JP6510803B2 - Distributed feedback semiconductor laser device - Google Patents

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Description

本発明は、分布帰還型(Distributed Feedback(DFB))の半導体レーザ素子に関する。   The present invention relates to a distributed feedback (DFB) semiconductor laser device.

従来のDFB半導体レーザ素子は、例えば、下記特許文献1及び特許文献2に記載されている。DFB半導体レーザ素子は、下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された上部クラッド層と、下部クラッド層又は上部クラッド層に設けられた回折格子層とを備えており、回折格子層により規定される波長のレーザ光が活性層から出射されるものである。   Conventional DFB semiconductor laser devices are described, for example, in the following Patent Document 1 and Patent Document 2. The DFB semiconductor laser device includes a lower cladding layer, an active layer formed on the lower cladding layer, an upper cladding layer formed on the active layer, and a diffraction grating layer provided on the lower cladding layer or the upper cladding layer. The laser beam of the wavelength defined by the diffraction grating layer is emitted from the active layer.

特許3204474号公報Patent 3204474 特許3707846号公報Patent 3707846 gazette

しかしながら、従来のDFB半導体レーザ素子は、寿命が短いという問題があり、更なる長寿命化が期待されていた。本発明は、長寿命化が可能なDFB半導体レーザ素子を提供することを目的とする。   However, the conventional DFB semiconductor laser device has a problem that the lifetime is short, and further extension of the lifetime has been expected. An object of the present invention is to provide a DFB semiconductor laser device capable of achieving long life.

当初、寿命の原因は、不明であったが、本願発明者らが鋭意検討した結果、回折格子層における共振器長に対して垂直に延びた側面の面方位を(111)B面とすることで、寿命が飛躍的に増加する現象を発見した。この場合の回折格子層における凹凸構造の頂面と底面の面方位は(100)面であった。   Initially, the cause of the life was unknown, but as a result of intensive investigations by the present inventors, the (111) B surface orientation of the side surface of the diffraction grating layer extending perpendicularly to the resonator length is So, I discovered a phenomenon that the life span increased dramatically. The plane orientation of the top and bottom surfaces of the concavo-convex structure in the diffraction grating layer in this case was the (100) plane.

本発明は、かかる知見に基づくものであり、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部クラッド層と、前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層に設けられた回折格子層と、を備え、共振器長が2000μm以上6000μm以下の分布帰還型半導体レーザ素子において、前記活性層の共振器長の方向及び厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、前記回折格子層は、閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体であるAlGaAsからなり、Alの組成は0%よりも大きく10%以下であり、前記幅方向に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、前記凹凸構造の頂面及び底面は(100)面であり、前記凹凸構造の前記幅方向に沿った側面は(111)B面であり、前記凹部内には、屈折率が異なるよう、前記回折格子層とはAl組成が異なるAlGaAsからなる前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層が埋め込まれていることを特徴とする。 The present invention is based on such findings and comprises a lower cladding layer, an active layer formed on the lower cladding layer, an upper cladding layer formed on the active layer, the lower cladding layer or the upper layer. And a diffraction grating layer provided in the cladding layer, in a distributed feedback semiconductor laser device having a cavity length of 2000 μm to 6000 μm , a direction perpendicular to both the cavity length direction and thickness direction of the active layer In the width direction, the diffraction grating layer is made of AlGaAs which is a group III-V compound semiconductor having a zinc-blende structure, the composition of Al is more than 0% and 10% or less, The top and bottom surfaces of the concavo-convex structure are (100) planes, and the side surface along the width direction of the concavo-convex structure is (1 1) a B side, the said recess, so that the refractive index is different, said diffraction grating layer and wherein the lower clad layer or the upper clad layer Al composition of different AlGaAs is embedded Do.

本発明のDFB半導体レーザ素子によれば、回折格子層の前記側面の面方位を(111)B面としたので、これを(111)A面とした場合に比較して、寿命を飛躍的に増加させることができた。   According to the DFB semiconductor laser device of the present invention, since the plane orientation of the side surface of the diffraction grating layer is (111) B plane, the life is dramatically improved compared to the case where this is the (111) A plane. It could be increased.

