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JP7645653B2 - Semiconductor laser element - Google Patents
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Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser element.

分布帰還型(Distributed Feed-Back:DFB)レーザ素子として、活性層を挟んで基板とは反対方向に回折格子層が設けられた積層構造を採用する技術が開示されている(非特許文献1)。 A technology has been disclosed for a distributed feedback (DFB) laser element that employs a layered structure in which a diffraction grating layer is provided on the opposite side of the substrate, sandwiching an active layer (Non-Patent Document 1).

また、半導体レーザ素子において、n型クラッド層に屈折率が高い層を設け、活性層を伝搬するレーザ光の電界の分布をn型クラッド層側に偏らせる技術が開示されている(特許文献1)。これにより、レーザ光はp型クラッド層に含まれるp型不純物(たとえば亜鉛(Zn))による光吸収の影響を受けづらくなるので、内部損失の少ない、より高出力の半導体レーザ素子を実現することができる。 In addition, a technology has been disclosed in which a layer with a high refractive index is provided in the n-type cladding layer of a semiconductor laser element, and the distribution of the electric field of the laser light propagating through the active layer is biased toward the n-type cladding layer (Patent Document 1). This makes the laser light less susceptible to the effects of light absorption by p-type impurities (e.g. zinc (Zn)) contained in the p-type cladding layer, making it possible to realize a semiconductor laser element with less internal loss and higher output.

特開2005-72402号公報JP 2005-72402 A

C.J.Armistead et.al.,”DFB RIDGE WAVEGUIDE LASERS AT λ=1.5μm WITH FIRST ORDER GRATINGS FABRICATED USING ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY”,Electronics Letters, Vol.23, No.11(1987), pp.592-593.C.J.Armistead et.al., “DFB RIDGE WAVEGUIDE LASERS AT λ=1.5μm WITH FIRST ORDER GRATINGS FABRICATED USING ELECTRON BEAM LITHOGRAPHY”, Electronics Letters, Vol.23, No.11(1987), pp.592-593.

しかしながら、特許文献1の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてDFB構造の半導体レーザ素子を作製すると、半導体レーザ素子の出力特性が安定しない場合があった。ここでいう安定しないとは、たとえば、複数の素子の間での特性のばらつきや、半導体レーザ素子の駆動条件、環境条件などに依存して特性が変化することなどを意味する。 However, when a diffraction grating layer is provided in the configuration of the semiconductor laser element of Patent Document 1 to fabricate a semiconductor laser element with a DFB structure, the output characteristics of the semiconductor laser element may not be stable. Here, "not stable" means, for example, that the characteristics vary among multiple elements, or that the characteristics change depending on the operating conditions of the semiconductor laser element, environmental conditions, etc.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、出力特性が安定したDFB構造の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above, and aims to provide a semiconductor laser element with a DFB structure that has stable output characteristics.

本発明の一態様は、1導電型を有する第1クラッド層と、第2導電型を有する第2クラッド層と、前記第1クラッド層と前記第2クラッド層との間に介在する活性層と、を備え、前記第1クラッド層は、少なくとも一つの電界制御層と、前記電界制御層と前記活性層との間に配置され低屈折率部と前記低屈折率部よりも高い屈折率を有する高屈折率部とが前記活性層の延びる方向に沿って周期的に配列された回折格子層と、を含み、前記電界制御層の屈折率および前記回折格子層の屈折率は、前記第1クラッド層における当該電界制御層および当該回折格子層以外の領域の屈折率よりも高い半導体レーザ素子である。 One aspect of the present invention is a semiconductor laser element comprising a first cladding layer having one conductivity type, a second cladding layer having a second conductivity type, and an active layer interposed between the first cladding layer and the second cladding layer, the first cladding layer including at least one electric field control layer and a diffraction grating layer disposed between the electric field control layer and the active layer, in which low refractive index portions and high refractive index portions having a refractive index higher than the low refractive index portions are periodically arranged along the extension direction of the active layer, and the refractive index of the electric field control layer and the refractive index of the diffraction grating layer are higher than the refractive index of the region of the first cladding layer other than the electric field control layer and the diffraction grating layer.

前記回折格子層の屈折率は、前記電界制御層の屈折率よりも低いものでもよい。 The refractive index of the diffraction grating layer may be lower than the refractive index of the electric field control layer.

前記第1導電型はn型であり、前記第2導電型はp型であるものでもよい。 The first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type.

前記回折格子層の周期に依存して定まるレーザ発振波長をλcとすると、前記電界制御層の組成波長は、λcよりも短いものでもよい。 If the laser oscillation wavelength, which is determined depending on the period of the diffraction grating layer, is λc, the composition wavelength of the electric field control layer may be shorter than λc.

前記第1クラッド層または前記第2クラッド層がストライプ状のリッジ部を有するものでもよい。 The first cladding layer or the second cladding layer may have a striped ridge portion.

