JP4805887B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置では、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage)が発生するレベル（ＣＯＤレベル）を高めることにより高い光出力が得られる。ＣＯＤレベルを高めるためＡｌＧａＡｓ系及びＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ装置では、光共振器となる端面近傍の活性層を無秩序化しバンドギャップを広くし光吸収を抑制した窓構造が用いられる。
しかし、次世代ＤＶＤ（Digital Versatile Disc)用ＩｎＧａＮ系青紫色半導体レーザ装置では活性層の無秩序化が困難であり、窓構造を用いることが困難となる。このため、例えば端面近傍に電極が形成されない電流非注入領域を設け、非発光再結合による温度上昇を抑制しＣＯＤレベルを高める構造が用いられる。
この場合、電流が注入されない電極非形成領域と電極形成領域との境界近傍には、レーザ素子実装工程における数百℃の昇温、降温による応力歪が生じる。このような応力歪はレーザ素子の特性や信頼性を低下させる。
光ディスクの光源として、良好なレーザ発振特性を有する窒化ガリウム系半導体レーザ素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、活性層に電流を供給するオーミック電極のレーザ共振器方向の長さが、レーザ共振器の長さよりも短い窒化ガリウム系半導体レーザ素子が提供される。しかしながら、この構造では応力歪を抑制するのに十分ではない。
特開２００４−１８６７０８号公報
ＣＯＤレベルを高めつつ、応力歪が低減された半導体レーザ装置を提供する。
本発明の一態様によれば、活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層と、前記クラッド層の上に設けられたコンタクト層と、を含み、前記活性層から放射される光の共振器を形成する第１及び第２の端面を有する積層体と、前記コンタクト層の上に設けられ、前記活性層に電流を注入するオーミック部と、前記オーミック部の一方の端部と前記第１の端面との間に設けられ、Ａｕを含まない第１の電流調整部と、を含む電極と、を備え、前記オーミック部は、前記第１の電流調整部を構成するいずれの金属の仕事関数よりも小さい仕事関数を有する金属と、前記第１の電流調整部を構成する前記金属と、を前記コンタクト層と接触する側に含み、前記コンタクト層との間でオーミック接合をなし、前記第１の電流調整部は、前記コンタクト層との間で前記オーミック接合のコンタクト抵抗よりも高いコンタクト抵抗を有する接合をなすことを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。
ＣＯＤレベルを高めつつ、応力歪が低減された半導体レーザ装置が提供される。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施形態にかかる半導体レーザ装置を表し、図１（ａ）は模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図１（ｃ）は模式正面図である。
ｎ型ＧａＮのような基板２０の上に、ｎ型クラッド層２２、ｎ型光ガイド層２４、活性層２６、オーバーフロー防止層２８、ｐ型光ガイド層３０、ｐ型クラッド層３２、並びにコンタクト層３４を含んだ積層体が形成されている。この積層体は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）法やＭＢＥ（Molecular Beaｍ Epitaxy)法を用いてこの順序で結晶成長することにより形成できる。
図１（ｂ）に表すように、コンタクト層３４の上にはｐ側電極３６が設けられる。このｐ側電極３６は、オーミック部３６ａ（厚さ：１００〜１０００ｎｍ）と、オーミック部３６ａの端部とチップの端面６０、６２との間に設けられた電流調整部３６ｂ（厚さ：５〜１００ｎｍ）と、を含む。端面６０、６２はへきかい面とし、光共振器を構成する。活性層２６からの誘導放出光は、Ａ−Ａ線に沿った光共振器により共振し、リッジ型導波路３２ａに沿って導波される。活性層２６の断面の略中心を通り、Ｃ−Ｃ線で表す光軸５４に平行なオーミック部３６ａの長さをＬ４とする。また、オーミック部３６ａの一方の端部と端面６０との間の電流調整部３６ｂの光軸５４に平行な長さをＬ２とし、他方の端部と端面６２との間の電流調整部３６ｂの光軸５４に平行な長さをＬ３とする。なお、光共振器の長さをＬ１とする。
