JP2010003746A - Semiconductor laser device - Google Patents

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Kazutoshi Onozawa
和利 小野澤
Masanari Kawaguchi
真生 川口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface light-emitting semiconductor laser device which is two-dimensionally arranged, and has few coupling loss and high light-emitting efficiency. <P>SOLUTION: The semiconductor laser device includes a laminated structure 31 of a nitride semiconductor, which is formed on a substrate 11 and includes a stripe-like optical waveguide 32 extending in parallel to a main face of the substrate 11. A reflection mirror 34 reflecting light transmitted through the optical waveguide 32 in a direction vertical to the main face of the substrate 11 is formed in at least one end face of the optical waveguide 32. A light transmission film 35 having an effective refractive index distribution whose effective refractive index is smaller in an outer edge part compared to a center part is formed in an optical outgoing region where light reflected by the reflection mirror 34 in the laminated structure 31 is output. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に表面発光型の窒化物半導体レーザ装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a surface emitting nitride semiconductor laser device.

半導体レーザ装置(laser diode:LD)は、小型、安価及び高出力等の優れた特徴を有する。このため、光通信及び光情報記録等の用途だけでなく、医療及び照明等の幅広い技術分野で用いられている。また、レーザディスプレイ及び液晶のバックライト用途として、波長450nm〜470nmの純青色レーザ光を出力する窒化ガリウム(GaN)系半導体レーザ装置の開発も進められている。   A semiconductor laser device (laser diode: LD) has excellent features such as small size, low cost, and high output. For this reason, it is used not only for applications such as optical communication and optical information recording, but also in a wide range of technical fields such as medicine and lighting. Development of a gallium nitride (GaN) -based semiconductor laser device that outputs pure blue laser light having a wavelength of 450 nm to 470 nm is also underway for use in laser display and liquid crystal backlights.

ディスプレイ及びバックライト用途では高輝度化を実現するために、GaN系半導体レーザ装置の高出力化が求められている。半導体レーザ装置を高出力化するために、半導体レーザ装置をアレイ化する方法が考案されている。例えば図7は端面発光型の半導体レーザ装置312をアレイ化した例(例えば、特許文献1を参照。)を示しており、図8は面発光(VCSEL)型の半導体レーザ装置314をアレイ化した例(例えば、特許文献2を参照。)を示している。
特開2003−158332号公報 特開2007−13227号公報
In display and backlight applications, in order to achieve high brightness, high output of GaN-based semiconductor laser devices is required. In order to increase the output of the semiconductor laser device, a method of arraying the semiconductor laser device has been devised. For example, FIG. 7 shows an example of an array of edge-emitting semiconductor laser devices 312 (see, for example, Patent Document 1), and FIG. 8 shows an array of surface-emitting (VCSEL) semiconductor laser devices 314. An example (see, for example, Patent Document 2) is shown.
JP 2003-158332 A JP 2007-13227 A

しかしながら、端面発光型の半導体レーザ装置は、1次元にしかアレイ化できず、高集積化できないという問題がある。また、表面発光型の半導体レーザ装置は、2次元状に配置でき高集積化が可能であるが、GaN系においてはVCSEL型の半導体レーザ装置は実用化されていないという問題がある。   However, the edge-emitting semiconductor laser device has a problem that it can be arrayed only in one dimension and cannot be highly integrated. Further, the surface emitting semiconductor laser device can be two-dimensionally arranged and can be highly integrated, but there is a problem that the VCSEL type semiconductor laser device has not been put into practical use in the GaN system.

本発明は、前記従来の問題を解決し、2次元状に配置可能で且つ光の結合ロスが少なく、発光効率が高い表面発光型半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to realize a surface emitting semiconductor laser device that can be arranged two-dimensionally, has a small light coupling loss, and has high light emission efficiency.

前記の目的を達成するため、本発明は半導体レーザ装置を、光出射領域に形成された実効屈折率分布を有する光透過膜を有する構成とする。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor laser device has a light transmission film having an effective refractive index distribution formed in a light emitting region.

具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板の上に形成され、基板の主面と平行に延びるストライプ状の光導波路を有する窒化物半導体の積層構造と、光導波路の少なくとも一方の端面に形成され、光導波路を伝播する光を基板の主面と垂直な方向に反射する反射ミラーと、積層構造における反射ミラーにより反射された光が出射される光出射領域に形成され、外縁部において中央部よりも実効屈折率が小さい実効屈折率分布を有するように形成された光透過膜とを備えていることを特徴とする。   Specifically, a semiconductor laser device according to the present invention includes a nitride semiconductor multilayer structure having a stripe-shaped optical waveguide formed on a substrate and extending in parallel with the main surface of the substrate, and at least one end surface of the optical waveguide. Formed in the light emitting region where the light reflected by the reflecting mirror in the laminated structure is emitted and reflected in the direction perpendicular to the main surface of the substrate. And a light transmission film formed so as to have an effective refractive index distribution having an effective refractive index smaller than that of the central portion.

