JP2006032437A - 半導体レーザおよびこれを用いた光装置 - Google Patents

半導体レーザおよびこれを用いた光装置 Download PDF

Info

Publication number
JP2006032437A
JP2006032437A JP2004205240A JP2004205240A JP2006032437A JP 2006032437 A JP2006032437 A JP 2006032437A JP 2004205240 A JP2004205240 A JP 2004205240A JP 2004205240 A JP2004205240 A JP 2004205240A JP 2006032437 A JP2006032437 A JP 2006032437A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
semiconductor laser
type cladding
cladding layer
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004205240A
Other languages
English (en)
Inventor
Shoji Hirata
照二 平田
Daisuke Imanishi
大介 今西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2004205240A priority Critical patent/JP2006032437A/ja
Priority to US11/175,561 priority patent/US20060007975A1/en
Publication of JP2006032437A publication Critical patent/JP2006032437A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/125—Optical beam sources therefor, e.g. laser control circuitry specially adapted for optical storage devices; Modulators, e.g. means for controlling the size or intensity of optical spots or optical traces
    • G11B7/127—Lasers; Multiple laser arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H01S5/0651—Mode control
    • H01S5/0653—Mode suppression, e.g. specific multimode
    • H01S5/0655—Single transverse or lateral mode emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/204—Strongly index guided structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3054—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure p-doping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
    • H01S5/3213—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities asymmetric clading layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32325—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm red laser based on InGaP

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Head (AREA)

