JP2009283605A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 リッジの幅が出射端面に向かって広がるフレアリッジ型ダブルチャンネル構造の半導体レーザでは、水平方向の遠視野像の強度中心及び形状が光出力の変化に伴い変動するものが発生し、安定した歩留が得られない。
【解決手段】 リッジの幅が最も狭い箇所の両側のチャンネル部の幅を光出射端面部におけるチャンネル幅より広くすることで光出力変化に伴う水平方向の遠視野像の強度中心の変動が抑制され、遠視野像の形状が安定したレーザ光を出射する半導体レーザを提供することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は半導体レーザに係り、特に導波路リッジを備えた半導体レーザに関するものである。

本発明は、光ディスクシステム又は光通信等に用いられる半導体レーザに関し、特に、ダブルチャンネル型リッジ構造型のディスクリート及びモノリシック半導体レーザに関するものである。ダブルチャンネル型リッジ構造とは、リッジを等価屈折率の小さいチャンネル（溝）部で挟み、さらにチャンネル部を等価屈折率の大きな層で挟んだ構成である（例えば、特許文献１、図1３ 参照）。

また、レーザ光の高出力化に伴い、リッジ幅をレーザ共振器内で変化させ、光出射端面に向かってリッジ幅が広くなるフレア形のリッジ構造レーザが採用されている。この構造の利点は、高出力化を実現するとともにデバイス抵抗，動作電圧、動作電流を低減できるという利点がある。従来のフレアリッジ形ダブルチャンネル構造レーザのチャンネル幅は、リッジ幅の変化と無関係に一定の値で設計されていた（例えば、特許文献２〜４）。

特許３８５７２９４ 特開２００６−３０３２６７ 特許２６９５４４０ 特表２００５−５２４２３４

従来のフレアリッジ形ダブルチャンネル構造の半導体レーザでは、水平方向の遠視野像の強度中心及び形状が光出力の変化に伴い変動するものが発生し、安定した歩留が得られないという問題があった。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、光出力変化に伴う水平方向の遠視野像の強度中心の変動が抑制され、且つ遠視野像の形状が安定したレーザ光を出射する半導体レーザを提供することである。

この発明に係る半導体レーザは、リッジと、前記リッジの両側に位置し、前記リッジを挟み、前記リッジより等価屈折率の小さいチャンネル部と、前記チャンネル部の外側に前記チャンネル部の等価屈折率より大きい等価屈折率を有する層を有するダブルチャンネル型リッジ構造の半導体レーザであって、前記リッジが、光出射端面に向かって幅が広くなるフレアリッジ構造を有し、前記リッジの幅が最も狭い箇所の両側の位置のチャンネル部の幅が、前記光出射端面部におけるチャンネル幅より広くなっていることを特徴とするものである。

この発明に係る半導体レーザにおいては、フレアリッジ構造を有するダブルチャンネル型リッジ構造で、リッジの幅が最も狭い箇所の両側のチャンネル部の幅を光出射端面部におけるチャンネル幅より広くすることにより、水平方向の遠視野像の形状が改善され、且つ遠視野像の中心を安定させることができる。

実施の形態１．
実施の形態１は、ダブルチャンネル型リッジ構造を有し、リッジ形状はリッジ幅が一定で変化しない領域１と光出射端面に向かってリッジ幅が広くなるフレア形状の領域２から成っている半導体レーザである。発振波長は６６０ｎｍ付近である。図１は本実施の形態１のレーザの構造を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。本実施の形態１の半導体レーザは、リッジ１２１を２本の溝部（チャンネル）１２５で挟んで形成するダブルチャンネル型リッジ構造の半導体レーザである。リッジ幅とチャンネル幅は図２中でそれぞれＴ、Ｗｃと表されている。

本実施の形態１のチャンネルを含むリッジ近傍のパターンを上から見た外観を図３に示す。図中で上記領域１の長さをＬ１、領域２の長さをＬ２とし、それぞれに対応するリッジ幅をＴ１，Ｔ２、チャネル幅をＷｃ１，Ｗｃ２と記している。

