JP7645653B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

分布帰還型（Distributed Feed-Back：ＤＦＢ）レーザ素子として、活性層を挟んで基板とは反対方向に回折格子層が設けられた積層構造を採用する技術が開示されている（非特許文献１）。

また、半導体レーザ素子において、ｎ型クラッド層に屈折率が高い層を設け、活性層を伝搬するレーザ光の電界の分布をｎ型クラッド層側に偏らせる技術が開示されている（特許文献１）。これにより、レーザ光はｐ型クラッド層に含まれるｐ型不純物（たとえば亜鉛（Ｚｎ））による光吸収の影響を受けづらくなるので、内部損失の少ない、より高出力の半導体レーザ素子を実現することができる。

特開２００５－７２４０２号公報

C.J.Armistead et.al.,"DFB RIDGE WAVEGUIDE LASERS AT λ=1.5μm WITH FIRST ORDER GRATINGS FABRICATED USING ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY",Electronics Letters, Vol.23, No.11(1987), pp.592-593.

しかしながら、特許文献１の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてＤＦＢ構造の半導体レーザ素子を作製すると、半導体レーザ素子の出力特性が安定しない場合があった。ここでいう安定しないとは、たとえば、複数の素子の間での特性のばらつきや、半導体レーザ素子の駆動条件、環境条件などに依存して特性が変化することなどを意味する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力特性が安定したＤＦＢ構造の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、１導電型を有する第１クラッド層と、第２導電型を有する第２クラッド層と、前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に介在する活性層と、を備え、前記第１クラッド層は、少なくとも一つの電界制御層と、前記電界制御層と前記活性層との間に配置され低屈折率部と前記低屈折率部よりも高い屈折率を有する高屈折率部とが前記活性層の延びる方向に沿って周期的に配列された回折格子層と、を含み、前記電界制御層の屈折率および前記回折格子層の屈折率は、前記第１クラッド層における当該電界制御層および当該回折格子層以外の領域の屈折率よりも高い半導体レーザ素子である。

前記回折格子層の屈折率は、前記電界制御層の屈折率よりも低いものでもよい。

前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型であるものでもよい。

前記回折格子層の周期に依存して定まるレーザ発振波長をλｃとすると、前記電界制御層の組成波長は、λｃよりも短いものでもよい。

前記第１クラッド層または前記第２クラッド層がストライプ状のリッジ部を有するものでもよい。

前記第１クラッド層または前記第２クラッド層は、前記リッジ部の両側に前記活性層を覆う層を有するものでもよい。

本発明によれば、出力特性が安定したＤＦＢ構造の半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式な断面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。 図３は、公知の半導体レーザ素子の屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図である。 図４は、想定される半導体レーザ素子の屈折率および電界強度の分布を示す模式図である。 図５は、実施形態における屈折率および電界強度の分布の一例を示す模式図である。 図６は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。 図７は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。 図８は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。 図９は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。 図１０は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、Ｘ軸を用いて方向を説明する場合がある。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。

［半導体レーザ素子の構造］

半導体レーザ素子１００は、第１電極１１０が裏面に形成された第１クラッド層１２０と、活性層１３０と、第２クラッド層１４０と、第２電極１５０と、を備える。半導体レーザ素子１００は、活性層１３０からＸ方向正の向きにレーザ光を出力する。レーザ光の波長はたとえば１．５５μｍ帯の波長である。レーザ光の波長を１．５５μｍ帯の波長とするための半導体材料として、たとえばインジウムリン（ＩｎＰ）系材料が知られている。

第１クラッド層１２０は、ｎ型の導電型を有する半導体層である。第２クラッド層１４０は、ｐ型の導電型を有する半導体層である。活性層１３０は、第１クラッド層１２０と第２クラッド層１４０との間に介在する。ｎ型は第１導電型の一例であり、ｐ型は第２導電型の一例である。

第１クラッド層１２０は、ｎ型ＩｎＰ（以下、適宜ｎ－ＩｎＰと記載する）からなる基板上に、ｎ－ＩｎＰからなるバッファ層と、複数の半導体層とをエピタキシャル成長などによって積層した構造を有する。

