JP2005166881A

JP2005166881A - Nitride semiconductor laser element

Info

Publication number: JP2005166881A
Application number: JP2003402645A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iwamoto; 岩本　　隆
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor laser element without generating lowering of laser light output even when being operated in an atmosphere by suppressing a deposit generated on the emission end face of laser light. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor laser element 1 successively laminates a first conductive AlGaN clad layer 4, an active layer 5, and a second conductive AlGaN clad layer 6 on a first substrate 2, and an insulation layer 9 sandwiching a stripe-like second conductive AlGaN clad layer 7. It forms a second conductive GaN contact layer 8 on the second conductive AlGaN clad layer 7 to emit the laser light from the active layer 5. It also forms a protection layer 13 consisting of TiO<SB>2</SB>on both the end faces of the first substrate 2 or the second conductive GaN contact layer 8 at the emission side of the laser light. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、大気中でも安定したレーザ特性が得られる窒化物半導体レーザ素子に関するものである。 The present invention relates to a nitride semiconductor laser device capable of obtaining stable laser characteristics even in the atmosphere.

従来の窒化物半導体レーザ素子については、特許文献１の特開２００３−１０１１１３号公報に記載されている。
即ち、特許文献１には、ステム上に側面を接するようにして垂直に形成されたチップ搭載部と、このステム表面に直交する前記チップ搭載部の平面部に固定されたサブマントと、前記サブマウント上にｎ電極側を向けてハンダにより固定された窒化物半導体レーザ素子と、からなり、前記窒化物半導体レーザ素子のｐ電極側と前記ステムのピンとがワイヤで接続され、前記ステム上にキャップを被せ、このキャップ内に窒素ガスが封入されていることが記載されている。 A conventional nitride semiconductor laser element is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-101113.
That is, Patent Document 1 discloses a chip mounting portion that is vertically formed on a stem so as to contact a side surface, a submount fixed to a flat portion of the chip mounting portion that is orthogonal to the stem surface, and the submount. A nitride semiconductor laser element fixed by solder with the n-electrode side facing upward, and the p-electrode side of the nitride semiconductor laser element and the pin of the stem are connected by a wire, and a cap is placed on the stem It is described that nitrogen gas is sealed in the cap.

特開２００３−１０１１１３号公報（５〜６頁、図１〜図３）JP 2003-101113 A (pages 5 to 6, FIGS. 1 to 3)

ところで、最近、前記キャップを付けない状態でアッセンブリしてコストダウンを図ったり、或いは光ディスク装置に用いられる場合に、この装置内で用いられる光学部品に組み込んでアッセンブリしたりするために、窒化物半導体レーザ素子を大気に晒したまま使用する用途が多くなってきた。
しかしながら、大気中で窒化物半導体レーザ素子を動作させると、レーザ光出力が低下するといった問題を生じていた。
これは、窒化物半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の波長が青色から緑色と短波であるので、光子エネルギーが大きいため、大気中に存在するガス状の有機物の分解が促進されて、レーザ光が出射する端面に多量の析出物を生じるためと考えられている。 By the way, a nitride semiconductor has recently been assembled in order to reduce the cost by assembling without the cap or to be assembled into an optical component used in this apparatus when used in an optical disk apparatus. Applications that use laser elements exposed to the atmosphere have increased.
However, when the nitride semiconductor laser element is operated in the atmosphere, there has been a problem that the laser light output is reduced.
This is because the wavelength of the laser light emitted from the nitride semiconductor laser element is from blue to green and short waves, so the photon energy is large, so that the decomposition of gaseous organic substances present in the atmosphere is promoted, and the laser light It is considered that a large amount of precipitates are generated on the end face from which light is emitted.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、レーザ光出射端面に生じる析出物を抑制して、大気中で動作させてもレーザ光出力の低下を生じない窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a nitride semiconductor laser that suppresses precipitates generated on the laser light emission end face and does not cause a decrease in laser light output even when operated in the atmosphere. The object is to provide an element.

