JP2023117077A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子 Download PDF

Info

Publication number
JP2023117077A
JP2023117077A JP2022019576A JP2022019576A JP2023117077A JP 2023117077 A JP2023117077 A JP 2023117077A JP 2022019576 A JP2022019576 A JP 2022019576A JP 2022019576 A JP2022019576 A JP 2022019576A JP 2023117077 A JP2023117077 A JP 2023117077A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
active layer
width
semiconductor laser
laser device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022019576A
Other languages
English (en)
Inventor
昌布 若葉
Masaki Wakaba
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Furukawa Electric Co Ltd filed Critical Furukawa Electric Co Ltd
Priority to JP2022019576A priority Critical patent/JP2023117077A/ja
Priority to US18/156,641 priority patent/US20230253762A1/en
Priority to CN202310091037.9A priority patent/CN116581641A/zh
Publication of JP2023117077A publication Critical patent/JP2023117077A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/1014—Tapered waveguide, e.g. spotsize converter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • 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
    • H01S5/2205—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 comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2206—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 comprising special burying or current confinement layers based on III-V materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • 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
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • 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
    • H01S5/2275—Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0287—Facet reflectivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—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
    • 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
    • H01S5/2205—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 comprising special burying or current confinement layers
    • H01S5/2222—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 comprising special burying or current confinement layers having special electric properties
    • H01S5/2226—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 comprising special burying or current confinement layers having special electric properties semiconductors with a specific doping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/3434—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer comprising at least both As and P as V-compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H01S5/34373—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers based on InGa(Al)AsP

