JP2009224506A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ディスク装置のピックアップ用光源、その他の電子装置、情報処理装置などに必要な光源として用いられる赤色及び赤外域の半導体レーザに関する。 The present invention relates to a red and infrared semiconductor laser used as a light source required for a pickup light source of an optical disk device, other electronic devices, information processing devices, and the like.
現在、高密度記録が可能で大容量のディジタルビデオディスク(DVD)およびその記録用のDVD装置が市販されており、今後需要が益々伸びていく商品として注目されている。このDVDは高密度記録であるため、その記録再生用のレーザ光源としては発光波長が650nmのAlGaInP系半導体レーザが用いられている。このため、従来のDVD装置の光学ピックアップでは、発光波長が780nmのAlGaAs系半導体レーザを用いて再生を行うコンパクトディスク(CD)を再生することができなかった。 Currently, high-capacity digital video discs (DVDs) capable of high-density recording and DVD devices for recording the same are on the market, and are attracting attention as products that will continue to grow in demand in the future. Since this DVD has high-density recording, an AlGaInP semiconductor laser having an emission wavelength of 650 nm is used as a laser light source for recording and reproduction. For this reason, the optical pickup of the conventional DVD apparatus cannot reproduce a compact disc (CD) that is reproduced using an AlGaAs semiconductor laser having an emission wavelength of 780 nm.
そこで、この問題を解決するために、発光波長が650nm帯のAlGaInP系半導体レーザのチップと、発光波長が780nm帯のAlGaAs系半導体レーザのチップとを別々にパッケージしたものを搭載した光学ピックアップが採用されている。しかしながら、上述のような光学ピックアップは、AlGaInP系半導体レーザとAlGaAs系半導体レーザの二つのパッケージが搭載されていることにより、サイズが大きく、したがってDVD装置のサイズも大きくなってしまうという不具合が生じる。そこで、この不具合を解決するために、同一基板上に成長された半導体層により発光素子構造が形成された互いに発光波長が異なる複数種類の半導体発光素子を有する集積型半導体発光装置が提案されている(特許文献1参照)。 In order to solve this problem, an optical pickup equipped with an AlGaInP semiconductor laser chip with an emission wavelength of 650 nm band and an AlGaAs semiconductor laser chip with an emission wavelength of 780 nm band separately packaged is adopted. Has been. However, the optical pickup as described above has a problem that the size of the optical pickup is large because the two packages of the AlGaInP semiconductor laser and the AlGaAs semiconductor laser are mounted, and thus the size of the DVD device also increases. In order to solve this problem, an integrated semiconductor light emitting device having a plurality of types of semiconductor light emitting elements having different light emission wavelengths, in which a light emitting element structure is formed by a semiconductor layer grown on the same substrate, has been proposed. (See Patent Document 1).
図12は、従来の集積型半導体レーザ装置の一実施例を示す図である。同図に示すように、従来の集積型半導体レーザ装置においては、同一のn型GaAs基板201上に、発光波長が700nm帯(例えば、780nm)のAlGaAs系半導体レーザLD1と、発光波長が600nm帯(例えば、650nm)のAlGaInP系半導体レーザLD2とが、互いに分離した状態で集積化されている。n型GaAs基板201としては、例えば、(100)面方位を有するものや、(100)面から例えば5〜15°オフした面を主面とするものが用いられる。
FIG. 12 is a diagram showing an embodiment of a conventional integrated semiconductor laser device. As shown in the figure, in a conventional integrated semiconductor laser device, an AlGaAs semiconductor laser LD1 having an emission wavelength of 700 nm band (for example, 780 nm) and an emission wavelength of 600 nm band are formed on the same n-
AlGaAs系半導体レーザLD1においては、n型GaAs基板201上に、n型GaAsバッファ層211、n型AlGaAsクラッド層212、単一量子井戸(SQW)構造または多重量子井戸(MQW)構造の活性層213、p型AlGaAsクラッド層214およびp型GaAsキャップ層215が順次積層されている。p型AlGaAsクラッド層214の上部(図12では下方)およびp型GaAsキャップ層215は一方向に延びるストライプ形状を有する。このストライプ部の両側の部分にはn型GaAs電流狭窄層216が設けられており、これによって電流狭窄構造が形成されている。ストライプ形状のp型GaAsキャップ層215およびn型GaAs電流狭窄層216上(図12ではn型GaAs電流狭窄層216の下)にはp側電極217が、p型GaAsキャップ層215とオーミックコンタクトして設けられている。p側電極217としては、例えばTi/Pt/Au電極が用いられる。
In the AlGaAs semiconductor laser LD1, an n-type
AlGaInP系半導体レーザLD2においては、n型GaAs基板201上(図12ではn型GaAs基板201の下)に、n型GaAsバッファ層221、n型AlGaInPクラッド層222、SQW構造またはMQW構造の活性層223、p型AlGaInPクラッド層224、p型GaInP中間層225およびp型GaAsキャップ層226が順次積層されている。p型AlGaInPクラッド層224の上部、p型GaInP中間層225およびp型GaAsキャップ層226は一方向に延びるストライプ形状を有する。このストライプ部の両側方にはn型GaAs電流狭窄層227が設けられており、これによって電流狭窄構造が形成されている。ストライプ形状のp型GaAsキャップ層226およびn型GaAs電流狭窄層227上にはp側電極228が、p型GaAsキャップ層226とオーミックコンタクトして設けられている。p側電極228としては、例えばTi/Pt/Au電極が用いられる。
In the AlGaInP-based semiconductor laser LD2, an n-type
n型GaAs基板201の裏面にはn側電極229が、このn型GaAs基板201とオーミックコンタクトして設けられている。n側電極229としては、例えばAuGe/Ni電極やIn電極が用いられる。
An n-
以上のような場合、AlGaAs系半導体レーザLD1のp側電極217およびAlGaInP系半導体レーザLD2のp側電極228は、パッケージベース300上に互いに電気的に分離した状態で設けられたヒートシンクH1、H2上にそれぞれはんだ付けされている。
In such a case, the p-
上述のように構成されたこの従来の集積型半導体レーザ装置においては、p側電極217とn側電極229との間に電流を流すことによりAlGaAs系半導体レーザLD1を駆動することができ、p側電極228とn側電極229との間に電流を流すことによりAlGaInP系半導体レーザLD2を駆動することができるようになっている。そして、AlGaAs系半導体レーザLD1を駆動することにより波長700nm帯(例えば、780nm)のレーザ光を取り出すことができ、AlGaInP系半導体レーザLD2を駆動することにより波長600nm帯(例えば、650nm)のレーザ光を取り出すことができるようになっている。AlGaAs系半導体レーザLD1を駆動するか、AlGaInP系半導体レーザLD2を駆動するかの選択は、外部スイッチの切り換えなどにより行うことができるようになっている。
In this conventional integrated semiconductor laser device configured as described above, the AlGaAs semiconductor laser LD1 can be driven by passing a current between the p-
以上のように、この従来集積型半導体レーザ装置によれば、発光波長が700nm帯のAlGaAs系半導体レーザLD1と発光波長が600nm帯のAlGaInP系半導体レーザLD2とを有することにより、DVD用のレーザ光とCDおよびMD用のレーザ光とを互いに独立に取り出すことができる。このため、この集積型半導体レーザ装置をDVD装置の光学ピックアップにレーザ光源として搭載することにより、DVD、CDおよびMDのいずれの再生または記録も可能となる。これらのAlGaAs系半導体レーザLD1およびAlGaInP系半導体レーザLD2は、同一のn型GaAs基板1上に成長された半導体層によりレーザ構造が形成されていることにより、この集積型半導体レーザ装置のパッケージは一つで済む。このため、光学ピックアップの小型化を図ることができ、したがってDVD装置の小型化を図ることができる。
As described above, according to the conventional integrated semiconductor laser device, the laser light for DVD is obtained by including the AlGaAs semiconductor laser LD1 having an emission wavelength of 700 nm and the AlGaInP semiconductor laser LD2 having an emission wavelength of 600 nm. And CD and MD laser beams can be taken out independently of each other. Therefore, by mounting this integrated semiconductor laser device as a laser light source on the optical pickup of the DVD device, any of DVD, CD, and MD can be reproduced or recorded. Since these AlGaAs semiconductor laser LD1 and AlGaInP semiconductor laser LD2 have a laser structure formed of a semiconductor layer grown on the same n-
また、半導体レーザにおいて、高速に光ディスクを書き換えるためには、高温動作時においてもできるだけ高い光出力が要望される。例えば、16倍速以上の高速でDVDの光ディスクを書き換えるためには光出力として300mW以上の高出力が必要とされる。このような高出力を得るためには、高出力時に半導体レーザの端面が自らの光出力により溶融破壊されるCOD(Catastrophic Optical Damage)を防ぐ必要がある。CODを防ぐためには、レーザの共振器端面内部の光密度を低減し、発熱を抑えることが有効である。このためには、レーザ光を取り出す半導体レーザの前端面を、SiO2、Al2O3、アモルファスSiといった誘電体でコーティングし、前面の反射率を下げることが有効である。 Further, in a semiconductor laser, in order to rewrite an optical disk at high speed, a light output as high as possible is required even at high temperature operation. For example, in order to rewrite a DVD optical disc at a high speed of 16 times or higher, a high output of 300 mW or more is required as an optical output. In order to obtain such high output, it is necessary to prevent COD (Catastrophic Optical Damage) in which the end face of the semiconductor laser is melted and destroyed by its own light output at the time of high output. In order to prevent COD, it is effective to reduce the light density inside the cavity end face of the laser and suppress heat generation. For this purpose, it is effective to coat the front end face of the semiconductor laser from which the laser light is extracted with a dielectric such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or amorphous Si to reduce the reflectance of the front face.
