JP2005033077A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、レーザ光の水平拡がり角を、他の特性とは独立して拡大可能な半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ装置１において、電流ブロック層１９は、光共振器長方向に延設されたｐ型第２クラッド層１７とｐ型キャップ層１８とを、光出射端面側で大きく、反対側で小さく覆い、光導波路に電流非注入領域を形成する。光出射端面側の電流ブロック層１９を、電流注入領域から流れ込むキャリアが光出射端面にまで到達しない程度に大きく設けることによって、光出射端面における近視野像の光強度分布が集中し、出射されるレーザ光の水平拡がり角が拡大する。この構造は、クラッド層の厚みや電流注入領域の大きさを最適化した上で、それとは独立して、水平拡がり角を拡大することを可能にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、レーザ光の高出力化と水平拡がり角の拡大とを独立に制御可能にする技術に関する。
近年、ＣＤ(Compact Disk)やＤＶＤ(Digital Versatile Disk)等の光ディスクが広く利用されている。光ディスクが、ＡＶ(Audio Visual)コンテンツ情報に代表される大容量のデジタル情報の記録に適した媒体として民生利用に広く受け入れられたことによって、書き込みができる光ディスク装置の需要が急激に伸びている。
光ディスク装置の書込速度は、光ピックアップに用いられる半導体レーザ装置の光出力を大きくすることによって向上する。書込速度の向上は利用者の利便を増進し、製品の大きな訴求力となる。
そのため、例えば、ＣＤ−Ｒ(Recordable)、及びＣＤ−ＲＷ(ReWritable)用の光ピックアップに用いられる波長７８０nm帯のAlGaAs系の半導体レーザ装置、並びに、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、及びＤＶＤ−ＲＡＭ(Random Access Memory)用の光ピックアップに用いられる波長６５０nm帯のInGaAlP系の半導体レーザ装置に、光出力増大の要求が高まっている。
また、光ピックアップに用いられる半導体レーザ装置は、光出力の増大と同時に、出射するレーザ光の水平拡がり角θ‖をできるだけ大きく、望ましくは７．５度以上にすることが求められる。
なぜなら、水平拡がり角θ‖が小さいとレーザ光の集光が困難となり、その結果、光ディスク媒体上の書込ピットとの望ましい光学的結合係数が得られなくなって、ノイズやジッタ不良の要因となるからである。
従来、これらの要求に応える半導体レーザ装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許文献１は、第１導電型のクラッド層と、前記第１導電型のクラッド層の上に設けられた活性層と、前記活性層の上に設けられ、共振器長方向に並行に延設されたリッジを有する第２導電型のクラッド層と、前記リッジの両脇に設けられた電流ブロック層とを備えたリッジ型半導体レーザ装置であって、前記電流ブロック層により狭窄された電流が前記リッジの上面を介して前記活性層に注入され、前記第１導電型のクラッド層の層厚が、前記第２導電型のクラッド層の前記リッジを含んだ層厚よりも大きいことを特徴とするものを開示する。
一般に、リッジの共振器長方向に直交する断面の形状は下底よりも上底が短い台形であること、その下底が短いほど大きな水平拡がり角θ‖を持ったレーザ光が得られること、そして、その上底が短いほど電流を注入するための領域が縮小し素子抵抗が増大するので高出力化に不利となることは、何れも周知である。
つまり、リッジの厚みが一定であれば、レーザ光の水平拡がり角θ‖の拡大と高出力化とは相反する関係にある。
特許文献１が開示する半導体レーザ装置は、この関係に着目し、リッジの厚みを減らすことによって、リッジ断面の下底を望ましい水平拡がり角θ‖が得られる程度に縮めつつ、上底を高出力化に必要な程度に大きく残した半導体レーザ装置を実現する。
