JP4901068B2 - Nitride-based semiconductor laser device and optical information processing apparatus including the same - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物系半導体レーザ素子とそれを含む光学式情報処理装置との改善に関する。なお、本願明細書において、光学式情報処理装置とは、光学式記録媒体に関して情報を記録、再生、および消去の少なくとも1の処理を行い得る装置を意味する。 The present invention relates to an improvement in a nitride semiconductor laser element and an optical information processing apparatus including the nitride semiconductor laser element. In the present specification, the optical information processing apparatus means an apparatus capable of performing at least one process of recording, reproducing, and erasing information with respect to an optical recording medium.
光学式情報処理装置においては、情報記録速度の高速化の要請に伴って、高出力で安定したレーザ光を発生させ得る半導体レーザ素子が熱望されている。さらに、記録媒体における情報記録密度の高密度化の要請に伴って、波長の短いレーザ光を射出し得る半導体レーザ素子が熱望されている。 In an optical information processing apparatus, a semiconductor laser element capable of generating a high-power and stable laser beam is eagerly desired in response to a demand for an increase in information recording speed. Furthermore, along with a demand for higher information recording density in a recording medium, a semiconductor laser element capable of emitting laser light having a short wavelength is eagerly desired.
一般的な光学式情報処理装置では、記録媒体の記録層を構成する物質の結晶相変化または磁気相転移を利用する記録方式が採用されており、レーザ光のエネルギーは情報記録時の熱源として利用されている。したがって、情報記録速度の高速化を実現するためには、レーザ素子の光出力を高める必要がある。 In general optical information processing devices, a recording method that uses the crystal phase change or magnetic phase transition of the material constituting the recording layer of the recording medium is employed, and the energy of the laser beam is used as a heat source during information recording. Has been. Therefore, in order to realize a high information recording speed, it is necessary to increase the light output of the laser element.
しかし、半導体レーザ素子の光出力を高めるために電流注入量を増加させた場合、半導体レーザ素子は基本次水平横モードで発振するのみならず高次水平横モードでも発振することが知られている。その結果、レーザ光を小さいスポットに集光させることが困難になり、収束したレーザ光のスポットが位置ずれを起こしやすくなり、そして記録密度を低下させることとなる。 However, it is known that when the amount of current injection is increased in order to increase the optical output of the semiconductor laser device, the semiconductor laser device oscillates not only in the basic horizontal horizontal mode but also in the high horizontal horizontal mode. . As a result, it becomes difficult to focus the laser beam on a small spot, the spot of the converged laser beam is likely to be displaced, and the recording density is reduced.
なお、横モードには水平横モードと垂直横モードが存在するが、問題となるのは水平横モードにおける高次モードの発振である。なぜならば、レーザ素子の製造過程における加工寸法精度はレーザ構造を構成する半導体層の積層方向(垂直方向)の方がそれに直交する方向(水平方向)に比べて高く、精度の高い層厚の制御によって高次垂直横モードを発振させることなく基本垂直横モードのみを発振させ得る素子構造を形成することが可能だからである。 The horizontal mode includes a horizontal horizontal mode and a vertical horizontal mode, but the problem is high-order mode oscillation in the horizontal horizontal mode. This is because the processing dimension accuracy in the manufacturing process of the laser element is higher in the stacking direction (vertical direction) of the semiconductor layers constituting the laser structure than in the direction orthogonal to the semiconductor layer (horizontal direction), and the layer thickness can be controlled with high accuracy. This is because it is possible to form an element structure that can oscillate only the basic vertical transverse mode without oscillating the higher-order vertical transverse mode.
波長の短いレーザ光を射出する半導体レーザ素子としては、GaN、InN、AlNおよびそれらの混晶半導体に代表される窒化物系半導体材料を活性層に用いて青色領域から紫外領域のレーザ光を射出し得る窒化物系半導体レーザ素子が挙げられ、近年、その試作も行われるようになっている。波長の短いレーザ光は波長の長いレーザ光に比べて小さいスポットに絞ることができる。したがって、窒化物系半導体レーザ素子を光源として用いた光学式情報処理装置は、記録媒体への記録密度を従来に比べて高めることができる次世代高密度情報処理装置として注目されている。 As semiconductor laser elements that emit laser light with a short wavelength, GaN, InN, AlN, and nitride semiconductor materials typified by their mixed crystal semiconductors are used as active layers, and laser light in the blue to ultraviolet region is emitted. Nitride-based semiconductor laser elements that can be used are listed, and in recent years, the trial production thereof has been carried out. A laser beam having a short wavelength can be focused to a spot that is smaller than a laser beam having a long wavelength. Therefore, an optical information processing apparatus using a nitride-based semiconductor laser element as a light source is attracting attention as a next-generation high-density information processing apparatus that can increase the recording density on a recording medium as compared with the conventional one.
公知技術では、ストライプ領域内における水平方向キャリア分布および水平方向光強度分布が非対称形状になることによる不安定状態を改善して単一水平横モード(基本次水平横モードのみ)で高出力まで発振させることを目的として、いわゆる実屈折率導波型(リッジストライプ構造)の光導波路が採用されたAlGaAs系半導体レーザ素子が知られている。高出力まで基本次水平横モードのみで発振させるためには、光導波路の幅(以下、ストライプ幅と称す)を狭くすることが有効である。ただし、狭くし過ぎれば、基本次水平横モードの光に対する導波路の光閉じ込め作用が弱くなり、また半導体レーザ素子の閾値電圧が上昇することが知られている。したがって、ストライプ幅には好ましい範囲が存在する。 The known technology improves the unstable state due to the asymmetrical shape of the horizontal carrier distribution and horizontal light intensity distribution in the stripe region, and oscillates to a high output in a single horizontal transverse mode (basic horizontal transverse mode only). For this purpose, there is known an AlGaAs semiconductor laser element employing a so-called real refractive index waveguide type (ridge stripe structure) optical waveguide. In order to oscillate only in the basic next horizontal transverse mode up to high output, it is effective to reduce the width of the optical waveguide (hereinafter referred to as the stripe width). However, it is known that if it is made too narrow, the optical confinement action of the waveguide with respect to the light of the fundamental horizontal / horizontal mode becomes weak, and the threshold voltage of the semiconductor laser element increases. Therefore, there is a preferred range for the stripe width.
ストライプ幅を最適化する技術は、窒化物系半導体レーザ素子に対しても適用することができる。しかし、このストライプ幅の最適値はレーザ発振の波長にほぼ比例するので、AlGaAs系半導体レーザ素子に比べて、窒化物系半導体レーザ素子においては2.0μm以下という小さな値となる。そして、ストライプ幅が窒化物系半導体レーザ素子の特性に与える影響は、その設計値幅が狭くなるほど顕著となる。その結果、窒化物系半導体レーザ素子においては、その特性に与える影響を十分小さくするためには、ストライプ幅を設計値から±0.1μm以内の精度で形成する技術が要求される。しかし、この精度の範囲内に収めることは、プロセス技術上から極めて困難である。したがって、窒化物系半導体レーザ素子においては、ストライプ幅の調整のみによって単一水平横モード(基本次水平横モードのみ)で高出力まで発振させることは困難である。 The technique for optimizing the stripe width can also be applied to a nitride semiconductor laser element. However, since the optimum value of the stripe width is substantially proportional to the wavelength of the laser oscillation, the nitride semiconductor laser element has a smaller value of 2.0 μm or less than the AlGaAs semiconductor laser element. The effect of the stripe width on the characteristics of the nitride-based semiconductor laser device becomes more prominent as the design value width becomes narrower. As a result, in order to sufficiently reduce the influence on the characteristics of the nitride-based semiconductor laser element, a technique for forming the stripe width with an accuracy within ± 0.1 μm from the design value is required. However, it is extremely difficult in terms of process technology to be within this accuracy range. Therefore, it is difficult for a nitride-based semiconductor laser device to oscillate to a high output in a single horizontal transverse mode (basic next horizontal transverse mode only) only by adjusting the stripe width.
図11は、従来の典型的な窒化物系半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的な断面図であり、図面に直交する方向が共振器方向(軸方向)である。この窒化物系半導体レーザ素子においては、基板3001上に、下部クラッド層3002と、下部光導波層3003と、3重量子井戸構造の活性層3004と、キャリアストップ層3005と、上部光導波層3006と、上部クラッド層3007と、コンタクト層3008とが順次積層されている。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a conventional laminated structure of a typical nitride-based semiconductor laser device, and the direction orthogonal to the drawing is the resonator direction (axial direction). In this nitride semiconductor laser device, a
上部クラッド層3007は中央にストライプ状の突出部を有し、その断面形状は凸形状である。コンタクト層3008は、上部クラッド層3007の突出部上のみに形成されている。すなわち、図11の窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプ構造は、上部クラッド層3007の突出部とコンタクト層3008とによって構成されている。このリッジストライプ構造は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成され得る。そして、活性層3004で発生した光は、このストライプ状導波路構造内に閉じ込められて、レーザ発振動作を生ずる。
The
さらに、図11の窒化物系半導体レーザ素子は、リッジストライプの両側に形成されていて発振波長の光に対してほぼ透明な埋込み層3009と、コンタクト層および埋込み層を覆うように形成された電極3010と、基板の下面を覆うように形成された電極3011とを有している。リッジストライプ構造における長手方向の両端面は、共振器のミラーとして機能する共振器端面である。
Further, the nitride-based semiconductor laser device of FIG. 11 includes a buried
図11に示した従来の窒化物系半導体レーザ素子において、活性層3004で発生する光に対して吸収性を有する材料で埋込み層3009を形成することにより、単一水平横モード(基本次水平横モードのみ)で高出力まで発振させる方法が知られている。この方法は、例えばTsuyoshi Tojyo et al:Jpn.J.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.1829-1833の文献に述べられている。この文献に記載された窒化物系半導体レーザ素子では、図11中の埋込み層3009が、レーザ発振波長の光に対して透明な酸化シリコン(SiO2)層と吸収を示すシリコン(Si)層とを含む2層構造で形成されている。
In the conventional nitride-based semiconductor laser device shown in FIG. 11, the buried
Tsuyoshi Tojyo et alの文献に記された窒化物系半導体レーザ素子では、レーザ発振波長の光に対して透明なSiO2層の厚さを調節することにより、レーザ発振波長の光に対して吸収を示すSi層と半導体層との距離を調節している。Si層と半導体層との距離が小さくなれば、レーザ光の吸収が大きくなるので、一定の光出力を得るために必要な窒化物系半導体レーザ素子の動作電流が増大する。またSi層と半導体層の距離が大きくなれば、高出力まで直線的なI−L(電流・光出力)特性を維持できなくなる。したがって、Si層と半導体層との距離、すなわちSiO2層の厚さには好ましい値が存在し、それは数十nmのオーダとなる。
上述のように、埋込み層がSiO2層とSi層の2層で構成された窒化物系半導体レーザ素子では、SiO2層の厚さを厳密に調整する必要がある。すなわち、SiO2層は数十nmのオーダの厚さで成膜する必要があり、±5nm以上の膜厚誤差が生じれば、窒化物系半導体レーザ素子の特性、特に動作電流と光出力の上限値に悪影響を与える。しかし、レーザ素子の作製ロット毎にSiO2層の厚さを±5nm以内の誤差に抑えることは困難であり、作製歩留りを低下させるという課題がある。 As described above, in the nitride semiconductor laser element in which the buried layer is composed of the SiO 2 layer and the Si layer, it is necessary to strictly adjust the thickness of the SiO 2 layer. That is, the SiO 2 layer needs to be formed with a thickness on the order of several tens of nm. If a film thickness error of ± 5 nm or more occurs, the characteristics of the nitride-based semiconductor laser device, particularly the operating current and optical output Adversely affects the upper limit. However, it is difficult to suppress the thickness of the SiO 2 layer to an error within ± 5 nm for each production lot of laser elements, and there is a problem that the production yield is lowered.
かかる課題に鑑み、本発明は、動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る半導体レーザ素子を高い歩留りで提供することを目的とし、ひいては高速かつ高密度で情報の記録、再生、および消去が可能な光学式情報処理装置を提供することをも目的としている。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of realizing a stable transverse mode oscillation up to a high output while suppressing an increase in operating current at a high yield, and thus information at high speed and high density. Another object of the present invention is to provide an optical information processing apparatus capable of recording, reproducing and erasing data.
