JP2006073820A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 活性層を構成するＧａＩｎＡｓＰ系材料の非混和性領域による相分離を抑制する。
【解決手段】 （１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくはこの面と等価な結晶面を主面とするｎ−ＧａＡｓ基板１６を共通基板として、このｎ−ＧａＡｓ基板１６上にｎ−ＧａＡｓ基板１６とそれぞれが格子整合するｎ導電型半導体材料の第１ｎクラッド層１２２とこの第１ｎクラッド層１２２の上に配設されたＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含むＭＱＷ活性層１２４とｎ−ＧａＡｓ基板と格子整合するｐ導電型半導体材料の第１ｐクラッド層１２６とを有する短波長用ＬＤ１２と赤色ＬＤ１４を隣接配置したものである。
【選択図】 図１
【解決手段】 （１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくはこの面と等価な結晶面を主面とするｎ−ＧａＡｓ基板１６を共通基板として、このｎ−ＧａＡｓ基板１６上にｎ−ＧａＡｓ基板１６とそれぞれが格子整合するｎ導電型半導体材料の第１ｎクラッド層１２２とこの第１ｎクラッド層１２２の上に配設されたＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含むＭＱＷ活性層１２４とｎ−ＧａＡｓ基板と格子整合するｐ導電型半導体材料の第１ｐクラッド層１２６とを有する短波長用ＬＤ１２と赤色ＬＤ１４を隣接配置したものである。
【選択図】 図１
Description
この発明は、半導体レーザ装置に係り、特にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いた半導体レーザ装置に関する。
近年、光通信のブロードバンド化が進展し、光ファイバを用いた公衆通信網の普及に伴って、安価に大量の情報量を伝送することが益々求められている。このために情報通信機器が取り扱う情報量も膨大なものとなり、高速で大容量の情報を扱うことが可能であるとともに信頼性が高く安価な情報通信機器が求められている。
情報通信機器の主要部品である半導体レーザ装置も、高い出力で、効率の高いレーザ発振が可能で、安価な半導体レーザ装置が求められている。
高速で大容量の記憶装置の一つとして最近需要が高くなっているＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置は、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置に加えてＣＤ−ＲＯＭ装置をハイブリッドに内蔵し、ＤＶＤ装置用の半導体レーザ（発光波長が６５０ｎｍ近辺の赤色レーザ）とＣＤ装置用の半導体レーザ（発光波長が７８０ｎｍ近辺の短波長レーザ）との２種類の半導体レーザが使用されている。
情報通信機器の主要部品である半導体レーザ装置も、高い出力で、効率の高いレーザ発振が可能で、安価な半導体レーザ装置が求められている。
高速で大容量の記憶装置の一つとして最近需要が高くなっているＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置は、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置に加えてＣＤ−ＲＯＭ装置をハイブリッドに内蔵し、ＤＶＤ装置用の半導体レーザ（発光波長が６５０ｎｍ近辺の赤色レーザ）とＣＤ装置用の半導体レーザ（発光波長が７８０ｎｍ近辺の短波長レーザ）との２種類の半導体レーザが使用されている。
このような記憶装置の情報処理の高速化のためには、ＤＶＤ装置やＣＤ装置の回転速度を高めることが必要で、そのためには半導体レーザの高出力化が必要である。現在２００ｍＷ以上の光出力を有するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザも開発されている。 さらにこのような２つの波長で発光する半導体レーザを、単品で形成して組み付けるのではなくて、同一基板上に形成された、モノリシックな２波長半導体レーザ素子（以下モノリシック型２波長ＬＤという）の開発が行われている。これにより、異なる発振波長の半導体レーザの発光点位置の位置合わせが高精度に行うことができ、かつ光学系の部品点数を減らすことができる。
モノリシック型２波長ＬＤの製造方法の概略を次に示す。
まずｎ型ＧａＡｓ基板（以下“ｎ型”を“ｎ−”にて、またｐ型”を“ｐ−”にて、また不純物添加のないものを“ｉ−”にて表記する。）上にｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｉ−ＡｌＧａＡｓの光ガイド層、バリア層およびウエル層からなる多重量子井戸（Multiple Quantum Wells、以下“ＭＱＷ”と表記する。）活性層、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を順次形成する。このあとｐ−ＧａＡｓキャップ層の上にレジストマスクを形成し、ｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｉ−ＡｌＧａＡｓＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、およびｐ−ＧａＡｓキャップ層が第１メサ状積層構造として残るようにｎ−ＧａＡｓ基板が露呈するまで選択的にエッチングする。この第１メサ状積層構造が７８０ｎｍ帯の短波長レーザに対応する。
