JP2008084939A

JP2008084939A - 窒化物半導体レーザー素子

Info

Publication number: JP2008084939A
Application number: JP2006260631A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tamai; 慎一玉井; Soichiro Arimura; 聡一郎有村
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-04-10

Abstract

【課題】小型でコンパクトな、１チップで実現された緑色半導体レーザー素子が望まれていた。
【解決手段】ＩｎＧａＮ活性層１４中に、フォトニック結晶領域２１および希土類ドープ領域２２を形成する。活性層１４中の、フォトニック結晶領域２１および希土類ドープ領域は、一表面沿いに、互いに近接して形成する。フォトニック結晶領域２１は、第１のパターンとして、活性層１４の一表面沿いに形成され、励起光の波長に応じた間隔で平行に配列された複数の溝２３を含む。希土類ドープ領域２２は、第２のパターンとして、出力する緑色光の波長に応じた間隔で互いに平行に配列された複数の溝２４を含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、窒化物半導体レーザー素子に関し、特に、緑色レーザー光を出射する窒化物半導体レーザー素子に関する。

緑色レーザー光を実現するために、様々な方式が開発されている。たとえば古くはガスレーザー装置であり、また、近年ではＬＤ励起ＳＨＧ固体レーザーにより、緑色レーザー光が実現されている。
また、紫外域のレーザー光を発するレーザー光源を用い、緑色蛍光体を緑色に発光させるカラーレーザーディスプレイも提案されている（特許文献１参照）。

従来のガスレーザー装置は、緑色レーザー光を出力することができるが、装置が大型で、コストが非常に高いという課題があった。
また、ＬＤ励起ＳＨＧ固体レーザーとして、たとえば、波長が１０６４ｎｍのＬＤ励起固体レーザーを用いた５３２ｎｍの緑色波長を発するＹＡＧレーザーは、ガスレーザーよりもエネルギー変換効率は高いが、レーザー光に縦モード競合というノイズが発生する。そしてノイズ発生を制御し、単一モード発振を行うには、ロスが大きすぎ、高出力が得られなくなるという課題がある。

さらに、近年の主流であるＳＨＧを利用したＤＰＳＳレーザー（Diode Ponped Solid State Laser: 半導体レーザーで固体を励起して、固体レーザーを非線形結晶を通して２倍波を出すようにしたレーザー）は、温度特性効率に難があり、連続発振時間が短いという課題がある。
特開２０００−３１４９２０号公報

半導体レーザー素子としての１チップによる緑色レーザー素子は未だ実現されてはおらず、コンパクトで高効率な緑色レーザー素子が求められている。
この発明は、かかる技術背景のもとになされたもので、１チップで緑色レーザー素子を得る技術を提供するものである。
すなわち、この発明の主たる目的は、１チップで実現された緑色半導体レーザー素子を提供することである。

この発明の他の目的は、低効率なＳＨＧ技術は用いず、技術的にある程度確立されているＩｎＧａＮ半導体発光素子および希土類により、１チップに融合された緑色半導体レーザー素子を提供することである。
この発明は、さらに、高効率、長寿命で高い出力安定性を有する緑色半導体レーザー素子を提供することをさらに他の目的とする。

請求項１記載の発明は、ＩｎＧａＮの活性層（１４）を有する窒化物半導体レーザー素子（１０）であって、前記活性層（１４）中にフォトニック結晶用の第１のパターンが形成されたフォトニック結晶領域（２１）と、前記活性層（１４）中の、前記フォトニック結晶領域（２１）に近接して形成され、希土類がドープされ、かつ、出力光共振用の第２のパターンが形成された希土類ドープ領域（２２）と、を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザー素子である。

括弧内の英数字は後述の実施形態における態様構成要素を表わす。以下、この項において同じ。
上記構成では、活性層（１４）中において励起する光のうち、希土類の励起光となる波長の光が第１のパターンを備えるフォトニック結晶によって選択的に共振される。共振によって生じたレーザー光は、フォトニック結晶領域（２１）に近接して形成された希土類ドープ領域（２２）において、希土類を励起する。その結果、希土類が緑色光を発する。そして、希土類が発する光は第２のパターンによって共振され、緑色レーザー光が出力される。

フォトニック結晶領域（２１）において励起する励起光の波長は、ＩｎＧａＮ活性層中のＩｎ組成およびフォトニック結晶の周期で制御することができる。フォトニック結晶の周期は、第１のパターンで設定でき、より具体的には、請求項２のフォトニック結晶領域（２１）に形成された複数の溝（２３）の間隔で決められる。
また、緑色を発光する希土類元素の具体例は、Ｐｒ（プラセオジウム、励起波長：４４０ｎｍ）、Ｔｂ（テルビウム、励起波長：４１０ｎｍ）、Ｅｒ（エルビウム）を例示できる。

請求項２記載の発明は、前記フォトニック結晶領域（２１）は、前記活性層（１４）の一表面沿いに形成され、前記第１のパターンは、前記活性層（１４）内で励起される励起光の波長λに対して約λ／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で平行に配列された複数の溝（２３）を含み、前記希土類ドープ領域（２２）は、前記フォトニック結晶領域（２１）の複数の溝（２３）が形成された一表面と同一面沿いに形成され、前記第２のパターンは、出力光の波長λ′に対して約λ′／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で互いに平行に配列されている複数の溝（２４）を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザー素子である。

この構成によれば、フォトニック結晶領域（２１）において、所定の波長の励起光を選択的に共振させることができる。
また、励起光を、近接領域である希土類ドープ領域（２２）へ導くことにより、希土類が励起されて緑色光を発する。そして緑色光が第２のパターンによって共振されて、緑色光をシングルモード発振の緑色レーザー光として、希土類ドープ領域（２２）の端面から出力することができる。

請求項３記載の発明は、前記フォトニック結晶領域（２１）は、前記活性層（１４）の一表面沿いに形成され、前記第１のパターンは、前記活性層（１４）内で励起される励起光の波長λに対して約λ／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で平行に配列された複数の溝（２３）を含み、前記希土類ドープ領域（２２）は、前記フォトニック結晶領域（２１）の複数の溝（２３）が形成された一表面と同一面沿いに形成され、前記第２のパターンは、互いに出力光の波長λ′に対して約λ′／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で配置されている多数個のドット孔（２５）を含むことを特徴とする、請求項１記載の窒化物半導体レーザー素子である。

上記構成では、請求項２の構成とは異なり、希土類ドープ領域において、第２のパターンとして多数個のドット孔が設けられている。このため、希土類ドープ領域（２２）の上面から緑色レーザー光を出力できる。
この発明に係る窒化物半導体レーザー素子は、ＩｎＧａＮ半導体発光素子と希土類ドープ領域とを、フォトニック結晶を介して１チップに融合させており、従来のＳＨＧを用いたＤＰＳＳレーザー等と比較して、高効率、長寿命、高い出力安定性を持った緑色レーザー素子チップを得られるという大きな利点がある。

また、この発明に係る窒化物半導体レーザー素子は、希土類元素からの発光を利用したシングルモード発振が可能である。
この発明に係る緑色レーザーを出射する窒化物半導体レーザー素子は、フルカラーディスプレイ、レーザー加工機、緑色レーザーポインター、プロジェクター等の分野で広く利用することができる。

以下では図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明をする。
図１は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子の模式的な縦断面図である。この実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子１０は、基板１１の上にｎ型クラッド層１２、ｎ型ガイド層１３、活性層１４、ｐ型ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６およびｐ型コンタクト層１７が順次積層形成された構造をしている。

活性層１４は、ＩｎＧａＮで構成されており、図２または図３に示す構造を有している。
図２は、活性層１４の構成の一例を説明するための図解的な斜視図である。活性層１４は、上述したように、ＩｎＧａＮで構成されている。活性層１４にはフォトニック結晶領域２１および希土類ドープ領域２２が含まれており、これら２つの領域は活性層１４の一表面（上面）に沿って、左右に隣接して形成されている。なお、実際の構造としては、フォトニック結晶領域２１と希土類ドープ領域２２とは、所定の間隔をあけて近接配置された構成であってもよい。

フォトニック結晶領域２１には、活性層１４の一表面に沿って、第１のパターンとして、活性層１４の長手方向（矢印Ａで示す方向）と直交方向に延びる複数の溝２３が形成されている。各溝２３は、互いに平行で、その間隔は、活性層１４内で励起される励起光の波長λに対して約λ／２ｎ（ｎは活性層１４の屈折率）にされている。ここに、励起光とは、レーザー発光時に、活性層１４内で電子および正孔の再結合が起こり発光する光のことで、この励起光の波長は、活性層１４を構成するＩｎＧａＮのＩｎの組成割合を調整することによって制御することができる。

この実施形態では、励起光は、後述する希土類を励起するために必要な波長になるように、Ｉｎ組成が調整される。
形成された溝２３は、空の状態（空気が満たされた状態）でよい。あるいは、溝２３内に、たとえばＳｉＯ₂やＡｌＧａＮ等を満たした状態としてもよい。
一方、希土類ドープ領域２２には、全面に特定の希土類がドープされており、かつ、その一表面（上面）沿いに、第２のパターンとして、活性層１４の長手方向Ａに対して直交方向に、複数本の溝２４が形成されている。各溝２４は、互いに平行である。溝１４も、空の状態（空気が満たされた状態）でもよいし、ＳｉＯ₂等が満たされた状態でもよい。

溝２４相互の間隔は、ドープされた希土類元素の発光波長λ′に対して、約λ′／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）とされている。ここに、Ｐｒの場合はλ′＝５２２ｎｍ、Ｔｂの場合はλ′＝５１０ｎｍである。
活性層１４を、上述のフォトニック結晶領域２１および希土類ドープ領域２２を含む構成にした場合、レーザー発光時に、フォトニック結晶領域２１において、特定の波長の光を励起光として選択的に共振させることができる。そして共振される特定波長のレーザー光は、希土類ドープ領域の希土類を励起する。希土類は励起によってＬＥＤ的に発光する。そして、その発光は溝２４の間隔が希土類の発する緑色発光の波長に対応する間隔になっているため、緑色発光が共振され、発振波長が１つに定まったシングルモード発振の緑色レーザー光が、希土類ドープ領域２２の端面（図２において右側面）から出射される。

図３は、活性層１４の他の構成例を説明するための図解的な斜視図である。
図３に示す活性層１４の構成の特徴は、希土類ドープ領域２２には、その一表面（上面）沿いに、第２のパターンとしての多数個のドット孔が形成されていることである。そして、各ドット孔２５は、その形成間隔が、互いにおよそλ′／２ｎ（λ′は希土類ドープ領域２２にドープされた希土類元素の発光波長であり、ｎは活性層の屈折率である。）にされていることである。

その他の構成は、図２を参照して説明した活性層１４の構成と同様である。
図３に示す活性層１４では、フォトニック結晶領域２１で生じた励起光により、希土類ドープ領域２２にドープされた希土類元素が励起されてＬＥＤ的に発光する。その発光は、各ドット孔２５の間隔が発光波長に対応した間隔であるから、各ドット孔２５により共振され、ＬＥＤ的発光から発振波長が１つに定まったシングルモードのレーザー発振となり、希土類ドープ領域２２の上面から緑色レーザー光が面発光として出力される。

図４は、上述した活性層１４の作成の一例を示す製造工程図である。
ｎ型ガイド層１３の上にＩｎＧａＮ活性層１４が形成される。活性層１４は、たとえばＭＯＣＶＤなどの方法で成膜される（図４Ａ）。
次いで、活性層１４の表面にＥＢレジスト３１が塗布される（図４Ｂ）。
そして、ＥＢ露光および現像が行われて、活性層１４表面の、フォトニック結晶領域２１における溝２３、および希土類ドープ領域２２における溝２４（またはドット孔２５）を形成する領域のＥＢレジストが除去される（図４Ｃ）。

次いで、たとえば塩素系ガスを用いてドライエッチングが行われると、活性層１４のうち、ＥＢレジスト３１で覆われていない領域に溝２３および溝２４（またはドット孔２５）が形成される（図４Ｄ）。
その後、ＥＢレジスト３１が剥離されると、表面に溝２３および溝２４（またはドット孔２５）が形成された活性層１４が作成される（図４Ｅ）。なお、ＥＢ描画に代えて、ナノインプリントなどの方法を用いて溝２３、２４を形成してもよい。

