JP2007227912A

JP2007227912A - リッジ構造を有する半導体レーザダイオード

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Publication number: JP2007227912A
Application number: JP2007025821A
Authority: JP
Inventors: Jung-Hye Chae; 程恵蔡; Jong-In Shim; 鐘寅沈; Kyoung-Ho Ha; 河　鏡　虎; Kyu-Sang Kim; 奎相金; Han-Youl Ryu; 漢烈柳
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: US7693200B2; KR20070084725A; KR101274206B1; US20070195851A1; CN101026288B; CN101026288A; JP5210526B2

Abstract

【課題】リッジ構造を有する半導体レーザダイオードを提供する。
【解決手段】基板２０上に順次に形成された第１半導体層、活性層２４、第２半導体層、及び電極２７を備える半導体レーザダイオードであって、第２半導体層は、リッジ構造を有し、電極２７は、第２半導体層のリッジ構造上にリッジ幅Ｗ_１よりも狭い幅Ｗ_２を有するように形成されている。
【選択図】図４

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、活性層上にリッジ構造の半導体層を有する半導体レーザダイオードに関する。

一般的に、半導体レーザダイオードは、印加電力に比べて高い放出光抽出効率が要求され、このために、その構造を最適化させるための研究が行われている。

一般的な半導体レーザダイオードでは、ｐ型電極がｐ型クラッド層の全面に接触しているので、活性層で発振するレーザ光の単一横モード動作が困難であり、活性層上にリッジ構造のクラッド層を導入してレーザ光の単一横モード動作を図っている。

図１は、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのｐ型電極１５〜ｎ型電極１７に至るキャリアの移動経路を示したものである。

図１に示すように、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードは、基板１０上にｎ型半導体層１１が形成されており、その上部にｎ型クラッド層１２、多重量子ウェル（Ｍｕｌｔｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ：ＭＱＷ）構造の活性層１３、リッジ構造のｐ型クラッド層１４及びｐ型電極１５が順次に形成されている。そして、ｎ型半導体層１１上のｎ型クラッド層１２が形成されていない領域にｎ型電極１７が形成されている。

図１に示すように、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードは、活性層１３上にリッジ構造のｐ型クラッド層１４を形成し、その上にｐ型電極１５を形成して、活性層１３に注入される電流の経路を制限している。

一方、リッジ構造の半導体レーザダイオードでは、光出力を向上させるためにはリッジ幅を広めることが有利である。

ところが、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでは、ｐ型電極１５がリッジと同じサイズに形成されるので、リッジ幅を広めても最大の光出力がある程度以上には上昇せず、電圧降下も飽和される。これは、電流集中（ｃｕｒｒｅｎｔｃｒｏｗｄｉｎｇ）効果の発生によるものである。

図２は、図１の従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのキャリア密度の分布を示したグラフである。図１及び図２のように、キャリアは、ｐ型電極１５部分からｎ型電極１７に至る経路に進むにつれ密度が高く、このようなキャリアの密度分布の不均一は、図３のグラフからも分かる。

このように、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでは、ｐ型電極１５がリッジと同じサイズに形成されるので、リッジ部分において、ｎ型電極１７に近い側のキャリアの密度がさらに高い電流集中効果が発生する。このような電流集中効果は、リッジ幅が広くなるほど著しくなる。

図３は、図１の従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのリッジ幅による電圧の変化を示したものである。図３は、１００ｍＡの電流を印加したとき、リッジ幅による電圧の変化を示したものである。図３から分かるように、リッジ幅が所定値、例えば、４μｍ以上に広くなれば、リッジ幅が広くなっても、電圧は実質的にそれ以上降下しない電圧飽和が発生する。

前記のように、ｐ型電極１５がリッジと同じサイズに形成される従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでは、電流群集効果によりリッジ幅を広めても、最大の光出力がある程度以上には上昇せず、電圧降下も飽和される。このような電流集中効果によるキャリアの不均一な分布は、光出力だけでなく、局部的なヒーティングによる劣化を誘発するなどの信頼性の問題点もある。

