JP2017168591A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、半導体レーザ装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a semiconductor laser device.
量子井戸構造がカスケード接続されたユニポーラ型レーザの活性層において、サブバンド間光学遷移を生じさせ、赤外線レーザ光を得ることができる。 In the active layer of a unipolar laser in which quantum well structures are cascaded, an intersubband optical transition can be generated to obtain an infrared laser beam.
カスケード接続数が多くなると活性層の厚さが増加し、活性層の側面積が増加する。もし、活性層内部を通過せずに活性層の側面に沿って流れる電流の割合が増加すると、発光に寄与する有効電流が低下する。このため、発光効率が低下し、かつ側面近傍の温度が上昇し素子が劣化することがある。 As the number of cascade connections increases, the thickness of the active layer increases and the side area of the active layer increases. If the ratio of the current that flows along the side surface of the active layer without passing through the active layer increases, the effective current that contributes to light emission decreases. For this reason, the luminous efficiency is lowered, the temperature in the vicinity of the side surface is raised, and the element may be degraded.
発光効率および信頼性が高められ、高出力化が容易な半導体レーザ装置を提供する。 Provided is a semiconductor laser device in which light emission efficiency and reliability are enhanced and high output is easy.
実施形態の半導体レーザ装置は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層を有し、前記レーザ光を放出可能であり、化合物半導体からなる積層体と、前記積層体の側面のうちの少なくとも1つに露出した前記活性層を覆う金属酸化膜と、を有する。前記活性層から前記金属酸化膜へ向かうに従って、キャリアに対するエネルギー障壁は高くなる。 The semiconductor laser device according to the embodiment has an active layer capable of emitting laser light by intersubband optical transition, and can emit the laser light, and includes a stacked body made of a compound semiconductor, and a side surface of the stacked body And a metal oxide film covering the active layer exposed to at least one of the above. The energy barrier against carriers becomes higher from the active layer toward the metal oxide film.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図1(a)は第1の実施形態の半導体レーザ装置の模式斜視図、図1(b)はA−A線に沿った模式断面図、図1(c)は積層体と金属酸化膜との界面近傍の熱平衡状態のバンド図、である。
半導体レーザ装置10は、積層体20と、金属酸化膜40と、を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A is a schematic perspective view of the semiconductor laser device of the first embodiment, FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA, and FIG. 1C is a stack, a metal oxide film, and the like. It is a band figure of the thermal equilibrium state of the interface vicinity of.
The
積層体20は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光80を放出可能な活性層22を有する。また、積層体20は、レーザ光80をリッジ導波路70の延在方向に沿って放出可能である。リッジ導波路70の延在方向は、レーザ光80の光軸81に平行である。金属酸化膜40は、リッジ導波路70の延在方向に平行な積層体20の4つの側面のうちの少なくとも1つに露出した活性層22を覆う。4つの側面は、延在方向に平行な積層体20の2つの面20a、および延在方向に垂直な積層体20の端面20bを含む。図1(a)では、金属酸化膜40は、2つの面20aと2つの端面20bに設けられている。
The stacked
半導体レーザ装置10は、さらにInPなどからなる基板30と第1の電極50とをさらに有することができる。第1の電極50は、積層体20の上に設けられる。また、基板30を導電性とすると、たとえば、基板30の裏面に第2の電極60を設けることができる。
