JP2004235382A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】屈折率分布がＭＱＷ活性層に対して非対称で窓構造を有する半導体レーザにおいて、遠視野像の中心の傾きを小さくする。
【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐの下クラッド層１４と、ＭＱＷ構造を有し無秩序化された窓構造を有する活性層と、ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐの第１上クラッド層１８と、（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐの第２上クラッド層２２を順次配設し、第１上クラッド層１８の屈折率を下クラッド層１４の屈折率より小さくするとともに第２上クラッド層２２の屈折率を第１上クラッド層１８の屈折率より大きくし下クラッド層１４の屈折率と同じにすることにより、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させた。
【選択図】 図２
【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に、ｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐの下クラッド層１４と、ＭＱＷ構造を有し無秩序化された窓構造を有する活性層と、ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐの第１上クラッド層１８と、（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐの第２上クラッド層２２を順次配設し、第１上クラッド層１８の屈折率を下クラッド層１４の屈折率より小さくするとともに第２上クラッド層２２の屈折率を第１上クラッド層１８の屈折率より大きくし下クラッド層１４の屈折率と同じにすることにより、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させた。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ディスクシステムや光通信用などに使用する半導体レーザ装置に係り、特に活性領域に対して屈折率分布を非対称にした半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン用外部記憶装置等として、大容量かつ可搬性のある記憶可能な光ディスクシステムが急激に普及してきている。光ディスクシステムの小型化や携帯用のためには、光出力効率が高く、光学的特性や温度特性のよい半導体レーザ装置の開発が必須の要件である。
【０００３】
半導体レーザのスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるための一つの方法として、例えばＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色半導体レーザにおいて、ｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐクラッド層（以下、導電型の“ｎ型”を“ｎ−”と、また“ｐ型”を“ｐ−”と表記する）とｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐクラッド層とにおいて、ｎ−クラッド層の組成比ｘとｐ−クラッド層の組成比ｘとを異なる値にして、ｎ−クラッド層の屈折率をｐ−クラッド層の屈折率より高くすることにより、光分布を吸収の少ないｎ−クラッド側に偏倚させることが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
またＧａＮ系青紫色レーザにおいて、多重量子井戸構造活性層を挟む光ガイド層の屈折率を非対称にし、活性層の位置よりも光強度分布のピーク位置をＰ側に移行させることにより、活性層の劣化を防ぎ、高光出力時の信頼性を高めることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
またｎ−ＧａＡｓ基板側のｎ−クラッド層の厚さ及び屈折率分布とアンドープＩｎＧａＡｓ活性層に対してｎ−ＧａＡｓ基板の反対側に設けられた一部にリッジ形状を有するｐ−クラッド層の厚さ及び屈折率分布とを非対称にすることにより、リッジ部とリッジ部の外側部分との屈折率差によって生じる幅方向の屈折率分布が導波光に与える影響を小さくし高次モードの発生を防ぐことにより、低出力時のキンクの発生を防いで高出力化を図る例が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
またＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子において、ｎ−Ａｌ０．６６Ｉｎ０．３４Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．６６Ｉｎ０．３４Ｐ光ガイド層４、アンドープＧａＩｎＡｓＰ活性層５、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．６６Ｉｎ０．３４Ｐ光ガイド層４、ＭＱＷ構造６（ｐ−Ａｌ０．６６Ｉｎ０．３４ＰＭＱＷ障壁層、ｐ−（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．６６Ｉｎ０．３４ＰＭＷＱ井戸層）、及びｐ−Ａｌ０．６６Ｉｎ０．３４Ｐクラッド層７を設けることにより、しきい値電流および特性温度等の素子特性の改善を図った例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また半導体レーザエピタキシャル結晶積層体において、量子井戸構造の活性層を挟む上・下クラッド層と、これらのクラッド層と活性層との間に設けられた上・下ガイド層との間に、それぞれクラッド層よりも低い屈折率を有するＡｌＧａＡｓ低屈折率層が設けられるとともにＡｌ組成または厚さに関して上下非対称にした例が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
また多重量子井戸活性層を挟んで上下にｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下クラッド層層およびｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１上クラッド層を配置し、さらにその上にｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐの保護層を介してｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２上クラッド層を配置した構成を有する半導体レーザ素子に、共振器端面及びその近傍に量子井戸活性層を無秩序化した活性層無秩序化領域を形成したものが開示されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２９９７６８号公報（第８欄、図９）
【特許文献２】
特開平１１−２３３８８３号公報（図１、２、４〜６、８）
【特許文献３】
特開２００１−２４２８５号公報（図４）
【特許文献４】
特開平８−１９５５２９号公報（図９、図１０）
【特許文献５】
特開２００１−１５８６４号公報（第１２欄、図４）
【非特許文献１】
Ｋ． Ｓｈｉｇｉｈａｒａ ｅｔ Ａｌ．， “Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ９８０−ｎｍ Ｒｉｄｇｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｎｏｒｍａｌ ｔｏ ｔｈｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｌａｙｅｒ”， ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， Ｖｏｌ． ３８， Ｎｏ． ８， ＡＵＧＵＳＴ ２２０２， ｐｐ．１０８１−１０８８ （図６）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ素子は、量子井戸構造の活性層を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にした半導体レーザであって、活性層を無秩序化した窓領域がない場合においては、半導体レーザの出射端面における光の強度分布、つまり近視野像（ＮＦＰ）は活性層に対して非対称になるが、遠視野像は近視野像のフーリエ変換で示されるために、活性層に対して垂直な方向も水平な方向もともに対称な形状となり、光の強度分布の中心もレーザ出射端面の発光点から延長された法線上にあることが知られている。
【００１１】
しかし、ｎ側及びｐ側のクラッド層の屈折率分布を非対称にした半導体レーザにおいて、活性層を無秩序化した窓領域を設けた場合、垂直方向の遠視野像の中心が０．５〜３°程度ｎ−クラッド層側に傾き、場合によっては外部機器がレーザ光に結合し難いということがあるという問題点があった。
