JP2007142227A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導体レーザ装置の共振器長を変えることなく、半導体レーザ装置の高出力化を図ることを目的とする。
【解決手段】複数のコーナーミラー２０１等により光が反射して伝播するように屈折した導波路を形成することにより、劈開により形成される反射鏡間の距離である共振器長の増加を抑えながらも、実効的な導波路の長さである実効共振器長は伸ばして熱飽和により制限される光出力を増加することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＣＤ−ＤＡ、ＶＣＤなどの光ディスク装置、あるいは光情報処理、光通信、光計測などの光源として使用する半導体レーザ装置に関するものである。

半導体レーザは小型、低消費電力、低コスト、高信頼性などの利点を持つことから、ＣＤやＤＶＤなどの光ディスク用レーザとして広く普及している。
図９は従来の半導体レーザ装置の構造を示す図であり、図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は上面から見た平面図を示す。

図９において、基板１０１上に、クラッド層１０２および１０４に挟まれた活性層１０３を備え、クラッド層１０４の一部はストライプ状に形成されたリッジストライプ領域１０５を含有するリッジ導波路構造となっている。一般的に、基板１０１およびクラッド層１０２がｎ型、活性層１０３がノンドープ、クラッド層１０４、リッジストライプ領域１０５がｐ型の半導体により構成されたｐ−ｉ−ｎ構造となっており、素子上下部にそれぞれｐ側電極１０６、ｎ側電極１０７が設けられている。共振器端面１０８は劈開による反射鏡が形成されており、さらに反射率・透過率の制御および端面保護膜として誘電体膜がコーティングされている。この共振器端面１０８に形成された２つの反射鏡間に直線的にリッジ導波路構造が形成されている。

特に、ＤＶＤに用いられる発振波長６５０ｎｍ帯の赤色レーザは多くの場合、基板にはＳｉドープしたＧａＡｓ、ｎ型クラッド層にはＳｉもしくはＳｅがドーピングされたＡｌＧａＩｎＰ、ｐ型クラッド層にはＺｎもしくはＭｇがドーピングされたＡｌＧａＩｎＰが用いられ、活性層にはＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰからなる量子井戸が用いられる（例えば、特許文献１参照）。

図１０は従来の二波長半導体レーザ装置の構造を示す図であり、図１１は従来の二波長レーザ装置の電流−光出力特性を示す図である。
図１０に示すように、１つの基板に、例えば、赤外半導体レーザと赤色半導体レーザがモノリシックに形成されている。この二波長半導体レーザ装置における電流−光出力特性は、図１１に示すように、電流が大きくなっても、赤色レーザでは熱飽和のため光出力が低下し、赤外レーザに比べて赤色レーザの最大光出力は小さくなる。

光ディスク用レーザには、光出力、動作電流・電圧、発振波長、出射光拡がり角など、様々な特性が要求される。とくに、光ディスクへの書き込み速度は、光出力に依存するため、より高速なデータ書き込みを行うために年々レーザ光の高出力化が求められている。
特開２００１−５７４６２号公報

高出力化に伴い、動作に必要な注入電流は増加する。それに伴い素子より発生する熱も増加し、素子温度が上昇する。素子温度の上昇は注入電子の非発光再結合の割合を増加させる。以上のようなフィードバックにより、電流を注入しても光出力が飽和する現象が生じる。レーザのさらなる高出力化を実現するためには、この熱飽和レベルを上げる必要がある。

そこで、共振器長を長くして発生する熱を逃がしやすくすることが、高出力化に効果的であることが知られている。”ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ｖｏｌ． ９， Ｎｏ． ５， ｐｐ． １２６０−１２６４， Ｓｅｐ／Ｏｃｔ ２００３”においてはＡｌＧａＩｎＰ系混晶よりなる半導体レーザにおいて、共振器長を９００μｍから１１００μｍに長くすることにより、最高光出力が２４５ｍＷから２９０ｍＷに改善した、と報告されている。

