JP4603113B2

JP4603113B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP4603113B2
Application number: JP24803899A
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: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2001077471A

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ＩＩＩ族窒化物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７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７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７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７において、ｐ−ＧａＮ電流狭窄層113 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115 よりも屈折率は大きい。多重量子井戸活性層117 が屈曲しているため、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層115 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115 のさらに外側にｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層115 よりも屈折率の大きいｐ−ＧａＮ電流狭窄層113 が存在すると、光がｐ−ＧａＮ電流狭窄層113 へ多量に漏れ、多重量子井戸活性層117 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。
【００１０】
多重量子井戸活性層117 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、従来技術では本来十分な光閉じ込めを行うためには、ＡｌＧａＮの組成を高く、しかも厚い膜厚が必要となってくるが、ｎ−ＧａＮ上にＡｌＧａＮを成長させるという、格子不整合のため組成の高く厚い膜を成長させるとクラックが発生してしまいデバイスの特性を著しく劣化させてしまう。
【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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明では、電流狭窄層に低屈折率のＡｌＧａＮ系または光吸収の可能なＧａＩｎＮ系、さらにその両方の性質を併せ持つＡｌＧａＩｎＮ系、ＡｌＩｎＮ系を用い、さらに、格子不整合によるクラックの発生を抑制するために成膜温度が３００℃から８００℃の比較的低温で堆積したＡｌＧａＩｎＮ系中間層を用いること、または基板上の低温バッファ層の上にｎ−ＡｌＧａＩｎＮ系層を成長させることにより格子不整合を低減し、クラックの抑制をし、安定な単一横モード動作、低アスペクト比、低しきい値電流等の高性能な単一横モード型ＧａＮ系レーザを実現するものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、ｎ型層と、ｐ型層と、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ層（０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなるｐ型または高抵抗の電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、前記ｎ型層と前記ｐ型層の間に形成された活性層と、ｎ電極と、ｐ電極を備えた半導体レーザにおいて、前記基板と前記バッファ層の接する面から０．１０μｍ以上離れた箇所から前記ｐ電極までの間に成膜温度３００〜８００℃で堆積したＡｌ_ａＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ層（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１）からなるｐ型または高抵抗の低温中間層を更に備え、前記ｎ型層が、前記バッファ層上に形成され、前記基板側から順番に、ｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層と、ｎ型光ガイド層を備えて構成され、前記ｐ型層が、前記活性層上に形成され、前記基板側から順番に、ｐ型キャップ層と、ｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、上面が前記ｐ電極と接するｐ型コンタクト層を備えて構成され、前記電流狭窄層と前記低温中間層が、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型クラッド層の間に設けられ、前記開口部が、前記低温中間層を貫通して形成され、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型クラッド層が前記開口部において接触し、前記低温中間層が、前記電流狭窄層と前記ｎ型コンタクト層の間、前記電流狭窄層を上下に二分する位置、または、前記電流狭窄層と前記ｎ型クラッド層の間の何れかに設けられていることを特徴とする半導体レーザである。
【００１５】
成膜温度を３００〜８００℃とするのは、３００℃未満では窒素の原料であるアンモニアが熱分解せず、膜が堆積されなくなる。８００℃超ではＡｌＧａＩｎＮ系中間層が結晶化し、その上に結晶を積層するとクラックが多発するからである。また、基板とバッファ層の接する面から０．１０μｍ以上離れることとするのは０．１０μｍ未満ではその上の半導体レーザ結晶の品質が極めて悪化するからである。
【００２０】
また、本発明は、前記低温中間層にＭｇまたはＣを含むことを特徴とする上記の半導体レーザである。
【００２３】
本発明において、電流狭窄層はｐ型または高抵抗のいずれでもよい。ｐ型または高抵抗電流狭窄層のＡｌは必須の成分であるが、Ｉｎは含有されなくてもよい。すなわち、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）でもよい。電流狭窄層にＩｎを含んでいても屈折率差が取れていればよい。
【００２４】
また、ＡｌＮモル分率の最適の値は、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。
【００２５】
低温で堆積したＡｌ_aＧａ_1-a-bＩｎ_bＮ層のＩｎは含有されなくてもよい。すなわち、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ層（０≦ａ≦１）でもよい。Ｉｎを含んでいてもクラックの発生を抑制することは可能である。
【００２６】
