JP4138731B2 - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、DVD-RAM (digital versatile disk random access memory), DVD-R (digital versatile disk recordable), DVD-RW (digital versatile disk rewritable), DVD+R, DVD+RW, CD-R (compact disk recordable), CD-RW, DVD-ROM (digital versatile disk read only memory), CD-ROM, DVD-Video and CD-DAなどの光ディスク装置、あるいは光情報処理、光通信、光計測などに使用する半導体レーザ装置及びその製造方法に関するものである。

ＤＶＤ−ＲＡＭなどの読み出し、書き込みピックアップ光源には波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザが用いられる。一方、ＣＤ−Ｒなどの読み出し、書き込みのためのピックアップ光源には波長７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系赤外レーザが用いられる。これらの両ディスクに対応するためには一つのドライブに赤色、赤外両方のレーザが必要となる。そのためＤＶＤ用とＣＤ用の二つの光集積ユニットを具備したドライブが一般的に普及している。

しかし、近年の小型化、低コスト化、光学系組立工程の簡素化などの要請より、一つの光集積ユニットで対応できるよう、同一基板上に二つのレーザを集積した二波長レーザが実用化されつつある。このような二波長レーザの従来例として下記特許文献１が挙げられる。これは、ＧａＡｓ基板上に６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザと７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系赤外レーザをモノリシックに集積したもので、一つの光集積ユニット上にＤＶＤ／ＣＤ用両方のレーザを備えた光ピックアップを提案している。

二波長レーザは従来のレーザと同じく、劈開により共振器を形成する。共振器長は両端の劈開位置により決まるため、赤色レーザと赤外レーザの共振器長は必然的に同一となる。共振器長は最大光出力、発振閾値電流、効率などレーザ特性を左右するパラメータの一つであるが、二波長レーザの場合、赤色レーザと赤外レーザとで独立に共振器長を最適化することができない、という制約があった。

たとえば、高出力赤色レーザと高出力赤外レーザをモノリシックに集積したレーザにおいて、赤色レーザで２００ｍＷ級の高出力を実現しようとした場合、実用上共振器長は少なくとも９００μｍ以上必要である。しかし、赤外レーザの共振器長が９００μｍ以上になると、動作電流が従来のレーザに比べ大きく増加し、消費電力の増大、発熱による素子劣化の促進などの悪影響が懸念される。このような事情から、二波長レーザの高出力化が困難となる可能性がある。
特開２０００−１１４１７号公報

本発明は、前記従来の問題を解決するため、実効的な共振器長、すなわちレーザ発振に寄与する活性層の共振器方向の長さをそれぞれ独立に制御することが可能で、赤色、赤外それぞれのレーザに最適な共振器長の設定が実現されレーザ特性を高めることが可能な二波長レーザの半導体レーザ装置及びその製造方法を提供する。

本発明の半導体装置は、基板上に互いに平行に形成され、同じ共振器長を有する複数の共振器と、前記複数の共振器に形成された活性層と、前記複数の共振器の両端面付近に形成された電流非注入領域と、前記複数の共振器に形成され、互いに長さが異なる電流注入領域とを備えていることを特徴とする。

本発明による二波長レーザは、一方又は両方のレーザの端面から共振器中央へ向かって一部の領域に、活性層への電流注入を阻止する構造を採ることにより、実効的な共振器長、すなわちレーザ発振に寄与する活性層の共振器方向の長さをそれぞれ独立に制御することが可能となる。これにより、赤色、赤外それぞれのレーザに最適な共振器長の設定が実現されレーザ特性を高めることが可能となる。

本発明において、活性層の電流が注入される領域における共振器の長さは、赤色レーザに対しては1000μm、赤外レーザは700μmとすれば、それぞれ所望の動作電流、光出力、温度特性を有するデバイスが実現できる。

