JP2010165870A

JP2010165870A - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP2010165870A
Application number: JP2009007020A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakamura; 厚中村
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】一般的な埋込型構造及びリッジ型構造の量子井戸型半導体レーザでは実現されなかった、低い閾値の電流特性を有し、かつ、低コスト化を可能とする半導体レーザの提供。
【解決手段】活性層に引張り歪を印加した量子井戸型半導体レーザであって、光導波路領域の外側をエッチングにより切り出し、その両側を、絶縁性のパッシベーション膜で成膜することによって形成される量子井戸型半導体レーザ。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。特に、低い発振閾値電流特性を有する半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザの基本構造として、埋込型構造とリッジ型構造が、一般に知られている。埋込型構造は、基板上に積層された活性層のうち、光導波路となる領域の外側を、エッチングで切り出し、その両側に、埋め込み層として別の半導体層を積層する構造である。活性領域が限定されることにより、光導波路となる領域に光が閉じ込められる。

一方、リッジ構造は、基板上に積層された活性層のうち、光導波路となる領域の上部に、さらに半導体層を積層する構造である。この半導体層により、活性層のうち、光導波路となる領域の屈折率が、実効的に高くなり、この領域に光が閉じ込められる。

また、半導体レーザの特性を向上させるために、量子井戸層に引張歪を印加した多重量子井戸活性層を有する引張歪多重量子井戸型半導体レーザが知られている。適切に設計されて形成された引張歪量子井戸では、量子化された価電子帯の最大は、ライトホール（以下、ＬＨと記す）となる。一方、圧縮歪量子井戸の場合は、同様に、量子化された価電子帯の最大はヘビーホール（以下、ＨＨと記す）となる。このため、引張歪多重量子井戸型半導体レーザでは、ＴＥモード（Transverse Electric mode）を発振し、圧縮歪多重量子井戸型半導体レーザでは、ＴＭモード（Transverse Magnetic mode）を発振する。

光学遷移行列のＴＭモードの要素はＴＥモードよりも大きく、さらに引張歪量子井戸での面方向のＬＨと伝導帯の結合状態密度は、圧縮歪量子井戸でのＨＨと伝導帯の結合状態密度よりも大きくなることが知られている。光学利得は結合状態密度と、光学遷移行列要素の２乗に比例することから、引張歪量子井戸型レーザは圧縮歪量子井戸型レーザよりも利得、微分利得ともに向上することが指摘されている（非特許文献１）。

引張歪を導入した活性層は、応力の解放される出射端面で禁制帯が増大する（例えば、特許文献１）。禁制帯幅が増大により、端面部分では光吸収及び端面リーク電流が減少し、光損傷(Catastrophic Optical Damage：ＣＯＤ）レベルが向上する。

特開２００６−３１３７６４号公報

IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 2, p500-510, 1994

埋込型構造を有する半導体レーザにおいては、活性層を切り出し、光導波路領域に限定することで、光がこの領域に強く閉じ込められ、単一横モード発振が可能となる。また、活性層内部において、横方向への拡散電流が少なく、低い閾値電流特性が可能である。その反面、活性層を切り出すことにおいて生じた端面を絶縁膜で覆うとすると、この端面において、拡散電流が生じ、光の閉じ込めが弱くなってしまう。この端面における劣化を防ぐため、切り出された活性層の両側を、半導体層によって埋め込む工程が必要となり、コスト低減を妨げる要因となっている。

一方、リッジ型構造を有する半導体レーザにおいては、活性層の上部にリッジを設けることによって、光を閉じ込めているので、上記のような半導体埋め込む工程が必要なくコストが低く抑えられ、また、リッジ側面での活性層端面の露出はないので、リッジの両側に二酸化珪素（以下、ＳｉＯ_２と記す）等のパッシベーション膜を成膜することが出来る。その反面、広い活性層により、横方向の拡散電流が光導波路領域の外側に存在し、埋込型構造と比較して、高い閾値電流特性を有してしまう。

