JP2005252152A

JP2005252152A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2005252152A
Application number: JP2004063879A
Authority: JP
Inventors: Hideki Asano; 英樹浅野
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15
Also published as: US7362786B2; US20050195875A1

Abstract

【課題】半導体レーザの室温（約２５℃）における発振波長を、光出力特性や寿命特性を悪化させることなく、６４５ｎｍ程度まで短波長化する。
【解決手段】第１導電型ＧａＡｓ基板１上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層およびＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層からなる発光層３、および第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が順に積層された構造の半導体レーザ素子において、発光層３を構成するＩｎＧａＰ量子井戸活性層を、厚さが１０ｎｍから２０ｎｍの範囲の厚さで、かつ、ＧａＡｓ基板との格子不整合度が−０．６％以上−０．３%以下の引張歪層とする。さらに、半導体レーザ素子の共振器長が４００μｍ以上、レーザ光を発する端面の反射率とその端面の反対側の端面の反射率の積が０．５以上となるように、素子の大きさや反射膜の材料を選択あるいは調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信への利用に適した半導体レーザ素子に関する。

近年、光ファイバが一般家庭にまで敷設されるようになり、光ネットワークによる情報化が急激に進められている。光ファイバ通信の速度は、現在は１００Ｍｂｐｓ程度であるが、今後は、より多くの情報を、より高速に伝送することが求められるようになる。

さらに、上記状況の下では、光ファイバの敷設コストを抑えることも重要である。このため、現在主流の石英系ファイバより価格が安いプラスチックファイバが注目を浴びている。プラスチックファイバはファイバそのものの価格が安いだけでなく、コア径が太く半導体レーザとの結合が容易なため、実装コストを抑えることができる。

しかし、プラスチックファイバには内部損失が大きいという問題がある。例えば、特許文献１には現在ＤＶＤ用記録光源として使用されている６６０ｎｍ帯半導体レーザであって、活性層の構造としてＩｎＧａＰからなる圧縮歪量子井戸構造を採用したものが開示されている。この半導体レーザを光通信の光源として用いた場合、プラスチックファイバでは約２００ｄＢ／ｋｍの内部損失が生じ、３０ｍ程度しかデータを伝送することができない。
特開平６−２７５９０７号公報

伝送距離を伸ばすためには、伝送光の波長を短くすればよい。例えば伝送光の波長を６５０ｎｍまで短波長化することができれば、光ファイバの内部損失を、伝送光の波長が６６０ｎｍのときの約３／４、すなわち１５０ｄＢ／ｋｍまで低減することができる。しかし、室温における発振波長を６４５〜６５０ｎｍまで短波長化しようとすると、様々な制約のために半導体レーザの特性が悪化する。このため、発振波長が６４５〜６５０ｎｍの半導体レーザは、未だ実用化に至らないのが現実である。

例えば、特許文献１の半導体レーザの発振波長を６４５ｎｍまで短波長化する方法としては、まず、量子井戸活性層を薄くする方法が考えられる。しかし、量子井戸層の厚さが薄くなると十分な利得が得られないため、量子井戸数を増やして利得を補う必要が生じる。その結果、量子井戸数の増加が駆動電流の上昇を招き、十分な信頼性を確保できなくなる。また、６４５ｎｍの発振波長を実現するためには量子井戸活性層を約２ｎｍ程度にまで薄くしなければならないが、量子井戸層の厚みが原子の大きさと同程度なために厚さの制御が難しく、素子ごとに発振波長がばらつく可能性もある。

半導体レーザの発振波長を短波長化する方法としては、このほか、量子井戸層を無歪のＩｎＧａＰ層とする方法も考えられる。しかし、この場合、歪量子井戸構造におけるしきい値低減効果を利用できないために、良好な電流光出力特性が得られなくなる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、半導体レーザの電流光出力特性、寿命特性などを損なうことなく発振波長の短波長化を実現し、室温（約２５℃）における発振波長が６４５〜６５０ｎｍの半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型ＧａＡｓ基板上に、少なくとも第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層および第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が順に積層された構造の半導体レーザ素子であって、次の特徴を有する。

第１に、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層は、厚さｄｗが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、ＧａＡｓ基板との格子不整合度が−０．６％以上−０．３％以下の層である。ここで、格子不整合度はＧａＡｓ基板の固有格子間隔をａ、量子井戸層の固有格子間隔を（ａ＋Δａ）とした場合に、Δａ／ａで表される値を％表記したものであり、圧縮歪みの場合には正の値、引張歪の場合には負の値となる。