このダブルチャンネル型フレアリッジ構造の半導体レーザは、光出射端面部のチャンネル幅がリッジ幅の最も狭い箇所のチャンネル部より狭くなっている。このような構造とすることにより、光出力変化に伴う水平方向の遠視野像の強度中心の変動が抑制される。

また、リッジ幅の最も狭い箇所において、レーザのリッジ中心の電界強度とチャンネルの外側の端での電界強度が以下の条件を満たすようにチャンネル部の幅が最適化されている。
Ｅ＝Ａｃｏｓ（ｕｘ） （ｘ≦Ｔ／２）・・・（１）
Ｅ＝Ａｃｏｓ（ｕＴ／２）ｅｘｐ（−ｗ（｜ｘ｜−Ｔ／２））（ｘ≧Ｔ／２）
・・・（２）
ｕ²＋ｗ²＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）（２π／λ）²Ｔ² ・・・（３）
ｗ＝ｕ・ｔａｎ（ｕ） ・・・（４）
ただし、Ｅは電界、
Ａは所定の係数、
ｘは前記リッジの中心からの距離、
Ｔは前記リッジの幅、
ｎ₁は前記リッジの等価屈折率、
ｎ₂は前記チャンネル部の等価屈折率、
λは前記半導体レーザの発振波長、
Ｗｃは前記チャンネル部の幅

とした場合に、
式（１）から（４）によって算出されるｘ＝０における電界Ｅ１と、
ｘ＝Ｔ／２＋Ｗｃ における電界Ｅ２の比であるＥ２／Ｅ１が、
０．０００１ ≦ Ｅ２／Ｅ１ ≦ ０．０１ ・・・ （５）
を満たすように設定されている。
上記パラメータとリッジ近傍の屈折率分布と電界分布を図４に示す。このように、リッジ幅の最も狭い箇所におけるチャンネル部の幅を設定することにより、さらに水平方向の遠視野像の形状が改善され、且つ遠視野像の中心を安定させることができる。

また、本実施の形態１では、リッジ部の中心からチャンネルの外側の端までの距離を一定としている。このような構造にすることによって、製造時の加工を容易にし、量産性を上げることができる。

実施の形態１のダブルチャンネル型フレアリッジ半導体レーザの構造と作製方法を簡単に述べる。
図１において、ｎ型（ｎ−）ＧａＡｓ基板１０１の上方に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層１０３が形成されている。ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層１０３上には、ＧａＩｎＰを井戸層、ＡｌＧａＩｎＰをバリア層とする多重量子井戸構造の活性層１０５（以下、ＭＱＷ活性層と称する。）が形成されている。

活性層１０５上には、ｐ型（ｐ−）ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層１０７、エッチングストッパ層１０９が順に形成されている。エッチングストッパ層１０９上には、線状にリッジ１２１が形成されている。そして、リッジ１２１の両脇に形成された２本の溝部１２５を隔てて、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１がリッジ１２１に沿って線状に形成されている。

そして、リッジ１２１及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１の上面にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３が形成され、その上部には絶縁膜１１５が形成されている。絶縁膜１１５上に金属薄膜と金メッキからなるｐ電極１１７が形成されている。そしてリッジ１２１上の絶縁膜１１５は開口され、ｐ電極１１７とｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３は電気的に接続されている。
半導体レーザ１２９の端面近傍には、窓領域１２３が設けられている。そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ電極１１９が形成されている。また、１２７はレーザ光を示している。

上記の例において、ＡｌＧａＩｎＰの組成は、正確には、（Ａｌ_xＧａ_1-x）０．５Ｉｎ０．５Ｐによって表される。そして、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層１０３の組成比ｘは０．５〜０．７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層１０７の組成比ｘは０．５〜０．７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１の組成比ｘは０．５〜０．７である。

各層の厚さは、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層１０３が１．５〜４μｍ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層１０７が０．１〜１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１が０．５〜２μｍである。そして、各層のキャリア濃度は、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層１０３が０．３〜２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層１０７が０．３〜２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１が０．３〜２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