第１クラッド層１２０は、複数の半導体層として、ｎ－ＩｎＰからなる半導体層（以下、適宜ｎ－ＩｎＰ層と記載する）と、電界制御層１２１と、回折格子層１２２とを含む。電界制御層１２１は少なくとも一つあり、本実施形態では複数、たとえば５～７層の電界制御層１２１が備えられている。

第１クラッド層１２０の具体的な構成について説明する。第１クラッド層１２０は、基板の上にバッファ層、ｎ－ＩｎＰ層が順次積層され、その上に電界制御層１２１とｎ－ＩｎＰ層とが交互に積層され、さらにその上に回折格子層１２２が積層され、さらにその上にｎ－ＩｎＰ層が積層された構造を有する。本明細書におけるｎ型の半導体層は、ｎ型不純物としてたとえば珪素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）を含んでもよい。

電界制御層１２１の屈折率は、第１クラッド層１２０における電界制御層１２１および回折格子層１２２以外の領域の屈折率、すなわちｎ－ＩｎＰ層の屈折率よりも高い。電界制御層１２１は、たとえばＩｎＰ系の４元系半導体材料であるＧａＩｎＡｓＰからなる。電界制御層１２１を構成する半導体材料の組成比は、半導体レーザ素子１００に対する所望のレーザ発振波長に応じて設定される。具体的には、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長である組成波長λECL（バンドギャップ波長ともいう）が、レーザ発振波長λｃよりも短くなるように組成を設計する。すなわち、λECL＜λｃが成り立つようにする。これにより、電界制御層１２１によるレーザ光の吸収を抑制できる。また、λECL［μｍ］＜（λｃ－０．２）［μｍ］が成り立つようにすれば、半導体レーザ素子１００の温度変化、電界制御層１２１が不純物ドープされていること、または界面準位、などの影響により、電界制御層１２１の吸収端波長がバンドギャップ波長よりも長波化することを考慮しても、電界制御層１２１によるレーザ光の吸収を効果的に抑制できる。

電界制御層１２１を構成する半導体材料は、ＩｎＰと格子整合することが好ましい。格子整合とは、格子定数が完全に一致してもよいし、その上に積層する活性層１３０などの半導体層が、求められる結晶品質となる程度の格子定数の相違があってもよいことを意味する。この場合、結晶品質とはたとえば転位や歪や欠陥の程度である。

回折格子層１２２は、高屈折率部１２２ａと低屈折率部１２２ｂとが、活性層１３０の延びる方向、すなわちＸ方向に沿って周期的に配列された構成を有する。高屈折率部１２２ａと低屈折率部１２２ｂとの配列の周期は、所望のレーザ発振波長に依存して定められ、設定される。高屈折率部１２２ａは、低屈折率部１２２ｂよりも高い屈折率を有する。高屈折率部１２２ａは、たとえばＧａＩｎＡｓＰからなる。低屈折率部１２２ｂはたとえばｎ－ＩｎＰからなる。

回折格子層１２２の屈折率は、第１クラッド層１２０における電界制御層１２１および回折格子層１２２以外の領域の屈折率、すなわちｎ－ＩｎＰ層の屈折率よりも高い。ここで、回折格子層１２２の屈折率とは、高屈折率部１２２ａの屈折率である。

高屈折率部１２２ａを構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長に応じて設定される。具体的には、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長である組成波長λgratingが、レーザ発振波長λｃよりも短くなるように組成を設計する。すなわち、λgrating＜λｃが成り立つようにする。

活性層１３０は、複数の障壁層と複数の井戸層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造のＭＱＷ層と、ＭＱＷ層を挟むように配置された２つの分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層とからなるＭＱＷ－ＳＣＨ構造を有する。活性層１３０は、たとえばＧａＩｎＡｓＰからなる。活性層１３０の井戸層を構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長λｃにて発光するように設定される。障壁層とＳＣＨ層とを構成する半導体材料の組成比は、それぞれの機能を満たすように設定される。なお、活性層１３０は単一量子井戸構造でもよい。

