JP2014212186A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層からｎ型クラッド層へ正孔が洩れるのを防ぐことで高温動作を可能とした半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子は、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１、ｐ側光ガイド層であるｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層８、活性層であるＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７、ｎ側光ガイド層であるｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５、及びｎ型クラッド層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４を含む。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の方がｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１よりも屈折率が高い。ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の間に正孔障壁層であるＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６が設けられている。【選択図】図７

Description

本発明は半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザ素子は、センサー分野において広く使用されている。最近注目されているのは自動車の衝突防止装置に組み込むセンサーとしての用途である。車社会が発達すると共に最新技術を駆使して事故撲滅が図られるようになっており、センサーを用いた衝突防止装置は実用化段階から普及段階に向かいつつある。

衝突防止装置等に組み込まれて自動車に搭載される半導体レーザ素子は、過酷な環境、特に高温環境下でも、正常に動作するものであることが安全確保のために重要である。それと共に高効率でレーザ光を発生し、低消費電力であることが求められる。低消費電力であることは、自動車バッテリーの負担が軽減されるということだけでなく、環境にやさしい社会を実現するための普遍的要請でもある。

上記要求に応えるべく構成された半導体レーザ素子の一例を特許文献１に見ることができる。特許文献１の半導体レーザ素子では、活性層の両側に設ける光ガイド層のうち、ｎ側ガイド層の膜厚をｐ側ガイド層よりも厚くするか、もしくはｎ側のみに光ガイド層を設けた非対称ＳＣＨ構造とし、さらに活性層及び光ガイド層からなる導波層の平均の屈折率と同程度の屈折率を持つ高屈折率層をｎクラッド層内部に設けている。この構成により、光吸収を低減して光損傷レベルを高め、また素子抵抗を４〜５Ωに低減して、１００℃以上の温度においても１００ｍＷ以上の光出力が得られるようにし、優れた高温高出力特性を実現している。

また上記要求に応える半導体レーザ素子として、活性層にＧａＡｌＡｓ系材料を用い、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザ素子が実現されている。ＡｌＧａＩｎＰ系材料はＧａＡｌＡｓ系材料よりもＡｌ組成比が小であり、バンドギャップが大きい。これは、結晶としてのＡｌは活性であり、形成過程で酸素（不純物）などと結びつき易いからである。

クラッド層のバンドギャップが大きくなると伝導帯での活性層とクラッド層のバンド不連続差が大きくなる。半導体レーザ素子では活性層に貯まったキャリアが温度上昇とともに伝導帯の中でエネルギー的に大の方に分布を移すのであるが、バンド不連続差が小さいとキャリアが発光に寄与せず、クラッド層に漏れる（オーバーフローする）ため、半導体レーザ素子の動作電流が増加する。このため、バンド不連続差が大であるＡｌＧａＩｎＰ系材料はＧａＡｌＡｓ系材料よりも温度特性が優れており、活性層にＧａＡｌＡｓ系材料を用い、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザ素子は高温環境で安定して動作する。

しかしながら上記構成の半導体レーザ素子には次のような問題がある。すなわち活性層にＧａＡｌＡｓ系材料を用い、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた半導体レーザ素子は抵抗が大きいため高電圧を必要とし、電力変換効率が３０％と低い。この問題は、半導体レーザ素子の垂直方向（特許文献１の半導体レーザ素子を例にとるならば、特許文献１の図１における上下方向）の光分布をｎ型クラッド層側にずらして発光効率を下げることなくｐ型クラッド層の層厚を薄くすることで解決が図られる。

ＡｌＧａＩｎＰ系材料はｐ型クラッド層の抵抗率が高い。ｐ型クラッド層の層厚を薄くすれば動作電圧が下がり、高電圧が必要でなくなる。但し、光分布を変えることなくｐ型クラッド層のみを薄くすると、光がｐ型クラッド層の外側のｐ型ＧａＡｓキャップ層まで染み出して、光が吸収される。光が吸収されると効率が低下し、動作電流が増大する。このため、光分布をｎ型クラッド層側にシフトさせてｐ型ＧａＡｓキャップ層への光の染み出しを抑制し、電力変換効率を向上させる。

光分布をｎ型クラッド層側にシフトさせるためには、ｎ側の光ガイド層の層厚を厚くする必要がある。光ガイド層の層厚が厚くなると遠視野像（far field pattern：レーザ光の光放出形状）の形状が変化する。これを補正するため、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比が下げられる。

