JP2013021205A - 面発光レーザダイオード - Google Patents

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Abstract

【課題】水平の遠視野像と垂直の遠視野像が同じ高出力の光を出射することができる面発光レーザダイオードを得る。
【解決手段】ｎ型の半導体基板１上に、ｎ型クラッド層２、活性層３、及びｐ型クラッド層４が順に積層されている。ｐ型クラッド層４内に２次の回折格子６が設けられている。２次の回折格子６のパターンは、同心円状の円形である。ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、及びｐ型コンタクト層５を含む活性領域７も円形である。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光レーザダイオードに関する。
面発光レーザダイオードは、主面に対して垂直に発光する。一般的な面発光レーザダイオードでは、レーザストライプに垂直に直線状の回折格子が設けられている。また、円形の回折格子上に複数のストライプ状の活性領域を放射状に配置した面発光レーザダイオードも提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０１−１０５５９０号公報
従来の面発光レーザダイオードでは、水平の遠視野像（FFP: Far Field Pattern）と垂直の遠視野像が異なっていた。また、高出力の光を出射することができなかった。
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、その目的は水平の遠視野像と垂直の遠視野像が同じ高出力の光を出射することができる面発光レーザダイオードを得るものである。
本発明に係る面発光レーザダイオードは、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１導電型の第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に設けられた活性層と、前記活性層上に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、前記第１の半導体層又は第２の半導体層内に設けられた２次の回折格子とを備え、前記２次の回折格子のパターンは、同心円状又は渦巻き状の円形又は多角形であり、前記第１の半導体層、前記活性層、及び前記第２の半導体層を含む活性領域が円形又は多角形であることを特徴とする。
本発明により、水平の遠視野像と垂直の遠視野像が同じ高出力の光を出射することができる。
本発明の実施の形態１に係る面発光レーザダイオードを示す上面図である。 図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態１に係る面発光レーザダイオードの変形例１を示す上面図である。 本発明の実施の形態１に係る面発光レーザダイオードの変形例２を示す上面図である。 活性層の波長と２次の回折格子の波長を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る面発光レーザダイオードを示す上面図である。 図６のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 本発明の実施の形態３に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る面発光レーザダイオードについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザダイオードを示す上面図である。図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
ｎ型の半導体基板１上に、ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、及びｐ型コンタクト層５が順に積層されている。半導体基板１はＧａＡｓ又はＧａＮである。ｎ型クラッド層２やｐ型クラッド層４はＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＮ等である。活性層３はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ等である。ｐ型コンタクト層５はＧａＡｓ、ＧａＮ等である。
ｐ型クラッド層４内に２次の回折格子６が設けられている。ここで、λ０を媒質内でのブラッグ波長、Ｎｅｆｆを媒質の等価屈折率、Λを回折格子の周期とすると、半導体レーザの発振波長λはλ＝λ０／Ｎｅｆｆ＝２Λ／ｍ（ｍ＝１，２，・・・）で表わされる。整数ｍが１の場合が１次の回折格子、ｍ＝２の場合が２次の回折格子である。２次の回折格子の周期は、１次の回折格子の２倍になる。
本実施の形態では、２次の回折格子６のパターンは、直径１００μｍの同心円状の円形である。ｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４、及びｐ型コンタクト層５を含む活性領域７も円形である。活性領域７の側面全面に高反射膜８が設けられている。高反射膜８は、金、白金、チタン、モリブデン、タンタル、ニッケル等、又はこれらの多層膜である。発振波長λに対して、２次の回折格子６の中心部の位相が１／４λシフトされている。
２次の回折格子６の上方に円形の開口を有する円形のｐ側電極９がｐ型コンタクト層５上に設けられている。半導体基板１の裏面にｎ側電極１０が設けられている。ｐ側電極９やｎ側電極１０は、金、白金、チタン、モリブデン、タンタル、ニッケル等、又はこれらの多層膜である。
ＬＤに用いる基板は、成長結晶材料に合わせて選択する。ＡｌＧａＩｎＰ系の場合は、ＯＦＦ基板を用いたほうが、結晶成長の結晶性がよくなり、ＬＤの発光効率もよくなる。円形パターンの形成はウエットエッチングでもよいが、ドライエッチングの方が結晶の面方位依存性が小さくなるため、円形及び垂直にエッチングしやすい。また、ウエットエッチングとドライエッチングを組み合わせてもよい。
続いて、上記の面発光レーザダイオードの動作を説明する。ｐ側電極９とｎ側電極１０の間に電圧を印加すると、活性層３で光が発生して各方向に放射される。放射された光は２次の回折格子６と活性領域７の側面で共振し発振する。発振した光は、２次の回折格子６により上面から共振器方向に対して垂直に出射される。
続いて、本実施の形態の効果を説明する。２次の回折格子６のパターンが円形であり、活性領域７も円形であるため、水平の遠視野像と垂直の遠視野像が同じ円形の光を出射することができる。さらに、円形の活性領域７において全方向から光を導光するため、高出力の光を出射することができる。
また、発振波長λに対して、２次の回折格子６の中心部の位相が１／４λシフトされている。これにより単一波長化することができる。
また、活性領域７の側面全部に高反射膜８が設けられている。活性領域７の内部において２次の回折格子６で反射されなかった光は、活性領域７の外周部において高反射膜８で反射される。これにより、発光効率を高くすることができる。高反射膜８の反射率を１００％にすれば、光が活性領域７の側面から出射されず、上面のみから出射される。
図３は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザダイオードの変形例１を示す上面図である。２次の回折格子６のパターンは渦巻き状である。このような渦巻き状のパターンは、ＥＢ（Electron Beam）を連続照射して容易に描写することができる。
図４は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザダイオードの変形例２を示す上面図である。２次の回折格子６と活性領域７が８角形である。このため、８角形の光を出射することができる。これに限らず、２次の回折格子６と活性領域７を多角形にすることにより、所望の多角形の光を出射できる。
図５は、活性層の波長と２次の回折格子の波長を示す図である。２次の回折格子６の間隔を活性層３のバンドギャップ波長より小さい波長に合わせ、長波長で発光させる。例えば、ＧａＮレーザダイオードにおいて、２次の回折格子６の間隔を純青の波長に合わせる。これにより、発振波長が活性層３のバンドギャップ波長より小さくなるため、活性層３内での光の損失が少なくなり、効率的に発光することができる。
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る面発光レーザダイオードを示す上面図である。図７は図６のＩ−ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１の高反射膜８の代わりに、活性領域７の外周部に反射率１００％の１次の回折格子１１が設けられている。これにより、高反射膜８を設けなくても、活性領域７の外周部で光を内部に反射することができる。
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。半導体基板１の裏面に高反射膜１２が設けられている。高反射膜１２は、金、白金、チタン、モリブデン、タンタル等、又はこれらの多層膜である。２次の回折格子６から半導体基板１側に出た光を高反射膜１２により反射させることで、上面からの発光効率を向上させることができる。
また、半導体基板１は、活性層３よりも大きなバンドギャップを有する。これにより、半導体基板１での光吸収が低減するため、半導体基板１の裏面で効率よく光を反射することができる。
実施の形態４．
図９は、本発明の実施の形態４に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。半導体基板１とｎ型クラッド層２との間に、屈折率の異なる結晶を相互に積層した多層反射層１３が配置されている。多層反射層１３は、例えばＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＡｓの多層膜である。２次の回折格子６から半導体基板１側に出た光を多層反射層１３により反射させることで、上面からの発光効率を向上させることができる。
実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。活性領域７の側面にハーフミラーコート１４が設けられている。ハーフミラーコート１４は、活性領域７内部からの光を反射し、外部からの光を透過する。また、半導体基板１上に他のレーザダイオード１５を集積する。これにより、他のレーザダイオード１５からの光を活性領域７内に取り込むことができるため、更に高出力で面発光させることができる。
なお、実施の形態１〜５に係る面発光レーザダイオードは、２次の回折格子６が活性領域７の一部に設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）構造である。しかし、これに限らず、２次の回折格子６が活性領域７の全域に設けられているＤＦＢ（Distributed Feedback）構造でもよい。また、ｐ型クラッド層４内に２次の回折格子６が設けられているが、これに限らずｎ型クラッド層２内に２次の回折格子６が設けられていてもよい。
実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６に係る面発光レーザダイオードを示す断面図である。ｐ型クラッド層４内に光ガイド層１６を設け、その光ガイド層１６内に２次の回折格子６が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。この構成でも同様の効果を得ることができる。なお、実施の形態２〜５において同様に光ガイド層１６を設け、その光ガイド層１６内に回折格子６，１１を設けてもよい。
また、実施の形態１〜６において活性層構造等の細かいエピ構造を記述しなかったが、活性層の構造は、量子井戸構造のＳＱＷ（シングルカンタムウエル）構造でもＭＱＷ（マルチカンタムウエル）構造でもよい。また、クラッド層とコンタクト層の間のバンドギャップを緩和するためのバンド不連続緩和層を有する構造でもよい。
１ 半導体基板
２ ｎ型クラッド層（第１の半導体層）
３ 活性層
４ ｐ型クラッド層（第２の半導体層）
６ ２次の回折格子
７ 活性領域
８ 高反射膜
１１ １次の回折格子
１２ 高反射膜
１３ 多層反射層
１４ ハーフミラーコート
１６ 光ガイド層（第２の半導体層）

Claims (8)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に設けられた第１導電型の第１の半導体層と、
    前記第１の半導体層上に設けられた活性層と、
    前記活性層上に設けられた第２導電型の第２の半導体層と、
    前記第１の半導体層又は第２の半導体層内に設けられた２次の回折格子とを備え、
    前記２次の回折格子のパターンは、同心円状又は渦巻き状の円形又は多角形であり、
    前記第１の半導体層、前記活性層、及び前記第２の半導体層を含む活性領域が円形又は多角形であることを特徴とする面発光レーザダイオード。
  2. 発振波長λに対して、前記２次の回折格子の中心部の位相が１／４λシフトされていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザダイオード。
  3. 前記活性領域の側面全面に設けられた高反射膜を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザダイオード。
  4. 前記活性領域の外周部に設けられた１次の回折格子を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザダイオード。
  5. 前記半導体基板の裏面に設けられた高反射膜を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の面発光レーザダイオード。
  6. 前記半導体基板は、前記活性層よりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザダイオード。
  7. 前記半導体基板と前記第１の半導体層との間に配置された多層反射層を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の面発光レーザダイオード。
  8. 前記活性領域の側面に設けられ、前記活性領域内部からの光を反射し、外部からの光を透過するハーフミラーコートを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザダイオード。
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