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WO2006106886A1 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

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WO2006106886A1
WO2006106886A1 PCT/JP2006/306759 JP2006306759W WO2006106886A1 WO 2006106886 A1 WO2006106886 A1 WO 2006106886A1 JP 2006306759 W JP2006306759 W JP 2006306759W WO 2006106886 A1 WO2006106886 A1 WO 2006106886A1
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WO
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semiconductor laser
laser device
current injection
layer
dld
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/306759
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tsuyoshi Fujimoto
Original Assignee
Optoenergy, Inc.
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Publication date
Application filed by Optoenergy, Inc. filed Critical Optoenergy, Inc.
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Priority to US11/887,412 priority patent/US7778298B2/en
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2237—Buried stripe structure with a non-planar active layer

Definitions

  • the present invention relates to a gain waveguide type high-power semiconductor laser device excellent in durability.
  • broad-area semiconductor laser elements having a wide current injection stripe width have been used as excitation light sources such as solid lasers, fiber lasers, and double-core erbium-doped optical amplifiers, and as direct processing light sources of metal or resin. Widely used. In this way, as the application field expands, broad area semiconductor laser elements are required to have not only high output but also high reliability (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-308445).
  • One of the broad area semiconductor laser elements is a gain-guided semiconductor laser element.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional gain-guided semiconductor laser device 1.
  • the semiconductor laser element 1 includes a first cladding layer 3, a first optical waveguide layer 4, an active layer 5, a second optical waveguide layer 6, and a second optical element on one surface 2a of the thickness direction Z of the planar semiconductor substrate 2.
  • a cladding layer 7, a current confinement layer 8, and a contact layer 9 are formed.
  • a current injection region (current injection stripe) 11 is formed in the center of the transverse direction Y perpendicular to the oscillation direction X and the thickness direction Z.
  • ⁇ 100> DLD Dark Line Defect
  • 100> DLD grows based on defects introduced by scribe or the like at the time of manufacturing a semiconductor laser device.
  • the conventional gain-guided semiconductor laser device 1 as shown in FIG. 4 does not have a light confinement structure in the lateral direction. For this reason, spontaneous emission light generated in the current injection region 11 propagates through the first and second optical waveguide layers 4 and 6 that are part of the laser structure, and the element end 12 in the lateral direction Y of the semiconductor laser element 1 It reaches the vicinity and is absorbed by the active layer 5. The carriers generated thereby are recombined at the defect portion of the element end 12 introduced by scribe or the like. Due to the recombination energy at this time, crystal defects grow and the transition is oriented toward 100>. The progress will be 100> DLD.
  • FIGS. 5A and 5B are observations of ⁇ 100> DLD grown in the conventional semiconductor laser device 1 shown in FIG. 4 based on the defects introduced by scribing.
  • FIG. 5A is a photograph of the appearance of the semiconductor laser device 1
  • FIG. 5B is a photograph of the electroluminescence of the semiconductor laser device 1 of FIG. 5A taken with a high sensitivity CCD (Charge Coupled Device).
  • CCD Charge Coupled Device
  • An object of the present invention is to realize a gain-guided semiconductor laser device having high reliability and high output by suppressing the growth of ⁇ 100> DLD.
  • the present invention comprises a semiconductor substrate in which two grooves extending in the oscillation direction are formed, and a gain waveguide type semiconductor laser structure portion formed on the semiconductor substrate and having a current injection region, wherein the current injection region is
  • This is a semiconductor laser device provided at a position sandwiched between the two grooves.
  • the active layer of the semiconductor laser device is preferably composed of a GaAs quantum well.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a result of a continuous energization test of the semiconductor laser device of the example.
  • Fig. 3 is a graph showing the results of a continuous energization test of a conventional semiconductor laser device as a comparative example.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional gain-guided semiconductor laser device as a comparative example.
