(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電型の異なる半導体層からなる半導体レーザ素子に、交互に高温状態と低温状態とに保持する熱サイクルを与えながら駆動電流を通電する半導体レーザのスクリーニング方法であって、
該熱サイクルが、該半導体レーザ素子に用いられた半田材のうち最も融点の低い半田材が溶けない温度を高温状態とし、該半導体レーザ素子の表面に結露しない温度を低温状態とする熱サイクルであり、
該駆動電流を、該半導体レーザ素子のしきい値電流を検出し、該しきい値電流が減少し始めるまで漸次増加させること特徴とする半導体レーザ素子のスクリーニング方法。
【請求項２】
導電型の異なる半導体層からなる半導体レーザ素子に、交互に高温状態と低温状態とに保持する熱サイクルを与えながら駆動電流を通電する半導体レーザのスクリーニング方法であって、
該熱サイクルが、該半導体レーザ素子に用いられた半田材のうち最も融点の低い半田材が溶けない温度を高温状態とし、該半導体レーザ素子の表面に結露しない温度を低温状態とする熱サイクルであり、
該駆動電流を、該半導体レーザ素子のしきい値電流を検出し、該しきい値電流が減少した後に更に増加に転じるまで漸次増加させること特徴とする半導体レーザ素子のスクリーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子のスクリーニング方法に関し、特に、突然劣化により故障する半導体レーザ素子を取り除くことが可能なスクリーニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、Ｇ．Ｂｅｉｓｔｅｒらが行ったＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半導体レーザ素子の寿命試験結果である（G.Beister et al”Monomode emission at 350mW and high reliability with InGaAs/AlGaAs (λ=1020nm) ridge waveguide laser deiodes” Electron. Lett., vol.34,pp.778-779,1998）。寿命試験の試験条件は、半導体レーザ素子の周囲温度は４０℃一定とし、光出力が３００ｍＷで一定となるような駆動電流を通電して行った。図中、１０１は初期劣化素子、１０２は突然劣化素子、１０３は安定動作素子である。寿命試験を行った１０素子の内、７素子（１０３）は１０００時間まで安定に動作している。一方、１０素子の内、２素子（１０１）は初期的に動作電流が上昇して初期劣化を起こし、また、１０素子の内、１素子（１０２）は、予兆がなく突然に劣化する突然劣化を起こしている。この試験結果では、突然劣化は１８０時間経過時に発生しているが、かかる突然劣化は、一般に、任意の時間に発生しうる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、半導体レーザ素子の光出力を一定に保持して行われる従来のスクリーニング方法では、初期劣化素子（１０１）は取り除けるが、突然劣化素子（１０２）は取り除くことができなかった。このため、スクリーニングを行ったにもかかわらず、最終製品の故障率の低減に一定の限界があり、高い信頼性が必要とされる通信用デバイスとして使用できないという問題があった。
【０００４】
これに対して、発明者が鋭意研究した結果、上記突然劣化の発生原因が、主に結晶欠陥の移動等により、半導体レーザ素子の活性層が破壊されることに起因することを見出すとともに、半導体レーザ素子に駆動電流を流しながら、熱サイクルをかけてスクリーニングすることにより、かかる結晶欠陥に起因する突然劣化を取り除けることを見出して、本発明を完成した。
即ち、本発明は、初期劣化素子のみならず突然劣化素子をも取り除く半導体レーザ素子のスクリーニング方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、導電型の異なる半導体層からなる半導体レーザのスクリーニング方法であって、該半導体レーザ素子に、交互に高温状態と低温状態とに保持する熱サイクルを与えながら、駆動電流を通電することを特徴とする半導体レーザ素子のスクリーニング方法である。
このように、駆動電流を流しながら、熱サイクルを与えることにより、低温状態では光出力による素子の劣化が加速され、高温状態では駆動電流による素子の劣化が加速され、更には、温度を変化させることにより半導体レーザ素子に熱歪を加えて劣化加速を行うことができる。従って、初期劣化のみならず、結晶欠陥の移動等に起因すると考えられる突然劣化も取り除くことができ、スクリーニング歩留を向上させることが可能となる。
なお、発明者の検討結果から、熱サイクルのみによるスクリーニング、駆動電流の通電のみのスクリーニングのいずれにおいても、突然劣化素子の除去が困難であることが分っている。即ち、熱サイクルと駆動電流の双方を負荷として与えることによりはじめて突然劣化による故障の除去が可能となる。
【０００６】
上記熱サイクルは、上記半導体レーザ素子に用いられた半田材のうち最も融点の低い半田材が溶けない温度を高温状態とし、上記半導体レーザ素子の表面に結露しない温度を低温状態とすることが好ましい。
