专利汇可以提供Semiconductor laser diode having ridge structure专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser diode having a ridge structure.
SOLUTION: The semiconductor laser diode comprises a first semiconductor layer sequentially formed on a substrate 20, an active layer 24, a second semiconductor layer, and an electrode 27. The second semiconductor layer has a ridge structure. The electrode 27 is formed such that it has a width W
2 narrower than a ridge width W
1 on the ridge structure of the second semiconductor layer.
COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT,下面是Semiconductor laser diode having ridge structure专利的具体信息内容。
本発明は、半導体レーザダイオードに係り、さらに詳細には、活性層上にリッジ構造の半導体層を有する半導体レーザダイオードに関する。
一般的に、半導体レーザダイオードは、印加電力に比べて高い放出光抽出効率が要求され、このために、その構造を最適化させるための研究が行われている。
一般的な半導体レーザダイオードでは、p型電極がp型クラッド層の全面に接触しているので、活性層で発振するレーザ光の単一横モード動作が困難であり、活性層上にリッジ構造のクラッド層を導入してレーザ光の単一横モード動作を図っている。
図1は、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのp型電極15〜n型電極17に至るキャリアの移動経路を示したものである。
図1に示すように、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードは、基板10上にn型半導体層11が形成されており、その上部にn型クラッド層12、多重量子ウェル(Multi−Quantum Well:MQW)構造の活性層13、リッジ構造のp型クラッド層14及びp型電極15が順次に形成されている。 そして、n型半導体層11上のn型クラッド層12が形成されていない領域にn型電極17が形成されている。
図1に示すように、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードは、活性層13上にリッジ構造のp型クラッド層14を形成し、その上にp型電極15を形成して、活性層13に注入される電流の経路を制限している。
一方、リッジ構造の半導体レーザダイオードでは、光出力を向上させるためにはリッジ幅を広めることが有利である。
ところが、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでは、p型電極15がリッジと同じサイズに形成されるので、リッジ幅を広めても最大の光出力がある程度以上には上昇せず、電圧降下も飽和される。 これは、電流集中(current crowding)効果の発生によるものである。
図2は、図1の従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのキャリア密度の分布を示したグラフである。 図1及び図2のように、キャリアは、p型電極15部分からn型電極17に至る経路に進むにつれ密度が高く、このようなキャリアの密度分布の不均一は、図3のグラフからも分かる。
このように、従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでは、p型電極15がリッジと同じサイズに形成されるので、リッジ部分において、n型電極17に近い側のキャリアの密度がさらに高い電流集中効果が発生する。 このような電流集中効果は、リッジ幅が広くなるほど著しくなる。
図3は、図1の従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでのリッジ幅による電圧の変化を示したものである。 図3は、100mAの電流を印加したとき、リッジ幅による電圧の変化を示したものである。 図3から分かるように、リッジ幅が所定値、例えば、4μm以上に広くなれば、リッジ幅が広くなっても、電圧は実質的にそれ以上降下しない電圧飽和が発生する。
前記のように、p型電極15がリッジと同じサイズに形成される従来のリッジ構造の半導体レーザダイオードでは、電流群集効果によりリッジ幅を広めても、最大の光出力がある程度以上には上昇せず、電圧降下も飽和される。 このような電流集中効果によるキャリアの不均一な分布は、光出力だけでなく、局部的なヒーティングによる劣化を誘発するなどの信頼性の問題点もある。
本発明は、前記問題点を解決するために成されたものであって、キャリアの密度分布がさらに均一化されて電流集中効果を抑制する改善されたリッジ構造の半導体レーザダイオードを提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明に係る半導体レーザダイオードは、基板上に順次に形成された第1半導体層、活性層、第2半導体層及び電極を備える半導体レーザダイオードにおいて、前記第2半導体層は、リッジ構造を有し、前記電極は、前記第2半導体層のリッジ構造上にリッジの幅より狭い幅を有するように形成されたことを特徴とする。
前記電極の幅の中心と前記リッジの幅の中心とは相互一致しないように形成されることができる。
前記電極は、半導体レーザダイオード内でのキャリアの移動経路から遠い前記リッジの一側に偏って形成されることができる。
前記リッジは、3μm以上の幅を有することができる。
前記電極の幅は、前記リッジ幅の50〜80%の範囲であることができる。
前記リッジの幅方向に、前記リッジの一側端部とそれに近接した前記電極の端部との間隔が、前記リッジ幅の0〜10%の範囲であることができる。
前記第1半導体層は、n型半導体層であり、前記第2半導体層は、p型半導体層でであり、前記電極は、p型電極であることができる。
前記第1半導体層は、n型クラッド層を備え、前記第2半導体層は、p型クラッド層を備え、前記p型クラッド層は、リッジ構造に形成されることができる。
前記第1半導体層は、n型光ガイド層をさらに備え、前記第2半導体層は、p型光ガイド層をさらに備えることができる。
前記第1半導体層、活性層及び第2半導体層は、GaN系物質から形成されることができる。
本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、リッジ上に形成される電極をリッジ幅より狭く形成することにより、キャリアの密度分布がさらに均一化されて、電流集中効果を抑制することができる。 したがって、高出力のためにリッジの幅を広くすることができるので、最大の光出力を上昇させることができる。 また、電流集中効果を抑制することができるので、局部的なヒーティングなどを防止することができ、信頼性を向上させることができる。
以下、添付された図面を参照して、本発明に係るリッジ構造の半導体レーザダイオードの望ましい実施形態を詳細に説明する。
図4は、本発明の一実施形態に係るリッジ構造の半導体レーザダイオードを示す図面である。
図4に示すように、基板20上に所定タイプの半導体層、例えば、n型半導体層21が形成されており、n型半導体層21上の一部領域には、第1半導体層、活性層24、及びリッジ構造を有する第2半導体層、前記第2半導体層のリッジ構造上にリッジの幅より狭い幅を有するように形成された第1電極、例えば、p型電極27が順次に形成されている。
前記第1半導体層は、n型半導体層、前記第2半導体層は、p型半導体層でありうる。
前記第1半導体層は、n型クラッド層22を備える。 また、前記第1半導体層は、n型光ガイド層23をさらに備えることができる。 n型光ガイド層23は、n型クラッド層22と活性層24との間に位置する。
前記第2半導体層は、p型クラッド層26を備え、このp型クラッド層26は、リッジ構造に形成される。 また、前記第2半導体層は、p型光ガイド層25をさらに備えることができる。 p型光ガイド層25は、活性層24とp型クラッド層26との間に位置する。
n型半導体層21上の一領域には、n型電極29が形成されている。
前記の各層を構成する物質を例として挙げれば次の通りである。 本発明に係る半導体レーザダイオードは、基本的にGaN系物質から形成された半導体レーザダイオードである。 すなわち、第1半導体層、活性層24、及び第2半導体層は、GaN系物質から形成されることができる。
n型半導体層21は、Al X GaN(X≧0)から形成され、n型クラッド層22は、Al X GaN(X≧0)から形成されることができる。 そして、n型光ガイド層23は、In X GaN(X≧0)から形成され、活性層24は、In X GaN(X≧0)を含む多重量子ウェル(MQW)構造に形成されることができる。 p型光ガイド層25は、In X GaN(X≧0)から形成され、p型クラッド層26は、GaN、InGaN、Al X GaN(X≧0)またはInAl X GaN(X≧0)から形成されることができる。
前記のように、n型光ガイド層23及びp型光ガイド層25を備える場合、本発明に係る半導体レーザダイオードは、リッジ導波型半導体レーザダイオードになる。
本発明に係る半導体レーザダイオードでは、p型電極27が第2半導体層のリッジ(すなわち、p型クラッド層26のリッジ)構造上にリッジの幅W 1よりも狭い幅W 2を有するように形成される。
このとき、p型電極27は、その幅の中心が前記リッジ幅の中心と相互に一致しないように、リッジの一側に偏って形成されることが望ましい。 特に、前記p型電極27は、図4に示すように、半導体レーザダイオード内でのキャリアの移動経路から遠い側のリッジの一側に偏って形成されることがさらに望ましい。
ここで、キャリアの移動経路は、図5に示すように、p型電極27からn型電極29まで形成され、n型電極29は、前記第1半導体層などが形成されていないn型半導体層21の一領域に形成されるので、キャリアの移動経路は、n型電極29側に曲がる。 したがって、キャリアの移動経路から遠い側は、n型電極29から遠い側に該当する。
図5は、本発明に係る半導体レーザダイオードでのp型電極27からn型電極29に至るキャリアの移動経路を示す。 図6は、本発明に係る半導体レーザダイオードでのキャリアの密度分布を示すグラフである。
前記のように、p型電極27をリッジ幅W 1よりも狭く形成すれば、電流集中効果が抑制されて、キャリアの移動は、図2及び図3と図5及び図6との比較から分かるように、従来に比べてさらに均一に行われる。 また、p型電極27をキャリアの移動経路から遠ざかる側のリッジの一側に偏るように形成すれば、キャリアの移動をさらに均一に行えるので、電流の集中を抑制する効果をさらに高めることができる。
ここで、図6を、従来の半導体レーザダイオードでのキャリアの密度分布を示す図3と比較すれば、キャリアの分布が均一に分散されて、従来に比べてさらに均一なキャリアの密度分布が得られるということが分かる。
前記のように、リッジ幅よりも狭い幅を有し、一側に偏るように非対称的に形成されたp型電極27を有する本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、電流拡散層などを挿入せずに簡単にリッジ上に形成されるp型電極27の幾何学的な構造のみを変化させて、キャリア分布の均一性を向上させ、このような均一なキャリアの分布により電流集中効果が抑制される。 また、電流集中効果が抑制されるので、高出力のためにリッジ幅を広めて光出力を増加させうるので、最大光出力を増加させた半導体レーザダイオードを実現することができる。
このような本発明に係る半導体レーザダイオードは、高出力のために広いリッジの不回避な時点でさらに有利に作用する。
本発明に係る半導体レーザダイオードは、高出力を実現するように約3μm以上、さらに望ましくは、10μm以上に広いリッジ幅W 1を有することが望ましい。
このとき、p型電極27の幅W 2は、リッジ幅W 1の半分以上、さらに望ましくは、概略前記リッジ幅W 1の50〜80%の範囲(すなわち、0.5W 1 ≦W 2 ≦0.8W 1 )であることが望ましい。
図7は、10μmであるリッジ幅W 1に対して、p型電極27の幅がそれぞれ5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μmであるとき、キャリアの密度分布を示すグラフである。 図8は、p型電極27の各幅に対して図7のA地点とB地点との間のキャリアの密度差Δnを示すグラフである。
図7及び図8に示すように、リッジ幅が10μmであるとき、p型電極27を7μmに形成した場合が最も均一なキャリアの密度分布が得られるということが分かる。 また、図8から分かるように、リッジ幅W 1が10μmであるとき、p型電極27の幅をリッジ幅の半分(5μm)以上にし、リッジ幅(10μm)より狭くするとき、キャリアの密度分布がリッジ幅とp型電極27の幅とが同じであるときより均一化されるということが分かる。
ここで、図7及び図8は、リッジ幅が10μmであるときのp型電極27の幅の変化によるキャリアの密度分布の変化を示すグラフである。 本発明に係る半導体レーザダイオードにおいて、リッジ幅が10μmに限定されるものではなく、p型電極27の幅W 2を約リッジ幅W 1の50〜80%の範囲(すなわち、0.5W 1 ≦W 2 ≦0.8W 1 )とするとき、キャリアの密度分布が、リッジ幅とp型電極27の幅とが同じであるときより均一化されるという根拠を示している。
一方、本発明に係る半導体レーザダイオードのように、p型電極27の幅をリッジ幅W 1より狭くする場合、電圧及び抵抗が上昇する。
図9は、10μmであるリッジ幅W 1に対して、p型電極27の幅がそれぞれ5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μmであるとき、印加電流と電圧との関係を示すグラフである。 図10は、10μmであるリッジ幅W 1に対して、p型電極27の幅がそれぞれ5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μmであるとき、100mAの電流印加時、p型電極27の各幅に対する電圧値を示すグラフである。
図9及び図10に示すように、100mAの電流が印加される場合、電圧上昇のレベルは、p型電極27の幅W 2がリッジ幅W 1と同様に10μmであるときに電圧5.39Vから、p型電極27の幅が7μmであるときに電圧5.54Vに、2.8%程度に過ぎない。 すなわち、p型電極27の幅をリッジ幅より狭くすることによる電圧上昇の程度はあまり大きくない。
本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、例えば、リッジ幅W 1を10μmに固定し、その上のp型電極27部分のみを縮小させるので、p型電極27の幅が変化してもその作動電流のレベルは全て類似している。 すなわち、同じ光出力を出すための入力電流はほとんど変らない。 したがって、入力パワーは、電圧が上昇する分だけ上昇するが、この電圧の上昇分があまり大きくないので、p型電極27の幅W 2をリッジ幅W 1より狭くしても、入力パワーの上昇はあまり大きくない。
したがって、本発明に係る半導体レーザダイオードによれば、入力パワーをあまり上昇せずとも、電流集中効果を抑制して、キャリアの密度分布を均一にすることが可能である。 また、このような効果により、リッジ幅を従来に比べて広くすることができるので、高出力用の半導体レーザダイオードを実現できる。
一方、図4に示す本発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードで、リッジの一側端部とp型電極27の端部とが一致する状態で、p型電極27は、リッジ幅より狭い。
p型電極27の端部がリッジの一側端部と必ずしも一致する必要はなく、図11のように、p型電極27の端部がリッジの一側端部と離隔されて形成されてもよい。 このとき、本発明に係る半導体レーザダイオードで、リッジの一側端部と、それに近接したp型電極27の端部との間隔Cは、リッジの幅方向にリッジ幅W 1の0〜10%の範囲であることが望ましい。
以上では、本発明に係る半導体レーザダイオードを具体的な例を挙げて説明したが、これは、本発明の望ましい実施形態の例示したものであって、本発明はこれに限定されない。 本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決定される。
本発明は、半導体レーザダイオードに関連した技術分野に好適に適用される。
1に対して、図4の半導体レーザダイオードでのp型電極の幅がそれぞれ5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μmであるとき、キャリアの密度分布を示すグラフである。
1に対して、図4の半導体レーザダイオードのp型電極の幅がそれぞれ5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μmであるとき、印加電流と電圧との関係を示すグラフである。
1に対して、図4の半導体レーザダイオードのp型電極の幅がそれぞれ5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μmであるとき、100mAの電流印加時、p型電極の各幅に対する電圧値を示すグラフである。
20 基板、
21 n型半導体層、
22 n型クラッド層、
23 n型光ガイド層、
24 活性層、
25 p型光ガイド層、
26 p型クラッド層、
27 p型電極、
29 n型電極、
W1 リッジ幅、
W2 p型電極の幅。
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