JP4544665B2

JP4544665B2 - Semiconductor laser

Info

Publication number: JP4544665B2
Application number: JP24802999A
Authority: JP
Inventors: 勇赤崎; 浩天野; 智上山; 素顕岩谷
Original assignee: 学校法人名城大学
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2001077470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理分野などへの応用が期待されているＧａＮ系半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
従来、単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザとして、図５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Ｃｌ₂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。
【０００５】
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。
【０００６】
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５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。
【０００７】
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。
【０００８】
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５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 内に閉じこめられる。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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
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５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６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。
【００１０】
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。
【００１１】
さらに、垂直横モードを考えた場合、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層106 の膜厚は厚いほど光閉じ込めが強くなり望ましいが、同層を厚く成長すると多重量子井戸活性層108 の屈曲した形状が消失して、横方向の屈折率差が弱まる。さらにn-AlGaN 第１クラッド層106 側から多重量子井戸活性層108 へ注入される電子の横方向の広がりが大きくなるためにしきい値電流の増加を招く。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
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。
本発明は、電流狭窄層に低屈折率のＡｌＧａＮ系、または光吸収の強いＧａＩｎＮ系、さらにその両方の性質を有するＡｌＧａＩｎＮ系を用い、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。
【００１３】
すなわち、本発明は、基板と、ｎ型層と、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１，ｘ＝０のときｙ≠０，ｙ＝０のときｘ≠０）から成るｐ型または高抵抗電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部とを備えた半導体レーザである。上記のＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮは、ｙ＝０のとき、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）であり、ｘ＝０のとき、Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ（０＜ｙ≦１）となる。
【００１４】
また、本発明は、ストライプ状開口部に沿って屈曲した量子井戸活性層を備えた上記の半導体レーザである。活性層の屈曲によって層に平行な方向の屈折率差が生じ、電流狭窄層の低屈折率あるいは光吸収の作用をさらに強めることができる。したがって、極めて強い光閉じ込め効果が実現できる。特に、ストライプ幅が３μｍ以下の狭ストライプ構造において上記の強い光閉じ込め効果が特に有効に作用し、低しきい値電流および低アスペクト比の半導体レーザを実現できる。
【００１５】
さらに、本発明は、ｎクラッド層を２層に分け、電流狭窄層の上下に配置することにより、優れた光閉じ込めと電流閉じ込めを両立できるようにし、低しきい値電流の単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザが実現できる。さらに、クラッド層に超格子を用いることにより、素子の直列抵抗を大幅に低減でき、信頼性の高い単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザが実現できる。
【００１６】
また、本発明は、電流狭窄層上に形成されたｎ型第１クラッド層と、電流狭窄層下に形成されたｎ型第３クラッド層とを備えた上記の半導体レーザである。
また、本発明は、光が屈折率の高いｎ−ＧａＮ層へ漏れるのを防ぐために、ｎ型第１クラッド層とｎ型第３クラッド層との膜厚の合計が１μｍ以上であることを特徴とする上記の半導体レーザである。
【００１７】
また、本発明は、該ｎ型第３クラッド層が超格子であることを特徴とする上記の半導体レーザである。ｎ型クラッド層を超格子とすることで２次元電子ガスが生じ、ストライプ開口部とｎ電極燗の電気抵抗を大きく低減できる。
【００１８】
また、本発明は、ｐ型第２クラッド層が超格子であることを特徴とする上記の半導体レーザである。ｐ型第２クラッド層を超格子とすることで２次元ホールガスが生じ、ｐ型第２クラッド層で水平方向に電流を広げることができるので、ｐ電極の有効面積が広くなり、ｐ電極接触抵抗を大きく低減できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の単一モード型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 、ＡｌＧａＩｎＮ系電流狭窄層4 が成長され、一旦、成長装置から取り出した後幅２μｍのストライプ状の開口部5 が、例えばＣｌ₂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5 は少なくともＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ電流狭窄層4 は完全に貫通していなければならない。
