特許 5747241 半導体レーザ構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5747241

(24)【登録日】2015年5月22日

(45)【発行日】2015年7月8日

(54)【発明の名称】半導体レーザ構造体

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/026 20060101AFI20150618BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20150618BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/026 616

   H01S5/343

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2009-119394(P2009-119394)

(22)【出願日】2009年5月18日

(62)【分割の表示】特願2002-289449(P2002-289449)の分割

【原出願日】2002年10月2日

(65)【公開番号】特開2009-182346(P2009-182346A)

(43)【公開日】2009年8月13日

【審査請求日】2009年5月18日

【審判番号】不服2014-4073(P2014-4073/J1)

【審判請求日】2014年3月3日

(31)【優先権主張番号】09/972,361

(32)【優先日】2001年10月9日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501263810

【氏名又は名称】トムソン ライセンシング

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｌｉｃｅｎｓｉｎｇ

(74)【代理人】

【識別番号】100075258

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 研二

(74)【代理人】

【識別番号】100096976

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 純

(72)【発明者】

【氏名】マイケル エー ニーセル

(72)【発明者】

【氏名】トーマス エル パオリ

【合議体】

【審判長】 吉野 公夫

【審判官】 鈴木 肇

【審判官】 近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２４３５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７４５２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３１２０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０９００５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０２９６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３７１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０５１１４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01S 5/00-5/50

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩｎＧａＮ活性層を備えるＧａＮ半導体レーザ構造体であって、
Ｃ面の堆積面を有する基板と、
前記基板上のＩＩＩ−Ｖ族窒化物バッファ層と、
前記バッファ層上の第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波層と、
前記第１のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波層上の、少なくとも１つのＩｎＧａＮ量子井戸層を有する活性層と、
前記活性層上の第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波層と、
前記活性層内に形成され、ｐ型物質とｎ型物質の間に少なくとも1つの接合を有し、増幅器として機能する第１の活性領域と、
前記活性層内に形成され、ｐ型物質とｎ型物質の間に少なくとも１つの接合を有し、光学変調器として機能する第２の活性領域と、
前記第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物導波層の一部に形成され前記活性層に達しないトレンチ
を有し、前記トレンチにより前記第１の活性領域と前記第２の活性領域が形成され、誘導放出が前記第１の活性領域の中で引き起こされるように前記第１の活性領域に順方向バイアスが印加され、前記誘導放出の一部は前記第２の活性領域内に向けられ、前記第２の活性領域の光損失を変化させてレージングを生じさせる
半導体レーザ構造体。

【請求項2】

請求項１記載の半導体レーザ構造体において、
前記第２の活性領域の光損失は、前記第２の活性領域へ順方向バイアス電流を印加することで変化させる
半導体レーザ構造体。

【請求項3】

請求項１記載の半導体レーザ構造体において、
前記第２の活性領域の光損失は、前記第２の活性領域へ逆方向バイアス電圧を印加することで変化させる
半導体レーザ構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、青色レーザダイオードに関し、特に、増幅領域と変調領域とを備え、パワー出力の変動を軽減する２領域（two section）青色レーザダイオードに関する。

【背景技術】

【0002】

当技術分野において、半導体レーザまたはレーザダイオードとも呼ばれる固体レーザが周知である。これらの素子は、通常、１枚以上の活性半導体層(active semiconductor layers)を有する平板な多層半導体構造体からなる。これらの活性半導体層は、その端部において、ミラーとして機能するへき開面（cleaved surface）によって結合されている。この構造体では、活性層の一方の側の半導体層には不純物が添加されていて過剰の自由電子(mobile electrons)が存在し、他方の側の半導体層にも不純物が添加されていて自由電子の欠落が生じている。つまり、こちら側の半導体層には、正に帯電したキャリアである正孔が過剰に存在している。過剰の電子が存在する層は「ｎ型」つまり「負」であり、過剰の正孔が存在する層は「ｐ型」つまり「正」である。