特開２００３−７８２０８号公報
しかしながら、上記従来技術の半導体レーザ装置は、リッジの厚みを減らすことによって望ましい水平拡がり角θ‖と素子抵抗とを両立させるため、リッジの厚みに依存する特性を必ずしも最適化できない場合がある。
具体的に、リッジの下底の幅を所望の水平拡がり角θ‖が得られる大きさに固定してリッジを薄く構成すると、素子抵抗が減少して動作電圧が低下する反面、導波路損が増大する（特許文献１、図６を参照）。
この導波路損の増大は、リッジを薄くすることによって、レーザ光が前記第２導電型クラッド層からコンタクト層にしみ出して吸収されるために生じる。
このように、従来技術の半導体レーザ装置によれば、水平拡がり角θ‖及び素子抵抗、並びに、リッジの厚みに依存する特性を独立して管理することができないという問題がある。このことは、半導体レーザ装置の最適構成を見出す作業を複雑にし、半導体レーザ装置の設計の合理化を阻害する。
上記の問題に鑑み、本発明は、リッジの厚みに依存する特性を最適化した上で、それとは独立してレーザ光の水平拡がり角θ‖を拡大可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明の半導体レーザ装置は、第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のクラッド層とをこの順に積層して形成された光導波路の両端面を一対の反射面として形成された光共振器と、前記光共振器の、光出射端面から第１の長さまでに至る第１領域、及び反対側端面から第２の長さまでに至る第２領域それぞれにおける前記第２導電型のクラッド層上に形成された電流ブロック層とを備え、前記第１の長さは前記第２の長さよりも長く、前記第１領域及び前記第２領域における前記活性層の禁制帯幅は、その他の領域における前記活性層の禁制帯幅よりも大きいことを特徴とする。
また、前記第１の長さと前記第２の長さとの合計は、前記光共振器全長の１０％を超えないとしてもよい。
本発明の半導体レーザ装置は、第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のクラッド層とをこの順に積層して形成された光導波路の両端面を一対の反射面として形成された光共振器と、前記光共振器の、光出射端面から第１の長さまでに至る第１領域、及び反対側端面から第２の長さまでに至る第２領域それぞれにおける前記第２導電型のクラッド層上に形成された電流ブロック層とを備え、前記第１の長さは前記第２の長さよりも長く、前記第１領域及び前記第２領域における前記活性層の禁制帯幅は、その他の領域における前記活性層の禁制帯幅よりも大きいことを特徴とする。
この構成によれば、（光共振器の全長−（第１の長さ＋第２の長さ））が電流注入領域の長さとなるが、第１の長さが第２の長さよりも大きいので、第１の長さをある程度大きくしても、（第１の長さ＋第２の長さ）があまり大きくならない。このため、電流注入領域の大きさを確保しながら、光出射端面側に反対側よりも大きい電流非注入領域を設けることができる。
光出射端面側の電流非注入領域の長さを、電流注入領域から流れ込むキャリアが光出射端面にまで到達しない程度に大きくすることによって、光出射端面における近視野像の光強度分布が集中し、出射されるレーザ光の水平拡がり角が拡大する。
これにより、クラッド層の厚みや電流注入領域の大きさを最適化した上で、それとは独立して、水平拡がり角を拡大させることができるので、半導体レーザ装置の最適構成を見出す作業を簡明にし、半導体レーザ装置の設計を合理化する。
また、前記第１の長さと前記第２の長さとの合計は、前記光共振器全長の１０％を超えないとしてもよい。
この構成によれば、望ましい光出力が得られる電流注入領域を確保した上で、前述した効果を得ることができる。
本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら説明する。
