JP6034777B2

JP6034777B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP6034777B2
Application number: JP2013259596A
Authority: JP
Inventors: 昌和荒井; 亮中尾; 吉村　了行; 了行吉村; 神徳　正樹; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-12-16
Also published as: JP2015118961A

Description

本発明は、特にガスセンシング用光源のレーザとして、これまで到達不可能であった長波長領域の発光と、少ない駆動電流変化で大きな波長変化量を有する光半導体レーザの実現を可能にする、半導体層を配置した構造を用いた半導体レーザに関するものである。

メタン、一酸化炭素、二酸化炭素などの多くのガスは、その分子の振動エネルギーに対応した波長１．６μｍ〜２．４μｍの波長帯に狭いスペクトル幅の吸収を有しており、それらのガスのセンシングには、ＩｎＰ基板上の長波長帯レーザが用いられてきた。ＩｎＰ基板上のレーザでは、１．６μｍ帯付近では材料としてＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどが用いられ、それより長波長ではＩｎＧａＡｓが用いられ、さらに２．０μｍ帯以上ではＩｎＡｓ量子井戸が用いられてきた。

ガスセンシング用途のレーザには、狭い発振波長線幅と広い掃引幅とが要求されており、そのために光ファイバを用いた高速通信用の分布帰還型半導体レーザ光源を用いられてきた。その際に、半導体レーザの発振波長をガスの吸収線に合わせたり、吸収線の前後を掃引するために、注入電流を変化させて内部のジュール熱による屈折率変化による波長の変化を用いたり、ペルチェなどの温度調節器による環境温度変化による波長変化を用いてきた。

特開２００８−２２７３２９号公報

これまで、ＩｎＰ基板上の半導体レーザで２．０μｍ以上の波長帯に吸収を有するガスセンシングのために発振波長を長波長化するには、ＩｎＡｓを用いた歪の大きい量子井戸のレーザが用いられてきた。しかしながら、半導体レーザの発振波長が２．０μｍ以上では量子井戸の歪が臨界膜厚を迎えるため、実現が困難であり、発振波長が２．３μｍ以上では実現が不可能であった。

また、ＩｎＰ基板上の半導体レーザをガスセンシングに用いる際に、当該半導体レーザでは、注入電流を変化させてその際の自己発熱が変化することで回折格子を形成する部分の屈折率が変化し、分布帰還型半導体レーザの共振波長が変化する効果を用いている。しかしながら、ＩｎＰ基板上の半導体レーザでは、その際の半導体レーザの波長変化量が小さいため、複数の吸収線を一度に掃引したい場合などは、注入電流変化だけでは必要な掃引幅がとれないという課題があった。また、ＩｎＰ基板上の半導体レーザでは、その波長掃引幅を広げるために、ペルチェなどによる外部の温度調節器を用いることにより活性層付近を温度上昇させる方法を用いるが、電力量が大きくなってしまうことや、調節に時間がかかるという問題があった。

本発明では、以上のような課題を解決するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の半導体レーザは、ＩｎＰ基板と、前記ＩｎＰ基板上に積層され、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＧａＡｌＡｓで構成された歪緩和層と、前記歪緩和層上に積層された下部クラッド層と、活性層を含む量子井戸層と、前記量子井戸層上に積層された上部クラッド層とを備え、前記歪緩和層は、臨界膜厚を超える厚さを有し、前記ＩｎＰ基板よりも格子定数が大きく、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたことを特徴とする。

請求項２に記載の半導体レーザは、請求項１に記載の半導体レーザであって、前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ及びＩｎＡｓのいずれかで構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の半導体レーザは、請求項１又は２に記載の半導体レーザであって、前記半導体レーザは、発振波長が２．０〜３．０μｍであることを特徴とする。

本発明によれば、ＩｎＰ基板上に形成した長波長帯半導体レーザにＩｎＡｌＡｓからなる歪緩和層を導入し、またクラッド層にＩｎＡｌＡｓを導入することで、２．０μｍを超える長波長領域においても少ない注入電流で効果的に波長掃幅を広げることができ、外部の温度調節器無しでも低消費電力で高性能なガスセンシング用レーザの実現が可能となる。

