JP6510803B2 - 分布帰還型半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ））の半導体レーザ素子に関する。

従来のＤＦＢ半導体レーザ素子は、例えば、下記特許文献１及び特許文献２に記載されている。ＤＦＢ半導体レーザ素子は、下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された上部クラッド層と、下部クラッド層又は上部クラッド層に設けられた回折格子層とを備えており、回折格子層により規定される波長のレーザ光が活性層から出射されるものである。

特許３２０４４７４号公報 特許３７０７８４６号公報

しかしながら、従来のＤＦＢ半導体レーザ素子は、寿命が短いという問題があり、更なる長寿命化が期待されていた。本発明は、長寿命化が可能なＤＦＢ半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

当初、寿命の原因は、不明であったが、本願発明者らが鋭意検討した結果、回折格子層における共振器長に対して垂直に延びた側面の面方位を（１１１）Ｂ面とすることで、寿命が飛躍的に増加する現象を発見した。この場合の回折格子層における凹凸構造の頂面と底面の面方位は（１００）面であった。

本発明は、かかる知見に基づくものであり、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された上部クラッド層と、前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層に設けられた回折格子層と、を備え、共振器長が２０００μｍ以上６０００μｍ以下の分布帰還型半導体レーザ素子において、前記活性層の共振器長の方向及び厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、前記回折格子層は、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌＧａＡｓからなり、Ａｌの組成は０％よりも大きく１０％以下であり、前記幅方向に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、前記凹凸構造の頂面及び底面は（１００）面であり、前記凹凸構造の前記幅方向に沿った側面は（１１１）Ｂ面であり、前記凹部内には、屈折率が異なるよう、前記回折格子層とはＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓからなる前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層が埋め込まれていることを特徴とする。

本発明のＤＦＢ半導体レーザ素子によれば、回折格子層の前記側面の面方位を（１１１）Ｂ面としたので、これを（１１１）Ａ面とした場合に比較して、寿命を飛躍的に増加させることができた。

長寿命化の原因について考察するため、ウエハ状態における（１１１））Ｂ面における応力を測定したところ、これは（１１１）Ａ面の応力よりも小さいことが判明した。この応力の違いが、影響していると考えられる。

同様の応力の関係を有する結晶構造があるため、本発明は、このような応力差がある化合物半導体材料には適用することができると考えられる。すなわち、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ａｓ又はＰを含む結晶構造を有することを特徴とする。これらの結晶構造の場合、（１１１）Ｂ面を使用する場合と（１１１）Ａ面を使用する場合とでは、結晶内に蓄えられる応力に差が生じるため、一定の確実性で長寿命化を達成することができる。

また、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、又は、ＩｎＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする。これらの半導体は、良く知られており、同様に長寿命化を達成することができる。

本発明のＤＦＢ半導体レーザ素子によれば、長寿命化が可能である。

半導体レーザ装置の斜視図である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子の斜視図である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子の縦断面図である。 ウエハの斜視図である。 回折格子層の縦断面図である。 面方位を説明するための図（Ａ）及び回折格子層の斜視図（Ｂ）である。 （１１１）Ａ面を側面とする回折格子層の斜視図（Ａ）、（１１１）Ｂ面を側面とする回折格子層の斜視図（Ｂ）、ウエハの斜視図（Ｃ）である。 ＤＦＢ半導体レーザ素子に供給する電流（Ａ）とレーザ光の出力（Ｗ）及び電気‐光変換効率（％）の関係を示すグラフである。 ＤＦＢ半導体レーザ素子の駆動時間（hour）と、レーザ光の規格化した出力との関係を示すグラフである。 実施例及び比較例に係る近視野像の幅方向の強度分布を示すグラフ（Ａ）、実施例に係る遠視野像の幅方向（水平方向）の強度分布を示すグラフ（Ｂ）、比較例に係る遠視野像の幅方向（水平方向）の強度分布を示すグラフ（Ｃ）である。 実施例及び比較例に係る幅方向の出射角に対する偏光比を示すグラフである。

以下、実施の形態に係る分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ））半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、半導体レーザ装置の斜視図である。

半導体レーザ装置１００は、上面に段差を有するベース３０と、ベース３０の下段面上に固定されたサブマウント２０と、サブマウント２０上に導電性のペースト等で下面が固定されたＤＦＢ半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子１０）とを備えている。ベース３０の上段面と、半導体レーザ素子１０の上部電極Ｅ１との間には、複数のワイヤＷが接続されている。ベース３０は、上段面導体部材３１と下段面導体部材３２とからなり、上段面導体部材３１と下段面導体部材３２との間には、セラミックの絶縁体が設けられている。

共振器長の方向は、［０１１］であり、共振器長を規定する上部電極Ｅ１の長さは４ｍｍ、上部電極Ｅ１の幅（発光幅）は１００μｍである。なお、半導体レーザ素子１０の厚み方向を［１００］とし、［０１１］及び［１００］の双方に垂直な方向を［０１−１］とする。

図２は、半導体レーザ素子の斜視図である。

半導体レーザ素子１０は、基板１と、基板１上に形成された下部クラッド層２と、下部クラッド層２上に形成された活性層３と、活性層３上に形成された上部クラッド層４（４ａ，４ｂ）と、上部クラッド層４に設けられた回折格子層ＧＲと、上部クラッド層４上に形成されたコンタクト層５と、コンタクト層５上に形成された上部電極Ｅ１とを備えている。なお、基板１の下面には、銀などの導電性ペーストなどで下部電極が形成される。

上部クラッド層４は、第１上部クラッド層４ａと、第２上部クラッド層４ｂとからなり、回折格子層ＧＲは、これらの間に挟まれている。回折格子層ＧＲは、ストライプ状の凹凸構造を備えており、第２上部クラッド層４ｂは、凹凸構造の凹部内に埋め込まれる。上部クラッド層４と、回折格子層ＧＲとは、屈折率が異なっており、共振器長方向に沿って、屈折率の異なる領域が交互に存在することとなる。

また、回折格子層ＧＲは、上部クラッド層４に設けたのと同様に、下部クラッド層２に設けることとしてもよい。これらのクラッド層は上下を反転すれば、等価だからである。なお、上部クラッド層と下部クラッド層とでは、導電型が異なる。下部クラッド層２に回折格子層を設ける場合、下部クラッド層２は、上部クラッド層４と同様に２つに分割することができる。なお、同図では、ＸＹＺ三次元直交座標権も示されている。ＹＺ平面は、[011]と[01-1]とからなる平面内において存在しており、Ｙ軸は[011]から[01-1]へ向けて４５°回転した位置にあり、Ｚ軸はＹ軸と直交している。また、Ｘ軸は、Ｙ軸及びＺ軸の双方に垂直であり、[100]に一致する。

図３は、半導体レーザ素子の縦断面図である。

この図は、より詳細な構造を示しており、半導体レーザ素子１０は、活性層３と下部クラッド層２との間に第１光ガイド層３Ｇ１を備えており、活性層３と第１上部クラッド層４ａとの間に第２光ガイド層３Ｇ２を備えている。なお、同図では、基板１の裏面側に下部電極Ｅ２を示してある。

各層の材料、導電型及び厚みは、以下の通りである。

なお、不純物濃度の好適範囲は、上記濃度の１／１０倍〜１０倍であり、各層の厚みは、例示的には、±５０％程度の誤差を含んだ場合においても、動作し、この場合にも、レーザ光が十分に発光する。また、回折格子層におけるＡｌの組成は、０％よりも大きく１０％以下であることが好ましい。なぜならば、回折格子作製工程において当該面は一旦大気曝露され、活性の高いＡｌが１０％より多く含まれる場合、著しい自然酸化によるデバイス特性悪化が誘発されるためである。Ａｌが含まれた場合には、再成長の加熱過程における、回折格子の形状変化が抑制されるという利点がある。

また、第２光ガイド層３Ｇ２と活性層３との間には別の光ガイド層を挿入することができる。第１光ガイド層３Ｇ１と活性層３との間には別の光ガイド層を挿入することができる。全ての光ガイド層は、活性層よりもエネルギーバンドギャップが大きく設定されるが、活性層に近い方の光ガイド層のエネルギーバンドギャップは、遠い方よりも小さく設定される（すなわち、Ａｌ組成比が小さい）。

なお、各層におけるＡｌ組成について詳説すれば、クラッド層のＡｌ組成は、回折格子層のＡｌ組成とは異なり、屈折率が異なる。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比が高いほど、エネルギーバンドギャップは大きくなり、屈折率は小さくなる。クラッド層におけるＡｌ組成は、例えば、Ｐ側４５％、Ｎ側３５％に設定され、活性層に近い方の光ガイド層のＡｌ組成は、例えば、共に１５％に設定され、活性層から遠い方の光ガイド層３Ｇ１，３Ｇ２のＡｌ組成は、例えば、共に２５％に設定される。回折格子層以外の各層のＡｌ組成比は、±５％の誤差を含んでも動作することができる。

なお、形成方法は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いることができる。Ａｌを含む場合はＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｇａを含む場合はＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｓを含む場合にはアルシンを原料として用いることができる。ＡｌＧａＡｓの成長温度は７００℃前後であり、これらの材料の成長方法は良く知られている。

図４は、ウエハの斜視図である。

上述の半導体レーザの構造を半導体のウエハＷＦと対比すると、ウエハの表面は（１００）面であって、これに垂直に[100]方向があり、オリエンテーションフラットＯＦの面に垂直な方向に[011]方向が延びており、[100]及び[011]の双方に垂直な幅方向に[01-1]が延びている。回折格子は、ストライプ状に加工されているが、各ストライプの凸部の長手方向は、[01-1]方向に一致している。

図５は、回折格子層ＧＲの縦断面図である。これは、共振器長と厚み方向を含む平面で回折格子層ＧＲを切った断面である。

回折格子層ＧＲは、複数の凸部及び凹部を備える凹凸構造を有しており、凸部の頂面及び凹部の底面は、共に（１００）面である。また、凸部の側面は斜面であって、（１１１）Ｂ面からなる。

このように回折格子層ＧＲは、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、幅方向[01-1]に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、凹凸構造の頂面及び底面は（１００）面であり、凹凸構造の幅方向[01-1]に沿った側面は（１１１）Ｂ面である、なお、凹凸構造は、エッチングによって形成することができるが、エッチングによって凹部が回折格子層を構成するＡｌＧａＡｓ層の底面に到達しないようにする。

図６は、面方位を説明するための図（Ａ）及び回折格子層の斜視図（Ｂ）である。

（１１１）Ｂ面は、ＸＹＺ直交座標系において、軸上に頂点を有する四角錐を描いた場合には、＋Ｙ軸の正の位置、＋Ｚ軸の正の位置、＋Ｘ軸の正の位置を通る面であり、（１−１−１）Ｂ面がこれに対向する。四角錐の残りの対向側面が（１１１）Ａ面と（１１−１）Ａ面になる。したがって、同図（Ｂ）のように、回折格子層ＧＲは、側面が（１１１）Ｂ面を含むことになる。

図７は、（１１１）Ａ面を側面とする回折格子層の斜視図（Ａ）、（１１１）Ｂ面を側面とする回折格子層の斜視図（Ｂ）、ウエハの斜視図（Ｃ）である。

上述のように、実施例に係る回折格子層の側面は（１１１）Ｂ面である（図７（Ｂ））。一方、比較例として側面を（１１１）Ａ面とした場合を、図７（Ａ）に示す。比較例の場合、光出射面の反りが、実施例の場合よりも反りが大きくなる（Ｙ方向の反り＜Ｚ方向の反り）。この場合、ストライプに平行な光出射面において、比較例においては、大きな応力が発生する。かかる応力が原因となって、半導体レーザ素子の寿命を短くしているものと考えられる。なお、Ａ面とはＩＩＩ族原子のみ露出面であり、Ｂ面とはＶ族原子のみ露出面と定義される。

図８は、半導体レーザ素子に供給する電流（Ａ）とレーザ光の出力（Ｗ）及び電気‐光変換効率（％）の関係を示すグラフである。

同図に示すように、同一の電流に対する光出力は、比較例よりも実施例の方が高かった。また、電気‐光変換効率も、実施例の方が、比較例よりも高かった。

図９は、半導体レーザ素子の駆動時間（hour）と、レーザ光の規格化した出力との関係を示すグラフであり、（Ａ）は比較例の場合のデータを示し、（Ｂ）は実施例の場合のデータを示している。

実験に用いたレーザ素子数は、比較例において４つ、実施例において４つであり、測定時の温度は、ペルチェ素子により、レーザ素子の温度Ｔ＝２５℃に固定される。測定においては、初期値（時間ｔ＝０）において、光出力が５Ｗとなるように、各素子に供給する駆動電流を調整する。この時の駆動電流は、ＣＷ（直流）であり、４．５Ａ±０．２Ａである。各レーザ素子の駆動電流を、初期値の状態と同一にして連続駆動した場合、光出力は、比較例（Ａ）においては、時間と共に低下している。しかしながら、同図に示すように、実施例（Ｂ）の場合、光出力の大きな低下（急激な低下）は、認められない。このように、実施例の場合、寿命が、比較例よりも飛躍的に増加している。

