JP2011018703A - Multi-wavelength semiconductor laser and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、波長の異なる光を発する多波長半導体レーザに関するものである。 The present invention relates to a multiwavelength semiconductor laser that emits light having different wavelengths.
CD、DVD、BD(Blu−ray Disc)などの光ディスクは、大容量の記録媒体として現在盛んに利用されている。これらの光ディスクの記録・再生に用いられるレーザダイオード(以下、「LD」という)の発振波長はそれぞれ異なっており、CD用LDの発振波長は780nm帯(赤外)、DVD用LDの発振波長は650nm帯(赤色)、BD用LDの発振波長は405nm帯(青紫色)である。したがって、1つの光ディスク装置でCD、DVD及びBDの情報を取り扱うためには、赤外、赤色及び青紫色の3色のレーザ光を発する光源が必要となる。 Optical disks such as CDs, DVDs, and BDs (Blu-ray Discs) are currently actively used as large-capacity recording media. The oscillation wavelengths of laser diodes (hereinafter referred to as “LD”) used for recording / reproduction of these optical discs are different, the oscillation wavelength of CD LD is 780 nm band (infrared), and the oscillation wavelength of DVD LD is The oscillation wavelength of the 650 nm band (red) and the BD LD is the 405 nm band (blue-violet). Therefore, in order to handle CD, DVD, and BD information with one optical disk device, a light source that emits laser light of three colors of infrared, red, and blue-violet is required.
赤外、赤色及び青紫色の3色のレーザ光を発する従来の多波長半導体レーザ光源として、GaN基板上に形成された青紫色LDと、GaAs基板上に形成された赤色及び赤外のレーザ光を発する2波長LDとを有し、青紫色LDをサブマウント上にはんだ層を介して載置するとともに、2波長LDをはんだ層を介してフェースダウン状にサブマウント上に載置したものがある(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional multi-wavelength semiconductor laser light source that emits three colors of infrared, red, and blue-violet laser light, a blue-violet LD formed on a GaN substrate and a red and infrared laser light formed on a GaAs substrate And a blue-violet LD placed on the submount via a solder layer and the two-wavelength LD placed face-down on the submount via the solder layer. Yes (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述のような従来の多波長半導体レーザ光源においては、赤外及び赤色レーザ光を発する二波長LDと青紫色LDとが別個のLDとして存在するため、これらのLDをサブマウント上に実装する際に、各LDの光軸を揃えるため高精度な実装技術が必要となり、半導体レーザ光源として高い歩留まりを得ることが困難であるという問題があった。 However, in the conventional multi-wavelength semiconductor laser light source as described above, the two-wavelength LD that emits infrared and red laser light and the blue-violet LD exist as separate LDs, and these LDs are mounted on the submount. In this case, a highly accurate mounting technique is required to align the optical axes of the LDs, and it is difficult to obtain a high yield as a semiconductor laser light source.
また、赤外又は赤色レーザ光を出射するAlGaAs、AlGaInP又はGaInPからなる活性層を含む半導体層と、青紫色レーザ光を出射する窒化物半導体からなる活性層を含む半導体層とは、結晶構造及び格子定数が異なるため、1つの共通基板上にモノリシックに形成することはできなった。 A semiconductor layer including an active layer made of AlGaAs, AlGaInP, or GaInP that emits infrared or red laser light, and a semiconductor layer containing an active layer made of a nitride semiconductor that emits blue-violet laser light have a crystal structure and Since the lattice constants are different, they cannot be formed monolithically on one common substrate.
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、異なる波長のレーザ光を発する個々のLDの光軸を揃えるための高精度な機械的実装を必要とすることなく容易に高精度な多波長半導体レーザを得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be easily performed without requiring high-precision mechanical mounting for aligning the optical axes of individual LDs that emit laser beams having different wavelengths. A highly accurate multi-wavelength semiconductor laser is obtained.