第２クラッド層１４０は、ｐ型ＩｎＰ（以下、適宜ｐ－ＩｎＰと記載する）からなる半導体層上に、ｐ型半導体層からなるコンタクト層（不図示）が積層した構造を有する。コンタクト層はたとえばＧａＩｎＡｓＰからなり、第２電極１５０とオーミック接触する。

第２クラッド層１４０は、活性層１３０を覆うベース層１４１と、ベース層１４１から突出するリッジ部１４２とを備える。リッジ部１４２は、Ｘ方向に延びるストライプ状のメサである。Ｘ方向と直交する方向におけるリッジ部１４２の幅（メサ幅）は、等幅でもよいし、不等幅であってもよい。

第２電極１５０は、第２クラッド層１４０のリッジ部１４２に、ｐ型のコンタクト層とオーミック接触するように設けられている。第２電極１５０は、たとえばチタン、白金、金などを含む。

第１電極１１０は、第１クラッド層１２０の基板にオーミック接触するように設けられている。第１電極１１０は、たとえば金やニッケルなどを含む。

また、図２における半導体レーザ素子１００のＸ方向における両端面は、へき開により形成された端面であり、Ｘ方向の負側には比較的高反射率のＨＲ（High Reflection）膜が形成され、Ｘ方向の正側には反射防止用のＡＲ（Anti-Reflection）膜が形成される。ＨＲ膜とＡＲ膜とはレーザ共振器を形成する。

半導体レーザ素子１００は、回折格子層１２２を備えることによって、ＤＦＢ型のレーザ素子となっている。そして、第１電極１１０と第２電極１５０との間に順バイアス電流を供給すると、供給された電流はリッジ部１４２の幅にて活性層１３０に注入される。そして、半導体レーザ素子１００において、リッジ部１４２と積層方向に重なる活性層１３０の領域を導波路領域としてレーザ発振が起こり、所望の波長のレーザ光がＡＲ膜側から出力される。

［レーザ光の電界分布］
ここで、半導体レーザ素子１００内でのレーザ光の電界分布について、公知の半導体レーザ素子と対比して説明する。

本発明者は、特許文献１の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてＤＦＢ構造の半導体レーザ素子を作製すると、半導体レーザ素子の出力特性が安定しない場合がある原因について鋭意検討した。その結果、回折格子層は、活性層を伝搬するレーザ光の電界と重なる位置に設けられているべきところ、レーザ光と回折格子層との結合係数は、回折格子層と電界制御層との位置関係によってその安定性が変化することを見出した。

図３は、公知の半導体レーザ素子における屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図である。図３は、半導体層の積層方向の位置と屈折率およびレーザ光の電界強度との関係を示している。本公知の半導体レーザ素子の構成としては、半導体レーザ素子１００から電界制御層１２１を削除し、回折格子層１２２をｐ型にして第２クラッド層１４０側に移動した構成を有するものとする。また、屈折率として、活性層１３０の屈折率分布ｎ１３０と回折格子層１２２の屈折率分布ｎ１２２を示している。なお、図を簡易にするために、活性層１３０の屈折率分布ｎ１３０については、ＭＱＷ構造における井戸層と障壁層と平均の屈折率を示している。

図３に示す例では、レーザ光の電界強度分布ＥＦ１は、積層方向位置において活性層１３０に対して略対称な形状を有している。

図４は、想定される半導体レーザ素子における屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図であって、特許文献１の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてＤＦＢ構造とした半導体レーザ素子として想定されるものである。想定される半導体レーザ素子は、図３に示す公知の半導体レーザ素子に電界制御層１２１を追加した構成を有するものとする。また、屈折率として、活性層１３０の屈折率分布ｎ１３０と回折格子層１２２の屈折率分布ｎ１２２と電界制御層１２１の屈折率分布ｎ１２１とを示している。

図４に示す例では、レーザ光の電界強度分布ＥＦ２は、図４では破線で示す電界強度分布ＥＦ１と比較して、電界制御層１２１の作用によって電界制御層１２１に偏った形状となっている。

しかしながら、電界強度分布ＥＦ２では、電界強度分布ＥＦ１と比較して、回折格子層１２２との重なりが小さくなる。その結果、たとえばわずかな半導体層の厚さの変動に対しても、回折格子層１２２とレーザ光との結合係数で表される結合状態が変動しやすくなり、結合が不安定になる。

これに対して、半導体レーザ素子１００では、回折格子層１２２が電界制御層１２１と活性層１３０との間に配置されているので、図５に示す屈折率および電界強度分布ＥＦ３のように、電界強度分布ＥＦ３の回折格子層１２２との重なりが大きい。その結果、たとえば半導体層の厚さや組成の変動に対しても、折格子層１２２とレーザ光との結合状態が変動しにくく、結合状態が安定である。その結果、半導体レーザ素子１００は出力特性などの特性が安定したものとなる。また、このような安定性により、半導体レーザ素子１００は作製し易いものとなる。

さらには、これにより、半導体レーザ素子１００では、図４に示す想定例と比較して、電界制御層１２１の設計の自由度が高くなる。たとえば、電界制御層１２１の数を増減したり積層方向における位置を変更したりして電界強度分布ＥＦ３の偏りを比較的大きく調整しても、回折格子層１２２とレーザ光との結合状態の変動は、想定例の場合よりも少ない。

さらには、半導体レーザ素子１００では、電界制御層１２１がｎ型の第１クラッド層１２０に含まれ、レーザ光の電界がｎ型半導体層側に偏るので、レーザ光はｐ型の第２クラッド層１４０に含まれるｐ型不純物による光吸収の影響を受けづらい。その結果、半導体レーザ素子１００では、内部損失が少なく、より高出力が実現される。

さらには、半導体レーザ素子１００では、回折格子層１２２が第２クラッド層１４０側に含まれる場合よりも、第２クラッド層１４０の厚さ、特にはベース層１４１の厚さを比較的薄くすることができるので、電流の注入効率を比較的高くすることができる。その結果、半導体レーザ素子１００では、供給する電力に対するレーザ光のパワーの比を高くすることができる。

さらには、半導体レーザ素子１００のようなリッジレーザの場合、注入キャリアである正孔がリッジ部１４２から活性層１３０に到るまでの電流経路が、素子抵抗を決定する主要因となる。そのため、ここに回折格子層のようなバンドギャップが変化する界面が存在する場合、注入キャリアが感じるエネルギー障壁が高くなり、素子抵抗が増加する要因となる。素子抵抗が増加すると、それだけ素子の発熱量も増加し光出力の低下を招く。これに対して、本実施形態の構造によれば、公知の構造や想定される構造と比較して素子抵抗や発熱量を低減でき高出力を実現できる。

なお、回折格子層１２２の屈折率は、電界制御層１２１の作用によるレーザ光の電界の制御に与える影響を少なくするために、電界制御層１２１の屈折率よりも低くすることが好ましい。これを実現するためには、たとえばλgrating＜λECLとすればよい。これにより、電界制御層１２１によるレーザ光の電界の制御をより正確に設計したり、設定に対して誤差の少ない電界制御層１２１を作製したりできる。

［製造方法］
つぎに、半導体レーザ素子１００の製造方法の一例を、図６から図１０を参照して説明する。

はじめに、図６に示すように、基板１２３上にＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などによってバッファ層１２４、電界制御層１２１と複数のｎ－ＩｎＰ層とが交互に配置された積層構造、ｎ－ＩｎＰ層１２５をこの順に積層し、さらに回折格子層１２２の高屈折率部１２２ａをなすための高屈折率層１２６、たとえばＧａＩｎＡｓＰからなる層を積層する。

つづいて、図７に示すように、フォトリソグラフィ技術によって、高屈折率層１２６の一部を除去し、高屈折率部１２２ａを形成する。

つづいて、図８に示すように、高屈折率部１２２ａの間をｎ－ＩｎＰで埋め込み、低屈折率部１２２ｂを形成するとともに、所望の平坦度を有する成長面が得られるようにｎ－ＩｎＰ層１２７を積層する。これにより第１クラッド層１２０の構造が形成される。

