(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンドギャップ・エネルギーＥｇ1 を有する半導体基板上に、Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 のバンドギャップ・エネルギーＥｇ2 を有する活性層を結晶成長させてなる半導体レーザ素子において、
活性層で発振したレーザ光を吸収する吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成されており、
吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成された金属電極層と、半導体基板との合金化反応により形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
半導体基板がＧａＡs 基板であるとき、吸収媒質層がＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
ＧａＡs 基板の基板裏面に形成された金属電極層が、基板裏面に接してＩｎ層を有し、
吸収媒質層が、基板裏面上に金属電極層を形成した後に、熱処理を施して金属電極層のＩｎとＧａＡs基板のＧａＡs とを合金化してなるＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、直線的な注入電流−光出力特性を示し、かつ安定した発振スペクトルを有して光通信分野に最適な半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野では、半導体レーザ装置が盛んに使用されていて、特にＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ装置は、光ファイバ通信系の光増幅器の励起光源として多用されている。
光増幅器の励起光源等として使用される半導体レーザ素子は、光出力及び発振スペクトルが注入電流に対して安定した関係で動作することが求められている。具体的には、例えば光増幅動作の信頼性を高めるために、注入電流−光出力特性は直線的であることが求められ、また、戻り光の影響を抑制するために、発振スペクトルは安定した縦多モード発振が好ましい。
【０００３】
ここで、図４を参照して、従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子の構成を説明している。図４は従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子１０は、図４に示すように、厚さ１００μｍのｎ型ＧａＡs 基板１２上に、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧa Ａs クラッド層１４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡs のペアの量子井戸構造の活性層１６、膜厚２μｍのｐ型ＡｌＧa Ａs クラッド層１８、及び膜厚０．３μｍのｐ型ＧａＡs キャップ層２０からなる積層構造を備えている。
【０００４】
積層構造のうち、ｐ型キャップ層２０及びｐ型クラッド層１８の上部は、幅４μｍのストライプ状のメサ構造として形成されている。
ｐ型キャップ層２０上を除いて、メサ構造の側壁及びｐ型クラッド層１８の上には、ＳｉＮ膜からなるパッシベーション膜２２が形成されている。
露出したｐ型キャップ層２０及びパッシベーション膜２２上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極２４が、ＧａＡs 基板１２の裏面には、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側電極２６が、それぞれ、形成されている。
【０００５】
次に、図５を参照して、上述した従来の半導体レーザ素子１０の作製方法を説明する。図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
先ず、ｎ型ＧａＡs 基板１２上に、ＭＯＣＶＤ法によって、順次、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧa Ａs クラッド層１４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡs のペアの量子井戸構造の活性層１６、膜厚２μｍのｐ型ＡｌＧa Ａs クラッド層１８、及び膜厚０．３μｍのｐ型ＧａＡs キャップ層２０をエピタキシャル成長させ、図５（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
次いで、ｐ型キャップ層２０及びｐ型クラッド層１８の上部をエッチングして、図５（ｂ）に示すように、幅４μｍのストライプ状のメサ構造を形成する。
続いて、基板上全面にパッシベーション膜としてＳｉＮ膜２２を成膜し、次いで、ＳｉＮ膜２２をエッチングして、図５（ｃ）に示すように、キャップ層２０を露出させる。
【０００６】
次いで、基板上全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜を蒸着させ、ｐ側電極２４を形成する。また、厚さが１００μｍになるまで、ＧａＡs 基板１２の裏面を研磨し、続いて、裏面全面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層金属膜を蒸着させ、ｎ側電極２６を形成する。これにより、図４に示す半導体レーザ素子１０を作製することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の半導体レーザ素子１０では、ｎ型ＧａＡｓ基板１２のバンドギャップ・エネルギーＥｇ1 が１．４１ｅＶであり、活性層１６のバンドギャップ・エネルギーＥｇ2 が１．２７ｅＶであって、Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 であることから、活性層から発光した光は、基板の中を伝搬することが可能となる。
そこで、半導体レーザ素子１０のＧａＡs 基板１２の研磨裏面が鏡面仕上げになっている場合、ＧａＡs 基板１２中を伝搬した光は、図６に示すように、基板裏面で反射され、反射光となって、再び活性層の光と結合する。
【０００８】
基板裏面での反射光と活性層からの光とが結合する場合、以下の二つの問題が生じる。
第１の問題は、キンク現象が電流−光出力特性に発生することであって、図７に示すように、注入電流に対する光出力の直線性が損なわれる。つまり、キンク現象が発生することから、安定したＡＰＣAutomatic Power Control 動作を持続できなくなってしまう。
【０００９】
また、第２の問題は、戻り光による影響が大きくなることである。基板裏面での反射光と活性層からの光とが結合する場合、発振スペクトルでは、図８に示すように、３ｎｍ間隔のリップルが現れる。これは、通常のファブリペロー共振器と基板との共振器という複合共振器が形成されていることにより発生する現象である。
このような場合、モードが注入電流に対して３ｎｍ間隔で飛び、出力が変動し、過剰雑音として観測されるモードホッピング雑音が生じる。発振モードは、このリップルに起因してシングル縦モードとなることから、戻り光による耐性が悪化する。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、光出力及び発振スペクトルが注入電流に対して安定した状態で動作する半導体レーザ素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、バンドギャップ・エネルギーＥｇ1 を有する半導体基板上に、Ｅｇ1 ＞Ｅｇ2 のバンドギャップ・エネルギーＥｇ2 を有する活性層を結晶成長させてなる半導体レーザ素子において、
活性層で発振したレーザ光を吸収する吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成されていることを特徴としている。
【００１２】
吸収媒質層の形成方法に制約はないが、好適には、プロセスの容易性から、吸収媒質層が、半導体基板の裏面に形成された金属電極層と、半導体基板との合金化反応により形成されている。
具体的には、半導体基板裏面の吸収媒質層は、半導体基板がＧａＡs 基板であるとき、ＩｎＧａＡｓ層であって、ＩｎとＧａＡs との合金化反応により形成する。即ち、ＧａＡs 基板の基板裏面に形成された金属電極層が、基板裏面に接してＩｎ層を有し、
吸収媒質層が、基板裏面上に金属電極層を形成した後に、熱処理を施して金属電極層のＩｎとＧａＡs 基板のＧａＡs とを合金化してなるＩｎＧａＡｓ層である。
【００１３】
本発明に係る半導体レーザ素子では、活性層で発振するレーザ光を吸収する吸収媒質層が基板裏面に形成されている。その結果、半導体基板のバンドギャップ・エネルギーＥｇ1 が活性層のバンドギャップ・エネルギーＥｇ2 が小さいために、活性層で発振したレーザ光が活性層側基板面から基板裏面に向けて半導体基板を通過するものの、レーザ光は吸収媒質層で吸収される。
従って、本発明に係る半導体レーザ素子では、半導体基板の基板裏面で反射するレーザ光の光量が減少するので、注入電流に対する光出力の直線性が維持され、かつ、発振スペクトルが安定し、発振モードがシングル縦モードになるようなことはない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子３０は、図１に示すように、厚さが１００μｍ程度でバンドギャップ・エネルギーＥｇ1 が１．４１ｅＶのｎ型ＧａＡｓ基板３２上に、順次、エピタキシャル成長した、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの２層から成る量子井戸構造として形成され、バンドギャップ・エネルギーＥｇ2 がｎ型ＧａＡs 基板３２より小さい１．２６ｅＶの活性層３６、膜厚２μｍのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３８、及び膜厚０．３μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層４０の積層構造を備える。
ｐ型キャップ層４０及びｐ型クラッド層３８の上部は、幅４μｍのストライプ状メサ構造として形成されている。
【００１５】
ｐ型キャップ層４０上を除くメサ構造の側面及びｐ型クラッド層３８上には、ＳｉＮからなるパッシベーション膜４２が成膜されていて、露出したｐ型キャップ層４０及びパッシベーション膜４２上には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極４４が形成されている。
ｎ型ＧａＡs 基板３２の裏面には、Ｉｎ／ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側電極４６が形成されている。そして、ｎ型ＧａＡs 基板３２とｎ型電極４６との間には、ＩｎＧａＡｓ層４８が、活性層３６の発振波長のレーザ光の吸収媒質層として介在している。
【００１６】
