JP2017168593A - Semiconductor laser device - Google Patents

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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser device in which luminous efficiency and reliability are improved while increasing the output easily.SOLUTION: A semiconductor laser device includes a laminate composed of a compound semiconductor, and having an active layer capable of emitting laser light by intersubband optical transition, and provided with a ridge waveguide, and capable of emitting the laser light in the extension direction of the ridge waveguide, insulator layers sandwiching the side surface of the active layer from the opposite sides, on the cross section intersecting the ridge waveguide, a first electrode provided on the upper surface of the laminate, and a second electrode covering the side surface of the insulator layer, and can control the voltage between the second electrode and the lower surface of the laminate.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

特開２０１４−３３１４号公報JP 2014-3314 A

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、リッジ導波路が設けられ、化合物半導体からなる積層体であって、前記レーザ光を前記リッジ導波路が延在する方向に出射可能な積層体と、前記リッジ導波路と交差する断面において、前記活性層の側面を両側から挟む絶縁体層と、前記積層体の上面に設けられた第１の電極と、前記絶縁体層の側面を覆う第２の電極と、を備え、前記第２の電極と前記積層体の下面との間の電圧を制御可能である。   The semiconductor laser device according to the embodiment is a stacked body that includes an active layer capable of emitting laser light by intersubband optical transition, is provided with a ridge waveguide, and is formed of a compound semiconductor, and the laser light is guided to the ridge. A laminated body capable of emitting light in a direction in which the waveguide extends; an insulating layer sandwiching a side surface of the active layer from both sides in a cross section intersecting with the ridge waveguide; and a first layer provided on an upper surface of the laminated body An electrode and a second electrode covering a side surface of the insulator layer are provided, and a voltage between the second electrode and the lower surface of the stacked body can be controlled.

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。FIG. 1A is a schematic plan view of the semiconductor laser device according to the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA. 図２（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図、図２（ｂ）は積層体と絶縁体層との界面近傍のバンド図、である。FIG. 2A is a schematic perspective view of the semiconductor laser device according to the first embodiment, and FIG. 2B is a band diagram in the vicinity of the interface between the stacked body and the insulator layer. 電界シミュレーションを行うＱＣＬの構造を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining the structure of QCL which performs electric field simulation. 図４（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧Ｖ２がマイナス３Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図４（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図４（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図４（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図４（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。4A to 4D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage V2 is −3V. 4A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 4B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 4C is hole concentration along the X axis. FIG. 4D is a graph showing a change in electron current density along the X axis. 図５（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧Ｖ２がマイナス５Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図５（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図５（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図５（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図５（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。FIGS. 5A to 5D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage V2 is minus 5V. 5A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 5B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 5C is hole concentration along the X axis. FIG. 5D is a graph showing the change in the electron current density along the X axis. 図６（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧Ｖ２がマイナス８Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図６（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図６（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図６（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図６（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。6A to 6D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage V2 is −8V. 6A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 6B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 6C is hole concentration along the X axis. FIG. 6D is a graph showing a change in electron current density along the X axis. 図７（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧Ｖ２がマイナス１０Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図７（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図７（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図７（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図７（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。7A to 7D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage V2 is −10V. 7A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 7B is a graph showing the change in electron concentration along the X axis, and FIG. 7C is the hole concentration along the X axis. FIG. 7D is a graph showing a change in electron current density along the X axis. 第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の第２の電圧Ｖ２に対する積層体側面の電子電流密度依存性を表すグラフ図である。It is a graph showing the electron current density dependence of the laminated body side surface with respect to the 2nd voltage V2 of the semiconductor laser apparatus concerning 1st Embodiment. 図９（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態の半導体レーザ装置のシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図９（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図９（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図９（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図９（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。FIGS. 9A to 9D are graphs showing simulation results of the semiconductor laser device of the second embodiment. 9A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 9B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 9C is hole concentration along the X axis. FIG. 9D is a graph showing the change in the electron current density along the X axis. 図１０（ａ）は第１比較例の模式断面図、図１０（ｂ）はそのバンド図、図１０（ｃ）は第１の電極とチップ側面との間の領域の垂直断面電流分布図、図１０（ｄ）は水平方向位置に対する電子電流密度を表すグラフ図、である。10A is a schematic cross-sectional view of the first comparative example, FIG. 10B is a band diagram thereof, FIG. 10C is a vertical cross-sectional current distribution diagram of a region between the first electrode and the chip side surface, FIG. 10D is a graph showing the electron current density with respect to the horizontal position. 図１１（ａ）は第２比較例にかかる半導体レーザ装置の電子電流分布の垂直断面図、図１１（ｂ）はそのＸ軸に沿って電子電流密度分布、である。FIG. 11A is a vertical sectional view of the electron current distribution of the semiconductor laser device according to the second comparative example, and FIG. 11B is an electron current density distribution along the X axis. 図１２（ａ）は第３比較例にかかる半導体レーザ装置の電子電流分布の垂直断面図、図１２（ｂ）はそのＸ軸に沿って電子電流密度分布、である。12A is a vertical sectional view of the electron current distribution of the semiconductor laser device according to the third comparative example, and FIG. 12B is an electron current density distribution along the X axis.