一般的にAlGaInP系材料やAlGaAs系材料で構成された半導体レーザの共振器端面の反射率は、端面コーティングされていない場合約30%となる。この場合、共振器端面において約30%のレーザ光が反射して共振器内部にフィードバックされ、約70%の光が前端面より 取り出されることになる。これに対し、例えば、前面の反射率が10%となるように誘電体膜をコーティングすると、共振器端面において10%のレーザ光が反射して共振器内部にフィードバックされ、90%の光が前端面より取り出されることになる。すなわち、前端面から取り出される光出力が同じ場合、前面の反射率を小さくすれば、共振器端面の光密度も低減することができる。従って、前面の反射率を低減することはCODレベル(発振可能な最大の光出力)の増大につながり、高出力レーザを得るための有効な手段である。さらに、レーザ光を取り出す共振器面とは逆の側である後端面反射率を高く設定すれば、半導体レーザの前面からの光の取り出し効率をさらに高めることができる。そこで、高出力半導体レーザにおいては、前面の反射率を低減し、後面の反射率は逆に高反射率とする端面コート条件が、広く用いられている。同一基板上に赤色、赤外域で発光する半導体レーザを集積化した2波長レーザにおいても、高出力動作を得るためには前述の理由から、赤色、赤外に対して低反射率、高反射率を同時に得ることが可能な誘電体膜をレーザ共振器端面にコーティングを施している。 In general, the reflectance of the cavity end face of a semiconductor laser made of an AlGaInP-based material or an AlGaAs-based material is about 30% when the end face is not coated. In this case, about 30% of the laser light is reflected at the resonator end face and fed back into the resonator, and about 70% of the light is extracted from the front end face. On the other hand, for example, when the dielectric film is coated so that the reflectance of the front surface becomes 10%, 10% of the laser light is reflected at the end face of the resonator and fed back into the resonator, and 90% of the light is fed to the front end It will be taken out from the surface. That is, when the light output extracted from the front end face is the same, the light density at the resonator end face can be reduced by reducing the reflectance of the front face. Therefore, reducing the reflectance of the front surface leads to an increase in the COD level (maximum light output capable of oscillation), and is an effective means for obtaining a high-power laser. Furthermore, if the rear end face reflectance, which is the opposite side of the resonator surface from which the laser light is extracted, is set high, the light extraction efficiency from the front surface of the semiconductor laser can be further increased. Therefore, in high-power semiconductor lasers, end face coating conditions are widely used in which the front-surface reflectance is reduced and the rear-surface reflectance is conversely high. Even in a two-wavelength laser in which semiconductor lasers emitting red and infrared light are integrated on the same substrate, in order to obtain a high output operation, for the reasons described above, low reflectance and high reflectance for red and infrared are used. Are coated on the end face of the laser resonator.
さらに、上記のような端面コーティングを施したとしてもレーザ共振器端面の活性層のバンドギャップエネルギーは表面準位の影響を受け、共振器内部の活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さくなる。つまり、半導体レーザに電流注入を行うと、ジュール発熱や、活性層での非発光再結合の影響を受け活性層のバンドギャップエネルギーが縮小してしまう。特に、高出力レーザでは、前述のように前端面の反射率を小さくするため前端面近傍での活性層の光密度が共振器内部で最も大きくなり、温度が上昇しやすくなる。このため前端面近傍の活性層のバンドギャップエネルギーはさらに縮小し、レーザ光に対する吸収損失が増大し、さらに発熱してしまう。その結果、端面のCODを生じてしまう。このような端面破壊の発生を防ぐためにはレーザ端面近傍の量子井戸活性層を不純物拡散により無秩序化し、端面窓構造を形成し、あらかじめ端面近傍の活性層のバンドギャップエネルギーを増大させておき、発熱により端面近傍の活性層のバンドギャップが縮小してもレーザ発振光に対してほぼ透明な状態を維持できるようにすればよい。この結果、CODを生じる光出力を増大させることが可能となる。 Further, even if the end face coating as described above is applied, the band gap energy of the active layer at the end face of the laser resonator is affected by the surface level and becomes smaller than the band gap energy of the active layer inside the resonator. That is, when current is injected into the semiconductor laser, the band gap energy of the active layer is reduced due to the effects of Joule heat generation and non-radiative recombination in the active layer. In particular, in a high-power laser, since the reflectance of the front end face is reduced as described above, the light density of the active layer in the vicinity of the front end face is maximized inside the resonator, and the temperature is likely to rise. For this reason, the band gap energy of the active layer in the vicinity of the front end face is further reduced, the absorption loss with respect to the laser light is increased, and heat is further generated. As a result, end face COD occurs. In order to prevent the occurrence of such end face breakdown, the quantum well active layer near the laser end face is disordered by impurity diffusion, an end face window structure is formed, and the band gap energy of the active layer near the end face is increased in advance to generate heat. Thus, even if the band gap of the active layer in the vicinity of the end face is reduced, it is only necessary to maintain a substantially transparent state with respect to the laser oscillation light. As a result, it is possible to increase the light output that generates COD.
今後、再生のみならず記録機能を有する16倍速記録対応DVDや48倍速記録対応のCD−Rといった高速書き込み可能な光ディスクシステム用の光源の需要が益々高まっていく。この場合、光源として用いられるレーザには85℃以上の高温動作時においても、少なくとも350mW以上の高出力動作が求められている。 In the future, there will be an increasing demand for light sources for optical disc systems capable of high-speed writing, such as DVDs compatible with 16 × speed recording and CD-Rs compatible with 48 × recording that have recording functions as well as playback. In this case, the laser used as the light source is required to have a high output operation of at least 350 mW even when operating at a high temperature of 85 ° C. or higher.