長寿命化の原因について考察するため、ウエハ状態における(111))B面における応力を測定したところ、これは(111)A面の応力よりも小さいことが判明した。この応力の違いが、影響していると考えられる。   The stress in the (111) B plane in the wafer state was measured to examine the cause of the long life, and it was found that this was smaller than the stress in the (111) A plane. This difference in stress is considered to be affecting.

同様の応力の関係を有する結晶構造があるため、本発明は、このような応力差がある化合物半導体材料には適用することができると考えられる。すなわち、前記III−V族化合物半導体は、As又はPを含む結晶構造を有することを特徴とする。これらの結晶構造の場合、(111)B面を使用する場合と(111)A面を使用する場合とでは、結晶内に蓄えられる応力に差が生じるため、一定の確実性で長寿命化を達成することができる。   It is believed that the present invention can be applied to compound semiconductor materials having such a difference in stress because there is a crystal structure having a similar stress relationship. That is, the group III-V compound semiconductor is characterized in having a crystal structure containing As or P. In the case of these crystal structures, the stress stored in the crystal is different between the case of using the (111) B plane and the case of using the (111) A plane. Can be achieved.

また、前記III−V族化合物半導体は、AlGaAs、InGaP、InGaAsP、又は、InAlGaAsからなることを特徴とする。これらの半導体は、良く知られており、同様に長寿命化を達成することができる。   The group III-V compound semiconductor is made of AlGaAs, InGaP, InGaAsP, or InAlGaAs. These semiconductors are well known and can likewise achieve a long life.

本発明のDFB半導体レーザ素子によれば、長寿命化が可能である。   According to the DFB semiconductor laser device of the present invention, the lifetime can be increased.

半導体レーザ装置の斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor laser device. DFB半導体レーザ素子の斜視図である。It is a perspective view of a DFB semiconductor laser element. DFB半導体レーザ素子の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a DFB semiconductor laser element. ウエハの斜視図である。It is a perspective view of a wafer. 回折格子層の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a diffraction grating layer. 面方位を説明するための図(A)及び回折格子層の斜視図(B)である。It is a figure (A) for demonstrating a surface orientation, and a perspective view (B) of a diffraction grating layer. (111)A面を側面とする回折格子層の斜視図(A)、(111)B面を側面とする回折格子層の斜視図(B)、ウエハの斜視図(C)である。It is a perspective view (A) of the diffraction grating layer which makes a side surface (111) A surface, a perspective view (B) of a diffraction grating layer which makes a side surface a (111) B surface, and a perspective view (C) of a wafer. DFB半導体レーザ素子に供給する電流(A)とレーザ光の出力(W)及び電気‐光変換効率(%)の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current (A) supplied to a DFB semiconductor laser element, the output (W) of a laser beam, and electricity-light conversion efficiency (%). DFB半導体レーザ素子の駆動時間(hour)と、レーザ光の規格化した出力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the drive time (hour) of a DFB semiconductor laser element, and the normalized output of a laser beam. 実施例及び比較例に係る近視野像の幅方向の強度分布を示すグラフ(A)、実施例に係る遠視野像の幅方向(水平方向)の強度分布を示すグラフ(B)、比較例に係る遠視野像の幅方向(水平方向)の強度分布を示すグラフ(C)である。Graph (A) showing the intensity distribution in the width direction of the near-field image according to the embodiment and the comparative example, graph (B) showing the intensity distribution in the width direction (horizontal direction) of the far-field image according to the embodiment It is a graph (C) which shows intensity distribution of the width direction (horizontal direction) of the far-field pattern which concerns. 実施例及び比較例に係る幅方向の出射角に対する偏光比を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization ratio to the radiation angle of the width direction concerning an example and a comparative example.

以下、実施の形態に係る分布帰還型(Distributed Feedback(DFB))半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, a distributed feedback (DFB) semiconductor laser device according to the embodiment will be described. In addition, suppose that the same code | symbol is used for the same element, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、半導体レーザ装置の斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor laser device.

