JP2008041711A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＦＰが改善された屈折率導波型半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられ、光共振器光軸方向に延在するリッジ部と前記リッジ部の両側に設けられた非リッジ部とを有する第１導電型のクラッド層と、前記リッジ部の上に設けられた第１導電型の半導体層と、前記リッジ部の側面及び前記非リッジ部の上に設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜の上方または下方に隣接して設けられ、前記誘電体膜よりも大きい屈折率を有する光吸収膜と、を備え、前記活性層は、前記基板、前記半導体層及び前記光吸収膜のいずれよりも広いバンドギャップを有する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）を含む光ディスクの書き換え、追記、再生においては、微細なピット列に対応できる乱れがない放射パターンを有し、動作電流の小さな半導体レーザ装置が必要である。また、信号処理速度を上げるほど、高光出力を有する半導体レーザ装置が必要になる。屈折率導波型構造の半導体レーザ装置のうち、共振器の光軸方向に延びたリッジ部の両脇にリッジ部を構成するクラッド層とは逆導電型の電流阻止層を設けた構造は、「複素屈折率導波型構造」などと呼ばれる。

この構造では、リッジ部及び非リッジ部の複素屈折率差及びリッジ部の幅をそれぞれ適正値に選択することにより高次横モードを抑制し、マイナス１０乃至プラス７０℃の温度範囲において安定な基本横モードが得られる。また、水平横方向のビーム広がり角の半値全幅θhを７乃至１２度、垂直横方向のビーム広がり角の半値全幅θvを２５乃至３５度とできる。

しかしながら、クラッド層とは逆導電型を有する電流阻止層を構成する半導体が活性層より小さいバンドギャップエネルギを有する場合、活性層からしみ出たレーザ光が電流阻止層内で吸収される。この光吸収により特に高温において動作電流が増大し、７５℃以上において１０ｍＷ以上の光出力が得られにくくなる

この問題を解決するために、光吸収による損失の少ない誘電体膜により電流阻止層を形成する実屈折率導波型構造がある。しかし、θhがリッジ幅やｐ型クラッド層の厚みにより大きく変動し、かつ基板や電極からの反射光によるサブビームがメインビームと干渉し放射パターンが乱れるなどＦＦＰ（Far Field Pattern：遠視野像）に問題を生じる。ＦＦＰの乱れは信号読み取り、書き換えにおいて誤りを生じるため光ディスク用途においては好ましくない。

横方向の光閉じ込めを安定化するために、電流通路部の側面を覆うように、誘電体ブロック層と、その上に形成された半導体ブロック層とからなる電流ブロック層を有する窒化物系半導体発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。
特開２００３−６０３１９号公報

本発明は、ＦＦＰが改善された屈折率導波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、基板と、前記基板の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられ、光共振器光軸方向に延在するリッジ部と前記リッジ部の両側に設けられた非リッジ部とを有する第１導電型のクラッド層と、前記リッジ部の上に設けられた第１導電型の半導体層と、前記リッジ部の側面及び前記非リッジ部の上に設けられた誘電体膜と、前記誘電体膜の上方または下方に隣接して設けられ、前記誘電体膜よりも大きい屈折率を有する光吸収膜と、を備え、前記活性層は、前記基板、前記半導体層、前記光吸収膜のいずれよりも広いバンドギャップを有する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、ＦＦＰが改善された屈折導波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き説明する。
図１は、本発明の第１具体例にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。
結晶基板２２の上に、バッファ層２４、ｎ型クラッド層２６、活性層２８、ｐ型第１クラッド層３０、エッチングストップ層３２、ｐ型第２クラッド層３４、通電容易層３６、ｐ型半導体層３８がこの順に積層されている。この積層体は連続的な結晶成長により形成される。リッジ部５０は光共振器の光軸方向に延びており、ｐ型第２クラッド層３４により構成され、その組成はｐ型第１クラッド層３０と同じとすることができる。また、エッチングストップ層３２は、必ずしも必要ではないが、リッジ部５０の加工時に非リッジ部４８を必要以上にエッチングすることを抑制できる。

リッジ部５０の両側面及び非リッジ部４８の上には絶縁物からなる誘電体膜４０が形成され、その上には光吸収膜４２がさらに設けられる。リッジ部５０の上部に設けられたｐ型半導体層３８はｐ側電極４４と接続されており、基板２２の裏面にはｎ側電極４６が設けられている。

