JP2007201031A

JP2007201031A - 半導体レーザ装置

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Publication number: JP2007201031A
Application number: JP2006015860A
Authority: JP
Inventors: 和久 ▲高▼木; Kazuhisa Takagi; Takeshi Yamatoya; 武大和屋; Tsutomu Wataya; 力綿谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-09
Also published as: US20070171950A1

Abstract

【課題】回折格子を有する半導体レーザ装置において、基板のキャリア濃度のばらつきに左右されることなく、発振波長や回折格子の結合定数の変動を抑える。
【解決手段】ｎ型基板１の上に、バッファ層１１、回折格子層２、回折格子埋込層３、光閉込層４、多重量子井戸活性層５、光閉込層６、クラッド層７を積層した構造の半導体レーザが形成されている。この構造において、ｎ型基板１とバッファ層１１との界面から、活性層５の中心５ａまでの距離Ｄが、レーザ光の１／ｅ^２のビームスポット半径ａよりも長くなるようにする。これにより、活性層５で発生するレーザ光の約９７．７％以上は、ｎ型基板１とバッファ層１１との界面よりも上層に分布する。従って、基板のキャリア濃度が変動しても、レーザ光が感受する屈折率のばらつきを小さく抑え、レーザ光の発振波長および回折格子の結合定数の変動を小さく抑えることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体レーザ装置に関し、特に、光通信システムなどの光源として使用する半導体レーザ装置に関するものである。

半導体レーザ装置は、光通信システムなどの光源として広く用いられている。例えば、非特許文献１には、ｎ型InP基板を用いた半導体レーザ装置が開示されている。

上記半導体レーザ装置には、ｎ−InP基板上にｎ−InGaAsP回折格子層が設けられている。その上に、ｎ−InP回折格子埋込層、ｎ−AlGaInAs光閉込層、AlGaInAs多重量子井戸活性層、p−AlGaInAs光閉込層、p−InPクラッド層、p−InGaAsコンタクト層、p電極が積層された構造となっている。

IPRM 2000 TuB6 pp.55−56、Sudoh他、"Highly Reliable 1.3−μm InGaAlAs MQW DFB Lasers"

上記基板のキャリア濃度は、通常１×１０^１８〜４×１０^１８ｃｍ^−３程度であり、基板の製造ばらつきによるキャリア濃度ばらつきを有している。上記ばらつきが存在すると、プラズマ効果により基板の屈折率が変動する。

半導体レーザ装置のレーザ光の強度は、活性層の中心部をピークとして、基板方向に向かって減少するように分布する。従って、この分布の裾が基板に到達すると、レーザ光が感受する屈折率は、基板の屈折率の変動に伴い変動する。

例えば、基板のキャリア濃度が大きくなると屈折率は下がり、レーザ光の発振波長が短くなる。すると、基板と回折格子層との間の屈折率差が大きくなるため、結合定数が大きくなる。基板のキャリア濃度が下がる場合は、上記と逆の現象が発生する。

すなわち上記従来の半導体レーザ装置において、基板のキャリア濃度が変動すると、レーザ光の発振波長や回折格子の結合定数のばらつきが大きくなるという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ｎ型半導体基板の不純物濃度が変動しても、レーザ光の発振波長および回折格子の結合定数のばらつきを小さくできる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ装置は、ｎ型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、ｎ型不純物を含むバッファ層と、前記バッファ層の上に設けられた回折格子層と、前記回折格子層の上に設けられ、レーザ光を発生させる活性層と、前記半導体基板と前記バッファ層との界面から前記活性層の中心までの距離Ｄが、前記レーザ光の１／ｅ^２のビームスポットの半径ａよりも長いことを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、ｎ型半導体基板の不純物濃度が変動しても、レーザ光の発振波長および回折格子の結合定数のばらつきを小さくできる半導体レーザ装置を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明する。半導体レーザ装置の共振器方向の断面図を図１に示す。この半導体レーザ装置は、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅなどのｎ型不純物を含むｎ型半導体基板を用いて形成されている（以下、ｎ型を「ｎ−」、ｐ型を「ｐ−」と表記する）。

図１に示すように、ｎ−InP基板１の上に、ｎ型不純物を含むｎ−InPバッファ層１１が設けられている。この層の上に、ｎ−InGaAsP回折格子層２が設けられている。その上に、ｎ−InP回折格子埋込層３が設けられている。その上に、ｎ−AlGaInAs光閉込層４、AlGaInAs多重量子井戸活性層５、p−AlGaInAs光閉込層６が積層されている（以下、「AlGaInAs多重量子井戸活性層５」を、単に「活性層５」と表記する）。

p−AlGaInAs光閉込層６の上には、p−InPクラッド層７、p−InGaAsコンタクト層８、ｐ側電極１０が設けられている。ｎ−InP基板１の裏面には、ｎ側電極９が設けられている。この半導体レーザの通電時には、p−InPクラッド層７側から活性層５に正孔が注入され、ｎ−InP回折格子埋込層３側から活性層５に電子が注入される。これらの正孔と電子を結合させることにより、活性層５にレーザ光が発生する。