本発明の実施例１に係る半導体偏波制御素子の断面図である。従来の半導体レーザを用いて電流を１００ｍＡ流した場合の活性層からクラッド層下部までの基板積層方向の温度分布を示す図である。本発明の実施例に係る半導体レーザを用いて電流を１００ｍＡ流した場合の活性層からクラッド層下部までの基板積層方向の温度分布を示す図である。

上記課題を解決するため、数多くの実験的検討を行った結果、本発明者らは、半導体レーザの発振波長を大きくするために、臨界膜厚を超える厚さまで成長させて意図的に転位を導入した歪緩和層をＩｎＡｌＡｓで作製して、この歪緩和層より上部の層への貫通転位等を低減し、当該上部の層の格子定数を大きくした。それにより、２．０乃至３．０μｍ帯をカバーできる発振波長を有するＩｎＡｓ量子井戸層を作製した。

歪緩和層の材料としては、ＩｎＡｌＡｓの他にもＩｎＧａＡｓが考えられるが、ＩｎＧａＡｓでは歪緩和層の屈折率がクラッド層の屈折率より高く、光の導波路として見たときに歪緩和層を伝搬するモードが発生し、大きな損失になってしまう。

また、クラッド層の材料として従来から使用されるＩｎＰは熱伝導率が高いため、注入電流による活性層の温度変化が小さいということを見出した。そこで、熱伝導率が低いＩｎＡｌＡｓをクラッド層に用いることにより、少ない注入電流でも効果的に活性層の温度が上昇するため波長掃引幅の拡大が可能となることを見出し、この知見に基づいて本発明に至ったものである。

ＩｎＰの熱伝導率とＩｎＡｌＡｓの熱伝導率はそれぞれ６８（Ｗ／Ｋ・ｍ）と４．５（Ｗ／Ｋ・ｍ）であり、大きな差がある。これにより、注入された電力により効率的に温度上昇することができ、従来不可能であった長波長帯領域において波長掃引幅を広げることが可能となる。

（実施例）
図１は、本発明の実施例に係る半導体レーザの層構造を示す図である。図１には、ｎ型にドープしたＩｎＰ基板１０２と、ＩｎＰ基板１０２の底面に形成されたｎ型電極１０１と、ＩｎＰ基板１０２の上面に積層され、ｎ型にドープされたＩｎＡｌＡｓで構成された歪緩和層１０３と、歪緩和層１０３上に積層され、ｎ型にドープされた下部クラッド層１０４と、下部クラッド層１０４上に積層され、圧縮歪のＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層からなる多重量子井戸構造を有する量子井戸層１０５と、量子井戸層１０５上に積層され、ｐ型にドープされた上部クラッド層１０７と、量子井戸層１０５上に積層され、上部クラッド層１０７の両側面を覆うように形成されたポリイミド埋め込み層１０６と、上部クラッド層１０７上に積層され、ｐ型にドープされたコンタクト層１０８と、コンタクト層１０８上に形成されたｐ型電極１０９とを備えた半導体レーザ１００が示されている。

本発明の実施例に係る半導体レーザ１００では、活性層となる量子井戸層１０５を下部クラッド層１０４及び上部クラッド層１０７で挟んだダブルへテロレーザ構造が構成されている。半導体レーザ１００における各層の成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて行うことができる。以下、本発明の実施例１に係る半導体レーザ１００の製造方法を説明する。

ＩｎＰ基板１０２上に、Ｓｉを１×１０^１８（ｃｍ^−３）ドープしたｎ−ＩｎＡｌＡｓで構成された歪緩和層１０３を成長する。この歪緩和層１０３はＩｎＰ基板１０２よりも格子定数が大きく、臨界膜厚を超える厚さまで成長することで、格子不整合に起因する転位が発生している。成長温度などの成長条件を最適化することにより、薄い層に転位を集中させ、転位網を形成し、上部の層への貫通転位や表面ラフネスを低減させている。

