JP5636773B2 - 半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は端面発光型の半導体レーザに関する。
近年、窒化物系化合物半導体を用いた青紫色半導体レーザは、大容量光ディスク用の光源として広く使われており、より高出力で信頼性の高い素子の開発が進められている。しかし、この種の端面発光型の半導体レーザでは、発光強度の最も高いＮＦＰ(Near Field Pattern)中央において誘導放出が強く生ずるため、この部分に注入されたキャリアが特に速く再結合し、却ってゲインが生じにくくなる現象（ホールバーニング）が発生する。このようなホールバーニング現象が生ずると、水平横モードが不安定になり、Ｌ- Ｉ(Lightoutput-Injection current) 特性においてキンクレベルの低下を招くという問題がある。このような問題はゲイン・ガイド構造の半導体レーザに限らず、インデックス・ガイド構造にも生ずるもので、キンクレベルが低下すると安定した高出力半導体レーザを実現することができない。
従来、水平横モードを安定化させる手法としては、リッジ型半導体レーザにおいては２つの方法が採られている。第１はストライプ（電流路）幅を狭小化させることによりストライプ端部から中央部へキャリアを拡散させ、これによりホールバーニングを抑制する方法である。第２はリッジの脇の光損失（ロス）を増加させることにより、水平横の高次モードが利得を持つことを抑制する方法である。
特開平９−４５９８９号公報 特開２０００−１７４３４２号公報
しかしながら、第１の方法では、ストライプ幅の狭小化により駆動電圧が上昇すると共に、パルセーションが発生するという問題があった。また、製造時においては、ストライプ幅の制御が困難であるという問題もあった。一方、第２の方法では、光損失の増加により高温・高出力時において消費電力が増加し、また、その発熱によって信頼性が低下するという問題もあった。このようなことから、水平横モードの安定した高出力半導体レーザを実現するため、上記方法以外のキンクレベルの向上を図る方法が望まれていた。
ちなみに、本発明に関して、特許文献１，２には不純物濃度を不均一化する技術が開示されている。しかし、特許文献１では、活性層から２番目に近いクラッド層において３×１０17ｃｍ-3以下の低濃度ドーピング領域を必要とし、かつ構成半導体材料はＡｌＧａＡｓ系に限られている。また、特許文献２においては、異種基板上の発光素子におけるエピタキシャル層の結晶性の向上を目的としているため、必ずクラッド層の初期、即ち活性層から最も遠い層をアンドープで構成することを要求するものであり、本発明とは異なる。いずれも上記第１および第２の方法に代わる技術ではなく、水平横モードの安定した高出力半導体レーザを実現することはできない。
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、Ｌ- Ｉ特性のキンクレベルが向上し、水平横モードの安定した高出力を得ることのできる半導体レーザを提供することにある。
本発明による半導体レーザは、以下の構成要素（Ａ）〜（Ｄ）を備えたものである。
（Ａ）３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる活性層
（Ｂ）活性層の一方の面側に設けられ、活性層に近い位置から順にｎ型ガイド層、ｎ型クラッド層およびバッファ層を含むｎ型化合物半導体層
（Ｃ）活性層の他方の面側に設けられ、突条部を有するｐ型化合物半導体層
（Ｄ）ｎ型化合物半導体層のうち、ｎ型ガイド層の不純物濃度は、他のｎ型領域の不純物濃度の３倍以上であること
高濃度領域の具体的な濃度範囲は、３×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下である。
本発明の半導体レーザでは、ｎ型層のうち活性層に近い側に高濃度領域が存在することによってＮＦＰ中央でのホールバーニング現象が抑制され、Ｌ- Ｉ特性のキンクレベルが向上する。
本発明の半導体レーザによれば、ｎ型化合物半導体層のうち、活性層に最も近い領域を他のｎ型領域よりも不純物濃度の高い高濃度領域としたので、Ｌ- Ｉ特性のキンクレベルが向上し、水平横モードの安定した高出力の半導体レーザを実現できる。
本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。 図１の半導体レーザのｎ型層のドーピングプロファイルを表す図である。 伝導帯のバンドフロファイルを表す図である。 キンクレベルのストライプ幅依存性を表す図である。 変形例に係る半導体レーザのバンドプロファイルを表す図である。
以下、本発明の実施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（青紫半導体レーザ）
（２）変形例
（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る端面発光型の半導体レーザの縦断面構造を表すものである。この半導体レーザは、例えば、パーソナルコンピュータや家庭用ゲーム機などのＢＤ再生または記録再生用レーザとして用いられる、例えば４００ｎｍ前後・青紫半導体レーザであり、例えば、ｎ型ＧａＮよりなる基板１１の上面側に、バッファ層（図示せず）を介してｎ型クラッド層１２，ｎ型ガイド層１３，ｉ型ガイド層１４，活性層１５，ｉ型ガイド層１６，電子障壁層１７，ｐ型超格子クラッド層１８およびｐ側コンタクト層１９がこの順に積層された構成を有している。