また、端面６０には前面反射膜４２が、端面６２には後面反射膜４４が設けられる。前面反射膜４２の反射率を、例えば５〜３０％とし、後面反射膜４４の反射率を、例えば８０％以上とすると、前面反射膜４２からの光ビーム５２の光出力を高めることができ、出力効率が改善できる。なお、図１（ｃ）は、前面反射膜４２を形成する前の模式正面図であり、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った端面６０である。
図２は、パッケージに実装した半導体レーザ装置を表し、図２（ａ）は模式斜視図、図２（ｂ）は模式正面図である。図１に表す半導体レーザ装置のｐ側電極３６の上面及び絶縁膜５０の上面を覆うようにＡｕなどのパッド電極３７が設けられる。ステムの金属からなるヒートシンク８０と、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）のようなサブマウント７２と、が半田材７０などで接着される。パッド電極３７と、サブマント７２上の導電部７２ａとは、ＡｕＳｎのような半田材７１により接着される。活性層２６とサブマント７２との距離は、例えば５μｍ以下と短くすると熱抵抗を低減できる。このような構造はジャンクションダウンといい温度特性の改善が容易である。パッド電極３７によりチップのマウントによる応力を低減できる。
ここで、結晶成長による積層体について説明する。例えば、ｎ型クラッド層２２はＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（層厚：０．５〜２．０μｍ）、ｎ型光ガイド層２４はＧａＮ（層厚：０．０１〜０．１０μｍ）、活性層２６はＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎ／Ｉｎ０．０１Ｇａ０．９９ＮからなるＭＱＷ（井戸層厚さ：２〜５ｎｍ、井戸数：２〜４、障壁層厚さ：６〜１５ｎｍ）、オーバーフロー防止層２８はｐ＋型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ（層厚：５〜２０ｎｍ、有効なアクセプタ濃度：３×１０１８ｃｍ−３）、ｐ型光ガイド層３０はＧａＮ（層厚：０．０１〜０．１０μｍ）である。このようにして活性層２６から青紫色である光ビーム５２が放射される。
さらに、この上のｐ型クラッド層３２はＡｌ０．０４Ｇａ０．９６Ｎ（層厚：０．４〜２．０μｍ）、コンタクト層３４はｐ＋型ＧａＮ（層厚：０．０２〜０．２０μｍ）である。ｐ型クラッド層３２の上部と、コンタクト層３４とはストライプ状に加工され、ｐ型クラッド層３２のストライプ部はリッジ型導波路３２ａの機能を有する。リッジ型導波路３２ａの両側のｐ型クラッド層３２の上面、リッジ型導波路３２ａの側壁、並びにコンタクト層３４の側壁はＳｉＯ２のような絶縁膜５０で覆われる。
ｎ型光ガイド層２４及びｐ型光ガイド層３０の組成を変えることにより、垂直横方向ビーム広がり角を制御できる。また、オーバーフロー防止層２８は、基板２０側から注入された電子がｐ型クラッド層３２へ漏れて動作電流が不必要に増大することを抑制する。
リッジ型導波路３２ａの幅Ｗを、例えば１．５〜２．５μｍとすると、ｐ型クラッド層３２と絶縁膜５０との屈折率差により、活性層２６と平行な光はリッジ型導波路３２ａに閉じ込められ、水平横方向のモード制御が容易になる。このために次世代ＤＶＤに必要なスポット径の小さな光ビーム５２を容易に得ることができる。本実施形態の構造は実屈折率導波型と呼ばれる。青紫色光ビームは積層体内部での光損失が少なく、高い光出力を得ることができる。