【0003】

電極を介して層構造体のｐ側とｎ側との間に電位差を適用すれば、正孔および電子の一方または両方が、ｐ−ｎ接合を横切る、平板層に垂直な方向に駆動されて活性層に「注入」される。この活性層内で電子が正孔とが再結合すると光が生じる。へき開ミラーによる光フィードバックによって放射光の一部が共振（resonance）し、半導体レーザ構造体のミラー状の(mirrored)１縁部においてコヒーレント「レージング」が生じる。

【0004】

短周期表のＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体層をサファイア基板上で成長させた半導体レーザ構造体は、３６０ｎｍ〜６５０ｎｍの範囲内である、近紫外線から可視スペクトルの範囲の光を放出する。

【0005】

青色／紫レーザダイオードが放射する短波長によれば、赤色および赤外線（ＩＲ）レーザダイオードが放射する長波長と比較して、レーザプリント動作や高密度光記録において、より小さなスポットおよび良好な焦点距離を提供する。

【0006】

短周期表ＩＩＩ−Ｖ族窒化物を用いれば、室温で動作し、継続動作において青―紫の範囲内の短波長可視光を放射するダイオードレーザを提供できる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物は短周期表のＩＩＩ族およびＶ族の元素によって作られた化合物を含む。

【0007】

こうした物質を短波長発光素子に用いることは、いくつかの理由のために、非常に見込みがある。つまり、ＡｌＧａＩｎＮ系は可視スペクトルの全体をカバーする大きなバンドギャップを有し、短周期表ＩＩＩ−Ｖ族窒化物は強力な化学結合を有するという利点もある。この結合のために、これらの物質は非常に安定しており、斯かる素子の活性領域が曝されているような高電流や強度の光照射の状態においても劣化し難い。またこれらの物質は、一旦成長させると、転位を形成し難い。

【0008】

高速かつ高解像度でプリントするためには、出力パワーの変動が僅かであるか、皆無であるレーザ装置が必要である。例えば、赤色およびＩＲレーザダイオードを印刷に用いる場合、レーザ光出力の変動は４％未満であることが求められる。これらの必要要件はＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードについても同様であろう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０００−３１２０５４号公報

【特許文献2】特開平６−９００５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

有限抵抗を有する、金属電極と半導体との界面全域において電圧が降下すると発熱する。また、抵抗性の半導体層の全域で電圧が降下しても発熱する。エネルギーをレーザの活性領域に導入するためには、伝導帯に電子を注入するか、正孔を価電子帯に注入するか、またはその両方を行う。電子が緩和すると伝導帯のエネルギーレベルが最低になり、正孔が、光を放射しない処理によって弛緩すると、価電子帯のエネルギーレベルが最低になり、エネルギーを熱として放出される。

【0011】

レーザ素子をオフからオンに切り替えると、過渡加熱(transient heating)、つまり時間の経過と共に変化する熱によって、ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの光出力を大幅に低下させてしまう可能性がある。

【0012】

図示するように、ＡｌＧａＩｎＮ青色レーザダイオードは、レージング閾値電流より大きな定電流によって順方向バイアスがかけられている。最初の時間ｔ＝０の場合、定電流が６５ｍＡであれば、図１に示すように、この青色レーザダイオードの最初の出力パワーＰ１は９．５ｍＷであり、レーザ構造体の温度は２０℃である。

【0013】

しかし、レージング閾値より大きな定電流を有する青色レーザダイオードでは、時間の経過と共に、レーザ構造体の温度が上昇する。この温度上昇によって、ＡｌＧａＩｎＮレーザダイオードの出力パワーが低下する。

【0014】

後続の時間ｔ＝∞、定電流が６５ｍＡであれば、図１に示すように、青色レーザの出力パワーは第２の出力パワーＰ２である６．２ｍＷとなり、レーザ構造体の温度は３０℃になる。第２の出力パワーは第１の出力パワーより小さい。したがって、出力パワーと時間との関係を示す図２においては、レーザ素子をオンにしたばかりの第１の出力パワーＰ１が、青色レーザダイオードが動作するにつれて「衰退（drooping）」し、Ｐ１より低い第２の出力パワーＰ２になることを示している。

【0015】

このような熱変動は、均質な光パワー出力を維持するためには有害である。これは、特にパルス変調において有害である。しかも、こうしたレーザの全ての適用において、レーザ出力を変調して一連のパルスにする必要がある。

