(57)【要約】【課題】  特性バラツキを低減可能な分布帰還型の半導体発光素子を提供する。【解決手段】  本発明の実施の形態の半導体発光素子１０は、活性層１８と、該活性層１８の下側または上側に回折格子を有する分布帰還型の半導体発光素子である。この回折格子の幅は、半導体発光素子１０の一端４０側の回折格子の一端部に向けて単調減少している。このように、本実施の形態の半導体発光素子１０では、回折格子の一端部に近づくに伴って回折格子の幅が単調減少しているので、その端面近傍での回折効果がほとんどなくなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、該活性層の下側または上側に回折格子を有する分布帰還型の半導体発光素子において、
前記回折格子の幅が、該半導体発光素子の一端側の該回折格子の一端部に向けて単調減少している、
半導体発光素子。
【請求項２】
該半導体発光素子の前記一端に反射膜を更に備える、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記回折格子の前記一端部における幅が、該回折格子の周期長以下である、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
該半導体発光素子の他端に反射防止膜を更に備えており、
前記回折格子の幅が、該半導体発光素子の該他端側の該回折格子の他端部に向けて更に単調減少している、
請求項１〜３の何れか一項記載の半導体発光素子。
【請求項５】
活性層と、該活性層の下側または上側に回折格子を有する分布帰還型の半導体発光素子において、
前記回折格子の厚さが、該半導体発光素子の一端側の該回折格子の一端部に向けて単調減少している、
半導体発光素子。
【請求項６】
該半導体発光素子の前記一端に反射膜を更に備える、請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記回折格子の前記一端部における厚さが、該回折格子の周期長以下である、請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項８】
該半導体発光素子の他端に反射防止膜を更に備えており、
前記回折格子の厚さが、該半導体発光素子の該他端側の該回折格子の他端部に向けて更に単調減少している、
請求項５〜７の何れか一項記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布帰還型の半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還型の半導体発光素子、即ちＤＦＢ（DistributedFeedback)半導体レーザは、活性層に沿って、回折格子を有している。この回折格子では、屈折率が周期的に変化している。かかるＤＦＢ半導体レーザの端面は、壁開によって製造される（例えば、下記非特許文献１を参照）
【非特許文献１】栖原敏明、「半導体レーザの基礎」、共立出版株式会社、２１１ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したＤＦＢ半導体レーザでは、回折格子の周期における一定の位置において壁開を行い、端面を形成することは困難である。例えば、波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰ製のＤＦＢ半導体レーザにおいて、屈折率が３．３であるとすると、回折格子の周期は２３０ｎｍになる。このように短い周期の中の所定の位置に壁開を行なうことは困難である。その結果、ＤＦＢ半導体レーザでは、境界条件にバラツキが生じ、レーザ特性のバラツキが生じる。
【０００４】
そこで、本発明は、特性バラツキを低減可能な分布帰還型の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の半導体発光素子は、活性層と、該活性層の下側または上側に回折格子を有する分布帰還型の半導体発光素子である。回折格子の幅は、この半導体発光素子の一端側の当該回折格子の一端部に向けて単調減少している。
【０００６】
この第１の半導体発光素子によれば、一端部に近づくに伴って回折格子の幅が単調減少し、端面近傍での回折効果がほとんどなくなるので、その端面での位相に起因する特性バラツキが低減される。
【０００７】
第１の半導体発光素子は、当該半導体発光素子の一端に反射膜、すなわち高反射膜（ＨＲ（High Reflection）膜)を更に備えていてもよい。
【０００８】
第１の半導体発光素子においては、回折格子の一端部における幅が、当該回折格子の周期長以下であることが好ましい。この構成によれば、より特性バラツキが低減される。
【０００９】
第１の半導体発光素子は、当該半導体発光素子の他端に反射防止膜を更に備えることができる。この場合に、回折格子の幅は、当該半導体発光素子の他端の側の当該回折格子の他端部に向けて更に単調減少していることが好ましい。かかる構成によれば、より特性バラツキが低減される。
