JP2003218458A

JP2003218458A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP2003218458A
Application number: JP2002014463A
Authority: JP
Inventors: Tomoteru Ono; 智輝大野; Shigetoshi Ito; 茂稔伊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2003-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】自励発振特性を有し、光ディスクなどからの
戻り光に対して安定な動作をする低雑音の半導体レーザ
を提供する。【解決手段】本発明の半導体発光装置は、発光層と可
飽和吸収層とが基板上に形成された窒化物半導体発光装
置であって、可飽和吸収層の井戸層の厚さｄが、０．５
ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍであることを特徴とする。この厚さｄ
は、０．５ｎｍ≦ｄ≦３ｎｍであることが好ましい。ま
た、可飽和吸収層の光の閉じ込め係数Γは、０．００1
≦Γ≦０．０１６であることが好ましく、０．００1≦
Γ≦０．０１２であればより好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光装置に
関する。特に、自励発振を伴う低雑音の窒化物半導体レ
ーザの発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】次世代の光ディスクシステムに使用する
ピックアップ用の光源には、高記録密度の実現のため、
より集光径を小さくすることが可能な短波長光源が用い
られる。しかし、コスト削減のため、光ディスクシステ
ムにおけるレンズや光ディスクなどに、安価なプラスチ
ック系の材質を用いると、プラスチック系の材質の吸収
波長が３９０ｎｍ程度以下であるため、光ディスクシス
テム用の光源には発振波長が４００ｎｍ前後のものが望
ましい。また、更なる短波長化は材質の検討が必要にな
り、量産には不向きとなる。このような短波長光源には
半導体レーザが用いられ、代表的な材質は窒化ガリウム
化合物半導体レーザである。

【０００３】窒化物半導体レーザを、光ディスクシステ
ムなどに用いる際に問題となるのは、戻り光による雑音
であり、かかる雑音を減少させるため、たとえば自励発
振特性を備えた構造が用いられる。自励発振は、半導体
レーザに注入されたキャリアによって反転分布が生じて
いる利得領域と可飽和吸収層とのキャリア、光子の相互
作用によって生じ、様々な物性値を適切に合わせること
により初めて発生する。可飽和吸収層に要求される主な
特性は、実質的なバンドギャップが活性層（利得領域）
と同じか、あるいは狭いこと、キャリア寿命が活性層よ
り短くおよそ１．５ｎｓ以下であること、可飽和吸収す
ることなどである。可飽和吸収するとは、光の吸収量が
多くなると吸収係数が減少する特性をいう。

【０００４】一般に半導体レーザには長寿命特性が必要
であり、具体的には動作光出力において１００００時間
以上、室温での連続発振が求められている。窒化物半導
体レーザの発振閾値は近年非常に低くなっており、閾値
電流密度で４ＫＡ／ｍ²を下まわっている。しかしなが
ら可飽和吸収層を設けると閾値利得レベルが上昇するた
めに、閾値電流密度が上がってしまい、自励発振特性は
得られるものの寿命が短くなりやすい。

【０００５】このような自励発振を伴う光ディスク用の
窒化物半導体レーザは、特開平９−１９１１６０号公報
に紹介されている（図１３）。同公報によれば、ＩｎＧ
ａＮを材質とした可飽和吸収層をｐガイド層に設けるこ
とにより、安定で低雑音の半導体レーザを得ることがで
きるとしている。この半導体レーザの構造は、基板側よ
り、Ｎ電極１９９、ｎ型ＳｉＣ基板２００、ｎ型ＡｌＮ
層２０１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層２０２、ｎ型Ｇａ
Ｎ光ガイド層２０３、ＩｎＧａＮ量子井戸活性層２０
４、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０５、ｐ型ＡｌＧａＮクラ
ッド層２０６、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０７、Ｐ電極
２０９である（図１３）。ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０５
にはＩｎＧａＮ可飽和吸収層２０８が設けられ、可飽和
吸収層２０８の厚さは５ｎｍである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の可飽和
吸収層を含む窒化物半導体レーザは、可飽和吸収層のみ
を除いた構造に比べて閾値電流の上昇が大きくなるとい
う問題があった。また、可飽和吸収層を用いた自励発振
構造は、ＧａＡｓ系の半導体レーザでは既知であるが、
窒化物半導体レーザで同様の現象を発生させるのには更
なる検討が必要であり、窒化物半導体レーザは、ＧａＡ
ｓ系半導体のレーザと比べて透明キャリア密度が高いた
めに、閉じ込め係数が大きくなると閾値電流密度を決め
ている閾値利得レベルが高くなるという問題があった。