従来のダブルチャンネル型リッジ構造では、リッジ幅が共振器内で変化してもチャンネル幅は共振器内で変化せず一定であった。
これに対し、実施の形態１ではリッジ幅は、最も狭い所（Ｔ１）で１．５μｍであり、最も広い前端面（Ｔ２）で３μｍである。チャンネル幅は最も広いところ（Ｗｃ１）で６μｍであり、最も狭い所（Ｗｃ２）で約５．３μｍである。Ｌ１とＬ２の比は１：１となるよう設計している。

本実施の形態１ではＴ１＝１．５μｍ，Ｔ２＝３．０μｍとしたが、動作電圧の上昇が問題ない範囲で幅を狭くすることができ、キンクレベルの低下が許される範囲で幅を広くすることができる。通常、Ｔ１は１．０μｍ〜３．０μｍ、Ｔ２は１．５μｍ〜５．０μｍの範囲で、Ｔ１＜Ｔ２の関係を満たすよう設計することができる。Ｗｃ１は式（５）により、Ｔ１から決まる値であり、Ｗｃ２の値はＴ２とＷｃ１から決まる。また、Ｌ１とＬ２の比は任意に設定できる。Ｌ１／Ｌ２が大きくなると動作電圧上昇し、小さくなるとキンクレベルが低下することから、要求性能を満たすようＬ１／Ｌ２は設定される。

次に、本実施の形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法等の結晶成長法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層１０３、ＭＱＷ活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層１０７、エッチングストッパ層１０９、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３を順次形成する。次に、端面近傍にＺｎ拡散等によりＭＱＷ活性層１０５を無秩序化することにより、窓領域１２３を形成する。続いて、レジスト又は絶縁膜をマスクとして、ドライエッチングと、硫酸又は塩酸系エッチング液を用いて、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッド層１１１を選択的にエッチングすることでリッジ１２１と溝部１２５を形成する。このとき硫酸などの適切なエッチング液を用いることにより、エッチングはエッチングストッパ層１０９で自動的に止まる。

次に窒化膜などの絶縁膜１１５を全面に形成し、フォトリソグラフィによりリッジ１２１の上面に開口部を形成し、金属薄膜と金メッキからなるｐ電極１１７を形成する。

実際に作製された半導体レーザの水平方向の遠視野像を図５と図６に比較する。従来構造の遠視野像は図５であり、実施の形態１の遠視野像は図６である。また光出力５ｍＷ時と１２０ｍＷ時での水平方向遠視野像の中心角の差分の分布を、従来構造と実施の形態１で図７，図８に比較する。従来構造の分布が図７であり、実施の形態１の分布が図８である。両者を比較することで、チャンネル部１２５の幅を本実施の形態１に示した範囲内で設計することで、水平方向の遠視野像の形状が従来技術のものより明らかに改善され、且つ遠視野像の中心が非常に安定することがわかる

また、ダブルチャンネル構造の替わりに、ダブルチャンネル構造と同様のレーザ光吸収効果を持つ領域をＺｎ拡散やプロトン注入により形成しても、光出力増加に伴う水平方向の遠視野像の変動抑制効果がある。

実施の形態２．
図９、図１０は本発明の他の実施の形態の、チャンネルを含むリッジ近傍のパターンを上から見た外観図を示す。本実施の形態では、実施の形態１と同様に光出射端面部のチャンネル幅がリッジ幅の最も狭い箇所のチャンネル部より狭くなっている。また、リッジ幅の最も狭い箇所において、レーザのリッジ中心の電界強度とチャンネルの外側の端での電界強度が実施の形態１の式（５）を満たすようにチャンネル部の幅が最適化されている。しかし、共振器内でリッジ部の中心からチャンネルの外側の端までの距離が一定となっていない。このような半導体レーザであっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１１は、本発明のさらに他の実施の形態の、チャンネルを含むリッジ近傍のパターンを上から見た外観図を示す。これは、後端面方向のリッジ幅が最終的に光出射端面の最も広い幅と一致するように、後端面方向に向かってリッジ幅を広げ、製造時のウエハ上で、リッジの前端面が隣接するチップの後端面とつながるように設計したものである。このように設計することによって生産性を改善することができる。

