JP2001077473A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来、水平横モードの光閉じ込めが不十分
で、低しきい値電流動作で安定した単一横モード動作可
能なＧａＮ系半導体レーザが実現できなかった。 【解決手段】 電流狭窄層としてＷ等の高融点金属、ま
たはＳｉＯ₂ 等の誘電体を用い、前期電流狭窄層を貫通
するストライプ状の開口部を作製した後に活性層を含む
レーザ結晶層を成長した構造を用いた。前記電流狭窄層
の光吸収や低屈折率の性質によって光閉じ込めの良好な
実屈折率導波型や損失導波型の導波路を形成することが
でき、低しきい値電流密度で安定した屈折率導波による
単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理分野な
どへの応用が期待されているＧａＮ系半導体レーザに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、デジタルビデオディスク等の大容
量光ディスク装置が実用化され、今後さらに大容量化が
進められようとしている。光ディスク装置の大容量化の
ためにはよく知られるように読み取りや書き込みの光源
となる半導体レーザの短波長化が最も有効な手段の一つ
である。したがって、現在市販されているデジタルビデ
オディスク用の半導体レーザは、ＡｌＧａＩｎＰ系材料
による波長６５０ｎｍであるが、将来開発が予定されて
いる高密度デジタルビデオディスク用では４００ｎｍ帯
のＧａＮ系半導体レーザが不可欠と考えられている。

【０００３】光ディスク用に用いる半導体レーザは、長
寿命、低しきい値電流動作は当然として、他に安定な単
一横モード動作、低非点隔差、低雑音、低アスペクト比
等が求められるが、現状ではこれら全ての特性を満たす
４００ｎｍ帯半導体レーザは実現されていない。

【０００４】従来、単一横モード型ＧａＮ系半導体レー
ザとして、図３に示す素子の断面構造をもつものが提案
されている。サファイア基板101 上に第１の結晶成長に
よりＧａＮバッファ層102 、ｎ−ＧａＮ層103 、ｐ−Ｇ
ａＮ電流狭窄層104 が成長され、一旦、成長装置から取
り出した後ストライプ状の開口部105 が、例えばＣｌ ₂
ガスによる反応性イオンエッチングにより形成されてい
る。前記ストライプ状の開口部105 は、少なくともｐ−
ＧａＮ電流狭窄層104 を完全に貫通していなければなら
ない。

【０００５】次に、再び、結晶成長装置に導入し、第２
の結晶成長によりｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層106 、
ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層107 、Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ／Ｇ
ａ_{1- y} Ｉｎ_y Ｎ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量子井
戸活性層108 、ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層109 、ｐ−Ｇ
ａＮ第２光ガイド層110 、ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド
層111 、ｐ−ＧａＮコンタクト層112 が成長される。

【０００６】最後に、ストライプ状の開口105 の直上
に、例えばＮｉ／Ａｕから成るｐ電極113 、また、一部
をｎ−ＧａＮ層103 が露出するまでエッチングした表面
に、例えばＴｉ／Ａｌから成るｎ電極114 が形成され、
図３に断面構造を示す単一横モード型ＧａＮ系半導体レ
ーザが作製される。

【０００７】この素子において、ｎ電極114 を接地し、
ｐ電極113 に電圧を印加すると、多重量子井戸活性層10
8 に向かってｐ電極113 側からホールが、また、ｎ電極
114側から電子が注入され、前記多重量子井戸活性層108
内で光学利得を生じ、レーザ発振を起こす。なお、こ
のレーザ駆動時のバイアスはｐ−ＧａＮ電流狭窄層104
とｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層106 との接合について
は、逆バイアスとなるためｐ−ＧａＮ電流狭窄層104 が
存在しないストライプ状の開口部105 のみに電流が集中
する。

【０００８】一方、ストライプ状の開口部105 上に形成
された多重量子井戸活性層108 は、図３に示すように屈
曲した形状を有するために成長層に水平な方向に屈折率
差が生じ、レーザ光もまた安定してストライプ状の開口
部105 の直上の多重量子井戸活性層108 内に閉じこめら
れる。このため、注入キャリアと光の分布がほぼ一致
し、低しきい値電流密度での発振が可能となる。また、
前述のように成長層に水平な方向に屈折率差を有する屈
折率導波構造なので、光学モードは安定し、また非点隔
差も極めて小さい高性能の半導体レーザが実現できると
いうものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記単
一横モード型ＧａＮ系半導体レーザを実際に作製する場
合において極めて回避困難な問題点が存在する。図３に
おいて、ｐ−ＧａＮ電流狭窄層104 が用いられている
が、ＧａＮは比較的屈折率の大きい材料である。即ちｎ
−ＡｌＧａＮ第１クラッド層106 よりも屈折率は大き
い。多重量子井戸活性層108 が屈曲しているため、図４
の成長層に水平な方向における屈折率分布に示すよう
に、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層106 との間の屈折率
差により光が閉じ込められる。しかし、ｎ−ＡｌＧａＮ
第１クラッド層106 のさらに外側にｎ−ＡｌＧａＮ第１
クラッド層106 よりも屈折率の大きいｐ−ＧａＮ電流狭
窄層104 が存在すると、光がｐ−ＧａＮ電流狭窄層104
へ多量に漏れ、多重量子井戸活性層108 への光閉じ込め
が著しく低下する。特に、ストライプ幅が３μｍ以下の
狭ストライプ構造ではそれが顕著となる。