本発明は、前記問題点を解決するために成されたものであって、キャリアの密度分布がさらに均一化されて電流集中効果を抑制する改善されたリッジ構造の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の本発明に係る半導体レーザダイオードは、基板上に順次に形成された第１半導体層、活性層、第２半導体層及び電極を備える半導体レーザダイオードにおいて、前記第２半導体層は、リッジ構造を有し、前記電極は、前記第２半導体層のリッジ構造上にリッジの幅より狭い幅を有するように形成されたことを特徴とする。

前記電極の幅の中心と前記リッジの幅の中心とは相互一致しないように形成されることができる。

前記電極は、半導体レーザダイオード内でのキャリアの移動経路から遠い前記リッジの一側に偏って形成されることができる。

前記リッジは、３μｍ以上の幅を有することができる。

前記電極の幅は、前記リッジ幅の５０〜８０％の範囲であることができる。

前記リッジの幅方向に、前記リッジの一側端部とそれに近接した前記電極の端部との間隔が、前記リッジ幅の０〜１０％の範囲であることができる。

前記第１半導体層は、ｎ型半導体層であり、前記第２半導体層は、ｐ型半導体層でであり、前記電極は、ｐ型電極であることができる。

前記第１半導体層は、ｎ型クラッド層を備え、前記第２半導体層は、ｐ型クラッド層を備え、前記ｐ型クラッド層は、リッジ構造に形成されることができる。

前記第１半導体層は、ｎ型光ガイド層をさらに備え、前記第２半導体層は、ｐ型光ガイド層をさらに備えることができる。

前記第１半導体層、活性層及び第２半導体層は、ＧａＮ系物質から形成されることができる。

本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、リッジ上に形成される電極をリッジ幅より狭く形成することにより、キャリアの密度分布がさらに均一化されて、電流集中効果を抑制することができる。したがって、高出力のためにリッジの幅を広くすることができるので、最大の光出力を上昇させることができる。また、電流集中効果を抑制することができるので、局部的なヒーティングなどを防止することができ、信頼性を向上させることができる。

以下、添付された図面を参照して、本発明に係るリッジ構造の半導体レーザダイオードの望ましい実施形態を詳細に説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係るリッジ構造の半導体レーザダイオードを示す図面である。

図４に示すように、基板２０上に所定タイプの半導体層、例えば、ｎ型半導体層２１が形成されており、ｎ型半導体層２１上の一部領域には、第１半導体層、活性層２４、及びリッジ構造を有する第２半導体層、前記第２半導体層のリッジ構造上にリッジの幅より狭い幅を有するように形成された第１電極、例えば、ｐ型電極２７が順次に形成されている。

前記第１半導体層は、ｎ型半導体層、前記第２半導体層は、ｐ型半導体層でありうる。

前記第１半導体層は、ｎ型クラッド層２２を備える。また、前記第１半導体層は、ｎ型光ガイド層２３をさらに備えることができる。ｎ型光ガイド層２３は、ｎ型クラッド層２２と活性層２４との間に位置する。

前記第２半導体層は、ｐ型クラッド層２６を備え、このｐ型クラッド層２６は、リッジ構造に形成される。また、前記第２半導体層は、ｐ型光ガイド層２５をさらに備えることができる。ｐ型光ガイド層２５は、活性層２４とｐ型クラッド層２６との間に位置する。

ｎ型半導体層２１上の一領域には、ｎ型電極２９が形成されている。

前記の各層を構成する物質を例として挙げれば次の通りである。本発明に係る半導体レーザダイオードは、基本的にＧａＮ系物質から形成された半導体レーザダイオードである。すなわち、第１半導体層、活性層２４、及び第２半導体層は、ＧａＮ系物質から形成されることができる。

ｎ型半導体層２１は、Ａｌ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）から形成され、ｎ型クラッド層２２は、Ａｌ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）から形成されることができる。そして、ｎ型光ガイド層２３は、Ｉｎ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）から形成され、活性層２４は、Ｉｎ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）を含む多重量子ウェル（ＭＱＷ）構造に形成されることができる。ｐ型光ガイド層２５は、Ｉｎ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）から形成され、ｐ型クラッド層２６は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、Ａｌ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）またはＩｎＡｌ_ＸＧａＮ（Ｘ≧０）から形成されることができる。

前記のように、ｎ型光ガイド層２３及びｐ型光ガイド層２５を備える場合、本発明に係る半導体レーザダイオードは、リッジ導波型半導体レーザダイオードになる。

本発明に係る半導体レーザダイオードでは、ｐ型電極２７が第２半導体層のリッジ（すなわち、ｐ型クラッド層２６のリッジ）構造上にリッジの幅Ｗ_１よりも狭い幅Ｗ_２を有するように形成される。

このとき、ｐ型電極２７は、その幅の中心が前記リッジ幅の中心と相互に一致しないように、リッジの一側に偏って形成されることが望ましい。特に、前記ｐ型電極２７は、図４に示すように、半導体レーザダイオード内でのキャリアの移動経路から遠い側のリッジの一側に偏って形成されることがさらに望ましい。

ここで、キャリアの移動経路は、図５に示すように、ｐ型電極２７からｎ型電極２９まで形成され、ｎ型電極２９は、前記第１半導体層などが形成されていないｎ型半導体層２１の一領域に形成されるので、キャリアの移動経路は、ｎ型電極２９側に曲がる。したがって、キャリアの移動経路から遠い側は、ｎ型電極２９から遠い側に該当する。

図５は、本発明に係る半導体レーザダイオードでのｐ型電極２７からｎ型電極２９に至るキャリアの移動経路を示す。図６は、本発明に係る半導体レーザダイオードでのキャリアの密度分布を示すグラフである。

前記のように、ｐ型電極２７をリッジ幅Ｗ_１よりも狭く形成すれば、電流集中効果が抑制されて、キャリアの移動は、図２及び図３と図５及び図６との比較から分かるように、従来に比べてさらに均一に行われる。また、ｐ型電極２７をキャリアの移動経路から遠ざかる側のリッジの一側に偏るように形成すれば、キャリアの移動をさらに均一に行えるので、電流の集中を抑制する効果をさらに高めることができる。

ここで、図６を、従来の半導体レーザダイオードでのキャリアの密度分布を示す図３と比較すれば、キャリアの分布が均一に分散されて、従来に比べてさらに均一なキャリアの密度分布が得られるということが分かる。

前記のように、リッジ幅よりも狭い幅を有し、一側に偏るように非対称的に形成されたｐ型電極２７を有する本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、電流拡散層などを挿入せずに簡単にリッジ上に形成されるｐ型電極２７の幾何学的な構造のみを変化させて、キャリア分布の均一性を向上させ、このような均一なキャリアの分布により電流集中効果が抑制される。また、電流集中効果が抑制されるので、高出力のためにリッジ幅を広めて光出力を増加させうるので、最大光出力を増加させた半導体レーザダイオードを実現することができる。

このような本発明に係る半導体レーザダイオードは、高出力のために広いリッジの不回避な時点でさらに有利に作用する。

本発明に係る半導体レーザダイオードは、高出力を実現するように約３μｍ以上、さらに望ましくは、１０μｍ以上に広いリッジ幅Ｗ_１を有することが望ましい。

このとき、ｐ型電極２７の幅Ｗ_２は、リッジ幅Ｗ_１の半分以上、さらに望ましくは、概略前記リッジ幅Ｗ_１の５０〜８０％の範囲（すなわち、０.５Ｗ_１≦Ｗ_２≦０.８Ｗ_１）であることが望ましい。

