JP2007066957A - Semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザ素子に係り、特に共振器型の半導体レーザ素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a resonator type semiconductor laser device.
共振器型の半導体レーザ素子は、例えば、CD(Compact Disk)やDVD(Digital Versatile Disk)などの光ディスクの記録及び/または再生を行う光ピックアップ装置などに使用されている。そして、このような半導体レーザ素子は、今般の光ピックアップ装置などのさらなる感度向上に対応して、さらなる高出力化が望まれている。
ところが、高出力の半導体レーザ素子において、COD(Catastrophic Optical Damage)と呼ばれる光学損傷が問題となっており、信頼性の低下をもたらしている。
このCODは、レーザ光を発生する活性層の共振器面近傍部が、素子内部で発生したレーザ光に対して吸収領域になっていることにより発生する。
素子製造工程において、通常、大気中で劈開することによって、その劈開面が共振器面として得られる。このとき、劈開を大気中で行うため、大気中の酸素と反応して、共振器面には自然酸化層が形成されてしまう。
この自然酸化層のバンドギャップは素子内部の活性層のバンドギャップより小さいために吸収領域となり温度上昇を伴うため、この温度上昇により共振器面近傍のバンドギャップがさらに狭くなり、レーザ光の吸収がますます起こりやすくなる。その結果、上述の現象を繰り返し、ついには共振器面が溶融して半導体レーザ素子が破壊される。
A resonator type semiconductor laser element is used in an optical pickup device for recording and / or reproducing an optical disk such as a CD (Compact Disk) and a DVD (Digital Versatile Disk). Such a semiconductor laser element is desired to have a higher output in response to a further improvement in sensitivity of a conventional optical pickup device or the like.
However, in a high-power semiconductor laser device, optical damage called COD (Catastrophic Optical Damage) has been a problem, resulting in a decrease in reliability.
This COD occurs when the vicinity of the resonator surface of the active layer that generates laser light is an absorption region for the laser light generated inside the device.
In the element manufacturing process, the cleavage plane is usually obtained as a resonator plane by cleaving in the atmosphere. At this time, since the cleavage is performed in the atmosphere, a natural oxide layer is formed on the resonator surface by reacting with oxygen in the atmosphere.
Since the band gap of this natural oxide layer is smaller than the band gap of the active layer inside the device and becomes an absorption region, the temperature rises, and this temperature rise further narrows the band gap near the resonator surface, and the absorption of laser light is reduced. Increasingly more likely. As a result, the above phenomenon is repeated, and finally, the cavity surface is melted and the semiconductor laser element is destroyed.
そこで、CODレベル(CODが発生するときの発光出力をいう)を向上させる方法が、特許文献1に記載されている。
この特許文献1によれば、共振器面近傍の少なくとも活性層における不純物濃度を約5〜15×1017cm−3、あるいは、それ以上とすることで、高信頼、高出力の半導体レーザ素子を実現できるとしている。
According to this
しかしながら、特許文献1に記載されている半導体レーザ素子では、CODレベルを十分に向上することが困難なため、高出力、例えば300mW以上の発光出力を得ることができない。CODレベルを十分に向上できない理由として、キャリア損失の影響が考えられる。
However, in the semiconductor laser element described in
そこで、本発明が解決しようとする課題は、CODレベルを向上させることにより、さらなる高出力の半導体レーザ素子を提供することにある。 Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor laser device with higher output by improving the COD level.
上記の課題を解決するために、本願発明は次の手段を有する。
1)第1導電型半導体基板(1)の上面(S)に、第1導電型クラッド層(2)と、活性層(3)と、第2導電型クラッド層(4)とを順次積層してなり、一対の共振器面(A1,A2)を有する半導体レーザ素子(10)であって、前記一対の共振器面(A1,A2)の一部を形成する前記活性層部分及び前記活性層部分の近傍に位置する前記活性層部分(Z)における自由キャリア吸収損失を10〜13cm−1の範囲内としたこと特徴とする半導体レーザ素子(10)である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following means.
