JP2007214557A - 窒化物系半導体レーザダイオード - Google Patents

窒化物系半導体レーザダイオード Download PDF

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Abstract

【課題】窒化物系半導体レーザダイオードを提供する。
【解決手段】基板１００上に成長されて下部コンタクト層１１０、下部クラッド層１２０、活性層１４０、上部クラッド層１７０が順次に積層されたものであって、下部クラッド層１２０の屈折率が、下部コンタクト層１２０の屈折率と等しいか大きいことを特徴とする窒化物系半導体レーザダイオードである。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物系半導体レーザダイオードに係り、さらに詳細には、光学モードの損失が抑制されてレーザ光のビーム質が改善された窒化物系半導体レーザダイオードに関する。
半導体レーザダイオードは、光通信のような通信分野やコンパクトディスクプレーヤ（ＣＤＰ）やデジタル多機能ディスクプレーヤ（ＤＶＤＰ）のような装置で、データの伝送やデータの記録及び判読のための手段として広く使われている。
特に、窒化物系半導体レーザダイオードは、緑色から紫外線領域までの波長を利用可能にすることで、高密度の光情報の保存及び再生、高解像度のレーザプリンタ、プロジェクションＴＶなど、広範囲な分野に応用されている。
一般的な窒化物系半導体レーザダイオードは、基板上にｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、活性層、及びｐ型クラッド層が順次に積層されて形成され、活性層から発生したレーザ光を屈折率差により活性層に閉じ込め、光学利得を得られる構造を有している。
ここで、活性層に閉じ込められたレーザ光の一部成分は、漏れてｎ型クラッド層やｐ型クラッド層に向かうこともある。従来の窒化物系半導体レーザダイオードの場合、一般的にｎ型コンタクト層の屈折率がｎ型クラッド層の屈折率より高いので、ｎ型クラッド層に向かったレーザ光の漏れ成分は、消滅せずに基板側に伝播し、それにより、光学モードの損失が発生する。
このような光学モードの損失は、遠距離場（ａ ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）でリップルを生成するなど、レーザ光のビーム質が悪くなる原因となる。
光学モードの損失を減らすためには、ｎ型クラッド層に漏れるレーザ光を減らすか、またはｎ型クラッド層に漏れたレーザ光が基板側に伝播されないようにしなければならない。このために、従来の窒化物系半導体レーザダイオードは、ＡｌｘＣａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）の組成を有するｎ型クラッド層のＡｌ組成を高めて、活性層からｎ型クラッド層へのレーザ光の漏れを抑制するか、またはｎ型クラッド層を厚くすることで、ｎ型クラッド層に漏れた光が基板に伝播される前に十分に消滅させていた。しかし、ｎ型クラッド層のアルミニウムの組成を高めるか、または、ｎ型クラッド層の厚さを増大させれば、成長する間にクラック（ｃｒａｃｋ）が発生する可能性が大きくなるという問題点がある。
また、従来の窒化物系半導体レーザダイオードの場合、紫色から青色や緑色にレーザ光の波長が長くなるほど光学モードの損失が増加するので、ビーム質が大いに悪化し、したがって、ディスプレイ光源などへの応用に深刻な問題となりうる。
本発明は、前記のような問題点を勘案して案出されたものであって、基板方向への光学モードの損失を抑制して、レーザ光のビーム質を向上させた窒化物系半導体レーザダイオードを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードは、基板上に下部コンタクト層、下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層が順次に積層された窒化物系半導体レーザダイオードであって、前記下部クラッド層の屈折率が、前記下部コンタクト層の屈折率と等しいか大きいことを特徴とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードは、基板上に成長されて下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層が順次に積層された窒化物系半導体レーザダイオードであって、前記下部クラッド層の屈折率が、前記基板の屈折率と等しいか大きいことを特徴とする。
本発明による窒化物系半導体レーザダイオードによれば、次のような効果がある。
第１に、基板方向への光学モードの損失を抑制してレーザ光のビーム質を向上させることができる。
第２に、下部クラッド層の厚さ調節を通じてＯＣＦやＦＦＰを調節できる。
第３に、レーザ光の波長と関係がなく、光学モードの損失を防止できるので、多様な波長帯でレーザ光のビーム質を維持でき、特に、長波長帯におけるビーム質の向上に有利である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。図１の（ａ）は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードの概略的な断面図であり、図１の（ｂ）は、前記窒化物系半導体レーザダイオードをなす各半導体層の屈折率プロファイルを示す。
図面を参照すれば、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードは、基板１００上に下部コンタクト層１１０、下部クラッド層１２０、下部光導波層１３０、活性層１４０、上部光導波層１５０、電子遮断層１６０、及び上部クラッド層１７０が順次に積層されて形成される。ここで、下部クラッド層１２０は、下部コンタクト層１１０の屈折率と等しいか大きい屈折率を有する。そして、図面には示されていないが、基板１００の下面及び上部クラッド層１７０の上面には、それぞれ第１及び第２電極層が形成されうる。ここで、前記第１及び第２電極層は、それぞれｎ型電極層及びｐ型電極層となりうる。
基板１００としては、サファイア基板が使われうる。
基板１００の上面には、下部コンタクト層１１０と下部クラッド層１２０とが順次に積層されて形成される。
下部コンタクト層１１０は、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮの化合物半導体から形成され、その構成元素であるＡｌの平均組成ｘは、０≦ｘ≦０．１の範囲にあることが望ましい。
下部クラッド層１２０は、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮの化合物半導体から形成されうる。ＡｌＧａＮ組成を有する化合物半導体において、一般的にＡｌ組成が大きいほどその物質の屈折率は小さくなる。したがって、下部クラッド層１２０の屈折率が、下部コンタクト層１１０の屈折率と等しいか大きくなるように、下部クラッド層１２０のＡｌの平均組成ｙが、下部コンタクト層１１０のＡｌの平均組成ｘと等しいか小さいことが望ましい。すなわち、下部コンタクト層１１０及び下部クラッド層１２０の構成元素であるＡｌの平均組成ｘ，ｙは、０≦ｙ≦ｘ≦０．１の範囲にあることが望ましい。前記のような組成によって、下部クラッド層１２０側に伝播されたレーザ光の漏れ成分は、下部コンタクト層１１０でそれ以上伝播できず、光学モードの損失を抑制することができる。
一般的に、窒化物系半導体レーザダイオードにおいて、レーザ光を活性層に十分閉じ込めるためには、クラッド層のＡｌ組成を高めるか、またはその厚さを増大させなければならない。しかし、クラックの発生や結晶成長の困難さなどにより、レーザ光が十分に閉じ込められず、レーザ光の一部の成分がクラッド層に漏れる。したがって、本発明は、下部クラッド層１２０の屈折率を下部コンタクト層１１０の屈折率と等しいか大きくすることで、下部クラッド層１２０側に伝播されたレーザ光の漏れ成分は、下部コンタクト層１１０でそれ以上伝播されずに消滅して、レーザ光を十分に閉じ込める効果が得られる。また、下部クラッド層１２０の物質として、Ａｌ組成の低いＡｌＧａＮを利用するので、クラックが発生する可能性を減らすことができる。
一方、下部クラッド層１２０は、ｎ型ＡｌｙＧａ１−ｙＮの単一層構造だけでなく、Ａｌ組成比ｙ’が互いに異なるｎ型Ａｌｙ’Ｇａ１−ｙ’Ｎ層が交互に積層された多層構造を有することができる。たとえば、下部クラッド層１２０は、Ａｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ／ＧａＮ層が繰り返して積層された構造から形成されうる。このような複数個の層が積層された構造は、クラックが発生する可能性を減らすことで、下部クラッド層１２０を安定的に結晶成長させる。
下部クラッド層１２０の上面には、下部光導波層１３０が形成されており、下部光導波層１３０は、ｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）化合物半導体（ｎ型半導体）からなりうる。そして、下部光導波層１３０の上面には、活性層１４０が形成されており、活性層１４０は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）化合物半導体からなりうる。ここで、活性層１４０は、多重量子ウェルまたは単一量子ウェルのうちいずれかの構造を有しうる。活性層１４０の上面には、上部光導波層１５０が形成されており、上部光導波層１５０は、ｐ型ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．２）化合物半導体からなりうる。一方、上部光導波層１５０の上面には、電子がオーバーフローされることを防止するために、電子遮断層１６０が形成されており、電子遮断層１６０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）化合物半導体からなりうる。そして、電子遮断層１６０の上面には、上部クラッド層１７０が形成されており、上部クラッド層１７０は、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１、望ましくは、０．０１≦ｘ≦０．１）化合物半導体（ｐ型半導体）からなりうる。
