深くエッチングした半導体/空気型回折格子を用いたInGaN/GaNレーザダイオード用高反射率分布ブラッグ反射器

齊 藤正 熊谷雅美 Hailong Wang 俵 毅彦 西田敏夫 赤坂哲也 小林直樹
量子物性研究部

 InGaN/GaNレーザはBlu-ray Discなど次世代のストレージシステム用青紫色光源として注目されている[1]。しかしながら、InGaN/GaNレーザは従来のGaAs/AlGaAsレーザやGaInAsP/InPレーザに比べて動作電流が大きいという問題がある。このように発振しきい値電流が大きい理由のひとつは、GaN系材料の屈折率が2.5程度と小さいために、端面反射率が18%程度しかないことである。InGaN/GaNレーザの寿命は動作電流に大きく依存するため、発振しきい値を低減することはきわめて重要である。動作電流を低減して長寿命化するために、通常は端面に誘電体多層膜をコーティングして端面反射率を高めているが、これはレーザ作製工程を増やすことになる。誘電体多層膜を用いて端面反射率を高くする方法に代わって、深いエッチングにより分布ブラッグ反射器(Distributed Bragg Reflector; DBR)を形成した構造が有望である[1]。
 NTT物性科学基礎研究所では、深いエッチングにより形成したInGaN/GaN DBRミラーにより高反射率を達成している。深いエッチングではエッチング側壁が垂直に形成できないことが多いため、この設計では斜めの側壁を有する場合について時間領域差分(Finite Difference Time Domain; FDTD)法を用いて構造の最適化を行った(図1)。計算から得られた最適構造は、通常用いられる半導体λ/(4n)−空気λ/4の構造とは異なっている。通常の設計では側壁が4度傾いただけでも、DBR反射率は40%以下になってしまう(破線、点線)。しかし、本最適構造を用いれば、4度程度の傾きでは反射率の低下は数%に抑えることが可能である(実線)。この設計に基づいてInGaN/GaN多層量子井戸レーザを作製し、DBRのない場合よりも発振しきい値が低減できることを確認した。DBRミラーの反射率は発振しきい値とレーザ共振器長の関係から見積もり、62%という高い値を得た(図2)。

[1] H. Wang et al., Jpn. J. Appl. Phys. Part 2, 41 (2002) L682.
[2] H. Wang et al., Appl. Phys. Lett., 81 (2002) 4703.

図1 DBR反射率の回折格子側壁角度依存性
図2 発振しきい値のレーザ共振器長依存性

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