JP2010034408A

JP2010034408A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2010034408A
Application number: JP2008196642A
Authority: JP
Inventors: Rintaro Koda; 倫太郎幸田; Yoshiaki Watabe; 義昭渡部
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】物性値に大きく依らずに、横方向の光閉じ込め性を規定することの可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】基板１０上に、下部クラッド層２１、活性層２２、上部クラッド層２３およびコンタクト層２４がこの順に形成されており、上部クラッド層２３の上部およびコンタクト層２４が帯状のリッジ導波路２５となっている。リッジ導波路２５の両側面に、第１薄膜３１および第２薄膜３２をリッジ導波路２５の側面側から順に積層してなる多層反射膜３０が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、リッジ導波路を備えた半導体発光素子に関する。

従来から、半導体レーザ（ＬＤ；laser diode ）の消費電力を低減する様々な方策が提案されている。例えば、ゲインガイド型の半導体レーザ（特許文献１参照）においては、リッジ導波路の両側面に絶縁層を形成し、リッジ導波路の屈折率と絶縁層との屈折率差を利用して横方向から光を閉じ込め、閾値電流を低下させることにより低消費電力化を図ることが可能である。
特開２００７−０８１１９７号広報

しかし、上記の方策では、リッジ導波路の屈折率と絶縁層との屈折率差を利用していることから、横方向の光閉じ込め性は、絶縁層の材料の物性値により大きく制限されてしまう。そのため、絶縁層の材料の物性値によっては、所望の光閉じ込め性を得られないという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、物性値に大きく依らずに、横方向から光を閉じ込めることの可能な半導体発光素子を提供することにある。

本発明の半導体発光素子は、基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を前記基板側から順に有する半導体層を備えたものである。上部クラッド層は、当該上部クラッド層の上部に帯状のリッジ導波路を有しており、さらに、リッジ導波路の両側面もしくは裾野に、リッジ導波路の延在方向と直交する方向に光学的な周期構造の形成された光反射部を有している。

本発明の半導体発光素子では、リッジ導波路の両側面もしくは裾野に、リッジ導波路の延在方向と直交する方向に光学的な周期構造の形成された光反射部が設けられている。これにより、リッジ導波路を伝播する光が、光反射部の光学的な周期構造によって反射され、リッジ導波路の延在方向と直交する方向から閉じ込められる。

本発明の半導体発光素子によれば、リッジ導波路を伝播する光を、光反射部の光学的な周期構造によって反射し、リッジ導波路の延在方向と直交する方向から閉じ込めるようにしたので、光反射部の物性値に大きく依らずに、横方向から光を閉じ込めることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

[第１の実施の形態]
図１は本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ１（半導体発光素子）を斜視的に表したものである。図２は図１の半導体レーザ１のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を表したものである。本実施の形態の半導体レーザ１は、図１に示したように、基板１０上に半導体層２０を備えたものである。半導体層２０は、図２に示したように、下部クラッド層２１、活性層２２、上部クラッド層２３およびコンタクト層２４を基板１０側から順に積層して構成されている。この半導体レーザ１にはゲインガイド型の導波路が設けられている。具体的には、半導体層２０の上部に、半導体レーザ１の共振器方向と平行な方向に延在する帯状のリッジ導波路２５が設けられている。なお、図１，図２は模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。

基板１０は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体基板である。ここで、「ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体」とは、短周期型周期率表における３Ｂ族元素群のうちの少なくとも１種と、短周期型周期率表における５Ｂ族元素のうちの少なくともＮとを含むものを指している。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＧａとＮとを含んだ窒化ガリウム系化合物が挙げられる。窒化ガリウム系化合物には、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどが含まれる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＳｅなどのＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣなどのＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされている。

半導体層２０は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を主に含んで構成されている。下部クラッド層２１は、例えばＡｌＧａＮにより構成されている。活性層２２は、例えば、組成比の互いに異なるＧａＩｎＮによりそれぞれ形成された井戸層およびバリア層を交互に積層してなる多重量子井戸構造となっている。上部クラッド層２３は、例えばＡｌＧａＮにより構成されている。コンタクト層２４は、例えばＧａＮにより構成されている。