【0016】

本発明は、過渡加熱によるパワー出力の変動を軽減する青色レーザを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明によると、短周期表のＩＩＩ−Ｖ族窒化物青色レーザダイオードは、増幅領域と変調領域とを有する。増幅領域は定電流を有し、該領域をレージング閾値の近傍に維持する。変調領域は、変動する小さな順方向電圧または逆バイアス電圧を有する。この電流または電圧によってレーザの光出力を制御する。この２領域青色レーザダイオードが必要とする電力消費量は、直接変調型のレーザ(directly modulated laser)の電力消費量よりも遥かに少ないため、過渡加熱および、光出力の「衰退」を軽減する。

【0018】

レーザダイオードの光出力は、変調領域における吸収を変化させることで制御する。吸収の変化は、フィールド効果（例えば、ＱＣＳＥ）やキャリア効果（例えば、バンドフィリング、フィールドスクリーニング）を利用して誘引できる。これらの効果を得るための電力消費量は、直接変調型のレーザのそれよりも遥かに少ない。

【0019】

レーザダイオードの僅かな部分だけを用いて出力パワーを制御する。したがって、このようにして得た少ない容量によれば、変調速度を高めることもできる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】青色レーザダイオードの過渡加熱による効果を示す、パワー出力対入力電流を表す図である。

【図2】パワー出力の「減衰」を示す、図１の青色レーザダイオードにおけるパワー出力対時間を表す図である。

【図3】短周期表ＩＩＩ−Ｖ族窒化物膜の形成後の、本発明に係る青色レーザダイオードの断面図である。

【図4】本発明に係る利得領域と変調領域とを有する２領域リッジ導波青色レーザダイオードの断面図である。

【図5】エッチング形成したトレンチによって分離された、本発明に係る利得領域と変調領域とを有する青色レーザダイオードの断面図である。

【図6】図４及び図５の２領域青色レーザダイオードの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

図３を参照する。図３は、本発明に係る２領域ＩＩＩ−Ｖ族窒化物に基づく基本的な半導体合金ダイオードレーザ１００を示す。半導体レーザ構造体１００は、Ｃ面（０００１）またはＡ面（１１２０）配向サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板１０２を有する。この基板１０２上に半導体層がエピタクシーによって連続的に堆積される。このレーザ構造体１００は、このサファイア基板１０２上に形成され、核形成層としても周知である薄膜バッファ層１０３を有する。このバッファ層１０３は主に濡れ層として機能し、サファイア基板１０２の上面を滑らかで均質な状態で覆う。バッファ層１０３は任意の適切な物質を含むことができる。通常、バッファ層１０３は二元または三元のＩＩＩ−Ｖ族窒化物質で形成する。例えば、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ等である。バッファ層１０３は通常、約１０ｎｍ〜約３０ｎｍの厚さを有する。通常、薄膜バッファ層１０３には不純物が添加されていない。

【0022】

バッファ層１０３の上には第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４が形成される。第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４はｎ型ＧａＮまたはＡｌＧａＮ層である。この第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４は、横方向ｎコンタクト電流拡散層（lateral n-contact and current spreading layer）として機能する。第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４は通常、約１μｍ〜約１０μｍの厚さを有し、ｎ型ＧａＮ：ＳｉまたはＡｌＧａＮ：Ｓｉである。

【0023】

第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４の上には第３のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０５が形成される。第３のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０５は欠陥低減層である。第３のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０５は通常、約２５ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有し、活性領域１０８中のＩｎＧａＮ量子井戸より少ないＩｎ組成（In-content）を有するｎ型ＩｎＧａＮ：Ｓｉである。

【0024】

第３のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０５の上には第４のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０６が形成される。第４のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０６はｎ型クラッディグ層である。第４のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０６は通常、約０．２μｍ〜約２μｍの厚さを有し、第３または第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層より大きなＡｌ組成を有するｎ型ＡｌＧａＮ：Ｓｉである。

