JP2009238857A - 半導体レーザのスクリーニング方法および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】初期故障品を短時間で選別することができる半導体レーザのスクリーニング方法および製造方法を提供すること。
【解決手段】半導体レーザの光出力と、該光出力で動作する半導体レーザが所定の劣化状態に至るまでの時間と、の関係を示す光出力−劣化時間特性を取得する（Ｓ７５４）。次に、取得された光出力−劣化時間特性に基づいて、半導体レーザを所定時間で所定の劣化状態に至らせるための光出力を決定する（Ｓ７５６）。そして、Ｓ７５６で決定された光出力で半導体レーザを所定時間動作させる。
【選択図】図９

Description

本発明は、半導体レーザのスクリーニング方法および製造方法に関する。

半導体レーザの故障モードは、図１に示すように、初期故障、偶発故障、磨耗故障の３つに大別される。通信用半導体レーザの寿命は一般に約２０年と言われ、約２万時間経過前に故障する半導体レーザが初期故障品として扱われる。

十分な期待寿命を有する半導体レーザだけを市場に投入するためには、初期故障品を予め取り除いておく必要がある。このため、半導体レーザの製造工程には、初期故障品を選別するためのスクリーニング工程が含まれている。

従来のスクリーニング工程では、一般に６０〜１５０℃の高温および１００〜２００ｍＡの大電流が半導体レーザに印加される。これは、レーザの劣化を加速し、短時間で初期故障品を選別するために行われる、いわゆる「温度加速」および「電流加速」を用いた試験（以下「電流パージ試験」という。）である。たとえば特許文献１には、常温より高い周囲温度の下で半導体レーザに高い駆動電流を流すことにより、加速試験時間を短縮するスクリーニング方法が開示されている。

なお、非特許文献１には、活性層材料としてＩｎＧａＡｌＡｓを用いた高温動作可能な半導体レーザ（以下「ＩｎＧａＡｌＡｓレーザ」という。）が開示されている。ＩｎＧａＡｌＡｓは、通信用半導体レーザの活性層材料として一般的なＩｎＧａＡｓＰに比べて、エネルギーバンド構造上、電子のオーバーフローが起こりにくい。このため、温度特性の良いＩｎＧａＡｌＡｓが、半導体レーザの活性層材料として近年注目されている。
特開平１０−３０３４９６号公報 R. Paoletti etal.,"Highly reliable and high yield 1300nm InGaAlAs directly modulatedridge Fabry-Perot lasers, operating at 10Gb/s, upto 110℃ with constant currentswing", PDP 15, OFC 2005

ＩｎＧａＡｌＡｓはＩｎＧａＡｓＰに比べ結晶欠陥が多いことが知られている。しかしながら、かかる結晶欠陥の比較的多い活性層材料を用いた通信用半導体レーザの故障モードは、未だ解明し尽くされていない。このため、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザのスクリーニング試験において、試験条件の検討をさらに進めることが望まれている。

なお、本課題は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザに限らず、結晶欠陥の多い活性層材料（たとえばＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど）を用いた半導体レーザ全般に共通するものである。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、初期故障品を短時間で選別することができる半導体レーザのスクリーニング方法および製造方法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、本発明に係る半導体レーザのスクリーニング方法は、半導体レーザの光出力と、該光出力で動作する前記半導体レーザが所定の劣化状態に至るまでの時間と、の関係を示す劣化時間特性を取得する劣化時間特性取得工程と、前記劣化時間特性に基づいて、前記半導体レーザを所定時間で前記所定の劣化状態に至らせるための光出力を決定する光出力決定工程と、前記決定された光出力で前記半導体レーザを前記所定時間動作させることにより、前記半導体レーザの劣化を加速する光加速工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、光加速工程における半導体レーザの光出力が劣化時間と相関を持つため、半導体レーザを所定の劣化状態にする光加速工程の所要時間を調整することが可能となる。このため、初期故障品を短時間で選別することができる。