【００２０】
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が成長される。
【００２１】
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が形成される。
【００２２】
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。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。
【００２３】
多重量子井戸活性層8 の屈曲部17の幅は、約１．５μｍとなり、この幅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。この実施形態の場合、狭ストライプ構造を用いているので、水平方向の光はＡｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ電流狭窄層4 へも広がるが、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ電流狭窄層4 の組成を選ぶことで、導波機構の制御が可能となる。
【００２４】
図２に、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮの組成と導波機構との関係を示す。発振波長は４００ｎｍと仮定している。ＧａＮとＡｌ_0.84Ｉｎ_0.16Ｎとを結んだ直線より下の領域（Ａ）は、ＧａＮよりも屈折率が小さく、光吸収のない領域であり、この領域の組成の電流狭窄層を用いると（実施例１の構造）強い実屈折率導波作用のみが得られる。ＧａＮとＡｌ_0.84Ｉｎ_0.16Ｎとを結んだ直線より上で、ＧａＮとＡｌ_0.75Ｉｎ_0.25Ｎとを結んだ直線より下の領域（Ｂ）では、ＧａＮより屈折率が小さく、光吸収がある領域である。この領域の組成を電流狭窄層として用いると、実屈折率導波作用と損失導波作用を併せ持つ性質が得られる。また、ＧａＮとＡｌ_0.75Ｉｎ_0.25Ｎとを結んだ直線より上の領域（Ｃ）は、ＧａＮよりも屈折率が大きく、光吸収がある領域であり、この領域の組成の電流狭窄層を用いると（実施例２の構造）強い損失導波作用のみが得られる。
【００２５】
これらの組成を使い分けることで、ストライプ幅等他の構造パラメータに対して最適の電流狭窄層を得ることができる。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。なお、本実施の形態においては、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ電流狭窄層4 を用いたが、ｐ−ＡｌＧａＩｎＮでもよい。また、図２で示した各組成領域は、発振波長が４００ｎｍと仮定した場合のもので、波長が変わると若干変化するがその都度屈折率、光吸収の関係から導けばよい。さらに、多重量子井戸活性層8 は、活性層の屈曲部17がなく平坦な場合でも、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ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期待できる。
【００２６】
【実施例】
実施例１
図１に示すＧａＮ系量子井戸半導体レーザの素子断面構造において、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ電流狭窄層4 をAl_0.08Ga_0.92N 電流狭窄層とした。
本実施例の場合、大きい屈折率差のために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。
【００２７】
なお、本実施例においては、ＡｌＮモル分率０．０８のＡｌＧａＮとしたが、この最適の値は発振波長やストライプ幅、作製法によって変化するため、一般には少しでもＡｌを含んでいれば、前述の効果が期待できる。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、Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ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期待できる。
【００２８】
実施例２
図１に示すＧａＮ系量子井戸半導体レーザの素子断面構造において、Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ電流狭窄層4 をＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ電流狭窄層とした。
本実施例の場合、Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ電流狭窄層4 は、導波される光に対して１０⁵ｃｍ^-1程度の高い吸収係数を有している。このため、損失導波の作用が生じ、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る。その結果、９０％以上の光閉じ込め係数が得られる。
【００２９】
実施例１の構造との違いは、一般的な実屈折率導波型と損失導波型の違いと同様である。すなわち、実施例１の構造では狭ストライプ構造でも低い導波損失が実現できるが、ストライプ幅が比較的広くなると高次モードとの利得差が小さくなり単一モードの安定性が低下する。一方、損失導波型では狭ストライプ構造では、導波損失が増加して低しきい値電流密度が得られにくくなるが、ストライプ幅が比較的広くても高次モードとの利得差が大きくとれるので、単一モードの安定性に優れる。したがって、ストライプ幅が例えば２μｍ以上としたときでも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。
【００３０】
なお、本実施例においては、ＩｎＮモル分率０．２０のＧａＩｎＮとしたが、この最適の値は発振波長やストライプ幅、作製法によって変化する。一般には活性層で発光した光を少しでも吸収すればよいのでＧａ_1-xＩｎ_xＮの量子井戸を用いた場合、Ｇａ_1-zＩｎ_zＮ電流狭窄層のＩｎＮモル分率ｚは、ｘ＜ｚ＜１の関係を満たせばよい。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、Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ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期待できる。
【００３１】
実施例３
図３は、本実施例の単一モード型ＧａＮ系量子井戸半導体レーザの素子断面図である。実施例１との相違は、第１クラッド層6 を２層に分け、電流狭窄層の下にｎ型第３クラッド層を形成した点である。
ストライプ状開口部5 下には、ｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第３クラッド層6Aがあり、例えばｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第３クラッド層6Aの膜厚を１μｍ、ｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 の膜厚を０．５μｍとすると、光が屈折率の高いｎ−ＧａＮ層３へ漏れるのをほぼ完全に防ぐことができる。
