JP2007109886A

JP2007109886A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2007109886A
Application number: JP2005299211A
Authority: JP
Inventors: Akira Tanaka; 明田中; Masaaki Onomura; 正明小野村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-26
Also published as: US7369592B2; US20070086497A1

Abstract

【課題】水平横モードが安定化され、光出力におけるキンクが抑制されたリッジ導波路型半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】活性層と、前記活性層上に設けられ、ストライプ状導波路を構成するリッジ部と、前記リッジ部の両側に隣接する非リッジ部と、を有する第１導電型のクラッド層と、前記リッジ部の側面と前記非リッジ部の上面とを覆う絶縁膜と、前記リッジ部の上と、前記非リッジ部の上面を覆う前記絶縁膜の上と、に少なくとも設けられた第１電極と、前記第１電極の上に設けられたパッド電極と、を備え、前記リッジ部の上と前記非リッジ部の上との間には、前記第１電極が存在しない空隙部が設けられたことを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。

ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）を含む光ディスク記録用途において、記録速度を上げるためにはより高い光出力を有する半導体レーザビームが必要とされる。例えば、次世代ＤＶＤ用途である４００ナノメータ波長帯の窒化ガリウム系半導体レーザ装置や、急速に市場が拡大しているＤＶＤレコーダ用途である６５０ナノメータ波長帯のＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ装置においては、１００ミリワットを越える光出力であることが望ましい。

このような高出力動作においては、レーザビームを放射する活性層からの発熱量が大きい。しかし、半導体レーザ装置は、最大発振温度以上の温度範囲で使用すると光出力が低下する。この最大発振温度は、ＩｎＧａＡｌＰ系の場合においては１００℃以下であるために、トランジスタなどと比較して動作温度範囲が狭い。

一般に、半導体層の温度が上昇すると屈折率が増大する。従って導波路及び活性層近傍に大きな温度差を生じるとその領域内において屈折率差が大きくなる。この結果、特に水平横モードに対する光閉じ込めが変化し、高次モードが発生しやすくなる。

また、高出力動作においては、動作電流の増大に伴い水平横モードに高次モードが現れやすくなり、光出力−動作電流特性における折れ曲がりである「キンク」現象を生じる。この現象は、半導体レーザ装置における光出力利用範囲を制限するので好ましくない。

これらを改善すべく水平横モードを安定させる技術開示例（特許文献１）がある。この開示例においては、電流ブロック層中にリッジ導波路とほぼ平行に空洞部を設けている。しかし、この構造では、温度差により生じる屈折率差の増大に起因する高次モードを抑制することが困難である。
米国特許第６、７７５、３１１Ｂ２号明細書

本発明は、水平横モードが安定化され、光出力におけるキンクが抑制されたリッジ導波路型半導体レーザ装置を提供する。

本発明の一態様によれば、
活性層と、
前記活性層上に設けられ、ストライプ状導波路を構成するリッジ部と、前記リッジ部の両側に隣接する非リッジ部と、を有する第１導電型のクラッド層と、
前記リッジ部の側面と前記非リッジ部の上面とを覆う絶縁膜と、
前記リッジ部の上と、前記非リッジ部の上面を覆う前記絶縁膜の上と、に少なくとも設けられた第１電極と、
前記第１電極の上に設けられたパッド電極と、
を備え、
前記リッジ部の上と前記非リッジ部の上との間には、前記第１電極が存在しない空隙部が設けられたことを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。

本発明により、水平横モードが安定化され、光出力におけるキンクが抑制されたリッジ導波路型半導体レーザ装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１具体例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ装置の模式断面図である。すなわち、同図は、レーザ共振方向に対して垂直な断面の模式構造を表す。
ｎ型ＧａＮ基板１０上に、ｎ型Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎクラッド層１２（厚み２．０マイクロメータ）、ＧａＮ光ガイド層１６（厚み０．０７マイクロメータ）、活性層１８が積層されている。

さらに、活性層１８の上には、ｐ^＋型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎオーバーフロー防止層２０（厚み１０ナノメータ）、ＧａＮ光ガイド層２２（厚み０．０３マイクロメータ）、ｐ型Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎクラッド層２４（リッジ部厚み０．６マイクロメータ）、ｐ^＋型ＧａＮコンタクト層２６（厚み０．１０マイクロメータ）が積層されている。これら、半導体積層膜は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板１０上に、順次成長することができる。なお、ｎ型不純物としてはシリコンが、ｐ型不純物としてはマグネシウムが一般的に用いられる。

なお、本明細書において「窒化ガリウム系半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ及びｙをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導体を含むものとする。また、導電型を制御するために添加される各種の不純物のいずれかをさらに含むものも、「窒化ガリウム系半導体」に含まれるものとする。

図１に例示される構造は、「リッジ導波路型」とも呼ばれる屈折率導波構造に属する。すなわち、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４には、破線部で表されるリッジ部４０、及び破線部で表される非リッジ部４２が形成されている。なお、第１具体例においては、リッジ部４０の高さは０．４５マイクロメータ、非リッジ部４２の高さを０．０１マイクロメータとする。

リッジ部４０の上部のｐ^＋型ＧａＮコンタクト層２６も、同時にパターニングされている。パターニングされたｐ^＋型ＧａＮコンタクト層２６側面及びリッジ部４０の側面には、絶縁膜３４が被着されて、凸部が形成されている。絶縁膜３４の材料としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）などを用いることができる。なお、ＳｉＯ_２の屈折率は約１．５であり、Ｓｉ_３Ｎ_４の屈折率は１．９〜２．１である。

また、ｐ^＋型ＧａＮコンタクト層２６は、例えば、Ｐｄ／Ｎｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極２８と接続される。またｎ型ＧａＮ基板１０は、Ｔｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ａｌなどの単層、積層、または合金からなるｎ側電極３６と接続されている。ｐ^＋型ＧａＮコンタクト層２６は、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４とｐ側電極２８との接触抵抗を低減することにより、動作電圧を低減する効果を有する。

リッジ部４０の側面には、絶縁膜３４が設けられているので、リッジ部４０を構成するｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４と、絶縁膜３４との間に屈折率差が生じている。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２４の屈折率は、Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎなる組成の場合約２．５２３である。

このようにリッジ部４０の屈折率は、絶縁膜３４より高いので、水平横モードは、光軸に直交する断面内において、活性層１８に対して水平横方向に閉じ込められる。但し、波長に比べて、リッジ部４０の幅ＷＲが相対的に大きすぎると水平横モードに高次モードを生じる。リッジ部４０の幅ＷＲは、１．５〜３マイクロメータとすることが好ましく、本具体例においては、２．０マイクロメータとした。この結果、高次モードを抑制することができる。

そして、第１具体例においては、ｐ側電極２８が、リッジ部４０の上部と非リッジ部４２の上部との間で、空隙部３２により分離された領域を有する。この場合、図１に例示されるように、ｐ側電極２８とｐ型ＡｌＧａＮからなるリッジ部４０との間にｐ^＋型ＧａＮコンタクト層２６を設けて動作電圧を低減することができる。ｐ側電極２８の上には例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどのパッド電極３０（厚み１〜３マイクロメータ）が設けられるので、空隙部３２があっても電気的接続には何ら支障を及ぼさない。

この空隙部３２により、活性層１８における発光点近傍からの放熱経路が分離される。このチップはパッド電極３０側がヒートシンク（図示せず）にマウントされる。ここで、リッジ部４０を上方へ向かう放熱経路を例えばＲ１，Ｒ２で表す。一方、空隙部３２で分離された放熱経路Ｒ３は、発光点の外側領域から空隙部３２の近傍の非リッジ部４２、絶縁膜３４を経由してｐ側電極２８へ到る。

Ｒ１及びＲ２により表わされる放熱経路は、リッジ部４０を経由するために、長くなり、熱抵抗も相対的に高くなる。しかし、空隙部３２の存在のためにリッジ部４０内における放熱条件をより均一にできる。また、絶縁膜３４の熱伝導率が低いほうがリッジ部４０の放熱経路を垂直方向により集中できるので、リッジ部４０内及びリッジ部４０下部における温度差をより低減できる。このために、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）よりも二酸化珪素（ＳｉＯ_２）がより好ましい。例えば、熱伝導率は、ＳｉＯ_２において１．０ｗ／ｍｋであるのに対してＳｉ_３Ｎ_４において１７ｗ／ｍｋと高い。一方、空隙部３２に隣接する非リッジ部４２においては、発熱が少なくｐ側電極２８への放熱経路長も短いので温度上昇を低減できる。

次に、第１具体例における作用の効果をシミュレーション結果を用いて説明する。
第１具体例における空隙部３２は空気であるので、非リッジ部４２上部の絶縁膜３４上にはｐ側電極２８が存在しない単純化モデルを用いてシミュレーションを行った。
図２は、この単純化したモデルを表す模式断面図である。
非リッジ部４２を経由して放熱される熱量は少ないので、このような単純化モデルを用いても動作が大きく異なることは少ないと考えられる。絶縁膜厚みＴ２を０．１マイクロメータとし、リッジ部４０の幅ＷＲは２．０マイクロメータとする。

図３は、第１具体例の単純化モデルにおける活性層１８の温度分布のシミュレーション結果をあらわすグラフ図である。縦軸は温度（℃）であり、横軸は活性層１８中心からの水平方向位置である。
本具体例においては、リッジ部４０の幅ＷＲを２．０マイクロメータとしたので、水平方向位置１．０マイクロメータの位置は、リッジ部４０と非リッジ部４２との境界の直下に相当している。

図３において、例えば、高注入である４２０ミリアンメータにおいて、活性層１８の中心温度は約３２１℃であり、水平方向位置が１．０マイクロメータにおいて３２０．５℃である。この２点間の温度差ΔＴ１は０．５℃である。また、３００ミリアンメータにおいて、活性層中心温度は、３１２．７℃、水平方向位置が１．０マイクロメータの位置で３１２．２℃となっている。この２点間の温度差ΔＴ１は０．５℃である。

図４は、単純化モデルにおけるＦＦＰ（Far Field Pattern:遠視野像）である水平方向放射角Ｆ_ｈ（度）及び垂直方向放射角Ｆｖ(度)を表すグラフ図である。縦軸には、Ｆ_ｈ及びＦｖをそれぞれ表わし、横軸には電流（ｍＡ）を表す。Ｆ_ｈは、２１０〜４２０ｍＡの動作範囲において９．１〜９．９度に保たれており、Ｆｖは、同様の電流範囲において、２０．３〜２３．０度の範囲である。

次に、比較例のシミュレーション結果を説明する。
図５は、比較例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ装置の摸式断面図である。なお、図１と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。本比較例においては、ｐ側電極２８はリッジ部４０及び非リッジ部４２上に連続して配置されており空隙部は存在しない。

図６は、比較例における活性層１８の温度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図である。
例えば、動作電流４２０ミリアンメータにおいて、活性層１８の中心温度は３１８℃であり、水平方向位置１．０マイクロメータにおいて３１２℃であるので温度差ΔＴ２が６℃となり、第１具体例より大となる。同様に、動作電流が３００ミリアンメータにおいて、活性層１８の中心温度は３１０．５℃、水平方向位置１．０マイクロメータにおいて３０７．６℃であるので、温度差ΔＴ２は２．９℃となる。比較例における温度差ΔＴ２は，第１具体例における温度差ΔＴ１より大となる。

図７は、比較例におけるＦＦＰであるＦｈ及びＦｖを表すグラフ図である。Ｆｈは、２１０〜４２０ｍＡの電流範囲で９．２〜１０．８度と変化しており、第１具体例より大である。また、Ｆｖは、２０．３〜２２．７度である。

以上説明したシミュレーションの結果から分かるように、第１具体例においては、比較例より活性層１８中心温度が、例えば４２０ｍＡにおいて約３℃高くなるが、活性層中心温度と１．０マイクロメータ位置との温度差は０．５℃であり、比較例の６℃と比べて大きく低減できている。このようにして、図１に例示されるように、第１具体例においては一点鎖線で表わされた高温領域４８は、比較例における高温領域４９よりも広がる。

一般に、半導体層の屈折率は、注入キャリア密度が増加すると減少し、温度が増加すると増大する。屈折率導波路型半導体レーザ装置においては、キャリア注入により屈折率が低下しても活性層１８及びリッジ部４０において屈折率がリッジ部４０の外側より高くなるように設計される。一方、活性層１８及びリッジ部４０の領域内において温度差が大となると、その領域内において屈折率差がより大となる。この結果、高次水平横モードのカットオフを生じるリッジ部幅が減少し、高次水平横モードが生じやすくなる。

しかしながら、図３に例示されるように、活性層１８における中心とリッジ側面下部との温度差ΔＴ１を低減できる第１具体例においては、屈折率差の変化を低減できるので光閉じ込め変化を抑制できる。例えば、第1具体例においては２１０〜４２０ｍＡの電流範囲においてＦｈの変化は０．８度であるのに対し比較例においては１．６度と大となる。従って、第１具体例においてはＦＦＰの乱れや高次モードの発生を抑制できる。この結果、光出力−動作電流特性におけるキンクを抑制できて、強度変調におけるノイズ低減やより高い光出力が実現できる。なお、図３においては活性層１８の水平方向位置の温度分布を表わしたが、リッジ部４０、ＧａＮ光ガイド層２２における水平方向温度分布もこれに対応している。

次に、ｐ側電極２８に空隙部３２を設けるプロセスについて説明する。
図８は、ｐ側電極２８の金属薄膜を蒸着する前の凸部４５近傍を表す模式断面図である。窒化ガリウム系材料の場合、ストライプ状のリッジ部４０のパターン形成には、溶液エッチングよりもＲＩＥ（Reactive Ion Etching）のようなドライエッチング工程を主に用いるほうが好ましい。

また、絶縁膜３４が被着されたリッジ部４０である凸部４５は、その両側面が下層（例えば、ガイド層２２やその下層の活性層）の主面に対して略垂直に形成されるか、あるいは上方に向かって拡開するように形成されるのが好ましい。すなわち、図８において、絶縁膜３４が被着されたリッジ部４０である凸部４５の側面を略垂直とするか、あるいは凸部４５の上部の幅ＷＵを、より下部の幅ＷＬよりも大となるようにすると、次の電極膜蒸着工程において、凸部側面４４の少なくとも一部に電極膜のない領域が形成しやすい。なお、リッジ部４０高さＨ１は、例えば０．４５マイクロメータとすることができる。

なお、図８においては、リッジ部４０の側面がほぼ垂直の場合が例示されているが、リッジ部４０の側面を上に向かって拡開するようにすれば絶縁膜の厚みをほぼ一定としても良い。このようなリッジ部４０の断面形状は、結晶方位及びエッチング条件を選択することにより可能である。このようなリッジ部４０断面形状とすることにより、順メサ構造（上に向かってリッジの幅が狭くなる構造）と比較してリッジ部４０における上部の幅を広くできる。この結果、コンタクト抵抗の低減が可能となり発熱量を低減できる。また、リッジ部４０下部の活性層中心近傍からの放熱が改善されるので、リッジ部４０と非リッジ部４２との境界部下部近傍における活性層温度の上昇との相乗効果により活性層において温度がより均一とできる。

図９は、電極膜蒸着工程の一例を表す断面図である。
凸部側面４４は略垂直あるいは上方へ向かって拡開しているので、例えば電子ビーム蒸着などの方法により真上方向から金属を蒸着するプロセスを用いれば、凸部側面４４の幅が狭い部分への金属堆積物の飛来が遮られる。この結果、凸部側面４４の少なくとも一部を電極膜が堆積しない領域とすることができ、最終的に図１に例示される構造が実現できる。

次に、空隙部３２の形状をＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真により説明する。
図１０は、凸部近傍を表す写真である。
また、図１１は、空隙部３２を部分的に拡大して表わした写真である。
いずれの写真においても絶縁膜３４の凸部側面４４に、ｐ側電極２８が堆積しない領域があり、図１に関して前述したような空隙部３２が実現されていることが分かる。なお、図１０および図１１においては、空隙部３２は、リッジ部４０の最上面より上方に延びているが、本発明はこの形状に限定されるものではない。すなわち、凸部側面近傍において、放熱経路を分断する空隙部領域が設けられていればよい。また、絶縁膜３４の最上部はリッジ部４０の最上面よりやや下部に位置している。この場合にも、凸部側面近傍に空隙部４０が形成されているので、放熱特性を同様にできる。また、図１０及び図１１に例示したように空隙部３２がリッジ部４０の最上面よりも上方に延びるように形成されると、放熱経路を分断する効果がより高く表れることが考えられる。

以上説明したように、第１具体例においては、凸部４５近傍のｐ側電極２８に空隙部３２を設けることにより、活性層１８及びリッジ部４０における温度差を低減している。この結果、屈折率差の増大を抑制できて光の閉じ込めが適正に維持される。この結果、ＦＦＰの乱れや水平横モードにおける高次モードが抑制できるので、光出力−動作電流特性における「キンク」が抑制できて、高出力が安定して得られる。

図１２は、第１具体例及び比較例にかかる４００ナノメータ波長帯青紫色半導体レーザ装置の光出力−電流特性を表わした実測結果を表すグラフ図である。なお、デューティ比が５０％であるパルス駆動であり、周囲温度Ｔａ＝８０℃の条件である。
第１具体例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ装置は２００ｍＷを越す光出力が「キンク」フリーで得られるので、次世代ＤＶＤ記録用途としての仕様を満たすことができる。これに対して、比較例においては、１７０ｍＷ出力を越える点から光出力―電流特性におけるキンクが生じており、これ以上の光出力で動作することは好ましくない。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されるものではない。半導体レーザ装置を構成する半導体材料は、窒化ガリウム系やＩｎＧａＡｌＰ系に限定されず、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系などの化合物半導体材料が使用できる。

また、半導体レーザ装置を構成する、リッジ部、非リッジ部、電極、空隙部、半導体多層膜などの構成要素のサイズ、材料、配置関係などに関して当業者が各種に設計変更を行ったものも本発明に包含される。

本発明の第１具体例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ装置の模式断面図である。第１具体例のシミュレーションのための単純化モデルである。第１具体例の活性層温度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図である。第１具体例のＦＦＰのシミュレーション結果を表すグラフ図である。比較例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ装置を表す模式断面図である。比較例の活性層温度分布のシミュレーション結果を表すグラフ図である。比較例のＦＦＰのシミュレーション結果を表すグラフ図である。第１具体例における凸部を表す模式断面図である。第１具体例における電極膜形成工程を表す図である。第１具体例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ構造を表す写真である。第１具体例にかかる窒化ガリウム系半導体レーザ装置の部分拡大写真である。第１具体例にかかる窒化ガリウム系半導体装置の光出力―電流特性を表すグラフ図である。

符号の説明

１８活性層、２４ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２８ｐ側電極、３０パッド電極、３２空隙部、３４絶縁膜、４０リッジ部、４２非リッジ部、４４凸部側面、
４５凸部

Claims

活性層と、
前記活性層上に設けられ、ストライプ状導波路を構成するリッジ部と、前記リッジ部の両側に隣接する非リッジ部と、を有する第１導電型のクラッド層と、
前記リッジ部の側面と前記非リッジ部の上面とを覆う絶縁膜と、
前記リッジ部の上と、前記非リッジ部の上面を覆う前記絶縁膜の上と、に少なくとも設けられた第１電極と、
前記第１電極の上に設けられたパッド電極と、
を備え、
前記リッジ部の上と前記非リッジ部の上との間には、前記第１電極が存在しない空隙部が設けられたことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記空隙部は、前記リッジの側面に接して設けられたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
前記リッジ部と前記リッジ部の側面に被着された絶縁膜とから構成される凸部の側面は、前記活性層の主面に対して略垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記リッジ部と前記リッジ部の側面に被着された絶縁膜とから構成される凸部は、上方に向かって拡開する領域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなる単一または多重量子井戸構造を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。