また、本発明の一態様では、前記半導体レーザに与える負荷と、該半導体レーザの光出力と、の関係を示す光出力特性を取得する光出力特性取得工程と、前記光出力特性に基づいて、前記半導体レーザの光出力が前記決定された光出力となる負荷を決定する負荷決定工程と、をさらに含み、前記光加速工程は、前記決定された負荷で前記半導体レーザを前記所定時間動作させる。

この態様によれば、光加速工程において半導体レーザに印加される負荷が光出力特性に基づいて決定されるため、半導体レーザを所定の劣化状態にする光加速工程の所要時間を精度良く調整することができる。

また、本発明の一態様では、前記負荷は、雰囲気温度および動作電流であり、前記負荷決定工程では、前記光出力特性に基づいて、前記半導体レーザの光出力が前記決定された光出力となる雰囲気温度および動作電流を決定する。

この態様によれば、光加速工程における半導体レーザの雰囲気温度および該半導体レーザに印加される動作電流が電流−光出力特性およびその温度変化のデータに基づいて決定されるため、半導体レーザを所定の劣化状態にする光加速工程の所要時間を精度良く調整することができる。

また、本発明の一態様では、前記光出力特性取得工程では、複数の前記雰囲気温度それぞれについて複数の前記動作電流それぞれに対する前記半導体レーザの光出力を測定し、該測定結果に基づいて前記光出力特性を取得する。

この態様によれば、雰囲気温度別の光出力特性（動作電流と光出力との関係）が明らかでない半導体レーザについても、光加速工程の所要時間を調整することができる。

また、本発明の一態様では、前記半導体レーザの雰囲気温度が前記決定された雰囲気温度に維持されるよう、必要に応じて冷却装置を駆動する冷却工程をさらに含む。

なお、この態様では、前記半導体レーザの活性層は、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成され、前記冷却工程では、前記半導体レーザの雰囲気温度を４０℃以下に維持してもよい。こうすれば、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの初期故障品を短時間で選別できるようになる。

また、本発明の一態様では、前記光加速工程の後に、前記決定された雰囲気温度よりも高い雰囲気温度で前記半導体レーザを動作させる第１温度加速工程をさらに含んでもよい。また、前記劣化加速工程の前に、前記決定された雰囲気温度よりも高い雰囲気温度で前記半導体レーザを動作させる第２温度加速工程をさらに含んでもよい。こうすれば、半導体レーザの初期故障モードをより確実に排除できるようになる。

また、本発明に係る半導体レーザの製造方法は、半導体レーザの光出力と、該光出力で動作する前記半導体レーザが所定の劣化状態に至るまでの時間と、の関係を示す劣化時間特性を取得する劣化時間特性取得工程と、前記劣化時間特性に基づいて、前記半導体レーザを所定時間で前記所定の劣化状態に至らせるための光出力を決定する光出力決定工程と、前記半導体レーザを形成する工程と、前記決定された光出力で前記形成された半導体レーザを前記所定時間動作させることにより、前記半導体レーザの劣化を加速する光加速工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、半導体レーザの初期故障品を短時間で選別できるので、信頼性の高い半導体レーザを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、活性層がＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたＩｎＧａＡｌＡｓレーザを例に挙げ、その劣化特性と好適なスクリーニング条件の決定方法を説明する。

図２は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間の光出力依存性（以下「光出力−劣化時間特性」という。）を示す図である。同図において、スクリーニング条件ライン（実線）は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザを初期故障品のスクリーニング条件（ここでは、光出力１０ｍＷ（実使用条件）、動作時間２万時間とする。）相当の劣化状態（以下「初期故障スクリーニング可能状態」という。）にまで劣化させるために必要な光出力（横軸）と劣化時間（縦軸：対数目盛）との関係を示している。

