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技術 半導体レーザ素子

出願人 浜松ホトニクス株式会社
発明者 内藤寿夫本間孝宜
出願日 2014年7月2日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2014-137002
公開日 2016年1月28日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2016-015418
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ
主要キーワード 両端領域 側面構造 相対光出力 反射抑制 NFP 単峰性 車載用途 各活性層
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年1月28日)のものです。
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図面 (11)

課題

平方向のFFPを単化可能な半導体レーザ素子を提供する。

解決手段

複数の活性層を有する半導体レーザ素子において、最上部の活性層1におけるレーザ共振方向(Y)及び活性層1の厚み方向(Z)の双方に垂直な方向(X)を幅方向とした場合、それぞれの活性層は、幅方向の両端に位置する一対の側面S1〜S3を備えており、最上部の活性層1における側面S1の法線と、厚み方向との成す角度θ1は、75°以下であり、最下部の活性層3における側面S3の法線と、厚み方向との成す角度θ3は、30°以上である。

概要

背景

従来、複数の活性層を積層したスタック型半導体レーザ素子が知られている。

特許文献1は、3層の活性層を積層したスタック構造の半導体レーザ素子を開示している。この半導体レーザ素子においては、「垂直方向」のFFP(遠視野像)を上下対称の単ビームとする為に、活性層の間の半導体層を薄くしている。

一方、特許文献2は、3層の活性層を積層したスタック構造の半導体レーザ素子において、「水平方向」のFFPを単峰化する技術を開示している。複数の活性層を含む積層体周縁部をエッチングし除去し、除去した左右の領域に夫々P型クラッド層とn型クラッド層を埋め込んで、P型領域N型領域が、それぞれ櫛形断面を構成することで、水平方向のFFPの単峰化を達成しようとする試みが開示されている。

概要

水平方向のFFPを単峰化可能な半導体レーザ素子を提供する。 複数の活性層を有する半導体レーザ素子において、最上部の活性層1におけるレーザ共振方向(Y)及び活性層1の厚み方向(Z)の双方に垂直な方向(X)を幅方向とした場合、それぞれの活性層は、幅方向の両端に位置する一対の側面S1〜S3を備えており、最上部の活性層1における側面S1の法線と、厚み方向との成す角度θ1は、75°以下であり、最下部の活性層3における側面S3の法線と、厚み方向との成す角度θ3は、30°以上である。

目的

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、水平方向のFFPを単峰化可能な半導体レーザ素子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

積層された複数の活性層を有する半導体レーザ素子において、最上部の前記活性層におけるレーザ共振方向及び前記活性層の厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、それぞれの前記活性層は、前記幅方向の両端に位置する一対の側面を備えており、最上部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、75°以下であり、最下部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、30°以上である、ことを特徴とする半導体レーザ素子。

請求項2

個々の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、個々の前記活性層ごとに異なっており、最上部から数えてn番目の前記活性層の前記角度をθnとし、n+1番目の前記活性層の前記角度をθ(n+1)とした場合、全ての前記活性層は、θn>θ(n+1)を満たす、ことを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。

請求項3

それぞれの前記活性層の幅は、50μm以上700μm以下である、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ素子。

技術分野

0001

本発明は、積層された複数の活性層を有するスタック型半導体レーザ素子に関する。

背景技術

0002

従来、複数の活性層を積層したスタック型の半導体レーザ素子が知られている。

0003

特許文献1は、3層の活性層を積層したスタック構造の半導体レーザ素子を開示している。この半導体レーザ素子においては、「垂直方向」のFFP(遠視野像)を上下対称の単ビームとする為に、活性層の間の半導体層を薄くしている。

0004

一方、特許文献2は、3層の活性層を積層したスタック構造の半導体レーザ素子において、「水平方向」のFFPを単峰化する技術を開示している。複数の活性層を含む積層体周縁部をエッチングし除去し、除去した左右の領域に夫々P型クラッド層とn型クラッド層を埋め込んで、P型領域N型領域が、それぞれ櫛形断面を構成することで、水平方向のFFPの単峰化を達成しようとする試みが開示されている。

