半导体激光元件的制作方法

1.本发明涉及半导体激光元件。


背景技术：

2.在掺铒光纤放大器、拉曼放大器中，对用作所谓泵激光器的半导体激光元件始终谋求高输出化、低消耗电力化。
3.在半导体激光元件的高输出化中，内部损失的减少、来自元件的激光的取出效率的提升等是有效的。为了提升取出效率，减小半导体激光元件的从后端面的光输出pr相对于前端面的光输出pf的比pr/pf是有效的。在半导体激光元件中，作为减小比pr/pf的方法，有降低前端面侧的反射镜(谐振器镜)的反射率，提高后端面侧的反射镜(谐振器镜的)的反射率等来加大反射率的差的方法。
4.此外，公开了如下技术：为了减少内部损失，在n型包覆层设置折射率高的层(也称作电场控制层)，使在活性层中传播的激光的电场的分布偏向n型包覆层侧(专利文献1)。由此，激光由于难以受到p型包覆层中所含的p型杂质(例如锌(zn))导致的光吸收的影响，因此，能实现内部损失少、更高输出的半导体激光元件。
5.此外，为了半导体激光元件的低消耗电力化，元件的电阻的减少是重要的。已知，为了电阻的减少，谐振器长度的长条化是有效的，若是隐埋异质构造(bh)型的半导体激光元件，则活性层的宽度的宽幅化是有效的。
6.但若进行谐振器长度的长条化，或加大谐振器镜中的反射率差，就产生如下现象：会在谐振器内部产生光分布，在反射率低的前端面侧光密度变高，引起增益饱和，光输出降低(空间烧孔效应)。为此，例如如专利文献2公开的那样，通过将活性层设为锥型波导路(也称作喇叭型波导路)来使光密度降低是有效的。
7.先行技术文献
8.专利文献
9.专利文献1：jp特开2005-72402号公报
10.专利文献2：jp特开2001-358405号公报
11.但根据本发明的发明者的锐意研讨，在对具有电场控制层的bh型半导体激光元件运用锥型波导路的情况下，由于对活性层的激光的电场的限制系数会对应于活性层的宽度而大幅变化，因此有时得不到所期望的高输出特性。


技术实现要素：

12.本发明鉴于上述而提出，目的在于，提供高输出的半导体激光元件。
13.本发明的一方式具备：主体，其具有在层叠方向上层叠了具有n型的导电型的第1层叠部、具有p型的导电型的第2层叠部和介于所述第1层叠部与所述第2层叠部之间存在的活性层的结构；前侧镜，其形成于所述主体的与所述层叠方向平行的前端面；和后侧镜，其形成于所述主体的后端面，该后端面在与所述层叠方向以及所述前端面交叉的光波导方向
上与所述前端面对置，所述第1层叠部包含：电场控制层，其组成波长比所述活性层的发光波长短，所述第2层叠部包含：光导层，其组成波长比所述活性层的发光波长短，在所述光波导方向上延伸，且在与所述光波导方向正交的宽度方向上比所述活性层宽度窄，在所述光导层的所述宽度方向的两侧设有包含折射率比所述光导层低的材料的隐埋层，所述光导层具有：宽度变化部，其宽度在所述光波导方向上发生变化。
14.也可以是，所述宽度变化部使宽度以锥状或台阶状地变化。
15.也可以是，所述活性层具有包含阱层和势垒层的量子阱构造，并且具有分离限制异质构造(sch)层，所述电场控制层、所述光导层、所述势垒层、以及所述sch层含有相同的组成的半导体材料。
16.也可以是，所述前侧镜的所述活性层的发光波长下的反射率为1％以下，所述后侧镜的所述活性层的发光波长下的反射率为90％以上，所述光导层的所述前端面中的宽度比所述后端面中的宽度宽。
17.也可以是，所述活性层含有包含铝的半导体材料。
18.所述第1层叠部以及所述第2层叠部具备：包覆层，其含有相同的半导体材料。
19.发明的效果
20.根据本发明，起到能实现高输出的半导体激光元件这样的效果。
附图说明
21.图1是实施方式所涉及的半导体激光元件的示意性的顶视图。
22.图2是图1的a-a线截面图。
23.图3是比较方式所涉及的半导体激光元件的示意性的顶视图。
24.图4是图3的b-b线截面图。
25.图5是表示谐振器长度与阈值载流子密度的关系的一例的图。
26.图6是表示活性层宽度与γact的关系的一例的图。
27.图7是表示谐振器长度与阈值载流子密度的关系的一例的图。
28.图8是表示引导层宽度或活性层宽度与γact的关系的一例的图。
29.图9是表示谐振器长度与阈值载流子密度的关系的一例的图。
30.图10是表示if与光输出的关系的一例的图。
31.图11是表示实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法的示意图。
32.附图标记的说明
33.100：半导体激光元件
34.101：前侧镜
