JP2010109332A - 半導体レーザ装置および表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】同一の基板の表面上に形成された青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を備える集積型の半導体レーザ装置において、歩留まりの低下を抑制することが可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】この半導体レーザ装置100は、n型GaN基板1と、n型GaN基板1の表面上に形成され、(11−22)面の主面を有するInGaNからなる活性層12を含む青色半導体レーザ素子10と、n型GaN基板1の表面上に形成され、(11−22)面の主面を有するInGaNからなる活性層22を含む緑色半導体レーザ素子20とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体レーザ装置および表示装置に関し、特に、複数の半導体レーザ素子を集積化した半導体レーザ装置およびそれを備える表示装置に関する。
近年、プロジェクタ装置などの小型化への要求がますます高まる中、R(赤)G(緑)B(青)の光源として、半導体レーザ素子を用いたプロジェクタ装置およびディスプレイ装置の開発が進められている。この際、装置の小型化や構成部品の削減のために、光源と光源の波長を変換する波長変換素子とを用いて所望の発光波長を発生させる方式を用いずに、光源の波長が直接利用可能な半導体レーザ素子を光源に適用することが検討されている。また、半導体レーザ素子を光源に用いる場合、複数の半導体レーザ素子を同一の基板上に形成したモノリシック型の半導体レーザ素子を適用することも検討されている。
そこで、従来、同一の基板の表面上に青色半導体レーザ素子と緑色半導体レーザ素子とが集積化されたモノリシック型の半導体レーザ装置が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
上記特許文献1には、同一の基板の表面上に、InGaNからなる第1井戸層を有する第1活性層を含む第1半導体レーザ(青色半導体レーザ素子)と、InGaNからなる第2井戸層を有する第2活性層を含み、第1半導体レーザよりも発振波長の長い第2半導体レーザ(緑色半導体レーザ素子)とが形成されたモノリシック型の2波長半導体発光装置(半導体レーザ装置)が開示されている。なお、特許文献1では、第1半導体レーザの第1活性層および第2半導体レーザの第2活性層を形成する際の主面としてどのような結晶面を用いているかについて開示も示唆もされていない。
特開2007−227652号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示された2波長半導体発光装置では、極性面であるc面((0001)面)上に第1活性層および第2活性層が形成された場合においては、結晶格子の歪みによって生じた圧電分極によって発生するピエゾ電界が大きくなるため、ピエゾ電界による第1活性層の第1井戸層および第2活性層の第2井戸層におけるエネルギーバンドの傾きが大きくなる。ここで、第1井戸層および第2井戸層における伝導帯の底部と価電子帯の頂部とのバンドギャップの変化量は、第1井戸層および第2井戸層におけるエネルギーバンドの傾きと第1井戸層および第2井戸層の厚みとに比例するため、エネルギーバンドの傾きが大きい場合には、第1井戸層および第2井戸層の厚みの変化量に対して、バンドギャップの変化量はより大きくなる。この結果、第1活性層の第1井戸層および第2活性層の第2井戸層の厚みの変化量に対する第1半導体レーザおよび第2半導体レーザの発振波長の変化量(変動幅)が大きくなる。このため、第1活性層の第1井戸層および第2活性層の第2井戸層の厚みがそれぞればらつくことによって、半導体レーザ装置ごとに、第1半導体レーザおよび第2半導体レーザの発振波長のばらつきが生じやすい。この際、第1半導体レーザと第2半導体レーザとは、同一の基板上に形成されているため、第1半導体レーザまたは第2半導体レーザのいずれか一方の半導体レーザ素子が基準範囲を超える発振波長を有する場合、モノリシック型の半導体レーザ素子部全体が基準範囲外となる。このため、同一の基板の表面上に形成された第1半導体レーザおよび第2半導体レーザを備える半導体レーザ装置の歩留まりが低下するという問題点があると考えられる。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、同一の基板の表面上に形成された青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を備える集積型の半導体レーザ装置において、歩留まりの低下を抑制することが可能な半導体レーザ装置を提供することである。
この発明のもう1つの目的は、同一の基板の表面上に形成された青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を備える集積型の半導体レーザ装置において、歩留まりの低下を抑制することが可能な半導体レーザ装置を備える表示装置を提供することである。
この発明の第1の局面による半導体レーザ装置は、基板と、基板の表面上に形成され、非極性面の主面を有する窒化物系半導体からなる第1活性層を含む青色半導体レーザ素子と、基板の表面上に形成され、非極性面と略同一の面方位の主面を有する窒化物系半導体からなる第2活性層を含む緑色半導体レーザ素子とを備える。なお、本発明において、「非極性面」とは、極性面であるc面((0001)面)以外のすべての結晶面を含む広い概念であり、m面((1−100)面)およびa面((11−20)面)などの(H、K、−H−K、0)面の無極性面と、c面((0001)面)から傾いた面(半極性面)とを含む。
この発明の第1の局面による半導体レーザ装置では、上記のように、同一の基板の表面上に形成された窒化物系半導体からなる青色半導体レーザ素子の第1活性層と、窒化物系半導体からなる緑色半導体レーザ素子の第2活性層とが、それぞれ、略同一の面方位を有する非極性面を主面とすることによって、極性面であるc面の主面を有する場合に比べて、第1活性層および第2活性層に発生するピエゾ電界を小さくすることができる。これにより、ピエゾ電界による第1活性層および第2活性層におけるエネルギーバンドの傾きを小さくすることができるので、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の発振波長の変化量(変動幅)をより小さくすることができる。この結果、同一の基板の表面上に形成された青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を備える集積型の半導体レーザ装置の歩留まりの低下を抑制することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、第1活性層は、圧縮歪を有する第1井戸層を有する量子井戸構造を有し、第2活性層は、圧縮歪を有する第2井戸層を有する量子井戸構造を有し、第1井戸層の厚みは、第2井戸層の厚みよりも大きい。このように構成すれば、非極性面ではピエゾ電界の影響が小さいので、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の発振波長は、c面((0001)面)に形成する場合と比べて、それぞれのピーク波長よりも短波長側にシフトされる。これにより、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の発振波長を長波長側にシフトさせるためには、c面に形成する場合よりも、青色半導体レーザ素子の第1井戸層および緑色半導体レーザ素子の第2井戸層の圧縮歪をより大きくする必要がある。さらに、圧縮歪を有する第1井戸層および第2井戸層を形成する際に、緑色半導体レーザ素子の発振波長は、青色半導体レーザ素子の発振波長と比べて大きいので、緑色半導体レーザ素子の第2井戸層は、青色半導体レーザ素子の第1井戸層と比べて圧縮歪をより大きくする必要がある。この場合、第1井戸層および第2井戸層の面内の圧縮歪がより大きくなるので、第1井戸層および第2井戸層にミスフィット転位が発生しやすい。また、緑色半導体レーザ素子の第2井戸層は、青色半導体レーザ素子の第1井戸層よりも圧縮歪が大きく、結晶欠陥が発生しやすい。従って、青色半導体レーザ素子の第1活性層の第1井戸層の厚みを、緑色半導体レーザ素子の第2活性層の第2井戸層の厚みよりも大きくすることによって、圧縮歪が大きいために結晶欠陥が発生しやすい第2井戸層の厚みを小さくすることができるので、緑色半導体レーザ素子の第2井戸層において、結晶欠陥が生じるのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、第1井戸層は、Inを含む窒化物系半導体からなり、さらに好ましくは、第1井戸層は、InGaNからなる。
また、この場合、好ましくは、第2井戸層は、Inを含む窒化物系半導体からなり、さらに好ましくは、第2井戸層は、InGaNからなる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、非極性面は、略(11−22)面である。このように構成すれば、略(11−22)面は、他の半極性面と比べて、ピエゾ電界がより小さいので、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の発振波長の変化量を小さくすることができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、基板の主面は、非極性面と略同一の面方位を有する。このように構成すれば、青色半導体レーザ素子の第1活性層および緑色半導体レーザ素子の第2活性層と略同一の非極性面の面方位の主面を有する基板上に半導体層を成長させるだけで、非極性面の主面を有する第1活性層を含んだ青色半導体レーザ素子および非極性面の主面を有する第2活性層を含んだ緑色半導体レーザ素子を容易に形成することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、基板は、窒化物系半導体からなる。このように構成すれば、窒化物系半導体からなる基板上に半導体層を成長させるだけで、窒化物系半導体からなる第1活性層を含んだ青色半導体レーザ素子および窒化物系半導体からなる第2活性層を含んだ緑色半導体レーザ素子を容易に形成することができる。