この発明に係る多波長半導体レーザは、GaAsからなる基板と、前記基板上の一部に形成され、GaAsxN1−x(0≦x≦1)からなる組成変調バッファ層と、前記組成変調バッファ層上に形成された窒化物半導体からなる活性層を含む第1の半導体層と、前記基板上に前記組成変調バッファ層と並置して形成されたAlGaAsからなる活性層を含む第2の半導体層と、前記基板上に前記第2の半導体層と並置して形成され、AlGaInP又はGaInPからなる活性層を含む第3の半導体層とを備え、前記組成変調バッファ層は、前記基板から前記第1の半導体層に向かってN原子含有量が高くなる傾斜組成で形成されていることを特徴とするものである。 The multiwavelength semiconductor laser according to the present invention includes a substrate made of GaAs, a composition modulation buffer layer formed on a part of the substrate and made of GaAs x N 1-x (0 ≦ x ≦ 1), and the composition modulation A first semiconductor layer including an active layer made of a nitride semiconductor formed on the buffer layer, and a second semiconductor including an active layer made of AlGaAs formed in parallel with the composition modulation buffer layer on the substrate And a third semiconductor layer formed on the substrate in parallel with the second semiconductor layer and including an active layer made of AlGaInP or GaInP, wherein the composition modulation buffer layer is formed from the substrate. It is characterized by being formed with a gradient composition in which the N atom content increases toward one semiconductor layer.
本発明により、異なる波長のレーザ光を発する個々のLDの光軸を揃えるための高精度な機械的実装を必要とすることなく容易に高精度な多波長半導体レーザを得ることができる。 According to the present invention, a highly accurate multi-wavelength semiconductor laser can be easily obtained without requiring highly accurate mechanical mounting for aligning the optical axes of individual LDs that emit laser beams of different wavelengths.
図1は、この発明の実施の形態における多波長半導体レーザの構成を示す断面図である。また、図2−16は、この発明の実施の形態における多波長半導体レーザの製造工程を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a multiwavelength semiconductor laser according to an embodiment of the present invention. FIGS. 2-16 is sectional drawing which shows the manufacturing process of the multiwavelength semiconductor laser in embodiment of this invention. FIGS.
まず、図1を参照して、この発明の実施の形態における多波長半導体レーザ100の構造について説明する。n型GaAsからなる基板10上の一部に、n型GaAsxN1−x(0≦x≦1)混晶からなる組成変調バッファ層20が形成されている。なお、基板10の表面は、GaAsの(111)面からなることが好ましい。
First, referring to FIG. 1, the structure of
組成変調バッファ層20上に、青紫色光を発する窒化物半導体からなる活性層を含む第1の半導体層40(青紫色LD部)が形成されている。基板10上に組成変調バッファ層20と並置して、赤外光を発するAlGaAsからなる活性層を含む第2の半導体層50(赤外LD部)が形成されている。基板10上に第2の半導体層50と並置して、赤色光を発するAlGaInP又はGaInPからなる活性層を含む第3の半導体層60(赤色LD部)が形成されている。
On the composition
また、基板10の裏面にn側電極70が形成されている。第1、第2及び第3の半導体層40,50,60上にそれぞれp側電極81,82,83が形成されている。
An n-
