JP5310271B2

JP5310271B2 - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP5310271B2
Application number: JP2009130899A
Authority: JP
Inventors: 裕大西
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: JP2010278329A

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。

非特許文献１には、リッジ型のレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードは、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る回折格子層と、回折格子層上に設けられたＡｌＧａＩｎＡｓから成る多重量子井戸活性層と、この活性層上に設けられたｐ型ＩｎＰから成るリッジ状の上部クラッド層とを備えている。

また、非特許文献２には、トンネル接合層を有するレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードは、ｎ型ＩｎＰ基板と、ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられたｎ型ＩｎＰ層と、ｎ型ＩｎＰ層上に設けられたｐ型ＩｎＰ層と、ｎ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＰ層の間に設けられた多重量子井戸活性層とを備えている。加えて、このレーザダイオードは、ｐ型ＩｎＰ層上に更に別のｎ型ＩｎＰ層（第２のｎ型ＩｎＰ層）を備えており、ｐ型ＩｎＰ層と第２のｎ型ＩｎＰ層との間には、トンネル接合層が介在している。

K.Takagi, et al., "120℃ 10-Gb/sUncooled Direct Modulated 1.3-μm AlGaInAs MQW DFB Laser Diodes", IEEEPhotonics Technology Letters, VOL. 16, NO. 11, pp.2415-2417 (2004)

S. Sekiguchi, et al., "Long WavelengthGaInAsP/InP Laser with n-n Contacts Using AlAs/InP Hole Injecting TunnelJunction", Japanese Journal of Applied Physics, vol.38, Part 2, no.4B,pp.L443-445 (1999)

非特許文献１に記載されたような構成を備える従来のリッジ型の半導体レーザ素子には、次の問題点がある。すなわち、光導波方向と直交する方向における上部クラッド層の横幅が狭くなっており、且つこの上部クラッド層がｐ型半導体から成るので、１.比較的高抵抗率であるｐ型半導体を電流が通過する際に発熱量が大きくなり、レーザ光出力強度の最大値が低く抑えられてしまい、また、２.ｐ型半導体の光吸収率はｎ型半導体より高いため光損失が大きく、レーザ発振の閾値電流が高くなると同時にレーザ光出力強度の最大値が低く抑えられてしまう。

これらの問題点に対し、例えば非特許文献２に記載されたようなトンネル接合層を上部クラッド層に設け、上部クラッド層の導電型をｐ型からｎ型へ転換することにより、ｐ型半導体部分を薄くすることができる。

しかし、トンネル接合層の不純物濃度は一般的に他の半導体層より格段に高い。半導体には、不純物濃度が高くなると光吸収率が大きくなる傾向があり、トンネル接合層において光損失が発生するため上記問題点２.を有効に解決できない。また、光損失を低減するためにトンネル接合層の不純物濃度を下げると、トンネル接合面における電気抵抗が大きくなってしまい上記問題点１.を有効に解決できなくなる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、第１のｎ型半導体クラッド領域と、第１のｎ型半導体クラッド領域上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた回折格子層と、回折格子層上に設けられ、光導波方向と交差する方向の幅が第１のｎ型半導体クラッド領域より狭められた第２のｎ型半導体クラッド領域とを備え、回折格子層が、所定波長に応じた周期で光導波方向に配列された複数の第１の領域と、複数の第１の領域の間に設けられ不純物濃度が複数の第１の領域より低い第２の領域とを有しており、複数の第１の領域のそれぞれが、活性層上に設けられたｐ型半導体層と、ｐ型半導体層上に設けられたｎ型半導体層とを含み、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層が互いにトンネル接合を構成することを特徴とする。