光出力−劣化時間特性の測定は、次のように行う。恒温槽内にて複数個の素子それぞれの光出力を長時間一定に維持し、各素子の劣化率を測定する。全素子の劣化率が飽和するまで測定を行ったのち、全素子の劣化時間の中心値を当該光出力に対する劣化時間とする。かかる測定を光出力を変化させながら次々と行うことにより、光出力に対する劣化時間の相関（図２の点線）が得られる。図２のスクリーニング条件ライン（実線）は、こうして得られた点線の傾き（劣化加速率）に基づいて決定される。すなわち、スクリーニング条件ライン（実線）は、所定の初期故障品のスクリーニング条件の１つ（ここでは１０ｍＷ、２万時間とする。）を示す点を図中にプロットし、その点を通り上記相関（点線）と同じ傾きを持つ線を引くことによって得られる。

図２に示すスクリーニング条件ラインによれば、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザは、光出力が高くなるほど劣化時間が短くなるという特性を有することが分かる。このため、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化を加速するためには、高光出力でレーザを動作させる試験（以下「光パージ試験」という。）が有効である。たとえば、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザを光出力１０ｍＷで２万時間動作させた場合に相当する劣化状態にするためには、光出力２０ｍＷで１０分程度動作させる光パージ試験を行えばよい。これは、光出力を１０ｍＷから２０ｍＷに上げると、劣化速度が１２万倍になることを示している。このため、光出力２０ｍＷでＩｎＧａＡｌＡｓレーザを約１時間動作させれば、半導体レーザの２０年という寿命を保証することもできる。ただし、半導体レーザの無用な劣化を防ぐために、たとえば光出力２０ｍＷでＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光パージ試験を行う場合、初期故障の保証では試験時間を１０分以下に、総寿命の保証では試験時間を１時間以下にすることが望ましい。

なお、図２に示す電流パージ試験適用品の故障分布（斜線部分）は、電流パージ試験のみ（劣化時間２万時間）を実施したＩｎＧａＡｌＡｓレーザ素子のワーキングサンプルの寿命試験結果である。同図に示すように、電流パージ試験では光出力が１ｍＷ以下〜数ｍＷ（実使用条件以下）と低いため、素子の劣化が十分に進行しない場合がある。

また、図２に示す５点の黒丸は、電流パージ試験のみを実施したＩｎＧａＡｌＡｓレーザ素子のワーキングサンプル（光パージ試験条件検討品）について、雰囲気温度２５℃で光出力を振り、劣化時間を評価した結果である。同図によれば、電流パージ試験を実施したＩｎＧａＡｌＡｓレーザ素子に対して、雰囲気温度２５℃、光出力２０ｍＷ、および劣化時間５分の光パージ試験をさらに実施することにより、光出力１０ｍＷ（実使用条件）で１０万時間の寿命が保証される。

ここで、高い光出力がＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化を加速するメカニズムを図３に基づいて説明する。図３は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光吸収による劣化メカニズムを示す模式図である。同図（ａ）に示すように、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザには、ＩｎＧａＡｌＡｓの結晶欠陥に起因する、エネルギーバンドの禁制帯内に光を吸収する準位が存在する。ここで、当該準位で非発光再結合が起きると、局所的な発熱が生じる。その結果、同図（ｂ）に示すように、局所的にエネルギーバンド幅が縮小し、より光吸収および非発光再結合が起き易い状態となる。すなわち、非発光再結合、局所的発熱、バンド幅の縮小、光吸収、非発光再結合、局所的発熱、バンド幅の縮小、光吸収、・・・といった正帰還現象が生じる。こうして起こる光吸収が、活性層内の結晶を破壊し、半導体レーザを劣化させる主な要因となっている。

このような劣化は、雰囲気温度ではなく、エネルギーバンド幅を局所的に縮小させる局所的な内部発熱に大きく依存する。このため、活性層材料として結晶欠陥の比較的多いＩｎＧａＡｌＡｓを用いたＩｎＧａＡｌＡｓレーザでは、レーザ内部の光パワーの量、すなわち外部で観測される光の量（光出力）が大きいほど、劣化の進行が早くなる。言い換えると、結晶欠陥の種を持つＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化を加速するためには、高光出力で動作させること（以下「光加速」という。）が有効である。逆に、結晶欠陥の種を持たない半導体レーザでは、上記光吸収が起きないため、光出力がレーザの劣化に及ぼす影響は小さい。