一般的に、高温動作を実現するためには、活性層に注入された電子が熱により励起されp型クラッド層に漏れ出すキャリアオーバーフローを抑制する必要がある。このキャリアオーバーフローを抑制するためには、活性層とp型クラッド層の伝導帯のバンドオフセット( ΔEc)を大きくし、活性層とp型クラッド層の電子のポテンシャルエネルギーの差を大きくすることが有効である。CD−R用の赤外レーザの場合、780nm帯のレーザ発振光を得るために、活性層にはAlGaAs系の材料が広く用いられている。この構造において、p型クラッド層にp型のAlGaAsを用いるよりも、禁制帯幅エネルギーのより大きなp型のAlGaInPを用いたほうがΔEcを大きくするには非常に有効である。 In general, in order to realize a high temperature operation, it is necessary to suppress carrier overflow in which electrons injected into the active layer are excited by heat and leak into the p-type cladding layer. In order to suppress this carrier overflow, it is effective to increase the band offset (ΔEc) of the conduction band between the active layer and the p-type cladding layer and to increase the difference in electron potential energy between the active layer and the p-type cladding layer. It is. In the case of a CD-R infrared laser, an AlGaAs-based material is widely used for the active layer in order to obtain laser oscillation light in the 780 nm band. In this structure, using p-type AlGaInP having a larger forbidden band width energy is much more effective in increasing ΔEc than using p-type AlGaAs for the p-type cladding layer.
図13は、第2の従来例に係る半導体レーザ装置である2波長半導体レーザ装置を示す断面図である。同図に示すように、赤色レーザは、n型GaAsバッファ層311と、n型(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pクラッド層312と、バリア層313b1、313b2、ウェル層313w1、313w2、およびガイド層313g1、313g2を有する歪量子井戸活性層313と、p型(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pクラッド層314と、n型電流ブロック層315と、p型Ga0.51In0.49P保護層316と、p型GaAsコンタクト層317とを有している。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a two-wavelength semiconductor laser device which is a semiconductor laser device according to a second conventional example. As shown in the figure, the red laser includes an n-type
また、第2の従来例に係る2波長半導体レーザにおいて、赤外レーザは、n型GaAsバッファ層321と、n型(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pクラッド層322と、Al0.5Ga0.5Asからなるバリア層323b1、323b2およびGaAsからなるウェル層323w1、323w2、323w3、およびガイド層323g1、323g2を有する量子井戸活性層323と、p型(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pクラッド層324とを有している。この従来例では、活性層とp型クラッド層のΔEcを大きくすることにより赤外レーザの温度特性の向上を図っている(特許文献2参照)。
In the two-wavelength semiconductor laser according to the second conventional example, the infrared laser includes an n-type
また、半導体レーザを高出力動作させる場合、レーザ光を取り出す側の共振器端面(前端面)とその反対側の共振器端面(後端面)には、それぞれ、反射率10%以下の低反射率、及び反射率85%以上の高反射率を有する誘電体膜のコーティングを行う。このような低反射率(AR;Anti Reflection)/高反射率(HR;High Reflection)コーティングを行うことにより、電流-光出力特性における外部微分量子効率(スロープ効率)の向上を図ることができる。よって、少ない注入電流量で高い光出力を実現するとともに、端面近傍の量子井戸活性層を不純物拡散により無秩序化することで、レーザ光自身の光出力によりレーザ端面が溶融破壊されるCODの発生を防いでいる。この結果、2波長レーザにおいて、200mW以上の高出力動作が可能な赤外レーザを実現している。
従来の第2の従来例に係る赤外レーザでは、p型の不純物としてZnを用いていた。また、不純物をドーピングすることによる非発光再結合中心の形成に起因した発光効率の低下を抑制するために、AlGaAs系材料からなる量子井戸活性層には不純物のドーピングを行っていない。この場合、AlGaInP系材料におけるZnの拡散速度はAlGaAs系材料よりも速いため、p型のAlGaInPから量子井戸活性層へZnが拡散すると共に、拡散速度の遅いAlGaAs系量子井戸活性層とp型AlGaInPクラッド層の界面でZnがパイルアップしやすくなる。この界面でのZnのパイルアップのために量子井戸活性層とp型AlGaInPクラッド層の界面で価電子帯エネルギーバンド構造に形成されるスパイクの大きさが大きくなるため、p型クラッド層から活性層に向かって注入されるホールの抵抗が増し、動作電圧が増大するという課題が生じる。 In the conventional infrared laser according to the second conventional example, Zn is used as a p-type impurity. Further, in order to suppress a decrease in luminous efficiency due to the formation of non-radiative recombination centers due to doping of impurities, the quantum well active layer made of an AlGaAs-based material is not doped with impurities. In this case, since the diffusion rate of Zn in the AlGaInP-based material is faster than that of the AlGaAs-based material, Zn diffuses from the p-type AlGaInP to the quantum well active layer, and the low-diffusion rate AlGaAs-based quantum well active layer and the p-type AlGaInP Zn easily piles up at the interface of the cladding layer. Because of the pileup of Zn at this interface, the size of the spike formed in the valence band energy band structure at the interface between the quantum well active layer and the p-type AlGaInP cladding layer increases, so that the active layer from the p-type cladding layer As a result, the resistance of holes injected toward the surface increases and the operating voltage increases.
この時、赤外レーザにおいては、p型クラッド層にAlGaInPを用いることにより電子のオーバーフローを抑制することが可能であるため、光出力−電流特性において熱飽和レベルの高い、温度特性が良好なレーザが得られるが、一方で、パルス85℃、350mWの高温高出力動作時における動作電圧が3.3V程度となってしまう。この結果、動作電圧が、レーザを駆動するレーザ駆動回路の供給電圧の容量(〜3.5V)とほぼ同等レベルの値となり、400mWクラスの更なる高出力動作を考えると、動作電圧を低減しなければレーザを駆動できないという重大な支障をきたしてしまう。 At this time, in the infrared laser, since the overflow of electrons can be suppressed by using AlGaInP for the p-type cladding layer, a laser having a high thermal saturation level in the optical output-current characteristic and a good temperature characteristic. However, on the other hand, the operating voltage at the time of high-temperature high-power operation with a pulse of 85 ° C. and 350 mW is about 3.3V. As a result, the operating voltage is almost equal to the supply voltage capacity (up to 3.5V) of the laser driving circuit for driving the laser, and the operating voltage is reduced considering the further high output operation of the 400 mW class. Otherwise, it will cause a serious trouble that the laser cannot be driven.
本発明は、赤外レーザの温度特性を高め、低電圧動作が可能な赤外レーザを有する二波長半導体レーザ装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a two-wavelength semiconductor laser device having an infrared laser capable of enhancing the temperature characteristics of an infrared laser and capable of operating at a low voltage.
上記課題を解決するため、本発明の第1の半導体レーザ装置は、基板と、AlGaInP系材料からなるクラッド層を有し、前記基板上に形成された第1の半導体レーザと、前記第1の半導体レーザよりも短い波長の光を出力し、前記基板上に形成された第2の半導体レーザとを備え、前記第1の半導体レーザは、前記基板の上方に形成された第1導電型の第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に形成された第1導電型の第1のガイド層と、第1のガイド層上に形成されAlGaAsを含む第1の活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層との界面部のAl組成が上面部のAl組成より小さい第2導電型の第2のガイド層と、前記第2のガイド層上に形成された第2導電型のクラッド層とを有している。 In order to solve the above problems, a first semiconductor laser device of the present invention includes a substrate, a cladding layer made of an AlGaInP-based material, the first semiconductor laser formed on the substrate, and the first semiconductor laser device. And a second semiconductor laser formed on the substrate, wherein the first semiconductor laser is a first conductivity type first electrode formed above the substrate. 1 cladding layer, a first guide layer of the first conductivity type formed on the first cladding layer, a first active layer formed on the first guide layer and containing AlGaAs, and the active layer A second guide layer of the second conductivity type formed on the layer and having an Al composition at the interface with the active layer smaller than the Al composition at the upper surface, and a second conductivity formed on the second guide layer. And a mold cladding layer.
