JP2014154599A - Semiconductor optical element and integrated semiconductor optical element - Google Patents

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Norihiro Iwai
則広 岩井
Eisaku Kaji
栄作 鍛治
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Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optical element and an integrated semiconductor optical element which have good reliability and good high-temperature operating characteristics.SOLUTION: A semiconductor optical element using a group III-V compound semiconductor comprises an n-type clad layer, a p-type clad layer and an active region including a multiquantum well structure sandwiched between the n-type clad layer and the p-type clad layer. The active region and the n-type clad layer have group V constituent elements different from each other across a junction boundary. The active region has multiple hole barrier layers which are arranged on the side closer to the n-type clad layer than the multiquantum well structure and become an energy barrier against holes.

Description

本発明は、半導体光素子および集積型半導体光素子に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor optical device and an integrated semiconductor optical device.

1.3μm〜1.55μm波長帯用の半導体レーザ素子として、活性領域にAlGaInAs半導体材料を用いたものが開示されている(非特許文献1)。AlGaInAsで量子井戸層を構成した場合、高温環境下でもキャリアがオーバーフローしにくいため、これを活性領域に用いた半導体レーザ素子は、高温動作に適する。そのため、半導体レーザ素子冷却用の電力を削減でき、低消費電力化が可能であると期待されている。   As a semiconductor laser element for a 1.3 μm to 1.55 μm wavelength band, an element using an AlGaInAs semiconductor material in an active region is disclosed (Non-patent Document 1). When the quantum well layer is made of AlGaInAs, carriers are unlikely to overflow even in a high temperature environment, and thus a semiconductor laser device using this in the active region is suitable for high temperature operation. Therefore, it is expected that the power for cooling the semiconductor laser element can be reduced and the power consumption can be reduced.

Jen-Wei Pan et al.,”Suppression of electron and hole leakage in 1.3 um AlGaInAs/InP quantum well lasers using multiquantum barrier”, Applied Physics Letters, vol.72, No.17, pp.2090-2092, 27 April 1998.Jen-Wei Pan et al., “Suppression of electron and hole leakage in 1.3 um AlGaInAs / InP quantum well lasers using multiquantum barrier”, Applied Physics Letters, vol.72, No.17, pp.2090-2092, 27 April 1998 .

しかしながら、AlGaInAs活性領域を、InPからなる半導体層(たとえばクラッド層)等と接合させた場合、両者は組成元素としてのV族元素が、一方がAs、もう一方がPであり、全く異なる。本発明者らが精査したところによると、このようなV族元素が異なる半導体層の接合界面で転位が発生して広がり、半導体レーザ素子を劣化させ、信頼性を低下させることを発見した。   However, when the AlGaInAs active region is bonded to a semiconductor layer (for example, a clad layer) made of InP, the group V element as a composition element, one is As and the other is P, and they are completely different. As a result of scrutiny by the present inventors, it has been found that dislocations are generated and spread at the junction interface of semiconductor layers having different V group elements, thereby degrading the semiconductor laser device and reducing the reliability.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、信頼性と高温動作特性とが良好な半導体光素子および集積型半導体光素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a semiconductor optical device and an integrated semiconductor optical device having good reliability and high-temperature operating characteristics.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体光素子は、III―V族化合物半導体を用いた半導体光素子であって、n型クラッド層と、p型クラッド層と、前記n型クラッド層と前記p型クラッド層との間に介挿された、多重量子井戸構造を含む活性領域と、を備え、前記活性領域と前記n型クラッド層とは、接合界面を挟んで互いにV族組成元素が異なり、前記活性領域は、前記多重量子井戸構造よりも前記n型クラッド層側に配置された、正孔に対してエネルギー障壁となる多重の正孔障壁層を有することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor optical device according to the present invention is a semiconductor optical device using a III-V compound semiconductor, and includes an n-type cladding layer, a p-type cladding layer, And an active region including a multiple quantum well structure interposed between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer, the active region and the n-type cladding layer sandwiching a junction interface And the active region has a multiple hole barrier layer disposed on the n-type cladding layer side of the multiple quantum well structure and serving as an energy barrier against holes. It is characterized by.

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、前記活性領域は、少なくとも、前記多重量子井戸構造および該多重量子井戸構造よりも前記n型クラッド層側の領域においてAlを含むことを特徴とする。   The semiconductor optical device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the active region includes Al in at least the multiple quantum well structure and a region closer to the n-type cladding layer than the multiple quantum well structure. .

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、前記多重量子井戸構造はAlGaInAsからなることを特徴とする。   The semiconductor optical device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the multiple quantum well structure is made of AlGaInAs.

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、前記接合界面を挟んで前記活性領域側のV族組成元素はAsであり、前記n型クラッド層側のV族組成元素はPであることを特徴とする。   In the semiconductor optical device according to the present invention, in the above invention, the group V composition element on the active region side is As and the group V composition element on the n-type cladding layer side is P across the junction interface. Features.

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、前記活性領域の、少なくとも前記多重量子井戸構造よりも前記n型クラッド層側の領域はAlGaInAsからなり、前記n型クラッド層はInPからなることを特徴とする。   In the semiconductor optical device according to the present invention, in the above invention, at least a region of the active region closer to the n-type cladding layer than the multiple quantum well structure is made of AlGaInAs, and the n-type cladding layer is made of InP. Features.

