(57)【要約】【課題】  本発明は、素子抵抗の増大を抑制し、かつ多重量子井戸活性層へのキャリア注入効率を向上し、高温環境下でも高い緩和振動周波数限界並びに、高い光変換効率を有する半導体レーザ素子及びこれを用いた光モジュールの提供を目的とする。【解決手段】  本発明は、半導体基板上に、少なくともn型光クラッド層、n型光ガイド層、多重量子井戸活性層、p型光ガイド層、p型光クラッド層を有し、前記p型光クラッド層から前記多重量子井戸活性層の間の価電子帯エネルギー差ΔEvが２０meV以下、且つ前記多重量子井戸活性層と前記n型光ガイド層の間に価電子帯のエネルギー差が５０meV以上となるn型ホールストッパー層を有する半導体レーザ素子である。【選択図】  図１
2005259763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、少なくともn型光クラッド層、n型光ガイド層、多重量子井戸活性層、p型光ガイド層、p型光クラッド層を有し、前記p型光クラッド層から前記多重量子井戸活性層の間の価電子帯エネルギー差ΔEvが２０meV以下、且つ前記多重量子井戸活性層と前記n型光ガイド層の間に価電子帯のエネルギー差が５０meV以上となるn型ホールストッパー層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記量子井戸活性層に、InGaAlAs系材料を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ホールストッパー層が、InGaAsP材料であることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記レーザ素子の導波路構造が、リッジ導波路構造もしくは埋め込み型構造であることを特徴とする請求項１より請求項２のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１より請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ素子を搭載した光送信器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体光素子に係り、特に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワークに用いる好適な広温度範囲動作半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまでに、量子井戸構造を活性層領域に用いた半導体レーザ装置において、量子井戸構造へのキャリアの閉じ込めをより有効ならしめる為、ホールストッパ層やエレクトロンストッパ層を用いる例が報告されている。例えば、米国特許第５、４４８、５８５号である（特許文献１）。この例では、活性層領域からｐ側光ガイド層やクラッド層にエレクトロンが流出することを防止する為、エレクトロンストッパ層を用い、具体例としてＡｌＩｎＡｓ層を用いたエレクトロンストッパ層を例示している。又、活性層領域からｎ側光ガイド層やクラッド層にホールが流出することを防止する為、ホールストッパ層を用い、具体例としてＩｎＰ層を用いたエレクトロンストッパ層を例示している。
【０００３】
【特許文献１】米国特許公報、Ｎｏ．５,４４８,５８５（ｃｏｌ．２、２１行目−４１行目、ＦＩＧ．３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の半導体レーザ素子の構造では、p型光クラッド層やp型光ガイド層での価電子帯エネルギー差が存在しているため、エネルギー障壁や接合界面でのノッチが発生する。この場合、ホールは障壁作用またはトラップ作用を受け、素子抵抗の増大が発生し発熱の原因となる。又、高速変調時の多重量子井戸層へのホール注入遅れが発生し、緩和振動周波数、光変換効率の低下が発生する。更に、従来構造では、ホールの多重量子井戸活性層からの漏れ出しを防止するために、InPを用いたn型ホールストッパー層を適用しているが、この構造では屈折率を高くできないため、光閉じ込め係数は低下してしまい、緩和振動周波数の向上が期待できない。又、伝導帯において電子に対しては障壁層となってしまい、電子の停留が発生し、多重量子井戸活性層への電子の注入低下も発生する。
【０００５】
上記構造において、素子温度８５℃での緩和振動周波数限界は１５GHz程度である。
【０００６】
