JP2007066947A - Spatial light transmission semiconductor laser device and spatial light transmission system - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力かつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 活性層と、活性層を挟むガイド層と、活性層とガイド層を挟むクラッド層がGaAs基板上に形成された半導体レーザ素子220と、半導体レーザ素子220を覆うモールド樹脂部(223,224)とを備える。上記半導体レーザ素子220の活性層は、InGaAsである井戸層とその井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造をしている。また、半導体レーザ素子220は、樹脂モールドする前のチップ状態で25℃における発振波長を868nm(857nm以上かつ871nm以下の範囲内)とする。
【選択図】図4
A semiconductor laser device for spatial light transmission capable of high-speed modulation with high output and low power consumption is provided.
An active layer, a guide layer sandwiching the active layer, a semiconductor laser element 220 having a cladding layer sandwiching the active layer and the guide layer formed on a GaAs substrate, and a mold resin portion (223) covering the semiconductor laser element 220 , 224). The active layer of the semiconductor laser element 220 has a quantum well structure composed of a well layer made of InGaAs and a barrier layer sandwiching the well layer. The semiconductor laser element 220 has an oscillation wavelength at 25 ° C. of 868 nm (within a range of 857 nm to 871 nm) in a chip state before resin molding.
[Selection] Figure 4
Description
この発明は、空間光伝送用半導体レーザ装置および空間光伝送システムに関し、詳しくは、赤外線を利用した光伝送に用いられる空間光伝送用半導体レーザ装置や、その空間光伝送用半導体レーザ装置を備えた空間光伝送システムに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device for spatial light transmission and a spatial light transmission system, and more specifically, includes a semiconductor laser device for spatial light transmission used for optical transmission using infrared rays, and a semiconductor laser device for spatial light transmission. The present invention relates to a spatial light transmission system.
IrDA(Infrared Data Association;国際赤外線データ通信協会)規格に代表される赤外線を用いた空間光伝送は、現在広く用いられている。このIrDA規格に準ずる光通信機能を夫々備えた携帯端末とパーソナルコンピュータとの間では、住所録やスケジュール表、写真データなどのデータを、電気配線をつなげることなく簡便に伝送することができる。このような利便性から、赤外線を用いた空間光伝送は、今後さらに広く普及することが見込まれる。 Spatial light transmission using infrared rays typified by the IrDA (Infrared Data Association) standard is now widely used. Data such as an address book, a schedule table, and photographic data can be easily transmitted between a portable terminal and a personal computer each having an optical communication function conforming to the IrDA standard without connecting electric wiring. From such convenience, spatial light transmission using infrared rays is expected to become more widespread in the future.
近年、データ容量の増大により、伝送速度は、1Mbpsから4Mbps,16Mbpsへと増大の一途をたどっている。今後、高品質写真データ、動画データへとさらにデータ容量が増大し、それに応じて伝送速度もさらに高速化への要求が高まってきている。 In recent years, with an increase in data capacity, the transmission rate has been increasing from 1 Mbps to 4 Mbps and 16 Mbps. In the future, the data capacity will further increase to high-quality photographic data and moving image data, and accordingly, the demand for higher transmission speed is also increasing.
また、一般に、伝送速度を速くすると、伝送距離が短くなってしまうが、長い伝送距離をより速い伝送速度で伝送する要求も高まっている。 In general, when the transmission speed is increased, the transmission distance is shortened. However, there is an increasing demand for transmitting a long transmission distance at a higher transmission speed.
現在、IrDA規格等に準拠した空間光伝送システムでは、光源として発光ダイオード(Light Emitting Diode;LED)が用いられ、受光素子としては、空間光伝送システムを安価に構築するために、安価なSiフォトダイオード(Photo Diode;PD)が用いられている。一方、光源としては、伝送速度の高速化、伝送距離の長距離化に伴い、使用するLEDの光出力を高出力にする必要がある。 Currently, in a spatial light transmission system compliant with the IrDA standard or the like, a light emitting diode (LED) is used as a light source, and an inexpensive Si photo is used as a light receiving element in order to construct the spatial light transmission system at a low cost. A diode (Photo Diode; PD) is used. On the other hand, as the light source, as the transmission speed increases and the transmission distance increases, it is necessary to increase the light output of the LED used.
例えば、特開2001−308376号公報(特許文献1)には高出力赤外LEDが開示されており、図13にその高出力赤外LEDの構造を示している。この高出力赤外LEDは、図13に示すように、n−GaAs基板(図示せず)上に第1のn−AlGaAs層5、n−AlGaAsクラッド層6、p−AlGaAs活性層7、p−AlGaAsクラッド層8、第1のp−AlGaAs層9を液相エピタキシャル成長法により順次積層した後に、n−GaAs基板を選択的に除去して、LEDウェハを作製している。このLEDでは、発光した光が基板に吸収されないように、GaAs基板を除去することにより、高出力化を図っている。
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-308376 (Patent Document 1) discloses a high-power infrared LED, and FIG. 13 shows the structure of the high-power infrared LED. As shown in FIG. 13, the high-power infrared LED includes a first n-
また、この他にも、基板とクラッド層の間に反射層を挿入することにより高出力化を図った例として、特開平8−288547号公報(特許文献2)に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属気相成長)法により結晶成長させた高出力LEDが開示されている。 In addition to this, as an example of increasing the output by inserting a reflective layer between the substrate and the clad layer, JP-A-8-288547 (Patent Document 2) discloses MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor). A high-power LED having a crystal grown by a deposition (organic metal vapor phase epitaxy) method is disclosed.
このように、LEDの高出力化が図られているが、LEDの変調速度は数十MHz程度が上限と考えられており、それ以上の高速で変調するには、LEDでは対応できなくなってきている。また、LEDでは、高速、長距離化のために、光出力を高くすると、非常に大きい駆動電流を必要とし、消費電力が膨大になるという問題と、それに伴って信頼性が低下するという問題がある。 As described above, higher output of the LED has been achieved, but it is considered that the upper limit of the modulation speed of the LED is about several tens of MHz, and the LED cannot cope with the modulation at higher speed than that. Yes. In addition, in the LED, if the light output is increased for high speed and long distance, a very large driving current is required, and the power consumption becomes enormous, and the reliability decreases accordingly. is there.
これに対して、空間光伝送用光源として半導体レーザ素子(Laser Diode;LD)を用いる試みがここ最近行われ始めている。空間光伝送用光源として半導体レーザ素子を用いると、高速変調が可能であり、LEDと比較して、同じ光出力を得るための消費電力を低く抑えることができる。 On the other hand, an attempt to use a semiconductor laser element (LD) as a light source for spatial light transmission has recently started. When a semiconductor laser element is used as a light source for spatial light transmission, high-speed modulation is possible, and power consumption for obtaining the same light output can be suppressed to be lower than that of an LED.
しかしながら、半導体レーザ素子を用いて光を空間に直接放射する場合、空間的なコヒーレント性が高いという半導体レーザ素子の特徴から、レーザ光が眼に入ったときに、網膜に光が集光し、網膜上での光密度が非常に大きくなり、眼球が損傷する危険性がある。このため、半導体レーザ素子の光を空間へ放射する場合は、レーザ光の放射する箇所に拡散板を設置する、或いは、半導体レーザ素子を拡散剤の混入した樹脂でモールドする等の措置を施し、レーザ光の空間的なコヒーレンシーを低減させ、人の網膜上での光の結像を大きくして、網膜上での光密度を下げて使用する必要がある(以下、「眼に安全な」と言う意味で「アイセーフ」と称する)。 However, when emitting light directly into space using a semiconductor laser element, the feature of the semiconductor laser element is that the spatial coherence is high, and when the laser light enters the eye, the light is condensed on the retina, The light density on the retina becomes very high and there is a risk of eye damage. For this reason, when emitting the light of the semiconductor laser element to the space, install a diffusion plate at the location where the laser beam radiates, or take measures such as molding the semiconductor laser element with a resin mixed with a diffusing agent, It is necessary to reduce the spatial coherency of laser light, increase the image of light on the human retina, and lower the light density on the retina (hereinafter referred to as `` safe for eyes ''). In this sense, it is called “Eye Safe”).
空間光伝送用光源として、半導体レーザ装置が用いられ始めているが、どのような半導体レーザ装置を用いるのが空間光伝送用光源として適しているかという点については、殆ど検討されていない。
そこで、この発明の目的は、高出力かつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device for spatial light transmission capable of high-speed modulation with high output and low power consumption.
さらに、この発明のもう1つの目的は、上記空間光伝送用半導体レーザ装置を用いた空間光伝送システムを提供することにある。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a spatial light transmission system using the above-mentioned semiconductor laser device for spatial light transmission.
上記目的を達成するため、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置は、
活性層と、上記活性層を挟むガイド層と、上記活性層および上記ガイド層を挟むクラッド層がGaAs基板上に形成された半導体レーザ素子と、
上記半導体レーザ素子の少なくとも一部を覆うモールド樹脂部と
を備え、
上記半導体レーザ素子の上記活性層は、InGaAsである井戸層と上記井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造をしており、
上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドする前のチップ状態で25℃における発振波長が857nm以上かつ871nm以下であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor laser device for spatial light transmission according to the present invention comprises:
A semiconductor laser device in which an active layer, a guide layer sandwiching the active layer, and a clad layer sandwiching the active layer and the guide layer are formed on a GaAs substrate;
A mold resin portion covering at least a part of the semiconductor laser element,
The active layer of the semiconductor laser element has a quantum well structure composed of a well layer of InGaAs and a barrier layer sandwiching the well layer,
The semiconductor laser element is characterized in that an oscillation wavelength at 25 ° C. is not less than 857 nm and not more than 871 nm in a chip state before resin molding.
上記構成の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、上記半導体レーザ素子の活性層を、InGaAsである井戸層およびその井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造とすることによって、高出力化が可能となり、低消費電力で、高速変調が可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を実現できる。また、上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドする前のチップ状態で25℃における発振波長が857nm以上かつ871nm以下にすることによって、例えば、樹脂モールドされた状態で使用環境温度(−25℃〜+85℃)において、アイセーフ性を確保するために必要な850nm以上で発振し、かつ、安価なSiPDを使用するために必要な900nm以下で発振することができるようになり、IrDA規格にも適切に準拠させることができ、−25℃〜+85℃の範囲で実用上全く問題のない空間光伝送用半導体レーザ装置を実現できる。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission configured as described above, the active layer of the semiconductor laser element has a quantum well structure including a well layer made of InGaAs and a barrier layer sandwiching the well layer, thereby achieving high output. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser device for spatial light transmission capable of high-speed modulation with low power consumption. In addition, the semiconductor laser element has an oscillation wavelength at 25 ° C. of not less than 857 nm and not more than 871 nm in a chip state before resin molding. ), It is possible to oscillate at 850 nm or more necessary for securing eye-safe property and 900 nm or less necessary for using inexpensive SiPD, and appropriately comply with the IrDA standard. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser device for spatial light transmission having no practical problem in the range of −25 ° C. to + 85 ° C.
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記半導体レーザ素子が、樹脂モールドされた状態で使用環境温度における発振波長が850nm以上900nm以下であることを特徴とする。 In one embodiment, the semiconductor laser device for spatial light transmission has an oscillation wavelength of 850 nm or more and 900 nm or less at a use environment temperature in a state where the semiconductor laser element is resin-molded.
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子が、樹脂モールドされた状態で850nm以上かつ900nm以下の発振波長範囲内において高出力で高速変調が可能となる。したがって、IrDA規格用の光源として最適な空間光伝送用半導体レーザ装置を実現できる。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above-described embodiment, the semiconductor laser element can perform high-speed and high-speed modulation within an oscillation wavelength range of 850 nm to 900 nm in a resin-molded state. Therefore, a semiconductor laser device for spatial light transmission that is optimal as a light source for the IrDA standard can be realized.
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記井戸層がIn1−x1Gax1As(0.85≦x1<1)であり、上記量子井戸構造における井戸幅dが4nm≦d≦8nmであることが好ましい。 In one embodiment of the semiconductor laser device for spatial light transmission, the well layer is In 1-x1 Ga x1 As (0.85 ≦ x1 <1), and the well width d in the quantum well structure is 4 nm ≦ d. It is preferable that ≦ 8 nm.
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、井戸層Gaの組成x1が0.85≦x1<1とすることにより、温度変化に対する発振波長の変動を小さくでき、発振波長が安定化する。また、量子井戸構造における井戸幅dが4nm≦d≦8nmとすることにより、閾値電流が低下して効率が上昇し、高出力化が可能となると共に、発光寿命τを小さくして高速変調が可能となり、さらに雑音が低減される。したがって、井戸層のGa組成x1が0.85≦x1<1、井戸幅dが4≦d≦8nmという条件を満たすとき、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、発光寿命τ、雑音、特性温度To、信頼性の全てを満足することができる。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above embodiment, when the composition x1 of the well layer Ga is 0.85 ≦ x1 <1, the fluctuation of the oscillation wavelength with respect to the temperature change can be reduced, and the oscillation wavelength is stabilized. To do. In addition, by setting the well width d in the quantum well structure to 4 nm ≦ d ≦ 8 nm, the threshold current is decreased, the efficiency is increased, the output can be increased, and the light emission lifetime τ is decreased to perform high-speed modulation. It becomes possible and noise is further reduced. Therefore, when the Ga composition x1 of the well layer satisfies the conditions of 0.85 ≦ x1 <1 and the well width d of 4 ≦ d ≦ 8 nm, the threshold current, efficiency, light emission lifetime τ, noise, characteristic temperature To of the semiconductor laser device are satisfied. , All of the reliability can be satisfied.
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記井戸層がIn1−x1Gax1As(0.9≦x1≦0.96)であり、上記量子井戸構造における井戸幅dが4nm≦d≦6nmであることが好ましい。 In one embodiment of the semiconductor laser device for spatial light transmission, the well layer is In 1-x1 Ga x1 As (0.9 ≦ x1 ≦ 0.96), and the well width d in the quantum well structure is 4 nm. It is preferable that ≦ d ≦ 6 nm.
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、井戸層Gaの組成x1が0.9≦x1≦0.96で温度変化に対する発振波長の変動を小さくでき、発振波長が安定化する。また、量子井戸構造における井戸幅dが4nm≦d≦6nmとすることにより、閾値電流が低下して効率が上昇し、高出力化が可能となると共に、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となり、さらに雑音が低減される。したがって、井戸層のGa組成x1が0.9≦x1≦0.96、井戸幅dが4≦d≦6nmという条件を満たすとき、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、発光寿命τ、雑音、特性温度To、信頼性の全てをより高いレベルで満足することができる。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above embodiment, the composition x1 of the well layer Ga is 0.9 ≦ x1 ≦ 0.96, so that the fluctuation of the oscillation wavelength with respect to the temperature change can be reduced, and the oscillation wavelength is stabilized. In addition, when the well width d in the quantum well structure is 4 nm ≦ d ≦ 6 nm, the threshold current is reduced, the efficiency is increased, the output can be increased, the emission lifetime τ can be reduced, and the high-speed modulation can be achieved. It becomes possible and noise is further reduced. Therefore, when the Ga composition x1 of the well layer satisfies the conditions of 0.9 ≦ x1 ≦ 0.96 and the well width d of 4 ≦ d ≦ 6 nm, the threshold current, efficiency, light emission lifetime τ, noise, characteristics of the semiconductor laser device are satisfied. All of the temperature To and the reliability can be satisfied at a higher level.
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記量子井戸構造における井戸数が4以下であることが好ましい。 Moreover, in the semiconductor laser device for spatial light transmission according to one embodiment, the number of wells in the quantum well structure is preferably 4 or less.
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、量子井戸構造における井戸数を増やすと、特性温度Toは大きくなり、温度に対して特性が安定する一方、井戸数が少ないほど発光寿命τが小さくでき、高速変調が可能となる。したがって、トレードオフの関係にある特性温度Toと発光寿命τを満足させるためには、井戸数4以下が望ましい。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above embodiment, when the number of wells in the quantum well structure is increased, the characteristic temperature To increases and the characteristics stabilize with respect to the temperature. Can be reduced, and high-speed modulation becomes possible. Therefore, in order to satisfy the characteristic temperature To and the light emission lifetime τ which are in a trade-off relationship, the number of wells is preferably 4 or less.
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、
上記バリア層がGax2In1−x2As1−yPyであり、
上記バリア層のGa組成x2とP組成yが、
y≦−2.17x2+2.5
y≧−1.64x2+1.63
y≦−0.27x2+0.88
x2≧0.65
の条件を満たすことを特徴とする。
Moreover, the semiconductor laser device for spatial light transmission of one embodiment is
The barrier layer is Ga x2 In 1-x2 As 1-y P y ,
The Ga composition x2 and P composition y of the barrier layer are
y ≦ −2.17x2 + 2.5
y ≧ −1.64 × 2 + 1.63
y ≦ −0.27x2 + 0.88
x2 ≧ 0.65
It satisfies the following conditions.
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、上記InGaAs井戸層に対して有効なGaInAsPバリア層を提供でき、高出力、低消費電力で、信頼性が高く、高速変調が可能になる。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above embodiment, a GaInAsP barrier layer effective for the InGaAs well layer can be provided, high output, low power consumption, high reliability, and high-speed modulation are possible. .
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記バリア層がAlx3Ga1−x3As(0.1≦x3≦0.3)であってもよい。 In one embodiment of the semiconductor laser device for spatial light transmission, the barrier layer may be Al x3 Ga 1-x3 As (0.1 ≦ x3 ≦ 0.3).
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、上記InGaAs井戸層に対して、量子井戸構造を形成するのに有効なAlGaAsバリア層を提供でき、高出力化、低消費電力で、高速変調が可能になる。ここで、バリア層とは、量子井戸構造を構成していて、井戸層を挟んでいる層を指しており、後述するガイド層とは区別している。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above embodiment, an AlGaAs barrier layer effective for forming a quantum well structure can be provided for the above InGaAs well layer, and high output, low power consumption, and high speed can be provided. Modulation is possible. Here, the barrier layer refers to a layer that forms a quantum well structure and sandwiches the well layer, and is distinguished from a guide layer described later.
また、半導体レーザ素子を樹脂モールドして空間光伝送用レーザモジュールとして使用すると放熱が悪く、波長の変動が大きくなるため、幅広い温度変動を考慮する必要があり、通常の半導体レーザ素子と比べて、温度に対して、波長および特性がより安定しており、高温動作でも信頼性を確保する必要がある。
また、AlGaAsバリア層を用いた場合、バリア層のAl組成x3が0.1≦x3≦0.3の範囲内で小さい(Ga組成が大きい)ほど動作電圧Vopが下がって安定するのでより好ましい。
Also, if the semiconductor laser element is resin-molded and used as a spatial light transmission laser module, heat dissipation is poor and wavelength fluctuations increase, so it is necessary to consider a wide range of temperature fluctuations, compared to ordinary semiconductor laser elements, The wavelength and characteristics are more stable with respect to temperature, and it is necessary to ensure reliability even at high temperature operation.
In addition, when an AlGaAs barrier layer is used, it is more preferable that the Al composition x3 of the barrier layer is smaller within the range of 0.1 ≦ x3 ≦ 0.3 (the larger the Ga composition), the lower the operating voltage Vop becomes stable.
また、AlGaAsバリア層を用いると、特性温度Toは、GaInAsPバリア層を用いるよりも向上する。これは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドの差がAlGaAsバリア層を用いた方が大きくできるためと考えられる。特にAl組成0.15以上で効果は大きい。 In addition, when the AlGaAs barrier layer is used, the characteristic temperature To is improved as compared with the case where the GaInAsP barrier layer is used. This is presumably because the difference in the conduction band between the well layer and the barrier layer can be increased by using the AlGaAs barrier layer. In particular, the effect is large at Al composition of 0.15 or more.
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記ガイド層がAlx4Ga1−x4As(x4≧0.3)であってもよい。 In one embodiment of the semiconductor laser device for spatial light transmission, the guide layer may be Al x4 Ga 1-x4 As (x4 ≧ 0.3).
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、AlGaAsをガイド層として用いると、効率が向上し、動作電圧Vopも低下して高出力化ができる。また、AlGaAsガイド層により、特性温度Toが向上し、高温で安定動作し、AlGaAsガイド層のAl組成が0.3以上で特に特性温度Toの向上に効果がある。 According to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the above-described embodiment, when AlGaAs is used as the guide layer, the efficiency is improved and the operating voltage Vop is also lowered to increase the output. Further, the AlGaAs guide layer improves the characteristic temperature To, operates stably at a high temperature, and has an effect of improving the characteristic temperature To especially when the Al composition of the AlGaAs guide layer is 0.3 or more.
また、この発明の空間光伝送システムは、上記のいずれか1つの空間光伝送用半導体レーザ装置を備えたことを特徴とする。 A spatial light transmission system according to the present invention includes any one of the above-described semiconductor laser devices for spatial light transmission.