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、前記多重の正孔障壁層は前記活性領域と前記n型クラッド層との前記接合界面に隣接して配置されていることを特徴とする。   The semiconductor optical device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the multiple hole barrier layers are arranged adjacent to the junction interface between the active region and the n-type cladding layer.

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、当該半導体光素子は半導体レーザ素子であることを特徴とする。   The semiconductor optical device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the semiconductor optical device is a semiconductor laser device.

本発明に係る半導体光素子は、上記発明において、当該半導体光素子は半導体光増幅器であることを特徴とする。   The semiconductor optical device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the semiconductor optical device is a semiconductor optical amplifier.

本発明に係る集積型半導体光素子は、上記発明の複数の半導体レーザ素子と、前記複数の半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を合流させて出力することができる光合流器と、前記光合流器から出力されたレーザ光を増幅して出力する半導体光増幅器と、を集積したものであることを特徴とする。   An integrated semiconductor optical device according to the present invention includes a plurality of semiconductor laser devices according to the present invention, an optical combiner capable of combining and outputting laser beams output from the plurality of semiconductor laser devices, and the optical combining device. And a semiconductor optical amplifier that amplifies and outputs the laser beam output from the device.

本発明に係る集積型半導体光素子は、上記発明において、前記半導体光増幅器は、上記発明の半導体光増幅器であることを特徴とする。   The integrated semiconductor optical device according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the semiconductor optical amplifier is the semiconductor optical amplifier of the invention.

本発明に係る集積型半導体光素子は、上記発明の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を変調して出力する半導体光変調器と、を集積したものであることを特徴とする。   An integrated semiconductor optical device according to the present invention is an integrated semiconductor laser device according to the above invention and a semiconductor optical modulator that modulates and outputs a laser beam output from the semiconductor laser device. And

本発明によれば、信頼性と高温動作特性とが良好な半導体光素子および集積型半導体光素子を実現できるという効果を奏する。   According to the present invention, there is an effect that it is possible to realize a semiconductor optical device and an integrated semiconductor optical device having good reliability and high-temperature operating characteristics.

図1は、実施の形態1に係る半導体レーザ素子の模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the first embodiment. 図2は、図1に示す活性領域の層構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a layer structure of the active region shown in FIG. 図3は、図2に示す多重正孔障壁領域の層構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a layer structure of the multiple hole barrier region shown in FIG. 図4は、図2に示す活性領域の価電子帯のエネルギー構造を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the energy structure of the valence band of the active region shown in FIG. 図5は、加速信頼性試験における比較例の半導体レーザ素子のしきい値電流の変化率の経時変化を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the change over time of the rate of change of the threshold current of the semiconductor laser device of the comparative example in the accelerated reliability test. 図6は、加速信頼性試験における実施例の半導体レーザ素子のしきい値電流の変化率の経時変化を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the change with time of the change rate of the threshold current of the semiconductor laser device of the example in the accelerated reliability test. 図7は、実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。FIG. 7 is a schematic plan view of the integrated semiconductor laser device according to the second embodiment. 図8は、実施の形態3に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view of the integrated semiconductor laser device according to the third embodiment.

以下に、図面を参照して本発明に係る半導体光素子および集積型半導体光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。また、本明細書では、半導体光素子とは、半導体レーザ素子といった発光素子や半導体光増幅器を含むものを意味する。   Embodiments of a semiconductor optical device and an integrated semiconductor optical device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding component. Also, it should be noted that the drawings are schematic, and the thicknesses and ratios of the layers are different from the actual ones. Moreover, the part from which the relationship and ratio of a mutual dimension differ also in between drawings is contained. Further, in this specification, the semiconductor optical element means a light emitting element such as a semiconductor laser element or a semiconductor optical amplifier.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体光素子である半導体レーザ素子の模式的な断面図である。半導体レーザ素子10は、III―V族化合物半導体を用いたものであって、裏面にn側電極1が形成された基板2と、基板2上に形成された、n型クラッド層3、活性領域4、p型クラッド層5、埋め込み半導体層6、p型クラッド層7、コンタクト層8、およびp側電極9とを備える。なお、半導体レーザ素子10は端面発光型の半導体レーザ素子であり、紙面と略平行な半導体レーザ素子10の2つの端面には、光共振器を形成する反射膜がそれぞれ形成されている。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device that is a semiconductor optical device according to Embodiment 1 of the present invention. The semiconductor laser device 10 uses a III-V group compound semiconductor, and includes a substrate 2 having an n-side electrode 1 formed on the back surface, an n-type cladding layer 3 formed on the substrate 2, an active region. 4, a p-type cladding layer 5, a buried semiconductor layer 6, a p-type cladding layer 7, a contact layer 8, and a p-side electrode 9. The semiconductor laser element 10 is an edge-emitting semiconductor laser element, and reflection films that form optical resonators are respectively formed on two end faces of the semiconductor laser element 10 that are substantially parallel to the paper surface.

