JP2008258277A - 半導体レーザ素子、発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作する半導体レーザ素子ならびにそれを用いた発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器を提供する。
【解決手段】半導体基板上に、バッファ層、下クラッド層、活性層、第１の上クラッド層、第２の上クラッド層、およびキャップ層、を含み、バッファ層のエネルギバンドギャップの大きさは、半導体基板のうちバッファ層に最も近接している領域と下クラッド層のうちバッファ層に最も近接している領域との間にあり、第２の上クラッド層のうちキャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度およびキャップ層のうち第２の上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度がそれぞれ第２の上クラッド層の他の少なくとも一部の領域よりも高い半導体レーザ素子、それを用いた発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子、発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器に関し、特に、広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作する半導体レーザ素子ならびにそれを用いた発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器に関する。

ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）規格に準ずる赤外線通信は、現在、通信速度が２．４ｋｂｐｓ〜１１５．２ｋｂｐｓのＳＩＲ（Serial IR）仕様、より高速の１．１５２ＭｂｐｓのＭＩＲ（Mid IR）仕様および４ＭｂｐｓのＦＩＲ（Fast IR）仕様までの光伝送モジュールが市販されており、携帯端末などの電子機器に利用されている。

現在、最も多く利用されている光伝送モジュールは、通信相手へのデータ送信を行なう発光部と、通信相手からのデータ受信を行なう受光部とが一体となった光伝送モジュールである（たとえば、特許文献１の図２および第６頁参照。）。

図１９に、従来の光伝送モジュールの模式的な斜視図を示し、図２０に図１９に示す従来の光伝送モジュールを側面から見たときの模式的な構成を示す。この従来の光伝送モジュール５００は、データ送信のための発光部５１０と、データ受信のための受光部５２０と、電源電圧の入力およびデータ信号の入出力などのための（１）〜（７）の端子部５４０と、を含んでいる。ここで、発光部５１０は、発光ダイオード素子５１１と発光ダイオード素子５１１の上方の送信用レンズ５１２とを含んでおり、受光部５２０は、フォトダイオード素子５２１とフォトダイオード素子５２１上方の受信用レンズ５２２とを含んでいる。

発光ダイオード素子５１１およびフォトダイオード素子５２１はそれぞれ回路基板５０１上に実装されており、図２０に示すように、発光ダイオード素子５１１はボンディングワイヤ５１６により、フォトダイオード素子５２１はボンディングワイヤ５２６により、回路基板５０１上の配線に接続されている。また、回路基板５０１上の発光ダイオード素子５１１とフォトダイオード素子５２１との間には光伝送モジュール５００を動作させるための集積回路素子５３０が設置されている。

また、回路基板５０１の上面には、発光ダイオード素子５１１、フォトダイオード素子５２１および集積回路素子５３０を覆うようにして波長８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光に対して透明なエポキシ樹脂５０２がモールドされている。なお、モールドされたエポキシ樹脂５０２自体がその形状によって送信用レンズ５１２および受信用レンズ５２２を一体的にそれぞれ形成している。

この従来の光伝送モジュールにおいて、グラウンド端子（１）と電源端子（４）との間に電圧を印加した状態で、データ入力端子（６）より送信データに相当する電気信号を入力すると、集積回路素子５３０により、発光ダイオード素子５１１が発光し、光信号によるデータを外部に送信する。また、受信部５２０のフォトダイオード素子５２１に外部から光信号によるデータが入力されると、集積回路素子５３０により、データ出力端子（２）から受信データに相当する電気信号が出力される。その他の端子（３）、（５）および（７）は、その製品ごとに所定の動作を為すために利用される。
特開２００２−２６８２３号公報 特開２００３−２５８３５３号公報 特開平３−１０４１８３号公報 特開平１−２６０８７９号公報

昨今、大容量通信の要求の高まりに応じ、ＩｒＤＡ規格の上位規格として、通信速度が１６ＭｂｐｓのＶＦＩＲ（Very Fast IR）仕様が策定され、さらには１００Ｍｂｐｓの高速通信を実現するためのＵＦＩＲ（Ultra Fast IR）仕様が策定されつつある。携帯電話などの携帯端末にて取り扱われるデータが急速に大容量化していることから、１００Ｍｂｐｓ以上での通信速度における光通信の実用化の要望が高まっている。

このような要望を実現するために好適な光伝送モジュールとしては、１００ＭＨｚ以上の高速変調での安定した送受信はもちろんであるが、携帯端末への搭載を考慮すると、低消費電力であること、そして、屋外での使用を考慮して、−２５℃から８５℃程度の広い温度範囲で動作することが要求される。

しかしながら、図１９および図２０に示す従来の光伝送モジュールの発光部５１０に用いられている発光ダイオード素子５１１は、一般に、１００ＭＨｚ以上での高速変調では安定した動作が困難になってくる。また、発光ダイオード素子５１１においては、発光時のエネルギ効率が低いためにデータ送信時の消費電力も大きい。また、発光ダイオード素子５１１を長時間駆動させた場合の光出力の低下も、たとえば１０００時間で５０％近くなってしまう。さらに、発光ダイオード素子５１１の光出力は、２５℃から８５℃の環境温度で５０％程度低下することがある。

これに対し、光伝送モジュールの発光ダイオード素子を半導体レーザ素子に置き換える検討もなされている（たとえば特許文献２参照。）。半導体レーザ素子は、発光ダイオード素子に比較して高速変調性が高い上に、少ない電流量で光出力が得られるなどの利点がある。また、半導体レーザ素子を用いた場合には、１００Ｍｂｐｓでの送信も十分に可能になる。ただし、１００Ｍｂｐｓの通信速度で光通信を行なうためには、半導体レーザ素子として高出力のレーザ光を出射するものを用いることが必要である。また、ＩｒＤＡ規格に準じるためには、出射するレーザ光の波長は８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下である必要もある。

このような目的に適した半導体レーザ素子の一例として、ＧａＡｓ基板上に量子井戸構造を有する活性層としてＩｎＧａＡｓ層を用いたリッジ導波路型の半導体レーザ素子が挙げられる。図２１に、参考例として、リッジ導波路型の半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図を示す。この半導体レーザ素子６００は、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１上に、ｎ型ＧａＡｓ下地層６０２、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下クラッド層６０３、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＧａＡｓ障壁層とからなる量子井戸構造を有する活性層６０４、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上クラッド層６０５およびｐ型ＧａＡｓキャップ層６０６を含んでいる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上クラッド層６０５はその一部が凸状に突出しており、この凸状の部分は紙面の裏側に向かって延びている。そして、この凸状の部分がリッジ部６１０となり、このリッジ部６１０の下方に位置する活性層６０４の領域が導波路となる。

また、リッジ部６１０の両側は電流阻止層６０７により埋められており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層６０６上および電流阻止層６０７上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０８が形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０８上にはｐ側電極６２１が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板６０１の裏面上にはｎ側電極６２２が形成されている。このような構成のリッジ導波路型の半導体レーザ素子６００においては、電流阻止層６０７が電流狭窄構造の形成およびレーザ光の閉じ込めの双方の役割を果たしている。

リッジ導波路型の半導体レーザ素子は、高出力動作を要する光ディスク用やＥｒドープファイバー励起用の光源として最もよく用いられている。これは、リッジ導波路型の半導体レーザ素子は、他の構造の半導体レーザ素子と比較して、発光領域近傍に結晶の再成長界面が無いことによるものと考えられる。特に、Ｅｒドープファイバー励起用の光源として用いられる半導体レーザ素子のレーザ光の波長は９８０ｎｍ付近であることから、このようなレーザ光を出射する半導体レーザ素子は光伝送モジュールに適用できる可能性がある。

一方、光伝送モジュールは、携帯電話などの様々な携帯端末に部品として搭載される。このような携帯端末においては低消費電力化のため、携帯端末を構成する部材に印加される電圧も低下してきており、現在は光伝送モジュールに印加される電圧は３．３Ｖが主流となっている。光伝送モジュールには、半導体レーザ素子だけでなく、半導体レーザ素子を動作させるための集積回路素子も搭載されていることから、半導体レーザ素子に許容される電圧はさらに小さくなることが予想される。また、携帯端末は、当然に屋外での使用が想定されるため、光伝送モジュールについては少なくとも−２５℃から８５℃程度の広い温度範囲で動作する必要がある。さらに、光伝送モジュールは、たとえばＩｒＤＡ規格のＵＦＩＲ仕様で動作する場合でも、すでに普及しているＳＩＲなどの低い通信速度の仕様でも同様に安定して動作することが求められる。

