JP2007059488A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】活性層内における光の増幅度や、レーザ発振のしきい値に大きな影響を与えずに、ＦＦＰの大きさを改善する半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体レーザは、ｎ型電極１、基板２、ｎ型バッファ層３、ｎ型クラッドＡ層４、高屈折率層５、ｎ型クラッドＡ層６、ｎ型光ガイド層７、ＭＱＷ活性層８、ｐ型光ガイド層９、ｐ型クラッド層１０、ｐ型コンタクト層１１、ｐ型電極１２で形成されている。ｎ型クラッド層中にｎ型クラッド層よりも高い屈折率を有する高屈折率層５が形成されており、この高屈折率層５の作用により光のしみ出す領域を拡大させてＦＦＰを小さくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＦＦＰ（Far Field Pattern）の大きさを改善することができる半導体レーザに関する。

半導体レーザは、ダブルへテロ結合により構成されており、基本的な構造としては、レーザ光を発生させる活性層と、活性層を挟み込んで光やキャリア閉じ込めを行う２つのクラッド層で構成されている。

これは、活性層の上下を、活性層よりも屈折率の低い材料を用いたクラッド層で覆う形にすることで、活性層内で発生した光を活性層とクラッド層の境界で全反射させて、効率よく光を増幅するためである。しかし、電流注入構造を考えた場合、クラッド層はp型およびｎ型の半導体材料でなければならず、これらを結晶成長により作製する場合、材料間の格子定数を整合させることが必要なため、活性層とクラッド層に類似の半導体材料を用いている。

したがって、活性層とクラッド層間の屈折率差は非常に小さいものとなり、そのため活性層内への光閉じ込め効果も弱いものとなっていた。そこで、光閉じ込め効果を高めるため、光ガイド層を挿入したり、クラッド層の膜厚を厚くしている。

図６は、従来の半導体レーザの基本的な構造を示すもので、ｎ型電極２１、基板２２、ｎ型バッファ層２３、ｎ型クラッド層２４、ｎ型光ガイド層２５、ＭＱＷ活性層２６、ｐ型光ガイド層２７、ｐ型クラッド層２８、ｐ型コンタクト層２９、ｐ型電極３０により構成されている。

ところで、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどの窒化ガリウム系化合物半導体で構成される半導体レーザが知られている。この窒化ガリウム半導体レーザでは、短波長化により小さなビームに絞ることが可能となり、光ディスクなど高密度情報処理用の光源として期待されている。

例えば、上記窒化ガリウム半導体レーザでは、基板２２にｎ型ＳｉＣ基板、ｎ型バッファ層２３にｎ型のＡｌＮ、ｎ型クラッド層２４にｎ型のＡｌＧａＮ、ｎ型光ガイド層２５にｎ型のＧａＮ、ＭＱＷ活性層２６にＧａＮとＩｎＧａＮとの多重量子井戸構造、ｐ型光ガイド層２７にｐ型のＧａＮ、ｐ型クラッド層２８にｐ型のＡｌＧａＮ、ｐ型コンタクト層２９にｐ型のＧａＮが用いられる。

また、基板２をＳｉＣからサファイアにした場合には、ｎ型ＡｌＮバッファ層２３に替えてＧａＮバッファ層が用いられ、この上にｎ型ＧａＮからなるｎ型コンタクト層が形成され、ｎ型コンタクト層上にｎ型電極が形成されるが、ｎ型クラッド層２４〜ｐ型クラッド層２８までの構造は変わらない。

図６に示す構造を有し、上記窒化ガリウム半導体レーザにおける近視野像（ＮＦＰ：Near Field Pattern）と各層の屈折率の一例を図８に示す。横軸は各層の厚さを示すもので、ｐ型クラッド層２８の端面を基準としてｎ型電極２１に向かっての距離を表わしている。また、縦軸は、屈折率または光強度を示すスケールとなっている。

上述したように、光閉じ込め効果を高め、ｎ型バッファ層２３への光の漏れ出しを防ぐために、ｎ型クラッド層２４の膜厚を１．１μｍと厚く形成している。また、ｐ型光ガイド層２７、ｎ型光ガイド層２５ともに膜厚が０．１μｍの厚さで形成されている。光ガイド層とクラッド層との屈折率差は約０．０５となっている。

