半导体激光器制造技术

本发明专利技术的目的在于提供一种阈值电流和效率的温度依存性小的、并能以高的输出功率振荡的半导体激光器。在现有的ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ系列半导体激光器中，保持温度越低，跨导效率越高，阈值电流越大，此外，随着温度的上升，损耗系数增大，故外部量子效率下降，输出降低。因此，为了能用于更宽的技术领域，希望有一种阈值电流和效率的温度依存性小的、并以高的输出功率振荡的半导体激光器。因此，本发明专利技术的特征在于：在使用了ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ材料的压缩应变量子阱半导体激光器中，在ｐ型导波层３和ｎ型导波层９中设置了具有比该导波层的带隙Ｅｇｂ大的带隙Ｅｇｃ、且由比该导波层的折射率小的材料构成的载流子阻塞层１１、１４。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及阈值电流和效率的温度依存性小的、以高输出功率振荡的应变量子阱激光器，更详细地说，涉及使用GaInAs/GaInAsP材料的、形成了载流子阻塞层(blocking layer)的压缩应变量子阱半导体激光器。本说明书基于日本国的专利申请(特愿平9-259124号)，将该日本申请的记载内容作为本说明书的一部分而引入。
技术介绍
GaInAs/GaInAsP材料是半导体激光器的最重要的材料之一，特别是在有源层中具有量子阱的InGaAs/InGaAsP系列的半导体激光器作为1.3μm至1.55μm的波段的通信用光源已实现了实用化。为了使用该材料在1.6μm以上的长波长处振荡，已知有将有源层作成压缩应变层的压缩应变量子阱半导体激光器。图4中示出在量子阱数为3层的情况下的现有技术的InGaAs/InGaAsP系列压缩应变量子阱半导体激光器的能带结构，此外，图5中示出其层叠结构。该现有的半导体激光器为在由p型InP构成的衬底1上层叠了p型包层2(p-InP)，并在其上依次层叠了下述层的结构p型导波层3(p-GaInAsP)、GaxIn1-xAs第1量子阱层4、GaInAsP阻挡层5、GaxIn1-xAs第2量子阱层6、GaInAsP阻挡层7、GaxIn1-xAs第3量子阱层8、n-GaInAsP导波层9、以及n型包层10(n-InP)。从GaxIn1-xAs第1量子阱层4到GaxIn1-xAs第3量子阱层8的部分为有源层20。在上述InGaAs/InGaAsP系列的半导体激光器中，为了不仅作为通信用光源这样的用途，而且将其用途扩展到激光医疗、激光加工、激光分光分析等的领域，希望进一步减小阈值电流和效率的温度依存性并以高的输出功率振荡。例如，激光分光分析是这样的分析方法，其中，对被分析的气体照射特定的波段的半导体激光，通过在受光部中检测出被分析的气体中的特定气体成分的吸收量，来测定该气体浓度，但是，在使半导体激光器光源的保持温度变化来对振荡波长进行扫描的情况下，激光器的阈值电流和跨导(slope)效率是重要的因素。即，保持温度越低，跨导效率越高，阈值电流越小。同时，由于随着温度的上升，损耗系数增大，故外部量子效率下降，输出降低。因此，作为分光用的光源，希望有这样的特性在温度区域为20～50℃的范围内跨导效率及阈值电流不变化，温度依存性小。此外，作为使半导体激光器的温度特性恶化成为高输出的妨碍的主要因素，可举出载流子溢出(overflow)现象。该现象是这样的在进行了非常高的电流注入的情况下，在注入到有源层区域中的电子与空穴的复合过程跟不上，电子从有源层20溢出到带隙大的导波层3、9区域中。由于这样的现象而溢出的电子的大部分成为热损耗而白白被消耗。再有，随着元件温度的上升，载流子的漏泄分量以指数函数的方式增大，结果激光器的输出不上升，注入效率下降。为了改善上述的不良情况以防止载流子溢出，作成使用了图4中示出的量子阱的SCH结构(分离封闭异质结构)，以将光和载流子分离并封闭起来，或者，以降低激光器的功率密度为着眼点，研究了薄的有源层的弱导波激光器结构。此外，为了改善特性温度也研究了使用在有源层中包含Al的混晶，或者，在导波层中具有台阶状的折射率的结构(格栅标记分离封闭异质结构「GRIN结构」)等。但是，在InGaAs/InGaAsP系列的半导体激光器中，在1.6μm以上的长波长处振荡的情况下，特性温度(阈值的温度依存系数)充其量约为60K。