上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作する半導体レーザ素子ならびにそれを用いた発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器を提供することにある。

本発明は、１層または複数の層からなる第１導電型の半導体基板上に、第１導電型のバッファ層と、半導体基板よりもエネルギバンドギャップの大きい第１導電型の下クラッド層と、活性層と、第２導電型の第１の上クラッド層と、第２導電型の第２の上クラッド層と、第２の上クラッド層よりもエネルギバンドギャップが小さい第２導電型のキャップ層と、を含み、少なくとも第２の上クラッド層がストライプ形状となっている半導体レーザ素子であって、バッファ層のエネルギバンドギャップの大きさは、半導体基板のうちバッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと下クラッド層のうちバッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさとの間にあり、第２の上クラッド層のうちキャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度およびキャップ層のうち第２の上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度がそれぞれ第２の上クラッド層の他の少なくとも一部の領域のキャリア濃度よりも高いことをことを特徴とする半導体レーザ素子である。

ここで、本発明の半導体レーザ素子においては、バッファ層のエネルギバンドギャップが半導体基板側から下クラッド層側にかけて連続的または階段状に大きくなっていてもよい。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、バッファ層のエネルギバンドギャップが半導体基板側から下クラッド層側にかけて連続的に大きくなっていることが好ましい。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、バッファ層と下クラッド層とが接しており、バッファ層のうち下クラッド層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさが下クラッド層のうちバッファ層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと同じであることが好ましい。

また、本発明の半導体レーザ素子においては、第２の上クラッド層のうちキャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度およびキャップ層のうち第２の上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度がそれぞれ１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることが好ましい。

また、本発明の半導体レーザ素子から出射するレーザ光の波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、キャップ層がＧａＡｓ層からなっていてもよい。

また、本発明の半導体レーザ素子において、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であってもよい。

また、本発明は、上記のいずれかの半導体レーザ素子を含む発光モジュールである。
また、本発明の発光モジュールは、回路基板に、半導体レーザ素子、集積回路素子、電源電圧を入力するための電源端子、およびグラウンド端子が少なくとも設けられた発光モジュールであって、集積回路素子は、半導体レーザ素子駆動回路を含み、半導体レーザ素子駆動回路は、半導体レーザ素子への電流の注入を制御するための能動素子を含み、能動素子および半導体レーザ素子が電源端子とグラウンド端子との間で電気的に直列に接続されていてもよい。

また、本発明の発光モジュールは、半導体レーザ素子上に半導体レーザ素子から出射したレーザ光を散乱するための光散乱部を備えていてもよい。

また、本発明は、上記のいずれかに記載の半導体レーザ素子を含む光伝送モジュールである。

ここで、本発明の光伝送モジュールは、回路基板に、半導体レーザ素子、受光素子、集積回路素子、電源電圧を入力するための電源端子、送信データに相当する電気信号を入力するためのデータ入力端子、受信データに相当する電気信号を出力するためのデータ出力端子、およびグラウンド端子が少なくとも設けられた光伝送モジュールであって、半導体レーザ素子上に半導体レーザ素子から出射したレーザ光を散乱するための光散乱部と光散乱部を通過したレーザ光を整形するための送信用光学子とを備え、前記受光素子上には外部からの受信光を集光するための受信用光学子を備えており、集積回路素子は、データ入力端子から入力された送信データに相当する電気信号を基に半導体レーザ素子で送信データに相当するレーザ光を出射させるための半導体レーザ素子駆動回路と、受光素子で受光した受信光を基に受信データに相当する電気信号をデータ出力端子に出力するための受光素子駆動回路と、を含み、半導体レーザ素子駆動回路は半導体レーザ素子への電流の注入を制御するためのトランジスタを含み、トランジスタおよび半導体レーザ素子が電源端子とグラウンド端子との間で電気的に直列に接続されていてもよい。

さらに、本発明は、上記のいずれかの発光モジュールまたは上記の光伝送モジュールを含む電子機器である。

本発明によれば、広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作する半導体レーザ素子ならびにそれを用いた発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

（実施の形態１）
図１に、本発明の半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の半導体レーザ素子１００においては、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１の（１００）面上に、ｎ型ＧａＡｓからなる下地層１０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓからなるバッファ層１０３（層厚：０．５μｍ）、ｎ型Ａｌ_0.452Ｇａ_0.548Ａｓからなる下クラッド層１０４（層厚：１．８８μｍ）、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなる下ガイド層１０５（層厚：０．０９５μｍ）、多重量子井戸構造を有する活性層１０６、ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなる上ガイド層１０７（層厚：０．０９μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなる第１上クラッド層１０８（層厚：０．１５μｍ）およびｐ型ＧａＡｓからなるエッチングストップ層１０９（層厚：４．０ｎｍ）がこの順序で積層されている。

ここで、活性層１０６は、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓからなる下部中間層（層厚：３．０ｎｍ）上に、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ障壁層（半導体基板１０１側から層厚２１．５ｎｍ、７．９ｎｍ、２１．５ｎｍの３層）とＩｎ_0.072Ｇａ_0.928Ａｓからなる圧縮歪量子井戸層（歪０．７％、層厚：４．６ｎｍの２層）とが交互に積層され、さらにその上にＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓからなる上部中間層（層厚：３．０ｎｍ）が積層されて構成されている。

また、エッチングストップ層１０９上には、ストライプ形状のリッジ部１１３を構成するｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなる第２上クラッド層１１０（層厚：１．１８μｍ）、ｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなる第３上クラッド層１１１（層厚：０．１μｍ）およびｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層１１２（層厚：０．６７μｍ）が形成されている。

また、リッジ部１１３の両側のエッチングストップ層１０９上には、ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなる第１電流阻止層１２１（層厚：０．６μｍ）、ｎ型ＧａＡｓからなる第２電流阻止層１２２（層厚：０．３μｍ）およびｐ型ＧａＡｓからなる第３電流阻止層１２３（層厚：１．０５μｍ）が順次積層されている。

また、リッジ部１１３上および第３電流阻止層１２３上を覆って、ｐ型ＧａＡｓからなるカバー層１３１（層厚：３μｍ）およびｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１３２（層厚：０．５μｍ）が順次積層されている。

また、コンタクト層１３２上には、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜の多層金属薄膜からなるｐ側電極１４１が形成されている。また、半導体基板１０１の裏面上に、ＡｕＧｅ膜／Ｎｉ膜／Ａｕ膜の多層金属薄膜からなるｎ側電極１４２が形成されている。

なお、半導体レーザ素子１００において、ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓからなるバッファ層１０３におけるＡｌの組成を示すｘは、バッファ層１０３と下地層１０２との界面からバッファ層１０３と下クラッド層１０４との界面に向かって連続的に大きくなっている。半導体レーザ素子１００において、上記のｘは、バッファ層１０３と下地層１０２との界面では０．０１となっており、バッファ層１０３と下クラッド層１０４との界面ではｘは０．４５２となっている。したがって、バッファ層１０３と下クラッド層１０４との界面におけるＡｌの組成比は下クラッド層１０４のＡｌの組成比と同一になっている。

次に、図２〜図６を参照して、図１に示す半導体レーザ素子１００の製造方法の好ましい一例について説明する。

まず、図２の模式的断面図に示すように、半導体基板１０１の（１００）面上に、下地層１０２（Ｓｉドーピング濃度：７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3）、バッファ層１０３（Ｓｉドーピング濃度：７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3から５．４×１０¹⁷ｃｍ^-3に順次減少させる）、下クラッド層１０４（Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０¹⁷ｃｍ^-3）、下ガイド層１０５（Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０¹⁷ｃｍ^-3）、活性層１０６、上ガイド層１０７（Ｚｎドーピング濃度：４×１０¹⁷ｃｍ^-3、最上部０．０４μｍのみ８×１０¹⁷ｃｍ^-3）、第１上クラッド層１０８（Ｚｎドーピング濃度：８×１０¹⁷ｃｍ^-3）、エッチングストップ層１０９（Ｚｎドーピング濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第２上クラッド層１１０（Ｚｎドーピング濃度：２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第３上クラッド層１１１（Ｚｎドーピング濃度：２．８１×１０¹⁹ｃｍ^-3）およびキャップ層１１２（Ｚｎドーピング濃度：１×１０²⁰ｃｍ^-3）をこの順序で従来から公知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などにより成長させる。