まず、一般に窒化物系半導体とはAlpInqGa1-p型qN(0≦p≦1、0≦q≦1、0≦p+q≦1)からなる結晶を意味するが、本発明に関する窒化物系半導体はAlpInqGa1-p型qNのみからなる結晶だけを意味するのではなくて、III族原子(Al、In、Ga)の一部(20原子数%以下)をB、Cr、V、Ti、Nb、Ta、Zr、Sc、Tl、Gd、Laなどで置換した結晶や、V族原子であるN原子の一部(20原子数%以下)をP、As、Sbなどで置換した結晶をも含み、それらの結晶に不純物としてB、Al、In、Tl、P、As、Sb、Be、Mg、Cd、Zn、C、Si、Ge、Sn、O、S、Se、Te、H、Sc、Cu、Fe、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、ランタノイドなどが添加されていてもよい。また、n型窒化物系半導体およびp型窒化物系半導体とは、窒化物系半導体に導電型を規定する不純物を含有していることを意味する。 First, a nitride semiconductor generally means a crystal made of Al p In q Ga 1-p type qN (0 ≦ p ≦ 1, 0 ≦ q ≦ 1, 0 ≦ p + q ≦ 1). A nitride-based semiconductor does not mean only a crystal consisting of Al p In q Ga 1-p type q N alone, but a part of group III atoms (Al, In, Ga) (20 atomic% or less). Crystals substituted with B, Cr, V, Ti, Nb, Ta, Zr, Sc, Tl, Gd, La, etc., or a part of N atoms that are group V atoms (20 atomic% or less) are converted to P, As, Including crystals substituted with Sb and the like, and impurities such as B, Al, In, Tl, P, As, Sb, Be, Mg, Cd, Zn, C, Si, Ge, Sn, O, S, Se, Te, H, Sc, Cu, Fe, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, lanthanoids, etc. are added. May be. The n-type nitride semiconductor and the p-type nitride semiconductor mean that the nitride semiconductor contains an impurity that defines a conductivity type.
また、本明細書において、「リッジストライプ構造の幅」および「ストライプ幅」とは、リッジストライプ断面の概略台形形状の上辺幅と下辺幅の平均値を表す。共振器方向においてリッジストライプ幅が局所的に変化している場合は、全共振器長に渡る上辺幅の平均値と下辺幅の平均値との平均値を指すものとする。 Further, in this specification, “width of the ridge stripe structure” and “stripe width” represent an average value of the upper side width and the lower side width of the substantially trapezoidal shape of the ridge stripe cross section. When the ridge stripe width is locally changed in the resonator direction, it means the average value of the average value of the upper side width and the average value of the lower side width over the entire resonator length.
「垂直方向」とは、半導体層の厚さ方向を指す。また、「水平方向」とは、共振器の長手方向に直行しかつ半導体層の厚さ方向に直交する方向を意味する。 “Vertical direction” refers to the thickness direction of the semiconductor layer. The “horizontal direction” means a direction perpendicular to the longitudinal direction of the resonator and orthogonal to the thickness direction of the semiconductor layer.
「ストライプ内の局所的等価屈折率Nin」とは、ストライプ内で垂直方向の屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考え、その構造において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率を意味する。同様に、「ストライプ外の局所的等価屈折率Nout」とは、ストライプ外の垂直方向の屈折率分布を有する仮想的なスラブ導波路を考え、その構造において通常の電界分布計算により求まる等価屈折率を意味する。また、「ストライプ外の局所吸収係数αout」とは、(ストライプ外の局所的等価屈折率の虚数部Im[Nout])×2×2π/(レーザ発振波長[cm])により求まる値とする。 The “local equivalent refractive index Nin within the stripe” means an equivalent refractive index determined by a normal electric field distribution calculation in a virtual slab waveguide having a vertical refractive index distribution in the stripe. . Similarly, the “local equivalent refractive index Nout outside the stripe” means a virtual slab waveguide having a vertical refractive index distribution outside the stripe, and an equivalent refractive index obtained by normal electric field distribution calculation in the structure. Means. The “local absorption coefficient αout outside the stripe” is a value obtained by (imaginary part Im [Nout] of the local equivalent refractive index outside the stripe) × 2 × 2π / (laser oscillation wavelength [cm]).
「水平横モード」とは、ストライプ幅Wに対して、次式(1)に示される局所的等価屈折率分布n(y)を有する仮想的なスラブ導波路を考え、その構造において通常の電界分布計算により求まるモードを意味するものとする。 The “horizontal transverse mode” refers to a virtual slab waveguide having a local equivalent refractive index distribution n (y) represented by the following formula (1) with respect to the stripe width W, and a normal electric field in the structure. It shall mean the mode obtained by distribution calculation.
n(y)=Nin(|y|≦W);n(y)=Nout(|y|>W)・・・(1)
「基本次水平横モード」および「1次水平横モード」とは、水平横モードの基本次モードおよび1次モードをそれぞれ意味する。「基本次モード吸収係数」とは(基本次水平横モードの等価屈折率の虚数部)×2×2π/(レーザ発振波長[cm])により求まる値とし、「1次モード吸収係数」とは(1次水平横モードの等価屈折率の虚数部)×2×2π/(レーザ発振波長[cm])により求まる値とする。
n (y) = Nin (| y | ≦ W); n (y) = Nout (| y |> W) (1)
“Basic horizontal horizontal mode” and “primary horizontal horizontal mode” mean a basic horizontal mode and a primary mode of horizontal horizontal mode, respectively. “Basic order mode absorption coefficient” is a value obtained by (imaginary part of equivalent refractive index of basic order horizontal transverse mode) × 2 × 2π / (laser oscillation wavelength [cm]). “First order mode absorption coefficient” A value obtained by (imaginary part of equivalent refractive index of primary horizontal transverse mode) × 2 × 2π / (laser oscillation wavelength [cm]).
また、「水平方向閉じ込め係数Γ‖」とは、水平横モードの水平方向光強度分布をI(y)とし、かつレーザ素子のストライプ幅内を次式(2)で規定して、次式(3)で定義される量とする。 Further, the “horizontal confinement coefficient Γ‖” is defined as the following formula (2), where the horizontal light intensity distribution of the horizontal transverse mode is defined as I (y) and the stripe width of the laser element is defined by the following formula (2). The amount defined in 3).
電界分布計算とは、スラブ導波路における通常の電界分布計算を意味する。その計算方法については、例えば、M.J.Bergmann and H.C.Casey,Jr.:J.Appl.Phys., vol.84, 1998, pp.1196-1203を参照することができる。電界分布計算におけるパラメータである発振波長λ[nm]に関する各材料の屈折率nは、計算により求められる。その際に、発振波長λは300〜800nmの範囲内とすることができる。例えば、窒化物系半導体材料のパラメタ(エネルギバンドギャップ)Eg[eV]は次式で与えられる。 Electric field distribution calculation means normal electric field distribution calculation in the slab waveguide. For the calculation method, for example, M.J.Bergmann and H.C.Casey, Jr .: J.Appl.Phys., Vol.84, 1998, pp.1196-1203 can be referred to. The refractive index n of each material related to the oscillation wavelength λ [nm], which is a parameter in the electric field distribution calculation, is obtained by calculation. At that time, the oscillation wavelength λ can be in the range of 300 to 800 nm. For example, a parameter (energy band gap) Eg [eV] of a nitride semiconductor material is given by the following equation.
InsGa1-sN(0≦s≦1)に対しては、
Eg=Eg1[s]=3.42(1-s)+2.65s-3.94s(1-s)
AltGa1-tN(0≦t≦1)に対しては、
Eg=Eg2[t]=3.42(1-t)+6.2t-1.057t(1-t)
InsAltGa1-s-tN(0<s<1; 0<t<1)に対しては、
Eg={s・Eg1[s+t]+t・Eg2[s+t]}/(s+t)
これにより、屈折率は、次式に従がって求められる。
For In s Ga 1-s N (0 ≦ s ≦ 1)
Eg = Eg1 [s] = 3.42 (1-s) + 2.65s-3.94s (1-s)
For Al t Ga 1-t N (0 ≦ t ≦ 1),
Eg = Eg2 [t] = 3.42 (1-t) + 6.2t-1.057t (1-t)
For,; In s Al t Ga 1 -st N (0 <t <1 0 <s <1)
Eg = {s · Eg1 [s + t] + t · Eg2 [s + t]} / (s + t)
Thereby, a refractive index is calculated | required according to following Formula.
p[λ]=1/[1/λ-(Eg-3.42)/1239.852]
とおいて、
p[λ]>360.7 のとき、
n(p[λ])=[4.3663801+p型2/(p型2-295.9-2)]-0.5
p[λ]≦360.7 のとき、
n(p[λ])=c0+c1・q+c2・q-2+c3・q-3+c4・q-4
q = p[λ]-360
c0= 2.718
c1= 9.976e-3
c2= 3.005e-4
c3= 4.584e-6
c4= 2.596e-8
また本明細書における電界分布計算では、可視波長の光に対し吸収を示す埋込み層の吸収係数以外は、全て吸収はないものとして計算を行う。
p [λ] = 1 / [1 / λ- (Eg-3.42) /1239.852]
Anyway,
When p [λ]> 360.7
n (p [λ]) = [4.3663801 + p-type 2 / (p-type 2 -295.9 -2 )] -0.5
When p [λ] ≦ 360.7
n (p [λ]) = c0 + c1, q + c2, q- 2 + c3, q- 3 + c4, q- 4
q = p [λ] -360
c0 = 2.718
c1 = 9.976e -3
c2 = 3.005e -4
c3 = 4.584e -6
c4 = 2.596e -8
In the electric field distribution calculation in this specification, the calculation is performed on the assumption that there is no absorption except for the absorption coefficient of the buried layer that absorbs light having a visible wavelength.
以上のような前提および条件の下において、本発明の窒化物系半導体レーザ素子は、基板上において、窒化物系半導体からなる活性層と、水平方向おいて光を閉じ込めるためのリッジストライプ構造と、そのリッジストライプの両側に接して形成された埋込み層とを含み、その埋込み層は可視波長の光に対して吸収作用を有することを特徴としている。 Under the premise and conditions as described above, the nitride semiconductor laser element of the present invention includes an active layer made of a nitride semiconductor on a substrate, a ridge stripe structure for confining light in the horizontal direction, And a buried layer formed in contact with both sides of the ridge stripe, and the buried layer has an absorption function for light having a visible wavelength.
なお、埋込み層は、リッジストライプの各側面からの距離が少なくとも0.5μmまでの範囲内に渡って0.1μm以上の層厚を有していることが好ましい。埋込み層上にその埋込み層と異なる材料からなる第2の埋込み層を備え、さらにその第2の埋込み層上に電極を有することもできる。埋込み層の吸収係数は、3×104[cm-1]以上であることが好ましい。 The buried layer preferably has a layer thickness of 0.1 μm or more over a range where the distance from each side surface of the ridge stripe is at least 0.5 μm. A second buried layer made of a material different from that of the buried layer may be provided on the buried layer, and an electrode may be provided on the second buried layer. The absorption coefficient of the buried layer is preferably 3 × 10 4 [cm −1 ] or more.
リッジストライプの幅は、1.0μm以上2.0μm以下であることが好ましい。埋込み層による水平方向基本次横モードと水平方向1次横モードのモード吸収係数の差は、5[cm-1]以上であることが好ましい。また、埋込み層による水平方向基本次横モードのモード吸収係数は、20[cm-1]以下であることが好ましい。 The width of the ridge stripe is preferably 1.0 μm or more and 2.0 μm or less. The difference in mode absorption coefficient between the horizontal basic primary mode and the horizontal primary horizontal mode due to the buried layer is preferably 5 [cm −1 ] or more. Further, the mode absorption coefficient of the horizontal fundamental order transverse mode by the buried layer is preferably 20 [cm −1 ] or less.
リッジストライプの幅をW[μm]、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角をθ‖[°]、前記埋込み層の屈折率実数部がRで吸収係数がα[cm-1]である場合に、Rおよびαが
{(R−R0)/a}2+{(α−α0)/b}2≦1;
{(R−R0’)/a’}2+{(α−α0’)/b’}2≧1;
R>0;およびα>0
の条件を満たすことが好ましく、ただし
R0=28.182×αout-0.3945;
a=3948×αout-1.6089;
α0=12381×αout-1.828;
b=19959×αout-1.7896;
R0’=28.182×αout2-0.3945;
a’=3948×αout2-1.6089;
α0’=12381×αout2-1.828;
b’=19959×αout2-1.7896;
αout=10/10×exp[−0.226834−0.73435W−0.0921402θ‖+0.393325W・θ‖];および
αout2=5/5×exp[4.26705−2.31018W−0.35138θ‖+0.48567W・θ‖]
である。
When the width of the ridge stripe is W [μm], the full width at half maximum of the far field pattern is θ‖ [°], the real part of the refractive index of the buried layer is R, and the absorption coefficient is α [cm −1 ], R and α are {(R−R0) / a} 2 + {(α−α0) / b} 2 ≦ 1;
{(R−R0 ′) / a ′} 2 + {(α−α0 ′) / b ′} 2 ≧ 1;
R>0; and α> 0
It is preferable that R0 = 28.182 × αout −0.3945 ;
a = 3948 × αout −1.6089 ;
α0 = 12381 × αout -1.828 ;
b = 19959 × αout −1.7896 ;
R0 ′ = 28.182 × αout2 −0.3945 ;
a ′ = 3948 × αout2 −1.6089 ;
α0 ′ = 12381 × αout2 -1.828 ;
b ′ = 19959 × αout2 −1.7896 ;
αout = 10/10 × exp [−0.226834−0.73435W−0.0921402θ‖ + 0.393325W · θ‖]; and αout2 = 5/5 × exp [4.26705-2.31818W−0.35138θ‖ + 0.48567W · θ‖]
It is.