この構成により、第2のガイド層と第2のクラッド層との界面近傍の第2のガイド層における不純物の拡散速度を高めることが可能となり、例えばAlGaAs系材料とAlGaInP系材料との界面に生じる不純物のパイルアップの大きさを低減することが可能となる。この結果、第2のクラッド層と第2のガイド層との界面に形成される価電子帯エネルギーバンド構造でのスパイクの大きさを小さくすることが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる。 With this configuration, it is possible to increase the diffusion rate of impurities in the second guide layer in the vicinity of the interface between the second guide layer and the second cladding layer. For example, it occurs at the interface between the AlGaAs-based material and the AlGaInP-based material. It is possible to reduce the magnitude of impurity pileup. As a result, it becomes possible to reduce the size of the spike in the valence band energy band structure formed at the interface between the second cladding layer and the second guide layer, and to reduce the operating voltage. Become.
また、前記第2のガイド層は、Al組成が0.5以下で前記活性層に接する第3のガイド層と、前記第3のガイド層上に形成され、Al組成が0.55以上の第4のガイド層とを有していることにより、第2のクラッド層と第2のガイド層との界面に形成される価電子帯エネルギーバンド構造でのスパイクの大きさを小さくするとともに、不純物が活性層に拡散するのを防ぐことができる。このため、不純物拡散による非発光再結合中心が活性層に形成されるのを防ぐことができるので、発光効率の低下を抑制することができる。 The second guide layer is formed on the third guide layer having a Al composition of 0.5 or less and in contact with the active layer, and a second guide layer having an Al composition of 0.55 or more. 4, the size of the spike in the valence band energy band structure formed at the interface between the second cladding layer and the second guide layer is reduced, and impurities are reduced. Diffusion to the active layer can be prevented. For this reason, it is possible to prevent the non-radiative recombination centers from being formed in the active layer due to impurity diffusion, and thus it is possible to suppress a decrease in light emission efficiency.
前記第2ガイド層の膜厚が20nm以上且つ43nm以下であれば、第1の半導体レーザ装置から出力された光の垂直拡がり角を14°以上18°以下にすることができるので、光ピックアップの光源として好ましく用いることができる。 If the thickness of the second guide layer is 20 nm or more and 43 nm or less, the vertical divergence angle of the light output from the first semiconductor laser device can be set to 14 ° or more and 18 ° or less. It can be preferably used as a light source.
本発明の第2の半導体レーザ装置は、基板と、前記基板の上方に形成され、AlGaInP系材料からなる第1導電型の第1のクラッド層と、前記第1のクラッド層上に形成された第1導電型の第1のガイド層と、第1のガイド層上に形成されAlGaAsを含む第1の活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層との界面部のAl組成が上面部のAl組成より小さい第2導電型の第2のガイド層と、前記第2のガイド層上に形成され、AlGaInP系材料からなる第2導電型のクラッド層とを備えている。 The second semiconductor laser device of the present invention is formed on a substrate, a first conductivity type first cladding layer made of an AlGaInP-based material, and formed on the substrate, and on the first cladding layer. A first conductive type first guide layer; a first active layer formed on the first guide layer containing AlGaAs; and formed on the active layer, wherein the Al composition at the interface with the active layer has an Al composition. A second conductivity type second guide layer having an Al composition lower than that of the upper surface portion and a second conductivity type cladding layer formed on the second guide layer and made of an AlGaInP-based material are provided.
この構成により、第2のガイド層と第2のクラッド層との界面近傍の第2のガイド層における不純物の拡散速度を高めることが可能となり、例えばAlGaAs系材料とAlGaInP系材料との界面に生じる不純物のパイルアップの大きさを低減することが可能となる。 With this configuration, it is possible to increase the diffusion rate of impurities in the second guide layer in the vicinity of the interface between the second guide layer and the second cladding layer. For example, it occurs at the interface between the AlGaAs-based material and the AlGaInP-based material. It is possible to reduce the magnitude of impurity pileup.
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、例えば赤外レーザにおいて第2のガイド層と第2のクラッド層との界面に形成される価電子帯エネルギーバンド構造でのスパイクの大きさを小さくすることが可能となり、動作電圧を低減することが可能となる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, for example, in the infrared laser, the size of the spike in the valence band energy band structure formed at the interface between the second guide layer and the second cladding layer is reduced. Therefore, the operating voltage can be reduced.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら、説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。この構造において、(100)面から[011]方向に10°傾けた面を主面とするn型GaAs基板10上に、赤色レーザと赤外レーザが集積化されている。まず、赤外レーザの構造から説明を行う。なお、以下で示す各層の膜厚は一例であって、これに限定されるものではない。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention. In this structure, a red laser and an infrared laser are integrated on an n-
赤外レーザは、下から順にn型GaAs基板10上に設けられた厚さ0.5μmのn型GaAsからなるバッファ層11と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなる厚さ2.0μmのn型クラッド層12と、Al0.5Ga0.5Asからなる第1ガイド層13と、GaAsからなるウェル層14w1、14w2、およびAl0.5Ga0.5Asからなるバリア層14b1を有する量子井戸活性層14と、Al0.5Ga0.5Asからなる第2ガイド層15g2と、Al0.6Ga0.4Asからなる第3ガイド層15g1と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなるp型クラッド層16と、p型Ga0.51In0.49Pからなる厚さ50nmの保護層17と、p型GaAsからなる厚さ0.4μmのコンタクト層18とを有している。
The infrared laser includes a
p型クラッド層16の上部、保護層17およびコンタクト層18はストライプ状のリッジを構成している。リッジ上部のp型クラッド層16の頂面から量子井戸活性層14までの距離は1.4μm、リッジ下端部から量子井戸活性層14までの距離dpは0.24μmである。
The upper part of the p-
リッジの側面上およびp型クラッド層16上にはSiNからなる厚さ0.3μmの電流ブロック層19が形成されている。この構造において、コンタクト層18から注入された電流は電流ブロック層19によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する量子井戸活性層14に集中して電流注入され、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十mAの少ない注入電流により実現される。量子井戸活性層14へ注入されたキャリアの再結合により発光した光について、量子井戸活性層14の上下面と垂直な方向では、p型クラッド層16とn型クラッド層12とにより垂直方向の光閉じ込めが行われ、量子井戸活性層14の上下面と平行な方向では、電流ブロック層19がクラッド層よりも屈折率が低いため水平方向の光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層19はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光は電流ブロック層19に大きくしみ出すことができるため、赤色レーザ部と同様に、高出力動作に適した10−3のオーダのΔn(ストライプ内外の実効屈折率差)を容易に得ることができ、さらにその大きさをdp(リッジ下端部から量子井戸活性層14までの距離)の大きさで、同じく10−3のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。本実施例では、dpを0.24μmとし、4×10−3のΔnを得ている。この構成により、水平、垂直広がり角として、記録再生光ディスク用の光源に好適な、8°、16.2°の半値全幅を有する安定した基本横モード発振を得ることができる。
