IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 古河電気工業株式会社の特許一覧

<>
  • 特許-半導体レーザ素子 図1
  • 特許-半導体レーザ素子 図2
  • 特許-半導体レーザ素子 図3
  • 特許-半導体レーザ素子 図4
  • 特許-半導体レーザ素子 図5
  • 特許-半導体レーザ素子 図6
  • 特許-半導体レーザ素子 図7
  • 特許-半導体レーザ素子 図8
  • 特許-半導体レーザ素子 図9
  • 特許-半導体レーザ素子 図10
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-03-06
(45)【発行日】2025-03-14
(54)【発明の名称】半導体レーザ素子
(51)【国際特許分類】
   H01S 5/12 20210101AFI20250307BHJP
   H01S 5/22 20060101ALI20250307BHJP
【FI】
H01S5/12
H01S5/22
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2021019681
(22)【出願日】2021-02-10
(65)【公開番号】P2022122444
(43)【公開日】2022-08-23
【審査請求日】2023-12-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000005290
【氏名又は名称】古河電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】若葉 昌布
【審査官】右田 昌士
(56)【参考文献】
【文献】特開2003-234540(JP,A)
【文献】特開平05-333388(JP,A)
【文献】特開2006-303521(JP,A)
【文献】特開2008-227185(JP,A)
【文献】特開平08-153934(JP,A)
【文献】国際公開第2013/151145(WO,A1)
【文献】特開2000-174394(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2008/0301595(US,A1)
【文献】特開平04-056377(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01S 5/00 - 5/50
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1導電型であるn型の第1クラッド層と、
第2導電型であるp型の第2クラッド層と、
前記第1クラッド層と前記第2クラッド層との間に介在する活性層と、
を備え、
前記第1クラッド層は、基板と、前記基板と前記活性層との間に位置する複数の電界制御層と、前記電界制御層と前記活性層との間に配置され低屈折率部と前記低屈折率部よりも高い屈折率を有する高屈折率部とが前記活性層の延びる方向に沿って周期的に配列された回折格子層と、前記複数の電界制御層と交互に配置された、前記基板と同じ材料からなる複数の介在層と、を含み、
前記複数の電界制御層と前記複数の介在層とは、積層構造を形成しており、
前記積層構造は、前記回折格子層の前記基板側の面にのみ設けられ、
前記電界制御層の屈折率および前記回折格子層の屈折率は、前記第1クラッド層における当該電界制御層および当該回折格子層以外の領域の屈折率よりも高く、
前記第2クラッド層は、ベース部と、前記ベース部から突出するストライプ状のリッジ部とを有し、前記ベース部は、前記リッジ部の両側に延びるとともに前記活性層を覆い、かつ前記リッジ部よりも薄い
半導体レーザ素子。
【請求項2】
前記回折格子層の屈折率は、前記電界制御層の屈折率よりも低い
請求項1に記載の半導体レーザ素子。
【請求項3】
前記回折格子層の周期に依存して定まるレーザ発振波長をλcとすると、
前記電界制御層の組成波長は、λcよりも短い
請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【0002】
分布帰還型(Distributed Feed-Back:DFB)レーザ素子として、活性層を挟んで基板とは反対方向に回折格子層が設けられた積層構造を採用する技術が開示されている(非特許文献1)。
【0003】
また、半導体レーザ素子において、n型クラッド層に屈折率が高い層を設け、活性層を伝搬するレーザ光の電界の分布をn型クラッド層側に偏らせる技術が開示されている(特許文献1)。これにより、レーザ光はp型クラッド層に含まれるp型不純物(たとえば亜鉛(Zn))による光吸収の影響を受けづらくなるので、内部損失の少ない、より高出力の半導体レーザ素子を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2005-72402号公報
【非特許文献】
【0005】