本発明は、半導体レーザ素子の素子抵抗の増大を抑制しつつ、高温環境下でも高い緩和振動周波数並びに光変換効率の向上を図るものである。更には、本発明は、高温環境下でも高い緩和振動周波数並びに高い光変換効率なる光伝送モジュールを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の骨子は次の通りである。即ち、半導体基板上に、少なくともn型光クラッド層、n型光ガイド層、多重量子井戸活性層、p型光ガイド層、p型光クラッド層を有する半導体レーザ素子において、前記p型光クラッド層から多重量子井戸活性層の間の価電子帯エネルギー差ΔEvが２０meV以下と小さくホールに対して障壁作用やトラップ作用が発生しない構造とし、かつ多重量子井戸活性層とn型光ガイド層の間に価電子帯のエネルギー差が５０meV以上となるn型ホールストッパー層を有する半導体レーザ装置である。この場合、前記量子井戸活性層に、InGaAlAs系材料を含むことが実際的である。又、前記ホールストッパー層が、InGaAsPであることも更に実際的である。
【０００８】
本発明の係る半導体レーザ素子の光閉じ込めの為の光導波路の構成はいずれの構成をも取り得る。より実際的で多く用いられるのは、リッジ導波路構造或いは埋め込み型構造である。
【０００９】
又、光帰還の手段は、各種の方法を用いることが出来る。即ち、代表的な例を示せば、ファブリ・ペロー型、ＤＦＢ（分布帰還：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）型、或いはＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）型などを挙げることが出来る。
【００１０】
光帰還手段として、分布帰還型を用いる場合、p側電極からp型光クラッド層の間に回折格子を形成し、価電子帯エネルギー差ΔEvが２０meV以下と小さくホールに対して障壁作用やトラップ作用が発生しない構造とした分布帰還型レーザを構成するのが実用的である。即ち、主要な活性層領域を形成して後、加工を要する回折格子を形成するからである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、半導体レーザ素子の素子抵抗の増大を抑制しつつ、高温環境下でも高い緩和振動周波数並びに光変換効率の向上を図ることが可能である。更には、高温環境下でも高い緩和振動周波数並びに光変換効率の向上を図った光送信モジュールを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の実施の諸形態を例示する前に、半導体レーザ素子の主要部の構成を詳細を説明する。
【００１３】
図１は、半導体レーザ装置の主要部の半導体層体のバンド構造を示す図である。図１の右側が半導体基板１００であり、左側に順次半導体層が積層されている。図において、Ｅｃはバンド構造図における伝導帯の下端、Ｅｖは荷電子帯の上端を示している。当該半導体積層体は、n型InP基板１００上に順次、n型光クラッド層１０１、n型光ガイド１０２、多重量子井戸活性層１０３、n型ホールストッパー層１１５、p型光ガイド層１０４、p型光クラッド層１０５、１１６…p型エッチストッパー層１１６、p型スペーサ層１０７、p型回折格子層１０８、p型クラッド層１０９が積層されている。
【００１４】
図１に示すように、p型光クラッド層１０５（例えば、InAlAs）から多重量子井戸活性層１０３までの価電子帯エネルギー差ΔEvが、２０meV以下と少なくΔEvが連続的且つ単調に変化する構造とする。この為、この領域はホールに対して障壁作用またはトラップ作用が発生しない構造となる。
【００１５】
更に、多重量子井戸活性層１０３とn型ガイド層１０２（例えば、InGaAlAs）の間にはn型ホールストッパー層１１５を形成する。但し、n型ホールストッパー層１１５は、半導体基板（例えば、InP）よりも屈折率の高い化合物半導体材料（例えば、InGaAsP）を用いる。例えば、組成波長λ=１．０５μmのInGaAsPを用いた場合、多重量子井戸活性層１０３の光閉じ込め係数Γは、６．５%であり、InPの場合の６．３%よりも高くすることが可能である。この時、n型InGaAsPホールストッパー層１１５は多重量子井戸活性層１０３との価電子帯のエネルギー差ΔEｖＨが５０meV以上となる組成を用いる。
【００１６】
又、ホールのトンネル効果を防止するためにn型ホールストッパー層１１５の層厚を１０nm以上とする。この時、n型ホールストッパー層１１５はホールに対してのみ障壁層として機能し、ホールは多重量子井戸活性層１０３に効率良く閉じ込められる。その上、n型InGaAsPホールストッパー層１１５は、いわゆるタイプＩＩのヘテロ接合となるため、伝導帯において電子に対しては障壁層とならず、電子の停留も発生しない。尚、本発明の係るホールストパー層、及びp型光クラッド層から多重量子井戸活性層の間の価電子帯エネルギー差ΔEvの設定以外の構成は通例のそれに従って十分である。
【００１７】
こうした構造により、素子抵抗の増大、高速変調時のホールの注入遅れ等の問題が解決でき、高温動作時における緩和振動周波数や光変換効率の向上が可能となる。
