(57)【要約】【課題】高密度の結晶欠陥および表面ラフネスの発生を抑制することの可能な半導体レーザを提供する。【解決手段】基板１０の一面側に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４および上部ＤＢＲ層１５をこの順に積層してなる積層体２０が設けられている。積層体２０の上部、例えば、活性層１３、上部スペーサ層１４および上部ＤＢＲ層１５には柱状のメサ部１６が形成されている。基板１０は、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に０度よりも大きなオフ角を有する傾斜基板によって構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、活性層および電流狭窄層を含む積層体を備え、
前記基板は、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に０度よりも大きなオフ角を有する傾斜基板である
半導体レーザ。
【請求項２】
前記基板は、ＧａＮ基板であり、
前記活性層は、前記基板を成長基板として用いて結晶成長することにより形成されたものである
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記オフ角は、０．１度以上となっている
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記オフ角は、０．２度以上となっている
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記積層体は、第１多層膜反射鏡、前記活性層、および第２多層膜反射鏡を前記基板側から順に含む
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記積層体は、前記第１多層膜反射鏡、前記活性層、および前記第２多層膜反射鏡を含む１つのメサ部を有する
請求項５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記積層体は、前記第１多層膜反射鏡、前記活性層、および前記第２多層膜反射鏡を含む複数のメサ部を有する
請求項５に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層方向にレーザ光を射出する半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型の半導体レーザは、端面発光型の半導体レーザと比べて低消費電力であり、かつ、直接変調可能であることから、近年、安価な光通信用光源として使われている。
【０００３】
面発光型の半導体レーザでは、一般に、基板上に、下部ＤＢＲ層、下部スペーサ層、活性層、上部スペーサ層、上部ＤＢＲ層およびコンタクト層をこの順に積層してなる柱状のメサが設けられている。下部ＤＢＲ層および上部ＤＢＲ層のいずれか一方には、活性層への電流注入効率を高め、しきい値電流を下げるために、電流注入領域を狭めた構造を有する電流狭窄層が設けられている。メサの上面および基板の裏面にはそれぞれ、電極が設けられている。この半導体レーザでは、電極から注入された電流が電流狭窄層により狭窄されたのち活性層に注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、下部ＤＢＲ層および上部ＤＢＲ層により反射され、所定の波長でレーザ発振が生じ、メサの上面からレーザ光として射出される。
【０００４】
ところで、近年、基板としてサファイア基板またはＧａＮ基板を用いたＧａＮ系の面発光型の半導体レーザの開発が行われている（例えば、非特許文献１，２，３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y. Higuchi, K. Omae, H. Matsumura, T. Mukai, Applied Physics Express 121102, 2008
【非特許文献２】J.W. Scott, R.S. Geels, S.W. Corzine, L.A. Coldren, Journal of Quantum Electronics, vol.29, No5, 1295 1993
【非特許文献３】J.M.Elson, J.P.Rahm, J.M.Bennett, Applied Optics, vol.22, No.20, 3207 1983
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、基板としてサファイア基板を用いた場合には、基板上のデバイスに高密度の結晶欠陥が生じてしまい、信頼性に問題があった。一方、基板としてＧａＮ基板を用いた場合には、結晶成長の際に表面ラフネスが発生し、デバイス特性が悪化してしまうという問題があった。
【０００７】
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、高密度の結晶欠陥および表面ラフネスの発生を抑制することの可能な半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体レーザは、基板上に、活性層と電流狭窄層とを含む積層体を備えたものである。基板は、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に０度よりも大きなオフ角を有する傾斜基板である。
【０００９】
本発明の半導体レーザでは、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に０度よりも大きなオフ角を有する傾斜基板が基板として用いられている。これにより、基板としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて、基板上のデバイスにおいて、高密度の結晶欠陥が生じる虞をなくすることができ、さらにＲＭＳラフネスが小さくなる。その結果、例えば、積層体に入射した光が積層体で反射され、反射光が生じたときに、散乱光がほとんど生じない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザによれば、積層体に入射した光が積層体で反射され、反射光が生じたときに、散乱光がほとんど生じないようにした。これにより、基板としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて、散乱ロスを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る面発光型の半導体レーザの断面図である。