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半導体レーザ装置の模式平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
半導体レーザ装置は、積層体２０と、絶縁体層４０と、第１の電極５０と、第２の電極５２と、を有する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a schematic plan view of the semiconductor laser device according to the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA.
The semiconductor laser device includes a stacked body 20, an insulator layer 40, a first electrode 50, and a second electrode 52.

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を有し、リッジ導波路７０が設けられ、化合物半導体からなる。また、積層体２０は、レーザ光をリッジ導波路７０が延在する方向に出射可能である。   The stacked body 20 has an active layer 22 capable of emitting laser light by intersubband optical transition, is provided with a ridge waveguide 70, and is made of a compound semiconductor. Further, the stacked body 20 can emit laser light in the direction in which the ridge waveguide 70 extends.

絶縁体層４０は、リッジ導波路７０の延在方向と直交する断面（図１（ｂ））において、積層体２０の側面のうち少なくとも活性層２２の側面２０ａを両側から挟みかつ積層体２０の上面２０ｕが露出する開口部４０ａが設けられる。活性層２２を構成するいずれの層の屈折率よりも低い屈折率を有するようにすると、レーザ光はリッジ導波路７０の断面（図１（ｂ））の横方向に閉じ込め可能である。活性層２２を構成するＩｎＧａＡｓ（井戸層）およびＩｎＡｌＡｓ（障壁層）の屈折率は、たとえば、３．２〜３．４３である。また、窒化珪素の屈折率は略１．９８、酸化珪素の屈折率は略１．４である。   The insulator layer 40 sandwiches at least the side surface 20a of the active layer 22 from both sides of the stacked body 20 in the cross section perpendicular to the extending direction of the ridge waveguide 70 (FIG. 1B). An opening 40a through which the upper surface 20u is exposed is provided. If the refractive index of the active layer 22 is lower than that of any of the layers, the laser light can be confined in the lateral direction of the cross section of the ridge waveguide 70 (FIG. 1B). The refractive indexes of InGaAs (well layer) and InAlAs (barrier layer) constituting the active layer 22 are, for example, 3.2 to 3.43. Further, the refractive index of silicon nitride is about 1.98, and the refractive index of silicon oxide is about 1.4.

第１の電極５０は、積層体２０の上面２０ｕに設けられる。また、第２の電極５２は、絶縁体層４０の側面４０ｓを覆う。第１の電極５０には、サブバンド間光学遷移を生じる第１の電圧Ｖ１が供給される。   The first electrode 50 is provided on the upper surface 20 u of the stacked body 20. Further, the second electrode 52 covers the side surface 40 s of the insulator layer 40. The first electrode 50 is supplied with a first voltage V1 that causes an intersubband optical transition.

活性層２２から絶縁体層４０へ向かうに従ってキャリアに対するエネルギー障壁が高くなるように、第２の電極５２と積層体２０の下面２０ｍとの間には第２の電圧Ｖ２が供給される。第１の電極５０と第２の電極５２とはチップ内では接続されていず、第１および第２の電圧Ｖ１、Ｖ２が独立に制御される。   A second voltage V2 is supplied between the second electrode 52 and the lower surface 20m of the stacked body 20 so that an energy barrier against carriers increases from the active layer 22 toward the insulator layer 40. The first electrode 50 and the second electrode 52 are not connected in the chip, and the first and second voltages V1 and V2 are independently controlled.

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、第１の層２３と、活性層２２と、第２の層２５と、を有する。第１の層２３は、活性層２２の側から、たとえば、第１光ガイド層２３ａ、第１クラッド層２３ｂ、クラッド層２３ｃ、を有する。また、第２の層２５は、活性層２２の側から、たとえば、第２光ガイド層２５ａ、第２クラッド層２５ｂ、コンタクト層２５ｃ、を有する。第１の層２３と、第２の層２５と、をｎ形層とすると、キャリアを電子とすることができる。   As shown in FIG. 1B, the stacked body 20 can be provided on a substrate 30 made of a single crystal semiconductor, for example. In this figure, the laminate 20 has a first layer 23, an active layer 22, and a second layer 25 from the substrate 30 side. The first layer 23 includes, for example, a first light guide layer 23a, a first cladding layer 23b, and a cladding layer 23c from the active layer 22 side. The second layer 25 includes, for example, a second light guide layer 25a, a second cladding layer 25b, and a contact layer 25c from the active layer 22 side. When the first layer 23 and the second layer 25 are n-type layers, carriers can be electrons.