実施の形態４．
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザを例に、発振波長が６６０ｎｍ付近の半導体レーザについて説明したが、発振波長が６０１ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の範囲にある半導体レーザについて同様のことが言える。それ以外にも発振波長が３３０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の範囲にある半導体レーザや、発振波長が７０１ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の範囲にある半導体レーザにも適応することができる。また、上記の異なる発振波長を持つ半導体レーザを１つのチップに集積化したものであってもよい。図１２は、本発明のさらに他の実施の形態の半導体レーザの構造を示す一部断面図である。また図１２は、本実施の形態の、チャンネルを含むリッジ近傍のパターンを上から見た外観図を示す。本実施の形態は、実施の形態１で示した半導体レーザと同様の構図で、異なる発振周波数を持つ２つの半導体レーザを１つのチップに集積化したものである。この様な半導体レーザにおいても、それぞれの発振波長に各レーザにおいて、水平方向の遠視野像の形状が改善され、遠視野像の中心を安定させることができる。

なお、図面および明細書では本発明の典型的な好ましい実施形態を開示しており、特定の用語を使用しているが、それらは一般的かつ記述的な意味合いでのみ使用しており、本明細書に記載の特許請求の範囲を限定することを目的とするものではないことは言うまでもない。

以上のように、この発明に係る半導体レーザは、導波路リッジを備えた半導体レーザに適している。

この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す斜視図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す一部断面図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す上面外観図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面における電界分布を示す図である。 従来技術の半導体レーザの水平方向の遠視野像の実測値を示す図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの水平方向の遠視野像の実測値を示す図である。 従来技術の半導体レーザの水平方向遠視野像の中心角の差分分布を示す図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの水平方向遠視野像の中心角の差分分布を示す図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す上面外観図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す上面外観図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す上面外観図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す一部断面図である。 この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す上面外観図である。

符号の説明

１２１ リッジ
１２５ 溝部

Claims (7)

1. リッジと、
   前記リッジの両側に位置し、前記リッジを挟み、前記リッジより等価屈折率の小さいチャンネル部と、
   前記チャンネル部の外側に前記チャンネル部の等価屈折率より大きい等価屈折率を有する層を有するダブルチャンネル型リッジ構造の半導体レーザであって、
   前記リッジが、光出射端面に向かって幅が広くなるフレアリッジ構造を有し、前記リッジの幅が最も狭い箇所の両側の位置のチャンネル部の幅が、前記光出射端面部におけるチャンネル部の幅より広くなっていることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記リッジの幅がＴ、等価屈折率がｎ₁、
   前記チャンネル部の等価屈折率がｎ₂であり、
   発振波長がλで、基本モードで発振するダブルチャンネル型リッジ構造の半導体レーザであって、
   前記リッジの中心からの距離ｘにおける電界Ｅを
   Ｅ＝Ａｃｏｓ（ｕｘ） （ｘ≦Ｔ／２） ・・・（１）
   Ｅ＝Ａｃｏｓ（ｕＴ／２）ｅｘｐ（−ｗ（｜ｘ｜−Ｔ／２）） （ｘ≧Ｔ／２） ・・・ （２）
   ｕ²＋ｗ²＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）（２π／λ）²Ｔ² ・・・（３）
   ｗ＝ｕ・ｔａｎ（ｕ） ・・・（４）
   ただし、Ａは所定の係数、
   で表した場合に、
   前記リッジの幅が最も狭い箇所のチャンネル部の幅Ｗｃが、
   ｘ＝０における電界Ｅ１と、ｘ＝Ｔ／２＋Ｗｃにおける電界Ｅ２の比であるＥ２／Ｅ１が、
   ０．０００１ ≦ Ｅ２／Ｅ１ ≦ ０．０１ ・・・ （５）
   を満たすように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記リッジ部の中心から前記チャンネル部の外側の端までの距離が一定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。
4. 発振波長が６０１ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
5. 発振波長が７０１ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
6. 発振波長が３３０ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
7. 異なる発振波長を持つ請求項４乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザを複数有し、前記複数の半導体レーザを１チップに集積化したことを特徴とする半導体レーザ。

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