JP2010062431A

JP2010062431A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2010062431A
Application number: JP2008228212A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Yoshida; 保明吉田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】スロープ効率が高い半導体レーザを得る。
【解決手段】ｎ型ＧａＮ基板１０上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、アンドープの活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０及びｐ型ＧａＮコンタクト層２２が順番に形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０の途中までエッチングされてリッジ部２４が形成され、リッジ部２４の両側にチャンネル部２６が形成されている。リッジ部２４の側面とチャンネル部２６の上面に反射膜２８が形成されている。金属性のｐ電極３２が反射膜２８上に形成されている。反射膜２８は、屈折率が異なるＳｉＯ_２膜２８ａとＴａ_２Ｏ_５膜２８ｂの対を２対以上積層したものである。ＳｉＯ_２膜２８ａとＴａ_２Ｏ_５膜２８ｂの光学厚みはそれぞれ１／４波長である。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ディスクシステムや光通信などに利用される半導体レーザに関し、特にスロープ効率が高い半導体レーザに関するものである。

半導体レーザは、光ディスクシステムや光通信などに広く用いられている。その中でも、リッジ部型半導体レーザは、構造が簡単で高い信頼性が得られるため広く用いられている。このようなリッジ部型半導体レーザとして、リッジ部の側面とチャンネル部の上面に表面保護及び電気的絶縁のために絶縁膜が形成され、この絶縁膜上に金属電極が形成されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この半導体レーザは構造が簡単であるため低コストで製造できる。

特開２００６−９３６５４号公報

金属の光吸収係数は半導体の１０^３倍以上ある。このため、従来の半導体レーザでは、発振したレーザ光が絶縁膜を通過して僅かに漏れても、金属電極に吸収されてしまう。これにより、内部損失が増加してスロープ効率が低下し、閾値電流や動作電流の増加を招くという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、スロープ効率が高い半導体レーザを得るものである。

本発明は、基板と、前記基板上に順番に形成された第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層を有し、前記第２導電型コンタクト層から前記第２導電型クラッド層の途中までエッチングされてリッジ部が形成され、前記リッジ部の両側にチャンネル部が形成された半導体層と、前記リッジ部の上面において開口が形成され、前記リッジ部の側面と前記チャンネル部の上面に形成された反射膜と、前記反射膜上に形成され、前記開口を介して前記第２導電型コンタクト層に電気的に接続された金属電極とを備え、前記反射膜は、屈折率が異なる第１誘電体膜と第２誘電体膜の対を２対以上積層したものであり、前記第１誘電体膜と前記第２誘電体膜の光学厚みはそれぞれ１／４波長であるであることを特徴とする半導体レーザである。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、スロープ効率が高い半導体レーザを得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザを示す斜視図である。ただし、図１では、レーザ内部が見えるように半導体レーザの一部を切り欠いて表示している。また、図２は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザを示す断面図である。ただし、図２では、要部を拡大して下方に示している。

ｎ型ＧａＮ基板１０（基板）上に、半導体層１２として、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４（第１導電型クラッド層）、アンドープの活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０（第２導電型クラッド層）及びｐ型ＧａＮコンタクト層２２（第２導電型コンタクト層）が順番に形成されている。

ここで、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４は、Ａｌ組成比が０．０５〜０．２（例えば０．０７）、厚みが０．５〜４μｍ（例えば１μｍ）であり、ｎ型不純物としてＳｉがドープされている。活性層１６は、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ障壁層とＩｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ井戸層が交互に積層された多重量子井戸活性層である。例えばＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ障壁層の厚みが７ｎｍでｘ＝０．０２、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＮ井戸層の厚みが３．５ｎｍでｙ＝０．１４、井戸数が３である。なお、活性層１６の両端に井戸層が配置されていても、バリア層が配置されていてもどちらでも良い。ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１８は、Ａｌ組成比が０〜０．３（例えば０．１８）、厚みが０〜４０ｎｍ（例えば１０ｎｍ）である。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０は、Ａｌ組成比が０．０５〜０．２（例えば０．０７）、厚みが２００ｎｍ〜４μｍ（例えば５００ｎｍ）であり、ｐ型不純物としてＭｇがドープされている。ｐ型ＧａＮコンタクト層２２は、厚みが１０〜５００（例えば３０ｎｍ）であり、ｐ型不純物としてＭｇがドープされている。

ｐ型ＧａＮコンタクト層２２からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０の途中までエッチングされて、〈１−１００〉方向に向かって、光導波構造であるリッジ部２４が形成されている。また、リッジ部２４の両側にチャンネル部２６が形成されている。

このリッジ部２４の幅は、１〜３μｍ（例えば１．５μｍ）であり、横モードとして基本モードのみ許容される幅である。特に光ディスクシステム等に用いられる半導体レーザでは、高出力までビーム形状の変化がなく光出力の直線性が良いことが要求される。このため、本実施の形態のようにリッジ部の幅を狭くして基本モードのみで発振するように設計される。

本実施の形態の特徴として、リッジ部２４の側面とチャンネル部２６の上面に反射膜２８が形成されている。反射膜２８にはリッジ部２４の上面において開口３０が形成されている。この反射膜２８は、半導体層１２側から、屈折率が異なるＳｉＯ_２膜２８ａ（第１誘電体膜）とＴａ_２Ｏ_５膜２８ｂ（第２誘電体膜）の対を３対積層したものである。ＳｉＯ_２膜２８ａとＴａ_２Ｏ_５膜２８ｂの光学厚みは、半導体レーザの発振波長に対して、それぞれ１／４波長である。具体的には、ＳｉＯ_２膜２８ａの厚みは７１ｎｍ、Ｔａ_２Ｏ_５膜２８ｂの厚みは４６ｎｍである。なお、反射膜２８全体の厚みは３５１ｎｍであり、通常用いられる単層の絶縁膜と同程度である。

金属性のｐ電極３２（金属電極）が反射膜２８上に形成されている。このｐ電極３２は、例えばＰｄ膜、Ｔａ膜及びＡｕ膜を積層したものである。ｐ電極３２は、反射膜２８の開口３０を介してｐ型ＧａＮコンタクト層２２に電気的に接続されている。ｎ型ＧａＮ基板１０の下面にｎ電極３４が形成されている。このｎ電極３４は、例えばＴｉ膜及びＡｕ膜を積層したものである。

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、予めサーマルクリーニングなどにより表面を清浄化したｎ型ＧａＮ基板１０上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、アンドープの活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１８、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０及びｐ型ＧａＮコンタクト層２２を順番に積層する。ここで、例えばｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４の成長温度を１０００℃、活性層１６の成長温度を７４０℃、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１８からｐ型ＧａＮコンタクト層２２までの成長温度を１０００℃とする。

次に、ウェハ全面にレジストを塗布する。このレジストをリソグラフィーによりパターニングして、リッジ部２４の形状に対応した形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩＥ法によりｐ型ＧａＮコンタクト層２２からｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２０の途中までエッチングしてリッジ部２４及びチャンネル部２６を形成する。

次に、レジストパターンを残したまま、ウェハ全面に、例えばＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などによりＳｉＯ_２膜２８ａとＴａ_２Ｏ_５膜２８ｂの対を３対積層した反射膜２８を形成する。レジストパターンの除去と同時にリッジ部２４上にある反射膜２８を除去する、いわゆるリフトオフを行う。これにより、リッジ部２４の上面において反射膜２８に開口３０を形成する。

次に、ウェハ全面に真空蒸着法によりＰｄ膜、Ｔａ膜及びＡｕ膜を積層した後、レジスト塗布及びリソグラフィー及びウエットエッチング又はドライエッチングにより、ｐ電極３２を形成する。

次に、ｎ型ＧａＮ基板１０の下面に真空蒸着法によりＴｉ膜及びＡｕ膜を積層してｎ電極３４を形成する。その後、ウェハを劈開などによりバー状に加工して両共振器端面を形成する。これらの共振器端面に端面コーティングを施す。このバーを劈開などによりチップ化する。以上の工程により、本実施の形態に係る半導体レーザが製造される。

以上説明したように、本実施の形態の反射膜２８は、屈折率が異なる第１誘電体膜と第２誘電体膜の対を３対積層したものであり、第１誘電体膜と第２誘電体膜の光学厚みはそれぞれ１／４波長である。このような構成の反射膜２８は、一般的には半導体レーザの後端面のコーティング膜として用いられるが、本実施の形態ではリッジ部２４を覆う絶縁膜として用いている。そして、半導体層１２内で発生したレーザ光が反射膜２８に入射する方向は自己整合的に垂直入射に近くなる。従って、レーザ光は反射膜２８により反射され、ｐ電極３２側に漏れ出すことが無くなる。よって、スロープ効率が高い半導体レーザを得ることができる。

