JP2003023213A

JP2003023213A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2003023213A
Application number: JP2001204643A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Shimada; 直弘島田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】横モードの変化によるＩ−Ｌカーブのキンク
がなく、リッジの幅を狭くしてもシリーズ抵抗の増大が
生じることのない高出力の半導体レーザを提供する。【解決手段】本発明の半導体レーザでは、第１導電型
基板上に形成された第１導電型のクラッド層上にＭＱＷ
活性層が形成され、その上に第２導電型の第１クラッド
層が形成されている。そして、この第１クラッド層上に
リッジストライプ状の第２導電型の第２クラッド層が形
成され、そのリッジ側面を埋め込むように第１導電型の
電流ブロック層が形成されている。この電流ブロック層
は、発振光に対して透明でリッジ部より大きなバンドギ
ャップを有し、かつ低い屈折率を有している。さらにそ
れらの上面を覆う第２導電型の第３クラッド層を備えて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザに係
わり、特に光ディスクの記録再生用ピックアップヘッド
などに使用される屈折率導波型の半導体レーザに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクの記録再生用ピックアップヘ
ッドに用いられる高出力レーザは、スポットサイズを小
さくするために、基本横モードで小さな垂直広がり角と
大きな水平広がり角からなる低アスペクトレシオのファ
ーフィールドパターンを持ち、かつ端面近傍の活性層を
透明にして端面破壊を防ぐ窓構造を備えている。

【０００３】近年、ＣＤ−Ｒ／ＲＷで書込み速度１６倍
速以上のものが検討されているが、これに使用される記
録再生用のレーザでは、書込み時には１６０ｍＷ以上の
光出力が要求される。

【０００４】このような高出力でも基本横モード発振
し、電流−光出力（Ｉ−Ｌ）カーブにキンクが生じるこ
となく、十分小さなスポットサイズを得るために、垂直
方向の広がり角が１６゜、水平方向の広がり角が９゜前
後が要求される。

【０００５】屈折率導波型レーザでは、横モードガイド
のために、クラッド層にリッジ構造を形成し、その両側
を発振光に対して透明で屈折率の低い材料から成る電流
ブロック層で挟み、実効屈折率に差を設けている。この
ような実屈折率導波構造は、それ以前のロスガイド構造
に比べて導波路損失が少ないため、動作電流を小さくす
ることができる。

【０００６】このようなリッジ型の実屈折率導波構造に
おいて、前記した要求を満足させるには、Ｇａ_０．５Ａ
ｌ_０．５Ａｓから成るクラッド層では、２．５μm程度
の厚さが必要になる。また、水平横モード制御のため
に、実効屈折率差を３〜５×１０^−４とすると、リッジ
の幅は２〜３μmが必要になる。

【０００７】図３は、従来のリッジ型実屈折率導波構造
の半導体レーザの一例を示す断面図である。図に示すよ
うに、基板２１上にｎ型Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ（ｘ＝
０．５）のクラッド層２２（厚さ２．５μｍ）が形成さ
れ、その上にアンドープの活性層２３が形成されてい
る。活性層２３は、Ｇａ_１−ｙＡｌ_ｙＡｓ（ｙ＝０．
１）からなる複数の井戸層（ウェル）とその間に形成さ
れたＧａ_１−ｚＡｌ_ｚＡｓ（ｚ＝０．３）からなるバリ
ア層、およびウェルの上下両側に形成されたＧａ_１− _ｚ
Ａｌ_ｚＡｓ（ｚ＝０．３）からなるガイド層を有する。

【０００８】このようなＭＱＷ（多重量子井戸）活性層
２３の上に、ｐ型Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ（ｘ＝０．５）
第１クラッド層２４（厚さ０．３μｍ）とｐ型Ｇａ
_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ（ｘ＝０．５）第２クラッド層２５
（厚さ２．２μm）が順に形成されている。第２クラッ
ド層２５はリッジストライプ状に形成されている。

【０００９】この第２クラッド層２５のリッジ部ＲＧの
両側には、ｎ型Ｇａ_１−ｖＡｌ_ｖＡｓ（ｖ＝０．８）の
電流ブロック層２６が形成され、リッジ部ＲＧと電流ブ
ロック層２６の上には、ｐ型ＧａＡｓのコンタクト層２
７（厚さ３μm）が形成されている。さらに、ｐ型Ｇａ
Ａｓコンタクト層２７上にｐ側電極２８が形成され、基
板２１の裏面にｎ側電極２９が形成されている。

