JP2006128614A - 多波長半導体レーザー素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力ＬＤに充分な共振長を提供し、且つ低出力ＬＤの動作電流を節減することが可能な多波長半導体レーザー素子を開示する。
【解決手段】本発明による半導体レーザー素子は、第１領域と第２領域とに分けられた上面を有する基板と、上記基板の第１領域上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第１リッジ部を有する第２導電型クラッド層を具備する高出力波長のＬＤ部と、上記基板の第２領域上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第２リッジ部を有する第２導電型クラッド層を具備する低出力波長のＬＤ部とを含み、上記第１及び第２リッジ部は対向する両端面間に延長され、上記第１リッジ部は２個以上の折曲部を有する折られた形態であり、上記第２リッジ部は直線型である。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体レーザー素子に関する。より詳しくは、高出力半導体レーザーダイオード部に充分な共振長を提供し、且つ低出力半導体レーザーダイオード部の動作電流を節減することが可能な多波長半導体レーザー素子に関する。

一般に、半導体レーザー素子は電流注入のためのｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層と、このクラッド層間において実質的な光子の誘導放出が起こる活性層を具備する。こうした半導体レーザー素子は、上部クラッド層をリッジ構造で形成することにより向上した電流注入効率を得ると同時に上記リッジが活性層から発生した光の導波路（wave guide）になることが可能である。

最近、ＣＤ‐ＲＷとＤＶＤ‐ＲＷの普及と共に２波長または多波長のレーザー光を発振可能な多波長半導体レーザー素子が要されている。とりわけ、２波長を含む多波長半導体レーザー素子は比較的低密度のＣＤ再生機と高密度のＤＶＤ再生機とを同時に具現するための光源として積極採用されている。多波長半導体レーザー素子としては、７８０ｎｍ波長の出力を有する半導体レーザーダイオード（laser diode;LD）と６５０ｎｍ波長の出力を有する半導体レーザーダイオードとを単一基板上に集積させた素子などがある。こうした多波長半導体レーザー素子の場合、通常各波長別にレーザー光の最大出力が相違することになる。

しかし、従来の多波長半導体レーザー素子の場合、各波長の導波路が同一に直線構造で形成されるので低出力が必要なＬＤ部の共振長は高出力が必要なＬＤ部の共振長と等しくなる。したがって、低出力が必要なＬＤ部の動作電流が高くなってしまう問題が発生する。

図１（ａ）及び（ｂ）は各々従来の多波長半導体レーザー素子の断面図及び平面図を示す。

図１（ａ）及び（ｂ）によると、従来の多波長（ここでは２波長）半導体レーザー素子は同一基板（１１）上に形成された第１ＬＤ部（Ａ）と第２ＬＤ部（Ｂ）を含む。第１ＬＤ部（Ａ）及び第２ＬＤ部（Ｂ）は所定の素子分離領域（Ｉ）により電気的、光学的に分離され、相違な出力を有する第１及び第２波長を各々出力するよう構成される。例えば、第１ＬＤ部はＡｌＧａＩｎＰ系半導体から成り、高出力の６５０ｎｍ波長レーザー光を出力し、第２ＬＤ部はＡｌＧａＡｓ系半導体から成り、相対的に低出力の７８０ｎｍ波長レーザー光を出力するよう構成され得る。

各々のＬＤ部（Ａ、Ｂ）は、同一基板（１１）上に第１導電型クラッド層（１２ａ、１２ｂ）、活性層（１３ａ、１３ｂ）、第２導電型下部クラッド層（１４ａ、１４ｂ）及びエッチング停止層（１５ａ、１５ｂ）が順次に積層され、その上に第２導電型上部クラッド層（１６ａ、１６ｂ）、第２導電型キャップ層（１７ａ、１７ｂ）及び第２導電型コンタクト層（１８ａ、１８ｂ）がリッジ部（３０ａ、３０ｂ）を成す構造となっている。上記リッジ部（３０ａ、３０ｂ）の周囲には電流分散を遮断するための電流遮断層（２１ａ、２１ｂ）が形成されている。

図１（ｂ）に示したように、レーザー光の導波路の役目を果たすリッジ部（３０ａ、３０ｂ）は第１ＬＤ部（Ａ）及び第２ＬＤ部（Ｂ）両方において同一に直線構造となっている。したがって、共振長は両ＬＤ部（Ａ、Ｂ）において同一な寸法（Ｌ）を有することになる。ところが、高出力の場合、電流密度増加により利得飽和（gain saturation）及びＣＬＤ（catastrophic optical damage）などの現象が発生しかねないので、こうした現象を抑制すべく高出力ＬＤ（第１ＬＤ）の共振長を少なくとも６００μｍ以上と長くする必要がある。したがって、第１ＬＤ部（Ａ）が長い共振長（Ｌ）を有することにより、低出力ＬＤである第２ＬＤ部（Ｂ）の共振長も不要に長い共振長（Ｌ）を有することになる。低出力ＬＤ部（Ｂ）の共振長が必要以上に長くなると、これにより低出力部の動作電流が必要以上に大きくなる。

さらに、高出力におけるＣＯＤなどの発生を抑制すべく共振長（Ｌ）を長くすると、１ウェーハ当たり得られる多波長半導体レーザー素子個数が減少する。このことを解決すべく半導体レーザー素子の幅（Ｗ）を縮小する方法が使用されている。しかし、幅（Ｗ）を減少させても、半導体レーザー素子の長さ（Ｌ）は未だ縮小されないので生産性を大きく向上させることはできず、この場合狭くなった幅のため後続工程の公差が悪くなり、機械的損傷が発生し易くなる。

本発明は上記問題点を解決するためのものとして、その目的は高出力ＬＤ部と 低出力ＬＤ部が単一基板上に集積されている多波長半導体レーザーダイオードにおいて、低出力ＬＤ部の動作電流を節減し、有効共振長を維持し且つ素子寸法を減らして生産性を向上させることが可能な多波長半導体レーザーダイオードを提供することである。

上述した技術的課題を成し遂げるために、本発明による多波長半導体レーザー素子は、第１領域と第２領域とに分けられた上面を有する基板と、上記基板の第１領域上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第１リッジ部を有する第２導電型クラッド層を具備する高出力波長のＬＤ部と、上記基板の第２領域上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第２リッジ部を有する第２導電型クラッド層を具備する低出力波長のＬＤ部とを含み、上記第１リッジ部及び第２リッジ部は対向する両端面間に延長され、上記第１リッジ部は２個以上の折曲部を有する折られた形態で、上記第２リッジ部は直線型である。

好ましくは、上記第１リッジ部が上記折曲部において折られる角度は２０°ないし１６０°が好ましい。また、上記折曲部の形態としては、上記折曲部の両側中少なくとも一つは曲線形態であり得る。上記第１リッジ部は上記折曲部により重畳する部分を有し得る。 上記第１リッジ部がこうして重畳した部分を有する場合、上記リッジ部形成時充分な公差を確保すべく上記重畳部分の間隔は１０μｍ以上であることが好ましい。

また、本発明の一実施形態によると、上記折曲部の外側に位置した上記第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層部分には溝形態のミラー（mirror）部が形成され得る。この場合、上記ミラー部に隣接した部位の第１リッジ部の底幅は他部位の第１リッジ部の底幅より狭くなってもよい。上記溝形態のミラー部端面には自然酸化または不純物の浸入を防止すべく誘電体膜を形成することが可能である。

また、上記高出力波長のＬＤ部の上記第２導電型クラッド層は、上記第１リッジ部下方に形成された第２導電型下部クラッド層と、上記第１リッジ部に形成された第２導電型上部クラッド層とを含み、上記高出力波長のＬＤ部は上記第２導電型下部クラッド層と上記第２導電型上部クラッド層との間にエッチング停止層をさらに含むことが可能である。上記エッチング停止層は上記第１リッジ部の直下方部分にのみエッチング停止層が形成され得る。

本発明は、高出力及び低出力ＬＤ部が単一基板上に集積された多波長半導体レーザー素子において、高出力ＬＤ部に充分な共振長を確保し且つ低出力ＬＤ部の動作電流を節減することが可能で、単位素子の集積度を高め生産性を向上させ得る方案を提供する。このために高出力ＬＤ部のリッジ導波路は２個以上の折曲部を有するよう折られた形態となり、低出力ＬＤ部のリッジ導波路は直線形態となる。

以上説明したような本発明によると、高出力ＬＤ部と低出力ＬＤ部が単一基板に集積された多波長半導体レーザー素子において、高出力ＬＤ部のリッジ部が２以上の折曲部を有する折られた形態となり、低出力ＬＤ部のリッジ部が直線形態となることにより高出力ＬＤ部に充分な寸法の共振長を提供し、過度な電流密度を抑制して低出力ＬＤ部の動作電流を節減することが可能になる。

また、本発明によると、高出力ＬＤ部及び低出力ＬＤ部に有効共振長を維持し且つ素子寸法を縮減することにより単位ウェーハ当たり得られる素子個数を増加させ生産性を向上することが可能になる。

以下、添付の図を参照に本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他形態に変形可能で、本発明の範囲が以下説明する実施形態に限定されるわけではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に対し本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及び寸法などはより明確な説明のために誇張されることもあり、図面上の同一な符合で表示される要素は同一要素である。

図２は本発明の一実施形態による２波長半導体レーザー素子の平面図を示す。図２によると、左側領域は高出力ＬＤ部に該し、右側領域は低出力ＬＤ部に該する。高出力ＬＤ部には２個の折曲部を有する折られた形態のリッジ部（１３０ａ）が形成され、低出力ＬＤ部には折曲部を有さない直線形態のリッジ部（１３０ｂ）が形成される。したがって、高出力ＬＤに形成されたリッジ部（１３０ａ）の長さは低出力ＬＤに形成されたリッジ部（１３０ｂ）の長さより長くなる。ここでリッジ部（１３０ａ、１３０ｂ）はリッジ部下方の活性層から発生したレーザー光の導波路の役目を果たすので、上記リッジ部の長さは半導体レーザーダイオードの共振長となる。結局、高出力ＬＤ部の共振長が低出力ＬＤ部の共振長に比して長くなる。

折曲部を有する高出力ＬＤのリッジ部（１３０ａ）において、折曲部の折られる角度（ａ）は２０°ないし１６０°の範囲内にすることが好ましい。上記折られる角度（ａ）が２０°より小さいと高出力ＬＤにおいて充分な共振長の確保に不利で、上記折られる角度（ａ）が１６０°より大きいと上記リッジ部（１３０ａ）形成時パターンを正確に形成するための公差の確保に不利となりかねない。上記折曲部の形態としては、上記折曲部の両側が全て角張った形態でもよく、上記折曲部両側中いずれか一方または両方において一定の曲率を有する曲線形態でもよい。

図２に示したように、本実施形態によると高出力ＬＤのリッジ部（１３０ａ）に折曲部を形成することにより高出力ＬＤの共振長を充分に長くすることが可能である。したがって、高出力動作時発生しかねないＣＯＤなどの問題点を抑制することが可能である。それに比して、低出力ＬＤのリッジ部（１３０ｂ）には折曲部を形成させず上記リッジ部（１３０ｂ）を直線形態に形成することにより最適共振長になるよう設計でき低出力ＬＤの動作電流を節減可能になる。

また、高出力ＬＤのリッジ部（１３０ａ）を直線でなく折られた形態で形成することにより、半導体レーザー素子の長さ（Ｌ１）を短くすることが可能である。即ち、高出力動作時に要される充分な寸法の高出力ＬＤ共振長を確保し得ると同時に、半導体レーザー素子自体の長さは従来に比して縮小し得る。したがって、単位ウェーハ当たり得られる素子の個数が増加する。また、単位ＬＤ部の幅（Ｗ１）を過度に縮小することなく充分な歩留まりが得られるので、歩留まり向上のため単位ＬＤの幅（Ｗ１）を過度に減少させることにより従来発生していた公差の悪化を防止することが可能になる。