この場合、好ましくは、第1井戸層は、非極性面の主面を有するInGaNからなり、第2井戸層は、非極性面の主面を有するInGaNからなり、基板は、非極性面の主面を有するGaNからなる。このように構成すれば、青色半導体レーザ素子の第1活性層および緑色半導体レーザ素子の第2活性層と同一の半極性面の主面を有し、GaNからなる基板上に半導体層を成長させるだけで、半極性面の主面を有し、InGaNからなる第1活性層を含んだ青色半導体レーザ素子および半極性面の主面を有し、InGaNからなる第2活性層を含んだ緑色半導体レーザ素子を容易に形成することができる。
上記第1井戸層の厚みが第2井戸層の厚みよりも大きい半導体レーザ装置において、好ましくは、第1井戸層の厚みは、約6nm以上約15nm以下であり、第2井戸層の厚みは、約6nm未満である。このように構成すれば、より確実に、青色半導体レーザ素子の第1井戸層および緑色半導体レーザ素子の第2井戸層において、結晶欠陥が発生するのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、第1井戸層のInGaNは、In組成が約20%以下である。このように構成すれば、より確実に、青色半導体レーザ素子の第1井戸層において、結晶欠陥が発生するのを抑制することができる。
上記第1井戸層のInGaNのIn組成が約20%以下である半導体レーザ装置において、好ましくは、第2井戸層のIn組成は、約20%よりも大きい。このように構成すれば、In組成が約20%よりも大きいために結晶欠陥が発生しやすい緑色半導体レーザ素子の第2井戸層の厚みを青色半導体レーザ素子の第1井戸層の厚みよりも小さくすることができるので、確実に、緑色半導体レーザ素子の第2井戸層において、結晶欠陥が生じるのを抑制することができる。
上記第1井戸層の厚みが第2井戸層の厚みよりも大きい半導体レーザ装置において、好ましくは、第2活性層は、単一量子井戸構造を有する。このように構成すれば、第2活性層が多重量子井戸構造を有する場合と比べて、第2活性層が単一量子井戸構造を有することによって、第2井戸層の厚みが過度に小さくなることに起因して第2活性層が層構造でなくなるのを抑制することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、青色半導体レーザ素子は、第1活性層の一方表面側または他方表面側の少なくとも一方に形成され、Inを含有する第1光ガイド層をさらに含み、緑色半導体レーザ素子は、第2活性層の一方表面側または他方表面側の少なくとも一方に形成され、Inを含有する第2光ガイド層をさらに含み、第2光ガイド層のIn組成は、第1光ガイド層のIn組成よりも大きい。このように構成すれば、第2光ガイド層は第1光ガイド層よりも光をより活性層内に閉じ込めることができるので、緑色半導体レーザ素子の緑色光をより活性層内に閉じ込めるができる。これにより、青色半導体レーザ素子と比べて発光効率が劣る緑色半導体レーザ素子において、青色半導体レーザ素子と同程度の光の閉じ込めを確保することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、青色半導体レーザ素子は、第1活性層の一方表面側または他方表面側の少なくとも一方に形成され、Alを含有する第1キャリアブロック層をさらに含み、緑色半導体レーザ素子は、第2活性層の一方表面側または他方表面側の少なくとも一方に形成され、Alを含有する第2キャリアブロック層をさらに含み、第2キャリアブロック層のAl組成は、第1キャリアブロック層のAl組成よりも大きい。このように構成すれば、第2キャリアブロック層は第1キャリアブロック層よりも光をより活性層内に閉じ込めることができるので、緑色半導体レーザ素子の緑色光をより活性層内に閉じ込めるができる。これにより、青色半導体レーザ素子と比べて発光効率が劣る緑色半導体レーザ素子において、青色半導体レーザ素子と同程度の光の閉じ込めを確保することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、青色半導体レーザ素子は、第1活性層の一方表面側または他方表面側の少なくとも一方に形成され、Alを含有する第1クラッド層をさらに含み、緑色半導体レーザ素子は、第2活性層の一方表面側または他方表面側の少なくとも一方に形成され、Alを含有する第2クラッド層をさらに含み、第2クラッド層のAl組成は、第1クラッド層のAl組成よりも大きい。このように構成すれば、第2クラッド層は第1クラッド層よりも光をより活性層内に閉じ込めることができるので、緑色半導体レーザ素子の緑色光をより活性層内に閉じ込めるができる。これにより、青色半導体レーザ素子と比べて発光効率が劣る緑色半導体レーザ素子において、青色半導体レーザ素子と同程度の光の閉じ込めを確保することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、青色半導体レーザ素子、緑色半導体レーザ素子および基板の少なくともいずれかに対して接合される赤色半導体レーザ素子をさらに備える。ここで、「赤色半導体レーザ素子」とは、発振波長が約610nm〜約750nmの範囲にある半導体レーザ素子を指す。このように構成すれば、歩留まりの低下を抑制することができる青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を含む青・緑2波長半導体レーザ素子部と、赤色半導体レーザ素子とを備えるRGB3波長半導体レーザ装置を得ることができる。
この場合、好ましくは、赤色半導体レーザ素子は、基板に対してジャンクションダウンにより接合されている。このように構成すれば、赤色半導体レーザ素子の活性層において生じる熱を基板において放出することができるので、さらに効率の高いRGB3波長半導体レーザ装置を作製することができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子は、それぞれ、非極性面の主面に[0001]方向を投影した方向に延びる光導波路をさらに含む。ここで、半導体レーザ素子の光学利得を最大化するためには、光導波路を活性層からの発光の主たる偏光方向に対して垂直に形成することが必要とされる。すなわち、非極性面の主面に[0001]方向を投影した方向に光導波路を形成することによって、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の光学利得をそれぞれ最大化することができるとともに、青色半導体レーザ素子の青色光と緑色半導体レーザ素子の緑色光とを共通の共振器面から出射させることができる。
上記第1の局面による半導体レーザ装置において、好ましくは、第1活性層は、非極性面のうちの半極性面を主面とし、第2活性層は、半極性面と略同一の面方位の主面とする。このように構成すれば、非極性面のうちの無極性面の主面を有する場合と異なり、半極性面の主面を有することによって、第1活性層および第2活性層における結晶成長が困難になるのを抑制することができるので、第1活性層および第2活性層において、結晶欠陥が増加するのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、半極性面は、(0001)面または(000−1)面に対して約10度以上約70度以下傾いた面である。このように構成すれば、半極性面の主面を有する第1活性層を含む青色半導体レーザ素子の光学利得と、半極性面の主面を有する第2活性層を含む緑色半導体レーザ素子の光学利得とをそれぞれより大きくすることができる。
この発明の第2の局面による表示装置は、基板と、基板の表面上に形成され、非極性面の主面を有する窒化物系半導体からなる第1活性層を含む青色半導体レーザ素子と、基板の表面上に形成され、非極性面と略同一の面方位の主面を有する窒化物系半導体からなる第2活性層を有する緑色半導体レーザ素子とを含む半導体レーザ装置と、半導体レーザ装置からの光の変調を行う変調手段とを備える。
この発明の第2の局面による表示装置では、上記のように、同一の基板の表面上に形成された窒化物系半導体からなる青色半導体レーザ素子の第1活性層と、窒化物系半導体からなる緑色半導体レーザ素子の第2活性層とが、それぞれ、略同一の面方位を有する非極性面を主面とすることによって、極性面であるc面の主面を有する場合に比べて、第1活性層および第2活性層に発生するピエゾ電界を小さくすることができる。これにより、ピエゾ電界による第1活性層の第1井戸層および第2活性層の第2井戸層におけるエネルギーバンドの傾きを小さくすることができるので、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の発振波長の変化量(変動幅)をより小さくすることができる。この結果、同一の基板の表面上に形成された青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を備える集積型の半導体レーザ装置の歩留まりの低下を抑制することができる半導体レーザ装置を用いて、変調手段により光を変調させて所望の画像を表示させることができる。
