JP2011023493A

JP2011023493A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2011023493A
Application number: JP2009166346A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Shimada; 尚往島田; Makoto Yoshikawa; 真由川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】ＣＯＤを起こしにくく、かつ出力ビーム安定性の高い半導体レーザを得る。
【解決手段】水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満の半導体レーザであり、以下の構成を備えている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、半導体積層構造として、ｎ型クラッド層１２、光導波路層、及びｐ型クラッド層２０が順次形成されている。光導波路層は、井戸層２８と障壁層３０を含む量子井戸活性層１６を有する。端面近傍に半導体積層構造の各層の構成元素を相互拡散した窓構造３２が形成されている。井戸層２８を除く光導波路層の各層は、０．６６＜ｘの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰからなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満の半導体レーザに関し、特にＣＯＤを起こしにくく、かつ出力ビーム安定性の高い半導体レーザに関する。

光導波路層をクラッド層で挟むことで光導波路層に光を閉じ込める光導波構造（分離閉じ込めヘテロ構造）を有する半導体レーザが用いられている。光導波路層は活性層と光ガイド層を有する。活性層は、井戸層を障壁層で挟むことで井戸層にキャリアを閉じ込める量子井戸構造を有する。

６００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の赤色領域の波長で発振する半導体レーザでは、通常ＧａＡｓ基板上に形成したＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる半導体混晶が用いられる。（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰは、ｘ＜０．５では直接遷移であるが、ｘ＞０．６６では間接遷移になることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

このため、ｘ＞０．６６の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰの場合、Ａｌ組成を上げてもバンドギャップはほとんど変化しないが、屈折率は小さくなる。バンドギャップが変化しなければ、量子井戸の障壁層としての効果は変化しない。しかし、光導波路層の屈折率が小さくなり、クラッド層の屈折率との差が小さくなると、光閉じ込め効果が小さくなる。このため、従来は、光導波路層の障壁層や光ガイド層として、ｘ≦０．６６の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰを用いていた。

半導体レーザにおいて、端面の破局的光学損傷（COD: Catastrophic Optical Damage）が光出力を制限することが知られている。ＣＯＤを起こしにくくするために、端面近傍において量子井戸の実効バンドギャップを拡大するか又は量子井戸を無くした窓構造が形成される。

D. J. Mowbray, O. P. Kowalski, M. Hopkinson, M. S. Skolnick and J. P. R. David, "Electronic band structure of AlGaInP grown by solid-source molecular-beam epitaxy," Appl. Phys. Lett. 65 (2), 213-215, 1994.

窓構造の形成方法として、端面近傍に不純物を選択的に導入することにより量子井戸構成元素を相互拡散させる方法がある。しかし、この相互拡散により窓構造部分では光導波構造までも失われ、窓構造でない部分に比べて屈折率分布がぼやけてしまう。従って、出射端面近傍で光の閉じ込めが維持されず、導波路による制御が弱くなる。このため、温度変化などに対して遠視野像やビーム出射方向の不安定性が増すという問題があった。

また、半導体レーザの発振波長が光導波層のバンドギャップに近くなるほど屈折率分散が大きくなるので、発振波長が短いほど導波路による制御が不安定になる。従って、上記の問題は、発振波長６５０〜６６０ｎｍ程度のＤＶＤのピックアップ半導体レーザでは大きな問題とはならない。しかし、発振波長６５０ｎｍ未満のディスプレイ用半導体レーザなどでは、この問題が顕在化する。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的はＣＯＤを起こしにくく、かつ出力ビーム安定性の高い半導体レーザを得るものである。

上記の課題を解決するために、本発明は、水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満の半導体レーザであって、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に順次形成された第１導電型クラッド層、光導波路層及び第２導電型クラッド層を有する半導体積層構造とを備え、前記光導波路層は、井戸層と障壁層を含む量子井戸活性層を有し、端面近傍に前記半導体積層構造の各層の構成元素を相互拡散した窓構造が形成され、前記井戸層を除く前記光導波路層の各層は、０．６６＜ｘの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰからなることを特徴とする半導体レーザである。