基板１１は、例えばｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）または酸素（Ｏ）を添加したＧａＮにより構成されている。バッファ層は、例えば、厚さが０．５μｍであり、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
ｎ型クラッド層１２はｎ型不純物が添加された、例えば厚さが０．１μｍのＧａＮにより構成されている。ｎ型ガイド層１３はｎ型不純物が添加された、例えば厚さが２μｍのＡｌＧａＮ（Ａｌ含有量は例えば６．５％）により構成されている。ｎ型不純物は、例えばシリコン（Ｓｉ），酸素（Ｏ），ゲルマニウム（Ｇｅ），セレン（Ｓｅ），硫黄（Ｓ）など、４族または６族の材料である。
本実施の形態では、基板１１と活性層１５との間のｎ型層のうち、活性層１５側に最も近いｎ型ガイド層１３の不純物濃度が、活性層１５から遠いｎ型クラッド層１２の不純物濃度よりも高い高濃度領域となっており、これによりキンクレベルを向上させている。その理由については後述する。
図２は基板１１、ｎ型クラッド層１２およびｎ型ガイド層１３のｎ型不純物の濃度プロファイルの一例を表すものである。基板１１およびｎ型クラッド層１２のｎ型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3程度であるのに対し、ｎ型ガイド層１３のｎ型不純物濃度は例えば１×１０19ｃｍ-3である。ｎ型ガイド層１３のｎ型不純物濃度はｎ型クラッド層１２のそれよりも高ければよいが、好ましくは、３×１０18ｃｍ-3以上、１×１０21ｃｍ-3以下の範囲である。３×１０18ｃｍ-3未満であると、キンク抑制の効果を発揮することができず、１×１０21ｃｍ-3より多くなると、混晶化あるいは結晶性が劣化するからである。更に好ましくは、５×１０18ｃｍ-3以上、１×１０20ｃｍ-3以下の範囲である。この範囲であると、ドーピング濃度を上げる効果を十分に発揮でき、混晶化あるいは結晶性の劣化を抑制できる。
ｉ型ガイド層１４，１６は光閉じ込めの機能を有するものである。ｉ型ガイド層１４は、例えば、厚さが０．０１０μｍの不純物を添加しないアンドープＧａXＩｎ1-XＮ（但し、ｘ≧０）により構成されている。活性層１５は、例えば、厚さが０．０５６μｍであり、組成の異なるＧａｘ Ｉｎ１−ｘ Ｎ（但し、ｘ≧０）によりそれぞれ形成された井戸層と障壁層との多重量子井戸構造を有している。
ｉ型ガイド層１６は、例えば、厚さが０．０１０μｍであり、不純物を添加しないアンドープＧａXＩｎ1-XＮ（但し、ｘ≧０）により構成されている。電子障壁層１７は、例えば、厚さが２０ｎｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＡｌＧａＮ（Ａｌ含有量は例えば１６％）により構成されている。ｐ型超格子クラッド層１８は、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加した厚さ２．５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮ層と、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加した厚さ２．５ｎｍのｐ型ＧａＮ層とを交互に積層した超格子構造を有している。ｐ型超格子クラッド層１８は、ＡｌＧａＮ層あるいはＧａＮ層の片側のみの変調ドーピング構造としてもよい。なお、ｐ側コンタクト層１９は、例えば、厚さが０．１０μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。
ｐ型超格子クラッド層１８の一部およびｐ側コンタクト層１９は、電流狭窄のため共振器方向に延長された細いストライプ状の突条部（リッジ）２０となっている。この突条部２０に対応する活性層１５のストライプ領域が発光領域（電流注入領域）となっている。ｐ型超格子クラッド層１８およびｐ側コンタクト層１９の上には、ＳｉＯ2層２１ＡおよびＳｉ層２１Ｂの積層構造を有する埋め込み層２１を間にして、ｐ側電極２２が形成されている。ｐ側電極２２は、例えば、ｐ側コンタクト層１９の側からパラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、ｐ側コンタクト層１９を介してｐ型超格子クラッド層１８と電気的に接続されている。ｐ側電極２２は、また、電流狭窄をするように帯状に延長されており、このｐ側電極２２に対応する活性層１５の領域が発光領域となっている。一方、基板１１の裏面にはｎ側電極２３が形成されている。ｎ側電極２３は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、基板１１およびバッファ層（図示せず）を介してｎ型クラッド層１２と電気的に接続されている。
この半導体レーザでは、例えばｐ側電極２２の長さ方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、この一対の共振器端面に図示しない一対の反射鏡膜がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方の反射鏡膜の反射率は低く、他方の反射鏡膜の反射率は高くなるようにそれぞれ調整されている。これにより活性層１５において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、一方の反射鏡膜からレーザビームとして出射されるようになっている。