A
赤色レーザは、下から順に、n型GaAs基板10上に形成されたn型GaAsからなる厚さ0.5μmのバッファ層21と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなる厚さ2.0μmのn型クラッド層22と、(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pからなる第1ガイド層23g1と、GaInPからなるウェル層23w1、23w2、23w3およびAlGaInPからなるバリア層23b1、23b2を有する歪量子井戸活性層23と、AlGaInPからなる第2ガイド層23g2と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなるp型クラッド層24と、p型Ga0.51In0.49Pからなる厚さ50nmの保護層25と、p型GaAsからなる厚さ0.4μmのコンタクト層26とを有している。リッジ上部のp型クラッド層24の頂面から歪量子井戸活性層23までの距離は1.4μm、リッジ下端部から歪量子井戸活性層23までの距離dpは0.17μmである。
The red laser includes, in order from the bottom, a
リッジの側面上およびp型クラッド層24上にはSiNからなる厚さ0.3μmの電流ブロック層19が形成されている。この構造において、コンタクト層26から注入された電流は電流ブロック層19によりリッジ部のみに狭窄され、リッジ底部下方に位置する活性層23に集中して電流注入され、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が数十mAの少ない注入電流により実現される。歪量子井戸活性層23へ注入されたキャリアの再結合により発光した光について、歪量子井戸活性層23の上下面と垂直な方向では、n型クラッド層22とp型クラッド層24とにより垂直方向の光閉じ込めが行われ、歪量子井戸活性層23の上下面と平行な方向では、電流ブロック層19がクラッド層よりも屈折率が低いため水平方向の光閉じ込めが生じる。また、電流ブロック層19はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光は電流ブロック層19に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した10−3のオーダのΔnを容易に得ることができ、さらにその大きさをdpの大きさで、同じく10−3のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。本実施例では、dpを0.17μmとし、5×10−3のΔnを得ている。この構成により、水平、垂直広がり角として、記録再生光ディスク用の光源に好適な、9°、16°の半値全幅を有する安定した基本横モード発振を得ることができる。
On the side surface of the ridge and on the p-
また、85℃の高温動作時において、放熱性を向上させるために、350mW以上の高出力レーザでは、共振器長を1500μm以上として動作電流密度を低減している。本実施形態では共振器長を1750μmとしている。 Further, in order to improve heat dissipation during high-temperature operation at 85 ° C., the operating current density is reduced by setting the resonator length to 1500 μm or more in a high-power laser of 350 mW or more. In this embodiment, the resonator length is 1750 μm.
共振器の前端面、後端面には、それぞれ赤外レーザ光、赤色レーザ光に対して反射率がともに7%、94%となるように誘電体膜のコーティングを行っている。また、赤外レーザおよび赤色レーザの活性層のうち光出力端面近傍の部分を不純物拡散により無秩序化することで、レーザ光自身の光出力によりレーザ端面が溶融破壊されるCODの発生を防いでいる。 The front end face and the rear end face of the resonator are coated with a dielectric film so that the reflectance is 7% and 94% for the infrared laser light and the red laser light, respectively. In addition, the portion near the light output end face in the active layer of the infrared laser and the red laser is disordered by impurity diffusion, thereby preventing the occurrence of COD in which the laser end face is melted and destroyed by the light output of the laser light itself. .
ここで、本実施形態の半導体レーザ装置の特徴である、赤外レーザにおけるウェル層上のガイド層の構造について説明する。 Here, the structure of the guide layer on the well layer in the infrared laser, which is a feature of the semiconductor laser device of this embodiment, will be described.
まず、第3ガイド層15g1のAl組成は少なくとも0.55以上であり、好ましくは0.6以上となっている。これにより、後に説明するように、p型クラッド層16と第3ガイド層15g1との間の界面にZnがパイルアップしにくくなるので、当該界面における価電子帯のスパイクの大きさを小さくすることができる。なお、第3ガイド層15g1のAl組成は0.7以下であることが好ましい。
First, the Al composition of the third guide layer 15g1 is at least 0.55 or more, preferably 0.6 or more. This makes it difficult for Zn to pile up at the interface between the p-
また、第2ガイド層15g2と第3ガイド層15g1の合計膜厚が最低でも20nm、好ましくは30nmとなっているので、ウェル層14w1、14w2への不純物の拡散が防がれている。また、第2ガイド層15g2と第3ガイド層15g1の合計膜厚は43nm以下になっていることにより、後述のように半導体レーザ光の垂直拡がり角を18°以下とすることができる。 Further, since the total film thickness of the second guide layer 15g2 and the third guide layer 15g1 is at least 20 nm, preferably 30 nm, the diffusion of impurities into the well layers 14w1 and 14w2 is prevented. Further, since the total film thickness of the second guide layer 15g2 and the third guide layer 15g1 is 43 nm or less, the vertical divergence angle of the semiconductor laser light can be set to 18 ° or less as described later.
次に、上述の特徴について説明する。 Next, the above features will be described.
AlGaInPからなるp型クラッド層16にはp型の不純物としてZnがドーピングされている。また、ウェル層14w1上に形成されている第2ガイド層15g2は、AlGaAs系の材料で形成されている。この場合、不純物であるZnはAlGaInP中の方がAlGaAs系材料中よりも結晶成長中の熱履歴により拡散しやすいため、Znがp型クラッド層16と第3ガイド層15g1との界面でパイルアップし易くなる。この時、価電子帯エネルギーのバンド構造に形成されるスパイクのエネルギーの大きさはパイルアップするZn濃度の増大と共に増加する。このスパイクにより、p型クラッド層16から量子井戸活性層14へ注入される正孔に対し抵抗が増大し動作電圧が増加する。
The p-
図2(a)〜(d)は、ガイド層のAl組成を0.5から0.7まで変化させた時のZn濃度分布の測定結果を示す図である。図中、相対距離となっているのはレーザの膜厚方向の距離であり、Zn濃度が急激に低下する場所がp型クラッド層16とガイド層との界面である。ここで、この界面にパイルアップするZnの濃度がガイド層のAl組成の増大に伴い減少することがわかる。これは、AlGaAs層でのZnの拡散はAl組成が高いほど大きくなるため、ガイド層内でZnが拡散しやすくなる結果、p型クラッド層16との界面でパイルアップするZn濃度が減少すると考えられる。したがって、p型クラッド層16とガイド層との界面での価電子帯のスパイクの大きさを小さくするためには、ガイド層のAl組成を少なくとも0.55以上、好ましくは0.6以上に大きくしてやればよいことがわかる。
2A to 2D are diagrams showing measurement results of Zn concentration distribution when the Al composition of the guide layer is changed from 0.5 to 0.7. In the figure, the relative distance is the distance in the film thickness direction of the laser, and the place where the Zn concentration rapidly decreases is the interface between the p-
また、図2(a)、(b)に示すように、Zn濃度はp型クラッド層16とガイド層との界面からガイド層内に向けて20nm程度の距離で急激に低下することがわかる。不純物がウェル層に到達すると、非発光再結合中心が形成され発光効率が低下し、発振しきい値の増大による温度特性の劣化が生じるため、ウェル層への不純物拡散は避ける必要がある。図2に示す実験結果から、ガイド層を介してウェル層14w1、14w2への不純物の拡散の到達を避けるためには、ガイド層の膜厚が、最低20nm、好ましくは30nm程度は必要であることがわかる。そこで、図1に示す本実施形態の半導体レーザ装置では、ガイド層の合計膜厚を30nmとして、第3ガイド層15g1を介してウェル層14w1、14w2へ不純物が拡散することを抑制している。
Further, as shown in FIGS. 2A and 2B, it can be seen that the Zn concentration rapidly decreases at a distance of about 20 nm from the interface between the p-
次に、図3は、ガイド層のAl組成(Xg)を0.5〜0.7まで変更した場合について、ガイド層の膜厚とレーザ光の垂直拡がり角との関係を示す図である。ここでは、各膜厚でのFFP(Far Field Pattern)における垂直方向の半値全幅(以下、垂直拡がり角)とガイド層厚との関係について計算した。 Next, FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the guide layer and the vertical divergence angle of the laser beam when the Al composition (Xg) of the guide layer is changed from 0.5 to 0.7. Here, the relationship between the full width at half maximum in the vertical direction (hereinafter, vertical divergence angle) and the guide layer thickness in FFP (Far Field Pattern) at each film thickness was calculated.