【０００７】本発明は、光ディスクなどからの戻り光に
対して安定な動作をする低雑音の半導体レーザを提供し
ようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光装置
は、発光する活性層と可飽和吸収層とが基板上に形成さ
れた窒化物半導体発光装置であって、可飽和吸収層の井
戸層の厚さｄが、０．５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍであることを
特徴とする。

【０００９】この厚さｄは、０．５ｎｍ≦ｄ≦３ｎｍで
あることが好ましい。可飽和吸収層の光の閉じ込め係数
Γは、０．００1≦Γ≦０．０１６であることが好まし
く、０．００1≦Γ≦０．０１２であることがより好ま
しい。

【００１０】発光する活性層と可飽和吸収層との距離ｌ
₁は、１０ｎｍ≦ｌ₁≦７５ｎｍが好ましい。

【００１１】可飽和吸収層は、単一量子井戸からなるも
のであっても、多重量子井戸からなるものであっても好
ましい。

【００１２】この可飽和吸収層は、ＩｎＧａＮからなる
ものが好ましい。また、活性層と可飽和吸収層の間に
は、バンドギャップがＧａＮより大きいキャリアブロッ
ク層が設けられていることが好ましく、キャリアブロッ
ク層の材質としては、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮまた
はＩｎＡｌＮが好ましい。キャリアブロック層を設ける
ことで注入キャリアが可飽和吸収層に流入して可飽和吸
収層が飽和状態になるのを防ぐことができる。

【００１３】ここでいう活性層と可飽和吸収層との距離
ｌ₁は、活性層の可飽和吸収層側の最端から、可飽和吸
収層の活性層側の最端までの距離であって、活性層とは
井戸層の発光波長に直接関寄する層全体を示し、通常、
多重量子井戸構造においては井戸層とバリア層を含む。
また、その最端は井戸層であったりバリア層であったり
する。可飽和吸収層とは、可飽和吸収層の吸収波長に直
接関寄する層全体を示し、井戸層とバリア層を含む場合
があり、その最端は井戸層であったり、バリア層であっ
たりする。一方、光の閉じ込め係数Γは、半導体レーザ
を構成する層構造とリッジ構造からモード計算される値
のことであって、計算方法自体は広く知られているもの
である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の窒化物半導体発光装置に
おいては、可飽和吸収層の井戸層の厚さｄは、０．５ｎ
ｍ≦ｄ≦４ｎｍであり、０．５ｎｍ≦ｄ≦３ｎｍが好ま
しい。図３に井戸層の厚さｄと発振閾値との関係、井戸
層の厚さｄと寿命との関係を示す。ｄを４ｎｍ以下とす
ることにより、発振閾値の上昇を防止し、寿命を１００
００時間以上に保つことができるようになる。寿命が１
００００時間未満では応用に適さない。図４は、後述す
る実施の形態１の層構造における、可飽和吸収層の井戸
層の厚さｄと閉じ込め係数の計算結果との関係を表す。
さらに、井戸層の厚さｄが３ｎｍ＜ｄ≦４ｎｍの範囲に
おいては、光ディスクシステムの光源として用いた場合
に光ディスクに悪影響が生じる場合がある。具体的に
は、光ディスク表面が損傷したり、記録されている情報
が消失してしまうことがある。自励発振により発生する
パルス列のパルス幅が狭くなるために単パルスあたりの
ピーク出力が強まったことが原因ではないかと推測され
る。可飽和吸収層のキャリア寿命が一定の範囲内で長く
なると、このような効果が生じることがあると考えられ
る。そのため、０．５ｎｍ≦ｄ≦３ｎｍが好ましい。実
施形態１の層構造における、井戸層の厚さｄと自励発振
との関係を図２に示す。図２から明らかなとおり、自励
発振は、０．５ｎｍ≦ｄ≦５ｎｍにおいて確認できる
が、３ｎｍでは自励発振の観測される光出力の範囲が広
いのに対して、井戸層の厚さｄが薄くても厚くても光出
力の範囲が狭くなってしまう。たとえば、井戸層の厚さ
ｄが０．５ｎｍ未満になると範囲が非常に狭くなり、光
ディスクシステムへの応用が困難になったり、定格の光
出力で自励発振特性が要求される場合に歩留まりが低く
なってしまう。また、プロセス上、厚さ０．５ｎｍの可
飽和吸収層を成長させることは難しく、十分な量子効果
が得られない可能性がある。これらの現象は、可飽和吸
収層の線形傾斜利得、キャリア寿命、閉じ込め係数が密
接に関係して成り立っているものであって、たとえば、
井戸幅が狭くなると、量子効果によって線形傾斜利得が
大きくなり、また、自励発振状況から推定すると、キャ
リア寿命も短くなっているものと思われる。通常の動作
状況にある半導体レーザのキャリア寿命は、ピエゾ効果
などが加わり、時間分解ＰＬ測定では求められない。そ
のため、活性層のキャリア寿命はステップ応答における
発振遅れにより調べ、可飽和吸収層においては自励発振
状況から推定することができる。