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

【課題】高出力の半導体レーザ素子を提供すること。【解決手段】半導体レーザ素子は、ｎ型の導電型を有する第１積層部と、ｐ型の導電型を有する第２積層部と、第１積層部と第２積層部との間に介在する活性層と、が積層方向において積層した構成を有する本体と、本体の積層方向と平行な前端面に形成された前側ミラーと、積層方向および前端面と交差する光導波方向において前端面と対向する、本体の後端面に形成された後側ミラーと、を備え、第１積層部は、活性層の発光波長よりも組成波長が短い電界制御層を含み、第２積層部は、活性層の発光波長よりも組成波長が短く、光導波方向に延伸し、かつ光導波方向と直交する幅方向において、活性層よりも幅が狭い光ガイド層を含み、光ガイド層の幅方向の両側には、光ガイド層よりも屈折率が低い材料で形成された埋込層が設けられており、光ガイド層は、光導波方向において幅が変化している幅変化部を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。
エルビウムドープファイバ増幅器やラマン増幅器において、いわゆるポンプレーザとして用いられる半導体レーザ素子には、高出力化や低消費電力化が常に求められている。
半導体レーザ素子の高出力化には、内部損失の低減、素子からのレーザ光の取り出し効率の向上などが有効である。取り出し効率の向上のためには、半導体レーザ素子の前端面からの光出力Ｐｆに対する後端面からの光出力Ｐｒの比Ｐｒ／Ｐｆを小さくすることが有効である。半導体レーザ素子において、比Ｐｒ／Ｐｆを小さくする方法としては、前端面側の反射ミラー（共振器ミラー）の反射率を低くし、後端面側の反射ミラー（共振器ミラーの）の反射率を高くするなどして、反射率の差を大きくする方法がある。
また、内部損失の低減のために、ｎ型クラッド層に屈折率の高い層（電界制御層とも呼ばれる）を設け、活性層を伝搬するレーザ光の電界の分布をｎ型クラッド層側に偏らせる技術が開示されている（特許文献１）。これにより、レーザ光はｐ型クラッド層に含まれるｐ型不純物（たとえば亜鉛（Ｚｎ））による光吸収の影響を受けづらくなるので、内部損失の少ない、より高出力の半導体レーザ素子を実現することができる。
また、半導体レーザ素子の低消費電力化のためには、素子の電気抵抗の低減が重要である。電気抵抗の低減のため、共振器長の長尺化や、埋込ヘテロ構造（ＢＨ）型の半導体レーザ素子であれば活性層の幅の幅広化が有効であることが知られている。
しかしながら、共振器長の長尺化したり、共振器ミラーにおける反射率差を大きくしたりすると、共振器内部で光分布が生じ、反射率の低い前端面側で光密度が高くなり、ゲイン飽和を引き起こし光出力が低下する現象が生じる（空間的ホールバーニング）。そこで、たとえば特許文献２に開示されるように、活性層をテーパ型導波路（フレア型導波路とも呼ばれる）とすることで、光密度を低下させることが有効である。
特開２００５－７２４０２号公報 特開２００１－３５８４０５号公報
しかしながら、本発明者の鋭意検討によれば、電界制御層を有するＢＨ型半導体レーザ素子にテーパ型導波路を適用した場合には、活性層へのレーザ光の電界の閉じ込め係数が、活性層の幅に応じて大きく変化してしまうため、所望の高出力特性が得られない場合があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高出力の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、ｎ型の導電型を有する第１積層部と、ｐ型の導電型を有する第２積層部と、前記第１積層部と前記第２積層部との間に介在する活性層と、が積層方向において積層した構成を有する本体と、前記本体の前記積層方向と平行な前端面に形成された前側ミラーと、前記積層方向および前記前端面と交差する光導波方向において前記前端面と対向する、前記本体の後端面に形成された後側ミラーと、を備え、前記第１積層部は、前記活性層の発光波長よりも組成波長が短い電界制御層を含み、前記第２積層部は、前記活性層の発光波長よりも組成波長が短く、前記光導波方向に延伸し、かつ前記光導波方向と直交する幅方向において、前記活性層よりも幅が狭い光ガイド層を含み、前記光ガイド層の前記幅方向の両側には、前記光ガイド層よりも屈折率が低い材料で形成された埋込層が設けられており、前記光ガイド層は、前記光導波方向において幅が変化している幅変化部を有する半導体レーザ素子である。
前記幅変化部は、幅がテーパ状またはステップ状に変化しているものでもよい。
前記活性層は、井戸層とバリア層とを有する量子井戸構造を有するとともに、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を有し、前記電界制御層、前記光ガイド層、前記バリア層、および前記ＳＣＨ層は、同一の組成の半導体材料からなるものでもよい。
前記前側ミラーの前記活性層の発光波長における反射率が１％以下であり、前記後側ミラーの前記活性層の発光波長における反射率が９０％以上であり、前記光ガイド層の前記前端面における幅が、前記後端面における幅よりも広いものでもよい。
前記活性層は、アルミニウムを含む半導体材料で形成されているものでもよい。
前記第１積層部および前記第２積層部は、同一の半導体材料で形成されたクラッド層を備えるものでもよい。
本発明によれば、高出力の半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な上面図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。 図３は、比較形態に係る半導体レーザ素子の模式的な上面図である。 図４は、図３のＢ－Ｂ線断面図である。 図５は、共振器長と閾値キャリア密度との関係の一例を示す図である。 図６は、活性層幅とΓactとの関係の一例を示す図である。 図７は、共振器長と閾値キャリア密度との関係の一例を示す図である。 図８は、ガイド層幅または活性層幅とΓactとの関係の一例を示す図である。 図９は、共振器長と閾値キャリア密度との関係の一例を示す図である。 図１０は、Ｉｆと光出力との関係の一例を示す図である。 図１１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、ｘｙｚ直交座標系を用いて方向を説明する場合がある。