【図２】オフ角と散乱ロスとの関係の一例を表す関係図である。
【図３】図１の下部ＤＢＲ層における光反射の模式図である。
【図４】図１の下部ＤＢＲ層においてラフネスが発生している場合の光反射の模式図である。
【図５】図１の面発光型の半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図６】図５の下部ＤＢＲ層においてラフネスが発生している場合の発振の模式図である。
【図７】図５の下部ＤＢＲ層における発振の模式図である。
【図８】オフ角と波長差との関係の一例を表す関係図である。
【図９】図１の面発光型の半導体レーザの他の変形例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（図１〜図４）
○１つのメサ部が設けられている例
○下部スペーサ層上に下部電極が設けられている例
２．変形例
○複数のメサ部が設けられている例（図５〜図８）
○基板の裏面に下部電極が設けられている例（図９）
【００１３】
＜実施の形態＞
[概略構成]
図１は、本発明の一実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ１の断面構成の一例を表したものである。なお、図１は模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
【００１４】
本実施の形態の半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４および上部ＤＢＲ層１５をこの順に積層してなる積層体２０を備えている。この積層体２０のうち、少なくとも、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、および上部スペーサ層１４は、基板１０を成長基板として用いて結晶成長することにより形成されたものである。この積層体２０の上部、例えば、活性層１３、上部スペーサ層１４および上部ＤＢＲ層１５には１つの柱状のメサ部１６が形成されている。メサ部１６には、例えば、活性層１３と、上部スペーサ層１４との間に絶縁層１７が設けられている。この絶縁層１７は、メサ部１６の中央部分に対応する部分に開口１７Ａを有しており、開口１７Ａは上部スペーサ層１４によって埋め込まれている。従って、絶縁層１７は、開口１７Ａにおいて電流を狭窄することが可能となっている。
【００１５】
メサ部１６の側面には段差が設けられている。具体的には、上部スペーサ層１４と上部ＤＢＲ層１５との境界に段差が設けられており、この段差の上面には上部スペーサ層１４の上面に接する上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁層１７の開口１７Ａとの対向領域を含む領域に開口２１Ａを有しており、上部電極２１のうち開口２１Ａ側の部分が、例えば、図１に示したように、上部スペーサ層１４と、上部ＤＢＲ層との間に挟まれている。また、メサ部１６の裾野、すなわち、下部スペーサ層１２の上面には下部スペーサ層１２の上面に接する下部電極２２が設けられている。この下部電極２２は、例えば、メサ部１６を囲む環状の形状となっている。
【００１６】
なお、本実施の形態では、下部ＤＢＲ層１１が本発明の「第１多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。上部ＤＢＲ層１５が本発明の「第２多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。
【００１７】
基板１０は、例えば、ＧａＮ基板である。基板１０として用いられるＧａＮ基板は、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に０度よりも大きなオフ角を有する傾斜基板である。以下、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に向かう軸をＡ軸と称する。図２は、ＧａＮ基板におけるＡ軸のオフ角と散乱ロスとの関係を表したものである。図２には、サンプルごとの散乱ロスが１つずつプロットされている。図２中の直線Ａは、全てのプロットからオフ角ごとの平均値をとったときに得られた直線である。図２中の直線Ｂは、少なくとも１つのプロット上に位置することを前提として、直線Ａをオフ角が小さくなる方向にシフトさせたときにそのシフト量が最大となる直線である。図２中の直線Ｃは、少なくとも１つのプロット上に位置することを前提として、直線Ａをオフ角が大きくなる方向にシフトさせたときにそのシフト量が最大となる直線である。
【００１８】
図２から、オフ角がゼロ度のＧａＮ基板を基板１０として用いた場合と比べて、散乱ロスにばらつきがあったとしても、散乱ロスが確実に小さくなるオフ角が、０．１度以上であることが分かる。従って、基板１０として用いられるＧａＮ基板におけるＡ軸のオフ角は、０．１度以上であることが好ましい。また、図２から、オフ角が０．５度以上となると、散乱ロスがなくなることが予想される。また、半導体レーザ１のしきい値利得が１％程度である場合には、散乱ロスＬｓｃが１％以下であることが好ましい。散乱ロスＬｓｃを１％以下とするためには、図２に示したように、オフ角を０．２以上にすることが必要である。なお、散乱ロスについての説明は、後に詳述するものとする。
【００１９】