【００３２】
Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ電流狭窄層4 上に成長されるｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 の膜厚は０．５μｍと比較的薄いので、ストライプ状開口部5 直上の多重量子井戸層8 は平坦化されず屈曲部17を有する。この場合の屈曲部17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。さらに、薄いｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 によって、ストライプ状開口部5 直上の多重量子井戸層8 へｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 側から注入される電子の横方向の広がりも小さくなっている。
本実施例の場合、大きい屈折率差のために多重量子井戸層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再現性よく実現できる。
【００３３】
実施例４
図４は、本実施例の単一モード型ＧａＮ系量子井戸半導体レーザの素子断面図である。実施例３との相違は、電流狭窄層の下に形成したｎ型第３クラッド層6Aおよびｐ−ＧａＮコンタクト層12の下のｐ型第２クラッド層をｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子クラッドにした点である。
ストライプ状開口部５下にはｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第３クラッド層6Bがあり、例えばｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第３クラッド層6Bの膜厚を１μｍ、ｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 の膜厚を０．５μｍとすると、光が屈折率の高いｎ−ＧａＮ層3 へ漏れるのをほぼ完全に防ぐことができる。
【００３４】
また、ｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第３クラッド層6Bおよびｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第２クラッド層11は、各々２次元電子ガス、２次元ホールガスの効果により厚さ方向よりも層に沿った横方向の電気抵抗が格段に低い。このため、ｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第３クラッド層6Bとｎ電極14との間の電気抵抗が低減でき、あるいは、ｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第２クラッド層11内で電流が横方向に広がるために、ｐ電極13の実効的な面積が大きくなり、接触抵抗が低減できるので、素子の動作電圧を大幅に低減することが可能となる。
【００３５】
したがって、低しきい値電流、低動作電圧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。ｎ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第３クラッド層6Bおよびｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎ／ＧａＮ超格子第２クラッド層11については、本実施例では、ＡｌＧａＮ側に各々ドナー、アクセプタをドープしているが、ＧａＮ側、あるいはＡｌＧａＮとＧａＮ両方にドープしてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図である。
【図２】Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ組成の波長４００ｎｍの光に対する屈折率と光吸収の関係を示す図である。
【図３】実施例３のＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図である。
【図４】実施例４のＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図である。
【図５】従来例のＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図である。
【図６】図５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である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a GaN-based semiconductor laser that is expected to be applied to the field of optical information processing.
[0002]
[Prior art]
In recent years, large-capacity optical disk devices such as digital video disks have been put into practical use, and the capacity is going to be further increased in the future. As is well known, one of the most effective means for increasing the capacity of an optical disk device is to shorten the wavelength of a semiconductor laser serving as a light source for reading and writing. Therefore, a semiconductor laser for a digital video disk currently on the market has a wavelength of 650 nm made of an AlGaInP-based material. However, a GaN-based semiconductor laser in the 400 nm band is indispensable for a high-density digital video disk to be developed in the future. It is considered.
[0003]
Semiconductor lasers used for optical discs require long life and low threshold current operation, as well as stable single transverse mode operation, low astigmatism, low noise, low aspect ratio, etc. A 400 nm band semiconductor laser that satisfies all these characteristics has not been realized.
