JP2006324427A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザの構造に関するものである。 The present invention relates to a structure of a semiconductor laser.
従来の半導体レーザの断面構造の例を図7に示す。この半導体レーザは、n型半導体基板1の上に形成されている。n型半導体基板1の裏面には、n型電極2が設けられている。n型半導体基板1の上には、n型クラッド層3、活性層4、p型クラッド層5が順次積層されている。p型クラッド層5の上には、p型コンタクト層6a、6b、6cが形成されている。p型コンタクト層6a、6cの間の位置に凹部7aが形成され、p型コンタクト層6c、6bの間の位置に凹部7bが形成されている。凹部7aと凹部7bとの間には、リッジ部8が形成されている。活性層4のリッジ部8の下の部分には、活性領域4aが設けられている。
凹部7の内面に沿って、絶縁膜11a、11bが形成されている。これらの膜は、それぞれ端部12a、12bを有している。これらの端部は、p型コンタクト層6cの上で対向している。さらに、絶縁膜11a、11b、p型コンタクト層6cの上面を覆うように、p型電極14が形成されている。
An example of a cross-sectional structure of a conventional semiconductor laser is shown in FIG. This semiconductor laser is formed on an n-
上述した半導体レーザの通電時には、p型電極14に正バイアスが印加され、n型電極2に負バイアスが印加される。すると、p型電極14からn型電極2に向かって電流が流れる。このとき、活性層4に正孔および電子が注入されて、それらの結合により発光が生じる。活性層4に注入される正孔および電子が閾値以上になると、誘導放出が始まり、レーザ発振に至る(例えば、特許文献1参照)。
When the semiconductor laser is energized, a positive bias is applied to the p-
上記従来の半導体レーザの通電時には、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間の熱膨張係数の差により、絶縁膜11aとp型コンタクト層6cとの間にストレスAが発生し、絶縁膜11bとp型コンタクト層6cとの間にストレスA’が発生する。ストレスA、A’は、それぞれ端部12a、12b付近に集中する。
そうすると、図7に示すように、n型半導体基板1の(111)面に沿って転移ループ(結晶欠陥)15が成長する。この転移ループ15が活性領域4aに達すると、その転移に電流が集中して流れる。これによって半導体レーザの寿命が劣化するという問題があった。
When the conventional semiconductor laser is energized, stress A is generated between the
Then, as shown in FIG. 7, a transition loop (crystal defect) 15 grows along the (111) plane of the n-
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、半導体レーザの半導体層(p型コンタクト層6c)と、その上に設けられた絶縁膜11a、11bとの間のストレスを緩和して、半導体レーザの寿命劣化を抑制することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and alleviates the stress between the semiconductor layer (p-
本発明に係る半導体レーザは、
電子及び正孔を結合させてレーザ光を放出する活性層と、
前記活性層に電子を注入するクラッド層と、前記活性層に正孔を注入するクラッド層とからなり、前記活性層を挟むように設けられた一対のクラッド層と、
前記一対のクラッド層のうち、一方のクラッド層と電気的に接続された第1電極と、
前記一対のクラッド層のうち、他方のクラッド層の表面に所定幅で形成された半導体層と、
前記他方のクラッド層の表面と、前記半導体層の側面と、前記半導体層の表面の一部とを覆い、前記半導体層の表面上に端部を有し、前記端部に向かって膜厚が薄くなるように設けられた絶縁膜と、
前記半導体層の表面および前記絶縁膜を覆う第2電極と、
を備えたことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
The semiconductor laser according to the present invention is
An active layer that emits laser light by combining electrons and holes;
A clad layer for injecting electrons into the active layer, and a clad layer for injecting holes into the active layer, and a pair of clad layers provided so as to sandwich the active layer;
A first electrode electrically connected to one of the pair of cladding layers;
Of the pair of clad layers, a semiconductor layer formed with a predetermined width on the surface of the other clad layer;
Covers the surface of the other cladding layer, the side surface of the semiconductor layer, and a part of the surface of the semiconductor layer, has an end on the surface of the semiconductor layer, and has a film thickness toward the end. An insulating film provided to be thin; and
A second electrode covering the surface of the semiconductor layer and the insulating film;
It is provided with.
