JPH1197793A - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- JPH1197793A JPH1197793A JP9259739A JP25973997A JPH1197793A JP H1197793 A JPH1197793 A JP H1197793A JP 9259739 A JP9259739 A JP 9259739A JP 25973997 A JP25973997 A JP 25973997A JP H1197793 A JPH1197793 A JP H1197793A
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Abstract
レーザにおいて、素子の電極面界面における光の多重共
振器効果を抑制して安定な単一の発振スペクトルを得
る。 【解決手段】 基板1の、電極14と接触する下面1a に
光導波方向Zに5μm周期の凹凸となるように、深さ
0.5μmの溝12を縞状に設ける。この溝12は光導波路
となるリッジストライプと垂直に交わる方向に延びるも
のとし、半導体レーザの発振部に対応する位置に形成す
る。
Description
し、詳しくはその基板および/もしくは半導体層が発振
波長に対して透明である半導体レーザに関するものであ
る。
クやレーザビームプリンタ等に広く用いられている。半
導体レーザは1W以上の高光出力が実現され、高密度の
熱源としてのレーザスポットを利用して、染料の昇華、
レーザアブレーションを用いた画像形成、材料の加工あ
るいははんだ付け等に用いられるようになった。
源や熱源としてInGaAs歪量子井戸を有する0.98μm帯の
半導体レーザが用いられており、第二高調波を用いて青
や緑のレーザ光を発生させるための光源としても0.9 〜
1.1 μmの発振波長を得ることができるInGaAs歪量子井
戸半導体レーザは重要である。しかしながら、従来のIn
GaAs歪量子井戸半導体レーザでは発振スペクトルが単一
モードになりにくいことが分かっている。これは、nあ
るいはp側の主に電極面からの光反射による干渉に基づ
く多重共振器効果により利得スペクトルが変調されてい
ることが原因である。
されているInGaN を活性層とする短波長の半導体レーザ
においても利得スペクトルに周期的変調が見られる("T
he Blue Laser Diode, GaN Based Light Emitters abd
Lasers",Springer,Berlin 1997,Chap.13,14参照)。この
原因も前述のInGaAs歪量子井戸半導体レーザと同様にn
あるいはp側の主に電極面からの光反射による干渉に基
づく多重共振器効果により利得スペクトルが変調されて
いるためである。この材料系の半導体レーザは現在開発
中であるため詳細な特性は明らかではないが、光ディス
クや高精細のプリンタの光源として用いる場合には発振
スペクトルが不安定になり、多モード発振やモードホッ
プのため雑音を生じる可能性がある。
て、多重共振器効果を抑制して安定な単一スペクトルに
よる発振を実現することが望まれている。
体レーザは、発振光に対して吸収媒質として働く基板や
バッファ層上に半導体層が積層されて形成され、オーミ
ック電極が形成されるキャップ層も発振光に対して吸収
媒質となることが多い。このような半導体としては、例
えば、GaAs基板を用いたAlGaAsレーザやInGaAlP レーザ
があげられ、これらの半導体レーザにおいては、光導波
構造により横モード制御を行った場合に比較的安定な単
一スペクトルによる発振が得られる。一方、GaAs基板を
用いたInGaAs量子井戸半導体レーザにおいては、多峰性
のスペクトルによる発振となる。その様子を図10に示
す。図10は、975nm 近傍で発振するファイバ増幅器励
起用のGaAs基板を用いたInGaAs量子井戸半導体レーザの
特性を示すものであり、同図(a)が発振閾値以下の状
態での発光スペクトルを示し、同図(b)がレーザ発振
をした状態における発振スペクトルを示している。図に
見られるように、発振閾値以下の状態から、ファブリペ
ロモードより長周期で変調された発光スペクトルが観察
され(同図(a))、発振スペクトルもこの周期的に変
