガリウム、Alにはトリメチルアルミニウム、Inにはトリメチルインジウム、 Znにはジメチルジンクを用いた。また、Asには、AsH3(アルシン)、PにはPH3(ホスフィン)、SeにはH2Se(セレン化水素)を用いた。
(2)半導体レーザ素子の製造
半導体レーザ100のp型コンタクト層15上に、SiO2から成る絶縁膜を所定のパターンで設け、その上にCr/Pt/Auから成る電極を形成した。次に、n型GaAs基板1の厚さが100μm程度となるように、n型GaAs基板1の片面(第1のn型クラッド層2を形成した面とは反対側の面)を研削し、研削面にAu-Ge/Ni/Auから成る電極を形成した。さらに、電極と半導体レーザ100とのコンタクトを安定化させるために360℃で30秒間の熱処理を実施した。
As raw materials for each element constituting the crystal, trimethyl gallium was used for Ga, trimethyl aluminum for Al, trimethyl indium for In, and dimethyl zinc for Zn. Moreover, AsH 3 (arsine) was used for As, PH 3 (phosphine) was used for P, and H 2 Se (hydrogen selenide) was used for Se.
(2) Manufacturing of Semiconductor Laser Element An insulating film made of SiO 2 was provided in a predetermined pattern on the p-type contact layer 15 of the semiconductor laser 100, and an electrode made of Cr / Pt / Au was formed thereon. Next, one surface of the n-type GaAs substrate 1 (the surface opposite to the surface on which the first n-type cladding layer 2 is formed) is ground so that the thickness of the n-type GaAs substrate 1 is about 100 μm. An electrode made of Au-Ge / Ni / Au was formed on the ground surface. Furthermore, in order to stabilize the contact between the electrode and the semiconductor laser 100, heat treatment was performed at 360 ° C. for 30 seconds.
次に、共振器を形成するために劈開により幅500μmで短冊化し、 Al2O3、a-Si等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方の端面に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を製造した。
(3)半導体レーザ100が奏する効果
本実施形態において、第1のp型キャリアストップ層6の層厚は8nm(=0.008μm)、伸長歪量は1.6%であり、第1のp型キャリアストップ層6の層厚(nm)をAとし、伸長歪量(%)をBとした場合の、A×Bの値は13(≦22)となるため、第1のp型キャリアストップ層6の結晶性低下に伴う第1の発光層4における光出力の低下や第1のp型キャリアストップ層6上に成長する第2の発光層11の結晶性の低下を抑制することができる。
Next, in order to form a resonator, it is shortened to a width of 500 μm by cleavage, and a material such as Al 2 O 3 or a-Si is used, and one end face has a low reflectance with respect to the wavelength of the laser beam, the other A semiconductor laser device was manufactured by forming a reflective layer having a high reflectivity on the end face and making the device into a predetermined size.
(3) Effects of Semiconductor Laser 100 In the present embodiment, the first p-type carrier stop layer 6 has a thickness of 8 nm (= 0.008 μm), an elongation strain of 1.6%, and the first p-type carrier stop layer 6 has a thickness of 1.6%. Since the value of A × B is 13 (≦ 22) when the layer thickness (nm) of the type carrier stop layer 6 is A and the amount of elongation strain (%) is B, the first p type carrier stop A decrease in light output in the first light-emitting layer 4 and a decrease in crystallinity in the second light-emitting layer 11 grown on the first p-type carrier stop layer 6 due to the decrease in crystallinity of the layer 6 can be suppressed. .
また、第2のp型キャリアストップ層13の層厚は8nm(=0.008μm)、伸長歪量は1.6%であり、第2のp型キャリアストップ層13の層厚(nm)をA‘とし、伸長歪量(%)をB’とした場合の、A‘×B’2の値は20(≦55)となり、第2のp型キャリアストップ層13の結晶性低下に伴う第2の発光層11における光出力の低下をもたらすことなく、各結晶層(第2のp型キャリアストップ層13、第2のp型クラッド層14、及びp型コンタクト層15)を形成することができる。 The layer thickness of the second p-type carrier stop layer 13 is 8 nm (= 0.008 μm), the amount of elongation strain is 1.6%, and the layer thickness (nm) of the second p-type carrier stop layer 13 is The value of A ′ × B ′ 2 is 20 (≦ 55) when A ′ and the elongation strain amount (%) is B ′, and the second p-type carrier stop layer 13 has a lower crystallinity. Each crystal layer (the second p-type carrier stop layer 13, the second p-type cladding layer 14, and the p-type contact layer 15) can be formed without causing a decrease in light output in the second light emitting layer 11. it can.
以上の構造とすることにより、各p型キャリアストップ層6、13をより効果的に機能させることができ、電流密度の増加時や高温下での動作時の光出力低下を抑制することが可能となる。 With the above structure, each of the p-type carrier stop layers 6 and 13 can be made to function more effectively, and it is possible to suppress a decrease in light output when the current density is increased or when operating at a high temperature. It becomes.