本発明により、ＣＯＤを起こしにくく、かつ出力ビーム安定性の高い半導体レーザを得ることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体レーザを示す斜視図である。図１の半導体レーザの共振器方向の断面図である。図１の半導体レーザの各層の電子のエネルギーを示す図である。図１の半導体レーザ（端面付近以外）の屈折率を示す図である。図１の半導体レーザの端面付近における屈折率を示す図である。比較例に係る半導体レーザ（端面付近以外）の屈折率を示す図である。比較例に係る半導体レーザの端面付近における屈折率を示す図である。比較例に係る半導体レーザの共振器方向の断面図である。本発明の実施の形態に係る半導体レーザの変形例のエネルギーバンドを示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図面を用いて説明する。同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザを示す斜視図である。この半導体レーザは水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満の半導体レーザである。また、半導体レーザの共振器構造は、リッジ型の単一横モードレーザである。

ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ＧａＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなるｎ型クラッド層１２、光ガイド層１４、量子井戸活性層１６、光ガイド層１８、ｐ型クラッド層２０及びｐ型コンタクト層２２が順次形成されている。これらの半導体積層構造の結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。

ｐ型クラッド層２０及びｐ型コンタクト層２２にリッジが形成されている。ｐ型コンタクト層２２上にｐ電極２４が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にｎ側電極２６が形成されている。

クラッド層１２，２０はＡｌ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ又は（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐからなる。光ガイド層１４，１８は（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐからなる。

光ガイド層１４，１８と量子井戸活性層１６は光導波路層を構成する。従って、半導体レーザは、この光導波路層をクラッド層１２，２０で挟むことで光導波路層に光を閉じ込める光導波構造を有する。この光導波路層の厚さは１００ｎｍである。

図２は、図１の半導体レーザの共振器方向の断面図である。また、図３は、図１の半導体レーザの各層の電子のエネルギーを示す図である。量子井戸活性層１６は、井戸層２８を２層の障壁層３０で挟んだ単一量子井戸構造を有する。井戸層２８はＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなる。障壁層３０は光ガイド層１４，１８と同じ物質からなる。また、半導体レーザの端面近傍に、Ｚｎなどの不純物を導入することで半導体積層構造の各層の構成元素を相互拡散した窓構造３２が形成されている。

図４は、図１の半導体レーザ（端面付近以外）の屈折率を示す図である。図１の半導体レーザでは、井戸層２８を除く光導波路層の各層（光ガイド層１４，１８と障壁層３０）は０．６６＜ｘの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰからなる。このようなＡｌＧａＩｎＰは、バルク結晶での屈折率が３．２２９より小さくなり、クラッド層１２，２０との屈折率差が小さい。このため、周囲の層に比べて井戸層２８の屈折率の高さが顕著になっている。

図５は、図１の半導体レーザの端面付近における屈折率を示す図である。光ガイド層１４，１８とクラッド層１２，２０との組成差が小さいため、端面付近において相互拡散による光導波構造の消失が抑えられている。

比較のために、井戸層２８を除く光導波路層の各層がｘ≦０．６６の（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰからなる半導体レーザについて同様の測定を行った。図６は、比較例に係る半導体レーザ（端面付近以外）の屈折率を示す図である。障壁層３０の屈折率が高くなっている。なお、光ガイド層１４，１８は省略した。

図７は、比較例に係る半導体レーザの端面付近における屈折率を示す図である。障壁層３０とクラッド層１２，２０との屈折率差が大きいため、端面付近において光導波構造が消失してしまう。

図８は、比較例に係る半導体レーザの共振器方向の断面図である。上記のように端面付近において導波路が消失したため、窓構造３２まで導波路を伝播してきた光は窓構造３２に入ると広がってしまう。このため、比較例では、温度変化や出力変化などに対して遠視野像やビーム出射方向の不安定性が増す。