Other features of the present invention are described in detail below.
本発明によれば、半導体レーザの半導体層と、その上に設けられた絶縁膜との間のストレスを緩和することができる。これにより、半導体レーザの寿命劣化を抑制し、高信頼性の半導体レーザを得ることができる。 According to the present invention, the stress between the semiconductor layer of the semiconductor laser and the insulating film provided thereon can be relieved. Thereby, the lifetime deterioration of the semiconductor laser can be suppressed, and a highly reliable semiconductor laser can be obtained.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
実施の形態1.
図1は、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。
この半導体レーザは、n型半導体基板1を用いて形成されている。n型半導体基板1の裏面には、n型電極2が設けられている。n型半導体基板1の上には、n型クラッド層3、活性層4、p型クラッド層5が順次積層されている。p型クラッド層5の上には、p型コンタクト層6a、6b、6cが形成されている。これらの層は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属気相成長)法等を用いて、エピタキシャル成長させたものである。その成長の方向は、n型半導体基板1の主面に垂直な方向である。これらの材料は、GaAs系、InP系、GaN系など、高信頼性が要求される化合物半導体材料である。
p型コンタクト層6a、6cの間の位置に凹部7aが形成され、p型コンタクト層6c、6bの間の位置に凹部7bが形成されている。これらの凹部の底面には、p型クラッド層5が露出している。凹部7aと凹部7bとの間には、リッジ部8が形成されている。リッジ部8の上面にはp型コンタクト層6cが露出している。リッジ部8の側面にはp型コンタクト層6c、p型クラッド層5が露出している。活性層4のリッジ部8の下の部分には、活性領域4aが設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the present embodiment.
This semiconductor laser is formed using an n-
A
凹部7aの内面に沿って、第1絶縁膜9aが80nm程度の膜厚で形成されている。凹部7bの内面に沿って、第1絶縁膜9bが80nm程度の膜厚で形成されている。これらの膜は、リッジ部8の側面を覆うように形成され、該側面の絶縁性を確保している。これらの膜としては、いずれもシリコン窒化膜(SiN膜)が用いられている。
第1絶縁膜9aの上には、第2絶縁膜10aが120nm程度の膜厚で積層されている。第1絶縁膜9bの上には、第2絶縁膜10bが120nm程度の膜厚で積層されている。これらの膜としては、いずれもシリコン窒化膜(SiN膜)が用いられている。以下、第1絶縁膜9aおよび第2絶縁膜10aの積層膜を、全体として絶縁膜11aとする。また、第1絶縁膜9bおよび第2絶縁膜10bの積層膜を、全体として絶縁膜11bとする。
A first
On the 1st
第1絶縁膜9aは端部12aを有し、第1絶縁膜9bは端部12bを有している。これらの端部は、p型コンタクト層6cの上で対向している。絶縁膜11aは、階段状の段差部13aを有し、絶縁膜11bは、階段状の段差部13bを有している。段差部13aは、リッジ部8の左端と端部12aとの間に位置している。段差部13bは、リッジ部8の右端と端部12bとの間に位置している。
このようにして、絶縁膜11a、11bはp型コンタクト6cの表面上に端部を有し、それぞれの端部に向かって膜厚が段階的に薄くなっている。すなわち、端部に向かって膜厚が薄くなった絶縁膜11a、11bにより、p型コンタクト層6cの表面上に開口部が形成されている。
これにより、絶縁膜11aとp型コンタクト層6cとの間のストレスAは、端部12a付近と段差部13a付近とに分散される。また、絶縁膜11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスA’は、端部12b付近と段差部13b付近とに分散される。従って、従来技術と比較して、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスの集中を緩和することができる。
The first
In this way, the insulating
Thereby, the stress A between the insulating
さらに絶縁膜11a、11bの上と、p型コンタクト層6cの上とに、全面にp型電極14が形成されている。p型電極14は、端部12aと端部12bとの間の位置でp型コンタクト層6cと接触している。
この半導体レーザの通電時には、p型電極14に正バイアス、n型電極2に負バイアスが印加される。すると、p型クラッド層5から活性層4に正孔が注入され、n型クラッド層3から活性層4に電子が注入される。これらの正孔および電子は活性領域4aで結合し、活性層4aはレーザ光を放出する。
Furthermore, a p-
When the semiconductor laser is energized, a positive bias is applied to the p-
半導体レーザを上記のような構造とすることにより、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスの集中を、従来技術と比較して緩和することができる。これにより、上記ストレスに起因する転移ループ(結晶欠陥)が活性領域4aに達するのを抑制することができる。従って、半導体レーザの寿命劣化を防止して、長寿命の半導体レーザを得ることができる。
By making the semiconductor laser as described above, the stress concentration between the insulating
上記実施の形態においては、半導体レーザを形成する基板として、n型半導体基板を用いるようにした。しかし、p型半導体基板を用いてp、nの極性を全て逆としても、同様の効果を得ることができる。
また、上記実施の形態では、リッジ部8の側面にp型コンタクト層6c、p型クラッド層5が露出した構造とした。しかし、リッジ部8の側面には、p型クラッド層5が露出していない構造であっても良い。例えば、p型クラッド層5が凹部を有さず、平坦な形状であっても良い。
In the above embodiment, an n-type semiconductor substrate is used as the substrate on which the semiconductor laser is formed. However, the same effect can be obtained even if all the polarities of p and n are reversed using a p-type semiconductor substrate.
In the above embodiment, the p-
次に、上記実施の形態1の変形例について説明する。
上記実施の形態1では、第1絶縁膜9a、9bをシリコン窒化膜(SiN膜)とした。これに対し本変形例では、図2に示すように、第1絶縁膜9a、9bをシリコン酸窒化膜(SiON膜)とする。シリコン酸窒化膜は、p型コンタクト層6cとの熱膨張係数の差が、シリコン窒化膜と比較して小さい膜である。このため、上記の場合、端部12a、12b付近に発生するストレスは、上記実施の形態と比較して小さくなる。これにより絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスを、上記実施の形態1よりも小さくすることができる。
その他の構成については、上記実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
Next, a modification of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, the first insulating
Other configurations are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
本変形例によれば、上記実施の形態1の効果に加えて、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスを上記実施の形態と比較して小さくすることができる。これにより、半導体レーザの寿命劣化をさらに効果的に防止することができる。
According to the present modification, in addition to the effects of the first embodiment, the stress between the insulating
実施の形態2.
図3は、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。ここでは、実施の形態1と異なる構成を中心に説明する。
実施の形態1では、段差部13aが、リッジ部8の左端部と端部12aとの間に位置し、段差部13bが、リッジ部8の右端部と端部12bとの間に位置するようにした。これに対して本実施の形態では、段差部13aがリッジ部8の左端よりも左側に位置するようにし、段差部13bがリッジ部8の右端よりも右側に位置するようにする。すなわち、段差部13a、13bがリッジ部8の両端部よりも外側に位置するようにする。
例えば、図3に示すように、段差部13aを凹部7aの底面上に設け、段差部13bを凹部7bの底面上に設けた構造とする。このような構造とすることにより、段差部13a、13b付近には、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cの間のストレスは集中しない。これにより、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスを、実施の形態1と比較して小さくすることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the present embodiment. Here, the configuration different from that of the first embodiment will be mainly described.
