JP2006278937A - 外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成することなく、従来の信頼性試験方法よりも高い精度で外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性を評価することができる外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法を提供すること。
【解決手段】 外部共振器型レーザに用いられる半導体発光素子１００の信頼性試験方法であって、半導体発光素子１００の単体での発振しきい値を、半導体発光素子１００を用いて構成した外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、出射端面１１２側の窓領域１１４の一部をへきかいしてへきかい面１１７を形成する等の加工を、半導体発光素子１００に施すしきい値調整工程と、しきい値調整工程で加工された半導体発光素子２００に試験電流を流し、レーザ発振させて半導体発光素子の信頼性を評価する発振評価工程とを備える構成を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法に関し、特に窓領域を有する半導体発光素子（以下、窓構造型半導体発光素子という。）と、光導波路の少なくとも１つの端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する斜め交差構造半導体発光素子等を外部共振器型レーザ用の半導体発光素子として用いる外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法に関する。

従来、外部共振器型レーザ用の半導体発光素子として、出力特性の波長依存性の平坦性の観点から窓構造型半導体発光素子が開発されてきた（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示された窓構造型半導体発光素子は、図５に示すように、メサストライプ部１３の長手方向の先端界面１５ａ、１５ｂが長手方向および基板面に直交せず、これらに直交する方向に平行とならないようになっている。

メサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂをこのようにすることによって、メサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂから出射した光が、窓構造型半導体発光素子の素子端面１４ａ、１４ｂで反射しても実質的にメサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂを介してメサストライプ部１３に戻らないようになっている。これによって、窓構造型半導体発光素子の素子端面１４ａ、１４ｂとメサストライプ部１３の先端界面１５ａ、１５ｂとで反射した光が共鳴することを防止することができ、広帯域にわたって波長依存性の少ない出力特性を実現できる。

かかる外部共振器型レーザ用の窓構造型半導体発光素子の信頼性試験方法としては、半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成して行う方法（以下、第１の信頼性試験方法という。）と、外部共振器型半導体レーザを構成せずに窓構造型半導体発光素子に対して行う方法（以下、第２の信頼性試験方法という。）とが知られている。第１の信頼性試験方法は、窓構造型半導体発光素子の実際の利用態様で試験できるため、正確に信頼性を評価することができるという長所がある。

しかし、第１の信頼性試験方法で信頼性を評価する場合、システムが複雑でかつ手続きが煩雑であるため、簡易に窓構造型半導体発光素子の信頼性を評価することができないという問題がある。そのため、通常は、第２の信頼性試験方法で窓構造型半導体発光素子の信頼性が評価される。ここで、第２の信頼性試験方法で信頼性を評価する場合、窓構造型半導体発光素子に所定の駆動電流を流してレーザ発振させず発光させ、窓構造型半導体発光素子の反射率の低い出射端面から出射する光をモニタすることによって動作状態を検出する。

ここで、窓構造型半導体発光素子は、外部共振器型半導体レーザ内でレーザ発振する通常の動作では、レーザ発振中の誘導放出で、活性層に注入されたキャリヤが再結合する。したがって、外部共振器型半導体レーザ内でレーザ発振した状態では、窓構造型半導体発光素子の活性層中のキャリヤのライフタイムは短く、通常、活性層中にキャリヤが過剰に蓄積されることがない。

特開２００３−１７８０９号公報

しかし、このような従来の窓構造型半導体発光素子の第１の信頼性試験方法では、簡易に窓構造型半導体発光素子の信頼性評価を行うことができず、また、第２の信頼性試験方法では、精度良く窓構造型半導体発光素子の信頼性を評価できないという問題があった。第２の信頼性試験方法では、レーザ発振させないため誘導放出に寄与せずにライフタイムの長いキャリヤが活性層に過剰に蓄積され、活性層に蓄積されたキャリヤが素子の寿命等を１〜２桁程度低下させてしまうからである。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成することなく、従来の信頼性試験方法よりも高い精度で外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性を評価することができる外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、外部共振器型レーザに用いられる半導体発光素子の信頼性試験方法であって、前記半導体発光素子の単体での発振しきい値を、前記半導体発光素子を用いて構成した前記外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、前記半導体発光素子を加工するしきい値調整工程と、前記しきい値調整工程で加工された前記半導体発光素子に試験電流を流し、レーザ発振させて前記半導体発光素子の信頼性を評価する発振評価工程とを備えた構成を有している。

