JP5310271B2 - Semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device.
非特許文献1には、リッジ型のレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードは、n型InP基板上に形成されたn型InGaAsPから成る回折格子層と、回折格子層上に設けられたAlGaInAsから成る多重量子井戸活性層と、この活性層上に設けられたp型InPから成るリッジ状の上部クラッド層とを備えている。
Non-Patent
また、非特許文献2には、トンネル接合層を有するレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードは、n型InP基板と、n型InP基板上に設けられたn型InP層と、n型InP層上に設けられたp型InP層と、n型InP層及びp型InP層の間に設けられた多重量子井戸活性層とを備えている。加えて、このレーザダイオードは、p型InP層上に更に別のn型InP層(第2のn型InP層)を備えており、p型InP層と第2のn型InP層との間には、トンネル接合層が介在している。 Non-Patent Document 2 describes a laser diode having a tunnel junction layer. The laser diode includes an n-type InP substrate, an n-type InP layer provided on the n-type InP substrate, a p-type InP layer provided on the n-type InP layer, an n-type InP layer, and a p-type InP layer. And a multiple quantum well active layer provided between the two. In addition, this laser diode further includes another n-type InP layer (second n-type InP layer) on the p-type InP layer, and between the p-type InP layer and the second n-type InP layer. In this case, a tunnel junction layer is interposed.
非特許文献1に記載されたような構成を備える従来のリッジ型の半導体レーザ素子には、次の問題点がある。すなわち、光導波方向と直交する方向における上部クラッド層の横幅が狭くなっており、且つこの上部クラッド層がp型半導体から成るので、1.比較的高抵抗率であるp型半導体を電流が通過する際に発熱量が大きくなり、レーザ光出力強度の最大値が低く抑えられてしまい、また、2.p型半導体の光吸収率はn型半導体より高いため光損失が大きく、レーザ発振の閾値電流が高くなると同時にレーザ光出力強度の最大値が低く抑えられてしまう。
The conventional ridge type semiconductor laser device having the configuration described in Non-Patent
これらの問題点に対し、例えば非特許文献2に記載されたようなトンネル接合層を上部クラッド層に設け、上部クラッド層の導電型をp型からn型へ転換することにより、p型半導体部分を薄くすることができる。 To solve these problems, for example, a tunnel junction layer as described in Non-Patent Document 2 is provided in the upper clad layer, and the conductivity type of the upper clad layer is changed from p-type to n-type. Can be made thinner.
しかし、トンネル接合層の不純物濃度は一般的に他の半導体層より格段に高い。半導体には、不純物濃度が高くなると光吸収率が大きくなる傾向があり、トンネル接合層において光損失が発生するため上記問題点2.を有効に解決できない。また、光損失を低減するためにトンネル接合層の不純物濃度を下げると、トンネル接合面における電気抵抗が大きくなってしまい上記問題点1.を有効に解決できなくなる。
However, the impurity concentration of the tunnel junction layer is generally much higher than other semiconductor layers. Semiconductors tend to have higher light absorptance when the impurity concentration is higher, and light loss occurs in the tunnel junction layer, so that the above problem 2 cannot be effectively solved. Further, if the impurity concentration of the tunnel junction layer is lowered in order to reduce the optical loss, the electric resistance at the tunnel junction surface increases and the
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of realizing a reduction in electric resistance and optical loss at a high level.
上記課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、第1のn型半導体クラッド領域と、第1のn型半導体クラッド領域上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた回折格子層と、回折格子層上に設けられ、光導波方向と交差する方向の幅が第1のn型半導体クラッド領域より狭められた第2のn型半導体クラッド領域とを備え、回折格子層が、所定波長に応じた周期で光導波方向に配列された複数の第1の領域と、複数の第1の領域の間に設けられ不純物濃度が複数の第1の領域より低い第2の領域とを有しており、複数の第1の領域のそれぞれが、活性層上に設けられたp型半導体層と、p型半導体層上に設けられたn型半導体層とを含み、p型半導体層及びn型半導体層が互いにトンネル接合を構成することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor laser device that outputs laser light of a predetermined wavelength, and includes a first n-type semiconductor cladding region and a first n-type semiconductor cladding region. The active layer provided on the active layer, the diffraction grating layer provided on the active layer, and the width provided in the direction intersecting with the optical waveguide direction are made narrower than the first n-type semiconductor cladding region. A second n-type semiconductor clad region, and a diffraction grating layer is provided between the plurality of first regions arranged in the optical waveguide direction at a period corresponding to a predetermined wavelength, and the plurality of first regions. A second region having a lower impurity concentration than the plurality of first regions, and each of the plurality of first regions includes a p-type semiconductor layer provided on the active layer, and a p-type semiconductor layer An n-type semiconductor layer provided on a p-type semiconductor layer and n Wherein the semiconductor layer forms a tunnel junction with each other.