The
図1(b)に表すように、積層体20は、たとえば、単結晶半導体からなる基板30の上に設けることができる。本図において、積層体20は、基板30の側から、活性層22と、第1の層25と、第2の層23と、を有する。第1の層25は、活性層22の側から、たとえば、第1光ガイド層25a、第1クラッド層25b、第1コンタクト層25c、を有する。また、第2の層23は、活性層22の側から、たとえば、第2光ガイド層23a、第2クラッド層23b、バッファ層23c、を有する。積層体20は、たとえば、n形層を含むことができる。
As shown in FIG. 1B, the stacked
活性層22は、たとえば、レーザ光80を放出可能なサブバンド間遷移領域と、サブバンド間遷移領域から注入されたキャリア(たとえば電子)のエネルギーを緩和可能な注入/緩和領域と、が交互に積層されたカスケード構造を有する。積層される段数は、たとえば、20〜100などとすることができる。注入/緩和領域、第1クラッド層25b、第2クラッド層23bなどをn形層とすると、電子がサブバンド間光学遷移を生じレーザ光が放出される。
In the
すなわち、本実施形態の半導体レーザ装置は、量子カスケードレーザ(QCL:Quantum Cascade Laser)として動作する。段数を増加すると、キャリアが遷移する回数が増えるので出力が増大する。レーザ光80の波長は、半導体のバンドギャップエネルギーに依存せずに決定できる。たとえば、MQW構造を適正に設定することにより、赤外線からテラヘルツ波の間の波長のレーザ光を得ることができる。
That is, the semiconductor laser device of the present embodiment operates as a quantum cascade laser (QCL: Quantum Cascade Laser). Increasing the number of stages increases the output because the number of carrier transitions increases. The wavelength of the
活性層22から放出されたレーザ光80は、第1および第2のクラッド層25b、23bにより垂直方向に閉じ込められる。また、レーザ光80は、積層体20の2つの面20aに設けられた金属酸化膜40により光軸81の方向に導波され放出される。
The
第1の電極50は、金属酸化膜40の上部に設けられた開口部40aを介して第1の層25のコンタクト層25cに接続される。
The
金属酸化膜40の比誘電率は、窒化シリコン(Si3N4)の比誘電率よりも高くなるように選択される。金属酸化膜40は、たとえば、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、チタニウム(Ti)、タンタル(Ta)からなるグループのいずれか1つの金属を含む酸化膜、またはそれらの酸化膜の積層膜とされる。なお、金属酸化膜はこれらに限定されない。すなわち、金属酸化膜40の比誘電率は、酸化アルミニウムの比誘電率の下限値である8以上となるように選択される。
The relative dielectric constant of the
次に、金属酸化膜40の比誘電率を(表1)に例示する。なお、本明細書において、比誘電率は、1MHzにおける測定値で表すものとする。また、比誘電率は、内部の粒子構造や製造プロセスなどにより変化することがあるので、(表1)の数値は、その一例である。
Next, the dielectric constant of the
ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、チタニウム、タンタルなどの金属酸化膜40の比誘電率は、8以上と高い。このため、InGaAs、InAlAs、GaAs、AlGaAsなどの化合物半導体の伝導帯のエネルギー準位は、金属酸化膜40中の固定電荷によって、金属酸化膜40に向かうに従って持ち上がる(図1(c))。すなわち、活性層22から金属酸化膜40に向かうに従って、キャリア(本図では電子)に対するエネルギー障壁は高くなる。
The relative dielectric constant of the
活性層22は、InGaAs(井戸層)/InAlAs(障壁層)からなるMQWまたはGaAs(井戸層)/AlGaAs(障壁層)からなるMQWなどがカスケード接続された構造とすることができる。伝導帯の持ち上がりは電子にとって障壁として作用する。このため、電子は金属酸化膜40と活性層22との界面を流れず、活性層22の内部を活性層22に対して略垂直方向に通過しサブバンド間光学遷移に寄与できる。なお、積層体20と、金属酸化膜40との間に薄い自然酸化膜が局所的に形成されていてもよい。
The
図2(a)は半導体表面に自然酸化膜が生じた熱平衡状態のバンド図、図2(b)は界面準位低減膜が設けられた半導体表面の熱平衡状態のバンド図、図2(c)は比較例にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図、である。
図2(a)に表すように、積層体120の端面および側面の表面は、劈開やスクライブによる高密度の界面準位を有する。活性層の表面に薄い自然酸化膜122が存在していても、たとえば、電子などのキャリアが積層体120の側面に沿って流れやすくなり、電流J1を生じる。
2A is a band diagram in a thermal equilibrium state where a natural oxide film is formed on the semiconductor surface, FIG. 2B is a band diagram in a thermal equilibrium state of the semiconductor surface provided with the interface state reducing film, and FIG. FIG. 3 is a schematic perspective view of a semiconductor laser device according to a comparative example.