【００１０】多重量子井戸活性層108 への光閉じ込めが
低下すると、しきい値電流やビーム広がり角のアスペク
ト比の増大等、光ディスク用光源としての応用上好まし
くない特性となる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上述べた従
来の単一横モード型ＧａＮ系半導体レーザの問題点に鑑
みてなされたもので、安定な単一横モード動作、低アス
ペクト比、低しきい値電流等、高性能の単一横モード型
ＧａＮ系半導体レーザを提供するものである。

【００１２】本発明では、電流狭窄層に光吸収の強い
Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等の高融点金属、あるいは低屈折率のＳ
ｉＯ₂ 、ＳｉＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の誘電体を用い、水平方
向に屈曲した活性層への光閉じ込めを高めるものであ
り、その結果、低しきい値電流でアスペクト比の小さ
い、安定した屈折率導波による単一横モード型ＧａＮ系
半導体レーザを実現できる。

【００１３】すなわち、本発明は、基板と、ｎ型層と、
高融点金属から成る電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通
するストライプ状開口部と、該ストライプ状開口部上に
形成された量子井戸活性層とを備えた半導体レーザであ
る。

【００１４】該高融点金属は、結晶成長炉を汚染しない
金属、例えばＷ、Ｔａ、Ｍｏのいずれか１種であること
が好ましい。

【００１５】また、本発明は、基板と、ｎ型層と、誘電
体から成る電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するスト
ライプ状開口部と、該ストライプ状開口部上に形成され
た量子井戸活性層とを備えた半導体レーザである。

【００１６】該誘電体は、低屈折率で結晶の成長温度に
対して安定な誘電体であるＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂ Ｏ
₃ のいずれか１種であることが好ましい。

【００１７】また、本発明は、ストライプ状開口部上に
沿って屈曲した量子井戸活性層を備えた上記の半導体レ
ーザである。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。

【００１９】実施例１ 図１は、実施例１を示す単一モード型ＧａＮ量子井戸半
導体レーザの素子断面図である。有機金属気相成長法に
より(0001)サファイア基板1 上に第１の結晶成長により
ＡｌＮバッファ層2 、ｎ−ＧａＮ層3を成長させ、一
旦、成長装置から取り出した後タングステンからなる電
流狭窄層4 を真空蒸着により膜厚１μｍ程度堆積する。
その後幅２μｍのストライプ状の開口部5 を、例えばイ
オンミリングにより形成する。前記ストライプ状の開口
部5 は少なくともタングステンからなる電流狭窄層4 は
完全に貫通していなければならない。

【００２０】次に、再び、結晶成長装置に導入し、第２
の結晶成長によりｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ _0.93Ｎ第１クラッド
層6 、ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層7 、Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ
／Ｇａ_1-y Ｉｎ_y Ｎ（０＜ｙ＜ｘ＜１）から成る多重量
子井戸活性層8 、ｐ−Ａｌ_{0. 08}Ｇａ_0.92Ｎキャップ層9
、ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層10、ｐ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.
93Ｎ第２クラッド層11、ｐ−ＧａＮコンタクト層12を成
長させる。

【００２１】最後に、ストライプ状の開口5 直上に、例
えばＮｉ／Ａｕから成るｐ電極13、また、一部をｎ−Ｇ
ａＮ層3 が露出するまでエッチングした表面に、例えば
Ｔｉ／Ａｌから成るｎ電極14を形成する。

【００２２】多重量子井戸活性層8 は、例えば厚さ３ｎ
ｍのＧａ_0.9 Ｉｎ_0.1 Ｎ量子井戸層と９ｎｍのＧａ_0.97
Ｉｎ_0.03Ｎバリア層とから構成されている。また、タン
グステンからなる電流狭窄層4 上に積層されたｎ−Ａｌ
_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層6 以降の結晶層は、多結
晶化しており高抵抗となっている。したがって、電流は
ストライプ状の開口部5 直上の多重量子井戸活性層8 に
選択的に注入される。

【００２３】多重量子井戸活性層8 内で発生した光は、
垂直方向で見るとｎ−ＧａＮ第１光ガイド層7 、多重量
子井戸活性層8 、ｐ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎキャップ層9
、およびｐ−ＧａＮ第２光ガイド層10の４層内に特に
強く閉じ込められるが、段差によって成長層に水平な方
向にも屈折率差が生じている。多重量子井戸活性層8 に
おける屈曲部17の幅は約１．５μｍとなり、これを実効
的なストライプ幅とする屈折率導波構造となっている。

