(57)【要約】【課題】高温環境において高速動作特性を維持しながら光出力を向上させた面発光半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  Ｇａ1-xＩｎxＮy1Ａｓ1-y1-y2Ｓｂy2（但し、０．１＜ｘ、０＜ｙ１＜０．０３、０≦ｙ２≦０．０６）井戸層４３とＧａＮz1Ａｓ1-z1-z2-z3Ｓｂz2Ｐz3障壁層４４（但し、０＜ｚ１≦０．０５、０≦ｚ２≦０．０６、０≦ｚ３≦０．２）とからなる多重量子井戸の活性層４２が複数個、各活性層４２の略中心が前記共振器４１中の定在波パターンの腹の部分に位置するように、共振器４１内に設けられている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ1-xＩｎxＮy1Ａｓ1-y1-y2Ｓｂy2（但し、０．１＜ｘ、０＜ｙ１＜０．０３、０≦ｙ２≦０．０６）井戸層とＧａＮz1Ａｓ1-z1-z2-z3Ｓｂz2Ｐz3障壁層（但し、０＜ｚ１≦０．０５、０≦ｚ２≦０．０６、０≦ｚ３≦０．２）とからなる多重量子井戸の活性層が共振器内に設けられた面発光半導体レーザ素子において、前記活性層は複数個が前記共振器内に設けられ、各活性層はそれぞれの略中心が前記共振器中の定在波パターンの腹の部分に位置するように前記共振器内に設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記各活性層の略中心は、前記共振器中の定在波パターンの腹の両側略３０ｎｍ以内に位置するように前記共振器内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記多重量子井戸の井戸層と障壁層の伝導帯バンドオフセットエネルギーは４００ｍｅＶ以下であり、価電子帯バンドオフセットエネルギーは２００ｍｅＶ以下であることを特徴とする１ないし２のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記多重量子井戸構造の障壁層にはｐ型変調ドープが施されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記多重量子井戸のネット歪εnet は、−０．５％≦εnet ≦０．５％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記多重量子井戸の井戸層数Ｎw は、３≦Ｎw ≦１２であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記共振器を構成する二つの反射鏡は半導体多層膜反射鏡からなり、前記二つの半導体多層膜反射鏡中に、注入電流を狭窄する電流狭窄層を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の面発光半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光半導体レーザ素子に関し、特に発振波長が１．０〜１．６μｍ帯で高光出力でかつ高温環境において高速動作特性を有する面発光半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
面発光半導体レーザ素子は同一基板上に２次元的に多数のレーザ素子を集積配置できる特長を備えており、光インターコネクションや光コンピューティングなどの光の並列性を生かした並列光情報処理、或いは大容量並列光伝送などへの応用に適している。
【０００３】
近年、ＧａＡｓ基板上に、相互にＡｌ組成の異なるＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等のペアが複数積層された半導体多層膜反射鏡が対をなすように形成され、前記一対の半導体多層膜反射鏡の間にＧａx Ｉｎ1-x Ｎy Ａｓ1-y 系活性層が形成された、発振波長が１．０〜１．６μｍ帯の面発光半導体レーザ素子が高温環境において高速動作特性を有し、光通信装置の光源として注目されている。
【０００４】
従来の１．０〜１．６μｍ帯のＧａx Ｉｎ1-x Ｎy Ａｓ1-y 系活性層を有する面発光半導体レーザ素子の一例について、図５を用いて説明する。
図５に示すように、面発光半導体レーザ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−ＧａＡｓ／Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓのペアを積層してなる下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４と、ｎ−ＧａＡｓクラッド層１８と、発振波長が１．３μｍのＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層２０と、ｐ−ＧａＡｓクラッド層２２と、ｐ−ＧａＡｓ／Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓのペアを積層してなる上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡２４と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２６とを順次積層した積層構造を備えている。
