KR100651705B1 - 반도체 레이저 장치 및 이것을 이용한 광 픽업 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 상에 형성된, 제1 도전형 클래드층과, 활성층과, 제2 도전형 클래드층을 구비하고, 캐리어를 주입하기 위한 스트라이프 구조를 갖는다. 스트라이프의 폭이 공진기 방향에 따라 감소한 다음 일정하게 유지되어, 전단면(前端面)으로부터 스트라이프의 폭이 최소값이 되는 위치까지의 거리를 L1, 반도체 레이저의 공진기 길이를 L, 전단면의 반사율을 Rf, 후단면의 반사율을 Rr, L×Loge (Rf)/Loge(Rf×Rr)로 표시되는 거리를 Lt라고 할 때, L1과 Lt의 차는 200㎛이내이고, Rf<Rr이다. 고출력 동작 상태에서의 발광 효율의 포화가 억제되어, 안정적인 기본 횡(橫) 모드 발진을 행하는 것이 가능하다.

Description

반도체 레이저 장치 및 이것을 이용한 광 픽업 장치{SEMICONDUCTOR LASER APPARATUS AND LIGHT PICKUP APPRATUS USING THE SAME}
도 1은 본 발명의 실시 형태1에서의 반도체 레이저 장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에서의 반도체 레이저 장치의 공진기 방향의 광 분포 강도를 도시하는 도면이다.
도 3a는 일 실시예의 반도체 레이저 장치의 공진기 방향을 따른 리지(ridge) 바닥부의 폭의 분포를 도시하는 도면이다.
도 3b는 다른 실시예의 반도체 레이저 장치의 공진기 방향을 따른 리지 바닥부의 폭의 분포를 도시하는 도면이다.
도 4는 리지 바닥부의 최소 폭과 전류-광 출력 특성에서의 미분 효율과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태의 반도체 레이저 장치에서의 리지 바닥부의 최소 폭과 최대 광 출력과의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명 및 종래의 반도체 레이저 장치에서의 전류-광 출력 특성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7a∼7f는 본 발명의 실시 형태1에서의 반도체 레이저 장치를 제조하는 방 법을 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태2에서의 광 픽업 장치를 도시하는 단면도이다.
도 9는 동 실시 형태에서의 다른 구성의 광 픽업 장치를 도시하는 단면도이다.
도 10은 종래예의 반도체 레이저 장치를 도시하는 단면도이다.
본 발명은 고출력 동작 상태에서의 발광 효율의 포화가 억제된 반도체 레이저 장치 및 이것을 이용한 광 픽업 장치에 관한 것이다.
반도체 레이저 장치(이하, 반도체 레이저라고도 한다)는 여러 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 예컨대, AlGaInP계 반도체 레이저는 파장 650nm대(帶)의 적색 레이저 광을 획득할 수 있으므로, DVD로 대표되는 광 디스크 시스템의 분야에서 광원으로서 널리 사용되고 있다. 반도체 레이저의 구조의 일례로서는, 활성층과, 그 활성층을 협지(狹持)하는 2개의 클래드층을 포함하는 더블 헤테로 구조를 갖고, 한쪽의 클래드층이 메사(mesa) 형상의 리지를 형성하는 구조(예컨대, 일본국 특개 제2001-196694호 공보 참조)가 알려져 있다.
도 10에 이러한 구조를 갖는 AlGaInP계 반도체 레이저의 일례를 도시한다. 또한, 이하에 나타내는 각 층의 조성비는 생략한다. 도 10에 도시하는 반도체 레이저로서는, (100)면에서 [011]방향으로 15°로 기울어진 면을 주요 면으로 하는 n 형 GaAs 기판(101) 상에, n형 GaAs 버퍼층(102), n형 GaInP 버퍼층(103), n형 (AlGa) InP 클래드층(104)이 순서대로 적층되고, 또한 그 위에 왜양자 우물 활성층(105), p형 (AlGa) InP 제1 클래드층(106), p형 (또는 논도프) GaInP 에칭 스톱층(107), p형 (AlGa) InP 제2 클래드층(108), p형 GaInP 중간층(109) 및 p형 GaAs 캡층(110)이 적층되어 있다. 여기서, P형 (AlGa) InP 제2 클래드층(108), p형 GaInP 중간층(109), p형 GaAs 캡층(110)은 p형 GaInP 에칭 스톱층(107) 상에 순메사 형상을 갖는 리지로서 형성되어 있다. 또, p형 GaInP 에칭 스톱층(107) 상 및 상기 리지의 측면 상에, n형 GaAs 전류 블록층(111)이 형성되고, 이 n형 GaAs 전류 블록층(111)과 리지 상부에 위치하는 p형 GaAs 캡층(110) 상에, p형 GaAs 콘택트층(112)이 적층되어 있다. 또한, 왜양자 우물 활성층(105)은 (AlGa) InP층 및 GaInP층으로 구성되어 있다.