上記構成の空間光伝送システムによれば、上記空間光伝送用半導体レーザ装置を備えることにより、数十から百Mbpsを超える高速空間光伝送が実現できる。そのため、携帯端末をはじめ、パーソナルサーバ、パーソナルコンピュータ、プリンタなど、様々な機器に上記空間光伝送用半導体レーザ装置を搭載しておくことにより、それぞれの機器間で高速なワイヤレスデータ伝送を行うことができる。従来、IrDA規格に準ずる半導体レーザ装置で伝送を行うと、高画質画像データや動画データ等のデータ容量が大きいため、十秒〜数十秒以上の時間がかかり、必ずしも使い勝手は良いものではなかった。これに対して、この発明の空間光伝送システムでは、前述の空間光伝送用半導体レーザ装置を使用することにより、高速でデータ伝送を行うことができため、瞬時にデータを送ることが可能となり、高い頻度で手軽にデータを伝送することができ、利便性が飛躍的に向上する。 According to the spatial light transmission system configured as described above, high-speed spatial light transmission exceeding several tens to a hundred Mbps can be realized by providing the semiconductor laser device for spatial light transmission. Therefore, high-speed wireless data transmission can be performed between each device by mounting the above-mentioned semiconductor laser device for spatial light transmission in various devices such as portable terminals, personal servers, personal computers, and printers. it can. Conventionally, when transmission is performed with a semiconductor laser device conforming to the IrDA standard, since the data capacity of high-quality image data, moving image data, etc. is large, it takes 10 seconds to several tens of seconds or more, and the usability is not necessarily good. . On the other hand, in the spatial light transmission system of the present invention, by using the above-described semiconductor laser device for spatial light transmission, data can be transmitted at high speed, so that data can be sent instantaneously, Data can be easily transmitted at high frequency, and convenience is greatly improved.
以上より明らかなように、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、LEDと比べて高出力化が可能となり、数十MHzを越える高速伝送や、より長距離での高速な伝送ができる低消費電力な空間光伝送用の光源を提供することができる。また、例えば−25℃〜+85℃の使用環境温度範囲における発振波長を850nm以上かつ900nm以下とすることが可能となり、波長が比較的長くなる分、眼に対する安全性が向上すると同時に、安価なSiフォトダイオードを用いることができる。 As is clear from the above, according to the semiconductor laser device for spatial light transmission of the present invention, it is possible to increase the output as compared with the LED, and high-speed transmission exceeding several tens of MHz and high-speed transmission over a longer distance are possible. It is possible to provide a light source for spatial light transmission with low power consumption. Further, for example, the oscillation wavelength in the use environment temperature range of −25 ° C. to + 85 ° C. can be set to 850 nm or more and 900 nm or less. A photodiode can be used.
また、この発明の空間光伝送システムによれば、上記空間光伝送用半導体レーザ装置を用いることにより、高速伝送や、より長距離での高速な空間光伝送が低消費電力で可能な空間光伝送システムを実現することができる。 In addition, according to the spatial light transmission system of the present invention, by using the semiconductor laser device for spatial light transmission, high-speed transmission and high-speed spatial light transmission over a long distance can be achieved with low power consumption. A system can be realized.
この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置および空間光伝送システムの実施の形態を説明する前に、本発明者が実施した実験結果等に基づいて本発明を説明する。 Before describing the embodiments of the semiconductor laser device for spatial light transmission and the spatial light transmission system according to the present invention, the present invention will be described based on the results of experiments conducted by the present inventors.
空間光伝送用に半導体レーザ素子を用いるには、まず、最適な発振波長を考える必要がある。また、高速な空間光伝送を行うには、半導体レーザ素子として次の(1)〜(3)が必要となる。
(1) 高出力(すなわち低閾値電流、高効率、高信頼性)
(2) 発光寿命τが小さい
(3) 雑音が小さい
(4) 低閾値電流、高効率、低動作電圧
(5) 使用環境温度範囲で、波長λ、閾値電流Ith等の特性が安定
In order to use a semiconductor laser element for spatial light transmission, it is first necessary to consider an optimum oscillation wavelength. In order to perform high-speed spatial light transmission, the following (1) to (3) are required as semiconductor laser elements.
(1) High output (ie low threshold current, high efficiency, high reliability)
(2) Light emission lifetime τ is small
(3) Low noise
(4) Low threshold current, high efficiency, low operating voltage
(5) Stable characteristics such as wavelength λ, threshold current Ith, etc. in the operating environment temperature range
[発振波長について]
従来のLEDに代えて半導体レーザ素子を空間光伝送用光源として使用する場合には、レーザ光が目に入ったときの安全性を確保する必要がある。レーザ光の波長が短いほど眼球に絞られる光スポットの大きさが小さくなり、すなわち光密度が大きくなり、目に与える損傷は大きくなる。そこで、アイセーフの観点からは、半導体レーザ素子の発振波長は850nmより長い方が望ましい。
[About oscillation wavelength]
When a semiconductor laser element is used as a light source for spatial light transmission instead of a conventional LED, it is necessary to ensure safety when laser light enters the eyes. The shorter the wavelength of the laser light, the smaller the size of the light spot focused on the eyeball, that is, the light density increases, and the damage to the eyes increases. Therefore, from the viewpoint of eye-safety, it is desirable that the oscillation wavelength of the semiconductor laser element is longer than 850 nm.
また、空間光伝送用のディテクタとしては、システムのコストを抑えるために従来から使われている安価なSiフォトダイオードを用いることが望ましい。このSiフォトダイオードは、900nm付近から波長が長くなるほど感度が低下し始めるため、半導体レーザ素子の発振波長は、使用環境温度範囲内で900nm以下にすることが望まれる。なお、ディテクタにInPフォトダイオードも用いる場合も、900nm付近から波長が長くなるほど感度が低下するため、半導体レーザ素子の発振波長は使用環境温度範囲内で、900nm以下にする必要がある。 In addition, as a detector for spatial light transmission, it is desirable to use an inexpensive Si photodiode conventionally used in order to reduce the cost of the system. Since the sensitivity of this Si photodiode begins to decrease as the wavelength increases from around 900 nm, it is desirable that the oscillation wavelength of the semiconductor laser element be 900 nm or less within the operating environment temperature range. Even when an InP photodiode is used as the detector, the sensitivity decreases as the wavelength increases from around 900 nm. Therefore, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element must be 900 nm or less within the operating environment temperature range.
空間光伝送用半導体レーザ装置として、使用環境が例えば−25℃から85℃までの温度範囲(半導体レーザ素子自体の温度と区別して使用環境温度と称する)での使用に関し、本発明者は、850nm〜900nm帯半導体レーザ素子を作製し、発振波長の使用環境温度に対する依存性を実験により調べた。 As the semiconductor laser device for spatial light transmission, the present inventor relates to the use in a temperature range of, for example, −25 ° C. to 85 ° C. (referred to as the use environment temperature in distinction from the temperature of the semiconductor laser element itself). A ~ 900 nm band semiconductor laser device was fabricated, and the dependence of the oscillation wavelength on the operating environment temperature was examined by experiment.
図10に発振波長の使用環境温度依存性を表すグラフを示す。この図において、横軸は温度[℃]を表し、縦軸は発振波長[nm]を表している。実験の結果、半導体レーザ素子をモールドすることによって、発振波長が5〜15nm長くなることが分かった。図中の黒四角◆と黒丸●はモールド無しのデータ点であり、それらをそれぞれモールドしたものが白四角◇と白丸○である。モールド後の半導体レーザ素子の発振波長が、‐25℃から+85℃の温度範囲で850nm以上900nm以下にするために、モールド前後での発振波長変動を考慮して半導体レーザ素子を作製している。
具体的には、−25℃における黒丸●に示すモールド無しの半導体レーザ素子の発振波長は845nmとなるようにし、また、+85℃における黒四角◆に示す半導体レーザ素子の半導体レーザ素子の発振波長は885nmとなるようにしている。このことによって、−25℃における白丸○に示すモールド後の半導体レーザ素子の発振波長は850nmであり、+85℃における白四角◇に示す半導体レーザ素子の発振波長は900nmとなっている。
なお、+85℃における黒丸●と白丸○のばらつきと、−25℃における黒四角◆と白四角◇のばらつきは、井戸/バリアの構成(井戸厚、バリア組成、井戸組成など)の違いにより、+85℃や−25℃で同じ波長であっても温度が変わるにつれて、波長の変動幅が変わることを示している。
FIG. 10 shows a graph showing the dependence of the oscillation wavelength on the operating environment temperature. In this figure, the horizontal axis represents temperature [° C.], and the vertical axis represents oscillation wavelength [nm]. As a result of the experiment, it was found that the oscillation wavelength was increased by 5 to 15 nm by molding the semiconductor laser element. In the figure, black squares ◆ and black circles ● are data points without molding, and white squares ◇ and white circles ○ are obtained by molding them, respectively. In order for the oscillation wavelength of the semiconductor laser element after molding to be 850 nm to 900 nm in the temperature range of −25 ° C. to + 85 ° C., the semiconductor laser element is manufactured in consideration of oscillation wavelength fluctuations before and after molding.
Specifically, the oscillation wavelength of the unmolded semiconductor laser element indicated by the black circle ● at −25 ° C. is set to 845 nm, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser element indicated by the black square ◆ at + 85 ° C. is It is set to 885 nm. Thus, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element after molding indicated by a white circle ◯ at −25 ° C. is 850 nm, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser element indicated by a white square ◇ at + 85 ° C. is 900 nm.
Note that the variation in black circles ● and white circles at + 85 ° C. and the variation in black squares ◆ and white squares ◇ at −25 ° C. are +85 depending on the well / barrier configuration (well thickness, barrier composition, well composition, etc.). It shows that the fluctuation range of the wavelength changes as the temperature changes even at the same wavelength at ℃ and -25 ℃.
図10から明らかなように、発振波長は、1℃上昇すると約0.24nm〜0.29nm波長が長くなり、85℃における波長と−25℃における波長との差は約30nmとなることが分かる。 As is apparent from FIG. 10, when the oscillation wavelength rises by 1 ° C., the wavelength of about 0.24 nm to 0.29 nm becomes longer, and the difference between the wavelength at 85 ° C. and the wavelength at −25 ° C. is about 30 nm. .
さらに、本発明者は、アイセーフ化のために拡散剤を混入した樹脂で半導体レーザ素子をモールドし、モールドサイズやモールド材料、モールド方法を変えたアイセーフ半導体レーザ装置を作製し、発振波長の使用環境温度に対する依存性を実験により調べた。その結果、モールドすることによって放熱性が悪くなり、モールドサイズやモールド材料、モールド方法により異なるが、半導体レーザ素子の駆動時の波長がモールドしないときよりも前述のように5nm〜15nm長くなることが分かった。例えば、モジュールのサイズを変えた場合、サイズが小さいと放熱が悪くなるため、波長の変動が大きくなる一方、大型モジュールであれば、比較的放熱が良く、波長変動も小さくなる。 Further, the inventor molds a semiconductor laser element with a resin mixed with a diffusing agent to make it eye-safe, produces an eye-safe semiconductor laser device in which a mold size, a molding material, and a molding method are changed, and uses an oscillation wavelength. The dependence on temperature was investigated experimentally. As a result, heat dissipation becomes worse by molding, and depending on the mold size, molding material, and molding method, the wavelength at the time of driving the semiconductor laser element may be 5 nm to 15 nm longer than that when not molding as described above. I understood. For example, if the size of the module is changed, the heat dissipation becomes worse if the size is small, so that the wavelength fluctuation increases. On the other hand, if the module is large, the heat dissipation is relatively good and the wavelength fluctuation is also small.
このように、アイセーフ半導体レーザ装置では、使用環境温度による波長の変動に加えて、使用形態による波長の変動も考慮する必要があり、製造上の波長ばらつきも含めて、使用するモジュールによりモールドした状態で発振波長を850nm〜900nmとする必要がある。同じ半導体レーザ素子のチップでさまざまな空間光伝送用半導体レーザ装置のアプリケーションに対応するには、幅広い温度変動を考慮する必要がある。したがって、温度に対して、発振波長および特性をより安定させ、高温動作でも信頼性を確保する必要がある。 As described above, in the eye-safe semiconductor laser device, it is necessary to consider the wavelength variation due to the usage pattern in addition to the wavelength variation due to the use environment temperature, and the state of being molded by the module to be used, including the wavelength variation in manufacturing. Therefore, the oscillation wavelength needs to be 850 nm to 900 nm. In order to cope with various applications of semiconductor laser devices for spatial light transmission with the same semiconductor laser element chip, it is necessary to consider a wide range of temperature fluctuations. Therefore, it is necessary to stabilize the oscillation wavelength and characteristics with respect to temperature and to ensure reliability even at high temperature operation.
上記使用環境温度範囲として−25℃〜85℃を想定した場合、半導体レーザ素子自体の温度変化による発振波長の変動が約30nmあり、モールドすることによりさらに5nm〜15nm波長が長くなることから、アイセーフ化したモールド半導体レーザ装置では、40nmの波長変動を考慮する必要がある。最適な発振波長範囲が850nm〜900nmであるのに対して、10nmしか波長変動に対するマージンが無いことになる。したがって、モールドをしない状態の半導体レーザ素子で発振波長を厳密に決めておかないと、モールドした場合に最適な発振波長範囲から外れる可能性が生じる。 Assuming that −25 ° C. to 85 ° C. is assumed as the above operating environment temperature range, the fluctuation of the oscillation wavelength due to the temperature change of the semiconductor laser element itself is about 30 nm, and the wavelength becomes longer by 5 to 15 nm by molding. In the molded semiconductor laser device, it is necessary to consider the wavelength variation of 40 nm. While the optimal oscillation wavelength range is 850 nm to 900 nm, there is only a margin for wavelength fluctuation of 10 nm. Therefore, unless the oscillation wavelength is determined strictly in a semiconductor laser element in a state where it is not molded, there is a possibility that it is outside the optimum oscillation wavelength range when molded.
そこで、モールドした状態の半導体レーザ素子の発振波長を850nm〜900nmにするには、元のモールドしない状態でどのようにすればよいか考えた場合、使用環境温度−25℃〜85℃の範囲で発振波長850nm〜900nmにするには、−25℃で850nm以上かつ85℃で900nm以下にすればよい。半導体レーザ素子の温度が1℃上昇すると約0.24nm〜0.29nm波長が長くなることから、85℃で900nm以下にするには、室温(25℃)で発振波長を886nm(=900nm−0.24nm/℃×(85−25)℃)〜約883nm(=900nm−0.29nm/℃×(85−25)℃)以下であればよい。また、−25℃で850nm以上にするには、室温(25℃)で発振波長を約862nm(=850nm+0.24nm/℃×(25−(−25))℃)〜864nm(=850nm+0.29nm/℃×(25−(−25))℃)以上であればよい。 Therefore, in order to make the oscillation wavelength of the semiconductor laser element in the molded state 850 nm to 900 nm, when considering how to do it in the original unmolded state, the operating environment temperature is in the range of -25 ° C to 85 ° C. In order to obtain an oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm, the wavelength may be 850 nm or more at −25 ° C. and 900 nm or less at 85 ° C. When the temperature of the semiconductor laser element rises by 1 ° C., the wavelength of about 0.24 nm to 0.29 nm becomes longer. Therefore, in order to reduce the wavelength to 900 nm or less at 85 ° C., the oscillation wavelength is 886 nm (= 900 nm−0 at room temperature (25 ° C.)). What is necessary is just to be below .24 nm / ° C. × (85-25) ° C.) to about 883 nm (= 900 nm−0.29 nm / ° C. × (85-25) ° C.). In order to obtain 850 nm or more at −25 ° C., the oscillation wavelength is about 862 nm (= 850 nm + 0.24 nm / ° C. × (25 − (− 25)) ° C.) to 864 nm (= 850 nm + 0.29 nm / at room temperature (25 ° C.). ° C x (25-(-25)) ° C) or more.
さらに、半導体レーザ素子を樹脂モールドすることにより、波長が5nm〜15nm長くなることを考慮すると、85℃で900nm以下にするには、モールドしない状態では、室温(25℃)で発振波長を約871nm(=886nm−15nm)〜868nm(=883nm−15nm)以下に、−25℃で850nm以上にするには、モールドしない状態では、857nm(=862nm−5nm)〜859nm(=864nm−5nm)以上となる。 Furthermore, considering that the wavelength of the semiconductor laser element is increased by 5 nm to 15 nm by resin molding, in order to reduce the wavelength to 900 nm or less at 85 ° C., the oscillation wavelength is about 871 nm at room temperature (25 ° C.) without molding. (= 886 nm−15 nm) to 868 nm (= 883 nm−15 nm) or less, and to be 850 nm or more at −25 ° C. Become.
以上より、モールドしない状態では25℃で857nm〜871nm、好ましくは859nm〜868nmとすることにより、モールドした状態において、使用環境温度範囲−25℃〜85℃で空間光伝送用半導体レーザ装置として必要な発振波長850nm〜900nmを得ることが可能となる。 From the above, it is necessary as a semiconductor laser device for spatial light transmission in the operating environment temperature range of −25 ° C. to 85 ° C. in the molded state by setting the thickness to 857 nm to 871 nm, preferably 859 nm to 868 nm at 25 ° C. in the unmolded state. An oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm can be obtained.
なお、ここでは使用環境温度を−25℃〜85℃としたが、−25℃〜85℃の範囲は実用上十分すぎるほどであり、使用環境温度範囲が狭ければ波長範囲は広くなるが、少なくとも上記発振波長の範囲内であれば問題ない。 In addition, although the use environment temperature was set to -25 ° C to 85 ° C here, the range of -25 ° C to 85 ° C is practically sufficient, and if the use environment temperature range is narrow, the wavelength range is widened. There is no problem as long as it is at least within the range of the oscillation wavelength.
また、半導体レーザ素子の発振波長は、井戸層のバンドギャップエネルギーEg、井戸幅、バリアの高さにより決まるが、空間光伝送用半導体レーザ装置としてどのような井戸層を用いるのが適しているかについて、本発明者が検討した結果、空間光伝送用半導体レーザ装置として、InGaAs層を量子井戸層として用いた場合、井戸層のGa組成が小さく、井戸幅が薄いほど、温度に対する発振波長の変動は小さいことが分かった。 The oscillation wavelength of the semiconductor laser element is determined by the band gap energy Eg of the well layer, the well width, and the height of the barrier. What kind of well layer is suitable for use as a semiconductor laser device for spatial light transmission? As a result of studies by the present inventors, when an InGaAs layer is used as a quantum well layer as a semiconductor laser device for spatial light transmission, the fluctuation of the oscillation wavelength with respect to temperature decreases as the Ga composition of the well layer decreases and the well width decreases. I found it small.
これは、GaAsよりもInAsの方が発振波長の温度依存が小さいため、井戸の混晶比がInAsに近いほど発振波長の温度依存は小さくなるためと考えられる。すなわち、InGaAs井戸層のGa組成が小さいほど、発振波長の温度依存は小さくなる。したがって、井戸幅が薄いほど、あるいは、バリアが高いほど、同じ波長にするにはInGaAs井戸層のGa組成は小さくなるため、発振波長の温度依存は小さくなる。発振波長の温度依存という観点からは、井戸層のGa組成は小さく、井戸幅は薄い方が望ましい。 This is probably because InAs is less temperature dependent on the oscillation wavelength than GaAs, the temperature dependence of the oscillation wavelength is smaller as the mixed crystal ratio of the well is closer to InAs. That is, as the Ga composition of the InGaAs well layer is smaller, the temperature dependence of the oscillation wavelength is smaller. Accordingly, the thinner the well width or the higher the barrier, the smaller the Ga composition of the InGaAs well layer for the same wavelength, and therefore the temperature dependence of the oscillation wavelength becomes smaller. From the viewpoint of temperature dependence of the oscillation wavelength, it is desirable that the well layer has a small Ga composition and a small well width.
[特性温度Toについて]
また、空間光伝送用半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子のチップの温度上昇分も考慮し、使用範囲内で波長が安定すると共に、素子特性が安定する必要がある。素子特性の温度Tに対する安定性を表すのに特性温度Toが用いられ、閾値電流Ithは、
Ith ∝ exp(T/To)
で表される。特性温度Toが大きいほど、温度変化に対して素子特性が安定している。空間光伝送用半導体レーザ装置では、上記のように幅広い温度範囲での動作が必要であり, 特性温度Toをより高くすることが必要となる。
[Characteristic temperature To]
In addition, in the semiconductor laser device for spatial light transmission, the temperature rise of the chip of the semiconductor laser element is taken into consideration, and the wavelength needs to be stabilized within the use range, and the element characteristics need to be stabilized. The characteristic temperature To is used to express the stability of the element characteristic with respect to the temperature T, and the threshold current Ith is
Ith ∝ exp (T / To)
It is represented by The larger the characteristic temperature To, the more stable the element characteristics against temperature changes. In the semiconductor laser device for spatial light transmission, it is necessary to operate in a wide temperature range as described above, and it is necessary to increase the characteristic temperature To.