前記第1クラッド層または前記第2クラッド層は、前記リッジ部の両側に前記活性層を覆う層を有するものでもよい。 The first cladding layer or the second cladding layer may have layers covering the active layer on both sides of the ridge portion.

本発明によれば、出力特性が安定したDFB構造の半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。 The present invention has the effect of realizing a semiconductor laser element with a DFB structure that has stable output characteristics.

図1は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device according to an embodiment. 図2は、図1のA-A線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 図3は、公知の半導体レーザ素子の屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the distribution of the refractive index and the electric field intensity of a known semiconductor laser element. 図4は、想定される半導体レーザ素子の屈折率および電界強度の分布を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the distribution of the refractive index and the electric field intensity of an assumed semiconductor laser element. 図5は、実施形態における屈折率および電界強度の分布の一例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing an example of the distribution of the refractive index and the electric field intensity in the embodiment. 図6は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。6A to 6C are schematic views showing a method for manufacturing a semiconductor laser device according to an embodiment. 図7は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。7A to 7C are schematic views showing a method for manufacturing a semiconductor laser device according to an embodiment. 図8は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。8A to 8C are schematic views showing a method for manufacturing a semiconductor laser device according to an embodiment. 図9は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。9A to 9C are schematic views showing a method for manufacturing a semiconductor laser device according to an embodiment. 図10は、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を示す模式図である。10A to 10C are schematic views showing a method for manufacturing a semiconductor laser element according to an embodiment.

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、図中、X軸を用いて方向を説明する場合がある。 Below, an embodiment will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment. In addition, in the description of the drawings, the same or corresponding elements are appropriately given the same reference numerals. It should be noted that the drawings are schematic, and the dimensional relationships and ratios of each element may differ from reality. There may also be parts in which the dimensional relationships and ratios differ between the drawings. In addition, directions may be explained using the X-axis in the drawings.

(実施形態)
図1は、実施形態に係る半導体レーザ素子の模式図である。図2は、図1のA-A線断面図である。
(Embodiment)
1 is a schematic diagram of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention, and FIG 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG 1.

[半導体レーザ素子の構造] [Structure of semiconductor laser element]

半導体レーザ素子100は、第1電極110が裏面に形成された第1クラッド層120と、活性層130と、第2クラッド層140と、第2電極150と、を備える。半導体レーザ素子100は、活性層130からX方向正の向きにレーザ光を出力する。レーザ光の波長はたとえば1.55μm帯の波長である。レーザ光の波長を1.55μm帯の波長とするための半導体材料として、たとえばインジウムリン(InP)系材料が知られている。 The semiconductor laser element 100 includes a first cladding layer 120 with a first electrode 110 formed on the back surface thereof, an active layer 130, a second cladding layer 140, and a second electrode 150. The semiconductor laser element 100 outputs laser light from the active layer 130 in the positive X-direction. The wavelength of the laser light is, for example, in the 1.55 μm band. Indium phosphide (InP)-based materials are known as semiconductor materials for making the wavelength of the laser light in the 1.55 μm band.

第1クラッド層120は、n型の導電型を有する半導体層である。第2クラッド層140は、p型の導電型を有する半導体層である。活性層130は、第1クラッド層120と第2クラッド層140との間に介在する。n型は第1導電型の一例であり、p型は第2導電型の一例である。 The first cladding layer 120 is a semiconductor layer having an n-type conductivity. The second cladding layer 140 is a semiconductor layer having a p-type conductivity. The active layer 130 is interposed between the first cladding layer 120 and the second cladding layer 140. The n-type is an example of the first conductivity type, and the p-type is an example of the second conductivity type.

第1クラッド層120は、n型InP(以下、適宜n-InPと記載する)からなる基板上に、n-InPからなるバッファ層と、複数の半導体層とをエピタキシャル成長などによって積層した構造を有する。 The first cladding layer 120 has a structure in which a buffer layer made of n-InP and multiple semiconductor layers are layered on a substrate made of n-type InP (hereinafter referred to as n-InP) by epitaxial growth or the like.

第1クラッド層120は、複数の半導体層として、n-InPからなる半導体層(以下、適宜n-InP層と記載する)と、電界制御層121と、回折格子層122とを含む。電界制御層121は少なくとも一つあり、本実施形態では複数、たとえば5~7層の電界制御層121が備えられている。 The first cladding layer 120 includes, as multiple semiconductor layers, a semiconductor layer made of n-InP (hereinafter, appropriately referred to as an n-InP layer), an electric field control layer 121, and a diffraction grating layer 122. There is at least one electric field control layer 121, and in this embodiment, multiple electric field control layers 121, for example 5 to 7 layers, are provided.

