JP2008177213A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、消費電力を減少させ信頼性を向上させることができる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】結晶基板と、結晶基板上に形成された第一導電型の第一クラッド層と、第一クラッド層上に形成された第一導電型の第一光ガイド層と、第一光ガイド層上に形成された、単一または多重量子井戸構造の活性層と、活性層上に形成された第二導電型のオーバーフロー防止層と、オーバーフロー防止層上に形成された第二導電型の第二光ガイド層と、第二光ガイド層上に形成された第二導電型の第二クラッド層とを備え、第二光ガイド層のキャリア濃度は、第二クラッド層のキャリア濃度以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。
レーザ発振波長４００ｎｍ帯の青紫色半導体レーザ装置は、次世代ＤＶＤ(digital versatile disk)などへの開発が進んでいる。その素子構造としては、例えば、ＧａN（窒化ガリウム）基板上に、ＩｎＧａＡｌN（インジウム ガリウム アルミニウム 窒素）系材料で構成したダブルヘテロ接合を有し、上部クラッド層をリッジ形状にし、その両側をＳｉＯ２膜などの誘電体膜で覆い、リッジの上側と基板の下側とに電極を設けた構造がある。
以下、半導体レーザ装置に関する文献名を記載する。
ＵＳ２００５／０４０３８４
本発明は、消費電力を減少させ信頼性を向上させることができる半導体レーザ装置を提供する。
本発明の一態様による半導体レーザ装置は、第一導電型の第一クラッド層と、前記第一クラッド層上に形成された第一導電型の第一光ガイド層と、前記第一光ガイド層上に形成された、単一または多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成された第二導電型のオーバーフロー防止層と、前記オーバーフロー防止層上に形成された第二導電型の第二光ガイド層と、前記第二光ガイド層上に形成された第二導電型の第二クラッド層とを備え、前記第二光ガイド層のキャリア濃度は、前記第二クラッド層のキャリア濃度以上である。
本発明の半導体レーザ装置によれば、消費電力を減少させ信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態による半導体レーザ装置１を示したものである。この半導体レーザ装置１は、ｎ-ＧａN基板１０上に、ｎ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２０(層厚０．５〜２．０μｍ、ドナー濃度１〜３×１０１８ｃｍ−３)と、ｎ-ＧａＮ光ガイド層３０(層厚０．０１〜０．１０μｍ、ドナー濃度１〜３×１０１８ｃｍ−３)と、Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎ（井戸層）／Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ（障壁層） ＭＱＷ（Multiple Quantum Well；多重量子井戸）活性層４０(井戸層厚２〜５ｎｍ、井戸数２〜４、障壁層厚６〜１５ｎｍ、アンドープ)と、図示しないＧａＮ拡散防止層(層厚０．０１〜０．１０μｍ、アンドープ)と、ｐ+-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎオーバーフロー防止層５０(層厚５〜２０ｎｍ、有効なアクセプタ濃度３×１０１８ｃｍ−３)と、ｐ-ＧａＮ光ガイド層６０(層厚０．０１〜０．１０μｍ、有効なアクセプタ濃度３×１０１８ｃｍ−３)と、ｐ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層７０(層厚０．５〜２．０μｍ、有効なアクセプタ濃度２×１０１８ｃｍ−３)と、ｐ+-ＧａＮコンタクト層８０(層厚０．０２〜０．２μｍ、有効なアクセプタ濃度５×１０１８ｃｍ−３)とが順次形成されている。
なお、有効なアクセプタ濃度とは、アクセプタとして実際に機能している濃度を意味する。ところで、ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが一般的に用いられる。一般に、窒化物系の半導体ではｐ型不純物の活性化率が低く、ドープしたＭｇの数％しか有効なアクセプタとして機能しない。このため、ｐ型半導体層には、１×１０１９ｃｍ−３〜１×１０２１ｃｍ−３とかなり高めにドープする。
図示しないＧａＮ拡散防止層は、ｐ+-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎオーバーフロー防止層５０から活性層４０へ不純物が拡散することを防止するための層である。
さらに、この半導体レーザ装置１は、ｐ+-ＧａＮコンタクト層８０とｐ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層７０の途中までとをストライプ状のリッジ型導波路１００に形成した後、リッジ導波路１００の上部以外の全表面にＳｉＯ２膜９０を形成し、リッジ導波路１００の上にｐ側電極１１０、ｎ-ＧａＮ基板１０の下にｎ側電極１２０を設けたものである。
図2は、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度を変化させた場合に、注入電流に対する光出力および電圧の特性がどのように変化するかをシミュレーションしたものである。この場合、光ガイド層６０をアンドープとしても、オーバーフロー防止層５０やクラッド層７０からＭｇが拡散してくるため、シミュレーションでは有効なアクセプタ濃度１×１０１７ｃｍ−３としている。
図２に示すように、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度が変化しても、光出力はほとんど変化しないが、当該有効アクセプタ濃度が高くなるほど電圧が低くなることが分かる。なお、オーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度は３×１０１８ｃｍ−３、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度は２×１０１８ｃｍ−３としている。