次に、発光波長が６５０ｎｍ帯であるＤＶＤ用のＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ装置を例にして第１具体例をより詳細に説明する。
６５０ｎｍを放射する活性層２８は、バンドギャップエネルギが約１．９ｅＶであるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰから構成される。この場合、ＭＱＷ（Multiple Quantum Well）構造を用いることもできる。結晶基板２２として、例えば、ｎ型ＧａＡｓ材料とする。ＧａＡｓのバンドギャップエネルギは約１．４ｅＶであるので活性層２８からの放射光は結晶基板２２に吸収される。結晶基板２２の上にＧａＡｓからなるバッファ層２４を設けると、漏れてくるレーザ光をより吸収できる。ただし、バッファ層２４は必ずしも必要ではない。なお、本明細書において、バッファ層２４を備えた結晶基板２２または結晶基板２２をあわせて基板と呼ぶ。

ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ装置においては、基板の上に、ＩｎＧａＡｌＰからなるｎ型クラッド層２６、活性層２８、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型第１クラッド層３０、ＩｎＧａＰからなるエッチングストップ層３２、ＩｎＧａＡｌＰからなるｐ型第２クラッド層３４、ｐ型ＩｎＧａＰからなる通電容易層３６、ＧａＡｓからなるｐ型半導体層３８が、この順序でＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法などにより積層されている。通電容易層３６は、ｐ型半導体層３８と、ｐ型第２クラッド層３４との中間のバンドギャップエネルギを有しているので、バンド間不連続による電圧降下を低減し、動作電圧を低減する効果がある。また、ｐ型半導体層３８の不純物濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３以上とすることにより、ｐ側電極４４との接触抵抗を低減できる。この場合不純物としては、Ｚｎ、Ｃ、Ｍｇなどを用いる。

誘電体膜４０としては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４：屈折率は１．９乃至２．０）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２：屈折率は２．０）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５：屈折率は２．２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２：屈折率は２．５）などを用いることができる。光吸収膜４２としては、例えばアモルファス膜を用いることができる。活性層２８内を導波されたレーザ光は誘電体膜４０を介して光吸収膜４２であるアモルファス膜にしみ出し、言い換えると光学的に結合して吸収される。アモルファス膜が導電性である場合、ｐ側電極４４から注入された電流は横方向に広がりやすくなり、アモルファス膜の抵抗を低減できる。この結果、素子抵抗が低減された複素屈折率導波型構造が可能になる。

安定した電流阻止効果を得るためには、誘電体膜４０の厚みは１０ｎｍ以上であることが好ましい。また、活性層２８内の導波光がアモルファス膜に効率的に光学結合がなされるためには、誘電体膜４０の屈折率がリッジ部５０の実効屈折率である３．３に近いほうが好ましい。すでに説明した誘電体膜４０の材料の屈折率はいずれも１．８より大きいのでこれに適している。

さらに、レーザ光がアモルファス膜に光学的に結合するためには、アモルファス膜の屈折率が誘電体膜４０のそれより大きい必要があり、かつ光吸収係数が１００ｃｍ^−１以上であることが好ましい。アモルファス膜としては、例えば、アモルファスシリコンがある。アモルファスシリコンは、波長６００乃至８００ｎｍにおける屈折率は３．４乃至４．５であり、光吸収係数は１００００ｃｍ^−１以上である。また、成膜条件により導電性の制御が可能であるので光吸収膜として適している。なお、シリコン（Ｓｉ）のバンドギャップは１．４２ｅＶである。

図２は、波長が６５０ｎｍ帯であるＩｎＧａＡｌＰ系材料と、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる誘電体膜４０と、アモルファスシリコンからなる光吸収膜４２とから構成された第１具体例にかかる半導体レーザ装置における導波路損失α（ｃｍ^−１）のシミュレーション結果を表すグラフ図である。なお、活性層２８は井戸層及びバリア層の厚みはいずれも５ｎｍであるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰからなるＭＱＷ構造、ｎクラッド層２６、ｐ型クラッド層３０及び３４のＡｌ組成比はいずれも０．７、リッジ部５０の幅はその底部において３μｍとしている。縦軸は導波路損失α（ｃｍ^−１）であり、横軸はＳｉ_３Ｎ_４の膜厚（μｍ）である。Ｓｉ_３Ｎ_４膜厚が０．１μｍより大きい領域において、αはほぼ０．０８ｃｍ^−１と一定値となり損失が小さい。この結果、実屈折率導波型として動作する。