[0004]
Conventionally, a single transverse mode GaN-based semiconductor laser having a cross-sectional structure of the element shown in FIG. 5 has been proposed. A GaN buffer layer 102, an n-GaN layer 103, and a p-GaN current confinement layer 104 are grown on the sapphire substrate 101 by the first crystal growth, and once taken out of the growth apparatus, a stripe-shaped opening 105 is formed, for example. It is formed by reactive ion etching with Cl ₂ gas. The stripe-shaped opening 105 must completely penetrate at least the p-GaN current confinement layer 104.
[0005]
Next, it is again introduced into the crystal growth apparatus, and by the second crystal growth, the n-AlGaN first clad layer 106, the n-GaN first light guide layer 107, Ga _1-x In _x N / Ga _1-y In are used. _{y N (0 <y <x} <1) multi-quantum well active layer 108 made of, p-AlGaN cap layer 109, p-GaN second optical guide layer 110, p-AlGaN second cladding layer 111, p-GaN contact Layer 112 is grown.
[0006]
Finally, a p-electrode 113 made of, for example, Ni / Au is formed immediately above the stripe-shaped opening 105, and an n-electrode 114 made of, for example, Ti / Al is formed on the surface etched partially until the n-GaN layer 103 is exposed. And a single transverse mode GaN-based semiconductor laser whose cross-sectional structure is shown in FIG. 5 is manufactured.
[0007]
In this device, when the n electrode 114 is grounded and a voltage is applied to the p electrode 113, holes are injected from the p electrode 113 side toward the multiple quantum well active layer 108, and electrons are injected from the n electrode 114 side. An optical gain is generated in the quantum well active layer 108 to cause laser oscillation. Note that the bias at the time of laser driving is a reverse bias at the junction between the p-GaN current confinement layer 104 and the n-AlGaN first clad layer 106, so that the stripe-shaped opening without the p-GaN current confinement layer 104 is present. The current concentrates only on the part 105.
[0008]
On the other hand, the multiple quantum well active layer 108 formed on the stripe-shaped opening 105 has a bent shape as shown in FIG. Further, it is stably confined in the multiple quantum well active layer 108 immediately above the stripe-shaped opening 105. For this reason, the injected carriers and the light distribution substantially match, and oscillation at a low threshold current density is possible. In addition, as described above, since the refractive index waveguide structure has a refractive index difference in the horizontal direction to the growth layer, a high-performance semiconductor laser with a stable optical mode and an extremely small astigmatic difference can be realized. .
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that is extremely difficult to avoid when actually manufacturing the single transverse mode type GaN-based semiconductor laser. In FIG. 5, a p-GaN current confinement layer 104 is used, but GaN is a material having a relatively high refractive index. That is, the refractive index is larger than that of the n-AlGaN first cladding layer 106. Since the multiple quantum well active layer 108 is bent, light is confined by the refractive index difference with the n-AlGaN first cladding layer 106 as shown in the refractive index distribution in the direction horizontal to the growth layer in FIG. It is done.
[0010]
However, if the p-GaN current confinement layer 104 having a refractive index larger than that of the n-AlGaN first clad layer 106 is present further outside the n-AlGaN first clad layer 106, a large amount of light enters the p-GaN current confinement layer 104. And the optical confinement in the multiple quantum well active layer 108 is significantly reduced. This is particularly noticeable in a narrow stripe structure having a stripe width of 3 μm or less. When the optical confinement in the multi-quantum well active layer 108 is lowered, the characteristics such as an increase in the threshold current and the aspect ratio of the beam divergence angle are unfavorable in terms of application as a light source for optical disks.
[0011]
Further, considering the vertical transverse mode, the thicker the n-AlGaN first cladding layer 106, the more preferable the optical confinement. However, when the same layer is grown thick, the bent shape of the multiple quantum well active layer 108 disappears. As a result, the refractive index difference in the lateral direction is weakened. Furthermore, since the lateral spread of electrons injected from the n-AlGaN first cladding layer 106 side into the multiple quantum well active layer 108 is increased, the threshold current is increased.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the problems of the conventional single transverse mode type GaN semiconductor laser described above, and has high performance such as stable single transverse mode operation, low aspect ratio, and low threshold current. A single transverse mode type GaN-based semiconductor laser is provided.