【文献】C.J.Armistead et.al.,”DFB RIDGE WAVEGUIDE LASERS AT λ=1.5μm WITH FIRST ORDER GRATINGS FABRICATED USING ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY”,Electronics Letters, Vol.23, No.11(1987), pp.592-593.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてDFB構造の半導体レーザ素子を作製すると、半導体レーザ素子の出力特性が安定しない場合があった。ここでいう安定しないとは、たとえば、複数の素子の間での特性のばらつきや、半導体レーザ素子の駆動条件、環境条件などに依存して特性が変化することなどを意味する。
【0007】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力特性が安定したDFB構造の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、1導電型を有する第1クラッド層と、第2導電型を有する第2クラッド層と、前記第1クラッド層と前記第2クラッド層との間に介在する活性層と、を備え、前記第1クラッド層は、少なくとも一つの電界制御層と、前記電界制御層と前記活性層との間に配置され低屈折率部と前記低屈折率部よりも高い屈折率を有する高屈折率部とが前記活性層の延びる方向に沿って周期的に配列された回折格子層と、を含み、前記電界制御層の屈折率および前記回折格子層の屈折率は、前記第1クラッド層における当該電界制御層および当該回折格子層以外の領域の屈折率よりも高い半導体レーザ素子である。
【0009】
前記回折格子層の屈折率は、前記電界制御層の屈折率よりも低いものでもよい。
【0010】
前記第1導電型はn型であり、前記第2導電型はp型であるものでもよい。
【0011】
前記回折格子層の周期に依存して定まるレーザ発振波長をλcとすると、前記電界制御層の組成波長は、λcよりも短いものでもよい。
【0012】
前記第1クラッド層または前記第2クラッド層がストライプ状のリッジ部を有するものでもよい。
【0013】
前記第1クラッド層または前記第2クラッド層は、前記リッジ部の両側に前記活性層を覆う層を有するものでもよい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、出力特性が安定したDFB構造の半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1図1は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式な断面図である。
図2図2は、図1のA-A線断面図である。
図3図3は、公知の半導体レーザ素子の屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図である。
図4図4は、想定される半導体レーザ素子の屈折率および電界強度の分布を示す模式図である。
図5図5は、実施形態における屈折率および電界強度の分布の一例を示す模式図である。
図6図6は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
図7図7は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
図8図8は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
図9図9は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
図10図10は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、X軸を用いて方向を説明する場合がある。
【0017】
(実施形態)
図1は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式図である。図2は、図1のA-A線断面図である。
【0018】
[半導体レーザ素子の構造]
【0019】
半導体レーザ素子100は、第1電極110が裏面に形成された第1クラッド層120と、活性層130と、第2クラッド層140と、第2電極150と、を備える。半導体レーザ素子100は、活性層130からX方向正の向きにレーザ光を出力する。レーザ光の波長はたとえば1.55μm帯の波長である。レーザ光の波長を1.55μm帯の波長とするための半導体材料として、たとえばインジウムリン(InP)系材料が知られている。
【0020】
第1クラッド層120は、n型の導電型を有する半導体層である。第2クラッド層140は、p型の導電型を有する半導体層である。活性層130は、第1クラッド層120と第2クラッド層140との間に介在する。n型は第1導電型の一例であり、p型は第2導電型の一例である。
【0021】
第1クラッド層120は、n型InP(以下、適宜n-InPと記載する)からなる基板上に、n-InPからなるバッファ層と、複数の半導体層とをエピタキシャル成長などによって積層した構造を有する。
【0022】
第1クラッド層120は、複数の半導体層として、n-InPからなる半導体層(以下、適宜n-InP層と記載する)と、電界制御層121と、回折格子層122とを含む。電界制御層121は少なくとも一つあり、本実施形態では複数、たとえば5~7層の電界制御層121が備えられている。