本実施形態では、基板にGaAsを用いているが、これらに限るものではなく、InPなどを用いてもよい。また、発光層を2層としている(発光層4、11)が、3層以上としてもよい。その場合は、トンネル接合層8及び第2のレーザ構造単位17と同様の層構成を、第2のp型クラッド層14とp型コンタクト層15との間に挿入すればよい 。
<第3の実施形態>
基本的には前記第1の実施形態と同様にして、半導体レーザ及び半導体レーザ素子を製造した。ただし、本実施形態では、第1のp型キャリアストップ層6の層厚及び伸長歪量を、表3に示すように、様々に変え、各条件の下でそれぞれ半導体レーザ及び半導体レーザ素子を製造した。
In this embodiment, GaAs is used for the substrate, but is not limited thereto, and InP or the like may be used. Moreover, although the light emitting layer is made into two layers (light emitting layers 4 and 11), it is good also as three or more layers. In that case, a layer configuration similar to that of the tunnel junction layer 8 and the second laser structural unit 17 may be inserted between the second p-type cladding layer 14 and the p-type contact layer 15.
<Third Embodiment>
Basically, the semiconductor laser and the semiconductor laser device were manufactured in the same manner as in the first embodiment. However, in this embodiment, the layer thickness and the amount of elongation strain of the first p-type carrier stop layer 6 are variously changed as shown in Table 3, and a semiconductor laser and a semiconductor laser element are manufactured under each condition. did.
なお、伸長歪量は、第1のp型キャリアストップ層6の組成を変化させること(例えば、AlyIn1-yAs(0<y<1)においてAlの組成yを大きくすること)により、大きくすることができる。また、第1のp型キャリアストップ層6がAlxIn1-xPである場合は、Alの組成xを大きくすることにより、伸長歪量を大きくすることができる。 The amount of elongation strain is changed by changing the composition of the first p-type carrier stop layer 6 (for example, increasing the Al composition y in Al y In 1-y As (0 <y <1)). Can be bigger. When the first p-type carrier stop layer 6 is Al x In 1-x P, the amount of elongation strain can be increased by increasing the Al composition x.
本実施形態でも、第1のp型キャリアストップ層6のバンドギャップエネルギーは、第1のp型クラッド層7のバンドギャップエネルギーよりも大きく、第2のp型キャリアストップ層13のバンドギャップエネルギーは、第2のp型クラッド層14のバンドギャップエネルギーよりも大きい。 Also in this embodiment, the band gap energy of the first p-type carrier stop layer 6 is larger than the band gap energy of the first p-type cladding layer 7, and the band gap energy of the second p-type carrier stop layer 13 is It is larger than the band gap energy of the second p-type cladding layer 14.
また、表3に示す各条件で半導体レーザを製造するとき、第1のp型クラッド層7までのみ成膜した試料を作製した。すなわち、この試料は、n型InP基板1上に、MOCVD法により、第1のn型クラッド層2、第1のn型光ガイド層3、第1の多重量子井戸活性層(発光層)4、第1のp型光ガイド層5、第1のp型キャリアストップ層6、及び第1のp型クラッド層7を形成したものである。この試料について、表面モホロジを評価した。具体的には、微分干渉顕微鏡を用いて試料を観察し、結晶面に沿った干渉縞がなければ表面モホロジを○と判断し、干渉縞があれば表面モホロジを×と判断した。表面モホロジの評価結果を上記表3に示す。 Further, when manufacturing a semiconductor laser under the conditions shown in Table 3, a sample was formed in which only the first p-type cladding layer 7 was formed. That is, this sample is formed on the n-type InP substrate 1 by the MOCVD method, the first n-type cladding layer 2, the first n-type light guide layer 3, and the first multiple quantum well active layer (light emitting layer) 4. The first p-type light guide layer 5, the first p-type carrier stop layer 6, and the first p-type cladding layer 7 are formed. The sample was evaluated for surface morphology. Specifically, the sample was observed using a differential interference microscope, and if there was no interference fringe along the crystal plane, the surface morphology was judged as ◯, and if there was an interference fringe, the surface morphology was judged as x. The evaluation results of the surface morphology are shown in Table 3 above.
また、第1のp型キャリアストップ層6の層厚、及び伸長歪量と、表面モホロジの評価結果との関係を図3に示す。
表3及び図3から明らかなように、第1のp型キャリアストップ層6の層厚(nm)をAとし、伸長歪量(%)をBとした場合に、A×B≦22の式が成立している領域では、表面モホロジの評価結果が○であり、それ以外の領域では、表面モホロジの評価結果が×であった。
FIG. 3 shows the relationship between the layer thickness of the first p-type carrier stop layer 6 and the amount of elongation strain, and the evaluation result of the surface morphology.