この半導体レーザ素子は、p型半導体層及びn型半導体層からなるトンネル接合構造を有しているが、このトンネル接合構造は、従来の半導体レーザ素子のような活性層上の全領域に設けられたものではなく、所定波長に応じた周期で光導波方向に配列された複数の第1の領域のそれぞれに設けられている。そして、複数の第1の領域の間には、不純物濃度が複数の第1の領域より低い第2の領域が設けられている。したがって、トンネル接合層が活性層上の全領域に設けられる場合と比較して、光導波方向におけるトンネル接合構造の長さの総和が短くなるので、トンネル接合構造の体積が小さくなり、トンネル接合構造による光損失を効果的に低減できる。 This semiconductor laser device has a tunnel junction structure composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. This tunnel junction structure is provided in the entire region on the active layer as in the conventional semiconductor laser device. Instead, it is provided in each of the plurality of first regions arranged in the optical waveguide direction with a period corresponding to a predetermined wavelength. A second region having an impurity concentration lower than that of the plurality of first regions is provided between the plurality of first regions. Therefore, compared with the case where the tunnel junction layer is provided in the entire region on the active layer, the total length of the tunnel junction structure in the optical waveguide direction is shortened, so the volume of the tunnel junction structure is reduced and the tunnel junction structure is reduced. Can effectively reduce the optical loss.
また、この半導体レーザ素子に注入された電流の流路は、複数の第1の領域のそれぞれに設けられたトンネル接合構造によって確保され、この半導体レーザ素子では上記のように光損失を低減できるので、トンネル接合構造を構成するp型半導体層、n型半導体層の不純物濃度を下げる必要がない。したがって、トンネル効果の発現に十分な不純物濃度でもって、このトンネル接合部における電気抵抗を効果的に低減できる。このように、上記した半導体レーザ素子によれば、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。 Further, the flow path of the current injected into the semiconductor laser element is secured by the tunnel junction structure provided in each of the plurality of first regions, and the optical loss can be reduced as described above in this semiconductor laser element. It is not necessary to reduce the impurity concentration of the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer constituting the tunnel junction structure. Therefore, the electrical resistance at the tunnel junction can be effectively reduced with an impurity concentration sufficient to develop the tunnel effect. As described above, according to the semiconductor laser element described above, reduction of electric resistance and optical loss can be realized at a high level.
電気抵抗と光損失とのバランスは、回折格子層の一周期に占める第1の領域の割合(デューティ比)によって容易に調整可能である。すなわち、このデューティ比を高めることで電気抵抗の低減度を光損失の低減度より大きくすることができ、逆にデューティ比を低くすることで光損失の低減度を電気抵抗の低減度より大きくすることができる。 The balance between the electrical resistance and the optical loss can be easily adjusted by the ratio (duty ratio) of the first region in one period of the diffraction grating layer. In other words, by increasing this duty ratio, the degree of reduction in electrical resistance can be made greater than the degree of reduction in optical loss. Conversely, by reducing the duty ratio, the degree of reduction in optical loss is made greater than the degree of reduction in electrical resistance. be able to.
なお、上記半導体レーザ素子では、回折格子層において、不純物濃度が比較的高い(すなわち光損失が大きい)複数の第1の領域の間に、不純物濃度が比較的低い(すなわち光損失が小さい)第2の領域が設けられているので、活性層付近を共振する光に対して利得変調を行い、所定波長のレーザ光を好適に出力することができる。 In the semiconductor laser device, the diffraction grating layer has a relatively low impurity concentration (that is, a small optical loss) between the plurality of first regions having a relatively high impurity concentration (that is, a large optical loss). Since the region 2 is provided, gain modulation can be performed on light resonating in the vicinity of the active layer, and laser light having a predetermined wavelength can be suitably output.