【0023】
第1クラッド層120の具体的な構成について説明する。第1クラッド層120は、基板の上にバッファ層、n-InP層が順次積層され、その上に電界制御層121とn-InP層とが交互に積層され、さらにその上に回折格子層122が積層され、さらにその上にn-InP層が積層された構造を有する。本明細書におけるn型の半導体層は、n型不純物としてたとえば珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)を含んでもよい。
【0024】
電界制御層121の屈折率は、第1クラッド層120における電界制御層121および回折格子層122以外の領域の屈折率、すなわちn-InP層の屈折率よりも高い。電界制御層121は、たとえばInP系の4元系半導体材料であるGaInAsPからなる。電界制御層121を構成する半導体材料の組成比は、半導体レーザ素子100に対する所望のレーザ発振波長に応じて設定される。具体的には、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長である組成波長λECL(バンドギャップ波長ともいう)が、レーザ発振波長λcよりも短くなるように組成を設計する。すなわち、λECL<λcが成り立つようにする。これにより、電界制御層121によるレーザ光の吸収を抑制できる。また、λECL[μm]<(λc-0.2)[μm]が成り立つようにすれば、半導体レーザ素子100の温度変化、電界制御層121が不純物ドープされていること、または界面準位、などの影響により、電界制御層121の吸収端波長がバンドギャップ波長よりも長波化することを考慮しても、電界制御層121によるレーザ光の吸収を効果的に抑制できる。
【0025】
電界制御層121を構成する半導体材料は、InPと格子整合することが好ましい。格子整合とは、格子定数が完全に一致してもよいし、その上に積層する活性層130などの半導体層が、求められる結晶品質となる程度の格子定数の相違があってもよいことを意味する。この場合、結晶品質とはたとえば転位や歪や欠陥の程度である。
【0026】
回折格子層122は、高屈折率部122aと低屈折率部122bとが、活性層130の延びる方向、すなわちX方向に沿って周期的に配列された構成を有する。高屈折率部122aと低屈折率部122bとの配列の周期は、所望のレーザ発振波長に依存して定められ、設定される。高屈折率部122aは、低屈折率部122bよりも高い屈折率を有する。高屈折率部122aは、たとえばGaInAsPからなる。低屈折率部122bはたとえばn-InPからなる。
【0027】
回折格子層122の屈折率は、第1クラッド層120における電界制御層121および回折格子層122以外の領域の屈折率、すなわちn-InP層の屈折率よりも高い。ここで、回折格子層122の屈折率とは、高屈折率部122aの屈折率である。
【0028】
高屈折率部122aを構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長に応じて設定される。具体的には、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長である組成波長λgratingが、レーザ発振波長λcよりも短くなるように組成を設計する。すなわち、λgrating<λcが成り立つようにする。
【0029】
活性層130は、複数の障壁層と複数の井戸層とからなる多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造のMQW層と、MQW層を挟むように配置された2つの分離閉じ込めヘテロ構造(SCH:Separate Confinement Heterostructure)層とからなるMQW-SCH構造を有する。活性層130は、たとえばGaInAsPからなる。活性層130の井戸層を構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長λcにて発光するように設定される。障壁層とSCH層とを構成する半導体材料の組成比は、それぞれの機能を満たすように設定される。なお、活性層130は単一量子井戸構造でもよい。
【0030】
第2クラッド層140は、p型InP(以下、適宜p-InPと記載する)からなる半導体層上に、p型半導体層からなるコンタクト層(不図示)が積層した構造を有する。コンタクト層はたとえばGaInAsPからなり、第2電極150とオーミック接触する。
【0031】
第2クラッド層140は、活性層130を覆うベース層141と、ベース層141から突出するリッジ部142とを備える。リッジ部142は、X方向に延びるストライプ状のメサである。X方向と直交する方向におけるリッジ部142の幅(メサ幅)は、等幅でもよいし、不等幅であってもよい。
【0032】
第2電極150は、第2クラッド層140のリッジ部142に、p型のコンタクト層とオーミック接触するように設けられている。第2電極150は、たとえばチタン、白金、金などを含む。
【0033】