（実施形態）
図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式的な上面図である。図２は、図１のＡ－Ａ線断面図である。
［半導体レーザ素子の構造］
半導体レーザ素子１００は、前側ミラー１０１と、後側ミラー１０２と、本体１０３と、を備えている。本体１０３は、光導波方向であるｚ方向に延びており、ｚ方向の負の向きに前端面１０３ａ、正の向きに後端面１０３ｂを有する。前端面１０３ａおよび後端面１０３ｂは、たとえばへき開により形成されたものであり、ｘｙ平面に平行でありかつ光導波方向において互いに対向している。前側ミラー１０１は前端面１０３ａに形成され、後端ミラー１０２は後端面１０３ｂに形成されている。前側ミラー１０１と後側ミラー１０２とはレーザ共振器を形成する。
図２を参照して本体１０３の構造について説明する。半導体レーザ素子１００の本体１０３は、第１電極１１０が裏面に形成された第１積層部１２０と、活性層１３０と、第２積層部１４０と、が積層方向であるｙ方向において積層した構成を有する。本体１０３は、さらに、埋込層１５０と、コンタクト層１６０と、保護膜１７０と、第２電極１８０と、を備える。
第１積層部１２０は、ｎ型の導電型を有する半導体層が積層した構造を有し、ｎ型の導電型を有する。第２積層部１４０は、ｐ型の導電型を有する半導体層が積層した構造を有し、ｐ型の導電型を有する。活性層１３０は、第１積層部１２０と第２積層部１４０との間に介在する。
第１積層部１２０は、ｎ型ＩｎＰ（以下、適宜ｎ－ＩｎＰと記載する）からなる基板上にｎ－ＩｎＰからなるバッファ層を積層した基板１２１に、複数の半導体層をエピタキシャル成長などによって積層した構造を有する。第１積層部１２０は活性層１３０に対してクラッドとして機能する。
第１積層部１２０は、電界制御層１２２と、ｎ－ＩｎＰからなる半導体層であるｎ－ＩｎＰ層１２３とを含む。電界制御層１２２は少なくとも一つであり、たとえば４～７層の電界制御層１２２が備えられている。ｎ－ＩｎＰ層１２３はクラッド層の一例である。
具体的には、第１積層部１２０は、基板１２１の上に電界制御層１２２とｎ－ＩｎＰ層１２３とが交互に積層された構造を有する。本明細書におけるｎ型の半導体層は、ｎ型不純物としてたとえば珪素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）を含んでもよい。
電界制御層１２２は、活性層１３０の発光波長よりも組成波長が短い半導体材料で形成されている。組成波長とは、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長であり、バンドギャップ波長ともいう。電界制御層１２２は、たとえばＩｎＰ系の４元系半導体材料であるＧａＩｎＡｓＰからなる。
電界制御層１２２を構成する半導体材料は、ＩｎＰと格子整合することが好ましい。格子整合とは、格子定数が完全に一致してもよいし、その上に積層する活性層１３０などの半導体層が、求められる結晶品質となる程度の格子定数の相違があってもよいことを意味する。この場合、結晶品質とはたとえば転位や歪や欠陥の程度である。
活性層１３０は、複数の障壁層と複数の井戸層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造のＭＱＷ層と、ＭＱＷ層を挟むように配置された２つの分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層とからなるＭＱＷ－ＳＣＨ構造を有する。活性層１３０は、たとえばＧａＩｎＡｓＰからなる。活性層１３０の井戸層を構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長λｃ（たとえば１．５５μｍ帯）にて発光するように設定される。障壁層とＳＣＨ層とを構成する半導体材料の組成比は、それぞれの機能を満たすように設定される。なお、活性層１３０は単一量子井戸構造でもよい。
第２積層部１４０は、ｐ型ＩｎＰからなるｐ－ＩｎＰ層１４１、光ガイド層１４２、およびｐ－ＩｎＰ層１４３が順次積層した構造を有する。第２積層部１４０は活性層１３０に対してクラッドとして機能する。本明細書におけるｐ型の半導体層は、ｐ型不純物としてたとえば亜鉛（Ｚｎ）を含んでもよい。ｐ－ＩｎＰ層１４１、１４３はクラッド層の一例である。
光ガイド層１４２は、活性層１３０の発光波長よりも組成波長が短い半導体材料で形成されている。光ガイド層１４２は、光導波方向（ｚ方向）に延伸している。光ガイド層１４２は、たとえばＧａＩｎＡｓＰからなる。
光ガイド層１４２の幅方向（ｘ方向）の両側には、光ガイド層１４２よりも屈折率が低い材料で形成された埋込層１５０が設けられている。埋込層１５０は、ｎ－ＩｎＰからなる。これにより、光ガイド層１４２は、幅方向において、活性層１３０よりも幅が狭くなっている。
また、図１に示すように、光ガイド層１４２は、光導波方向（ｚ方向）において幅が変化している。具体的には、光ガイド層は、前端面１０３ａ側から後端面１０３ｂ側に向かって順次配列された、幅が一定の広幅ストレート部１４２ａと、前端面１０３ａ側から後端面１０３ｂ側に向かって幅が狭くなるようにテーパ状に変化するテーパ部１４２ｂと、幅が一定であり広幅ストレート部１４２ａよりも狭い狭幅ストレート部１４２ｃとを有する。したがって、光ガイド層１４２の前端面１０３ａにおける幅が、後端面１０３ｂにおける幅よりも広い。テーパ部１４２ｂは、光導波方向において幅が変化している幅変化部の一例である。