【００１５】可飽和吸収層が多重量子井戸構造を有する
場合は、一つの井戸層の厚さをｄ、井戸層の厚さの合計
をｄ_totalとすると、０．５ｎｍ≦ｄであり、ｄ_total≦
４ｎｍであることが必要である。ｄが０．５ｎｍより薄
いと、プロセス上の理由から量子効果が得られにくく、
ｄ_totalが４ｎｍより厚いと寿命が１００００時間未満
となり、応用に適さない。

【００１６】可飽和吸収層の光の閉じ込め係数Γは、
０．００1≦Γ≦０．０１６であることが好ましく、
０．００1≦Γ≦０．０１２がより好ましい。光の閉じ
込め係数Γが０．００１未満では発振閾値の上昇は抑え
られるが、自励発振は観測されない。発振モードの感じ
る総吸収量が小さいためと思われる。一方、光の閉じ込
め係数Γが０．０１６より大きいと、発振閾値がいちじ
るしく上昇するため寿命が１００００時間未満となり、
応用に適さない。

【００１７】可飽和吸収層が多重量子井戸構造を有する
場合は、井戸層の光の閉じ込め係数の合計をΓ_totalと
すると、０．００1≦Γ_total≦０．０１６であることが
好ましく、０．００1≦Γ_total≦０．０１２がより好ま
しい。光の閉じ込め係数Γ_to _talが０．００１未満では
発振閾値の上昇は抑えられるが、自励発振は観測されな
い。発振モードの感じる総吸収量が小さいためと思われ
る。一方、光の閉じ込め係数Γ_totalが０．０１６より
大きいと、発振閾値がいちじるしく上昇するため寿命が
１００００時間未満となり、応用に適さない。

【００１８】発光する活性層と可飽和吸収層との距離ｌ
₁は、１０ｎｍ≦ｌ₁≦７５ｎｍが好ましい。ｌ₁が１０
ｎｍより短いと、電極より注入されたキャリアが可飽和
吸収層で再結合する確率が高く、自励発振が得られな
い。一方、ｌ₁が７５ｎｍより長いと、発振モードの感
じる総吸収量が小さくなり、自励発振が得られない。ま
た、活性層と可飽和吸収層との間にキャリアブロック層
があると、注入されたキャリアが可飽和吸収層に流入す
るのを防止できるので好ましい。

【００１９】図５は、活性層と可飽和吸収層との距離ｌ
₁と井戸層の厚さｄを変化させた場合の自励発振の有無
を示す。図中の〇は自励発振した素子を示し、×は自励
発振しないか、自励発振しても光出力の変化ですぐに停
止してしまい応用に適さなかった素子を示す。図５の結
果から明らかなとおり、○は、ｄ≧０．５ｎｍｌ₁≧１０ｎｍｌ₁≦−１４．２５７＋１２０．７２×ｄ−７４．２６
９×ｄ²＋２１．６８４×ｄ³−２．３４９１×ｄ⁴ で表される範囲の中にあって、かつ、図３で検討したよ
うに、ｄ≦４．０ｎｍの条件を加えた範囲の中に包含さ
れており、自励発振を生じさせ、応用に適する素子とす
るためには、かかる式で表される範囲内にあることが好
ましい。

【００２０】キャリアブロック層とは、一般に活性層よ
りＰ電極側にある場合にはエレクトロンを移動しにくく
する層をいい、Ｎ電極側にある場合にはホールを移動し
にくくする層をいう。窒化物半導体の場合、活性層上部
（Ｐ電極側）にキャリアブロック層が設けられているた
め、エレクトロンのオーバーフローが防止できる。その
ため極端な場合、キャリアブロック層の直上に可飽和吸
収層を設けても注入されたエレクトロンとホールが可飽
和吸収層で再結合することはほとんどない。ｎ層内に可
飽和吸収層を設ける場合には、活性層と可飽和吸収層の
間にバンドギャップが大きいキャリアブロック層を設け
ると、注入されたホールが可飽和吸収層に流れこむこと
が防止できるので有効である。キャリアブロック層のバ
ンドギャップは、窒化物半導体においてエレクトロンな
どのオーバーフローを確実に防止するため、ＧａＮのバ
ンドギャップより大きいことが好ましく、具体的には、
ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮが好まし
い。

【００２１】可飽和吸収層は、井戸層の厚さが０．５ｎ
ｍ以上である条件のもとで、ｄ_tota _lを薄くできるため
に、発振閾値の上昇を抑えられ、寿命１００００時間を
達成しやすい点で、単一量子井戸からなるものが好まし
い。一方、多重量子井戸からなるものは、ｄ_totalを厚
くする条件のもとでも一つの井戸層の厚さを薄くできる
ので、可飽和吸収しやすい点で好ましい。

