JP2902697B2 - Semiconductor laser - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は高出力動作可能なAlGaInP系の半導体レーザ
に関する。The present invention relates to an AlGaInP-based semiconductor laser capable of high-power operation.
(ロ)従来の技術 従来、短波長の半導体レーザとしてAlGaInP系の半導
体レーザが知られており、例えば信学技報、OQE87−4
6、115頁(1989)に記載されている。斯かるAlGaInP系
半導体レーザの構造を第5図に示す。(B) Conventional technology Conventionally, AlGaInP-based semiconductor lasers are known as short-wavelength semiconductor lasers. For example, IEICE Technical Report, OQE87-4
6, 115 (1989). FIG. 5 shows the structure of such an AlGaInP-based semiconductor laser.
図において(11)はn型のGaAsからなる基板、(12)
はGaAsからなるバッファ層、(13)はn型InAlPからな
るn型クラッド層、(14)はアンドープInGaPからなる
活性層で、これらの各層は基板(1)の一主面上に周知
の有機金属化学気相成長法(MOCVD法)あるいは分子線
エピタキシャル成長法(MBE法)でエピタキシャル形成
される。In the figure, (11) is a substrate made of n-type GaAs, (12)
Is a buffer layer made of GaAs, (13) is an n-type clad layer made of n-type InAlP, (14) is an active layer made of undoped InGaP, and each of these layers is a well-known organic layer on one main surface of the substrate (1). It is formed epitaxially by metal chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE).
(15)は活性層(14)上に形成されたp型InAlPから
なるp型クラッド層で、紙面垂直方向に延在するストラ
イプ状のリッジ(15a)を有する、(16)はp型クラッ
ド層(15)のリッジ(15a)頂部上に形成されたp型GaA
sからなるキャップ層、(17)はリッジ(15a)頂部を除
くp型クラッド層(15)上に形成されたn型GaAsからな
るプロック層、(18)はキャップ層(16)及びブロック
層(17)上に形成されたp型GaAsからなるコンタクト層
である。また、(19)及び(20)は夫々基板(11)の他
主面上及びキャップ層(18)上に設けられたn型電極、
及びp型電極である。(15) is a p-type cladding layer made of p-type InAlP formed on the active layer (14), which has a stripe-shaped ridge (15a) extending in a direction perpendicular to the plane of the paper, and (16) is a p-type cladding layer. (15) p-type GaAs formed on top of ridge (15a)
(17) is a block layer of n-type GaAs formed on the p-type cladding layer (15) excluding the top of the ridge (15a), and (18) is a cap layer (16) and a block layer ( 17) A contact layer made of p-type GaAs formed thereon. (19) and (20) are n-type electrodes provided on the other main surface of the substrate (11) and on the cap layer (18), respectively.
And a p-type electrode.
斯かるAlGaInP系の半導体レーザにおける高出力化は
活性層(14)の層厚を薄くすることによって行われる。
例えば活性層(14)の層厚を0.04μmとした場合では、
光出力20mWまで連続動作可能である。The output power of such an AlGaInP-based semiconductor laser is increased by reducing the thickness of the active layer (14).
For example, when the layer thickness of the active layer (14) is 0.04 μm,
Continuous operation is possible up to an optical output of 20 mW.
しかし乍ら、斯かるAlGaInP系の半導体レーザにおい
てはより高出力化するための活性層の層厚を0.04μmよ
り薄くすると、半導体レーザの発振しきい値電流が急激
に増加し、素子特性が劣化する。However, in such an AlGaInP-based semiconductor laser, if the thickness of the active layer is made thinner than 0.04 μm in order to achieve higher output, the oscillation threshold current of the semiconductor laser sharply increases, and the device characteristics deteriorate. I do.
そこで、活性層の層厚を薄くする方法以外で半導体レ
ーザを高出力化する構造として、レーザの共振器端部の
バンドギャップを大きく、端面での光吸収を減少させる
所謂窓構造のものが提案されている。例えば特開昭64−
14986号公報ではレーザ共振器端部にZn拡散領域を設け
ることによって、端面のバンドギャップを大きくしてい
る。Therefore, as a structure for increasing the output of the semiconductor laser by a method other than reducing the thickness of the active layer, a so-called window structure that increases the band gap at the end of the laser cavity and reduces light absorption at the end face is proposed. Have been. For example, JP
In Japanese Patent No. 14986, the band gap at the end face is increased by providing a Zn diffusion region at the end of the laser resonator.