ここで、ドーピング濃度を高くすることにより、層中のキャリア濃度を高くすることができる。したがって、第３上クラッド層１１１のうちキャップ層１１２に最も近接している領域のキャリア濃度およびキャップ層１１２のうち第３上クラッド層１１１に最も近接している領域のキャリア濃度はそれぞれ、たとえば、上クラッド層のうち第３上クラッド層１１１とは異なる領域となる第２上クラッド層１１０のキャリア濃度よりも高くなっている。

バッファ層１０３の成長においては、バッファ層１０３の成長開始時点ではＡｌの組成比ｘを０．０１とし、成長にしたがって連続的にＡｌの組成比を増加させ、バッファ層１０３の成長終了時ではＡｌの組成比ｘが０．４５２となるように、材料ガスの流量を変化させていくようにする。ここで、Ａｌの組成比ｘは、バッファ層１０３の成長にしたがってほぼ直線状に増加させる。なお、本実施の形態においては、バッファ層１０３のＡｌの組成比ｘを直線状に増加させたが、本発明においては、指数関数状に増加させてもよく、後述するように階段状に増加させてもよい。

また、Ａｌの組成比ｘの増加にしたがってバッファ層１０３のエネルギバンドギャップも増加する。したがって、バッファ層１０３のエネルギバンドギャップの大きさは、半導体基板１０１のうちバッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと下クラッド層１０４のうちバッファ層１０３に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさとの間の大きさとなる。

次に、リッジ部を形成すべき領域（リッジ形成領域１１４ａ）上に、レジストマスク１１５（マスク幅６．０μｍ）をフォトリソグラフィ工程により形成する。このレジストマスク１１５は、形成すべきリッジ部が延びる方向に対応して＜０１１＞方向にストライプ状に形成される。なお、リッジ形成領域１１４ａ以外の領域をリッジ形成外領域１１４ｂとする。

次いで、このレジストマスク１１５をマスクとして、図３の模式的断面図に示すように、レジストマスク１１５の両側に相当する第２上クラッド層１１０、第３上クラッド層１１１およびキャップ層１１２をエッチングにより除去して、レジストマスク１１５の直下にストライプ形状のリッジ部１１３を形成する。

このエッチングは、まず、硫酸と過酸化水素水との混合水溶液を用いて、第２上クラッド層１１０の途中までを除去する。続いて、エッチングストップ層１０９の表面が露出するまで第２上クラッド層１１０を除去する。ここで、リッジ部１１３の最下部の幅は約３．０μｍとする。エッチング終了後に、レジストマスク１１５を除去する。最後に、水洗を行ない、窒素ガスをブローすることなどによって乾燥させる。

次いで、図４の模式的断面図に示すように、第１電流阻止層１２１（Ｓｉドーピング濃度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第２電流阻止層１２２（Ｓｉドーピング濃度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3）および第３電流阻止層１２３（Ｚｎドーピング濃度：１．８×１０¹⁸ｃｍ^-3）をこの順序でＭＯＣＶＤ法などにより成長させる。そして、リッジ形成外領域１１４ｂ上にレジストマスク１２５をフォトリソグラフィ工程により形成する。

続いて、図５の模式的断面図に示すように、リッジ部１１３の上部の第１電流阻止層１２１、第２電流阻止層１２２および第３電流阻止層１２３をエッチングにより除去して、キャップ層１１２の表面を露出させる。その後、レジストマスク１２５を除去する。

次いで、図６の模式的断面図に示すように、カバー層１３１（Ｚｎドーピング濃度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3）およびコンタクト層１３２（Ｚｎドーピング濃度：１×１０²⁰ｃｍ^-3）を順次ＭＯＣＶＤ法にて成長させる。

そして、コンタクト層１３２上に蒸着法などにより、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜の順に金属薄膜を積層して、ｐ側電極１４１を形成する。

その後、半導体基板１０１を裏面側から所望の厚み（ここでは、約１００μｍ）にまでラッピング法により研削する。そして、半導体基板１０１を裏面側から蒸着法などによりＡｕＧｅ膜（Ａｕ８８％とＧｅ１２％との合金）、Ｎｉ膜およびＡｕ膜の順に金属薄膜を積層して、ｎ側電極１４２を形成する。

その後、窒素雰囲気中で３９０℃で１分間加熱し、電極のアロイ処理を行なう。そして、半導体基板１０１をリッジ部１１３のストライプ形状が延びる方向と垂直に、所望の共振器長（ここでは、５００μｍ）に劈開によって分割し、劈開面に端面コーティングを行なうことで、半導体レーザ素子１００が作製される。

このようにして作製された半導体レーザ素子１００のｐ側電極１４１とｎ側電極１４２の間に電流を流すと、リッジ部１１３に集中的に電流が流れ、電流狭窄が行なわれる。よって、リッジ部１１３の下方の活性層１０６の領域からたとえば波長８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下のレーザ光が劈開面から出射する。ここで、出射するレーザ光の波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下である場合には、半導体レーザ素子１００は、ＩｒＤＡ規格に準ずる赤外線通信用の光源として好適に用いることができる。

本発明の半導体レーザ素子は、以下の検討に基づいて、ｐ側およびｎ側の双方の構造にそれぞれ対策を施したことに特徴がある。

まず、ｐ側について説明する。ｐ側にリッジ部を有する半導体レーザ素子については、リッジ部のヘテロ界面部分に起因する動作電圧の上昇に関して従来から検討なされてきた。たとえば、特許文献３には、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成された半導体レーザ素子のリッジ部にｐ−ＧａＩｎＰ層を設けた例が示されており、ヘテロ界面部分に起因する動作電圧の上昇が改善されることが記載されている。また、特許文献４には、リッジ部の頂上部にキャリア濃度の高い層を導入することによって、ヘテロ界面部分における動作電圧の上昇を抑制できることが記載されている。

ここで、図１に示す半導体レーザ素子１００のリッジ部１１３について考える。リッジ部１１３の頂部にはＧａＡｓからなるキャップ層１１２が設けられている。半導体レーザ素子１００においては、上クラッド層がＡｌＧａＡｓから構成されているため、もしキャップ層１１２を形成しない場合には、カバー層１３１を成長しようとする表面にＡｌＧａＡｓが現れる。そして、ＡｌＧａＡｓはＡｌを含んでいるため酸化しやすいことから、酸化したリッジ部１１３の頂部上にカバー層１３１を成長することになる。しかしながら、リッジ部１１３の頂部とカバー層１３１との界面部分は駆動電流が集中して流れる箇所であることから、酸化したリッジ部１１３の頂部により動作電圧が上昇してしまう。そこで、上クラッド層の上にＧａＡｓからなるキャップ層１１２を設けることによって動作電圧の上昇を回避することができる傾向にある。

しかしながら、ＧａＡｓについては、８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下が光吸収の有無の境界の波長となっている。したがって、半導体レーザ素子１００が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長のレーザ光を出射する場合には、レーザ光の波長が動作時の環境温度の変化などによって変動し、キャップ層１１２におけるレーザ光の吸収量が大きく変化する。したがって、動作環境により半導体レーザ素子の特性が不安定となることがある。

また、特許文献３に記載の方法のように、上クラッド層とキャップ層との間にこれらの中間のバンドギャップを有する中間層を設けて動作電圧の上昇を抑える手法を用いた場合には、中間層の屈折率は上クラッド層の屈折率よりも大きいため、キャップ層に光を引き込みやすくなる傾向にある。

したがって、上クラッド層とキャップ層との間にこれらの中間のバンドギャップを有する中間層を設ける場合には、動作環境により半導体レーザ素子の特性が不安定となることがあることから、上クラッド層とキャップ層との間の界面部分の構造によって動作電圧の上昇を回避する手法としては、上クラッド層とキャップ層との間の界面部分のキャリア濃度を高くする手法が有効であると考えられる。

次に、ｎ側について説明する。従来においては、半導体レーザ素子の動作電圧の上昇を抑制する対策として、ｎ側についてはほとんど注目されてこなかった。これは、ｎ側のキャリアである電子は有効質量がホールに比べて小さいことから、ｎ側におけるバンドギャップエネルギの不連続が半導体レーザ素子の動作電圧の上昇にあまり影響しないと考えられていたのではないかと推測される。