도 10에 도시하는 반도체 레이저에서는, p형 GaAs 콘택트층(112)으로부터 주입된 전류는 n형 GaAs 전류 블록층(111)에 의해 리지부에만 협착(狹窄)되어, 리지 바닥부 근방의 왜양자 우물 활성층(105)에 집중적으로 주입된다. 이렇게 하여, 수 십 mA라는 적은 주입 전류에 관계없이, 레이저 발진에 필요한 캐리어의 반전 분포 상태가 실현된다. 이 때, 캐리어의 재결합에 의해 광이 발생하지만, 왜양자 우물 활성층(105)과 수직인 방향에 대해서는, n형 (AlGa) InP 클래드층(104), p형 (AlGa) InP 제1 클래드층(106)의 양 클래드층에 의해 광의 패쇄가 행해지고, 왜양자 우물 활성층(105)과 평행한 방향에 대해서는, GaAs 전류 블록층(111)이 발생한 광을 흡수하기 위해서 광의 패쇄가 행해진다. 그 결과, 주입된 전류에 의해 생긴 이득이 왜양자 우물 활성층(105) 내의 도파로(導波路)에서의 손실을 상회하면 레이저 발진이 발생한다.
이와 같은 반도체 레이저에서, 고속으로 광 디스크를 개서하기 위해서는 될 수 있는 한 높은 광 출력이 요망된다. 예컨대, 4배속 이상의 고속으로 DVD의 광 디스크를 개서하기 위해서는 광 출력으로서 1OOmW이상의 고출력이 필요시 된다. 이와 같은 고출력을 획득하기 위해서는, 고출력 시에 반도체 레이저의 단면(端面)이 자체적인 광 출력에 의해 용융 파괴되는 COD(Catastrophic 0ptical Damage)를 방지할 필요가 있다. COD를 방지하기 위해서는, 레이저의 공진기 단면 내부의 광 밀도를 저감하고, 발열을 억제하는 것이 유효하다. 이를 위해서는, 레이저 광을 취출하는 반도체 레이저의 전단면(前短面)을 SiO2, Al2O3, 아몰퍼스 Si라고 하는 유전체로 코팅하여, 전(前)면의 반사율을 저하시키는 것이 유효하다.
일반적으로 AlGaInP계 재료나 AlGaAs계 재료로 이루어지는 반도체 레이저의 공진기 단면의 반사율은 단면 코팅되어 있지 않은 경우 약 30%가 된다. 이 경우, 공진기 단면에서 약 30%의 레이저 광이 반사하여 공진기 내부로 피드백되고, 약 70%의 광이 전단면으로부터 취출되게 된다. 이것에 대하여, 예컨대, 전면의 반사율이 10%가 되도록 유전체막을 코팅하면, 공진기 단면에서 10%의 레이저 광이 반사하여 공진기 내부로 피드백되고, 90%의 광이 전단면으로부터 취출되게 된다. 즉, 전단면으로부터 취출되는 광 출력이 동일할 경우, 전면의 반사율을 1/3로 하면, 공진기 단면의 광 밀도도 1/3로 할 수 있다. 따라서, 전면의 반사율을 저감하는 것은 COD레벨의 증대로 이어지고, 고출력 레이저를 얻기 위한 유효한 수단이다. 또 한, 레이저 광을 취출하는 공진기 면과는 반대측인 후단면 반사율을 높게 설정하면, 반도체 레이저의 전면으로부터의 광의 취출 효율을 더욱 높일 수 있게 된다. 그러므로, 일반적으로 고출력 반도체 레이저에서는 전면의 반사율을 저감하고, 후면의 반사율은 반대로 고반사율로 하는 단면 코트 조건이 널리 이용되고 있다.
상술한 바와 같이, 고출력 레이저를 얻기 위해서는, 전면의 반사율을 저감하고, 후면의 반사율을 높이도록 하는 것이 COD 레벨의 향상과, 광의 취출 효율의 향상에 유효하다. 그러나, 전면의 반사율을 지나치게 낮추면, 공진기 내부에서 피드백되는 레이저 광이 저감되므로 발진 임계 전류값의 증대를 초래하는 것이 된다. 또, 반도체 레이저를 광 디스크로 응용할 경우, 전면의 반사율을 낮게 하면 광 디스크로부터의 반사 되돌림 광에 의해 잡음(되돌림 광 유기 잡음)이 발생하기 쉬워진다. 그러므로, 통상 고출력 레이저에서는, 높은 광의 취출 효율을 얻는 동시에, 되돌림 광 유기 잡음을 저감하기 위해서, 전단면의 반사율이 5∼10%정도가 되도록 단면 코트되어 있다. 또, 후면의 반사율은 가능한 한 고반사율이 되도록 코팅되어, 일반적으로는 95% 내지 100%정도의 고반사율 코트가 되도록 설정되어 있다.
이와 같이, 고출력 레이저에서는 전단면과 후단면의 반사율의 크기가 크게 상이하게 된다. 이 경우, 활성층을 전파하는 공진기 방향의 광 분포 강도는 공진기에 대하여 전후 대칭이 아닌, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전단면 측의 광 분포 강도가 높은 전후 비대칭인 광 분포 강도로 되어 있다. 도 2에는 일례로서, 공진기 길이 1100㎛, 전단면, 후단면 반사율이 7%, 95%인 소자의 공진기 방향의 광 분포가 도시되어 있다.
이 경우, 광 분포 강도가 높은 전단면 측에서는 후단면 측에 비해 보다 강한 유도 방출이 발생하므로, 후단면 측에 비해 보다 많은 전자-정공 쌍을 활성층에 주입해야 할 필요가 있다. 특히, 고출력 동작 상태에서 전단면 측에서는 활성층 중의 전자-정공 쌍이 부족하게 되어, 발광 효율의 포화의 한가지 원인이 된다. 이러한 발광 효율의 포화는 200∼300mW 이상의 고출력 레이저를 획득할 경우, 온도 특성의 열화를 초래하여 중대한 지장을 주게 된다.
본 발명은 고출력 동작 상태에서 발광 효율의 포화가 억제되어, 안정적인 기본 횡 모드 발진을 행하는 것이 가능한 반도체 레이저 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 반도체 레이저 장치는 기판 상에 형성된, 제1 도전형 클래드층과, 활성층과, 제2 도전형 클래드층을 구비하고, 캐리어를 주입하기 위한 스트라이프 구조를 갖는다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 제1 구성의 반도체 레이저 장치는, 상기 스트라이프의 폭이 공진기 방향에 따라 감소한 다음 일정하게 유지되어, 전단면으로부터 상기 스트라이프의 폭이 최소값이 되는 위치까지의 거리를 L1, 상기 반도체 레이저의 공진기 길이를 L, 전단면의 반사율을 Rf, 후단면의 반사율을 Rr, L×Loge(Rf)/Loge(Rf×Rr)로 표시되는 거리를 Lt라고 할 때, L1과 Lt의 차는 200㎛이내이고, Rf<Rr인 것을 특징으로 한다.
제2 구성의 반도체 레이저 장치는, 상기 스트라이프의 폭이 전단면으로부터 후단면을 향해 연속적으로 감소하는 영역을 갖고, 상기 전단면으로부터 상기 스트라이프의 폭이 연속적으로 감소한 다음 일정하게 되는 영역에서의 상기 스트라이프의 폭이 최소값이 되는 위치까지의 거리를 L1, 상기 반도체 레이저의 공진기 길이를 L, 전단면의 반사율을 Rf, 후단면의 반사율을 Rr, L×Loge(Rf)/Loge(Rf×Rr)로 표시되는 거리를 Lt라고 할 때, L1과 Lt의 차는 200㎛ 이내이며, Rf<Rr인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광 픽업 장치는 상기 구성의 반도체 레이저 장치와, 상기 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광이 반사되어 온 반사광을 수광하는 수광부를 구비한다.
본 발명의 반도체 레이저 장치는 상기 구성을 가짐으로써 열포화 레벨이 높고, 고출력까지 기본 횡 모드 발진이 가능하다.
또, 상기 구성의 반도체 레이저 장치를 이용함으로써, FFP의 광 축이 안정화되어, 고출력까지 기본 횡 모드 발진에 의한 동작이 가능한 광 픽업 장치를 구성할 수 있게 된다.
본 발명의 반도체 레이저 장치의, 상기 전단면 및 상기 후단면의 적어도 일측으로부터 공진기 내부를 향해, 상기 스트라이프의 폭이 일정한 영역을 갖는 것이 바람직하다.
또, 상기 L1이 Lt와 거의 동등한 것이 바람직하다.
또, 상기 전단면 및 후단면의 적어도 일측으로부터 상기 활성층의 일정 영역까지가 불순물의 확산에 의해 무질서화되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 광 픽업 장치에 있어서, 상기 반사광을 분기(分岐)하는 광 분기부를 더 구비하고, 상기 수광부는 상기 광 분기부에 의해서 분기된 상기 반사광을 수광하는 구성으로 할 수 있다.
또, 상기 반도체 레이저 장치와 상기 수광부가, 동일한 지지 기판 상에 배치된 구성으로 할 수 있다.
또, 상기 반도체 레이저 장치가 배치된 지지 기판 상에, 상기 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광을 상기 지지 기판의 표면의 법선 방향으로 반사하는 광학 소자를 구비한 구성으로 할 수 있다. 상기 광학 소자를 반사 미러로 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에서, 동일한 부분에 관해서는 동일한 부호를 붙여 중복하는 설명을 생략하는 경우가 있다.
(실시 형태1)
본 발명의 실시 형태1에서의 반도체 레이저 장치(이하, 반도체 레이저라고도 한다)의 구조에 관해서 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에서의 반도체 레이저 장치의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 1에 도시하는 반도체 레이저 장치는, (100)면에서 [011]방향으로 10°기울어진 면을 주요 면으로 하는 n형 GaAs 기판(10) 상에 형성되어 있다. n형 GaAs 기판(10) 상에는, n형 GaAs 버퍼층(11), n형 (AlGa) InP 제1 클래드층(12), 활성층(13), P형 (AlGa) InP 제2 클래드층(14), p형 GaInP 보호층(15)이 순서대로 적층되어 있다. 이에 따라, 활성층(13)이 2개의 클래드층(12, 14)에 의해 협지된 더블 헤테로 구조로 형성되어 있다.
또, P형 (AlGa) InP 제2 클래드층(14)에 의해서, 활성층(13) 상에, 순 메사 형상을 갖는 리지가 형성되어 있다. 또한, 상기 리지의 측면을 덮도록, n형 AlInP 전류 블록층(16)이 형성되고, 이 n형 AlInP 전류 블록층(16)과 리지 상부에 위치하는 p형 GaInP 보호층(15) 상에 p형 GaAs 콘택트층(17)이 적층되어 있다. 활성층(13)은 (AlGa) InP 제1 가이드층(g1), GaInP 제1 웰층(w1), (AlGa) InP 제1 배리어층(b1), GaInP 제2 웰층(w2), (AlGa) InP 제2 배리어층(b2), GaInP 제3 웰층(w3) 및 (AlGa) InP 제2 가이드층(g2)에 의해서 구성되는 왜양자 우물 활성층이다. 또한, 상기 각 층에서의 조성비의 일례에 관해서는 후술한다.