先行技術

0005

特開2008−85339号公報
特公平6−95587号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、本願発明者らが特許文献1の構造を研究した結果、この構造の半導体レーザ素子においては、発光部の周縁(エッジ)から光が漏れることが判明した。光漏れが生じた場合、NFP近視野像)を用いて対象物を検出する場合には検出誤差を生じ、また、FFPにおいてはビームの中心部の強度が低下するという問題がある。換言すれば、水平方向のビームパターンは単峰化されておらず、これを精密な計測技術等に適用する場合には、更なる改善が期待される。

0007

また、引用文献1の構造において、更に、特許文献2に記載のように、積層体の周縁部をエッチングしたが、水平方向のFFPの単峰化には至らなかった。

0008

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、水平方向のFFPを単峰化可能な半導体レーザ素子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

0009

上述の課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザ素子は、積層された複数の活性層を有する半導体レーザ素子において、最上部の前記活性層におけるレーザ共振方向及び前記活性層の厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、それぞれの前記活性層は、前記幅方向の両端に位置する一対の側面を備えている。最上部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、75°以下であり、最下部の前記活性層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、30°以上であることを特徴とする。

0010

上限の角度である75°を超える場合、発光量が著しく低下し、下限の30°未満の角度のものは製造できなかった。最上部における活性層およびガイド層は、最も側面の角度が急峻になりやすい(90°に近くなる)ため、かかる角度が75°以下であれば、発光量を高く維持することができ、したがって、複数の活性層の光出力を合成した場合において、水平方向のFFPを単峰化可能となる。

0011

個々の前記活性層およびガイド層における前記側面の法線と、前記厚み方向との成す角度は、個々の前記活性層ごとに異なっており、最上部から数えてn番目の前記活性層の前記角度をθnとし、n+1番目の前記活性層およびガイド層の前記角度をθ(n+1)とした場合、全ての前記活性層は、θn<θ(n+1)を満たすことを特徴とする。エッチングによって活性層の側面を製造する場合には、最上部における側面が最も急峻になり、最下部に向かうに従って、側面の角度が小さくなってくる。したがって、エッチングにより製造されたものは、上記角度が異なり、上述の不等式を満たすが、この場合でも、角度が上述の範囲内にあれば、発光量を維持することができるので、水平方向のFFPを単峰化可能となる。

0012

また、それぞれの前記活性層の幅は、50μm以上700μm以下であることを特徴とする。なお、活性層の側面が斜めになっている場合には、幅は平均値で与えられるものとする。活性層の幅が、上記範囲の場合には、上記作用効果に加えて、NFP(近視野像)の平坦性を維持しやすいという効果がある。

発明の効果

0013

本発明に係る半導体レーザ素子によれば、水平方向のFFPを単峰化することができる。

図面の簡単な説明

0014

実施の形態に係る半導体レーザ素子の縦断面図である。
実施の形態に係る半導体レーザ素子の平面図である。
半導体レーザ素子の等価回路図である。
比較例に係る活性層の側面構造について説明するための図である。
実施例に係る活性層の側面構造について説明するための図である。
実施例に係る活性層の側面構造について詳細に説明するための図である。
実施例1に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のFFPの角度(°)と相対光出力(%)の関係を示すグラフである。
比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のFFPの角度(°)と相対光出力(%)の関係を示すグラフである。
実施例1に係る半導体レーザ素子の縦断面SEM像を示す図である。
比較例に係る半導体レーザ素子の縦断面SEM像を示す図である。

実施例

0015

以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

0016

図1は、実施の形態に係る半導体レーザ素子の縦断面図であり、図2は、この半導体レーザ素子の平面図である。

0017

半導体レーザ素子は、半導体からなる基板4と、基板4上に形成された半導体積層体とを備えている。半導体積体は、基板4上に、下部第1クラッド層11a、下部活性層3、下部第2クラッド層11c、下部トンネル障壁層11b、中間第1クラッド層12a、中間活性層2、中間第2クラッド層12c、中間トンネル障壁層12b、上部第1クラッド層13a、上部活性層1、上部第2クラッド層13c、コンタクト層14を順次積層してなる。なお、基板4の表面の面方位は(100)であり、この表面上にMOCVD有機金属気相成長)法を用いて、各層を成長させた。各層に含まれるGa、In、Al、Asは、それぞれ、TMG(トリメチルガリウム)、TMIトリメチルインジウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、アルシン(AsH3)を原料とすることができる。化合物半導体中にPを含む場合には、フォスフィン(PH3)を原料とすることができる。