本願における発明は、第１基板上に第１導電型ＡｌＧａＮクラッド層、活性層、第１の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層と、ストライプ状の第２の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層を挟持する絶縁層と、が順次積層され、更に前記第２の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層上には、第２導電型ＧａＮコンタクト層が形成されてなり、前記活性層からレーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子において、前記レーザ光の出射側における前記第１基板乃至前記第２導電型ＧａＮコンタクト層の両端面にＴｉＯ₂からなる保護層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子を提供する。 In the present invention, the first conductive type AlGaN cladding layer, the active layer, the first second conductive type AlGaN cladding layer, and the striped second conductive type AlGaN cladding layer are sandwiched on the first substrate. A nitride semiconductor laser in which a second conductive type GaN contact layer is formed on the second second conductive type AlGaN cladding layer, and a laser beam is emitted from the active layer In the element, a nitride semiconductor laser element is provided, wherein a protective layer made of TiO ₂ is formed on both end faces of the first substrate to the second conductivity type GaN contact layer on the laser beam emission side. To do.

本発明によれば、活性層から出射されるレーザ光の出射側における第１基板乃至第２導電型ＧａＮコンタクト層の両端面にＴｉＯ₂からなる保護層が形成されているので、レーザ光出射端面に生じる析出物を抑制して、大気中でも安定動作可能な窒化物半導体レーザ素子を得ることができる。 According to the present invention, the protective layer made of TiO ₂ is formed on both end faces of the first substrate and the second conductivity type GaN contact layer on the emission side of the laser beam emitted from the active layer. Thus, a nitride semiconductor laser element capable of stable operation even in the air can be obtained.

本発明の実施形態における窒化物半導体レ−ザ素子について図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態における窒化物半導体レ−ザ素子を示し、（Ａ）は、断面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＭＭ断面図である。
図２は、窒化物半導体レーザ素子の通電試験結果を示す図である。 A nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
1A and 1B show a nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view and FIG. 1B is a cross-sectional view of MM in FIG.
FIG. 2 is a diagram showing a current test result of the nitride semiconductor laser element.

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本発明の実施形態の窒化物半導体レ−ザ素子１は、ｎ型ＧａＮ基板２上に厚さ１μｍのｎ型ＧａＮバッファ層３と、厚さ１．２μｍのｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層４と、活性層５と、厚さ０．２μｍのｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層６と、が積層されている。このｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層６の中央部には、幅１．５μｍのストライブ状を有し、かつ厚さ１μｍのｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層７と、ｐ型ＧａＮコンタクト層８と、が順次積層されている。
ストライプ状のｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層７は、リッジ部を形成している。
ここで、活性層５は、厚さ５ｎｍのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎバリア層と、厚さ２ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井戸層とを１ペアとして、これを２〜４ペアにした構造を、厚さ０．１μｍのアンドープＧａＮガイド層で挟んだ構成からなる。 As shown in FIGS. 1A and 1B, a nitride semiconductor laser device 1 according to an embodiment of the present invention includes an n-type GaN buffer layer 3 having a thickness of 1 μm on an n-type GaN substrate 2 and a thickness. An n-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 4 having a thickness of 1.2 μm, an active layer 5 and a p-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 6 having a thickness of 0.2 μm are laminated. At the center of the p-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 6, a p-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 7 having a stripe shape with a width of 1.5 μm and a thickness of 1 μm, and a p-type GaN contact Layer 8 is sequentially laminated.
The striped p-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 7 forms a ridge portion.
Here, the active layer 5 has a structure in which an In _0.02 Ga _0.98 N barrier layer having a thickness of 5 nm and an In _0.15 Ga _0.85 N quantum well layer having a thickness of 2 nm are paired, and this is made into 2 to 4 pairs. The structure is sandwiched between undoped GaN guide layers having a thickness of 0.1 μm.

更に、ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層６上には、ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層７及びｐ型ＧａＮコンタクト層８を挟んだ一対の絶縁層９、９が形成されている。ストライプ状のｐ型ＧａＮコンタクト層８及び一対の絶縁層９、９上には、ｐ型電極１０が形成され、積層方向と反対側のｎ型ＧａＮ基板２には、ｎ型電極１１が形成されている。
更に、図１（Ａ）に示すように、レーザ光の出射方向におけるｐ型電極１０〜ｎ型電極１１における各層の両端面には、レーザ光を所定の反射率で反射するために、光学膜厚が（１／４）λであり、かつ屈折率が互いに異なる例えばＡｌ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂を交互に積層した多層反射膜１２、１２が形成されている。ここで、λは、レーザ光の波長である。この多層反射膜１２、１２上には、ＴｉＯ₂からなる保護膜１３、１３が積層されている。 Further, on the p-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 6, a pair of insulating layers 9 and 9 are formed with the p-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer 7 and the p-type GaN contact layer 8 interposed therebetween. A p-type electrode 10 is formed on the striped p-type GaN contact layer 8 and the pair of insulating layers 9, 9, and an n-type electrode 11 is formed on the n-type GaN substrate 2 opposite to the stacking direction. ing.
Further, as shown in FIG. 1A, an optical film is formed on both end surfaces of each layer of the p-type electrode 10 to the n-type electrode 11 in the laser beam emission direction so as to reflect the laser beam with a predetermined reflectance. The multilayer reflective films 12 and 12 are formed by alternately laminating, for example, Al ₂ O ₃ and ZrO ₂ having a thickness of (1/4) λ and different refractive indexes. Here, λ is the wavelength of the laser beam. On the multilayer reflective films 12, 12, protective films 13, 13 made of TiO ₂ are laminated.

