JP2005158881A

JP2005158881A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2005158881A
Application number: JP2003392658A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watanabe; 大志渡辺
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】ＧａＮの良好な結晶成長性を損なうことなく、相対雑音強度特性の低下を抑えることのできる半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ＬＤ素子１の上面から側面にかけて光反射性を有する保護層２０を設けて自然放射光成分の外部への放射を防止する。保護層２０は、ＳｉＯ₂層２０Ａと、ＴｉＯ₂層２０Ｂとを交互に積層して構成されており、ＭＱＷ層１６から発せられる自然放射光成分を反射してＬＤ素子外部への放射を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、自然放射光成分の放射に基づく相対雑音強度特性を改善した半導体レーザ素子に関する。

従来の半導体レーザ素子（以下「ＬＤ素子」という。）として、紫外から緑色の波長領域での発光波長を有するものがある。このようなＬＤ素子の半導体材料として、ＧａＮ系半導体を用いたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、特許文献１に記載されるＬＤ素子の縦断面図である。このＬＤ素子４０は、サファイア基板４１と、ＧａＮバッファ層４２と、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層４３と、ｎ−Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ光吸収層４４と、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層４５と、ｎ−ＧａＮガイド層４６と、３層のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ_0.03Ｇａ_0.97Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層４７と、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層４８と、ｐ−ＧａＮガイド層４９と、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型クラッド層５０と、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５１と、ＳｉＯ₂絶縁膜５２と、ｐ側電極５３と、ｎ側電極５４とを有して構成されており、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型クラッド層５０とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層５１の一部はエッチングに基づいて紙面奥方向に長さを有するリッジストライプ状に形成されている。

この特許文献１のＬＤ素子４０によると、サファイア基板４１とｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層４５との間にエネルギーギャップが活性層とほぼ同等あるいは活性層より小なるｎ−Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ光吸収層４４を設けることで、３ビーム法を用いたトラッキングサーボ機構の制御において生じる３本の戻り光のうち、基板内に入射する戻り光が活性領域内部のレーザ光と相互作用しないため、ＬＤ素子４０から出射される光の強度を安定化させることができる。
特開２０００−５８９１５号公報（図１）

しかし、特許文献１に記載された半導体レーザ素子によると、多重量子井戸構造活性層４７で発生する自然放射光成分が素子の前後方向、上下方向、および左右方向から放射されてしまうため、相対雑音強度特性が低下してレーザ出力の安定化、高出力化を実現することができない。また、光吸収層４４上にＧａＮを結晶成長させようとすると良好な結晶成長性を得にくいため、良質のＧａＮ結晶層を得ることができないという問題もある。

従って、本発明の目的は、ＧａＮの良好な結晶成長性を損なうことなく、相対雑音強度特性の低下を抑えることのできる半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明は、上記の目的を達成するため、ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層を備えた半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の側面から電極形成面にかけて設けられて前記半導体レーザ素子内で生じる自然放射光成分の放射を抑制する保護層を有することを特徴とする半導体レーザ素子を提供する。

前記保護層は、絶縁性材料を含む多層で形成されて光反射性を有するものであっても良い。

前記絶縁性材料を含む多層は、ＳｉＯ₂層とＴｉＯ₂層を交互に配置して形成することができる。

前記保護層は、絶縁性材料を含む多層で形成されて光吸収性を有するものであっても良い。

前記絶縁性材料を含む多層は、金属材料からなる層を含む構成とすることができる。

前記絶縁性材料を含む多層は、ＳｉＯ₂層と、ＴｉＯ₂層と、金属材料からなる層を積層して形成することができる。

本発明の半導体レーザ素子によれば、前記半導体レーザ素子内で生じる自然放射光成分の放射を抑制するようにｎ型およびｐ型半導体層の側面から電極形成面にかけて保護層を設けたため、ＧａＮの良好な結晶成長性を損なうことなく、相対雑音強度特性の低下を抑えることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＬＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＧａＮ結晶層側面における保護層の部分拡大図である。このＬＤ素子１は、サファイア基板１１と、ＡｌＮバッファ層１２と、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４と、ｎ型ＧａＮガイド層１５と、ＭＱＷ層１６と、ｐ型ＧａＮガイド層１７と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８と、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９と、保護層２０と、ｐ側電極２１と、ｎ側電極２２とを有して構成されており、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８とｐ型ＧａＮコンタクト層１９の一部はエッチングに基づいて紙面奥方向に長さを有するリッジストライプ状に形成されている。