As shown in FIG. 2A, the end surface and side surface of the laminate 120 have high-density interface states due to cleavage or scribing. Even if the thin
また、図2(b)に表すように、酸化シリコンや窒化シリコンなどの界面準位低減膜124を端面や側面に設けても、伝導帯のエネルギー準位は平坦である。このため、積層体120と界面準位低減膜124との界面に沿って電流が流れやすい。この表面電流J1はサブバンド間光学遷移に寄与しない無効電流となり、発光効率を低下させる。但し、QCLにおいては、pn接合半導体レーザとは異なり、活性層端面におけるホールと電子の非発光再結合によるCOD(Catastrophic Optical Damage)劣化は少ない。
Further, as shown in FIG. 2B, the energy level of the conduction band is flat even if the interface
QCLは、たとえば、活性層幅が5〜20μm、活性層22の厚さが数μmなどであるので、側面に露出する活性層の面積が広い。他方、pn接合レーザダイオードは、たとえば、活性層幅が数μm、活性層の厚さが0.1μmなどである。すなわち、同じ平面サイズであっても、QCLの活性層の側面に露出する面積は、pn接合レーザダイオードの50〜200倍などと広くなる。
In QCL, for example, the active layer width is 5 to 20 μm and the thickness of the
図2(c)の比較例にかかる半導体レーザ装置は、積層体120の側面(端面を含む)が共有結合絶縁膜などの界面準位低減膜124で覆われている。このため、広い側面(端面も含む)に露出した井戸層から界面に沿って発光に寄与しない電流J1が流れる。この電流J1は、内部の多重量子井戸構造(MQW:Multi-Quantum Well)を流れないので、サブバンド間光学遷移に寄与することなく無効電流となる。また、界面近傍の狭い領域に過大な電流が流れると温度上昇を生じる。温度上昇により、結晶欠陥や界面準位が多く存在する界面近傍では、転位などが増殖し素子が劣化しやすい。さらに、バンドギャップの中央近傍に界面準位があると、電子の寿命が短く発光遷移が減少する。このため、発光効率がさらに低下することがある。
In the semiconductor laser device according to the comparative example of FIG. 2C, the side surface (including the end surface) of the
これに対して、第1の実施形態では、活性層22を含む積層体20と金属酸化膜40との界面を流れる電流が伝導帯の持ち上がりにより低減される。このため、図1(a)に表すように、サブバンド間遷移領域を流れる電流Ioに対して、側面(端面を含む)を流れる電流Isが十分に低減され、半導体レーザ装置10の高出力化および高信頼性化が可能となる。
On the other hand, in the first embodiment, the current flowing through the interface between the
図3(a)は第1の実施形態の半導体レーザ装置の模式上面図、図3(b)は第1変形例の模式上面図、である。
図3(a)では、金属酸化膜40は、積層体20の4つの側面のうち、2つの(側)面および2つの端面20bを覆う。このように積層体20の2つの面20aおよび2つの端面20bをすべて覆うと、積層体20の側面全体で表面電流が低減できる。なお、活性層22の2つの面および2つの端面をさらに覆ってもよい。図3(b)に表す第1変形例では、金属酸化膜40は、リッジ導波路70に平行な積層体20の2つの面20aを覆う。なお、リッジ導波路70に平行な活性層22の2つ面を覆ってもよい。
FIG. 3A is a schematic top view of the semiconductor laser device of the first embodiment, and FIG. 3B is a schematic top view of the first modification.