Abstract

【課題】 ｐ型クラッド層における電子のオーバーフローを抑制し、温度特性および発光効率を向上させることができる半導体レーザを提供する。
【解決手段】 ｐ型クラッド層１７の厚みは０．７μｍ以下であり、厚みの減少分だけ直列抵抗および排熱抵抗が減少すると共に力学的に平均結晶格子不整合度（Δａ／ａ）をΔａ／ａ＞＋３×１０-3とすることができる。これにより、ｐ型不純物である亜鉛が活性化されて活性層１５にまで拡散して活性層１５が非発光センター化するのを防ぐことができると共に、亜鉛のドープ量を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることができる。これにより、ｐ型クラッド層１７中のキャリア濃度が増加されて直列抵抗が減少し、また、ｐ型クラッド層１７のフェルミレベルがスロープ状になり、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生が抑制される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム・ガリウム・インジウム・リン）系化合物半導体材料からなる半導体レーザ、およびこれを用いた光記録・再生装置や表示装置などの光装置に関する。
半導体レーザは、電子と正孔とが活性層で再結合することにより光を放射する。しかし、半導体レーザの構成材料によっては、活性層で再結合を起こすためにとどまっていなければならない電子や正孔が活性層から溢れ出すキャリアオーバーフロー現象がみられる。このようにキャリアオーバーフローが増加することは発光効率の低下を意味する。このキャリアオーバーフローの生じ易さ（活性層への電子または正孔の閉じ込めの強さ）はコンダクションバンド障壁の大きさ、すなわち活性層の偽フェルミレベルとクラッド層のフェルミレベルとの差ΔＥｃの大きさで決定される（例えば、非特許文献１参照。）
一般に、波長が８００ｎｍ付近の光を発光させるＡｌＧａＡｓ（アルミニウム・ガリウム・砒素）系材料を用いた半導体レーザや、４００ｎｍ付近のＧａＮ（窒化ガリウム）系材料を用いた半導体レーザでは、コンダクションバンド障壁が十分に大きいため、安定な高温、高出力動作が得られる。具体的には、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いて作成された８０８ｎｍ赤外域のＷクラス高出力レーザでは約５０％の発光効率が得られている。
しかし、ＩｎＧａＡｓＰ系材料によりダブルへテロ構造に形成された赤色の半導体レーザでは、図２３に示したように発振波長を６４０ｎｍより短くするために、活性層のバンドギャップを大きくとる必要があり、これによりコンダクションバンド障壁が小さくなり、キャリアオーバーフローが増え、６０℃を超えた温度ではその動作の信頼性が低下するという問題があった。
このような温度特性の低下はＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いて作製された半導体レーザに特有のものであり、発光効率は良好なものでも２０％程度しか得られていない。また、２００ｍＷクラスの光ディスクの書き込み用半導体レーザの特性温度を比較すると、ＣＤ−Ｒ(Compact Disc Recordable) 用の半導体レーザの特性温度は約１５０Ｋ程度であるが、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk) 書き込み用の半導体レーザの特性温度は１００Ｋにしか過ぎない。特に、赤色レーザは民生用として広く用いられているため、広い温度範囲で安定して使えることが強く要求されている。
温度特性を改善するために、今までに様々な試みがなされてきた。そのなかには、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザにおいて、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓ基板に対して２．０×１０-4以上３．０×１０-3以下の格子不整合を有するｎ型（Ａｌx1Ｇａ1-x1）1-y1Ｉｎy1Ｐクラッド層、（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ光導波層、Ｇａ1-z Ｉｎz Ｐ量子井戸層と（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ障壁層とからなるＭＱＷ(Multi Quantum Well ：多重量子井戸) 構造の活性層、（Ａｌx2Ｇａ1-x2）1-y2Ｉｎy2Ｐ光導波層およびｐ型（Ａｌx1Ｇａ1-x1）1-y1Ｉｎy1Ｐクラッド層を順次積層して設ける方法（例えば、特許文献１参照）や、基板よりも大きい格子定数を有し＋歪みを含むと共に不純物である亜鉛を含まない層を活性層と亜鉛を含む層との間に設ける方法（例えば、特許文献２参照）などにより、ｐ型クラッド層中に含まれる不純物が拡散して活性層中に入り込むのを防ぎつつ、不純物濃度を高くしてｐ型クラッド層からの発熱や発熱によるキャリアオーバーフローを防ぐ対策が検討されてきた。
Ｍ．コンドウ（M.Kondow）、外５名，ＧａＩｎＮＡｓ：優れた高温特性を有する長波長帯のレーザダイオードの新材料（GaInNAs:A novel material for long-wavelength-range laser diodes with excellent high-temperature performance ），「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Japanese Journal of Applied Physics ）」，１９９６年２月，第３５巻，第１部，第２Ｂ号，ｐ．１２７３−１２７５ 特開平１１−８７８３１号公報 特開２００４−４７９６２号公報
上述のように、従来、温度特性を改善するために、種々の試みがなされているが、特許文献１の方法を用いても赤色レーザの高出力化を図るには、ｐ型クラッド層への不純物の添加量を更に増加させて発熱を抑制する必要があり、また、特許文献２の方法では、不純物（亜鉛）を含む層を形成する工程に加え、更に不純物（亜鉛）を含まない層を形成する工程を設けなければならず、製造プロセス的な負荷が増加するなどの問題があった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｐ型クラッド層におけるキャリアオーバーフロー現象を抑制し、かつ温度特性を向上させることができる半導体レーザおよびこれを用いた光装置を提供することにある。
本発明による第１の半導体レーザは、基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えたものであって、ｐ型クラッド層の厚みを０．７μｍ以下としたものである。
ここで、ｐ型クラッド層は＋歪（圧縮歪）を有するものとし、その基板に対する平均結晶格子不整合度Δａ／ａ（Δａは、ｐ型クラッド層の結晶格子定数と基板の結晶格子定数との差，ａは基板の結晶格子定数を表す）を＋３×１０-3以上とすることが好ましく、また、ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物（例えば亜鉛）の濃度を、２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下とすることが好ましい。
本発明による第２の半導体レーザは、基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えたものであって、ｐ型クラッド層の厚みを０．７μｍ以下とすると共に、活性層の発光領域におけるストライプ幅を１０μｍ以上とし、かつ共振器長を７００μｍ以上としたものである。
本発明による光装置は、上記第１または第２の半導体レーザを備えたものである。
本発明による第１の半導体レーザは、ｐ型クラッド層の厚みが０．７μｍ以下と薄いので、従来に比べて層厚の減少分だけ直列抵抗および排熱抵抗が減少し、また、力学的に平均結晶格子不整合度をΔａ／ａ＞＋３×１０-3とすることが可能となる。このようにｐ型クラッド層中の平均結晶格子不整合度が増加されていることにより、ｐ型不純物としての亜鉛のドープ量を、２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることができると共に、添加された亜鉛を活性化させて亜鉛が活性層にまで拡散するのが抑制され、活性層が非発光センター化することを防ぐことができる。このように亜鉛のドープ量を増加、すなわちｐ型クラッド層中のキャリア濃度を増加させることにより、さらに直列抵抗が減少すると共に、ｐ型クラッド層のフェルミレベルがスロープ状となる。ｐ型クラッド層のフェルミレベルがスロープ状となることにより、フェルミレベルの実効値が増加してもｐ型クラッド層のバンドギャップが増加しないため、高い駆動電圧Ｖopを印加せずに済む。以上の作用により発熱が抑制され、また、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生が抑制される。
本発明による第２の半導体レーザは、基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えたものであって、ｐ型クラッド層の厚みは０．７μｍ以下であり、活性層の発光領域におけるストライプ幅が１０μｍ以上且つ共振器長が７００μｍ以上のものであるので、高出力化されると共に発熱が抑制され、また、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生が抑制される。
本発明による光装置は上記第１または第２の半導体レーザを備えたものであるので、温度特性が向上する。
本発明の第１の半導体レーザによれば、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｐ型クラッド層の厚みを０．７μｍ以下に薄くするようにしたので、直列抵抗および排熱抵抗が減少して、温度上昇を抑制することができると共に、ｐ型クラッド層における電子のオーバーフローを抑制することができる。よって、温度特性および発光効率が向上すると共に信頼性が向上する。
