CN108701963B - 分布反馈型半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

分布反馈型半导体激光器具有半导体层叠体和第一电极。上述半导体层叠体包括第一层、设置在上述第一层之上且能够通过子带间光跃迁射出激光的有源层、和设置在上述有源层之上的第二层。上述半导体层叠体具有包括平坦部和槽部的第一面，该平坦部包括上述第二层的表面，该槽部从上述表面到达上述第一层，上述平坦部具有沿着第一直线延伸的第一区域和以与上述第一直线正交的方式延伸的第二区域，上述槽部和上述第二区域在上述第一区域的外侧构成沿着上述第一直线具有规定间距的衍射光栅。上述第一电极设于上述第一区域。

Description

分布反馈型半导体激光器
技术领域
本发明的实施方式涉及分布反馈型半导体激光器。
背景技术
在沿着光轴设有衍射光栅的分布反馈型半导体激光器中，能够实现窄光谱宽度的单一模式振荡。
在包含有源层的半导体层叠体上设有条形电极的增益导引(gain-guided)型激光器中，电流限制(current confinement)不充分，横向的光限制效应小。
若将包含有源层的半导体层叠体作为脊(ridge)剖面，则电流限制是可能的，光限制效应提高。但是，从有源层向横向的散热不充分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2012－526375号公报
发明内容
发明要解决的课题
提供一种散热性提高、能够射出2～100μm波长的激光的分布反馈型半导体激光器。
用于解决课题的手段
实施方式的分布反馈型半导体激光器具有半导体层叠体和第一电极。上述半导体层叠体包括第一层、设置在上述第一层之上且能够通过子带间光跃迁而射出激光的有源层以及设置在上述有源层之上的第二层。上述半导体层叠体具有包括平坦部和槽部的第一面，上述平坦部包括上述第二层的表面，上述槽部从上述表面到达上述第一层，上述平坦部具有沿第一直线延伸的第一区域和以与上述第一直线正交的方式延伸的第二区域，上述槽部和上述第二区域在上述第一区域的外侧构成沿着上述第一直线具有规定间距的衍射光栅。上述第一电极设置在上述第一区域。
附图说明
图1(a)是第一实施方式的分布反馈型半导体激光器的局部示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖面图，图1(c)是沿着B－B线的示意剖面图。图1(d)是沿着C－C线的示意剖面图。
图2是半导体层叠体的局部示意立体图。
图3(a)是第一比较例的QCL的示意剖面图，图3(b)是第二比较例的QCL的示意剖面图，图3(c)是第三比较例的QCL的示意剖面图。
图4是与热沉接合的第一实施方式的分布反馈型半导体激光器的示意剖面图。
图5(a)是第二实施方式的分布反馈型半导体激光器的局部示意立体图，图5(b)是沿着A－A线的示意剖面图，图5(c)是沿着B－B线的示意剖面图。
图6(a)是第三实施方式的分布反馈型半导体激光器的示意立体图，图6(b)是沿着F－F线的第一区域的示意剖面图，图6(c)是沿着E－E线的第二区域的示意剖面图。
图7是第三实施方式的变形例的分布反馈型半导体激光器的示意立体图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1(a)是第一实施方式的分布反馈型半导体激光器的局部示意立体图，图1(b)是沿着A－A线的示意剖面图，图1(c)是沿着B－B线的示意剖面图，图1(d)是沿着C－C线的示意剖面图。
此外，图2是半导体层叠体的局部示意立体图。
分布反馈型半导体激光器10具有半导体层叠体20和第一电极40。此外，如图1(b)～图1(d)所示，也可以在半导体层叠体20的表面设有电介质层50。另外，图1(a)中，省略了电介质层。半导体层叠体20包含第一层22、设置在第一层22之上并能够射出激光的有源层24、和设置在有源层24之上的第二层26。
此外，半导体层叠体20具有第一面21。第一面21具有平坦部和槽部V。平坦部包含与有源层24的中心轴(第一直线OA)平行地延伸且表面平坦的第一区域21a、和正交于第一直线OA并且以规定间距T3配置在第一区域21a的外侧的第二区域21c。
槽部V具有从平坦部到达第一层22的深度。槽部V的剖面设为V字形、矩形等。槽部V和第二区域21c沿着第一直线OA，以规定间距T3交替地配置。槽部V包含内壁、底面等。
第一电极40设于第一面21中的第一区域21a。第一电极40与第二层26的表面接触。若在第二层26的表面设置杂质浓度高的接触层，则能够降低接触电阻。图1(b)、图1(c)中，第一电极40的宽度和第二层26的宽度相同，但本实施方式不限于此，脊波导(ridgewaveguide)RW的宽度T1也可以大于第一电极40的宽度。此外，沿着A－A线的槽部V的宽度T2优选为，使得激光的强度充分下降。
若将图1(d)所示的间距T3设为例如媒质内波长的2分之1等，则能够提高分布反馈效应。具有规定间距T3的槽部V构成分布反射器，射出发光光谱单一的激光。在图1(a)中，第一直线OA与半导体层叠体20的侧面之一正交。若将分布反射器沿着第一直线OA配置，则能够使第一直线OA与光轴一致。
有源层24采用将子带间跃迁发光区域和缓和区域交替地层叠而成的结构，子带间跃迁发光区域由量子阱层构成，该量子阱层包含阱层和势垒层。量子阱例如包含掺杂有Si且由In0.669Ga0.331As构成的阱层、和掺杂有Si且由In0.362Al0.638As构成的势垒层。量子阱层进一步更优选为至少2个阱层和多个势垒层交替层叠而成的多重量子阱(MQW：Multi－Quantum Well)构造。此外，缓和区域也能够包含量子阱层。
半导体层叠体20能够进一步具有由InP、GaAs构成的基板30。此外，半导体层叠体20能够在基板30与第一层22之间进一步设置缓冲层28。此外，能够在基板30的背面设置背面电极90。
激光的波长例如能够设为2μm～100μm等。
