JP2017168592A - 分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性が高められ、２〜１００μｍ波長のレーザ光を放出可能な分布帰還型半導体レーザを提供する。【解決手段】分布帰還型半導体レーザは、半導体積層体と、第１の電極と、を有する。前記半導体積層体は、第１の層と、前記第１の層の上に設けられ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と、前記活性層の上に設けられた第２の層と、を含む。前記半導体積層体は、前記第２の層の表面を含む平坦部と前記表面から前記第１の層に到達する溝部とを含む第１の面を有し、前記平坦部は第１の直線に沿って延在する第１領域と前記第１の直線に直交するように延在する第２領域とを有し、前記溝部と前記第２領域とは前記第１領域の外側において前記第１の直線に沿った所定のピッチを有する回折格子を構成する。前記第１の電極は、前記第１領域に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、分布帰還型半導体レーザに関する。

光軸に沿って回折格子が設けられた分布帰還型半導体レーザでは、狭いスペクトル幅の単一モード発振が可能である。

活性層を含む半導体積層体上にストライプ電極を設けたゲインガイド型レーザでは、電流狭窄が十分ではなく、横方向の光閉じ込め効果が小さい。

活性層を含む半導体積層体をリッジ断面とすると、電流狭窄が可能であり、光閉じ込め効果が高まる。しかしながら、活性層から横方向への放熱が十分ではない。

特表２０１２−５２６３７５号公報

放熱性が高められ、２〜１００μｍ波長のレーザ光を放出可能な分布帰還型半導体レーザを提供する。

実施形態の分布帰還型半導体レーザは、半導体積層体と、第１の電極と、を有する。前記半導体積層体は、第１の層と、前記第１の層の上に設けられ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と、前記活性層の上に設けられた第２の層と、を含む。前記半導体積層体は、前記第２の層の表面を含む平坦部と前記表面から前記第１の層に到達する溝部とを含む第１の面を有し、前記平坦部は第１の直線に沿って延在する第１領域と前記第１の直線に直交するように延在する第２領域とを有し、前記溝部と前記第２領域とは前記第１領域の外側において前記第１の直線に沿った所定のピッチを有する回折格子を構成する。前記第１の電極は、前記第１領域に設けられる。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる分布帰還型半導体レーザの部分模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。図１（ｄ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。 半導体積層体の部分模式斜視図である。 図３（ａ）は第１比較例にかかるＱＣＬの模式断面図、図３（ｂ）は第２比較例にかかるＱＣＬの模式断面図、図３（ｃ）は第３比較例にかかるＱＣＬの模式断面図、である。 ヒートシンクに接合した第１の実施形態の分布帰還型半導体レーザの模式断面図である。 図５（ａ）は第２の実施形態にかかる分布帰還型半導体レーザの部分模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。 図６（ａ）は第３の実施形態にかかる分布帰還型半導体レーザの模式斜視図、図６（ｂ）はＦ−Ｆ線に沿った第１領域の模式断面図、図６（ｃ）はＥ−Ｅ線に沿った第２領域の模式断面図、である。 第３の実施形態の変形例にかかる分布帰還型半導体レーザの模式斜視図である。

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の実施形態にかかる分布帰還型半導体レーザの部分模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、図１（ｄ）はＣ−Ｃ線に沿った模式断面図、である。
また、図２は、半導体積層体の部分模式斜視図である。

分布帰還型半導体レーザ１０は、半導体積層体２０と、第１電極４０と、を有する。また、図１（ｂ）〜（ｄ）に表すように、半導体積層体２０の表面には、誘電体層５０が設けられてもよい。なお、図１（ａ）においては、誘電体層が省略されている。半導体積層体２０は、第１の層２２と、第１の層２２の上に設けられレーザ光を放出可能な活性層２４と、活性層２４の上に設けられた第２の層２６と、を含む。

また、半導体積層体２０は、第１の面２１を有する。第１の面２１は、平坦部と溝部Ｖとを有する。平坦部は、活性層２４の中心軸（第１の直線ＯＡ）に平行に延在しかつ表面が平坦な第１領域２１ａと、第１の直線ＯＡに直交するようにかつ所定のピッチＴ３で第１領域２１ａの外側に配置された第２領域２１ｃと、を含む。

