JPH09260766A

JPH09260766A - 半導体レーザおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH09260766A
Application number: JP6235396A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Otsuka; 信之大塚; Jiyun Odani; 順雄谷; Masahiro Kito; 雅弘鬼頭; Masato Ishino; 正人石野; Yasushi Matsui; 康松井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】狭線幅の半導体レーザを提供する。【解決手段】 InP基板1上に積層された障壁層５の導波
路層６と接する部分に、導波路層６と同一導電型のドー
ピングを実施する。これにより、電流の注入効率を増大
して、高出力化を実現する。また、埋込層のキャリア濃
度を低減するとともに、井戸層数を低減して、内部損失
を減少し、狭線幅化を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、狭線幅半導体レー
ザと高出力高効率半導体レーザと、それらの製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりInGaAsP(1.13＜Ｅｇ＜1.30）
で、また障壁層がInGaAsP(1.04＜Ｅｇ＜1.20）で構成さ
れている歪量子井戸レーザがある。このレーザの活性層
構造を図11に示す（参考文献：大塚他、1995年電子情報
通信学会総合大会C-338）。

【０００３】従来のレーザ構造は、井戸層数は７層で、
共振器長は300μmであり、ファイバ内での散乱による影
響を小さくするために線幅を大きくする構造となってい
る。本レーザにおいても、レーザに電流を印加するに従
って線幅は減少するが、バイアス電流が200mAにおいて
も500kHz程度までしか狭線幅化できない。さらなる狭線
幅化には、共振器長を長くすればよいことが知られてい
るが、本レーザのように高Egの材料で障壁層や導波路層
が構成されている場合、長共振器化による閾値電流の増
大が問題となる。

【０００４】一方、共振器長が300μm程度のレーザを20
0mA程度で駆動した場合には電流量を増やすに従って無
効電流が増大して、光出力が電流量に比例して増加しな
いという問題があった。

【０００５】また、共振器長が600μmの歪量子井戸レー
ザの報告がある（森本他、1993年電子情報通信学会春季
大会C-172）。この構造図を図12に示す。このレーザ
は、InGaAsP(Ｅｇ=1.03）と低いエネルギーバンドギャ
ップの障壁層5で構成されており、電流を大きくすると
キャリアが障壁層にあふれて狭線幅化が困難となる。ま
た、導波路層と障壁層の間にホールブロック層36を導入
しているため、大電流の注入が困難となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザでは、共
振器長を長くすることによって閾値電流の増大を生ずる
といった問題があった。

【０００７】そこで本発明は、井戸層数を減少すること
で、内部損失を低減して低閾値化を図り、また、埋め込
み層におけるｐ型キャリア濃度を低減することで内部損
失を低下して、さらに低閾値化する半導体レーザを抵抗
することを目的とする。

【０００８】また、従来のレーザで電流値を増大した場
合には、光出力が飽和する現象が認められたが、量子井
戸層内の障壁層の一部にドーピングを実施することで、
飽和を抑制ことを目的とした。さらに、狭線幅化に効果
的なレーザモジュールの構成とその製造方法を示す。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、導波路層がIn
GaAsP(エネルギーバンドギャップＥｇ：1.13＜Ｅｇ＜1.
30）で、また障壁層がInGaAsP(エネルギーバンドギャッ
プＥｇ：1.04＜Ｅｇ＜1.20）で構成されてる歪量子井戸
レーザに於いて、共振器長を650μm以上とするものであ
り、これにより、レーザ光の線幅を狭くするものであ
る。

【００１０】本発明の半導体レーザの外観斜視図を図1
に示す。共振器長13を900μmに長共振器化すると共に、
井戸層数を４層とし、埋込層８のキャリア濃度を低減し
ている。

【００１１】また、レーザ端面には前面に低反射コーテ
ィングを後面には高反射膜コーティングを行っている。
その結果、レーザの単一モード発振波長の線幅を２００
kHz以下に低減した半導体レーザを提供する。また、共
振器長13を300μmとしたレーザに於いても、障壁層の一
部にドーピングを実施することで高出力化を実現してい
る。

