JP2009182052A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発振波長における端面コーティング膜の反射特性を維持しつつ、素子端面の放熱性を向上させることができる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１では、レーザ素体Ｐの端面２０と反射防止膜１０との間に、Ａｌ_２Ｏ_３からなる熱伝導性膜２２が形成されている。熱伝導性膜２２の厚さＴ_３は、半導体レーザ素子１の発振波長をλ、波長λに対する熱伝導性膜２２の屈折率をｎ_３としたときに、Ｔ_３＝λ／２ｎ_３を満たすようになっている。このような構成により、半導体レーザ素子１では、活性層１２での光吸収などによって発生した熱が熱伝導性膜２２を介して速やかに外部に伝導し、放熱性の向上が図られる。このことは、半導体レーザ素子１の信頼性の向上に寄与する。
【選択図】図３

Description

本発明は、端面コーティング膜が形成された半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザ素子の端面に形成するＡＲコート膜やＨＲコート膜といった端面コーティング膜には、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積層してなる誘電体多層膜が用いられている。端面コーティング膜では、半導体レーザ素子の発振波長に対する透過（又は反射）スペクトル幅が十分に大きくなるように膜設計がなされている。このような膜設計においては、半導体レーザ素子の端面と接する面に熱伝導率の低い誘電体膜が配置されることが多く、光吸収によって活性層で発生する熱の放熱性が問題となっていた。

半導体レーザ素子の放熱性に着目した技術として、例えば特許文献１に記載の半導体レーザでは、素子端面において活性層を含む局所的な領域にのみ端面コーティング膜を形成している。また、例えば特許文献２に記載の半導体レーザでは、屈折率が異なる２つの誘電体膜のうち、熱伝導率が高い方の膜を他方よりも厚く形成している。
特開平６−２０４６０２号公報 特開平６−２２４５１４号公報

しかしながら、上述した特許文献１のように、素子端面の局所的な領域に端面コーティング膜を形成する手法は、形状や膜厚の制御が困難であり、製造プロセス上、現実的なものではない。また、特許文献２のように誘電体膜の膜厚を変化させると、放熱性が向上したとしても、半導体レーザ素子の発振波長における端面コーティング膜の反射特性が変化してしまうおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、発振波長における端面コーティング膜の反射特性を維持しつつ、素子端面の放熱性を向上させることができる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る半導体レーザ素子は、レーザ光を発生させる活性層を含んで構成されたレーザ素体と、レーザ素体においてレーザ光の出射方向の端面に形成され、互いに屈折率が異なる誘電体膜を交互に積層してなる端面コーティング膜とを備え、レーザ素体の端面と端面コーティング膜との間には、Ａｌ_２Ｏ_３からなる熱伝導性膜が形成されており、レーザ光の波長をλ、熱伝導性膜の屈折率をｎとしたときに、熱伝導性膜の厚さがλ／２ｎを満たしていることを特徴としている。

この半導体レーザ素子では、レーザ素体の端面と端面コーティング膜との間に、熱伝導率が十分に高いＡｌ_２Ｏ_３からなる熱伝導性膜を形成している。このため、活性層での光吸収などによって発生した熱が熱伝導性膜を介して速やかに外部に伝導し、放熱性の向上が図られる。このことは、半導体レーザ素子の信頼性の向上に寄与する。また、熱伝導性膜の厚さは、レーザ光の波長をλ、熱伝導性膜の屈折率をｎとしたときに、λ／２ｎを満たすように設定されている。これにより、発振波長における端面コーティング膜の反射特性の変動が抑えられる。

また、端面コーティング膜は、ＴｉＯ_２膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを交互に積層してなり、熱伝導性膜は、ＴｉＯ_２膜と接していることが好ましい。端面コーティング膜がＡＲコートである場合に、発振波長におけるＡＲコートの反射特性の変動を抑えつつ、放熱性の向上が図られる。

また、端面コーティング膜は、ＳｉＯ_２膜とＳｉ膜とを交互に積層してなり、熱伝導性膜は、ＳｉＯ_２膜と接していることが好ましい。端面コーティング膜がＨＲコートである場合に、発振波長におけるＨＲコートの反射特性の変動を抑えつつ、放熱性の向上が図られる。

本発明に係る半導体レーザ素子によれば、端面コーティング膜の反射特性を維持しつつ、素子端面の放熱性を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザ素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態を示す断面図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。

図１及び図２に示す半導体レーザ素子１は、安定した単一モード性が要求される長距離光通信システムの光源として用いられる分布帰還型半導体レーザである。半導体レーザ素子１は、所定波長のレーザ光を発生させるレーザ素体Ｐを備えている。