本発明に係る半導体レーザ装置は、外縁部において中央部よりも実効屈折率が小さい実効屈折率分布を有するように形成された光透過膜とを備えている。このため、光出射領域に到達した光の位相を揃えることが可能となる。従って、光結合効率が向上し、発光効率が高い表面発光型半導体レーザ装置を実現できる。その結果、高出力の窒化物半導体レーザ装置を2次元アレイ化することが可能となる。   The semiconductor laser device according to the present invention includes a light transmission film formed so as to have an effective refractive index distribution whose effective refractive index is smaller at the outer edge portion than at the central portion. For this reason, it becomes possible to make the phase of the light which reached | attained the light emission area | region uniform. Therefore, a surface emitting semiconductor laser device with improved optical coupling efficiency and high luminous efficiency can be realized. As a result, a high-power nitride semiconductor laser device can be made into a two-dimensional array.

本発明の半導体レーザ装置において、光透過膜は、交互に配置された複数の凸部と凹部とを有し、凸部の周期は、光導波路を伝播する光の波長以下であり且つ凸部の凹部に対する割合が中央部から外縁部に向かって次第に小さくなる構成としてもよい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the light transmission film has a plurality of alternately arranged convex portions and concave portions, and the period of the convex portions is equal to or less than the wavelength of light propagating through the optical waveguide and It is good also as a structure where the ratio with respect to a recessed part becomes small gradually toward an outer edge part from a center part.

この場合において、凸部が占める割合は、光出射領域の中心に対して点対称となるように形成されていてもよい。   In this case, the ratio occupied by the convex portions may be formed so as to be point-symmetric with respect to the center of the light emission region.

この場合において、光透過膜は、平面同心楕円状に形成された複数の凸部及び凹部により形成されていてもよい。   In this case, the light transmission film may be formed by a plurality of convex portions and concave portions formed in a planar concentric ellipse shape.

本発明の半導体レーザ装置において、光透過膜は、窒化物半導体からなる構成であってもよい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the light transmission film may be composed of a nitride semiconductor.

本発明の半導体レーザ装置において、反射ミラーは、光導波路の両方の端面に形成され、光透過膜は各反射ミラーに対応する位置にそれぞれ形成されている構成としてもよい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the reflection mirror may be formed on both end faces of the optical waveguide, and the light transmission film may be formed at a position corresponding to each reflection mirror.

本発明は、2次元状に配置可能で且つ光の結合ロスが少なく、発光効率が高い表面発光型半導体レーザ装置を実現できる。   The present invention can realize a surface-emitting type semiconductor laser device that can be two-dimensionally arranged, has little light coupling loss, and has high emission efficiency.

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1(a)及び(b)は一実施形態に係る半導体レーザ装置であり、(a)は<1000>方向からみた平面構成を示し、(b)は(a)のIb−Ib線における断面つまり<1−100>方向からみた断面構成を示している。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show a semiconductor laser device according to an embodiment, FIG. 1A shows a planar configuration viewed from the <1000> direction, and FIG. 1B shows a cross section taken along line Ib-Ib in FIG. That is, it shows a cross-sectional configuration viewed from the <1-100> direction.

本実施形態に係る半導体レーザを構成する材料には、6回対称構造を持つ六方晶(ウルツ鉱)結晶からなる材料を用いている。六方晶GaN結晶は有極性の結晶であり、同じ(0001)面であっても、Ga原子が配列した面とN原子が配列した面の2種類が存在する。本願明細書においては、Ga原子が配列した面を(0001)面と表記すると共に、N原子が配列した面を(000−1)面と表記する。また、(0001)面を+c面と表記すると共に、(000−1)面を−c面と表記する。同様にして、(1−100)面を+m面と表記すると共に、(−1100)面を−m面と表記する。なお、単にc面などと表記している場合には、+c面及び−c面を含めた意味である。   As a material constituting the semiconductor laser according to the present embodiment, a material made of a hexagonal (wurtzite) crystal having a six-fold symmetry structure is used. The hexagonal GaN crystal is a polar crystal, and there are two types of planes with Ga atoms arranged and N atoms arranged with the same (0001) plane. In the present specification, a surface on which Ga atoms are arranged is denoted as a (0001) plane, and a surface on which N atoms are arranged is denoted as a (000-1) surface. The (0001) plane is expressed as + c plane, and the (000-1) plane is expressed as -c plane. Similarly, the (1-100) plane is denoted as + m plane, and the (-1100) plane is denoted as -m plane. In addition, when it only describes with c surface etc., it is the meaning including + c surface and -c surface.

本願明細書において、主面が(0001)面という場合、主面が(0001)面から±5°程度傾いた面を含めた意味である。   In the present specification, when the main surface is referred to as the (0001) plane, it means that the main surface includes a plane inclined by about ± 5 ° from the (0001) plane.

図1に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、主面がc面であるn型GaNからなる基板11の+c面上に、窒化物半導体の積層構造31が形成されている。積層構造31は、基板側から順次形成されたn型クラッド層12と、n側光ガイド層13と、活性層14と、p側光ガイド層15と、キャリアオーバーフロー抑制(OFS)層16と、p型クラッド層17と、コンタクト層18とすればよい。   As shown in FIG. 1, in the semiconductor laser device of the present embodiment, a nitride semiconductor multilayer structure 31 is formed on the + c plane of a substrate 11 made of n-type GaN whose main surface is a c-plane. The laminated structure 31 includes an n-type cladding layer 12, an n-side light guide layer 13, an active layer 14, a p-side light guide layer 15, and a carrier overflow suppression (OFS) layer 16, which are sequentially formed from the substrate side. The p-type cladding layer 17 and the contact layer 18 may be used.

