JP3646302B2 - Semiconductor laser - Google Patents

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板に半導体層が積層され、その積層方向に対して垂直な方向に対向する一対の共振器端面が設けられた半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な光学装置において半導体レーザ(laser diode；ＬＤ）が利用されている。半導体レーザは、一般に、基板に第１導電型半導体層，活性層および第２導電型半導体層を順次積層した構造を有しており、例えば、活性層において発生した光を積層方向に対して垂直な方向において対向する一対の共振器端面間で増幅するようになっている。この一対の共振器端面には、反射率を調整すると共に共振器端面を保護するための反射膜がそれぞれ設けられることが多い。このうちレーザ光が主として射出される側の反射膜は反射率が低くなるように調節され、他方の非射出側の反射膜は反射率が高くなるように調節される。
【０００３】
これら反射膜は用途に応じて単層構造または多層構造とされるが、射出側の反射膜については、成膜が簡便であることから単層構造とされることが多い。例えば、サファイアよりなる基板に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を積層した半導体レーザでは、射出側の反射膜を、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりも発振波長における屈折率が小さい酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）または酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の単層構造とするのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように反射膜を例えば酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素により構成すると、発振波長における反射膜の屈折率は、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に対してと同じように基板の屈折率よりも小さくなってしまう。よって、図３に示したように、反射膜の膜厚を窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に対応する領域での反射率が低くなるように調節すると、基板に対応する領域での反射率も低くなってしまう。なお、図３は、サファイアよりなる基板の上に窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を積層し、酸化アルミニウムよりなる反射膜を形成した半導体レーザについて、反射膜の膜厚と波長４００ｎｍにおける反射率との関係を表したものである。図３において実線は基板に対応する領域での反射率であり、破線は発振領域での反射率である。
【０００５】
しかも、サファイアよりなる基板は発振波長について透明であるので、例えば、半導体レーザをパッケージ内に収納して用いる場合、パッケージ内で反射された迷光が基板に対応する反射膜の領域からも半導体レーザ内に進入してしまう。よって、それによりノイズが発生し、特性が悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
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、射出側の反射膜において基板に対応する領域から迷光が進入することを抑制し、特性を改善することができる半導体レーザを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザは、発振波長に対して透明な基板と、この基板に積層された半導体層とを備えると共に、その積層方向に対して垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有するものであって、一方の共振器端面に、半導体層および基板に対応して射出側の反射膜を有し、この反射膜は、その屈折率がレーザ光の発振波長において実効屈折率と前記基板の屈折率との間の中間付近の値であり、かつ、その膜厚がレーザ光の発振領域での反射率が極小値となり、基板に対応する領域での反射率が極大値となる値に設定されているものである。
【０００８】
本発明による半導体レーザでは、射出側の反射膜は、その屈折率がレーザ光の発振波長において実効屈折率と基板の屈折率との間の中間付近の値であり、かつ、その膜厚がレーザ光の発振領域での反射率が極小値、基板に対応する領域での反射率が極大値となるように設定されているので、基板に対応する領域での反射率が特に高くなり、反射膜の基板に対応する領域からの迷光の内部への進入を減少させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。
【００１０】
図１は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ものである。この半導体レーザは、基板１１の一面側に、短周期型周期律表における３Ｂ族元素のうちの少なくとも１種と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半導体層２０を備えている。この半導体層２０は、例えば、基板１１の側から順に積層されたバッファ層２１，ｎ側コンタクト層２２，ｎ型クラッド層２３，ｎ型ガイド層２４，活性層２５，ｐ型ガイド層２６，ｐ型クラッド層２７およびｐ側コンタクト層２８を有している。このうちｎ側コンタクト層２２，ｎ型クラッド層２３およびｎ型ガイド層２４は第１導電型半導体層に対応するｎ型半導体層であり、ｐ型ガイド層２６，ｐ型クラッド層２７およびｐ側コンタクト層２８は第２導電型半導体層に対応するｐ型半導体層である。
【００１１】
基板１１は、例えば、積層方向における厚さ（以下、単に厚さという）が９０μｍのサファイアにより構成されており、半導体層２０は基板１１のｃ面に形成されている。
【００１２】
バッファ層２１は、例えば、厚さが３０ｎｍであり、不純物を添加しないundope−ＧａＮにより構成されている。ｎ側コンタクト層２２は、例えば、厚さが３μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素（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２３は、例えば、厚さが１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。ｎ型ガイド層２４は、例えば、厚さが０．１μｍであり、ｎ型不純物としてケイ素を添加したｎ型ＧａＮにより構成されている。
【００１３】
活性層２５は、例えば、厚さが３０ｎｍであり、組成の異なるＧａ_xＩｎ_1-xＮ（但し、１≧ｘ≧０）混晶層を積層した多重量子井戸構造を有している。この活性層２５は、少なくともその一部が発光部として機能するものであり、その発光波長は例えば４００ｎｍ前後である。
【００１４】
