JP2007317731A - Semiconductor laser element, optical disk device, and optical transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ素子に関し、典型的には、光ディスク装置のピックアップや光伝送システムの光伝送モジュール部分などに好適に用いられる半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser element, and typically relates to a semiconductor laser element suitably used for a pickup of an optical disc apparatus, an optical transmission module part of an optical transmission system, and the like.
また、本発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムに関する。 The present invention also relates to an optical disc apparatus and an optical transmission system provided with such a semiconductor laser element.
半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムなどに幅広く使用されている。その中でもリッジ埋め込み型と呼ばれる半導体レーザ素子は、高い信頼性を有し、しかも低消費電力(低閾値電流)動作が可能な半導体レーザ素子として知られている。 Semiconductor laser elements are widely used in optical disk devices and optical transmission systems. Among them, a semiconductor laser element called a ridge embedded type is known as a semiconductor laser element having high reliability and capable of operating with low power consumption (low threshold current).
しかしながら、上記リッジ埋め込み型半導体レーザ素子は、その製造工程において基板上に活性層やクラッド層を含む半導体層を形成するために行われる1回目の結晶成長工程に加えて、電流狭窄層を形成するための2回目の結晶成長工程と、コンタクト層を形成するための3回目の結晶成長工程を必要とし、加えて複雑な製造プロセスを経て製造しなければならないため、製造コストが高く、かつ歩留まりも悪いという問題があった。 However, the ridge-embedded semiconductor laser element forms a current confinement layer in addition to the first crystal growth step performed to form a semiconductor layer including an active layer and a cladding layer on a substrate in the manufacturing process. The second crystal growth step for forming the contact layer and the third crystal growth step for forming the contact layer are required, and the manufacturing process must be performed through a complicated manufacturing process. Therefore, the manufacturing cost is high and the yield is high. There was a problem of being bad.
そこで、より低コストで簡便に製造できる従来の半導体レーザ素子として、活性層上にリッジ部を有し、一回の結晶成長工程で製造できるリッジ導波路型半導体レーザ素子がある(例えば特許文献1(特開平4−111375号公報)参照)。 Therefore, as a conventional semiconductor laser element that can be easily manufactured at a lower cost, there is a ridge waveguide type semiconductor laser element that has a ridge portion on an active layer and can be manufactured by a single crystal growth process (for example, Patent Document 1). (See JP-A-4-111375).
図9に、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子の断面を模式的に示す。このリッジ導波路型半導体レーザ素子は次のようにして製造される。 FIG. 9 schematically shows a cross section of the ridge waveguide semiconductor laser element. This ridge waveguide type semiconductor laser device is manufactured as follows.
まず、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Epitaxy:有機金属化学気相成長)法により、n型GaAs基板401上に、n型InGaPクラッド層402、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層403、p型InGaPクラッド層404およびp型InGaAsコンタクト層405を順次積層し、フォトリソグラフィなどの手法により、p型InGaPクラッド層404の途中までエッチングして、リッジ部となるメサを形成した後、p側電極406としてTi/Pt/Auを順次蒸着すると共に、n側電極407としてAuGe/Ni/Auを順次蒸着する。
First, an n-type
このようにして製造されたリッジ導波路型半導体レーザ素子に電流を流すと、p型InGaPクラッド層404とp側電極406との間にはショットキー接合部408が形成され、p側電極406とp型InGaAsコンタクト層405との間にのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。
When a current is passed through the ridge waveguide semiconductor laser device manufactured in this way, a Schottky
上述のように、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子では合計3回の結晶成長工程と複雑な製造プロセスを必要とするが、リッジ導波路型半導体レーザ素子では1回の結晶成長工程を行うだけでよい。加えて、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子は、リッジに対する電流狭窄に絶縁膜を使用してエアリッジと呼ばれる構成の代わりに、ショットキー接合を利用する構成となっているため、構造がさらに簡単であり、より低コストで製造することができるというメリットがある。 As described above, the ridge buried type semiconductor laser device requires a total of three crystal growth steps and a complicated manufacturing process, but the ridge waveguide type semiconductor laser device requires only one crystal growth step. In addition, the ridge waveguide semiconductor laser element has a structure that uses a Schottky junction instead of a structure called an air ridge using an insulating film for current confinement with respect to the ridge. There is an advantage that it can be manufactured at a lower cost.
しかしながら、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子には次のような問題点があることが分かった。 However, it has been found that the ridge waveguide type semiconductor laser device has the following problems.
すなわち、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子は、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子や、エアリッジと呼ばれる構成を有するリッジ導波路型半導体レーザ素子とは異なり、リッジ部の側面に対して直接電極が接していると共に、リッジ部から外方へ延在するクラッド層の表面とに対しても直接に電極が接している。この場合、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子を構成する半導体材料の屈折率と、上記電極を構成する金属材料の屈折率との関係によっては、発振したレーザ光分布が、上記リッジ部側面およびリッジ部近傍のクラッド層表面にまで広がって、その上に形成された上記電極にまで漏れ出してしまうことが分かった。 That is, the ridge waveguide type semiconductor laser element is different from a ridge buried type semiconductor laser element or a ridge waveguide type semiconductor laser element having a configuration called an air ridge, and the electrode is in direct contact with the side surface of the ridge portion. In addition, the electrode is in direct contact with the surface of the cladding layer extending outward from the ridge portion. In this case, depending on the relationship between the refractive index of the semiconductor material constituting the ridge waveguide type semiconductor laser element and the refractive index of the metal material constituting the electrode, the oscillated laser light distribution may cause the side surface of the ridge portion and the ridge. It was found that it spreads to the surface of the cladding layer in the vicinity of the portion and leaks to the electrode formed thereon.
例えば、上記特許文献1のリッジ導波路型半導体レーザ素子において、リッジ部側の電極に用いられている金属材料の屈折率は、半導体層と接するTiが、波長650nmから1.5μmの範囲でおよそ3.0から3.6であり、Tiの上側に設けられているPtが同じく波長668nmから1.5μmの範囲で2.9から5.5である。一方、上記リッジ部の外方の基板に垂直な方向における実効屈折率も3.2前後である。
For example, in the ridge waveguide semiconductor laser device of
このように、上記リッジ部の外方の基板に垂直な方向における実効屈折率と、半導体層上に直接形成された電極材料の屈折率とが近接していると、あるいは、その実効屈折率よりも電極材料の屈折率のほうが大きいと、発振したレーザ光が電極方向へ漏れやすくなることがある。 Thus, when the effective refractive index in the direction perpendicular to the substrate outside the ridge portion is close to the refractive index of the electrode material directly formed on the semiconductor layer, or from the effective refractive index. However, if the refractive index of the electrode material is larger, the oscillated laser beam may easily leak toward the electrode.
そして、上記電極までレーザ光が漏れてしまうと、一般に電極を構成する金属材料の光吸収係数は半導体材料の光吸収係数に比べて104倍から105倍程度も大きいため、非常に大きな光吸収が発生し、内部損失を大幅に増加させてしまうことになる。 When the laser beam leaks to the electrode, the light absorption coefficient of the metal material constituting the electrode is generally about 10 4 to 10 5 times larger than the light absorption coefficient of the semiconductor material. Absorption occurs, and internal loss is greatly increased.
したがって、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子においては、スロープ効率が低下したり、発振閾値電流値が上昇したりしてしまうという問題が発生することが分かった。
そこで、本発明の課題は、高いスロープ効率を有し、低消費電力(低閾値電流)動作が可能な半導体レーザ素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device having high slope efficiency and capable of operating with low power consumption (low threshold current).
さらに、本発明の他の課題は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an optical disc apparatus and an optical transmission system provided with such a semiconductor laser element.
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ素子は、
第1導電型の基板と、この第1導電型の基板上に形成され、少なくとも、第1導電型のクラッド層、活性層および第2導電型のクラッド層を含む半導体層群とを有する本体を備えた発振波長λの半導体レーザ素子において、
上記半導体層群上に形成され、金属材料からなる電極を備え、
上記金属材料は上記発振波長λの光の屈折率がnEであり、
上記電極は、
上記発振波長λの光の実効屈折率がnE1である第1の電極層と、
この第1の電極層上に形成され、上記発振波長λの光の実効屈折率がnE2である第2の電極層と、
この第2の電極層上に形成され、Auからなる第3の電極層と
を有し、
上記第1,第2の電極層は、
nEFF−nE1≧1
d1≧λ/(4πk1)
nEFF−nE2<1
d2<λ/(4πk2)
ここで、nEFF:上記本体の上記発振波長λの光の実効屈折率
d1:上記第1の電極層の厚み[nm]
k1:上記第1の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
d2:上記第2の電極層の厚み[nm]
k2:上記第2の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
の関係を満たすことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the semiconductor laser device of the present invention is
A body having a first conductivity type substrate and a semiconductor layer group formed on the first conductivity type substrate and including at least a first conductivity type cladding layer, an active layer, and a second conductivity type cladding layer. In the semiconductor laser device having the oscillation wavelength λ provided,
An electrode made of a metal material is formed on the semiconductor layer group,
The metal material has a refractive index n E of the light having the oscillation wavelength λ,
The electrode is
A first electrode layer having an effective refractive index n E1 of light having the oscillation wavelength λ;
A second electrode layer formed on the first electrode layer, the effective refractive index of the light having the oscillation wavelength λ being n E2 ;
A third electrode layer made of Au and formed on the second electrode layer;
The first and second electrode layers are
n EFF −n E1 ≧ 1
d 1 ≧ λ / (4πk 1 )
n EFF −n E2 <1
d 2 <λ / (4πk 2 )
Where n EFF is the effective refractive index of the light having the oscillation wavelength λ of the main body.
d 1 : thickness of the first electrode layer [nm]
k 1 : extinction coefficient of light having the oscillation wavelength λ of the first electrode layer
d 2 : thickness of the second electrode layer [nm]
k 2 : It is characterized by satisfying the relationship of the extinction coefficient of the light having the oscillation wavelength λ of the second electrode layer.