半導体レーザ装置100は、上面に段差を有するベース30と、ベース30の下段面上に固定されたサブマウント20と、サブマウント20上に導電性のペースト等で下面が固定されたDFB半導体レーザ素子(以下、半導体レーザ素子10)とを備えている。ベース30の上段面と、半導体レーザ素子10の上部電極E1との間には、複数のワイヤWが接続されている。ベース30は、上段面導体部材31と下段面導体部材32とからなり、上段面導体部材31と下段面導体部材32との間には、セラミックの絶縁体が設けられている。   The semiconductor laser device 100 includes a base 30 having a step on the upper surface, a submount 20 fixed on the lower surface of the base 30, and a DFB semiconductor laser device whose lower surface is fixed on the submount 20 with conductive paste or the like. (Hereinafter, the semiconductor laser device 10). A plurality of wires W are connected between the upper end surface of the base 30 and the upper electrode E1 of the semiconductor laser device 10. The base 30 is composed of an upper surface conductor 31 and a lower surface conductor 32, and a ceramic insulator is provided between the upper surface conductive member 31 and the lower surface conductive member 32.

共振器長の方向は、[011]であり、共振器長を規定する上部電極E1の長さは4mm、上部電極E1の幅(発光幅)は100μmである。なお、半導体レーザ素子10の厚み方向を[100]とし、[011]及び[100]の双方に垂直な方向を[01−1]とする。   The direction of the resonator length is [011], the length of the upper electrode E1 defining the resonator length is 4 mm, and the width (emission width) of the upper electrode E1 is 100 μm. The thickness direction of the semiconductor laser device 10 is [100], and the direction perpendicular to both [011] and [100] is [01-1].

図2は、半導体レーザ素子の斜視図である。   FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor laser device.

半導体レーザ素子10は、基板1と、基板1上に形成された下部クラッド層2と、下部クラッド層2上に形成された活性層3と、活性層3上に形成された上部クラッド層4(4a,4b)と、上部クラッド層4に設けられた回折格子層GRと、上部クラッド層4上に形成されたコンタクト層5と、コンタクト層5上に形成された上部電極E1とを備えている。なお、基板1の下面には、銀などの導電性ペーストなどで下部電極が形成される。   The semiconductor laser device 10 includes a substrate 1, a lower cladding layer 2 formed on the substrate 1, an active layer 3 formed on the lower cladding layer 2, and an upper cladding layer 4 formed on the active layer 3 ( 4a, 4b), a diffraction grating layer GR provided in the upper cladding layer 4, a contact layer 5 formed on the upper cladding layer 4, and an upper electrode E1 formed on the contact layer 5 . A lower electrode is formed on the lower surface of the substrate 1 with a conductive paste such as silver.

上部クラッド層4は、第1上部クラッド層4aと、第2上部クラッド層4bとからなり、回折格子層GRは、これらの間に挟まれている。回折格子層GRは、ストライプ状の凹凸構造を備えており、第2上部クラッド層4bは、凹凸構造の凹部内に埋め込まれる。上部クラッド層4と、回折格子層GRとは、屈折率が異なっており、共振器長方向に沿って、屈折率の異なる領域が交互に存在することとなる。   The upper cladding layer 4 is composed of a first upper cladding layer 4a and a second upper cladding layer 4b, and the diffraction grating layer GR is sandwiched between them. The diffraction grating layer GR has a stripe-shaped concavo-convex structure, and the second upper cladding layer 4b is embedded in the concave part of the concavo-convex structure. The upper cladding layer 4 and the diffraction grating layer GR have different refractive indexes, and regions with different refractive indexes are alternately present along the cavity length direction.