電界制御層１２２、光ガイド層１４２、および、活性層１３０のバリア層ならびにＳＣＨ層は、同一の組成の半導体材料（たとえばＧａＩｎＡｓＰ）からなっていれば、製造時に組成を管理し易いので好ましい。
コンタクト層１６０は、ｐ－ＩｎＰ層１４３の上に形成されている。コンタクト層１６０は、たとえばＧａＩｎＡｓＰからなり、第２電極１８０とオーミック接触する。
保護膜１７０は、コンタクト層１６０の上に形成されている。保護膜１７０は、たとえばＳｉＮｘなどの誘電体からなる。保護膜１７０には、第２電極１８０とコンタクト層１６０とがオーミック接触するための開口１７１が設けられている。
第２電極１８０は、コンタクト層１６０とオーミック接触するように設けられている。第２電極１８０は、たとえばチタン、白金、金などを含む。
第１電極１１０は、基板１２１にオーミック接触するように設けられている。第１電極１１０は、たとえば金やニッケルなどを含む。
また、図１に示す前側ミラー１０１および後側ミラー１０２は、たとえば誘電体膜である。前側ミラー１０１の、活性層１３０の発光波長における反射率は、たとえば１％以下である。後側ミラー１０２の、活性層１３０の発光波長における反射率は、たとえば９０％以上である。
［半導体レーザ素子の動作］
半導体レーザ素子１００は、活性層１３０の発光、光増幅作用と、前側ミラー１０１および後側ミラー１０２とのレーザ共振器の作用と、によってレーザ発振し、主に前側ミラー１０１側からレーザ光を出力する。
このとき、本体１０３の中では、活性層１３０、電界制御層１２２および光ガイド層１４２が、レーザ光の光閉じ込めに寄与する。たとえば、積層方向においては、レーザ光は主に活性層１３０に閉じ込められるが、電界制御層１２２がレーザ光の電界の分布をｎ型の第１積層部１２０側に偏らせる。その結果、レーザ光は第２積層部１４０に含まれるｐ型不純物による光吸収の影響を受けづらくなるので、内部損失が少なくなる。
また、幅方向については、主に光ガイド層１４２が光閉じ込めを規定する。光ガイド層１４２は、前端面１０３ａ側で幅が比較的広いため、前端面１０３ａ側での光密度が低下し、光出力の低下が抑制されている。
ここで、本発明者の鋭意検討によれば、半導体レーザ素子において電界制御層を設けた構成の場合、光密度を低下させるなどのために活性層の幅を変化させると、活性層へのレーザ光の電界の閉じ込め係数が活性層の幅に応じて大きく変化してしまうため、所望の高光出力特性が得られない場合があった。
これに対して、半導体レーザ素子１００では、光密度を低下させるために、活性層１３０ではなく光ガイド層１４２の幅を変化させているので、活性層へのレーザ光の電界の閉じ込め係数が活性層１３０の幅に応じて大きく変化するという問題が発生しない。その結果、半導体レーザ素子１００は高出力となる。
［半導体レーザ素子１００の特性］
以下、半導体レーザ素子１００の特性について、公知の構成である比較形態の半導体レーザ素子の特性を比較して説明する。図３は、比較形態に係る半導体レーザ素子の模式的な上面図である。図４は、図３のＢ－Ｂ線断面図である。
比較形態に係る半導体レーザ素子１００Ａは、半導体レーザ素子１００の構成において、本体１０３を本体１０３Ａに置き換えた構成を有する。
図４を参照して本体１０３Ａの構造について説明する。半導体レーザ素子１００Ａの本体１０３Ａは、第１電極１１０が裏面に形成された第１積層部１２０Ａと、活性層１３０Ａと、第２積層部１４０Ａと、が積層方向であるｙ方向において積層した構成を有する。本体１０３Ａは、さらに、埋込層１９０と、コンタクト層１６０と、保護膜１７０と、第２電極１８０と、を備える。
第１積層部１２０Ａは、実施形態の本体１０３の第１積層部１２０と同様に、基板１２１の上に電界制御層１２２とｎ－ＩｎＰ層１２３とが交互に積層された構造を有する。ただし、第１積層部１２０Ａの上側（ｙ方向の正の側）はメサ構造となっており、メサ構造の幅方向両側は埋込層１９０によって埋め込まれている。
活性層１３０Ａは、実施形態の本体１０３の活性層１３０と同様の半導体材料からなり、同様のＭＱＷ－ＳＣＨ構造を有する。ただし、活性層１３０Ａはメサ構造の一部を形成しており、幅方向両側は埋込層１９０によって埋め込まれている。すなわち、半導体レーザ素子１００Ａは、ＢＨ型の半導体レーザ素子である。
また、図３に示すように、活性層１３０Ａは、光導波方向（ｚ方向）において幅が変化している。具体的には、活性層１３０Ａは、前端面１０３Ａａ側から後端面１０３Ａｂ側に向かって順次配列された、幅が一定の広幅ストレート部１３０Ａ１と、前端面１０３Ａａ側から後端面１０３Ａｂ側に向かって幅が狭くなるようにテーパ状に変化するテーパ部１３０Ａ２と、幅が一定であり広幅ストレート部１３０Ａ１よりも狭い狭幅ストレート部１３０Ａ３とを有する。図３において、Ｌは半導体レーザ素子１００Ａの共振器長であり、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ広幅ストレート部１３０Ａ１、テーパ部１３０Ａ２、狭幅ストレート部１３０Ａ３の長さであり、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３である。広幅ストレート部１３０Ａ１の幅はＷｎ１であり、狭幅ストレート部１３０Ａ３の幅はＷｎ３である。
第２積層部１４０Ａは、ｐ－ＩｎＰ層１４４、１４５が順次積層した構造を有する。ただし、ｐ－ＩｎＰ層１４４はメサ構造の一部を形成しており、幅方向両側は埋込層１９０によって埋め込まれている。
埋込層１９０は、ｐ－ＩｎＰからなる埋込層１９１と、ｎ－ＩｎＰからなる埋込層１９２とで構成されている。すなわち、埋込層１９０は活性層１３０Ａよりも屈折率が低い。
このような比較形態の半導体レーザ素子について、本発明者は共振器長と閾値キャリア密度との関係を計算した。閾値キャリア密度とは、高注入領域において活性層１３０Ａがレーザ発振するゲインを発生するために必要なキャリア密度を意味する。なお、計算において、Ｗｎ１を１０μｍとし、Ｗｎ３を４．２μｍとし、Ｌ１：Ｌ２：Ｌ３＝１９：２５：１とした。