(ハ)発明が解決しようとする課題 しかし乍ら、斯る先行技術においては、Zn拡散領域を
形成する際にこの領域に結晶欠陥が生じ易く、この欠陥
が光を吸収し、発熱の原因となるため、信頼性に欠ける
といった問題があった。(C) Problems to be Solved by the Invention However, in the prior art, when a Zn diffusion region is formed, a crystal defect is apt to occur in this region, and this defect absorbs light and causes heat generation. Therefore, there was a problem of lack of reliability.
しかたがって本発明は高出力動作が可能で、且つ信頼
性の高いAlGaInP系の半導体レーザを提供するものであ
る。Accordingly, the present invention provides an AlGaInP-based semiconductor laser capable of high-output operation and having high reliability.
(ニ)課題を解決するための手段 本発明は、GaAs基板の一主面上に、レーザ共振器を形
成するAlGaInP系半導体層が積層された半導体レーザに
おいて、上記基板の一主面は、上記レーザ共振器の内部
領域で{100}面であり、上記レーザ共振器の端部で{1
00}面から<011>方向に傾斜した面であることを特徴
とする。(D) Means for Solving the Problems The present invention provides a semiconductor laser in which an AlGaInP-based semiconductor layer forming a laser resonator is laminated on one main surface of a GaAs substrate, wherein one main surface of the substrate is {100} plane in the inner region of the laser resonator, and {1} at the end of the laser resonator.
It is characterized by being a plane inclined in the <011> direction from the 00 ° plane.
(ホ)作用 本発明によれば、基板のレーザ共振器端部の(100)
面から<011>方向に傾斜した面上に積層された半導体
のバンドギャップが、端部以外の(100)面上に積層さ
れた半導体層のバンドギャップより大きくなる。(E) Action According to the present invention, (100) of the laser cavity end of the substrate
The band gap of the semiconductor stacked on the plane inclined in the <011> direction from the plane becomes larger than the band gap of the semiconductor layer stacked on the (100) plane other than the end.
(ヘ)実施例 第1図は本発明の一実施例を示し、同図(a)はレー
ザ共振器と垂直な面の断面図、同図(b)はレーザ共振
器方向の断面を示し、同図(a)のX−X断面図であ
る。(F) Embodiment FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a cross-sectional view of a plane perpendicular to the laser resonator, and FIG. 1 (b) is a cross-section in the laser resonator direction. It is XX sectional drawing of the same figure (a).
図において(1)は共振器長350μm、チップ幅300μ
mのn型GaAsからなる基板で、その一主面は、同図
(b)に示す如く、共振器の内部領域(図中A領域)で
(100)面であり、共振器端部の各領域(図中B領域)
で夫々(100)面から<011>方向に5°下る傾斜面であ
る。斯る領域はRIE、RIBE等のドライエッチングで形成
される。また、本実施例においては、各B領域の長さを
夫々20μmとした。In the figure, (1) shows a resonator length of 350 μm and a chip width of 300 μm.
As shown in FIG. 3B, one main surface of the substrate is a (100) plane in the internal region (A region in the figure) of the m-type n-type GaAs. Area (area B in the figure)
Are inclined surfaces descending 5 ° from the (100) plane in the <011> direction. Such a region is formed by dry etching such as RIE and RIBE. In this embodiment, the length of each B region is set to 20 μm.
(2)は基板(1)の一主面上に積層された層厚0.3
μmのn型Ga0.5n0.5Pからなるバッファ層、(3)はバ
ッファ層(2)上に積層された層厚1μmのn型(Al
0.5Ga0.5)0.5In0.5Pからなるn型クラッド層、(4)
はn型クラッド層(3)上に積層された層厚0.08μmの
アンドープGa0.5In0.5Pからなる活性層で、これらの層
は周知のMOCVD法を用いて順次形成される。(2) has a layer thickness of 0.3 on one main surface of the substrate (1).
a buffer layer made of n-type Ga 0.5 n 0.5 P having a thickness of 1 μm; and (3) an n-type (Al) layer having a thickness of 1 μm laminated on the buffer layer (2).