（構造）
図１は、半導体レーザ装置１を示す斜視図である。
半導体レーザ装置１は、ｎ型半導体基板１１、ｎ型バッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、量子井戸型活性層１４、ｐ型第１クラッド層１５、エッチング停止層１６、ｐ型第２クラッド層１７、ｐ型キャップ層１８、電流ブロック層１９、及びｐ型コンタクト層２０が、この順に積層されてなる。見易さのため、ｐ型コンタクト層２０を透明に描いている。
ｎ型クラッド層１３からｐ型第２クラッド層１７までが光導波路を構成し、当該光導波路の光出射端面（紙面手前）と反対側端面とには図示しない反射膜がコーティングされ、光共振器を構成する。
光出射端面側の反射膜の反射率は、反対側の反射膜の反射率よりも低く形成される。これにより、光出射端面から強いレーザ光が出射され、反対側端面からは微弱なレーザ光が出射される。前者は主用途に利用され、後者は受光素子で受光され前者の出力強度のモニタとして利用される。
光導波路の両端面からそれぞれ所定の長さまでの領域は、不純物（例えばZn）の拡散によって無秩序化し、内部に比べて禁制帯幅（エネルギーバンドギャップ）を大きくした窓領域２１及び２２が設けられる。
ｐ型第２クラッド層１７とｐ型キャップ層１８とは、光共振器長方向にリッジ状に延設される。
電流ブロック層１９は、当該リッジの両脇、並びに、前記光導波路において窓領域２１を包含する第１領域上、及び窓領域２２を包含する第２領域上に形成される。
図２は、半導体レーザ装置１のＸ１−Ｘ１’断面を示す断面図であり、量子井戸型活性層１４の詳細な構造が示される。
量子井戸型活性層１４は、アンドープガイド層１４１、アンドープウェル層１４２、アンドープバリア層１４３、アンドープウェル層１４４、アンドープバリア層１４５、アンドープウェル層１４６、及びアンドープガイド層１４７が、この順に積層されてなる。
本実施の形態における各層の好適な膜厚、組成、キャリア濃度を表１に示す。
Figure 2005033077
 （窓領域２１、２２、及び電流ブロック層１９の形状の特徴）
窓領域とそれを覆う電流ブロック層とに、光導波路の端面の光学的破壊（COD:Catastrophic Optical Damage)を防止する機能があることは従来から知られている。ＣＯＤ防止のため、半導体レーザ装置の両端面それぞれから略同一の大きさに、窓領域とそれを覆う電流ブロック層とを対称に設ける技術は周知である。
半導体レーザ装置１では、従来と異なり、光出射端面側の窓領域２１とそれを覆う電流ブロック層１９とを、反対側の窓領域２２とそれを覆う電流ブロック層１９よりも大きく、非対称に設けることを特徴とする。
発明者らは、半導体レーザ装置１が、この形状によって、従来よりも大きな水平拡がり角θ‖を持ったレーザ光を出射することを確認した。その作用と特性データを後に詳述する。
（半導体レーザ装置１の製造方法）
半導体レーザ装置１の形状は、従来の典型的なリッジ型半導体レーザ装置と類似しているため、周知の方法で製造することができる。例えば、次のように製造してもよい。
ｎ型半導体基板１１上に、ｎ型バッファ層１２からｐ型キャップ層１８までを成長させた後、両端部に不純物（例えばZn）を拡散させ、前記窓領域を形成する。次に、全面にSiO2などの誘電体絶縁膜を形成し、ホトリソグラフィーにより、前記リッジの上面となるべき帯状領域のみSiO2を残し、当該帯状領域の両側のｐ型第２クラッド層１７とｐ型キャップ層１８とをエッチングする。そして、当該帯状領域の光出射端側の誘電体膜を反対側の誘電体膜よりも大きく除去し、残ったSiO2をマスクとして電流ブロック層１９を選択成長させる。最後に全ての誘電体膜を除去して、ｐ型コンタクト層２０を成長させる。
（ビーム整形領域とその作用）
半導体レーザ装置１が、前述した形状によって、従来よりも大きな水平拡がり角θ‖を持ったレーザ光を出射する作用について説明する。