本発明において、「二つの共振器が互いに平行」とは、±１度以下の範囲で平行であることが好ましい。

前記少なくとも一つの活性層は、量子井戸により構成されることが好ましい。量子井戸にすることにより、注入キャリアに対する発光効率の増加による動作電流密度低減という従来のレーザと同様の効果を有するのに加え、量子井戸構造とすることにより、Zn拡散を施した場合に結晶無秩序化によるバンドギャップ拡大が起こるため、これを実効共振器長の短い方の素子の非利得領域（電流が注入されない領域）に適用すれば、光の吸収による動作電流の増大などの特性悪化が防止できる。

前記少なくとも一つの共振器の片方もしくは両方の端面より共振器中央に向かっての一部の領域において、活性層へ電流が注入されない領域が形成され、この領域の長さが二つの共振器間で互いに異なることにより、活性層の、電流が注入される領域の共振器方向の長さが互いに異なることが好ましい。なぜなら赤色レーザは赤外レーザに比べキャリア閉じ込めが弱くまた熱抵抗が大きいため熱飽和による光出力限界が低いため、共振器長を長くすることにより端面反射率損失および放熱性改善による高出力化、温度特性改善を図る必要がある。一方、赤外レーザを前記赤色レーザと同等の共振器長まで長くすると、発光面積の増大により、従来の単体レーザに比べて動作電流が大きく増加する。

前記活性層へ電流が注入されない領域における伝搬光の存在する領域の半導体層のバンドギャップエネルギーが、活性層発光波長のエネルギーより大きいことが好ましい。該領域のバンドギャップが活性層発光波長のエネルギーより小さいと、光の吸収が発生し閾値電流、動作電流の増加、光出力の低下など特性の悪化が引き起こされるためである。

前記二つの活性層が、それぞれ(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP（0≦x≦1、0≦y≦1）及びAl_zGa_1-zAs（0≦z≦1）を含んだ層より構成され、二つの活性層より得られる波長がそれぞれ630nm以上690nm以下、及び760nm以上810nm以下であることが好ましい。それぞれDVD系光ディスク、CD系光ディスクのデータ読み込み、書き込みには上記の波長帯でのレーザ光が必要なためである。

前記二つの活性層より得られる片端面からのそれぞれの最大光出力がいずれも80mW以上であることが好ましい。上記は光ディスクに約二倍速以上でデータを書き込むのに必要な光出力である。

前記少なくとも一つの共振器の片方もしくは両方の端面より共振器中央方向に向かった量子井戸活性層の少なくとも一部の領域のバンドギャップを、不純物拡散もしくは不純物注入で無秩序化することにより広げ、かつ電流が注入されないよう、電流阻止層を具備、もしくは電流注入経路にあたる半導体層又は電極の一部を除去し、かつ前記工程を施す端面から共振器中央方向への長さが、二つの共振器で互いに異なることが好ましい。このような製造方法を採ることにより、発光端面位置間隔を精密に制御でき、それぞれに最適な共振器長を有する素子の形成が可能となる。

前記少なくとも二つの活性層がいずれも(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP（0≦x≦1、0≦y≦1）を含んだ層より構成され、二つの活性層の内、最大光出力が高い方の素子における光出力が50mW以上であり、かつ最大光出力が低い方の素子の動作電流が光出力2mW以上において35mA以下であることが好ましい。一方の素子をディスクへの書き込みが可能な高出力レーザ、他方を低動作電流でディスク読み込みできる低出力レーザとすることにより、単体の高出力レーザでディスク書き込みおよび読み込みの両方を行って従来の光ディスク装置より、データ読み込み時の消費電力が低減できるため、ポータブルDVDなどの商品への展開がより容易となる。

本発明によれば、二波長レーザにおいて、劈開により決まる共振器長の制約を超えて、赤外レーザと赤色レーザなど特性の異なる複数のレーザの実効的な共振器長を独立に設計、作製することが可能となるため、それぞれ所望の特性に適した共振器長を採用することにより、それぞれのレーザ特性の向上が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

(実施の形態１)
図１Ａ〜Ｃ、及び図２はそれぞれ本発明の実施の形態１における光出力200mW級の二波長高出力レーザを示し、図１Ａは同平面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線断面図、図１Ｃは図１ＡのII−II線断面図、及び図２は同斜視図である。同一符号は同一の材料又は部分を示す。