この構成により、しきい値調整工程で単体の半導体発光素子の発振しきい値を外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、半導体発光素子が加工されるため、半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成することなく、従来の信頼性試験方法よりも高い精度で外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性を評価することが可能な外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記半導体発光素子は、少なくとも１つの素子端面に窓領域を有する窓構造型半導体発光素子であって、前記しきい値調整工程は、前記窓構造型半導体発光素子の窓領域を前記外部共振器型レーザ内で使用されるときよりも短くなる位置でへきかいする窓へきかい工程と、前記窓構造型半導体発光素子の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成する高反射膜形成工程とのうち、少なくともいずれか１つの工程を備えた構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加えて、しきい値調整工程で窓構造型半導体発光素子の窓領域の一部をへきかいまたは素子端面に高反射膜を形成することによって発振しきい値の調整を行うため、簡易に外部共振器型レーザ用の窓構造型半導体発光素子の信頼性を評価することが可能な外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法を実現できる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１において、前記半導体発光素子は、その内部に形成された光導波路の少なくとも１つの端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する斜め交差構造半導体発光素子であって、前記しきい値調整工程は、前記斜め交差構造半導体発光素子の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成する高反射膜形成工程からなる構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加えて、しきい値調整工程で斜め交差構造半導体発光素子の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成することによって発振しきい値の調整を行うため、簡易に外部共振器型レーザ用の斜め交差構造半導体発光素子の信頼性を確実に評価することが可能な外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法を実現できる。

本発明は、しきい値調整工程で単体の半導体発光素子の発振しきい値を外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、半導体発光素子が加工されるため、半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成することなく、従来の信頼性試験方法よりも高い精度で外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性を評価することが可能な外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態）
図１〜図４は、本発明の実施の形態に係る外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法について説明するための図である。図１（ａ）には、外部共振器型レーザ用半導体発光素子としての窓構造型半導体発光素子の概略の構成を示す。図１（ａ）において、活性層を有するメサストライプ部１１１の出射端と窓構造型半導体発光素子１００の出射端面１１２との間には窓領域１１４が設けられ、窓構造型半導体発光素子１００の出射端面１１２からの反射光が反対側の反射端面１１３との間でレーザ共振しないようになっている。

以下、メサストライプ部１１１の先端界面と窓構造型半導体発光素子１００の出射端面１１２との間の距離を、窓領域長という。窓領域長は、レーザ共振を防止する観点からその値が設定される。窓構造型半導体発光素子１００の構造にもよるが、窓領域長は、通常１０μｍ以上の長さとされ、好適には２０〜４０μｍ程度に設定される。窓領域長をこのように設定することによって、出射端面１１２からの反射光がメサストライプ部１１１に実質的に入射しないようになっている。

出射端面１１２上には、通常、窓構造型半導体発光素子１００から出射する光が反射されないように所定の反射率以下の無反射膜１１５が形成されている。ただし、信頼性試験対象の窓構造型半導体発光素子は、図１（ｂ）に示すように、窓構造型半導体発光素子１００から無反射膜１１５を除いた構成の窓構造型半導体発光素子１１０でもよい。以下、特に断る場合を除き、窓構造型半導体発光素子１００と記載した場合は、窓構造型半導体発光素子１１０を含むものとする。

本発明の実施の形態に係る外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法は、半導体発光素子の単体での発振しきい値を、半導体発光素子を用いて構成した外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、半導体発光素子を加工するしきい値調整工程と、しきい値調整工程で加工された半導体発光素子に試験電流を流し、レーザ発振させて半導体発光素子の信頼性を評価する発振評価工程とを有する。

窓構造型半導体発光素子１００を外部共振器型レーザ用半導体発光素子とする場合、上記のしきい値調整工程は、窓構造型半導体発光素子１００の窓領域１１６を外部共振器型レーザ内で使用されるときよりも短くなる位置でへきかいする窓へきかい工程（図１（ｃ）参照。）と、窓構造型半導体発光素子１００の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成する高反射膜形成工程とのうち、少なくともいずれか１つの工程を備えるように構成される。

メサストライプ部１１１は、通常、例えば＜０１１＞軸等の所定の結晶軸方向に長手方向が向き、窓構造型半導体発光素子１００の出射端面をへきかいで形成しやすいようになっている。以下、メサストライプ部１１１の長手方向は＜０１１＞軸方向を向き、窓領域長は３０μｍに設定されているものとする。また、＜０１１＞軸に直交するへきかい面に対して窓領域長が３０μｍ以下であればレーザ発振するようになっているものとする。

