JP2000252593A - 2波長半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents
2波長半導体レーザ素子及びその製造方法Info
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Abstract
モード等の異なる発光特性を有する2つのレーザ光を印
加電圧の方向を切り替えることによって選択出射可能な
半導体レーザ素子を提供する。 【解決手段】 本発明による半導体レーザ素子は、少な
くともn型半導体層、活性層、p型半導体層の順に積層
された多層構造体と、p側電極及びn側電極と、を有す
るリッジ型構造を有する第1及び第2レーザ部を含む半
導体レーザ素子であって、前記第1レーザ部のp側電極
及びn側電極がそれぞれ前記第2レーザ部のn側電極及
びp側電極と電気的に接続されていることを特徴とす
る。
Description
ーム形状、出射パワー、縦モード等の異なる特性を有す
る2つのレーザ光を印加電圧の方向を切り替えることに
よって選択出射可能な半導体レーザ素子に関する。
ーヤなどの光情報記録機器に広く採用されている。そし
てこの光ピックアップに用いられる半導体レーザ素子
は、光情報記録機器の情報記録密度等の違いによって異
なっている。例えばCDプレーヤでは波長780nmの赤外
半導体レーザ素子が、DVDプレーヤでは波長650nmの
赤色半導体レーザ素子が、また単位面積当たりの情報記
録容量を上げた改良型DVDのHD−DVDプレーヤで
は波長410nmの青色半導体レーザ素子が使用されてい
る。
られている従来のリッジ型半導体レーザ素子は、例え
ば、基板101の上にn型半導体層102、n型半導体クラッ
ド層103、活性層104、p型半導体クラッド層105、p型
半導体コンタクト層106を順次積層して、さらにp型電
極107及びn型電極108をp型半導体コンタクト層106及
びn型半導体層102上にそれぞれ形成した多層構造体か
らなっていた。該多層構造において、各層の材料及び厚
さ等を適宜選択することで発振するレーザ波長等の発光
特性を変化させることができる。例えば、半導体層にAl
GaAs系の材料を選択すれば780nm近傍の赤外域の波長
で、AlGaInP系であれば650nm近傍の波長で、GaN系であ
れば400nm近傍の波長で発振するのである。
は、あらかじめ決められた単一の波長においてのみ発振
するものである。そこで、例えば、CD及びDVDディ
スクのいずれであっても再生動作可能なコンパチブルプ
レーヤにおいては、以下のような再生機構が採用されて
きた。すなわち、1)光ディスクの種類に対応した半導
体レーザ素子を有するピックアップを複数個、プレーヤ
内部に具備し、これによって再生動作を行う、2)波長
の異なる半導体レーザ素子を1つのピックアップパッケ
ージ内に複数個並べて載置し、光ディスク毎に発光させ
るレーザ素子を切り替えて再生動作を行う、といった方
法である。
ップごとに駆動機構を設ける必要があるため、装置が大
型化し、また製造コストが上昇してしまうといった問題
があった。また、2)の方法では、ピックアップの1つ
のレンズに複数のレーザ素子からの光を結合させるため
にレーザ素子の発光スポットの間隔を非常に狭く調整し
なければならない。これには基板上に各レーザ素子を正
確に位置決めする非常に煩雑な製造工程を含み、やはり
製造コストを上昇させる原因となっていた。
の波長を発する半導体レーザ素子を複数個並べて載置す
るのではなく、単一の素子でありながら複数の波長のレ
ーザ光を発することができる半導体レーザ素子が望まれ
た。また、波長だけでなく、発光点、ビーム形状、出射
パワー、縦モード等の異なるレーザ発光特性の光を単一
の素子で得ることができる半導体レーザ素子が望まれ
た。そこで本発明は、上述のような異なる発光特性の2
つのレーザ光を発生することができる半導体レーザ素子
及びその製造方法を与えることを目的とする。
ザ素子は、少なくともn型半導体層、活性層、p型半導
体層の順に積層された多層構造体と、p側電極及びn側