図３は本発明の他実施形態による多波長半導体レーザー素子の平面図である。図３の多波長半導体レーザー素子は、高出力ＬＤのリッジ部（１３１ａ）が折曲部により重畳する部分を有する点を除けば、図２を参照に説明した上記一実施形態による多波長半導体レーザー素子と同一である。本実施形態においても、低出力ＬＤのリッジ部（１３１ｂ）は直線構造を有するが、高出力ＬＤのリッジ部（１３１ａ）は２以上の折曲部を有する。したがって、この場合にも高出力ＬＤにおいて充分な共振長を確保し且つ低出力ＬＤの動作電流を低減し得ると同時に、素子幅（Ｗ２）を減少させることなく素子の長さ（Ｌ２）を相対的に縮小させることにより公差の悪化を抑え生産性を向上させることが可能になる。

但し、図３に示したように、高出力ＬＤのリッジ部（１３１ａ）が折曲部により重畳した部分を有することにより、重畳した部分の間隔（Ｍ）が問題になりかねない。即ち、重なった部分の間隔（Ｍ）が小さ過ぎると、これを具現するための実際の工程が困難になる。上記間隔（Ｍ）が小さ過ぎると、リッジ部形成のためのパターニング工程時公差の確保が困難で、狭い間隔（Ｍ）によりエッチングが正確に行われないこともあり得る。したがって、上記間隔（Ｍ）は１０μｍ以上とすることが好ましい。

図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態による半導体レーザー素子の部分斜視図及び部分平面図であり、高出力ＬＤのリッジ部に形成された折曲部の実質的な形態を示している。

図４（ａ）によると、基板（１１）上にｎ型クラッド層（１２）、活性層（１３）、ｐ型下部クラッド層（１４）及びエッチング停止層（１５）が順次に積層され、その上に折曲部を有する折られた形態のリッジ部（１３０ａ）が形成されている。上記リッジ部（１３０ａ）内にはｐ型上部クラッド層が含まれている。図４（ａ）によるとリッジ部（１３０ａ）直下方以外の領域にエッチング停止層（１５）が残っているが、リッジ部（１３０ａ）形成のためのエッチング時エッチング停止層（１５）もエッチングすることにより、リッジ部（１３０ａ）直下方にのみエッチング停止層を残しその他の領域のエッチング停止層は全て除去することも可能である。

他実施形態として、高出力ＬＤのリッジ部の折曲部外側にドライエッチングなどにより溝を掘り溝形態のミラー（mirror）部を形成することも可能である。このミラー部は、折曲部においてレーザー光が反射しリッジ導波路に沿って進むことを助ける役目を果たす。

図５（ａ）及び（ｂ）は各々本発明の他実施形態による２波長半導体レーザー素子の部分斜視図及び平面図である。図５（ａ）及び（ｂ）によると、高出力ＬＤのリッジ部（１３０ａ）の折曲部外側に溝形態のミラー部（４０）が形成されている。このミラー部（４０）は、上記リッジ部（１３０ａ）の折曲部外側部分にあるエッチング停止層（１５）、ｐ型下部クラッド層（１４）、活性層（１３）及びｎ型クラッド層（１２）を選択的にドライエッチングして形成されたものである。

上記実施形態におけるように折曲部外側に溝形態のミラー部（４０）を具備することにより折曲部においてレーザー光がリッジ導波路に沿ってより正確に曲がるようにすることが可能になる。こうした役目はまるで光を一定の角度で反射させ光の進行経路を屈折させる鏡と同じである。したがって、ミラー部（４０）の位置及び形状は、リッジ導波路に沿って進行する光を折曲部において反射させる鏡の位置と形状にすることが好ましい。図５（ｂ）に示したように、ミラー部（４０）はミラー部（４０）に接した折曲部と連結された直線部とは同一な角度を成しながら折曲部外側に配置され、長く延長された直方形状のスリット形態となっている。

ところで、こうしたミラー部（４０）が形成されると、ミラー部（４０）により露出する断面、即ちミラー部（４０）のエッチング停止層（１５）、ｐ型下部クラッド層（１４）、活性層（１３）及びｎ型クラッド層（１２）の断面は自然酸化したり、不純物の浸入を受け易い。したがって、こうしたことを防止してミラー部断面を保護すべくミラー部（４０）の断面上に誘電体膜を形成させてもよい。