この場合、窓へきかい工程で行われるへきかいは、＜０１１＞軸に直交する（０１１）面が得られ、窓領域長が１５μｍ程度に短縮されるように行われる。以下、窓へきかい工程で得られたへきかい面をへきかい端面という。上記のようにへきかい端面１１７を形成することによって、窓構造型半導体発光素子１００内でレーザ発振させることができるようになる。

なお、上記では、へきかいして得られた窓領域の窓領域長（以下、短縮窓領域長という。）を１５μｍ程度としたが、へきかいで得られるへきかい端面１１７の位置の誤差（以下、へきかい誤差という。）に応じて短縮窓領域長を決定するのでもよい。具体的には、へきかい誤差が例えば５μｍのときは、短縮窓領域長を１０μｍ〜２５μｍとし、窓領域を残すと共にレーザ発振を担保するようにするのでもよい。

また、図２（ｄ）に示すように、へきかい端面１１７上に反射率を高める薄膜（以下、高反射膜という。）１２１を形成し、レーザ発振に必要な反射率以上の反射率を有する出射端面をより確実に形成するのでもよい。さらに、窓構造型半導体発光素子１００が、所定の反射率の高反射膜を無反射膜１１５上に設けたときにレーザ発振するように構成されている場合は、図２（ｅ）に示すように、レーザ発振を可能にする反射率の高反射膜１２２を無反射膜１１５上に形成するのでもよい。

同様に、窓構造型半導体発光素子１１０が、所定の反射率の高反射膜を出射端面１１２上に設けたときにレーザ発振するように構成されている場合は、図２（ｆ）に示すように、レーザ発振を可能にする反射率の高反射膜１２３を出射端面１１２上に形成するのでもよい。以下、高反射膜１２１〜１２３のいずれかを形成する工程を、高反射膜形成工程という。

次に、発振評価工程について説明する。まず、上記の窓へきかい工程および高反射膜形成工程のうちのいずれかの工程がしきい値調整工程として行われ、発振可能となった窓構造型半導体発光素子（以下、被検査窓構造型半導体発光素子という。）に配線等を接続し、通電可能状態とする。次に、被検査窓構造型半導体発光素子に、試験電流を通電してレーザ発振させる。ここで、レーザ発振は、被検査窓構造型半導体発光素子からの出力光をモニタして検出する。

なお、被検査窓構造型半導体発光素子に通電する試験電流の強さは、評価する信頼性の内容に応じて変えるようにするのでもよい。具体的には、長時間にわたり通電する長期寿命試験、寿命試験の時間を短縮するために温度を上げて行う加速試験、一定電流を通電して光出力の変動を測定する定電流試験、一定の出力を維持して素子の劣化に応じて電流を増加させていく低出力試験等に応じて変えるのでもよい。

上記で説明したように、発振評価工程では、試験電流を通電して被検査窓構造型半導体発光素子をレーザ発振させて信頼性を評価するため、活性層に注入された電子およびホールはレーザ発振中の誘導放出で再結合し、レーザ発振させない場合のように活性層中に過剰に蓄積されることはない。その結果、背景技術で説明したような、窓構造型半導体発光素子の寿命を１〜２桁も縮めてしまう問題を除去できる。

上記では、外部共振器型レーザ用半導体発光素子として窓構造型半導体発光素子を例にとり説明したが、例えば図３に示すような、光導波路の少なくとも１つの端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する斜め交差構造半導体発光素子についても同様に適用できる。図３（ａ１）および（ｂ１）は、斜め交差構造半導体発光素子の概略の構成の一例を示す説明図である。図３（ａ１）に示す斜め交差構造半導体発光素子３００は、素子端面３１２近傍で導波路３１１が角度θ傾斜し、導波路の端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する。また、図３（ｂ１）に示す斜め交差構造半導体発光素子５００は、導波路５１１が素子端面５１２、５１３間を結ぶ直線から角度φ傾斜し、導波路の端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する。

外部共振器型レーザ用半導体発光素子が斜め交差構造半導体発光素子の場合、上記のしきい値調整工程では、斜め交差構造半導体発光素子３００の素子端面３１２、３１３のうちの少なくとも一方（図３（ａ２）では３１２）に高反射膜４１５を形成する。図３（ｂ１）に示す斜め交差構造半導体発光素子５００の場合も同様に、斜め交差構造半導体発光素子５００の素子端面５１２、５１３のうちの少なくとも一方（図３（ｂ２）では５１２）に高反射膜６１５を形成する。以下、この工程を高反射膜形成工程という。高反射膜形成工程で高反射膜を形成することによって発振可能となった斜め交差構造半導体発光素子（以下、被検査斜め交差構造半導体発光素子という。）４００、６００は、発振評価工程で上記の方法と同様に信頼性が評価される。

