JP2003264340A

JP2003264340A - 窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレーザ及び光ファイバシステム

Info

Publication number: JP2003264340A
Application number: JP2002065129A
Authority: JP
Inventors: Takao Yamada; 孝夫山田
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバとの光結合効率がよく、高出力で
使用でき、かつ寿命が長い窒化ガリウム系化合物半導体
レーザを提供する。【解決手段】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザは、１チップ内にファブリ・ペロ
ー共振器構造を有するストライプ構造が複数形成されて
いる窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレー
ザであって、隣接する前記ストライプ構造の間隔がモニ
タ端面から出射端面側に向かって狭くなるように形成さ
れており、前記複数のストライプ構造の各出射光の光軸
が集光することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバとの光
結合効率のよい高出力の窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体を用いたレ
ーザは、青色レーザとして注目されている。ファブリ・
ペロー共振器とストライプ構造とを有する窒化ガリウム
系化合物半導体レーザは、小型、長寿命、高信頼性かつ
形成容易なレーザであるが、高出力を出すことが容易で
はない。ある光出力以上の値で発振すると、共振器の反
射鏡として機能している出射端面およびモニタ端面が、
短時間の使用で光損傷（ＣＯＤ）を生じて使用不能とな
るためである。よって、端面がＣＯＤを起こす臨界光出
力密度を超えないように駆動する必要があり、高出力が
可能で長寿命のレーザは得にくい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】現在、青色半導体レー
ザと光ファイバとを用いた技術は少ない。これは、青色
半導体レーザの出力が、ＣＯＤなどによって制限されて
いることが一因である。よって、本発明では、光ファイ
バと結合させて使用することを目的として、光ファイバ
との光結合効率がよく、高出力で使用でき、かつ寿命が
長い窒化ガリウム系化合物半導体レーザを提供すること
を課題とする。また、さらなる目的は、上記のように形
成されている窒化ガリウム系化合物半導体マルチストラ
イプレーザと光ファイバとからなるシステムを提供する
ことである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化ガリウ
ム系化合物半導体マルチストライプレーザは、１チップ
内にファブリ・ペロー共振器構造を有するストライプ構
造が複数形成されている窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザであって、隣接するストライプ構
造の間隔がモニタ端面から出射端面側に向かって狭くな
るように形成されていることを特徴とする。

【０００５】本明細書における「ストライプ構造」と
は、水平方向の光閉じ込め機能を有している領域を指し
ており、利得導波型では電流狭窄領域が、屈折率導波型
では高屈折率領域がストライプ構造に相当する。つま
り、ストライプ構造を出射端面側で狭める配置とするこ
とは、それぞれのストライプ構造から発振されるレーザ
光の光軸が集光するようにしていることを意味する。本
発明のマルチストライプレーザは、複数のストライプ構
造を有するので高出力発振が可能で、さらに光軸が集光
しているため、光ファイバとの光結合効率が高い。

【０００６】また、複数のストライプ構造の少なくとも
１本が、ストライプ構造の長手方向の中心線と、そのス
トライプ構造の出射端面とのなす角度が非垂直に形成さ
れており、そのように形成されているストライプ構造か
らの出射光の光軸が、複数のストライプ構造からの出射
光を合成した光線の光軸方向に屈折することで、素子と
光ファイバとの距離を近くすることができ、光結合効率
がさらに向上するので好ましい。

【０００７】本発明におけるマルチストライプレーザ
は、ファブリーペロー共振器構造を有するため、ストラ
イプ構造の中心線と、そのストライプ構造の出射端面と
のなす角が８７°以上９３°以下で形成されていると、
端面反射が光導波路に結合しやすくなり、閾値上昇を抑
えることができるので好ましい。

【０００８】本発明のマルチストライプレーザは、複数
のストライプ構造からなるストライプ構造群の形成され
ている出射端面側における全幅が、２０μｍ以下である
と好ましい。複数のストライプ構造の全てが、出射端面
側で幅２０μｍ以下の範囲内に形成されていると、光フ
ァイバとの光結合効率を良好に保つことができるからで
ある。

【０００９】上記に記載のように形成される複数のスト
ライプ構造は、出射端面側が狭くなった扇型のような配
置となる。その扇型の広がり角度が０°より大きく９０
°未満であると好ましい。光ファイバ内で光を効率よく
伝播するには、光ファイバのコアとクラッドの境界にお
いて全反射するように、光を導入する。全反射を起こす
臨界角度以下で光ファイバ内に光線を導入するために
は、扇型の広がり角度が９０°未満となるように形成さ
れていると好ましい。つまり、本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体マルチストライプレーザは、複数のストラ
イプ構造の両端に形成されている２本のストライプ構造
の長手方向に沿って引いた中心線のなす角度が０°より
大きく９０°未満であると、光ファイバとの光結合効率
を良好に保てるので好ましい。さらに０°より大きく１
０°未満であると、より好ましい。

【００１０】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体マル
チストライプレーザでは、隣接するストライプ構造が出
射端面側において分離して形成されていると、ストライ
プ構造ごとに発振した光が個々に分離して出射され、そ
の結果として端面での光出力密度が下がり、レーザ寿命
が長くなるので好ましい。