図７は、１０μｍであるリッジ幅Ｗ_１に対して、ｐ型電極２７の幅がそれぞれ５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍであるとき、キャリアの密度分布を示すグラフである。図８は、ｐ型電極２７の各幅に対して図７のＡ地点とＢ地点との間のキャリアの密度差Δｎを示すグラフである。

図７及び図８に示すように、リッジ幅が１０μｍであるとき、ｐ型電極２７を７μｍに形成した場合が最も均一なキャリアの密度分布が得られるということが分かる。また、図８から分かるように、リッジ幅Ｗ_１が１０μｍであるとき、ｐ型電極２７の幅をリッジ幅の半分（５μｍ）以上にし、リッジ幅（１０μｍ）より狭くするとき、キャリアの密度分布がリッジ幅とｐ型電極２７の幅とが同じであるときより均一化されるということが分かる。

ここで、図７及び図８は、リッジ幅が１０μｍであるときのｐ型電極２７の幅の変化によるキャリアの密度分布の変化を示すグラフである。本発明に係る半導体レーザダイオードにおいて、リッジ幅が１０μｍに限定されるものではなく、ｐ型電極２７の幅Ｗ_２を約リッジ幅Ｗ_１の５０〜８０％の範囲（すなわち、０.５Ｗ_１≦Ｗ_２≦０.８Ｗ_１）とするとき、キャリアの密度分布が、リッジ幅とｐ型電極２７の幅とが同じであるときより均一化されるという根拠を示している。

一方、本発明に係る半導体レーザダイオードのように、ｐ型電極２７の幅をリッジ幅Ｗ_１より狭くする場合、電圧及び抵抗が上昇する。

図９は、１０μｍであるリッジ幅Ｗ_１に対して、ｐ型電極２７の幅がそれぞれ５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍであるとき、印加電流と電圧との関係を示すグラフである。図１０は、１０μｍであるリッジ幅Ｗ_１に対して、ｐ型電極２７の幅がそれぞれ５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍであるとき、１００ｍＡの電流印加時、ｐ型電極２７の各幅に対する電圧値を示すグラフである。

図９及び図１０に示すように、１００ｍＡの電流が印加される場合、電圧上昇のレベルは、ｐ型電極２７の幅Ｗ_２がリッジ幅Ｗ_１と同様に１０μｍであるときに電圧５.３９Ｖから、ｐ型電極２７の幅が７μｍであるときに電圧５.５４Ｖに、２.８％程度に過ぎない。すなわち、ｐ型電極２７の幅をリッジ幅より狭くすることによる電圧上昇の程度はあまり大きくない。

本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、例えば、リッジ幅Ｗ_１を１０μｍに固定し、その上のｐ型電極２７部分のみを縮小させるので、ｐ型電極２７の幅が変化してもその作動電流のレベルは全て類似している。すなわち、同じ光出力を出すための入力電流はほとんど変らない。したがって、入力パワーは、電圧が上昇する分だけ上昇するが、この電圧の上昇分があまり大きくないので、ｐ型電極２７の幅Ｗ_２をリッジ幅Ｗ_１より狭くしても、入力パワーの上昇はあまり大きくない。

したがって、本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、入力パワーをあまり上昇せずとも、電流集中効果を抑制して、キャリアの密度分布を均一にすることが可能である。また、このような効果により、リッジ幅を従来に比べて広くすることができるので、高出力用の半導体レーザダイオードを実現できる。

一方、図４に示す本発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードで、リッジの一側端部とｐ型電極２７の端部とが一致する状態で、ｐ型電極２７は、リッジ幅より狭い。

ｐ型電極２７の端部がリッジの一側端部と必ずしも一致する必要はなく、図１１のように、ｐ型電極２７の端部がリッジの一側端部と離隔されて形成されてもよい。このとき、本発明に係る半導体レーザダイオードで、リッジの一側端部と、それに近接したｐ型電極２７の端部との間隔Ｃは、リッジの幅方向にリッジ幅Ｗ_１の０〜１０％の範囲であることが望ましい。