また、回折格子層GRは、上部クラッド層4に設けたのと同様に、下部クラッド層2に設けることとしてもよい。これらのクラッド層は上下を反転すれば、等価だからである。なお、上部クラッド層と下部クラッド層とでは、導電型が異なる。下部クラッド層2に回折格子層を設ける場合、下部クラッド層2は、上部クラッド層4と同様に2つに分割することができる。なお、同図では、XYZ三次元直交座標権も示されている。YZ平面は、[011]と[01-1]とからなる平面内において存在しており、Y軸は[011]から[01-1]へ向けて45°回転した位置にあり、Z軸はY軸と直交している。また、X軸は、Y軸及びZ軸の双方に垂直であり、[100]に一致する。   The diffraction grating layer GR may be provided in the lower cladding layer 2 in the same manner as in the upper cladding layer 4. These cladding layers are equivalent if they are turned upside down. The conductivity type differs between the upper cladding layer and the lower cladding layer. When the lower cladding layer 2 is provided with the diffraction grating layer, the lower cladding layer 2 can be divided into two in the same manner as the upper cladding layer 4. Note that, in the same drawing, XYZ three-dimensional orthogonal coordinate rights are also shown. The YZ plane exists in the plane consisting of [011] and [01-1], the Y axis is at a position rotated 45 degrees from [011] to [01-1], and the Z axis is It is orthogonal to the Y axis. Also, the X-axis is perpendicular to both the Y-axis and the Z-axis and coincides with [100].

図3は、半導体レーザ素子の縦断面図である。   FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a semiconductor laser device.

この図は、より詳細な構造を示しており、半導体レーザ素子10は、活性層3と下部クラッド層2との間に第1光ガイド層3G1を備えており、活性層3と第1上部クラッド層4aとの間に第2光ガイド層3G2を備えている。なお、同図では、基板1の裏面側に下部電極E2を示してある。   This figure shows a more detailed structure, and the semiconductor laser device 10 is provided with a first light guide layer 3G1 between the active layer 3 and the lower cladding layer 2, and the active layer 3 and the first upper cladding A second light guide layer 3G2 is provided between it and the layer 4a. In the same drawing, the lower electrode E2 is shown on the back surface side of the substrate 1.

各層の材料、導電型及び厚みは、以下の通りである。

Figure 0006510803
The material, conductivity type and thickness of each layer are as follows.
Figure 0006510803

なお、不純物濃度の好適範囲は、上記濃度の1/10倍〜10倍であり、各層の厚みは、例示的には、±50%程度の誤差を含んだ場合においても、動作し、この場合にも、レーザ光が十分に発光する。また、回折格子層におけるAlの組成は、0%よりも大きく10%以下であることが好ましい。なぜならば、回折格子作製工程において当該面は一旦大気曝露され、活性の高いAlが10%より多く含まれる場合、著しい自然酸化によるデバイス特性悪化が誘発されるためである。Alが含まれた場合には、再成長の加熱過程における、回折格子の形状変化が抑制されるという利点がある。   The preferred range of the impurity concentration is 1/10 to 10 times the above concentration, and the thickness of each layer operates as an example even when an error of about ± 50% is included, in this case. Also, the laser light is sufficiently emitted. Further, the composition of Al in the diffraction grating layer is preferably more than 0% and 10% or less. This is because the surface is exposed to the air once in the diffraction grating manufacturing process, and if the active Al is contained in an amount of more than 10%, significant deterioration of the device characteristics due to natural oxidation is induced. When Al is contained, there is an advantage that the shape change of the diffraction grating is suppressed in the heating process of regrowth.

また、第2光ガイド層3G2と活性層3との間には別の光ガイド層を挿入することができる。第1光ガイド層3G1と活性層3との間には別の光ガイド層を挿入することができる。全ての光ガイド層は、活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きく設定されるが、活性層に近い方の光ガイド層のエネルギーバンドギャップは、遠い方よりも小さく設定される(すなわち、Al組成比が小さい)。   In addition, another light guide layer can be inserted between the second light guide layer 3G2 and the active layer 3. Another light guide layer can be inserted between the first light guide layer 3G1 and the active layer 3. The energy band gap of all the light guide layers is set larger than that of the active layer, but the energy band gap of the light guide layer closer to the active layer is set smaller than that of the far side (ie, the Al composition ratio Is small).

なお、各層におけるAl組成について詳説すれば、クラッド層のAl組成は、回折格子層のAl組成とは異なり、屈折率が異なる。AlGaAsにおいては、Alの組成比が高いほど、エネルギーバンドギャップは大きくなり、屈折率は小さくなる。クラッド層におけるAl組成は、例えば、P側45%、N側35%に設定され、活性層に近い方の光ガイド層のAl組成は、例えば、共に15%に設定され、活性層から遠い方の光ガイド層3G1,3G2のAl組成は、例えば、共に25%に設定される。回折格子層以外の各層のAl組成比は、±5%の誤差を含んでも動作することができる。   In addition, if the Al composition in each layer is described in detail, the Al composition of the cladding layer is different from the Al composition of the diffraction grating layer, and the refractive index is different. In AlGaAs, the higher the composition ratio of Al, the larger the energy band gap and the smaller the refractive index. The Al composition in the cladding layer is set to, for example, 45% on the P side and 35% on the N side, and the Al composition in the light guide layer closer to the active layer is set to, for example, 15%. The Al composition of the light guide layers 3G1 and 3G2 is set, for example, to 25%. The Al composition ratio of each layer other than the diffraction grating layer can operate even with an error of ± 5%.

なお、形成方法は、MOCVD(有機金属気相成長)法を用いることができる。Alを含む場合はTMA(トリメチルアルミニウム)、Gaを含む場合はTMG(トリメチルガリウム)、Asを含む場合にはアルシンを原料として用いることができる。AlGaAsの成長温度は700℃前後であり、これらの材料の成長方法は良く知られている。   Note that as a formation method, an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method can be used. When Al is contained, TMA (trimethylaluminum) can be used, when it contains Ga, TMG (trimethylgallium) can be used as a raw material when containing As. The growth temperature of AlGaAs is around 700 ° C., and the growth method of these materials is well known.

図4は、ウエハの斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view of the wafer.

上述の半導体レーザの構造を半導体のウエハWFと対比すると、ウエハの表面は(100)面であって、これに垂直に[100]方向があり、オリエンテーションフラットOFの面に垂直な方向に[011]方向が延びており、[100]及び[011]の双方に垂直な幅方向に[01-1]が延びている。回折格子は、ストライプ状に加工されているが、各ストライプの凸部の長手方向は、[01-1]方向に一致している。   Comparing the above-described semiconductor laser structure with the semiconductor wafer WF, the surface of the wafer is the (100) plane, with the [100] direction perpendicular to it and the [011] in the direction perpendicular to the plane of the orientation flat OF. [01-1] extends in a width direction perpendicular to both [100] and [011]. The diffraction grating is processed in a stripe shape, but the longitudinal direction of the convex portion of each stripe coincides with the [01-1] direction.

図5は、回折格子層GRの縦断面図である。これは、共振器長と厚み方向を含む平面で回折格子層GRを切った断面である。   FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the diffraction grating layer GR. This is a cross section obtained by cutting the diffraction grating layer GR in a plane including the resonator length and the thickness direction.

回折格子層GRは、複数の凸部及び凹部を備える凹凸構造を有しており、凸部の頂面及び凹部の底面は、共に(100)面である。また、凸部の側面は斜面であって、(111)B面からなる。   The diffraction grating layer GR has a concavo-convex structure including a plurality of protrusions and recesses, and both the top surface of the protrusions and the bottom of the recess are (100) planes. Further, the side surface of the convex portion is a slope and is formed of a (111) B surface.

このように回折格子層GRは、閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、幅方向[01-1]に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、凹凸構造の頂面及び底面は(100)面であり、凹凸構造の幅方向[01-1]に沿った側面は(111)B面である、なお、凹凸構造は、エッチングによって形成することができるが、エッチングによって凹部が回折格子層を構成するAlGaAs層の底面に到達しないようにする。   As described above, the diffraction grating layer GR is formed of a zinc-zinc-type III-V compound semiconductor, and has a concavo-convex structure including a plurality of convex portions and concave portions extending along the width direction [01-1]. The top and bottom surfaces of the uneven structure are (100) planes, and the side surfaces along the width direction [01-1] of the uneven structure are (111) B planes. Note that the uneven structures are formed by etching. However, etching does not allow the recess to reach the bottom of the AlGaAs layer constituting the diffraction grating layer.

図6は、面方位を説明するための図(A)及び回折格子層の斜視図(B)である。   FIG. 6 is a diagram (A) for explaining plane orientation and a perspective view (B) of a diffraction grating layer.

(111)B面は、XYZ直交座標系において、軸上に頂点を有する四角錐を描いた場合には、+Y軸の正の位置、+Z軸の正の位置、+X軸の正の位置を通る面であり、(1−1−1)B面がこれに対向する。四角錐の残りの対向側面が(111)A面と(11−1)A面になる。したがって、同図(B)のように、回折格子層GRは、側面が(111)B面を含むことになる。   The (111) B plane passes through the positive position of + Y axis, the positive position of + Z axis, and the positive position of + X axis when drawing a quadrangular pyramid having an apex on the axis in the XYZ orthogonal coordinate system. It is a surface, and the (1-1-1) B surface faces this. The remaining opposite side faces of the quadrangular pyramid become the (111) A plane and the (11-1) A plane. Therefore, as shown in FIG. 6B, the side of the diffraction grating layer GR includes the (111) B plane.

図7は、(111)A面を側面とする回折格子層の斜視図(A)、(111)B面を側面とする回折格子層の斜視図(B)、ウエハの斜視図(C)である。   FIG. 7 is a perspective view (A) of the diffraction grating layer with the side surface of (111) A, a perspective view of the diffraction grating layer with side surface of (111) B (B), and a perspective view of the wafer (C). is there.

上述のように、実施例に係る回折格子層の側面は(111)B面である(図7(B))。一方、比較例として側面を(111)A面とした場合を、図7(A)に示す。比較例の場合、光出射面の反りが、実施例の場合よりも反りが大きくなる(Y方向の反り<Z方向の反り)。この場合、ストライプに平行な光出射面において、比較例においては、大きな応力が発生する。かかる応力が原因となって、半導体レーザ素子の寿命を短くしているものと考えられる。なお、A面とはIII族原子のみ露出面であり、B面とはV族原子のみ露出面と定義される。   As described above, the side surface of the diffraction grating layer according to the example is the (111) B plane (FIG. 7 (B)). On the other hand, FIG. 7A shows the case where the side surface is a (111) A surface as a comparative example. In the case of the comparative example, the warpage of the light emitting surface is larger than that of the example (warping in the Y direction <warping in the Z direction). In this case, a large stress is generated in the light emitting surface parallel to the stripes in the comparative example. It is considered that the stress causes the lifetime of the semiconductor laser device to be shortened. The A plane is an exposed surface of only the group III atoms, and the B surface is defined as an exposed surface of only the V group atoms.

図8は、半導体レーザ素子に供給する電流(A)とレーザ光の出力(W)及び電気‐光変換効率(%)の関係を示すグラフである。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the current (A) supplied to the semiconductor laser element, the output (W) of the laser light, and the electro-optical conversion efficiency (%).

同図に示すように、同一の電流に対する光出力は、比較例よりも実施例の方が高かった。また、電気‐光変換効率も、実施例の方が、比較例よりも高かった。   As shown in the figure, the light output for the same current was higher in the example than in the comparative example. In addition, the electricity-light conversion efficiency was also higher in the example than in the comparative example.

図9は、半導体レーザ素子の駆動時間(hour)と、レーザ光の規格化した出力との関係を示すグラフであり、(A)は比較例の場合のデータを示し、(B)は実施例の場合のデータを示している。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the driving time (hour) of the semiconductor laser device and the normalized output of the laser light, (A) shows data in the case of the comparative example, and (B) shows an example Shows the data for.

実験に用いたレーザ素子数は、比較例において4つ、実施例において4つであり、測定時の温度は、ペルチェ素子により、レーザ素子の温度T=25℃に固定される。測定においては、初期値(時間t=0)において、光出力が5Wとなるように、各素子に供給する駆動電流を調整する。この時の駆動電流は、CW(直流)であり、4.5A±0.2Aである。各レーザ素子の駆動電流を、初期値の状態と同一にして連続駆動した場合、光出力は、比較例(A)においては、時間と共に低下している。しかしながら、同図に示すように、実施例(B)の場合、光出力の大きな低下(急激な低下)は、認められない。このように、実施例の場合、寿命が、比較例よりも飛躍的に増加している。   The number of laser elements used in the experiment is four in the comparative example and four in the example, and the temperature at the time of measurement is fixed at the temperature T = 25 ° C. of the laser element by the Peltier element. In the measurement, the drive current supplied to each element is adjusted so that the light output is 5 W at the initial value (time t = 0). The drive current at this time is CW (direct current), which is 4.5A ± 0.2A. When the drive current of each laser element is continuously driven with the initial value state, the light output decreases with time in the comparative example (A). However, as shown in the figure, in the case of the example (B), a large drop (a sharp drop) in light output is not recognized. Thus, in the case of the example, the life is dramatically increased compared to the comparative example.

図10は、実施例及び比較例に係る近視野像の幅方向の強度分布を示すグラフ(A)、実施例に係る遠視野像の幅方向(水平方向)の強度分布を示すグラフ(B)、比較例に係る遠視野像の幅方向(水平方向)の強度分布を示すグラフ(C)である。なお、グラフ(B)及び(C)においては、駆動電流I=1A〜6Aに変化させた。   FIG. 10 is a graph (A) showing the intensity distribution of the near-field images in the width direction according to the example and the comparative example (A), and a graph showing the intensity distribution in the width direction (horizontal direction) of the far-field image according to the example It is a graph (C) which shows intensity distribution of the cross direction (horizontal direction) of the far-field pattern which concerns on a comparative example. In the graphs (B) and (C), the drive current I was changed to 1A to 6A.

測定温度は25℃であり、上記と同様に、連続発光を行った場合のデータである。駆動電流I=6Aである。実施例と比較して、比較例の方が、近視野像及び遠視野像の双方において、強度のバラつきが大きいことがわかる。遠視野像から、いずれの駆動電流においても、実施例の方が比較例よりも、集光特性が向上していることがわかる。   The measurement temperature is 25 ° C., and as in the above, it is data in the case of continuous light emission. The drive current I = 6A. As compared with the example, it is understood that the variation of the intensity is larger in both the near-field image and the far-field image in the comparative example. From the far-field patterns, it can be seen that the light-gathering characteristics of the example are improved as compared with the comparative example at any drive current.

図11は、実施例及び比較例に係る幅方向の出射角に対する偏光比を示すグラフである。測定温度は25℃、光出力は100mWである。実施例の場合の偏光比は角度が0度の近傍において、18倍であったが、比較例の場合には偏光比は9倍であった。したがって、実施例の方が、偏光比の側面からも優れていることがわかる。   FIG. 11 is a graph showing the polarization ratio with respect to the outgoing angle in the width direction according to the example and the comparative example. The measurement temperature is 25 ° C., and the light output is 100 mW. The polarization ratio in the case of the example was 18 times in the vicinity of the angle of 0 degrees, but in the case of the comparative example, the polarization ratio was 9 times. Therefore, it is understood that the embodiment is also superior in terms of the polarization ratio.

以上、説明したように、上述の実施形態に係るDFB半導体レーザ素子は、下部クラッド層2と、下部クラッド層2上に形成された活性層3と、活性層3上に形成された上部クラッド層4と、下部クラッド層2又は上部クラッド層4に設けられた回折格子層GRと、を備える分布帰還型半導体レーザ素子において、活性層3の共振器長の方向及び厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向[00-1]とした場合、回折格子層GRは、閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体からなり、幅方向[00-1]に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、凹凸構造の頂面及び底面は(100)面であり、凹凸構造の前記幅方向に沿った側面は(111)B面である。   As described above, in the DFB semiconductor laser device according to the above-described embodiment, the lower cladding layer 2, the active layer 3 formed on the lower cladding layer 2, and the upper cladding layer formed on the active layer 3 In a distributed Bragg reflector semiconductor laser device including the fourth embodiment 4 and the diffraction grating layer GR provided in the lower cladding layer 2 or the upper cladding layer 4, a direction perpendicular to both the cavity length direction and the thickness direction of the active layer 3 And the grating layer GR is made of a Group III-V compound semiconductor having a zinc blende structure, and has a plurality of convex portions extending along the width direction [00-1], The top and bottom surfaces of the concavo-convex structure are (100) planes, and the side surfaces along the width direction of the concavo-convex structure are (111) B planes.

