JP4842668B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof, optical wireless communication transmitter, and optical disk device - Google Patents
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Description
本発明は、高出力低駆動電力が要求される半導体レーザ素子とその製造方法、およびそのような半導体レーザ素子を備えた光無線通信用送信装置と光ディスク装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser element that requires high output and low driving power, a method for manufacturing the same, and a transmitter and an optical disc apparatus for optical wireless communication including such a semiconductor laser element.
近年、IT技術の発達やブロードバンドの普及に従い、音声や映像といった大容量データを扱う機会が増加している。中でも高速有線インフラに接続された固定端末と移動型携帯端末との間で空間を介して大容量データ通信を行う機会は、今後急激に拡大するものと考えられる。このような無線通信に用いられるキャリアには電波と光の二種類があるが、データの秘匿性、指向性などから光を用いる場面は多い。現在、光キャリアの信号源には低価格性や取り扱いの容易さから一般に発光ダイオード(LED)が使用されているが、近年の取り扱いデータ量の増大による高速化への要請から、半導体レーザ素子を用いた光無線通信技術への期待は高い。このような状況を踏まえ、現在、新たな高速光無線通信用半導体レーザの開発とその規格の標準化作業が進められている。 In recent years, with the development of IT technology and the spread of broadband, opportunities to handle large volumes of data such as voice and video are increasing. In particular, opportunities for large-capacity data communication between a fixed terminal connected to a high-speed wired infrastructure and a mobile portable terminal via a space are expected to expand rapidly in the future. There are two types of carriers used for such wireless communication: radio waves and light. However, there are many occasions where light is used because of data confidentiality and directivity. Currently, light-emitting diodes (LEDs) are generally used as signal sources for optical carriers because of their low cost and ease of handling. Expectations for the optical wireless communication technology used are high. In light of this situation, development of a new semiconductor laser for high-speed optical wireless communication and standardization work for the standard are currently underway.
この新たな光無線通信規格で使用される光の波長は、850〜950nmを中心とする1.0μm以下の近赤外波長帯である。これは人体とりわけ目に対する安全性や受光素子の波長依存性によって決まる値であり、無線通信用光源としてこの波長帯で安定に動作する新たな半導体レーザ素子の開発が必要となる。 The wavelength of light used in this new optical wireless communication standard is a near infrared wavelength band of 1.0 μm or less centering on 850 to 950 nm. This value is determined by the safety of the human body, particularly the eyes, and the wavelength dependency of the light receiving element, and it is necessary to develop a new semiconductor laser element that operates stably in this wavelength band as a light source for wireless communication.
しかしながらこの1.0μm以下の近赤外波長帯は、現存する短波長帯光ディスク装置や長波長帯光ファイバ通信で用いられる波長帯のちょうど中間にあたるため、これら従来の波長帯では問題とされなかったレーザの層構造パラメータがレーザの特性に大きな影響を与える可能性がある。 However, the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less is just in the middle of the wavelength band used in the existing short-wavelength optical disk apparatus and long-wavelength optical fiber communication, so that these conventional wavelength bands were not a problem. Laser layer structure parameters can greatly affect the characteristics of the laser.
そのような構造パラメータのうち、特に半導体レーザ素子の効率に大きな影響を与えるパラメータに、不純物がドーピングされた半導体層内での自由電子吸収αfcがある。 Among such structural parameters, a parameter that greatly affects the efficiency of the semiconductor laser element is free electron absorption αfc in the semiconductor layer doped with impurities.
これは、自由電子が価電子帯や伝導帯のエネルギーバンド内の同じ谷の中で光を吸収してより高エネルギー側に遷移する現象で、ドーピング濃度をパラメータとして波長と自由電子吸収αfcとの関係を表した図10の線(a)〜(c)のように、光の波長が長くドーピング濃度が高いほど、自由電子吸収αfcの値は大きくなる。その関係は理論的に求められており、
αfc ∝ {N×(aλ1.5+bλ2.5+cλ3.5)}/τ ∝(N×λx)/τ (1)
と表される。この式(1)で、Nはドーピング濃度、λは光の波長、a〜cは指数の異なる波長λの係数、τはキャリア緩和時間を表す。最右辺のλの指数であるxは音響/光学フォノンやイオン化不純物による各種の散乱の程度によって異なる値をとり、一般にIII−V族系化合物半導体の場合は3.0から3.5程度の値となる。
This is a phenomenon in which free electrons absorb light in the same valley in the energy band of the valence band or conduction band and transition to a higher energy side, and the wavelength and free electron absorption αfc are used with the doping concentration as a parameter. As the lines (a) to (c) in FIG. 10 showing the relationship, the value of free electron absorption αfc increases as the wavelength of light is longer and the doping concentration is higher. The relationship is sought theoretically,
αfc ∝ {N × (aλ 1.5 + bλ 2.5 + cλ 3.5 )} / τ ∝ (N × λ x ) / τ (1)
It is expressed. In this formula (1), N is the doping concentration, λ is the wavelength of light, a to c are coefficients of the wavelength λ having different indices, and τ is the carrier relaxation time. The index x of λ on the rightmost side varies depending on the degree of various scattering by acoustic / optical phonons and ionized impurities. Generally, in the case of III-V group compound semiconductors, a value of about 3.0 to 3.5. It becomes.
このように、自由電子による吸収は波長の3乗程度に比例するため、光ファイバ通信で使用されてきた波長1.3μm以上の長波長帯半導体レーザ素子では、以前から非常に問題視されてきた。中でもp型導電型層での自由電子吸収が特に問題とされた。というのも、ドーピングされた半導体層内でのキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値は当該ドーピングキャリアの緩和時間で決まるためで、同じキャリア濃度でも導電型の違いで差が生じる。実際、非特許文献1(Heterostructure Laser,1973)によれば、波長780nmでのp型導電型層とn型導電型層でのキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値の比は7:3程度とされている。このようにp型ドーパントによる自由電子吸収のほうがn型ドーパントによるものより7/3倍程度影響が大きいとされてきたため、特にp型導電型層での自由電子吸収が問題とされてきた。 As described above, since absorption by free electrons is proportional to the third power of the wavelength, long wavelength band semiconductor laser devices having a wavelength of 1.3 μm or more that have been used in optical fiber communication have been regarded as very problematic for some time. . In particular, free electron absorption in the p-type conductivity layer was particularly problematic. This is because the value of free electron absorption per carrier concentration in the doped semiconductor layer is determined by the relaxation time of the doping carrier, so that a difference occurs due to the difference in conductivity type even at the same carrier concentration. In fact, according to Non-Patent Document 1 (Heterostructure Laser, 1973), the ratio of the free electron absorption value per carrier concentration in the p-type conductivity type and the n-type conductivity type layer at a wavelength of 780 nm is about 7: 3. Has been. As described above, it has been said that free electron absorption by the p-type dopant is about 7/3 times larger than that by the n-type dopant, so that free electron absorption particularly in the p-type conductivity layer has been a problem.
この問題に対する解決策の一つが特許文献1(特許第2699848号公報)に開示されている。この例では、InP系レーザにおいてキャップ層を除くp型導電型層全層のドーピング濃度を3×1017cm−3〜7×1017cm−3程度という比較的低い値に設定することで、p型導電型層での自由電子吸収を抑制し、半導体レーザの効率の改善を図っている。 One solution to this problem is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2699848). In this example, by setting the doping concentration of the entire p-type conductivity type layer excluding the cap layer in the InP-based laser to a relatively low value of about 3 × 10 17 cm −3 to 7 × 10 17 cm −3 , Free electron absorption in the p-type conductivity layer is suppressed, and the efficiency of the semiconductor laser is improved.
これに対して、光ディスク装置に用いられる短波長帯半導体レーザ素子では、長波長帯半導体レーザ素子とは異なり自由電子吸収の影響が極めて小さいため、p型導電型層のドーピング濃度が5×1018cm−3〜1×1019cm−3程度以下であれば、自由電子吸収はあまり問題とされてこなかった。 On the other hand, the short wavelength semiconductor laser element used in the optical disk device has a very small influence of free electron absorption unlike the long wavelength semiconductor laser element, so that the doping concentration of the p-type conductivity type layer is 5 × 10 18. If it is about cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 or less, free electron absorption has not been a problem.
そして、これら短波長帯と長波長帯の中間にあたる1.0μm以下の近赤外波長帯の半導体レーザ素子についても、同じようにp型導電型層での自由電子吸収の影響を検討した報告が存在する。例えば非特許文献2(Appl.Phys.Lett.Vol.69 No.20,1996)には、n−GaAs基板上にn−InGaPクラッド層、n−InGaAsP下部光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、p−InGaAsP上部光ガイド層、p−InGaPクラッド層、p−GaAsキャップ層が基板側から順に積層され、その活性層は波長808nm(InGaAsP/InGaAsP量子井戸活性層)もしくは980nm(InGaAs/GaAs量子井戸活性層)で発振するよう設定された数種の半導体レーザ素子に関する記載がある。これらの半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は4〜5cm−1程度とあるが、この報告では4〜5cm−1程度という内部吸収の値を決定する要因の中にp型導電型層での自由電子吸収αfcの影響はほとんど無いと結論づけている。 A report was also made on the effect of free electron absorption in the p-type conductivity layer for semiconductor laser elements in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less, which is between the short wavelength band and the long wavelength band. Exists. For example, Non-Patent Document 2 (Appl. Phys. Lett. Vol. 69 No. 20, 1996) includes an n-InGaP cladding layer, an n-InGaAsP lower light guide layer, an undoped quantum well active layer on an n-GaAs substrate, A p-InGaAsP upper optical guide layer, a p-InGaP cladding layer, and a p-GaAs cap layer are laminated in this order from the substrate side, and the active layer has a wavelength of 808 nm (InGaAsP / InGaAsP quantum well active layer) or 980 nm (InGaAs / GaAs quantum well). There are descriptions regarding several types of semiconductor laser elements set to oscillate in the active layer). Although the value of the internal absorption αi of these semiconductor laser elements is about 4 to 5 cm −1 , in this report, among the factors determining the internal absorption value of about 4 to 5 cm −1 We conclude that there is almost no influence of free electron absorption αfc.
なお、これらの例では、一般的な半導体レーザ素子の層構造に倣い、p型導電型層各層とn型導電型層各層の層構造が、p型導電型層内に存在するエッチングストップ層を除き、活性層を挟んで対称な層構造となっている。ここでいう対称な層構造を決定するパラメータは、各層を構成する材料、層厚、ドーピング濃度である。この層構造の対称性のため、これらの半導体レーザ素子におけるp型導電型層各層とn型導電型層各層の自由電子吸収量の比は両キャリアの緩和時間の違いだけで決まり、先の文献によれば前者の自由電子吸収の値は後者の値より7/3倍程度大きいと考えられる。ゆえに半導体レーザの効率向上のため、p型導電型層のドーピング濃度のみ問題視されてきた。 In these examples, the layer structure of each layer of the p-type conductivity type layer and each layer of the n-type conductivity type is an etching stop layer present in the p-type conductivity type layer, following the layer structure of a general semiconductor laser element. Except for this, it has a symmetrical layer structure with the active layer in between. The parameters that determine the symmetrical layer structure here are the material constituting each layer, the layer thickness, and the doping concentration. Due to the symmetry of this layer structure, the ratio of the free electron absorption amount of each layer of the p-type conductivity type and each layer of the n-type conductivity type in these semiconductor laser elements is determined only by the difference in relaxation time of both carriers. According to the above, it is considered that the former free electron absorption value is about 7/3 times larger than the latter value. Therefore, in order to improve the efficiency of the semiconductor laser, only the doping concentration of the p-type conductivity type has been regarded as a problem.
ところで、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例では、基板、バッファ層、キャップ層以外のp型、n型両ドーピング濃度が5×1017cm−3程度と比較的低い値に設定されている。この値は、先述のp型導電型層に対して自由電子吸収抑制対策を施した長波長帯半導体レーザ素子のp型ドーピング濃度と同程度に低い値である。それ故、この近赤外波長帯での半導体レーザを例にとり当該波長帯での自由電子吸収の影響を考える場合、文献に記載の通り根本的に影響がないのか、それともこのドーピング濃度ではp型導電型層での自由電子吸収の影響が顕在化していないのか、確定することができない。 By the way, in this example of the near-infrared wavelength band semiconductor laser device, both the p-type and n-type doping concentrations other than the substrate, buffer layer, and cap layer are set to a relatively low value of about 5 × 10 17 cm −3. Yes. This value is as low as the p-type doping concentration of the long-wavelength semiconductor laser device in which the above-described p-type conductivity type layer is subjected to the free electron absorption suppression measure. Therefore, taking the semiconductor laser in this near-infrared wavelength band as an example, when considering the effect of free electron absorption in that wavelength band, there is no fundamental effect as described in the literature, or at this doping concentration p-type It cannot be determined whether the influence of free electron absorption in the conductive type layer has become apparent.
また、これまで注目されなかったn型導電型層のキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値に関しても、未確定な点が多い。確かに、先の文献では、p型、n型各導電型層のキャリア濃度あたりの自由電子吸収の値は波長780nmで7:3とされているが、この数値はキャリア緩和時間から理論的に推測される値であり、実際の半導体レーザ素子の内部吸収への影響の程度については定かではない。また、特に800nm以上の近赤外波長帯では資料が存在しないため、p型ドーパントの寄与に対するn型ドーパントの寄与の程度は全く不明である。このため、条件によっては、n型ドーパントについても、自由電子吸収の値が問題となる程度に高くなり、効率が低下する可能性も否定できない。 There are also many uncertain points regarding the value of free electron absorption per carrier concentration of the n-type conductivity layer, which has not been noticed so far. Certainly, in the previous literature, the value of free electron absorption per carrier concentration of each of the p-type and n-type conductivity type layers is 7: 3 at a wavelength of 780 nm, but this value is theoretically calculated from the carrier relaxation time. It is an estimated value, and it is not certain about the degree of influence on the internal absorption of an actual semiconductor laser element. In particular, since there is no data in the near-infrared wavelength band of 800 nm or more, the degree of contribution of the n-type dopant to the contribution of the p-type dopant is completely unknown. For this reason, depending on the conditions, even for n-type dopants, the value of free electron absorption becomes so high as to be a problem, and the possibility of a decrease in efficiency cannot be denied.
さらに、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例や先述の長波長帯半導体レーザ素子のように、特にp型導電型層のドーピング濃度を5×1017cm−3程度という比較的低い値に設定した場合、自由電子吸収が抑制されレーザの効率が改善する一方で、温度特性、素子抵抗という別のレーザ特性が悪化し、特にレーザ素子の消費電力の増大を招いてしまう。例えば光ガイド層やクラッド層のp型ドーピング濃度を4×1017cm−3〜6×1017cm−3程度に設定した半導体レーザ素子では、1×1018cm−3程度にドーピングされた素子に比べて該当層の伝導帯エネルギーレベルが低くなるため、井戸層内のキャリアとりわけ電子からみたエネルギー障壁レベルが低くなる。そのためキャリアが井戸層外に漏れ易くなり、半導体レーザ素子の温度特性が悪化する。これは特に高温での消費電力の増大に繋がる。特に近赤外波長帯半導体レーザ素子の場合、長波長帯に比べて井戸層のエネルギーギャップが大きいため、井戸層外の層に同じ材料を用いた場合、井戸層とその外側の層との間のエネルギーギャップ差が長波長帯半導体レーザでの差よりも小さくなり、キャリアの漏れがより起こり易い。このため、長波長帯半導体レーザ素子では問題とならなかったドーピング濃度でも、消費電力が増加することになる。
Further, as in the example of the near-infrared wavelength band semiconductor laser element and the long wavelength band semiconductor laser element described above, the doping concentration of the p-type conductivity layer is set to a relatively low value of about 5 × 10 17 cm −3. When set, free electron absorption is suppressed and the laser efficiency is improved. On the other hand, other laser characteristics such as temperature characteristics and element resistance are deteriorated, and the power consumption of the laser element is particularly increased. For example, in a semiconductor laser device in which the p-type doping concentration of the light guide layer or the cladding layer is set to about 4 × 10 17
また、素子抵抗についても、p型ドーピング濃度が4×1017cm−3〜5×1017cm−3程度と低い半導体レーザ素子では、1×1018cm−3程度にドーピングされた半導体レーザ素子よりも抵抗の値が高くなり、これも消費電力の増大に繋がる。そして、このような半導体レーザ素子を発光源として光無線通信用装置に用いた場合、装置内の他の構成部品に負荷がかかったり、他の部品の選択の幅を狭くしかねない。
In addition, as for the device resistance, in a semiconductor laser device having a p-type doping concentration as low as about 4 × 10 17
ところで、半導体レーザ素子の重要な特性の一つに信頼性がある。信頼性に影響を与えるレーザパラメータは多数あるが、最も影響が大きいのは活性層内の発光層の光密度である。これは半導体レーザ素子の層構造によって決まり、例えばp型、n型両クラッド層の材料を材料屈折率が大きくなる方向に変化させると、上記活性層内の発光層である井戸層の光密度が上昇し、信頼性レベルが低下する。また、発光層に光が強く閉じ込められると垂直放射角の値が大きくなるが、この値が40度以上となると、無線通信用発光源として用いた際に通信に寄与しない光が増加し、駆動電流の増加につながることにもなる。特に先述の例のようにp型、n型両導電型層を活性層を挟んで対称的な構造を保ったまま層構造を変化させると、この影響がより顕著となる。
以上のことから本発明の課題は、1.0μm以下の近赤外波長帯で高効率化と低消費電力化、高信頼性という従来両立できなかった3種の特性を全て満たした半導体レーザ素子を提供することにある。 In view of the above, the object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that satisfies all three types of characteristics that have not been achieved in the past, such as high efficiency, low power consumption, and high reliability in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less. Is to provide.
