JP2003031907A - 半導体レーザ装置および短波長レーザ光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 逆バイアスｐｎ接合を持つ電流狭窄部を備え
た半導体レーザ装置の高周波特性を向上させる。 【解決手段】 基板10上に積層された活性層12と、この
活性層12の所定のストライプ状領域のみに電流注入する
ための開口を有して該活性層12の上に形成された電流阻
止層31を含む、ｐ型およびｎ型の多層膜からなる電流狭
窄部とを備えてなる半導体レーザ装置において、電流阻
止層31の、その下の半導体層13と接してｐｎ接合を構成
する部分にキャリア濃度が低い低濃度層31ａを形成す
る。また、電流阻止層31の上に形成されて該電流阻止層
31とｐｎ接合を構成する半導体層24に、上記開口を挟ん
で電流阻止層31まで到達する１対の溝51、51を形成し、
電流阻止層31の上側に位置する半導体層14の表面に、上
記開口の上方位置に当たる部分を除いて絶縁膜15を形成
し、この絶縁膜15の上に電極16を形成する。

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装置に
関し、特に詳細には、電流狭窄用の電流阻止層を有する
タイプの半導体レーザ装置に関するものである。

【０００２】また本発明は、上述のような半導体レーザ
装置から発せられたレーザビームを第２高調波に変換し
て出力する短波長レーザ光源に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】一般に、情報処理や印刷機器等の光源と
して用いられる半導体レーザは、低電流で効率良く動作
することが求められる。このため従来より、例えば特許
第２７４６１３１号公報に示されているように、逆バイ
アスｐｎ接合を持つ電流狭窄部によって、活性層の微小
領域のみに電流注入するようにした半導体レーザ装置が
提案されている。この半導体レーザ装置は、基本的に、
基板上に積層された活性層と、この活性層の所定のスト
ライプ状領域のみに電流注入するための開口を有して該
活性層の上に形成された電流阻止層を含む、ｐ型および
ｎ型の多層膜からなる電流狭窄部とを備えてなるもので
ある。

【０００４】図４には、この種の半導体レーザ装置の代
表的なものの構成を示してある。図示の通りこの半導体
レーザ装置は、ｎ型GaAs基板10と、その上に順次積層さ
れたｎ型InGaP下部クラッド層11と、i-InGaAsP障壁層、
i-InGaAs量子井戸活性層およびi-InGaAsP障壁層からな
る多層半導体部（活性層）12と、ｐ型InGaP上部第１ク
ラッド層13と、ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層23と、ｐ
型AlGaAs上部第３クラッド層24と、ｐ型GaAsコンタクト
層14とを有している。

【０００５】そして上記ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層
23の左右両側にはそれぞれｎ型InGaP電流阻止層31が形
成され、このｎ型InGaP電流阻止層31および上記ｐ型InG
aP上部第１クラッド層13によって電流狭窄部が構成され
ている。すなわち、ｎ型InGaP電流阻止層31はｐ型AlGaA
s上部第２クラッド層23の部分が開口した形となってお
り、この開口の両側のｎ型InGaP電流阻止層31およびｐ
型InGaP上部第１クラッド層13が構成するｐｎ接合部に
おいて逆バイアス状態が作られる。

【０００６】また、上記ｎ型InGaP電流阻止層31および
ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層23の上にはｐ型AlGaAs上
部第３クラッド層24が形成され、さらにその上には順次
ｐ型GaAsコンタクト層14、ｐ型電極16が形成されてい
る。そしてｎ型GaAs基板10の下面には、ｎ型電極17が形
成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のように
逆バイアスｐｎ接合を持つ電流狭窄部を設けると、この
ｐｎ接合部分に大きな寄生容量が発生することになる。
そこで、この半導体レーザを高速変調する際には、高周
波成分がこの容量を通して流れてしまうため、変調がか
からないという問題が生じる。また半導体レーザは、そ
こから発せられたレーザビームを第２高調波に変換する
光波長変換素子と組み合わせて、短波長レーザ光源を構
成するように用いられることもあるが、その際に上述の
ような問題が生じると、短波長化された青色や緑色の短
波長レーザビームを画像記録等に適用することが難しく
なってしまう。

【０００８】また、光ディスク等の読取りに用いられる
半導体レーザにおいては、ノイズを低減する目的で高周
波重畳駆動されることもあるが、その場合も、高周波成
分が電流阻止層を抜けてしまい、活性層に効率良く電流
が注入されなくなるという問題が生じる。