도 1에 도시하는 반도체 레이저 장치에서는, p형 GaAs 콘택트층(17)으로부터 주입된 전류가 n형 AlInP 전류 블록층(16)에 의해 리지부에만 협착되고, 이에 따라, 리지의 바닥부 근방의 활성층(13)에 집중적으로 주입된다. 그러므로, 레이저 발진에 필요한 캐리어의 반전 분포 상태가, 수 십 mA정도의 주입 전류에 의해 실현된다. 이 때, 캐리어의 재결합에 의해 발광한 광은, 활성층(13)의 주요 면과 수직인 방향에 대하여는, n형 (AlGa) InP 제1 클래드층(12) 및 p형 (AlGa) InP 제2 클래드층(14)의 양 클래드층에 의해서 패쇄되게 된다. 또, 활성층(13)의 주요 면과 평행한 방향에 대해서는, p형 (AlGa) InP 제2 클래드층(14)보다도 굴절율이 작은 n형 AlInP 전류 블록층(16)에 의해서 패쇄되게 된다. 그러므로, 리지를 도파로로 하는(리지 도파형), 기본 횡 모드 발진이 가능한 반도체 레이저 소자로 할 수 있다.
또, 도 1에 도시하는 반도체 레이저 장치는, 동작 전류 밀도를 저감하여 온도 특성을 향상시키기 위해서, 공진기 길이가 예컨대 11OO㎛이다. 레이저 광을 취출하는 전단면 측의 공진기 단면에는 7%의 저반사율 코트가 실시되고, 후단면 측에는 95%의 고반사율 코트가 실시된다. 공진기 방향의 광 분포 강도는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 공진기 내부에서 전후 비대칭이 되어, 전단면 측이 후단면 측에 비해 약 2배 높아진다. 이 경우, 광 밀도가 높은 전단면부에서는, 광 밀도가 낮은 후단면부에 비해 보다 많은 유도 방출광이 필요하게 된다. 보다 많은 유도 방출광을 발생시키기 위해서는, 보다 다수의 전자-정공 쌍이 활성층에 필요하게 된다. 따라서, 전단면부의 활성층에서는, 후단면부의 활성층 중에 비해 보다 다수의 전자-정공 쌍이 필요하게 된다.
리지 폭이 공진기 방향에 대하여 일정한 경우, 공진기 방향에 대하여 전류는 균일하게 주입되게 된다. 그 결과, 고출력 상태에서는, 저반사율 코트된 전단면부에서는 보다 많은 전자-정공 쌍이 필요하게 되고, 광 출력이 있는 값 이상이 되면 전단면부의 활성층에서는 전자-정공 쌍의 공급이 미치지 못하게 되어, 이득이 포화되게 된다.
이것에 대하여, 리지 폭을 공진기 방향에 대하여 변화시켜, 보다 많은 전자-정공 쌍을 필요로 하는 부분의 리지 폭을 넓히고, 보다 많은 전류가 주입되기 쉽도록 하는 구조에 관해서 검토한다. 일반적으로, 전단면, 후단면의 반사율을 각각 Rf, Rr, 공진기 길이를 L로 하면, 공진기 방향에 대하여 가장 광 밀도가 작아지는 점은, 전단면으로부터 Lt=L×Loge(Rf)/Loge(Rf×Rr)의 거리가 된다. 일례로서는, 공진기 길이 1100㎛의 소자에 대하여 전단면에 7%의 저반사율 코트, 후단면에 95%의 고반사율 코트를 실시하면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 전단면으로부터 공진기 방향으로 1079㎛의 위치의 광 밀도가 가장 작아진다. 이 광 분포 강도에 따라서, 공진기 방향의 리지의 폭도 변화시켜, 광 밀도가 작아지면, 리지의 폭도 좁아지도록 설정한다.
리지 폭의 공진기 방향의 변화는, 도 3a에 도시하는 바와 같이, 공진기 방향의 리지 폭의 변화율이 미분 연속으로 되도록 변화시켜도 되고, 또 도 3b에 도시하는 바와 같이, 직선적으로 변화시켜도 된다. 도 3a, 도 3b에서는 광 밀도가 가장 작아지는 개소보다도 후단면 측의 리지 폭은 일정하게 되어 있다. 광 밀도가 가장 작아지는 위치, 즉 전단면으로부터 거리 Lt의 위치(P1)가, 후단면으로부터 200㎛이내의 거리에 있으면, P1과 후단면 간의 리지 폭은 일정하여도 된다.
전단면으로부터 리지 폭이 최소값이 되는 위치까지의 거리 L1은, 실질적으로 Lt와 동등한 것이 요망되지만, L1과 Lt의 차가 200㎛이내이면, 실용적으로 허용 가능한 특성을 획득할 수 있게 된다.