【００１２】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、第１の目的は、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にするとともにＭＱＷ活性層を無秩序化した窓構造を有する半導体レーザにおいて、活性層に対して垂直な方向の遠視野像の中心の傾きが小さい半導体レーザを構成することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層とを備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｐ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｎ型のクラッド層の屈折率より小さくするとともにｐ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値を越えｎ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
【００１４】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層と、を備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｎ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｐ型のクラッド層の屈折率より大きくするとともに、ｎ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値未満でｐ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態の説明においては、一例としてＡｌＧａＩｎＰを用いた発振波長が６７０ｎｍであるリッジ型半導体レーザについて説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一部破断斜視図である。また、図２は、この発明の一実施の形態に係る半導体レーザを示す図１のＩＩ−ＩＩ断面におけるリッジ部近傍の断面図である。
図１及び図２において、半導体レーザ１０は光ディスクシステムや光通信用の赤色のリッジ型半導体レーザである。半導体基板としてのＳｉドープのｎ−ＧａＡｓ基板１２の上に、第１クラッド層としての下クラッド層１４が配設されている。下クラッド層１４の厚みは１．５μｍ〜４μｍ、材料はｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．５〜０．７５程度で、この実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．６６である。下クラッド層１６のキャリア濃度は０．３×１０１８ｃｍ−３〜０．８×１０１８ｃｍ−３程度である。
【００１６】
この下クラッド層１４の上に多重量子井戸構造（以下ＭＱＷ構造、という）の活性層１６が配設されている。活性層１６のＭＱＷ構造の構成はＡｌＧａＩｎＰの障壁層１６ａ（図示せず）を挟んでＧａＩｎＰの井戸層１６ｂ（図示せず）があり、最外層に配設された両端の井戸層１６ｂを両側から挟むＡｌＧａＩｎＰのガイド層１６ｃ（図示せず）が配設されている。以下の説明においては活性層１６は障壁層１６ａ、井戸層１６ｂ及びガイド層１６ｃで構成されているとしている。
【００１７】
障壁層１６ａの厚みは２〜１０ｎｍ、材料は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．２〜０．７５程度で、この実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．５である。障壁層１６ａはアンドープである。ガイド層１６ｃも障壁層１６ａと同じ材料構成である。
井戸層１６ｂの厚みは２〜１０ｎｍ、材料はＧａ１−ｘＩｎｘＰで、組成比ｘは発振波長が所望の値、例えば６７０ｎｍとなるように調整される。井戸層１６ｂはアンドープである。
【００１８】
この活性層１６の上に、活性層１６に隣接する第２のクラッド層の一部である第１上クラッド層１８が配設されていて、この第１上クラッド層１８の厚みは０．１μｍ〜１μｍ、材料はｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．５〜０．７５程度で、この実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．７である。第１上クラッド層１８のキャリア濃度は０．３×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０１８ｃｍ−３程度である。
この第１上クラッド層１８の上にリッジを形成するときのエッチングストッパ層２０が配設されている。エッチングストッパ層２０の材料はｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはこの実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．５である。
【００１９】
エッチングストッパ層２０の上に第２クラッド層の他の一部である第２上クラッド層２２が配設されている。第２上クラッド層２２の厚みは０．５μｍ〜２μｍ、材料はｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．５〜０．７５でこの実施の形態１ではｘ＝０．６６である。第２上クラッド層２２のキャリア濃度は０．３×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０１８ｃｍ−３程度である。
この第２上クラッド層２２の上にｐ−ＧａＡｓのコンタクト層２４が配設され、第２上クラッド層２２およびコンタクト層２４によりストライプメサ状のリッジ２６が形成され、リッジ２６の側面及びリッジ２６形成に際して露呈したエッチングストッパ層２０の表面は窒化膜などの絶縁膜２８で覆われている。
コンタクト層２４の表面と絶縁膜２８の表面には、ｐ側の表面電極３０が配設され、コンタクト層２０と絶縁膜２８の開口部３２を介して接続されリッジ２６を介して活性層１６への電流経路を形成している。
【００２０】
半導体レーザ１０の共振器両端面となるチップ両端面近傍に窓領域３４、３６が配設されている。窓領域３４、３６はチップ両端面近傍に不純物元素が導入された領域で、活性層１６のＭＱＷ構造が無秩序化された窓構造としての活性層１６、第１上クラッド層１８、第２上クラッド層２２および下クラッド層１４を含む。図１では斜線を付して示しているがこれは断面を示すものではなく不純物元素の拡散領域を示している。
窓領域３４，３６の頂部表面上はコンタクト層２４が除去され、絶縁膜２８が配設されている。またｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面側にはｎ側の裏面電極３８が配設されている。
また図１において白抜きの矢印は半導体レーザ１０から出射されるレーザ光である。
【００２１】
図３は実施の形態１に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
この実施の形態１では、第１上クラッド層１８の屈折率は下クラッド層１４の屈折率よりも小さくされている。また第２上クラッド層２２の屈折率は下クラッド層１４の屈折率と同じにしている。ただし必ずしも同じでなくても第２上クラッド層２２の屈折率は、活性層１６に隣接した第１上クラッド層１８の屈折率よりも大きく、かつ下クラッド層１４の屈折率に近接していれば、下クラッド層１４の屈折率と比べて多少の高低があってもよい。
また第２上クラッド層２２と下クラッド層１４との間で許容される屈折率差は、第２上クラッド層２２と下クラッド層１４との材料が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、屈折率差を組成比で考えた場合、例えば組成比ｘの差の＋−３０％程度以内に近接していればよいと考える。
【００２２】
次に半導体レーザ１０の製造方法の概略を説明する。
ｎ−ＧａＡｓ基板１２の上に下クラッド層１４としてのｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、ＭＱＷ構造の活性層１６、第１上クラッド層１８としてのｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、エッチングストッパ層２０としてｐ−（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、第２上クラッド層２２としての（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、コンタクト層２４としてのｐ−ＧａＡｓ層を順次、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長法により形成する。
【００２３】
次にＺｎ拡散等によりＭＱＷ構造の活性層１６を無秩序化した窓構造を含む窓領域３４，３６を形成する。