本発明者が行った実験によると、InGaAs層を量子井戸層として用いた空間光伝送用半導体レーザ装置の場合、井戸幅を厚くするか、あるいは井戸数を増やすと、特性温度Toは大きくなり、温度に対して特性が安定した。これは、井戸層の体積を増やしたことにより、キャリアが井戸層の外へ溢れ出る量が減ったため、特性温度Toが増大したと考えられる。なお、特性温度Toの観点からは、井戸幅を厚く、井戸数を増やしたほうが望ましいが、特性温度Toに関してはバリア層やガイド層によっても大きくできるため、井戸層としては他の特性とも絡めて考える必要がある。 According to experiments conducted by the present inventors, in the case of a semiconductor laser device for spatial light transmission using an InGaAs layer as a quantum well layer, the characteristic temperature To increases as the well width increases or the number of wells increases. The characteristics were stable with respect to temperature. This is presumably because the characteristic temperature To increased because the amount of carriers overflowing from the well layer decreased by increasing the volume of the well layer. From the viewpoint of the characteristic temperature To, it is desirable to increase the well width and the number of wells. However, the characteristic temperature To can be increased by the barrier layer and the guide layer. I need to think about it.
[高出力化について]
また、高速伝送を行うには、光源の高出力化が必要となる。半導体レーザ素子において高出力を実現するには、少ないキャリアの注入でより多く光らせること、また、発振光の吸収を減らすことが必要となる。すなわち、閾値電流が低く、効率が高いことが望まれる。また、キャリアの注入量や、発振光の吸収が増えると、半導体レーザ素子のチップ温度が上昇し、劣化の原因となり、さらに高出力化が難しくなる。すなわち、半導体レーザ素子に高い信頼性が求められる。
[About high output]
Further, in order to perform high-speed transmission, it is necessary to increase the output of the light source. In order to achieve a high output in a semiconductor laser element, it is necessary to emit more light with less carrier injection and to reduce the absorption of oscillation light. That is, it is desired that the threshold current is low and the efficiency is high. Further, when the amount of injected carriers and the absorption of oscillation light increase, the chip temperature of the semiconductor laser element rises, causing deterioration and making it difficult to increase the output. That is, high reliability is required for the semiconductor laser element.
空間光伝送用半導体レーザ装置の活性層としては量子井戸構造が適しており、InGaAs層を量子井戸層として用いる場合は、井戸幅を薄くするほど、量子効果により少ないキャリアで効率よく光に変換されるようになり、閾値電流が下がって効率が向上する。ただし、井戸幅を4nm以下にすると、利得の飽和が生じてしまうため、4nm以上であることが望ましい。 The quantum well structure is suitable as the active layer of the semiconductor laser device for spatial light transmission. When the InGaAs layer is used as the quantum well layer, the thinner the well width, the more efficiently the light is converted with less carriers due to the quantum effect. As a result, the threshold current is lowered and the efficiency is improved. However, if the well width is 4 nm or less, gain saturation occurs, so it is desirable that the well width be 4 nm or more.
また、井戸幅を薄くすると、同じ発振波長にするには井戸層のバンドギャップエネルギーEgを小さくする必要があるが、井戸層のバンドギャップエネルギーEgを小さくするために井戸層のInの組成を増やしていくと、歪量が増加し、キャリアの有効質量が低下して、閾値電流が低下することにより、効率が向上するという効果もある。 If the well width is reduced, the bandgap energy Eg of the well layer needs to be reduced in order to obtain the same oscillation wavelength, but the In composition of the well layer is increased in order to reduce the bandgap energy Eg of the well layer. As the amount of distortion increases, the amount of strain increases, the effective mass of the carrier decreases, and the threshold current decreases, thereby improving the efficiency.
したがって、高出力化という観点からは、InGaAs井戸層のGa組成を小さくし、井戸幅を薄くすることが望ましい。 Therefore, from the viewpoint of higher output, it is desirable to reduce the Ga composition of the InGaAs well layer and reduce the well width.
[信頼性について]
半導体を結晶成長させるとき、その結晶性が重要になってくるが、結晶欠陥や酸素などの不純物が結晶中に取り込まれると、これらは非発光再結合中心となる。
[About reliability]
The crystallinity becomes important when a semiconductor is crystal-grown, but when impurities such as crystal defects and oxygen are taken into the crystal, these become non-radiative recombination centers.
非発光再結合中心が活性層中に多く存在すると、キャリアは発振に寄与する発光再結合以外に、非発光再結合として消費されてしまうため、半導体レーザ素子に注入したキャリアが光に変換される効率が低下し、高い光出力を出せなくなる。また、これら結晶欠陥や酸素などの不純物は、レーザ光に対して吸収体となり、これら吸収体が多いと半導体レーザ素子内に分布しているレーザ光の吸収が大きくなり、出射される光出力がさらに低下する。また、発光再結合は、キャリアのエネルギーが光のエネルギーに変換されるのに対して、非発光再結合は熱エネルギーに変換されることから、非発光再結合により半導体レーザ素子の温度が上昇する。また、レーザ光を吸収する結晶欠陥が増殖して、次々と非発光再結合中心が増大していき、半導体レーザ素子が劣化してしまうといった問題が生じる。 If many non-radiative recombination centers are present in the active layer, carriers are consumed as non-radiative recombination in addition to radiative recombination that contributes to oscillation, so that the carriers injected into the semiconductor laser element are converted into light. The efficiency is reduced and a high light output cannot be produced. In addition, these crystal defects and impurities such as oxygen become an absorber for laser light, and if there are many of these absorbers, the absorption of the laser light distributed in the semiconductor laser element increases, and the emitted light output is increased. Further decrease. In addition, in radiative recombination, carrier energy is converted into light energy, whereas non-radiative recombination is converted into thermal energy. Therefore, the temperature of the semiconductor laser device rises due to non-radiative recombination. . In addition, crystal defects that absorb the laser light grow and non-radiative recombination centers increase one after another, causing a problem that the semiconductor laser element deteriorates.
このように、活性層中に非発光再結合中心や光の吸収体となる結晶欠陥や酸素などの不純物などが存在すると、活性層自体が劣化していく。 As described above, when there are non-radiative recombination centers, crystal defects serving as light absorbers, impurities such as oxygen, and the like in the active layer, the active layer itself deteriorates.
また、半導体レーザ素子は、発振させるためのミラーをへき開により形成しており、へき開時に空気に曝されることによりレーザ端面が酸化され、この端面に形成された酸化物もまた吸収体となる。半導体レーザ素子の出射端面にこのような吸収体が存在すると、レーザ発振した光が吸収されて、温度が上昇する。そうして、温度が上がることにより、出射端面付近の活性層のバンドギャップが小さくなり、端面部分の吸収量がさらに増え、さらに温度が上昇する。という正の帰還が働き、ついには端面破壊(COD)が起きてしまう。 In the semiconductor laser element, a mirror for oscillation is formed by cleavage, and the laser end face is oxidized by being exposed to air at the time of cleavage, and the oxide formed on this end face also becomes an absorber. When such an absorber exists on the emission end face of the semiconductor laser element, the laser-oscillated light is absorbed and the temperature rises. As the temperature rises, the band gap of the active layer near the emission end face becomes smaller, the amount of absorption at the end face portion further increases, and the temperature rises further. Positive feedback that works, and end face destruction (COD) will eventually occur.
しかしながら、半導体レーザ素子は、量子井戸活性層の井戸幅を厚くしたり、井戸数を増やしたりすると、信頼性は向上する。これは、井戸層の体積が増えることにより、単位体積当りの光強度(光密度)が小さくなるため、井戸層内や出射端面において、同じ密度で吸収体が存在していたとしてもその吸収体が受ける光の強度は小さくなり、吸収量が減少するため、その結果信頼性が向上したからと考えられる。 However, the reliability of the semiconductor laser device is improved when the well width of the quantum well active layer is increased or the number of wells is increased. This is because the light intensity (light density) per unit volume decreases as the volume of the well layer increases, so even if there is an absorber with the same density in the well layer or at the emission end face, the absorber This is considered to be because the intensity of light received is reduced and the amount of absorption decreases, resulting in improved reliability.
また、本発明者が行った実験によると、空間光伝送用半導体レーザ装置では、井戸幅が薄い場合であっても、高い信頼性が保たれた。これは、InGaAs層を量子井戸層として用いると、活性なAlを含まないため、酸素などの不純物が井戸層中に取り込まれにくくなるのとともに、井戸幅が薄いと同じ発振波長とするには井戸層のGa組成を小さく(In組成を大きく)する必要があり、井戸層のInが増えることにより、活性層中の結晶欠陥の伝播が抑えられることから、信頼性が向上したものと考えられる。 Also, according to experiments conducted by the present inventors, high reliability was maintained in the semiconductor laser device for spatial light transmission even when the well width was thin. This is because, when an InGaAs layer is used as a quantum well layer, it does not contain active Al, so that impurities such as oxygen are not easily taken into the well layer. It is considered that the reliability is improved because it is necessary to reduce the Ga composition of the layer (increase the In composition) and increase the In of the well layer to suppress the propagation of crystal defects in the active layer.
[発光寿命τについて]
空間光伝送では、光源をオン/オフ(または高出力/低出力)することにより、1/0の信号を伝送している。ここで、光源をオンからオフにしたときに、光強度はある時間をもって減衰していく。これを発光寿命τと呼ぶ。この光の減衰は、活性層内に注入されていたキャリアがある時間をもって再結合していくためと考えることができる。
[About luminous lifetime τ]
In spatial light transmission, a 1/0 signal is transmitted by turning a light source on / off (or high output / low output). Here, when the light source is turned off from on, the light intensity attenuates over a period of time. This is called the light emission lifetime τ. This attenuation of light can be thought to be due to the recombination of the carriers injected into the active layer over time.
キャリアの再結合には、レーザ発振が寄与している発光再結合と、活性層内に存在する非発光再結合中心を介して再結合する非発光再結合がある。光の減衰について考えると、非発光再結合中心が多いほど、その分の再結合量が増すため、発光寿命τは小さく(光の減衰は大きく)なるといえる。 Carrier recombination includes luminescent recombination contributed by laser oscillation and non-radiative recombination recombining via a non-radiative recombination center existing in the active layer. Considering the light attenuation, it can be said that as the number of non-radiative recombination centers increases, the amount of recombination increases accordingly, so that the light emission lifetime τ is small (the light attenuation is large).
前述の通り、結晶成長(結晶性)やLD特性の観点から見ると、非発光再結合中心や光の吸収体となる結晶欠陥や酸素などの不純物はできる限り少なくする必要がある。すなわち、半導体レーザ素子を作製する上では、できる限り発光寿命τを大きくする方が一般的には望ましい。 As described above, from the viewpoint of crystal growth (crystallinity) and LD characteristics, impurities such as non-radiative recombination centers, crystal defects and oxygen absorbers must be reduced as much as possible. In other words, it is generally desirable to increase the light emission lifetime τ as much as possible in manufacturing the semiconductor laser device.
一方、空間光伝送を考えると、光源をオフにした後、光が減衰して初めて信号が0になるため、発光寿命τが長いと次にオンにするまでの時間を長く取らないと、1と0の信号を分離できなくなり、通信エラーの原因となる。したがって、より高速に変調することを考えると、発光寿命τはできる限り小さくする必要がある。 On the other hand, considering spatial light transmission, the signal becomes 0 only after the light source is turned off after the light source is turned off. Therefore, if the light emission lifetime τ is long, the time until turning it on next must be long. And 0 cannot be separated, causing a communication error. Therefore, considering the modulation at higher speed, the light emission lifetime τ needs to be as small as possible.
このように、半導体レーザ素子の特性と高速変調とは、発光寿命τについてトレードオフの関係にある。したがって、空間光伝送用に半導体レーザ素子を用いる場合は、半導体レーザ素子の特性、信頼性が充分に保たれる範囲でできる限り発光寿命τは小さくする必要がある。 Thus, the characteristics of the semiconductor laser device and the high-speed modulation are in a trade-off relationship with respect to the light emission lifetime τ. Therefore, when a semiconductor laser element is used for spatial light transmission, it is necessary to reduce the emission lifetime τ as much as possible within the range where the characteristics and reliability of the semiconductor laser element are sufficiently maintained.
そこで、本発明者が発光寿命τの活性層厚さに対する依存性を実験により調べたところ、発光寿命τは活性層の厚さに依存していることが分かり、活性層の厚さを薄くするほど発光寿命τは小さくできることが分かった。すなわち、バルクの活性層よりも量子井戸活性層の方が発光寿命τは小さくでき、また、量子井戸活性層の井戸幅が薄い方が発光寿命τは小さくでき、高速変調が可能となり、空間光伝送用半導体レーザ装置としては適していることが分かった。また、活性層を量子井戸構造とすることにより、バルク活性層と比べて、量子効果によりキャリアから光の変換効率が向上し、低閾値、高効率で高出力まで高い信頼性の素子特性が得られ、同時に発光寿命τを小さくすることも可能となった。井戸幅は薄いほど効果が大きく、また、井戸数が少ないほど発光寿命τは小さくなり、井戸数4以下が望ましい。 Therefore, when the present inventor examined the dependence of the emission lifetime τ on the active layer thickness by experiment, it was found that the emission lifetime τ depends on the thickness of the active layer, and the thickness of the active layer is reduced. It was found that the light emission lifetime τ can be reduced. That is, the quantum well active layer has a shorter emission lifetime τ than the bulk active layer, and the thinner the quantum well active layer, the smaller the emission lifetime τ, enabling high-speed modulation and spatial light. It was found to be suitable as a semiconductor laser device for transmission. In addition, by making the active layer a quantum well structure, the efficiency of carrier-to-light conversion is improved by the quantum effect compared to the bulk active layer, and device characteristics with low threshold, high efficiency, and high reliability are obtained. At the same time, the light emission lifetime τ can be reduced. The thinner the well width, the greater the effect, and the smaller the number of wells, the smaller the emission lifetime τ, and the number of wells is preferably 4 or less.
このような信頼性を保ったまま発光寿命τを小さくできたのは、非発光再結合や光の吸収が少ないまま、少ないキャリアの注入量で効率よく発光再結合が行われたためと考えられる。 The reason why the light emission lifetime τ can be shortened while maintaining such reliability is considered to be that the light emission recombination is efficiently performed with a small amount of injected carriers with little light emission recombination and light absorption.
[相対雑音強度について]
高速で空間光伝送を行うとき、信号と雑音の比(SN比)を充分大きく取らないと、通信エラーの原因となる。雑音の原因として、背景光による影響などの使用環境で発生する雑音と、光源である半導体レーザ素子自体の雑音がある。空間光伝送用に半導体レーザ素子を用いるに際しては、半導体レーザ素子自体の雑音を低く抑えておく必要がある。
[Relative noise intensity]
When spatial light transmission is performed at high speed, a communication error may occur unless the signal to noise ratio (SN ratio) is sufficiently large. Causes of noise include noise generated in the usage environment such as the influence of background light, and noise of the semiconductor laser element itself as a light source. When using a semiconductor laser element for spatial light transmission, it is necessary to keep the noise of the semiconductor laser element itself low.
そこで、本発明者は、井戸幅を変えて複数の半導体レーザ素子を作製し、相対雑音強度(RIN;Relative Intensity Noise)を測定したところ、井戸幅が4nm以下および8nm以上では雑音が大きくなり、空間光伝送用光源としては適さないことが分かった。 Therefore, the present inventor manufactured a plurality of semiconductor laser elements by changing the well width and measured the relative noise intensity (RIN: Relative Intensity Noise). As a result, the noise increased when the well width was 4 nm or less and 8 nm or more. It was found that it is not suitable as a light source for spatial light transmission.
これは、井戸幅が4nm以下では、井戸層とバリア層との界面の急峻性の良し悪しに大きく影響され、雑音が大きくなったものと考えられる。また、8nm以上では、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。 This is presumably because when the well width is 4 nm or less, the sharpness of the interface between the well layer and the barrier layer is greatly affected, and noise is increased. At 8 nm or more, it is considered that a plurality of quantum levels approached within the band, causing noise.
また、井戸幅を薄くしたり、バリア層を高くしたりして、井戸層のIn組成を大きくすると、雑音が低下した。これは、Inを入れることにより、井戸層のバレンスバンドでヘビーホールバンドとライトホールバンドが分離し、お互いのバンド同士の干渉が減少するためと考えられる。 In addition, when the well width was reduced or the barrier layer was increased to increase the In composition of the well layer, noise was reduced. This is presumably because the insertion of In separates the heavy hole band and the light hole band in the valence band of the well layer and reduces interference between the bands.
[井戸層の組成、井戸幅、井戸数について]
以上のことから、空間光伝送用半導体レーザ装置の活性層としては、InGaAs層を井戸層とした量子井戸構造を用いることが好ましい。InGaAs井戸層の井戸幅、井戸層の組成、井戸数は、閾値電流、効率、特性温度To、発光寿命τ、信頼性、雑音、温度に対する波長変動がそれぞれ複雑に絡み合っており、高速空間光伝送用光源として用いる場合には、それぞれの効果を考慮しつつ、そのメリット、デメリットの折り合いをつけるのが非常に難しい。
[Composition of well layer, well width, number of wells]
From the above, it is preferable to use a quantum well structure in which the InGaAs layer is a well layer as the active layer of the semiconductor laser device for spatial light transmission. The well width of the InGaAs well layer, the composition of the well layer, and the number of wells are complex intertwined with threshold current, efficiency, characteristic temperature To, light emission lifetime τ, reliability, noise, and wavelength variation with respect to temperature. When it is used as a light source, it is very difficult to balance the advantages and disadvantages while considering each effect.
例えば、井戸幅についてみると、閾値電流、効率、発光寿命τと、特性温度To、信頼性とはトレードオフの関係にあり、さらに、雑音や井戸層の組成とも絡んでくる。 For example, regarding the well width, the threshold current, the efficiency, the light emission lifetime τ, the characteristic temperature To, and the reliability are in a trade-off relationship, and further, the noise and the composition of the well layer are involved.
井戸幅を薄くしていくと、閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となる。しかしながら特性温度Toが低下し、信頼性も低下していく。 As the well width is reduced, the threshold current decreases, the efficiency increases, and high output is possible. In addition, the light emission lifetime τ can be shortened, and high-speed modulation is possible. However, the characteristic temperature To decreases and the reliability also decreases.
一方、井戸幅を厚くしていくと、特性温度Toを大きくでき、また、信頼性も向上する。しかし、閾値電流は増加し、効率は低下し、発光寿命τは長くなる。 On the other hand, when the well width is increased, the characteristic temperature To can be increased and the reliability is improved. However, the threshold current increases, the efficiency decreases, and the light emission lifetime τ increases.
また、雑音は、井戸幅が4nm〜8nmで低くなり、それよりも薄くしても、厚くしても大きくなる。 Further, the noise becomes low when the well width is 4 nm to 8 nm, and becomes large even if it is made thinner or thicker.
次に、井戸層の組成について見てみると、井戸層のIn組成を大きくすると、歪の効果により閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、雑音も低下する。また、Inを入れることにより転位の伝播が抑制され、信頼性が向上する。しかし、Inを増やしていくとバンドギャップエネルギーEgが小さくなり、波長が長くなってしまい、波長を短くするには井戸幅を薄くしなくてはいけなくなり、4nmより薄くなると、逆に閾値電流が増加し、効率が低下し、雑音が増大し、信頼性も低下する。 Next, looking at the composition of the well layer, if the In composition of the well layer is increased, the threshold current decreases due to the effect of strain, the efficiency increases, and high output can be achieved. Noise is also reduced. Further, by introducing In, dislocation propagation is suppressed and reliability is improved. However, as In is increased, the band gap energy Eg becomes smaller and the wavelength becomes longer. To shorten the wavelength, the well width has to be made thinner. When the thickness becomes thinner than 4 nm, the threshold current is reversed. Increases, decreases efficiency, increases noise, and decreases reliability.
これらを勘案すると、井戸幅と井戸層の組成の組み合わせとしては、井戸幅dが4≦d≦8nm、井戸層のGa組成xが0.85≦x<1という条件を満たすときのみ、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、発光寿命τ、雑音、特性温度To、信頼性の全てを満足すると共に、高出力で高速変調可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することができる。 Considering these, the combination of the well width and the well layer composition is a semiconductor laser only when the well width d satisfies the condition of 4 ≦ d ≦ 8 nm and the well layer Ga composition x satisfies 0.85 ≦ x <1. It is possible to provide a semiconductor laser device for spatial light transmission capable of satisfying all of the threshold current, efficiency, light emission lifetime τ, noise, characteristic temperature To, and reliability of the element and capable of high-speed and high-speed modulation.
また、井戸幅dが4≦d≦8nm、井戸層のGa組成xが0.85≦x<1という範囲で、井戸層のGa組成が小さく、井戸幅が薄いほど、波長の変動を小さくすることができる。 Further, in the range where the well width d is 4 ≦ d ≦ 8 nm and the Ga composition x of the well layer is 0.85 ≦ x <1, the smaller the well composition, the smaller the well composition, the smaller the variation in wavelength. be able to.