【００２４】本実施例の場合、狭ストライプ構造を用い
ているので水平方向の光はタングステンからなる電流狭
窄層4 へも広がるが、多重量子井戸活性層8 内で発生し
た光を強く吸収するため損失導波作用が生じ、多重量子
井戸活性層8 への光閉じ込め効果が一層強く現れ、９０
％以上の光閉じ込め係数が得られる。したがって、低し
きい値電流で安定な単一横モード、低アスペクト比等、
光ディスク用光源に適した高性能が実現できる。さら
に、多重量子井戸活性層8 は屈曲部17がなく平坦な場合
でもタングステンから電流狭窄層4 によって屈折率差が
生じていれば同様の効果が得られる。

【００２５】実施例２ 図２は、実施例２を示す単一モード型ＧａＮ系量子井戸
半導体レーザの素子断面図であり、実施例１におけるＷ
電流狭窄層をＳｉＯ₂ 電流狭窄層とした。ＳｉＯ₂ 電流
狭窄層24が真空蒸着により膜厚１μｍ程度堆積されてい
る。その後、幅２μｍのストライプ状の開口部25が、例
えばＣＦ₄ を用いたドライエッチングにより形成されて
いる。前記ストライプ状の開口部25は、少なくともＳｉ
Ｏ₂ 電流狭窄層24は完全に貫通していなければならな
い。

【００２６】ＳｉＯ₂ 電流狭窄層24は絶縁体なので、電
流はストライプ状の開口部25直上の多重量子井戸活性層
28に選択的に注入される。多重量子井戸活性層28内で発
生した光は、垂直方向で見るとｎ−ＧａＮ第１光ガイド
層27、多重量子井戸活性層28、ｐ−Ａｌ_0.08Ｇａ_0.92Ｎ
キャップ層29、およびｐ−ＧａＮ第２光ガイド層30の４
層内に特に強く閉じ込められるが、段差によって成長層
に水平な方向にも屈折率差が生じている。多重量子井戸
活性層28における屈曲部37の幅は約１．５μｍとなり、
これが実効的なストライプ幅とする屈折率導波構造とな
っている。

【００２７】本実施例の場合、狭ストライプ構造を用い
てるので水平方向の光はＳｉＯ₂ 電流狭窄層24へも広が
るが、ＳｉＯ₂ 電流狭窄層24は低屈折率材料であるた
め、多重量子井戸層28への光閉じ込め効果が一層強く現
れる。その結果９０％以上の光閉じ込め係数が得られ
る。

【００２８】多重量子井戸活性層28は屈曲部37がなく平
坦な場合でもＳｉＯ₂ 電流狭窄層24によって屈折率差が
生じていれば同様の効果が得られる。

【００２９】

【発明の効果】本発明により、低しきい値電流密度を有
し、単一横モード、低アスペクト比等、光ディスク用光
源に適した高性能な短波長半導体レーザが実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１に示すＧａＮ系単一横モード半導体レ
ーザの素子断面図である。

【図２】実施例２に示すＧａＮ系単一横モード半導体レ
ーザの素子断面図である。

【図３】従来例のＧａＮ系単一横モード半導体レーザの
素子断面図である。

【図４】図３に示す従来例の成長層に水平な方向におけ
る屈折率分布を示す図である。

【符号の説明】

１，２１ (0001) サファイア基板 ２，２２ ＡｌＮバッファ層 ３，２３ ｎ−ＧａＮ層 ４，２４ Ｗ，ＳｉＯ₂ 電流狭窄層 ５，２５ ストライプ状の開口部 ６，２６ ｎ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第１クラッド層 ７，２７ ｎ−ＧａＮ第１光ガイド層 ８，２８ Ｇａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ／Ｇａ_1-y Ｉｎ_y Ｎ多重
量子井戸活性層 ９，２９ ｐ−ＡｌＧａＮキャップ層 １０，３０ ｐ−ＧａＮ第２光ガイド層 １１，３１ ｐ−Ａｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎ第２クラッド層 １２，３２ ｐ−ＧａＮコンタクト層 １３，３３ ｐ電極 １４，３４ ｎ電極 １７，３７ 活性層の屈曲部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩谷 素顕 愛知県中島郡祖父江町大字大牧702 Ｆターム(参考） 5F073 AA20 AA45 AA51 AA55 CA07 CB05 CB07 DA05 DA26 EA23

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、ｎ型層と、高融点金属から成る
   電流狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開
   口部と、該ストライプ状開口部上に形成された量子井戸
   活性層とを備えた半導体レーザ。
2. 【請求項２】 該高融点金属がＷ、Ｔａ、Ｍｏのいずれ
   か１種であることを特徴とする請求項１記載の半導体レ
   ーザ。
3. 【請求項３】 基板と、ｎ型層と、誘電体から成る電流
   狭窄層と、該電流狭窄層を貫通するストライプ状開口部
   と、該ストライプ状開口部上に形成された量子井戸活性
   層とを備えた半導体レーザ。
4. 【請求項４】 誘電体がＳｉＯ₂ 、ＳｉＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃
   のいずれか１種であることを特徴とする請求項１記載の
   半導体レーザ。
5. 【請求項５】 ストライプ状開口部上に沿って屈曲した
   量子井戸活性層を備えたことを特徴とする請求項１乃至
   ４記載の半導体レーザ。