活性層２２は、たとえば、レーザ光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２３ｂ、第２クラッド層２５ｂ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。   For example, the active layer 22 is formed by alternately laminating an intersubband transition region capable of emitting laser light and an injection / relaxation region capable of relaxing energy of carriers (for example, electrons) injected from the intersubband transition region. Having a cascaded structure. The number of stacked layers can be set to 20 to 100, for example. If the injection / relaxation region, the first cladding layer 23b, the second cladding layer 25b, and the like are n-type layers, electrons cause an intersubband optical transition and laser light is emitted.

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（Multi Quantum Well）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 laser light can be determined without depending on the band gap energy of the semiconductor. For example, laser light having a wavelength between infrared and terahertz waves can be obtained by appropriately setting an MQW (Multi Quantum Well) structure.

図２（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図、図２（ｂ）は
積層体と絶縁体層との界面近傍のバンド図、である。
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つの側面２０ａに設けられた絶縁体層４０により光軸８１の方向に導波され放出される。リッジ導波路７０の延在する方向は、光軸８１と平行とする。 FIG. 2A is a schematic perspective view of the semiconductor laser device according to the first embodiment, and FIG. 2B is a band diagram in the vicinity of the interface between the stacked body and the insulator layer.
The laser beam 80 emitted from the active layer 22 is confined in the vertical direction by the first and second cladding layers. The laser beam 80 is guided and emitted in the direction of the optical axis 81 by the insulator layer 40 provided on the two side surfaces 20 a of the stacked body 20. The extending direction of the ridge waveguide 70 is parallel to the optical axis 81.

第１の電極５０は、絶縁体層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 first electrode 50 is connected to the contact layer 25 c of the first layer 25 through an opening 40 a provided on the insulator layer 40.

絶縁体層４０は、酸化珪素（ＳｉＯ２など）や窒化珪素（ＳｉｘＮｙなど）とされる。なお、絶縁体層はこれらに限定されない。 The insulator layer 40 is made of silicon oxide (such as SiO 2 ) or silicon nitride (such as Si x N y ). Note that the insulator layer is not limited to these.

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、電子は絶縁体層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の面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。   The active layer 22 may have a structure in which MQW made of InGaAs (well layer) / InAlAs (barrier layer) or MQW made of GaAs (well layer) / AlGaAs (barrier layer) is cascade-connected. The conduction band lift acts as a barrier for electrons. For this reason, electrons do not flow through the interface between the insulator layer 40 and the active layer 22, pass through the inside of the active layer 22 in a direction substantially perpendicular to the surface of the active layer 22, and can contribute to the intersubband optical transition.

図２（ｂ）の積層体２０と絶縁体層４０との界面近傍において、伝導帯のエネルギー準位は、絶縁体層４０に向かうに従って高くなる。すなわち、電子にとって高い障壁を形成する。また、第２の電圧Ｖ２の絶対値を高くして行くに従って障壁が高くなるので、電子は積層体２０の側面２０ａまで到達しなくなる。他方、小数キャリアであるホールＨは、界面近傍に蓄積される。   In the vicinity of the interface between the stacked body 20 and the insulator layer 40 in FIG. 2B, the energy level of the conduction band becomes higher toward the insulator layer 40. That is, it forms a high barrier for electrons. Further, since the barrier increases as the absolute value of the second voltage V2 is increased, the electrons do not reach the side surface 20a of the stacked body 20. On the other hand, holes H that are minority carriers are accumulated near the interface.

第１の実施形態によれば、第２の電圧Ｖ２を制御することにより、活性層２２を含む積層体２０の側面における不要な電流が低減される。このため、発光効率が高められるとともに、側面における素子の劣化が抑制される。   According to the first embodiment, unnecessary current on the side surface of the stacked body 20 including the active layer 22 is reduced by controlling the second voltage V2. For this reason, the luminous efficiency is increased and the deterioration of the element on the side surface is suppressed.