ｐ型ガイド層２６は、例えば、厚さが０．１μｍ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型クラッド層２７は、例えば、厚さが０．８μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＡｌＧａＮ混晶により構成されている。ｐ側コンタクト層２８は、例えば、厚さが０．５μｍであり、ｐ型不純物としてマグネシウムを添加したｐ型ＧａＮにより構成されている。ｐ側コンタクト層２８およびｐ型クラッド層２７の一部は、半導体層２０の積層方向に対して垂直な共振器方向Ａに延長された細い帯状とされている。これにより、この半導体レーザでは電流狭窄を行い、活性層２５のうちｐ側コンタクト層２８に対応する領域が発光部として機能するようになっている。
【００１５】
また、この半導体レーザは、共振器方向Ａに対して垂直な方向におけるｎ側コンタクト層２２の幅が、ｎ型クラッド層２３，ｎ型ガイド層２４，活性層２５，ｐ型ガイド層２６，ｐ型クラッド層２７およびｐ側コンタクト層２８の幅よりも広くなっており、ｎ側コンタクト層２２の一部にこれらｎ型クラッド層２３，ｎ型ガイド層２４，活性層２５，ｐ型ガイド層２６，ｐ型クラッド層２７およびｐ側コンタクト層２８が積層されている。
【００１６】
ｎ側コンタクト層２２からｐ側コンタクト層２８の表面には、例えば二酸化ケイ素よりなる絶縁膜３１が形成されている。この絶縁膜３１にはｎ側コンタクト層２２およびｐ側コンタクト層２８に対応して開口がそれぞれ設けられており、ｎ側コンタクト層２２およびｐ側コンタクト層２８の上には、これらの開口に対応してｎ側電極３２およびｐ側電極３３がそれぞれ形成されている。ｎ側電極３２は、例えばチタン（Ｔｉ）およびアルミニウム（Ａｌ）を順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、ｎ側コンタクト層２２と電気的に接続されている。ｐ側電極３３は、例えばパラジウム（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２８と電気的に接続されている。
【００１７】
更に、この半導体レーザは、共振器方向Ａに対向する一対の共振器端面４１，４２を半導体層２０および基板１１に対応して有している。このうち一方の共振器端面４１には例えば射出側の反射膜４３が形成され、他方の共振器端面４２には非射出側の反射膜４４が形成されている。反射膜４３はレーザ光の発振領域での発振波長における反射率が低くなるように調節され、反射膜４４はその反射率が高くなるように調節されている。これにより、活性層２５およびその近傍において発生した光がそれら反射膜４３，４４の間において増幅され、レーザ光が反射膜４３の側から主として射出されるようになっている。なお、反射膜４４の方からも反射膜４３の側に比べれば少ないもののその反射率に応じてレーザ光が射出されるが、本明細書においては、レーザ光を主として取り出す方を射出側と言い、他方を非射出側と言う。
【００１８】
反射膜４３は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）または酸化窒化ケイ素（ＳｉＯ_xＮ_y）のうちの少なくとも１種を含んで構成されている。この反射膜４３は、レーザ光の発振波長（例えば４００ｎｍ）において屈折率が基板１１の屈折率と実効屈折率との間の値となっている。なお、実効屈折率というのは、レーザ光の発振領域における平均的な屈折率を言う。また、レーザの発振領域というのは主として活性層２５であるが、その近傍の領域、例えばｎ型ガイド層２４およびｐ型ガイド層２６、更にはｎ型クラッド層２３の一部およびｐ型クラッド層２７の一部なども含まれる。
【００１９】
本実施の形態では、例えば、波長４００ｎｍにおける基板１１の屈折率が１．７７であり、実効屈折率が２．５であるので、反射膜４３の屈折率は、基板１１の屈折率よりも大きく、実効屈折率よりも小さい値を有している。なお、上述した材料の波長４００ｎｍにおける屈折率は、窒化アルミニウムが２．１３、酸化ジルコニウムが２．０７であり、酸化窒化ケイ素は酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）との組成比に応じて１．５〜２．０７の間で任意の値を有する。
【００２０】
反射膜４３の屈折率をこのように規定するのは、反射膜４３の膜厚をレーザ光の発振領域での反射率が低くなるように調節した場合に、基板１１に対応する領域での反射率を高くすることができ、迷光の進入を抑制することができるからである。特に、反射膜４３の屈折率を基板１１の屈折率と実効屈折率との中間付近の値とすれば、レーザ光の発振領域での反射率が極小値となる時に、基板１１に対応する領域での反射率をほぼ極大値とすることができるので好ましい。
【００２１】
図２は、反射膜４３の膜厚と波長４００ｎｍにおける反射率との関係を表すものである。これは、本実施の形態に係る半導体レーザについて反射膜４３を窒化アルミニウムの単層膜により構成した場合のものである。図２において実線は基板１１に対応する反射膜４３の領域での反射率であり、破線はレーザ光の発振領域に対応する反射膜４３の領域での反射率である。
【００２２】
このように、反射膜４３の屈折率を基板１１の屈折率と実効屈折率との間の値とすると、反射膜４３の膜厚と反射率との関係は、基板１１に対応する領域とレーザ光の発振領域とでほぼ反対になる。よって、レーザ光の発振領域での反射率を例えば８％程度とすると、基板１１に対応する領域での反射率は約２０％と大きくなる。これに対して、従来の図３に示した例では、同じくレーザ光の発振領域での反射率を８％程度とすると、基板１１に対応する領域での反射率は約７％と小さい。すなわち、本実施の形態によれば、基板１１に対応する反射膜４３の領域での反射率は従来の３倍近くにもなり、その領域から進入する迷光の影響は従来の約１／３となる。
【００２３】
なお、反射膜４３は単層構造でも多層構造でもよいが、単層構造の方が成膜が簡便であるので好ましい。反射膜４３の厚さは、例えば、反射膜４３の屈折率をｎ、光学的厚さをＬ、発振波長をλとすると、λ／４ｎであることが好ましい。
【００２４】
また、反射膜４３を構成する材料としては、特に窒化アルミニウムが好ましい。本実施の形態においては反射膜４３の屈折率を基板１１の屈折率と実効屈折率とのほぼ中間とすることができると共に、熱膨張係数が半導体層２０と近いので、共振器端面４１にかかる応力を低減させることができ、劣化を抑制することができるからである。また、熱伝導率が高いので、共振器端面４１における温度の上昇を抑制することもでき、更に、酸化物あるいは酸素が共振器端面４１に接触しないので、共振器端面４１の酸化による光学損傷（Catastrophic Optical Damage ；ＣＯＤ）を防止することもできるからである。
【００２５】
一方、反射膜４４は、例えば、酸化ケイ素膜と酸化チタン（ＴｉＯ₂）膜とが交互に積層された多層構造（例えば６層）とされている。
【００２６】
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。
【００２７】
まず、例えば、厚さ４００μｍ程度のサファイアよりなる基板１１を用意し、基板１１のｃ面に、ＭＯＣＶＤ法により、undope−ＧａＮよりなるバッファ層２１，ｎ型ＧａＮよりなるｎ側コンタクト層２２，ｎ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｎ型クラッド層２３，ｎ型ＧａＮよりなるｎ型ガイド層２４，ＧａＩｎＮ混晶よりなる活性層２５，ｐ型ＧａＮよりなるｐ型ガイド層２６，ｐ型ＡｌＧａＮ混晶よりなるｐ型クラッド層２７およびｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層２８を順次成長させる。