また、半導体レーザ素子は、光導波方向と交差する方向における活性層及び回折格子層の幅が第1のn型半導体クラッド領域より狭められており、活性層、回折格子層、及び第2のn型半導体クラッド領域の両側面を埋め込む半絶縁性または絶縁性の埋込領域を更に備えることを特徴としてもよい。或いは、半導体レーザ素子は、光導波方向と交差する方向における活性層及び回折格子層の幅が、第2のn型半導体クラッド領域より広いリッジ構造を有することを特徴としてもよい。或いは、光導波方向と交差する方向における活性層の幅が、第2のn型半導体クラッド領域より広いリッジ構造を有し、リッジ構造には、回折格子層および第2のn型半導体クラッド領域が含まれることを特徴としてもよい。上記半導体レーザ素子が奏する作用効果は、これらのような埋込型やリッジ型といった構成を有する半導体レーザ素子において、特に有効である。 In the semiconductor laser element, the width of the active layer and the diffraction grating layer in the direction crossing the optical waveguide direction is narrower than that of the first n-type semiconductor cladding region, and the active layer, the diffraction grating layer, and the second n The semiconductor device may further include a semi-insulating or insulating embedded region that embeds both side surfaces of the type semiconductor cladding region. Alternatively, the semiconductor laser element may have a ridge structure in which the width of the active layer and the diffraction grating layer in the direction intersecting the optical waveguide direction is wider than that of the second n-type semiconductor cladding region. Alternatively, the active layer has a ridge structure in which the width of the active layer in the direction crossing the optical waveguide direction is wider than that of the second n-type semiconductor cladding region, and the ridge structure includes a diffraction grating layer and a second n-type semiconductor cladding region. It may be characterized by being included. The operational effects exhibited by the semiconductor laser element are particularly effective in a semiconductor laser element having such a buried type or ridge type configuration.
本発明による半導体レーザ素子によれば、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, reduction in electrical resistance and optical loss can be realized at a high level.
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Embodiments of a semiconductor laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1の実施の形態)
本実施形態に係る半導体レーザ素子1Aは、所定波長のレーザ光を出力する、いわゆる分布帰還型(DFB)レーザ素子である。図1(a)及び図1(b)を参照すると、半導体レーザ素子1Aは、主面3aを有する半導体基板3を備えている。半導体基板3は主にn型半導体から成り、一実施例としてはn型InPからなる。半導体基板3は、後述するn型バッファ層11と共に第1のn型半導体クラッド領域を構成しており、半導体レーザ素子1A内部を導波する光に対して下部クラッド領域として機能する。
(First embodiment)
The
また、半導体レーザ素子1Aは、n型バッファ層11、活性層12、p型キャリアストップ層13、p型スペーサ層14、回折格子層15、n型クラッド層18、およびn型コンタクト層19を備えている。n型バッファ層11は半導体基板3の主面3a上に設けられており、例えば半導体基板3と同じ組成のn型半導体(一実施例ではSiドープn型InP)からなる。n型バッファ層11の層厚は例えば100[nm]である。
In addition, the
活性層12は、n型バッファ層11上に設けられており、所望の発光波長に応じた組成の半導体からなる。一実施例としては、活性層12は多重量子井戸構造を有しており、アンドープAlGaInAsからなる障壁層(バリア層)および井戸層が交互に積層されて成る。
The
p型キャリアストップ層13は、キャリアオーバーフローを低減するための層であり、活性層12上に設けられている。p型キャリアストップ層13は例えばZnドープp型AlInAsからなり、その層厚は例えば50[nm]である。p型スペーサ層14は、例えばZnドープp型InPからなり、その層厚は例えば50[nm]である。
The p-type
回折格子層15は、p型スペーサ層14上に設けられている。回折格子層15は、活性層12に沿って配列された複数の領域(第1の領域)15aと、複数の領域15aの間を埋め込むように形成された領域(第2の領域)15bとを含んで構成されている。