図３はこの半導体レーザの伝導帯におけるフラットバンド図を表すものである。ここでは、不純物濃度の高いｎ型ガイド層１３は、不純物濃度の低いｎ型クラッド層１２よりもバンドギャップが小さく、ｉ型ガイド層１４よりもバンドギャップが大きくなっている。この半導体レーザは、ｎ型ガイド層１３の屈折率がｎ型クラッド層１２より高いＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造となっており、キャリアの閉じ込めと光の閉じ込めとが分離されることにより、安定した光出力を得ることができる。
この半導体レーザは、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、例えばＧａＮよりなる基板１１を用意し、この基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により、上述した材料よりなるバッファ層を、成長温度を例えば１０５０℃として成長させる。続いて、成長温度を例えば１０５０℃のままとし、同じくＭＯＣＶＤ法により、上述した材料よりなるｎ型クラッド層１２を成長させる。そののち、同じくＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ガイド層１３，ｉ型ガイド層１４，活性層１５，ｉ型ガイド層１６，電子障壁層１７，ｐ型超格子クラッド層１８およびｐ側コンタクト層１９を順に成長させる。このときｎ型クラッド層１２とｎ型ガイド層１３との不純物濃度の関係は上述のとおりとする。
なお、ＭＯＣＶＤを行う際、ガリウムの原料ガスとしては例えばトリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）、アルミニウムの原料ガスとしては例えばトリメチルアルミニウム（（ＣＨ3）3Ａｌ）、インジウムの原料ガスとしては例えばトリメチルインジウム（（ＣＨ 3）3Ｉｎ）をそれぞれ用いる。また、窒素の原料ガスとしてはアンモニア（ＮＨ3）を用いる。また、ケイ素の原料ガスとしては例えばモノシラン（ＳｉＨ4）を用い、マグネシウムの原料ガス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（（Ｃ5Ｈ5）2Ｍｇ）を用いる。
次いで、ｐ側コンタクト層１９上に図示しないマスクを形成し、このマスクを利用して例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）法によりｐ側コンタクト層１９およびｐ型超格子クラッド層１８の一部を選択的に除去する。これによりｐ型超格子クラッド層１８の上部およびｐ側コンタクト層１９を細い帯状の突条部（リッジ）２０とする。
続いて、ｐ型超格子クラッド層１８およびｐ側コンタクト層１９の上に、上述した材料よりなる埋め込み層２１を形成し、この埋め込み層２１に、突条部２０の上面に対応して開口部を設け、ｐ側電極２２を形成する。更に、基板１１の裏面側を例えばラッピングおよびポリッシングして基板１１の厚さを例えば１００μｍ程度としたのち、基板１１の裏面にｎ側電極２３を形成する。そののち、基板１１を所定の大きさに整え、対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。以上により図１に示した端面発光型半導体レーザが完成する。
本実施の形態の半導体レーザでは、ｐ側電極２２とｎ側電極２３との間に所定の電圧が印加されると、活性層１５に電流が注入されて電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。
前述のように、半導体レーザでは、キンクレベルを制御するパラメータは、ストライプ（電流路）幅（図１のＷ）と、リッジ脇の活性層からロス層（図１ではＳｉ層２１Ｂ）までの距離ｄとされ、これらの大きさを調整することが有効であることが知られている。しかしながら、これらの方法には、駆動電圧の上昇あるいは消費電力の増大などの問題があった。
これに対して、本実施の形態では、ｎ型層のうち活性層１５に近いｎ型ガイド層１３の不純物濃度を、活性層１５から遠いｎ型クラッド層１２の不純物濃度よりも高くしたものである。このように活性層１５に近いｎ型ガイド層１３の不純物濃度を高く、より好ましくは３倍以上高くすることによって、キャリアの注入効率が増加し、ホールバーニングが抑制されることによってキンクレベルが向上する。
図４は、上記構成の半導体レーザにおいて、ｎ型クラッド層１２およびｎ型ガイド層１３のｎ型不純物の例としてシリコン（Ｓｉ）を添加し、ｎ型クラッド層１２の濃度を１×１０18ｃｍ-3、ｎ型ガイド層１３の濃度を１×１０19ｃｍ-3とした場合のキンクレベルに対する効果（ストライプ幅依存性）を表したものである（○印）。比較例として、ｎ型クラッド層１２およびｎ型ガイド層１３の濃度をともに１×１０18ｃｍ-3とした場合の結果を示した（□印）。
この図からも明らかなように、ｎ型層に均一な濃度プロファイルを有する比較例に対して、ｎ型ガイド層１３を高濃度領域とした本実施の形態では、広いストライプ幅（Ｗ＝１．４０〜１．５０μｍ）のままでもキンクレベルに向上が見られ、安定した動作が可能になる。即ち、従来のようにストライプ幅の狭小化などの対策によらずとも、キンクレベルを向上させることができることが分かる。