[井戸層の組成、井戸幅のさらなる限定について]
井戸幅を薄くしていくと、閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となり、特に井戸幅が8nm以下でその効果が顕著に表れるが、より好ましくは、6nm以下とするとその効果は大きい。
[About further limitation of well layer composition and well width]
As the well width is reduced, the threshold current decreases, the efficiency increases, and high output is possible. In addition, the light emission lifetime τ can be shortened and high-speed modulation can be achieved, and the effect is particularly prominent when the well width is 8 nm or less. More preferably, the effect is large when the well width is 6 nm or less.
また、雑音は、井戸幅が4nm〜8nmで低くなり、それよりも薄くしても、厚くしても大きくなる。より好ましくは井戸幅が4nm以上かつ6nm以下で、雑音は最も低下する。 Further, the noise becomes low when the well width is 4 nm to 8 nm, and becomes large even if it is made thinner or thicker. More preferably, the noise is most reduced when the well width is 4 nm or more and 6 nm or less.
一方、井戸幅を厚くしていくと、特性温度Toを大きくでき、また、信頼性も向上する。井戸層としてInGaAsを使用すると、井戸幅を薄くしても信頼性は確保でき、また、バリア層やガイド層を工夫することにより特性温度Toの低下をカバーできるため、高出力化を優先して、井戸幅は薄くした方がよい。ただし、井戸幅が4nmより薄くなると、逆に閾値電流が増加し、効率が低下し、雑音が増大し、信頼性も低下してしまうことから、井戸幅は4nm以上かつ6nm以下が好ましい。 On the other hand, when the well width is increased, the characteristic temperature To can be increased and the reliability is improved. If InGaAs is used as the well layer, reliability can be ensured even if the well width is reduced, and a decrease in the characteristic temperature To can be covered by devising the barrier layer and guide layer. It is better to make the well width thinner. However, when the well width becomes thinner than 4 nm, the threshold current increases, efficiency decreases, noise increases, and reliability also decreases. Therefore, the well width is preferably 4 nm or more and 6 nm or less.
井戸層のIn組成を大きくすると、歪の効果により閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、雑音も低下する。また、Inを入れることにより転位の伝播が抑制され、信頼性が向上する。また、井戸層のGa組成が小さく、井戸幅が薄いほど、波長の変動を小さくすることができる。Inの組成0.04以上(Gaの組成0.96以下)で特にこれらの効果が見られた。 When the In composition of the well layer is increased, the threshold current is reduced due to the strain effect, the efficiency is increased, and the output can be increased. Noise is also reduced. Further, by introducing In, dislocation propagation is suppressed and reliability is improved. Also, the smaller the well layer Ga composition and the thinner well width, the smaller the variation in wavelength. These effects were particularly observed when the In composition was 0.04 or more (Ga composition 0.96 or less).
しかし、井戸幅4nm〜6nmの範囲でIn組成を増やすには、波長を合わせるためにバリアを高くする必要があり、この場合、動作電圧が上昇してしまう。このため、動作電圧の上昇を抑えるにはIn組成は0.1以下(Ga組成0.9以上)であることが好ましい。 However, in order to increase the In composition in the range of the well width of 4 nm to 6 nm, it is necessary to increase the barrier in order to match the wavelength. In this case, the operating voltage increases. Therefore, the In composition is preferably 0.1 or less (Ga composition 0.9 or more) in order to suppress an increase in operating voltage.
これらを考慮すると、井戸層のGa組成は0.9以上かつ0.96以下であることがより好ましい。 Considering these, the Ga composition of the well layer is more preferably 0.9 or more and 0.96 or less.
以上より、井戸幅と井戸層の組成の組み合わせを考えると、井戸幅dは4≦d≦6nm、井戸層のGa組成xは0.9≦x≦0.96とすることで、LD特性、波長、発光寿命τ、雑音、特性温度To、信頼性の全てを満足すると共に、高出力で高速変調可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することができる。 From the above, considering the combination of the well width and the composition of the well layer, the well width d is 4 ≦ d ≦ 6 nm, and the Ga composition x of the well layer is 0.9 ≦ x ≦ 0.96. It is possible to provide a semiconductor laser device for spatial light transmission that satisfies all of the wavelength, the light emission lifetime τ, the noise, the characteristic temperature To, and the reliability, and is capable of high-speed and high-speed modulation.
[井戸数について]
また、本発明者は、井戸数を変えて半導体レーザ素子を作製し、閾値電流、効率、特性温度To、信頼性、発光寿命τ、雑音について比較する実験を行った。その結果、井戸数を増やすと特性温度Toはよくなり、また、信頼性も向上することが分かった。しかしながら、井戸数を5以上にすると、閾値電流が上昇し、効率が低下し、また、雑音も大きくなった。一方、井戸数を減らすと、発光寿命τを小さくすることができる。これらを総合的に考えると、井戸数1〜4が最も適切である。
[About the number of wells]
In addition, the inventor made semiconductor laser devices by changing the number of wells, and conducted an experiment to compare the threshold current, efficiency, characteristic temperature To, reliability, light emission lifetime τ, and noise. As a result, it was found that increasing the number of wells improves the characteristic temperature To and improves the reliability. However, when the number of wells was 5 or more, the threshold current increased, the efficiency decreased, and the noise increased. On the other hand, if the number of wells is reduced, the light emission lifetime τ can be shortened. Considering these comprehensively, the number of
[GaInAsPのバリア層について]
また、本発明者が行った実験の結果(図11に示す)、バリア層をGaInAsPとすることにより、高い信頼性が確保できた。これは、活性層となる量子井戸構造中に活性なAlを含まないため、活性層中および端面で、非発光再結合中心や吸収体となる酸素が減少し、その結果信頼性が向上したからと考えられる。
[Barrier layer of GaInAsP]
In addition, as a result of an experiment conducted by the present inventor (shown in FIG. 11), high reliability could be secured by using GaInAsP as the barrier layer. This is because active Al is not included in the quantum well structure serving as the active layer, so that non-radiative recombination centers and oxygen as absorbers are reduced in the active layer and at the end face, resulting in improved reliability. it is conceivable that.
より小型、より高出力を必要とするようなアプリケーションでは、信頼性の高いGaInAsPバリア層を用いることが好ましい。 In applications that require smaller size and higher output, it is preferable to use a highly reliable GaInAsP barrier layer.
また、GaInAsPバリア層を用いた場合、バリア層のGa組成が小さいほど温度に対する波長の変動が小さいことが分かった。 Further, it was found that when the GaInAsP barrier layer was used, the smaller the Ga composition of the barrier layer, the smaller the variation in wavelength with respect to temperature.
図11は上記実験結果のGax3In1−x3As1−yPyの組成平面を示している。図11において、横軸はIII族のGa組成を表し、縦軸はV族のP組成を表している。図11の右下端がGaAsを表し、右上端がGaPを表している。以下、図11に従ってGaInAsP層の組成を説明する。 FIG. 11 shows the composition plane of Ga x3 In 1-x3 As 1-y P y of the above experimental results. In FIG. 11, the horizontal axis represents the Group III Ga composition, and the vertical axis represents the Group V P composition. The lower right corner of FIG. 11 represents GaAs, and the upper right corner represents GaP. Hereinafter, the composition of the GaInAsP layer will be described with reference to FIG.
[歪量について]
基板となるGaAsとGaInAsPとの歪量εを次式により定義する。
歪量ε=(a(GaInAsP)−a(GaAs))/a(GaAs)
ここで、a(GaInAsP)は、GaInAsPの格子定数
a(GaAs)は、GaAsの格子定数
[About strain]
The amount of strain ε between GaAs and GaInAsP serving as a substrate is defined by the following equation.
Strain ε = (a (GaInAsP) −a (GaAs)) / a (GaAs)
Where a (GaInAsP) is the lattice constant of GaInAsP and a (GaAs) is the lattice constant of GaAs.
基板と異なる格子定数の層を成長する場合、臨界膜厚を超えて成長すると転位が発生し、結晶性が著しく低下する。臨界膜厚以下では、横方向の格子定数が基板の格子定数に一致するように成長していき、結晶内に歪が介在されながらも転位が発生することなく成長を行うことができる。 When a layer having a lattice constant different from that of the substrate is grown, dislocation occurs and the crystallinity is remarkably lowered when the layer exceeds the critical film thickness. Below the critical film thickness, growth is performed so that the lattice constant in the lateral direction matches the lattice constant of the substrate, and growth can be performed without generating dislocations while strain is present in the crystal.
GaAsよりも格子定数の大きい組成の結晶をGaAs基板上に成長すると、横方向の格子定数がGaAsに一致するように結晶は圧縮されて成長する。この圧縮歪の歪量はプラスで表す。一方、GaAsよりも格子定数の小さい組成の結晶を成長すると結晶は横方向に引っ張られて成長する。この引張歪の歪量はマイナスで表す。 When a crystal having a composition having a larger lattice constant than GaAs is grown on a GaAs substrate, the crystal is compressed and grown so that the lattice constant in the lateral direction coincides with GaAs. The amount of compressive strain is represented by plus. On the other hand, when a crystal having a smaller lattice constant than GaAs is grown, the crystal grows by being pulled in the lateral direction. The strain amount of this tensile strain is represented by minus.
図11の組成平面において、歪量が同じになる組成を結んで等歪線を描いている。GaAsから延びる直線がGaAsと格子整合するラインであり、これと平行に等歪線が描かれている。 In the composition plane of FIG. 11, equal strain lines are drawn by connecting compositions having the same strain amount. A straight line extending from GaAs is a line lattice-matched with GaAs, and an isostriction line is drawn in parallel with the line.
GaInAsPにおいては、GaAsと格子整合する組成から、Ga組成の大きい方向、P組成の大きい方向が引張歪となり、Ga組成の小さい方向、P組成の小さい方向が圧縮歪となる。 In GaInAsP, the direction in which the Ga composition is large and the direction in which the P composition is large is the tensile strain, and the direction in which the Ga composition is small and the direction in which the P composition is small is the compressive strain.
この発明の活性層は、井戸層(圧縮歪)、バリア層(圧縮歪または引張歪)ともに歪が入り得るため、歪が加えられている量子井戸部分(井戸/バリア)全体のトータルの歪量を考える必要がある。量子井戸部分のトータルの膜厚が上記トータルの歪量における臨界膜厚を越えないように、バリア層の組成および層厚を考える必要がある。臨界膜厚を越えて成長をすると、転位が発生し、結晶性が極端に悪くなり、素子特性が著しく低下する。 In the active layer of the present invention, since both the well layer (compressive strain) and the barrier layer (compressive strain or tensile strain) can be strained, the total strain amount of the whole quantum well portion (well / barrier) to which strain is applied Need to think about. It is necessary to consider the composition and thickness of the barrier layer so that the total film thickness of the quantum well portion does not exceed the critical film thickness at the total strain. When growing beyond the critical film thickness, dislocation occurs, crystallinity is extremely deteriorated, and device characteristics are remarkably deteriorated.
[GaInAsPのバンドギャップエネルギーについて]
図11の組成平面において、バンドギャップエネルギーEgが同じになる組成を結んで等Eg線を描いている。バンドギャップエネルギーEgは、Ga組成の大きい方向、P組成の大きい方向でEgは大きくなり、Ga組成の小さい方向、P組成の小さい方向でEgは小さくなる。
[About the band gap energy of GaInAsP]
In the composition plane of FIG. 11, iso-Eg lines are drawn by connecting compositions having the same band gap energy Eg. As for the band gap energy Eg, Eg increases in the direction of increasing Ga composition and in the direction of increasing P composition, and Eg decreases in the direction of decreasing Ga composition and in the direction of decreasing P composition.
量子井戸にキャリアを閉じ込めるために井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギーの差ΔEgを設ける必要がある。より詳しくは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドEcのエネルギー差ΔEcおよびバレンスバンドEvのエネルギー差ΔEvをそれぞれ設ける必要がある。また、同じバンドギャップエネルギーEgのGaInAsP組成を考えると、組成が異なると、同じバンドギャップエネルギーEgであってもEc,Evのエネルギーレベルは異なってくる。半導体レーザ素子に対してはΔEg、特にΔEcを大きく取ることが望まれる。 In order to confine carriers in the quantum well, it is necessary to provide a band gap energy difference ΔEg between the well layer and the barrier layer. More specifically, it is necessary to provide an energy difference ΔEc between the conduction band Ec and the energy difference ΔEv between the valence band Ev and the well layer. Further, when considering the composition of GaInAsP having the same band gap energy Eg, the energy levels of Ec and Ev are different even if the band gap energy Eg is the same. For semiconductor laser elements, it is desirable to increase ΔEg, particularly ΔEc.
このようにバリア層のバンドギャップエネルギーEgを大きくし、ΔEg,ΔEcを大きくすることにより、井戸層に注入されたキャリア(電子)がバリア層へ漏れにくくなり、特性温度Toを大きくすることができる。すなわち、GaInAsPバリア層のGa組成を大きく、P組成を大きくすることにより、特性温度Toは大きくなる。しかしながら、Ga組成およびP組成を大きくすると、格子歪が大きくなって、結晶性の低下が懸念される。同じ歪量を考えると、Ga組成が小さく、P組成が大きい方向に組成を変化させると、バリア層のバンドギャップエネルギーEgは大きくなりΔEgを大きくすることができる。 Thus, by increasing the band gap energy Eg of the barrier layer and increasing ΔEg, ΔEc, carriers (electrons) injected into the well layer are less likely to leak into the barrier layer, and the characteristic temperature To can be increased. . That is, by increasing the Ga composition of the GaInAsP barrier layer and increasing the P composition, the characteristic temperature To increases. However, when the Ga composition and the P composition are increased, the lattice strain increases and there is a concern that the crystallinity is lowered. Considering the same strain amount, if the composition is changed in the direction in which the Ga composition is small and the P composition is large, the band gap energy Eg of the barrier layer is increased and ΔEg can be increased.
一方、同じバンドギャップエネルギーEgで、Ga組成が小さく、P組成が大きい方向に組成を変化させると、ΔEcはさほど変わらないのに対して、ΔEvは大きくなっていくものと考えられる。また、ΔEvが大きくなりすぎると、pクラッド層側から注入されたホールはこのバリア層のバレンスバンドがバリアとなり、井戸層へのホールが注入されにくくなり、半導体レーザ素子の効率が低下し、素子抵抗が増大し動作電圧が増大してしまうことが考えられる。また、井戸数を増やすと各井戸層へのホールの注入が不均一になりやすく、半導体レーザ素子の効率がさらに低下することが考えられる。一方、Ga組成を大きく、P組成を小さい方向に組成を変化させると、歪量が大きくなってしまう。 On the other hand, when the composition is changed in the direction in which the Ga composition is small and the P composition is large at the same band gap energy Eg, ΔEc is not changed so much, but ΔEv is considered to increase. If ΔEv becomes too large, holes injected from the p-cladding layer side will be a barrier band of this barrier layer, making it difficult for holes to be injected into the well layer, reducing the efficiency of the semiconductor laser device, It is conceivable that the resistance increases and the operating voltage increases. Further, when the number of wells is increased, the injection of holes into each well layer is likely to be non-uniform, and the efficiency of the semiconductor laser device may be further reduced. On the other hand, if the composition is changed in the direction of increasing the Ga composition and decreasing the P composition, the amount of strain increases.
[スピノーダル分解温度について]
また、GaInAsP材料にはミシビリティーギャップ(化合物半導体において、異なる結晶を混ぜ合わせたときに相分離を起こして混晶が形成されない組成範囲)と一般に呼ばれるような領域が存在し、この領域で結晶成長を行うとき、混晶が不安定になり、組成として制御しにくくなる。この混晶の不安定性を表すパラメータとして、スピノーダル分解温度があり、スピノーダル分解温度よりも低い温度では、混晶として不安定になる。図11では、スピノーダル曲線をGaInAsP組成平面上に重ねて描いている。図11の組成平面上で、組成の中心部に近づくほどスピノーダル分解温度は高く、混晶不安定性が増大する。ミシビリティーギャップの観点からは、組成平面上で中心から外れた方が、結晶成長が行いやすい。
[Spinodal decomposition temperature]
In addition, the GaInAsP material has a region generally called a miscibility gap (a composition range in which a mixed crystal is not formed by causing phase separation when different crystals are mixed in a compound semiconductor). When performing growth, the mixed crystal becomes unstable and becomes difficult to control as a composition. As a parameter representing the instability of the mixed crystal, there is a spinodal decomposition temperature. When the temperature is lower than the spinodal decomposition temperature, the mixed crystal becomes unstable. In FIG. 11, the spinodal curve is drawn on the GaAsP composition plane. On the composition plane of FIG. 11, the closer to the center of the composition, the higher the spinodal decomposition temperature, and the mixed crystal instability increases. From the viewpoint of the miscibility gap, crystal growth is easier when the composition plane is off the center.
組成平面上で、組成が中心部に近づくほど、組成を制御しにくくなるばかりでなく、結晶性が低下し、また、表面の平坦性も失われ、量子井戸のバリア層として使用すると、良好な量子井戸が得られず、空間光伝送用半導体レーザ装置として用いると、閾値電流や効率が著しく低下し、また、信頼性の低下、雑音の増大を招く。 On the composition plane, the closer the composition is to the center, the more difficult it is to control the composition, the crystallinity is reduced, and the flatness of the surface is lost. If a quantum well cannot be obtained and it is used as a semiconductor laser device for spatial light transmission, the threshold current and the efficiency are remarkably lowered, and the reliability and noise are increased.
同じ歪量または同じバンドギャップエネルギーEgを考えると、Ga組成が小さく、P組成が大きい方向では混晶が不安定になりやすく結晶性が低下する傾向にある。したがって、Ga組成が大きく、かつ、P組成が小さい方が結晶的には好ましい。 Considering the same strain amount or the same band gap energy Eg, the mixed crystal tends to be unstable in the direction where the Ga composition is small and the P composition is large, and the crystallinity tends to be lowered. Accordingly, a larger Ga composition and a smaller P composition are preferable in terms of crystallinity.
[GaInAsPバリア層の組成範囲について]
上述のように、空間光伝送用半導体レーザ装置のバリア層にGaInAsPを用いる場合、格子歪、バンドギャップエネルギーEg、ΔEc、ΔEv、混晶不安定性(スピノーダル分解)が複雑に絡み合っており、その折り合いをつけるのが非常に難しい。
[Composition range of GaAsP barrier layer]
As described above, when GaInAsP is used for the barrier layer of the semiconductor laser device for spatial light transmission, the lattice distortion, band gap energy Eg, ΔEc, ΔEv, and mixed crystal instability (spinodal decomposition) are intricately intertwined. It is very difficult to put on.
図12はGaInAsPバリア層の組成平面図を示しており、この図12を用いて、GaInAsPバリア層としての組成範囲を説明する。 FIG. 12 shows a composition plan view of the GaInAsP barrier layer, and the composition range as the GaInAsP barrier layer will be described with reference to FIG.
本発明者は、空間光伝送用の半導体レーザ素子を作製し、GaxIn1−xAs1−yPyバリア層のGa組成x、P組成yと、素子特性の関係を実験により調べた。 The present inventor fabricated a semiconductor laser device for spatial light transmission, and investigated the relationship between the Ga composition x and P composition y of the Ga x In 1-x As 1-y P y barrier layer and the element characteristics by experiments. .
実験の結果、Ga組成およびP組成を大きくしていくと、GaInAsPバリア層のバンドギャップエネルギーEgは大きくできるが、引張歪量が大きくなって、
y>−2.17x+2.5
で表される領域では、閾値電流、効率、特性温度To、雑音、信頼性ともに著しく悪化した。これは、活性層のトータル厚さが臨界膜厚を越えたためと考えられる。したがって、
y≦−2.17x+2.5
で表される領域で組成を使用する必要がある。良好な素子特性と信頼性を確保するためには、
y≦−2.05x+2.34
で表される組成領域であることが望ましい。より好ましくは、
y≦−2.1x+2.29
であることがより望ましい。
As a result of the experiment, when the Ga composition and the P composition are increased, the band gap energy Eg of the GaInAsP barrier layer can be increased, but the tensile strain amount is increased.
y> -2.17x + 2.5
The threshold current, efficiency, characteristic temperature To, noise, and reliability were significantly deteriorated in the region represented by. This is presumably because the total thickness of the active layer exceeded the critical thickness. Therefore,
y ≦ −2.17x + 2.5
It is necessary to use the composition in the region represented by In order to ensure good device characteristics and reliability,
y ≦ −2.05x + 2.34
It is desirable that the composition region represented by More preferably,
y ≦ −2.1x + 2.29
Is more desirable.