低温ＡｌＧａＮ系中間層にＳｉなどのＩＶ族元素、ＳｅなどのＶＩ族元素を添加することにより導電性がとれ、低温ＡｌＧａＮ系中間層を必ずしも貫通させることなく電流を流すことが可能となる。また、ＭｇなどのＩＩ族元素またはＣなどのＩＶ族元素を添加することによりｐ型化もしくは高抵抗化するために電流狭窄をより完全に行うことが可能となる。
【００２７】
また、本実施例では、ｎ層にＧａＮを用いているが、これは、ＡｌＧａＮ系、ＧａＩｎＮ系、ＡｌＩｎＮ系、ＡｌＧａＩｎＮ系に置き換えることも可能である。ｎ型層のＡｌ_cＧａ_1-c-dＩｎ_dＮ（０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，ｃ＋ｄ≦１）のＩｎは含有されなくてもよい。すなわち、Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（０≦ｃ≦１）でもよい。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
実施例１
図１は、実施例１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、ｎ型層と電流狭窄層の間に低温で堆積したＡｌＧａＮ中間層を有する半導体レーザである。
【００２９】
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 、５００℃で堆積したＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎである低温ＡｌＧａＮ中間層4 、Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ電流狭窄層5 を作製する。
その後、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6 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6 は、少なくとも、Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ中間層4 およびＡｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ電流狭窄層5 を完全に貫通していなければならない。
【００３０】
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7 、ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層8 、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9 、ｐ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎキャップ層10、ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層11、ｐ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第２クラッド層12、ｐ−ＧａＮコンタクト層13を成長させる。
【００３１】
ここで、低温Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ中間層4 を用いない場合、Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ電流狭窄層5 とｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層7 の合計をおよそ０．５μｍ成長させるとクラックが発生してしまうが、低温Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ中間層を用いることにより、少なくとも２μｍ程度までクラックがほとんど発生しない。
最後に、ストライプ状の開口部6 直上に、例えばＮｉ／Ａｕから成るｐ電極14、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15が形成される。
【００３２】
多重量子井戸活性層9 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。多重量子井戸層9 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8 、多重量子井戸層9 、ｐ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎキャップ層10、およびｐ−ＧａＮ第２光ガイド層11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。多重量子井戸層9 における屈曲部の幅は約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。
【００３３】
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Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ電流狭窄層5 へも広がるが、大きい屈折率差のために多重量子井戸層9 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。
なお、Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ中間層4 にＭｇまたはＣを添加してｐ型にしても電流狭窄効果が補強できるのでよい。
【００３４】
実施例２
図２は、実施例２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、電流狭窄層の中に低温で堆積したＡｌＧａＮ中間層を有する半導体レーザである。実施例１との相違は、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ電流狭窄層５を２層に分け、低温ＡｌＧａＮ中間層の下にＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ第１電流狭窄層を形成した点である。前記ストライプ状の開口部２５は、少なくともＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ第１電流狭窄層２２、５００℃で堆積したＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎからなる低温ＡｌＧａＮ中間層２３、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ第２電流狭窄層２４を完全に貫通していなければならない。
【００３５】
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Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ第１電流狭窄層22もしくはＡｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ第２電流狭窄層24へも広がるが、大きい屈折率差のために多重量子井戸層28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。