第２に、本発明の半導体レーザ素子の共振器長Ｌｃは４００μｍ以上であり、レーザ光を発する端面の反射率Ｒｆと、その端面の反対側の端面の反射率Ｒｒは、それらの積Ｒｆ×Ｒｒの値が０．５以上となるように調整されている。

上記ＩｎＧａＰ量子井戸活性層の厚さｄｗ、上記格子不整合度Δａ／ａ、共振器長Ｌｃ、端面の反射率ＲｆおよびＲｒは、２５℃の環境下で光出力を１ｍＷとしたときの発振波長λが、６４５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下となるように選択することが望ましい。

本発明の半導体レーザ素子は、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層を引張歪層とすることによって、しきい値電流低減効果などの歪の利点を生かしつつ、信頼性を確保する上で必要な１０ｎｍ以上の層厚を確保している。また共振器長と端面反射率を調整することによりミラー損失を抑えている。このため、レーザ特性を悪化させることなく、発振波長の短波長化を実現している。

特に、２５℃、１ｍＷ出力時におけるレーザの発振波長λが６４５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の半導体レーザ素子は、光通信用の光源として用いた場合に、光ファイバ内で生じる内部損失を低く抑えることができるので、ファイバ敷設コストの低減、さらには光ネットワークの発展に寄与することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における半導体レーザ素子の構造の概略を示す図である。

本実施の形態の半導体レーザ素子は、（１００）面を基準として（０１１）面方向に１５度傾いた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板上に、以下に説明するようなレーザ構造を形成した素子である。

図に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上には、ｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層２（ｘ＝０．７）、発光層３、ｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１クラッド層４（ｘ＝０．７）、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層５が順に積層されている。なお、エッチングストップ層５は、導波損失を低減できるよう引張歪ＩｎＧａＰ層であることが好ましい。

そのｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層５の上には、ＧａＡｓ基板１よりも幅が狭いｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＰヘテロバリヤ層７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層８が積層され、リッジ形状部を構成している。そのリッジ形状部の両脇には、リッジ形状部を挟みこむようにｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１０が設けられ、さらに、リッジ形状部と電流ブロック層１０を覆うようにｐ型ＧａＡｓコンタクト層９が配置されている。

また、リッジ形状部の両側には、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９、電流ブロック層１０、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層４、発光層３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２を貫通してＧａＡｓ基板１に到達するように２本の溝１４が形成されている。本実施の形態では、溝と溝の間隔は約２０μｍである。溝１４は、電流ブロック層１０のｐｎ接合界面における寄生容量を軽減するためのものである。

２本の溝の側壁およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層９の表面は、溝と溝の間の部分を除き、絶縁膜１１で覆われている。また、溝と溝の間の絶縁膜１１が形成されていない領域にはｐ側電極１２ａが設けられている。また、絶縁膜１１上の一部の領域にもパッド電極となるｐ側電極１２ｂが設けられている。この絶縁膜１１上に形成されるｐ側電極１２ｂは、図に示すように溝内部の絶縁膜上にも形成され、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９−絶縁膜１１−ｐ側電極１２ｂにおける寄生容量を低減するような構造となっている。

発光層３は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｘ＝０．５）光ガイド層と、その上に形成されたＩｎＧａＰ引張歪量子井戸活性層、および、さらにその上に形成された（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｘ＝０．５）光ガイド層により構成される。この際、ＩｎＧａＰ引張歪量子井戸活性層の厚みは、低い動作電流で十分な利得が得られるようにするため、また作製プロセスによるレーザ特性のばらつきを少なくするためには、１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。

また、上記半導体レーザ素子の、レーザ光を発する側の端面（前方端面）と、その反対側の端面（後方端面）は、反射膜（誘電体多層膜）でコーティングされている。前方端面の反射膜、後方端面の反射膜は、それぞれミラー損失が少なくなるような反射率のものを選択する。

この半導体レーザ素子の特徴は、量子井戸活性層に圧縮歪ではなく引張歪を与えた点にある。図２は、量子井戸活性層とその周辺の光ガイド層およびクラッド層のバンドダイアグラム表す図であり、破線は圧縮歪量子井戸活性層により発振波長を６６０ｎｍにした場合、細線は圧縮歪量子井戸活性層により発振波長を６５０ｎｍにした場合、太線は引張量子井戸活性層により発振波長を６５０ｎｍにした場合を表している。

このように、６５０ｎｍという発振波長は圧縮歪量子井戸活性層でも引張歪量子井戸活性層でも実現できるが、図に示すように圧縮歪の場合には活性層を薄くせざるを得ないため、前述のように十分な利得が得られないなどの問題が発生する。一方引張歪の場合にはそのような問題が発生しないような厚さで、６５０ｎｍ以下の発振波長を実現することができる。