本実施形態において、オーミック部３６ａは、電流調整部３６ｂを構成する金属の仕事関数のいずれよりも小さい仕事関数を有する金属を含むように選択する。すなわち、電流調整部３６ｂを、例えばＮｉまたはＰｔとし、オーミック部３６ａをＡｕ、Ａｕを含む金属積層、Ａｕを含む合金層のうちの少なくともいずれか１つとする。Ｎｉ、Ｐｔの仕事関数はＡｕよりも大きいので、電流調整部３６ｂをショットキー電極または高いコンタクト抵抗を有する電極とすることができる。他方、オーミック部３６ａはＡｕを含むためにコンタクト抵抗がより低いオーミック電極とすることができる。
このようなｐ側電極３６は、リッジ型導波路３２ａの上に設けられたコンタクト層３４の全領域にＮｉまたはＰｔなどを設けた後、オーミック部３６ａとする部分にのみＡｕを設け、シンター処理によりオーミック部３６ａをオーミック接合に、電流調整部３６ｂを例えばショットキー接合とすることにより形成できる。
ｐ側電極３６に順方向電圧が印加された場合、電流調整部３６ｂからコンタクト層３４へ注入される電流密度は、オーミック部３６ａからコンタクト層３４へ注入される電流Ｊ１よりも低い。特に電流調整部３６のショットキー障壁を高くすると、電流調整部３６ｂからコンタクト層３４へ注入される電流をＪ１よりも十分に低くできる。この場合、オーミック部３６ａから注入された電流Ｊ１のうち、電流調整部３６ｂに印加された電界により光軸５４と平行方向に外側に向かって拡散される電流Ｊ３が生じ、さらに低注入領域４８内を下方に向かうＪ２となる。
次に、このような電流調整部３６ｂの作用について説明する。
図３は比較例にかかる半導体レーザ装置を表し、図３（ａ）は模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図である。この比較例では、端面１６０、１６２近傍に電極を設けずに電流非注入領域１４８とする。電流が実質的にゼロであると、非発光再結合が殆ど生じず、発熱によるバンドギャップの狭小化を抑制でき、ＣＯＤレベルの低下も抑制できる。しかし、電極１３６の端部と電極非形成領域１４８との境界１４９（ドットで表す）の近傍には、応力を生じ活性層１２６の近傍に応力歪を生じる。この境界１４９が光軸に沿った活性層１２６の内部の深い位置を含むと、応力歪が結晶内部に与える影響がより大きくなり、特性や信頼性を低下させる。この場合、応力歪を生じた結晶内部への注入電流が大きいと特性及び信頼性の低下が促進される可能性がある。
これに対して、本実施形態ではｐ側電極３６に電流調整部３６ｂを形成し、端面６０、６２の近傍を低注入領域４８とし、非発光再結合によるキャリア密度減少及び温度上昇を抑制する。このため、温度上昇→バンドギャップ狭小化→光吸収→さらなる温度上昇という正帰還作用が抑制され、ＣＯＤレベルを高く保つことができる。
電流調整部３６ａとオーミック部３６ａとは共に金属であり、その境界近傍における応力歪を低減することが容易である。また、電流調整部３６ｂの端面６０、６２側に応力歪を生じても、光軸５４に沿った深い内部よりも結晶内部に与える影響は小さい。特に低注入領域４８では動作電流が低いために結晶内部に生じる特性変化をより低減でき、信頼性の低下を抑制することが容易になる。
次に、光共振器となる端面６０、６２を構成するバーへきかい工程について説明する。バー状にへきかいする工程において、スクライブ箇所に厚いＡｕがあるとへきかい方向が所望の方向とならず、不連続に折れ曲がった状態となり、特性及び歩留の低下を生じる可能性がある。本実施形態では、電流調整部３６ｂに厚いＡｕなどを形成せずに薄いＮｉまたはＰｔなどとし、へきかい工程をより確実に行い、特性及び歩留の改善を容易にできる。
本実施形態では、低注入領域４８に電流を注入しなくともＣＯＤレベルの低下及び応力歪低下を抑制できる。しかしながら低電流を注入すると自励発振の抑制が容易となる。一般にｎ型層と比べてｐ型層の移動度が低いために広い電流非注入領域において活性層に電流が広がりにくく、利得の低下と共に吸収損失が増加し、しきい値電流の増大や効率低下を生じる。
また、ＩｎＧａＡｌＮからなる４００ｎｍ帯の青紫色半導体レーザ装置は、ＩｎＧａＡｌＰからなる６５０〜７００ｎｍ帯の赤色半導体レーザ装置よりも移動度が低い。これらにより、例えば、比較例においては電流非注入領域１４８の活性層１２６は可飽和吸収層となりやすく、電流非注入領域１４８の光軸に沿った長さの和が１〜１００μｍで意図しない自励発振を生じやすい。自励発振は動作電流を増加させるので消費電力が増加する。