电介质层50例如能够设为SiO2、ZnSe、CdTe等。电介质层50设置为覆盖槽部V的内壁及底面以及半导体层叠体20的表面中的没有设置第一电极40的区域。将沿着C－C线的电介质层50的上表面的电介质层50的开口宽度设为T4。
(表1)表示在将激光的波长设为4μm(中红外线)、15μm(中红外线)、80μm(太赫兹波)的情况下、脊波导RW的宽度T1、槽部V的宽度T2、间距T3以及电介质层50的开口宽度T4的一例。
[表1](单位：μm)
Figure BDA0001790864170000041
图3(a)是第一比较例的QCL的示意剖面图，图3(b)是第二比较例的QCL的示意剖面图，图3(c)是第三比较例的QCL的示意剖面图。
图3(a)所示的第一比较例中，分布反射器沿着第一直线OA构成脊波导120R。因此，电流I被限制，光限制效应较大。在有源层124中产生的热经由第一层122及基板130主要向下方释放，向有源层124的横向的释放较少。结果，散热性不充分。
此外，图3(b)所示的第二比较例中，不构成脊波导，从条状的第一电极140流向下方的电流I在横向上扩散。因此，电流限制不充分，光限制效应较低。另一方面，在有源层124中产生的热从有源层124向下方及横向释放，所以与第一比较例相比能得到较高的散热性。
此外，图3(c)所示的第三比较例中，脊波导121R的两侧面被InP等的埋入层128埋入。因此，能够提高电流限制及散热性，但需要埋入层128的再成长工艺从而工艺复杂。
相对于此，在第一实施方式中，槽部V不设置在第一电极40的正下方，而是设置在半导体层叠体20的第一面21的第一区域21a的两侧。即，在没有设置槽部V的第二区域21c中，在有源层22中产生的热从有源层22向横向及下方释放。另一方面，槽部V作为能够实现光导波和波长选择的衍射光栅起作用。即，第一实施方式中，能够保持光限制效应，同时提高散热性。进而，由于不需要对埋入层进行晶体成长，所以工序简单而容易降低价格。
图4是与热沉接合的第一实施方式的分布反馈型半导体激光器的示意剖面图。
将第一电极40和由金属构成的热沉70用AuSn等的导电性粘接剂等进行接合。在有源层24中产生的热在第二层26以及第一电极40中传导，经由热沉70被向外部散热。与将基板30侧与热沉接合的情况相比，能够使热阻降低。
若使槽部V比有源层24深(使其到达第一层22)，则能够提高与分布反射器的耦合。在pn结端面发光型LD中，通过端面处的复合而引起COD(Catastrophic Optical Damage：灾变性光学损伤)。根据第一实施方式，能够抑制COD损坏，同时提高耦合效率。
图5(a)是第二实施方式的分布反馈型半导体激光器的局部示意立体图，图5(b)是沿着A－A线的示意剖面图，图5(c)是沿着B－B线的示意剖面图。
在有源层24之上，设置有第二层27。在第二层27之上，设置有第一电极41。第二层27例如由InGaAs构成，将n型杂质浓度较高地设为1×1020cm－1等。第一电极41例如从第二层27侧起将Au、Ti按该顺序层叠。第一电极41与第二层27的界面作为表面等离子波导PWG发挥功能，该表面等离子波导PWG中，第一电极41为负的介电常数而第二层27为正的介电常数。
激光成为通过该界面而被导波的TM(Transverse Magnetic：横磁波)模式。即，在有源层24的上部也可以不设置覆层。在波长为20μm以上的远红外线中，能够通过表面等离子波导进一步降低光损失。
图6(a)是第三实施方式的分布反馈型半导体激光器的示意立体图，图6(b)是沿着F－F线的中央区域的示意剖面图，图6(c)是沿着E－E线的端部区域的示意剖面图。
半导体层叠体20的第一面21之中，在设有第一电极40的第一区域21a的两侧设置的衍射光栅的间距在芯片的中央部CR和芯片的端部ER是不同的。中央部CR的衍射光栅与端部ER的衍射光栅相比是高阶的。
例如，在该图中，中央部CR具有2阶的衍射光栅(间距T3a)，端部ER具有1阶的衍射光栅(间距T3b)。此外，在中央部CR，第一电极40具有开口部40p。
1阶衍射光栅及2阶衍射光栅分别对于激光作为分布反射器起作用。本实施方式中，在与构成2阶衍射光栅的槽部V2邻接的第一区域21a，设有沿着第一电极40的中心轴40a具有几十μm的长度的开口部40p。通过包含分布反射器的谐振器，单一模式的激光能够相对于有源层24向大致垂直方向射出。
这里，对能够将激光向大致垂直方向射出的理由进行说明。在波导中，在将衍射光栅的衍射角设为θ、将衍射光栅的阶数(order)设为M(整数)、将衍射阶次(diffractionorder)设为m(整数)的情况下，下式成立。
cosθ＝1±2m/M
在2阶的衍射光栅的情况下，m＝1的模式下，相对于波导向±90度方向被散射。m＝0及m＝2的模式下，由于是向与波导平行的方向的散射，所以实际被放射的光仅为±90度方向。另外，所谓大致垂直，是指相对于有源层24的表面，为80 81度以上、100度以下。
例如，沿着脊波导的远场图像的半值全宽(FWHM：Full Width at Half Maximum)为2度以下等而足够窄。即，2阶衍射光栅作为分布反射器起作用，同时作为能够对半导体层叠体20的表面射出激光的光子晶体起作用。此外，若提高芯片的端部ER的分布反射器的反射率，则能够降低来自端面的光的泄漏。
图7是第三实施方式的变形例的分布反馈型半导体激光器的示意立体图。
在芯片的中央部CR，第一电极40也可以设置为，在槽部V的外侧迂回绕过。
根据第一～第三实施方式以及附随于它们的变形例，提供一种散热性提高、能够射出2～100μm的波长的单一模式的激光的分布反馈型半导体激光器。这样的分布反馈型半导体激光器能够广泛应用于环境测量、呼气测量、激光加工等。
对本发明的几个实施方式进行了说明，这些实施方式是作为例子提示的，并不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种形态实施，在不脱离发明主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求记载的发明及其等同的范围内。