特に、ｐ型クラッド層に＋歪を導入し、基板に対する平均結晶格子不整合度Δａ／ａを＋３×１０-3以上とすることにより、ｐ型不純物としての亜鉛のドープ量を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることができると共に、添加された亜鉛を活性化させて亜鉛が活性層にまで拡散するのを防ぎ、活性層が非発光センター化することを抑制することができる。
また、このように亜鉛のドープ量を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることにより、ｐ型クラッド層中のキャリア濃度が増加してさらに直列抵抗を減少させることができると共に、ｐ型クラッド層のフェルミレベルをスロープ状にすることができる。よって、ｐ型クラッド層のバンドギャップを増加させずにフェルミレベルの実効値を増加させることができ、そのため高い駆動電圧を印加する必要がなくなることから発熱が抑制され、また、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生を抑制することができる。
また、本発明の第２の半導体レーザによれば、ｐ型クラッド層の厚みを０．７μｍ以下とすると共に、活性層の発光領域におけるストライプ幅を１０μｍ以上とし、かつ共振器長を７００μｍ以上とするようにしたので、高出力化が可能となり、直列抵抗および排熱抵抗を減少させて、その温度上昇を抑制することができ、また、ｐ型クラッド層における電子のオーバーフローを抑制することができる。よって、温度特性および発光効率が向上し、信頼性も向上する。
特に、共振器長を７００μｍ以上１０００μｍ以下とした場合において、光取り出し側の発光領域の端面反射率を１０％以上３０％以下とし、光取り出し側と反対側の発光領域の端面反射率を９０％以上とすることにより、より高い効果を得ることができる。
また、共振器長を１０００μｍ以上とした場合において、光取り出し側の発光領域の端面反射率を２％以上１５％以下とし、光取り出し側と反対側の発光領域の端面反射率を９０％以上とすることにより、より高い効果を得ることができる。
更に、活性層において導波される光モード（導波光モード）の閉じ込め係数Γに対する活性層の厚みｄの関係を、ｄ／Γ≦０．３μｍとすることにより、より高い効果を得ることができる。
また、本発明の光装置では、上記本発明による第１または第２の半導体レーザを備えるようにしたので、温度特性が向上し、広い温度範囲で安定して使用することができると共に、出力波長が安定化し、信頼性あるいは色再現性が向上する。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構造を表すものである。この半導体レーザ１０は、例えば、基板１１の一面側に、ｎ型クラッド層１２，第１ｎ型ガイド層１３，第２ｎ型ガイド層１４，活性層１５，ｐ型ガイド層１６，ｐ型クラッド層１７，中間層１８およびｐ側コンタクト層１９がこの順に積層され、ｐ型クラッド層１７，中間層１８およびｐ側コンタクト層１９を含む領域に埋め込み層２０が形成されている。
基板１１は、例えば、積層方向における厚み（以下、単に厚みという）が１００μｍであり、ケイ素（Ｓｉ）あるいはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＡｓにより構成されている。
ｎ型クラッド層１２は、例えば、厚みが０．８μｍであり、ケイ素あるいはセレンなどのｎ型不純物を添加したｎ型ＡｌＩｎＰ混晶により構成されている。なお、ｎ型クラッド層１２の厚みは後述するｐ型クラッド層１７にならって０．８μｍと薄めにしているが、１．０μｍ以上の厚みにしてもよい。これは、ｎ型のクラッド層１２が直列抵抗成分の上昇にそれほど寄与しないことと、排熱上もヒートシンクから遠いためｎ型クラッド側１２の厚みはそれほど問題とならないことなどの理由からである。但し、製作上の時間短縮の点から必要以上に厚くする必要はない。
第１ｎ型ガイド層１３および第２ｎ型ガイド層１４は、例えば、厚みがそれぞれ１００ｎｍであり、第１ｎ型ガイド層１３はＡｌ0.5 Ｇａ0.5 ＩｎＰ混晶により構成され、第２ｎ型ガイド層１４はＡｌ0.6 Ｇａ0.4 ＩｎＰ混晶により構成されている。第１ｎ型ガイド層１３および第２ｎ型ガイド層１４は、不純物を含まなくてもよいし、または、ケイ素あるいはセレンなどのｎ型不純物が添加されていてもよい。
活性層１５は、例えば、厚みが１２ｎｍであり、ＧａＩｎＰ混晶により構成されている。活性層１５に含まれるインジウム組成は、例えば０．５程度であることが好ましい。基板１１を構成するＧａＡｓと格子整合させることができるからである。
ｐ型ガイド層１６は、例えば、厚みが１００ｎｍであり、Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 ＩｎＰ混晶により構成されている。ｐ型ガイド層１６は、不純物を含まなくてもよいし、または、亜鉛（Ｚｎ）あるいはマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物が添加されていてもよい。
また、図２に示したように、本実施の形態では、第１ｎ型ガイド層１３および第２ｎ型ガイド層１４と、ｐ型ガイド層１６とを活性層１５を中心にして非対称な厚みを有するように構成にし、導波光モードを広げる、すなわち閉じ込め係数Γの値を小さくすることができるようになっている（図２中のＢ）。この理由は、特に高出力レーザの場合、クラッド層（１２，１７）を薄くして狭い範囲で光を閉じ込めて活性層１５に光を集中させると（図２中のＡ）、クラッド層（１２，１７）および活性層１５を形成している材料が劣化するからである。更に、ｎ側のガイド層の厚みを厚めにするか、ｎ側のガイド層の数を増やすかもしくはｎ側のガイド層の屈折率を高めにするように構成し、導波光モードをｎ側に引き込むようにしている（図２中のＢ）。この理由は、後述する層厚が薄いｐ型クラッド層１７でもｐ側コンタクト層１９などに光が漏れる（図２中のＣのＣ1 部分）のを抑制し、十分に導波光モードを閉じ込めることができるようにするためである。
また、本実施の形態では第１および第２のｎ側ガイド層を積層してｎ側に導波光モードを引き込むようにしたが、光強度の分散による光の損失とｐ側コンタクト層１９に光が漏れることによる光の損失とのバランスを考慮し、必要に応じてさらにｎ型ガイド層を設けるようにしてもよい。
本実施の形態に係るｐ型クラッド層１７は、例えば、厚みが０．６μｍであり、亜鉛あるいはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＡｌＩｎＰ混晶により構成されている。なお、本実施の形態においてはｐ型不純物として亜鉛を用いた場合について説明する。従来のｐ型クラッド層の一般的な厚みは約１．５μｍ程度であるが、上述したように従来の半分以下、具体的には０．７μｍ以下の厚みにすることにより、ｐ型クラッド層１７の直列抵抗Ｒs が厚みの減少分だけ低下しその低下した分に相当する発熱量（ΔＲs ×（Ｉop）2 、但し、Ｉopは駆動電流）を低減することができ、また、排熱抵抗Ｒthも減少し、発生した熱を効率良く放出させることができるようになっている。これらの相乗効果により駆動時の半導体レーザの温度上昇を抑えることができるものである。
また、ｐ型クラッド層１７の基板１１に対する平均結晶格子不整合度Δａ／ａ（但し，Δａはｐ型クラッド層の結晶格子定数と基板の結晶格子定数との差，ａは基板の結晶格子定数を表す）は＋３×１０-3以上の値である。前述したように、従来のｐ型クラッド層の厚みは１．５μｍ以上と厚く、ｐ型クラッド層１７に＋歪を導入することが力学的に困難であった（臨界膜厚を越えてしまう）ため、ｐ型クラッド層における平均結晶格子不整合度は３．０×１０-3以下程度に留まっていた（特許文献１参照）。しかし、本実施の形態に係るｐ型クラッド層１７の厚みが０．７μｍ以下と非常に薄く形成されていることにより、ｐ型クラッド層１７にさらに多くの＋歪を導入することが可能となっている。
さらに、ｐ型クラッド層１７におけるｐ型不純物である亜鉛のドープ量は２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下と、従来（７×１０17程度）よりも高くなっている。これにより、図３に示したようにｐ型クラッド層１７のフェルミレベルをスロープ状にすることができ、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生を抑制することができ、また、ｐ型クラッド層１７のバンドギャップ（Ｅg ）を増加させることなくｐ型クラッド層１７のフェルミレベルの実効値を大きくすることができるので、駆動電圧Ｖopを高くする必要がなく発熱も抑制することができるようになっている。
通常、このように多量の不純物を添加すると、ｐ型クラッド層１７の結晶中で亜鉛が不活性化して拡散しやすくなり、不活性化した亜鉛が活性層１５にまで拡散すると活性層１５が非発光センター化して素子の信頼性を損なうことが多かった。しかし、本実施の形態では、上述のように平均結晶格子不整合度が増加されていることにより、亜鉛のドープ量（ｐドープ量）を増加させることが可能となり、ｐ型クラッド層１７中のキャリアが増加し、ｐ型クラッド層１７の直列抵抗Ｒs が低下して発熱が抑制され、加えて、ドープされた亜鉛が活性化されて亜鉛の拡散が抑制される。
中間層１８は、ｐ側コンタクト層１９とｐ型クラッド層１７とのバンドギャップの変化をスムースに繋ぎ、ホール注入を容易にするためのものである。中間層１８は、例えば、厚みが３０ｎｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＩｎＰにより構成されている。
ｐ側コンタクト層１９は、例えば、厚みが０．２μｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。
このうち、ｐ型クラッド層１７における２つの埋め込み層２０Ａ，２０Ｂに挟持された部分、中間層１８およびｐ側コンタクト層１９は、細い帯状（図１においては紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）の突条部（リッジ）２１となっている。この突条部２１は、活性層１５の電流注入領域を制限するためのものであり、活性層１５の突条部２１に対応する部分が電流注入領域となっている。