特開平５−２４３６６９号公報

ｎ型クラッド層のＡｌ組成比が下げられると、ｎ型クラッド層のバンドギャップが小さくなる。クラッド層のバンドギャップが小さくなると荷電子帯での活性層とクラッド層のバンド不連続差も小さくなる。これにより、活性層からｎ型クラッド層へ、正孔が漏れ易くなる。温度が上昇すると正孔のエネルギーが大きくなって益々クラッド層に漏れ易くなる。これは半導体レーザ素子の温度特性が悪くなるということであり、半導体レーザ素子の高温動作が阻害される。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、活性層からｎ型クラッド層へ正孔が洩れるのを防ぐことで高温動作を可能とした半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、ｐ型クラッド層、ｐ側光ガイド層、活性層、ｎ側光ガイド層、及びｎ型クラッド層を含み、発振波長が８００〜１０００ｎｍであって、前記ｎ型クラッド層の方が前記ｐ型クラッド層よりも屈折率が高く、前記活性層と前記ｎ型クラッド層の間に正孔障壁層が設けられていることを特徴としている。

この構成によると、活性層とｎ型クラッド層の間に正孔障壁層を設けたことで活性層からｎ型クラッド層へ正孔が洩れるのを防ぐことができる。これにより、半導体レーザ素子の高温動作が可能となる。

上記構成の半導体レーザ素子において、前記正孔障壁層は前記ｎ型クラッド層よりも大なるバンドギャップを有することが好ましい。

正孔障壁層のバンドギャップがｎ型クラッド層のバンドギャップよりも大であると、活性層からｎ型クラッド層に正孔が洩れるのを確実に防ぐことができる。これにより、半導体レーザ素子の高温動作を容易に実現できる。

上記構成の半導体レーザ素子において、前記正孔障壁層は前記活性層から５０ｎｍ以内の領域に留まることが好ましい。

正孔障壁層が活性層から５０ｎｍ以内の領域に留まっていれば、正孔を効率的に活性層に閉じこめることができる。これにより発光効率の低下を抑制することができる。

上記構成の半導体レーザ素子において、前記正孔障壁層の厚さは５ｎｍ以上であること
が好ましい。

正孔障壁層の厚さが５ｎｍ以上であると、正孔がトンネル効果で正孔障壁層を通り抜けるのを防ぐことができる。これにより正孔を効率的に活性層に閉じこめることができる。

上記構成の半導体レーザ素子において、前記正孔障壁層はＡｌＧａＡｓ層からなることが好ましい。

ＡｌＧａＡｓ層で形成した正孔障壁層は、それ以外の材料、例えばＡｌＧａＩｎＰ系材料で形成した正孔障壁層と比較してＡｌの組成比が大であり、Ｚｎなどの不純物拡散で窓構造を形成する場合、必要な熱量が少なくて済み、また不純物拡散に要する時間（熱処理時間）も短くて済む。熱処理時間が短ければ活性層に与えるダメージが小さくなる。また、窓領域に拡散するＺｎなどの不純物量も少なくできるため、窓領域での不純物による光吸収の影響を小さくでき、発光効率の低下を図ることができる。また窓構造とそれ以外の活性層とのバンドギャップ差が大きくなるから発振波長での窓構造の光吸収量が小さくなり、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage：半導体レーザ装置の端面部の光学的破壊）の閾値が上がり、ＣＯＤが起こりにくくなる。

本発明の構成によると、活性層とｎ型クラッド層の間に正孔障壁層を設けたことで活性層からｎ型クラッド層へ正孔が洩れるのを防ぐことができる。これにより、半導体レーザ素子の高温動作が可能となる。

本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する第１の断面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する第２の断面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する第３の断面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する上面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する第４の断面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する第５の断面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造工程を説明する第６の断面図である。 本発明の実施形態における価電子帯のバンドダイヤグラムである。

＜第１実施形態＞
本発明に係る半導体レーザ素子の製作手順を図１から図７までの図に基づき説明する。
図１には半導体レーザ素子のベースとなる積層構造が示されている。積層構造は次の層を含む。すなわち一番下の層はｎ型ＧａＡｓ基板１である。ｎ型ＧａＡｓ基板１の上には、例えば有機金属気相成長法（以下「ＭＯＣＶＤ法」と称する）や分子線結晶成長法（以下「ＭＢＥ法」と称する）により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層３、ｎ型クラッド層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、ｎ側光ガイド層であるｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５、正孔障壁層であるＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６、活性層であるＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７、ｐ側光ガイド層であるｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層８、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層１０、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１２、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１３がこの順序で成長せしめられ、積層形成されている。

上記積層構造において、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４のＡｌ組成は０．２、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１のＡｌ組成は０．７である。

上記積層構造において、ＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６はＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７から５０ｎｍ以内の領域に留まる。またＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６の厚さは５ｎｍ以上である。

上記構成の積層構造に不純物を拡散させて窓構造を形成する。不純物としてはＺｎを用いる。図２に示す通り、所望の窓領域の上に、フォトリソグラフィー、スパッタ、エッチングなどによりＺｎＯ膜１４を形成する。

その後６００℃で２時間の熱処理を窒素雰囲気中で行い、Ｚｎをｐ型ＧａＡｓ層キャップ層１３からＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７まで拡散させる。この状態を示すのが図３である。図中の領域２０は不純物であるＺｎが拡散された領域を表している。これによりＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７の多重量子井戸層を混晶化して窓構造を形成する。