レーザ素体Ｐは、略直方体形状をなしており、半導体基板２と、半導体基板２の一面側において、所定の方向に延在する半導体メサ部３と、半導体メサ部３の両側部を覆うように形成された埋め込み層４，５と、半導体メサ部３及び埋め込み層４，５の表面に形成されたクラッド層６と、クラッド層６の表面に形成されたコンタクト層７とによって構成されている。

また、レーザ素体Ｐにおいて、コンタクト層７の表面及び半導体基板２の他面側には、電極層８，９がそれぞれ形成されており、半導体メサ部３の延在方向（導波路方向）の両端面２０，２０には、反射防止膜（端面コーティング膜）２１，２１がそれぞれ形成されている。

半導体基板２は、例えばＳｎがドープされたｎ型ＩｎＰ基板である。半導体基板２の厚みは、約１００μｍとなっている。半導体メサ部３は、半導体基板２側から順に、クラッド層１１、活性層１２、回折格子形成層１３、クラッド層１４が積層されて構成されている。半導体メサ部３は、活性層１２を含む半導体領域を積層方向にエッチングで切り出すことにより、ストライプ状に形成されている。

活性層１２は、例えばＩｎＧａＡｓＰ層である。活性層１２は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有している。活性層１２には、クラッド層１１及びクラッド層６，１４からキャリアが注入され、このキャリアが再結合することによって光が発生する。

半導体メサ部３のクラッド層１１は、例えばＳｉがドープされたｎ型ＩｎＰ層である。また、クラッド層１４は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層である。クラッド層１１，１４の屈折率は、活性層１２よりも小さくなっており、これにより、クラッド層１１，１４は、活性層１２で発生した光を閉じ込める層として機能する。

回折格子形成層１３は、例えばＺｎがドープされたＩｎＧａＡｓＰ層である。回折格子形成層１３には、図２に示すように、導波路方向に沿った周期的な凹凸パターンからなる回折格子Ｇが形成されている。凹凸パターンにおける各凹部の深さは例えば３０ｎｍとなっており、その間隔は、例えば１２０ｎｍとなっている。

このような回折格子形成層１３は、半導体メサ部３の長手方向に沿って活性層１２の内部を進行する光の一部を、進行方向とは反対の方向に反射させる。これにより、活性層１２の内部では、回折格子Ｇにおける凹凸パターンの周期で決まる波長の光が帰還される。

埋込層４は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層である。埋込層４は、半導体メサ部３の側部に近づくにつれて厚みが増し、クラッド層１４の側部までを覆っている。一方、埋込層５は、例えばＦｅがドープされたｐ型ＩｎＧａＡｓ層である。埋込層５は、埋込層４の表面を覆うように形成され、埋込層５の表面は、フラットな状態になっている。

クラッド層６は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＰ層である。クラッド層６は、半導体メサ部３のクラッド層１４及び埋込層４，５を覆うように形成されており、クラッド層１４との協働によって、活性層１２の内部の光の閉じ込め効果を高めている。

コンタクト層７は、例えばＺｎがドープされたｐ型ＩｎＧａＡｓ層である。コンタクト層７は、電極層８とクラッド層６との間でのオーミック接触を実現する。電極層８及び電極層９は、例えばＡｕめっき層であり、厚みは１０μｍ程度となっている。電極層８は、コンタクト層７の表面に形成されており、電極層９は、半導体基板２の他面に形成されている。

反射防止膜１０，１０は、互いに屈折率が異なる誘電体膜を交互に積層してなる誘電体多層膜である。この反射防止膜１０は、レーザ素体Ｐにおける導波路方向の両端面２０，２０での反射の影響を低減させる機能を有している。反射防止膜１０は、図３に示すように、レーザ素体Ｐ側から見て、例えばＴｉＯ_２膜１０ａとＡｌ_２Ｏ_３膜１０ｂとがこの順に交互に積層されて構成されている。

ＴｉＯ_２膜１０ａの厚さＴ_１は、半導体レーザ素子１の発振波長をλ、波長λに対するＴｉＯ_２膜１０ａの屈折率をｎ_１としたときに、Ｔ_１＝λ／４ｎ_１を満たすようになっている。λが１．３１μｍである場合、ｎ_１は約２．３であり、Ｔ_１は約１４５ｎｍとなる。ＴｉＯ_２のバルクでの熱伝導率は、約６．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ｂの厚さＴ_２は、半導体レーザ素子１の発振波長をλ、波長λに対するＡｌ_２Ｏ_３膜１０ｂの屈折率をｎ_２としたときに、Ｔ_２＝λ／４ｎ_２を満たすようになっている。λが１．３１μｍである場合、ｎ_２は約１．６７であり、Ｔ_１は約７０ｎｍとなる。Ａｌ_２Ｏ_３のバルクでの熱伝導率は、約３０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