The
複数の領域15aは、光導波方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、半導体レーザ素子1Aが出力しようとする所定波長に応じた周期Λでもって、互いに間隔をあけて光導波方向に配列されている。各領域15aは、互いにトンネル接合を構成するp型半導体層16及びn型半導体層17を含んでいる。p型半導体層16は、活性層12上に設けられており、高濃度のp型半導体、例えばCドープp++型AlGaInAsからなり、その層厚は例えば15[nm]である。また、n型半導体層17は、p型半導体層16上に設けられており、高濃度のn型半導体、例えばSiドープn++型AlGaInAsからなり、その層厚は例えば15[nm]である。
The plurality of
p型半導体層16の不純物濃度は1×1019[cm−3]以上であることが好ましく、n型半導体層17の不純物濃度は3×1018[cm−3]以上であることが好ましい。また、p型半導体層16の不純物としては、Cの他にZn、Be、またはMgが好適に用いられる。n型半導体層17の不純物としては、Siの他にS、Se、またはTeが好適に用いられる。p型半導体層16の組成としては、上記の他にも例えばGaInAsP、InGaAs、AlInAs、またはInPが挙げられる。n型半導体層17の組成としては、上記の他にも例えばGaInAsP、InGaAs、またはInPが挙げられる。
The impurity concentration of the p-
領域15bは、複数の領域15aと比較して不純物濃度が小さい半導体、例えばSiドープn型InPからなる。半導体の光吸収率は不純物濃度が高いほど大きいので、不純物濃度が比較的高い(すなわち光損失が大きい)複数の領域15aの間に、不純物濃度が比較的低い(すなわち光損失が小さい)領域15bが設けられることにより、活性層12付近を共振する光に対して利得変調を行うことができる。
The
n型クラッド層18は、本実施形態における第2のn型半導体クラッド領域であり、半導体レーザ素子1A内部を導波する光に対して上部クラッド領域として機能する。n型クラッド層18は、回折格子層15上に設けられている。n型クラッド層18は例えばSiドープn型InPからなり、その層厚は例えば2.0[μm]である。また、n型コンタクト層19は、n型クラッド層18上に設けられており、例えばn型InGaAsからなる。n型コンタクト層19の層厚は例えば100[nm]である。
The n-type clad
n型クラッド層18及びコンタクト層19は、光導波方向と交差する方向の幅が半導体基板3及びn型バッファ層11より狭められたリッジ部24に含まれており、このリッジ部24は光導波方向に延びている。このような構成により、光導波方向と交差する方向におけるn型クラッド層18の幅が活性層12及び回折格子層15の幅より狭いリッジ構造を好適に実現できる。半導体レーザ素子1Aにおいては、このリッジ部24への電流注入により生じる活性層12内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。光導波方向と直交する方向におけるリッジ部24の幅は例えば1.5[μm]であり、リッジ部24の高さは例えば2[μm]である。
The n-
リッジ部24の両側面には、SiO2からなる絶縁膜25が設けられている。本実施形態の絶縁膜25は、リッジ部24の両側面のほか、リッジ部24から露出する回折格子層15の表面にわたって設けられている。
Insulating
n型コンタクト層19上には電極20が設けられており、この電極20とn型コンタクト層19とがオーミック接触を成している。また、半導体基板3の主面3aとは反対側の裏面には電極21が設けられており、この電極21と半導体基板3とがオーミック接触を成している。
An
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子1Aの作製方法について、図2〜図4を参照しながら説明する。まず、図2(a)に示すように、半導体基板3の主面3a上に、n型バッファ層11、活性層12、p型キャリアストップ層13、p型スペーサ層14、p型半導体層16、n型半導体層17、及びカバー層26を形成する。カバー層26は、例えばSiドープn型InPからなり、その層厚は例えば30[nm]である。これらの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。
Next, a manufacturing method of the
次に、回折格子層15となる複数の領域15aを形成する。すなわち、カバー層26上にレジストを塗布し、例えば干渉露光法を用いて複数の領域15aに対応するパターンを転写する。そして、カバー層26、n型半導体層17及びp型半導体層16に対してドライエッチングを施す。このとき、p型スペーサ層14が露出した時点でエッチングを停止する。こうして、図2(b)に示すように、p型半導体層16及びn型半導体層17を各々含む複数の領域15aが形成される。
Next, a plurality of
続いて、レジストを剥離したのち半導体基板3を成長炉に再投入し、図3(a)に示すように、n型クラッド層18、n型コンタクト層19を順次成長させる。なお、n型クラッド層18を成長させる際、n型InPによって複数の領域15aの隙間が埋め込まれることにより領域15bが形成され、これによって回折格子層15が完成する。その後、図3(b)に示すように、n型クラッド層18およびn型コンタクト層19にエッチングを施してストライプ状のリッジ部24を形成する。
Subsequently, after removing the resist, the
続いて、図4に示すように、リッジ部24の表面と、リッジ部24から露出した回折格子層15の表面とを覆うように、SiO2からなる絶縁膜25を形成する。そして、リッジ部24の上方に位置する絶縁膜25に開口を形成し、該開口を介してn型コンタクト層19と接する電極20を蒸着し、更に電極21を半導体基板3の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜(AR膜)及び高反射膜(HR膜)をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子1Aが完成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4, an insulating