注入電流を効率良く閉じ込めるために、活性層２０と上部ＤＢＲ反射鏡２４の間には、電流注入領域として設けられたｐ−ＡｌＡｓ層１７と、電流注入領域の外側の電流狭窄層として設けられたＡｌ酸化層１６が形成されている。Ａｌ酸化層１６は、ＡｌＡｓ層のＡｌを選択的に酸化して形成されている。
また、積層構造上には、保護膜としてＳｉＮ膜３２が成膜されている。メサ上にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層２６に接続するリング状のｐ側電極３４、およびｐ側電極３４の引出し用電極３６が設けられている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面にはｎ側電極３８が設けてある。
上記構成により、面発光半導体レーザ素子１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２に直交し、かつ積層構造側の方向にレーザ光を出射する。
【特許文献１】特開２００３−１７９３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は鋭意実験した結果、図５に示した面発光半導体レーザ素子１０において、Ｇａx Ｉｎ1-x Ｎy Ａｓ1-y 系井戸層を有する多重量子井戸構造の活性層２０を構成する障壁層をＧａＮz Ａｓ1-zで構成することにより、比較的低い閾値電流密 度で１．３μｍ帯のレーザ発振が実現することを見出した。この際、１．３μｍ帯の発振波長を得るために、井戸層を構成するＧａx Ｉｎ1-x Ｎy Ａｓ1-y のＩｎ組成を３０％以上（ｘ≦０．７）、Ｎ組成を３％以下（ｙ≦０．０３）に設定した。
【０００６】
ところで、上記多重量子井戸構造では、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に積層されたＧａx Ｉｎ1-x Ｎy Ａｓ1-y  井戸層は高圧縮歪み（歪量εw ＞２％）を受け、一方、ＧａＮz Ａｓ1-z 障壁層は引っ張り歪み（歪量εb ＜−０．５％）を受ける。多重量子井戸構造の結晶性を保つためには、多重量子井戸構造のネット歪みεnet を零 に近く設定する必要がある。そのためには、上記井戸層の臨界膜厚は約７ｎｍであるので、障壁層は比較的に厚く、１５ｎｍ以上に設定する必要がある。
なお、ネット歪みεnet は、
εnet ＝（Ｎw εw Ｌw ＋Ｎb εb Ｌb ）／（Ｎw Ｌw ＋Ｎb Ｌb）
で与えられるものである。ここで、Ｎw は井戸層数、εw は井戸層における歪み、Ｌwは井戸層厚、Ｎb は障壁層数、εb は障壁層における歪み、Ｌb は障壁層厚である。
しかしながら、上述のように障壁層を厚くすると、面発光半導体レーザ素子の光出力が低下するという問題が生じた。また、多重量子井戸構造の結晶性を悪化させないようにするためには、井戸層数を少なく設定する必要があり、その結果十分な光出力が得られないという問題が生じた。
【０００７】
本発明は、上述した問題に鑑み、光出力を向上させた、特に高温環境において高速動作特性を維持しながら光出力を向上させた面発光半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１発明は、請求項１に記載のように、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）（Ｐ）障壁層とからなる多重量子井戸の活性層が共振器内に設けられた面発光半導体レーザ素子において、前記活性層は複数個が前記共振器内に設けられ、各活性層はそれぞれの略中心が前記共振器中の定在波パターンの腹の部分に位置するように前記共振器内に設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。ここで、活性層の中心とは、活性層の厚さ方向の中心を意味する。また、井戸層はＳｂを含んでも含まなくてもよく、障壁層はＳｂ、Ｐを含んでも含まなくてもよい。
上述のように、ＧａＩｎＮＡｓ系の多重量子井戸からなる複数の活性層の略中心を、共振器に伝搬する定在波の腹（強度の極大箇所）に位置させることにより、光出力を向上させることができる。
第１発明は、面発光半導体レーザ素子の光出力は多重量子井戸の中を伝搬する定在波の電界の強さの２乗に比例することに注目したものである。即ち、多重量子井戸構造の活性層の結晶性の悪化を防ぐために、活性層を構成する多重量子井戸の井戸層数を少なくしても、複数の活性層をそれぞれの略中心が共振器を伝搬する定在波の腹に位置するように配置することにより、多重量子井戸の中を伝搬する定在波の電界を強め、各量子井戸からの光出力を強め、その総和である全体としての光出力を向上させることができる。
レーザ波長を１３００ｎｍとし、ＧａＡｓの屈折率を３．４５とすれば、１／２λ共振器長は約１９０ｎｍになる。従って、光出力は理想的な特性に対して９５％以上を維持するための、共振器を伝搬する定在波の腹に対する複数の活性層の各略中心の好ましい位置は、次式でより導くことができる。
１９０−［ａｒｃｓｅｃ（（０．９５）1/2）×（２／π）×１９０］＝約３０ｎｍ
以上のように、共振器を伝搬する定在波の腹の両側３０ｎｍ以内に、活性層の略中心を配置することが好ましい。
【０００９】
上記について、共振器内における電界強度の２乗を算出した結果により、説明する。計算に用いたパラメーターは、発振波長λが１３００ｎｍ、井戸層厚Ｌw が７．３ｎｍ、障壁層厚Ｌb が１６ｎｍ、また共振器の実効屈折率ｎeff が３．４５、共振器長が２λ／ｎeff である。
図１（ａ）は、共振器内における電界強度の２乗の変化を示す図である。
図１（ａ）において、曲線Ａは、図１（ｂ）に示すように、３重量子井戸構造でネット歪みεnet が０．３３％である１個の活性層を、３個の井戸層の中心の井戸層 が共振器中の定在波パターンの腹の部分に位置するように、共振器中に設けた場合を示す。また、曲線Ｂは、図１（ｃ）に示すように、前記活性層を２個、それぞれの中心の井戸層が共振器中の定在波パターンの腹の部分に位置するように、共振器中に設けた場合を示す。さらに、曲線Ｃは、図１（ｄ）に示すように、前記活性層を３個、それぞれの中心の井戸層が共振器中の定在波パターンの腹の部分に位置するように、周期的に設けた場合を示す。
図１（ａ）からわかるように、光出力に相当する電界強度の２乗は、活性層が１個である曲線Ａに対して、活性層が２個である曲線Ｂは２倍、活性層が３個である曲線Ｃは３倍になる。
【００１０】
また、第２発明は、請求項２に記載のように、請求項１において、前記各活性層の略中心は、前記共振器中の定在波パターンの腹の両側略３０ｎｍ以内に位置するように前記共振器内に設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
前記多重量子井戸の井戸層と障壁層の伝導帯バンドオフセットエネルギーは４００ｍｅＶ以下であり、価電子帯バンドオフセットエネルギーは２００ｍｅＶ以下であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
レーザ波長を１３００ｎｍとし、ＧａＡｓの屈折率を３．４５とすれば、１／２λ共振器長は約１９０ｎｍになる。従って、光出力は理想的な特性に対して９５％以上を維持するための、共振器を伝搬する定在波の腹に対する複数の活性層の各略中心の好ましい位置は、次式でより導くことができる。
１９０−［ａｒｃｓｅｃ（（０．９５）1/2）×（２／π）×１９０］＝約３０ｎｍ
以上のように、共振器を伝搬する定在波の腹の両側３０ｎｍ以内に、活性層の略中心を配置することが好ましい。
【００１１】
また、第３発明は、請求項３に記載のように、請求項１ないし２において、前記多重量子井戸の井戸層と障壁層の伝導帯バンドオフセットエネルギーは４００ｍｅＶ以下であり、価電子帯バンドオフセットエネルギーは２００ｍｅＶ以下であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
【００１２】
本発明は、鋭意実験した結果に基づくものである。
光出力を向上させるためには、活性層を構成する多重量子井戸の各井戸層へのキャリア注入効率が重要なパラメーターとなる。そこで、本発明者は量子井戸構造とキャリア注入効率との関係を調べた。図２は、レーザ発振の閾値電流密度と井戸層と障壁層間の伝導帯バンドオフセットエネルギーとの関係を示す一例である。図２に示すように、井戸層と障壁層間の伝導帯バンドオフセットエネルギーが４００ｍｅＶを超えると、閾値電流密度が著しく増加する。これは、伝導帯バンドオフセットエネルギーが４００ｍｅＶを超えると、井戸層へのキャリア注入効率が低下することに起因する。従って、光出力を向上させるためには井戸層と障壁層間の伝導帯バンドオフセットエネルギーを４００ｍｅＶ以下に設定することが好ましい。
同様に、井戸層と障壁層間の価電子帯バンドオフセットエネルギーは、２００ｍｅＶ以下に設定することが好ましい。
【００１３】
また、第４発明は、請求項４に記載のように、請求項１ないし３において、前記多重量子井戸構造の障壁層にはｐ型変調ドープが施されることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。電子に比べて正孔の拡散長が短いため、多重量子井戸構造の障壁層にｐ型変調ドープを施すことによって井戸層への正孔注入効率が向上できる。
【００１４】
また、第５発明は、請求項５に記載のように、請求項１ないし４において、前記多重量子井戸のネット歪εnet は、−０．５％≦εnet ≦０．５％であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