n型クラッド層12は、厚さが2μmのn型Al0.08GaNとすればよく、n側光ガイド層13は厚さが0.1μmのn−GaNとすればよい。活性層14は、In0.02GaNからなるバリア層とIn0.15GaNからなる量子井戸層とが3周期積層された量子井戸活性層とすればよい。p側光ガイド層15は、厚さが0.1μmのp−GaNとすればよく、OFS層は厚さが10nmのAl0.16GaNとすればよい。 The n-type cladding layer 12 may be n-type Al 0.08 GaN having a thickness of 2 μm, and the n-side light guide layer 13 may be n-GaN having a thickness of 0.1 μm. The active layer 14 may be a quantum well active layer in which a barrier layer made of In 0.02 GaN and a quantum well layer made of In 0.15 GaN are stacked in three cycles. The p-side light guide layer 15 may be p-GaN having a thickness of 0.1 μm, and the OFS layer may be Al 0.16 GaN having a thickness of 10 nm.

p型クラッド層17は、厚さが1.5nmのp−Al0.16GaNと厚さが1.5nmのGaNとを160周期繰り返し積層した膜厚が0.48μmの歪超格子とすればよい。コンタクト層18は、膜厚が0.05μmのp−AlGaNとすればよい。 The p-type cladding layer 17 may be a strained superlattice having a thickness of 0.48 μm in which p-Al 0.16 GaN having a thickness of 1.5 nm and GaN having a thickness of 1.5 nm are repeatedly laminated 160 times. The contact layer 18 may be p-AlGaN having a film thickness of 0.05 μm.

コンタクト層18の上には、シリコン酸化膜20が形成されている。シリコン酸化膜20はコンタクト層18を露出するストライプ状の開口部を有している。一方の端部付近を除いて、開口部を埋めるようにp側電極21が形成されている。p側電極21は、例えば厚さが40nmのパラジウム(Pd)と厚さが35nmの白金(Pt)との積層体とすればよい。これにより選択的な電流注入が可能となり、積層構造31の内部に、ストライプ状の光導波路32が形成される。   A silicon oxide film 20 is formed on the contact layer 18. The silicon oxide film 20 has a stripe-shaped opening that exposes the contact layer 18. A p-side electrode 21 is formed so as to fill the opening except in the vicinity of one end. The p-side electrode 21 may be a laminate of, for example, palladium (Pd) having a thickness of 40 nm and platinum (Pt) having a thickness of 35 nm. As a result, selective current injection becomes possible, and a striped optical waveguide 32 is formed inside the laminated structure 31.

p側電極21及びシリコン酸化膜20の上には、配線電極22が形成されている。配線電極22は、例えば、厚さが50nmのチタン(Ti)と、厚さが200nmの白金(Pt)と、厚さが10μmの金(Au)との積層体とすればよい。   A wiring electrode 22 is formed on the p-side electrode 21 and the silicon oxide film 20. For example, the wiring electrode 22 may be a laminate of titanium (Ti) having a thickness of 50 nm, platinum (Pt) having a thickness of 200 nm, and gold (Au) having a thickness of 10 μm.

膜厚が厚い配線電極22を形成することにより、ワイヤボンディングによるチップの実装が可能になると共に、活性層14における発熱を効果的に放熱させることができ、半導体レーザ装置の信頼性を向上させることが可能となる。   By forming the wiring electrode 22 having a large film thickness, it is possible to mount a chip by wire bonding and to effectively dissipate heat generated in the active layer 14, thereby improving the reliability of the semiconductor laser device. Is possible.

配線電極22はできるだけ広い面積を覆うように形成することが好ましいが、劈開及びチップ分離の際に配線電極22が切断されると、配線電極22と密着したp側電極21がコンタクト層18から剥がれるおそれがある。このため、チップの端部から間隔をおいて配線電極22を形成することが好ましい。   The wiring electrode 22 is preferably formed so as to cover as wide an area as possible. However, when the wiring electrode 22 is cut during cleavage and chip separation, the p-side electrode 21 in close contact with the wiring electrode 22 is peeled off from the contact layer 18. There is a fear. For this reason, it is preferable to form the wiring electrode 22 at a distance from the end of the chip.

基板11の積層構造31が形成された面と反対側の面にはn側電極23が形成されている。n側電極23は例えばTiとPtとAuとがそれぞれ5nm、10nm及び1000nm積層された積層膜とすればよい。   An n-side electrode 23 is formed on the surface of the substrate 11 opposite to the surface on which the laminated structure 31 is formed. The n-side electrode 23 may be a laminated film in which, for example, Ti, Pt, and Au are laminated to 5 nm, 10 nm, and 1000 nm, respectively.

積層構造31における光導波路32と交差する方向の側面(共振器端面)の一方には、例えばSiO2/Nb25 の3周期構造からなる高反射コーティング33が形成されている。 A highly reflective coating 33 made of, for example, a three-period structure of SiO 2 / Nb 2 O 5 is formed on one side surface (resonator end face) in the direction intersecting the optical waveguide 32 in the laminated structure 31.