【０００９】上述した図４には、この半導体レーザにお
ける等価回路を併せて簡略的に示してある。図示の通り
抵抗成分はｐ型電極16のオーミック抵抗Ｒ１と、活性層
12におけるＲ２とがあり、容量としては電流阻止層31の
上下界面に存在するｐｎ接合部でのＣ１、Ｃ２、および
活性層12の接合部でのＣ３とが存在する。ここで高速変
調時の動作を考えると、上記電流阻止層31の上下界面に
存在するｐｎ接合部での寄生容量、つまり上記Ｃ１、Ｃ
２が現状では最も支配的となり、それが高周波特性を損
なう最大の原因となっていた。

【００１０】特にこのｐｎ接合部は素子の面積分だけ存
在し、電気回路として考えると活性層部と並列に存在す
ることになるために高い周波数成分が電流阻止層を抜け
てしまい、活性層に効率良く電流注入がなされなくなる
という問題点があった。

【００１１】この問題に対して図４に破線で示すよう
に、電流阻止層31の、その下のクラッド層13と接してｐ
ｎ接合を構成する部分に、その他の部分よりもキャリア
濃度が低い低濃度層31ａを挿入することにより、寄生容
量を低減する手法が提案されている。なおそのような手
法については、例えば特公昭６３−５０８７３号、特開
平４−３０９２７８号、特開平７−１０６６８７号およ
び特開平８−２２２８０１号等に詳しい記載がなされて
いる。

【００１２】この手法は、上記等価回路中のＣ１とＣ２
とＣ３の中で最も大きい容量であると考えられるＣ２を
低減するのに効果があり、これらの容量は直列につなが
っていることから、全体の容量低減には大きく貢献す
る。しかしこの手法ではＣ１とＣ３の容量については全
く低減効果が無く、それが高速化を律速していた。

【００１３】本発明は上記の事情に鑑み、逆バイアスｐ
ｎ接合を持つ電流狭窄部を備え、そして高周波特性が十
分に高い半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００１４】また本発明は、波長変換されたレーザビー
ムを高速変調することができる短波長レーザ光源を提供
することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザ装置は、基板上に積層された活性層と、この活性層の
所定のストライプ状領域のみに電流注入するための開口
を有して該活性層の上に形成された電流阻止層を含む、
ｐ型およびｎ型の多層膜からなる電流狭窄部とを備えて
なる半導体レーザ装置において、前記電流阻止層の、そ
の下の半導体層と接してｐｎ接合を構成する部分に、そ
の他の部分よりもキャリア濃度が低い低濃度層が形成さ
れ、前記電流阻止層の上に形成されて該電流阻止層とｐ
ｎ接合を構成する半導体層に、電流阻止層まで到達し、
かつ前記開口を挟んで前記ストライプ状領域に沿って延
びる１対の溝が形成され、前記電流阻止層の上側に位置
する半導体層表面に、少なくとも前記開口の上方位置に
当たる部分を除いて絶縁膜が形成され、この絶縁膜の上
に電極が形成されていることを特徴とするものである。

【００１６】なお本発明の半導体レーザ装置において、
上記低濃度層のキャリア濃度は、好ましくは１×１０
^１６ｃｍ^ー３以下とされる。また上記１対の溝の間隔
は、100μｍ以下に設定されるのが望ましい。

【００１７】また本発明の半導体レーザ装置の好ましい
形態は、基板としてGaAs基板が用いられた上で、活性層
はInGaAs量子井戸活性層が採用されて、発振波長が0.9
μｍ〜1.2μｍの範囲にあるものとされる。

【００１８】一方、本発明による短波長レーザ光源は、
上に説明した本発明による半導体レーザ装置と、この半
導体レーザ装置から発せられたレーザビームを第２高調
波に変換する光波長変換素子とから構成されたことを特
徴とするものである。

【００１９】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置においては、
電流阻止層の、その下の半導体層と接してｐｎ接合を構
成する部分に、その他の部分よりもキャリア濃度が低い
低濃度層が形成されたことにより、前述と同様にして寄
生容量を低減できる上、上記１対の溝が形成されたこと
により寄生容量をさらに低減可能となる。すなわち、こ
れらの溝の外側部分は内側部分から電気的に隔絶され、
溝の内側部分において電流阻止層とその上の半導体層と
で形成されるｐｎ接合面が小さくなるので、寄生容量を
低減できるようになる。

【００２０】その上本発明の半導体レーザ装置において
は、電流阻止層の上側に位置する半導体層表面に、少な
くとも前記開口の上方位置に当たる部分を除いて絶縁膜
が形成され、この絶縁膜の上に電極が形成されているの
で、絶縁膜を除く部分をできるだけ狭くすることによ
り、寄生容量を生じるｐｎ接合面の面積を可及的に狭く
し、それによって寄生容量をさらに低減可能となる。

【００２１】以上の通り本発明の半導体レーザ装置にお
いては、逆バイアスｐｎ接合を作るための電流阻止層に
起因して発生する寄生容量を顕著に低減できるので、高
周波特性を大幅に向上させることができる。

【００２２】一方、本発明による短波長レーザ光源は、
上述のように高周波特性が大幅に向上した本発明の半導
体レーザ装置が基本波光源として用いられているので、
高速変調された短波長の第２高調波を得ることができ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００２４】図１は、本発明の第１の実施の形態による
半導体レーザ装置１の立断面形状を示すものである。図
示されるようにこの第１の実施の形態の半導体レーザ装
置１は、ｎ型GaAs基板10と、その上に順次積層されたｎ
型InGaP下部クラッド層11と、i-InGaAsP障壁層、i-InGa
As量子井戸活性層およびi-InGaAsP障壁層からなる多層
半導体部（活性層）12と、ｐ型InGaP上部第１クラッド
層13と、ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層23と、ｐ型AlGa
As上部第３クラッド層24と、ｐ型GaAsコンタクト層14と
を有している。

【００２５】そして上記ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層
23の左右両側にはそれぞれｎ型InGaP電流阻止層31が形
成され、このｎ型InGaP電流阻止層31および上記ｐ型InG
aP上部第１クラッド層13によって電流狭窄部が構成され
ている。すなわち、ｎ型InGaP電流阻止層31はｐ型AlGaA
s上部第２クラッド層23の部分が開口した形となってお
り、この開口の両側のｎ型InGaP電流阻止層31およびｐ
型InGaP上部第１クラッド層13が構成するｐｎ接合部に
おいて、後述の逆バイアス状態が作られる。

【００２６】またｐ型InGaP上部第１クラッド層13と接
してｐｎ接合を構成するｎ型InGaP電流阻止層31の部分
には、キャリア濃度が該ｎ型InGaP電流阻止層31のその
他の部分よりも低い低濃度層31ａが形成されている。本
例においてこの低濃度層31ａのキャリア濃度は５×１０
^１６ｃｍ^ー３、層厚は0.1μｍとされている。それに対
して、該低濃度層31ａ以外の部分におけるｎ型InGaP電
流阻止層31のキャリア濃度は２×１０^１８ｃｍ^ー３、層
厚は0.4μｍである。

【００２７】また、ｐ型GaAsコンタクト層14およびｐ型
AlGaAs上部第３クラッド層24を貫通して、ｎ型InGaP電
流阻止層31の上面まで到達する２本の開放溝51、51が形
成されている。これらの開放溝51、51は、ｎ型InGaP電
流阻止層31の開口を挟んで、電流注入されるストライプ
状領域に沿って延びるように形成されている。

【００２８】また、上記ｐ型GaAsコンタクト層14の上
面、並びに上記開放溝51、51の表面を覆う、例えばＳｉ
Ｏ_２やＳｉ_３Ｎ_４等からなる誘電体絶縁膜15が設けられ
ている。この誘電体絶縁膜15は、ｐ型GaAsコンタクト層
14の上面部分では、レーザ光が導波する方向（図の紙面
に垂直な方向）に沿って延びる矩形の電極コンタクト孔
を有するものとされている。そしてこの電極コンタクト
孔から露出したｐ型GaAsコンタクト層14に接するｐ型電
極16が形成されるとともに、ｎ型GaAs基板10の下面には
ｎ型電極17が形成されている。

【００２９】なお本実施の形態における共振器長は900
μｍであるが、一般には500μｍ以上2000μｍ以下の範
囲で、要求される光出力や用途に応じて共振器長を変え
ることができる。

