JP2008053598A - 半導体レーザ素子および光送信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子では、ウエハプロセス工程での熱履歴によってｐ型クラッド層から活性層近傍領域までＺｎアクセプタが拡散することにより、電流密度が増大、内部量子効率が低下する等、素子基本特性が劣化する。
【解決手段】上記課題を解決するための手段として、以下の手段の少なくとも一つを採用した。第１の手段として、回折格子構造をＡｌＧａＩｎＡｓ層とした。第２の手段として、回折格子層にＣをアクセプタとしてドーピングする。そして、第３の手段として、回折格子層にＣおよびＺｎをアクセプタとしてドーピングする。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザ素子および光送信モジュールに係わり、特に分布帰還型半導体レーザ素子および光送信モジュールに関する。

一般に、光伝送用光源として用いられる通信用半導体レーザは、任意の波長で安定にレーザ発振動作を得る手段として、発振波長に対応したグレーティング部を活性層近傍領域のクラッド層中に形成し、光導波路軸方向に屈折率の不連続性を持たせた回折格子構造が広く採用されている。回折格子構造を備えた分布帰還型レーザでは、発振縦モードにおいて次数ｍの増加と共にしきい利得が増大する。このため、レーザ光の発振スペクトルは、回折格子による周期幅を選択することにより、任意波長の縦モードを選択することが可能となり、単一縦モードでのレーザ発振が可能となる。

通信用光源である半導体レーザは、一般的に、半導体結晶基板としてＩｎＰ結晶を用いる。ＩｎＰ基板上にはＧａＩｎＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓの四元系化合物半導体結晶をベースとした多重量子井戸構造を有機金属気相成長法等によりエピタキシャル成長する。半導体レーザは、アクセプタ不純物を添加したｐ導電型のクラッド層と、不純物を添加していないアンドープ活性層（ｉ層）、およびドナー不純物を添加したｎ導電型のクラッド層から構成されるｐｉｎ構造を取る。

代表的なＩＩＩ-Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓまたはＩｎＰ等の結晶成長工程においては、一般的にｎ型不純物として珪素（Ｓｉ）元素が、用いられる。また、ｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）元素が用いられる。ここで、両者を比較すると、その熱拡散の速度は、Ｚｎ元素の方が早い。これは、半導体結晶の格子間サイトに取り込まれたＺｎは、半導体結晶を拡散しやすいためである。このように、ｐ型クラッド層中にドーピングされたＺｎアクセプタがアンドープ活性層領域へ熱拡散した場合、内部量子発光効率が低下すると共に、発振しきい電流密度が増大し、半導体レーザ素子の基本特性が大幅に低下するといった課題が残されていた。

炭素（Ｃ）元素は、ＧａＩｎＡｓやＧａＡｓ系半導体結晶を高濃度にドーピングする際のアクセプタとして、ヘテロバイポーラトランジタ等の半導体電子部品で広く利用されている。このＣアクセプタをＺｎアクセプタと比較すると、半導体結晶中での熱拡散定数が小さいことが特長の一つとして挙げられる。このため、Ｃアクセプタは、Ｚｎアクセプタのように結晶成長工程やウエハプロセス工程での熱履歴による半導体結晶中の拡散を抑制できるという効果がある。

これに対し、通信用半導体レーザでは、ｐ型半導体層のアクセプタとしてＣを採用する場合には以下が制約される。Ｃは、先に述べたＧａＩｎＡｓやＧａＡｓ等のように、Ｖ族元素にＡｓを含む化合物半導体結晶の場合において活性化するアクセプタである。従って、通信用光源の波長領域である１.３μｍ帯、１.５５μｍ帯のレーザ光を得る場合の材料系として、ＧａＩｎＡｓＰ系もしくはＡｌＧａＩｎＡｓ系が実用化されているが、前者のＧａＩｎＡｓＰ系ではＣアクセプタの活性化率は低く、後者のＡｌＧａＩｎＡｓ系のみで適用可能となる。

非特許文献１には、ＡｌＩｎＡｓ三元系化合物半導体結晶にＣドーピングした１.３μｍ帯半導体レーザの特性改善に関する記載がある。非特許文献１によると、多重量子井戸活性層近傍のｐ-ＡｌＩｎＡｓ光電子分離閉じ込め層を基板温度５８０℃〜６１８℃で成長し、その際にＣをアクセプタとしてドーピングした結果、レーザ素子の量子効率が改善することが示されている。

K. Kurihara et al., "1.3-μm Laser Diode with a High-Quality C-doped InAlAs", TuB1-3, Proceeding of Indium Phosphide and Related Materials, 2004