【００１０】
本発明の第２の半導体発光素子は、活性層と、該活性層の下側または上側に回折格子を有する分布帰還型の半導体発光素子である。回折格子の厚さは、当該半導体発光素子の一端側の当該回折格子の一端部に向けて単調減少している。
【００１１】
この第２の半導体発光素子によれば、一端部に近づくに伴って回折格子の厚さが単調減少し、端面近傍での回折効果がほとんどなくなるので、その端面での位相に起因する特性バラツキが低減される。
【００１２】
第２の半導体発光素子は、当該半導体発光素子の一端に高反射膜を備えていてもよい。また、第２の半導体発光素子においても、回折格子の一端部における厚さが、当該回折格子の周期長以下であることが好ましい。さらに、第２の半導体発光素子は、当該半導体発光素子の他端に反射防止膜を更に備えることができ、回折格子の厚さが、当該半導体発光素子の他端の側の当該回折格子の他端部に向けて単調減少していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、特性バラツキを低減可能な分布帰還型の半導体発光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子を示す一部破断斜視図である。半導体発光素子１０は、分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）半導体レーザ（以下、「ＤＦＢ半導体レーザ」という。）である。ＤＦＢ半導体レーザ１０は、基板１２、下部クラッド層１４、下部光閉じ込め層１６、活性層１８、上部光閉じ込め層２０、回折格子形成層２２、上部クラッド層２４、２５、コンタクト層２６、上部電極２８、下部電極３０、電流ブロック層３２、高反射膜３４、および、低反射膜３６を備えている。
【００１６】
基板１２は、本実施の形態では、ｎ型のＩｎＰ半導体から成る。基板１２の一方の主面には、下部クラッド層１４が設けられている。基板１２の他方の主面には、下部電極３０が設けられており、基板１２と下部電極３０とは、オーミックコンタクトを形成している。基板１２には、下部クラッド層１４にドーピングされた不純物と同じ導電型の不純物が高濃度にドーピングされている。
【００１７】
下部クラッド層１４は、本実施の形態では、ｎ型のＩｎＰ半導体層である。下部クラッド層１４には、ｎ型の不純物がドーピングされている。この下部クラッド層１４上には、下部光閉じ込め層１６が設けられている。
【００１８】
下部光閉じ込め層１６は、本実施の形態では、ｎ型のＧａＩｎＡｓＰ（４元混晶）半導体層である。下部光閉じ込め層１６には、本実施の形態ではｎ型の不純物がドーピングされているが、下部光閉じ込め層１６はアンドープの半導体層であってもよい。この下部光閉じ込め層１６上には、活性層１８が設けられている。
【００１９】
活性層１８は、本実施の形態では、ＧａＩｎＡｓＰ（４元混晶）量子井戸半導体層とＧａＩｎＡｓＰ（４元混晶）バリア半導体層とが交互に複数積層された多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を有する。活性層１８は、アンドープであることができるが、必要に応じて不純物がドーピングされていてもよい。この活性層１８上には、上部光閉じ込め層２０が設けられている。
【００２０】
上部光閉じ込め層２０は、本実施の形態では、ｐ型のＧａＩｎＡｓＰ（４元混晶）半導体層である。上部光閉じ込め層２０には、本実施の形態ではｐ型の不純物がドーピングされているが、上部光閉じ込め層２０はアンドープの半導体層であってもよい。
【００２１】
本実施の形態では、これらの上部光閉じ込め層２０、活性層１８、および、下部光閉じ込め層１６は、分離閉じ込めヘテロ構造（Separate ConfinementHeterostructure：ＳＣＨ）を構成している。分離閉じ込めヘテロ構造では、下部光閉じ込め層１６と上部光閉じ込め層２０とが、キャリア（電子および正孔）を活性層１８中に閉じ込める。
【００２２】
上部光閉じ込め層２０上には、回折格子形成層２２が設けられている。回折格子形成層２２は、本実施の形態では、ｐ型のＧａＩｎＡｓＰ（４元混晶）半導体層である。回折格子形成層２２には、本実施の形態ではｐ型の不純物がドーピングされているが、回折格子形成層２２は、アンドープの半導体層であってもよい。回折格子形成層２２上には、上部クラッド層２４および２５が順に設けられている。この上部クラッド層２４と回折格子形成層２２とによって所定方向に延びる周期構造を有する回折格子が構成されている。所定方向とは、活性層１８における光の導波方向と同方向である。回折格子の周期長は、ＤＦＢ半導体レーザの光出力の波長により設定される（たとえば、回折格子の周期Λはレーザの発振波長をλとすると、Λ＝（ｍλ）／（２ｎ）となる。ここで、ｍは回折次数であり、ｎは屈折率である）。回折格子は、活性層１８と光学的に結合されている。なお、回折格子の詳細は後述する。
【００２３】
上部クラッド層２４、２５は、本実施の形態では、ｐ型のＩｎＰ半導体層である。上部クラッド層２４、２５には、ｐ型の不純物がドーピングされている。
