JP2003031902A - Semiconductor laser - Google Patents
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザに係
り、例えば、ロボットの目やレーザレーダシステム等を
構成する測距用あるいは、レーザ溶接等の加工用半導体
レーザとして用いられる半導体レーザに関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor laser used as a semiconductor laser for distance measurement or laser welding or the like which constitutes an eye of a robot or a laser radar system. .
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体レーザの発振しきい値電流を低減
したり、発光効率を向上させる手段として、活性層を複
数の量子井戸で構成する多重量子井戸構造(Multiple
Quantum Well:MQW)が用いられている。この構造
では、エネルギーバンドギャップの小さい井戸層とエネ
ルギーバンドギャップの大きい障壁層を交互に積層して
形成している。ここで、井戸層の厚さを20nm程度以
下に薄くすると量子効果が現れる。上記MQW構造のレ
ーザはこの量子効果を利用したレーザである。2. Description of the Related Art As a means for reducing the oscillation threshold current of a semiconductor laser and improving the luminous efficiency, a multiple quantum well structure (Multiple quantum well structure) in which an active layer is composed of a plurality of quantum wells is used.
Quantum Well: MQW) is used. In this structure, well layers having a small energy band gap and barrier layers having a large energy band gap are alternately stacked. Here, when the thickness of the well layer is reduced to about 20 nm or less, the quantum effect appears. The MQW structure laser is a laser utilizing this quantum effect.
【0003】通常、これらMQW構造において、複数の
井戸層及び障壁層の膜厚及びエネルギーバンドギャップ
は、例えば特開平7−221395号公報に開示されて
いるように、井戸層同士、障壁層同士はそれぞれ同一に
して形成している。Usually, in these MQW structures, the film thicknesses and energy band gaps of a plurality of well layers and barrier layers are different between well layers and barrier layers, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-221395. They are formed in the same way.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】図17に、一般にSC
H−MQW(SCH:Separate Confinement Heteros
tructure)と呼ばれる構造のエネルギーバンド図の一例
を示す。キャリアである電子と正孔はそれぞれ、電子は
n型クラッド層側から、正孔はp型クラッド層側からM
QW活性層内に注入される。注入された電子及び正孔は
MQW活性層内の井戸層で再結合することによって発光
し、レーザ光となる。したがって、効率の良いレーザ特
性を得るためには、効率良く電子と正孔を再結合させる
必要がある。しかしながら、半導体レーザは通常pn接
合のダイオード構造となっているため、電子と正孔の注
入方向が逆方向となっている。すなわち、電子はn型ク
ラッド層側から注入されるのに対し、正孔はp型クラッ
ド層側から注入される。したがって、活性層がMQW構
造の場合には、図17において、MQW活性層における
n−光ガイド層と接する位置x=0からp−光ガイド層
と接する位置x=1においてキャリア密度としては図1
8のようになる。この図18に示すように電子はn型層
側に偏った分布となり、また、正孔はp型層側に偏った
分布になるため、電子−正孔間の再結合速度は図19に
示すように活性層内で均一ではなく、ある位置で最大と
なる不均一な分布となる。このような分布の不均一性は
レーザ特性を低下させる原因となる。また、分布の形状
はバンドオフセット(伝導帯側:ΔEc、価電子帯側Δ
Ev)の大小関係によって変わってくるため、材料に応
じて適切に設計する必要がある。FIG. 17 generally shows an SC.
H-MQW (SCH: Separate Confinement Heteros
An example of the energy band diagram of a structure called tructure) is shown. Electrons and holes that are carriers are M from the n-type cladding layer side and holes are from the p-type cladding layer side by M
It is injected into the QW active layer. The injected electrons and holes are recombined in the well layer in the MQW active layer to emit light and become laser light. Therefore, in order to obtain efficient laser characteristics, it is necessary to efficiently recombine electrons and holes. However, since the semiconductor laser usually has a pn junction diode structure, the injection directions of electrons and holes are opposite to each other. That is, electrons are injected from the n-type cladding layer side, while holes are injected from the p-type cladding layer side. Therefore, when the active layer has an MQW structure, in FIG. 17, the carrier density from the position x = 0 in the MQW active layer in contact with the n-light guide layer to the position x = 1 in contact with the p-light guide layer is as shown in FIG.
It becomes like 8. As shown in FIG. 18, electrons have a distribution that is biased toward the n-type layer side, and holes have a distribution that is biased toward the p-type layer side. Therefore, the recombination rate between electrons and holes is shown in FIG. As described above, the distribution is not uniform in the active layer, and is non-uniform with the maximum at a certain position. Such non-uniformity of distribution causes deterioration of laser characteristics. The shape of the distribution is band offset (conduction band side: ΔEc, valence band side Δ.
Since it depends on the magnitude relationship of Ev), it is necessary to design appropriately according to the material.
【0005】そこで、この発明の目的は、キャリア密度
分布の均一性を向上させて、しきい値電流が低く高効率
なレーザを得ることができる半導体レーザを提供するこ
とにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of improving the uniformity of carrier density distribution and obtaining a highly efficient laser having a low threshold current.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明では、n
型クラッド層と、p型クラッド層と、井戸数が2以上の
多重量子井戸活性層を含む半導体レーザにおいて、伝導
帯側のバンドオフセットが価電子帯側のバンドオフセッ
トよりも大きい材料(ΔEc>ΔEv)で構成されてい
る。このような材料系では、伝導帯側のポテンシャル障
壁が高いため、伝導帯側のキャリア、すなわち、電子の
方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい構造となっ
ている。したがって、電子が効率良く注入されるよう
に、n型クラッド層側の障壁層の厚さを薄くし、徐々に
厚くしていくことによって電子がp型クラッド層側へ注
入され易くしている。この結果、電子のキャリア密度分
布の均一性がさらに向上し、その結果より効果的にしき
い値電流を低くし、高効率のレーザを得ることができ
る。According to the invention of claim 1, n
In a semiconductor laser including a p-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a multiple quantum well active layer having two or more wells, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side (ΔEc> ΔEv). ). In such a material system, since the potential barrier on the conduction band side is high, carriers on the conduction band side, that is, electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, in order to efficiently inject electrons, the thickness of the barrier layer on the n-type cladding layer side is reduced and gradually increased to facilitate injection of electrons to the p-type cladding layer side. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution is further improved, and as a result, the threshold current can be lowered more effectively and a highly efficient laser can be obtained.
【0007】請求項2の発明では、n型クラッド層と、
p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性
層を含む半導体レーザにおいて、価電子帯側のバンドオ
フセットが伝導帯側のバンドオフセットよりも大きい材
料(ΔEc<ΔEv)で構成されている。このような材
料系では、価電子帯側のポテンシャル障壁が高いため、
価電子帯側のキャリア、すなわち、正孔の方が多重量子
井戸活性層内に注入されにくい構造となっている。した
がって、正孔が効率良く注入されるように、p型クラッ
ド層側の障壁層の厚さを薄くし、徐々に厚くしていくこ
とによって正孔がn型クラッド層側へ注入され易くして
いる。この結果、正孔のキャリア密度分布の均一性がさ
らに向上し、その結果より効果的にしきい値電流を低く
し、高効率のレーザを得ることができる。According to the second aspect of the invention, an n-type cladding layer,
In a semiconductor laser including a p-type cladding layer and a multiple quantum well active layer having two or more wells, a band gap on the valence band side is made larger than a band offset on the conduction band side (ΔEc <ΔEv). There is. In such a material system, since the potential barrier on the valence band side is high,
Carriers on the valence band side, that is, holes, are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, in order to efficiently inject holes, the thickness of the barrier layer on the p-type clad layer side is reduced and gradually increased to facilitate the injection of holes into the n-type clad layer side. There is. As a result, the uniformity of carrier density distribution of holes is further improved, and as a result, the threshold current can be lowered more effectively and a highly efficient laser can be obtained.
【0008】請求項3の発明では、GaAs基板上に多
重量子井戸活性層がAlGaAs系材料で構成されてい
る。この材料では、伝導帯側のバンドオフセットが価電
子帯側のバンドオフセットよりも大きくなっているた
め、電子の方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい
構造となっている。したがって、多重量子井戸活性層を
構成する障壁層の厚さがn型クラッド層から離れるにし
たがって順に厚く形成することにより電子については、
n型クラッド層に近い障壁層が薄いためトンネリングし
易くなる(通り抜けやすくなる)。その結果、主として
活性層内の電子のキャリア密度分布の均一性が向上する
ことで電子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上
し、しきい値電流が低く高効率のレーザを得ることがで
きる。According to the third aspect of the invention, the multiple quantum well active layer is made of an AlGaAs type material on the GaAs substrate. In this material, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side, so that the electron has a structure that is more difficult to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by forming the barrier layers forming the multi-quantum well active layer in order of increasing thickness with increasing distance from the n-type cladding layer,
Since the barrier layer close to the n-type clad layer is thin, tunneling is easy (passing is easy). As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0009】請求項4の発明では、InP基板上に多重
量子井戸活性層がAlInGaAs系材料で構成されて
いる。この材料系では、伝導帯側のバンドオフセットが
価電子帯側のバンドオフセットよりも大きくなってい
る。したがって、多重量子井戸活性層を構成する障壁層
の厚さがn型クラッド層から離れるにしたがって順に厚
く形成することにより、請求項3と同様の作用及び効果
を得ることができる。According to a fourth aspect of the invention, the multiple quantum well active layer is made of an AlInGaAs-based material on the InP substrate. In this material system, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side. Therefore, the same action and effect as those of the third aspect can be obtained by forming the barrier layer constituting the multiple quantum well active layer in order of increasing thickness as it goes away from the n-type cladding layer.
【0010】請求項5の発明では、InP基板上に多重
量子井戸活性層がInGaAsP系材料で構成されてい
る。この材料系では、価電子帯側のバンドオフセットが
伝導帯側のバンドオフセットよりも大きくなっているた
め、正孔の方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい
構造となっている。したがって、多重量子井戸活性層を
構成する障壁層の厚さがp型クラッド層から離れるにし
たがって順に厚く形成することにより正孔については、
p型クラッド層に近い障壁層が薄いためトンネリングし
易くなる(通り抜けやすくなる)。その結果、主として
活性層内の正孔のキャリア密度分布の均一性が向上する
ことで電子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上
し、しきい値電流が低く高効率のレーザを得ることがで
きる。In the fifth aspect of the invention, the multiple quantum well active layer is made of an InGaAsP-based material on the InP substrate. In this material system, the band offset on the valence band side is larger than the band offset on the conduction band side, so that holes are more difficult to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, holes are formed by forming the barrier layers constituting the multi-quantum well active layer in order of increasing thickness with increasing distance from the p-type cladding layer.
Since the barrier layer close to the p-type clad layer is thin, tunneling is easy (passing through is easy). As a result, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved, the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes is improved, and a highly efficient laser having a low threshold current is obtained. Obtainable.
【0011】請求項6の発明では、n型クラッド層と、
p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性
層を含む半導体レーザにおいて、多重量子井戸活性層を
構成する障壁層のエネルギーバンドギャップがそれぞれ
異なっている構造としている。したがって、構成材料に
応じて電子及び正孔のキャリア密度の分布が均一になる
ように伝導帯側及び価電子帯側それぞれに適切に設計す
ることができるため、しきい値電流が低く高効率のレー
ザを得ることができる。According to a sixth aspect of the invention, an n-type clad layer,
In a semiconductor laser including a p-type cladding layer and a multiple quantum well active layer having two or more wells, the barrier layers constituting the multiple quantum well active layer have different energy band gaps. Therefore, since it is possible to appropriately design the conduction band side and the valence band side so that the distributions of the carrier densities of electrons and holes become uniform depending on the constituent materials, the threshold current is low and the efficiency is high. A laser can be obtained.
