JP2008021908A - Semiconductor laser device and integrated semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ディスクの光源等に用いる単一波長または複数波長の半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device having a single wavelength or a plurality of wavelengths used for a light source of an optical disk.
半導体レーザはエレクトロニクスやオプトエレクトロニクスの多くの分野で広く使用されており、光デバイスとして不可欠なものである。特に、CD(コンパクトディスク)、DVD(デジタル多用途ディスク)などの光ディスク装置は、大容量の記録媒体として現在盛んに利用されている。DVDに用いる記録媒体(メディア)は、CDの媒体に比べピット長およびトラック間隔が小さい。したがって、用いる半導体レーザの波長もCDに比べDVDの方が短い。具体的には、CD用のレーザの発振波長は780nm帯であるのに対し、DVD用のレーザの発振波長は650nm帯である。 Semiconductor lasers are widely used in many fields of electronics and optoelectronics, and are indispensable as optical devices. In particular, optical disc apparatuses such as CD (compact disc) and DVD (digital versatile disc) are currently actively used as large-capacity recording media. A recording medium (media) used for a DVD has a smaller pit length and track interval than a CD medium. Therefore, the wavelength of the semiconductor laser used is shorter for DVD than for CD. Specifically, the oscillation wavelength of the CD laser is in the 780 nm band, whereas the oscillation wavelength of the DVD laser is in the 650 nm band.
1つの光ディスク装置がCDおよびDVDの両方の情報を検出するためには、780nm帯のレーザ(赤外半導体レーザ素子)と650nm帯のレーザ(赤色半導体レーザ素子)の2つの光源が必要となる。近年、光ディスク装置を構成する光ピックアップ装置の小型化、軽量化のために、1つの半導体チップの中に2種類の波長のレーザ光を発光する2波長型の半導体レーザ素子が開発され、普及しつつある。 In order for one optical disk device to detect both CD and DVD information, two light sources, a 780 nm band laser (infrared semiconductor laser element) and a 650 nm band laser (red semiconductor laser element) are required. 2. Description of the Related Art In recent years, in order to reduce the size and weight of an optical pickup device that constitutes an optical disk device, a two-wavelength type semiconductor laser element that emits laser light of two types of wavelengths in one semiconductor chip has been developed and spread. It's getting on.
光ディスクにデータを書き込む場合、レーザ光照射による発熱を利用するので、光ディスクからデータを読み出す場合に比べると、数倍から数十倍の光出力パワーが必要である。また、光ディスクの大容量化に伴って記録速度の高速化が求められている。そのため、記録再生型の光ディスク装置に用いられる半導体レーザには高出力化および高信頼性が要求される。 When writing data on an optical disk, the heat generated by laser light irradiation is used, so that the optical output power is several to several tens of times higher than when data is read from the optical disk. In addition, an increase in recording speed is demanded as the capacity of optical disks increases. Therefore, high output and high reliability are required for the semiconductor laser used in the recording / reproducing optical disc apparatus.
図6(a),(b)は従来の2波長型の半導体レーザ装置の斜視図である(例えば、特許文献1参照)。この半導体レーザ装置は、650nm帯の波長を持つレーザ光L1を出射する赤色半導体レーザ素子a0 と780nm帯の波長を持つレーザ光L2を出射する赤外半導体レーザ素子b0 との2つのレーザ素子から構成されている。W1,W2はレーザ光出射窓である。 6A and 6B are perspective views of a conventional two-wavelength semiconductor laser device (see, for example, Patent Document 1). This semiconductor laser device includes two laser elements, a red semiconductor laser element a 0 that emits laser light L1 having a wavelength of 650 nm band and an infrared semiconductor laser element b 0 that emits laser light L2 having a wavelength of 780 nm band. It is composed of W1 and W2 are laser beam emission windows.