ここで、組成変調バッファ層20は、基板10から第1の半導体層40に向かってN原子含有量が高くなる傾斜組成で形成されている。第1の半導体層40が形成される表面20aはGaNに近い組成で形成されている。なお、組成変調バッファ層20は、超格子バッファ層で形成してもよい。
Here, the composition
また、組成変調バッファ層20の表面20aは最稠密面で形成することが望ましく、GaNに近い組成で構成される組成変調バッファ層20の表面20aは、(0001)面に対して<1−100>方向に0.1度以上1度以下のオフ角を有するように形成することが好ましい。
Further, the
青紫色LD部である第1の半導体層40では、組成変調バッファ層20上に、n型AlGaNクラッド層41、窒化物半導体であるInGaNを含む活性層42、p型AlGaNクラッド層43、及びp型コンタクト層44が順次積層されており、p型コンタクト層44上にはp側電極81が形成されている。また、p型AlGaNクラッド層43及びp型コンタクト層44にはリッジ導波路が形成されている。
In the
また、赤外LD部である第2の半導体層50では、基板10上に、n型AlGaAsクラッド層51、AlGaAsを含む活性層52、p型AlGaAsクラッド層53、及びp型コンタクト層54が順次積層されており、p型コンタクト層54上にはp側電極82が形成されている。また、p型AlGaAsクラッド層53及びp型コンタクト層54にはリッジ導波路が形成されている。
In the
また、赤色LD部である第3の半導体層60では、基板10上に、n型AlGaInPクラッド層61、GaInPを含む活性層62、p型AlGaInPクラッド層63、及びp型コンタクト層64が順次積層されており、p型コンタクト層64上には、p側電極83が形成されている。また、p型AlGaInPクラッド層63及びp型コンタクト層64にはリッジ導波路が形成されている。
In the
なお、上記第1、第2及び第3の半導体層40,50,60の各活性層42,52,62は、ウェル層とバリア層を順次積層した多重量子井戸構造で形成するのが好ましい。また、各活性層とn型クラッド層及びp型クラッド層との間にSCH(Separate Confinement Heterostructure)層を設けてもよい。また、各半導体層40,50,60の発光点はほぼ同一の平面上にある。ここで、「ほぼ同一の平面」とは、光学設計上許容できる誤差を含んでもよいことを意味する。
The
このような構造を備えた多波長半導体レーザ100は、青紫色LD部である第1の半導体層40上に形成されたp側電極81とn側電極70との間に所定の電圧を印加することにより活性層42から青紫色レーザ光が放射される。同様に、赤外LD部である第2の半導体層50上に形成されたp側電極82とn側電極70との間に所定の電圧を印加することにより活性層52から赤外レーザ光が放射され、第3の半導体層60上に形成されたp側電極83とn側電極70との間に所定の電圧を印加することにより活性層62から赤色レーザ光が放射される。
The
次に、図2−16を参照して、本実施の形態における多波長半導体レーザ100の製造方法について説明する。
Next, with reference to FIGS. 2-16, the manufacturing method of the
(組成変調バッファ層形成工程)
まず、図2に示すように、GaAs基板10表面の一部に開口部11aを設けたSiO2膜11を形成する。なお、SiO2膜11はSiN膜等他の膜であってもよい(以後の工程においても同様)。そして、図3に示すように、基板10をGaAsN層の成長温度に昇温し、例えば、As原料であるAsH3ガス、Ga原料であるTMG(トリメチルガリウム)ガス、及びN原料であるNH3ガスをキャリアガスであるH2ガスとともに、反応容器内に所定量供給することにより、GaAsN層21をGaAs基板10上の一部及びSiO2膜11上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法でエピタキシャル成長させる。このとき、GaAsN層21の組成が、基板10側から表面21aに向かってN原子含有量が高くなり、表面21aでGaNに近い組成となるように、GaAsN層21の成長に合わせて、N原料であるNH3ガスの流量を漸次増加させ、As原料であるAsH3ガスの流量を漸次減少させる。その後、基板10上のSiO2膜11及びこのSiO2膜11上に積層されたGaAsN層21をドライエッチングで除去することにより、図4に示すように、基板10上に組成変調バッファ層20を形成する。
(Composition modulation buffer layer forming step)
First, as shown in FIG. 2, an SiO 2 film 11 having an
(第1の半導体層形成工程)
次いで、図5に示すように、組成変調バッファ層20上の一部に開口部13aを有するSiO2膜13からなる保護膜を基板10の表面に形成する。このとき、基板10上であって、後の工程で第2及び第3の半導体層50,60を形成する領域は必ず上記保護膜によって覆われるようにしておく。
(First semiconductor layer forming step)
Next, as shown in FIG. 5, a protective film made of the SiO 2 film 13 having an opening 13 a in a part on the composition