調された利得スペクトルを反映して多モード発振となっ
ている(同図(b))。この半導体レーザにおいても、
限られた光出力と温度領域においては単一縦モード発振
をすることもあるが、光出力や温度を変化させると縦モ
ードが変化してそれに伴って雑音を発生する。また、グ
レーティング、バンドパスフィルタ、ファイバグレーテ
ィング等を用いて発振波長を安定化することもできる
が、長周期構造のために安定に波長をロッキングするこ
とが困難で、場合によっては隣接モードへモードホップ
しないで長周期の変調に即した数本先のモードへ発振波
長が飛ぶことがあり、安定化が容易ではない。
基板、高品質な結晶成長を行うためのバッファ層および
オーミック電極を形成するためのキャップ層には一般に
GaAsが用いられる。GaAsの禁制帯幅はInGaAsの発振波長
に対して透明となるため、発振光の一部は基板表面ある
いはキャップ層と接する電極面において反射し、多重干
渉によりスペクトルが変調を受ける。
い横多モードレーザにおいて更に顕著であり、本発明者
らは50μm幅の酸化膜ストライプ構造の利得導波型の横
多モードレーザにおいても基板等が発振波長に対して不
透明の場合と透明の場合との間に著しい違いを見いだし
た。すなわち、GaAs基板が不透明となる800nm 近傍で発
振する素子では図11のように単峰性の発振スペクトル
が得られるが、GaAs基板が透明となる1070nm近傍で発振
する素子では図12のように多峰性の発振スペクトルと
なることを見いだした。また、GaAs基板を用いてInGaAs
活性層半導体レーザを作製し、0.94〜1.07μm帯の領域
のレーザにおいてはスペクトルが単峰にならないことを
確認した。このような多峰性の発振スペクトルをファイ
バ増幅器や固体レーザの励起に使う場合、励起される媒
質の吸収帯域に対してスペクトル幅が広くなるため励起
効率の低下や異なる波長間のスイッチングによる分配雑
音の発生等の問題が生じる。また、熱源として印刷等の
画像形成に用いる場合にも強度変動による画質低下を引
き起こす。
導体レーザにおいてもバッファ層となるGaN やAlGaN
層、キャップ層となるGaN 層は発振波長に対して透明で
あり、また、基板となるサファイアやスピネルも発振波
長に対して透明である。そのため、半導体レーザのスペ
クトルは多重共振器効果により変調を受ける。市販のIn
GaN 青色LEDにおいても同様の効果により、樹脂を除
去して端面(LEDチップ端面)からの発光スペクトル
を観察すると干渉によるスペクトルの変調が確認でき、
材質が透明であると干渉効果が著しいことが確認でき
た。LEDは発振器ではないので不安定性につながらな
いが、半導体レーザの場合発振モードが不安定となるた
め雑音の増加につながる。
であって、基板等が発振波長に対して透明である半導体
レーザであって、多重共振器効果を抑制して安定な単一
スペクトルによる発振をすることができる半導体レーザ
を提供することを目的とするものである。
ーザは、基板上に第一クラッド層を含む第一半導体層、
活性層、第二クラッド層を含む第二半導体層がこの順に
積層されてなり、前記基板もしくは前第一半導体層に第
一電極が形成され、前記第二半導体層の上面に第二電極
が形成されてなる端面発光型の半導体レーザであって、
前記第二半導体層が、発振波長の光に対して透明であ
り、前記第二半導体層の上面の、発振部に対応する領域
に凹凸形状が形成されていることを特徴とするものであ
る。
第一クラッド層を含む第一半導体層、活性層、第二クラ
ッド層を含む第二半導体層がこの順に積層されてなり、
前記基板の下面に第一電極が形成され、前記第二半導体
層の上面に第二電極が形成されてなる端面発光型の半導
体レーザであって、前記第一半導体層および前記基板
が、発振波長の光に対して透明であり、前記基板の下面
の、発振部に対応する領域に凹凸形状が形成されている
ことを特徴とするものである。
第一クラッド層を含む第一半導体層、活性層、第二クラ
ッド層を含む第二半導体層がこの順に積層されてなり、
前記基板の下面に第一電極が形成され、前記第二半導体
層の上面に第二電極が形成されてなる端面発光型の半導
体レーザであって、前記第一半導体層と前記基板、およ
び前記第二半導体層が、それぞれ発振波長の光に対して
透明であり、前記第二半導体層の上面および前記基板の