ＮＦＰを見ると、ＭＱＷ活性層２６で発生した光は、最も強い値を示し、この光が活性層内に閉じ込められずに、光ガイド層を通ってクラッド層にまで光が漏れ出していることがわかる。しかし、ｎ型クラッド層２４を厚く形成しているので、ｎ型バッファ層２３には光がしみ出しておらず、光の漏れ出しは、ｎ型クラッド層２４の途中まで（横軸座標で１．２まで）に抑制されているので、ＮＦＰは小さくなっている。

図８のようなＮＦＰを有する半導体レーザの場合の遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）を図９に示す。ＦＦＰとは、図７に示すように半導体レーザ４０から光が放射される場合の拡がり角の状態を表したものであり、半導体レーザ４０の横方向（層方向）に並行な特性θ_Ｈ、これに垂直な方向（積層方向）の特性θ_Ｖによりレーザ光の遠視野像の状態を表わすものである。

図９において、横軸は出射部からの角度、縦軸は光強度が最も強いところを１とした場合の正規化された光強度を示す。また、破線は、θ_Ｈ方向の光強度分布を示し、実線は、θ_Ｖ方向の光強度分布を示す。このときのθ_Ｈ方向の光強度分布の半値全幅（角）であるＦＦＰ_Ｈは１０．６９、θ_Ｖ方向の光強度分布の半値全幅（角）であるＦＦＰ_Ｖは、２４．０５となっている。また、レーザ発振のしきい値は、１０９ｍＡ、光出力効率（ＳＥ）は、０．５４であった。

以上のように、ｎ型クラッド層２４を厚く形成すると、光閉じ込め効果が強くなるので、半導体レーザの端面付近での近視野像であるＮＦＰは小さくなるが、ＦＦＰは逆に大きくなる。光ディスクなどの光ピックアップ用レーザとしては、ＦＦＰが小さいことが望ましい。
特開平１１−２５１６８５号公報

しかしながら、上記従来の半導体レーザの構成では、光の閉じ込め効果を強くするために、ｎ型クラッド層を厚くしているので、レーザ発振時にＦＦＰの垂直方向の特性を示すＦＦＰ_Ｖが特に大きくなってしまうので、光ピックアップ用レーザ等に用いることが難しい。また、ｎ型クラッド層を厚くしすぎると、結晶性の点でも格子定数の違いからクラックが多く発生して信頼性の低下をもたらすという問題が発生する。

そこで、光の閉じ込めを緩和してＦＦＰ_Ｖを小さくするために、ｎ型クラッド層２４を薄くすると、クラック発生などの防止は期待できるが、他方、光のしみ出しが大きくなってｎ型バッファ層２３にまで光が漏れ出し、光の増幅度が弱くなって、レーザ発振のしきい値が非常に大きくなったり、ＦＦＰに２つ以上のピークが生じたり（多峰性）して、光ディスクシステム光源として使える特性を得ることは困難であった。

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、活性層内における光の増幅度やレーザ発振のしきい値に大きな影響を与えずに、ＦＦＰの大きさを改善することができる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、活性層をｎ型とｐ型の１対のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を有する半導体レーザであって、前記ｎ型クラッド層中にｎ型クラッド層よりも高い屈折率を有する高屈折率層が形成されていることを特徴とする半導体レーザである。

また、請求項２記載の発明は、前記活性層とクラッド層との間には前記活性層を挟み込むように１対の光ガイド層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザである。

また、請求項３記載の発明は、前記高屈折率層とｎ型クラッド層との屈折率差は、前記光ガイド層とｎ型クラッド層との屈折率差と等しくしたことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザである。

また、請求項４記載の発明は、前記高屈折率層の膜厚を前記光ガイド層の膜厚と等しくしたことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザである。

また、請求項５記載の発明は、前記高屈折率層の膜厚を前記光ガイド層の膜厚よりも大きくしたことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザである。