半導体層２０の上部、具体的には、上部クラッド層２３の上部およびコンタクト層２４には上述したリッジ導波路２５が形成されている。このリッジ導波路２５は、横方向（リッジ導波路２５の延在方向と直交する方向）の屈折率差を利用して横方向の光閉じ込めを行うと共に、半導体層２０へ注入される電流を狭窄するものである。活性層２２のうちリッジ導波路２５の直下の部分が、電流注入領域に対応しており、この電流注入領域が発光領域２２Ａとなる。

リッジ導波路２５の両側面には、多層反射膜３０（光反射部）が接して形成されている。この多層反射膜３０は、半導体層２０を保護すると共に、横方向から光を閉じ込めるものである。多層反射膜３０は、横方向に光学的な周期構造を有しており、例えば、図２に示したように、第１薄膜３１および第２薄膜３２を半導体層２０（リッジ導波路２５の側面）側から順に積層して構成されたものである。なお、図１，図２には、多層反射膜３０がリッジ導波路２５の両側面から裾野（上部クラッド層２３の表面）までの連続した表面に接して形成されている場合が例示されている。

第１薄膜３１は、例えば、膜厚が（２ａ−１）λ／４ｎ_１（ａは１以上の整数，λは発振波長、ｎ_１は第１薄膜３１の屈折率）で、屈折率ｎ_１が上部クラッド層２３の屈折率より低い物質、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）などの誘電体からなる。第２薄膜３２は、例えば、膜厚が（２ｂ−１）λ／４ｎ_２（ｂは１以上の整数，ｎ_２は第２薄膜３２の屈折率）で、屈折率ｎ_２が第１薄膜３１の屈折率ｎ_１より高い材料、例えばシリコン窒化物（例えばＳｉＮｘ）などの誘電体からなる。従って、多層反射膜３０は、リッジ導波路２５内の横方向の光を高反射率で反射する機能を有している。

なお、多層反射膜３０が上で例示したような絶縁性材料によって構成されている場合には、電流は多層反射膜３０の設けられていない領域、すなわちリッジ導波路２５の上面からしか活性層２２へ流れ込めない。したがって、この場合には、多層反射膜３０は電流狭窄機能も有している。

リッジ導波路２５の上面（コンタクト層２４の表面）には上部電極（図示せず）が設けられている。この上部電極は、例えばＴｉ、Ｐｔ、Ａｕをこの順に積層して構成されており、コンタクト層２４と電気的に接続されている。一方、基板１０の裏面には下部電極（図示せず）が設けられている。この下部電極は、例えばＡｕとＧｅとの合金，ＮｉおよびＡｕを基板１０側から順に積層して構成されており、基板１０と電気的に接続されている。

リッジ導波路２５の延在方向（共振器方向）には、一対のへき開面Ｓ１，Ｓ２が形成されている。へき開面Ｓ１はレーザ光を射出する面であり、そのへき開面Ｓ１の表面には多層反射膜（図示せず）が形成されている。一方、へき開面Ｓ２はレーザ光を反射する面であり、そのへき開面Ｓ２の表面にも多層反射膜（図示せず）が形成されている。へき開面Ｓ１側の多層反射膜は、当該多層反射膜とへき開面Ｓ１とにより構成される射出側端面の反射率が例えば１０％程度となるように調整された低反射率膜である。一方、へき開面Ｓ２側の多層反射膜は、当該多層反射膜とへき開面Ｓ２とにより構成される反射側端面の反射率が例えば９５％程度となるように調整された高反射率膜である。

このような構成を有する半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

ここでは、ＧａＮからなる基板１０上の半導体層２０を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料としては、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＮＨ_３（アンモニア）を用いる。