第1電極110は、第1クラッド層120の基板にオーミック接触するように設けられている。第1電極110は、たとえば金やニッケルなどを含む。
【0034】
また、図2における半導体レーザ素子100のX方向における両端面は、へき開により形成された端面であり、X方向の負側には比較的高反射率のHR(High Reflection)膜が形成され、X方向の正側には反射防止用のAR(Anti-Reflection)膜が形成される。HR膜とAR膜とはレーザ共振器を形成する。
【0035】
半導体レーザ素子100は、回折格子層122を備えることによって、DFB型のレーザ素子となっている。そして、第1電極110と第2電極150との間に順バイアス電流を供給すると、供給された電流はリッジ部142の幅にて活性層130に注入される。そして、半導体レーザ素子100において、リッジ部142と積層方向に重なる活性層130の領域を導波路領域としてレーザ発振が起こり、所望の波長のレーザ光がAR膜側から出力される。
【0036】
[レーザ光の電界分布]
ここで、半導体レーザ素子100内でのレーザ光の電界分布について、公知の半導体レーザ素子と対比して説明する。
【0037】
本発明者は、特許文献1の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてDFB構造の半導体レーザ素子を作製すると、半導体レーザ素子の出力特性が安定しない場合がある原因について鋭意検討した。その結果、回折格子層は、活性層を伝搬するレーザ光の電界と重なる位置に設けられているべきところ、レーザ光と回折格子層との結合係数は、回折格子層と電界制御層との位置関係によってその安定性が変化することを見出した。
【0038】
図3は、公知の半導体レーザ素子における屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図である。図3は、半導体層の積層方向の位置と屈折率およびレーザ光の電界強度との関係を示している。本公知の半導体レーザ素子の構成としては、半導体レーザ素子100から電界制御層121を削除し、回折格子層122をp型にして第2クラッド層140側に移動した構成を有するものとする。また、屈折率として、活性層130の屈折率分布n130と回折格子層122の屈折率分布n122を示している。なお、図を簡易にするために、活性層130の屈折率分布n130については、MQW構造における井戸層と障壁層と平均の屈折率を示している。
【0039】
図3に示す例では、レーザ光の電界強度分布EF1は、積層方向位置において活性層130に対して略対称な形状を有している。
【0040】
図4は、想定される半導体レーザ素子における屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図であって、特許文献1の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてDFB構造とした半導体レーザ素子として想定されるものである。想定される半導体レーザ素子は、図3に示す公知の半導体レーザ素子に電界制御層121を追加した構成を有するものとする。また、屈折率として、活性層130の屈折率分布n130と回折格子層122の屈折率分布n122と電界制御層121の屈折率分布n121とを示している。
【0041】
図4に示す例では、レーザ光の電界強度分布EF2は、図4では破線で示す電界強度分布EF1と比較して、電界制御層121の作用によって電界制御層121に偏った形状となっている。
【0042】
しかしながら、電界強度分布EF2では、電界強度分布EF1と比較して、回折格子層122との重なりが小さくなる。その結果、たとえばわずかな半導体層の厚さの変動に対しても、回折格子層122とレーザ光との結合係数で表される結合状態が変動しやすくなり、結合が不安定になる。
【0043】
これに対して、半導体レーザ素子100では、回折格子層122が電界制御層121と活性層130との間に配置されているので、図5に示す屈折率および電界強度分布EF3のように、電界強度分布EF3の回折格子層122との重なりが大きい。その結果、たとえば半導体層の厚さや組成の変動に対しても、折格子層122とレーザ光との結合状態が変動しにくく、結合状態が安定である。その結果、半導体レーザ素子100は出力特性などの特性が安定したものとなる。また、このような安定性により、半導体レーザ素子100は作製し易いものとなる。
【0044】
さらには、これにより、半導体レーザ素子100では、図4に示す想定例と比較して、電界制御層121の設計の自由度が高くなる。たとえば、電界制御層121の数を増減したり積層方向における位置を変更したりして電界強度分布EF3の偏りを比較的大きく調整しても、回折格子層122とレーザ光との結合状態の変動は、想定例の場合よりも少ない。
【0045】
さらには、半導体レーザ素子100では、電界制御層121がn型の第1クラッド層120に含まれ、レーザ光の電界がn型半導体層側に偏るので、レーザ光はp型の第2クラッド層140に含まれるp型不純物による光吸収の影響を受けづらい。その結果、半導体レーザ素子100では、内部損失が少なく、より高出力が実現される。
【0046】
さらには、半導体レーザ素子100では、回折格子層122が第2クラッド層140側に含まれる場合よりも、第2クラッド層140の厚さ、特にはベース層141の厚さを比較的薄くすることができるので、電流の注入効率を比較的高くすることができる。その結果、半導体レーザ素子100では、供給する電力に対するレーザ光のパワーの比を高くすることができる。
【0047】
さらには、半導体レーザ素子100のようなリッジレーザの場合、注入キャリアである正孔がリッジ部142から活性層130に到るまでの電流経路が、素子抵抗を決定する主要因となる。そのため、ここに回折格子層のようなバンドギャップが変化する界面が存在する場合、注入キャリアが感じるエネルギー障壁が高くなり、素子抵抗が増加する要因となる。素子抵抗が増加すると、それだけ素子の発熱量も増加し光出力の低下を招く。これに対して、本実施形態の構造によれば、公知の構造や想定される構造と比較して素子抵抗や発熱量を低減でき高出力を実現できる。
【0048】
なお、回折格子層122の屈折率は、電界制御層121の作用によるレーザ光の電界の制御に与える影響を少なくするために、電界制御層121の屈折率よりも低くすることが好ましい。これを実現するためには、たとえばλgrating<λECLとすればよい。これにより、電界制御層121によるレーザ光の電界の制御をより正確に設計したり、設定に対して誤差の少ない電界制御層121を作製したりできる。
【0049】
[製造方法]
つぎに、半導体レーザ素子100の製造方法の一例を、図6から図10を参照して説明する。
【0050】
はじめに、図6に示すように、基板123上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などによってバッファ層124、電界制御層121と複数のn-InP層とが交互に配置された積層構造、n-InP層125をこの順に積層し、さらに回折格子層122の高屈折率部122aをなすための高屈折率層126、たとえばGaInAsPからなる層を積層する。
【0051】
つづいて、図7に示すように、フォトリソグラフィ技術によって、高屈折率層126の一部を除去し、高屈折率部122aを形成する。
【0052】
つづいて、図8に示すように、高屈折率部122aの間をn-InPで埋め込み、低屈折率部122bを形成するとともに、所望の平坦度を有する成長面が得られるようにn-InP層127を積層する。これにより第1クラッド層120の構造が形成される。
【0053】
つづいて、図9に示すように、活性層130、第2クラッド層140をこの順に積層する。
【0054】
つづいて、図10に示すように、第2クラッド層140にフォトリソグラフィ技術を適用し、ベース層141とリッジ部142の構造を形成する。このとき、エッチングによってベース層141の厚さがdになるようにする。dは残し厚とも呼ばれる。
【0055】
なお、ベース層141の残し厚を制御するために、第2クラッド層140にたとえばGaInAsPからなるエッチストップ層を設けてもよい。この場合、エッチストップ層はベース層141の上に設けられ、リッジ部142を形成するためのエッチングはまずエッチストップ層まで実施され、その後にエッチストップ層は除去されるが、リッジ部142の底部にエッチストップ層が残ることになる。そのため、残ったエッチストップ層による素子抵抗の増加が、許容範囲内となるように留意すべきである。
【0056】
その後、第2電極150を形成する。さらに、基板123を所望の厚さになるように研磨した後、裏面の全面に第1電極110を形成する。その後、へき開、HR膜およびAR膜の形成、素子個片へのカッティングなどの公知の処理を行なって、半導体レーザ素子100の製造は完了する。
【0057】
なお、上記実施形態では、リッジ部142のリッジ構造により導波路領域が形成されるが、導波路領域を形成する構造はリッジ構造に限定されず、SAS構造(Self‐Aligned Structure)やBH構造(Buried‐Hetero Structure)などの公知の構造を採用することも可能である。
【0058】
また、上記実施形態では、電界制御層121および回折格子層122を含む第1クラッド層120の第1導電型がn型であるが、p型不純物による光吸収の程度が許容量であれば、p型であってもよい。この場合、第2クラッド層140はn型である。
【0059】
また、上記実施形態では、第2クラッド層140がリッジ部142を有しているが、第1クラッド層がリッジ部を有していてもよい。
【0060】
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【0061】
100 :半導体レーザ素子
110 :第1電極
120 :第1クラッド層
121 :電界制御層
122 :回折格子層
122a :高屈折率部
122b :低屈折率部
123 :基板
124 :バッファ層
125、127:n-InP層
126 :高屈折率層
130 :活性層
140 :第2クラッド層
141 :ベース層
142 :リッジ部
150 :第2電極
EF1、EF2、EF3 :電界強度分布
n121、n122、n130 :屈折率分布
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10