図３は、電界シミュレーションを行うＱＣＬの構造を説明する模式断面図である。
基板３０は、ＩｎＰからなるものとする。積層体２０は、活性層２２と、活性層２２に電子を注入するためのｎ形層と、を含むものとする。活性層２２は、たとえば、ＧａＡｓ（井戸層）／ＡｌＧａＡｓ（障壁層）を含むものとする。絶縁体層４０は、窒化珪素からなるものとする。第１の電極５０の外縁と、積層体２０の外縁との間隔Ｄは５μｍなどとする。第１の電極５０に供給される第１の電圧Ｖ１はマイナス１０Ｖとする。第２の電極５２に供給される第２の電圧Ｖ２は、マイナス１５Ｖ〜０の間で選択される。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of a QCL that performs electric field simulation.
The substrate 30 is made of InP. The stacked body 20 includes an active layer 22 and an n-type layer for injecting electrons into the active layer 22. The active layer 22 includes, for example, GaAs (well layer) / AlGaAs (barrier layer). The insulator layer 40 is made of silicon nitride. A distance D between the outer edge of the first electrode 50 and the outer edge of the stacked body 20 is set to 5 μm or the like. The first voltage V1 supplied to the first electrode 50 is minus 10V. The second voltage V2 supplied to the second electrode 52 is selected between minus 15V and 0.

Ｘ軸は、第１の電極５０と、積層体２０の表面と、の界面に沿って設定される。Ｙ軸は、Ｘ軸に直交して設定される。Ｘ軸とＹ軸との交点である原点Ｏは、図３の模式断面図において、第１の電極５０と積層体２０の表面との界面の中間点となる。すなわち、積層体２０の座標はマイナスの値となる。リッジ導波路７０の積層体２０の幅を２００μｍとすると、Ｘの最大値は１００μｍとなる。また、積層体２０の厚さを約１１．４μｍとすると、Ｙ座標は、０〜マイナス１１．４μｍとなる。   The X axis is set along the interface between the first electrode 50 and the surface of the stacked body 20. The Y axis is set orthogonal to the X axis. The origin O that is the intersection of the X axis and the Y axis is an intermediate point of the interface between the first electrode 50 and the surface of the stacked body 20 in the schematic cross-sectional view of FIG. That is, the coordinates of the stacked body 20 are negative values. When the width of the stacked body 20 of the ridge waveguide 70 is 200 μm, the maximum value of X is 100 μm. If the thickness of the laminate 20 is about 11.4 μm, the Y coordinate is 0 to minus 11.4 μm.

電界シミュレーションを行うと、電子電流の分布、電子濃度分布、ホール濃度分布、電子電流密度などを求めることができる。なお、ＱＣＬにおいて、キャリアは電子であるものとし、電流は電子電流であるものとした。以下において、絶縁体層４０の厚さＴ４０と、第２の電極５２へ印加する電圧Ｖ２と、を変数として、電界シミュレーションを行う。図４〜図７に、本実施形態にかかる半導体レーザ装置の特性について説明する。   When electric field simulation is performed, an electron current distribution, an electron concentration distribution, a hole concentration distribution, an electron current density, and the like can be obtained. In QCL, the carrier is an electron, and the current is an electron current. In the following, electric field simulation is performed using the thickness T40 of the insulator layer 40 and the voltage V2 applied to the second electrode 52 as variables. The characteristics of the semiconductor laser device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図４（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層の厚さが０．２μｍかつ第２の電圧がマイナス３Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図４（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図４（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図４（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図４（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。
図４（ａ）において、電子電流密度はモノトーン色の濃淡で表される。すなわち、電子電流密度が高いほど濃く、低いほど淡く表示される。なお、図４（ａ）には、絶縁体層を省略してある。 4A to 4D are graphs showing simulation results when the thickness of the insulator layer is 0.2 μm and the second voltage is −3V. 4A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 4B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 4C is hole concentration along the X axis. FIG. 4D is a graph showing a change in electron current density along the X axis.
In FIG. 4 (a), the electron current density is represented by a shade of monotone color. That is, the higher the electron current density is, the darker the color is displayed. In FIG. 4A, the insulator layer is omitted.

図４（ｂ）〜（ｃ）は、活性層２２の厚さ方向（Ｙ）の中心位置（Ｙがマイナス５．７μｍ近傍）においてＸ軸に沿った諸量の変化を表す。窒化珪素からなる絶縁体層４０の厚さＴ４０が０．２μｍ、かつ第２の電圧Ｖ２がマイナス３Ｖのとき、積層体２０の側面（Ｘが約１００μｍ）における電子電流は、積層体２０の水平方向の中心（Ｘ＝０）における電子電流の略４２％に低減される（図４（ｄ））。   4B to 4C show changes in various quantities along the X axis at the center position (Y is in the vicinity of minus 5.7 μm) in the thickness direction (Y) of the active layer 22. When the thickness T40 of the insulator layer 40 made of silicon nitride is 0.2 μm and the second voltage V2 is −3 V, the electron current on the side surface (X is about 100 μm) of the stacked body 20 This is reduced to approximately 42% of the electron current at the center of the direction (X = 0) (FIG. 4D).