基板2は、n型InPからなる。n側電極1は基板2とオーミック接触するように構成されており、たとえばAuGeNi/Au構造を有する。   The substrate 2 is made of n-type InP. The n-side electrode 1 is configured to make ohmic contact with the substrate 2 and has, for example, an AuGeNi / Au structure.

n型クラッド層3、活性領域4およびp型クラッド層5はこの順に積層し、かつメサ構造を形成している。埋め込み半導体層6はメサ構造の両側を埋め込んでいる。   The n-type cladding layer 3, the active region 4 and the p-type cladding layer 5 are laminated in this order and form a mesa structure. The embedded semiconductor layer 6 is embedded on both sides of the mesa structure.

p型クラッド層7およびコンタクト層8は、p型クラッド層5および埋め込み半導体層6の上にこの順に積層形成されている。   The p-type cladding layer 7 and the contact layer 8 are laminated on the p-type cladding layer 5 and the buried semiconductor layer 6 in this order.

n型クラッド層3、p型クラッド層5、7は、それぞれn型InP、p型InPからなる。コンタクト層8はp型ドーパントを高濃度にドーピングしたp型InGaAsからなる。埋め込み半導体層6は、p型InPからなる下部層6aとn型InPからなる上部層6bとが積層した構造を有し、電流狭窄層として機能する。   The n-type cladding layer 3 and the p-type cladding layers 5 and 7 are made of n-type InP and p-type InP, respectively. The contact layer 8 is made of p-type InGaAs doped with a high concentration of p-type dopant. The buried semiconductor layer 6 has a structure in which a lower layer 6a made of p-type InP and an upper layer 6b made of n-type InP are stacked, and functions as a current confinement layer.

p側電極9はコンタクト層8の表面に、コンタクト層8とオーミック接触するように形成されており、たとえばTi/Pt/Au構造やAuからなる。   The p-side electrode 9 is formed on the surface of the contact layer 8 so as to be in ohmic contact with the contact layer 8, and is made of, for example, a Ti / Pt / Au structure or Au.

活性領域4は、n型クラッド層3とp型クラッド層5との間に介挿されている。図2は、活性領域4の層構造を示す図である。活性領域4は、複数(たとえば6)の井戸層4aと複数の障壁層4bとが交互に積層した多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造を含んでいる。この多重量子井戸構造は、さらに分離閉じ込めヘテロ構造(SCH:Separate Confinement Heterostructure)層4c、4dによって挟まれている。これによって活性領域4はMQW−SCH構造を有する。   The active region 4 is interposed between the n-type cladding layer 3 and the p-type cladding layer 5. FIG. 2 is a diagram showing a layer structure of the active region 4. The active region 4 includes a multiple quantum well (MQW) structure in which a plurality of (for example, six) well layers 4a and a plurality of barrier layers 4b are alternately stacked. This multiple quantum well structure is further sandwiched between separate confinement heterostructure (SCH) layers 4c and 4d. As a result, the active region 4 has an MQW-SCH structure.

井戸層4aは、たとえば1550nm波長帯の所望の波長で発光できる組成のi型AlGaInAsからなる。障壁層4bは、井戸層4aよりもバンドギャップが広く、井戸層4aに対してエネルギー障壁となるように組成が調整されたi型AlGaInAsからなる。SCH層4c、4dは、バンドギャップが障壁層4bのバンドギャップ以上の広さであり、かつn型クラッド層3およびp型クラッド層5よりも屈折率が高くなるように組成が調整されたi型AlGaInAsからなる。   Well layer 4a is made of i-type AlGaInAs having a composition capable of emitting light at a desired wavelength in the 1550 nm wavelength band, for example. The barrier layer 4b is made of i-type AlGaInAs having a wider band gap than the well layer 4a and the composition adjusted so as to be an energy barrier with respect to the well layer 4a. The SCH layers 4c and 4d are i whose composition is adjusted so that the band gap is wider than the band gap of the barrier layer 4b and the refractive index is higher than that of the n-type cladding layer 3 and the p-type cladding layer 5. It is made of type AlGaInAs.

活性領域4のMQW構造は、Alを含むi型AlGaInAsからなるため、伝導帯でのエネルギー障壁を高くできるので、高温環境下でも電子キャリアがオーバーフローしにくい。そのため、高温動作に適する。ここで、高温環境とは、たとえば60℃〜100℃程度を意味する。さらに、i型AlGaInAsからなるMQW構造は、価電子帯でのエネルギー障壁を低くできるので、高速電流変調時にも正孔キャリアが移動しやすいため、活性領域4は高速変調に適する活性領域である。   Since the MQW structure of the active region 4 is made of i-type AlGaInAs containing Al, the energy barrier in the conduction band can be increased, so that electron carriers are unlikely to overflow even in a high temperature environment. Therefore, it is suitable for high temperature operation. Here, the high temperature environment means, for example, about 60 ° C to 100 ° C. Furthermore, since the MQW structure made of i-type AlGaInAs can lower the energy barrier in the valence band, hole carriers easily move even during high-speed current modulation, so the active region 4 is an active region suitable for high-speed modulation.

さらに、活性領域4のMQW構造は、SCH層4c、4dによって挟まれているので、MQW構造における光の閉じ込め係数を高くでき、しきい値電流を低くできる。   Furthermore, since the MQW structure of the active region 4 is sandwiched between the SCH layers 4c and 4d, the light confinement factor in the MQW structure can be increased and the threshold current can be decreased.