図１０は、実施例及び比較例に係る近視野像の幅方向の強度分布を示すグラフ（Ａ）、実施例に係る遠視野像の幅方向（水平方向）の強度分布を示すグラフ（Ｂ）、比較例に係る遠視野像の幅方向（水平方向）の強度分布を示すグラフ（Ｃ）である。なお、グラフ（Ｂ）及び（Ｃ）においては、駆動電流Ｉ＝１Ａ〜６Ａに変化させた。

測定温度は２５℃であり、上記と同様に、連続発光を行った場合のデータである。駆動電流Ｉ＝６Ａである。実施例と比較して、比較例の方が、近視野像及び遠視野像の双方において、強度のバラつきが大きいことがわかる。遠視野像から、いずれの駆動電流においても、実施例の方が比較例よりも、集光特性が向上していることがわかる。

図１１は、実施例及び比較例に係る幅方向の出射角に対する偏光比を示すグラフである。測定温度は２５℃、光出力は１００ｍＷである。実施例の場合の偏光比は角度が０度の近傍において、１８倍であったが、比較例の場合には偏光比は９倍であった。したがって、実施例の方が、偏光比の側面からも優れていることがわかる。

以上、説明したように、上述の実施形態に係るＤＦＢ半導体レーザ素子は、下部クラッド層２と、下部クラッド層２上に形成された活性層３と、活性層３上に形成された上部クラッド層４と、下部クラッド層２又は上部クラッド層４に設けられた回折格子層ＧＲと、を備える分布帰還型半導体レーザ素子において、活性層３の共振器長の方向及び厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向[00-1]とした場合、回折格子層GRは、閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、幅方向[00-1]に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、凹凸構造の頂面及び底面は（１００）面であり、凹凸構造の前記幅方向に沿った側面は（１１１）Ｂ面である。

上述のＤＦＢ半導体レーザ素子によれば、回折格子層ＧＲの側面の面方位を（１１１）Ｂ面としたので、これを（１１１）Ａ面とした場合に比較して、寿命を飛躍的に増加させることができた。

また、長寿命化の原因について考察するため、（１１１）Ｂ面を回折格子として利用する場合のウエハ状態における応力を測定したところ、これは（１１１）Ａ面を利用する場合よりも小さいことが判明した。この応力の違いが、影響していると考えられる。本発明は、このような応力差がある化合物半導体材料には適用することができると考えられる。すなわち、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、Ａｓ又はＰを含むＤＦＢ結晶構造を有し、これらのＤＦＢ結晶構造の場合、（１１１）Ｂ面利用と（１１１）Ａ面利用とでは、応力差があるため、一定の確実性で長寿命化を達成することができる。

また、回折格子層を構成するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、又は、ＩｎＡｌＧａＡｓを用いることができる。これらの半導体は、良く知られており、同様に長寿命化を達成することができる。なお、共振器長の大きなブロードエリア型レーザは発光幅が広いため、応力の影響を受けやすいため、上述の構造は、特に有効である。有効な共振器長の範囲は２０００μｍ以上６０００μｍ以下である。

１…基板、２…下部クラッド層、３…活性層、４…上部クラッド層、５…コンタクト層。

Claims (1)

1. 下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された上部クラッド層と、
   前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層に設けられた回折格子層と、
   を備え、共振器長が２０００μｍ以上６０００μｍ以下の分布帰還型半導体レーザ素子において、
   前記活性層の共振器長の方向及び厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、
   前記回折格子層は、
   閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であるＡｌＧａＡｓからなり、
   Ａｌの組成は０％よりも大きく１０％以下であり、
   前記幅方向に沿って延びた複数の凸部及び凹部からなる凹凸構造を有しており、
   前記凹凸構造の頂面及び底面は（１００）面であり、
   前記凹凸構造の前記幅方向に沿った側面は（１１１）Ｂ面であり、
   前記凹部内には、屈折率が異なるよう、前記回折格子層とはＡｌ組成が異なるＡｌＧａＡｓからなる前記下部クラッド層又は前記上部クラッド層が埋め込まれている、
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。

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