次に、雰囲気温度をパラメータとするＩｎＧａＡｌＡｓレーザの動作電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を図４に示す。このＩ−Ｌ特性は、雰囲気温度を変えながら複数の動作電流それぞれに対するＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光出力を測定した結果に基づいて作成されたものである。同図によれば、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザは、雰囲気温度が低いほど光出力が高くなるという特性を有する。このため、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光出力を上げるためには、雰囲気温度を下げる必要がある。

たとえば光出力２０ｍＷでＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光パージ試験を行う場合、図４に示すＩ−Ｌ特性によれば、雰囲気温度を２５℃（動作電流は１５０〜２００ｍＡ）にする必要がある。これは、電流パージ試験で一般的な条件である雰囲気温度１００℃（動作電流１５０ｍＡ）に比べて極めて低い温度である。同図によれば、雰囲気温度１００℃でＩｎＧａＡｌＡｓレーザを動作させた場合、光出力は５ｍＷにも満たない（実使用条件１０ｍＷを大きく下回る）。このため、電流パージ試験のみによってＩｎＧａＡｌＡｓレーザのスクリーニング精度を上げるためには膨大な試験時間が必要となる。

図５は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間の雰囲気温度依存性（温度−劣化時間特性）を示す図である。この温度−劣化時間特性は、複数のＩｎＧａＡｌＡｓレーザについて、動作電流を一定とし、雰囲気温度を変化させながら劣化時間を測定した結果である。同図に示すように、雰囲気温度を下げるほどＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間が短くなっている。特に、雰囲気温度４０℃以下で劣化時間の短縮効果が顕著である。これは、温度が高いほど劣化が早まるＩｎＧａＡｓＰ系レーザとは、逆の特性である。なお、劣化時間をより好適に短縮するためには、雰囲気温度を３０℃以下とすることが望ましい。

図６は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間の動作電流依存性（電流ー劣化時間特性）を示す図である。この劣化時間の動作電流依存性は、雰囲気温度を２５℃として動作電流を変化させながら劣化時間を測定した結果に基づいて作成されたものである。同図に示すように、動作電流を上げるほどＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間が短くなっている。これは、動作電流が上がるＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光出力が増加するためである。逆に、動作電流を下げると光出力も低下するため、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化速度が落ちる。特に、動作電流を１００ｍＡ（動作電流密度１０ｋＡ／ｃｍ２）未満にすると劣化が観察されなかった。これより、雰囲気温度２５℃での光加速によるスクリーニング試験には、１００ｍＡ以上の動作電流を要することが分かる。なお、劣化時間をより好適に短縮するためには、動作電流を１５０ｍＡ（動作電流密度１５ｋＡ／ｃｍ＾２）以上にすることが望ましい。

以上説明したように、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザのスクリーニング試験では、従来の電流パージ試験（温度加速、電流加速）で適用されていた雰囲気温度よりも低温で行う光パージ試験（光加速）が有効である。このため、６０〜１５０℃の高温で行われていた従来のスクリーニング工程と異なり、本実施形態に係るスクリーニング工程では、雰囲気温度が所定の低温に維持されるよう、必要に応じて冷却装置を駆動してもよい。

ここで、半導体レーザ素子の製造方法を図７に基づいて説明する。同図に示すように、半導体レーザ素子の製造工程は、結晶成長（Ｓ７００）ウェハプロセス（Ｓ７１０）、チップ化（Ｓ７２０）、チップ選別（Ｓ７３０）、組立（Ｓ７３５）、スクリーニング（Ｓ７４０）で構成される。なお、スクリーニング後には、素子特性評価（図示せず）が行われる。

図８は、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザ素子のスクリーニングに適用可能な３つの試験工程例を示すフロー図である。同図（ａ）に示すように、まずレーザの劣化を加速するために、低温かつ高光出力での光パージ試験（光加速試験）を所定時間（たとえば１０分間）実施する（Ｓ７５０）。Ｓ７５０の光パージ試験で適用される試験条件は、次のようにして決定される。