本実施形態例の半導体レーザ素子３０を作製するには、従来の方法と同様にして、ｎ型ＧａＡs 基板３２上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、順次、膜厚２μｍのｎ型ＡｌＧa Ａs クラッド層４４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡs の２層からなる量子井戸構造の活性層３６、膜厚２μｍのｐ型ＡｌＧa Ａs クラッド層３８、及び膜厚０．３μｍのｐ型ＧａＡs キャップ層４０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次に、ｐ型キャップ層４０及びｐ型クラッド層３８の上部をエッチングして、幅４μｍのストライプ状のメサ構造を形成し、基板上全面にパッシベーション膜としてＳｉＮ膜４２を成膜し、次いでＳｉＮ膜４２をエッチングしてｐ型キャップ層４０を露出させる。
次に、基板上全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜を蒸着させ、ｐ側電極２４を形成する。また、厚さが１００μｍになるまで、ＧａＡs 基板３２の裏面を研磨する。
【００１７】
続いて、本実施形態例の半導体レーザ素子３０の作製では、裏面全面に、順次、Ｉｎ／ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの金属膜を蒸着させ、積層金属膜からなるｎ側電極４６を形成する。
次いで、ｎ側電極４６を形成した基板に、水素雰囲気内で温度３５０°の熱処理を５分間施すことにより、ｎ側電極４６を形成する積層金属膜のＩｎとｎ型ＧａＡs 基板３２のＧａＡs との合金化反応を行う。この結果、膜厚が約１００ｎｍのＩｎＧａＡｓ層４８をｎ型電極４６とｎ型ＧａＡs 基板３２との間に形成することができる。
【００１８】
本実施形態例の半導体レーザ素子３０では、９８０ｎｍの発振波長に対して吸収媒質になる、バンドギャップ・エネルギーＥｇ3 が０．９ｅＶのＩｎＧａＡｓ層４８がｎ型ＧａＡs 基板３２の基板裏面に形成されている。
その結果、ｎ型ＧａＡs 基板３２のバンドギャップ・エネルギーＥｇ1 が活性層３６のバンドギャップ・エネルギーＥｇ2 が小さいために、活性層３６で発振した発振波長９８０ｎｍのレーザ光が、活性層側基板面から基板裏面に向けてｎ型ＧａＡs 基板３２を通過するものの、通過したレーザ光は、基板裏面に到達して反射されることなく、ＩｎＧａＡｓ層４８で吸収される。
従って、本実施形態例では、ｎ型ＧａＡs 基板３２の基板裏面で反射するレーザ光の光量が減少するので、注入電流に対する光出力の直線性が維持され、かつ、発振スペクトルが安定し、発振モードがシングル縦モードになるようなことはない。
【００１９】
本実施形態例の半導体レーザ素子３０と同じ構成の半導体レーザ素子を試作し、電流−光出力特性を測定したところ、図２に示すように、注入電流３００ｍＡまでキンクのない直線的特性を示した。
また、発振スペクトルを観測したところ、図３に示すように、リップルは消滅し、縦多モード発振していることが確認できた。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体基板のバンドギャップ・エネルギーＥｇ1 は、活性層のバンドギャップ・エネルギーＥｇ2 が小さいために、活性層で発振したレーザ光が活性層側基板面から基板裏面に向けて半導体基板を通過するものの、半導体基板の裏面に、活性層で発振したレーザ光を吸収する吸収媒質層を備えることにより、レーザ光は吸収媒質層で吸収される。
従って、本発明に係る半導体レーザ素子では、半導体基板の基板裏面で反射するレーザ光の光量が減少するので、注入電流に対する光出力の直線性が維持され、かつ、発振スペクトルが安定した縦多モードになり、発振モードがシングル縦モードになるようなことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施形態例の半導体レーザ素子の注入電流−光出力特性を示すグラフである。
【図３】実施形態例の半導体レーザ素子の発振スペクトルを示す図である。
【図４】従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面図である。
【図６】基板中を伝搬したレーザ光が基板裏面で反射し、再び活性層からのレーザ光と結合することを説明する模式図である。
【図７】従来の半導体レーザ素子の注入電流−光出力特性を示すグラフである。
【図８】実施形態例の半導体レーザ素子の発振スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１０  従来のＩｎＧａＡｓ系の９８０ｎｍ帯半導体レーザ素子
１２  ｎ型ＧａＡs 基板
１４  ｎ型ＡｌＧa Ａs クラッド層
１６  ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡs のペアの量子井戸構造の活性層
１８  ｐ型ＡｌＧa Ａs クラッド層
２０  ｐ型ＧａＡs キャップ層
２２  ＳｉＮパッシベーション膜
２４  ｐ側電極
２６  ｎ側電極
３０  実施形態例の半導体レーザ素子
３２  ｎ型ＧａＡｓ基板
３４  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３６  ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの２層から成る量子井戸構造の活性層
３８  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４０  ｐ型ＧａＡｓキャップ層
４２  ＳｉＮパッシベーション膜
４４  ｐ側電極
４６  Ｉｎ／ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層金属膜からなるｎ側電極
４８  ＩｎＧａＡｓ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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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