リッジストライプ構造の幅が1.9μm以上2.0μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がSi、GaAs、InP、GaP、およびInAsのいずれかの材料で形成され得る。 The width of the ridge stripe structure is not less than 1.9 μm and less than 2.0 μm, the full width at half maximum of the horizontal direction of the far field pattern is not less than 9 ° and not more than 10 °, and the buried layer has Si, GaAs, InP, GaP, and It can be formed of any material of InAs.
また、リッジストライプ構造の幅が1.8μm以上1.9μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がSi、GaAs、SiO、InP、Ge、InAs、Au、Ti、Pt、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.8 μm or more and less than 1.9 μm, the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is made of Si, GaAs, SiO, InP. , Ge, InAs, Au, Ti, Pt, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.7μm以上1.8μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がSi、GaAs、SiO、InP、InAs、Al、Ag、Rh、Ir、Cu、Ir、Pt、Ni、Ti、Au、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.7 μm or more and less than 1.8 μm, the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is made of Si, GaAs, SiO, InP , InAs, Al, Ag, Rh, Ir, Cu, Ir, Pt, Ni, Ti, Au, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.6μm以上1.7μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がSiO、アモルファスSi、SiO、GaAs、InP、Al、Ag、Rh、Ir、Pt、Ni、Cu、Ti、Au、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.6 μm or more and less than 1.7 μm, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is made of SiO, amorphous Si, SiO, It can be formed of any material of GaAs, InP, Al, Ag, Rh, Ir, Pt, Ni, Cu, Ti, Au, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.5μm以上1.6μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がGe、SiO、Al、Ag、Rh、Ir、Pt、Ni、Cu、Ti、Au、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.5 μm or more and less than 1.6 μm, the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is formed of Ge, SiO, Al, Ag. , Rh, Ir, Pt, Ni, Cu, Ti, Au, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.4μm以上1.5μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がAl、Ag、Rh、Ir、Cu、Pt、Ni、Ti、およびAuのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is made of Al, Ag, Rh, Ir , Cu, Pt, Ni, Ti, and Au.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.0μm以上1.4μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、埋込み層がAl、Ag、およびRhのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.0 μm or more and less than 1.4 μm, the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is made of Al, Ag, and Rh. It can be formed of any material.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.6μm以上1.7μm以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が10°より大きく11°以下の値を有し、埋込み層はSi、SiO、InP、GaAs、Ge、InAs、Au、Ti、Ni、Cu、Pt、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Furthermore, the width of the ridge stripe structure is 1.6 μm or more and 1.7 μm or less, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern has a value of more than 10 ° and 11 ° or less, and the buried layer has Si, SiO, InP, It can be formed of any material of GaAs, Ge, InAs, Au, Ti, Ni, Cu, Pt, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.5μm以上1.6μm以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が10°より大きく11°以下の値を有し、埋込み層はSi、SiO、InP、GaAs、Ge、InAs、Al、Ag、Rh、Cu、Au、Ti、Ni、Ir、Pt、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.5 μm or more and 1.6 μm or less, and the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern has a value of more than 10 ° and 11 ° or less, and the buried layer is made of Si, SiO, InP, It can be formed of any material of GaAs, Ge, InAs, Al, Ag, Rh, Cu, Au, Ti, Ni, Ir, Pt, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.4μm以上1.5μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が10°より大きく11°以下の値を有し、埋込み層がアモルファスSi、SiO、GaAs、Ge、InAs、Al、Ag、Rh、Cu、Au、Ti、Ni、Ir、Pt、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is greater than 10 ° and 11 ° or less, and the buried layer is amorphous Si, SiO, GaAs , Ge, InAs, Al, Ag, Rh, Cu, Au, Ti, Ni, Ir, Pt, Mo, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.6μm以上1.7μm以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が11°より大きく12°以下の値を有し、埋込み層がGaP、InP、およびSiのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.6 μm or more and 1.7 μm or less, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is greater than 11 ° and 12 ° or less, and the buried layer is formed of GaP, InP, and Si It can be formed of any of these materials.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.5μm以上1.6μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が11°より大きく12°以下の値を有し、埋込み層がSi、SiO、InP、GaAs、Ge、InAs、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is 1.5 μm or more and less than 1.6 μm, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern has a value of more than 11 ° and 12 ° or less, and the buried layer has Si, SiO, InP, It can be made of any material of GaAs, Ge, InAs, and W.
さらに、リッジストライプ構造の幅が1.4μm以上1.5μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が11°より大きく12°以下の値を有し、埋込み層がSi、SiO、GaAs、Ge、InAs、InP、Al、Ag、Rh、Cu、Au、Ti、Ni、Ir、Pt、Mo、およびWのいずれかの材料で形成され得る。 Further, the width of the ridge stripe structure is not less than 1.4 μm and less than 1.5 μm, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern has a value greater than 11 ° and not more than 12 °, and the buried layer has Si, SiO, GaAs, It can be made of any material of Ge, InAs, InP, Al, Ag, Rh, Cu, Au, Ti, Ni, Ir, Pt, Mo, and W.
さらに、本発明に係る光学式情報処理装置は、光記録媒体に関して情報を記録、再生、および消去する少なくとも1の機能を有し、それらの記録、再生、および消去の1以上の機能のための光源として本発明による窒化物系半導体レーザ素子を1以上含み、そのレーザ素子からのレーザ光を所定の出力で射出させる光射出制御手段と、レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、情報の記録、再生、または消去の処理のために、集光手段で集光されたレーザ光を光記録媒体の所定の位置に照射する照射位置制御手段とをさらに含むことを特徴としている。 Furthermore, the optical information processing apparatus according to the present invention has at least one function for recording, reproducing, and erasing information with respect to an optical recording medium, and for one or more functions of those recording, reproduction, and erasure A light emission control means that includes at least one nitride-based semiconductor laser element according to the present invention as a light source, emits laser light from the laser element at a predetermined output, and condensing light that condenses the laser light emitted from the laser element. And an irradiation position control means for irradiating a predetermined position of the optical recording medium with the laser beam condensed by the condensing means for processing of recording, reproducing or erasing information. Yes.
また、光ファイバー等の光学的に情報を伝達する媒体に光学的信号を射出する光学的情報伝達装置の光源としても、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子を用いることができる。そのような光学的情報伝達装置としては、例えば、電気的信号で与えられる情報を光学的信号に変換して媒体に射出する装置や光学的信号を中継する装置が挙げられる。 The nitride-based semiconductor laser element according to the present invention can also be used as a light source of an optical information transmission device that emits an optical signal to an optically transmitting medium such as an optical fiber. Examples of such an optical information transmission device include a device that converts information given by an electrical signal into an optical signal and emits it to a medium, and a device that relays an optical signal.
本発明によれば、窒化物系半導体レーザ素子のリッジストライプの両側に所定の材料からなる埋込み層を設けることによって、動作電流の増大を抑制しつつ高出力まで安定な横モード発振を実現し得る半導体レーザ素子を高い歩留りで作製することができる。特に、その埋込み層の厚さは0.1μm以上であればよく、高精度の層厚制御をする必要がなくなるという効果も得られる。 According to the present invention, by providing buried layers made of a predetermined material on both sides of a ridge stripe of a nitride semiconductor laser element, it is possible to realize a stable transverse mode oscillation up to a high output while suppressing an increase in operating current. Semiconductor laser elements can be manufactured with a high yield. In particular, the thickness of the buried layer only needs to be 0.1 μm or more, and the effect of eliminating the need for highly accurate layer thickness control is also obtained.
図1は、本発明に係る窒化物系半導体レーザ素子の構造の一例を示す模式的な断面図であり、そのレーザ素子の共振器方向に垂直な断面を表わしている。この窒化物系半導体レーザ素子は、第1導電型の基板101上に、少なくとも活性層105を含む複数の窒化物系半導体層102−109が形成されている。また、窒化物系半導体層の第2導電型側(上方側)からエッチングを施すことによってリッジストライプが形成されており、それによって窒化物系半導体レーザ素子の水平方向光閉じ込めの役割を有するストライプ状導波路を構成している。さらに、リッジストライプの両側でエッチングされた領域113の全面上に、単層または複数層からなる埋込み層110が形成されている。ストライプの長手方向の両端面はミラーとして働き、光共振器を構成している。なお、第1導電型および第2導電型とはp型またはn型を意味し、第1導電型がp型である場合には第2導電型はn型であり、第1導電型がn型である場合には第2導電型はp型である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of a nitride-based semiconductor laser device according to the present invention, and shows a cross section perpendicular to the cavity direction of the laser device. In this nitride semiconductor laser element, a plurality of nitride semiconductor layers 102-109 including at least an
[実施形態1]
本発明の実施形態1による窒化物系半導体レーザ素子の構造が、図1を参照して説明される。この窒化物系半導体レーザ素子では、n型GaN基板101(膜厚30〜300μm)上に、n型GaN下地層102(膜厚0.1〜10μm)、n型AlxGa1-xN(0.05≦x≦0.2)下部クラッド層103(膜厚0.4μm以上)、n型GaN下部光導波層104(膜厚0〜0.15μm)、交互に積層されたn型InvGa1-vN(0≦v<w)障壁層とInwGa1-wN(v<w≦0.2)井戸層を含む多重量子井戸構造からなる活性層105(発振波長370〜430nm、総膜厚5〜60nm)、p型AlzGa1-zNキャリアブロック層106(膜厚0〜0.02μm)、p型GaN上部光導波層107(膜厚0.05〜0.15μm)、p型AlyGa1-yN(0.05<y<0.2)上部クラッド層108(膜厚0.02〜10μm)、およびp型GaNコンタクト層109(膜厚0.01〜10μm)が順次積層されている。
[Embodiment 1]
The structure of the nitride-based semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this nitride-based semiconductor laser device, an n-type GaN base layer 102 (film thickness 0.1 to 10 μm), n-type Al x Ga 1-x N (
また、窒化物系半導体層のp側(上側)から、p型上部クラッド層またはp型上部光導波層またはキャリアブロック層または活性層までエッチングを施すことにより、リッジストライプ構造が形成されており、窒化物系半導体レーザ素子の導波路部分の水平方向光閉じ込めを行っている。 In addition, a ridge stripe structure is formed by etching from the p-side (upper side) of the nitride-based semiconductor layer to the p-type upper cladding layer, the p-type upper optical waveguide layer, the carrier block layer, or the active layer, Horizontal light confinement is performed in the waveguide portion of the nitride-based semiconductor laser device.
さらに、エッチングされた領域113の概略全面上に、埋込み層110が形成されている。正電極111は、p型GaNコンタクト層109の露出面および埋込み層110を覆うように形成されている。負電極112は、n型GaN基板101下面を覆うように形成されている。ストライプの両端面はミラーとして働き、光共振器を構成している。
Furthermore, a buried
次に、本実施形態における窒化物系半導体レーザ素子の製造方法の一例が、以下において説明される。 Next, an example of a method for manufacturing the nitride-based semiconductor laser device in the present embodiment will be described below.
(基板)
まず、結晶成長用主面として(0001)C面を有するn型GaN基板101(膜厚100〜500μm)を洗浄する。洗浄したGaN基板101をMOCVD装置内に導入し、H2雰囲気中で約1100℃の高温でクリーニングを行う。
(substrate)
First, an n-type GaN substrate 101 (having a thickness of 100 to 500 μm) having a (0001) C plane as a crystal growth main surface is cleaned. The cleaned
(低温成長バッファ層)
その後、基板を降温して、キャリアガスとして水素(H2)を10l/minで流しながらSiH4を10nmol/minで導入し、基板温度600℃でNH3とトリメチルガリウム(TMG)をそれぞれ5l/minと20mol/minで導入して、0〜10μmの範囲内の厚み(例えば100nm)のn型GaNからなる低温成長バッファ層を堆積させる。ここで、0μmの厚みは、場合によっては低温成長バッファ層が省略可能であることを意味している。また、n型GaNからなる低温成長バッファ層の形成法について説明したが、n型GaNに限られず、SiH4の導入量を0mol/minとしたGaNでもよく、さらにAlやInを含むAlGaInNで形成されてもよい。Alを含めるときにはトリメチルアルミニウム(TMA)を成膜時に適量導入し、Inを含めるときにはトリメチルインジウム(TMI)を成膜時に適量導入すればよい。
(Low temperature growth buffer layer)
Thereafter, the temperature of the substrate is lowered, SiH 4 is introduced at 10 nmol / min while flowing hydrogen (H 2 ) as a carrier gas at 10 l / min, and NH 3 and trimethylgallium (TMG) are each 5 l / min at a substrate temperature of 600 ° C. Introduced at min and 20 mol / min, a low-temperature growth buffer layer made of n-type GaN having a thickness in the range of 0 to 10 μm (for example, 100 nm) is deposited. Here, the thickness of 0 μm means that the low temperature growth buffer layer can be omitted in some cases. Further, the method for forming the low-temperature growth buffer layer made of n-type GaN has been described. However, the method is not limited to n-type GaN, and may be GaN with an SiH 4 introduction amount of 0 mol / min, and further formed with AlGaInN containing Al or In. May be. When Al is included, an appropriate amount of trimethylaluminum (TMA) is introduced at the time of film formation, and when In is included, an appropriate amount of trimethylindium (TMI) may be introduced at the time of film formation.