この半導体レーザ素子は、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層からなるトンネル接合構造を有しているが、このトンネル接合構造は、従来の半導体レーザ素子のような活性層上の全領域に設けられたものではなく、所定波長に応じた周期で光導波方向に配列された複数の第１の領域のそれぞれに設けられている。そして、複数の第１の領域の間には、不純物濃度が複数の第１の領域より低い第２の領域が設けられている。したがって、トンネル接合層が活性層上の全領域に設けられる場合と比較して、光導波方向におけるトンネル接合構造の長さの総和が短くなるので、トンネル接合構造の体積が小さくなり、トンネル接合構造による光損失を効果的に低減できる。

また、この半導体レーザ素子に注入された電流の流路は、複数の第１の領域のそれぞれに設けられたトンネル接合構造によって確保され、この半導体レーザ素子では上記のように光損失を低減できるので、トンネル接合構造を構成するｐ型半導体層、ｎ型半導体層の不純物濃度を下げる必要がない。したがって、トンネル効果の発現に十分な不純物濃度でもって、このトンネル接合部における電気抵抗を効果的に低減できる。このように、上記した半導体レーザ素子によれば、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。

電気抵抗と光損失とのバランスは、回折格子層の一周期に占める第１の領域の割合（デューティ比）によって容易に調整可能である。すなわち、このデューティ比を高めることで電気抵抗の低減度を光損失の低減度より大きくすることができ、逆にデューティ比を低くすることで光損失の低減度を電気抵抗の低減度より大きくすることができる。

なお、上記半導体レーザ素子では、回折格子層において、不純物濃度が比較的高い（すなわち光損失が大きい）複数の第１の領域の間に、不純物濃度が比較的低い（すなわち光損失が小さい）第２の領域が設けられているので、活性層付近を共振する光に対して利得変調を行い、所定波長のレーザ光を好適に出力することができる。

また、半導体レーザ素子は、光導波方向と交差する方向における活性層及び回折格子層の幅が第１のｎ型半導体クラッド領域より狭められており、活性層、回折格子層、及び第２のｎ型半導体クラッド領域の両側面を埋め込む半絶縁性または絶縁性の埋込領域を更に備えることを特徴としてもよい。或いは、半導体レーザ素子は、光導波方向と交差する方向における活性層及び回折格子層の幅が、第２のｎ型半導体クラッド領域より広いリッジ構造を有することを特徴としてもよい。或いは、光導波方向と交差する方向における活性層の幅が、第２のｎ型半導体クラッド領域より広いリッジ構造を有し、リッジ構造には、回折格子層および第２のｎ型半導体クラッド領域が含まれることを特徴としてもよい。上記半導体レーザ素子が奏する作用効果は、これらのような埋込型やリッジ型といった構成を有する半導体レーザ素子において、特に有効である。

本発明による半導体レーザ素子によれば、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの構成を示している。図１（ａ）は半導体レーザ素子１Ａの光導波方向と直交する断面を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿った側断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａの作製工程を順に示す図であり、光導波方向に沿った側断面を示している。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａの作製工程を順に示す図である。図３（ａ）は光導波方向に沿った側断面を示しており、図３（ｂ）は光導波方向に垂直な断面を示している。図４は、半導体レーザ素子１Ａの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。図５は、第１実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子１Ｂの光導波方向と直交する断面を示している。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、比較例としての利得変調型の半導体レーザ素子の作製工程を順に示す図であり、光導波方向に沿った側断面を示している。図７（ａ）及び図７（ｂ）は、比較例としての利得変調型の半導体レーザ素子の作製工程を順に示す図である。図７（ａ）は光導波方向に沿った側断面を示しており、図７（ｂ）は光導波方向に垂直な断面を示している。図８は、比較例としての利得変調型の半導体レーザ素子の作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。図９は、半導体レーザ素子１Ａの電流−光出力特性と、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−光出力特性とを示すグラフである。図１０は、半導体レーザ素子１Ａの電流−動作抵抗特性と、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−動作抵抗特性とを示すグラフである。図１１は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃの構成を示している。図１１（ａ）は半導体レーザ素子１Ｃの光導波方向と直交する断面を示す図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のXIｂ−XIｂ線に沿った側断面図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｃの作製工程を順に示す図である。図１２（ａ）は光導波方向に沿った側断面を示しており、図１２（ｂ）は光導波方向に垂直な断面を示している。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｃの作製工程を順に示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、所定波長のレーザ光を出力する、いわゆる分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子である。図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すると、半導体レーザ素子１Ａは、主面３ａを有する半導体基板３を備えている。半導体基板３は主にｎ型半導体から成り、一実施例としてはｎ型ＩｎＰからなる。半導体基板３は、後述するｎ型バッファ層１１と共に第１のｎ型半導体クラッド領域を構成しており、半導体レーザ素子１Ａ内部を導波する光に対して下部クラッド領域として機能する。