以上説明したように、本実施の形態では、端面近傍に半導体積層構造の各層の構成元素を相互拡散した窓構造３２を形成するため、ＣＯＤを起こしにくい。また、井戸層２８を除く光導波路層の各層の屈折率を小さくしたため、端面付近において相互拡散による光導波構造の消失が抑えられている。これにより、出力ビーム安定性の高い半導体レーザを得ることができる。また、単一横モード発振する半導体レーザの場合、出力ビーム不安定性が問題になることが多いため、本実施の形態の構造が特に有効である。

また、本実施の形態では、光導波路層の厚さを１００ｎｍと厚くすることで、更に光導波構造の消失を抑えると共に、出射光の遠視野広がり角の変化を補償できる。計算によれば、井戸層２８を除く光導波路層の各層のＡｌ組成が０．６、光導波路層の厚さが７０ｎｍの場合、遠視野広がり角は半値全幅で１８°程度である。光導波路層の厚さが７０ｎｍのまま、Ａｌ組成を０．７にした場合、遠視野広がり角は１３°程度である。Ａｌ組成を０．７にし、光導波路層の厚さを１００ｎｍと厚くした場合、遠視野広がり角は１８°程度と従来構造と同程度にすることができる。

一般に遠視野広がり角は狭い方が良いとされるが、光閉じ込め係数を高く保つにはある程度の遠視野広がり角が必要である。実際には１３〜３０°程度の広がり角が必要で、その場合の光導波路層の厚さは７０〜２４０ｎｍとなる。さら望ましい遠視野広がり角は１７〜２０°程度であり、その場合の光導波路層の層厚は９０〜１１０ｎｍとなる。

図９は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの変形例のエネルギーバンドを示す図である。量子井戸活性層１６は、２層の井戸層２８と３層の障壁層３０を有する多重量子井戸構造である。また、障壁層３０は光ガイド層１４，１８とはＡｌ組成が異なる。この半導体レーザでも上記と同様の効果を奏する。

また、本実施の形態では量子井戸活性層１６の両側に光ガイド層１４，１８が有る。しかし、これに限らず、光ガイド層１４，１８が無く、量子井戸活性層１６がクラッド層１２，２０に直接挟まれた構造でもよい。

１０ｎ型ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ基板）
１２ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層、半導体積層構造）
１４光ガイド層（光導波路層、半導体積層構造）
１６量子井戸活性層（光導波路層、半導体積層構造）
１８光ガイド層（光導波路層、半導体積層構造）
２０ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層、半導体積層構造）
２８井戸層
３０障壁層
３２窓構造

Claims

水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満の半導体レーザであって、
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に順次形成された第１導電型クラッド層、光導波路層及び第２導電型クラッド層を有する半導体積層構造とを備え、
前記光導波路層は、井戸層と障壁層を含む量子井戸活性層を有し、
端面近傍に前記半導体積層構造の各層の構成元素を相互拡散した窓構造が形成され、
前記井戸層を除く前記光導波路層の各層は、０．６６＜ｘの（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）ＩｎＰからなることを特徴とする半導体レーザ。
水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満の半導体レーザであって、
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に順次形成された第１導電型クラッド層、光導波路層及び第２導電型クラッド層を有する半導体積層構造とを備え、
前記光導波路層は、井戸層と障壁層を含む量子井戸活性層を有し、
端面近傍に前記半導体積層構造の各層の構成元素を相互拡散した窓構造が形成され、
前記井戸層を除く前記光導波路層の各層は、バルク結晶での屈折率が３．２２９より小さいＡｌＧａＩｎＰからなることを特徴とする半導体レーザ。
前記半導体レーザは単一横モード発振することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
前記光導波路層の厚みは７０〜２４０ｎｍであることを特徴とする請求項１−３の何れか１項に記載の半導体レーザ。
前記光導波路層の厚みは９０〜１１０ｎｍであることを特徴とする請求項１−３の何れか１項に記載の半導体レーザ。