歪緩和層１０３上に、厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＡｌＡｓで構成された下部クラッド層１０４を成長する。次に、下部クラッド層１０４上に量子井戸層１０５を成長する。この量子井戸層１０５は、ＩｎＰ基板１０２よりも格子定数が大きい。量子井戸層１０５上にＩｎＧａＡｓＰ層を成長して回折格子（図１では不図示）を作製後、さらにｐ−ＩｎＡｌＡｓで構成された上部クラッド層１０７を１．５μｍの厚さに成長し、上部クラッド層１０７上にｐ型に２×１０^１９（ｃｍ^−３）ドープした厚さ３００ｎｍのＩｎＧａＡｓで構成されたコンタクト層１０８を成長する。下部クラッド層１０４及び上部クラッド層１０７はＩｎＰ基板１０２よりも格子定数が大きく、歪緩和層１０３上部の擬似的な基板の格子定数に整合させている。

コンタクト層１０８上にＳｉＯ_２層を堆積し、さらにフォトリソグラフィによってストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングにより幅１．７μｍのメサストライプを形成する。この両脇をＳｉＯ_２とポリイミドで埋め込んでポリイミド埋め込み層１０６を形成し、ＩｎＰ基板１０２を研磨後に上下にｎ型電極１０１及びｐ型電極１０９をそれぞれ形成し、リッジレーザへ加工する。共振器長を３００μｍになるようにへき開し、光出射する側は低反射率コーティングを施し、反対側の面には９０％程度の高反射率が得られるコーティングを施す。

図２は、歪緩和層がなく、ＩｎＰクラッドを用いた従来の半導体レーザにおける、一次元モデルでの１００ｍＡ注入時の活性層からクラッド層までの基板積層方向の温度分布を示している。図２に示すように、従来の半導体レーザにおいては、クラッド層から活性層まで約２３℃の温度上昇があった。

図３は、本実施例に係る半導体レーザ１００における、一次元モデルでの１００ｍＡ注入時の活性層からクラッド層までの基板積層方向の温度分布を示している。従来の半導体レーザの温度上昇が約２３℃であったのに対し、図３に示すように本実施例に係る半導体レーザ１００を用いた場合ではクラッド層から活性層までの温度上昇は１００℃であり、その差は７７℃であった。本実施例に係る半導体レーザ１００によると、従来と比較して最大約８ｎｍの波長掃引幅の拡大が可能となる。半導体レーザ１００の発振波長は、歪緩和層１０３の組成にもよるが、たとえば量子井戸層１０５の厚さを３から１０ｎｍに設計することにより２．０乃至３．０μｍ帯をカバーすることができる。また、半導体レーザ１００における波長の変化量は、必要な光出力や電流の可変幅により調整可能である。

以上のように、本実施例に係る半導体レーザ１００によると、外部の温度調節器無しでも波長掃引幅を拡大できるため、消費電力の低減や掃引の高速化が可能になる。

なお、実施例に係る半導体レーザでは、下部クラッド層１０４及び上部クラッド層１０７を構成する材料としてＩｎＡｌＡｓを用いたが、ＩｎＧａＡｌＡｓを用いることも可能である。また、量子井戸の材料として、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ及びＩｎＡｓのいずれかを用いることができる。

半導体レーザ１００
ｎ型電極１０１
ＩｎＰ基板１０２
歪緩和層１０３
下部クラッド層１０４
量子井戸層１０５
ポリイミド埋め込み層１０６
上部クラッド層１０７
コンタクト層１０８
ｐ型電極１０９

Claims

ＩｎＰ基板と、
前記ＩｎＰ基板上に積層され、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＧａＡｌＡｓで構成された歪緩和層と、
前記歪緩和層上に積層された下部クラッド層と、
活性層を含む量子井戸層と、
前記量子井戸層上に積層された上部クラッド層と
を備え、
前記歪緩和層は、臨界膜厚を超える厚さを有し、前記ＩｎＰ基板よりも格子定数が大きく、
前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層は、ＩｎＡｌＡｓ又はＩｎＧａＡｌＡｓで構成されたことを特徴とする半導体レーザ。
前記量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ及びＩｎＡｓのいずれかで構成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記半導体レーザは、発振波長が２．０〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。