つづいて、図９に示すように、活性層１３０、第２クラッド層１４０をこの順に積層する。

つづいて、図１０に示すように、第２クラッド層１４０にフォトリソグラフィ技術を適用し、ベース層１４１とリッジ部１４２の構造を形成する。このとき、エッチングによってベース層１４１の厚さがｄになるようにする。ｄは残し厚とも呼ばれる。

なお、ベース層１４１の残し厚を制御するために、第２クラッド層１４０にたとえばＧａＩｎＡｓＰからなるエッチストップ層を設けてもよい。この場合、エッチストップ層はベース層１４１の上に設けられ、リッジ部１４２を形成するためのエッチングはまずエッチストップ層まで実施され、その後にエッチストップ層は除去されるが、リッジ部１４２の底部にエッチストップ層が残ることになる。そのため、残ったエッチストップ層による素子抵抗の増加が、許容範囲内となるように留意すべきである。

その後、第２電極１５０を形成する。さらに、基板１２３を所望の厚さになるように研磨した後、裏面の全面に第１電極１１０を形成する。その後、へき開、ＨＲ膜およびＡＲ膜の形成、素子個片へのカッティングなどの公知の処理を行なって、半導体レーザ素子１００の製造は完了する。

なお、上記実施形態では、リッジ部１４２のリッジ構造により導波路領域が形成されるが、導波路領域を形成する構造はリッジ構造に限定されず、ＳＡＳ構造（Self‐Aligned Structure）やＢＨ構造（Buried‐Hetero Structure）などの公知の構造を採用することも可能である。

また、上記実施形態では、電界制御層１２１および回折格子層１２２を含む第１クラッド層１２０の第１導電型がｎ型であるが、ｐ型不純物による光吸収の程度が許容量であれば、ｐ型であってもよい。この場合、第２クラッド層１４０はｎ型である。

また、上記実施形態では、第２クラッド層１４０がリッジ部１４２を有しているが、第１クラッド層がリッジ部を有していてもよい。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００ ：半導体レーザ素子
１１０ ：第１電極
１２０ ：第１クラッド層
１２１ ：電界制御層
１２２ ：回折格子層
１２２ａ ：高屈折率部
１２２ｂ ：低屈折率部
１２３ ：基板
１２４ ：バッファ層
１２５、１２７：ｎ－ＩｎＰ層
１２６ ：高屈折率層
１３０ ：活性層
１４０ ：第２クラッド層
１４１ ：ベース層
１４２ ：リッジ部
１５０ ：第２電極
ＥＦ１、ＥＦ２、ＥＦ３ ：電界強度分布
ｎ１２１、ｎ１２２、ｎ１３０ ：屈折率分布

Claims (3)

1. 第１導電型であるｎ型の第１クラッド層と、
   第２導電型であるｐ型の第２クラッド層と、
   前記第１クラッド層と前記第２クラッド層との間に介在する活性層と、
   を備え、
   前記第１クラッド層は、基板と、前記基板と前記活性層との間に位置する複数の電界制御層と、前記電界制御層と前記活性層との間に配置され低屈折率部と前記低屈折率部よりも高い屈折率を有する高屈折率部とが前記活性層の延びる方向に沿って周期的に配列された回折格子層と、前記複数の電界制御層と交互に配置された、前記基板と同じ材料からなる複数の介在層と、を含み、
   前記複数の電界制御層と前記複数の介在層とは、積層構造を形成しており、
   前記積層構造は、前記回折格子層の前記基板側の面にのみ設けられ、
   前記電界制御層の屈折率および前記回折格子層の屈折率は、前記第１クラッド層における当該電界制御層および当該回折格子層以外の領域の屈折率よりも高く、
   前記第２クラッド層は、ベース部と、前記ベース部から突出するストライプ状のリッジ部とを有し、前記ベース部は、前記リッジ部の両側に延びるとともに前記活性層を覆い、かつ前記リッジ部よりも薄い
   半導体レーザ素子。
2. 前記回折格子層の屈折率は、前記電界制御層の屈折率よりも低い
   請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記回折格子層の周期に依存して定まるレーザ発振波長をλｃとすると、
   前記電界制御層の組成波長は、λｃよりも短い
   請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。

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