JP2005191093A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折格子構造を備えた分布帰還型半導体レーザ素子の信頼性、歩留まりを向上させる。
【解決手段】 分布帰還型半導体レーザ素子は、半導体基板１上に少なくともｎ導電型のクラッド層３と活性層５とｐ導電型のクラッド層１２とを有し、ｐ導電型のクラッド層１２中にｎ導電型の回折格子層８からなる回折格子構造１０を備えている。このため、ｐ導電型のクラッド層１２の成長中にアクセプタとしてドーピングされたＺｎは、クラッド層１２の成長時に多重量子井戸構造の活性層５を含む下地層領域への熱拡散が進行するが、回折格子層８にドーピングされたＳｉによってその熱拡散が大幅に抑制される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、光通信データリンク用の光源として用いられる回折格子構造を備えた分布帰還型半導体レーザ素子に適用可能な有効な技術に関する。

一般に、光通信データリンク用の光源である半導体レーザにおいては、ある波長の光を導波させるために活性層の近傍領域に凹凸状の周期構造を形成し、屈折率の不連続性を持たせた分布帰還型レーザ構造が用いられる。この凹凸周期構造は、一般的に回折格子構造と呼ばれている。分布帰還型レーザでは、縦モードの次数（ｍ）の増加と共にしきい利得が増大する。このため、発振スペクトルにおいては、縦モードの高い選択性が得られることから、回折格子構造により選択された単一縦モードでのレーザ発振が可能となる。この種の分布帰還型半導体レーザでは、"B. Chen et. al., JJAP38, 5096 (1999)"（非特許文献１参照）に記載されているように、活性層近傍領域のクラッド層中に、クラッド層と同導電型の回折格子構造を作り付けることが知られている。
B. Chen et. al., JJAP38, 5096 (1999)

一般に半導体レーザは、アクセプタ不純物を添加したｐ導電型のクラッド層と、不純物を添加していないアンドープ活性層（i層）、およびドナー不純物を添加したｎ型のクラッド層から構成されるｐｉｎ構造の形態を取る。

この構造は、結晶成長工程を用いて作製されるが、その過程での基板加熱時の熱履歴作用によって、クラッド層成長中に添加した不純物が先に成長した下地であるアンドープ活性層領域に拡散するといった欠点がある。代表的なIII-Ｖ族化合物半導体であるＧ
ａＡｓ系やＩｎＰ系等の結晶成長工程においては、一般的にｎ導電型不純物としてＳｉ元素が、またｐ導電型不純物としてＺｎ元素が用いられる。

両者を比較すると、その熱拡散の程度は後者のＺｎ元素の方が顕著である。これは、半導体結晶を構成するIII族およびＶ族原子と比べて、ＺｎはＳｉよりもその原子サイズ
が大きいためであり、半導体結晶中のアクセプタ格子サイトに添加されたＺｎは半導体結晶格子間を拡散しやすいためである。このようなＺｎアクセプタのアンドープ活性層領域への熱拡散は、内部量子効率の低下を引き起こすと共に、しきい電流密度を増大させる等、半導体レーザ素子の基本特性を劣化させるといった問題があった。

本発明の目的は、光通信データリンク用の光源として用いられる分布帰還型半導体レーザ素子において、その回折格子構造のドーピング形態を利用することにより、製造工程を増加させることなく、ｐ導電型クラッド層からアンドープ活性層領域へのアクセプタ不純物の熱拡散を抑制し、その素子特性を安定化させ、製造歩留まりを向上させることのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明による分布帰還型半導体レーザ素子は、半導体基板上に少なくともｎ導電型のクラッド層と、活性層と、ｐ導電型のクラッド層とを有し、前記ｐ導電型のクラッド層中に回折格子構造が形成された半導体レーザ素子において、前記回折格子構造の少なくとも一部の領域の導電型が前記第２導電型のクラッド層の導電型と異なるものである。