【0012】請求項7の発明では、n型クラッド層と、
p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性
層を含む半導体レーザにおいて、多重量子井戸活性層を
構成する障壁層のエネルギーバンドギャップがn型クラ
ッド層から離れるにしたがって順に大きくなっているこ
とを特徴としている。電子については、n型クラッド層
に近い障壁層のエネルギーバンドギャップが小さいた
め、隣の井戸層へ注入され易くなる。したがって、主と
して活性層内の電子のキャリア密度分布の均一性が向上
することで電子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向
上し、しきい値電流が低く高効率のレーザを得ることが
できる。According to a seventh aspect of the invention, an n-type cladding layer,
In a semiconductor laser including a p-type cladding layer and a multi-quantum well active layer having two or more wells, the energy band gap of the barrier layer forming the multi-quantum well active layer gradually increases as the distance from the n-type cladding layer increases. It is characterized by being. Since electrons have a small energy band gap in the barrier layer close to the n-type cladding layer, electrons are easily injected into the adjacent well layer. Therefore, the uniformity of the electron carrier density distribution is improved mainly in the active layer, so that the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. You can
【0013】請求項8の発明では、n型クラッド層と、
p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性
層を含む半導体レーザにおいて、多重量子井戸活性層を
構成する障壁層のエネルギーバンドギャップがp型クラ
ッド層から離れるにしたがって順に大きくなっているこ
とを特徴としている。正孔については、p型クラッド層
に近い障壁層のエネルギーバンドギャップが小さいた
め、隣の井戸層へ注入され易くなる。したがって、主と
して活性層内の正孔のキャリア密度分布の均一性が向上
することで電子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向
上し、しきい値電流が低く高効率のレーザを得ることが
できる。According to an eighth aspect of the invention, an n-type cladding layer,
In a semiconductor laser including a p-type clad layer and a multi-quantum well active layer having two or more wells, the energy band gap of the barrier layer forming the multi-quantum well active layer increases in order with increasing distance from the p-type clad layer. It is characterized by being. Since holes have a small energy band gap in the barrier layer close to the p-type cladding layer, holes are likely to be injected into the adjacent well layer. Therefore, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved to improve the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0014】請求項9の発明では、請求項7に記載の発
明において、伝導帯側のバンドオフセットが価電子帯側
のバンドオフセットよりも大きい材料で構成されてい
る。このような材料系では、伝導帯側のポテンシャル障
壁が高いため、伝導帯側のキャリア、すなわち、電子の
方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい構造となっ
ている。したがって、電子が効率良く注入されるよう
に、n型クラッド層に近い側の障壁層のエネルギーバン
ドギャップを小さくし、徐々に大きくしていくことによ
って電子をp型クラッド層側へ注入し易くしている。こ
の結果、主として活性層内の電子のキャリア密度分布の
均一性が向上することにより電子−正孔間の再結合速度
分布の均一性が向上し、しきい値電流が低く高効率のレ
ーザを得ることができる。According to a ninth aspect of the present invention, in the seventh aspect of the present invention, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side. In such a material system, since the potential barrier on the conduction band side is high, carriers on the conduction band side, that is, electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, in order to efficiently inject electrons, the energy band gap of the barrier layer on the side closer to the n-type cladding layer is made smaller and gradually increased to facilitate injection of electrons to the p-type cladding layer side. ing. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved to improve the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0015】請求項10の発明では、請求項8に記載の
発明において、価電子帯側のバンドオフセットが伝導帯
側のバンドオフセットよりも大きい材料で構成されてい
る。このような材料系では、価電子帯側のポテンシャル
障壁が高いため、価電子帯側のキャリア、すなわち、正
孔の方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい構造と
なっている。したがって、正孔が効率良く注入されるよ
うに、p型クラッド層に近い側の障壁層のエネルギーバ
ンドギャップを小さくし、徐々に大きくしていくことに
よって正孔をn型クラッド層側へ注入し易くしている。
この結果、主として活性層内の正孔のキャリア密度分布
の均一性が向上することにより電子−正孔間の再結合速
度分布の均一性が向上し、しきい値電流が低く高効率の
レーザを得ることができる。According to a tenth aspect of the present invention, in the eighth aspect of the present invention, the band offset on the valence band side is larger than the band offset on the conduction band side. In such a material system, since the potential barrier on the valence band side is high, carriers on the valence band side, that is, holes are more difficult to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, in order to inject holes efficiently, the energy band gap of the barrier layer on the side close to the p-type cladding layer is reduced and gradually increased to inject holes into the n-type cladding layer side. Making it easier.
As a result, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved, the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. Obtainable.
【0016】請求項11の発明では、請求項6〜9に記
載の半導体レーザにおいて、基板としてGaAsを用
い、多重量子井戸活性層がAlGaAs系材料で構成さ
れているため、伝導帯側のバンドオフセットが価電子帯
側のバンドオフセットよりも大きくなっている。この材
料構成では電子の方が多重量子井戸活性層内に注入され
にくい構造となっている。したがって、多重量子井戸活
性層のそれぞれの障壁層のエネルギーバンドギャップを
変えることにより、主として電子のキャリア密度分布を
より均一に近い分布とすることができ、その結果しきい
値電流の低い高効率のレーザを得ることができる。According to an eleventh aspect of the invention, in the semiconductor laser of the sixth to ninth aspects, since GaAs is used as the substrate and the multiple quantum well active layer is made of an AlGaAs type material, the band offset on the conduction band side is obtained. Is larger than the band offset on the valence band side. This material structure has a structure in which electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing the energy band gap of each barrier layer of the multi-quantum well active layer, the carrier density distribution of electrons can be made more nearly uniform, and as a result, the threshold current is low and the efficiency is high. A laser can be obtained.
【0017】請求項12の発明では、請求項6〜9に記
載の半導体レーザにおいて、基板としてInPを用い、
多重量子井戸活性層がAlInGaAs系材料で構成さ
れているため、伝導帯側のバンドオフセットが価電子帯
側のバンドオフセットよりも大きくなっている。この材
料構成では電子の方が多重量子井戸活性層内に注入され
にくい構造となっている。したがって、多重量子井戸活
性層のそれぞれの障壁層のエネルギーバンドギャップを
変えることにより、主として電子のキャリア密度分布を
より均一に近い分布とすることができ、その結果しきい
値電流の低い高効率のレーザを得ることができる。According to a twelfth aspect of the invention, in the semiconductor laser according to the sixth to ninth aspects, InP is used as the substrate,
Since the multiple quantum well active layer is made of an AlInGaAs-based material, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side. This material structure has a structure in which electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing the energy band gap of each barrier layer of the multi-quantum well active layer, the carrier density distribution of electrons can be made more nearly uniform, and as a result, the threshold current is low and the efficiency is high. A laser can be obtained.
【0018】請求項13の発明では、請求項6,7,
8,10に記載の半導体レーザにおいて、基板としてI
nPを用い、多重量子井戸活性層がInGaAsP系材
料で構成されているため、価電子帯側のバンドオフセッ
トが伝導帯側のバンドオフセットよりも大きくなってい
る。この材料構成では正孔の方が多重量子井戸活性層内
に注入されにくい構造となっている。したがって、多重
量子井戸活性層のそれぞれの障壁層のエネルギーバンド
ギャップを変えることにより、主として正孔のキャリア
密度分布をより均一に近い分布とすることができ、その
結果しきい値電流の低い高効率のレーザを得ることがで
きる。According to the invention of claim 13, claims 6, 7 and
In the semiconductor lasers described in 8 and 10, I is used as a substrate.
Since nP is used and the multiple quantum well active layer is made of an InGaAsP-based material, the band offset on the valence band side is larger than the band offset on the conduction band side. This material structure has a structure in which holes are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing the energy band gap of each barrier layer of the multiple quantum well active layer, the carrier density distribution of mainly holes can be made more uniform, and as a result, high efficiency with low threshold current can be obtained. Laser can be obtained.
【0019】請求項14の発明では、GaAs基板上に
多重量子井戸活性層がAlGaAs系材料で構成されて
いる。この材料系では、伝導帯側のバンドオフセットが
価電子帯側のバンドオフセットよりも大きくなっている
ため、電子の方が多重量子井戸活性層内に注入されにく
い構造となっている。したがって、多重量子井戸活性層
を構成する障壁層のエネルギーバンドギャップがn型ク
ラッド層から離れるにしたがって順に大きくなるように
することにより電子については、n型クラッド層に近い
障壁層のエネルギーバンドギャップが小さいため、隣の
井戸層へ注入され易い。その結果、主として活性層内の
電子のキャリア密度分布の均一性が向上することで電子
−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上し、しきい値
電流が低く高効率のレーザを得ることができる。According to the fourteenth aspect of the present invention, the multiple quantum well active layer is made of an AlGaAs type material on the GaAs substrate. In this material system, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side, so that the electron has a structure that is more difficult to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by increasing the energy band gap of the barrier layer forming the multiple quantum well active layer in order as the distance from the n-type clad layer increases, the energy band gap of the barrier layer near the n-type clad layer is increased for electrons. Since it is small, it is easily injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0020】請求項15の発明では、InP基板上に多
重量子井戸活性層がAlInGaAs系材料で構成され
ている。この材料系では、伝導帯側のバンドオフセット
が価電子帯側のバンドオフセットよりも大きくなってい
るため、電子の方が多重量子井戸活性層内に注入されに
くい構造となっている。したがって、多重量子井戸活性
層を構成する障壁層のエネルギーバンドギャップがn型
クラッド層から離れるにしたがって順に大きくなるよう
にすることにより、請求項14と同様の作用及び効果を
得ることができる。In the fifteenth aspect of the present invention, the multiple quantum well active layer is made of an AlInGaAs-based material on the InP substrate. In this material system, the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side, so that the electron has a structure that is more difficult to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by making the energy band gap of the barrier layer constituting the multi-quantum well active layer gradually increase with increasing distance from the n-type cladding layer, it is possible to obtain the same action and effect as in the fourteenth aspect.
【0021】請求項16の発明では、InP基板上に多
重量子井戸活性層がInGaAsP系材料で構成されて
いる。この材料系では、価電子帯側のバンドオフセット
が伝導帯側のバンドオフセットよりも大きくなっている
ため、正孔の方が多重量子井戸活性層内に注入されにく
い構造となっている。したがって、多重量子井戸活性層
を構成する障壁層のエネルギーバンドギャップがp型ク
ラッド層から離れるにしたがって順に大きくなるように
することにより正孔については、p型クラッド層に近い
障壁層のエネルギーバンドギャップが小さいため、隣の
井戸層へ注入され易くなる。その結果、主として活性層
内の正孔のキャリア密度分布の均一性が向上することで
電子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上し、しき
い値電流が低く高効率のレーザを得ることができる。In the sixteenth aspect of the present invention, the multiple quantum well active layer is made of an InGaAsP-based material on the InP substrate. In this material system, the band offset on the valence band side is larger than the band offset on the conduction band side, so that holes are more difficult to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by increasing the energy band gap of the barrier layer forming the multiple quantum well active layer in order with increasing distance from the p-type clad layer, holes can have an energy band gap close to the p-type clad layer. Is small, it is easy to be injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved, the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes is improved, and a highly efficient laser having a low threshold current is obtained. Obtainable.
【0022】請求項17の発明では、請求項1に記載の
発明と請求項7に記載の発明の両方の効果を狙ったもの
である。すなわち、n型クラッド層と、p型クラッド層
と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層を含む半導体
レーザにおいて、伝導帯側のバンドオフセットが価電子
帯側のバンドオフセットよりも大きい材料系で構成され
ており、多重量子井戸活性層を構成する障壁層の厚さを
n型クラッド層から離れるにしたがって順に厚く形成す
るとともに、障壁層のエネルギーバンドギャップをn型
クラッド層から離れるにしたがって順に大きくしてい
る。この材料構成では伝導帯側のポテンシャル障壁が高
いため、伝導帯側のキャリア、すなわち、電子の方が多
重量子井戸活性層内に注入されにくい構造となってい
る。そこで、上述したように多重量子井戸活性層の障壁
層の厚さとエネルギーバンドギャップの両方を変えるこ
とにより、電子について隣の井戸層への注入がより効果
的に行われる。その結果、主として活性層内の電子のキ
ャリア密度分布の均一性が向上することで電子−正孔間
の再結合速度分布の均一性が向上し、しきい値電流が低
く高効率のレーザを得ることができる。The invention of claim 17 aims at the effects of both the invention of claim 1 and the invention of claim 7. That is, in a semiconductor laser including an n-type clad layer, a p-type clad layer, and a multiple quantum well active layer having two or more wells, the material system in which the band offset on the conduction band side is larger than the band offset on the valence band side. And the thickness of the barrier layer constituting the multiple quantum well active layer is gradually increased with increasing distance from the n-type cladding layer, and the energy band gap of the barrier layer is increased with increasing distance from the n-type cladding layer. Making it big. In this material structure, the potential barrier on the conduction band side is high, and therefore carriers on the conduction band side, that is, electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing both the thickness of the barrier layer and the energy band gap of the multiple quantum well active layer as described above, electrons are more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0023】請求項18の発明では、請求項2に記載の
発明と請求項8に記載の発明の両方の効果を狙ったもの
である。すなわち、n型クラッド層と、p型クラッド層
と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層を含む半導体
レーザにおいて、価電子帯側のバンドオフセットが伝導
帯側のバンドオフセットよりも大きい材料系で構成され
ており、多重量子井戸活性層を構成する障壁層の厚さを
p型クラッド層から離れるにしたがって順に厚く形成す
るとともに、障壁層のエネルギーバンドギャップをp型
クラッド層から離れるにしたがって順に大きくしてい
る。この材料構成では価電子帯側のポテンシャル障壁が
高いため、価電子帯側のキャリア、すなわち、正孔の方
が多重量子井戸活性層内に注入されにくい構造となって
いる。そこで、上述したように多重量子井戸活性層の障
壁層の厚さとエネルギーバンドギャップの両方を変える
ことにより、正孔について隣の井戸層への注入がより効
果的に行われる。その結果、主として活性層内の正孔の
キャリア密度分布の均一性が向上することで電子−正孔
間の再結合速度分布の均一性が向上し、しきい値電流が
低く高効率のレーザを得ることができる。The invention of claim 18 aims at the effects of both the invention of claim 2 and the invention of claim 8. That is, in a semiconductor laser including an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a multiple quantum well active layer having two or more wells, the material system in which the band offset on the valence band side is larger than the band offset on the conduction band side. The thickness of the barrier layer constituting the multi-quantum well active layer is gradually increased as the distance from the p-type cladding layer increases, and the energy band gap of the barrier layer is increased as the distance from the p-type cladding layer increases. Making it big. In this material structure, the potential barrier on the valence band side is high, so that carriers on the valence band side, that is, holes, are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing both the thickness of the barrier layer and the energy band gap of the multiple quantum well active layer as described above, holes can be more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved, the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes is improved, and a highly efficient laser having a low threshold current is obtained. Obtainable.