Ga組成およびP組成を小さくしていくと、GaInAsPバリア層のバンドギャップエネルギーEgは小さくなり、井戸層とのバンドギャップエネルギーEgの差が取れなくなる。また、
y<−1.64x+1.63
で表される組成領域では、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、雑音などの特性が著しく悪化した。これは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドの差ΔEcが取れなくなったため、井戸層に電子が閉じ込められなくなったためと考えられる。したがって、
y≧−1.64x+1.63
で表される組成領域を用いる必要がある。良好な素子特性を確保するためには、
y≧−1.64x+1.7
で表される組成領域を用いるのが好ましい。さらに好ましくは、
y≧−1.54x+1.73
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
When the Ga composition and the P composition are decreased, the band gap energy Eg of the GaInAsP barrier layer is decreased, and the difference in the band gap energy Eg from the well layer cannot be obtained. Also,
y <−1.64x + 1.63
In the composition region represented by ## EQU2 ## the characteristics of the semiconductor laser element such as the threshold current, efficiency, and noise were significantly deteriorated. This is presumably because electrons are no longer confined in the well layer because the difference ΔEc between the well layer and the barrier layer cannot be obtained. Therefore,
y ≧ −1.64x + 1.63
It is necessary to use a composition region represented by In order to ensure good device characteristics,
y ≧ −1.64x + 1.7
It is preferable to use a composition region represented by: More preferably,
y ≧ −1.54x + 1.73
It is most desirable to use a composition region represented by:
上記組成領域において、Ga組成を小さく、P組成を大きくしていくと、
y>−0.27x+0.88
で表される組成領域では、効率が低下し、動作電圧が上昇した。これは、井戸層とバリア層のバレンスバンドのエネルギー差ΔEvが大きくなりすぎたため、注入されたホールが効率よく井戸層に注入されなくなったためと考えられる。したがって、
y≦−0.27x+0.88
で表される領域で使用するのが好ましい。さらに好ましくは、
y≦−0.28x+0.83
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
In the composition region, when the Ga composition is decreased and the P composition is increased,
y> −0.27x + 0.88
In the composition region represented by the formula, the efficiency was lowered and the operating voltage was raised. This is presumably because the energy difference ΔEv between the valence bands of the well layer and the barrier layer became too large, so that the injected holes were not efficiently injected into the well layer. Therefore,
y ≦ −0.27x + 0.88
It is preferable to use in the area | region represented by these. More preferably,
y ≦ −0.28x + 0.83
It is most desirable to use a composition region represented by:
また、x<0.65の領域では、閾値電流、効率、雑音、信頼性ともに著しく悪化した。これは、スピノーダル分解により混晶が不安定となり、結晶性が著しく低下したためと考えられる。したがって、x≧0.65の組成領域を使用する必要がある。好ましくは、x≧0.7の組成領域を用いるのが望ましい。 Further, in the region of x <0.65, the threshold current, efficiency, noise, and reliability were significantly deteriorated. This is presumably because the mixed crystal became unstable due to spinodal decomposition, and the crystallinity was significantly reduced. Therefore, it is necessary to use a composition region where x ≧ 0.65. It is preferable to use a composition region where x ≧ 0.7.
Ga組成が大きくかつP組成が小さい組成領域では、上記組成範囲であれば使用可能であるが、バンドギャップエネルギーEgが小さくなっていくため、井戸層とのエネルギー差ΔEgを大きく取れなくなるため、より好ましくはx≦0.95であることが望ましい。 In the composition region where the Ga composition is large and the P composition is small, the composition range can be used. However, since the band gap energy Eg becomes small, the energy difference ΔEg with the well layer cannot be made large. It is desirable that x ≦ 0.95.
[発光寿命τと信頼性について]
本発明者の実験によると、バリア層にAlGaAsを用いた場合は、バリア層のAl組成を大きくするに従い、発光寿命τは小さくなることが分かった。しかしながら、この場合、Al組成を大きくするに従い、発光寿命τは小さくなるが、素子特性は低下し、信頼性も悪化してしまい、Al組成が0.3を越えると、高出力で半導体レーザ素子を駆動させると充分な信頼性が得られない。
[Luminescence lifetime τ and reliability]
According to the experiments by the present inventors, it was found that when AlGaAs is used for the barrier layer, the emission lifetime τ decreases as the Al composition of the barrier layer is increased. However, in this case, as the Al composition is increased, the light emission lifetime τ is decreased, but the device characteristics are deteriorated and the reliability is also deteriorated. If the is driven, sufficient reliability cannot be obtained.
バリア層にAlGaAsを用いる場合、Alは活性な材料で、酸素との結合が非常に強いため、バリア層中に酸素が取り込まれやすくなる。Al組成を大きくすると、酸素の取り込みも大きくなる。すなわち、井戸層とバリア層との界面に酸素が取り込まれることになり、井戸層内に閉じ込められたキャリアの非発光再結合の準位となり、発光寿命τは小さくなるが、閾値電流、効率などの素子特性は低下する。また、光密度の高い活性領域を構成するバリア層中の酸素が取り込まれることになり、これがレーザ光の吸収体となり、さらに半導体レーザ素子の特性が低下し、信頼性も悪化したものと考えられる。 When AlGaAs is used for the barrier layer, Al is an active material and has a very strong bond with oxygen, so that oxygen is easily taken into the barrier layer. Increasing the Al composition increases the oxygen uptake. That is, oxygen is taken into the interface between the well layer and the barrier layer, and becomes a level of non-radiative recombination of carriers confined in the well layer, and the emission lifetime τ is reduced, but the threshold current, efficiency, etc. The device characteristics deteriorate. In addition, oxygen in the barrier layer constituting the active region with high light density is taken in, and this becomes an absorber of laser light, and further, the characteristics of the semiconductor laser device are deteriorated and the reliability is also deteriorated. .
また、バリア層のAl組成が大きいほど、出射端面でも酸素と結合しやすくなるため、CODが起きやすくなる。 In addition, the larger the Al composition of the barrier layer, the easier it is to bond with oxygen even at the emission end face, so that COD is more likely to occur.
したがって、AlGaAsをバリア層として用いる場合は、Al組成を0.3以下にすることで、素子特性と充分な信頼性を保ったまま、小さい発光寿命τを実現することができる。 Therefore, when AlGaAs is used as the barrier layer, by setting the Al composition to 0.3 or less, a small light emission lifetime τ can be realized while maintaining device characteristics and sufficient reliability.
[動作電圧Vopについて]
また、本発明者の実験によると、AlGaAsバリア層のAl組成を下げたほうが、動作電圧Vopが下がることが分かった。
[About operating voltage Vop]
Further, according to the experiment by the present inventor, it has been found that the operating voltage Vop decreases as the Al composition of the AlGaAs barrier layer is lowered.
注入されたキャリアが、井戸層とバリア層のヘテロ界面を障壁と感じ、Al組成が小さいほどこのヘテロ界面の障壁が小さくなり、キャリアが井戸層に注入され易くなるため、動作電圧Vopが低減したと推測される。したがって、動作電圧Vopの観点からは、バリア層のAl組成はできる限り小さい方が望ましい。 The injected carrier feels that the hetero interface between the well layer and the barrier layer is a barrier, and the smaller the Al composition, the smaller the barrier at this hetero interface, and the easier the carriers are injected into the well layer, thereby reducing the operating voltage Vop. It is guessed. Therefore, from the viewpoint of the operating voltage Vop, it is desirable that the Al composition of the barrier layer be as small as possible.
[雑音について]
また、本発明者の実験によると、バリア層にAlGaAsを用いた場合は、Alの組成を大きくすると、雑音が大きくなった。これは、Alの組成を大きくすることで、井戸層とバリア層の界面に取り込まれる酸素が増加し、LD特性が低下し、雑音の原因になったと考えられる。このことから、AlGaAsバリア層のAl組成は0.3以下とすることが好ましい。また、GaInAsPバリア層と比べても、AlGaAsバリア層を用いた場合の方が雑音が小さくなった。一方、Al組成を小さくしていくと、Al組成0.1までは雑音は小さくなっていくが、0.1より小さくなると、逆に雑音が大きくなった。これは、井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギーEgの差が小さくなり、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。
[Noise]
Further, according to the experiment by the present inventor, when AlGaAs was used for the barrier layer, the noise increased as the Al composition was increased. This is thought to be due to the fact that by increasing the composition of Al, the oxygen taken into the interface between the well layer and the barrier layer increases, the LD characteristics deteriorate, and this causes noise. Therefore, the Al composition of the AlGaAs barrier layer is preferably set to 0.3 or less. In addition, the noise was reduced when the AlGaAs barrier layer was used as compared with the GaInAsP barrier layer. On the other hand, when the Al composition is decreased, the noise is reduced until the Al composition is 0.1, but when the Al composition is smaller than 0.1, the noise is increased. This is probably because the difference in the band gap energy Eg between the well layer and the barrier layer was reduced, and a plurality of quantum levels approached within the band, causing noise.
[AlGaAsバリア層の組成範囲について]
AlGaAsバリア層のAl組成の値は、信頼性、動作電圧Vopの観点からはできる限り下げたほうが望ましい。ただし、Al組成が0.1より小さくなると、井戸層とバリア層とのΔEgが小さくなり、閾値電流Ithが上昇し、効率が低下し、雑音が増大してしまうため、Al組成は0.1以上である必要がある。
[Composition range of AlGaAs barrier layer]
The Al composition value of the AlGaAs barrier layer is preferably lowered as much as possible from the viewpoint of reliability and operating voltage Vop. However, if the Al composition is smaller than 0.1, ΔEg between the well layer and the barrier layer is decreased, the threshold current Ith is increased, the efficiency is decreased, and the noise is increased. Therefore, the Al composition is 0.1. It is necessary to be above.
一方、AlGaAsバリア層のAl組成を大きくしていくと、発光寿命τを小さくできると共に、特性温度Toを大きくでき、温度による波長変動が小さいという効果がある。また、雑音は、Al組成が0.1以上かつ0.3以下で低くなり、それよりも高くても、低くても雑音は大きくなる。 On the other hand, when the Al composition of the AlGaAs barrier layer is increased, the light emission lifetime τ can be reduced, the characteristic temperature To can be increased, and the wavelength variation due to temperature is small. Further, the noise becomes low when the Al composition is 0.1 or more and 0.3 or less, and the noise becomes large even if it is higher or lower than that.
以上のことから、LD特性、信頼性、動作電圧、波長変動、発光寿命τ、雑音、特性温度Toを総合的に考えると、AlGaAsバリア層のAl組成は、0.1以上かつ0.3以下が好ましい。 From the above, considering the LD characteristics, reliability, operating voltage, wavelength variation, light emission lifetime τ, noise, and characteristic temperature To, the Al composition of the AlGaAs barrier layer is 0.1 or more and 0.3 or less. Is preferred.
[ガイド層の効果について]
バリア層のバンドギャップエネルギーEgは小さいほうが、動作電圧Vopが低下し望ましいが、井戸層に対するΔEg,ΔEcが小さくなって、キャリアの井戸層からの漏れが増大する。したがって、量子井戸層の両側のバリア層を厚くしてガイド層を兼ねさせると、キャリアの閉じ込めが小さくなり、特性温度Toが低下する。そこで、量子井戸層の両側のバリア層は各5nm〜30nm程度に薄くしておき、光の閉じ込めを調整するガイド層はバリア層とは別に設けることにより、閾値電流Ith,効率などのLD特性、低い動作電圧Vopと高い特性温度Toを両立させることができる。
[About the effect of the guide layer]
A smaller band gap energy Eg of the barrier layer is preferable because the operating voltage Vop is lowered, but ΔEg and ΔEc with respect to the well layer are reduced, and leakage of carriers from the well layer is increased. Therefore, when the barrier layers on both sides of the quantum well layer are made thick so as to serve also as the guide layer, the confinement of carriers becomes small and the characteristic temperature To decreases. Therefore, the barrier layers on both sides of the quantum well layer are thinned to about 5 nm to 30 nm, respectively, and the guide layer for adjusting the light confinement is provided separately from the barrier layer, so that the LD characteristics such as threshold current Ith and efficiency, It is possible to achieve both a low operating voltage Vop and a high characteristic temperature To.
ガイド層として、AlGaAsとGaInPを比較した。GaInPを用いると、効率が低下して素子抵抗が増大し、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大するという問題や、素子の温度が上昇し、信頼性が低下するという問題点が見つかった。一方、AlGaAsをガイド層として用いると、効率が向上し、動作電圧Vopも低下し、高出力化が可能となった。GaInPを用いると効率が低下し、動作電圧Vopが増大した原因は、活性層とのバレンスバンドの不連続が大きくなり、ホールに対して大きな障壁となってしまい、ホールが井戸層に注入されにくくなったためと考えられる。 As a guide layer, AlGaAs and GaInP were compared. When GaInP is used, the efficiency decreases, the device resistance increases, a large current and voltage are required to produce the same light output, the power consumption increases, the temperature of the device increases, and the reliability increases. The problem of decreasing was found. On the other hand, when AlGaAs is used as the guide layer, the efficiency is improved, the operating voltage Vop is lowered, and the output can be increased. When GaInP is used, the efficiency is lowered and the operating voltage Vop is increased because the valence band discontinuity with the active layer becomes large and becomes a large barrier against holes, so that holes are not easily injected into the well layer. It is thought that it became.
AlGaAsガイド層により、特性温度Toが向上し、高温で安定動作するようになる。これは、GaInPと比べ、AlGaAsをガイド層とすることにより、活性層とのコンダクションバンドの差が大きくなり、井戸層からバリア層に溢れたキャリアが、ガイド層に漏れることなく量子井戸内に留まるためと考えられる。 The characteristic temperature To is improved by the AlGaAs guide layer, and the stable operation is performed at a high temperature. Compared with GaInP, AlGaAs is used as a guide layer, which increases the difference in the conduction band from the active layer, and carriers overflowing from the well layer to the barrier layer do not leak into the guide layer and enter the quantum well. It is thought to stay.
また、AlGaAsガイド層のAl組成が0.3以上で特に特性温度Toの向上に効果がある。 Further, when the Al composition of the AlGaAs guide layer is 0.3 or more, it is particularly effective for improving the characteristic temperature To.
次に、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置および空間光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。 Next, a semiconductor laser device for spatial light transmission and a spatial light transmission system according to the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
〔第1実施形態〕
図1は、この発明の第1実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図を示している。この第1実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子のバリア層にGaInAsP層を用いた例である。ここで、「n−」と「p−」は、それぞれn型,p型にドーピングされていることを示し、「un−」はドーピングされていないことを示す。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a sectional view of a semiconductor laser element of a semiconductor laser device for spatial light transmission according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor laser device for spatial light transmission according to the first embodiment is an example in which a GaInAsP layer is used as a barrier layer of a semiconductor laser element. Here, “n−” and “p−” indicate n-type and p-type doping, respectively, and “un−” indicates that they are not doped.
図1において、101はn−GaAs基板、102はn−Al0.5Ga0.5Asクラッド層(1.8μm)、103はn−Al0.4Ga0.6Asガイド層(0.1μm)、104a,104b,104cはバリア層、105a,105bは井戸層、106はp−Al0.4Ga0.6Asガイド層(0.1μm)、107はp−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層(0.15μm)、108はp−GaAsエッチングストップ層(4nm)、109はp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層(1.28μm)、110はn−Al0.7Ga0.3Asブロック層(0.6μm)、111はn−GaAsブロック層(0.3μm)、112はp−GaAsキャップ層(約4μm)、113a,113bは電極である。un−In0.2Ga0.8As0.5P0.5バリア層104a,104b,104cと、un−In0.06Ga0.94As井戸層105a,105bで活性層を構成している。上記井戸層105a,105bは厚さ5nmのDQW(Double Quantum Well)構造であり、バリア層104a, 104cの厚さはそれぞれ20nm、バリア層104bの厚さは5nmである。
In FIG. 1, 101 is an n-GaAs substrate, 102 is an n-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer (1.8 μm), 103 is an n-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer ( 0.5 μm). 1 μm), 104 a, 104 b, 104 c are barrier layers, 105 a, 105 b are well layers, 106 is a p-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer (0.1 μm), 107 is p-Al 0.5 Ga 0. .5 As first cladding layer (0.15 [mu] m), 108 is p-GaAs etching stop layer (4 nm), 109 is p-Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer (1.28), 110 is n-Al 0.7 Ga 0.3 As block layer (0.6 μm), 111 is an n-GaAs block layer (0.3 μm), 112 is a p-GaAs cap layer (about 4 μm), 113a and 113b are electrodes is there. An active layer is composed of un-In 0.2 Ga 0.8 As 0.5 P 0.5 barrier layers 104a, 104b, 104c and un-In 0.06 Ga 0.94 As well layers 105a, 105b. Yes. The well layers 105a and 105b have a DQW (Double Quantum Well) structure with a thickness of 5 nm. The barrier layers 104a and 104c each have a thickness of 20 nm, and the
次に、図2A〜図2Fを用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser element will be described with reference to FIGS. 2A to 2F.
まず、図2Aに示すように、n−GaAs基板101上に、n−Al0.5Ga0.5Asクラッド層102(1.8μm)、n−Al0.4Ga0.6Asガイド層103(0.1μm)とun−In0.2Ga0.8As0.5P0.5バリア層104a,104b,104c(104a, 104cは20nm、104bは5nm)、un−In0.065Ga0.935As井戸層105a,105b(各5nm)からなるDQW活性層、p−Al0.4Ga0.6Asガイド層106(0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層107(0.15μm)、p−GaAsエッチングストップ層108(4nm)、p−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層109(1.28μm)、p−GaAsキャップ層112a(0.75μm)を順次MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法により第1の結晶成長で形成する。
First, as shown in FIG. 2A, an n-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer 102 (1.8 μm) and an n-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer are formed on an n-
その上に、6μm幅のレジストマスク(図示せず)を通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図2Bに示すように、マスクが形成された領域以外のp−GaAsキャップ層112aおよびp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層109をエッチング除去し、ストライプ状のリッジを形成する。このとき、p−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層109とp−GaAsエッチングストップ層108とで選択性の高いエッチャントを用いて、p−GaAsエッチングストップ層108でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。この第1実施形態では、リッジの底部の幅が2.7μmになるように調整している。
A 6 μm wide resist mask (not shown) is formed thereon by a normal photolithography technique, and as shown in FIG. 2B, the p-
次に、図2Cに示すように、リッジ上のレジストを除去した後、n−Al0.7Ga0.3Asブロック層110(0.6μm)、n−GaAsブロック層111(0.3μm)、p−GaAsキャップ層112b(1.05μm)を順次MOCVD法により第2の結晶成長で形成する。このとき、リッジの両側およびリッジの上部に成長が進み、リッジ上部では山形の突起状に成長膜が形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, after removing the resist on the ridge, the n-Al 0.7 Ga 0.3 As block layer 110 (0.6 μm) and the n-GaAs block layer 111 (0.3 μm) are used. The p-
その上にレジストを全面塗布し、全面露光し、現像時間を調整することにより、上記リッジ上部の山形の突起部が現れるまでレジストを除去する。リッジ上のレジストは除去され、リッジ外のレジストは残った状態になっている。この状態でエッチングすることにより、図2Dに示すように、リッジ上に形成された第2の成長層および第1の成長層であるp−GaAsキャップ層112aの一部(0.05μm程度)を除去する。
A resist is applied onto the entire surface of the resist, exposed to the entire surface, and adjusted for development time, so that the resist is removed until a chevron-shaped protrusion on the ridge appears. The resist on the ridge is removed, and the resist outside the ridge remains. By etching in this state, as shown in FIG. 2D, the second growth layer formed on the ridge and a part (about 0.05 μm) of the p-
そして、図2Eに示すように、レジストを除去し、p−GaAsキャップ層112c(4μm)をMOCVDにより形成する。このとき、最上層0.3μmのみ電極とのコンタクトが取りやすいように1×1020cm−3の密度で不純物をドーピングした。
Then, as shown in FIG. 2E, the resist is removed, and a p-
その後、図2Fに示すように、ウェハを100μmの厚さに研磨し、p側にAuZn/Au電極113a、n側にAuGe/Ni/Au電極113bを蒸着により形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 2F, the wafer is polished to a thickness of 100 μm, and an AuZn /
上記電極113a,113bを形成した後、共振器となるストライプと垂直な方向に500μmの長さでへき開し、その両端面に反射率がそれぞれ5%と90%となるようにSi膜およびAl2O3膜を蒸着により形成する。
After forming the
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザ素子を完成させる。 Finally, each stripe is divided and mounted on the stem to complete the semiconductor laser device.
このようにして作製した半導体レーザ素子にデューティー50%のパルス電流を印加したところ、発振波長869nm(25℃)で発振した。発振閾値電流は19mA、効率1W/Aであった。また、印加するパルス電流を増加していったところ、出力300mWまではCOD(Catastrophic Optical Damage:反射鏡面劣化)を起こさず発振した。特性温度To=130K、発光寿命τ=8.0nsec、相対雑音強度RIN=−120dB/Hzとなり、特性温度が高く、発光寿命τが小さく、かつ、雑音の小さい良好な特性が得られた。 When a pulse current having a duty of 50% was applied to the semiconductor laser device thus fabricated, it oscillated at an oscillation wavelength of 869 nm (25 ° C.). The oscillation threshold current was 19 mA and the efficiency was 1 W / A. Further, as the applied pulse current was increased, it oscillated without causing COD (Catastrophic Optical Damage) up to an output of 300 mW. The characteristic temperature To = 130K, the light emission lifetime τ = 8.0 nsec, and the relative noise intensity RIN = −120 dB / Hz, and the characteristic temperature was high, the light emission lifetime τ was small, and good characteristics with low noise were obtained.
また、この半導体レーザ素子の発振波長は、−25℃で856nm、85℃で885nmであった。 The oscillation wavelength of this semiconductor laser element was 856 nm at −25 ° C. and 885 nm at 85 ° C.
上記半導体レーザ素子を空間光伝送用光源に使用することにより、LEDを使用した場合と比べて、高出力で低消費電力の光源を提供することが可能となり、高速変調が可能な信頼性の高い空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することができる。 By using the semiconductor laser element as a light source for spatial light transmission, it is possible to provide a light source with high output and low power consumption compared with the case of using an LED, and high reliability capable of high-speed modulation. A semiconductor laser device for spatial light transmission can be provided.
図3は、この半導体レーザ素子を、散乱剤を混入した樹脂で2mmφにモールドし、アイセーフ化を実現した空間光伝送用半導体レーザ装置の一例としてのレーザモジュールを示している。 FIG. 3 shows a laser module as an example of a semiconductor laser device for spatial light transmission in which this semiconductor laser element is molded to 2 mmφ with a resin mixed with a scattering agent to realize eye-safety.
図3において、120は上記半導体レーザ素子であり、122はSiフォトダイオード、123はモールド樹脂部の一例としてのエポキシ系モールド樹脂、123a,123bはモールド樹脂で形成されたレンズ、124はシリコン系プリコート樹脂、125はSiO2拡散剤、126は回路基板、127はレーザ駆動回路および受信信号増幅用プリアンプを構成するIC(集積回路)である。また、モールド樹脂のLD出射部のレンズ123aに、SiO2樹脂からなる拡散剤125を混入することにより、アイセーフ化されている。シリコン系プリコート樹脂124は、硬化時の状態がゼリー状であり、半導体レーザ素子120のチップを応力歪から保護する役割を有しており、半導体レーザ素子120の信頼性を確保している。
In FIG. 3, 120 is the semiconductor laser element, 122 is a Si photodiode, 123 is an epoxy mold resin as an example of the mold resin portion, 123a and 123b are lenses formed of the mold resin, and 124 is a silicon precoat. Resin, 125 is a SiO 2 diffusing agent, 126 is a circuit board, and 127 is an IC (integrated circuit) constituting a laser driving circuit and a preamplifier for receiving signal amplification. In addition, it is made eye-safe by mixing a diffusing
上記回路基板126には、側面が45°の角度で傾斜した凹部126aが設けられており、この凹部126aの底に半導体レーザ素子120がマウントされている。半導体レーザ素子120から放射した光は凹部26a側面で反射し、レンズ123aで整形されてモジュールから放射される。このレーザモジュールに入る信号光は、レンズ123bで集光された後、Siフォトダイオード122で受光される。
The
次に、上記レーザモジュールの製造方法を説明する。まず、回路基板126に半導体レーザ素子120と、Siフォトダイオード122と、IC127を実装して、ワイヤボンディングを行う。半導体レーザ素子120は回路基板126に設けられた凹部126aにマウントし、この凹部126aにシリコン系プリコート樹脂124を適量滴下し、半導体レーザ素子120全体が覆われるようにコーティングする。そして、プリコート樹脂124がゼリー状に硬化した後、金型を用いて、レンズ123a,123bの形状が転写されるようにモールド樹脂123を流し込んで硬化させ、モールド樹脂123と一体化された回路基板126を取り出し、レーザモジュールを完成させる。
Next, a method for manufacturing the laser module will be described. First, the
このようにして作製したレーザモジュールにデューティー50%のパルス電流を印加したところ、発振波長884nm(25℃)で発振した。また、発振波長は、−25℃で871nm、85℃で900nmであった。 When a pulse current having a duty of 50% was applied to the laser module thus fabricated, the laser module oscillated at an oscillation wavelength of 884 nm (25 ° C.). The oscillation wavelength was 871 nm at −25 ° C. and 900 nm at 85 ° C.
なお、上記回路基板126の凹部126a側面の角度やモールド樹脂の材料、プリコート樹脂の材料、拡散剤の材料などは、これに限定するものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加え得ることは勿論のことである。
Note that the angle of the side surface of the
この第1実施形態では、使用環境温度範囲−25℃〜+85℃内で発振波長を850nm以上かつ900nm以下とすることができ、眼に対する安全性が向上すると同時に、安価なSiフォトダイオードを用いることが可能となり、モジュールのコストを下げることができる。また、使用するモジュールにより、モールドした状態で発振波長を850nm以上かつ900nm以下とすることで、この空間光伝送用半導体レーザ装置の性能を最大限に生かすことが可能となる。 In the first embodiment, the oscillation wavelength can be set to 850 nm to 900 nm within the use environment temperature range of −25 ° C. to + 85 ° C., and safety for the eyes is improved, and at the same time, an inexpensive Si photodiode is used. The module cost can be reduced. Further, by setting the oscillation wavelength to 850 nm or more and 900 nm or less in a molded state depending on the module to be used, it becomes possible to make the most of the performance of this semiconductor laser device for spatial light transmission.
本発明者が実験により調べた半導体レーザ素子の発振波長の温度依存性は、図10に示す発振波長の温度依存性をグラフから明らかなように、1℃上昇すると約0.24nm〜0.29nm波長が長くなり、85℃における波長と−25℃における波長との差は約30nmとなる。 The temperature dependence of the oscillation wavelength of the semiconductor laser device investigated by the present inventor is about 0.24 nm to 0.29 nm when the temperature dependence of the oscillation wavelength shown in FIG. The wavelength becomes longer, and the difference between the wavelength at 85 ° C. and the wavelength at −25 ° C. is about 30 nm.
したがって、モールド前の半導体レーザ素子が、チップ状態で室温(25℃)における発振波長を約885nm以下とすることにより、モールド実装時、85℃で900nm以下にすることができる。 Therefore, when the semiconductor laser element before molding has an oscillation wavelength at room temperature (25 ° C.) of about 885 nm or less in a chip state, it can be 900 nm or less at 85 ° C. during mold mounting.
さらに、アイセーフのため、拡散剤を混入した樹脂で半導体レーザ素子をモールドして空間光伝送用のレーザモジュールとして使用すると、例えばこの第1実施形態のレーザモジュールでは、モールドの有無によって15nm波長が変動する。また、さまざまなモールドサイズやモールド材料、モールド形状、モールド方法で実験したところ、半導体レーザ素子の駆動時の波長が5nm〜15nm長くなる。このように、アイセーフレーザモジュールでは、使用形態により波長が大きく変動する。 Furthermore, for eye-safe, when a semiconductor laser element is molded with a resin mixed with a diffusing agent and used as a laser module for spatial light transmission, for example, in the laser module of the first embodiment, the wavelength of 15 nm varies depending on the presence or absence of molding. To do. Further, when experiments were conducted with various mold sizes, mold materials, mold shapes, and molding methods, the wavelength during driving of the semiconductor laser element was increased by 5 nm to 15 nm. Thus, in the eye-safe laser module, the wavelength varies greatly depending on the usage pattern.
使用環境温度範囲を−25℃〜+85℃と想定すると、半導体レーザ素子自体の温度変化による波長の変動が約30nmあり、モールドすることによりさらに5nm〜15nm波長が長くなることから、アイセーフモールド半導体レーザ装置では、温度による波長変動30nmとモールドによる波長の変動10nmとの合計40nm波長が変動する。すなわち、最適な波長範囲が850nm〜900nmであるのに対して、10nmしか波長変動に対するマージンが無いことになる。モールドをしない状態で発振波長が850nm〜900nmになるように活性層構造を決めると、モールドした場合に、最適な波長範囲から外れる可能性が生じる。 Assuming that the operating environment temperature range is −25 ° C. to + 85 ° C., the wavelength variation due to the temperature change of the semiconductor laser element itself is about 30 nm, and the wavelength becomes longer by 5 nm to 15 nm by molding. In the apparatus, a total of 40 nm wavelength of wavelength variation 30 nm due to temperature and wavelength variation 10 nm due to mold varies. That is, while the optimum wavelength range is 850 nm to 900 nm, there is only a margin for wavelength variation of 10 nm. If the active layer structure is determined so that the oscillation wavelength is 850 nm to 900 nm without being molded, there is a possibility that it is out of the optimum wavelength range when molded.
したがって、モールド後に85℃で900nm以下とし、−25℃で850nm以上とすることが最も好ましい。 Therefore, it is most preferable to set it to 900 nm or less at 85 ° C. and 850 nm or more at −25 ° C. after molding.
すなわち、1℃当り0.24nm〜0.29nm波長が変動することを考えると、半導体レーザ素子の発振波長はモールド前の半導体レーザ素子のチップ状態で室温(25℃)では857nm〜871nmとすることが、空間光伝送用のアイセーフ半導体レーザ装置として、IrDA規格を満たしつつ、性能を最も発揮できるようになる。 In other words, considering that the wavelength varies from 0.24 nm to 0.29 nm per 1 ° C., the oscillation wavelength of the semiconductor laser element should be 857 nm to 871 nm at room temperature (25 ° C.) in the chip state of the semiconductor laser element before molding. However, as an eye-safe semiconductor laser device for spatial light transmission, the performance can be most exhibited while satisfying the IrDA standard.
このように、半導体レーザ素子がチップ状態において、25℃での発振波長が857nm以上かつ871nm以下とすることにより、使用環境温度範囲内で850nm以上かつ900nm以下で発振するアイセーフ半導体レーザ装置を実現することが可能となる。 As described above, when the semiconductor laser element is in a chip state, the oscillation wavelength at 25 ° C. is set to 857 nm or more and 871 nm or less, thereby realizing an eye-safe semiconductor laser device that oscillates at 850 nm or more and 900 nm or less within the operating environment temperature range. It becomes possible.
上述のように、空間光伝送用半導体レーザ装置では、井戸層のGa組成が小さく、かつ、井戸幅が薄いほど、温度に対する発振波長の変動を小さくできる。 As described above, in the semiconductor laser device for spatial light transmission, the fluctuation of the oscillation wavelength with respect to the temperature can be reduced as the Ga composition of the well layer is smaller and the well width is thinner.
また、バリア層としてGaInAsPバリアを用いた場合、バリア層のGa組成が小さいほど波長変動は小さくできる。 Further, when a GaInAsP barrier is used as the barrier layer, the wavelength fluctuation can be reduced as the Ga composition of the barrier layer is smaller.
また、アイセーフ化を実現する別の手段として、拡散板を使用することが考えられるが、拡散板を用いた場合、モジュールのサイズが大きくなって、携帯端末用に用いるには好ましくない。これに対して、この第1実施形態に示すように、モールド型のレーザモジュールとすることにより、小型化が可能となり、携帯端末用など、小型の機器にも搭載できるようになる。 As another means for realizing eye-safety, it is conceivable to use a diffusion plate. However, when a diffusion plate is used, the size of the module becomes large, which is not preferable for use in a portable terminal. On the other hand, as shown in the first embodiment, by using a mold type laser module, it is possible to reduce the size and mount it on a small device such as a portable terminal.
また、散乱剤を混入した樹脂でモールドする場合、モジュールのサイズにより放熱の度合いが変わり、波長変動分も異なる。つまり、携帯端末用に小型のモジュールが好ましいが、サイズが小さいと放熱が悪く波長の変動が大きくなる。一方、ホームサーバー用など、大型モジュールが使用可能であれば、モジュールのサイズを大きくすることにより、放熱が良くなり、波長変動も小さくなる。この場合、より高出力化、高速化が可能となる。 In addition, when molding with a resin mixed with a scattering agent, the degree of heat dissipation varies depending on the size of the module, and the amount of wavelength variation also varies. That is, a small module is preferable for a portable terminal. However, if the size is small, heat dissipation is poor and wavelength fluctuations are large. On the other hand, if a large module can be used, such as for home servers, increasing the size of the module improves heat dissipation and reduces wavelength fluctuations. In this case, higher output and higher speed can be achieved.
このように、使用するモジュールにより、モールドした状態で発振波長を850nm以上かつ900nm以下とすることにより、この空間光伝送用半導体レーザ装置の性能を最大限に生かすことが可能となる。 In this way, by setting the oscillation wavelength to 850 nm or more and 900 nm or less in a molded state depending on the module to be used, it becomes possible to make the best use of the performance of the semiconductor laser device for spatial light transmission.
また、InGaAsを井戸層とした量子井戸構造とすることにより、高出力、低消費電力、高信頼性で、高速変調可能な半導体レーザ素子を提供することができる。 Further, by adopting a quantum well structure using InGaAs as a well layer, it is possible to provide a semiconductor laser device capable of high-speed modulation with high output, low power consumption and high reliability.
さらに詳しくは、上記井戸幅、井戸層の組成、井戸数を変えた実験結果より、次のことが分かった。 More specifically, the following was found from the experimental results in which the well width, the composition of the well layers, and the number of wells were changed.
井戸層を8nm以下とすることにより、量子効果により少ないキャリアで効率よく光に変換されるようになり、閾値電流が下がることにより、効率が上がり、高出力化が可能となる。 By setting the well layer to 8 nm or less, light is efficiently converted with a small number of carriers due to the quantum effect, and the efficiency is increased and the output can be increased by decreasing the threshold current.
また、井戸層のInの組成を増やしていくと、歪量が増加し、キャリアの有効質量が低下し、閾値電流が低下し効率が向上し、より高出力を出すことが可能となる。 As the In composition of the well layer increases, the amount of strain increases, the effective mass of carriers decreases, the threshold current decreases, the efficiency improves, and higher output can be achieved.
このように、閾値電流が下がり、効率が上がり、信頼性が確保されることにより高出力化が可能となり、高速変調が可能となる。井戸幅を厚くし、井戸数を増やすと、特性温度Toは大きくなり、温度に対して特性が安定する。 As described above, the threshold current is decreased, the efficiency is increased, and the reliability is ensured, so that the output can be increased and the high-speed modulation can be performed. When the well width is increased and the number of wells is increased, the characteristic temperature To increases and the characteristics are stabilized with respect to the temperature.
また、井戸層にInを入れることにより、信頼性が向上した。これは、Inを入れることにより、井戸層中の転位の伝播(結晶欠陥の増殖)が抑えられたためと考えられる。 In addition, reliability was improved by adding In to the well layer. This is probably because dislocation propagation (crystal defect growth) in the well layer was suppressed by adding In.
また、井戸幅を厚くしたり、井戸数を増やしたりすると、さらに信頼性が向上した。これは、井戸層の体積が増えることにより、単位体積当りの光強度(光密度)が小さくなるため、井戸層内や出射端面において、同じ密度で吸収体が存在していたとしてもその吸収体が感じる光の強度は小さくなり、吸収量が減少するため、その結果信頼性が向上したと考えられる。 In addition, increasing the well width or increasing the number of wells further improved the reliability. This is because the light intensity (light density) per unit volume decreases as the volume of the well layer increases, so even if there is an absorber with the same density in the well layer or at the emission end face, the absorber Since the intensity of light that is felt becomes smaller and the amount of absorption decreases, it is considered that the reliability is improved as a result.
次に、本発明者が行った発光寿命τの活性層の厚さに対する依存性について実験により、活性層の厚さに依存していることが分かり、活性層の厚さを薄くするほど発光寿命τは小さくできる。すなわち、バルクの活性層よりも量子井戸活性層の方が、高速変調が可能となり、井戸幅が薄いほど空間光伝送用半導体レーザ装置としては適している。また、活性層を量子井戸構造とすることにより、バルク活性層と比べて、量子効果によりキャリアから光の変換効率が向上し、低閾値、高効率で高出力まで高い信頼性の素子特性が得られ、同時に発光寿命τを小さくすることも可能となる。望ましくは、井戸幅を8nm以下にすると特に効果が大きい。また、井戸数は少ないほど発光寿命τは小さくなり、井戸数4以下で特に効果が大きい。 Next, an experiment on the dependence of the emission lifetime τ on the thickness of the active layer conducted by the present inventor shows that it depends on the thickness of the active layer, and the emission lifetime increases as the thickness of the active layer decreases. τ can be reduced. That is, the quantum well active layer can be modulated at a higher speed than the bulk active layer, and the thinner the well width, the more suitable as the semiconductor laser device for spatial light transmission. In addition, by making the active layer a quantum well structure, the efficiency of carrier-to-light conversion is improved by the quantum effect compared to the bulk active layer, and device characteristics with low threshold, high efficiency, and high reliability are obtained. At the same time, the light emission lifetime τ can be reduced. Desirably, the effect is particularly great when the well width is 8 nm or less. In addition, the smaller the number of wells, the shorter the light emission lifetime τ, and the effect is particularly great when the number of wells is 4 or less.
信頼性を保ったまま発光寿命τを小さくできたのは、非発光再結合や光の吸収は少ないまま、少ないキャリアの注入量で効率よく発光再結合が行われたためと考えられる。 The reason why the light emission lifetime τ can be shortened while maintaining reliability is considered to be that the light emission recombination was efficiently performed with a small amount of injected carriers with little light emission recombination and light absorption.
さらに、上記発光寿命τの活性層の厚さに対する依存性についての実験より、井戸幅が4nm以下および8nm以上では雑音が大きくなり、通信用光源としては適さなくなる。これは、4nm以下では、井戸層とバリア層との界面の急峻性の良し悪しが大きく影響され、雑音が大きくなったものと考えられる。また、8nm以上では、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。 Further, from the experiment on the dependency of the light emission lifetime τ on the thickness of the active layer, noise becomes large when the well width is 4 nm or less and 8 nm or more, and it is not suitable as a communication light source. This is considered to be because the sharpness of the interface between the well layer and the barrier layer is greatly influenced by 4 nm or less, and the noise is increased. At 8 nm or more, it is considered that a plurality of quantum levels approached within the band, causing noise.
したがって、上記井戸幅4nm以上かつ8nm以下とすることによって、半導体レーザ素子の雑音を高速空間光伝送に用いるのに充分小さく抑えることができる。 Therefore, by setting the well width to 4 nm or more and 8 nm or less, the noise of the semiconductor laser element can be suppressed to be sufficiently small for use in high-speed spatial light transmission.
また、井戸層のIn組成を大きくすると雑音が低下する。これは、Inを入れることにより、井戸層のバレンスバンドでヘビーホールバンドとライトホールバンドが分離し、お互いのバンド同士の干渉が減少するためと考えられる。 Further, when the In composition of the well layer is increased, noise is reduced. This is presumably because the insertion of In separates the heavy hole band and the light hole band in the valence band of the well layer and reduces interference between the bands.
井戸幅を薄くしていくと、閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となり、特に8nm以下でその効果が顕著に表れる。より好ましくは、6nm以下とするとその効果は大きい。 As the well width is reduced, the threshold current decreases, the efficiency increases, and high output is possible. In addition, the light emission lifetime τ can be shortened and high-speed modulation becomes possible, and the effect is particularly remarkable at 8 nm or less. More preferably, the effect is large when the thickness is 6 nm or less.
一方、井戸幅を厚くしていくと、特性温度Toを大きくでき、また、信頼性も向上する。 On the other hand, when the well width is increased, the characteristic temperature To can be increased and the reliability is improved.
雑音は、4nm〜8nmで低くなり、それよりも薄くしても、厚くしても大きくなる。より好ましくは4nm以上かつ6nm以下とすることで、雑音は低下する。 Noise becomes low at 4 nm to 8 nm, and becomes large even if it is made thinner or thicker. More preferably, noise is reduced by setting the thickness to 4 nm or more and 6 nm or less.
また、In組成を大きくすると、閾値電流が低下し、効率が向上し高出力化が可能となり、また、雑音も低下し、信頼性も向上し、Inの組成0.04以上(Gaの組成0.96以下)で特にこれらの効果が顕著である。 In addition, when the In composition is increased, the threshold current is reduced, the efficiency is improved and the output can be increased, the noise is reduced, the reliability is improved, and the In composition is 0.04 or more (Ga composition 0). .96 or less), these effects are particularly remarkable.
しかし、Inを増やしていくとバンドギャップエネルギーEgが小さくなり、波長が長くなってしまい、波長を短くするには井戸幅を薄くしなくてはいけなくなり、4nmより薄くなると、逆に特性が悪くなる。4nm以上の井戸幅で所望の波長を得るにはGa組成は0.85以上が必要となる。また、Ga組成を0.9よりも小さくすると動作電圧が上がる。井戸層のGa組成0.85以上、より好ましくは0.9以上であることが望まれる。 However, as In is increased, the band gap energy Eg becomes smaller and the wavelength becomes longer. To shorten the wavelength, the well width must be made thinner. Become. In order to obtain a desired wavelength with a well width of 4 nm or more, the Ga composition must be 0.85 or more. Further, when the Ga composition is made smaller than 0.9, the operating voltage increases. It is desired that the Ga composition of the well layer is 0.85 or more, more preferably 0.9 or more.
井戸幅と井戸層の組成の組み合わせを考えると、井戸幅dは4≦d≦8nm、井戸層のGa組成xは0.85≦x<1、より好ましくは、井戸幅dは4≦d≦6nm、井戸層のGa組成xは0.9≦x≦0.96とすることで、LD特性、波長、発光寿命τ、雑音、特性温度To、信頼性の全てを満足すると共に、高出力で高速変調可能な空間光伝送用半導体レーザを提供することができる。 Considering the combination of the well width and the composition of the well layer, the well width d is 4 ≦ d ≦ 8 nm, the Ga composition x of the well layer is 0.85 ≦ x <1, and more preferably, the well width d is 4 ≦ d ≦ 4. By satisfying the Ga composition x of 6 nm and the well layer of 0.9 ≦ x ≦ 0.96, all of the LD characteristics, wavelength, emission lifetime τ, noise, characteristic temperature To, and reliability are satisfied, and high output is achieved. A semiconductor laser for spatial light transmission capable of high-speed modulation can be provided.
井戸数は、増やすと、特性温度Toはよくなる。また、信頼性も向上する。しかし、雑音が大きくなり、発光寿命τも大きくなってしまう。これに、閾値電流と効率も考慮すると、井戸数1〜4が最も適切である。
As the number of wells increases, the characteristic temperature To improves. In addition, reliability is improved. However, noise increases and the light emission lifetime τ also increases. Considering the threshold current and efficiency, the number of
量子井戸活性層のGaxIn1−xAs1−yPyバリア層のGa組成x、P組成yを変えて特性の比較を行った実験結果から明らかになったように、バリア層をGaInAsPとすることにより、AlGaAsバリア層を用いた場合よりも高い信頼性が確保できる。これは、活性層となる量子井戸構造中に活性なAlを含まないため、活性層中および端面で、非発光再結合中心や吸収体となる酸素が減少し、その結果信頼性が向上したと考えられる。なお、AlGaAsバリア層においてもAl組成0.3以下であれば充分な信頼性が確保できる。 As is clear from the experimental results of comparison of characteristics by changing the Ga composition x and P composition y of the Ga x In 1-x As 1-y P y barrier layer of the quantum well active layer, the barrier layer is made of GaInAsP. As a result, higher reliability can be ensured than when an AlGaAs barrier layer is used. This is because active Al is not included in the quantum well structure serving as the active layer, so that non-radiative recombination centers and oxygen serving as absorbers are reduced in the active layer and at the end face, resulting in improved reliability. Conceivable. Even in the AlGaAs barrier layer, sufficient reliability can be ensured if the Al composition is 0.3 or less.
より小型、或いは高出力を必要とするようなアプリケーションでは、信頼性の高いGaInAsPバリア層を用いることが好ましい。 For applications that require smaller size or higher output, it is preferable to use a highly reliable GaInAsP barrier layer.
また、GaInAsPバリアを用いた場合、バリア層のGa組成が小さいほど温度に対する波長変動は小さい。 Further, when a GaInAsP barrier is used, the smaller the Ga composition of the barrier layer, the smaller the wavelength variation with respect to temperature.
GaInAsPバリアのGa組成xを大きく、P組成yを大きくすることにより、バンドギャップエネルギーEgが大きくなり、特性温度Toを大きくすることができる。しかしながら、
y>−2.17x+2.5
で表される領域では、素子特性、信頼性が著しく低下する。したがって、
y≦−2.17x+2.5
で表される領域で組成を設定する必要がある。良好な素子特性と信頼性を確保するためには、
y≦−2.05x+2.34
で表される組成領域であることが望ましい。より好ましくは、
y≦−2.1x+2.29
であることがより望ましい。
By increasing the Ga composition x and the P composition y of the GaInAsP barrier, the band gap energy Eg is increased and the characteristic temperature To can be increased. However,
y> -2.17x + 2.5
In the region represented by the above, device characteristics and reliability are remarkably deteriorated. Therefore,
y ≦ −2.17x + 2.5
It is necessary to set the composition in the region represented by In order to ensure good device characteristics and reliability,
y ≦ −2.05x + 2.34
It is desirable that the composition region represented by More preferably,
y ≦ −2.1x + 2.29
Is more desirable.
Ga組成およびP組成を小さくしていくと、GaInAsPバリア層のバンドギャップエネルギーEgは小さくなり、井戸層とのバンドギャップエネルギーEgの差が取れなくなる。また、
y<−1.64x+1.63
で表される組成領域では、半導体レーザ素子の特性が著しく低下する。したがって、
y≧−1.64x+1.63
で表される組成領域を用いる必要がある。良好な素子特性を確保するためには、
y≧−1.64x+1.7で表される組成領域を用いるのが好ましい。さらに好ましくは、
y≧−1.54x+1.73
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
When the Ga composition and the P composition are decreased, the band gap energy Eg of the GaInAsP barrier layer is decreased, and the difference in the band gap energy Eg from the well layer cannot be obtained. Also,
y <−1.64x + 1.63
In the composition region represented by the above, the characteristics of the semiconductor laser device are remarkably deteriorated. Therefore,
y ≧ −1.64x + 1.63
It is necessary to use a composition region represented by In order to ensure good device characteristics,
It is preferable to use a composition region represented by y ≧ −1.64x + 1.7. More preferably,
y ≧ −1.54x + 1.73
It is most desirable to use a composition region represented by:
上記組成領域において、Ga組成xを小さく、P組成yを大きくしていくと、
y>−0.27x+0.88
で表される組成領域では、効率が低下し、素子抵抗が上昇する。したがって、
y≦−0.27x+0.88
で表される領域で使用するのが好ましい。さらに好ましくは、
y≦−0.28x+0.83
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
In the composition region, when the Ga composition x is decreased and the P composition y is increased,
y> −0.27x + 0.88
In the composition region represented by the formula, the efficiency decreases and the element resistance increases. Therefore,
y ≦ −0.27x + 0.88
It is preferable to use in the area | region represented by these. More preferably,
y ≦ −0.28x + 0.83
It is most desirable to use a composition region represented by:
また、Ga組成xが0.65未満の領域では、素子特性、信頼性が著しく低下する。したがって、x≧0.65の組成領域を使用する必要がある。好ましくは、x≧0.7の組成領域を用いるのが望ましい。 Further, in the region where the Ga composition x is less than 0.65, the device characteristics and reliability are remarkably deteriorated. Therefore, it is necessary to use a composition region where x ≧ 0.65. It is preferable to use a composition region where x ≧ 0.7.
量子井戸活性層を挟むn−Al0.4Ga0.6Asガイド層103およびp−Al0.4Ga0.6Asガイド層106の組成を変えた半導体レーザ素子の比較実験、および、GaInPをガイド層とした半導体レーザ素子の比較実験から次のことが明らかになった。すなわち、ガイド層にGaInP層を用いると、効率が低下し、抵抗も大きくなり、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大し、また、素子の温度が上昇し、信頼性が低下する。一方、AlGaAsをガイド層として用いると、効率が高くなり、素子抵抗が下がり、高出力化が可能となり、低消費電力化が可能となる。
Comparative experiment of semiconductor laser devices with different compositions of n-Al 0.4 Ga 0.6 As
また、AlGaAsガイド層とすることにより、特性温度Toが向上し、高温で安定動作する。 In addition, by using the AlGaAs guide layer, the characteristic temperature To is improved and the stable operation is performed at a high temperature.
また、このAlGaAsガイド層は、Al組成0.3以上で特に効果がある。Al組成を大きくすると、酸素が結合しやすくなるが、ガイド層においては、活性層と比べると光の分布が小さくなっているため、その影響は小さい。 The AlGaAs guide layer is particularly effective when the Al composition is 0.3 or more. Increasing the Al composition facilitates the bonding of oxygen, but the influence of the guide layer is small because the light distribution is smaller than that of the active layer.
〔第2実施形態〕
図4はこの発明の第2実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の一例としてのレーザモジュールの斜視図を示している。このレーザモジュールの半導体レーザ素子は、図2A〜図2Fに示した第1実施形態の半導体レーザ素子と同様の作製方法で作製した半導体レーザ素子を用い、第1実施形態の半導体レーザ素子とは、量子井戸活性層のバリア層をAlGaAs層とした点が異なる。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a perspective view of a laser module as an example of a semiconductor laser device for spatial light transmission according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor laser element of this laser module is a semiconductor laser element manufactured by the same manufacturing method as the semiconductor laser element of the first embodiment shown in FIGS. 2A to 2F, and the semiconductor laser element of the first embodiment is The difference is that the barrier layer of the quantum well active layer is an AlGaAs layer.
この第2実施形態のレーザモジュールの半導体レーザ素子は、un−Al0.15Ga0.85Asバリア層104a,104b,104cと、un−In0.072Ga0.928As井戸層105a,105bで活性層を構成している。上記井戸層105a,105bは厚さが4.6nmのDQW構造をしており、バリア層104a,104cの厚さはそれぞれ21.5nmであり、バリア層104bの厚さは7.9nmである。
The semiconductor laser element of the laser module according to the second embodiment includes un-Al 0.15 Ga 0.85 As barrier layers 104a, 104b, 104c and un-In 0.072 Ga 0.928 As well layers 105a, 105b. Constitutes the active layer. The well layers 105a and 105b have a DQW structure with a thickness of 4.6 nm, the
このようにして作製した半導体レーザ素子に、デューティー50%のパルス電流を印加したところ、発振波長868nm(25℃)で発振した。また、この半導体レーザ素子の−25℃における発振波長は855nm、85℃における発振波長は885nmであった。 When a pulse current with a duty of 50% was applied to the semiconductor laser device thus fabricated, it oscillated at an oscillation wavelength of 868 nm (25 ° C.). Further, this semiconductor laser element had an oscillation wavelength at -25 ° C. of 855 nm and an oscillation wavelength at 85 ° C. of 885 nm.
この半導体レーザ素子において、発振閾値電流は20mA、効率1.1W/Aであった。また、電流を増加していったところ、出力280mWまではCODを起こさず発振した。特性温度To=180K、発光寿命τ=3.5nsec、相対雑音強度RIN=−135dB/Hzと、特性温度Toが高く、発光寿命τが小さく、雑音が小さい良好な特性が得られた。 In this semiconductor laser device, the oscillation threshold current was 20 mA, and the efficiency was 1.1 W / A. As the current increased, the output oscillated without COD up to an output of 280 mW. The characteristic temperature To = 180K, the light emission lifetime τ = 3.5 nsec, the relative noise intensity RIN = −135 dB / Hz, the characteristic temperature To was high, the light emission lifetime τ was small, and good characteristics with low noise were obtained.
図4に示すように、上記半導体レーザ素子を、散乱剤を混入した樹脂で7.5mmφにモールドし、アイセーフレーザモジュールを作製する。図4において、220が上記半導体レーザ素子であり、221はヒートシンク、222はSiフォトダイオード、223は拡散剤を混入したモールド樹脂(レンズの機能を兼ねる)、224はプリコート樹脂、225は拡散剤である。上記モールド樹脂223とプリコート樹脂224でモールド樹脂部を構成している。
As shown in FIG. 4, the semiconductor laser element is molded to 7.5 mmφ with a resin mixed with a scattering agent to produce an eye-safe laser module. In FIG. 4, 220 is the semiconductor laser element, 221 is a heat sink, 222 is a Si photodiode, 223 is a mold resin mixed with a diffusing agent (also serves as a lens), 224 is a precoat resin, and 225 is a diffusing agent. is there. The
この半導体レーザ素子220は、前述のとおり、へき開した両端面に反射率がそれぞれ5%と90%の反射膜をコーティングしているが、5%の反射膜を形成した端面を図中で上向きに、90%の反射膜を形成した端面を図中の下向きになるように、ヒートシンク221にマウントしている。この半導体レーザ素子220の光は、反射率5%の反射膜側から放射され、モールド樹脂223のレンズ機能により整形されてモジュールから放射される。また、この第2実施形態のレーザモジュールには、Siフォトダイオード222が設置されており、モジュールに入る信号光は、モールド樹脂223のレンズ機能により集光され、Siフォトダイオード222で受光される。また、モールド樹脂223には拡散剤225が混入されており、アイセーフ化されている。
As described above, the
プリコート樹脂224は、硬化時にゼリー状となるシリコン系樹脂を用いており、半導体レーザ素子220のチップを応力歪から保護する効果があり、半導体レーザ素子の信頼性を確保している。
The
次に、この第2実施形態のレーザモジュールの製造方法を説明する。まず、ステムに半導体レーザ素子220、Siフォトダイオード222を実装して、ワイヤボンディングを行う。半導体レーザ素子220をヒートシンク221にマウントしている。そして、半導体レーザ素子220全体が覆われるようにシリコン系プリコート樹脂224を適量滴下してコーティングする。プリコート樹脂224がゼリー状に硬化した後、金型を用いて、レンズ形状が転写されるようにモールド樹脂223を流し込んで硬化させ、モールド樹脂223と一体化されたステムを取り出し、レーザモジュールを完成させる。
Next, a method for manufacturing the laser module according to the second embodiment will be described. First, the
このアイセーフレーザモジュールにデューティー50%のパルス電流を印加したところ、発振波長872nm(25℃)で発振した。また、−25℃で859nm、85℃で889nmであった。 When a pulse current having a duty of 50% was applied to the eye-safe laser module, it oscillated at an oscillation wavelength of 872 nm (25 ° C.). Moreover, it was 859 nm at -25 degreeC and 889 nm at 85 degreeC.
この第2実施形態では、モールド樹脂203の径が第1実施形態に比べて大きく、モールドの有無の温度による波長変動が6nmとなった。モールド前の半導体レーザ素子のチップ状態では25℃で868nmと、第1実施形態と同程度であるが、モールド後においても−25℃〜85℃の範囲で、発振波長を850nm以上かつ900nm以下とすることができる。なお、モールドによる温度上昇は、バリア層にGaInAsPを用いても、AlGaAsを用いても変わりない。 In the second embodiment, the diameter of the mold resin 203 is larger than that of the first embodiment, and the wavelength variation due to the temperature with or without the mold is 6 nm. The chip state of the semiconductor laser device before molding is 868 nm at 25 ° C., which is the same as that of the first embodiment, but the oscillation wavelength is 850 nm to 900 nm in the range of −25 ° C. to 85 ° C. even after molding. can do. Note that the temperature rise due to the mold does not change whether GaInAsP or AlGaAs is used for the barrier layer.
また、井戸層の組成、井戸幅、井戸数については、第1実施形態で説明したGaInAsPバリアと同様の効果が得られる。 Further, with respect to the composition of the well layer, the well width, and the number of wells, the same effect as that of the GaInAsP barrier described in the first embodiment can be obtained.
バリア層の組成を変えた実験結果より、バリア層にAlGaAsを用いた場合は、バリア層のAl組成を大きくするに従い、さらに発光寿命τは小さくなる。しかしながら、この場合、Al組成を大きくするに従い、発光寿命τは小さくなるが、信頼性も悪化してしまい、Al組成が0.3を越えると高出力で半導体レーザ素子を駆動すると充分な信頼性が得られなくなる。Alは活性な材料で、酸素との結合が非常に強く、Al組成を大きくすると、酸素の取り込みも大きくなってしまう。バリア層にAlGaAsを用いた場合、バリア層に酸素が取り込まれ、すなわち、井戸層とバリア層の界面に酸素が取り込まれることになり、井戸層内に閉じ込められたキャリアの非発光再結合の準位となり、発光寿命τが小さくなる。また、光密度の高い活性領域を構成するバリア層中の酸素が取り込まれることになり、これがレーザ光の吸収体となり、半導体レーザ素子の特性および信頼性が悪化したものと考えられる。 From the experimental results of changing the composition of the barrier layer, when AlGaAs is used for the barrier layer, the emission lifetime τ is further reduced as the Al composition of the barrier layer is increased. However, in this case, as the Al composition is increased, the light emission lifetime τ is reduced, but the reliability is also deteriorated. When the Al composition exceeds 0.3, sufficient reliability is obtained when the semiconductor laser device is driven at a high output. Cannot be obtained. Al is an active material and has a very strong bond with oxygen. If the Al composition is increased, oxygen uptake also increases. When AlGaAs is used for the barrier layer, oxygen is taken into the barrier layer, that is, oxygen is taken into the interface between the well layer and the barrier layer, and the non-radiative recombination of carriers confined in the well layer The emission lifetime τ is reduced. Further, oxygen in the barrier layer constituting the active region having a high light density is taken in, and this becomes an absorber of laser light, which is considered to deteriorate the characteristics and reliability of the semiconductor laser element.
また、バリア層のAl組成が大きいほど端面で酸素が結合しやすくなるため、CODが生じやすくなる。 Further, as the Al composition of the barrier layer is larger, oxygen is more easily bonded at the end face, so that COD is more likely to occur.
さらに、AlGaAsをバリア層として用いる場合は、Al組成を0.3以下とすることにより、高出力で半導体レーザ素子を駆動させるのに充分な信頼性を保ったまま、発光寿命τを小さくすることが可能となる。 Further, when AlGaAs is used as a barrier layer, the light emission lifetime τ can be reduced while maintaining sufficient reliability for driving a semiconductor laser device at high output by setting the Al composition to 0.3 or less. Is possible.
また、上記バリア層の組成を変えた実験結果より、AlGaAsバリア層のAl組成を下げたほうが、動作電圧Vopが下がる。 Further, from the experimental results of changing the composition of the barrier layer, the operating voltage Vop is lowered when the Al composition of the AlGaAs barrier layer is lowered.
注入されたキャリアが、井戸層とバリア層のヘテロ界面を障壁と感じ、Al組成が小さいほどこのヘテロ界面の障壁が小さくなり、キャリアが井戸層に注入され易くなるため、動作電圧Vopが低減したと推測される。したがって、動作電圧Vopの観点からは、バリア層のAl組成はできる限り小さい方が望ましい。 The injected carrier feels that the hetero interface between the well layer and the barrier layer is a barrier, and the smaller the Al composition, the smaller the barrier at this hetero interface, and the easier the carriers are injected into the well layer, thereby reducing the operating voltage Vop. It is guessed. Therefore, from the viewpoint of the operating voltage Vop, it is desirable that the Al composition of the barrier layer be as small as possible.
しかしながら、バリア層のAl組成を0.1より小さくすると、井戸層とのΔEgが小さくなり、閾値電流、効率、特性温度Toなどの特性が悪化するため、Al組成は0.1以上必要である。 However, if the Al composition of the barrier layer is made smaller than 0.1, ΔEg with the well layer becomes small, and characteristics such as threshold current, efficiency and characteristic temperature To deteriorate, so that the Al composition needs to be 0.1 or more. .
また、上記バリア層の組成を変えた実験結果より、特性温度Toは、AlGaAsバリアを用いると、GaInAsPバリアを用いるよりも向上する。これは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドの差(ΔEc)がAlGaAsバリアを用いた方が大きくできるためと考えられる。特にAl組成0.15以上で効果は大きい。 Further, from the experimental results of changing the composition of the barrier layer, the characteristic temperature To is improved when the AlGaAs barrier is used than when the GaInAsP barrier is used. This is presumably because the difference (ΔEc) between the conduction layers of the well layer and the barrier layer can be increased by using the AlGaAs barrier. In particular, the effect is large at Al composition of 0.15 or more.
また、AlGaAsバリア層のAl組成を大きく(Ga組成を小さく)していくと、温度による波長変動を小さくできる。 Further, when the Al composition of the AlGaAs barrier layer is increased (the Ga composition is decreased), the wavelength fluctuation due to temperature can be reduced.
上記バリア層の組成を変えた実験結果では、バリア層にAlGaAsを用いた場合は、Alの組成を大きくすると、雑音が大きくなった。これは、Alの組成を大きくすることで、井戸層とバリア層の界面に取り込まれる酸素が増加し、LD特性が低下し、雑音の原因になったと考えられる。AlGaAsバリア層のAl組成は0.3以下とすることが好ましい。また、Al組成0.3以下では、GaInAsPバリア層と比べても、雑音が小さくなった。一方、Al組成を小さくしていくと、Al組成0.1までは雑音は小さくなっていくが、0.1より小さくなると、逆に雑音が大きくなった。これは、井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギーEgの差が小さくなり、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。 As a result of the experiment in which the composition of the barrier layer was changed, when AlGaAs was used for the barrier layer, the noise increased when the composition of Al was increased. This is thought to be due to the fact that by increasing the composition of Al, the oxygen taken into the interface between the well layer and the barrier layer increases, the LD characteristics deteriorate, and this causes noise. The Al composition of the AlGaAs barrier layer is preferably 0.3 or less. In addition, when the Al composition was 0.3 or less, the noise was smaller than that of the GaInAsP barrier layer. On the other hand, when the Al composition is decreased, the noise is reduced until the Al composition is 0.1, but when the Al composition is smaller than 0.1, the noise is increased. This is probably because the difference in the band gap energy Eg between the well layer and the barrier layer was reduced, and a plurality of quantum levels approached within the band, causing noise.