上記回折格子構造のドーピング形態は、ドナー不純物が一様にドーピングされたもの、ドナー不純物がドーピングされたｎ導電型領域と不純物がドーピングされていないアンドープ領域が交互に積層成長された変調ドーピング構造としたもの、またはドナー不純物がドーピングされたｎ導電型領域とアクセプタ不純物がドーピングされたｐ導電型領域が交互に積層成長された変調ドーピング構造としたもののいずれかとする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

結晶成長工程において発生していたｐ導電型クラッド層から活性層領域へのＺｎ拡散を大幅に低減することができるので、分布帰還型半導体レーザ素子の基本特性、信頼性および製造歩留まりが向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
本実施の形態は、発振波長１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザ素子であり、その製造方法を工程順に説明すれば、以下の通りである。

まず、図１に示すように、ｎ導電型ＩｎＰからなる半導体基板１上に、周知の有機金属気相成長法を用いて、膜厚２００ｎｍのｎ導電型ＩｎＰからなるバッファ層２、膜厚５００ｎｍのｎ導電型ＩｎＰからなるクラッド層３、膜厚８０ｎｍのｎ導電型ＩｎＡｌＡｓからなる光ガイド層４、膜厚６ｎｍのＩｎＡｌＧａＡｓからなる圧縮歪み井戸層と膜厚８ｎｍのＩｎＡｌＧａＡｓからなる引っ張り歪み障壁層とを積層したアンドープＩｎＡｌＧａＡｓ系の歪み補償型多重量子井戸構造を有する活性層５、膜厚４０ｎｍのｐ導電型ＩｎＡｌＡｓからなる光ガイド層６、膜厚２０ｎｍのｐ導電型ＩｎＰからなるスペーサ層７、膜厚２５ｎｍのｎ導電型ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子層８、膜厚２０ｎｍのｐ導電型ＩｎＰからなるキャップ層９を順次結晶成長した。これらの結晶成長工程では、ｎ導電型不純物としてＳｉをドーピングし、ｐ導電型不純物としてＺｎをドーピングした。なお、図１および以下の図２、図３は、半導体レーザ素子の光軸方向に沿った断面図である。

次に、図２に示すように、周知のフォトリソグラフィ技術、電子線描画技術およびエッチング技術を用いてキャップ層９と回折格子層８とをパターニングし、約２００ｎｍのピッチ幅の繰り返しパターンからなる回折格子構造１０を形成することにより、多層基板１１を作製する。

次に、図３に示すように、上記回折格子構造１０が形成された多層基板上１１に、有機金属気相成長法を用いて、膜厚１６００ｎｍのｐ導電型ＩｎＰからなるクラッド層１２、膜厚３０ｎｍのｐ導電型ＩｎＧａＡｓＰからなるヘテロ障壁低減層１３、膜厚２５０ｎｍのｐ導電型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１４を順次結晶成長させる。

次に、図４に示すように、周知の熱ＣＶＤ技術、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術を用いて、光ガイド層６とスペーサ層７との界面近傍までクラッド層１２のエッチングを行い、ストライプ幅約１．５μｍのリッジ状光導波路構造１５を形成する。

次に、図５に示すように、光導波路構造１５にコンタクト層１４を介して電気的に接続されるｐ側電極１６を形成し、半導体基板１に電気的に接続されるｎ側電極１７を形成する。ｐ側電極１６は、周知の電子ビーム蒸着法により形成し、ｎ側電極１７は、ｐ側電極１６を形成した後、半導体基板１の裏面側を研磨し、周知の電子ビーム蒸着法によって形成する。その後、半導体基板１を共振器長２００μｍのバー状にへき開し、この共振器面に周知のスパッタリング技術を用いて誘電体多層反射膜１８を形成した後、幅３５０μｍのレーザ素子にチップ化することによって、リッジ導波路タイプの分布帰還型半導体レーザ素子が完成する。

上記した素子構造は、ｐ導電型のクラッド層１２中にｎ導電型の回折格子層８からなる回折格子構造１０が埋め込まれた状態であり、クラッド層１２と回折格子構造１０の導電型が互いに異なったドーピング形態となっている。このため、ｐ導電型のクラッド層１２の成長中にアクセプタとしてドーピングされたＺｎは、クラッド層１２の成長時に多重量子井戸構造の活性層５を含む下地層領域への熱拡散が進行するが、回折格子構造１０（回折格子層８）にドーピングされたＳｉによってその熱拡散が大幅に抑制される。これは、一般にｐｎ接合界面において観測されるＺｎアクセプタの拡散抑制効果を利用したものである。