また、活性層１３０Ａをテーパ型とした効果を確認するために、参考形態として、活性層１３０ＡのＷｎ１とＷｎ３とが等しいストレート型の場合についても計算を行った。なお、テーパ型とストレート型とで活性層１３０の体積を等しくするために、Ｗｎ１＝Ｗｎ３＝８．２μｍとした。
ただし、上記比較形態と参考形態との計算においては、活性層へのレーザ光の電界の閉じ込め係数Γactが、活性層の幅に依らず一定であると仮定して計算を行った。
図５は、共振器長と閾値キャリア密度との関係の一例を示す図である。テーパ型が比較形態であり、ストレート型が参考形態である。なお、「Ｅ」は１０のべき乗を表し、たとえば「５．５Ｅ＋１７」は「５．５×１０１７」を意味している。図５に示すように、いずれの共振器長においても、空間的ホールバーニングが抑制された結果、比較形態のテーパ型の方が、閾値キャリア密度が低下していることがわかる。すなわち、テーパ型の方が、高出力が得られやすいことがわかる。
しかしながら、本発明者が閉じ込め係数Γactを計算してみると、比較形態の場合、Γactは活性層幅に依って大きく変化することがわかった。
図６は、活性層幅とΓactとの関係の一例を示す図である。図６から、Γactは活性層幅に依って大きく変化することがわかる。
そこで、Γactの変化を考慮して共振器長と閾値キャリア密度との関係を計算し直すと、図７のようになる。図７に示すように、Γactの変化を考慮すると、いずれの共振器長においても、参考形態のストレート型の方が、閾値キャリア密度が低下しており、テーパ型とした効果がないことがわかる。
これに対して、図８は、実施形態のガイド層幅（光ガイド層１４２の幅）または比較形態の活性層幅とΓactとの関係の一例を示す図である。図８から、実施形態の場合は、Γactはガイド層幅への依存性が小さいことがわかる。
Γactの変化を考慮して共振器長と閾値キャリア密度との関係を計算すると、図９のようになる。なお、計算では、Ｗｎ１、Ｗｎ３、Ｌ１、Ｌ２、およびＬ３については、実施形態と比較形態とで同じ条件とした。すなわち、Ｗｎ１を１０μｍとし、Ｗｎ３を４．２μｍとし、Ｌ１：Ｌ２：Ｌ３＝１９：２５：１とした。図９に示すように、Γactの変化を考慮すると、いずれの共振器長においても、実施形態のストレート型の方が、閾値キャリア密度が低下していることがわかる。その結果、実施形態の方が、高出力が得られやすいことがわかる。
図１０は、実施形態および比較形態における、順方向電流（Ｉｆ）と光出力との関係の一例を示す図である。図１０に示すように、同じＩｆに対して、実施形態の方が、比較形態よりも高出力が得られている。
以上説明したように、実施形態に係る半導体レーザ素子１００では、高出力が得られる。
［製造方法］
半導体レーザ素子１００の製造方法の一例について図１１を参照して説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、基板１２１（図２参照）上にＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などの結晶成長法によって、第１積層部１２０、活性層１３０、ｐ－ＩｎＰ層１４１、光ガイド層１４２、およびｐ－ＩｎＰ層１４３の一部となるｐ－ＩｎＰ層１４３ａを順次形成し、さらに誘電体膜からなるマスクＭを形成する。
つづいて、図１１（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術によって、マスクＭを、図１に示す光ガイド層１４２の形状よりもやや幅広の形状に形成し、マスクＭをエッチングマスクとして、ｐ－ＩｎＰ層１４１と光ガイド層１４２とｐ－ＩｎＰ層１４３ａとをエッチングする。エッチングにはたとえば臭素系ガスのエッチング剤を用いることができる。
つづいて、図１１（ｃ）に示すように、マスクＭを成長マスクとして、ｐ－ＩｎＰ層１４１と光ガイド層１４２とｐ－ＩｎＰ層１４３ａとを埋め込むように埋込層１５０を形成する。
つづいて、図１１（ｄ）に示すように、マスクＭを除去し、全面に残りのｐ－ＩｎＰ層１４３とコンタクト層１６０とを順次形成する。
その後、保護膜１７０と第２電極１８０とを形成する。さらに、基板１２１を所望の厚さになるように研磨した後、裏面の全面に第１電極１１０を形成する。その後、へき開、前側ミラー１０１および後側ミラー１０２の形成、素子個片へのカッティングなどの公知の処理を行なって、半導体レーザ素子１００の製造は完了する。
なお、上記実施形態では、テーパ部１４２ｂが、光導波方向において幅が変化している幅変化部であるが、幅変化部はテーパ状に限られず、ステップ状に幅が変化しているものでもよい。
また、上記実施形態では、活性層１３０は、アルミニウムを含まないＩｎＰ系の半導体材料であるＧａＩｎＡｓＰで形成されているが、アルミニウムを含む半導体材料で形成されていてもよい。上記製造方法では、活性層１３０は加工されないので、加工の際に酸化しやすいアルミニウムを含む半導体材料で形成することができる。アルミニウムを含む半導体材料としては、たとえばＡｌＧａＩｎＡｓが例示される。
また、上記実施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。
１００ ：半導体レーザ素子
１０１ ：前側ミラー
１０２ ：後側ミラー
１０３ ：本体
１０３ａ ：前端面
１０３ｂ ：後端面
１１０ ：第１電極
１２０ ：第１積層部
１２１ ：基板
１２２ ：電界制御層
１２３ ：ｎ－ＩｎＰ層
１３０ ：活性層
１４０ ：第２積層部
１４１、１４３、１４３ａ、１４４、１４５ ：ｐ－ＩｎＰ層
１４２ ：光ガイド層
１４２ａ ：広幅ストレート部
１４２ｂ ：テーパ部
１４２ｃ ：狭幅ストレート部
１５０ ：埋込層
１６０ ：コンタクト層
１７０ ：保護膜
１７１ ：開口
１８０ ：第２電極

