JP2007049088A - 高出力赤色半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱特性を改善してレーザ素子の温度上昇を抑制し、素子の放熱面積を大きくする必要がない高出力赤色半導体レーザを提供する。
【解決手段】傾斜ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０、ｐ電極１２が積層され、ｎ−ＧａＡｓ基板２の裏側にはｎ電極１が形成されている。第２クラッド層９は、熱伝導率の良いＡｌＧａＡｓを成分としているのでレーザ素子の放熱特性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＶＤ等に用いられる高出力赤色半導体レーザに関する。
記録型ＤＶＤ市場の成熟により、高倍速で書き込むため、波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザでは、２５０mＷを超えるような高出力が求められている。
この赤色半導体レーザの一般的な構造を図４に示す。ｎ−ＧａＡｓ基板３２と、その上に成長させた半導体積層構造を備えている。この半導体積層構造は、基板側から順にｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３３、ＭＱＷ活性層３４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層３５、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層３６、ｎ−ＧａＡｓブロック層３７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層３９、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０で構成される。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３２の下面にはｎ電極３１が、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０の上面にはｐ電極４１が形成される。
図４の赤色半導体レーザは、第２クラッド層３８とバッファ層３９とで、ストライプ状のリッジ部分Ａを形成し、このリッジ部分Ａの両側にｎ−ＧａＡｓブロック層３７を配置し、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層３９とｎ−ＧａＡｓブロック層３７の層をｐ−ＧａＡｓキャップ層４０で覆った埋め込みリッジ構造を有している。
リッジ部分Ａの屈折率とリッジ側面に配置されたｎ−ＧａＡｓブロック層３７との屈折率の差によって水平方向に光を閉じ込めている。電流は、逆バイアスとなるｎ−ＧａＡｓブロック層３７及びその下部には流れず、ストライプ状のリッジ部Ａを流れる。
また、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８とを直接接合すると、バンドギャップ差が大きいために、ｐ側領域のキャリアである正孔に対して大きな障壁が接合界面近傍にでき、正孔の流れを妨げて電流が流れにくくなる。これを防ぐために、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８との間にバンドギャップが両者の中間になるｐ−ＧａＩｎＰバッファ層３９を挟み、接合界面に形成される障壁を低くして正孔を流れやすくしている。
ｐ電極４１とｎ電極３１との間に通電すると、電流は、電流阻止層であるｎ−ＧａＡｓブロック層３７により狭窄され、リッジ部Ａの下部位置に相当するＭＱＷ活性層３４の中央部から発光が得られる。ところで、２５０mＷを超えるような高出力を得ようとすると、動作電流を増大させる必要があり、それに伴って各層の電気抵抗に基づくジュール熱も増加し、レーザ素子内部からの発熱が大きくなる。
レーザ素子内部からの発熱による温度上昇を防ぐために、半導体レーザ素子をモジュール化する際には、図５に示すように、光学ガラス窓５２、リードピン５１等で構成されるパッケージにヒートシンク５４を取り付け、このヒートシンク５４上にレーザ素子５３を実装して、レーザ素子５３を冷却するようにしている。
特開平９−２０５２４９号公報
上記従来の赤色半導体レーザでは、ジュール熱が増加して、レーザ素子内部からの発熱量が大きくなった場合、基本材料となっているＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率が悪いために、特に熱が素子内部に留まりやすく、レーザ素子の過大な温度上昇が発生し、発光効率が落ちたり、最高出力の低下を招いていた。また、図５のようにヒートシンクによりレーザ素子を冷却するにしても、レーザ素子の放熱特性が悪いと、冷却に限界があるので、十分冷却できないという問題が発生する。
そこで、レーザ素子の放熱を促進する手段として、レーザ素子の表面積を大きくして放熱量を増大させることが考えられる。一般に、レーザ素子の温度特性を改善するためには、レーザ素子内部での電流密度を低減する必要があり、共振器長を長くしているので、レーザ素子の放熱面積を大きくするには、レーザ素子の共振器方向（軸方向）の長さをさらに長くする必要がある。
しかし、上記のようにすると、レーザ素子が相当大きくなるので非常に高価なものとなる。また、図５に示すレーザ素子を実装するパッケージの大きさは、通常一定の大きさにより生産されているので、このパッケージよりも長くて大きなレーザ素子を作製すると実装できなくなるという問題も発生する。
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、放熱特性を改善してレーザ素子の温度上昇を抑制し、素子の放熱面積を大きくする必要がない高出力赤色半導体レーザを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ｎ型半導体基板上に、少なくとも、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順に備え、活性層よりも上部に前記ｐ型クラッド層を含むストライプ状のリッジ部を有するＡｌＧａＩｎＰ系の高出力赤色半導体レーザにおいて、前記リッジ部を構成する半導体層の一部を、ＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする高出力赤色半導体レーザである。
また、請求項２記載の発明は、前記ｐ型クラッド層をＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項１記載の高出力赤色半導体レーザである。
また、請求項３記載の発明は、前記ｐ型クラッド層は、中間に形成されたエッチングストップ層により、リッジ部を有する第２ｐ型クラッド層とリッジ部を含まない第１ｐ型クラッド層に分離されていることを特徴とする請求項１記載の高出力赤色半導体レーザである。
また、請求項４記載の発明は、前記第２ｐ型クラッド層をＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項３記載の高出力赤色半導体レーザである。
また、請求項５記載の発明は、前記第１ｐ型クラッド層をＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項４記載の高出力赤色半導体レーザである。
また、請求項６記載の発明は、前記ｎ型クラッド層を、ＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の高出力赤色半導体レーザである。
本発明によれば、リッジ部を形成する半導体層の一部、例えばｐ型クラッド層を熱伝導率の良いＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成するようにしているので、レーザ素子内部の発熱がｐ電極側に伝わりやすく、ｐ電極から熱の放射が行われやすくなるので、過大な温度上昇を防ぐことができる。
また、クラッド層を熱伝導率の良いＡｌＧａＡｓを含む半導体で構成することにより、放熱特性を良くすることができるので、レーザ素子の放熱面積を大きくする必要がなくなる。
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による高出力赤色半導体レーザの断面構造を示す。
傾斜ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０、ｐ電極１２が積層され、ｎ−ＧａＡｓ基板２の裏側にはｎ電極１が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板２には、その結晶方位が、（００１）から１０〜１５度傾斜しているものを用いる。
ＭＱＷ活性層５は、３層のＧａＩｎＰ井戸層と２層のアンドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐバリア層で形成されている。ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３はｎ型不純物Ｓｉドープの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４とＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６はアンドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７はｐ型不純物Ｚｎドープの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８はｐ型不純物Ｚｎドープの無歪の（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐを３層とｐ型不純物Ｚｎドープの（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐを２層用いてこれらを交互に積層した層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９はｐ型不純物ＺｎドープのＡｌ０．５ＧａＡｓ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０はｐ型不純物ＺｎドープのＧａＡｓ、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１はｎ型不純物Ｓｉドープの（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより構成されている。ｐ電極１２はＴｉとＡｕの多層金属膜が、ｎ電極１はＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉの合金層とＴｉとＡｕの多層金属膜が用いられる。
ＭＱＷ活性層５を、両側からＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、６で挟み込んだ構造としている。これら光ガイド層は垂直方向に光を閉じ込めるために形成されているもので、光ガイド層の組成や厚さによって垂直広がり角度を制御できる。この垂直方向の光閉じ込めを弱めると、発光スポットが垂直方向に拡大し、出射ビームの垂直広がり角度（ＦＦＰの積層方向の大きさ）が低減する。
図１に示す高出力赤色半導体レーザは、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９とｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０とで、ストライプ状のリッジ部分Ｂを形成し、このリッジ部分Ｂの両側をｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１で覆った埋め込みリッジ構造を有している。電流は、逆バイアスとなるｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１及びその下部には流れず、ストライプ状のリッジ部Ｂを流れる。
製造方法は、既知のＭＯＣＶＤ法やフォトリソグラフィ技術等により以下のように行われる。なお、各層の適切な膜厚は、半導体材料の組成比率等により、変化するものであるが、本実施例では、前述の各層の組成比率に基づき以下のように形成した。
ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)を用いた第１回目の結晶成長によって、２．５μｍ厚のｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、５ｎｍ厚のＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、１０ｎｍ厚のＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、０．２４μｍ厚のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８、１．２５μｍ厚のｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９、０．２μｍ厚のｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０を順に形成し、ダブルヘテロ構造のウエハを得る。なお、ＭＱＷ活性層５は、６ｎｍ厚の井戸層を３層と、４ｎｍ厚のバリア層を２層の多重量子井戸構造とし、エッチングストップ層８は、２ｎｍ厚の無歪の（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐを３層と、５ｎｍ厚の（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐを２層の多層構造とした。
次に、ストライプ状のＳｉＯ２をマスクとし、ドライエッチングによりｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０及びｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９をエッチングして、リッジ部Ｂを形成する。次に、塩酸若しくは希硫酸と過酸化水素水でウェットエッチングしてエッチングストップ層８に達するまでエッチングを行う。エッチングストップ層８によりリッジエッチングが自動的に停止し、制御良くリッジを形成できる。
その後、ウエハをＭＯＣＶＤ装置内に戻し、第２回目の結晶成長によってｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１を形成する。その後、ＳｉＯ２のマスクをＨＦ処理によって除去する。最後に、ラッピング、ポリッシュによってウエハを１００μｍ程度まで薄くし、真空蒸着法によってｎ電極１及びｐ電極１２を形成する。