ｐ側コンタクト層１９の上面に形成された埋め込み層２０を開口してｐ側電極２３を形成することにより、ｐ側コンタクト層１９とｐ側電極２３とが電気的に接続されている。ｐ側電極２３は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、基板１１の裏側には、ｎ側電極２２が形成されている。ｎ側電極２２は、例えばＡｕＧｅ：Ｎｉおよび金（Ａｕ）を順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、基板１１と電気的に接続されている。
更に、図４に示したように、この半導体レーザ１０では共振器方向において対向する一対の側面が共振器端面（１５Ｂ，１５Ｃ）となっており、共振器端面（１５Ｂ，１５Ｃ）には反射鏡膜（図示せず）がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうちフロント端面（光取り出し側）反射率Ｒf は低反射率となるように、リア端面反射率Ｒr は高反射率となるようにそれぞれ調整されている。これにより、活性層１５において発生した光ｈ3 は一対の共振器端面（１５Ｂ，１５Ｃ）の間を往復（共振）して増幅され、低反射率側の発光領域１５Ａからレーザビーム（出射光）ｈ4 として出射するようになっている。
本実施の形態に係る半導体レーザ１０は、発光領域１５Ａのストライプ幅Ｗを２μｍ程度にしてシングルモードを維持したナロウストライプレーザとした場合、２００ｍＷ〜３００ｍＷクラス出力が可能となり、例えば、ＤＶＤ用書き込みレーザとして活用することができる。
この半導体レーザ１０は、次のようにして製造することができる。
まず、例えば、上述した厚みおよび材料よりなる基板１１の表面に、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：有機金属気相成長）法により、それぞれ上述した厚みおよび材料よりなるｎ型クラッド層１２，第１ｎ型ガイド層１３，第２ｎ型ガイド層１４，活性層１５，ｐ型ガイド層１６，ｐ型クラッド層１７，中間層１８およびｐ側コンタクト層１９を順に積層する。その際、ｐ型クラッド層１７を、平均結晶格子不整合度がΔａ／ａ＞＋３×１０-3となるようにインジウムの組成比を調整した（Ａｌx Ｇａ1-x ）1-y Ｉｎy Ｐ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ＜１）混晶を用い、更にｐ型不純物である亜鉛を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲でドープしながら層厚が０．７μｍ以下となるように形成する。
ここで、ｐ型クラッド層１７の形成材料である（Ａｌx Ｇａ1-x ）1-y Ｉｎy Ｐ混晶におけるインジウムの組成比を、ｙ＝( ５．６５４×Δａ／ａ＋０．１０５５６）／０．２１７３６で表される式から求め、例えば、平均結晶格子不整合度（Δａ／ａ）が＋３×１０-3とする場合、インジウムの組成比を５６．３７％（ｙ＝０．５６３７）とする。なお、ＧａＡｓへの格子整合条件と比較した場合、ｙ＝０．４８５６となり、インジウムの組成が７．８％ほど高くなる。
そののち、エッチングを行い、ｐ型クラッド層１７、中間層１８およびｐ側コンタクト層１９の一部を選択的に除去し、細い帯状の突条部２１とする。突条部２１を形成したのち、その両側およびｐ側コンタクト層１９上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ；化学気相成長）法により、上述した材料を積層することにより埋め込み層２０を形成する。
埋め込み層２０を形成したのち、例えば、基板１１の裏側を研削して基板１１の厚みを１００μｍ程度とし、基板１１の裏側にｎ側電極２２を形成する。また、埋め込み層２０に、例えばエッチングにより、ｐ側コンタクト層１９に対応して開口を設け、ｐ側コンタクト層１９上に、ｐ側電極２３を形成する。ｎ側電極２２およびｐ側電極２３を形成したのち、基板１１を所定の大きさに整え、ｐ側コンタクト層１９の長さ方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザ１０が形成される。
この半導体レーザ１０では、ｎ側電極２２とｐ側電極２３との間に所定の電圧が印加されると、突条部２１により電流狭窄され、活性層１５に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、図示しない一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。
ここでは、ｐ型クラッド層１７の厚みが０．７μｍ以下と従来よりも薄くなっているので、厚みの減少分だけ直列抵抗Ｒs および排熱抵抗Ｒthが減少し、また、力学的に平均結晶格子不整合度（Δａ／ａ）をΔａ／ａ＞＋３×１０-3とすることが可能となる。このようにｐ型クラッド層１７中の平均結晶格子不整合度が増加されることにより、ｐ型不純物である亜鉛が活性化されて活性層１５にまで拡散し活性層１５が非発光センター化するようなことがなくなり、また、亜鉛のドープ量を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることが可能となる。亜鉛のドープ量が増加されることにより、ｐ型クラッド層１７中のキャリア濃度が増加して直列抵抗Ｒs が更に減少し、また、ｐ型クラッド層１７のフェルミレベルをスロープ状にすることができる。そして、このｐ型クラッド層１７のフェルミレベルがスロープ状となることにより、フェルミレベルの実効値が増加してもｐ型クラッド層１７のバンドギャップ（Ｅg ）が増加しないため駆動電圧Ｖopを高くする必要がなくなり、よって発熱が抑制され、また、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生が抑制される。これにより、温度特性および発光効率が向上し、信頼性も向上する。
このように本実施の形態の半導体レーザ１０では、ｐ型クラッド層１７を０．７μｍ以下と従来よりも薄く形成するようにしたので、直列抵抗Ｒs および排熱抵抗Ｒthを減少させて温度上昇を抑制することができ、また、ｐ型クラッド層１７等における電子のオーバーフローを抑制することができる。よって、温度特性を向上させることができ、また、信頼性も向上させることができる。
特に、ｐ型クラッド層１７中の平均結晶格子不整合度（Δａ／ａ）をΔａ／ａ＞＋３×１０-3とすることにより、ドープした亜鉛を活性化させて亜鉛が活性層１５にまで拡散するのを抑制し、よって、活性層１５が非発光センター化することを抑制すると共に、亜鉛のドープ量を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることが可能となる。
また、本実施の形態では、このように亜鉛のドープ量を２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下の範囲まで増加させることができることから、ｐ型クラッド層１７中のキャリア（亜鉛）濃度を増加させ、さらに直列抵抗Ｒs を減少させ、また、ｐ型クラッド層１７のフェルミレベルをスロープ状にすることができる。
そして、このようにｐ型クラッド層１７のフェルミレベルがスロープ状となることにより、フェルミレベルの実効値を増加させてもｐ型クラッド層１７のバンドギャップ（Ｅg ）を増加させないため高い駆動電圧Ｖopを印加する必要がなく、よって発熱を抑制し、また、電子のオーバーフローによる漏れ電流の発生を抑制することができる。これにより、温度特性および発光効率を向上させ、信頼性も向上させることができる。
加えて、この半導体レーザ１０をサブマウントおよびヒートシンクを用いて排熱を行うことが好ましく、その際、サブマウントおよびヒートシンクを半導体レーザ１０のｐ極性側に設けること（ｐサイドダウン）により、より高い排熱効果を得ることができる。この理由はｎ極性側の厚い基板層を介さずに排熱することができるからである。
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、第１の実施の形態と同一構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
〔第２の実施の形態〕
図５に示した第２の実施の形態に係る半導体レーザ１０は、ストライプ幅Ｗが１０μｍ以上に構成され、更に半導体レーザ１０のｐ極性側を下にして、ヒートシンク２４、サブマウント２５、半田層２６およびｐ側電極２３の順に溶接して実装したことを除いては、上記第１の実施の形態に係る半導体レーザ１０と同一の構成を有するものである。この半導体レーザ１０は、ストライプ幅Ｗが１０μｍ以上に形成されていることにより、３００ｍＷ以上の出力が可能であり、例えば光ディスク装置、表示装置、加工用レーザ機器、医療機器および印刷用等の高出力レーザとして活用することができるものである。
更に、ストライプ幅Ｗおよび共振器長Ｌに対応して、光取り出し側のフロント端面１５Ｂのフロント端面反射率Ｒf 、およびリア端面１５Ｃのリア端面反射率Ｒr の適切な範囲と、活性層１５における導波光モードの閉じ込め係数Γに対する活性層１５の厚みｄa の関係（ｄa ／Γ）とをそれぞれ規定することにより、温度特性および発光効率が向上し、信頼性も向上させることができるようになっている。その際、ストライプ幅Ｗ、共振器長Ｌ、フロント端面反射率Ｒf およびリア端面反射率Ｒr は以下のような計算方法により算出した。なお、主要なパラメータは以下のとおりである。Ｔo は特性温度、Ｊo は透明化電流密度、ｄa は活性層の厚み、ｄc はｐ型クラッド層の厚み、Ｒthは排熱抵抗、Ｐf はフロント光出力およびＴc はヒートシンク温度である。
まず、数１により、閾値電流密度Ｊthを求める。ここで、ηi は内部量子効率、αi は導波ロス、Γは活性層部への光閉じ込め係数、Ｊl はリーク電流密度、βは利得因子（電流密度と得られるゲインの比例係数）を表し、βは、赤色材料の場合、２．３×１０-2ｃｍ・μｍ／Ａ程度の値である。
Figure 2006032437
続いて、閾値ＩthはＪthに活性層面積をかけることで数２のように求まり、外部微分効率は数３のように求まる。
Figure 2006032437
Figure 2006032437
ここで、αm は数４で表される。
Figure 2006032437
ところで活性層１５から生じる光の微分効率ηf は数５で表される。
