JP2011055009A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、水平横モードの光閉じ込めが不十分で、低しきい値電流動作で安定した単一横モード動作可能なＧａＮ系半導体レーザが実現できなかった。
【解決手段】 電流狭窄層２４としてＳｉＯ_２等の誘電体を用い、前記電流狭窄層を貫通するストライプ状の開口部２５を作製した後に活性層２８を含むレーザ結晶層を成長した構造を用いた。前記電流狭窄層２４の光吸収や低屈折率の性質によって光閉じ込めの良好な実屈折率導波型や損失導波型の導波路を形成することができ、低しきい値電流密度で安定した屈折率導波による単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザを実現できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光情報処理分野等への応用が期待されているＧａＮ系半導体レーザに関する。

近年、デジタルビデオディスク等の大容量光ディスク装置が実用化され、今後さらに大容量化が進められようとしている。光ディスク装置の大容量化のためにはよく知られるように読み取りや書き込みの光源となる半導体レーザの短波長化が最も有効な手段の一つである。したがって、現在市販されているデジタルビデオディスク用の半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系材料による波長６５０ｎｍであるが、将来開発が予定されている高密度デジタルビデオディスク用では４００ｎｍ帯のＧａＮ系半導体レーザが不可欠と考えられている。

光ディスク用に用いる半導体レーザは、長寿命、低しきい値電流動作は当然として、他に安定な単一横モード動作、低非点隔差、低雑音、低アスペクト比等が求められるが、現状ではこれら全ての特性を満たす４００ｎｍ帯半導体レーザは実現されていない。

従来、単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザとして、図３に示す素子の断面構造をもつものが提案されている。サファイア基板１０１上に第１の結晶成長によりＧａＮバッファ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１０３、ｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４が成長され、一旦、成長装置から取り出した後ストライプ状の開口部１０５が、例えばＣｌ_２ガスによる反応性イオンエッチングにより形成されている。前記ストライプ状の開口部１０５は、少なくともｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４を完全に貫通していなければならない。

次に、再び、結晶成長装置に導入し、第２の結晶成長によりｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層１０６、ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層１０７、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ／Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井戸活性層１０８、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層１０９、ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層１１０、ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層１１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１２が成長される。

最後に、ストライプ状の開口１０５の直上に、例えばＮｉ／Ａｕから成るｐ電極１１３、また、一部をｎ−ＧａＮ層１０３が露出するまでエッチングした表面に、例えばＴｉ／Ａｌから成るｎ電極１１４が形成され、図３に断面構造を示す単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザが作製される。

この素子において、ｎ電極１１４を接地し、ｐ電極１１３に電圧を印加すると、多重量子井戸活性層１０８に向かってｐ電極１１３側からホールが、また、ｎ電極１１４側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層１０８内で光学利得を生じ、レーザ発振を起こす。なお、このレーザ駆動時のバイアスはｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４とｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層１０６との接合については、逆バイアスとなるためｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４が存在しないストライプ状の開口部１０５のみに電流が集中する。

一方、ストライプ状の開口部１０５上に形成された多重量子井戸活性層１０８は、図３に示すように屈曲した形状を有するために成長層に水平な方向に屈折率差が生じ、レーザ光もまた安定してストライプ状の開口部１０５の直上の多重量子井戸活性層１０８内に閉じ込められる。このため、注入キャリアと光の分布がほぼ一致し、低しきい値電流密度での発振が可能となる。また、前述のように成長層に水平な方向に屈折率差を有する屈折率導波構造なので、光学モードは安定し、また非点隔差も極めて小さい高性能の半導体レーザが実現できるというものである。

特開平１０−９３１９２号公報 特開平１１−２３３８８６号公報 特開平１１−１５０２９６号公報

しかしながら、前記単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザを実際に作製する場合において極めて回避困難な問題点が存在する。図３において、ｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４が用いられているが、ＧａＮは比較的屈折率の大きい材料である。即ちｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層１０６よりも屈折率は大きい。多重量子井戸活性層１０８が屈曲しているため、図４の成長層に水平な方向における屈折率分布に示すように、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層１０６との間の屈折率差により光が閉じ込められる。しかし、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層１０６のさらに外側にｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層１０６よりも屈折率の大きいｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４が存在すると、光がｐ−ＧａＮ電流狭窄層１０４へ多量に漏れ、多重量子井戸活性層１０８への光閉じ込めが著しく低下する。特に、ストライプ幅が３μｍ以下の狭ストライプ構造ではそれが顕著となる。