35.102：后侧镜
36.103：主体
37.103a：前端面
38.103b：后端面
39.110：第1电极
40.120：第1层叠部
41.121：基板
42.122：电场控制层
43.123：n-inp层
44.130：活性层
45.140：第2层叠部
46.141、143、143a、144、145：p-inp层
47.142：光导层
48.142a：宽幅笔直部
49.142b：锥形部
50.142c：窄幅笔直部
51.150：隐埋层
52.160：接触层
53.170：保护膜
54.171：开口
55.180：第2电极
具体实施方式
56.以下参考附图来说明实施方式。另外，并不由该实施方式来限定根本发明。此外，在附图的记载中，对相同或对应的要素适宜标注相同的附图标记，有时省略重复的说明。此外，需要留意的是，附图是示意性的，有时各要素的尺寸的关系、各要素的比率等与现实不同。在附图的相互间，也有时包含相互的尺寸的关系、比率不同的部分。此外，图中，有时使用xyz正交坐标系来说明方向。
57.(实施方式)
58.图1是实施方式所涉及的半导体激光元件的示意性的顶视图。图2是图1的a-a线截面图。
59.[半导体激光元件的构造]
[0060]
半导体激光元件100具备前侧镜101、后侧镜102和主体103。主体103在光波导方向即z方向上延伸，在z方向的负的朝向上具有前端面103a，在正的朝向上具有后端面103b。前端面103a以及后端面103b例如通过劈开形成，与xy平面平行且在光波导方向上相互对置。前侧镜101形成于前端面103a，后侧镜102形成于后端面103b。前侧镜101和后侧镜102形成激光谐振器。
[0061]
参考图2来说明主体103的构造。半导体激光元件100的主体103具有在层叠方向即y方向上层叠在背面形成有第1电极110的第1层叠部120、活性层130和第2层叠部140的结构。主体103还具备隐埋层150、接触层160、保护膜170和第2电极180。
[0062]
第1层叠部120具有将具有n型的导电型的半导体层层叠的构造，具有n型的导电型。第2层叠部140具有将具有p型的导电型的半导体层层叠的构造，具有p型的导电型。活性层130介于第1层叠部120与第2层叠部140之间存在。
[0063]
第1层叠部120具有在基板121通过外延生长等来层叠多个半导体层的构造，其中该基板121在含有n型inp(以下记载为适宜n-inp)的基板上层叠含有n-inp的缓冲层来得到。第1层叠部120相对于活性层130作为包层发挥功能。
[0064]
第1层叠部120包含电场控制层122、和作为含有n-inp的半导体层的n-inp层123。电场控制层122至少是一层，例如具备4～7层的电场控制层122。n-inp层123是包覆层的一例。
[0065]
具体地，第1层叠部120具有在基板121上交替层叠电场控制层122和n-inp层123的构造。本说明书中的n型的半导体层可以包含例如硅(si)、硫(s)、硒(se)，作为n型杂质。
[0066]
电场控制层122含有组成波长比活性层130的发光波长短的半导体材料。所谓组成波长，是相当于半导体材料的带隙能量的光的波长，也称作带隙波长。电场控制层122例如含有作为inp系的4元系半导体材料的gainasp。
[0067]
构成电场控制层122的半导体材料优选与inp晶格匹配。所谓晶格匹配，可以是指晶格常数完全一致，也可以是指层叠于其上的活性层130等半导体层与要求的结晶品质的程度的晶格常数存在差异。在该情况下，所谓结晶品质，例如是位错、形变、缺陷的程度。
[0068]
活性层130具有mqw-sch构造，其包括：含有多个障壁层和多个阱层的多重量子阱(mqw：multi quantum well)构造的mqw层；和夹着mqw层配置的2个分离限制异质构造(sch：separate confinement heterostructure)层。活性层130例如含有gainasp。设定构成活性层130的阱层的半导体材料的组成比，以使得以所期望的激光振荡波长λc(例如1.55μm带)发光。设定构成障壁层和sch层的半导体材料的组成比，以使得满足各自的功能。另外，活性层130也可以是单一量子阱构造。
[0069]
第2层叠部140具有依次层叠含有p型inp的p-inp层141、光导层142以及p-inp层143的构造。第2层叠部140相对于活性层130作为包层发挥功能。本说明书中的p型的半导体层可以包含例如锌(zn)，作为p型杂质。p-inp层141、143是包覆层的一例。