さらに、発光源としてこのような利点をもつ半導体レーザ素子を搭載することで、従来実現し得なかった新たな規格の高速光無線通信用送信装置を実現し、また高速化競争の続く光ディスク分野でより高速の読み書きを可能にする光ディスク装置を提供することにある。 Furthermore, by installing a semiconductor laser element having such advantages as a light source, a transmitter for high-speed optical wireless communication with a new standard that could not be realized in the past has been realized, and in the field of optical disks where competition for higher speed continues. An object of the present invention is to provide an optical disk device that enables higher-speed reading and writing.
本発明の第1の側面に係る半導体レーザ素子は、基板上に、
複数のn型導電型層l(ここで、l=1、2…k、但し、kは自然数)と、
p型クラッド層を含む複数のp型導電型層m(ここで、m=1、2…k’、但し、k’は自然数)と、
上記n型導電型層lと上記p型導電型層mとの間に位置する活性層とを備え、
発振波長が700nm以上かつ1.0μm以下であり、
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記n型導電型層lに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(l)、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記p型導電型層mに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(m)とすると、Γ(l)の総和とΓ(m)の総和との関係が、
であり、
上記p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型導電型層mのドーピング濃度P(m)(単位:cm−3)の積の総和
が8.0×1017cm−3 以下であり、
上記複数のp型導電型層のうちドーピング濃度が1.0×1018cm−3以上であるp型導電型層の層厚の合計が上記複数のp型導電型層全体の層厚の合計の80%以上を占めており、
上記p型クラッド層の平均ドーピング濃度が2.0×10 18 cm −3 以上であり、
上記n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)(単位:cm −3 )の積の総和
が4.0×10 18 cm −3 以下であることを特徴としている。
The semiconductor laser device according to the first aspect of the present invention is provided on a substrate,
A plurality of n-type conductivity layers l (where l = 1, 2,... K, where k is a natural number);
a plurality of p-type conductivity layers m including a p-type cladding layer (where m = 1, 2,..., k ′, where k ′ is a natural number);
An active layer located between the n-type conductivity type layer l and the p-type conductivity type layer m,
The oscillation wavelength is 700 nm or more and 1.0 μm or less,
The ratio of the amount of light present in the n-type conductivity type layer 1 to the total amount of light present in all the layers in the substrate and on the substrate is the optical confinement factor Γ (l), and in all layers in the substrate and on the substrate. Assuming that the ratio of the amount of light existing in the p-type conductivity type layer m to the total amount of existing light is the optical confinement coefficient Γ (m), the relationship between the sum of Γ (l) and the sum of Γ (m) is
And
Sum of products of optical confinement coefficient Γ (m) of p-type conductivity layer m and doping concentration P (m) (unit: cm −3 ) of p-type conductivity layer m
Is 8.0 × 10 17 cm −3 or less,
Of the plurality of p-type conductivity layers, the total thickness of the p-type conductivity layers having a doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more is the total thickness of the plurality of p-type conductivity layers. and it accounts for 80% or more of,
The p-type cladding layer has an average doping concentration of 2.0 × 10 18 cm −3 or more,
Sum of products of optical confinement coefficient Γ (l) of n-type conductivity type layer 1 and doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of n-type conductivity type layer 1
Is 4.0 × 10 18 cm −3 or less .
なお、Γ(l)の総和、Γ(m)の総和、Γ(m)とP(m)の積の総和はそれぞれ、以下、単に、Σ{Γ(l)}、Σ{Γ(m)}、Σ{Γ(m)×P(m)}とも表す。 The sum of Γ (l), the sum of Γ (m), and the sum of products of Γ (m) and P (m) are simply referred to as Σ {Γ (l)} and Σ {Γ (m), respectively. }, Σ {Γ (m) × P (m)}.
本発明者らは、まず波長1.0μm以下の近赤外波長帯で自由電子吸収を回避できるp型ドーピング構造の「上限値」を決定するため、波長900nm程度で発振する半導体レーザ素子でp型導電型層mのp型ドーピング濃度P(m)や同層の光閉じ込め係数Γ(m)の値の組み合わせを変えた数種類の素子を実際に作製し、効率の値と効率に直接影響を与える内部吸収αiの値を算出した。層構造の対称性については、層厚や層を構成する材料については、過去の例と同じくp型エッチングストップ層を除き、p型、n型両導電型層で対称な構造とした。ドーピング濃度については、p型導電型層での自由電子吸収の影響だけを確認できるよう、n型導電型層側は平均1.0×1017cm−3以下という一般の半導体レーザ素子としては低い値に設定した。 In order to determine the “upper limit value” of the p-type doping structure that can avoid free electron absorption in the near-infrared wavelength band having a wavelength of 1.0 μm or less, the present inventors first set the p in a semiconductor laser device that oscillates at a wavelength of about 900 nm. Actually fabricated several types of devices with different combinations of the p-type doping concentration P (m) of the p-type conductivity layer m and the optical confinement coefficient Γ (m) of the same layer, and directly affects the efficiency value and efficiency. The value of the internal absorption αi to be given was calculated. Regarding the symmetry of the layer structure, the layer thickness and the material constituting the layer are the same in both the p-type and n-type conductivity layers except for the p-type etching stop layer as in the past examples. The doping concentration is low as a general semiconductor laser device having an average of 1.0 × 10 17 cm −3 or less on the n-type conductivity type side so that only the influence of free electron absorption in the p-type conductivity type layer can be confirmed. Set to value.
その結果、p型ド−ピング各層m(m=1、2…k’、但し、kは自然数)の光閉じ込め係数Γ(m)とそのドーピング濃度P(m)(cm−3、以下省略)との積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}と、半導体レーザ素子の効率の値を決定する内部吸収αiとの間に図7のような関係があることがわかった。図7によると、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型層のドーピング濃度P(m)との積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が8.0×1017cm−3を越えると、内部吸収αiの値が急激に増加することがわかる。半導体レーザ素子の内部吸収αiは自由電子吸収αfcとその他の吸収αoからなるが、一般にドーピング濃度に依存しないその他の吸収αoの値は4〜5cm−1未満と小さく、半導体レーザ素子への影響はあまりない。また、先に述べたように、本実験で作製した半導体レーザ素子ではn型ドーピング濃度をごく小さい値に設定したため、図7の自由電子吸収αfcの変化はほぼp型ドーパントの寄与によるものとみてよい。つまり、図7からは、p型ドーピング濃度に依存しない吸収αoが3cm−1程度あり、これにp型ドーパントに由来する自由電子吸収αfcが加わり、半導体レーザ素子の内部吸収αiとなっていることがわかる。以上のことからp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型層ドーピング濃度P(m)との積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を8.0×1017cm−3以下の範囲に設定すれば、内部吸収αiのうちp型ドーパントに由来する自由電子吸収αfcの急激な増加を抑制できることがわかる。そして自由電子吸収αfcさえ抑制すれば高い効率を得ることができるともいえる。 As a result, the optical confinement coefficient Γ (m) of each layer m (m = 1, 2,..., K ′, where k is a natural number) and the doping concentration P (m) (cm −3 , hereinafter omitted) of the p-type doping. It was found that there is a relationship as shown in FIG. 7 between the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the product and the internal absorption αi that determines the efficiency value of the semiconductor laser element. According to FIG. 7, the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of products of the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity type layer m and the doping concentration P (m) of the p-type layer. When the value exceeds 8.0 × 10 17 cm −3 , it can be seen that the value of the internal absorption αi increases rapidly. The internal absorption αi of the semiconductor laser element is composed of free electron absorption αfc and other absorption αo. In general, the value of other absorption αo that does not depend on the doping concentration is as small as less than 4 to 5 cm −1, and the influence on the semiconductor laser element is as follows. not much. Further, as described above, since the n-type doping concentration is set to a very small value in the semiconductor laser device manufactured in this experiment, it is considered that the change in free electron absorption αfc in FIG. 7 is almost due to the contribution of the p-type dopant. Good. That is, from FIG. 7, the absorption αo independent of the p-type doping concentration is about 3 cm −1, and free electron absorption αfc derived from the p-type dopant is added to the internal absorption αi of the semiconductor laser element. I understand. From the above, the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the products of the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity type layer m and the p-type layer doping concentration P (m) is 8 It can be seen that if the range is set to 0.0 × 10 17 cm −3 or less, the rapid increase in free electron absorption αfc derived from the p-type dopant in the internal absorption αi can be suppressed. It can also be said that high efficiency can be obtained as long as free electron absorption αfc is suppressed.
さらに図7では、総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が6.0×1017cm−3以下では、内部吸収αiの値はほとんど変化していない。ゆえに、この総和の値を6.0×1017cm−3以下となるようp型ドーピング層構造を設定すると、内部吸収αiに対する自由電子吸収αfcの影響をほとんど排除できることもわかる。 Furthermore, in FIG. 7, when the value of the sum Σ {Γ (m) × P (m)} is 6.0 × 10 17 cm −3 or less, the value of the internal absorption αi hardly changes. Therefore, it can also be seen that if the p-type doping layer structure is set so that the total value is 6.0 × 10 17 cm −3 or less, the influence of the free electron absorption αfc on the internal absorption αi can be almost eliminated.
これらの事実は1.0μm以下の近赤外波長帯では自由電子吸収の影響はないとする従来の認識とは異なるものであり、上記波長帯でも構造によってはp型ドーパントによる自由電子吸収の影響を受け、半導体レーザ素子の効率が悪化することがわかった。また同時に、p型ドーピング濃度だけではなくp型導電型層の光閉じ込め係数も同時に考慮することで、自由電子吸収の増大につながりかねない比較的高いp型ドーピング濃度でも良好な効率を維持することができることもわかった。 These facts are different from the conventional recognition that there is no influence of free electron absorption in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less, and the influence of free electron absorption by the p-type dopant also depends on the structure even in the above wavelength band. As a result, it has been found that the efficiency of the semiconductor laser element deteriorates. At the same time, by considering not only the p-type doping concentration but also the optical confinement factor of the p-type conductivity type layer, good efficiency can be maintained even at a relatively high p-type doping concentration that may lead to an increase in free electron absorption. I found out that
ところで、実際にp型導電型層での光閉じ込め係数とp型ドーピング濃度の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が上述の範囲となるように設定する際、発光層を含む活性層を中心とする対称構造を維持したまま光閉じ込め係数を小さくすると、先述のように発光層の光密度が増大し、信頼性の低下につながる。実際、p型、n型両導電型層の光閉じ込め係数を同一に保ったままその値を減少させると、図11の曲線Aのように、両者の光閉じ込め係数の値が小さくなるに従い、発光層の光密度が指数関数的に増大する。 By the way, when setting the value of the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the product of the optical confinement coefficient and the p-type doping concentration in the p-type conductivity layer to be within the above range, If the light confinement factor is reduced while maintaining a symmetric structure centering on the active layer including the layer, the light density of the light emitting layer increases as described above, leading to a decrease in reliability. Actually, when the optical confinement coefficient of both the p-type and n-type conductive layers is kept the same and the value is decreased, as the value of the optical confinement coefficient of both decreases as shown by curve A in FIG. The light density of the layer increases exponentially.
本発明で目的とする近赤外波長帯の発光層に用いられる半導体材料では、発光層の光密度が3.0×104cm−1を超えると半導体レーザ素子の信頼性の低下が顕著となることがわかっている。したがって、この値を半導体レーザ素子で信頼性を確保するための発光層光密度の上限とすると、p型、n型両導電型層が対称構造をとる半導体レーザ素子で信頼性を確保するのに必要なp型、n型各導電型層の光閉じ込め係数の値は、図11からA1以上となる。この条件を満たしながらp型導電型層の光閉じ込め係数とp型ドーピング濃度の総和Σ{Γ(m)×P(m)}を8.0×1017cm−3以下となるようにp型ドーピング濃度を設定した場合、図10のように、p型ドーピング濃度の平均値が1.0×1018cm−3を下回ることになる。温度特性や素子抵抗の改善には、平均値として1.0×1018cm−3以上の濃度になるようp型ドーピング濃度を設定する必要があるため、対称構造のままでは、高効率と低消費電力、高信頼性を全て満たすことができない。なお、ここで言う「p型ドーピング濃度の平均値」とは、半導体レーザ素子に含まれる全p型導電型層のうち、高濃度にドーピングされてはいるが光閉じ込め係数が小さいため自由電子や素子抵抗を考える上で無視してよい最外部の層を除いた層の中で平均をとったものである。 In the semiconductor material used for the light emitting layer of the near infrared wavelength band intended in the present invention, when the light density of the light emitting layer exceeds 3.0 × 10 4 cm −1 , the reliability of the semiconductor laser element is significantly reduced. I know that Accordingly, if this value is the upper limit of the light density of the light emitting layer for ensuring reliability in the semiconductor laser device, the reliability can be ensured in the semiconductor laser device in which the p-type and n-type conductive layers have a symmetrical structure. The required optical confinement coefficient values of the p-type and n-type conductivity type layers are A1 or more from FIG. While satisfying this condition, the total of the optical confinement coefficient of the p-type conductivity layer and the p-type doping concentration Σ {Γ (m) × P (m)} is p-type so as to be 8.0 × 10 17 cm −3 or less. When the doping concentration is set, as shown in FIG. 10, the average value of the p-type doping concentration is less than 1.0 × 10 18 cm −3 . In order to improve temperature characteristics and device resistance, it is necessary to set the p-type doping concentration so that the average value is 1.0 × 10 18 cm −3 or more. Power consumption and high reliability cannot be satisfied. The “average value of the p-type doping concentration” referred to here is a high concentration of all the p-type conductivity layers included in the semiconductor laser element, but the light confinement coefficient is small, so that free electrons and This is an average of the layers excluding the outermost layer which can be ignored in considering the element resistance.
この点を考慮し、本発明では、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和Σ{Γ(l)}と上記p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の総和Σ{Γ(m)}の関係をΣ{Γ(l)}÷ Σ{Γ(m)}>1.0となるよう、つまり、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和の方がp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の総和よりも大きくなるよう設定した上で、さらにp型導電型層の光閉じ込め係数とp型ドーピング濃度の総和Σ{Γ(m)×P(m)}が8.0×1017cm−3以下となり、かつ、p型ドーピング濃度をp型導電型層全体の80%以上の厚さの層で1×1018cm−3以上となるようにp型ドーピング濃度を設定した。 Considering this point, in the present invention, the sum Σ {Γ (l)} of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity type layer m are determined. The relationship of the sum Σ {Γ (m)} is set so that Σ {Γ (l)} ÷ Σ {Γ (m)}> 1.0, that is, the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l Is set to be larger than the sum of the optical confinement coefficients Γ (m) of the p-type conductivity layer m, and the sum of the optical confinement coefficient and the p-type doping concentration of the p-type conductivity layer Σ { Γ (m) × P (m)} is 8.0 × 10 17 cm −3 or less, and the p-type doping concentration is 1 × 10 18 in a layer having a thickness of 80% or more of the entire p-type conductivity type layer. The p-type doping concentration was set to be cm −3 or higher.
