JP6495587B2

JP6495587B2 - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP6495587B2
Application number: JP2014137002A
Authority: JP
Inventors: 寿夫内藤; 孝宜本間
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: JP2016015418A

Description

本発明は、積層された複数の活性層を有するスタック型の半導体レーザ素子に関する。

従来、複数の活性層を積層したスタック型の半導体レーザ素子が知られている。

特許文献１は、３層の活性層を積層したスタック構造の半導体レーザ素子を開示している。この半導体レーザ素子においては、「垂直方向」のＦＦＰ（遠視野像）を上下対称の単峰ビームとする為に、活性層の間の半導体層を薄くしている。

一方、特許文献２は、３層の活性層を積層したスタック構造の半導体レーザ素子において、「水平方向」のＦＦＰを単峰化する技術を開示している。複数の活性層を含む積層体の周縁部をエッチングし除去し、除去した左右の領域に夫々Ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層を埋め込んで、Ｐ型領域とＮ型領域が、それぞれ櫛形断面を構成することで、水平方向のＦＦＰの単峰化を達成しようとする試みが開示されている。

特開２００８−８５３３９号公報特公平６−９５５８７号公報

しかしながら、本願発明者らが特許文献１の構造を研究した結果、この構造の半導体レーザ素子においては、発光部の周縁（エッジ）から光が漏れることが判明した。光漏れが生じた場合、ＮＦＰ（近視野像）を用いて対象物を検出する場合には検出誤差を生じ、また、ＦＦＰにおいてはビームの中心部の強度が低下するという問題がある。換言すれば、水平方向のビームパターンは単峰化されておらず、これを精密な計測技術等に適用する場合には、更なる改善が期待される。

また、引用文献１の構造において、更に、特許文献２に記載のように、積層体の周縁部をエッチングしたが、水平方向のＦＦＰの単峰化には至らなかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、水平方向のＦＦＰを単峰化可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、クラッド層を挟んで積層された複数の活性層を有する半導体レーザ素子において、最上部の前記活性層におけるレーザ共振方向及び前記活性層の厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、それぞれの前記活性層は、前記幅方向の両端に位置する一対の側面を備えている。複数の前記活性層の光出力を合成した場合において水平方向の遠視野像を単峰化するよう、最上部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、７５°以下であり、最下部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、３０°以上に設定されることを特徴とする。

上限の角度である７５°を超える場合、発光量が著しく低下し、下限の３０°未満の角度のものは製造できなかった。最上部における活性層およびガイド層は、最も側面の角度が急峻になりやすい（９０°に近くなる）ため、かかる角度が７５°以下であれば、発光量を高く維持することができ、したがって、複数の活性層の光出力を合成した場合において、水平方向のＦＦＰを単峰化可能となる。

個々の前記活性層およびガイド層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、個々の前記活性層ごとに異なっており、最上部から数えてｎ番目の前記活性層の前記角度をθｎとし、ｎ＋１番目の前記活性層およびガイド層の前記角度をθ（ｎ＋１）とした場合、全ての前記活性層は、θｎ＜θ（ｎ＋１）を満たすことを特徴とする。エッチングによって活性層の側面を製造する場合には、最上部における側面が最も急峻になり、最下部に向かうに従って、側面の角度が小さくなってくる。したがって、エッチングにより製造されたものは、上記角度が異なり、上述の不等式を満たすが、この場合でも、角度が上述の範囲内にあれば、発光量を維持することができるので、水平方向のＦＦＰを単峰化可能となる。

また、それぞれの前記活性層の幅は、５０μｍ以上７００μｍ以下であることを特徴とする。なお、活性層の側面が斜めになっている場合には、幅は平均値で与えられるものとする。活性層の幅が、上記範囲の場合には、上記作用効果に加えて、ＮＦＰ（近視野像）の平坦性を維持しやすいという効果がある。