溝部Ｖは、平坦部から第１の層２２に到達する深さを有する。溝部Ｖの断面は、Ｖ字形、矩形などとする。溝部Ｖと第２領域２１ｃとは第１の直線ＯＡに沿って、所定のピッチＴ３で、交互に配置される。溝部Ｖは、内壁や底面などを含む。

第１電極４０は、第１の面２１のうちの第１領域２１ａに設けられる。第１電極４０は、第２の層２６の表面に接する。第２の層２６の表面に不純物濃度が高いコンタクト層を設けると接触抵抗を低減できる。図１（ｂ）、（ｃ）では、第１電極４０と、第２の層２６との幅が同一であるが、本実施形態は、これに限定されず、リッジ導波路ＲＷの幅Ｔ１が第１電極４０の幅よりも広くてもよい。また、Ａ−Ａ線に沿った溝部Ｖの幅Ｔ２は、レーザ光の強度が十分に低下するようにすることが好ましい。

図１（ｄ）に表すピッチＴ３を、たとえば、媒質内波長の２分の１などとすると分布帰還効果を高めることができる。所定のピッチＴ３を有する溝部Ｖは、分布反射器を構成し、発光スペクトルが単一であるレーザ光を放出する。図１（ａ）において、第１の直線ＯＡが半導体積層体２０の側面の１つに直交する。分布反射器が第１の直線ＯＡに沿って配置されると、第１の直線ＯＡを、光軸と一致させることができる。

活性層２４は、井戸層と障壁層とを含む量子井戸層からなるサブバンド間遷移発光領域と、緩和領域と、が交互に積層された構成とされる。量子井戸は、たとえば、ＳｉがドープされＩｎ_{０．６６９}Ｇａ_{０．３３１}Ａｓからなる井戸層と、ＳｉがドープされＩｎ_{０．３６２}Ａｌ_{０．６３８}Ａｓからなる障壁層と、を含む。量子井戸層は、さらに少なくとも２つの井戸層と複数の障壁層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi−Quantum Well)構造であることがより好ましい。また、緩和領域も、量子井戸層を含むことができる。

半導体積層体２０は、ＩｎＰやＧａＡｓからなる基板３０をさらに有することができる。また、半導体積層体２０は、基板３０と第１の層２２との間に、さらにバッファ層２８を設けることができる。また、基板３０の裏面には裏面電極９０を設けることができる。

レーザ光の波長は、たとえば、２μｍ〜１００μｍなどとすることができる。

誘電体層５０は、たとえば、ＳｉＯ_２、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅなどとすることができる。誘電体層５０は、溝部Ｖの内壁および底面、および半導体積層体２０の表面のうち第１の電極４０が設けられない領域を覆うように設けられる。Ｃ−Ｃ線に沿った誘電体層５０の上面の誘電体層５０の開口幅をＴ４とする。

（表１）は、レーザ光の波長を４μｍ（中赤外線）、１５μｍ（中赤外線）、８０μｍ（テラヘルツ波）とした場合、リッジ導波路ＲＷの幅Ｔ１、溝部Ｖの幅Ｔ２、ピッチＴ３、および誘電体層５０の開口幅Ｔ４の一例を表す。

図３（ａ）は第１比較例にかかるＱＣＬの模式断面図、図３（ｂ）は第２比較例ににかかるＱＣＬの模式断面図、図３（ｃ）は第３３比較例にかかるＱＣＬの模式断面図、である。
図３（ａ）に表す第１比較例では、分布反射器は、第１の直線ＯＡに沿ってリッジ導波路１２０Ｒを構成する。このため、電流Ｉが狭窄され、光閉じ込め効果が大きい。活性層１２４で発生した熱は、第１の層１２２および基板１３０を経由して主に下方へ放散されるが、活性層１２４の横方向への放散が少ない。この結果、放熱性が不十分である。