The present invention uses a low refractive index AlGaN system or a GaInN system with strong light absorption for the current confinement layer, and an AlGaInN system having both properties, and enhances optical confinement in the active layer bent in the horizontal direction. As a result, it is possible to realize a single transverse mode type GaN-based semiconductor laser with a stable refractive index waveguide having a low threshold current and a small aspect ratio.
[0013]
That is, the present invention relates to a substrate, an n-type layer, and Al _x Ga _{1 -xy} In _y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1, x = 0, y ≠ 0, y A semiconductor laser comprising a p-type or high-resistance current confinement layer having x ≠ 0 when = 0 and a stripe-shaped opening penetrating the current confinement layer. The above Al _x Ga _{1 -xy} In _y N is Al _x Ga _{1 -x} N (0 <x ≦ 1) when _y = 0, and Ga _{1 -y} In _y N (when x = 0). 0 <y ≦ 1).
[0014]
The present invention also provides the above semiconductor laser including a quantum well active layer bent along a stripe-shaped opening. Due to the bending of the active layer, a difference in refractive index in the direction parallel to the layer is generated, and the action of the low refractive index or light absorption of the current confinement layer can be further enhanced. Therefore, an extremely strong light confinement effect can be realized. In particular, the above-mentioned strong light confinement effect works particularly effectively in a narrow stripe structure with a stripe width of 3 μm or less, and a semiconductor laser having a low threshold current and a low aspect ratio can be realized.
[0015]
Furthermore, the present invention provides a low threshold current single transverse mode type by dividing the n-cladding layer into two layers and arranging the n-cladding layer above and below the current confinement layer so as to achieve both excellent optical confinement and current confinement. A GaN-based semiconductor laser can be realized. Furthermore, by using a superlattice for the cladding layer, the series resistance of the element can be greatly reduced, and a highly reliable single transverse mode GaN semiconductor laser can be realized.
[0016]
The present invention is also the above semiconductor laser comprising an n-type first cladding layer formed on the current confinement layer and an n-type third cladding layer formed under the current confinement layer.
In the present invention, the total thickness of the n-type first cladding layer and the n-type third cladding layer is 1 μm or more in order to prevent light from leaking to the n-GaN layer having a high refractive index. The above semiconductor laser.
[0017]
The present invention also provides the above semiconductor laser, wherein the n-type third cladding layer is a superlattice. By making the n-type cladding layer a superlattice, a two-dimensional electron gas is generated, and the electrical resistance of the stripe opening and the n-electrode can be greatly reduced.
[0018]
The present invention also provides the semiconductor laser as described above, wherein the p-type second cladding layer is a superlattice. By making the p-type second cladding layer a superlattice, a two-dimensional hole gas is generated, and the current can be spread in the horizontal direction in the p-type second cladding layer, so that the effective area of the p-electrode is increased and the p-electrode contact Resistance can be greatly reduced.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an element cross-sectional view of a single mode GaN-based quantum well semiconductor laser according to the present invention.
After an AlN buffer layer 2, an n-GaN layer 3, and an AlGaInN-based current confinement layer 4 are grown on the (0001) sapphire substrate 1 by the first crystal growth by metal organic vapor phase epitaxy, and once taken out from the growth apparatus. A stripe-shaped opening 5 having a width of 2 μm is formed by reactive ion etching using, for example, Cl ₂ gas. The stripe-shaped opening 5 must completely penetrate at least the Al _x Ga _{1 -xy} In _y N current confinement layer 4.
[0020]
Next, it is again introduced into the crystal growth apparatus, and by the second crystal growth, n-Al _0.07 Ga _0.93 N first clad layer 6, n-GaN first light guide layer 7, Ga _1-x In _x N / Ga. Multiple quantum well active layer 8 made of _1-y In _y N (0 <y <x <1), p-Al _0.08 Ga _0.92 N cap layer 9, p-GaN second light guide layer 10, p-Al _0.07 Ga _{A 0.93} N second cladding layer 11 and a p-GaN contact layer 12 are grown.