本発明は、一般的な埋込型構造及びリッジ型構造では実現されなかった、低い閾値の電流特性を有し、かつ、低コスト化を可能とする半導体レーザを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層が引張り歪を有する量子井戸型半導体レーザであって、該活性層が単一横モードの光を発振する幅を有し、該活性層の両側に、該活性層とは異なる絶縁性の物質の膜で覆われることを特徴とする。

（２）上記（１）に記載の量子井戸型半導体レーザであって、前記絶縁性の物質の膜が、圧縮歪を有していてもよい。

（３）上記（１）に記載の量子井戸型半導体レーザであって、前記絶縁性の物質の膜の屈折率が、前記活性層の屈折率より低くてもよい。

（４）上記（１）に記載の量子井戸型半導体レーザであって、前記絶縁性の物質の膜が、２以上の異なる物質の層を含み、前記活性層の屈折率よりも屈折率が低い物質の層が、前記活性層に接し、その外側に、前記屈折率が低い物質の層の屈折率より屈折率が高い物質の層が位置していてもよい。

（５）上記（４）に記載の量子井戸型半導体レーザであって、前記２以上の異なる物質の層は、非晶質シリコンの層を含んでいてもよい。

（６）上記（４）に記載の量子井戸型半導体レーザであって、前記絶縁性の物質の膜全体の屈折率が、前記活性層の屈折率より、低くてもよい。

本発明により、通常の埋込型構造のような埋め込み工程を必要とせず、かつ、通常のリッジ型構造より活性層の横方向への拡散電流が抑制された構造の半導体レーザ素子が提供できる。

本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の図１中Ａ−Ａ断面の概略図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の図１中Ａ−Ａ断面の概略図である。

本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１００を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１００の外観を示す斜視図である。図２及び図３は、図１に示す半導体レーザ素子１００のＡ−Ａ断面の概略図である。

[第１の実施形態]
第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、ｎ型ＩｎＰ基板９上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層８、ｎ型（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｐガイド層７、量子井戸層に引張り歪を印加した多重量子井戸活性層６、ｐ型（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓガイド層５、ｐ型Ａｌ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓガイド層４、ｐ型ＩｎＰクラッド層３、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２を積層させる。その後、光導波路領域となる領域の両側を、エッチングにより、上方よりｎ型ＩｎＰ基板９の一部にまで切り出しを行い、メサストライプ状の光導波路領域を形成する。埋込型構造の場合、光導波路領域の両側を、別の半導体層によって埋め込み成長させるところ、本発明においては、光導波路領域の両側を、例えば、ＳｉＯ_２等による絶縁性のパッシベーション膜１１を成膜させる。

通常、量子井戸活性層の両側にＳｉＯ_２などの絶縁性のパッシベーション膜を成膜した場合、量子井戸層とパッシベーション膜の界面において、界面劣化が生じ、界面からのリーク電流及び光吸収が起きる為、レーザの特性は悪化される。しかし、本発明に係る半導体レーザ素子１００において、量子井戸層に引張り歪を印加している。引張り歪を印加した場合、界面は、応力開放端となっており、端面外側で、エネルギーギャップが拡大する構造をとっている。このエネルギーギャップが拡大することにより、界面において、リーク電流や光吸収が抑制され、パッシベーション膜による特性の悪化が抑制されている。

これにより、埋込型構造のように、半導体層の埋め込み工程を必要とせず、にもかかわらず、横方向への電流の広がりを抑制し、低い閾値の電流特性を有する高性能の半導体レーザが実現される。

第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００の製造方法について、説明する。ｎ型ＩｎＰ基板９上に、まず、層厚０．２μｍ、ドープ濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度のｎ型ＩｎＰバッファ層８と、層厚０．０８μｍ、ドープ濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度のｎ型（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｐガイド層７が積層される。