As is apparent from Table 3 and FIG. 3, when the layer thickness (nm) of the first p-type carrier stop layer 6 is A and the amount of elongation strain (%) is B, the formula of A × B ≦ 22 The evaluation result of the surface morphology was “◯” in the region where “” was established, and the evaluation result of the surface morphology was “x” in the other regions.
このことから、A×B≦22の式が成立していれば、第1のp型キャリアストップ層6の結晶性低下を防止し、その結果として、第1の発光層4における光出力の低下や、第1のp型キャリアストップ層6上に成長する第2の発光層11の結晶性の低下を抑制できることが確認できた。 From this, if the formula of A × B ≦ 22 holds, the crystallinity of the first p-type carrier stop layer 6 is prevented from being lowered, and as a result, the light output in the first light emitting layer 4 is reduced. In addition, it was confirmed that the decrease in crystallinity of the second light-emitting layer 11 grown on the first p-type carrier stop layer 6 could be suppressed.
また、図4に、表3に示す各条件のうち、伸長歪量が0.55%であるものについて、第1のp型キャリアストップ層6の層厚(横軸)と、光出力(縦軸)との関係を示す。なお、図4における光出力は、第1のp型キャリアストップ層6がない場合の光出力を1とする。 FIG. 4 shows the thickness (horizontal axis) of the first p-type carrier stop layer 6 and the optical output (vertical) for each of the conditions shown in Table 3 with an elongation strain of 0.55%. Axis). Note that the light output in FIG. 4 is 1 when the first p-type carrier stop layer 6 is not provided.
表3及び図4から明らかなように、第1のp型キャリアストップ層6の層厚が2nm以上であれば光出力が1を超え、層厚が4nm以上であれば、光出力が顕著に大きくなった。 As is clear from Table 3 and FIG. 4, the light output exceeds 1 when the layer thickness of the first p-type carrier stop layer 6 is 2 nm or more, and the light output is remarkable when the layer thickness is 4 nm or more. It became bigger.
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、各実施形態において、第1のp型キャリアストップ層6は、第1のp型クラッド層7の中に位置していてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
For example, in each embodiment, the first p-type carrier stop layer 6 may be located in the first p-type cladding layer 7.
1・・・基板、2・・・第1のn型クラッド層、3・・・第1のn型光ガイド層、
4・・・第1の発光層、5・・・第1のp型光ガイド層、
6・・・第1のp型キャリアストップ層、7・・・第1のp型クラッド層、
8・・・トンネル接合層、8a・・・p型層、8b・・・n型層、
9・・・第2のn型クラッド層、10・・・第2のn型光ガイド層、
11・・・第2の発光層、12・・・第2のp型光ガイド層、
13・・・第2のp型キャリアストップ層、14・・・第2のp型クラッド層、
15・・・p型コンタクト層、16・・・第1のレーザ構成単位、
17・・・第2のレーザ構造単位、100・・・半導体レーザ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... First n-type cladding layer, 3 ... First n-type light guide layer,
4 ... 1st light emitting layer, 5 ... 1st p-type light guide layer,
6 ... 1st p-type carrier stop layer, 7 ... 1st p-type cladding layer,
8 ... tunnel junction layer, 8a ... p-type layer, 8b ... n-type layer,
9 ... second n-type cladding layer, 10 ... second n-type light guide layer,
11 ... second light emitting layer, 12 ... second p-type light guide layer,
13 ... second p-type carrier stop layer, 14 ... second p-type cladding layer,
15 ... p-type contact layer, 16 ... first laser structural unit,
17 ... second laser structural unit, 100 ... semiconductor laser
Claims (5)
最上位を除く少なくとも1つの前記レーザ構造において、前記発光層と前記p型クラッド層との間、又は前記p型クラッド層の中に、バンドギャップエネルギーが前記p型クラッド層より大きいキャリアストップ層を備え、
下記式1が成立することを特徴とする半導体レーザ。
(式1)A×B≦22
(Aは前記キャリアストップ層のnmを単位とする層厚であり、Bは前記キャリアストップ層の%を単位とする基板に対する伸長歪量である。) A plurality of laser structural units formed by laminating an n-type cladding layer, a light emitting layer, and a p-type cladding layer,
In at least one of the laser structures excluding the uppermost layer, a carrier stop layer having a larger band gap energy than the p-type cladding layer is provided between the light emitting layer and the p-type cladding layer or in the p-type cladding layer. Prepared,
A semiconductor laser characterized in that the following formula 1 is satisfied.
(Formula 1) A × B ≦ 22
(A is the layer thickness in units of nm of the carrier stop layer, and B is the amount of elongation strain with respect to the substrate in units of% of the carrier stop layer.)
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