Figure 2006032437
更に経験式より、温度に依存する閾値Ｉth（Ｔ）は数６のように表され、温度に依存する微分効率ηd （Ｔ）は数７のように表される。
Figure 2006032437
Figure 2006032437
ここで、本実施の形態では赤色材料を用いているので、Ｔ0 ＝５０Ｋ〜１００Ｋ、ｋt ＝５×１０-5の範囲の値をそれぞれ代入する。以上により、フロント光出力Ｐf は数８のように求まる。
Figure 2006032437
次に、発熱および半導体レーザ１０の温度上昇を評価するために、素子内の直列抵抗Ｒs を数９により、また、熱抵抗Ｒthを数１０によりそれぞれ求める。
Figure 2006032437
Figure 2006032437
ここで、ｒs は、単位共振器長，単位ストライプ幅および単位クラッド層厚あたりの素子内直列抵抗であり、ｒthは、単位共振器長，単位ストライプ幅および単位クラッド層厚あたりの熱抵抗である。これにより、発熱量Ｈは数１１のように求まる。なお、αi におけるｄc およびＷの依存性は無視した。
Figure 2006032437
ここで、第１項は素子内抵抗による発熱、第２項は閾値までの非発光再結合による発熱、また、第３項は自然放出された熱が再吸収される熱を示している。なお、ηa は自然放出確率を、ηb は自然放出の再吸収確率を表し、計算の際は、ηa ＝９０％、ηb ＝５０％とした。
また、光出力Ｐf および発光効率Ｋf は以下の手順を繰り返すことにより求めた。
１）Ｉth数１および数２により、またηf は数３、数４および数５により求め、これらをＩth 0およびηf 0 とする。
２）Ｉop＝Ｉth 0＋ΔＩ（ΔＩは自由に選択）として、数１１よりＨを求める。
３）ΔＴ＝ＲthＨにより温度上昇分を計算し、半導体レーザ１０の温度Ｔ（＝ΔＴ＋Ｔs ）を求める。
４）数６から閾値Ｉth（Ｔ）を、数７から微分効率ηd （Ｔ）をそれぞれ求める。
５）数８よりＰf を求める。
６）発光効率Ｋf を数１２より求める。
Figure 2006032437
また、Γは、別途、導波モード計算により求めたが、その際、図６に示した半導体レーザの基本縦構造をモデルとして用いた。これにより求めた活性層ｄa の厚みおよび閉じ込め係数Γの値を表１に示す。
Figure 2006032437
まず、計算結果と代表的な実験結果をフィッティングさせることで、計算のベースになる主パラメータ（数３の内部量子効率ηi や導波ロスαi ）の値を決定し、それ以降の計算を進めた。パラメータをフィッティングするために用いた実験データは、外部微分量子効率ηd のフロント端面反射率Ｒf の依存性である。内部発熱の影響が少ない、Ｌ＝１４００μｍの時のデータを用いフィッティングさせると、αi ＝２．５ｃｍ-1、ηi ＝０．７のとき適合する。そこで確認のため、数３，数４および数５を用いて１／ηd の共振器長Ｌの依存性についての実験値より、これらの値を概算すると、αi ≒１．４ｃｍ-1、ηi ≒０．６となった。これらは熱の影響もあるが、先ほどのフィッティングした値に近い値である。そこで上記の値を用いることにした。以上の結果を鑑みて、Ｌ＝１４００またはＬ＝７００としたとき、ｄ＝１２０Ａ、Γ＝０．０４２９、αi ＝２．５ｃｍ-1、Ｒf ＝５％〜２０％、Ｒr ＝９０％、Ｗ＝６０μｍ、Ｊ0 ＝４０００Ａ／ｃｍ2 Ｊl ＝９０Ａ／ｃｍ2 、β＝０．０２３、ｄc ＝２μｍ、Ｒs ＝０．４７Ω、Ｒth＝１５．７℃／Ｗ、Ｔ0 ＝７０Ｋ（Ｌ＝７００μｍのときは５０Ｋ）、ｋt ＝０．０００１℃-2、ηi ＝０．７とした。
図７には、共振器長Ｌ＝１４００μｍとし、ストライプ幅Ｗ＝１０，３０，５０または７０μｍとしてそれぞれ作製した半導体レーザについて、駆動電流Ｉopに対するヒートシンクの温度Ｔc の関係を示した。これらの結果から、ストライプ幅Ｗを広くすると、ある一定の広さまでは発熱が抑えられ、排熱も効率良く行われ、高出力化の際には有利である。しかし、ある一定の広さを超えると発熱総量が増加し、半導体レーザ１０の許容熱量によりストライプ幅Ｗが制限される。図８に示した発光効率Ｋf および図９に示した光出力Ｐf の点からはむしろストライプ幅Ｗが狭くなるほど閾値が低くなるので有利であり、特に低出力動作時ではより有利である。これらを考慮すると赤色帯では１０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上１００μｍ以下のストライプ幅Ｗがより好ましい。なお、共振器長Ｌ＝７００μｍのときも同様の傾向が見られた。
図１０には、ストライプ幅Ｗ＝６０μｍとし、共振器長Ｌ＝４００，７００，１０００または１４００μｍとしてそれぞれ作製した半導体レーザについて、駆動電流Ｉopに対するヒートシンクの温度Ｔc の関係を示した。これによると、共振器長Ｌを長くすると発熱も排熱も有利になり高出力化に有効だが、総発熱量は増える。図１１に示した発光効率Ｋf および図１２に示した光出力Ｐf の点からは、ストライプ幅Ｗを広くした場合と異なり、共振器長Ｌを長くしてもそれほど閾値が増加しない。この理由は、共振器長Ｌを長くすることで励起すべき媒体（活性層の体積）は増えるものの、端面のロスに対する単位長あたりの割合が減ってくるためであると考えられる。つまり共振器長Ｌを長くしてもストライプ幅Ｗを長くしたときほど不利にはならない。逆に共振器長Ｌをあまり短くすると不利になる。Ｌ＝７００μｍ以上１４００μｍ以下あたりで実用出力値により選択すればよい。具体的には、Ｗ＝６０μｍ程度の場合、０．８ＷクラスだとＬ＝７００μｍ、１．４ＷクラスだとＬ＝１４００μｍが好ましい。更に、これらの共振器長Ｌに適したフロント端面反射率Ｒf 値がそれぞれ存在する。
共振器長Ｌを７００μｍ（７００μｍ≦Ｌ≦１０００μｍ）、ストライプ幅Ｗを６０μｍ（１０μｍ≦Ｗ）とした場合について、図１３にはフロント端面反射率Ｒf に対する発光効率Ｋf の関係を、また、図１４にはフロント端面反射率Ｒf に対するヒートシンクの温度Ｔｃの関係を示した。これらによると、フロント端面反射率Ｒf は１０％以上３０％以下が好ましいことが分かる。
また、共振器長Ｌを１４００μｍ（１０００μｍ≦Ｌ）、ストライプ幅Ｗを６０μｍ（１０μｍ≦Ｗ）とした場合について、図１５にはフロント端面反射率Ｒf に対する発光効率Ｋf の関係を、また、図１６にはフロント端面反射率Ｒf に対するヒートシンクの温度Ｔｃの関係を示した。これらによると、フロント端面反射率Ｒf は２％以上１５％以下が好ましいことが分かる。
一方、リア端面反射率Ｒr は、いずれの共振器長のときにおいても９０％以上であることが好ましく、１００％に近いほどより好ましいことが確められた。
更に、導波光モードのエネルギーが縦方向にどの程度の幅で閉じ込められているかを表し、この値が大きくなるほど導波光モードは広がっていることを示すｄa ／Γの値を求めた。共振器長Ｌ＝７００μｍ、ストライプ幅Ｗ＝６０μｍ、フロント端面反射率Ｒf ＝１５％、ｐ型クラッド層の厚みｄc ＝０．７μｍとし、ｄa ／Γ＝０．６、０．３または０．１７とした場合において、図１７には駆動電流Ｉopに対するヒートシンクの温度Ｔc の関係を、図１８には駆動電流Ｉopに対する発光効率Ｋf の関係を、図１９には駆動電流Ｉopに対する光出力Ｐf の関係を示した。これらによりと、ストライプ幅が１０μｍ以上且つ共振器長が７００μｍ以上である半導体レーザの場合、このｄa ／Γ値は、ｄa ／Γ≦０．３μｍ以下であることが好ましいことが分かる。この範囲において、導波光モードが活性層１５に適度に集中し、駆動電流Ｉopの閾値が下がり、また、薄いｐ型クラッド層１７であっても第１の実施の形態で説明したように光の損失（図２中のＣ1 部分）が大きくならないことにより、発光出力および発光効率が向上し、半導体レーザ１０の温度上昇が抑制され、更に計算上では、３５％以上の発光効率を得ることが可能となる。なお、Γを極端に大きくする、すなわち活性層１５中の光密度を強くし過ぎると、端面破壊レベルを下げてしまうのでΓの増加には上限があるが、本実施の形態の半導体レーザのようにストライプ幅Ｗ１０μｍ以上のブロードエリア型レーザの場合は、横方向にも光が広がっているためΓの上限値を高く設定することができる。
ヒートシンク２４は、例えば銅（Ｃｕ）などの熱的および電気的な伝導性を有する材料により構成されている。熱伝導性は、特にｐ型クラッド層１７から発せられる熱を放出させ、半導体レーザ１０を適当な温度に維持するために必要な特性であり、また、電気伝導性は、電流を半導体レーザ１０に効率良く伝導させるために必要な特性である。
サブマウント２５は、例えばや炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいは銅タングステン（ＷＣｕ）などにより構成され、排熱をより効果的にするものである。
半田層２６は、環境負荷の低減化のため、錫−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）半田あるいは錫−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）半田などの鉛（Ｐｂ）フリーのものにより構成されていることが好ましい。また、半田層２６の層厚をできるだけ薄くして半導体レーザ１０とサブマウント２５とが溶接されていることが好ましい。この理由は、半田層２６の層厚を厚くすると排熱効率が低下するからである。
この半導体レーザ１０は、次のようにして製造することができる。
まず、第１の実施の形態と同様にして半導体レーザ１０を作製する。その際、ストライプ幅Ｗが１０μｍ以上となるように発光領域１５Ａを形成する。また、９０％以上の反射鏡膜を用いてリア端面１５Ｃを形成すると共に、共振器長Ｌを７００μｍ以上１０００μｍ以下にして半導体レーザ１０を形成した場合は１０％以上３０％以下の反射鏡膜を用いてフロント端面１５Ｂを形成し、共振器長Ｌを１０００μｍ以上にして半導体レーザ１０を形成した場合は２％以上１５％以下の反射鏡膜を用いてフロント端面１５Ｂを形成する。
続いて、上述した材料からなるサブマウント２５と半導体レーザ１０とを加熱した半田により固定すると同時に半田層２６を形成する。その際、半導体レーザ１０のｐ極性側とサブマウント２５とを接合することが好ましい。ｎ極性側の層を介さずして排熱させることにより排熱効率を向上させることができるからである。更に、サブマウント２５とヒートシンク２４とを図示しない銀ペーストあるいは加熱した半田を用いて接合することにより図５に示したヒートシンク２４と一体化された半導体レーザ３０が完成する。
この半導体レーザ３０では、ｎ側電極２２とｐ側電極２３との間に所定の電圧が印加されると、突条部２１により電流狭窄され、活性層１５に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、図示しない一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。
ここでは、ｐ型クラッド層１７が層厚が０．７μｍ以下と従来よりも薄く形成されているのに加え、ストライプ幅Ｗおよび共振器長Ｌに対応してフロント端面反射率Ｒf およびリア端面反射率Ｒr の適切な範囲と活性層１５における導波光モードの閉じ込め係数Γに対する活性層１５の厚みｄa の関係（ｄa ／Γ）が規定されているので、第１の実施の形態と同様の作用が生じると共に、高出力化および高効率化がなされる。
このように本実施の形態の半導体レーザ１０では、ｐ型クラッド層１７を０．７μｍ以下と従来よりも薄く形成すると共に、ストライプ幅Ｗおよび共振器長Ｌに対応してフロント端面反射率Ｒf およびリア端面反射率Ｒr の適切な範囲と活性層１５における導波光モードの閉じ込め係数Γに対する活性層１５の厚みｄa の関係（ｄa ／Γ）とそれぞれ規定するようにしたので、第１の実施の形態と同様の作用を得ることができると共に、高出力化および高効率化をすることができ、よって温度特性および発光効率を向上させることができ、また、信頼性も向上させることができる。
特に、共振器長Ｌを７００μｍ以上１０００μｍ以下とした場合において、フロント端面反射率Ｒf を１０％以上３０％以下とし、リア端面反射率Ｒr を９０％以上とすることにより、より高い効果を得ることができる。
また、共振器長Ｌを１０００μｍ以上とした場合において、フロント端面反射率Ｒf を２％以上１５％以下とし、リア端面反射率Ｒr を９０％以上とすることにより、より高い効果を得ることができる。
更に、活性層１５における導波光モードの閉じ込め係数Γに対する活性層の厚みｄa の関係をｄa ／Γ≦０．３μｍとすることにより、より高い効果を得ることができる。
更に具体的な効果を以下に示す。
６４０ｎｍ以下に短波長化する場合においても、高温での安定動作が可能となり、半導体レーザ１０の赤色実用波長制限をさらに６３０ｎｍ以下まで拡大することが可能となる。
３００ｍＷ程度まで高出力化することが可能となり、例えば、ＤＶＤドライブを高速化するための書き込み用レーザとして用いることができ、また温度特性および信頼性が向上されていることにより車載用のＤＶＤドライブにも適用することができる。これにより、ＤＶＤ製品の高歩留まりおよび低コスト化を図ることも可能となる。また、ＣＤ用レーザと集積した２波長レーザとして用いた場合においても、レーザ特性および歩留まりを向上させることができ、更に低コスト化も図ることができる。
更には、光ディスク装置、表示装置、レーザ加工機器および医療機器などの分野において要求される、Ｗ（ワット）クラスの高出力，広い波長範囲および３０℃以上の動作温度下で３０％以上の発光効率などを有する赤色半導体レーザの実用化が可能となる。
上記半導体レーザ１０は、光ディスク装置や表示装置などのデバイスに種々適用可能であり、以下、その一例について説明する。
図２０は、上記半導体レーザ１０を備えた光装置の構成の一例を概略的に表したものである。この光装置１００は、例えばＤＶＤ等による高密度記録再生用の光ピックアップとして用いられるものであり、光源としての半導体レーザ１０と、この半導体レーザ１０とＤＶＤ等の記録媒体１０１との間に設けられた光学系１１０とを備えている。記録媒体１０１の表面には、数μｍの大きさの多数のピット（突起）が形成されている。光学系１１０は、半導体レーザ１０から記録媒体１０１への光路中に配設され、例えば、グレーティング１１１，偏光ビームスプリッタ１１２，平行化レンズ１１３，４分の１波長板１１４，対物レンズ１１５，円柱レンズ１１６およびフォトダイオードなどの受光素子１１７を有している。
この光装置１００では、光源（半導体レーザ１０）からの光は、グレーティング１１１，偏光ビームスプリッタ１１２，平行化レンズ１１３，４分の１波長板１１４および対物レンズ１１５を通って記録媒体１０１に焦点を結び、記録媒体１０１の表面のピットで反射される。反射された光は、対物レンズ１１５，４分の１波長板１１４，平行化レンズ１１３，偏光ビームスプリッタ１１２，円柱レンズ１１６を通って受光素子１１７に入り、ピット信号、トラッキング信号およびフォーカス信号の読取りが行われる。
このように本実施の形態の光装置１００では、光源として上記実施の形態の半導体レーザ１０を用いるようにしたので、その温度特性および信頼性が高く、広い温度範囲で安定して使用することができる。なお、光装置１００としては、再生専用のものに限らず、記録再生が可能な光ディスク装置であってもよい。
更に図２１は、上記半導体レーザ１０を備えた他の光装置として表示装置２００の構成の一例を概略的に表したものである。この表示装置２００は、ＧＬＶ(Grating Light Valve) レーザディスプレイと呼ばれ、赤色の光源として半導体レーザ１０を用いたものであり、例えば、半導体レーザ１０を含む光源２０１と、この光源２０１とスクリーン２０２との間に設けられた光学系２１０とを備えている。光学系２１０は、光源２０１からスクリーン２０２への光路中に配設され、例えば、照明レンズ２１１、ＧＬＶ２１２、投射レンズ２１３および走査ミラー２１４を有している。
この表示装置２００では、光源２０１（半導体レーザ１０）からの光は、照明レンズ２１１、ＧＬＶ２１２、投射レンズ２１３および走査ミラー２１４を通ってスクリーン２０２に焦点を結び、例えば、スクリーン２０２の視聴者側から見て左上から順に走査することにより画像表示される。
このように本実施の形態の表示装置２００では、光源２０１の赤色の光源として色純度の高い上記実施の形態の半導体レーザ１０を備えているので、ＣＲＴ方式に比べ２倍の色再現性を実現することができると共に、その温度特性および信頼性が高く、広い温度範囲で安定して使用することができる。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料としてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。
また、例えば、上記実施の形態において、埋め込み層を形成することにより電流狭窄を行うようにしたが（図１参照）、図２２に示したように活性層の外縁を酸化させて絶縁層１５Ｄを形成し活性層の中心部に電流を流すようにして電流狭窄を行うようにしてもよい。
加えて、上記第１および第２実施の形態おいて共振器長が１４００μ以下の半導体レーザをヒートシンクと一体化する場合について説明したが、ヒートシンクを用いる場合には共振器長が２μｍ以下程度になるように半導体レーザを形成することが好ましい。汎用品として２μｍ以上のヒートシンクの入手が困難であるからである。
加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体レーザの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、バッファ層など他の層を更に備えていてもよい。
本発明による半導体レーザ１０は、例えば、光ディスク、表示装置、加工用レーザ機器または医療機器などに適用することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの積層方向の導波光モードを表す図である。 図１に示した半導体レーザのバンド図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの共振器長方向の構成を表す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの共振器長方向の構成を表す断面図である。 第２の実施の形態に係る導波モードを求める際の半導体レーザの基本縦構造を表す図である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光効率を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光出力を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光効率を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光出力を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光効率を表す図の一例である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図の一例である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光効率を表す図の一例である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光効率を表す図の一例である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの発光出力を表す図の一例である。 図１または図５に示した半導体レーザを備えた光装置の構成の一例を表す図である。 図１または図５に示した半導体レーザを備えた他の光装置の構成の一例を表す図である。 図１または図５に示した半導体レーザの変形例を表す断面図である。 従来の半導体レーザのバンド図である。
符号の説明
１０…半導体レーザ、１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…第１ｎ型ガイド層、１４…第２ｎ型ガイド層、１５…活性層、１５Ａ…発光領域、１５Ｂ…フロント端面、１５Ｃ…リア端面、１５Ｄ…絶縁層、１６…ｐ型ガイド層、１７…ｐ型クラッド層、１８…中間層、１９…ｐ側コンタクト層、２０，２０Ａ，２０Ｂ…埋め込み層、２１…突条部、２２…ｎ側電極、２３…ｐ側電極、２４…ヒートシンク、２５…サブマウント、２６…半田層、１００，２００…光装置。