以上の構成を備える半導体レーザ素子1Aが奏する作用及び効果について説明する。この半導体レーザ素子1Aにおいては、p型半導体層16及びn型半導体層17からなるトンネル接合構造が、光導波方向に周期的に配列された複数の領域15aのそれぞれに設けられている。そして、複数の領域15aの間には、不純物濃度が複数の領域15aより低い領域15bが設けられている。したがって、トンネル接合層が活性層12上の全領域に設けられる場合と比較して、光導波方向におけるトンネル接合構造の長さの総和が短くなるので、トンネル接合構造の体積が小さくなり、トンネル接合構造による光損失を効果的に低減できる。
The operation and effect of the
また、この半導体レーザ素子1Aに注入された電流の流路は、複数の領域15aのそれぞれに設けられたトンネル接合構造によって確保されるが、この半導体レーザ素子1Aでは上記のように光損失を低減できるので、トンネル接合構造を構成するp型半導体層16、n型半導体層17の不純物濃度を下げる必要がない。したがって、トンネル効果の発現に十分な不純物濃度でもって、このトンネル接合部(p型半導体層16及びn型半導体層17)における電気抵抗を効果的に低減できる。このように、本実施形態の半導体レーザ素子1Aによれば、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。
Further, the flow path of the current injected into the
なお、電気抵抗と光損失とのバランスは、回折格子層15の一周期に占める領域15aの割合(デューティ比)によって容易に調整可能である。すなわち、このデューティ比を高めることで電気抵抗の低減度を光損失の低減度より大きくすることができ、逆にデューティ比を低くすることで光損失の低減度を電気抵抗の低減度より大きくすることができる。
The balance between the electrical resistance and the optical loss can be easily adjusted by the ratio (duty ratio) of the
本実施形態の一変形例について説明する。図5は、第1実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子1Bの構成を示しており、半導体レーザ素子1Bの光導波方向と直交する断面を示している。上述した第1実施形態では、図1(a)に示すように、回折格子層15は、活性層12およびp型スペーサ層14上に形成され、リッジ部24には含まれないが、図5に示すように、回折格子層15がリッジ部26の中に含まれるように、リッジ部26を形成してもよい。なお、このリッジ部26は、第1実施形態のリッジ部24と同様に、その光導波方向と交差する方向の幅が半導体基板3及びn型バッファ層11より狭くなるように形成されたリッジ構造である。
A modification of this embodiment will be described. FIG. 5 shows a configuration of a
この場合、回折格子層15は、リッジ部26の底面(リッジ部26の両側面の下端同士を結ぶ面)から高さ0.5[μm]までの範囲に位置することが望ましい。なぜなら、リッジ部26に含まれるp型スペーサ層14等のp型半導体層の厚みをある程度制限することによって、半導体レーザ素子1Bの電気抵抗を所定の値以下に制限することができるからである。本変形例の構造によっても、トンネル接合層が活性層12上の全領域に設けられる場合と比較して、光導波方向におけるトンネル接合構造の長さの総和が短くなるので、トンネル接合構造の体積が小さくなり、トンネル接合構造による光損失を効果的に低減できる。また、トンネル効果の発現に十分な不純物濃度でもって、このトンネル接合部における電気抵抗を効果的に低減できる。このように、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。
In this case, it is desirable that the
ここで、図1に示した第1実施形態の比較例として、通常の利得変調型の半導体レーザ素子について説明する。図6〜図8は、従来の利得変調型の半導体レーザ素子の作製方法を示す図である。まず、図6(a)に示すように、半導体基板103の主面上に、n型バッファ層111(厚さ100[nm])、活性層112、p型キャリアストップ層113(厚さ50[nm])、p型スペーサ層114(厚さ50[nm])、光吸収層115(厚さ30[nm])、及びカバー層126(厚さ30[nm])を形成する。一例では、n型バッファ層111はn型InPからなり、活性層112はAlGaInAs多重量子井戸からなり、p型キャリアストップ層113はp型AlInAsからなり、p型スペーサ層114はp型InPからなり、光吸収層115はp型GaInAsPからなり、カバー層126はp型InPからなる。
Here, a normal gain modulation type semiconductor laser device will be described as a comparative example of the first embodiment shown in FIG. 6 to 8 are views showing a method of manufacturing a conventional gain modulation type semiconductor laser device. First, as shown in FIG. 6A, on the main surface of the
次に、光吸収層115を、出力波長に応じた周期で光導波方向に配列される複数の光吸収領域に分割する。すなわち、カバー層126上にレジストを塗布し、例えば干渉露光法を用いて複数の光吸収領域に対応するパターンを転写する。そして、カバー層126及び光吸収層115に対してドライエッチングを施す。こうして、図6(b)に示すように、複数の光吸収領域115aが形成される。