その後、活性層１４上には、図１で説明したように、ｐ型ガイド層１５（ｐ−ＧａＮなど）が積層される。この積層にあたっては、ｐ型ガイド層１５を、ＭＯＣＶＤで再成長させると、活性層１４に形成した溝２３および溝２４（またはドット孔２５）が埋まってしまうので、ｐ型ガイド層１５は、融着により溶接する。なお、融着による溶接に代えて、プラズマ活性化接合をしてもよい。

図５は、活性層１４の他の作成例を示す製造工程図である。
ｎ型ガイド層１３の上にＩｎＧａＮ活性層１４を、ＭＯＣＶＤなどで成膜する（図５Ａ）。
次に、活性層１４表面に、スパッタなどでＳｉＯ₂を成膜し、さらにその上にＥＢレジスト膜３１を塗布する（図５Ｂ）。

そして、たとえばＥＢ露光および現像を行うことにより、ＳｉＯ₂膜３２の上のＥＢレジスト３１が選択的に除去される（図５Ｃ）。このとき、ＥＢレジストが選択的に除去された領域が、フォトニック結晶領域２１における溝２３、および希土類ドープ領域２２における溝２４（またはドット孔２５）が形成されない領域となる。
次に、塩素系ガス等でドライエッチングを行うことにより、ＥＢレジストで覆われていない領域のＳｉＯ₂膜３２が除去される（図５Ｄ）。

そして、ＥＢレジスト３１を剥離すれば、活性層１４上に、溝２３、および溝２４（またはドット孔２５）となるべきＳｉＯ₂が平行に配列された状態となる（図５Ｅ）。
次に、活性層１４およびその上に形成されたの畝状のＳｉＯ₂（ＳｉＯ₂畝２３および２４）上に、ｐ型ガイド層１５となるたとえばｐ−ＧａＮを形成し、この層１５をＭＯＣＶＤなどで再成長させる（図５Ｆ）。

この結果、ＳｉＯ₂が溝２３としての役目を果たすフォトニック結晶領域２１が形成される。同様に、ＳｉＯ₂が溝２４（またはドット孔２５）としての役目を果たす希土類ドープ領域２２が形成される。
上記図４および図５で例示した製造工程において、希土類ドープ領域２２に対しては、溝２４（またはドット孔２５）の作成の前または後のいずれかにおいて、所定の希土類が、イオン注入法などにより、全面にドープされる。

この発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。

この発明の一実施形態に係る窒化物半導体レーザー素子の模式的な縦断面図である。活性層の構成の一例を説明するための図解的な斜視図である。活性層の他の構成例を説明するための図解的な斜視図である。活性層の作成の一例を示す製造工程図である。活性層の他の作成例を示す製造工程図である。

符号の説明

１４活性層
２１フォトニック結晶領域
２２希土類ドープ領域
２３溝
２４溝
２５ドット孔

Claims

ＩｎＧａＮの活性層を有する窒化物半導体レーザー素子であって、
前記活性層中にフォトニック結晶用の第１のパターンが形成されたフォトニック結晶領域と、
前記活性層中の、前記フォトニック結晶領域に近接して形成され、希土類がドープされ、かつ、出力光共振用の第２のパターンが形成された希土類ドープ領域と、
を備えることを特徴とする窒化物半導体レーザー素子。
前記フォトニック結晶領域は、前記活性層の一表面沿いに形成され、前記第１のパターンは、前記活性層内で励起される励起光の波長λに対して約λ／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で平行に配列された複数の溝を含み、
前記希土類ドープ領域は、前記フォトニック結晶領域の複数の溝が形成された一表面と同一面沿いに形成され、前記第２のパターンは、出力光の波長λ′に対して約λ′／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で互いに平行に配列されている複数の溝を含むことを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レーザー素子。
前記フォトニック結晶領域は、前記活性層の一表面沿いに形成され、前記第１のパターンは、前記活性層内で励起される励起光の波長λに対して約λ／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で平行に配列された複数の溝を含み、
前記希土類ドープ領域は、前記フォトニック結晶領域の複数の溝が形成された一表面と同一面沿いに形成され、前記第２のパターンは、互いに出力光の波長λ′に対して約λ′／２ｎ（ｎは活性層の屈折率）の間隔で配置されている多数個のドット孔を含むことを特徴とする、請求項１記載の窒化物半導体レーザー素子。