【００２８】
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（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）、窒素の原料ガスとしては例えばアンモニア（ＮＨ₃）をそれぞれ用いる。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。
【００２９】
次いで、ｐ側コンタクト層２８，ｐ型クラッド層２７，ｐ型ガイド層２６，活性層２５，ｎ型ガイド層２４，ｎ型クラッド層２３およびｎ側コンタクト層２２の一部を順次エッチングして、ｎ側コンタクト層２２を表面に露出させる。続いて、ｐ側コンタクト層２８の上に図示しないマスクを形成し、このマスクを利用してｐ側コンタクト層２８およびｐ型クラッド層２７の一部を選択的にエッチングして、ｐ型クラッド層２７の上部およびｐ側コンタクト層２８を細い帯状とする。
【００３０】
そののち、露出面全体に、例えば蒸着法により酸化ケイ素よりなる絶縁層３１を形成し、ｐ側コンタクト層２８に対応して開口を設け、ｐ側コンタクト層２８を表面に露出させる。ｐ側コンタクト層２８を露出させたのち、絶縁層３１のｎ側コンタクト層２２上の領域に開口を形成し、この開口に対応して、例えば、チタン（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），白金および金を順次蒸着し、合金化してｎ側電極３２を形成する。また、露出させたｐ側コンタクト層２８に対応して、例えばパラジウム，白金および金を順次蒸着し、ｐ側電極３３を形成する。
【００３１】
次いで、基板１１を例えば９０μｍ程度の厚さとなるように研磨する。基板１１を研磨したのち、基板１１を共振器方向Ａに対して垂直に所定の幅で分割し、共振器端面４１，４２を形成する。そののち、例えばＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonance；電子サイクロトロン共鳴）スパッタ装置を用い、共振器端面４１に反射膜４３を形成すると共に、共振器端面４２に反射膜４４を形成する。反射膜４３，４４を形成したのち、基板１１を共振器方向Ａに対して平行に所定の位置で分割する。これにより、図１に示した半導体レーザが完成する。
【００３２】
この半導体レーザは、次のように作用する。
【００３３】
この半導体レーザでは、ｎ側電極３２とｐ側電極３３との間に所定の電圧が印加されると、活性層２５に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、反射膜４３，４４の間で反射され、増幅されてレーザ発振を生じ、主として反射膜４３を透過してレーザ光として外部に射出される。例えば、半導体レーザをパッケージ内に収納して用いる場合、射出されたレーザ光の一部はパッケージ内において反射され、迷光となって半導体レーザに戻ってくる。ここでは、反射膜４３の発振波長における屈折率が基板１１の屈折率と実効屈折率との間の値となっており、基板１１に対応する反射膜４３の領域での反射率が高くなっている。よって、基板１１に対応する反射膜４３の領域から進入する迷光が減少し、ノイズの発生が抑制され、出力変動などの特性が改善される。
【００３４】
このように本実施の形態に係る半導体レーザによれば、発振波長において反射膜４３の屈折率が基板１１の屈折率と実効屈折率との間の値となるようにしたので、基板１１に対応する反射膜４３の領域での反射率を高くすることができ、迷光の進入を抑制することができる。よって、ノイズの発生を防止でき、特性を改善することができる。
【００３５】
特に、反射膜４３を窒化アルミニウムにより構成すれば、基板１１に対応する反射膜４３の領域での反射率を特に高くすることができると共に、反射膜４１側における共振器端面の劣化を抑制することができ、更にその近傍における光学損傷も防止することができる。
【００３６】
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、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、反射膜４３を構成する材料について具体例を挙げて説明したが、発振波長において基板１１の屈折率と実効屈折率との間の屈折率を有し、レーザ光を吸収しない材料であれば、他の材料により構成するようにしてもよい。
【００３７】
また、上記実施の形態では、基板１１をサファイアにより構成するようにしたが、他の材料により構成するようにしてもよい。
【００３８】
更に、上記実施の形態では、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる半導体層２０を備える場合について説明したが、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体またはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体などの他の半導体材料を用いた半導体レーザについても適用することができる。
【００３９】
加えて、上記実施の形態では、発振波長における反射膜４３の屈折率が基板１１の屈折率よりも大きく、実効屈折率よりも小さい場合について説明したが、反射膜の屈折率が基板の屈折率よりも小さく、実効屈折率よりも大きい場合であっても同様の効果が得られる。
【００４０】
更にまた、上記実施の形態では、ｎ側コンタクト層２２，ｎ型クラッド層２３，ｎ型ガイド層２４，活性層２５，ｐ型ガイド層２６，ｐ型クラッド層２７およびｐ側コンタクト層２８を順次積層するようにしたが、本発明は、他の構造を有する半導体レーザについても同様に適用することができる。例えば、ｎ型ガイド層２４およびｐ型ガイド層２６を備えていなくてもよく、活性層２５とｐ型ガイド層２６との間に結晶劣化防止層を備えていてもよい。また、ｐ側コンタクト層２８を細い帯状とすること以外の他の構造により電流狭窄するようにしてもよい。更に、屈折率導波型あるいは利得導波型の半導体レーザとしてもよい。
【００４１】
加えてまた、上記実施の形態では、ｎ型半導体層が第１導電型半導体層に対応し、ｐ型半導体層が第２導電型半導体層に対応する場合について説明したが、本発明には、ｐ型半導体層が第１導電型半導体層に対応し、ｎ型半導体層が第２導電型半導体層に対応する場合も含まれる。
【００４２】
更にまた、上記実施の形態では、他方の共振器端面４２に非射出側の反射膜４４を備える場合について説明したが、他の構成を有する反射膜を備えていてもよく、また反射膜が設けられていなくてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザによれば、射出側の反射膜の、レーザ光の発振波長における屈折率を実効屈折率と基板の屈折率との間の中間付近の値とし、かつ、その膜厚を、レーザ光の発振領域での反射率が極小値となるときに、基板に対応する領域での反射率が極大値となるように設定したので、基板に対応する反射膜の領域での反射率を特に高くすることができ、迷光の進入を抑制することができる。よって、ノイズの発生を防止でき、特性を改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】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部分分解斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザにおける反射膜の膜厚と反射率との関係を表す特性図である。