しかし、共振器長を長くすることによる問題点として、以下の事項が挙げられる。
（１）チップ面積が大きくなるため、ウェハからのチップ取れ数が減じ、原価が上昇する。

（２）チップをサブマウント上に半田付けによりボンディングする際、治具よりチップにかかる力およびチップと半田の熱膨張係数の差に起因する残留歪みが大きくなり、信頼性悪化の要因となりえる。

（３）ＣＤ用赤外レーザとＤＶＤ用赤色レーザをモノリシックに集積した二波長レーザにおいて、赤色半導体レーザの劈開面間距離である共振器長を高出力化のために長くした場合、赤外半導体レーザの動作電流が増加してしまう。これは、赤外レーザが赤色レーザに比べ長波長であり、光の空間的拡がりが大きく、高出力レーザの場合、クラッド層内のみでなくＧａＡｓコンタクト層やその他の光を吸収される層まで出力光が広がるため、導波損失が大きくなるからである。

これらの問題点を解決するために本発明の半導体レーザ装置は、半導体レーザ装置の共振器長を変えることなく、半導体レーザ装置の高出力化を図ることを目的とする。

本発明の請求項１記載の半導体レーザ装置は、基板上に、第一伝導型のクラッド層と、活性層と、第二伝導型のクラッド層を積層して成り、共振器端面が二つの平行な劈開面により形成され、少なくとも一方の共振器端面より光が出射される半導体レーザ装置であって、前記共振器端面間の距離である共振器長に比べて、光が前記活性層中の二つの前記共振器端面間を伝搬する片道距離である実行共振器長の方が長いことを特徴とする。

請求項２記載の半導体レーザ装置は、請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記活性層中の二つの前記共振器端面間を伝搬する光の進行方向を変更して前記実効共振器長を前記共振器長より長くする導波路構造を共振器内に備えることを特徴とする。

請求項３記載の半導体レーザ装置は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、前記導波路がリッジ導波路構造であることを特徴とする。
請求項４記載の半導体レーザ装置は、請求項３記載の半導体レーザ装置において、前記導波路のリッジ上部の幅が前記劈開面に対して垂直な方向の導波路と水平な方向の導波路とで異なることを特徴とする。

請求項５記載の半導体レーザ装置は、請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、前記導波路構造がコーナーミラーであることを特徴とする。

請求項６記載の半導体レーザ装置は、請求項５記載の半導体レーザ装置において、前記コーナーミラーが光の進行方向を直角に変更することを特徴とする。
請求項７記載の半導体レーザ装置は、請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ装置において、前記導波路構造がフォトニック結晶を利用した欠陥導波路であることを特徴とする。

請求項８記載の半導体レーザ装置は、赤色半導体レーザ装置と赤外半導体レーザ装置がモノリシックに形成された二波長半導体レーザ装置であって、前記赤色半導体レーザが請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体レーザ装置であることを特徴とする。

請求項９記載の半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ装置より成る多波長半導体レーザ装置であって、１または複数の半導体レーザ装置が前記請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体レーザ装置であることを特徴とする。

以上により、半導体レーザ装置の共振器長を変えることなく、半導体レーザ装置の高出力化を実現することができる。

本発明によれば、複数のコーナーミラー等により光が反射して伝播するように屈折した導波路を形成することにより、劈開により形成される反射鏡間の距離である共振器長の増加を抑えながらも、実効的な導波路の長さである実効共振器長は伸ばして熱飽和により制限される光出力を増加することが可能となる。また、モノリシック二波長半導体レーザ装置において、赤外半導体レーザの共振器長の増加を抑えながら、赤色半導体レーザの実効共振器長を伸ばすことができ、赤外レーザの抑制と赤色レーザの高出力化の両立を図ることが可能となる。