次にコンタクト層２４上にレジスト膜または絶縁膜を形成し、コンタクト層２４を光導波方向に延長したストライプ状に覆うマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして、硫酸または塩酸系のエッチング液を用いて選択的にエッチングすることにより、コンタクト層２４及び第２上クラッド層２２からなるストライプメサ状のリッジ２６を形成する。このエッチングにおいては硫酸などの適切なエッチング液を用いることにより、エッチングはエッチングストッパ層２０で自動的に停止させることができる。
【００２４】
次に窒化膜などの絶縁膜を全面に形成し、フォトリソグラフィによりリッジ２６の頂部に開口部３２を形成し、開口部３２を有する絶縁膜２８を介してリッジ２６上に金膜を形成し、ｐ側の表面電極３０を形成する。この後、さらにｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を所定の厚さに研削し、このｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面に裏面電極３８を形成し素子を完成する。
【００２５】
つぎに半導体レーザ１０の動作について説明する。
図４はこの発明に係る半導体レーザの遠視野像を説明する模式図である。
図４において、座標軸の原点は半導体レーザの出射端面の発光点に置き、Ｘ軸は出射端面において活性層に平行な方向であり、Ｙ軸は出射端面において活性層に直交する方向であり、Ｚ軸は出射端面の法線である。
半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の強度分布は、遠視野像あるいはファーフィールドパターン（ＦＦＰ）などと呼ばれ活性層に垂直な方向に長い楕円形であり、活性層に垂直な方向であるＹ方向の遠視野像の拡がりが大きくこの光強度の分布はθＹで、活性層に水平な方向であるＸ方向の遠視野像の拡がりは小さく、この光強度分布はθＸである。
【００２６】
レーザ光は通常レーザ出射端面に対して垂直方向に放射されるので、遠視野像の中心はレーザ出射端面の発光点から延長された法線方向のＺ軸上にある。この法線は外部機器とレーザ光源から出射されるレーザ光との結合の基準となる重要な線である。
量子井戸構造の活性層を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にした半導体レーザでも、活性層を無秩序化した窓領域がない場合には、近視野像（ＮＦＰ）の光強度分布は活性層に対して非対称になるが、遠視野像においては、θＹもθＸもともに対称な形状となり、光の強度分布の中心もＺ軸上にある。
【００２７】
しかし、活性層を無秩序化した窓領域を設けるとこの状況が変化し、Ｙ方向の遠視野像の中心が０．５〜３°程度ｎ−クラッド層側に傾く場合がある。
そこでこの発明に係る半導体レーザ１０においては、下クラッド層１４としてｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用し、量子井戸構造の活性層１６に隣接して配設された第１上クラッド層１８としてｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用することにより、活性層１６を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を、ｎ−クラッド層の屈折率がｐ−クラッド層の屈折率よりも大きくなる非対称にするとともに、第１上クラッド層１８を介して活性層１６の上に第２上クラッド層２２としてｐ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設したものである。
【００２８】
図３の屈折率分布からも分かるように、従来単に第１上クラッド層１８と第２上クラッド層２２とを同じ屈折率にしていた場合に比べて第１上クラッド層１８の屈折率を高くしたことにより、半導体レーザ内部の屈折率分布の重心が活性層１６に近くなっている。
図５はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
図５は窓領域を除く活性層の活性領域を含む断面位置、例えば図１のＩＩ−ＩＩ断面において、活性層に直交する方向の光強度分布の計算結果であり、縦軸は任意単位の光強度、横軸は各層の層方向の距離を示している。
【００２９】
また図６はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
図６は無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置、例えば図１のＶＩ−ＶＩ断面において、活性層に直交する方向の光強度分布の計算結果であり、縦軸は任意単位の光強度、横軸は各層の層方向の距離を示している。
図５に示されるように、半導体レーザ内部の活性層の活性領域を含む断面位置においては、光の強度分布のピーク位置は活性層１６と一致しており、図６に示されるように無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置においても光の強度分布のピーク位置は活性層１６と一致あるいは近接している。
【００３０】
このため出射端面における窓領域３６から出射される光は、出射端面の法線方向（Ｚ軸）に近接して光が伝播し遠視野像の中心がｎ−クラッド層側に傾く角度を極めて小さくなるように抑制することができる。
図７はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
図７において示されるように、半導体レーザ内部の活性層の活性領域と窓領域で光の進行方向に変化がない。したがって遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きは極めて小さくなると考えられる。
【００３１】
図８は比較のため従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
図８においては、下クラッド層１４としてｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用し、量子井戸構造の活性層１６に隣接して配設された第１上クラッド層１８としてｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用することにより、活性層１６を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にしたものであるが、第１上クラッド層１８を介して活性層１６の上に配設された第２上クラッド層２２の屈折率を第１上クラッド層１８と同じ屈折率にした場合である。
【００３２】
この場合には、半導体レーザ内部の活性層の活性領域を含む断面位置においては、光の強度分布のピーク位置は活性層と一致するが、無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置においては、図８に示されるように下クラッド層１４の屈折率よりも等価屈折率が小さくなり放射モードとなるため、下クラッド層１４側ではｓｉｎ関数で示される光の強度分布を有し、ピーク位置は活性層１６と一致せず活性層から離れている。
図９は比較のため従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
図９は図８と同じ条件における活性層方向の光分布図で、光の進行方向が窓領域で変化し、ｎ−クラッド層側に傾いている。即ち遠視野像のｎ−クラッド層側への傾きが発生すると考えられる。
【００３３】
図１０及び１１は実施の形態１の半導体レーザの変形例における屈折率分布を示す模式図である。
図３に示された構成は、第１上クラッド層１８の屈折率が下クラッド層１４の屈折率よりも小さく構成されるとともに、リッジ２６として形成された第２上クラッド層２２の屈折率は下クラッド層１４の屈折率と同じまたは近接したものであるが、図１０に示された構成は、第１上クラッド層１８と同じ屈折率にした領域がリッジの中まで延ばされた例であり、図１１に示された構成は逆に第２上クラッド層２２の屈折率を有する領域が、エッチングストッパ層２０より活性層１６側に延ばされた例であり、ともに図３に示された構成と同様の効果を奏する。
【００３４】
以上に述べたように、この実施の形態１に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザの活性層に隣接したｐ−第１上クラッド層の屈折率をｎ−下クラッド層の屈折率よりも小さくするとともに、ｐ−第１上クラッド層を介して活性層の上に配設されたｐ−第２上クラッド層の屈折率をｐ−第１上クラッド層の屈折率の値を越えｎ−下クラッド層の屈折率の値に近接させたもので、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３５】
実施の形態２．
図１２は、この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのリッジ部近傍の断面図である。
図１２は窓領域を除く活性層の活性領域を含む断面位置、例えば図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面における断面図である。図１および図２と同じ符号は同じものか相当のものである。