下面のうち、少なくともいずれかの面の、発振部に対応
する領域に凹凸形状が形成されていることを特徴とする
ものである。
性層がInGaAsからなるものであってもよい。または、前
記活性層がInGaN からなるものであってもよい。
クラッド層は互いに異なる導電性を有するもので、例え
ば第一クラッド層がp型であれば、第二クラッド層はn
型であり、逆に第一クラッド層がn型であれば、第二ク
ラッド層はp型である。
それぞれクラッド層のみからなるものであってもよい
し、クラッド層以外の複数の半導体層からなるものであ
ってもよい。
ザにおけるレーザ発振を行う部をいい、例えばストライ
プ型の半導体レーザにおいては、活性層の電流注入され
る部分がこれに相当する。また、「発振部に対応する領
域」とは、後述の凹凸形状が形成されていない場合に発
振部からの光と電極面からの反射光を透過させ、光の多
重干渉の影響を発振部に及ぼす領域をいう。
人工的に設けられた凹凸をいい、電極面で反射された光
が発振部に戻って干渉を起こすのを妨げるように設けら
れたものであって、その具体的形状はいかなるものであ
ってもよい。例えば、縞状に形成された溝であってもよ
いし、面に形成された島や穴等であってもよい。また、
凹凸形状は各面の、発振部に対応する領域全体に形成さ
れているものであってもよいし、その一部に形成されて
いるものであってもよい。
る半導体層もしくは基板に凹凸形状を設けたために、光
の干渉を防ぎ、共振器端面のファブリペローモード以外
の多重共振器効果によるスペクトルの長周期の変調を抑
制することができる。この結果、横モード制御された半
導体レーザにおいては単一スペクトルによる発振が実現
しやすくなる。また、多重共振器効果によりもたらされ
た複数の離散した縦モード間でのスイッチングが低減さ
れるため雑音を低減化することができる。また、外部光
学系より波長選択性のあるグレーティング等により戻り
光を返して波長ロッキングを行う際にも単峰性の利得ス
ペクトルとなるため安定なロッキングを実現することが
可能となる。
な実施の形態を説明する。
μm帯半導体レーザを模式的に示す。図2および図3は
それぞれ図1に示す半導体レーザのII−II断面図および
III−III 断面図であり、図4は本半導体レーザの基板
1の下面1a の形状を表した図である。
造の半導体レーザにおいて、導波路に対して垂直な方向
に延びる凹状の溝12が形成された基板1が用いられてい
るものである。ここでは、その溝12は導波方向に対して
5μmの周期で形成されている。
説明する。
上にn-GaAsバッファ層2(Si=1×1018cm-3ドープ、0.
5 μm)、n-InGaAsP クラッド層3(組成対応波長670
nm、Si=1x1018cm-3ドープ、2.5 μm)、InGaAsP
光ガイド層4(アンドープ0.05μm)、InGaAs量子井戸
層5(アンドープ、7nm)、InGaAsP 光ガイド層6
(アンドープ0.05μm)、p-InGaP クラッド層7(Zn=
1×1018cm-3ドープ、0.1 μm)、p-GaAsエッチング停
止層8(Zn=1×1018cm-3ドープ、5nm)、p-InGaP
クラッド層9(Zn=1×1018cm-3ドープ、1.2 μm)を
この順に減圧MOCVD法により成長させる。
P クラッド層9上に製膜する。フォトリソグラフィによ
り、SiO2をストライプ状に残し、これをマスクとして選
択エッチングを用いてp-InGaP クラッド層9をp-GaAsエ
ッチング停止層8上部まで逆メサ型のストライプ形状
(上部幅約3μm、底部幅約2μm)にエッチングす
る。
時に用いたSiO2をマスクとしてn-InGaAlP 電流閉じ込め
層10(Si=8×1017cm-3ドープ、約1μm)を選択成長
させた後、マスクとして用いたストライプ状のSiO2をエ
ッチング除去し、更に、p-GaAsキャップ層11を全面に成
長させて平坦化する。その後、n-GaAs基板1の下面に研
磨およびエッチングを施して該基板1を約100 μmの厚
みまで薄くする。n-GaAs基板1の下面1a にフォトリソ
グラフィとエッチングにより導波方向Zに直交する約2
0μmの長さで、深さ約0.5 μmの溝12を導波方向Zに
5μmの周期で縞状に形成する。なお、この溝12は、基
板1の、半導体レーザにおける発振部を定めるクラッド