Claims (6)

1.一种分布反馈型半导体激光器，其中，
具备半导体层叠体和第一电极；
上述半导体层叠体包括：
第一层；
有源层，设置在上述第一层之上，能够通过子带间光跃迁而射出激光；以及
第二层，设置在上述有源层之上；
上述半导体层叠体具有包括平坦部和槽部的第一面，上述平坦部包含上述第二层的表面，上述槽部从上述表面到达上述第一层且相互分离，上述平坦部具有沿上述有源层的中心轴延伸的第一区域和以与上述中心轴正交的方式延伸的第二区域，上述槽部在上述第一区域的外侧构成沿着上述中心轴具有规定间距的衍射光栅；
上述第一电极设置在上述第一区域，
在与上述中心轴正交且通过上述槽部的截面形成有脊波导，上述脊波导具有上述半导体层叠体中的、上述第一区域下方的上述第二层的部分、上述第一区域下方的上述有源层的部分以及上述第一区域下方的上述第一层的部分，
在与上述中心轴正交且通过上述第二区域的截面中，在上述有源层中由上述第二区域夹着的发光区域中不形成上述脊波导，并且上述发光区域中产生的热向横向以及下方释放。
2.如权利要求1所述的分布反馈型半导体激光器，其中，
上述槽部分别被设置为相对于上述第一电极的中心轴左右对称。
3.如权利要求1所述的分布反馈型半导体激光器，其中，
上述激光的波长是2μm以上且100μm以下。
4.如权利要求2所述的分布反馈型半导体激光器，其中，
上述激光的波长是2μm以上且100μm以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的分布反馈型半导体激光器，其中，
上述激光从上述半导体层叠体的侧面中的与上述中心轴正交的侧面射出。
6.如权利要求1～4中任一项所述的分布反馈型半导体激光器，其中，
沿着上述中心轴的中央部的上述第二区域的间距构成2阶的衍射光栅；
沿着上述中心轴且设置在上述中央部的两侧的端部的上述第二区域的间距构成1阶的衍射光栅；
在上述第一电极，在与上述中央部邻接的区域设有开口部；
上述激光从在上述开口部露出的上述第一区域向大致垂直方向射出。
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