また、半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、ｐ型スペーサ層１４、回折格子層１５、ｎ型クラッド層１８、およびｎ型コンタクト層１９を備えている。ｎ型バッファ層１１は半導体基板３の主面３ａ上に設けられており、例えば半導体基板３と同じ組成のｎ型半導体（一実施例ではＳｉドープｎ型ＩｎＰ）からなる。ｎ型バッファ層１１の層厚は例えば１００［ｎｍ］である。

活性層１２は、ｎ型バッファ層１１上に設けられており、所望の発光波長に応じた組成の半導体からなる。一実施例としては、活性層１２は多重量子井戸構造を有しており、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓからなる障壁層（バリア層）および井戸層が交互に積層されて成る。

ｐ型キャリアストップ層１３は、キャリアオーバーフローを低減するための層であり、活性層１２上に設けられている。ｐ型キャリアストップ層１３は例えばＺｎドープｐ型ＡｌＩｎＡｓからなり、その層厚は例えば５０［ｎｍ］である。ｐ型スペーサ層１４は、例えばＺｎドープｐ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば５０［ｎｍ］である。

回折格子層１５は、ｐ型スペーサ層１４上に設けられている。回折格子層１５は、活性層１２に沿って配列された複数の領域（第１の領域）１５ａと、複数の領域１５ａの間を埋め込むように形成された領域（第２の領域）１５ｂとを含んで構成されている。

複数の領域１５ａは、光導波方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、半導体レーザ素子１Ａが出力しようとする所定波長に応じた周期Λでもって、互いに間隔をあけて光導波方向に配列されている。各領域１５ａは、互いにトンネル接合を構成するｐ型半導体層１６及びｎ型半導体層１７を含んでいる。ｐ型半導体層１６は、活性層１２上に設けられており、高濃度のｐ型半導体、例えばＣドープｐ^＋＋型ＡｌＧａＩｎＡｓからなり、その層厚は例えば１５［ｎｍ］である。また、ｎ型半導体層１７は、ｐ型半導体層１６上に設けられており、高濃度のｎ型半導体、例えばＳｉドープｎ^＋＋型ＡｌＧａＩｎＡｓからなり、その層厚は例えば１５［ｎｍ］である。

ｐ型半導体層１６の不純物濃度は１×１０^１９［ｃｍ^−３］以上であることが好ましく、ｎ型半導体層１７の不純物濃度は３×１０^１８［ｃｍ^−３］以上であることが好ましい。また、ｐ型半導体層１６の不純物としては、Ｃの他にＺｎ、Ｂｅ、またはＭｇが好適に用いられる。ｎ型半導体層１７の不純物としては、Ｓｉの他にＳ、Ｓｅ、またはＴｅが好適に用いられる。ｐ型半導体層１６の組成としては、上記の他にも例えばＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、またはＩｎＰが挙げられる。ｎ型半導体層１７の組成としては、上記の他にも例えばＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、またはＩｎＰが挙げられる。

領域１５ｂは、複数の領域１５ａと比較して不純物濃度が小さい半導体、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなる。半導体の光吸収率は不純物濃度が高いほど大きいので、不純物濃度が比較的高い（すなわち光損失が大きい）複数の領域１５ａの間に、不純物濃度が比較的低い（すなわち光損失が小さい）領域１５ｂが設けられることにより、活性層１２付近を共振する光に対して利得変調を行うことができる。