【0024】請求項19の発明では、請求項3に記載の
発明と請求項14に記載の発明の両方の効果を狙ったも
のである。すなわち、GaAs基板と、n型クラッド層
と、p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸
活性層を含む半導体レーザにおいて、n型クラッド層と
p型クラッド層と多重量子井戸活性層がAlGaAs系
材料で構成されており、多重量子井戸活性層を構成する
障壁層の厚さをn型クラッド層から離れるにしたがって
順に厚く形成するとともに、障壁層のエネルギーバンド
ギャップをn型クラッド層から離れるにしたがって順に
大きくしている。この材料構成では伝導帯側のポテンシ
ャル障壁が高いため、伝導帯側のキャリア、すなわち、
電子の方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい構造
となっている。そこで、上述したように多重量子井戸活
性層の障壁層の厚さとエネルギーバンドギャップの両方
を変えることにより、電子について隣の井戸層への注入
がより効果的に行われる。その結果、主として活性層内
の電子のキャリア密度分布の均一性が向上することで電
子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上し、しきい
値電流が低く高効率のレーザを得ることができる。The invention of claim 19 aims at the effects of both the invention of claim 3 and the invention of claim 14. That is, in a semiconductor laser including a GaAs substrate, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a multiple quantum well active layer having two or more wells, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a multiple quantum well active layer Is made of an AlGaAs-based material, the thickness of the barrier layer forming the multi-quantum well active layer is gradually increased with increasing distance from the n-type cladding layer, and the energy band gap of the barrier layer is increased from the n-type cladding layer. It becomes larger in order as it gets away. Since the potential barrier on the conduction band side is high in this material configuration, carriers on the conduction band side, that is,
The structure is such that electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing both the thickness of the barrier layer and the energy band gap of the multiple quantum well active layer as described above, electrons are more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0025】請求項20の発明では、請求項4に記載の
発明と請求項15に記載の発明の両方の効果を狙ったも
のである。すなわち、InP基板と、n型クラッド層
と、p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸
活性層を含む半導体レーザにおいて、n型クラッド層と
p型クラッド層がInPまたはAlInGaAs系材料
で、また、多重量子井戸活性層がAlInGaAs系材
料で構成されており、多重量子井戸活性層を構成する障
壁層の厚さをn型クラッド層から離れるにしたがって順
に厚く形成するとともに、障壁層のエネルギーバンドギ
ャップをn型クラッド層から離れるにしたがって順に大
きくしている。この材料構成では伝導帯側のポテンシャ
ル障壁が高いため、伝導帯側のキャリア、すなわち、電
子の方が多重量子井戸活性層内に注入されにくい構造と
なっている。そこで、上述したように多重量子井戸活性
層の障壁層の厚さとエネルギーバンドギャップの両方を
変えることにより、電子について隣の井戸層への注入が
より効果的に行われる。その結果、主として活性層内の
電子のキャリア密度分布の均一性が向上することで電子
−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上し、しきい値
電流が低く高効率のレーザを得ることができる。The invention of claim 20 aims at the effects of both the invention of claim 4 and the invention of claim 15. That is, in a semiconductor laser including an InP substrate, an n-type clad layer, a p-type clad layer, and a multiple quantum well active layer having two or more wells, the n-type clad layer and the p-type clad layer are made of InP or AlInGaAs-based material. In addition, the multiple quantum well active layer is made of an AlInGaAs-based material, and the thickness of the barrier layer forming the multiple quantum well active layer is formed in order as the distance from the n-type cladding layer increases, and The energy band gap is increased in order with increasing distance from the n-type cladding layer. In this material structure, the potential barrier on the conduction band side is high, and therefore carriers on the conduction band side, that is, electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing both the thickness of the barrier layer and the energy band gap of the multiple quantum well active layer as described above, electrons are more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to.
【0026】請求項21の発明では、請求項5に記載の
発明と請求項16に記載の発明の両方の効果を狙ったも
のである。すなわち、InP基板と、n型クラッド層
と、p型クラッド層と、井戸数が2以上の多重量子井戸
活性層を含む半導体レーザにおいて、n型クラッド層と
p型クラッド層と多重量子井戸活性層がInGaAsP
系材料で構成されており、多重量子井戸活性層を構成す
る障壁層の厚さをp型クラッド層から離れるにしたがっ
て順に厚く形成するとともに、障壁層のエネルギーバン
ドギャップをp型クラッド層から離れるにしたがって順
に大きくしている。この材料構成では価電子帯側のポテ
ンシャル障壁が高いため、価電子帯側のキャリア、すな
わち、正孔の方が多重量子井戸活性層内に注入されにく
い構造となっている。そこで、上述したように多重量子
井戸活性層の障壁層の厚さとエネルギーバンドギャップ
の両方を変えることにより、正孔について隣の井戸層へ
の注入がより効果的に行われる。その結果、主として活
性層内の正孔のキャリア密度分布の均一性が向上するこ
とで電子−正孔間の再結合速度分布の均一性が向上し、
しきい値電流が低く高効率のレーザを得ることができ
る。The invention of claim 21 aims at the effects of both the invention of claim 5 and the invention of claim 16. That is, in a semiconductor laser including an InP substrate, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a multiple quantum well active layer having two or more wells, an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, and a multiple quantum well active layer Is InGaAsP
The barrier layer is made of a system material, and the thickness of the barrier layer constituting the multi-quantum well active layer is gradually increased as the distance from the p-type clad layer increases, and the energy band gap of the barrier layer increases from the p-type clad layer. Therefore, they are increased in order. In this material structure, the potential barrier on the valence band side is high, so that carriers on the valence band side, that is, holes, are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer. Therefore, by changing both the thickness of the barrier layer and the energy band gap of the multiple quantum well active layer as described above, holes can be more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved to improve the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes,
A laser with a low threshold current and high efficiency can be obtained.
【0027】請求項22の発明では、請求項1〜21の
いずれかに記載の半導体レーザにおいて、多重量子井戸
活性層の井戸数を5以上としている。したがって、大電
流駆動時においても多重量子井戸活性層内に注入された
キャリアがオーバーフローすることなく大出力の半導体
レーザを得ることができる。According to the invention of claim 22, in the semiconductor laser according to any one of claims 1 to 21, the number of wells in the multiple quantum well active layer is 5 or more. Therefore, it is possible to obtain a high-power semiconductor laser without overflowing the carriers injected into the multiple quantum well active layer even at the time of driving a large current.
【0028】請求項23の発明では、請求項1〜22の
いずれかに記載の半導体レーザにおいて、半導体活性層
の発光領域のストライプ幅を100μm以上としている
ため、数十Aのパルス電流によって、数十Wクラスの大
出力半導体レーザを得ることができる。According to a twenty-third aspect of the invention, in the semiconductor laser according to any one of the first to twenty-second aspects, the stripe width of the light emitting region of the semiconductor active layer is 100 μm or more. A high power semiconductor laser of 10 W class can be obtained.
【0029】[0029]
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)以下、この
発明を具体化した第1の実施の形態を図面に基づいて説
明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION (First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0030】図1に、本実施形態における大出力半導体
レーザの断面構造を示す。また、図2に、本実施形態の
大出力半導体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図
を示す。FIG. 1 shows a cross-sectional structure of the high power semiconductor laser according to this embodiment. Further, FIG. 2 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser of this embodiment.
【0031】図1において、n−GaAs基板1上にn
−GaAsバッファ層2、n−Al 0.4Ga0.6Asクラ
ッド層3、n−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4、Al
0.2Ga0.8As/GaAs多重量子井戸構造からなる活
性層5、p−Al0.2Ga0. 8As光ガイド層6、p−A
l0.4Ga0.6Asクラッド層7、p−GaAsキャップ
層8が順に積層されている。活性層5は、図2に示すよ
うにAl0.2Ga0.8AsとGaAsとが交互に積層さ
れ、Al0.2Ga0.8Asが4層、GaAsが5層形成さ
れている。この場合、エネルギーバンドギャップの小さ
いGaAsが井戸層13となり、エネルギーバンドギャ
ップの大きいAl0.2Ga0.8Asが障壁層14となる。
また、図1において、n−Al0.4Ga0.6Asクラッド
層3とn−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4とMQW活
性層5とp−Al0.2Ga0.8As光ガイド層6とp−A
l0.4Ga0.6Asクラッド層7とp−GaAsキャップ
層8はメサ形となっている。このメサ部及びn−GaA
sバッファ層2の上面には絶縁膜9が形成されるととも
に、絶縁膜9におけるメサ部の上面(p−GaAsキャ
ップ層8の上面)には窓部9aが形成されている。この
窓部9aを含めた絶縁膜9の上には、Cr/Pt/Au
からなるp型電極10が形成されている。In FIG. 1, an n-type GaAs substrate 1 has n
-GaAs buffer layer 2, n-Al 0.4Ga0.6Askura
Pad layer 3, n-Al0.2Ga0.8As light guide layer 4, Al
0.2Ga0.8As / GaAs multiple quantum well structure
Layer 5, p-Al0.2Ga0. 8As light guide layer 6, p-A
l0.4Ga0.6As clad layer 7, p-GaAs cap
Layers 8 are stacked in order. The active layer 5 is shown in FIG.
Sea urchin Al0.2Ga0.8As and GaAs are stacked alternately
Al0.2Ga0.84 layers of As and 5 layers of GaAs are formed.
Has been. In this case, the energy band gap is small
GaAs becomes the well layer 13 and the energy band gap
Large Al0.2Ga0.8As becomes the barrier layer 14.
Further, in FIG. 1, n-Al0.4Ga0.6As clad
Layer 3 and n-Al0.2Ga0.8As light guide layer 4 and MQW activity
Layer 5 and p-Al0.2Ga0.8As light guide layer 6 and p-A
l0.4Ga0.6As clad layer 7 and p-GaAs cap
Layer 8 has a mesa shape. This mesa and n-GaA
The insulating film 9 is formed on the upper surface of the s buffer layer 2.
On the upper surface of the mesa portion of the insulating film 9 (p-GaAs
A window 9a is formed on the upper surface of the top layer 8). this
On the insulating film 9 including the window 9a, Cr / Pt / Au is formed.
A p-type electrode 10 made of is formed.
【0032】n−GaAsバッファ層2の厚さは500
nm、n−Al0.4Ga0.6Asクラッド層3の厚さは1
μm、n−Al0.2Ga0.8As光ガイド層4の厚さは1
μmである。The thickness of the n-GaAs buffer layer 2 is 500.
nm, n-Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer 3 has a thickness of 1
μm, n-Al 0.2 Ga 0.8 As Optical guide layer 4 has a thickness of 1
μm.
【0033】また、活性層5においては、図2に示すよ
うに、障壁層14であるAl0.2Ga0.8Asの厚さt
1,t2,t3,t4はn−Al0.4Ga0.6Asクラッ
ド層3から離れるにしたがって順にt1=3nm、t2
=4nm、t3=5nm、t4=6nmと1nmずつ厚
く形成している。また、活性層5におけるGaAs井戸
層13の厚さについては各々12nmであり、一層の厚
さは一定である。したがって、活性層5のトータルの厚
さは78nmとなっている。Further, in the active layer 5, as shown in FIG. 2, the thickness t of Al 0.2 Ga 0.8 As which is the barrier layer 14 is set.
1, t2, t3, and t4 are t1 = 3 nm and t2 in order with increasing distance from the n-Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 3.
= 4 nm, t3 = 5 nm, and t4 = 6 nm, which are thicker by 1 nm. The thickness of each GaAs well layer 13 in the active layer 5 is 12 nm, and the thickness of each layer is constant. Therefore, the total thickness of the active layer 5 is 78 nm.
【0034】さらに、図1のp−Al0.2Ga0.8As光
ガイド層6の厚さは1μm、p−Al0.4Ga0.6Asク
ラッド層7の厚さは1μm、p−GaAsキャップ層8
の厚さは0.8μmである。Further, in FIG. 1, the p-Al 0.2 Ga 0.8 As optical guide layer 6 has a thickness of 1 μm, the p-Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer 7 has a thickness of 1 μm, and the p-GaAs cap layer 8 has a thickness of 1 μm.
Has a thickness of 0.8 μm.
【0035】一方、n−GaAs基板1の裏面にはAu
Ge/Ni/Auからなるn型電極11が形成され、n
−GaAs基板1とオーミックコンタクトが取られてい
る。このn型電極11の表面には接合材としてのAu/
Sn層12が形成されており、これによって半導体レー
ザ素子と図示しないCu又はFe製の台座が接合され
る。On the other hand, Au is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 1.
An n-type electrode 11 made of Ge / Ni / Au is formed, and n
-Ohmic contact is made with the GaAs substrate 1. On the surface of the n-type electrode 11, Au /
The Sn layer 12 is formed, so that the semiconductor laser element and the pedestal made of Cu or Fe (not shown) are bonded to each other.
【0036】次に、この大出力半導体レーザの製造方法
を説明する。まず、図1でのn−GaAs基板1上にM
BE(Molecular Beam Epitaxy)法やMOCVD(Me
tal Organic Chemical Vapor Deposition)法等に
よりn−GaAsバッファ層2、n−Al0.4Ga0.6A
sクラッド層3、n−Al0. 2Ga0.8As光ガイド層
4、Al0.2Ga0.8As/GaAs多重量子井戸構造か
らなる活性層5、p−Al0.2Ga0.8As光ガイド層
6、p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層7、p−GaA
sキャップ層8を順次積層する。その後、エッチングに
よりメサ部を形成する。Next, a method of manufacturing the high power semiconductor laser will be described. First, M on the n-GaAs substrate 1 in FIG.
BE (Molecular Beam Epitaxy) method and MOCVD (Me
n-GaAs buffer layer 2, n-Al 0.4 Ga 0.6 A by the tal organic chemical vapor deposition method or the like.
s clad layer 3, n-Al 0. 2 Ga 0.8 As optical guide layer 4, Al 0.2 Ga 0.8 As / GaAs multi-quantum well active layer 5 consisting of structure, p-Al 0.2 Ga 0.8 As optical guide layer 6, p- Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer 7, p-GaA
The s cap layer 8 is sequentially laminated. Then, the mesa portion is formed by etching.
【0037】引き続き、n−GaAsバッファ層2及び
メサ部の上面にSiO2からなる絶縁膜9をプラズマC
VD法により成膜し、エッチングにより窓あけして窓部
9aを形成する。この窓部9aの幅がストライプ幅(活
性層における発光領域のストライプ幅)となる。その
後、絶縁膜9上に、Cr/Pt/Au(膜厚15nm/
300nm/600nm)からなるp型電極10を電子
ビーム蒸着法により形成し、約360℃において熱処理
を行いオーミックコンタクトを取る。p型電極10の材
料としては他にTi/Pt/Au等を用いてもよい。Subsequently, an insulating film 9 made of SiO 2 is formed on the upper surfaces of the n-GaAs buffer layer 2 and the mesa portion by plasma C.