0018

半導体積層体のX軸方向の側面と上面の一部は、シリコン窒化物からなる絶縁層5で被覆されており、絶縁層5及び半導体積層体の上面の露出表面は、電極6によって被覆されている。電極6と半導体積層体の接触面は、Y軸方向に沿って延びており、レーザ共振はY軸方向に沿って生じる。基板4の下面7は、電極となっている。絶縁層5はSiO2とすることもでき、また、電極材料としてはAuを用いることができる。

0019

半導体積層体は、側面がエッチングされることで、メサ型を有している。複数の活性層(上部活性層1、中間活性層2、下部活性層3)からは、図2の矢印で示すように、それぞれY軸方向に沿ってレーザ光出射される。

0020

実施例1における半導体レーザ素子のX軸方向の寸法XB、メサ型の半導体積層体のX軸方向の寸法の最大値XL、最小値XU、Y軸方向の寸法YB(=共振器長)の実施例と好適範囲は、以下の通りである。
(実施例)
XB=650μm
XL=380μm
XU=360μm
YB=1.0mm
(好適範囲)
300μm≦XB≦1000μm
60μm≦XL≦710μm
40μm≦XU≦690μm
0.5mm≦YB≦2.0mm

0021

また、各層の厚み、厚みの好適範囲、導電型は、以下の通りである。

0022

また、各層の材料:不純物濃度(好適範囲)は、以下の通りである。なお、厚み方向に材料の組成や不純物濃度がある場合には、それぞれの平均値を示すものとする。




なお、各トンネル障壁層は、トンネル効果という作用効果を奏する。

0023

図3は、半導体レーザ素子の等価回路図である。

0024

上述の半導体レーザ素子は、3つのレーザダイオード(第1レーザダイオードLD1、第2レーザダイオードLD2,第3レーザダイオードLD3)を直列に接続したものと見做すことができる。P型の半導体からN型の半導体に向けて順方向に電流を流すと、各レーザダイオード(LD1〜LD3)は、発光して、Y軸方向に光を出射する。

0025

第3レーザダイオードLD3は、下部活性層3及びこれに隣接するクラッド層を含み、第2レーザダイオードLD2は、中間活性層2及びこれに隣接するクラッド層を含み、第1レーザダイオードLD1は、上部活性層1及びこれに隣接するクラッド層を含んでいる。

0026

図4は、比較例に係る活性層の側面構造について説明するための図であり、図1点線で囲まれた領域に相当する領域を示している。活性層の各側面(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3)は、基板表面に対して垂直であり、換言すれば、各側面(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3)の法線は、X軸方向に沿っており、各活性層(上部活性層1、中間活性層2、下部活性層3)の厚み方向(Z軸方向)に垂直である。

0027

かかる構造の場合、各側面(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3)において、図中の矢印へ示すような反射が生じ、レーザ発振阻害し、発光量が低下してしまう。この場合、各活性層から出射されたレーザ光を合成した場合に、FFPの中央部の発光量が減少したりして、単峰化ができない。反射防止のためには、側面(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3)を粗面化する方法が考えられ、この場合には、反射が抑制されるため、発光量を維持したまま、レーザ発振を行うことができる。

0028

また、反射抑制のために、側面を傾斜させる方法があるが、通常のエッチングでは、ミクロな観察をすると、各側面(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3)が、図4の如く垂直になっていることが確認された。側面の垂直化を抑制するには、後述のように、エッチング条件を調整することが必要である。