ｎ型クラッド層１８は、本実施形態における第２のｎ型半導体クラッド領域であり、半導体レーザ素子１Ａ内部を導波する光に対して上部クラッド領域として機能する。ｎ型クラッド層１８は、回折格子層１５上に設けられている。ｎ型クラッド層１８は例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば２．０［μｍ］である。また、ｎ型コンタクト層１９は、ｎ型クラッド層１８上に設けられており、例えばｎ型ＩｎＧａＡｓからなる。ｎ型コンタクト層１９の層厚は例えば１００［ｎｍ］である。

ｎ型クラッド層１８及びコンタクト層１９は、光導波方向と交差する方向の幅が半導体基板３及びｎ型バッファ層１１より狭められたリッジ部２４に含まれており、このリッジ部２４は光導波方向に延びている。このような構成により、光導波方向と交差する方向におけるｎ型クラッド層１８の幅が活性層１２及び回折格子層１５の幅より狭いリッジ構造を好適に実現できる。半導体レーザ素子１Ａにおいては、このリッジ部２４への電流注入により生じる活性層１２内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。光導波方向と直交する方向におけるリッジ部２４の幅は例えば１．５［μｍ］であり、リッジ部２４の高さは例えば２［μｍ］である。

リッジ部２４の両側面には、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜２５が設けられている。本実施形態の絶縁膜２５は、リッジ部２４の両側面のほか、リッジ部２４から露出する回折格子層１５の表面にわたって設けられている。

ｎ型コンタクト層１９上には電極２０が設けられており、この電極２０とｎ型コンタクト層１９とがオーミック接触を成している。また、半導体基板３の主面３ａとは反対側の裏面には電極２１が設けられており、この電極２１と半導体基板３とがオーミック接触を成している。

続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの作製方法について、図２〜図４を参照しながら説明する。まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板３の主面３ａ上に、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、ｐ型スペーサ層１４、ｐ型半導体層１６、ｎ型半導体層１７、及びカバー層２６を形成する。カバー層２６は、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば３０［ｎｍ］である。これらの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。

次に、回折格子層１５となる複数の領域１５ａを形成する。すなわち、カバー層２６上にレジストを塗布し、例えば干渉露光法を用いて複数の領域１５ａに対応するパターンを転写する。そして、カバー層２６、ｎ型半導体層１７及びｐ型半導体層１６に対してドライエッチングを施す。このとき、ｐ型スペーサ層１４が露出した時点でエッチングを停止する。こうして、図２（ｂ）に示すように、ｐ型半導体層１６及びｎ型半導体層１７を各々含む複数の領域１５ａが形成される。

続いて、レジストを剥離したのち半導体基板３を成長炉に再投入し、図３（ａ）に示すように、ｎ型クラッド層１８、ｎ型コンタクト層１９を順次成長させる。なお、ｎ型クラッド層１８を成長させる際、ｎ型ＩｎＰによって複数の領域１５ａの隙間が埋め込まれることにより領域１５ｂが形成され、これによって回折格子層１５が完成する。その後、図３（ｂ）に示すように、ｎ型クラッド層１８およびｎ型コンタクト層１９にエッチングを施してストライプ状のリッジ部２４を形成する。

続いて、図４に示すように、リッジ部２４の表面と、リッジ部２４から露出した回折格子層１５の表面とを覆うように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜２５を形成する。そして、リッジ部２４の上方に位置する絶縁膜２５に開口を形成し、該開口を介してｎ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１を半導体基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜（ＡＲ膜）及び高反射膜（ＨＲ膜）をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａが完成する。