まずｎ型ＧａＡｓ基板（以下“ｎ型”を“ｎ−”にて、またｐ型”を“ｐ−”にて、また不純物添加のないものを“ｉ−”にて表記する。）上にｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｉ−ＡｌＧａＡｓの光ガイド層、バリア層およびウエル層からなる多重量子井戸（Multiple Quantum Wells、以下“ＭＱＷ”と表記する。）活性層、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を順次形成する。このあとｐ−ＧａＡｓキャップ層の上にレジストマスクを形成し、ｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｉ−ＡｌＧａＡｓＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、およびｐ−ＧａＡｓキャップ層が第１メサ状積層構造として残るようにｎ−ＧａＡｓ基板が露呈するまで選択的にエッチングする。この第１メサ状積層構造が７８０ｎｍ帯の短波長レーザに対応する。
次いでｎ−ＧａＡｓ基板上に第１メサ状積層構造に隣接して、ｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｉ−ＧａＩｎＰをウエル層としｉ−ＡｌＧａＩｎＰを光ガイド層およびバリア層とするＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ−ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を順次形成する。
次いで、先の第１メサ状積層構造の上に形成されたｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ−ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を除去するとともに、ｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ−ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層およびｐ−ＧａＡｓキャップ層の第２メサ状積層構造を形成するように選択的にエッチングを行う。この第２メサ状積層構造が６５０ｎｍ帯の赤色レーザに対応する。
次いで、先の第１メサ状積層構造の上に形成されたｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ−ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を除去するとともに、ｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ｐ−ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層およびｐ−ＧａＡｓキャップ層の第２メサ状積層構造を形成するように選択的にエッチングを行う。この第２メサ状積層構造が６５０ｎｍ帯の赤色レーザに対応する。
モノリシック型２波長ＬＤのうち、６５０ｎｍ帯の半導体レーザにおいては、活性層に用いるｉ−ＧａＩｎＰの自然超格子の発生を抑制するために（１００）面から＜０１１＞方向へ５°ないし１０°傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板を用いるのが一般的である。
これは基板主面が（１００）面からの傾斜角を大きくしすぎると、導波光の水平方向の光を閉じ込めるメサ状積層構造が傾くためにビーム形状の制御が困難になるためである。 特にモノリシック型２波長ＬＤにおいては２種類の半導体レーザを使用するために、基板の傾斜角を大きくすることに起因するビーム形状の制御が一層困難になるので、通常は１０°よりも大きな（１００）面からの傾斜角を用いることはなかった。
このようなモノリシック型２波長ＬＤの製造方法は、作製方法が複雑であるため工程数が非常に多くなる。このため，第１メサ状積層構造におけるｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層とｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層の代わりに，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を用いることで、工程中のエッチング回数を減らせるとともに発光点位置の精度が向上するという大きな利点を得ることができる。
これは基板主面が（１００）面からの傾斜角を大きくしすぎると、導波光の水平方向の光を閉じ込めるメサ状積層構造が傾くためにビーム形状の制御が困難になるためである。 特にモノリシック型２波長ＬＤにおいては２種類の半導体レーザを使用するために、基板の傾斜角を大きくすることに起因するビーム形状の制御が一層困難になるので、通常は１０°よりも大きな（１００）面からの傾斜角を用いることはなかった。
このようなモノリシック型２波長ＬＤの製造方法は、作製方法が複雑であるため工程数が非常に多くなる。このため，第１メサ状積層構造におけるｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層とｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層の代わりに，ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を用いることで、工程中のエッチング回数を減らせるとともに発光点位置の精度が向上するという大きな利点を得ることができる。