【0025】

第４のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０６の上には導波層である第５のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０７が形成される。第５のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０７は通常、活性領域１０８中のＩｎＧａＮ量子井戸より少ないＩｎ組成を有するｎ型ＩｎＧａＮ：Ｓｉ、ＧａＮ：Ｓｉ、ＩｎＧａＮ：ｕｎまたはＧａＮ：ｕｎである。第５のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０７の全体的な厚さは通常、約０．０５μｍ〜約０．２μｍである。

【0026】

第５のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０７の上にはＩｎＧａＮ量子井戸活性領域１０８が形成される。これは少なくとも１個のＩｎＧａＮ量子井戸を含む。多数の量子井戸を含む活性領域の場合、量子井戸の各々は通常、約１０オングストロ−ム〜約１００オングストロ−ムの厚さを有し、ＩｎＧａＮまたはＧａＮバリア層で分離されている。ＩｎＧａＮまたはＧａＮバリア層は通常、約１０オングストロ−ム〜約２００オングストロ−ムの厚さを有する。通常、ＩｎＧａＮ量子井戸およびＩｎＧａＮまたはＧａＮバリア層には不純物が添加されていない。あるいは、Ｓｉを添加しても良い。

【0027】

ＩｎＧａＮ（多重）量子井戸活性領域１０８の上には、キャリア制限層である第６のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０９が形成される。第６のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０９は、量子井戸活性領域よりも高いバンドギャップを有する。第６のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０９は通常、ｘ＝０．０５〜ｘ＝０．４の範囲のＡｌ組成を有するｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ：Ｍｇである。第６のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０９の全体的な厚さは通常、約5ｎｍ〜約１００ｎｍである。

【0028】

第６のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０９の上には、導波層である第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１０が形成される。第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１０は通常、活性領域内のＩｎＧａＮ多数井戸より小さいＩｎ組成を有するｐ型ＩｎＧａＮ：ＭｇまたはＧａＮ：Ｍｇである。第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１０の全体的な厚さは通常、約５０ｎｍ〜約２００ｎｍである。

【0029】

第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１０の上には第８のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１１が形成される。第８のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１１はｐ型クラッディング層として機能する。第８のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１１は通常、約０．２μｍ〜約１μｍの厚さを有し、第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層より大きなＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ：Ｍｇである。

【0030】

第８のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１１の上には第９のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１２が形成される。第９のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１２は、ヘテロ構造体１００のｐ側に接触するための、最小抵抗金属電極に対するｐコンタクト層を形成する。第９のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１２は通常、約１０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さを有する。

【0031】

レーザ構造体１００は、当技術分野において周知である有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシー法等の技術によって形成することができる。ＭＯＣＶＤによる成長は通常、２インチ（５．０８ｃｍ）または３インチ（７．６２ｃｍ）の直径を有するサファイア基盤ウェーハ上で行なう。基板１０２は、Ｃ面（０００１）またはＡ面（１１２０）配向サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）基板でも良い。サファイア基板ウェーハは一方の面にエピタキシャルポリッシュを有し、典型的な厚さが１０ミル〜１７ミル（０．２５４ｍｍ〜０．４３１８ｍｍ）である標準的な仕様である。基板の他の例としては、４Ｈ−ＳｉＣ，６Ｈ−ＳｉＣ，ＡｌＮまたはＧａＮ等でも良いが、これらに限定されるわけではない。ＧａＮ基板上で成長させる場合は、核形成層を形成せずに、基板１０２の上面に直接、第２の第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４を形成することができる。

【0032】

ＭＯＣＶＤによる成長の後、（Ａｌ）ＧａＮ：Ｍｇ層内のＭｇのｐ添加を開始する(activated)。これは、窒素雰囲気の中で８５０℃で５分間、ＲＴＡ（急速熱処理）することで行なう。次に、図４に示すように、Ａｒ（アルゴン）／Ｃｌ_２（塩素）／ＢＣｌ_３（三塩化ホウ素）混合ガス中で、第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１１０を、ＣＡＩＢＥ（chemical assisted ion beam etching）またはＲＩＥ（reactive ion beam etching）によってドライエッチングして、リッジ（ridge）導波構造を形成する。

