JPH1093200A - 損失導波型半導体レーザー - Google Patents
損失導波型半導体レーザーInfo
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- JPH1093200A JPH1093200A JP22124997A JP22124997A JPH1093200A JP H1093200 A JPH1093200 A JP H1093200A JP 22124997 A JP22124997 A JP 22124997A JP 22124997 A JP22124997 A JP 22124997A JP H1093200 A JPH1093200 A JP H1093200A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 より小さいスポットサイズとすぐれた焦点深
度を有し、高解像度印刷装置や高密度光学的記憶装置に
利用できる短波長のレーザー光線を発生する損失導波型
レーザーを提供する。 【解決手段】 本発明の損失導波型レーザーは、基板、
基板上に形成した複数の隣接する半導体層、レーザー動
作素子の活性層を形成している１つまたはそれ以上の前
記半導体層（活性層は III−Ｖ族窒化物の材料で作ら
れ、第１屈折率をもつ）、基板の表面に直角な第１方向
に光とキャリヤを閉じ込めるため活性層をはさんでいる
一対の領域、およびアウトカップリング損失を実現する
ため前記第１屈折率より高い第２屈折率の材料を活性層
に近接して置くことによって形成された横導波領域、か
ら成っている。
度を有し、高解像度印刷装置や高密度光学的記憶装置に
利用できる短波長のレーザー光線を発生する損失導波型
レーザーを提供する。 【解決手段】 本発明の損失導波型レーザーは、基板、
基板上に形成した複数の隣接する半導体層、レーザー動
作素子の活性層を形成している１つまたはそれ以上の前
記半導体層（活性層は III−Ｖ族窒化物の材料で作ら
れ、第１屈折率をもつ）、基板の表面に直角な第１方向
に光とキャリヤを閉じ込めるため活性層をはさんでいる
一対の領域、およびアウトカップリング損失を実現する
ため前記第１屈折率より高い第２屈折率の材料を活性層
に近接して置くことによって形成された横導波領域、か
ら成っている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般にはソリッドステ
ート・レーザーデバイス、より詳細には短波長の放射線
を発生する損失導波型レーザー構造に関するものであ
る。
ート・レーザーデバイス、より詳細には短波長の放射線
を発生する損失導波型レーザー構造に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】ＩｎＡｌＧａＮなどの III−Ｖ族窒化物
から作られたソリッドステート・レーザーは、高解像度
フルカラー印刷装置、高密度光学的記憶装置、上級の表
示装置、光通信など、多くの分野において大きな潜在的
用途を有する。 III−Ｖ族窒化物系の材料は１．９ｅＶ
から６．２ｅＶ（電子ボルト）までさまざまのバンドギ
ャップを有するので、 III−Ｖ族窒化物から作られたレ
ーザーまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）は３８０〜６０
０ナノメートル（ｎｍ）の波長で光を発生することがで
きる。ＧａＮから作られたレーザーはスペクトルの紫外
線領域内の光を発生することができるのに対し、ＩｎＮ
から作られたレーザーは赤色領域内の光を発生すること
ができる。従って、 III−Ｖ族窒化物系は広範囲の電磁
スペクトルにわたる波長のレーザーを作り出すことがで
きる。
から作られたソリッドステート・レーザーは、高解像度
フルカラー印刷装置、高密度光学的記憶装置、上級の表
示装置、光通信など、多くの分野において大きな潜在的
用途を有する。 III−Ｖ族窒化物系の材料は１．９ｅＶ
から６．２ｅＶ（電子ボルト）までさまざまのバンドギ
ャップを有するので、 III−Ｖ族窒化物から作られたレ
ーザーまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）は３８０〜６０
０ナノメートル（ｎｍ）の波長で光を発生することがで
きる。ＧａＮから作られたレーザーはスペクトルの紫外
線領域内の光を発生することができるのに対し、ＩｎＮ
から作られたレーザーは赤色領域内の光を発生すること
ができる。従って、 III−Ｖ族窒化物系は広範囲の電磁
スペクトルにわたる波長のレーザーを作り出すことがで
きる。
【０００３】III−Ｖ族窒化物系の材料から作られた、
緑または青などの短波長で放射線を発生するレーザー
は、特に高解像度印刷および高密度光学的記憶と重要な
掛かり合いがある。たとえば、青色レーザーは小さい基
本スポットサイズとすぐれた焦点深度をもつので、高解
像度印刷のため青色レーザーを開発するためにかなりの
努力が払われた。小さいスポットサイズはより高い“ｄ
ｐｉ”（１インチ当たりのドット数）で印刷、従って解
像度を高めることができる。すぐれた焦点深度は青色レ
ーザーを容易に集束することを可能にするので、高解像
度印刷装置であってもかなり低コストの光学レンズを使
用することができる。
緑または青などの短波長で放射線を発生するレーザー
は、特に高解像度印刷および高密度光学的記憶と重要な
掛かり合いがある。たとえば、青色レーザーは小さい基
本スポットサイズとすぐれた焦点深度をもつので、高解
像度印刷のため青色レーザーを開発するためにかなりの
努力が払われた。小さいスポットサイズはより高い“ｄ
ｐｉ”（１インチ当たりのドット数）で印刷、従って解
像度を高めることができる。すぐれた焦点深度は青色レ
ーザーを容易に集束することを可能にするので、高解像
度印刷装置であってもかなり低コストの光学レンズを使
用することができる。
【０００４】短波長レーザーは、さらに、オーディオ情
報、ビデオ情報、およびデータを高密度で光学的に記憶
することを可能にする。従来のコンパクトディスク（Ｃ
Ｄ）プレーヤやＣＤ−ＲＯＭドライブは赤色レーザー光
線を使用している。現在、１２．７ｃｍの標準ＣＤは最
大６５０メガバイトのデータを保持することができる。
波長が赤色レーザーの半分である青色レーザーは、非常
に小さいスポットサイズを有し、光ディスクにより細か
く書き込み、かつ読み取ることができるので、光ディス
クのデータ容量は著しく増加する。青色レーザーは、オ
ーディオＣＤやＣＤ−ＲＯＭが現在保持する情報の少な
くとも１０倍の情報を記憶することを可能にするであろ
う。また、青色レーザー装置は伝統的な赤色レーザー装
置から得ることができる信号対雑音比よりもすぐれた信
号対雑音比を生成するので、非常にすぐれた品質の音声
または映像をもたらすであろう。
報、ビデオ情報、およびデータを高密度で光学的に記憶
することを可能にする。従来のコンパクトディスク（Ｃ
Ｄ）プレーヤやＣＤ−ＲＯＭドライブは赤色レーザー光
線を使用している。現在、１２．７ｃｍの標準ＣＤは最
大６５０メガバイトのデータを保持することができる。
波長が赤色レーザーの半分である青色レーザーは、非常
に小さいスポットサイズを有し、光ディスクにより細か
く書き込み、かつ読み取ることができるので、光ディス
クのデータ容量は著しく増加する。青色レーザーは、オ
ーディオＣＤやＣＤ−ＲＯＭが現在保持する情報の少な
くとも１０倍の情報を記憶することを可能にするであろ
う。また、青色レーザー装置は伝統的な赤色レーザー装
置から得ることができる信号対雑音比よりもすぐれた信
号対雑音比を生成するので、非常にすぐれた品質の音声
または映像をもたらすであろう。
【０００５】前に述べたように、短波長レーザーを作り
出すほかに、 III−Ｖ族窒化物材料系は３８０〜６００
ナノメートル（ｎｍ）の波長で光を発生するレーザーを
作り出すことができる。大きな波長間隔を有するレーザ
ーを単一材料系で作り出すことが可能なことは、フルカ
ラーゼログラフィ印刷において重要である。一般に、ゼ
ログラフィ印刷の場合、黒色の静電像と３原色（シア
ン、マゼンタ、およびイエロー）の各静電像を重ね合わ
せることによってフルカラープリントが作られる。高速
単一パス印刷を実現するには、一般に、各カラーと黒色
に１つづつ、４つのレーザー光線が必要である。レーザ
ー光線は単一ラスタ出力ポリゴンミラーと一組の走査光
学レンズに同時に当たる。その後、光線は光学フィルタ
によって分離され、分離された各光線は感光体へ向けら
れ、カラーが印刷される。
出すほかに、 III−Ｖ族窒化物材料系は３８０〜６００
ナノメートル（ｎｍ）の波長で光を発生するレーザーを
作り出すことができる。大きな波長間隔を有するレーザ
ーを単一材料系で作り出すことが可能なことは、フルカ
ラーゼログラフィ印刷において重要である。一般に、ゼ
ログラフィ印刷の場合、黒色の静電像と３原色（シア
ン、マゼンタ、およびイエロー）の各静電像を重ね合わ
せることによってフルカラープリントが作られる。高速
単一パス印刷を実現するには、一般に、各カラーと黒色
に１つづつ、４つのレーザー光線が必要である。レーザ
ー光線は単一ラスタ出力ポリゴンミラーと一組の走査光
学レンズに同時に当たる。その後、光線は光学フィルタ
によって分離され、分離された各光線は感光体へ向けら
れ、カラーが印刷される。
【０００６】光学フィルタが適度なコストで有効に各光
線を分離するように、レーザー光線は一般にそれらの波
長が少なくとも１５０ナノメートルの間隔を有していな
ければならない。同一基体上にそのような４レーザーア
レイを作るには、一般に２つの半導体材料系を使用する
必要がある。たとえば、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ材料系は約
７５０〜８５０ナノメートルの波長をもつレーザーを作
り出すことができるのに対し、ＡｌＧａＩｎＰ材料系は
約６３０〜７００ナノメートルの波長をもつレーザーを
作り出すことができる。対照的に、 III−Ｖ族窒化物系
の材料を使用して作られたレーザーアレイは、第２材料
系を使用せずに、大きな波長間隔を実現することができ
る。
線を分離するように、レーザー光線は一般にそれらの波
長が少なくとも１５０ナノメートルの間隔を有していな
ければならない。同一基体上にそのような４レーザーア
レイを作るには、一般に２つの半導体材料系を使用する
必要がある。たとえば、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ材料系は約
７５０〜８５０ナノメートルの波長をもつレーザーを作
り出すことができるのに対し、ＡｌＧａＩｎＰ材料系は
約６３０〜７００ナノメートルの波長をもつレーザーを
作り出すことができる。対照的に、 III−Ｖ族窒化物系
の材料を使用して作られたレーザーアレイは、第２材料
系を使用せずに、大きな波長間隔を実現することができ
る。
【０００７】青色レーザーは、さらに、より明るい、よ
り効率の良い投射ディスプレイを作るため使用すること
ができる。青色レーザーは、さらに、ラップトップ型コ
ンピュータの画面など、直視ディスプレイのバックライ
ティングに使用することができる。さらに、 III−Ｖ族
窒化物系の材料の物理的性質と電気的性質により、その
ような材料を使用して作られたデバイスは、より高い温
度、より高いパワー密度、およびより厳しい環境条件に
耐えることができる。従って、 III−Ｖ族窒化物を使用
して作られたレーザーは広範囲の用途に要望されてい
る。
り効率の良い投射ディスプレイを作るため使用すること
ができる。青色レーザーは、さらに、ラップトップ型コ
ンピュータの画面など、直視ディスプレイのバックライ
ティングに使用することができる。さらに、 III−Ｖ族
窒化物系の材料の物理的性質と電気的性質により、その
ような材料を使用して作られたデバイスは、より高い温
度、より高いパワー密度、およびより厳しい環境条件に
耐えることができる。従って、 III−Ｖ族窒化物を使用
して作られたレーザーは広範囲の用途に要望されてい
る。
【０００８】都合の悪いことに、 III−Ｖ族窒化物を使
用して作られるレーザーの開発は、そのような材料を処
理する技術上の多くの問題によって妨げられてきた。た
とえば、高品質の単結晶の III−Ｖ族窒化物を作る難し
さはよく知られている。 III−Ｖ族窒化物は容易に転位
と亀裂が生じる傾向がある。また、それらの材料はエッ
チングで除去することが難しい。そのため、 III−Ｖ族
窒化物を使用して作られるレーザーは一般に利得導波型
構造を採用している。利得導波型構造の活性領域（その
領域において利得が達成される）は電流注入路によって
形成される。一般に、電流はレーザー動作素子を形成す
る非常に狭いストライプ領域に注入される。利得導波型
レーザーの場合、横方向に組込み屈折率段差が存在しな
い。その結果、屈折率導波型レーザーと比べて、ビーム
の質が劣っている。利得導波型レーザーは、一般に、よ
り高い非点収差（水平方向に比べて、垂直方向に異なる
焦点深度が存在するとき起きる問題）を有する。非点収
差の度合いは現在の駆動条件によって変わることが多
く、ビームの集束を特に難しくしている。従って、 III
−Ｖ族窒化物を使用して屈折率導波型レーザー構造を開
発する必要がある。
用して作られるレーザーの開発は、そのような材料を処
理する技術上の多くの問題によって妨げられてきた。た
とえば、高品質の単結晶の III−Ｖ族窒化物を作る難し
さはよく知られている。 III−Ｖ族窒化物は容易に転位
と亀裂が生じる傾向がある。また、それらの材料はエッ
チングで除去することが難しい。そのため、 III−Ｖ族
窒化物を使用して作られるレーザーは一般に利得導波型
構造を採用している。利得導波型構造の活性領域（その
領域において利得が達成される）は電流注入路によって
形成される。一般に、電流はレーザー動作素子を形成す
る非常に狭いストライプ領域に注入される。利得導波型
レーザーの場合、横方向に組込み屈折率段差が存在しな
い。その結果、屈折率導波型レーザーと比べて、ビーム
の質が劣っている。利得導波型レーザーは、一般に、よ
り高い非点収差（水平方向に比べて、垂直方向に異なる
焦点深度が存在するとき起きる問題）を有する。非点収
差の度合いは現在の駆動条件によって変わることが多
く、ビームの集束を特に難しくしている。従って、 III
−Ｖ族窒化物を使用して屈折率導波型レーザー構造を開
発する必要がある。
【０００９】一般に、典型的な屈折率導波型レーザー構
造は、低屈折率の材料を使用して横導波路を形成してい
る。もう１つの手法は、横導波路から光のアウトカップ
リング（outcoupling ) を起こす高屈折率の材料をレー
ザーの活性層に近接して置くことによって横方向の導波
を実現する。アウトカップリングは有効屈折率の減少の
一因であり、レーザーの空間モードを横方向に安定化す
る損失を表す。このような屈折率導波レーザーは「損失
導波型レーザー」とも呼ばれる。
造は、低屈折率の材料を使用して横導波路を形成してい
る。もう１つの手法は、横導波路から光のアウトカップ
リング（outcoupling ) を起こす高屈折率の材料をレー
ザーの活性層に近接して置くことによって横方向の導波
を実現する。アウトカップリングは有効屈折率の減少の
一因であり、レーザーの空間モードを横方向に安定化す
る損失を表す。このような屈折率導波レーザーは「損失
導波型レーザー」とも呼ばれる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】損失導波型レーザー構
造において横導波路の形成は、材料の屈折率とそれらの
バンドギャップとの関係によって複雑になることが多
い。一般に、材料の屈折率とそれらのバンドギャップは
周知の Kramers-Kronig の原理によって関係づけられ
る。 Kramers-Kronig の原理は“Quantum Electronics
”by A. Yariv, JohnWiley & Sons Co. (1975) に記載
されている。この原理によれば、材料系内の材料の屈折
率はバンドギャップを増すと共に減少する。たとえば、
ＡｌＧａＡｓ材料系およびＡｌＧａＩｎＰ材料系の場合
の屈折率とバンドギャップとの関係は Kramers-Kronig
の原理に従っているようにみえる。しかし、この原理に
は例外がある。たとえば、バンドギャップが減少するよ
うに合金の組成を調整すると、屈折率が減少するアンチ
モン化物（ＧａＩｎＡｓＳｂ）材料系においては、 Kra
mers-Kronig の原理は成立しないようにみえる。このた
め、 III−Ｖ族窒化物材料系で損失導波型レーザーを作
ろうとして相当な努力が払われた。
造において横導波路の形成は、材料の屈折率とそれらの
バンドギャップとの関係によって複雑になることが多
い。一般に、材料の屈折率とそれらのバンドギャップは
周知の Kramers-Kronig の原理によって関係づけられ
る。 Kramers-Kronig の原理は“Quantum Electronics
”by A. Yariv, JohnWiley & Sons Co. (1975) に記載
されている。この原理によれば、材料系内の材料の屈折
率はバンドギャップを増すと共に減少する。たとえば、
ＡｌＧａＡｓ材料系およびＡｌＧａＩｎＰ材料系の場合
の屈折率とバンドギャップとの関係は Kramers-Kronig
の原理に従っているようにみえる。しかし、この原理に
は例外がある。たとえば、バンドギャップが減少するよ
うに合金の組成を調整すると、屈折率が減少するアンチ
モン化物（ＧａＩｎＡｓＳｂ）材料系においては、 Kra
mers-Kronig の原理は成立しないようにみえる。このた
め、 III−Ｖ族窒化物材料系で損失導波型レーザーを作
ろうとして相当な努力が払われた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、ゼログラフィ
ー印刷および光学的記憶に使用できる損失導波型単一モ
ードＡｌＧａｙＩｎ1- x -y Ｎソリッドステート・レー
ザー構造を提供する。本発明に係る損失導波型レーザー
構造はＧａＮまたはＩｎＧａＮなどの低バンドギャップ
窒化物、または高屈折率の非結晶材料を使用して横導波
路を形成している。窒化物系の材料の屈折率は一般にバ
ンドギャップを減少させると増加するので、ＧａＮまた
はＩｎＧａＮの使用は可能である。非結晶材料を使用し
て横導波路を形成すれば、 III−Ｖ族窒化物などの混合
材料を高屈折率の非結晶材料と組み合わせて使用し、単
一構造を作ることができるであろう。
ー印刷および光学的記憶に使用できる損失導波型単一モ
ードＡｌＧａｙＩｎ1- x -y Ｎソリッドステート・レー
ザー構造を提供する。本発明に係る損失導波型レーザー
構造はＧａＮまたはＩｎＧａＮなどの低バンドギャップ
窒化物、または高屈折率の非結晶材料を使用して横導波
路を形成している。窒化物系の材料の屈折率は一般にバ
ンドギャップを減少させると増加するので、ＧａＮまた
はＩｎＧａＮの使用は可能である。非結晶材料を使用し
て横導波路を形成すれば、 III−Ｖ族窒化物などの混合
材料を高屈折率の非結晶材料と組み合わせて使用し、単
一構造を作ることができるであろう。
【００１２】本発明の第１の利点は、損失導波原理を用
いて横導波を実現することである。利得導波型レーザー
と異なり、本発明は質のよいレーザー光線を提供し、か