層9のストライプ形状部領域に対応した領域に形成され
る。最後にp側電極13とn側電極14をそれぞれ形成す
る。
ラッド層3および光ガイド層4が上述の第一半導体層20
に相当し、光ガイド層6、クラッド層7、エッチング停
止層8、クラッド層9、電流閉じ込め層10およびキャッ
プ層11が第二半導体層21に相当する。
振波長がGaAsに対して透明となる波長域である0.9 μm
〜1.1 μmとなる値を取ることができる。
体層および基板が発振波長(0.98μm帯)に対して透明
となるもの、すなわち、第一半導体層20および第二半導
体層21が共に発振波長に対して透明となるものである
が、基板1に形成された溝12により光散乱を生じるため
干渉効果が抑制でき、安定な単一モード発振が得られる
ものである。
として基板に周期的な溝が形成されたものについて説明
したが、縞状の溝以外の種々の形状を取ることができ
る。図5に種々の凹凸形状の断面形状を示す。同図
(a)に示す上述の溝の他、同図(b)〜(d)に示す
ような様々の形状をとることができる。作製方法として
は通常のマスクを用いたフォトリソグラフィだけでな
く、干渉露光を用いてもよい。上記実施の形態のよう
に、縞状の場合は光の進行方向(導波方向)Zとなるリ
ッジ長さ方向に垂直に作製するのが最も効果的である
が、方向にはよらず効果が得られる。また図6は、図2
のA方向から基板下面を見た場合の凹凸形状の他の例を
示す。図示するように、溝のように一方向に延びる凹凸
ではなく、島や穴等のように部分的な盛り上がりや凹み
を形成してもよい。
領域を含む任意の位置に形成すればよいが、接合側をヒ
ートシンクにろう付けする際には、ワイヤボンドを行う
必要があるので、あまり広くとらないほうが実用的であ
る。なお、上述のように、基板下面に凹凸形状を設けた
ことにより、発振波長の光がn側電極で反射することに
より生じていた多重干渉が低減され安定した単峰性のス
ペクトルを発振することができるようになる。
形態としての溝12を、基板下面に形成したが、半導体層
のエピタキシャル層の上面であるキャップ層の上面に形
成してもよい。キャップ層側に凹凸形状を形成した場合
には、p側電極で反射することにより生じていた多重干
渉が低減されることとなる。
上記実施の形態以外の種々の構造をとることができ、例
えば、図7のようにクラッド層9が酸化防止層15を介し
て電流閉じ込め層10上にも広がった構造の半導体レーザ
や、図8のようにリッジ状のクラッド層9上のリッジ部
上面を除く部分に絶縁層16が形成されているリッジスト
ライプ構造の半導体レーザであってもよい。また、材質
や層構成も上記実施の形態に限らず、AlGaAsやInGaAlP
を適宜クラッド層や光ガイド層に用いることができる。
また、凹凸形状である溝12を図7に示すようにエビタキ
シャル層の上面であるキャップ層11の上面11a の、発振
部であるストライプ部に対応する領域に設けてもよい。
さらに、図8の半導体レーザのように基板1の下面1a
およびキャップ層11の上面11a の両方に溝12を設けても
よい。
活性層とする0.41μm帯の半導体レーザの断面模式図を
図9に示す。
明する。
用いて、n-GaN 低温バッファ層62、n-GaN バッファ層63
(Siドープ、5μm)、n-In0.05Ga0.95N バッファ層64
(Siドープ、0.1 μm)、n-Al0.07Ga0.93N クラッド層
65(Siドープ、0.1 μm)n-GaN 光ガイド層66(Siドー
プ、0.1 μm)、アンドープ活性層67、p-GaN 光ガイド
層68(Mgドープ、0.1 μm)、p-Al0.07Ga0.93N クラッ
ド層69(Mgドープ、0.5 μm)、p-GaN キャップ層70
(Mgドープ、0.3 μm)を成長させる。活性層67は、3
層のアンドープInGaN 量子井戸層(5nm)と2層のア
ンドープInGaN 障壁層(10nm)からなる多重量子井
戸構造で、In蒸発防止層として、アンドープAlGaN 障壁
層(0.02μm)で終端した構造である。
型不純物を活性化する。次に干渉露光法と塩素イオンを
用いたRIBE(reactive ion beam etching )によりp-GaN
キャップ層70上に周期0.4 μm深さ約0.1 μmの周期的
な凹凸となる溝12を形成する。更に、リッジストライプ