레이저 공진기를 벽개(劈開)에 의해 제작할 경우, 리지의 폭이, 레이저 단면으로부터 공진기 내부를 향해 일정한 영역을 설치하면, 벽개 위치의 편차에 의한 레이저 단면부에서의 리지 폭의 편차를 억제할 수 있게 된다. 리지의 폭은 레이저 광의 방사각의 크기에 영향을 미치므로, 레이저 단면으로부터 공진기 내부를 향해 일정한 영역을 설치함으로써, 레이저 광의 방사각을 안정화시킬 수 있다. 벽개 위치의 정밀도는 일반적으로는 수 미크론이므로, 레이저 단면부에 리지 폭이 일정한 영역을 5㎛이상 설치하면, 벽개 위치의 편차에 의한 레이저 방사 각의 변동을 억제하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 전단면부의 리지 바닥부의 폭이 3㎛, 전단면, 후단면의 반사율이 각각 7%, 95%인 경우, 공진기 방향의 광 분포 강도가 가장 작아지는 부분의 리지의 폭(Ws)을 변경한 경우의, 전류-광 출력에서의 미분 효율의 변화를 도 4에 도시한다. 후단면부의 리지 바닥부의 폭은 Ws와 동일하다. 도 4에 도시하는 바와 같이 Ws를 작게 할 수록, 미분 효율이 향상하는 것을 알 수 있다.
본 실시 형태에 근거하는 실시예에서는, 전단면부의 리지 바닥부의 폭을 3㎛으로 하고, 전단면으로부터 공진기 방향으로 1079㎛의 위치의 리지 바닥부 폭을 2.3㎛, 후단면부의 리지 바닥부의 폭을 2.3㎛로 하였다. 또, 리지 폭은, 도 3b에 도시하는 바와 같이, 직선적으로 변화시켰다.
도 1에 도시하는 반도체 레이저 장치에서, 각 층의 두께, 조성, 조성비, 도전형 등은 통상 실시되는 범위에서 어떻게 설정되어도 된다. 반도체 레이저 장치로서 필요한 특성에 근거하여, 임의로 설정하면 된다. 예컨대, 각 층을 이하에 나타내는 두께, 조성 및 조성비로 할 수 있게 된다. 또한, 괄호 내에 나타내는 수값은 각 층의 두께이고, 알기 쉽게 하기 위해서 도 1과 동일한 참조 번호를 붙여 나타낸다.
각 층의 조성비 및 두께의 일례는, n형 GaAs 버퍼층(11)(0.5㎛), n형 (Alo.7Ga0.3) 0.51In0.49 P 제1 클래드층(12)(1.2㎛), P형 (Al 0.7Ga0.3) 0.51In0.49P 제2 클래 드층(14), p형 Ga0.51In0.49P 보호층(15)(50nm), p형 GaAs 콘택트층(17)(3㎛)이다. 활성층(13)의 일례로서는, (Al0.5Ga0.5) 0.51In0.49P(50nm) 제1 가이드층(g1), Ga0.48In0.52P(5nm) 제1 웰층(w1), (Al0.5Ga0.5) 0.51 In0.49P(5nm) 제1 배리어층(b1), Ga0.48In0.52P(5nm) 제2 웰층(w2), (Al0.5Ga0.5) 0.51 In0.49P(5nm) 제2 배리어층(b2), Ga0.48In0.52P(5nm) 제3 웰층(w3) 및 (Al0.5Ga0.5) 0.51 In0.49P(50nm) 제2 가이드층(g2)으로 이루어지는 왜양자 우물 활성층을 형성한다.
P형 (Al0.7Ga0.3) 0.51In0.49P 제2 클래드층(14)은 일례로서, 리지의 상부에 있는 p형 GaInP 보호층(15)과 활성층(13)간의 거리가 1.2㎛, 도 1에 도시하는 리지의 바닥부와 활성층과의 거리(dp)가 0.2㎛가 되도록 설정한다. n형 AlInP 전류 블록층(16)의 두께의 일례는 0.7㎛이다. 또한, 이 예에 있어서, 리지 상면의 폭은 리지의 바닥부의 폭에 비해 약 1㎛정도 작아진다.
활성층(13)은 상기의 예에 도시하는 왜양자 우물 활성층에 한정되지 않는다. 예컨대, 무왜(無歪)의 양자 우물 활성층이나 벌크의 활성층을 이용하여도 된다. 또, 활성층(13)의 도전형은 특별히 한정되지 않는다. p형이어도, n형이어도 된다. 언도프의 활성층이어도 된다.
또, 상술한 예와 같이, 발진한 레이저 광에 대하여 투명한 전류 블록층을 이용하면, 도파로 손실을 저감할 수 있고, 동작 전류값을 저감하는 것도 가능하게 된다. 또, 이 경우, 도파로를 전파하는 광의 분포가 전류 블록층에 크게 스며나오게 할 수 있으므로, 스트라이프 영역의 내외에서의 실효 굴절율의 차(
Figure 112005003561352-pat00001
n)를 1O-3 오더로도 할 수 있다. 또, Δn을 도 1에 도시하는 리지의 바닥부와 활성층과의 거리(dp)를 조절함으로써, 세밀하게 제어하는 것이 가능하고, 동작 전류값을 저감시킨, 고출력까지 안정된 발진이 가능한 반도체 레이저 장치로 할 수 있다. 또, Δn의 범위로서는, 예컨대, 3×1O-3∼7×10-3의 범위를 채용할 수 있다. 상기 범위에서, 고출력까지 안정된 기본 횡 모드 발진을 행할 수 있게 된다.
