JPH07297476A

JPH07297476A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH07297476A
Application number: JP8286994A
Authority: JP
Inventors: So Otoshi; 創大歳; Toshiaki Tanaka; 俊明田中; Shigekazu Minagawa; 重量皆川; Yoshihiro Ishitani; 善博石谷; Shinji Tsuji; 伸二辻
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-04-21
Filing date: 1994-04-21
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】ＧａＮ系の青色半導体レーザ装置を実現する。【構成】格子整合したＧａＮ／ＩｎＡｌＮで構成された
ブラッグ反射鏡５、１１で歪量子井戸層（活性層）７を
挾み、活性層７を［０００１］軸から５°〜１０°以上
傾斜した軸の方向に成長する。【効果】偏光方向が制御された青色の面発光レーザが実
現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ装置に係
り、特に光ディスクシステムなどの光源に好適な、青色
の面発光型半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｎ（窒素）を含まない、III−Ｖ族の面
発光レーザ、例えばＧａＡｓ基板上に形成された波長
０．６〜０．９μｍ帯面発光レーザ、あるいはＩｎＰ基
板上に形成された波長１．３〜１．５μｍ帯面発光レー
ザは広く知られている。

【０００３】また、サファイア（０００１）基板上に作
製された、ＧａＮ系の青色発光ダイオードも報告されて
いる（文献１：エス・ナカムラ、ジャパニーズ・ジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジクス、第３２巻パート
２（第１Ａ／Ｂ号）、Ｌ８頁−Ｌ１１頁、文献２：日経
エレクトロニクス、Ｎｏ．５９８、５９頁〜６０頁、１
９９４年１月３日号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＮ系の青色半導体
レーザは、まだ実現されていない。その原因の一つが、
レーザ端面の形成方法が確立されていないことにある。
これまで、報告されているＧａＮ系の発光ダイオード
は、ウルツ鉱型の結晶構造を有し、サファイア（０００
１）基板上に作製されているため、劈開で鏡面を得るこ
とが困難であった。

【０００５】したがって、本発明の目的は、ウルツ鉱型
の結晶構造における最適のレーザ共振器構造を示し、Ｇ
ａＮ系面発光レーザを実現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、基板上
に、少なくともウルツ鉱型半導体である活性層、および
屈折率の異なる少なくとも２種類の半導体層を周期的に
形成してなるブラッグ反射鏡を設けることによって達成
される。とくに、結晶成長方向を、［０００１］軸ある
いはこれと等価な軸から５°〜１０°以上傾斜した軸に
平行にとることにより、偏光方向を制御することができ
る。また、上記ブラッグ反射鏡を構成している２種類の
半導体層を、互いに格子整合した、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０
≦ｘ≦１）とＩｎＡｌＮ等にすることによって効果的に
達成できる。

【０００７】

【作用】半導体レーザの共振器は、端面での反射を利用
するファブリペロー型と、周期的に屈折率が変化したブ
ラッグ反射鏡型に大別できる。上述のように、ウルツ鉱
型半導体では、端面形成が難しいため、ブラッグ反射鏡
によって共振器を形成する方が有利である。

【０００８】また、図３は、ウルツ鉱型半導体、すなわ
ち六方格子の方向の指数を表したものである。この図
で、［０００１］軸の方向に結晶成長を行った場合、電
子構造の対称性により、面から出射されるレーザ光の偏
光方向は、０〜３６０°どの方向に向くか予測できな
い、すなわち制御できない。したがって、偏光制御が必
要なシステムに応用するには、［０００１］軸から、５
〜１０°程度以上離れた軸を結晶成長方向とする必要が
ある。とくに、図３に示した、［１０−１０］軸、［１
１−２０］軸、［１０−１１］軸方向の結晶成長は容易
であり、結晶軸として有力な候補である。