【００１８】
上記手段を実施することにより、０〜８５℃の全温度において９．９５Gb/s、消光比ER=７dBの直接変調駆動条件にて緩和振動周波数が２０GHz以上、かつ光変換効率０．１３W/A以上が達成可能である。
＜実施例１＞
波長１．３μm帯の１０Gb/s広温度範囲動作直接変調リッジ導波路型半導体レーザ素子の実施例を具体的に説明する。
【００１９】
図２より図４は、製造工程順に示した本実施例の半導体レーザ装置の主要部の断面図である。
【００２０】
図２に示すように、n型InP基板１００上にn型InAlAs光クラッド層１０１、n型光InGaAlAsガイド層１０２、組成波長λ=１．０５μm厚さ１０nmのn型InGaAsPホールストッパー層１１５、InGaAlAs井戸層とInGaAlAs障壁層からなる多重量子井戸活性層１０３、p型InGaAlAs光ガイド層１０４、p型InAlAs光クラッド層１０５、p型InGaAsPエッチストッパー層１１６、p型InGaAsP回折格子層１０８を結晶成長する。
【００２１】
そして、p型InGaAsP回折格子層１０８に回折格子１２７を形成した。この状態が図３である。
【００２２】
続いて、図４に示すように、p型InPクラッド層１０９、p型InGaAsコンタクト層１１０を結晶成長する。
【００２３】
本例では、こうして準備された半導体積層体１３０を用いて、いわゆるリッジ導波路１１１を形成した。リッジ導波路の長手方向に光が射出される。リッジ導波路の幅は、１μm〜２μmとした。図５はこの状態を示す斜視図である。半導体基板１００上に前述の半導体積層体１３０が積層される。この半導体積層体１３０の詳細は既に説明されたので省略されている。その後、パッシベーション膜(SiO２絶縁膜)１１４を形成し、次いで、p型電極１１２を形成する。そして、半導体基板１００の裏面を研磨し、n型電極１１３を形成する。光射出面１３１、及び後方端面１３２を劈開し、半導体レーザ素子を作製した。尚、この素子前方端面には無反射膜、後方端面には高反射膜を形成した。図５ではこれらの反射膜は図示が省略されている。共振器長は１５０μm〜２００μmとした。
【００２４】
この素子構造では、図１に示すように、多重量子井戸活性層１０３からp型InGaAsP回折格子層１０８の間の価電子帯エネルギー差ΔEvを２０meV以下としており、ホールに対して障壁作用又はトラップ作用が発生しない。又、n型InGaAlAs光ガイド層１０２と多重量子井戸活性層の間に、厚さ１０nmのn型InGaAsPホールストッパー層１１５を積層したため、ホールに対して障壁層として機能しトンネル効果も発生しない。本構造のn型InGaAsPホールストッパー層１１５では、組成波長λ=１．０５μmを採用したが、価電子帯エネルギー差ΔEvを５０meV以上、且つ臨界歪量を超えない材料であれば、屈折率の高いほど多重量子井戸活性層への光閉じ込め係数を向上することができる。
【００２５】
本構造の半導体レーザ素子は、素子温度８５℃において、発振閾値電流及び光変換効率は、それぞれ〜２０mA、０．１３W/A〜０．１５W/Aと向上した。従来のこれらの特性値は、例えば、発振閾値電流〜２５mA、光変換効率０．１１〜０．１３W/Aであった。更に、９．９５Gb/s、消光比ER＝７dBの直接変調駆動条件での緩和振動周波数が２０GHz以上の特性を達成した。従来構造では、この値が１５GHz程度だった。
【００２６】
図６に光送信器モジュールの構成例を示す。図６の例では、半導体レーザ素子１１９がドライバ集積回路１２２によって駆動される。半導体レーザ素子１１９の後方端よりの光は光検出器１２０によってモニタされ、レーザ特性が制御される。符号１２１はサーミスタ、符号１２３はDATA入力、符号１２４は光出力、符号１２５は電源、符号１２６は接地（GND）を示している。こうしたフィードバック機構自体は通例のものであるので、その詳細説明は省略する。
【００２７】
当該半導体レーザ装置として、実施例１で説明したものを用いる。こうした構造で、且つ８５℃の高温における光伝送波形を図７に示す。横軸は時間（ｐｓ）、縦軸は光出力（ｍＷ）である。駆動条件は、半導体レーザ温度（ＴＬＤ）が８５℃、変調速度が９．９５Ｇｂｉｔ／ｓ、消光比（ＥＲ）が７．０ｄＢである。図７は電気フィルタを挿入した場合の光波形である。マスクにはＯＣ−１９２のＳＯＮＥＴ規格を用いた。このマスクに対して、マスクマージン２４％にて、マスクヒットの無い、良好なアイ開口が得られた。尚、図７のハッチング領域はマスク領域を示す。
＜実施例２＞
実施例１では、横モードを制御するためにリッジ導波路構造を適用したが、図８に示す埋め込み型導波路構造に対して適用できることは言うまでもない。
【００２８】
