JP5304428B2

JP5304428B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP5304428B2
Application number: JP2009118899A
Authority: JP
Inventors: 新一我妻; 学谷口
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JP2010267870A

Description

本発明は、透明基板を用いた半導体レーザに関する。

近年、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青色領域から紫外光領域で発光可能な半導体レーザが盛んに研究されている。この青色領域から紫外光領域で発光する半導体レーザは、記憶容量の増加や表示装置のフルカラー化を図る上で重要なデバイスである。

このような半導体レーザでは、成長基板として、ＧａＮ基板やサファイア基板などの透明基板が用いられる。ここで、ＧａＮ基板やサファイア基板などの透明基板は、活性層から発せられた光を透過する性質を有するので、透明基板を透過した光が外部に漏洩し、周辺部品へ悪影響を与えることがある。また、透明基板を透過した光が透明基板の表面などで反射されて活性層に戻る場合には、この戻り光がレーザ光と干渉し、ＦＦＰ(Far Field Pattern)形状、特に垂直方向のＦＦＰ形状が悪化することがある。そこで、これらの問題を解決する方策として、例えば、以下のようなものが考えられる。

例えば、基板上に結晶成長させる半導体層中に、活性層よりもバンドギャップの小さなＩｎＧａＮ層や、ドナーとアクセプタを同時に添加したＧａＮ層を用いることが考えられる。また、例えば、特許文献１に記載されているように、基板の裏面全体に、反射層および吸収層を形成することが考えられる。

特開２００２−９３８６号公報

しかし、活性層よりもバンドギャップの小さなＩｎＧａＮ層を用いた場合には、ＩｎＧａＮ層がエネルギー障壁となり、ＩｎＧａＮ層において電圧ドロップが生じるので、駆動電圧の上昇につながる。そのため、消費電力が増大してしまうという問題がある。また、ドナーとアクセプタを同時に添加したＧａＮ層を用いた場合には、製造過程において、ｎ型半導体層および活性層を成長させている間に、アクセプタ不純物であるＭｇが自然に添加される、いわゆるメモリー効果が起こり、ｎ型半導体層全体で吸収が起こってしまう。そのため、光の損失が大きいという問題がある。また、特許文献１に記載の方策では、反射層によって光が活性層側に戻されてしまうので、素子内部での干渉が増大し、むしろ、ＦＦＰ形状が悪化してしまうという問題がある。また、特許文献１では、吸収層として、ＩｎＧａＮ層やＳｉ層などが実施例として挙げられているが、これらはエネルギー障壁となり、駆動電圧の上昇につながるので、消費電力が増大してしまうという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、消費電力を増大させることなく、光の損失を最小限に抑えた上で、ＦＦＰ形状を改善することの可能な半導体レーザを提供することにある。

本発明の半導体レーザは、透明基板上に、活性層と、活性層へ注入される電流を狭窄する帯状の電流狭窄構造とを含む半導体層を備えたものである。この半導体層は、活性層および電流狭窄構造を間にして電流狭窄構造の延在方向に対向する一対のへき開面を有している。透明基板は、半導体層側の表面および半導体層とは反対側の表面の少なくとも一方であって、かつ少なくとも電流狭窄構造との対向領域の一部に、イオン注入によって形成された光吸収層を有している。光吸収層は、透明基板の結晶を破壊し、深い準位を形成することの可能な元素を注入することによって形成されたものである。

本発明の半導体レーザでは、半導体層側の表面および半導体層とは反対側の表面の少なくとも一方であって、かつ少なくとも電流狭窄構造との対向領域の一部に、イオン注入によって形成された光吸収層が透明基板に形成されている。これにより、活性層から発せられた光のうち透明基板側に向かった光が、透明基板に設けられた光吸収層によって吸収される。ここで、光吸収層は、イオン注入によって形成されているので、エネルギー障壁となることはなく、光吸収層において電圧ドロップが生じる虞はない。また、光吸収層には、ドナーとアクセプタが同時に添加されている訳ではないので、メモリー効果が起こる虞もない。また、光吸収層に対して光反射の機能が付与されている訳ではないので、光吸収層によって光が活性層側に戻される虞もない。また、光吸収層は透明基板に設けられていることから、光吸収層が光導波路内に存在することはなく、光吸収層が活性層から発せられた光を必要以上に吸収する虞もない。

本発明の半導体レーザによれば、活性層から発せられた光のうち透明基板側に向かった光が、透明基板に設けられた光吸収層によって吸収されるようにしたので、消費電力を増大させることなく、光の損失を最小限に抑えた上で、ＦＦＰ形状を改善することができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。図１の基板の平面図である。図１の基板の一変形例の平面図である。図１の半導体レーザの一変形例の斜視図である。図４の基板の平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

１．実施の形態（図１〜図３）
・ＧａＮ基板内に光吸収層を設けた例
・ＧａＮ基板の裏面に電極を付設した例
２．変形例（図４、図５）
・サファイア基板内に光吸収層を設けた例
・下部クラッド層に電極を付設した例

＜実施の形態＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ１の概略構成の一例を斜視的に表したものである。なお、図１は、模式的に表したものであり、実際の寸法，形状とは異なっている。この半導体レーザ１は、後述の半導体層２０を共振器方向（リッジ部１５の延在方向）から一対の共振器端面（前端面Ｓ１および後端面Ｓ２）によって挟み込んだ構造となっている。従って、この半導体レーザ１は、いわゆる端面発光型の半導体レーザの一種である。この半導体レーザ１は、基板１０上に、例えば、下部クラッド層１１、活性層１２、上部クラッド層１３およびコンタクト層１４を基板１０側からこの順に含む半導体層２０を備えたものである。なお、半導体層２０には、上記した層以外の層（例えば、バッファ層、ガイド層、電子障壁層など）がさらに設けられていてもよい。

基板１０は、活性層１２から発せられた光を透過する材料によって構成された透明基板であり、例えばｎ型ＧａＮ基板である。この基板１０には、活性層１２から発せられた光を吸収する光吸収層３０が設けられている。なお、この光吸収層３０についての説明は、後に詳述する。

半導体層２０は、例えばＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体を含んで構成されたものである。「ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体」とは、短周期型周期率表における３Ｂ族元素群のうちの少なくとも１種と、短周期型周期率表における５Ｂ族元素のうちの少なくともＮとを含むものを指している。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体としては、例えば、ＧａとＮとを含んだ窒化ガリウム系化合物が挙げられる。窒化ガリウム系化合物には、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどが含まれる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体には、必要に応じてＳｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＳｅなどのＩＶ族またはＶＩ族元素のｎ型不純物、または、Ｍｇ、Ｚｎ、ＣなどのＩＩ族またはＩＶ族元素のｐ型不純物がドープされている。

下部クラッド層１１は、例えばＡｌＧａＮにより構成されている。活性層１２は、例えば、組成比の互いに異なるＧａＩｎＮによりそれぞれ形成された井戸層およびバリア層を交互に積層してなる多重量子井戸構造となっている。上部クラッド層１３は、例えばＡｌＧａＮにより構成されている。コンタクト層１４は、例えばＧａＮにより構成されている。

半導体層２０の上部、具体的には、上部クラッド層１３の上部およびコンタクト層１４には、帯状のリッジ部１５（電流狭窄構造）が形成されている。リッジ部１５は、例えば、半導体層２０の積層方向から見たときに直線状となっている。このリッジ部１５は、半導体層２０のうち、リッジ部１５の両脇の部分と共に、光導波路を構成しており、横方向（共振器方向と直交する方向）の屈折率差を利用して横方向の光閉じ込めを行うと共に、半導体層２０へ注入される電流を狭窄するものである。活性層１２のうち上述の光導波路の直下の部分が、電流注入領域に対応しており、この電流注入領域が発光領域１２Ａとなる。