【００２４】
本実施の形態では、上部クラッド層２４、２５と下部クラッド層１４とは、これらの層の間に設けられた下部光閉じ込め層１６、活性層１８、上部光閉じ込め層２０、および、回折格子形成層２２の材料より屈折率が小さい材料から成る。したがって、上部クラッド層２４、２５と下部クラッド層１４とは、これらの層１６、１８、２０、２２に光を閉じ込める。
【００２５】
上部クラッド層２５上には、コンタクト層２６が設けられている。コンタクト層２６には、上部クラッド層２４、２５と同一な導電型の不純物が高濃度にドーピングされている。コンタクト層２６上には、上部電極２８が設けられており、コンタクト層２６と上部電極２８とは、オーミックコンタクトを形成している。
【００２６】
上述した下部光閉じ込め層１６、活性層１８、上部光閉じ込め層２０、回折格子形成層２２、および、上部クラッド層２４は、所定方向に延びるメサを成している。このメサの周囲には、電流ブロック層３２が設けられている。
【００２７】
電流ブロック層３２は、本実施の形態では、Ｆｅドープした半絶縁性のＩｎＰ半導体層である。この電流ブロック層３２には電流が流れないので、上部電極２８または下部電極３０から注入されるキャリアは、上述のメサへ導かれる。
【００２８】
また、所定方向における一方の端面４０には、高反射膜（ＨＲ（High Reflection）膜）３４が設けられており、他方の端面４１には、低反射膜３６が設けられている。高反射膜３４としては、窒化シリコン（ＳｉＮ）誘電体膜とアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）誘電体膜と交互に複数重ねた多層膜が例示される。また、低反射膜３６としては、窒化シリコン（ＳｉＮ）誘電体膜から成る反射防止膜（ＡＲ（Anti Reflection）膜）が例示される。
【００２９】
ここで、ＤＦＢ半導体レーザの光生成の原理について説明する。アノードである上部電極２８からカソードである下部電極３０へ流れる電流は、電流ブロック層３２によってブロックされるので、上部電極２８または下部電極３０から注入されるキャリアは、メサへ導かれる。メサの下部光閉じ込め層１６と、活性層１８と、上部光閉じ込め層２０とは、分離閉じ込めヘテロ構造（Separate ConfinementHeterostructure：ＳＣＨ）を構成しているので、キャリアは活性層１８中に閉じ込められる。これらのキャリアが活性層１８の量子井戸層において再結合することによって、光が発生する。
【００３０】
この光は、下部クラッド層１４と上部クラッド層２４、２５とによって、下部光閉じ込め層１６、活性層１８、上部光閉じ込め層２０、および、回折格子形成層２２に閉じ込められ、所定方向に進行する。高反射膜３４へ向かう光は高反射膜３４で反射され、低反射膜３６へ向かう光は低反射膜３６を通過する。このようにして、低反射膜３６から出射される光出力の強度を高めることができ、かつ、この光出力の波長を単一化することができる。
【００３１】
また、回折格子形成層２２と上部クラッド層２４とによって構成された回折格子では、回折格子の周期で定まる波長の光の一部が選択的に反射される。すなわち、回折格子では、回折格子の周期で定まる波長の光が帰還される。このようにして、光出力の波長を単一化することができる。
【００３２】
このようなＭＱＷ型ＤＦＢ半導体レーザの一例を示すと、共振器長は約２００μｍ以上４００μｍ以下であり、活性層幅は約１μｍ以上１．５μｍ以下である。光出力波長１．５μｍ帯のＭＱＷ型ＤＦＢ半導体レーザの場合、活性層１８のバンドギャップ波長を約１．５μｍ帯とするために、下部光閉じ込め層１６、上部光閉じ込め層２０、および、回折格子形成層２２のＧａＩｎＡｓＰ半導体のバンドギャップ波長（無歪み時）は、約１．０μｍ以上１．２５μｍ以下であり、活性層１８における量子井戸層のＧａＩｎＡｓＰ半導体のＩｎＰ半導体に対する格子歪みは、約０．５％以上１．５％以下の圧縮歪みである。
【００３３】
以下、本実施の形態の回折格子について詳細に説明する。図２は、上部光閉じ込め層２０、回折格子形成層２２、および、上部クラッド層２４を示す分解斜視図である。
【００３４】
回折格子形成層２２の幅は、端面４０の付近の一部の領域Ａ１において、端面４０へ向けて単調に減少している。すなわち、回折格子の幅は、領域Ａ１において、端面４０へ向けて単調に減少している。この領域Ａ１における端面４０側の回折格子の端部Ｅ１の幅Ｗ１は、回折格子の周期長Ｔ以下である。なお、図２に示す例では、領域Ａ１と端面４０との間には、回折格子形成層２２が形成されていない領域Ａ２が存在している。すなわち、領域Ａ１と端面４０との間には、回折格子が形成されていない領域Ａ２が存在している。
【００３５】
この領域Ａ２は劈開の位置のばらつきによって変動する。例えば、この領域Ａ２の長さは、０μｍ以上５０μｍ以下程度である。この場合、回折格子の端面４０側の端部の幅Ｗ１は、０．２μｍ以下程度となる。
【００３６】