본 실시 형태의 반도체 레이저 장치에서는, 리지 바닥부의 가장 좁은 부분의 폭과, 리지 바닥부의 폭의 최대값과의 차가, 0.5㎛이하이어도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 광 강도의 분포가 변화하는 것에 따르는 도파로 손실의 증대가 억제되어, 보다 도파로 손실이 저감된 반도체 레이저 장치로 할 수 있다.
또 본 실시 형태의 반도체 레이저 장치에서는, 단면의 근방에서의 활성층이 불순물의 확산에 의해 무질서화되어 있어도 된다. 이러한 구성으로 함으로써, 단면의 근방에서의 활성층의 밴드갭을 증대하여, 레이저 광에 대하여 보다 투명한 단면 창 구조를 얻을 수 있다. 따라서, 보다 높은 광 출력이어도 단면 파괴(소위, C. O. D.)를 발생시키지 않는 반도체 레이저 장치로 할 수 있게 된다.
확산시키는 불순물로서는, 예컨대, Si, Zn, Mg, 0 등을 이용하면 된다. 불순물의 확산량(도프량)으로서는, 예컨대, 1×1O17cm-3∼1×1O20cm-3 의 범위로 한다. 확산은 반도체 레이저 소자의 단면에서, 예컨대, 10㎛∼50㎛의 범위이면 된다.
다음에, 도 1에 도시하는 예와 동일한 단면 구조 및 조성비를 갖는 반도체 레이저 장치에 관해서, 펄스 구동 시의 최대 광 출력과 리지 바닥부의 최소 폭과의 관계를 조사하였다. 그 결과를 도 5에 도시한다. 또한, 레이저 광을 발진하는 조건은 반도체 레이저 장치의 온도를 75℃, 펄스 폭을 100ns, 듀티 비율을 50%로 하였다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 리지의 바닥부의 최소 폭(Ws)이 2.4㎛를 초과할 경우, 최대 광 출력은 킹크가 발생하는 광 출력에 의해서 결정되고, 또, Ws가 클 수록 보다 낮은 광 출력에서 킹크가 발생하는 것을 알 수 있다. 한편, Ws가 2.4㎛이하가 되면, 킹크는 발생하지 않지만 열 포화에 의해 광 출력이 제한된다. Ws가 2.2㎛가 될 때까지, 열 포화하는 광 출력이 증대하는 것을 알 수 있다. Ws가 2.2㎛보다 작아지면, 미분 저항(Rs)이 증대하므로, 열 포화하는 광 출력이 작아지는 경향이 있는 것을 알 수 있다. 이들 결과로부터, Ws가 2.6㎛이하, 1.6㎛이상의 범위에서 킹크의 발생이 실용적으로 허용 가능한 정도까지 억제되어, 열 포화 레벨이 높은 반도체 레이저 장치가 얻어지는 것을 알 수 있다.
본 실시 형태의 반도체 레이저 장치에서는, 리지 바닥부의 최소 폭(Ws)이 1.6㎛이상 2.5㎛이하의 범위로 할 수 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 리지의 바닥부의 폭이 가장 좁은 영역에서 캐리어의 공간적 홀 버닝의 발생을 더욱 억제할 수 있다. 그러므로, 보다 고출력까지 킹크의 발생이 억제된 반도체 레이저 장치로 할 수 있다.
또, 본 실시 형태의 반도체 레이저 장치에서는, 리지 바닥부의 폭의 가장 넓은 부분의 폭이 2.4㎛이상 3㎛이하로 할 수 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 리 지 바닥부의 폭이 가장 넓은 영역에서 미분 저항(Rs)의 증대를 억제하면서, 고차 횡 모드를 보다 효과적으로 컷 오프할 수 있으므로, 보다 고출력까지 기본 횡 모드 발진이 가능한 반도체 레이저 장치로 할 수 있다.
도 6에 본 실시 형태에 근거하는 일 실시예에서의 반도체 레이저 장치에 관해서, 실온, CW에서의 전류-광 출력 특성을 선 a로 나타낸다. 공진기 길이 11OO㎛, 리지 폭이 공진기 방향에 대하여 2.8㎛로 일정한 종래의 반도체 레이저 장치의 경우를 선 b로 나타낸다. 종래의 반도체 레이저 장치의 경우에는 120mW 정도로 킹크가 생기지만, 본 발명의 일 실시예의 반도체 레이저 장치는 200mW이상까지 직선성이 우수한 전류-광 출력 특성을 나타내고 있다. 이것은 리지의 폭을 공진기 방향에 대하여 변화시켜, 공진기 방향의 광 분포 강도가 최소가 되는 장소의 리지 폭을 좁히게 되므로, 광 밀도가 높은 부분의 활성층에는 보다 많은 전자-정공 쌍이 주입되게 되어, 고출력까지 이득의 포화가 생기기 힘들고 높은 열 포화 레벨을 얻을 수 있는 것과, 리지 폭이 좁은 부분이 고차 횡 모드의 발진을 억제하여 킹크 발생을 억제하기 위해서이다.
상술의 구성을 갖는 반도체 레이저 장치의 제조 방법에 관해서, 도 7에 도시하는 제조 방법의 각 공정의 일례를 도시하는 단면도를 참조하여 설명한다.
우선 도 7a에 도시하는 바와 같이, (100)면에서 [011]방향으로 10°기울어진 면을 주요 면으로 하는 n형 GaAs기판(10) 상에, n형 GaAs 버퍼층(11)(0.5㎛), n형 (AlGa) InP 제1 클래드층(12)(l.2㎛), 활성층(13), P형 (AlGa) InP 제2 클래드층(14), p형 GaInP 보호층(15)(50nm)을 형성한다. 괄호 내의 숫자는 각 층의 두께를 나타내고 있다. 각 층의 조성비의 기재는 생략하지만, 예컨대, 실시 형태1에 나타낸 예와 동일한 조성비이면 된다. 활성층(13)으로서는, 예컨대, 실시 형태1에 나타낸 왜양자 우물 활성층의 예와 같은 활성층을 형성하면 된다. 각 층의 형성에 관해서는, 예컨대, MOCVD법이나 MBE법을 이용할 수 있다.
다음에 도 7b에 도시하는 바와 같이, 상기 각 층으로 이루어지는 적층체의 최상층인 p형 GaInP 보호층(15) 상에, 산화 실리콘막(18)을 퇴적시킨다. 퇴적은, 예컨대, 열 CVD법(대기압, 370℃)에 의해 실행하면 된다. 또, 그 두께는 예컨대 0.3㎛이다.
다음에, 산화 실리콘막(18)의 단면 근방의 영역(예컨대, 단면으로부터 50㎛의 폭의 영역)을 제거하여(도시 생략), p형 GaInP 보호층(15)을 노출시킨다. 계속해서, 이 노출부에 Zn 등의 불순물 원자를 열 확산시켜, 활성층(13)의 단면 근방의 영역을 무질서화시킨다.
다음에 도 7c에 도시하는 바와 같이, 산화 실리콘막(18)을 소정의 형상으로 패터닝한다. 패터닝은, 예컨대, 포토리소그래피법과 드라이 에칭법을 조합하여 행하면 된다. 소정의 형상이란, 예컨대, 실시 형태1에 나타낸 반도체 레이저 장치에서의 리지의 형상과 동일하면 된다. 즉, 예컨대 도 3a 혹은 도 3b에 도시하는 리지의 형상으로 산화 실리콘막(18)을 패터닝하면 된다. 계속해서, 소정의 형상으로 패터닝한 산화 실리콘막(18)을 마스크로 하여, 염산계 에천트 등을 이용하여 p형 GaInP 보호층(15)을 선택적으로 에칭하고, 또한 황산계 또는 염산계 에칭액 등을 이용하여 p형 AlGaInP 제2 클래드층(14)을 선택적으로 에칭하여, 메사 형상의 리지 를 형성한다.
다음에 도 7d에 도시하는 바와 같이, 산화 실리콘막(18)을 마스크로 하여, p형 AlGaInP 제2 클래드층(14) 상에 n형 AlInP 전류 블록층(16)을 선택적으로 성장시킨다. 두께는, 예컨대, 0.7㎛로 한다. 성장시키는 방법으로서는, 예컨대, MOCVD법을 이용하면 된다.
다음에 도 7e에 도시하는 바와 같이, 플루오르화수소산계 에칭액 등을 이용하여 산화 실리콘막(18)을 제거한다. 다음에 도 7f에 도시하는 바와 같이, MOCVD법 혹은 MBE법 등을 이용하여, p형 GaAs 콘택트층(17)을 퇴적한다. 마지막으로 소자를 원하는 공진기 길이로 벽개 후, 전단면, 후단면에 아몰퍼스 Si, SiO2, Al2O3 등의 유전체막을 원하는 반사율이 되도록 코팅하면 된다.
(실시 형태2)
실시 형태2에서의 광 픽업 장치에 관해서, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 본 실시 형태의 광 픽업 장치는 상술한 실시 형태에서의 반도체 레이저 장치와, 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광이 기록 매체에서 반사한 반사광을 수광하는 수광부를 구비하고 있다.
도 8은 본 실시 형태에서의 광 픽업 장치의 일례를 도시하는 단면도이다. 이 광 픽업 장치는 반도체 레이저 장치(20)가 설치된 지지 기판(21)에 수광 소자(22)가 형성된 구조를 갖는다. 지지 기판(21)은 단차부를 갖고, 그 바닥부 표면에 대좌(臺座)(23)를 통해 반도체 레이저 장치(20)가 고정되어 있다. 단차부의 경사면에 광학 소자(24)가 형성되어 있다. 지지 기판(21)의 고(高)부 표면에 수광 소 자(22)가 형성되어 있다.
광학 소자(24)는 반도체 레이저 장치(20)로부터 출사한 레이저 광(25)을 지지 기판(21)의 표면의 법선 방향으로 반사한다. 광학 소자(24)는, 예컨대, 지지 기판(21)의 표면을 웨트 에칭에 의해 결정의 면 방위가 나오도록 가공함으로써 형성된다. 수광 소자(22)로서는, 예컨대, 포토다이오드를 이용하면 된다. 반도체 레이저 장치(20)를 대좌(23) 상에 배치하는 것은 레이저 광(25)이 지지 기판(21)의 표면에서 반사하는 영향을 억제하기 위해서이다.
