JP2007227531A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リア端面の破壊を抑制してサージ耐圧を改善することができる半導体レーザおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】第１端面１０Ｆと第２端面１０Ｒとの間にレーザ共振器１０を構成する。光が出射される第１端面１０Ｆとは反対側の、第２端面１０Ｒの側に光吸収抑制領域４０を設ける。光吸収抑制領域４０は、活性層で発生した光が第２端面１０Ｒの第２反射鏡膜３０Ｒを構成するａ−Ｓｉに吸収されるのを抑えるためのものであり、ホウ素（Ｂ），ケイ素（Ｓｉ）または亜鉛（Ｚｎ）などの不純物添加領域である。中でもホウ素（Ｂ）が好ましい。第２反射鏡膜３０Ｒを、活性層で発生した光に対して吸収のあるａ−Ｓｉにより構成した場合にも、光吸収の影響が緩和されて第２端面１０Ｒの破壊が抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、極めて低い動作電流を求められる場合に好適な半導体レーザおよびその製造方法に関する。

半導体レーザにおいて、極めて低い動作電流（超低消費電流）を求められる場合、一般に、共振器の導波の効率を重視した、光密度の非常に高い設計が採用される。これにより動作電流の低減が達成される一方で、サージ耐圧の極端な低下といった難点がきわだってくるため、レーザを扱う上で特に慎重な対応が必要となる。

とりわけ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）を媒体とする携帯用ゲーム機器などに搭載されるＩｎＡｌＧａＰ系赤色半導体レーザは、低消費電流化を極限まで追求した構成となっている。そのため、低サージ耐圧という特徴が、通常のＤＶＤ再生用レーザに比べて顕著に現れる。場合によっては１０Ｖ前後までサージ耐圧は低下する。

サージ耐圧の低下は、端面に設けられる反射鏡膜の材料によっても左右される。広く利用される反射鏡膜の材料としては、フロント端面（主出射側端面）ではＡｌ₂ Ｏ₃ 単層、リア端面ではＡｌ₂ Ｏ₃ ／ａ−Ｓｉの多層膜が挙げられる。しかし、赤色半導体レーザでリア端面にＡｌ₂ Ｏ₃ ／ａ−Ｓｉを使った場合、ａ−Ｓｉが赤色光に対して若干吸収をもつことから、サージ電流や過電流が入ったときにリア端面が壊れやすくなってしまう。そのことがサージ耐圧改善の障害となっている。

そこで、サージ耐圧の改善のため、リア端面の反射鏡膜の材料を変更することが考えられる。すなわち、ａ−Ｓｉの代わりにＴｉＯ_x 等の材料を用いるという方法である（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−１６４９７８号公報 特開２０００−８２８６３号公報

しかしながら、それらの代替材料は、ａ−Ｓｉほどの高屈折率をもたないために反射鏡膜の層数を多くする必要があること、最も簡便かつタクトの短い電子ビーム蒸着装置が使えないこと、および安定な屈折率を得るために組成比制御を厳しくする必要があることなどの問題があり、ａ−Ｓｉに比べて扱いにくく、高コストになりやすかった。したがって、それらの材料は、コストを抑える必要のある再生用レーザ等には使われないことが多かった。

一方、従来より、高出力化を目的とした端面強化方法として、フロントおよびリアの両端面にいわゆる窓構造を設けることが広く行われている（例えば、特許文献２参照。）。しかしながら、再生用レーザにおいて窓構造を導入した場合、ＦＦＰ（Far Field Pattern ）が小さくなるので、再生特性や光学系でのフィル条件が悪化してしまうという問題が生じていた。

また、一般に窓構造の導入によりＦＦＰのばらつきは大きくなる傾向があるが、特に再生用レーザでは放射角が比較的大きいのでＦＦＰのばらつきもそれだけ大きくなってしまい、光学カップリングのばらつきが増大してしまっていた。

更に、例えばレーザをプリズムと共に光検出ＩＣ（Integrated Circuit）上に貼り合わせてレーザカプラを構成する工程では、レーザを閾値以下で発光させて発光点画像認識を行う場合がある。その際、フロント端面に窓構造が設けられていることにより、発光部分がぼやけてばらつきが大きくなり、認識精度が落ちてしまっていた。発光点認識精度は、高精度実装という面では極めて重要なパラメータである。とりわけ、パッシブアライメントで超高精度実装を実現するプロセスでは、発光点認識精度の低下は致命的な問題となるおそれがあった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、リア端面の破壊を抑制してサージ耐圧を改善することができる半導体レーザおよびその製造方法を提供することにある。

