JP2006173573A - 半導体レーザーダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザーダイオードを提供する。
【解決手段】基板１１０と、基板１１０上に形成された第１クラッド層１２０と、第１クラッド層１２０上に形成された活性層１３４と、活性層１３４上に形成され、垂直方向に突出したリッジ部１４４が形成された第２クラッド層１４０と、を備え、第２クラッド層１４０で、リッジ部１４４の両側には、高次横モード発振を抑制する不純物が拡散された不純物層１４６が形成されたことを特徴とする半導体レーザーダイオード。不純物は、空孔またはＺｎイオンである。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体レーザーダイオードに係り、より詳細には、リッジ部の両側に高次横モード発振を抑制するために設けられた不純物領域を持つ半導体レーザーダイオードに関する。

一般的に、半導体レーザーダイオードは、比較的小型でありつつ、レーザー発振のための臨界電流が一般レーザー装置に比べて小さいという点などの特徴のために、通信分野や光ディスクが使われるプレーヤーで、高速データの伝送や高速データの記録及び再生のための素子として広く使われている。

光ディスクプレーヤーに使われるレーザーダイオードは、高い光効率、長寿命と共に安定した単一横モードレーザー動作特性が要求される。特に、ＤＶＤに使われるレーザーダイオードは高速で作動せねばならず、そのために、高いパワー出力が要求される。

図１には、一般的な半導体レーザーダイオードの断面が示されている。

図１を参照すれば、一般的な半導体レーザーダイオードは、基板１０上にｎクラッド層２０、共振器層３０、及びｐクラッド層４０が順次に積層されている。共振器層３０は、ｎ導波層３２、活性層３４、及びｐ導波層３６からなっている。ｐクラッド層４０には、リッジ部４４の形成のためのエッチング阻止層４２が介在されうる。リッジ部４４の上部には、ｐコンタクト層５０が形成されており、ｐクラッド層４０の上部及びｐコンタクト層５０の端部は、電流保護層６０で覆われている。電流保護層６０で露出されたｐコンタクト層５０は、ｐ型電極７０が接触するように形成されている。一方、基板１０の底面には、ｎ型電極８０が形成される。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１の半導体レーザーダイオードの発振モードを概略的に示す説明図であり、図３は、一般的な半導体レーザーダイオードの光出力特性を示すグラフである。

図２Ａを参照すれば、リッジ部４４を持つ半導体レーザーダイオードの基本モードでは、リッジ部４４の下部中央部に光学フィールドのピークが形成されてレーザー発振を行い、このような基本モードで放出されたレーザービームは、臨界電流以上で一定にパワーが上昇する。

一方、図２Ｂを参照すれば、半導体レーザーダイオードの高次モードである１次モードでは、リッジ部４４の両側に発振領域が主に形成され、光学フィールドのピークがリッジ部４４の両側に形成される。このような１次モードで発振する場合には、基本モードの光パワーが高次モードに一部転換されるので、図３に示すように、所定の電流でパワーが直線的に変わらないキンクレベルを示す。このようなキンクレベルが所定の光出力、例えば、２５０ｍＷより小さい場合、高速ＤＶＤに使われるレーザーダイオードとしては致命的な欠点となる。

このような問題点を解決するためには、１次モードを含む高次横モードの発振を抑制せねばならない。

本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、リッジ部の両側に、高次横モード発振を抑制するために、高次横モード領域を高減衰（ｌｏｓｓｙ）させる不純物領域を備えた、改善された構造の半導体レーザーダイオードを提供するところにその目的がある。

上記目的を達成するために、基板と、前記基板上に形成された第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、垂直方向に突出したリッジ部が形成された第２クラッド層と、を備え、前記第２クラッド層で、前記リッジ部の両側には、高次横モード発振を抑制する不純物が拡散された不純物層が形成されたことを特徴とする。