前記のように、下部コンタクト層１１０のＡｌの平均組成ｘを、下部クラッド層１２０のＡｌの平均組成ｙと等しいか大きくすることで、下部クラッド層１２０が、下部コンタクト層１１０の屈折率と等しいか大きい屈折率を有し、活性層１４０での光学モードの損失を抑制することができる。このように、レーザ光が効果的に閉じ込められることによって、レーザ光の遠距離場におけるリップル生成が抑制され、ビーム質を向上させることができる。
さらに、下部クラッド層１２０の厚さを調節して、光閉じ込め係数（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｆａｃｔｏｒ：以下、「ＯＣＦ」という。）や遠距離場パターン（Ｆａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：以下、「ＦＦＰ」という。）を調節してレーザ光特性を変化させることができる。
図２は、下部クラッド層の厚さによるＯＣＦを示すグラフであり、図３は、下部クラッド層の厚さによるＦＦＰの半値幅（Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ：ＦＷＨＭ）値を示すグラフである。前記データは、下部コンタクト層としてｎ型Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎ、下部クラッド層としてｎ型ＧａＮ、下部光導波層として６００Å厚さのｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、活性層としてＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの多重量子ウェル構造、上部光導波層として６００Åのｐ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ、上部クラッド層として５０００Å厚さのｐ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎが形成された窒化物系半導体レーザダイオードを使用して測定した値である。
図２を参照すれば、下部クラッド層としてｎ型ＧａＮを利用して、レーザ光発振に十分なＯＣＦを得ることができるということが分かる。
また、本発明の窒化物系半導体レーザダイオードでは、下部クラッド層の厚さと関係なく、屈折率を調節して光学モードの損失を抑制するので、図３に示すように、前記下部クラッド層の厚さを調節することでＦＦＰを調節できる。
前述した実施形態の変形例として、下部クラッド層（図１の１２０）は、ｎ型ＩｎｙＧａ１−ｙＮから形成されてもよい。この場合、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮから形成された下部コンタクト層１１０のＡｌ平均組成ｘは、０≦ｘ≦０．１の範囲にあり、前記Ｉｎの平均組成ｙは、０≦ｙ≦０．１であることが望ましい。このように組成によって、下部クラッド層１２０が下部コンタクト層１１０の屈折率と等しいか大きい屈折率を有し、活性層１４０でレーザ光を強く閉じ込めることができる。その結果、レーザ光の遠距離場におけるリップル生成が抑制され、窒化物系半導体レーザダイオードのビーム質を向上させることができる。下部クラッド層１２０は、単一層構造だけでなく、Ｉｎの組成比ｙ’が互いに異なるｎ型Ｉｎｙ’Ｇａ１−ｙ’Ｎ層が交互に積層された多層構造を有することができる。
図４の（ａ）は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードの概略的な断面図であり、図４の（ｂ）は、前記窒化物系半導体レーザダイオードをなす各半導体層の屈折率プロファイルを示す。
図面を参照すれば、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードは、基板２００上に下部クラッド層２２０、下部光導波層２３０、活性層２４０、上部光導波層２５０、及び上部クラッド層２７０が順次に積層されて形成される。ここで、下部クラッド層２２０は、基板２００の屈折率と等しいか大きい屈折率を有する。そして、図面には示されていないが、基板２００の下面及び上部クラッド層２７０の上面には、それぞれ第１及び第２電極層が形成されうる。ここで、前記第１及び第２電極層は、それぞれｎ型電極層及びｐ型電極層となりうる。
基板２００としては、ＧａＮ基板が使われうる。
基板２００の上面には、前述した実施形態とは違って、下部コンタクト層なしに下部クラッド層２２０が積層される。下部クラッド層２２０の上面には、下部光導波層２３０、活性層２４０、上部光導波層２５０、電子遮断層２６０、及び上部クラッド層２７０が順次に積層されている。前記各層は、前述した実施形態の対応する層と実質的に同一なので、その詳細な説明は省略する。
下部クラッド層１２０は、ｎ型ＩｎｙＧａ１−ｙＮの化合物半導体から形成され、Ｉｎの平均組成ｙは、０≦ｙ≦０．１の範囲にあることが望ましい。