下部ＤＢＲ層１１は、図３に示したように、低屈折率層１２Ａおよび高屈折率層１２Ｂを交互に積層して形成されたものである。低屈折率層１２Ａは、例えば、厚さがλ0／４ｎ1 （λ0は発振波長、ｎ1 は屈折率）のＡｌx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）により構成されている。高屈折率層は、例えば、厚さがλ0／４ｎ2(ｎ2 は屈折率）のｎ型Ａｌx2Ｇａ1-x2Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）により構成されている。下部スペーサ層１２は、例えば、ｎ型Ａｌx3Ｇａ1-x3Ｎ（０≦ｘ３＜１）により構成されている。基板１０、下部ＤＢＲ層１１および下部スペーサ層１２には、例えばケイ素（Ｓｉ）などのｎ型不純物が含まれている。
【００２０】
活性層１３は、例えば、アンドープのＩｎx4Ｇａ1-x4Ｎ（０＜ｘ４＜１）からなる井戸層（図示せず）およびアンドープのＩｎx5Ｇａ1-x5Ｎ（０＜ｘ５＜ｘ４）からなる障壁層（図示せず）を交互に積層してなる多重量子井戸構造となっている。なお、活性層１３のうち積層面内方向における中央部分が発光領域１３Ａとなる。
【００２１】
上部スペーサ層１４は、例えば、ｐ型Ａｌx6Ｇａ1-x6Ｎ（０≦ｘ６＜１）により構成されている。上部ＤＢＲ層１５は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を交互に積層して構成されたものである。低屈折率層は、例えば、厚さがλ1／４ｎ3ている。高屈折率層は、例えば、厚さがλ1／４ｎ4 （ｎ4 は屈折率）のＡｌx8Ｇａ1-x8Ｎ（０≦ｘ８＜ｘ７）により構成されている。なお、上部ＤＢＲ層１５は、誘電率の互いに異なる２種類の誘電体層（例えばＳｉＯ2、ＳｉＮ）を交互に積層して構成されたものであってもよい。上部スペーサ層１４には、例えばマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物が含まれている。
【００２２】
上部電極２１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）をこの順に積層して構成されたものであり、上部スペーサ層１４および上部ＤＢＲ層１５と電気的に接続されている。下部電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。
【００２３】
[製造方法]
本実施の形態の半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。
【００２４】
ここでは、基板１０として、Ｃ面（０００１）から［１−１００］方向に０．１度以上のオフ角を有するオフ基板を用いる。また、基板１０上の窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料としては、例えば、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、アンモニア (ＮＨ３)を用いる。
【００２５】
具体的には、まず、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、オフ基板である基板１０上に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、および活性層１３をこの順に積層する。次に、所定の位置に開口１７Ａを有する絶縁層１７を形成したのち、再び、例えばＭＯＣＶＤ法を用いて、上部スペーサ層１４を形成する。次に、例えば蒸着法を用いて、上部スペーサ層１４の上面のうち所定の位置に開口２１Ａを有する上部電極２１を形成したのち、例えば誘電体材料のスパッタリングにより、上部スペーサ層１４の上面のうち開口２１Ａ内で露出している部分と、上部電極２１の内縁との上面に上部ＤＢＲ層１５を形成する。
【００２６】
次に、例えばドライエッチング法により、上部スペーサ層１４から活性層１３までを選択的にエッチングして、側面に段差を有するメサ部１６を形成する。次に、メサ部１６の裾野に環状の下部電極２２を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。
【００２７】
次に、本実施の形態の半導体レーザ１の作用および効果について説明する。
【００２８】
[作用・効果]
本実施の形態の半導体レーザ１では、下部電極２２と上部電極２１との間に所定の電圧が印加されると、絶縁層１７の開口１７Ａを通して活性層１３に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１５により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じる。
【００２９】
ところで、従来では、基板としてサファイア基板、またはオフ角の無いＧａＮ基板が用いられていた。基板としてサファイア基板が用いられた場合には、基板上のデバイスに高密度の結晶欠陥が生じてしまい、信頼性に問題があった。一方、基板としてオフ角の無いＧａＮ基板が用いられた場合には、例えば、図４に示したように、結晶成長の際に表面ラフネスが発生し、これにより、例えば、散乱ロスが発生し、デバイス特性が悪化してしまうという問題があった。なお、散乱ロスは、以下の式を用いて見積もることが可能である。
【００３０】
一般に、レーザが発振するためには以下の式（１）を満たすことが必要である（単位はｃｍ-1）。なお、式（１）中のΓｇｔｈは、しきい値利得である。同様に、αｉは、内部ロスであり、αｍは、ミラーロスである。
Γｇｔｈ＝αｉ＋αｍ…（１）
【００３１】
しかし、面発光型の半導体レーザでは、共振器長の測定が難しいので、以下の式（２）を用いる方が簡便である（単位は％）（上記非特許文献２参照）。なお、式（２）中のＧｔｈは閾値利得である。同様に、Ｌは内部ロスであり、Ｔはミラーロスである。
Ｇｔｈ＝Ｌ＋Ｔ…（２）
【００３２】
通常の面発光型の半導体レーザでは、Ｌは自由キャリア吸収などが支配的な要因であるが、基板としてＧａＮ基板を用いた場合には、表面や界面での凹凸による散乱ロスが支配的になると思われる。一般的な内部ロス（自由キャリア吸収やＭｇ等のドーパントの吸収など）をＬｉとし、散乱ロスをＬｓｃとすると、ＬｉおよびＬｓｃは、以下の式（３）を満たす。
Ｌｉ＜＜Ｌｓｃ…（３）
【００３３】