[0021]
Finally, a p-electrode 13 made of, for example, Ni / Au is formed immediately above the stripe-shaped opening 5, and an n-electrode 14 made of, for example, Ti / Al is formed on the surface partially etched until the n-GaN layer 3 is exposed. It is formed.
[0022]
The multiple quantum well active layer 8 is composed of, for example, a Ga _0.9 In _0.1 N quantum well layer having a thickness of 3 nm and a Ga _0.97 In _0.03 N barrier layer having a thickness of 9 nm. When the light generated in the multiple quantum well active layer 8 is viewed in the vertical direction, the n-GaN first light guide layer 7, the multiple quantum well layer 8, the p-Al _0.08 Ga _0.92 N cap layer 9, and the p-GaN second Although it is confined particularly strongly in the four layers of the light guide layer 10, a difference in refractive index is also generated in the direction horizontal to the growth layer due to the step.
[0023]
The width of the bent portion 17 of the multi-quantum well active layer 8 is about 1.5 μm, and the refractive index waveguide structure has an effective stripe width. In this embodiment, because of the use of narrow stripe structure, the light in the horizontal direction extends also to _{_{_{Al x Ga 1-xy In y}}} N current blocking layer _{_{4, Al x Ga 1-xy}} In y N current blocking layer By selecting the composition of 4, the waveguide mechanism can be controlled.
[0024]
FIG. 2 shows the relationship between the composition of Al _x Ga _{1 -xy} In _y N and the waveguide mechanism. The oscillation wavelength is assumed to be 400 nm. The region (A) below the straight line connecting GaN and Al _0.84 In _0.16 N is a region having a refractive index smaller than that of GaN and no light absorption. When a current confinement layer having the composition of this region is used (implementation) Structure of Example 1) Only a strong real refractive index waveguide effect can be obtained. In the region (B) above the line connecting GaN and Al _0.84 In _0.16 N and below the line connecting GaN and Al _0.75 In _0.25 N, the refractive index is smaller than that of GaN and there is light absorption. is there. When the composition in this region is used as a current confinement layer, a property having both an actual refractive index guiding action and a loss guiding action can be obtained. The region (C) above the straight line connecting GaN and Al _0.75 In _0.25 N is a region having a higher refractive index than that of GaN and light absorption. When a current confinement layer having a composition in this region is used, (Structure of Embodiment 2) Only a strong loss waveguide effect can be obtained.
[0025]
By properly using these compositions, an optimum current confinement layer can be obtained for other structural parameters such as the stripe width. Accordingly, high performance suitable for a light source for optical disks, such as a stable single transverse mode at a low threshold current and a low aspect ratio, can be realized. In this embodiment, the Al _x Ga _{1 -xy} In _y N current confinement layer 4 is used, but p-AlGaInN may also be used. Each composition region shown in FIG. 2 is based on the assumption that the oscillation wavelength is 400 nm, and changes slightly as the wavelength changes, but it may be derived from the relationship between refractive index and light absorption each time. Further, the multi-quantum well active layer 8 is expected to have the same effect as long as there is a refractive index difference due to the Al _x Ga _{1 -xy} In _y N current confinement layer 4 even when the active layer is not flat 17 and is flat. it can.
[0026]
【Example】
Example 1
In the device cross-sectional structure of the GaN quantum well semiconductor laser shown in FIG. 1, the Al _x Ga _{1 -xy} In _y N current confinement layer 4 is an Al _0.08 Ga _0.92 N current confinement layer.
In the case of the present embodiment, the optical confinement effect in the multiple quantum well active layer 8 appears more strongly due to the large refractive index difference, and an optical confinement coefficient of 90% or more is obtained. Accordingly, high performance suitable for a light source for optical disks, such as a stable single transverse mode at a low threshold current and a low aspect ratio, can be realized.
[0027]
In this example, AlGaN having an AlN molar fraction of 0.08 was used. However, since this optimum value varies depending on the oscillation wavelength, the stripe width, and the manufacturing method, generally, if Al is contained even a little, The above effects can be expected. Further, even when the multi-quantum well active layer 8 has no bent portion 17 and is flat, if the refractive index difference is caused by the Al _0.08 Ga _0.92 N current confinement layer 4, the same effect can be expected.