図1において共振器端面がm面となるように形成した例を示している。この場合、高反射コーティング33を形成することにより、化学的な安定性が相対的に低い+m面から出射するレーザ光の割合を低減できる。これにより、化学的な安定性が相対的に高い+c面から出射するレーザ光の割合が増加するため、高出力動作時においても、端面劣化が少ない信頼性の高い半導体レーザ装置を実現することができる。   FIG. 1 shows an example in which the resonator end face is formed to be an m-plane. In this case, by forming the highly reflective coating 33, it is possible to reduce the ratio of the laser light emitted from the + m plane, which has a relatively low chemical stability. As a result, the ratio of laser light emitted from the + c plane, which has a relatively high chemical stability, increases, so that it is possible to realize a highly reliable semiconductor laser device with little degradation of the end face even during high output operation. it can.

高反射コーティング33が形成された端面と反対側の端面は、基板11の主面との角度θが45度となるように加工されており、光導波路32内を伝播する光が基板11の主面と垂直な方向に反射する反射ミラー34が形成されている。   The end surface opposite to the end surface on which the highly reflective coating 33 is formed is processed so that the angle θ with the main surface of the substrate 11 is 45 degrees, and the light propagating in the optical waveguide 32 is the main surface of the substrate 11. A reflection mirror 34 that reflects in a direction perpendicular to the surface is formed.

反射ミラー34により反射された光は、積層構造31の上面に到達し、出射される。反射ミラー34により反射された光が出射される光出射領域には、光透過膜35が形成されている。本実施形態の半導体レーザ装置においては、光透過膜35はp型クラッド層17の上部が選択的に除去されることにより形成された凹部と凸部により形成されている。光透過膜35は、外縁部において中央部よりも実効屈折率が小さい実効屈折率分布を有している。   The light reflected by the reflection mirror 34 reaches the upper surface of the laminated structure 31 and is emitted. A light transmission film 35 is formed in the light emission region where the light reflected by the reflection mirror 34 is emitted. In the semiconductor laser device of the present embodiment, the light transmission film 35 is formed by a concave portion and a convex portion formed by selectively removing the upper portion of the p-type cladding layer 17. The light transmission film 35 has an effective refractive index distribution whose effective refractive index is smaller at the outer edge portion than at the central portion.

以下に、光出射領域に光透過膜35を形成する理由について説明する。反射ミラー34を形成することにより、光導波路32内を伝播する光を基板11の主面と垂直な方向に出射することが可能となる。これにより、窒化物半導体レーザ装置を2次元アレイ化することが可能となる。しかし、反射ミラー34と積層構造31の上面との間には、光導波構造が形成されていない。このため、図2に示すように、反射ミラー34において反射された光は、積層構造31の上面に達するまでに拡がってしまう。このような光の拡がりが生じると、積層構造31の表面において光の位相が一定とならないため、光の結合ロスが生じる。さらに、積層構造31内における光の拡がりは異方性を有しているため、垂直方向のファーフィールドパターン(FFP)と水平方向のFFPとの拡がり角が大きく異なってしまう。   The reason why the light transmission film 35 is formed in the light emission region will be described below. By forming the reflection mirror 34, it is possible to emit light propagating through the optical waveguide 32 in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 11. As a result, the nitride semiconductor laser device can be made into a two-dimensional array. However, no optical waveguide structure is formed between the reflection mirror 34 and the upper surface of the laminated structure 31. For this reason, as shown in FIG. 2, the light reflected by the reflection mirror 34 spreads until reaching the upper surface of the laminated structure 31. When such spread of light occurs, the phase of light does not become constant on the surface of the laminated structure 31, resulting in light coupling loss. Further, since the light spread in the laminated structure 31 has anisotropy, the spread angle between the vertical far field pattern (FFP) and the horizontal FFP is greatly different.

本実施形態の半導体レーザ装置は、積層構造31の上面における光が到達する領域である光出射領域に、外縁部において中央部よりも実効屈折率が小さい実効屈折率分布を有する光透過膜35を形成している。このため、光出射領域において光の位相補償ができる。従って、結合ロスを低減することが可能となる。   In the semiconductor laser device of this embodiment, a light transmission film 35 having an effective refractive index distribution whose effective refractive index is smaller at the outer edge portion than at the central portion is provided in a light emitting region that is a region where light reaches the upper surface of the laminated structure 31. Forming. For this reason, phase compensation of light can be performed in the light emission region. Therefore, it is possible to reduce the coupling loss.

図3は、光導波路内を伝播する光が反射ミラー34により反射された後、積層構造31の表面において反射され逆の経路をたどり再び光導波路に結合する割合を計算により求めた結果を示している。図3に示すように、光透過膜35を形成していない場合には、反射ミラー34の角度が45度の場合にも結合効率が66%しかない。一方、光透過膜35を形成した場合には、反射ミラー34角度が45度の場合には光結合効率が100%となる。   FIG. 3 shows the calculation result of the ratio of the light propagating in the optical waveguide reflected by the reflecting mirror 34 and then reflected on the surface of the laminated structure 31 to follow the reverse path to be coupled to the optical waveguide again. Yes. As shown in FIG. 3, when the light transmission film 35 is not formed, the coupling efficiency is only 66% even when the angle of the reflection mirror 34 is 45 degrees. On the other hand, when the light transmission film 35 is formed, the optical coupling efficiency is 100% when the angle of the reflection mirror 34 is 45 degrees.

また、本実施形態の半導体レーザ装置は、光透過膜35を光導波路32と交差する方向である共振器幅方向よりも光導波路32と平行な方向である共振器長方向が長い平面楕円状に形成している。光透過膜35は、実効屈折率分布によるレンズ効果を有するため、垂直方向のFFPと水平方向のFFPとの広がり角の差を小さくすることができる。   Further, in the semiconductor laser device of this embodiment, the light transmission film 35 has a planar elliptical shape in which the resonator length direction that is parallel to the optical waveguide 32 is longer than the resonator width direction that is the direction intersecting the optical waveguide 32. Forming. Since the light transmission film 35 has a lens effect based on the effective refractive index distribution, the difference in the spread angle between the vertical FFP and the horizontal FFP can be reduced.

以下に、このような実効屈折率分布を有する光透過膜35の具体的な構造について説明する。図4(a)に示すように、第1の材料51Aと、第2の材料51Bとが交互に配置された光透過膜の構造を考える。第1の材料51Aの屈折率nhは、第2の材料51Bの屈折率nlよりも大きい。隣接する第1の材料51Aの幅と第2の材料51Bの幅との和、つまり、第1の材料51Aの周期がPであり、第1の材料51Aの幅がWの位置において光が感じる実効屈折率neffは、式(1)のように表すことができる。   Hereinafter, a specific structure of the light transmission film 35 having such an effective refractive index distribution will be described. As shown in FIG. 4A, consider the structure of a light transmission film in which first materials 51A and second materials 51B are alternately arranged. The refractive index nh of the first material 51A is larger than the refractive index nl of the second material 51B. Light is felt at the position where the width of the adjacent first material 51A and the width of the second material 51B, that is, the period of the first material 51A is P and the width of the first material 51A is W. The effective refractive index neff can be expressed as shown in Equation (1).

neff = {W・nh+(P−W)・nl}/P ・・・ (1)
但し、Pの値は、光透過膜に入射する光の波長とほぼ等しいか又は小さいとする。
neff = {W · nh + (P−W) · nl} / P (1)
However, it is assumed that the value of P is substantially equal to or smaller than the wavelength of light incident on the light transmission film.

式(1)から明らかなように、実効屈折率neffは、P及びWの関数となる。従って、中央部から外縁部に向かって次第にPの値が大きくなり、Wの値が小さくなるようにすれば、図4(b)に示すような外縁部において中央部よりも実効屈折率が小さい実効屈折率分布を有する光透過膜を形成できる。また、P又はWの一方だけを変化させてもよい。   As is clear from the equation (1), the effective refractive index neff is a function of P and W. Therefore, if the value of P is gradually increased from the central portion toward the outer edge portion and the value of W is decreased, the effective refractive index is smaller at the outer edge portion as shown in FIG. 4B than at the central portion. A light transmission film having an effective refractive index distribution can be formed. Further, only one of P or W may be changed.

第1の材料51Aと第2の材料51Bとは、屈折率差があればどのような材料でもよいが、第2の材料51Bを空気とすれば、屈折率差を大きくし且つ光透過膜を容易に形成することが可能となる。具体的には、第1の材料51Aに凹部を形成することにより実効屈折率分布を有する光透過膜を形成できる。   The first material 51A and the second material 51B may be any material as long as there is a difference in refractive index. However, if the second material 51B is air, the refractive index difference is increased and a light transmission film is formed. It can be formed easily. Specifically, a light transmission film having an effective refractive index distribution can be formed by forming a recess in the first material 51A.

本実施形態においては、光透過膜35をp型クラッド層17に形成された、平面同心楕円状の複数の凹部と凸部としている。また、中心部から外縁部に向かって凹部の幅が次第に広くなり、凸部の幅が次第に狭くなるように形成している。実効屈折率を変化させるためには、凸部の凹部に対する割合が、中央部から外縁部に向かって次第に小さくなるようにすればよい。従って、凸部の幅を一定とし凹部の幅を中央部から外縁部に向かって次第に大きくしてもよく、凹部の幅を一定とし凸部の幅を中央部から外縁部に向かって次第に小さくしてもよい。凹部と凸部の割合の変化量は、光出射領域における光の拡がりにあわせて最適な値を算出すればよい。   In the present embodiment, the light transmission film 35 is a plurality of planar concentric elliptical concave and convex portions formed on the p-type cladding layer 17. In addition, the width of the concave portion gradually increases from the central portion toward the outer edge portion, and the width of the convex portion gradually decreases. In order to change the effective refractive index, the ratio of the convex portion to the concave portion may be gradually decreased from the central portion toward the outer edge portion. Therefore, the width of the convex portion may be constant and the width of the concave portion may be gradually increased from the central portion toward the outer edge portion, and the width of the concave portion may be constant and the width of the convex portion may be gradually decreased from the central portion toward the outer edge portion. May be. The amount of change in the ratio between the concave portion and the convex portion may be calculated as an optimum value in accordance with the spread of light in the light emission region.

以下に、本実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法について説明する。まず、有機金属気層成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD法)を用いてn型GaN基板11の<0001>面の上に積層構造31を形成する。MOCVD法における原料は、例えばGa原料としてトリメチルガリウム、In原料としてトリメチルインジウム、Al原料としてトリメチルアルミニウム、N原料としてアンモニア、n型不純物のSi原料としてシランガス、p型不純物のMg原料としてビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いればよい。また、MOCVD法に代えて分子ビーム成長法(Molecular Beam Epitaxy:MBE法)や化学ビーム成長法(Chemical Beam Epitaxy:CBE法)など、窒化物系半導体レーザ構造が成長可能な他の成長手法を用いてもよい。   A method for manufacturing the semiconductor laser device according to this embodiment will be described below. First, the laminated structure 31 is formed on the <0001> plane of the n-type GaN substrate 11 using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD method). The raw material in the MOCVD method is, for example, trimethylgallium as a Ga raw material, trimethylindium as an In raw material, trimethylaluminum as an Al raw material, ammonia as an N raw material, silane gas as an Si raw material for n-type impurities, and biscyclopentadidi as an Mg raw material for p-type impurities Enilmagnesium may be used. Instead of MOCVD, other growth techniques that can grow nitride semiconductor laser structures such as molecular beam epitaxy (MBE) and chemical beam epitaxy (CBE) are used. May be.