以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａが奏する作用及び効果について説明する。この半導体レーザ素子１Ａにおいては、ｐ型半導体層１６及びｎ型半導体層１７からなるトンネル接合構造が、光導波方向に周期的に配列された複数の領域１５ａのそれぞれに設けられている。そして、複数の領域１５ａの間には、不純物濃度が複数の領域１５ａより低い領域１５ｂが設けられている。したがって、トンネル接合層が活性層１２上の全領域に設けられる場合と比較して、光導波方向におけるトンネル接合構造の長さの総和が短くなるので、トンネル接合構造の体積が小さくなり、トンネル接合構造による光損失を効果的に低減できる。

また、この半導体レーザ素子１Ａに注入された電流の流路は、複数の領域１５ａのそれぞれに設けられたトンネル接合構造によって確保されるが、この半導体レーザ素子１Ａでは上記のように光損失を低減できるので、トンネル接合構造を構成するｐ型半導体層１６、ｎ型半導体層１７の不純物濃度を下げる必要がない。したがって、トンネル効果の発現に十分な不純物濃度でもって、このトンネル接合部（ｐ型半導体層１６及びｎ型半導体層１７）における電気抵抗を効果的に低減できる。このように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。

なお、電気抵抗と光損失とのバランスは、回折格子層１５の一周期に占める領域１５ａの割合（デューティ比）によって容易に調整可能である。すなわち、このデューティ比を高めることで電気抵抗の低減度を光損失の低減度より大きくすることができ、逆にデューティ比を低くすることで光損失の低減度を電気抵抗の低減度より大きくすることができる。

本実施形態の一変形例について説明する。図５は、第１実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子１Ｂの構成を示しており、半導体レーザ素子１Ｂの光導波方向と直交する断面を示している。上述した第１実施形態では、図１（ａ）に示すように、回折格子層１５は、活性層１２およびｐ型スペーサ層１４上に形成され、リッジ部２４には含まれないが、図５に示すように、回折格子層１５がリッジ部２６の中に含まれるように、リッジ部２６を形成してもよい。なお、このリッジ部２６は、第１実施形態のリッジ部２４と同様に、その光導波方向と交差する方向の幅が半導体基板３及びｎ型バッファ層１１より狭くなるように形成されたリッジ構造である。

この場合、回折格子層１５は、リッジ部２６の底面（リッジ部２６の両側面の下端同士を結ぶ面）から高さ０．５［μｍ］までの範囲に位置することが望ましい。なぜなら、リッジ部２６に含まれるｐ型スペーサ層１４等のｐ型半導体層の厚みをある程度制限することによって、半導体レーザ素子１Ｂの電気抵抗を所定の値以下に制限することができるからである。本変形例の構造によっても、トンネル接合層が活性層１２上の全領域に設けられる場合と比較して、光導波方向におけるトンネル接合構造の長さの総和が短くなるので、トンネル接合構造の体積が小さくなり、トンネル接合構造による光損失を効果的に低減できる。また、トンネル効果の発現に十分な不純物濃度でもって、このトンネル接合部における電気抵抗を効果的に低減できる。このように、電気抵抗及び光損失の低減を高いレベルで実現できる。

ここで、図１に示した第１実施形態の比較例として、通常の利得変調型の半導体レーザ素子について説明する。図６〜図８は、従来の利得変調型の半導体レーザ素子の作製方法を示す図である。まず、図６（ａ）に示すように、半導体基板１０３の主面上に、ｎ型バッファ層１１１（厚さ１００［ｎｍ］）、活性層１１２、ｐ型キャリアストップ層１１３（厚さ５０［ｎｍ］）、ｐ型スペーサ層１１４（厚さ５０［ｎｍ］）、光吸収層１１５（厚さ３０［ｎｍ］）、及びカバー層１２６（厚さ３０［ｎｍ］）を形成する。一例では、ｎ型バッファ層１１１はｎ型ＩｎＰからなり、活性層１１２はＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸からなり、ｐ型キャリアストップ層１１３はｐ型ＡｌＩｎＡｓからなり、ｐ型スペーサ層１１４はｐ型ＩｎＰからなり、光吸収層１１５はｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなり、カバー層１２６はｐ型ＩｎＰからなる。