【００３６】
実施例３
図３は、実施例３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、電流狭窄層の上に低温で堆積したＡｌＧａＮ中間層を有する半導体レーザである。実施例１との相違は、Ａｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ｎ電流狭窄層と低温ＡｌＧａＮ中間層の配置を逆にした点である。本実施例の場合も、実施例１と同様水平方向で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。
【００３７】
実施例４
図４は、実施例４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、ｎ型層の中に低温で堆積したＡｌＧａＮ中間層を有する半導体レーザである。実施例３との相違は、ｎ−ＧａＮ層５８とｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第１クラッド層６２との間ストライプ状開口部にも低温ｎ−ＡｌＧａＮ中間層６０を形成した点である。ｎ−ＡｌＧａＮ中間層はＳｉまたはＳｅが添加されている。本実施例の場合も、実施例１と同様水平方向で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。
【００３８】
実施例５
図５は、実施例５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、ｎ型層の中に低温で堆積したＡｌＧａＮ中間層を有する半導体レーザである。ｎ−ＧａＮ層７６とｎ−Ａｌ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎ第１クラッド層７８との間に低温ｎ−ＡｌＧａＮ中間層７７を形成したものである。ｎ−ＡｌＧａＮ中間層はＳｉまたはＳｅが添加されている。本実施例の場合は、水平方向の強い光閉じ込めに加えて垂直方向の光閉じ込めも改善できる。したがって、極め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。
【００３９】
実施例６
図６は、実施例６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る。実施例１との相違は、基板上の低温バッファ層の上のｎ−ＧａＮ層３の代わりにｎ−Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ層９５を形成し、低温ＡｌＧａＮ中間層４を形成しない点である。本実施例の場合は、水平方向の強い光閉じ込めに加えて、実施例５で示した構造よりもさらに強い垂直方向の光閉じ込めが得られる。したがって、極め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。
【００４０】
【発明の効果】
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再現性よく実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に示すＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【図２】実施例２に示すＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【図３】実施例３に示すＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【図４】実施例４に示すＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【図５】実施例５に示すＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【図６】実施例６に示すＧａＮ系ＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。
【図７】従来例のＧａＮ系のＩＩＩ族窒化物半導体レーザの素子構造を示す断面図である。

Claims

基板と、前記基板上に形成されたバッファ層と、ｎ型層と、ｐ型層と、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＮ層（０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１）からなるｐ型または高抵抗の電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、前記ｎ型層と前記ｐ型層の間に形成された活性層と、ｎ電極と、ｐ電極を備えた半導体レーザにおいて、
前記基板と前記バッファ層の接する面から０．１０μｍ以上離れた箇所から前記ｐ電極までの間に成膜温度３００〜８００℃で堆積したＡｌ_ａＧａ_{１−ａ−ｂ}Ｉｎ_ｂＮ層（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，ａ＋ｂ≦１）からなるｐ型または高抵抗の低温中間層を更に備え、
前記ｎ型層が、前記バッファ層上に形成され、前記基板側から順番に、ｎ型コンタクト層と、ｎ型クラッド層と、ｎ型光ガイド層を備えて構成され、
前記ｐ型層が、前記活性層上に形成され、前記基板側から順番に、ｐ型キャップ層と、ｐ型光ガイド層と、ｐ型クラッド層と、上面が前記ｐ電極と接するｐ型コンタクト層を備えて構成され、
前記電流狭窄層と前記低温中間層が、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型クラッド層の間に設けられ、前記開口部が、前記低温中間層を貫通して形成され、前記ｎ型コンタクト層と前記ｎ型クラッド層が前記開口部において接触し、
前記低温中間層が、前記電流狭窄層と前記ｎ型コンタクト層の間、前記電流狭窄層を上下に二分する位置、または、前記電流狭窄層と前記ｎ型クラッド層の間の何れかに設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
前記低温中間層がＡｌＧａＮ層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記ｎ型層が、前記基板側から順番に、ｎ型ＧａＮコンタクト層と、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｎ型ＧａＮ光ガイド層を備えて構成され、
前記ｐ型層が、前記基板側から順番に、ｐ型ＡｌＧａＮキャップ層と、ｐ型ＧａＮ光ガイド層と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層と、ｐ型ＧａＮコンタクト層を備えて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ。
前記低温中間層にＭｇまたはＣを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ。