特開 2023-163791 端面発光半導体レーザー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023163791

(43)【公開日】2023-11-10

(54)【発明の名称】端面発光半導体レーザー

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20231102BHJP

【ＦＩ】

H01S5/343

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022074930

(22)【出願日】2022-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】309017932

【氏名又は名称】華信光電科技股▲分▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110003214

【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】江 鎮余

(72)【発明者】

【氏名】▲黄▼ 忠民

(72)【発明者】

【氏名】▲しぃん▼ 晋源

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AF05

5F173AF06

5F173AF33

5F173AH13

5F173AR14

5F173AR52

(57)【要約】

【課題】高出力端面発光半導体レーザーを提供する。
【解決手段】ｎ－ＧａＡｓからなる基板層と、ｎ－Ａｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（ｘは０．２～０．４）からなり基板層に形成される下部クラッド層と、ＧａＩｎＰからなり下部クラッド層に形成される下部光導波路層と、ＧａＡｓＰからなり下部光導波路層に形成される第一下部障壁層と、ＩｎＧａＡｓからなり第一下部障壁層に形成される量子井戸層と、ＧａＡｓＰからなり量子井戸層に形成される第一上部障壁層と、ＧａＩｎＰからなり、第一上部障壁層に形成され、厚さが３００ｎｍ以下で下部光導波路層の厚さの１／３～１／２である上部光導波路層と、ｐ－Ａｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（ｘは０．５５～０．９）からなり、上部光導波路層に形成され、厚さが９００ｎｍ以下で下部クラッド層の厚さの１／３～１／２である上部クラッド層と、ｐ－ＧａＡｓからなり、上部クラッド層に形成されるオーミック接触層と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ－ＧａＡｓからなる基板層と、
ｎ－Ａｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（ｘは０．２～０．４）からなり、前記基板層に形成されている下部クラッド層と、
ＧａＩｎＰからなり、前記下部クラッド層に形成されている下部光導波路層と、
ＧａＡｓＰからなり、前記下部光導波路層に形成されている第一下部障壁層と、
ＩｎＧａＡｓからなり、前記第一下部障壁層に形成されている量子井戸層と、
ＧａＡｓＰからなり、前記量子井戸層に形成されている第一上部障壁層と、
ＧａＩｎＰからなり、前記第一上部障壁層に形成され、厚さが３００ｎｍ以下で、前記下部光導波路層の厚さの１／３～１／２である上部光導波路層と、
ｐ－Ａｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（ｘは０．５５～０．９）からなり、前記上部光導波路層に形成され、厚さが９００ｎｍ以下で、前記下部クラッド層の厚さの１／３～１／２である上部クラッド層と、
ｐ－ＧａＡｓからなり、前記上部クラッド層に形成されているオーミック接触層と、
を備えていることを特徴とする端面発光半導体レーザー。

【請求項2】

前記量子井戸層と前記第一下部障壁層との間に、ＧａＡｓからなる第二下部障壁層が更に形成され、前記量子井戸層と前記第一上部障壁層との間にＧａＡｓからなる第二上部障壁層が更に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の端面発光半導体レーザー。

【請求項3】

下部遷移層はｎ－Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなり、
前記下部クラッド層は厚さが２２００ｎｍで、ｎ－（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）Ｉｎ_0.5Ｐからなり、
前記下部光導波路層は厚さが８００ｎｍで、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなり、
前記第一下部障壁層はＧａ_0.8ＡｓＰ_0.2からなり、
前記第二下部障壁層の厚さは２～５ｎｍであり、
前記量子井戸層はＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓからなり、厚さが５～１０ｎｍであり、
前記第二上部障壁層の厚さは２～５ｎｍであり、
前記第一上部障壁層はＧａ_0.8ＡｓＰ_0.2からなり、
前記上部光導波路層の厚さは３００ｎｍで、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなり、
前記上部クラッド層は厚さが８４５ｎｍで、ｐ－（Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35）Ｉｎ_0.5Ｐからなり、
上部遷移層はｐ－Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなることを特徴とする請求項２に記載の端面発光半導体レーザー。

【請求項4】

前記基板層と前記下部クラッド層との間にｎ－ＧａＩｎＰからなる下部遷移層が更に形成され、前記上部クラッド層と前記オーミック接触層との間にｐ－ＧａＩｎＰからなる上部遷移層が更に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の端面発光半導体レーザー。