1) A first conductivity type cladding layer (2), an active layer (3), and a second conductivity type cladding layer (4) are sequentially laminated on the upper surface (S) of the first conductivity type semiconductor substrate (1). A semiconductor laser device (10) having a pair of resonator surfaces (A1, A2), the active layer portion forming the part of the pair of resonator surfaces (A1, A2) and the active layer The semiconductor laser device (10) is characterized in that a free carrier absorption loss in the active layer portion (Z) located in the vicinity of the portion is in a range of 10 to 13 cm −1 .
本発明によれば、一対の共振器面の各面近傍部における活性層の自由キャリア吸収損失を、10〜13cm−1の範囲内とすることにより、CODレベルが向上するので、高出力の半導体レーザ素子が得られるという効果を奏する。 According to the present invention, the COD level is improved by setting the free carrier absorption loss of the active layer in the vicinity of each face of the pair of resonator faces within the range of 10 to 13 cm −1 , so that the high output semiconductor There is an effect that a laser element can be obtained.
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図1〜図5を用いて説明する。
図1〜図4は、本発明の半導体レーザ素子の実施例における、第1工程〜第4工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。各図と各工程とはそれぞれ対応している。
The preferred embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
1 to 4 are schematic cross-sectional views for explaining the first to fourth steps in the embodiment of the semiconductor laser device of the present invention. Each figure corresponds to each process.
<実施例>
(第1工程)[図1参照]
まず、GaAsからなるn型基板1の上面Sに、ドーパント濃度が約5×1017cm−3の(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pからなるn型クラッド層2と、ノンドープのGa0.5In0.5Pからなる活性層3と、ドーパント濃度が約5×1017cm−3の(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5Pからなるp型クラッド層4と、GaAsからなるP+型キャップ層5とを、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法により、順次積層する。
<Example>
(First step) [See FIG. 1]
First, an n-type cladding layer made of (Al 0.4 Ga 0.6 ) 0.5 In 0.5 P having a dopant concentration of about 5 × 10 17 cm −3 is formed on the upper surface S of an n-
この第1工程では、n型ドーパントとしてSi(シリコン)を、p型ドーパントとしてZn(亜鉛)を用いた。他のp型ドーパントとして、Be(ベリリウム),C(炭素),Mg(マグネシウム)等を用いても良い。
また、この第1工程では、各層を成膜する際の基板加熱温度を、約650℃に設定した。
In this first step, Si (silicon) was used as the n-type dopant, and Zn (zinc) was used as the p-type dopant. As another p-type dopant, Be (beryllium), C (carbon), Mg (magnesium), or the like may be used.
In the first step, the substrate heating temperature when forming each layer was set to about 650 ° C.
(第2工程)[図2参照]
P+型キャップ層5の表面に、例えば、ZnO(酸化亜鉛)からなり、幅w1が約40μmの拡散源層7を所定の間隔d1を有するストライプ状に形成する。図2では、複数の拡散源層7の内の2つを示している。
実施例では、この間隔d1を約1.5mmとした。
また、図2では、説明をわかりやすくするために、幅w1に対して間隔d1の寸法を圧縮して表している。
(Second step) [See FIG. 2]
On the surface of the P +
In the embodiment, the distance d1 is about 1.5 mm.
Further, in FIG. 2, for easy understanding, the dimension of the interval d1 is compressed with respect to the width w1.
次に、この拡散源層7が形成されたn型基板1を、第1工程における基板加熱温度よりも低い温度である約600℃に加熱することによって、拡散源層7中のZn(亜鉛)を、不純物として、拡散源層7とP+型キャップ層9との界面からn型クラッド層2の途中までの領域に拡散させる。この不純物であるZnが拡散された領域を、不純物拡散領域Zと呼ぶ。
実施例では、この不純物拡散領域Zにおける活性層3のZn濃度が約2×1017cm−3となるように、加熱時間を調整した。また、この不純物拡散領域Zの幅w2は、約40μmである。
このZn濃度に設定した理由について、後で詳述する。
また、この不純物拡散領域Zにおけるp型クラッド層4のZn濃度は、約2×1017cm−3である。
Next, the n-
In the example, the heating time was adjusted so that the Zn concentration of the
The reason for setting this Zn concentration will be described in detail later.