ＡｌＩｎＡｓは、酸素に対し非常に活性なＡｌを構成元素として含んでいることから、結晶成長過程おけるエピタキシャル層中への酸素の取り込みが問題となる。これを抑制するために、Ａｌ系元素を含む化合物半導体の結晶成長は、一般的に基板温度６５０℃〜７００℃程度の高温度領域で行なわれる。しかしながら、非特許文献１のように、ＡｌＩｎＡｓの成長温度を下げた場合には、酸素混入の増加だけでなく、特に活性層近傍領域のＡｌ系元素を含む化合物半導体層の結晶品質の低下が懸念される。本発明の目的は、品質の安定した半導体レーザ素子および光送信モジュールを提供することにある。

本発明では、ｐ型クラッド層から活性層領域へのＺｎ拡散耐力の向上を図るアプローチとして、まず回折格子層をＡｌ系元素を含む化合物半導体層とし、さらに活性層から離れたこの領域のみにＣ単体を、もしくはＣおよびＺｎをアクセプタとしてドーピングする形態を採用する。

上述した課題は、半導体基板上にｎ導電型のクラッド層と、活性層と、ｐ導電型のクラッド層とを有し、ｐ導電型クラッド層中に少なくともＡｌ元素を含む混晶系化合物半導体層から構成される回折格子層が形成されている半導体レーザ素子により、達成できる。

また、ケースの中に、半導体レーザと、この通信用レーザを駆動するドライバと、通信用半導体レーザの出力をモニタするフォトダイオードを搭載し、半導体レーザは、半導体基板上にｎ導電型のクラッド層と、活性層と、ｐ導電型のクラッド層とを有し、ｐ導電型クラッド層中に少なくともＡｌ元素を含む混晶系化合物半導体層から構成される回折格子層が形成されている光送信モジュールにより、達成できる。

本発明によって、ｐ-ＩｎＰクラッド層から活性層領域へのＺｎ拡散量を大幅に低減することが可能となり、分布帰還型半導体レーザ素子の基本特性のばらつきを減少させることができる。この結果、品質の安定した半導体レーザ素子および光送信モジュールを提供することができる。

以下、本発明の実施例の形態について、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

実施例１について、図１ないし図４を用いて説明する。ここで、図１および図２は、分布帰還型半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面図である。図３は分布帰還型半導体レーザ素子の斜視図である。図４は光送信モジュールのブロック図である。なお、図示の簡便のため断面図においてもハッチングを省く。

図１において、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１上に、有機金属気層成長法を用いて、膜厚２００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２を介して、膜厚５００ｎｍのｎ型ＩｎＰクラッド層３、膜厚６０ｎｍのｎ型ＡｌＩｎＡｓ光ガイド層４、膜厚５ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ圧縮歪み井戸層と膜厚７ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ引っ張り歪み障壁層から成るアンドープＡｌＧａＩｎＡｓ系歪み補償型多重量子井戸構造活性層５、膜厚４０ｎｍのｐ型ＡｌＩｎＡｓ光ガイド層６、膜厚１５ｎｍのｐ型ＩｎＰスペーサ層７、膜厚１５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８、および膜厚１５ｎｍのｐ型ＩｎＰキャップ層９を順次、多層成長した。

ここで、ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８の組成波長は１２００ｎｍとし、その成長温度は６００℃とした。また、ｎ型ドナーにはＳｉを、ｐ型アクセプタにはＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８の成長時のみＣを用い、その他のｐ型層にはＺｎを用いた。Ｃアクセプタの原料には有機金属原料である四臭化炭素を使用した。

この後、図２に示すように、フォトリソグラフィ技術、電子線描画技術、およびエッチング技術を用いて、ピッチ幅約２００ｎｍの回折格子構造１０を形成した。次に、再び有機金属気層成長法を用いて、回折格子構造１０を作り付けた多層基板上に、膜厚１７００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層１１、膜厚３０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓＰヘテロ障壁低減層１２、膜厚２５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層１３を順次、再成長した。これらｐ型層のアクセプタは全てＺｎを用いた。

次に、図３に示しように、熱ＣＶＤ技術、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術を用いて、ｐ型ＩｎＰスペーサ層７の界面近傍までｐ型ＩｎＰクラッド層１１をエッチングし、ストライプ幅約１.５μｍのリッジ状光導波路構造１４を形成した。

次に、光導波路構造１４にｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層１３を介して電気的に接続されるｐ側電極１５と、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１に電気的に接続されるｎ側電極１６とを形成した。ｐ側電極１５は、電子ビーム蒸着法により形成し、ｎ側電極１６は、ｐ側電極１５を形成した後、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１の裏面側を研磨し、電子ビーム蒸着法によって形成した。

その後、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１を共振器長２００μｍのバー状にへき開し、この共振器端面に、スパッタリング技術を用いて誘電体による多層反射膜１７を形成した後、幅３５０μｍのレーザ素子にチップ化し、リッジ導波路タイプの１.３μｍ発振分布帰還型半導体レーザ素子１００とした。