電極と、を有するリッジ型構造を有する第1及び第2レ
ーザ部を含む半導体レーザ素子であって、前記第1レー
ザ部のp側電極及びn側電極がそれぞれ前記第2レーザ
部のn側電極及びp側電極と電気的に接続されているこ
とを特徴とする。
製造方法であって、レーザアセンブリを形成するステッ
プは、基板上に少なくともn型半導体層、活性層、p型
半導体層を積層した多層構造体を形成するステップと、
前記多層構造体の頂部から一部を除去して前記n型半導
体層を露出するようにストライプ状のリッジを形成する
ステップと、前記リッジの頂部及び谷部にそれぞれ第1
及び第2電極を形成してレーザアセンブリを形成するス
テップと、からなり、前記レーザアセンブリを形成する
ステップを繰り返して第1及び第2の2つのレーザアセ
ンブリを用意し、前記第1レーザアセンブリの前記第1
及び前記第2電極を前記第2レーザアセンブリのそれぞ
れ前記第2及び前記第1電極にその間に融着材を介して
対向させて位置合わせをするステップと、前記第1及び
第2のレーザアセンブリを密着せしめ、前記融着材を溶
解させて第1及び第2のレーザアセンブリを融着せしめ
るステップと、前記第1及び第2のレーザアセンブリか
ら前記基板のうち少なくとも絶縁性の基板を除去するス
テップと、前記第1及び第2のレーザアセンブリの前記
n型半導体層の底部に電極を形成するステップと、から
なることを特徴とする
半導体レーザ素子は、第1レーザ部と第2レーザ部とか
らなる。第1レーザ部は、リッジ構造を有する窒化ガリ
ウム(GaN)系レーザであって、n型GaN層11上に、n型
AlGaNクラッド層12、活性層13、p型AlGaNクラッド層1
4、p型GaNコンタクト層15が順次積層された多層構造体
からなる。リッジ頂部のコンタクト層15及びリッジ谷部
のn型GaN層11の一部にそれぞれ窓51、52を形成して、
それ以外の多層構造体の頂部をシリカ(SiO2)の如き絶
縁層16が覆っている。さらに、窓51を介してニッケル
(Ni)電極層31がコンタクト層15上に、また、窓52を介
してチタン-金(Ti/Au)電極層32がn型GaN層11上に配
されている。
ミニウム-ガリウム-ヒ素(AlGaAs)系レーザであって、
n型GaAs基板21上に、n型AlGaAsクラッド層22、活性層
23、p型AlGaAsクラッド層24、p型GaAsコンタクト層25
が順次積層された多層構造体からなる。リッジ谷部のn
型GaAs基板21及びリッジ頂部のp型GaAsコンタクト層25
の一部にそれぞれ窓53、54を形成して、それ以外の多層
構造体の頂部をSiO2の如き絶縁層16が覆っている。さら
に、窓53を介して金−ゲルマニウム(Au-Ge)合金電極
層33、窓54を介してクロム(Cr)電極層34がそれぞれn
型GaAs基板21及びp型GaAsコンタクト層25上に配されて
いる。
電極がそれぞれ前記第2レーザ部のn側電極及びp側電
極と電気的に接続されている。かかる接続は、各電極間
に接続層を挿入することによって素子の機械強度を保つ
ことが出来て好ましい。第1レーザ部のNi電極層31と第
2レーザ部のAu-Ge合金電極層33は、金−錫(Au-Sn)合
金層35によって接続されている。また、第1レーザ部の
Ti/Au電極層32と第2レーザ部のCr電極層34は、Au-Sn合
金層35によって接続されている。
いて絶縁層16の配された面と反対側の面には、Ti/Au電
極60が配されている。この電極はチタン-アルミニウム
(Ti/Al)を材料としてもよい。同様に第2レーザ部の
n型GaAs基板21において絶縁層16の配された面と反対側
の面には、Au-Ge電極61が配されている。以上の如き構
成によって、図3の等価回路に示すように、第1レーザ
部及び第2レーザ部は、それぞれD1及びD2のダイオー
ドを形成している。そして、この2つのダイオードは、
互いの極性を逆向きにして結合した回路を構成してい
る。故に、I1方向に電流が流れるときは第1レーザ部
が発光し、逆に矢印I2方向に電流が流れるときは第2
レーザ部が発光するのである。
第2レーザ部の間、例えば接続層に半導体-金属接合に
よるショットキーバリヤをレーザの動作方向と順方向に
なるように形成して、pnダイオードと比べて順方向電
圧の小さいショットキーダイオードDschottを含ませた
構成であってもよい。この場合、半導体レーザD2の動
作時に半導体レーザD1の逆耐圧が補償できて好ましい
のである。ショットキーダイオードは、第1及び第2レ
ーザ部を接続する2つの接続層のどちらか一方、若しく
は双方に形成することが出来る。
体レーザは、ショットキーダイオードが半導体レーザ部
に形成された半導体レーザ素子である。第1レーザ部
は、リッジ構造を有する窒化ガリウム(GaN)系レーザ
であって、n型GaN層11上に、n型AlGaNクラッド層12、
n型AlGaNガイド層17、活性層13、p型AlGaNガイド層1
8、p型AlGaNクラッド層14、p型GaNコンタクト層15が
順次積層された多層構造体からなる。リッジ頂部のコン
タクト層15及びリッジ谷部のn型GaN層11の一部にそれ
ぞれ窓51、52を形成して、それ以外の多層構造体の頂部
をシリカ(SiO2)の如き絶縁層16が覆っている。さら
に、窓51を介してニッケル/金(Ni/Au)電極層36がp
型GaNコンタクト層15上に、また、窓52を介してTi/Au電
極層32がn型GaN層11上に配されている。
ミニウム-ガリウム-ヒ素(AlGaAs)系レーザであって、
n型GaAs基板21上に、n型AlGaAsクラッド層22、n型Al
GaAsガイド層26、活性層23、p型AlGaAsガイド層27、p
型AlGaAsクラッド層24、p型GaAsコンタクト層25が順次
積層された多層構造体からなる。p型GaAsコンタクト層
25には、p型不純物が1019〜10201/cc程度の濃度で添加
されている。また、コンタクト層25は、レーザ共振器形
成方向(図5の紙面の法線方向)と平行方向にストライ
プ状のリッジを形成しており、該リッジの両側部にはn
型AlGaAs電流狭窄層28が配されている。ここでリッジ
は、p型AlGaAsクラッド層24をその一部に含んでいても
良い。さらに、リッジ谷部のn型GaAs基板の一部に窓53
を形成して、リッジ頂部のp型GaAsコンタクト層25及び
n型AlGaAs電流狭窄層28の一部の上にも窓54を形成し、
またそれ以外の多層構造体の頂部を絶縁層16が覆ってい
る。そして、窓53を介して、Au-Ge合金電極層33がn型G
aAs基板21上に配されている。また、窓54を介して、p
型GaAsコンタクト層25上にCr電極層34、Pt中間層37が配
されている。さらに、Cr電極層34及びPt中間層37を電流
狭窄層28上に封止するようにしてAu-Ge合金層33aが配さ
れている。さらに、Au-Ge合金層33aは、電流狭窄層28上
に封止されるようにして絶縁層16aが配されている。そ
して、Pd電極層38が、電流狭窄層28の一部に接し且つ絶
縁層16aを覆って、窓54を埋めるようにして配されてい
る。
と、第2レーザ部のAu-Ge合金電極層33がAu-Sn合金層35
によって接続されている。また、第1レーザ部のTi/Au
電極層32と、第2レーザ部のPd電極層38がAu-Sn合金層3
5によって接続されている。さらに、第1レーザ部のn
型GaN層11において、絶縁層16が配された面と反対側の
面にTi/Al若しくはTi/Auからなる電極60が配されてい
る。同様に第2レーザ部のn型GaAs基板21において絶縁
層16の配された面と反対側の面にはAu-Ge電極61が配さ
れている。
すように、ダイオードD2を形成する第2レーザ部の逆
耐圧をダイオードDschottによって補償することができ
るのである。図4の矢印I2方向に電流が流れるように
電圧が付加されたときを図6に示す。Au-Sn合金層35、P
d電極層38を介して、電流狭窄層28に電流が流れる。こ
こで、Pd電極層38は、n型AlGaAs電流狭窄層28とショッ
トキーダイオードDsc hottを形成するが、順方向のバイ
アスであって、電流は、矢印71の方向に流れるのであ