(n型GaN層)
次に、N2とNH3をそれぞれ5l/minで流しながら基板を約1050℃まで昇温する。その昇温後に、キャリアガスをN2からH2に代えて、TMGを100μmol/minで導入しながらSiH4を10nmol/minで導入して、n型GaN層102を厚さ0.1〜10μm(例えば約4μm)に成長させる。
(N-type GaN layer)
Next, the substrate is heated to about 1050 ° C. while flowing N 2 and NH 3 at a rate of 5 l / min. After the temperature rise, the carrier gas is changed from N 2 to H 2 , SiG 4 is introduced at 10 nmol / min while TMG is introduced at 100 μmol / min, and the n-
(n型バッファ層)
次に、TMGおよびSiH4の供給を停止して、キャリアガスをH2からN2に変えて、基板温度を約800℃まで降温後、TMGを15μmol/minに調整し、SiH4を10nmol/minで導入しながらTMIを一定量で流し、n型InrGa1-rN(例えばr=0.07)からなるn型バッファ層を厚さ0〜200nmに成長させる。この場合の厚さ0nmも、n型バッファ層が場合によって省略可能であることを意味している。
(N-type buffer layer)
Next, the supply of TMG and SiH 4 was stopped, the carrier gas was changed from H 2 to N 2 , the substrate temperature was lowered to about 800 ° C., TMG was adjusted to 15 μmol / min, and SiH 4 was changed to 10 nmol / While introducing Tmin, a constant amount of TMI is allowed to flow, and an n-type buffer layer made of n-type In r Ga 1-r N (for example, r = 0.07) is grown to a thickness of 0 to 200 nm. The thickness of 0 nm in this case also means that the n-type buffer layer can be omitted in some cases.
(n型クラッド層)
次に、TMI、TMG、およびSiH4の供給を停止して、再び1050℃まで基板を昇温し、キャリアガスを再びN2からH2に代えて、TMGの流量を50μmol/minに調整し、TMAを一定量導入して、SiH4を10nmol/minで流しながら、n型AlxGa1-xN(例えばx=0.1)からなるn型クラッド層103を0.4μm以上(例えば1μm)の厚さに成長させる。
(N-type cladding layer)
Next, the supply of TMI, TMG, and SiH 4 is stopped, the temperature of the substrate is raised again to 1050 ° C., the carrier gas is changed from N 2 to H 2 again, and the flow rate of TMG is adjusted to 50 μmol / min. , While introducing a certain amount of TMA and flowing SiH 4 at 10 nmol / min, the n-
(n側光導波層)
n型クラッド層103の成長が終了すれば、TMAの供給を停止し、TMGを100μmol/minに調整して、n型GaN光導波層104を0〜0.15μm(例えば100nm)の厚さになるように成長させる。なお、n側光導波層104は、ノンドープ光導波層であってもよい。
(N-side optical waveguide layer)
When the growth of the n-
(活性層)
その後、TMGの供給を停止して、キャリアガスをH2からN2に再び代えて、700℃まで基板を降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム(TMI)を一定量で導入しながら、TMGを15μmol/minで導入し、InvGa1-vN(例えばv=0.023)よりなる障壁層を成長させる。その後、TMIの供給を或る一定量にまで増加し、InwGa1-wN(例えばw=0.070)よりなる井戸層を成長させる。これらのInGaN障壁層とInGaN井戸層との成長を繰り返すことによって、交互多層構造(障壁層/井戸層/・・・/井戸層/障壁層)からなる多重量子井戸活性層105を形成する。障壁層および井戸層のInGaN混晶比および膜厚は、発光波長が370〜430nmの範囲になるように設計し、膜成長時に導入するTMIの流量は、その設計値に等しいIn組成の膜が得られるように調節する。井戸層の層数は2〜6の範囲内にあることが望ましく、特に3が望ましい。なお、障壁層かつ/または井戸層は、ノンドープであってもよく、Siなどのドーパントを含むn型であってもよい。
(Active layer)
Thereafter, the supply of TMG was stopped, the carrier gas was changed from H 2 to N 2 again, the temperature of the substrate was lowered to 700 ° C., and trimethylindium (TMI), which is an indium raw material, was introduced in a constant amount while TMG was introduced. was introduced at 15μmol / min, in v Ga 1 -v N ( eg v = 0.023) growing from consisting barrier layer. Thereafter, the supply of TMI is increased to a certain amount, and a well layer made of In w Ga 1-w N (for example, w = 0.070) is grown. By repeating the growth of these InGaN barrier layers and InGaN well layers, a multiple quantum well
(p型キャリアブロック層)
多重量子井戸活性層105の成長が終了すれば、TMIおよびTMGの供給を停止して、再び1050℃まで基板を昇温し、キャリアガスを再びN2からH2に代えて、TMGを50μmol/min、TMAを適量、p型ドーピング原料であるビスシクロペンタジエニルマグメシウム(Cp2Mg)を10nmol/minで流し、0〜20nm厚の蒸発防止層を兼ねるp型AlzGa1-zN(例えばz=0.2)キャリアブロック層106を成長させる。なお、p型キャリアブロック層は、ノンドープキャリアブロック層で置き換えてもよい。
(P-type carrier block layer)
When the growth of the multi-quantum well
(p側光導波層)
蒸発防止層106の成長が終了すれば、TMAの供給を停止し、TMGの供給量を100μmol/minに調整して、p型GaNからなる光導波層107を0.05〜0.15μm(例えば0.1μm)の厚さに成長させる。なお、そのp側光導波層は、ノンドープ光導波層で置き換えてもよい。
(P-side optical waveguide layer)
When the growth of the
(p型クラッド層)
その後、TMGの供給を50μm/minに調整し、TMAを一定量導入し、p型AlyGa1-yN(例えばy=0.07)からなる第1のp型クラッド層108を、0.02〜10μm(例えば0.5μm)の厚さに成長させる。
(P-type cladding layer)
Thereafter, the supply of TMG is adjusted to 50 μm / min, a certain amount of TMA is introduced, and the first p-
(p型コンタクト層)
最後に、TMGの供給を100μmol/minに調整して、TMAの供給を停止し、0.01〜10μm厚(例えば0.1μm厚)のp型GaNからなるp型コンタクト層109を形成して発光素子構造の結晶成長を終了させる。結晶成長が終了すれば、TMGおよびCp2Mgの供給を停止して基板を降温し、得られたウエハが室温でMOCVD装置から取り出される。
(P-type contact layer)
Finally, the supply of TMG is adjusted to 100 μmol / min, the supply of TMA is stopped, and a p-
その後、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング技術を用い、p型GaNコンタクト層109を1〜4μm(例えば2μm)幅のストライプ状に残して、第1のp型クラッド層108までエッチングを行い、光導波路を構成するためのリッジストライプを形成する。この時、エッチングされた領域における、第1のp型クラッド層108の残し膜厚は、水平方向FFP(ファーフィールドパターン)の半値全角θ‖=7°〜12°の範囲内(例えば9.5°)となるように、調節する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、p型GaNコンタクト層109が電極と接触する部分を除いて埋込み層を形成する。
Thereafter, using the photolithography technique and the reactive ion etching technique, the p-type
その後、p型コンタクト層109の露出面を覆うように正電極を形成する。電極材料としては、例えばAu/Ni、Au/Pd、Au/Mo/Pdなどを用いればよい。また、n型GaN基板101の裏面上に負電極112を形成する。負電極材料としては、例えばAl/TiまたはAu/Wを用いればよい。
Thereafter, a positive electrode is formed so as to cover the exposed surface of the p-
その後、ウエハを複数のバー状に劈開して共振器ミラーとなる端面を形成し、さらにそれらのバーを複数のチップに分割して、図1に示す窒化物系半導体レーザ素子が得られる。 Thereafter, the wafer is cleaved into a plurality of bars to form end faces that serve as resonator mirrors, and these bars are further divided into a plurality of chips to obtain the nitride-based semiconductor laser device shown in FIG.
図2(a)、(b)、および(c)のグラフにおいて、横軸はストライプ外局所吸収係数[cm-1]を表し、縦軸はモード吸収係数[cm-1]を表し、そしてグラフ中の実線と破線は基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数を電界分布計算により求めた結果を表している。すなわち、図2(a)において、実線201と破線202は、ストライプ幅が2.0μmのときの基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数をそれぞれ表している。また図2(b)において、実線203と破線204は、ストライプ幅が1.5μmのときの基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数を表している。ここで、ストライプ外局所等価屈折率の実数部は、それぞれのストライプ幅におけるFFPの水平方向半値全角が9.5°となるように定められている。また、図2(c)において、実線205と破線206は、ストライプ幅が2.0μmのときの基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数をそれぞれ表しているが、FFPの水平方向半値全角が12.0°となるようにストライプ外局所等価屈折率の実数部を定めて計算されている。
In the graphs of FIGS. 2A, 2B, and 2C, the horizontal axis represents the off-strip local absorption coefficient [cm −1 ], the vertical axis represents the mode absorption coefficient [cm −1 ], and the graph The solid line and the broken line in the figure represent the results obtained by calculating the absorption coefficients of the basic horizontal horizontal mode and the primary horizontal horizontal mode by electric field distribution calculation. That is, in FIG. 2A, the
図2から明らかなように、ストライプ外局所吸収係数が増加すれば、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数は単調増加傾向を示す。また、基本次水平横モードに比べて1次水平横モードの方が吸収係数は大きくなるが、これは1次水平横モードの電界分布の方が基本次水平横モードに比べてストライプ外領域へ多く染み出すので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。さらに、ストライプ幅が狭いほど吸収係数は大きくなるが、これはストライプ幅が狭くなるほど、各水平横モードの電界分布がストライプ外領域へ染み出すようになるので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。さらにまた、FFPの水平方向半値全角が小さくなるほど吸収係数は大きくなるが、これはFFPの水平方向半値全角が小さいということは水平方向の閉じ込めが悪くなることと等価であり、各水平横モードの電界分布がストライプ外領域へ染み出すようになるので、よりストライプ外局所吸収係数の影響を受けるからである。 As is apparent from FIG. 2, when the local absorption coefficient outside the stripe increases, the absorption coefficients of the basic horizontal horizontal mode and the primary horizontal horizontal mode show a monotonically increasing tendency. In addition, the absorption coefficient of the primary horizontal transverse mode is larger than that of the fundamental horizontal transverse mode. This is because the electric field distribution of the primary horizontal transverse mode is shifted to the region outside the stripe compared to the fundamental horizontal transverse mode. This is because a large amount of ooze out and is more affected by the local absorption coefficient outside the stripe. Furthermore, the narrower the stripe width, the larger the absorption coefficient. However, as the stripe width becomes narrower, the electric field distribution of each horizontal transverse mode oozes out to the area outside the stripe. Because it receives. Furthermore, the absorption coefficient increases as the horizontal full width at half maximum of the FFP becomes smaller. This is equivalent to the fact that the horizontal full width at half maximum of the FFP is smaller, which means that the horizontal confinement becomes worse. This is because the electric field distribution oozes out to the region outside the stripe and is more influenced by the local absorption coefficient outside the stripe.
ストライプ幅が1.0μm、1.5μm、および2.0μmのそれぞれの場合において、FFP水平方向半値全角が7.0°、9.5°、および12.0°の場合を考える。個々の場合において、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数の差が10cm-1以上となるストライプ外局所吸収係数、および基本次モード吸収係数が5cm-1となるストライプ外局所吸収係数の値を図2(a)〜(c)の要領で計算すれば、表1のような結果が得られる。 Consider the case in which the FFP horizontal full width at half maximum is 7.0 °, 9.5 °, and 12.0 ° when the stripe width is 1.0 μm, 1.5 μm, and 2.0 μm, respectively. In each case, the local absorption coefficient outside the stripe where the difference between the absorption coefficient of the fundamental horizontal transverse mode and the primary horizontal transverse mode is 10 cm −1 or more, and the extra-strip local absorption where the fundamental order mode absorption coefficient is 5 cm −1. When the coefficient values are calculated in the manner shown in FIGS. 2A to 2C, the results shown in Table 1 are obtained.