半導体層２０には、リッジ部１５をリッジ部１５の延在方向から挟み込む一対の共振器端面（前端面Ｓ１および後端面Ｓ２）が形成されている。これら前端面Ｓ１および後端面Ｓ２は、切断によって形成されたものであり、例えばへき開によって形成されたへき開面である。前端面Ｓ１および後端面Ｓ２によって積層面内方向に共振器が構成されている。前端面Ｓ１はレーザ光を射出する面であり、前端面Ｓ１の表面には多層反射膜（図示せず）が形成されている。一方、後端面Ｓ２はレーザ光を反射する面であり、後端面Ｓ２の表面にも多層反射膜（図示せず）が形成されている。後端面Ｓ２側の多層反射膜は、当該多層反射膜と後端面Ｓ２とにより構成される射出側端面の反射率が例えば１０％程度となるように調整された低反射率膜である。一方、後端面Ｓ２側の多層反射膜は、当該多層反射膜と後端面Ｓ２とにより構成される反射側端面の反射率が例えば９５％程度となるように調整された高反射率膜である。

リッジ部１５の上面（コンタクト層１４の表面）には上部電極１６が設けられている。この上部電極１６は、例えばＴｉ、Ｐｔ、Ａｕをこの順に積層して構成されており、コンタクト層１４と電気的に接続されている。一方、基板１０の裏面には下部電極１７が設けられている。この下部電極１７は、例えばＡｕとＧｅとの合金，ＮｉおよびＡｕを基板１０側から順に積層して構成されており、基板１０と電気的に接続されている。

ところで、本実施の形態では、上述したように、基板１０の内部に光吸収層３０が設けられている。この光吸収層３０は、イオン注入によって形成されたものである。イオン注入に用いられる元素は、基板１０の結晶を破壊し、深い準位を形成することの可能な元素であり、例えば、Ｂ（ボロン）、Ａｓ（ヒ素）またはＰ（リン）である。従って、光吸収層３０は、活性層１２から発せられた光を吸収する機能を少なくとも有しており、注入されたイオン濃度が高い場合には、電流が流れるのを妨げる抵抗機能も有している。

光吸収層３０は、基板１０のうち半導体層２０側の表面（上面１０Ａ）および半導体層２０とは反対側の表面（下面１０Ｂ）の少なくとも一方に設けられている。なお、図１、図２（基板１０の上面図）には、光吸収層３０が上面１０Ａに設けられている場合が例示されている。また、図３（基板１０の裏面図）には、光吸収層３０が下面１０Ｂに設けられている場合が例示されている。

また、光吸収層３０は、例えば、少なくともリッジ部１５との対向領域（以下、リッジ直下部１５Ａと称する。）の全体に設けられている。光吸収層３０の横幅（横方向の幅）Ｗ１は、図２、図３に示したように、リッジ直下部１５Ａの横幅Ｗ２以上、基板１０の横幅Ｗ３未満の範囲内となっている。また、光吸収層３０の長さ（共振器方向の長さ）Ｌ１は、例えば、図２、図３に示したように、リッジ直下部１５Ａの長さＬ２と等しくなっている。従って、本実施の形態では、光吸収層３０は、基板１０の面内全体には形成されておらず、基板１０には、光吸収層３０を迂回する電流通路が存在している。

ここで、光吸収層３０は、少なくともリッジ直下部１５Ａの全体に形成されていることが好ましい。活性層１２から発せられた光が基板１０の下面１０Ｂなどによって反射されるのを効果的に低減することができるからである。また、吸収層３０の横幅Ｗ２がリッジ直下部１５Ａの横幅Ｗ２と同等か、若干大きい程度となっている場合には、吸収層３０は、リッジ直下部１５Ａとの関係で横方向において対称に形成されていることが好ましい。