【００２２】この可飽和吸収層は、本明細書で検討した
ように、ＩｎＧａＮからなるものが好ましく、ＡｌＩｎ
ＧａＮ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＰ、ＧａＮＡｓや
ＧａＮＰであっても、同様の効果が期待される。

【００２３】実施の形態１図１に、実施の形態１で製造した窒化物半導体レーザ
を、ストライプ方向に直交する面で切断したときの断面
図を示す。この窒化物半導体レーザの構造は、基板側か
ら、Ｎ電極１０、ｎ−ＧａＮ基板１１、ｎ−ＧａＮ層１
２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａ
Ｎクラッド層１４、ｎ−ＧａＮガイド層１５、ｎ−Ｉｎ
ＧａＮ活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層
１７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層１８、ｐ−ＧａＮガイド
層１９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２０、ｐ−ＧａＮコ
ンタクト層２１、絶縁膜２２、Ｐ電極２３である。この
窒化物半導体レーザは、リッジ構造を有し、屈折率導波
路をもつ半導体レーザであり、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層
１８は単一量子井戸（以下、ＳＱＷという。）からな
る。

【００２４】この窒化物半導体レーザの製造方法を説明
する。なお、本明細書中で記載するエピタキシャル成長
法とは、基板上に結晶膜を形成する方法をいい、ＶＰＥ
（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジシ
ョン）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）
法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、
Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャ
ル）法、ＭＢＥ(分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢ
Ｅ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ
（ガス原料分子線エピタキシャル）法、ＣＢＥ（化学ビ
ームエピタキシャル）法を含む。

【００２５】まず、５００μｍ程度の厚さを有するＧａ
Ｎ単結晶基板上に数μｍ間隔で１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度
の段差を設け、新たに厚さ４μｍ程度のＧａＮ層をエピ
タキシャル成長によって積層した。このような工程は基
板の持つ貫通転移などの履歴を取り除くためのものであ
り、段差状のＧａＮ単結晶膜からの横方向の選択成長に
よるものと考えられる。得られたＧａＮ基板１１は欠陥
密度の高い領域と非常に少ない領域が周期的に繰り返す
構造となっており、以下のレーザ構造は欠陥密度の少な
い領域に製作した。

【００２６】つぎに、各窒化ガリウム半導体層をＧａＮ
基板１１上にエピタキシャル成長により形成した。すな
わち、ＭＯＣＶＤ装置にＧａＮ基板１１をセットし、Ｖ
族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａを用いて、５
５０℃の成長温度で低温ＧａＮバッファ層を厚さ２５ｎ
ｍ形成した。つぎに、１０７５℃の成長温度でＳｉＨ ₄
を原料に加え、ｎ−ＧａＮ層１２（Ｓｉ不純物濃度１×
１０¹⁸/ｃｍ³）を厚さ３μｍ形成した。つづいて、成長
温度を７００℃から８００℃程度に下げ、ＩＩＩ族原料
のＴＭＩｎの供給を行ない、ｎ−Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎク
ラック防止層１３を５０ｎｍ形成した。再び基板温度を
１０７５℃に上げ、ＴＭＡｌのＩＩＩ族原料を用いて、
厚さ０．９５μｍのｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１
４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸/ｃｍ³）を形成し、つづ
いてｎ−ＧａＮガイド層１５を厚さ０．１μｍ形成し
た。

【００２７】その後、基板温度を７３０℃に下げ、３周
期の厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ６ｎ
ｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア層より構成される発光層
（多重量子井戸構造）１６をバリア層／井戸層／バリア
層／井戸層／バリア層／井戸層／バリア層の順序で形成
した。バリア層と井戸層、または井戸層とバリア層との
間に１秒以上１８０秒以内の成長中断を行ってもよいこ
ととした。このことにより各層の平坦性が向上し発光半
値幅が減少した。また、発光層は、始めのバリア層およ
び終わりのバリア層の一方または両方を省略してもよ
い。

【００２８】つぎに、基板温度を再び１０５０℃まで昇
温して、厚さ１８ｎｍのｐ−Ａｌ_0. ₃Ｇａ_0.7Ｎバリア層
１７を形成した。ｐ型不純物としてＭｇを５×１０¹⁹／
ｃｍ ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³添加した。