表1より、ストライプ幅W[μm]およびFFP水平方向半値全角θ‖[°]を用いて、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数の差がxcm-1となるストライプ外局所吸収係数[cm-1]の値は次式(4)で近似できる。 From Table 1, using the stripe width W [μm] and the FFP horizontal half-value full angle θ‖ [°], the local area outside the stripe where the difference in absorption coefficient between the basic horizontal transverse mode and the primary horizontal transverse mode is xcm −1. The value of the absorption coefficient [cm −1 ] can be approximated by the following equation (4).
x/10exp(−0.226834−0.73435W−0.0921402θ‖+0.393325W・θ‖) ・・・(4)
また、基本次モード吸収係数の値がy[cm-1]となるストライプ外局所吸収係数[cm-1]の値は次式(5)で近似できる。
x / 10exp (−0.226834−0.73435W−0.0921402θ‖ + 0.393325W · θ‖) (4)
The value of the value in the basic mode absorption coefficient y [cm -1] become stripe outside the local absorption coefficient [cm -1] can be approximated by the following equation (5).
y/5exp(4.26705−2.31018W−0.35138θ‖+0.48567W・θ‖) ・・・(5)
高出力まで基本次水平横モードを維持するためには、最適なストライプ外局所吸収係数αout[cm-1]に関しては、基本次水平横モード吸収係数をy[cm-1]程度以下に保ちつつ、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数差をx[cm-1]程度以上に取る必要があるので、αout[cm-1]が満たすべき範囲は、ストライプ幅W[μm]およびFFP水平方向半値全角θ‖[°]を用いて次式のように書くことができる。
y / 5exp (4.26705-2.331018W-0.35138θ‖ + 0.48567W · θ‖) (5)
In order to maintain the basic horizontal transverse mode up to high output, the optimum horizontal lateral absorption coefficient αout [cm −1 ] outside the stripe is maintained at about y [cm −1 ] or less for the basic horizontal horizontal mode absorption coefficient. Since it is necessary to take the difference in absorption coefficient between the basic horizontal transverse mode and the primary horizontal transverse mode to about x [cm −1 ] or more, the range that αout [cm −1 ] should satisfy is the stripe width W [μm]. And the FFP horizontal half-value full angle θ‖ [°], it can be written as:
x/10exp(−0.226834−0.73435W−0.0921402θ‖+0.393325W・θ‖) ≦ αout ≦ y/5exp(4.26705−2.31018W−0.35138θ‖+0.48567W・θ‖)
例えば基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数差を10[cm-1]以上にして、基本次モードの吸収係数を5[cm-1]以下にするためには、ストライプ幅W=2.0μmでθ‖=9.5°とする窒化物系半導体レーザ素子においては、上式よりストライプ外局所吸収係数は135≦αout≦254の範囲内とすればよく、また他の例として、ストライプ幅W=1.5μmでθ‖=9.5°とする窒化物系半導体レーザ素子においては、上式よりストライプ外局所吸収係数は30≦αout≦80の範囲内とすればよい。
x / 10exp (−0.226834−0.73435W−0.0921402θ‖ + 0.393325W · θ‖) ≦ αout ≦ y / 5exp (4.26705-2.331018W−0.35138θ‖ + 0.48567W · θ‖)
For example, in order to make the absorption coefficient difference between the fundamental horizontal mode and the primary horizontal transverse mode 10 [cm −1 ] or more and make the absorption coefficient of the fundamental mode 5 [cm −1 ] or less, the stripe width W = 2.0 μm and nitride semiconductor laser element with θ ° = 9.5 °, the local absorption coefficient outside the stripe may be in the range of 135 ≦ αout ≦ 254 from the above equation. In the nitride-based semiconductor laser device in which the stripe width W = 1.5 μm and θ9 = 9.5 °, the local absorption coefficient outside the stripe may be in the range of 30 ≦ αout ≦ 80 from the above equation.
図3のグラフにおいて、横軸は埋込み層の屈折率の実数部を表し、縦軸はストライプ外局所吸収係数[a.u.:任意単位]を表し、そして曲線は計算による結果を示している。すなわち、実線の曲線301は埋込み層の吸収係数が100,000[cm-1]で層厚が無限大の場合を表しており、点線の曲線302は埋込み層の吸収係数が100,000[cm-1]で層厚が0.1μmの場合を表している。
In the graph of FIG. 3, the horizontal axis represents the real part of the refractive index of the buried layer, and the vertical axis represents the local absorption coefficient outside the stripe [a. u. : Arbitrary unit], and the curve shows the result of calculation. That is, the
図3中の実線の曲線301の形状から明らかなように、埋込み層の屈折率実数部を0から増加させていけば、2.5付近までストライプ外局所吸収係数は単調に増加するが、2.5付近で極大を示し、その後は単調に減少する傾向を示している。この傾向の理由は、以下のようである。すなわち、埋込み層の屈折率実数部が2.5以下に小さいときは、ストライプ外における垂直方向電界分布が埋込み層内にほとんど進入せず、その結果としてレーザ光が埋込み層の吸収を感じないので、ストライプ外局所吸収係数は小さくなる。しかし埋込み層の屈折率実数部が2.5〜3.0付近になれば、レーザ発振光の等価屈折率に近くなるので、レーザ光が埋込み層を伝播するようになり、その結果としてストライプ外局所吸収係数は急激に大きくなる。さらに、埋込み層の屈折率実数部が3以上になれば、再びストライプ外局所吸収係数は減少傾向を示すようになる。
As is clear from the shape of the
図3中の点線の曲線302は層厚が0.1μmの場合を表しており、層厚が無限大のときの実線の曲線301を中心として振動する傾向を示している。これは、埋込み層の下面と上面との間でレーザ光が干渉することに起因しており、この振幅は、埋込み層の吸収係数が大きいほどまたは埋込み層が厚いほど小さくなる。このような振動特性を示すことは、窒化物系半導体レーザ素子を多数個作製したときに、素子特性のばらつきの原因となるので好ましくない。この状況を避けるためには、埋込み層の吸収係数は30,000[cm-1]以上であることが望ましく、100,000[cm-1]以上であることがさらに好ましい。また、埋込み層の厚さは0.1μm以上であることが望ましく、0.2μm以上であることがさらに好ましい。埋込み層吸収係数が30,000[cm-1]以上であってかつ埋込み層厚が0.1μm以上であれば、埋込み層厚のばらつきが素子特性に与える影響は事実上無視できるようになり、本発明の効果が得られる。
A dotted
図4のグラフにおいて、横軸は埋込み層の屈折率の実数部を表し、縦軸は埋込み層の吸収係数[1e5/cm-1]を表している。なお、1e5は1×105を表している。そして、グラフ中の曲線は、ストライプ外局所吸収係数の等高線を示している。すなわち、等高線401、402、403、404、および405は、それぞれ30[cm-1]、70[cm-1]、100[cm-1]、150[cm-1]、および400[cm-1]のトライプ外局所吸収係数を表している。
In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents the real part of the refractive index of the buried layer, and the vertical axis represents the absorption coefficient [1e5 / cm −1 ] of the buried layer. Note that 1e5 represents 1 × 10 5 . The curve in the graph shows the contour line of the local absorption coefficient outside the stripe. That is, the
ここで、埋込み層の屈折率実数部をR、吸収係数をα[×105cm-1]とすれば、曲線401は次式で近似できる。
Here, if the real part of the refractive index of the buried layer is R, and the absorption coefficient is α [× 10 5 cm −1 ], the
{(R−8)/7.2}2+{(α−6)/12}2=1;R>0;α>0
同様に、曲線402は次式で近似できる。
{(R-8) /7.2} 2 + {(α-6) / 12} 2 = 1; R>0;α> 0
Similarly,
{(R−5.7)/4}2+{(α−4.5)/8.6}2=1;R>0;α>0
同様に、曲線403は次式で近似できる。
{(R−5.7) / 4} 2 + {(α−4.5) /8.6} 2 = 1; R>0;α> 0
Similarly, the
{(R−4.4)/2.5}2+{(α−3)/5.5}2=1;R>0;α>0
同様に、曲線404は次式で近似できる。
{(R-4.4) /2.5} 2 + {(α−3) /5.5} 2 = 1; R>0;α> 0
Similarly,
{(R−3.6)/1.3}2+{(α−1.5)/3.1}2=1;R>0;α>0
同様に、曲線405は次式で近似できる。
{(R-3.6) /1.3} 2 + {(α−1.5) /3.1} 2 = 1; R>0;α> 0
Similarly,
{(R−2.77)/0.25}2+{(α−0.2)/0.4}2=1;R>0;α>0
以上の結果より、ストライプ外局所吸収係数がαout[cm-1]の等高線は、次式(6)のように表すことができる。
{(R-2.77) /0.25} 2 + {(α−0.2) /0.4} 2 = 1; R>0;α> 0
From the above results, a contour line having an out-of-strip local absorption coefficient αout [cm −1 ] can be expressed as the following equation (6).
{(R−R0)/a}2+{(α−α0)/b}2=1,R>0,α>0・・・(6)
ただしR0=28.182×αout−0.3945
a=3948×αout−1.6089
α0=12381×αout−1.828
b=19959×αout−1.7896
図5のフロー図に示されているように、上述の式(4)〜(6)を用いて、窒化物系半導体レーザ素子に用いる埋込み層材料が満たすべき屈折率を求めることができる。まず初めに、窒化物系半導体レーザ素子のストライプ幅W[μm]とFFP水平方向半値全角θ‖[°]を決定する。前述のようにストライプ幅W[μm]には好ましい範囲が存在し、その値は窒化物系半導体レーザ素子を構成する半導体多層膜の結晶の質に依存するが、ほぼ1.0μm以上2.0μm以下が好ましく、1.3μm以上1.7μm以下がより好ましく、1.45μm以上1.65μm以下が最も好ましい。FFP水平方向半値全角θ‖[°]は、窒化物系半導体レーザ素子を含む光学式情報処理装置からの要請によって決定されるが、ほぼ7°以上12°以下が好ましく、8°以上11°以下がより好ましく、9°以上10°以下が最も好ましい。
{(R−R0) / a} 2 + {(α−α0) / b} 2 = 1, R> 0, α> 0 (6)
However, R0 = 28.182 × αout−0.3945
a = 3948 × αout−1.6089
α0 = 12381 × αout−1.828
b = 19959 × αout−1.7896
As shown in the flowchart of FIG. 5, the refractive index to be satisfied by the buried layer material used for the nitride-based semiconductor laser device can be obtained using the above-described equations (4) to (6). First, the stripe width W [μm] of the nitride-based semiconductor laser device and the FFP horizontal half-value full angle θ‖ [°] are determined. As described above, there is a preferable range for the stripe width W [μm], and the value depends on the crystal quality of the semiconductor multilayer film constituting the nitride semiconductor laser element, but is approximately 1.0 μm or more and 2.0 μm. Or less, more preferably 1.3 μm or more and 1.7 μm or less, and most preferably 1.45 μm or more and 1.65 μm or less. The FFP horizontal half-maximum angle θ‖ [°] is determined by a request from an optical information processing apparatus including a nitride semiconductor laser element, but is preferably approximately 7 ° to 12 °, and preferably 8 ° to 11 °. Is more preferable, and 9 ° or more and 10 ° or less is most preferable.
また、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数差の下限値x[cm-1]、および基本次水平横モード吸収係数の上限値y[cm-1]が決定される。xは高出力まで基本次水平横モード発振を維持するという効果が得られる範囲の下限値とすればよく、例えば5[cm-1]とするのができ、10[cm-1]とするのがより好ましい。yは動作電流の増加が実使用上問題ない範囲の上限値にすればよく、例えば20[cm-1]とすることができ、10[cm-1]とするのがより好ましく、5[cm-1]とするのが最も好ましい。 Further, a lower limit value x [cm −1 ] of an absorption coefficient difference between the basic horizontal horizontal mode and the primary horizontal horizontal mode and an upper limit value y [cm −1 ] of the basic horizontal horizontal mode absorption coefficient are determined. x may be a lower limit of a range in which the effect of maintaining the fundamental horizontal horizontal mode oscillation until a high output is obtained, and can be set to 5 [cm −1 ], for example, 10 [cm −1 ]. Is more preferable. y may be set to an upper limit within a range in which an increase in operating current is not problematic in practical use, and may be set to 20 [cm −1 ], for example, and more preferably 10 [cm −1 ]. -1 ] is most preferable.
W、θ‖、x、およびyを決定したら、図5に示す手順に従って、ストライプ外吸収係数αoutの下限値が式(4)から決定され、その上限値が式(5)から決定される。さらに求まったαoutの範囲を用いて、式(6)によって、埋込み層の屈折率実数部Rおよび吸収係数α[cm-1]が決定される。 When W, θ‖, x, and y are determined, the lower limit value of the absorption coefficient αout outside the stripe is determined from Expression (4) and the upper limit value is determined from Expression (5) according to the procedure shown in FIG. Furthermore, the real part R of the refractive index and the absorption coefficient α [cm −1 ] of the buried layer are determined by the equation (6) using the obtained αout range.