このとき先の図11中の曲線Aは下方へ下がり例えば曲線A’となるため、先と同じ発光層光密度の上限値に対してp型導電型層の光閉じ込め係数の和Σ{Γ(m)}を対称構造の場合より小さく設定することができる。その結果、発光層光密度の増大による信頼性の低下とp型導電型層での自由電子吸収の増大による効率の低下を同時に回避しながら、温度特性や抵抗値を改善して低消費電力化を図るという、従来両立しなかった3種の特性を全て満たした1.0μm以下の近赤外高速光無線通信用半導体レーザ素子を実現することができた。 At this time, the curve A in FIG. 11 descends downward to become, for example, the curve A ′. Therefore, the sum of the light confinement coefficients of the p-type conductivity type Σ {Γ ( m)} can be set smaller than in the case of the symmetric structure. As a result, temperature characteristics and resistance values are improved to reduce power consumption while simultaneously avoiding a decrease in reliability due to an increase in light density of the light emitting layer and a decrease in efficiency due to an increase in free electron absorption in the p-type conductivity layer. It was possible to realize a semiconductor laser device for near infrared high-speed optical wireless communication of 1.0 μm or less that satisfies all the three types of characteristics that were not compatible with each other.
なお、本明細書中でいう「効率」とは、半導体レーザ素子の静特性の一つであり、発振しきい値電流をIth(A)、ある光出力Pop(W)を得る為に必要な駆動電流値をIop(A)とすると、Pop/(Iop−Ith)で定義される、半導体レーザ素子の基本的な静特性の一つである。 Note that “efficiency” in this specification is one of the static characteristics of a semiconductor laser element, and is necessary for obtaining an oscillation threshold current Ith (A) and a certain optical output Pop (W). When the drive current value is Iop (A), this is one of the basic static characteristics of the semiconductor laser element defined by Pop / (Iop-Ith).
また、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は小さいほどよいが、一般的に10cm−1を越えると効率の値に顕著な影響があり、0.95W/A以上という高速光無線通信で必要とされる高効率値を得られなくなる。このため、半導体レーザ素子がこのような光無線通信用送信装置に搭載される場合には、内部吸収の値は10cm−1以下、より好ましくは5cm−1以下であることが望ましい。 In addition, the smaller the value of the internal absorption αi of the semiconductor laser element, the better. However, in general, if it exceeds 10 cm −1 , the efficiency value is significantly affected, and is necessary for high-speed optical wireless communication of 0.95 W / A or more. The high efficiency value that is achieved cannot be obtained. For this reason, when the semiconductor laser element is mounted on such a transmitter for optical wireless communication, the value of internal absorption is desirably 10 cm −1 or less, more preferably 5 cm −1 or less.
さらに、特に記載がない限り、本明細書内で規定するp型、n型導電型層とは、半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型の場合には、リッジおよびリッジの上下に連なる箇所に存在するp型またはn型導電型層であって、埋め込み部のみに存在するp型またはn型導電型層は含まないものとする。 Further, unless otherwise specified, the p-type and n-type conductivity type layers defined in this specification are the p-types present in the ridge and the portion connected to the top and bottom of the ridge when the semiconductor laser element is a ridge buried type. It is a type or n-type conductivity type layer, and does not include a p-type or n-type conductivity type layer that exists only in the buried portion.
さらに、本発明は、上記n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)(単位:cm−3)の積の総和
が4.0×1018cm−3以下であることを特徴としている。
Furthermore, the present invention provides a sum of products of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of the n-type conductivity type layer l.
Is 4.0 × 10 18 cm −3 or less.
先述のように、従来半導体レーザ素子におけるn型ドーパントの自由電子吸収への寄与は、p型ドーパントの寄与よりも小さいとされてきたこともあり、ほとんど問題とされてこなかった。しかし、上述のように本発明の半導体レーザ素子では、p型導電型層内での自由電子吸収の増加と発光層光密度の増大を同時に抑制するため、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の値に比べて、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の値を敢えて大きくなるよう設定している。このため、Σ{Γ(l)×N(l)}の値で決まるn型導電型層での自由電子吸収についても、本発明の半導体レーザ素子では問題となる可能性がある。 As described above, the contribution of n-type dopants to free electron absorption in conventional semiconductor laser devices has been considered to be smaller than the contribution of p-type dopants, and this has hardly been a problem. However, as described above, in the semiconductor laser device of the present invention, the optical confinement coefficient of the p-type conductivity layer m is suppressed in order to simultaneously suppress the increase in free electron absorption and the increase in light emission layer light density in the p-type conductivity type layer. Compared to the value of Γ (m), the value of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity layer 1 is set to be increased. For this reason, free electron absorption in the n-type conductivity type layer determined by the value of Σ {Γ (l) × N (l)} may also be a problem in the semiconductor laser device of the present invention.
そこで、発明者らは、先のp型導電型層に対する実験とは逆に、p型ドーパントによる自由電子吸収の影響がないようp型導電型層構造を設定した上で、n型導電型層lのn型ドーピング濃度N(l)や同層の光閉じ込め係数Γ(l)の値の組み合わせが異なる数種類の素子を作製し、効率の値と、効率に直接影響を与える内部吸収αiの値とを算出した。その結果、Σ{Γ(l)×N(l)}の値が4.0×1018cm−3を超えたときに半導体レーザ素子の内部吸収αiの値が急激に増加することが新たにわかった。 Accordingly, the inventors set the p-type conductivity type layer structure so that there is no influence of free electron absorption by the p-type dopant, contrary to the previous experiment on the p-type conductivity type layer, and then the n-type conductivity type layer. Several devices with different combinations of the n-type doping concentration N (l) of l and the optical confinement coefficient Γ (l) of the same layer are manufactured, and the efficiency value and the value of the internal absorption αi that directly affects the efficiency And calculated. As a result, when the value of Σ {Γ (l) × N (l)} exceeds 4.0 × 10 18 cm −3 , the value of the internal absorption αi of the semiconductor laser element increases rapidly. all right.
これを受けて、本発明では、n型導電型層の光閉じ込め係数とそのドーピング濃度の積の和であるΣ{Γ(l)×N(l)}の値を4.0×1018cm−3以下となるように層構造を規定しているのである。これにより、これまで自由電子吸収への寄与の程度が不明だったn型ドーパントによる自由電子吸収の影響を確実に回避する構造を規定することが可能となった。 Accordingly, in the present invention , the value of Σ {Γ (l) × N (l)}, which is the sum of the product of the optical confinement coefficient of the n-type conductivity type layer and its doping concentration, is set to 4.0 × 10 18 cm. The layer structure is defined to be −3 or less. As a result, it has become possible to define a structure that reliably avoids the effects of free electron absorption by n-type dopants whose contribution to free electron absorption has been unknown.
そして、この範囲内でn型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(l)}の値を大きく設定できるようになるため、その分、発光層の光密度を増加させない範囲でp型導電型層の光閉じ込め係数をより小さく設定することが可能となる。 In this range, the value of the sum Σ {Γ (l)} of the optical confinement coefficients of the n-type conductivity layer can be set large, so that the p-type is within a range in which the light density of the light emitting layer is not increased accordingly. It becomes possible to set the light confinement coefficient of the conductive layer smaller.
つまり、p型導電型層での自由電子吸収の抑制による効率の改善と、それとはトレードオフの関係にある温度特性や抵抗値の改善を目的にp型ドーピング濃度をより高い値に設定するにあたり、信頼性の低下や放射角の過度の増大を招くことなく、かつn型導電型層での自由電子吸収の影響も回避しながらp型ドーピング濃度をより高い値に設定することができる。 In other words, when the p-type doping concentration is set to a higher value for the purpose of improving efficiency by suppressing free electron absorption in the p-type conductivity type layer and improving temperature characteristics and resistance values which are in a trade-off relationship therewith. The p-type doping concentration can be set to a higher value without causing a decrease in reliability and an excessive increase in the radiation angle and avoiding the influence of free electron absorption in the n-type conductivity type layer.
一実施形態では、上記n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)(単位:cm−3)の積の総和と、上記p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型導電型層mのドーピング濃度P(m)の積の総和との関係が、
であることを特徴としている。
In one embodiment, the sum of the products of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of the n-type conductivity type layer l, and the p The relationship between the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity layer m and the sum of the products of the doping concentration P (m) of the p-type conductivity layer m is
It is characterized by being.
従来、n型ドーパントの自由電子吸収への寄与はp型ドーパントのそれの3/7倍程度だと考えられてきた。しかし、先に述べた2種の実験により、n型ドーパントの自由電子吸収への寄与は、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値で、p型導電型層での上限8.0×1017cm−3に対して上限4.0×1018cm−3と1/5程度の値をとることがわかった。つまり、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値で、最大5倍程度までp型導電型層に対してn型導電型層構造での値を大きくすることができるため、先の実施形態と同様、p型、n型両導電型層での自由電子吸収の増加や信頼性の低下、放射角の増大を回避しながら、p型ドーピング濃度をより高い値に設定することができる。 Conventionally, it has been considered that the contribution of n-type dopants to free electron absorption is about 3/7 times that of p-type dopants. However, according to the two types of experiments described above, the contribution of the n-type dopant to free electron absorption is the sum of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration, and the upper limit of 8.0 × in the p-type conductivity type layer. It was found that the upper limit of 4.0 × 10 18 cm −3 was about 1/5 with respect to 10 17 cm −3 . In other words, the value of the sum of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration can be increased up to about 5 times in the n-type conductivity type layer structure with respect to the p-type conductivity type layer. Similarly, the p-type doping concentration can be set to a higher value while avoiding an increase in free electron absorption, a decrease in reliability, and an increase in the emission angle in both the p-type and n-type conductivity layers.
一実施形態では、上記n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)(単位:cm−3)の積の総和と、上記p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型導電型層mのドーピング濃度P(m)の積の総和との関係が、
であることを特徴としている。
In one embodiment, the sum of the products of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of the n-type conductivity type layer l, and the p The relationship between the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity layer m and the sum of the products of the doping concentration P (m) of the p-type conductivity layer m is
It is characterized by being.
先に説明したように、従来、n型ドーパントの自由電子吸収への寄与はp型ドーパントの寄与の3/7倍程度だとされてきたが、先の発明者らの実験により、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値でたとえ7/3倍を超えても、5倍程度までは大きな影響がないことがわかった。 As described above, the contribution of n-type dopants to free electron absorption has been considered to be about 3/7 times that of p-type dopants. It was found that even if the sum of the product of the doping concentration and the concentration exceeds 7/3, there is no significant effect up to about 5 times.
Σ{Γ(l)}={(3/7)× Σ{Γ(m)}を維持しつつp型、n型導電型層の層構造を変更すると、発光層の光密度とp型導電型層の光閉じ込め係数との関係は図11の直線Bのようになる。このとき、発光層光密度を抑制する観点から、信頼性を維持するためのp型導電型層の光閉じ込め係数の総和の下限値は図中B1となる。このとき図10を用いてp型導電型層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が8.0×1017cm−3以下を保ち得るp型ドーピング濃度の上限値を算出すると、その値B2は2.2×1018cm−3となる。p型導電型層のうち、最外層の低光閉じ込め係数/高p型ドーピング濃度の層と最も発光層に近くごく薄い高光閉じ込め係数/低p型ドーピング濃度の層とを除く層、いわゆるクラッド層については、特に素子抵抗の低減を考えると、一般的に平均2.0〜3.0×1018cm−3程度以上のp型ドーピング濃度に設定することが望ましい。本実施形態では、Σ{Γ(l)}の値をΣ{Γ(m)}の7/3以上となるよう設定したため、p型、n型両導電型層による自由電子吸収の抑制と信頼性の確保に加え、高濃度にドーピングされてはいるが光閉じ込め係数が小さいため自由電子や素子抵抗を考える上で無視してよい最外部の層を除くp型導電型層のドーピング濃度の平均値を2.0〜3.0×1018cm−3程度という、素子抵抗の低減とってより有効な範囲の値に引き上げることが可能となり、近赤外波長帯半導体レーザ素子の消費電力を有効に低減できる。 By changing the layer structure of the p-type and n-type conductivity layers while maintaining Σ {Γ (l)} = {(3/7) × Σ {Γ (m)}, the light density and p-type conductivity of the light-emitting layer are changed. The relationship with the optical confinement coefficient of the mold layer is as shown by a straight line B in FIG. At this time, from the viewpoint of suppressing the light density of the light emitting layer, the lower limit value of the sum of the light confinement coefficients of the p-type conductivity type layer for maintaining reliability is B1 in the figure. At this time, using FIG. 10, the sum of the products of the optical confinement coefficient and the doping concentration of the p-type conductivity layer and the value of Σ {Γ (m) × P (m)} is kept below 8.0 × 10 17 cm −3. When the upper limit value of the obtained p-type doping concentration is calculated, the value B2 is 2.2 × 10 18 cm −3 . Of the p-type conductivity type layers, a layer excluding the outermost layer having a low optical confinement factor / high p-type doping concentration and the thinnest layer having a high optical confinement factor / low p-type doping concentration closest to the light emitting layer, a so-called cladding layer In particular, it is desirable to set the p-type doping concentration to an average of about 2.0 to 3.0 × 10 18 cm −3 or more in general, especially considering the reduction in device resistance. In this embodiment, since the value of Σ {Γ (l)} is set to be 7/3 or more of Σ {Γ (m)}, the suppression and reliability of free electron absorption by both p-type and n-type conductivity layers are achieved. In addition to ensuring high conductivity, the average doping concentration of the p-type conductivity layer excluding the outermost layer, which is negligible when considering free electrons and device resistance, because it is highly doped but has a small optical confinement factor It becomes possible to raise the value to a value in a more effective range by reducing the element resistance, ie, about 2.0 to 3.0 × 10 18 cm −3 , and the power consumption of the near-infrared wavelength semiconductor laser element is effective. Can be reduced.
一実施形態では、上記n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和と、上記p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の総和との関係が、
であることを特徴としている。
In one embodiment, the relationship between the sum of the optical confinement coefficients Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the sum of the light confinement factors Γ (m) of the p-type conductivity type layer m is:
It is characterized by being.
n型導電型層とp型導電型層の抵抗を同じドーピング濃度で比較した場合、前者のほうが後者に較べて小さいため、素子抵抗の観点から、半導体レーザ素子のn型ドーピング濃度は一般的に4×1017cm−3〜1×1018cm−3程度という比較的低い値に設定される。先に示した光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和の値で、n型導電型層Σ{Γ(l)×N(l)}の値がp型導電型層Σ{Γ(m)×P(m)}の値の5倍以下という結果を合わせて考えると、n型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(l)}の値はp型導電型層の総和の値の最大12.5倍までに設定することが可能となる。このため、p型導電型層での光閉じ込め係数をより小さく、すなわち同層のドーピング濃度をより大きく設定することができる。 When the resistance of the n-type conductivity type layer and the p-type conductivity type layer are compared at the same doping concentration, since the former is smaller than the latter, the n-type doping concentration of the semiconductor laser device is generally from the viewpoint of device resistance. It is set to a relatively low value of about 4 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 . The value of the n-type conductive layer Σ {Γ (l) × N (l)} is the sum of the products of the optical confinement coefficient and the doping concentration shown above, and the value of the p-type conductive layer Σ {Γ (m) × Considering together the result of 5 times or less of the value of P (m)}, the sum of the optical confinement coefficients of the n-type conductive layer Σ {Γ (l)} is the sum of the values of the p-type conductive layer. It is possible to set up to 12.5 times. For this reason, the optical confinement coefficient in the p-type conductivity type layer can be set smaller, that is, the doping concentration of the same layer can be set higher.