A film is formed by the VD method, and a window 9a is formed by opening a window by etching. The width of this window 9a becomes the stripe width (the stripe width of the light emitting region in the active layer). After that, Cr / Pt / Au (film thickness 15 nm /
A p-type electrode 10 composed of (300 nm / 600 nm) is formed by an electron beam evaporation method, and heat treatment is performed at about 360 ° C. to make ohmic contact. As the material of the p-type electrode 10, Ti / Pt / Au or the like may be used instead.
【0038】さらに、n−GaAs基板1の裏面にAu
Ge/Ni/Auからなるn型電極11を電子ビーム蒸
着法により形成し、熱処理を行いオーミック電極を取
る。その後、Au/Sn層12を電子ビーム蒸着法によ
り形成する。最後に、端面を劈開して半導体レーザチッ
プとする。Further, Au is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 1.
An n-type electrode 11 made of Ge / Ni / Au is formed by an electron beam evaporation method, and heat treatment is performed to obtain an ohmic electrode. Then, the Au / Sn layer 12 is formed by the electron beam evaporation method. Finally, the end face is cleaved to form a semiconductor laser chip.
【0039】この大出力半導体レーザ(半導体レーザチ
ップ)の縦横の寸法は500μm×800μmであり、
ストライプ幅は400μmである。なお、数十Wクラス
の大出力半導体レーザでは、大出力を得るため、素子に
電流を流すための電極のストライプ幅が少なくとも10
0μm以上必要である。The horizontal and vertical dimensions of this high-power semiconductor laser (semiconductor laser chip) are 500 μm × 800 μm,
The stripe width is 400 μm. In the case of a high power semiconductor laser of several tens of W class, in order to obtain a high output, the stripe width of the electrode for passing a current through the device is at least 10
0 μm or more is required.
【0040】本実施形態では多重量子井戸活性層5がA
lGaAs系材料で構成されている。つまり、AlxG
a1-xAsにおいて井戸層13がx=0のGaAsであ
り、障壁層14がx=0.2のAl0.2Ga0.8Asであ
る。そのため、図2で示すように伝導帯側のバンドオフ
セットΔEcが価電子帯側のバンドオフセットΔEvよ
りも大きくなっている。したがって、伝導帯側のポテン
シャル障壁が高く電子の方がMQW内に注入されにくい
構造であるため、MQW内の障壁層14の厚さt1,t
2,t3,t4がn−AlGaAsクラッド層3から離
れるにしたがって順に厚く形成することによって(t1
<t2<t3<t4)、電子が効率良く注入でき(電子
がp型クラッド層7側へ注入され易く)、より均一に近
い分布とすることができる。即ち、電子についてはn型
クラッド層3に近い障壁層が薄いためトンネリングし易
くなり(通り抜けやすくなり)、主として活性層内の電
子のキャリア密度分布の均一性が向上する。その結果、
電子と正孔の再結合速度は均一に近い分布となり、低し
きい値電流で高効率のレーザを得ることができる。In this embodiment, the multi-quantum well active layer 5 is A
It is composed of a 1GaAs-based material. That is, Al x G
In a 1-x As, the well layer 13 is GaAs with x = 0, and the barrier layer 14 is Al 0.2 Ga 0.8 As with x = 0.2. Therefore, as shown in FIG. 2, the band offset ΔEc on the conduction band side is larger than the band offset ΔEv on the valence band side. Therefore, since the potential barrier on the conduction band side is high and electrons are less likely to be injected into the MQW, the thicknesses t1 and t of the barrier layers 14 in the MQW are increased.
2, t3, and t4 are formed thicker in order as the distance from the n-AlGaAs cladding layer 3 increases (t1
<T2 <t3 <t4), electrons can be efficiently injected (electrons are easily injected into the p-type cladding layer 7 side), and the distribution can be made more uniform. That is, for the electrons, since the barrier layer near the n-type cladding layer 3 is thin, tunneling is easy (passing through), and the uniformity of the carrier density distribution of electrons mainly in the active layer is improved. as a result,
The recombination rate of electrons and holes has a nearly uniform distribution, and a highly efficient laser can be obtained with a low threshold current.
【0041】電子及び正孔のキャリア密度分布のシミュ
レーション結果を図3に、再結合速度分布のシミュレー
ション結果を図4に示す。図3,4における横軸は活性
層内の位置x(図2参照)であり、n−光ガイド層4と
接する位置をx=0とし、p−光ガイド層6と接する位
置をx=1としている。FIG. 3 shows the simulation result of the carrier density distribution of electrons and holes, and FIG. 4 shows the simulation result of the recombination velocity distribution. The horizontal axis in FIGS. 3 and 4 is the position x in the active layer (see FIG. 2), the position in contact with the n-light guide layer 4 is x = 0, and the position in contact with the p-light guide layer 6 is x = 1. I am trying.
【0042】なお、シミュレーションは電子及び正孔の
キャリア密度をそれぞれDe(x)、Dh(x)として次
式のように簡略化したモデルで計算した。
De(x)=1/αe・[1−exp(−αe)]*exp[−αex]
・・・(1)
Dh(x)=1/αh・[1−exp(−αh)]*exp[−αh(1−x)]
・・・(2)
ただし、αeは電子密度の減衰係数、αhは正孔密度の減
衰係数である。In the simulation, electron and hole carrier densities were calculated as D e (x) and D h (x), respectively, using a simplified model as shown in the following equation. D e (x) = 1 / α e · [1-exp (−α e )] * exp [−α e x] (1) D h (x) = 1 / α h · [1-exp (−α h )] * exp [−α h (1-x)] (2) where α e is the attenuation coefficient of the electron density and α h is the attenuation coefficient of the hole density.
【0043】また、電子−正孔間の再結合速度は上記
(1)、(2)式で計算される電子及び正孔の密度のう
ち小さい方によって制限されるとして計算した。ここ
で、計算のパラメータαe及びαhを変化させることで電
子及び正孔の注入のされ易さを定量的に表現することが
できる(本計算ではαe=αh=0.2とし、電子のキャ
リア注入が正孔のキャリア注入と同じであると仮定して
いる)。The recombination rate between electrons and holes was calculated as being limited by the smaller one of the electron and hole densities calculated by the above equations (1) and (2). Here, the ease with which electrons and holes are injected can be quantitatively expressed by changing the calculation parameters α e and α h (in this calculation, α e = α h = 0.2, It is assumed that electron carrier injection is the same as hole carrier injection).
【0044】図3,4に示すシミュレーション結果か
ら、MQW活性層において障壁層の厚さを順に変化させ
て形成することによって以下の効果を奏することが確認
できた。From the simulation results shown in FIGS. 3 and 4, it was confirmed that the following effects can be obtained by forming the barrier layer in the MQW active layer by changing the thickness in order.
【0045】まず、図3と図18を比較する。図18は
図17のごとく障壁層の厚さを一定とした場合における
シミュレーション結果である。図18に比べ図3は電子
及び正孔のキャリア密度分布が均一に近くなる。次に、
図4と図19を比較する。図19は図17のごとく障壁
層の厚さを一定とした場合におけるシミュレーション結
果である。図19に比べ図4は電子−正孔間の再結合速
度分布が均一化している。その結果、本実施形態の構造
をレーザ素子として適用した場合、しきい値電流が低く
高効率のレーザを得ることができることとなる。First, FIG. 3 and FIG. 18 will be compared. FIG. 18 shows a simulation result when the thickness of the barrier layer is constant as shown in FIG. Compared with FIG. 18, in FIG. 3, the carrier density distribution of electrons and holes becomes closer to uniform. next,
FIG. 4 and FIG. 19 are compared. FIG. 19 shows a simulation result when the thickness of the barrier layer is constant as shown in FIG. Compared with FIG. 19, in FIG. 4, the recombination velocity distribution between electrons and holes is made uniform. As a result, when the structure of the present embodiment is applied as a laser element, it is possible to obtain a laser with a low threshold current and high efficiency.
【0046】さらに、ストライプ長を100μm以上と
することによって数十Aのパルス電流において数十Wク
ラスのレーザ光を得ることができる。以上詳述したよう
に本実施形態によれば、電子及び正孔の密度分布を材料
特有のバンドオフセットに応じて均一な分布になるよう
にすることでMQW活性層内でのキャリアの再結合速度
分布を均一にできる。したがって、本構造を半導体レー
ザに適用した場合、低しきい値電流で高効率のレーザ特
性を得ることができる。Further, by setting the stripe length to 100 μm or more, it is possible to obtain laser light of several tens W class at a pulse current of several tens A. As described above in detail, according to the present embodiment, the recombination rate of carriers in the MQW active layer can be obtained by making the density distribution of electrons and holes uniform according to the band offset peculiar to the material. The distribution can be made uniform. Therefore, when this structure is applied to a semiconductor laser, highly efficient laser characteristics can be obtained with a low threshold current.
【0047】また、多重量子井戸活性層の井戸数を5以
上とすることにより、大電流駆動時においても多重量子
井戸活性層内に注入されたキャリアがオーバーフローす
ることなく大出力の半導体レーザを得ることができる。
さらに、前にも述べたが半導体活性層の発光領域のスト
ライプ幅を100μm以上とすることにより、数十Aの
パルス電流によって、数十Wクラスの大出力半導体レー
ザを得ることができる。
(第2の実施の形態)次に、第2の実施の形態を、第1
の実施の形態との相違点を中心に説明する。Further, by setting the number of wells in the multiple quantum well active layer to 5 or more, a high power semiconductor laser can be obtained without overflow of the carriers injected into the multiple quantum well active layer even at the time of driving a large current. be able to.
Further, as described above, by setting the stripe width of the light emitting region of the semiconductor active layer to 100 μm or more, it is possible to obtain a high power semiconductor laser of tens of W class with a pulse current of tens of A. (Second Embodiment) Next, the second embodiment will be described with reference to the first embodiment.
The difference from the above embodiment will be mainly described.
【0048】図5に、本実施形態における大出力半導体
レーザの断面図を示す。また、図6に、本実施形態の大
出力半導体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を
示す。FIG. 5 shows a sectional view of the high-power semiconductor laser according to this embodiment. Further, FIG. 6 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser of this embodiment.
【0049】図5において、n−InP基板21上にn
−InPバッファ層22、n−InPクラッド層23、
n−Al0.23In0.53Ga0.24As光ガイド層24、A
lInGaAs多重量子井戸構造からなる活性層25、
p−Al0.23In0.53Ga0. 24As光ガイド層26、p
−InPクラッド層27、p−InGaAsキャップ層
28が順に積層されている。なお、n型クラッド層23
とp型クラッド層27はAlInGaAs系材料を用い
てもよい。活性層25は、図6に示すようにAlInG
aAs井戸層29とAlInGaAs障壁層30とが交
互に配置されている。具体的な組成は、AlxInyGa
1-x-yAsにおいて、井戸層29はx=0,y=0.5
3であり、障壁層30はx=0.23,y=0.53で
ある。In FIG. 5, n is formed on the n-InP substrate 21.
-InP buffer layer 22, n-InP clad layer 23,
n-Al 0.23 In 0.53 Ga 0.24 As Optical guide layer 24, A
an active layer 25 having a multi-quantum well structure of lInGaAs,
p-Al 0.23 In 0.53 Ga 0. 24 As optical guide layer 26, p
A -InP clad layer 27 and a p-InGaAs cap layer 28 are sequentially stacked. The n-type cladding layer 23
The p-type cladding layer 27 may be made of AlInGaAs material. The active layer 25 is made of AlInG as shown in FIG.
The aAs well layers 29 and the AlInGaAs barrier layers 30 are alternately arranged. The specific composition is Al x In y Ga.
In 1-xy As, the well layer 29 has x = 0, y = 0.5
3 and the barrier layer 30 has x = 0.23 and y = 0.53.
【0050】このように、InP基板21と、n型クラ
ッド層23と、p型クラッド層27と、井戸数が2以上
の多重量子井戸活性層25を含む半導体レーザであり、
n型クラッド層23とp型クラッド層27がInP(ま
たはAlInGaAs)系材料で、また、多重量子井戸
活性層25がAlInGaAs系材料(AlxInyGa
1-x-yAs)で構成されている。そして、多重量子井戸
活性層25を構成する障壁層30の厚さt11,t1
2,t13,t14がn型クラッド層23から離れるに
したがって順に厚くなっている(t11<t12<t1
3<t14)。As described above, the semiconductor laser includes the InP substrate 21, the n-type cladding layer 23, the p-type cladding layer 27, and the multiple quantum well active layer 25 having two or more wells.
The n-type cladding layer 23 and the p-type cladding layer 27 are made of InP (or AlInGaAs) -based material, and the multiple quantum well active layer 25 is made of AlInGaAs-based material (Al x In y Ga).
1-xy As). Then, the thicknesses t11 and t1 of the barrier layers 30 constituting the multiple quantum well active layer 25
2, t13, and t14 become thicker in order with increasing distance from the n-type cladding layer 23 (t11 <t12 <t1.
3 <t14).
【0051】以上のごとく、InP基板21上に多重量
子井戸活性層25としてAlInGaAs系材料を用い
た本実施形態の半導体レーザにおいては、伝導帯側のバ
ンドオフセットΔEcが価電子帯側のバンドオフセット
ΔEvよりも大きくなっており、多重量子井戸活性層2
5を構成する障壁層30の厚さをn型クラッド層23か
ら離れるにしたがって順に厚く形成することにより、第
1の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができ
る。
(第3の実施の形態)次に、第3の実施の形態を、第1
の実施の形態との相違点を中心に説明する。As described above, in the semiconductor laser of this embodiment using the AlInGaAs-based material as the multiple quantum well active layer 25 on the InP substrate 21, the band offset ΔEc on the conduction band side is the band offset ΔEv on the valence band side. Larger than that of the multiple quantum well active layer 2
By forming the barrier layer 30 constituting No. 5 in the order of increasing thickness from the n-type cladding layer 23, the same action and effect as those of the first embodiment can be obtained. (Third Embodiment) Next, the third embodiment will be described with reference to the first embodiment.
The difference from the above embodiment will be mainly described.
【0052】図7に、本実施形態における大出力半導体
レーザの断面図を示す。また、図8に、本実施形態の大
出力半導体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を
示す。FIG. 7 shows a sectional view of the high-power semiconductor laser according to this embodiment. Further, FIG. 8 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser of this embodiment.
【0053】n−InP基板31上にn−InPバッフ
ァ層32、n−InPクラッド層33、エネルギーバン
ドギャップEg=1.05eVとなる組成のn−InG
aAsP光ガイド層34、InGaAsP/InGaA
s多重量子井戸構造からなる活性層35、エネルギーバ
ンドギャップEg=1.05eVとなる組成のp−In
GaAsP光ガイド層36、p−InPクラッド層3
7、p−InGaAsキャップ層38が順に積層されて
いる。活性層35は、エネルギーバンドギャップEg=
1.05eVとなる組成のInGaAsPと、In0.53
Ga0.47Asとが交互に積層され、InGaAsPが4
層、In0.53Ga0.47Asが5層形成されている。この
場合、エネルギーバンドギャップの小さいIn0.53Ga
0.47As(Eg=0.75eV)が井戸層39となり、
エネルギーバンドギャップの大きいInGaAsP(E
g=1.05eV)が障壁層40となる。また、n−I
nPクラッド層33、n−InGaAsP光ガイド層3
4、MQW活性層35、p−InGaAsP光ガイド層
36、p−InPクラッド層37、p−InGaAsキ
ャップ層38はメサ形となっている。On the n-InP substrate 31, an n-InP buffer layer 32, an n-InP clad layer 33, and an n-InG having a composition having an energy band gap Eg = 1.05 eV.
aAsP optical guide layer 34, InGaAsP / InGaA
The active layer 35 having an s multiple quantum well structure and p-In having a composition with an energy band gap Eg = 1.05 eV
GaAsP optical guide layer 36, p-InP clad layer 3
7 and a p-InGaAs cap layer 38 are sequentially stacked. The active layer 35 has an energy band gap Eg =
InGaAsP having a composition of 1.05 eV and In 0.53
Ga 0.47 As and alternating layers of InGaAsP
Five layers of In 0.53 Ga 0.47 As are formed. In this case, In 0.53 Ga having a small energy band gap
0.47 As (Eg = 0.75 eV) becomes the well layer 39,
InGaAsP (E with large energy band gap
g = 1.05 eV) becomes the barrier layer 40. Also, n-I
nP clad layer 33, n-InGaAsP optical guide layer 3
4, the MQW active layer 35, the p-InGaAsP optical guide layer 36, the p-InP clad layer 37, and the p-InGaAs cap layer 38 are mesa-shaped.
【0054】n−InPバッファ層32の厚さは500
nm、n−InPクラッド層33の厚さは1μm、n−
InGaAsP光ガイド層34の厚さは1μmである。
また、活性層35においては、障壁層40であるInG
aAsPの厚さt21,t22,t23,t24がp−
InPクラッド層37から離れるにしたがって順にt2
1=3nm、t22=4nm、t23=5nm、t24
=6nmと1nmずつ厚く形成している。また、活性層
35におけるInGaAs井戸層39の厚さは各々12
nmであり、一層の厚さは一定である。したがって、活
性層35のトータルの厚さは78nmとなっている。The thickness of the n-InP buffer layer 32 is 500.
nm, the thickness of the n-InP clad layer 33 is 1 μm, n-
The thickness of the InGaAsP light guide layer 34 is 1 μm.
In addition, in the active layer 35, InG that is the barrier layer 40 is used.
The thickness t21, t22, t23, t24 of aAsP is p-
As the distance from the InP clad layer 37 increases, t2 increases in order.
1 = 3 nm, t22 = 4 nm, t23 = 5 nm, t24
= 6 nm and 1 nm thick. The thickness of the InGaAs well layer 39 in the active layer 35 is 12 each.
nm and the thickness of one layer is constant. Therefore, the total thickness of the active layer 35 is 78 nm.
【0055】p−InGaAsP光ガイド層36の厚さ
は1μm、p−InPクラッド層37の厚さは1μm、
p−InGaAsキャップ層38の厚さは0.8μmで
ある。The p-InGaAsP optical guide layer 36 has a thickness of 1 μm, and the p-InP clad layer 37 has a thickness of 1 μm.
The p-InGaAs cap layer 38 has a thickness of 0.8 μm.
【0056】n−InP基板31の裏面にはAuGe/
Ni/Auからなるn型電極11が形成され、n−In
P基板31とオーミックコンタクトが取られている。こ
のn型電極11の表面には接合材としてのAu/Sn層
12が形成されており、これによって半導体レーザ素子
と図示しないCu又はFe製の台座が接合される。On the back surface of the n-InP substrate 31, AuGe /
The n-type electrode 11 made of Ni / Au is formed, and n-In
An ohmic contact is made with the P substrate 31. An Au / Sn layer 12 as a bonding material is formed on the surface of the n-type electrode 11, and thereby a semiconductor laser element and a pedestal made of Cu or Fe (not shown) are bonded.
【0057】この大出力半導体レーザの縦横の寸法は5
00μm×800μmであり、ストライプ幅は400μ
mである。なお、数十Wクラスの大出力半導体レーザで
は、大出力を得るため、素子に電流を流すための電極の
ストライプ幅が少なくとも100μm以上必要である。The vertical and horizontal dimensions of this high power semiconductor laser are 5
00μm × 800μm, stripe width is 400μ
m. In order to obtain a large output, a high power semiconductor laser of several tens of W class needs a stripe width of at least 100 μm or more for an electrode for passing a current through the device.
【0058】本実施形態では多重量子井戸活性層がIn
GaAsP系材料で構成されている。つまり、InxG
a1-xAsyP1-yにおいて井戸層39がx=0.53、
y=1のIn0.53Ga0.47Asであり、障壁層40がx
=0.79、y=0.45のInGaAsPである。そ
のため、価電子帯側のバンドオフセットΔEvが伝導帯
側のバンドオフセットΔEcよりも大きくなっている
(ΔEc<ΔEv)。したがって、価電子帯側のキャリ
ア、すなわち、正孔の方がMQW内に注入されにくい構
造であるため、MQW内の障壁層40の厚さt21,t
22,t23,t24がp−InPクラッド層37から
離れるにしたがって順に厚く形成することによって(t
21<t22<t23<t24)、正孔が効率良く注入
でき(正孔がn型クラッド層33側へ注入され易く)、
正孔のキャリア密度分布をより均一に近い分布とするこ
とができる。即ち、正孔についてはp型クラッド層37
に近い障壁層が薄いためトンネリングし易くなり(通り
抜けやすくなり)、主として活性層内の正孔のキャリア
密度分布の均一性が向上する。その結果、電子と正孔の
再結合速度は均一に近い分布となり、低しきい値電流で
高効率のレーザを得ることができる。In this embodiment, the multiple quantum well active layer is In
It is composed of a GaAsP-based material. In other words, In x G
a 1-x As y P 1-y , the well layer 39 has x = 0.53,
In 0.53 Ga 0.47 As with y = 1, and the barrier layer 40 is x.
= 0.79, y = 0.45, InGaAsP. Therefore, the band offset ΔEv on the valence band side is larger than the band offset ΔEc on the conduction band side (ΔEc <ΔEv). Therefore, since carriers having a valence band side, that is, holes, are less likely to be injected into the MQW, the thicknesses t21 and t of the barrier layer 40 in the MQW are increased.
22, t23, and t24 are formed thicker in order as the distance from the p-InP cladding layer 37 increases (t
21 <t22 <t23 <t24), holes can be efficiently injected (holes are easily injected to the n-type cladding layer 33 side),
The carrier density distribution of holes can be made more uniform. That is, for holes, the p-type cladding layer 37
Since the barrier layer close to is thin, tunneling is facilitated (passage is facilitated), and uniformity of carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved. As a result, the recombination rate of electrons and holes has an almost uniform distribution, and a high-efficiency laser can be obtained with a low threshold current.
【0059】つまり、本実施形態においても第1実施形
態と同様にキャリア密度分布、再結合速度をシミュレー
ションすると図3及び図4に示す結果となり、再結合速
度が均一に近い分布となることがわかる。その結果、低
しきい値電流で高効率のレーザを得ることができる。That is, also in this embodiment, when the carrier density distribution and the recombination velocity are simulated as in the first embodiment, the results shown in FIGS. 3 and 4 are obtained, and it is understood that the recombination velocity becomes a distribution that is almost uniform. . As a result, a highly efficient laser with a low threshold current can be obtained.
【0060】さらに、ストライプ長を100μm以上と
することによって数十Aのパルス電流において数十Wク
ラスのレ−ザ光を得ることができる。
(第4の実施の形態)次に、第4の実施の形態を、第1
の実施の形態との相違点を中心に説明する。Further, by setting the stripe length to 100 μm or more, it is possible to obtain laser light of several tens W class at a pulse current of several tens of A. (Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment will be described.
The difference from the above embodiment will be mainly described.
【0061】図9に、本実施形態における大出力半導体
レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を示す。本実
施形態では、多重量子井戸活性層5において、障壁層5
0であるAlxGa1-xAsのAl組成比xがn−Al
0.4Ga0.6Asクラッド層3から離れるにしたがって順
にx=0.04、0.08、0.12、0.16と0.
04ずつ大きくなるように形成している。この時、障壁
層50の厚さは4nmで一定としている。このようにA
l組成比を変えることで障壁層50のエネルギーバンド
ギャップEg1,Eg2,Eg3,Eg4が図9のよう
に順に変化するような構成としている。つまり、障壁層
50のエネルギーバンドギャップEg1,Eg2,Eg
3,Eg4がn型クラッド層3から離れるにしたがって
順に大きくなっている(Eg1<Eg2<Eg3<Eg
4)。その他の構成、膜厚は第1の実施形態と同一であ
る。FIG. 9 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser according to this embodiment. In the present embodiment, in the multiple quantum well active layer 5, the barrier layer 5
The Al composition ratio x of Al x Ga 1-x As, which is 0, is n-Al.
As the distance from the 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 3 increases, x = 0.04, 0.08, 0.12, 0.16 and 0.
It is formed so as to increase by 04. At this time, the thickness of the barrier layer 50 is constant at 4 nm. Like this
The energy band gaps Eg1, Eg2, Eg3, Eg4 of the barrier layer 50 are sequentially changed as shown in FIG. 9 by changing the l composition ratio. That is, the energy band gaps Eg1, Eg2, Eg of the barrier layer 50
3, Eg4 increases in order with increasing distance from the n-type cladding layer 3 (Eg1 <Eg2 <Eg3 <Eg
4). Other configurations and film thickness are the same as those in the first embodiment.
【0062】このような構成においても第1実施形態と
同様の効果を得ることができる。すなわち、本構成にお
いても伝導帯側のバンドオフセットΔEcが価電子帯側
のバンドオフセットΔEvよりも大きい材料で構成され
ているため伝導帯側のポテンシャル障壁が高く、電子の
方がMQW活性層内に注入されにくい材料構成となって
いる。したがって、本実施形態ではn型クラッド層3に
近い側の障壁層50のエネルギーバンドギャップを小さ
くし、徐々に大きくしていくことによって電子をp型ク
ラッド層7側へ注入し易くしている。即ち、電子が効率
良く注入されるように、n型クラッド層3に近い側の障
壁層のエネルギーバンドギャップを小さくし、徐々に大
きくしていくことによって電子をp型クラッド層7側へ
注入し易くしている。この結果、第1実施形態と同様に
主として活性層5内の電子のキャリア密度分布の均一性
が向上することにより電子−正孔間の再結合速度分布の
均一性が向上し、しきい値電流が低く高効率のレ−ザを
得ることができる。
(第5の実施の形態)次に、第5の実施の形態を、第2
の実施の形態との相違点を中心に説明する。Even with such a configuration, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, also in this configuration, since the band offset ΔEc on the side of the conduction band is larger than the band offset ΔEv on the side of the valence band, the potential barrier on the side of the conduction band is high, and the electrons are in the MQW active layer. It has a material composition that is difficult to inject. Therefore, in the present embodiment, the energy band gap of the barrier layer 50 on the side closer to the n-type cladding layer 3 is reduced and gradually increased to facilitate injection of electrons into the p-type cladding layer 7 side. That is, in order to efficiently inject electrons, the energy band gap of the barrier layer on the side close to the n-type cladding layer 3 is reduced and gradually increased to inject electrons into the p-type cladding layer 7 side. Making it easier. As a result, as in the first embodiment, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer 5 is improved, and thus the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved and the threshold current is increased. And a laser with high efficiency can be obtained. (Fifth Embodiment) Next, a fifth embodiment will be described.
The difference from the above embodiment will be mainly described.
【0063】図10に、本実施形態における大出力半導
体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を示す。n
型クラッド層23とp型クラッド層27がInP(また
はAlInGaAs)系材料で、また、多重量子井戸活
性層25がAlInGaAs系材料で構成されており、
多重量子井戸活性層25を構成する障壁層60のエネル
ギーバンドギャップEg11,Eg12,Eg13,E
g14がn型クラッド層23から離れるにしたがって順
に大きくなっている(Eg11<Eg12<Eg13<
Eg14)。FIG. 10 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser of this embodiment. n
The type cladding layer 23 and the p-type cladding layer 27 are made of InP (or AlInGaAs) -based material, and the multiple quantum well active layer 25 is made of AlInGaAs-based material.
Energy band gaps Eg11, Eg12, Eg13, E of the barrier layer 60 constituting the multiple quantum well active layer 25
g14 increases in order with increasing distance from the n-type cladding layer 23 (Eg11 <Eg12 <Eg13 <.
Eg 14).