ここで、「第1導電型」とはn型とp型のうち一方の導電型を指し、「第2導電型」とはn型とp型のうち他方の導電型を指す。つまり、上記第1導電型がp型の場合は第2導電型はn型を指し、第1導電型がn型の場合は第2導電型はp型を指す。 Here, “first conductivity type” refers to one conductivity type of n-type and p-type, and “second conductivity type” refers to the other conductivity type of n-type and p-type. That is, when the first conductivity type is p-type, the second conductivity type indicates n-type, and when the first conductivity type is n-type, the second conductivity type indicates p-type.
また、「実効屈折率」とは、本体中を伝播する発振レーザ光の位相速度(=c/nEFF)を定める量(c:光速)であり、「消衰係数」とは、複素屈折率N(〜)=n−ikにおける虚部である。 The “effective refractive index” is an amount (c: speed of light) that determines the phase velocity (= c / n EFF ) of the oscillation laser light propagating through the main body, and the “extinction coefficient” is the complex refractive index. N (˜) = imaginary part in n−ik.
上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記第2導電型のクラッド層を含む半導体層群上に、nEFF−nE1≧1かつd1≧λ/(4πk1)なる関係を満たすように第1の電極層を形成し、この第1の電極層上に、nEFF−nE2<1かつd2<λ/(4πk2)なる関係を満たすように第2の電極層を形成し、さらに、この第2の電極層上にAuからなる第3の電極層を形成することによって、発振したレーザ光を上記電極層にまで漏らすことなく半導体層群中に閉じ込めることができるようになる。 According to the semiconductor laser device having the above-described configuration, on the semiconductor layer group including the cladding layer of the second conductivity type, the first relationship is satisfied so that the relationship of n EFF −n E1 ≧ 1 and d 1 ≧ λ / (4πk 1 ) is satisfied. 1 is formed, and a second electrode layer is formed on the first electrode layer so as to satisfy the relationship of n EFF −n E2 <1 and d 2 <λ / (4πk 2 ), By forming the third electrode layer made of Au on the second electrode layer, the oscillated laser beam can be confined in the semiconductor layer group without leaking to the electrode layer.
これは、上記第1の電極層としてnEFF−nE2≧1を満たすような低い屈折率を有する金属材料を、d1≧λ/(4πk1)なる厚みに形成することによって、発振レーザ光を半導体層群中に十分閉じ込めることができるようになるためである。 This is because an oscillation laser beam is formed by forming a metal material having a low refractive index satisfying n EFF −n E2 ≧ 1 to a thickness of d 1 ≧ λ / (4πk 1 ) as the first electrode layer. This is because the semiconductor layer can be sufficiently confined in the semiconductor layer group.
また、nEFF−nE2<1であるような比較的高い屈折率を有する第2の電極層の厚みd2をd2<λ/(4πk2)と制限することによって、第2の電極層による光吸収の影響を抑制することが可能になる。 Further, by limiting the thickness d 2 of the second electrode layer having a relatively high refractive index such that n EFF −n E2 <1, the second electrode layer is limited to d 2 <λ / (4πk 2 ). It becomes possible to suppress the influence of light absorption due to.
この結果、低い発振閾値電流と高いスロープ効率とを有し、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができるようになる。 As a result, it is possible to provide a semiconductor laser device having a low oscillation threshold current and a high slope efficiency and capable of operating with low power consumption.
なお、上記第1導電型の基板に関して半導体層群側の面とは反対側の面に、この面とオーミック接合をなす別の電極が設けられるのが望ましい。 In addition, it is desirable to provide another electrode that forms an ohmic junction with this surface on the surface opposite to the surface on the semiconductor layer group side with respect to the first conductivity type substrate.
上記別の電極を設けることにより、半導体層群上の電極とその別の電極との間の通電を容易に行える。 By providing the other electrode, it is possible to easily conduct electricity between the electrode on the semiconductor layer group and the other electrode.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接する。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
A part of the semiconductor layer group on the electrode side constitutes a striped ridge portion,
The electrode is in contact with the top of the ridge portion, and is in contact with at least one of a side surface of the ridge portion and a surface of the semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部に接すると共に、リッジ部の側面と、半導体層群のリッジ部を除く領域であってリッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接するように、電極を形成することにより、上記特許文献1のリッジ導波路型半導体レーザ素子と同様に、製造段階での結晶成長工程を1度で済ませることができる。
According to the semiconductor laser device of the above embodiment, at least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion is in contact with the top of the ridge portion. By forming the electrodes so as to be in contact with each other, the crystal growth process at the manufacturing stage can be completed only once as in the case of the ridge waveguide semiconductor laser element of
したがって、一般的なリッジ埋め込み型半導体レーザ素子に比べて、大幅に製造工程が削減され、低コストで作成できる半導体レーザ素子を提供することができるようになる。 Therefore, as compared with a general ridge-embedded semiconductor laser element, a manufacturing process can be greatly reduced, and a semiconductor laser element that can be manufactured at low cost can be provided.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記リッジ部の頂部が上記電極とオーミック接合を形成し、
上記リッジ部の側面と、上記第2導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成している。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The top of the ridge portion forms an ohmic junction with the electrode,
At least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the second conductivity type semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion forms a Schottky junction with the electrode. Yes.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部が電極とオーミック接合を形成し、かつ、リッジ部の側面と、上記第2導電型の半導体層群のリッジ部を除く領域であってリッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、電極とショットキー接合を形成することにより、電流狭窄のために新たな半導体層を再成長したり、絶縁膜を形成したりする必要がなくなる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the top of the ridge portion forms an ohmic junction with the electrode, and is a region excluding the side surface of the ridge portion and the ridge portion of the second conductivity type semiconductor layer group. Thus, at least one of the surfaces near the ridge portion forms a Schottky junction with the electrode, so that it is not necessary to re-grow a new semiconductor layer or form an insulating film for current confinement. .
したがって、上記半導体レーザ素子は、製造工程が簡略化でき、歩留りの向上や製造コストの低下を実現することができる。 Therefore, in the semiconductor laser device, the manufacturing process can be simplified, and the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
さらに、上記半導体レーザ素子では、リッジ部近傍に対して電極が直接に接触していても発振したレーザ光が電極まで漏れない。 Further, in the semiconductor laser device, even if the electrode is in direct contact with the vicinity of the ridge portion, the oscillated laser beam does not leak to the electrode.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第2の電極層は、上記金属材料を2層以上積層した積層構造を有し、
上記第2の電極層の各層An(n=1,2,…,q、ただしqは2以上の自然数)は、それぞれ、上記発振波長λの光の屈折率がnE2n(n=1,2,…,q、ただしqは2以上の自然数)であり、
上記第2の電極層の各層は、
nEFF−nE2n<1
の関係を満たし、
上記第2の電極層は、
dトータル<λ/4πk平均
dトータル:上記第2の電極層の全層を合わせた厚み[nm]
k平均:上記第2の電極層の各層の上記発振波長λの光の消衰係数の平均値
の関係を満たす。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The second electrode layer has a laminated structure in which two or more metal materials are laminated,
Each layer An (n = 1, 2,..., Q, where q is a natural number of 2 or more) of the second electrode layer has a refractive index n E2n (n = 1, 2, 1) of the light having the oscillation wavelength λ. , ..., q, where q is a natural number of 2 or more)
Each layer of the second electrode layer is
n EFF -n E2n <1
Satisfy the relationship
The second electrode layer is
d total <λ / 4πk average
d total : total thickness [nm] of all the second electrode layers
k average : satisfies the relationship of the average value of the extinction coefficient of the light having the oscillation wavelength λ of each layer of the second electrode layer.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第2の電極層が金属材料を2層以上積層した積層構造を有して、この各層がnEFF−nE2n<1を満たすとき、第2の電極層がdトータル<λ/4πk平均を満たすように形成すると、本体の発振波長λの光の実効屈折率nEFFに近い屈折率を有する、あるいは、その実効屈折率nEFFよりも大きな屈折率を有する金属材料からなる第2の電極層の発振レーザ光の閉じ込めに対する影響を小さくできる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, when the second electrode layer has a stacked structure in which two or more metal materials are stacked and each layer satisfies n EFF −n E2n <1, When the electrode layer is formed so as to satisfy the d total <λ / 4πk average , the refractive index close to the effective refractive index n EFF of the light having the oscillation wavelength λ of the main body or a refractive index larger than the effective refractive index n EFF is obtained. The influence on the confinement of the oscillation laser light by the second electrode layer made of a metal material having the above can be reduced.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接し、
上記リッジ部の頂部は、第2導電型のドーピング濃度が1×1018cm−3以上の高濃度半導体層からなり、
上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以下の低濃度半導体層からなり、
上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上の半導体層が形成されている。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
A part of the semiconductor layer group on the electrode side constitutes a striped ridge portion,
The electrode is in contact with the top of the ridge portion, and is in contact with at least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion;
The top of the ridge portion is formed of a high concentration semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more,
At least one of the side surface of the ridge portion and the surface region excluding the ridge portion of the semiconductor layer group includes a low-concentration semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less. ,
A semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more is formed between the low concentration semiconductor layer and the active layer.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部が、第2導電型のドーピング濃度が1×1018cm−3以上の高濃度半導体層からなることにより、良好なオーミック接合が実現できる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the top of the ridge portion is formed of a high-concentration semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more, thereby realizing a good ohmic junction. it can.