[0070]
光导层142含有组成波长比活性层130的发光波长短的半导体材料。光导层142在光波导方向(z方向)上延伸。光导层142例如含有gainasp。
[0071]
在光导层142的宽度方向(x方向)的两侧设有含有比光导层142折射率低的材料的隐埋层150。隐埋层150含有n-inp。由此，光导层142在宽度方向上比活性层130宽度窄。
[0072]
此外，如图1所示那样，光导层142在光波导方向(z方向)上宽度发生变化。具体地，光导层142具有从前端面103a侧向后端面103b侧依次排列的、宽度固定的宽幅笔直部142a、锥状变化以使得从前端面103a侧向后端面103b侧宽度变窄的锥形部142b、和宽度固定且比宽幅笔直部142a窄的窄幅笔直部142c。因此，光导层142的前端面103a中的宽度比后端面103b中的宽度宽。锥形部142b是在光波导方向上宽度发生变化的宽度变化部的一例。
[0073]
电场控制层122、光导层142以及活性层130的势垒层、和sch层若含有相同的组成的半导体材料(例如gainasp)，则在制造时易于管理组成，因而优选。
[0074]
接触层160形成于p-inp层143上。接触层160例如含有gainasp，与第2电极180欧姆接触。
[0075]
保护膜170形成于接触层160上。保护膜170例如含有sinx等电介质。在保护膜170设有用于第2电极180和接触层160欧姆接触的开口171。
[0076]
第2电极180设置成与接触层160欧姆接触。第2电极180例如包含钛、铂、金等。
[0077]
第1电极110设置成与基板121欧姆接触。第1电极110例如包含金、镍等。
[0078]
此外，图1所示的前侧镜101以及后侧镜102例如是电介质膜。前侧镜101的活性层130的发光波长下的反射率例如是1％以下。后侧镜102的活性层130的发光波长下的反射率
例如是90％以上。
[0079]
[半导体激光元件的动作]
[0080]
半导体激光元件100通过活性层130的发光、光放大作用和前侧镜101与后侧镜102的激光谐振器的作用，来进行激光振荡，主要从前侧镜101侧输出激光。
[0081]
这时，在主体103中，活性层130、电场控制层122以及光导层142贡献于激光的光限制。例如，在层叠方向上，激光主要被限制在活性层130，电场控制层122使激光的电场的分布偏向n型的第1层叠部120侧。其结果，激光由于难以受到第2层叠部140中所含的p型杂质导致的光吸收的影响，因此内部损失变少。
[0082]
此外，关于宽度方向，主要是光导层142规定光限制。光导层142由于在前端面103a侧宽度比较宽，因此，前端面103a侧处的光密度降低，抑制了光输出的降低。
[0083]
在此，根据本发明的发明者的锐意研讨，在半导体激光元件中设置电场控制层的情况下，若为了使光密度降低等而使活性层的宽度变化，则向活性层的激光的电场的限制系数会对应于活性层的宽度大幅变化，因此，有时得不到所期望的高光输出特性。
[0084]
与此相对，在半导体激光元件100中，为了使光密度降低，不是使活性层130而是使光导层142的宽度变化，因此，不会发生向活性层的激光的电场的限制系数对应于活性层130的宽度大幅变化这样的问题。其结果，半导体激光元件100成为高输出。
[0085]
[半导体激光元件100的特性]
[0086]
以下，关于半导体激光元件100的特性，比较公知的结构即比较方式的半导体激光元件的特性来进行说明。图3是比较方式所涉及的半导体激光元件的示意性的顶视图。图4是图3的b-b线截面图。
[0087]
比较方式所涉及的半导体激光元件100a，具有在半导体激光元件100的结构中将主体103置换成主体103a的结构。
[0088]
参考图4来说明主体103a的构造。半导体激光元件100a的主体103a具有在层叠方向即y方向上层叠在背面形成有第1电极110的第1层叠部120a、活性层130a和第2层叠部140a的结构。主体103a进一步具备隐埋层190、接触层160、保护膜170和第2电极180。
[0089]
第1层叠部120a与实施方式的主体103的第1层叠部120同样，具有在基板121上交替层叠电场控制层122和n-inp层123的构造。其中，第1层叠部120a的上侧(y方向的正的一侧)成为台式构造，台式构造的宽度方向两侧被隐埋层190隐埋。
[0090]
活性层130a含有与实施方式的主体103的活性层130同样的半导体材料，具有同样的mqw-sch构造。其中，活性层130a形成台式构造的一部分，宽度方向两侧被隐埋层190隐埋。即，半导体激光元件100a是bh型的半导体激光元件。
