JP4043672B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、直線的な注入電流−光出力特性を示し、かつ安定した発振スペクトルを有して光通信分野に最適な半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信分野では、半導体レーザ装置が盛んに使用されていて、特にInGaAs系の980nm帯半導体レーザ装置は、光ファイバ通信系の光増幅器の励起光源として多用されている。
光増幅器の励起光源等として使用される半導体レーザ素子は、光出力及び発振スペクトルが注入電流に対して安定した関係で動作することが求められている。具体的には、例えば光増幅動作の信頼性を高めるために、注入電流−光出力特性は直線的であることが求められ、また、戻り光の影響を抑制するために、発振スペクトルは安定した縦多モード発振が好ましい。
【0003】
ここで、図4を参照して、従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子の構成を説明している。図4は従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子10は、図4に示すように、厚さ100μmのn型GaAs 基板12上に、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚2μmのn型AlGa As クラッド層14、InGaAs/GaAs のペアの量子井戸構造の活性層16、膜厚2μmのp型AlGa As クラッド層18、及び膜厚0.3μmのp型GaAs キャップ層20からなる積層構造を備えている。
【0004】
積層構造のうち、p型キャップ層20及びp型クラッド層18の上部は、幅4μmのストライプ状のメサ構造として形成されている。
p型キャップ層20上を除いて、メサ構造の側壁及びp型クラッド層18の上には、SiN膜からなるパッシベーション膜22が形成されている。
露出したp型キャップ層20及びパッシベーション膜22上には、Ti/Pt/Auの積層金属膜からなるp側電極24が、GaAs 基板12の裏面には、AuGe/Ni/Auの積層金属膜からなるn側電極26が、それぞれ、形成されている。
【0005】
次に、図5を参照して、上述した従来の半導体レーザ素子10の作製方法を説明する。図5(a)から(c)は、それぞれ、従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
先ず、n型GaAs 基板12上に、MOCVD法によって、順次、膜厚2μmのn型AlGa As クラッド層14、InGaAs/GaAs のペアの量子井戸構造の活性層16、膜厚2μmのp型AlGa As クラッド層18、及び膜厚0.3μmのp型GaAs キャップ層20をエピタキシャル成長させ、図5(a)に示すように、積層構造を形成する。
次いで、p型キャップ層20及びp型クラッド層18の上部をエッチングして、図5(b)に示すように、幅4μmのストライプ状のメサ構造を形成する。
続いて、基板上全面にパッシベーション膜としてSiN膜22を成膜し、次いで、SiN膜22をエッチングして、図5(c)に示すように、キャップ層20を露出させる。
【0006】
次いで、基板上全面にTi/Pt/Auの積層金属膜を蒸着させ、p側電極24を形成する。また、厚さが100μmになるまで、GaAs 基板12の裏面を研磨し、続いて、裏面全面にAuGe/Ni/Auの積層金属膜を蒸着させ、n側電極26を形成する。これにより、図4に示す半導体レーザ素子10を作製することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の半導体レーザ素子10では、n型GaAs基板12のバンドギャップ・エネルギーEg1 が1.41eVであり、活性層16のバンドギャップ・エネルギーEg2 が1.27eVであって、Eg1 >Eg2 であることから、活性層から発光した光は、基板の中を伝搬することが可能となる。
そこで、半導体レーザ素子10のGaAs 基板12の研磨裏面が鏡面仕上げになっている場合、GaAs 基板12中を伝搬した光は、図6に示すように、基板裏面で反射され、反射光となって、再び活性層の光と結合する。
【0008】
基板裏面での反射光と活性層からの光とが結合する場合、以下の二つの問題が生じる。
第1の問題は、キンク現象が電流−光出力特性に発生することであって、図7に示すように、注入電流に対する光出力の直線性が損なわれる。つまり、キンク現象が発生することから、安定したAPCAutomatic Power Control 動作を持続できなくなってしまう。
【0009】
また、第2の問題は、戻り光による影響が大きくなることである。基板裏面での反射光と活性層からの光とが結合する場合、発振スペクトルでは、図8に示すように、3nm間隔のリップルが現れる。これは、通常のファブリペロー共振器と基板との共振器という複合共振器が形成されていることにより発生する現象である。