上述のように、ネット歪εnet を−０．５％≦εnet ≦０．５％に設定すると、多重量子井戸の結晶性を良好に保つことができる。
【００１５】
また、第６発明は、請求項６に記載のように、請求項１ないし５において、前記多重量子井戸の井戸層数Ｎw は、３≦Ｎw ≦１２であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
上述のように、井戸層数Ｎw を３≦Ｎw ≦１２に設定すると、多重量子井戸の結晶性を良好に保つことができる。
【００１６】
また、第７発明は、請求項７に記載のように、請求項１ないし６において、前記共振器を構成する二つの反射鏡は半導体多層膜反射鏡からなり、前記二つの半導体多層膜反射鏡中に、注入電流を狭窄する電流狭窄層を設けたことを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
多重量子井戸構造からなる複数の活性層を共振器中に定在波パターンの腹の部分に位置するように設けて光出力を向上させるためには、共振器長を長くする必要がある。そうすると、注入電流を狭窄する電流狭窄層を共振器の注入する側にのみ設けただけでは、注入電流が共振器中で広がり、その結果、レーザ光のスペクトル幅が増加し、又は単一モードが得られにくくなる。そこで、第６発明のように、共振器両側の二つの半導体多層膜反射鏡中に、注入電流を狭窄する電流狭窄層を設けると、レーザ光のスペクトル幅を狭く、又は単一モードを維持しながら光出力を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＧａＩｎＮＡｓ系の１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子において、高温環境において高速の動作特性を維持しながら高い光出力を得ることができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図３は、本発明にかかる面発光半導体レーザ素子の一実施形態の発振部分を示す要部断面図である。図３において、従来の面発光半導体レーザ素子の説明に用いた図５に関して説明した部分と同部分は同符号で指示し、詳細な説明は省略する。
【００１９】
図３に示すように、本実施形態の面発光半導体レーザ素子４０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−ＧａＡｓ／Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓのペアを積層してなる下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４と、共振器４１と、ｐ−ＧａＡｓ／Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓのペアを積層してなる上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡２４と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２６とを順次積層したものである。
図４は、上記実施形態の共振器４１部分を示す要部断面図である。共振器４１は、共振器長が１．５λ／ｎeff であり、その中に２個の活性層４２が設けられている 。また、４５はＧａＡｓクラッド層である。
前記活性層４２は、３重量子井戸からなり、前記３重量子井戸を構成する井戸層４３はＧａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ0.982 Ｎ0.018からなり、障壁層４４はＧａＮ0.019 Ａｓ0.981 からなり、その発振波長は１．２９５μｍ、ネット歪みεnet は０ ．３３％である。前記２個の活性層４２は、各々の３重量子井戸の中心の井戸層４３ａが共振器４１の定在波の腹に一致するよう設けられている。また、井戸層４３と障壁層４４の伝導帯バンドオフセットエネルギーは３５０ｍｅＶに、価電子帯バンドオフセットエネルギーは１００ｍｅＶになっている。
また、下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４には、炭素イオン注入によりｎ型から高抵抗化した、注入電流を狭窄する電流狭窄層４６が形成されている。また、上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡２４には、電流注入領域として設けられたｐ−ＡｌＡｓ層１７と、電流注入領域の外側の電流狭窄層として設けられたＡｌ酸化層１６が形成されている。
なお、共振器４１およびその周辺以外は、図５に示した従来の面発光半導体レーザ素子と同様の構造である。
【００２０】