0.5 Ga 0.5 ) n-type cladding layer composed of 0.5 In 0.5 P, (4)
Is an active layer made of undoped Ga 0.5 In 0.5 P with a thickness of 0.08 μm laminated on the n-type cladding layer (3), and these layers are sequentially formed by using a well-known MOCVD method.
(5)は活性層(4)上に積層されたp型(Al0.5Ga
0.5)0.5In0.5Pからなるp型クラッド層で、共振器方向
に延在するリッジ(5a)を有する。またp型クラッド層
(5)において、リッジ(5a)が設けられた最も厚い部
分の層厚は1.0μm、リッジ(5a)が設けられていない
最も薄い部分の層厚は0.2μm、リッジ(5a)頂部の幅
は5μmである。(5) is a p-type (Al 0.5 Ga) layer laminated on the active layer (4).
0.5 ) 0.5 In 0.5 P p-type cladding layer having a ridge (5a) extending in the resonator direction. In the p-type cladding layer (5), the thickness of the thickest portion provided with the ridge (5a) is 1.0 μm, the thickness of the thinnest portion not provided with the ridge (5a) is 0.2 μm, and the thickness of the ridge (5a) is small. ) Top width is 5 μm.
(6)はp型クラッド層(5)のリッジ(5a)頂部上
に積層された層厚0.1μmのp型Ga0.5In0.5Pからなるキ
ャップ層、(7)はリッジ(5a)頂部以外のp型クラッ
ド層(5)上に積層されたn型GaAsからなるブロック
層、(8)はキャップ層(6)及びブロック層(7)上
に積層されたp型GaAsからなるコンタクト層である。(6) is a cap layer made of p-type Ga 0.5 In 0.5 P having a thickness of 0.1 μm laminated on the top of the ridge (5a) of the p-type cladding layer (5), and (7) is a cap layer other than the top of the ridge (5a). A block layer of n-type GaAs laminated on the p-type cladding layer (5), and (8) is a contact layer of p-type GaAs laminated on the cap layer (6) and the block layer (7).
(9)はコンタクト層(8)上に、Gr膜、Au膜をこの
順に被着したp型電極、(10)は基板(1)の他主面上
に、Gr膜、Sn膜、Au膜をこの順に被着したn型電極であ
る。(9) is a p-type electrode in which a Gr film and an Au film are applied in this order on the contact layer (8), and (10) is a Gr film, Sn film, and Au film on the other main surface of the substrate (1). Are n-type electrodes deposited in this order.
而して本実施例装置の従来装置と異なるところは基板
(1)の一主面をレーザ共振器内部領域(A領域)にお
いて(100)面とし、レーザ共振器端部領域(B領域)
において(100)面から<011>方向に5°下がる傾斜面
として、この上にAlGaInP系の各半導体層を積層したこ
とである。Thus, the present embodiment differs from the conventional apparatus in that one main surface of the substrate (1) is a (100) plane in the laser resonator inner area (A area) and the laser resonator end area (B area).
In this case, each of the AlGaInP-based semiconductor layers is stacked on the inclined surface which is lowered by 5 ° from the (100) plane in the <011> direction.
そこで、GaAs基板の主面の傾斜角度((100)面から
<011>方向への傾斜角度)を種々変化させ、この上にG
a0.5In0.5P層を形成し、そのバンドギャップエネルギを
測定した。その結果を第2図に示す。またGa0.5In0.5P
層は、MOCVD法を用いて、成長温度を680℃、V/III供給
比を550として形成し、バンドギャップエネルギは10Kの
温度下で測定した。また、同様にGaAs基板上に(Al0.5G
a0.5)0.5In0.5P層を形成し、そのバンドギャップエネ
ルギを測定した。その結果を第2図に併記する。Therefore, the inclination angle of the main surface of the GaAs substrate (the inclination angle from the (100) plane to the <011> direction) is changed variously, and G
An a 0.5 In 0.5 P layer was formed, and its band gap energy was measured. The result is shown in FIG. Ga 0.5 In 0.5 P
The layer was formed using MOCVD at a growth temperature of 680 ° C. and a V / III supply ratio of 550, and the band gap energy was measured at a temperature of 10K. Similarly, on a GaAs substrate (Al 0.5 G
a 0.5 ) A 0.5 In 0.5 P layer was formed, and its band gap energy was measured. The results are also shown in FIG.