[0091]
此外，如图3所示那样，活性层130a在光波导方向(z方向)上宽度发生变化。具体地，活性层130a具有从前端面103aa侧向后端面103ab侧依次排列的、宽度固定的宽幅笔直部130a1、锥状变化以使得从前端面103aa侧向后端面103ab侧宽度变窄的锥形部130a2、和宽度固定且比宽幅笔直部130a1窄的窄幅笔直部130a3。在图3中，l是半导体激光元件100a的谐振器长度，l1、l2、l3分别是宽幅笔直部130a1、锥形部130a2、窄幅笔直部130a3的长度，l＝l1+l2+l3。宽幅笔直部130a1的宽度是wn1，窄幅笔直部130a3的宽度是wn3。
[0092]
第2层叠部140a具有依次层叠p-inp层144、145的构造。其中，p-inp层144形成台式构造的一部分，宽度方向两侧被隐埋层190隐埋。
[0093]
隐埋层190包括：含有p-inp的隐埋层191；和含有n-inp的隐埋层192。即，隐埋层190比活性层130a折射率低。
[0094]
关于这样的比较方式的半导体激光元件，本发明的发明者计算谐振器长度与阈值载流子密度的关系。所谓阈值载流子密度，是指为了在高注入区域产生活性层130a进行激光振荡的增益所需的载流子密度。另外，在计算中，将wn1设为10μm，将wn3设为4.2μm，设为l1∶l2∶l3＝19∶25∶1。
[0095]
此外，为了确认将活性层130a设为锥型的效果，作为参考方式，还关于活性层130a的wn1和wn3相等的笔直型的情况进行计算。另外，在锥型和笔直型中，为了使活性层130的体积相等，设为wn1＝wn3＝8.2μm。
[0096]
其中，在上述比较方式和参考方式的计算中，假定为向活性层的激光的电场的限制系数γact不依赖于活性层的宽度而固定，来进行计算。
[0097]
图5是表示谐振器长度与阈值载流子密度的关系的一例的图。锥型是比较方式，笔直型是参考方式。另外，“e”表征10的求幂，例如“5.5e+17”是指“5.5
×
10
17”。如图5所示那样，可知，无论哪个谐振器长度下，抑制空间烧孔效应的结果，都是比较方式的锥型的阈值载流子密度更为降低。即，可知，锥型易于得到高输出。
[0098]
但本发明的发明者若尝试计算限制系数γact，则可知，在比较方式的情况下，γact依赖于活性层宽度而大幅变化。
[0099]
图6是表示活性层宽度与γact的关系的一例的图。从图6可知，γact依赖于活性层宽度而大幅变化。
[0100]
为此，若考虑γact的变化重新计算谐振器长度与阈值载流子密度的关系，则成为图7那样。如图7所示那样，可知，若考虑γact的变化，则无论哪个谐振器长度下，都是参考方式的笔直型的阈值载流子密度更为降低，没有设为锥型的效果。
[0101]
针对此，图8是表示实施方式的引导层宽度(光导层142的宽度)或比较方式的活性层宽度与γact的关系的一例的图。从图8可知，在实施方式的情况下，γact对引导层宽度的依赖性小。
[0102]
若考虑γact的变化来计算谐振器长度与阈值载流子密度的关系，则成为图9那样。另外，在计算中，关于wn1、wn3、l1、l2、以及l3，在实施方式和比较方式中设为相同条件。即，将wn1设为10μm，将wn3设为4.2μm，设为l1∶l2∶l3＝19∶25∶1。如图9所示那样，可知，若考虑γact的变化，则无论哪个谐振器长度下，都是实施方式的笔直型的阈值载流子密度更为降低。其结果，可知，实施方式易于得到高输出。
[0103]
图10表示是实施方式以及比较方式中的正向电流(if)与光输出的关系的一例的图。如图10所示那样，针对相同if，实施方式能得到与比较方式相比更高的输出。
[0104]
如以上说明的那样，在实施方式所涉及的半导体激光元件100中，能得到高输出。
[0105]
[制造方法]
[0106]
参考图11来说明半导体激光元件100的制造方法的一例。首先，如图11的(a)所示那样，在基板121(参考图2)上通过mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机气相沉积)法等结晶生长法依次形成第1层叠部120、活性层130、p-inp层141、光导层142以及成为p-inp层143的一部分的p-inp层143a，进而形成含有电介质膜的掩模m。
[0107]
接下来，如图11的(b)所示那样，通过光刻技术将掩模m形成为比图1所示的光导层