ここで、活性領域4は、MQW構造よりもn型クラッド層3側に配置された、多重正孔障壁領域4dを有する。図3は、多重正孔障壁領域4dの層構造を示す図である。多重正孔障壁領域4dは、複数の正孔障壁層4d1と、複数のスペーサー層4d2とが交互に積層した構造を有する。   Here, the active region 4 has a multiple hole barrier region 4d disposed closer to the n-type cladding layer 3 than the MQW structure. FIG. 3 is a diagram showing a layer structure of the multiple hole barrier region 4d. The multiple hole barrier region 4d has a structure in which a plurality of hole barrier layers 4d1 and a plurality of spacer layers 4d2 are alternately stacked.

正孔障壁層4d1は、活性領域4の他の層よりもバンドギャップが広くなるように組成が調整されたi型のAlGaInAsもしくはAlInAsからなる。正孔障壁層4d1の層厚はたとえば5ML(モノレイヤー)である。スペーサー層4d2は、正孔障壁層4d1よりも狭いバンドギャップを有するように組成が調整されたi型AlGaInAsからなる。スペーサー層4d2の組成はSCH層4cと同じ組成でもよい。スペーサー層4d2の層厚はたとえば12MLである。   The hole blocking layer 4d1 is made of i-type AlGaInAs or AlInAs whose composition is adjusted so that the band gap is wider than the other layers of the active region 4. The layer thickness of the hole barrier layer 4d1 is, for example, 5 ML (monolayer). The spacer layer 4d2 is made of i-type AlGaInAs whose composition is adjusted to have a narrower band gap than the hole barrier layer 4d1. The composition of the spacer layer 4d2 may be the same as that of the SCH layer 4c. Spacer layer 4d2 has a layer thickness of 12 ML, for example.

なお、1550nm波長帯におけるMQW構造の障壁層4bのバンドギャップはたとえば約1eVである。これに対して、正孔障壁層4d1の構成材料として、バンドギャップが最も大きくなるAlInAsを採用した場合、正孔障壁層4d1のバンドギャップは1.37eVである。   The band gap of the barrier layer 4b having the MQW structure in the 1550 nm wavelength band is, for example, about 1 eV. On the other hand, when AlInAs having the largest band gap is adopted as the constituent material of the hole barrier layer 4d1, the band gap of the hole barrier layer 4d1 is 1.37 eV.

つぎに、半導体レーザ素子10の動作について説明する。n側電極1とp側電極9との間に電圧を印加して、駆動電流を注入すると、p側電極9側からはキャリアとして正孔が注入され、n側電極1側からはキャリアとして電子が注入される。正孔は、コンタクト層8、p型クラッド層7を経由して、埋め込み半導体層6によって電流経路が狭窄されてp型クラッド層5を流れ、活性領域4に注入される。一方、電子は、基板2、n型クラッド層3を流れて活性領域4に注入される。活性領域4に注入された各キャリアは井戸層4aにおいて結合して発光し、発光は井戸層4aの光増幅作用と光共振器の作用とによって所定の波長でレーザ発振する。   Next, the operation of the semiconductor laser element 10 will be described. When a voltage is applied between the n-side electrode 1 and the p-side electrode 9 to inject a driving current, holes are injected as carriers from the p-side electrode 9 side, and electrons as carriers from the n-side electrode 1 side. Is injected. Holes flow through the p-type cladding layer 5 through the contact layer 8 and the p-type cladding layer 7 and the current path is narrowed by the buried semiconductor layer 6, and are injected into the active region 4. On the other hand, electrons flow through the substrate 2 and the n-type cladding layer 3 and are injected into the active region 4. Each carrier injected into the active region 4 is combined in the well layer 4a to emit light, and the light emission is laser-oscillated at a predetermined wavelength by the optical amplification action of the well layer 4a and the action of the optical resonator.

ここで、図4は、活性領域4の価電子帯のエネルギー構造を示す図である。実線は各層での価電子帯の下端のレベルを示している。上述したように、n型クラッド層はn型InPからなる。一方、n型クラッド層3と活性領域4との接合界面の活性領域4側の層であるスペーサー層4d2は、i型AlGaInAsからなる。したがって、活性領域4とn型クラッド層3とは、接合界面を挟んで互いにV族組成元素が異なり、それぞれAsとPとである。このようにV族元素が異なる半導体層の接合界面では、エネルギー構造にスパイクSが発生する。   Here, FIG. 4 is a diagram showing the energy structure of the valence band of the active region 4. The solid line indicates the level at the lower end of the valence band in each layer. As described above, the n-type cladding layer is made of n-type InP. On the other hand, the spacer layer 4d2 which is a layer on the active region 4 side of the junction interface between the n-type cladding layer 3 and the active region 4 is made of i-type AlGaInAs. Therefore, the active region 4 and the n-type cladding layer 3 are different from each other in the group V composition element across the junction interface, and are As and P, respectively. As described above, the spike S is generated in the energy structure at the junction interface of the semiconductor layers having different group V elements.