【００３６】
実施の形態２の半導体レーザ４０の基本的構成は図１の半導体レーザ１０と大略同じであるが、半導体レーザ１０と異なるところは半導体レーザ１０は下クラッド層１４として１層のｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設しているのに対して、半導体レーザ４０は下クラッド層１４を２層から構成しｎ−ＧａＡｓ基板１２に近い第１下クラッド層１４ａとしてｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設し、活性層に隣接した第２下クラッド層１４ｂとしてｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設していることである。
【００３７】
さらにもう一つの相違点は、半導体レーザ１０が第２上クラッド層２２としてｐ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設しているのに対して、半導体レーザ４０は第２上クラッド層２２としてｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設することによりの第１上クラッド層１８と第２上クラッド層２２との屈折率を同じにしていることである。
【００３８】
図１３はこの発明の実施の形態２に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
この実施の形態２では、第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率は第２下クラッド層１４ｂの屈折率よりも小さくなるように構成されている。また第１下クラッド層１４ａの屈折率は第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率と同じ値に構成されている。
ただし第１下クラッド層１４ａの屈折率は第２下クラッド層１４ｂの屈折率と必ずしも同じでなくても、第２下クラッド層１４ｂの屈折率の値未満であって第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率に近接していれば、第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率と比べて多少の高低があってもよい。
【００３９】
第１下クラッド層１４ａと第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２との間で許容される屈折率差は、第１下クラッド層１４ａと第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２との材料が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、屈折率差を組成比で考えた場合、例えば組成比ｘの差の＋−３０％程度以内に近接していればよいと考える。
このように構成された半導体レーザ４０は、図１３の屈折率分布からも分かるように、従来単に第１下クラッド層１４ａと第２下クラッド層１４ｂとをｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層で構成して同じ屈折率にし、第１上クラッド層１８及び第２上クラッドをｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用していた場合に比べて第１下クラッド層１４ａの屈折率を低くしたことにより、半導体レーザ内部の屈折率分布の重心が活性層１６に近くなっている。
【００４０】
したがって無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置においても光の強度分布のピーク位置は活性層１６と一致あるいは近接することになる。このため出射端面における窓領域３６から出射される光は、出射端面の法線方向（Ｚ軸）に近接して光が伝播し遠視野像の中心がｎ−クラッド層側に傾く角度を極めて小さくなるように抑制することができる。
【００４１】
以上に述べた如く実施の形態２に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザの活性層に隣接したｎ−第２下クラッド層の屈折率をｐ−第１、第２上クラッド層の屈折率よりも大きくするとともに、ｎ−第２下クラッド層よりも活性層から離れたｎ−第１下クラッド層の屈折率をｎ−第２下クラッド層の屈折率の値未満でｐ−第１、第２上クラッド層の屈折率の値に近接させたもので、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。
延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【００４２】
なお以上の実施の形態の説明においては、ｎ型半導体基板を用いた例について説明したが、ｐ型半導体基板を使用し、ｐ型半導体基板上にｐ−クラッド層、活性層、及びｎ−クラッド層を順次積層した構成においても同様の効果がある。
また上述の実施の形態においては、ＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色レーザの例を説明したが、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＰ系の材料を用いたレーザにおいても同様の効果がある。
またこの実施の形態ではリッジ型の半導体レーザについて説明したが、他の型の半導体レーザにおいても同様の効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
この発明に係る半導体レーザ装置は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層とを備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｐ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｎ型のクラッド層の屈折率より小さくするとともにｐ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値を越えｎ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
このため、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【００４４】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層と、を備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｎ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｐ型のクラッド層の屈折率より大きくするとともに、ｎ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値未満でｐ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
このため、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一部破断斜視図である。
【図２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザを示す図１のＩＩ−ＩＩ断面におけるリッジ部近傍の断面図である。
【図３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
【図４】この発明に係る半導体レーザの遠視野像を説明する模式図である。
【図５】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
【図６】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
【図７】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
【図８】従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
【図９】従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
【図１０】この発明の一実施の形態の半導体レーザの変形例における屈折率分布を示す模式図である。
【図１１】この発明の一実施の形態の半導体レーザの変形例における屈折率分布を示す模式図である。
【図１２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのリッジ部近傍の断面図である。
【図１３】発明の一実施の形態に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
【符号の説明】
１２ ｎ−ＧａＡｓ基板、 １４ 下クラッド層、 １６ 活性層、 １８ 第１上クラッド層、 ２２ 第２上クラッド層、 １４ａ 第１下クラッド層、 １４ｂ 第２下クラッド層。