本発明の第1実施形態による半導体レーザ装置の構造を示した断面図である。 図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の青色半導体レーザ素子の活性層の構造を示した拡大断面図である。 図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の緑色半導体レーザ素子の活性層の構造を示した拡大断面図である。 図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の製造プロセスを説明するための図である。 図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の製造プロセスを説明するための図である。 図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の製造プロセスを説明するための図である。 本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置の構造を示した断面図である。 図7に示した第2実施形態による半導体レーザ装置を備え、半導体レーザ素子が時系列的に交互に点灯されるプロジェクタ装置を示した模式図である。 図8に示した第2実施形態によるプロジェクタ装置の制御部が時系列的に信号を発信する状態を示したタイミングチャートである。 図7に示した第2実施形態による半導体レーザ装置を備え、半導体レーザ素子が略同時に点灯されるプロジェクタ装置を示した模式図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態による半導体レーザ装置の構造を示した断面図である。図2は、図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の青色半導体レーザ素子の活性層の構造を示した拡大断面図である。図3は、図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の緑色半導体レーザ素子の活性層の構造を示した拡大断面図である。まず、図1〜図3を参照して、本発明の第1実施形態による半導体レーザ装置100の構造について説明する。
本発明の半導体レーザ装置100では、図1に示すように、約450nmの発振波長を有する青色半導体レーザ素子10と、約530nmの発振波長を有する緑色半導体レーザ素子20とからなる、モノリシック型の青・緑2波長半導体レーザ素子部30が、約100μmの厚みを有するn型GaN基板1上に形成されている。なお、青色半導体レーザ素子10は、約435nm〜約485nmの範囲の発振波長を有するように構成すればよい。また、緑色半導体レーザ素子20は、約500nm〜約565nmの範囲の発振波長を有するように構成すればよい。なお、n型GaN基板1は、本発明の「基板」の一例である。
ここで、モノリシック型の青・緑2波長半導体レーザ素子部30は、(11−22)面の主面を有するn型GaN基板1上に形成されている。ここで、(11−22)面は、c面((0001)面)から[11−20]方向に向かって約58°傾いた面からなる半極性面である。
また、青色半導体レーザ素子10は、n型GaN基板1の上面上の[−1100]方向(Y1方向)側の領域に、n型半導体層11、活性層12およびp型半導体層13がこの順に積層された構造を有している。また、緑色半導体レーザ素子20は、青色半導体レーザ素子10と同一の基板であるn型GaN基板1の上面上の[1−100]方向(Y2方向)側の領域に、n型半導体層21、活性層22およびp型半導体層23がこの順に積層された構造を有している。なお、活性層12および22は、それぞれ、本発明の「第1活性層」および「第2活性層」の一例である。
また、青色半導体レーザ素子10のn型半導体層11は、n型GaN基板1の上面上に形成された約2μmの厚みを有するSiドープn型Al0.07Ga0.93Nからなるn型クラッド層11aと、n型クラッド層11a上に形成された約5nmの厚みを有するSiドープn型Al0.16Ga0.84Nからなるn型キャリアブロック層11bと、n型キャリアブロック層11b上に形成された約100nmの厚みを有するSiドープn型In0.02Ga0.98Nからなるn型光ガイド層11cとを有している。なお、n型クラッド層11aは、本発明の「第2クラッド層」の一例であり、n型キャリアブロック層11bは、本発明の「第2キャリアブロック層」の一例である。また、n型光ガイド層11cは、本発明の「第2光ガイド層」の一例である。
ここで、図2に示すように、活性層12は、n型GaN基板1と同一の主面である(11−22)面の主面を有するInGaNからなるとともに、単一量子井戸(SQW)構造を有する。具体的には、活性層12は、n型半導体層11の上面上に形成され、それぞれ約20nmの厚みを有するアンドープIn0.02Ga0.98Nからなる2層の障壁層12aと、2層の障壁層12aの間に配置され、約8nmの厚みt1を有するアンドープIn0.20Ga0.80Nからなる1層の井戸層12bとからなるSQW構造を有している。ここで、井戸層12bの面内格子定数は、n型GaN基板1の面内の格子定数より大きいので、面内方向に圧縮歪が印加されている。なお、井戸層12bの厚みt1は、約6nm以上約15nm以下が好ましい。第1実施形態では、活性層12が、m面((1−100)面)およびa面((11−20)面)などの無極性面の主面を有する場合と異なり、(11−22)面の主面を有することによって、井戸層12bの結晶成長が困難になるのを抑制することが可能であるので、活性層12において、In組成が大きくなることによる結晶欠陥の増加を抑制することが可能である。なお、活性層12は、多重量子井戸(MQW)構造などにより構成されてもよい。また、InGaNは、本発明の「窒化物系半導体」の一例であり、井戸層12bは、本発明の「第1井戸層」の一例である。
また、図1に示すように、p型半導体層13は、活性層12の上面上に形成された約100nmの厚みを有するMgドープp型In0.02Ga0.98Nからなるp型光ガイド層13aと、p型光ガイド層13a上に形成された約20nmの厚みを有するMgドープp型Al0.16Ga0.84Nからなるp型キャリアブロック層13bと、p型キャリアブロック層13b上に形成された約700nmの厚みを有するMgドープp型Al0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層13cと、p型クラッド層13c上に形成された約10nmの厚みを有するMgドープp型In0.02Ga0.98Nからなるp型コンタクト層13dとを有している。なお、p型光ガイド層13aは、本発明の「第2光ガイド層」の一例である。また、p型キャリアブロック層13bは、本発明の「第2キャリアブロック層」の一例であり、p型クラッド層13cは、本発明の「第2クラッド層」の一例である。
また、p型クラッド層13cとp型コンタクト層13dとによって、青色半導体レーザ素子10のY方向(Y1方向およびY2方向)の略中央部に形成されたストライプ状のリッジ部13eが形成されるとともに、p型クラッド層13cは、リッジ部13eの両側(Y方向)に延びる平坦部を有している。このリッジ部13eによって、光導波路が構成されている。また、リッジ部13eは、共振器方向([−1−123]方向)に沿って延びるように形成されている。
また、p型クラッド層13cの平坦部の上面と、リッジ部13eの側面と、n型半導体層11、活性層12、p型光ガイド層13a、p型キャリアブロック層13bおよびp型クラッド層13cの側面とを覆い、リッジ13eの上面が露出するように、絶縁膜である電流ブロック層2が形成されている。この電流ブロック層2は、SiOからなるとともに、約250nmの厚みを有する。また、電流ブロック層2は、n型GaN基板1の上面の所定領域(青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20から露出された領域)と、緑色半導体レーザ素子20の後述するp型クラッド層23cの平坦部の上面と、後述するリッジ部23eの側面と、n型半導体層21、活性層22およびp型半導体層23の一部の側面とを覆い、リッジ23eの上面が露出するように形成されている。また、p型コンタクト層13dの上面上には、p型コンタクト層13dから近い順に、約5nmの厚みを有するPt層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約150nmの厚みを有するAu層とが積層された構造を有するp側オーミック電極14が形成されている。また、電流ブロック層2の所定領域(p型クラッド層13cの平坦部上およびリッジ13eの側面上に位置する領域)およびp側オーミック電極14の上面上には、p側オーミック電極14と電気的に接続されるように、p側オーミック電極14から近い順に、約100nmの厚みを有するTi層と、約100nmの厚みを有するPd層と、約3μmの厚みを有するAu層とが積層された構造を有するp側パッド電極15が形成されている。
また、緑色半導体レーザ素子20は、後述する活性層22の後述する井戸層22bを除いて、青色半導体レーザ素子10と同様の構造を有している。具体的には、緑色半導体レーザ素子20のn型半導体層21は、n型GaN基板1の上面上に形成された約2μmの厚みを有するSiドープn型Al0.10Ga0.90Nからなるn型クラッド層21aと、n型クラッド層21a上に形成された約5nmの厚みを有するSiドープn型Al0.20Ga0.80Nからなるn型キャリアブロック層21bと、n型キャリアブロック層21b上に形成された約100nmの厚みを有するSiドープn型In0.05Ga0.95Nからなるn型光ガイド層21cとを有している。なお、n型クラッド層21aは、本発明の「第1クラッド層」の一例であり、n型キャリアブロック層21bは、本発明の「第1キャリアブロック層」の一例である。また、n型光ガイド層21cは、本発明の「第1光ガイド層」の一例である。