上述の素子構造では、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１中に周期構造からなるｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８が埋め込まれた状態となっている。このため、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１成長中にアクセプタとしてドーピングされたＺｎは、その後のコンタクト層１３成長時やウエハプロセス工程での熱履歴によって多重量子井戸活性層５を含む下地層領域への熱拡散するが、Ｃがドーピングされた回折格子層８で拡散してきたＺｎを飽和濃度限界まで充分に蓄積することができる。また、回折格子構造を従来のＧａＩｎＡｓＰ系からＡｌＧａＩｎＡｓ系にしたことにより、ｐ-ＩｎＰクラッド層１１とＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８との界面における価電子帯のバンド不連続量が低減する結果、多重量子井戸構造に効率よくホールを注入することが可能となった。

本実施例の半導体レーザ素子１００に電流注入を行った結果、発振波長１.３μｍ帯での単一モード発振が観測され、そのしきい値電流は１６ｍＡ、内部量子効率は０.１７Ｗ/Ａと良好な値が得られた。これに対し、同様に比較のために作製したＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８にＺｎをドーピングした素子では、しきい値電流が２０ｍＡに増加すると共に、その内部量子効率が０.１２Ｗ/Ａに低下した。これらしきい値電流の増加および量子効率の低下は、ｐ-ＩｎＰクラッド層１１から拡散してきたＺｎがＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８を経て多重量子井戸活性層近傍領域まで拡散するＺｎ絶対量が多いことを示唆しており、本実施例であるＣアクセプタをドーピングしたＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８の場合には拡散してきたＺｎを許容できる絶対量が十分に高いことを示している。また、回折格子層８をＡｌＧａＩｎＡｓ層にしたことによって、動作雰囲気温度１℃とした低温領域での１０Ｇｂｉｔ/ｓ伝送時の光波形パタンにおいて、マスクマージンの改善効果が見られた。これは、ｐ-ＩｎＰクラッド層１１とＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８の価電子帯バンド不連続量の低減効果によるものである。

本実施例では、まず、従来より回折格子層として広く一般に用いられてきたＧａＩｎＡｓＰ層に代わり、ＡｌＧａＩｎＡｓ層を採用した。ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層の場合、ＩｎＰクラッド層との価電子帯のバンド不連続量ΔＥｖは約０.６ΔＥｇである。これに対し、回折格子層をＡｌＧａＩｎＡｓとした場合のＩｎＰクラッド層との価電子帯不連続量ΔＥｖは約０.３ΔＥｇとなる。従って、価電子帯のバンド不連続量は、回折格子層をＧａＩｎＡｓＰからＡｌＧａＩｎＡｓ層とすることによって約０.３ΔＥｇ低減することができる。この不連続量の低減により、回折格子領域に注入されたホールは、ヘテロ障壁が低減した分、多重量子井戸構造に効率よく注入される。この結果、伝送速度の向上や光伝送波形の改善した。

次に、本実施例では、ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層にＣをアクセプタとしてドーピングする方式を採用することにより、ｐ型クラッド層から熱拡散してきたＺｎを蓄積する機能を持たせた。Ｚｎは、ＩＩＩ族サイトに取り込まれアクセプタとなるが、ＣはＶ族サイトにアクセプタとして取り込まれる。ＺｎをドーピングしたＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層の場合には、ｐ型クラッド層から拡散してきたＺｎがIII族サイトに取り込まれるが、既にＺｎがアクセプタとしてドーピングされているために、回折格子層に蓄積できるＺｎの絶対量が少なくなる。これに対し、ＡｌＧａＩｎＡｓ層回折格子層をＣドーピングとした場合には、III族サイトは充分に空いた状態であるため、ｐ型クラッド層より拡散してきたＺｎを飽和濃度限界まで充分に蓄積することが可能となる。この結果、許容濃度限界である臨海点を越えて多重量子井戸活性層近傍領域に拡散するＺｎを大幅に低減することができた。

図４において、接地されたケース１４０内部に配置された半導体レーザ素子１００は、駆動ＩＣ１２０により直変駆動される。半導体レーザ素子１００の前方光信号は、図示しない光ファイバにより、伝送される。半導体レーザ素子１００の後方光は、モニタフォトダイオード１１０によりモニタされる。ケース１４０の半導体レーザ素子１００近傍には、サーミスタ１３０が配置され、半導体レーザ素子１００の温度をモニタする。後方光パワーと温度は、半導体レーザ素子１００駆動制御に利用する。この光送信モジュール２００の光伝送特性は、緩和振動周波数１９ＧＨｚの良好な変調特性であった。

実施例２を再び図１ないし図３を参照して説明する。すなわち実施例２は、実施例１と同様の構造を有する１.３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザ素子に関する。