ＲＭＳラフネスσを有する面からの散乱ロスＬｓｃは以下の式（４）で表される（上記非特許文献３参照）。式（４）から、ＲＭＳラフネスσを有する面では、ＲＭＳラフネスσが大きくなる程、散乱ロスＬｓｃが２乗に比例して増大することが分かる。なお、式（４）中のｎは下部ＤＢＲ層１２の誘電率である。
Ｌｓｃ＝（４πｎσ／λ）2…（４）
【００３４】
一方、本実施の形態では、基板１０として上述した傾斜基板が用いられており、基板１０上のデバイスにおいて、ＲＭＳラフネスσが、基板１０としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて小さくなっている（図２参照）。これにより、例えば、図３に示したように、下部ＤＢＲ層１１に入射した光Ｐｉｎが下部ＤＢＲ層１１で反射され、反射光Ｐｒが生じたときに、図４に示したような散乱光Ｐｓｃがほとんど生じない。その結果、基板１０としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて、散乱ロスＬｓｃを小さくすることができる。また、本実施の形態では、基板１０としてＧａＮ基板が用いられているので、基板１０としてサファイア基板が用いられた場合のような高密度の結晶欠陥が積層体２０に生じる虞がない。
【００３５】
＜変形例＞
以上、実施の形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。
【００３６】
例えば、上記実施の形態では、半導体レーザ１は、単一のメサ部１６を有しており、シングルビームを発するようになっていたが、例えば、図５に示したように、複数のメサ部１６を有しており、マルチビームを発するようになっていてもよい。
【００３７】
ただし、その場合に、基板１０としてオフ角の無い基板を用いたときには、例えば、図６に示したように、結晶成長の際に表面ラフネスが発生し、これにより、例えば、隣り合うメサ部１６同士の間で共振器長が互いに異なってしまう。その結果、隣り合うメサ部１６同士の間で大きな波長差Δλ1（＝｜λ1−λ2｜）が発生し、所望の範囲内の波長を出力することができなくなってしまう虞がある。
【００３８】
そこで、本変形例では、基板１０として上述したオフ基板が用いられており、基板１０上のデバイスにおいて、ＲＭＳラフネスσが、基板１０としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて小さくなっている（図２参照）。これにより、基板１０としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて、波長差Δλ2（＝｜λ3−λ4｜＜Δλ1）を小さくすることができる（図７参照）。
【００３９】
図８は、ＧａＮ基板におけるＡ軸のオフ角と波長差Δλ（Δλ1，Δλ2）との関係を表したものである。図８には、波長差Δλが１つずつプロットされている。図８中の直線Ｄは、全てのプロットからオフ角ごとの平均値をとったときに得られた直線である。図８中の直線Ｅは、少なくとも１つのプロット上に位置することを前提として、直線Ｄをオフ角が小さくなる方向にシフトさせたときにそのシフト量が最大となる直線である。図８中の直線Ｆは、少なくとも１つのプロット上に位置することを前提として、直線Ｄをオフ角が大きくなる方向にシフトさせたときにそのシフト量が最大となる直線である。
【００４０】
図８から、オフ角がゼロ度のＧａＮ基板を基板１０として用いた場合と比べて波長差Δλが確実に小さくなるオフ角が、０．１度以上であることが分かる。従って、基板１０として用いられるＧａＮ基板におけるＡ軸のオフ角は、０．１度以上であることが好ましい。また、図８から、オフ角が０．５度以上となると、波長差Δλがなくなることが予想される。
【００４１】
このように、本変形例では、基板１０としてオフ角の無い基板を用いた場合と比べて、波長差Δλを小さくすることができる。その結果、所望の範囲内の波長を確実に出力することができる。
【００４２】
また、上記実施の形態およびその変形例では、半導体レーザ１は、下部スペーサ層１２の上面に下部電極２２が設けられていたが、例えば、図９に示したように、基板１０の裏面に設けられていてもよい。
【００４３】
また、上記実施の形態およびその変形例では、半導体レーザ１は、基板１０上に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、および上部ＤＢＲ層１５を有していたが、これら全てを必ず有していないといけない訳ではない。例えば、下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１５が省略されていたり、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、上部スペーサ層１４、および上部ＤＢＲ層１５が省略されていたりしてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態およびその変形例では、ＧａＮ系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザにも適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１…半導体レーザ、１０…基板、１１…下部ＤＢＲ層、１２…下部スペーサ層、１２Ａ…低屈折率層、１２Ｂ…高屈折率層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…上部スペーサ層、１５…上部ＤＢＲ層、１６…メサ部、１７…絶縁層、１７Ａ，２１Ａ…開口、２０…積層体、２１…上部電極、２２…下部電極、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ…直線、Ｌｓｃ…散乱ロス、Ｐｉｎ…光，Ｐｒ…反射光、Ｐｓｃ…散乱光、σ…ＲＭＳラフネス、λ1，λ2…波長、Δλ1，Δλ2…波長差。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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