【0064】このように本実施形態においても、伝導帯
側のバンドオフセットΔEcが価電子帯側のバンドオフ
セットΔEvよりも大きくなっており、電子の方が多重
量子井戸活性層25内に注入されにくい構造となってい
る。したがって、多重量子井戸活性層25のそれぞれの
障壁層60のエネルギーバンドギャップを変えることに
より(Eg11<Eg12<Eg13<Eg14)、主
として電子のキャリア密度分布をより均一に近い分布と
することができ、その結果しきい値電流の低い高効率の
レーザを得ることができる。
(第6の実施の形態)次に、第6の実施の形態を、第3
の実施の形態との相違点を中心に説明する。As described above, also in the present embodiment, the band offset ΔEc on the conduction band side is larger than the band offset ΔEv on the valence band side, and electrons are less likely to be injected into the multiple quantum well active layer 25. It has a structure. Therefore, by changing the energy band gap of each barrier layer 60 of the multiple quantum well active layer 25 (Eg11 <Eg12 <Eg13 <Eg14), the carrier density distribution of mainly electrons can be made closer to a uniform distribution. As a result, a highly efficient laser with a low threshold current can be obtained. (Sixth Embodiment) Next, a sixth embodiment will be described.
The difference from the above embodiment will be mainly described.
【0065】図11に、本実施形態における大出力半導
体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を示す。本
実施形態では、多重量子井戸活性層35において、障壁
層70であるInGaAsPのエネルギーバンドギャッ
プEg21,Eg22,Eg23,Eg24がp−In
Pクラッド層37から離れるにしたがって順にEg21
=0.81eV、Eg22=0.87eV、Eg23=
0.93eV、Eg24=0.99eVと0.06eV
ずつ大きくなるように形成している。この時、障壁層7
0の厚さは4nmで一定としている。このようにInG
aAsPの組成を変えることで障壁層70のエネルギー
バンドギャップが図11のように順に変化するような構
成としている(Eg21<Eg22<Eg23<Eg2
4)。その他の構成、膜厚は第3実施形態と同一であ
る。FIG. 11 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser of this embodiment. In the present embodiment, in the multiple quantum well active layer 35, the energy band gaps Eg21, Eg22, Eg23, and Eg24 of InGaAsP that is the barrier layer 70 are p-In.
As the distance from the P clad layer 37 increases, Eg21
= 0.81 eV, Eg22 = 0.87 eV, Eg23 =
0.93eV, Eg24 = 0.99eV and 0.06eV
It is formed so that it becomes larger each time. At this time, the barrier layer 7
The thickness of 0 is constant at 4 nm. InG like this
The energy band gap of the barrier layer 70 is sequentially changed as shown in FIG. 11 by changing the composition of aAsP (Eg21 <Eg22 <Eg23 <Eg2.
4). Other configurations and film thickness are the same as those in the third embodiment.
【0066】このような構成においても第3実施形態と
同様の効果を得ることができる。すなわち、本構成にお
いても価電子帯側のバンドオフセットΔEvが伝導帯側
のバンドオフセットΔEcよりも大きい材料で構成され
ているため価電子帯側のポテンシャル障壁が高く、正孔
の方がMQW活性層内に注入されにくい材料構成となっ
ている。したがって、本実施形態ではp型クラッド層3
7に近い側の障壁層70のエネルギーバンドギャップを
小さくし、徐々に大きくしていくことによって正孔をn
型クラッド層33側へ注入し易くしている。即ち、正孔
が効率良く注入されるように、p型クラッド層37に近
い側の障壁層のエネルギーバンドギャップを小さくし、
徐々に大きくしていくことによって正孔をn型クラッド
層33側へ注入し易くしている。この結果、第3実施形
態と同様に、主として活性層内の正孔のキャリア密度分
布の均一性が向上することにより電子−正孔間の再結合
速度分布の均一性が向上し、しきい値電流が低く高効率
のレーザを得ることができる。
(第7の実施の形態)次に、第7の実施の形態を、第1
および第4の実施の形態との相違点を中心に説明する。Even with such a configuration, the same effect as that of the third embodiment can be obtained. That is, also in this configuration, since the band offset ΔEv on the valence band side is made of a material larger than the band offset ΔEc on the conduction band side, the potential barrier on the valence band side is high, and the holes are the MQW active layer. It is made of a material that is hard to be injected inside. Therefore, in this embodiment, the p-type cladding layer 3
7 is reduced by gradually increasing the energy band gap of the barrier layer 70 on the side closer to 7.
It is made easy to inject into the mold cladding layer 33 side. That is, the energy band gap of the barrier layer on the side closer to the p-type cladding layer 37 is reduced so that holes are efficiently injected,
By gradually increasing the size, holes are easily injected into the n-type cladding layer 33 side. As a result, similarly to the third embodiment, the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer is improved, the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes is improved, and the threshold value is increased. A laser with low current and high efficiency can be obtained. (Seventh Embodiment) Next, the seventh embodiment will be described with reference to the first embodiment.
Also, description will be made centering on differences from the fourth embodiment.
【0067】図12に、本実施形態における大出力半導
体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を示す。本
実施形態では、第1実施形態と第4実施形態を組み合わ
せた構成としている。すなわち、MQW活性層5におい
て、障壁層80であるAlxGa1-xAsの厚さt31,
t32,t33,t34がn−Al0.4Ga0.6Asクラ
ッド層3から離れるにしたがって順にt31=3nm、
t32=4nm、t33=5nm、t34=6nmと1
nmずつ厚く形成している。同時に、Al組成比xがn
−AlGaAsクラッド層3から離れるにしたがって順
にx=0.04、0.08、0.12、0.16と0.
04ずつ大きくなるように形成しており、障壁層80の
エネルギーバンドギャップEg31,Eg32,Eg3
3,Eg34がn型クラッド層3から離れるにしたがっ
て順に大きくなっている(Eg31<Eg32<Eg3
3<Eg34)。このように障壁層80の厚さとAl組
成比を同時に変えることで図12のごとく障壁層80の
厚さt31〜t34とエネルギーバンドギャップEg3
1〜Eg34が順に変化するような構成としている。そ
の他の構成、膜厚は第1実施形態と同一である。FIG. 12 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser according to this embodiment. The present embodiment has a configuration in which the first embodiment and the fourth embodiment are combined. That is, in the MQW active layer 5, the thickness t31 of the Al x Ga 1 -x As that is the barrier layer 80,
t32, t33, t34 is sequentially t31 = 3 nm as the distance from the n-Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 3,
t32 = 4 nm, t33 = 5 nm, t34 = 6 nm and 1
It is formed thicker by nm. At the same time, the Al composition ratio x is n
-X = 0.04, 0.08, 0.12, 0.16 and 0.
The energy band gaps Eg31, Eg32, Eg3 of the barrier layer 80 are formed so as to increase by 04.
3, Eg34 increases in order with increasing distance from the n-type cladding layer 3 (Eg31 <Eg32 <Eg3
3 <Eg34). Thus, by changing the thickness of the barrier layer 80 and the Al composition ratio at the same time, the thickness t31 to t34 of the barrier layer 80 and the energy band gap Eg3 as shown in FIG.
The configuration is such that 1 to Eg34 change in order. Other configurations and film thickness are the same as those in the first embodiment.
【0068】このような構成においては、第1実施形態
と第4実施形態の効果を同時に得ることができるため、
その効果を増大させることができる。すなわち、本構成
においても伝導帯側のバンドオフセットΔEcが価電子
帯側のバンドオフセットΔEvよりも大きい材料で構成
されているため伝導帯側のポテンシャル障壁が高く、電
子の方がMQW活性層内に注入されにくい材料構成とな
っている。In such a structure, the effects of the first and fourth embodiments can be obtained at the same time,
The effect can be increased. That is, also in this configuration, since the band offset ΔEc on the side of the conduction band is larger than the band offset ΔEv on the side of the valence band, the potential barrier on the side of the conduction band is high, and the electrons are in the MQW active layer. It has a material composition that is difficult to inject.
【0069】したがって、本実施形態ではn型クラッド
層3に近い側の障壁層80の膜厚を薄くしかつエネルギ
ーバンドギャップを小さくしているため、電子をよりp
型クラッド層7側へ注入し易くしている。即ち、電子に
ついて隣の井戸層への注入がより効果的に行われるよう
にしている。この結果、第1実施形態及び第4実施形態
をそれぞれ単独で実施した場合と比較し、図13に示す
ように図3に比べ活性層内のキャリア密度分布の均一性
をさらに向上させることができる。これによって、図1
4に示すように図4に比べ電子−正孔間の再結合速度分
布の均一性がさらに向上し、しきい値電流がさらに低
く、より高効率のレーザを得ることができるようにな
る。
(第8の実施の形態)次に、第8の実施の形態を、第2
および第5の実施の形態との相違点を中心に説明する。Therefore, in the present embodiment, the barrier layer 80 on the side closer to the n-type cladding layer 3 is made thinner and the energy band gap is made smaller.
It is made easy to inject into the mold clad layer 7 side. That is, electrons are injected into the adjacent well layer more effectively. As a result, the uniformity of the carrier density distribution in the active layer can be further improved, as shown in FIG. 13, as compared with the case where the first and fourth embodiments are individually carried out. . As a result, FIG.
As shown in FIG. 4, as compared with FIG. 4, the uniformity of the recombination velocity distribution between electrons and holes is further improved, the threshold current is further lower, and a more efficient laser can be obtained. (Eighth Embodiment) Next, the eighth embodiment will be described with reference to the second embodiment.
Also, the description will focus on the differences from the fifth embodiment.
【0070】図15に、本実施形態における大出力半導
体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を示す。本
実施形態では、第2実施形態と第5実施形態を組み合わ
せた構成としている。すなわち、n型クラッド層23と
p型クラッド層27がInP(またはAlInGaA
s)系材料で、また、多重量子井戸活性層25がAlI
nGaAs系材料で構成されており、多重量子井戸活性
層25を構成する障壁層90の厚さt41,t42,t
43,t44がn型クラッド層23から離れるにしたが
って順に厚くなるとともに(t41<t42<t43<
t44)、障壁層90のエネルギーバンドギャップEg
41,Eg42,Eg43,Eg44がn型クラッド層
23から離れるにしたがって順に大きくなっている(E
g41<Eg42<Eg43<Eg44)。FIG. 15 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser of this embodiment. In this embodiment, the second embodiment and the fifth embodiment are combined. That is, the n-type clad layer 23 and the p-type clad layer 27 are made of InP (or AlInGaA).
s) -based material, and the multiple quantum well active layer 25 is AlI
The barrier layer 90, which is made of an nGaAs-based material and constitutes the multiple quantum well active layer 25, has thicknesses t41, t42, and t.
43 and t44 become thicker in order with increasing distance from the n-type cladding layer 23 (t41 <t42 <t43 <
t44), the energy band gap Eg of the barrier layer 90
41, Eg42, Eg43, and Eg44 increase in order with increasing distance from the n-type cladding layer 23 (E
g41 <Eg42 <Eg43 <Eg44).
【0071】このように本実施形態では、伝導帯側のポ
テンシャル障壁が高いため、伝導帯側のキャリア、すな
わち、電子の方が多重量子井戸活性層内に注入されにく
い構造となっており、多重量子井戸活性層の障壁層の厚
さとエネルギーバンドギャップの両方を変えることによ
り、電子について隣の井戸層への注入がより効果的に行
われる。その結果、主として活性層内の電子のキャリア
密度分布の均一性が向上することで電子−正孔間の再結
合速度分布の均一性が向上し、しきい値電流が低く高効
率のレーザを得ることができる。
(第9の実施の形態)次に、第9の実施の形態を、第3
および第6の実施の形態との相違点を中心に説明する。As described above, in this embodiment, since the potential barrier on the conduction band side is high, carriers on the conduction band side, that is, electrons are less likely to be injected into the multi-quantum well active layer, and the multiple quantum well active layer is formed. By changing both the thickness of the barrier layer of the quantum well active layer and the energy bandgap, electrons are more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, the uniformity of the electron carrier density distribution mainly in the active layer is improved, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is improved, and a highly efficient laser with a low threshold current is obtained. be able to. (Ninth Embodiment) Next, the ninth embodiment will be described with reference to the third embodiment.
Also, the differences from the sixth embodiment will be mainly described.
【0072】図16に、本実施形態における大出力半導
体レーザの活性層付近のエネルギーバンド図を示す。本
実施形態では、第3実施形態と第6実施形態を組み合わ
せた構成としている。すなわち、MQW活性層35にお
いて、InGaAsP障壁層100の厚さt51,t5
2,t53,t54がp−InPクラッド層37から離
れるにしたがって順にt51=3nm、t52=4n
m、t53=5nm、t54=6nmと1nmずつ厚く
形成するとともに、InGaAsP障壁層100のエネ
ルギーバンドギャップEg51,Eg52,Eg53,
Eg54がp−InPクラッド層37から離れるにした
がって順にEg51=0.81eV、Eg52=0.8
7eV、Eg53=0.93eV、Eg54=0.99
eVと0.06eVずつ大きくなるように形成してい
る。このように障壁層100の厚さとエネルギーバンド
ギャップを同時に図16のように変化するような構成と
している。その他の構成、膜厚は第3実施形態と同一で
ある。FIG. 16 shows an energy band diagram in the vicinity of the active layer of the high power semiconductor laser according to this embodiment. The present embodiment has a configuration in which the third embodiment and the sixth embodiment are combined. That is, in the MQW active layer 35, the thickness t51, t5 of the InGaAsP barrier layer 100.
2, t53, t54 are separated from the p-InP clad layer 37 by t51 = 3 nm and t52 = 4n.
m, t53 = 5 nm, t54 = 6 nm, 1 nm thick, and the energy band gaps Eg51, Eg52, Eg53, of the InGaAsP barrier layer 100 are formed.
As Eg54 is separated from the p-InP cladding layer 37, Eg51 = 0.81 eV and Eg52 = 0.8 in order.
7 eV, Eg53 = 0.93 eV, Eg54 = 0.99
It is formed so as to increase by eV and 0.06 eV, respectively. Thus, the thickness and energy band gap of the barrier layer 100 are simultaneously changed as shown in FIG. Other configurations and film thickness are the same as those in the third embodiment.