【０００９】さらに、ブラッグ反射鏡は、屈折率の異な
る少なくとも２種類の半導体を周期的に形成することに
よって、作製される。また、各層の厚さは、各層内部で
の波長の１／４である。したがって、ブラッグ反射鏡を
構成する半導体は、互いに格子整合していることが必要
である。もし、ブラッグ反射鏡のような厚膜で格子不整
合があると、転位が発生し、素子の信頼性を損なうこと
になる。

【００１０】ＧａＮ系の場合、ブラッグ反射鏡を構成す
る高屈折率層としては、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦
１）、とくに結晶性の点で実績のあるＧａＮが有力であ
る。一方、このＩｎ_XＧａ_1-XＮに格子整合し、かつＩｎ
_XＧａ_1-XＮよりも５％以上屈折率が小さい材料として、
四元系では、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＡｌＮＰ、あるいは
ＧａＡｌＮＡｓがある。また、三元系では、ＩｎＡｌ
Ｎ、ＡｌＮＰ、あるいはＡｌＮＡｓがある。これら、材
料で、ブラッグ反射鏡を構成することにより、ＧａＮ系
の青色面発光レーザが実現できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１２】＜実施例１＞図１は、本発明の第１の実施
例である面発光型レーザの断面構成図を示したものであ
る。また、図２は本レーザの上面図である。図１は、図
２のＡ−Ｂ部分の断面図となっている。以下これらの図
にしたがって、素子構造および製造工程を説明する。

【００１３】表面が［１０−１０］軸に垂直であるサフ
ァイア基板１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法
により、ＧａＮのバッファ層（厚さ５μｍ）２を成長し
た後、ＧａＮに格子整合したＩｎＡｌＮのアンドープ低
屈折率層３とＧａＮのアンドープ高屈折率層４を１０．
５周期積層し、アンドープブラッグ反射鏡５を形成す
る。ただし、各層の厚さは素子内部での波長λの１／４
とする。次に、ｎ型ＧａＮ（Ｎ_D＝１×１０¹⁸［／c
m³］）の電子注入層６、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの
歪み量子井戸層（活性層）（厚さ７ｎｍ）７、ｐ型Ｇａ
Ｎ（Ｎ_A＝１×１０¹⁸［／cm³］）の正孔注入層８から成
る共振器を設ける。ただし、この共振器の厚さはλとす
る。続けて、ＧａＮに格子整合したＩｎＡｌＮのｐ型低
屈折率層９とＧａＮのｐ型高屈折率層１０を１０．５周
期積層し、ｐ型ブラッグ反射鏡１１を形成する。また、
電極との接触抵抗を下げるため、ｐ−ＧａＮキャップ層
１２（厚さλ／４、Ｎ_A＝２×１０¹⁸［／cm³］）を設け
る。次に、蒸着法を用いてｐ型電極１３を設け、さらに
表面から電子注入層６に到達するまでエッチングを行う
ことにより、１０μｍφの円形のメサを形成する。最後
に、メサの側部をＳｉＯ₂１４で被覆した後、ｎ型電極
１５を蒸着することで、図１および図２に示す実施例の
面発光レーザを作製する。

【００１４】上記実施例の素子において、しきい電流２
０ｍＡで発振する青色の面発光レーザが実現できる。ま
た、作製した素子全て、特定の方向に直線偏光したレー
ザ光を放出することになる。

【００１５】本実施例の面発光レーザを、光ディスクシ
ステムの光源に用いることにより、高性能なシステムを
構成することができる。

【００１６】＜実施例２＞図４は、本発明の第２の実施
例である面発光型レーザの断面構成図を示したものであ
る。以下この図にしたがって、素子構造および製造工程
を説明する。

