(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【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（Ａｌ2 Ｏ3 ）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Ｇａx Ｉｎ1-x Ｎ（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（ＳｉＯx Ｎy ）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 ）3 Ｇａ）、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 ）3 Ａｌ）、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 ）3 Ｉｎ）、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（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ）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
【図１】
0003646302.tif 000002
【図２】
0003646302.tif 000003
【図３】
0003646302.tif 000004