In FIG. 3A, the
端面発光型レーザの場合、メサ状のリッジ導波路70の側面に金属酸化膜40を形成するプロセスは、ウェーハ状態で行うことができる。劈開プロセスののち、端面20bには、低反射膜や高反射膜を形成することができるが、図3(a)の構造では、劈開で露出した端面20bに金属酸化膜40をさらに形成するプロセスがさらに必要になり工程数が増加する。
In the case of an edge-emitting laser, the process of forming the
図4は、第2の実施形態にかかる半導体レーザ装置の界面近傍の熱平衡状態のバンド図である。
第2の実施形態では、化合物半導体を含む積層体20の表面に共有結合絶縁膜42が設けられ、共有結合絶縁膜42の表面にさらに金属酸化膜40が設けられる。共有結合絶縁膜42は、たとえば、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコン(Si3N4)、炭化シリコン(SiC)、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)などとする。金属酸化膜40および共有結合絶縁膜42の厚さは、たとえば、2nm以上とすることができる。また、金属酸化膜40は、第1の実施形態と同一の材料とする。金属酸化膜40は、イオン結合絶縁体として作用する。なお、(表2)は、共有結合絶縁物の比誘電率の一例である。
FIG. 4 is a band diagram of a thermal equilibrium state in the vicinity of the interface of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
In the second embodiment, a covalent
共有結合絶縁膜42が酸化シリコンのとき、界面に生じるダイポールの極性の向きは、金属酸化物40の酸素面密度によって異なる。たとえば、酸素面密度が高いAl2O3/SiO2/半導体やHfO2/SiO2/半導体の構成では、共有結合絶縁膜42と金属酸化膜40との界面において、高誘電率であるAl2O3およびHfO2の側に負の固定電荷が生じる。また、酸素面密度が低いY2O3/SiO2/半導体やLa2O3/SiO2/半導体の構成では、Y2O3やLa2O3の側に正の固定電荷が生じる。なお、Y2O3の比誘電率は、約11である。
When the covalent
積層体20がInGaAs、InAlAs、GaAs、AlGaAsを含む場合、第2の実施形態の金属酸化膜40は、負の固定電荷膜として作用し、積層体20の伝導帯のエネルギー準位は、共有結合絶縁膜42との界面に向かうに従って持ち上がる。このため、サブバンド間光学遷移に寄与しない不要な電流が界面近傍に沿って垂直方向に流れることを抑制できる。
When the
図5(a)は第3の実施形態にかかる半導体レーザ装置の部分模式平面図、図5(b)はB−B線に沿った部分模式断面図、である。
半導体レーザ装置11は、積層体20と、第1の電極80と、金属酸化膜46と、を有する。積層体20は、サブバンド間光学遷移によりレーザ光を放出可能な活性層22と、活性層22の上に設けられ複数のピット29が二次元の格子を構成するように設けられた第1の面25cを有する第1の層25と、活性層22と、基板30と、を有する。ピット29は、第1の面25cから第1の層25の深さ方向に三角柱領域が切り出された領域とする。
FIG. 5A is a partial schematic plan view of the semiconductor laser device according to the third embodiment, and FIG. 5B is a partial schematic cross-sectional view along the line BB.
The
第1の電極80は、第1の層25の第1の面25cのうちの平坦面25aに設けられ、枠部81とストライプ部82とを有する。枠部81とストライプ部82とで囲まれた領域は周期的な開口部となり、第1の面25cを構成するピット部25bが露出する。金属酸化膜46は、積層体20の側面に露出した活性層22を少なくとも覆う。
The
それぞれのピット29は、格子に平行な線に関して非対称である。レーザ光は、開口部に露出したピット29から活性層22に対して垂直方向に出射される。すなわち、第3の実施形態の半導体レーザ装置11は面発光型である。
Each
本実施形態では、積層体20の4つの側面に金属酸化膜46が設けられる。露出した活性層22の伝導帯のエネルギー準位は、金属酸化膜46との界面に向かうに従い持ち上がる。このため、界面に沿って不要な電流が流れることが抑制され、発光効率および信頼性が高められる。
In the present embodiment,
図6(a)は第3の実施形態の変形例にかかる半導体レーザ装置の部分模式平面図、図6(b)はB−B線に沿った部分模式断面図、である。
複数のピット29の内壁を金属酸化膜47でさらに覆うことができる。このようにすると、ピット29の内壁に沿って流れる電流を抑制できる。このため、2次元状格子において、不要な電流が流れることが抑制され、2次元格子の全面において電流を均一にできる。
FIG. 6A is a partial schematic plan view of a semiconductor laser device according to a modification of the third embodiment, and FIG. 6B is a partial schematic cross-sectional view along the line BB.