しかしながら、本発明者は、ＩｒＤＡ規格に準ずるような光伝送モジュールに搭載される半導体レーザ素子について、広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作するという特有の課題を解決するためには、ｐ側の構造だけではなく、ｎ側の構造についても対策を施す必要があることを見いだした。

すなわち、ｎ側についても、動作電圧の上昇を抑制する手法としては、半導体基板と下クラッド層との間にこれらの中間のバンドギャップエネルギを有する中間層を導入する手法および半導体基板と下クラッド層との界面部分のキャリア濃度を高くする手法のいずれの手法も有効であると考えられる。しかしながら、ｎ側において、半導体基板と下クラッド層との界面部分のキャリア濃度を高くする手法を用いた場合には、下クラッド層上に成長するすべての層に悪影響を及ぼすことになる。

このような結晶性の悪い層からなる半導体レーザ素子においては、その作製時や作製後の加熱時おいてドーパントが拡散しやすい。上述したようにｐ側においては、上クラッド層とキャップ層との間の界面部分のキャリア濃度を高くするためにｐ型ドーパントを高濃度にドーピングさせていることから、ｐ型ドーパントが活性層１０６に拡散して半導体レーザ素子の発光特性および長期信頼性に多大な悪影響をあたえる可能性がある。半導体基板と下クラッド層との間にこれらの中間のバンドギャップエネルギを有するバッファ層１０３を導入することが有効であると考えられる。

以上の検討に基づき、本発明者は、上クラッド層のうちキャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度およびキャップ層のうち上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度をそれぞれ上クラッド層の他の少なくとも一部の領域のキャリア濃度よりも高くするとともに、ｎ側のバッファ層のエネルギバンドギャップの大きさを半導体基板のうちバッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと下クラッド層のうちバッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさとの間にすることによって、これらの相乗効果により、上記の課題を解決することができることを見いだし、本発明を想到するに至った。

次に、上記の半導体レーザ素子１００の特性を比較例を示しながら説明する。ここで、比較例としては、２つの半導体レーザ素子を用意した。まず、１つ目は、上記の半導体レーザ素子１００の構成の中でバッファ層１０３をＧａＡｓからなる単一の層（層厚：０．５μｍ、Ｓｉドーピング濃度：７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3）とし、かつ、第３上クラッド層１１１のＺｎドーピング濃度を第２上クラッド層１１０と同一（Ｚｎドーピング濃度：２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3）とし、キャップ層１１２のＺｎドーピング濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした比較素子１である。また、２つ目は、半導体レーザ素子１００の構成の中でバッファ層１０３をＧａＡｓからなる単一の層（層厚：０．５μｍ、Ｚｎドーピング濃度：７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3）としたこと以外は半導体レーザ素子１００の構成と同一にした比較素子２である。

図７に、上記の半導体レーザ素子１００、比較素子１および比較素子２について、−２５℃〜２５℃の環境温度で１００ｍＡの駆動電流をパルス状に流したときの動作電圧の変化を示す。図７において、縦軸は１００ｍＡの駆動電流を流すために必要な動作電圧（Ｖ）を示し、横軸は動作時の環境温度（℃）を示している。なお、パルス条件は変調周波数２ＭＨｚ、ｄｕｔｙ５０％である。

図７に示すように、比較素子１および比較素子２については環境温度を下げていくと動作電圧が上昇していくのに対し、半導体レーザ素子１００では動作電圧の変化がほとんど無いことがわかる。

すなわち、環境温度が室温付近（２５℃）の場合における動作電圧のみに着目すると、上記の３つの素子は２Ｖ程度の動作電圧となっている。しかし、環境温度を低温にしていくと、比較素子１および比較素子２においてはともに動作電圧が上昇してしまう。一方、半導体レーザ素子１００においては環境温度が−２５℃になるまではほぼ一定の動作電圧で動作する。

図８に、上記の半導体レーザ素子１００、比較素子１および比較素子２について、−２５℃の環境温度で１００ｍＡの駆動電流を流す際の変調周波数と動作電圧との関係を示す。ここで、図８には、ＳＩＲ、ＭＩＲ、ＦＩＲ、ＶＦＩＲおよびＵＦＩＲの各仕様がどの変調周波数に該当するかも記載している。また、図８において、縦軸は−２５℃の環境温度で１００ｍＡの駆動電流を流すために必要な動作電圧（Ｖ）を示し、横軸はそれぞれの素子に流れる駆動電流の変調周波数（ＭＨｚ）を示している。また、図８において、横軸がＤＣの場合に対応する縦軸の動作電圧の値は、ＤＣ駆動時のそれぞれの素子の動作電圧に該当する。

図８に示すように、環境温度が−２５℃の条件下では変調周波数を大きくしていくと、比較素子１および比較素子２と半導体レーザ素子１００との間で動作電圧に大きな差が出てくることがわかる。すなわち、半導体レーザ素子１００では変調周波数のほぼ全域で動作電圧が２Ｖ程度で一定であるのに対し、比較素子１ではＤＣ駆動での２．１８Ｖから０．１ＭＨｚまでで２．５Ｖ程度まで上昇し、それ以上高い変調周波数域では２．４５Ｖ程度で一定となり、比較素子２では比較素子１よりも全体的に動作電圧が０．１Ｖ程度低いが比較素子１と同様の挙動を示している。

これは、比較素子１および比較素子２を光伝送モジュールに搭載した場合はＳＩＲ仕様での動作とＵＦＩＲ仕様での動作では半導体レーザ素子の動作電圧が大きく変化してしまうことを示している。このように、本発明は、環境温度が低温の場合における動作電圧および高い変調周波数域での動作電圧をそれぞれ安定化させるという課題に着目した上で初めて得ることができる。

本発明に係る半導体レーザ素子１００は、環境温度が−２５℃〜８５℃の広い温度範囲で、ＤＣ駆動から１００ＭＨｚ程度の高い変調周波数域までの広範囲にわたって、動作電圧を２Ｖ以下、動作電圧の変化を０．１Ｖ未満に抑えることができる。したがって、本発明に係る半導体レーザ素子１００は、広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作することができる。

図９（ａ）に、上記の比較素子１および比較素子２の下地層、バッファ層および下クラッド層のエネルギバンドギャップの模式図を示す。また、図９（ｂ）に、上記の半導体レーザ素子１００の下地層、バッファ層および下クラッド層のエネルギバンドギャップの模式図を示す。なお、図９（ａ）および図９（ｂ）において、Ｅｃは伝導帯の下端を示し、Ｅｖは価電子帯の上端を示している。また、上記の半導体レーザ素子１００、比較素子１および比較素子２においては、半導体基板と下地層の材質は同じであることから、半導体基板のエネルギバンドギャップと下地層のエネルギバンドギャップとは同じ大きさとなる。

図９（ａ）に示すように、比較素子１および比較素子２においては、バッファ層と下クラッド層の間にスパイクが発生している。これは、下地層側から伝導帯に供給される電子にとってバリアとなっている。室温レベルでの動作や、低い周波数での動作の場合は、キャリアが電子で有効質量が小さいこともあり、キャリアの通過に要する動作電圧は小さい。しかし、環境温度が低下するとともに、電子がこのスパイクをトンネルする確率や、オーバーフローする確率が低下してしまい、動作電圧が上昇してしまう。

一方、半導体レーザ素子１００については、図９（ｂ）に示すように、大きなスパイクが形成されない。従って電子の注入がほとんど障害なく行なうことができ、低温の環境温度においても低く安定した動作電圧を得ることができる。

よって、これにより図７に示すように動作電圧の温度依存性に差が現れると考えられる。なお、２５℃以上の環境温度は図７には示していないが、半導体レーザ素子１００、比較素子１および比較素子２のいずれの素子においても１．８５Ｖ付近に収束していく。

また、図８に示すように、素子の動作電圧が変調周波数に依存することについては素子内部の温度で説明できる。すなわち、低い変調周波数で動作させる場合は１つ１つのパルス状に流れる駆動電流の注入時間が長くなり、たとえ低温の環境温度で動作させていても素子内部の温度が上昇するため、比較素子１および比較素子２であってもスパイクによる影響が小さくなる。一方、高い変調周波数で動作させると駆動電流の注入時間が短くなって素子内部の温度があまり上昇しなくなり、比較素子１および比較素子２においては電子がスパイクを通過するのに必要な動作電圧が上昇してしまう。