上述したように、本発明者らは、V族元素が異なる半導体層の接合界面で転位が発生して広がり、半導体レーザ素子を劣化させ、信頼性を低下させることを発見した。そして、その原因を精査したところ、V族元素が異なる半導体層の接合界面では、エネルギーバンドにスパイクが生じ、活性層からオーバーフローした正孔がn型領域におけるスパイクに到達し、そこでトラップされ、電子と非発光再結合して熱が発生し、その熱によって転位が広がるのではないかと推定した。また、このようなスパイクは、V族元素がAsの半導体層とPの半導体層との接合界面(As/P界面とする)で、特に急峻になると考えられる。   As described above, the present inventors have discovered that dislocations are generated and spread at the junction interface of semiconductor layers having different group V elements, thereby degrading the semiconductor laser device and reducing reliability. Then, when the cause was scrutinized, at the junction interface of the semiconductor layers having different group V elements, a spike occurred in the energy band, and the holes overflowed from the active layer reached the spike in the n-type region, where they were trapped, It was presumed that heat was generated by non-radiative recombination and dislocations spread by the heat. Such a spike is considered to be particularly steep at the junction interface (As / P interface) between the semiconductor layer of the group V element As and the semiconductor layer of P.

これに対して、本実施の形態1に係る半導体レーザ素子10では、活性領域4のMQW構造よりもn型クラッド層3側に、正孔に対してエネルギー障壁となる多重の正孔障壁層4d1が配置された構成を有している。これによって、図4に示すように、正孔hが活性領域4とn型クラッド層3との接合界面のスパイクSに到達することが抑制または防止される。その結果、転位の広がりが抑制され、素子の信頼性が向上する。なお、接合界面がAs/P界面の場合はスパイクSが特に急峻になりやすく、ホールのトラップおよび非発光再結合が発生しやすいので、正孔障壁層4d1を設けることが特に効果的である。   On the other hand, in the semiconductor laser device 10 according to the first embodiment, the multiple hole barrier layer 4d1 serving as an energy barrier against holes is located closer to the n-type cladding layer 3 side than the MQW structure of the active region 4. Are arranged. As a result, as shown in FIG. 4, the holes h are suppressed or prevented from reaching the spike S at the junction interface between the active region 4 and the n-type cladding layer 3. As a result, the spread of dislocations is suppressed, and the reliability of the element is improved. When the junction interface is an As / P interface, the spike S tends to be particularly steep, and hole trapping and non-radiative recombination are likely to occur. Therefore, it is particularly effective to provide the hole barrier layer 4d1.

特に、MQW構造がAlを含むAlGaInAsからなる場合、伝導帯でのエネルギー障壁を高くできるので、高温環境下でも電子キャリアがオーバーフローしにくく、高温動作に適する一方、価電子帯でのエネルギー障壁が低くなるので、正孔キャリアはオーバーフローしやすい。同様に、活性領域4が、MQW構造よりもn型クラッド層3側の領域においてAlを含む場合(すなわち、スパイクSが発生する界面が、As/P界面であり、かつAlを含む層とPを含む層との界面である場合)も、価電子帯でのエネルギー障壁が低くなるので、正孔キャリアはオーバーフローしやすい。特に、高温環境下においては正孔キャリアのオーバーフローはより顕著になる。   In particular, when the MQW structure is made of AlGaInAs containing Al, the energy barrier in the conduction band can be increased, so that the electron carriers are less likely to overflow even in a high temperature environment and are suitable for high temperature operation, while the energy barrier in the valence band is low. Therefore, the hole carriers are likely to overflow. Similarly, when the active region 4 contains Al in the region closer to the n-type cladding layer 3 than the MQW structure (that is, the interface where the spike S is generated is an As / P interface and the layer containing Al and P In the case of an interface with a layer containing), the energy barrier in the valence band is lowered, so that the hole carriers are likely to overflow. In particular, the overflow of hole carriers becomes more prominent in a high temperature environment.

これに対して、本実施の形態1に係る半導体レーザ素子10では、多重の正孔障壁層4d1によって正孔hがスパイクSに到達することが抑制されるので、高温動作に適するAlGaInAsからなるMQW構造の特性を、より効果的に発揮できる。さらに、半導体レーザ素子10は高温動作に適するので、高温でも、素子の特性の低下をあまり発生させずに動作させることができる。したがって、素子冷却用の電力を削減でき、本半導体レーザ素子10を搭載したレーザモジュールにおいて低消費電力化が可能である。   On the other hand, in the semiconductor laser device 10 according to the first embodiment, the holes h are prevented from reaching the spike S by the multiple hole barrier layer 4d1, so that MQW made of AlGaInAs suitable for high-temperature operation is used. The characteristics of the structure can be exhibited more effectively. Furthermore, since the semiconductor laser device 10 is suitable for high temperature operation, it can be operated without causing much deterioration of the device characteristics even at high temperatures. Therefore, the power for cooling the element can be reduced, and the power consumption can be reduced in the laser module in which the semiconductor laser element 10 is mounted.

なお、正孔障壁層4d1の数は特に限定されないが、たとえば2〜10程度である。また、正孔障壁層4d1の位置は、活性領域4のMQW構造よりもn型クラッド層3側であればよいが、活性領域4とn型クラッド層3との接合界面に近い程好ましく、接合界面に隣接して配置されていることが特に好ましい。正孔障壁層4d1と接合界面との距離については、好ましくは10nm以下であり、0nmが特に好ましい。   The number of hole barrier layers 4d1 is not particularly limited, but is about 2 to 10, for example. The position of the hole barrier layer 4d1 may be on the n-type cladding layer 3 side of the MQW structure of the active region 4, but is preferably closer to the junction interface between the active region 4 and the n-type cladding layer 3. It is particularly preferred that they are arranged adjacent to the interface. The distance between the hole barrier layer 4d1 and the bonding interface is preferably 10 nm or less, and particularly preferably 0 nm.