図３Ａ〜Ｄ、図４Ａ〜Ｂ’及び図５Ａ〜Ｄは本発明の実施の形態１における半導体レーザの製造工程を示す断面図（但し、図４Ａ’，図４Ｂ’は平面図。）である。ここでは図３ないし図５の製造工程に沿って説明する。
（１）図３Ａに示すように、n型GaAs基板１０１上に、赤外レーザn型クラッド層１０２、赤外レーザ活性層１０３、赤外レーザp型クラッド層１０４を順次積層する。赤外レーザ活性層１０３は量子井戸構造により構成される。
（２）図３Ｂに示すように、赤色レーザ領域を含む一部の領域において、赤外レーザn型クラッド層１０２、赤外レーザ活性層１０３、赤外レーザp型クラッド層１０４を除去する。
（３）図３Ｃに示すように、赤色レーザn型クラッド層１０５、赤色レーザ活性層１０６、赤色レーザp型クラッド層１０７を順次積層する。赤色レーザ活性層１０６は量子井戸構造により構成される。
（４）図３Ｄに示すように、赤外レーザ領域を含む一部の領域において、赤色レーザn型クラッド層１０５、赤色レーザ活性層１０６、赤色レーザp型クラッド層１０７を除去する。
（５）図４Ａに示すように、赤色レーザp型クラッド層１０７の両端面から10μmの領域まで、及び赤外レーザp型クラッド層１０４の端面からそれぞれ10μm、310μmの領域までに酸化亜鉛膜３０１を形成する。
（６）図４Ｂに示すように、加熱により、酸化亜鉛膜が形成された２０２、２０３、２０５、２０６領域のそれぞれの直下の活性層にZnを拡散させる。この工程により、活性層を形成する量子井戸層及び隣接する障壁層のヘテロジャンクションが無秩序化されることによりバンドギャップが拡大する。この領域は、活性層から発光される波長に対して透明である。加熱後、酸化亜鉛膜を除去する。領域２０１、２０４の長さはそれぞれ680μm、980μmである。
（７）図５Ａに示すように、赤外レーザｐクラッド層１０４及び赤色レーザｐクラッド層１０７の一部をエッチングし、それぞれストライプ状メサ構造を形成する。メサの幅は上部1μm、下部3μmである。
（８）図５Ｂに示すように、電流ブロック層１０８の選択再成長を行う。
（９）図５Ｃに示すように、コンタクト層１０９の再成長を行う
（１０）図５Ｄに示すように、赤外レーザと赤色レーザの境界近傍を基板１０１までエッチングして素子分離を行う。赤外レーザ上の２０２、２０３を除く領域上、赤色レーザ上の２０５、２０６を除く領域上に、それぞれｐ側電極１１０、１１１を形成する。さらに基板下部にｎ側電極１１２を蒸着して素子を形成する。

なお、各層の材料、伝導型、膜厚、キャリア濃度は以下の表１のとおりである。

（備考）※１ メサ内部1.4μｍ、メサ外部0.2μｍ
※２ 基板に垂直な方向に成長した領域の膜厚である。

本発明における特徴は、赤外レーザの電流注入領域２０１と赤色レーザの電流注入領域２０４の共振器方向の長さが異なる点にある。

従来の二波長レーザの場合、赤外レーザと赤色レーザの共振器長は同一である。図６には共振器長がいずれも700μmの二波長レーザの赤色レーザ及び赤外レーザの電流―光出力特性を示す。赤色レーザが180mW付近で熱飽和のため所望の光出力を得ることができない。200mW以上の光出力を得るためには赤色レーザの共振器長を長くする必要がある。

一方、図７には共振器長がいずれも1000μmの二波長レーザの赤色レーザ及び赤外レーザの電流―光出力特性を示す。赤外レーザ、赤色レーザいずれも200mW以上の光出力を得てはいるが、赤外レーザの動作電流が、活性層体積の増加に伴い、共振器長700μmのレーザに比べて増加している。これによる消費電力増加のため、電池駆動によるポータブル機器への搭載時における電池動作可能時間が単体レーザを用いた機器に比べて短くなる。