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ディスクシステムや光通信用などに使用する半導体レーザ装置に係り、特に活性領域に対して屈折率分布を非対称にした半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン用外部記憶装置等として、大容量かつ可搬性のある記憶可能な光ディスクシステムが急激に普及してきている。光ディスクシステムの小型化や携帯用のためには、光出力効率が高く、光学的特性や温度特性のよい半導体レーザ装置の開発が必須の要件である。
【０００３】
半導体レーザのスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるための一つの方法として、例えばＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色半導体レーザにおいて、ｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐクラッド層（以下、導電型の“ｎ型”を“ｎ−”と、また“ｐ型”を“ｐ−”と表記する）とｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ（１−ｙ）Ｐクラッド層とにおいて、ｎ−クラッド層の組成比ｘとｐ−クラッド層の組成比ｘとを異なる値にして、ｎ−クラッド層の屈折率をｐ−クラッド層の屈折率より高くすることにより、光分布を吸収の少ないｎ−クラッド側に偏倚させることが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
またＧａＮ系青紫色レーザにおいて、多重量子井戸構造活性層を挟む光ガイド層の屈折率を非対称にし、活性層の位置よりも光強度分布のピーク位置をＰ側に移行させることにより、活性層の劣化を防ぎ、高光出力時の信頼性を高めることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
またｎ−ＧａＡｓ基板側のｎ−クラッド層の厚さ及び屈折率分布とアンドープＩｎＧａＡｓ活性層に対してｎ−ＧａＡｓ基板の反対側に設けられた一部にリッジ形状を有するｐ−クラッド層の厚さ及び屈折率分布とを非対称にすることにより、リッジ部とリッジ部の外側部分との屈折率差によって生じる幅方向の屈折率分布が導波光に与える影響を小さくし高次モードの発生を防ぐことにより、低出力時のキンクの発生を防いで高出力化を図る例が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
またＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子において、ｎ−Ａｌ０．６６Ｉｎ０．３４Ｐクラッド層３、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．６６Ｉｎ０．３４Ｐ光ガイド層４、アンドープＧａＩｎＡｓＰ活性層５、アンドープ（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．６６Ｉｎ０．３４Ｐ光ガイド層４、ＭＱＷ構造６（ｐ−Ａｌ０．６６Ｉｎ０．３４ＰＭＱＷ障壁層、ｐ−（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．６６Ｉｎ０．３４ＰＭＷＱ井戸層）、及びｐ−Ａｌ０．６６Ｉｎ０．３４Ｐクラッド層７を設けることにより、しきい値電流および特性温度等の素子特性の改善を図った例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
また半導体レーザエピタキシャル結晶積層体において、量子井戸構造の活性層を挟む上・下クラッド層と、これらのクラッド層と活性層との間に設けられた上・下ガイド層との間に、それぞれクラッド層よりも低い屈折率を有するＡｌＧａＡｓ低屈折率層が設けられるとともにＡｌ組成または厚さに関して上下非対称にした例が開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
また多重量子井戸活性層を挟んで上下にｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ下クラッド層層およびｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１上クラッド層を配置し、さらにその上にｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐの保護層を介してｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ第２上クラッド層を配置した構成を有する半導体レーザ素子に、共振器端面及びその近傍に量子井戸活性層を無秩序化した活性層無秩序化領域を形成したものが開示されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２９９７６８号公報（第８欄、図９）
【特許文献２】
特開平１１−２３３８８３号公報（図１、２、４〜６、８）
【特許文献３】
特開２００１−２４２８５号公報（図４）
【特許文献４】
特開平８−１９５５２９号公報（図９、図１０）
【特許文献５】
特開２００１−１５８６４号公報（第１２欄、図４）
【非特許文献１】
Ｋ． Ｓｈｉｇｉｈａｒａ ｅｔ Ａｌ．， “Ｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒ ９８０−ｎｍ Ｒｉｄｇｅ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｎｏｒｍａｌ ｔｏ ｔｈｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｌａｙｅｒ”， ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， Ｖｏｌ． ３８， Ｎｏ． ８， ＡＵＧＵＳＴ ２２０２， ｐｐ．１０８１−１０８８ （図６）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ素子は、量子井戸構造の活性層を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にした半導体レーザであって、活性層を無秩序化した窓領域がない場合においては、半導体レーザの出射端面における光の強度分布、つまり近視野像（ＮＦＰ）は活性層に対して非対称になるが、遠視野像は近視野像のフーリエ変換で示されるために、活性層に対して垂直な方向も水平な方向もともに対称な形状となり、光の強度分布の中心もレーザ出射端面の発光点から延長された法線上にあることが知られている。
【００１１】
しかし、ｎ側及びｐ側のクラッド層の屈折率分布を非対称にした半導体レーザにおいて、活性層を無秩序化した窓領域を設けた場合、垂直方向の遠視野像の中心が０．５〜３°程度ｎ−クラッド層側に傾き、場合によっては外部機器がレーザ光に結合し難いということがあるという問題点があった。
【００１２】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、第１の目的は、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にするとともにＭＱＷ活性層を無秩序化した窓構造を有する半導体レーザにおいて、活性層に対して垂直な方向の遠視野像の中心の傾きが小さい半導体レーザを構成することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層とを備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｐ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｎ型のクラッド層の屈折率より小さくするとともにｐ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値を越えｎ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
【００１４】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層と、を備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｎ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｐ型のクラッド層の屈折率より大きくするとともに、ｎ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値未満でｐ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態の説明においては、一例としてＡｌＧａＩｎＰを用いた発振波長が６７０ｎｍであるリッジ型半導体レーザについて説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一部破断斜視図である。また、図２は、この発明の一実施の形態に係る半導体レーザを示す図１のＩＩ−ＩＩ断面におけるリッジ部近傍の断面図である。