次に、光吸収層１１５を、出力波長に応じた周期で光導波方向に配列される複数の光吸収領域に分割する。すなわち、カバー層１２６上にレジストを塗布し、例えば干渉露光法を用いて複数の光吸収領域に対応するパターンを転写する。そして、カバー層１２６及び光吸収層１１５に対してドライエッチングを施す。こうして、図６（ｂ）に示すように、複数の光吸収領域１１５ａが形成される。

続いて、レジストを剥離したのち、図７（ａ）に示すように、ｐ型クラッド層１１８、ｐ型コンタクト層１１９を順次成長させる。ｐ型クラッド層１１８は例えばｐ型ＩｎＰからなり、ｐ型コンタクト層１１９は例えばｐ型ＩｎＧａＡｓからなる。その後、図７（ｂ）に示すように、ｐ型クラッド層１１８およびｐ型コンタクト層１１９にエッチングを施してストライプ状のリッジ部１２４を形成する。

続いて、図８に示すように、リッジ部１２４の表面と、リッジ部１２４から露出した光吸収領域１１５ａの表面とを覆うように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜１２５を形成する。そして、リッジ部１２４の上方に位置する絶縁膜１２５に開口を形成し、該開口を介してｐ型コンタクト層１１９と接する電極１２０を蒸着し、更に電極１２１を半導体基板１０３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜（ＡＲ膜）及び高反射膜（ＨＲ膜）をコーティングする。

以上の作製方法により作製された通常の利得変調型の半導体レーザ素子の特性と、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの特性とを比較する。図９は、半導体レーザ素子１Ａの電流−光出力特性と、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−光出力特性とを示すグラフであり、素子温度８５℃での特性を示している。図９に示されるグラフＧ１〜Ｇ３は、半導体レーザ素子１Ａにおいて、回折格子層１５の一周期に占める領域１５ａの割合（デューティ比）をそれぞれ０．３、０．５、及び０．７とした場合の電流−光出力特性を示している。また、グラフＧ４は、通常の利得変調型の半導体レーザ素子（図８を参照）の電流−光出力特性を示している。

通常の利得変調型の半導体レーザ素子の閾値電流は２５［ｍＡ］であり、最大光出力は１５［ｍＷ］であった。これに対し、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａの閾値電流は、デューティ比０．７で２５［ｍＡ］、デューティ比０．５で２１［ｍＡ］、デューティ比０．３で２１［ｍＡ］であり、最大光出力は、デューティ比０．７で１６［ｍＡ］、デューティ比０．５で１８［ｍＡ］、デューティ比０．３で１９．５［ｍＡ］であった。

また、図１０は、半導体レーザ素子１Ａの電流−動作抵抗特性と、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−動作抵抗特性とを示すグラフであり、素子温度８５℃での特性を示している。図１０に示されるグラフＧ５〜Ｇ７は、半導体レーザ素子１Ａにおいて回折格子層１５のデューティ比をそれぞれ０．３、０．５、及び０．７とした場合の電流−動作抵抗特性を示している。また、グラフＧ８は、通常の利得変調型の半導体レーザ素子の電流−動作抵抗特性を示している。

通常の利得変調型の半導体レーザ素子の閾値付近での微分抵抗値は、９．５［Ω］であった。これに対し、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａの閾値付近での微分抵抗値は、デューティ比０．７で６．２［Ω］、デューティ比０．５で７．０［Ω］、デューティ比０．３で８．７［Ω］であった。

