JP2007080934A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ特性と信頼性、コスト性に優れた少なくともＧａＮ系青紫色レーザとＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザを集積した集積型半導体レーザを提供する。
【解決手段】赤色半導体レーザの導波路にマルチモード干渉型導波路を採用し、ＧａＮ系青紫色レーザをヒートシンクとしてその上に該赤色半導体レーザを集積した。その結果、より短い共振器長でも導波路面積を十分確保でき、従来と同等かそれ以上の高出力特性のを集積型半導体レーザを実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、集積型の半導体レーザに関する。

４００ｎｍ帯ＧａＮ（ガリウム・ナイトライド）系青紫色レーザと６５０ｎｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系赤色レーザ、７８０ｎｍ帯ＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・ヒ素）系赤外レーザを集積した２波長、３波長半導体レーザがある。この半導体レーザは、部品点数の削減によって光ピックアップの小型化、低コスト化が可能であり、ＨＤ−ＤＶＤやブルーレイディスクなど次世代高密度光ディスク用光源として今後主流になると考えられる。例えば、非特許文献１、非特許文献２には、熱伝導率の高いＧａＮ系青紫色レーザをヒートシンクとして使い、その上にＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザとＡｌＧａＡｓ系赤外レーザを集積した３波長半導体レーザが記載されている。

ＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザは、その材料系の熱伝導率が低いために、共振器長を長くして放熱性を高めることにより高出力化を図ってきた。その結果、非特許文献３に示すように１６倍速の書き込みに使われるパルス動作２４０ｍＷレーザでは共振器長が１５００μｍと非常に長い。２層光ディスクへの書き込みに対応した高出力レーザでは、光出力のアップのために更なる長共振器化がなされると考えられる。

一方、ＧａＮ系青紫色レーザは、その材料系の熱伝導率が高いために、比較的短い共振器長で高出力化が可能である。例えば、非特許文献４には共振器長が６００μｍで２００ｍＷ（ＣＷ動作）の高出力特性が報告されている。

"ブルーレイディスク・ＤＶＤ・ＣＤに対応する３波長記録再生用光学ヘッドを開発"［ｏｎｌｉｎｅ］，２００４年５月１７日，ソニープレスリリース，［２００５年２月１７日検索］，インターネット＜ＵＲＬ http://www.sony.co.jp/SonyInfo/News/Press/200405/04-026/＞ "三洋電機の「３波長レーザ」―ソニーの開発品と似たところ，違うところ"［ｏｎｌｉｎｅ］，２００４年７月６日，技術者を応援する情報サイト Ｔｅｃｈ−Ｏｎ！，［２００５年３月２日検索］，インターネット＜ＵＲＬ http://techon.nikkeibp.co.jp/members/NEWS/20040706/104352/＞ 我妻 新一、他，"モノリシック・デュアルウエイブレングス・レーザズ・フォア・ＣＤ−Ｒ／ＤＶＤ±ＲＷ／Ｒ／ＲＷ（Monolithic Dual-Wavelength Lasers for CD-R/DVD±RW/R/RW)"，１９ｔｈ アイ・イー・イー・イー・インターナショナル・セミコンダクター・レーザ・カンファレンス（19th IEEE International Semiconductor Laser Conference），２００４年９月，カンファレンスダイジェスト，ｐ．１２３−１２４ 水野 崇、他，"高温−高出力青紫色半導体レーザ"，電子情報通信学会技術研究報告，２００３年１２月，１０３巻，第５２４号，ｐ．３３−３６ 内田 史朗、他８名，"リセント・プログレス・イン・ハイパワー・ブルーバイオレット・レーザズ（Recent Progress in High-Power Blue-Violet Lasers）"，アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・セレクティド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス（IEEE Journal of Selected Topics in Quantμm Electronics），２００３年，第９巻，第５号，ｐ．１２５２−１２５９ 八木 哲也、他，"ハイパワー・ハイイフィシェンシー・６６０−ｎｍ・レーザ・ダイオードズ・フォア・ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ（High-Power High-Efficiency 660-nm Laser Diodes for DVD-R/RW）"、アイ・イー・イー・イー・ジャーナル・オブ・セレクティド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス（IEEE Journal of Selected Topics in Quantμm Electronics），２００３年，第９巻，第５号，ｐ．１２６０−１２６４ 池田 昌夫、他，"ハイパワー・ガリウムナイトライド・ベイスドゥ・セミコンダクター・レーザズ（High-power GaN-based semiconductor lasers）"，フィジカ・ステイタス・ソリッド（ｃ）（Physica Status Solidi (c)），２００４年，第１巻，第６号，ｐ．１４６１−１４６７ Ｌｕｃａｓ Ｂ． Ｓｏｌｄａｎｏ，Ｅｒｉｋ Ｃ． Ｍ． Ｐｅｎｎｉｎｇｓ，ジャーナル・オブ・ライトウエイブ・テクノロジー（Journal Lightwave Technology），１９９５年，第１３巻，第４号，ｐ．６１５−６２７ 特開平１１−６８２４１号公報（［００２２］−［００２８］）