Further, the Zn concentration of the p-
(第3工程)[図3参照]
拡散源層7を除去する。
次に、P+型キャップ層9の表面にAu(金)系のp型電極8を形成し、n型基板1の積層方向とは反対側の面にAu(金)系のn型電極9を形成する。
(Third step) [See FIG. 3]
The diffusion source layer 7 is removed.
Next, an Au (gold) -based p-
(第4工程)[図4参照]
上述のp型及びn型電極8,9が形成されたn型基板1を、不純物拡散領域Zをその延在する方向に略二分する面に沿って劈開し、その劈開面が共振器面A1,A2となるバーを形成する。
このバーを、所定の間隔で、上述の工程を経たn型基板1の表面に対して直交する面で分断し、本実施例の半導体レーザ素子10を得る。
従って、この半導体レーザ素子10の不純物拡散領域Zの幅w3は約20μmである。
(4th process) [Refer FIG. 4]
The n-
This bar is divided at a predetermined interval by a plane orthogonal to the surface of the n-
Therefore, the width w3 of the impurity diffusion region Z of the
この半導体レーザ素子10は、p型電極8側からn型電極9側に向かって順方向電流を注入し、この電流が発振しきい値以上になったとき、活性層3からレーザ発振させて、レーザ光を活性層4の共振器面A1,A2の一方の面から出射させるものである。
This
ここで、実施例の第2工程において、不純物拡散領域Zにおける活性層3のZn濃度について、説明する。
発明者は、まず、不純物拡散領域Zの活性層3における自由キャリア吸収損失に着目した。この自由キャリアによる吸収損失が多いほど、レーザ発振の際、この吸収損失により素子が発熱し、CODレベルが低下したり、しきい値が上昇するといった問題を生じる。例えば、作成した半導体レーザ素子が、高出力である300mW以上の発光出力を得るためには、CODレベルをそれ以上にしなければならない。
そこで、発明者が鋭意実験した結果、CODレベルを300mW以上にするためには、自由キャリア吸収損失を13cm−1以下にすればよいことを見出した。
Here, the Zn concentration of the
The inventor first focused on the free carrier absorption loss in the
Therefore, as a result of intensive experiments by the inventors, it was found that the free carrier absorption loss should be 13 cm −1 or less in order to make the COD level 300 mW or more.
次に、発明者は、この不純物拡散領域Zの活性層3における、自由キャリア吸収損失と、不純物の1つであるZnの濃度との関係に着目した。
この自由キャリア吸収損失とZn濃度との関係について鋭意実験した結果を図5に示す。図5は、不純物拡散領域Zの活性層3における自由キャリア吸収損失とZn濃度との関係を表した図である。
図5により、例えば従来例のようにZn濃度が5×1017cm−3以上の場合は、Zn濃度に対応して自由キャリア吸収損失が大きくなる(15cm−1以上)。
Next, the inventor paid attention to the relationship between the free carrier absorption loss and the concentration of Zn which is one of the impurities in the
FIG. 5 shows the results of intensive experiments on the relationship between the free carrier absorption loss and the Zn concentration. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the free carrier absorption loss and the Zn concentration in the
Referring to FIG. 5, for example, when the Zn concentration is 5 × 10 17 cm −3 or more as in the conventional example, the free carrier absorption loss increases corresponding to the Zn concentration (15 cm −1 or more).
また、このZn濃度が1×1016cm−3よりも小さいと、不純物拡散領域Zの活性層3におけるバンドギャップエネルギーと、不純物拡散領域Z以外の活性層3におけるバンドギャップエネルギーとのエネルギー差が小さいため、レーザ発振の際、この不純物拡散領域Zにレーザ光が吸収されて素子が発熱し、CODレベルが低下したり、しきい値が上昇するといった問題を生じる。
図5から、Zn濃度が1×1016cm−3のとき、自由キャリア吸収損失は10cm−1である。
When the Zn concentration is lower than 1 × 10 16 cm −3 , the energy difference between the band gap energy in the
From FIG. 5, when the Zn concentration is 1 × 10 16 cm −3 , the free carrier absorption loss is 10 cm −1 .