【００２９】つぎに基板温度を７１０℃に下げて、Ｉｎ
_0.18Ｇａ_0.82ＮのＳＱＷからなる可飽和吸収層１８を形
成した。ｐ型不純物としてＭｇを５×１０¹⁶／ｃｍ³〜
２×１０²⁰／ｃｍ³添加した。また可飽和吸収層１８の
厚さは吸収特性を考慮して１．５ｎｍとした。ウェハの
フォトルミネッセンスＰＬ測定より活性層からのＰＬ発
光ピーク波長と可飽和吸収層１８からのＰＬ発光ピーク
波長との差が−０．１５ｅＶ〜＋０.０２ｅＶ以内とな
るようにして、これらの実質的なバンドギャップがほぼ
等しくなるように調整した。可飽和吸収特性を備えた層
を積層後、１秒以上１８０秒以内の中断を行ってもよい
こととした。

【００３０】つづいて基板温度を再び１０５０℃まで昇
温しながら、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮガイド層１
９、厚さ０．５μｍのｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層
２０、厚さ０．１μｍのｐ−ＧａＮコンタクト層２１を
形成した。ｐ型不純物としてＭｇを５×１０¹⁹／ｃｍ³
〜２×１０²⁰／ｃｍ³添加した。

【００３１】上記のように各層を構成する元素およびド
ープ元素の各原料として、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＴＭＩ
ｎ、ＮＨ₃、Ｃｐ₂Ｍｇ、ＳｉＨ₄を用いた。

【００３２】ｐ−ＧａＮコンタクト層２１形成後、ドラ
イエッチングによりリッジ構造を形成し、Ｔａ₂Ｏ₅から
なる絶縁膜２２の上面にＰ電極２３（Ｐｄ/Ｍｏ/Ａｕ
製）を形成した。その後、ＧａＮ基板の裏面側から研磨
（またはエッチング）により基板の一部を除去し、ウェ
ハの厚さを１５０μｍ程度まで薄く調整した。これは、
後の工程でウェハを分割し個々のレーザチップにするの
を容易にするためである。特にレーザ端面ミラーも分割
時に形成する場合には８０〜１５０μｍ程度に薄く調整
することが望ましい。本実施の形態においては研削機及
び研磨機を用いてウェハの厚さを１２０μｍに調整し
た。ウェハの裏面は研磨機により磨かれていたため平ら
であった。

【００３３】研磨後、ＧａＮ基板１１の裏面に薄い金属
膜を真空蒸着し、Ｎ電極１０を形成した。Ｎ電極１０
は、Ｈｆ/Ａｌ/Ｗ/Ａｕからなる層構造を有していた。
ただし、イオンプレーティング法やスパッタ法などの他
の手法を用いることもできる。Ｐ電極およびＮ電極の特
性向上のため、金属膜形成後、５００℃でアニールを行
ない、良好なオーミック電極を得た。

【００３４】このようにして得られた半導体素子の表面
にダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、ウ
ェハに適宜、力を加えて、スクライブラインに沿ってウ
ェハを分割した。スクライブラインは裏面から入れても
よい。他の手法としてはワイヤソーもしくは薄板ブレー
ドを用いて傷入れまたは切断を行うダイシング法、エキ
シマレーザなどのレーザ光の照射加熱とその後の急冷に
より、照射部にクラックを生じさせ、これをスクライブ
ラインとするレーザスクライビング法、高エネルギー密
度のレーザ光を照射し、この部分を蒸発させてから溝入
れ加工を行うレーザアブレーション法などを用いても同
様にチップの分割が可能である。

【００３５】つぎにダイボンディング法により、レーザ
チップをヒートシンク上にマウントし、半導体レーザ装
置を得た。チップはＮ電極側を接合面にするジャンクシ
ョンアップで強固に接着した。ここでいうヒートシンク
はステムなどのことである。

【００３６】以上の結果を整理すると、得られた窒化物
半導体レーザは、ｄ＝１．５ｎｍ、Γ＝０．００５（図
４より）、ｌ₁＝１８ｎｍであった。

【００３７】つぎに、窒化物半導体レーザの諸特性を調
べた。窒化物半導体レーザの共振器長は５００μｍ、ス
トライブ幅２μｍとした。室温２５℃において閾値４０
ｍＡで連続発振させると、発振波長は４０５±５ｎｍで
あった。またＦＦＰ（ファーフィールドパターン）はリ
ップルなどが無く、レンズなどで集光する際に問題はな
かった。つぎに、光出力を５ｍＷに固定し（ＡＰＣ駆
動）、高速の受光素子と電気オシロスコープを用いて光
波形を観測したところ、自励発振していることがわかっ
た。また同じ条件で室温にて寿命を評価したところ、１
００００時間以上連続発振した。なお、自励発振の有無
は電気スペアナや光オシロスコープなどでも観測は可能
である。

【００３８】自励発振周波数を観測したところ光出力５
ｍＷにおいて、２．５ＧＨｚであった。このように速い
振動が維持されるためには、可飽和吸収層のキャリア寿
命は短く、少なくとも１ｎｓ以下と推測された。