多重量子井戸活性層１０８への光閉じ込めが低下すると、しきい値電流やビーム広がり角のアスペクト比の増大等、光ディスク用光源としての応用上好ましくない特性となる。

本発明は、以上述べた従来の単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザの問題点に鑑みてなされたもので、安定な単一横モード動作、低アスペクト比、低しきい値電流等、高性能の単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザを提供するものである。

本発明では、電流狭窄層に低屈折率のＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電体を用い、水平方向に屈曲した活性層への光閉じ込めを高めるものであり、その結果、低しきい値電流でアスペクト比の小さい、安定した屈折率導波による単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザを実現できる。

すなわち、本発明は、基板と、ｎ型層と、誘電体から成る電流狭窄層と、前記電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、前記ストライプ状開口部上に形成された量子井戸活性層とを備え、前記量子井戸活性層を含む複数の結晶層が、前記ストライプ状開口部上と前記電流狭窄層上に亘って、前記ストライプ状開口部の側壁面の段差に沿って屈曲して形成され、前記誘電体が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３の何れか１種であり、前記複数の結晶層の最下層が前記ｎ型層の一部であるｎ型ＡｌＧａＮ層から成る第１クラッド層であることを特徴とする半導体レーザを提供する。

本発明により、低しきい値電流密度を有し、単一横モード、低アスペクト比等、光ディスク用光源に適した高性能な短波長半導体レーザが実現できる。

参考例に示すＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図 実施例に示すＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図 従来例のＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図 図３に示す従来例の成長層に水平な方向における屈折率分布を示す図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。

先ず、電流狭窄層を高融点金属で形成する参考例について説明し、その後、電流狭窄層を誘電体で形成する実施例について説明する。参考例と実施例は、電流狭窄層を構成する材料が異なるだけで、その他の構成要素は共通する。

〈参考例〉
図１は、参考例を示す単一モード型ＧａＮ量子井戸半導体レーザの素子断面図である。有機金属気相成長法により（０００１）サファイア基板１上に第１の結晶成長によりＡｌＮバッファ層２、ｎ−ＧａＮ層３を成長させ、一旦、成長装置から取り出した後タングステンからなる電流狭窄層４を真空蒸着により膜厚１μｍ程度堆積する。その後幅２μｍのストライプ状の開口部５を、例えばイオンミリングにより形成する。前記ストライプ状の開口部５は少なくともタングステンからなる電流狭窄層４は完全に貫通していなければならない。

次に、再び、結晶成長装置に導入し、第２の結晶成長によりｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第１クラッド層６、ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層７、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ／Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井戸活性層８、ｐ−Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎキャップ層９、ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層１０、ｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第２クラッド層１１、ｐ−ＧａＮコンタクト層１２を成長させる。

最後に、ストライプ状の開口５直上に、例えばＮｉ／Ａｕから成るｐ電極１３、また、一部をｎ−ＧａＮ層３が露出するまでエッチングした表面に、例えばＴｉ／Ａｌから成るｎ電極１４を形成する。

多重量子井戸活性層８は、例えば厚さ３ｎｍのＧａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎ量子井戸層と９ｎｍのＧａ_０．９７Ｉｎ_０．０３Ｎバリア層とから構成されている。また、タングステンからなる電流狭窄層４上に積層されたｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第１クラッド層６以降の結晶層は、多結晶化しており高抵抗となっている。したがって、電流はストライプ状の開口部５ 直上の多重量子井戸活性層８に選択的に注入される。