【0033】

素子の利得領域（gain）および変調領域を形成するために、図５に示すように、リッジ導波構造をエッチングして分離トレンチ１１４を形成する。分離トレンチ１１４は、リッジ導波管をエッチング形成するステップと同じステップで形成できる。あるいは、別のステップで形成して、エッチングの深さを異ならせても良い。例えばプラズマ強化化学蒸着法（ＰＥ−ＣＶＤ）によって、トレンチの中に電気絶縁層（例えば、シリコンオキシナイトライドまたはＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４）を蒸着させて（図示せず）、光学モード（optical mode）の障害（disturbance）を軽減し、露出面の保護層とすることもできる。

【0034】

Ａｒ／Ｃｌ_２／ＢＣｌ_３混合ガス中でＣＡＩＢＥまたはＲＩＥを用いたドライエッチングを、ＧａＮ：Ｓｉ層１０４に届くまで行い、ｎコンタクトを形成する。ｎ―コンタクト１２０は、第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４の上に形成される。第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層１０４は、横方向コンタクト(lateral contact)層として機能する。

【0035】

図４に示すｎ電極１２０は、図６の増幅領域１１６と変調領域１１８との両方に共通する。ｎコンタクト金属の堆積は、熱蒸着、電子ビーム蒸着、またはスパタリングによって行なうことができる。通常は、Ｔｉ／Ａｌ，Ｔｉ／ＡｕまたはＴｉ／Ａｌ／Ａｕをｎ金属コンタクトとして使用する。ｎコンタクトを窒素雰囲気の中で５００℃でアニールして接触抵抗を軽減する。誘電性分離層１１３（dielectric isolation layer）（例えば、シリコンオキシナイトライドまたはＳｉＯ_２またはＳｉ_３Ｎ_４）を、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥ−ＣＶＤ）によって、リッジ導波構造体の上に蒸着させる。あるいは、ポリイミドを用いて分離しても良い。ｐコンタクトを形成するための窓は、ＣＦ_４／Ｏ_２雰囲気の中でＲＦプラズマエッチングを行うことで、誘電体分離層にエッチング形成する。

【0036】

図５は、増幅コンタクト層２０１の上にｐ電極２００が形成されて増幅領域１１６を形成し、変調コンタクト層３０１の上にｐ電極３００が生成されて変調領域１１８を形成している。２個のｐ電極２００，３００は分離しており別個の存在なので、増幅領域１１６と変調領域１１８とを個別にアドレスできる。Ｎｉ／Ａｕ，ＮｉＯ／Ａｕ，Ｐｄ／Ａｕ，Ｐｄ／Ａｕ／Ｔｉ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｔｉ／Ａｕ，Ｐｄ／Ｎｉ／Ａｕ，Ｐｔ／Ａｕ，またはＰｄ／Ｐｔ／Ａｕを、熱蒸着、電子ビーム蒸着、またはスパッタリングによって、ｐコンタクト金属として堆積できる。

【0037】

レーザ面(laser facet)は、クリービングまたはドライエッチング（例えばＣＡＩＢＥ）によって形成できる。ｅビーム蒸着によって、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５、またはＳｉＯ_２／ＨｆＯ_２高反射コーティングをレーザダイオードの後面１２６に堆積して、ミラーの反射力を強化できる。レーザダイオードの前面１２４には、ｅビーム蒸着によって、ＳｉＯまたはＳｉＯ_２無反射コーティングを堆積できる。

【0038】

図５および図６に示すように、トレンチ１１４によって、レーザ構造体１００を増幅領域１１６と変調領域１１８とに分離する。増幅領域１１６は金属ｐ電極２００と、ｐ−コンタクト層２０１と、上部クラッディング層２０２と、上部導波層２０３と、上部制限層２０４とを有する。変調領域１１８は、金属ｐ電極３００と、ｐ−コンタクト層３０１と、上部クラッディング層３０２と、上部導波層３０３と、上部制限層３０４とを有する。