本発明に係る半導体レーザ素子によれば、水平方向のＦＦＰを単峰化することができる。

実施の形態に係る半導体レーザ素子の縦断面図である。実施の形態に係る半導体レーザ素子の平面図である。半導体レーザ素子の等価回路図である。比較例に係る活性層の側面構造について説明するための図である。実施例に係る活性層の側面構造について説明するための図である。実施例に係る活性層の側面構造について詳細に説明するための図である。実施例１に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のＦＦＰの角度（°）と相対光出力（％）の関係を示すグラフである。比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のＦＦＰの角度（°）と相対光出力（％）の関係を示すグラフである。実施例１に係る半導体レーザ素子の縦断面ＳＥＭ像を示す図である。比較例に係る半導体レーザ素子の縦断面ＳＥＭ像を示す図である。

以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、実施の形態に係る半導体レーザ素子の縦断面図であり、図２は、この半導体レーザ素子の平面図である。

半導体レーザ素子は、半導体からなる基板４と、基板４上に形成された半導体積層体とを備えている。半導体積体は、基板４上に、下部第１クラッド層１１ａ、下部活性層３、下部第２クラッド層１１ｃ、下部トンネル障壁層１１ｂ、中間第１クラッド層１２ａ、中間活性層２、中間第２クラッド層１２ｃ、中間トンネル障壁層１２ｂ、上部第１クラッド層１３ａ、上部活性層１、上部第２クラッド層１３ｃ、コンタクト層１４を順次積層してなる。なお、基板４の表面の面方位は（１００）であり、この表面上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて、各層を成長させた。各層に含まれるＧａ、Ｉｎ、Ａｌ、Ａｓは、それぞれ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アルシン（ＡｓＨ_３）を原料とすることができる。化合物半導体中にＰを含む場合には、フォスフィン（ＰＨ_３）を原料とすることができる。

半導体積層体のＸ軸方向の側面と上面の一部は、シリコン窒化物からなる絶縁層５で被覆されており、絶縁層５及び半導体積層体の上面の露出表面は、電極６によって被覆されている。電極６と半導体積層体の接触面は、Ｙ軸方向に沿って延びており、レーザ共振はＹ軸方向に沿って生じる。基板４の下面７は、電極となっている。絶縁層５はＳｉＯ_２とすることもでき、また、電極材料としてはＡｕを用いることができる。

半導体積層体は、側面がエッチングされることで、メサ型を有している。複数の活性層（上部活性層１、中間活性層２、下部活性層３）からは、図２の矢印で示すように、それぞれＹ軸方向に沿ってレーザ光が出射される。

実施例１における半導体レーザ素子のＸ軸方向の寸法ＸＢ、メサ型の半導体積層体のＸ軸方向の寸法の最大値ＸＬ、最小値ＸＵ、Ｙ軸方向の寸法ＹＢ（＝共振器長）の実施例と好適範囲は、以下の通りである。
（実施例）
ＸＢ＝６５０μｍ
ＸＬ＝３８０μｍ
ＸＵ＝３６０μｍ
ＹＢ＝１．０ｍｍ
（好適範囲）
３００μｍ≦ＸＢ≦１０００μｍ
６０μｍ≦ＸＬ≦７１０μｍ
４０μｍ≦ＸＵ≦６９０μｍ
０．５ｍｍ≦ＹＢ≦２．０ｍｍ

また、各層の厚み、厚みの好適範囲、導電型は、以下の通りである。

また、各層の材料：不純物濃度（好適範囲）は、以下の通りである。なお、厚み方向に材料の組成や不純物濃度がある場合には、それぞれの平均値を示すものとする。

なお、各トンネル障壁層は、トンネル効果という作用効果を奏する。

図３は、半導体レーザ素子の等価回路図である。

上述の半導体レーザ素子は、３つのレーザダイオード（第１レーザダイオードＬＤ１、第２レーザダイオードＬＤ２，第３レーザダイオードＬＤ３）を直列に接続したものと見做すことができる。Ｐ型の半導体からＮ型の半導体に向けて順方向に電流を流すと、各レーザダイオード（ＬＤ１〜ＬＤ３）は、発光して、Ｙ軸方向に光を出射する。