このような組成によって、下部クラッド層２２０が、基板２００の屈折率と等しいか大きい屈折率を有するようになる。これにより、下部クラッド層２２０側に伝播されたレーザ光の漏れ成分は、基板２００でそれ以上伝播されずに消滅して、レーザ光を強く閉じ込めることができ、レーザ光の遠距離場におけるリップル生成が抑制され、ビーム質を向上させることができる。また、下部クラッド層２２０の物質としてＧａＮまたはＩｎＧａＮを利用するので、結晶成長の温度を低くすることができるという利点がある。
一方、下部クラッド層２２０は、ｎ型ＩｎｙＧａ１−ｙＮの単一層構造だけでなく、アルミニウムの組成比ｙ’が互いに異なる複数個のｎ型Ｉｎｙ’Ｇａ１−ｙ’Ｎ層が交互に積層された構造を有しうる。このような複数個の層が積層された構造の下部クラッド層２２０は、クラックが発生する可能性を減らして結晶を安定的に成長させる。
＜実施例＞
本発明の第１実施形態によって、窒化物系半導体レーザダイオードを製作した。また、図１を参照すれば、基板１００としてサファイア基板を使用した。下部コンタクト層１１０としてｎ型Ａｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを形成した。下部クラッド層１２０としてｎ型Ａｌ０．０１Ｇａ０．９９Ｎを形成した。下部光導波層として６００Å厚さのｎ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎを形成した。活性層としてＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ／Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ｎの多重量子ウェル構造を形成した。上部光導波層として６００Åのｐ型Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎを形成した。上部クラッド層としてＡｌ０．０２Ｇａ０．９８Ｎを形成した。
＜比較例＞
比較例として、下部コンタクト層としてｎ型ＧａＮ、下部クラッド層としてＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを使用して、下部クラッド層の屈折率が下部コンタクト層の屈折率より小さな従来の窒化物系半導体レーザダイオードを製作した。前記下部コンタクト層と下部クラッド層とを除いて、上の実施形態と同じ条件である。
図５Ａないし５Ｃと、図６Ａおよび図６Ｂとを参照して、前記実施例と比較例の実験結果を比較して説明する。
図５Ａは、前記比較例によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの各層別の屈折率及び光強度を示すグラフであり、図５Ｂは、本比較例のＦＦＰを示すグラフである。
前記光強度は、任意単位（ａｒｂｉｔｒａｙ ｕｎｉｔ：ａ．ｕ．）で表した。図面を参照すれば、本比較例の窒化物系半導体レーザダイオードは、下部クラッド層の屈折率（ｎ下部クラッド層）が、下部コンタクト層の屈折率（ｎ下部コンタクト層）より小さな従来の屈折率分布を示す。これにより、下部クラッド層側に伝播されたレーザ光の漏れ成分は、下部コンタクト層に伝播されて、光の閉じ込めが弱くなることが分かる。このようなレーザ光の漏れは、図５Ｂに示すように、遠距離場においてリップルが発生する原因となり、結果的にビーム質を劣化させる。
図５Ｃは、本比較例によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードのレーザ光波長による光学モードの損失を示すグラフである。図面を参照すれば、紫色から青色や緑色にレーザ光の波長が長くなるにつれて、レーザ光の漏れが増加することが分かる。このようなレーザ光の漏れは、ビーム質を大いに劣化させるので、多様な波長帯の光が要求されるディスプレイ光源などへの応用に深刻な問題点となる。
図６Ａは、前記実施形態によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの各層別の屈折率及び光強度を示すグラフであり、図６Ｂは、前記実施形態のＦＦＰを示すグラフである。
図面を参照すれば、下部クラッド層の屈折率（ｎ’下部クラッド層）が下部コンタクト層の屈折率（ｎ’下部コンタクト層）より大きいので、光強度のプロファイルが滑らかな曲線を表すことが分かる。これは、下部クラッド層側に伝播された漏れ成分が、下部コンタクト層でそれ以上伝播されずに消滅して、レーザ光が十分に閉じ込められることを意味する。このように、レーザ光が漏れないことにより、遠距離でリップルが発生せず、光強度が滑らかな分布を有し、レーザ光のビーム質が優れていることが確認できる。
さらに、本実施例では、レーザ光の漏れが発生しないので、比較例の問題点である波長によるレーザ光の漏れが増大する現象が発生しない。これは、紫色だけでなく、青色、緑色などの多様な波長帯、特に長波長帯において、レーザ光のビーム質を維持することが可能であることを意味する。
このような本発明の窒化物系半導体レーザダイオードは、理解を助けるために図面に示す実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。
本発明は、レーザダイオードのような発光素子関連の技術分野に好適に用いられる。