【図３】従来の半導体レーザにおける反射膜の膜厚と反射率との関係を表す特性図である。
【符号の説明】
１１…基板、２０…半導体層、２１…バッファ層、２２…ｎ側コンタクト層、２３…ｎ型クラッド層、２４…ｎ型ガイド層、２５…活性層、２６…ｐ型ガイド層、２７…ｐ型クラッド層、２８…ｐ側コンタクト層、３１…絶縁膜、３２…ｎ側電極、３３…ｐ側電極、４１，４２…共振器端面、４３…反射膜（射出側）、４４…反射膜（非射出側）、Ａ…共振器方向[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser in which a semiconductor layer is stacked on a substrate and a pair of resonator end faces facing each other in a direction perpendicular to the stacking direction is provided.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a semiconductor laser (laser diode; LD) has been used in various optical devices. A semiconductor laser generally has a structure in which a first conductive type semiconductor layer, an active layer, and a second conductive type semiconductor layer are sequentially stacked on a substrate. For example, light generated in the active layer is perpendicular to the stacking direction. Amplification is performed between a pair of resonator end faces facing each other in any direction. In many cases, the pair of resonator end faces are each provided with a reflection film for adjusting the reflectivity and protecting the end face of the resonator. Of these, the reflective film on the side from which the laser light is mainly emitted is adjusted so that the reflectance is low, and the reflective film on the other non-emission side is adjusted so that the reflectance is high.
[0003]
These reflective films have a single-layer structure or a multilayer structure depending on the application, but the reflective film on the exit side is often a single-layer structure because the film formation is simple. For example, in a semiconductor laser in which a nitride III-V compound semiconductor layer is stacked on a substrate made of sapphire, the reflection film on the emission side is oxidized with a smaller refractive index at the oscillation wavelength than the nitride III-V compound semiconductor. A single layer structure of aluminum (Al₂ O₃ ) or silicon oxide (SiO₂ ) is generally used.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the reflective film is made of, for example, aluminum oxide or silicon oxide, the refractive index of the reflective film at the oscillation wavelength is less than the refractive index of the substrate in the same manner as the nitride III-V compound semiconductor layer. Will also get smaller. Therefore, as shown in FIG. 3, when the thickness of the reflective film is adjusted so that the reflectance in the region corresponding to the nitride-based III-V compound semiconductor layer is lowered, the reflection in the region corresponding to the substrate is reflected. The rate will also be low. FIG. 3 shows a reflection of a semiconductor film in which a nitride III-V compound semiconductor layer is laminated on a substrate made of sapphire and a reflective film made of aluminum oxide is formed, and the reflection at a wavelength of 400 nm. It represents the relationship with the rate. In FIG. 3, the solid line is the reflectance in the region corresponding to the substrate, and the broken line is the reflectance in the oscillation region.