本発明によれば、ｎ型クラッド層中にｎ型クラッド層よりも高い屈折率を有する高屈折率層を形成しているので、ｎクラッド層中への漏れ出しが増加して、光のしみ出し領域が拡大し、ＦＦＰの積層方向の大きさを小さくすることができる。

一方、ｎ型クラッド層の厚さを薄くしなくても済むので、半導体レーザ活性層の近傍の発光状態は変化せず、光の増幅度やレーザ発振のしきい値が大きく変化することを防止することができ、ＦＦＰ形状が双峰になる等のピーク形状の変化を防止することができる。

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は本発明による半導体レーザの断面構造を示す。

本発明の半導体レーザは、ｎ型電極１、基板２、ｎ型バッファ層３、ｎ型クラッドＡ層４、高屈折率層５、ｎ型クラッドＡ層６、ｎ型光ガイド層７、ＭＱＷ活性層８、ｐ型光ガイド層９、ｐ型クラッド層１０、ｐ型コンタクト層１１、ｐ型電極１２で形成されている。

図１の半導体レーザを窒化ガリウム半導体レーザと想定すると、基板２をＳｉＣ基板とし、ＳｉＣ基板上にＭＯＣＶＤ法により各層を作製する。ｎ型バッファ層３はＳｉをドープしたＡｌＮを３μｍ成長させ、ｎ型クラッドＡ層４はＳｉをドープしたＡｌＧａＮを０．５μｍ、高屈折率層５はＳｉをドープしたＧａＮを０．１μｍ、ｎ型クラッドＡ層６はＳｉをドープしたＡｌＧａＮを０．６μｍ、ｎ型光ガイド層７はＳｉをドープしたＧａＮを０．１μｍ成長させ、ＭＱＷ活性層８は、ＧａＮからなる障壁層と、Ｉｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎからなる井戸層との多重量子井戸構造で、かつ、図２に示すように電子キャリアをｐ側に拡散させないようにするための電子バリア層を含む構造とし、ｐ型光ガイド層９はＭｇをドープしたＧａＮを０．１μｍ、ｐ型クラッド層１０はＭｇをドープしたＡｌＧａＮを０．５μｍ、ｐ型コンタクト層１１を成長させる。その後、ｐ型コンタクト層１１にはＰｄ／Ａｕからなるｐ型電極１２、基板２にはＡｌ／Ａｕからなるｎ型電極１が形成される。

活性層にはＩｎxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）、クラッド層にはＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を用いたが、一般に窒化ガリウム系化合物半導体として、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）を用いることができる。また、ｎ型クラッドＡ層４とｎ型クラッドＡ層６は、超格子構造であっても良く、ＡｌＧａＮの半導体層と等価な層を超格子構造で形成する場合には、ＡｌＧａＮ薄膜とＧａＮ薄膜の多層構造とすることができる。例えば、Ａｌ_{０．０７５}Ｇａ_{０．９２５}Ｎの半導体層と等価な超格子構造は、膜厚２５ÅのＡｌ_{０．０７５}Ｇａ_{０．９２５}Ｎ半導体層と膜厚２５ÅのＧａＮ半導体層との多層構造で構成できる。このように、ｎ型クラッドＡ層４、６を超格子構造とした場合、以下に述べる屈折率は、超格子構造を形成する各層の屈折率を加味した平均屈折率を言うものとする。

上記のように構成された図１の半導体レーザにおけるＮＦＰと各層の屈折率の一例を図２に示す。横軸は各層の厚さを示すもので、ｐ型クラッド層１０の端面を基準としてｎ型電極１に向かっての距離を表す。また、縦軸は、屈折率または光強度を示すスケールとなっている。

ＮＦＰの光強度分布は山型の波形となっているが、ＭＱＷ活性層８で発光が生ずるために、発光強度はＭＱＷ活性層８で最も高く、ピークを形成し、ＭＱＷ活性層８から漏れ出した光が光ガイド層やクラッド層に到達する。