まず、基板１０の表面を例えばサーマルクリーニングにより清浄する。続いて、清浄された基板１０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、下部クラッド層２１，活性層２２，上部クラッド層２３およびコンタクト層２４を順次成長させる。続いて、上部クラッド層２３の上部およびコンタクト層２４を選択的にエッチングすることにより、リッジ導波路２５を形成する。

次に、リッジ導波路２５を含む表面全体に、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、例えば、厚さがλ／（４ｎ_１）のＳｉＯ_２膜と、厚さがλ／（４ｎ_１）のＳｉＮ膜とを順次積層したのち、リッジ導波路２５の上面との対向領域を選択的にエッチングすることにより、多層反射膜３０を形成する。

次に、リッジ導波路２５の上面に上部電極を形成すると共に、基板１０の裏面に下部電極を形成する。続いて、基板１０を横方向にバー状にへき開して、へき開面Ｓ１，Ｓ２を形成したのち、例えばＥＣＲプラズマスパッタリングにより、へき開面Ｓ１，Ｓ２に多層反射膜を形成する。最後に、バー状の基板１０をダイシングする。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。

本実施の形態の半導体レーザ１では、上部電極および下部電極に所定の電流が供給されると、リッジ導波路２５により電流狭窄された電流が活性層２２の電流注入領域（発光領域２２Ａ）に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、へき開面Ｓ１，Ｓ１に形成された多層反射膜により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、へき開面Ｓ１側からビームとして外部に射出される。

一般に、ゲインガイド型の半導体レーザにおいては、リッジ導波路の両側面に絶縁層を形成し、リッジ導波路の屈折率と絶縁層との屈折率差を利用して横方向から光を閉じ込め、閾値電流を低下させることにより低消費電力化を図ることが行われている。しかし、そのようにした場合には、リッジ導波路の屈折率と絶縁層との屈折率差を利用していることから、横方向の光閉じ込め性は、絶縁層の材料の物性値により大きく制限されてしまう。そのため、絶縁層の材料の物性値によっては、所望の光閉じ込め性を得ることができない虞がある。

一方、本実施の形態では、リッジ導波路２５の両側面に、横方向に光学的な周期構造の形成された多層反射膜３０が設けられている。これにより、リッジ導波路２５を伝播する光が多層反射膜３０の光学的な周期構造によって反射されるので、リッジ導波路２５を伝播する光を横方向から閉じ込めることができる。その結果、多層反射膜３０の物性値に大きく依らずに、横方向の光閉じ込め性を規定することができる。

[第２の実施の形態]
図３は本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ２を斜視的に表したものである。図４は図３の半導体レーザ２のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を表したものである。本実施の形態の半導体レーザ２は、図３、図４に示したように、上記実施の形態の多層反射膜３０の代わりに、回折格子４０（光反射部）を設けている点で、上記実施の形態の半導体レーザ１の構成と相違する。そこで、以下では、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態との共通点についての説明を適宜省略するものとする。なお、図３，図４は模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。

回折格子４０は、横方向から光を閉じ込めるものである。回折格子４０は、横方向に光学的な周期構造を有しており、例えば、図４に示したように、複数の溝４１と、絶縁層４２とによって構成されている。複数の溝４１は、リッジ導波路２５の裾野（上部クラッド層２４の上面）に形成されており、リッジ導波路２５の延在方向と平行な方向に延在すると共に、横方向にλ／２ｎ_２（ｎ_２は絶縁層４２の屈折率）のピッチＰで等間隔に配列されている。絶縁層４２は、溝４１の内部を含むリッジ導波路２５の裾野の表面全体に形成されている。絶縁層４２は、例えば、屈折率ｎ_１が上部クラッド層２３の屈折率とは異なる物質、例えばシリコン酸化物（例えばＳｉＯ_２）やシリコン窒化物（例えばＳｉＮｘ）などの誘電体からなる。

なお、図３，図４には、複数の溝４１が、リッジ導波路２５の裾野全体（上部クラッド層２４の上面のうちリッジ導波路２５以外の部分全体）に形成されている場合が例示されているが、リッジ導波路２５の裾野の一部（例えばリッジ導波路２５の幅と同程度の幅）にだけ形成されていてもよい。また、図３，図４には、絶縁層４２がリッジ導波路２５の裾野だけでなく、リッジ導波路２５の両側面にも形成されている場合が例示されている。