ここで、図3に示すように、活性層22は、n型GaN基板1と同一の主面である(11−22)面の主面を有するInGaNからなるとともに、SQW構造を有する。具体的には、活性層22は、n型半導体層21の上面上に形成され、それぞれ約20nmの厚みを有するアンドープIn0.02Ga0.98Nからなる2層の障壁層22aと、2層の障壁層22aの間に配置され、約2.5nmの厚みt2を有するアンドープIn0.33Ga0.67Nからなる1層の井戸層22bとからなるSQW構造を有している。ここで、井戸層22bの面内格子定数は、n型GaN基板1の面内の格子定数より大きいので、面内方向に圧縮歪が印加されている。また、緑色半導体レーザ素子20の井戸層22bの圧縮歪は、青色半導体レーザ素子10の井戸層12bの圧縮歪よりも大きい。なお、井戸層22bの厚みt2は、約6nm未満が好ましい。また、活性層22の井戸層22bの厚みt2は十分に小さいことにより、活性層22がMQW構造を有する場合と比べて、活性層22がSQW構造を有することによって、井戸層22bは層構造を維持することが可能である。なお、井戸層22bは、本発明の「第2井戸層」の一例である。
また、図2に示す青色半導体レーザ素子10の活性層12の約20%のIn組成を有する井戸層12bの厚みt1(約8nm)は、図3に示す緑色半導体レーザ素子20の活性層22の約33%のIn組成を有する井戸層22bの厚みt2(約2.5nm)よりも大きくなるように構成されている。なお、第1実施形態において、In組成が約20%程度の場合、活性層の内の井戸層の厚みは、約10nm以下であることが結晶欠陥の発生を抑制する点で好ましく、In組成が約30%程度の場合、井戸層の厚みは、約3nm以下であることが結晶欠陥の発生を抑制する点で好ましい。この際、活性層22がMQW構造を有する場合においては、活性層の各井戸層のそれぞれの厚みを合計した値が、上記数値内であることが好ましい。
また、図1に示すように、p型半導体層23は、活性層22の上面上に形成された約100nmの厚みを有するMgドープp型In0.05Ga0.95Nからなるp型光ガイド層23aと、p型光ガイド層23a上に形成された約20nmの厚みを有するMgドープp型Al0.20Ga0.80Nからなるp型キャリアブロック層23bと、p型キャリアブロック層23b上に形成された約700nmの厚みを有するMgドープp型Al0.10Ga0.90Nからなるp型クラッド層23cと、p型クラッド層23c上に形成された約10nmの厚みを有するMgドープp型In0.02Ga0.98Nからなるp型コンタクト層23dとを有している。なお、p型光ガイド層23aは、本発明の「第1光ガイド層」の一例である。また、p型キャリアブロック層23bは、本発明の「第1キャリアブロック層」の一例であり、p型クラッド層23cは、本発明の「第1クラッド層」の一例である。
また、p型クラッド層23cとp型コンタクト層23dとによって、緑色半導体レーザ素子20のY方向の略中央部に形成されたストライプ状のリッジ部23eが形成されるとともに、p型クラッド層23cは、リッジ部23eの両側(Y方向)に延びる平坦部を有している。このリッジ部23eによって、光導波路が構成されている。また、リッジ部23eは、共振器方向([−1−123]方向)に沿って延びるように形成されている。
また、緑色半導体レーザ素子20のn型クラッド層21aおよびp型クラッド層23cのAl組成(約10%)は、青色半導体レーザ素子10のn型クラッド層11aおよびp型クラッド層13cのAl組成(約7%)に比べて大きくなるように構成されている。また、緑色半導体レーザ素子20のn型キャリアブロック層21bおよびp型キャリアブロック層23bのAl組成(約20%)は、青色半導体レーザ素子10のn型キャリアブロック層11bおよびp型キャリアブロック層13bのAl組成(約16%)に比べて大きくなるように構成されている。また、緑色半導体レーザ素子20のn型光ガイド層21cおよびp型光ガイド層23aのIn組成(約5%)は、青色半導体レーザ素子10のn型光ガイド層11cおよびp型光ガイド層13aのIn組成(約2%)に比べて大きくなるように構成されている。これらによって、屈折率の波長分散により光閉じ込めを得にくい緑色の光を青色の光と同程度にクラッド層およびキャリアブロック層と光ガイド層との間に閉じ込めることが可能になるので、緑色半導体レーザ素子20において、青色半導体レーザ素子10と同程度の光の閉じ込めを確保することが可能である。
また、緑色半導体レーザ素子20のn型クラッド層21a、n型キャリアブロック層21b、p型キャリアブロック層23bおよびp型クラッド層23cのAl組成は、それぞれ、青色半導体レーザ素子10のn型クラッド層11a、n型キャリアブロック層11b、p型キャリアブロック層13bおよびp型クラッド層13cのAl組成と比べて大きい方が好ましい。一方、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20のAl組成を小さくすることによって、光の閉じ込め機能は低下するものの、AlGaNとn型GaN基板1との結晶格子の格子定数が異なることに起因する亀裂や反りの発生を低減することが可能である。
また、緑色半導体レーザ素子20のn型光ガイド層21cおよびp型光ガイド層23aのIn組成は、青色半導体レーザ素子10のn型光ガイド層11cおよびp型光ガイド層13aのIn組成と比べて大きい方が好ましい。
また、p型コンタクト層23dの上面上には、青色半導体レーザ素子10のp側オーミック電極14と同様のp側オーミック電極24が形成されている。また、電流ブロック層2の所定領域(p型クラッド層23cの平坦部上およびリッジ23eの側面上に位置する領域)およびp側オーミック電極24の上面上には、青色半導体レーザ素子10のp側パッド電極15と分離して、青色半導体レーザ素子10のp側パッド電極15と同様のp側パッド電極25が形成されている。
また、n型GaN基板1の下面上には、n型GaN基板1側から近い順に、約10nmの厚みを有するAl層と、約20nmの厚みを有するPt層と、約300nmの厚みを有するAu層とからなるn側電極3が形成されている。
図4〜図6は、図1に示した第1実施形態による半導体レーザ装置の製造プロセスを説明するための図である。次に、図1および図4〜図6を参照して、半導体レーザ装置100の製造プロセスについて説明する。
図4に示すように、(11−22)面の主面を有するn型GaN基板1の上面上の[−1100]方向(Y1方向)側の領域に、幅約400μmの開口部4aを有し、約500nmの厚みを有するSiOからなるマスク層4を形成する。
そして、図5に示すように、有機金属気相成長(MOCVD)法により、マスク層4の開口部4a内に露出されたn型GaN基板1の上面上に、n型半導体層11、活性層12およびリッジ部13eが形成される前のp型半導体層13をこの順に選択成長させる。
その後、マスク層4を除去する。そして、n型GaN基板1の上面上と、p型半導体層13の上面上と、n型半導体層11、活性層12およびp型半導体層13の側面上とに、約500nmの厚みを有するSiOからなるマスク層5を形成する。
次に、図6に示すように、n型GaN基板1の上面上の[1−100]方向(Y2方向)側の領域上のマスク層5を除去することにより、幅約400μmの開口部5aを形成する。その後、MOCVD法により、マスク層5を除去した位置の開口部5a内に露出されたn型GaN基板1の上面上に、n型半導体層21、活性層22およびリッジ部23eが形成される前のp型半導体層23をこの順に選択成長させる。
その後、マスク層5を除去する。そして、共振器方向([−1−123]方向)に沿って延びるリッジ部13eおよび23eを形成する。この結果、p型半導体層13および23がそれぞれ形成される。次に、電流ブロック層2を形成する。そして、p型コンタクト層13dおよび23dの上面上の電流ブロック層2を除去して、p型コンタクト層13dおよび23dをそれぞれ露出させる。その後、真空蒸着法を用いて、p型コンタクト層13dおよび23dの上面上に、それぞれ、p側オーミック電極14および24を形成した後、p側パッド電極15および25を形成する。
その後、n型GaN基板1の下面を、n型GaN基板1の厚みが約100μmになるように研磨する。そして、真空蒸着法を用いて、n型GaN基板1の下面上に、n側電極3を形成する。これにより、ウェハ状態のモノリシック型の青・緑2波長半導体レーザ素子部30が形成される。その後、エッチングにより所定の位置において、共振器方向([−1−123]方向)に対して垂直な共振器面を形成するとともに、素子分割を行う。これにより、図1に示すように、半導体レーザ装置100を構成する個々のモノリシック型の青・緑2波長半導体レーザ素子部30が形成される。なお、共振器面の形成は、ウェハの所定の位置を劈開することによって行ってもよい。
第1実施形態では、上記のように、(11−22)面の主面を有するInGaNからなる活性層12を含む青色半導体レーザ素子10が形成されたn型GaN基板1と同一のn型GaN基板1の表面上に、(11−22)面の主面を有するInGaNからなる活性層22を含む緑色半導体レーザ素子20を形成することによって、c面((0001)面)を主面とする場合に比べて、活性層12および22に発生するピエゾ電界を小さくすることができるので、ピエゾ電界による活性層12の井戸層12bおよび活性層22の井戸層22bにおけるエネルギーバンドの傾きを小さくすることができる。これにより、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の発振波長の変化量(変動幅)をより小さくすることができるので、同一のn型GaN基板1の表面上に形成された青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20を備える半導体レーザ装置100の歩留まりの低下を抑制することができる。また、ピエゾ電界が小さいことにより、活性層12および22のキャリアの密度の変化量に対する、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の発振波長の変化量(変動幅)をより小さくすることができる。これにより、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20のそれぞれの色合いの制御が困難になるのを抑制することができる。また、ピエゾ電界が小さいことにより、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の発光効率をそれぞれ向上させることができる。