本実施形態においては赤外レーザ、赤色レーザそれぞれの実効共振器長をそれぞれ680μm、980μmとしている。赤外レーザにおいては実際の共振器長は1000μmであるが、電流が注入されない領域を端面より310μm、もう一方の端面より10μm設けており、その領域においては発光に寄与せず、また量子井戸活性層無秩序化によりバンドギャップを広げているので、光吸収による導波損失も生じない。この結果、図８に示すように、赤色レーザの光出力は200mWを達成しながら、赤外レーザの動作電流は共振器長700μmの素子と遜色ない値を示している。なお、赤色レーザにも両端面に10μmの電流非注入領域及び活性層無秩序化領域を設けているが、これは端面における光吸収に起因する光学破壊を回避するために設けている。

(実施の形態２)
図９Ａは本発明の実施の形態２における高出力/低出力集積赤色レーザの平面図、図９Ｂは図９ＡのIII−III線断面図、図９Ｃは図９ＡのIV−IV線断面図である。

図１０Ａ−Ｅは本発明の実施の形態２における半導体レーザの製造工程を示す断面構造図である。ここでは図１０Ａ−Ｅの製造工程に沿って説明する。
（１）図１０Ａに示すように、n型GaAs基板４０１上に、低出力レーザ用n型クラッド層４０２、活性層４０３、p型クラッド層４０４を順次積層する。前記活性層４０３は量子井戸構造により構成される。なお、本実施形態においては高出力レーザのｎ型クラッド層４０５、活性層４０６、ｐ型クラッド層４０７はそれぞれ前記各層に兼ねられている。
（２）図１０Ｂに示すように、ｐ型クラッド層４０４及び４０７の一部をエッチングし、リッジ型導波路を形成する。
（３）図１０Ｃに示すように、ｐ型クラッド層４０４及び４０７の一部をさらに基板４０１までエッチングし、低出力レーザと高出力レーザの素子分離を行う。本実施形態では低出力レーザの動作電流低減のため、高出力レーザより共振器幅を小さくしている。
（４）図１０Ｄに示すように、図９の５０２、５０３、５０５、５０６に示される領域の直下の活性層にZn拡散を施す。図９の５０１、５０４領域の長さはそれぞれ４８０μm、９８０μmである。
（５）図１０Ｅに示すように、ｐ側電極４０８、ｎ側電極４０９を形成する。

この素子の電流−光出力特性を図１１に示す。高出力レーザが200mWを超える光出力を実現する一方で、低出力レーザは読み出しに必要な10mWの光出力を20mA程度の低動作電流で実現している。

従来の書き換えDVD用高出力赤色レーザは、共振器長が長いため、データ読み出しのための低出力動作時における動作電流が、読み込み専用の共振器長が短い低出力赤色レーザに比べて高くなってしまう。しかし本実施例で示すように、実効的な共振器長が異なる二つの赤色レーザをモノリシックに集積し、データ書き込みは共振器長の長い高出力レーザ、データ読み出しは共振器長の短い低出力レーザで行うことにより、データ書き込みの性能を落とすことなく、かつデータ読み出しにおいては従来よりも消費電力の小さい光ピックアップの実現が可能となる。