なお、図８において０．１ＭＨｚより高い変調周波数では動作電圧が一定になっている。これは、ｄｕｔｙが５０％であるためにパルス同士の間隔も短くなり、１つのパルス状の駆動電流の注入で発生した熱が放熱されないうちに次のパルス状の駆動電流が流れるようになって、素子内部の温度が安定してしまうためと考えられる。

上記の半導体レーザ素子１００のバッファ層１０３においては、エネルギバンドギャップを連続的に変化させているが、本発明においては段階的に変化させてもよい。たとえば、バッファ層１０３を半導体基板１０１側からＡｌ_0.11Ｇａ_0.89Ａｓ（層厚：０．１７μｍ、Ｚｎドーピング濃度：６．８×１０¹⁷ｃｍ^-3）からなる第１バッファ層、Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ａｓ（層厚：０．１７μｍ、Ｚｎドーピング濃度：６．３×１０¹⁷ｃｍ^-3）からなる第２バッファ層およびＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓ（層厚：０．１７μｍ、Ｚｎドーピング濃度：５．９×１０¹⁷ｃｍ^-3）からなる第３バッファ層の３層構造に置き換えてバッファ層のＡｌの組成比を階段状に増加させ、エネルギバンドギャップを階段状に増加させた場合でも、動作電圧特性は図７および図８のデータとほとんど同じ値が得られる。

このように、バッファ層を３層構造とした場合には、各バッファ層間、バッファ層と下地層１０２との間およびバッファ層と下クラッド層１０４との間に複数のヘテロバリアができ、それぞれにスパイクが発生することになる。しかし、互いの層間のＡｌ組成比の差が小さいため、それぞれのスパイクは−２５℃程度の環境下では影響が無いほどに小さくなり、動作電圧を低減することができると考えられる。

ただし、バッファ層のエネルギバンドギャップは、たとえば直線状または指数関数状などのように半導体基板側から下クラッド層側にかけて連続的に増加させることによってスパイクの発生を低減することができるため、動作電圧をより低減することができる傾向にある。

また、バッファ層と下クラッド層とが接している場合には、バッファ層のうち下クラッド層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさが下クラッド層のうちバッファ層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと同じであることが好ましい。この場合には、バッファ層と下クラッド層との間においてスパイクの発生を低減することができるため、動作電圧をより低減することができる傾向にある。また、本発明において、「バッファ層のうち下クラッド層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさが下クラッド層のうちバッファ層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと同じ」とは、これらの領域のエネルギバンドギャップの差の絶対値が０．０３ｅＶ以下であることを意味する。

また、上クラッド層のうちキャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度およびキャップ層のうち上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度がそれぞれ１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることが好ましく、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることがより好ましい。上記のキャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である場合には、上クラッド層とキャップ層との間における動作電圧の上昇をより抑えることができる傾向にある。特に、上記のキャリア濃度が２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上である場合には、上クラッド層とキャップ層との間における動作電圧の上昇をさらに確実に抑えることができる傾向にある。

なお、半導体レーザ素子１１０は、リッジ部１１３の両側に半導体からなる電流狭窄層を有する構成となっているが、リッジ部１１３内に電流を狭窄する構成であればこれに限定されない。例えば、リッジ部１１３の両側に絶縁体を形成した構成または、何も形成せず空間となっている構成の半導体レーザ素子でも同様の効果が得られる。

（実施の形態２）
図１０に本発明の光伝送モジュールの好ましい一例の模式的な斜視図を示し、図１１に図１０に示す光伝送モジュールを側面から見たときの模式的な構成を示す。

光伝送モジュール２００は、回路基板２０１上に、データ送信のための発光部２１０と、データ受信のための受光部２２０と、を備えており、電源電圧の入力およびデータ信号の入出力などのための（１）〜（７）の端子からなる端子部２４０を回路基板２０１に備えている。ここで、発光部２１０は、上記の半導体レーザ素子１００と半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光を整形するための送信用光学子としての送信用レンズ２１２とを含んでおり、受光部２２０は、フォトダイオード素子２２１と外部からの受信光を集光するための受信用光学子としての受信用レンズ２２２とを含んでいる。また、回路基板２０１上の半導体レーザ素子１００とフォトダイオード素子２２１との間には光伝送モジュール２００を動作させるための集積回路素子２３０が設置されている。

図１１に示すように、半導体レーザ素子１００は回路基板２０１上のｎ側実装面２５１上に実装されており、フォトダイオード素子２２１は回路基板２０１上のｎ側実装面（図示せず）上に実装されている。また、半導体レーザ素子１００はボンディングワイヤ２１６により、フォトダイオード素子２２１はボンディングワイヤ２２６により、それぞれ、回路基板２０１上の配線に接続されている。

また、図１０および図１１に示すように、半導体レーザ素子１００の上面にはシリコーン樹脂２１４がモールドされており、回路基板２０１の上面には、シリコーン樹脂２１４、フォトダイオード素子２２１および集積回路素子２３０を覆うようにして波長８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光に対して透明なエポキシ樹脂２０２がモールドされている。なお、モールドされたエポキシ樹脂２０２自体がその形状によって送信用レンズ２１２および受信用レンズ２２２を一体的にそれぞれ形成している。

図１２に、図１０および図１１に示す光伝送モジュールのモールド樹脂が形成されていない状態の模式的な斜視図を示す。また、図１３に、図１０および図１１に示す光伝送モジュールの回路基板２０１の模式的な斜視図を示す。なお、回路基板２０１はその上面および下面の両面に金属の配線がなされているため、図１３には回路基板２０１の上面および下面の両方を示している。

図１２に示すように、半導体レーザ素子１００、フォトダイオード素子２２１および集積回路素子２３０はそれぞれｎ側を下にして実装される。なお、図１３に示すように、回路基板２０１の上面には、半導体レーザ素子１００を実装するためのｎ側実装面２５１、フォトダイオード素子２２１を実装するためのｎ側実装面２５２および集積回路素子２３０を実装するためのｎ側実装面２５３がそれぞれ配線として形成されている。

また、図１２に示すように半導体レーザ素子１００を実装するためのｎ側実装面２５１は中央に凹部２１３（深さ約３００μｍ）が形成されており、半導体レーザ素子１００はその底に銀ペーストで実装されている。

ここで、アースに接続されるグラウンド端子（１）は図１３に示すように回路基板２０１の下面の配線２６０ａ、ビアホール２７０ａおよびｎ側実装面２５３を介して集積回路素子２３０のｎ側面に接続されている。

また、受信データに相当する電気信号を出力するためのデータ出力端子（２）は、回路基板２０１の下面の配線２６０ｂおよびビアホール２７０ｂを介して回路基板２０１の上面の配線２５６に接続されており、配線２５６は図１２に示すようにボンディングワイヤ２７３によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、端子（３）は、図１３に示すように、回路基板２０１の下面の配線２６０ｃおよびビアホール２７０ｃを介して回路基板２０１の上面の配線２５７に接続されており、配線２５７は図１２に示すようにボンディングワイヤ２７４によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、電源電圧を入力するための電源端子（４）は、図１３に示すように、回路基板２０１の下面の配線２６０ｄおよびビアホール２７０ｄａを介して回路基板２０１の上面の配線２５５に接続されており、配線２５５は図１２に示すようにボンディングワイヤ２８０によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、電源端子（４）は、図１３に示すように、回路基板２０１の下面の配線２６０ｄおよびビアホール２７０ｄｂを介して回路基板２０１の上面の配線２５４に接続されており、配線２５４は図１２に示すようにボンディングワイヤ２１６によって半導体レーザ素子１００のｐ側電極に接続されている。そして、半導体レーザ素子１００はｎ側実装面２５１に実装されており、ｎ側実装面２５１はボンディングワイヤ２７９によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、端子（５）は、図１３に示すように、回路基板２０１の下面の配線２６０ｅおよびビアホール２７０ｅを介して回路基板２０１の上面の配線２５９に接続されており、配線２５９は図１２に示すようにボンディングワイヤ２７８によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、送信データに相当する電気信号を入力するためのデータ入力端子（６）は、図１３に示すように、回路基板２０１の下面の配線２６０ｆおよびビアホール２７０ｆを介して回路基板２０１の上面の配線２５８に接続されており、配線２５８は図１２に示すようにボンディングワイヤ２７６によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、半導体レーザ素子１００を駆動するための端子（７）は、図１３に示すように、回路基板２０１の下面の配線２６０ｈおよびビアホール２７０ｈを介して回路基板２０１の上面のｎ側実装面２５１に接続されており、ｎ側実装面２５１は図１２に示すようにボンディングワイヤ２７９によって集積回路素子２３０に接続されている。