Claims (13)

  1. 基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えた半導体レーザであって、
    前記ｐ型クラッド層の厚みは、０．７μｍ以下である
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記ｐ型クラッド層は＋歪を有し、その基板に対する平均結晶格子不整合度Δａ／ａ（Δａはｐ型クラッド層の結晶格子定数と基板の結晶格子定数との差，ａは基板の結晶格子定数を表す）は＋３×１０-3以上である
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 前記ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物の濃度は２×１０18／ｃｍ3 以上３×１０18／ｃｍ3 以下である
    ことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
  4. 前記ｐ型不純物は亜鉛およびマグネシウムのうちの少なくとも一方を含む
    ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
  5. 前記活性層とｎ型クラッド層との間に１または２以上の層からなるｎ型ガイド層、前記活性層とｐ型クラッド層との間に１または２以上の層からなるｐ型ガイド層とを有し、前記ｎ型ガイド層の層数は、ｐ型ガイド層の層数よりも多い
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  6. 前記活性層とｎ型クラッド層との間にｎ型ガイド層、前記活性層とｐ型クラッド層との間にｐ型ガイド層とを有し、
    前記ｎ型ガイド層の厚みは、前記ｐ型ガイド層の厚みよりも厚い
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  7. 前記活性層とｎ型クラッド層との間にｎ型ガイド層、前記活性層とｐ型クラッド層との間にｐ型ガイド層とを有し、
    前記ｎ型ガイド層の屈折率は、前記ｐ型ガイド層の屈折率よりも高い
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  8. 基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えた半導体レーザであって、
    前記ｐ型クラッド層の厚みが０．７μｍ以下であると共に、前記活性層の発光領域におけるストライプ幅が１０μｍ以上であり、且つ共振器長が７００μｍ以上である
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  9. 前記共振器長が７００μｍ以上１０００μｍ以下であると共に、フロント端面の反射率は１０％以上３０％以下、リア端面の反射率は９０％以上である
    ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ。
  10. 前記共振器長が１０００μｍ以上であると共に、フロント端面の反射率は２％以上１５％以下、リア端面の反射率は９０％以上である
    ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ。
  11. 前記活性層への導波光モード閉じ込め係数Γに対する前記活性層の厚みｄは、ｄ／Γ≦０．３μｍである
    ことを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ。
  12. 半導体レーザを備えた光装置であって、
    前記半導体レーザは、基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備え、前記ｐ型クラッド層の厚みは０．７μｍ以下である
    ことを特徴とする光装置。
  13. 半導体レーザを備えた光装置であって、
    前記半導体レーザは、基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備え、前記ｐ型クラッド層の厚みは０．７μｍ以下であると共に、前記活性層の発光領域におけるストライプ幅が１０μｍ以上であり、且つ共振器長が７００μｍ以上である
    ことを特徴とする光装置。
JP2004205240A 2004-07-12 2004-07-12 半導体レーザおよびこれを用いた光装置 Pending JP2006032437A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004205240A JP2006032437A (ja) 2004-07-12 2004-07-12 半導体レーザおよびこれを用いた光装置
US11/175,561 US20060007975A1 (en) 2004-07-12 2005-07-06 Laser diode and optical apparatus using it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004205240A JP2006032437A (ja) 2004-07-12 2004-07-12 半導体レーザおよびこれを用いた光装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006032437A true JP2006032437A (ja) 2006-02-02