【００１７】表面が［１０−１１］軸に垂直であるサフ
ァイア基板２１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）
法により、ＧａＮのバッファ層（厚さ５μｍ）２２を成
長した後、ＧａＮに格子整合したＡｌＮＰのアンドープ
低屈折率層２３とＧａＮのアンドープ高屈折率層２４を
１０．５周期積層し、ブラッグ反射鏡２５を形成する。
ただし、各層の厚さは素子内部での波長λの１／４とす
る。次に、ｎ型ＧａＮ（Ｎ_D＝１×１０¹⁸［／cm³］）の
電子注入層２６、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎの歪み量
子井戸層（活性層）（厚さ７ｎｍ）２７、ｐ型ＧａＮ
（Ｎ_A＝１×１０¹⁸［／cm³］）の正孔注入層２８から成
る共振器を設ける。ただし、この共振器の厚さはλとす
る。続けて、ＧａＮに格子整合したＡｌＮＰのアンドー
プ低屈折率層２９とＧａＮのアンドープ高屈折率層３０
を１０．５周期積層し、ブラッグ反射鏡３１を形成す
る。次に、表面から正孔注入層２８に到達するまでエッ
チングを行うことにより、６μｍφの円形のメサを形成
する。蒸着法を用いてｐ型電極３２を設け、さらに正孔
注入層２８の表面から電子注入層２６に到達するまでエ
ッチングを行う。最後に、歪み量子井戸層２７の側部を
ＳｉＯ₂３３で被覆した後、ｎ型電極３４を蒸着するこ
とで、図４に示す実施例の面発光レーザを作製する。

【００１８】上記実施例の素子において、しきい電流８
ｍＡで発振する青色の面発光レーザが実現できる。ま
た、作製した素子全て、特定の方向に直線偏光したレー
ザ光を放出することになる。

【００１９】本実施例の面発光レーザを、光ディスクシ
ステムの光源に用いることにより、高性能なシステムを
構成することができる。

【００２０】なお本発明は、実施例に示した以外の構造
にも有効である。例えば、素子の直列抵抗を低減するた
めに、ブラッグ反射鏡を形成している高屈折率層と低屈
折率層の間にグレーデッド層（組成が徐々に変化した
層）を設けた構造にも適用できる。また、基板はサファ
イアに限らず、ウルツ鉱結晶が得られる基板、例えば、
ＭｇＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ、ＳｉＯ₂等のセラミックス基
板、あるいは半導体基板でも良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、互いに格子整合したＧ
ａＮ／ＩｎＡｌＮ等で構成されたブラッグ反射鏡で反射
ミラーを形成しているので、高い反射率が得られ、Ｇａ
Ｎ系材料でのレーザ発振が可能になる。また、活性層を
［０００１］軸から５°〜１０°以上傾斜した軸の方向
に形成することにより、偏光方向が制御された青色面発
光レーザが実現できる。さらに、本発明の半導体レーザ
を光ディスクシステムに適用することで、システムの高
性能化が図れる。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となる半導体レーザ装置の断
面図。

【図２】同じく図１の上面図。

【図３】六方格子（ウルツ鉱型結晶構造）における方向
の指数の説明図。

【図４】同じく他の実施例となる半導体レーザ装置の断
面図。

【符号の説明】

１、２１…基板、２、２２…バ
ッファ層、３、２３…アンドープ低屈折率層、
４、２４…アンドープ高屈折率層、５、２５…アンドー
プブラッグ反射鏡、６、２６…電子注入層、７、２７
…歪み量子井戸層、８、２８…正孔注入
層、９…ｐ型低屈折率層、１０…ｐ
型高屈折率層、２９…アンドープ低屈折率層、
３０…アンドープ高屈折率層、１１…ｐ型ブラッグ反
射鏡、１２…ｐ型キャップ層、３１…アン
ドープブラッグ反射鏡、１３、３２…ｐ型電極、
１４、３３…ＳｉＯ₂、１５、３４…
ｎ型電極。