【００３０】以下、本実施の形態の半導体レーザ装置１
の動作を説明する。ｎ型電極17とｐ型電極16との間に順
方向のバイアス電圧をかけると、ｐ型InGaP上部第１ク
ラッド層13から活性層12を抜けてｎ型InGaP下部クラッ
ド層11へと順方向電流が通過しようとする。しかしこの
とき、電流狭窄部のｎ型InGaP電流阻止層31とｐ型InGaP
上部第１クラッド層13とのｐｎ接合部は逆バイアス状態
となるため、駆動電流はｎ型InGaP電流阻止層31の開口
部分の直下のストライプ状の活性領域にのみ集中して流
れ、低電流での動作が可能となる。

【００３１】またこのとき、駆動電流に300ＭＨｚの高
周波信号を重畳すると、従来の半導体レーザでは電流阻
止層が形成するｐｎ接合部が大きな寄生容量となってそ
こを高周波成分が通過してしまうことから、活性領域の
みに有効に電流を流すのが困難になっていたのに対し
て、本実施の形態の半導体レーザ装置１では上記寄生容
量を著しく低減可能となっている。以下、その点につい
て詳しく説明する。

【００３２】まずこの半導体レーザ装置１においては、
ｐ型InGaP上部第１クラッド層13と接してｐｎ接合を構
成するｎ型InGaP電流阻止層31の部分に低濃度層31ａが
形成されていることにより、このｐｎ接合部に生じる寄
生容量を低減できる。

【００３３】また、ｐ型GaAsコンタクト層14およびｐ型
AlGaAs上部第３クラッド層24を貫通して、ｎ型InGaP電
流阻止層31の上面まで到達する２本の開放溝51、51が形
成されているので、これらの開放溝51、51の外側部分は
内側部分から電気的に隔絶され、開放溝51、51の内側部
分においてｎ型InGaP電流阻止層31とｐ型AlGaAs上部第
３クラッド層24とで形成されるｐｎ接合面が小さくなる
ので、寄生容量を低減できるようになる。

【００３４】その上、ｐ型GaAsコンタクト層14には、誘
電体絶縁膜15の小さな電極コンタクト孔からｐ型電極16
が接触するようになっているので、このｐ型電極16の実
際に電流注入に関わる面積を小さくし、ひいては寄生容
量を生じるｐｎ接合面の面積を可及的に狭くし、それに
よって寄生容量をさらに低減可能となる。

【００３５】以上の通りこの半導体レーザ装置１におい
ては、逆バイアスｐｎ接合を作るためのｎ型InGaP電流
阻止層31に起因して発生する寄生容量を顕著に低減でき
るので、高周波特性を大幅に向上させることができる。

【００３６】図２は、上記実施の形態の構成において、
２本の開放溝51、51の間の間隔を種々に変えた場合の、
半導体レーザ装置の遮断周波数特性を示したものであ
る。ここに示される通り、リッジ構造の幅を狭くするに
従って遮断周波数は大きくなり、特に溝51、51の間隔が
100μｍ以下であれば遮断周波数は急激に高くなるの
で、より高い周波数成分も良好に遮断できるようにな
る。具体的には、溝間隔を100μｍとすれば、約１ＧＨ
ｚの帯域を得ることも可能になっている。

【００３７】なお、本発明の半導体レーザ装置を作製す
る際には、発光部となるストライプ状導波路領域と電流
狭窄部のどちらを再成長で作製してもよく、上記実施の
形態の構造で言えば、ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層23
とｐ型AlGaAs上部第３クラッド層24とを再成長で作製し
てもよいし、あるいはｎ型InGaP電流阻止層31を選択的
に再成長させた後に全面にｐ型AlGaAs上部第３クラッド
層24を成長させてもよい。本発明は、いわゆるインナー
ストライプ構造の半導体レーザ全般に対して適用可能で
あり、その作製方法については左右されない。

【００３８】次に、上記半導体レーザ装置１を用いて構
成された短波長レーザ光源について、その側面形状を示
す図３を参照して説明する。この短波長レーザ光源は半
導体レーザ装置１と、該半導体レーザ装置１から発せら
れたレーザビームを第２高調波５に変換する光波長変換
素子70と、半導体レーザ装置１の発振波長を選択してロ
ックする波長ロック光学系80とから構成されたものであ
る。

【００３９】光波長変換素子70は、非線形光学効果を有
する強誘電体である例えばLiNbO_３にMgOがドープされた
もの（MgO−LiNbO_３）の結晶からなる基板71に、その自
発分極を周期的に反転させてなる周期分極反転構造72が
形成され、そしてこの周期分極反転構造72に沿ってチャ
ンネル光導波路73が設けられてなるものである。半導体
レーザ装置１はこの光波長変換素子70のチャンネル光導
波路73に直接結合され、そこから発せられたレーザビー
ムはこのチャンネル光導波路73に入射して導波する際
に、周期分極反転構造72によって位相整合（いわゆる疑
似位相整合）が取られつつ、波長が１／２の第２高調波
５に変換される。