次に、多重量子井戸活性層６が積層されるが、多重量子井戸活性層６において、引張り歪を印加した複数の量子井戸層が存在し、それぞれの層の上下両側に、圧縮歪を印加した障壁層が位置している。ここでは、量子井戸層は、層厚１３ｎｍ、歪量−０．８％のドープされていない（Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５）_０．５９Ｉｎ_０．４１Ａｓによって形成される。障壁層は、層厚６ｎｍ、歪量＋０．３％のドープされていない（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４３Ｉｎ_０．５７Ａｓによって形成される。量子井戸層の層数Ｎ_ｗは５とした。

多重量子井戸活性層６の上方には、順に、層厚０．０８μｍ、ドープ濃度７×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度のｐ型（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓガイド層５、及び、層厚０．１μｍ、ドープ濃度７×１０^１７ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度のｐ型Ａｌ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓガイド層４、さらに、層厚１．５μｍ、ドープ濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度のｐ型ＩｎＰクラッド層３、層厚０．２μｍ、ドープ濃度１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２が、積層される。

以上により、多層成長されたＩｎＰ基板のうち、幅１．０μｍまたはそれ以下の幅の光導波路領域となる領域の上方を、ＳｉＯ_２によってマスクを行う。そして、このマスクした領域の両側を、エッチングによって、上方よりｎ型ＩｎＰ基板９の一部に達するまで、切り出しを行い、メサストライプ状の光導波路領域を形成する。

次に、マスクとして用いたＳｉＯ_２を除去し、光導波領域の両側を含む全体に、ＳｉＯ_２などによる絶縁性のパッシベーション膜１１を成膜する。

そして、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２の上部に成膜されたパッシベーション膜１１のみを除去し、露出したｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２に、ｐ側電極１を蒸着する。さらに、ｎ型ＩｎＰ基板９の下面を削り落し、１００μｍまで薄くした後、その下面に、ｎ側電極１０を蒸着させることで、図２に示す構造が形成される。

図２に示す構造において、多重量子井戸活性層６の側面は、パッシベーション膜１１が成膜されているため、ｐ側電極１より多重量子井戸活性層６に注入されたキャリアは、横方向に拡散することが抑制されている。また、多重量子井戸活性層６に位置する量子井戸層は、引張り歪であるため、側面は応力開放端であり、エネルギーギャップが外方に拡大しているため、界面におけるリーク電流及び光吸収は抑制されるため、低い閾値電流特性が実現されている。

さらに、パッシベーション膜１１が、圧縮歪を有することで、界面におけるリーク電流及び光吸収はさらに抑制されることとなり、本発明の効果はさらに高くなる。

光導波路領域を構成する多重量子井戸活性層６の屈折率は３．２０程度であり、パッシベーション膜１１として用いたＳｉＯ_２の屈折率は１．４５程度である。第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００においては、多重量子井戸活性層６とパッシベーション膜１１における屈折率差が非常に大きいため、単一横モードのカットオフ幅が１μｍ以下となってしまう。電流の閾値や高速応答の観点では、メサストライプ状の光導波路層の幅は狭い方が優れている。よって、これらを優先させる必要があるときは、ＳｉＯ_２は非常に適した物質と言える。

しかしながら、この場合、横方向の放射角が大きくなるため、光通信用のファイバとの結合を考えると、不都合な特性となる。この問題を解決するためには、屈折率が多重量子井戸活性層６の屈折率の値より小さく、且つ、その値に近い物質を用いてパッシベーション膜１１を成膜すればよい。

[第２の実施形態]
本発明に係る第２の実施形態に係る半導体レーザ素子１００について図３を用いて説明する。

第２の実施形態に係る半導体レーザ素子１００の、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００との違いは、パッシベーション膜の構成であり、それ以外に関しては、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子１００と同じ構造を有している。

前述の通り、光導波路領域を構成する多重量子井戸活性層６の屈折率は３．２０程度であり、上述のパッシベーション膜として用いたＳｉＯ_２の屈折率は１．４５程度である。

前述の通り、ＳｉＯ_２を用いたパッシベーション膜は、光通信用のファイバとしては不都合な特性となっている。光導波路領域の両側に、ＳｉＯ_２を用いたパッシベーション膜を成膜しつつ、この問題を解決するために、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子１００においては、パッシベーション膜を２層構造としている。光導波路領域を構成する多重量子井戸活性層６の屈折率と比較して、屈折率が小さいＳｉＯ_２によるパッシベーション膜１１の外側に、屈折率の大きい物質によるパッシベーション膜１２を成膜してやることで、２層からなるパッシベーション膜全体の実効的な屈折率を大きくすることが可能となる。