本発明の一側面によれば、前記不純物は、前記第２クラッド層に形成された空孔である。

前記空孔は、前記第２クラッド層のＧａイオンが欠乏して形成される。

本発明の他の側面によれば、前記不純物は、前記第２クラッド層に注入されたＺｎイオンである。

前記不純物層は、前記リッジ部の両側面から少なくとも０．５μｍ離隔して形成されることが望ましい。

前記第２クラッド層で、前記リッジ部の下部にエッチング阻止層がさらに形成される。

前記レーザーダイオードは、ＧａＡｓ系またはＧａＰ系化合物半導体で形成されることもできる。

本発明による半導体レーザーダイオードは、リッジ部の両側に形成された不純物領域が高次横モード領域のロスを増加させるために、高次横モードの発振を抑制してキンクレベルが発生する光出力を高めることができる。したがって、所定の光出力領域でキンクレベルが発生していない良質の半導体レーザーダイオードが得られる。

以下、添付された図面を参照して、本発明による望ましい実施の形態を詳細に説明する。

本発明による半導体レーザーダイオードは、以下の実施の形態に示す積層構造に限定されるものではなく、ＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体物質を備える多様な他の実施の形態が可能であるということはいうまでもない。

なお、本明細書中の「層上に形成された」という表現は、一の層が他の層上に直接形成されている場合と、少なくとも一つの中間層を介して一の層が他の層上に形成されている場合の両方を含む。また、本明細書中の「不純物」は、外部から導入された物質のみならず、層内部の物質が欠乏して形成された空孔（格子欠陥）を含む。

図４は、本発明の一実施の形態による半導体レーザーダイオードの断面図である。

図４を参照すれば、本実施の形態による半導体レーザーダイオードは、基板１１０上にｎクラッド層（第１クラッド層）１２０、共振器層１３０、及びｐクラッド層（第２クラッド層）１４０が順次に積層される。共振器層１３０は、ｎ導波層１３２、活性層１３４、及びｐ導波層１３６からなっている。ｐクラッド層１４０には、リッジ部１４４の形成のためのエッチング阻止層１４２が介在されうる。リッジ部１４４の上部には、ｐコンタクト層１５０が形成されており、ｐクラッド層１４０の上部及びｐコンタクト層１５０の端部は、電流保護層１６０で覆われている。電流保護層１６０上の露出されたｐコンタクト層１５０は、ｐ型電極１７０が接触するように形成されている。一方、基板１１０の底面には、ｎ型電極１８０が形成される。

基板１１０は、導電性基板であり、ｐ−ＧａＡｓまたはｎ−ＧａＰで形成できる。

ｎクラッド層１２０は、ｎ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体からなることができる。上記のようなｎクラッド層１２０は、基板１１０上にＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体をエピタキシャル成長させつつ、Ａｌの組成を変化させることによって形成できる。

ｎクラッド層１２０の上面には、ｎ導波層１３２、活性層１３４、及びｐ導波層１３６の順に形成される。ここで、レーザー発振を案内するｎ導波層１３２及びｐ導波層１３６は、クラッド層１２０，１４０の屈折率より高い屈折率を持つ化合物半導体層で形成される。そのために、ｎ導波層１３２及びｐ導波層１３６は、それぞれｎ−（Ａｌ_０．５３Ｇａ_０．４７）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体及びｐ−（Ａｌ_０．５３Ｇａ_０．４７）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体からなることができる。

そして、レーザー発振を起こす活性層１３４は、導波層１３２，１３６の屈折率より高い屈折率を持つ化合物半導体層で形成され、そのために、活性層１３４は、Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体からなることができる。ここで、活性層１３４は、複数の量子井戸または単一量子井戸のうちいずれか一つの構造を持つことができる。

ｐ導波層１３６の上面に形成されるｐクラッド層１４０は、ｎクラッド層１２０の屈折率と同じ屈折率を持つ化合物半導体層で形成される。そのために、ｐクラッド層１４０は、ｐ−（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ化合物半導体からなることができる。一方、ｐクラッド層１４０の内部には、エッチング阻止層１４２が形成されるが、このようなエッチング阻止層１４２は、ｐクラッド層１４０の上部をエッチングしてリッジ部１４４を形成する時、所望の高さを持つリッジ部１４４を正確に形成するために設けられる層である。