これに対して本実施形態では、電流調整部３６ｂには電界が印加されており、オーミック部３６ａからコンタクト層３４への注入電流Ｊ１のうちの一部分が拡散して生じたＪ２は端面６０、６２に近づくに従い次第に減少している。このため、非発光再結合が抑制され、端面６０、６２近傍でＣＯＤレベルを高めつつ、自励発振を抑制することができる。この注入電流Ｊ２分の電流増加は自励発振による電流の増加分よりも小さく消費電流の増加分は少ない。
なお、端面６０側の低注入領域４８（長さＬ２）、端面６２側の低注入領域４８（長さＬ３）はいずれか一方とすることができるが、両側に設ける方がＣＯＤレベルの低下をより抑制できて好ましい。また、Ｌ２＝Ｌ３には限定されない。Ｌ２及びＬ３が長くなると活性層２６の光軸５４に沿った方向の電流分布がより不均一となり、またしきい値電流及び動作電圧も高くなるので、（Ｌ２＋Ｌ３）は１００μｍ以下であることが好ましい。
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明は上記の実施形態に限定されない。半導体レーザ装置を構成する積層体、活性層、クラッド層、コンタクト層、ｐ側電極、オーミック部、電流調整部、反射膜、低注入領域の材質、形状、サイズ、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
第１の実施形態にかかる半導体レーザ装置 パッケージに実装した半導体レーザ装置 比較例にかかる半導体レーザ装置
符号の説明
２６ 活性層、３２ ｐ型クラッド層、３４ コンタクト層、３６ ｐ側電極、３６ａ オーミック部、３６ｂ 電流調整部、５４ 光軸、６０、６２ 端面

Claims (5)

  1. 活性層と、前記活性層の上に設けられたクラッド層と、前記クラッド層の上に設けられたコンタクト層と、を含み、前記活性層から放射される光の共振器を形成する第１及び第２の端面を有する積層体と、
    前記コンタクト層の上に設けられ、前記活性層に電流を注入するオーミック部と、前記オーミック部の一方の端部と前記第１の端面との間に設けられ、Ａｕを含まない第１の電流調整部と、を含む電極と、
    を備え、
    前記オーミック部は、前記第１の電流調整部を構成するいずれの金属の仕事関数よりも小さい仕事関数を有する金属と、前記第１の電流調整部を構成する前記金属と、を前記コンタクト層と接触する側に含み、前記コンタクト層との間でオーミック接合をなし、
    前記第１の電流調整部は、前記コンタクト層との間で前記オーミック接合のコンタクト抵抗よりも高いコンタクト抵抗を有する接合をなすことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記電極は、前記オーミック部の他方の端部と前記第２の端面との間に設けられた第２の電流調整部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記共振器の光軸に沿った長さと、前記共振器の前記光軸に沿った前記オーミック部の長さと、の差が１００μｍ以下であ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装置。
  4. 前記活性層は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ／ＩｎｙＧａ１−ｙＮ（０．０５≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＞ｙ）からなる多重量子井戸であり、
    前記クラッド層はＡｌｔＧａ１−ｔＮ（０＜ｔ≦０．０５）からなり、
    前記コンタクト層はＧａＮからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記電流調整部は、ＮｉまたはＰｔを含み、
    前記オーミック部は、Ａｕ、Ａｕを含む金属積層、Ａｕを含む合金層、のうちのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
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