本発明は、光を伝播する導波路の長さである実効共振器長を劈開面間の距離である共振器長より長くすることにより、半導体レーザ装置の共振器長を変えることなく、半導体レーザ装置の高出力化を実現することができるものである。例えば、屈折した導波路を設け、屈折した導波路にあわせて光の進行方向を調整して伝播することにより実現する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
まず、実施の形態１における半導体レーザ装置について図１，図２，図３，図４，図５を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態１における半導体レーザの構造を示す斜視図、図２は実施の形態１の半導体レーザ装置におけるリッジストライプ形成工程を示す図、図３は実施の形態１の半導体レーザ装置におけるコーナーミラー形成工程を示す図である。図２および図３において、図２（ｂ），図２（ｄ），図２（ｆ），図３（ｂ），図３（ｄ），図３（ｆ）はそれぞれ、平面図である図２（ａ），図２（ｃ），図２（ｅ），図３（ａ），図３（ｃ），図３（ｅ）のＡ−Ａ’断面図である。図４は本発明の半導体レーザ装置におけるリッジストライプの形状を示す図であり、図４（ａ）はリッジストライプの形状を示す平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ’間およびＢ−Ｂ’間の断面図である。図５は実施の形態１における赤色半導体レーザ装置の電流−光出力特性を従来の赤外半導体レーザ装置と比較した図、図６は実施の形態１における半導体レーザ装置のリッジストライプ構成例を示す図である。

ここでは、図２および図３の製造工程に沿って赤色半導体レーザ装置について説明する。なお、各工程におけるＭＯＣＶＤ結晶成長技術、フォトリソグラフィ技術、半導体エッチング技術、ＣＶＤ誘電体膜堆積技術などはいずれも公知の技術によるものである。また、実際の製造工程ではウェハ単位でのプロセスとなるが、図２および図３の製造工程を示す模式図においては、説明の便宜上、一つのチップに注目して図示している。

まず、図２（ａ），図２（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型クラッド層１０４を順次積層する。活性層１０３は量子井戸構造により構成され、発振波長は６５５〜６６５ｎｍの間に設定されている。

次に、図２（ｃ），図２（ｄ）に示すように、リッジ導波路構造を形成するため、導波路パターンのレジストマスク３０１を形成する。導波路パターンは４箇所、直角に曲がるパターンを設けている。

次に、図２（ｅ），図２（ｆ）に示すように、レジストマスク３０１をマスクとしてｐ型クラッド層１０４の一部をドライエッチングにより選択的に除去し、ストライプ領域１０５を形成してリッジ構造を作製する。劈開面に垂直な方向および水平な方向のストライプパターンのトップ幅をそれぞれ１．５μｍ、２．０μｍとしている。ドライエッチングによるリッジ形成においても、エッチング時の化学的な反応の影響により、図４に示すように劈開面に垂直および水平な方向で互いに断面形状が異なる。劈開面に垂直および水平な方向で互いにストライプ幅を異なる値としているのは、この形状の違いを補償して、ボトム幅を同等にすることにより光の伝搬モードを安定させるためである。

次に、図３（ａ），図３（ｂ）に示すように、レジストマスク３０１を除去してストライプ領域１０５を露出する。
次に、図３（ｃ），図３（ｄ）に示すように、光を共振器内で曲げるためのコーナーミラーを作製するため、コーナーミラー形成領域を除く領域にレジストマスク３０２を形成する。

次に、図３（ｅ），図３（ｆ）に示すように、ミラー部で光が半導体と空気の屈折率差により９０度方向を変えて全反射するように、レジストマスク３０２を用いてコーナーミラー２０１をドライエッチングにより形成し、レジストマスク３０２を除去する。また、エッチングはｎ型クラッド層１０２の途中まで行い、活性層のエッチング面は空気と接するようにする。ＳｉＯ_２誘電体膜など活性層を構成する半導体より屈折率が小さい物質を活性層のエッチング面に形成しても良い。なお、伝搬光の散乱損失をなるべく小さくするため、エッチングは基板に対してなるべく垂直、かつエッチング表面が平滑になるよう行う。

この後の工程は、図示省略するが、素子状下部に電極を形成し、劈開により素子分離・端面反射鏡形成を施し、端面誘電体膜を端面に形成して素子を完成させる。
なお、各層の材料、伝導型、膜厚、キャリア濃度の例を以下の表に示す。

また、本実施の形態における実効共振器長（リッジ導波路の合計距離）は１５００μｍ、チップ長さである共振器長（劈開面間の距離）は９００μｍ、チップ幅は３５０μｍである。