多重量子井戸活性層８内で発生した光は、垂直方向で見るとｎ−ＧａＮ第１光ガイド層７、多重量子井戸活性層８、ｐ−Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎキャップ層９、およびｐ−ＧａＮ第２光ガイド層１０の４層内に特に強く閉じ込められるが、段差によって成長層に水平な方向にも屈折率差が生じている。多重量子井戸活性層８における屈曲部１７の幅は約１．５μｍとなり、これを実効的なストライプ幅とする屈折率導波構造となっている。

本参考例の場合、狭ストライプ構造を用いているので水平方向の光はタングステンからなる電流狭窄層４へも広がるが、多重量子井戸活性層８内で発生した光を強く吸収するため損失導波作用が生じ、多重量子井戸活性層８への光閉じ込め効果が一層強く現れ、９０％以上の光閉じ込め係数が得られる。したがって、低しきい値電流で安定な単一横モード、低アスペクト比等、光ディスク用光源に適した高性能が実現できる。さらに、多重量子井戸活性層８は屈曲部１７がなく平坦な場合でもタングステンから電流狭窄層４によって屈折率差が生じていれば同様の効果が得られる。

〈実施例〉
図２は、実施例を示す単一モード型ＧａＮ系量子井戸半導体レーザの素子断面図であり、参考例におけるＷ電流狭窄層をＳｉＯ_２電流狭窄層とした。ＳｉＯ_２電流狭窄層２４が真空蒸着により膜厚１μｍ程度堆積されている。その後、幅２μｍのストライプ状の開口部２５が、例えばＣＦ_４を用いたドライエッチングにより形成されている。前記ストライプ状の開口部２５は、少なくともＳｉＯ_２電流狭窄層２４は完全に貫通していなければならない。

ＳｉＯ_２電流狭窄層２４は絶縁体なので、電流はストライプ状の開口部２５直上の多重量子井戸活性層２８に選択的に注入される。多重量子井戸活性層２８内で発生した光は、垂直方向で見るとｎ−ＧａＮ第１光ガイド層２７、多重量子井戸活性層２８、ｐ−Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎキャップ層２９、およびｐ−ＧａＮ第２光ガイド層３０の４層内に特に強く閉じ込められるが、段差によって成長層に水平な方向にも屈折率差が生じている。多重量子井戸活性層２８における屈曲部３７の幅は約１．５μｍとなり、これが実効的なストライプ幅とする屈折率導波構造となっている。

本実施例の場合、狭ストライプ構造を用いているので、水平方向の光はＳｉＯ_２電流狭窄層２４へも広がるが、ＳｉＯ_２電流狭窄層２４は低屈折率材料であるため、多重量子井戸層２８への光閉じ込め効果が一層強く現れる。その結果９０％以上の光閉じ込め係数が得られる。

多重量子井戸活性層２８は屈曲部３７がなく平坦な場合でも、ＳｉＯ_２電流狭窄層２４によって屈折率差が生じていれば同様の効果が得られる。

１，２１： （０００１）サファイア基板
２，２２： ＡｌＮバッファ層
３，２３： ｎ−ＧａＮ層
４： Ｗ電流狭窄層
２４： ＳｉＯ₂ 電流狭窄層
５，２５： ストライプ状の開口部
６，２６： ｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第１クラッド層
７，２７： ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層
８，２８： Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＮ／Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ多重量子井戸活性層
９，２９： ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層
１０，３０：ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層
１１，３１：ｐ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第２クラッド層
１２，３２：ｐ−ＧａＮコンタクト層
１３，３３：ｐ電極
１４，３４：ｎ電極
１７，３７：活性層の屈曲部

Claims (1)

1. 基板と、ｎ型層と、誘電体から成る電流狭窄層と、前記電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、前記ストライプ状開口部上に形成された量子井戸活性層とを備え、
   前記量子井戸活性層を含む複数の結晶層が、前記ストライプ状開口部上と前記電流狭窄層上に亘って、前記ストライプ状開口部の側壁面の段差に沿って屈曲して形成され、
   前記誘電体が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、Ａｌ_２Ｏ_３の何れか１種であり、
   前記複数の結晶層の最下層が前記ｎ型層の一部であるｎ型ＡｌＧａＮ層から成る第１クラッド層であることを特徴とする半導体レーザ。

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