つぎに、本発明の実施例として、図1に示す実施の形態1に係る半導体レーザ素子と同様の半導体レーザ素子を10個作製した。また、比較例として、実施例の半導体レーザ素子とは、多重正孔障壁領域を設けない以外は同様の構成の半導体レーザ素子を5個作製した。各素子は、共振器長300μm,活性層幅1.8μmで両端面へき開構造を有する。そして、実施例、比較例の半導体レーザ素子を、環境温度120℃下にて、駆動電流150mAのACC(Auto current control)動作で駆動し、そのしきい値電流の変化率を調べる加速信頼性試験を行った。ここで、しきい値電流の変化率とは、試験前のしきい値電流を基準とした変化率である。   Next, as an example of the present invention, ten semiconductor laser elements similar to the semiconductor laser element according to the first embodiment shown in FIG. 1 were produced. Further, as a comparative example, five semiconductor laser elements having the same configuration as the semiconductor laser element of the example except that the multiple hole barrier region was not provided were manufactured. Each element has a cavity length of 300 μm, an active layer width of 1.8 μm, and a cleavage structure at both end faces. Then, the semiconductor laser devices of the examples and comparative examples are driven by an ACC (Auto current control) operation with a driving current of 150 mA at an environmental temperature of 120 ° C., and an acceleration reliability test for examining the change rate of the threshold current. Went. Here, the rate of change of the threshold current is a rate of change based on the threshold current before the test.

図5は、加速信頼性試験における比較例の半導体レーザ素子のしきい値電流の変化率の経時変化を示す図である。図6は、加速信頼性試験における実施例の半導体レーザ素子のしきい値電流の変化率の経時変化を示す図である。図5、6に示すように、比較例の半導体レーザ素子は、各サンプルとも時間の経過につれてしきい値電流が増加し、素子が劣化することが確認された。一方、実施例の半導体レーザ素子は、このような高温環境下においても、各サンプルとも時間の経過につれてしきい値電流の増加がきわめて低く、素子の劣化が抑制されており、比較例の半導体レーザ素子より信頼性が高いことが確認された。   FIG. 5 is a diagram showing the change over time of the rate of change of the threshold current of the semiconductor laser device of the comparative example in the accelerated reliability test. FIG. 6 is a diagram showing the change with time of the change rate of the threshold current of the semiconductor laser device of the example in the accelerated reliability test. As shown in FIGS. 5 and 6, it was confirmed that the semiconductor laser device of the comparative example increased in threshold current with time and deteriorated in each sample. On the other hand, in the semiconductor laser device of the example, even in such a high temperature environment, the increase of the threshold current is extremely low as time passes for each sample, and the deterioration of the device is suppressed. It was confirmed that the reliability was higher than that of the device.

(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。図7に示すように、この集積型半導体レーザ素子100は、アレイ状に配列されたDFB(Distributed Feedback)レーザ20−1〜20−n(nは2以上の整数)と、DFBレーザ20−1〜20−nとは光導波路30−30〜2−nを介して接続した多モード干渉(Multi-Mode Interference:MMI)型の光合流器40と、光合流器40の光出力ポート40aに接続した、光出力端50aを有する半導体光増幅器50とを備えている。集積型半導体レーザ素子100は、DFBレーザ20−1〜20−n、光合流器40、および半導体光増幅器50が、基板上にモノリシックに集積されて構成されたものである。
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a schematic plan view of an integrated semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the integrated semiconductor laser device 100 includes DFB (Distributed Feedback) lasers 20-1 to 20-n (n is an integer of 2 or more) arranged in an array, and a DFB laser 20-1. ˜20-n is connected to a multi-mode interference (MMI) type optical combiner 40 connected through optical waveguides 30-30 to 2-n and an optical output port 40a of the optical combiner 40. The semiconductor optical amplifier 50 having the optical output end 50a is provided. The integrated semiconductor laser device 100 is configured by monolithically integrating a DFB laser 20-1 to 20-n, an optical combiner 40, and a semiconductor optical amplifier 50 on a substrate.

DFBレーザ20−1−20−1〜1−nは、図1に示す実施の形態1に係る半導体レーザ素子100と同一の半導体積層構造を有するが、活性領域の近傍のp型クラッド層内に、互いに周期が異なる回折格子層が形成されている点が異なる。DFBレーザ20−1−20−1〜1−nは、回折格子層の作用によって、例えば、波長1530nm〜1570nmにおいて互いに異なるレーザ発振波長を有するものである。光合流器40は、入力された複数の導波路光を1本の導波路に出力できるものである。   The DFB lasers 20-1-20-1 to 1-n have the same semiconductor stacked structure as that of the semiconductor laser device 100 according to the first embodiment shown in FIG. 1, but in the p-type cladding layer near the active region. The difference is that diffraction grating layers having different periods are formed. The DFB lasers 20-1-20-1 to 1-n have laser oscillation wavelengths different from each other at wavelengths of 1530 nm to 1570 nm due to the action of the diffraction grating layer, for example. The optical combiner 40 is capable of outputting a plurality of inputted waveguide lights to one waveguide.