また、この半導体レーザ素子のもう１つの特徴は、共振器長と、レーザの前方端面および後方端面の反射率を調整して、ミラー損失を抑えた点にある。

発明者は、上記構造の半導体レーザ素子で、ＩｎＧａＰ引張歪量子井戸活性層の厚さが１０ｎｍ、ＧａＡｓ基板１との格子不整合度Δａ／ａが−０．３％、前方端面の反射率が６０％、後方端面の反射率が９０％、共振器長４００μｍのものを作製して、その特性を評価した。

その結果、しきい値電流４０ｍＡ、スロープ効率０．２Ｗ／Ａという良好な特性が得られた。また、プラスチックファイバを用いた光通信に必要な光出力は約１ｍＷであるが、室温（２５度）で光出力１ｍＷにおける動作電流を測定したところ、約４５ｍＡという測定結果が得られた。この時の発振波長は６４３ｎｍであった。さらに、周辺温度５０℃、光出力１ｍＷにおける通電試験を行ったところ、推定寿命は約５万時間となることがわかった。なお、推定寿命は、素子の駆動電流値が初期の２０％増に達する予定時間を表す。

さらに、発明者は、上記構造において、ＩｎＧａＰ引張歪量子井戸活性層の格子不整合度Δａ／ａがレーザの発振波長に与える影響を評価した。図３はその評価結果を示すグラフであり、横軸をＩｎＧａＰ引張歪量子井戸活性層の格子不整合度Δａ／ａ、縦軸を発振波長として、その関係を表したものである。

グラフが示すように、格子不整合度Δａ／ａが−１％のときのレーザ発振波長は約６３８ｎｍ、Δａ／ａ＝−０．８％で約６４２ｎｍ、Δａ／ａ＝−０．６％で６４５ｎｍ、Δａ／ａ＝−０．５％で約６４６ｎｍ、Δａ／ａ＝−０．４％で約６４８ｎｍ、Δａ／ａ＝−０．３％で６５０ｎｍ弱、Δａ／ａ＝−０．２％で６５１ｎｍ、量子井戸活性層に歪を与えない場合（Δａ／ａ＝０）のレーザ発振波長は約６５３ｎｍである。

この評価結果から、２５℃の環境下で光出力１ｍＷ、発振波長６４５ｎｍ〜６５０ｎｍという特性を得るためには、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層の格子不整合度を−０．６％、−０．５％、−０．４％、−０．３％とする必要があることが判明した。

さらに、発明者は、上記構造において、レーザの共振器長が発振波長に与える影響を評価した。図４は、その評価結果を表すグラフであり、横軸を共振器長、縦軸を発振波長とし、その関係を表したものである。評価は、周辺温度５０℃、１ｍＷ出力、前方端面の反射率は６０％、後方端面の反射率は９０％という条件で行った。

グラフが示すように、レーザの発振波長は、共振器長１５０μｍで６４０ｎｍ、共振器長３００μｍ程度で６４３ｎｍ、共振器長が４００μｍのときに６４５ｎｍとなり、共振器長１０００μｍで６４８ｎｍ弱、共振器長１５００μｍで６４９ｎｍ、共振器長２０００μｍで６５０ｎｍとなった。グラフの曲線が示すように、４００μｍ以下では共振器長のわずかな差でレーザ発振波長が大きく変化するが、共振器長が４００μｍ以上では、共振器長に対するレーザ発振波長の変化は比較的緩やかである。

この評価結果から、共振器長を４００μｍ以上とすれば、２５℃の環境下で光出力１ｍＷ、発振波長６４５ｎｍ〜６５０ｎｍという特性が得られることが確認された。

さらに、発明者は、上記構造において、レーザの前方端面と後方端面の反射率がレーザの発振波長に与える影響を評価した。図５は、その評価結果を表すグラフであり、横軸を前方端面の反射率Ｒｆと後方端面の反射率Ｒｒの積Ｒｆ×Ｒｒとし、縦軸を発振波長とし、その関係を表したものである。評価は、周辺温度５０℃、１ｍＷ出力、共振器長４００μｎという条件で行った。

グラフが示すように、レーザの発振波長は、反射率の積Ｒｆ×Ｒｒが０．１のときに６３５ｎｍ、Ｒｆ×Ｒｒが０．２のときに６４１ｎｍとなり、さらに反射率の積Ｒｆ×Ｒｒが大きくなるとレーザの発振波長も長くなり、Ｒｆ×Ｒｒが０．５のときに６４５ｎｍ、Ｒｆ×Ｒｒが０．９のときに約６４７ｎｍという結果が得られた。