その後、図6に示すように、MOCVD法により、組成変調バッファ層20上にn型AlGaNクラッド層41、InGaNを含む活性層42、p型AlGaNクラッド層43、及びp型コンタクト層44を順次積層して、第1の半導体層40を形成する。例えば、n型AlGaNクラッド層41の成長温度は1100℃、活性層42の成長温度は740℃、p型AlGaNクラッド層43の成長温度は1100℃である。そして、図7に示すように、SiO2膜13をドライエッチングにより除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 6, an n-type
(第2の半導体層形成工程)
次に、図8に示すように、組成変調バッファ層20上の一部に開口部14aを有するSiO2膜14からなる保護膜を基板10の表面に形成する。このとき、基板10上であって、後の工程で第3の半導体層60を形成する領域は必ず上記保護膜によって覆われるようにしておく。そして、例えばRIE法により、SiO2膜14の開口部14aを介して基板10の表面を少なくとも1分子層以上エッチングにより除去する。
(Second semiconductor layer forming step)
Next, as shown in FIG. 8, a protective film made of the SiO 2 film 14 having an opening 14 a in a part on the composition
そして、図9に示すように、基板10を600〜700℃に昇温し、MOCVD法により基板10上にn型AlGaAsクラッド層51、AlGaAsを含む活性層52、p型AlGaAsクラッド層53及びp型コンタクト層54を順次積層して第2の半導体層50を形成する。そして、図10に示すように、SiO2膜14をドライエッチングにより除去する。
Then, as shown in FIG. 9, the temperature of the
(第3の半導体層形成工程)
そして、第3の半導体層形成工程と同様に、図11に示すように、基板10上に開口部15aが形成されたSiO2膜15を形成する。そして、例えばRIE法により、SiO2膜15の開口部15aを介して基板10の表面を少なくとも1分子層以上エッチングにより除去する。
(Third semiconductor layer forming step)
Then, as in the third semiconductor layer forming step, as shown in FIG. 11, an SiO 2 film 15 having an
そして、図12に示すように、基板10を600〜700℃に昇温し、MOCVD法により基板10上にn型AlGaInPクラッド層61、GaInPを含む活性層62、p型AlGaInPクラッド層63及びp型コンタクト層64を順次積層して第3の半導体層60を形成する。そして、図13に示すように、SiO2膜15をドライエッチングにより除去する。
Then, as shown in FIG. 12, the temperature of the
なお、第1の半導体層40の形成後であれば、第2の半導体層50及び第3の半導体60のいずれを先に形成しても構わない。
Note that either the
(リッジ形成工程)
その後、図14に示すように、表面にレジストを塗布し、リソグラフィによりメサ部の形状に対応したレジストパターン16を形成する。このレジストパターン16をマスクとして、例えば塩素系ガスを用いて第1、第2及び第3の半導体層40,50,60に形成されたp型コンタクト層44,54,64及びp型クラッド層43,53,63を同じ工程でエッチングすることにより、図15に示すように、光導波層となるリッジを形成する。その後、図16に示すように有機溶剤を用いてレジストパターン16を除去する。なお、各半導体層40,50,60をそれぞれ別工程でエッチングしてそれぞれのリッジ導波路を形成してもよいが、本実施の形態のように各半導体層40,50,60を同じ工程でエッチングすることにより、リッジ形成工程を大幅に短縮することができる。
(Ridge formation process)
Thereafter, as shown in FIG. 14, a resist is applied to the surface, and a resist
(電極形成工程)
そして、図示しない工程により、第1、第2及び第3の半導体層40,50,60上にそれぞれp側電極81,82,83を形成する。さらに、基板10の裏面研磨を行った後、基板10の裏面にn側電極70を形成する。
(Electrode formation process)
Then, p-
以上の工程により、図1に示すような多波長半導体レーザ100を製造することができる。
Through the above steps, a
このように、本実施の形態では、GaAsからなる基板10上にGaAsN混晶からなる組成変調バッファ層20を形成した。そして、この組成変調バッファ層20の組成が基板10から第1の半導体層40が形成される表面20aに向かってN原子含有量が高くなる傾斜組成とした。
Thus, in the present embodiment, the composition
これにより、1つの共通基板10上に、結晶構造及び格子定数の異なるGaN系材料(窒化物半導体)からなる活性層を含む第1の半導体層40(青紫色LD部)、AlGaAsからなる第2の半導体層50(赤外LD部)、及びAlGaInP又はGaInPからなる活性層を含む半導体層60(赤色LD部)をモノリシックに形成した多波長半導体レーザを得ることができる。