이 광 픽업 장치에서는, 수광부(22)와 발광부인 반도체 레이저 장치(20)가 동일 지지 기판(21) 상에 집적화되어 있으므로, 광 픽업 장치를 소형화하는 것이 용이하다. 또, 반도체 레이저 장치(20)는 FFP(Far Field Pattern)의 광 축이 안정화되어 고출력까지 기본 횡 모드 발진이 가능하므로, DVD 등의 여러가지 포맷의 광 디스크에 대응한 광 픽업 장치에 적합하다.
도 9는 본 실시 형태에서의 광 픽업 장치의 다른 예를 도시하는 단면도이다. 이 광 픽업 장치에서는 지지 기판(26)의 표면은 평탄하고, 반도체 레이저 장치(20)는 수광 소자(22)가 형성된 면과 동일면 상에 배치되어 있다. 반도체 레이저 장치(20)와 수광 소자(22)간의 지지 기판(26) 상에 반도체 레이저 장치(20)로부터 출사한 레이저 광(25)을 지지 기판(26)의 표면의 법선 방향으로 반사하는 반사 미러(27)가 배치되어 있다. 이러한 광 픽업 장치의 구성에 의해, 도 8에 도시한 광 픽업 장치와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서의 광 픽업부 장치의 구성에 의해, FFP의 광 축이 안정화되어 고출력까지 기본 횡 모드 발진에 의한 동작을 가능하게 할 수 있게 된다.
또, 본 실시 형태의 광 픽업 장치에서, 기록 매체에 의해 반사된 반사광을 분기하는 광 분기부를 더 구비하고, 수광부가 광 분기부에 의해서 분기된 반사광을 수광하도록 하여도 된다.
또, 반도체 레이저 장치와 수광부는 동일한 기판 상에 배치되어 있지 않아도 되지만, 동일한 기판 상에 배치되어 있는 것이 광 픽업 장치를 보다 소형으로 할 수 있다. 또, 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광을 기판의 표면의 법선 방향으로 반사하는 광학 소자를 기판 상에 설치하는 것도 필수인 것은 아니다.
또한, 이상의 실시 형태에서는 GaAlInP계 반도체 레이저 장치의 경우를 예로서 설명하였지만, 리지 도파로형의 반도체 레이저 장치이면, 그 밖의 조성, 구조이어도 본 발명을 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 레이저 장치에 의하면, 고출력 동작 상태에서 발광 효율의 포화가 억제되어, 안정적인 기본 횡 모드 발진을 행할 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판 상에 형성된, 제1 도전형 클래드층과, 활성층과, 제2 도전형 클래드층을 구비하고, 캐리어를 주입하기 위한 스트라이프 구조를 갖는 반도체 레이저 장치에 있어서,
    상기 스트라이프의 폭이 공진기 방향에 따라 감소한 다음 일정하게 유지되어, 전단면(前端面)으로부터 상기 스트라이프의 폭이 최소값이 되는 위치까지의 거리를 L1, 상기 반도체 레이저 장치의 공진기 길이를 L, 전단면의 반사율을 Rf, 후단면의 반사율을 Rr, L×Loge(Rf)/Loge(Rf×Rr)로 표시되는 거리를 Lt로 하였을 때, L1과 Lt의 차는 200㎛이내이고, Rf<Rr인 반도체 레이저 장치.
  2. 기판 상에 형성된, 제1 도전형 클래드층과, 활성층과, 제2 도전형 클래드층을 구비하고, 캐리어를 주입하기 위한 스트라이프 구조를 갖는 반도체 레이저 장치에 있어서,
    상기 스트라이프의 폭이 전단면으로부터 후단면을 향해 연속적으로 감소한 다음 일정하게 되는 영역을 갖고, 상기 전단면으로부터 상기 스트라이프의 폭이 연속적으로 감소하는 영역에서의 상기 스트라이프의 폭이 최소값이 되는 위치까지의 거리를 L1, 상기 반도체 레이저 장치의 공진기 길이를 L, 전단면의 반사율을 Rf, 후단면의 반사율을 Rr, L×Loge(Rf)/Loge(Rf×Rr)로 표시되는 거리를 Lt라고 하였을 때, L1과 Lt의 차는 200㎛이내이고, Rf<Rr인 반도체 레이저 장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 전단면 및 상기 후단면의 적어도 일측으로부터 공진기 내부를 향해 상기 스트라이프의 폭이 일정한 영역을 갖는, 반도체 레이저 장치.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 L1이 Lt와 거의 동등한, 반도체 레이저 장치.
  5. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 전단면 및 후단면의 적어도 일측으로부터 상기 활성층의 일정 영역까지가 불순물의 확산에 의해 무질서화되는, 반도체 레이저 장치.
  6. 청구항 1 또는 2에 기재된 반도체 레이저 장치와, 상기 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광이 반사되어 온 반사광을 수광하는 수광부를 구비한 광 픽업 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 반사광을 분기하는 광분기부를 더 구비하고, 상기 수광부는 상기 광 분기부에 의해서 분기된 상기 반사광을 수광하는, 광 픽업 장치.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 반도체 레이저 장치와 상기 수광부가 동일한 지지 기판 상에 배치되어 있는, 광 픽업 장치.
  9. 청구항 6에 있어서, 상기 반도체 레이저 장치가 배치된 지지 기판 상에 상기 반도체 레이저 장치로부터 출사한 광을 상기 지지 기판의 표면의 법선 방향으로 반사하는 광학 소자를 구비한, 광 픽업 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 광학 소자가 반사 미러인, 광 픽업 장치.
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