図から明らかな様に、Ga0.5In0.5P層、(Al0.5G
a0.5)0.5In0.5P層とも傾斜角度が増加するに従ってバ
ンドキャップエネルギも増加し、傾斜角度が5°では0
°のものより、どちらの層とも60meV程度バンドギャッ
プエネルギが増加する。As is clear from the figure, the Ga 0.5 In 0.5 P layer, (Al 0.5 G
a 0.5) 0.5 In 0.5 bandgap energy according to both P layer inclination angle increases also increases, the inclination angle in the 5 ° 0
°, the band gap energy of both layers increases by about 60 meV.
従って、本実施例装置においても、AlGaInP系の半導
体層は各層ともB領域でA領域よりも60meV程度大きな
バンドギャップエネルギを有することとなる。これによ
り、本実施例装置ではレーザ共振器端部領域でバンドギ
ャップが大きくなるため、端面での光吸収が抑制され、
端面破壊が防止される。Therefore, also in the device of the present embodiment, each of the AlGaInP-based semiconductor layers has a band gap energy about 60 meV larger in the B region than in the A region. Thereby, in the device of the present embodiment, the band gap is increased in the laser cavity end region, so that light absorption at the end surface is suppressed,
End face destruction is prevented.
第3図に本実施例装置の電流−光出力特性を示す。図
より、本実施例装置では、光出力30mWまでキンクのない
直線性の良い特性が得られている。また、これより、本
実施例装置では活性層(4)がA領域とB領域との界面
で折れ曲がっているものの、素子特性に影響していない
ことが分かる。次に出力20mW、40℃の温度下で、定出力
動作による本実施例装置の寿命試験を行った。その結果
を第4図に実線で示す。また、比較のため、平坦な基板
上に本実施例と同様な半導体層を積層し、そのレーザ共
振器端部にZn拡散領域を設け、これにより端面のバンド
ギャップを大きくした比較装置を作製し、その寿命試験
を行った。その結果を第4図に破線で示す。FIG. 3 shows the current-light output characteristics of the device of this embodiment. As can be seen from the drawing, in the device of the present embodiment, characteristics with good linearity without kink are obtained up to an optical output of 30 mW. From this, it can be seen that in the device of this example, the active layer (4) is bent at the interface between the region A and the region B, but does not affect the element characteristics. Next, a life test of the device of the present embodiment was performed by a constant output operation at an output of 20 mW and a temperature of 40 ° C. The result is shown by a solid line in FIG. For comparison, a semiconductor device similar to that of this example was stacked on a flat substrate, and a Zn diffusion region was provided at the end of the laser cavity, thereby producing a comparative device having a large band gap at the end face. , And its life test. The result is shown by a broken line in FIG.
図から明らかな様に、本実施例装置では、比較装置に
比べ大幅な長寿命化が達成されていることが分かる。こ
れは、Zn拡散によって形成された比較装置の端部領域に
は、不純物の過剰添加による多くの結晶欠陥が存在する
ため、ここで光吸収による発熱が生じこれが素子劣化の
原因になるのに対し、本実施例装置の端部領域が通常の
MOCVD法による半導体層の積層のみで形成されるので、
この領域において結晶欠陥が少ないためであると考えら
れる。As is clear from the figure, it can be seen that the device of this example has a significantly longer life than the comparative device. This is because, in the end region of the comparison device formed by Zn diffusion, there are many crystal defects due to excessive addition of impurities. The end region of the device of this embodiment is
Since it is formed only by lamination of semiconductor layers by MOCVD method,
This is considered to be because crystal defects are small in this region.
以上、本実施例ではB領域における基板の傾斜角度を
5°としたが、4°以上であれば端面での光吸収を抑制
するために十分であり、また7°以下であれば傾斜面を
容易に形成できる。As described above, in the present embodiment, the inclination angle of the substrate in the region B is set to 5 °, but if it is 4 ° or more, it is enough to suppress light absorption at the end face, and if it is 7 ° or less, the inclined surface is inclined. It can be easily formed.
また、B領域における基板の各傾斜面は夫々<011>
方向に上がる面であっても良く、一方が<011>方向に
上がる面、もう一方が<011>方向に下がる面であって
も良い。Also, each inclined surface of the substrate in the B region is <011>
One surface may be a surface rising in the <011> direction, and the other may be a surface rising in the <011> direction.
さらに、本実施例装置において、B領域のキャップ層
(6)を除去すると、B領域にGaAs/AlGaInPヘテロバリ
アが形成され、電流が流れにくくなる。即ち、端部で電
流非注入領域が形成されるため、光学的端面破壊がさら
に抑制され、より一層の高出力化が可能となる。Further, in the device of this embodiment, when the cap layer (6) in the region B is removed, a GaAs / AlGaInP heterobarrier is formed in the region B, and it becomes difficult for current to flow. That is, since the current non-injection region is formed at the end, the optical end face destruction is further suppressed, and the output can be further increased.
(ト)発明の効果 本発明によれば、基板の一主面を、レーザ共振器内部
領域において(100)面とし、レーザ共振器端部領域に
おいて(100)面から<011>方向に傾斜した面とすると
共に、この上にAlGaInP系の半導体層を積層することに
よって、端部領域における半導体層のバンドギャップが
内部領域における半導体層のバンドギャップよりも大き
くなるので、端面での光吸収が低減し、高出力化が図れ
る。また、本発明装置における端部領域の半導体層にお
いては、内部領域の半導体層と同じ工程のみで形成でき
るので結晶欠陥が少なく長寿命化が図れ、信頼性が向上
する。(G) Effects of the Invention According to the present invention, one principal surface of the substrate is a (100) surface in the laser cavity inner region, and is inclined in the <011> direction from the (100) surface in the laser cavity end region. By stacking an AlGaInP-based semiconductor layer on top of this, the bandgap of the semiconductor layer in the end region becomes larger than the bandgap of the semiconductor layer in the internal region, reducing light absorption at the end surface. And high output can be achieved. Further, since the semiconductor layer in the end region in the device of the present invention can be formed only by the same process as the semiconductor layer in the internal region, the number of crystal defects is reduced, the life is extended, and the reliability is improved.
第1図(a)は本発明装置の一実施例を示す断面図、第
1図(b)は同図(a)のX−X断面図、第2図は基板
傾斜面角度に対するGaInP、AlGaInPのバンドギャップエ
ネルギを示す特性図、第3図は本実施例装置の電流−光
出力特性図、第4図は寿命試験特性図、第5図は従来装
置を示す断面図である。1 (a) is a sectional view showing an embodiment of the apparatus of the present invention, FIG. 1 (b) is a sectional view taken along line XX of FIG. 1 (a), and FIG. 2 is GaInP, AlGaInP with respect to the substrate inclined surface angle. FIG. 3 is a current-light output characteristic diagram of the device of the present embodiment, FIG. 4 is a life test characteristic diagram, and FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional device.
Claims (1)
成するAlGaInP系半導体層が積層された半導体レーザに
おいて、上記基板の一主面は、上記レーザ共振器の内部
領域で{100}面であり、上記レーザ共振器の端部で{1
00}面から<011>方向に傾斜した面であることを特徴
とする半導体レーザ。1. A semiconductor laser in which an AlGaInP-based semiconductor layer forming a laser resonator is laminated on one main surface of a GaAs substrate, wherein one main surface of the substrate is $ 100 in an internal region of the laser resonator. {1 at the end of the laser cavity.
A semiconductor laser characterized by being a surface inclined in the <011> direction from the 00 ° plane.
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---|---|---|---|
JP32542889A JP2902697B2 (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Semiconductor laser |
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JP32542889A JP2902697B2 (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Semiconductor laser |
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JP32542889A Expired - Fee Related JP2902697B2 (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Semiconductor laser |
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1989
- 1989-12-14 JP JP32542889A patent/JP2902697B2/en not_active Expired - Fee Related
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