第３レーザダイオードＬＤ３は、下部活性層３及びこれに隣接するクラッド層を含み、第２レーザダイオードＬＤ２は、中間活性層２及びこれに隣接するクラッド層を含み、第１レーザダイオードＬＤ１は、上部活性層１及びこれに隣接するクラッド層を含んでいる。

図４は、比較例に係る活性層の側面構造について説明するための図であり、図１の点線で囲まれた領域に相当する領域を示している。活性層の各側面（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３）は、基板表面に対して垂直であり、換言すれば、各側面（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３）の法線は、Ｘ軸方向に沿っており、各活性層（上部活性層１、中間活性層２、下部活性層３）の厚み方向（Ｚ軸方向）に垂直である。

かかる構造の場合、各側面（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３）において、図中の矢印へ示すような反射が生じ、レーザ発振を阻害し、発光量が低下してしまう。この場合、各活性層から出射されたレーザ光を合成した場合に、ＦＦＰの中央部の発光量が減少したりして、単峰化ができない。反射防止のためには、側面（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３）を粗面化する方法が考えられ、この場合には、反射が抑制されるため、発光量を維持したまま、レーザ発振を行うことができる。

また、反射抑制のために、側面を傾斜させる方法があるが、通常のエッチングでは、ミクロな観察をすると、各側面（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３）が、図４の如く垂直になっていることが確認された。側面の垂直化を抑制するには、後述のように、エッチング条件を調整することが必要である。

図５は、実施例に係る活性層の側面構造について説明するための図である。

エッチング条件を調整することで、側面（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３）を傾斜させることができる。各側面の詳細構造を説明するために、図５における点線で囲まれた部分を拡大して図６に示す。

図６は、実施例に係る活性層の側面構造について詳細に説明するための図である。同図は、最上部から数えてｎ番目の活性層を示している（ｎは自然数）。図５における最上部の活性層はｎ＝１であり、この場合には、側面の傾斜した角度θｎはθ１となる。なお、θｎは、ＸＺ平面内において、側面ＳｎとＸＹ面のなす角度でもある。

この場合、半導体レーザ素子は、積層された複数の活性層ｎ（例：ｎ＝１〜３）を有する半導体レーザ素子において、最上部の活性層（ｎ＝１）におけるレーザ共振方向（Ｙ軸方向）及び活性層（ｎ＝１）の厚み方向（Ｚ軸方向）の双方に垂直な方向（Ｘ軸方向）を幅方向とした場合、それぞれの活性層（ｎ＝１〜３）は、幅方向の両端に位置する一対の側面Ｓｎ（第１側面Ｓ１、第２側面Ｓ２、第３側面Ｓ３：図５参照）を備えている。

最上部の活性層ｎ（ｎ＝１）における側面Ｓｎ（ｎ＝１）の法線Ｎと、厚み方向（Ｚ軸方向）との成す角度θｎ（ｎ＝１）は、７５°以下であることが好ましい。

また、最下部の活性層ｎ（ｎ＝３）における側面Ｓｎ（ｎ＝３）の法線Ｎと、厚み方向（Ｚ軸方向）との成す角度θｎは、３０°以上であることが好ましい。

なぜならば、θｎが上限の角度である７５°を超える場合、発光量が著しく低下し、下限の３０°未満の角度のものは製造できなかったからである。最上部における活性層ｎ（ｎ＝１）は、最も側面の角度が急峻になりやすい（９０°に近くなる）ため、かかる角度が７５°以下であれば、発光量を高く維持することができ、したがって、複数の活性層の光出力を合成した場合において、水平方向のＦＦＰを単峰化可能となる。