また、上記リッジ部の側面と、半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以下の低濃度半導体層からなることにより、電流狭窄性および信頼性に優れたショットキー接合を得ることができる。 Further, at least one of the side surface of the ridge portion and the surface region excluding the ridge portion of the semiconductor layer group is formed of a low concentration semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less. As a result, a Schottky junction excellent in current confinement and reliability can be obtained.
さらに、上記第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以下である低濃度半導体層と活性層との間に、第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上の半導体層を形成することによって、光学設計の際には、この第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上の半導体層の層厚・組成を変更することにより、ショットキー接合特性を左右する上記1×1017cm−3以下にドーピングされた第2導電型の低濃度半導体層の構成を変更することなく、素子に要求される仕様を満たす設計ができるようになる。 Further, between the low-concentration semiconductor layer and the active layer above the doping concentration of the second conductivity type is 1 × 10 17 cm -3, the doping concentration of the second conductivity type is 1 × 10 17 cm -3 or more By forming the semiconductor layer, in optical design, by changing the layer thickness and composition of the semiconductor layer having the second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more, Schottky junction characteristics The design satisfying the specifications required for the device can be achieved without changing the configuration of the second conductivity type low-concentration semiconductor layer doped to 1 × 10 17 cm −3 or less, which affects the above.
しかも、上記第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上の半導体層は、低濃度半導体層の第2導電型のドーピング濃度と同じまたはそれ以上にドーピングされているために、素子抵抗の上昇を抑制でき、一層の低消費電力化を図ることができる。 In addition, since the semiconductor layer having the second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more is doped to the same concentration or higher than the second conductivity type doping concentration of the low-concentration semiconductor layer, the element An increase in resistance can be suppressed and further reduction in power consumption can be achieved.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記リッジ部の側面と、上記第2導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成し、
上記基板がGaAsからなり、
上記低濃度半導体層が、少なくとも、AlGaAs層とInGaAsP層とを有し、
上記第2導電型の半導体層群に関して上記ショットキー接合を形成する部分が上記InGaAsP層を含む。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
At least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the second conductivity type semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion forms a Schottky junction with the electrode,
The substrate is made of GaAs,
The low-concentration semiconductor layer has at least an AlGaAs layer and an InGaAsP layer,
The portion forming the Schottky junction with respect to the second conductivity type semiconductor layer group includes the InGaAsP layer.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記GaAsからなる基板上にAlGaAs層を形成することにより、そのAlGaAs層を光閉じ込め層(クラッド層)として用いることができる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, by forming an AlGaAs layer on the GaAs substrate, the AlGaAs layer can be used as an optical confinement layer (cladding layer).
また、上記GaAsからなる基板上にInGaAsP層を形成することにより、ショットキー接合を形成するための層としてそのInGaAsP層を用いることができる。 Further, by forming an InGaAsP layer on the GaAs substrate, the InGaAsP layer can be used as a layer for forming a Schottky junction.
また、上記AlGaAs層に対してAlを含まないInGaAsP層で被覆することにより、酸化しやすいAlGaAs層が大気中に露出されることがないので、Alの酸化に起因する深い準位の発生を抑制でき、長期の信頼性を向上でき、さらに、深い準位に起因する吸収を削減できる。 In addition, by covering the AlGaAs layer with an InGaAsP layer that does not contain Al, an easily oxidized AlGaAs layer is not exposed to the atmosphere, so that the generation of deep levels due to Al oxidation is suppressed. In addition, long-term reliability can be improved, and absorption due to deep levels can be reduced.
また、上記AlGaAs層に対してAlを含まないInGaAsP層で被覆し、そのInGaAsP層に対して直接電極を形成してショットキー接合させることによって、ショットキー接合の漏れ電流をより大きく減少させることができる。 Further, by covering the AlGaAs layer with an InGaAsP layer that does not contain Al and forming an electrode directly on the InGaAsP layer to form a Schottky junction, the leakage current of the Schottky junction can be greatly reduced. it can.
Alを含まない半導体層であってInGaAsP層と同様の効果が期待できる半導体層としてはInGaP層があるが、InGaPはホール(正孔)に対するバリアが大きく、また、自然超格子化により屈折率が変動しやすいなどのデメリットがあるため、InGaP層よりInGaAsP半導体層の方が好ましい。 There is an InGaP layer as a semiconductor layer that does not contain Al and can be expected to have the same effect as the InGaAsP layer. However, InGaP has a large barrier against holes and has a refractive index due to natural superlattice formation. The InGaAsP semiconductor layer is more preferable than the InGaP layer because of its demerits such as being easily fluctuated.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第1の電極層を構成する金属材料が、Ag、Al、Au、Cu、Nd、Pb、RhおよびTaの中から選択された少なくとも一つの元素を含む。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The metal material constituting the first electrode layer includes at least one element selected from Ag, Al, Au, Cu, Nd, Pb, Rh, and Ta.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第1の電極層を構成する金属材料が、Ag、Al、Au、Cu、Nd、Pb、RhおよびTaの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことにより、nEFF−nE1≧1の式を満たす第1の電極層を形成することが容易になると共に、発振レーザ光を本体中に閉じ込める効果を向上させることも容易になる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the metal material constituting the first electrode layer is made of at least one element selected from Ag, Al, Au, Cu, Nd, Pb, Rh and Ta. By including, it becomes easy to form the first electrode layer satisfying the equation of n EFF −n E1 ≧ 1, and it becomes easy to improve the effect of confining the oscillation laser light in the main body.
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第2の電極層を構成する金属材料が、Cr、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rd、Sb、Ti、WおよびZnの中から選択された少なくとも一つの元素を含む。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The metal material constituting the second electrode layer includes at least one element selected from Cr, Mo, Ni, Os, Pd, Pt, Rd, Sb, Ti, W, and Zn.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第2の電極層を構成する金属材料が、Cr、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rd、Sb、Ti、WおよびZnの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことにより、nEFF−nE2<1の式を満たす第2の電極層を形成すること、第1の電極層に対する第2の電極層の密着性を向上させること、および、第3の電極層の金属材料であるAuが第2導電型の半導体層群に拡散するのを防止することが容易になる。 According to the semiconductor laser device of the embodiment, the metal material constituting the second electrode layer is selected from Cr, Mo, Ni, Os, Pd, Pt, Rd, Sb, Ti, W, and Zn. Forming a second electrode layer satisfying the formula n EFF −n E2 <1 by including at least one element, improving adhesion of the second electrode layer to the first electrode layer, In addition, it becomes easy to prevent Au, which is the metal material of the third electrode layer, from diffusing into the second conductivity type semiconductor layer group.
したがって、上記Cr、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rd、Sb、Ti、WおよびZnの中から選択された少なくとも一つの元素を含む金属材料で第2の電極層を形成することにより、第1,第2および第3の電極層を有する電極は、素子特性を悪化させず、長期間にわたって低いコンタクト抵抗を維持できる。 Therefore, by forming the second electrode layer with a metal material containing at least one element selected from Cr, Mo, Ni, Os, Pd, Pt, Rd, Sb, Ti, W and Zn, The electrode having the first, second, and third electrode layers can maintain low contact resistance for a long period without deteriorating element characteristics.
本発明の光ディスク装置は、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴としている。 The optical disk apparatus of the present invention is characterized by including the semiconductor laser element of the present invention.
上記構成の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光ディスク装置に比べて、より低消費電力で書き込みができる上、より安価にすることができる。 According to the optical disk apparatus having the above configuration, by using the semiconductor laser element of the present invention, writing can be performed with lower power consumption and cost can be reduced as compared with the conventional optical disk apparatus.
本発明の光伝送システムは、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴としている。 The optical transmission system of the present invention is characterized by including the semiconductor laser device of the present invention.
上記構成の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光伝送システムよりも安価でかつ低消費電力動作にでき、低価格化と高性能化とを図ることができる。 According to the optical transmission system configured as described above, by using the semiconductor laser element of the present invention, it is possible to operate at lower cost and with lower power consumption than the conventional optical transmission system, and to achieve lower cost and higher performance. it can.
本発明の半導体レーザ素子によれば、リッジ部側に設けられた電極(特にリッジ部の最上部以外の領域に設けられた電極)による発振レーザ光の吸収を抑制することができるため、吸収損失を低減することが可能となる。また、簡便な構成を有するため、製造が容易で歩留まりを向上させることができる。したがって、高いスロープ効率を有し、低消費電力(低閾値電流)動作が可能で、かつ低コストに製造できる半導体レーザ素子を提供することができる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, the absorption loss of the oscillation laser light by the electrode provided on the ridge portion side (especially, the electrode provided in a region other than the uppermost portion of the ridge portion) can be suppressed. Can be reduced. Moreover, since it has a simple structure, manufacture is easy and a yield can be improved. Therefore, it is possible to provide a semiconductor laser device that has high slope efficiency, can operate with low power consumption (low threshold current), and can be manufactured at low cost.
本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光ディスク装置に比べて、低消費電力でデータ書き込みが可能になる上、より安価に構成される。 According to the optical disk apparatus of the present invention, by using the semiconductor laser element of the present invention, data writing can be performed with low power consumption as compared with the conventional optical disk apparatus, and the structure is more inexpensive.
本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来よりも安価でかつ低消費電力動作が可能な光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化と高性能化を図ることができる。 According to the optical transmission system of the present invention, by using the semiconductor laser element of the present invention, it is possible to provide an optical transmission module that can be operated at lower cost and with lower power consumption than the conventional one. And high performance can be achieved.
以下、本発明の半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor laser device, an optical disk device, and an optical transmission system of the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
なお、以下の説明では、「n−」は第1導電型としてのn型を表し、「p−」は第2導電型としてのp型を表す。 In the following description, “n−” represents the n-type as the first conductivity type, and “p−” represents the p-type as the second conductivity type.