しかし，このときクラッド層であるＡｌＧａＩｎＰ材料と活性層であるＡｌＧａＡｓ材料の屈折率差が非常に大きいため，場合によってはビーム形状を所望の大きさにするための設計マージンが狭くなることがあった。
これに対し、７８０ｎｍ帯半導体レーザの活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることにより屈折率を、６５０ｎｍ帯レーザであるＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系とほぼ同じにすることができる。
さらにモノリシック型２波長ＬＤにおいても，端面での結晶の光学的破壊（ＣＯＤ）を防ぐために，窓構造を適用することが多くなってきている。しかし場合によっては、窓構造を作るためにＺｎなどのｐ型ドーパント材料を拡散すると，７８０ｎｍ帯ＬＤに一般的に用いられるＡｌＧａＡｓ材料では、非発光中心が増加してレーザの特性を悪化させるということがあった。
これに対し、７８０ｎｍ帯半導体レーザの活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることにより屈折率を、６５０ｎｍ帯レーザであるＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系とほぼ同じにすることができる。
さらにモノリシック型２波長ＬＤにおいても，端面での結晶の光学的破壊（ＣＯＤ）を防ぐために，窓構造を適用することが多くなってきている。しかし場合によっては、窓構造を作るためにＺｎなどのｐ型ドーパント材料を拡散すると，７８０ｎｍ帯ＬＤに一般的に用いられるＡｌＧａＡｓ材料では、非発光中心が増加してレーザの特性を悪化させるということがあった。
これに対し、７８０ｎｍ帯半導体レーザの活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いると，窓構造の作製容易となり、ＣＯＤレベルが向上し、信頼性の向上も図ることができる。
一方、ＣＯＤレベルの向上という観点においては、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いられる７００ｎｍ帯から９００ｎｍ帯の半導体レーザの高出力化においては、信頼性の向上のためにＣＯＤレベルの向上が必須の要件である。
これらの高出力レーザにおいては、Ａｌを含まない材料であるＧａＩｎＡｓＰ系材料を活性層に用いることにより、半導体レーザ素子の端面におけるＣＯＤレベルの向上を図り、延いては半導体レーザの信頼性を高めることができる。
一方、ＣＯＤレベルの向上という観点においては、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いられる７００ｎｍ帯から９００ｎｍ帯の半導体レーザの高出力化においては、信頼性の向上のためにＣＯＤレベルの向上が必須の要件である。
これらの高出力レーザにおいては、Ａｌを含まない材料であるＧａＩｎＡｓＰ系材料を活性層に用いることにより、半導体レーザ素子の端面におけるＣＯＤレベルの向上を図り、延いては半導体レーザの信頼性を高めることができる。
高出力レーザの製造方法の概略を次に示す。
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｉ−ＡｌＧａＡｓの光ガイド層およびバリア層とＡｌＧａＡｓあるいはＧａＩｎＡｓのウエル層とを有するＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を順次形成する。
ｎ−ＧａＡｓ基板は（１００）面あるいは（１００）面から＜０１１＞または＜０−１−１＞方向へ２°程度以下傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板であり、これ以上大きな角度傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板が使用されることはなかった。
このような７００ｎｍ帯から９００ｎｍ帯の高出力レーザに対して、ＭＱＷ活性層を構成する光ガイド層及びバリア層として、ｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）を、またウエル層としてｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１＞ｙ≧０）を用いる構造が、Ａｌフリー活性層構造として最近用いられるようになってきている。
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−ＡｌＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｉ−ＡｌＧａＡｓの光ガイド層およびバリア層とＡｌＧａＡｓあるいはＧａＩｎＡｓのウエル層とを有するＭＱＷ活性層、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、およびｐ−ＧａＡｓキャップ層を順次形成する。
ｎ−ＧａＡｓ基板は（１００）面あるいは（１００）面から＜０１１＞または＜０−１−１＞方向へ２°程度以下傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板であり、これ以上大きな角度傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板が使用されることはなかった。