ここで、回折格子構造１０とクラッド層１２との導電型が異なるために、ｐ側領域から注入されたホールキャリアの経路が狭まり素子抵抗が増大することが懸念される。これに関しては、以下に示す通り問題とはならない。

図６（ａ）は、前記図３のＡ−Ａ’線（回折格子構造１０が形成された領域）におけるバンドギャップ構造を示し、同図（ｂ）は、前記図３のＢ−Ｂ’線（回折格子構造１０が形成されていない領域）におけるバンドギャップ構造を示している。

図６（ａ）、（ｂ）に示すように、屈折率の不連続性を持たせるために形成された回折格子構造１０のバンドギャップは、クラッド層１２のそれと比べて小さいために、回折格子構造１０はポテンシャル領域となる。このため、もともと注入されたホールキャリアは、ポテンシャルのない領域、すなわち回折格子構造１０がないクラッド層領域（ｐ導電型のスペーサ層７およびクラッド層１２）を介してその大部分が注入される。従って、たとえ本実施の形態のように、回折格子層８の導電型をｐ導電型クラッド層１２と異なる導電型（ｎ導電型）にしても素子抵抗が大幅に増加することはなく、ｐ導電型のクラッド層１２からのＺｎ拡散を回折格子構造１０で大幅に抑制する効果の方が大きい。

上記半導体レーザ素子に電流注入を行った結果、発振波長１．３μｍ帯での単一モード発振が観測され、そのしきい値電流は９ｍＡと低く、内部量子効率は０．３２Ｗ／Ａと高い値が得られた。これに対し、回折格子層８の導電型をクラッド層１２と同一のｐ導電型とした従来構造の場合、しきい値電流は１３ｍＡに増加し、その内部量子効率は０．２４Ｗ／Ａに低下した。これは、クラッド層１２から拡散してきたＺｎが回折格子層８で止まることなく、下地層である活性層５領域まで拡散し、非発光再結合準位を生成したことを示唆している。また、しきい値電流および内部量子効率のばらつき量を含めたレーザ素子特性の歩留まりは、回折格子層８の導電型をｐ導電型とした従来構造の場合の４０％から本実施の形態構造の場合には８５％と飛躍的に向上し、絶大な効果が確認された。

上記レーザ素子を送受信電気光学系部品から構成される光モジュールに搭載し光伝送特性を評価した結果、緩和振動周波数２４ＧＨｚの良好な変調特性を得た。

（実施の形態２）
本実施の形態は、前記実施の形態１と同じく発振波長１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザ素子に適用したものであるが、回折格子層８のドーピングの形態が異なっている。本実施の形態のレーザ素子を製造する方法は、前記実施の形態１の製造方法と同じであるが、図７に示すように、膜厚２５ｎｍの回折格子層８のｎ導電型ドーピングを一様に行うのではなく、膜厚５ｎｍのｎ導電型ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ導電型層８ｎと膜厚５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰからなるアンドープ層８ｕとを交互に複数周期（例えば５周期）積層成長した変調ドーピング構造としたものである。

上記半導体レーザ素子に電流注入を行ったところ、発振波長１．３μｍ帯での単一モード発振し、そのしきい値電流は８ｍＡ、内部量子効率は０．３３Ｗ／Ａと、実施の形態１と同様に従来構造に比べて明らかに良好な基本特性が得られた。これは、実施の形態１と同じく、回折格子層８のｎ導電型層８ｎによってクラッド層１２からのＺｎ拡散が抑制された効果であり、またｎ導電型層８ｎとアンドープ層８ｕを周期構造としたことによって、その抑制効果が高まったことを意味している。

しきい値電流および内部量子効率のばらつき量を含めた本実施の形態２のレーザ素子特性の歩留まりは、回折格子層８の導電型をｐ導電型とした従来構造の場合の４０％から本発明構造の場合には９０％とさらに飛躍的に向上し、絶大な効果が確認された。