In the first embodiment, the
For example, as shown in FIG. 3, the
実施の形態1では、第1絶縁膜9a、9bの膜厚を80nm程度とした。これに対して本実施の形態では、これらの膜厚を実施の形態1よりも薄い膜厚、例えば30nm程度とする。これにより、端部12a付近において、絶縁膜11aとp型コンタクト層6cとの間のストレスを実施の形態1と比較して小さくすることができる。同様に、端部12b付近において、絶縁膜11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスを実施の形態1と比較して小さくすることができる。なお、第1絶縁膜9a、9bの膜厚は30nm程度であれば、リッジ部8の側面とp型電極14との間の絶縁性を十分に確保することができる。
In the first embodiment, the thickness of the first insulating
実施の形態1では、第2絶縁膜10a、10bの膜厚を120nm程度とした。これに対して本実施の形態では、実施の形態1よりも厚い膜厚、例えば300nm程度とする。このため、上記の膜が形成されている箇所では、絶縁膜11a、11bの膜厚は、実施の形態1と比較して厚くなっている。これにより、上記箇所において、p型コンタクト層6cと活性層4との間の容量(以下、「素子容量」という)を、実施の形態1と比較して小さくすることができる。
In the first embodiment, the thickness of the second insulating
本実施の形態によれば、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスを、実施の形態1と比較してさらに小さくすることができる。これにより、半導体レーザの寿命劣化をさらに効果的に防止して、長寿命の半導体レーザを得ることができる。
According to the present embodiment, the stress between the insulating
次に、上記実施の形態2の変形例について説明する。
上記実施の形態2では、第1絶縁膜9a、9bをシリコン窒化膜(SiN膜)とした。これに対し本変形例では、図4に示すように、第1絶縁膜9a、9bをシリコン酸窒化膜(SiON膜)とする。シリコン酸窒化膜は、p型コンタクト層6cとの間に発生するストレスが、シリコン窒化膜と比較して小さい膜である。このため、端部12a、12b付近に発生するストレスは、上記実施の形態2と比較して小さくなる。これにより絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスA、A’を、上記実施の形態2よりも小さくすることができる。
その他の構成については、上記実施の形態2と同様であるので、説明を省略する。
Next, a modification of the second embodiment will be described.
In the second embodiment, the first insulating
Since other configurations are the same as those in the second embodiment, description thereof is omitted.
本変形例によれば、上記実施の形態2の効果に加えて、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスA、A’を上記実施の形態2と比較して小さくすることができる。これにより、半導体レーザの寿命劣化をさらに効果的に防止することができる。
According to the present modification, in addition to the effects of the second embodiment, the stresses A and A ′ between the insulating
実施の形態3.
図5は、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。ここでは、実施の形態1と異なる構成を中心に説明する。
実施の形態1では、絶縁膜11a、11bの膜厚が端部に向かって段階的に薄くなった構造とした。これに対して本実施の形態では、図5に示すように、絶縁膜11a、11bは、それぞれの端部に向かって膜厚が連続的に薄くなった斜面形状13a−12a、13b−12bを有している。このような構造とすることにより、端部12a、12b付近とp型コンタクト層6cとの間のストレスA、A’を、実施の形態1と比較して、広い部分に分散させることができる。これにより、上記ストレスの集中を緩和することができる。
なお、絶縁膜11a、11bは、例えばシリコン窒化膜やシリコン酸窒化膜などの絶縁膜のうち、いずれか一つの材料からなる膜であっても良い。またあるいは、複数の異なる絶縁膜を積層した構造であっても良い。この場合、実施の形態1の変形例と同様に、積層した複数の膜のうち、p型コンタクト層6cとの差が最も小さい膜を最下層の膜とする。これにより、実施の形態1の変形例と同様の効果を得ることができる。
その他の構成については、上記実施の形態2と同様であるので、説明を省略する。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the present embodiment. Here, the configuration different from that of the first embodiment will be mainly described.
In the first embodiment, the insulating
The insulating
Since other configurations are the same as those in the second embodiment, description thereof is omitted.
本実施の形態によれば、絶縁膜11a、11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスを、実施の形態1と比較して、より広い部分に分散させることができる。これにより、上記ストレスの集中を、実施の形態1と比較してさらに緩和することができる。従って、半導体レーザの寿命劣化をさらに効果的に防止して、長寿命の半導体レーザを得ることができる。
According to the present embodiment, the stress between the insulating
実施の形態4.
図6は、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。ここでは、実施の形態1と異なる構成を中心に説明する。
実施の形態1では、端部12a、12bがp型コンタクト層6cの上で対向しているようにした。これに対して本実施の形態では、図6に示すように、端部12a、12bをp型コンタクト層6cの側面に設けた構造とする。
なお、図6では端部12a、12bの上面とp型コンタクト層6cの上面とが同一面上にある場合を示した。しかし、これらの上面は同一面上にある必要はなく、いずれかの上面が低い構造であっても良い。
その他の構成については、上記実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the present embodiment. Here, the configuration different from that of the first embodiment will be mainly described.
In the first embodiment, the
FIG. 6 shows the case where the upper surfaces of the
Other configurations are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
実施の形態1で述べたように、p型コンタクト層6cは、エピタキシャル成長により形成されたものであり、その成長方向は、n型半導体基板1の主面に垂直な方向である。このため、絶縁膜11aとp型コンタクト層6cとの間のストレスBの方向は、p型コンタクト層6cのエピタキシャル成長の方向と平行となる。同様に、絶縁膜11bとp型コンタクト層6cとの間のストレスB’の方向は、p型コンタクト層6cのエピタキシャル成長の方向と平行となる。従って、ストレスB、B’に起因する転移ループ(結晶欠陥)は、活性層4aの方向に進まない。これにより、ストレスB、B’に起因する転移ループ(結晶欠陥)が活性領域4aに達するのを抑制することができる。従って、半導体レーザの寿命劣化を防止して、長寿命の半導体レーザを得ることができる。
As described in the first embodiment, the p-
1 n型半導体基板、2 n型電極、3 n型クラッド層、4 活性層、4a 活性領域、5 p型クラッド層、6 p型コンタクト層、8 リッジ部、9a、9b 第1絶縁膜、10a、10b 第2絶縁膜、11a、11b 絶縁膜、14 p型電極、15 転移ループ(結晶欠陥)。
1 n-type semiconductor substrate, 2 n-type electrode, 3 n-type cladding layer, 4 active layer, 4a active region, 5 p-type cladding layer, 6 p-type contact layer, 8 ridge portion, 9a, 9b first insulating film,
Claims (8)
前記活性層に電子を注入するクラッド層と、前記活性層に正孔を注入するクラッド層とからなり、前記活性層を挟むように設けられた一対のクラッド層と、
前記一対のクラッド層のうち、一方のクラッド層と電気的に接続された第1電極と、
前記一対のクラッド層のうち、他方のクラッド層の表面に所定幅で形成された半導体層と、
前記他方のクラッド層の表面と、前記半導体層の側面と、前記半導体層の表面の一部とを覆い、前記半導体層の表面上に端部を有し、前記端部に向かって膜厚が薄くなるように設けられた絶縁膜と、
前記半導体層の表面および前記絶縁膜を覆う第2電極と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ。 An active layer that emits laser light by combining electrons and holes;
A clad layer for injecting electrons into the active layer, and a clad layer for injecting holes into the active layer, and a pair of clad layers provided so as to sandwich the active layer;
A first electrode electrically connected to one of the pair of cladding layers;
Of the pair of clad layers, a semiconductor layer formed with a predetermined width on the surface of the other clad layer;
Covers the surface of the other cladding layer, the side surface of the semiconductor layer, and a part of the surface of the semiconductor layer, has an end on the surface of the semiconductor layer, and has a film thickness toward the end. An insulating film provided to be thin; and
A second electrode covering the surface of the semiconductor layer and the insulating film;
A semiconductor laser comprising:
前記活性層に電子を注入するクラッド層と、前記活性層に正孔を注入するクラッド層とからなり、前記活性層を挟むように設けられた一対のクラッド層と、
前記一対のクラッド層のうち、一方のクラッド層と電気的に接続された第1電極と、
前記一対のクラッド層のうち、他方のクラッド層の表面に所定幅で形成された半導体層と、
前記他方のクラッド層の表面と、前記半導体層の側面の全部又は一部とを覆う絶縁膜と、
前記半導体層の表面と、前記絶縁膜とを覆う第2電極と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
An active layer that emits laser light by combining electrons and holes;
A clad layer for injecting electrons into the active layer, and a clad layer for injecting holes into the active layer, and a pair of clad layers provided so as to sandwich the active layer;
A first electrode electrically connected to one of the pair of cladding layers;
Of the pair of clad layers, a semiconductor layer formed with a predetermined width on the surface of the other clad layer;
An insulating film covering the surface of the other cladding layer and all or part of the side surface of the semiconductor layer;
A second electrode covering the surface of the semiconductor layer and the insulating film;
A semiconductor laser comprising:
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