また、図３（ｂ）に表す第２比較例では、リッジ導波路は構成されず、ストライプ状の第１電極１４０から下方に流れる電流Ｉは横方向に広がる。このため、電流狭窄は不十分となり光閉じ込め効果が低い。他方、活性層１２４で発生した熱は、活性層１２４から下方および横方向に放散されるので第１比較例よりも高い放熱性が得られる。

また、図３（ｃ）に表す第３比較例では、リッジ導波路１２１Ｒの両側面がＩｎＰなどの埋め込み層１２８で埋め込まれる。このため、電流狭窄および放熱性を高めることができるが、埋め込み層１２８の再成長プロセスが必要でありプロセスが複雑になる。

これに対して、第１の実施形態では、溝部Ｖが第１電極４０の直下には設けられず、半導体積層体２０の第１の面２１の第１領域２１ａの両側に設けられる。すなわち、溝部Ｖが設けられない第２領域２１ｃにおいて活性層２２で発生した熱は、活性層２２から横方向および下方に放散される。他方、溝部Ｖは、光導波と波長選択が可能な回折格子として作用する。すなわち、第１の実施形態では、光閉じ込め効果を保ちつつ、放熱性を高めることができる。さらに、埋め込み層を結晶成長する必要がないために工程が簡素になり価格低減が容易となる。

図４は、ヒートシンクに接合した第１の実施形態の分布帰還型半導体レーザの模式断面図である。
第１電極４０と金属からなるヒートシンク７０とを、ＡｕＳｎなどの導電性接着剤などを用いて接合する。活性層２４で発生した熱は、第２の層２６、および第１電極４０を伝導してヒートシンク７０を通って外部に放熱される。基板３０の側をヒートシンクに接合するよりも熱抵抗を低くすることができる。

溝部Ｖを活性層２４よりも深くすると（第１の層２２に到達させる）、分布反射器との結合を高くできる。ｐｎ接合端面発光型ＬＤでは、端面における再結合によりＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）を誘起する。第１の実施形態では、ＣＯＤ破壊を抑制しつつ、結合効率を高めることができる。

図５（ａ）は第２の実施形態にかかる分布帰還型半導体レーザの部分模式斜視図、図５（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ線に沿った模式断面図、である。
活性層２４の上には、第２の層２７が設けられる。第２の層２７の上には、第１電極４１が設けられる。第２の層２７は、たとえば、ＩｎＧａＡｓからなりｎ形不純物濃度を１×１０^２０ｃｍ^−１などと高くする。第１電極４１は、たとえば、第２の層２７の側からＡｕ、Ｔｉをこの順序に積層する。第１電極４１と第２の層２７との界面は、第１電極４１が負の誘電率となり、第２の層２７が正の誘電率となる表面プラズモン導波路ＰＷＧとして機能する。

レーザ光はこの界面により導波されたＴＭ（Transverse Magnetic)モードとなる。すなわち、活性層２４の上部にクラッド層を設けなくともよい。波長が２０μｍ以上の遠赤外線では、表面プラズモン導波路により光損失がより低減できる。

図６（ａ）は第３の実施形態にかかる分布帰還型半導体レーザの模式斜視図、図６（ｂ）はＦ−Ｆ線に沿った中央領域の模式断面図、図６（ｃ）はＥ−Ｅ線に沿った端部領域の模式断面図、である。
半導体積層体２０の第１の面２１のうち、第１の電極４０が設けられる第１領域２１ａの両側に設けられる回折格子のピッチは、チップの中央部ＣＲとチップの端部ＥＲとで異なる。中央部ＣＲの回折格子は、端部ＥＲの回折格子に比べて高次であるものとする。

たとえば、本図において、中央部ＣＲは２次の回折格子（ピッチＴ３ａ）、端部ＥＲは１次の回折格子（ピッチＴ３ｂ）、をそれぞれ有するものとする。また、中央部ＣＲにおいて、第１の電極４０は開口部４０ｐを有する。