この評価結果から、前方端面の反射率Ｒｆと後方端面の反射率Ｒｒの積Ｒｆ×Ｒｒが０．５以上のときに、２５℃の環境下で光出力１ｍＷ、発振波長６４５ｎｍ〜６５０ｎｍという特性が得られることが判明した。

以上に説明したように、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層を、厚さが１０〜２０ｎｍで、ＧａＡｓ基板との格子不整合度が−０．６％以上−０．３%以下の引張歪量子井戸活性層とし、さらに、半導体レーザ素子の共振器長を４００μｍ以上、前方端面の反射率Ｒｆと後方端面の反射率の積が０．５以上となるようにすれば、半導体レーザの電流光出力特性、寿命特性を損なうことなく、室温（約２５℃）で発振波長を６４５〜６５０ｎｍに短波長化することができる。

なお、上記説明ではＧａＡｓ基板として、（１００）面を基準として（０１１）面方向に１５度傾いた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板を例にあげたが、ＧａＡｓ基板の主面の結晶方位が、（１００）面を基準として（０１１）面方向に５度、７度、９度、１１度、１３度、１５度、２０度傾いている場合に、同様の評価結果が得られることが確認されている。

また、上記説明では、上記半導体レーザ素子の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ光ガイド層のＡｌの組成比ｘが０．５の場合を例にあげたが、Ａｌの組成比ｘが０．４、０．４５、０．５５、０．６の場合についても、量子井戸活性層の層厚を１０ｎｍ〜２０ｎｍの範囲で微調整することにより、２５℃において、６４５〜６５０ｎｍの発振波長を実現できることが確認されている。

なお、上記半導体レーザ素子は、リッジ形状部の両脇にリッジ形状部を挟みこむようにｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１０を形成した埋め込み構造を有するが、横モードの制御方法は特に限定されず、したがって各層の材料やレーザ構造としては他の材料、構造も考えられる。例えば、上記レーザ構造において、電流ブロック層１０の材料をｎ型ＡｌＩｎＰとしてもよいし、リッジ構造以外の構造でも同様の特性を得ることができる。

また、上記説明において例示したｎ型の層をｐ型に置き換え、ｐ型の層をｎ型の層に置き換えた構造でも同様の効果が得られることは明らかである。そのように導電型が反対の場合も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

上記半導体レーザ素子の発振波長は６４５〜６５０ｎｍであるため、光の伝送媒体がプラスチックファイバの場合でも、内部損失を抑えることができ、伝送距離を伸ばすことができる。この半導体レーザ素子が、光ファイバ敷設コストの削減、さらには光通信システムの発展に大きく寄与するものであることは明らかである。

本発明の一実施の形態における半導体レーザ素子の構造概略図量子井戸活性層周辺のエネルギー準位図格子不整合度と発振波長の関係を表すグラフ共振器長と発振波長の関係を表すグラフ端面反射率と発振波長の関係を表すグラフ

符号の説明

１ｎ型ＧａＡｓ基板
２ｎ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（ｘ＝０．７）
３発光層
４ｐ型（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第１クラッド層（ｘ＝０．７）
５ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層
６ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ第２クラッド層
７ｐ型ＩｎＧａＰヘテロバリヤ層
８ｐ型ＧａＡｓキャップ層
９ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
１１絶縁膜
１２ｐ側電極
１３ｎ側電極

Claims

第１導電型ＧａＡｓ基板上に、少なくとも第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、ＩｎＧａＰ量子井戸活性層、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層および第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が順に積層された構造の半導体レーザ素子であって、
前記ＩｎＧａＰ量子井戸活性層は、厚さｄｗおよび前記ＧａＡｓ基板との格子不整合度Δａ／ａが、
−０．６％ ≦ Δａ／ａ ≦ −０．３％
１０ｎｍ ≦ ｄｗ ≦ ２０ｎｍ
の条件を満たす層であり、
当該半導体レーザ素子の共振器長Ｌｃ、レーザ光を発する端面の反射率Ｒｆ、該端面の反対側の端面の反射率Ｒｒが、
Ｌｃ ≧ ４００μｍ
Ｒｆ×Ｒｒ ≧ ０．５
の条件を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項１記載の半導体レーザにおいて、２５℃の環境下で光出力を１ｍＷとしたときの発振波長λが、
６４５ｎｍ ≦ λ ≦ ６５０ｎｍ
の条件を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。