ＧａＮ系青紫色レーザをヒートシンクとしてその上に高出力ＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザを集積する場合、放熱性を確保するためにＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザの共振器長に合わせてＧａＮ系青紫色レーザの共振器長を長くしなければならない。例えば、１６倍速書き込みのＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ（共振器長１５００μｍ）を集積する場合、ＧａＮ系青紫色レーザは１５００μｍ以上の共振器長にしなければならない。

しかし、非特許文献５、非特許文献６に示すようにＧａＮ系青紫色レーザは内部損失が１０〜３０ｃｍ^−１とＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザ（内部損失５ｃｍ^−１以下）に比べて大きく、長共振器化はスロープ効率（外部微分量子効率）の低下により駆動電流の増加をもたらすという問題がある。

また、ＧａＮ系青紫色レーザは、転位密度が１０５〜１０７ｃｍ^−２のＧａＮ基板上やサファイア基板上に成長した横方向成長ＧａＮ層上に作製する。そして、ＧａＮ基板や横方向成長ＧａＮ層中の転位が素子寿命に関係していることが非特許文献７に記載されている。従って、共振器長を長くすると発光部である導波路に含まれる転位の数が増加し、信頼性低下という問題がある。

更に、高価なＧａＮ基板を用いた場合、共振器長を長くすると１枚の基板から製造できるレーザの数が減ってしまい、レーザ１個当たりの価格が高くなるという問題がある。

本発明の目的は、少なくともＧａＮ系青紫色レーザとＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザを集積した集積型半導体レーザにおいて、レーザ特性や信頼性、コストに優れた集積型半導体レーザを提供することにある。

本発明は、第１の半導体レーザのチップ上に少なくとも第２の半導体レーザを集積した集積型半導体レーザにおいて、第２の半導体レーザの導波路の幅の一部が高次モードを許容する幅であることを特徴とする。

上記の本発明の集積型半導体レーザにおいて、第２の半導体レーザの導波路の構造は、マルチモード干渉導波路である。また、上記の本発明の集積型半導体レーザにおいて、第１の半導体レーザは、少なくともＧａＮを含み且つ第２の半導体レーザがＡｌＧａＩｎＰを含む構成とすることができる。

本発明では、ＧａＮを含む第１の半導体レーザ（青紫色レーザ）は、ヒートシンクとして作用し、その上にＡｌＧａＩｎＰを含む第２の半導体レーザを形成した。そして、第２の半導体レーザ（ＡｌＧａＩｎＰを含む赤色半導体レーザ）の導波路にマルチモード干渉型導波路を採用することにより、短い共振器長でも従来のレーザと同等かそれ以上の導波路面積を確保し、従来と同等の高出力特性を実現することができる。

図１は本発明の実施の形態である２波長半導体レーザとそれに用いた赤色レーザの導波路構造を示す斜視図である。図１（ａ）では、ＧａＮ系青紫色半導体レーザ１のチップ上にＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２が集積されている。そして、放熱性を高めるためにＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２はｐ側ダウンの形態でＧａＮ系青紫色半導体レーザ１のｐ側に融着材３を介して融着されている。ＧａＮ系青紫色半導体レーザ１のチップの大きさは、幅４００μｍ、共振器長１０００μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２のチップの大きさは、幅２５０μｍ、共振器長９５０μｍである。ＧａＮ系青紫色半導体レーザ１は、光が出射する前端面には反射率が１０％の低反射コーティングが、後端面には９０％の高反射コーティングが施されている。また、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２は、光が出射する前端面には７％の低反射コーティングが、後端面には９５％の高反射コーティングが施されている。