図５（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧がマイナス５Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図５（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図５（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図５（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図５（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。   5A to 5D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage is minus 5V. 5A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 5B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 5C is hole concentration along the X axis. FIG. 5D is a graph showing the change in the electron current density along the X axis.

図５（ｂ）〜（ｃ）は、活性層２２の厚さ方向（Ｙ）の中心位置（Ｙがマイナス５．７２μｍ近傍）においてＸ軸に沿った諸量の変化を表す。窒化珪素からなる絶縁体層４０の厚さＴ４０が０．２μｍ、かつ第２の電圧Ｖ２がマイナス５Ｖのとき、積層体２０の側面（Ｘが約１００μｍ）における電子電流は、積層体２０の水平方向の中心（Ｘ＝０）における電子電流の略３０％に低減される（図５（ｄ））。   5B to 5C show changes in various quantities along the X axis at the center position (Y is in the vicinity of minus 5.72 μm) in the thickness direction (Y) of the active layer 22. When the thickness T40 of the insulator layer 40 made of silicon nitride is 0.2 μm and the second voltage V2 is −5 V, the electron current on the side surface (X is about 100 μm) of the stacked body 20 The electron current at the center of the direction (X = 0) is reduced to approximately 30% (FIG. 5D).

図６（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧がマイナス８Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図６（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図６（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図６（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図６（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。   6A to 6D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage is −8V. 6A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 6B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 6C is hole concentration along the X axis. FIG. 6D is a graph showing a change in electron current density along the X axis.

図６（ｂ）〜（ｃ）は、活性層２２の厚さ方向（Ｙ）の中心位置（Ｙがマイナス５．７４μｍ近傍）においてＸ軸に沿った諸量の変化を表す。窒化珪素からなる絶縁体層４０の厚さＴ４０が０．２μｍ、かつ第２の電圧Ｖ２がマイナス５Ｖのとき、積層体２０の側面（Ｘが約１００μｍ）における電子電流は、積層体２０の水平方向の中心（Ｘ＝０）における電子電流のほぼゼロに低減される（図６（ｄ））。また、絶縁体層４０の近傍には電子はほとんど存在しない。   6B to 6C show changes in various quantities along the X axis at the center position (Y is in the vicinity of minus 5.74 μm) in the thickness direction (Y) of the active layer 22. When the thickness T40 of the insulator layer 40 made of silicon nitride is 0.2 μm and the second voltage V2 is −5 V, the electron current on the side surface (X is about 100 μm) of the stacked body 20 The electron current at the center of the direction (X = 0) is reduced to almost zero (FIG. 6 (d)). In addition, there are almost no electrons in the vicinity of the insulator layer 40.

図７（ａ）〜（ｄ）は、絶縁体層厚が０．２μｍかつ第２の電圧がマイナス１０Ｖのときのシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図７（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図７（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図７（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図７（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。   FIGS. 7A to 7D are graphs showing simulation results when the insulator layer thickness is 0.2 μm and the second voltage is minus 10V. 7A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 7B is a graph showing the change in electron concentration along the X axis, and FIG. 7C is the hole concentration along the X axis. FIG. 7D is a graph showing a change in electron current density along the X axis.

窒化珪素層の厚さＴ４０が０．２μｍ、かつ第２の電圧Ｖ２がマイナス１０Ｖのとき、積層体２０の側面（Ｘが約１００μｍ）における電子電流は、積層体２０の水平方向の中心（Ｘ＝０）における電子電流を略ゼロにできる。すなわち、第２の電圧Ｖ２にマイナス１０Ｖが印加されると、電子に対するエネルギー障壁の高さを大きくできるので側面における電子電流を抑制できる（図７（ｄ））。また、絶縁体層４０の近傍では、図７（ｂ）に表すように電子濃度がほとんどゼロとなり、図７（ｃ）に表すようにホールが蓄積される。   When the thickness T40 of the silicon nitride layer is 0.2 μm and the second voltage V2 is −10 V, the electron current on the side surface (X is about 100 μm) of the stacked body 20 is the horizontal center (X = 0), the electron current can be made substantially zero. That is, when minus 10 V is applied to the second voltage V2, the height of the energy barrier against electrons can be increased, so that the electron current on the side surface can be suppressed (FIG. 7D). In the vicinity of the insulator layer 40, the electron concentration is almost zero as shown in FIG. 7B, and holes are accumulated as shown in FIG. 7C.