Next, the light absorption layer 115 is divided into a plurality of light absorption regions arranged in the optical waveguide direction at a period corresponding to the output wavelength. That is, a resist is applied on the
続いて、レジストを剥離したのち、図7(a)に示すように、p型クラッド層118、p型コンタクト層119を順次成長させる。p型クラッド層118は例えばp型InPからなり、p型コンタクト層119は例えばp型InGaAsからなる。その後、図7(b)に示すように、p型クラッド層118およびp型コンタクト層119にエッチングを施してストライプ状のリッジ部124を形成する。
Subsequently, after removing the resist, as shown in FIG. 7A, a p-
続いて、図8に示すように、リッジ部124の表面と、リッジ部124から露出した光吸収領域115aの表面とを覆うように、SiO2からなる絶縁膜125を形成する。そして、リッジ部124の上方に位置する絶縁膜125に開口を形成し、該開口を介してp型コンタクト層119と接する電極120を蒸着し、更に電極121を半導体基板103の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜(AR膜)及び高反射膜(HR膜)をコーティングする。
Subsequently, as shown in FIG. 8, an insulating
以上の作製方法により作製された通常の利得変調型の半導体レーザ素子の特性と、第1実施形態に係る半導体レーザ素子1Aの特性とを比較する。図9は、半導体レーザ素子1Aの電流−光出力特性と、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−光出力特性とを示すグラフであり、素子温度85℃での特性を示している。図9に示されるグラフG1〜G3は、半導体レーザ素子1Aにおいて、回折格子層15の一周期に占める領域15aの割合(デューティ比)をそれぞれ0.3、0.5、及び0.7とした場合の電流−光出力特性を示している。また、グラフG4は、通常の利得変調型の半導体レーザ素子(図8を参照)の電流−光出力特性を示している。
The characteristics of a normal gain modulation type semiconductor laser device manufactured by the above manufacturing method are compared with the characteristics of the
通常の利得変調型の半導体レーザ素子の閾値電流は25[mA]であり、最大光出力は15[mW]であった。これに対し、本実施形態の半導体レーザ素子1Aの閾値電流は、デューティ比0.7で25[mA]、デューティ比0.5で21[mA]、デューティ比0.3で21[mA]であり、最大光出力は、デューティ比0.7で16[mA]、デューティ比0.5で18[mA]、デューティ比0.3で19.5[mA]であった。
The threshold current of a normal gain modulation type semiconductor laser device was 25 [mA], and the maximum light output was 15 [mW]. On the other hand, the threshold current of the
また、図10は、半導体レーザ素子1Aの電流−動作抵抗特性と、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−動作抵抗特性とを示すグラフであり、素子温度85℃での特性を示している。図10に示されるグラフG5〜G7は、半導体レーザ素子1Aにおいて回折格子層15のデューティ比をそれぞれ0.3、0.5、及び0.7とした場合の電流−動作抵抗特性を示している。また、グラフG8は、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−動作抵抗特性を示している。
FIG. 10 is a graph showing the current-operating resistance characteristics of the
通常の利得変調型の半導体レーザ素子の閾値付近での微分抵抗値は、9.5[Ω]であった。これに対し、本実施形態の半導体レーザ素子1Aの閾値付近での微分抵抗値は、デューティ比0.7で6.2[Ω]、デューティ比0.5で7.0[Ω]、デューティ比0.3で8.7[Ω]であった。
The differential resistance value in the vicinity of the threshold value of a normal gain modulation type semiconductor laser element was 9.5 [Ω]. On the other hand, the differential resistance value in the vicinity of the threshold value of the
以上の結果からわかるように、本実施形態の半導体レーザ素子1Aの光出力特性及び動作抵抗特性は、領域15aのデューティ比にかかわらず、図8に示した通常の利得変調型の半導体レーザ素子の特性と比べて良好となっている。光出力特性の改善(すなわち閾値電流値の低下)は、回折格子層15へのトンネル接合構造(p型半導体層16及びn型半導体層17)の導入により、光吸収率が高いp型クラッド層118(図8を参照)を、光吸収率が低いn型クラッド層18に置き換えたことに起因するものである。また、動作抵抗特性の改善(すなわち、微分抵抗値の低下)は、回折格子層15へのトンネル接合構造の導入により、抵抗率が高いp型クラッド層118を、抵抗率が低いn型クラッド層18に置き換えたことに起因するものである。
As can be seen from the above results, the optical output characteristics and operating resistance characteristics of the