〔第1実施形態〕
図1に、本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の断面を模式的に示す。
[First Embodiment]
FIG. 1 schematically shows a cross section of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
上記半導体レーザ素子は、本体100と、この本体100上に形成されたp側電極115と、本体100下に形成されたn側電極116とを備え、発振波長が890nmとなっている。
The semiconductor laser element includes a
上記本体100は、n−GaAs基板101と、このn−GaAs基板101上に順次積層されたn−GaAsバッファ層102、n−Al0.5Ga0.5As第1下クラッド層103、n−Al0.422Ga0.578As第2下クラッド層104、Al0.25Ga0.75As下ガイド層105、多重歪量子井戸活性層106、Al0.25Ga0.75As第1上ガイド層107、p−Al0.4Ga0.6As第2上ガイド層108、p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109、p−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110およびp−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111とからなっている。なお、上記n−GaAs基板101は第1導電型の基板の一例、n−Al0.5Ga0.5As第1下クラッド層103は第1導電型のクラッド層の一例、n−Al0.422Ga0.578As第2下クラッド層104は第1導電型のクラッド層の一例、多重歪量子井戸活性層106は活性層の一例、p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109は第2導電型のクラッド層の一例、p−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110は第2導電型のクラッド層の一例である。また、上記p−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110とp−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111とが低濃度半導体層の一例を構成している。そして、上記p−Al0.4Ga0.6As第2上ガイド層108と上記p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109とが、低濃度半導体層と活性層との間に形成される半導体層の一例である。
The
上記p−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111上には、順メサストライプ形状のリッジ130をなすように、p−Al0.5Ga0.5As第3上クラッド層112、p−GaAsコンタクト層113およびp+−GaAsコンタクト層114が設けられている。なお、上記p−Al0.5Ga0.5As第3上クラッド層112は第2導電型のクラッド層の一例、p+−GaAsコンタクト層114は高濃度半導体層の一例である。そして、上記n−Al0.5Ga0.5As第1下クラッド層103からp側電極115に向かってp+−GaAsコンタクト層114までの層が半導体層群の一例を構成している。
On the p-In 0.1568 Ga 0.8432 As 0.4 P 0.6 semiconductor layer 111, a p-Al 0.5 Ga 0.5 As-th layer is formed so as to form a forward mesa stripe-shaped
上記p側電極115は、リッジ130と、リッジ130の両側にある半導体層111とを覆うように設けられている。より詳しくは、上記p側電極115は、リッジ130の頂部および側面部と、リッジ13の両側方下にある半導体層111の上部とに接触している。そして、上記p側電極115は、Agからなる第1の電極層115aと、TiおよびPtからなる第2の電極層115bと、Auからなる第3の電極層115cとが順に積層された構成となっている。
The p-
上記本体100の発振波長λ(=890nm)の光に対する実効屈折率nEFFは、3.273である。
The effective refractive index n EFF for the light having the oscillation wavelength λ (= 890 nm) of the
上記第1の電極層115aは上記発振波長λの光の実効屈折率がnE1であり、この実効屈折率nE1はnEFF−nE1≧1なる関係を満たしている。具体的には、上記第1の電極層115aを構成するAgは、上記発振波長λ付近の光に対する屈折率nAgが0.105を示す。
The
上記第2の電極層115bは上記発振波長λの光の実効屈折率がnE2であり、この実効屈折率がnE2がnEFF−nE2<1なる関係を満たしている。具体的には、上記第2の電極層115bを構成するTi,Ptにおいて、Tiは上記発振波長λ付近の光に対する屈折率nTiが3.25を示す一方、Ptは上記発振波長λ付近の光に対する屈折率nPtが3.16を示す。
In the
上記n側電極116は、AuGe/Ni/Auの多層金属薄膜からなって、n−GaAs基板101の裏面(p側電極側の面とは反対側の面)に接触している。
The n-
また、図1において、117はリッジ形成領域であり、118はリッジ形成外領域である。
In FIG. 1,
次に、図2から図4を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser device will be described with reference to FIGS.
まず、図2に示すように、n−GaAs基板101−1の(100)面上に、n−GaAsバッファ層102(層厚:0.5μm、Siドーピング濃度:7.2×1017cm−3)、n−Al0.5Ga0.5As第1下クラッド層103(層厚:2.0μm、Siドーピング濃度:5.4×1017cm−3)、n−Al0.422Ga0.578As第2下クラッド層104(層厚:0.1μm、Siドーピング濃度:5.4×1017cm−3)、Al0.25Ga0.75As下ガイド層105(層厚3.0nm、ノンドープ)、多重歪量子井戸活性層106(ノンドープ)、Al0.25Ga0.75As第1上ガイド層107(層厚:3.0nm、ノンドープ)、p−Al0.4Ga0.6As第2上ガイド層108(層厚:0.1μm、Znドーピング濃度:1.35×1018cm−3)、p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:1.35×1018cm−3)、p−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:1×1017cm−3)、p−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111(層厚:15.0nm、Znドーピング濃度:1×1017cm−3)、p−Al0.5Ga0.5As第3上クラッド層112−1(層厚:1.28μm、Znドーピング濃度:2.4×1018cm−3)、p−GaAsコンタクト層113−1(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:3×1018cm−3)、p+−GaAsコンタクト層114−1(層厚:0.3μm、Znドーピング濃度:1×1019cm−3)を順次、MOCVD法を用いて結晶成長させる。 First, as shown in FIG. 2, an n-GaAs buffer layer 102 (layer thickness: 0.5 μm, Si doping concentration: 7.2 × 10 17 cm − is formed on the (100) plane of the n-GaAs substrate 101-1. 3 ), n-Al 0.5 Ga 0.5 As first lower cladding layer 103 (layer thickness: 2.0 μm, Si doping concentration: 5.4 × 10 17 cm −3 ), n-Al 0.422 Ga 0.578 As second lower cladding layer 104 (layer thickness: 0.1 μm, Si doping concentration: 5.4 × 10 17 cm −3 ), Al 0.25 Ga 0.75 As lower guide layer 105 (layer thickness 3 0.0 nm, non-doped), multiple strain quantum well active layer 106 (non-doped), Al 0.25 Ga 0.75 As first upper guide layer 107 (layer thickness: 3.0 nm, non-doped), p-Al 0.4 Ga 0.6 As second upper Guy Layer 108 (thickness: 0.1 [mu] m, Zn doping concentration: 1.35 × 10 18 cm -3) , p-Al 0.456 Ga 0.544 As first upper cladding layer 109 (thickness: 0.2 [mu] m, Zn doping concentration: 1.35 × 10 18 cm −3 ), p-Al 0.456 Ga 0.544 As second upper cladding layer 110 (layer thickness: 0.2 μm, Zn doping concentration: 1 × 10 17 cm − 3 ), p-In 0.1568 Ga 0.8432 As 0.4 P 0.6 semiconductor layer 111 (layer thickness: 15.0 nm, Zn doping concentration: 1 × 10 17 cm −3 ), p-Al 0. 5 Ga 0.5 As third upper cladding layer 112-1 (layer thickness: 1.28 μm, Zn doping concentration: 2.4 × 10 18 cm −3 ), p-GaAs contact layer 113-1 (layer thickness: 0) .2 μm, Zn Ping concentration: 3 × 10 18 cm -3) , p + -GaAs contact layer 114-1 (thickness: 0.3 [mu] m, Zn doping concentration: 1 × 10 19 cm -3) in sequence, by MOCVD crystal Grow.
上記多重歪量子井戸活性層106は、In0.1Ga0.9As圧縮歪量子井戸層(歪:0.7%、層厚:4.6nm×2層)とIn0.24Ga0.76As0.55P0.45引張り歪障壁層(歪:0.1%、バンドギャップEg≒1.60eV、基板側から膜厚:21.5nm、7.9nm、21.5nmの3層であり、基板101に最も近いものが、n側障壁層、最も遠いものがp側障壁層となる)とを交互に配置して形成されている。
The multi-strain quantum well
次に、上記リッジ130を形成すべき領域117a(図1参照)上に、レジストマスク119(マスク幅:4.2μm)をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク119は、形成すべきリッジ130が延びる方向に対応して<0−11>方向にストライプ状に延びるように形成される。
Next, a resist mask 119 (mask width: 4.2 μm) is formed on the region 117a (see FIG. 1) where the
次に、上記レジストマスク119をマスクにして、第3上クラッド層112−1,コンタクト層113−1,114−1のうちリッジ形成外領域118(図1参照)と重なる部分をエッチングで除去する。これにより、上記レジストマスク119の直下に、図3に示すような第3上クラッド層112およびコンタクト層113,114が得られる。つまり、上記レジストマスク119の直下に順メサストライプ状のリッジ130が得られる。
Next, using the resist
上記エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて半導体層111の直上まで行った後、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でコンタクト層113−1,114−1のオーバーハング部分をとる。また、上記エッチングの深さは1.78μm、リッジ130の最下部の幅は約2.7μmである。
The etching is performed to a position just above the
次に、上記レジストマスク119は除去した後、図4に示すように、電子ブーム蒸着法を用いて、第1の電極層115aとしてAg層(層厚:50nm)と、第2の電極層115bとしてTi層(層厚:5nm)およびPt層(層厚:8nm)と、第3の電極層115cとしてAu層(層厚:300nm)とをこの順に積層形成する。これにより、上記Ag層、Ti層、Pt層およびAu層かなるp側電極115が得られる。
Next, after removing the resist
その後、上記n−GaAs基板101−1を裏面側から所望の厚み(ここでは約100μm)にまでラッピング法により研削する。これにより、図1に示すn−GaAs基板101が得られる。
Thereafter, the n-GaAs substrate 101-1 is ground by a lapping method from the back surface side to a desired thickness (here, about 100 μm). Thereby, the n-
そして、上記n−GaAs基板101の裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、AuGe合金層(Au:88%とGe:12%との合金、層厚100nm)、Ni層(層厚:15nm)およびAu層(層厚:300nm)をこの順で積層形成する。これにより、上記AuGe合金層、Ni層およびAu層からなるn側電極116が得られる。
Then, an AuGe alloy layer (Au: 88% and Ge: 12% alloy, layer thickness: 100 nm), Ni layer (layer thickness: 15 nm) is formed from the back side of the n-
続いて、N2雰囲気中で390℃1分間加熱し、n側電極116のアロイ処理を行う。
Subsequently, the n-
次に、上記n−GaAs基板101を、所望の共振器長(ここでは、500μm)を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーをチップ(500μm×250μm)に分割する。上記分割後のチップを、In糊剤を用いてステム(図示せず)上に固着させ、p側電極115上に外部回路との電気的接続を行うためのAuワイヤー(不図示)をボンディングして、本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子が完成する。
Next, after dividing the n-
このようにして作製された半導体レーザ素子において、p側電極115とn側電極116との間に電流を流すと、リッジ130の側方のp−InGaAsP半導体層111とp側電極115との間でショットキー接合が形成されて電流が遮断される。このとき、上記リッジ130の最上部にあるp+−GaAsコンタクト層114と、p側電極115との間でのオーミック接合を通してのみ電流が流れる。これにより電流狭窄が実現される。
In the semiconductor laser device manufactured as described above, when a current is passed between the p-
本実施形態の半導体レーザ素子は、製造段階での結晶成長工程を1度で済ますことができるため、一般的なリッジ埋め込み型の半導体レーザ素子に比べて大幅に製造工程が削減され、低コストで作製することが可能となった。 Since the semiconductor laser device of this embodiment can complete the crystal growth process once in the manufacturing stage, the manufacturing process is greatly reduced compared with a general ridge-embedded semiconductor laser device, and the cost is low. It became possible to produce.
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子は、本体100の上記発振波長λの光に対する実効屈折率をnEFFとし、第1の電極層115aの上記発振波長λの光に対する消衰係数をk1としたとき、第1の電極層115aは、上記発振波長λの光に対する屈折率nE1がnEFF−nE1≧1の式を満たし、厚みd1[nm]がd1≧λ/(4πk1)の式を満たすように形成されている。また、上記第1の電極層115aはAg層で構成されている。
Further, in the semiconductor laser device of the present embodiment, the effective refractive index for the light with the oscillation wavelength λ of the
一方、上記第2の電極層115bは、上記発振波長λの光に対する屈折率nE2がnEFF−nE2<1の式を満たすように形成されている。そして、上記第2の電極層115bの上記発振波長λの光に対する消衰係数をk2としたとき、第2の電極層115bの厚みd2[nm]がd2<λ/(4πk2)を満たしている。また、上記第2の電極層115bはTi層とPt層とで構成されている。
On the other hand, the
ここで、上記Ag層,Ti層,Pt層の上記発振波長λの光に対する消衰係数をkAg,kTi,kPtとすると、Ag層の厚みdAgがdAg≧λ/(4πkAg)の式を満たし、Ti層の厚みdTiがdTi<λ/(4πkTi)の式を満たし、Pt層の厚みdPtがdPt<λ/(4πkPt)の式を満たしている。 Here, assuming that the extinction coefficients of the Ag layer, Ti layer, and Pt layer with respect to the light having the oscillation wavelength λ are k Ag , k Ti , and k Pt , the thickness d Ag of the Ag layer is d Ag Ag ≧ λ / (4πk Ag ), The Ti layer thickness d Ti satisfies the formula d Ti <λ / (4πk Ti ), and the Pt layer thickness d Pt satisfies the formula d Pt <λ / (4πk Pt ).
そして、上述のように、上記第2の電極層115bがTi層とPt層とからなる2層構造を有するので、上記第2の電極層115bの消衰係数は、Ti層とPt層との上記発振波長λの光に対する消衰係数の平均値k平均(=(dTi・kTi+dPt・kPt)/dTi+dPt)とみなし、第2の電極層115bの厚みd2(=dTi+dPt=dトータル)がd2<λ/(4πk平均)の関係をも満たしている。
As described above, since the
具体的には、上記半導体レーザ素子の上記発振波長λの光に対する実効屈折率nEFFは3.273であり、上記Ag層の上記発振波長λの光に対する屈折率は0.105であり、上記Ti層の上記発振波長λの光に対する屈折率は3.25であり、上記Pt層の上記発振波長λの光に対する屈折率は3.16である。また、上記Ag層の上記発振波長λの光に対する消衰係数kAgは6.22であり、上記Ti層の上記発振波長λの光に対する消衰係数kTiは3.84であり、Pt層の上記発振波長λの光の消衰係数kPtは5.38である。そして、上記Ti層の上記発振波長λの光に対する消衰係数と、Pt層の上記発振波長λの光に対する消衰係数との平均値k平均が、4.79である。 Specifically, the effective refractive index n EFF for the light of the oscillation wavelength λ of the semiconductor laser element is 3.273, the refractive index of the Ag layer for the light of the oscillation wavelength λ is 0.105, and The refractive index of the Ti layer with respect to the light having the oscillation wavelength λ is 3.25, and the refractive index of the Pt layer with respect to the light having the oscillation wavelength λ is 3.16. The extinction coefficient k Ag of the Ag layer with respect to the light having the oscillation wavelength λ is 6.22, the extinction coefficient k Ti of the Ti layer with respect to the light having the oscillation wavelength λ is 3.84, and the Pt layer The extinction coefficient k Pt of the light having the oscillation wavelength λ is 5.38. The average value k average of the extinction coefficient of the Ti layer with respect to the light having the oscillation wavelength λ and the extinction coefficient of the Pt layer with respect to the light with the oscillation wavelength λ is 4.79.
したがって、上記Ag層,Ti層,Pt層の厚みdAg,dTi,dPtは、dAg≧11.4nm、dTi<18.4nm、dPt<13.2nmを満たし、かつ、Ti層とPt層とからなる第2の電極層の厚みd2(=dTi+dPt)は、d2<14.79nmを満たすように、Ag層の厚みdAgを50nmに設定し、Ti層の厚みdTiを5nmに設定し、Pt層の厚みdPtを8nmに設定した。なお、上記第3の電極層115cを構成するAu層の厚みは300nmに設定した。
Accordingly, the Ag layer, Ti layer, the thickness d Ag of Pt layer, d Ti, d Pt is filled d Ag ≧ 11.4nm, d Ti < 18.4nm, the d Pt <13.2 nm, and, Ti layer The thickness d Ag of the Ag layer is set to 50 nm so that the thickness d 2 (= d Ti + d Pt ) of the second electrode layer made up of Pt and Pt satisfies d 2 <14.79 nm. set the thickness d Ti to 5 nm, and set the thickness d Pt of Pt layer 8 nm. Note that the thickness of the Au layer constituting the
上述のように、nEFF−nE1≧1の式を満たす第1の電極層115aを、その厚みd1[nm]がd1≧λ/(4πk1)の式を満たすように形成することによって、本体100から発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が大きくなり、第1の電極層115aまで光が漏れることを防止できるようになる。これは、上記発振波長λの光に対する実効屈折率nEFFよりも十分に小さい上記屈折率nE1を有する厚みd1の第1の電極層115aを、第1の電極層115aの上記発振波長λの光に対する吸収係数の逆数以上のd1≧λ/(4πk1)となるように形成することによって、発振レーザ光の分布形状における裾部分を電極にまで漏れ出さないようにする効果を高めることで実現できている。
As described above, the
さらに、nEFF−nE2<1の式を満たす第2の電極層115bを、その厚みd2[nm]がd2<λ/(4πk2)の式を満たすように形成することによって、比較的屈折率の高い第2の電極層115bによる光吸収を抑制することが可能になる。これは、実効屈折率nEFFに近い屈折率を有する第2の電極層115b(厚み:d2、消衰係数:k平均)を、第2の電極層115bの上記発振波長λの光に対する吸収係数の逆数よりも小さいd2<λ/(4πk平均)となるように形成することによって、上記第2の電極層115bを構成する金属材料に波長λの光が吸収される量を1−1/eより小さくできることで実現できている。なお、上記eは自然対数の底である。
Further, the
したがって、本実施形態の半導体レーザ素子は、低い発振閾値電流と高いスロープ効率との両方を有し、低消費電力動作と低コストでの製造とが可能なとなっている。 Therefore, the semiconductor laser device of this embodiment has both a low oscillation threshold current and a high slope efficiency, and can be operated at low power consumption and at low cost.
上記第1,第2の電極層115a,115bに関する形成条件による効果は、本実施形態のようにリッジ導波型半導体レーザ素子であって、しかもリッジの側面と上クラッド層の表面とに対して直接に電極が形成されているものに対して特に大きい。
The effect of the formation conditions on the first and
このように効果が大きいのは、発振レーザ光に対して吸収体として作用してしまう電極がより発光領域に近い所に形成されているためであり、さらに、上述のようなリッジの側方と上クラッド層の表面とに直接電極が形成されたリッジ導波型半導体レーザ素子においては、発振レーザ光の分布が電極にまで漏れ出さないような半導体層構造の設計が困難な場合が多々あるためである。 The reason for this great effect is that the electrode that acts as an absorber for the oscillation laser beam is formed closer to the light emitting region. In a ridge waveguide semiconductor laser element in which an electrode is formed directly on the surface of the upper cladding layer, it is often difficult to design a semiconductor layer structure that does not leak the oscillation laser light distribution to the electrode. It is.