このような構成の半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

上記の構成で例示した化合物半導体で半導体レーザ１を製造するためには、基板１０上の半導体積層構造を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧa）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を用いる。また、ドナー不純物の原料としては、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）や、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いる。

まず、基板１０の上面１０Ａ（結晶成長面）に、所定の領域に開口を有するマスク層（図示せず）を形成する。続いて、マスク層をマスクとして、基板１０の上面１０Ａの所定の領域に、イオン注入を行う。これにより、基板１０内に光吸収層３０が形成される。その後、マスク層を除去する。

次に、光吸収層３０の形成された、基板１０の上面１０Ａに、下部クラッド層１１、活性層１２、上部クラッド層１３およびコンタクト層１４をこの順に積層する。次に、コンタクト層１４上にマスク層（図示せず）を形成し、例えば塩酸系のエッチャントを用いて、コンタクト層１４および上部クラッド層１３を選択的に除去する。これにより、ストライプ状のリッジ部１５が形成される。その後、マスク層を除去する。

その後、コンタクト層１４の上面に上部電極１６を形成する。さらに、必要に応じてラッピングなどにより基板１０の厚さを適宜調節したのち、基板１０の下面１０Ｂに下部電極１７を形成する。次に、基板１０をへき開して、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２を形成したのち、リッジ部１５の形成されていない部位をダイシングする。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。

基板１０の下面１０Ｂに光吸収層３０を形成する場合には、上記の製造過程において、以下の工程を追加すればよい。まず、必要に応じてラッピングなどにより基板１０の厚さを適宜調節したのち、基板１０の下面１０Ｂに、所定の領域に開口を有するマスク層（図示せず）を形成する。続いて、マスク層をマスクとして、基板１０の下面１０Ｂの所定の領域に、イオン注入を行う。これにより、基板１０内に光吸収層３０が形成される。その後、マスク層を除去する。このようにしても、本実施の形態の半導体レーザ１を製造することができる。

なお、基板１０の上面１０Ａに光吸収層３０を形成しない場合には、上記の製造過程において、基板１０の上面１０Ａにイオン注入をする工程を省略すればよい。

次に、本実施の形態の半導体レーザ１の作用および効果について説明する。

本実施の形態の半導体レーザ１では、上部電極１６と下部電極１７との間に所定の電圧が印加されると、リッジ部１５によって電流狭窄され、活性層１２の電流注入領域（発光領域１２Ａ）に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。

ところで、本実施の形態では、基板１０の内部に光吸収層３０が設けられている。光吸収層３０は、基板１０のうち半導体層２０側の上面１０Ａおよび下面１０Ｂの少なくとも一方であって、かつ少なくともリッジ直下部１５Ａの全体に設けられている。これにより、活性層１２から発せられた光のうち基板１０側に向かった光が、基板１０に設けられた光吸収層３０によって吸収される。ここで、光吸収層３０は、イオン注入によって形成されているので、エネルギー障壁となることはなく、光吸収層３０において電圧ドロップが生じる虞はない。そのため、光吸収層３０に起因して駆動電圧が上昇することはなく、消費電力が増大する虞はない。また、光吸収層３０には、ドナーとアクセプタが同時に添加されている訳ではないので、下部クラッド層１１においてメモリー効果が起こる虞もない。そのため、下部クラッド層１１全体で吸収が起こる虞はない。また、光吸収層３０に対して光反射の機能が付与されている訳ではないので、光吸収層３０によって光が活性層１２側に戻される虞もない。そのため、光吸収層３０に起因して素子内部で干渉が増大する虞はない。また、光吸収層３０は基板１０内に設けられていることから、光吸収層３０が光導波路内に存在することはなく、光吸収層３０が活性層１２から発せられた光を必要以上に吸収する虞もない。また、光吸収層３０が基板１０内に設けられていることから、基板１０の上面１０Ａは平坦であり、上面１０Ａには結晶欠陥を生じさせるような凹凸は存在しない。従って、光吸収層３０に起因して結晶欠陥に起因する光吸収が起こる虞はない。