このような構成を有する半導体レーザ２は、例えば次のようにして製造することができる。

ここでは、ＧａＮからなる基板１０上の半導体層２０を、例えば、ＭＯＣＶＤ法により形成する。この際、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体の原料としては、例えば、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、ＮＨ_３（アンモニア）を用いる。

次に、リッジ導波路２５を含む表面全体にレジスト層を形成したのち、リソグラフィー処理およびエッチング加工を行うことにより、リッジ導波路２５の裾野（上部クラッド層２３の上面）に複数の溝４１を形成する。続いて、表面全体に、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などにより、例えばＳｉＯ_２膜またはＳｉＮ膜を成膜したのち、リッジ導波路２５の上面との対向領域を選択的にエッチングすることにより、絶縁層４２を形成する。これにより、回折格子４０が形成される。

次に、リッジ導波路２５の上面に上部電極を形成すると共に、基板１０の裏面に下部電極を形成する。続いて、基板１０を横方向にバー状にへき開して、へき開面Ｓ１，Ｓ２を形成したのち、例えばＥＣＲプラズマスパッタリングにより、へき開面Ｓ１，Ｓ２に多層反射膜を形成する。最後に、バー状の基板１０をダイシングする。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ２が製造される。

本実施の形態の半導体レーザ２では、上部電極および下部電極に所定の電流が供給されると、リッジ導波路２５により電流狭窄された電流が活性層２２の電流注入領域（発光領域２２Ａ）に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、へき開面Ｓ１，Ｓ１に形成された多層反射膜により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、へき開面Ｓ１側からビームとして外部に射出される。

ところで、本実施の形態では、リッジ導波路２５の裾野に、横方向に光学的な周期構造の形成された回折格子４０が設けられている。これにより、リッジ導波路２５を伝播する光が回折格子４０の光学的な周期構造によって反射されるので、リッジ導波路２５を伝播する光を横方向から閉じ込めることができる。その結果、回折格子４０の物性値に大きく依らずに、横方向の光閉じ込め性を規定することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、基板１０としてＧａＮ基板を用いた場合について説明したが、サファイア基板を用いてもよい。ただし、その場合には、下部電極を下部クラッド層２１と電気的に接続可能な箇所に設けることが必要となる。また、上記実施の形態では、半導体層２０としてＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を用いた場合について説明したが、他の材料系の化合物半導体を用いてもよい。その場合には、基板１０として、半導体層２０の結晶成長に適した基板、例えばＧａＡｓ基板などを用いることが好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。図１の半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。図３の半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面図である。

符号の説明

１，２…半導体レーザ、１０…基板、２０…半導体層、２１…下部クラッド層、２２…活性層、２２Ａ…発光領域、２３…上部クラッド層、２４…コンタクト層、２５…リッジ導波路、３０…多層反射膜、３１…第１薄膜、３２…第２薄膜、４０…回折格子、４１…溝、４２…絶縁層、Ｐ…ピッチ、Ｓ１，Ｓ２…へき開面。

Claims

基板上に、下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を前記基板側から順に有する半導体層を備え、
前記上部クラッド層は、当該上部クラッド層の上部に帯状のリッジ導波路を有すると共に、前記リッジ導波路の両側面もしくは裾野に、前記リッジ導波路の延在方向と直交する方向に光学的な周期構造の形成された光反射部を有する半導体発光素子。
前記光反射部は、前記リッジ導波路の両側面に接して形成されると共に、各層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）となっている多層膜によって構成されている請求項１に記載の半導体発光素子。
前記光反射部は、前記リッジ導波路の裾野に形成されると共に、前記リッジ導波路の延在方向と直交する方向にλ／２ｎ（λ発振波長、ｎは屈折率）の周期を有する回折格子によって構成されている請求項１に記載の半導体発光素子。