また、第1実施形態では、(11−22)面は、他の半極性面と比べて、ピエゾ電界がより小さいので、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の発振波長の変化量を小さくすることができる。また、c面((0001)面)に対して垂直な面であるm面((1−100)面)およびa面((11−20)面)などの無極性面を主面にする場合と比べて、(11−22)面を主面とすることによって、容易に、(11−22)面の主面を有する半導体層(活性層12および22)を形成することができる。
また、第1実施形態では、青色半導体レーザ素子10の活性層12がn型GaN基板1と同一の主面である(11−22)面の主面を有するInGaNからなるとともに、緑色半導体レーザ素子20の活性層22がn型GaN基板1と同一の主面である(11−22)面の主面を有するInGaNからなることによって、緑色半導体レーザ素子20の活性層22および青色半導体レーザ素子10の活性層12と同一の(11−22)面の主面を有し、GaNからなるn型GaN基板1上に半導体層を成長させるだけで、(11−22)面の主面を有し、InGaNからなる活性層22を含んだ緑色半導体レーザ素子20および(11−22)面の主面を有し、InGaNからなる活性層12を含んだ青色半導体レーザ素子10を容易に形成することができる。
また、第1実施形態では、青色半導体レーザ素子10の活性層12の井戸層12bの厚みt1(約8nm)を、緑色半導体レーザ素子20の活性層22の井戸層22bの厚みt2(約2.5nm)よりも大きくすることによって、In組成が大きいために結晶欠陥が発生しやすい井戸層22bにおいて、結晶欠陥が生じるのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、青色半導体レーザ素子10の活性層12の井戸層12bをIn組成が約20%以下であるInGaNからなるように構成し、かつ、井戸層12bの厚みt1(約8nm)を約6nm以上約15nm以下にするとともに、緑色半導体レーザ素子20の活性層22の井戸層22bをIn組成が約20%よりも大きいInGaNからなるように構成し、かつ、井戸層22bの厚みt2(約2.5nm)を約6nm未満にすることによって、確実に、青色半導体レーザ素子10の井戸層12bおよび緑色半導体レーザ素子20の井戸層22bにおいて、結晶欠陥が発生するのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、n型GaN基板1を、(11−22)面の主面を有するように構成することによって、青色半導体レーザ素子10の活性層12および緑色半導体レーザ素子20の活性層22と同一の(11−22)面の主面を有するn型GaN基板1上に半導体層を形成させるだけで、非極性面の主面を有する活性層12を含んだ青色半導体レーザ素子10および非極性面の主面を有する活性層22を含んだ緑色半導体レーザ素子20を容易に形成することができる。
また、第1実施形態では、活性層22がSQW構造を有することによって、活性層22がMQW構造を有する場合と比べて、活性層22がSQW構造を有することによって、活性層22の井戸層22bの厚みt2が過度に小さくなることに起因して活性層22が層構造でなくなるのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、緑色半導体レーザ素子20のn型光ガイド層21cおよびp型光ガイド層23aのIn組成(約5%)が、青色半導体レーザ素子10のn型光ガイド層11cおよびp型光ガイド層13aのIn組成(約2%)に比べて大きくなるように構成することによって、n型光ガイド層21cおよびp型光ガイド層23aはn型光ガイド層11cおよびp型光ガイド層13aよりも光をより活性層(活性層12および22)内に閉じ込めることができるので、緑色半導体レーザ素子20の緑色光をより活性層22内に閉じ込めるができる。これにより、青色半導体レーザ素子10と比べて発光効率が劣る緑色半導体レーザ素子20において、青色半導体レーザ素子10と同程度の光の閉じ込めを確保することができる。
また、第1実施形態では、緑色半導体レーザ素子20のn型キャリアブロック層21bおよびp型キャリアブロック層23bのAl組成(約20%)が、青色半導体レーザ素子10のn型キャリアブロック層11bおよびp型キャリアブロック層13bのAl組成(約16%)に比べて大きくなるように構成することによって、n型キャリアブロック層21bおよびp型キャリアブロック層23bはn型キャリアブロック層11bおよびp型キャリアブロック層13bよりも光をより活性層(活性層12および22)内に閉じ込めることができるので、緑色半導体レーザ素子20の緑色光をより活性層22内に閉じ込めるができる。これにより、青色半導体レーザ素子10と比べて発光効率が劣る緑色半導体レーザ素子20において、青色半導体レーザ素子10と同程度の光の閉じ込めを確保することができる。
また、第1実施形態では、緑色半導体レーザ素子20のn型クラッド層21aおよびp型クラッド層23cのAl組成(約10%)が、青色半導体レーザ素子10のn型クラッド層11aおよびp型クラッド層13cのAl組成(約7%)に比べて大きくなるように構成することによって、n型クラッド層21aおよびp型クラッド層23cはn型クラッド層11aおよびp型クラッド層13cよりも光をより活性層(活性層12および22)内に閉じ込めることができるので、緑色半導体レーザ素子20の緑色光をより活性層22内に閉じ込めるができる。これにより、青色半導体レーザ素子10と比べて発光効率が劣る緑色半導体レーザ素子20において、青色半導体レーザ素子10と同程度の光の閉じ込めを確保することができる。
また、第1実施形態では、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20に、それぞれ、(11−22)面に[0001]方向を投影した方向([−1−123]方向)に延びる光導波路を設けることによって、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の光学利得をそれぞれ最大化することができるとともに、青色半導体レーザ素子10の青色光と緑色半導体レーザ素子20の緑色光とを共通の共振器面から出射させることができる。
また、第1実施形態では、活性層12および22がそれぞれ(11−22)面を主面とすることによって、非極性面のうちのm面((1−100)面)およびa面((11−20)面)などの無極性面を主面とする場合と異なり、(11−22)面を主面とすることによって、活性層12および22における結晶成長が困難になるのを抑制することができるので、活性層12および22において、In組成が大きくなることによる結晶欠陥が増加するのを抑制することができる。
また、第1実施形態では、半極性面である(11−22)面がc面((0001)面)から[11−20]方向に向かって約58°傾いた面からなることによって、半極性面のうちの(11−22)面の主面を有する活性層12を含む青色半導体レーザ素子10の光学利得と、半極性面のうちの(11−22)面の主面を有する活性層22を含む緑色半導体レーザ素子20の光学利得とをそれぞれより大きくすることができる。
(第2実施形態)
図7は、本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置の構造を示した断面図である。図8は、図7に示した第2実施形態による半導体レーザ装置を備え、半導体レーザ素子が時系列的に交互に点灯されるプロジェクタ装置を示した模式図である。図9は、図8に示した第2実施形態によるプロジェクタ装置の制御部が時系列的に信号を発信する状態を示したタイミングチャートである。図10は、図7に示した第2実施形態による半導体レーザ装置を備え、半導体レーザ素子が略同時に点灯されるプロジェクタ装置を示した模式図である。次に、図7〜図10を参照して第2実施形態について説明する。この第2実施形態による半導体レーザ装置200では、上記第1実施形態と異なり、モノリシック型の青・緑2波長半導体レーザ素子部30が形成されたn型GaN基板1上に、赤色半導体レーザ素子240が接合されている場合について説明する。また、半導体レーザ装置200を備えるプロジェクタ装置250および260について説明する。
まず、図7を参照して、本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置200の構造について説明する。
本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置200では、図7に示すように、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20が形成されていないn型GaN基板1の[1−100]方向(Y2方向)の上面上に、約640nmの発振波長を有する赤色半導体レーザ素子240が、pn接合部分が下向きになるようにジャンクションダウンにより接合されている。なお、赤色半導体レーザ素子240は、約610nm〜約750nmの範囲の発振波長を有するように構成すればよい。具体的には、n型GaN基板1上に形成されている電流ブロック層2のY2方向側の上面上に、緑色半導体レーザ素子20と所定の間隔を隔ててp側電極206が形成されている。このp側電極206は、図示しないワイヤとワイヤボンディング可能なように設けられている。また、p側電極206の上面上に、導電性を有する半田などからなる融着層207によって、赤色半導体レーザ素子240が接合されている。