【００１０】なお、基板２１としては、結晶モホロジー
とドーピング効率が良好であるため、＜１１０＞方向に
１０゜オフした（００１）のｎ型ＧａＡｓ基板が使用さ
れている。その結果、導波路端面を垂直に形成するため
に、＜１−１０＞の順メサ方向に導波路が作られてい
る。また、リッジ部ＲＧの両側にｎ型Ｇａ_１−ｖＡｌ_ｖ
Ａｓ（ｖ＝０．８）の電流ブロック層２６を設けること
により、ｐ側電極２８から供給された電流をリッジ部Ｒ
Ｇに導いて電流狭窄を行うことができ、しきい値電流を
減らすことが可能となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の半導体レーザにおいては、以下に示すような
問題があった。

【００１２】すなわち、リッジ部ＲＧをウェットエッチ
ングにより順メサ方向に形成する場合には、下辺（スト
ライプ）の幅を３μm前後に設定すると、リッジ部ＲＧ
の断面が三角形状に形成されてしまうので、電流通路を
残した台形断面を有するリッジ部を形成することができ
ない。断面が台形状のリッジ部ＲＧを形成するには、上
辺の幅を１μm程度としても下辺の幅は４．７μmを超え
てしまう。

【００１３】そして、そのようなディメンジョンでは、
５０ｍＷ程度で横モードの変化によりＩ−Ｌカーブにキ
ンクが生じるという問題があった。また、電流を注入す
るリッジ上部での電流経路の幅が狭いため、抵抗値が増
大し、動作電圧が上昇するので、高周波重畳特性が悪化
するという問題があった。

【００１４】さらに、横モードが変化すると、ピックア
ップヘッドに組込んだ状態ではビームスポットの位置が
変化することになるため、トラッキング、フォーカシン
グ信号に誤差が生じるという問題があった。またさら
に、動作電流や動作電圧が高くなるため、素子の信頼性
にも悪影響があった。

【００１５】これらの問題を回避するため、ドライエッ
チングを用いることによりリッジ部ＲＧの側面を垂直に
形成し、リッジ部の下辺の幅（ストライプ幅）を狭くし
ようとする試みがあるが、深くエッチングする必要があ
るので形状の制御が難しかった。また、リッジ部がエッ
チングにより形成された後、両側に形成される電流ブロ
ック層２６の結晶性が悪くなるため、電流がリークする
などの問題があった。したがって、実用的な１６０ｍＷ
クラスの高出力レーザを作製することが困難であった。

【００１６】本発明はこれらの問題を解決するためにな
されたもので、横モードの変化によるＩ−Ｌカーブのキ
ンクがなく、リッジの幅を狭くしてもシリーズ抵抗の増
大が生じることのない高出力の半導体レーザを提供する
ことを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、請求項１に記載するように、第１導電型の基板と、
前記第１導電型基板上に形成された第１導電型クラッド
層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された少なく
とも１層の量子井戸層を有する活性層と、前記活性層上
に形成された第２導電型の第１クラッド層と、前記第１
クラッド層上に形成されたリッジストライプ形状を有す
る第２導電型の第２クラッド層と、前記第２クラッド層
のリッジ側面を埋め込むように形成された、発振光に対
して透明で該第２クラッド層のリッジ部より大きなバン
ドギャップを有し、かつ前記リッジ部より屈折率の低い
第１導電型の電流ブロック層と、前記第２クラッド層の
リッジ部および前記電流ブロック層の上面を覆う第２導
電型の第３クラッド層とを備えることを特徴とする。

【００１８】本発明の半導体レーザにおいて、請求項２
に記載するように、活性層は、量子井戸層の上下の少な
くとも一方に、該井戸層よりバンドギャップが大きくク
ラッド層よりバンドギャップが小さい光ガイド層を有す
ることができる。また、請求項３に記載するように、活
性層は、少なくとも２層の量子井戸層を有するととも
に、それらの井戸層の間に該井戸層よりバンドギャップ
が大きくクラッド層よりバンドギャップが小さいバリア
層を有し、かつ前記井戸層の上下の少なくとも一方に、
該井戸層よりバンドギャップが大きく前記クラッド層よ
りバンドギャップが小さい光ガイド層を有することがで
きる。

【００１９】また、請求項４に記載するように、第２ク
ラッド層は、第１クラッド層との間に２０nm以下の厚さ
のエッチングストップ層を有することができる。

【００２０】また、請求項５に記載するように、第３ク
ラッド層がＩｎＧａＡｌＰから成り、該第３クラッド層
の上にＧａＡｓから成るコンタクト層を有し、かつこの
ＧａＡｓコンタクト層と前記第３クラッド層との間に、
ＩｎＧａＰからなる中間バンドギャップ層を有すること
ができる。

【００２１】さらに、請求項６に記載するように、第３
クラッド層の上面に、オーミックコンタクトが可能な結
晶層を介して電極金属層を有し、かつ基板の下面に電極
金属層を有することができる。

【００２２】またさらに、請求項７に記載するように、
レーザストライプ部の両端に、前記第２クラッド層のリ
ッジ部に対して垂直に形成されたレーザ共振器面を有
し、かつ該レーザ共振器面の近傍の活性層領域が、ドー
パントの拡散により無秩序化され、発振波長よりバンド
ギャップが大きくなるように構成することができる。

【００２３】本発明の半導体レーザにおいては、光導波
および電流狭窄のために高さの低い（薄い）リッジ部が
形成され、かつこのリッジ部が、発振光に対して透明で
屈折率の低い材料から成る電流ブロック層により両側か
ら挟まれ、さらにこれら全体がクラッド層により埋め込
まれた実屈折率導波構造が採られているので、リッジ部
の幅を狭くすることができる。すなわち、リッジ部の幅
を狭くしても高さが低いので、シリーズ抵抗を十分に低
く保持することができる。したがって、高周波重畳特性
が良好で、戻り光ノイズの影響を受けない半導体レーザ
を得ることができる。

【００２４】さらに、端面近傍の活性層を透明にした窓
構造を備えているので、端面破壊を防ぐことができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。

【００２６】図１は、本発明に係る半導体レーザの第１
の実施形態を示す断面図である。図において、符号１は
＜１１０＞方向に１０°オフした（００１）のｎ型Ｇａ
Ａｓ基板を示し、その上にｎ型Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ
（ｘ＝０．５）クラッド層２（厚さ２．５μm）と、ア
ンドープの活性層３が順に形成されている。活性層３
は、Ｇａ_１−ｙＡｌ_ｙＡｓ（ｙ＝０．１）からなる複数
の井戸層（ウェル）と、その間に形成されたＧａ_１−ｚ
Ａｌ_ｚＡｓ（ｚ＝０．３）からなるバリア層、およびウ
ェルの上下両側に形成されたＧａ_１−ｚＡｌ_ｚＡｓ（ｚ
＝０．３）からなるガイド層を有している。

【００２７】このようなＭＱＷ（多重量子井戸）活性層
３の上に、ｐ型Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡｓ（ｘ＝０．５）の
第１クラッド層４（厚さ０．３μm）とリッジストライ
プ状のｐ型Ｇａ_１−ｕＡｌ_ｕＡｓ（ｕ＝０．５）の第２
クラッド層５（厚さ０．３μm）が順に形成されてい
る。そして、この第２クラッド層５のリッジストライプ
部ＲＧは、ｎ型Ｇａ_１−ｖＡｌ_ｖＡｓ（ｖ＝０．８）か
ら成る電流ブロック層６（厚さ０．２μm）により両側
から埋め込まれている。なお、この電流ブロック層６
は、第２クラッド層５（リッジストライプ部ＲＧ）より
大きなバンドギャップを有し、かつこのリッジストライ
プ部ＲＧに対して正の実屈折率差がつくような低い屈折
率を有している。このようなリッジストライプ部ＲＧお
よび電流ブロック層６の上に、ｐ型Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘＡ
ｓ（ｘ＝０．５）の第３クラッド層７（厚さ２．２μ
m）が形成されている。

【００２８】さらに、この第３クラッド層７の上にｐ型
ＧａＡｓコンタクト層８（厚さ３μm）が形成され、そ
の上にｐ側電極９が形成されている。また、ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１の裏面にｎ側電極１０が形成されている。

【００２９】そして、このような構造において、第２ク
ラッド層５のストライプの方向は＜１−１０＞で順メサ
方向であり、リッジストライプ部ＲＧの幅は下辺が２μ
m、上辺が１．５μmとなっている。共振器長は８００μ
mで、両端面近傍の長さ２０μmの範囲は、第２クラッド
層５、第１クラッド層４、活性層３およびｎ型クラッド
層２の一部にＺｎが拡散され、ウェルとバリアが無秩序
化されることで、発振波長に対して透明な窓構造が形成
されている。

【００３０】このように構成された第１の実施例の半導
体レーザは、波長７８５nmで発振し、キンクレベルは１
８０ｍＷ以上となり安定な基本横モード動作を達成し
た。また、垂直方向の広がり角１６゜、水平方向の広が
り角９゜という十分に満足できる値が得られた。そし
て、この半導体レーザを光ディスクのピックアップヘッ
ドに組み込んだところ、１６倍速のＣＤ−Ｒ／ＲＷの記
録再生に良好な特性を示した。