このような７００ｎｍ帯から９００ｎｍ帯の高出力レーザに対して、ＭＱＷ活性層を構成する光ガイド層及びバリア層として、ｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ≧０、１≧ｙ≧０）を、またウエル層としてｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１＞ｙ≧０）を用いる構造が、Ａｌフリー活性層構造として最近用いられるようになってきている。
通常バリア層としてはｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） において、ｙ＝０．１〜０．４の値の材料が、またウエル層としてはｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） において、ｙ＝０．５〜０．８の値の材料が使用される。
このときバリア層の組成がＧａＩｎＰに近いために、ＧａＩｎＰで知られている自然超格子の発生が予想されることになる。このために自然超格子の発生を抑制するためにｎ−ＧａＡｓ基板として（１００）面から＜０１１＞方向へ５°程度以上傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板を使用する必要がある。
このようにＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓＰ活性層を形成した公知例としては、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−あるいはｉ−Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１下部障壁層（０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．６）、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３圧縮歪量子井戸活性層（０．４９ｙ３≦ｘ３≦０．４、０≦ｙ３≦０．１）、ｉ−Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１上部障壁層を形成した半導体レーザ素子が開示された例がある。（例えば、特許文献１ 第６頁［００２４］、および図１参照）。
このときバリア層の組成がＧａＩｎＰに近いために、ＧａＩｎＰで知られている自然超格子の発生が予想されることになる。このために自然超格子の発生を抑制するためにｎ−ＧａＡｓ基板として（１００）面から＜０１１＞方向へ５°程度以上傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板を使用する必要がある。
このようにＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｓＰ活性層を形成した公知例としては、ｎ−ＧａＡｓ基板上にｎ−あるいはｉ−Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１下部障壁層（０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．６）、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３圧縮歪量子井戸活性層（０．４９ｙ３≦ｘ３≦０．４、０≦ｙ３≦０．１）、ｉ−Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１上部障壁層を形成した半導体レーザ素子が開示された例がある。（例えば、特許文献１ 第６頁［００２４］、および図１参照）。
またＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子において、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面と（１００）から［０１１］方向に２０°から７０°の範囲内の傾斜角を有する斜面とを有する基板上に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかにより形成される発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかにより形成される電流狭窄層とを有し、電流狭窄層は基板の主面の上方の領域がｎ型導電性を有し、基板の斜面の上方の領域がｐ型導電性を有し、電流狭窄層の基板の斜面の上方の領域を介して活性層に電流が流入する例が示されている（例えば、特許文献２ ［００１０］から［００１４］、および図１から図３参照）。
しかしながら、ＧａＩｎＡｓＰ材料においては、以前から非混和性領域（Miscibity GaP）と呼ばれるＧａ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐの４元素が十分混じり合わずに相分離を起こす組成領域を持つことが知られている。
このような相分離が起きる組成が、場合によっては７７０〜８３０ｎｍ帯の波長で発光するウエル層の組成に対応し、ウエル層に相分離が起た場合には、フォトルミネッセンスの発光強度の低下や発光半値幅の増加や結晶モフォロジーの劣化などを惹起し、レーザ発振に悪影響を及ぼす。
このような相分離が起きる組成が、場合によっては７７０〜８３０ｎｍ帯の波長で発光するウエル層の組成に対応し、ウエル層に相分離が起た場合には、フォトルミネッセンスの発光強度の低下や発光半値幅の増加や結晶モフォロジーの劣化などを惹起し、レーザ発振に悪影響を及ぼす。