なお、上記では、光導波路の少なくとも１つの端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する斜め交差構造半導体発光素子を例にとり説明したが、請求項２の本発明の適用は図４に示すように、導波路の端面と素子端面間に窓領域が設けられた構成の斜め交差構造半導体発光素子についても同様に適用される。図４に示す半導体発光素子は、窓領域を有するため、窓領域をへきかいして短縮することによって反射率を高くすることができる。さらに、光導波路の端面が素子端面に対して斜めになっていることによって反射率が低下しているため、素子端面にさらに高反射膜を形成してもよい。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法は、しきい値調整工程で単体の半導体発光素子の発振しきい値を外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、半導体発光素子が加工されるため、半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成することなく、従来の信頼性試験方法よりも高い精度で外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性を評価することができる。

また、しきい値調整工程で窓構造型半導体発光素子の窓領域の一部をへきかいまたは素子端面に高反射膜を形成することによって発振しきい値の調整を行うため、簡易に外部共振器型レーザ用の窓構造型半導体発光素子の信頼性を評価することができる。

さらに、しきい値調整工程で斜め交差構造半導体発光素子の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成することによって発振しきい値の調整を行うため、簡易に外部共振器型レーザ用の斜め交差構造半導体発光素子の信頼性を確実に評価することができる。

本発明に係る外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法は、半導体発光素子を組み込んで外部共振器型半導体レーザを構成することなく、従来の信頼性試験方法よりも高い精度で外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性を評価することができるという効果が有用な外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法等の用途にも適用できる。

本発明の信頼性試験方法の試験対象とする外部共振器型レーザ用半導体発光素子（窓構造型半導体発光素子）の断面図 図１に示す構成以外に試験対象とする窓構造型半導体発光素子の概略の構成例を示す断面図 外部共振器型レーザ用半導体発光素子としての斜め交差構造半導体発光素子の上面図 窓領域を有する斜め交差構造半導体発光素子の上面図 窓構造型半導体発光素子の概略の素子構成の一例を示す図

符号の説明

１１、１００、１１０ 窓構造型半導体発光素子
１２ 半導体基板
１３ メサストライプ部
１４ａ、１４ｂ、３１２、３１３、５１２、５１３ 素子端面
１５ａ、１５ｂ メサストライプ部の先端界面
２８ 出射光
３２ａ、３２ｂ、１１４、１１６ 窓領域
３３ａ、３３ｂ、１１５ 無反射膜
２００、２１０、２２０、２３０ 被検査窓構造型半導体発光素子
１１１ メサストライプ部
１１２ 出射端面
１１３ 反射端面
１１７ へきかい面（へきかい端面）
１２１、１２２、１２３、４１５、６１５ 高反射膜
３００、５００ 斜め交差構造半導体発光素子
３１１、５１１ 導波路
４００、６００ 被検査斜め交差構造半導体発光素子

Claims (3)

1. 外部共振器型レーザに用いられる半導体発光素子の信頼性試験方法であって、
   前記半導体発光素子（１００）の単体での発振しきい値を、前記半導体発光素子を用いて構成した前記外部共振器型レーザで想定されるしきい値と同等にするように、前記半導体発光素子を加工するしきい値調整工程と、
   前記しきい値調整工程で加工された前記半導体発光素子（２００）に試験電流を流し、レーザ発振させて前記半導体発光素子の信頼性を評価する発振評価工程とを備えたことを特徴とする外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法。
2. 前記半導体発光素子は、少なくとも１つの素子端面に窓領域を有する窓構造型半導体発光素子であって、
   前記しきい値調整工程は、前記窓構造型半導体発光素子の窓領域を前記外部共振器型レーザ内で使用されるときよりも短くなる位置でへきかいする窓へきかい工程と、前記窓構造型半導体発光素子の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成する高反射膜形成工程とのうち、少なくともいずれか１つの工程を備えたことを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法。
3. 前記半導体発光素子は、その内部に形成された光導波路の少なくとも１つの端面が素子端面に対して斜めに交差する構造を有する斜め交差構造半導体発光素子であって、
   前記しきい値調整工程は、前記斜め交差構造半導体発光素子の素子端面のうちの少なくとも一方に高反射膜を形成する高反射膜形成工程からなることを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型レーザ用半導体発光素子の信頼性試験方法。

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