この集積型半導体レーザ素子100は以下のように動作する。まず、DFBレーザ20−1〜20−nのうち選択されたいずれか一つのDFBレーザが電流を注入されてレーザ光を出力する。光導波路30−1〜30−nのうち電流が注入されたDFBレーザに接続された光導波路は、レーザ光を光合流器40に入力させる。光合流器40は入力されたレーザ光を光出力ポート40aから出力して半導体光増幅器50に入力させる。半導体光増幅器50は入力されたレーザ光を増幅して光出力端50aから出力する。集積型半導体レーザ素子100は、DFBレーザ20−1〜20−nのうちの選択するDFBレーザを変更すること,また、素子の温度を変更することによって、波長を制御することができる、波長可変光源として機能する。   This integrated semiconductor laser device 100 operates as follows. First, any one of the DFB lasers selected from the DFB lasers 20-1 to 20-n is injected with a current and outputs a laser beam. Of the optical waveguides 30-1 to 30-n, the optical waveguide connected to the DFB laser into which current is injected causes the laser beam to be input to the optical combiner 40. The optical combiner 40 outputs the input laser light from the optical output port 40 a and inputs it to the semiconductor optical amplifier 50. The semiconductor optical amplifier 50 amplifies the input laser beam and outputs it from the optical output end 50a. The integrated semiconductor laser device 100 can control the wavelength by changing the DFB laser selected from the DFB lasers 20-1 to 20-n and changing the temperature of the device. Functions as a light source.

この集積型半導体レーザ素子100は、図1に示す実施の形態1に係る半導体レーザ素子10と同様に多重正孔障壁領域を有するDFBレーザ20−1−20−1〜1−nを備えている。その結果、この集積型半導体レーザ素子100は、信頼性と高温動作特性とが良好なものであり、かつこの集積型半導体レーザ素子100を搭載したモジュールは、低消費電力なものである。   This integrated semiconductor laser device 100 includes DFB lasers 20-1-20-1 to 1-n having multiple hole barrier regions, similar to the semiconductor laser device 10 according to the first embodiment shown in FIG. . As a result, the integrated semiconductor laser device 100 has good reliability and high-temperature operating characteristics, and the module on which the integrated semiconductor laser device 100 is mounted has low power consumption.

なお、集積型半導体レーザ素子100の半導体光増幅器50を、図1に示す実施の形態1に係る半導体レーザ素子100と同様に多重正孔障壁領域を有する半導体積層構造で構成してもよい。これによって集積型半導体レーザ素子100の信頼性と高温動作特性とがさらに良好なものとなり、かつさらにこの集積型半導体レーザ素子100を搭載したモジュールは、低消費電力化される。   The semiconductor optical amplifier 50 of the integrated semiconductor laser device 100 may be configured with a semiconductor stacked structure having a multiple hole barrier region, similar to the semiconductor laser device 100 according to the first embodiment shown in FIG. As a result, the reliability and high-temperature operating characteristics of the integrated semiconductor laser device 100 are further improved, and the module on which the integrated semiconductor laser device 100 is mounted further reduces power consumption.

(実施の形態3)
図8は、本発明の実施の形態3に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。図8に示すように、この集積型半導体レーザ素子200は、DFBレーザ20と、電界吸収型(EA)変調器60とが、基板上にモノリシックに集積されて構成されたものである。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a schematic plan view of an integrated semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the integrated semiconductor laser device 200 is configured by monolithically integrating a DFB laser 20 and an electroabsorption (EA) modulator 60 on a substrate.

DFBレーザ20は、実施の形態2のDFBレーザ20−1と同様の構成のDFBレーザである。EA変調器60は、DFBレーザ20が出力したレーザ光を変調して信号光として出力するためのものである。   The DFB laser 20 is a DFB laser having the same configuration as the DFB laser 20-1 of the second embodiment. The EA modulator 60 is for modulating the laser beam output from the DFB laser 20 and outputting it as signal light.

この集積型半導体レーザ素子200は、図1に示す実施の形態1に係る半導体レーザ素子10と同様に多重正孔障壁領域を有するDFBレーザ20を備えている。その結果、この集積型半導体レーザ素子200も、信頼性と高温動作特性とが良好なものであり、かつこの集積型半導体レーザ素子200を搭載したモジュールは、低消費電力なものである。   The integrated semiconductor laser element 200 includes a DFB laser 20 having a multiple hole barrier region, similar to the semiconductor laser element 10 according to the first embodiment shown in FIG. As a result, the integrated semiconductor laser element 200 also has good reliability and high-temperature operating characteristics, and a module equipped with the integrated semiconductor laser element 200 has low power consumption.

なお、上記実施の形態では、活性領域はSCH層を備えているが、SCH層を備えない活性領域を有する半導体光素子に対しても、本発明は適用できるものである。   In the above embodiment, the active region includes the SCH layer. However, the present invention can also be applied to a semiconductor optical device having an active region that does not include the SCH layer.

また、上記実施の形態では、活性領域とn型クラッド層との接合界面はAs/P界面であるが、活性領域とn型クラッド層との接合界面を挟んで互いにV族組成元素が異なるものであれば、他のV族組成元素の組み合わせであっても、本発明の効果を奏する。   In the above embodiment, the junction interface between the active region and the n-type cladding layer is an As / P interface, but the V group composition elements are different from each other across the junction interface between the active region and the n-type cladding layer. If so, the effect of the present invention can be achieved even with a combination of other group V composition elements.