また、図3は、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度を変化させたときにおける、光出力３０mＷ時の動作電圧の変化を示したものである。ここでオーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度は３×１０１８ｃｍ−３、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度は２×１０１８ｃｍ−３としている。
図３に示すように、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度が、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度２×１０１８ｃｍ−３以上になると動作電圧が急に低下することが分かる。従って、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度をクラッド層７０の有効アクセプタ濃度より高くし、抵抗率を下げることにより、クラッド層７０側から注入されたホールが光ガイド層６０に入ってきたときに、ホールが光ガイド層６０の中に溜まり、電圧がかかってしまうことを抑制することができる。なお、この効果は、光ガイド層６０が厚い程顕著になる。
一方、光ガイド層６０とオーバーフロー防止層５０の界面に形成されるスパイク（障壁）の高さは、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度を１×１０１７ｃｍ−３（アンドープの場合）から増加させたとしても、それほど高くならず、影響は小さい。
この場合、オーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度を高くすることにより、オーバーフロー防止効果を強め、光出力を増加させることができる。スパイク低減のためには、オーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度を、少なくとも光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度よりも高くする必要がある。これにより、動作電圧が低下し、消費電力が減少するため信頼性が向上する。
なおここで、図４に、オーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度を３×１０１８ｃｍ−３に固定した上で、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度を１×１０１８ｃｍ−３、２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３とした場合における、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度及び動作電圧特性を示す。
図４に示すように、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度を１×１０１８ｃｍ−３とした場合には、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度が、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度１×１０１８ｃｍ−３以上になると動作電圧が急に低下することが分かる。
また、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした場合には、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度が、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度２×１０１８ｃｍ−３以上になると動作電圧が急に低下することが分かる。
また、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度を３×１０１８ｃｍ−３とした場合には、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度が、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度３×１０１８ｃｍ−３以上になると動作電圧が急に低下することが分かる。
ここで図５に、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度を２×１０１８ｃｍ−３に固定した上で、オーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度を２×１０１８ｃｍ−３、３×１０１８ｃｍ−３とした場合における、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度及び動作電圧特性を示す。
図５に示すように、オーバーフロー防止層５０の有効アクセプタ濃度を２×１０１８ｃｍ−３又は３×１０１８ｃｍ−３のいずれの場合にしても、光ガイド層６０の有効アクセプタ濃度が、クラッド層７０の有効アクセプタ濃度２×１０１８ｃｍ−３以上になると動作電圧が急に低下することが分かる。
ところで、オーバーフロー防止層５０は、バンドギャップが広いため、活性層４０や光ガイド層６０よりも有効アクセプタ濃度を高めに設定し、擬フェルミレベルを価電子帯に近づけ、オーバーフロー防止層５０と光ガイド層６０の界面に形成されるスパイクの高さを低減する。このようにすることで、界面にかかる電圧を低減することができる。そのため、光ガイド層６０はアンドープとする場合がある。
しかし、この比較例の場合、光ガイド層６０の抵抗率が高くなってしまうため、光ガイド層６０の層厚が厚くなってくると、かえって動作電圧が高くなってしまい、また、動作電圧の上昇により、消費電力が増大し信頼性が劣化してしまうという問題がある。
以上述べたように本実施の形態によれば、半導体レーザ装置１は、結晶基板（例えばｎ-ＧａN基板１０）と、結晶基板上に形成された第一導電型の第一クラッド層（例えばｎ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層２０）と、第一クラッド層上に形成された第一導電型の第一光ガイド層（例えばｎ-ＧａＮ光ガイド層３０）と、第一光ガイド層上に形成された、単一または多重量子井戸構造の活性層（例えばＭＱＷ活性層４０）と、活性層上に形成された第二導電型のオーバーフロー防止層（例えばｐ+-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎオーバーフロー防止層５０）と、オーバーフロー防止層上に形成された第二導電型の第二光ガイド層（例えばｐ-ＧａＮ光ガイド層６０）と、第二光ガイド層上に形成された第二導電型の第二クラッド層（例えばｐ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層７０）とを有し、第二光ガイド層のキャリア濃度（有効なアクセプタ濃度）は、第二クラッド層のキャリア濃度以上である。これにより、動作電圧を低減することができる。なお、有効アクセプタ濃度比と、アクセプタ濃度比と、キャリア濃度比と、不純物濃度比とは、いずれもほぼ等しい。そのため、上記説明において、有効アクセプタ濃度とあるところを、アクセプタ濃度、キャリア濃度、不純物濃度とそれぞれ置き換えても、同様のことがいえる。
また、活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ多重量子井戸活性層(０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０、ｘ＞ｙ)であり、オーバーフロー防止層は、ＡｌｔＧａ１−ｔＮ(ｔ＞０．１５)であり、第二光ガイド層は、ＧａＮであり、第二クラッド層は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ(０．０＜ｕ≦０．０５)である。これにより、通常、オーバーフロー防止層を用いる窒化物系の半導体レーザ装置１に適用することができる。
また、オーバーフロー防止層のキャリア濃度は、第二光ガイド層のキャリア濃度以上である。これにより、オーバーフロー防止効果を増大し、光出力を増加させることができる。
なお、上述の実施の形態は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、結晶基板としてｐ型半導体を用いて、これをｐ側とし上部の電極をｎ側としても良い。
本発明の実施の形態による半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。 光ガイド層の有効アクセプタ濃度に対する、電流−光出力及び電圧特性の変化を示したグラフである。 光ガイド層の有効アクセプタ濃度に対する、３０ｍＷ時動作電圧の変化を示したグラフである。 光ガイド層の有効アクセプタ濃度に対する、３０ｍＷ時動作電圧の変化を示したグラフである（オーバーフロー防止層の有効アクセプタ濃度を固定した場合）。 光ガイド層の有効アクセプタ濃度に対する、３０ｍＷ時動作電圧の変化を示したグラフである（クラッド層の有効アクセプタ濃度を固定した場合）。
符号の説明
１ 半導体レーザ装置。１０ ｎ-ＧａN基板。２０ ｎ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層。３０ ｎ-ＧａＮ光ガイド層。４０ Ｉｎ0.13Ｇａ0.87Ｎ／Ｉｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ ＭＱＷ活性層。５０ ｐ+-Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎオーバーフロー防止層。６０ ｐ-ＧａＮ光ガイド層。７０ ｐ-Ａｌ0.04Ｇａ0.96Ｎクラッド層。

Claims (5)

  1. 第一導電型の第一クラッド層と、
    前記第一クラッド層上に形成された第一導電型の第一光ガイド層と、
    前記第一光ガイド層上に形成された、単一または多重量子井戸構造の活性層と、
    前記活性層上に形成された第二導電型のオーバーフロー防止層と、
    前記オーバーフロー防止層上に形成された第二導電型の第二光ガイド層と、
    前記第二光ガイド層上に形成された第二導電型の第二クラッド層と
    を備え、前記第二光ガイド層のキャリア濃度は、前記第二クラッド層のキャリア濃度以上である
    ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 第一導電型の第一クラッド層と、
    前記第一クラッド層上に形成された第一導電型の第一光ガイド層と、
    前記第一光ガイド層上に形成された、単一または多重量子井戸構造の活性層と、
    前記活性層上に形成された第二導電型のオーバーフロー防止層と、
    前記オーバーフロー防止層上に形成された第二導電型の第二光ガイド層と、
    前記第二光ガイド層上に形成された第二導電型の第二クラッド層と
    を備え、前記第二光ガイド層の不純物濃度は、前記第二クラッド層の不純物濃度以上である
    ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 前記活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ多重量子井戸活性層(０．０５≦ｘ≦１．０、０≦ｙ≦１．０、ｘ＞ｙ)であり、
    前記オーバーフロー防止層は、ＡｌｔＧａ１−ｔＮ(ｔ＞０．１５)であり、
    前記第二光ガイド層は、ＧａＮであり、
    前記第二クラッド層は、ＡｌｕＧａ１−ｕＮ(０．０＜ｕ≦０．０５)である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記オーバーフロー防止層の不純物濃度は、前記第二光ガイド層の不純物濃度以上である
    ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記活性層上に形成され、前記オーバーフロー防止層から前記活性層へ不純物が拡散することを防止するための拡散防止層
    をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
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