[0005]
In addition, since the substrate made of sapphire is transparent with respect to the oscillation wavelength, for example, when a semiconductor laser is housed in a package, stray light reflected in the package is also reflected in the semiconductor laser from the region of the reflective film corresponding to the substrate. I will enter. Therefore, there is a problem that noise is generated and characteristics are deteriorated.
[0006]
The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a semiconductor laser capable of improving the characteristics by suppressing stray light from entering from a region corresponding to the substrate in the reflection film on the emission side. There is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor laser according to the present invention includesa substratetransparent to an oscillation wavelength and a semiconductor layer laminated on the substrate, and has a pair of resonator end faces facing in a direction perpendicular to the lamination direction. a is, the one resonator endface, the semiconductor layer and has a reflection film on the exit sidecorresponds to the substrate, the reflectionfilm, a refractive index of the substrate and the effective refractive index in the oscillation wavelength of the laser beamIt is a value in themiddle of the refractive index, and the film thickness is set to a value at which the reflectance in the laser light oscillation region is a minimum value and the reflectance in the region corresponding to the substrate is a maximum value. It is what has been.
[0008]
In the semiconductor laser according to the present invention,the reflection film on the emission side has a refractive index that is a value near the middle between the effective refractive index and the refractive index of the substrate at the oscillation wavelength of the laser beam, and the film thickness thereof is the laser. Since the reflectance in the light oscillation region is set to the minimum value and the reflectance in the region corresponding to the substrate is set to the maximum value, the reflectance in the region corresponding to the substrate is particularly high, and the reflection film Intrusion of stray light from the region corresponding to the substrate can be reduced.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0010]
FIG. 1 shows a configuration of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention. This semiconductor laser includes a nitride III-V group containing at least one of group 3B elements and at least nitrogen (N) of group 5B elements on one surface side ofsubstrate 11 in the short-period periodic table. Asemiconductor layer 20 made of a compound semiconductor is provided. Thesemiconductor layer 20 includes, for example, abuffer layer 21, an n-side contact layer 22, an n-type cladding layer 23, an n-type guide layer 24, anactive layer 25, a p-type guide layer 26, p stacked in order from thesubstrate 11 side. Amold cladding layer 27 and a p-side contact layer 28 are provided. Among these, the n-side contact layer 22, the n-type cladding layer 23, and the n-type guide layer 24 are n-type semiconductor layers corresponding to the first conductivity type semiconductor layer, and the p-type guide layer 26, the p-type cladding layer 27, and the p-side. Thecontact layer 28 is a p-type semiconductor layer corresponding to the second conductivity type semiconductor layer.
[0011]
Thesubstrate 11 is made of, for example, sapphire having a thickness in the stacking direction (hereinafter simply referred to as thickness) of 90 μm, and thesemiconductor layer 20 is formed on the c-plane of thesubstrate 11.
[0012]
Thebuffer layer 21 has a thickness of 30 nm, for example, and is made of undope-GaN not added with impurities. For example, the n-side contact layer 22 has a thickness of 3 μm and is made of n-type GaN to which silicon (Si) is added as an n-type impurity. For example, the n-type cladding layer 23 has a thickness of 1 μm and is made of an n-type AlGaN mixed crystal to which silicon is added as an n-type impurity. For example, the n-type guide layer 24 has a thickness of 0.1 μm and is made of n-type GaN to which silicon is added as an n-type impurity.
[0013]
Theactive layer 25 has a multiple quantum well structure in which, for example, a Ga_x In_1-x N (where 1 ≧ x ≧ 0) mixed crystal layers having different compositions are stacked with a thickness of 30 nm. At least a part of theactive layer 25 functions as a light emitting portion, and the light emission wavelength is, for example, about 400 nm.
[0014]
The p-type guide layer 26 has, for example, a thickness of 0.1 μm and is made of p-type GaN to which magnesium (Mg) is added as a p-type impurity. The p-type cladding layer 27 has a thickness of 0.8 μm, for example, and is composed of a p-type AlGaN mixed crystal to which magnesium is added as a p-type impurity. The p-side contact layer 28 has, for example, a thickness of 0.5 μm and is made of p-type GaN to which magnesium is added as a p-type impurity. A part of the p-side contact layer 28 and the p-type cladding layer 27 has a thin band shape extending in the resonator direction A perpendicular to the stacking direction of thesemiconductor layers 20. Thereby, in this semiconductor laser, current confinement is performed, and a region corresponding to the p-side contact layer 28 in theactive layer 25 functions as a light emitting portion.
[0015]
Further, in this semiconductor laser, the width of the n-side contact layer 22 in the direction perpendicular to the resonator direction A is such that the n-type cladding layer 23, the n-type guide layer 24, theactive layer 25, the p-type guide layer 26, p The n-type cladding layer 27, the n-type guide layer 24, theactive layer 25, and the p-type guide layer 26 are partially formed on the n-side contact layer 22. , A p-type cladding layer 27 and a p-side contact layer 28 are stacked.