0029

図5は、実施例に係る活性層の側面構造について説明するための図である。

0030

エッチング条件を調整することで、側面(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3)を傾斜させることができる。各側面の詳細構造を説明するために、図5における点線で囲まれた部分を拡大して図6に示す。

0031

図6は、実施例に係る活性層の側面構造について詳細に説明するための図である。同図は、最上部から数えてn番目の活性層を示している(nは自然数)。図5における最上部の活性層はn=1であり、この場合には、側面の傾斜した角度θnはθ1となる。なお、θnは、XZ平面内において、側面SnとXY面のなす角度でもある。

0032

この場合、半導体レーザ素子は、積層された複数の活性層n(例:n=1〜3)を有する半導体レーザ素子において、最上部の活性層(n=1)におけるレーザ共振方向(Y軸方向)及び活性層(n=1)の厚み方向(Z軸方向)の双方に垂直な方向(X軸方向)を幅方向とした場合、それぞれの活性層(n=1〜3)は、幅方向の両端に位置する一対の側面Sn(第1側面S1、第2側面S2、第3側面S3:図5参照)を備えている。

0033

最上部の活性層n(n=1)における側面Sn(n=1)の法線Nと、厚み方向(Z軸方向)との成す角度θn(n=1)は、75°以下であることが好ましい。

0034

また、最下部の活性層n(n=3)における側面Sn(n=3)の法線Nと、厚み方向(Z軸方向)との成す角度θnは、30°以上であることが好ましい。

0035

なぜならば、θnが上限の角度である75°を超える場合、発光量が著しく低下し、下限の30°未満の角度のものは製造できなかったからである。最上部における活性層n(n=1)は、最も側面の角度が急峻になりやすい(90°に近くなる)ため、かかる角度が75°以下であれば、発光量を高く維持することができ、したがって、複数の活性層の光出力を合成した場合において、水平方向のFFPを単峰化可能となる。

0036

なお、活性層と、これに隣接する一対のクラッド層との間に、それぞれ光ガイド層を介在した構造でも同様の効果が得られる。活性層とクラッド層との間に光ガイド層を配置した場合は、活性層から光ガイド層に光が漏れるため、実質的に、光ガイド層における側面の角度が支配的になる。そのため、光ガイド層における側面の法線と厚み方向のなす角度は、活性層と同じ角度範囲を満たす必要がある。

0037

個々の活性層n(n=1〜3)における側面Snの法線Nと、厚み方向(Z軸方向)との成す角度θnは、個々の前記活性層ごとに異なっており、最上部から数えてn番目の前記活性層の前記角度をθnとし、n+1番目の前記活性層の前記角度をθ(n+1)とした場合、全ての前記活性層は、(式1):θn>θ(n+1)を満たす。すなわち、n1>n2>n3である。

0038

エッチングによって活性層nの側面Snを製造する場合には、最上部における側面が最も急峻になり、最下部に向かうに従って、側面の角度が小さくなってくる。したがって、エッチングにより製造されたものは、上記角度θnが異なり、上述の(式1)を満たすが、この場合でも、角度が上述の範囲内にあれば、発光量を維持することができるので、水平方向のFFPを単峰化可能となる。

0039

なお、活性層nの幅方向の中心位置を通り、Z軸に沿って延びた中心線Z0を通るYZ平面対して、活性層nは対称である。したがって、図6における右側面の関係は、左側面にも適用される。

0040

また、活性層nの幅Xnは、対向する一対の側面SnのZ軸方向に沿った中点P間の距離(換言すれば平均値)で規定するものとする。
(実施例1)

0041

図7は、実施例1に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のFFPの角度(°)と相対光出力(%)の関係を示すグラフであり、図9は、実施例に係る半導体レーザ素子の縦断面SEM像を示す図である。実施例1では、XL=370μmとした。また、θ3=45°、θ2=55°、θ1=60°とした。この場合、側方からの光漏れがなく、また、水平方向のFFPとして、更に均整のとれた単峰性スペクトルが得られた。また、活性層の側面は傾斜していることが観察された。

