JP2007110126A - 活性層上に誘電体層の形成された側面発光型半導体レーザダイオード - Google Patents

活性層上に誘電体層の形成された側面発光型半導体レーザダイオード Download PDF

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Abstract

【課題】活性層上に誘電体層の形成された側面発光型半導体レーザダイオードを提供する。
【解決手段】基板上に順次に形成されたｎ−クラッド層、ｎ−光ガイド層、活性層、ｐ−光ガイド層を備える側面発光型半導体レーザダイオードにおいて、ｐ−光ガイド層上にリッジ形態の誘電体層の形成された側面発光型半導体レーザダイオードである。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザダイオードに係り、さらに詳細には、活性層上に誘電体層を形成し、誘電体層の両側から電流を注入するｐ−伝導層を形成した側面発光型半導体レーザダイオード、及びその製造方法に関する。
現在、多様な情報処理機器の光源として利用される半導体レーザダイオードは、情報密度を高めるために、印加電力に比べて放出光抽出効率の高いことが要求される。従って、レーザダイオードの構造を最適化させるための研究がなされている。
図１は、従来技術による一般的な半導体レーザダイオードの構造を表した図面である。図１を参照すれば、基板１０上にｎ−ＡｌＧａＮ層１１が形成されており、ｎ−ＡｌＧａＮ層１１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１２、ＭＱＷ（多重量子ウェル）構造のＩｎＧａＮ活性層１３、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｐ−コンタクト層１５、及びｐ−電極層１６が順次に形成されている。そして、ｎ−ＡｌＧａＮ層１１上のｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１２が形成されていない領域に、ｎ−電極層１７が形成されている。
図１の半導体レーザダイオードを形成するためには、ｎ−ＡｌＧａＮ層１１上にｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１２、ＩｎＧａＮ ＭＰＱ活性層１３、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｐ−コンタクト層１５、及びｐ−電極層１６を順次に形成した後、ｎ−電極層１７の形成されるｎ−ＡｌＧａＮ層１１の領域の半導体物質を除去し、ｎ−ＡｌＧａＮ層１１を露出させた後、ｎ−電極層１７を形成する。
図１に表した従来技術による半導体レーザダイオードは、次のような問題点がある。
第一に、図１のような半導体レーザダイオードを形成する工程で、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４に対して成長過程で高温熱処理を行う途中、低温成長されたＩｎＧａＮ活性層１３のＩｎの偏析（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）が発生し、ＩｎＧａＮ活性層１３の量子ウェル構造が質的低下現象を誘発しうる。
第二に、ｐ型不純物でドーピングする物質、例えば、Ｍｇがｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４の格子欠陥を誘発しうるために、光損失が増大する。
第三に、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１４のＭｇの拡散により、ＩｎＧａＮ活性層１３の量子ウェル構造の質的低下現象が発生するという問題点がある。
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決するためのものであり、ｐ−クラッド層を形成せずに、ｐ−クラッド層を代替する誘電体層を使用し、半導体レーザダイオードの光学的特性を向上させた活性層上に誘電体層を形成した半導体レーザダイオードを提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明では、基板上に順次に形成されたｎ−クラッド層、ｎ−光ガイド層、活性層、ｐ−光ガイド層を備える側面発光型半導体レーザダイオードにおいて、前記ｐ−光ガイド層上にリッジ形態の誘電体層の形成されている側面発光型半導体レーザダイオードを提供する。
本発明において、前記ｐ−光ガイド層及び前記誘電体層間にｐ−コンタクト層がさらに形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記誘電体層の側部にｐ−電極層がさらに形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記基板及び前記ｎ−クラッド層間にｎ−半導体層がさらに形成され、前記ｎ−半導体層の一側部にｎ−電極層が形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記ｐ−光ガイド層の両側面に電流制限領域が形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記ｎ−光ガイド層の両側上部に形成され、前記活性層に印加される電流を制限する電流制限層が形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記ｐ−光ガイド層及び前記ｐ−コンタクト層間に形成されている電流拡散層をさらに備えることを特徴とする。