積層構造31を形成した後、コンタクト層18の上に、プラズマCVD法等を用いてシリコン酸化膜(SiO2)を0.3μm成膜する。この後、SiO2膜の上に、フォトリソグラフィ及びエッチング技術を用いて、電流注入部を形成するためのストライプ状の開口部と、光透過膜35を形成するための平面同心楕円状のパターンとを有するレジストパターンを形成する。形成した、レジストパターンをマスクとして、例えばCF4ガスを用いた誘導結合プラズマ(ICP)エッチングにより、SiO2膜をエッチングする。これにより、コンタクト層18が露出した開口部と、平面同心楕円状のSiO2膜パターンとが形成される。この後、平面同心楕円状のSiO2膜パターンが形成された領域を露出するマスクを形成し、例えばCl2ガスを用いた誘導結合プラズマ(ICP)エッチングを行う。これにより、マスクとの開口部においてコンタクト層18とp型クラッド層17の一部とが除去される。平面同心楕円状のSiO2膜パターンが形成された領域においては、p型クラッド層17が残存するため、平面同心楕円状の複数の凸部と凹部とにより構成された光透過膜35が形成される。 After forming the laminated structure 31, a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed to 0.3 μm on the contact layer 18 by using a plasma CVD method or the like. Thereafter, a striped opening for forming a current injection portion and a planar concentric elliptical pattern for forming the light transmission film 35 are formed on the SiO 2 film using photolithography and etching techniques. A resist pattern having is formed. Using the formed resist pattern as a mask, the SiO 2 film is etched by, for example, inductively coupled plasma (ICP) etching using CF 4 gas. As a result, an opening from which the contact layer 18 is exposed and a planar concentric elliptical SiO 2 film pattern are formed. Thereafter, a mask exposing a region where the planar concentric elliptical SiO 2 film pattern is formed is formed, and inductively coupled plasma (ICP) etching using, for example, Cl 2 gas is performed. As a result, the contact layer 18 and a part of the p-type cladding layer 17 are removed from the opening with the mask. In the region where the planar concentric elliptical SiO 2 film pattern is formed, since the p-type cladding layer 17 remains, a light transmission film 35 constituted by a plurality of planar concentric elliptical convex portions and concave portions is formed. The

次に、コンタクト層18の露出部分にp側電極21をフォトリソグラフィとEB蒸着法とを用いて形成する。続いて、配線電極22を、フォトリソグラフィとEB蒸着法とを用いて形成する。配線電極22は、まず、TiとPtとAuとの積層体を膜厚がそれぞれ50nm、200nm、200nmとなるように形成した後、さらにAuの膜厚を10μmにまで増加させることが好ましい。   Next, the p-side electrode 21 is formed on the exposed portion of the contact layer 18 using photolithography and EB vapor deposition. Subsequently, the wiring electrode 22 is formed using photolithography and EB vapor deposition. The wiring electrode 22 is preferably formed by first forming a laminate of Ti, Pt, and Au so as to have film thicknesses of 50 nm, 200 nm, and 200 nm, respectively, and further increasing the film thickness of Au to 10 μm.

次に、ダイヤモンドスラリーを用いて、基板11の厚さを100μm程度にまで裏面から薄片化した後に、例えばEB蒸着法を用いて、基板11の裏面にTiとPtとAuとをそれぞれ5nm、10nm及び1000nm積層してn側電極23を形成する。   Next, after the thickness of the substrate 11 is thinned from the back surface to about 100 μm using diamond slurry, Ti, Pt, and Au are respectively deposited on the back surface of the substrate 11 to 5 nm, 10 nm using, for example, EB vapor deposition. The n-side electrode 23 is formed by stacking 1000 nm.

次に、積層構造31が形成された基板を、<1−100>方向の長さが600μmとなるように、m面に沿って1次劈開する。   Next, the substrate on which the laminated structure 31 is formed is primarily cleaved along the m-plane so that the length in the <1-100> direction is 600 μm.

次に、例えばECRスパッタ装置を用いて、積層構造31の側面の+m面に、例えばSiO2とNb25とが3周期積層された高反射コーティング33を形成する。高反射コーティング33はアルミナ(Al23)を用いて形成してもよい。 Next, a highly reflective coating 33 in which, for example, SiO 2 and Nb 2 O 5 are laminated for three periods is formed on the + m plane on the side surface of the multilayer structure 31 using, for example, an ECR sputtering apparatus. The highly reflective coating 33 may be formed using alumina (Al 2 O 3 ).