本発明による半導体レーザは、対向する第１端面および第２端面の間にレーザ共振器が構成され、第１端面の側から光を出射するものであって、レーザ共振器の第２端面の側に光吸収抑制領域を有するものである。

本発明の半導体レーザでは、光が出射される第１端面とは反対側の、第２端面の側に光吸収抑制領域が設けられているので、第２端面の反射鏡膜を、レーザ共振器内で生じる光に対して吸収のある材料により構成した場合でも、光吸収の影響が緩和される。よって、サージ電流や過電流が印加された場合にも第２端面の破壊が抑えられ、サージ耐圧が向上する。

本発明による半導体レーザの製造方法は、対向する第１端面および第２端面の間にレーザ共振器が構成され、第１端面の側から光を出射する半導体レーザを製造するものであって、複数のレーザ共振器形成予定領域を含む半導体層を形成する工程と、半導体層に、第２端面の形成予定位置に対応して光吸収抑制領域を形成する工程と、光吸収抑制領域がレーザ共振器の第２端面の側になるように第１端面および第２端面を形成する工程とを含むものである。

本発明の半導体レーザによれば、光が出射される第１端面とは反対側の、第２端面の側に光吸収抑制領域を設けるようにしたので、第２端面の反射鏡膜をレーザ共振器内で生じる光に対して吸収のある材料により構成した場合でも、光吸収の影響を緩和することができ、サージ電流や過電流の印加による第２端面の破壊を抑え、サージ耐圧を向上させることができる。特に、携帯用ゲーム機器のＤＶＤ再生用レーザなど、超低動作電流・超低消費電流が強く要求される場合に極めて好適である。

本発明の半導体レーザの製造方法によれば、半導体層に光吸収抑制領域を形成したのちに、この光吸収抑制領域がレーザ共振器の第２端面の側になるように第１端面および第２端面を形成するようにしたので、第１端面および第２端面の形成位置を調整することにより容易に第２端面の側に光吸収抑制領域を設けることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面構造の一例を表すものである。この半導体レーザは、例えば、携帯用ゲーム機などのＤＶＤ再生用レーザとして用いられる発振波長約６６０ｎｍ、出力約４ｍＷ〜５ｍＷのものであり、基板１１に、ｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ側コンタクト層１５が基板１１の側からこの順に積層された構成を有している。

基板１１は、例えば、ｎ型不純物としてケイ素が添加されたｎ型ＧａＡｓにより構成されている。ｎ型クラッド層１２は、例えば、ｎ型不純物としてケイ素が添加されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ混晶により構成されている。活性層１３は、例えば、組成の異なるＡｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｐ（但し、ｘ≧０かつｙ≧０）混晶によりそれぞれ形成された井戸層とバリア層との多重量子井戸構造を有している。ｐ型クラッド層１４は、例えば、ｐ型不純物として亜鉛が添加されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ混晶により構成されている。ｐ側コンタクト層１５は、例えば、ｐ型不純物として亜鉛が添加されたｐ型ＧａＡｓにより構成されている。なお、ｐ型クラッド層１４の一部およびｐ側コンタクト層１５は、電流狭窄のため共振器方向に延長された細い帯状部分１６となっており、ｐ側コンタクト層１５に対応する活性層１３の領域が発光領域（電流注入領域）となっている。この帯状部分１６の幅は極めて細く、これにより発光領域内の光密度が高くなり、しきい値が約十数ｍＡと低減され、極めて低い動作電流での駆動が可能となっている。また、この帯状部分１６の両側には、電流ブロック領域１７が設けられている。

ｐ側コンタクト層１５上には、ｐ側電極２１が設けられている。このｐ側電極２１は、例えば、ｐ側コンタクト層１５側からチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）を順次積層したものであり、ｐ側コンタクト層１５と電気的に接続されている。一方、基板１１の裏面には、ｎ側電極２２が形成されている。このｎ側電極２２は、例えば、基板１１の側から金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）を順次積層して熱処理により合金化したものである。