このように本実施の形態では、ｎ型層のうち活性層１５に近いｎ型ガイド層１３の不純物濃度を、活性層１５から遠いｎ型クラッド層１２の不純物濃度よりも高い高濃度領域としたものであり、これによりＬ- Ｉ特性のキンクレベルが向上する。よって、水平横モードの安定した高出力の半導体レーザを実現することが可能になる。
また、本実施の形態では、従来のストライプ幅の狭小化などの方法を用いることなくキンクレベルを向上させることができるので、生産性のマージンの拡大を図ることができると共に、これまでキンク抑制のために犠牲にしていた素子特性を改善することができる。加えて、本実施の形態では、単にｎ型層の一部のドーピング濃度を高くするだけでよいので、従来の製造プロセスを変更することなく実現することができるものである。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、活性層１５に近いｎ型ガイド層１３のバンドギャップをｎ型クラッド層１２のそれよりも小さくなるようにしているが、これに限るものではない。即ち、図５のフラットバンド図に示したように活性層１５に近いｎ型ガイド層１３のバンドギャップをｎ型クラッド層１２のそれよりも大きくしてもよい。バンドギャップの大きさを変更するには例えばｎ型クラッド層１２およびｎ型ガイド層１３に含まれるアルミニウム（Ａｌ）の含有量を変更すればよい。
また、上記実施の形態では高濃度領域をｎ型ガイド層としたが、ガイド層を省略し、ｎ型クラッド層のうち活性層に近い側の一部領域を高濃度領域としてもよい。
更に、各層の構成材料は上記実施の形態のものに限定されるものではなく、３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であれば他の材料を用いてもよい。各層の組成比、厚さおよび成膜方法などについても同様である。例えば、上記実施の形態では、バッファ層からｐ側コンタクト層１９までをＭＯＣＶＤ法により形成する場合について説明したが、ＨＶＰＥ法等の他の有機金属気相成長法により形成してもよく、あるいは、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy；分子線エピタキシー）法等を用いてもよい。
加えて、上記実施の形態ではゲイン・ガイド構造の半導体レーザについて説明したが、本発明はインデックス・ガイド構造の半導体レーザにも適用できるものである。
１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…ｎ型ガイド層（高濃度領域）、１４，１６…ｉ型ガイド層、１５…活性層、１７…電子障壁層、１８…ｐ型超格子クラッド層、１９…ｐ側コンタクト層、２０…突条部、２１…埋め込み層、２２…ｐ側電極、２３…ｎ側電極

Claims (9)

  1. ３Ｂ族元素のうちの少なくともガリウム（Ｇａ）と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素（Ｎ）とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる活性層と、
    前記活性層の一方の面側に設けられ、前記活性層に近い位置から順にｎ型ガイド層、ｎ型クラッド層およびバッファ層を含むｎ型化合物半導体層と、
    前記活性層の他方の面側に設けられ、突条部を有するｐ型化合物半導体層とを備え、
    前記ｎ型化合物半導体層のうち、前記ｎ型ガイド層の不純物濃度は、他のｎ型領域の不純物濃度の３倍以上である
    半導体レーザ。
  2. 前記ｎ型ガイド層は前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが小さい
    請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 前記ｎ型ガイド層は前記ｎ型クラッド層よりもバンドギャップが大きい
    請求項１に記載の半導体レーザ。
  4. 前記ｎ型ガイド層と活性層との間にアンド−プのｉ型ガイド層を有し、前記ｎ型ガイド層は前記ｉ型ガイド層よりもバンドギャップが大きい
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  5. 前記ｎ型ガイド層の屈折率は前記ｎ型クラッド層の屈折率よりも高い
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  6. 前記ｎ型ガイド層の不純物濃度は、３×１０18ｃｍ-3以上１×１０21ｃｍ-3以下の範囲である
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  7. 前記ｎ型ガイド層の不純物濃度は、５×１０18ｃｍ-3以上１×１０2０ｃｍ-3以下の範囲である
    請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  8. 前記ｎ型化合物半導体層は基板を含み、
    前記基板上に、前記バッファ層および前記ｎ型クラッド層をこの順に有する
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
  9. 前記基板は、ｎ型ＧａＮにより構成されている
    請求項８に記載の半導体レーザ。
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