JP2010258183A - Semiconductor laser device, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、特に窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor laser device using a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof.
小型、安価及び高出力等の優れた特徴をもつことから、半導体レーザ装置が、通信及び光ディスク等の分野をはじめ、医療及び一部照明等の幅広い技術分野で用いられている。近年では、特に高密度光ディスク用の発光波長が405nmの窒化ガリウム(GaN)系半導体レーザ装置の開発が精力的に進められている。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GaN系半導体レーザ装置を用いた発光波長が450nm〜470nmの純青色レーザの開発が進められている。 Semiconductor laser devices are used in a wide range of technical fields such as medical care and partial lighting, as well as communication and optical disks, because of their excellent features such as small size, low cost, and high output. In recent years, gallium nitride (GaN) semiconductor laser devices having a light emission wavelength of 405 nm, particularly for high-density optical discs, have been vigorously developed. In addition, a pure blue laser having an emission wavelength of 450 nm to 470 nm using a GaN-based semiconductor laser device is being developed as a backlight for laser displays and liquid crystals.
GaN系半導体レーザ装置は、光ディスク用途では高速且つ多層記録のために高出力化が求められている。また、ディスク上での書き込み及び読み込み位置を精密に制御するために高密度化が求められている。ディスプレイ用途及びバックライト用途においても高輝度化のために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は、レーザ光を出射する前方端面がレーザ光により劣化する端面劣化と呼ばれる劣化モードを抑制することが重要となる。 GaN-based semiconductor laser devices are required to have high output for high-speed and multilayer recording in optical disk applications. Further, in order to precisely control the writing and reading positions on the disc, higher density is required. In display applications and backlight applications, higher output is required for higher brightness. In order to increase the output of the semiconductor laser device, it is important to suppress a deterioration mode called end face deterioration in which the front end face that emits the laser light is deteriorated by the laser light.
端面劣化は、光吸収により端面の温度が上昇し、半導体レーザ装置の前方端面を構成する原子と、共振器端面上に成膜されるコーティング材を構成する原子又はレーザ装置の雰囲気として存在する原子とが化学反応することにより生じる。反応により前方端面においてレーザ光の吸収の原因となる結晶の不完全性が増大し、前方端面において光吸収がさらに増大する。吸収された光の多くは熱となり、前方端面の温度を上昇させ、半導体のバンドギャップを収縮させる。半導体のバンドギャップが収縮すると前方端面における光吸収がさらに増大し、温度が上昇するという正帰還が生じる。この正帰還の結果、前方端面の結晶が溶解する、カタストロフィックオプティカルダメージ(Catastrophic Optical Damage:COD)と呼ばれる不具合がやがて生じる。 End-face degradation is caused by the temperature of the end face rising due to light absorption, atoms forming the front end face of the semiconductor laser device, atoms forming the coating material deposited on the resonator end face, or atoms present as the atmosphere of the laser apparatus. This is caused by a chemical reaction between and. The reaction increases crystal imperfections that cause laser light absorption at the front end face, and further increases light absorption at the front end face. Much of the absorbed light becomes heat, raising the temperature of the front end face and shrinking the semiconductor band gap. When the band gap of the semiconductor contracts, light absorption at the front end face further increases, and positive feedback occurs in which the temperature rises. As a result of this positive feedback, a problem called catastrophic optical damage (COD), in which the crystals on the front end face melt, will eventually occur.
半導体レーザ装置の端面劣化を克服するために、ガリウム砒素(GaAs)系の半導体レーザ装置ではイオン注入又は不純物拡散を用いた端面窓構造の形成が行われている(例えば、特許文献1及び2を参照。)。端面窓構造とは、不純物注入等により活性層における前方端面近傍の禁制帯幅を共振器の他の領域の禁制帯幅よりも大きくした構造である。端面窓構造を設けることにより、光出射端面の近傍における光吸収量が小さくなり、光出射端面における発熱量が小さくなるので、端面劣化を抑制することができる。 In order to overcome end face deterioration of the semiconductor laser device, an end face window structure using ion implantation or impurity diffusion is formed in a gallium arsenide (GaAs) semiconductor laser device (see, for example, Patent Documents 1 and 2). reference.). The end face window structure is a structure in which the forbidden band width in the vicinity of the front end face in the active layer is made larger than the forbidden band width in other regions of the resonator by impurity implantation or the like. By providing the end face window structure, the amount of light absorption in the vicinity of the light exit end face is reduced, and the amount of heat generated at the light exit end face is reduced, so that end face deterioration can be suppressed.
しかしながら、GaN系半導体レーザ装置は、GaN結晶の結合が強く、注入イオン又は不純物の拡散定数が小さい。このため、イオン注入法又は不純物拡散法による端面窓構造の形成が困難であるという問題がある。このため、GaN系半導体レーザ装置においては、端面窓構造を有するレーザ構造が未だ実用化されていない。 However, the GaN-based semiconductor laser device has strong bonding of GaN crystals and a small diffusion constant of implanted ions or impurities. For this reason, there is a problem that it is difficult to form an end face window structure by an ion implantation method or an impurity diffusion method. For this reason, in a GaN-based semiconductor laser device, a laser structure having an end face window structure has not yet been put into practical use.
さらに、GaN系半導体レーザ装置は、水平方向の対称性に優れた出射ビーム形状を有していることが求められている。 Furthermore, the GaN-based semiconductor laser device is required to have an outgoing beam shape with excellent horizontal symmetry.
本発明は、前記の問題を解決し、GaN系半導体からなる半導体レーザ装置において端面窓構造を実現し端面劣化を防止すると共に、水平方向の対称性に優れた出射ビーム形状が得られる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。 The present invention solves the above-described problems, realizes an end face window structure in a semiconductor laser device made of a GaN-based semiconductor, prevents end face deterioration, and obtains an outgoing beam shape having excellent horizontal symmetry. It aims to be able to realize.
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、少なくとも前方端面において禁制帯幅が大きい端面窓構造を形成すると共に、前方端面において光導波路を中心とした実効屈折率分布の対称性を向上させた構成とする。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention forms a semiconductor laser device having an end window structure having a large forbidden band width at least at the front end face, and exhibits symmetry of the effective refractive index distribution around the optical waveguide at the front end face. An improved configuration is adopted.
本発明に係る第1の半導体レーザ装置は、基板の主面の上に活性層を含む複数の窒化物半導体層が積層されて形成され、高さが他の部分よりも低い窪み部を有する半導体層積層体と、窪み部を埋める屈折率調整層とを備え、半導体層積層体は、活性層が主面と平行に形成された平坦部と、平坦部と窪み部との間に形成され、活性層の禁制帯幅が平坦部よりも大きい禁制帯幅増大部と、光を出射する前方端面と、窪み部を避け且つ平坦部及び禁制帯幅増大部を含み、前方端面と交差する方向に延びるストライプ状の光導波路とを有することを特徴とする。 A first semiconductor laser device according to the present invention is a semiconductor which is formed by laminating a plurality of nitride semiconductor layers including an active layer on a main surface of a substrate, and has a hollow portion whose height is lower than other portions. A layer stack and a refractive index adjustment layer filling the recess, the semiconductor layer stack is formed between the flat portion in which the active layer is formed parallel to the main surface, and the flat portion and the recess. The active layer includes a forbidden band width increasing portion whose forbidden band width is larger than that of the flat portion, a front end surface that emits light, a flat portion and a forbidden band width increasing portion that avoids the depression and intersects the front end surface. And a striped optical waveguide extending.
第1の半導体レーザ装置は、光導波路が窪み部を避け且つ平坦部及び禁制帯幅増大部を含む。禁制帯幅増大部を端面窓構造として用いることにより、前方端面における光吸収を低減してCODの発生を防ぐことができる。さらに、窪み部に、屈折率調整層が埋め込まれている。このため、前方端面における実効屈折率分布の光導波路を中心とした分布の対称性を向上させることができる。従って、高出力で且つ対称性に優れた出射ビーム形状が得られる半導体レーザ装置を実現できる。 In the first semiconductor laser device, the optical waveguide includes a flat portion and a forbidden band width increasing portion while avoiding the recessed portion. By using the forbidden band width increasing portion as the end face window structure, it is possible to reduce light absorption at the front end face and prevent the generation of COD. Further, a refractive index adjusting layer is embedded in the recess. For this reason, the symmetry of the distribution around the optical waveguide of the effective refractive index distribution on the front end face can be improved. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser device that can obtain an output beam shape with high output and excellent symmetry.
第1の半導体レーザ装置において、屈折率調整層は、非晶質の窒化物半導体としても、酸化シリコン、酸化チタン又は酸化亜鉛としてもよい。 In the first semiconductor laser device, the refractive index adjustment layer may be an amorphous nitride semiconductor, silicon oxide, titanium oxide, or zinc oxide.
本発明に係る第2の半導体レーザ装置は、基板の主面の上に活性層を含む複数の窒化物半導体層が積層されて形成された半導体層積層体を備え、半導体層積層体は、高さが他の部分よりも低い窪み部と、活性層が主面と平行に形成された平坦部と、平坦部と窪み部との間に形成され、活性層の禁制帯幅が平坦部よりも大きい禁制帯幅増大部と、光を出射する前方端面と、窪み部を避け且つ平坦部及び禁制帯幅増大部を含み、前方端面と交差する方向に延びるストライプ状の光導波路と、光導波路を挟んで窪み部と反対側に形成され、窒化物半導体層の一部が除去された屈折率調整凹部とを有していることを特徴とする。 A second semiconductor laser device according to the present invention includes a semiconductor layer stack formed by stacking a plurality of nitride semiconductor layers including an active layer on a main surface of a substrate. Is formed between the flat portion and the hollow portion, and the forbidden band width of the active layer is larger than that of the flat portion. A large forbidden band width increasing portion, a front end face that emits light, a striped optical waveguide that includes a flat portion and a forbidden band width increasing section that avoids a recess and extends in a direction intersecting the front end face, and an optical waveguide. It has a refractive index adjustment concave portion formed on the opposite side to the hollow portion with the nitride semiconductor layer partially removed.
第2の半導体レーザ装置は、光導波路を挟んで窪み部と反対側に形成され、窒化物半導体層の一部が除去された屈折率調整凹部とを有している。従って、端面窓構造を形成できるだけでなく、前方端面における実効屈折率分布の対称性を向上させることができる。従って、高出力で且つ対称性に優れた出射ビーム形状が得られる半導体レーザ装置を実現できる。 The second semiconductor laser device has a refractive index adjusting recess formed on the side opposite to the recess with the optical waveguide interposed therebetween, from which a part of the nitride semiconductor layer has been removed. Therefore, not only the end face window structure can be formed, but also the symmetry of the effective refractive index distribution at the front end face can be improved. Therefore, it is possible to realize a semiconductor laser device that can obtain an output beam shape with high output and excellent symmetry.
第1及び第2の半導体レーザ装置において、基板は窪み部形成用凹部を有し、窪み部は窪み部形成用凹部の上に形成されている構成とすればよい。 In the first and second semiconductor laser devices, the substrate may have a recess for forming a recess and the recess may be formed on the recess for forming the recess.
この場合において、窪み部形成用凹部の深さは、0.1μm以上且つ10μm以下とすればよい。また、窪み部形成用凹部の前方端面に沿った方向の幅は2μm以上且つ200μm以下であり、窪み部形成用凹部の光導波路に沿った方向の奥行きは5μm以上且つ200μm以下とすればよい。窪み部形成用凹部は、前方端面に露出しているか又は前方端面との間隔が50μm以下である構成としてもよい。 In this case, the depth of the recess for forming the recess may be 0.1 μm or more and 10 μm or less. In addition, the width in the direction along the front end surface of the recess for forming the recess is 2 μm or more and 200 μm or less, and the depth in the direction along the optical waveguide of the recess for forming the recess is 5 μm or more and 200 μm or less. The recess for forming the dent portion may be exposed to the front end surface or may be configured to have a distance of 50 μm or less from the front end surface.
また、窪み部形成用凹部における光導波路側の端部から光導波路までの距離は2μm以上且つ10μm以下とすればよい。 In addition, the distance from the end on the optical waveguide side to the optical waveguide in the recess for forming the recess may be 2 μm or more and 10 μm or less.
第1及び第2の半導体レーザ装置において、半導体層積層体は、活性層よりも下側の窒化物半導体層の一部が除去された窪み部形成用凹部を有し、窪み部は窪み部形成用凹部の上に形成されている構成としてもよい。この場合において、窪み部形成用凹部の深さは、0.01μm以上且つ10μm以下とすればよい。 In the first and second semiconductor laser devices, the semiconductor layer stack includes a recess forming recess from which a part of the nitride semiconductor layer below the active layer is removed, and the recess is formed as a recess. It is good also as a structure currently formed on the recessed part for use. In this case, the depth of the recess for forming the recess may be 0.01 μm or more and 10 μm or less.
第1及び第2の半導体レーザ装置において、禁制帯幅増大部の禁制帯幅は、平坦部における活性層の禁制帯幅よりも50meV以上大きい構成とすればよい。 In the first and second semiconductor laser devices, the forbidden band width of the forbidden band width increasing portion may be 50 meV or more larger than the forbidden band width of the active layer in the flat portion.
第1及び第2の半導体レーザ装置において、前方端面における主面と平行な方向の実効屈折率分布は、光導波路を中心として対称となっていてもよい。 In the first and second semiconductor laser devices, the effective refractive index distribution in the direction parallel to the main surface at the front end surface may be symmetric about the optical waveguide.
本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、基板の主面の上に、活性層を含む複数の窒化物半導体層が積層されて形成され、高さが他の部分よりも低い窪み部と、活性層が主面と平行に形成された平坦部と、平坦部と窪み部との間に形成され、活性層の禁制帯幅が平坦部よりも大きい禁制帯幅増大部とを有する半導体層積層体を形成する工程(a)と、半導体層積層体を選択的に除去することにより屈折率調整凹部を形成する工程(b)とを備え、工程(a)では、窪み部を避け且つ平坦部及び禁制帯幅増大部を含む、ストライプ状の光導波路を形成し、工程(b)では、屈折率調整凹部を、光導波路を挟んで窪み部と反対側に形成することを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor laser device according to the present invention is formed by laminating a plurality of nitride semiconductor layers including an active layer on a main surface of a substrate, and a recess having a height lower than that of other portions, A semiconductor layer stack including a flat portion in which an active layer is formed in parallel with the main surface, and a forbidden band width increasing portion formed between the flat portion and the recessed portion, wherein the forbidden band width of the active layer is larger than the flat portion. A step (a) of forming a body, and a step (b) of forming a refractive index adjustment recess by selectively removing the semiconductor layer stack, and in step (a), avoiding the depression and flat portion And a stripe-shaped optical waveguide including a forbidden band width increasing portion is formed, and in the step (b), the refractive index adjusting concave portion is formed on the opposite side of the concave portion with the optical waveguide interposed therebetween.
本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、窪み部を避け且つ平坦部及び禁制帯幅増大部を含む、ストライプ状の光導波路をするため、前方端面に光吸収を低減した端面窓部を形成することができる。また、光導波路を挟んで窪み部と反対側に屈折率調整凹部を形成するため、前方端面における水平方向に実効屈折率分布を改善し、対称性に優れた光ビームを出射する半導体レーザ装置を製造できる。 The semiconductor laser device manufacturing method according to the present invention forms a striped optical waveguide that includes a flat portion and a forbidden band width increasing portion while avoiding a hollow portion, and thus forming an end surface window portion with reduced light absorption on the front end surface. can do. In addition, since the refractive index adjustment concave portion is formed on the opposite side of the hollow portion across the optical waveguide, a semiconductor laser device that improves the effective refractive index distribution in the horizontal direction on the front end face and emits a light beam with excellent symmetry Can be manufactured.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、工程(a)よりも後に、半導体層積層体における窪み部を含む領域を選択的に除去して第1の凹部を形成する工程(c)をさらに備えていてもよい。このような構成とすることにより、第1の凹部と、屈折率調整凹部とのサイズを揃えることが容易となり、実効屈折率の対称性をさらに向上できる。 The method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention further includes a step (c) of selectively removing a region including the recess in the semiconductor layer stack to form a first recess after the step (a). It may be. By adopting such a configuration, it becomes easy to equalize the sizes of the first concave portion and the refractive index adjusting concave portion, and the symmetry of the effective refractive index can be further improved.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法において、工程(b)では、屈折率調整凹部の深さを、第1の凹部の深さと等しくする構成としてもよい。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device of the present invention, in the step (b), the depth of the refractive index adjusting recess may be made equal to the depth of the first recess.
本発明の半導体レーザ装置の製造方法において、工程(a)では、窪み部形成用凹部を有する基板の上に半導体層積層体を形成してもよい。また、工程(a)を、平坦な基板の上に窪み部形成用凹部を有する下部半導体層を形成する工程と、下部半導体層の上に活性層を含む上部半導体層を形成する工程とを含む構成としてもよい。 In the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, in step (a), a semiconductor layer stack may be formed on a substrate having a recess for forming a recess. In addition, the step (a) includes a step of forming a lower semiconductor layer having a recess for forming a recess on a flat substrate, and a step of forming an upper semiconductor layer including an active layer on the lower semiconductor layer. It is good also as a structure.
本発明に係る半導体レーザ装置及びその製造方法によれば、GaN系半導体からなる半導体レーザ装置において端面窓構造を実現し端面劣化を防止すると共に、水平方向の対称性に優れた出射ビーム形状が得られる半導体レーザ装置を実現できる。 According to the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the present invention, an end face window structure is realized in a semiconductor laser device made of a GaN-based semiconductor to prevent end face deterioration, and an emission beam shape having excellent horizontal symmetry is obtained. A semiconductor laser device can be realized.
まず、GaN系半導体レーザ装置に端面窓構造を形成する原理について説明する。端面窓構造を形成するためには、光を出射する前方端面において活性層の禁制帯幅を、他の部分よりも大きくすればよい。なお本明細書において、前方端面とは、2つの共振器端面のうち光出力が大きい端面であり、後方端面とは前方端面とは反対側の前方端面よりも光出力が小さい端面である。 First, the principle of forming the end face window structure in the GaN-based semiconductor laser device will be described. In order to form the end face window structure, the forbidden band width of the active layer may be made larger than that of other portions on the front end face from which light is emitted. In the present specification, the front end face is an end face having a large light output among the two resonator end faces, and the rear end face is an end face having a smaller light output than the front end face on the opposite side to the front end face.
凹部を有する基板の上に半導体層を形成した場合、半導体層のステップカバレッジは100%でないため、凹部の周辺には基板の主面に対して傾斜した半導体層が形成される。半導体層の傾斜は、形成条件にもよるが数度以下である。本願発明者は、窒化物半導体からなる活性層の場合、凹部の周辺に形成され基板の主面に対してわずかに傾斜した部分は、基板の主面に対して平行に形成された部分と比べて禁制帯幅(バンドギャップエネルギー)が大きくなり、光吸収波長が短くなることを見出した。凹部の周辺に形成され、わずかに傾斜した活性層のバンドギャップエネルギーが大きくなる理由は、以下のように推測される。 When a semiconductor layer is formed on a substrate having a recess, the step coverage of the semiconductor layer is not 100%. Therefore, a semiconductor layer inclined with respect to the main surface of the substrate is formed around the recess. The inclination of the semiconductor layer is several degrees or less depending on the formation conditions. In the case of an active layer made of a nitride semiconductor, the inventor of the present application shows that the portion formed around the recess and slightly inclined with respect to the main surface of the substrate is compared with the portion formed parallel to the main surface of the substrate It has been found that the forbidden bandwidth (band gap energy) increases and the light absorption wavelength decreases. The reason why the band gap energy of the active layer formed slightly around the recess and slightly inclined is assumed as follows.
平坦な基板のc面(0001面)上に窒化インジウムガリウム(InGaN)系の活性層を形成した場合、基板のc面に対するオフ角が大きくなるとIn組成が低下して発光ピークエネルギーが小さくなる。この現象が生じる原因は明確ではないが、再現性良く認められる現象である。基板のc面上に傾斜して形成された活性層は、オフ角が大きい基板の上に形成された活性層と同じになる。このため、活性層における凹部の周辺に形成され、わずかに傾斜した部分のバンドギャップエネルギーは、基板の主面に対して平行に形成された部分よりも大きくなり、禁制帯幅増大部が形成される。但し、オフ角を有する基板の場合には、傾斜の向きによってはc面に対する傾斜が小さくなるため、基板の主面に対して平行に形成された部分よりもバンドギャップエネルギーが小さくなる場合がある。しかし、凹部の周辺のいずれかの位置ではc面に対する傾斜が大きくなりバンドギャップエネルギーが大きくなる。 When an indium gallium nitride (InGaN) -based active layer is formed on the c-plane (0001 plane) of a flat substrate, the In composition decreases and the emission peak energy decreases as the off angle with respect to the c-plane of the substrate increases. Although the cause of this phenomenon is not clear, it is a phenomenon that is recognized with good reproducibility. The active layer formed to be inclined on the c-plane of the substrate is the same as the active layer formed on the substrate having a large off angle. For this reason, the band gap energy of the slightly inclined portion formed around the recess in the active layer is larger than the portion formed in parallel to the main surface of the substrate, and the forbidden band width increasing portion is formed. The However, in the case of a substrate having an off angle, the inclination with respect to the c-plane becomes small depending on the direction of the inclination, so that the band gap energy may be smaller than the portion formed parallel to the main surface of the substrate. . However, at any position around the recess, the inclination with respect to the c-plane increases and the band gap energy increases.
前方端面を含む領域において、活性層を基板の主面に対してわずかに傾斜させ、バンドギャップエネルギーが大きい禁制帯幅増大部を形成すれば、GaN系半導体レーザ装置においても、容易に端面窓構造を形成できる。 In a region including the front end face, if the active layer is slightly inclined with respect to the main surface of the substrate to form a forbidden band width increasing portion having a large band gap energy, the end face window structure can be easily formed even in the GaN-based semiconductor laser device. Can be formed.
端面窓構造として利用するためには、禁制帯幅増大部におけるバンドギャップエネルギーが、活性層の他の部分(発光に寄与する部分)のバンドギャップエネルギーよりも少なくとも50meV程度大きくなっていればよく、約100meV以上大きいことが好ましく、約150meV以上大きいことがさらに好ましい。但し、禁制帯幅増大部におけるバンドギャップエネルギーの増大は、オフ角の増大によるIn組成の低下によって生じると考えられる。このため、禁制帯幅増大部におけるバンドギャップエネルギーの増大量は、活性層の発光に寄与する部分に含まれるInがすべてGaに置き換えられた場合のバンドギャップエネルギーの増大量を超えることはない。従って、発光波長が約405nmの青紫色レーザ装置の場合には、禁制帯幅増大部と活性層の他の部分とのバンドギャップエネルギーの差の最大値は約330meVよりも小さくなる。禁制帯幅増大部におけるバンドギャップエネルギーの増大量の理論的な最大値は、活性層の元素組成比によって変化する。このため、発光波長が異なれば異なった値となる。例えば、発光波長が540nmの緑色レーザ装置の場合には、禁制帯幅増大部と活性層の他の部分とのバンドギャップエネルギーの差の最大値は約1100meVとなる。 In order to use it as an end face window structure, the band gap energy in the forbidden band increasing portion only needs to be at least about 50 meV larger than the band gap energy of the other part of the active layer (part contributing to light emission), It is preferably about 100 meV or more, more preferably about 150 meV or more. However, it is considered that the increase in the band gap energy in the forbidden bandwidth increasing portion is caused by the decrease in the In composition due to the increase in the off angle. For this reason, the increase amount of the band gap energy in the forbidden band width increasing portion does not exceed the increase amount of the band gap energy when all of In contained in the portion contributing to light emission of the active layer is replaced with Ga. Therefore, in the case of a blue-violet laser device having an emission wavelength of about 405 nm, the maximum value of the difference in band gap energy between the forbidden band width increasing portion and the other portion of the active layer is smaller than about 330 meV. The theoretical maximum value of the increase amount of the band gap energy in the forbidden band width increasing portion varies depending on the elemental composition ratio of the active layer. For this reason, when the emission wavelength is different, a different value is obtained. For example, in the case of a green laser device having an emission wavelength of 540 nm, the maximum value of the band gap energy difference between the forbidden band width increasing portion and the other portion of the active layer is about 1100 meV.
一方、光ディスク用途、ディスプレイ及びバックライト用途では、光学系を簡素化するために、GaN系半導体レーザ装置の出射ビームを対称形状とすることが求められている。出射ビーム形状が非対称の場合には、ディスク用途では本来レーザ光の照射が必要な部分に照射されない、又は意図しない箇所への書き込みが生じるおそれがある。ディスプレイ及びバックライト用途では、出射したレーザ光を整形する光学系が複雑になり、コスト増の原因となる。出射ビーム形状を対称とするためには、レーザ光を閉じ込める構造体の実効屈折率分布を、光導波路を中心に対称とすることが必要となる。 On the other hand, in an optical disc application, a display, and a backlight application, in order to simplify the optical system, it is required to make the outgoing beam of the GaN-based semiconductor laser device symmetrical. When the shape of the emitted beam is asymmetric, in a disk application, there is a possibility that a portion that originally needs to be irradiated with laser light is not irradiated or writing to an unintended portion occurs. In display and backlight applications, the optical system for shaping the emitted laser light becomes complicated, which causes an increase in cost. In order to make the outgoing beam shape symmetric, it is necessary to make the effective refractive index distribution of the structure that confines the laser light symmetrical about the optical waveguide.
凹部を有する基板の上に半導体層を形成した場合、凹部の上方において半導体層の高さが低い窪み部が形成される。窪み部においては平坦部と比べて半導体層の実効屈折率が小さくなる。このため、凹部を有する基板を用いて端面窓領域を形成した場合には、実効屈折率分布が光導波路を中心に対称とならず、出射ビームの形状が非対称となってしまう。 When a semiconductor layer is formed on a substrate having a recess, a recess having a low semiconductor layer height is formed above the recess. In the hollow portion, the effective refractive index of the semiconductor layer is smaller than that in the flat portion. For this reason, when the end face window region is formed using a substrate having a recess, the effective refractive index distribution is not symmetric about the optical waveguide, and the shape of the outgoing beam is asymmetric.
以下に、前方端面において活性層を基板の主面に対して傾斜させ且つバンドギャップエネルギーを大きくすることにより端面窓構造を形成すると共に、出射ビーム形状を対称とした半導体レーザ装置について実施形態を用いて説明する。 In the following, an embodiment is used for a semiconductor laser device in which the active layer is inclined with respect to the main surface of the substrate at the front end face and the band gap energy is increased to form the end face window structure and the output beam shape is symmetric. I will explain.
(第1の実施形態)
図1(a)〜(c)は、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置であり、(a)は平面構成を示し、(b)は(a)のIb−Ib線における断面構成を示し、(c)は前方端面における断面構成を示している。図1においては、六方晶GaN系結晶の面方位をあわせて示している。図1においてcは(0001)面の法線ベクトル、すなわちc軸を示し、aは(11−20)面及びその等価面の法線ベクトル、すなわちa軸を示し、mは(1−100)面及びその等価面の法線ベクトル、すなわちm軸を示している。なお、面方位におけるミラー指数に附した負の符号”−”は、負の符号に続く一の指数の反転を便宜的に表している。また、図1(c)において、端面コート層については記載していない。
(First embodiment)
1A to 1C show the semiconductor laser device according to the first embodiment. FIG. 1A shows a planar configuration, and FIG. 1B shows a cross-sectional configuration taken along line Ib-Ib in FIG. (C) has shown the cross-sectional structure in a front end surface. In FIG. 1, the plane orientation of the hexagonal GaN-based crystal is also shown. In FIG. 1, c represents the normal vector of the (0001) plane, that is, the c axis, a represents the normal vector of the (11-20) plane and its equivalent plane, that is, the a axis, and m represents (1-100). The normal vector of the surface and its equivalent surface, that is, the m-axis is shown. The negative sign “−” attached to the Miller index in the plane orientation represents the inversion of one index following the negative sign for convenience. Moreover, in FIG.1 (c), it does not describe about the end surface coat layer.
図1に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、半導体層積層体12が窪み部形成用の凹部11aを有する基板11の上に形成されている。基板11の凹部11aの上に形成された部分は、高さが他の部分よりも低い窪み部12aとなっている。窪み部12aは半導体層積層体12aの一部が除去されて形成された凹部とは異なり、各半導体層は連続して形成されている。半導体層積層体12における基板11の平坦な領域の上に形成された部分は、活性層16を含む各層が基板11の主面と平行となった平坦部12bとなっている。窪み部12aと平坦部12bとの間には、活性層16を含む各層が基板11の主面に対して傾斜した傾斜部12cが形成されている。活性層16における傾斜部12cに形成された部分は、平坦部12bに形成された部分よりも禁制帯幅が大きい禁制帯幅増大部16aとなっている。光導波路28は、活性層16の窪み部12aに形成された部分を避け且つ平坦部12bに形成された部分及び禁制帯幅増大部16aを含み、m軸と平行な方向に延びるように形成されている。禁制帯幅増大部16aは前方端面に露出しており、端面窓構造が形成されている。
As shown in FIG. 1, in the semiconductor laser device of this embodiment, a
基板11は、GaN基板等の主面の面方位が(0001)面である窒化物半導体基板である。凹部11aは、酸化シリコン(SiO2)からなるマスクを用いて基板11をドライエッチングすることにより形成すればよい。具体的には、SiH4を用いた熱CVD法により厚さが600nmのSiO2膜を形成した後、フォトリソグラフィを用いて、m軸方向(光導波路に沿った方向)の奥行きが100μmで、a軸方向(前方端面に沿った方向)の幅が50μmの平面方形状の開口部を形成する。続いて、誘導結合プラズマ(ICPプラズマ)エッチング装置を用い、4フッ化炭素(CF4)プラズマにより基板11の開口部から露出した部分を2μmの深さまでエッチングする。続いて、SiO2膜をフッ酸(HF)を用いて除去する。
The
次に、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて、凹部11aを形成した基板11の上に半導体層積層体12を形成する。具体的には例えば、厚さが2μmのn型Al0.03Ga0.07Nからなるn型クラッド層13、厚さが0.1μmのn型GaNからなるn型光ガイド層14を順次成長する。次に、In0.02Ga0.98Nからなるバリア層と、In0.06Ga0.94Nからなる井戸層とが3周期積層された量子井戸(MQW)構造の活性層16を形成する。さらに、活性層16の上に厚さが0.1μmのp型GaNからなるp型光ガイド層17、厚さが10nmのAl0.20Ga0.80Nからなるキャリアオーバーフロー抑制層(OFS層)18、厚さが0.48μmの歪み超格子からなるp型クラッド層19及び厚さが0.05μmのp型のGaNからなるp型コンタクト層20を順次成長する。p型クラッド層19は、厚さが1.5nmのp型Al0.16Ga0.84NとGaNとを160周期積層すればよい。
Next, the
半導体層積層体12における凹部11aの上方に形成された部分は、高さが他の部分よりも低くなり窪み部12aとなる。各半導体層が基板11の主面と平行に形成された平坦部12bと窪み部12aとの間には、主面に対して各半導体層が傾斜した傾斜部12cが形成される。
The portion of the
傾斜部12cにおいて活性層16の(0001)面に対する傾斜は、平坦部12bよりも大きくなる。このため、活性層16における傾斜部12cに形成された部分は、平坦部12bに形成された部分よりもバンドギャップエネルギーが大きい禁制帯幅増大部16aとなる。禁制帯幅増大部16aは光吸収波長が活性層16の他の部分よりも短くなる。従って、禁制帯幅増大部16aが光導波路28の端部となるようにすることにより端面窓構造を形成することができる。
In the
次に、SiO2膜からなるマスクを用いてp型コンタクト層20及びp型クラッド層19を選択的に除去することによりm軸方向に伸びる幅が1.5μmのリッジストライプ部を形成する。リッジストライプ部の形成は、例えば熱CVD法により形成した膜厚が0.3μmのSiO2からなるマスクを用いて、エッチングを行えばよい。
Next, by selectively removing the p-
リッジストライプ部を形成した後、窪み部12aを埋めるように非晶質のIII族窒化物半導体からなる屈折率調整層31を形成する。屈折率調整層31は例えば、AlxGayIn1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)を用いればよい。Al、Ga及びInの組成比は、半導体層積層体12の構成及び窪み部12aの深さ等に応じて調整すればよい。本実施形態においては、例えばGa0.99In0.01Nを用いることにより、対称性が高い実効屈折率分布を実現することができる。
After forming the ridge stripe portion, the refractive
屈折率調整層31の形成は、例えばまず、電子ビーム(EB)蒸着法を用いて厚さが2μの非晶質のIII族窒化物半導体を基板11上の全面に形成する。次に、熱CVD法により、非晶質のIII族窒化物半導体の上にSiO2膜を0.2μm堆積する。さらに、フォトリソグラフィとフッ酸を用いて窪み部12aの上にSiO2膜が残るようにパターニングする。その後、例えば熱燐酸を用いてSiO2膜により被覆された窪み部12aを除いて非晶質のIII族窒化物半導体を除去する。非晶質のIII族窒化物半導体を除去する方法としては、熱燐酸のほか、熱濃硫燐酸や王水などを用いてもよい。さらに、フッ酸を用いてSiO2膜を除去する。
The refractive
この後、既知の方法により、SiO2からなる絶縁膜22、p側電極23、配線電極24、パッド電極25の形成を行う。さらに、基板11を研磨して100μm程度とした後、n側電極26を形成する。この後、m軸方向の長さが600μmとなるようにm面に沿って1次劈開する。但し、この1次劈開時には、禁制帯幅増大部16aが端面に露出するようにし、端面窓構造を形成する。その後、1次劈開された基板11を、a軸方向の幅が200μmとなるようにa面に沿って2次劈開する。
Thereafter, the insulating
図2(a)及び(b)は、半導体層積層体12のa軸方向及びm軸方向にカソードルミネッセンス(Cathode Luminescence:CL)スペクトルをラインスキャンしたときの、CLピークエネルギーをそれぞれ示している。基板11に形成した凹部11aのm軸方向及びa軸方向の1辺は30μmとした。図2(a)及び(b)において凹部11aの中心を原点に採っているため、図中の横軸の15μmの位置が凹部11aの縁となる。
FIGS. 2A and 2B show CL peak energies when the cathode luminescence (Cathode Luminescence: CL) spectrum is line-scanned in the a-axis direction and the m-axis direction of the
この場合、図2(a)に示すようにa軸方向には凹部11aの縁から14μm程度の範囲においてCLピークエネルギーが変化し、禁制帯幅増大部16aが形成されていることがわかる。また、図2(b)に示すようにm軸方向には2μm程度の範囲においてCLピークエネルギーが変化し、禁制帯幅増大部16aとなっていることがわかる。また、a軸方向においては、凹部11aの縁から約5μm離れた領域においてCLピークエネルギーが最も大きくなっている。そこで、光導波路28を、凹部11aからa軸方向に約5μmの距離をおいて、m軸方向に平行に形成することが望ましい。六方晶系であるGaN系材料では、m面が自然劈開面である。このような構成により、凹部11aの近傍で且つ禁制帯幅増大部16aを含み且つm面が露出するように劈開することにより、前方端面におけるCLピークエネルギーが最も大きい、すなわち前方端面におけるレーザ光の吸収量が最も少ない構造を得ることが可能となる。なお、光導波路28は、窪み部12aを避けて形成する必要がある。このため、凹部11aの端部からa軸方向に約1μm以上間隔をおいて形成すればよく、約2μm以上間隔をおくことが好ましい。但し、間隔をおきすぎると光導波路28が傾斜部12cに形成できないため、この例においては、約15μm以下の範囲に形成すればよく、約10μm以下の範囲に形成することが好ましい。
In this case, as shown in FIG. 2A, the CL peak energy changes in the range of about 14 μm from the edge of the
但し、基板11の主面の面方位が(0001)面でありオフ角がない場合には、禁制帯幅増大部16aは、凹部11aのa軸方向の両側方に形成される。しかし、基板11の主面の面方位が(0001)面から傾斜し、オフ角を有している場合には、傾斜の向きにより凹部11aのどちらか一方の側方に禁制帯幅増大部16aが形成される。従って、この場合には禁制帯幅増大部16aが形成される側に光導波路28を形成する必要がある。また、基板の状態等により基板の主面に対して傾斜していなくても禁制帯幅が大きい部分が形成される場合があり得るが、禁制帯幅が増大していれば端面窓部としてもいることができる。
However, when the surface orientation of the main surface of the
また、本実施形態においては、窪み部12aを形成するために基板11に設けた凹部11aの各辺をa軸及びm軸に平行にし且つ深さを2μmとしたが、凹部11aの平面寸法、平面形状及び深さに応じて、積層構造体におけるCLピークエネルギーの変化量が最も大きくなる位置が異なる場合がある。例えば、図2(a)及び(b)に示したように、本測定例においては、CLピークエネルギーが変化する領域は、凹部11aの縁から2μm以上且つ14μm以下の範囲であったが、凹部11aの形状及び半導体層積層体12の成膜条件によっては、CLピークエネルギーが変化する領域は凹部11aの縁から1μm以上且つ100μm以下の範囲となる場合がある。このような場合には、CLピークエネルギーの変化量が最も大きい領域を含むように光導波路28を形成し、且つ変化量が最も大きい領域で劈開することにより、光吸収が少ない端面窓構造を形成することができる。
In the present embodiment, each side of the
しかし、窪み部12aを設け、端面窓構造を形成しただけでは、窪み部12aにおいて実効屈折率が低くなる。このため、前方端面29における水平方向(a軸方向)の実効屈折率分布は図3(b)に示すように左右非対称となる。このように、前方端面29における実効屈折率が左右非対称となると、前方端面29から出射されるレーザ光の水平方向のビーム形状が非対称となり、遠視野像(FFP)のパターンが左右非対称となる。
However, the effective refractive index is lowered in the
一方、本実施形態の半導体レーザ装置は、窪み部12aに埋め込まれた屈折率調整層31を有している。このため、前方端面29における水平方向の実効屈折率分布は図3(a)に示すように光導波路28を中心にほぼ左右対称となる。このため、FFPのパターンが左右対称に近い半導体レーザ装置とすることができる。
On the other hand, the semiconductor laser device of this embodiment has a refractive
屈折率調整層31は、前方端面29における水平方向の実効屈折率分布が光導波路28を中心に左右対称となる屈折率の値を有する材料を選択することが好ましい。しかし、絶対屈折率が1.0よりも大きい材料であれば、実効屈折率分布を改善する効果が得られる。特に、半導体層積層体と同じ材料であるIII族窒化物を埋め込めば実効屈折率分布の改善効果を高くすることができる。しかし、結晶質のIII族窒化物は、ウエットエッチングが困難であり、埋め込み後に不要な部分を除去することが難しい。このため、除去が容易な非晶質のIII族窒化物を用いることが好ましい。また、酸化亜鉛(ZnO)も屈折率がGaNと近いため、実効屈折率分布の改善効果が高く好ましい。さらに、SiO2及び酸化チタン(TiO2)等は窪み部12aへの埋め込みが容易であり、形成工程を簡略化しつつ実効屈折率分布を改善することができるという利点が得られる。
For the refractive
絶縁膜22、p側電極23、配線電極24、パッド電極25、n側電極26は既知の方法を用いて形成すればよいが、例えば以下のような方法とすることができる。屈折率調整層31を形成した後、熱CVD法を用いて、基板11上の全面に膜厚が200nmのSiO2からなる絶縁膜(パッシベーション膜)22を形成する。次に、リソグラフィ法により、絶縁膜22におけるリッジストライプ部の上面に、リッジストライプ部に沿って幅が1.3μmの開口部を有するレジストパターン(図示せず)を形成する。続いて、例えば三フッ化メタン(CHF3)ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)により、レジストパターンをマスクとして絶縁膜22をエッチングして、p型コンタクト層20のリッジストライプ部の上面部分を露出する。次に、例えばEB蒸着法により、少なくともリッジストライプ部の上面から露出したp型コンタクト層20の上に、厚さが40nmのパラジウム(Pd)と厚さが35nmの白金(Pt)とからなる金属積層膜を形成する。その後、レジストパターンを除去するリフトオフ法により、金属積層膜のリッジストライプ部を除く領域を除去して、p側電極23を形成する。
The insulating
次に、リソグラフィ法及びリフトオフ法により、絶縁膜22の上にリッジストライプ部の上部のp側電極23を覆うように、例えばリッジストライプ部に平行な方向の平面寸法が500μmで、且つリッジストライプ部に垂直な方向の平面寸法が150μmの配線電極24を選択的に形成する。配線電極24は、それぞれ厚さが50nm、200nm及び100nmのチタン(Ti)/白金(Pt)/金(Au)の金属積層膜により形成する。
Next, the planar dimension in the direction parallel to the ridge stripe portion is 500 μm, for example, so as to cover the p-
一般に、基板11はウェハ状態であって、複数のレーザ装置が基板11の主面上に行列状に形成される。ウェハ状態にある基板11から個々のレーザチップに分割する際に、配線電極24を切断すると、配線電極24に密着したp側電極23がp型コンタクト層20から剥がれるおそれがある。そこで、配線電極24は互いに隣接するチップ同士でつながらないように形成することが好ましい。配線電極24を形成した後、電解めっき法により、配線電極24の上層のAu層の厚さを10μm程度にまで増やして、パッド電極25を形成する。このようにすると、ワイヤボンディングを用いたレーザチップの実装が可能となると共に、MQW活性層5における発熱を効果的に放熱させることができるため、半導体レーザ装置の信頼性を向上することができる。
In general, the
次に、パッド電極25まで形成されたウェハ状態の基板1の裏面を、ダイヤモンドスラリを用いて研磨し、基板11の厚さが100μm程度になるまで薄膜化する。その後、例えばEB蒸着法により、基板11の裏面に、厚さが5nmのTi、厚さが10nmの白金及び厚さが1000nmのAuからなるn側電極26を形成する。
Next, the back surface of the wafer-like substrate 1 formed up to the
本実施形態において、窪み部12aを形成するために凹部11aを有する基板11の上に半導体層積層体12を形成した。しかし、半導体層積層体12を下部半導体層33と活性層を含む上部半導体層34とに別け、図4に示すように平坦な基板の上に、窪み部形成用の凹部32を有する下部半導体層33を形成した後、その上に上部半導体層34を形成してもよい。具体的には例えば、n型クラッド層13だけをまず成長させた後、選択的にエッチングを行い窪み部形成用の凹部32を形成する。次に、凹部32を形成したn型クラッド層13の上にn型光ガイド層14よりも上側の層を再成長すればよい。但し、活性層16が上部半導体層に含まれるようにすれば、上部半導体層と下部半導体層とをいずれの層で分割してもよい。また、基板11とn型クラッド層13との間にバッファ層を形成し、バッファ層に窪み部形成用の凹部32を形成してもよい。
In the present embodiment, the
(第2の実施形態)
図5(a)〜(c)は、第2の実施形態に係る半導体レーザ装置であり、(a)は平面構成を示し、(b)は(a)のVb−Vb線における断面構成を示し、(c)は前方端面における断面構成を示している。図5において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Second Embodiment)
5A to 5C show a semiconductor laser device according to the second embodiment. FIG. 5A shows a planar configuration, and FIG. 5B shows a cross-sectional configuration taken along the line Vb-Vb in FIG. (C) has shown the cross-sectional structure in a front end surface. In FIG. 5, the same components as those of FIG.
本実施形態の半導体レーザ装置は、窪み部12aを埋める屈折率調整層が形成されていない。代わりに、半導体層積層体12における光導波路28を挟んで窪み部12aと反対側に屈折率調整凹部12eを有している。屈折率調整凹部12eを形成することにより、前方端面29における実効屈折率分布は、図6に示すように光導波路28を中心にほぼ対称となる。
In the semiconductor laser device of this embodiment, the refractive index adjustment layer that fills the
屈折率調整凹部12eは、リッジストライプ部を形成した後、屈折率調整凹部12eを形成する位置に開口部を有するマスクを用いて、半導体層積層体12を選択的にエッチングすればよい。屈折率調整凹部12eのサイズは、窪み部12aとほぼ同じになるようにすれば、実効屈折率分布をほぼ対称とすることができる。例えば、基板11に形成した凹部11aのm軸方向の奥行きが100μmであり、a軸方向の幅が50μmであり、深さが2μmである場合、半導体層積層体12に形成される窪み部12aは、m軸方向の奥行きが約95.5μmとなり、a軸方向の幅が約48μmとなり、深さが約2μmとなる。従って、屈折率調整凹部12eは、m軸方向の奥行きを95.5μmとし、a軸方向の幅を48μmとし、深さを2μmとすればよい。また、屈折率調整凹部12eの位置は、リッジストライプ部を中心として窪み部12aと対称となるようにすることが好ましい。しかし、屈折率調整凹部12eのサイズを窪み部12aと同一としなくても、FFPのパターンを改善する効果が得られる。また、形成位置も完全に対称とする必要はない。
The refractive
さらに、図7に示すように、窪み部に合わせて屈折率調整凹部を形成するのではなく、窪み部の位置に第1の凹部12fを形成し、光導波路28を挟んで第1の凹部12fと反対側の位置に第1の凹部12fとほぼ等しい屈折率調整凹部12gを形成してもよい。この場合、第1の凹部12fのサイズと屈折率調整凹部12gのサイズとを容易に揃えることができる。従って、実効屈折率分布の対称性をさらに向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 7, the refractive index adjusting recess is not formed in accordance with the recess, but the
第1の凹部12fは、リッジストライプ部を形成した後、第1の凹部12f及び屈折率調整凹部12gを形成する位置に開口部を有するマスクを用いて、半導体層積層体12を選択的にエッチングして形成すればよい。この際に、第1の凹部12fが窪み部を含む領域に形成されるようにすればよい。
After forming the ridge stripe portion, the
図7は、第1の凹部12fを基板11に形成した窪み部形成用の凹部が露出するまで半導体層12を除去して形成しており、屈折率調整凹部12gも基板11の一部を除去する深さまで形成している。しかし、第1の凹部12fの深さをもっと浅くし、半導体層積層体12の一部が残存するようにしてもよい。この場合には、屈折率調整凹部12gの深さも、第1の凹部12fの深さに合わせて浅くしてかまわない。また、第1の凹部12fの深さと屈折率調整凹部12gの深さとを同じにした方が、対称性が向上するが、異なっていても一定の効果が得られる。
In FIG. 7, the
基板11の一部が除去するような深い第1の凹部12f及び屈折率調整凹部12gを形成した場合には、図8に示すように凹部における実効屈折率の低下が著しくなる。しかし、実効屈折率の分布が光導波路28を中心として対称となれば問題ない。
When the deep first
また、第2の実施形態においても、基板11に凹部11aを形成するのではなく、半導体層積層体12を下部半導体層と活性層を含む上部半導体層とに別け、下部半導体層に窪み部形成用の凹部を形成し、凹部を形成した下部半導体層の上に活性層を含む上部半導体層を再成長させてもよい。
Also in the second embodiment, the
各実施形態において、窪み部形成用の凹部11aはm軸方向の奥行きを100μmとし、a軸方向の幅を50μmとした。凹部11aのm軸方向の奥行きは、端面窓部の奥行きを規定する。従って、約5μm以上あればよく、約50μm以上あることが好ましい。但し、あまり大きすぎると、発光に寄与する部分が小さくなってしまうため、約200μm以下とすることが好ましい。同様に凹部11aのa軸方向の幅は、約2μm以上あればよく、約20μm以上あることが好ましい。幅の上限は、共振器幅に応じて変化するが、あまり大きくしても意味がないため約200μm以下とすればよく、約100μm以下とすることが好ましい。凹部11aの深さは少なくとも約0.1μmあればよく、約1μm以上あることが好ましい。また、あまり深くすると形成が困難となるため約10μm以下とすればよく、約5μm以下とすることが好ましい。
In each embodiment, the
また、凹部11aは前方端面に露出するように形成すればよい。しかし、前方端面に禁制帯幅増大部16aを露出できれば、凹部11a自体が前方端面に露出している必要はない。このため、前方端面から50μm程度離れた位置までの間に形成すればよく、約20μm以下の範囲までに形成することが好ましい。
Moreover, what is necessary is just to form the recessed
基板に凹部を形成するのではなく、下部半導体層に凹部を形成する場合も同様にすればよい。但し、下部半導体層に凹部を形成する場合には、深さが0.01μm程度であっても、活性層に傾斜領域を形成し端面窓部を形成することが可能である。 The same applies to the case where the recess is formed in the lower semiconductor layer instead of forming the recess in the substrate. However, when the recess is formed in the lower semiconductor layer, it is possible to form an inclined region in the active layer and form the end face window even if the depth is about 0.01 μm.
各実施形態において、基板の主面の面方位が(0001)面であるとして説明を行った。しかし、オフ角を有している基板であってもよい。但し、この場合には活性層の禁制帯幅が大きくなる側の傾斜部つまり禁制帯幅増大部を含むように光導波路を形成する必要がある。また、前方端面をa軸と平行とし、リッジストライプ部をm軸と平行に形成する例を示した。このようにすれば、劈開が容易となるが、必ずしもこれらの結晶軸に合わせる必要はない。積層構造体の成長用基板は、六方晶系に属するGaN系基板(GaN基板、AlGaN基板等)に限らず、GaN系材料を成長可能な他の基板、例えば炭化シリコン(SiC)、シリコン(Si)、サファイア(単結晶Al2O3)又は酸化亜鉛(ZnO)等を用いることができる。 In each embodiment, description has been made assuming that the plane orientation of the main surface of the substrate is the (0001) plane. However, it may be a substrate having an off angle. However, in this case, it is necessary to form the optical waveguide so as to include an inclined portion on the side where the forbidden band width of the active layer becomes large, that is, a forbidden band width increasing portion. Further, an example is shown in which the front end face is parallel to the a-axis and the ridge stripe portion is formed parallel to the m-axis. In this way, cleavage is facilitated, but it is not always necessary to match these crystal axes. The growth substrate of the laminated structure is not limited to a GaN-based substrate (GaN substrate, AlGaN substrate, etc.) belonging to a hexagonal system, but other substrates capable of growing a GaN-based material, such as silicon carbide (SiC), silicon (Si ), Sapphire (single crystal Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), or the like can be used.
各実施形態において半導体レーザ装置の共振器長は特に限定されないが、約200μm以上あれば端面窓構造の形成が容易であり、約400μm以上であればさらに好ましい。また、共振器長が長い場合にも対応可能であるが約2000μm以下であれば形成が容易であり、約1000μm以下であればさらに好ましい。また、共振器幅も特に限定されないが、約200μm以上であれば形成が容易となる。共振器幅が大きい場合にも対応可能であるが、約400μm以下であることが好ましい。 In each embodiment, the resonator length of the semiconductor laser device is not particularly limited. However, if it is about 200 μm or more, it is easy to form the end face window structure, and if it is about 400 μm or more, it is more preferable. Although it is possible to cope with a case where the resonator length is long, formation is easy if it is about 2000 μm or less, and it is more preferable if it is about 1000 μm or less. Also, the resonator width is not particularly limited, but it can be easily formed if it is about 200 μm or more. Although it is possible to cope with the case where the resonator width is large, it is preferably about 400 μm or less.
各実施形態において、リッジストライプ型の半導体レーザ装置について説明したが、埋め込み型の半導体レーザ装置においても同様の構成とすることができる。また、前方端面のみに端面窓構造を形成した半導体レーザ装置について説明したが、前方端面だけでなく、後方端面にも同様の端面窓構造を設けてもよい。この場合、前方端面と同様に、屈折率分布を対称化する処理を後方端面にも施すことができる。 In each of the embodiments, the ridge stripe type semiconductor laser device has been described. However, the embedded semiconductor laser device can have the same configuration. Further, the semiconductor laser device in which the end face window structure is formed only on the front end face has been described, but the same end face window structure may be provided not only on the front end face but also on the rear end face. In this case, similarly to the front end face, a process for symmetrizing the refractive index distribution can be performed on the rear end face.
本発明に係る半導体レーザ装置及びその製造方法は、GaN系半導体からなる半導体レーザ装置において端面窓構造を実現し端面劣化を防止すると共に、水平方向の対称性に優れた出射ビーム形状が得られる半導体レーザ装置を実現でき、高出力で且つ出射光の水平方向の対称性を要求される窒化物半導体レーザ装置及びその製造方法等として有用である。 The semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the present invention are semiconductors that realize an end face window structure in a semiconductor laser device made of a GaN-based semiconductor to prevent end face deterioration and obtain an output beam shape with excellent horizontal symmetry. The laser device can be realized, and is useful as a nitride semiconductor laser device that requires high output and symmetry in the horizontal direction of emitted light, and a method for manufacturing the same.
11 基板
11a 凹部
12 半導体層積層体
12a 窪み部
12b 平坦部
12c 傾斜部
12e 屈折率調整凹部
12f 第1の凹部
12g 屈折率調整凹部
13 n型クラッド層
14 n型光ガイド層
16 活性層
16a 禁制帯幅増大部
17 p型光ガイド層
19 p型クラッド層
20 p型コンタクト層
22 絶縁膜
23 p側電極
24 配線電極
25 パッド電極
26 n側電極
28 光導波路
29 前方端面
31 屈折率調整層
32 凹部
33 下部半導体層
34 上部半導体層
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記窪み部を埋める屈折率調整層とを備え、
前記半導体層積層体は、
前記活性層が前記主面と平行に形成された平坦部と、
前記平坦部と前記窪み部との間に形成され、前記活性層の禁制帯幅が前記平坦部よりも大きい禁制帯幅増大部と、
光を出射する前方端面と、
前記窪み部を避け且つ前記平坦部及び禁制帯幅増大部を含み、前記前方端面と交差する方向に延びるストライプ状の光導波路とを有することを特徴とする半導体レーザ装置。 A plurality of nitride semiconductor layers including an active layer formed on the main surface of the substrate, the semiconductor layer stack having a recess having a height lower than that of other portions;
A refractive index adjustment layer filling the hollow portion,
The semiconductor layer stack is
A flat portion in which the active layer is formed parallel to the main surface;
A forbidden band width increasing portion formed between the flat portion and the indented portion, wherein the forbidden band width of the active layer is larger than the flat portion;
A front end surface that emits light;
A semiconductor laser device comprising: a striped optical waveguide that avoids the depression and includes the flat portion and the forbidden band width increasing portion and extends in a direction intersecting the front end face.
前記半導体層積層体は、
高さが他の部分よりも低い窪み部と、
前記活性層が前記主面と平行に形成された平坦部と、
前記平坦部と前記窪み部との間に形成され、前記活性層の禁制帯幅が前記平坦部よりも大きい禁制帯幅増大部と、
光を出射する前方端面と、
前記窪み部を避け且つ前記平坦部及び禁制帯幅増大部を含み、前記前方端面と交差する方向に延びるストライプ状の光導波路と、
前記光導波路を挟んで前記窪み部と反対側に形成され、前記窒化物半導体層の一部が除去された屈折率調整凹部とを有していることを特徴とする半導体レーザ装置。 A semiconductor layer stack formed by stacking a plurality of nitride semiconductor layers including an active layer on a main surface of a substrate,
The semiconductor layer stack is
A dent that is lower in height than other parts,
A flat portion in which the active layer is formed parallel to the main surface;
A forbidden band width increasing portion formed between the flat portion and the indented portion, wherein the forbidden band width of the active layer is larger than the flat portion;
A front end surface that emits light;
A striped optical waveguide that avoids the depression and includes the flat portion and the forbidden band width increasing portion and extends in a direction intersecting the front end surface;
A semiconductor laser device, comprising: a refractive index adjusting recess formed on a side opposite to the recess with the optical waveguide interposed therebetween, from which a part of the nitride semiconductor layer is removed.
前記半導体層積層体を選択的に除去することにより屈折率調整凹部を形成する工程(b)とを備え、
前記工程(a)では、前記窪み部を避け且つ前記平坦部及び禁制帯幅増大部を含む、ストライプ状の光導波路を形成し、
前記工程(b)では、前記屈折率調整凹部を、前記光導波路を挟んで前記窪み部と反対側に形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 A plurality of nitride semiconductor layers including an active layer are stacked and formed on the main surface of the substrate, and the active layer is formed in parallel to the main surface and a recess having a height lower than that of other portions. Forming a semiconductor layer stack including a flat portion, and a forbidden band width increasing portion formed between the flat portion and the recess portion, wherein the forbidden band width of the active layer is larger than the flat portion ( a) and
And (b) forming a refractive index adjusting recess by selectively removing the semiconductor layer stack.
In the step (a), a striped optical waveguide is formed that avoids the depression and includes the flat portion and the forbidden band width increasing portion,
In the step (b), the refractive index adjusting recess is formed on the opposite side of the recess with the optical waveguide interposed therebetween.
前記下部半導体層の上に前記活性層を含む上部半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項14〜16のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置の製造方法。 The step (a) includes forming a lower semiconductor layer having a recess for forming a recess on a flat substrate;
The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 14, further comprising: forming an upper semiconductor layer including the active layer on the lower semiconductor layer.
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JP2009105904A JP2010258183A (en) | 2009-04-24 | 2009-04-24 | Semiconductor laser device, and method for manufacturing the same |
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