図９に示すように、まずＩｎＧａＡｌＡｓレーザのＩ−Ｌ特性（図４参照）を取得する（Ｓ７５２）。また、ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの光出力−劣化時間特性（図２の実線参照）を取得する（Ｓ７５４）。次に、Ｓ７５４で取得した光出力−劣化時間特性に基づいて、上記所定時間でレーザを初期不良スクリーニング可能状態にするために必要な光出力を決定する（Ｓ７５６）。最後に、Ｓ７５２で取得したＩ−Ｌ特性に基づいて、レーザの光出力がＳ７５６で決定された光出力となるために必要な雰囲気温度および動作電流を決定する（Ｓ７５８）。なお、Ｓ７５２とＳ７５４の順序は逆でもよい。

光パージ試験によって一旦成長した活性層内の結晶欠陥は電流加速によって容易に成長するため、光パージ試験の後に、高温および大電流を与えて低光出力での電流パージ試験（温度加速、電流加速試験）を行う（Ｓ７６０）。その後、動作電流を上限まで上げて中光出力でのエージング試験をさらに実施する（Ｓ７７０）。

一方、結晶欠陥の種がレーザ活性層内に元から存在せず、温度加速、電流加速によってもたらされる場合もある。この場合、図８（ｂ）に示すように、電流パージ試験（Ｓ７６０）を光パージ試験（Ｓ７５０）の前に行うことが有効である。

また、図８（ｂ）に示す試験工程における光パージ試験によって成長した結晶欠陥をより確実に成長させるために、同図（ｃ）に示すように、光パージ試験（Ｓ７５０）の後に再度電流パージ試験（Ｓ７６２）を行ってもよい。
［実施形態１］

次に、上記製造方法で製造された半導体レーザの一実施形態を図１０および１１に示す。図１０は、リッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００の光軸方向の断面図である。図１１は、リッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００の光軸方向の斜視部分断面図である。

図１０および１１に示すリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００は、次の工程で形成される。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１００（不純物濃度１Ｅ１８ｃｍ＾−３）の上に順次、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０１（不純物濃度２Ｅ１８ｃｍ＾−３、厚さ０．４μｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層１０２（不純物濃度２Ｅ１８ｃｍ＾−３、厚さ０．１μｍ）、多重量子井戸活性層１０３（ＩｎＧａＡｌＡｓのｗｅｌｌ／ｂａｒｒｉｅｒ：６周期、厚さ０．１８μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層１０４（不純物濃度４Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．０３μｍ）、ｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層１０５（不純物濃度８Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．０６μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓエッチストッパー層１０６（不純物濃度８Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．０５μｍ）、ｐ型ＩｎＰスペーサ層１０７（不純物濃度８Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．０２μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１０８（不純物濃度８Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．０２μｍ）が結晶形成により形成される。次に、回折格子層１０８で構成される回折格子１２７の上に、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０９（不純物濃度１Ｅ１８ｃｍ＾−３、厚さ１．３μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０（不純物濃度１Ｅ１９ｃｍ＾−３、厚さ０．２μｍ）が結晶成長により形成される。そして、リッジ導波路１１１（幅１〜２μｍ）、パッシベーション膜１１４（ＳｉＯ２膜、厚さ０．４μｍ）、ｐ電極１１２（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、厚さ０．７μｍ）が形成され、裏面研磨の後、ｎ電極１１３（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、厚さ０．８μｍ）が形成される。最後に、劈開工程を経てリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００が作製される。

なお、図１１において、リッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００の前方端面には無反射膜、後方端面には高反射膜が形成されている。また、共振器長は１５０〜３００μｍである。

次に、初期故障モードを排除し、通信用レーザに必要な期待寿命を保証するために、図８（ａ）に示すスクリーニング工程をリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００に適用した例を以下に説明する。