次に、収束イオンビーム(FIB)を用いて、高反射コーティング33が施された+m面と反対側の端面(図1においては−m面)を加工することにより、レーザ光を積層構造31の上面(+c面)側に反射させる反射ミラー34を形成する。   Next, by using a focused ion beam (FIB), an end surface (−m surface in FIG. 1) opposite to the + m surface on which the highly reflective coating 33 is applied is processed, so that the laser beam is emitted from the laminated structure 31. A reflection mirror 34 for reflecting on the upper surface (+ c surface) side is formed.

図5(a)及び(b)は、FIBで加工した端面の電子顕微鏡写真であり、(b)は(a)の点線部を拡大して示している。図5に示すように、非常に平滑な面が形成されており、反射効率に優れた反射ミラー34が形成されている。   FIGS. 5A and 5B are electron micrographs of the end face processed with FIB, and FIG. 5B is an enlarged view of the dotted line part of FIG. As shown in FIG. 5, a very smooth surface is formed, and a reflection mirror 34 having excellent reflection efficiency is formed.

なお、レーザ光が全反射する角度を有する反射ミラー34を形成することができる方法であればどのような方法を用いてもよい。例えば、FBIに代えて、ドライエッチング又は熱燐酸若しくはUV光照射下のアルカリ溶液を用いたウェットエッチング等を用いてもよい。   Any method may be used as long as it can form the reflection mirror 34 having an angle at which the laser beam is totally reflected. For example, instead of FBI, dry etching or wet etching using an alkaline solution under irradiation with hot phosphoric acid or UV light may be used.

次に、<11−20>方向の長さが200μmとなるように、a面に沿って二次劈開することにより、青色(波長460nm)レーザ光を出力する半導体レーザ装置が得られる。   Next, a semiconductor laser device that outputs blue (wavelength 460 nm) laser light is obtained by performing secondary cleavage along the a-plane so that the length in the <11-20> direction is 200 μm.

なお、本実施形態においては、共振器端面の片側に反射ミラー34を設ける例を示したが、図6に示すように、両方の共振器端面に反射ミラー34を形成してもよい。反射ミラー34の角度は45度とすると基板の主面に対して垂直に光を出射でき、結合効率も最も高くなる。しかし、反射ミラーの角度を変えることにより基板の主面に対して斜めに光を出射させることも可能である。   In the present embodiment, the example in which the reflection mirror 34 is provided on one side of the resonator end face has been described. However, as shown in FIG. 6, the reflection mirror 34 may be formed on both of the resonator end faces. When the angle of the reflection mirror 34 is 45 degrees, light can be emitted perpendicular to the main surface of the substrate, and the coupling efficiency is the highest. However, it is also possible to emit light obliquely with respect to the main surface of the substrate by changing the angle of the reflecting mirror.

本実施形態においては、p型クラッド層17の一部を選択的に除去することにより凹部と凸部とを形成し、光透過膜35を形成した。しかし、積層構造31の上に別の層を積み上げることにより凸部と凹部とを形成し光透過膜35を形成してもよい。この場合、凸部の材質は窒化物半導体に限らず、SiO2等としてもよい。凸部をSiO2とすることにより、凸部と凹部との屈折率差が小さくなるが、加工が容易となるという利点がある。 In the present embodiment, the concave portion and the convex portion are formed by selectively removing a part of the p-type cladding layer 17, and the light transmission film 35 is formed. However, the light transmission film 35 may be formed by stacking another layer on the laminated structure 31 to form a convex portion and a concave portion. In this case, the material of the convex portion is not limited to the nitride semiconductor, and may be SiO 2 or the like. By making the convex portion SiO 2 , the difference in refractive index between the convex portion and the concave portion is reduced, but there is an advantage that the processing becomes easy.

基板11の主面がc面である例を示したが、他の面であってもよい。また、GaN基板に代えてサファイヤ基板、炭化珪素基板又はシリコン基板等を用いてもよい。基板の上に形成する各層の材質及び膜厚等は一例であり、適宜変更してかまわない。例えば、コンタクト層18をGaNに代えてAlGaNとしてもよい。反射ミラー34において反射されて積層構造31の内部を基板11の主面と垂直な方向に進む光のフォトンエネルギーよりも、活性層14、p型クラッド層17及びコンタクト層18の各々の光吸収端エネルギーが大きくなるようにすれば、積層構造31の内部を縦方向に伝播する光の吸収が小さくなる。従って、出力及び信頼性を向上させることが可能となる。   Although the example in which the main surface of the substrate 11 is the c-plane has been shown, another surface may be used. Further, a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, or the like may be used instead of the GaN substrate. The material and film thickness of each layer formed on the substrate are examples, and may be changed as appropriate. For example, the contact layer 18 may be AlGaN instead of GaN. The light absorption edge of each of the active layer 14, the p-type cladding layer 17, and the contact layer 18 is greater than the photon energy of light reflected by the reflection mirror 34 and traveling through the laminated structure 31 in a direction perpendicular to the main surface of the substrate 11. If the energy is increased, the absorption of light propagating in the vertical direction in the laminated structure 31 is reduced. Therefore, output and reliability can be improved.

本実施形態においては、電極ストライプ型の半導体レーザ装置を示したが、リッジストライプ型又は埋め込み型等の半導体レーザ装置においても同様の効果が得られる。   In the present embodiment, an electrode stripe type semiconductor laser device is shown, but the same effect can be obtained in a ridge stripe type or buried type semiconductor laser device.