【００３１】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。

【００３２】第２の実施形態の半導体レーザでは、図２
に示すように、＜１１０＞方向に１０°オフした（００
１）のｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型（Ｇａ_１−ｘ
Ａｌ _ｘ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｘ＝０．７）クラッド層
１２（厚さ２．０μm）が形成され、その上にアンドー
プの活性層１３が形成されている。活性層１３は、Ｇａ
_１−ｙＩｎ_ｙＰ（ｙ＝０．６）からなる複数のウェル
と、その間に形成された（Ｇａ_１−ｚＡｌ_ｚ）_０．５Ｉ
ｎ_０．５Ｐ（ｚ＝０．５）からなるバリア層およびウェ
ルの上下両側に形成された（Ｇａ_１−ｚＡｌ_ｚ）_０．５
Ｉｎ_０．５Ｐ（ｚ＝０．５）からなるガイド層を有して
いる。

【００３３】このようなＭＱＷ活性層１３の上に、ｐ型
（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_０．５Ｉｎ_０ _．５Ｐ（ｘ＝０．
７）の第１クラッド層１４（厚さ０．２５μm）が形成
され、その上にｐ型Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐから成るエ
ッチングストップ層１５を介して、リッジストライプ状
のｐ型（Ｇａ_１−ｕＡｌ_ｕ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｕ＝
０．７）第２クラッド層１６（厚さ０．３μm）が形成
されている。そして、この第２クラッド層１６のリッジ
ストライプ部ＲＧは、ｎ型（Ｇａ_１−ｖＡｌ_ｖ） _０．５
Ｉｎ_０．５Ｐ（ｖ＝０．８）から成る電流ブロック層１
７（厚さ０．２μm）で両側から埋め込まれている。な
お、この電流ブロック層１７は、第２クラッド層１６
（リッジストライプ部ＲＧ）より大きなバンドギャップ
を有し、かつこのリッジストライプ部ＲＧに対して正の
実屈折率差がつくような低い屈折率を有している。ま
た、第２クラッド層１６の最下層を、この層１６を構成
する半導体材料である（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５
Ｉｎ_０．５Ｐに比べてエッチングレートが著しく小さい
材料（Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ）により構成し、エッチ
ングストップ層１５とすることで、リッジストライプ部
ＲＧをウェットエッチングにより効率的に形成すること
ができる。エッチングストップ層１５の厚さは、２０nm
以下とすることが望ましい。

【００３４】さらにリッジストライプ部ＲＧおよび電流
ブロック層１７の上に、ｐ型（Ｇａ _１−ｕＡｌ_ｕ）
_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（ｕ＝０．７）の第３クラッド層１
８（厚さ１．４５μm）が形成されている。また、この
第３クラッド層１８の上に、ｐ型Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５
Ｐの中間バンドギャップ層１９を介してｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層２０（厚さ３μm）が形成され、その上にｐ
側電極２１が形成されている。さらに、ｎ型ＧａＡｓ基
板１１の裏面にｎ側電極２２が形成されている。

【００３５】そして、このような構造において、第２ク
ラッド層１６のストライプの方向は＜１−１０＞で順メ
サ方向であり、リッジストライプ部ＲＧの幅は下辺が２
μm、上辺が１．５μmとなっている。共振器長は８００
μmで、両端面近傍の長さ２０μmの範囲は、第２クラッ
ド層１６から第１クラッド層１４および活性層１３から
ｎ型クラッド層１２の一部にＺｎが拡散され、ウェルと
バリアが無秩序化されることで、発振波長に対して透明
な窓構造が形成されている。

【００３６】このように構成された第２の実施例の半導
体レーザは、波長６５４nmで発振し、キンクレベルは８
０ｍＷ以上で安定な基本横モード動作を達成した。ま
た、垂直方向の広がり角２１゜、水平方向の広がり角９
゜という十分に満足できる値が得られた。そして、この
半導体レーザを光ディスクのピックアップヘッドに組み
込んだところ、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ／ＲＡＭの記録再生に
良好な特性を示した。

【００３７】なお、本発明は以上の実施形態に限定され
ず、使用する半導体材料を変えることもできる。すなわ
ち、第２クラッド層のリッジストライプ部を両側から埋
め込む第１導電型の電流ブロック層を、発振光に対して
透明でリッジストライプ部よりも大きなバンドギャップ
を有するとともに、屈折率を低くし発振モードに対して
正の実効屈折率差がつくように構成することにより、実
施形態と同様の効果を持つ半導体レーザを得ることがで
きる。そして、電流ブロック層の構成材料については、
実施形態に挙げた材料に限定されず、リッジストライプ
部との間に実屈折率差を設けることができる範囲で任意
に選択することが可能である。