一方、ｐクラッド層１４０で、リッジ部１４４の両側には所定の不純物領域（不純物層）１４６が形成される。不純物領域１４６の不純物は、Ｇａイオンの空孔（Ｖａｃａｎｃｉｅｓ）であるか、またはＺｎイオンである。不純物領域１４６は、１次モード領域に形成される光分布領域の散乱を誘導して、その領域のロス（ｌｏｓｓ）を増加させることによって発振を抑制する。不純物領域１４６は、リッジ部１４４の両側面から０．５μｍ離隔して形成されることが望ましい。リッジ部１４４の幅が約１〜２μｍである場合、リッジ部１４４の両側面から０．５μｍまでは基本モードの発振となるために、その領域を離脱した領域に不純物領域１４６を形成することが望ましい。不純物の縦方向の領域は、図４に示されている領域（点線になっている部分１４６）に制限することもでき、それよりさらに深く入って下部まで拡散されるように製造することもできる。

上記実施の形態では、クラッド層及び共振器層を備えるダイオードをＡｌＧａＩｎＰ化合物で形成したが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、本発明のレーザーダイオードは、ＧａＡｓ系またはＧａＰ系ＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体からなることもできる。

図５は、本発明による不純物領域を形成する方法の一例を説明した模式図である。

図５を参照すれば、一般的に公知の方法で共振器層１３０上にｐクラッド層１４０及びｐコンタクト層１５０を順次に形成した後、リッジ部１４４形成部分の両側面から約０．５μｍほど離隔した部分を備える領域への拡散を制御するためのマスク２１０を形成する。マスク２１０は、シリコンナイトライドで形成できる。ここで、ｐクラッド層１４０には、エッチング阻止層１４２を形成することが望ましい。次いで、ｐクラッド層１４０上にマスク２１０を覆う吸収層２２０を形成する。吸収層２２０は、拡散を通じてｐクラッド層１４０に不純物を形成させるためのものである。吸収層２２０は、ＳｉＯ_２をスパッタリングして形成できる。次いで、吸収層２２０上にパッシベーション層２３０を形成する。

次いで、ｐクラッド層１４０を６００〜８００℃に加熱すれば、ｐクラッド層１４０からＧａイオンが吸収層２２０に移動しつつ、マスク２１０で覆われていない領域のｐクラッド層１４０に、Ｇａイオンのなくなった空孔を形成する。一般的に、拡散された領域の制御のために、不純物拡散領域（リッジ部の両側）と、そうでない領域（リッジ部の中央部分）との量子井戸のバンドギャップを測定する。これにより、空孔の生じた領域にある量子井戸は、拡散による量子井戸の内部混合（ｉｎｔｅｒｍｉｘｉｎｇ）によりバンドギャップが大きくなり、波長が短くなってマスク２１０で覆われていない領域の空孔形成を確認できる。拡散が終われば、拡散のために形成した拡散制御マスク２１０、残っている吸収層２２０、及びパッシベーション層２３０を除去し、レーザーダイオード製作のための残りの工程を行う。

このような空孔が形成された領域と、空孔が形成されていない領域とのエネルギーギャップの差を、フォトルミネッセンス（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ、ＰＬ）方法で測定し、その差を測定した結果を図６に示した。図６を参照すれば、ＡｌＧａＩｎＰからなるレーザーダイオードが、ｐクラッド層の加熱温度の上昇によって空孔が形成されることが、ＰＬピークエネルギーの差（ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｎｃｅ ｐｅａｋ ｓｈｉｆｔ）で確認されることが分かる。