【００１１】劈開により端面を形成する場合、端面がＣ
ＯＤを起こす臨界光出力密度が良好なので、１本のスト
ライプ構造当りの臨界出力が高くなる。よって、レーザ
チップのサイズが小さく、形成できるストライプ構造の
本数が制限されても、高出力を出すことが可能となる。

【００１２】しかし、劈開で端面を形成するには、素子
を形成している窒化ガリウム系化合物半導体の劈開面を
端面と一致させることを要求される。さらに、１チップ
に形成される複数のストライプ構造の全てが、同一劈開
面の上に端面を有する構成を要求されるので、エッチン
グで形成する場合に比べて、ストライプ構造の配置方向
に制限を受ける。たとえば、ストライプ構造の中心線の
各々と、出射端面を形成している劈開面の法線とのなす
角度が０°より大きく３°以下で形成されるのが好まし
い。このように形成されたストライプ構造は、ファブリ
・ペロー共振器の発振が容易になり、閾値電流の上昇を
抑えることができるからである。

【００１３】エッチングにより端面を形成する場合、劈
開によって形成された端面に比べて端面がＣＯＤを起こ
す臨界光出力密度は劣るが、端面の方向が素子および基
板の結晶劈開面に限定されないので好ましい。ストライ
プ構造の配置方向が制限を受けず、光ファイバとの光結
合効率の向上などを目的としたストライプ構造の配置が
可能となるからである。

【００１４】光ファイバシステムは、１チップ内に、フ
ァブリ・ペロー共振器構造を有する複数のストライプ構
造が、隣接するストライプ構造の間隔がモニタ端面から
出射端面側に向かって狭くなるように放射状に形成され
ている窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレ
ーザと、光ファイバとを組合わせて成る光ファイバシス
テムであって、窒化ガリウム系化合物半導体マルチスト
ライプレーザは、発振により複数の出射光の光軸が集光
するように複数のストライプ構造が形成されており、マ
ルチストライプレーザの光軸の集光する位置よりも出射
端面側において、マルチストライプレーザと光ファイバ
とが結合されていることを特長とする。光ファイバとの
結合に好ましい位置は、光軸の集光ではなく、光線の集
光する位置である。光線の集光位置は、光軸の集光位置
よりも、出射端面側にずれているからである。なお、光
線の集光位置には、光ファイバを配置してもよく、また
光ファイバに結合させるのに用いるレンズを配置しても
よい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明のマルチストライプレーザ
では、リブストライプ形、リッジストライプ形、埋め込
みストライプ形など、どのようなストライプ形でも用い
ることができる。以下の実施形態では、これらの構造の
１つであるリッジストライプ形のマルチストライプレー
ザについて説明する。リッジストライプ形では、リッジ
及びリッジ直下部分が「ストライプ構造（もしくはリッ
ジストライプ構造）」であり、リッジの幅が「ストライ
プ構造の幅」と一致する。

【００１６】［実施の形態１］図１に、本発明に係る窒
化物半導体レーザの一例を示す断面図を示す。基板１０
上において、Ｉｎ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０≦ｘ＜１）から成る
活性層３５が、ｎ側Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ（０≦ｙ＜１）
層２０〜３０（各層毎にｙの値は異なる）と、ｐ側Ａｌ
_ｚＧａ_１−ｚＮ（０≦ｚ＜１）層４０〜５５（各層毎に
ｚの値は異なる）によって挟まれており、いわゆるダブ
ルへテロ構造が形成されている。

【００１７】図２は、マルチストライプレーザ１の一例
を示す上面図である。リッジストライプ構造４は、図中
のリッジ５の直下も含んでいる。各々のリッジストライ
プ構造４は、１本のリッジストライプ構造と同じ性能を
有する。よって、図２のマルチストライプレーザは、３
本分のリッジストライプレーザに相当する光を出射可能
な、高出力レーザとなる。

【００１８】通常、光線の集光位置は、光軸の集光位置
と一致する。しかし、光の広がりを考慮すると、レーザ
の光線Ｂの集光位置は、光軸Ａの集光位置よりレーザチ
ップ寄りとなる。図２に示すように、各々のリッジスト
ライプ構造４の出射端面６から出射されるレーザの光線
Ｂは、光軸Ａの集光位置よりもレーザチップに近い位置
Ｃで集光し、ビームウエストＷが現れる。従って、集光
位置Ｃの近傍に光ファイバ又はレンズを配置すると、３
本のリッジストライプ構造からの発光を効率よく光ファ
イバに導入することができる。

【００１９】このように、１チップ内にファブリ・ペロ
ー共振器構造を有するリッジストライプ構造が複数形成
されている窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライ
プレーザであって、隣接するリッジストライプ構造４の
間隔がモニタ端面７から出射端面６側に向かって狭くな
るように放射状に形成されており、複数のリッジストラ
イプ構造４からの各出射光の光軸Ａ_１〜Ａ_３が集光する
ことを特徴とする本発明のマルチストライプレーザで
は、高出力で発振可能で、光結合効率の良好な位置Ｃが
存在する。レンズを用いて光ファイバと結合する場合
も、集光位置Ｃにレンズを配置するとよい。

【００２０】また、リッジストライプ構造４の中心線Ｍ
_１、Ｍ_２およびＭ_３と、リッジストライプ構造４の出射
端面６とのなす角が８７°以上９３°以下で形成されて
いると、ファブリーペロー共振器において端面反射が光
導波路に結合しやすくなるため、閾値電流が低く押さえ
られるので好ましい。

【００２１】複数形成されるリッジストライプ構造４
は、出射端面側が狭くなった扇型のような配置となり、
両端のリッジストライプ構造４の各中心線Ｍ_２とＭ_３と
のなす角度φを０°より大きく９０°未満になるように
形成されていると好ましい。このように形成したマルチ
ストライプレーザは、光線Ｂが光ファイバに入射される
とき、光線Ｂの入射角度が、光ファイバのコアとクラッ
ドの境界において全反射するような角度とすることがで
きる。よって、光ファイバと結合しやすく光結合効率の
よいマルチストライプレーザとなる。さらに角度φが０
°より大きく１０°未満であると、より好ましい。

【００２２】図７（ａ）は図２のマルチストライプレー
ザの出射端面６面側からの側面図である。複数のリッジ
ストライプ構造で構成されるリッジストライプ構造群の
出射端面側における幅をＤとする。この幅Ｄが狭いほど
光線Ｂの広がりが狭くなり、光ファイバとの結合性が良
好になる。特に、幅Ｄが２０μｍ以下となるよう形成さ
れていると、光ファイバ内に入射する光の割合が多くな
るので好ましい。

【００２３】図７（ｂ）は、従来の１本のリッジストラ
イプ構造４からなるレーザの側面図である。図７（ｂ）
のレーザを駆動した場合、出射端面の近視野像（ＮＦ
Ｐ）は１つのスポットになる。レーザ光は、スポットｐ
の中心部分ｐ_ｃに出力が集中するため、１スポット当り
の光出力が増加すると、ｐ_ｃの部分でＣＯＤが起こりや
すくなる。他方、図２に図示した３本のリッジストライ
プ構造４を有するマルチストライプレーザを発振させる
と、図７（ａ）のＮＦＰは３つのスポットｐに分離す
る。各スポットｐは、図７（ｂ）のスポットに比べて光
出力が１／３となるので、スポットｐの中心部分ｐ_ｃに
おける光出力も１／３となる。よって、出射端面が分離
しているマルチストライプレーザは、ｐ_ｃ部分における
ＣＯＤが起こりにくく、高出力で寿命の長いレーザとな
るので好ましい。

【００２４】以下、図１に示す本発明の窒化ガリウム系
化合物半導体マルチストライプレーザについて、構造の
詳細を説明する。基板１０としては、ＧａＮなどの窒化
物半導体を用いることが好ましいが、窒化物半導体と異
なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例え
ば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサフ
ァイア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄のような絶縁性基板、
ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、
ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化
物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来
から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用
いることができる。好ましい異種基板としては、サファ
イア、スピネルが挙げられる。また、異種基板は、オフ
アングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフア
ングルしたものを用いると窒化ガリウムからなる下地層
が結晶性よく成長するため好ましい。

【００２５】異種基板を用いる場合には、バッファ層
（低温成長層）１５を介して、素子構造を形成すると、
窒化物半導体の成長が良好なものとなる。また、異種基
板上に設ける下地層（成長基板）として、その他に、EL
OG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化
物半導体を用いると結晶性が良好な成長基板が得られ
る。ELOG成長層の具体例としては、異種基板上に、窒化
物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体の成長
が困難な保護膜を設けるなどして形成したマスク領域
と、窒化物半導体を成長させる非マスク領域を、ストラ
イプ状に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成
長させることで、膜厚方向への成長に加えて、横方向へ
の成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半
導体が成長して成膜された層などがある。その他の形態
では、異種基板上に成長させた窒化物半導体層に開口部
を設け、その開口部側面から横方向への成長がなされ
て、成膜される層でもよい。

【００２６】基板１０上には、バッファ層１５を介し
て、ｎ側窒化物半導体層であるｎ側コンタクト層２０、
クラック防止層２１、ｎ側クラッド層２５、及びｎ側光
ガイド層３０が示されている。ｎ側クラッド層２５を除
く他の層は、素子によっては省略することもできる。ｎ
側窒化物半導体層は、少なくとも活性層と接する部分に
おいて活性層よりも広いバンドギャップを有することが
必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好
ましい。また、各層は、ｎ型不純物をドープしながら成
長させてｎ型としても良く、またアンドープで成長させ
ても良い。

【００２７】ｎ型窒化物半導体層２０〜３０の上には、
活性層３５が形成されている。活性層３５は、単一量子
井戸（ＳＱＷ）構造でもよいが、Ｉｎ_ｘ１Ｇａ_1-ｘ２Ｎ
井戸層（０＜ｘ_１＜１）とＩｎ_ｘ２Ｇａ_1-ｘ２Ｎ障壁層
（０≦ｘ_２＜１、ｘ_１＞ｘ_２）が適当な回数だけ交互に
繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有してもよい。ＭＱＷ
では、井戸層はアンドープで形成されており、最終障壁
層を除く全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が好
ましくは１×１０^１７〜１×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で
ドープして形成されている。

【００２８】活性層３５の上には、ｐ側窒化物半導体層
として、ｐ型電子閉じ込め層４０、ｐ側光ガイド層４
５、ｐ側クラッド層５０、ｐ側コンタクト層５５が形成
されている。ｐ側クラッド層５０を除く他の層は、素子
によっては省略することもできる。ｐ側窒化物半導体層
４０〜５５は、少なくとも活性層３５と接する部分にお
いて活性層よりも広いバンドギャップを有することが必
要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ま
しい。また、各層は、ｐ型不純物をドープしながら成長
させてｐ型としても良いし、隣接する他の層からｐ型不
純物を拡散させてｐ型としても良い。

【００２９】ｐ型電子閉じ込め層４０は、ｐ側クラッド
層５０よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化物半導体か
ら成り、好ましくはＡｌ_ｘＧａ_1-ｘＮ（０．１＜ｘ＜
０．５）なる組成を有する。また、Ｍｇ等のｐ型不純物
が高濃度で、好ましくは５×１０^１７〜１×１０^１９ｃ
ｍ^-３の濃度でドープされている。これにより、ｐ型電
子閉じ込め層４０は、電子を活性層中に有効に閉じ込め
ることができ、レーザの閾値を低下させる。また、ｐ型
電子閉じ込め層４０は、３０〜２００Å程度の薄膜で成
長させれば良く、薄膜であればｐ側光ガイド層４５やｐ
側クラッド層５０よりも低温で成長させることができ
る。したがって、ｐ型電子閉じ込め層４０を形成するこ
とにより、ｐ側光ガイド層４５等を活性層３５の上に直
接形成する場合に比べて、Ｉｎを含む活性層の分解を抑
制することができる。

【００３０】ｐ側窒化物半導体層４０〜５５のうち、ｐ
型光ガイド層４５の途中まで、複数のリッジ５が形成さ
れて複数のリッジストライプ構造４を形成している。そ
の後、第２の保護膜６２、ｐ電極６５、ｎ電極７０、絶
縁層７５、ｐパット電極８０、及びｎパット電極８５が
形成されて半導体レーザが構成されている。

【００３１】［実施の形態２］図３に、本発明にかかる
窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレーザの
１例を示す。実施の形態１とは、出射端面６の方向のみ
異なっている。図３の窒化ガリウム系化合物半導体マル
チストライプレーザは、両端のストライプ構造の出射端
面６とリッジストライプ構造４の中心線Ｍ_２およびＭ_３
とのなす角度θ _２およびθ_３が直角ではないため、スネ
ルの法則に従って屈折し、光軸Ａ_２およびＡ_３が中心線
Ｍ_２およびＭ_３からずれる。このとき、角度θは、スト
ライプ構造からの出射光の光軸が、複数のストライプ構
造からの出射光を合成した光線の光軸αに向かって屈折
するような角度に形成されいるとよい。光軸Ａの集光位
置の移動によって、光線Ｂの集光位置Ｃ’も出射端面６
に近くなり、ビームウエストＷ’を狭くすることができ
る。従って、集光位置Ｃ’の近傍に光ファイバを配置す
ると、光ファイバ内に導入される光の割合が増え、光結
合効率を向上させることができる。

【００３２】［実施の形態３］図４は、実施の形態３の
マルチストライプレーザを説明する図である。リッジス
トライプ構造４の出射端面６及びモニタ端面７が劈開表
面を利用して形成されている。複数のレーザが形成され
たウエハを個々のチップにする時に劈開が行われるが、
そのときの劈開面が端面となるようにストライプが形成
される。劈開面は平坦性が良好なため、劈界面を端面と
して使用するとＣＯＤを起こす臨界光出力密度の高い端
面となる。従って、１本のストライプ当りのレーザ光の
臨界出力が高くなり、ストライプの本数が少なく高出力
のレーザが形成できる。ストライプ構造の本数が少ない
と、消費電力を押さえることができ、またチップサイズ
を小さくできるので好ましい。

【００３３】リッジストライプ構造と、その端面との間
には、好ましい角度関係がある。劈開面は結晶の限定さ
れた方向に存在しているので、劈開端面が形成できる方
向は、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶成長の時点
で決定される。よって、端面との間に好ましい角度関係
を要求されたリッジストライプ構造４では、劈界面を基
準にして形成方向が制限される。また、複数の射出端面
６は同一の劈開面で形成されるので、各々が平行ではな
い複数のリッジストライプ構造４を有するマルチストラ
イプレーザでは、リッジストライプ構造４の中心線
Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３の全てが端面６と直交することは不可
能となる。

【００３４】本実施形態では劈開面を基準としてストラ
イプ構造の方向が決定され、ストライプ構造が形成され
る。レーザチップの分割によって劈開端面が形成される
と、図４に示すとおり、ストライプ構造の出射端面６と
リッジストライプ構造４の中心線Ｍ_２およびＭ_３とのな
す角度θ_２およびθ_３は垂直にはならない。光軸Ａ_２お
よびＡ_３は、スネルの法則に従って屈折する。よって、
実施の形態２と同様に、光線Ｂの集光位置Ｃ’が中心線
Ｍの交点より出射端面６側となり、ビームウエストＷ’
が狭くなる利点がある。

【００３５】劈開を用いた端面を有するマルチストライ
プレーザには、劈開面を基準としたストライプ構造の配
置についての好ましい範囲が限定される。図５は、図４
の出射端面６近傍を拡大した図であるが、劈開によって
端面を形成する場合には、リッジストライプ構造４の中
心線Ｍと出射端面６を形成している劈開面Ｅの法線Ｈと
のなす角度ξが０°より大きく３°以下であると好まし
い。端面反射が光導波路に結合しやすく、閾値電流を抑
えることができるからである。

【００３６】なお、本実施形態は、端面を形成する方法
が異なる以外は、実施の形態１および２と同様である。

【００３７】［実施の形態４］図６は、本発明にかかる
窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレーザの
１例である。実施の形態１ないし３のマルチストライプ
レーザ１における複数のリッジストライプ構造４が、出
射端面側で一体化し、モニタ端面側では分岐しているマ
ルチストライプレーザである。出射端面６およびモニタ
端面７は、劈開によって形成されてもよく、エッチング
によって形成されてもよい。出射端面６は幅広の単一ス
トライプレーザと同様になっているので、出射端面６の
ＮＦＰは図７（ｂ）のスポットｐと類似の単一スポット
形状をとり、光結合効率の良好なレーザとなる。

【００３８】このマルチストライプレーザで発光した光
は、光閉じ込め領域から滲み出すので、ＮＦＰのスポッ
トｐの水平方向の直径Ｐ_ｄは、リッジストライプ構造４
の幅Ｄよりいくらか大きくなる。図６に図示した構造
は、単一ストライプレーザに比べると、ＮＦＰのスポッ
トｐが広がりやすく、直径Ｐ_ｄが大きくなる傾向にあ
る。特にスポットの中心部Ｐ_ｃが顕著に広がり光密度が
低下するので、単一ストライプレーザよりＣＯＤに強い
利点がある。実施の形態１ないし３と比べればＣＯＤを
起こしやすいことから、中出力で使用する場合に好まし
いマルチストライプレーザである。

【００３９】

【実施例】［実施例１］以下、実施例として、図１に示
すようなレーザ素子構造の窒化物半導体を用いたレーザ
素子について、説明する。

【００４０】（基板１０）基板として、異種基板に成長
させた窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを厚膜（１０
０μｍ）で成長させた後、異種基板を除去して、８０μ
ｍのＧａＮからなる窒化物半導体基板を用いる。基板の
詳しい形成方法は、以下の通りである。２インチφ、Ｃ
面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰ
Ｅ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリ
メチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用
い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長
させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを
１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、
下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マ
スク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧ
ａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（Ｅ
ＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を、さらに厚
膜で成長させて、異種基板、バッファ層、下地層を除去
して、窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時の
マスクは、ＳｉＯ₂からなり、マスク幅１５μｍ、開口
部（窓部）幅５μｍとする。

【００４１】（バッファ層１５）窒化物半導体基板の上
に、バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭ
Ｇ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミ
ニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎより
なるバッファ層１５を４μｍの膜厚で成長させる。この
層は、ＡｌＧａＮのｎ側コンタクト層２０と、ＧａＮか
らなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機
能する。次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素
子構造となる各層を積層する。

【００４２】（ｎ側コンタクト層２０）次に得られたバ
ッファ層１５上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物
ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープ
したＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなるｎ型コンタクト層２０
を４μｍの膜厚で成長させる。

【００４３】（クラック防止層２１）次に、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温
度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラッ
ク防止層２１を０．１５μｍの膜厚で成長させる。な
お、このクラック防止層は省略可能である。

【００４４】（ｎ側クラッド層２５）次に、温度を１０
５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニ
アを用い、アンドープのＡｌ_0.05Ｇａ_0.95ＮよりなるＡ
層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、
不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０
^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの
膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００
回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多層
膜（超格子構造）よりなるｎ側クラッド層２５を成長さ
せる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比とし
ては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分に
クラッド層として機能する屈折率差を設けることができ
る。

【００４５】（ｎ側光ガイド層３０）次に、同様の温度
で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドー
プのＧａＮよりなるｎ側光ガイド層３０を０．１５μｍ
の膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしても
よい。

【００４６】（活性層３５）次に、温度を８００℃にし
て、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭ
Ｇ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガス
を用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ
_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚
で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ
よりなる井戸層（Ｗ）を４０Åの膜厚で、この障壁層
（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／
（Ｗ）の順に積層する。最後に最終障壁層として、原料
ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びア
ンモニアを用い、アンドープのＩｎ_0. ₀₅Ｇａ_0.95Ｎを成
長させる。活性層３５は、総膜厚約５００Åの多重量子
井戸構造（ＭＱＷ）となる。

【００４７】（ｐ型電子閉込め層４０）次に、同様の温
度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用
い、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニ
ルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^１9／ｃｍ^３
ドープしたＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ型電子閉込層４
０を１００Åの膜厚で成長させる。この層は、特に設け
られていなくても良いが、設けることで電子閉込めとし
て機能し、閾値の低下に寄与するものとなる。

【００４８】（ｐ側光ガイド層４５）次に、温度を１０
５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用
い、アンドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層４５を
０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層
４５は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込
め層４０、ｐ側クラッド層５０等の隣接層からのＭｇの
拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０^１６／ｃｍ³となりｐ
型を示す。またこの層は成長時に意図的にＭｇをドープ
しても良い。

【００４９】（ｐ側クラッド層５０）続いて、１０５０
℃でアンドープＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる層を２５Å
の膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ₂Ｍｇを
用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で
成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍ
の超格子層よりなるｐ側クラッド層５０を成長させる。
クラッド層は少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体
層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒
化物半導体層を積層した超格子で作製した場合、不純物
はいずれか一方の層に多くドープして、いわゆる変調ド
ープを行うと結晶性が良くなる傾向にあるが、両方に同
じようにドープしても良い。ｐ側クラッド層５０は、Ａ
ｌを含む窒化物半導体層、好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮ
（０＜X＜１）を含む超格子構造とすることが望まし
く、さらに好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した
超格子構造とする。ｐ側クラッド層５０を超格子構造と
することによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げ
ることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さく
なり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるの
で、閾値を低下させる上で非常に有効である。さらに、
超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピ
ットが超格子にしないものよりも少なくなるので、ショ
ートの発生も低くなる。

【００５０】（ｐ側コンタクト層５５）最後に、１０５
０℃で、ｐ側クラッド層５０の上に、Ｍｇを１×１０²⁰
／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層
５５を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層
５５はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦Y、X
＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇをド
ープしたＧａＮとすれば、ｐ電極６５と最も好ましいオ
ーミック接触が得られる。コンタクト層は電極を形成す
る層であるので、１×１０¹⁷／cm³以上の高キャリア濃
度とすることが望ましい。１×１０¹⁷／cm³よりも低い
と電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向
にある。さらにコンタクト層の組成をＧａＮとすると、
電極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。

【００５１】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最
上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護
膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用
いＳｉＣｌ₄ガスによりエッチングし、図１に示すよう
に、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタクト層２０の表面を
露出させると同時に、エッチング端面として共振器面と
なる出射端面６およびモニタ端面７を形成する。このよ
うに窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜とし
てＳｉＯ₂が最適である。

【００５２】次に、ストライプ構造を形成するためにリ
ッジ５を形成する。図２に示すように、リッジ５は３本
とし、両端のリッジストライプ構造４の中心線Ｍ_２、Ｍ
_３のなす角度φを６°、隣接するリッジストライプ構造
４のなす角度を３°とする。各リッジストライプ構造４
の中心線Ｍ_１、Ｍ_２およびＭ_３が出射端面６と垂直に
し、出射端面側においてリッジ群の形成される範囲の幅
Ｄは１５μｍとしてリッジ５を形成する。リッジ５の形
成方法は、まず、最上層のｐ側コンタクト層５５（上部
コンタクト層）のほぼ全面に、ＰＶＤ装置により、Ｓｉ
酸化物（主として、ＳｉＯ₂）よりなる第１の保護膜６
１を０．５μｍの膜厚で形成した後、第１の保護膜６１
の上に、所定の形状のマスクをかけ、ＲＩＥ（反応性イ
オンエッチング）装置により、ＣＦ₄ガスを用い、フォ
トリソグラフィー技術により幅３μｍの３本のストライ
プに成形して第１の保護膜６１とする。この時、リッジ
５の高さ（エッチング深さ）は、ｐ側コンタクト層５
５、およびｐ側クラッド層５０、ｐ側光ガイド層４５の
一部をエッチングして、ｐ側光ガイド層４５の膜厚が
０．１μｍとなる深さまでエッチングして、形成する。
その後、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリン
グを行い、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体層を更に低
抵抗化する。

【００５３】リッジ５の形成後、第１の保護膜６１の上
から、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ ₂）よりなる第２の
保護膜６２を、第１の保護膜６１の上と、エッチングに
より露出されたｐ側光ガイド層４５の上に０．５μｍの
膜厚で連続して形成する。

【００５４】第２の保護膜６２形成後、ウエハを６００
℃で熱処理する。このようにＳｉＯ ₂以外の材料を第２
の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後に、
３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半導体
の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することによ
り、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ酸）
に対して溶解しにくくなるため、この工程を加えること
がさらに望ましい。

【００５５】次に、ウエハをフッ酸に浸漬し、第１の保
護膜６１をリフトオフ法により除去する。このことによ
り、ｐ側コンタクト層５５の上に設けられていた第１の
保護膜６１が除去されて、ｐ側コンタクト層５５が露出
される。以上のようにして、図１に示すように、リッジ
５の側面、及びそれに連続する平面（ｐ側光ガイド層４
５の露出面）に第２の保護膜６２が形成される。

【００５６】このように、ｐ側コンタクト層５５の上に
設けられた第１の保護膜６１が除去された後、図１に示
すように、その露出したｐ側コンタクト層５５の表面に
Ｎｉ／Ａｕよりなるｐ電極６５を形成する。第２の保護
膜６２の形成後、既に露出させたｎ側コンタクト層２０
の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極７０を形成する。

【００５７】次に、ｐ電極６５およびｎ電極７０に取り
出し電極を設けるため、所望の領域にマスクし、ＳｉＯ
₂とＴｉＯ₂よりなる絶縁体層７５を設けた後、ｐ電極６
５およびｎ電極７０の上に、Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１００
０Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パ
ット）電極８０，８５をそれぞれ設けた。

【００５８】以上のように形成した後、窒化物半導体の
Ｍ面（ＧａＮのＭ面、（1 1- 0 0）など）でバー状に分
割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得
る。この時、共振器長は、６００μｍである。

【００５９】このようにして形成したマルチストライプ
レーザを駆動させると、室温において閾値４．２ｋＡ／
ｃｍ²、１００〜１２０ｍＷの出力において発振波長４
０５ｎｍの連続発振が確認される。光ファイバとの光結
合効率は７０％であり、１２０ｍＷで発振した場合、光
ファイバへの導入パワーは約８４ｍＷで、レーザ素子の
素子寿命は１５００時間となる。

【００６０】

【実施例２】図３に示したように、射出端面６とリッジ
ストライプ構造４とのなす角度θ_１，θ_２をθ_１＝θ_２
＝８７°とし、それ以外は、実施例１と同様にしてマル
チストライプレーザを形成する。

【００６１】得られたマルチストライプレーザは、室温
において閾値４．４ｋＡ／ｃｍ²、１００〜１２０ｍＷ
の出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振をする。
光ファイバとの光結合効率は７５％であり、１２０ｍＷ
で発振した場合、光ファイバへの導入パワーは約９０ｍ
Ｗで、レーザ素子の素子寿命は１２００時間となる。

【００６２】

【実施例３】図４に示すように、共振器面となる出射端
面６およびモニタ端面７が劈開によって形成され、また
両端のリッジストライプ構造４の中心線Ｍ_２、Ｍ_３のな
す角度を２°、隣接するリッジストライプ構造４のなす
角度を１°として形成し、射出端面６とリッジストライ
プ構造４とのなす角度θ_１，θ_２を、θ_１＝θ_２＝８９
°とする以外は、実施例１のマルチストライプレーザと
同様に形成される。

【００６３】このように形成されたマルチストライプレ
ーザは、室温において閾値４．３ｋＡ／ｃｍ²、１００
〜１２０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続
発振をする。光ファイバとの光結合効率は７２％であ
り、１２０ｍＷで発振した場合、光ファイバへの導入パ
ワーは約８６ｍＷで、レーザ素子の素子寿命は１４００
時間となる。

【００６４】

【実施例４】図６は、実施例１から３の複数のリッジス
トライプ構造４が、出射端面側で結合して一体化したレ
ーザであり、複数本の光導波路を有するので本発明のマ
ルチストライプレーザの範囲に入るものとする。モニタ
端面７側で３本に分岐したリッジストライプ構造４のう
ち、両端のリッジストライプ構造４の中心線Ｍ_２、Ｍ _３
のなす角度φを６°、隣接するリッジ５のなす角度を３
°とする。出射端面６は劈開で形成し、モニタ端面７は
劈開もしくはエッチングで形成するとよい。図６では、
モニタ端面７は、リッジストライプ構造４の中心線
Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３の全てが出射端面６と垂直になるよう
に、エッチングにて形成されている。分岐部のリッジ幅
は３μｍ、出射端面側におけるリッジの幅は９μｍとす
る。それ以外は、実施例１のマルチストライプレーザと
同様に形成される。

【００６５】このように形成されたマルチストライプレ
ーザは、室温において閾値４．１ｋＡ／ｃｍ²、１００
〜１２０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続
発振をする。光ファイバとの光結合効率は８０％であ
り、１２０ｍＷで発振した場合、光ファイバへの導入パ
ワーは約９８ｍＷで、レーザ素子の素子寿命は１０００
時間となる。

【００６６】

【比較例１】実施例１において角度をつけて形成した３
本のリッジストライプ構造４を、平行に配置しているマ
ルチルストライプレーザを形成した。光ファイバとの光
結合効率は４０％であり、１２０ｍＷで発振した場合、
光ファイバへの導入パワーは約４８ｍＷで、レーザ素子
の素子寿命は１５００時間となる。

【００６７】

【比較例２】実施例１において幅３μｍで３本形成した
リッジの代わりに、幅９μｍで１本形成したリッジスト
ライプ構造４を備えるレーザを形成した。光ファイバと
の光結合効率は８０％であり、１２０ｍＷで発振した場
合、光ファイバへの導入パワーは約９６ｍＷで、レーザ
素子の素子寿命は８００時間となる。

【００６８】

【発明の効果】本発明の窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザは、高出力で、光ファイバとの光
結合効率がよいレーザであるため、光ファイバ内に高パ
ワーの光を導入することが可能である。また、同じパワ
ーの光を光ファイバに導入する場合のレーザの寿命を比
較すると、従来のレーザに比べて飛躍的に長寿命化す
る。ストライプ構造と端面とを垂直に形成した場合に
は、閾値電流を低く押さえる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザの概略断面図である。

