JP2010199169A - 半導体光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】良好な初期特性及び長期信頼性を確保しつつ、直接変調において高速応答性及び単一モード性を向上させることができる半導体光素子を実現する。
【解決手段】ｐ型ＩｎＰ基板１０上にｐ型ＩｎＰクラッド層１２、活性層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＰ層１８が順次積層されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＰ層１８中に光導波方向に沿って回折格子２０が形成されている。向かい合う出射端面３６と後端面３８の光の反射率が非対称である。活性層１４の光導波方向の長さＬが１３０μｍ以下である。回折格子２０は、１２００ｎｍ以上のＰＬ波長を有する物質で形成されている。長さＬと回折格子２０の結合定数κの積であるκＬが１．５以上３．０未満である。
【選択図】図１

Description

本発明は、良好な初期特性及び長期信頼性を確保しつつ、高速応答性及び単一モード性を向上させることができる半導体光素子に関する。
直接変調を行なう光通信用の半導体レーザでは、１０Ｇｂｐｓ程度の高速応答を高温度でも実現する必要がある。そこで、活性層の量子井戸構造の最適化、光出射端面のコーティングによる高反射化、寄生容量の低減、活性層の光導波方向の長さＬの短尺化、分布帰還型又は分布反射型の半導体レーザにおける回折格子の結合定数κの増大、活性層としてＡｌＧａＩｎＡｓなどＡｌ元素を有する材料の使用などが行なわれている。
特開２００３−５１６４０号公報
２０Ｇｂｐｓ以上の高速応答が求められる場合、活性層の長さＬの２００μｍ以下の短尺化が行なわれる。しかし、長さＬを短くするとκＬも小さくなり、十分な緩和振動周波数が得られず、短尺化による十分な高速応答性向上効果が得られない。そこで、結合定数κを例えば、従来よりも２倍程度と極端に大きくする必要がある。
その実現方法として、活性層の光の閉じ込めを弱くする方法、回折格子と活性層の間隔を近づける方法、回折格子の屈折率を高くする方法がある。しかし、これらの方法は以下のような問題がある。
第１に、活性層の光の閉じ込めを弱くすると、半導体レーザの利得の低下による閾値電流の増加や高温特性の劣化等を引き起こすため、高速応答性に影響する緩和振動周波数が低下してしまう。
第２に、回折格子と活性層の間隔を近づけようとしても、その間隔の下限は５０ｎｍ程度となる。その理由は以下の通りである。回折格子は、屈折率が高い層を一様に結晶成長した後で、その層を発振波長によって決まる間隔で除去又は段差をつけることにより形成する。しかし、回折格子を活性層に近づけ過ぎると、回折格子の屈折率が高い部分と低い部分の比率であるＤｕｔｙ、回折格子の屈折率、活性層と回折格子の間隔が加工精度や結晶成長の公差の影響で設計よりもずれた場合に、結合定数κの変化が大きくなる。また、回折格子形成時の深さの加工精度公差が、活性層と回折格子の間隔よりも大きくなると、活性層も加工されて正常な特性が得られない。
第３に、回折格子の屈折率を高くすると、回折格子の組成で決まるＰＬ波長が長波長側に変更される。即ち、回折格子のバンドギャップが、周囲のＩｎＰ等の材料よりも小さくなる。図１７は回折格子をｐ型半導体層中に形成した半導体レーザのバンド図であり、図１８は回折格子をｎ型半導体層中に形成した半導体レーザのバンド図である。図１７に示すように回折格子をｐ型半導体層中に形成すると、有効質量が大きいホールの移動を妨げ、活性層へ十分なキャリアの注入ができず、半導体レーザの発光効率が下がる。この問題を避けるには、図１８に示すように回折格子をｎ型半導体層中に形成すればよい。
図１９は、スロープ効率と回折格子のＰＬ波長の関係を示す図である。回折格子をｐ型ＩｎＰ層中に形成した場合、回折格子のＰＬ波長が長波長側になるほど、光効率であるスロープ効率は減少する。一方、回折格子をｎ型ＩｎＰ層中に形成した場合、回折格子のＰＬ波長によらず、スロープ効率は一定である。
図２０，２１は、従来の半導体光素子を示す断面図である。一般的なｎ型半導体基板１００を用いており、この上にｎ型半導体層１０２及び活性層１０４が順次積層されている。そして、発光効率を上げるために、ｎ型半導体層１０２中に回折格子１０６が形成されている。なお、活性層１０４上のｐ型半導体層等は省略する。
従来の半導体光素子では、活性層１０４を形成する前に回折格子１０６を形成することになる。従って、回折格子１０６の表面の微小な凹凸により、活性層１０４に転位や組成変調などが発生し、初期特性や長期信頼性に大きく影響する。特に、活性層１０４がＡｌＧａＩｎＡｓなどＡｌ元素を有する材料で形成されている場合は、この影響が顕著である。
一方、ｐ型半導体基板を用いて、活性層上のｎ型半導体層中に回折格子を形成した半導体光素子も提案されている（例えば、特許文献１参照）。この半導体光素子では上記の問題は生じない。ただし、この半導体光素子のκＬは３．６より大きく５．６未満である。このため、向かい合う２つのレーザ端面の光の反射率が非対称であるＡＲ／ＨＲ型の半導体レーザでは、κＬが大き過ぎて単一モード性が劣化するという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、良好な初期特性及び長期信頼性を確保しつつ、高速応答性及び単一モード性を向上させることができる半導体光素子を得るものである。