[0016]
An insulatingfilm 31 made of, for example, silicon dioxide is formed on the surfaces of the n-side contact layer 22 to the p-side contact layer 28. The insulatingfilm 31 is provided with openings corresponding to the n-side contact layer 22 and the p-side contact layer 28, respectively, and the n-side contact layer 22 and the p-side contact layer 28 correspond to these openings. Thus, the n-side electrode 32 and the p-side electrode 33 are formed. The n-side electrode 32 has a structure in which, for example, titanium (Ti) and aluminum (Al) are sequentially laminated and alloyed by heat treatment, and is electrically connected to the n-side contact layer 22. The p-side electrode 33 has a structure in which, for example, palladium (Pd), platinum (Pt), and gold (Au) are sequentially stacked, and is electrically connected to the p-side contact layer 28.
[0017]
Further, the semiconductor laser has a pair of resonator end faces 41 and 42 facing the resonator direction A corresponding to thesemiconductor layer 20 and thesubstrate 11. Of these, for example, an exit-side reflection film 43 is formed on oneresonator end surface 41, and a non-emission-side reflection film 44 is formed on the otherresonator end surface 42. Thereflective film 43 is adjusted so that the reflectance at the oscillation wavelength in the laser light oscillation region is low, and thereflective film 44 is adjusted so that the reflectance is high. Thereby, the light generated in theactive layer 25 and the vicinity thereof is amplified between thereflection films 43 and 44, and the laser light is mainly emitted from thereflection film 43 side. Although the laser light is emitted from thereflective film 44 in accordance with the reflectance of thereflective film 44 although it is less than thereflective film 43 side, in this specification, the direction from which the laser light is mainly extracted is referred to as the emission side. The other is called the non-injection side.
[0018]
Thereflective film 43 includes, for example, at least one of aluminum nitride (AlN), zirconium oxide (ZrO₂ ), and silicon oxynitride (SiO_x N_y ). Thereflective film 43 has a refractive index between the refractive index of thesubstrate 11 and the effective refractive index at the oscillation wavelength of the laser beam (for example, 400 nm). The effective refractive index is an average refractive index in the laser light oscillation region. The laser oscillation region is mainly theactive layer 25, but the region in the vicinity thereof, for example, the n-type guide layer 24 and the p-type guide layer 26, and a part of the n-type cladding layer 23 and the p-type cladding layer. 27 and the like are also included.
[0019]
In the present embodiment, for example, the refractive index of thesubstrate 11 at a wavelength of 400 nm is 1.77, and the effective refractive index is 2.5, so that the refractive index of thereflective film 43 is larger than the refractive index of thesubstrate 11. , Having a value smaller than the effective refractive index. Note that the refractive index of the above-described material at a wavelength of 400 nm is 2.13 for aluminum nitride and 2.07 for zirconium oxide, and silicon oxynitride is 1 depending on the composition ratio of oxygen (O) and nitrogen (N). Any value between .5 and 2.07.
[0020]
The refractive index of thereflective film 43 is defined in this way because thereflective film 43 is reflected in the region corresponding to thesubstrate 11 when the film thickness of thereflective film 43 is adjusted so as to reduce the reflectance in the laser light oscillation region. This is because the rate can be increased and entry of stray light can be suppressed. In particular, if the refractive index of thereflective film 43 is a value near the middle between the refractive index and the effective refractive index of thesubstrate 11, the region corresponding to thesubstrate 11 when the reflectance in the oscillation region of the laser light becomes a minimum value. This is preferable because the reflectance at can be almost maximized.
[0021]
FIG. 2 shows the relationship between the film thickness of thereflective film 43 and the reflectance at a wavelength of 400 nm. This is a case where thereflective film 43 is formed of a single layer film of aluminum nitride in the semiconductor laser according to the present embodiment. In FIG. 2, the solid line represents the reflectance in the region of thereflective film 43 corresponding to thesubstrate 11, and the broken line represents the reflectance in the region of thereflective film 43 corresponding to the laser light oscillation region.
[0022]
As described above, when the refractive index of thereflective film 43 is a value between the refractive index of thesubstrate 11 and the effective refractive index, the relationship between the film thickness of thereflective film 43 and the reflectance corresponds to the region corresponding to thesubstrate 11 and the laser. The opposite is true for the light oscillation region. Therefore, if the reflectance in the laser light oscillation region is, for example, about 8%, the reflectance in the region corresponding to thesubstrate 11 increases to about 20%. On the other hand, in the conventional example shown in FIG. 3, if the reflectance in the laser light oscillation region is about 8%, the reflectance in the region corresponding to thesubstrate 11 is as small as about 7%. That is, according to the present embodiment, the reflectance in the region of thereflective film 43 corresponding to thesubstrate 11 is nearly three times that of the conventional one, and the influence of stray light entering from that region is about 1/3 of the conventional one. Become.
[0023]
Thereflective film 43 may have a single layer structure or a multilayer structure, but the single layer structure is preferable because the film formation is simple. The thickness of thereflective film 43 is preferably λ / 4n, where n is the refractive index of thereflective film 43, L is the optical thickness, and λ is the oscillation wavelength.