かかる熱サイクルに設定することにより、半導体レーザ素子に損傷を与えることなくスクリーニングを行うことができるからである。
【０００７】
また、本発明は、上記駆動電流を、漸次増加させることを特徴とする半導体レーザ素子のスクリーニング方法でもある。
このように駆動電流を漸次増加させることにより、半導体レーザ素子にかかる熱歪を変化させながら劣化加速が行えるのでスクリーニング効果を向上させることが可能となる。
【０００８】
上記駆動電流は、該駆動電流を漸次増加させることにより初期故障が除去される電流値を初期値とし、該初期値から摩耗故障が発生する電流値の近傍まで漸次増加させることが好ましい。
摩耗故障が発生する電流値近傍まで駆動電流を増加させてスクリーニングを行うことにより、突然劣化により故障する素子を十分に取り除くことができるからである。
【０００９】
上記駆動電流は、上記半導体レーザ素子のしきい値電流を検出し、該しきい値電流が減少し始めるまで漸次増加させるものであっても良い。
【００１０】
上記駆動電流は、上記半導体レーザ素子のしきい値電流を検出し、該しきい値電流が減少した後に更に増加に転じるまで漸次増加させるものであっても良い。
【００１１】
また、本発明は、上記駆動電流を、該駆動電流を漸次増加させた場合に初期故障が除去される電流値以上の一定の保持電流で保持することを特徴とする半導体レーザ素子のスクリーニング方法でもある。
このように、駆動電流を、初期故障が除去できる電流以上の一定の値に保持して熱サイクルをかけることによっても、突然劣化による故障を取り除くことが可能となる。
【００１２】
上記保持電流は、該駆動電流を漸次増加させた場合に摩耗故障が発生し始める電流値近傍の電流値とすることが好ましい。このように、比較的大きな駆動電流を与えることにより、スクリーニング効果を向上させることが可能となるからである。
【００１３】
上記保持電流は、上記駆動電流を漸次増加させた場合に、上記半導体レーザ素子のしきい値電流が減少し始める上記駆動電流の値であっても良い。
【００１４】
上記保持電流は、上記駆動電流を漸次増加させた場合に、上記半導体レーザ素子のしきい値電流が減少した後、増加に転じる領域における上記駆動電流の値であっても良い。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の第１の実施の形態について、図１を参照しながら説明する。
図１では、横軸に温度サイクル回数を、左の縦軸に半導体レーザ素子のしきい値電流の変化（Ith(ｎ)／Ith(０)）を、右の縦軸には半導体レーザ素子に供給される駆動電流を、夫々示す。
実験に用いた熱サイクルは、低温状態：２０℃／高温状態：１００℃で、夫々１時間ずつ保持することとした。また、半導体レーザ素子に流す駆動電流は、図１のように、漸次増加させた。
また、半導体レーザ素子は、予め一定光出力で数１００時間程度動作させて、初期的に劣化する素子は取り除いたものを用いた。即ち、実験に用いた半導体レーザ素子は、初期劣化を起こさない素子である。
【００１６】
図１からわかるように、駆動電流を漸次増加させて、温度サイクルを重ねていくと、最初の数１０サイクルで劣化する素子が現れ、その後は劣化の発生しない領域が続く。かかる領域では、しきい値電流の変化（Ith(ｎ)／Ith(０)）は殆ど発生しない。
【００１７】
更に、駆動電流を漸次増加させながら熱サイクルを重ねると、しきい値電流が減少し、その後増加する。かかる領域から半導体レーザ素子の摩耗故障が始まり、最終的に全ての素子が摩耗故障により劣化することとなる。
【００１８】
本実験では、予め、初期劣化の発生する素子は取り除いているので、温度サイクルが数１０サイクル近傍で故障した素子は、突然劣化により故障した素子と考えることができる。
【００１９】
そこで、本実施の形態では、しきい値電圧の変化が殆ど発生しない領域が終了する点（矢印（１））まで駆動電流を増やしつつ熱サイクルを重ねてスクリーニングを行うこととし、かかるスクリーニングを行った素子に関して、長期寿命試験を行ってみた。その結果を図２に示す。
長期寿命試験は、周囲温度５０℃、光出力１００ｍＷの条件で、上記スクリーニングを行った素子を２０素子、更に、周囲温度５０℃、光出力１５０ｍＷの条件で、上記スクリーニングを行った素子を１０素子、夫々行った。
【００２０】
図２から分るように、長期寿命試験開始後、１１００時間を経過した時点では全素子とも劣化せず、安定に動作している。
このことから、本発明の実施の形態にかかるスクリーニング方法（図１矢印（１）までのスクリーニング）が極めて有効であり、かかるスクリーニング方法を用いることにより、従来のスクリーニング方法では取り除くことができなかった突然劣化により故障する素子を、有効に取り除くことができることがわかる。
【００２１】
尚、本実施の形態では、熱サイクルは、低温状態：２０℃／高温状態：１００℃としたが、かかる熱サイクルは、上記半導体レーザ素子に用いられた半田材のうち最も融点の低い半田材が溶けない温度を高温状態とし、上記半導体レーザ素子の表面に結露しない温度を低温状態とする範囲内で、任意に設定することが可能である。また、駆動電流を増加させる割合も、更に大きくまたは小さく設定することが可能である。