る。さらに、Au-Ge層33aとn型AlGaAs電流狭窄層28は、
オーミック接触であって、故に電流は、矢印72の方向に
流れる。さらに、上述したようにp型GaAsコンタクト層
25には、P型不純物がドーピングされていて、金属的な
電気状態を有しているため、Cr電極層34とp型GaAsコン
タクト層25は、オーミック接触を形成し、電流は、矢印
73の方向に流れる。以上のようにして、第2レーザ部に
電流が流れるのである。
ように電圧が付加されたときは、第1レーザ部に電流が
流れる。つまり、上述したPd電極層38とn型AlGaAs電流
狭窄層28からなるショットキーダイオードに逆方向のバ
イアス電流となるため、これを遮断する。かかる構成に
よって、例えば、GaN系の第1レーザ部を動作させるた
めに負荷される3(理論限界値)〜6Vといった、GaAs
系の第2レーザ部の保償逆耐電圧を越える電圧の負荷か
ら第2レーザ部を保護できるのである。上述の如きショ
ットキーダイオードを形成する構造は、第1レーザ部上
に適宜、形成してもよい。
び第2レーザ部の組み合わせが、GaN系レーザとGaAs系
レーザの組に限定されるものではない。例えば、AlInGa
P系レーザ、GaAs系レーザ、GaN系レーザ、InP系レーザ
等から選択される2つのレーザであってもよい。また、
同一の材料系からなるレーザ素子を組み合わせても良
い。この場合、印加電圧の方向を変えることでレーザの
発光位置をシフトできて好ましい。すなわち、材料系や
特性の異なるレーザを適宜、選択して組み合わせること
により、波長、発光点、ビーム形状、出射パワー、縦モ
ード等の異なるレーザ光を印加電圧の方向を変えること
で得ることが出来るのである。
ーザ素子の製造方法について詳述する。図7に示すよう
に、第1及び第2レーザ部の多層構造体を構成する第1
多層構造体1及び第2多層構造体2は、有機金属気相成
長法(MOCVD法)によって、それぞれ別個に作製され
る。
ファイア基板10を載置し、該炉内に原料ガスを順次導入
して、n型GaN層11、n型AlGaNクラッド層12、活性層1
3、p型AlGaNクラッド層14、p型GaNコンタクト層15を
順に積層して得られる。一方、第2多層構造体2は、n
型GaAs基板21上に、n型AlGaAsクラッド層22、活性層2
3、p型AlGaAsクラッド層24、p型GaAsコンタクト層25
を順に積層して得られる。
多層構造体1、2の成膜面をストライプ状にマスキング
して、第1多層構造体にはRIE(反応性イオンエッチン
グ)、第2多層構造体には化学エッチングを行ってリッ
ジを形成する。マスキングされていない部分がエッチン
グされて、最後にマスキングを除去するとリッジとなる
のである。このときリッジの長手方向、すなわち矢印方
向3及び3’がレーザの共振器を構成する方向であっ
て、第1多層構造体1においては矢印方向3がn型GaN
層11の結晶の<11-00>または<11-20>方向となるよう
に、第2多層構造体2においては矢印方向3’が、GaAs
結晶の<110>方向となるようにリッジを形成する。後
述するように、第1及び第2多層構造体1、2は、互い
に対向させて組み合わせたときに密着できるように、リ
ッジの高さは第1及び第2多層構造体1、2ともに等し
く、また第1多層構造体1のリッジの幅は、第2多層構
造体2のリッジ間の幅に、逆に第2多層構造体2のリッ
ジの幅は、第1多層構造体1のリッジ間の幅となるよう
にする。
1a及びリッジとリッジの間の谷部1b、第2多層構造体2
のリッジの頂部2a及び谷部2bの一部をリッジの延在する
方向にストライプ状のマスキングを施して、SiO2をそれ
ぞれその上から成膜して絶縁層16を形成する。最後にマ
スキングを除去して、第1多層構造体1のリッジの頂部
1a及び谷部1bに、p型GaNコンタクト層15及びn型GaN層
11がそれぞれ裸出する窓51及び52を形成する。また同様
に第2多層構造体2のリッジの頂部2a及び谷部2bに、p
型GaAsコンタクト層25及びn型GaAs基板21が裸出する窓
部53及び54をそれぞれ形成する。
介してp型GaNコンタクト層15上にNi電極層31/Au中間
層35a/Au-Sn合金層35を順に積層する。また、窓52を介
してn型GaN層11上にTi/Au電極層32/Au中間層35a/Au-
Sn合金層35を順に積層する。第2多層構造体2の上に
は、窓53を介してn型GaAs基板21上にAu-Ge合金層33/A
u中間層35aを、また、窓54を介してp型AlGaAs層25上に
Cr電極層34/Au中間層35aをこの順に積層する。この第
2多層構造体2は、345℃で5分間のアニールを行っ
て、Au-Ge合金電極層33/n型GaAs基板21のアロイング
を行ってオーミック性を改善する。
層構造体1、2を、互いに成膜面に形成された窓51と53
及び52と54とが対向するようにつきあわせて、すなわち
第1多層構造体1のリッジの頂部1aと第2多層構造体2
のリッジの谷部2bが、また第1多層構造体1のリッジの
谷部1bと第2多層構造体2のリッジの頂部2aが対向する
ように組み合わせてジグ(図示せず)にてこれを圧着す
る。かかる場合において、第1及び第2多層構造体1、
2にリッジの作製と同時にマーカ4及び4'をあらかじ
めエッチングによって設けておいて、これをつきあわせ
て位置決めを行うと精度良く圧着が出来て好ましい。
層構造体1、2を挟んで圧着したまま、窒素雰囲気若し
くは窒素+水素(5〜10%)雰囲気中でAu-Sn合金の共晶
温度である278℃以上に加熱すると、Au中間層35aは、Au
-Sn合金層35に取り込まれて第1及び第2多層構造体
1、2を融着せしめられる。次に、第1多層構造体1か
らラッピング装置で導電性を有しないサファイア基板10
を削り取る。ここで、サファイア基板10の除去は、上下
両面が鏡面のサファイア基板10を用いることにより、サ
ファイア基板10の半導体層を積層された面と反対側の面
から200〜300nmの波長を有するレーザ光を当てる。該波
長のレーザ光に対して、サファイアは透明であるが、Ga
Nはこれを強く吸収するため、GaN/サファイア界面はレ
ーザ光を吸収して発熱し、GaNは金属Gaと窒素に分解す
る。金属Gaの融点は室温程度であるため、基板を40℃程
度に加熱すると金属Gaが溶解してサファイア基板10が剥
がれるのである。こうして得られたサファイア基板10を
取り除いた面を仕上げ研磨して、この上にチタン/金
(チタン/アルミであってもよい)電極60を蒸着する。
n型GaAs基板21は、導電性の観点からその厚さを薄くす
ることが好ましいが、一方で強度の低下をも考慮して、
ラッピング装置で、その厚さを100μm程度になるまで研
磨する。砥粒はアルミナ、シリコンカーバイト等が好ま
しい。研磨後、その表面を酸で少量だけエッチングして
加工ダメージ層を除去し、この上にAu-Ge合金からなる
電極61を蒸着する。電極のオーミック性改善のために30
0℃程度の温度で加熱処理を行う。この加熱処理の温度
は、第1及び第2多層構造体1、2の融着の劣化が生じ
ない程度の温度で行う。
多層構造体1、2の融着体、すなわちレーザウェハから
半導体レーザチップ81を小割りする。第2多層構造体2
の側を上にして、リッジの長手方向と平行に延在する端
部にレーザ共振器の長さに相当するピッチでダイヤモン
ドのポイントでスクライブ82を入れる。スクライブ82を
基点にGaAs結晶及びGaN結晶の劈開を利用してバー状体8
3を得る。劈開面にはパッシベーション膜(兼反射コー
ト)を施す。さらに、バー状体83にチップ毎にスクライ
ブ84を入れて劈開してチップ81を得る。
GaN及びGaAsの熱伝導率はそれぞれ1.3W/cmKと0.46W/cmK
であるので、第1レーザ部側をマウント側にしてダイボ
ンディングして放熱して用いることが好ましい。
形状、出射パワー、縦モード等の異なる発光特性を有す
る2つのレーザ光を印加電圧の方向を切り替えることで
選択出射可能な半導体レーザ素子を安価且つ容易に提供
することが出来る。
図である。
断面図である。
る。
路図である。
断面図である。
ザ部の接続部分の構造を示す拡大断面図である。
面図である。
視図である。
図である。