ここで、ｎ−InPバッファ層１１は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ：Modecular Beam Epitaxy）、液相エピタキシー成長法（ＬＰＥ；Liquid Phase Epitaxy）のいずれかの方法により形成されている。これにより、ｎ−InPバッファ層１１内の不純物濃度の制御性を高くすることができる。

さらに、上記ｎ−InPバッファ層１１に含まれるｎ型不純物の濃度が、層内にわたり、平均値から±１０％以内となるようにした。これにより、ｎ−InPバッファ層１１の屈折率を安定化させることができる。

次に、図１の構造をリッジ型半導体レーザに適用した場合の、出射面の断面構造を図２に示す。この構造では、p−AlGaInAs光閉込層６の上に、リッジ型構造のp−InPクラッド層７、p−InGaAsコンタクト層８が設けられている。p−AlGaInAs光閉込層６の上面と、p−InPクラッド層７、p−InGaAsコンタクト層８の側面とを覆うように、シリコン酸化膜１３が形成されている。また、p−InGaAsコンタクト層８の上面と接触するように、ｐ側電極１０が設けられている。

また、図１の構造を埋め込みヘテロ型半導体レーザに適用した場合の、出射面の断面構造を図３に示す。この構造では、ｎ−InPバッファ層１１の上に、ｎ−InGaAsP回折格子層２、ｎ−InP回折格子埋込層３、ｎ−AlGaInAs光閉込層４、活性層５、p−AlGaInAs光閉込層６、および第１p−InPクラッド層７ａがメサ形状に積層されている。このメサ形状の積層膜の両側に、p−InP電流ブロック層１４、ｎ−InP電流ブロック層１５、およびp−InP電流ブロック層１６が埋め込まれている。第１p−InPクラッド層７ａ、p−InP電流ブロック層１６の上に、第２p−InPクラッド層７ｂ、p−InGaAsコンタクト層８が積層されている。その上に、p−InGaAsコンタクト層８の上面の中央部が露出するように、シリコン酸化膜１３が形成されている。さらに、p−InGaAsコンタクト層８の露出した部分を覆うように、ｐ側電極１０が設けられている。

次に、図１〜図３に示したバッファ層１１の厚さと、レーザ光のビームスポット半径との関係について、図４を参照して説明する。図４の左側のグラフは、レーザ光の進行方向に沿った中心軸を原点とし、中心軸からの距離を縦軸にとり、それぞれの位置に対応する光強度を横軸にプロットしたものである。この光強度は、活性層５の中心の位置をピークとして、ガウス関数型の分布を有していると仮定する。

ここで、レーザ光の光強度のピーク値を１とし、光強度が１／ｅ^２（ｅ：自然対数の底）となる縦軸の点をＡ１とする。このとき、原点からＡ１までの距離ａを、レーザ光の１／ｅ^２のビームスポット半径と定義する。

図４の右側に示した断面構造において、活性層５で発生したレーザ光は、活性層５の中心５ａに沿って進行する。このためレーザ光の光強度は、活性層５の中心５ａからｎ−InP基板１側に向かって、ガウス関数型の分布に従って減少する。ここで、ｎ−InP基板１とｎ−InPバッファ層１１との界面から、活性層５の中心５ａまでの距離をＤとする。

本実施の形態では、距離Ｄがレーザ光の１／ｅ^２のビームスポットの半径ａよりも長くなるようにする。すなわち、ａ＜Ｄの関係を満たすように、ｎ−InPバッファ層１１の厚さを調節する。これにより、活性層５で発生するレーザ光の約９７．７％以上は、ｎ−InP基板１とｎ−InPバッファ層１１との界面よりも上層に分布し、ｎ−InP基板１にしみだす光量は、約２．３％以下となる。この結果、基板の製造ばらつきによりｎ−InP基板１のキャリア濃度が変動しても、レーザ光が感受する屈折率のばらつきを小さく抑えることができる。

例えば、上記ビームスポット半径ａが１μｍ、活性層５の厚さが０．１μｍ、ｎ−AlGaInAs光閉込層４の厚みが０．２μｍ、ｎ−InP回折格子埋込層３の厚みが０．１μｍ、ｎ−InGaAsP回折格子層２の厚みが０．０７μｍであるとする。このとき、バッファ層の厚さを０．５８μｍよりも厚くすれば、距離Ｄが１μｍよりも大きくなる。このようにして、距離Ｄを上記ビームスポット半径ａよりも大きく設定することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、基板の製造ばらつき等によりｎ−InP基板１のキャリア濃度が変動しても、レーザ光が感受する屈折率のばらつきを小さく抑えることができる。従って、レーザ光の発振波長および回折格子の結合定数のばらつきを小さく抑えることができる。

実施の形態２．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置について、図５を参照して説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

レーザ光の１／ｅ^２のビームスポット半径ａと、距離Ｄは、実施の形態１と同様の定義とする。ここで、図５に示すように、レーザ光の光強度が１／２ｅ^２（ｅ：自然対数の底）となる縦軸の点をＡ２とする。このとき、レーザ光の光強度がガウス関数型の分布に従うことから、原点からＡ２までの距離は√２ａとなる。

本実施の形態では、距離Ｄが、レーザ光の１／ｅ^２のビームスポットの半径ａよりも長く、かつ、√２ａよりも短くなるようにする。すなわち、ａ＜Ｄ＜√２ａの関係を満たすように、ｎ−InPバッファ層１１の厚さを調節する。その他の構成については、実施の形態１と同様である。

距離Ｄを上記の範囲とすることにより、ｎ−InP基板１にしみだす光量を、全体の約０．００００３〜２．３％の範囲とすることができる。このようにすれば、レーザ光の発振波長および回折格子の結合定数のばらつきを小さく抑え、かつ、量産時の再現性を高くすることができる。

例えば、ビームスポット半径ａ、その他の層（活性層５、ｎ−AlGaInAs光閉込層４、ｎ−InP回折格子埋込層３、ｎ−InGaAsP回折格子層２）の厚さが実施の形態１と同様であると仮定する。このとき、ｎ−InPバッファ層１１の厚さを０．５８〜１μｍの範囲とすれば、ａ＜Ｄ＜√２ａの関係を満たす。このようにして、距離Ｄを上記の範囲とすることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、実施の形態１で得られる効果に加えて、半導体レーザ装置の量産時の再現性を高くすることができる。

なお、実施の形態１、２において、ｎ−InP回折格子埋込層３に含まれるｎ型不純物と、ｎ−InPバッファ層１１に含まれるｎ型不純物は、同一の元素であることが好ましい。例えば、Ｓｉ、Ｓのいずれかを用いて、これらの層に含まれるｎ型不純物が同一元素となるようにする。これにより、ｎ−InP回折格子埋込層３とｎ−InPバッファ層１１との間のｎ型不純物の相互拡散を抑制し、ｎ−InPバッファ層１１の屈折率を安定させることができる。

また、実施の形態１、２において、ｎ−InP基板１に含まれるｎ型不純物と、ｎ−InPバッファ層１１に含まれるｎ型不純物は、同一の元素であることが好ましい。例えば、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅのいずれかを用いて、これらの層に含まれるｎ型不純物が同一元素となるようにする。これにより、ｎ−InP基板１とｎ−InPバッファ層１１との間のｎ型不純物の相互拡散を抑制し、ｎ−InPバッファ層１１の屈折率を安定させることができる。従って、ｎ−InP基板１のキャリア濃度のばらつきに起因する屈折率の変動の影響を小さく抑えることができ、安定な発振波長、結合定数を有する半導体レーザを製造することができる。

また、実施の形態１、２では、ｎ−AlGaInAs光閉込層４、活性層５、p−AlGaInAs光閉込層６の材料として、AlGaInAsを用いるようにした。これらの材料に置き換えてInGaAsPを用いても、上記実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。

半導体レーザ装置の断面を示す図。リッジ型構造の半導体レーザ装置の断面を示す図。埋め込みヘテロ型構造の半導体レーザ装置の断面を示す図。バッファ層の厚さとレーザ光のビームスポット半径との関係を説明する図。バッファ層の厚さとレーザ光のビームスポット半径との関係を説明する図。

符号の説明

１ｎ−InP基板、２ｎ−InGaAsP回折格子層、３ｎ−InP回折格子埋込層、４ｎ−AlGaInAs光閉込層、５ AlGaInAs多重量子井戸活性層、６ p−AlGaInAs光閉込層、７ p−InPクラッド層、８ p−InGaAsコンタクト層、９ｎ側電極、１０ｐ側電極、１１ｎ−InPバッファ層、１３シリコン酸化膜。

Claims

ｎ型の半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられ、ｎ型不純物を含むバッファ層と、
前記バッファ層の上に設けられた回折格子層と、
前記回折格子層の上に設けられ、レーザ光を発生させる活性層と、
前記半導体基板と前記バッファ層との界面から前記活性層の中心までの距離Ｄが、前記レーザ光の１／ｅ^２のビームスポットの半径ａよりも長いことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記バッファ層に含まれるｎ型不純物の濃度は、層内にわたり平均値から±１０％以内であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記距離Ｄは、√２ａよりも短い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装置。
前記半導体基板としてｎ型InP基板が用いられ、リッジ型構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記半導体基板としてｎ型InP基板が用いられ、埋め込みヘテロ型構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記バッファ層は、有機金属化学気相成長法、分子線エピタキシャル成長法、液相エピタキシー成長法のいずれかの方法により形成されたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記回折格子層と前記活性層との間には回折格子埋め込み層が形成され、前記回折埋め込み層には、前記バッファ層に含まれるｎ型不純物と同一元素の不純物が含まれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記ｎ型不純物は、ＳｉまたはＳのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体基板には、前記バッファ層に含まれるｎ型不純物と同一元素の不純物が含まれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅのいずれかであることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ装置。