本発明は、ｐ型半導体基板上にｐ型半導体層、活性層及びｎ型半導体層が順次積層され、前記ｎ型半導体層中に光導波方向に沿って回折格子が形成され、向かい合う２つのレーザ端面の光の反射率が非対称であり、前記活性層の光導波方向の長さＬが１３０μｍ以下であり、前記回折格子は、１２００ｎｍ以上のＰＬ波長を有する物質で形成され、前記長さＬと前記回折格子の結合定数κの積であるκＬが１．５以上３．０未満であることを特徴とする半導体光素子である。
本発明により、良好な初期特性及び長期信頼性を確保しつつ、高速応答性及び単一モード性を向上させることができる。
実施の形態１に係る半導体光素子を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の変形例を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。 回折格子のＰＬ波長ごとに活性層の長さＬと半導体レーザのκＬの関係を示す図である。 実施の形態２に係る半導体光素子を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体光素子を示す断面図である。 実施の形態４に係る半導体光素子を示す上面図である。 回折格子をｐ型半導体層中に形成した半導体レーザのバンド図である。 回折格子をｎ型半導体層中に形成した半導体レーザのバンド図である。 スロープ効率と回折格子のＰＬ波長の関係を示す図である。 従来の半導体光素子を示す断面図である。 従来の半導体光素子を示す断面図である。
実施の形態１．
[構造]
図１，２は、実施の形態１に係る半導体光素子を示す断面図である。図１は光導波方向の断面図であり、図２はレーザ端面に平行な断面図である。この半導体光素子は分布帰還型半導体レーザである。
ｐ型ＩｎＰ基板１０上にｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＰ層１８が順次積層されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＰ層１８中に光導波方向に沿って回折格子２０が形成されている。回折格子２０は、１２００ｎｍ以上のＰＬ波長を有するＩｎＧａＡｓＰ層を発振波長よって決まる所定の間隔で除去することにより形成されている。
ｐ型ＩｎＰクラッド層１２、活性層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＰ層１８に、電流狭窄構造であるメサ２２が形成されている。メサ２２の両側が、ｐ型ＩｎＰ／ｎ型ＩｎＰ／ｐ型ＩｎＰからなる電流ブロック層２４により埋め込まれている。なお、電流ブロック層２４は上記構造に限らず、Ｆｅ等をドーピングした半絶縁性の半導体層等でもよい。
この電流ブロック層２４及びメサ２２上にｎ型ＩｎＰ層２６が形成されている。ｎ型ＩｎＰ層２６及び電流ブロック層２４を貫通する溝２８が形成されている。溝２８内及びｎ型ＩｎＰ層２６上に絶縁膜３０が形成されている。絶縁膜３０の開口部分においてｎ型ＩｎＰ層２６上にｎ側電極３２が形成されている。ｐ型ＩｎＰ基板１０の裏面にｐ側電極３４が形成されている。
光を取り出す出射端面３６と後端面３８が向かい合って形成されている。これらのレーザ端面は、出射端面３６が低反射率、後端面３８が高反射率となるように非対称のコーティングが施されている。即ち、出射端面３６と後端面３８の光の反射率が非対称である。活性層１４の光導波方向の長さＬが１３０μｍ以下である。長さＬと回折格子２０の結合定数κの積であるκＬが１．５以上３．０未満である。
図３は、実施の形態１に係る半導体光素子の変形例を示す断面図である。このようにＩｎＧａＡｓＰ層に所定の間隔で段差を付けることにより回折格子２０を形成してもよい。
[製造工程]
実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程について図面を参照しながら説明する。図４〜１２は、実施の形態１に係る半導体光素子の製造工程を示す断面図である。図４〜６は光導波方向の断面図であり、図７〜１２はレーザ端面に平行な断面図である。
まず、図４に示すように、ｐ型ＩｎＰ基板１０上にｐ型ＩｎＰクラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０を順次積層する。ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０上の全面に絶縁膜４２を形成する。この絶縁膜４２を干渉露光や電子ビーム露光及びエッチングによりパターニングする。
次に、図５に示すように、パターニングした絶縁膜４２をマスクとしてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層４０をエッチングして回折格子２０を形成する。その後、図６に示すように、絶縁膜４２を除去し、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及び回折格子２０上にｎ型ＩｎＰ層１８を形成する。