フロントページの続き (72)発明者石谷善博東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者辻伸二東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型であることを特徴とする半導体レー
ザ装置。
【請求項２】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型半導体レーザにおいて、上記成長方
向が［０００１］軸あるいはこれと等価な軸から５°以
上傾斜した軸に平行であることを特徴とする半導体レー
ザ装置。
【請求項３】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型半導体レーザにおいて、上記成長方
向が［０００１］軸あるいはこれと等価な軸から１０°
以上傾斜した軸に平行であることを特徴とする半導体レ
ーザ装置。
【請求項４】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型半導体レーザにおいて、上記成長方
向が［０００１］軸あるいはこれと等価な軸から５°以
下のずれを有する軸に平行であることを特徴とする半導
体レーザ装置。
【請求項５】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型半導体レーザにおいて、上記成長方
向が［１０−１０］軸あるいはこれと等価な軸から５°
以内のずれを有する軸に平行であることを特徴とする半
導体レーザ装置。
【請求項６】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型半導体レーザにおいて、上記成長方
向が［１１−２０］軸あるいはこれと等価な軸から５°
以内のずれを有する軸に平行であることを特徴とする半
導体レーザ装置。
【請求項７】基板上に、少なくともウルツ鉱型半導体で
ある活性層、および屈折率の異なる少なくとも２種類の
半導体層を周期的に形成してなるブラッグ反射鏡が結晶
成長によって形成され、その成長方向と平行な方向に光
を放出する面発光型半導体レーザにおいて、上記成長方
向が［１０−１１］軸あるいはこれと等価な軸から５°
以内のずれを有する軸に平行であることを特徴とする半
導体レーザ装置。
【請求項８】上記ブラッグ反射鏡を構成している半導体
が、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのいず
れかで形成された二元、三元、もしくは四元の化合物半
導体である、請求項１〜７何れか記載の半導体レーザ装
置。
【請求項９】上記ブラッグ反射鏡を構成している２種類
の半導体層が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）、および
該Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）に格子整合したＩｎＧ
ａＡｌＮである、請求項１〜７何れか記載の半導体レー
ザ装置。
【請求項１０】上記ブラッグ反射鏡を構成している２種
類の半導体層が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）、およ
び該Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）に格子整合したＩｎ
ＡｌＮである、請求項１〜７何れか記載の半導体レーザ
装置。
【請求項１１】上記ブラッグ反射鏡を構成している２種
類の半導体層が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）、およ
び該Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）に格子整合したＧａ
ＡｌＮＰである、請求項１〜７何れか記載の半導体レー
ザ装置。
【請求項１２】上記ブラッグ反射鏡を構成している２種
類の半導体層が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）、およ
び該Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）に格子整合したＡｌ
ＮＰである、請求項１〜７何れか記載の半導体レーザ装
置。
【請求項１３】上記ブラッグ反射鏡を構成している２種
類の半導体層が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）、およ
び該Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）に格子整合したＧａ
ＡＩＮＡｓである、請求項１〜７何れか記載の半導体レ
ーザ装置。
【請求項１４】上記ブラッグ反射鏡を構成している２種
類の半導体層が、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）、およ
び該Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ（０≦ｘ≦１）に格子整合したＡＩ
ＮＡｓである、請求項１〜７何れか記載の半導体レーザ
装置。
【請求項１５】上記ブラッグ反射鏡を上記活性層の上下
に設け、半導体内での発光波長をλとしたとき、ブラッ
グ反射鏡に挟まれた活性層を含む領域の厚さｄを０．４
λ≦ｄ≦０．６λとして成る請求項１〜１４何れか記載
の半導体レーザ装置。
【請求項１６】上記ブラッグ反射鏡を上記活性層の上下
に設け、半導体内での発光波長をλとしたとき、ブラッ
グ反射鏡に挟まれた活性層を含む領域の厚さｄを０．９
λ≦ｄ≦１．１λとして成る請求項１〜１４何れか記載
の半導体レーザ装置。
【請求項１７】上記活性層が歪み量子井戸構造であり、
井戸層の膜厚が８ｎｍより小さくして成る請求項１〜１
６何れか記載の半導体レーザ装置。