図５には本実施の形態による電流−光出力特性を示している。比較として、共振器長１５００μｍ、チップ幅３００μｍの従来リッジ構造による高出力赤色半導体レーザ装置の電流−光出力特性を同図に示す。本実施の形態のチップ面積は従来の７０％であるが、実効的な共振器長が同等のため、熱飽和レベルも同等の値を達成している。したがって、同等の性能のチップを同じサイズのウェハからの取れ数が従来と比較して約１．４倍増やすことができ、原価を下げることが可能となる。また、チップ長さの低減により、組み立て後の残留歪も低減され、歪に起因する信頼性悪化などのリスクの低減に貢献する。

本実施の形態においては、４つのコーナーミラーにより実効共振器長をチップ長さより大きくする構造としたが、図６（ａ）に示す上面図のように２つのコーナーミラーで屈折させても良いし、図６（ｂ）に示すようにより実効共振器長が長くなるように４つのコーナーミラーの位置を調整しても良い。このように、コーナーミラーの位置や数は本実施の形態以外の構造としても、屈折した導波路内を光が反射して伝播するようにコーナーミラーを設置することにより、本発明による効果が期待できる。

また、本実施の形態において光を曲げる方法としてコーナーミラーを用いているが、円弧状に屈曲した曲がり導波路、フォトニック結晶を利用した欠陥導波路による曲がり導波路による構造を用いても本発明による効果が期待できる。

また、図では光を直角に曲げる場合について示したが、光を屈折させる導波機構は、光を直角に曲げるものでも良いし、その他の角度に曲げても、円弧状に屈曲させても良い。
また、上記説明では赤色半導体レーザ装置を例に説明したが、構成材料，膜厚，キャリア濃度あるいは構成要素のサイズ等は任意であり、その他の発振波長の半導体レーザ装置に用いても良い。

以上のように、複数のコーナーミラーにより光が反射して伝播するように屈折した導波路を形成することにより、共振器長を長くすることなく実効共振器長を長くすることができるので、熱飽和レベルを上げて高出力化を実現することができる。
（実施の形態２）
まず、実施の形態２における半導体レーザ装置について図７，図８を用いて説明する。

図７は本発明の実施の形態２における半導体レーザ装置の構造を示す斜視図、図８は実施の形態２における二波長半導体レーザ装置の電流−光出力特性を示す図である。
本実施の形態の大きな特徴は、基板１０１上に、活性層４０３がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系からなる赤外半導体レーザと、活性層１０３がＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系からなる赤色レーザとをモノリシックに集積した二波長半導体レーザ構造となっており、赤外半導体レーザは従来のリッジストライプ構造であるのに対し、赤色半導体レーザがコーナーミラー２０１により屈折した導波路のストライプ領域１０５を備えた構造となっている点である。

本実施の形態の製造方法は、図１０に示すような現在実用化されているモノリシック二波長半導体レーザ装置の製造方法と同じく、まず、赤外半導体レーザ構造を形成した後、赤色半導体レーザを形成する領域の赤外半導体レーザ構造を基板までエッチングして取り除き、このエッチングした領域に赤色半導体レーザを形成する。赤色半導体レーザの形成は実施の形態１と同様である。

各層の材料、伝導型、膜厚、キャリア濃度の例２を以下の表に示す。

また、本実施の形態における赤色半導体レーザの実効共振器長（リッジ導波路の合計距離）は２２００μｍ、チップ長さである共振器長（劈開面間の距離＝赤外レーザの共振器長）は１５００μｍ、チップ幅は４００μｍである。

図８に本実施の形態による二波長レーザ装置の電流−光出力特性を示しており、図１１の従来の二波長レーザ装置の電流−光出力特性と比較する。従来の二波長レーザ装置では、赤色半導体レーザの方が熱飽和による影響を強く受けるため、共振器長が同じとなる二波長半導体レーザ装置においては赤外半導体レーザに比べ赤色半導体レーザの最大光出力が小さく、赤外・赤色半導体レーザ双方の高出力化が困難であったが、本実施の形態では赤色半導体レーザに対してのみ、コーナーミラー等を用いて屈折した導波路を用いることにより、実効共振器長を伸ばすことができ、赤色半導体レーザの熱飽和レベルを上げることができるため、赤外・赤色半導体レーザ双方の高出力化が実現できる。

なお、本実施の形態では、赤色半導体レーザにおいて４つのコーナーミラーにより実効共振器長をチップ長さより大きくする構造を示したが、コーナーミラーの位置や数は実施の形態１と同様に本実施の形態以外の構造としても本発明による効果が期待できる。

また、本実施の形態において赤色半導体レーザ光を曲げる方法としてコーナーミラーを用いた構造を示したが、円弧状に屈曲した曲がり導波路、フォトニック結晶を利用した欠陥導波路による曲がり導波路による構造を用いても本発明による効果が期待できる。

また、図では光を直角に曲げる場合について示したが、光を屈折させる導波機構は、光を直角に曲げるものでも良いし、その他の角度に曲げても、円弧状に屈曲させても良い。
また、本実施実施の形態のような二波長レーザのみでなく、三波長レーザやレーザアレイなどの集積レーザにおいても本発明の適用が可能である。

以上のように、多波長半導体レーザ装置においても、複数のコーナーミラーにより光が出伝播するように屈折した導波路を形成することにより、共振器長を長くすることなく必要な実効共振器長を確保することができるので、熱飽和レベルを上げて高出力化を実現することができる。

本発明は、半導体レーザ装置の共振器長を変えることなく、半導体レーザ装置の高出力化を実現することができ、光ディスク装置、あるいは光情報処理、光通信、光計測などの光源として使用する半導体レーザ装置等に有用である。

本発明の実施の形態１における半導体レーザの構造を示す斜視図 実施の形態１の半導体レーザ装置におけるリッジストライプ形成工程を示す図 実施の形態１の半導体レーザ装置におけるコーナーミラー形成工程を示す図 本発明の半導体レーザ装置におけるリッジストライプの形状を示す図 実施の形態１における赤色半導体レーザ装置の電流−光出力特性を従来の赤外半導体レーザ装置と比較した図 実施の形態１における半導体レーザ装置のリッジストライプ構成例を示す図 本発明の実施の形態２における半導体レーザ装置の構造を示す斜視図 実施の形態２における二波長半導体レーザ装置の電流−光出力特性を示す図 従来の半導体レーザ装置の構造を示す図 従来の二波長半導体レーザ装置の構造を示す図 従来の二波長レーザ装置の電流−光出力特性を示す図

符号の説明

１０１ 基板
１０２ クラッド層
１０３ 活性層
１０４ クラッド層
１０５ ストライプ領域
１０６ ｐ側電極
１０７ ｎ側電極
１０８ 共振器端面
２０１ コーナーミラー
３０１ レジストマスク
３０２ レジストマスク
４０３ 活性層

Claims (9)

1. 基板上に、第一伝導型のクラッド層と、活性層と、第二伝導型のクラッド層を積層して成り、共振器端面が二つの平行な劈開面により形成され、少なくとも一方の共振器端面より光が出射される半導体レーザ装置であって、
   前記共振器端面間の距離である共振器長に比べて、光が前記活性層中の二つの前記共振器端面間を伝搬する片道距離である実行共振器長の方が長いことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記活性層中の二つの前記共振器端面間を伝搬する光の進行方向を変更して前記実効共振器長を前記共振器長より長くする導波路構造を共振器内に備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記導波路がリッジ導波路構造であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
4. 前記導波路のリッジ上部の幅が前記劈開面に対して垂直な方向の導波路と水平な方向の導波路とで異なることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
5. 前記導波路構造がコーナーミラーであることを特徴とする請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記コーナーミラーが光の進行方向を直角に変更することを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ装置。
7. 前記導波路構造がフォトニック結晶を利用した欠陥導波路であることを特徴とする請求項２または請求項３または請求項４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
8. 赤色半導体レーザ装置と赤外半導体レーザ装置がモノリシックに形成された二波長半導体レーザ装置であって、
   前記赤色半導体レーザが請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体レーザ装置であることを特徴とする半導体レーザ装置。
9. 複数の半導体レーザ装置より成る多波長半導体レーザ装置であって、
   １または複数の半導体レーザ装置が前記請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体レーザ装置であることを特徴とする半導体レーザ装置。

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