かかる熱サイクルの設定、駆動電流の増加率の設定は、以下の実施の形態２〜４においても同様に行うことができる。
【００２２】
実施の形態２．
本発明の第２の実施の形態について、同じく図１を参照しながら説明する。
図１に示すスクリーニングにおいて、温度サイクル１００回前後で摩耗故障が始まると考えられ、その後、２００サイクル近傍で全ての素子が摩耗故障している。しかしながら、図１から分かるように、摩耗故障が始まった後においても、相当数、劣化しない素子が存在しているため、かかる摩耗故障が発生する初期段階において、依然として突然劣化による素子の故障が発生している可能性もある。従って、摩耗故障が始まった後に劣化する素子も取り除くと、素子の故障率は大幅に低減することができる。
【００２３】
そこで、図１の矢印（２）の条件までスクリーニングを行い、つまり摩耗故障の始まった後まで電流値を増やし、スクリーニングを行うことで、更に、突然劣化により故障する素子を取り除くことができる。
【００２４】
かかるスクリーニングは、半導体レーザ素子のしきい値電流を検出しながら、該しきい値電流が減少した後に、更に増加に転じるまで駆動電流を漸次増加させて行われる。発明者の知見によれば、しきい値電流が減少した後に更に増加に転じた後に発生する故障は、殆どが摩耗故障による劣故障と考えられるからである。
【００２５】
実施の形態３．
本発明の第３の実施の形態について、同じく図１を参照しながら説明する。
上記実施の形態１、２では、駆動電流を漸次増加させながら、熱サイクルを加えて、スクリーニングを行ったが、本実施の形態では、上記実施の形態１、２において、駆動電流を漸次増加させた場合に、半導体レーザ素子のしきい値電流が減少し始めた駆動電流の値に、最初から電流値を設定しておき、かかる一定の駆動電流を流しながらスクリーニングを行う。
【００２６】
本実施の形態では、駆動電流を０．３Ａ一定とし、低温状態：２０℃／高温状態：１００℃の熱サイクルでスクリーニングを行った。このように、駆動電流を一定とした場合でも、しきい値電流の変化は、図１とほぼ同様の結果となった。即ち、熱サイクルのサイクル数の少ない範囲では、数個の素子のみが劣化し、その後劣化の無い安定期間が存在する。更に熱サイクルを重ねると、熱サイクルが数１０回を超えるあたりから摩耗故障が始まる。
従って、動作電流を、初期劣化が始まる電流より大きく、摩耗劣化の始まる電流より小さい一定の電流に保持し、熱サイクルを加えることによっても、突然劣化により故障する素子を取り除くことが可能となる。
【００２７】
従って、例えば、駆動電流を０．３Ａ一定で、かつ低温状態：２０℃／高温状態：１００℃の熱サイクルを加えた条件下でスクリーニングを行った場合、熱サイクルを約６０回以上、好ましくは約８０回以上行うことにより、突然劣化により故障する素子を取り除くことが可能となる。
【００２８】
実施の形態４．
本発明の第４の実施の形態について、同じく図１を参照しながら説明する。
実施の形態２では、駆動電流を漸次増加させながら、熱サイクルを加えてクリーニングを行ったが、本実施の形態では、駆動電流を、該駆動電流を漸次増加させた場合に、半導体レーザ素子のしきい値電流が減少した後に更に増加に転じる時点における駆動電流の電流値に最初から設定しておき、かかる一定の駆動電流を流しながらスクリーニングを行う。かかる駆動電流は、上記実施の形態３で使用した駆動電流の値より大きな値となり、摩耗故障も発生しうる電流値である。
【００２９】
即ち、実施の形態２と同様に、摩耗故障が始まった後においても突然劣化が発生するため、かかる駆動電流を通電しながらスクリーニングを行うことにより、実施の形態３では取り除くことができなかった突然劣化により故障する素子を取り除くことが可能となる。
【００３０】
従って、駆動電流を０．５Ａ一定で、熱サイクルを約１００回、好ましくは約１２０回加えることにより、摩耗故障が始まった後に突然劣化する素子も取り除くことが可能となり、素子の故障率を大幅に低減することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、初期劣化素子のみならず、従来のスクリーニング方法では取り除くことができなかった突然劣化により故障する素子を有効に取り除くことができ、素子の故障率を低減することが可能となる。
これにより、スクリーニング後の素子の信頼性を大幅に向上させることが可能となる。
【００３２】
特に、本発明によれば、摩耗故障が始まった後において発生する突然劣化により故障する素子も取り除くことが可能となり、素子の故障率を更に低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１、２にかかる半導体レーザ素子のスクリーニング結果である。
【図２】  本発明の実施の形態１にかかるスクリーニングを行った半導体レーザ素子の長期寿命試験結果である。
【図３】  半導体レーザ素子の寿命試験結果である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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