[0028]
Example 2
In the device cross-sectional structure of the GaN-based quantum well semiconductor laser shown in FIG. 1, the Al _x Ga _{1 -xy} In _y N current confinement layer 4 is a Ga _0.80 In _0.20 N current confinement layer.
In this embodiment, the Ga _0.80 In _0.20 N current confinement layer 4 has a high absorption coefficient of about 10 ⁵ cm ^{−1 with} respect to the guided light. For this reason, the action of loss waveguide occurs, and the optical confinement effect in the multiple quantum well active layer 8 appears more strongly. As a result, an optical confinement factor of 90% or more is obtained.
[0029]
The difference from the structure of the first embodiment is the same as the difference between a general real refractive index waveguide type and a loss waveguide type. That is, in the structure of Example 1, low waveguide loss can be realized even with a narrow stripe structure, but when the stripe width is relatively wide, the gain difference from the higher order mode is reduced and the stability of the single mode is lowered. On the other hand, in the loss waveguide type, in the narrow stripe structure, the waveguide loss increases and it is difficult to obtain a low threshold current density. However, even if the stripe width is relatively wide, the gain difference from the higher order mode is large. Therefore, it has excellent single mode stability. Therefore, even when the stripe width is, for example, 2 μm or more, high performance suitable for an optical disk light source such as a stable single transverse mode with a low threshold current and a low aspect ratio can be realized.
[0030]
In this embodiment, GaInN having an InN molar fraction of 0.20 is used, but this optimum value varies depending on the oscillation wavelength, stripe width, and manufacturing method. In general, since it is sufficient to absorb even a little light emitted from the active layer, when a Ga _1-x In _x N quantum well is used, the InN molar fraction z of the Ga _1-z In _z N current confinement layer is x <Z <1 may be satisfied. Further, even when the multi-quantum well active layer 8 is flat without the bent portion 17, the same effect can be expected if a refractive index difference is caused by the Ga _0.80 In _0.20 N current confinement layer 4.
[0031]
Example 3
FIG. 3 is a device cross-sectional view of the single mode GaN-based quantum well semiconductor laser of this example. The difference from Example 1 is that the first cladding layer 6 is divided into two layers and an n-type third cladding layer is formed under the current confinement layer.
The 5 lower stripe-like openings, there are n-Al _0.07 Ga _0.93 N third cladding layer 6A, for example n-Al _0.07 Ga _0.93 N 1μm film thickness of the third cladding layer 6A, n-Al _0.07 Ga _0.93 N When the film thickness of the first cladding layer 6 is 0.5 μm, it is possible to almost completely prevent light from leaking to the n-GaN layer 3 having a high refractive index.
[0032]
Since the n-Al _0.07 Ga _0.93 N first cladding layer 6 grown on the Al _0.08 Ga _0.92 N current confinement layer 4 is relatively thin, 0.5 μm, the multiple quantum well layer immediately above the stripe-shaped opening 5 8 has a bent portion 17 without being flattened. In this case, the width of the bent portion 17 is about 1.5 μm, and this has a refractive index waveguide structure that makes an effective stripe width. Further, by the thin n-Al _0.07 Ga _0.93 N first cladding layer 6, the lateral injection of electrons injected from the n-Al _0.07 Ga _0.93 N first cladding layer 6 side into the multiple quantum well layer 8 immediately above the stripe-shaped opening 5. The direction spread is also small.
In the case of this embodiment, the optical confinement effect in the multiple quantum well layer 8 appears more strongly due to the large refractive index difference, and an optical confinement coefficient of 90% or more is obtained. Therefore, high performance suitable for an optical disk light source such as a single transverse mode stable at a low threshold current and a low aspect ratio can be realized with good reproducibility.
[0033]
Example 4
FIG. 4 is an element cross-sectional view of the single mode GaN quantum well semiconductor laser of this example. The difference from Example 3 is that the n-type third cladding layer 6A formed under the current confinement layer and the p-type second cladding layer under the p-GaN contact layer 12 are made of n-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN This is the point where the lattice cladding is used.