[0024]
In addition, as a material constituting thereflective film 43, aluminum nitride is particularly preferable. In the present embodiment, the refractive index of thereflective film 43 can be made approximately halfway between the refractive index of thesubstrate 11 and the effective refractive index, and the thermal expansion coefficient is close to that of thesemiconductor layer 20. This is because stress can be reduced and deterioration can be suppressed. Further, since the thermal conductivity is high, it is possible to suppress an increase in temperature at theresonator end surface 41. Furthermore, since oxide or oxygen does not come into contact with theresonator end surface 41, optical damage due to oxidation of the resonator end surface 41 ( This is because Catastrophic Optical Damage (COD) can be prevented.
[0025]
On the other hand, thereflective film 44 has, for example, a multilayer structure (for example, six layers) in which silicon oxide films and titanium oxide (TiO₂ ) films are alternately stacked.
[0026]
This semiconductor laser can be manufactured, for example, as follows.
[0027]
First, for example, asubstrate 11 made of sapphire having a thickness of about 400 μm is prepared, and abuffer layer 21 made of undope-GaN and an n-side contact layer 22 made of n-type GaN are formed on the c-plane of thesubstrate 11 by MOCVD. An n-type cladding layer 23 made of n-type AlGaN mixed crystal, an n-type guide layer 24 made of n-type GaN, anactive layer 25 made of GaInN mixed crystal, a p-type guide layer 26 made of p-type GaN, and made of p-type AlGaN mixed crystal. A p-type cladding layer 27 and a p-side contact layer 28 made of p-type GaN are successively grown.
[0028]
When performing MOCVD, for example, trimethylgallium ((CH₃ )₃ Ga) is used as a gallium source gas, trimethylaluminum ((CH₃ )₃ Al) is used as an aluminum source gas, and indium source gas is used as an example. For example, ammonia (NH₃ ) is used as a source gas for trimethylindium ((CH₃ )₃ In) and nitrogen, respectively. For example, monosilane (SiH₄ ) is used as the silicon source gas, and bis = cyclopentadienyl magnesium ((C₅ H₅ )₂ Mg) is used as the magnesium source gas.
[0029]
Next, the p-side contact layer 28, the p-type cladding layer 27, the p-type guide layer 26, theactive layer 25, the n-type guide layer 24, the n-type cladding layer 23, and a part of the n-side contact layer 22 are sequentially etched, The n-side contact layer 22 is exposed on the surface. Subsequently, a mask (not shown) is formed on the p-side contact layer 28, and the p-side contact layer 28 and a part of the p-type cladding layer 27 are selectively etched using this mask to form a p-type cladding layer. The upper portion of 27 and the p-side contact layer 28 are formed into a thin strip shape.
[0030]
After that, an insulatinglayer 31 made of silicon oxide is formed on the entire exposed surface by, for example, vapor deposition, an opening is provided corresponding to the p-side contact layer 28, and the p-side contact layer 28 is exposed to the surface. After exposing the p-side contact layer 28, an opening is formed in a region on the n-side contact layer 22 of the insulatinglayer 31, and for example, titanium (Ti), aluminum (Al), platinum and Gold is sequentially deposited and alloyed to form the n-side electrode 32. Further, corresponding to the exposed p-side contact layer 28, for example, palladium, platinum and gold are sequentially deposited to form the p-side electrode 33.
[0031]
Next, thesubstrate 11 is polished so as to have a thickness of, for example, about 90 μm. After thesubstrate 11 is polished, thesubstrate 11 is divided by a predetermined width perpendicular to the resonator direction A to form resonator end faces 41 and 42. After that, thereflective film 43 is formed on theresonator end surface 41 and thereflective film 44 is formed on theresonator end surface 42 using, for example, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering apparatus. After forming thereflective films 43 and 44, thesubstrate 11 is divided at a predetermined position in parallel with the resonator direction A. Thereby, the semiconductor laser shown in FIG. 1 is completed.
[0032]
This semiconductor laser operates as follows.
[0033]
In this semiconductor laser, when a predetermined voltage is applied between the n-side electrode 32 and the p-side electrode 33, a current is injected into theactive layer 25, and light emission occurs due to electron-hole recombination. This light is reflected between thereflection films 43 and 44 and amplified to cause laser oscillation, and is mainly transmitted through thereflection film 43 and emitted to the outside as laser light. For example, when a semiconductor laser is housed in a package and used, part of the emitted laser light is reflected in the package and returns to the semiconductor laser as stray light. Here, the refractive index at the oscillation wavelength of thereflective film 43 is a value between the refractive index of thesubstrate 11 and the effective refractive index, and the reflectance in the region of thereflective film 43 corresponding to thesubstrate 11 becomes high. Yes. Therefore, stray light entering from the region of thereflective film 43 corresponding to thesubstrate 11 is reduced, noise is suppressed, and characteristics such as output fluctuation are improved.
[0034]
As described above, according to the semiconductor laser according to the present embodiment, the refractive index of thereflective film 43 is set to a value between the refractive index of thesubstrate 11 and the effective refractive index at the oscillation wavelength. The reflectance in the region of thereflective film 43 to be increased can be increased, and the entry of stray light can be suppressed. Therefore, the generation of noise can be prevented and the characteristics can be improved.
[0035]
In particular, if thereflective film 43 is made of aluminum nitride, the reflectance in the region of thereflective film 43 corresponding to thesubstrate 11 can be made particularly high, and deterioration of the resonator end face on thereflective film 41 side can be suppressed. In addition, optical damage in the vicinity thereof can be prevented.