その後、リッジ状導波路を形成するため、図４に示す通り、ＳｉＯ₂膜１５をｐ型ＧａＡｓキャップ層１３の上にストライプ状に形成する。

次に、例えばＩＣＰドライエッチング装置にて、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１の途中までエッチングする。さらに、塩酸系、りん酸系、フッ酸系などのエッチング液で、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層１０までエッチングを行う。その結果が図５に示す形状である。

その後、ＥＣＲスパッタ装置などを用いて、ＳｉＯ₂膜１６でリッジを覆う。またフォトリソグラフィーとエッチングによってｐ型ＧａＡｓキャップ層１３の上部を露出させる。その結果が図６に示す形状である。

次いで、ＡｕＺｎ層、Ｔｉ／Ａｕ層、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層などによりｐ側電極１７を形成する。さらに、裏面からの研磨やエッチングによりｎ型ＧａＡｓ基板１を約５０〜１５０μｍの厚さとし、裏面側にＡｕＧｅＮｉなどのｎ側電極１８を形成する。その結果が図７に示す形状である。

その後、窓領域のほぼ中央部にレーザの端面が来るようにバー状にへき開を行い、端面部に特定の結晶面を出す。図７において手前側の面と奥側の面が端面部となる。この端面部にＡｌ₂Ｏ₃膜、ＳｉＯ₂膜、ＴｉＯ₂膜などで端面保護膜を形成する。この時、前面反射率は５〜３５％であり、後面反射率は５５％以上であることが望ましい。これをチップ状に分割することで半導体レーザ素子が完成する。この半導体レーザ素子の発振波長は８００〜１０００ｎｍである。

上記半導体レーザ素子の価電子帯のバンドダイヤグラムは図８に示す通りである。図８に見られるように、ＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６はｎ型ＡｓＧａＩｎＰクラッド層４よりも大なるバンドギャップを有する。

上記半導体レーザ素子のｐ側電極１７の上には、実装時のリークを防ぐため、厚さ３μｍのＡｕメッキを施した。なお実装時のリークとは、半導体レーザ素子を例えばサブマウントに実装する際、ｎ型クラッド層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４がサブマウントに接触することをいう。

上記半導体レーザ素子において、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４のＡｌ組成は０．２であるのに対し、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１のＡｌ組成は０．７なので、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の屈折率の方がｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１の屈折率よりも高くなる。このため、垂直方向の光分布がｎ側にシフトすることとなる。従って、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９及びｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１の厚さを１．０μｍと薄くしても発光効率が低下しない。

ＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６は、組成がＡｌＧａＡｓ（Ａｌｘ＝０．６）であり、厚さが１０ｎｍであったので、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７からの正孔の洩れを防ぐことができた。これにより半導体レーザ素子は、気温１２０℃、出力３００ｍＷという条件の下で、１０，０００時間以上の寿命を得ることができた。

またＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６の組成がＡｌＧａＡｓ（Ａｌｘ＝０．６）であるため、６００℃で２時間の熱処理により窓構造に含まれるＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７と窓構造以外の箇所に含まれるＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７とのバンドギャップ差が０．１ｅＶ以上となり、ＣＯＤレベルを２００ｍＷから３００ｍＷ以上に向上させることができた。

＜第２実施形態＞
第１実施形態ではＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６をＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７に隣接させた。それ以外の箇所にＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６を形成することも可能であり、そのようにしたものを第２実施形態とする。ＡｌＧａＡｓ正孔障壁層６は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層７から５０ｎｍ以内の領域に留まっていさえすれば、ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５の内部、あるいはｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層５とｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４の間といった箇所に形成することができる。このようにしても第１実施形態と同様の特性と結果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、半導体レーザ素子に広く利用可能である。

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層
４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５ ｎ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
６ ＡｌＧａＡｓ正孔障壁層
７ ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸活性層
８ ｐ側ＡｌＧａＡｓ光ガイド層
９ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
１０ ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層
１１ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
１２ ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
１３ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１４ ＺｎＯ膜
１５、１６ ＳｉＯ₂膜
１７ ｐ側電極
１８ ｎ側電極

Claims (5)

1. ｐ型クラッド層、ｐ側光ガイド層、活性層、ｎ側光ガイド層、及びｎ型クラッド層を含み、発振波長が８００〜１０００ｎｍである半導体レーザ素子において、
   前記ｎ型クラッド層の方が前記ｐ型クラッド層よりも屈折率が高く、
   前記活性層と前記ｎ型クラッド層の間に正孔障壁層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記正孔障壁層は前記ｎ型クラッド層よりも大なるバンドギャップを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記正孔障壁層は前記活性層から５０ｎｍ以内の領域に留まることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記正孔障壁層の厚さは５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記正孔障壁層はＡｌＧａＡｓ層からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。

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