【００４０】一方波長ロック光学系80は、半導体レーザ
装置１の後方端面から発散光状態で出射するレーザビー
ム（後方出射光）４を平行光化するコリメーターレンズ
81と、平行光となったレーザビーム４を収束させる集光
レンズ82と、これらのレンズ81および82の間に配置され
た狭帯域バンドパスフィルタからなる波長選択フィルタ
83と、レーザビーム４の収束位置に配された反射鏡84と
から構成されている。

【００４１】レーザビーム４は上記反射鏡84で反射して
半導体レーザ装置１にフィードバックされるが、そのと
き波長選択フィルタ83によって該レーザビーム４の波長
が選択され、半導体レーザ装置１の発振波長がこの選択
された波長にロックされる。なお波長選択フィルタ83に
よる選択波長は、この波長選択フィルタ83を図中の矢印
Ｒ方向に回転させることによって調整可能である。

【００４２】この短波長レーザ光源において、半導体レ
ーザ装置１として発振波長が1060ｎｍで光出力が100ｍ
Ｗのものを用い、該半導体レーザ装置１と光波長変換素
子70との直接結合効率が80％のとき、波長530ｎｍの緑
色の第２高調波５の出力は約10ｍＷであった。

【００４３】そしてその際、半導体レーザ装置１の駆動
電流に350ＭＨｚの高周波を重畳して駆動したところ、
効率良く高周波重畳がなされ、光波長変換素子70から出
力および波長が安定した第２高調波５を取り出すことが
できた。具体的に、高周波重畳無しの場合は30％程度の
出力変動が認められたのに対し、高周波重畳した場合の
出力変動は１％以下にまで抑えられた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ
装置を示す立断面図

【図２】図１の半導体レーザ装置における溝間隔と遮断
周波数特性の関係を示すグラフ

【図３】図１の半導体レーザ装置を用いた短波長レーザ
光源を示す側面図

【図４】従来の半導体レーザ装置の一例を示す立断面図

【符号の説明】

１ 半導体レーザ装置 10 ｎ型GaAs基板 11 ｎ型InGaP下部クラッド層 12 多層半導体部（活性層） 13 ｐ型InGaP上部第１クラッド層 14 ｐ型GaAsコンタクト層 15 誘電体絶縁膜 16 ｐ型電極 17 ｎ型電極 23 ｐ型AlGaAs上部第２クラッド層 24 ｐ型AlGaAs上部第３クラッド層 31 ｎ型InGaP電流阻止層 31ａ ｎ型InGaP低濃度電流阻止層 51 開放溝 70 光波長変換素子 80 波長ロック光学系

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に積層された活性層と、 この活性層の所定のストライプ状領域のみに電流注入す
   るための開口を有して該活性層の上に形成された電流阻
   止層を含む、ｐ型およびｎ型の多層膜からなる電流狭窄
   部とを備えてなる半導体レーザ装置において、 前記電流阻止層の、その下の半導体層と接してｐｎ接合
   を構成する部分に、その他の部分よりもキャリア濃度が
   低い低濃度層が形成され、 前記電流阻止層の上に形成されて該電流阻止層とｐｎ接
   合を構成する半導体層に、電流阻止層まで到達し、かつ
   前記開口を挟んで前記ストライプ状領域に沿って延びる
   １対の溝が形成され、 前記電流阻止層の上側に位置する半導体層表面に、少な
   くとも前記開口の上方位置に当たる部分を除いて絶縁膜
   が形成され、この絶縁膜の上に電極が形成されているこ
   とを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 前記低濃度層のキャリア濃度が１×１０
   ^１６ｃｍ^ー３以下であることを特徴とする請求項１記載
   の半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 前記１対の溝の間隔が100μｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レー
   ザ装置。
4. 【請求項４】 前記基板がGaAs基板であり、前記活性層
   がInGaAs量子井戸活性層であって、発振波長が0.9μｍ
   〜1.2μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１から
   ３いずれか１項記載の半導体レーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４いずれか１項記載の半導
   体レーザ装置と、 この半導体レーザ装置から発せられたレーザビームを第
   ２高調波に変換する光波長変換素子とからなる短波長レ
   ーザ光源。