半導体レーザ装置には、赤色半導体レーザ素子a0 と赤外半導体レーザ素子b0 とを電気的に分離するための分離溝71が設けられている。半導体レーザ装置の上面にはp側電極72が分離溝71によって分割されて形成され、その底面にはn側電極73が全面に形成されており、2つのp側電極72と1つのn側電極73とにそれぞれ独立してバイアス電圧を印加することにより、各半導体レーザ素子a0 ,b0 を独立に動作させることができる。
The semiconductor laser device is provided with a
半導体レーザ装置は、各レーザ光L1,L2を外部に取り出すための出射端面74と、共振器の内部に光を反射させて閉じ込めるための後方端面75とを有している。後方端面75には多層コート膜76が積層されている。一方、出射端面74にはレーザ光の取り出し効率を上げるために、後方端面75よりも低い反射率を持つ端面コート膜77,78が形成されている。
The semiconductor laser device has an
特許文献1で開示されているレーザ構造では、出射端面の反射率を24%〜32%に制御し、かつDVD再生(DVD−ROM)用の赤色半導体レーザ素子の反射率をCD再生(CD−ROM)用の赤外半導体レーザ素子の反射率よりも低く設定した2波長型の半導体レーザが提案されている。具体的には、赤色半導体レーザ素子の出射端面反射率が24%、赤外半導体レーザ素子の出射端面反射率が32%となるように膜厚を定め、1回の堆積工程(蒸着を使用)で酸化アルミニウム(Al2 O3 )を出射端面に形成している。前述の膜厚は、赤外半導体レーザ素子の波長をλ3 、Al2 O3 の屈折率をn3 (約1.66)とするとき、λ3 /(2n3 )となるようにしている。この方法により、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とでキンクレベルやCODレベルがほぼ等しいデバイスを得ようとしている。キンクレベルというのは、注入電流−光出力特性でキンク(折れ曲がり)が生じる光出力のレベルである。また、CODレベルというのは、出射端面でCOD(Catastrophic Optical Damage)すなわち瞬時光学損傷が生じる光出力のレベルである。キンクレベルやCODレベルの値が大きいほど耐性が高いので好ましい。
In the laser structure disclosed in
さらに、特許文献2では、DVD再生(DVD−ROM)に使用する赤色半導体レーザ素子の出射端面反射率を約20%、CD再生(CD−ROM)に使用する赤外半導体レーザ素子の出射端面反射率を約5%以下とする端面コート膜の形成技術が提案されている。この端面コート膜は2種類の材料(例えば、Al2 O3 とSiO2 )から構成され、所望の反射率を得るためにそれぞれの膜厚を決めている。
Further, in
一方、高出力化の有効な手段の1つとして、半導体レーザの共振器を形成する2つの端面の反射率を非対称とする方法が知られている。これは、光ディスクの書き込みに用いられる半導体レーザでは一般的な方法である。この方法は、共振器を形成する端面を誘電体多層膜でコーティングすることで端面の反射率を非対称にするもので、共振器を形成する端面のうち出射端面を低反射率(10%程度)にし、その反対側後方端面の反射率を高反射率(90%程度)とする。なお、誘電体多層膜の反射率は、用いる誘電体の屈折率、層厚および積層する層数によって制御される。
特許文献1や特許文献2に開示されている多波長半導体レーザ装置(アレイ)は、DVD−ROMやCD−ROMのように再生専用という限られた範囲で好適な端面コートの形成技術を提供するものである。これらの技術は、半導体レーザを低出力(例えば定格出力5mW程度)で動作する場合には有効である。しかし、DVD−RAM、DVD−R、CD−Rなどの光記録媒体への書き込みを行う際の高出力を得ることは困難である。
The multi-wavelength semiconductor laser devices (arrays) disclosed in
一方、2つの端面の反射率を非対称とする従来技術は、高出力動作を得るための一般的な技術を説明するに留まり、複数の発振波長を有する半導体レーザを同一基板上に形成した多波長半導体レーザに好適な条件を提示しているとは言いがたく、高出力動作時における十分な寿命を保証することは困難である。 On the other hand, the conventional technique in which the reflectances of the two end faces are asymmetrical is merely a general technique for obtaining a high output operation, and a multi-wavelength in which semiconductor lasers having a plurality of oscillation wavelengths are formed on the same substrate. It is difficult to say that conditions suitable for a semiconductor laser are presented, and it is difficult to guarantee a sufficient lifetime during high-power operation.
半導体レーザのさらなる高出力化を図る場合、共振器端面のCOD(瞬時光学損傷)の発生が大きな問題となる。とりわけ、650nm帯の赤色半導体レーザに好適なAlGaInP系の半導体レーザにおいては、高出力動作時におけるレーザの寿命を決定する重要な劣化原因であるとして、共振器端面のCOD(瞬時光学損傷)が指摘されている。 When further increasing the output of a semiconductor laser, the generation of COD (instantaneous optical damage) on the cavity end face becomes a major problem. In particular, in an AlGaInP semiconductor laser suitable for a red semiconductor laser in the 650 nm band, COD (instant optical damage) on the cavity end face is pointed out as an important cause of deterioration that determines the life of the laser during high-power operation. Has been.
COD(瞬時光学損傷)は、半導体レーザの共振器端面近傍がレーザ内部で発生した光に対して吸収領域になっていることに起因して発生する。これは、共振器端面の半導体表面における酸素の吸着および表面の酸化などにより、半導体表面に深い準位が生じて、半導体の禁制帯幅が実質的に狭くなることによる。半導体表面に存在する深い準位を介した非発光再結合により端面温度が上昇し、この温度上昇により端面付近の禁制帯幅がさらに縮小し、光吸収が増大するというサイクルが発生する。そして、このサイクルが正帰還となることによって、端面の融解または端面の破壊などが起こる。これがCOD(瞬時光学損傷)である。 COD (instantaneous optical damage) occurs because the vicinity of the cavity end face of the semiconductor laser is an absorption region for light generated inside the laser. This is because a deep level is generated on the semiconductor surface due to oxygen adsorption and surface oxidation on the semiconductor surface of the cavity end face, and the forbidden band width of the semiconductor is substantially narrowed. The end face temperature rises due to non-radiative recombination via deep levels existing on the semiconductor surface, and this temperature rise causes a cycle in which the forbidden band width near the end face is further reduced and light absorption is increased. When this cycle becomes positive feedback, melting of the end face or destruction of the end face occurs. This is COD (instantaneous optical damage).
上記で述べた内容では酸化による深い準位の発生を問題としているが、AlGaInP系半導体レーザにおける高出力化の改善は実現されていない。 In the contents described above, the generation of deep levels due to oxidation is a problem, but the improvement of high output in the AlGaInP semiconductor laser has not been realized.
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、高出力特性と高い信頼性を得ることができる半導体レーザ装置を提供することを目的としている。 The present invention has been created in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor laser device capable of obtaining high output characteristics and high reliability.
本発明による半導体レーザ装置は、レーザ光の出射端面に単層構造または多層構造の誘電体反射膜が形成され、前記出射端面に接する第1誘電体膜の内部および前記第1誘電体膜と前記出射端面との界面における重金属不純物濃度が3×1017atoms/cm3 以下に設定されていることを特徴としている。 In the semiconductor laser device according to the present invention, a dielectric reflection film having a single-layer structure or a multi-layer structure is formed on an emission end face of a laser beam, and the inside of the first dielectric film in contact with the emission end face and the first dielectric film and the The heavy metal impurity concentration at the interface with the emission end face is set to 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
この構成において、誘電体反射膜は単層または多層であるが、いずれにしても、出射端面に接している誘電体膜を第1誘電体膜と呼称するものとする。第1誘電体膜と出射端面との界面および第1誘電体膜の内部において、そこに含まれている重金属不純物についてその濃度を3×1017atoms/cm3 以下に設定することにより、半導体レーザの高出力動作時における耐性を高いものにすることができる。 In this configuration, the dielectric reflection film is a single layer or a multilayer, but in any case, the dielectric film in contact with the emission end face is referred to as a first dielectric film. By setting the concentration of heavy metal impurities contained in the interface between the first dielectric film and the emission end face and in the first dielectric film to 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less, the semiconductor laser The tolerance at the time of high output operation can be made high.
従来の技術にあっては、酸化による深い準位の発生を問題としているが、誘電体反射膜を形成する際に生起するFeやCrやNiなどの重金属不純物による汚染で信頼性が低下することの認識は示されていない。結果として、特にAlGaInP系半導体レーザに関して、その高出力レーザの実現が困難となっていた。本発明者は、特に赤色半導体レーザ素子の高出力動作時の研究において、重金属不純物の濃度と寿命との間に明確な相関性が存在することを見出した。その結果、寿命1000時間以上を実現するためには、半導体レーザの出射端面の酸化を防ぐだけでは不十分であり、出射端面に接する第1誘電体膜の内部および第1誘電体膜と出射端面との界面における重金属不純物濃度を3×1017atoms/cm3 以下にすればよいことが判明したのである。このような条件で半導体レーザ装置を構成することにより、出射端面と第1誘電体膜との界面において重金属不純物に起因して発生する深い準位を低減させることができ、高出力化と長寿命化とを両立させることが可能になった。
AlGaInP系半導体の活性層をもつ赤色半導体レーザの場合には、140mW以上の高出力動作の場合でも高い信頼性を確保し、また、集積化半導体レーザ装置の歩留まりを向上させることができる。
In the prior art, the generation of deep levels due to oxidation is a problem, but the reliability decreases due to contamination by heavy metal impurities such as Fe, Cr and Ni that occur when forming a dielectric reflection film. The perception of is not shown. As a result, it has been difficult to realize a high-power laser especially for an AlGaInP semiconductor laser. The present inventor has found that there is a clear correlation between the concentration of heavy metal impurities and the lifetime, particularly in research during high power operation of red semiconductor laser devices. As a result, in order to realize a lifetime of 1000 hours or more, it is not sufficient to prevent oxidation of the emission end face of the semiconductor laser, and the inside of the first dielectric film in contact with the emission end face and the first dielectric film and the emission end face. It has been found that the concentration of heavy metal impurities at the interface with the substrate should be 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less. By configuring the semiconductor laser device under such conditions, deep levels generated due to heavy metal impurities at the interface between the emission end face and the first dielectric film can be reduced, resulting in higher output and longer life. It has become possible to achieve both compatibility.
In the case of a red semiconductor laser having an active layer of an AlGaInP-based semiconductor, high reliability can be ensured even in a high output operation of 140 mW or more, and the yield of the integrated semiconductor laser device can be improved.
上記構成において、前記重金属不純物元素については、Fe、Cr、Niの群から選ばれた少なくとも1種の元素を含むものとする。 In the above configuration, the heavy metal impurity element includes at least one element selected from the group consisting of Fe, Cr, and Ni.
また上記の構成において、前記誘電体反射膜が前記出射端面に接する前記第1誘電体膜とこの第1誘電体膜の外側に形成された第2誘電体膜とからなるものとし、さらに、前記第1誘電体膜の屈折率n1 が1.6≦n1 ≦2.3であり、前記第2誘電体膜の屈折率n2 が1.4≦n2 <1.6であるとする。 In the above configuration, the dielectric reflection film is composed of the first dielectric film in contact with the emission end face and the second dielectric film formed outside the first dielectric film, and The refractive index n 1 of the first dielectric film is 1.6 ≦ n 1 ≦ 2.3, and the refractive index n 2 of the second dielectric film is 1.4 ≦ n 2 <1.6. .
また上記の構成において、前記第1誘電体膜がAl2 O3 、Ta2 O5 、Nb2 O5 、ZrO2 の群から選ばれた少なくとも1種の化合物であり、前記第2誘電体膜がSiO2 であることが好ましい。 In the above structure, the first dielectric film is at least one compound selected from the group consisting of Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , and ZrO 2 , and the second dielectric film Is preferably SiO 2 .
誘電体材料のAl2 O3 、Ta2 O5 、Nb2 O5 、ZrO2 は、SiO2 と比べて重金属不純物元素に対するバリア性が高いため、誘電体膜中に含まれるFe、Cr、Niなどの重金属不純物の濃度は低い。 Since the dielectric materials Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , and ZrO 2 have higher barrier properties against heavy metal impurity elements than SiO 2 , Fe, Cr, Ni contained in the dielectric film The concentration of heavy metal impurities such as is low.
そして、誘電体反射膜を屈折率が異なる第1および第2の誘電体膜の組み合わせで構成し、各誘電体反射膜の屈折率を上記のように調整することにより、出射端面において所望の反射率を得ることができる。例えば、出射端面における反射率を1〜7%の範囲に設定することが可能となる。 Then, the dielectric reflection film is composed of a combination of the first and second dielectric films having different refractive indices, and the refractive index of each dielectric reflection film is adjusted as described above, so that the desired reflection at the emission end face. Rate can be obtained. For example, it is possible to set the reflectance at the exit end face in a range of 1 to 7%.
また、前記出射端面における光密度を23.6MW/cm2 以上に設定することも可能である。具体的には、重金属不純物濃度3×1017atoms/cm3以下、出射端面の反射率を6%、後方端面の反射率を96%とした240mW出力動作の半導体レーザ装置において、寿命1000時間以上の信頼性を確保するシミュレーションで出射端面の光密度を見積もった結果は23.6MW/cm2である。 It is also possible to set the light density at the emission end face to 23.6 MW / cm 2 or more. Specifically, in a semiconductor laser device operating at 240 mW with a heavy metal impurity concentration of 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less, a reflectance of the exit end face of 6%, and a reflectivity of the rear end face of 96%, the lifetime is 1000 hours or more. The result of estimating the light density at the exit end face in a simulation that secures the reliability of 23.6 MW / cm 2 .
また、上記の構成の半導体レーザ装置については、発振波長が単一波長の半導体レーザ装置に適用するのももちろんよいが、むしろ、発振波長を互いに異にする複数の半導体レーザ装置が同一基板上に形成されている集積化半導体レーザ装置に適用するのが最大限の効力を発揮する。代表的な集積化半導体レーザ装置として、発振波長の短い方の第1の半導体レーザ装置はその半導体レーザの活性層材料がAlGaInP系半導体材料であり、発振波長の長い方の第2の半導体レーザ装置はその活性層材料がAlGaAs系半導体材料であるという態様がある。活性層材料をAlGaInP系半導体材料とするのが650nm帯の赤色半導体レーザであり、活性層材料をAlGaAs系半導体材料とするのが780nm帯の赤外半導体レーザである。 Of course, the semiconductor laser device having the above-described structure may be applied to a semiconductor laser device having a single oscillation wavelength, but rather, a plurality of semiconductor laser devices having different oscillation wavelengths are disposed on the same substrate. Application to the formed integrated semiconductor laser device is most effective. As a typical integrated semiconductor laser device, the first semiconductor laser device with a shorter oscillation wavelength is an AlGaInP semiconductor material whose active layer material is the semiconductor laser, and the second semiconductor laser device with a longer oscillation wavelength. Has an aspect that the active layer material is an AlGaAs-based semiconductor material. A red semiconductor laser of 650 nm band uses an active layer material as an AlGaInP semiconductor material, and an infrared semiconductor laser of 780 nm band uses an AlGaAs semiconductor material as an active layer material.
このように構成することにより、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とを同一基板に搭載した集積化半導体レーザ装置について、上記同様に、出射端面と第1誘電体膜との界面において重金属不純物に起因して発生する深い準位を低減させることができ、高出力化と長寿命化とを両立させることができる。 With this configuration, in the integrated semiconductor laser device in which the red semiconductor laser element and the infrared semiconductor laser element are mounted on the same substrate, the heavy metal impurity is formed at the interface between the emission end face and the first dielectric film, as described above. It is possible to reduce the deep level generated due to the above, and to achieve both high output and long life.
本発明によれば、共振器端面に形成する第1誘電体膜中の重金属不純物濃度(例えばFeやCrやNi)が3×1017atoms/cm3 以下であるので、出射端面と第1誘電体膜との界面で重金属不純物に起因して発生する深い準位を低減して、高出力化と長寿命化とを両立させ、半導体レーザの歩留まりを向上させることができる。これは、特に、赤色半導体レーザ素子と赤外半導体レーザ素子とを同一基板に搭載した集積化半導体レーザ装置において、有利に作用する。 According to the present invention, since the heavy metal impurity concentration (for example, Fe, Cr, or Ni) in the first dielectric film formed on the resonator end face is 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less, the emission end face and the first dielectric Deep levels generated due to heavy metal impurities at the interface with the body film can be reduced, and both high output and long life can be achieved, and the yield of the semiconductor laser can be improved. This is particularly advantageous in an integrated semiconductor laser device in which a red semiconductor laser element and an infrared semiconductor laser element are mounted on the same substrate.
以下、本発明にかかわる半導体レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。 Embodiments of a semiconductor laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
図1に、本発明の集積化半導体レーザ装置の斜視図を示す。本実施の形態は、650nm帯に発振波長を有する赤色半導体レーザ素子aと、780nm帯に発振波長を有する赤外半導体レーザ素子bを同一基板上に形成した2波長型の半導体レーザ装置の一例である。 FIG. 1 is a perspective view of an integrated semiconductor laser device of the present invention. The present embodiment is an example of a two-wavelength type semiconductor laser device in which a red semiconductor laser element a having an oscillation wavelength in the 650 nm band and an infrared semiconductor laser element b having an oscillation wavelength in the 780 nm band are formed on the same substrate. is there.
図1に示すように、本実施の形態における2波長型の半導体レーザ装置は、650nm帯のレーザ光を発振する赤色半導体レーザ素子aと、780nm帯のレーザ光を発振する赤外半導体レーザ素子bとが1つの基板1上にモノリシックに形成されている。
As shown in FIG. 1, the two-wavelength semiconductor laser device according to the present embodiment includes a red semiconductor laser element a that oscillates laser light in the 650 nm band and an infrared semiconductor laser element b that oscillates laser light in the 780 nm band. Are formed monolithically on one
赤色半導体レーザ素子aは、エピタキシャル成長用のn型GaAs基板1の上に、n型クラッド層2、活性層3、第1のp型クラッド層4、エッチング停止層5、第2のp型クラッド層6、p型コンタクト層7および絶縁層8が順次形成されて構成されている。
The red semiconductor laser device a includes an n-
赤外半導体レーザ素子bは、赤色半導体レーザ素子aに対して半導体の組成は異なるものの、同等の構造を有しており、基板1の上に、n型クラッド層12、活性層13、第1のp型クラッド層14、エッチング停止層15、第2のp型クラッド層16、p型コンタクト層17および絶縁層8が順次形成されて構成されている。
The infrared semiconductor laser element b has the same structure as that of the red semiconductor laser element a, although the semiconductor composition is different. The infrared semiconductor laser element b has an n-
赤色半導体レーザ素子aと赤外半導体レーザ素子bとは、底部が基板1に達する分離溝20により電気的に分離されている。
The red semiconductor laser element a and the infrared semiconductor laser element b are electrically separated by a
絶縁層8は、赤色半導体レーザ素子aにおける第2のp型クラッド層6に形成された断面台形状の凸部構造であるリッジストライプ部の上面および赤外半導体レーザ素子bにおける第2のp型クラッド層16に形成されたリッジストライプ部の上面を除き、各エッチング停止層5,15の上面および各リッジストライプ部の側面を覆っている。
The insulating
赤色半導体レーザ素子aにおけるリッジストライプ部の上面にはp側電極9が形成され、リッジストライプ部から活性層3にキャリア(ホール)が注入される。同様に、赤外半導体レーザ素子bにおけるリッジストライプ部の上面にはp側電極19が形成され、リッジストライプ部から活性層13にキャリア(ホール)が注入される。
A p-
基板1の各p側電極9,19の反対側の面上にはn側電極10が形成されている。したがって、各p側電極9,19とn側電極10とにバイアス電圧を独立に印加することにより、各半導体レーザ素子a,bを独立に動作させることができる。
An n-
各リッジストライプ部の下方に形成される共振器における互いに対向する2つの端面は、それぞれ誘電体からなる出射端面の誘電体反射膜30および後方端面の誘電体反射膜31によりコーティングされている。出射端面の誘電体反射膜30により、レーザ光が出射される端面に出射端面(前方端面)40が形成され、かつ、出射端面40の反対側に位置しレーザ光が内部に反射される端面に後方端面(反射端面)41が形成されている。
The two opposing end faces of the resonator formed below each ridge stripe portion are coated with a
ここで、各誘電体反射膜30,31は屈折率が異なる複数の誘電体膜からなり、各誘電体反射膜の屈折率、膜厚および積層数を調整することにより、所望の反射率を得ることができる。
Here, each of the
なお、各リッジストライプ部は断面台形状に限定されず、その側面が基板面とほぼ垂直となる断面方形状でもよい。 Each ridge stripe portion is not limited to a trapezoidal cross section, and may have a rectangular cross section whose side surface is substantially perpendicular to the substrate surface.
前記の誘電体反射膜の代表的な形成方法は、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタ法が挙げられる。ECRプラズマ処理装置を使用する理由としては、低ガス圧(10-4〜10-5Torr)、低プラズマダメージ、低イオン損傷などの特徴を有し、成膜については、Al2 O3 、SiO2、SiNなどの各種薄膜を加熱なしの低温で緻密かつ高品質に形成することができるからである。 A typical method for forming the dielectric reflection film is an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method. The reason why the ECR plasma processing apparatus is used is that it has characteristics such as low gas pressure (10 −4 to 10 −5 Torr), low plasma damage, and low ion damage. For film formation, Al 2 O 3 , SiO 2 because various thin films such as SiN can be formed densely and with high quality at low temperatures without heating.
後方端面の誘電体反射膜31は反射率90%以上とすることが好ましく、低屈折率材料と高屈折率材料の多層構造をとることで高反射率化が可能となる。例えば、低屈折率材料としてSiO2 (屈折率1.48)、高屈折率材料として水素添加アモルファスSi(屈折率の実部n=3.3)を用いる。
The
出射端面40の誘電体反射膜30の材料としては、SiO2 、Al2 O3 、Ta2 O5 、Nb2 O5 、ZrO2 などが用いられる。前記誘電体材料を組み合わせ、膜厚を正確に設定することによって、多波長に対応した低反射率コートを実現することができる。ここで、SiO2 は化学的安定性、耐熱性、光の透過性、そして電気絶縁性に優れており、光学誘電体反射膜としてよく用いられる。しかし、高出力でレーザ動作させると、端面の劣化に起因したCOD(瞬時光学損傷)が問題として発生する。これは、前記スパッタ法で堆積させたSiO2 の不純物(主にFe、Cr、Niなどの重金属元素)の濃度レベルが高いことが原因であると考えられる。不純物濃度レベルの高い誘電体反射膜が出射端面に直接接した状態で高出力のレーザ動作をすると、重金属不純物の混入により出射端面に深い準位が発生し、その深い準位を介した非発光再結合により端面温度が上昇して端面が劣化するものと考えられる。したがって、出射端面と接する第1誘電体膜に重金属不純物濃度レベルの低い誘電体反射膜を形成することによって、高出力半導体レーザ装置の信頼性を向上できると予測される。低不純物濃度レベルの誘電体材料としてAl2 O3 がある。Al2 O3 はSiO2 と比べて、不純物元素に対するバリア性が高いため、膜中に含有するFe、Cr、Niなどの不純物濃度が低いことが分かっている。そこで、第1誘電体膜にAl2 O3 を用い、さらに界面の不純物濃度を変えて信頼性試験を行い、上記内容の検証を行った。
The dielectric
上記検証では、出射端面40側の第1誘電体膜をAl2 O3 で、第2誘電体膜をSiO2 で構成して、赤色半導体レーザ素子a、赤外半導体レーザ素子bそれぞれに対する反射率が1〜7%の間になるように膜厚を設定している。 In the above verification, the first dielectric film on the emission end face 40 side is made of Al 2 O 3 and the second dielectric film is made of SiO 2 , and the reflectivity with respect to the red semiconductor laser element a and the infrared semiconductor laser element b respectively. The film thickness is set so as to be between 1 and 7%.
図2に検証結果を示す。これは、赤色半導体レーザ素子について、出射端面と第1誘電体膜との界面における重金属不純物濃度と素子の寿命との関係を示したものであり、重金属としてFeが注目されている。高出力は例えば光出力240mW級である。 FIG. 2 shows the verification result. This shows the relationship between the heavy metal impurity concentration at the interface between the emission end face and the first dielectric film and the lifetime of the element in the red semiconductor laser element, and Fe is attracting attention as a heavy metal. The high output is, for example, the optical output 240 mW class.
図2から、高出力動作時においては、不純物濃度と寿命(信頼性)に明確な相関性が存在することが分かる。寿命1000時間以上を実現するためには、出射端面と第1誘電体膜との界面の重金属不純物濃度を3×1017atoms/cm3 以下とすることが必要である。 FIG. 2 shows that there is a clear correlation between the impurity concentration and the lifetime (reliability) during high output operation. In order to realize a lifetime of 1000 hours or more, it is necessary that the heavy metal impurity concentration at the interface between the emission end face and the first dielectric film be 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
以上のことにより、さらなる高出力化、長寿命化を実現するには、半導体レーザの出射端面の酸化を防ぐだけでは不十分であり、重金属不純物の汚染レベルの低減も必要不可欠である。 As described above, in order to realize further higher output and longer life, it is not sufficient to prevent oxidation of the emission end face of the semiconductor laser, and it is also essential to reduce the contamination level of heavy metal impurities.
本発明者は、重金属不純物濃度3×1017atoms/cm3 以下の半導体レーザ装置の光出力の検討を行った。図3は共振器内部の光強度分布を示している。ここでは、出射端面40の反射率を6%、後方端面41の反射率を96%、共振器長を1500μmとしている。240mW出力動作の半導体レーザ装置においては、寿命1000時間以上の信頼性を得ているのに対し、300mW出力動作時においては、後方端面41より劣化が生じている。この劣化が生じたときの後方端面41における光強度を参照して、シミュレーションにより半導体レーザの端面における光密度を見積もった結果は23.6MW/cm2である。
The present inventor has studied the optical output of a semiconductor laser device having a heavy metal impurity concentration of 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less. FIG. 3 shows the light intensity distribution inside the resonator. Here, the reflectance of the
前記の重金属の汚染レベルの低い誘電体反射膜は、ECRプラズマ処理装置内部の金属面の保護を行い、金属面スパッタによる汚染を抑制することで得られる。 The dielectric reflection film having a low contamination level of heavy metal can be obtained by protecting the metal surface inside the ECR plasma processing apparatus and suppressing contamination due to metal surface sputtering.
図4は、代表的なECRスパッタ装置の断面図を示している。この装置は、ECRプラズマを生成するプラズマ生成室51と、このプラズマ生成室51にマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段52と、プラズマ生成室51に連通した成膜室(スパッタチャンバー)53とを備えている。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a typical ECR sputtering apparatus. This apparatus includes a
プラズマ生成室51は上端と下端のそれぞれに開口が同軸状に形成されており、下端に、その下端開口を通じて周波数2.45GHzのマイクロ波を真空度を維持して供給するようにマイクロ波供給手段52が接続されているとともに、スパッタガスおよび清浄化ガスとしてのアルゴン(Ar)ガスおよび反応性ガスとしての酸素(O2 )ガスを導入するガス導入管54が接続されている。プラズマ生成室51の周囲にはECR条件を満たす磁界を生成するための磁気コイル55が設けられている。
The
成膜室53はその下端開口においてプラズマ生成室51の上端開口に接続されており、室内を真空にするための排気口53aが側壁に開口している。成膜室53の内部には、プラズマ生成室51の上端にその上端開口を囲んで設けられたSiやAlなどのターゲット材56が下端開口に臨む内壁を覆うように設置されているとともに、この下端開口に対向するように成膜対象物としての基板mを設置するためのステージ57が設けられている。ターゲット材56には負のバイアス電圧を印加するためのRF電源Eが接続されている。
The
図5はプラズマ生成室51に接続したマイクロ波供給手段52を拡大図示している。図5(a)に示すように、マイクロ波源58は、矩形導波管59aと整合器60と矩形導波管59b,59cと真空導波管61を介してプラズマ生成室51に接続されている。矩形導波管59cはマイクロ波を2つに分岐するもので、マイクロ波回路におけるE面Y分岐回路となっている。真空導波管61はマイクロ波を送り出すためのスリット62を中央部に有するもので、図5(b)にも示すように、マイクロ波がそのマイクロ波電界を外部磁界に平行として外部磁界に垂直な方向へ進む導波管部61aと、このマイクロ波を外部磁界に沿ってプラズマ生成室51へ導くテーパー管部61bとから構成されている。スリット62は導波管部61aにおけるマイクロ波の進行方向(導波管部61aの長手方向)に短く、それに直角な方向に長い矩形開口を有し、テーパー管部61bのプラズマ生成室51側は、スリット62の長手方向と等しい直径の円形のマイクロ波導入開口63となっている。
FIG. 5 is an enlarged view of the microwave supply means 52 connected to the
スリット62の両側の対称な位置、マイクロ波が外部磁界に垂直に進行する部分には、真空を維持してマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入窓64a,64bが設置されている。この例では石英板が用いられている。
このような構成により、マイクロ波源58からのマイクロ波は、矩形導波管59a、整合器60、矩形導波管59bを経て分岐回路である矩形導波管59cに導かれ、そこで2つに分岐され、それぞれ等しい伝播距離で進行した後に、マイクロ波導入窓64a,64bを通り、スリット62に到達する。このとき、矩形導波管59cで分岐された2つのマイクロ波の位相は互いに180度異なっているため、スリット62の付近では、マイクロ波導入窓64aからのマイクロ波とマイクロ波導入窓64bからのマイクロ波とが互いに打ち消しあって定在波の節となり、マイクロ波電界強度は非常に弱くなるため、導波管部61a内でのプラズマ発生は防止される。一方で、導波管壁を流れる高周波電流はスリット62によって断ち切られるため、スリット62に到達したマイクロ波はテーパー管部61b内へ放射され、さらにプラズマ生成室51内に放射される。
With such a configuration, the microwave from the
このようにしてプラズマ生成室51内に放射されるマイクロ波によって、ガス導入管54より導入されるガスが励起されてプラズマ化し、そのプラズマが成膜室53に流れ込んでターゲット材56をスパッタする結果、ターゲット材56の薄膜が基板m上に形成される。
As a result of the microwaves radiated into the
なお、この際に、マイクロ波導入窓64a,64bがマイクロ波導入開口63から見て死角の位置にあるため、プラズマ生成室51内で生成されたプラズマ中の粒子が直接飛来することはなく、マイクロ波導入窓64a,64bへの膜の付着は防止される。
At this time, since the
このようにECRプラズマを利用して薄膜を形成するプラズマ処理装置は、低ガス圧(10-4〜10-5 Torr)、低プラズマダメージ、低イオン損傷などの特徴を有しており、Al2 O3 ,SiO2,SiNなどの各種薄膜を加熱なしの低温で緻密かつ高品質に形成することができる。 The plasma processing apparatus using ECR plasma to form a thin film as a low gas pressure (10 -4 ~10 -5 Torr), a low plasma damage, has features such as low ionic damage, Al 2 Various thin films such as O 3 , SiO 2 and SiN can be formed densely and with high quality at a low temperature without heating.
上述したプラズマ処理装置では、プラズマ生成室51は、石英チューブ65と、プラズマ引き出し窓となる円形の開口を形成した石英板66と、マイクロ波導入窓となる角形の開口を形成した石英板67とで構成することによって、基板mへの重金属元素の飛来を抑制している。
In the plasma processing apparatus described above, the
しかし、プラズマ処理装置では一般に、プラズマ生成室51で生成したプラズマの一部はマイクロ波供給手段52側まで広がるため、その接続部分、上述した例ではマイクロ波整流板68の開口部の金属面がスパッタされ、金属元素の飛散、基板m上への飛来が起こる。そのため、基板m上に形成される膜の重金属汚染量を3×1017atoms/cm3 以下に抑えることは困難である。
However, in the plasma processing apparatus, in general, a part of the plasma generated in the
そこで、プラズマ生成室51との連通開口に臨んだ金属内壁を耐プラズマ性の保護材で覆うことにより、金属内壁からの金属元素の飛散を抑止し、成膜室53で形成される膜中の金属汚染レベルを3×1017atoms/cm3 以下にまで低減させることができる。
Therefore, the metal inner wall facing the communication opening with the
なお、半導体レーザ装置の誘電体反射膜は、ECRスパッタ法のみならず、マグネトロンスパッタ、電子ビーム蒸着(EB蒸着)などでも堆積ができる。これらの堆積法においても、スパッタ装置内部の汚染源を耐性の優れた保護膜などで保護し、金属面のスパッタを抑止することで、金属汚染レベルを低減した誘電体反射膜を形成させてもよい。 The dielectric reflection film of the semiconductor laser device can be deposited not only by the ECR sputtering method but also by magnetron sputtering, electron beam evaporation (EB evaporation) or the like. Also in these deposition methods, a dielectric reflection film with a reduced metal contamination level may be formed by protecting the contamination source inside the sputtering apparatus with a protective film having excellent durability and suppressing the sputtering of the metal surface. .
さらに、出射端面と接する第1誘電体膜には、SiO2 に比べて不純物濃度レベルが低く、放熱性の優れたAl2 O3 膜を採用することが望ましい。 Furthermore, as the first dielectric film in contact with the emission end face, it is desirable to employ an Al 2 O 3 film having a lower impurity concentration level than SiO 2 and excellent in heat dissipation.
このようにして、本実施の形態によれば、出射端面と誘電体反射膜との界面の重金属不純物濃度を3×1017atoms/cm3 以下で形成することによって、高出力動作に適し、信頼性の高い集積化半導体レーザ装置を得ることができる。 Thus, according to the present embodiment, the heavy metal impurity concentration at the interface between the emission end face and the dielectric reflecting film is formed to be 3 × 10 17 atoms / cm 3 or less, which is suitable for high output operation and reliable. A highly integrated semiconductor laser device can be obtained.
本発明の集積化半導体レーザ装置は、例えば、高出力2波長レーザ装置を必要とする光記録装置等の光源として有用であり、また、その他、レーザ医療等への応用にも有用である。 The integrated semiconductor laser device of the present invention is useful, for example, as a light source for an optical recording device or the like that requires a high-power two-wavelength laser device, and is also useful for other applications such as laser medicine.
a 赤色半導体レーザ素子
b 赤外半導体レーザ素子
1 n型GaAs基板
2 n型クラッド層
3 活性層
4 第1のp型クラッド層
5 エッチング停止層
6 第2のp型クラッド層
7 p型コンタクト層
8 絶縁層
9 p側電極
10 n側電極
12 n型クラッド層
13 活性層
14 第1のp型クラッド層
15 エッチング停止層
16 第2のp型クラッド層
17 p型コンタクト層
19 p側電極
20 分離溝
30 出射端面の誘電体反射膜
31 後方端面の誘電体反射膜
40 出射端面
41 後方端面
a red semiconductor laser device b infrared semiconductor laser device 1 n-type GaAs substrate 2 n-
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