【００１２】また、狭線幅化のためには高バイアス電流
での駆動が重要であるが、高バイアス電流時の光出力電
流特性にキンクが発生する。そこで、レーザ内の光分布
を均一化するとともに、戻り光を抑制し、さらには駆動
電流を安定化したモジュール構成も示す。

【００１３】さらに本発明は、本レーザやモジュールの
構造を実現するに必要な製造方法を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】

（発明の実施の形態１）図2は、本発明の半導体レーザ
の一実施例を示す断面図である。図２（ａ）に示すよう
に、半導体レーザは、InP基板1上に形成した回折格子2
と、その全面に成長したInGaAsP(組成波長λg=1.05μ
m、膜厚140nm）導波路層3と4層のInGaAsP(組成波長λg
＝1.62ミクロンメートル、歪量0.9％、膜厚6nm）歪量子
井戸層4およびInGaAsP(組成波長λg=1.15μm、膜厚10n
m）障壁層5、 InGaAsP(組成波長λg=1.05μm、膜厚30n
m）導波路層6、さらにp-InPクラッド層（p =7x10¹⁷c
m^-3）7よりなる。導波路層3はn型にドーピングされて
いるが、障壁層の一部(d=10nm)も導波路層と同濃度のn=
6x10¹⁷cm^-3にドーピングされている。また、p型にドー
ピングされた導波路層6に接する障壁層の一部(d=10nm)
もp =7x1017cm-3型にドーピングされている。

【００１５】本構造に電流を注入した場合には、図２
（ｂ）のエネルギーバンドダイアグラムに示したよう
に、電子がエネルギーが最小となる井戸層に落ち込んで
ホールと再結合して1.5μm帯の波長で発光することにな
る。図２（ａ）に示したように、井戸層数を４層とする
ことで光の損失を低減できる。ここで、図１に示したよ
うに、共振器長13は900μmとしたが、共振器長が600μm
以下の場合には、閾値電流の増大が生じてしまう。従っ
て、従来のように高エネルギーギャップの導波路層を用
いてかつ共振器長が300μm程度の場合には良好なレーザ
発振がえらず、共振器長が650μm以上とすることで初め
て40mA以下の閾値での発振が可能となった。

【００１６】さらに、本発明では、レーザの埋込構造の
断面図を図３に示したように、図２の量子井戸構造をス
トライプ状として、両側をｐ−ＩｎＰ9とｎ−ＩｎＰ8で
埋込成長している。これは、レーザに注入した電流を幅
が２μm以下のストライプ状の歪量子井戸領域に集中さ
せるためである。ただし、InP電流注入層のキャリア濃
度が高い場合には、光の損失を生じてしまう。そこで、
本発明では、電流注入層のキャリア濃度をp=7x10¹⁷cm^-3
として内部損失を低減している。

【００１７】以上の長共振器化による井戸層数の減少
と、埋め込み層の低キャリア濃度化により、内部損失は
従来の30 cm^-1から10 cm^-1まで低減し、その結果、閾値
電流は80mAから30mAまで低減した。また、レーザのスペ
クトル線幅は図４に示したように、共振器長を長くする
に従って低下して、共振器長が1.2mmの場合160kHzの線
幅がえれらている。しかしながら、更に共振器長を1.5m
mに長くした場合には光出力電流特性にキンクが発生し
てスペクトル線幅は増大した。

【００１８】（発明の実施の形態2）図5は、本発明の半
導体レーザモジュールの一実施例を示す構造図である。
本発明は、共振器長1.5mmにおいてもキンクを抑制する
ことを目的としている。図5に示すように、レーザ19は
サブマウント18上に接着されるが、高反射膜側が一部は
み出す構造となっている。従来は、図６に示したよう
に、レーザ23全体がサブマウント22内部に収まるように
構成されていた。従来は、レーザに電流を注入すると、
レーザ内の光は高反射膜側に集中する。その結果、共振
器長が1.5mmの場合には単一モード発振が困難となり、
光出力電流特性にキンクが発生していた。本発明の構造
では、レーザの高反射膜側がサブマウントに接していな
いために、熱の放散が阻害されて高温となり、はみ出し
た部分の利得が低下して発光しにくくなり光出力が高反
射膜側に集中することを阻止することができる。その結
果、共振器長を1.5mmに長くした場合にでも、光出力電
流特性にキンクが発生せずスペクトル線幅の増大を抑制
できる。