図２は、この半導体レーザを帯状部分１６の側からみた平面構造を表したものである。なお、図２ではｐ側電極２１を省略している。この半導体レーザは、帯状部分１６の延長方向に対向する一対の共振器端面、すなわち第１（フロント）端面１０Ｆおよび第２（リア）端面１０Ｒを有し、これら第１端面１０Ｆと第２端面１０Ｒとの間にレーザ共振器１０が形成されている。第１端面１０Ｆはいわゆる主出射側端面であり、活性層１３で発生した光は、主として第１端面１０Ｆから出射される。第１端面１０Ｆには、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 単層よりなる第１反射鏡膜３０Ｆが形成されている。一方、第２端面１０Ｒには、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ ／ａ−Ｓｉの多層膜よりなる第２反射鏡膜３０Ｒが形成されている。

また、この半導体レーザでは、レーザ共振器１０の第２端面１０Ｒの側に、光吸収抑制領域４０が設けられている。光吸収抑制領域４０は、活性層１３で発生した光が第２反射鏡膜３０Ｒを構成するａ−Ｓｉに吸収されるのを抑えるためのものであり、ホウ素（Ｂ），ケイ素（Ｓｉ）または亜鉛（Ｚｎ）などの不純物添加領域であることが好ましい。中でもホウ素（Ｂ）が好ましい。これにより、この半導体レーザでは、第２反射鏡膜３０Ｒを、活性層１３で発生した光に対して吸収のあるａ−Ｓｉにより構成した場合にも、光吸収の影響を緩和して第２端面１０Ｒの破壊を抑制することができるようになっている。

光吸収抑制領域４０の端は第２端面１０Ｒに一致している必要はなく、例えば図３に示したように、第２端面１０Ｒと光吸収抑制領域４０との間に隙間領域５０があってもよい。後述する製造工程で説明するように光吸収抑制領域４０を形成したのちに第２端面１０Ｒを劈開により形成する場合、第２端面１０Ｒを光吸収抑制領域４０の端に一致させて形成することは難しく、両者の間に適切な幅の隙間領域５０を設けることにより製造が容易になるからである。

この半導体レーザは次のようにして製造することができる。

まず、例えば、ｎ型ＧａＡｓよりなる基板１１を用意し、この基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により上述した材料よりなるｎ型クラッド層１２，活性層１３，ｐ型クラッド層１４およびｐ側コンタクト層１５を順に成長させる。このようにして形成された基板１１ないしｐ側コンタクト層１５には、図４に示したように、複数のレーザ共振器形成予定領域１０Ａが含まれており、これらは、後述する工程において複数の縦方向分割ライン１０Ｂおよび横方向分割ライン１０Ｃにおいて個々に分離される。なお、図４では、縦方向分割ライン１０Ｂおよび横方向分割ライン１０Ｃを点線で表すと共に、一つのレーザ共振器形成予定領域１０Ａに斜線を付して表し、その斜線を付したレーザ共振器形成予定領域１０Ａについて第１端面形成予定位置１０ＦＡおよび第２端面形成予定位置１０ＲＡを示している。

次いで、同じく図４に示したように、ｐ側コンタクト層１５側から不純物拡散または不純物注入を行うことにより、第２端面形成予定位置１０ＲＡに対応して、縦方向分割ライン１０Ｂの内側に光吸収抑制領域４０を形成する。

すなわち、ｐ側コンタクト層１５上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ；化学気相成長）法により、例えばＳｉＯ₂ よりなる絶縁膜（図示せず）を形成し、この絶縁膜に対して、例えばフォトリソグラフィおよびエッチングにより、光吸収抑制領域４０の形成予定位置に対応して開口部を形成する。続いて、この開口部を介して、不純物拡散またはイオン注入により、不純物として例えばホウ素（Ｂ），ケイ素（Ｓｉ）または亜鉛（Ｚｎ）、好ましくはホウ素（Ｂ）を半導体結晶中に拡散させる。これにより、不純物が活性層１３に到達して活性層１３が無秩序化され、光吸収抑制領域４０が形成される。そののち、絶縁膜を除去する。

このとき、図５に示したように、複数の縦方向分割ライン１０Ｂの一本おきに光吸収抑制領域４０を形成すると共に、光吸収抑制領域４０の中央に縦方向分割ライン１０Ｂがくるようにしてもよい。