図１及び図２において、半導体レーザ１０は光ディスクシステムや光通信用の赤色のリッジ型半導体レーザである。半導体基板としてのＳｉドープのｎ−ＧａＡｓ基板１２の上に、第１クラッド層としての下クラッド層１４が配設されている。下クラッド層１４の厚みは１．５μｍ〜４μｍ、材料はｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．５〜０．７５程度で、この実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．６６である。下クラッド層１６のキャリア濃度は０．３×１０１８ｃｍ−３〜０．８×１０１８ｃｍ−３程度である。
【００１６】
この下クラッド層１４の上に多重量子井戸構造（以下ＭＱＷ構造、という）の活性層１６が配設されている。活性層１６のＭＱＷ構造の構成はＡｌＧａＩｎＰの障壁層１６ａ（図示せず）を挟んでＧａＩｎＰの井戸層１６ｂ（図示せず）があり、最外層に配設された両端の井戸層１６ｂを両側から挟むＡｌＧａＩｎＰのガイド層１６ｃ（図示せず）が配設されている。以下の説明においては活性層１６は障壁層１６ａ、井戸層１６ｂ及びガイド層１６ｃで構成されているとしている。
【００１７】
障壁層１６ａの厚みは２〜１０ｎｍ、材料は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．２〜０．７５程度で、この実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．５である。障壁層１６ａはアンドープである。ガイド層１６ｃも障壁層１６ａと同じ材料構成である。
井戸層１６ｂの厚みは２〜１０ｎｍ、材料はＧａ１−ｘＩｎｘＰで、組成比ｘは発振波長が所望の値、例えば６７０ｎｍとなるように調整される。井戸層１６ｂはアンドープである。
【００１８】
この活性層１６の上に、活性層１６に隣接する第２のクラッド層の一部である第１上クラッド層１８が配設されていて、この第１上クラッド層１８の厚みは０．１μｍ〜１μｍ、材料はｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．５〜０．７５程度で、この実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．７である。第１上クラッド層１８のキャリア濃度は０．３×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０１８ｃｍ−３程度である。
この第１上クラッド層１８の上にリッジを形成するときのエッチングストッパ層２０が配設されている。エッチングストッパ層２０の材料はｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはこの実施の形態１の場合は、例えばｘ＝０．５である。
【００１９】
エッチングストッパ層２０の上に第２クラッド層の他の一部である第２上クラッド層２２が配設されている。第２上クラッド層２２の厚みは０．５μｍ〜２μｍ、材料はｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、組成比ｘはｘ＝０．５〜０．７５でこの実施の形態１ではｘ＝０．６６である。第２上クラッド層２２のキャリア濃度は０．３×１０１８ｃｍ−３〜１．０×１０１８ｃｍ−３程度である。
この第２上クラッド層２２の上にｐ−ＧａＡｓのコンタクト層２４が配設され、第２上クラッド層２２およびコンタクト層２４によりストライプメサ状のリッジ２６が形成され、リッジ２６の側面及びリッジ２６形成に際して露呈したエッチングストッパ層２０の表面は窒化膜などの絶縁膜２８で覆われている。
コンタクト層２４の表面と絶縁膜２８の表面には、ｐ側の表面電極３０が配設され、コンタクト層２０と絶縁膜２８の開口部３２を介して接続されリッジ２６を介して活性層１６への電流経路を形成している。
【００２０】
半導体レーザ１０の共振器両端面となるチップ両端面近傍に窓領域３４、３６が配設されている。窓領域３４、３６はチップ両端面近傍に不純物元素が導入された領域で、活性層１６のＭＱＷ構造が無秩序化された窓構造としての活性層１６、第１上クラッド層１８、第２上クラッド層２２および下クラッド層１４を含む。図１では斜線を付して示しているがこれは断面を示すものではなく不純物元素の拡散領域を示している。
窓領域３４，３６の頂部表面上はコンタクト層２４が除去され、絶縁膜２８が配設されている。またｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面側にはｎ側の裏面電極３８が配設されている。
また図１において白抜きの矢印は半導体レーザ１０から出射されるレーザ光である。
【００２１】
図３は実施の形態１に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
この実施の形態１では、第１上クラッド層１８の屈折率は下クラッド層１４の屈折率よりも小さくされている。また第２上クラッド層２２の屈折率は下クラッド層１４の屈折率と同じにしている。ただし必ずしも同じでなくても第２上クラッド層２２の屈折率は、活性層１６に隣接した第１上クラッド層１８の屈折率よりも大きく、かつ下クラッド層１４の屈折率に近接していれば、下クラッド層１４の屈折率と比べて多少の高低があってもよい。
また第２上クラッド層２２と下クラッド層１４との間で許容される屈折率差は、第２上クラッド層２２と下クラッド層１４との材料が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、屈折率差を組成比で考えた場合、例えば組成比ｘの差の＋−３０％程度以内に近接していればよいと考える。
【００２２】
次に半導体レーザ１０の製造方法の概略を説明する。
ｎ−ＧａＡｓ基板１２の上に下クラッド層１４としてのｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、ＭＱＷ構造の活性層１６、第１上クラッド層１８としてのｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、エッチングストッパ層２０としてｐ−（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、第２上クラッド層２２としての（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、コンタクト層２４としてのｐ−ＧａＡｓ層を順次、ＭＯＣＶＤ等の結晶成長法により形成する。
【００２３】
次にＺｎ拡散等によりＭＱＷ構造の活性層１６を無秩序化した窓構造を含む窓領域３４，３６を形成する。
次にコンタクト層２４上にレジスト膜または絶縁膜を形成し、コンタクト層２４を光導波方向に延長したストライプ状に覆うマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして、硫酸または塩酸系のエッチング液を用いて選択的にエッチングすることにより、コンタクト層２４及び第２上クラッド層２２からなるストライプメサ状のリッジ２６を形成する。このエッチングにおいては硫酸などの適切なエッチング液を用いることにより、エッチングはエッチングストッパ層２０で自動的に停止させることができる。
【００２４】
次に窒化膜などの絶縁膜を全面に形成し、フォトリソグラフィによりリッジ２６の頂部に開口部３２を形成し、開口部３２を有する絶縁膜２８を介してリッジ２６上に金膜を形成し、ｐ側の表面電極３０を形成する。この後、さらにｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を所定の厚さに研削し、このｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面に裏面電極３８を形成し素子を完成する。
【００２５】
つぎに半導体レーザ１０の動作について説明する。
図４はこの発明に係る半導体レーザの遠視野像を説明する模式図である。
図４において、座標軸の原点は半導体レーザの出射端面の発光点に置き、Ｘ軸は出射端面において活性層に平行な方向であり、Ｙ軸は出射端面において活性層に直交する方向であり、Ｚ軸は出射端面の法線である。
半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の強度分布は、遠視野像あるいはファーフィールドパターン（ＦＦＰ）などと呼ばれ活性層に垂直な方向に長い楕円形であり、活性層に垂直な方向であるＹ方向の遠視野像の拡がりが大きくこの光強度の分布はθＹで、活性層に水平な方向であるＸ方向の遠視野像の拡がりは小さく、この光強度分布はθＸである。
【００２６】
レーザ光は通常レーザ出射端面に対して垂直方向に放射されるので、遠視野像の中心はレーザ出射端面の発光点から延長された法線方向のＺ軸上にある。この法線は外部機器とレーザ光源から出射されるレーザ光との結合の基準となる重要な線である。