142的形状稍微宽幅的形状，将掩模m作为蚀刻掩模，对p-inp层141、光导层142和p-inp层143a进行蚀刻。在蚀刻中例如能使用溴系气体的蚀刻剂。
[0108]
接下来，如图11的(c)所示那样，将掩模m作为生长掩模，形成隐埋层150，将p-inp层141、光导层142和p-inp层143a隐埋。
[0109]
接下来，如图11的(d)所示那样，将掩模m除去，依次形成整面地残留的p-inp层143和接触层160。
[0110]
之后，形成保护膜170和第2电极180。进而，在将基板121研磨成所期望的厚度后，在背面的整面形成第1电极110。之后，进行劈开、前侧镜101以及后侧镜102的形成、向元件单片的切割等公知的处理，半导体激光元件100的制造完成。
[0111]
另外，在上述实施方式中，锥形部142b是在光波导方向上宽度发送变化的宽度变化部，但宽度变化部并不限于锥状，也可以是宽度台阶状变化的形状。
[0112]
此外，在上述实施方式中，活性层130可以包含作为不含铝的inp系的半导体材料的gainasp，但也可以包含含铝的半导体材料。在上述制造方法中，活性层130未被加工，因此能含有包含加工时易于氧化的铝的半导体材料。作为含铝的半导体材料，例如例示algainas。
[0113]
此外，并不由上述实施方式限定本发明。将上述的各构成要素适宜组合而构成的方案也含在本发明中。此外，进一步的效果、变形例能由本领域技术人员容易地导出。因而，本发明的更广泛的方式并不限定于上述的实施方式，能进行种种变更。

技术特征：
1.一种半导体激光元件，其特征在于，具备：主体，其具有在层叠方向上层叠了具有n型的导电型的第1层叠部、具有p型的导电型的第2层叠部、和介于所述第1层叠部与所述第2层叠部之间存在的活性层的结构；前侧镜，其形成于所述主体的与所述层叠方向平行的前端面；和后侧镜，其形成于所述主体的后端面，所述后端面在与所述层叠方向以及所述前端面交叉的光波导方向上与所述前端面对置，所述第1层叠部包含：电场控制层，其组成波长比所述活性层的发光波长短，所述第2层叠部包含：光导层，其组成波长比所述活性层的发光波长短，在所述光波导方向上延伸，且在与所述光波导方向正交的宽度方向上比所述活性层宽度窄，在所述光导层的所述宽度方向的两侧设有由折射率比所述光导层低的材料形成的隐埋层，所述光导层具有：宽度变化部，其宽度在所述光波导方向上发生变化。2.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，所述宽度变化部使宽度以锥状或台阶状变化。3.根据权利要求1或2所述的半导体激光元件，其特征在于，所述活性层具有包括阱层和势垒层的量子阱构造，并且具有分离限制异质构造(sch)层，所述电场控制层、所述光导层、所述势垒层、以及所述sch层含有相同的组成的半导体材料。4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，所述前侧镜的所述活性层的发光波长下的反射率为1％以下，所述后侧镜的所述活性层的发光波长下的反射率为90％以上，所述光导层的所述前端面中的宽度比所述后端面中的宽度宽。5.根据权利要求1～4中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，所述活性层由包含铝的半导体材料形成。6.根据权利要求1～5中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，所述第1层叠部以及所述第2层叠部具备：包覆层，其由相同的半导体材料形成。

技术总结
本发明提供一种高输出的半导体激光元件，具备：主体，其具有在层叠方向上层叠了具有n型的导电型的第1层叠部、具有p型的导电型的第2层叠部和介于第1层叠部与第2层叠部之间存在的活性层的结构；前侧镜，其形成于主体的与层叠方向平行的前端面；和后侧镜，其形成于主体的后端面，该后端面在与层叠方向以及前端面交叉的光波导方向上与前端面对置，第1层叠部包含：电场控制层，其组成波长比活性层的发光波长短，第2层叠部包含：光导层，其组成波长比活性层的发光波长短，在光波导方向上延伸，且在与光波导方向正交的宽度方向上，宽度比活性层窄，在光导层的宽度方向的两侧设有含有折射率比光导层低的材料的隐埋层，光导层具有：宽度变化部，其宽度在光波导方向上发生变化。其宽度在光波导方向上发生变化。其宽度在光波导方向上发生变化。


技术研发人员：若叶昌布
受保护的技术使用者：古河电气工业株式会社
技术研发日：2023.01.19
技术公布日：2023/8/14