一実施形態では、上記n型導電型層のうち最も厚い層の層厚をd1、その層を構成する材料の屈折率をn1とし、上記p型導電型層のうち最も厚い層の層厚をd2、その層を構成する材料の屈折率をn2とすると、(d1×n1)>(d2×n2)であることを特徴としている。 In one embodiment, the thickness of the thickest layer among the n-type conductivity type layers is d1, the refractive index of the material constituting the layer is n1, and the thickness of the thickest layer among the p-type conductivity layers is d2, where the refractive index of the material constituting the layer is n2, (d1 × n1)> (d2 × n2).
p型、n型導電型層のうち、光閉じ込め係数の非対称性に最も寄与するこれら両層の層厚をこのように規定することにより、実際にn型導電型層の光閉じ込め係数の和をp型導電型層の光閉じ込め係数の和よりも大きくすることができる。 Of the p-type and n-type conductivity type layers, the sum of the optical confinement factors of the n-type conductivity layer is actually determined by defining the layer thicknesses of these layers that contribute most to the asymmetry of the optical confinement factor. The sum of the optical confinement coefficients of the p-type conductivity layer can be made larger.
一実施形態では、上記活性層は、光を発する発光層を1層以上備え、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する全ての上記発光層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(act)とし、上記全ての発光層の層厚の合計をd(act)(単位:cm)としたとき、Γ(act)/d(act)≦3.0×104cm−1である。 In one embodiment, the active layer includes one or more light emitting layers that emit light, and the ratio of the amount of light present in all the light emitting layers to the total amount of light present in all the layers in the substrate and on the substrate is calculated. When the optical confinement factor is Γ (act) and the total thickness of all the light emitting layers is d (act) (unit: cm), Γ (act) / d (act) ≦ 3.0 × 10 4 cm -1 .
この実施形態の層構造は、発光層の光密度を3.0×104cm−1以下に抑えることを意図したものである。先に述べたように、近赤外波長帯の発光層に用いられる半導体材料では、発光層の光密度が3.0×104cm−1を超えると半導体レーザ素子の信頼性の低下が顕著となることがわかっているからである。Γ(act)/d(act)≦3.0×104cm−1となるように層構造を設定することにより、半導体レーザ素子の信頼性の低下を良好に防止できる。 The layer structure of this embodiment is intended to suppress the light density of the light emitting layer to 3.0 × 10 4 cm −1 or less. As described above, in the semiconductor material used for the light emitting layer in the near infrared wavelength band, when the light density of the light emitting layer exceeds 3.0 × 10 4 cm −1 , the reliability of the semiconductor laser element is significantly lowered. It is because it is known that By setting the layer structure so that Γ (act) / d (act) ≦ 3.0 × 10 4 cm −1 , it is possible to satisfactorily prevent a decrease in the reliability of the semiconductor laser element.
一実施形態では、上記p型、n型導電型層m、lそれぞれの光閉じ込め係数Γ(m)、Γ(l)が1.0×10−4以上であるとき、このp型、n型導電型層m、lのドーピング濃度P(m)、N(l)が8.0×1018cm−3以下であることを特徴としている。 In one embodiment, when the optical confinement coefficients Γ (m) and Γ (l) of the p-type and n-type conductivity layers m and l are 1.0 × 10 −4 or more, the p-type and n-type, respectively. The conductivity type layers m and l have a doping concentration P (m) and N (l) of 8.0 × 10 18 cm −3 or less.
半導体内に1017〜1018cm−3程度のドーピングを行った場合、一般に、ドーピング濃度が大きくなるに従い半導体層の屈折率が大きくなる。AlGaAs系の半導体材料では8.0×1018cm−3を越えるとこの傾向が顕著となり、その結果、該当する層の光閉じ込め係数Γの値が設定値よりも大きくなる。この場合、p型、n型各導電型層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}、Σ{Γ(m)×P(m)}の値を本発明に従い上限値以下に設定したとしても、実際には、屈折率が増加することによって両層での光閉じ込め係数が増大し、この設定上限値を超える可能性がでてくる。この実施形態ではこのような不都合を回避し、上述の作用効果を有する1.0μm以下の近赤外波長帯半導体レーザ素子を設計通りに高い歩留りで作製することを可能にする。 When doping of about 10 17 to 10 18 cm −3 is performed in the semiconductor, generally, the refractive index of the semiconductor layer increases as the doping concentration increases. This tendency becomes significant when the AlGaAs-based semiconductor material exceeds 8.0 × 10 18 cm −3 , and as a result, the value of the optical confinement coefficient Γ of the corresponding layer becomes larger than the set value. In this case, the sum Σ {Γ (l) × N (l)}, Σ {Γ (m) × P (m)} of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration of each of the p-type and n-type conductivity type layers Even if it is set below the upper limit according to the present invention, the optical confinement coefficient in both layers increases due to an increase in the refractive index, and there is a possibility that this set upper limit will be exceeded. In this embodiment, such inconvenience is avoided, and a near-infrared wavelength band semiconductor laser device of 1.0 μm or less having the above-described effects can be manufactured with a high yield as designed.
本発明においては、上述したように、その発振波長が700nm以上である。 In the present invention, as described above, the oscillation wavelength is Ru der than 700 nm.
短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷間遷移による吸収の影響が大きくなるとされている。これは波長に反比例する成分を含む現象だが、特に700nm未満の波長領域でp型導電型層の自由電子吸収αfcの値が10cm−1を越えることを、発明者は見出した。本発明では、700nm以上になるよう発振波長を設定しているため、波長に反比例する自由電子吸収成分の影響を被ることなく、高効率の半導体レーザ素子を実現することができる。 In the short wavelength band, the influence of absorption due to valley transition in the energy band of free electron absorption is considered to be large. This is a phenomenon including a component that is inversely proportional to the wavelength, but the inventor has found that the value of the free electron absorption αfc of the p-type conductivity layer exceeds 10 cm −1 particularly in a wavelength region of less than 700 nm. In the present invention , since the oscillation wavelength is set to be 700 nm or more, a highly efficient semiconductor laser device can be realized without being affected by the free electron absorption component inversely proportional to the wavelength.
一実施形態では、上記活性層に平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、上記活性層を間にして、上記光閉じ込め構造が存在する側に上記複数のp型導電型層が設けられ、上記光閉じ込め構造が存在しない側に上記複数のn型導電型層が設けられていることを特徴としている。換言すれば、上記活性層を間にして上記光閉じ込め構造のある側の層の光閉じ込め係数の総和が、上記光閉じ込め構造のない側の層の光閉じ込め係数の総和よりも小さい。 In one embodiment, the light confinement structure confines light in a direction parallel to the active layer, and the plurality of p-type conductivity layers are provided on the side where the light confinement structure exists with the active layer interposed therebetween. The plurality of n-type conductivity layers are provided on the side where the optical confinement structure does not exist. In other words, the sum of the light confinement coefficients of the layer having the light confinement structure with the active layer in between is smaller than the sum of the light confinement coefficients of the layer having no light confinement structure.
先に述べたように本発明の半導体レーザ素子では、p型導電型層の光閉じ込め係数の和をn型導電型層のそれよりも小さくなるように設定している。そのため、この実施形態のように上記光閉じ込め構造が存在する側をp型導電型層とすることで、光閉じ込め構造側に存在する光の量が活性層を挟んで逆側よりも少なくなり、光が感じる活性層と平行な方向の屈折率差が小さくなる。その結果、活性層と平行な方向すなわち横モードを安定化させることができ、横モード不安定に起因する半導体レーザ素子の相対雑音強度の悪化を防ぐことができるため、通信時の符号誤り率の値が仕様範囲を満たす半導体レーザ素子を実現することができる。 As described above, in the semiconductor laser device of the present invention, the sum of the light confinement coefficients of the p-type conductivity type layer is set to be smaller than that of the n-type conductivity type layer. Therefore, by making the side where the optical confinement structure exists as a p-type conductivity type layer as in this embodiment, the amount of light existing on the optical confinement structure side becomes smaller than the opposite side across the active layer, The difference in refractive index in the direction parallel to the active layer where light is felt is reduced. As a result, the direction parallel to the active layer, that is, the transverse mode can be stabilized, and the deterioration of the relative noise intensity of the semiconductor laser element due to the instability of the transverse mode can be prevented. A semiconductor laser element whose value satisfies the specification range can be realized.
なお、上記光閉じ込め構造のうち、光が閉じ込められる領域は上記p型導電型層の少なくとも1つから形成することができる。 In the light confinement structure, the region where light is confined can be formed from at least one of the p-type conductivity layers.
一実施形態では、電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、上記電流注入領域は上記p型導電型層の少なくとも1つからなり、上記電流注入領域のp型導電型層のドーピング濃度が1.0×1018cm−3以上であることを特徴としている。 In one embodiment, the current injection region includes a current injection region and a non-current injection region, and has a current confinement structure that confines current in a direction parallel to the active layer, and the current injection region is at least one of the p-type conductivity layers. The p-type conductivity layer in the current injection region has a doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more.
発振横モードを安定させるため、一般的に電流狭窄構造の電流注入領域は数μm程度という狭い値に設定されており、さらにその構造の層積層方向の層厚はp型導電型層の大半を占める。したがって、p型導電型層の中でもこれら電流注入領域を形成するp型導電型層の素子抵抗への寄与は特に大きい。このため、この実施形態では、これらの層のドーピング濃度を1.0×1018cm−3以上となるよう設定することにより、より効果的に自由電子吸収による効率の悪化を回避し、かつ低消費電力化も実現した半導体レーザ素子を得ることができた。 In order to stabilize the oscillation transverse mode, the current injection region of the current confinement structure is generally set to a narrow value of about several μm, and the layer thickness in the layer stacking direction of the structure is almost the same as that of the p-type conductivity type layer. Occupy. Therefore, among the p-type conductivity type layers, the contribution to the element resistance of the p-type conductivity type layers forming these current injection regions is particularly large. For this reason, in this embodiment, by setting the doping concentration of these layers to be 1.0 × 10 18 cm −3 or more, the deterioration of efficiency due to free electron absorption can be avoided more effectively and It was possible to obtain a semiconductor laser device that realized power consumption.
本発明の半導体レーザ素子は、上記光閉じ込め構造と上記電流狭窄構造を同時に備えていてもよい。この場合、電流狭窄構造の電流注入領域は、一般的に、光閉じ込め構造の光が閉じ込められる領域に合致するように形成される。 The semiconductor laser device of the present invention may include the optical confinement structure and the current confinement structure at the same time. In this case, the current injection region of the current confinement structure is generally formed to match the region where the light of the light confinement structure is confined.
一実施形態では、上記n型導電型層は、n型クラッド層と、上記基板と上記n型クラッド層との間に位置するn型バッファ層とを含み、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記n型バッファ層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(buf)とし、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記基板内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(sub)すると、Γ(buf)+Γ(sub)≦5.0×10−5であることを特徴としている。 In one embodiment, the n-type conductivity type layer includes an n-type cladding layer and an n-type buffer layer positioned between the substrate and the n-type cladding layer, and all the layers in and on the substrate. The ratio of the amount of light existing in the n-type buffer layer to the total amount of light present in the layer is defined as a light confinement coefficient Γ (buf), and in the substrate relative to the total amount of light present in all layers on the substrate and the substrate. When the ratio of the existing light quantity is the optical confinement coefficient Γ (sub), Γ (buf) + Γ (sub) ≦ 5.0 × 10 −5 is characterized.
本発明の半導体レーザ素子の発振波長は1.0μm以下の近赤外波長帯であるため、一般にGaAsが用いられる基板やその直上のバッファ層にある値以上の光が存在した場合、GaAs結晶のバンド端による吸収を受けるかGaAsが光導波路として作用してしまい、半導体レーザ素子の効率や発振スペクトルに悪影響を及ぼす。この影響は上記n型バッファ層と基板の光閉じ込め係数の和{Γ(buf)+Γ(sub)}が1.0×10−4以上で特に顕著になる。本実施形態では、5.0×10−5以下に設定したため、このバッファ層や基板のGaAsに由来する半導体レーザ素子特性の悪化を回避し、高い信頼性を保持した半導体レーザを実現することができる。 Since the oscillation wavelength of the semiconductor laser device of the present invention is in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less, in general, when light exceeding a certain value is present on a substrate in which GaAs is used or a buffer layer immediately above it, Either absorption by the band edge or GaAs acts as an optical waveguide, which adversely affects the efficiency and oscillation spectrum of the semiconductor laser device. This influence is particularly remarkable when the sum of the optical confinement coefficients of the n-type buffer layer and the substrate {Γ (buf) + Γ (sub)} is 1.0 × 10 −4 or more. In this embodiment, since it is set to 5.0 × 10 −5 or less, it is possible to avoid the deterioration of the characteristics of the semiconductor laser element derived from GaAs of the buffer layer and the substrate, and to realize a semiconductor laser having high reliability. it can.
本発明の第2の側面に係る高速光無線通信用送信装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載していることを特徴としている。 A high-speed optical wireless communication transmitter according to a second aspect of the present invention is characterized in that a semiconductor laser element having any one of the above-described configurations of the present invention is mounted.
本発明に使用する半導体レーザ素子は、先に説明したように、1.0μm以下の近赤外波長における自由電子吸収の影響を考慮して、高効率かつ低消費電力、高信頼性を実現した半導体レーザ素子である。このような特性の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる1.0μm以下の波長の光をより低消費電力で実現できるため、本発明の高速光無線通信用送信装置は、レーザドライバの設計の自由度が高く、また信頼性の高いものとなる。 As described above, the semiconductor laser element used in the present invention realizes high efficiency, low power consumption, and high reliability in consideration of the influence of free electron absorption in the near infrared wavelength of 1.0 μm or less. It is a semiconductor laser element. By using a semiconductor laser element having such characteristics, light having a wavelength of 1.0 μm or less, which will be required in future high-speed optical wireless communication, can be realized with lower power consumption. The transmitter has a high degree of freedom in designing the laser driver and has high reliability.
本発明の第3の側面に係る光ディスク装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載していることを特徴としている。 An optical disc apparatus according to the third aspect of the present invention is characterized by mounting a semiconductor laser element having any one of the above-described configurations of the present invention.
この発明によると、搭載している半導体レーザ素子が高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現したものであるので、高出力化競争が続いている1.0μm以下の近赤外波長帯の光ディスク装置において、ディスク回転数を従来よりも高速化することができる。本発明の光ディスク装置は、特にCD−R/RWなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなるので、より快適な操作を実現できる。 According to the present invention, since the mounted semiconductor laser device realizes high efficiency, high temperature characteristics, and low power consumption, the competition for higher output continues in the near infrared wavelength band of 1.0 μm or less. In the optical disk apparatus, the disk rotation speed can be increased more than before. In the optical disk apparatus of the present invention, the access time to the disk, which has been a problem particularly when writing to a CD-R / RW, is much shorter than that of a conventional apparatus using a semiconductor laser element, so that the operation is more comfortable. Can be realized.
本発明の第1の側面によると、波長1.0μm以下の近赤外波長帯でp型、n型両導電型層での自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避し、かつ、発光層の光密度の上昇を抑制しながらできるだけ高い濃度でp型ドーピングを行うことができる範囲で層構造を規定することで、ドーピング濃度に対してトレードオフの関係にある高効率化と低消費電力化を両立し、かつ信頼性も向上させた波長1.0μm以下の近赤外無線通信用半導体レーザ素子を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, the deterioration of static characteristics due to the influence of free electron absorption in the p-type and n-type conductivity layers is avoided in the near-infrared wavelength band of wavelength of 1.0 μm or less, and light emission By defining the layer structure within a range where p-type doping can be performed at as high a concentration as possible while suppressing an increase in the light density of the layer, high efficiency and low power consumption that are in a trade-off relationship with the doping concentration It is possible to provide a semiconductor laser device for near-infrared wireless communication having a wavelength of 1.0 μm or less, which is compatible and can be improved in reliability.
また、本発明の第2の側面によると、高い信頼性を保ち、装置内のレーザドライバ回路の設計の自由度が高い1.0μm以下の近赤外波長帯の波長で駆動する高速光無線通信用送信装置を提供することができる。 In addition, according to the second aspect of the present invention, high-speed optical wireless communication driven at a wavelength in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less with high reliability and high degree of freedom in designing a laser driver circuit in the apparatus. A transmission device can be provided.
また、本発明の第3の側面によると、従来よりもデ−タの読み書き速度が高速化した光ディスク装置を提供することができる。 In addition, according to the third aspect of the present invention, it is possible to provide an optical disc apparatus in which the data read / write speed is increased as compared with the prior art.
〈第1実施形態〉
図1、図2を用いて、本発明の第1の実施形態について説明する。図1、図2はそれぞれ本実施形態の構造、製造方法を示す模式的断面図である。初めに図1を用いて本実施形態の構造を説明する。なおこの後の全実施形態において、n型の導電型層を「n−」と表し、p型の導電型層を「p−」で表す。また層の名称中の「下部」「上部」とは、活性層を挟んでそれぞれ「基板側」、「基板とは逆側」、に位置することを意味する。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are schematic cross-sectional views showing the structure and manufacturing method of this embodiment, respectively. First, the structure of this embodiment will be described with reference to FIG. In all the subsequent embodiments, the n-type conductivity type layer is represented by “n−”, and the p-type conductivity type layer is represented by “p−”. In addition, “lower” and “upper” in the names of layers mean that they are located on the “substrate side” and “the opposite side of the substrate”, respectively, across the active layer.
層構造は、基板101上に、バッファ層102、下部クラッド層103、下部光ガイド層104、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層105、上部光ガイド層106、上部第一クラッド層107、エッチングストップ層108、上部第二クラッド層109、第一キャップ層110がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層109と第一キャップ層110とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。さらに、リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層111、第二埋め込み層112、第三埋め込み層113(これらをまとめて埋め込み部Fと言う。)が積層され、この埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに、リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面に第二キャップ層114、第三キャップ層115が積層されている。そして、第三キャップ層115上および基板101の裏面には、電極116,117がそれぞれ設けられている。
The layer structure consists of a
第1実施形態の一具体例では、n−GaAs基板101上に、n−GaAsバッファ層102(0.5μm厚)、n−Al0.452Ga0.548As下部クラッド層103(1.8μm厚)、n−Al0.4Ga0.6As下部光ガイド層104(95nm厚)、2層の0.08%圧縮歪In0.06Ga0.94As量子井戸層(4.5nm厚)と3層の無歪Al0.15Ga0.85As障壁層(3層のうち基板側から第1、第3番目の障壁層の層厚21.5nm、第2番目は8nm厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層105(発振波長0.87μm)、p−Al0.4Ga0.6As上部光ガイド層106(90nm厚)、p−Al0.5Ga0.5As上部第一クラッド層107(0.15μm厚)、p−GaAsエッチングストップ層108(4nm厚) P−Al0.53Ga0.48As上部第二クラッド層109(1.28μm厚)、p−GaAs第一キャップ層110(0.75μm厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層109と第一キャップ層110とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Rを形成している。
In a specific example of the first embodiment, an n-GaAs buffer layer 102 (0.5 μm thickness), an n-Al 0.452 Ga 0.548 As lower cladding layer 103 (1.8 μm) are formed on an n-
リッジストライプ部Rは高さが約2μm、幅(つまり、リッジストライプ部Rを画定している2つの境界面間の距離)がエッチングストップ層108層直上の最も広いところで約3.1μmである。ここでリッジストライプ部Rの高さとは、後に述べるエッチング法を用いて削除される、上部第二クラッド層109と第一キャップ層110の層厚の和をいう。
The ridge stripe portion R has a height of about 2 μm, and a width (that is, a distance between two boundary surfaces defining the ridge stripe portion R) is about 3.1 μm at the widest point immediately above the
さらに、リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形でn−Al0.7Ga0.3As第一埋め込み層111(0.6μm厚)、n−GaAs第二埋め込み層112(0.7μm厚)、p−GaAs第三埋め込み層113(0.7μm厚)が積層され、この埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面にp−GaAs第二キャップ層114(0.95μm厚)、p−GaAs第三キャップ層115(0.3μm厚)が積層されている。 Further, the n-Al 0.7 Ga 0.3 As first buried layer 111 (0.6 μm thickness) and the n-GaAs second buried layer 112 (0. 7 μm thick) and a p-GaAs third buried layer 113 (0.7 μm thick) are stacked, and the buried portion F and the ridge stripe portion R form a current confinement structure in which current flows mainly directly under the ridge stripe portion R. There is no. Further, a p-GaAs second cap layer 114 (0.95 μm thickness) and a p-GaAs third cap layer 115 (0.3 μm thickness) are laminated on the entire upper surface of the ridge stripe portion R and the buried portion F.
また、p−GaAs第三キャップ層115上には、金属薄膜からなるp側電極116が、そして、n−GaAs基板101の裏面には、やはり金属薄膜からなるn側電極117が形成されている。
A p-
次に、図2A−2Cを用いて本実施形態の製造方法を説明する。層の構成材料や層厚は上で示しているので、ここでは省略している。 Next, the manufacturing method of this embodiment is demonstrated using FIG. 2A-2C. The constituent materials and layer thickness of the layers are shown above and are omitted here.
まず、図2Aに示すように、n−基板101上にn−バッファ層102、n−下部クラッド層103、n−下部光ガイド層104、2層の井戸層と3層の障壁層からなる量子井戸活性層105、p−上部光ガイド層106、p−上部第一クラッド層107、p−エッチングストップ層108、p−上部第二クラッド層109、p−第一キャップ層110を有機金属化学気相成長法(MOCVD法)を用いてこの順に積層する。成長温度については、量子井戸活性層で690℃、それ以外の層では713℃に設定し、各々、実際の基板温度がそれらの設定温度になった後、成長を開始している。
First, as shown in FIG. 2A, a quantum consisting of an n-
その後、図2Bに示すように、一例としてSiO2からなる絶縁膜121をマスクとしたエッチング法を用いて、高さが約2μm、幅が最下部で約3.1μmとなるようリッジストライプ部Rを作製する。エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液及びフッ酸を用いて、p−GaAsエッチングストップ層108の直上まで行う。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, by using an etching method using the insulating
次に、図2Cに示すように、再度MOCVD法を用いて、リッジストライプ部Rの両側にその側面を埋め込む形でn−第一埋め込み層111、n−第二埋め込み層112、p−第三埋め込み層113を順次積層する。このとき、リッジストライプ部Rの上面には絶縁膜121があるため、リッジストライプ部R上には各埋め込み層の成長は起こらず、リッジストライプ部Rの両側部のみに埋め込み層111〜113を積層することができる。その後、絶縁膜121を除去し、再びMOCVD法を用いて、p−第二キャップ層114、p−第三キャップ層115を積層する。
Next, as shown in FIG. 2C, by using the MOCVD method again, the n-first
以後、p側、n側の両表面に、それぞれ、一例としてTi/Pt/Au、AuGe/Niで構成されるp側、n側オーミック電極116,117(図1参照)を蒸着した後、通常のウエハプロセス(劈開によるウェハのバー分割、端面コーティングによる反射膜形成、チップ分割)を経ることで、ストライプ方向に光を出射する共振器長500μmの埋め込みリッジ型半導体レーザ素子を得る。本実施形態ではドーパント用不純物材料として、n型にシリコンSi、p型に亜鉛Znを用いている。
Thereafter, after vapor-depositing p-side and n-side
本実施形態では、第三キャップ層側である図1の上方から基板側である図1の下方へ向かって電流が流れるが、このとき各層の導電型が上に述べたような構造となっているため、第一、第二、第三埋め込み層111,112,113が非電流注入領域となり、電流は、第三キャップ層115から電流注入領域であるリッジストライプ部Rを通って、活性層105を含むエッチングストップ層108より下方の層へと流れる電流狭窄構造を形成している。
In this embodiment, a current flows from the upper side of FIG. 1 on the third cap layer side to the lower side of FIG. 1 on the substrate side. At this time, the conductivity type of each layer has a structure as described above. Therefore, the first, second, and third
また、本実施形態における活性層と平行な方向に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造は、リッジストライプ部Rを構成する層の一つである上部第二クラッド層109と、非電流注入領域を構成する層の一つである第一埋め込み層111との屈折率の違いにより形成されている。つまり、光閉じ込め構造は、これらの層109、111を電流狭窄構造と共有していることになる。
In addition, the light confinement structure for confining light in the direction parallel to the active layer in the present embodiment includes the upper
本実施形態の半導体レーザ素子のn型導電型層のドーピング濃度Nと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、バッファ層102で8.0×1017cm−3、1.0×10−5未満、下部クラッド層103で5.0×1017cm−3、0.200、下部光ガイド層104で5.0×1017cm−3、0.308とし、また、GaAs基板101の光閉じ込め係数はバッファ層同様1.0×10−5未満として、GaAs基板101上のバッファ層102から下部光ガイド層104までのn型導電型層l(本実施形態では、l=1、2、3)の光閉じ込め係数Γ(l)とドーピング濃度N(l)の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}の値が2.54×1017cm−3となるように、また、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和Σ{Γ(l)}の値が0.509となるよう設定している。
The doping concentration N and the optical confinement coefficient Γ of the n-type conductivity type layer of the semiconductor laser device of this embodiment are 8.0 × 10 17 cm −3 and less than 1.0 × 10 −5 in the
また、本実施形態の半導体レーザ素子のp型導電型層のドーピング濃度Pと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層106で1.35×1018cm−3、0.167、上部第一クラッド層107で1.35×1018cm−3、0.118、上部第二クラッド層109で2.4×1018cm−3、0.049、GaAsキャップ層については、第一キャップ層110で3.0×1018cm−3、1.0×10−6、第二キャップ層114で3.0×1018cm−3、1.0×10−7未満、第三キャップ層115で1.0×1020cm−3、1.0×10−7未満とし、活性層105に隣接する上部光ガイド層106からリッジストライプ部Rを通って第三キャップ層115までのp型導電型層m(本実施形態では、m=1、2…7)の光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が5.02×1017cm−3となるように,またp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の総和Σ{Γ(m)}の値が、n型導電型層lのΣ{Γ(l)}の値よりも小さい0.334となるよう設定している。
In addition, the doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ of the p-type conductivity layer of the semiconductor laser device of this embodiment are 1.35 × 10 18 cm −3 and 0.167, respectively, in the upper
上述のn型導電型層およびp型導電型層のドーピング濃度および光閉じ込め係数の設定により、p型、n型各導電型層の光閉じ込め係数の総和の比Σ{Γ(l)}/Σ{Γ(m)}の値は1.52となり、またp型、n型各導電型層の光閉じ込め係数と同層のドーピング濃度の積の総和の比{Σ{Γ(l)×N(l)}}/{Σ{Γ(m)×P(m)}}の値は0.51となる。 The ratio Σ {Γ (l)} / Σ of the sum of the optical confinement coefficients of the p-type and n-type conductivity type layers by setting the doping concentration and the optical confinement coefficient of the n-type conductivity type layer and the p-type conductivity type layer. The value of {Γ (m)} is 1.52, and the ratio {Σ {Γ (l) × N () of the product of the optical confinement coefficient of each of the p-type and n-type conductivity type layers and the doping concentration of the same layer. l)}} / {Σ {Γ (m) × P (m)}} has a value of 0.51.
さらに、上記2層の量子井戸層(以下、単に「井戸層」とも言う)の光閉じ込め係数Γ(act)をこれら2層の井戸層の合計層厚d(act)(本実施形態では、約9nm)で割ったいわゆる発光層光密度{Γ(act) }/{d(act)}の値が1.36×10−4cm−1となるよう、層構造を設定している。 Further, the optical confinement coefficient Γ (act) of the two quantum well layers (hereinafter also simply referred to as “well layers”) is set to the total layer thickness d (act) of these two well layers (in this embodiment, about The so-called light-emitting layer light density {Γ (act)} / {d (act)} divided by 9 nm is set to 1.36 × 10 −4 cm −1 .
ここで、例えばn型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)とは、前述したように、基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する層l内に存在する光量の割合のことをいう。 Here, for example, the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer 1 is, as described above, the amount of light present in the layer l relative to the total amount of light present in all layers on the substrate and on the substrate. It means the ratio.
なお、p−エッチングストップ層108については、その層厚が他のp型導電型層に比して極端に小さく、したがってその光量、より詳しくは光閉じ込め係数は上記総和値に影響を与えることのない無視可能な値であるため、考慮の対象から外している。このあと述べる実施形態でもp−エッチングストップ層は同様に取り扱われている。
It should be noted that the p-
また、電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、n−第一埋め込み層111で2.0×1018cm−3、n−第二埋め込み層112で3.0×1018cm−3、p−第三埋め込み層113で2.0×1018cm−3とした。
In addition, the doping concentration of the buried layer serving as the non-current injection portion in the current confinement structure is 2.0 × 10 18 cm −3 for the n−first buried
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で0.99W/A、内部吸収αiの値として4.0cm−1が得られた。また温度特性も120K以上と良好な値が得られ、p型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。そして信頼性試験に関しても、端面劣化や長期寿命試験によるレーザ特性の緩慢劣化などは発生しなかった。垂直方向の放射角も34度という40度未満の値が得られた。 As the characteristics of the semiconductor laser device of this embodiment, an efficiency value of 0.99 W / A and an internal absorption αi value of 4.0 cm −1 were obtained. Further, the temperature characteristics were as good as 120 K or more, and the resistance value did not increase due to the decrease in the p-type doping concentration. A linear current-light output characteristic was obtained without the occurrence of kinks due to instability of the transverse mode. As for the reliability test, neither end face deterioration nor slow deterioration of the laser characteristics due to the long-term life test occurred. The vertical radiation angle was 34 degrees, which was less than 40 degrees.
本実施形態では、波長870nmという波長1.0μm以下の近赤外波長帯で発振する半導体レーザ素子において、特にp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を5.02×1017cm−3という8.0×1017cm−3以下の値に設定し、n型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(l)}の値を0.509とp型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(m)}の値0.334よりも大きくした上で、さらに全p型導電型層のうち、層厚でこれらのp型導電型層の80%以上にあたる層でドーピング濃度を1.0×1018cm−3となるように設定している。具体的には、層厚とドーピング濃度をそれぞれ、上部光ガイド層106で90nm、1.35×1018cm−3、上部第一クラッド層107で0.15μm、1.35×1018cm−3、エッチングストップ層108で4nm、8.2×1017cm−3、上部第二クラッド層109で1.28μm、2.4×1018cm−3、第一キャップ層110で0.75μm、3.0×1018cm−3、第二キャップ層114で0.95μm、3.0×1018cm−3、第三キャップ層115で0.3μm、1.0×1020cm−3として、これらのp型導電型層のうち層厚で実質的に100パーセントにあたる層でドーピング濃度が1.0×1018cm−3となるように設定している。これにより、p型導電型層での自由電子吸収の増加による効率の低下と発光層光密度の増加による信頼性の低下を回避しつつp型導電型層のドーピング濃度を高く設定することで消費電力を低下させることができるため、従来不可能だった高効率化と低消費電力化、高信頼性という3種の特性を同時に満たした近赤外帯半導体レーザ素子を実現することができた。
In the present embodiment, in a semiconductor laser device that oscillates in the near infrared wavelength band of wavelength 870 nm or less and a wavelength of 1.0 μm or less, the optical confinement coefficient Γ (m) and the doping concentration P (m) of the p-type conductivity type layer m are particularly high. The sum of products Σ {Γ (m) × P (m)} is set to 5.02 × 10 17 cm −3 of 8.0 × 10 17 cm −3 or less, and the n-type conductivity layer The value of the total optical confinement coefficient Σ {Γ (l)} is set to 0.509, which is larger than the value 0.334 of the total optical confinement coefficient Σ {Γ (m)} of the p-type conductivity layer. Of all the p-type conductivity type layers, the doping concentration is set to 1.0 × 10 18 cm −3 in a layer corresponding to 80% or more of these p-type conductivity type layers. Specifically, the layer thickness and the doping concentration are respectively 90 nm and 1.35 × 10 18 cm −3 for the upper
さらに本実施形態では、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}の値を2.54×1017cm−3と4.0×1018cm−3以下となるよう設定している。これにより、これまで自由電子吸収への寄与の程度が不明だったn型ドーパントによる自由電子吸収の影響を確実に回避しながら、n型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(l)}をp型導電型層の光閉じ込め係数の総和Σ{Γ(m)}よりも大きくすることができるため、高い信頼性と低消費電力を保持したまま、0.99W/Aという高効率の半導体レーザ素子を得ることができた。 Furthermore, in this embodiment, the sum Σ {Γ (l) × N (l) of the product of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) of the n-type conductivity type layer l. } Is set to 2.54 × 10 17 cm −3 and 4.0 × 10 18 cm −3 or less. As a result, the sum of the optical confinement coefficients of the n-type conductivity type layer Σ {Γ (l) while reliably avoiding the influence of free electron absorption by the n-type dopant, whose degree of contribution to free electron absorption has been unknown so far } Can be made larger than the total optical confinement coefficient Σ {Γ (m)} of the p-type conductivity layer, so that high efficiency of 0.99 W / A can be achieved while maintaining high reliability and low power consumption. A semiconductor laser element could be obtained.