【0073】このような構成においては、第3実施形態
と第6実施形態の効果を同時に得ることができるため、
その効果を増大させることができる。すなわち、本構成
においては価電子帯側のバンドオフセットΔEvが伝導
帯側のバンドオフセットΔEcよりも大きい材料で構成
されているため価電子帯側のポテンシャル障壁が高く、
正孔の方がMQW活性層内に注入されにくい材料構成と
なっている。したがって、本実施形態ではp型クラッド
層37に近い側の障壁層100の膜厚を薄くしかつエネ
ルギーバンドギャップを小さくしているため、正孔をよ
りn型クラッド層33側へ注入し易くしている。即ち、
正孔について隣の井戸層への注入をより効果的に行うよ
うにしている。この結果、第3実施形態及び第6実施形
態をそれぞれ単独で実施した場合と比較し、主として活
性層内の正孔のキャリア密度分布の均一性をさらに向上
させることができる。これによって、電子−正孔間の再
結合速度分布の均一性がさらに向上し、しきい値電流が
低く高効率のレーザを得ることができる。In such a structure, the effects of the third and sixth embodiments can be obtained at the same time,
The effect can be increased. That is, in this configuration, since the band offset ΔEv on the valence band side is made larger than the band offset ΔEc on the conduction band side, the potential barrier on the valence band side is high,
Holes have a material configuration in which holes are less likely to be injected into the MQW active layer. Therefore, in this embodiment, since the thickness of the barrier layer 100 on the side closer to the p-type cladding layer 37 is reduced and the energy band gap is reduced, holes are more easily injected into the n-type cladding layer 33 side. ing. That is,
The holes are more effectively injected into the adjacent well layer. As a result, it is possible to further improve the uniformity of the carrier density distribution of holes mainly in the active layer, as compared with the case where the third embodiment and the sixth embodiment are independently performed. As a result, the uniformity of the electron-hole recombination velocity distribution is further improved, and a highly efficient laser with a low threshold current can be obtained.
【0074】なお、上記各実施形態ではn型基板上にレ
ーザ構造を積層して形成しているがp型基板上にレーザ
構造を形成しても全く同様の効果が得られる。また、上
記各実施形態ではn−クラッド層(3)及びn−光ガイ
ド層(4)、p−光ガイド層(6)、p−クラッド層
(7)の各層の厚さは共に1μmとしているが、これに
限定されるものではなく、1μmより厚く形成しても、
薄く形成してもよく、各層それぞれの厚さは同一でも異
なっていてもよい。さらに、MQW活性層における井戸
層一層の厚さは12nmとしているがこれに限定される
ものではなく、通常、量子効果が現れる30nm以下が
用いられるが、特性及び成膜の均一性を考えると2.5
nm〜20nmが適当である。In each of the above embodiments, the laser structure is formed by laminating it on the n-type substrate, but the same effect can be obtained by forming the laser structure on the p-type substrate. In each of the above embodiments, the thickness of each of the n-clad layer (3), the n-light guide layer (4), the p-light guide layer (6), and the p-clad layer (7) is 1 μm. However, it is not limited to this, and even if it is formed to have a thickness of more than 1 μm,
It may be formed thin, and the thickness of each layer may be the same or different. Further, the thickness of one well layer in the MQW active layer is set to 12 nm, but the thickness is not limited to this, and normally 30 nm or less where the quantum effect appears is used. .5
nm to 20 nm is suitable.
【図1】 第1実施形態の半導体レーザの構成を示す断
面図。FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment.
【図2】 第1実施形態の半導体レーザの活性層付近の
エネルギーバンド図。FIG. 2 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the first embodiment.
【図3】 第1実施形態の活性層内のキャリア密度分布
図。FIG. 3 is a carrier density distribution diagram in the active layer of the first embodiment.
【図4】 第1実施形態の活性層内でのキャリア再結合
速度分布図。FIG. 4 is a carrier recombination velocity distribution map in the active layer according to the first embodiment.
【図5】 第2実施形態の半導体レーザの構成を示す断
面図。FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a second embodiment.
【図6】 第2実施形態の半導体レーザの活性層付近の
エネルギーバンド図。FIG. 6 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the second embodiment.
【図7】 第3実施形態の半導体レーザの構成を示す断
面図。FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a semiconductor laser according to a third embodiment.
【図8】 第3実施形態の半導体レーザの活性層付近の
エネルギーバンド図。FIG. 8 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the third embodiment.
【図9】 第4実施形態の半導体レーザの活性層付近の
エネルギーバンド図。FIG. 9 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the fourth embodiment.
【図10】 第5実施形態の半導体レーザの活性層付近
のエネルギーバンド図。FIG. 10 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the fifth embodiment.
【図11】 第6実施形態の半導体レーザの活性層付近
のエネルギーバンド図。FIG. 11 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the sixth embodiment.
【図12】 第7実施形態の半導体レーザの活性層付近
のエネルギーバンド図。FIG. 12 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the seventh embodiment.
【図13】 第7実施形態の活性層内のキャリア密度分
布図。FIG. 13 is a carrier density distribution diagram in the active layer of the seventh embodiment.
【図14】 第7実施形態の活性層内でのキャリア再結
合速度分布図。FIG. 14 is a carrier recombination velocity distribution map in the active layer of the seventh embodiment.
【図15】 第8実施形態の半導体レーザの活性層付近
のエネルギーバンド図。FIG. 15 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the eighth embodiment.
【図16】 第9実施形態の半導体レーザの活性層付近
のエネルギーバンド図。FIG. 16 is an energy band diagram near the active layer of the semiconductor laser according to the ninth embodiment.
【図17】 従来の半導体レーザの活性層付近のエネル
ギーバンド図(ΔEc>ΔEvの場合)FIG. 17 is an energy band diagram near the active layer of a conventional semiconductor laser (when ΔEc> ΔEv)
【図18】 従来の活性層内のキャリア密度分布図(Δ
Ec>ΔEvの場合)FIG. 18 is a conventional carrier density distribution diagram (Δ
(When Ec> ΔEv)
【図19】 従来の活性層内でのキャリア再結合速度分
布図(ΔEc>ΔEvの場合)FIG. 19 is a carrier recombination velocity distribution map in the conventional active layer (when ΔEc> ΔEv).
【図20】 従来の半導体レーザの活性層付近のエネル
ギーバンド図(ΔEc<ΔEvの場合)FIG. 20 is an energy band diagram near the active layer of a conventional semiconductor laser (when ΔEc <ΔEv).
【図21】 従来の活性層内のキャリア密度分布図(Δ
Ec<ΔEvの場合)FIG. 21 is a conventional carrier density distribution diagram (Δ
(When Ec <ΔEv)
【図22】 従来の活性層内でのキャリア再結合速度分
布図(ΔEc<ΔEvの場合)FIG. 22 is a carrier recombination velocity distribution map in the conventional active layer (when ΔEc <ΔEv).
1…n−GaAs基板、2…n−GaAsバッファ層、
3…n−AlGaAsクラッド層、4…n−AlGaA
s光ガイド層、5…MQW活性層(AlGaAs/Ga
As多重量子井戸)、6…p−AlGaAs光ガイド
層、7…p−AlGaAsクラッド層、8…p−GaA
sキャップ層、9…絶縁膜、10…p型電極(Cr/P
t/Au)、11…n型電極(AuGe/Ni/A
u)、12…Au−Sn層、13…井戸層、14…障壁
層、21…n−InP基板、22…n−InPバッファ
層、23…n−InPクラッド層、24…n−Al0.23
In0.53Ga0.24As光ガイド層、25…MQW活性層
(AlInGaAs/AlInGaAs多重量子井
戸)、26…p−Al0.23In0.53Ga0.24As光ガイ
ド層、27…p−InPクラッド層、28…p−InG
aAsキャップ層、29…井戸層、30…障壁層、31
…n−InP基板、32…n−InPバッファ層、33
…n−InPクラッド層、34…n−InGaAsP光
ガイド層、35…MQW活性層(InGaAsP/In
GaAs多重量子井戸)、36…p−InGaAsP光
ガイド層、37…p−InPクラッド層、38…p−I
nGaAsキャップ層、39…井戸層、40…障壁層、
50…障壁層、60…障壁層、70…障壁層、80…障
壁層、90…障壁層、100…障壁層。1 ... n-GaAs substrate, 2 ... n-GaAs buffer layer,
3 ... n-AlGaAs cladding layer, 4 ... n-AlGaA
s optical guide layer, 5 ... MQW active layer (AlGaAs / Ga
As multiple quantum well), 6 ... p-AlGaAs optical guide layer, 7 ... p-AlGaAs cladding layer, 8 ... p-GaA
s cap layer, 9 ... Insulating film, 10 ... P-type electrode (Cr / P
t / Au), 11 ... n-type electrode (AuGe / Ni / A)
u), 12 ... Au-Sn layer, 13 ... Well layer, 14 ... Barrier layer, 21 ... n-InP substrate, 22 ... n-InP buffer layer, 23 ... n-InP clad layer, 24 ... n-Al 0.23
In 0.53 Ga 0.24 As optical guide layer, 25 ... MQW active layer (AlInGaAs / AlInGaAs multiple quantum well), 26 ... p-Al 0.23 In 0.53 Ga 0.24 As optical guide layer, 27 ... p-InP clad layer, 28 ... p- InG
aAs cap layer, 29 ... Well layer, 30 ... Barrier layer, 31
... n-InP substrate, 32 ... n-InP buffer layer, 33
... n-InP clad layer, 34 ... n-InGaAsP optical guide layer, 35 ... MQW active layer (InGaAsP / In
GaAs multiple quantum well), 36 ... p-InGaAsP optical guide layer, 37 ... p-InP clad layer, 38 ... p-I
nGaAs cap layer, 39 ... Well layer, 40 ... Barrier layer,
50 ... Barrier layer, 60 ... Barrier layer, 70 ... Barrier layer, 80 ... Barrier layer, 90 ... Barrier layer, 100 ... Barrier layer.
Claims (23)
層(7)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層
(5)を含み、伝導帯側のバンドオフセット(ΔEc)
が価電子帯側のバンドオフセット(ΔEv)よりも大き
い材料系で構成されている半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸活性層(5)を構成する障壁層(1
4)の厚さ(t1,t2,t3,t4)がn型クラッド
層(3)から離れるにしたがって順に厚くなっているこ
とを特徴とする半導体レーザ。1. A band offset (ΔEc) on the conduction band side, which includes an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells.
In a semiconductor laser having a material system having a larger band offset (ΔEv) on the valence band side, a barrier layer (1) constituting the multiple quantum well active layer (5).
A semiconductor laser characterized in that the thickness (t1, t2, t3, t4) in 4) increases in order with increasing distance from the n-type cladding layer (3).
ド層(37)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層
(35)を含み、価電子帯側のバンドオフセット(ΔE
v)が伝導帯側のバンドオフセット(ΔEc)よりも大
きい材料系で構成されている半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸活性層(35)を構成する障壁層(4
0)の厚さ(t21,t22,t23,t24)がp型
クラッド層(37)から離れるにしたがって順に厚くな
っていることを特徴とする半導体レーザ。2. An n-type cladding layer (33), a p-type cladding layer (37), and a multiple quantum well active layer (35) having two or more wells, and a band offset (ΔE) on the valence band side.
In a semiconductor laser in which v) is made of a material system larger than a band offset (ΔEc) on the conduction band side, a barrier layer (4) that constitutes the multiple quantum well active layer (35).
A semiconductor laser characterized in that the thickness (t21, t22, t23, t24) of 0) becomes thicker in order as the distance from the p-type cladding layer (37) increases.
(3)と、p型クラッド層(7)と、井戸数が2以上の
多重量子井戸活性層(5)を含む半導体レーザにおい
て、 前記n型クラッド層(3)と前記p型クラッド層(7)
と前記多重量子井戸活性層(5)がAlGaAs系材料
で構成されており、前記多重量子井戸活性層(5)を構
成する障壁層(14)の厚さ(t1,t2,t3,t
4)がn型クラッド層(3)から離れるにしたがって順
に厚くなっていることを特徴とする半導体レーザ。3. A semiconductor laser including a GaAs substrate (1), an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells, The n-type clad layer (3) and the p-type clad layer (7)
And the multiple quantum well active layer (5) is made of an AlGaAs-based material, and the thickness (t1, t2, t3, t) of the barrier layer (14) constituting the multiple quantum well active layer (5).
4) A semiconductor laser characterized in that the thickness of 4) increases in order as the distance from the n-type cladding layer (3) increases.
(23)と、p型クラッド層(27)と、井戸数が2以
上の多重量子井戸活性層(25)を含む半導体レーザに
おいて、 前記n型クラッド層(23)と前記p型クラッド層(2
7)がInPまたはAlInGaAs系材料で、また、
前記多重量子井戸活性層(25)がAlInGaAs系
材料で構成されており、前記多重量子井戸活性層(2
5)を構成する障壁層(30)の厚さ(t11,t1
2,t13,t14)がn型クラッド層(23)から離
れるにしたがって順に厚くなっていることを特徴とする
半導体レーザ。4. A semiconductor laser comprising an InP substrate (21), an n-type cladding layer (23), a p-type cladding layer (27), and a multiple quantum well active layer (25) having two or more wells, The n-type clad layer (23) and the p-type clad layer (2
7) is InP or AlInGaAs type material,
The multiple quantum well active layer (25) is composed of an AlInGaAs-based material, and the multiple quantum well active layer (2)
5) The thickness (t11, t1) of the barrier layer (30) constituting
2, t13, t14) increases in order with distance from the n-type cladding layer (23).
(33)と、p型クラッド層(37)と、井戸数が2以
上の多重量子井戸活性層(35)を含む半導体レーザに
おいて、 前記n型クラッド層(33)と前記p型クラッド層(3
7)と前記多重量子井戸活性層(35)がInGaAs
P系材料で構成されており、前記多重量子井戸活性層
(35)を構成する障壁層(40)の厚さ(t21,t
22,t23,t24)がp型クラッド層(37)から
離れるにしたがって順に厚くなっていることを特徴とす
る半導体レーザ。5. A semiconductor laser including an InP substrate (31), an n-type cladding layer (33), a p-type cladding layer (37), and a multiple quantum well active layer (35) having two or more wells, The n-type clad layer (33) and the p-type clad layer (3
7) and the multiple quantum well active layer (35) is InGaAs
The barrier layer (40) made of a P-based material and constituting the multiple quantum well active layer (35) has a thickness (t21, t).
22. t23, t24) is a semiconductor laser characterized in that it becomes thicker in order with increasing distance from the p-type cladding layer (37).
層(7)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層
(5)を含む半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸活性層(5)を構成する障壁層(5
0)のエネルギーバンドギャップ(Eg1,Eg2,E
g3,Eg4)がそれぞれ異なっていることを特徴とす
る半導体レーザ。6. A semiconductor laser including an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells, wherein the multiple quantum well active layer ( 5) Barrier layer (5)
0) energy band gap (Eg1, Eg2, E
g3 and Eg4) are different from each other.
層(7)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層
(5)を含む半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸活性層(5)を構成する障壁層(5
0)のエネルギーバンドギャップ(Eg1,Eg2,E
g3,Eg4)がn型クラッド層(3)から離れるにし
たがって順に大きくなっていることを特徴とする半導体
レーザ。7. A semiconductor laser including an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells, wherein the multiple quantum well active layer ( 5) Barrier layer (5)
0) energy band gap (Eg1, Eg2, E
A semiconductor laser characterized in that g3 and Eg4) increase in order with increasing distance from the n-type cladding layer (3).
ド層(37)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層
(35)を含む半導体レーザにおいて、 前記多重量子井戸活性層(35)を構成する障壁層(7
0)のエネルギーバンドギャップ(Eg21,Eg2
2,Eg23,Eg24)がp型クラッド層(37)か
ら離れるにしたがって順に大きくなっていることを特徴
とする半導体レーザ。8. A semiconductor laser including an n-type clad layer (33), a p-type clad layer (37), and a multiple quantum well active layer (35) having two or more wells. 35) constituting the barrier layer (7
0) energy band gap (Eg21, Eg2
2, Eg23, Eg24) increases in order with increasing distance from the p-type cladding layer (37).
が価電子帯側のバンドオフセット(ΔEv)よりも大き
い材料で構成されていることを特徴とする請求項7に記
載の半導体レーザ。9. Band offset (ΔEc) on the conduction band side
9. The semiconductor laser according to claim 7, wherein is composed of a material having a band offset (ΔEv) on the valence band side.
v)が伝導帯側のバンドオフセット(ΔEc)よりも大
きい材料で構成されていることを特徴とする請求項8に
記載の半導体レーザ。10. The band offset (ΔE) of the valence band
9. The semiconductor laser according to claim 8, wherein v) is made of a material having a larger band offset (ΔEc) on the conduction band side.
重量子井戸活性層(5)がAlGaAs系材料で構成さ
れていることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項
に記載の半導体レーザ。11. The semiconductor according to claim 6, wherein GaAs is used as the substrate (1) and the multiple quantum well active layer (5) is made of an AlGaAs-based material. laser.
重量子井戸活性層(25)がAlInGaAs系材料で
構成されていることを特徴とする請求項6〜9のいずれ
か1項に記載の半導体レーザ。12. The semiconductor according to claim 6, wherein InP is used as the substrate (21) and the multiple quantum well active layer (25) is made of an AlInGaAs-based material. laser.
重量子井戸活性層(35)がInGaAsP系材料で構
成されていることを特徴とする請求項6,7,8,10
のいずれか1項に記載の半導体レーザ。13. The substrate (31) is made of InP, and the multi-quantum well active layer (35) is made of an InGaAsP-based material.
The semiconductor laser according to any one of 1.
層(3)と、p型クラッド層(7)と、井戸数が2以上
の多重量子井戸活性層(5)を含む半導体レーザにおい
て、 前記n型クラッド層(3)と前記p型クラッド層(7)
と前記多重量子井戸活性層(5)がAlGaAs系材料
で構成されており、前記多重量子井戸活性層(5)を構
成する障壁層(50)のエネルギーバンドギャップ(E
g1,Eg2,Eg3,Eg4)がn型クラッド層
(3)から離れるにしたがって順に大きくなっているこ
とを特徴とする半導体レーザ。14. A semiconductor laser comprising a GaAs substrate (1), an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells, The n-type clad layer (3) and the p-type clad layer (7)
And the multiple quantum well active layer (5) is made of an AlGaAs-based material, and the energy band gap (E) of the barrier layer (50) forming the multiple quantum well active layer (5) is
A semiconductor laser characterized in that g1, Eg2, Eg3, Eg4) increase in order with increasing distance from the n-type cladding layer (3).
層(23)と、p型クラッド層(27)と、井戸数が2
以上の多重量子井戸活性層(25)を含む半導体レーザ
において、 前記n型クラッド層(23)と前記p型クラッド層(2
7)がInPまたはAlInGaAs系材料で、また、
前記多重量子井戸活性層(25)がAlInGaAs系
材料で構成されており、前記多重量子井戸活性層(2
5)を構成する障壁層(60)のエネルギーバンドギャ
ップ(Eg11,Eg12,Eg13,Eg14)がn
型クラッド層(23)から離れるにしたがって順に大き
くなっていることを特徴とする半導体レーザ。15. An InP substrate (21), an n-type cladding layer (23), a p-type cladding layer (27), and a well number of 2
In the semiconductor laser including the multiple quantum well active layer (25) described above, the n-type cladding layer (23) and the p-type cladding layer (2
7) is InP or AlInGaAs type material,
The multiple quantum well active layer (25) is composed of an AlInGaAs-based material, and the multiple quantum well active layer (2)
The energy band gap (Eg11, Eg12, Eg13, Eg14) of the barrier layer (60) constituting 5) is n.
A semiconductor laser characterized in that the distance increases from the mold cladding layer (23) in order.
層(33)と、p型クラッド層(37)と、井戸数が2
以上の多重量子井戸活性層(35)を含む半導体レーザ
において、 前記n型クラッド層(33)と前記p型クラッド層(3
7)と前記多重量子井戸活性層(35)がInGaAs
P系材料で構成されており、前記多重量子井戸活性層
(35)を構成する障壁層(70)のエネルギーバンド
ギャップ(Eg21,Eg22,Eg23,Eg24)
がp型クラッド層(37)から離れるにしたがって順に
大きくなっていることを特徴とする半導体レーザ。16. An InP substrate (31), an n-type cladding layer (33), a p-type cladding layer (37), and a well number of 2
In the semiconductor laser including the multiple quantum well active layer (35), the n-type cladding layer (33) and the p-type cladding layer (3
7) and the multiple quantum well active layer (35) is InGaAs
The energy band gap (Eg21, Eg22, Eg23, Eg24) of the barrier layer (70) that is made of a P-based material and that constitutes the multiple quantum well active layer (35).
Of the semiconductor laser increases in order with increasing distance from the p-type cladding layer (37).
ド層(7)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性層
(5)を含む半導体レーザにおいて、 伝導帯側のバンドオフセット(ΔEc)が価電子帯側の
バンドオフセット(ΔEv)よりも大きい材料系で構成
されており、前記多重量子井戸活性層(5)を構成する
障壁層(80)の厚さ(t31,t32,t33,t3
4)がn型クラッド層(3)から離れるにしたがって順
に大きくなっているとともに、障壁層(80)のエネル
ギーバンドギャップ(Eg31,Eg32,Eg33,
Eg34)がn型クラッド層(3)から離れるにしたが
って順に大きくなっていることを特徴とする半導体レー
ザ。17. A semiconductor laser including an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells, wherein a band offset (on the conduction band side) The thickness (t31, t32, t33) of the barrier layer (80) constituting the multiple quantum well active layer (5) is made of a material system in which ΔEc) is larger than the band offset (ΔEv) on the valence band side. , T3
4) increases in order as the distance from the n-type cladding layer (3) increases, and the energy band gaps (Eg31, Eg32, Eg33,
A semiconductor laser characterized in that Eg34) increases in order with distance from the n-type cladding layer (3).
ッド層(37)と、井戸数が2以上の多重量子井戸活性
層(35)を含む半導体レーザにおいて、 価電子帯側のバンドオフセット(ΔEv)が伝導帯側の
バンドオフセット(ΔEc)よりも大きい材料系で構成
されており、前記多重量子井戸活性層(35)を構成す
る障壁層(100)の厚さ(t51,t52,t53,
t54)がp型クラッド層(37)から離れるにしたが
って順に大きくなっているとともに、障壁層(100)
のエネルギーバンドギャップ(Eg51,Eg52,E
g53,Eg54)がp型クラッド層(37)から離れ
るにしたがって順に大きくなっていることを特徴とする
半導体レーザ。18. A semiconductor laser including an n-type cladding layer (33), a p-type cladding layer (37), and a multiple quantum well active layer (35) having two or more wells, wherein a band offset on the valence band side is obtained. The thickness (t51, t52, t53) of the barrier layer (100) constituting the multiple quantum well active layer (35) is made of a material system in which (ΔEv) is larger than the band offset (ΔEc) on the conduction band side. ,
t54) increases in order as the distance from the p-type cladding layer (37) increases, and the barrier layer (100) increases.
Energy band gap (Eg51, Eg52, E
A semiconductor laser characterized in that g53, Eg54) increase in order with distance from the p-type cladding layer (37).
層(3)と、p型クラッド層(7)と、井戸数が2以上
の多重量子井戸活性層(5)を含む半導体レーザにおい
て、 前記n型クラッド層(3)と前記p型クラッド層(7)
と前記多重量子井戸活性層(5)がAlGaAs系材料
で構成されており、前記多重量子井戸活性層(5)を構
成する障壁層(80)の厚さ(t31,t32,t3
3,t34)がn型クラッド層(3)から離れるにした
がって順に厚くなるとともに、障壁層(80)のエネル
ギーバンドギャップ(Eg31,Eg32,Eg33,
Eg34)がn型クラッド層(3)から離れるにしたが
って順に大きくなっていることを特徴とする半導体レー
ザ。19. A semiconductor laser comprising a GaAs substrate (1), an n-type cladding layer (3), a p-type cladding layer (7), and a multiple quantum well active layer (5) having two or more wells, The n-type clad layer (3) and the p-type clad layer (7)
And the multiple quantum well active layer (5) is composed of an AlGaAs-based material, and the thickness (t31, t32, t3) of the barrier layer (80) forming the multiple quantum well active layer (5).
3, t34) become thicker in order as the distance from the n-type cladding layer (3) increases, and the energy band gaps (Eg31, Eg32, Eg33,
A semiconductor laser characterized in that Eg34) increases in order with distance from the n-type cladding layer (3).
層(23)と、p型クラッド層(27)と、井戸数が2
以上の多重量子井戸活性層(25)を含む半導体レーザ
において、 前記n型クラッド層(23)と前記p型クラッド層(2
7)がInPまたはAlInGaAs系材料で、また、
前記多重量子井戸活性層(25)がAlInGaAs系
材料で構成されており、前記多重量子井戸活性層(2
5)を構成する障壁層(90)の厚さ(t41,t4
2,t43,t44)がn型クラッド層(23)から離
れるにしたがって順に厚くなるとともに、障壁層(9
0)のエネルギーバンドギャップ(Eg41,Eg4
2,Eg43,Eg44)がn型クラッド層(23)か
ら離れるにしたがって順に大きくなっていることを特徴
とする半導体レーザ。20. An InP substrate (21), an n-type cladding layer (23), a p-type cladding layer (27), and a well number of 2
In the semiconductor laser including the multiple quantum well active layer (25) described above, the n-type cladding layer (23) and the p-type cladding layer (2
7) is InP or AlInGaAs type material,
The multiple quantum well active layer (25) is composed of an AlInGaAs-based material, and the multiple quantum well active layer (2)
5) thickness of the barrier layer (90) (t41, t4)
2, t43, t44) become thicker as the distance from the n-type cladding layer (23) increases, and the barrier layer (9
0) energy band gap (Eg41, Eg4
2, Eg43, Eg44) are sequentially increased with increasing distance from the n-type cladding layer (23).
層(33)と、p型クラッド層(37)と、井戸数が2
以上の多重量子井戸活性層(35)を含む半導体レーザ
において、 前記n型クラッド層(33)と前記p型クラッド層(3
7)と前記多重量子井戸活性層(35)がInGaAs
P系材料で構成されており、前記多重量子井戸活性層
(35)を構成する障壁層(100)の厚さ(t51,
t52,t53,t54)がp型クラッド層(37)か
ら離れるにしたがって順に厚くなるとともに、障壁層
(100)のエネルギーバンドギャップ(Eg51,E
g52,Eg53,Eg54)がp型クラッド層(3
7)から離れるにしたがって順に大きくなっていること
を特徴とする半導体レーザ。21. An InP substrate (31), an n-type cladding layer (33), a p-type cladding layer (37), and a well number of 2
In the semiconductor laser including the multiple quantum well active layer (35), the n-type cladding layer (33) and the p-type cladding layer (3
7) and the multiple quantum well active layer (35) is InGaAs
The barrier layer (100) made of a P-based material and constituting the multiple quantum well active layer (35) has a thickness (t51,
t52, t53, t54) become thicker in order as the distance from the p-type cladding layer (37) increases, and the energy band gap (Eg51, Eg) of the barrier layer (100) is increased.
g52, Eg53, Eg54) are p-type cladding layers (3
A semiconductor laser characterized by increasing in size with increasing distance from 7).
以上であることを特徴とする請求項1〜21のいずれか
1項に記載の半導体レーザ。22. The number of wells in the multiple quantum well active layer is 5.
22. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor laser is as described above.
ストライプ幅が100μm以上であることを特徴とする
請求項1〜22のいずれか1項に記載の半導体レーザ。23. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a stripe width of a light emitting region in the semiconductor active layer is 100 μm or more.
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