光吸収抑制領域４０を形成したのち、ｐ側コンタクト層１５上に、例えばＣＶＤ法により、例えばＳｉＯ₂ よりなる絶縁膜（図示せず）を再度形成し、この絶縁膜に対して例えばフォトリソグラフィおよびエッチングを行うことにより、帯状部分１６を形成するためのマスクを形成する。続いて、このマスクを用いたエッチングにより、ｐ側コンタクト層１５およびｐ型クラッド層１４の一部を除去して、図６に示したように、帯状部分１６を形成する。そののち、このマスクを用いた選択的なエピタキシャル成長により、帯状部分１６の両側に電流ブロック領域１７を形成する。そののち、マスクを除去する。

帯状部分１６および電流ブロック領域１７を形成したのち、ｐ側コンタクト層１５上に上述した材料よりなるｐ側電極２１を形成し、基板１１の裏側に上述した材料よりなるｎ側電極２２を形成する（図１参照。）。

ｐ側電極２１およびｎ側電極２２を形成したのち、図７に示したように、例えば縦方向分割ライン１０Ｂで劈開することにより、光吸収抑制領域４０がレーザ共振器１０の第２端面１０Ｒの側になるように第１端面１０Ｆおよび第２端面１０Ｒを形成する。このとき、図８に示したように、第２端面１０Ｒと光吸収抑制領域４０との間に隙間領域５０を設けてもよい。そののち、横方向分割ライン１０Ｃで更に分割し、レーザ共振器１０を個々に分離する。最後に、第１端面１０Ｆに第１反射鏡膜３０Ｆ、第２端面１０Ｒに第２反射鏡膜３０Ｒをそれぞれ形成する。以上により、図１および図２に示した半導体レーザが完成する。

この半導体レーザでは、ｐ側電極２１とｎ側電極２２との間に電圧が印加されると、活性層１３に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、第１反射鏡膜３０Ｆと第２反射鏡膜３０Ｒとにより反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、第１端面１０Ｆの側からレーザビームとして外部に射出される。ここでは、光が出射される第１端面１０Ｆとは反対側の、第２端面１０Ｒの側に光吸収抑制領域４０が設けられているので、第２反射鏡膜３０Ｒを、レーザ共振器１０内で生じる光に対して吸収のあるａ−Ｓｉにより構成した場合でも、光吸収の影響が緩和される。よって、サージ電流や過電流が印加された場合にも第２端面１０Ｒの破壊が抑えられ、サージ耐圧が向上する。

このように本実施の形態では、光が出射される第１端面１０Ｆとは反対側の、第２端面１０Ｒの側に光吸収抑制領域４０を設けるようにしたので、第２反射鏡膜３０Ｒをレーザ共振器１０内で生じる光に対して吸収のあるａ−Ｓｉにより構成した場合でも、光吸収の影響を緩和することができ、サージ電流や過電流の印加による第２端面１０Ｒの破壊を抑え、サージ耐圧を向上させることができる。特に、携帯用ゲーム機器のＤＶＤ再生用レーザなど、超低動作電流・超低消費電流が強く要求される場合に極めて好適である。

また、ａ−Ｓｉは低コストで扱いやすい材料であり、コストやプロセス安定性の面で、ＴｉＯ_x のような他の材料を使う方法よりも優れている。

更に、光吸収抑制領域４０を、光が出射される第１端面１０Ｆとは反対側に設けるので、ＦＦＰが狭くならず、広い放射角θ／／を維持することができ、特に再生用レーザにおいては高い再生特性を得ることができる。また、ＦＦＰのばらつきが大きくならず、光学系でのフィル条件が有利であり、ＯＰ（Optical Pickup；光ピックアップ）用途ではジッターや視野特性の安定性といった面でも利点が得られる。また、光学カップリングのばらつきも小さくすることができ、歩留りを高め、安定した特性を実現することができる。

加えて、発光点画像認識の際の認識精度を高くすることができ、高精度実装により光集積素子や複合素子を作製する場合に性能ばらつきを抑え、歩留りを向上させることができる。

更にまた、本実施の形態では、光吸収抑制領域４０を形成したのちに、光吸収抑制領域４０がレーザ共振器の第２端面１０Ｒの側になるように第１端面１０Ｆおよび第２端面１０Ｒを形成するようにしたので、第１端面１０Ｆおよび第２端面１０Ｒの形成位置を調整することにより容易に第２端面１０Ｒの側に光吸収抑制領域４０を設けることができる。光吸収抑制領域４０の位置は、第１端面１０Ｆおよび第２端面１０Ｒの切り出し位置の調整のみで制御することができ、従来のプロセスやウェハ設計をほぼそのまま流用することが可能である。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、光吸収抑制領域４０として不純物添加領域を形成する場合について説明したが、光吸収抑制領域４０は、例えば、活性層１３を削除してｐ型クラッド層１４を埋め込んだものでもよい。また、活性層１３を量子井戸構造とした場合には、光吸収抑制領域４０の量子井戸の厚みを薄くしてもよい。