一方、図６で、ＳｉＯ_２吸収層２２０の代わりにＺｎＯ層を形成した場合には、マスク層２１０を除外した領域のｐクラッド層１４０にＺｎイオンが拡散しつつ、不純物が形成される。図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれＡｌＧａＩｎＰからなるレーザーダイオードで、Ｚｎイオンを拡散させていない部分と、Ｚｎイオンを拡散させた部分とでの量子井戸でのＰＬピークを示すものである。この時、加熱条件は、温度５１０℃で３０分間加熱した。

図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、Ｚｎイオンが拡散されていない量子井戸では、ＰＬピーク波長が６４５．７ｎｍであることに比べて、Ｚｎイオンが拡散された量子ウェルでのＰＬピーク波長は６１５．７ｎｍと現れた。このような波長の減少は、その領域で不純物が拡散されたことを間接的に証明する。すなわち、Ｚｎイオンあるいは空孔が拡散された不純物領域は、１次モードを含む高次横モードの発振のロスを増加させる散乱層を形成し、それにより、不純物領域と重なる部分がないか、または少ない基本モードを除外した高次モードの発振を抑制することにより、高次モード発振により発生するキンクレベルを、要求される高いレベルに高めることができる。

以上、本発明による望ましい実施の形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これより多様な変形及び均等な他の実施の形態が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲により定められねばならない。

本発明は、半導体レーザーダイオードの関連技術分野に好適に用いられる。

一般的な半導体レーザーダイオードの断面図である。 図１の半導体レーザーダイオードの発振モードを概略的に示す説明図である。 図１の半導体レーザーダイオードの発振モードを概略的に示す説明図である。 一般的な半導体レーザーダイオードの光出力特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態による半導体レーザーダイオードの断面図である。 本発明による不純物領域を形成する方法を説明した模式図である。 加熱温度による空孔が形成された領域と、空孔が形成されていない領域との差を確認するために、ＰＬピークで確認したエネルギーバンドギャップの差を示すグラフである。 ＡｌＧａＩｎＰからなるレーザーダイオードで、Ｚｎイオンを拡散させた部分と、Ｚｎイオンを拡散させていない部分との差を確認するために、ＰＬピークで確認した量子井戸での波長を示すグラフである。 ＡｌＧａＩｎＰからなるレーザーダイオードで、Ｚｎイオンを拡散させた部分と、Ｚｎイオンを拡散させていない部分との差を確認するために、ＰＬピークで確認した量子井戸での波長を示すグラフである。

符号の説明

１１０ 基板、
１２０ ｎクラッド層、
１３０ 共振器層、
１３２ ｎ導波層、
１３４ 活性層、
１３６ ｐ導波層、
１４０ ｐクラッド層、
１４２ エッチング阻止層、
１４４ リッジ部、
１４６ 不純物領域、
１５０ ｐコンタクト層、
１６０ 電流保護層、
１７０ ｐ型電極、
１８０ ｎ型電極。

Claims (9)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成され、垂直方向に突出したリッジ部が形成された第２クラッド層と、を備え、
   前記第２クラッド層で、前記リッジ部の両側には、高次横モード発振を抑制する不純物が拡散された不純物層が形成されたことを特徴とする半導体レーザーダイオード。
2. 前記不純物は、前記第２クラッド層に形成された空孔であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
3. 前記空孔は、前記第２クラッド層のＧａイオンが欠乏して形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザーダイオード。
4. 前記不純物は、前記第２クラッド層に注入されたＺｎイオンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
5. 前記不純物層は、前記リッジ部の両側面から少なくとも０．５μｍ離隔して形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
6. 前記第２クラッド層で、前記リッジ部の下部にエッチング阻止層がさらに形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
7. 前記レーザーダイオードは、ＧａＡｓ系またはＧａＰ系化合物半導体で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザーダイオード。
8. 前記リッジ部の上面及び前記基板の下面には、それぞれ第１及び第２電極が設けられることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザーダイオード。
9. 前記活性層は、ＧａＩｎＰ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザーダイオード。

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