本発明において、前記ｎ−クラッド層は、ＡｌｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記ｎ−光ガイド層は、ＧａＮから形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記活性層は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）を含むＭＱＷ構造により形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記ｐ−光ガイド層は、ＧａＮから形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＨｆＯｘ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｎＯ、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくともいずれか一つを含んで形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記ｐ−コンタクト層は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されていることを特徴とする。
本発明において、前記電流制限層は、非ドープＡｌＧａＮまたはｐ−ＡｌＧａＮから形成され、前記電流拡散層は、ＡｌＧａＮから形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、次のような効果がある。
第一に、ｐ−クラッド層の高温成長過程で発生しうる活性層の特性低下を防止できる。
第二に、ｐ型ドーピング物質のＭｇの拡散による光損失を防止できる。
第三に、誘電体層物質をその屈折率によって適切に選択することが可能である。
第四に、金属コンタクトによる発振レーザの基本モードと１次モードとの光損失差を利用し、高次数のモードレーザの発振を抑制できる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態による半導体レーザダイオードについて詳細に説明する。図面に表した各層の厚さ及び幅は、説明のために多少誇張されていることを述べておく。
図２は、本発明による活性層上に誘電体層を形成した側面発光型半導体レーザダイオードの基本的な構造を表した断面図である。
図２を参照すれば、基板２０上にｎ−半導体層２１、ｎ−半導体層２１上にｎ−クラッド層２２、ｎ−光ガイド層２３、活性層２４、及びｐ−光ガイド層２５が順次に形成されている。選択的に、ｐ−光ガイド層２５上には、ｐ−コンタクト層２６がさらに形成されうる。ｐ−光ガイド層２５またはｐ−コンタクト層２６の中央領域には、誘電体層２７が形成されており、誘電体層２７の側部には、ｐ−電極層２８が形成されている。ｎ−クラッド層２２の形成されていないｎ−半導体層２１上には、ｎ−電極層２９が形成されている。
具体的に、各層を構成する物質について例を挙げて述べれば、次の通りである。ｎ−半導体層２１は、ＡｌｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成され、ｎ−クラッド層２２は、ＡｌｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されうる。そして、ｎ−光ガイド層２３は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成され、活性層２４は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）を含むＭＱＷ構造により形成されうる。ｐ−光ガイド層２５は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成され、ｐ−コンタクト層２６は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されうる。
本発明の特徴である誘電体層２７は、ｐ−光ガイド層２５またはｐ−コンタクト層２６上にリッジ構造により形成され、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＨｆＯｘ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｎＯ、Ｔａ２Ｏ５のような誘電体物質から形成されている。誘電体層２７は、ｐ−電極層２８及びｎ−電極層２９に注入した電流により、活性層２４で発生する光モードをガイドする役割を果たす。レーザ発振のために活性層２４への電流供給は、誘電体層２７の両側部に形成されたｐ−電極層２８を介して行われる。
さらに効率的な電流供給のために、ｐ−光ガイド層２５またはｎ−光ガイド層２３に電流制限領域を形成することができる。これについて、図３Ａないし図３Ｂを参照して説明する。
図３Ａは、ｐ−光ガイド層２５に電流制限領域２５ａを形成した実施形態を表した図面である。図３Ａを参照すれば、基板２０上にｎ−半導体層２１、ｎ−半導体層２１上にｎ−クラッド層２２、ｎ−光ガイド層２３、活性層２４、及びｐ−光ガイド層２５が順次に形成されている。選択的に、ｐ−光ガイド層２５上には、ｐ−コンタクト層２６がさらに形成されうる。ｐ−光ガイド層２５またはｐ−コンタクト層２６の中央領域には、誘電体層２７が形成されており、誘電体層２７の側部には、ｐ−電極層２８が形成されている。ｎ−クラッド層２２の形成されていないｎ−半導体層２１上には、ｎ−電極層２９が形成されている。これは、図２に表した本発明による活性層上に誘電体層を形成した半導体レーザダイオードの基本的な構造と同一である。ただし、図３Ａでは、ｐ−光ガイド層２５に電流制限領域２５ａをさらに形成したことを特徴とする。