図８は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置の第２の電圧Ｖ２に対する積層体側面の電子電流密度依存性を表すグラフ図である。
縦軸は規格化した積層体側面の電子電流の電流密度であり、第２の電圧Ｖ２が印加された時の積層体２０と絶縁体層４０との界面（Ｘ＝１００μｍ）における電子電流密度を表す。横軸は、第２の電圧Ｖ２を表す。なお、第２の電極５２から十分離間し第１の電極５０の中央部下方における積層体２０の電子電流密度は、規格化値で、略１．１となる。窒化珪素の厚さが０．２μｍのとき、第２の電圧Ｖ２をマイナス８Ｖ以上とすると、チップ側面での不要な電流をほぼゼロとすることができる。 FIG. 8 is a graph showing the electron current density dependency of the side surface of the stacked body with respect to the second voltage V2 of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
The vertical axis represents the normalized current density of the electron current on the side surface of the laminate, and the electron current density at the interface (X = 100 μm) between the laminate 20 and the insulator layer 40 when the second voltage V2 is applied. Represent. The horizontal axis represents the second voltage V2. Note that the electron current density of the stacked body 20 that is sufficiently separated from the second electrode 52 and below the center of the first electrode 50 is approximately 1.1 as a normalized value. When the thickness of silicon nitride is 0.2 μm, if the second voltage V2 is −8 V or more, an unnecessary current on the side surface of the chip can be made almost zero.

図９（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ装置のシミュレーション結果を表すグラフ図である。すなわち、図９（ａ）は電子電流密度の垂直断面分布図、図９（ｂ）はＸ軸に沿った電子濃度の変化を表すグラフ図、図９（ｃ）はＸ軸に沿ったホール濃度の変化を表すグラフ図、図９（ｄ）はＸ軸に沿った電子電流密度の変化を表すグラフ図、である。
第２の実施形態は、絶縁体層厚さが０．５μｍであるものとする。また、図９（ａ）〜（ｄ）は、第２の電圧Ｖ２がマイナス１０Ｖのときの特性を表す。 9A to 9D are graphs showing simulation results of the semiconductor laser device according to the second embodiment. 9A is a vertical cross-sectional distribution diagram of electron current density, FIG. 9B is a graph showing changes in electron concentration along the X axis, and FIG. 9C is hole concentration along the X axis. FIG. 9D is a graph showing the change in the electron current density along the X axis.
In the second embodiment, the insulator layer thickness is 0.5 μm. 9A to 9D show characteristics when the second voltage V2 is minus 10V.

窒化珪素層の厚さＴ４０が０．５μｍ、かつ第２の電圧Ｖ２がマイナス１０Ｖのとき、積層体２０の側面（Ｘが約１００μｍ）における電子電流は、積層体２０の水平方向の中心（Ｘ＝０）における電子電流の略４０％が流れる。図５に表したように、Ｔ４０＝０．２μｍかつＶ２＝−１０Ｖのとき電子電流はほとんどゼロまで低減できた。これらのことから、本実施形態において、絶縁体層４０の厚さＴ４０は、０．５μｍ以下とすることが好ましい。なお、絶縁体層４０が、酸化珪素であってもその厚さＴ４０は、０．５μｍ以下とすることが好ましい。   When the thickness T40 of the silicon nitride layer is 0.5 μm and the second voltage V2 is −10 V, the electron current on the side surface (X is about 100 μm) of the stacked body 20 is the horizontal center (X = 0), approximately 40% of the electron current flows. As shown in FIG. 5, when T40 = 0.2 μm and V2 = −10V, the electron current could be reduced to almost zero. For these reasons, in the present embodiment, the thickness T40 of the insulator layer 40 is preferably 0.5 μm or less. Even if the insulator layer 40 is silicon oxide, the thickness T40 is preferably 0.5 μm or less.

図１０（ａ）は第１比較例の模式断面図、図１０（ｂ）はそのバンド図、図１０（ｃ）は第１の電極とチップ側面との間の領域の垂直断面電流分布図、図１０（ｄ）は水平方向位置に対する電子電流密度を表すグラフ図、である。
図１０（ａ）において、第１の電極１５０の外縁と、積層体１２０の外縁と、の距離をＤ１とする。図１０（ｃ）において、Ｄ１は、８０μｍとする。 10A is a schematic cross-sectional view of the first comparative example, FIG. 10B is a band diagram thereof, FIG. 10C is a vertical cross-sectional current distribution diagram of a region between the first electrode and the chip side surface, FIG. 10D is a graph showing the electron current density with respect to the horizontal position.
In FIG. 10A, the distance between the outer edge of the first electrode 150 and the outer edge of the stacked body 120 is D1. In FIG. 10C, D1 is 80 μm.

ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＡｌＡｓを含む化合物半導体は、積層体１２０の側面近傍において伝導帯のエネルギー準位が平坦となる。側面に酸化珪素や窒化珪素が設けられても界面近傍のエネルギー準位の変化は小さい。このため、積層体１２０の内部から界面に向かって、電子に対するエネルギー障壁は平坦である。このため、積層体１２０の内部を縦方向に流れる電子電流Ｊ１は、積層体１２０の側面にも流れる。図１０（ｄ）に表すように、第１の電極１５０の端部から２０μｍ離間したＸ＝４０μｍの位置でも、Ｘ＝２０μｍ（第１の電極１５０の端部）の位置の電子電流密度の略４５％の電子電流密度となる。   In the compound semiconductor containing InGaAs and InAlAs, the energy level of the conduction band is flat near the side surface of the stacked body 120. Even if silicon oxide or silicon nitride is provided on the side surface, the energy level change in the vicinity of the interface is small. For this reason, the energy barrier with respect to an electron is flat from the inside of the laminated body 120 toward an interface. For this reason, the electron current J <b> 1 that flows in the vertical direction inside the stacked body 120 also flows to the side surface of the stacked body 120. As shown in FIG. 10D, the electron current density at the position of X = 20 μm (end of the first electrode 150) is approximately even at the position of X = 40 μm, which is 20 μm away from the end of the first electrode 150. The electron current density is 45%.

図１１（ａ）は第２比較例にかかる半導体レーザ装置の電子電流分布の垂直断面図、図１１（ｂ）はそのＸ軸に沿って電子電流密度分布、である。
第２比較例では、窒化珪素からなる絶縁体層の厚さＴ４０＝１μｍ、第２の電圧Ｖ２＝−１０Ｖとする。図１１（ｂ）に表すように、積層体２０の側面においても、活性層の中央部（Ｘ＝０、Ｙ＝−５．５８μｍ）の電子電流密度の略８０％の電子電流となる。 FIG. 11A is a vertical sectional view of the electron current distribution of the semiconductor laser device according to the second comparative example, and FIG. 11B is an electron current density distribution along the X axis.
In the second comparative example, the thickness T40 of the insulator layer made of silicon nitride is set to 1 μm, and the second voltage V2 is set to −10V. As shown in FIG. 11B, the electron current is approximately 80% of the electron current density in the central portion (X = 0, Y = −5.58 μm) of the active layer also on the side surface of the stacked body 20.

図１２（ａ）は第３比較例にかかる半導体レーザ装置の電子電流分布の垂直断面図、図１２（ｂ）はそのＸ軸に沿って電子電流密度分布、である。
第３比較例では、絶縁体層４０の厚さＴ４０＝１μｍ、第２の電圧Ｖ２はゼロとする。図１２（ｂ）に表すように、積層体２０の側面においても、活性層の中央部（Ｘ＝０、Ｙ＝−５．５８μｍ）の電子電流密度の略９０％の電子電流密度となる。 12A is a vertical sectional view of the electron current distribution of the semiconductor laser device according to the third comparative example, and FIG. 12B is an electron current density distribution along the X axis.
In the third comparative example, the thickness T40 of the insulator layer 40 = 1 μm, and the second voltage V2 is zero. As shown in FIG. 12B, also on the side surface of the stacked body 20, the electron current density is approximately 90% of the electron current density in the central portion (X = 0, Y = −5.58 μm) of the active layer.

第１および第２の比較例のように、絶縁体層の厚さが０．５μｍよりも大きいと、電子に対するエネルギー障壁の高さが不十分となる。このため、積層体の側面に中央部の８０％以上の電流が流れる。また、絶縁体層の厚さが５０ｎｍよりも小さいと、ピンホールを生じるなど膜質が低下する。このため、絶縁体層の厚さは、５０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下とすることが好ましい。   As in the first and second comparative examples, when the thickness of the insulator layer is larger than 0.5 μm, the height of the energy barrier against electrons becomes insufficient. For this reason, a current of 80% or more of the central portion flows on the side surface of the laminate. On the other hand, when the thickness of the insulator layer is smaller than 50 nm, the film quality is deteriorated such as pinholes. For this reason, it is preferable that the thickness of the insulator layer be 50 nm or more and 500 nm or less.

次に、積層体の側面に不要電流が流れると生じる問題について説明する。酸化珪素層や窒化珪素層などを側面に設けても伝導帯のエネルギー準位は平坦であり（図１０（ｂ））、界面に沿って電流が流れやすい。この電流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。また、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し、発光効率が低下することがある。さらに、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、界面近傍の高密度の結晶欠陥や界面準位などが増殖し素子が劣化しやすくなる。   Next, a problem that occurs when an unnecessary current flows through the side surface of the laminate will be described. Even if a silicon oxide layer, a silicon nitride layer, or the like is provided on the side surface, the energy level of the conduction band is flat (FIG. 10B), and current easily flows along the interface. This current J1 becomes a reactive current that does not contribute to the intersubband optical transition, and lowers the light emission efficiency. In addition, when there is an interface state near the center of the band gap, the lifetime of electrons is short, and the light emission transition is reduced, which may reduce the light emission efficiency. Furthermore, when an excessive current flows in a narrow region near the interface, a temperature rise occurs. As the temperature rises, high-density crystal defects and interface states in the vicinity of the interface grow and the device is likely to deteriorate.

これに対して、第１、２の実施形態では、活性層２２を含む積層体２０と絶縁体層４０との界面を流れる電流は電子に対する障壁が高くなることにより低減される。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、側面を流れる電流Ｉｓが十分に低減される。このため、発光効率の低下が抑制され、かつ界面近傍において素子の劣化が抑制される。その結果として、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 and second embodiments, the current flowing through the interface between the stacked body 20 including the active layer 22 and the insulator layer 40 is reduced by increasing the barrier against electrons. For this reason, as shown in FIG. 1A, the current Is flowing through the side surface is sufficiently reduced with respect to the current Io flowing through the intersubband transition region. For this reason, a decrease in luminous efficiency is suppressed, and deterioration of the element is suppressed in the vicinity of the interface. As a result, high output and high reliability of the semiconductor laser device 10 can be achieved.

本実施形態によれば、発光効率および信頼性が高められ、高出力化が容易なユニポーラ型半導体レーザ装置が提供される。半導体レーザ装置は、赤外線からテラヘルツ波の波長を有するレーザ光を放出する。これらの半導体レーザ装置は、環境測定、呼気測定、レーザ加工などに広く応用される。   According to the present embodiment, a unipolar semiconductor laser device is provided in which the light emission efficiency and reliability are enhanced and high output is easy. The semiconductor laser device emits laser light having a wavelength of terahertz waves from infrared rays. These semiconductor laser devices are widely applied to environment measurement, breath measurement, laser processing, 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 半導体レーザ装置、２０ 積層体、２０ｕ 上面、２０ｍ 下面、２２ 活性層、４０ 絶縁体層、４０ｓ 側面、５０ 第１の電極、５２ 第２の電極、７０ リッジ導波路、８０ レーザ光、Ｖ２ 第２の電圧、Ｔ４０ 絶縁体層の厚さ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor laser apparatus, 20 laminated body, 20u upper surface, 20m lower surface, 22 active layer, 40 insulator layer, 40s side surface, 50 1st electrode, 52 2nd electrode, 70 ridge waveguide, 80 laser beam, V2 1st Voltage of 2, T40 insulator layer thickness

Claims (6)

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、リッジ導波路が設けられ、化合物半導体からなる積層体であって、前記レーザ光を前記リッジ導波路が延在する方向に出射可能な積層体と、
前記リッジ導波路と交差する断面において、前記活性層の側面を両側から挟む絶縁体層と、
前記積層体の上面に設けられた第１の電極と、
前記絶縁体層の側面を覆う第２の電極と、
を備え、
前記第２の電極と前記積層体の下面との間の電圧を制御可能である、半導体レーザ装置。 A laminated body made of a compound semiconductor having an active layer capable of emitting laser light by intersubband optical transition, provided with a ridge waveguide, and emitting the laser light in a direction in which the ridge waveguide extends Possible laminates,
In the cross section intersecting with the ridge waveguide, an insulator layer sandwiching the side surface of the active layer from both sides,
A first electrode provided on the upper surface of the laminate;
A second electrode covering a side surface of the insulator layer;
With
A semiconductor laser device capable of controlling a voltage between the second electrode and a lower surface of the stacked body. 前記電圧により、前記活性層から前記絶縁体層へ向かうに従ってキャリアに対するエネルギー障壁を高くできる請求項１記載の半導体レーザ装置。   2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein an energy barrier against carriers can be increased by the voltage from the active layer toward the insulator layer. 前記積層体はｎ形層を含み、前記キャリアは電子であり、
前記電圧は負とされる請求項２記載の半導体レーザ装置。 The laminate includes an n-type layer, and the carriers are electrons.
3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the voltage is negative. 前記積層体はｐ形層を含み、前記キャリアはホールであり、
前記電圧は正とされる請求項２記載の半導体レーザ装置。 The laminate includes a p-type layer, the carrier is a hole,
3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein the voltage is positive. 前記絶縁体層は、窒化珪素または酸化珪素を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the insulator layer includes silicon nitride or silicon oxide. 前記絶縁体層の厚さは、５０ナノメートル以上、かつ５００ナノメートル以下である請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a thickness of the insulator layer is not less than 50 nanometers and not more than 500 nanometers.
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