なお、活性層と、これに隣接する一対のクラッド層との間に、それぞれ光ガイド層を介在した構造でも同様の効果が得られる。活性層とクラッド層との間に光ガイド層を配置した場合は、活性層から光ガイド層に光が漏れるため、実質的に、光ガイド層における側面の角度が支配的になる。そのため、光ガイド層における側面の法線と厚み方向のなす角度は、活性層と同じ角度範囲を満たす必要がある。

個々の活性層ｎ（ｎ＝１〜３）における側面Ｓｎの法線Ｎと、厚み方向（Ｚ軸方向）との成す角度θｎは、個々の前記活性層ごとに異なっており、最上部から数えてｎ番目の前記活性層の前記角度をθｎとし、ｎ＋１番目の前記活性層の前記角度をθ（ｎ＋１）とした場合、全ての前記活性層は、（式１）：θｎ＞θ（ｎ＋１）を満たす。すなわち、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３である。

エッチングによって活性層ｎの側面Ｓｎを製造する場合には、最上部における側面が最も急峻になり、最下部に向かうに従って、側面の角度が小さくなってくる。したがって、エッチングにより製造されたものは、上記角度θｎが異なり、上述の（式１）を満たすが、この場合でも、角度が上述の範囲内にあれば、発光量を維持することができるので、水平方向のＦＦＰを単峰化可能となる。

なお、活性層ｎの幅方向の中心位置を通り、Ｚ軸に沿って延びた中心線Ｚ０を通るＹＺ平面対して、活性層ｎは対称である。したがって、図６における右側面の関係は、左側面にも適用される。

また、活性層ｎの幅Ｘｎは、対向する一対の側面ＳｎのＺ軸方向に沿った中点Ｐ間の距離（換言すれば平均値）で規定するものとする。
（実施例１）

図７は、実施例１に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のＦＦＰの角度（°）と相対光出力（％）の関係を示すグラフであり、図９は、実施例に係る半導体レーザ素子の縦断面ＳＥＭ像を示す図である。実施例１では、ＸＬ＝３７０μｍとした。また、θ３＝４５°、θ２＝５５°、θ１＝６０°とした。この場合、側方からの光漏れがなく、また、水平方向のＦＦＰとして、更に均整のとれた単峰性のスペクトルが得られた。また、活性層の側面は傾斜していることが観察された。

各層を積層した後に、幅方向の両端領域が開口したマスク（レジスト）を半導体積層体上に配置し、エッチングを行って、傾斜した側面を形成する。実施例１のエッチング条件は、以下の通りである。なお、各層の材料と厚みは、（表１）及び（表２）に記載のものを用いた。リン酸と、過酸化水素と、水とを含むエッチング液を用意し、常温で、４分間のエッチングを行った。なお、リン酸と過酸化水素のモル比は１：２５である。これにより、最上部の活性層の角度θ＝６０°にエッチングされ、θ２＝５５°、θ３＝４５°にエッチングされる。すなわち、この場合は、θ１＝αとすると、θ２＝α―５°、θ３＝α―１５°となる。
（比較例）

図８は、比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のＦＦＰの角度（°）と相対光出力（％）の関係を示すグラフであり、図１０は、比較例に係る半導体レーザ素子の縦断面ＳＥＭ像を示す図である。θ３＝５０°、θ２＝６０°、θ１＝９０°である。

この場合、水平方向のＦＦＰの中央部が凹む形状となった。最上部の活性層１が発光しておらず、全体の光出力は、実施例１の場合の光出力（７５Ｗ：駆動電流２５Ａ）の概ね２／３（＝５０Ｗ）となった。また、活性層の側面は垂直になっていることが観察された。