以上の結果からわかるように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａの光出力特性及び動作抵抗特性は、領域１５ａのデューティ比にかかわらず、図８に示した通常の利得変調型の半導体レーザ素子の特性と比べて良好となっている。光出力特性の改善（すなわち閾値電流値の低下）は、回折格子層１５へのトンネル接合構造（ｐ型半導体層１６及びｎ型半導体層１７）の導入により、光吸収率が高いｐ型クラッド層１１８（図８を参照）を、光吸収率が低いｎ型クラッド層１８に置き換えたことに起因するものである。また、動作抵抗特性の改善（すなわち、微分抵抗値の低下）は、回折格子層１５へのトンネル接合構造の導入により、抵抗率が高いｐ型クラッド層１１８を、抵抗率が低いｎ型クラッド層１８に置き換えたことに起因するものである。

なお、領域１５ａのデューティ比を大きくするほど、電流方向に垂直な面内においてトンネル接合構造が占める面積が大きくなるので抵抗値が低くなり、逆に領域１５ａのデューティ比を小さくするほど、トンネル接合構造の体積が小さくなるので光吸収損失が低下し、その結果閾値電流値が低下して最大光出力が上昇する。つまり、所望の特性を得るためには領域１５ａのデューティ比を適切な範囲に調整するとよい。例えば、上記実施例におけるデューティ比の好適な範囲、すなわち光出力特性及び動作抵抗特性の双方を、通常の利得変調型の半導体レーザ素子より改善することができる範囲は、０．３以上０．７以下となる。

（第２の実施の形態）
本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃは、所定波長のレーザ光を出力する、いわゆる分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子である。第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと異なる点は、半導体レーザ素子１Ｃがいわゆる高抵抗電流狭窄埋込型（ＳＩ−ＢＨ）の構造を有している点である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を参照すると、半導体レーザ素子１Ｃは、第１のｎ型半導体クラッド領域としての半導体基板３と、半導体基板３上に順に積層された、ｎ型バッファ層３１、活性層３２、ｐ型キャリアストップ層３３、ｐ型スペーサ層３４、回折格子層３５、ｎ型クラッド層３８、およびｎ型コンタクト層３９とを備えている。なお、これらの層の構成材料および層厚は、既述した第１実施形態のｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、ｐ型スペーサ層１４、回折格子層１５、ｎ型クラッド層１８、およびｎ型コンタクト層１９と同様である。

回折格子層３５は、活性層３２に沿って配列された複数の領域（第１の領域）３５ａと、複数の領域３５ａの間を埋め込むように形成された領域（第２の領域）３５ｂとを含んで構成されている。これらの領域３５ａ，３５ｂの構成は、第１実施形態の領域１５ａ，１５ｂと同様である。

本実施形態において、ｎ型バッファ層３１、活性層３２、ｐ型キャリアストップ層３３、ｐ型スペーサ層３４、回折格子層３５、ｎ型クラッド層３８、およびｎ型コンタクト層３９は、光導波方向と交差する方向の幅が半導体基板３より狭められたメサ部４４に含まれており、このメサ部４４は光導波方向に延びている。光導波方向と直交する方向におけるメサ部４４の幅は例えば１．５［μｍ］であり、メサ部４４の高さは例えば３［μｍ］である。また、メサ部４４の両側には、これらの層の両側面を埋め込む半絶縁性または絶縁性の埋込領域４７が設けられている。埋込領域４７は、例えばＦｅドープＩｎＰからなる。埋込領域４７の表面には、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜４５が設けられている。

ｎ型コンタクト層３９上には電極４０が設けられており、この電極４０とｎ型コンタクト層３９とがオーミック接触を成している。また、半導体基板３の主面３ａとは反対側の裏面には電極４１が設けられており、この電極４１と半導体基板３とがオーミック接触を成している。

続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃの作製方法について、図１２及び図１３を参照しながら説明する。まず、第１実施形態と同様に、半導体基板３の主面３ａ上に、ｎ型バッファ層３１、活性層３２、ｐ型キャリアストップ層３３、ｐ型スペーサ層３４、ｐ型半導体層３６、ｎ型半導体層３７、及びカバー層を形成する。そして、ｎ型半導体層３７及びｐ型半導体層３６に対してドライエッチングを施すことにより、回折格子層３５となる複数の領域３５ａを形成する。その後、ｎ型クラッド層３８、ｎ型コンタクト層３９を順次成長させる（図１２（ａ））。

続いて、図１２（ｂ）に示すように、ｎ型コンタクト層３９からｎ型バッファ層３１に至るまでエッチングを施すことにより、ストライプ状のメサ部４４を形成する。そして、図１３（ａ）に示すように、メサ部４４の両側面を埋め込むように、露出した半導体基板３の主面３ａ上に埋込領域４７を成長させる。この埋込領域４７の表面を覆うように、ＳｉＯ_２からなる絶縁膜４５を形成する。メサ部４４の上方に位置する絶縁膜４５に開口を形成し、該開口を介してｎ型コンタクト層３９と接する電極４０を蒸着し、更に電極４１を半導体基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜（ＡＲ膜）及び高反射膜（ＨＲ膜）をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃが完成する。

以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ｃにおいては、ｐ型半導体層３６及びｎ型半導体層３７からなるトンネル接合構造が、光導波方向に周期的に配列された複数の領域３５ａのそれぞれに設けられており、複数の領域３５ａの間には、不純物濃度が複数の領域３５ａより低い領域３５ｂが設けられているので、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様の作用効果を奏することができる。なお、本実施形態の半導体レーザ素子１Ｃにおいて領域３５ａのデューティ比を０．５とした場合、閾値電流値は２２［ｍＡ］であり、最大光出力は１７［ｍＷ］であり、閾値電流値付近での微分抵抗値は７．５［Ω］であった。

本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では半導体基板及び各半導体層としてＩｎＰ系化合物半導体を例示したが、他のIII−Ｖ族化合物半導体や、その他の半導体であっても本発明の構成を好適に実現できる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…半導体レーザ素子、３…半導体基板、１１，３１…ｎ型バッファ層、１２，３２…活性層、１３，３３…ｐ型キャリアストップ層、１４，３４…ｐ型スペーサ層、１５，３５…回折格子層、１５ａ，３５ａ…（第１の）領域、１５ｂ，３５ｂ…（第２の）領域、１６，３６…ｐ型半導体層、１７，３７…ｎ型半導体層、１８，３８…ｎ型クラッド層、１９，３９…ｎ型コンタクト層、２０，２１，４０，４１…電極、２４…リッジ部、２５，４５…絶縁膜、２６…カバー層、４４…メサ部、４７…埋込領域。

Claims

所定波長のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、
第１のｎ型半導体クラッド領域と、
前記第１のｎ型半導体クラッド領域上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた回折格子層と、
前記回折格子層上に設けられ、光導波方向と交差する方向の幅が前記第１のｎ型半導体クラッド領域より狭められた第２のｎ型半導体クラッド領域と
を備え、
前記回折格子層が、前記所定波長に応じた周期で光導波方向に配列された複数の第１の領域と、前記複数の第１の領域の間に設けられ不純物濃度が前記複数の第１の領域より低い第２の領域とを有しており、
前記複数の第１の領域のそれぞれが、前記活性層上に設けられたｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層上に設けられたｎ型半導体層とを含み、前記ｐ型半導体層及び前記ｎ型半導体層が互いにトンネル接合を構成することを特徴とする、半導体レーザ素子。
光導波方向と交差する方向における前記活性層及び前記回折格子層の幅が前記第１のｎ型半導体クラッド領域より狭められており、
前記活性層、前記回折格子層、及び前記第２のｎ型半導体クラッド領域の両側面を埋め込む半絶縁性または絶縁性の埋込領域を更に備え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。
光導波方向と交差する方向における前記活性層及び前記回折格子層の幅が、前記第２のｎ型半導体クラッド領域より広いリッジ構造を有す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。
光導波方向と交差する方向における前記活性層の幅が、前記第２のｎ型半導体クラッド領域より広いリッジ構造を有し、前記リッジ構造には、前記回折格子層および前記第２のｎ型半導体クラッド領域が含まれ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。