第1クラッド層120の具体的な構成について説明する。第1クラッド層120は、基板の上にバッファ層、n-InP層が順次積層され、その上に電界制御層121とn-InP層とが交互に積層され、さらにその上に回折格子層122が積層され、さらにその上にn-InP層が積層された構造を有する。本明細書におけるn型の半導体層は、n型不純物としてたとえば珪素(Si)、硫黄(S)、セレン(Se)を含んでもよい。 The specific configuration of the first cladding layer 120 will be described. The first cladding layer 120 has a structure in which a buffer layer and an n-InP layer are sequentially stacked on a substrate, an electric field control layer 121 and an n-InP layer are alternately stacked on top of that, a diffraction grating layer 122 is stacked on top of that, and an n-InP layer is stacked on top of that. The n-type semiconductor layer in this specification may contain, for example, silicon (Si), sulfur (S), or selenium (Se) as an n-type impurity.

電界制御層121の屈折率は、第1クラッド層120における電界制御層121および回折格子層122以外の領域の屈折率、すなわちn-InP層の屈折率よりも高い。電界制御層121は、たとえばInP系の4元系半導体材料であるGaInAsPからなる。電界制御層121を構成する半導体材料の組成比は、半導体レーザ素子100に対する所望のレーザ発振波長に応じて設定される。具体的には、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長である組成波長λECL(バンドギャップ波長ともいう)が、レーザ発振波長λcよりも短くなるように組成を設計する。すなわち、λECL<λcが成り立つようにする。これにより、電界制御層121によるレーザ光の吸収を抑制できる。また、λECL[μm]<(λc-0.2)[μm]が成り立つようにすれば、半導体レーザ素子100の温度変化、電界制御層121が不純物ドープされていること、または界面準位、などの影響により、電界制御層121の吸収端波長がバンドギャップ波長よりも長波化することを考慮しても、電界制御層121によるレーザ光の吸収を効果的に抑制できる。 The refractive index of the electric field control layer 121 is higher than the refractive index of the region of the first cladding layer 120 other than the electric field control layer 121 and the diffraction grating layer 122, i.e., the refractive index of the n-InP layer. The electric field control layer 121 is made of, for example, GaInAsP, which is an InP-based quaternary semiconductor material. The composition ratio of the semiconductor material constituting the electric field control layer 121 is set according to the desired laser oscillation wavelength for the semiconductor laser element 100. Specifically, the composition is designed so that the composition wavelength λECL (also called the band gap wavelength), which is the wavelength of light equivalent to the band gap energy of the semiconductor material, is shorter than the laser oscillation wavelength λc. In other words, λECL < λc is satisfied. This makes it possible to suppress the absorption of laser light by the electric field control layer 121. Furthermore, if λECL [μm] < (λc-0.2) [μm] is satisfied, the absorption of laser light by the electric field control layer 121 can be effectively suppressed even when taking into consideration that the absorption edge wavelength of the electric field control layer 121 becomes longer than the band gap wavelength due to the influence of temperature changes in the semiconductor laser element 100, the electric field control layer 121 being doped with impurities, the interface state, and the like.

電界制御層121を構成する半導体材料は、InPと格子整合することが好ましい。格子整合とは、格子定数が完全に一致してもよいし、その上に積層する活性層130などの半導体層が、求められる結晶品質となる程度の格子定数の相違があってもよいことを意味する。この場合、結晶品質とはたとえば転位や歪や欠陥の程度である。 The semiconductor material that constitutes the electric field control layer 121 is preferably lattice-matched with InP. Lattice matching means that the lattice constants may be perfectly the same, or the lattice constants of the semiconductor layers, such as the active layer 130, stacked on top of it may differ to the extent that they provide the desired crystal quality. In this case, crystal quality refers to the degree of dislocations, distortion, and defects, for example.

回折格子層122は、高屈折率部122aと低屈折率部122bとが、活性層130の延びる方向、すなわちX方向に沿って周期的に配列された構成を有する。高屈折率部122aと低屈折率部122bとの配列の周期は、所望のレーザ発振波長に依存して定められ、設定される。高屈折率部122aは、低屈折率部122bよりも高い屈折率を有する。高屈折率部122aは、たとえばGaInAsPからなる。低屈折率部122bはたとえばn-InPからなる。 The diffraction grating layer 122 has a configuration in which high refractive index portions 122a and low refractive index portions 122b are periodically arranged along the direction in which the active layer 130 extends, i.e., the X direction. The period of the arrangement of the high refractive index portions 122a and low refractive index portions 122b is determined and set depending on the desired laser oscillation wavelength. The high refractive index portions 122a have a higher refractive index than the low refractive index portions 122b. The high refractive index portions 122a are made of, for example, GaInAsP. The low refractive index portions 122b are made of, for example, n-InP.

回折格子層122の屈折率は、第1クラッド層120における電界制御層121および回折格子層122以外の領域の屈折率、すなわちn-InP層の屈折率よりも高い。ここで、回折格子層122の屈折率とは、高屈折率部122aの屈折率である。 The refractive index of the diffraction grating layer 122 is higher than the refractive index of the area of the first cladding layer 120 other than the electric field control layer 121 and the diffraction grating layer 122, i.e., the refractive index of the n-InP layer. Here, the refractive index of the diffraction grating layer 122 is the refractive index of the high refractive index portion 122a.