この結果から、Xgが大きくなるとガイド層の屈折率が小さくなるため、垂直方向における光の活性層への閉じ込め作用が小さくなり、垂直拡がり角が小さくなることがわかる。記録再生可能な光ディスク用の光源のレーザには、光学系との光の結合効率を高めるため、垂直j拡がり角は18°以下とする必要がある。また、逆に、垂直拡がり角が小さいと、導波路を伝搬する光分布(NFP:Near Field Pattern)が垂直方向に対し大きく広がるため、レンズで集光した場合にスポットサイズを十分小さくすることができなくなり、光ディスク上において隣接するトラックのビット情報の影響を受けやすくなる。この結果、光ディスクの情報を正確に読み取れなくなり、実用上支障をきたしてしまう。以上のことより、光学系とレーザとの結合効率や集光性を考慮し、記録再生可能な光ディスク用の半導体レーザ光の垂直拡がり角は通常14°以上18°以下、特に好ましくは16°程度とする必要がある。ここで、図2に示した結果より、ガイド層とp型クラッド層16との界面での不純物のパイルアップを抑制するためにはXgを少なくとも0.55以上とする必要があることを示した。したがって、図3に示す結果より、ガイド層の厚さを43nm以下とすれば、Xgが0.55より大きくなっても、垂直拡がり角を18°以下とすることができることがわかる。
From this result, it can be seen that as Xg increases, the refractive index of the guide layer decreases, so that the confinement action of light in the vertical direction in the active layer decreases and the vertical divergence angle decreases. In order to increase the light coupling efficiency with the optical system, the laser of the light source for optical discs that can be recorded / reproduced needs to have a vertical j divergence angle of 18 ° or less. On the other hand, if the vertical divergence angle is small, the light distribution (NFP: Near Field Pattern) propagating through the waveguide greatly spreads in the vertical direction, so that the spot size can be made sufficiently small when focused by a lens. It becomes impossible to be affected by the bit information of the adjacent track on the optical disc. As a result, the information on the optical disc cannot be read accurately, causing a practical problem. From the above, taking into consideration the coupling efficiency and light condensing property between the optical system and the laser, the vertical divergence angle of the semiconductor laser beam for optical discs that can be recorded and reproduced is usually 14 ° or more and 18 ° or less, particularly preferably about 16 °. It is necessary to. Here, the results shown in FIG. 2 indicate that Xg needs to be at least 0.55 in order to suppress the pileup of impurities at the interface between the guide layer and the p-
p型クラッド層16とガイド層との界面での不純物のパイルアップを抑制するためには、界面近傍のガイド層のXgが高いほうがよく、不純物がガイド層を経てウェル層14w1、14w2に拡散するのを防ぐためにはXgが低い方が良い。このため、不純物のパイルアップを抑制しつつ、ウェル層14w1、14w2への不純物の拡散を防止するためには、ガイド層のうち、p型クラッド層16との界面近傍の部分でのXgは可能な限り大きくし、ウェル層14w1と第3ガイド層15g2との界面近傍の部分でのXgを可能な限り小さくすることが好ましい。
In order to suppress the pileup of impurities at the interface between the p-
図4は、ウェル層上のガイド層が、同一の膜厚であって異なるAl組成からなる複数の層で構成される場合における光の垂直拡がり角とガイド層の膜厚との関係の計算結果を示す図である。線Aは、ウェル層上のガイド層のAl組成が0.5と0.4の層からなる場合、線Bはウェル層上のガイド層のAl組成が0.6と0.5の層からなる場合、線Cはウェル層上nガイド層のAl組成が0.7と0.6の層からなる場合を示している。 FIG. 4 shows the calculation result of the relationship between the vertical divergence angle of light and the thickness of the guide layer when the guide layer on the well layer is composed of a plurality of layers having the same film thickness and different Al compositions. FIG. Line A is composed of layers having Al compositions of 0.5 and 0.4 on the guide layer on the well layer. Line B is composed of layers of Al and 0.6 on the guide layer on the well layer. In this case, the line C shows a case where the Al composition of the n guide layer on the well layer is composed of 0.7 and 0.6 layers.
図4から、第3ガイド層15g1のうちp型クラッド層16との界面近傍のXgを0.6とすると、垂直拡がり角を18°以下とするためには、ウェル層上のガイド層の合計厚を48nm以下とすればよいことが分かる。また、ガイド層を介したウェル層への不純物の拡散を避けるためには、ガイド層の膜厚が最低20nmは必要であるので、ガイド層のうちp型クラッド層16との界面近傍部分のXgを0.6以上とし、ガイド層の合計膜厚を20nm以上、48nm以下としてやれば、界面での不純物のパイルアップとウェル層への不純物の拡散の防止を図りつつ、垂直拡がり角を18°以下とすることが可能となる。
From FIG. 4, when Xg in the vicinity of the interface with the p-
ここで、図1に示す本実施形態の半導体レーザ装置では、ウェル層14w1上の第3ガイド層15g1および第2のガイド層g2のAl組成をそれぞれ0.6、0.5とし、それぞれの膜厚を15nmとし、合計膜厚を30nmとした構成としているので、記録再生用の光ディスク用の光源として好適な、垂直拡がり角16.2°を得ている。 Here, in the semiconductor laser device of the present embodiment shown in FIG. 1, the Al compositions of the third guide layer 15g1 and the second guide layer g2 on the well layer 14w1 are 0.6 and 0.5, respectively. Since the thickness is set to 15 nm and the total film thickness is set to 30 nm, a vertical divergence angle of 16.2 ° suitable as a light source for an optical disk for recording and reproduction is obtained.
図5は、図1に示す本実施形態の半導体レーザ装置と従来の半導体レーザ装置において、赤外レーザの電流−電圧特性の測定結果を示す図である。従来の半導体レーザ装置では、赤外レーザのウェル層上のガイド層のAl組成を0.5で一定とし、かつ垂直拡がり角16°を得るために当該ガイド層厚を19nmとした。ここで、半導体レーザ装置の温度は85℃とする。この結果、図5に示すように、本発明の半導体レーザ装置では、従来の赤外レーザと比較して赤外レーザの微分抵抗が低く、動作電圧が低いことがわかる。 FIG. 5 is a diagram showing measurement results of current-voltage characteristics of an infrared laser in the semiconductor laser device of the present embodiment shown in FIG. 1 and a conventional semiconductor laser device. In the conventional semiconductor laser device, the Al composition of the guide layer on the well layer of the infrared laser is constant at 0.5, and the guide layer thickness is 19 nm in order to obtain a vertical spread angle of 16 °. Here, the temperature of the semiconductor laser device is 85 ° C. As a result, as shown in FIG. 5, in the semiconductor laser device of the present invention, it can be seen that the differential resistance of the infrared laser is lower and the operating voltage is lower than the conventional infrared laser.