0042

各層を積層した後に、幅方向の両端領域が開口したマスクレジスト)を半導体積層体上に配置し、エッチングを行って、傾斜した側面を形成する。実施例1のエッチング条件は、以下の通りである。なお、各層の材料と厚みは、(表1)及び(表2)に記載のものを用いた。リン酸と、過酸化水素と、水とを含むエッチング液を用意し、常温で、4分間のエッチングを行った。なお、リン酸と過酸化水素のモル比は1:25である。これにより、最上部の活性層の角度θ=60°にエッチングされ、θ2=55°、θ3=45°にエッチングされる。すなわち、この場合は、θ1=αとすると、θ2=α—5°、θ3=α—15°となる。
(比較例)

0043

図8は、比較例に係る半導体レーザ素子から出力される光の水平方向のFFPの角度(°)と相対光出力(%)の関係を示すグラフであり、図10は、比較例に係る半導体レーザ素子の縦断面SEM像を示す図である。θ3=50°、θ2=60°、θ1=90°である。

0044

この場合、水平方向のFFPの中央部が凹む形状となった。最上部の活性層1が発光しておらず、全体の光出力は、実施例1の場合の光出力(75W:駆動電流25A)の概ね2/3(=50W)となった。また、活性層の側面は垂直になっていることが観察された。

0045

また、比較例のエッチング条件は、以下の通りである。なお、各層の特性は、実施例1と同一のものを用いた。リン酸と、過酸化水素と、水とを含むエッチング液を用意し、常温で、2分間のエッチングを行った。なお、リン酸と過酸化水素のモル比は1:5である。これにより、最上部の活性層の角度θ1=90°にエッチングされ、θ2=60°、θ3=50°にエッチングされる。すなわち、この場合は、θ1=βとすると、θ2=β—30°、θ3=β—40°となる

0046

なお、活性層の角度θと、単独の活性層の発光量の関係は以下の通りである。実験7における角度θ=60°の場合の単独の活性層の発光量を100%とし、残りの角度の場合の発光量を、当該発光量に対する相対値として示す。
(実験1)角度θ=90°、発光量=0%
(実験2)角度θ=85°、発光量=0%
(実験3)角度θ=80°、発光量=50%
(実験4)角度θ=75°、発光量=100%
(実験5)角度θ=70°、発光量=100%
(実験6)角度θ=65°、発光量=100%
(実験7)角度θ=60°、発光量=100%
(実験8)角度θ=55°、発光量=100%
(実験9)角度θ=50°、発光量=100%
(実験10)角度θ=45°、発光量=100%
(実験11)角度θ=40°、発光量=100%
(実験12)角度θ=35°、発光量=100%
(実験13)角度θ=30°、発光量=100%

0047

最上部の活性層の角度θは、エッチング液におけるリン酸と過酸化水素のモル比R(過酸化水素モル濃度/リン酸モル濃度)濃度と、エッチング時間Tの関数であり、以下の数式で表される。

0048

θ=A・exp(B・T/R)

0049

なお、A、B:定数、T:エッチング時間(分)、R:モル比(5〜50の範囲内)である。残りの活性層の角度は、これよりも小さくなるため、各活性層の側面の角度が、上記範囲(75°以下30°以上)を満たすようにモル比Rとエッチング時間Tを調整すればよい。

0050

また、それぞれの活性層1〜3の幅は、50μm以上700μm以下であることが好ましい。活性層の側面が斜めになっている場合には、幅は平均値で与えられるものとする。活性層の幅が、上記範囲の場合には、上記作用効果に加えて、NFPの平坦性を維持しやすいという効果がある。

0051

本発明は、車載用途、測量用途、セキュリティー用途といった対象物の距離を検出する幅広い用途において、高精度の検出を可能にするビームパターンを有する半導体レーザ利用可能である。

0052

14…コンタクト層、13c…上部第2クラッド層、1…上部活性層、13a…上部第1クラッド層、12b…中間トンネル障壁層、12c…中間第2クラッド層、2…中間活性層、12a…中間第1クラッド層、11b…下部トンネル障壁層、11c…下部第2クラッド層、3…下部活性層、11a…下部第1クラッド層、4…基板。

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