高屈折率部122aを構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長に応じて設定される。具体的には、半導体材料のバンドギャップエネルギーに相当する光の波長である組成波長λgratingが、レーザ発振波長λcよりも短くなるように組成を設計する。すなわち、λgrating<λcが成り立つようにする。 The composition ratio of the semiconductor material that constitutes the high refractive index portion 122a is set according to the desired laser oscillation wavelength. Specifically, the composition is designed so that the composition wavelength λgrating, which is the wavelength of light equivalent to the band gap energy of the semiconductor material, is shorter than the laser oscillation wavelength λc. In other words, λgrating<λc is satisfied.

活性層130は、複数の障壁層と複数の井戸層とからなる多重量子井戸(MQW:Multi Quantum Well)構造のMQW層と、MQW層を挟むように配置された2つの分離閉じ込めヘテロ構造(SCH:Separate Confinement Heterostructure)層とからなるMQW-SCH構造を有する。活性層130は、たとえばGaInAsPからなる。活性層130の井戸層を構成する半導体材料の組成比は、所望のレーザ発振波長λcにて発光するように設定される。障壁層とSCH層とを構成する半導体材料の組成比は、それぞれの機能を満たすように設定される。なお、活性層130は単一量子井戸構造でもよい。 The active layer 130 has an MQW-SCH structure consisting of a multi-quantum well (MQW) layer of a multi-quantum well structure consisting of multiple barrier layers and multiple well layers, and two separate confinement heterostructure (SCH) layers arranged to sandwich the MQW layer. The active layer 130 is made of, for example, GaInAsP. The composition ratio of the semiconductor material constituting the well layer of the active layer 130 is set so as to emit light at the desired laser oscillation wavelength λc. The composition ratio of the semiconductor material constituting the barrier layer and the SCH layer is set so as to fulfill the respective functions. The active layer 130 may be a single quantum well structure.

第2クラッド層140は、p型InP(以下、適宜p-InPと記載する)からなる半導体層上に、p型半導体層からなるコンタクト層(不図示)が積層した構造を有する。コンタクト層はたとえばGaInAsPからなり、第2電極150とオーミック接触する。 The second cladding layer 140 has a structure in which a contact layer (not shown) made of a p-type semiconductor layer is laminated on a semiconductor layer made of p-type InP (hereinafter referred to as p-InP as appropriate). The contact layer is made of, for example, GaInAsP, and is in ohmic contact with the second electrode 150.

第2クラッド層140は、活性層130を覆うベース層141と、ベース層141から突出するリッジ部142とを備える。リッジ部142は、X方向に延びるストライプ状のメサである。X方向と直交する方向におけるリッジ部142の幅(メサ幅)は、等幅でもよいし、不等幅であってもよい。 The second cladding layer 140 includes a base layer 141 that covers the active layer 130, and a ridge portion 142 that protrudes from the base layer 141. The ridge portion 142 is a striped mesa that extends in the X direction. The width (mesa width) of the ridge portion 142 in the direction perpendicular to the X direction may be equal or unequal.

第2電極150は、第2クラッド層140のリッジ部142に、p型のコンタクト層とオーミック接触するように設けられている。第2電極150は、たとえばチタン、白金、金などを含む。 The second electrode 150 is provided on the ridge portion 142 of the second cladding layer 140 so as to be in ohmic contact with the p-type contact layer. The second electrode 150 includes, for example, titanium, platinum, gold, etc.

第1電極110は、第1クラッド層120の基板にオーミック接触するように設けられている。第1電極110は、たとえば金やニッケルなどを含む。 The first electrode 110 is provided so as to be in ohmic contact with the substrate of the first cladding layer 120. The first electrode 110 contains, for example, gold or nickel.

また、図2における半導体レーザ素子100のX方向における両端面は、へき開により形成された端面であり、X方向の負側には比較的高反射率のHR(High Reflection)膜が形成され、X方向の正側には反射防止用のAR(Anti-Reflection)膜が形成される。HR膜とAR膜とはレーザ共振器を形成する。 In addition, both end faces in the X direction of the semiconductor laser element 100 in FIG. 2 are end faces formed by cleavage, and a HR (High Reflection) film with a relatively high reflectance is formed on the negative side in the X direction, and an AR (Anti-Reflection) film for preventing reflection is formed on the positive side in the X direction. The HR film and the AR film form a laser resonator.

半導体レーザ素子100は、回折格子層122を備えることによって、DFB型のレーザ素子となっている。そして、第1電極110と第2電極150との間に順バイアス電流を供給すると、供給された電流はリッジ部142の幅にて活性層130に注入される。そして、半導体レーザ素子100において、リッジ部142と積層方向に重なる活性層130の領域を導波路領域としてレーザ発振が起こり、所望の波長のレーザ光がAR膜側から出力される。 The semiconductor laser element 100 is a DFB type laser element by including the diffraction grating layer 122. When a forward bias current is supplied between the first electrode 110 and the second electrode 150, the supplied current is injected into the active layer 130 across the width of the ridge portion 142. In the semiconductor laser element 100, laser oscillation occurs with the region of the active layer 130 that overlaps with the ridge portion 142 in the stacking direction as the waveguide region, and laser light of the desired wavelength is output from the AR film side.

[レーザ光の電界分布]
ここで、半導体レーザ素子100内でのレーザ光の電界分布について、公知の半導体レーザ素子と対比して説明する。
[Electric field distribution of laser light]
Here, the electric field distribution of the laser light in the semiconductor laser element 100 will be described in comparison with known semiconductor laser elements.

本発明者は、特許文献1の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてDFB構造の半導体レーザ素子を作製すると、半導体レーザ素子の出力特性が安定しない場合がある原因について鋭意検討した。その結果、回折格子層は、活性層を伝搬するレーザ光の電界と重なる位置に設けられているべきところ、レーザ光と回折格子層との結合係数は、回折格子層と電界制御層との位置関係によってその安定性が変化することを見出した。 The inventors of the present invention have conducted extensive research into the cause of unstable output characteristics of semiconductor laser elements when a semiconductor laser element with a DFB structure is fabricated by providing a diffraction grating layer to the configuration of the semiconductor laser element of Patent Document 1. As a result, they have found that while the diffraction grating layer should be provided at a position where it overlaps with the electric field of the laser light propagating through the active layer, the stability of the coupling coefficient between the laser light and the diffraction grating layer changes depending on the positional relationship between the diffraction grating layer and the electric field control layer.

図3は、公知の半導体レーザ素子における屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図である。図3は、半導体層の積層方向の位置と屈折率およびレーザ光の電界強度との関係を示している。本公知の半導体レーザ素子の構成としては、半導体レーザ素子100から電界制御層121を削除し、回折格子層122をp型にして第2クラッド層140側に移動した構成を有するものとする。また、屈折率として、活性層130の屈折率分布n130と回折格子層122の屈折率分布n122を示している。なお、図を簡易にするために、活性層130の屈折率分布n130については、MQW構造における井戸層と障壁層と平均の屈折率を示している。 Figure 3 is a schematic diagram showing an example of the distribution of the refractive index and electric field strength in a known semiconductor laser element. Figure 3 shows the relationship between the position in the stacking direction of the semiconductor layers and the refractive index and the electric field strength of the laser light. The configuration of this known semiconductor laser element is a configuration in which the electric field control layer 121 is removed from the semiconductor laser element 100, and the diffraction grating layer 122 is made p-type and moved to the second cladding layer 140 side. In addition, as the refractive index, the refractive index distribution n130 of the active layer 130 and the refractive index distribution n122 of the diffraction grating layer 122 are shown. Note that, for the refractive index distribution n130 of the active layer 130, in order to simplify the drawing, the average refractive index of the well layer and barrier layer in the MQW structure is shown.

図3に示す例では、レーザ光の電界強度分布EF1は、積層方向位置において活性層130に対して略対称な形状を有している。 In the example shown in FIG. 3, the electric field intensity distribution EF1 of the laser light has a shape that is approximately symmetrical with respect to the active layer 130 in the stacking direction.

図4は、想定される半導体レーザ素子における屈折率および電界強度の分布の例を示す模式図であって、特許文献1の半導体レーザ素子の構成に回折格子層を設けてDFB構造とした半導体レーザ素子として想定されるものである。想定される半導体レーザ素子は、図3に示す公知の半導体レーザ素子に電界制御層121を追加した構成を有するものとする。また、屈折率として、活性層130の屈折率分布n130と回折格子層122の屈折率分布n122と電界制御層121の屈折率分布n121とを示している。 Figure 4 is a schematic diagram showing an example of the distribution of refractive index and electric field strength in an assumed semiconductor laser element, which is assumed to be a semiconductor laser element having a DFB structure by providing a diffraction grating layer to the configuration of the semiconductor laser element of Patent Document 1. The assumed semiconductor laser element has a configuration in which an electric field control layer 121 is added to the known semiconductor laser element shown in Figure 3. In addition, as the refractive index, the refractive index distribution n130 of the active layer 130, the refractive index distribution n122 of the diffraction grating layer 122, and the refractive index distribution n121 of the electric field control layer 121 are shown.

図4に示す例では、レーザ光の電界強度分布EF2は、図4では破線で示す電界強度分布EF1と比較して、電界制御層121の作用によって電界制御層121に偏った形状となっている。 In the example shown in FIG. 4, the electric field intensity distribution EF2 of the laser light is biased toward the electric field control layer 121 due to the effect of the electric field control layer 121, compared to the electric field intensity distribution EF1 shown by the dashed line in FIG. 4.

しかしながら、電界強度分布EF2では、電界強度分布EF1と比較して、回折格子層122との重なりが小さくなる。その結果、たとえばわずかな半導体層の厚さの変動に対しても、回折格子層122とレーザ光との結合係数で表される結合状態が変動しやすくなり、結合が不安定になる。 However, in the electric field intensity distribution EF2, the overlap with the diffraction grating layer 122 is smaller than in the electric field intensity distribution EF1. As a result, even a slight change in the thickness of the semiconductor layer can easily cause the coupling state between the diffraction grating layer 122 and the laser light, which is represented by the coupling coefficient, to fluctuate, making the coupling unstable.