を形成するために、フォトリソグラフィと塩素イオンを
用いたRIBEにより幅3.5 μm程度のリッジ部を残してキ
ャップ層70からクラッド層69のp-GaN 光ガイド層68から
0.1 μmの距離までのエピタキシャル層をエッチング除
去する。また、同様にしてレーザの共振器端面をエッチ
ングにより形成する。
製膜した後、フォトリソグラフィと塩素イオンを用いた
RIBEによりp側電極を形成するためにリッジ部以外のエ
ピタキシャル層をn-GaN バッファ層63が露出するまでエ
ッチングする。その後、フォトリソグラフィとエッチン
グによりリッジ部上にストライプ状の電流注入窓72を形
成する。一方、サファイア基板61の下面を研磨して該基
板61の厚みを約100 μmの厚みまで薄くする。
ようにしてp側電極73を形成し、バッファ層63の露出部
にn側電極71をそれぞれ形成する。この際、p側電極73
としてはTi/Al/Ti/Au 、n側電極71としてはNi/Au をそ
れぞれ真空蒸着し、窒素中アニールしてオーミック電極
とする。
64、クラッド層65および光ガイド層66が上述の第一半導
体層20に相当し、光ガイド層68、クラッド層69およびキ
ャップ層70が上述の第二半導体層21に相当する。
半導体層20、第二半導体層21が発振波長に対して透明で
あり、キャップ層70の上面に設けられた溝12により、p
側の電極面からの発振波長の光の反射による干渉効果を
抑制して長周期の変調のない安定な縦モードを実現す
る。
のc面のサファイア基板を用いているが、サファイアの
他の面(a面等)やスピネル等の異なる材料、あるいは
SiCのような導電性の基板等、様々は基板を用いること
が可能である。素子構造としては、上記以外の利得導波
型を含む様々な構造をとることができる。なお、共振器
端面の形成は上記のエッチングに限らず、劈開等他の方
法でもよい。
とする半導体レーザの斜視図
た凹凸形状を示す図
とする半導体レーザの断面図
ザの(a)発振閾値以下の発光スペクトル、および
(b)レーザ発振時の発振スペクトルを示すグラフ
0 nmの利得導波型半導体レーザの発振スペクトルを示
すグラフ
70nmの利得導波型半導体レーザの発振スペクトルを示
すグラフ
Claims (5)
- 【請求項1】 基板上に第一クラッド層を含む第一半導
体層、活性層、第二クラッド層を含む第二半導体層がこ
の順に積層されてなり、前記基板もしくは前記第一半導
体層に第一電極が形成され、前記第二半導体層の上面に
第二電極が形成されてなる端面発光型の半導体レーザで
あって、 前記第二半導体層が、発振波長の光に対して透明であ
り、 前記第二半導体層の上面の、発振部に対応する領域に凹
凸形状が形成されていることを特徴とする半導体レー
ザ。 - 【請求項2】 基板上に第一クラッド層を含む第一半導
体層、活性層、第二クラッド層を含む第二半導体層がこ
の順に積層されてなり、前記基板の下面に第一電極が形
成され、前記第二半導体層の上面に第二電極が形成され
てなる端面発光型の半導体レーザであって、 前記第一半導体層および前記基板が、発振波長の光に対
して透明であり、 前記基板の下面の、発振部に対応する領域に凹凸形状が
形成されていることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項3】 基板上に第一クラッド層を含む第一半導
体層、活性層、第二クラッド層を含む第二半導体層がこ
の順に積層されてなり、前記基板の下面に第一電極が形
成され、前記第二半導体層の上面に第二電極が形成され
てなる端面発光型の半導体レーザであって、 前記第一半導体層と前記基板、および前記第二半導体層
が、それぞれ発振波長の光に対して透明であり、 前記第二半導体層の上面および前記基板の下面のうち、
少なくともいずれかの面の、発振部に対応する領域に凹
凸形状が形成されていることを特徴とする半導体レー
ザ。 - 【請求項4】 前記基板がGaAs基板であり、前記活性層
がInGaAsからなるものであることを特徴とする請求項1
から3いずれか記載の半導体レーザ。 - 【請求項5】 前記活性層がInGaN からなるものである
ことを特徴とする請求項1から3いずれか記載の半導体
レーザ。
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