ＭＱＷ層１６は、３層のＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と２層のＧａＮ障壁層とを交互に配置して形成されている。

保護層２０は、ＳｉＯ₂層２０Ａと、ＴｉＯ₂層２０Ｂとを交互に積層して構成されており、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３の一部側面より上側のＬＤ素子１側面および上面（ｐ型ＧａＮコンタクト層１９の頂部を除く）を覆って設けられてＭＱＷ層１６から発せられる自然放射光成分を反射してＬＤ素子外部への放射を抑制する。本実施の形態の保護層２０では、ＳｉＯ₂層２０ＡとＴｉＯ₂層２０Ｂのペアが３組積層された構成を有している。

以下に、第１の実施の形態に係るＬＤ素子１について、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）に基づく製造方法を説明する。

まず、所定の成長炉内に厚さ３５０μｍのサファイア基板１１を配置し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用いて成長温度５５０℃でサファイア基板１１上にＡｌＮバッファ層１２を３５ｎｍ成長させる。

次に、ＴＭＧとＮＨ₃及びシランガス（ＳｉＨ₄）を原料に用いて成長温度１０５０℃で厚さ３μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮコンタクト層１３を成長する。

次に、ＴＭＧとＮＨ₃とＳｉＨ₄及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に用いて成長温度１０５０℃で厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１４を成長する。

次に、ＴＭＡを原料から除き、成長温度１０５０℃で厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ型ＧａＮガイド層１５を成長する。

次に、ＴＭＧとＮＨ₃とＴＭＩを原料に用いて成長温度７３０℃で厚さ５ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層を形成し、続いてＴＭＧとＮＨ₃を原料に用いて成長温度８８０℃で厚さ５ｎｍのＧａＮ障壁層とを交互に成長することによりトータル厚さ２５ｎｍのＭＱＷ層１６を作成する。

次に、ＴＭＧとＮＨ₃及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を原料に用いて成長温度１０５０℃で厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮガイド層１７を成長する。

次に、ＴＭＧ、ＮＨ₃、Ｃｐ₂Ｍｇ、及びＴＭＡを原料に用いて成長温度１０５０℃で厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８を成長する。

次に、ＴＭＧ、ＮＨ₃、及びＣｐ₂Ｍｇを原料に用いて成長温度１０５０℃で厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１９を成長して、ＧａＮ系エピタキシャルウエハーを完成する。

次に、上記ウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールしてＭｇドープのｐ型層を低抵抗化する。

次に、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術に基づいてｐ型ＧａＮコンタクト層１９の最表面からｎ型ＧａＮコンタクト層１３が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。

次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ型ＧａＮコンタクト層１９とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８をエッチングする。

次に、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面、及び側面となる部分にＳｉＯ₂層２０ＡとＴｉＯ₂層２０Ｂからなる保護層２０を形成する。

次に、保護層２０とｐ型ＧａＮコンタクト層１９の表面にニッケルと金からなるｐ側電極２１を形成し、エッチングにより露出したｎ型ＧａＮコンタクト層１３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極２２を蒸着によって形成して、ＧａＮ系半導体レーザ素子ウエハーを完成する。

次に、ＧａＮ系半導体レーザ素子ウエハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開することによりレーザの共振器端面を形成し、端面に光反射膜（図示せず）をスパッタリングで形成することによってリッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。

次に、ＬＤ素子１をステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、ＧａＮ系半導体レーザを完成する。

図２は、第１の実施の形態に係る保護層の自然放射光成分に対する反射率を示す図である。保護層２０は、上記した製造工程に基づいて製造されたＧａＮ系半導体レーザの発振波長である４１０ｎｍ付近において９０％以上の反射率を有しており、このことによってＭＱＷ層１６から発せられる自然放射光成分がＬＤ素子１の外部に放射されることを防いでいる。

上記した第１の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ＬＤ素子１の上面から側面にかけて光反射性を有する保護層２０を設けて自然放射光成分の外部への放射を防止するようにしたため、相対雑音強度特性が向上し、レーザ出力の安定化、高出力化を実現することができる。
（２）保護層２０をＬＤ素子１の表面に設けるようにしたため、ＧａＮの結晶成長性を損なうことなく、相対雑音強度特性を向上させることができる。
（３）保護層２０をＳｉＯ₂層２０ＡとＴｉＯ₂層２０Ｂからなる多層状に形成することによって良好な光反射性を得ることができる。