一方、Ｓｉ_３Ｎ_４膜厚が０．０１乃至０．１μｍの領域において、膜厚の減少と共にαは０．０８から１．０５ｃｍ^−１に向かって上昇する。この領域では、複素屈折率導波型として動作することを表している。なお、ｎ型ＧａＡｓのαは１０ｃｍ^−１以上と大きい。これに対して、本第１具体例においては、Ｓｉ_３Ｎ_４膜厚が０．０１乃至０．１μｍの領域において膜厚を変化することにより、αを０．０８乃至１０ｃｍ^−１の間で制御できる。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ層のような逆導電型電流阻止層よりも低損失である誘電体膜４０からなる電流阻止層を有する複素屈折率導波型半導体レーザ装置が可能となる。

図３は、図２と同一の条件における水平横方向広がり角（半値全幅：θh）のシミュレーション結果を表すグラフ図である。縦軸は、水平方向広がり角θhであり、横軸はＳｉ_３Ｎ_４膜厚である。
Ｓｉ_３Ｎ_４膜厚が０．１μｍより大きい領域ではθhは１０．２５度とほぼ一定値である。一方、Ｓｉ_３Ｎ_４膜厚が０．０１乃至０．１μｍの領域において、膜厚の減少と共に１０．２５度から１０．６５度に向かって上昇しており、複素屈折率導波型として動作することを表している。この結果、リッジ部５０の幅や高さが変化しても、Ｓｉ_３Ｎ_４膜の厚みを０．０１乃至０．１μｍの範囲で適正に選択することによりθhの変動範囲を小さくでき、ＦＦＰの変動を低減できる。また、導波路損失の低減により、動作電流の低減が可能になり高温動作が容易になる。

次に、本具体例によりＤＶＤ用光ディスク駆動装置にとって重要なＦＦＰの乱れが抑制できることを説明する。
図４は、本具体例によりＦＦＰの乱れが抑制できることを説明する図であり、同図（ａ）は半導体レーザ装置の模式断面図、同図（ｂ）はＦＦＰを表すグラフ図である。図４（ａ）のＡＡ部は図１の一点鎖線ＡＡ’に沿った断面を、ＢＢ部は一点鎖線ＢＢ’に沿った断面をそれぞれ表す。活性層２８内を導波され、光出射面に向かうレーザ光はｎ型クラッド層２６からのしみ出しがあっても、バンドギャップエネルギが活性層２８より小さいバッファ層２４または基板２２において吸収される。言い換えると、バンドギャップエネルギをＥｇ（ｅＶ）とすると、バンドギャップ波長λｇ（μｍ）はλｇ＝１．２４／Ｅｇで表され、λｇより短い波長光は半導体内で吸収される。

また、活性層２８の上のｐ型第１クラッド層３０及びｐ型第２クラッド層３４からしみ出しがあっても、バンドギャップエネルギが活性層２８より小さいｐ型半導体層３８及び光吸収層４２において吸収される。この結果、しみ出たレーザ光がｐ側電極４４やｎ側電極４６により反射されてメインビーム８２を乱すことが無く図４（ｂ）のようなガウス型のＦＦＰを有した出射光８０を得ることができる。

図５は、比較例におけるＦＦＰの乱れを説明する図であり、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）はＦＦＰを表す。なお、図４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。比較例の場合、結晶基板２２及びバッファ層２４は活性層２８よりも大きいバンドギャップエネルギを有しているのでしみ出たサブビーム８４は基板で吸収されずに、例えば、ｎ側電極４６で反射する。

また、上方へしみ出たサブビーム８４は、光吸収層がなくｐ型コンタクト層３７が活性層２８より大きいバンドギャップエネルギを有しているためにｐ型コンタクト層では吸収されずに、サブビーム８４はｐ側電極４４により反射する。このようにしてサブビーム８４は、ｐ側電極４４とｎ側電極４６との境界などで多重反射しながら共振器光軸方向に伝播してメインビーム８２と干渉した後、図５（ｂ）のように乱れたＦＦＰを有した出射光８１となる。

ＦＦＰの乱れは、光ディスクの再生、書き換えのいずれにおいても信号誤りを生じるので好ましくない。例えば、ＩｎＧａＡｌＮ系半導体レーザ装置においては、活性層２８はＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮなる構造、ｐ型コンタクト層３７にはＧａＮが用いられる。また、結晶基板２３にはＧａＮやサファイヤなどが用いられる。ＧａＮやサファイヤは、活性層２８より大きなバンドギャップエネルギを有するためにレーザ光は、結晶基板２３及びｐ型コンタクト層３７を通り抜ける。この結果、図５（ｂ）のようなＦＦＰの乱れを生じやすい。