各層の屈折率の変化は、階段状の曲線で表されている。ｎ型クラッドＡ層４とｎ型クラッドＡ層６とは同じ半導体材料からなるもので、本実施例ではＳｉをドープしたＡｌＧａＮで形成されており、ｎ型クラッドＡ層４とｎ型クラッドＡ層６とは同じ屈折率を有している。また、ＳｉをドープしたＧａＮからなる高屈折率層５は、ｎ型クラッドＡ層４及びｎ型クラッドＡ層６よりも屈折率は、約０．０５程度大きく、ｎ型クラッドＡ層４、６とｎ型光ガイド層７又はｐ型光ガイド層９との屈折率差と等しくなっている。なお、高屈折率層５の膜厚は０．１μｍで、ＳｉをドープしたＧａＮからなるｎ型光ガイド層７又はＭｇをドープしたＧａＮからなるｐ型光ガイド層９と同じ膜厚で構成されている。

高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に光を入射したときに、境界面への入射角によって全反射が起きるので、この全反射により光を閉じ込めようとするため、通常、活性層の屈折率を最も高くし、活性層、光ガイド層、クラッド層の順に屈折率を下げていく構成としている。本発明では、ｎ型クラッドＡ層４、６よりも屈折率の高い高屈折率層５をｎ型クラッドＡ層４とｎ型クラッドＡ層６との間に挟み込むことで、ｎ型クラッド層中の一部に高屈折率領域を形成するようにし、低屈折率の媒質から高屈折率の媒質に光を入射させて、光の全反射が行われないようにすることで、逆に、光の漏れ出しを促進させている。

光の漏れ出しを促進させるためには、図８に示されるＮＦＰ波形のｎ型クラッド層２４における光強度が０に近い地点の近く（横軸座標１．２の近く）に、高屈折率層５を形成するのが望ましい。

図２のＮＦＰは、図８に示す従来の半導体レーザのＮＦＰと比較して、ｐ型クラッド層１０、ｐ型光ガイド層９、ＭＱＷ活性層８、ｎ型クラッドＡ層４における光強度分布、すなわち、横軸座標０．２〜１．２μｍまでの光強度分布は、ほとんど変化していないが、１．２μｍ以上への光のしみ出しが発生し、高屈折率層５へも光が漏れ出していることがわかる。

図３は、図２のＮＦＰに対するＦＦＰを示す。横軸は出射部からの角度、縦軸は光強度が最も強いところを１とした場合の正規化された光強度を示す。レーザ発振のしきい値は、１０９ｍＡ、光出力効率（ＳＥ）は０．５４であった。これは、図９で示した従来のものと変わらない。しかし、１．２μｍ以上への光のしみ出しが発生しているために、ＦＦＰ_Ｈは１０．４６、ＦＦＰ_Ｖは２１．１６と図９と比較して改善されている。特に、ＦＦＰ_Ｖが２４．０５から２１．１６とかなり小さくなっている。このように、ｎ型クラッド層を薄くせずに光のしみ出し領域を拡大することができるので、レーザ発振のしきい値や光出力効率、ＮＦＰのピーク形状を変えることなく、ＦＦＰ_Ｖを小さくすることができる。

また、図４は、高屈折率層５の膜厚を変化させた例を示す。ｎ型クラッドＡ層４の厚さは、図２と同様、０．５μｍであるが、ＳｉをドープしたＧａＮからなる高屈折率層５を図２よりも大きく、厚さにして２倍の０．２μｍとし、ｎ型クラッドＡ層６の厚さを０．５μｍとしている。その他の各層の膜厚は図２で述べたものと同様である。

図２と比較して、ｐ型クラッド層１０、ｐ型光ガイド層９、ＭＱＷ活性層８、ｎ型クラッドＡ層６における光の分布状態ないし分布形状にほとんど変化はないが、光のしみ出し量が増えている。横軸座標１．２μｍ以上、特に高屈折率層５に漏れ出した光の強度が比較的強くなって、小さいピークを形成し、さらに、ｎ型クラッドＡ層４にも光がしみ出している。このように、光の漏れ出した領域が拡大したことにより、ＮＦＰが拡大するので、これに対するＦＦＰは小さくなる。