【００３８】また、第１のクラッド層と第２のクラッド
層、および第３のクラッド層は、それぞれの組成が同一
である必要はなく、レーザ発振条件を満たす範囲で任意
に選ぶことができる。導電性についても、ｎとｐを全て
逆にしてもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の半導体レーザによれば、光導波および電流狭窄のため
に、低いリッジ部の両側が発振光に対して透明で屈折率
の低い材料から成る電流ブロック層で挟み込まれてお
り、さらにそれらがクラッド層により埋め込まれた実屈
折率導波構造を有しているので、リッジの幅を狭くして
もシリーズ抵抗が低く、高周波重量特性が良好で、戻り
光ノイズの影響を受けない。また、端面近傍の活性層を
透明にした窓構造を備えているので、端面破壊を防ぐこ
とができる。

【００４０】したがって、スポットサイズが小さく、基
本横モードで小さな垂直広がり角と大きな水平広がり角
からなる低アスペクトレシオのファーフィールドパター
ンを有し、光ディスクの記録再生用ピックアップヘッド
に好適な高出力の半導体レーザを実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体レーザの第１の実施形態の
構成を示す断面図。

【図２】本発明に係る半導体レーザの第２の実施形態の
構成を示す断面図。

【図３】従来の半導体レーザの構成を示す断面図。

【符号の説明】

１，１１………ｎ型ＧａＡｓ基板、２，１２………ｎ型
クラッド層、３，１３………ＭＱＷ活性層、４，１４…
……ｐ型第１クラッド層、５，１６………ｐ型第２クラ
ッド層、６，１７………電流ブロック層、７，１８……
…ｐ型第３クラッド層、８，２０………ｐ型ＧａＡｓコ
ンタクト層、９，２１………ｐ側電極、１０，２２……
…ｎ側電極、１５………エッチングストップ層、１９…
……中間バンドギャップ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の基板と、前記第１導電型基板上に形成された第１導電型クラッド
層と、前記第１導電型クラッド層上に形成された少なくとも１
層の量子井戸層を有する活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型の第１クラッド層
と、前記第１クラッド層上に形成されたリッジストライプ形
状を有する第２導電型の第２クラッド層と、前記第２クラッド層のリッジ側面を埋め込むように形成
された、発振光に対して透明で該第２クラッド層のリッ
ジ部より大きなバンドギャップを有し、かつ前記リッジ
部より屈折率の低い第１導電型の電流ブロック層と、前記第２クラッド層のリッジ部および前記電流ブロック
層の上面を覆う第２導電型の第３クラッド層とを備える
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】前記活性層は、前記量子井戸層の上下の
少なくとも一方に、該井戸層よりバンドギャップが大き
く前記クラッド層よりバンドギャップが小さい光ガイド
層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レー
ザ。
【請求項３】前記活性層は、少なくとも２層の量子井
戸層を有するとともに、それらの井戸層の間に該井戸層
よりバンドギャップが大きく前記クラッド層よりバンド
ギャップが小さいバリア層を有し、かつ前記井戸層の上
下の少なくとも一方に、該井戸層よりバンドギャップが
大きく前記クラッド層よりバンドギャップが小さい光ガ
イド層を有することを特徴とする請求項１記載の半導体
レーザ。
【請求項４】前記第２クラッド層は、前記第１クラッ
ド層との間に２０nm以下の厚さのエッチングストップ層
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
項記載の半導体レーザ。
【請求項５】前記第３クラッド層がＩｎＧａＡｌＰか
ら成り、該第３クラッド層の上にＧａＡｓから成るコン
タクト層を有し、かつこのＧａＡｓコンタクト層と前記
第３クラッド層との間に、ＩｎＧａＰからなる中間バン
ドギャップ層を有することを特徴とする請求項１記載の
半導体レーザ。
【請求項６】前記第３クラッド層の上面に、オーミッ
クコンタクトが可能な結晶層を介して電極金属層を有
し、かつ前記基板の下面に電極金属層を有することを特
徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の半導体レ
ーザ。
【請求項７】レーザストライプ部の両端に、前記第２
クラッド層のリッジ部に対して垂直に形成されたレーザ
共振器面を有し、かつ該レーザ共振器面の近傍の活性層
領域が、ドーパントの拡散により無秩序化され、発振波
長よりバンドギャップが大きくなっていることを特徴と
する請求項１乃至６のいずれか１項記載の半導体レー
ザ。