【００１９】（発明の実施の形態3）本発明の、レーザ
モジュールの構成を図７に示す。レーザ23はサブマウン
ト22に接着されており、このレーザの温度はサブマウン
トが接着されているペルチェコントローラ21により制御
されている。レーザの出射光は、レンズ24で集光された
後アイソレータ25を通ってファイバ26端面に焦点を結
ぶ。レーザからの出射光29をファイバの中心に集光する
ために、レンズとファイバの位置を調芯して最高の結合
効率が得られるようにしている。アイソレータは、ファ
イバ端面からの反射光がレーザに帰還するのを防止する
ために設置されている。また、レーザ光出力はホトダイ
オード28でモニターされている。以上の部品をパッケー
ジ27内に実装して、外部からの影響を抑制している。従
来より図６に示したように、ファイバー端面からの反射
光がレーザに帰還するのを抑制するために、アイソレー
タを設置していたが、１個のアイソレータで30ｄＢのレ
ベルまでの反射光をカットしていた。しかしながら、レ
ーザの線幅はこの程度の反射光でも影響を受けて線幅が
時間的に変動することがわかった。従って、回転子32と
２つの検光子31よりなるアイソレータを２つ縦列に配置
して反射光を60ｄＢ低減することで、レーザのスペクト
ル線幅の時間変動を抑制した。

【００２０】（発明の実施の形態４）図8は、本発明の
半導体レーザモジュールの一実施例の回路図を示す。本
発明のレーザモジュールは、バイアス電流の変動を抑制
することにより、レーザの狭線幅化を目的としている。
本モジュールでは、バイアス電流35をバッテリー33とコ
イル34を経由した後に半導体レーザ素子23に印加する。
これにより、バイアス電流のノイズによるレーザの線幅
の増大が抑制される。

【００２１】（発明の実施の形態５）図９は、本発明の
半導体レーザの一実施例を示す構造図である。半導体レ
ーザは、InP基板1上に形成した回折格子2と、その全面
に成長したInGaAsP(組成波長λg=1.05μm、膜厚140nm）
導波路層3と4層のInGaAsP(歪量0.9％、膜厚6nm）歪量子
井戸層4およびInGaAsP(組成波長λg=1.15μm、膜厚10n
m）障壁層5、 InGaAsP(組成波長λg=1.05μm、膜厚30n
m）導波路層6、さらにp-InPクラッド層（p =7x10 ¹⁷c
m^-3）7よりなる。井戸層数は７層である。導波路層3は
n型にドーピングされているが、障壁層の一部16も導波
路層と同濃度のn=6x1017cm-3にドーピングされている。
また、p型にドーピングされた導波路層6に接する障壁層
の一部17もp =7x10¹⁷cm^-3型にドーピングされている。
その結果、障壁層と導波路層との界面に発生するエネル
ギーバンドの不連続が抑制されて、注入電流量を増やし
ても電流注入が阻害されることを抑制している。その結
果、バイアス電流が200mA以上においても光出力の飽和
は認められず40ｍＷ以上の高出力特性が得られた。

【００２２】（発明の実施の形態６）図１０は、本発明
の半導体レーザの製造方法の一実施例の工程図を示す。
本発明のレーザは、まずn-InP基板１上に干渉露光法に
より回折格子２を形成する（ａ）。その後、MOVPE法に
より成長温度600度で回折格子のκLを0.5になるよう
に、ホスフィンガス雰囲気中で保持することで調整を行
った後、n-InGaAsP（λｇ=1.05μm）導波路層３を成長
し、４周期のInGaAsP（歪量0.9％、膜厚6nm）歪井戸層4
と障壁層5を交互に積層した後、p-InGaAsP（λｇ=1.05
μm）導波路層6とInPクラッド層を成長して歪量子井戸
構造をえる（ｂ）。さらに、クラッド層からInP基板に
かけてエッチングによりストライプ状に除去した後、p-
InP,n-InP,p-InP層19、20により埋め込み成長を行い、I
nGaAsコンタクト層14を成長する (d) 。最後に、電極1
5、16を蒸着により形成しする（ｅ）。埋め込みレーザ
構造とすることで、電流を効果的に活性層に注入できる
ために、低閾値電流化が可能となる。