このように、本発明は二波長レーザに限らず、同波長帯レーザのモノリシック集積などへの応用も可能である。

図１Ａは本発明の実施の形態１における二波長レーザの断面図、図１Ｂは図１ＡのＩ−Ｉ線断面図、図１Ｃは図１ＡのII−II線断面図。 図２は本発明の実施の形態１における二波長レーザの斜視図。 図３Ａ−Ｄは本発明の実施の形態１における二波長レーザの製造工程断面図。 図４Ａ−Ｂは本発明の実施の形態１における二波長レーザの製造工程断面図、図４Ａ’−Ｂ’は同平面図。 図５Ａ−Ｄは本発明の実施の形態１における二波長レーザの製造工程断面図。 図６は共振器長700μmの二波長レーザの電流―光出力特性図。 図７は共振器長1000μmの二波長レーザの電流―光出力特性図。 図８は本発明の実施の形態１における二波長レーザの電流―光出力特性図。 図９Ａは本発明の実施の形態２における高出力及び低出力赤色レーザモノリシック集積チップの平面図、図９ＢはＡのIII−III線断面図、図９ＣはＡのIV−IV線断面図。 図１０Ａ−Ｅは本発明の実施の形態２における高出力及び低出力赤色レーザモノリシック集積チップの製造工程断面図。 図１１は本発明の実施の形態２における二波長レーザの電流―光出力特性図。

符号の説明

１０１，４０１ 基板
１０２ 赤外レーザn型クラッド層
１０３ 赤外レーザ活性層
１０４ 赤外レーザp型クラッド層
１０５ 赤色レーザn型クラッド層
１０６ 赤色レーザ活性層
１０７ 赤色レーザｐクラッド層
１０８ 電流ブロック層
１０９ コンタクト層
１１０ 赤外レーザp側電極
１１１ 赤色レーザｐ側電極
１１２，４１０ ｎ側電極
２０１ 赤外レーザ電流注入領域
２０２ 赤外レーザ前端面側電流非注入領域
２０３ 赤外レーザ後端面側電流非注入領域
２０４ 赤色レーザ電流注入領域
２０５ 赤色レーザ前端面側電流非注入領域
２０６ 赤色レーザ後端面側電流非注入領域
３０１ 酸化亜鉛膜
４０２ 低出力赤色レーザn型クラッド層
４０３ 低出力赤色レーザ活性層
４０４ 低出力赤色レーザp型クラッド層
４０５ 高出力赤色レーザn型クラッド層
４０６ 高出力赤色レーザ活性層
４０７ 高出力赤色レーザｐクラッド層
４０８ 低出力赤色レーザp側電極
４０９ 高出力赤色レーザｐ側電極
５０１ 低出力赤色レーザ電流注入領域
５０２ 低出力赤色レーザ前端面側電流非注入領域
５０３ 低出力赤色レーザ後端面側電流非注入領域
５０４ 高出力赤色レーザ電流注入領域
５０５ 高出力赤色レーザ前端面側電流非注入領域
５０６ 高出力赤色レーザ後端面側電流非注入領域

Claims (8)

1. 基板上に互いに平行に形成され、同じ共振器長を有する複数の共振器と、
   前記複数の共振器に形成された活性層と、
   前記複数の共振器の両端面付近に形成された電流非注入領域と、
   前記複数の共振器に形成され、互いに長さが異なる電流注入領域とを備えていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 少なくとも二つの前記活性層より得られる発光波長がそれぞれ異なる請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 少なくとも一つの前記活性層が量子井戸により構成される請求項１に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記電流非注入領域における伝搬光の存在する領域の半導体層のバンドギャップエネルギーが、活性層発光波長のエネルギーより大きい請求項１に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記活性層のうち少なくとも二つの前記活性層がそれぞれ(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP（0≦x≦1、0≦y≦1）及びAl_zGa_1-zAs（0≦z≦1）を含んだ層より構成され、前記二つの活性層より得られる波長がそれぞれ630nm以上690nm以下、及び760nm以上810nm以下である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記二つの活性層より得られる片端面からのそれぞれの最大光出力がいずれも80mW以上である請求項５に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記活性層より得られる最大光出力がそれぞれ異なる請求項１に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記少なくとも二つの活性層がいずれも(Al_xGa_1-x)_yIn_1-yP（0≦x≦1、0≦y≦1）を含んだ層より構成され、二つの活性層の内、最大光出力が高い方の素子における光出力が50mW以上であり、かつ最大光出力が低い方の素子の動作電流が光出力2mW以上において35mA以下である請求項７に記載の半導体レーザ装置。

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