従って、不純物拡散領域Zの活性層3におけるZn濃度を、1×1016cm−3以上5×1017cm−3未満とすることにより、不純物拡散領域Zの活性層3における自由キャリア吸収損失の量を10〜13cm−1の範囲とすることができる。
そして、発明者らが鋭意実験した結果、不純物拡散領域Zの活性層3における自由キャリア吸収損失の量が10〜13cm−1の範囲内において、300mW以上のCODレベル、即ち、300mW以上の発光出力が得られることを確認した。
Therefore, by setting the Zn concentration in the
As a result of intensive experiments by the inventors, a COD level of 300 mW or higher, that is, a light emission output of 300 mW or higher, in the range of 10 to 13 cm −1 of the free carrier absorption loss in the
そこで、実施例では、このZn濃度を2×1017cm−3とすることにより、この自由キャリア吸収損失の量を12cm−1とした。
また、従来例と実施例との半導体レーザ素子のCODレベルを測定した結果、従来例の半導体レーザ素子のCODレベルは約280mWであるのに対して、実施例では約320mWであった。
Therefore, in this example, by setting the Zn concentration to 2 × 10 17 cm −3 , the amount of this free carrier absorption loss was set to 12 cm −1 .
Further, as a result of measuring the COD level of the semiconductor laser elements of the conventional example and the example, the COD level of the semiconductor laser element of the conventional example is about 280 mW, whereas it is about 320 mW in the example.
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。 The embodiment of the present invention is not limited to the configuration and procedure described above, and it goes without saying that modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、実施例の第4工程において、半導体レーザ素子10の不純物拡散領域Zの幅w3を約20μmとしたが、これに限定されるものではない。
但し、この幅w3が60μmを超えるとしきい値が上昇するといった問題が発生する場合がある。また、この幅w3が10μmよりも小さいと、CODレベルが低下するといった問題が発生する場合がある。
従って、この幅w3を、10〜60μmの範囲内に設定することが望ましい。
For example, in the fourth step of the embodiment, the width w3 of the impurity diffusion region Z of the
However, when the width w3 exceeds 60 μm, there may be a problem that the threshold value increases. Further, if the width w3 is smaller than 10 μm, there may be a problem that the COD level is lowered.
Therefore, it is desirable to set the width w3 within the range of 10 to 60 μm.
1 n型基板 、 2 n型クラッド層 、3 活性層 、 4 p型クラッド層 、 5 P+型キャップ層 、 7 拡散源層 、 8 p型電極 、9 n型電極 、 10 半導体レーザ素子 、 A1,A2 共振器面 、 S 上面 、 Z 不純物拡散領域 、 w1,w2,w3 幅 、 d1 間隔 1 n-type substrate, 2 n-type clad layer, 3 active layer, 4 p-type clad layer, 5 P + type cap layer, 7 diffusion source layer, 8 p-type electrode, 9 n-type electrode, 10 semiconductor laser element, A1, A2 Resonator surface, S upper surface, Z impurity diffusion region, w1, w2, w3 width, d1 interval
Claims (1)
前記一対の共振器面の一部を形成する前記活性層部分及び前記活性層部分の近傍に位置する前記活性層部分における自由キャリア吸収損失を10〜13cm−1の範囲内としたこと特徴とする半導体レーザ素子。 A semiconductor laser device having a pair of resonator surfaces, wherein a first conductivity type cladding layer, an active layer, and a second conductivity type cladding layer are sequentially laminated on an upper surface of a first conductivity type semiconductor substrate,
The free carrier absorption loss in the active layer portion forming part of the pair of resonator surfaces and in the active layer portion located in the vicinity of the active layer portion is in the range of 10 to 13 cm −1. Semiconductor laser element.
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