Claims (6)

  1. ｎ型の導電型を有する第１積層部と、
    ｐ型の導電型を有する第２積層部と、
    前記第１積層部と前記第２積層部との間に介在する活性層と、
    が積層方向において積層した構成を有する本体と、
    前記本体の前記積層方向と平行な前端面に形成された前側ミラーと、
    前記積層方向および前記前端面と交差する光導波方向において前記前端面と対向する、前記本体の後端面に形成された後側ミラーと、
    を備え、
    前記第１積層部は、前記活性層の発光波長よりも組成波長が短い電界制御層を含み、
    前記第２積層部は、前記活性層の発光波長よりも組成波長が短く、前記光導波方向に延伸し、かつ前記光導波方向と直交する幅方向において、前記活性層よりも幅が狭い光ガイド層を含み、
    前記光ガイド層の前記幅方向の両側には、前記光ガイド層よりも屈折率が低い材料で形成された埋込層が設けられており、
    前記光ガイド層は、前記光導波方向において幅が変化している幅変化部を有する
    半導体レーザ素子。
  2. 前記幅変化部は、幅がテーパ状またはステップ状に変化している
    請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記活性層は、井戸層とバリア層とを有する量子井戸構造を有するとともに、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層を有し、前記電界制御層、前記光ガイド層、前記バリア層、および前記ＳＣＨ層は、同一の組成の半導体材料からなる
    請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記前側ミラーの前記活性層の発光波長における反射率が１％以下であり、前記後側ミラーの前記活性層の発光波長における反射率が９０％以上であり、
    前記光ガイド層の前記前端面における幅が、前記後端面における幅よりも広い
    請求項１～３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記活性層は、アルミニウムを含む半導体材料で形成されている
    請求項１～４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記第１積層部および前記第２積層部は、同一の半導体材料で形成されたクラッド層を備える
    請求項１～５のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
JP2022019576A 2022-02-10 2022-02-10 半導体レーザ素子 Pending JP2023117077A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022019576A JP2023117077A (ja) 2022-02-10 2022-02-10 半導体レーザ素子
US18/156,641 US20230253762A1 (en) 2022-02-10 2023-01-19 Semiconductor laser device
CN202310091037.9A CN116581641A (zh) 2022-02-10 2023-01-19 半导体激光元件