本発明の第１実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードの概略的な断面図及び屈折率プロファイルである。 図１の窒化物系半導体レーザダイオードの下部クラッド層の厚さによるＯＣＦを示すグラフである。 図１の窒化物系半導体レーザダイオードの下部クラッド層の厚さによるＦＦＰの半値幅（ＦＷＨＭ）値を示す。 本発明の第２実施形態による窒化物系半導体レーザダイオードの概略的な断面図及び屈折率プロファイルを示す。 比較例によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの実験結果を示すグラフである。 比較例によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの実験結果を示すグラフである。 比較例によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの実験結果を示すグラフである。 実施形態によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの実験結果を示すグラフである。 実施形態によって製作された窒化物系半導体レーザダイオードの実験結果を示すグラフである。
符号の説明
１００、２００ 基板、
１１０ 下部コンタクト層、
１２０、２２０ 下部クラッド層、
１３０、２３０ 下部光導波層、
１４０、２４０ 活性層、
１５０、２５０ 上部光導波層、
１６０、２６０ 電子遮断層、
１７０、２７０ 上部クラッド層。

Claims (11)

  1. 基板上に下部コンタクト層、下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層が順次に積層された窒化物系半導体レーザダイオードにおいて、
    前記下部クラッド層の屈折率が、前記下部コンタクト層の屈折率と等しいか大きいことを特徴とする窒化物系半導体レーザダイオード。
  2. 前記下部コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮから形成され、前記下部クラッド層は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮから形成され、前記Ａｌの平均組成は、０≦ｙ≦ｘ≦０．１の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  3. 前記下部クラッド層は、単一層構造を有するか、または前記Ａｌの組成比の相異なる層が交互に積層された多層構造を有することを特徴とする請求項２に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  4. 前記下部コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮから形成され、前記下部クラッド層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮから形成され、前記Ａｌの平均組成は、０≦ｘ≦０．１の範囲にあり、前記Ｉｎの平均組成は、０≦ｙ≦０．１にあることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  5. 前記下部クラッド層は、単一層構造を有するか、または前記Ｉｎの組成比の相異なる層が交互に積層された多層構造を有することを特徴とする請求項４に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  6. 前記基板は、サファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  7. 基板上に成長されて下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層が順次に積層された窒化物系半導体レーザダイオードにおいて、
    前記下部クラッド層の屈折率が、前記基板の屈折率と等しいか大きいことを特徴とする窒化物系半導体レーザダイオード。
  8. 前記下部クラッド層は、ＩｎｙＧａ１−ｙＮから形成され、前記Ｉｎの平均組成は、０≦ｙ≦０．１にあることを特徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  9. 前記下部クラッド層は、単一層構造を有するか、前記Ｉｎの組成比の相異なる層が交互に積層された多層構造を有することを特徴とする請求項８に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  10. 前記基板は、ＧａＮから形成されたことを特徴とする請求項７に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
  11. 前記活性層と前記基板との間の層は、ｎ型半導体から形成され、前記上部クラッド層は、ｐ型半導体から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系半導体レーザダイオード。
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