工程の斜視図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 少なくともn型半導体層、活性層、p型
半導体層の順に積層された多層構造体と、p側電極及び
n側電極と、を有するリッジ型構造を有する第1及び第
2レーザ部を含む半導体レーザ素子であって、前記第1
レーザ部のp側電極及びn側電極がそれぞれ前記第2レ
ーザ部のn側電極及びp側電極と電気的に接続されてい
ることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項2】 前記第1レーザ部のp側電極及びn側電
極がそれぞれ前記第2レーザ部のn側電極及びp側電極
と接続層を介して電気的に接続されていることを特徴と
する請求項1記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項3】 前記第1及び第2レーザ部は、絶縁層を
間に挟み対向して配置されていることを特徴とする請求
項2記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項4】 前記接続層の少なくとも一方が、ショッ
トキーバリヤを有することを特徴とする請求項2又は3
記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項5】 前記第1及び第2レーザ部の少なくとも
一方は、前記p側電極と前記p型半導体層との間にショ
ットキーバリヤを有することを特徴とする請求項1乃至
3記載のうちの1つの半導体レーザ素子。 - 【請求項6】 前記第1及び第2レーザ部の少なくとも
一方は、窒化ガリウム(GaN)系半導体を積層させた半
導体レーザであることを特徴とする請求項1乃至5記載
のうちの1つの半導体レーザ。 - 【請求項7】 基板上に少なくともn型半導体層、活性
層、p型半導体層を積層した多層構造体を形成するステ
ップと、前記多層構造体の頂部から一部を除去して前記
n型半導体層を露出するようにストライプ状のリッジを
形成するステップと、前記リッジの頂部及び谷部にそれ
ぞれ第1及び第2電極を形成するステップと、からなる
レーザアセンブリを形成するステップと、 前記レーザアセンブリを形成するステップを繰り返して
第1及び第2の2つのレーザアセンブリを用意するステ
ップと、 前記第1レーザアセンブリの前記第1電極及び前記第2
電極を融着材を間に介して前記第2レーザアセンブリの
それぞれ前記第2電極及び前記第1電極に対向させて位
置合わせをするステップと、 前記第1及び第2のレーザアセンブリを密着せしめ、前
記融着材を溶解させて第1及び第2のレーザアセンブリ
を融着せしめるステップと、 前記第1及び第2のレーザアセンブリから前記基板のう
ち少なくとも絶縁性の基板を除去するステップと、 前記第1及び第2のレーザアセンブリの前記n型半導体
層の底部に電極を形成するステップと、からなることを
特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 【請求項8】 前記位置合わせをするステップは、前記
第1レーザアセンブリの前記第1電極若しくは前記第2
レーザアセンブリの前記第2電極の少なくともいずれか
一方の上に融着材料を供給するステップと、前記第1レ
ーザアセンブリの前記第2電極若しくは前記第2レーザ
アセンブリの前記第1電極の少なくともいずれか一方の
上に融着材料を供給するステップと、を含むことを特徴
とする請求項7記載の半導体レーザ素子の製造方法。 - 【請求項9】 前記第1及び第2レーザアセンブリの少
なくとも一方は窒化ガリウム系レーザであることを特徴
とする請求項8記載の半導体レーザ素子の製造方法。 - 【請求項10】 前記基板は、サファイアからなり、前記
基板を除去するステップは、前記基板の底部から200〜3
00nmの波長を有するレーザ光を照射するステップである
ことを特徴とする請求項9記載の半導体レーザ素子の製
造方法。
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