図５は、図４のＮＦＰに対するＦＦＰを示す。図５に示すように、ＦＦＰ_Ｈは８．４９、ＦＦＰ_Ｖは１４．９９と図３と比較すると、図３のＦＦＰよりもさらに改善されている。また、発振の電流の閾値は、１１１ｍＡ、光出力効率は０．４７であった。これは、図３と比較して少し悪くなったが、許容できる範囲である。

以上のように、同じ半導体材料で構成されたｎ型クラッドＡ層６とｎ型クラッドＡ層４との間に挿入された屈折率の高い高屈折率層５の厚さを変化させることで、光の漏れ出し量を制御することができ、ｎ型クラッド層を薄くせずに光のしみ出し領域を拡大させることができるので、ＮＦＰのピーク形状を変えることなく、ＦＦＰ_Ｖを小さくすることができる。

上記実施例では、ｎ型クラッド層をＡｌＧａＮを成分とするｎ型クラッドＡ層４とｎ型クラッドＡ層６、ＧａＮを成分とする高屈折率層５により構成しているが、ＧａＮを成分とするｎ型クラッドＡ層４とｎ型クラッドＡ層６とし、ＩｎＧａＮを成分とする高屈折率層５で構成するようにしても良い。また、ＡｌＧａＩｎＮを用いることもでき、Ａｌの成分比率を大きくしてＡｌＧａＩｎＮの屈折率を小さくした場合には、ＡｌＧａＩｎＮを成分とするｎ型クラッドＡ層４、６とＧａＮを成分とする高屈折率層５で構成し、一方、Ｉｎの成分比率を大きくしてＡｌＧａＩｎＮの屈折率を大きくした場合には、ＧａＮを成分とするｎ型クラッドＡ層４、６とＡｌＧａＩｎＮを成分とする高屈折率層５で構成することもできる。

また、窒化ガリウム半導体レーザでなくとも、ダブルへテロ結合の構造を有するレーザ半導体であれば、ｎ型クラッド層の半導体材料と類似の半導体材料を用い、ｎ型クラッド層よりも高い屈折率を有する高屈折率層をｎ型クラッド層中に形成することで、レーザ発振のしきい値や発光出力効率を悪化させずにＦＦＰの積層方向の大きさを小さくすることができる。

なお、同じ半導体材料からなるｎ型クラッド層を多分割して、高い屈折率を有する高屈折率層を複数挿入して多層構造とする場合には、高屈折率層を分割されたｎ型クラッド層でサンドイッチ状に挟むように構成すれば良い。

本発明の半導体レーザの断面構造を示す図である。 本発明の半導体レーザのＮＦＰと各層の屈折率を示す図である。 図２の場合の遠視野像（ＦＦＰ）を示す図である。 図２よりも高屈折率層を厚くしたときのＮＦＰと各層の屈折率を示す図である。 図４の場合の遠視野像（ＦＦＰ）を示す図である。 従来の半導体レーザの断面構造を示す図である。 遠視野像（ＦＦＰ）を説明する図である。 従来の半導体レーザのＮＦＰと各層の屈折率を示す図である。 図８の場合の遠視野像（ＦＦＰ）を示す図である。

符号の説明

１ ｎ型電極
２ 基板
３ ｎ型バッファ層
３ 光吸収層
４ ｎ型クラッドＡ層
５ 高屈折率層
６ ｎ型クラッドＡ層
７ ｎ型光ガイド層
８ ＭＱＷ活性層
９ ｐ型光ガイド層
１０ ｐ型クラッド層
１１ ｐ型コンタクト層
１２ ｐ型電極

Claims (5)

1. 活性層をｎ型とｐ型の１対のクラッド層で挟んだダブルヘテロ構造を有する半導体レーザであって、ｎ型クラッド層中にｎ型クラッド層よりも高い屈折率を有する高屈折率層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記活性層とクラッド層との間には前記活性層を挟み込むように１対の光ガイド層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記高屈折率層とｎ型クラッド層との屈折率差は、前記光ガイド層とｎ型クラッド層との屈折率差と等しくしたことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
4. 前記高屈折率層の膜厚は、前記光ガイド層の膜厚と等しくしたことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
5. 前記高屈折率層の膜厚は、前記光ガイド層の膜厚よりも大きくしたことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
   

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