電流制限領域２５ａは、ｐ−光ガイド層２５を形成する場合、ｐ−光ガイド層２５の両側部にＨ、ＢまたはＮＨ３のような物質をインプランテーション（ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）により注入して形成したものである。選択的に、ｐ−光ガイド層２５を形成するとき、電流制限領域２５ａを除外した領域だけにｐ型不純物をドーピングすることもある。従って、誘電体層２７両側部のｐ−コンタクト層２８を介して電流を注入すれば、ｐ−光ガイド層２５の電流制限領域２５ａに通過できず、光ガイド層２５の電流制限領域２５ａ間を介して活性層２４に供給される。結果的に、活性層２４の中央領域だけに集中的に電流が供給されることにより、効率的なレーザ発振が起こることとなる。
また、電流制限領域をｎ−光ガイド層２３の両側部に形成する場合にも、活性層の中央領域だけに集中的に電流を供給する構造を形成することができる。すなわち、ｎ−光ガイド層２５の両側部に、Ｈ、ＢまたはＮＨ３のような物質をインプランテーションにより注入するか、または選択的に、ｎ−光ガイド層２３を形成するとき、電流制限領域を除外した領域だけにｎ型不純物をドーピングすることができる。
図３Ｂは、別途の電流制限層３０をさらに形成した実施形態を表したものである。図３Ｂの構造は、ｎ−光ガイド層２３内に電流制限領域を形成したのではなく、ｎ−光ガイド層２３と活性層２４との間にｎ−電極層２９から供給される電流の経路を制限するための電流制限層３０を形成したものである。
電流制限層３０の形成工程について説明すれば、次の通りである。ｎ−光ガイド層２３を形成した後、その上部に、非ドープＡｌＧａＮまたはｐ−ＡｌＧａＮを塗布し、その中央部位をエッチングしてｎ−光ガイド層２３を露出させた後、その上部に、活性層２４、ｐ−光ガイド層２５を順次に形成する。結果的に、活性層２４は、グルーブ形態に形成される。従って、ｎ−電極層２９により供給される電流は、電流制限層３０を通過できないので、電流制限層３０間の領域を介して活性層２４の中央領域だけに集中的に電流が供給されることにより、効率的なレーザ発振が起こることとなる。
図４は、図２に表した本発明による活性層上に誘電体層を形成した半導体レーザダイオードの基本的な構造で、ｐ−光ガイド層上に電流拡散層３１をさらに形成した実施形態を表した断面図である。
図４を参照すれば、基板２０上にｎ−半導体層２１、ｎ−半導体層２１上にｎ−クラッド層２２、ｎ−光ガイド層２３、活性層２４、ｐ−光ガイド層２５、及び電流拡散層３１が順次に形成されている。選択的に、電流拡散層３１上には、ｐ−コンタクト層２６がさらに形成されうる。そして、ｐ−光ガイド層２５またはｐ−コンタクト層２６の中央領域には、誘電体層２７が形成されており、誘電体層２７の側部には、ｐ−電極層２８が形成されている。ｎ−クラッド層２２の形成されていないｎ−半導体層２１上には、ｎ−電極層２９が形成されている。電流拡散層３１は、ＡｌＧａＮから形成させ、ｐ−電極層２８を介して供給される電流は、電流拡散層３１を介して活性層に供給される。このとき、電流拡散層３１に使われるＡｌＧａＮは、厚さが薄く（約１００ｎｍほど）、高温酸化工程が必要ないか、または非常に短時間実施するので、活性層のＩｎ偏析による多重量子ウェル構造の質的低下現象は発生しない。
以下、図５を参照しつつ、本発明と従来技術とによるレーザダイオードを比較する。図５は、本発明及び従来技術による半導体レーザダイオードの活性層で発振するレーザの光モードが誘電体層（本発明）またはｐ−クラッド層（従来技術）とオーバーラップされる比率を表したシミュレーション結果を表したグラフである。
従来技術によるレーザダイオードでは、ｐ−クラッド層としてＡｌＧａＮを使用したものであり、その屈折率は、約２．５である。図５を参照すれば、活性層で発振するレーザビームは、活性層の側面に進みつつ、その光モードが、ｐ型不純物として使われるＭｇのドーピングされたｐ−クラッド層とオーバーラップされる比率が２０％以上と示されている。光モードがｐ−クラッド層とオーバーラップされる比率が高いほど光損失が大きくなるということを考慮するとき、望ましくない結果を示すということが分かる。
そして、図３Ａに表したような本発明の実施形態によるレーザダイオード構造における誘電体層の物質の屈折率を変化させつつ活性層で発振するレーザと誘電体層とのオーバーラップされる比率を調べた結果、２．５の屈折率を有した誘電体層を形成した場合にも、オーバーラップされる比率が１０％未満を表した。結果的に、従来技術に比べて本発明のような構造のレーザダイオードで光損失を大きく減少させるということを確認することができる。
図６は、本発明の実施形態による半導体レーザダイオードにおいて、リッジ構造の誘電体層の幅によるモード損失を計算した結果を表したものである。図６では、発振されるレーザの基本モード（０次モード）及び１次モードを表したものである。図２のような本発明の実施形態による半導体レーザダイオードは、リッジ構造の誘電体層２７側面の金属物質のｐ−電極層２８による光損失が発生する。誘電体層２７の幅が約２μｍ未満である場合には、基本モードのモード損失は、２０ｃｍ−１未満とそんなに大きくなく、特に、１次モードの損失が大きいために、モード選択の効果による高リンクレベルを有するということが分かる。すなわち、これは、活性層で発振されるレーザが単一横モードとして表れやすいということを意味する。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、望ましい実施形態の例示として解釈せねばならない。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によってのみ定められるものである。