１次回折格子および２次回折格子は、それぞれレーザ光に対して分布反射器として作用する。本実施形態では、２次回折格子を構成する溝部Ｖ２に隣接した第１領域２１ａにおいて第１の電極４０の中心軸４０ａに沿って数十μｍの長さを有する開口部４０ｐが設けられている。分布反射器を含む共振器により、単一モードのレーザ光が活性層２４に対して略垂直方向に放出可能であった。

ここで、レーザ光を略垂直方向に放出可能な理由ついて説明する。導波路において、回折格子による回折角をθ、回折格子の次数をＭ（整数）、回折次数をｍ（整数）とした場合、次式が成り立つ。

cosθ＝1±２ｍ／Ｍ

２次の回折格子の場合、ｍ＝１のモードは導波路に対して±９０度方向に散乱される。ｍ＝０およびｍ＝２のモードは、導波路に平行な方向への散乱であるため、実質放射される光は±９０度方向のみとなる。なお、略垂直とは、活性層２４の表面に対して、８０８１度以上、１００度以下であるものとする。

たとえば、リッジ導波路に沿った遠視野像の半値全角（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）は２度以下などと十分に狭くできた。すなわち、２次回折格子は、分布反射器として作用しつつ、半導体積層体２０の表面に対してレーザ光を放出可能なフォトニック結晶として作用する。また、チップの端部ＥＲの分布反射器の反射率を高めると、端面からの光の漏れを低減できる。

図７は、第３の実施形態の変形例にかかる分布帰還型半導体レーザの模式斜視図である。
チップの中央部ＣＲにおいて、第１の電極４０は、溝部Ｖの外側を迂回するように設けられてもよい。

第１〜第３の実施形態およびこれらに付随した変形例によれば、放熱性が高められ、２〜１００μｍの波長の単一モードのレーザ光を放出可能な分布帰還型半導体レーザが提供される。このような分布帰還型半導体レーザは、環境測定、呼気測定、レーザ加工などに広く応用可能である。

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。

１０ 分布帰還型半導体レーザ、２０ 半導体積層体、２１ 第１の面、２１ａ 第１領域、２１ｃ 第２領域、２２ 第１の層、２４ 活性層、２６、２７ 第２の層、４０ 第１の電極、４０ａ 中心軸、４０ｐ 開口部、４１ 第１の電極、５０ 誘電体層、ＯＡ 第１の直線、Ｔ１ リッジ幅、Ｔ１ 溝部の幅、Ｔ３ 回折格子のピッチ、Ｖ 溝部、ＲＷ リッジ導波路

Claims (5)

1. 第１の層と、前記第１の層の上に設けられ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と、前記活性層の上に設けられた第２の層と、を含む半導体積層体であって、
   前記第２の層の表面を含む平坦部と前記表面から前記第１の層に到達する溝部とを含む第１の面を有し、前記平坦部は第１の直線に沿って延在する第１領域と前記第１の直線に直交するように延在する第２領域とを有し、前記溝部と前記第２領域とは前記第１領域の外側において前記第１の直線に沿った所定のピッチを有する回折格子を構成する、半導体積層体と、
   前記第１領域に設けられた第１の電極と、
   を備えた分布帰還型半導体レーザ。
2. 前記溝部は、前記第１の電極の中心軸に関して、左右対称となるようにそれぞれ設けられた請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ。
3. 前記レーザ光の波長は、２μｍ以上、かつ１００μｍ以下である請求項１または２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
4. 前記レーザ光は、前記半導体積層体の側面のうち前記第１の直線に直交する側面から放出される請求項１〜３のいずれか１つに記載の分布帰還型半導体レーザ。
5. 前記第１の直線に沿った中央部における前記第２領域のピッチは、２次の回折格子を構成し、
   前記第１の直線に沿いかつ前記中央部の両側の端部に設けられた前記第２領域のピッチは、１次の回折格子を構成し、
   前記第１の電極には、前記中央部に隣接した領域に開口部が設けられ、
   前記レーザ光は、前記開口部に露出した前記第１領域から略垂直方向に放出される請求項１〜３のいずれか１つに記載の分布帰還型半導体レーザ。

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