ところで、反射防止膜では、半導体レーザ素子の発振波長に対する透過スペクトル幅が十分に大きくなるように膜設計がなされている。このような膜設計においては、半導体レーザ素子の端面と接する面に熱伝導率の低い誘電体膜が配置されることが多く、光吸収によって活性層で発生する熱の放熱性が問題となっていた。

上述した半導体レーザ素子１についても、レーザ素体Ｐの端面２０に最も近い膜はＴｉＯ_２膜１０ａであり、ＴｉＯ_２膜１０ａの熱伝導率は、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ｂの熱伝導率と比較して１／５程度となっている。

これに対し、半導体レーザ素子１では、図３に示すように、レーザ素体Ｐの端面２０と反射防止膜１０との間に、Ａｌ_２Ｏ_３からなる熱伝導性膜２２が形成されている。熱伝導性膜２２は、反射防止膜１０を構成する誘電体膜のうち、ＴｉＯ_２膜１０ａと接している。熱伝導性膜２２の厚さＴ_３は、半導体レーザ素子１の発振波長をλ、波長λに対する熱伝導性膜２２の屈折率をｎ_３としたときに、Ｔ_３＝λ／２ｎ_３を満たすようになっている。λが１．３１μｍである場合、ｎ_３は約１．６７であり、Ｔ_３は約１４０ｎｍとなる。

このような構成により、半導体レーザ素子１では、活性層１２での光吸収などによって発生した熱が熱伝導性膜２２を介して速やかに外部に伝導し、放熱性の向上が図られる。このことは、半導体レーザ素子１の信頼性の向上に寄与する。熱伝導性膜２２は、例えば真空蒸着といった反射防止膜１０の製造プロセスにおいて、Ａｌ_２Ｏ_３膜１０ｂと厚さが異なる膜を一層追加することで形成できるので、半導体レーザ素子１の製造工程の複雑化を招くこともない。

また、熱伝導性膜２２の厚さＴ_３は、Ｔ_３＝λ／２ｎ_３を満たすように設定されている。ここで、図４は、熱伝導性膜２２が介在する場合と介在しない場合とにおいて、反射防止膜１０のスペクトルのシミュレーション結果を示した図である。

レーザ素体Ｐの端面２０と反射防止膜１０との間に熱伝導性膜２２が介在しない場合では、図４（ａ）に示すように、反射防止膜１０の特性は、発振波長１．３１μｍにおいて反射率０％であり、同波長における反射率の許容値を０．５％とすれば、許容帯域は、約０．２５μｍとなっている。

一方、レーザ素体Ｐの端面２０と反射防止膜１０との間に熱伝導性膜２２が介在する場合では、図４（ｂ）に示すように、反射防止膜１０の特性は、発振波長１．３１μｍにおいて反射率０．０３％であり、許容帯域は、約０．０６μｍとなっている。以上の結果から、Ｔ_３＝λ／２ｎ_３を満たす熱伝導性膜２２では、熱伝導性膜２２がない場合に比べて反射防止膜１０の許容帯域がやや狭くなるものの、発振波長λにおける反射防止膜１０の反射特性の変動は、わずか０．０３％に抑えられることが確認できる。

また、図５は、熱伝導性膜２２の厚さの許容範囲に関するシミュレーション結果を示した図である。同図に示すように、熱伝導性膜２２の厚さＴ_３をλ／２ｎ_３からシフトさせると、これに伴って反射防止膜１０の反射スペクトルが短波長側又は長波長側にシフトする。発振波長１．３１μｍに対する反射率の許容値を上述のように０．５％とすれば、熱伝導性膜２２の厚さＴ_３の許容範囲は、λ／２ｎ_３±３％と見積もられる。

上述した実施形態では、端面コーティング膜として反射防止膜１０を例示しているが、端面コーティング膜は、反射膜であってもよい。このような反射膜３０は、図６に示すように、レーザ素体Ｐ側から見て、例えばＳｉＯ_２膜３０ａとＳｉ膜３０ｂとがこの順に交互に積層されて構成される。

ＳｉＯ_２膜３０ａの厚さＴ_４は、半導体レーザ素子１の発振波長をλ、波長λに対するＳｉＯ_２膜３０ａの屈折率をｎ_４としたときに、Ｔ_４＝λ／４ｎ_４を満たすようになっている。λが１．５５μｍである場合、ｎ_４は約１．４５であり、Ｔ_４は約２６５ｎｍとなる。ＳｉＯ_２のバルクでの熱伝導率は、約１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

Ｓｉ膜３０ｂの厚さＴ_５は、半導体レーザ素子１の発振波長をλ、波長λに対するＳｉ膜３０ｂの屈折率をｎ_５としたときに、Ｔ_５＝λ／４ｎ_５を満たすようになっている。λが１．５５μｍである場合、ｎ_５は約３．３２であり、Ｔ_５は約１１６ｎｍとなる。Ｓｉ（アモルファス）のバルクでの熱伝導率は、約１４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