まず、リッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００に対して、光パージ試験（雰囲気温度２５℃、初期光出力２３ｍＷ：動作電流一定、５分）を実施した（Ｓ７５０）。続いて、電流パージ試験（雰囲気温度１００℃、動作電流１００ｍＡ：動作電流一定、２０時間）を実施した（Ｓ７６０）。そして、両パージ試験で劣化の見られなかった良品素子について、動作温度上限にてエージング試験（雰囲気温度８５℃、初期動作電流８０ｍＡ：光出力一定、１００時間）を実施した（Ｓ７７０）。この結果、投入した全ての素子について劣化が見られなかった。

さらにその後、寿命確認試験（雰囲気温度８５℃、初期動作電流８０ｍＡ：光出力一定、２０００時間）を実施した。その結果、初期値にて規格化した動作電流の変動量（ΔＩｏｐ（ｔ）＝（Ｉｏｐ（ｔ）−Ｉｏｐ（０））／Ｉｏｐ（０））は、寿命確認試験時間の１／２乗に比例して推移し、１００万時間以上の期待寿命が検証できた。

なお、本実施形態では、初期光出力２３ｍＷ、動作電流を一定として光パージ試験を実施したが、光出力を一定としてもよい。また、光パージ試験の光出力は、飽和光出力の５０％である１５ｍＷ以上（より好ましくは２０ｍＷ以上）でもよい。

なお、波長１.５５μｍ帯用のリッジ導波路型半導体レーザ素子を作製した場合、ファブリペロー型のリッジ導波路型半導体レーザ素子を作製した場合、ｐ型ＩｎＰ基板上にリッジ導波路型半導体レーザ素子を作製した場合、さらにＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓもしくはＡｌＧａＡｓを活性層材料に用いたリッジ導波路型半導体レーザ素子を作製した場合についても、同様の効果が得られた。

図１２は、光パージ試験を実施したリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００を含む光送信モジュール５００の機能ブロック図である。同図に示すように、光送信モジュール５００は、モジュールケース１２０、リッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００、サーミスタ１２１、駆動ＩＣ１２２、ＤＡＴＡ入力端子１２３、電源端子１２５、ＧＮＤ端子１２６、モニタフォトダイオード１３０、を含んで構成される。

ケース１２０内部に配置された半導体レーザ素子４００は、駆動ＩＣ１２２により直変駆動される。半導体レーザ素子４００の前方光信号は、図示しない光ファイバにより伝送される。半導体レーザ素子４００の後方光は、モニタフォトダイオード１３０によりモニタされる。ケース１２０の半導体レーザ素子４００の近傍に配置されたサーミスタ１２１は、半導体レーザ素子４００の温度をモニタする。後方光パワーと温度は、半導体レーザ素子４００駆動制御に利用される。

光パージ試験を実施したリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子４００にはレーザ素子に起因する初期故障モードが無いため、信頼性と量産性に優れた光送信モジュール５００を市場に供給することが可能となった。
［実施形態２］

次に、上記製造方法で製造された半導体レーザの他の実施形態を図１３および１４に示す。図１３は、埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００の光軸方向の断面図である。図１４は、埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００の光軸方向の斜視部分断面図である。

図１３および１４に示す埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００は、次の工程で形成される。まず、ｎ型ＩｎＰ基板２００（不純物濃度１．５Ｅ１８ｃｍ＾−３）上に順次、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０１（不純物濃度１．５Ｅ１８ｃｍ＾−３、厚さ０．５μｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層２０２（不純物濃度２Ｅ１８ｃｍ＾−３、厚さ０．１μｍ）、多重量子井戸活性層２０３（ＩｎＧａＡｌＡｓのｗｅｌｌ／ｂａｒｒｉｅｒ：７周期、厚さ０．２１μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層２０４（不純物濃度３Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層２０５（不純物濃度８Ｅ１７ｃｍ＾−３、厚さ０．１μｍ）、ｐ型ＩｎＰクラッド層２０９（不純物濃度１Ｅ１８ｃｍ＾−３、厚さ１．４μｍ）、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２１０（不純物濃度１Ｅ１９ｃｍ＾−３、厚さ０．１５μｍ）が結晶成長により形成される。次に、多重量子井戸活性層を貫通するエッチングにより導波路（幅１．２〜２．３μｍ）が形成される。そして、高抵抗のＦｅ-ＩｎＰ再成長層２１５、パッシベーション膜２１４（ＳｉＯ２膜、厚さ０．４μｍ）、ｐ電極２１２（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、厚さ０．７μｍ）が形成され、裏面研磨の後、ｎ電極２１３（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、厚さ０．８μｍ）が形成される。最後に、劈開工程を経て、埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００が作製される。