これに対して、本具体例の６５０ｎｍ半導体レーザ装置においては、基板またはｐ型半導体層３８を構成するＧａＡｓが光を吸収し、また光吸収膜４２をさらに設けることにより、ＦＦＰの乱れが改善できる。また、波長が７８０ｎｍのＣＤ用においても同様である。すなわち、７８０ｎｍ帯の半導体レーザ装置において活性層２８はＡｌＧａＡｓであり、そのバンドギャップエネルギは１．６ｅＶであるのでサブビームを基板、ｐ型半導体層３８を構成するＧａＡｓ、及び光吸収膜４２により吸収できる。

次に、本第１具体例にかかる半導体発光装置の製造方法について説明する。
図６は、その工程断面図である。
図６（ａ）は、結晶成長した積層体のｎ型クラッド層２６より上部を表す。この結晶成長は１回で連続的になされる。積層体の上部にはフォトレジスト６２がパターニングされる。続いて図６（ｂ）のように、エッチングによりリッジ部３４を形成し、エッチングストップ層３２を除去する。

続いて、図６（ｃ）のように、誘電体膜４０及び光吸収膜４２をＣＶＤ法やスパッタリングにより形成し、同図（ｄ）のように厚膜レジスト６０を塗布する。続いて厚膜レジスト６０を、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などによりリッジ部３４の上部を露出し（図６（ｅ））、さらに光吸収膜４２及び誘電体膜４０をＲＩＥなどにより除去することによりリッジ部３４の上部を開口する（同図（ｆ））。続いて、図６（ｇ）のようにｐ側電極４４を形成して完成する。

この製造方法においては、結晶成長が１回で屈折率導波型構造ができる。これに対して、逆導電型電流阻止層による構造では電流阻止層と上部コンタクト層とのそれぞれの結晶成長を含めて最低３回の結晶成長が必要であり生産性において劣る。また、ＭＯＣＶＤ装置や結晶成長ガス材料は高価であるので、結晶成長回数が多いと製造コストが上がる。本具体例の半導体発光装置は製造コスト低減が可能である。

図７は、第１具体例の変形例である半導体レーザ装置の模式断面図である。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。
第１具体例において、光吸収膜４２は誘電体膜４０の上方に形成された。しかし、誘電体膜４０に隣接して下方に設けられても良い。このようにしても、活性層２８からしみ出たサブビームを吸収することができ、ｐ側電極４４及びｎ側電極４６における多重反射による伝播を抑制できる。この場合、光吸収膜４２が活性層２８に近いので光学的な結合が容易となる。

次に、本発明の第２具体例にかかる半導体レーザ装置につき説明する。
図８は、第２具体例であるＤＶＤ及びＣＤ用２波長半導体レーザ装置の模式断面図である。
ＧａＡｓなどからなる結晶基板２２０の上に、ＤＶＤ用の６５０ｎｍ帯の半導体レーザ素子１０１と、ＣＤ用の７８０ｎｍ帯の半導体レーザ素子１０２とが集積されている。例えば、まず７８０ｎｍ帯レーザ素子１０２の結晶成長が行われる。ｎ型ＧａＡｓ基板２２０の上に、ｎ型クラッド層２６２、活性層２８２、ｐ型第１クラッド層３０２、エッチングストップ層３２２、ｐ型第２クラッド層３４２、通電容易層３６２、ＧａＡｓからなるｐ型半導体層３８２を備えた積層体が形成されている。

次に、半導体素子１０２となる部分の積層体を残し、隣接して６５０ｎｍ帯レーザ素子１０１の結晶成長が行われる。ｎ型ＧａＡｓ基板２２０の上に、ｎ型クラッド層２６１、活性層２８１、ｐ型第１クラッド層３０１、エッチングストップ層３２１、ｐ型第２クラッド層３４１、通電容易層３６１、ＧａＡｓからなるｐ型半導体層３８１を備えた積層体が形成されている。この場合、７８０ｎｍ帯レーザ素子１０２の活性層としては、例えば、バンドギャップエネルギが１．６ｅＶであるＡｌＧａＡｓとする。一方、６５０ｎｍ帯レーザ素子１０１の活性層としては、例えば、バンドギャップエネルギが１．９ｅＶであるＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｌＰからなるＭＱＷ層とする。

なお、７８０ｎｍ帯レーザ素子１０２において、活性層２８２をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）からなるバルクとした場合、ｐ型クラッド層３０２及び３４２、ｎ型クラッド層２６２にＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｘ＜ｙ＜１）を用いることができる。また、これらクラッド層３０２、３４２、２６２を６５０ｎｍ帯レーザ素子１０１と同様にＩｎＧａＡｌＰとすることもできる。積層体の他の各層の組成はほぼ共通とすることができる。