なお、第１の実施の形態では、保護層２０をＳｉＯ₂およびＴｉＯ₂で形成したものを説明したが、例えば、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、ＣｅＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＦ₂、ＮａＦ、ＣｅＦ₃等の他の材料を組み合わせても良い。また、保護層２０の層構成は２層以外の構成であっても良い。

また、本発明者は、保護層２０の厚さをλ／４ｎとすることによって高反射率を実現できることを確認している。

また、ＡｌＮバッファ層１２については、他の材料としてＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等を用いることができる。ここでｎ型ＧａＮコンタクト層１３と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４と、ｎ型ＧａＮガイド層１５には、他の材料としてＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、あるいはＡｌＩｎＧａＮを用いることができる。

また、ｎ型ＧａＮコンタクト層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、およびｎ型ＧａＮガイド層１５には、不純物としてＳｉをドープしたが、このほかにｎ型不純物として、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃ等をドープすることもできる。

また、ＭＱＷ層１６は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮの多重量子井戸構造の他に、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＩｎＮ等の多重量子井戸構造を採用することができる。量子井戸層の数は５〜３０とすることが好ましい。

また、ｐ型ＧａＮガイド層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、およびｐ型ＧａＮコンタクト層１９は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、あるいはＩｎＡｌＧａＮで構成することもできる。

また、ｐ型不純物は、Ｍｇの代わりにＺｎ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを用いることもでき、ｐ型不純物の導入後に電子線照射、プラズマ照射、炉等による加熱等の周知の方法により低抵抗化することも可能である。

上記した第１の実施の形態では、ＬＤ素子１をＭＯＶＰＥ法に基づいて製造する方法を説明したが、その他の製造方法として、分子線結晶成長法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、スパッタ法、イオンプレーティング法等の方法で形成することもできる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＧａＮ結晶層側面における保護層の部分拡大図である。このＬＤ素子１は、第１の実施の形態で説明した保護層２０に光吸収性を付与するＡｌ層３０Ｃを追加した保護層３０を設けた構成において第１の実施の形態と相違している。その他、第１の実施の形態と同一の構成を有する部分については共通する引用数字を付している。

保護層３０は、ＳｉＯ₂層３０Ａと、ＴｉＯ₂層３０Ｂと、Ａｌ層３０Ｃとを積層して構成されており、ＭＱＷ層１６から発せられる自然放射光成分を吸収することによってＬＤ素子外部への放射を抑制する。本実施の形態の保護層３０では、ＳｉＯ₂層３０Ａ、ＴｉＯ₂層３０Ｂ、およびＡｌ層３０Ｃの多層が２組積層された構成を有している。

図４は、Ａｌ層の自然放射光成分に対する透過率と厚さとの関係を示す図である。金属材料は薄膜化することによって固有の光吸収性を示すことから、材料の吸収係数に応じた厚さを付与することで所望の光吸収性が得られる。Ａｌの吸収係数は概ね１０^-5／ｃｍであることから、Ａｌ層３０Ｃの厚さを１μｍとすることにより、自然放射光成分の透過光は１０％以下に抑えられる。

上記した第２の実施の形態によると、以下の効果が得られる。
（１）ＬＤ素子１の上面から側面にかけて光吸収性を有する保護層３０をＬＤ素子１の表面に設けて自然放射光成分の外部への放射を防止するようにしたため、相対雑音強度特性が向上し、レーザ出力の安定化、高出力化を実現することができる。
（２）保護層３０をＳｉＯ₂層３０Ａ、ＴｉＯ₂層３０Ｂ、およびＡｌ層３０Ｃからなる多層状に形成することによって良好な光吸収性を得ることができ、多層を複数の組で積層することによって光吸収性をより大にすることができる。

なお、第２の実施の形態では、保護層３０に光吸収性を付与する層としてＡｌからなるＡｌ層３０Ｃを設けた構成を説明したが、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ａｇ等の他の材料で光吸収性を形成するようにしても良い。また、保護層３０の層構成は第１の実施の形態と同様に２層以外であっても良い。また、第１の実施の形態で説明した保護層２０と本実施の形態の保護層３０とを積層して光反射性および光吸収性を有する保護層を形成するようにしても良い。