量子井戸構造の活性層を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にした半導体レーザでも、活性層を無秩序化した窓領域がない場合には、近視野像（ＮＦＰ）の光強度分布は活性層に対して非対称になるが、遠視野像においては、θＹもθＸもともに対称な形状となり、光の強度分布の中心もＺ軸上にある。
【００２７】
しかし、活性層を無秩序化した窓領域を設けるとこの状況が変化し、Ｙ方向の遠視野像の中心が０．５〜３°程度ｎ−クラッド層側に傾く場合がある。
そこでこの発明に係る半導体レーザ１０においては、下クラッド層１４としてｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用し、量子井戸構造の活性層１６に隣接して配設された第１上クラッド層１８としてｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用することにより、活性層１６を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を、ｎ−クラッド層の屈折率がｐ−クラッド層の屈折率よりも大きくなる非対称にするとともに、第１上クラッド層１８を介して活性層１６の上に第２上クラッド層２２としてｐ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設したものである。
【００２８】
図３の屈折率分布からも分かるように、従来単に第１上クラッド層１８と第２上クラッド層２２とを同じ屈折率にしていた場合に比べて第１上クラッド層１８の屈折率を高くしたことにより、半導体レーザ内部の屈折率分布の重心が活性層１６に近くなっている。
図５はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
図５は窓領域を除く活性層の活性領域を含む断面位置、例えば図１のＩＩ−ＩＩ断面において、活性層に直交する方向の光強度分布の計算結果であり、縦軸は任意単位の光強度、横軸は各層の層方向の距離を示している。
【００２９】
また図６はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
図６は無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置、例えば図１のＶＩ−ＶＩ断面において、活性層に直交する方向の光強度分布の計算結果であり、縦軸は任意単位の光強度、横軸は各層の層方向の距離を示している。
図５に示されるように、半導体レーザ内部の活性層の活性領域を含む断面位置においては、光の強度分布のピーク位置は活性層１６と一致しており、図６に示されるように無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置においても光の強度分布のピーク位置は活性層１６と一致あるいは近接している。
【００３０】
このため出射端面における窓領域３６から出射される光は、出射端面の法線方向（Ｚ軸）に近接して光が伝播し遠視野像の中心がｎ−クラッド層側に傾く角度を極めて小さくなるように抑制することができる。
図７はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
図７において示されるように、半導体レーザ内部の活性層の活性領域と窓領域で光の進行方向に変化がない。したがって遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きは極めて小さくなると考えられる。
【００３１】
図８は比較のため従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
図８においては、下クラッド層１４としてｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用し、量子井戸構造の活性層１６に隣接して配設された第１上クラッド層１８としてｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用することにより、活性層１６を挟んで配置されたｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にしたものであるが、第１上クラッド層１８を介して活性層１６の上に配設された第２上クラッド層２２の屈折率を第１上クラッド層１８と同じ屈折率にした場合である。
【００３２】
この場合には、半導体レーザ内部の活性層の活性領域を含む断面位置においては、光の強度分布のピーク位置は活性層と一致するが、無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置においては、図８に示されるように下クラッド層１４の屈折率よりも等価屈折率が小さくなり放射モードとなるため、下クラッド層１４側ではｓｉｎ関数で示される光の強度分布を有し、ピーク位置は活性層１６と一致せず活性層から離れている。
図９は比較のため従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
図９は図８と同じ条件における活性層方向の光分布図で、光の進行方向が窓領域で変化し、ｎ−クラッド層側に傾いている。即ち遠視野像のｎ−クラッド層側への傾きが発生すると考えられる。
【００３３】
図１０及び１１は実施の形態１の半導体レーザの変形例における屈折率分布を示す模式図である。
図３に示された構成は、第１上クラッド層１８の屈折率が下クラッド層１４の屈折率よりも小さく構成されるとともに、リッジ２６として形成された第２上クラッド層２２の屈折率は下クラッド層１４の屈折率と同じまたは近接したものであるが、図１０に示された構成は、第１上クラッド層１８と同じ屈折率にした領域がリッジの中まで延ばされた例であり、図１１に示された構成は逆に第２上クラッド層２２の屈折率を有する領域が、エッチングストッパ層２０より活性層１６側に延ばされた例であり、ともに図３に示された構成と同様の効果を奏する。
【００３４】
以上に述べたように、この実施の形態１に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザの活性層に隣接したｐ−第１上クラッド層の屈折率をｎ−下クラッド層の屈折率よりも小さくするとともに、ｐ−第１上クラッド層を介して活性層の上に配設されたｐ−第２上クラッド層の屈折率をｐ−第１上クラッド層の屈折率の値を越えｎ−下クラッド層の屈折率の値に近接させたもので、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３５】
実施の形態２．
図１２は、この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのリッジ部近傍の断面図である。
図１２は窓領域を除く活性層の活性領域を含む断面位置、例えば図１のＩＩ−ＩＩ断面に相当する断面における断面図である。図１および図２と同じ符号は同じものか相当のものである。
【００３６】
実施の形態２の半導体レーザ４０の基本的構成は図１の半導体レーザ１０と大略同じであるが、半導体レーザ１０と異なるところは半導体レーザ１０は下クラッド層１４として１層のｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設しているのに対して、半導体レーザ４０は下クラッド層１４を２層から構成しｎ−ＧａＡｓ基板１２に近い第１下クラッド層１４ａとしてｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設し、活性層に隣接した第２下クラッド層１４ｂとしてｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設していることである。
【００３７】
さらにもう一つの相違点は、半導体レーザ１０が第２上クラッド層２２としてｐ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設しているのに対して、半導体レーザ４０は第２上クラッド層２２としてｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を配設することによりの第１上クラッド層１８と第２上クラッド層２２との屈折率を同じにしていることである。
【００３８】
図１３はこの発明の実施の形態２に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
この実施の形態２では、第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率は第２下クラッド層１４ｂの屈折率よりも小さくなるように構成されている。また第１下クラッド層１４ａの屈折率は第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率と同じ値に構成されている。
ただし第１下クラッド層１４ａの屈折率は第２下クラッド層１４ｂの屈折率と必ずしも同じでなくても、第２下クラッド層１４ｂの屈折率の値未満であって第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率に近接していれば、第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２の屈折率と比べて多少の高低があってもよい。