本発明に係る半導体レーザ装置は、2次元状に配置可能で且つ光の結合ロスが少なく、発光効率が高い表面発光型半導体レーザ装置を実現でき、レーザディスプレイ及び照明等の光源として用いることができる、表面発光型の窒化物半導体レーザ装置等として有用である。   The semiconductor laser device according to the present invention can realize a surface-emitting semiconductor laser device that can be arranged two-dimensionally, has a small coupling loss of light, and has high emission efficiency, and can be used as a light source for laser display and illumination. It is useful as a surface emitting nitride semiconductor laser device or the like.

(a)及び(b)は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、(a)は平面図であり、(b)は(a)のIb−Ib線における断面図である。(A) And (b) shows the semiconductor laser device which concerns on one Embodiment of this invention, (a) is a top view, (b) is sectional drawing in the Ib-Ib line | wire of (a). 反射ミラーにより反射された光の光路を説明するための図面である。It is drawing for demonstrating the optical path of the light reflected by the reflective mirror. 反射ミラーの角度と光結合効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the angle of a reflective mirror, and optical coupling efficiency. (a)は実効屈折率分布を発生させる構造を示す断面図であり、(b)は(a)の構造により生じた実効屈折率分布を示すグラフである。(A) is sectional drawing which shows the structure which produces | generates an effective refractive index distribution, (b) is a graph which shows the effective refractive index distribution produced | generated by the structure of (a). (a)及び(b)は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における反射ミラーが形成された端面を示す電子顕微鏡写真であり、(b)は(a)の点線部分の拡大図である。(A) And (b) is an electron micrograph which shows the end surface in which the reflective mirror was formed in the semiconductor laser apparatus concerning one Embodiment of this invention, (b) is an enlarged view of the dotted-line part of (a). . 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the semiconductor laser apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 従来例に係るアレイ化された端面発光型半導体レーザ装置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the arrayed edge-emitting type semiconductor laser apparatus concerning a prior art example. 従来例に係るアレイ化された面発光型半導体レーザ装置を示す平面図である。It is a top view which shows the surface-emitting type semiconductor laser device by which the array was based on a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 n型クラッド層
13 n側光ガイド層
14 活性層
15 p側光ガイド層
16 キャリアオーバーフロー抑制OFS層
17 p型クラッド層
18 コンタクト層
20 シリコン酸化膜
21 p側電極
22 配線電極
23 n側電極
31 積層構造
32 光導波路
33 高反射コーティング
34 反射ミラー
35 光透過膜
51A 第1の材料
51B 第2の材料
11 substrate 12 n-type cladding layer 13 n-side light guide layer 14 active layer 15 p-side light guide layer 16 carrier overflow suppression OFS layer 17 p-type cladding layer 18 contact layer 20 silicon oxide film 21 p-side electrode 22 wiring electrode 23 n-side Electrode 31 Laminated structure 32 Optical waveguide 33 High reflection coating 34 Reflection mirror 35 Light transmission film 51A First material 51B Second material

Claims (6)

基板の上に形成され、前記基板の主面と平行に延びるストライプ状の光導波路を有する窒化物半導体の積層構造と、
前記光導波路の少なくとも一方の端面に形成され、前記光導波路を伝播する光を前記基板の主面と垂直な方向に反射する反射ミラーと、
前記積層構造における前記反射ミラーにより反射された光が出射される光出射領域に形成され、外縁部において中央部よりも実効屈折率が小さい実効屈折率分布を有する光透過膜とを備えていることを特徴とする半導体レーザ装置。
A nitride semiconductor multilayer structure having a stripe-shaped optical waveguide formed on the substrate and extending in parallel with the main surface of the substrate;
A reflection mirror that is formed on at least one end surface of the optical waveguide and reflects light propagating through the optical waveguide in a direction perpendicular to the main surface of the substrate;
A light-transmitting film that is formed in a light emitting region where the light reflected by the reflecting mirror in the laminated structure is emitted and has an effective refractive index distribution having an effective refractive index smaller than that of the central portion at the outer edge portion. A semiconductor laser device.
前記光透過膜は、交互に配置された複数の凸部と凹部とを有し、
前記凸部の周期は、前記光導波路を伝播する光の波長以下であり且つ前記凸部の前記凹部に対する割合が中央部から外縁部に向かって次第に小さくなることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
The light transmission film has a plurality of convex portions and concave portions arranged alternately,
The period of the said convex part is below the wavelength of the light which propagates the said optical waveguide, and the ratio with respect to the said recessed part of the said convex part becomes small gradually toward an outer edge part from the center part. Semiconductor laser device.
前記凸部が占める割合は、前記光出射領域の中心に対して点対称となるように形成されてい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。   3. The semiconductor laser device according to claim 2, wherein a ratio occupied by the convex portion is formed to be point-symmetric with respect to a center of the light emitting region. 前記光透過膜は、平面同心楕円状に形成された前記複数の凸部及び凹部により形成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザ装置。   4. The semiconductor laser device according to claim 3, wherein the light transmission film is formed by the plurality of convex portions and concave portions formed in a planar concentric ellipse shape. 前記光透過膜は、窒化物半導体からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the light transmission film is made of a nitride semiconductor. 前記反射ミラーは、前記光導波路の両方の端面に形成され、
前記光透過膜は前記各反射ミラーに対応する位置にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The reflection mirror is formed on both end faces of the optical waveguide,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the light transmission film is formed at a position corresponding to each of the reflection mirrors.
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