また、放熱性を良好にするためにアップサイドダウン構造が用いられる。この場合、６５０ｎｍ帯レーザ素子１０１及び７８０ｎｍ帯レーザ素子１０２の高さをほぼ同一とすることが好ましい。さらに、リッジ部を形成する工程以降はエッチングなどの加工時間を揃えるためにリッジ部高さもほぼ同一とすることが好ましい。リッジ部のエッチング、誘電体膜４０１及び４０２の形成、光吸収膜４２１及び４２２の形成、ｐ側電極４４１及び４４２の形成工程は、共通にできる。なお、６５０ｎｍ帯のレーザ素子１０１と７８０ｎｍ帯のレーザ素子１０２との発光点間隔Ｄは、例えば、１１０μｍとする。一般に二波長半導体レーザ装置は構造が複雑となるが、逆導電型電流阻止層及びその上のコンタクト層を省略できる本第２具体例により一層簡素な構造とできる。

本第２具体例において、基板２２０に用いるＧａＡｓ，ｐ側電極４４１及び４４２との接触抵抗を低減するＧａＡｓからなるｐ型半導体層３８１及び３８２、アモルファス膜からなる光吸収膜４２１及び４２２はいずれも６５０ｎｍ及び７８０ｎｍの波長光を吸収できる。この結果、リッジ部の幅や高さが変化しても、光吸収膜４２１及び４２２の厚みを０．０１乃至０．１μｍの範囲で適正に選択することによりθhの変動範囲を小さくでき、ＦＦＰの変動を低減できる。

また、活性層２８１及び２８２からしみ出たサブビームがｐ側電極４２１及び４２２、ｎ側電極４６０などで反射されてメインビームと干渉することを抑制できる。この結果、メインビームとサブビームとの干渉により生じるＦＦＰの乱れを抑制できる。

さらに、光吸収膜４２１及び４２２の膜厚を適正に選択することにより、逆導電型半導体による電流阻止層と比較して導波路損失を低減できる。この結果、ＦＦＰを改善しつつ、動作電流の低減が可能となる。動作電流の低減により高温動作が、また光損失の低減により光出力の増大が可能となる。このようにして、二波長半導体レーザ装置を再生専用のみならず書き換え用などにも応用できる。二波長半導体レーザ装置は光ピックアップの小型化をより容易にする。

以上、図面を参照しつつ本発明の具体例につき説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されない。例えば、半導体レーザ装置を構成する半導体積層体、リッジ部、非リッジ部、ｐ側電極、ｎ側電極、基板、誘電体膜、光吸収膜などのサイズ、材質、形状などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り、本発明の範囲に包含される。

本発明の第１具体例にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。 光吸収膜の導波路損失を表すグラフ図である。 第１具体例の水平横方向広がり角の半値全幅を表すグラフ図である。 第１具体例のＦＦＰを説明する図であり、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）はＦＦＰを表す。 比較例のＦＦＰを説明する図であり、同図（ａ）は模式断面図、同図（ｂ）はＦＦＰを表す。 第１具体例の製造方法を表す工程断面図である。 第１具体例の変形例である。 本発明の第２具体例にかかる半導体レーザ装置の模式断面図である。

符号の説明

２２・・・結晶基板、２４・・・バッファ層、２８・・・活性層、３８・・・ｐ型半導体層、４０・・・誘電体膜、４２・・・光吸収膜、４８・・・非リッジ部、５０・・・リッジ部

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられた活性層と、
   前記活性層の上に設けられ、光共振器光軸方向に延在するリッジ部と前記リッジ部の両側に設けられた非リッジ部とを有する第１導電型のクラッド層と、
   前記リッジ部の上に設けられ た第１導電型の半導体層と、
   前記リッジ部の側面及び前記非リッジ部の上に設けられた誘電体膜と、
   前記誘電体膜の上方または下方に隣接して設けられ、前記誘電体膜よりも大きい屈折率を有する光吸収膜と、
   を備え、
   前記活性層は、前記基板、前記半導体層及び前記光吸収膜のいずれよりも広いバンドギャップを有することを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記基板は、バッファ層を含み、
   前記活性層は、前記バッファ層より広いバンドギャップ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装置。
3. 前記光吸収膜は、アモルファス膜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。
4. 前記光吸収膜は、前記非リッジ部と前記誘電体膜との間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記誘電体膜は、窒化珪素、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化チタンの少なくともいずれかを含み、厚みが０．１μｍ以下である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。

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