  • FIG. 5 is an observation view of the semiconductor laser element in which ⁇ 100> DLD occurs.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor laser device 20 according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser element 20 is formed on the n-type GaAs semiconductor substrate 21 on which two grooves (lower opening width Wl ⁇ O / zm, depth D: lm) 31 formed by chemical etching are formed, that is, grooves.
  • An n-type AlGaAs cladding layer 22 is formed on the entire surface of one surface 21a of the thickness direction Z including the surface facing 31 by using metal-organic vapor phase epitaxy, photolithography, and chemical etching, all of which are well-known techniques. (Thickness: 0.9 / zm) and n-type Al Ga As light
  • Waveguide layer 23 (thickness: 0.4 m) and n-type Al Ga As carrier blocking layer (thickness: 0.013 m)
  • active active layer 24 and p-type Al Ga As optical waveguide layer 25 (thickness: 0.4 ⁇ ⁇ )
  • ⁇ -type Al Ga As cladding layer 26 (thickness: 0.9 / z m) and n-type GaAs current confinement layer 27 (thickness: 0.9 / z m)
  • a current injection region (current injection stripe) 29 (stripe width W2: 100 ⁇ m) is formed at the center of the ridge!
  • the current injection stripe 29 is formed at a position between the two grooves 31 formed in the semiconductor substrate 21 (distance W3: 60 ⁇ m from the stripe end to the groove end on the stripe side).
  • the waveguide layers are bent on both lateral sides perpendicular to the oscillation direction of the current injection stripe 29. It has a structure.
  • the force applied to the completely separated confinement structure (Decoupled Confinement Heterostructure: abbreviated as DCH)
  • DCH Decoupled Confinement Heterostructure
  • SCH separation confinement structure
  • the carrier block layer is necessary.
  • the carrier block layer is not essential for this embodiment.
  • the depth D of the groove 31 is selected to be equal to or larger than the width of the waveguide mode in the current injection stripe 29.
  • the thickness of the waveguide layers 23 and 25 and the active layer 24 is set to It is preferable to select more than the added thickness.
  • each layer can be determined as appropriate in order to obtain a desired laser oscillation.
  • the semiconductor laser device 20 of this example was subjected to a continuous energization test by injecting a current at a temperature of 50 ° C. so that the output was constant at 2 watts (W).
  • the continuous energization test was conducted after 400 hours of screening under the same conditions as the continuous energization test.
  • FIG. 2 shows the result of a continuous energization test of the semiconductor laser device 20 of this example.
  • the horizontal axis indicates the elapsed time from the start of energization, and the unit is time (hr).
  • the vertical axis shows the value (PZPo) obtained by dividing the output value P after operating for a predetermined time by the initial output value Po.
  • PZPo the value obtained by dividing the output value P after operating for a predetermined time by the initial output value Po.
  • a gain waveguide type semiconductor laser device shown in FIG. 4 was fabricated.
  • the configuration of the semiconductor laser device manufactured as a comparative example is the same as that of the example in each semiconductor layer of the laser structure and the manufacturing method thereof, except that the n-type GaAs semiconductor substrate 2 is not grooved.
  • a semiconductor laser device manufactured as a comparative example was subjected to a continuous energization test by injecting current so that the output was constant at 2 watts (W) under the condition of a temperature of 50 ° C. as in the example.
  • This continuous energization test was conducted after 400 hours of screening under the same conditions as the continuous energization test, as in the case of the examples.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of a continuous energization test of the gain-guided semiconductor laser device of the comparative example in terms of probability distribution.
  • the horizontal axis shows the time from when the energization was started until failure occurred.
  • the vertical axis and the vertical axis indicate the probability that the semiconductor laser element will fail. Unit of horizontal axis is time
  • the reason why the semiconductor laser device of the comparative example, that is, the semiconductor laser device 1 of the prior art cannot withstand continuous driving, that is, the reliability is low, is the occurrence of 100> DLD as described above.
  • the reason why 100> DLD occurs is that there is no light confinement structure in the lateral direction Y. Since the semiconductor laser device of the comparative example does not have a light confinement structure in the lateral direction Y, the emitted spontaneous emission light is the same as the first and second optical waveguide layers 4 and 4 as shown in FIG. It is absorbed by the active layer 5 while propagating through 6.
  • the spontaneous emission light propagates to the vicinity of the element end 12 and is absorbed by the active layer 5 to recombine at the defect portion formed by scribe, etc., and the recombination energy at this time causes a defect. Will grow, and 100> DLD will occur.
  • the gain waveguide type semiconductor laser device 20 in which each semiconductor layer is crystal-grown on the semiconductor substrate 21 in which the groove 31 is formed is formed on both sides of the current injection stripe 29.
  • the bent portion of the waveguide layer can prevent spontaneous emission light generated in the current injection stripe 29 region from propagating to the device end.
  • ⁇ 100> DLD which was a problem in the past, can be suppressed, and continuous stable operation for a long time becomes possible. That is, the present invention can realize a high-power semiconductor laser device having high reliability.
  • the semiconductor laser device 20 of the present invention can be manufactured by a crystal growth process similar to that of the conventional semiconductor laser device 1 by adding only the step of processing the groove 31 in the semiconductor substrate 21. It is. Therefore, it can be easily realized without an increase in manufacturing cost due to a film forming process without adding a process.
  • the growth rate of ⁇ 100> DLD has been experimentally divided to differ depending on the material forming the quantum well.
  • the growth rate of ⁇ 100> DLD is about an order of magnitude higher for GaAs quantum wells than for InGa As quantum wells. Therefore, the effect of the present invention is that the quantum well is made of GaAs. In the gain waveguide type semiconductor laser device having the active layer, it is more remarkable.
  • It can be used as a laser light source of a high-power laser device for laser carriage.
  • a gain waveguide type semiconductor laser in which each semiconductor layer is crystal-grown on a semiconductor substrate on which two grooves extending in the oscillation direction are formed so that the current injection region is located between the two grooves.
  • the device can suppress ⁇ 100> DLD, which was a problem in the past, and can realize a high-power semiconductor laser device with high reliability.
  • the semiconductor laser element of the present invention can be manufactured by changing only the processing of the semiconductor substrate. Therefore, it can be easily realized without any additional process and cost increase.

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Abstract

　本発明は、＜100＞DLDの成長を抑制することによって高信頼性を有する高出力利得導波型半導体レーザ素子を実現することを目的としている。発振方向に延びる２本の溝が形成された半導体基板上に形成され、利得導波型の半導体レーザ構造部を有し、電流注入ストライプが該溝に挟まれるように設けられたことを特徴とする半導体レーザ素子であり、好ましくは前記半導体レーザ素子の活性層を構成する量子井戸がＧａＡｓからなることを特徴とする半導体レーザ素子である。

Description

半導体レーザ素子
技術分野
[0001] 本発明は、耐久性に優れた利得導波型の高出力半導体レーザ素子に関する。
背景技術
[0002] 近年、広い電流注入ストライプ幅を有するブロードエリア半導体レーザ素子は、固 体レーザ、ファイバーレーザおよび、ダブルコアのエルビウムドープ光増幅器などの 励起光源として、また、金属または榭脂の直接加工光源として幅広く用いられるように なってきている。このように応用分野が広がるにしたがってブロードエリア半導体レー ザ素子でも単なる高出力だけでなく高い信頼性が求められるようになつている（特開 2001— 308445)。ブロードエリア半導体レーザ素子の 1つとして、利得導波型の半 導体レーザ素子が挙げられる。
図 4は、従来の利得導波型半導体レーザ素子 1の構成を示す断面図である。半導 体レーザ素子 1は、平面な半導体基板 2の厚み方向 Zの一表面 2a上に、第 1クラッド 層 3、第 1光導波層 4、活性層 5、第 2光導波層 6、第 2クラッド層 7、電流狭窄層 8およ びコンタクト層 9が形成される。発振方向 Xおよび厚み方向 Zに垂直な横方向 Yの中 央部には、電流注入領域 (電流注入ストライプ） 11が形成される。
ブロードエリア半導体レーザ素子の信頼性を損なう一因として、 < 100>DLD (Dar k Line Defect)が知られている。また、く 100 >DLDは、半導体レーザ素子作製時 のスクライブ等によって導入された欠陥を基点に成長することが知られている。半導 体レーザ素子に電流を注入するとレーザ発振閾値以下で自然放出光が放出される
。図 4に示すような従来の利得導波型の半導体レーザ素子 1では、横方向に光の閉 じ込め構造を有しない。このため、電流注入領域 11で発生した自然放出光は、レー ザ構造の一部である第 1および第 2光導波層 4, 6を伝播しながら半導体レーザ素子 1の横方向 Yの素子端 12近傍まで到達して活性層 5に吸収される。これによつて発 生するキャリアは、スクライブ等で導入された素子端 12の欠陥部で再結合する。この 時の再結合エネルギーによって結晶欠陥が成長し、転移が結晶方位く 100>に向か つて進展してく 100>DLDとなる。
図 5Aおよび図 5Bは、図 4に示す従来の半導体レーザ素子 1において、スクライブ によって導入された欠陥を基点として成長した < 100>DLDを観測した観測図であ る。図 5Aは半導体レーザ素子 1の外観写真であり、図 5Bは図 5Aの半導体レーザ素 子 1のエレクト口ルミネッセンスを高感度 CCD (Charge Coupled Device)で撮影した ものである。図 4に示す半導体レーザ素子 1などの利得導波型の半導体レーザ素子 を長時間駆動すると、横方向の素子端 12に存在する欠陥よつて、この素子端 12の 端面力 発振方向 Xおよび横方向 Yに平行な仮想一平面内において 45° の方向、 即ち結晶方位く 100>に向力つて DLDが成長する。このく 100>DLDは、電流注入 領域 11に到達すると急激に成長し、レーザ発振を停止させるため重大な問題となる 発明の開示