次に、図6は、本実施形態および従来の赤外レーザの、85℃における光出力−電流特性の測定結果を示す図である。同図に示す結果より、本実施形態の赤外レーザは、従来の赤外レーザと比較して発振しきい電流値が低く、スロープ効率が高い低動作電流特性が得られていることがわかる。これは、図5に示したように本発明の一実施例のレーザでは、価電子帯エネルギーバンド構造にスパイクが形成されにくく素子抵抗が低いため低動作電圧となり、動作中の発熱を抑制することが可能であるためである。また、従来の赤外レーザでは垂直拡がり角を16°近傍とするためにはガイド層の膜厚を20nm以下とする必要があったため、p型クラッド層にドーピングした不純物がガイド層を介してウェル層14w1に拡散し、非発光再結合中心が形成される結果、発振しきい電流値の増大につながったと考えられる。 Next, FIG. 6 is a diagram showing measurement results of light output-current characteristics at 85 ° C. of the present embodiment and the conventional infrared laser. From the results shown in the figure, it can be seen that the infrared laser of this embodiment has a low operating current characteristic with a low oscillation threshold current value and high slope efficiency as compared with the conventional infrared laser. This is because, as shown in FIG. 5, in the laser of one embodiment of the present invention, spikes are not easily formed in the valence band energy band structure, and the device resistance is low, so the operating voltage is low and the heat generation during operation is suppressed. This is because it is possible. In addition, in the conventional infrared laser, in order to make the vertical divergence angle near 16 °, the thickness of the guide layer needs to be 20 nm or less, so that impurities doped in the p-type cladding layer are formed in the well layer via the guide layer. As a result of diffusion into the layer 14w1 and formation of non-radiative recombination centers, it is considered that the oscillation threshold current value was increased.
次に、図7は、図5に示す本実施形態および従来の赤外レーザの85℃、パルス幅50ns、デューティ40%における電圧−電流特性の測定結果を示す図である。同図に示すように、本実施形態の赤外レーザでは、従来の赤外レーザと比較して微分抵抗が低く、動作電圧が低いことがわかる。特に、本実施形態の赤外レーザの動作電流が500mAである場合における動作電圧は3.1Vと、従来の赤外レーザと比較して0.2V低減することができた。この結果、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、レーザを駆動するレーザ駆動回路の供給電圧の容量(〜3.5V)に対するマージンを広げ、さらなる高出力でのレーザ駆動を行うことが可能となった。 Next, FIG. 7 is a diagram showing measurement results of voltage-current characteristics of this embodiment shown in FIG. 5 and the conventional infrared laser at 85 ° C., a pulse width of 50 ns, and a duty of 40%. As shown in the figure, it can be seen that the infrared laser of this embodiment has a lower differential resistance and a lower operating voltage than a conventional infrared laser. In particular, when the operating current of the infrared laser of this embodiment is 500 mA, the operating voltage was 3.1 V, which was 0.2 V lower than that of the conventional infrared laser. As a result, according to the semiconductor laser device of the present embodiment, it is possible to widen the margin for the capacity (up to 3.5 V) of the supply voltage of the laser driving circuit that drives the laser, and to perform laser driving at higher output. became.
次に、図8は、図5で用いた本実施形態および従来の赤外レーザの85℃、パルス幅50ns、デューティ40%における光出力−電流特性の測定結果を示す図である。同図に示すように、本実施形態の赤外レーザは、従来の赤外レーザと比較してCW駆動と同様に発振しきい電流値が低く、スロープ効率が高い低動作電流特性が得られていることが分かる。これは、図5に示したように、本実施形態の赤外レーザでは、価電子帯エネルギーバンド構造にスパイクが形成されにくく素子抵抗が低いため低動作電圧となり、動作中の発熱を抑制することが可能であるためである。また、従来の赤外レーザでは垂直拡がり角を16°近傍とするためにはウェル層上のガイド層厚を20nm以下とする必要があったため、p型クラッド層にドーピングした不純物がガイド層を経てウェル層に拡散し、非発光再結合中心が形成される結果、発振しきい電流値の増大につながったと考えられる。 Next, FIG. 8 is a diagram showing measurement results of optical output-current characteristics at 85 ° C., a pulse width of 50 ns, and a duty of 40% of the present embodiment and the conventional infrared laser used in FIG. As shown in the figure, the infrared laser of the present embodiment has a low operating current characteristic with a low oscillation threshold current value and high slope efficiency, as in the case of CW drive, compared to a conventional infrared laser. I understand that. As shown in FIG. 5, in the infrared laser of this embodiment, spikes are difficult to form in the valence band energy band structure, and the device resistance is low, so the operating voltage is low, and heat generation during operation is suppressed. This is because it is possible. In addition, in the conventional infrared laser, in order to make the vertical divergence angle near 16 °, the guide layer thickness on the well layer needs to be 20 nm or less. Therefore, impurities doped in the p-type cladding layer pass through the guide layer. It is considered that the diffusion threshold value was increased as a result of diffusion into the well layer and formation of non-radiative recombination centers.
図9は、図1に示す本実施形態に係る赤色レーザの85℃、パルス幅50ns、デューティ40%における光出力−電流特性の測定結果を示す図である。同図に示すように、本実施形態の赤色レーザでは、最大光出力400mW以上が得られている。これは、電流ブロック層にレーザ光に対してほぼ透明なSiNを用いて導波路の低損失化を図ったこと、及び、ΔNを5×10−3として高出力まで安定した基本横モード発振を得たことにより可能になったと考えられる。 FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the optical output-current characteristics of the red laser according to the present embodiment shown in FIG. 1 at 85 ° C., a pulse width of 50 ns, and a duty of 40%. As shown in the figure, the red laser of this embodiment has a maximum light output of 400 mW or more. This is because SiN, which is almost transparent to laser light, is used for the current blocking layer to reduce the loss of the waveguide, and ΔN is set to 5 × 10 −3 , and the fundamental transverse mode oscillation stable to a high output is achieved. It seems that it became possible by having obtained it.
図10(a)〜(d)、図11(a)〜(d)は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す断面図である。 FIGS. 10A to 10D and FIGS. 11A to 11D are cross-sectional views illustrating manufacturing processes of the semiconductor laser device according to the embodiment of the present invention.
