JP2009170602A

JP2009170602A - 半導体発光素子およびそれを用いた光ファイバ増幅器

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Publication number: JP2009170602A
Application number: JP2008006041A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Shimose; 佳治下瀬; Susumu Nishimoto; 進西本; Yasuaki Nagashima; 靖明長島
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】環境温度が８５℃程度の高温であっても、温度制御なしで１００ｍＷより大きな光出力を得ることが可能な半導体発光素子およびそれを用いた光ファイバ増幅器を提供する。
【解決手段】ＩｎＰからなる半導体基板１１と、半導体基板１１上に形成され、井戸層１４ａと障壁層１４ｂが交互に積層されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４と、活性層１４の終端部であって、半導体基板１１を劈開することによって形成された前端面２２ａおよび後端面２２ｂとを備え、障壁層１４ｂが０．５％以下の引張歪を有し、井戸層１４ａの層数が５層以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびそれを用いた光ファイバ増幅器に係り、特に、５０℃以上の高温環境で使用される半導体発光素子およびそれを用いた光ファイバ増幅器に関する。

近年、長距離かつ大容量の光通信システムが実用化されており、その長距離化および大容量化に大きな役割を果たしているのが光ファイバ増幅器である。光ファイバ増幅器は、光電変換を行わずに光を直接増幅することが可能な装置である。石英系光ファイバ中での損失が最も小さい１．５５μｍ帯の光信号を増幅するために用いられる光ファイバ増幅器としては、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）が挙げられる。

このＥＤＦＡの励起光源として用いられる波長０．９８μｍ帯または１．４８μｍ帯の励起光を発光する半導体発光素子は高い環境温度の下で用いられる。このため、通常半導体発光素子は温度制御素子により動作温度を制御している。あるいは、高温特性に優れているＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体発光素子が採用されていたが、ＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体発光素子は技術的に成熟したＩｎＧａＡｓＰ系半導体発光素子よりも長期信頼性には懸念があった。

そこで、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、井戸層の歪を適切な値に設定することにより、高温環境での使用を可能としたＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体からなる活性層を有する半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特許第３５９２７３０号明細書（［０００６］、図４）特開平６−５９５４号公報（［００３１］−［００３４］、図４）

しかしながら、特許文献１および２に開示された従来の半導体発光素子においては、高温環境においてできるだけ低い駆動電流領域（例えば４００ｍＡ以下）で１００ｍＷよりも高い光出力を得る場合には、高温飽和を抑えるために、ペルチェ素子などの冷却素子によって温度制御を行わなければならないという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、環境温度が８５℃程度の高温であっても、温度制御なしで１００ｍＷより大きな光出力を低い駆動電流領域で得ることが可能な半導体発光素子およびそれを用いた光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、ＩｎＰからなる半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、井戸層と障壁層が交互に積層されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層と、を備える半導体発光素子において、前記障壁層が０．５％以下の引張歪を有し、前記井戸層の層数が５層以下であることを特徴とする構成を有している。
この構成により、環境温度が８５℃程度の高温であっても温度制御なしで低駆動電流領域で１００ｍＷより大きな光出力を得ることができる。

また、本発明の半導体発光素子は、前記活性層が劈開によって形成された第１および第２の端面を有し、前記第１および第２の端面間の距離が１０００〜１２００μｍである構成を有していてもよい。

また、本発明の半導体発光素子は、環境温度２５〜８５℃において、特性温度Ｔ₀が６０Ｋ以下であってもよい。

また、本発明の半導体発光素子は、前記第１の端面の反射率が２０％未満であってもよい。

また、本発明の光ファイバ増幅器は、上記の半導体発光素子と、入力信号光と前記半導体発光素子から出射された励起光とを重畳する光結合器と、前記光結合器によって重畳された前記入力信号光と前記励起光との重畳光を増幅して出力信号光として出力する増幅用光ファイバとを含む構成を有している。
この構成により、温度制御を行うことなく光信号を増幅することができる。

本発明は、障壁層の引張歪を０．５％以下、井戸層の層数を５層以下とすることにより、環境温度が８５℃程度の高温であっても、温度制御なしで１００ｍＷより大きな光出力を得ることが可能な半導体発光素子およびそれを用いた光ファイバ増幅器を提供することができるものである。

以下、本発明に係る半導体発光素子の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明に係る半導体発光素子の第１の実施形態を図１に示す。図１（ａ）は半導体発光素子１の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は要部の構造を示す断面図である。

即ち、図１（ａ）に示すように、半導体発光素子１は、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１と、半導体基板１１の上に形成されるｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２と、ｎ型クラッド層１２の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなる光分離閉じ込め（ＳＣＨ）層１３と、ＳＣＨ層１３の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４と、活性層１４の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５とを含む。

なお、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されており、このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。

また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ型金属電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ型金属電極２１が設けられている。

そして、半導体発光素子１の第１の端面である前端面２２ａ（光出射端面）には低反射膜、第２の端面である後端面２２ｂ（光反射端面）には高反射膜が施されている。

活性層１４は、図１（ｂ）の断面図および図２のエネルギーギャップの模式図に示すように、複数の井戸層１４ａと障壁層１４ｂが交互に積層されたＭＱＷ（多重量子井戸）構造を有する。通常のＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体では電子側のバンドオフセット（伝導帯間のエネルギー差ΔＥ_c）が小さく、高温環境においては電子の閉じ込め効果が低くなり、有効質量の軽い電子が井戸層１４ａ外にオーバーフローしやすい。

このため高温環境においてＩｎＧａＡｓＰ系レーザの発光効率を温度制御を行わずに上昇させるためには、
（１）バンドオフセットを電子側で大きくするために障壁層１４ｂに引張歪を導入すること
（２）活性層１４内での電子捕獲有効性向上のためＭＱＷ層数を多くすること
が有効である。

しかしながら、引張歪の量が大きすぎる場合には活性層１４の結晶性が悪化し、非発光再結合が増加するため光学特性が劣化する。またＭＱＷ層数が多すぎる場合には活性層１４内におけるキャリア分布が不均一となって光損失が増加する。このため、所望の光出力特性を得るためには、引張歪の値およびＭＱＷ層数を適切な値に設定する必要がある。

次に、本出願人が行った実験データに基づいて、半導体発光素子１の具体的な数値例を示す。なお、図３および図５に関する実験で用いた半導体発光素子には前端面２２ａに低反射膜のコーティングが施されていないため、光出力の値はコーティングが施された実際の半導体発光素子１のものよりも低くなっている。

図３（ａ）は半導体発光素子１のＬ−Ｉ（Light Output-Injection Current）特性を示すグラフである。左から順に井戸層数が４層、５層、７層の場合の室温（２５℃）および高温（８５℃）におけるＬ−Ｉ特性を示している。

ここで、井戸層１４ａはＩｎ_0.81Ｇａ_0.19Ａｓ_0.73Ｐ_0.27からなり、エネルギーギャップは０．８０ｅＶ、層厚は５．５ｎｍであり、１．０％の圧縮歪を有している。一方、障壁層１４ｂはＩｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.45Ｐ_0.55からなり、エネルギーギャップは１．０５ｅＶ、層厚は６．０ｎｍであり、０．５０％の引張歪を有している。また、前端面２２ａと後端面２２ｂ間の距離である共振器長は１０００μｍである。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＬ−Ｉ特性を示すグラフから駆動電流が４００ｍＡおよび６００ｍＡの場合の光出力の値を抜き出すことにより作成した、光出力の井戸層数依存性のグラフである。白丸は室温（２５℃）における駆動電流４００ｍＡ時の光出力のデータ、黒丸は高温（８５℃）における駆動電流４００ｍＡ時の光出力のデータ、白四角は室温（２５℃）における駆動電流６００ｍＡ時の光出力のデータ、黒四角は高温（８５℃）における駆動電流６００ｍＡ時の光出力のデータである。