【００３９】つぎに本発明の課題である光ディスクなど
の光学情報記録装置用の光源に用いた場合の戻り光によ
る雑音特性を調べた。光ディスクシステムに搭載すると
きの雑音は自動ノイズ測定器（図６）を用いて擬似的に
測定し、相対強度雑音（ＲＩＮ：ＲｅｌａｔｉｖｅＩ
ｎｔｅｎｓｉｔｙＮｏｉｓｅ）で評価した。自動ノイ
ズ測定器は、図６に示すように、基台３０１、基台３０
１に設置された窒化物半導体レーザ３０２、コリメート
レンズ３０３、分岐素子３０４、対物レンズ３０５、戻
り光量を調整するＮＤフィルター３０６、光検出器３０
７、反射鏡３０８などから構成される。まず光出力を５
ｍＷとし、雰囲気温度２５℃、戻り光０．０１％〜１０
％の時の雑音を調べたところ、ＲＩＮｍａｘ＜-１３０
[ｄＢ/Ｈｚ]であることがわかり、光情報記録装置の応
用に適していることがわかった。

【００４０】また、実際に窒化物半導体レーザを光ディ
スクなどの光学情報記録装置の光源として用いたとこ
ろ、エラーなどがなく、光ディスクなどに書き込まれた
データの読み込みや書き込みを行なうことができた。

【００４１】また、本実施の形態では、単一量子井戸の
可飽和吸収層を用いたが、井戸層の上下または一方にバ
リア層を設けて井戸層のバンドギャップを調整すること
もできる。たとえば、ＩｎＧａＮであって、活性層の発
振波長に対して吸収のないようなＩｎの混晶比とするこ
とができる。

【００４２】本実施の形態では、Ｔａ₂Ｏ₅からなる絶縁
膜を用いたリッジ導波路構造を採用したが、絶縁膜の材
質は特に制限されるものではなく、Ａｌ₂Ｏ₃なども用い
ることができる。また、図７のような埋めこみリッジ構
造であったり、図８のようなブロック構造であっても、
活性層と可飽和吸収層の関係はほとんど変化しない。実
際はモード形状が若干異なるために閉じ込め係数に差異
が生じるが、前述の関係を大きく変えるほどではない。
これらの埋めこみ材は発振波長において吸収があっても
よく、ロスガイド構造であっても本発明の効果はかわら
ない。ロスガイド構造においては、図１に記載の絶縁膜
にＳｉＯ、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｓｉなどを用いることができる。

【００４３】図７に示す埋めこみリッジ構造は、基板側
から、Ｎ電極７０、ｎ−ＧａＮ基板７１、ｎ−ＧａＮ層
７２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層７３、ｎ−ＡｌＧ
ａＮクラッド層７４、ｎ−ＧａＮガイド層７５、ｎ−Ｉ
ｎＧａＮ活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック
層７７、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層７８、ｐ−ＧａＮガイ
ド層７９、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層８０、ｐ−ＡｌＧ
ａＮクラッド層８１、ｐ−ＧａＮコンタクト層８２、ｎ
−ＡｌＧａＮ埋めこみ層８３、Ｐ電極８４である。

【００４４】図８に示すブロック構造は、基板側から、
Ｎ電極９０、ｎ−ＧａＮ基板９１、ｎ−ＧａＮ層９２、
ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層９３、ｎ−ＡｌＧａＮク
ラッド層９４、ｎ−ＧａＮガイド層９５、ｎ−ＩｎＧａ
Ｎ活性層９６、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層９
７、ｐ−ＧａＮガイド層９８、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層
９９、ｐ−ＧａＮガイド層１００、ｎ−ＧａＮブロック
層１０１、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０２、ｐ−Ｇａ
Ｎコンタクト層１０３、Ｐ電極１０４である。

【００４５】また、図９のようにレーザ端面（前面や後
面）にＨＲなどのコーティングがされている場合も同様
である。図９においては、窒化物半導体レーザ１２０
は、リッジ構造１２１を採用しており、前面コーティン
グ１２２および後面コーテング１２３が施されている。
前面コーテング１２２は、たとえば半導体レーザ１２０
側から順にＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂からなる５０％
程度のＨＲ（高反射膜）コートとすることもでき、半導
体レーザ１２０側から順にＴｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂
やＡｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂からなる低反射膜コートなどとす
ることもできる。一方、後面コーテング１２３は、たと
えば半導体レーザ１２０側から（ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂）の
３〜４ペア／ＳｉＯ₂といったようなＨＲコートなどと
することができる。