図10(a)に示すように、n型GaAs基板10の上に、MOCVD法あるいはMBE法を用いて、厚さ0.5μmのn型GaAsからなるバッファ層11と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなる厚さ2.0μmのn型クラッド層12と、Al0.5Ga0.5Asからなる第1ガイド層13と、GaAsからなるウェル層14w1、14w2、およびAl0.5Ga0.5Asからなるバリア層14b1を有する量子井戸活性層14と、Al0.5Ga0.5Asからなる第2ガイド層15g2と、Al0.6Ga0.4Asからなる第3ガイド層15g1と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなるp型クラッド層16と、p型Ga0.51In0.49Pからなる厚さ50nmの保護層17と、p型GaAsからなる厚さ0.4μmのコンタクト層18とを順に形成する。なお、本工程で、量子井戸活性層14は歪量子井戸を形成しているが、無歪の量子井戸あるいはバルクの化合物半導体で量子井戸活性層14を構成してもよい。また、量子井戸活性層14を構成する各層の導電型は特に記載していないが、p型であってもn型であってもよく、アンドープであってもよい。
As shown in FIG. 10A, a
次に、図10(b)に示すように、基板をMOCVDあるいはMBE反応炉から取り出した後、フォトリソグラフィによりレジストパターン50を形成し、このパターンをマスクとして硫酸系や塩酸系のエッチング液を用い、n型GaAs基板10上の化合物半導体層のうちマスクの形成されていない部分を取り除く。
Next, as shown in FIG. 10B, after removing the substrate from the MOCVD or MBE reactor, a resist
次に、図10(c)に示すように、レジストパターン50を取り除いた後、MOCVD法あるいはMBE法を用いて、基板全面上に、n型GaAsからなる厚さ0.5μmのバッファ層21と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなる厚さ2.0μmのn型クラッド層22と、(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pからなる第1ガイド層23g1と、GaInPからなるウェル層23w1、23w2、23w3およびAlGaInPからなるバリア層23b1、23b2を有する歪量子井戸活性層23と、AlGaInPからなる第2ガイド層23g2と、(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pからなるp型クラッド層24と、p型Ga0.51In0.49Pからなる厚さ50nmの保護層25と、p型GaAsからなる厚さ0.4μmのコンタクト層26とを順次形成する。
Next, as shown in FIG. 10C, after removing the resist
次に、図10(d)に示すように、フォトリソグラフィーによりコンタクト層26上にレジストパターン27を形成し、これをマスクとして硫酸系や塩酸系のエッチング液を用い、マスクの形成されていない部分、すなわちバッファ層21、n型クラッド層22、第1ガイド層23g1、歪量子井戸活性層23、第2ガイド層23g2、p型クラッド層24、保護層25、およびコンタクト層26のうち赤外レーザ部に形成された部分を除去する。
Next, as shown in FIG. 10D, a resist
次に、図11(a)に示すように、レジストパターン27を取り除いた後、大気圧熱CVD法(370℃)を用いてコンタクト層18、26上に拡散源30とキャップ膜とを堆積させ、フォトリソグラフィーとドライエッチング技術により設定した窓長になるようパターニング行った後、熱アニールによりZnを活性層へ拡散させ無秩序化させる事で窓領域を形成する。
Next, as shown in FIG. 11A, after removing the resist
次いで、図11(b)に示すように、大気圧熱CVD法(370℃)を用いてコンタクト層18、26上に0.3μmの厚さとなるように酸化シリコン膜31を堆積させ、さらにフォトリソグラフィーとドライエッチング技術とによりこの酸化シリコン膜31をパターニングし、ストライプマスクを形成する。続いて、このストライプ形状の酸化シリコン膜をマスクとして、コンタクト層18、26、保護層17、25、p型クラッド層16、24を、順次選択的にエッチングして、ヘテロ構造基板にメサ状のリッジを形成する。
Next, as shown in FIG. 11B, a
次に、図11(b)に示すように、酸化シリコン膜31を除去し、基板全面にSiN膜を0.3μm堆積する。
Next, as shown in FIG. 11B, the
その後、図11(c)に示すように、基板全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術により、リッジ上部のみ開口させ、エッチングによりリッジ上部のSiNを除去する。なお、誘電体膜で構成された電流ブロック層19は、クラッド層との屈折率差をつけるための膜であるが、SiN、SiO2、TiO2、Al2O3、水素化アモルファスSiまたはそれらの多層構造からなる材料で構成されることが望ましい。
Thereafter, as shown in FIG. 11C, a resist is applied to the entire surface of the substrate, and only the upper portion of the ridge is opened by photolithography, and SiN on the upper portion of the ridge is removed by etching. The
また、窓構造を形成するにあたり、赤色レーザ、赤外レーザ共に同じ熱履歴により形成させている。そのため、素子作製工程数を低減することが可能となり、素子作製コストを削減することが可能となる。 In forming the window structure, both the red laser and the infrared laser are formed with the same thermal history. Therefore, the number of element manufacturing steps can be reduced, and the element manufacturing cost can be reduced.
なお、n型クラッド層12、p型クラッド層16の組成は上述したものに限らず(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0≦y≦1)であるか、AlzGa1−zAs(0≦z≦1)であればよい。
The compositions of the n-
なお、赤外レーザにおいて、ウェル層14w1上のガイド層を一層とし、且つガイド層のうちウェル層側のAl組成が小さく、p型クラッド層16側に向かってAl組成が大きくなるようにAl組成を段階的に変化させてもよい。
In the infrared laser, the Al composition is such that the guide layer on the well layer 14w1 is a single layer, the Al composition on the well layer side of the guide layer is small, and the Al composition increases toward the p-
本発明の2波長半導体レーザ装置は、光ディスク装置など、レーザ光を使用して上方の書込み、読み取りを行う種々の機器に用いられる。 The two-wavelength semiconductor laser device of the present invention is used in various devices such as an optical disk device that perform upper writing and reading using a laser beam.
10 n型GaAs基板
11、21 バッファ層
12、22 n型クラッド層
13 第1ガイド層
14 量子井戸活性層
14b1 バリア層
14w1、14w2 ウェル層
15g2 第2ガイド層
15g1 第3ガイド層
16、24 p型クラッド層
17、25 保護層
18、26 コンタクト層
19 電流ブロック層
23 歪量子井戸活性層
23b1、23b2 バリア層
23g1 第1ガイド層
23g2 第2ガイド層
23w1、23w2、23w3 ウェル層
25 保護層
26 コンタクト層
27、50 レジストパターン
30 拡散源
31 酸化シリコン膜
10 n-type GaAs substrate
11, 21 Buffer layer
12, 22 n-type cladding layer
13 First guide layer
14 Quantum well active layer
14b1 barrier layer
14w1, 14w2 well layer
15g2 second guide layer
15g1 3rd guide layer
16, 24 p-type cladding layer
17, 25 Protective layer
18, 26 Contact layer
19 Current blocking layer
23 Strained quantum well active layer
23b1, 23b2 barrier layer
23g1 first guide layer
23g2 Second guide layer
23w1, 23w2, 23w3 well layer
25 Protective layer
26 Contact layer
27, 50 resist pattern
30 Diffusion source
31 Silicon oxide film
Claims (9)
前記第1の半導体レーザは、
前記基板の上方に形成された第1導電型の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に形成された第1導電型の第1のガイド層と、
第1のガイド層上に形成されAlGaAsを含む第1の活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層との界面部のAl組成が上面部のAl組成より小さい第2導電型の第2のガイド層と、
前記第2のガイド層上に形成された第2導電型のクラッド層とを有している半導体レーザ装置。 A substrate and a clad layer made of an AlGaInP-based material, a first semiconductor laser formed on the substrate, and light having a wavelength shorter than that of the first semiconductor laser are output and formed on the substrate A second semiconductor laser,
The first semiconductor laser is:
A first conductivity type first cladding layer formed above the substrate;
A first guide layer of the first conductivity type formed on the first cladding layer;
A first active layer formed on the first guide layer and comprising AlGaAs;
A second guide layer of a second conductivity type formed on the active layer and having an Al composition at the interface with the active layer smaller than the Al composition at the top surface;
A semiconductor laser device having a second conductivity type cladding layer formed on the second guide layer.
前記基板の上方に形成され、AlGaInP系材料からなる第1導電型の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層上に形成された第1導電型の第1のガイド層と、
第1のガイド層上に形成されAlGaAsを含む第1の活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層との界面部のAl組成が上面部のAl組成より小さい第2導電型の第2のガイド層と、
前記第2のガイド層上に形成され、AlGaInP系材料からなる第2導電型のクラッド層とを備えている半導体レーザ装置。 A substrate,
A first cladding layer of a first conductivity type formed above the substrate and made of an AlGaInP-based material;
A first guide layer of the first conductivity type formed on the first cladding layer;
A first active layer formed on the first guide layer and comprising AlGaAs;
A second guide layer of a second conductivity type formed on the active layer and having an Al composition at the interface with the active layer smaller than the Al composition at the top surface;
A semiconductor laser device comprising: a second conductivity type cladding layer formed on the second guide layer and made of an AlGaInP-based material.
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