【００２３】また、図５に示したレーザモジュール構造
の製造方法は、まず表面が半田でコーティングしてある
サブマウント18をヒートシンク20に半田で接着して於い
た後、サブマウント上に、レーザ19の高反射膜側15がは
み出すように接着することでえられる。さらに、図７に
示したレーザモジュールの構造の製造方法は、ヒートシ
ンク上に構成されたレーザ、サブマウント、およびホト
ダイオードをペルチェコントローラ上に半田で接着した
後、２個のアイソレータを縦列に接着した後、レンズと
ファイバの位置を調節して最大の結合がえられる位置を
決定し、スポット溶接により固定されている。

【００２４】

【発明の効果】本発明の半導体レーザによれば、バイア
ス電流が200ｍＡで２００ｋＨｚ以下のスペクトル線幅
がえられる。

【００２５】また、本発明ほモジュールでは、バイアス
電流が200ｍＡまで光出力特性が抑制されて、20ｍＷ以
上の高ファイバ出力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザの外観図

【図２】本発明の半導体レーザの断面図

【図３】本発明の半導体レーザの断面図

【図４】本発明の半導体レーザのスペクトル線幅と共振
器長の特性図

【図５】本発明の半導体レーザモジュールの外観図

【図６】従来の半導体レーザモジュールの構造図

【図７】本発明の半導体レーザモジュールの構造図

【図８】本発明の半導体レーザモジュールの回路図

【図９】本発明の半導体レーザの断面図

【図１０】本発明の半導体レーザの製造工程図

【図１１】従来の半導体レーザの断面図

【図１２】従来の半導体レーザのエネルギーバンド図

【符号の説明】

１ InP基板２回折格子３導波路層４井戸層５障壁層６導波路７クラッド層８電流狭窄層９電流注入層１０コンタクト層１１ｐ電極１２ｎ電極１３共振器長１４低反射膜コーティング１５高反射膜コーティング１６ｎ型障壁層１７ｐ型障壁層１８サブマウント１９レーザ素子２０ヒートシンク２１ペルチェコントローラ２２サブマウント２３レーザ素子２４レンズ２５アイソレータ２６ファイバ２７パッケージ２８ホトダイオード２９出射光３０ヒートシンク３１検光子３２回転子３３バッテリー３４コイル３５バイアス電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石野正人大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松井康大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 InP基板と、前記基板上に成長した導波
路層と、井戸層と障壁層よりなる量子井戸活性層と、In
Pクラッド層よりなり、前記導波路層がInGaAsP(エネル
ギーバンドギャップＥｇ：1.13＜Ｅｇ(eV)＜1.30）で、
前記障壁層がInGaAsP(1.04＜Ｅｇ(eV)＜1.20）で構成さ
れており、共振器長を650μｍ以上1500μｍ以下とする
ことを特徴とした半導体レーザ。
【請求項２】 InP基板と、前記基板上に成長した導波
路層と、井戸層と障壁層よりなる量子井戸活性層と、In
Pクラッド層よりなり、前記導波路層がInGaAsP(1.13＜
Ｅｇ(eV)＜1.30）で、前記障壁層がInGaAsP(1.04＜Ｅｇ
(eV)＜1.20）で構成されており、井戸層数を3層以上7層
以下とすることを特徴とした半導体レーザ。
【請求項３】 InP基板と、前記基板上に成長した導波
路層と、井戸層と障壁層よりなる量子井戸活性層と、In
Pクラッド層と、埋め込み層よりなり、前記導波路層がI
nGaAsP(1.13＜Ｅｇ(eV)＜1.30）で、前記障壁層がInGaA
sP(1.04＜Ｅｇ(eV)＜1.20）で構成されており、p-InP埋
め込み層濃度を1x10¹⁸cm^-3以下とすることを特徴とした
半導体レーザ。