[0003] 本発明は、 < 100>DLDの成長を抑制することによって高信頼性を有し、かつ高出 力の利得導波型の半導体レーザ素子を実現することを目的としている。
本発明は、発振方向に延びる 2本の溝が形成された半導体基板と、該半導体基板 上に形成され電流注入領域を有する利得導波型の半導体レーザ構造部とを備え、 該電流注入領域が該 2本の溝に挟まれた位置に設けられた半導体レーザ素子であ る。
また、本発明において、前記半導体レーザ素子の活性層が GaAs量子井戸からな ることが好ましい。
図面の簡単な説明
[0004] 本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確にな るであろう。
図 1は、本発明の一実施形態となる半導体レーザ素子の構成を示す断面図である 図 2は、実施例の半導体レーザ素子の連続通電試験結果を示すグラフである。 図 3は、比較例となる従来の半導体レーザ素子の連続通電試験結果を示すグラフ である。 図 4は、比較例となる従来の利得導波型の半導体レーザ素子の構成を示す断面図 である。
図 5は、 < 100 > DLDの発生した半導体レーザ素子を観察した観察図である。 発明を実施するための最良の形態
以下図面を参考にして本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図 1は、本発明の一実施形態となる半導体レーザ素子 20の構成を示す断面図であ る。半導体レーザ素子 20は、ケミカルエッチングにより発振方向 Xに延びる 2本の溝（ 下部開口部幅 Wl ^O /z m、深さ D: l m) 31が形成された n型 GaAs半導体基板 21 上、すなわち溝 31に臨む表面を含む厚み方向 Zの一表面 21aの全面上に、全て周 知な技術である有機金属気相成長、フォトリソグラフィーおよびケミカルエツチンチン グを用いて、 n型 Al Ga Asクラッド層 22 (厚さ: 0. 9 /z m)と、 n型 Al Ga As光
0.48 0.52 0.31 0.66 導波層 23 (厚さ: 0. 4 m)と、 n型 Al Ga Asキャリアブロック層（厚さ: 0. 013 m
0.62 0.38
) , GaAs/Al Ga As量子井戸層および p型 Al Ga Asキャリアブロック層（厚さ
0.31 0.69 0.50 0.50
:0. 020 μ m)力らなる活'性層 24と、 p型 Al Ga As光導波層 25 (厚さ: 0. 4 μ ηι)
0.31 0.66
と、 ρ型 Al Ga Asクラッド層 26 (厚さ: 0. 9 /z m)と、 n型 GaAs電流狭窄層 27 (厚さ
0.48 0.52
:0. 4 /z m)と、この電流狭窄層 27が埋め込まれた p型 GaAsコンタクト層 28 (厚さ: 1. 7 μ ηι)とが順次形成されて成るレーザ構造部が形成され、横方向 Υの中央部に電流 注入領域 (電流注入ストライプ） 29 (ストライプ幅 W2: 100 μ m)が形成されて!ヽる。 また、電流注入ストライプ 29は、半導体基板 21に形成した 2本の溝 31に挟まれる 位置 (ストライプ端からストライプ側の溝端までの距離 W3:60 μ m)に形成されて!、る 。本発明の半導体レーザ素子 20は、溝 31が形成された半導体基板 21上にレーザ 構造を結晶成長するため電流注入ストライプ 29の発振方向に垂直な横方向の両外 側に導波層が曲った構造を有している。
また、本実施例では、完全分離閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostr ucture:略称 DCH)に適用している力 本発明は、既に周知な構造である分離閉じ込 め構造（Separated Confinement Heterostructure :略称 SCH)に適用しても、前述し たように電流注入ストライプを半導体基板に形成される溝に挟まれる位置に形成する ことによって、有効に作用する。この場合、キャリアブロック層は必要なぐしたがって キャリアブロック層は本実施例に必須なものではない。
また、溝 31の深さ Dは、電流注入ストライプ 29における導波モードの幅以上に選ば れることが好ましぐたとえば DCH構造では、前記導波層 23, 25および活性層 24の 厚さをそれぞれ加算した厚さ以上に選ばれることが好ましい。
また、各層の膜厚、組成および不純物ドーピング量などは、所望のレーザ発振を得 るために適宜決めることができる。
本実施例の半導体レーザ素子 20を温度が 50°Cの条件下で、出力が 2ワット (W)で 一定になるよう電流を注入して連続通電試験を実施した。また、本連続通電試験は、 連続通電試験と同条件で 400時間のスクリーニング後に実施した。
図 2は、本実施例の半導体レーザ素子 20の連続通電試験の結果を示している。横 軸は、通電を開始した時刻からの経過時間を示し、単位は、時間（hr)である。また、 縦軸は、所定時間動作後の出力値 Pを初期の出力値 Poで除算した値 (PZPo)を示 している。図 2から判るように 27個の素子のうちの全てが 700時間を経ても安定動作 している。これは、電流注入ストライプ 29の両側に形成された光導波層 23, 25の曲り 部分によって、電流注入ストライプ領域内で発生する自然放出光の、横方向 Yの素 子端 32への伝播が押さえられた結果として、く 100>DLDの成長が抑制できたため と考えられる。