【００３９】
第１下クラッド層１４ａと第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２との間で許容される屈折率差は、第１下クラッド層１４ａと第１上クラッド層１８及び第２上クラッド層２２との材料が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表記され、屈折率差を組成比で考えた場合、例えば組成比ｘの差の＋−３０％程度以内に近接していればよいと考える。
このように構成された半導体レーザ４０は、図１３の屈折率分布からも分かるように、従来単に第１下クラッド層１４ａと第２下クラッド層１４ｂとをｎ−（Ａｌ０．６６Ｇａ０．３４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層で構成して同じ屈折率にし、第１上クラッド層１８及び第２上クラッドをｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を使用していた場合に比べて第１下クラッド層１４ａの屈折率を低くしたことにより、半導体レーザ内部の屈折率分布の重心が活性層１６に近くなっている。
【００４０】
したがって無秩序化された活性層を含む窓領域の断面位置においても光の強度分布のピーク位置は活性層１６と一致あるいは近接することになる。このため出射端面における窓領域３６から出射される光は、出射端面の法線方向（Ｚ軸）に近接して光が伝播し遠視野像の中心がｎ−クラッド層側に傾く角度を極めて小さくなるように抑制することができる。
【００４１】
以上に述べた如く実施の形態２に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザの活性層に隣接したｎ−第２下クラッド層の屈折率をｐ−第１、第２上クラッド層の屈折率よりも大きくするとともに、ｎ−第２下クラッド層よりも活性層から離れたｎ−第１下クラッド層の屈折率をｎ−第２下クラッド層の屈折率の値未満でｐ−第１、第２上クラッド層の屈折率の値に近接させたもので、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。
延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【００４２】
なお以上の実施の形態の説明においては、ｎ型半導体基板を用いた例について説明したが、ｐ型半導体基板を使用し、ｐ型半導体基板上にｐ−クラッド層、活性層、及びｎ−クラッド層を順次積層した構成においても同様の効果がある。
また上述の実施の形態においては、ＡｌＧａＩｎＰを用いた赤色レーザの例を説明したが、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ及びＩｎＰ系の材料を用いたレーザにおいても同様の効果がある。
またこの実施の形態ではリッジ型の半導体レーザについて説明したが、他の型の半導体レーザにおいても同様の効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
この発明に係る半導体レーザ装置は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層とを備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｐ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｎ型のクラッド層の屈折率より小さくするとともにｐ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値を越えｎ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
このため、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【００４４】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層と、を備え、第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｎ型のクラッド層であって活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｐ型のクラッド層の屈折率より大きくするとともに、ｎ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を第１の部分の屈折率の値未満でｐ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたもので、活性層の窓構造における光強度のピーク位置を活性層の位置と一致または極めて近接させることができる。
このため、ｎ−及びｐ−クラッド層の屈折率分布を非対称にすることによりスロープ効率を高め、キンクレベルや温度特性などを向上させるとともに、ＭＱＷ活性層を無秩序化した窓層において光の進行方向がｎ−クラッド層側に傾くことを抑制し、遠視野像における光中心のｎ−クラッド層側への傾きを極めて小さく抑制することができる。延いては高効率でレーザ特性がよく信頼性が高くさらに外部機器とレーザ光の結合が行いやすい半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一部破断斜視図である。
【図２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザを示す図１のＩＩ−ＩＩ断面におけるリッジ部近傍の断面図である。
【図３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
【図４】この発明に係る半導体レーザの遠視野像を説明する模式図である。
【図５】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
【図６】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
【図７】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
【図８】従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける半導体レーザ内部の光強度分布を示すグラフである。
【図９】従来構造相当の条件で計算された半導体レーザにおける活性層方向の光分布図である。
【図１０】この発明の一実施の形態の半導体レーザの変形例における屈折率分布を示す模式図である。
【図１１】この発明の一実施の形態の半導体レーザの変形例における屈折率分布を示す模式図である。
【図１２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのリッジ部近傍の断面図である。
【図１３】発明の一実施の形態に係る半導体レーザの屈折率分布を示す模式図である。
【符号の説明】
１２ ｎ−ＧａＡｓ基板、 １４ 下クラッド層、 １６ 活性層、 １８ 第１上クラッド層、 ２２ 第２上クラッド層、 １４ａ 第１下クラッド層、 １４ｂ 第２下クラッド層。
Claims (2)
- 第１導電型の半導体基板と、
この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、
この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、
この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層とを備え、
上記第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｐ型のクラッド層であって上記活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｎ型のクラッド層の屈折率より小さくするとともに、ｐ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を上記第１の部分の屈折率の値を越えｎ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 第１導電型の半導体基板と、
この半導体基板上に配設された第１導電型の第１クラッド層と、
この第１クラッド層上に配設され量子井戸構造を有するとともに出射端面近傍において無秩序化された窓構造を有する活性層と、
この活性層上に配設された第２導電型の第２クラッド層と、を備え、
上記第１導電型あるいは第２導電型をｎ型としたときに、ｎ型のクラッド層であって上記活性層に隣接する第１の部分の屈折率をｐ型のクラッド層の屈折率より大きくするとともに、ｎ型のクラッド層の残りの第２の部分の屈折率を上記第１の部分の屈折率の値未満でｐ型のクラッド層の屈折率の値に近接させたことを特徴とする半導体レーザ装置。
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