図３は、当該半導体レーザ装置のＺ−Ｚ’断面におけるキャリア（正孔）の流れを示す概念図であり、Ｚ−Ｚ’断面に見られる主要部を示している。紙面の左が光出射端面である。
ここで、半導体レーザ装置１において、電流ブロック層１９に覆われｎ型コンタクト層２０から直接には電流を注入されない光導波路の領域を、電流非注入領域（又はその作用からビーム整形領域）と呼ぶ。
図示したように、光共振器の全長は８００μｍである。光導波路は、光出射端面から３５μｍまでの電流非注入領域２５、反対側端面から２５μｍまでの電流非注入領域２６、及びそれ以外の利得領域２７に区分される。窓領域２１は電流非注入領域２５に含まれ、窓領域２２は電流非注入領域２６に含まれる。
矢印２３は利得領域２７の端部でのキャリアの流れを表し、矢印２４は利得領域２７の中央部でのキャリアの流れを表す。利得領域２７の端部に注入されたキャリアは、窓領域２１が不純物の拡散によって低抵抗化されている影響を受け、電流非注入領域２５及び窓領域２１の内部にまで広がって流れる。
図４は、Ｘ１−Ｘ１’断面におけるキャリアの流れ、並びに、対応する位置における活性層の屈折率及び近視野像の光強度を示す概念図である。
Ｘ１−Ｘ１’断面におけるｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層は低抵抗化（窓化）されていないので、キャリアの拡がりは小さくリッジ幅の中央付近を集中して流れる。活性層１４の屈折率は、キャリアが注入されるとプラズマ効果によって低下し、屈折率が低下した領域では光閉じ込めが弱まることが知られているが、この断面において光閉じ込めが弱まる領域はリッジ幅の中央付近に限られ、近視野像の光強度はリッジ幅の中央に比較的よく集中する。
図５は、Ｘ２−Ｘ２’断面におけるキャリアの流れ、並びに、対応する位置における活性層の屈折率及び近視野像の光強度を示す概念図である。
Ｘ２−Ｘ２’断面におけるｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層は低抵抗化（窓化）されているので、利得領域の端部から流れ込んだキャリアが、リッジ幅の全体に広がって流れる。このため、屈折率の低下によって光閉じ込めが弱まる領域はリッジ幅の全体に渡り、近視野像の光強度は広範囲に広がる。
図６は、Ｘ３−Ｘ３’断面におけるキャリアの流れ、並びに、対応する位置における活性層の屈折率及び近視野像の光強度を示す概念図である。
Ｘ３−Ｘ３’断面におけるｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層は低抵抗化（窓化）されているが、利得領域の端部から流れ込んだキャリアは、この断面には到達しない。そのため、この断面において光閉じ込めが弱まる領域は存在せず、近視野像の光強度はリッジ幅の中央に強く集中する。
このように、半導体レーザ装置１は、光出射端面側の電流非注入領域を反対側の電流非注入領域よりも大きく設けて、利得領域の端部から流れ込んだキャリアが光出射端面にまで到達しないように構成される。これによって、光出射端面における近視野像の光強度がリッジ幅の中央に強く集中し、大きな水平拡がり角θ‖を持ったレーザ光を出射する。
なお、好適な光出力を得るための利得領域長を確保するために、電流非注入領域の長さの合計が光共振器全長の１０％を超えないことが望ましい。
（特性）
発明者らは、図３及び表１に示した断面構造を有し、光共振器の全長を８００μｍ、両端面の電流非注入領域長の合計を６０μｍと一定にした上で、光出射端面側の電流非注入領域長がそれぞれ異なる複数の半導体レーザ装置を作成した。
当該半導体レーザ装置を用いた実験によって得られた各種特性のデータを以下に示す。以降、出射端面側の電流非注入領域長を、ビーム整形領域長と称する。
図７は、ビーム整形領域長−ＣＯＤレベル及びキンクレベル特性を示すグラフである。
図示したように、ビーム整形領域長は、ＣＯＤレベル及びキンクレベルの何れにも、ほとんど関与しないことを確認した。
図８は、ビーム整形領域長−水平拡がり角特性を示すグラフである。