図６（ａ）及び（ｂ）は各々本発明のさらに他の実施形態による多波長半導体レーザー素子の部分斜視図及び平面図である。この実施形態は、ミラー部（４１）に隣接した部位のリッジ部の底幅が他部位のリッジ部の底幅より狭くなっている点を除けば、図５（ａ）及び（ｂ）において説明した実施形態と同一である。したがって、この場合にも折曲部外側に折曲部と隣接して溝形態のミラー部（４１）が形成されている。また、ミラー部（４１）の断面には誘電体膜を形成して上記断面の自然酸化を防止し不純物の浸入を抑制することが可能である。

但し、図６（ａ）及び（ｂ）に示した実施形態においては、上記ミラー部（４１）に隣接した部位のリッジ部（１３０）の底幅は他部位のリッジ部の底幅より小さく形成されている。即ち、ミラー部（４１）形成のために折曲部外側のエッチング停止層（１５）、ｐ型下部クラッド層（１４）、活性層（１３）及びｎ型クラッド層（１２）をエッチングする際、折曲部のリッジも一部エッチングしてミラー部（４１）に隣接した折曲部におけるリッジ部（１３０）の底幅が他箇所のリッジ部（１３０）の底幅より小さくなるようにする。こうすることにより、折曲部外側にミラー部（４１）を形成するためのパターニング工程時公差をより安定的に確保することが可能になる。

本発明は上述した実施形態及び添付の図に限定されるわけではなく、添付の請求範囲により限定されるもので、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者には自明である。

（ａ）及び（ｂ）は各々従来の多波長半導体レーザー素子の断面図及び平面図である。 本発明の一実施形態による多波長半導体レーザー素子の平面図である。 本発明の他実施形態による多波長半導体レーザー素子の平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は各々本発明の一実施形態による半導体レーザー素子の部分斜視図及び部分平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は各々本発明の他実施形態による半導体レーザー素子の部分斜視図及び部分平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は各々本発明のさらに他の実施形態による半導体レーザー素子の部分斜視図及び部分平面図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ ｎ型クラッド層
１３ 活性層
１４ ｐ型下部クラッド層
１５ エッチング停止層
４０、４１ ミラー部
１３０ａ、１３０ｂ、１３１ａ、１３１ｂ リッジ部

Claims (10)

1. 第１領域と第２領域とに分けられた上面を有する基板と、
   上記基板の第１領域上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第１リッジ部を有する第２導電型クラッド層を具備する高出力波長のＬＤ部と、
   上記基板の第２領域上に順次に形成された第１導電型クラッド層、活性層及び第２リッジ部を有する第２導電型クラッド層を具備する低出力波長のＬＤ部とを含み、
   上記第１リッジ部及び第２リッジ部は対向する両端面間に延長され、上記第１リッジ部は２個以上の折曲部を有する折られた形態であり、上記第２リッジ部は直線型である多波長半導体レーザー素子。
2. 上記第１リッジ部が上記折曲部において折られた角度は２０°ないし１６０°である請求項１に記載の多波長半導体レーザー素子。
3. 上記折曲部の両側中少なくとも一つは曲線形態である請求項１に記載の多波長半導体レーザー素子。
4. 上記第１リッジ部が上記折曲部により重畳した部分を有する請求項１に記載の多波長半導体レーザー素子。
5. 上記重畳した部分の間隔は１０μｍ以上である請求項４に記載の多波長半導体レーザー素子。
6. 上記折曲部の外側に位置した上記第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層部分には溝形態のミラー部が形成されている請求項１に記載の多波長半導体レーザー素子。
7. 上記ミラー部に隣接した部位の第１リッジ部の底幅は他部位の第１リッジ部の底幅より小さい請求項６に記載の多波長半導体レーザー素子。
8. 上記ミラー部の端面には誘電体膜が形成されている請求項６に記載の多波長半導体レーザー素子。
9. 上記高出力波長のＬＤ部の上記第２導電型クラッド層は、上記第１リッジ部下方に形成された第２導電型下部クラッド層と、上記第１リッジ部に形成された第２導電型上部クラッド層とを含み、上記高出力波長のＬＤ部は、上記第２導電型下部クラッド層と上記第２導電型上部クラッド層との間にエッチング停止層をさらに含む請求項１に記載の多波長半導体レーザー素子。
10. 上記エッチング停止層は上記 第１リッジ部の直下方部分にのみ形成されている請求項９に記載の多波長半導体レーザー素子。

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