これに対して、半導体レーザ素子100では、回折格子層122が電界制御層121と活性層130との間に配置されているので、図5に示す屈折率および電界強度分布EF3のように、電界強度分布EF3の回折格子層122との重なりが大きい。その結果、たとえば半導体層の厚さや組成の変動に対しても、折格子層122とレーザ光との結合状態が変動しにくく、結合状態が安定である。その結果、半導体レーザ素子100は出力特性などの特性が安定したものとなる。また、このような安定性により、半導体レーザ素子100は作製し易いものとなる。 In contrast, in the semiconductor laser element 100, the diffraction grating layer 122 is disposed between the electric field control layer 121 and the active layer 130, so that the overlap of the electric field intensity distribution EF3 with the diffraction grating layer 122 is large, as shown in the refractive index and electric field intensity distribution EF3 shown in FIG. 5. As a result, even if the thickness or composition of the semiconductor layer varies, for example, the coupling state between the diffraction grating layer 122 and the laser light is unlikely to fluctuate, and the coupling state is stable. As a result, the semiconductor laser element 100 has stable characteristics such as output characteristics. Furthermore, due to this stability, the semiconductor laser element 100 is easy to manufacture.

さらには、これにより、半導体レーザ素子100では、図4に示す想定例と比較して、電界制御層121の設計の自由度が高くなる。たとえば、電界制御層121の数を増減したり積層方向における位置を変更したりして電界強度分布EF3の偏りを比較的大きく調整しても、回折格子層122とレーザ光との結合状態の変動は、想定例の場合よりも少ない。 Furthermore, this allows greater freedom in designing the electric field control layer 121 in the semiconductor laser element 100 compared to the assumed example shown in FIG. 4. For example, even if the bias in the electric field intensity distribution EF3 is adjusted relatively significantly by increasing or decreasing the number of electric field control layers 121 or changing their positions in the stacking direction, the fluctuation in the coupling state between the diffraction grating layer 122 and the laser light is smaller than in the assumed example.

さらには、半導体レーザ素子100では、電界制御層121がn型の第1クラッド層120に含まれ、レーザ光の電界がn型半導体層側に偏るので、レーザ光はp型の第2クラッド層140に含まれるp型不純物による光吸収の影響を受けづらい。その結果、半導体レーザ素子100では、内部損失が少なく、より高出力が実現される。 Furthermore, in the semiconductor laser element 100, the electric field control layer 121 is included in the n-type first cladding layer 120, and the electric field of the laser light is biased toward the n-type semiconductor layer side, so that the laser light is less susceptible to the influence of light absorption by the p-type impurities included in the p-type second cladding layer 140. As a result, the semiconductor laser element 100 has less internal loss and achieves higher output.

さらには、半導体レーザ素子100では、回折格子層122が第2クラッド層140側に含まれる場合よりも、第2クラッド層140の厚さ、特にはベース層141の厚さを比較的薄くすることができるので、電流の注入効率を比較的高くすることができる。その結果、半導体レーザ素子100では、供給する電力に対するレーザ光のパワーの比を高くすることができる。 Furthermore, in the semiconductor laser element 100, the thickness of the second cladding layer 140, particularly the thickness of the base layer 141, can be made relatively thinner than when the diffraction grating layer 122 is included on the second cladding layer 140 side, so the current injection efficiency can be made relatively high. As a result, in the semiconductor laser element 100, the ratio of the power of the laser light to the supplied electric power can be made high.

さらには、半導体レーザ素子100のようなリッジレーザの場合、注入キャリアである正孔がリッジ部142から活性層130に到るまでの電流経路が、素子抵抗を決定する主要因となる。そのため、ここに回折格子層のようなバンドギャップが変化する界面が存在する場合、注入キャリアが感じるエネルギー障壁が高くなり、素子抵抗が増加する要因となる。素子抵抗が増加すると、それだけ素子の発熱量も増加し光出力の低下を招く。これに対して、本実施形態の構造によれば、公知の構造や想定される構造と比較して素子抵抗や発熱量を低減でき高出力を実現できる。 Furthermore, in the case of a ridge laser such as the semiconductor laser element 100, the current path of the injected carriers, the holes, from the ridge portion 142 to the active layer 130 is the main factor that determines the element resistance. Therefore, if an interface where the band gap changes, such as a diffraction grating layer, is present here, the energy barrier felt by the injected carriers becomes higher, which causes the element resistance to increase. When the element resistance increases, the amount of heat generated by the element also increases, leading to a decrease in optical output. In contrast, according to the structure of this embodiment, the element resistance and amount of heat can be reduced compared to known structures or assumed structures, and high output can be achieved.