本実施形態においては、例えば、屈折率の低いＳｉＯ_２によるパッシベーション膜１１の外側に、屈折率が３．６程度である非晶質シリコン（Ｓｉ）によるパッシベーション膜１２をさらに成膜する（図３参照）ことにより、２層のパッシベーション膜の実効的な屈折率を、光導波路領域を構成する多重量子井戸活性層６の屈折率に近づけることが出来る。それにより、光導波路領域の屈折率との屈折率の実効的な差が減少し、単一横モードのカットオフ幅を１μｍ以上に広げることが可能となる。したがって、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子１００は、光導波路層の幅が１〜２μｍにまで広げることが出来る。

例えばＳｉＯ_２膜のように、光導波路層の両側に接して成膜されるパッシベーション膜には、たとえ屈折率の特性に不都合があっても、成膜性など他の理由を優先させて、物質が選択されればよい。このパッシベーション膜の外側に、このパッシベーション膜の屈折率の高い物質を成膜させることで、屈折率の特性の問題は解決されるからである。

なお、本実施形態においては、ＳｉＯ_２膜と非晶質シリコン膜による２層構造を有するパッシベーション膜について説明したが、さらなる多層構造のものであってもよい。光導波領域の両側に接しているパッシベーション膜が、屈折率の特性に不都合があっても、これら多層構造のパッシベーション膜全体において、所望の屈折率が得られていればよい。すなわち、光導波路領域の両側に接しているパッシベーション膜の屈折率が、光導波路領域を構成する多重量子井戸活性層６の屈折率よりも非常に小さいという問題があっても、多層構造のパッシベーション膜全体で、実効的屈折率が近付いている、など、所望の条件に、これら多層構造のパッシベーション膜を形成してやればよい。

さらに、本実施形態においては、活性層が多重量子井戸構造を有している量子井戸型半導体レーザについて説明したが、多重量子井戸に限定されることはなく、例えば、一層の量子井戸構造や、その他の構造を有していてもよい。

１ｐ側電極、２ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、３ｐ型ＩｎＰクラッド層、４ｐ型Ａｌ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓガイド層、５ｐ型（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓガイド層、６多重量子井戸活性層、７ｎ型（Ａｌ_０．７０Ｇａ_０．３０）_０．４７Ｉｎ_０．５３Ｐガイド層、８ｎ型ＩｎＰバッファ層、９ｎ型ＩｎＰ基板、１０ｎ側電極、１１パッシベーション膜、１２パッシベーション膜、１００半導体レーザ素子。

Claims

活性層が引張り歪を有する量子井戸型半導体レーザであって、
該活性層が単一横モードの光を発振する幅を有し、
該活性層の両側に、該活性層とは異なる絶縁性の物質の膜で覆われることを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
請求項１に記載の量子井戸型半導体レーザであって、
前記絶縁性の物質の膜が、圧縮歪を有することを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
請求項１に記載の量子井戸型半導体レーザであって、
前記絶縁性の物質の膜の屈折率が、前記活性層の屈折率より低いことを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
請求項１に記載の量子井戸型半導体レーザであって、
前記絶縁性の物質の膜が、２以上の異なる物質の層を含み、前記活性層の屈折率よりも屈折率が低い物質の層が、前記活性層に接し、その外側に、前記屈折率が低い物質の層の屈折率より屈折率が高い物質の層が位置することを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
請求項４に記載の量子井戸型半導体レーザであって、
前記２以上の異なる物質の層は、非晶質シリコンの層を含むことを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。
請求項４に記載の量子井戸型半導体レーザであって、
前記絶縁性の物質の膜全体の屈折率が、前記活性層の屈折率より、低いことを特徴とする量子井戸型半導体レーザ。