また、上記実施の形態では、第１端面１０Ｆおよび第２端面１０Ｒを形成したのち、横方向分割ライン１０Ｃで更に分割し、レーザ共振器１０を個々に分離する場合について説明したが、本発明は、横方向分割ライン１０Ｃで分割しないレーザバーにも適用可能である。

更に、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚さ、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚さとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、上記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物よりなる各層をＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法やハイドライド気相成長法などの他の気相成長法により形成するようにしてもよい。なお、ハイドライド気相成長法とは、ハロゲンが輸送または反応に寄与する気相成長法のことをいう。

加えて、各層は、短周期型周期表における３Ｂ族元素のうちの少なくともインジウム（Ｉｎ）と短周期型周期表における５Ｂ族元素のうちの少なくともリン（Ｐ）とを含む他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成されていてもよい。更にまた、本発明は、ＧａＮ系あるいはＧａＡｓ系など他の材料系の半導体レーザにも適用可能である。

更にまた、上記実施の形態では、半導体レーザについて具体的な構造の一例を挙げて説明したが、本発明は他の構造を有する半導体レーザについても同様に適用することができる。例えば、上記実施の形態では、利得導波型と屈折率導波型を組み合わせたリッジ導波型の半導体レーザを例に挙げて説明したが、利得導波型の半導体レーザおよび屈折率導波型の半導体レーザについても同様に適用することができる。

加えてまた、上記実施の形態では、半導体レーザの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また他の層を更に備えていてもよい。例えば、活性層とｎ型クラッド層またはｐ型クラッド層との間に、光ガイド層が設けられていてもよい。

更にまた、本発明は、上記実施の形態で説明したような低出力・低しきい値・低動作電流のレーザに限らず、高出力レーザなどにも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。 図１に示した半導体レーザを帯状部分の側から見た構成を表す平面図である。 図２に示した半導体レーザの変形例を表す平面図である。 図１に示した半導体レーザの製造方法を説明するための平面図である。 図４の変形例を表すための平面図である。 図４に続く製造工程を説明するための平面図である。 図６に続く製造工程を説明するための平面図である。 図７の変形例を表すための平面図である。

符号の説明

１０…レーザ共振器、１０Ｆ…第１（フロント）端面、１０Ｒ…第２（リア）端面、１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…活性層、１４…ｐ型クラッド層、１５…ｐ側コンタクト層、２１…ｐ側電極、２２…ｎ側電極、３０Ｆ…第１反射鏡膜、３０Ｒ…第２反射鏡膜、４０…光吸収抑制領域、５０…隙間領域

Claims (10)

1. 対向する第１端面および第２端面の間にレーザ共振器が構成され、前記第１端面の側から光を出射する半導体レーザであって、
   前記レーザ共振器の前記第２端面の側に光吸収抑制領域を有する
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記第２端面と前記光吸収抑制領域との間に、隙間領域を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記光吸収抑制領域は、不純物添加領域である
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
4. 前記第１端面および第２端面に反射鏡膜を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
5. 前記第２端面の反射鏡膜はａ−Ｓｉを含む
   ことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ。
6. 対向する第１端面および第２端面の間にレーザ共振器が構成され、前記第１端面の側から光を出射する半導体レーザの製造方法であって、
   複数のレーザ共振器形成予定領域を含む半導体層を形成する工程と、
   前記半導体層に、前記第２端面の形成予定位置に対応して光吸収抑制領域を形成する工程と、
   前記光吸収抑制領域が前記レーザ共振器の前記第２端面の側になるように前記第１端面および第２端面を形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
7. 前記第２端面と前記光吸収抑制領域との間に、隙間領域を設ける
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
8. 前記光吸収抑制領域として不純物添加領域を形成する
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
9. 前記第１端面および第２端面に反射鏡膜を設ける工程を含む
   ことを特徴とする請求項６記載の半導体レーザの製造方法。
10. 前記第２端面の反射鏡膜をａ−Ｓｉを含んで構成する
    ことを特徴とする請求項９記載の半導体レーザの製造方法。
    
    
    

Images