このように、端面４０に近づくに伴って回折格子の幅が単調に減少しているので、劈開の位置が回折格子の端部となっても、当該回折格子の端部Ｅ１の幅Ｗ１は、回折格子の周期長Ｔ以下となる。したがって、高反射膜３４が形成された端面における回折格子の端面位相の影響が実質的になくなっている。故に、端面位相に起因する光出力の単一性のバラツキ、および、光出力の強度のバラツキが低減される。すなわち、端面位相に起因する光出力の発振スペクトル特性のバラツキが低減される。
【００３７】
図３は、本実施の形態のＤＦＢ半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。また、図４は、従来のＤＦＢ半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。従来のＤＦＢ半導体レーザは、共振器の全長にわたって回折格子が設けられており、この回折格子の幅は一様である。図４中において曲線４５と４６とは、それぞれ、劈開の位置が異なる従来のＤＦＢ半導体レーザの特性曲線である。従来のＤＦＢ半導体レーザでは、劈開の位置のバラツキによって端面位相に個体差が生じるので、図４に示すように、電流−光出力特性のバラツキが大きい。すなわち、光出力の強度のバラツキが大きい。
【００３８】
図３中の曲線４７は、劈開の位置が異なる本実施の形態のＤＦＢ半導体レーザの特性を平均化した特性曲線であり、エラーバー４８は、この特性曲線の誤差を示す。図３に示すように、本実施の形態のＤＦＢ半導体レーザでは、劈開の位置がばらついても端面位相に起因する電流−光出力特性のバラツキが低減されていることがわかる。すなわち、本実施の形態では、劈開の位置がばらついても端面位相に起因する光出力の強度のバラツキが低減されていることがわかる。
【００３９】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザ（半導体発光素子）を構成する上部光閉じ込め層２０、回折格子形成層２２ａ、および、上部クラッド層２４ａを示す分解斜視図である。第２の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザは、図５に示すように、回折格子形成層２２および上部クラッド層２４に代わる回折格子形成層２２ａ、上部クラッド層２４ａを備えている。第２の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザのその他の構成は、第１の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザと同一である。
【００４０】
回折格子形成層２２ａの幅、すなわち回折格子の幅は、第１の実施の形態と同様に、端面４０近傍の領域Ａ１において端面４０に向けて単調減少しており、更に端面４１の近傍の領域Ａ３においても端面４１へ向けて単調に減少している。この回折格子の端面４１側の端面Ｅ２の幅Ｗ２は、回折格子の周期長Ｔ以下である。また、領域Ａ３と端面４１との間には、回折格子形成層２２ａおよび回折格子が形成されていない領域Ａ４が存在してもよい。
【００４１】
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の利点に加えて、低反射膜３６側の端面位相に起因する光出力の特性バラツキも低減される。
【００４２】
［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザ（半導体発光素子）を構成する上部光閉じ込め層２０、回折格子形成層２２ｂ、および、上部クラッド層２４ｂを示す分解斜視図である。第３の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザは、図６に示すように、回折格子形成層２２および上部クラッド層２４に代わる回折格子形成層２２ｂ、上部クラッド層２４ｂを備えている。第３の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザのその他の構成は、第１の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザと同一である。
【００４３】
回折格子形成層２２ｂの厚さは、端面４０の付近の一部の領域Ａ１において、端面４０へ向けて単調に減少している。すなわち、回折格子の厚さは、領域Ａ１において、端面４０へ向けて単調に減少している。この領域Ａ１における端面４０側の回折格子の端部Ｅ１の厚さＨ１は、回折格子の周期長Ｔ以下である。この領域Ａ１と端面４０との間には、回折格子形成層２２ｂが形成されていない領域Ａ２が存在してもよい。すなわち、領域Ａ１と端面４０との間には、回折格子が形成されていない領域Ａ２が存在してもよい。
【００４４】
この領域Ａ２は劈開の位置のばらつきによって変動する。例えば、この領域Ａ２の長さは、０μｍ以上５０μｍ以下程度である。また、回折格子の端面４０側の端部Ｅ１における厚さＨ１は、０μｍ以上０．５μｍ以下程度である。