（実施の形態３）
本実施の形態は、前記実施の形態１、２と同じく発振波長１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザ素子に適用したものであるが、回折格子層８のドーピングの形態が異なっている。本実施の形態のレーザ素子を製造する方法は、前記実施の形態１、２の製造方法と同じであるが、図８に示すように、膜厚２５ｎｍの回折格子層８のｎ導電型ドーピングをＩｎＧａＡｓＰからなる膜厚５ｎｍのｎ導電型層８ｎとＩｎＧａＡｓＰからなる膜厚５ｎｍのｐ導電型層８ｐを交互に５周期積層成長した変調ドーピング構造としたものである。

本実施の形態の半導体レーザ素子に電流注入を行ったところ、発振波長１．３μｍ帯での単一モード発振を観測した。そのしきい値電流は１０ｍＡ、内部量子効率は０．３０Ｗ／Ａと、実施の形態１、２と同様に、従来構造に比べて基本特性の向上が確認された。

本実施の形態の回折格子構造８は、ドーピングの形態がｎｐｎｐｎの周期構造となっていることから、クラッド層１２からのＺｎ拡散抑制効果に加えて、注入されたホールキャリアに対し、サイリスタ的な電流ブロッキング効果も発生する。しかしながら、前記実施の形態１でも述べたように、注入されたホールキャリアの大部分は、バンドギャップの不連続性がない領域、すなわち回折格子層８が形成されていないクラッド層領域を主に流れることから、従来構造と比べてしきい値電流密度が著しく増大することはない。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、回折格子層８の膜厚や変調ドーピング形態の膜厚比およびその周期数は、前記実施の形態に限定されるものではない。

本発明は、光通信データリンク用の光源として用いられる分布帰型半導体レーザ素子に適用して有用なものである。

本発明の一実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法を示す半導体基板の軸方向断面図である。 本発明の一実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法を示す半導体基板の軸方向断面図である。 本発明の一実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法を示す半導体基板の軸方向断面図である。 本発明の一実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法を示す半導体基板の斜視図である。 本発明の一実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子の製造方法を示す半導体基板の斜視図である。 本発明の一実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子における回折格子構造領域のバンドギャップ構造を示す模式図であり、（ａ）は回折格子層が形成された領域のバンド模式図、（ｂ）は、回折格子層が形成されていない領域のバンド模式図である。 本発明の他の実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子における回折格子層のドーピング形態を示す断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態である分布帰還型半導体レーザ素子における回折格子層のドーピング形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ バッファ層
３ クラッド層
４ 光ガイド層
５ 活性層
６ 光ガイド層
７ スペーサ層
８ 回折格子層
８ｎ ｎ導電型層
８ｐ ｐ導電型層
８ｕ アンドープ層
９ キャップ層
１０ 回折格子構造
１１ 多層基板
１２ クラッド層
１３ ヘテロ障壁低減層
１４ コンタクト層
１５ リッジ状光導波路構造
１６ ｐ側電極
１７ ｎ側電極
１８ 誘電帯多層反射膜

Claims (5)

1. 半導体基板上に少なくともｎ導電型のクラッド層と、活性層と、ｐ導電型のクラッド層とを有し、前記ｐ導電型のクラッド層中に回折格子構造が形成された半導体レーザ素子であって、
   前記回折格子構造の少なくとも一部の領域の導電型は、前記ｐ導電型のクラッド層の導電型と異なることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記回折格子構造は、ドナー不純物が一様にドーピングされたｎ導電型であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記回折格子構造は、ドナー不純物がドーピングされたｎ導電型領域と不純物がドーピングされていないアンドープ領域からなる変調ドーピング構造となっていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
4. 前記回折格子構造は、ドナー不純物がドーピングされたｎ導電型領域とアクセプタ不純物がドーピングされたｐ導電型領域からなる変調ドーピング構造となっていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
5. 送受信電気光学系部品から構成された光モジュールに搭載されていることを特徴とする請求項1〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。

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