Family

ID=35541324

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004205240A Pending JP2006032437A (ja) 2004-07-12 2004-07-12 半導体レーザおよびこれを用いた光装置

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20060007975A1 (ja)
JP (1) JP2006032437A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8111726B2 (en) 2008-10-27 2012-02-07 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor laser device
JP2017084845A (ja) * 2015-10-22 2017-05-18 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
JPWO2021161438A1 (ja) * 2020-02-13 2021-08-19

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56124273A (en) * 1980-03-04 1981-09-29 Semiconductor Res Found Semiconductor device
JPS60242689A (ja) * 1984-05-16 1985-12-02 Sharp Corp 半導体レ−ザ素子
US5029175A (en) * 1988-12-08 1991-07-02 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor laser
JP2863648B2 (ja) * 1991-04-16 1999-03-03 三菱電機株式会社 可視光半導体レーザ
US5467364A (en) * 1992-02-05 1995-11-14 Mitsui Petrochemical Industries, Ltd. Semiconductor laser element and laser device using the same element
JPH0677598A (ja) * 1992-08-25 1994-03-18 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ及びその製造方法
US5592501A (en) * 1994-09-20 1997-01-07 Cree Research, Inc. Low-strain laser structures with group III nitride active layers
JP4147602B2 (ja) * 1998-02-02 2008-09-10 ソニー株式会社 自励発振型半導体レーザ
US6219365B1 (en) * 1998-11-03 2001-04-17 Wisconsin Alumni Research Foundation High performance aluminum free active region semiconductor lasers
JP2001210910A (ja) * 1999-11-17 2001-08-03 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ
US6897484B2 (en) * 2002-09-20 2005-05-24 Sharp Kabushiki Kaisha Nitride semiconductor light emitting element and manufacturing method thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8111726B2 (en) 2008-10-27 2012-02-07 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor laser device
JP2017084845A (ja) * 2015-10-22 2017-05-18 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
JPWO2021161438A1 (ja) * 2020-02-13 2021-08-19
WO2021161438A1 (ja) * 2020-02-13 2021-08-19 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
JP7304978B2 (ja) 2020-02-13 2023-07-07 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20060007975A1 (en) 2006-01-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7756177B2 (en) Semiconductor light-emitting device
JP4352337B2 (ja) 半導体レーザおよび半導体レーザ装置
KR100394332B1 (ko) 반도체 레이저장치
US7680172B2 (en) Laser diode device
JP2005175111A (ja) 半導体レーザ及びその製造方法
TW200814479A (en) Semiconductor laser device
US8989228B2 (en) Laser diode device, method of driving the same, and laser diode apparatus
JP2005142463A (ja) 半導体発光素子およびその製造方法
US20050180475A1 (en) Semiconductor laser device
US7289546B1 (en) Semiconductor laser having an improved stacked structure
US20090232178A1 (en) Two-wavelength semiconductor laser device
JP2002190649A (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
JP3515361B2 (ja) 半導体発光素子
US20060007975A1 (en) Laser diode and optical apparatus using it
JP2009016684A (ja) 半導体レーザ素子
JP4286683B2 (ja) 半導体レーザ
JPH10294533A (ja) 窒化物化合物半導体レーザ及びその製造方法
JP2007049088A (ja) 高出力赤色半導体レーザ
JPH11233896A (ja) 半導体発光素子の製造方法
US20100238963A1 (en) Gallium nitride based semiconductor laser device
JP3449751B2 (ja) 半導体発光素子
JP2005129686A (ja) 半導体発光素子
JPH10303493A (ja) 窒化物半導体レーザ素子
JPH11121877A (ja) 化合物半導体発光素子
JP2001148541A (ja) 半導体発光装置およびその半導体発光装置を励起光源に用いた固体レーザ装置

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20081119

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20081125

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20090324