また、本実施形態ではn型クラッド層のうち最も厚いn−下部クラッド層103の層厚1.8μmとその層を構成する材料の屈折率3.293の積の値5.93×10−4cmが、p型クラッド層のうち最も厚いp−上部第二クラッド層109の層厚1.28μmとその層を構成する材料の屈折率3.245の積の値4.15×10−4cmよりも大きくなるよう層構造を設定している。
In this embodiment, the product value of 5.93 × 10 −4 is the product of the thickness n of the n-type
n型、p型導電型層のうち各導電型層の光閉じ込め係数の和Σ{Γ(l)}、Σ{Γ(m)}の大小に最も寄与するのが上記の2層103,109であるが、両者の光閉じ込め係数の大小関係を実際に所望の関係にすることができるため、自由電子吸収の増加や信頼性の低下、放射角の増大を回避しながらp型ドーピング濃度を1.35×1018cm−3〜3.0×1018cm−3という、温度特性維持、抵抗低減に有効な程度に高い値に設定することができ、消費電力の低い半導体レーザ素子を得ることができた。
Of the n-type and p-type conductivity layers, the two
さらに本実施形態では、基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記活性層内の発光層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(act)とし、上記発光層の層厚の合計をd(act)(単位:cm)としたとき、後者に対する前者の割合Γ(act)/d(act)を1.36×104cm−1と3.0×104cm−1以下となるように層構造を決定している。このことにより、自由電子吸収や素子抵抗の増大による特性の悪化を回避しつつ、発光層の劣化による信頼性の低下を回避することができ、該当波長帯で高効率と低消費電力を維持しながら高い信頼性をもつ半導体レーザを得ることができた。 Further, in the present embodiment, the ratio of the amount of light present in the light emitting layer in the active layer to the total amount of light present in all layers in the substrate and on the substrate is the light confinement coefficient Γ (act), and the layer of the light emitting layer When the total thickness is d (act) (unit: cm), the ratio Γ (act) / d (act) of the former to the latter is 1.36 × 10 4 cm −1 and 3.0 × 10 4 cm −. The layer structure is determined to be 1 or less. This avoids deterioration of characteristics due to free electron absorption and increase in device resistance, and avoids deterioration of reliability due to deterioration of the light emitting layer, and maintains high efficiency and low power consumption in the corresponding wavelength band. However, a highly reliable semiconductor laser could be obtained.
さらに本実施形態では、上部第二クラッド層109、第一〜第三キャップ層110、114、115のドーピング濃度を各々2.4×1018cm−3、3.0×1018cm−3、3.0×1018cm−3、1.0×1020cm−3と、全て1.0×1018cm−3以上となるよう設定している。これらの層は電流狭窄構造のうち、数μmという狭いリッジ幅でその幅が決まる電流注入領域を構成する層であり、またその層厚の合計が3.28μmとp型導電型層全体の約90%という80%以上の値を占めるため、これらの層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、これらの層のドーピング濃度を1.0×1018cm−3以上となるよう設定することにより、自由電子吸収による特性の悪化を回避すると同時に素子の低抵抗化をも実現することができた。
Furthermore, in the present embodiment, the doping concentrations of the upper
本実施形態では、基板101、バッファ層102の光閉じ込め係数Γ(sub)、Γ(buf)の和を2.0×10−6程度以下と非常に小さな値となるよう設定している。
In this embodiment, the sum of the optical confinement coefficients Γ (sub) and Γ (buf) of the
一般に0.7〜1.0μmの近赤外波長帯では基板にはGaAs基板が用いられ、またバッファ層も主に同材料が用いられる。そのため、基板およびバッファ層では他の層に比べて屈折率が高く、また発振波長に対して透明な層となる。このため光閉じ込め係数で5.0×10−5を越える光が基板及びバッファ層に存在すると、これらの層が導波層となり活性層を通る本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性に複数のキンクを引き起こすため、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態では基板およびバッファ層の光閉じ込め係数Γ(sub)、Γ(buf)の和を2.0×10−6程度以下と、5.0×10−5以下になるように設定したため、これらの影響を受けることなく、高効率かつ安定に通信動作し得る半導体レーザ素子を得ることができた。 In general, in the near-infrared wavelength band of 0.7 to 1.0 μm, a GaAs substrate is used as the substrate, and the same material is mainly used as the buffer layer. Therefore, the substrate and the buffer layer have a higher refractive index than other layers and are transparent to the oscillation wavelength. For this reason, when light having an optical confinement factor exceeding 5.0 × 10 −5 exists in the substrate and the buffer layer, these layers become waveguide layers and cause interference with the original guided light passing through the active layer. Since this interference causes a plurality of kinks in the current-light output characteristics, communication quality such as a code error rate is deteriorated. In this embodiment, the sum of the optical confinement coefficients Γ (sub) and Γ (buf) of the substrate and the buffer layer is set to be about 2.0 × 10 −6 or less and 5.0 × 10 −5 or less. A semiconductor laser element capable of performing a highly efficient and stable communication operation without being affected by these effects was obtained.
なお、量子井戸活性層105を構成する井戸/障壁層の歪の定義については、GaAs基板の格子定数をa(GaAs)、井戸層または障壁層の格子定数をaとして、{a−a(GaAs)}/a(GaAs)で定義され、その符号が正の場合を圧縮歪、負の場合を引っ張り歪としている。また、歪の大きさは、圧縮/引っ張り歪とも絶対値で表現している。
For the definition of the strain of the well / barrier layer constituting the quantum well
〈第2実施形態〉
本発明の第2実施形態の半導体レーザ素子について図3を用いてその構造を説明する。
Second Embodiment
The structure of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
層構造は、基板201上に、バッファ層202、下部第一クラッド層203a、下部第二クラッド層203b、下部光ガイド層204、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層205、上部光ガイド層206、上部第一クラッド層207、エッチングストップ層208、上部第二クラッド層209、第一キャップ層210がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層209と第一キャップ層210とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層211、第二埋め込み層212、第三埋め込み層213(これらをまとめて埋め込め部F)が積層され、この埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面に第二キャップ層214、第三キャップ層215が積層されている。
The layer structure consists of a
第2実施形態の一具体例では、n−GaAs基板201上に、n−GaAsバッファ層202(0.5μm厚)、n−Al0.45Ga0.55As下部第一クラッド層203a(3.0μm厚)、n−Al0.47Ga0.53As下部第二クラッド層203b(0.24μm厚)、n−Al0.43Ga0.57As下部光ガイド層204(103nm厚)、2層の0.4%圧縮歪In0.21Ga0.79As0.62P0.38量子井戸層(7.5nm厚)と3層の0.8%引っ張り歪In0.09Ga0.91As0.4P0.6障壁層(3層のうち基板側から第1、第3番目の障壁層の層厚10nm、第2番目は5nm厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層205(発振波長0.75μm)、p−Al0.43Ga0.57As上部光ガイド層206 (53nm厚)、p−Al0.49Ga0.51As上部第一クラッド層207(0.177μm厚)、p−GaAsエッチングストップ層208(3nm厚)、p−Al0.49Ga0.51As上部第二クラッド層209(1.28μm厚)、p−GaAs第一キャップ層 210(0.75μm厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層209と第一キャップ層210とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Rを形成している。このリッジストライプ部Rは高さが約2μm、幅がエッチングストップ層208層直上の最も広いところで約2.1μmである。
In a specific example of the second embodiment, an n-GaAs buffer layer 202 (0.5 μm thick), an n-Al 0.45 Ga 0.55 As lower
リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形でn−Al0.7Ga0.3As第一埋め込み層211(0.6μm厚)、n−GaAs第二埋め込み層212(0.7μm厚)、p−GaAs第三埋め込み層213(0.7μm厚)が積層され、埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面にp−GaAs第二キャップ層214(0.95μm厚)、p−GaAs第三キャップ層215(0.3μm厚)が積層されている。 The n-Al 0.7 Ga 0.3 As first buried layer 211 (0.6 μm thickness) and the n-GaAs second buried layer 212 (0.7 μm thickness) are embedded on both sides of the ridge stripe portion R. ), A p-GaAs third buried layer 213 (0.7 μm thick) is stacked, and the buried portion F and the ridge stripe portion R form a current confinement structure in which current flows mainly directly below the ridge stripe portion R. . Further, a p-GaAs second cap layer 214 (0.95 μm thickness) and a p-GaAs third cap layer 215 (0.3 μm thickness) are laminated on the entire upper surface of the ridge stripe portion R and the buried portion F.
また、p−GaAs第三キャップ層215上には、金属薄膜からなるp側電極216が、そして、n−GaAs基板201の裏面には、やはり金属薄膜からなるn側電極117が形成されている。
A p-
本実施形態の半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第1実施形態に準ずる。また端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、第1実施形態と同じである。 The growth profile such as the growth temperature and interruption when the semiconductor laser device of this embodiment is manufactured using the metal organic chemical vapor deposition method is the same as that of the first embodiment. The process up to the edge emitting semiconductor laser element is also the same as in the first embodiment.
本実施形態の半導体レーザ素子のn型導電型層のドーピング濃度Nと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、バッファ層202で7.0×1017cm−3、1.0×10−5未満、下部第一クラッド層203aで3.0×1018cm−3、0.337、下部第二クラッド層203bで3.0×1018cm−3、0.240、下部光ガイド層204で1.0×1018cm−3、0.176とし、また、GaAs基板201の光閉じ込め係数をバッファ層202同様1.0×10−5未満として、GaAs基板201上のバッファ層202から下部光ガイド層204までのn型導電型層l(本実施形態では、l=1、2…4)の光閉じ込め係数Γ(l)とドーピング濃度N(l)の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}の値が1.83×1018cm−8となるよう、また、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和Σ{Γ(l)}の値が0.728となるよう設定している。
The doping concentration N and the optical confinement coefficient Γ of the n-type conductivity type layer of the semiconductor laser device of this embodiment are 7.0 × 10 17 cm −3 and less than 1.0 × 10 −5 in the
また本実施形態の半導体レーザ素子のp型導電型層のドーピング濃度Pと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層206で1.0×1018cm−3、0.086、上部第一クラッド層207で1.35×1018cm−3、0.133、上部第二クラッド層209で4.0×1018cm−3、0.062、GaAsキャップ層については、第一キャップ層210で4.0×1018cm−3、5.0×10−6、第二キャップ層214で3.0×1018cm−3、1.0×10−7未満、第三キャップ層215で1.0×1020cm−3、1.0×10−7未満とし、活性層205に隣接する上部光ガイド層206からリッジストライプ部Rを通って第3キャップ層215までのp型導電型層m(本実施形態では、m=1、2…7)の光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が略5.16×1017cm−3となるよう、さらに光閉じ込め係数Γ(m)の総和Σ{Γ(m)}の値が、0.282となるよう設定している。
Further, the doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ of the p-type conductivity layer of the semiconductor laser device of this embodiment are 1.0 × 10 18 cm −3 and 0.086 for the upper
上述のn型導電型層およびp型導電型層のドーピング濃度および光閉じ込め係数の設定により、p型、n型各導電型層の光閉じ込め係数の総和の比Σ{Γ(l)}/Σ{Γ(m)}の値は2.58となり、またp型、n型各導電型層の光閉じ込め係数とこの層のドーピング濃度の積の総和の比{Σ{Γ(l)×N(l)}}/{Σ{Γ(m)×P(m)}}の値は3.56となる。 The ratio Σ {Γ (l)} / Σ of the sum of the optical confinement coefficients of the p-type and n-type conductivity type layers by setting the doping concentration and the optical confinement coefficient of the n-type conductivity type layer and the p-type conductivity type layer. The value of {Γ (m)} is 2.58, and the ratio {Σ {Γ (l) × N () of the product of the optical confinement coefficient of each of the p-type and n-type conductivity type layers and the doping concentration of this layer l)}} / {Σ {Γ (m) × P (m)}} is 3.56.
さらに、上記2層の井戸層の光閉じ込め係数Γ(act)をこれらの井戸層の合計層厚d(act)(本実施形態では、約15nm)で割ったいわゆる発光層光密度{Γ(act) }/{d(act)}の値が2.45×104cm−1となるよう、層構造を設定している。 Further, the light confinement coefficient Γ (act) of the two well layers is divided by the total layer thickness d (act) of these well layers (in this embodiment, about 15 nm), so-called light emitting layer light density {Γ (act ) The layer structure is set so that the value of} / {d (act)} is 2.45 × 10 4 cm −1 .
また、電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、n−第一埋め込み層211で3.0×1018cm−3、n−第二埋め込み層212で3.0×1018cm−3、p−第三埋め込み層213で5.0×1018cm−3とした。
In addition, the doping concentration of the buried layer serving as the non-current injection portion in the current confinement structure is 3.0 × 10 18 cm −3 for the n−first buried
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で0.97W/A、内部吸収αiの値として5cm−1という小さな値が得られた。また温度特性も120K以上と良好な値が得られ、P型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。そして信頼性においても端面劣化や長期寿命試験によるレーザ特性の緩慢劣化などは発生しなかった。垂直方向の放射角については17度という第1実施形態よりもさらに小さな値を得ることができた。 As the characteristics of the semiconductor laser device of this embodiment, an efficiency value of 0.97 W / A and an internal absorption αi value of 5 cm −1 were obtained. Further, the temperature characteristics were as good as 120 K or more, and the resistance value did not increase due to the decrease in the P-type doping concentration. A linear current-light output characteristic was obtained without the occurrence of kinks due to instability of the transverse mode. In terms of reliability, neither end face deterioration nor slow deterioration of laser characteristics due to long-term life test occurred. As for the vertical radiation angle, a value smaller than the first embodiment of 17 degrees could be obtained.
このように、本第2実施形態においても、第1実施形態と同じように、信頼性を維持した上で、p型、n型両導電型層での自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性/低消費電力を両立した波長1.0μm以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。 As described above, in the second embodiment, as in the first embodiment, while maintaining reliability, the second embodiment is not affected by free electron absorption in both the p-type and n-type conductive layers. It was possible to obtain a semiconductor laser element that oscillates in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less with both high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption.
さらに本実施形態では、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}の値を1.83×1018cm−3、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型導電型層mのドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を5.16×1017cm−3として、前者の値が後者の値の3.56倍と、7/3以上になるように層構造を設定している。 Furthermore, in the present embodiment, the sum Σ {Γ (l) × N (l) of the product of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) of the n-type conductivity type layer l. } Is 1.83 × 10 18 cm −3 , the sum of products of the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity layer m and the doping concentration P (m) of the p-type conductivity layer m Σ {Γ (m) × P (m)} is set to 5.16 × 10 17 cm −3 , and the layer structure is set so that the former value is 3.56 times the latter value, which is 7/3 or more. ing.
前述の「課題を解決するための手段」の欄で説明したように、従来、n型ドーパントの自由電子吸収への寄与はp型ドーパントの寄与の3/7倍程度はあるとされてきたが、先の発明者らの実験により、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の和の値で、n型導電型層がp型導電型層のたとえ7/3倍を超えても、5倍程度までは大きな影響がないことがわかった。 As explained in the above-mentioned section “Means for Solving the Problems”, the contribution of n-type dopants to free electron absorption has hitherto been about 3/7 times that of p-type dopants. According to the experiments by the inventors, even if the n-type conductive layer exceeds 7/3 times the p-type conductive layer by the sum of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration, it is up to about 5 times. Found no significant impact.
本実施形態では、上記実験結果を踏まえて、第1実施形態の構成に加えて、Σ{Γ(l)}の値がΣ{Γ(m)}の7/3以上となるように、自由電子や素子抵抗を考える上で無視してよい最外部の層を除くp型導電型層の光閉じ込め係数を小さく設定することにより、それらのp型導電型層のドーピング濃度を、2.0〜4.0×1018cm−3程度という、特に素子抵抗の低減にとって有効な高い値に設定することができた。したがって、本実施形態では、p型、n型両導電型層による自由電子吸収の抑制と信頼性の確保に加え、第1実施形態よりも、半導体レーザ素子の消費電力を下げることができた。 In this embodiment, based on the above experimental results, in addition to the configuration of the first embodiment, the value of Σ {Γ (l)} can be freely set to be 7/3 or more of Σ {Γ (m)}. By setting the light confinement coefficient of the p-type conductivity type layers except for the outermost layer, which can be ignored in consideration of electrons and device resistance, the doping concentration of these p-type conductivity layers is set to 2.0 to It was possible to set a high value of about 4.0 × 10 18 cm −3 particularly effective for reducing the element resistance. Therefore, in this embodiment, in addition to suppressing free electron absorption and ensuring reliability by the p-type and n-type conductivity layers, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor laser device compared to the first embodiment.