このような場合、モードが注入電流に対して3nm間隔で飛び、出力が変動し、過剰雑音として観測されるモードホッピング雑音が生じる。発振モードは、このリップルに起因してシングル縦モードとなることから、戻り光による耐性が悪化する。
【0010】
そこで、本発明の目的は、光出力及び発振スペクトルが注入電流に対して安定した状態で動作する半導体レーザ素子を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、バンドギャップ・エネルギーEg1 を有する半導体基板上に、Eg1 >Eg2 のバンドギャップ・エネルギーEg2 を有する活性層を結晶成長させてなる半導体レーザ素子において、
活性層で発振したレーザ光を吸収する吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成されていることを特徴としている。
【0012】
吸収媒質層の形成方法に制約はないが、好適には、プロセスの容易性から、吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成された金属電極層と、半導体基板との合金化反応により形成されている。
具体的には、半導体基板裏面の吸収媒質層は、半導体基板がGaAs 基板であるとき、InGaAs層であって、InとGaAs との合金化反応により形成する。即ち、GaAs 基板の基板裏面に形成された金属電極層が、基板裏面に接してIn層を有し、
吸収媒質層が、基板裏面上に金属電極層を形成した後に、熱処理を施して金属電極層のInとGaAs 基板のGaAs とを合金化してなるInGaAs層である。
【0013】
本発明に係る半導体レーザ素子では、活性層で発振するレーザ光を吸収する吸収媒質層が基板裏面に形成されている。その結果、半導体基板のバンドギャップ・エネルギーEg1 が活性層のバンドギャップ・エネルギーEg2 が小さいために、活性層で発振したレーザ光が活性層側基板面から基板裏面に向けて半導体基板を通過するものの、レーザ光は吸収媒質層で吸収される。
従って、本発明に係る半導体レーザ素子では、半導体基板の基板裏面で反射するレーザ光の光量が減少するので、注入電流に対する光出力の直線性が維持され、かつ、発振スペクトルが安定し、発振モードがシングル縦モードになるようなことはない。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子30は、図1に示すように、厚さが100μm程度でバンドギャップ・エネルギーEg1 が1.41eVのn型GaAs基板32上に、順次、エピタキシャル成長した、膜厚2μmのn型AlGaAsクラッド層34、InGaAs/GaAsの2層から成る量子井戸構造として形成され、バンドギャップ・エネルギーEg2 がn型GaAs 基板32より小さい1.26eVの活性層36、膜厚2μmのp型AlGaAsクラッド層38、及び膜厚0.3μmのp型GaAsキャップ層40の積層構造を備える。
p型キャップ層40及びp型クラッド層38の上部は、幅4μmのストライプ状メサ構造として形成されている。
【0015】
p型キャップ層40上を除くメサ構造の側面及びp型クラッド層38上には、SiNからなるパッシベーション膜42が成膜されていて、露出したp型キャップ層40及びパッシベーション膜42上には、Ti/Pt/Auの積層金属膜からなるp側電極44が形成されている。
n型GaAs 基板32の裏面には、In/AuGe/Ni/Auの積層金属膜からなるn側電極46が形成されている。そして、n型GaAs 基板32とn型電極46との間には、InGaAs層48が、活性層36の発振波長のレーザ光の吸収媒質層として介在している。
【0016】
本実施形態例の半導体レーザ素子30を作製するには、従来の方法と同様にして、n型GaAs 基板32上に、MOCVD法等によって、順次、膜厚2μmのn型AlGa As クラッド層44、InGaAs/GaAs の2層からなる量子井戸構造の活性層36、膜厚2μmのp型AlGa As クラッド層38、及び膜厚0.3μmのp型GaAs キャップ層40をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次に、p型キャップ層40及びp型クラッド層38の上部をエッチングして、幅4μmのストライプ状のメサ構造を形成し、基板上全面にパッシベーション膜としてSiN膜42を成膜し、次いでSiN膜42をエッチングしてp型キャップ層40を露出させる。
次に、基板上全面にTi/Pt/Auの積層金属膜を蒸着させ、p側電極24を形成する。また、厚さが100μmになるまで、GaAs 基板32の裏面を研磨する。
【0017】
続いて、本実施形態例の半導体レーザ素子30の作製では、裏面全面に、順次、In/AuGe/Ni/Auの金属膜を蒸着させ、積層金属膜からなるn側電極46を形成する。
次いで、n側電極46を形成した基板に、水素雰囲気内で温度350°の熱処理を5分間施すことにより、n側電極46を形成する積層金属膜のInとn型GaAs 基板32のGaAs との合金化反応を行う。この結果、膜厚が約100nmのInGaAs層48をn型電極46とn型GaAs 基板32との間に形成することができる。
【0018】
本実施形態例の半導体レーザ素子30では、980nmの発振波長に対して吸収媒質になる、バンドギャップ・エネルギーEg3 が0.9eVのInGaAs層48がn型GaAs 基板32の基板裏面に形成されている。
その結果、n型GaAs 基板32のバンドギャップ・エネルギーEg1 が活性層36のバンドギャップ・エネルギーEg2 が小さいために、活性層36で発振した発振波長980nmのレーザ光が、活性層側基板面から基板裏面に向けてn型GaAs 基板32を通過するものの、通過したレーザ光は、基板裏面に到達して反射されることなく、InGaAs層48で吸収される。
従って、本実施形態例では、n型GaAs 基板32の基板裏面で反射するレーザ光の光量が減少するので、注入電流に対する光出力の直線性が維持され、かつ、発振スペクトルが安定し、発振モードがシングル縦モードになるようなことはない。
【0019】
本実施形態例の半導体レーザ素子30と同じ構成の半導体レーザ素子を試作し、電流−光出力特性を測定したところ、図2に示すように、注入電流300mAまでキンクのない直線的特性を示した。
また、発振スペクトルを観測したところ、図3に示すように、リップルは消滅し、縦多モード発振していることが確認できた。
【0020】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板のバンドギャップ・エネルギーEg1 は、活性層のバンドギャップ・エネルギーEg2 が小さいために、活性層で発振したレーザ光が活性層側基板面から基板裏面に向けて半導体基板を通過するものの、半導体基板の裏面に、活性層で発振したレーザ光を吸収する吸収媒質層を備えることにより、レーザ光は吸収媒質層で吸収される。
従って、本発明に係る半導体レーザ素子では、半導体基板の基板裏面で反射するレーザ光の光量が減少するので、注入電流に対する光出力の直線性が維持され、かつ、発振スペクトルが安定した縦多モードになり、発振モードがシングル縦モードになるようなことはない。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図2】実施形態例の半導体レーザ素子の注入電流−光出力特性を示すグラフである。
【図3】実施形態例の半導体レーザ素子の発振スペクトルを示す図である。
【図4】従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図5】図5(a)から(c)は、それぞれ、従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
【図6】基板中を伝搬したレーザ光が基板裏面で反射し、再び活性層からのレーザ光と結合することを説明する模式図である。
【図7】従来の半導体レーザ素子の注入電流−光出力特性を示すグラフである。
【図8】実施形態例の半導体レーザ素子の発振スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
10 従来のInGaAs系の980nm帯半導体レーザ素子
12 n型GaAs 基板
14 n型AlGa As クラッド層
16 InGaAs/GaAs のペアの量子井戸構造の活性層
18 p型AlGa As クラッド層
20 p型GaAs キャップ層
22 SiNパッシベーション膜
24 p側電極
26 n側電極
30 実施形態例の半導体レーザ素子
32 n型GaAs基板
34 n型AlGaAsクラッド層
36 InGaAs/GaAsの2層から成る量子井戸構造の活性層
38 p型AlGaAsクラッド層
40 p型GaAsキャップ層
42 SiNパッシベーション膜
44 p側電極
46 In/AuGe/Ni/Auの積層金属膜からなるn側電極
48 InGaAs層
Claims (3)
- バンドギャップ・エネルギーEg1 を有する半導体基板上に、Eg1 >Eg2 のバンドギャップ・エネルギーEg2 を有する活性層を結晶成長させてなる半導体レーザ素子において、
活性層で発振したレーザ光を吸収する吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成されており、
吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成された金属電極層と、半導体基板との合金化反応により形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 半導体基板がGaAs 基板であるとき、吸収媒質層がInGaAs層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素子。
- GaAs 基板の基板裏面に形成された金属電極層が、基板裏面に接してIn層を有し、
吸収媒質層が、基板裏面上に金属電極層を形成した後に、熱処理を施して金属電極層のInとGaAs基板のGaAs とを合金化してなるInGaAs層であることを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ素子。
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