The inner walls of the plurality of
第1〜第3の実施形態、およびそれらに付随する変形例によれば、発光効率および信頼性が高められ、高出力化が容易な半導体レーザ装置が提供される。これらの半導体レーザ装置は、レーザ加工、環境測定、呼気測定などに広く応用できる。 According to the first to third embodiments and the modifications associated therewith, there is provided a semiconductor laser device in which light emission efficiency and reliability are improved and high output is easy. These semiconductor laser devices can be widely applied to laser processing, environmental measurement, exhalation measurement, and the like.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10、11 半導体レーザ装置、20 積層体、20a 側面、20b 端面、22 活性層、25 第1の層、25a 平坦領域、25b ピット領域、25c 第1の面、29 ピット、30 基板、40、46、47 金属酸化膜、42 共有結合絶縁膜、50、80 第1の電極、70 リッジ導波路、80 レーザ光 10, 11 Semiconductor laser device, 20 stack, 20a side surface, 20b end surface, 22 active layer, 25 first layer, 25a flat region, 25b pit region, 25c first surface, 29 pit, 30 substrate, 40, 46 47 Metal oxide film, 42 Covalent insulating film, 50, 80 First electrode, 70 Ridge waveguide, 80 Laser light
Claims (9)
前記積層体の側面のうちの少なくとも1つに露出した前記活性層を覆う金属酸化膜と、
を備え、
前記活性層から前記金属酸化膜へ向かうに従って、キャリアに対するエネルギー障壁は高くなる、半導体レーザ装置。 An active layer capable of emitting laser light by optical transition between subbands, capable of emitting the laser light, and a laminate made of a compound semiconductor;
A metal oxide film covering the active layer exposed on at least one of the side surfaces of the laminate;
With
The semiconductor laser device, wherein an energy barrier against carriers increases as going from the active layer to the metal oxide film.
前記レーザ光を前記リッジ導波路の延在方向に沿って放出され、
前記積層体の側面は、前記延在方向に平行な面および前記延在方向に垂直な端面を含む、
請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。 The laminate includes a ridge waveguide;
The laser light is emitted along the extending direction of the ridge waveguide;
The side surface of the laminate includes a surface parallel to the extending direction and an end surface perpendicular to the extending direction.
The semiconductor laser device according to claim 1.
前記積層体は、前記活性層の上に設けられた第1の層を有し、
前記第1の層の第1の面は、前記第1の電極が設けられた平坦領域と、複数のピットが二次元の格子を構成するように設けられたピット領域と、を含み、
それぞれのピットは、前記格子の辺に平行な線に関して非対称であり、
前記レーザ光は前記開口部に露出したピットから前記活性層に対して垂直方向に出射される、請求項1〜6のいずれか1つに記載の半導体レーザ装置。 A first electrode provided on the laminate and having a periodic opening;
The laminate includes a first layer provided on the active layer,
The first surface of the first layer includes a flat region provided with the first electrode, and a pit region provided such that a plurality of pits form a two-dimensional lattice,
Each pit is asymmetric with respect to a line parallel to the sides of the grid,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the laser light is emitted in a direction perpendicular to the active layer from a pit exposed in the opening.
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