JP2005158881A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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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
【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−In0.2Ga0.8N光吸収層44と、n−Al0.1Ga0.9Nn型クラッド層45と、n−GaNガイド層46と、3層のIn0.15Ga0.85N量子井戸層と2層のIn0.03Ga0.97N障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層47と、Al0.2Ga0.8N蒸発防止層48と、p−GaNガイド層49と、p−Al0.1Ga0.9Np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−Al0.1Ga0.9Np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−Al0.1Ga0.9Nn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−In0.2Ga0.8N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In0.15Ga0.85N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Al0.1Ga0.9N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In0.15Ga0.85N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。
(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。
(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。
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−In0.2Ga0.8N光吸収層
45、n−Al0.1Ga0.9Nn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、Al0.2Ga0.8N蒸発防止層 49、p−GaNガイド層
50、p−Al0.1Ga0.9Np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
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−In0.2Ga0.8N光吸収層
45、n−Al0.1Ga0.9Nn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、Al0.2Ga0.8N蒸発防止層 49、p−GaNガイド層
50、p−Al0.1Ga0.9Np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 (6)
- 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。
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CN112713500A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-04-27 | 深圳瑞波光电子有限公司 | 一种激光雷达及其激光器 |
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