図示したように、ビーム整形領域長を３５μｍ以上とした場合に、（１）３０ｍＷ及び５ｍＷの何れの光出力時にも、水平拡がり角が約１度広がること、及び（２）光出力を変えた場合の水平拡がり角の変動が抑制されることを確認した。
図９は、ビーム整形領域長−非点収差特性を示すグラフである。
図示したように、ビーム整形領域長を４５μｍ以下とした場合に、光出力を変えた場合の非点収差の変動が比較的小さくなることを確認した。
これらの特性データは、望ましいＣＯＤレベル及びキンクレベルが得られるよう、半導体レーザ装置の断面構造と利得領域の長さとを好適に設計した上で、それとは独立して、ビーム整形領域の長さを３５μｍ以上とすれば、当該ＣＯＤレベル及びキンクレベルを損なうことなく、従来よりも大きな水平拡がり角を持ったレーザ光が得られることを示している。
また、ビーム整形領域の長さを３５μｍ以上とすれば、光出力に応じた水平拡がり角の変動が抑制され、光出力の最大値や光学系に関する設計マージンを縮小できることも示している。
このように、断面構造と利得領域の長さとに依存する各種特性とレーザ光の水平拡がり角とが独立に管理可能となること、及び光出力に応じた水平拡がり角の変動が抑制されることによって、半導体レーザ装置の設計が合理化され、その結果、良好な特性の半導体レーザ装置を従来よりも簡明に設計することが可能となる。
（２波長半導体レーザ装置への適用例）
図１０は、本発明を適用した２波長半導体レーザ装置３を示す斜視図である。
２波長半導体レーザ装置３は、単一のn-GaAs基板上に、モノリシック集積化プロセスを用いて、AlGaAs系の赤外半導体レーザ装置３１と、InGaAlP系の赤色半導体レーザ装置３２とが形成されてなる。
２波長半導体レーザ装置３は、赤外半導体レーザ装置３１及び赤色半導体レーザ装置３２の一方又は両方において、光出射端面側に反対側よりも大きな電流非注入領域が設けられることを特徴とする。
なお、モノリシック集積化プロセスを用いた２波長半導体レーザ装置の製造方法は、例えば、特開２００１−２１７５０４号公報に開示されている。
（溝型半導体レーザ装置への適用例）
図１１は、本発明を適用した溝型半導体レーザ装置４を示す斜視図である。
溝型半導体レーザ装置４は、GaAs基板４１、バッファ層４２、ｎ型第１クラッド層４３、ｎ型第２クラッド層４４、量子井戸型活性層４５、ｐ型第１クラッド層４６、ｐ型第２クラッド層４７、電流ブロック層４８、ｐ型第３クラッド層４９、及びコンタクト層５０が、この順に積層されてなる。見易さのため、ｐ型第３クラッド層４９、及びコンタクト層５０を透明に描いている。
ｎ型第１クラッド層４３からｐ型第３クラッド層４９までが光導波路を構成し、当該光導波路の光出射端面（紙面手前）と反対側端面とには図示しない反射膜がコーティングされ、光共振器を構成する。
光導波路の両端面からそれぞれ所定の長さまでの領域５１及び５２は、無秩序化により窓領域とされる。
電流ブロック層４８は、ｐ型第２クラッド層４７とｐ型第３クラッド層４９との間の、光共振器の全長にわたる帯状領域の中央部を除外した領域に埋設される。
図示したように、光共振器の全長は８００μｍである。光共振器の光出射端面から３５μｍまでの領域、及び反対側端面から２５μｍまでの領域には、電流ブロック層４８が埋設され、光出射端面側の電流非注入領域にビーム整形作用が与えられる。
（青紫色半導体レーザ装置への適用例）
図１２は、本発明を適用した青紫色半導体レーザ装置６を示す斜視図である。
青紫色半導体レーザ装置６は、ｎ型GaN基板６１、ｎ型AlGaNクラッド層６２、量子井戸型活性層６３、ｐ型AlGaNクラッド層６４、電流ブロック層６５、ｐ型GaNコンタクト層６６が、この順に積層されてなる。見易さのため、ｐ型GaNコンタクト層６６を透明に描いている。
ｎ型AlGaNクラッド層６２からｐ型AlGaNクラッド層６４までが光導波路を構成し、当該光導波路の光出射端面（紙面手前）と反対側端面とには図示しない反射膜がコーティングされ、光共振器を構成する。