【0039】

増幅ｐ―コンタクト層２０１は、変調ｐ−コンタクト層３０１とは分離しており、それぞれ別個に存在するが、これらは共に、溝１１４をエッチング形成する前にｐ−コンタクト層１１２から形成したものである。増幅上部クラディングおよび導波層２０２，２０３は、変調上部クラディングおよび導波管層３０２，３０３とは分離しており、それぞれ別個に存在するが、これらは共に、溝１１４をエッチング形成する前に上部制限および導波層１１０，１１１から形成したものである。増幅上部制限層２０４は、変調上部制限層３０４とは分離しており、それぞれ別個に存在するが、これらは共に、溝１１４をエッチング形成する前にｐ−上部制限層１０９から形成されたものである。

【0040】

図４に示す活性量子井戸層１０８と、下部導波層１０７と、下部クラッディング層１０６と、欠陥低減層１０５と、厚い（Ａｌ）ＧａＮ電流拡散層１０４と、バッファ層１０３と、基板１０２とは、増幅領域１１６および変調領域１１８に共通である。

【0041】

分離トレンチ１１４の最適な深さは、完全な電気絶縁が望ましいか、光学モードの障害を最小限にすることが望ましいかによって、異なる。完全な電気絶縁を行うためには、全てのｐ型層を貫通し、ＭＱＷ活性領域１０８まで達するか、これを貫通するまでエッチングしてトレンチ１１４を形成すれば良い。しかし、このようにすると、素子の変調領域と利得領域との間を往来(traveling)する光学モードを妨害し、拡散損失を招くことになる。一方、ｐ型層の一部だけをエッチングしてトレンチを形成すれば、利得領域と変調領域との間に幾分かの電気的な接続が残る。しかし、これら２領域間のクロストークは非常に小さいと思われる。これは、ｐ型ＧａＮおよびＡｌＧａＮ層の横方向の抵抗（lateral resistance）が高いためである。例えば、ｐ−ＡｌＧａＮクラッディング層１１１（図４）だけをエッチングしてトレンチ１１４を形成する場合（図５に示す）、残りのＧａＮ：Ｍｇ導波層１１０およびｐ―ＡｌＧａＮ層１０９（図４に示す）によって、変調領域と利得領域との間に、約３ＭΩの直列抵抗が生じるだろう。（ただし、導波層の厚さが１００ｎｍであり、トレンチの幅が１０μｍであり、リッジ導波層の幅が２μｍであり、正孔密度が１０^１８ｃｍ^−３であり、自由度（mobility）が１ｃｍ^２／Ｖｓであるとする。）

【0042】

オフ状態での増幅領域１１６からの自発放射を最小限にするために、レーザ構造体１００が放射する光ビーム１２８は、変調領域１１８に隣接するミラー１２４から放射される。

【0043】

本発明によれば、増幅領域１１６の下の活性層１０８は増幅活性層１３０であり、変調領域１１８の下の活性領域１０８は変調活性層１３２である。

【0044】

２領域青色レーザ構造体１００において、増幅領域１１６には電流が勢いよく注入され、発光領域として機能する。一方、変調領域１１８には、増幅領域よりも低いレベルで電流が注入されて、高周波変調を行なうことができる。あるいは、変調領域を逆にバイアスすることができ、これによっても高周波動作を行うことができる。

【0045】

増幅領域１１６は変調領域１１８より遥かに長い。したがって、増幅領域１１６の活性層１３０は、本質的に、所望の出力強度を生じるために必要な全ての利得を提供する。変調領域１１８の活性層１３２は、内部損失を高い値から低い値に切り替えることで、レーザ構造体１００の出力を制御する。

【0046】

増幅領域１１６は、ｐ電極２００およびｎ電極１２０を介して供給される入力電流によって順方向バイアスがかけられる。この電流によって、電子が、不純物が添加されたｎ型層である電流拡散層１０４、欠陥低減層１０５、下部クラッディング層１０６、下部導波層１０７から増幅活性層１３０に向かって流れる。更にこの電流によって、正孔が、不純物が添加されたｐ型層である増幅コンタクト層２０１、増幅上部クラッディング層２０２、増幅上部導波層２０３、増幅上部制限層２０４から増幅活性層１３０に向かって流れる。十分な電流が供給された増幅活性層１３０において電子と正孔とが再結合すると、光ビーム１２８の放出が刺激される。