なお、回折格子層122の屈折率は、電界制御層121の作用によるレーザ光の電界の制御に与える影響を少なくするために、電界制御層121の屈折率よりも低くすることが好ましい。これを実現するためには、たとえばλgrating<λECLとすればよい。これにより、電界制御層121によるレーザ光の電界の制御をより正確に設計したり、設定に対して誤差の少ない電界制御層121を作製したりできる。 The refractive index of the diffraction grating layer 122 is preferably lower than that of the electric field control layer 121 in order to reduce the effect on the control of the electric field of the laser light by the action of the electric field control layer 121. To achieve this, for example, λgrating<λECL can be set. This makes it possible to more accurately design the control of the electric field of the laser light by the electric field control layer 121, and to fabricate an electric field control layer 121 with less error in settings.

[製造方法]
つぎに、半導体レーザ素子100の製造方法の一例を、図6から図10を参照して説明する。
[Production method]
Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor laser device 100 will be described with reference to FIGS.

はじめに、図6に示すように、基板123上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などによってバッファ層124、電界制御層121と複数のn-InP層とが交互に配置された積層構造、n-InP層125をこの順に積層し、さらに回折格子層122の高屈折率部122aをなすための高屈折率層126、たとえばGaInAsPからなる層を積層する。 First, as shown in FIG. 6, a buffer layer 124, a layered structure in which an electric field control layer 121 and multiple n-InP layers are alternately arranged, and an n-InP layer 125 are layered on a substrate 123 in this order by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or the like, and then a high refractive index layer 126 for forming the high refractive index portion 122a of the diffraction grating layer 122, for example a layer made of GaInAsP, is layered.

つづいて、図7に示すように、フォトリソグラフィ技術によって、高屈折率層126の一部を除去し、高屈折率部122aを形成する。 Next, as shown in FIG. 7, a portion of the high refractive index layer 126 is removed by photolithography to form the high refractive index portion 122a.

つづいて、図8に示すように、高屈折率部122aの間をn-InPで埋め込み、低屈折率部122bを形成するとともに、所望の平坦度を有する成長面が得られるようにn-InP層127を積層する。これにより第1クラッド層120の構造が形成される。 Next, as shown in FIG. 8, the gaps between the high refractive index sections 122a are filled with n-InP to form the low refractive index sections 122b, and the n-InP layer 127 is laminated so as to obtain a growth surface with the desired flatness. This forms the structure of the first cladding layer 120.

つづいて、図9に示すように、活性層130、第2クラッド層140をこの順に積層する。 Next, as shown in FIG. 9, the active layer 130 and the second cladding layer 140 are laminated in this order.

つづいて、図10に示すように、第2クラッド層140にフォトリソグラフィ技術を適用し、ベース層141とリッジ部142の構造を形成する。このとき、エッチングによってベース層141の厚さがdになるようにする。dは残し厚とも呼ばれる。 Next, as shown in FIG. 10, photolithography is applied to the second cladding layer 140 to form a structure of a base layer 141 and a ridge portion 142. At this time, the thickness of the base layer 141 is set to d by etching. d is also called the remaining thickness.

なお、ベース層141の残し厚を制御するために、第2クラッド層140にたとえばGaInAsPからなるエッチストップ層を設けてもよい。この場合、エッチストップ層はベース層141の上に設けられ、リッジ部142を形成するためのエッチングはまずエッチストップ層まで実施され、その後にエッチストップ層は除去されるが、リッジ部142の底部にエッチストップ層が残ることになる。そのため、残ったエッチストップ層による素子抵抗の増加が、許容範囲内となるように留意すべきである。 In order to control the remaining thickness of the base layer 141, an etch stop layer made of, for example, GaInAsP may be provided in the second cladding layer 140. In this case, the etch stop layer is provided on the base layer 141, and etching to form the ridge portion 142 is first performed up to the etch stop layer, after which the etch stop layer is removed, but the etch stop layer remains at the bottom of the ridge portion 142. Therefore, care should be taken to ensure that the increase in element resistance due to the remaining etch stop layer is within an acceptable range.

その後、第2電極150を形成する。さらに、基板123を所望の厚さになるように研磨した後、裏面の全面に第1電極110を形成する。その後、へき開、HR膜およびAR膜の形成、素子個片へのカッティングなどの公知の処理を行なって、半導体レーザ素子100の製造は完了する。 Then, the second electrode 150 is formed. Furthermore, after polishing the substrate 123 to the desired thickness, the first electrode 110 is formed on the entire back surface. Then, known processes such as cleavage, formation of the HR film and the AR film, and cutting into individual element pieces are performed to complete the manufacture of the semiconductor laser element 100.

なお、上記実施形態では、リッジ部142のリッジ構造により導波路領域が形成されるが、導波路領域を形成する構造はリッジ構造に限定されず、SAS構造(Self‐Aligned Structure)やBH構造(Buried‐Hetero Structure)などの公知の構造を採用することも可能である。 In the above embodiment, the waveguide region is formed by the ridge structure of the ridge portion 142, but the structure that forms the waveguide region is not limited to the ridge structure, and it is also possible to adopt known structures such as a SAS structure (Self-Aligned Structure) or a BH structure (Buried-Hetero Structure).