なお、図１４において、埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００の素子前方端面には無反射膜、後方端面には高反射膜が形成されている。また、共振器長は１５０〜３００μｍである。

次に、初期故障モードを排除し、通信用レーザに必要な期待寿命を保証するために、図８（ａ）に示すスクリーニング工程を埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００に適用した例を以下に説明する。

まず、埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子６００に対して、光パージ試験（雰囲気温度４０℃、初期光出力２８ｍＷ：動作電流一定、５分）を実施した（Ｓ７５０）。続いて、電流パージ試験（雰囲気温度１１０℃、動作電流１００ｍＡ：動作電流一定、２０時間）を実施した（Ｓ７６０）。そして、両パージ試験で劣化の見られなかった良品素子について、動作温度上限にてエージング試験（雰囲気温度８５℃、初期動作電流８０ｍＡ：光出力一定、１００時間）を実施した（Ｓ７７０）。この結果、投入した全ての素子について劣化が見られなかった。

さらにその後、寿命確認試験（雰囲気温度８５℃、初期動作電流８０ｍＡ：光出力一定、２０００時間）を実施した。その結果、初期値にて規格化した動作電流の変動量は、寿命確認試験時間の１／２乗に比例して推移し、１００万時間以上の期待寿命が検証できた。

なお、波長１.５５μｍ帯用の埋込ヘテロ型半導体レーザ素子を作製した場合、埋込ヘテロ型のＤＦＢレーザ素子を作製した場合、ｐ型ＩｎＰ基板上に埋込ヘテロ型半導体レーザ素子を作製した場合、並びにＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓもしくはＡｌＧａＡｓを活性層材料に用いた埋込ヘテロ型半導体レーザ素子を作製した場合についても、同様の効果が得られた。

以上説明した実施形態によれば、半導体レーザの初期故障品を短時間で選別できるので、信頼性の高い半導体レーザを提供することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、たとえば、ＩｎＧａＡｓＰに比べ結晶欠陥の多い材料（ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど）を活性層に用いる半導体レーザにも広く適用可能である。また、半導体レーザの光出力−劣化時間特性およびＩ−Ｌ特性は、公知の文献などから取得してもよいし、実験により取得してもよい。

また、スクリーニング工程において半導体レーザに与える負荷は、雰囲気温度と動作電流に限らず、半導体レーザの光出力を変化させる要素であればよい（たとえば電界、磁界、各種応力など）。

半導体レーザの通電時間と故障発生数の関係を示す図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間の光出力依存性（光出力−劣化時間特性）を示す図である。 半導体レーザの光吸収による劣化メカニズムを示す模式図である。 雰囲気温度をパラメータとするＩｎＧａＡｌＡｓレーザの動作電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）を示す図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間の雰囲気温度依存性（温度−劣化時間特性）を示す図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓレーザの劣化時間の動作電流依存性（電流ー劣化時間特性）を示す図である。 半導体レーザ素子の製造工程を示すフロー図である。 ＩｎＧａＡｌＡｓレーザ素子のスクリーニングに適用可能な３つの試験工程例を示すフロー図である。 光パージ試験（光加速試験）で適用される試験条件を決定する工程を示すフロー図である。 実施形態１に係るリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子の光軸方向の断面図である。 実施形態１に係るリッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子の光軸方向の斜視部分断面図である。 実施形態１に係る光送信モジュールの機能ブロック図である。 実施形態２に係る埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子の光軸方向の断面図である。 実施形態２に係る埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子の光軸方向の斜視部分断面図である。