また、本実施形態の半導体レーザ素子では、第2の電極層115bのTi層は、第3の電極層115cであるAu層の密着性を向上させる目的で形成されている。一方、上記第2の電極層115bのPt層は、上記Au層のAuが拡散により第1の電極層115aやその下の半導体層にまで拡散し、半導体レーザ素子の閾値電流値・効率・抵抗などの特性や、信頼性を悪化させてしまうことを防止するための拡散防止の目的で形成されている。
In the semiconductor laser device of the present embodiment, the Ti layer of the
また、本実施形態の半導体レーザ素子では、上記Ag層、Ti層、Pt層およびAu層で構成するp側電極115の電気的・光学的特性を長期間維持しながら、製造工程における電極剥離不良を抑制することができ、素子特性と歩留まりとのよさを両立できるようになる。それによって、優れた初期特性を長期に渡って発揮し続けることのできる半導体レーザ素子が提供される。
Moreover, in the semiconductor laser device of this embodiment, the electrode peeling defect in the manufacturing process is maintained for a long time while maintaining the electrical and optical characteristics of the p-
上述のように、異なる複数の金属で第2の電極層を構成する効果は、第3の電極層として用いる金属材料が、密着性に乏しく、かつ、拡散しやすいものであるときに特に大きい。例えば、第3の電極層の電極材料として好適に用いられるAuは、密着性・拡散性ともに悪いものの代表である。ただし、この目的で用いられる第2の電極層の材料は比較的屈折率の大きい金属が多く、本実施形態のように、第2の電極層の膜厚d2をd2<λ/(4πk2)を満たすように形成しないと、半導体レーザ素子の特性を悪化させることとなる。 As described above, the effect of configuring the second electrode layer with a plurality of different metals is particularly great when the metal material used as the third electrode layer has poor adhesion and is easily diffused. For example, Au that is suitably used as the electrode material of the third electrode layer is representative of those having poor adhesion and diffusibility. However, the material of the second electrode layer used for this purpose is often a metal having a relatively large refractive index, and the thickness d 2 of the second electrode layer is set to d 2 <λ / (4πk as in this embodiment. If it is not formed so as to satisfy 2 ), the characteristics of the semiconductor laser element will be deteriorated.
本実施形態では、上述のように、5nm厚のTi層と8nm厚のPt層とを使用しているが、このTi層やPt層のように、およそ10nm以下の金属薄膜を蒸着法などにより形成する際には、その金属薄膜の形成レート(蒸着レート)を0.1〜0.2nm/秒程度に設定するのが適当である。上記金属薄膜の形成レートを0.2nm/秒程度より早くした場合、Ti層の密着性向上やPt層の拡散防止の効果が小さくなることがある。 In the present embodiment, as described above, a Ti layer having a thickness of 5 nm and a Pt layer having a thickness of 8 nm are used. When forming, it is appropriate to set the formation rate (deposition rate) of the metal thin film to about 0.1 to 0.2 nm / second. When the formation rate of the metal thin film is made faster than about 0.2 nm / second, the effect of improving the adhesion of the Ti layer and preventing the diffusion of the Pt layer may be reduced.
また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部130の頂部を構成するp+−GaAsコンタクト層114に対してp側電極115がオーミック接合しており、リッジ部130の側方およびp−InGaAsP半導体層111に対して、p側電極115がショットキー接合している。このことによって、別途電流狭窄層となる半導体埋め込み層の再成長工程や、絶縁膜形成工程を要さずにリッジ頂部以外への電流が遮断できる構造を得ることが可能となり、上述のリッジ部130の頂部に形成されたオーミック接合を通してのみ電流が流れ、極めて簡単な構成で電流狭窄が実現された半導体レーザ素子を提供できるようになる。
In the semiconductor laser device of this embodiment, the p-
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部130の頂部に形成されたp+−GaAsコンタクト層114のp型のドーピング濃度を、1×1018cm−3以上である1×1019cm−3と設定することにより、良好なオーミック接合を実現させた。なお、過剰なドーピングによる結晶性の悪化や、活性層方向へのドーパントの不要な拡散を防止する観点から、p+−GaAsコンタクト層114のp型のドーピング濃度の上限は、1×1021cm−3以下とした方が良い。
Further, in the semiconductor laser device of this embodiment, the p-type doping concentration of the p + -
また、上記p−InGaAsP半導体層111およびp−AlGaAs第2上クラッド層110のp型のドーピング濃度を1×1017cm−3と設定することにより、電流狭窄性と長期信頼性とに優れたショットキー接合を得ることができる。このp−InGaAsP半導体層111およびp−AlGaAs第2上クラッド層110のp型のドーピング濃度の範囲は、良好な電流狭窄性の実現と必要以上の素子抵抗の悪化を防ぐことを両立させるため、1×1016cm−3以上、1×1017cm−3以下が好ましい。
Further, by setting the p-type doping concentration of the p-
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子においては、p−InGaAsP半導体層111とp−AlGaAs第2上クラッド層110とからなる低濃度半導体層の一例と多重歪量子井戸活性層106との間に、p型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上であるp−AlGaAs第2上ガイド層108(Znドーピング濃度:1.35×1018cm−3)とp型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上であるp−AlGaAs第1上クラッド層109(Znドーピング濃度:1.35×1018cm−3)とを形成し、p−AlGaAs第2上ガイド層108およびp−AlGaAs第1上クラッド層109の組成・層厚を調整することによって、ショットキー接合特性を悪化させること無しに、要求される光学特性仕様にあった半導体レーザ素子を提供することを可能にした。
Furthermore, in the semiconductor laser device of this embodiment, between the example of the low concentration semiconductor layer composed of the p-
しかも、上記p−AlGaAs第2上ガイド層108およびp−AlGaAs第1上クラッド層109のp型ドーピング濃度は、上記低濃度半導体層の一例のp型ドーピング濃度よりも大きい1.35×1018cm−3であるので、素子抵抗の上昇を抑制でき、一層の低消費電力化を図ることを可能にしている。このp−AlGaAs第2上ガイド層108およびp−AlGaAs第1上クラッド層109のp型ドーピング濃度は、少なくともp−InGaAsP半導体層111およびp−AlGaAs第2上クラッド層110のp型のドーピング濃度の上限である1×1017cm−3以上で、かつ、5×1018cm−3以下の範囲で調整することが適当である。
Moreover, the p-type doping concentration of the p-AlGaAs second
また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、低濃度半導体層の一例をp−InGaAsP半導体層111とp−AlGaAs第2上クラッド層110との2層が積層された構造としており、リッジ部130の側方に形成されるp側電極115はp−InGaAsP半導体層111に対してショットキー接合をなしている。ここで、上述のように、GaAsからなるn−GaAs基板101上に形成されたp−AlGaAs第2上クラッド層110は、屈折率やバンドギャップから光閉じ込め層(クラッド層)として適当である。
In the semiconductor laser device of this embodiment, an example of the low-concentration semiconductor layer has a structure in which two layers of the p-
さらに、上記p−AlGaAs第2上クラッド層110の上側(基板と反対側の層)にp−InGaAsP半導体層111を積層していることによって、リッジ130を形成した後も、酸化しやすいp−AlGaAs第2上クラッド層110を大気中に露出されることがないので、Alの酸化に起因する深い準位の発生を抑制し、長期の信頼性をより向上させ、また深い準位に起因する光吸収を削減することができる。
Further, the p-
また、上記p−AlGaAs第2上クラッド層110をp−InGaAsP半導体層111で被覆し、そのp−InGaAsP半導体層111に対してp側電極115を直接形成してショットキー接合させることによって、ショットキー接合の漏れ電流をより大きく減少させることができ、半導体レーザ素子の閾値電流値の低減に顕著な効果があった。これらの結果、低い閾値電流値と高いスロープ効率を有し、長期の信頼性に優れた半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
Further, the p-AlGaAs second
なお、本実施形態においては、ショットキー接合を形成させる半導体層をInGaAsPとAlGaAsとからなる2層構造としたが、もちろん1層構造であっても、あるいは3層構造以上であってもよい。 In the present embodiment, the semiconductor layer for forming the Schottky junction has a two-layer structure made of InGaAsP and AlGaAs, but it may of course have a one-layer structure or a three-layer structure or more.
上記ショットキー接合を形成させる半導体層を3層構造以上にする場合、その3層構造の最上層を、本実施形態のようにAlを含まないInGaAsP層にすると、信頼性の向上と、GaAsやAlGaAsに対するエッチング選択性を利用した高精度なリッジ形成とを可能にするという効果を発揮させることができるので好ましい。 When the semiconductor layer for forming the Schottky junction has a three-layer structure or more, if the uppermost layer of the three-layer structure is an InGaAsP layer that does not contain Al as in this embodiment, the reliability is improved, and GaAs or This is preferable because an effect of enabling highly accurate ridge formation utilizing etching selectivity with respect to AlGaAs can be exhibited.
なお、Alを含まないという点では、InGaP半導体層を用いることもできるが、特に本実施形態のようにp型半導体層として使用する場合、InGaPよりもInGaAsPの方が、ホール(正孔)に対するバリアが低く、ホール注入効率を向上させる効果があると共に、InGaPは結晶成長条件によっては屈折率の変動を伴う自然超格子化しやすく、好ましくないという面がある。 In addition, an InGaP semiconductor layer can also be used in that it does not contain Al. However, when used as a p-type semiconductor layer as in this embodiment, InGaAsP is more resistant to holes than InGaP. In addition to the low barrier and the effect of improving hole injection efficiency, InGaP is not preferable because it tends to be a natural superlattice with a change in refractive index depending on crystal growth conditions.