また、上記実施形態では、電界制御層121および回折格子層122を含む第1クラッド層120の第1導電型がn型であるが、p型不純物による光吸収の程度が許容量であれば、p型であってもよい。この場合、第2クラッド層140はn型である。 In addition, in the above embodiment, the first conductivity type of the first cladding layer 120 including the electric field control layer 121 and the diffraction grating layer 122 is n-type, but it may be p-type if the degree of light absorption by p-type impurities is tolerable. In this case, the second cladding layer 140 is n-type.

また、上記実施形態では、第2クラッド層140がリッジ部142を有しているが、第1クラッド層がリッジ部を有していてもよい。 In addition, in the above embodiment, the second cladding layer 140 has a ridge portion 142, but the first cladding layer may have a ridge portion.

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment. The present invention also includes configurations in which the above-mentioned components are appropriately combined. Furthermore, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the present invention are not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications are possible.

100 :半導体レーザ素子
110 :第1電極
120 :第1クラッド層
121 :電界制御層
122 :回折格子層
122a :高屈折率部
122b :低屈折率部
123 :基板
124 :バッファ層
125、127:n-InP層
126 :高屈折率層
130 :活性層
140 :第2クラッド層
141 :ベース層
142 :リッジ部
150 :第2電極
EF1、EF2、EF3 :電界強度分布
n121、n122、n130 :屈折率分布
100: Semiconductor laser element 110: First electrode 120: First cladding layer 121: Electric field control layer 122: Diffraction grating layer 122a: High refractive index portion 122b: Low refractive index portion 123: Substrate 124: Buffer layers 125, 127: n-InP layer 126: High refractive index layer 130: Active layer 140: Second cladding layer 141: Base layer 142: Ridge portion 150: Second electrodes EF1, EF2, EF3: Electric field intensity distribution n121, n122, n130: Refractive index distribution

Claims (3)

第1導電型であるn型の第1クラッド層と、
第2導電型であるp型の第2クラッド層と、
前記第1クラッド層と前記第2クラッド層との間に介在する活性層と、
を備え、
前記第1クラッド層は、基板と、前記基板と前記活性層との間に位置する複数の電界制御層と、前記電界制御層と前記活性層との間に配置され低屈折率部と前記低屈折率部よりも高い屈折率を有する高屈折率部とが前記活性層の延びる方向に沿って周期的に配列された回折格子層と、前記複数の電界制御層と交互に配置された、前記基板と同じ材料からなる複数の介在層と、を含み、
前記複数の電界制御層と前記複数の介在層とは、積層構造を形成しており、
前記積層構造は、前記回折格子層の前記基板側の面にのみ設けられ、
前記電界制御層の屈折率および前記回折格子層の屈折率は、前記第1クラッド層における当該電界制御層および当該回折格子層以外の領域の屈折率よりも高く、
前記第2クラッド層は、ベース部と、前記ベース部から突出するストライプ状のリッジ部とを有し、前記ベース部は、前記リッジ部の両側に延びるとともに前記活性層を覆い、かつ前記リッジ部よりも薄い
半導体レーザ素子。
a first cladding layer of a first conductivity type, that is, an n-type;
a second cladding layer of a second conductivity type, that is, a p-type;
an active layer interposed between the first cladding layer and the second cladding layer;
Equipped with
the first cladding layer includes a substrate, a plurality of electric field control layers located between the substrate and the active layer, a diffraction grating layer disposed between the electric field control layer and the active layer, in which low refractive index portions and high refractive index portions having a refractive index higher than that of the low refractive index portions are periodically arranged along an extension direction of the active layer, and a plurality of intermediate layers made of the same material as the substrate and alternately arranged with the plurality of electric field control layers;
the plurality of electric field control layers and the plurality of intermediate layers form a laminated structure,
the laminated structure is provided only on a surface of the diffraction grating layer facing the substrate,
the refractive index of the electric field control layer and the refractive index of the diffraction grating layer are higher than the refractive indexes of the regions of the first cladding layer other than the electric field control layer and the diffraction grating layer,
The second cladding layer has a base portion and a stripe-shaped ridge portion protruding from the base portion, the base portion extending on both sides of the ridge portion, covering the active layer, and being thinner than the ridge portion.
Semiconductor laser element.
前記回折格子層の屈折率は、前記電界制御層の屈折率よりも低い
請求項1に記載の半導体レーザ素子。
The semiconductor laser device according to claim 1 , wherein the refractive index of the diffraction grating layer is lower than the refractive index of the electric field control layer.
前記回折格子層の周期に依存して定まるレーザ発振波長をλcとすると、
前記電界制御層の組成波長は、λcよりも短い
請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。
If the laser oscillation wavelength, which depends on the period of the diffraction grating layer, is λc, then
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the bandgap wavelength of said electric field control layer is shorter than λc.
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