また、保護層３０の構成として、例えば、ＳｉＯ₂層／金属層／ＳｉＯ₂層のように金属層を絶縁性材料で挟み込む構成としても同様の効果を奏することができる。

図５は、本発明の第３の実施の形態に係るＬＤ素子の縦断面図である。このＬＤ素子１は、第１の実施の形態で説明したＬＤ素子１のサファイア基板１１に代わるＧａＮ基板４１上にＧａＮ結晶層を成長させて形成されており、基板材とｎ型ＧａＮコンタクト層１３との間のバッファ層を省略するとともにＧａＮ基板４１の底面にｎ側電極２２を設けた構成を有している。また、ＬＤ素子１の上面から側面にかけて光反射性を有する保護層２０を設けて自然放射光成分の外部への放射を防止するようにしている。

上記した第３の実施の形態によると、サファイア基板１１に代えてＧａＮ基板４１上にＧａＮ結晶層を成長させるようにしたため、結晶品質の良好なＧａＮ結晶層を得ることができる。また、ＬＤ素子１の上面から側面にかけて光反射性を有する保護層２０を設けて自然放射光成分の外部への放射を防止するようにしたため、相対雑音強度特性が向上し、レーザ出力の安定化、高出力化を実現することができる。

図６は、本発明の第４の実施の形態に係るＬＤ素子の縦断面図である。このＬＤ素子１は、光吸収性を有する保護層３０を設けた構成において第３の実施の形態と相違している。その他、第３の実施の形態と同一の構成を有する部分については共通する引用数字を付している。

上記した第４の実施の形態によると、ＧａＮ基板４１上にＧａＮ結晶層を成長させたＬＤ素子１の上面から側面にかけて光吸収性を有する保護層３０を設けて自然放射光成分の外部への放射を防止するようにしたため、相対雑音強度特性が向上し、レーザ出力の安定化、高出力化を実現することができる。

なお、第３の実施の形態で説明した保護層２０と本実施の形態の保護層３０とを積層して光反射性および光吸収性を有する保護層を形成するようにしても良い。

また、上記したＬＤ素子１はＧａＮ系半導体層を有するものについて説明したが、ＧａＰやＧａＡｓ等のＧａＮ系半導体層以外の結晶層を有するＬＤ素子１についても自然放射光成分の外部への放射を防止することができる。

第１の実施の形態に係るＬＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＧａＮ結晶層側面における保護層の部分拡大図である。第１の実施の形態に係る保護層の自然放射光成分に対する反射率を示す図である。第２の実施の形態に係るＬＤ素子を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＧａＮ結晶層側面における保護層の部分拡大図である。Ａｌ層の自然放射光成分に対する透過率と厚さとの関係を示す図である。第３の実施の形態に係るＬＤ素子の縦断面図である。第４の実施の形態に係るＬＤ素子の縦断面図である。特許文献１に記載されるＬＤ素子の縦断面図である。

符号の説明

１、ＬＤ素子１１、サファイア基板１２、ＡｌＮバッファ層
１３、ｎ型ＧａＮコンタクト層１４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１５、ｎ型ＧａＮガイド層１６、ＭＱＷ層１７、ｐ型ＧａＮガイド層
１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１９、ｐ型ＧａＮコンタクト層
２０、保護層２０Ａ、ＳｉＯ₂層２０Ｂ、ＴｉＯ₂層２１、ｐ側電極
２２、ｎ側電極３０、保護層３０Ａ、ＳｉＯ₂層３０Ｂ、ＴｉＯ₂層
３０Ｃ、Ａｌ層４０、ＬＤ素子４１、サファイア基板
４２、ＧａＮバッファ層４３、ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４４、ｎ−Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ光吸収層
４５、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｎ型クラッド層
４６、ｎ−ＧａＮガイド層４７、多重量子井戸構造活性層
４８、Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層４９、ｐ−ＧａＮガイド層
５０、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎｐ型クラッド層
５１、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層
５２、ＳｉＯ₂絶縁膜５３、ｐ側電極５４、ｎ側電極

Claims

ｎ型ＧａＮ系半導体層とｐ型ＧａＮ系半導体層を備えた半導体レーザ素子において、
前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層の側面から電極形成面にかけて設けられて前記半導体レーザ素子内で生じる自然放射光成分の放射を抑制する保護層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
前記保護層は、絶縁性材料を含む多層で形成されて光反射性を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記絶縁性材料を含む多層は、ＳｉＯ₂層とＴｉＯ₂層を交互に配置して形成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。
前記保護層は、絶縁性材料を含む多層で形成されて光吸収性を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記絶縁性材料を含む多層は、金属材料からなる層を含むことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
前記絶縁性材料を含む多層は、ＳｉＯ₂層と、ＴｉＯ₂層と、金属材料からなる層を積層して形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。