[0036]
Although the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, the material constituting thereflective film 43 has been described with reference to a specific example. However, the material has a refractive index between the refractive index of thesubstrate 11 and the effective refractive index at the oscillation wavelength, and laser light is emitted. If it is a material that does not absorb, it may be composed of other materials.
[0037]
Moreover, in the said embodiment, although the board |substrate 11 was comprised with sapphire, you may make it comprise with another material.
[0038]
Furthermore, in the above-described embodiment, the case where thesemiconductor layer 20 made of a nitride-based III-V compound semiconductor is provided has been described. However, the present invention is not limited to the III-V compound semiconductor or the II-VI compound semiconductor. The present invention can also be applied to semiconductor lasers using these semiconductor materials.
[0039]
In addition, in the above-described embodiment, the case where the refractive index of thereflective film 43 at the oscillation wavelength is larger than the refractive index of thesubstrate 11 and smaller than the effective refractive index has been described, but the refractive index of the reflective film is the refractive index of the substrate. The same effect can be obtained even when it is smaller than the effective refractive index.
[0040]
Furthermore, in the above embodiment, the n-side contact layer 22, the n-type cladding layer 23, the n-type guide layer 24, theactive layer 25, the p-type guide layer 26, the p-type cladding layer 27, and the p-side contact layer 28 are sequentially formed. However, the present invention can be similarly applied to semiconductor lasers having other structures. For example, the n-type guide layer 24 and the p-type guide layer 26 may not be provided, and a crystal deterioration preventing layer may be provided between theactive layer 25 and the p-type guide layer 26. Further, the current may be confined by a structure other than the p-side contact layer 28 having a thin band shape. Further, a refractive index waveguide type or gain waveguide type semiconductor laser may be used.
[0041]
In addition, in the above embodiment, the case where the n-type semiconductor layer corresponds to the first conductivity type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer corresponds to the second conductivity type semiconductor layer has been described. The case where the p-type semiconductor layer corresponds to the first conductivity type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer corresponds to the second conductivity type semiconductor layer is also included.
[0042]
Furthermore, in the above embodiment, the case where the other resonator end face 42 is provided with thereflection film 44 on the non-emission side has been described. However, a reflection film having another configuration may be provided, and a reflection film is provided. It does not have to be done.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor laser of any one ofclaims 1 to 4,the refractive index at the oscillation wavelength of the laser light of the reflection film on the emission side is determined as the effective refractive index and the refractive index of the substrate. When the reflectivity in the laser light oscillation region becomes a minimum value, the reflectivity in the region corresponding to the substrate becomes a maximum value. Since it is set , the reflectance in the region of the reflective film corresponding tothe substrate can beparticularly increased, and the entry of stray light can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the generation of noise and improve the characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially exploded perspective view showing a configuration of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.
2 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of a reflective film and the reflectance in the semiconductor laser shown in FIG.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of a reflective film and the reflectance in a conventional semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OFSYMBOLS 11 ... Substrate, 20 ... Semiconductor layer, 21 ... Buffer layer, 22 ... n-side contact layer, 23 ... n-type cladding layer, 24 ... n-type guide layer, 25 ... Active layer, 26 ... p-type guide layer, 27 ... p Type cladding layer, 28 ... p-side contact layer, 31 ... insulating film, 32 ... n-side electrode, 33 ... p-side electrode, 41, 42 ... resonator end face, 43 ... reflection film (exit side), 44 ... reflection film ( Non-injection side), A ... direction of resonator

Claims (4)

Translated fromJapanese

発振波長に対して透明な基板と、この基板に積層された半導体層とを備えると共に、その積層方向に対して垂直な方向に対向する一対の共振器端面を有する半導体レーザであって、
前記一方の共振器端面に、前記半導体層および基板に対応して射出側の反射膜を有し、この反射膜は、その屈折率がレーザ光の発振波長において実効屈折率と前記基板の屈折率との間の中間付近の値であり、かつ、その膜厚がレーザ光の発振領域での反射率が極小値となり、前記基板に対応する領域での反射率が極大値となる値に設定されている
ことを特徴とする半導体レーザ。A semiconductor laser comprisinga substratetransparent to an oscillation wavelength and a semiconductor layer laminated on the substrate, and having a pair of resonator end faces facing in a direction perpendicular to the lamination direction,
Said one resonator end face ofsaid semiconductor layer and has a reflection film on the exit sidecorresponds to the substrate, the reflectivefilm, the refractive index of the substrate and the effective refractive indexwhose refractive index is at the oscillation wavelength of the laser beam And thefilm thickness is set to a value at which the reflectance in the laser light oscillation region is a minimum value and the reflectance in the region corresponding to the substrate is a maximum value. a semiconductor laser, characterized bythat. 前記半導体層は、３Ｂ族元素のうちの少なくとも１種と５Ｂ族元素のうちの少なくとも窒素とを含む窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。  2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of a nitride III-V compound semiconductor containing at least one of group 3B elements and at least nitrogen of group 5B elements. 前記基板は、サファイアよりなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。  2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the substrate is made of sapphire. 前記反射膜は、窒化アルミニウム，酸化ジルコニウムおよび酸化窒化ケイ素のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。  2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the reflective film contains at least one of aluminum nitride, zirconium oxide, and silicon oxynitride.

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