【００４６】実施の形態２図１０に、実施の形態２で製造した窒化物半導体レーザ
を、ストライプ方向に直交する面で切断したときの断面
図を示す。実施の形態１との相違点は、ＩｎＧａＮ可飽
和吸収層として多重量子井戸（以下、ＭＱＷという。）
を用いたことである。この窒化物半導体レーザの構造
は、基板側から、Ｎ電極３０、ｎ−ＧａＮ基板３１、ｎ
−ＧａＮ層３２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層３３、
ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、ｎ−ＧａＮガイド層３
５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層３６、ｐ−ＡｌＧａＮキャリ
アブロック層３７、ｐ−ＧａＮガイド層３８、ＩｎＧａ
Ｎ可飽和吸収層３９、ｐ−ＧａＮガイド層４０、ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層４１、ｐ−ＧａＮコンタクト層４
２、絶縁膜４３、Ｐ電極４４である。

【００４７】図１０に示すように実施の形態２は、リッ
ジ導波路構造を有する半導体レーザである。

【００４８】図１１は、可飽和吸収層３９の構成（ＭＱ
Ｗ）を示しており、ＩｎＧａＮ井戸層１１０、ＧａＮバ
リア層１１１を交互に積層した構造である。ＩｎＧａＮ
井戸層１１０の厚さは１ｎｍとし、ＧａＮバリア層１１
１の厚さは２ｎｍとした。また、井戸層数は３とした。

【００４９】得られた窒化物半導体レーザは、可飽和吸
収層の一つの井戸層の厚さがｄ＝１．０ｎｍであり、井
戸層の厚さの合計がｄ_total＝１．０×３＝３．０ｎｍ
であった。また、Γ_total＝０．０１０（図４より）、
ｌ₁＝１８ｎｍであった。

【００５０】多重量子井戸の過飽和吸収層は、井戸層か
ら始まり井戸層で終わっても、その前後の一方または両
方にバリア層を設けることもできる。

【００５１】得られた窒化物半導体レーザの諸特性を調
べた。窒化物半導体レーザの共振器長は６００μｍ、ス
トライプ幅１.５μｍとした。室温２５℃において閾値
３３ｍＡで連続発振し、発振波長４０５±５ｎｍであっ
た。またＦＦＰはリップルなどが無く、レンズなどで集
光する際に問題はなかった。

【００５２】実施の形態３図１２に、実施の形態３で製造した窒化物半導体レーザ
を、ストライプ方向に直交する面で切断したときの断面
図を示す。実施の形態１との相違点は、可飽和吸収層を
ｎ−ＧａＮガイド層内に設けていることである。この窒
化物半導体レーザの構造は、基板側より、Ｎ電極５０、
ｎ−ＧａＮ基板５１、ｎ−ＧａＮ層５２、ｎ−ＩｎＧａ
Ｎクラック防止層５３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５
４、ｎ−ＧａＮガイド層５５、ＩｎＧａＮ可飽和吸収層
５６、ｎ−ＡｌＧａＮキャリアブロック層５７、ｎ−Ｉ
ｎＧａＮ活性層５８、ｐ−ＡｌＧａＮキャリアブロック
層５９、ｐ−ＧａＮガイド層６０、ｐ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層６１、ｐ−ＧａＮコンタクト層６２、絶縁膜６
３、Ｐ電極６４である。

【００５３】半導体レーザの製造方法は、実施の形態１
に準じた。ｎ−ＧａＮ層５２を積層した後、基板温度を
７１０℃に下げて、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82ＮのＳＱＷからな
る可飽和吸収層５６を形成した。ｎ型不純物としては、
Ｓｉを５×１０¹⁶／ｃｍ³〜２×１０²⁰／ｃｍ³添加し
た。また可飽和吸収層５６の厚さｄは、吸収特性を考慮
して１．０ｎｍとした。ウェハのフォトルミネッセンス
ＰＬ測定より活性層からのＰＬ発光ピーク波長と可飽和
吸収層からのＰＬ発光ピーク波長との差が−０．１５ｅ
Ｖ〜＋０.０２ｅＶ以内となるようにして、これらの実
質的なバンドギャップがほぼ等しくなるように調整し
た。このような可飽和吸収特性を備えた層を積層後、１
秒以上１８０秒以内の成長中断を行ってもよいこととし
た。

【００５４】つづいて、基板温度を再び１０７５℃に昇
温しながらｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎキャリアブロック層５
７を厚さ１０ｎｍ形成した。