本実施形態の面発光半導体レーザ素子４０は、有機金属気相成長法およびガスソース分子線エピタキシー法を組み合わせたハイブリッド法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に化合物半導体層からなる積層構造を形成し、次いで積層構造をメサエッチングし、次いで、蒸着により金属のｐ側電極３４、およびｐ側電極３４の引出し用電極３６を形成し、さらに、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面にｎ側電極３８を形成して製作した。
【００２１】
本実施形態が従来例と異なる特徴的なことは、以下の通りである。即ち、
１）共振器長が１．５λ／ｎeff であり、３重量子井戸からなる２個の活性層４２が、３重量子井戸の中心井戸層４３ａが共振器４１の定在波の腹の位置に一致するように周期的に形成されており、また、活性層４２の井戸層４３と障壁層４４の伝導帯バンドオフセットエネルギーが３５０ｍｅＶに、価電子帯バンドオフセットエネルギーが１００ｍｅＶになっていることである。
２）また、下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４に電流狭窄層４６を設け、上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡２４に電流狭窄層としてＡｌ酸化層１６を設け、共振器４１の両側で注入電流の電流狭窄が行われていることである。
【００２２】
本実施形態の面発光半導体レーザ素子４０は、上記のような共振器４１の構造により、また、共振器４１の上下、即ち、下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４と上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡２４に注入電流の狭窄構造を設けることにより、８５℃の高温環境において（従来に比して約２倍の）２ｍＷの光出力を得ることができ、かつ、１０Ｇｂｐｓの高速の動作特性が実現できた。
なお、上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡２４に電流狭窄層としてＡｌ酸化層１６を設け、下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４には電流狭窄構造を設けない場合には、２ｍＷの光出力を得ることができたが、動作速度は２．５Ｇｂｐｓであった。
【００２３】
なお、上記実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。例えば、ｎ型の下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４に設ける電流狭窄構造は、下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡１４に高抵抗のｉ型層を設け、前記ｉ型層をＳｉイオン注入により部分的にｎ型化して電流注入領域としてもよい。あるいは、多重量子井戸の障壁層にｐ型変調ドープを施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）は、本発明において、共振器内における電界強度の２乗が活性層の数により変化する計算結果を示す図であり、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ、（ａ）における曲線Ａ、ＢおよびＣの活性層の共振器内における配置を示す図である。
【図２】面発光半導体レーザ素子の活性層の井戸層と障壁層間の伝導帯バンドオフセットエネルギーと閾値電流密度との関係を示す図である。
【図３】本発明にかかる面発光半導体レーザ素子の一実施形態の要部断面である。
【図４】上記実施形態の共振器部の断面図である。
【図５】従来の面発光半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０、４０    面発光半導体レーザ素子
１２          ｎ−ＧａＡｓ基板
１４          下部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡
１６          Ａｌ酸化層
１７          ｐ−ＡｌＡｓ層
１８          ｎ−ＧａＡｓクラッド層
２０、４２    活性層
２２          ｐ−ＧａＡｓクラッド層
２４          上部ＤＢＲ半導体多層膜反射鏡
２６          ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
３２          ＳｉＮ膜
３４          ｐ側電極
３６          引出し用電極
３８          ｎ側電極
４１          共振器
４３、４３ａ  井戸層
４４          障壁層
４５          ＧａＡｓクラッド層
４６          電流狭窄層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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