【請求項5】

前記基板層の（１００）面における結晶方位角は１０°偏移していることを特徴とする請求項１に記載の端面発光半導体レーザー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非対称構造を具備する高出力端面発光半導体レーザーに関し、より詳しくは、非対称構造により活性領域の位置を上部クラッド層に近接するように偏移させる設計に関する。

【背景技術】

【0002】

９７６ｎｍの半導体レーザーはエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の励起光源とすることができ、そのレーザー光は水晶周波数増幅により４８０～４９０ｎｍの青緑光出力を獲得し、青緑光源の発展という新たなトレンドとなっている。無鉛発光層構造はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰのような７８０～９８０ｎｍの半導体レーザーに用いられる。その最大の利点は発光層構造全体の破滅的光学的ミラー損傷（Catastrophic optical mirror damage（ＣＯＭＤ））に対する耐性がアルミニウム含有エピタキシ構造よりも高いことである。例えば、J. Jimenez, C. R. Physique 4 （2003）（Jimenezの一つ目のeにはアクサンテギュが付されている）の表にＣＯＭＤ ｌｅｖｅｌに対する各材料の表現が整理されている。下記表１中、左端の列には「活性領域化合物」が、真ん中の列には「発光波長（ｎｍ）」が、右端の列には「ＣＯＭＤ ｌｅｖｅｌ（ＭＷ／ｃｍ²）」が示されている。

【0003】

【表1】

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００７／０００９００１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

レーザーの発光波長が９７６ｎｍである場合、発光層の量子井戸の隙間が小さくなり、ＩｎＧａＡｓを量子井戸（quantum well （ＱＷ））とするエピタキシ材料構造を使用可能になる。この際、ＱＷ／障壁（Barrier）/光導波路（waveguide（ＷＧ））システムの材料として、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰを使用可能であり、高効率（wall-plug efficiency）を追求する場合、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓを用いて動作電圧の上昇に伴う電力の消耗を克服する。故に、従来の９７６ｎｍの高パワー半導体レーザーではＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料システムを使用しており、ＡｌＧａＡｓは熱伝導率がＧａＩｎＰよりも高く、初期電圧が低いという利点がある。但し、Ａｌ層を含むと酸化し易く、レーザー鏡面の酸化がＣＯＭＤを引き起こし、部材の信頼性を損ねるという欠点があった。また、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰ材料システムは、低い初期電圧、ＣＯＭＤ ｌｅｖｅｌが高いという利点があるが、ＧａＩｎＰ及びＩｎＧａＡｓＰのエピタキシは、その表面形状がＧａＡｓ基板の結晶方位の偏移角度と強く関係している。ＧａＩｎＰは高角度基板で成長するのに適合し、ＩｎＧａＡｓＰは０～２度の基板で成長するのに適合する。４元材料のＩｎＧａＡｓＰの成長時にはＡｓ／Ｐの２つの第５族ガスを精確に制御する必要があるため、高品質なＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰのエピタキシ成長技術の要求は高く、高品質なエピタキシャルウェハーを成長するのは容易ではなかった。

【0006】

９７６ｎｍの半導体レーザーではＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰより優れるＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＰを使用し、Ｉｎの含有量が多い場合、高い応力の量子井戸がフィルムに欠陥を発生させ易い。ＧａＡｓＰは全活性領域の圧縮ひずみ（compressive strain）が減少し、ＱＷの欠陥密度（defect density）が低下する。且つ、ＧａＡｓＰのＰの含有量が適度に増加し、障壁の高さ（barrier height）が増加し、更に多くの電子がＱＷに制限され、材料の光ルミネセンス（photoluminescence）強度が上昇し、部材の性能が向上する（例えば、駆動電流が低下し、スロープ効率（slope efficiency（ＳＥ））が向上する）。また、ＧａＡｓＰは屈折率が低い材料であり、導波閉じ込め効果を低減し、近距離場の幅が増加し、垂直方向の遠距離場の角度が縮減する。また、複数のナノ厚さのＧａＡｓをＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ境界面に挿入し、且つ光型に影響を与えず、Ｉｎ原子が拡散してＧａＡｓＰに進入するのを防ぎ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ境界面に相互に拡散する４元化合物層（ＩｎＧａＡｓＰ）が形成されて部材の性能が低下するのを回避している。

【0007】

レーザー部材の共振空洞の長さが２～６ｍｍまで延長し、注入する電流密度が効果的に低下し、同時に熱放散（heat dissipation）面積が増加し、部材のジャンクション温度（junction temperature）が低下する。但し、共振空洞の延長に従って内部の損耗（internal loss）が増加し、ＳＥが低下した。

【0008】

そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。

【0009】

本発明は、上記問題点に鑑みて本発明者の鋭意研究により成されたものである。その目的は、非対称構造を具備する高出力端面発光半導体レーザーを提供することであり、非対称構造を利用して出力する光パワーを高める効果を有するものである。

【0010】

本発明の他の目的は、無鉛活性領域を利用してＣＯＭＤ ｌｅｖｅｌを高め、部材の信頼性を高めることである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記目的を達成するため、主たる発明の端面発光半導体レーザーは、以下を備える。
ｎ－ＧａＡｓからなる基板層。
ｎ－Ａｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（ｘは０．２～０．４）からなり、前記基板層に形成されている下部クラッド層。
ＧａＩｎＰからなり、前記下部クラッド層に形成されている下部光導波路層。
ＧａＡｓＰからなり、前記下部光導波路層に形成されている第一下部障壁層。
ＩｎＧａＡｓからなり、前記第一下部障壁層に形成されている量子井戸層。
ＧａＡｓＰからなり、前記量子井戸層に形成されている第一上部障壁層。
ＧａＩｎＰからなり、前記第一上部障壁層に形成され、厚さが３００ｎｍ以下で、前記下部光導波路層の厚さの１／３～１／２である上部光導波路層。
ｐ－Ａｌ_xＧａ_1-xＩｎＰ（ｘは０．５５～０．９）からなり、前記上部光導波路層に形成され、厚さが９００ｎｍ以下で、前記下部クラッド層の厚さの１／３～１／２である上部クラッド層。
ｐ－ＧａＡｓからなり、前記上部クラッド層に形成されているオーミック接触層。

【0012】

前記量子井戸層と前記下部光導波路層との間にＧａＡｓＰからなる第一下部障壁層が更に形成され、前記量子井戸層と前記上部光導波路層との間にＧａＡｓＰからなる第一上部障壁層が更に形成されている。前記量子井戸層と前記第一下部障壁層との間にＧａＡｓからなる第二下部障壁層が更に形成され、前記量子井戸層と前記第一上部障壁層との間にＧａＡｓからなる第二上部障壁層が更に形成されている。

【0013】

下部遷移層はｎ－Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなる。
前記下部クラッド層の厚さは２２００ｎｍであり、ｎ－（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）Ｉｎ_0.5Ｐからなる。
前記下部光導波路層の厚さは８００ｎｍであり、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなる。
前記第一下部障壁層はＧａ_0.8ＡｓＰ_0.2からなる。
前記第二下部障壁層の厚さは２～５ｎｍである。
前記量子井戸層はＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓからなり、厚さは５～１０ｎｍである。
前記第二上部障壁層の厚さは２～５ｎｍである。
前記第一上部障壁層はＧａ_0.8ＡｓＰ_0.2からなる。
前記上部光導波路層の厚さは３００ｎｍであり、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなる。
前記上部クラッド層の厚さは８４５ｎｍであり、ｐ－（Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35）Ｉｎ_0.5Ｐからなる。
上部遷移層はｐ－Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなる。

【0014】

さらに、前記基板層と前記下部クラッド層との間にｎ－ＧａＩｎＰからなる下部遷移層が更に形成され、前記上部クラッド層と前記オーミック接触層との間にｐ－ＧａＩｎＰからなる上部遷移層が更に形成されている。また、前記基板層の（１００）面における結晶方位角は１０°偏移している。

【0015】

これにより、上部光導波路層の厚さを下部光導波路層の厚さ未満とし、上部クラッド層の厚さを下部クラッド層の厚さ未満とし、活性領域の位置を上部クラッド層に近接するように偏移させ、構造上で出力する光パワーを高めている。

【発明の効果】

【0016】

本発明は、以上で説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【0017】

本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る非対称構造を具備する高出力端面発光半導体レーザーを示す概略構成図である。

【図2】本発明の一実施形態の、複数の非対称構造とＰ型ドーピング以外の領域の光強度率との関係説明図である。横軸は「ｎ－ＷＧ（光導波路）厚さ（ｎｍ）」を示し、縦軸は「Ｐ型ドープ領域外の光場比」を示す。

【0019】

本明細書及び図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

【0021】

図１を参照すると、本発明は下から上にかけて順にｎ－ＧａＡｓ基板層１０、ｎ－Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ下部遷移層１２、厚さ２２００ｎｍのｎ－（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）Ｉｎ_0.5Ｐ下部クラッド層１４、厚さ８００ｎｍのＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ下部光導波路層１６、Ｇａ_0.8ＡｓＰ_0.2第一下部障壁層１８、厚さ２～５ｎｍのＧａＡｓ第二下部障壁層２０、厚さ５～１０ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子井戸層２２、厚さ２～５ｎｍのＧａＡｓ第二上部障壁層２４、Ｇａ_0.8ＡｓＰ_0.2第一上部障壁層２６、厚さ３００ｎｍのＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ上部光導波路層２８、厚さ８４５ｎｍのｐ－（Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35）Ｉｎ_0.5Ｐ上部クラッド層３０、ｐ－Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ上部遷移層３２、及びｐ－ＧａＡｓオーミック接触層３４となっている。

【0022】

このような構造に基づいて、本発明は非対称構造の無鉛活性領域が９７６ｎｍの高パワー半導体レーザーとなり、材料のエピタキシ部分は（１００）面における結晶方位角が１０°偏移するようにＧａＡｓ基板層１０に成長し、活性領域の応力補償構造には２～５ｎｍの障壁層２０、２４が挿入され、量子井戸層２２のＰＬの波長は９６５ｎｍに設計されている。大電流下では、前記光ルミネセンス（Photoluminescence、ＰＬ）の波長が対応するエレクトロルミネセンス（Electroluminescence、ＥＬ）の波長は９７６ｎｍとなる。このため、上部光導波路層２８と下部光導波路層１６の厚さ及び上部クラッド層３０下部クラッド層１４の成分と厚さを調整し、９０％以上のライトフィールドをＰ型ドープ（p-doping）以外の領域に位置させ、内部の損耗（internal loss）を最少化し、且つＰ型ドープ側の厚さを短縮することで、部材が高パワー動作する際の熱抵抗（thermal resistance）を減少させている。図２は上部光導波路層２８の厚さを１５０ｎｍまたは３００ｎｍとし、異なるアルミニウム成分の上部クラッド層３０は厚さ８００ｎｍの下部光導波路層１６に対応し、そのライトフィールドはp-doping以外の領域の比率を≧９３％としている。

【0023】

そこで、本発明は非対称光子キャリア分離閉じ込めヘテロ構造（Asymmetric decoupled confinement heterostructure（ＡＤＣＨ））により内部の損耗を減らし、ＳＥを増加させている。上部光導波路層２８の厚さを下部光導波路層１６の厚さ未満とし、上部クラッド層３０の厚さを下部クラッド層１４の厚さ未満とし、活性領域の位置を上部クラッド層３０に近接するように偏移させ、下部クラッド層１４の屈折率を上部クラッド層３０よりも高くすることで、上部クラッド層３０に位置している自由キャリアに吸収されるライトフィールドを大幅に減少させている。
また、光制限要因はΓ_p-WG＜Γ_n-WGであり、且つΓ_QWが小さくなり、等価光点が大きくなり、下記数式に基づいて構造上で出力する光パワーを高め、非対称構造により出力する光パワーを高める効果を有している。
数式Ｐ_max＝（ｄ_qw／Γ_qw）×Ｗ×［１－Ｒ／（１＋Ｒ）］×Ｐ_COMD
（Ｐ_max：最大出力パワー、ｄ_qw：量子井戸の幅、Γ_qw：制限要因、Ｒ：前鏡面反射率、Ｐ_COMD：許容可能ＣＯＭＤの最大出力パワー）
また、活性領域はＡｌ－ｆｒｅｅ材料であり、ＣＯＭＤ ｌｅｖｅｌを高め、部材の信頼性を高める効果を有している。

【0024】

本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0025】

１０ 基板層
１２ 下部遷移層
１４ 下部クラッド層
１６ 下部光導波路層
１８ 第一下部障壁層
２０ 第二下部障壁層
２２ 量子井戸層
２４ 第二上部障壁層
２６ 第一上部障壁層
２８ 上部光導波路層
３０ 上部クラッド層
３２ 上部遷移層
３４ オーミック接触層

【図1】

【図2】