【0047】

増幅領域１１６に供給される電流を調整して、変調領域１１８がオン状態（オン状態＝変調活性層１３２が低損失状態にある）の場合には、２領域レーザ構造体１００内の活性領域１０８全体でのミラー損失および光損失を含む光損失の合計を克服する(overcome)ために十分であって、変調領域１１８がオフ状態（オフ状態＝変調活性層１３２が高損失状態にある）の場合には、活性領域１０８全体のミラー損失および光損失を含む光損失の合計を超えないような利得が、増幅活性層１３０において生成されるようにする。増幅電流は一定に維持される。２領域レーザ構造体１００は、レーザ発光とレーザ出力パワーとを変調する。これは、レーザ素子の変調領域における活性層１３２での光損失を変化させることによって行なう。変調領域が高損失状態（オフ状態）にある場合、増幅領域で生成される利得は、光損失の合計を克服する程大きくないので、レージングは禁止される。変調領域を低損失状態（オン状態）に切り替えれば、増幅領域において生成される利得は光損失の合計を克服できる程十分に大きくなるので、レージングを行なうことができる。変調領域における光損失は、変調領域１１８に対して順方向電流を適用するか、逆バイアス電圧を適用するかによって、変えることができる。

【0048】

本発明に係る２領域青色レーザ構造体１００に対して２つの基本的な変調モードがある。

【0049】

一方のモードは「順方向電流変調モード」と呼ばれる。このモードでは、増幅領域１１６には十分な順方向バイアスがかけられていて、発光を刺激しているが、変調領域には無視できる程度の最小限の順方向バイアス電流しか供給されていない。変調領域１１８を順方向にバイアスするためには、ｐ電極３００およびｎ電極１２０を介して入力電流を供給すれば良い。この電流によって、電子が、不純物が添加されたｎ型層である（n-doped）電流拡散層１０４、欠陥低減層１０５、下部クラッディング層１０６、下部導波層１０７から変調活性層１３２に流れ、正孔が、（p-doped）変調コンタクト層３０１、変調上部クラッディング層３０２、変調上部導波層３０３、変調上部制限層３０４から変調活性層１３２に流れる。電流が供給されない場合には、変調領域１１８は高損失状態にあり、レージングが禁止される（オフ状態）。十分な電流によって変調活性層１３２に電子および正孔を注入すると、変調活性層１３２における損失が軽減される。変調領域１１８は低損失状態にあるので、増幅領域１１６から得られる利得は損失の全てを克服できる程十分に高く、レージングを行なうことができる（オン状態）。

【0050】

他方のモードは「逆バイアス変調モード」と呼ばれ、増幅領域には十分な順方向バイアスが適用されて発光を刺激しており、変調領域には逆バイアス電圧が適用されている。

【0051】

変調領域１１８に対する逆バイアス入力電圧の適用は、ｐ電極３００およびｎ電極１２０を介して行うことができる。下部導波層１０７、ＩｎＧａＮＭＱＷ活性領域１３２、上部電流制限層３０４によって形成された変調領域ｐ−ｎ接合に逆バイアスを適用することによって、変調領域ｐ−ｎ接合における電界を変えることができる。電圧が適用されない場合は、変調領域１１８は高損失状態にあり、レージングが禁止される（オフ状態）。外部逆バイアスを適用すると変調領域１１８は低損失状態にあるので、増幅領域１１６からの利得は、全損失を克服する程度にまで十分に高まり、レージングを行なうことができる（オン状態）。

【符号の説明】

【0052】

１００ 半導体レーザ構造体、１０２ サファイア基板、１０３ 薄膜バッファ層、１０４ 第２のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１０５ 第３のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１０６ 第４のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１０７ 第５のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１０８ 量子井戸活性領域、１０９ 第６のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１１０ 第７のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１１１ 第８のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１１２ 第９のＩＩＩ−Ｖ族窒化物層、１１３ 誘電性分離層、１１４ トレンチ、１１６ 増幅領域、１１８ 変調領域、１２０ ｎ電極、１３０，１３２ 活性層、２００，３００ ｐ電極、２０１，３０１ コンタクト層、２０２，３０２ クラッディング層、２０３，３０３ 導波層、２０４，３０４ 制限層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】