また、相分離は傾斜基板上へＧａＩｎＡｓＰ層を成長させる際に特に顕著になる。
既に例示したモノリシック型２波長ＬＤにおいては、６５０ｎｍ帯の半導体レーザの活性層に用いるｉ−ＧａＩｎＰの自然超格子の発生を抑制するために（１００）面から＜０１１＞方向へ５°以上傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板を用いることが必須であり、このために７８０ｎｍ帯半導体レーザにおいては製造工程数の削減やクラッド層と活性層との屈折率差の低減のために、その活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることが必要となる。またＣＯＤレベルの向上が必須の要件である高出力レーザにおいては材料自体の持つＣＯＤレベルの向上と窓構造の作製を容易にするために活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることが必要になる。このようなＧａＩｎＡｓＰ材料を活性層に有する半導体レーザを設計する際に、ＧａＩｎＡｓＰ材料のMiscibity GaPによる相分離の発生は、設計の自由度を低下させるのみならず、半導体レーザの構成を困難にするという問題点があった。
既に例示したモノリシック型２波長ＬＤにおいては、６５０ｎｍ帯の半導体レーザの活性層に用いるｉ−ＧａＩｎＰの自然超格子の発生を抑制するために（１００）面から＜０１１＞方向へ５°以上傾斜させた面を主面とするＧａＡｓ基板を用いることが必須であり、このために７８０ｎｍ帯半導体レーザにおいては製造工程数の削減やクラッド層と活性層との屈折率差の低減のために、その活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることが必要となる。またＣＯＤレベルの向上が必須の要件である高出力レーザにおいては材料自体の持つＣＯＤレベルの向上と窓構造の作製を容易にするために活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることが必要になる。このようなＧａＩｎＡｓＰ材料を活性層に有する半導体レーザを設計する際に、ＧａＩｎＡｓＰ材料のMiscibity GaPによる相分離の発生は、設計の自由度を低下させるのみならず、半導体レーザの構成を困難にするという問題点があった。
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は活性層にＧａＩｎＡｓＰ系材料を適用した半導体レーザにおいて、活性層のＧａＩｎＡｓＰ系材料の非混和性領域による相分離を抑制し、高出力で高効率の半導体レーザを提供することである。
この発明に係る半導体レーザ装置は、（１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくは前記面と等価な結晶面を主面とするＧａＡｓ基板と、このＧａＡｓ基板上に配設されるとともに、ＧａＡｓ基板とそれぞれが格子整合する第１導電型半導体材料の第１の第１クラッド層とこの第１の第１クラッド層の上に配設されＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層とこの第１の活性層の上に配設されＧａＡｓ基板と格子整合する第２導電型半導体材料の第１の第２クラッド層とを有する第１の半導体レーザ部と、を備えたものである。
この発明に係る半導体レーザ装置においては、ＧａＡｓ基板の主面を（１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくは前記面と等価な結晶面としているので、このＧａＡｓ基板上に形成されるＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層において、相分離の発生を抑制することができる。
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装置の斜視図、図２はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の部分断面図、図３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置のもう一つの活性層近傍の部分断面図である。以下の図において図１ないし図３と同じ符号は、同じものか相当のものであることを示す。
図１において、モノリシック型２波長ＬＤ１０は、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置に加えてＣＤ−ＲＯＭ装置をハイブリッドに内蔵したＤＶＤ装置に用いられるもので、ＣＤ−ＲＯＭ装置用として使用される第１の半導体レーザ素子としての７８０ｎｍ帯のリッジ導波路型の短波長用ＬＤ１２とＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置用として使用される第２の半導体レーザ素子として６５０ｎｍ帯のリッジ導波路型の赤色ＬＤ１４とから構成され、これらは共通のｎ−ＧａＡｓ基板１６の上に構成されている。
図１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図、図２はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の部分断面図、図３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置のもう一つの活性層近傍の部分断面図である。以下の図において図１ないし図３と同じ符号は、同じものか相当のものであることを示す。