以上では、本発明に係る半導体レーザダイオードを具体的な例を挙げて説明したが、これは、本発明の望ましい実施形態の例示したものであって、本発明はこれに限定されない。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決定される。

本発明は、半導体レーザダイオードに関連した技術分野に好適に適用される。

従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのｐ型電極からｎ型電極に至るキャリアの移動経路を示す図面である。図１の従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのキャリアの密度分布を示すグラフである。図１の従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのリッジ幅による電圧の変化を示すグラフである。本発明の一実施形態に係るリッジ構造の半導体レーザダイオードを示す図面である。本発明に係る半導体レーザダイオードでのｐ型電極からｎ型電極に至るキャリアの移動経路を示す図面である。本発明に係る半導体レーザダイオードでのキャリアの密度分布を示すグラフである。１０μｍであるリッジ幅Ｗ_１に対して、図４の半導体レーザダイオードでのｐ型電極の幅がそれぞれ５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍであるとき、キャリアの密度分布を示すグラフである。ｐ型電極の各幅に対して、図７のＡ地点とＢ地点との間のキャリアの密度差△ｎを示すグラフである。１０μｍであるリッジ幅Ｗ_１に対して、図４の半導体レーザダイオードのｐ型電極の幅がそれぞれ５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍであるとき、印加電流と電圧との関係を示すグラフである。１０μｍであるリッジ幅Ｗ_１に対して、図４の半導体レーザダイオードのｐ型電極の幅がそれぞれ５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍであるとき、１００ｍＡの電流印加時、ｐ型電極の各幅に対する電圧値を示すグラフである。本発明の他の実施形態に係るリッジ構造の半導体レーザダイオードを示す図面である。

符号の説明

２０基板、
２１ｎ型半導体層、
２２ｎ型クラッド層、
２３ｎ型光ガイド層、
２４活性層、
２５ｐ型光ガイド層、
２６ｐ型クラッド層、
２７ｐ型電極、
２９ｎ型電極、
Ｗ１リッジ幅、
Ｗ２ｐ型電極の幅。

Claims

基板上に順次に形成された第１半導体層、活性層、第２半導体層、及び電極を備える半導体レーザダイオードにおいて、
前記第２半導体層は、リッジ構造を有し、
前記電極は、前記第２半導体層のリッジ構造上にリッジの幅よりも狭い幅を有するように形成されたことを特徴とする半導体レーザダイオード。
前記電極の幅の中心と前記リッジの幅の中心とは相互に一致しないことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザダイオード。
前記電極は、半導体レーザダイオード内でのキャリアの移動経路から遠い前記リッジの一側に偏って形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザダイオード。
前記リッジは、３μｍ以上の幅を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザダイオード。
前記電極の幅は、前記リッジ幅の５０〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザダイオード。
前記リッジの幅の方向に、前記リッジの一側端部とそれに近接した前記電極の端部との間隔が、前記リッジ幅の０〜１０％の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザダイオード。
前記リッジは、３μｍ以上の幅を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザダイオード。
前記電極の幅は、前記リッジ幅の５０〜８０％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザダイオード。
前記リッジの幅方向に、前記リッジの一側端部とそれに近接した前記電極の端部との間隔が、前記リッジ幅の０〜１０％の範囲であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザダイオード。
前記第１半導体層はｎ型半導体層であり、前記第２半導体層はｐ型半導体層であり、前記電極はｐ型電極であることを特徴とする請求項１〜請求項９のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザダイオード。
前記第１半導体層はｎ型クラッド層を備え、前記第２半導体層はｐ型クラッド層を備え、前記ｐ型クラッド層はリッジ構造に形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザダイオード。
前記第１半導体層はｎ型光ガイド層をさらに備え、前記第２半導体層はｐ型光ガイド層をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザダイオード。
前記第１半導体層、活性層、及び第２半導体層は、ＧａＮ系物質から形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザダイオード。