JP4110181B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光通信機や電子写真のプリンタ等に用いられる半導体レーザ装置に関する。特に、共振器として用いられる多層膜ミラーが改良された半導体レーザ装置に関する。
面発光レーザは、半導体基板と垂直に光が取り出せるように考え出された半導体レーザの一種である。この面発光レーザは、二次元アレイ状に多数の素子を集積することができる。そのため、電子写真プリンタの露光光源として面発光レーザアレイを用いる場合には、マルチビームによる印字工程の並列処理による、印刷速度の高速化が可能となる。
現在実用化されている面発光レーザは、赤外領域のレーザ光を出力する素子である。しかし、赤外領域から青色や紫外領域へと、発振波長の短波長化が進めば、ビーム径をより小さく絞ることができることから、更なる高解像度を得ることができる。そこで、青色から紫外領域での面発光レーザの実用化が求められている。このような短波長化による高解像度化とマルチビーム化による並列処理の組み合わせの効果は大きく、プリンタへの応用以外の様々な分野への貢献も期待されている。
面発光レーザは、基板の面内方向に対して垂直に共振器を備えていることが特徴であり、室温で連続動作可能な面発光レーザを実現するためには、99%以上の反射率を確保できるミラーが必要となる。
このようなミラーとして、屈折率が互いに異なる二つの材料を、例えば1/4波長に相当する光学的膜厚で、交互に複数回積層した多層膜ミラーが用いられている。
既に実用化されているGaAs系半導体を用いた近赤外面発光レーザでは、結晶性が極めて高いGaAsとAlAsを構成層として組み合わせた半導体多層膜ミラーが用いられている。また、Al組成の少ないAlGaAsとAl組成の多いAlGaAsを構成層として組み合わせた半導体多層膜ミラーも用いられている。
また、GaAs系半導体レーザよりも短波長光を出力できるGaN系半導体レーザ用の半導体多層膜ミラーも種々検討がされている(特許文献1、非特許文献1、非特許文献2)。
特開平7−297476号公報 4th International conference on Physics of Light−Matter Coupling in Nanostructures,W4−1,2004,St.Petesburg,Russia Appl.Phys.86,031107(2005)
半導体多層膜ミラーで高い反射率を得るためには、高屈折率層を形成する材料と低屈折率層を形成する材料との屈折率差を大きくし、かつ、高屈折率層と低屈折率層の積層ペア数を増やす必要がある。半導体多層膜ミラーをエピタキシャル成長で形成する場合には、格子歪を抑制するために、材料の格子定数差は小さい方が望ましい。格子歪の累積量が大きくなると、ペア数の増大に伴ない、クラックが入ってしまうからである。
GaAs系半導体レーザに用いられる多層膜ミラーを構成するGaAsとAlAsは、図14に示すように格子定数の差が極めて小さく(約0.14%)、その屈折率の差が十分に大きい(約15%)。したがって、GaAs系半導体レーザにおいては、反射率が高い半導体多層膜ミラーを提供することができる。
これに対して、GaN系半導体レーザに用いる半導体多層膜ミラーは、反射率を向上させることが難しい。
図15にGaN系半導体レーザの半導体多層膜ミラーに用いる材料の各組成における格子定数と屈折率との関係を示す。高屈折率層としてGaNを利用し、屈折率差を大きくとるために、低屈折率層としてAl組成を増やした組成のAlGaNを利用すると(図中矢印の方向)、格子不整合が大きくなる。例えば、屈折率差を大きくするために、GaN基板の上に、GaNとAlNを数10ペア成長させると、多層膜中のAlN層に大きな引張り歪が導入され、ミラーにクラックが生じてしまう。このように、AlNや、Alの組成を増やしたAlGaNを使用した場合には、積層するペア数を増大させることができないことから、99%以上の反射率を達成することは困難となる。
これを解決する方法のひとつとして、AlNやAlGaNの代わりに、GaNに格子整合させることが可能なAlInNを構成層とする半導体多層膜ミラーが検討されている。
前記特許文献1には、GaN/AlInNのペアで構成された半導体多層膜ミラーに関する記載がある。また、前記非特許文献1や2には、GaN(高屈折率層)と、GaNと格子整合するAl0.83In0.17N(低屈折率層)を40ペア積層することにより、99.4%という高反射率が実現できたことが記載されている。
しかしながら、本発明者が検討したところ、高屈折率層としてGaNを用いて、低屈折率層としてAl0.83In0.17Nを用いた場合には、素子内部における光吸収が高く、更なる改良が必要であるという認識に至った。
そこで、本発明の目的は、窒化物を含み構成される半導体多層膜ミラーの構成材料としてInを用いた場合であっても内部光吸収を抑制し得る、新規な半導体レーザ装置を提供することにある。
本発明に係る半導体レーザ装置は、共振器を構成するために対向して配置される2つのミラーと、該ミラー間に配置される活性層とを有する半導体レーザ装置であって、前記2つのミラーのうち少なくとも一方は、Gaを含む第1窒化物半導体層と、Alを含む第2窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜ミラーであり、前記第2窒化物半導体層は、前記第1窒化物半導体層よりも屈折率が低く、Inを含む第1の領域と、前記第1窒化物半導体層よりも屈折率が低く、該第1の領域に含まれるIn濃度より低いIn濃度を有する第2の領域とを備え、前記第2窒化物半導体層内において、前記第2の領域は、前記第1の領域よりも、活性層に対して近い位置に配されていることを特徴とする。
本発明によれば、窒化物を含み構成される半導体多層膜ミラーの構成材料としてInを用いた場合であっても内部光吸収による損失を抑制し得る、半導体レーザ装置を提供できる。
まず、Inを含む窒化物半導体を用いると素子内部の光吸収が大きくなる理由について説明する。Inを含む窒化物半導体としては、たとえば窒化アルミニウムインジウム(AlInN)がある。なお、以下で特に断りのない限り、AlInNというような表記で記載した場合には組成比は限定されないことを意味する。
複数のGaN/Al0.83In0.17Nのペアを積層する場合、GaNは1000℃程度の高温で成膜することが可能である。しかし、AlInNは、700℃から800℃程度の低い温度で成膜を行わなければならない。GaNの成膜時と同じ高い温度では、成長表面でInが激しく脱離し、AlInN中にInがほとんど取り込まれない。
つまり、AlInNを成膜するときには、上述のように窒化物半導体一般に最適な高い結晶成長温度よりも低温に設定せざるを得ず、その結果として、結晶性が低下し、光吸収が増大してしまう。
本発明は、以上のような知見に基づいて構成されたものである。以下、具体的に説明する。
(第1の実施形態:半導体レーザ装置1)
本実施形態に係る半導体レーザ装置に関する発明について、図1を用いて説明する。
図1において、1200は、半導体レーザ装置を構成する共振器であり、活性層1070の上下に、スペーサ層1071と1072とを介して、2つのミラー1000と1050とが設けられている。不図示の基板は、いずれか一方のミラー側に配置されることになる。
以下、本発明の特徴事項である多層膜ミラー1000について説明する。なお、本発明においては、多層膜ミラー1050も1000と同様の構成を採用し得る。
この多層膜ミラー1000は、高屈折率層としての第1窒化物半導体層1020と、低屈折率層としての第2窒化物半導体層1030とが交互に積層されて構成されている。
ここで、第2窒化物半導体層1030は、Inを含む第1の領域1031と、この第1の領域1031に含まれるIn濃度より低いIn濃度を有する第2の領域1032(In濃度が0の場合も含む)とを備えている。また、第1の領域1031と第2の領域1032は、第1窒化物半導体層1020よりも屈折率が低い。
なお、多層膜ミラー1000における、第1窒化物層1020及び第2窒化物半導体層1030のペアの積層数は、2〜500から適宜設定することできる。
本実施形態に係る発明においては、第2窒化物半導体層1030が有する第1及ぶ第2の領域1031、1032は以下のように配置する。
すなわち、レーザ発振時における多層膜ミラー1000内における光強度分布(電界分布の自乗)に関して、光強度が低い場所(電界分布の節に相当)に光吸収が大きい第1の領域1031を配置する。一方、光強度が高い場所(電界分布の腹に相当)に第1の領域1031よりも光吸収が少ない第2の領域1032を配置する。このように本実施形態に係る発明は、光強度分布を考慮して、第1の領域1031及び第2の領域1032を配置することから、光吸収を抑制することができる。
次に、第1の領域1031及び第2の領域1032と、活性層1070との関係を図2により説明する。
多層膜ミラーは、活性層1070、位相合わせをするためのスペーサ層1072、低屈折率層としての第2窒化物半導体層1030、高屈折率層としての第1窒化物半導体層1020が順に積層されている。図2(a)はこのことを示したもので、縦軸には前述の層に用いられる材料の屈折率をとっている。ここで、スペーサ層1072は、活性層1070に効率よくキャリアを注入できるように、バンドギャップが活性層1070よりも広い材料が用いられる。例えば、第一窒化物半導体層1020と同じ材料を用いることができる。
このように、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されている場合において、活性層で発生した光が高屈折率層から低屈折率層へと進行する場合の境界では、電界分布は腹(自由端)となる。一方、光が低屈折率層から高屈折率層へと進行する場合の境界では、電界分布は節(固定端)となる。このため、電界分布を自乗することにより導かれる光強度分布は図2(b)に示すような波形となる。
上述のように、本実施形態に係る発明は光強度分布を考慮して、2つの領域を配置する。そこで、図2(c)に示すように、第2窒化物半導体層1030の中で、光吸収の多い第1の領域1031を第2の領域1032よりも活性層1070に対して離れた場所に配置する。一方、光吸収の少ない第2の領域1032を第1の領域1031よりも活性層1070に対して近い場所に配置する。
なお、図2(c)では、第1の領域1031と第2の領域1032の光学的膜厚が等しい図となっている。すなわち、1/4波長で第1窒化物半導体層と第2窒化物半導体層を積層する場合において、第1の領域1031と第2の領域1032は、それぞれ1/8波長の光学的厚さになっている。しかし、この場合、第1の領域と第2の領域の膜厚の和が1/4波長の光学的厚さになっていればよく、それぞれの厚さは2nm以上の厚さから適宜選択することが可能である。
このうち、光吸収の効果的な低減という点からは、第2の領域の膜厚が1/16波長の光学的厚さ以上が好ましい。また、累積歪の効果的な低減という点からは、第2の領域の膜厚が3/16波長の光学的厚さ以下がより好ましい。
また、第1の領域1031または第2の領域1032が含有するInの濃度は、前記多層膜ミラー1000の積層方向に濃度勾配をもつように構成することもできる。例えば、図2(d)に示すように、濃度勾配の変化は直線状、曲線状、階段(ステップ)状であってもよい((i)〜(iii))。また、第1の領域1031と第2の領域1032とは異なる他の領域を設けてもよい(図2(d)(iv))。
さらに、上述のような具体例は、光学的膜厚を基準として第2窒化物半導体層を2つの部分に等分割した場合に、活性層に対して遠い部分のIn濃度は、活性層に対して近い部分のIn濃度よりも高いと表現することも可能である。例えば、高屈折率層と低屈折率層を1/4波長の光学的膜厚で積層する場合、光学的膜厚を基準として等分割すれば、1/8波長の光学的膜厚の部分が2つできる。この2つの部分のうち、活性層に対して近い部分のIn濃度よりも、離れた部分(遠い部分)のIn濃度の方が高ければ、光吸収を抑制することができる。
なお、多層膜ミラーとして機能させるためには、高屈折率層、低屈折率層としての第1及び第2窒化物半導体層は、m/4波長(m:奇数の整数)の光学的膜厚で交互に形成されていればよい。
本実施形態に係る第1窒化物半導体層1020としては、GaNや、AlGaNやAlGaInNなど、屈折率が比較的大きい材料により構成することができる。例えば、出射するビームの波長を400nmに設定する場合には、バンド間吸収が起こらないように第1窒化物半導体層1020としてGaNを選択できる。
また、本実施形態に係る発明は、第2窒化物半導体層1030を、少なくとも2つの領域に分けて構成する。そして、第1の領域1031は、Inを含む材料であるAlInNやAlGaInNからなる。一方、第2の領域1032は、第1の領域1031に含まれるIn濃度より低いIn濃度である材料からなる。
この第2の領域を構成する材料として、内部光吸収を抑制するという点からは、Inを含まないAlNやAlGaNが好ましい。さらに、2元系の材料が作りやすいという点からは、AlNがより好ましい。もっとも、第1の領域におけるIn濃度より低ければ、第2の領域を構成する材料として、AlInN、AlGaInNを利用することもできる。
内部光吸収を抑制するために、Inの少ない材料からなる第2の領域1032を選択すると、引張歪みによる結晶欠陥が発生する可能性が高い。そこで、前記第1の領域1031には圧縮歪みが加わるように材料を選択することは好ましい形態である。
特に、両者の歪み量を互いに打ち消しあうようにしておけば、該第2窒化物半導体層1030内における累積歪み量を大幅に低減することができる。多層膜ミラーとして積層するペア数が非常に多い場合などには、累積歪み量の増大を抑制できるので効果的である。
例えば、第1窒化物半導体層としてGaNを選択し、第2窒化物半導体層を構成する第1の領域1031を29nmのAl0.73In0.27Nとし、第2の領域1032を15nmのAlNとすると累積歪み量をきわめて少なくすることができる。このように、(累積歪み)=(歪み量)×(膜厚)という関係を考慮して材料を適宜選択するとよい。
また、第1の領域と第2の領域のIn濃度は種々の観点から適宜選択することが可能である。
第1窒化物半導体層(高屈折率層)としてGaNを、第二窒化物半導体層(低屈折率層)としてAlInNを採用し、第二窒化物半導体層の第1の領域が第2の領域の2倍の膜厚を有している場合を考える。この場合、第2の領域のIn濃度として0以上0.17以下、第1の領域のIn濃度として0.17以上0.4以下を選択することができる。このうち、吸収をより低減するという観点からは、第2の領域のIn濃度として0以上0.05以下が好ましい。また、累積歪をより低減させるという観点からは、第2の領域のIn濃度が0以上0.05以下で、第1の領域のIn濃度として0.24以上0.3以下がより好ましい。
次に、第1窒化物半導体層(高屈折率層)としてAl0.1Ga0.9Nを、第二窒化物半導体層(低屈折率層)としてAlInNを採用し、第二窒化物半導体層の第1の領域が第2の領域の2倍の膜厚を有している場合を考える。この場合、第2の領域のIn濃度として0以上0.15以下、第1の領域のIn濃度として0.15以上0.36以下から選択することができる。このうち、吸収をより低減するという観点からは、第2の領域のIn濃度として0以上0.05以下が好ましい。また、累積歪をより低減させるという観点からは、第2の領域のIn濃度が0以上0.05以下で、第1の領域のIn濃度として0.21以上0.27以下がより好ましい。
さらに、第1窒化物半導体層(高屈折率層)としてIn0.1Ga0.9Nを、第二窒化物半導体層(低屈折率層)としてAlInNを採用し、第二窒化物半導体層の第1の領域が第2の領域の2倍の膜厚を有している場合を考える。この場合、第2の領域のIn濃度として0以上0.25以下、第1の領域のIn濃度として0.25以上0.46以下から選択することができる。このうち、吸収をより低減するという観点からは、第2の領域のIn濃度として0以上0.05以下が好ましい。また、累積歪をより低減させるという観点からは、第2の領域のIn濃度が0以上0.05以下で、第1の領域のIn濃度として0.31以上0.37以下がより好ましい。
なお、上記ではできるだけ大きな屈折率差のために第二窒化物半導体層として三元化合物であるAlInNを採用した。また一方で、電流注入を容易にするために低抵抗多層膜反射鏡作製を目的とした場合には、バンドギャップの小さい四元化合物であるAlGaInNを採用することも可能である。
活性層1070を構成する材料としては、例えばInGaNやAlGaNである。また、これらの材料を含む量子井戸層とすることも好ましい。
スペーサ層1071、1072は、所望の共振波長を得るために位相を調節するために用いられる層である。例えばGaNやAlGaNなどにより構成される。なお、スペーサ層はクラッド層と呼ばれる場合がある。
本実施形態に係る発明においては、多層膜ミラー1000の支持基板としてGaN基板やサファイア基板、あるいはAlGaN基板などを利用することができる。
また、この支持基板と多層膜ミラー1000との間には、バッファ層としてGaN、AlGaN、AlNなどを介在させることもできる。
本実施形態に係る半導体レーザ装置には、光励起によりレーザ発振するタイプも、電流注入によりレーザ発振するタイプのいずれの方式も含まれる。
図3は、電流注入タイプの場合の面発光レーザの構成例を示す断面図である。
図3(a)において、1000、2050は既述の多層膜ミラーであり、例えば、活性層1070の上部にはp型のDBR2050を、下部にはn型のDBR1000を設ける。活性層の上下に設ける多層膜ミラーは同じ層構成でもよい。この場合は、活性層を中心に、高屈折率層と低屈折率層の配置は対称になる。また、一方の多層膜ミラー、例えば上部のミラーを誘電体多層膜ミラー(例えば、SiOのような酸化シリコンとTiOのような酸化チタンとの積層体や、SiOのような酸化シリコンとZrOのような酸化ジルコニウムとの積層体)とすることができる。更にまた、いわゆるフォトニック結晶と呼ばれる、二次元の屈折率周期構造体を用いることもできる。このような構造体は、例えば面内方向に並んだ三角格子点や四角格子点位置に、細孔を周期的形成して得られる。
活性層1070は、GaInNなどを用いた量子井戸構造とすることができる。1071および1072は、スペーサ層であり、抵抗値を低くしたAlGaNやGaNを用いる。2090はGaN基板であり、2091はGaNバッファ層(エピタキシャル層)である。2092は、n側の電極(負極)であり、例えば、Ti/Alで構成される。2093は、SiOあるいはSiNからなる絶縁層であり、2094は、Ni/AuあるいはPd/Auからなるp側の電極(正極)である。なお、電極は例示したように、2層で形成されている場合には、半導体層側にNi、Pd、Tiが配置される。
このように構成された電流注入タイプの面発光レーザは、活性層の上部側のDBRの反射率を下部側のDBRの反射率よりも高く設定することにより、基板側から光を出射させることができる。
また、図3(b)は、別の構成例を示すものである。
1070は活性層、1071はp型スペーサ層、1072はn型スペーサ層であり、それぞれの構成材料は、上記(a)の場合と同様である。2090はGaN基板、2091はGaNバッファ層である。なお、p型スペーサ層1071と誘電体多層膜ミラー2095との間に、トンネル接合領域を有するn型の層2099を設けている。このn型の層2099内には、p+領域4098と、n+領域4099が設けられている。
これら2つの領域のキャリアドープ量は、1019から1020/cm程度である。これにより、活性層1070への注入電流を狭窄することができる。
また、1000は、本実施形態において説明した多層膜ミラーであり、例えばアンドープDBRとする。2095は、誘電体多層膜ミラー(例えばSiOとZrOのペアを複数積層)である。2093は上記(a)と同様の絶縁膜である。
2098は第1のn側リング電極(負極)、2097は、第2のn側リング電極(正極)である。電極材料は、図3(a)で説明したものを適用できる。
なお、図3(a)および(b)において、説明する面発光レーザの構成は、その一例を示したに過ぎず、上記特許文献1(特開平7−297476号公報)などに記載の構成に対しても、本実施形態に係る多層膜ミラーは適用できる。
なお、本実施形態に係る発明は、面発光レーザなどの半導体レーザ装置のみならず、III族窒化物半導体多層膜ミラーを含む他の光学素子などにも適用できる。
(第2の実施形態:半導体レーザ装置2)
上記第1の実施形態では、低屈折率層の構成材料にInを含む場合の発明について説明した。本実施形態では、高屈折率層の構成材料にInを含む場合の発明について説明する。
高屈折率層をInを含む材料で構成する場合にも、Inを含む領域のみで構成するのでなく、少なくとも2つの領域に分けて構成する。これにより、Inを用いたことによるメリットを享受しつつ、内部光吸収を低減できる。
本実施形態に係る半導体レーザ装置について、図4を用いて説明する。GaN基板3090上に、該半導体レーザ装置の共振器3200を構成する2つのミラーが設けられている。そして、このミラーの少なくとも一方が、高屈折率層としての第1窒化物半導体層3020と、低屈折率層としての第2窒化物半導体層3030とが交互に積層されている多層膜ミラー3000である。なお、3091は必要に応じて採用されるGaNなどからなるバッファ層である。また、図3において、図1と符号を付しているものは、上記実施形態1と同様であるので説明を省略する。
ここで、第1窒化物半導体層3020は、Inを含む第1の領域と、該第1の領域に含まれるIn濃度より低いIn濃度の第2の領域とを備えている。また、第1の領域と第2の領域は第2窒化物半導体層3030よりも屈折率が高い。
さらに、第1の領域は第2の領域よりも、活性層に対してより近い位置に配されている。つまり、実施形態1では、光吸収の多い第1の領域が活性層に対して離れた場所に配置されている点に対して、実施形態2では、光吸収の多い第1の領域が活性層に対しての近くに配置されている点において両者は異なる。このことは、図2(a)および(b)に示した屈折率と光強度分布の関係を参照すると容易に理解できる。なお、実施形態2に係る発明は、後述の実施例2において詳細に説明を行う。
以下、本発明について、実施例を用いて具体的に説明する。
(実施例1:(AlN/AlInN)/GaNからなる多層膜ミラー)
図5は本発明の第一の形態を示す面発光レーザの断面模式図である。
