JP4700154B2

JP4700154B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP4700154B2
Application number: JP24804499A
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: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2001077473A

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３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３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３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３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４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。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。
【００１０】
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】
【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。
【００１２】
本発明では、電流狭窄層に光吸収の強いＷ、Ｔａ、Ｍｏ等の高融点金属、あるいは低屈折率のＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃等の誘電体を用い、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、高融点金属から成る電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、該ストライプ状開口部上に形成された量子井戸活性層とを備えた半導体レーザである。
【００１４】
該高融点金属は、結晶成長炉を汚染しない金属、例えばＷ、Ｔａ、Ｍｏのいずれか１種であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、基板と、ｎ型層と、誘電体から成る電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、該ストライプ状開口部上に形成された量子井戸活性層とを備えた半導体レーザである。
【００１６】
該誘電体は、低屈折率で結晶の成長温度に対して安定な誘電体であるＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃のいずれか１種であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明は、ストライプ状開口部上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。
【００１８】
【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。
【００１９】
実施例１
図１は、実施例１を示す単一モード型ＧａＮ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を成長させ、一旦、成長装置から取り出した後タングステンからなる電流狭窄層4 を真空蒸着により膜厚１μｍ程度堆積する。その後幅２μｍのストライプ状の開口部5 を、例えばイオンミリングにより形成する。前記ストライプ状の開口部5 は少なくともタングステンからなる電流狭窄層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を成長させる。
【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を形成する。
【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。また、タングステンからなる電流狭窄層4 上に積層されたｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 以降の結晶層は、多結晶化しており高抵抗となっている。したがって、電流はストライプ状の開口部5 直上の多重量子井戸活性層8 に選択的に注入される。
【００２３】
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 、多重量子井戸活性層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。多重量子井戸活性層8 における屈曲部17の幅は約１．５μｍとなり、これ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。
【００２４】
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タングステンからなる電流狭窄層4 へも広がるが、多重量子井戸活性層8 内で発生した光を強く吸収するため損失導波作用が生じ、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、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。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タングステンから電流狭窄層4 によって屈折率差が生じていれば同様の効果が得られる。
【００２５】
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、実施例１におけるＷ電流狭窄層をＳｉＯ₂電流狭窄層とした。ＳｉＯ₂電流狭窄層24が真空蒸着により膜厚１μｍ程度堆積されている。その後、幅２μｍのストライプ状の開口部25が、例えばＣＦ₄を用いたドライ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25は、少なくともＳｉＯ₂電流狭窄層24は完全に貫通していなければならない。
【００２６】
ＳｉＯ₂電流狭窄層24は絶縁体なので、電流はストライプ状の開口部25直上の多重量子井戸活性層28に選択的に注入される。多重量子井戸活性層28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27、多重量子井戸活性層28、ｐ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎキャップ層29、およびｐ−ＧａＮ第２光ガイド層30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。多重量子井戸活性層28における屈曲部37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。
【００２７】
本実施例の場合、狭ストライプ構造を用いてるので水平方向の光はＳｉＯ₂電流狭窄層24へも広がるが、ＳｉＯ₂電流狭窄層24は低屈折率材料であるため、多重量子井戸層28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。
【００２８】
多重量子井戸活性層28は屈曲部37がなく平坦な場合でもＳｉＯ₂電流狭窄層24によって屈折率差が生じていれば同様の効果が得られる。
【００２９】
【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実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に示す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】実施例２に示すＧａＮ系単一横モード半導体レーザの素子断面図である。
【図３】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４】図３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。
【符号の説明】
１，２１ (0001) サファイア基板
２，２２ＡｌＮバッファ層
３，２３ｎ−ＧａＮ層
４，２４Ｗ，ＳｉＯ₂電流狭窄層
５，２５ストライプ状の開口部
６，２６ｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層
７，２７ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層
８，２８Ｇａ_1-xＩｎ_xＮ／Ｇａ_1-yＩｎ_yＮ多重量子井戸活性層
９，２９ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層
１０，３０ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層
１１，３１ｐ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第２クラッド層
１２，３２ｐ−ＧａＮコンタクト層
１３，３３ｐ電極
１４，３４ｎ電極
１７，３７活性層の屈曲部

Claims

基板と、ｎ型層と、高融点金属から成る電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部と、該ストライプ状開口部上に形成された量子井戸活性層とを備え、
前記量子井戸活性層を含む複数の結晶層が、前記ストライプ状開口部上と前記電流狭窄層上に亘って、前記ストライプ状開口部の側壁面の段差に沿って屈曲して形成され、
前記複数の結晶層の最下層が前記ｎ型層の一部であるｎ型ＡｌＧａＮ層から成る第１クラッド層であり、
前記電流狭窄層上に形成された前記複数の結晶層が多結晶化していることを特徴とする半導体レーザ。
該高融点金属がＷ、Ｔａ、Ｍｏのいずれか１種であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。