図6は、例えばW=2.0μm、θ‖=9.5°、x=10[cm−1]、およびy=5[cm-1]の場合において、埋込み層の屈折率実数部Rおよび吸収係数α[×105cm-1]を決定する手続きを説明するためのグラフである。図6(a)においては、図2(a)中の曲線201および202と全く等価な曲線601および602が描かれている。この図において、xおよびyの値が図中に矢印xおよびyでそれぞれ示されている。また、曲線601と曲線602の距離がx=10cm-1になるストライプ外局所吸収係数αoutの値、および曲線601の値がy=5cm-1になるストライプ外局所吸収係数αoutの値が、図6(a)中に矢印603および604でそれぞれ示されている。値603は式(4)から求めることができ、また値604は式(5)から求めることができ、それらの値はそれぞれ135cm-1および254cm-1となる。式(6)から、αout=135cm-1を満たす曲線は図6(b)に示す曲線605となり、αout=254cm-1を満たす曲線は図6(b)に示す曲線606となる。すなわち、次式(7)を満たす範囲内にあるRおよびαを有する材料を埋込み層材料とするのがよい。
6, for example, W = 2.0μm, θ‖ = 9.5 ° , x = 10 [cm-1], and y = 5 in the case of [cm -1], the refractive index real part R and the buried layer It is a graph for demonstrating the procedure which determines absorption coefficient (alpha) [* 10 < 5 > cm < -1 >]. In FIG. 6A, curves 601 and 602 that are completely equivalent to the
{(R−4.07)/1.48}2+{(α−1.59)/3.09}2≦1;
{(R−3.17)/0.53}2+{(α−0.50)/0.99}2≧1;
R>0;かつα>0 ・・・(7)
そのような範囲が、図6(b)中に斜線領域で示されている。この範囲内に相当する材料としては、GaP(R=4.1;α=80,000cm-1)、Si(R=5.42;α=129,000cm−1)などが該当する。
{(R−4.07) /1.48} 2 + {(α−1.59) /3.09} 2 ≦ 1;
{(R-3.17) /0.53} 2 + {(α−0.50) /0.99} 2 ≧ 1;
R>0; and α> 0 (7)
Such a range is indicated by a hatched area in FIG. Examples of materials corresponding to this range include GaP (R = 4.1; α = 80,000 cm −1 ), Si (R = 5.42; α = 129,000 cm −1 ), and the like.
また図7は、他の例としてW=1.5μm、θ‖=9.5°、x=10[cm-1]、およびy=10[cm-1]の場合において、埋込み層の屈折率実数部Rおよび吸収係数α[cm-1]を決定する手続きを説明するためのグラフである。図7(a)においては、図2(b)の曲線203および204と全く等価な曲線701および702が描かれている。この図中において、xおよびyの値が示されている。また、曲線701と曲線702の距離がx=10cm-1となるストライプ外局所吸収係数αoutの値、および曲線701の値がy=10cm-1となるストライプ外局所吸収係数αoutの値が、図中の矢印703および704で示されている。値703は式(4)より求めることができ、値704は式(5)より求めることができ、それらの値はそれぞれ30cm-1および160cm-1となる。また、式(6)より、αout=30cm-1を満たす曲線は図7(b)に示す曲線705となり、αout=160cm-1を満たす曲線は図7(b)に示す曲線706となる。すなわち、次式(8)を満たす範囲内にあるRおよびα[×105cm-1]を有する材料を埋込み層材料とするのがよい。
FIG. 7 shows another example of the refractive index of the buried layer when W = 1.5 μm, θ‖ = 9.5 °, x = 10 [cm −1 ], and y = 10 [cm −1 ]. It is a graph for demonstrating the procedure which determines the real part R and absorption coefficient (alpha) [cm <-1 >]. In FIG. 7A, curves 701 and 702 which are completely equivalent to the
{(R−0.737)/16.6}2+{(α−24.7)/45.4}2≦1;
{(R−5.00)/3.41}2+{(α−4.09)/7.81}2≧1;
R>0;かつα>0 ・・・(8)
その範囲は、図7(b)中の斜線領域で示されている。この範囲内に相当して、本実施形態1の窒化物系半導体レーザ素子に適用可能な材料としては、SiO(R=2.1;α=31,000cm-1)などがある。
{(R−0.737) /16.6} 2 + {(α−24.7) /45.4} 2 ≦ 1;
{(R−5.00) /3.41} 2 + {(α−4.09) /7.81} 2 ≧ 1;
R>0; and α> 0 (8)
The range is indicated by the hatched area in FIG. A material applicable to the nitride semiconductor laser element of the first embodiment corresponding to this range includes SiO (R = 2.1; α = 31,000 cm −1 ).
本発明の窒化物系半導体レーザ素子において、第1導電型用の電極および第2導電型用の電極は特徴的要素ではない。しかし、窒化物系半導体レーザ素子を駆動するための電圧印加(電流供給)手段との電気的接続を確実に行うために、通常は、第1導電型用の電極と第2導電型用の電極が窒化物系半導体レーザ素子に形成される。第1導電型用の電極および第2導電型用の電極は、単一の金属材料または合金材料からなる単層電極であってもよく、互いに異なる金属材料または合金材料からなる積層電極であってもよい。 In the nitride semiconductor laser device of the present invention, the first conductivity type electrode and the second conductivity type electrode are not characteristic elements. However, in order to ensure electrical connection with voltage application (current supply) means for driving the nitride-based semiconductor laser element, the first conductivity type electrode and the second conductivity type electrode are usually used. Is formed in the nitride-based semiconductor laser device. The electrode for the first conductivity type and the electrode for the second conductivity type may be a single-layer electrode made of a single metal material or alloy material, or a stacked electrode made of a metal material or alloy material different from each other. Also good.
また本実施形態においては可視波長に対して吸収を示す埋込み層110は、リッジストライプの両側面に接するように形成されるが、リッジストライプの両側の底面にも接しかつ少なくともそのリッジストライプから0.5μmまでの範囲内に渡って0.1μm以上の層厚が存在していれば、本発明の効果が得られる。すなわち、例えばリッジストライプの両側面に近接して透明な埋込み層が存在していても、リッジストライプからの距離が0.5μm以内の領域に可視波長に対して吸収を有する埋込み層が厚さ0.1μm以上で存在していれば、本発明の効果が得られる。また、例えばリッジストライプ構造から0.5μmより離れた領域において可視波長に対して吸収を有する埋込み層が存在しないかまたはその層厚が0.1μm未満の領域があっても、本発明の効果が得られる。
In this embodiment, the buried
[実施形態2]
図8において、本発明の実施形態2による窒化物系半導体レーザ素子がその共振器に垂直な模式的断面図で示されている。この窒化物系半導体レーザ素子は、n型GaN基板801(膜厚30〜300μm)上に順次積層された、n型GaN下地層802(膜厚0.1〜10μm)、n型AlxGa1-xN(0.05≦x≦0.2)下部クラッド層803(膜厚0.4μm以上)、n型GaN下部光導波層804(膜厚0〜0.15μm)、交互に積層されたInwGa1-wN(v<w≦0.2)井戸層とn型InvGa1-vN(0≦v<w)障壁層とを含む多重量子井戸構造からなる活性層805(発振波長370〜430nm、総膜厚5〜60nm)、p型AlzGa1-zNキャリアブロック層806(膜厚0〜0.02μm)、p型GaN上部光導波層807(膜厚0.05〜0.15μm)、p型AlyGa1-yN(0.05<y<0.2)上部クラッド層808(膜厚0.02〜10μm)、およびp型GaNコンタクト層809(膜厚0.01〜10μm)を含んでいる。
[Embodiment 2]
In FIG. 8, a nitride-based semiconductor laser device according to
窒化物系半導体多層膜のp側(上方)からp型上部クラッド層またはp型上部光導波層またはキャリアブロック層または活性層805までエッチングを施すことにより、リッジストライプ構造が形成されており、これによって窒化物系半導体レーザ素子の導波路部分の水平方向光閉じ込めが行なわれている。
A ridge stripe structure is formed by etching from the p-side (upper side) of the nitride-based semiconductor multilayer film to the p-type upper cladding layer, the p-type upper optical waveguide layer, the carrier block layer, or the
さらに、リッジストライプの両側のエッチングされた領域の概略全面814上に、埋込み層810、811が形成されている。正電極812は、p型GaNコンタクト層の露出面上および埋込み層811を覆うように形成されている。負電極813は、n型GaN基板の下面を覆うように形成されている。ストライプの両端面はミラーとして働き、光共振器を構成している。
Further, buried
本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法については、埋込み層が2層からなることを除けば、実施形態1の窒化物系半導体レーザ素子の製造方法と同様であるので、重複する説明は省略される。 The method for manufacturing the nitride-based semiconductor laser device according to the second embodiment is the same as the method for manufacturing the nitride-based semiconductor laser device according to the first embodiment except that the buried layer is composed of two layers. Explanation is omitted.
本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子では、エッチングされた領域の概略全面814上に形成された埋込み層として、可視波長の光を吸収し得る材料からなる埋込み層810と絶縁性を示す埋込み層811とが形成されている。
In the nitride-based semiconductor laser device according to the second embodiment, the buried layer formed on the substantially
実施形態1の窒化物系半導体レーザ素子では、埋込み層が1層で構成されているので、埋込み層材料と正電極材料との組み合わせに依存して両者の密着性が悪い場合が生じ得る。この場合には、電極と埋込み層との間で剥がれが生じやすくなり、動作電圧の上昇や、レーザ発振しない素子の割合が増加するという問題を生じる。本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子では、埋込み層と正電極の間に、両者に良好な密着性を有する材料を1層挿入することによって、このような問題を解消することができる。 In the nitride-based semiconductor laser device of the first embodiment, since the buried layer is composed of one layer, the adhesion between the two may be poor depending on the combination of the buried layer material and the positive electrode material. In this case, peeling is likely to occur between the electrode and the buried layer, causing problems that the operating voltage increases and the proportion of elements that do not oscillate laser increases. In the nitride-based semiconductor laser device of the second embodiment, such a problem can be solved by inserting a single layer of material having good adhesion between the buried layer and the positive electrode.
具体的に例を挙げれば、可視波長の光に対して吸収を示す埋込み層材料としてSiOを用い、埋込み層上に存在する正電極材料としてPd、Ni、Mo、またはAuを用いる場合には、埋込み層と正電極材料の間の密着性が十分でない。そこで、本実施形態の窒化物系半導体レーザ素子のように、両者の間に例えばスパッタリングなどの方法でTiO2膜を例えば厚さ50nmに形成すれば、SiOとTiO2との間およびTiO2と正電極と間の密着性が良好なので、SiOと正電極との間の剥がれの問題を解消することができる。 To give a specific example, when SiO is used as a buried layer material that absorbs light having a visible wavelength, and Pd, Ni, Mo, or Au is used as a positive electrode material existing on the buried layer, Adhesion between the buried layer and the positive electrode material is not sufficient. Therefore, as in the nitride-based semiconductor laser device of this embodiment, if a TiO 2 film is formed to a thickness of 50 nm, for example, by a method such as sputtering, between SiO and TiO 2 and TiO 2 , Since the adhesion between the positive electrode and the positive electrode is good, the problem of peeling between SiO and the positive electrode can be solved.
また、実施形態1の窒化物系半導体レーザ素子では、埋込み層が1層で構成されているので、埋込み層が金属などの電気伝導体の場合は、電流が活性層全体に広がってしまう。そして、リッジストライプ直下における電流密度を上げることができず、動作電流の大幅な増加を招いてしまう。そこで、本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子のように、絶縁性を示す材料からなる埋込み層を挿入することにより、そのような問題を解消することができ、すなわちリッジストライプ直下のみに電流を狭窄させることができるようになる。 In the nitride-based semiconductor laser device of the first embodiment, since the buried layer is composed of one layer, when the buried layer is an electric conductor such as a metal, the current spreads over the entire active layer. In addition, the current density immediately below the ridge stripe cannot be increased, resulting in a significant increase in operating current. Therefore, such a problem can be solved by inserting a buried layer made of an insulating material as in the nitride-based semiconductor laser device of the second embodiment, that is, the current is directly under the ridge stripe. Can be constricted.
なお、本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子において吸収性を有する埋込み層810の厚さが実施形態1の窒化物系半導体レーザ素子の場合と同様に0.1μm以上あれば、その埋込み層の厚さのばらつきが素子特性に与える影響は事実上無視でき、本発明の効果が得られる。また、本実施形態2において、埋込み層の屈折率および吸収係数が満たすべき範囲は、実施形態1の場合と全く同じである。
In the nitride-based semiconductor laser device according to the second embodiment, if the thickness of the buried
本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子において、W=1.5μm、θ‖=9.5°、x=10[cm-1]、およびy=10[cm-1]の場合、埋込み層材料の屈折率実数部Rおよび吸収係数α[×105cm-1]が満たすべき条件は式(8)の通りであるが、この範囲内に相当して本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子に適用可能な材料としては、実施形態1で挙げた材料以外に、Al(R=0.49;α=1,500,000cm-1)、Rh(R=1.41;α=1,300,000cm-1)、Pt(R=1.72;α=890,000cm-1)、Ti(R=1.55;α=680,000cm-1)、Au(R=1.658;α=610,000cm-1)、Ni(R=1.61;α=740,000cm-1)、Cu(R=1.18;α=670,000cm-1)、Mo(R=3.03;α=1,000,000cm-1)などの金属がある。 In the nitride-based semiconductor laser device of the second embodiment, when W = 1.5 μm, θ‖ = 9.5 °, x = 10 [cm −1 ], and y = 10 [cm −1 ], the buried layer The condition to be satisfied by the real part R of the refractive index and the absorption coefficient α [× 10 5 cm −1 ] of the material is as shown in Equation (8), and the nitride semiconductor of the second embodiment corresponds to this range. As materials applicable to the laser element, in addition to the materials described in the first embodiment, Al (R = 0.49; α = 1,500,000 cm −1 ), Rh (R = 1.41; α = 1) , 300,000 cm −1 ), Pt (R = 1.72; α = 890,000 cm −1 ), Ti (R = 1.55; α = 680,000 cm −1 ), Au (R = 1.658; α = 610,000 cm −1 ), Ni (R = 1.61; α = 740,000 cm −1 ), Cu (R = 1.18; α = 670,000cm -1), Mo ( R = 3.03; there are metals such as α = 1,000,000cm -1).
このように、実施形態1の窒化物系半導体レーザ素子では電気伝導体であるかまたは正電極との密着性が良好でないことの理由で埋込み層材料として適用できなかった材料が、本実施形態2の窒化物系半導体レーザ素子においては適用可能になり、選択の幅が広がるという効果を奏する。 As described above, in the nitride semiconductor laser element of the first embodiment, a material that is an electric conductor or cannot be applied as the buried layer material because of poor adhesion to the positive electrode is used in the second embodiment. This nitride semiconductor laser device can be applied, and has the effect of widening the range of selection.
なお、本実施形態2において、可視波長の光に対して吸収を示す埋込み層810、絶縁性を示す埋込み層811はそれぞれ1層ずつで構成されたものを示したが、それぞれが複数層で形成されていてもよく、可視波長に対して吸収を示す埋込み層810が、リッジストライプの両側に位置するリッジ底面上に接するように形成されていれば、本発明の効果が得られる。
In the second embodiment, the buried
[実施形態3]
実施形態3の窒化物系半導体レーザ素子では、実施形態1または2の形態を有する窒化物系半導体レーザ素子のうちで特に9°≦θ‖≦10°、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数差の下限がx=10[cm-1]、および基本次水平横モード吸収係数の上限がy=5[cm-1]である場合に好ましい埋込み層材料が開示される。ここで、埋込み層材料として使用できる材料の例が図9のグラフに示されているが、埋込み層材料の候補としてはここに表示されたものに限定されはしない。なお、図9のグラフにおいて、横軸は埋込み層に用いられる材料の屈折率実数部を表し、縦軸はその吸収係数[×105cm-1]を表している。
[Embodiment 3]
In the nitride-based semiconductor laser device of the third embodiment, among the nitride-based semiconductor laser devices having the configuration of the first or second embodiment, 9 ° ≦ θ‖ ≦ 10 °, in particular the basic horizontal horizontal mode and the primary horizontal horizontal mode. Preferred buried layer materials are disclosed when the lower limit of the mode absorption coefficient difference is x = 10 [cm −1 ] and the upper limit of the fundamental horizontal transverse mode absorption coefficient is y = 5 [cm −1 ]. Here, an example of a material that can be used as the buried layer material is shown in the graph of FIG. 9, but the candidate for the buried layer material is not limited to those shown here. In the graph of FIG. 9, the horizontal axis represents the real part of the refractive index of the material used for the buried layer, and the vertical axis represents the absorption coefficient [× 10 5 cm −1 ].
例えばストライプ幅Wが1.9μm以上2.0μm以下の場合、埋込み層の材料としては、絶縁体または半導体ではSi、GaAs、InP、GaP、またはInAsが好ましい。 For example, when the stripe width W is 1.9 μm or more and 2.0 μm or less, the material of the buried layer is preferably Si, GaAs, InP, GaP, or InAs as an insulator or semiconductor.
Wが1.8μm以上1.9μm未満の場合、絶縁体または半導体ではSi、GaAs、SiO、InP、Ge、またはInAsが好ましく、金属ではAu、Ti、Pt、Mo、Wが好ましい。 When W is 1.8 μm or more and less than 1.9 μm, Si, GaAs, SiO, InP, Ge, or InAs is preferable for the insulator or semiconductor, and Au, Ti, Pt, Mo, or W is preferable for the metal.
Wが1.7μm以上1.8μm未満の場合、絶縁体または半導体ではSi、GaAs、SiO、InP、またはInAsが好ましく、金属ではAl、Ag、Rh、Ir、Cu、Ir、Pt、Ni、Ti、Au、Mo、またはWが好ましい。 When W is 1.7 μm or more and less than 1.8 μm, Si, GaAs, SiO, InP, or InAs is preferable for the insulator or semiconductor, and Al, Ag, Rh, Ir, Cu, Ir, Pt, Ni, Ti are preferable for the metal. Au, Mo, or W is preferred.
Wが1.6μm以上1.7μm未満の場合、絶縁体または半導体ではSiO、アモルファスSi、SiO、GaAs、またはInPが好ましく、金属ではAl、Ag、Rh、Ir、Pt、Ni、Cu、Ti、Au、Mo、またはWが好ましい。 When W is 1.6 μm or more and less than 1.7 μm, SiO, amorphous Si, SiO, GaAs, or InP is preferable for an insulator or a semiconductor, and Al, Ag, Rh, Ir, Pt, Ni, Cu, Ti, for a metal, are preferable. Au, Mo, or W is preferred.
Wが1.5μm以上1.6μm未満の場合、絶縁体または半導体ではGeまたはSiOが好ましく、金属ではAl、Ag、Rh、Ir、Pt、Ni、Cu、Ti、Au、Mo、またはWが好ましい。 When W is 1.5 μm or more and less than 1.6 μm, Ge or SiO is preferable for an insulator or a semiconductor, and Al, Ag, Rh, Ir, Pt, Ni, Cu, Ti, Au, Mo, or W is preferable for a metal. .
Wが1.4μm以上1.5μm未満の場合、金属ではAl、Ag、Rh、Ir、Cu、Pt、Ni、Ti、またはAuが好ましい。 When W is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, the metal is preferably Al, Ag, Rh, Ir, Cu, Pt, Ni, Ti, or Au.
Wが1.0μm以上1.4μm未満の場合、金属ではAl、Ag、またはRhが好ましい。 When W is 1.0 μm or more and less than 1.4 μm, the metal is preferably Al, Ag, or Rh.
ただし、これらの場合において、埋込み層が絶縁体または半導体の場合は実施形態1または2のいずれの形態の窒化物系半導体レーザ素子でもよいが、埋込み層が金属の場合は実施形態2の形態の窒化物系半導体レーザ素子を作製する必要がある。 However, in these cases, when the buried layer is an insulator or a semiconductor, the nitride semiconductor laser element of any of the first or second embodiments may be used. However, when the buried layer is a metal, the embodiment of the second embodiment is used. It is necessary to produce a nitride semiconductor laser element.
[実施形態4]
実施形態4の窒化物系半導体レーザ素子では、実施形態1または2の形態を有する窒化物系半導体レーザ素子のうちで、特にWが1.4μm以上1.7μm以下、10°<θ‖≦11°、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数差の下限がx=10[cm-1]、および基本次水平横モード吸収係数の上限がy=5[cm-1]である場合に好ましい埋込み層材料が開示される。
[Embodiment 4]
In the nitride semiconductor laser element of the fourth embodiment, among the nitride semiconductor laser elements having the form of the first or second embodiment, W is particularly not less than 1.4 μm and not more than 1.7 μm, and 10 ° <θ‖ ≦ 11. °, the lower limit of the absorption coefficient difference between the fundamental horizontal transverse mode and the primary horizontal transverse mode is x = 10 [cm −1 ], and the upper limit of the fundamental horizontal transverse mode absorption coefficient is y = 5 [cm −1 ]. A preferred buried layer material is disclosed.
例えばストライプ幅Wが1.6μm以上1.7μm以下の場合、埋込み層の材料としては、絶縁体または半導体ではSi、SiO、InP、GaAs、Ge、またはInAsが好ましく、金属ではAu、Ti、Ni、Cu、Pt、Mo、またはWが好ましい。 For example, when the stripe width W is 1.6 μm or more and 1.7 μm or less, the material of the buried layer is preferably Si, SiO, InP, GaAs, Ge, or InAs for the insulator or semiconductor, and Au, Ti, Ni for the metal. Cu, Pt, Mo, or W is preferred.
Wが1.5μm以上1.6μm未満の場合、絶縁体または半導体ではSi、SiO、InP、GaAs、Ge、またはInAsが好ましく、金属ではAl、Ag、Rh、Cu、Au、Ti、Ni、Ir、Pt、Mo、またはWが好ましい。 When W is 1.5 μm or more and less than 1.6 μm, Si, SiO, InP, GaAs, Ge, or InAs is preferable for an insulator or a semiconductor, and Al, Ag, Rh, Cu, Au, Ti, Ni, Ir is preferable for a metal. , Pt, Mo, or W is preferred.
Wが1.4μm以上1.5μm未満の場合、絶縁体または半導体ではアモルファスSi、SiO、GaAs、Ge、またはInAsが好ましく、金属ではAl、Ag、Rh、Cu、Au、Ti、Ni、Ir、Pt、Mo、またはWが好ましい。 When W is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, amorphous Si, SiO, GaAs, Ge, or InAs is preferable for the insulator or semiconductor, and Al, Ag, Rh, Cu, Au, Ti, Ni, Ir, or the like is preferable for the metal. Pt, Mo, or W is preferred.
ただし、これらの場合においても、埋込み層が絶縁体または半導体の場合は実施形態1または2のいずれの形態の窒化物系半導体レーザ素子でもよいが、埋込み層が金属の場合は実施形態2の形態の窒化物系半導体レーザ素子を作製する必要がある。
However, even in these cases, the nitride semiconductor laser element according to any one of the first and second embodiments may be used when the buried layer is an insulator or a semiconductor. However, when the buried layer is a metal, the
[実施形態5]
実施形態5の窒化物系半導体レーザ素子では、実施形態1または2の形態を有する窒化物系半導体レーザ素子のうちで、特にWが1.4μm以上1.7μm以下、11°<θ‖≦12°、基本次水平横モードと1次水平横モードの吸収係数差の下限がx=10[cm-1]、および基本次水平横モード吸収係数の上限がy=5[cm-1]である場合に好ましい埋込み層材料が開示される。
[Embodiment 5]
In the nitride-based semiconductor laser device of the fifth embodiment, among the nitride-based semiconductor laser devices having the embodiments of the first or second embodiment, W is particularly 1.4 μm or more and 1.7 μm or less, and 11 ° <θ‖ ≦ 12. °, the lower limit of the absorption coefficient difference between the fundamental horizontal transverse mode and the primary horizontal transverse mode is x = 10 [cm −1 ], and the upper limit of the fundamental horizontal transverse mode absorption coefficient is y = 5 [cm −1 ]. A preferred buried layer material is disclosed.
例えばストライプ幅Wが1.6μm以上1.7μm以下の場合、埋込み層の材料としては、絶縁体または半導体ではGaP、InP、またはSi結晶が好ましい。 For example, when the stripe width W is 1.6 μm or more and 1.7 μm or less, the material of the buried layer is preferably GaP, InP, or Si crystal as an insulator or semiconductor.
Wが1.5μm以上1.6μm未満の場合、絶縁体または半導体ではSi、SiO、InP、GaAs、Ge、またはInAsが好ましく、金属ではWが好ましい。 When W is 1.5 μm or more and less than 1.6 μm, Si, SiO, InP, GaAs, Ge, or InAs is preferable for an insulator or a semiconductor, and W is preferable for a metal.
Wが1.4μm以上1.5μm未満の場合、絶縁体または半導体ではSi、SiO、GaAs、Ge、InAs、またはInPが好ましく、金属ではAl、Ag、Rh、Cu、Au、Ti、Ni、Ir、Pt、Mo、またはWが好ましい。 When W is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, Si, SiO, GaAs, Ge, InAs, or InP is preferable for the insulator or semiconductor, and Al, Ag, Rh, Cu, Au, Ti, Ni, Ir is preferable for the metal. , Pt, Mo, or W is preferred.
ただし、これらの場合においても、埋込み層が絶縁体または半導体の場合は実施形態1または2のいずれの形態の窒化物系半導体レーザ素子でもよいが、埋込み層が金属の場合は実施形態2の形態の窒化物系半導体レーザ素子を作製する必要がある。
However, even in these cases, the nitride semiconductor laser element according to any one of the first and second embodiments may be used when the buried layer is an insulator or a semiconductor. However, when the buried layer is a metal, the
[実施形態6]
図10は、実施形態6に係る光学式情報処理装置の一例を模式的なブロック図で示している。この光学式情報処理装置は、本発明による窒化物系系半導体レーザ素子を記録光用の光源として含んでおり、光源以外には公知の構成が用いられている。
[Embodiment 6]
FIG. 10 is a schematic block diagram illustrating an example of an optical information processing apparatus according to the sixth embodiment. This optical information processing apparatus includes the nitride-based semiconductor laser element according to the present invention as a light source for recording light, and a known configuration is used in addition to the light source.
図10の光学式情報処理装置は、本発明による窒化物系半導体レーザ素子1001と、ビーム射出制御手段(図示せず)と、コリメータレンズ1002と、ビーム成形プリズム1003と、ビームスプリッタ1004と、対物レンズ(集光手段)1005と、光ディスク(光記録媒体)1006と、照射位置制御手段(図示せず)と、光を検出する光検出系(光検出手段)1007とを含んでいる。なお、図10において、図面の簡略化と明瞭化のために、本発明の特徴を説明するのに不要な部品(手段)は図示が省略されている。
The optical information processing apparatus of FIG. 10 includes a nitride-based semiconductor laser device 1001 according to the present invention, a beam emission control means (not shown), a
図10の光学式情報処理装置においては、窒化物系半導体レーザ素子1001は、記録用の光源、再生用の光源、および消去用の光源を兼ねることができる。また、ビーム射出制御手段は、異なる出力の光を射出させることができ、記録用の光および消去用の光の出力に比べて再生動作の際には低い出力で光を射出するように制御し得る。 In the optical information processing apparatus of FIG. 10, the nitride semiconductor laser element 1001 can also serve as a recording light source, a reproduction light source, and an erasing light source. The beam emission control means can emit light having different outputs, and controls to emit light at a lower output during the reproduction operation than the outputs of the recording light and the erasing light. obtain.
記録動作時および消去動作時には、窒化物系半導体レーザ装置1001から出射したレーザ光は、コリメータレンズ1002で平行光もしくは平行に近い光ビームに変換され、ビーム成形プリズム1003とビームスプリッタ1004を経て、対物レンズ1005によって光ディスク1006の情報記録面上に集光される。光ディスク1006の情報記録面には、磁気変調または屈折率変調によりビット情報が書き込まれる。再生動作時には、記録時および消去時と同様の過程を経て半導体レーザ装置から出射したレーザ光が、凹凸または磁気変調または屈折率変調により記録されている光ディスク1006の情報記録面に集光される。その集光されたレーザ光は情報記録面で反射されて、対物レンズ1005を通してビームスプリッタ1004を透過し、光検出系1007に入射して、光学的に検出された信号を電気的信号に変換して記録情報の読み取りが行われる。
During the recording operation and the erasing operation, the laser light emitted from the nitride-based semiconductor laser device 1001 is converted into parallel light or a nearly parallel light beam by the
本発明の窒化物系半導体レーザ素子を備えた光学式情報処理装置においては、記録動作時は、10-6以下の欠陥発生率が達成され得る。また、再生動作時においては、書き込まれた情報がビット読み取りエラー率10-6で読み出され得る。 In the optical information processing apparatus including the nitride semiconductor laser element of the present invention, a defect occurrence rate of 10 −6 or less can be achieved during the recording operation. Further, during the reproducing operation, the written information can be read out with a bit reading error rate of 10 −6 .
これに対して、従来の窒化物系半導体レーザ素子を備えた光学式情報処理装置においては、記録動作時の欠陥発生率および再生動作時のビット誤り率が、共に10-3のオーダである。この相違は、高出力まで基本次水平横モードの発振を維持し、高出力までキンクのないI−L特性を有する窒化物系半導体レーザ素子を本光学式情報処理装置に用いることによって、光ディスク上に集光されるレーザ光の出力が高くかつ安定し得るからである。 On the other hand, in an optical information processing apparatus equipped with a conventional nitride-based semiconductor laser element, the defect occurrence rate during the recording operation and the bit error rate during the reproducing operation are both on the order of 10 −3 . This difference is due to the fact that a nitride-based semiconductor laser element having IL characteristics that maintains the fundamental horizontal horizontal mode until high output and has no kink until high output is used in the optical information processing apparatus. This is because the output of the laser beam focused on the laser beam can be high and stable.
本発明によれば、所定の材料からなる埋込み層を用いることで、動作電流の増大を抑制しつつ、高出力まで安定な横モード発振を高い歩留りで実現する半導体レーザを提供することができる。そして、そのような半導体レーザを利用することによって、高速かつ高密度で情報を記録、再生、または消去し得る光学式情報処理装置を提供することができる。この場合、高出力まで基本次水平横モードで発振し得てFFPにおける楕円率が1に近づけられた本発明の窒化物系半導体レーザ素子を用いるので、楕円形のビームスポットを円形に近づけるための手段、例えば従来必ず使用されていた形成プリズムを省略することも可能である。 According to the present invention, by using an embedded layer made of a predetermined material, it is possible to provide a semiconductor laser that realizes stable transverse mode oscillation up to a high output with a high yield while suppressing an increase in operating current. By using such a semiconductor laser, an optical information processing apparatus capable of recording, reproducing, or erasing information at high speed and high density can be provided. In this case, the nitride-based semiconductor laser device of the present invention that can oscillate in the fundamental horizontal / horizontal mode up to a high output and whose ellipticity in the FFP is close to 1 is used. It is also possible to omit means, for example, a forming prism that has always been used.
101、801 n型GaN基板、102、802 n型GaN下地層、103、803 n型AlxGa1-xN下部クラッド層、104、804 n型GaN下部光導波層、105、805 交互に積層されたn型InvGa1-vN障壁層とInwGa1-wN井戸層を含む多重量子井戸構造からなる活性層、106、806 p型AlzGa1-zNキャリアブロック層、107、807 p型GaN上部光導波層、108、808 p型Aly1Ga1-y1N上部クラッド層、109、809 p型GaNコンタクト層、110、810、811 埋込み層、111、812 正電極、112、813 負電極、113、814 エッチングされた領域。 101, 801 n-type GaN substrate, 102, 802 n-type GaN underlayer, 103, 803 n-type Al x Ga 1-x N lower cladding layer, 104, 804 n-type GaN lower optical waveguide layer, 105, 805 alternately stacked An active layer having a multiple quantum well structure including an n-type In v Ga 1 -v N barrier layer and an In w Ga 1 -w N well layer, 106,806 p-type Al z Ga 1 -z N carrier blocking layer, 107, 807 p-type GaN upper optical waveguide layer, 108, 808 p-type Al y1 Ga 1-y1 N upper cladding layer, 109, 809 p-type GaN contact layer, 110, 810, 811 buried layer, 111, 812 positive electrode, 112, 813 Negative electrode, 113, 814 Etched region.
Claims (6)
基板上において、
窒化物系半導体積層体に含まれる活性層と、
前記窒化物系半導体積層体の上面からのエッチングによって形成されていて水平方向おいて光を閉じ込めるためのリッジストライプ構造と、
前記リッジストライプの頂面を除いて前記エッチングによる露出表面に接して埋込むように形成された埋込み層とを含み、
前記埋込み層は可視波長の光に対して吸収作用を有していて、3×104[cm-1]以上の吸収係数を有し、
前記埋込み層は、前記リッジストライプの各側面からの距離が少なくとも0.5μmを越えるまでは0.1μm以上の層厚を有しており、
下記の(a)から(m)までの条件、すなわち:
(a)前記リッジストライプ構造の幅が1.9μm以上2.0μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、前記埋込み層はGaAs、InP、GaP、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;
(b)前記リッジストライプ構造の幅が1.8μm以上1.9μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、前記埋込み層はGaAs、InP、Ge、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;
(c)前記リッジストライプ構造の幅が1.7μm以上1.8μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、前記埋込み層はGaAs、InP、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;
(d)前記リッジストライプ構造の幅が1.6μm以上1.7μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、前記埋込み層はGaAsおよびInPのいずれかの材料で形成されていること;
(e)前記リッジストライプ構造の幅が1.5μm以上1.6μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が9°以上10°以下の値を有し、前記埋込み層はGeの材料で形成されていること;
(f)前記リッジストライプ構造の幅が1.6μm以上1.7μm以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が10°より大きく11°以下の値を有し、前記埋込み層はInP、GaAs、Ge、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;
(g)前記リッジストライプ構造の幅が1.5μm以上1.6μm以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が10°より大きく11°以下の値を有し、前記埋込み層はInP、GaAs、Ge、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;
(h)前記リッジストライプ構造の幅が1.4μm以上1.5μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が10°より大きく11°以下の値を有し、前記埋込み層はGaAs、Ge、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;
(i)前記リッジストライプ構造の幅が1.6μm以上1.7μm以下であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が11°より大きく12°以下の値を有し、前記埋込み層はGaPおよびInPのいずれかの材料で形成されていること;
(j)前記リッジストライプ構造の幅が1.5μm以上1.6μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が11°より大きく12°以下の値を有し、前記埋込み層はInP、GaAs、Ge、およびInAsのいずれかの材料で形成されていること;および
(k)前記リッジストライプ構造の幅が1.4μm以上1.5μm未満であり、ファーフィールドパターンの水平方向半値全角が11°より大きく12°以下の値を有し、前記埋込み層はGaAs、Ge、InAs、およびInPのいずれかの材料で形成されていることのいずれかの条件を満たすことを特徴とする窒化物系半導体レーザ素子。 A nitride-based semiconductor laser device,
On the substrate
An active layer included in the nitride-based semiconductor laminate;
A ridge stripe structure formed by etching from the upper surface of the nitride-based semiconductor stacked body and confining light in the horizontal direction;
An embedded layer formed so as to be embedded in contact with the exposed surface by the etching except for the top surface of the ridge stripe,
The buried layer has an absorption effect on light having a visible wavelength, has an absorption coefficient of 3 × 10 4 [cm −1 ] or more,
The buried layer has a layer thickness of 0.1 μm or more until the distance from each side surface of the ridge stripe exceeds at least 0.5 μm,
The following conditions (a) to (m):
(A) The width of the ridge stripe structure is 1.9 μm or more and less than 2.0 μm, and the full width at half maximum of the far field pattern is 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer is made of GaAs, InP, Formed of any material of GaP and InAs;
(B) The width of the ridge stripe structure is not less than 1.8 μm and less than 1.9 μm, and the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is not less than 9 ° and not more than 10 °, and the buried layer has G aAs , I formed of any material of nP, Ge, and InAs;
(C) The width of the ridge stripe structure is 1.7 μm or more and less than 1.8 μm, and the horizontal half-width of the far field pattern has a value of 9 ° or more and 10 ° or less, and the buried layer includes G aAs , I formed of any material of nP and InAs;
Width; (d) the ridge stripe structure is less than or 1.6 [mu] m 1.7 [mu] m, has a horizontal full angle at half maximum is 10 ° or less of 9 ° or more values of the far field pattern, wherein the buried layer is All G aA s And any material of InP;
(E) the width of the ridge stripe structure is less than 1.6μm or 1.5 [mu] m, has a horizontal full angle at half maximum is 10 ° or less of 9 ° or more values of the far-field pattern, the material of the buried layer G e Formed of;
(F) The width of the ridge stripe structure is 1.6 μm or more and 1.7 μm or less, and the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is greater than 10 ° and less than or equal to 11 °, and the buried layer is made of InP, Formed of any material of GaAs, Ge, and InAs;
(G) The width of the ridge stripe structure is 1.5 μm or more and 1.6 μm or less, and the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is greater than 10 ° and 11 ° or less, and the buried layer is InP, Formed of any material of GaAs, Ge, and InAs;
(H) The width of the ridge stripe structure is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, and the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is greater than 10 ° and less than or equal to 11 °, and the buried layer is made of GaAs, Formed of any material of Ge and InAs;
(I) The width of the ridge stripe structure is 1.6 μm or more and 1.7 μm or less, and the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is greater than 11 ° and less than or equal to 12 °, and the buried layer includes GaP and InP Formed of any of the following materials;
(J) The width of the ridge stripe structure is not less than 1.5 μm and less than 1.6 μm, the full width at half maximum in the horizontal direction of the far field pattern is greater than 11 ° and not more than 12 °, and the buried layer is InP, And (k) the width of the ridge stripe structure is 1.4 μm or more and less than 1.5 μm, and the horizontal full width at half maximum of the far field pattern is 11 A nitride having a value greater than 12 ° and less than or equal to 12 °, and satisfying any one condition that the buried layer is made of any material of GaAs, Ge, InAs, and InP Semiconductor laser element.
さらに前記第2の埋込み層上に電極を有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物系半導体レーザ素子。 A second buried layer made of a material different from the buried layer on the buried layer;
The nitride-based semiconductor laser device according to claim 1, further comprising an electrode on the second buried layer.
に記載の窒化物系半導体レーザ素子。 The absorption coefficient of the buried layer is 1 × 10 5 [cm −1 ] or more.
The nitride-based semiconductor laser device described in 1.
前記記録、前記再生、および前記消去の1以上の処理のための光源として請求項1から5のいずれかに記載の窒化物系半導体レーザ素子を1以上含み、
前記レーザ素子からのレーザ光を所定の出力で射出させる光射出制御手段と、
前記レーザ素子から射出されたレーザ光を集光する集光手段と、
前記記録、前記再生、または前記消去の処理のために、前記集光手段で集光されたレーザ光を前記光記録媒体の所定の位置に照射する照射位置制御手段とをさらに含むことを特徴とする光学式情報処理装置。 An optical information processing apparatus capable of performing at least one process of recording, reproducing, and erasing information with respect to an optical recording medium,
Including one or more nitride-based semiconductor laser elements according to any one of claims 1 to 5 as a light source for one or more processes of the recording, the reproduction, and the erasure;
Light emission control means for emitting laser light from the laser element at a predetermined output;
Condensing means for condensing the laser light emitted from the laser element;
And irradiation position control means for irradiating a predetermined position of the optical recording medium with the laser beam condensed by the condensing means for the recording, reproducing, or erasing process. Optical information processing device.
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