図１（ｂ）は第１の実施の形態に用いたＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２の導波路構造を示す斜視図である。この赤色レーザは、マルチモード導波路領域４とその両端に接続されたシングルモード領域５、６とから構成されている。マルチモード導波路領域４の幅Ｗ１は約４．６μｍ、長さＬ１は約５００μｍ、シングルモード領域５、６の幅Ｗ２は約１．６μｍ、長さＬ２はそれぞれ共に約２２５μｍである。尚、マルチモード領域４とシングルモード領域５、６は、導波路の幅が異なるだけで層構造は全く同じである。

次に製造方法について説明する。図２は第１の実施の形態である２波長半導体レーザに用いたＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２の製造方法を示した断面図である。結晶成長には有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を使用する。原料として、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリエチルインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）を使用する。また、ｎ型、ｐ型のドーパントにはシリコン（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）を使用し、その原料としてジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）とジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を使用する。また、キャリアガスには水素を使用する。

はじめに、ｎ型ＧａＡｓ基板１０（厚さ４００μｍ、ｎ＝３×１０１８ｃｍ^−３）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１１（厚さ５００ｎｍ、ｎ＝１×１０１８ｃｍ^−３）、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２（厚さ２μｍ、ｎ＝８×１０１７ｃｍ^−３）、ｎ側ＡｌＧａＩｎＰ光閉じ込め層１３（厚さ３０ｎｍ）、ＧａＩｎＰウェルとＡｌＧａＩｎＰバリアからなる多重量子井戸活性層１４、ｐ側ＡｌＧａＩｎＰ光閉じ込め層１５（厚さ３０ｎｍ）、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６（厚さ１．７μｍ、ｐ＝８×１０１７ｃｍ^−３）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７（厚さ４００ｎｍ、ｐ＝５×１０１８ｃｍ^−３）を順次結晶成長する（図２（ａ））。

次に、リッジを形成する。まず、熱化学堆積（ＣＶＤ）法またはプラズマＣＶＤ法またはスパッタ法または電子ビーム蒸着法を用いてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上に酸化シリコン膜を堆積する。そして、この酸化シリコン膜を用いて、ステッパーや密着露光などのフォトリソグラフィーで導波路を作製するための酸化シリコンマスク１８を形成する。そして、ドライエッチングによりｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６の途中までエッチングし、リッジを形成する（図２（ｂ））。

次に、ｐ側電極を形成する。まず、酸化シリコンマスク１８を除去後、再度、横モード制御のための酸化シリコン膜１９を堆積する。次に、リッジトップの酸化シリコン膜をエッチングにより除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７を露出する。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７上にコンタクト層側から順にチタン／白金／金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）で構成されるｐ側電極２０を堆積する（図２（ｃ））。

次に、へき開を容易にするためにｎ型ＧａＡｓ基板１０を研磨により約１２０μｍまで薄くする。そして、研磨した面をクリーニング処理してから基板側から順に金・ゲルマニウム／ニッケル／金（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）で構成されるｎ側電極２１を形成する（図２（ｄ））。

次に、端面コーティングのために共振器長が１０００μｍになるようにへき開を行う。そして、前端面には反射率７％の低反射コーティングを、後端面には９５％の高反射コーティングを施す。最後にバー状態からチップへへき開を行い、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２が完成する。尚、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２では端面劣化を防止するためにレーザ光の吸収を抑制する窓構造と電流非注入構造を採用してある。完成したＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２は、融着材３を使ってｐ側ダウンの形態でＧａＮ系青紫色半導体レーザ１のｐ側に融着される。そして、図１（ａ）に示した２波長半導体レーザが完成する。