本発明の活性層上に誘電体層の形成された側面発光型半導体レーザダイオードは、例えば、情報処理機器関連の技術分野に効果的に適用可能である。
従来技術による一般的な半導体レーザダイオードの構造を表した断図面である。 本発明による活性層上に誘電体層を形成した半導体レーザダイオードの基本的な構造を表した断面図である。 ｐ−光ガイド層に電流制限領域を形成した本発明の実施形態によるレーザダイオードを表した断面図である。 別途の電流制限層をさらに形成した本発明の実施形態によるレーザダイオードを表した断面図である。 図２に表した本発明による活性層上に誘電体層を形成した半導体レーザダイオードの基本的な構造で、ｐ−光ガイド層上に電流拡散層をさらに形成した実施形態を表した断面図である。 本発明及び従来技術による半導体レーザダイオードの活性層で発振するレーザの光モードが誘電体層（本発明）またはｐ−クラッド層（従来技術）とオーバーラップされる比率について、シミュレーションを実施した結果を表したグラフである。 本発明の実施形態による半導体レーザダイオードにおいて、リッジ構造の誘電体層の幅によるモード損失を計算した結果を表したグラフである。
符号の説明
１０，２０ 基板
１１ ｎ−ＡｌＧａＮ層
１２ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１３ ＩｎＧａＮ活性層
１４ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１５，２６ ｐ−コンタクト層
１６，２８ ｐ−電極層
１７，２９ ｎ−電極層
２１ ｎ−半導体層
２２ ｎ−クラッド層
２３ ｎ−光ガイド層
２４ 活性層
２５ ｐ−光ガイド層
２５ａ 電流制限領域
２７ 誘電体層
３０ 電流制限層
３１ 電流拡散層

Claims (15)

  1. 基板上に順次に形成されたｎ−クラッド層、ｎ−光ガイド層、活性層、ｐ−光ガイド層を備える側面発光型半導体レーザダイオードにおいて、
    前記ｐ−光ガイド層上にリッジ形態の誘電体層が形成されていることを特徴とする側面発光型半導体レーザダイオード。
  2. 前記ｐ−光ガイド層及び前記誘電体層間にｐ−コンタクト層がさらに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  3. 前記誘電体層の側部にｐ−電極層がさらに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  4. 前記基板及び前記ｎ−クラッド層間にｎ−半導体層がさらに形成され、前記ｎ−半導体層の一側部にｎ−電極層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  5. 前記ｐ−光ガイド層の両側面に電流制限領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  6. 前記ｎ−光ガイド層の両側上部に形成され、前記活性層に印加される電流を制限する電流制限層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  7. 前記ｐ−光ガイド層及び前記ｐ−コンタクト層間に形成された電流拡散層をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  8. 前記ｎ−クラッド層は、ＡｌｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  9. 前記ｎ−光ガイド層は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  10. 前記活性層は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）を含むＭＱＷ構造により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  11. 前記ｐ−光ガイド層は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  12. 前記誘電体層は、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、ＨｆＯｘ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｎＯ、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくともいずれか一つを含んで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  13. 前記ｐ−コンタクト層は、ＩｎｘＧａＮ（ｘ≧０）から形成されていることを特徴とする請求項２に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  14. 前記電流制限層は、非ドープＡｌＧａＮまたはｐ−ＡｌＧａＮから形成されていることを特徴とする請求項６に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
  15. 前記電流拡散層は、ＡｌＧａＮから形成されていることを特徴とする請求項７に記載の側面発光型半導体レーザダイオード。
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