本実施例のレーザの共振器4200は、量子井戸活性層4070の上下に、スペーサ層4040、そしてそれらの上下に多層膜ミラー4000、4050が積層されることにより構成されている。
ここで用いられる量子井戸活性層4070は、例えば4個のInGaN井戸層を含む。この場合、発光中心波長は400nmである。
また、スペーサ層4040としてGaNを用い、二波長の光学的厚さを有する共振器となるように厚さを調節している。なお、必要に応じて発光波長、井戸数、あるいはスペーサ層の調整を行うことが可能である。
窒化物多層膜ミラーは、低屈折率層4030と高屈折率層4020とが交互に積層されている。低屈折率層4030は、AlN4032とAl0.73In0.27N4031の2つの領域を組み合わせることにより構成されており、高屈折率層4020は、GaN層で構成される。低屈折率層および高屈折率層の光学的厚さは、ともにそれぞれ1/4波長の光学的厚さになっている。また、AlN層とAl0.73In0.27N層の層厚の比は1:2になっている。
続いて、この窒化物多層膜ミラーの構造について説明する。
図6の(1)は、図5で示した(AlN/Al0.73In0.27N)/GaN多層膜ミラー4000と、InGaN量子井戸活性層4070を含む共振器構造の拡大図である。
図6の(2)は比較のため、従来の方法どおり高屈折率層4020としてGaNを、低屈折率層4039としてAl0.83In0.17Nのみを用いた場合である。
なお、この図では簡単のため、活性層、スペーサ層、3ペアのみ積層した下部多層膜ミラーを示している。
また、図6の(1)、(2)の右側には、構成層と対応した内部光強度分布を示した。図6の(1)で示すように、低屈折率層における光強度分布の腹側(5302)にInを含まないAlN層4032を配置し、節側(5303)にInを含むAl0.73In0.27N層4031を配置している。
つまり、低屈折率層内においては活性層に対して近い側にInを含まないAlN層4032が、離れた側にInを含むAl0.73In0.27N層4031が配置されている。
また、前述の図5に示すように、上部窒化物半導体多層膜ミラーにおいても同様にそれぞれの層を配置する。この場合、共振器を中心として上部および下部多層膜ミラーの層構成は鏡面対称構造となる。もっとも、上部と下部の多層膜ミラーにおいて、それぞれのミラーのペア数は異なっても良い。
図6の(2)の構造では、低屈折率層がAl0.83In0.17N層4039で構成されており、このときの光吸収は50cm−1と前述の非特許文献1において報告されている。
しかしながら、この50cm−1という値はGaAs系材料の値(10〜20cm−1)と比較すると2倍以上の値となっている。GaN系材料とGaAs系材料を比較すると、同一の利得を得るために必要な注入キャリア密度は、GaN系材料はGaAs系材料に比べ数倍以上である。そのため、ミラー内での内部吸収を下げる改良を施さないと、発熱の影響を受けて室温での連続動作の実現は困難である。
光吸収におけるAlN層の膜厚依存性を調べた結果を図7に示す。
AlN層が0nmで、Al0.83In0.17N層が1/4波長の光学的厚さ(43nm)の場合、すなわち図6の(2)の場合は約50cm−1であるが、AlInN層厚を薄くし、その分AlN層厚を厚くして二層合わせて1/4波長の光学的厚さを保つようにすると、光吸収は低下することが判明した。
AlN層が15nmで、Al0.73In0.27N層が29nm(二層合わせて1/4波長の光学的厚さ)の場合には、約20cm−1まで低下する。
この構造で、それぞれ20、30、40および60ペア積層した場合の反射率を算出し、その結果を図8に示した。
図6の(2)の構成の場合は、60ペアでも99.5%に達しない。しかし、図6(1)の場合は40ペアで99.7%に達した。
すなわち、本発明の構造を用いれば室温連続動作に必要と思われる低内部損失および高反射率を同時に達成することができる。
次に、格子不整合による累積歪について説明する。
図6の(2)のようにAlInN層だけの場合には、この層をGaN層に格子整合させるようにIn組成を制御すれば、歪は0に近づき、累積歪量(歪×層厚)も0に近づく。
図6の(1)のようにAlNとAlInN層の場合には、AlN層はGaN層よりも格子定数が小さいため、AlN層中には引張歪が内在し、厚さが厚くなるに従ってその累積歪量は大きくなる。
ここでAlInN層のIn組成を制御して、AlN層で生じる引張歪をちょうど打ち消すような圧縮歪をAlInN層に導入する。その模式図を図6に示す。5308の矢印向きに対して、左方向へ突出しているのが圧縮歪を示し、右方向に突出しているのが引張歪を示す。
このように、AlInN層のIn組成を制御して歪補償を行うことでInを含まない層が存在してもその歪量を累積的に0に近づけることが可能となる。これにより、クラックなど反射率や歩留まりを低下させる結晶欠陥の導入を防ぐことができる。
なお、図5などでは、電流注入のために必要なドーピング、および電極形成等は図示していない。しかし、適切なドーピング、電極形成および電流狭窄構造形成を行うことにより、電流注入可能な構造にすることができる。
また、多層膜ミラーの抵抗成分を低減させるために、低屈折率層と高屈折率層間に組成傾斜層を挿入することも可能である。
続いて、上記構造のIII族窒化物半導体多層膜ミラーの具体的な作製方法について述べる。
成長方法として、ここでは有機金属化合物気相成長法(MOCVD法)を用いる。高品質な窒化物半導体結晶が精度よく作製できる方法であれば、上記MOCVD法に限定されず、分子線エピタキシー法などを用いることができる。
最初に、下部窒化物半導体多層膜ミラーの成長手順について述べる。
基板としてGaN基板を使用する。表面平坦化のために、まずGaNバッファ層をMOCVDにより成長させる。具体的には、基板温度1050℃とし、原料ガスとしてトリメチルガリウム(TMG)と窒素またはアンモニアを用い、キャリアガスとして水素キャリアガスを用いる。
300〜500nm程度成長した後に、V族原料であるアンモニアを供給したまま、III族原料であるTMGの供給を中断してGaNの成長を中断し、水素キャリアガスから窒素キャリアガスに変更する。こうして、下部多層膜ミラー成長のための前準備が整う。
引き続き、低屈折率層の成長手順を説明する。
まず、基板温度を800℃まで下げ、温度が安定したところでIII族元素の原料であるトリメチルアルミニウム(TMAl)とトリメチルインジウム(TMIn)を供給して成長を開始する。この際、所望のIn組成、および成長速度が得られるようにTMAlとTMInの供給量を調整する。
約28nm成長させたところでTMInの供給を中断し、そのままの温度でAlN層を約2nm成長させる。通常、図9に示すように、Inを含む層が最表面の場合、そのまま温度を上昇させるとその表面でInの脱離が起こり、その界面の荒れによる反射率の低下が生じる場合がある。
そこで、図10に示すように、最表面の約2nmをInを含まない層でカバーすることにより、この後の温度上昇の際において表面でのInの脱離を防ぎ、界面の荒れによる反射率の低下を防ぐことができる。このInを含まない層、ここではAlN層を約2nm成長させた後、TMAlの供給を中断して基板温度を1050℃まで上昇させる。温度が安定した後に、再度TMAlを供給してAlN層を約14nm成長させる。その後、TMAlの供給を中断してAlN層の成長を中断する。ここまでで、低屈折率層一層分の成長が終了する。続いてこのままの温度でTMGaを供給して高屈折率層であるGaNを1/4波長の光学的厚さだけ成長させ、その後TMGaの供給を中断してGaNの成長を終了する。ここまでで高屈折率層一層分の成長が終了する。すなわち、低屈折率層と高屈折率層の一ペア分の成長が終了する。以下この成長手順を60回繰り返せば良い。
続いて、上部窒化物半導体多層膜ミラーの成長手順を、図11を用いて説明する。
まず、低屈折率層の成長手順を説明する。
InGaN活性層および共振器まで成長が終了した後に、基板温度が1050℃であること、および窒素キャリアガスであることを確認する。TMAlの供給を開始してAlN層を約14nm成長し、TMAlの供給を中断して成長を中断する。その後、基板温度を800℃まで降下させる。温度が安定した後に、TMAlとTMInを供給してAlInN層の成長を開始する。この際、所望のAl組成、In組成、および成長速度が得られるようにTMAlとTMInの供給量を調整する。約28nm成長させたところでTMInの供給を中断し、そのままの温度でAlN層を約2nm成長させる。これによりInを含まない層が最表面になり、この後の温度上昇の際において表面でのInの脱離を防ぎ、界面の荒れによる反射率の低下を防ぐことができる。ここではInを含む層を覆うために、TMInの供給を止めてAlN層を成長させたが、AlN層の代わりにTMGaを供給してGaN層を数2nmそのまま同じ温度(800℃)で成長させても良い。上記で低屈折率層の成長が終了する。
続いて、高屈折率層の成長手順を説明する。
低屈折率層の成長が終了し、Inの脱離を防ぐための層が最表面になっており、窒素キャリアガスとアンモニアが供給されている状態を確認した後、基板温度を1050℃まで上昇させる。温度が安定した後、TMGaを供給してGaN層の成長を開始する。1/4波長の光学的厚さになった時点でTMGaの供給を止めて成長を中断する。以上で高屈折率層一層の成長が終了する。すなわち下部多層膜ミラーの一ペア分の成長が終了する。
以下この成長手順を40回繰り返せば良い。
Inを含まないIII族窒化物半導体、例えばGaNやAlGaNは成長温度を1000℃以上と十分高くできるため、吸収の少ない光学的に高品質な膜が成長できる。
一方、Inを含むIII族窒化物半導体層を成長させるためには、成長時におけるInの脱離を防ぐために、上述のように、その成長温度を700〜800℃まで下げる必要がある。これにより、結晶性が劣化するため、光吸収が増加し、多層膜ミラーに用いたときに無視できないほどの内部損失となってしまう。
本実施例によれば、Inを含む吸収の多い層が光強度分布の低い領域(節付近)に存在し、Inを含まない吸収の少ない層は光強度分布の高い領域(腹付近)に存在する。したがって、Inを含む層を備える多層膜ミラーで生じる光吸収を抑制することが可能で、反射率が高く、光吸収損失の少ない高品質多層膜ミラーが得られる。
もっとも、Inを含まない層が入ることにより、その層は基板との格子整合条件からずれる可能性がある。しかし、この場合、Inを含む層にInを含まない層に入る歪と反対方向の歪を意図的に導入することで構成層全体の累積歪量を実質的に0に近づけることも可能である。
以上のように、本実施例によれば、低内部損失、高反射率、クラックの少ないIII族窒化物半導体多層膜ミラーが作製でき、高性能面発光レーザの実現が可能となる。
(実施例2:(AlN/AlInN)/(AlGaN/AlGaInN)からなる多層膜ミラー)
実施例2では、低屈折率層および高屈折率層を2層構成とする多層膜ミラーを用いた面発光レーザについて説明する。
図12は本実施例を説明するための面発光レーザの断面模式図である。
本実施例のレーザの共振器9200は、量子井戸活性層9070の上下に、スペーサ層9040、そしてそれらの上下に多層膜ミラー9000、9050が積層されることにより構成されている。基板9090としてGaN、多層膜ミラー9000として(AlN/Al0.73In0.27N)/(Al0.2Ga0.8N/Al0.15Ga0.8In0.05N)、量子井戸活性層9070としてGaN量子井戸、多層膜ミラー9050としてSiO/TiOが用いられている。
ここで用いられているGaN量子井戸活性層9070は、例えば4個のGaN井戸層を含み、発光中心波長は350nmである。また、スペーサ層9040としてAlGaNを用いる。具体的には、GaN量子井戸活性層9070からの発光が吸収されないように、Al0.1Ga0.9Nを使用する。なお、必要に応じて発光波長、井戸数、あるいはスペーサ層の調整を行うことが可能である。
多層膜ミラー9000は、AlN9032とAl0.73In0.27N9031の二層を組み合わせた低屈折率層9030と、Al0.2Ga0.8N9024とAl0.15Ga0.8In0.05N9023の二層を組み合わせた高屈折率層9020で構成される。
ここでも活性層からの発光が吸収されないように、各層のAlおよびIn組成を決定する。これら低屈折率層9030と高屈折率層9020の厚さは、それぞれ1/4波長の光学的厚さになっている。また、AlN9032とAl0.73In0.27N9031、およびAl0.2Ga0.8N9024とAl0.15Ga0.8In0.05N9023の層厚の比は1:2になっている。
この低屈折率層と高屈折率層を多数ペア積層することによって多層膜ミラーとして機能させる。
なお、上部誘電体多層膜ミラーは電子ビーム蒸着等で堆積する。
続いて、この窒化物多層膜ミラーの構造について説明する。
図13は、図12で示した(AlN/Al0.73In0.27N)/(Al0.2Ga0.8N/Al0.15Ga0.8In0.05N)多層膜ミラー9000と、GaN量子井戸活性層9070を含む共振器の拡大図である。
なお、この図では簡単のため、活性層9070、スペーサ層9040、3ペアのみ積層した下部多層膜ミラー9000を示している。また、右側には、内部光強度分布も示した。
図13に示すように、低屈折率層9030、高屈折率層9020ともに光強度分布の腹側(9002)にInを含まない層(AlN層およびAl0.2Ga0.8N層)を配置し、節側(9003)にInを含む層(Al0.73In0.27N層およびAl0.15Ga0.8In0.05N層)を配置している。つまり、低屈折率層9030内においては活性層9070に近い側に、Inを含まない層9032が、遠い側にInを含む層9031が配置されている。一方、高屈折率層9020においては、活性層9070に近い側にInを含む層9023、遠い側にInを含まない層9024が配置されている。これによりInを含む層で生じる吸収を実効的に抑えることができる。
次に、格子不整合による累積歪について説明する。
図13の9308で示すように、低屈折率層9030内のAlN9032とAl0.73In0.27N9031において、AlN層はGaN層よりも格子定数が小さいためAlN層中には引張歪が内在し、厚さが厚くなるに従ってその累積歪量は大きくなる。そこで、AlInN層のIn組成を調節して、AlN層で生じる引張歪をちょうど打ち消すような圧縮歪をAlInN層に導入する。このときAlN層とAl0.73In0.27N層の層厚は1:2になっている。
一方、高屈折率層9020内のAl0.2Ga0.8N9024とAl0.15Ga0.8In0.05N9023において、Al0.2Ga0.8N層はGaN層よりも格子定数が小さいためAl0.2Ga0.8N層中には引張歪が内在し、厚さが厚くなるに従ってその累積歪量は大きくなる。そこで、AlGaInN層のIn組成を調節して、Al0.2Ga0.8N層で生じる引張歪をちょうど打ち消すような圧縮歪をAlGaInN層に導入する。
このときAlGaN層とAlGaInN層の層厚は1:2になっている。
以上のようにして、低屈折率層内、高屈折率層内どちらも累積歪量は実質的に0に近づけることができる。
なお、図13では、電流注入のために必要なドーピングおよび電極形成等は本発明に直接関与しないため省略している。しかし、適切なドーピング、電極形成および電流狭窄構造形成を行うことにより、電流注入可能な構造にすることができる。また、多層膜ミラーの抵抗成分を低減させるために、低屈折率層と高屈折率層間に組成傾斜層を挿入することも可能である。
以上のように、本実施例によれば、低内部損失、高反射率、クラックの少ないIII族窒化物半導体多層膜ミラーが作製でき、高性能面発光レーザの実現が可能となる。
第1の実施形態に係る半導体レーザ装置を説明する図である。 光強度とIn濃度との関係を説明するための図である。 面発光レーザの構成例を示す断面図である。 第2の実施形態に係る半導体レーザ装置を説明する図である。 実施例1に係る半導体レーザ装置を説明する図である。 共振器構造、内部光強度分布、累積歪量を示した図である。 窒化アルミニウム層の膜厚と光吸収損失との関係を示す図である。 積層ペア数と反射率との関係を示す図である。 下部多層膜ミラーを作製する際に、Inを含まない層でカバーしない手順を示す図である。 下部多層膜ミラーを作製する際に、Inを含まない層でカバーする手順を示す図である。 上部多層膜ミラーを作製するための手順を示す図である。 実施例2に係る半導体レーザ装置を説明する図である。 共振器構造、内部光強度分布、累積歪量を示した図である。 GaAs系半導体レーザに用いる多層膜ミラーを構成する材料の格子定数と屈折率を示した図である。 GaN系半導体レーザに用いる多層膜ミラーを構成する材料の各組成における格子定数と屈折率を示した図である。
符号の説明
1000 多層膜ミラー
1020 第1窒化物半導体層
1030 第2窒化物半導体層
1031 第1の領域
1032 第2の領域
1070 活性層
1200 共振器

Claims (13)

  1. 共振器を構成するために対向して配置される2つのミラーと、該ミラー間に配置される活性層とを有する半導体レーザ装置において、
    前記2つのミラーのうち少なくとも一方は、Gaを含む第1窒化物半導体層と、Alを含む第2窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜ミラーであり、
    前記第2窒化物半導体層は、
    前記第1窒化物半導体層よりも屈折率が低く、Inを含む第1の領域と、
    前記第1窒化物半導体層よりも屈折率が低く、該第1の領域に含まれるIn濃度より低いIn濃度を有する第2の領域とを備え、
    前記第2窒化物半導体層内において、前記第2の領域は、前記第1の領域よりも、活性層に対して近い位置に配されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記第2の領域にはInが含まれないことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第2窒化物半導体層を構成する前記第1の領域は窒化アルミニウムインジウムであり、前記第2の領域は、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項2に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記Gaを含む第1窒化物半導体層は窒化ガリウムであることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載された半導体レーザ装置。
  5. 前記第1の領域又は前記第2の領域に含有されるIn濃度は、前記多層膜ミラーの積層方向に勾配を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載された半導体レーザ装置。
  6. 前記第1の領域は圧縮歪みを有し、前記第2の領域は引張り歪みを有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一つに記載された半導体レーザ装置。
  7. 共振器を構成するために対向して配置される2つのミラーと、該ミラー間に配置される活性層とを有する半導体レーザ装置において、
    前記2つのミラーのうち少なくとも一方は、Gaを含む第1窒化物半導体層と、Alを含む第2窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜ミラーであり、
    前記第2窒化物半導体層は、前記第1窒化物半導体層よりも屈折率が低く、
    該第2窒化物半導体層を光学的膜厚に対して2つの部分に等分割した場合に、活性層に対して近い部分のIn濃度は、活性層に対して離れた部分のIn濃度よりも低いことを特徴とする半導体レーザ装置。
  8. 共振器を構成するために対向して配置される2つのミラーと、該ミラー間に配置される活性層とを有する半導体レーザ装置において、
    前記2つのミラーのうち少なくとも一方は、Gaを含む第1窒化物半導体層と、Alを含む第2窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜ミラーであり、
    前記第1窒化物半導体層は、
    前記第2窒化物半導体層よりも屈折率が高く、Inを含む第1の領域と、
    前記第2窒化物半導体層よりも屈折率が高く、該第1の領域に含まれるIn濃度より低いIn濃度を有する第2の領域とを備え、
    前記第1窒化物半導体層内において、前記第1の領域は、前記第2の領域よりも、活性層に対してより近い位置に配されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  9. 前記第2の領域にはInが含まれていないことを特徴とする請求項8に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記第1の領域は窒化アルミニウムガリウムインジウムであり、前記第2の領域は窒化アルミニウムガリウムであることを特徴とする請求項9に記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記第1の領域又は前記第2の領域の少なくともいずれか一方に含有されるIn濃度は、前記多層膜ミラーの積層方向に勾配を有することを特徴とする請求項8から10のいずれか一つに記載された半導体レーザ装置。
  12. 前記第1の領域は圧縮歪みを有し、前記第2の領域は引張り歪みを有することを特徴とする請求項8から11のいずれか一つに記載された半導体レーザ装置。
  13. 共振器を構成するために対向して配置される2つのミラーと、該ミラー間に配置される活性層とを有する半導体レーザ装置において、
    前記2つのミラーの少なくとも一方は、Gaを含む第1窒化物半導体層と、Alを含む第2窒化物半導体層とが交互に積層されてなる多層膜ミラーであり、
    前記第1窒化物半導体層は、前記第2窒化物半導体層よりも屈折率が高く、
    該第1窒化物半導体層を光学的膜厚に対して2つの部分に等分割した場合に、活性層に対して近い部分のIn濃度は、活性層に対して離れた部分のIn濃度よりも高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
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