次に、図７に示すように、ｎ型ＩｎＰ層１８上にパターニングされたレジスト４４を形成する。そして、図８に示すように、レジスト４４をマスクとしてｐ型ＩｎＰクラッド層１２、活性層１４、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６及びｎ型ＩｎＰ層１８をエッチングして、メサ２２を形成する。
次に、図９に示すように、レジスト４４を残したままでメサ２２の両側に電流ブロック層２４を選択成長する。そして、図１０に示すように、レジスト４４を除去して、電流ブロック層２４及びメサ２２上にｎ型ＩｎＰ層２６を形成する。
次に、図１１に示すように、活性層１４に近接する電流ブロック層２４の一部を残して、その外側にｎ型ＩｎＰ層２６及び電流ブロック層２４を貫通する溝２８を形成する。そして、図１２に示すように、溝２８内及びｎ型ＩｎＰ層２６上に絶縁膜３０を形成する。メサ２２の上方のみ絶縁膜３０を除去して開口を形成する。さらに、図１，２に示すようにｎ側電極３２とｐ側電極３４を形成する。その後、へき開により出射端面３６と後端面３８を形成し、両者に光の反射率が非対称となるようなコーティングを行なう。そして、連なった半導体レーザを個別の素子に分離し、パッケージ等に実装して使用する。
［効果］
実施の形態１では、ｐ型半導体基板を用いて、回折格子を活性層上のｎ型半導体層中に形成している。このように回折格子をｎ型半導体層中に形成することで、ｐ型半導体層中に回折格子を形成した場合のように半導体レーザの発光効率が下がることはない。また、回折格子を活性層上に形成するため、活性層を転位や組成変調などが発生しないように正常に成長させることができ、良好な初期特性及び長期信頼性を確保することができる。
また、２０Ｇｂｐｓ以上の高速応答が求められる場合、必要な変調波形を得るには、変調信号と同等（２０ＧＨｚ）以上の緩和振動周波数が求められる。これは、１０Ｇｂｐｓ用途で変調信号と同等（１０ＧＨｚ）以上の緩和振動周波数が求められるのと同じである。そして、従来の１０Ｇｂｐｓ用途の半導体レーザでは、活性層の光導波方向の長さＬが２００μｍの場合に室温で１６ＧＨｚ程度の緩和振動周波数が得られる。ここで、緩和振動周波数は長さＬの平方根に反比例する。従って、長さＬを１３０μｍ以下にすることで、２０ＧＨｚ以上の緩和振動周波数が得られる。
また、図１３は、回折格子のＰＬ波長ごとに活性層の長さＬと半導体レーザのκＬの関係を示す図である。本実施の形態では、回折格子２０を１２００ｎｍ以上のＰＬ波長を有するＩｎＧａＡｓＰで形成することで、活性層１４の長さＬが１３０μｍ以下の半導体レーザにおいて、一般的に使用されている１．５以上のκＬを得ることができる。よって、高速応答性を向上させることができる。
また、向かい合う２つのレーザ端面の光の反射率が非対称であるＡＲ／ＨＲ型の半導体レーザでは、κＬを大きくし過ぎると単一モード性が劣化する。本実施の形態ではκＬを３．０未満にするため、単一モード性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、活性層１４は通常の通信用光半導体レーザで使用されているＩｎＧａＡｓＰで形成されているが、ＡｌＧａＩｎＡｓなどＡｌ元素を有する材料で形成してもよい。この場合、回折格子上に活性層を形成することの悪影響が顕著であるため、回折格子を活性層上に形成する構成が特に有効である。
実施の形態２．
図１４は、実施の形態２に係る半導体光素子を示す断面図である。実施の形態１の半導体レーザ４６に、半導体レーザ４６からの出射光を取り出すための導波路４８を集積化している。
実施の形態３．
図１５は、実施の形態３に係る半導体光素子を示す断面図である。実施の形態１の半導体レーザ４６に、半導体変調器や半導体光増幅器などの半導体光素子５０を集積化している。
実施の形態４．
図１６は、実施の形態４に係る半導体光素子を示す上面図である。実施の形態１の半導体レーザ４６に、側方から光を注入する別の半導体レーザ５２を集積化している。
１０ ｐ型ＩｎＰ基板（ｐ型半導体基板）
１４ 活性層
１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層（ｐ型半導体層）
１６ ｎ型ＩｎＰクラッド層（ｎ型半導体層）
１８ ｎ型ＩｎＰ層（ｎ型半導体層）
２０ 回折格子
３６ 出射端面（レーザ端面）
３８ 後端面（レーザ端面）

Claims (3)

  1. ｐ型半導体基板上にｐ型半導体層、活性層及びｎ型半導体層が順次積層され、
    前記ｎ型半導体層中に光導波方向に沿って回折格子が形成され、
    向かい合う２つのレーザ端面の光の反射率が非対称であり、
    前記活性層の光導波方向の長さＬが１３０μｍ以下であり、
    前記回折格子は、１２００ｎｍ以上のＰＬ波長を有する物質で形成され、
    前記長さＬと前記回折格子の結合定数κの積であるκＬが１．５以上３．０未満であることを特徴とする半導体光素子。
  2. 前記回折格子はＩｎＧａＡｓＰで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
  3. 前記活性層は、Ａｌ元素を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体光素子。
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