Thus, the first semiconductor layer 40 (blue-violet LD portion) including an active layer made of a GaN-based material (nitride semiconductor) having a different crystal structure and lattice constant on one
その結果、従来の多波長半導体レーザ光源を製造する際に必要であった機械的実装が不要となり、容易に高精度な多波長半導体レーザを得ることができる。さらに、1つの基板上にモノリシックに3つのLD部を形成することができるので、小型で軽量な多波長半導体レーザを得ることができる。 As a result, the mechanical mounting required for manufacturing the conventional multi-wavelength semiconductor laser light source becomes unnecessary, and a highly accurate multi-wavelength semiconductor laser can be easily obtained. Furthermore, since three LD portions can be formed monolithically on one substrate, a small and lightweight multi-wavelength semiconductor laser can be obtained.
また、1つの基板10上に複数のLD部を形成することにより、n側電極70も1つにすることができ、ワイヤボンディング工程を短縮することができる。
In addition, by forming a plurality of LD portions on one
また、基板10の表面をGaAsの(111)面とすることで、GaAsxN1−x混晶からなる超格子バッファ層20を基板10上に容易にエピ成長させることができる。
Further, by making the surface of the substrate 10 a (111) plane of GaAs, the
さらに、組成変調バッファ層20の表面20aを、(0001)面に対して<1−100>方向に0.1度以上1度以下のオフ角を設けることにより、表面20a上に形成されるn型クラッド層41の平坦性及び結晶性が向上する。その結果、青紫色LD部を形成する第1の半導体層40の電気特性が向上し、信頼性が向上する。
Further, the
また、本実施の形態によれば、第1、第2及び第3の半導体層40,50,60の発光点がほぼ同一平面上になるように多波長半導体レーザ100を構成したので、多波長半導体レーザ100を光源とするレーザ光源の光学系設計が容易になる。
In addition, according to the present embodiment, the
さらに、本実施の形態によれば、結晶成長温度の高い青紫色LD部となる第1の半導体層40を先に形成した後に、赤外LD部となる第2の半導体層50及び赤色LD部となる第3の半導体層60を形成したので、第2及び第3の半導体層50,60よりも結晶成長温度が高い第1の半導体層40の結晶成長中に第2及び第3の半導体層50,60の層構造が崩れることなく、電気特性及び信頼性の高いLD部を形成することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, after the
また、第1の半導体層40を形成する前に、第2及び第3の半導体層50,60が形成される領域にSiO2膜13からなる保護膜を形成したことにより、結晶成長温度の高い第1の半導体層40の形成中に、基板10から構成原子であるGa及びAs原子が蒸発することを抑制できるので、後の工程で形成する第2及び第3の半導体層50,60の結晶性を向上させることができる。
In addition, since the protective film made of the SiO 2 film 13 is formed in the region where the second and third semiconductor layers 50 and 60 are formed before the
さらに、上記SiO2膜13を除去した後、更に基板10の表面の第2及び第3の半導体層50,60が形成される領域を少なくとも1分子層以上エッチングした。これにより、第1の半導体層40の形成中に基板10の表面から構成原子が蒸発したとしても、基板10の表面を清浄化できる。従って、後の工程で基板10上に形成する第2及び第3の半導体層50,60の結晶性及び電気特性を向上させることができる。
Further, after removing the SiO 2 film 13, at least one molecular layer or more of the region where the second and third semiconductor layers 50 and 60 are formed on the surface of the
また、本実施の形態で示した青紫色LD部である第1の半導体層40、赤外LD部である第2の半導体層50、及び赤色LD部である第3の半導体層60に加えて、GaAs系材料やGaN系材料からなる高周波半導体素子や、AlN系材料からなる紫外光を発する紫外光LD素子等を、本実施の形態と同様の組成変調バッファ層を介して基板10上に形成してもよい。