そして、この窒化物半導体レーザ素子１は、ｐ型電極１０側からｎ型電極１１側に向かって順方向電流を流し、この電流が発振閾値以上になったとき、ストライプ状のｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層７の下部に対応した活性層５からレーザ光を出射させるものである。 The nitride semiconductor laser element 1 causes a forward current to flow from the p-type electrode 10 side to the n-type electrode 11 side, and when this current exceeds the oscillation threshold, the striped p-type Al _0.14 Ga is used. _The laser beam is emitted from the active layer 5 corresponding to the lower part of the _0.86 N clad layer 7.

次に、窒化物半導体レーザ素子１を大気中で通電動作させて、レーザ光出力の低下を調べた。その結果を図２に示す。
図２中、本発明の半導体レーザ素子とあるのは、窒化物半導体レーザ素子１であり、従来の半導体レーザとあるのは、窒化物半導体レーザ素子１の保護膜１３としてＴｉＯ₂の代りに通常のＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄を用いた従来の半導体レーザ素子である。この際の通電電流は、５０ｍＡであり、横軸は通電時間（時間）、縦軸は、レーザ光出力（初期値で規格化した値）である。
図２に示すように、窒化物半導体レーザ素子１では、３０００時間経過してもレーザ光出力は一定であるのに対して、従来の半導体レーザ素子では、レーザ光出力は、周期的に変動して、不安定である。 Next, the nitride semiconductor laser element 1 was energized in the atmosphere, and the decrease in laser light output was examined. The result is shown in FIG.
In FIG. 2, the semiconductor laser element of the present invention is a nitride semiconductor laser element 1, and the conventional semiconductor laser is usually a protective film 13 of the nitride semiconductor laser element 1 instead of TiO _2. This is a conventional semiconductor laser device using Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , or Si ₃ N ₄ . The energization current at this time is 50 mA, the horizontal axis is the energization time (time), and the vertical axis is the laser beam output (value normalized by the initial value).
As shown in FIG. 2, in the nitride semiconductor laser device 1, the laser light output is constant even after 3000 hours, whereas in the conventional semiconductor laser device, the laser light output varies periodically. And unstable.

このことは、本発明の実施形態の窒化物半導体レーザ素子１では、レーザ光の一部がＴｉＯ₂で吸収され、光化学反応を生じて保護膜１３表面への有機物を付き難くするためと考えられる。
一方、従来の半導体レーザ素子では、大気中の有機物がレーザ光により分解されて、端面に付着し、その厚みの増大により光の吸収が生じ且つ反射率が周期的に変化している結果と考えられる。 This is considered to be because, in the nitride semiconductor laser element 1 of the embodiment of the present invention, a part of the laser light is absorbed by TiO ₂ , causing a photochemical reaction and making it difficult to attach organic matter to the surface of the protective film 13. .
On the other hand, in the conventional semiconductor laser device, organic matter in the atmosphere is decomposed by the laser light and adheres to the end face, and the increase in the thickness causes light absorption and the reflectance is periodically changed. It is done.