また、赤色半導体レーザ素子240は、AuGe層、Ni層およびAu層とがこの順に積層されたn側電極241の下面上に、n型半導体層242、活性層243およびp型半導体層244がこの順に積層された構造を有している。また、n型半導体層242は、n側電極241の下面上に、Siドープn型AlGaInPからなるn型クラッド層242aと、アンドープAlGaInPからなるn型キャリアブロック層242bと、アンドープAlGaInPからなるn型光ガイド層242cとがこの順に積層された構造を有している。
また、活性層243は、n型半導体層242の下面上に、アンドープAlGaInPからなる2つの障壁層とアンドープInGaPからなる3つの井戸層とが交互に積層されたMQW構造を有している。なお、活性層243は、単層またはSQW構造などにより構成されてもよい。
また、p型半導体層244は、活性層243の下面上に、アンドープAlGaInPからなるp型光ガイド層244aと、アンドープAlGaInPからなるp型キャリアブロック層244bと、Znドープp型AlGaInPからなるp型クラッド層244cと、Znドープp型GaInP層とZnドープp型GaAs層との積層構造からなるp型コンタクト層244dとがこの順に積層された構造を有している。また、p型クラッド層244cとp型コンタクト層244dとによって、赤色半導体レーザ素子240のY方向(Y1方向およびY2方向)の略中央部に形成されたストライプ状のリッジ部244eが形成されるとともに、p型クラッド層244cは、リッジ部244eの両側(Y方向)に延びる平坦部とを有している。このリッジ部244eによって、光導波路が構成されている。
また、p型クラッド層244cの平坦部の下面とリッジ部244eの側面とを覆い、リッジ244eの下面が露出するように、絶縁膜である電流ブロック層245が形成されている。また、p型コンタクト層244dの下面上には、Cr層およびAu層がこの順に積層された構造を有するp側オーミック電極246が形成されている。また、電流ブロック層245の所定領域およびp側オーミック電極246の下面上には、p側オーミック電極246と電気的に接続されるように、Auなどからなるp側電極247が形成されている。また、p側電極247および電流ブロック層245の所定領域は、融着層207を介して、p側電極206に接合されている。なお、第2実施形態の半導体レーザ装置200のその他の構造は、上記第1実施形態と同様である。
次に、図7〜図10を参照して、本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置200を備えるプロジェクタ装置250および260について説明する。
まず、図7〜図9を参照して、半導体レーザ素子が時系列的に点灯されるプロジェクタ装置250について説明する。
本発明の第2実施形態によるプロジェクタ装置250には、図8に示すように、青色半導体レーザ素子10(図7参照)、緑色半導体レーザ素子20(図7参照)および赤色半導体レーザ素子240(図7参照)が設けられた半導体レーザ装置200と、複数の光学部品からなる光学系251と、半導体レーザ装置200および光学系251を制御する制御部252とが設けられている。これにより、半導体レーザ装置200からの光が、光学系251により変調された後、スクリーン253などに投影されるように構成されている。なお、光学系251は、本発明の「変調手段」の一例である。
また、光学系251において、半導体レーザ装置200から出射された光は、それぞれ、レンズ251aにより平行光に変換された後、ライトパイプ251bに入射される。
ライトパイプ251bは内面が鏡面となっており、光は、ライトパイプ251bの内面で反射を繰り返しながらライトパイプ251b内を進行する。この際、ライトパイプ251b内での多重反射作用によって、ライトパイプ251bから出射される各色の光の強度分布が均一化される。また、ライトパイプ251bから出射された光は、リレー光学系251cを介してデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)素子251dに入射される。
DMD素子251dは、マトリクス状に配置された微小なミラー群からなる。また、DMD素子251dは、各画素位置の光の反射方向を、投写レンズ251eに向かう第1の方向Aと投写レンズ251eから逸れる第2の方向Bとに切り替えることにより各画素の階調を表現(変調)する機能を有している。各画素位置に入射される光のうち第1の方向Aに反射された光(ON光)は、投写レンズ251eに入射されて被投写面(スクリーン253)に投写される。また、DMD素子251dによって第2の方向Bに反射された光(OFF光)は、投写レンズ251eには入射されずに光吸収体251fによって吸収される。
また、プロジェクタ装置250では、制御部252によってパルス電圧が半導体レーザ装置200に供給されるように制御されることによって、半導体レーザ装置200の青色半導体レーザ素子10、緑色半導体レーザ素子20および赤色半導体レーザ素子240は、それぞれ、時系列的に分割されて1素子ずつ交互(cyclic)に駆動されるように構成されている。また、制御部252によって、光学系251のDMD素子251dは、青色半導体レーザ素子10、緑色半導体レーザ素子20および赤色半導体レーザ素子240の駆動とそれぞれ同期しながら、各画素の階調を変調するように構成されている。
具体的には、図9に示すように、青色半導体レーザ素子10の駆動に関するB信号、緑色半導体レーザ素子20の駆動に関するG信号および赤色半導体レーザ素子240の駆動に関するR信号が、それぞれ互いに重ならないように時系列的に分割され、制御部252によって半導体レーザ装置200に供給される。また、このB信号、G信号、R信号に同期して、制御部252からB画像信号、G画像信号、R画像信号がDMD素子251dにそれぞれ出力される。
これにより、B信号に基づいて、青色半導体レーザ素子10の青色光が発光されるとともに、このタイミングで、B画像信号に基づいて、DMD素子251dにより青色光が変調される。また、B信号の次に出力されるG信号に基づいて、緑色半導体レーザ素子20の緑色光が発光されるとともに、このタイミングで、G画像信号に基づいて、DMD素子251dにより緑色光が変調される。さらに、G信号の次に出力されるR信号に基づいて、赤色半導体レーザ素子240の赤色光が発光されるとともに、このタイミングで、R画像信号に基づいて、DMD素子251dにより赤色光が変調される。その後、R信号の次に出力されるB信号に基づいて、青色半導体レーザ素子10の青色光が発光されるとともに、このタイミングで、再度、B画像信号に基づいて、DMD素子251dにより青色光が変調される。上記の動作が繰り返されることによって、B画像信号、G画像信号およびR画像信号に基づいたレーザ光照射による画像が、被投写面(スクリーン253)に投写される。このようにして、本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置200が時系列的に交互に点灯されるプロジェクタ装置250が構成されている。
次に、図7および図10を参照して、半導体レーザ素子が略同時に点灯されるプロジェクタ装置260について説明する。
まず、本発明の第2実施形態によるプロジェクタ装置260には、図10に示すように、青色半導体レーザ素子10(図7参照)、緑色半導体レーザ素子20(図7参照)および赤色半導体レーザ素子240(図7参照)が設けられた半導体レーザ装置200と、複数の光学部品からなる光学系261と、半導体レーザ装置200および光学系261を制御する制御部262とが設けられている。これにより、半導体レーザ装置200から出射されたレーザ光が、光学系261により変調された後、外部のスクリーン263などに投影されるように構成されている。なお、光学系261は、本発明の「変調手段」の一例である。
また、光学系261において、半導体レーザ装置200から出射されたレーザ光は、凹レンズと凸レンズとからなる分散角制御レンズ261aにより所定ビーム径を有する平行光に変換された後、フライアイインテグレータ261bに入射される。また、フライアイインテグレータ261bでは、蝿の目状のレンズ群からなる2つのフライアイレンズが向き合うように構成されており、液晶パネル261g、261jおよび261pに入射する際の光量分布が均一となるように分散角制御レンズ261aから入射される光に対してレンズ作用を付与する。すなわち、フライアイインテグレータ261bを透過した光は、液晶パネル261g、261jおよび261pのサイズに対応したアスペクト比(たとえば16:9)の広がりをもって入射できるように調整されている。
また、フライアイインテグレータ261bを透過した光は、コンデンサレンズ261cによって集光される。また、コンデンサレンズ261cを透過した光のうち、赤色光のみがダイクロイックミラー261dによって反射される一方、緑色光および青色光はダイクロイックミラー261dを透過する。
そして、赤色光は、ミラー261eを経てレンズ261fによる平行化の後に液晶パネル261gに入射される。この液晶パネル261gは、赤色用の駆動信号(R画像信号)に応じて駆動されることにより、その駆動状態に応じて赤色光を変調する。なお、レンズ261fを透過した赤色光は、入射側偏光板p1を介して液晶パネル261gに入射される。
また、ダイクロイックミラー261hでは、ダイクロイックミラー261dを透過した光のうちの緑色光のみが反射される一方、青色光はダイクロイックミラー261hを透過する。
そして、緑色光は、レンズ261iによる平行化の後に液晶パネル261jに入射される。この液晶パネル261jは、緑色用の駆動信号(G画像信号)に応じて駆動されることにより、その駆動状態に応じて緑色光を変調する。なお、レンズ261iを透過した緑色光は、入射側偏光板p2を介して液晶パネル261jに入射される。