上述のDFB半導体レーザ素子によれば、回折格子層GRの側面の面方位を(111)B面としたので、これを(111)A面とした場合に比較して、寿命を飛躍的に増加させることができた。   According to the above-described DFB semiconductor laser device, since the plane orientation of the side surface of the diffraction grating layer GR is set to the (111) B plane, the life is dramatically increased as compared to the case where this is set to the (111) A plane. I was able to

また、長寿命化の原因について考察するため、(111)B面を回折格子として利用する場合のウエハ状態における応力を測定したところ、これは(111)A面を利用する場合よりも小さいことが判明した。この応力の違いが、影響していると考えられる。本発明は、このような応力差がある化合物半導体材料には適用することができると考えられる。すなわち、III−V族化合物半導体は、As又はPを含むDFB結晶構造を有し、これらのDFB結晶構造の場合、(111)B面利用と(111)A面利用とでは、応力差があるため、一定の確実性で長寿命化を達成することができる。   Also, in order to consider the cause of the long life, the stress in the wafer state when using the (111) B plane as a diffraction grating was measured, which is smaller than that when using the (111) A plane. found. This difference in stress is considered to be affecting. The present invention is considered to be applicable to compound semiconductor materials having such a difference in stress. That is, the group III-V compound semiconductor has a DFB crystal structure containing As or P, and in the case of these DFB crystal structures, there is a stress difference between (111) B plane utilization and (111) A plane utilization. Therefore, the long life can be achieved with a certain degree of certainty.

また、回折格子層を構成するIII−V族化合物半導体は、AlGaAs、InGaP、InGaAsP、又は、InAlGaAsを用いることができる。これらの半導体は、良く知られており、同様に長寿命化を達成することができる。なお、共振器長の大きなブロードエリア型レーザは発光幅が広いため、応力の影響を受けやすいため、上述の構造は、特に有効である。有効な共振器長の範囲は2000μm以上6000μm以下である。   In addition, AlGaAs, InGaP, InGaAsP, or InAlGaAs can be used as the III-V group compound semiconductor forming the diffraction grating layer. These semiconductors are well known and can likewise achieve a long life. The above-described structure is particularly effective because a broad area type laser having a large resonator length is easily influenced by stress because the emission width is wide. The range of effective resonator length is 2000 μm or more and 6000 μm or less.

1…基板、2…下部クラッド層、3…活性層、4…上部クラッド層、5…コンタクト層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... board | substrate, 2 ... lower clad layer, 3 ... active layer, 4 ... upper clad layer, 5 ... contact layer.

Claims (1)

下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された上部クラッド層と、
前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層に設けられた回折格子層と、
を備え、共振器長が2000μm以上6000μm以下の分布帰還型半導体レーザ素子において、
前記活性層の共振器長の方向及び厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、
前記回折格子層は、
閃亜鉛鉱型構造のIII−V族化合物半導体であるAlGaAsからなり、
Alの組成は0%よりも大きく10%以下であり、
前記幅方向に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、
前記凹凸構造の頂面及び底面は(100)面であり、
前記凹凸構造の前記幅方向に沿った側面は(111)B面であり、
前記凹部内には、屈折率が異なるよう、前記回折格子層とはAl組成が異なるAlGaAsからなる前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層が埋め込まれている、
ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
Lower cladding layer,
An active layer formed on the lower cladding layer;
An upper cladding layer formed on the active layer;
A diffraction grating layer provided on the lower cladding layer or the upper cladding layer;
In a distributed feedback semiconductor laser device having a resonator length of 2000 μm to 6000 μm ,
When the direction perpendicular to both the direction of the resonator length of the active layer and the thickness direction is the width direction,
The grating layer is
It is made of AlGaAs which is a group III-V compound semiconductor of zinc blende structure,
The composition of Al is more than 0% and 10% or less,
It has a concavo-convex structure consisting of a plurality of projections and recesses extending along the width direction,
The top and bottom surfaces of the uneven structure are (100) faces,
The side surface along the width direction of the concavo-convex structure is a (111) B surface,
The lower cladding layer or the upper cladding layer made of AlGaAs having a different Al composition from the diffraction grating layer is embedded in the recess so that the refractive index is different.
A distributed feedback semiconductor laser device characterized in that
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