また、フォトダイオード素子２２１のｎ側電極は、ｎ側実装面２５２およびボンディングワイヤ２７４によって集積回路素子２３０に接続されている。また、フォトダイオード素子２２１のｐ側電極は、ボンディングワイヤ２２６、回路基板２０１の上面の配線２５０およびボンディングワイヤ２７７を介して集積回路素子２３０に接続されている。

この光伝送モジュール２００において、グラウンド端子（１）と電源端子（４）との間に電圧を印加した状態で、データ入力端子（６）より送信データに相当する電気信号を入力すると、集積回路素子２３０により、半導体レーザ素子１００からレーザ光が出射し、光信号によるデータを外部に送信する。また、受光部２２０のフォトダイオード素子２２１に外部から光信号による受信データが入力されると、集積回路素子２３０により、データ出力端子（２）から受信データに相当する電気信号が出力される。

図１４に、図１０および図１１に示す光伝送モジュールの模式的な電気回路図を示す。集積回路素子２３０の内部には、主として、半導体レーザ素子駆動回路２３１、フォトダイオード素子駆動回路２３２およびその他の制御回路２３３が組み込まれている。

ここで、データ出力端子（２）はフォトダイオード素子駆動回路２３２に接続されている。また、制御回路２３３に接続されている端子（３）および端子（５）は、たとえば光伝送モジュールの送受信動作停止など特定の命令信号を入力するためなどに設けられている。

半導体レーザ素子駆動回路２３１には、半導体レーザ素子１００に流れる駆動電流量を直接制御する能動素子の一例としてトランジスタ２８１が設けられている。本実施の形態では能動素子としてｎチャンネル型ＭＯＳトランジスタが設けられている。このトランジスタ２８１の３つの端子Ｓ、ＤおよびＧはそれぞれソース、ドレインおよびゲートを示している。

半導体レーザ素子１００は電気的には電源端子（４）とトランジスタ２８１のドレインＤとの間に接続されている。そして、トランジスタ２８１のソースＳは、半導体レーザ素子駆動回路２３１の内部の抵抗２８２を介してグラウンド端子（１）に接続されている。よって、光伝送モジュール２００に印加される電源電圧は、半導体レーザ素子１００、トランジスタ２８１および抵抗２８２の３つに直列にかかることになる。

また、データ入力端子（６）は半導体レーザ素子駆動回路２３１に接続されている。また、データ入力端子（６）は半導体レーザ素子駆動回路２３１の内部にある主回路部２８３に接続されており、主回路部２８３はトランジスタ２８１のゲートＧに接続されている。データ入力端子（６）から入力された送信データを基にして主回路部２８３によりゲートＧに印加される電圧が制御され、ソースＳとドレインＤ間の電流をＯＮ／ＯＦＦすることによって半導体レーザ素子１００への電流の注入の有無が制御される。

このような構成の光伝送モジュールにおいて、電源端子（４）とグラウンド端子（１）との間に電圧を印加すると集積回路素子２３０が駆動する。そして、集積回路素子２３０が駆動した状態でデータ入力端子（６）に送信データに相当するパルス状の電気信号を入力すると、半導体レーザ素子駆動回路２３１の制御により半導体レーザ素子１００に所定の駆動電流がその電気信号に応じたパターンで流れ、所定の光出力でレーザ光が出射する。

一方、フォトダイオード素子２２１に受信データに相当する光が入射すると、フォトダイオード素子２２１からフォトダイオード素子駆動回路２３２に電流が流れ、それに応じた受信データに相当する電気信号がデータ出力端子（２）から出力される。

なお、半導体レーザ素子１００を駆動させるための端子（７）は、端子（７）と電源端子（４）との間に電流を流すことによって、半導体レーザ素子１００のみを別駆動で発光させることができる。

なお、トランジスタ２８１は、ゲートＧに電圧が印加されない場合は、ソースＳ−ドレインＤ間には電流は流れない。そして、ゲートＧに電圧が印加されると、図１６に示すような特性を示す。図１６において、横軸はソースＳ−ドレインＤ間電圧Ｖ_DSを示し、縦軸はソースＳ−ドレインＤ間電流Ｉ_DSを示している。図１６に示す曲線のうち、破線付近を境に、Ｖ_DSに対するＩ_DSの依存性の大きい領域が一般に遷移領域と呼ばれ、その依存性の小さい領域が飽和領域と呼ばれており、本実施の形態においては、トランジスタ２８１は飽和領域を用いて動作させている。

図１４に示すように、トランジスタ２８１のドレインＤ側には半導体レーザ素子１００および電源端子（４）が電気的に直列に接続されており、ソースＳ側には抵抗２８２およびグラウンド端子（１）が電気的に直列に接続されている。したがって、電源端子（４）とグラウンド端子（１）との間に印加された電圧から、半導体レーザ素子１００の動作電圧および抵抗２８２にかかる電圧（配線抵抗も含む）を差し引いた電圧がＶ_DSとなるが、本実施の形態の光伝送モジュール２００はこのＶ_DSが図１６における飽和領域となるように設計されている。

よって、電源端子（４）とグラウンド端子（１）との間に電圧を印加した状態でゲートＧに電圧が印加されると、トランジスタ２８１のソースＳ−ドレインＤ間に所定の電圧Ｖ_DSがかかり、これにより図１６のＩ_DSで表される大きさの電流がソースＳ−ドレインＤ間に流れることになる。そして、これと同じ大きさの電流が半導体レーザ素子１００にも流れ、半導体レーザ素子１００はそれに応じた光出力でレーザ光を出射することになる。

理想的なトランジスタにおいては、図１６の飽和領域ではＶ_DSの大きさにかかわらずＩ_DSが一定であり、それにより半導体レーザ素子を同じ光出力でレーザ光を出射させることができる。しかし、実際に製造されるトランジスタは飽和領域でもＩ_DSはＶ_DSに対して依存性を有している。したがって、Ｖ_DSが変動するとＩ_DSが変動し、半導体レーザ素子１００から出射されるレーザ光の光出力も変動することになる。Ｖ_DSの変動を抑制するためには、トランジスタと直列に接続されている半導体レーザ素子１００の動作電圧の変動を抑制する必要がある。そこで、本実施の形態の光伝送モジュール２００においては、動作電圧の変動の小さい半導体レーザ素子１００を用いることによってＶ_DSの変動を抑制できる構成となっている。

また、光伝送モジュール２００が使用される環境温度は−２５〜８５℃程度の範囲が想定され、光伝送モジュール２００に搭載される半導体レーザ素子１００はＳＩＲからＵＦＩＲまでで２．５ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの間の周波数で変調動作させることが想定される。この条件において、実施の形態１における半導体レーザ素子１００の動作電圧は、環境温度が８５℃および周波数が２．５ｋＨｚの条件で最小の１．８２Ｖとなり、環境温度が−２５℃および周波数が１００ＭＨｚの条件で最大の１．９２Ｖとなる。よって、半導体レーザ素子１００の動作電圧の最大値と最小値との差は０．１Ｖである。

一方、上記の条件において、比較素子１の動作電圧は、環境温度が８５℃および周波数が２．５ｋＨｚの条件で最小の１．９５Ｖとなり、環境温度が−２５℃および周波数が１００ＭＨｚの条件で２．４５Ｖとなる。よって、比較素子１の動作電圧の最大値と最小値との差は０．５Ｖである。

したがって、光伝送モジュール２００に実施の形態１の半導体レーザ素子１００を用いた場合には、比較素子１を用いた場合と比べて、動作電圧のばらつきが小さくなることから、トランジスタ２８１のＶ_DSの変動を抑制でき、光伝送モジュール２００を構成する電気回路に流れる電流のばらつきを低減することができる。これにより、光伝送モジュール２００に搭載された半導体レーザ素子１００に流れる電流量のばらつきを低減することができるため、半導体レーザ素子１００から出射するレーザ光の光出力のばらつきを低減することができる。