さらに、本実施形態では、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和Σ{Γ(l)}の値を0.728、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の総和Σ{Γ(m)}の値を0.282として前者の値が後者の値の2.58倍と、最大12.5倍まで大きくなるように設定している。このため、p型、n型両導電型層での自由電子吸収の影響を受けることなくp型導電型層での光閉じ込め係数を第1実施形態より小さくすることができ、同層のドーピング濃度をより大きく設定することができたため、同じく半導体レーザ素子の消費電力を下げることができた。 Furthermore, in this embodiment, the sum Σ {Γ (l)} of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l is 0.728, and the optical confinement factor Γ (m ) Is set so that the value of the former is 2.582 times the value of the latter and a maximum of 12.5 times. For this reason, the optical confinement coefficient in the p-type conductivity type layer can be made smaller than that in the first embodiment without being affected by free electron absorption in both the p-type and n-type conductivity types, and the doping concentration of the same layer can be reduced. As a result, the power consumption of the semiconductor laser element could be reduced.
また本実施形態では、特に発振波長が750nmという第1実施形態よりも短い波長で発振する半導体レーザ素子に本発明を適用している。前述したように、短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷の間での遷移による吸収の影響が大きくなると言われる。これは波長に反比例する成分を持つが、特に700nm以下の波長では、自由電子吸収αfcの値で10cm−1を越えることを本発明者は見出した。これを踏まえて、本実施形態ではレーザ発振波長を750nmとしたため、上述の波長に反比例する自由電子吸収成分による吸収の影響を被ることなく、0.97W/Aという高い効率の半導体レーザ素子を得ることができた。 Further, in the present embodiment, the present invention is applied to a semiconductor laser element that oscillates at a wavelength shorter than that of the first embodiment, in particular, having an oscillation wavelength of 750 nm. As described above, in the short wavelength band, it is said that the influence of absorption due to transition between valleys in the energy band in the free electron absorption becomes large. This has a component inversely proportional to the wavelength, but the present inventors have found that the value of free electron absorption αfc exceeds 10 cm −1 particularly at a wavelength of 700 nm or less. Based on this, since the laser oscillation wavelength is set to 750 nm in the present embodiment, a highly efficient semiconductor laser element of 0.97 W / A is obtained without being affected by absorption by the free electron absorption component inversely proportional to the above wavelength. I was able to.
ところで本実施形態の半導体レーザ素子では、発振波長(750nm)を基板などに使われるGaAs材料のバンド端で吸収され得る波長帯に設定している。しかし、本実施形態では、基板201、バッファ層202の光閉じ込め係数の和を2.0×10−6程度というごく小さい値に設定したため、基板およびバッファ層でのバンド端吸収の影響を受けることなく、高効率の半導体レーザ素子を得ることができた。
By the way, in the semiconductor laser device of this embodiment, the oscillation wavelength (750 nm) is set to a wavelength band that can be absorbed at the band edge of the GaAs material used for the substrate or the like. However, in this embodiment, since the sum of the optical confinement coefficients of the
〈第3実施形態〉
本発明の第3実施形態の半導体レーザ素子について図4を用いてその構造を説明する。
<Third Embodiment>
The structure of the semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
この半導体レーザ素子の層構造は、基板301上に、バッファ層302、下部第一クラッド層303a、下部第二クラッド層303b、下部光ガイド層304、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層305、上部第一光ガイド層306a、上部第二光ガイド層306b(図面では、図を簡単にするため、これらの光ガイド層306a,306bは1層にまとめて表されている。)、上部第一クラッド層307、エッチングストップ層308、上部第二クラッド層309、第一キャップ層310、第二キャップ層311がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層309と第一、第二キャップ層310、311とでリッジの最下部がエッチングストップ層308直上であるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。リッジストライプ部Rの側面及びその両側には絶縁膜322が積層され、この絶縁膜322とリッジストライプ部Rとで、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。
The layer structure of this semiconductor laser device is such that a
第3実施形態の一具体例では、n−GaAs基板301上に、n−GaAsバッファ層302(0.5μm厚)、n−Al0.56Ga0.44As下部第一クラッド層303a(2.5μm厚)、n−Al0.3Ga0.7As下部第二クラッド層303b(0.05μm厚)、n−Al0.41Ga0.59As下部光ガイド層304(100nm厚)、2層の0.14%圧縮歪 In0.12Ga0.88As量子井戸層(4.8nm厚)と3層の無歪Al0.15Ga0.85As障壁層(3層のうち基板側から第1、第3番目の障壁層の層厚22nm、第2番目は8nm厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層305(発振波長0.895μm)、p−Al0.4Ga0.6As上部第一光ガイド層306a(50nm厚)、p−Al0.4Ga0.6As上部第二光ガイド層306b(50nm厚)、p−Al0.47Ga0.53As上部第一クラッド層307(0.4μm厚)、p−InGaAsPエッチングストップ層308(15nm厚)、p−Al0.5Ga0.5As上部第二クラッド層309(1.28μm厚)、p−GaAs第一キャップ層310(1.7μm厚)、p−GaAs第二キャップ層311(0.3μm厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層309と第一、第二キャップ層310、311とでリッジの最下部がエッチングストップ層308直上であるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。
In a specific example of the third embodiment, an n-GaAs buffer layer 302 (0.5 μm thick), an n-Al 0.56 Ga 0.44 As lower
このリッジストライプ部Rは、高さが約3μm、幅がエッチングストップ層308直上の最も広いところで約2.7μmである。リッジストライプ部Rの側面及びその両側には絶縁膜322としてSiO2膜が積層され、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。
The ridge stripe portion R has a height of about 3 μm and a width of about 2.7 μm at the widest portion immediately above the
また、絶縁膜322と第二キャップ層311上には金属薄膜からなるp側電極316が、そして基板301の裏面には、やはり金属薄膜からなるn側電極317が形成されている。
A p-
先の第1、第2実施形態の半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型半導体レーザ素子であったのに対して、本実施形態の半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザ素子である。 Whereas the semiconductor laser elements of the first and second embodiments are ridge buried semiconductor laser elements, the semiconductor laser element of the present embodiment is a ridge waveguide semiconductor laser element.
本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程では、リッジストライプ部Rを形成した後、絶縁膜322をウェハ全面に形成し、その後、第2キャップ層322上の絶縁膜部分をフォトリソグラフィー技術を用いて除去して電流通路を形成している。この点を除いては、本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程は先の2つの実施形態における製造工程と略同様であり、有機金属化学気相成長法を用いて結晶を成長する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第1、第2実施形態に準ずる。また、電極形成後の端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、先の実施形態と同じである。
In the manufacturing process of the semiconductor laser device of this embodiment, after forming the ridge stripe portion R, the insulating
本実施形態の半導体レーザ素子の、n型導電型層のドーピング濃度Nと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、バッファ層202で7.0×1017cm−3、1.0×10−5未満、下部第一クラッド層303aで2.4×1018cm−3、0.251、下部第二クラッド層203bで5.0×1017cm−3、0.072、下部光ガイド層304で5.0×1017cm−3、0.219とし、また、GaAs基板301の光閉じ込め係数をバッファ層302同様1.0×10−5未満として、GaAs基板301上のバッファ層302から下部光ガイド層304までのn型導電型層l(本実施形態では、l=1、2…4)の光閉じ込め係数Γ(l)とドーピング濃度N(l)の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}の値が7.48×1017cm−8となるよう、また、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)の総和Σ{Γ(l)}の値が0.542となるように設定している。
In the semiconductor laser device of the present embodiment, the doping concentration N of the n-type conductivity layer and the value of the optical confinement coefficient Γ are less than 7.0 × 10 17 cm −3 and 1.0 × 10 −5 in the
また本実施形態の半導体レーザ素子のp型導電型層のドーピング濃度Pと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部第一光ガイド層306aで3.0×1017cm−3、0.135、上部第二光ガイド層306bで8×1017cm−3、0.06、上部第一クラッド層307で1.35×1018cm−3、0.119、上部第二クラッド層309で3.0×1018cm−3、0.011、GaAsキャップ層については、p−第一キャップ層310を5.0×1018cm−3、1.0×10−6、p−第二キャップ層311を1.0×1020cm−3、1.0×10−7未満とし、活性層305に隣接する上部第一光ガイド層306aからリッジストライプ部Rを通って第二キャップ層311までのp型導電型層m(本実施形態では、m=1、2…7)の光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が2.81×1017cm−3となるよう、さらにp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)の総和Σ{Γ(m)}の値が、0.325となるよう設定している。
Further, the doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ of the p-type conductivity layer of the semiconductor laser device of the present embodiment are 3.0 × 10 17 cm −3 , 0.135, and 0.135, respectively, in the upper first light guide layer 306a. 8 × 10 17 cm −3 , 0.06 for the upper second light guide layer 306 b, 1.35 × 10 18 cm −3 , 0.119 for the upper
上述のn型導電型層およびp型導電型層のドーピング濃度および光閉じ込め係数の設定により、p型、n型各導電型層の光閉じ込め係数の総和の比Σ{Γ(l)}/Σ{Γ(m)}の値は1.67となり、またp型、n型各導電型層の光閉じ込め係数と該当層のドーピング濃度の積の総和の比{Σ{Γ(l)×N(l)}}/{Σ{Γ(m)×P(m)}}の値は2.66となる。 The ratio Σ {Γ (l)} / Σ of the sum of the optical confinement coefficients of the p-type and n-type conductivity type layers by setting the doping concentration and the optical confinement coefficient of the n-type conductivity type layer and the p-type conductivity type layer. The value of {Γ (m)} is 1.67, and the ratio {Σ {Γ (l) × N () of the product of the optical confinement coefficient of each of the p-type and n-type conductivity type layers and the doping concentration of the corresponding layer l)}} / {Σ {Γ (m) × P (m)}} has a value of 2.66.
さらに、上記2層の井戸層の光閉じ込め係数Γ(act)をこれらの井戸層の合計層厚d(act)(本実施形態では、約9.6nm)で割ったいわゆる発光層光密度{Γ(act) }/{d(act)}の値が1.28×104cm−1となるよう、層構造を設定している。 Further, a so-called light emitting layer light density {Γ that is obtained by dividing the optical confinement coefficient Γ (act) of the two well layers by the total layer thickness d (act) of these well layers (in this embodiment, about 9.6 nm). The layer structure is set so that the value of (act)} / {d (act)} is 1.28 × 10 4 cm −1 .
本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で0.97W/A、内部吸収αiの値として5cm−1という小さな値が得られた。また温度特性も120K以上と良好な値が得られ、p型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。そして信頼性においても端面劣化や長期寿命試験によるレーザ特性の緩慢劣化などは発生しなかった。垂直方向の放射角についても36度という第1,2実施形態同様、40度未満の値を得ることができた。 As the characteristics of the semiconductor laser device of this embodiment, an efficiency value of 0.97 W / A and an internal absorption αi value of 5 cm −1 were obtained. Further, the temperature characteristics were as good as 120 K or more, and the resistance value did not increase due to the decrease in the p-type doping concentration. A linear current-light output characteristic was obtained without the occurrence of kinks due to instability of the transverse mode. In terms of reliability, neither end face deterioration nor slow deterioration of laser characteristics due to long-term life test occurred. As for the vertical radiation angle, a value of less than 40 degrees could be obtained as in the first and second embodiments of 36 degrees.
このように本実施形態においても、第1、2実施形態と同じように、信頼性を維持した上で、p型、n型両導電型層での自由電子吸収の影響を受けることなく高効率と高温度特性/低消費電力を両立した波長1.0μm以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。 As described above, in this embodiment, as in the first and second embodiments, while maintaining reliability, high efficiency without being affected by free electron absorption in both the p-type and n-type conductive layers. As a result, a semiconductor laser element that oscillates in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less, which satisfies both high temperature characteristics and low power consumption, can be obtained.
さらに、第2実施形態同様、本実施形態においても、n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と該n型導電型層lのドーピング濃度N(l)の積の総和Σ{Γ(l)×N(l)}の値(7.48×1017cm−3)を、p型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(m)とp型導電型層mのドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値(2.81×1017cm−3)に比べて、最大5倍を超えない範囲で、7/3以上になるように設定している。 Further, as in the second embodiment, in this embodiment, the sum Σ {Γ of the product of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) of the n-type conductivity type layer 1 (L) × N (l)} (7.48 × 10 17 cm −3 ), the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity layer l and the doping concentration P ( The sum of the products of m) becomes 7/3 or more in a range not exceeding 5 times the maximum, compared to the value of Σ {Γ (m) × P (m)} (2.81 × 10 17 cm −3 ) It is set as follows.
したがって、p型導電型層での自由電子吸収を抑制するよう設定された層構造の下で、n型導電型層での自由電子吸収の寄与をp型導電型層での自由電子吸収の寄与よりも小さくすることができ、1.0W/Aという高い効率の値を得ることができた。 Therefore, under the layer structure set to suppress free electron absorption in the p-type conductivity type layer, the contribution of free electron absorption in the n-type conductivity type layer to the contribution of free electron absorption in the p-type conductivity type layer And a high efficiency value of 1.0 W / A could be obtained.
また、特に本実施形態の半導体レーザ素子では、波長890nmという、波長900nmを越えない波長となるよう、発振波長を設定している。発振波長900nm以下では、自由電子吸収を求める先述の式(1)において波長λの指数xの値が小さくなるため、図9に示すように、特に自由電子吸収による効率の悪化を抑制することができる。そして半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇して通信時の符号誤り率が悪化するのを防ぐことができる。 In particular, in the semiconductor laser device of this embodiment, the oscillation wavelength is set so that the wavelength is 890 nm and does not exceed 900 nm. When the oscillation wavelength is 900 nm or less, the value of the index x of the wavelength λ is small in the above-described equation (1) for obtaining free electron absorption, so that deterioration of efficiency due to free electron absorption can be suppressed as shown in FIG. it can. And it can prevent that the relative noise intensity of a semiconductor laser element rises and the code error rate at the time of communication deteriorates.
さらに本実施形態では、光閉じ込め構造を形成するリッジストライプ部R(上部第二クラッド層309および第一キャップ層310)の導電型をp型としたため、これをn型にした場合に比べて自由電子吸収を抑制でき、より高い効率で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。先に述べたように本実施形態の半導体レーザ素子では、p型導電型層の光閉じ込め係数の和をn型導電型層のそれよりも小さくなるように設定している。そのため本実施形態のように活性層に対し光閉じ込め構造が存在する側すなわちリッジを形成する層が存在する側をp型導電型層とすると、光閉じ込め構造のある側に存在する光の量が少なくなり、光が感じる活性層に平行な方向の屈折率の差が小さくなる。その結果、活性層と平行な方向の光のモードである横モードを安定化させることができ、半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇して通信時の符号誤り率が悪化するのを防ぐことができた。これは本実施形態のようにリッジの外側が空気であるため活性層と平行な方向で屈折率差がより大きくなる傾向を持つ構造にとり、特に有効な手段である。
Furthermore, in this embodiment, since the conductivity type of the ridge stripe portion R (the upper
特に本実施形態では、p型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}を実施形態1、2よりも小さくなるよう設定している。図7はΣ{Γ(m)×P(m)}と内部吸収αiの関係を示したグラフを示しているが、この図から、特に上記の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を6.0×1017cm−3以下に設定すると、p型導電型層での自由電子吸収による特性の悪化をほぼ完全に防ぐことができることがわかる。 In particular, in this embodiment, the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration of each p-type conductivity type layer is set to be smaller than in the first and second embodiments. FIG. 7 shows a graph showing the relationship between Σ {Γ (m) × P (m)} and the internal absorption αi. From this graph, it can be seen that, in particular, the total Σ {Γ (m) × P (m) } Is set to 6.0 × 10 17 cm −3 or less, it can be seen that deterioration of characteristics due to free electron absorption in the p-type conductivity layer can be almost completely prevented.