【００５５】以上の結果を整理すると、得られた窒化物
半導体レーザは、ｄ＝１．０ｎｍ、Γ＝０．００３５
（図４より）、ｌ₁＝１０ｎｍであった。

【００５６】窒化物半導体レーザの諸特性を調べた。窒
化物半導体レーザの共振器長は５００μｍ、ストライプ
幅２μｍとした。室温２５℃において閾値３８ｍＡで連
続発振し、発振波長４０５±５ｎｍであった。またＦＦ
Ｐ（ファーフィールドパターン）はリップルなどが無
く、レンズなどで集光する際に問題はなかった。つぎ
に、光出力を５ｍＷに固定し（ＡＰＣ駆動）、高速の受
光素子と電気オシロスコープを用いて光波形を観測した
ところ自励発振していることがわかった。また同条件で
室温にて寿命試験を実施したところ、１００００時間以
上連続発振していた。

【００５７】つぎに、実施の形態１と同様に、可飽和吸
収層５６の位置を変更して自励発振特性を調べたとこ
ろ、可飽和吸収層に求められる特性は実施の形態１と同
様であった。

【００５８】ｎ層に設けられたｎ−ＡｌＧａＮキャリア
ブロック層５７は、ＡｌＩｎＧａＮやＩｎＡｌＮであっ
てもよく、隣接する層よりもバンドギャップが大きけれ
ばよいことがわかった。

【００５９】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。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、光ディスクなどからの
戻り光に対して安定な動作をする低雑音の窒化物半導体
レーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの
構造を示す図である。

【図２】可飽和吸収層における井戸層の厚さと自励発
振との関係を表す図である。

【図３】可飽和吸収層における井戸層の厚さと発振閾
値との関係、および井戸層の厚さと寿命との関係を表す
図である。

【図４】可飽和吸収層における井戸層の厚さと閉じ込
め係数との関係を表す図である。

【図５】活性層と可飽和吸収層の距離ｌ₁と、可飽和
吸収層における井戸層の厚さｄを変えたときの自励発振
の有無を表す図である。

【図６】自動ノイズ測定器の構成を表す模式図であ
る。

【図７】埋めこみリッジ構造を有する半導体レーザの
構成を示す模式図である。

【図８】ブロック構造を有する半導体レーザの構成を
示す模式図である。

【図９】端面コーティングをした半導体レーザを示す
図である。

【図１０】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ
の構造を示す図である。

【図１１】ＭＱＷ構造を有する可飽和吸収層の構成を
示す図である。

【図１２】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ
の構造を示す図である。

【図１３】従来型の半導体レーザの構造を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０Ｎ電極、１１ｎ−ＧａＮ基板、１２ｎ−Ｇａ
Ｎ層、１３ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層、１４ｎ
−ＡｌＧａＮクラッド層、１５ｎ−ＧａＮガイド層、
１６ｎ−ＩｎＧａＮ活性層、１７ｐ−ＡｌＧａＮキ
ャリアブロック層、１８ＩｎＧａＮ可飽和吸収層、１
９ｐ−ＧａＮガイド層、２０ｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層、２１ｐ−ＧａＮコンタクト層、２２絶縁膜、
２３Ｐ電極、１１０ＩｎＧａＮ井戸層、１１１Ｇ
ａＮバリア層、１２０窒化物半導体レーザ、１２１
リッジ構造、１２２前面コーティング、１２３後面
コーテング。

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光層と可飽和吸収層とが基板上に形成
された窒化物半導体発光装置において、前記可飽和吸収
層の井戸層の厚さｄは、０．５ｎｍ≦ｄ≦４ｎｍである
ことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】前記可飽和吸収層の井戸層の厚さｄは、
０．５ｎｍ≦ｄ≦３ｎｍであることを特徴とする請求項
１記載の半導体発光装置。
【請求項３】前記可飽和吸収層の光の閉じ込め係数Γ
は、０．００1≦Γ≦０．０１６であることを特徴とす
る請求項１記載の半導体発光装置。
【請求項４】前記可飽和吸収層の光の閉じ込め係数Γ
は、０．００1≦Γ≦０．０１２であることを特徴とす
る請求項３記載の半導体発光装置。
【請求項５】発光する活性層と前記可飽和吸収層との
距離ｌ₁は、１０ｎｍ≦ｌ₁≦７５ｎｍであることを特徴
とする請求項１または３記載の半導体発光装置。
【請求項６】前記可飽和吸収層は、単一量子井戸から
なることを特徴とする請求項１、３または５のいずれか
に記載の半導体発光装置。
【請求項７】前記可飽和吸収層は、多重量子井戸から
なることを特徴とする請求項１、３または５のいずれか
に記載の半導体発光装置。
【請求項８】前記可飽和吸収層は、ＩｎＧａＮからな
ることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半
導体発光装置。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の半導体
発光装置において、前記活性層と前記可飽和吸収層の間
にバンドギャップがＧａＮよりも大きいキャリアブロッ
ク層が設けられていることを特徴とする半導体発光装
置。
【請求項１０】前記キャリアブロック層は、ＩｎＡｌ
ＧａＮ、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮからなることを特
徴とする請求項９記載の半導体発光装置。