ここで、光伝送モジュールにおいて発光部の光源の光出力が低い場合には相手方の光伝送モジュールの受光部への入射光量が落ちるため、通信可能な距離が低下したり、高速での通信が行えなくなったりするという問題が発生する。一方、光源の光出力が高い場合には、半導体レーザ素子特有の発光端面部での劣化を引き起こすという問題が発生する。

したがって、上記の実施の形態１の半導体レーザ素子１００を搭載した光伝送モジュール２００においては、半導体レーザ素子１００の光出力のばらつきを低減することができることから、上記の問題の発生が大きく低減できると考えられる。

なお、上記においては、トランジスタ２８１としてｎチャンネル型ＭＯＳトランジスタが用いられているが、ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタを用いることも可能である。ｐチャンネル型ＭＯＳトランジスタのＶ_DS−Ｉ_DS特性は、ｎチャンネル型以上にＶ_DSに対するＩ_DSの変化が大きいため、本実施の形態のように、半導体レーザ素子１００を搭載することによる効果がより大きくなる。

図１５に、図１０および図１１に示す光伝送モジュール２００の発光部２１０の模式的な構成を示す。ここで、ｎ側実装面２５１の凹部２１３は、半導体レーザ素子１００から出射したレーザ光を散乱する光散乱部としてのシリコーン樹脂２１４によって埋められている。ここで、シリコーン樹脂２１４中には、半導体レーザ素子１００からのレーザ光を散乱するためのフィラー（たとえば、平均粒径１μｍ程度のポリスチレン粒子など）が混入されている。

シリコーン樹脂２１４は、液状のシリコーン樹脂を凹部２１３に適量滴下した後に約８０℃で約５分間加熱して硬化させることにより形成される。そして、シリコーン樹脂２１４上をエポキシ樹脂２０２で被覆し、送信用レンズ２１２を形成している。

このような構成の発光部２１０において半導体レーザ素子１００を駆動させた場合には、図１５に示すように、半導体レーザ素子１００の端面からレーザ光が水平方向に出射する。そして、レーザ光は、シリコーン樹脂２１４に入射して、シリコーン樹脂２１４内のフィラーにより散乱されながら進む。そして、凹部２１３の側面のｎ側実装面２５１で反射して上方に向かう。その後、レーザ光は、シリコーン樹脂２１４の上面部で透明なエポキシ樹脂２０２に入射し、さらに送信用レンズ２１２で整形されて外部に放出される。

本発明に係る光伝送モジュール２００は、上記の実施の形態１の半導体レーザ素子１００が搭載されているために、−２５℃〜８５℃程度の広い温度範囲およびたとえばＵＦＩＲとＳＩＲのような大きく異なる通信速度でも安定してデータ送信をすることができる。

（実施の形態３）
図１７に、本発明の発光モジュールの好ましい一例の模式的な構成を示す。この発光モジュール３００は、上記の実施の形態２の光伝送モジュール２００から受光部２２０を省いて構成されており、データ送信専用のモジュールとなっている。

発光モジュール３００は、データ送信のための発光部２１０を有しており、発光部２１０は実施の形態１の半導体レーザ素子１００および半導体レーザ素子１００から出射されたレーザ光を整形する送信用光学子としての送信用レンズ２１２を含んでいる。また、半導体レーザ素子１００の横側には、発光モジュール３００を動作させるための集積回路素子２３０が設置されている。

また、光伝送モジュール２００と同様に、半導体レーザ素子１００が搭載される部分には深さ約３００μｍの凹部２１３が設けられている。この凹部２１３の表面にはｎ側実装面２５１が設けられている。この凹部２１３の底の実装面２５１上に半導体レーザ素子１００のｎ側電極を銀ペーストで固定している。半導体レーザ素子１００のｐ側電極に相当する上面部は、回路基板２０１上の配線２５４とボンディングワイヤ２１６によって電気的に接続されている。凹部２１３は光散乱部としてのシリコーン樹脂２１４で埋められている。シリコーン樹脂２１４中には、光を散乱するためのフィラー（たとえば、平均粒径１μｍ程度のポリスチレン粒子など）が分散して混入されている。

また、回路基板２０１の上面には、ｎ側実装面２５１および配線２５４以外にも、光伝送モジュール２００と同様に、集積回路素子を実装するためのｎ側実装面や他の配線が形成されている。また、回路基板２０１の下面には、電源電圧を入力するための電源端子、送信データに相当する電気信号を入力するためのデータ入力端子およびグラウンド端子など複数の端子に繋がる金属の配線が形成されている。さらに、回路基板２０１の上面の配線と下面の配線とはビアホールで電気的に接続されている。

回路基板２０１の上面には半導体レーザ素子１００および集積回路素子２３０を覆うようにして８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の波長の光に対して透明なエポキシ樹脂２０２がモールドされている。そして、モールドされたエポキシ樹脂２０２自体がその形状により、送信用レンズ２１２の役割を兼ねており、半導体レーザ素子１００の上方に送信用レンズ２１２が配置されるように一体的に形成される。

集積回路素子２３０は、送信データに相当する電気信号を基に半導体レーザ素子１００で送信データに相当するレーザ光を出射するための半導体レーザ素子駆動回路を有し、半導体レーザ素子駆動回路中には半導体レーザ素子１００への電流の注入の有無を制御するためのトランジスタが設けられている。

以上のように、発光モジュール３００においては、発光部２１０および半導体レーザ素子駆動回路２３１などデータ送信に関わる部分は実施の形態２の光伝送モジュール２００と同様に構成されており、トランジスタ２８１と半導体レーザ素子１００がグラウンド端子と電源端子の間で電気的に直列に接続されている。

したがって、発光モジュール３００は、光伝送モジュール２００と同様に、−２５℃〜８５℃程度の広い温度範囲およびたとえばＵＦＩＲとＳＩＲのような大きく異なる通信速度でも低消費電力で安定してデータ送信をすることができる。

（実施の形態４）
図１８に、本発明の電子機器の利用形態の好ましい一例の模式図を示す。本発明の電子機器の一例である携帯型電子機器としての携帯電話４０１には、その表面部に実施の形態２の光伝送モジュール２００が搭載されている。また、本発明の電子機器の一例である屋外設置型電子機器としての基地局４０２にも実施の形態２の光伝送モジュール２００が搭載されている。

このように携帯電話４０１および基地局４０２の双方がそれぞれ実施の形態２の光伝送モジュール２００を備えることによって、携帯電話４０１の光伝送モジュール２００と基地局４０２の光伝送モジュール２００との間で光信号を送受信する光伝送システムを構築することができる。

携帯電話４０１の光伝送モジュール２００の発光部２１０の半導体レーザ素子１００から発せられた送信データに相当する光信号は、基地局４０２の光伝送モジュール２００の受光部２２０のフォトダイオード素子２２１によって受信される。また、基地局４０２の光伝送モジュール２００の半導体レーザ素子１００から発せられた光信号は、携帯電話４０１の光伝送モジュール２００のフォトダイオード素子２２１によって受信される。このようにして、赤外線光によるデータ通信を実現することができる。

上述したように、携帯電話４０１および基地局４０２にそれぞれ搭載されている実施の形態２の光伝送モジュール２００は、−２５℃程度の環境温度でも安定して動作するため、これを搭載した携帯電話４０１や基地局４０２はこのような低い環境温度でも大容量のデータを安定して通信することが可能となる。

携帯電話４０１および基地局４０２にそれぞれ搭載されている実施の形態２の光伝送モジュール２００は、実施の形態１の半導体レーザ素子１００を搭載しているため、光伝送モジュール２００の消費電力を従来よりも大幅に低く抑えることができる。

また、携帯電話４０１のような携帯型電子機器に実施の形態２の光伝送モジュール２００を搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯型電子機器を使用することができるようになる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、広い温度範囲および様々な通信速度において低消費電力で安定して動作する半導体レーザ素子ならびにそれを用いた発光モジュール、光伝送モジュールおよび電子機器を提供することができる。

本発明の半導体レーザ素子の好ましい一例の模式的な断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子の製造方法の好ましい一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子の製造方法の好ましい一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子の製造方法の好ましい一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子の製造方法の好ましい一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。 図１に示す半導体レーザ素子の製造方法の好ましい一例の製造工程の一部を示す模式的な断面図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子、比較素子１および比較素子２について、−２５℃〜２５℃の環境温度で１００ｍＡの駆動電流を変調周波数２ＭＨｚおよびｄｕｔｙ５０％の条件で流したときの動作電圧の変化を示す図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子、比較素子１および比較素子２について、−２５℃の環境温度で１００ｍＡの駆動電流を流す際の変調周波数と動作電圧との関係を示す図である。 （ａ）は比較素子１および比較素子２の下地層、バッファ層および下クラッド層のエネルギバンドギャップの模式図であり、（ｂ）は実施の形態１の半導体レーザ素子の下地層、バッファ層および下クラッド層のエネルギバンドギャップの模式図である。 本発明の光伝送モジュールの好ましい一例の模式的な斜視図である。 図１０に示す光伝送モジュールを側面から見たときの模式的な構成を示す図である。 図１０および図１１に示す光伝送モジュールのモールド樹脂が形成されていない状態の模式的な斜視図である。 図１０および図１１に示す光伝送モジュールの回路基板の模式的な斜視図である。 図１０および図１１に示す光伝送モジュールの模式的な電気回路図である。 図１０および図１１に示す光伝送モジュールの発光部の模式的な構成を示す図である。 トランジスタのソース−ドレイン間電圧Ｖ_DSとソース−ドレイン間電流Ｉ_DSとの関係を示す図である。 本発明の発光モジュールの好ましい一例の模式的な構成を示す図である。 本発明の電子機器の利用形態の好ましい一例を示す模式図である。 従来の光伝送モジュールの模式的な斜視図である。 図１９に示す従来の光伝送モジュールを側面から見たときの模式的な構成を示す図である。 リッジ導波路型の半導体レーザ素子の一例の模式的な断面図である。

符号の説明

１００，６００ 半導体レーザ素子、１０１ 半導体基板、１０２ 下地層、１０３ バッファ層、１０４ 下クラッド層、１０５ 下ガイド層、１０６ 活性層、１０７ 上ガイド層、１０８ 第１上クラッド層、１０９ エッチングストップ層、１１０ 第２上クラッド層、１１１ 第３上クラッド層、１１２ キャップ層、１１３，６１０ リッジ部、１１４ａ リッジ形成領域、１１４ｂ リッジ形成外領域、１１５ レジストマスク、１２１ 第１電流阻止層、１２２ 第２電流阻止層、１２３ 第３電流阻止層、１２５ レジストマスク、１３１ カバー層、１３２ コンタクト層、１４１，６２１ ｐ側電極、１４２，６２２ ｎ側電極、２００，５００ 光伝送モジュール、２０１，５０１ 回路基板、２０２，５０２ エポキシ樹脂、２１０，５１０ 発光部、２１２，５１２ 送信用レンズ、２１３ 凹部、２１４ シリコーン樹脂、２１６，２２６，２７３，２７４，２７５，２７６，２７７，２７８，２７９，２８０，５１６，５２６ ボンディングワイヤ、２２０，５２０ 受光部、２２１，５２１ フォトダイオード素子、２２２，５２２ 受信用レンズ、２３０，５３０ 集積回路素子、２３１ 半導体レーザ素子駆動回路、２３２ フォトダイオード素子駆動回路、２３３ 制御回路、２４０，５４０ 端子部、２５０，２５４，２５５，２５６，２５７，２５８，２５９，２６０ａ，２６０ｂ，２６０ｃ，２６０ｄ，２６０ｅ，２６０ｆ，２６０ｈ 配線、２５１，２５２，２５３ ｎ側実装面、２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃ，２７０ｄａ，２７０ｄｂ，２７０ｅ，２７０ｆ，２７０ｈ ビアホール、２８１ トランジスタ、２８２ 抵抗、２８３ 主回路部、３００ 発光モジュール、４０１ 携帯電話、４０２ 基地局、５１１ 発光ダイオード素子、６０１ ｎ型ＧａＡｓ基板、６０２ ｎ型ＧａＡｓ下地層、６０３ ｎ型ＡｌＧａＡｓ下クラッド層、６０４ 活性層、６０５ ｐ型ＡｌＧａＡｓ上クラッド層、６０６ ｐ型ＧａＡｓキャップ層、６０７ 電流阻止層、６０８ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層。

Claims (13)

1. １層または複数の層からなる第１導電型の半導体基板上に、第１導電型のバッファ層と、前記半導体基板よりもエネルギバンドギャップの大きい第１導電型の下クラッド層と、活性層と、第２導電型の第１の上クラッド層と、第２導電型の第２の上クラッド層と、前記第２の上クラッド層よりもエネルギバンドギャップが小さい第２導電型のキャップ層と、を含み、少なくとも前記第２の上クラッド層がストライプ形状となっている半導体レーザ素子であって、
   前記バッファ層のエネルギバンドギャップの大きさは、前記半導体基板のうち前記バッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと前記下クラッド層のうち前記バッファ層に最も近接している領域のエネルギバンドギャップの大きさとの間にあり、
   前記第２の上クラッド層のうち前記キャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度および前記キャップ層のうち前記第２の上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度がそれぞれ前記第２の上クラッド層の他の少なくとも一部の領域のキャリア濃度よりも高いことを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記バッファ層のエネルギバンドギャップが前記半導体基板側から前記下クラッド層側にかけて連続的または階段状に大きくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記バッファ層のエネルギバンドギャップが前記半導体基板側から前記下クラッド層側にかけて連続的に大きくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記バッファ層と前記下クラッド層とが接しており、前記バッファ層のうち前記下クラッド層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさが前記下クラッド層のうち前記バッファ層と接している領域のエネルギバンドギャップの大きさと同じであることを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記第２の上クラッド層のうち前記キャップ層に最も近接している領域のキャリア濃度および前記キャップ層のうち前記第２の上クラッド層に最も近接している領域のキャリア濃度がそれぞれ１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
6. 前記半導体レーザ素子から出射するレーザ光の波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、前記キャップ層がＧａＡｓ層からなることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
7. 前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の半導体レーザ素子を含む、発光モジュール。
9. 回路基板に、前記半導体レーザ素子、集積回路素子、電源電圧を入力するための電源端子、およびグラウンド端子が少なくとも設けられた発光モジュールであって、
   前記集積回路素子は、半導体レーザ素子駆動回路を含み、
   前記半導体レーザ素子駆動回路は、前記半導体レーザ素子への電流の注入を制御するための能動素子を含み、
   前記能動素子および前記半導体レーザ素子が、前記電源端子と前記グラウンド端子との間で電気的に直列に接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の発光モジュール。
10. 前記半導体レーザ素子上に前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光を散乱するための光散乱部を備えていることを特徴とする、請求項８または９に記載の発光モジュール。
11. 請求項１から７のいずれかに記載の半導体レーザ素子を含む、光伝送モジュール。
12. 回路基板に、前記半導体レーザ素子、受光素子、集積回路素子、電源電圧を入力するための電源端子、送信データに相当する電気信号を入力するためのデータ入力端子、受信データに相当する電気信号を出力するためのデータ出力端子、およびグラウンド端子が少なくとも設けられた光伝送モジュールであって、
    前記半導体レーザ素子上に、前記半導体レーザ素子から出射したレーザ光を散乱するための光散乱部と前記光散乱部を通過したレーザ光を整形するための送信用光学子とを備え、前記受光素子上には外部からの受信光を集光するための受信用光学子を備えており、
    前記集積回路素子は、前記データ入力端子から入力された送信データに相当する電気信号を基に前記半導体レーザ素子で送信データに相当するレーザ光を出射させるための半導体レーザ素子駆動回路と、前記受光素子で受光した受信光を基に受信データに相当する電気信号を前記データ出力端子に出力するための受光素子駆動回路と、を含み、
    前記半導体レーザ素子駆動回路は、前記半導体レーザ素子への電流の注入を制御するためのトランジスタを含み、
    前記トランジスタおよび前記半導体レーザ素子が、前記電源端子と前記グラウンド端子との間で電気的に直列に接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載の光伝送モジュール。
13. 請求項８から１０のいずれかに記載の発光モジュールまたは請求項１１もしくは１２に記載の光伝送モジュールを含む、電子機器。

Images