ただし、膜厚１５ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８のドーピングでは、アクセプタとしてＣとＺｎを一緒にドーピングした。また、ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８の成長温度は６３０℃とした。実施例２では、回折格子層成長時の基板温度を高くした結果、Ｃドーピング単体時よりも結晶品質の向上が期待できる。実施例１では、ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層８のＣドーピング効率を高めるために、成長時の基板温度を６００℃としホールキャリア濃度８ｅ１７/ｃｍ３を得た。これに対し、実施例２では、実施例１と同様のホールキャリア濃度を得るために、Ｃアクセプタによるホールキャリア濃度を４ｅ１７/ｃｍ３とし、Ｚｎアクセプタによるホールキャリア濃度を４ｅ１７/ｃｍ３とすることで、トータルで８ｅ１７/ｃｍ３のホールキャリア濃度を得た。

実施例２の半導体レーザ素子１００に電流注入を行ったところ、発振波長１.３μｍ帯での単一モード発振し、そのしきい値電流は１４ｍＡ、内部量子効率は０.２０Ｗ/Ａと、さらに良好な素子特性が得られた。これは、回折格子層８のアクセプタを一部Ｃとしたことによって、回折格子層８に拡散してきたＺｎを許容できる濃度が増加したこと、結晶成長温度を上げたことにより回折格子層の結晶品質が向上したこと、そして価電子帯のバンド不連続量が低減したことによって、ホールの注入効率が改善されたことを意味している。

本実施例では、ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層にＣおよびＺｎをアクセプタとしてドーピングする形態を採用した。ＡｌＧａＩｎＡｓにおけるＣドーピング効率は、成長温度の高温化と共に減少する。このため、例えば回折格子層となる組成波長１２００ｎｍｍ程度のＡｌＧａＩｎＡｓ層において、Ｃドーピングのみで８ｅ１７/ｃｍ３を得ようした場合の成長温度は６００℃が限界である。これに対し、Ｃドーピング効率は低下するが、成長温度を６３０℃まで上げてＣアクセプタによるホールキャリア濃度を４ｅ１７/ｃｍ３とし、Ｚｎアクセプタによるホールキャリア濃度を４ｅ１７/ｃｍ３とした場合には、トータルで８ｅ１７/ｃｍ３のホールキャリア濃度を得ることができる。従って、回折格子層にＣおよびＺｎをアクセプタとしてドーピングすることによって、ＡｌＧａＩｎＡｓ回折格子層の成長温度をＣ単体をドーピングする場合よりも高くすることができることから、回折格子層の結晶品質を高めた。

上記レーザ素子１００を搭載した光送信モジュール２００の光伝送特性は、緩和振動周波数１９.５ＧＨｚと、良好な変調特性を得た。

分布帰還型半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面図である。 分布帰還型半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面図である。 分布帰還型半導体レーザ素子の斜視図である。 光送信モジュールのブロック図である。

符号の説明

１…ｎ型ＩｎＰ半導体基板、２…ｎ型ＩｎＰバッファ層、３…ｎ型ＩｎＰクラッド層、４…ｎ型ＡｌＩｎＡｓ光ガイド層、５…アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ系歪み補償型多重量子井戸構造、６…ｐ型ＡｌＩｎＡｓ光ガイド層、７…ｐ型ＩｎＰスペーサ層、８…ｎ型ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層、９…ｐ型ＩｎＰキャップ層、１０…回折格子構造、１１…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１２…ｐ型ＧａＩｎＡｓＰヘテロ障壁低減層、１３…ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層、１４…リッジ導波路構造、１５…ｐ側電極、１６…ｎ側電極、１７…誘電帯多層反射膜、１００…半導体レーザ素子、１１０…モニタフォトダイオード、１２０…駆動ＩＣ、１３０…サーミスタ、１４０…ケース、２００…光送信モジュール。

Claims (5)

1. 半導体基板上にｎ導電型のクラッド層と、活性層と、ｐ導電型のクラッド層とを有する半導体レーザ素子において、
   前記ｐ導電型クラッド層中に少なくともＡｌ元素を含む混晶系化合物半導体層から構成される回折格子層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１記載の半導体レーザ素子であって、
   前記回折格子層に炭素がドーピングされていることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項１記載の半導体レーザ素子であって、
   前記回折格子層に炭素および亜鉛がドーピングされていることを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ素子であって、
   前記活性層は、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＡｓの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
5. ケースの中に、半導体レーザと、この通信用レーザを駆動するドライバと、前記通信用半導体レーザの出力をモニタするフォトダイオードを搭載する光送信モジュールにおいて、
   前記半導体レーザは、半導体基板上にｎ導電型のクラッド層と、活性層と、ｐ導電型のクラッド層とを有し、前記ｐ導電型クラッド層中に少なくともＡｌ元素を含む混晶系化合物半導体層から構成される回折格子層が形成されていることを特徴とする光送信モジュール。
   

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