以上3種の実施形態では、波長750nmから900nm程度の半導体レーザ素子について記述したが、本発明の骨子は、従来自由電子吸収を問題としていなかった波長1.0μm以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響の程度を把握し、電流注入領域にあたるp型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数との積の総和を規定することで、対象波長帯での自由電子吸収の影響の回避と温度特性や素子抵抗の値の改善との両立を、発光層の劣化による信頼性の低下を回避しつつ実現するものであり、波長1.0μm以下、そして好ましくは700nm以上で発振する近赤外波長帯半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。 In the above three embodiments, a semiconductor laser device having a wavelength of about 750 nm to 900 nm has been described. However, the gist of the present invention is that in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less where free electron absorption has not been a problem in the past. By grasping the extent of the effect of free electron absorption and defining the sum of the product of the doping concentration of the p-type conductivity layer in the current injection region and the optical confinement factor, the effect of free electron absorption in the target wavelength band can be avoided. And the improvement of the temperature characteristic and the element resistance value while avoiding the decrease in reliability due to the deterioration of the light emitting layer, and the near red that oscillates at a wavelength of 1.0 μm or less, and preferably 700 nm or more The present invention can be applied to all external wavelength band semiconductor laser devices.
また、上記全実施形態ではp型クラッド層がエッチングストップ層によって二分される構造となっているが、先に述べた本発明の骨子からすると、層を構成する材料の混晶比で規定されるクラッド層の分類については、本発明の本質とは直接の関係はない。例えばエッチングストップ層がなくクラッド層1層で構成されるBH(埋め込みヘテロ)構造型の半導体レーザ素子や、他の目的のためクラッド層が3層以上の複数層で構成された半導体レーザ素子に対しても、本特許の内容は適用され得るものである。 In all the above embodiments, the p-type cladding layer is divided into two parts by the etching stop layer. However, according to the essence of the present invention described above, it is defined by the mixed crystal ratio of the material constituting the layer. The classification of the cladding layer is not directly related to the essence of the present invention. For example, for a BH (buried hetero) structure type semiconductor laser element having no etching stop layer and one clad layer, or for other purposes, a semiconductor laser element having a clad layer composed of three or more layers for other purposes. However, the contents of this patent can be applied.
さらに、上記全実施形態において、GaAs基板を用い、かつ被ドーピング層の層材料を全てAlGaAs系の材料としているが、III−V族系の化合物半導体であればp型、n型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和の自由電子吸収αfcへの寄与はほとんど同じであり、また近赤外帯波長を実現する各活性層材料の信頼性耐性への発光層光密度依存性も、発光層自体にAlを含む材料を除けば同程度であるため、本発明を構成する要件を満たせば、他のIII−V族系の化合物半導体材料、例えばInGaP、InGaAlPなどで構成された半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。また発光層自体にAlを含む発光層の光密度に対する信頼性耐性はAlを含まない活性層のそれよりもさらに厳しいため、光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を8.0×1017cm−3以下に保ったまま高い信頼性を維持するには、本特許の層構造の非対称性がより重要な要素となる。 Further, in all the above embodiments, a GaAs substrate is used and the layer material of the doped layer is all AlGaAs-based material. However, in the case of a III-V group compound semiconductor, p-type, n-type doping concentration and light are used. The contribution to the free electron absorption αfc of the sum of the products of the confinement factors is almost the same, and the dependency of the light emitting layer light density on the reliability tolerance of each active layer material realizing the near-infrared wavelength is also the light emitting layer itself. However, all the semiconductor laser elements composed of other III-V group compound semiconductor materials such as InGaP and InGaAlP can be used as long as the requirements of the present invention are satisfied. It can be applied. In addition, since the light-emitting layer containing Al in the light-emitting layer itself has a stricter reliability resistance to the light density than that of the active layer not containing Al, the sum of the products of the optical confinement coefficient Γ (m) and the doping concentration P (m). In order to maintain high reliability while maintaining the value of Σ {Γ (m) × P (m)} below 8.0 × 10 17 cm −3 , the asymmetry of the layer structure of this patent is more important Become an element.
また導電型については、両実施形態で活性層より基板に近い側をn型、遠い側をp型としているが、上記実施形態と逆の導電型すなわち活性層より基板に近い側がp型、遠い側がn型という構成に対しても本発明は適用し得るものである。 As for the conductivity type, in both embodiments, the side closer to the substrate than the active layer is n-type and the far side is p-type, but the opposite conductivity type to the above embodiment, that is, the side closer to the substrate than the active layer is p-type and far away. The present invention can also be applied to an n-type configuration.
〈第4実施形態〉
図5を用いて本発明の第4の実施形態である光無線通信用送信装置について説明する。これは、第1実施形態の半導体レーザ素子401を用いて空間的に離れた場所にある受信装置に信号光を送信するための装置である。
<Fourth embodiment>
An optical wireless communication transmission apparatus according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This is an apparatus for transmitting signal light to a receiving apparatus located in a spatially separated place using the
具体的には信号発生源402と送信用回路403とレーザドライバ404と電気信号を光に変えて空間に放射する半導体レーザ素子401を備えており、信号発生源402から発せられる電気信号を送信用回路403を通じてレーザドライバ404に入力し、この電気信号を半導体レーザ素子401を用いてE/O(電気/光)変換し、外部空間への放射光405とする。このとき半導体レーザ素子外部には、人体、特に眼への安全基準を満たすよう光を拡散する樹脂モールドが備えつけられており、半導体レーザ素子401から出た光は安全基準を満たす程度に非コヒーレント化され、外部放射光405とされている。
Specifically, a
このように第1実施形態の高効率かつ低消費電力で光密度の点から発光層が劣化する可能性が極めて低い半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる1.0μm以下の近赤外波長帯の光を低い駆動電力/電圧で発生させることができる。
この駆動電力/電圧の低下分、レーザドライバや他の回路構成部品の消費電力を上げることができ、回路設計の際の設計自由度を上げることができる。また、高効率、高温度特性、小放射角という使用半導体レーザ素子の特徴から半導体レーザ素子の駆動電流を低下させることができるため、半導体レーザ素子の寿命が延び、装置の信頼性が向上する。また半導体レーザ素子の活性層の光密度も劣化が抑制される値に設定されているため、同じく装置の長期信頼性が保障されることとなる。
Thus, by using the semiconductor laser element of the first embodiment with high efficiency, low power consumption, and extremely low possibility of deterioration of the light emitting layer in terms of light density, it will be required for future high-speed optical wireless communication 1 Light in the near-infrared wavelength band of 0.0 μm or less can be generated with low driving power / voltage.
The power consumption of the laser driver and other circuit components can be increased by this decrease in drive power / voltage, and the degree of design freedom in circuit design can be increased. Further, since the drive current of the semiconductor laser element can be reduced due to the characteristics of the semiconductor laser element used such as high efficiency, high temperature characteristics, and a small radiation angle, the life of the semiconductor laser element is extended and the reliability of the apparatus is improved. In addition, since the light density of the active layer of the semiconductor laser element is set to a value at which deterioration is suppressed, the long-term reliability of the device is also ensured.
〈第5実施形態〉
図6を用いて本発明の第5の実施形態である光ディスク記録再生装置について説明する。これは光ディスク501にデ−タを書き込んだり、書き込まれたデ−タを再生するための装置であり、発光素子502,コリメ−トレンズ503,ビ−ムスプリッタ504,λ/4偏光板504,レ−ザ光照射用対物レンズ506、再生光用対物レンズ507、信号光検出用受光素子508、信号再生回路509を備えている。そして、発光素子502として、先に説明した本発明第2の実施形態の半導体レーザ素子を用いている。この光ディスク記録再生装置についてその作用を以下に説明する。
<Fifth Embodiment>
An optical disc recording / reproducing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This is a device for writing data on the
まず書き込みの際には、半導体レーザ素子502から出射された信号光がコリメ−トレンズ503により平行光とされ、ビ−ムスプリッタ504を透過しλ/4偏光板505で偏光状態が調節された後、対物レンズ506で集光されて光ディスク501に照射される。これに対して、読み出しの際には、デ−タ信号がのっていないレ−ザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク501に照射される。このレ−ザ光がデ−タが記録された光ディスク501の表面で反射され、レ−ザ光照射用対物レンズ506、λ/4波長板505を経た後、ビ−ムスプリッタ504で反射されて90度角度を変えた後、再生光用対物レンズ507で集光され、信号検出用受光素子508に入射する。信号検出用受光素子508内で、入射したレ−ザ光の強弱によって、記録されたデ−タ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路509において元の信号に再生される。
First, at the time of writing, the signal light emitted from the
本実施形態の光ディスク装置は従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子を用いているため、ディスクの回転数を従来よりも高速化してもデ−タの読み書きが可能となった。したがって、特にCD−R/RWなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができた。 Since the optical disk apparatus of the present embodiment uses a semiconductor laser element that operates at a higher optical output than before, the data can be read and written even if the rotational speed of the disk is made higher than before. Accordingly, an optical disc apparatus that realizes a more comfortable operation because the access time to the disc, which has been a problem particularly when writing to a CD-R / RW, is much shorter than a conventional device using a semiconductor laser element. Could be provided.
101、201、301 基板
102、202、302 バッファ層
103、203a、203b、303a、303b 下部クラッド層
104a、104b、204、304a、304b 下部光ガイド層
105、205、305 活性層
106、206、306a、306b 上部光ガイド層
107、207、307 上部第一クラッド層
108、208、308 エッチングストップ層
109、209、309 上部第二クラッド層
110、210、310 第一キャップ層
114、214、311 第二キャップ層
115、215 第三キャップ層
111、211 第一埋め込み層
112、212 第二埋め込み層
113、213 第三埋め込み層
116、216、316 p型電極
117、217、317 n型電極
121 選択エッチング用絶縁膜
322 電流狭窄用絶縁膜
401 第1実施形態の半導体レーザ素子
402 信号発生源
403 送信用回路
404 レーザドライバ
405 外部空間への放射光
501 光ディスク
502 第2実施形態の半導体レーザ素子
503 コリメ−トレンズ
504 ビ−ムスプリッタ
505 λ/4偏光板
506 レ−ザ光照射用対物レンズ
507 再生光用対物レンズ
508 信号光検出用受光素子
509 信号再生回路
R リッジストライプ部
F 埋め込み部
101, 201, 301
114, 214, 311
Claims (13)
複数のn型導電型層l(ここで、l=1、2…k、但し、kは自然数)と、
p型クラッド層を含む複数のp型導電型層m(ここで、m=1、2…k’、但し、k’は自然数)と、
上記n型導電型層lと上記p型導電型層mとの間に位置する活性層とを備え、
発振波長が700nm以上かつ1.0μm以下であり、
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記n型導電型層lに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(l)、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記p型導電型層mに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(m)とすると、Γ(l)の総和とΓ(m)の総和との関係が、
であり、
上記p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と上記p型導電型層mのドーピング濃度P(m)(単位:cm−3)の積の総和
が8.0×1017cm−3 以下であり、
上記複数のp型導電型層のうちドーピング濃度が1.0×1018cm−3以上であるp型導電型層の層厚の合計が上記複数のp型導電型層全体の層厚の合計の80%以上を占めており、
上記p型クラッド層の平均ドーピング濃度が2.0×10 18 cm −3 以上であり、
上記n型導電型層lの光閉じ込め係数Γ(l)と上記n型導電型層lのドーピング濃度N(l)(単位:cm −3 )の積の総和
が4.0×10 18 cm −3 以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。 On the board
A plurality of n-type conductivity layers l (where l = 1, 2,... K, where k is a natural number);
a plurality of p-type conductivity layers m including a p-type cladding layer (where m = 1, 2,..., k ′, where k ′ is a natural number);
An active layer located between the n-type conductivity type layer l and the p-type conductivity type layer m,
The oscillation wavelength is 700 nm or more and 1.0 μm or less,
The ratio of the amount of light present in the n-type conductivity type layer 1 to the total amount of light present in all the layers in the substrate and on the substrate is the optical confinement factor Γ (l), and in all layers in the substrate and on the substrate. Assuming that the ratio of the amount of light existing in the p-type conductivity type layer m to the total amount of existing light is the optical confinement coefficient Γ (m), the relationship between the sum of Γ (l) and the sum of Γ (m) is
And
Sum of products of optical confinement coefficient Γ (m) of p-type conductivity layer m and doping concentration P (m) (unit: cm −3 ) of p-type conductivity layer m
Is 8.0 × 10 17 cm −3 or less,
Of the plurality of p-type conductivity layers, the total thickness of the p-type conductivity layers having a doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more is the total thickness of the plurality of p-type conductivity layers. and it accounts for 80% or more of,
The p-type cladding layer has an average doping concentration of 2.0 × 10 18 cm −3 or more,
Sum of products of optical confinement coefficient Γ (l) of n-type conductivity type layer 1 and doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of n-type conductivity type layer 1
Is 4.0 × 10 18 cm −3 or less .
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 The sum of the products of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of the n-type conductivity type layer l and the p-type conductivity type layer m The relationship between the optical confinement coefficient Γ (m) and the sum of the products of the doping concentration P (m) of the p-type conductivity layer m is
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 The sum of the products of the optical confinement coefficient Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the doping concentration N (l) (unit: cm −3 ) of the n-type conductivity type layer l and the p-type conductivity type layer m The relationship between the optical confinement coefficient Γ (m) and the sum of the products of the doping concentration P (m) of the p-type conductivity layer m is
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
であることを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ素子。 The relationship between the sum of the optical confinement coefficients Γ (l) of the n-type conductivity type layer l and the sum of the light confinement coefficients Γ (m) of the p-type conductivity type layer m is
The semiconductor laser device according to claim 2 , wherein:
上記p型導電型層のうち最も厚い層の層厚をd2、その層を構成する材料の屈折率をn2とすると、
(d1×n1)>(d2×n2)
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 Of the n-type conductivity type layers, the thickness of the thickest layer is d1, and the refractive index of the material constituting the layer is n1,
When the thickness of the thickest layer among the p-type conductivity layers is d2, and the refractive index of the material constituting the layer is n2,
(D1 × n1)> (d2 × n2)
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する全ての上記発光層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(act)とし、上記全ての発光層の層厚の合計をd(act)(単位:cm)としたとき、
Γ(act)/d(act)≦3.0×104cm−1
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 The active layer includes one or more light emitting layers that emit light,
The ratio of the amount of light present in all the light emitting layers to the total amount of light present in all layers in the substrate and on the substrate is defined as a light confinement factor Γ (act), and the total thickness of all the light emitting layers is d (act) (unit: cm)
Γ (act) / d (act) ≦ 3.0 × 10 4 cm −1
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
上記活性層を間にして、上記光閉じ込め構造が存在する側に上記複数のp型導電型層が設けられ、上記光閉じ込め構造が存在しない側に上記複数のn型導電型層が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 Having a light confinement structure for confining light in a direction parallel to the active layer,
The plurality of p-type conductivity type layers are provided on the side where the light confinement structure exists, and the plurality of n-type conductivity type layers are provided on the side where the light confinement structure does not exist, with the active layer interposed therebetween. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
上記電流注入領域は上記p型導電型層の少なくとも1つからなり、
上記電流注入領域のp型導電型層のドーピング濃度は1.0×1018cm−3以上であることを特徴とする請求項1または9に記載の半導体レーザ素子。 A current confinement structure comprising a current injection region and a non-current injection region, and confining current in a direction parallel to the active layer,
The current injection region is composed of at least one of the p-type conductivity layers,
The semiconductor laser device according to claim 1 or 9 doping concentration of p-type conductivity type layer of the current injection region is characterized by at 1.0 × 10 18 cm -3 or more.
上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記n型バッファ層に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(buf)とし、上記基板内および基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記基板内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(sub)すると、
Γ(buf)+Γ(sub)≦5.0×10−5
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。 The n-type conductivity type layer includes an n-type cladding layer, and an n-type buffer layer positioned between the substrate and the n-type cladding layer,
The ratio of the amount of light present in the n-type buffer layer to the total amount of light present in all layers in the substrate and on the substrate is the light confinement factor Γ (buf), and is present in all layers in the substrate and on the substrate. When the ratio of the amount of light existing in the substrate to the total amount of light to be calculated is the optical confinement factor Γ (sub),
Γ (buf) + Γ (sub) ≦ 5.0 × 10 −5
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein:
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