以上のように、本発明の実施形態によれば、レーザ光の出射面にＴｉＯ₂からなる保護膜１３を有しているので、レーザ光の一部がＴｉＯ₂で吸収され、光化学反応を生じて保護膜１３表面へ有機物を付き難くするため、レーザ光出力の低下を防止できる。
本発明の実施形態では、保護層１３をレーザ光の出射方向におけるｐ型電極１０〜ｎ型電極１１における各層の両端面に形成したが、ｎ型ＧａＮ基板２〜ｐ型ＧａＮコンタクト層８における各層の両端面に形成するようにしても良い。
また、保護膜１３にＴｉＯ₂を用いたが、レーザ光の波長によっては、ＴｉＯ−Ｎなどを用いることができる。また、保護膜１３のＴｉＯ₂をレーザ出射面の反射率が最適となるように、その厚さを（１／４）λ〜（１／２）λにするようにすることもできる。
更に、（１／４）λのＡｌ₂Ｏ₃とＺｒＯ₂を交互に積層した多層反射膜１２、１２上に厚さを５ｎｍ〜（１／４）λのＴｉＯ₂を形成して、保護膜兼反射膜にしても良い。 As described above, according to the embodiment of the present invention, since the protective film 13 made of TiO ₂ is provided on the laser light emission surface, a part of the laser light is absorbed by TiO ₂ and causes a photochemical reaction. Therefore, it is difficult to attach an organic substance to the surface of the protective film 13, so that a decrease in laser light output can be prevented.
In the embodiment of the present invention, the protective layer 13 is formed on both end faces of each layer in the p-type electrode 10 to the n-type electrode 11 in the laser beam emission direction. However, each layer in the n-type GaN substrate 2 to the p-type GaN contact layer 8 is used. You may make it form in the both end surfaces.
Further, although TiO ₂ is used for the protective film 13, TiO—N or the like can be used depending on the wavelength of the laser beam. Further, the thickness of TiO _{2 of the} protective film 13 can be set to (1/4) λ to (1/2) λ so that the reflectance of the laser emission surface is optimized.
Further, TiO ₂ having a thickness of 5 nm to (1/4) λ is formed on the multilayer reflective films 12 and 12 in which (1/4) λ Al ₂ O ₃ and ZrO ₂ are alternately laminated. It may be a reflective film.

次世代光ディスク装置や医療機器等に幅広く利用可能である。 It can be widely used for next-generation optical disk devices and medical devices.

本発明の実施形態における窒化物半導体レ−ザ素子を示し、（Ａ）は、断面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＭＭ断面図である。1 shows a nitride semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention, where (A) is a cross-sectional view and (B) is an MM cross-sectional view of (A). 窒化物半導体レーザ素子の通電試験結果を示す図である。It is a figure which shows the electricity supply test result of a nitride semiconductor laser element.

符号の説明Explanation of symbols

１…窒化物半導体レーザ素子、２…ｎ型ＧａＮ基板（第１基板）、３…ｎ型ＧａＮバッファ層、４…ｎ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層（第１導電型ＡｌＧａＮクラッド層）、５…活性層、６…ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層（第１の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層）、７…ｐ型Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ｎクラッド層（第２の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層）、８…ｐ型ＧａＮコンタクト層（第２導電型ＧａＮコンタクト層）、９…絶縁層、１０…ｐ型電極、１１…ｎ型電極、１２…多層反射膜、１３…保護膜
1 ... nitride semiconductor laser device, 2 ... n-type GaN substrate (first substrate), 3 ... n-type GaN buffer layer, 4 ... n-type Al _0.14 Ga _0.86 N clad layer (first conductivity type AlGaN clad layer), 5 ... active layer, 6 ... p-type Al _0.14 Ga _0.86 N cladding layer (first second conductivity type AlGaN cladding layer), 7 ... p-type Al _0.14 Ga _0.86 N cladding layer (second second conductivity type AlGaN cladding layer) 8 ... p-type GaN contact layer (second conductivity type GaN contact layer), 9 ... insulating layer, 10 ... p-type electrode, 11 ... n-type electrode, 12 ... multilayer reflective film, 13 ... protective film

Claims

第１基板上に第１導電型ＡｌＧａＮクラッド層、活性層、第１の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層と、ストライプ状の第２の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層を挟持する絶縁層と、が順次積層され、更に前記第２の第２導電型ＡｌＧａＮクラッド層上には、第２導電型ＧａＮコンタクト層が形成されてなり、前記活性層からレーザ光を出射する窒化物半導体レーザ素子において、
前記レーザ光の出射側における前記第１基板乃至前記第２導電型ＧａＮコンタクト層の両端面にＴｉＯ₂からなる保護層が形成されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。

A first conductivity type AlGaN cladding layer, an active layer, a first second conductivity type AlGaN cladding layer, and an insulating layer sandwiching the striped second second conductivity type AlGaN cladding layer on the first substrate in order In the nitride semiconductor laser device that is stacked and further formed with a second conductivity type GaN contact layer on the second second conductivity type AlGaN cladding layer, and emits laser light from the active layer,
_2. A nitride semiconductor laser device comprising: a protective layer made of TiO ₂ formed on both end faces of the first substrate to the second conductivity type GaN contact layer on the laser beam emitting side.