另一方面，为了使半导体激光器以高输出功率振荡，已知在有源层中导入载流子阻塞层以防止载流子在高注入时的载流子溢出现象的方法。例如，在特开平7-23139号公报中提出了使用AlGaAs系列材料导入载流子阻塞层，在～1μm处振荡的半导体激光器。但是，在导入载流子阻塞层的情况下，可认为，由于该层的厚度的缘故，对～的特性有影响。即，如果使载流子阻塞层薄到1～20nm的数量级，则预期以电流注入方式注入的电子容易通过载流子阻塞层。因而，不能预期这样的结构能改善载流子溢出现象。这是因为，在薄的阻塞层的情况下，要考虑电子的隧道现象，如果阻塞层非常薄，则隧道现象的影响非常大，作为阻塞层的功能恶化。但是，在阻塞层非常厚的情况下，由于注入效率非常差，导致阈值电流的增大，结果不能得到在室温下的连续振荡。由以上所述，可认为在载流子阻塞层的厚度中存在最佳值。再有，作为表示载流子溢出现象的改善的一个指标，利用温度特性来进行评价。特别是在InP系列的光器件中，强烈地要求温度特性的改善。专利技术的公开如以上所述，在该领域中，希望提供一种进一步提高半导体激光器的阈值电流和效率的温度依存性用的技术。本专利技术的目的在于提供一种阈值电流和效率的温度依存性小的、能以高输出功率振荡的半导体激光器。本专利技术的半导体激光器的特征在于在使用了GaInAs/GaInAsP材料的压缩应变量子阱半导体激光器中，在p型导波层和n型导波层中设置了具有比该导波层的带隙Egb大的带隙Egc、且由比该导波层的折射率小的材料构成的载流子阻塞层。上述载流子阻塞层的厚度最好为5～10nm。此外，在振荡波长为1.74μm的半导体激光器的情况下，导波层与载流子阻塞层的在室温下的带隙差最好是在85meV～190meV的范围内。再有，量子阱层的第一基态能级间的带隙(Ego)与载流子阻塞层的带隙(Egc)的差最好是在300meV～500meV的范围内。附图的简单说明附图说明图1是说明与本专利技术有关的半导体激光器的带隙的概略图。图2是相同的半导体激光器的层叠结构的主要部分的剖面图。图3是说明在导波层中具有台阶状的折射率的结构的半导体激光器的带隙的概略图。图4是说明现有的半导体激光器的带隙的概略图。图5是示出现有的半导体激光器的层叠结构的主要部分的剖面图。用于实施专利技术的最佳形态本专利技术者发现了下述情况在图4中示出的SCH结构的GaInAs/GaInAsP系列的压缩应变量子阱半导体激光器中，如图1和图2中所示，通过在p型导波层3和n型导波层9中形成具有比这些导波层3、9的带隙Egb大的带隙Egc、且由比该导波层3、9的折射率小的材料构成的载流子阻塞层11、14，可得到在1.6μm以上波段以比高于以往的输出功率振荡、且具有良好的温度稳定性的半导体激光器，完成了本专利技术。再有，在上述载流子阻塞层11、14与量子阱层4。8之间分别形成了侧面阻挡层12、13。使用GaInAs/GaInAsP材料、在图2中示出的结构的量子阱半导体激光器中，通过将作为有源层20的量子阱层4、6、8的组成的Ga的组成比x定为0＜x＜0.47，可在1.6μm以上处振荡。但是，在该结构中如果使注入电流增加，则注入到有源层20(从p侧的量子阱层4到n侧的量子阱层8的部分)中的电子和空穴不能被充分地封闭在量子阱区中，向导波层3、9溢出，不能在量子阱间(带隙处的Ego)有效地进行复合，特性温度也至多约为60K，最大线性输出也难以超过20mW(在20℃下)。因此，本专利技术者如图1和图2中所示，试验了通过分别在p型导波层3的有源层20附近和n型导波层9的有源层20附近形成载流子阻塞层11、14来防止载流子溢出。已判明了，载流子阻塞层必须是其折射率比导波层的材料小的材料，如果不在p型导波层和n型导波层的两者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用了ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ材料的压缩应变量子阱半导体激光器，其特征在于：在ｐ型导波层和ｎ型导波层中设置了具有比该导波层的带隙Ｅｇｂ大的带隙Ｅｇｃ、且由比该导波层的折射率小的材料构成的载流子阻塞层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：生方映德，
申请(专利权)人：日本酸素株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]