また、ダイクロイックミラー261hを透過した青色光は、レンズ261k、ミラー261l、レンズ261mおよびミラー261nを経て、さらにレンズ261oによって平行化がなされた後、液晶パネル261pに入射される。この液晶パネル261pは、青色用の駆動信号(B画像信号)に応じて駆動されることにより、その駆動状態に応じて青色光を変調する。なお、レンズ261oを透過した青色光は、入射側偏光板p3を介して液晶パネル261pに入射される。
その後、液晶パネル261g、261jおよび261pによって変調された赤色光、緑色光および青色光は、ダイクロイックプリズム261qによって合成された後、出射側偏光板(図示せず)を介して投写レンズ261rへと入射される。また、投写レンズ261rは、投写光を被投写面(スクリーン263)上に結像させるためのレンズ群と、レンズ群の一部を光軸方向に変位させて投写画像のズームおよびフォーカスを調整するためのアクチュエータを内蔵している。
また、プロジェクタ装置260では、制御部262によって、青色半導体レーザ素子10の駆動に関するB信号、緑色半導体レーザ素子20の駆動に関するG信号および赤色半導体レーザ素子240の駆動に関するR信号としての定常的な電圧が半導体レーザ装置200の各レーザ素子に供給されるように制御される。これによって、半導体レーザ装置200の青色半導体レーザ素子10、緑色半導体レーザ素子20および赤色半導体レーザ素子240は、それぞれ、実質的に同時に発振されるように構成されている。また、制御部262によって半導体レーザ装置200の青色半導体レーザ素子10、緑色半導体レーザ素子20および赤色半導体レーザ素子240の各々の光の強度を制御することによって、スクリーン263に投写される画素の色相や輝度などが制御されるように構成されている。
これにより、制御部262によって所望の画像がスクリーン263に投写される。このようにして、本発明の第2実施形態による半導体レーザ装置200が略同時に点灯されるプロジェクタ装置260が構成されている。
第2実施形態では、上記のように、n型GaN基板1に対して接合される赤色半導体レーザ素子240を備えることによって、歩留まりの低下を抑制することができる青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20を含む青・緑2波長半導体レーザ素子部30を備えるRGB3波長の半導体レーザ装置200を得ることができる。
また、第2実施形態では、n型GaN基板1のY2方向の上面上に、赤色半導体レーザ素子240をpn接合部分が下向きになるようにジャンクションダウンにより接合することによって、赤色半導体レーザ素子240の活性層243において生じる熱をn型GaN基板1において放出することができるので、より赤色半導体レーザ素子240の発光効率の高いRGB3波長の半導体レーザ装置200を作製することができる。
また、第2実施形態では、プロジェクタ装置250において、制御部252によってパルス電圧を半導体レーザ装置200に供給するように制御することにより、半導体レーザ装置200の青色半導体レーザ素子10、緑色半導体レーザ素子20および赤色半導体レーザ素子240が、それぞれ、時系列的に分割されて1素子ずつ交互に駆動するように構成されている。このように構成することによって、時系列的に分割されて1素子ずつ交互に駆動されるような、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20のそれぞれの色合いの制御が困難な場合においても、青色半導体レーザ素子10の活性層12および緑色半導体レーザ素子20の活性層22におけるピエゾ電界を小さくすることができる。これにより、活性層12および22のキャリアの密度の変化量に対する、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の発振波長の変化量(変動幅)をより小さくすることができるので、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20のそれぞれの色合いの制御が困難になるのを抑制することができる。
また、第2実施形態では、プロジェクタ装置260において、制御部262によって定常的な電圧を半導体レーザ装置200に供給するように制御することにより、半導体レーザ装置200の青色半導体レーザ素子10、緑色半導体レーザ素子20および赤色半導体レーザ素子240が、それぞれ、実質的に同時に発振するように構成されている。このように構成することによって、各素子が実質的に同時に発振するような、半導体レーザ装置200における消費電力が大きくなる場合においても、青色半導体レーザ素子10の活性層12および緑色半導体レーザ素子20の活性層22におけるピエゾ電界を小さくすることができる。これにより、青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20の発光効率をそれぞれ向上させることができるので、半導体レーザ装置200における消費電力が大きくなるのを抑制することができる。
また、第2実施形態では、プロジェクタ装置250に、半導体レーザ装置200と光学系251とを設けるとともに、プロジェクタ装置260に、半導体レーザ装置200と光学系261とを設けることによって、同一のn型GaN基板1の表面上に形成された青色半導体レーザ素子10および緑色半導体レーザ素子20を備える半導体レーザ装置200の歩留まりの低下を抑制することができる半導体レーザ装置200を用いて、光学系251および261により光を変調させて所望の画像を表示させることができる。なお、第2実施形態のその他の効果は、上記第1実施形態と同様である。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第1および第2実施形態では、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子の活性層の主面の面方位として、非極性面の一例としての半極性面である(11−22)面を用いた例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子の活性層の主面の面方位は、その他の非極性面(無極性面および半極性面)を用いてもよい。たとえば、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子の活性層の主面の面方位として、a面((11−20)面)およびm面((1−100)面)などの無極性面を用いてもよいし、(11−2x)面(x=2、3、4、5、6、8、10、−2、−3、−4、−5、−6、−8、−10)および(1−10y)面(y=1、2、3、4、5、6、−1、−2、−3、−4、−5、−6)などの半極性面を用いてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、n型GaN基板の上面上に、(11−22)面の主面を有するInGaNからなる活性層を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、Al、SiC、LiAlOおよびLiGaOなどからなる基板の上面上に、非極性面の主面を有する窒化物系半導体からなる活性層を形成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、本発明の「窒化物系半導体」として、InGaNを用いた例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、窒化物系半導体として、AlInGaNおよびInAlNなどのInを含む窒化物系半導体を用いてもよく、あるいは、AlGaNなどのInを含まない窒化物系半導体を用いてもよい。この際、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子の活性層における厚みおよび組成は、適宜変更される。
また、上記第1および第2実施形態では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の障壁層がInGaNからなる例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子の障壁層は、井戸層よりバンドギャップの大きいGaN、AlGaNやAlGaInNなどの窒化物系半導体からなるように構成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、n型GaN基板上にInGaNからなる井戸層を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、AlGa1−xN基板にInGaNからなる井戸層を形成してもよい。ここで、Al組成を大きくすることによって、垂直横モードにおける光強度分布の広がりを抑制することが可能である。これによって、AlGa1−xN基板から光が出射されるのを抑制することができるので、レーザ素子から複数の垂直横モードの光が出射されるのを抑制することができる。また、InGa1−yN基板上にInGaNからなる井戸層を形成してもよい。これによって、InGa1−yN基板のIn組成を調整することによって、井戸層における歪を低減させることが可能である。この際、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子における活性層の厚みおよびIn組成は、適宜変更される。
また、上記第1および第2実施形態では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子を構成する半導体層を、それぞれ、n型GaN基板に形成したマスク層を用いて選択的に成長させて形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、青色半導体レーザ素子をn型GaN基板の全面に形成した後、青色半導体レーザ素子の一部をエッチングすることによりn型GaN基板の一部を露出させて、その露出させた部分に、緑色半導体レーザ素子を形成するようにしてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、青色半導体レーザ素子を先に形成した後に、緑色半導体レーザ素子を形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、緑色半導体レーザ素子を先に形成した後に、青色半導体レーザ素子を形成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、平坦な活性層上に、リッジ部を有するp型クラッド層を形成し、絶縁膜である電流ブロック層をリッジ部の側面に形成したリッジ導波型半導体レーザを形成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、半導体の電流ブロック層を有するリッジ導波型半導体レーザや、埋め込みヘテロ構造の半導体レーザや、平坦なp型クラッド層上にストライプ状の開口部を有する電流ブロック層を形成した利得導波型の半導体レーザを形成してもよい。
また、上記第2実施形態では、赤色半導体レーザ素子を、n型GaN基板の上面上にpn接合部分が下向きになるようにジャンクションダウンにより接合した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、赤色半導体レーザ素子を、n型GaN基板の上面上にpn接合部分が上向きになるようにジャンクションアップにより接合してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、n型GaN基板と、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子の活性層とが同一の非極性面の主面((11−22)面)を有するように構成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、n型GaN基板と、青色半導体レーザ素子の活性層および緑色半導体レーザ素子の活性層とが異なる面方位の主面を有するように構成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、緑色半導体レーザ素子の活性層がSQW構造を有する例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、緑色半導体レーザ素子の活性層がMQW構造を有してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子のn型クラッド層、n型キャリアブロック層、p型キャリアブロック層およびp型クラッド層をAlGaNからなるように構成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子のn型クラッド層、n型キャリアブロック層、p型キャリアブロック層およびp型クラッド層とをAlInGaNからなるように構成してもよい。この際、緑色半導体レーザ素子のn型クラッド層、n型キャリアブロック層、p型キャリアブロック層およびp型クラッド層のAl組成は、それぞれ、青色半導体レーザ素子のn型クラッド層、n型キャリアブロック層、p型キャリアブロック層およびp型クラッド層のAl組成と比べて大きい方が好ましい。
また、上記第1および第2実施形態では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層をInGaNからなるように構成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、青色半導体レーザ素子および緑色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層をAlInGaNからなるように構成してもよい。この際、緑色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層のIn組成は、それぞれ、青色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層のIn組成と比べて大きい方が好ましい。
また、上記第1および第2実施形態では、緑色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層のIn組成を青色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層のIn組成よりも大きくなるように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、緑色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層のIn組成を青色半導体レーザ素子のn型光ガイド層およびp型光ガイド層のIn組成よりも小さくなるように構成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、緑色半導体レーザ素子のn型キャリアブロック層およびp型キャリアブロック層のAl組成を青色半導体レーザ素子のn型キャリアブロック層およびp型キャリアブロック層のAl組成よりも大きくなるように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、緑色半導体レーザ素子のn型キャリアブロック層およびp型キャリアブロック層のAl組成を青色半導体レーザ素子のn型キャリアブロック層およびp型キャリアブロック層のAl組成よりも小さくなるように構成してもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、緑色半導体レーザ素子のn型クラッド層およびp型クラッド層のAl組成を青色半導体レーザ素子のn型クラッド層およびp型クラッド層のAl組成よりも大きくなるように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、緑色半導体レーザ素子のn型クラッド層およびp型クラッド層のAl組成を青色半導体レーザ素子のn型クラッド層およびp型クラッド層のAl組成よりも小さくなるように構成してもよい。
また、上記第2実施形態では、Y1方向側から順に、青色半導体レーザ素子、緑色半導体レーザ素子および赤色半導体レーザ素子を配置した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、青色半導体レーザ素子、緑色半導体レーザ素子および赤色半導体レーザ素子の配置は特に限定されない。また、赤色半導体レーザ素子は、青色半導体レーザ素子の上部または緑色半導体レーザ素子の上部に接合されてもよい。
また、上記第1および第2実施形態では、半導体レーザ装置を、1つの青色半導体レーザ素子と1つの緑色半導体レーザ素子と(1つの赤色半導体レーザ素子と)からなるように構成した例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、半導体レーザ装置は、複数の青色半導体レーザ素子と複数の緑色半導体レーザ素子と(複数の赤色半導体レーザ素子と)がアレイ状に配置されるように構成してもよい。
また、上記第2実施形態では、プロジェクタ装置が液晶パネルを有する光学系を備える場合およびDMD素子を有する光学系を備える場合を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、プロジェクタ装置は変調手段を備えるものであればよく、たとえば、プロジェクタ装置がスキャンミラーを有する光学系を備えるように構成してもよい。
1 n型GaN基板(基板)
10 青色半導体レーザ素子
12 活性層(第1活性層)
12b 井戸層(第1井戸層)
20 緑色半導体レーザ素子
22 活性層(第2活性層)
22b 井戸層(第2井戸層)
240 赤色半導体レーザ素子
t1、t2 厚み

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板の表面上に形成され、非極性面の主面を有する窒化物系半導体からなる第1活性層を含む青色半導体レーザ素子と、
    前記基板の表面上に形成され、前記非極性面と略同一の面方位の主面を有する窒化物系半導体からなる第2活性層を含む緑色半導体レーザ素子とを備える、半導体レーザ装置。
  2. 前記第1活性層は、InGaNからなる第1井戸層を有する量子井戸構造を有し、前記第2活性層は、InGaNからなる第2井戸層を有する量子井戸構造を有し、
    前記第1井戸層の厚みは、前記第2井戸層の厚みよりも大きい、請求項1に記載の半導体レーザ装置
  3. 前記非極性面は、略(11−22)面である、請求項1または2に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記基板の主面は、前記非極性面と略同一の面方位を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 少なくとも前記青色半導体レーザ素子、前記緑色半導体レーザ素子および前記基板のいずれかに対して接合される赤色半導体レーザ素子をさらに備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 基板と、前記基板の表面上に形成され、非極性面の主面を有する窒化物系半導体からなる第1活性層を含む青色半導体レーザ素子と、前記基板の表面上に形成され、前記非極性面と略同一の面方位の主面を有する窒化物系半導体からなる第2活性層を有する緑色半導体レーザ素子とを含む半導体レーザ装置と、
    前記半導体レーザ装置からの光の変調を行う変調手段とを備える、表示装置。
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