反射膜３０をレーザ素体Ｐの端面２０に形成する場合であっても、端面２０と反射膜３０との間に、ＳｉＯ_２膜３０ａに接するように、Ａｌ_２Ｏ_３からなる熱伝導性膜２２を形成すると、活性層１２での光吸収などによって発生した熱が熱伝導性膜２２を介して速やかに外部に伝導し、放熱性の向上が図られる。また、熱伝導性膜２２の厚さＴ_３が、λ／２ｎ_３を満たすことにより、発振波長における反射膜３０の反射特性の変動が抑えられる。

図７は、熱伝導性膜２２が介在する場合と介在しない場合とにおいて、反射膜３０のスペクトル特性のシミュレーション結果を示した図である。レーザ素体Ｐの端面２０と反射膜３０との間に熱伝導性膜２２が介在しない場合では、図７（ａ）に示すように、反射膜３０の特性は、発振波長１．５５μｍにおいて反射率９０．８％であり、同波長における反射率の許容値を９０％とすれば、許容帯域は、約０．３５μｍとなっている。

一方、レーザ素体Ｐの端面２０と反射膜３０との間に熱伝導性膜２２が介在する場合では、図７（ｂ）に示すように、反射膜３０の特性は、発振波長１．５５μｍにおいて反射率９０．８％であり、許容帯域は、約０．２μｍとなっている。以上の結果から、Ｔ_３＝λ／２ｎ_３を満たす熱伝導性膜２２では、熱伝導性膜２２がない場合に比べて反射膜３０の許容帯域がやや狭くなるものの、発振波長λにおける反射膜３０の反射特性の変動は、殆ど生じないことが確認できる。

また、図８は、熱伝導性膜２２の厚さの許容範囲に関するシミュレーション結果を示した図である。同図に示すように、熱伝導性膜２２の厚さＴ_３をλ／２ｎ_３からシフトさせると、これに伴って反射膜３０の反射スペクトルが短波長側又は長波長側にシフトする。発振波長１．５５μｍに対する反射率の許容値を上述のように９０．０％とすれば、熱伝導性膜２２の厚さＴ_３の許容範囲は、λ／２ｎ_３±１１％と見積もられる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。熱伝導性膜２２を適用する半導体レーザ素子は、ＤＦＢレーザに限られず、他の端面発光型半導体レーザ素子であってもよい。また、熱伝導性膜２２を適用する端面コーティング膜における誘電体膜の組み合わせは、上述したＴｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２／Ｓｉのほか、例えばＴａ_２Ｏ_５／ＳｉＯ_２、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２、ＴｉＯ_２／ＭｇＦ_２などであってもよい。

本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態を示す断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 レーザ素体の端面近傍の構成を示した図である。 熱伝導性膜が介在する場合と介在しない場合とにおいて、反射防止膜のスペクトルのシミュレーション結果を示した図である。 実施例について、熱伝導性膜の厚さの許容範囲に関するシミュレーション結果を示した図である。 変形例について、レーザ素体の端面近傍の構成を示した図である。 熱伝導性膜が介在する場合と介在しない場合とにおいて、反射膜のスペクトルのシミュレーション結果を示した図である。 変形例について、熱伝導性膜の厚さの許容範囲に関するシミュレーション結果を示した図である。

符号の説明

１…半導体レーザ素子、Ｐ…レーザ素体、１２…活性層、２０…端面、１０…反射防止膜（端面コーティング膜）、１０ａ…ＴｉＯ_２膜、１０ｂ…Ａｌ_２Ｏ_３膜、２２…熱伝導性膜、３０…反射膜（端面コーティング膜）、３０ａ…ＳｉＯ_２膜、３０ｂ…Ｓｉ膜。

Claims (3)

1. レーザ光を発生させる活性層を含んで構成されたレーザ素体と、
   前記レーザ素体において前記レーザ光の出射方向の端面に形成され、互いに屈折率が異なる誘電体膜を交互に積層してなる端面コーティング膜とを備え、
   前記レーザ素体の前記端面と前記端面コーティング膜との間には、Ａｌ_２Ｏ_３からなる熱伝導性膜が形成されており、
   前記レーザ光の波長をλ、前記熱伝導性膜の屈折率をｎとしたときに、前記熱伝導性膜の厚さがλ／２ｎを満たしていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記端面コーティング膜は、ＴｉＯ_２膜とＡｌ_２Ｏ_３膜とを交互に積層してなり、前記熱伝導性膜は、前記ＴｉＯ_２膜と接し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。
3. 前記端面コーティング膜は、ＳｉＯ_２膜とＳｉ膜とを交互に積層してなり、前記熱伝導性膜は、前記ＳｉＯ_２膜と接し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。

Images