以上のことから、本実施の形態では、消費電力を増大させることなく、光の損失を最小限に抑えた上で、ＦＦＰ形状を改善することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態では、基板１０はＧａＮ基板となっていたが、サファイア基板となっていてもよい。ただし、サファイア基板は絶縁性であるので、下部電極１７をサファイア基板の裏面に設けることができない。そこで、例えば、図４に示したように、下部電極１７をサファイア基板の裏面に設ける代わりに、下部クラッド層１１の一部に平坦面１１Ａを設け、この平坦面１１Ａ上に下部電極１７を付設してもよい。このようにした場合には、光吸収層３０の横幅Ｗ１を、図５に示したように、リッジ直下部１５Ａの横幅Ｗ２以上、基板１０の横幅Ｗ３以下の範囲内とすることが可能である。このようにした場合であっても、光吸収層３０によって電流通路が遮断される虞がないからである。

また、上記実施の形態では、光吸収層３０が、リッジ直下部１５Ａの全体に設けられている場合について説明したが、光吸収層３０は、リッジ直下部１５Ａの一部にだけ形成されていてもよい。この場合には、光吸収層３０の長さ（共振器方向の長さ）Ｌ１は、図５に示したように、０（ゼロ）より大きく、リッジ直下部１５Ａの長さＬ２未満となる。光吸収層３０がこのような構成となっている場合であっても、活性層１２から発せられた光が吸収層３０で吸収されるので、活性層１２から発せられた光が基板１０の下面１０Ｂなどによって反射されるのを低減することができる。

また、上記実施の形態では、半導体レーザ１はリッジ部１５を１つだけ備えていたが、複数備えていてもよい。

また、上記実施の形態では、窒化ガリウム系の半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えば、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ系などの赤色半導体レーザ、ＺｎＣｄＭｇＳＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族の半導体レーザにも適用可能である。また、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＮＰ系などの、発振波長が可視域とは限らないような半導体レーザにも適用可能である。

また、上記実施の形態では、インデックスガイド構造の半導体レーザを例に挙げて、本発明について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構造、例えば、ゲインガイド構造の半導体レーザに対しても適用可能である。

１半導体レーザ、１０…基板、１０Ａ…上面、１０Ｂ…下面、１１…下部クラッド層、１１Ａ…平坦面、１２…活性層、１２Ａ…発光領域、１３…上部クラッド層、１４…コンタクト層、１５…リッジ部、１５Ａ…リッジ直下部、１６…上部電極、１７…下部電極、２０…半導体層、３０…光吸収層、Ｓ１…前端面、Ｓ２…後端面。

Claims

透明基板上に、活性層と、前記活性層へ注入される電流を狭窄する帯状の電流狭窄構造とを含み、かつ前記活性層および前記電流狭窄構造を間にして前記電流狭窄構造の延在方向に対向する一対のへき開面を含む半導体層を備え、
前記透明基板は、前記半導体層側の表面および前記半導体層とは反対側の表面の少なくとも一方であって、かつ少なくとも前記電流狭窄構造との対向領域の一部に、イオン注入によって形成された光吸収層を有し、
前記光吸収層は、前記透明基板の結晶を破壊し、深い準位を形成することの可能な元素を注入することによって形成されたものである
半導体レーザ。
前記光吸収層は、少なくとも前記電流狭窄構造との対向領域全体に形成されている
請求項１に記載の半導体レーザ。
前記透明基板がＧａＮ基板であり、
前記光吸収層の横幅は、前記電流狭窄構造との対向領域の横幅以上、前記透明基板の横幅未満の範囲内である
請求項１に記載の半導体レーザ。
前記透明基板がサファイア基板であり、
前記光吸収層の横幅は、前記電流狭窄構造との対向領域の横幅以上、前記透明基板の横幅以下の範囲内である
請求項１に記載の半導体レーザ。