In addition to the
このように1つの基板10上に、組成変調バッファ層を介して複数のLD素子を形成することにより、他の半導体素子との複合化を容易にすることができ、小型の多機能半導体デバイスを容易に得ることができる。
In this manner, by forming a plurality of LD elements on one
10 基板、 13 SiO2膜(保護膜)、 20 組成変調バッファ層、 40 第1の半導体層、 42,52,62 活性層、 50 第2の半導体層、 60 第3の半導体層、 100 多波長半導体レーザ。 10 substrate, 13 SiO 2 film (protective film), 20 composition modulation buffer layer, 40 first semiconductor layer, 42, 52, 62 active layer, 50 second semiconductor layer, 60 third semiconductor layer, 100 multiwavelength Semiconductor laser.
Claims (7)
前記基板上の一部に形成され、GaAsxN1−x(0≦x≦1)からなる組成変調バッファ層と、
前記組成変調バッファ層上に形成された窒化物半導体からなる活性層を含む第1の半導体層と、
前記基板上に前記組成変調バッファ層と並置して形成されたAlGaAsからなる活性層を含む第2の半導体層と、
前記基板上に前記第2の半導体層と並置して形成され、AlGaInP又はGaInPからなる活性層を含む第3の半導体層とを備え、
前記組成変調バッファ層は、前記基板から前記第1の半導体層に向かってN原子含有量が高くなる傾斜組成で形成されていることを特徴とする多波長半導体レーザ。 A substrate made of GaAs;
A composition modulation buffer layer formed on a part of the substrate and made of GaAs x N 1-x (0 ≦ x ≦ 1);
A first semiconductor layer including an active layer made of a nitride semiconductor formed on the composition modulation buffer layer;
A second semiconductor layer including an active layer made of AlGaAs formed in parallel with the composition modulation buffer layer on the substrate;
A third semiconductor layer formed on the substrate in parallel with the second semiconductor layer and including an active layer made of AlGaInP or GaInP;
The multi-wavelength semiconductor laser, wherein the composition modulation buffer layer is formed with a gradient composition in which an N atom content increases from the substrate toward the first semiconductor layer.
前記組成変調バッファ層上に窒化物半導体からなる活性層を含む第1の半導体層を形成する工程と
前記第1の半導体層を形成した後に、AlGaAsからなる活性層を含む第2の半導体層を形成する工程と、
前記基板上に前記第2の半導体層と並置して、AlGaInP又はGaInPからなる活性層を含む第3の半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする多波長半導体レーザの製造方法。 To a part of a substrate made of GaAs x N 1-x (0 <x <1), forming a compositionally modulated buffer layer made of GaAs x N 1-x (0 ≦ x ≦ 1),
Forming a first semiconductor layer including an active layer made of a nitride semiconductor on the composition modulation buffer layer; and forming a second semiconductor layer including an active layer made of AlGaAs after forming the first semiconductor layer. Forming, and
Forming a third semiconductor layer including an active layer made of AlGaInP or GaInP on the substrate in parallel with the second semiconductor layer.
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