つレーザー光線を集束する問題を簡易化する。
いて横導波を実現することである。利得導波型レーザー
と異なり、本発明は質のよいレーザー光線を提供し、か
つレーザー光線を集束する問題を簡易化する。
【００１３】本発明の第２の利点は、高解像度印刷装置
および高密度光学的記憶装置において広い用途をもつス
ペクトルの青および緑部分で短波長レーザーを作ること
ができるプロセスを簡易化することである。そのような
短波長レーザーはより小さいスポットサイズとすぐれた
焦点深度を有する。
および高密度光学的記憶装置において広い用途をもつス
ペクトルの青および緑部分で短波長レーザーを作ること
ができるプロセスを簡易化することである。そのような
短波長レーザーはより小さいスポットサイズとすぐれた
焦点深度を有する。
【００１４】第３の利点は、 III−Ｖ族窒化物を使用し
てレーザーを作るために必要なプロセスを大幅に簡易化
することである。この手法に従って、活性領域は III−
Ｖ族窒化物の層を用いて形成される。横導波路はＧａＮ
またはＩｎＧａＮなどの窒化物材料を用いて形成するこ
とができる。横導波路はまた低温（たとえば７００°Ｃ
以下）で回転塗布またはデポジットすることが可能な非
結晶材料を使用して形成することができる。 III−Ｖ族
窒化物系の材料は約２．５の比較的低い屈折率を有する
ので、非晶質シリコン、多結晶質シリコン、または多結
晶質ダイヤモンド（一般に、これらはすべて III−Ｖ族
窒化物より高い屈折率を有し、また低温でデポジットす
ることができる）などの非結晶材料を使用して、横導波
路を形成することができる。これらの非結晶材料の屈折
率は一般に２．５〜４．７であり、 III−Ｖ族窒化物で
損失導波型レーザー構造を作るには十分な高さである。
これらの非結晶材料は III−Ｖ族窒化物よりも処理が容
易であるため、この手法に従ってレーザーを作ることは
より容易であろう。
てレーザーを作るために必要なプロセスを大幅に簡易化
することである。この手法に従って、活性領域は III−
Ｖ族窒化物の層を用いて形成される。横導波路はＧａＮ
またはＩｎＧａＮなどの窒化物材料を用いて形成するこ
とができる。横導波路はまた低温（たとえば７００°Ｃ
以下）で回転塗布またはデポジットすることが可能な非
結晶材料を使用して形成することができる。 III−Ｖ族
窒化物系の材料は約２．５の比較的低い屈折率を有する
ので、非晶質シリコン、多結晶質シリコン、または多結
晶質ダイヤモンド（一般に、これらはすべて III−Ｖ族
窒化物より高い屈折率を有し、また低温でデポジットす
ることができる）などの非結晶材料を使用して、横導波
路を形成することができる。これらの非結晶材料の屈折
率は一般に２．５〜４．７であり、 III−Ｖ族窒化物で
損失導波型レーザー構造を作るには十分な高さである。
これらの非結晶材料は III−Ｖ族窒化物よりも処理が容
易であるため、この手法に従ってレーザーを作ることは
より容易であろう。
【００１５】本発明の利点と目的は、以下の詳細な説
明、好ましい実施例、添付図面、および特許請求の範囲
から明らかになるであろう。
明、好ましい実施例、添付図面、および特許請求の範囲
から明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の好ましい実施例
である、 III−Ｖ族窒化物と高屈折率非結晶材料を組み
合わせて作ったレーザー構造を示す。図１の斜線領域１
３０は高屈折率材料たとえばポリシリコンを表す。しか
し、本発明において、高屈折率材料１３０として再成長
結晶ＧａＮまたはＩｎＧａＮを使用することは妨げられ
ない。ＩｎＧａＮを使用する場合は、インジウムモル率
は一般に０〜４０％である。図１の“ｈ”は、高屈折率
材料１３０と上部ＧａＮ層１０５の間の距離を表す。Ｇ
ａＮ層１０５とＩｎＧａＮ活性層１０６は活性領域と呼
ばれることが多い。“ｈ”は一般に１０００〜３０００
Åである。レーザー構造は“Ｃ”面サファイア（Ａｌ2
Ｏ3 ）基体の上に作られる。この分野の専門家に知られ
た他の基体、たとえば“Ａ”面サファイア、シリコンカ
ーバイド、または尖晶石（ＭｇＡｌ2 Ｏ4）の基体を使
用してもよい。窒化物層は金属−有機化学気相蒸着（Ｍ
ＯＣＶＤ）として知られるエピタキシャル堆積プロセス
によって約７００〜１１００°Ｃで成長させる。液相エ
ピタキシー（ＬＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）、および他の知られた結晶成長プロセスを使用して
もよい。
である、 III−Ｖ族窒化物と高屈折率非結晶材料を組み
合わせて作ったレーザー構造を示す。図１の斜線領域１
３０は高屈折率材料たとえばポリシリコンを表す。しか
し、本発明において、高屈折率材料１３０として再成長
結晶ＧａＮまたはＩｎＧａＮを使用することは妨げられ
ない。ＩｎＧａＮを使用する場合は、インジウムモル率
は一般に０〜４０％である。図１の“ｈ”は、高屈折率
材料１３０と上部ＧａＮ層１０５の間の距離を表す。Ｇ
ａＮ層１０５とＩｎＧａＮ活性層１０６は活性領域と呼
ばれることが多い。“ｈ”は一般に１０００〜３０００
Åである。レーザー構造は“Ｃ”面サファイア（Ａｌ2
Ｏ3 ）基体の上に作られる。この分野の専門家に知られ
た他の基体、たとえば“Ａ”面サファイア、シリコンカ
ーバイド、または尖晶石（ＭｇＡｌ2 Ｏ4）の基体を使
用してもよい。窒化物層は金属−有機化学気相蒸着（Ｍ
ＯＣＶＤ）として知られるエピタキシャル堆積プロセス
によって約７００〜１１００°Ｃで成長させる。液相エ
ピタキシー（ＬＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）、および他の知られた結晶成長プロセスを使用して
もよい。
【００１７】図１に示すように、最初に、（Ａｌ
2 Ｏ3 ）基体１００の上に１〜５μｍのＧａＮバッファ
層１０２を堆積させる。ＧａＮバッファ層１０２のバン
ドギャップは約３．４ｅＶであり、そのドーピングは一
般にｎ型で、１０18／ｃｍ3 くらいである。シリコン
（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、硫黄
（Ｓ）、および他のｎ型ドーパントはすべて使用するこ
とができる。ｎ型接点１２０は直接ＧａＮバッファ層１
０２の上に形成されるので、オーミック接点の形成と横
方向の電子移動を容易にするため、ＧａＮバッファ層１
０２内のドーピングレベルはかなり高くすべきである。
しかし、１０19／ｃｍ3 よりかなり上のドーピングレベ
ルは、亀裂に結びつく「合金硬化効果」のため、この実
施例では使用していない。濃くドープしたＧａＮが一般
に合金硬化を受けやすくエピタキシャル膜に亀裂を生じ
させることは周知である。ＧａＮバッファ層１０２内の
転位および亀裂は、Ａｌ2 Ｏ3 基体１００とＧａＮバッ
ファ層１０２との比較的大きな格子の不整合を考慮すれ
ば、特に重要な問題である。
2 Ｏ3 ）基体１００の上に１〜５μｍのＧａＮバッファ
層１０２を堆積させる。ＧａＮバッファ層１０２のバン
ドギャップは約３．４ｅＶであり、そのドーピングは一
般にｎ型で、１０18／ｃｍ3 くらいである。シリコン
（Ｓｉ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、硫黄
（Ｓ）、および他のｎ型ドーパントはすべて使用するこ
とができる。ｎ型接点１２０は直接ＧａＮバッファ層１
０２の上に形成されるので、オーミック接点の形成と横
方向の電子移動を容易にするため、ＧａＮバッファ層１
０２内のドーピングレベルはかなり高くすべきである。
しかし、１０19／ｃｍ3 よりかなり上のドーピングレベ
ルは、亀裂に結びつく「合金硬化効果」のため、この実
施例では使用していない。濃くドープしたＧａＮが一般
に合金硬化を受けやすくエピタキシャル膜に亀裂を生じ
させることは周知である。ＧａＮバッファ層１０２内の
転位および亀裂は、Ａｌ2 Ｏ3 基体１００とＧａＮバッ
ファ層１０２との比較的大きな格子の不整合を考慮すれ
ば、特に重要な問題である。
【００１８】ＧａＮバッファ層１０２をエピタキャル堆
積させた後、約０．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０４を形成する。この低クラッド層１０４のアルミニ
ウムモル率は一般に５〜１５％である。そのシリコンド
ーピングレベルは約１〜５×１０18／ｃｍ3 である。
積させた後、約０．５μｍのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
１０４を形成する。この低クラッド層１０４のアルミニ
ウムモル率は一般に５〜１５％である。そのシリコンド
ーピングレベルは約１〜５×１０18／ｃｍ3 である。
【００１９】ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４の上に、
２つのＧａＮ層１０５の間にサンドイッチ状にはさまれ
たＩｎＧａＮ複数量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０６を成
長させる。この活性層１０６は一般に１〜３０の量子井
戸から成っており、各量子井戸の厚さは約２０〜４０オ
ングストロームである。この活性層１０６は単一量子井
戸または二重ヘテロ構造にすることができる。ＩｎＧａ
Ｎ活性層１０６のインジウムモル率は１０〜４０％であ
り、約３８０〜４５０ナノメートルのレーザーを作り出
す。
２つのＧａＮ層１０５の間にサンドイッチ状にはさまれ
たＩｎＧａＮ複数量子井戸（ＭＱＷ）活性層１０６を成
長させる。この活性層１０６は一般に１〜３０の量子井
戸から成っており、各量子井戸の厚さは約２０〜４０オ
ングストロームである。この活性層１０６は単一量子井
戸または二重ヘテロ構造にすることができる。ＩｎＧａ
Ｎ活性層１０６のインジウムモル率は１０〜４０％であ
り、約３８０〜４５０ナノメートルのレーザーを作り出
す。
【００２０】ＧａＮ層１０５はレーザー構造の利得を最
大にするために挿入される。図１に示したレーザー構造
の利得はレーザー動作素子１１６の活性層１０６による
光学モードの空間的オーバーラップ（Γ）に比例する。
活性層１０６をサンドイッチ状にはさんでいるＧａＮ層
１０５の厚さは、光学モードの空間的オーバーラップ
（Γ）を最大にするように最適化されている。図２に、
空間的オーバーラップ（Γ）と各ＧａＮ層１０５の厚さ
との関係を示す。各ＧａＮ層１０５のの典型的な最適な
厚さ（ｎ）は５００〜２０００Åである。
大にするために挿入される。図１に示したレーザー構造
の利得はレーザー動作素子１１６の活性層１０６による
光学モードの空間的オーバーラップ（Γ）に比例する。
活性層１０６をサンドイッチ状にはさんでいるＧａＮ層
１０５の厚さは、光学モードの空間的オーバーラップ
（Γ）を最大にするように最適化されている。図２に、
空間的オーバーラップ（Γ）と各ＧａＮ層１０５の厚さ
との関係を示す。各ＧａＮ層１０５のの典型的な最適な
厚さ（ｎ）は５００〜２０００Åである。
【００２１】図１に示した活性層１０６の下のＧａＮ層
１０５は一般にシリコンが１０18／ｃｍ3 くらいにドー
プするが、活性層１０６の上のＧａＮ層１０５はマグネ
シウムが１０19／ｃｍ3 くらいにドープする。マグネシ
ウムドーピングの上記レベルは一般に約１０17〜１０18
／ｃｍ3 の室温キャリヤ濃度をもたらす。マグネシウム
の活性エネルギーは約１７０ｍｅＶである。
１０５は一般にシリコンが１０18／ｃｍ3 くらいにドー
プするが、活性層１０６の上のＧａＮ層１０５はマグネ
シウムが１０19／ｃｍ3 くらいにドープする。マグネシ
ウムドーピングの上記レベルは一般に約１０17〜１０18
／ｃｍ3 の室温キャリヤ濃度をもたらす。マグネシウム
の活性エネルギーは約１７０ｍｅＶである。
【００２２】図１に示した２つのＧａＮ層１０５を形成
した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８とｐ型ＧａＮ
キャップ層１１０をエピタキシャル堆積させる。ｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層１０８は厚さが約０．５μｍであ
り、そのドーピングレベルは１０19〜１０20／ｃｍ3 で
ある。ｐ型ＧａＮキャップ層１１０は約１０００〜５０
００オングストロームであり、低抵抗ｐ型オーミック接
点１２２の形成を容易にするため可能な限り濃くドープ
される。典型的なドーピングレベルは１０20／ｃｍ3 で
あり、これはＧａＮ内のマグネシウムの固体溶解度に近
い。また、より小さいバンドギャップを有するＩｎＧａ
Ｎを使用してｐ型キャップ層１１０を形成してもよい。
した後、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１０８とｐ型ＧａＮ
キャップ層１１０をエピタキシャル堆積させる。ｐ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層１０８は厚さが約０．５μｍであ
り、そのドーピングレベルは１０19〜１０20／ｃｍ3 で
ある。ｐ型ＧａＮキャップ層１１０は約１０００〜５０
００オングストロームであり、低抵抗ｐ型オーミック接
点１２２の形成を容易にするため可能な限り濃くドープ
される。典型的なドーピングレベルは１０20／ｃｍ3 で
あり、これはＧａＮ内のマグネシウムの固体溶解度に近
い。また、より小さいバンドギャップを有するＩｎＧａ
Ｎを使用してｐ型キャップ層１１０を形成してもよい。
【００２３】図３に、横導波路３０２を形成するため多
結晶シリコンなどの高屈折率非結晶材料を使用した２ビ
ームレーザー構造の構成を示す。同様に、本発明におい
て、横導波路用の高屈折率材料として結晶再成長ＧａＮ
またはＩｎＧａＮを使用することは妨げられない。図３
に示すように、レーザー動作素子３２０へのバイアスは
接点３０４と３０８によって供給されるのに対し、レー
ザー動作素子３２２へのバイアスは接点３０５と３０６
によって供給される。この実施例の場合、斜線領域３１
０，３１２，３１４は、一部がレーザー動作素子３２
０，３２２の横導波路３０２を形成しているポリシリコ
ン材料を表す。図３に示した溝構造の上にこれらのポリ
シリコン材料３１０，３１２，３１４を化学気相蒸着
（ＣＶＤ）によって２００°Ｃ程度の低い温度で堆積さ
せる。前に述べたように、他の材料たとえば非晶質シリ
コン、ポリシリコン・ダイヤモンド、または高屈折率回
転塗布材料を使用してもよい。
結晶シリコンなどの高屈折率非結晶材料を使用した２ビ
ームレーザー構造の構成を示す。同様に、本発明におい
て、横導波路用の高屈折率材料として結晶再成長ＧａＮ
またはＩｎＧａＮを使用することは妨げられない。図３
に示すように、レーザー動作素子３２０へのバイアスは
接点３０４と３０８によって供給されるのに対し、レー
ザー動作素子３２２へのバイアスは接点３０５と３０６
によって供給される。この実施例の場合、斜線領域３１
０，３１２，３１４は、一部がレーザー動作素子３２
０，３２２の横導波路３０２を形成しているポリシリコ
ン材料を表す。図３に示した溝構造の上にこれらのポリ
シリコン材料３１０，３１２，３１４を化学気相蒸着
（ＣＶＤ）によって２００°Ｃ程度の低い温度で堆積さ
せる。前に述べたように、他の材料たとえば非晶質シリ
コン、ポリシリコン・ダイヤモンド、または高屈折率回
転塗布材料を使用してもよい。
【００２４】ポリシリコンの屈折率は約４．７〜４５０
ナノメートルであり、これはＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層
１０６の２．５の屈折率よりも高い。垂直方向にＩｎＧ
ａＮＭＱＷ活性層１０６に近接して置かれたポリシリコ
ン材料３１０，３１２，３１４の高い屈折率は光を横導
波領域３３０の外へ結合する。この光のアウトカップリ
ングは有効屈折率の減少の一因であり、光学モードを横
方向に安定化させる損失を表す。従って、このような損
失導波型レーザー構造は、単に図３に示したようにレー
ザー動作素子３２０，３２２の基本モードでレーザー動
作を行う。典型的な損失導波型レーザー構造の動作は、
“Transverse Mode Stabilized AlxGa1-xAs Injection
Lasers with Channeled-Substrate-Planar Structure,
”by Aiki et al., IEEE Journal of Quantum Electro
nics, Vol. QE-14, No. 2, pp.89-94, February 1978
、および“Lateral Mode Discrimination in AlGaInP
Selectively Buried Ridge Waveguide Lasers, ”by Bo
ur, IEEEE Proceedings, Vol. 139, No. 1, pp.71-74,
February 1992 に記載されている。
ナノメートルであり、これはＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層
１０６の２．５の屈折率よりも高い。垂直方向にＩｎＧ
ａＮＭＱＷ活性層１０６に近接して置かれたポリシリコ
ン材料３１０，３１２，３１４の高い屈折率は光を横導
波領域３３０の外へ結合する。この光のアウトカップリ
ングは有効屈折率の減少の一因であり、光学モードを横
方向に安定化させる損失を表す。従って、このような損
失導波型レーザー構造は、単に図３に示したようにレー
ザー動作素子３２０，３２２の基本モードでレーザー動
作を行う。典型的な損失導波型レーザー構造の動作は、
“Transverse Mode Stabilized AlxGa1-xAs Injection
Lasers with Channeled-Substrate-Planar Structure,
”by Aiki et al., IEEE Journal of Quantum Electro
nics, Vol. QE-14, No. 2, pp.89-94, February 1978
、および“Lateral Mode Discrimination in AlGaInP
Selectively Buried Ridge Waveguide Lasers, ”by Bo
ur, IEEEE Proceedings, Vol. 139, No. 1, pp.71-74,
February 1992 に記載されている。
【００２５】図４に、横導波・分離領域４０２，４０
４，４０６を形成するためエッチング処理を受けた２ビ
ームレーザー構造の断面図を示す。図３に示したすべて
のエピタキシャル層を形成した後、マスクを使用してレ
ーザー動作素子３２０、３２２を形成する領域を保護す
る。横導波領域を形成するため、化学支援イオンビーム
・エッチングによって上部ｐ型ＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａ
Ｎ層に溝４０２，４０４，４０６をエッチングする。代
わりに、反応性イオンエッチング、イオンミリング、ま
たは別の知られたエッチング技術を使用してもよい。こ
のエッチング処理は約１μｍのエピタキシャル材料を除
去し、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層１０６の上方で止まっ
ている。ポリシリコンと上部ＧａＮ層１０５間の距離
は、図３に“ｈ”で示してある。一般に、上部ＧａＮ層
１０５の上に、１０００〜３０００Åのｐ型ＡｌＧａＮ
材料１０８が残っている。
４，４０６を形成するためエッチング処理を受けた２ビ
ームレーザー構造の断面図を示す。図３に示したすべて
のエピタキシャル層を形成した後、マスクを使用してレ
ーザー動作素子３２０、３２２を形成する領域を保護す
る。横導波領域を形成するため、化学支援イオンビーム
・エッチングによって上部ｐ型ＧａＮ層とｐ型ＡｌＧａ
Ｎ層に溝４０２，４０４，４０６をエッチングする。代
わりに、反応性イオンエッチング、イオンミリング、ま
たは別の知られたエッチング技術を使用してもよい。こ
のエッチング処理は約１μｍのエピタキシャル材料を除
去し、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層１０６の上方で止まっ
ている。ポリシリコンと上部ＧａＮ層１０５間の距離
は、図３に“ｈ”で示してある。一般に、上部ＧａＮ層
１０５の上に、１０００〜３０００Åのｐ型ＡｌＧａＮ
材料１０８が残っている。
【００２６】図４に示したエッチング処理を行った後、
隔離と接点形成のため、第２エッチングを行って深いチ
ャンネルすなわち溝を作る。図５に示すように、第２エ
ッチング処理は隔離領域を作るためより深い溝５０２，
５０４，５０６を生成する。第２エッチングで生成され
た溝５０２は最初の４０４より深く、かつ狭いので、堆
積する高屈折率材料と上部ＧａＮ層１０５間の距離
“ｈ”は小さいままである。深い溝５０２，５０４，５
０６は化学支援イオンエッチングによって形成する。レ
ーザー動作素子３２０と３２２間の溝５０２も同様に隔
離を行う。この隔離溝５０２は基体１００に達するよう
にさらに深くしてもよい。この実施例の場合、溝５０４
と５０６はｎ型オーミック接点が形成されるｎ型ＧａＮ
層１０２に達している。溝５０２，５０４，５０６を形
成した後、化学気相蒸着によってサンプルの上にポリシ
リコンを堆積させる。しかし、高屈折率材料が導電性で
ある場合には、高屈折率材料を堆積した後、隔離用の深
い溝を形成すべきである。
隔離と接点形成のため、第２エッチングを行って深いチ
ャンネルすなわち溝を作る。図５に示すように、第２エ
ッチング処理は隔離領域を作るためより深い溝５０２，
５０４，５０６を生成する。第２エッチングで生成され
た溝５０２は最初の４０４より深く、かつ狭いので、堆
積する高屈折率材料と上部ＧａＮ層１０５間の距離
“ｈ”は小さいままである。深い溝５０２，５０４，５
０６は化学支援イオンエッチングによって形成する。レ
ーザー動作素子３２０と３２２間の溝５０２も同様に隔
離を行う。この隔離溝５０２は基体１００に達するよう
にさらに深くしてもよい。この実施例の場合、溝５０４
と５０６はｎ型オーミック接点が形成されるｎ型ＧａＮ
層１０２に達している。溝５０２，５０４，５０６を形
成した後、化学気相蒸着によってサンプルの上にポリシ
リコンを堆積させる。しかし、高屈折率材料が導電性で
ある場合には、高屈折率材料を堆積した後、隔離用の深
い溝を形成すべきである。
【００２７】図６の斜線領域６００は高屈折率ポリシリ
コン材料を表す。サンプルの上にポリシリコン相６００
を堆積させた後、図３に示すようにｐ型およびｎ型接点
を作れるように、エッチングによって一定領域内のポリ
シリコンを除去する。図３に示すように、ｐ型接点３０
４，３０６は上部ＧａＮキャップ層１１０に接触するよ
うに形成されるのに対し、ｎ型接点３０８はｎ型ＧａＮ
バッファ層１０２に接触するように形成される。
コン材料を表す。サンプルの上にポリシリコン相６００
を堆積させた後、図３に示すようにｐ型およびｎ型接点
を作れるように、エッチングによって一定領域内のポリ
シリコンを除去する。図３に示すように、ｐ型接点３０
４，３０６は上部ＧａＮキャップ層１１０に接触するよ
うに形成されるのに対し、ｎ型接点３０８はｎ型ＧａＮ
バッファ層１０２に接触するように形成される。
【００２８】上に述べた組成、ドーパント、ドーピング
レベル、および寸法は例示に過ぎなく、それらのパラメ
ータの変更は許される。さらに、図面に示した層のほか
に、他の層を含めることもできる。最後に、 III−Ｖ族
窒化物の代わりに、他の発光性半導体材料を使用しても
よい。特定の実施例について発明を説明したが、以上の
説明から、この分野の専門家が多くの代替物、修正物、
および変更物を思い浮かべることは明白である。従っ
て、発明の精神および特許請求の範囲に入るすべての代
替物、修正物、および変更物は本発明に包含されるもの
とする。
レベル、および寸法は例示に過ぎなく、それらのパラメ
ータの変更は許される。さらに、図面に示した層のほか
に、他の層を含めることもできる。最後に、 III−Ｖ族
窒化物の代わりに、他の発光性半導体材料を使用しても
よい。特定の実施例について発明を説明したが、以上の
説明から、この分野の専門家が多くの代替物、修正物、
および変更物を思い浮かべることは明白である。従っ
て、発明の精神および特許請求の範囲に入るすべての代
替物、修正物、および変更物は本発明に包含されるもの
とする。
【図１】溝構造導波路の上に堆積させた高屈折率材料を
使用して横導波を行うレーザー構造の横断面図である。
使用して横導波を行うレーザー構造の横断面図である。
【図２】活性層による光学モードの空間的オーバーラッ
プと、活性層をサンドイッチ状にはさんでいる各ＧａＮ
層の厚さとの関係を示すグラフである。
プと、活性層をサンドイッチ状にはさんでいる各ＧａＮ
層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図３】チャンネル即ち溝導波路の上に堆積させた高屈
折率材料を使用して横導波を行う２ビームレーザー構造
の横断面図である。
折率材料を使用して横導波を行う２ビームレーザー構造
の横断面図である。
【図４】横導波路が形成される領域を作るためエッチン
グ処理を受けた２ビームレーザー構造の横断面図であ
る。
グ処理を受けた２ビームレーザー構造の横断面図であ
る。
【図５】隔離およびｎ型接点形成のため深いチャンネル
すなわち溝を有する２ビームレーザー構造の横断面図で
ある。
すなわち溝を有する２ビームレーザー構造の横断面図で
ある。
【図６】ポリシリコンを表面に堆積させた後の２ビーム
レーザー構造の横断面図である。
レーザー構造の横断面図である。
１００ Ａｌ2 Ｏ3 基体 １０２ ＧａＮバッファ層 １０４ ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層 １０５ ＧａＮ層 １０６ ＩｎＧａＮ ＭＱＷ 活性層 １０８ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層 １１０ ｐ型ＧａＮキャップ層 １１２，１１４ 横導波領域 １１６ レーザー動作素子 １２０ ｎ型接点 １２２ ｐ型接点 １３０ 高屈折率材料 ３０２ 横導波路 ３０４，３０６ ｐ型接点 ３０５，３０８ ｎ型接点 ３１０，３１２，３１４ ポリシリコン材料 ３２０，３２２ レーザー動作素子 ３３０ 横導波領域 ４０２，４０４，４０６ 導波領域・隔離領域 ５０２，５０４，５０６ 溝 ６００ 高屈折率ポリシリコン材料
Claims (1)
- 【請求項１】 基体と、 前記基体に形成した複数の隣接する半導体層と、 レーザー動作素子の活性層を形成している１つまたはそ
れ以上の前記隣接する半導体層であって、前記活性層が
III−Ｖ族窒化物の材料で作られ、第１屈折率を有して
いる半導体層と、 前記基体の表面に直角の第１方向に光とキャリヤを閉じ
込めるため前記活性層をサンドイッチ状にはさんでいる
一対の領域と、 横導波領域においてアウトカップリング損失を実現する
ため前記第１屈折率より高い第２屈折率の材料を前記活
性層に近接して置くことによって形成された横導波領域
とから成ることを特徴とする半導体レーザーデバイス。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/703293 | 1996-08-26 | ||
| US08/703,293 US5812576A (en) | 1996-08-26 | 1996-08-26 | Loss-guided semiconductor lasers |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1093200A true JPH1093200A (ja) | 1998-04-10 |
Family
ID=24824818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22124997A Pending JPH1093200A (ja) | 1996-08-26 | 1997-08-18 | 損失導波型半導体レーザー |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5812576A (ja) |
| JP (1) | JPH1093200A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US7194013B2 (en) | 2001-07-02 | 2007-03-20 | Nichia Corporation | GaN semiconductor laser device, and optical disk information system using the laser device |
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| JP2010183120A (ja) * | 1998-05-06 | 2010-08-19 | Xerox Corp | フリップチップ接合で製作した多重波長レーザアレー |
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| JP4079393B2 (ja) * | 1998-03-10 | 2008-04-23 | シャープ株式会社 | 窒化物系化合物半導体レーザ素子及びその製造方法 |
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| US6744800B1 (en) * | 1998-12-30 | 2004-06-01 | Xerox Corporation | Method and structure for nitride based laser diode arrays on an insulating substrate |
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| TWI367577B (en) * | 2007-10-05 | 2012-07-01 | Delta Electronics Inc | Light-emitting diode chip and manufacturing method thereof |
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| CN109193344A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-11 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种具有反波导层结构的半导体激光器及其制造方法 |
| CN110164900B (zh) * | 2019-05-29 | 2021-04-02 | 京东方科技集团股份有限公司 | LED芯片及其制备方法、芯片晶圆、Micro-LED显示装置 |
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-
1996
- 1996-08-26 US US08/703,293 patent/US5812576A/en not_active Expired - Lifetime
-
1997
- 1997-08-18 JP JP22124997A patent/JPH1093200A/ja active Pending
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| JP2010183120A (ja) * | 1998-05-06 | 2010-08-19 | Xerox Corp | フリップチップ接合で製作した多重波長レーザアレー |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5812576A (en) | 1998-09-22 |
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