室温（２５℃）においては、駆動電流４００ｍＡおよび６００ｍＡのいずれの場合においても井戸層数の増加とともに光出力が減少することが分かる。高温（８５℃）においては、駆動電流が４００ｍＡの場合には井戸層数の増加とともに光出力が増加するが、駆動電流が６００ｍＡの場合には層数が５層のときに光出力がピークを示すことが分かる。

以上を踏まえると、高温環境かつ高駆動電流の下で安定して高出力を得るためには、層数を５層以下とすることが好ましい。

なお、図３（ｂ）には、環境温度２５〜８５℃における特性温度Ｔ₀の層数依存性もプロットしている。グラフから井戸層数の増加に伴って特性温度Ｔ₀が上昇していることが分かる。

ここで、特性温度Ｔ₀とは、温度Ｔにおける閾値電流をＩ_th（Ｔ）と表すとき［数１］のように定義されるものである。

一般に、特性温度Ｔ₀が高くなると、閾値電流は減少するが、例えば図３（ａ）の右図（７層）から明らかなように、高温環境（８５℃）においては室温（２５℃）と比較して低い電流値でＬ−Ｉ特性が飽和の傾向を示す。したがって、高温環境かつ高駆動電流の下で安定して高出力を得るためには、特性温度Ｔ₀をある程度低くする必要があり、例えば上述の井戸層数が５層以下の場合に対応する６０Ｋ以下とすることが好ましい。

図４（ａ）は障壁層１４ｂの歪量（引張歪）がそれぞれ左から順に０．４５％、０．５０％、０．５５％の場合の半導体発光素子１のＬ−Ｉ特性を示すグラフである。ここで、井戸層１４ａはＩｎ_0.81Ｇａ_0.19Ａｓ_0.73Ｐ_0.27からなり、エネルギーギャップは０．８０ｅＶ、層厚は５．５ｎｍであり、１．０％の圧縮歪を有している。一方、障壁層１４ｂは歪量が−０．４５％、−０．５０％、−０．５５％の順にＩｎ_0.73Ｇａ_0.27Ａｓ_0.45Ｐ_0.55、Ｉｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.45Ｐ_0.55、Ｉｎ_0.71Ｇａ_0.29Ａｓ_0.45Ｐ_0.55からなり、層厚は６．０ｎｍである。また、前端面２２ａと後端面２２ｂ間の距離である共振器長は１０００μｍである。後端面２２ｂの反射率は９５％、前端面２２ａの反射率（以下、前端面反射率と記す）は７％である。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＬ−Ｉ特性に基づいた駆動電流が４００ｍＡの場合の光出力の歪量依存性のグラフ（白丸が２５℃、黒丸が８５℃のデータ）である。なお、図４（ｂ）には、環境温度２５〜８５℃における特性温度Ｔ₀の歪量依存性もプロットしている。

図４（ｂ）から明らかなように、室温（２５℃）および高温（８５℃）のいずれの場合においても、歪量０．５０％までは歪量の増加に伴って光出力が増加し、０．５５％になると光出力が下がり始めることが分かる。さらに、［表１］に示すように歪量が０．４５％と０．５０％の場合のフォトルミネッセンスの半値幅（ＰＬ半値幅）と比較して、０．５５％の場合のＰＬ半値幅は大きく増大している。したがって、障壁層１４ｂの歪量としては０．５０％以下を採用することが好ましい。

図５（ａ）は前端面２２ａと後端面２２ｂ間の距離である共振器長がそれぞれ左から順に１０００μｍ、１２００μｍ、１４００μｍの場合の半導体発光素子１のＬ−Ｉ特性を示すグラフである。

ここで、井戸層１４ａはＩｎ_0.81Ｇａ_0.19Ａｓ_0.73Ｐ_0.27からなり、エネルギーギャップは０．８０ｅＶ、層厚は５．５ｎｍであり、１．０％の圧縮歪を有している。一方、障壁層１４ｂはＩｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.45Ｐ_0.55からなり、エネルギーギャップは１．０５ｅＶ、層厚は６．０ｎｍであり、０．５０％の引張歪を有している。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のＬ−Ｉ特性に基づいた駆動電流が４００ｍＡの場合の光出力の共振器長依存性のグラフ（白丸が２５℃、黒丸が８５℃のデータ）である。なお、図５（ｂ）には、環境温度２５〜８５℃における特性温度Ｔ₀の共振器長依存性もプロットしている。

一般に、共振器長の増加に伴って飽和光出力は増大するが、図５（ｂ）から明らかなように、共振器長が１０００μｍよりも長くなると、室温（２５℃）および高温（８５℃）のいずれの場合においても、共振器長の増加に伴って光出力が低くなることが分かる。さらに、共振器長が長くなることにより消費電力が増大するという問題も生じる。このため、共振器長を１０００μｍから１２００μｍ程度とすることが好ましい。

図６（ａ）は後端面２２ｂの反射率が９５％であるときに、前端面反射率が７％および３０％の場合の半導体発光素子１のＬ−Ｉ特性を示すグラフである。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のＬ−Ｉ特性に基づいた駆動電流が４００ｍＡの場合の光出力の歪量依存性のグラフ（白丸が２５℃、黒丸が８５℃のデータ）である。なお、図６（ｂ）には、環境温度２５〜８５℃における特性温度Ｔ₀の共振器長依存性もプロットしている。

図６（ｂ）から明らかなように、前端面反射率が低くなるほど光出力は高くなり、特性温度Ｔ₀は低下することが分かる。このため、前端面反射率をＴ₀が６０Ｋになる２０％未満とすることが好ましい。

以上説明したように、井戸層数を５層以下、障壁層の歪量を０．５０％以下、共振器長を１０００μｍから１２００μｍ程度、前端面反射率を２０％未満とすることによって、半導体発光素子１は、環境温度が８５℃程度の高温であっても低駆動電流領域で１００ｍＷより大きな光出力を得ることができる。なお、このように形成された半導体発光素子１の発光波長は１．４８μｍ帯、特性温度Ｔ₀は５０〜６０Ｋ程度の値である。

以下、本発明に係る半導体発光素子の製造方法の一例を説明する。
まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２、複数のＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３を形成する。

次に、ＳＣＨ層１３の上に、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１４ａとＩｎＧａＡｓＰの障壁層１４ｂを交互に積層し、井戸層数が４または５のＭＱＷ構造を有する活性層１４を形成する。活性層１４の上には、複数のＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５を形成する。

次に、ＳＣＨ層１５の上に、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＮ_x膜（またはＳｉＯ₂膜）をｐ型クラッド層１８の下層部の全面に積層した後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってストライプ状のマスクパターンを露光して、現像する。そして、フッ酸によるエッチングでマスクパターンをＳｉＮ_xの形状に転写して、光導波路形成用のエッチングマスクを形成する。

そして、上記により設計されたエッチングマスクと、塩酸、硫酸と過酸化水素水と水の混合液からなるエッチング液を用いて、ｐ型クラッド層１８の下層部、ＳＣＨ層１５、活性層１４、ＳＣＨ層１３、ｎ型クラッド層１２をウェットエッチングまたはドライエッチングして、メサストライプを形成する。

次に、エッチングで除去された部分にＭＯＶＰＥ法を用い、エッチングマスクを成長阻害マスクとして利用して、ｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７を順次積層して埋め込む。

次に、光導波路形成用のエッチングマスクをフッ酸で除去して、メサストライプの上面を表出し、ｐ型クラッド層１８の下層部と組成の等しいｐ型ＩｎＰからなる埋め込み層を積層してｐ型クラッド層１８を完成し、その上部にｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１９をＭＯＶＰＥ法によって積層する。

そして、ｐ型コンタクト層１９上にｐ型金属電極２０を蒸着法で形成する。さらに半導体基板１１を研磨した後に半導体基板１１の底面にｎ型金属電極２１を同様に形成して、アロイ、メッキ工程を行い、半導体ウエハを完成する。

次に、半導体ウエハに対して劈開、ダイシング等を行うことにより個々の半導体発光素子に分離する。

最後に、個々の半導体発光素子の前端面２２ａ（光出射端面）に低反射膜、後端面２２ｂ（光反射端面）に高反射膜を施してレーザ構造とする。

以下、本発明に係る半導体発光素子を適用した光ファイバ増幅器の構成について、図７のブロック図を用いて説明する。

図７に示すように、光ファイバ増幅器３は、励起光を発生する第１の実施形態の半導体発光素子１と、半導体発光素子１から出射された励起光と入力信号光とを重畳する光結合器３１と、光結合器３１によって重畳された励起光と入力信号光との重畳光を増幅して出力信号光として出力する増幅用光ファイバ３３とを含む。なお、増幅用光ファイバ３３の前後には、戻り光防止のための光アイソレータ３２、３４が挿入されている。

入力信号光および半導体発光素子１から出力された１．４８μｍの波長帯の励起光は、光結合器３１に入射されて重畳光となる。重畳光は、光結合器３１から出射されて光アイソレータ３２を介して増幅用光ファイバ３３としてのエルビウム添加光ファイバに入射され、増幅されて光アイソレータ３４を介して出力信号光として出射される。

このとき、光ファイバ増幅器３の内部の温度は５０〜６０℃程度となっているが、光ファイバ増幅器３は励起光源として半導体発光素子１を備えているため、温度制御を行うことなく入力信号光を増幅し、出力信号光として出力することができる。さらに、光ファイバ増幅器３内に温度制御装置を配置する必要がないことによって、装置全体の小型化、低消費電力化、低コスト化を計ることができる。

以上説明したように、半導体発光素子は、井戸層数が５層以下、障壁層の歪量が０．５０％以下、共振器長が１０００μｍから１２００μｍ程度、前端面反射率が２０％未満であるため、環境温度が８５℃程度の高温であっても、温度制御なしで低駆動電流領域で１００ｍＷより大きな光出力を得ることができる。

そして、本発明に係る半導体発光素子を適用した光ファイバ増幅器は、温度制御を行うことなく入力信号光を増幅し出力信号光として出力することができ、装置全体の小型化、低消費電力化、低コスト化を計ることができる。

本発明に係る半導体発光素子の構成を示す斜視図および断面図本発明に係る半導体発光素子のエネルギーギャップを示す模式図本発明に係る半導体発光素子のＬ−Ｉ特性を示すグラフ本発明に係る半導体発光素子のＬ−Ｉ特性の歪量依存性を示すグラフ本発明に係る半導体発光素子のＬ−Ｉ特性の共振器長依存性を示すグラフ本発明に係る半導体発光素子のＬ−Ｉ特性の前端面反射率依存性を示すグラフ本発明に係る光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図

符号の説明

１半導体発光素子
２光ファイバ増幅器
１１半導体基板
１４活性層
１４ａ井戸層
１４ｂ障壁層
２２ａ前端面（第１の端面）
２２ｂ後端面（第２の端面）
３１光結合器
３３増幅用光ファイバ

Claims

ＩｎＰからなる半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、井戸層と障壁層が交互に積層されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層と、を備える半導体発光素子において、
前記障壁層が０．５％以下の引張歪を有し、
前記井戸層の層数が５層以下であることを特徴とする半導体発光素子。
前記活性層が劈開によって形成された第１および第２の端面を有し、
前記第１および第２の端面間の距離が１０００〜１２００μｍである請求項１に記載の半導体発光素子。
環境温度２５〜８５℃において、特性温度Ｔ₀が６０Ｋ以下である請求項１から請求項２のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
前記第１の端面の反射率が２０％未満である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子と、
入力信号光と前記半導体発光素子から出射された励起光とを重畳する光結合器と、
前記光結合器によって重畳された前記入力信号光と前記励起光との重畳光を増幅して出力信号光として出力する増幅用光ファイバと、を含む光ファイバ増幅器。