次に、このような２波長半導体レーザの特性について説明する。ＧａＮ系青紫色半導体レーザ１は、７５℃、パルス動作（パルス幅５０ｎｓ、デューティー比５０％）の条件でしきい値電流６２ｍＡ、スロープ効率１．２Ｗ／Ａで１６０ｍＷ以上の光出力が可能である。また、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２は、７５℃、パルス動作（パルス幅５０ｎｓ、デューティー比５０％）の条件で、シングルモードで２４０ｍＷ以上の光出力が可能である。ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２の共振器長が９５０μｍと短いにもかかわらずシングルモードで２４０ｍＷ以上の高出力特性が可能である。その理由は、導波路にマルチモード干渉型導波路を採用しているからである。まず、従来の共振器長１５００μｍ、導波路幅１．６μｍの一定の導波路幅で構成される赤色レーザの導波路面積と比較すると、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ２の導波路面積は１．２５倍大きく、リッジ導波路部分からの放熱性に優れている。また、マルチモード干渉理論によって設計された導波路構造により、シングルモード光出力での動作が可能になる。尚、マルチモード干渉理論については、非特許文献8や特許文献1に記載されている。

上記の本発明の実施の形態では、青色レーザの共振器長が１０００μｍの場合について述べたが、現状、青色レーザの共振器長は、１０００μｍ以下であることが望ましい。これは、現在の青色レーザを駆動する回路の最大電流が２５０ｍＡであることによる。

図３は非特許文献５をもとに７５℃、１６０ｍＷにおける初期駆動電流値の共振器長依存性を計算した結果である。光ディスク用半導体レーザは７５℃での動作が求められ、また寿命は駆動電流が初期の２０％増加で規定される。従って、初期駆動電流は２００ｍＡ以下であることが必要であり、図３より共振器長は１０００μｍ以下であることが望ましい。

更に、非特許文献４に示されるように、現状の青色レーザの共振器長は６００μｍで、この共振器長でノイズ特性や信頼性などの現状必要とされる特性を満足している。従って、この特性を変えることなく集積型半導体レーザを構成するためには、赤色レーザも共振器長は６００μｍ程度であることが望ましい。共振器長６００μｍで従来の赤色レーザと同等の導波路面積（共振器長１５００μｍ×導波路幅１．６μｍ）を確保するためには、マルチモード干渉理論からマルチモード導波路領域４の幅Ｗ1は４．６〜５．０μｍ、長さＬ１は５００〜５２０μｍ、シングルモード導波路領域５、６の幅Ｗ２は１．６μｍ、長さＬ２は１０〜５０μｍと、非常に限定された導波路寸法となる。

上記の本発明の実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザにマルチモード干渉型導波路を採用した場合について述べたが、ＡｌＧａＡｓ系赤外レーザについても適用可能であり、それによって従来より短い共振器長で高出力動作が可能となる。

本発明の実施の形態である２波長半導体レーザとそれに用いた赤色レーザの導波路構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に用いた赤色レーザの製造方法を示した断面図である。 青色レーザの７５℃、１６０ｍＷにおける駆動電流の共振器長依存性（計算値）を示す図である。

符号の説明

１ ＧａＮ系青紫色半導体レーザ
２ ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ
３ 融着材
４ マルチモード導波路領域
５ シングルモード導波路領域
１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１３ ｎ側ＡｌＧａＩｎＰ光閉じ込め層
１４ 多重量子井戸活性層
１５ ｐ側ＡｌＧａＩｎＰ光閉じ込め層
１６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１８ 酸化シリコンマスク
１９ 酸化シリコン膜
２０ ｐ側電極
２１ ｎ側電極

Claims (5)

1. 第１の半導体レーザのチップ上に少なくとも第２の半導体レーザを集積した集積型半導体レーザにおいて、前記第２の半導体レーザの導波路の幅の一部が高次モードを許容する幅であることを特徴とする集積型半導体レーザ。
2. 前記第２の半導体レーザの前記導波路の構造がマルチモード干渉導波路であることを特徴とする請求項１に記載の集積型半導体レーザ。
3. 前記第１の半導体レーザが少なくともＧａＮを含み且つ前記第２の半導体レーザがＡｌＧａＩｎＰを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の集積型半導体レーザ。
4. 前記第１の半導体レーザの共振器長が１０００μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の集積型半導体レーザ。
5. 前記第２の半導体レーザの共振器長が６００μｍ近傍で、且つ前記マルチモード干渉導波路の領域の幅が４．６〜５μｍ、長さが５００〜５２０μｍであることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
   

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