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022019576A JP2023117077A (ja) 2022-02-10 2022-02-10 半導体レーザ素子

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023117077A true JP2023117077A (ja) 2023-08-23

Family

ID=87520384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022019576A Pending JP2023117077A (ja) 2022-02-10 2022-02-10 半導体レーザ素子

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230253762A1 (ja)
JP (1) JP2023117077A (ja)
CN (1) CN116581641A (ja)

Also Published As

Publication number Publication date
CN116581641A (zh) 2023-08-11
US20230253762A1 (en) 2023-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5416790A (en) Semiconductor laser with a self-sustained pulsation
US7756179B2 (en) Semiconductor laser apparatus
JP3481458B2 (ja) 半導体レーザ
JP2007036298A (ja) 半導体発光素子
US11710941B2 (en) Semiconductor laser element
JPH08279650A (ja) 半導体レーザ装置、及び半導体レーザ装置の製造方法
US20050123018A1 (en) Ridge type distributed feedback semiconductor laser
JP4028158B2 (ja) 半導体光デバイス装置
US20220013987A1 (en) Semiconductor laser element
JP2023117077A (ja) 半導体レーザ素子
JP6925540B2 (ja) 半導体光素子
JP4345673B2 (ja) 半導体レーザ
JP2009076640A (ja) 半導体発光素子
JP2010123726A (ja) 半導体レーザおよびその製造方法
WO2023281741A1 (ja) 半導体光素子
JP2004103679A (ja) 半導体発光素子および半導体発光素子モジュール
JPH06283801A (ja) 半導体レーザ
JP3691507B2 (ja) 半導体レーザ
JP2008022043A (ja) 半導体レーザ装置の製造方法
JPH09232666A (ja) 半導体レーザ及び並列伝送用光送信モジュール
US20030063644A1 (en) Semiconductor laser element having great bandgap difference between active layer and optical waveguide layers, and including arrow structure formed without P-As interdiffusion
JPS62249496A (ja) 半導体レ−ザ装置
JP2024501749A (ja) 量子井戸構造、チップ加工方法及びチップ
JP3403180B2 (ja) 半導体レーザ
JP3638305B2 (ja) 量子井戸結晶および半導体レーザならびにその製造方法