【００４５】
このように、本実施の形態によれば、端面４０に近づくに伴って回折格子の厚さが単調に減少しているので、劈開の位置がばらついたとしても、回折格子の端部Ｅ１の厚さＨ１は、回折格子の周期長Ｔ以下となる。したがって、光が高反射膜３４側の端面における回折格子の端面位相の影響を受けることが実質的にない。故に、回折格子の端面位相に起因する光出力の単一性のバラツキ、および、光出力の強度のバラツキが低減される。すなわち、端面位相に起因する光出力の発振スペクトル特性のバラツキが低減される。
【００４６】
［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施の形態に係るＤＦＢ半導体レーザ（半導体発光素子）を構成する上部光閉じ込め層２０、回折格子形成層２２ｃ、および、上部クラッド層２４ｃを示す分解斜視図である。第４の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザは、図７に示すように、回折格子形成層２２および上部クラッド層２４に代わる回折格子形成層２２ｃ、上部クラッド層２４ｃを備えている。第４の実施の形態のＤＦＢ半導体レーザのその他の構成は、第１の実施の形態と同一である。
【００４７】
回折格子形成層２２ｃの厚さ、すなわち回折格子の厚さは、第３の実施の形態と同様に、端面４０の近傍の領域Ａ１において端面４０に向けて単調減少しており、更に端面４１の近傍の領域Ａ３においても端面４１へ向けて単調に減少している。この回折格子の端面４１側の端面Ｅ２の厚さＨ２は、回折格子の周期長Ｔ以下である。領域Ａ３と端面４１との間には、回折格子形成層２２ｃおよび回折格子が形成されていない領域Ａ４が存在してもよい。
【００４８】
この第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態の利点に加えて、低反射膜３６側の端面位相に起因する光出力の特性バラツキも低減される。
【００４９】
なお、本発明は上記した本実施の形態に限定されることなく種々の変形が可能である。本実施の形態のＤＦＢ半導体レーザは、分離閉じ込めヘテロ構造を有するＤＦＢ半導体レーザであるが、本発明のＤＦＢ半導体レーザは、かかる構成に限られるものではない。例えば、本発明のＤＦＢ半導体レーザは、基板上に、下部クラッド層、活性層、回折格子形成層、上部クラッド層が順に積層された構成を有していてもよい。
【００５０】
また、本実施の形態では、回折格子形成層が上部光閉じ込め層と同一な半導体層であってもよい。すなわち、上述した回折格子形成層が上部光閉じ込め層の一部であってもよい。この構成によれば、上部光閉じ込め層と上部クラット層との間に上述した回折格子が形成される。
【００５１】
また、本実施の形態では、ｎ型基板上に半導体層を積層するＤＦＢ半導体レーザを例示したが、ｐ型基板上に半導体層を積層するＤＦＢ半導体レーザであっても、本実施の形態と同様な回折格子を形成することができる。
【００５２】
また、本実施の形態では、それぞれの層の半導体材料を例示したが、これに限られるものではない。例えば、ＧａＩｎＡｓＰ半導体材料の代わりにＡｌＧａＩｎＡｓ半導体材料が用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体発光素子を示す一部破断斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の上部光閉じ込め層、回折格子形成層、および、上部クラッド層を示す分解斜視図である。
【図３】本実施の形態のＤＦＢ半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。
【図４】従来のＤＦＢ半導体レーザの電流−光出力特性を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の上部光閉じ込め層、回折格子形成層、および、上部クラッド層を示す分解斜視図である。
【図６】第３の実施の形態の上部光閉じ込め層、回折格子形成層、および、上部クラッド層を示す分解斜視図である。
【図７】第４の実施の形態の上部光閉じ込め層、回折格子形成層、および、上部クラッド層を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…半導体発光素子（ＤＦＢ半導体レーザ）、１２…基板、１４…下部クラッド層、１６…下部光閉じ込め層、１８…活性層、２０…上部光閉じ込め層、２２…回折格子形成層、２４、２５…上部クラッド層、２６…コンタクト層、２８、３０…電極、３２…電流ブロック層、３４…高反射膜、３６…低反射膜。
【図１】
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【図２】
2007027207.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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