(比較例）
比較例として図 4に示す利得導波型半導体レーザ素子を作製した。比較例として 作製した半導体レーザ素子の構成は、 n型 GaAs半導体基板 2に溝加工が施されて いない以外は、レーザ構造部の各半導体層およびその作製方法とも実施例と同様で ある。
比較例として作製した半導体レーザ素子を実施例と同様に温度が 50°Cの条件下 で、出力が 2ワット (W)で一定になるよう電流を注入して連続通電試験を実施した。ま た、本連続通電試験は、実施例の場合と同様に連続通電試験と同条件で 400時間 のスクリーニング後に実施された。
図 3は、比較例の利得導波型半導体レーザ素子を、続通電試験した結果を確率分 布で示すグラフである。図 3において、横軸は、通電を開始した時刻から故障するま での時間、縦軸は、半導体レーザ素子が故障する確率を示す。横軸の単位は、時間
(hr)である。
比較例の半導体レーザ素子は、 700時間の連続駆動によって 13個のうち、 13個全 てが、発振を停止した。
このように比較例の半導体レーザ素子、すなわち従来の技術の半導体レーザ素子 1が連続駆動に耐えられない、すなわち信頼性が低い原因は、前述したようにく 100 >DLDの発生である。また、く 100>DLDが発生する原因は、横方向 Yに光の閉じ 込め構造を有しないためである。比較例の半導体レーザ素子では、横方向 Yに光の 閉じ込め構造を備えないので、放出された自然放出光は、図 4〖こ示されるのと同じよ うに第 1および第 2光導波層 4, 6を伝播しながら活性層 5に吸収される。自然放出光 が素子端 12近傍まで伝播し、活性層 5に吸収されることによって発生するキャリアが 、スクライブなどで形成された欠陥部で再結合し、この時の再結合エネルギーによつ て欠陥が成長し、く 100>DLDが発生すると考えられる。
以上の実施例および比較例から明らかなように、溝 31が形成された半導体基板 21 上に各半導体層が結晶成長された利得導波型半導体レーザ素子 20は、電流注入 ストライプ 29の両側に形成される導波層の曲り部分によって、電流注入ストライプ 29 領域内で発生する自然放出光が素子端へ伝播することを防止しすることができる。そ の結果として従来問題であった < 100 >DLDを抑制すること可能であり、長時間の連 続安定動作が可能となる。すなわち本発明によって高い信頼性を有する高出力半導 体レーザ素子を実現することが出来る。また、本発明の半導体レーザ素子 20は、半 導体基板 21に溝 31を加工する工程のみを追加するだけで、従来の技術の半導体レ 一ザ素子 1と同様の結晶成長プロセスによって、作製が可能である。したがってプロ セスの追加が無ぐ成膜プロセスによる製造コストの上昇なども無ぐ容易に実現可能 である。
また、 < 100>DLDの成長する速度は、量子井戸を形成する材料によって異なるこ とが実験的に分力つている。 GaAsからなる量子井戸と、 InGaAsからなる量子井戸と を比較した場合、 < 100>DLDの成長する速度は、 GaAs量子井戸の場合が InGa As量子井戸よりも約 1桁大きい。したがって本発明の効果は、量子井戸が GaAsから なる活性層を有する利得導波型の半導体レーザ素子において、より顕著に発揮され る。
本発明は、その精神または主要な特徴力 逸脱することなぐ他のいろいろな形態 で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本 発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束され ない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のもので ある。
産業上の利用可能性
レーザカ卩ェ用の大出力レーザ装置のレーザ光源として利用できる。
発振方向に延びる 2本の溝が形成された半導体基板上に、電流注入領域が該 2本 の溝に挟まれた位置となるように各半導体層が結晶成長された利得導波型半導体レ 一ザ素子は、従来問題であった < 100>DLDを抑制することが可能であり、高い信 頼性を有する高出力半導体レーザ素子を実現することが出来る。また、本発明の半 導体レーザ素子は、半導体基板の加工のみの変更によって作製が可能である。した がってプロセスの追加等無くコストの上昇なども無ぐ容易に実現可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 発振方向に延びる 2本の溝が形成された半導体基板と、該半導体基板上に形成さ れ電流注入領域を有する利得導波型の半導体レーザ構造部とを備え、該電流注入 領域が該 2本の溝に挟まれた位置に設けられたことを特徴とする半導体レーザ素子
[2] 活性層を構成する量子井戸が GaAsからなることを特徴とする請求項 1記載の半導 体レーザ素子。
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