Below the stripe-shaped opening 5, there is an n-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice third cladding layer 6B. For example, the thickness of the n-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice third cladding layer 6B is 1 μm, When the film thickness of the n-Al _0.07 Ga _0.93 N first cladding layer 6 is 0.5 μm, light can be almost completely prevented from leaking to the n-GaN layer 3 having a high refractive index.
[0034]
Further, the n-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice third cladding layer 6B and the p-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice second cladding layer 11 are respectively formed by the effects of the two-dimensional electron gas and the two-dimensional hole gas. The electrical resistance in the lateral direction along the layer is much lower than in the thickness direction. Therefore, the electrical resistance between the n-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice third cladding layer 6B and the n-electrode 14 can be reduced, or the p-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice second cladding layer. Since the current spreads in the horizontal direction in 11, the effective area of the p-electrode 13 is increased, and the contact resistance can be reduced, so that the operating voltage of the element can be greatly reduced.
[0035]
Therefore, high performance suitable for a light source for optical discs such as a low threshold current, a single transverse mode stable at a low operating voltage, and a low aspect ratio can be realized. In this embodiment, the n-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice third cladding layer 6B and the p-Al _0.14 Ga _0.86 N / GaN superlattice second cladding layer 11 are doped with donors and acceptors on the AlGaN side, respectively. However, the GaN side or both AlGaN and GaN may be doped.
[0036]
【The invention's effect】
By using the present invention, a high-performance short-wavelength semiconductor laser having a low threshold current density and having a single transverse mode, a low aspect ratio, and the like suitable for an optical disk light source can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a device sectional view of a GaN-based single transverse mode semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a refractive index and light absorption with respect to light having a wavelength of 400 nm having an Al _x Ga _{1 -xy} In _y N composition.
3 is a device sectional view of a GaN-based single transverse mode semiconductor laser according to Example 3. FIG.
4 is a device sectional view of a GaN-based single transverse mode semiconductor laser according to Example 4. FIG.
FIG. 5 is a device sectional view of a conventional GaN-based single transverse mode semiconductor laser.
6 is a diagram showing a refractive index distribution in a direction horizontal to the growth layer of the conventional example shown in FIG.

Claims

Substrate, n-type layer, and Al _x Ga _1-xy In _y N layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1, x = 0, y ≠ 0, y = 0 A semiconductor laser comprising a p-type or high-resistance current confinement layer consisting of x ≠ 0), a stripe-shaped opening penetrating the current confinement layer, and a quantum well active layer formed on the n-type layer Because
The n-type layer includes an n-type GaN contact layer, a first n-type AlGaN cladding layer, and an n-type GaN light guide layer in order from the substrate side above the substrate,
The current confinement layer is provided between the n-type GaN contact layer and the first n-type AlGaN cladding layer;
In the opening, the first n-type AlGaN cladding layer is formed on the n-type GaN contact layer,
The composition ratio x and y of the Al _x Ga _1-xy In _y N layer constituting the current confinement layer is such that the current confinement layer absorbs light of the oscillation wavelength and the current confinement layer has a refractive index of A semiconductor laser characterized by being set to be smaller than the refractive index of GaN .

2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the quantum well active layer is bent along the opening.

The n-type layer further comprises a second n-type AlGaN cladding between the n-type GaN contact layer and the first n-type AlGaN cladding layer;
3. The semiconductor laser according to claim 1 , wherein the current confinement layer is provided between the first n-type AlGaN cladding layer and the second n-type AlGaN cladding layer .

4. The semiconductor laser according to claim 3, wherein a total thickness of the first n-type AlGaN cladding layer and the second n-type AlGaN cladding layer is 1 μm or more. 5.

The semiconductor laser according to any one of claims 1-4, wherein the width of the opening is less narrow stripe structure 3 [mu] m.

A P-type layer including a p-type AlGaN cap layer, a p-type GaN light guide layer, a p-type AlGaN cladding layer, and a p-type GaN contact layer in order from the substrate side is the quantum well active layer. the semiconductor laser according to any one of claims 1-5, characterized in that it is formed thereon.