ｐ電極１２とｎ電極１との間に通電すると、発振が起こり、レーザ光が継続して発生するが、電気抵抗等の関係により特にｐ側の層やＭＱＷ活性層５に大きなジュール熱が発生する。これらの発熱は拡散していくが、第２クラッド層９は、熱伝導率の良いＡｌＧａＡｓを成分としているので、熱は第２クラッド層９を速やかに伝導してｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０まで達する。ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０は薄いので、熱はｐ電極１２まですぐに拡散し、ｐ電極１２から放熱される。ＡｌＧａＡｓの熱伝導率は、ＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率の約２倍に達するので、図４に示す赤色半導体レーザと比較して熱の拡散が速やかに行われる。このようにリッジ部Ｂを構成している半導体層の一部をＡｌＧａＡｓを成分とする半導体で形成することによって放熱特性が改善され、レーザ素子の過大な温度上昇を防ぐことができる。
ところで、ＡｌＧａＡｓ混晶系では、Ａｌ組成を下げることでさらに熱伝導率を高く（低熱抵抗化）することができるが、他方、クラッド層のバンドギャップエネルギーが低下して少数キャリアの流出をブロックすることができなくなるので、本実施例のようにクラッド層はＡｌ０．５ＧａＡｓとＡｌ組成を４０％〜７０％、望ましくは５０％〜６０％の範囲で構成するのが良い。本実施例では、Ａｌ組成を５０％とした。
図２は、図１の構成でｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７に替えてｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層７１を用いた構造を示す。第１クラッド層７１は、第２クラッド層９同様、ｐ型不純物ＺｎドープのＡｌ０．５ＧａＡｓにより構成される。上述したようにＡｌＧａＡｓの熱伝導率は高いので、ＭＱＷ活性層５やｐ側の層で発生したジュール熱は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層７１を速やかに伝わり、さらにｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層９中も速やかに拡散してｐ電極１２側に伝わるので、放熱特性が良くなる。さらに、放熱特性を上げるためには、リッジ部Ｂの高さＨを短くして熱の拡散距離を小さくすることが望ましい。高さＨを短くすることが望ましいのは、図１及び図３の構成についても同様である。
図３は、図２の構成でｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３に替えてｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１を用いた構造を示す。クラッド層３１は、ｎ型不純物ＳｉドープのＡｌ０．５ＧａＡｓにより構成される。クラッド層３１を熱伝導率の良いＡｌＧａＡｓを成分とする半導体で構成することで、ｎ側の層で発生したジュール熱についても、効率良く放熱させようとするものであり、ｎ側の層で発生した熱は、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１を速やかに伝わり、ｐ電極１２又はｎ電極１側に拡散しやすくなり、放熱特性が良くなる。
なお、実施例に記載した各層の膜厚はこれに限るものではない。例えば、ｎ型クラッド層３、３１は１〜３μｍ程度、ｎ側光ガイド層４は５〜３０ｎｍ、ＭＱＷ活性層５の井戸層は３〜９ｎｍ程度、ＭＱＷ活性層５のバリア層は３〜９ｎｍ程度、ｐ側光ガイド層６は５〜３０ｎｍ、ｐ型第１クラッド層７、７１は０．２〜０．４μｍ、エッチングストップ層８の無歪の（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層は１〜５ｎｍ程度、エッチングストップ層８の（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層は３〜１０ｎｍ程度、ｐ型第２クラッド層９は０．５〜２μｍの範囲で、さらに好ましくは０．８〜１．５μｍ、ｐ型コンタクト層１０は０．２〜０．８μｍであれば良い。
本発明の高出力赤色半導体レーザの断面構造を示す図である。 本発明の高出力赤色半導体レーザの他の断面構造を示す図である。 本発明の高出力赤色半導体レーザの他の断面構造を示す図である。 従来の赤色半導体レーザの断面構造を示す図である。 半導体レーザ素子が取り付けられるパッケージの構成を示す図である。
符号の説明
１ ｎ電極
２ ｎ−ＧａＡｓ基板
３ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４ ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
５ ＭＱＷ活性層
６ ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
７ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
８ ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
１０ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１１ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層
１２ ｐ電極

Claims (6)

  1. ｎ型半導体基板上に、少なくとも、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を順に備え、活性層よりも上部に前記ｐ型クラッド層を含むストライプ状のリッジ部を有するＡｌＧａＩｎＰ系の高出力赤色半導体レーザにおいて、前記リッジ部を構成する半導体層の一部を、ＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする高出力赤色半導体レーザ。
  2. 前記ｐ型クラッド層をＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項１記載の高出力赤色半導体レーザ。
  3. 前記ｐ型クラッド層は、中間に形成されたエッチングストップ層により、リッジ部を有する第２ｐ型クラッド層とリッジ部を含まない第１ｐ型クラッド層に分離されていることを特徴とする請求項１記載の高出力赤色半導体レーザ。
  4. 前記第２ｐ型クラッド層をＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項３記載の高出力赤色半導体レーザ。
  5. 前記第１ｐ型クラッド層をＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項４記載の高出力赤色半導体レーザ。
  6. 前記ｎ型クラッド層を、ＡｌＧａＡｓを含む半導体で形成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の高出力赤色半導体レーザ。
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