なお、領域15aのデューティ比を大きくするほど、電流方向に垂直な面内においてトンネル接合構造が占める面積が大きくなるので抵抗値が低くなり、逆に領域15aのデューティ比を小さくするほど、トンネル接合構造の体積が小さくなるので光吸収損失が低下し、その結果閾値電流値が低下して最大光出力が上昇する。つまり、所望の特性を得るためには領域15aのデューティ比を適切な範囲に調整するとよい。例えば、上記実施例におけるデューティ比の好適な範囲、すなわち光出力特性及び動作抵抗特性の双方を、通常の利得変調型の半導体レーザ素子より改善することができる範囲は、0.3以上0.7以下となる。
The larger the duty ratio of the
(第2の実施の形態)
本実施形態に係る半導体レーザ素子1Cは、所定波長のレーザ光を出力する、いわゆる分布帰還型(DFB)レーザ素子である。第1実施形態の半導体レーザ素子1Aと異なる点は、半導体レーザ素子1Cがいわゆる高抵抗電流狭窄埋込型(SI−BH)の構造を有している点である。図11(a)及び図11(b)を参照すると、半導体レーザ素子1Cは、第1のn型半導体クラッド領域としての半導体基板3と、半導体基板3上に順に積層された、n型バッファ層31、活性層32、p型キャリアストップ層33、p型スペーサ層34、回折格子層35、n型クラッド層38、およびn型コンタクト層39とを備えている。なお、これらの層の構成材料および層厚は、既述した第1実施形態のn型バッファ層11、活性層12、p型キャリアストップ層13、p型スペーサ層14、回折格子層15、n型クラッド層18、およびn型コンタクト層19と同様である。
(Second Embodiment)
The
回折格子層35は、活性層32に沿って配列された複数の領域(第1の領域)35aと、複数の領域35aの間を埋め込むように形成された領域(第2の領域)35bとを含んで構成されている。これらの領域35a,35bの構成は、第1実施形態の領域15a,15bと同様である。
The
本実施形態において、n型バッファ層31、活性層32、p型キャリアストップ層33、p型スペーサ層34、回折格子層35、n型クラッド層38、およびn型コンタクト層39は、光導波方向と交差する方向の幅が半導体基板3より狭められたメサ部44に含まれており、このメサ部44は光導波方向に延びている。光導波方向と直交する方向におけるメサ部44の幅は例えば1.5[μm]であり、メサ部44の高さは例えば3[μm]である。また、メサ部44の両側には、これらの層の両側面を埋め込む半絶縁性または絶縁性の埋込領域47が設けられている。埋込領域47は、例えばFeドープInPからなる。埋込領域47の表面には、SiO2からなる絶縁膜45が設けられている。
In this embodiment, the n-
n型コンタクト層39上には電極40が設けられており、この電極40とn型コンタクト層39とがオーミック接触を成している。また、半導体基板3の主面3aとは反対側の裏面には電極41が設けられており、この電極41と半導体基板3とがオーミック接触を成している。
An
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子1Cの作製方法について、図12及び図13を参照しながら説明する。まず、第1実施形態と同様に、半導体基板3の主面3a上に、n型バッファ層31、活性層32、p型キャリアストップ層33、p型スペーサ層34、p型半導体層36、n型半導体層37、及びカバー層を形成する。そして、n型半導体層37及びp型半導体層36に対してドライエッチングを施すことにより、回折格子層35となる複数の領域35aを形成する。その後、n型クラッド層38、n型コンタクト層39を順次成長させる(図12(a))。
Next, a manufacturing method of the
続いて、図12(b)に示すように、n型コンタクト層39からn型バッファ層31に至るまでエッチングを施すことにより、ストライプ状のメサ部44を形成する。そして、図13(a)に示すように、メサ部44の両側面を埋め込むように、露出した半導体基板3の主面3a上に埋込領域47を成長させる。この埋込領域47の表面を覆うように、SiO2からなる絶縁膜45を形成する。メサ部44の上方に位置する絶縁膜45に開口を形成し、該開口を介してn型コンタクト層39と接する電極40を蒸着し、更に電極41を半導体基板3の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜(AR膜)及び高反射膜(HR膜)をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子1Cが完成する。
Subsequently, as shown in FIG. 12B, by performing etching from the n-
以上の構成を備える半導体レーザ素子1Cにおいては、p型半導体層36及びn型半導体層37からなるトンネル接合構造が、光導波方向に周期的に配列された複数の領域35aのそれぞれに設けられており、複数の領域35aの間には、不純物濃度が複数の領域35aより低い領域35bが設けられているので、第1実施形態の半導体レーザ素子1Aと同様の作用効果を奏することができる。なお、本実施形態の半導体レーザ素子1Cにおいて領域35aのデューティ比を0.5とした場合、閾値電流値は22[mA]であり、最大光出力は17[mW]であり、閾値電流値付近での微分抵抗値は7.5[Ω]であった。
In the
本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では半導体基板及び各半導体層としてInP系化合物半導体を例示したが、他のIII−V族化合物半導体や、その他の半導体であっても本発明の構成を好適に実現できる。 The semiconductor laser device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, in each of the above embodiments, an InP-based compound semiconductor is exemplified as the semiconductor substrate and each semiconductor layer, but the configuration of the present invention can be suitably realized even with other III-V compound semiconductors and other semiconductors.
1A,1B,1C…半導体レーザ素子、3…半導体基板、11,31…n型バッファ層、12,32…活性層、13,33…p型キャリアストップ層、14,34…p型スペーサ層、15,35…回折格子層、15a,35a…(第1の)領域、15b,35b…(第2の)領域、16,36…p型半導体層、17,37…n型半導体層、18,38…n型クラッド層、19,39…n型コンタクト層、20,21,40,41…電極、24…リッジ部、25,45…絶縁膜、26…カバー層、44…メサ部、47…埋込領域。 1A, 1B, 1C ... semiconductor laser element, 3 ... semiconductor substrate, 11, 31 ... n-type buffer layer, 12, 32 ... active layer, 13, 33 ... p-type carrier stop layer, 14, 34 ... p-type spacer layer, 15, 35 ... diffraction grating layer, 15a, 35a ... (first) region, 15b, 35b ... (second) region, 16, 36 ... p-type semiconductor layer, 17, 37 ... n-type semiconductor layer, 18, 38 ... n-type cladding layer, 19, 39 ... n-type contact layer, 20, 21, 40, 41 ... electrode, 24 ... ridge portion, 25, 45 ... insulating film, 26 ... cover layer, 44 ... mesa portion, 47 ... Embedded area.
Claims (4)
第1のn型半導体クラッド領域と、
前記第1のn型半導体クラッド領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた回折格子層と、
前記回折格子層上に設けられ、光導波方向と交差する方向の幅が前記第1のn型半導体クラッド領域より狭められた第2のn型半導体クラッド領域と
を備え、
前記回折格子層が、前記所定波長に応じた周期で光導波方向に配列された複数の第1の領域と、前記複数の第1の領域の間に設けられ不純物濃度が前記複数の第1の領域より低い第2の領域とを有しており、
前記複数の第1の領域のそれぞれが、前記活性層上に設けられたp型半導体層と、前記p型半導体層上に設けられたn型半導体層とを含み、前記p型半導体層及び前記n型半導体層が互いにトンネル接合を構成することを特徴とする、半導体レーザ素子。 A semiconductor laser element that outputs laser light of a predetermined wavelength,
A first n-type semiconductor cladding region;
An active layer provided on the first n-type semiconductor cladding region;
A diffraction grating layer provided on the active layer;
A second n-type semiconductor clad region provided on the diffraction grating layer and having a width in a direction intersecting the optical waveguide direction narrower than the first n-type semiconductor clad region;
The diffraction grating layer is provided between the plurality of first regions arranged in the optical waveguide direction at a period corresponding to the predetermined wavelength, and the plurality of first regions, and the impurity concentration is the plurality of first regions. A second region lower than the region,
Each of the plurality of first regions includes a p-type semiconductor layer provided on the active layer and an n-type semiconductor layer provided on the p-type semiconductor layer, and the p-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer A semiconductor laser device, wherein the n-type semiconductor layers form a tunnel junction with each other.
前記活性層、前記回折格子層、及び前記第2のn型半導体クラッド領域の両側面を埋め込む半絶縁性または絶縁性の埋込領域を更に備え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。 A width of the active layer and the diffraction grating layer in a direction intersecting the optical waveguide direction is narrower than the first n-type semiconductor cladding region;
2. The semiconductor according to claim 1, further comprising a semi-insulating or insulating buried region filling both side surfaces of the active layer, the diffraction grating layer, and the second n-type semiconductor cladding region. Laser element.
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