光導波路の両端面からそれぞれ所定の長さまでの領域６７及び６８は、無秩序化により窓領域とされる。
図示したように、青紫色半導体レーザ装置６における光共振器の全長は８００μｍである。光共振器の光出射端面から４０μｍまでの領域、及び反対側端面から３０μｍまでの領域には、電流ブロック層６５が覆設され、光出射端面側の電流非注入領域にビーム整形作用が与えられる。
本発明に係る半導体レーザ装置は、例えば光ディスク装置における光ピックアップに利用できる。
実施の形態における半導体レーザ装置を示す斜視図である。 当該半導体レーザ装置のＸ１−Ｘ１’断面図である。 当該半導体レーザ装置のＺ−Ｚ’断面におけるキャリアの流れを示す概念図である。 当該半導体レーザ装置のＸ１−Ｘ１’断面におけるキャリアの流れ、活性層の屈折率、及び光強度を示す概念図である。 当該半導体レーザ装置のＸ２−Ｘ２’断面におけるキャリアの流れ、活性層の屈折率、及び光強度を示す概念図である。 当該半導体レーザ装置のＸ３−Ｘ３’断面におけるキャリアの流れ、活性層の屈折率、及び光強度を示す概念図である。 当該半導体レーザ装置のビーム整形領域長−ＣＯＤ／キンクレベル特性を示すグラフである。 当該半導体レーザ装置のビーム整形領域長−水平拡がり角特性を示すグラフである。 当該半導体レーザ装置のビーム整形領域長−非点収差特性を示すグラフである。 本発明を適用した２波長半導体レーザ装置を示す斜視図である。 本発明を適用した溝型導波路半導体レーザ装置を示す斜視図である。 本発明を適用した青色半導体レーザ装置を示す斜視図である。
符号の説明
１ 半導体レーザ装置
３ ２波長半導体レーザ装置
４ 溝型半導体レーザ装置
６ 青紫色半導体レーザ装置
１１ ｎ型半導体基板
１２ ｎ型バッファ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 量子井戸型活性層
１５ ｐ型第１クラッド層
１６ エッチング停止層
１７ ｐ型第２クラッド層
１８ ｐ型キャップ層
１９ 電流ブロック層
２０ ｐ型コンタクト層
２１、２２ 窓領域
２３、２４ キャリアの流れ
２５、２６ 電流非注入領域
２７ 利得領域
３１ 赤外半導体レーザ装置
３２ 赤色半導体レーザ装置
４１ GaAs基板
４２ バッファ層
４３ ｎ型第１クラッド層
４４ ｎ型第２クラッド層
４５ 量子井戸型活性層
４６ ｐ型第１クラッド層
４７ ｐ型第２クラッド層
４８ 電流ブロック層
４９ ｐ型第３クラッド層
５０ コンタクト層
５１、５２ 窓領域
６１ ｎ型GaN基板
６２ ｎ型AlGaNクラッド層
６３ 量子井戸型活性層
６４ ｐ型AlGaNクラッド層
６５ 電流ブロック層
６６ ｐ型GaNコンタクト層
６７、６８ 窓領域
１４１、１４７ アンドープガイド層
１４２、１４４、１４６ アンドープウェル層
１４３、１４５ アンドープバリア層
１４７ アンドープガイド層

Claims (2)

  1. 第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のクラッド層とをこの順に積層して形成された光導波路の両端面を一対の反射面として形成された光共振器と、
    前記光共振器の、光出射端面から第１の長さまでに至る第１領域、及び反対側端面から第２の長さまでに至る第２領域それぞれにおける前記第２導電型のクラッド層上に形成された電流ブロック層と
    を備え、
    前記第１の長さは前記第２の長さよりも長く、
    前記第１領域及び前記第２領域における前記活性層の禁制帯幅は、その他の領域における前記活性層の禁制帯幅よりも大きい
    ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記第１の長さと前記第２の長さとの合計は、前記光共振器全長の１０％を超えない
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
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