【請求項４】回折効率（κＬ）を1以下とすることを
特徴とした請求項1、２または3記載の半導体レーザ。
【請求項５】井戸層に圧縮歪を0.6％から1.2％導入し
たInGaAsP混晶で構成することを特徴とした請求項1、２
または3記載の半導体レーザ。
【請求項６】出射光側が低反射膜でまた反対側が高反
射膜でコーティングされていることを特徴とした請求項
４または5記載の半導体レーザ。
【請求項７】発振波長が、1.5μｍ以上1.6μｍ以下と
することを特徴とした請求項6記載の半導体レーザ。
【請求項８】 InP基板と、前記基板上に成長した基板
と同一導電型の導波路層と、井戸層と障壁層よりなる量
子井戸活性層と、基板と反対の導電型の導波路層と、基
板と反対の導電型のInPクラッド層よりなり、前記導波
路層に接する前記障壁層の一部が前記導波路層と同一導
電型を有することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】前記導波路層に接する前記障壁層に一部
が前記導波路層と同一導電型を有することを特徴とする
請求項7記載の半導体レーザ。
【請求項１０】動作電流が100mA以上500 mA以下で動
作することを特徴とした請求項8または9記載の半導体レ
ーザ。
【請求項１１】基板上に導波路層と、井戸層と障壁層
よりなる量子井戸活性層と、InPクラッド層を成長する
工程と、前記クラッド層から基板までストライプ状にエ
ッチング除去する工程と、前記ストライプを埋め込み成
長する工程と、電極を形成する工程とを有することを特
徴とした半導体レーザの製造方法。
【請求項１２】放熱部と、前記放熱部上のサブマウン
トと、半導体レーザよりなり、前記サブマウントからは
み出して前記半導体レーザが実装されていることを特徴
とした半導体レーザモジュール。
【請求項１３】レーザの高反射膜側がはみ出している
ことを特徴とする請求項12記載の半導体ーザモジュー
ル。
【請求項１４】半導体レーザと、レンズと、アイソレ
ータと、ファイバと、パッケージよりなり、１対の検光
子と回転子よりなるアイソレータを２台以上縦列に使用
することを特徴とした半導体レーザモジュール。
【請求項１５】サブマウント上に半導体レーザをはみ
出して接着する工程と、前記サブマウントを放熱部上に
接着する工程と、パッケージ内に接着された放熱部上に
前記サブマウントを接着する工程と、レンズとファイバ
の位置を調整する工程とを有する、半導体レーザモジュ
ールの製造方法。
【請求項１６】パッケージ内のバイアス電流供給部に
電流の平滑回路を内蔵することを特徴とした半導体レー
ザモジュール。
【請求項１７】パッケージ内のバイアス電流供給部に
バッテリーを内蔵することを特徴とした請求項16記載の
半導体レーザモジュール。
【請求項１８】半導体レーザをパッケージに実装する
工程と、平滑回路をバイアス電流供給部に実装する工程
とを有する、半導体レーザモジュールの製造方法。
【請求項１９】 InP基板と、前記基板上に成長した導
波路層と、歪井戸層と障壁層よりなる歪量子井戸活性層
と、InPクラッド層よりなり、前記導波路層がInGaAsP
(1.13＜Ｅｇ＜1.30）で、前記障壁層がInGaAsP(1.04＜
Ｅｇ＜1.20）で構成されており、共振器長を600μｍ以
上1500μｍ以下とし、井戸層数を3層以上7層以下とし、
p-InP埋め込み層濃度を1x10¹⁸cm^-3以下とすることで、
レーザの発振波長の線幅を狭くすることを特徴とした半
導体レーザ。
【請求項２０】 InP基板と、前記基板上に成長した基
板と同一導電型の導波路層と、井戸層と障壁層よりなる
量子井戸活性層と、基板と反対の導電型の導波路層と、
基板と反対の導電型のInPクラッド層よりなり、前記導
波路層に接する前記障壁層に一部が前記導波路層と同一
導電型とすることでレーザの発振波長の発光強度を大き
くすることを特徴とした半導体レーザ。