図２に示すように、n型InP基板上１００にn型InAlAs光クラッド層１０１、n型光InGaAlAsガイド層１０２、組成波長λ=１．０５μm厚さ１０nmのn型InGaAsPホールストッパー層１１５、InGaAlAs井戸層とInGaAlAs障壁層からなる多重量子井戸活性層１０３、p型InGaAlAs光ガイド層１０４、p型InAlAs光クラッド層１０５、p型InGaAsPエッチストッパー層１１６、p型InGaAsP回折格子層１０８を結晶成長する。p型InGaAsP回折格子層１０８に回折格子１２７を形成した。この状態は図３に示す構造と同様である。
【００２９】
続いて、図４に示すものと同様に、p型InPクラッド層１０９、p型InGaAsコンタクト層１１０を結晶成長する。
【００３０】
そして、こうして準備した半導体積層体をもちいて、多重量子井戸活性層を貫通するエッチングにより導波路１４０を形成した。図８はこの状態を示す斜視図である。図では、これまで説明してきた半導体積層体になる導波路１４０の詳細の図示は省略されている。
【００３１】
前記導波路１４０の幅は、１μm〜２μmとした。前記導波路１４０の長手方向が光の伝搬方向となる。その後、この導波路の両側にFe-InP埋め込み層１２８を形成する。
【００３２】
こうして準備した半導体基板上にパッシベーション膜１１４を形成する。更に、p型電極１１２形成する。半導体基板１００の裏面を研磨し、n型電極１１３形成する。
劈開工程を経て、素子を作製した。光射出面１４１、及び後方端面１４２を劈開し、半導体レーザ素子を作製した。尚、この素子前方端面には無反射膜、後方端面には高反射膜を形成した。図８ではこれらの反射膜は図示が省略されている。共振器長は１５０μm〜２００μmとした。
【００３３】
本構造の半導体レーザ素子は、素子温度８５℃において、発振閾値電流〜１５mA、光変換効率０．１５〜０．１７W/A、更に、９．９５Gb/s、消光比ER=７dBの直接変調駆動条件での緩和振動周波数が２５GHz以上の特性を達成した。更に、半導体レーザ素子を光送信器モジュールに搭載した場合でも実施例１と同様の結果を得た。
【００３４】
又、p型InP基板上に埋め込み型導波路構造の半導体レーザ素子を作製した場合にも、実施例１と同様の結果を得た。
【００３５】
以上詳細に説明したように、本発明により、０℃〜８５℃の全温度において動作可能な９．９５Gb/s〜１０．７Gb/s用途の半導体レーザ素子を提供でき、温度調節装置が不要かつ低コストな送信器モジュールの提供が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、本発明の基本構成を説明する為のバンド構造図である。
【図２】図２は、本発明による実施例１を説明する為の製造工程順に示した素子の断面図である。
【図３】図３は、本発明による実施例１を説明する為の製造工程順に示した素子の断面図である。
【図４】図４は、本発明による実施例１を説明する為の製造工程順に示した素子の断面図である。
【図５】図５は、本発明による実施例１の構造を示す斜視図である。
【図６】図６は、本発明の光モジュールの構成例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の光モジュールでの光伝送波形の例を示す図である。
【図８】図８は、本発明による実施例２の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００…n型InP基板、１０１…n型InAlAs光クラッド層、１０２…n型InGaAlAs光ガイド層、１０３…多重量子井戸活性層、１０４…p型InGaAlAs光ガイド層、１０５…p型InAlAs光クラッド層、１０６…p型InGaAsPエッチストッパー層、１０７…p型InPスペーサ層、１０８…p型InGaAsP回折格子層、１０９…p型InPクラッド層、１１０…p型InGaAsコンタクト層、１１１…リッジ導波路、１１２…p電極、１１３…n電極、１１４…パッシベーション膜、１１５…n型InGaAsPホールストッパー層、１１６…p型InGaAsPエッチストッパー層、１１９…半導体レーザ素子、１２０…光検出器、１２１…サーミスタ、１２２…ドライバ．IC、１２３…DATA入力、１２４…光出力、１２５…電源、１２６…GND、１２７…回折格子、１２８…Fe-InP埋め込み層、１３０…リッジ型導波路部、１３１、１３２、１４１、１４２…へき開面、１４０…埋め込み型光導波路部。
【図１】
2005259763.tif 000003
【図２】
2005259763.tif 000004
【図３】
2005259763.tif 000005
【図４】
2005259763.tif 000006
【図５】
2005259763.tif 000007
【図６】
2005259763.tif 000008
【図７】
2005259763.tif 000009
【図８】
2005259763.tif 000010