また、本実施形態においては、第1の電極層115aの材料としてAgを使用し、第2の電極層115bの材料としてTiおよびPtを使用し、第3の電極層115cの材料としてAuを使用したが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。つまり、所望の半導体レーザ素子の発振波長と実効屈折率を勘案して、nEFF−nE1≧1を満たす材料であれば、その膜厚d1をd1≧λ/4πk1の関係を満たすようにすることによって第1の電極層の材料として使用することができ、また、nEFF−nE2<1を満たす材料であれば、その膜厚d2をd2<λ/4πk2の関係を満たすように形成することで第2の電極層の材料として使用することができる。このとき、上記屈折率条件を満たすものであれば、単体の金属元素からなる層である必要はなく、複数の元素からなる合金や化合物であってもよい。
In this embodiment, Ag is used as the material of the
また、GaAs、GaNおよびInPのいずれか1つからなる基板を使用した半導体レーザ素子においては、第1の電極層を構成する金属材料として、Ag、Al、Au、Cu、Nd、Pb、RhおよびTaの中から選択された元素、または、その元素を含む化合物を好適に使用することができる。また、上記第2の電極層を構成する金属材料としては、Cr、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rd、Sb、TiおよびWの中から選択された元素、または、その元素を含む化合物を好適に使用することができる。 In a semiconductor laser device using a substrate made of any one of GaAs, GaN, and InP, Ag, Al, Au, Cu, Nd, Pb, Rh, and metal materials constituting the first electrode layer can be used. An element selected from Ta or a compound containing the element can be preferably used. The metal material constituting the second electrode layer may be an element selected from Cr, Mo, Ni, Os, Pd, Pt, Rd, Sb, Ti and W, or a compound containing the element Can be preferably used.
また、第3の電極層としてAuを使用する際には、第2の電極層として密着性を改善させる効果のあるTiまたはCrまたはMoからなる金属層と、Auの拡散を防止する効果のあるPtまたはPdまたはRdまたはOsからなる金属層の2層構造を用いることが好ましく、これらの金属材料を上述した膜厚形成条件に適合するように形成することによって、低抵抗かつ低屈折率で発振レーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が高く、また、酸化しにくいために圧接によるワイヤーボンディングが容易なAuを、その良好な特性を長期間維持し、製造上の歩留まりを低下させること無しに使用することができるようになる。 In addition, when Au is used as the third electrode layer, the second electrode layer has an effect of preventing adhesion of Au and a metal layer made of Ti, Cr, or Mo that has an effect of improving adhesion. It is preferable to use a two-layer structure of a metal layer made of Pt, Pd, Rd, or Os. By forming these metal materials so as to conform to the above-described film thickness formation conditions, oscillation with a low resistance and a low refractive index is possible. Uses Au, which has a high effect of confining laser light in the semiconductor layer and is easy to wire bond by pressure welding because it is difficult to oxidize, maintaining its good characteristics for a long time and without reducing the manufacturing yield Will be able to.
これまでの説明においては、本発明の電極構成をp型半導体層に対するオーミック接合およびショットキー接合に適用した場合を例にとって示してきたが、もちろんn型半導体層に対して適用しても同様の効果が得られる。 In the above description, the case where the electrode configuration of the present invention is applied to an ohmic junction and a Schottky junction with respect to a p-type semiconductor layer has been shown as an example. An effect is obtained.
また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を有するSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造を用いたが、もちろん本発明は上述した構造に限られるものではない。例えば、結晶成長を円滑に行うための中間層を追加するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での各々の層厚、材料の追加・変更等を加えうることは当然である。 In the semiconductor laser device of this embodiment, an SCH (Separate Confinement Heterostructure) structure having a light guide layer between the active layer and the cladding layer is used. Of course, the present invention is not limited to the structure described above. Absent. For example, it is a matter of course that each layer thickness, material addition / change, and the like can be added without departing from the spirit of the present invention, such as adding an intermediate layer for smooth crystal growth.
〔第2実施形態〕
図5に、本発明の第2実施形態の光ディスク装置200の構成を模式的に示す。なお、図5においては、レーザ光の光路を点線で図示している。
[Second Embodiment]
FIG. 5 schematically shows the configuration of an
上記光ディスク装置200は、例えばCD−R(書き込み可能なコンパクトディスク)などの光ディスク201にデータを書き込んだり、光ディスク201に書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際に用いられる発光素子として、波長780nm帯で発振するように活性層の組成・層厚を調整した半導体レーザ素子202を備えている。この半導体レーザ素子202は上記第1実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
The
以下、上記光ディスク装置200についてさらに詳しく説明する。
Hereinafter, the
上記光ディスク装置200が光ディスク201にデータを書き込む際には、データ信号がのせられたレーザ光が半導体レーザ素子202から出射される。このレーザ光はコリメートレンズ203により平行光とされ、ビームスプリッタ204を透過しλ/4偏光板205で偏光状態が調整された後、対物レンズ206で集光されて光ディスク201に照射される。
When the
また、上記光ディスク装置200が光ディスク201のデータを読み出す際には、データ信号がのせられたレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク201に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク201の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ206、λ/4偏光板205を経た後、光軸が90°曲がるようにビームスプリッタ204で反射されて、受光素子用対物レンズ207で集光されて信号検出用受光素子208に入射する。この信号検出用受光素子208内に入射したレーザ光の強弱に基づいて、光ディスク201に記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路209において元の信号に再生される。
When the
上記光ディスク装置200では、低コストで製造でき、かつ高いスロープ効率と低い閾値電流で動作する半導体レーザ素子202を用いているため、装置の消費電力を大幅に削減することが可能となった。したがって、より環境に対する負荷の少ない光ディスク装置を従来よりも安価に提供することができた。
Since the
上記第2実施形態では、上記第1実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有する半導体レーザ素子202を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長780nm帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置や、他の波長帯(例えば650nm帯)の光ディスク装置にも適用可能であることは言うまでもない。
In the second embodiment, the example in which the
〔第3実施形態〕
図6に、本発明の第3実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール300の断面を模式的に示す。また、図7に、上記光伝送モジュール300の光源部分の斜視図を模式的に示す。また、図8に、上記光伝送モジュール300を備える光伝送システムの構成を模式的に示す。
[Third Embodiment]
FIG. 6 schematically shows a cross section of an
詳しくは後述するが、上記光伝送システムは、通信を行う双方の側(例えば、端末とサーバ)にそれぞれ同じ光伝送モジュール300を備えることにより、双方の光伝送モジュール300間で光(赤外線)信号を送受信することができる。
As will be described in detail later, the optical transmission system includes the same
上記光伝送モジュール300は、図6に示すように、上記第1実施形態で説明した890nm帯で発振するInGaAs系半導体レーザ素子301を光源の一例として備えると共に、シリコン(Si)のpinフォトダイオードである受光素子302を備えている。
As shown in FIG. 6, the
上記半導体レーザ素子301は回路基板306に実装されている。この回路基板306は、半導体レーザ素子301を駆動するための正負両電極のパターンと、半導体レーザ素子301を搭載する部分に設けられた凹部306aとを有している。
The
上記凹部306aの底面には、半導体レーザ素子301が取り付けられたレーザマウント(マウント材)310がはんだで固定されている。また、上記凹部306aは、半導体レーザ素子301によるレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっている。具体的には、上記凹部306aの深さは300μmとしている。また、上記凹部306aの底面の粗さは、上記レーザ光の放射角に悪影響を与えないように粗さが調整されている。
A laser mount (mounting material) 310 to which the
上記受光素子302も、回路基板306に実装され、ワイヤ307Bにより電気信号が取り出される。この他に、上記回路基板306にはレーザ駆動用/受信信号処理用のIC(集積回路)回路308が実装されている。
The
また、上記凹部306aの底面にレーザマウント310を固定した後、凹部306aに、光を拡散するフィラーを混入した液状のシリコン樹脂309を適量滴下する。そうすると、上記シリコン樹脂309は表面張力のために凹部306a内に留まり、レーザマウント310を覆って凹部306aに固定する。この第3実施形態では、回路基板306の表面に凹部306aを形成し、その凹部306aの底面にレーザマウント310を固定しているが、上述のように、シリコン樹脂309は表面張力のためにレーザチップ表面およびその近傍に留まるので、凹部306aは必ずしも形成する必要はない。
Further, after fixing the
上記シリコン樹脂309は、凹部306aに滴下した後、80℃で約5分間加熱して、ゼリー状になるまで硬化させている。また、上記シリコン樹脂309は透明なエポキシ樹脂モールド303により被覆している。このエポキシ樹脂モールド303には、レーザ光の放射角制御のためのレンズ部304と、信号光を集光するためのレンズ部305とがそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。上記レンズ部304は半導体レーザ素子301の上方に位置する一方、レンズ部305は受光素子302の上方に位置している。
The
以下、上記レーザマウント310について、図7を用いて説明する。
Hereinafter, the
上記レーザマウント310はL字型のヒートシンク311を有している。このヒートシンク311に半導体レーザ素子301がIn糊剤を用いてダイボンドされている。上記半導体レーザ素子301の下面301bには高反射膜がコーティングされている一方、半導体レーザ素子301の上面301aには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜は、レーザチップ端面の保護も兼ねて形成されている。
The
上記ヒートシンク311の基部311bには正電極312が固定されている。この正電極312と基部311bとの間には絶縁物を介挿して、正電極312がヒートシンク311と導通しないようにしている。また、上記正電極312と、半導体レーザ素子301の表面のショットキー接合部上に設けられた電極領域301cとは、ワイヤ307Cによって接続されている。
A
上記レーザマウント310は回路基板306上のレーザ駆動用負電極部(図示せず)にはんだ固定されている。また、上記レーザマウント310の正電極312の平坦部313は、回路基板306上のレーザ駆動用正電極部(図示せず)にワイヤ307Aを介して電気的に接続されている。このような配線の形成により、レーザビーム314を発振により得ることができる光伝送モジュール300が完成する。
The
上記光伝送モジュール300は、上述の低コストで製造でき、高効率、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュール消費電力を従来に比べて低く抑えることができるとともに、モジュール単価を大幅に下げることができる。この光伝送モジュール300を用いた光伝送システムは、低消費電力で動作するため、環境に対する負荷を小さくでき、また低価格で構成できる。さらにこの光伝送システムを携帯機器に搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯機器を使用することができるようになる。
Since the
上記光伝送システムは、図8に示すように、部屋の天井に設置された基地局316に光伝送モジュール300を備えると共に、パーソナルコンピュータ315に、上記光伝送モジュール300と同じ光伝送モジュール350を備えている。上記パーソナルコンピュータ315側の光伝送モジュール350の光源から情報を持って発した光信号は、基地局316側の光伝送モジュール300の受光素子によって受信される。また、上記基地局316側の光伝送モジュール300の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ315側の光伝送モジュール350の受光素子によって受信される。このようにして光(赤外線)によるデータ通信を実現することができる。
As shown in FIG. 8, the optical transmission system includes an
なお、本発明の半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではない。例えば半導体レーザ素子についてはその井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得ることは勿論である。 The semiconductor laser device, the optical disc apparatus, and the optical transmission system of the present invention are not limited to the above illustrated examples. For example, the semiconductor laser element can be variously modified within the range not departing from the paper of the present invention, such as the thickness and the number of the well layers and barrier layers.
なお、上記ワイヤ307A,307B,307Cとして例えばAuワイヤを使用することができる。
For example, an Au wire can be used as the
100 本体
101 n−GaAs基板
102 n−GaAsバッファ層
103 n−AlGaAs第1下クラッド層
104 n−AlGaAs第2下クラッド層
105 AlGaAs下ガイド層
106 多重歪量子井戸活性層
107 AlGaAs第1上ガイド層
108 p−AlGaAs第2上ガイド層
109 p−AlGaAs第1上クラッド層
110 p−AlGaAs第2上クラッド層
111 p−InGaAsP半導体層
112 p−AlGaAs第3上クラッド層
113 p−GaAsコンタクト層
114 p+−GaAsコンタクト層
115 p側電極
115a 第1の電極層
115b 第2の電極層
115c 第3の電極層
116 n側電極
117a リッジ形成領域
117b リッジ形成外領域
119 レジストマスク
130 リッジ
200 光ディスク装置
201 光ディスク
202 半導体レーザ素子
203 コリメートレンズ
204 ビームスプリッタ
205 λ/4偏光板
206 対物レンズ
207 受光素子用対物レンズ
208 信号検出用受光素子
209 信号光再生回路
300,350 光伝送モジュール
301 半導体レーザ素子
302 受光素子
303 エポキシ樹脂モールド
304,305 レンズ部
306 回路基板
306a 凹部
307A,307B,307C ワイヤ
308 IC回路
309 シリコン樹脂
310 レーザマウント
311 ヒートシンク
311b 基部
312 正電極
313 平坦部
314 レーザビーム
315 パーソナルコンピュータ
316 基地局
DESCRIPTION OF
Claims (10)
上記半導体層群上に形成され、金属材料からなる電極を備え、
上記金属材料は上記発振波長λの光の屈折率がnEであり、
上記電極は、
上記発振波長λの光の実効屈折率がnE1である第1の電極層と、
この第1の電極層上に形成され、上記発振波長λの光の実効屈折率がnE2である第2の電極層と、
この第2の電極層上に形成され、Auからなる第3の電極層と
を有し、
上記第1,第2の電極層は、
nEFF−nE1≧1
d1≧λ/(4πk1)
nEFF−nE2<1
d2<λ/(4πk2)
ここで、nEFF:上記本体の上記発振波長λの光の実効屈折率
d1:上記第1の電極層の厚み[nm]
k1:上記第1の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
d2:上記第2の電極層の厚み[nm]
k2:上記第2の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。 A body having a first conductivity type substrate and a semiconductor layer group formed on the first conductivity type substrate and including at least a first conductivity type cladding layer, an active layer, and a second conductivity type cladding layer. In the semiconductor laser device having the oscillation wavelength λ provided,
An electrode made of a metal material is formed on the semiconductor layer group,
The metal material has a refractive index n E of the light having the oscillation wavelength λ,
The electrode is
A first electrode layer having an effective refractive index n E1 of light having the oscillation wavelength λ;
A second electrode layer formed on the first electrode layer, the effective refractive index of the light having the oscillation wavelength λ being n E2 ;
A third electrode layer made of Au and formed on the second electrode layer;
The first and second electrode layers are
n EFF −n E1 ≧ 1
d 1 ≧ λ / (4πk 1 )
n EFF −n E2 <1
d 2 <λ / (4πk 2 )
Where n EFF is the effective refractive index of the light having the oscillation wavelength λ of the main body.
d 1 : thickness of the first electrode layer [nm]
k 1 : extinction coefficient of light having the oscillation wavelength λ of the first electrode layer
d 2 : thickness of the second electrode layer [nm]
k 2 : A semiconductor laser element satisfying the relationship of the extinction coefficient of the light having the oscillation wavelength λ of the second electrode layer.
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接することを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
A part of the semiconductor layer group on the electrode side constitutes a striped ridge portion,
The electrode is in contact with the top of the ridge, and is in contact with at least one of the side surface of the ridge and the surface of the semiconductor layer group excluding the ridge in the vicinity of the ridge. A semiconductor laser device.
上記リッジ部の頂部が上記電極とオーミック接合を形成し、
上記リッジ部の側面と、上記第2導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成していることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 2,
The top of the ridge portion forms an ohmic junction with the electrode,
At least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the second conductivity type semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion forms a Schottky junction with the electrode. A semiconductor laser device comprising:
上記第2の電極層は、上記金属材料を2層以上積層した積層構造を有し、
上記第2の電極層の各層An(n=1,2,…,q、ただしqは2以上の自然数)は、それぞれ、上記発振波長λの光の屈折率がnE2n(n=1,2,…,q、ただしqは2以上の自然数)であり、
上記第2の電極層の各層は、
nEFF−nE2n<1
の関係を満たし、
上記第2の電極層は、
dトータル<λ/4πk平均
dトータル:上記第2の電極層の全層を合わせた厚み[nm]
k平均:上記第2の電極層の各層の上記発振波長λの光の消衰係数の平均値
の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
The second electrode layer has a laminated structure in which two or more metal materials are laminated,
Each layer An (n = 1, 2,..., Q, where q is a natural number of 2 or more) of the second electrode layer has a refractive index n E2n (n = 1, 2, 1) of the light having the oscillation wavelength λ. , ..., q, where q is a natural number of 2 or more)
Each layer of the second electrode layer is
n EFF -n E2n <1
Satisfy the relationship
The second electrode layer is
d total <λ / 4πk average
d total : total thickness [nm] of all the second electrode layers
k- average : A semiconductor laser element satisfying the relationship of the average value of the extinction coefficient of the light having the oscillation wavelength λ of each layer of the second electrode layer.
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接し、
上記リッジ部の頂部は、第2導電型のドーピング濃度が1×1018cm−3以上の高濃度半導体層からなり、
上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以下の低濃度半導体層からなり、
上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、第2導電型のドーピング濃度が1×1017cm−3以上の半導体層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 4,
A part of the semiconductor layer group on the electrode side constitutes a striped ridge portion,
The electrode is in contact with the top of the ridge portion, and is in contact with at least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion;
The top of the ridge portion is formed of a high concentration semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more,
At least one of the side surface of the ridge portion and the surface region excluding the ridge portion of the semiconductor layer group includes a low-concentration semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less. ,
A semiconductor laser device, wherein a semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more is formed between the low-concentration semiconductor layer and the active layer.
上記リッジ部の側面と、上記第2導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成し、
上記基板がGaAsからなり、
上記低濃度半導体層が、少なくとも、AlGaAs層とInGaAsP層とを有し、
上記第2導電型の半導体層群に関して上記ショットキー接合を形成する部分が上記InGaAsP層を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 5, wherein
At least one of the side surface of the ridge portion and the surface of the second conductivity type semiconductor layer group excluding the ridge portion and in the vicinity of the ridge portion forms a Schottky junction with the electrode,
The substrate is made of GaAs,
The low-concentration semiconductor layer has at least an AlGaAs layer and an InGaAsP layer,
The semiconductor laser device, wherein the portion forming the Schottky junction with respect to the second conductivity type semiconductor layer group includes the InGaAsP layer.
上記第1の電極層を構成する金属材料が、Ag、Al、Au、Cu、Nd、Pb、RhおよびTaの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser device, wherein the metal material constituting the first electrode layer contains at least one element selected from Ag, Al, Au, Cu, Nd, Pb, Rh and Ta.
上記第2の電極層を構成する金属材料が、Cr、Mo、Ni、Os、Pd、Pt、Rd、Sb、Ti、WおよびZnの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
The metal material constituting the second electrode layer includes at least one element selected from Cr, Mo, Ni, Os, Pd, Pt, Rd, Sb, Ti, W, and Zn. A semiconductor laser device.
An optical transmission system comprising the semiconductor laser device according to claim 1.
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JPWO2018003335A1 (en) * | 2016-06-30 | 2019-04-25 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Semiconductor laser device, semiconductor laser module and laser light source system for welding |
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- 2006-05-23 JP JP2006143084A patent/JP2007317731A/en active Pending
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