したがって、バリア層にAlGaAsを用いた場合は、Al組成は0.1以上かつ0.3以下とすることで、雑音を小さく抑えられ、この範囲内でAl組成を小さくした方が雑音は小さくできる。 Therefore, when AlGaAs is used for the barrier layer, the noise can be reduced by setting the Al composition to 0.1 or more and 0.3 or less, and the noise can be reduced by reducing the Al composition within this range. .
以上より、LD特性、波長変動、発光寿命τ、雑音、特性温度To、信頼性をトータルで考えると、AlGaAsバリア層のAl組成は、0.1以上かつ0.3以下が望ましい。 From the above, considering the LD characteristics, wavelength fluctuation, light emission lifetime τ, noise, characteristic temperature To, and reliability, the Al composition of the AlGaAs barrier layer is preferably 0.1 or more and 0.3 or less.
〔第3実施形態〕
図5は、この発明の第3実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図を示している。
[Third Embodiment]
FIG. 5 shows a sectional view of a semiconductor laser element of a semiconductor laser device for spatial light transmission according to a third embodiment of the present invention.
図5において、301はn−GaAs基板、302はn−Al0.5Ga0.5Asクラッド層、303はn−Al0.4Ga0.6Asガイド層、304a,304bはバリア層、305はDQW構造の井戸層、306はp−Al0.4Ga0.6Asガイド層、307はp−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層、314はp−低ドープGa0.84In0.16As0.4P0.6層、309はp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層、312はp−GaAsキャップ層、313a,313bは電極である。 In FIG. 5, 301 is an n-GaAs substrate, 302 is an n-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer, 303 is an n-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer, 304a and 304b are barrier layers, 305 is a well layer of a DQW structure, 306 is a p-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer, 307 is a p-Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer, 314 is a p-low doped Ga 0 .84 In 0.16 As 0.4 P 0.6 layer, 309 is a p-Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer, 312 is a p-GaAs cap layer, and 313 a and 313 b are electrodes.
次に、図6A〜図6Cを用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser element will be described with reference to FIGS. 6A to 6C.
n−GaAs基板301上に、図6Aに示すように、n−Al0.5Ga0.5Asクラッド層302(1.8μm)、n−Al0.4Ga0.6Asガイド層303(0.1μm)、Ga0.75n0.25As0.4P0.6バリア層304a,304b(各20nm)とGa0.925In0.075As井戸層305(4.6nm)からなるSQW活性層、p−Al0.4Ga0.6Asガイド層306(0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層307(0.15μm)、p−Ga0.84In0.16As0.4P0.6層314(15nm)、p−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層309(1.28μm)、p−GaAsキャップ層312(0.5μm)を順次MOCVD法により結晶成長して形成する。p−GaAsキャップ層312は、最上層0.3μmのみ電極とのコンタクトが取りやすいように1×1020cm−3の不純物密度でドーピングする。なお、量子井戸活性層を構成するバリア層304a,304bは、この組成に限るものではなく、第1,第2実施形態で説明した組成範囲のGaInAsP層またはAlGaAs層を用いることができる。
On the n-
この上に、6μm幅のレジストマスクを通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図6Bに示すように、レジストマスクが形成された領域以外のp−GaAsキャップ層312およびp−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層309をエッチング除去し、ストライプ状のリッジを形成する。このとき、p−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層309とp−Ga0.84In0.16As0.4P0.6層314とで選択性の高いエッチャントを用いて、p−Ga0.84In0.16As0.4P0.6層314でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。この第3実施形態では、リッジの底部の幅が2.7μmになるように調整している。
A resist mask having a width of 6 μm is formed thereon by a normal photolithography technique, and as shown in FIG. 6B, the p-
リッジ上のレジストを除去した後、ウェハを100μmの厚さに研磨し、図6Cに示すように、p側にTi/Pt/Au電極313a、n側にAuGe/Ni/Au電極313bを蒸着により形成する。
After removing the resist on the ridge, the wafer is polished to a thickness of 100 μm, and as shown in FIG. 6C, Ti / Pt /
そして、共振器となるストライプと垂直な方向に500μmの長さにへき開し、その両端面に、反射率がそれぞれ5%と90%となるようにSi膜およびAl2O3の膜を蒸着により形成する。 Then, the film is cleaved to a length of 500 μm in a direction perpendicular to the stripe that becomes the resonator, and an Si film and an Al 2 O 3 film are vapor-deposited on both end faces thereof so that the reflectance becomes 5% and 90%, respectively. Form.
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザ素子を完成させる。 Finally, each stripe is divided and mounted on the stem to complete the semiconductor laser device.
この半導体レーザ素子の発振波長は、−25℃で856nm、25℃で868nm、85℃で884nmであった。 The oscillation wavelength of this semiconductor laser element was 856 nm at −25 ° C., 868 nm at 25 ° C., and 884 nm at 85 ° C.
さらに、図3に示すレーザモジュールのように、樹脂で2mmφにモールドした場合、発振波長は、−25℃で871nm、25℃で883℃、85℃で899nmであった。 Further, as in the laser module shown in FIG. 3, when the resin was molded to 2 mmφ, the oscillation wavelength was 871 nm at −25 ° C., 883 ° C. at 25 ° C., and 899 nm at 85 ° C.
この第3実施形態においても、モールド前の半導体レーザ素子のチップ状態において25℃で868nmとすることにより、モールド実装時、使用環境温度範囲内で850nm以上かつ900nm以下の発振波長が可能で、高出力、低消費電力で高速変調が可能なレーザモジュールを提供することができる。 Also in the third embodiment, by setting 868 nm at 25 ° C. in the chip state of the semiconductor laser element before molding, an oscillation wavelength of 850 nm or more and 900 nm or less is possible within the operating environment temperature range when the mold is mounted. A laser module capable of high-speed modulation with low output and low power consumption can be provided.
この第3実施形態では、p側電極313aとp−GaInAsP層314との間のショットキー接合を用いて、リッジ部への電流狭窄を実現している。そのため、第1実施形態と比べて、製造工程が簡略化され、製造コストを大幅に低減することができる。その結果、従来のLED並みのコストでありながら、LEDと比べても、高出力かつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用光源を提供することができる。
In the third embodiment, current confinement to the ridge portion is realized by using a Schottky junction between the p-
〔第4実施形態〕
図7に第4実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図を示している。
[Fourth Embodiment]
FIG. 7 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser element of the semiconductor laser device for spatial light transmission according to the fourth embodiment.
図7において、401はn−GaAs基板、402はn−Al0.5Ga0.5Asクラッド層、403はn−Al0.4Ga0.6Asガイド層、404a,404b,404c,404dはun−In0.1Ga0.9As0.65P0.35バリア層、405a,405b,405cはGa0.935In0.065As井戸層、406はp−Al0.4Ga0.6Asガイド層、407はp−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層、408はp−GaAsエッチングストップ層、410はn−Al0.6Ga0.4Asブロック層、411はn−GaAsブロック層である。 In FIG. 7, 401 is an n-GaAs substrate, 402 is an n-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer, 403 is an n-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer, 404a, 404b, 404c, 404d. Is un-In 0.1 Ga 0.9 As 0.65 P 0.35 barrier layer, 405a, 405b and 405c are Ga 0.935 In 0.065 As well layers, and 406 is p-Al 0.4 Ga 0. .6 As guide layer, 407 is p-Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer, 408 is p-Ga As etching stop layer, 410 is n-Al 0.6 Ga 0.4 As block layer, 411 Is an n-GaAs block layer.
次に、図8A〜図8Dを用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser element will be described with reference to FIGS. 8A to 8D.
n−GaAs基板401上に、図8Aに示すように、n−Al0.5Ga0.5Asクラッド層402(1.8μm)、n−Al0.4Ga0.6Asガイド層403(0.1μm)、un−In0.1Ga0.9As0.65P0.35バリア層404a,404b,404c,404d(404a,404dは20nm、404b,404cは5nm)とGa0.935In0.065As井戸層405a,405b,405c(各4.6nm)からなるTQW活性層、p−Al0.4Ga0.6Asガイド層406(0.1μm)、p−Al0.5Ga0.5As第1クラッド層407(0.15μm)、p−GaAsエッチングストップ層408(4nm)、n−Al0.6Ga0.4Asブロック層410(0.8μm)、n−GaAsブロック層411(0.01μm)を順次MOCVD法により第1の結晶成長で形成する。なお、量子井戸活性層を構成するバリア層404a,404b,404c,404dは、この組成に限るものではなく、第1実施形態および第2実施形態で説明した組成範囲のGaInAsP層またはAlGaAs層を用いることができる。 As shown in FIG. 8A, an n-Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer 402 (1.8 μm), an n-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 403 (on the n-GaAs substrate 401). 0.1 μm), un-In 0.1 Ga 0.9 As 0.65 P 0.35 barrier layers 404 a, 404 b, 404 c and 404 d (404 a and 404 d are 20 nm, 404 b and 404 c are 5 nm) and Ga 0.935 In 0 0.065 As well layers 405a, 405b and 405c (each 4.6 nm), TQW active layer, p-Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 406 (0.1 μm), p-Al 0.5 Ga 0 0.5 As first cladding layer 407 (0.15 μm), p-GaAs etching stop layer 408 (4 nm), n-Al 0.6 Ga 0.4 As block layer 410 (0.8 μm), n-GaAs block layer 411 (0.01 μm) is sequentially formed by the first crystal growth by MOCVD. The barrier layers 404a, 404b, 404c, and 404d constituting the quantum well active layer are not limited to this composition, and the GaInAsP layer or the AlGaAs layer having the composition range described in the first and second embodiments is used. be able to.
その上に、5μm幅ストライプを残してレジストマスクを通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図8Bに示すように、ストライプ部のn−Al0.6Ga0.4Asブロック層410およびn−GaAsブロック層411をエッチング除去し、ストライプ状の溝を形成する。このとき、n−Al0.6Ga0.4Asブロック層410とp−GaAsエッチングストップ層408とで選択性の高いエッチャントを用いて、p−GaAsエッチングストップ層408でエッチングが停止するようにし、ストライプ溝幅を制御している。この第4実施形態では、溝の底部の幅が3.0μmになるように調整している。
On top of this, a resist mask is formed by a normal photolithography technique leaving a 5 μm wide stripe, and as shown in FIG. 8B, the n-Al 0.6 Ga 0.4 As
ウェハ表面のレジストを除去した後、図8Cに示すように、p−Al0.5Ga0.5As第2クラッド層409(1.28μm)、p−GaAsキャップ層412(4.75μm)を順次MOCVD法により第2の結晶成長で形成する。p−GaAsキャップ層412は、最上層0.3μmのみ電極とのコンタクトが取りやすいように1×1020cm−3の不純物密度でドーピングする。
After removing the resist on the wafer surface, a p-Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 409 (1.28 μm) and a p-GaAs cap layer 412 (4.75 μm) are formed as shown in FIG. 8C. Sequentially formed by second crystal growth by MOCVD. The p-
ウェハを100μmの厚さに研磨し、図8Dに示すように、p側にTi/Pt/Au電極413a、n側にAuGe/Ni/Au電極413bを蒸着により形成する。
The wafer is polished to a thickness of 100 μm, and as shown in FIG. 8D, a Ti / Pt /
そして、共振器となるストライプと垂直な方向に500μmの長さでへき開し、反射率がそれぞれ5%と90%となるようにSi膜およびAl2O3膜を蒸着により形成する。 Then, the Si film and the Al 2 O 3 film are formed by vapor deposition so as to be cleaved with a length of 500 μm in a direction perpendicular to the stripe serving as the resonator, and to have a reflectance of 5% and 90%, respectively.
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザ素子を完成させる。 Finally, each stripe is divided and mounted on the stem to complete the semiconductor laser device.
上記半導体レーザ素子の発振波長は、−25℃で855nm、25℃で867nm、85℃で884nmであった。 The oscillation wavelength of the semiconductor laser element was 855 nm at −25 ° C., 867 nm at 25 ° C., and 884 nm at 85 ° C.
さらに、図3に示すレーザモジュールと同様に、上記半導体レーザ素子を樹脂で2mmφにモールドした場合、発振波長は、−25℃で870nm、25℃で882℃、85℃で899nmであった。 Further, similarly to the laser module shown in FIG. 3, when the semiconductor laser element was molded to 2 mmφ with resin, the oscillation wavelength was 870 nm at −25 ° C., 882 ° C. at 25 ° C., and 899 nm at 85 ° C.
この第4実施形態においても、モールド前の半導体レーザ素子のチップ状態において25℃で867nmとすることにより、モールド実装時、使用環境温度範囲内で850nm以上かつ900nm以下の発振波長が可能で、高出力、低消費電力で高速変調が可能なレーザモジュールを提供することができる。 Also in the fourth embodiment, by setting 867 nm at 25 ° C. in the chip state of the semiconductor laser element before molding, an oscillation wavelength of 850 nm or more and 900 nm or less is possible within the operating environment temperature range when mounting the mold. A laser module capable of high-speed modulation with low output and low power consumption can be provided.
この第4実施形態では、第1実施形態と比べて、製造工程が簡略化され、製造コストを低減することができる。その結果、コストを抑えながらも、LEDと比べて、高出力でかつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用光源を提供することができる。 In the fourth embodiment, the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be reduced as compared with the first embodiment. As a result, it is possible to provide a spatial light transmission light source capable of high-speed modulation with high output and low power consumption as compared with an LED while suppressing cost.
なお、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置は、第1〜第4実施形態のレーザモジュールのみに限定されるものではない。また、半導体レーザ素子の光閉じ込め構造やクラッド層、ブロック層などの組成や層厚など、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加え得ることは勿論のことである。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to the present invention is not limited to the laser modules of the first to fourth embodiments. It goes without saying that various changes can be made without departing from the gist of the present invention, such as the optical confinement structure of the semiconductor laser device, the composition and thickness of the cladding layer, block layer, and the like.
〔第5実施形態〕
図9はこの発明の第5実施形態の空間光伝送システムの構成を示す斜視図である。この第5実施形態の空間光伝送システムは、100Mbpsの空間光伝送の例である。第1〜第4実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置を用いることにより、LEDを使用した場合と比べて、高出力で低消費電力かつ高速での追随性に優れた光源を提供することが可能となり、100Mbpsという高速空間光伝送が実現できる。
[Fifth Embodiment]
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the spatial light transmission system according to the fifth embodiment of the present invention. The spatial light transmission system according to the fifth embodiment is an example of spatial light transmission of 100 Mbps. By using the semiconductor laser device for spatial light transmission according to the first to fourth embodiments, it is possible to provide a light source that has high output, low power consumption, and high tracking speed compared to the case of using LEDs. Thus, high-speed spatial light transmission of 100 Mbps can be realized.
この第5実施形態では、携帯電話などの携帯端末508、パーソナルサーバ509、テレビ500、パーソナルコンピュータ501、プリンタ502が、それぞれワイヤレスで高速データ伝送が行える。この携帯端末508には、図3に示した2mmのモールドレーザモジュールを搭載している。パーソナルサーバ509、パーソナルコンピュータ501、プリンタ502、テレビ500にも、図3または図4に示したレーザモジュールを搭載している。
In the fifth embodiment, a
携帯端末508には、高画素数のデジタルカメラが搭載されており、高画質の画像や動画を撮影できる。これらはデータの容量が大きくなるため、従来のIrDAで伝送を行うと、十秒〜数十秒以上の時間がかかってしまい、必ずしも使い勝手は良いものではなかった。これに対して、この第5実施形態では、第1〜第4実施形態の半導体レーザ素子を使用することにより、高速でデータ伝送を行うことができるため、瞬時にデータを送ることが可能となり、その利便性が飛躍的に向上した。例えば、高画質画像データをプリンタ502に瞬時に伝送し、写真を出力したり、動画データをパーソナルサーバ509に瞬時に伝送し、テレビ500に映したりするなど、その応用範囲は非常に広くなる。
The
また、データの数が増えると、携帯端末508の容量が一杯になってしまうため、パーソナルサーバ509やパーソナルコンピュータ501にデータを保管するのに、高い頻度で手軽にデータを伝送できると非常に便利である。この第5実施形態は、高速伝送が可能であるが故に、瞬時にデータを伝送することが可能であるため、この点においても適合した使い勝手の良いシステムである。
Moreover, since the capacity of the
また、パーソナルサーバ509内に保管したデータを、一旦携帯端末に移し、外出先で観たり、パーソナルコンピュータ501へ送ったりすることも、手軽に行える。
In addition, the data stored in the
なお、この発明の空間光伝送システムは、上述の図示の実施形態にのみ限定されるものではない。この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加え得ることは勿論のことである。 Note that the spatial light transmission system of the present invention is not limited to the illustrated embodiment described above. Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
101,301,401…n−GaAs基板
102,302,402…n−AlGaAsクラッド層
103,303,403…n−AlGaAsガイド層
104a,104b,104c,304a,304b,404a,404b,404c,404d…アンドープバリア層
105a,105b,305,405a,405b,405c…アンドープ量子井戸層
106,306,406…p−AlGaAsガイド層
107,306,407…p−AlGaAs第1クラッド層
108,408…p−GaAsエッチングストップ層
109,309…p−AlGaAs第2クラッド層
110,410…n−AlGaAsブロック層
111,411…n−GaAsブロック層
112,312,412…p−GaAsキャップ層
112a…p−GaAsキャップ層
112b…p−GaAsキャップ層
112c…p−GaAsキャップ層
113a,313a,413a…p側電極
113b,313b,413b…n側電極
114,314…p−GaInAsPバリア形成層
115…第1のn−AlGaAs層
116…n−AlGaAsクラッド層
117…p−AlGaAs活性層
118…p−AlGaAsクラッド層
119…第1のp−AlGaAs層
120,220…半導体レーザチップ
221…ヒートシンク
122,222…フォトダイオード
123,223…モールド樹脂
123a, 123b…レンズ
124,224…プリコート樹脂
125,225…拡散剤
126…回路基板
127…IC
500…テレビ
501…パーソナルコンピュータ
502…プリンタ
508…携帯端末
509…パーソナルサーバ
101, 301, 401 ... n-
500 ...
Claims (9)
上記半導体レーザ素子の少なくとも一部を覆うモールド樹脂部と
を備え、
上記半導体レーザ素子の上記活性層は、InGaAsである井戸層と上記井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造をしており、
上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドする前のチップ状態で25℃における発振波長が857nm以上かつ871nm以下であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 A semiconductor laser device in which an active layer, a guide layer sandwiching the active layer, and a clad layer sandwiching the active layer and the guide layer are formed on a GaAs substrate;
A mold resin portion covering at least a part of the semiconductor laser element,
The active layer of the semiconductor laser element has a quantum well structure composed of a well layer of InGaAs and a barrier layer sandwiching the well layer,
The semiconductor laser device is a semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein an oscillation wavelength at 25 ° C. is not less than 857 nm and not more than 871 nm in a chip state before resin molding.
上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドされた状態で使用環境温度における発振波長が850nm以上900nm以下であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
The semiconductor laser device is a semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein an oscillation wavelength at a use environment temperature is 850 nm or more and 900 nm or less in a resin molded state.
上記井戸層がIn1−x1Gax1As(0.85≦x1<1)であり、
上記量子井戸構造における井戸幅dが4nm≦d≦8nmであることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
The well layer is In 1-x1 Ga x1 As (0.85 ≦ x1 <1);
A semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein a well width d in the quantum well structure is 4 nm ≦ d ≦ 8 nm.
上記井戸層がIn1−x1Gax1As(0.9≦x1≦0.96)であり、
上記量子井戸構造における井戸幅dが4nm≦d≦6nmであることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
The well layer is In 1-x1 Ga x1 As (0.9 ≦ x1 ≦ 0.96);
A semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein a well width d in the quantum well structure is 4 nm ≦ d ≦ 6 nm.
上記量子井戸構造における井戸数が4以下であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
A semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein the number of wells in the quantum well structure is 4 or less.
上記バリア層がGax2In1−x2As1−yPyであり、
上記バリア層のGa組成x2とP組成yが、
y≦−2.17x2+2.5
y≧−1.64x2+1.63
y≦−0.27x2+0.88
x2≧0.65
の条件を満たすことを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
The barrier layer is Ga x2 In 1-x2 As 1-y P y ,
The Ga composition x2 and P composition y of the barrier layer are
y ≦ −2.17x2 + 2.5
y ≧ −1.64 × 2 + 1.63
y ≦ −0.27x2 + 0.88
x2 ≧ 0.65
A semiconductor laser device for spatial light transmission characterized by satisfying the following condition.
上記バリア層がAlx3Ga1−x3As(0.1≦x3≦0.3)であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
A semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein the barrier layer is Al x3 Ga 1-x3 As (0.1 ≦ x3 ≦ 0.3).
上記ガイド層がAlx4Ga1−x4As(x4≧0.3)であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。 The semiconductor laser device for spatial light transmission according to claim 1,
2. A semiconductor laser device for spatial light transmission, wherein the guide layer is Al x4 Ga 1-x4 As (x4 ≧ 0.3).
A spatial light transmission system comprising the semiconductor laser device for spatial light transmission according to any one of claims 1 to 8.
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