なお、反射膜２８の反射率は、第１誘電体膜と第２誘電体膜の対の数が多いほど増加する。例えば反射膜２８がＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜の対を２対積層したものである場合、波長４００ｎｍの光に対する反射率は７７％となる。これに対し、３対の場合９０％になり、５対の場合は９８％以上になる。ただし、反射膜２８を厚くしすぎると、反射膜２８自身の内部応力による膜剥離などの問題が発生するため、第１誘電体膜と第２誘電体膜の対の数は２〜１０対が適当である。

また、リッジ部２４の幅が狭く基本モード発振のみが許容されるリッジ部型半導体レーザでは、リッジ部２４の幅が広く高次モードが許容されるリッジ部型半導体レーザに比べて光の漏れの影響が大きいため、本発明が特に有効である。

また、青色半導体レーザに用いられる窒化ガリウム系半導体の屈折率は２．５程度であり、赤色半導体レーザなどに用いられるガリウム砒素系半導体の屈折率３．６程度に比べ小さく、反射膜２８の屈折率に近い。従って、半導体層１２が窒化ガリウム系半導体からなる場合は、ｐ電極３２への光の漏れが多いため、本発明が特に有効である。

なお、第１誘電体膜として、ＳｉＯ_２膜２８ａの代わりに、ＭｇＦ_２、ＬｉＦ_２、ＬａＦ_３、ＮｄＦ_３、ＮａＦ、ＴｈＦなどの膜を用いることができる。また、第２誘電体膜として、Ｔａ_２Ｏ_５膜２８ｂの代わりに、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｓｃ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、ＭｇＯ_２、Ｓｉなどの膜を用いることができる。第１誘電体膜や第２誘電体膜の厚みは、発振波長をλ、屈折率をｎとしてλ／（４ｎ）から計算する。本実施の形態では、ＳｉＯ_２の屈折率を１．４、Ｔａ_２Ｏ_５の屈折率を２．２としてＳｉＯ_２膜２８ａ及びＴａ_２Ｏ_５膜２８ｂの厚みを計算した。

本実施の形態では、半導体層１２に低屈折率の第１誘電体膜が接しているが、半導体層１２上に高屈折率の第２誘電体膜を形成した後に第１誘電体膜と第２誘電体膜の対を形成しても良い。また、反射膜２８の最上層を低屈折率の第１誘電体膜にしてもよい。また、半導体層１２やｐ電極３２に接する層を第１誘電体膜や第２誘電体膜以外の膜で形成してもよい。これらの層構成では反射率が低下するが、半導体層１２やｐ電極３２との密着性が向上する。また、製膜条件により誘電体膜の内部応力を制御できる場合は、第１誘電体膜と第２誘電体膜の一方が圧縮応力、他方が引張応力を有するようにすれば、両者の密着性が向上する。

本実施の形態では、窒化ガリウム系の青色半導体レーザについて説明したが、これに限らず、赤色レーザや７８０ｎｍレーザなど、他の波長帯のリッジ部型半導体レーザに本発明を適用しても同様の効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザを示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る半導体レーザを示す断面図である。

符号の説明

１０ｎ型ＧａＮ基板（基板）
１２半導体層
１４ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（第１導電型クラッド層）
１６活性層
２０ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（第２導電型クラッド層）
２２ｐ型ＧａＮコンタクト層（第２導電型コンタクト層）
２４リッジ部
２６チャンネル部
２８反射膜
２８ａＳｉＯ_２膜（第１誘電体膜）
２８ｂＴａ_２Ｏ_５膜（第２誘電体膜）
３０開口
３２ｐ電極（金属電極）

Claims

基板と、
前記基板上に順番に形成された第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層を有し、前記第２導電型コンタクト層から前記第２導電型クラッド層の途中までエッチングされてリッジ部が形成され、前記リッジ部の両側にチャンネル部が形成された半導体層と、
前記リッジ部の上面において開口が形成され、前記リッジ部の側面と前記チャンネル部の上面に形成された反射膜と、
前記反射膜上に形成され、前記開口を介して前記第２導電型コンタクト層に電気的に接続された金属電極とを備え、
前記反射膜は、屈折率が異なる第１誘電体膜と第２誘電体膜の対を２対以上積層したものであり、
前記第１誘電体膜と前記第２誘電体膜の光学厚みはそれぞれ１／４波長であることを特徴とする半導体レーザ。
前記リッジ部の幅は、基本モード発振のみが許容される幅であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記半導体層は窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。