【図２】本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザの１形態を示す上面図である。

【図３】本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザの１形態を示す上面図である。

【図４】本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザの１形態を示す上面図である。

【図５】図４の一部分を拡大した図である。

【図６】本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザの１形態を示す上面図である。

【図７】（ａ）は、本発明に係る窒化ガリウム系化合
物半導体マルチストライプレーザの断面図であり、
（ｂ）は１本のストライプ構造からなるレーザの断面図
である。

【符号の説明】

１・・・窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプ
レーザ４・・・ストライプ構造（リッジストライプ構造）５・・・リッジ６・・・出射端面７・・・モニタ端面１０・・・基板１５・・・バッファ層２０・・・ｎ側コンタクト層２１・・・クラック防止層２５・・・ｎ側クラッド層３０・・・ｎ側光ガイド層３５・・・活性層４０・・・ｐ型電子閉じ込め層４５・・・ｐ側光ガイド層５０・・・ｐ側クラッド層５５・・・ｐ側コンタクト層６１・・・第１の保護層６２・・・第２の保護層６５・・・ｐ電極７０・・・ｎ電極７５・・・絶縁層８０・・・ｐパッド８５・・・ｎパッドＡ、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３・・・光軸Ｂ・・・光線Ｃ、Ｃ’・・・光線の集光位置Ｍ、Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３・・・ストライプ構造の中心線Ｄ・・・出射端面側のストライプ構造（群）の幅Ｗ、Ｗ’・・・ビームウエストｐ・・・近視野像（ＮＦＰ）ｐ_ｃ・・・ＮＦＰの中心部ｐ_ｄ・・・ＮＦＰの水平方向のスポット径 α・・・合成光線の光軸方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１チップ内に、ファブリ・ペロー共振器
構造を有するストライプ構造が複数形成されている窒化
ガリウム系化合物半導体マルチストライプレーザであっ
て、隣接する前記ストライプ構造の間隔がモニタ端面から出
射端面側に向かって狭くなるように形成されていること
を特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体マルチストラ
イプレーザ。
【請求項２】前記複数のストライプ構造の少なくとも
１本は、前記ストライプ構造の長手方向の中心線と、前
記ストライプ構造の出射端面とのなす角度が垂直に形成
されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリ
ウム系化合物半導体マルチストライプレーザ。
【請求項３】前記複数のストライプ構造の少なくとも
１本は、前記ストライプ構造の長手方向の中心線と、前
記ストライプ構造の出射端面とのなす角度が非垂直に形
成されており、前記角度が非垂直である前記ストライプ構造からの出射
光の光軸が、前記複数のストライプ構造からの出射光を
合成した光線の光軸に向かう方向に屈折することを特徴
とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザ。
【請求項４】前記ストライプ構造の中心線と前記スト
ライプ構造の出射端面とのなす角が８７°以上９３°以
下で形成されていることを特徴とする請求項１ないし３
のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体マ
ルチストライプレーザ。
【請求項５】前記複数のストライプ構造からなるスト
ライプ構造群の出射端面側における全幅が２０μｍ以下
であることを特長とする請求項１ないし４のいずれか１
項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライ
プレーザ。
【請求項６】前記複数のストライプ構造のうち、両端
に形成されている２本のストライプ構造の中心線のなす
角度が９０°未満であることを特徴とする請求項１ない
し５のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導
体マルチストライプレーザ。
【請求項７】前記複数のストライプ構造のうち、両端
に形成されている２本のストライプ構造の中心線のなす
角度が１０°未満であることを特徴とする請求項１ない
し６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導
体マルチストライプレーザ。
【請求項８】隣接する前記ストライプ構造が、出射端
面側において離間していることを特徴とする請求項１な
いし７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半
導体マルチストライプレーザ。
【請求項９】前記ストライプ構造の出射端面及びモニ
タ端面の少なくとも一方が劈開面で形成されていること
を特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の
窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレーザ。
【請求項１０】前記ストライプ構造の中心線の各々
と、前記出射端面を形成している劈開面の法線とのなす
角度が０°より大きく３°以下であることを特長とする
請求項９に記載の窒化ガリウム系化合物半導体マルチス
トライプレーザ。
【請求項１１】前記ストライプ構造の出射端面及びモ
ニタ端面の少なくとも一方がエッチングで形成されてい
ることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に
記載の窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレ
ーザ。
【請求項１２】請求項１に記載の前記窒化ガリウム系
化合物半導体マルチストライプレーザと、光ファイバと
を組合わせて成る光ファイバシステムであって、前記窒化ガリウム系化合物半導体マルチストライプレー
ザは、発振により複数の出射光の光軸が集光するように
複数の前記ストライプ構造が形成されており、前記マルチストライプレーザの前記光軸の集光する位置
よりも前記出射端面側において、前記マルチストライプ
レーザと前記光ファイバとが結合されていることを特長
とする光ファイバシステム。