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。   Further, the present invention is not limited by the above embodiment. What was comprised combining each component mentioned above suitably is also contained in this invention. Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspect of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.

1 n側電極
2 基板
3 n型クラッド層
4 活性領域
4a 井戸層
4b 障壁層
4c SCH層
4d 多重正孔障壁領域
4d1 正孔障壁層
4d2 スペーサー層
5、7 p型クラッド層
6 埋め込み半導体層
6a 下部層
6b 上部層
8 コンタクト層
9 p側電極
10 半導体レーザ素子
20、20−1〜20−n DFBレーザ
30−1〜30−n 光導波路
40 光合流器
40a 光出力ポート
50 半導体光増幅器
50a 光出力端
60 EA変調器
100、200 集積型半導体レーザ素子
h 正孔
S スパイク
1 n-side electrode 2 substrate 3 n-type cladding layer 4 active region 4a well layer 4b barrier layer 4c SCH layer 4d multiple hole barrier region 4d1 hole barrier layer 4d2 spacer layer 5, 7 p-type cladding layer 6 buried semiconductor layer 6a lower part Layer 6b Upper layer 8 Contact layer 9 P-side electrode 10 Semiconductor laser device 20, 20-1 to 20-n DFB laser 30-1 to 30-n Optical waveguide 40 Optical combiner 40a Optical output port 50 Semiconductor optical amplifier 50a Optical output End 60 EA modulator 100, 200 Integrated semiconductor laser element h Hole S Spike

Claims (11)

III―V族化合物半導体を用いた半導体光素子であって、
n型クラッド層と、
p型クラッド層と、
前記n型クラッド層と前記p型クラッド層との間に介挿された、多重量子井戸構造を含む活性領域と、
を備え、前記活性領域と前記n型クラッド層とは、接合界面を挟んで互いにV族組成元素が異なり、前記活性領域は、前記多重量子井戸構造よりも前記n型クラッド層側に配置された、正孔に対してエネルギー障壁となる多重の正孔障壁層を有することを特徴とする半導体光素子。
A semiconductor optical device using a III-V compound semiconductor,
an n-type cladding layer;
a p-type cladding layer;
An active region including a multiple quantum well structure, interposed between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer;
The active region and the n-type cladding layer are different from each other in the group V composition element across a junction interface, and the active region is disposed on the n-type cladding layer side of the multiple quantum well structure. A semiconductor optical device comprising a plurality of hole barrier layers serving as energy barriers against holes.
前記活性領域は、少なくとも、前記多重量子井戸構造および該多重量子井戸構造よりも前記n型クラッド層側の領域においてAlを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。   2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the active region includes Al in at least the multiple quantum well structure and a region closer to the n-type cladding layer than the multiple quantum well structure. 前記多重量子井戸構造はAlGaInAsからなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the multiple quantum well structure is made of AlGaInAs. 前記接合界面を挟んで前記活性領域側のV族組成元素はAsであり、前記n型クラッド層側のV族組成元素はPであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体光素子。   The group V composition element on the active region side across the junction interface is As, and the group V composition element on the n-type cladding layer side is P. The semiconductor optical device described in 1. 前記活性領域の、少なくとも前記多重量子井戸構造よりも前記n型クラッド層側の領域はAlGaInAsからなり、前記n型クラッド層はInPからなることを特徴とする請求項4に記載の半導体光素子。   5. The semiconductor optical device according to claim 4, wherein at least a region of the active region closer to the n-type cladding layer than the multiple quantum well structure is made of AlGaInAs, and the n-type cladding layer is made of InP. 前記多重の正孔障壁層は前記活性領域と前記n型クラッド層との前記接合界面に隣接して配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の半導体光素子。   6. The semiconductor light according to claim 1, wherein the multiple hole barrier layer is disposed adjacent to the junction interface between the active region and the n-type cladding layer. element. 当該半導体光素子は半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device is a semiconductor laser device. 当該半導体光素子は半導体光増幅器であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor optical device is a semiconductor optical amplifier. 請求項7に記載の複数の半導体レーザ素子と、
前記複数の半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を合流させて出力することができる光合流器と、
前記光合流器から出力されたレーザ光を増幅して出力する半導体光増幅器と、
を集積したものであることを特徴とする集積型半導体光素子。
A plurality of semiconductor laser devices according to claim 7;
An optical combiner capable of combining and outputting laser beams output from the plurality of semiconductor laser elements;
A semiconductor optical amplifier that amplifies and outputs the laser light output from the optical combiner;
An integrated semiconductor optical device characterized by being integrated.
前記半導体光増幅器は、請求項8に記載の半導体光増幅器であることを特徴とする請求項9に記載の集積型半導体光素子。   The integrated semiconductor optical device according to claim 9, wherein the semiconductor optical amplifier is a semiconductor optical amplifier according to claim 8. 請求項7に記載の半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を変調して出力する半導体光変調器と、 を集積したものであることを特徴とする集積型半導体光素子。
A semiconductor laser device according to claim 7;
An integrated semiconductor optical device comprising: a semiconductor optical modulator that modulates and outputs laser light output from the semiconductor laser device.
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