符号の説明

１００，２００ ｎ型ＩｎＰ基板、１０１，２０１ ｎ型ＩｎＰバッファ層、１０２，２０２ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層、１０３，２０３ 多重量子井戸活性層、１０４，２０４ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ光ガイド層、１０５，２０５ ｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層、１０６ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓエッチストッパー層、１０７ ｐ型ＩｎＰスペーサ層、１０８ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、１０９，２０９ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１１０，２１０ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１１１ リッジ導波路、１１２，２１２ ｐ電極、１１３，２１３ ｎ電極、１１４，２１４ パッシベーション膜、１２０ モジュールケース、１２１ サーミスタ、１２２ 駆動ＩＣ、１２３ ＤＡＴＡ入力端子、１２４ 光出力、１２５ 電源端子、１２６ ＧＮＤ端子、１２７ 回折格子、１３０ モニタフォトダイオード、２１５ 高抵抗Ｆｅ-ＩｎＰ再成長層、４００ リッジ導波路型ＤＦＢ半導体レーザ素子、５００ 光送信モジュール、６００ 埋込ヘテロ型ファブリペロー半導体レーザ素子。

Claims (9)

1. 半導体レーザの光出力と、該光出力で動作する前記半導体レーザが所定の劣化状態に至るまでの時間と、の関係を示す劣化時間特性を取得する劣化時間特性取得工程と、
   前記劣化時間特性に基づいて、前記半導体レーザを所定時間で前記所定の劣化状態に至らせるための光出力を決定する光出力決定工程と、
   前記決定された光出力で前記半導体レーザを前記所定時間動作させることにより、前記半導体レーザの劣化を加速する光加速工程と、
   を含むことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
2. 請求項１に記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記半導体レーザに与える負荷と、該半導体レーザの光出力と、の関係を示す光出力特性を取得する光出力特性取得工程と、
   前記光出力特性に基づいて、前記半導体レーザの光出力が前記決定された光出力となる負荷を決定する負荷決定工程と、
   をさらに含み、
   前記光加速工程は、前記決定された負荷で前記半導体レーザを前記所定時間動作させる、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
3. 請求項２に記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記負荷は、雰囲気温度および動作電流であり、
   前記負荷決定工程では、前記光出力特性に基づいて、前記半導体レーザの光出力が前記決定された光出力となる雰囲気温度および動作電流を決定する、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
4. 請求項３に記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記光出力特性取得工程では、複数の前記雰囲気温度それぞれについて複数の前記動作電流それぞれに対する前記半導体レーザの光出力を測定し、該測定結果に基づいて前記光出力特性を取得する、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
5. 請求項３または４に記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記半導体レーザの雰囲気温度が前記決定された雰囲気温度に維持されるよう、必要に応じて冷却装置を駆動する冷却工程をさらに含む、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
6. 請求項５に記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記半導体レーザの活性層は、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成され、
   前記冷却工程では、前記半導体レーザの雰囲気温度を４０℃以下に維持する、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
7. 請求項３から６のいずれかに記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記光加速工程の後に、前記決定された雰囲気温度よりも高い雰囲気温度で前記半導体レーザを動作させる第１温度加速工程をさらに含む、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
8. 請求項３から７のいずれかに記載の半導体レーザのスクリーニング方法において、
   前記劣化加速工程の前に、前記決定された雰囲気温度よりも高い雰囲気温度で前記半導体レーザを動作させる第２温度加速工程をさらに含む、
   ことを特徴とする半導体レーザのスクリーニング方法。
9. 半導体レーザの光出力と、該光出力で動作する前記半導体レーザが所定の劣化状態に至るまでの時間と、の関係を示す劣化時間特性を取得する劣化時間特性取得工程と、
   前記劣化時間特性に基づいて、前記半導体レーザを所定時間で前記所定の劣化状態に至らせるための光出力を決定する光出力決定工程と、
   前記半導体レーザを形成する工程と、
   前記決定された光出力で前記形成された半導体レーザを前記所定時間動作させることにより、前記半導体レーザの劣化を加速する光加速工程と、
   を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。

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