また、比較例のエッチング条件は、以下の通りである。なお、各層の特性は、実施例１と同一のものを用いた。リン酸と、過酸化水素と、水とを含むエッチング液を用意し、常温で、２分間のエッチングを行った。なお、リン酸と過酸化水素のモル比は１：５である。これにより、最上部の活性層の角度θ１＝９０°にエッチングされ、θ２＝６０°、θ３＝５０°にエッチングされる。すなわち、この場合は、θ１＝βとすると、θ２＝β―３０°、θ３＝β―４０°となる

なお、活性層の角度θと、単独の活性層の発光量の関係は以下の通りである。実験７における角度θ＝６０°の場合の単独の活性層の発光量を１００％とし、残りの角度の場合の発光量を、当該発光量に対する相対値として示す。
（実験１）角度θ＝９０°、発光量＝０％
（実験２）角度θ＝８５°、発光量＝０％
（実験３）角度θ＝８０°、発光量＝５０％
（実験４）角度θ＝７５°、発光量＝１００％
（実験５）角度θ＝７０°、発光量＝１００％
（実験６）角度θ＝６５°、発光量＝１００％
（実験７）角度θ＝６０°、発光量＝１００％
（実験８）角度θ＝５５°、発光量＝１００％
（実験９）角度θ＝５０°、発光量＝１００％
（実験１０）角度θ＝４５°、発光量＝１００％
（実験１１）角度θ＝４０°、発光量＝１００％
（実験１２）角度θ＝３５°、発光量＝１００％
（実験１３）角度θ＝３０°、発光量＝１００％

最上部の活性層の角度θは、エッチング液におけるリン酸と過酸化水素のモル比Ｒ（過酸化水素モル濃度／リン酸モル濃度）濃度と、エッチング時間Ｔの関数であり、以下の数式で表される。

θ＝Ａ・ｅｘｐ（Ｂ・Ｔ／Ｒ）

なお、Ａ、Ｂ：定数、Ｔ：エッチング時間（分）、Ｒ：モル比（５〜５０の範囲内）である。残りの活性層の角度は、これよりも小さくなるため、各活性層の側面の角度が、上記範囲（７５°以下３０°以上）を満たすようにモル比Ｒとエッチング時間Ｔを調整すればよい。

また、それぞれの活性層１〜３の幅は、５０μｍ以上７００μｍ以下であることが好ましい。活性層の側面が斜めになっている場合には、幅は平均値で与えられるものとする。活性層の幅が、上記範囲の場合には、上記作用効果に加えて、ＮＦＰの平坦性を維持しやすいという効果がある。

本発明は、車載用途、測量用途、セキュリティー用途といった対象物の距離を検出する幅広い用途において、高精度の検出を可能にするビームパターンを有する半導体レーザに利用可能である。

１４…コンタクト層、１３ｃ…上部第２クラッド層、１…上部活性層、１３ａ…上部第１クラッド層、１２ｂ…中間トンネル障壁層、１２ｃ…中間第２クラッド層、２…中間活性層、１２ａ…中間第１クラッド層、１１ｂ…下部トンネル障壁層、１１ｃ…下部第２クラッド層、３…下部活性層、１１ａ…下部第１クラッド層、４…基板。

Claims

クラッド層を挟んで積層された複数の活性層を有する半導体レーザ素子において、
最上部の前記活性層におけるレーザ共振方向及び前記活性層の厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、それぞれの前記活性層は、前記幅方向の両端に位置する一対の側面を備えており、
複数の前記活性層の光出力を合成した場合において水平方向の遠視野像を単峰化するよう、最上部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、７５°以下であり、最下部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、３０°以上に設定される、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
個々の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、個々の前記活性層ごとに異なっており、最上部から数えてｎ番目の前記活性層の前記角度をθｎとし、ｎ＋１番目の前記活性層の前記角度をθ（ｎ＋１）とした場合、
全ての前記活性層は、θｎ＞θ（ｎ＋１）を満たす、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
それぞれの前記活性層の幅は、５０μｍ以上７００μｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。