図１において、モノリシック型２波長ＬＤ１０は、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置に加えてＣＤ−ＲＯＭ装置をハイブリッドに内蔵したＤＶＤ装置に用いられるもので、ＣＤ−ＲＯＭ装置用として使用される第１の半導体レーザ素子としての７８０ｎｍ帯のリッジ導波路型の短波長用ＬＤ１２とＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置用として使用される第２の半導体レーザ素子として６５０ｎｍ帯のリッジ導波路型の赤色ＬＤ１４とから構成され、これらは共通のｎ−ＧａＡｓ基板１６の上に構成されている。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６は（１００）面から＜０１１＞の方向に、例えば１５°傾斜する面を主面としている。この実施の形態１では、この傾斜角θを１５°としているが、１２°≦θ≦２０°、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲であればよい。
短波長用ＬＤ１２は、このｎ−ＧａＡｓ基板１６上に順次配設された、ｎ−ＡｌＧａＡｓの第１バッファ層１２０、第１の第１クラッド層としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰの第１ｎクラッド層１２２、第１の活性層としてのＭＱＷ活性層１２４、第１の第２クラッド層としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰの第１ｐクラッド層１２６、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層１２８により構成される。
第１ｐクラッド層１２６とｐ−ＧａＡｓのキャップ層１２８は、ＭＱＷ活性層１２４の中央部上に所定の幅で光の導波方向に延在するリッヂ導波路を形成する。このリッヂ導波路の両側はリッジ導波路を構成する第２クラッド層１２６の中央部よりも薄い所定の厚さの第１ｐクラッド層１２６の周縁部となり、この第１ｐクラッド層１２６の周縁部がＭＱＷ活性層１２４を覆っている。
短波長用ＬＤ１２は、このｎ−ＧａＡｓ基板１６上に順次配設された、ｎ−ＡｌＧａＡｓの第１バッファ層１２０、第１の第１クラッド層としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰの第１ｎクラッド層１２２、第１の活性層としてのＭＱＷ活性層１２４、第１の第２クラッド層としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰの第１ｐクラッド層１２６、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層１２８により構成される。
第１ｐクラッド層１２６とｐ−ＧａＡｓのキャップ層１２８は、ＭＱＷ活性層１２４の中央部上に所定の幅で光の導波方向に延在するリッヂ導波路を形成する。このリッヂ導波路の両側はリッジ導波路を構成する第２クラッド層１２６の中央部よりも薄い所定の厚さの第１ｐクラッド層１２６の周縁部となり、この第１ｐクラッド層１２６の周縁部がＭＱＷ活性層１２４を覆っている。
図２にＭＱＷ活性層１２４の断面構造が示されている。図２のＭＱＷ活性層１２４の断面構造は図１のＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。
ＭＱＷ活性層１２４は、ｎ−ＧａＡｓ基板１６と格子整合し、つまりpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）により形成されるウエル層を有し、ＭＱＷ活性層１２４のフォトルミネッセンスの波長が、室温における測定にて７６５〜７８５ｎｍとなるように形成される。
この帯域のＬＤにおいては、ウエル層としてのｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）の組成は、１．０≧ｘ≧０．６、および０．８≧ｙ≧０．３程度の値が選定され、光ガイド層及びバリア層としてのｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）の組成は、ウエル層の材料のバンドギャップエネルギーのエネルギーレベルよりも高く、０．８≧ｘ≧０．４、および０．５≧ｙ＞０程度の値が選定される。
この実施の形態１においては、ウエル層１２４ｂとして、例えばＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ が選定されていて、この材料はｎ−ＧａＡｓ基板１６とほぼ格子整合し、この材料を用いたウエル層１２４ｂを有する半導体レーザのフォトルミネッセンス（以下、ＰＬということがある）の波長が７８０ｎｍである。
第１光ガイド層１２４ａ、バリア層１２４ｃ、および第２光ガイド層１２４ｄは同じ材料で形成される。
ＭＱＷ活性層１２４は、ｎ−ＧａＡｓ基板１６と格子整合し、つまりpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）により形成されるウエル層を有し、ＭＱＷ活性層１２４のフォトルミネッセンスの波長が、室温における測定にて７６５〜７８５ｎｍとなるように形成される。
この帯域のＬＤにおいては、ウエル層としてのｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）の組成は、１．０≧ｘ≧０．６、および０．８≧ｙ≧０．３程度の値が選定され、光ガイド層及びバリア層としてのｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）の組成は、ウエル層の材料のバンドギャップエネルギーのエネルギーレベルよりも高く、０．８≧ｘ≧０．４、および０．５≧ｙ＞０程度の値が選定される。
この実施の形態１においては、ウエル層１２４ｂとして、例えばＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ が選定されていて、この材料はｎ−ＧａＡｓ基板１６とほぼ格子整合し、この材料を用いたウエル層１２４ｂを有する半導体レーザのフォトルミネッセンス（以下、ＰＬということがある）の波長が７８０ｎｍである。
第１光ガイド層１２４ａ、バリア層１２４ｃ、および第２光ガイド層１２４ｄは同じ材料で形成される。
図２において、第１ｎクラッド層１２２に接して第１光ガイド層１２４ａが配設され、この上にウエル層１２４ｂが配設され、さらにウエル層１２４ｂの上にバリア層１２４ｃが配設される。ウエル層１２４ｂとバリア層１２４ｃとは交互に配設され、最上層のウエル層１２４ｂの上に第２光ガイド層１２４ｄが配設され、この第２光ガイド層１２４ｄの上に第２光ガイド層１２４ｄと接して第１ｐクラッド層１２６が配設される。
また短波長用ＬＤ１２においてｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）が添加され、ｐ型不純物としては亜鉛（Ｚｎ）が使用されている。
さらに短波長用ＬＤ１２の各層の不純物濃度と層の厚みは概ね次のとおりである。
第１バッファ層１２０はＳｉの不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３（以下、ｎ×１０のｍ乗をｎＥｍと表記する。例えば５×１０１７を５Ｅ１７と表記する。）程度であり、層の厚み０．５〜１．５μｍ程度である。
第１ｎクラッド層１２２のＳｉの不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３〜１Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
また短波長用ＬＤ１２においてｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）が添加され、ｐ型不純物としては亜鉛（Ｚｎ）が使用されている。
さらに短波長用ＬＤ１２の各層の不純物濃度と層の厚みは概ね次のとおりである。
第１バッファ層１２０はＳｉの不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３（以下、ｎ×１０のｍ乗をｎＥｍと表記する。例えば５×１０１７を５Ｅ１７と表記する。）程度であり、層の厚み０．５〜１．５μｍ程度である。
第１ｎクラッド層１２２のＳｉの不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３〜１Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
ＭＱＷ活性層１２４の第１光ガイド層１２４ａおよび第２光ガイド層１２４ｄは層の厚みが１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度、バリア層１２４ｃは層の厚みが３ｎｍ〜１０ｎｍ程度、ウエル層１２４ｂは層の厚みが５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
第１ｐクラッド層１２６のＺｎの不純物濃度は５Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、リッジ導波路を構成する層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
キャップ層１２８はコンタクト層としての機能も果たすので、Ｚｎの不純物濃度は１Ｅ１９ｃｍ−３〜３Ｅ１９ｃｍ−３程度であり、層の厚み０．１μｍ〜０．５μｍ程度である。
赤色ＬＤ１４はこのｎ−ＧａＡｓ基板１６上において短波長用ＬＤ１２に隣接して配設される。
赤色ＬＤ１４は、このｎ−ＧａＡｓ基板１６上に順次配設された、ｎ−ＧａＡｓの第２バッファ層１４０、第２の第１クラッド層としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰの第２ｎクラッド層１４２、第２の活性層としてのＭＱＷ活性層１４４、第２の第２クラッド層としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰの第２ｐクラッド層１４６、ｐ−ＧａＩｎＰのバンド不連続緩和層１４８、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層１５０により構成される。
第１ｐクラッド層１２６のＺｎの不純物濃度は５Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、リッジ導波路を構成する層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
キャップ層１２８はコンタクト層としての機能も果たすので、Ｚｎの不純物濃度は１Ｅ１９ｃｍ−３〜３Ｅ１９ｃｍ−３程度であり、層の厚み０．１μｍ〜０．５μｍ程度である。
赤色ＬＤ１４はこのｎ−ＧａＡｓ基板１６上において短波長用ＬＤ１２に隣接して配設される。
赤色ＬＤ１４は、このｎ−ＧａＡｓ基板１６上に順次配設された、ｎ−ＧａＡｓの第２バッファ層１４０、第２の第１クラッド層としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰの第２ｎクラッド層１４２、第２の活性層としてのＭＱＷ活性層１４４、第２の第２クラッド層としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰの第２ｐクラッド層１４６、ｐ−ＧａＩｎＰのバンド不連続緩和層１４８、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層１５０により構成される。
第２ｐクラッド層１４６、バンド不連続緩和層１４８、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層１５０は、ＭＱＷ活性層１４４の中央部上に所定の幅で光の導波方向に延在するリッヂ導波路を形成する。このリッヂ導波路の両側はリッジ導波路を構成する第２ｐクラッド層１４６の中央部よりも薄い所定の厚さの第２ｐクラッド層１４６の周縁部となり、この第２ｐクラッド層１４６の周縁部がＭＱＷ活性層１４４を覆っている。
図３にＭＱＷ活性層１４４の断面構造が示されている。また図３のＭＱＷ活性層１４４の断面構造は図１のＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。
ＭＱＷ活性層１４４は、ｎ−ＧａＡｓ基板１６と格子整合し、つまりpseudmorphicであるｉ−ＧａｕＩｎ（１−ｕ）ＡｓｖＰ（１−ｖ） （１≧ｕ＞０、１≧ｖ＞０）により形成されるウエル層を有し、ＭＱＷ活性層１４４のフォトルミネッセンスの波長が、室温における測定にて６３０〜６６０ｎｍとなるように形成される。
この実施の形態１においては、ウエル層１４４ｂとして例えばＧａＩｎＰが選定され、第１光ガイド層１４４ａ、バリア層１４４ｃ、および第２光ガイド層１４４ｄはＡｌＧａＩｎＰが選定されている。
図３において、第２ｎクラッド層１４２に接して第１光ガイド層１４４ａが配設されこの上にウエル層１４４ｂが配設されさらにウエル層１４４ｂの上にバリア層１４４ｃが配設される。ウエル層１４４ｂとバリア層１４４ｃとは交互に配設され、最上層のウエル層１４４ｂの上に第２光ガイド層１４４ｄが配設され、この第２光ガイド層１４４ｄに接して第２ｐクラッド層１４６が配設される。
ＭＱＷ活性層１４４は、ｎ−ＧａＡｓ基板１６と格子整合し、つまりpseudmorphicであるｉ−ＧａｕＩｎ（１−ｕ）ＡｓｖＰ（１−ｖ） （１≧ｕ＞０、１≧ｖ＞０）により形成されるウエル層を有し、ＭＱＷ活性層１４４のフォトルミネッセンスの波長が、室温における測定にて６３０〜６６０ｎｍとなるように形成される。
この実施の形態１においては、ウエル層１４４ｂとして例えばＧａＩｎＰが選定され、第１光ガイド層１４４ａ、バリア層１４４ｃ、および第２光ガイド層１４４ｄはＡｌＧａＩｎＰが選定されている。
図３において、第２ｎクラッド層１４２に接して第１光ガイド層１４４ａが配設されこの上にウエル層１４４ｂが配設されさらにウエル層１４４ｂの上にバリア層１４４ｃが配設される。ウエル層１４４ｂとバリア層１４４ｃとは交互に配設され、最上層のウエル層１４４ｂの上に第２光ガイド層１４４ｄが配設され、この第２光ガイド層１４４ｄに接して第２ｐクラッド層１４６が配設される。
また赤色ＬＤ１４においても短波長用ＬＤ１２と同様に、ｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）が添加され、ｐ型不純物としては亜鉛（Ｚｎ）が使用されている。
さらに赤色ＬＤ１４の各層の不純物濃度と層の厚みは概ね次のとおりである。
第２バッファ層１４０はＳｉの不純物濃度は５Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚み０．５〜１．５μｍ程度である。
第２ｎクラッド層１４２のＳｉの不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３〜１Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
ＭＱＷ活性層１４４の第１光ガイド層１４４ａおよび第２光ガイド層１４４ｄは層の厚みが１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、バリア層１４４ｃは層の厚みが３ｎｍ〜１０ｎｍ程度、ウエル層１４４ｂは層の厚みが５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
第２ｐクラッド層１４６のＺｎの不純物濃度は５Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、ストライプメサの層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
バンド不連続緩和層１４８のＺｎの不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３〜３Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚みは０．１μｍ程度である。
キャップ層１５０はコンタクト層としての機能も果たすので、Ｚｎの不純物濃度は１Ｅ１９ｃｍ−３〜３Ｅ１９ｃｍ−３程度であり、層の厚みは０．１μｍ〜０．５μｍ程度である。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面側には金属製のｎ電極１８が配設され、キャップ層１２８の上には金属製の第１ｐ電極１３０が、キャップ層１５０の上には金属製の第２ｐ電極１５２がそれぞれ配設されている。
さらに赤色ＬＤ１４の各層の不純物濃度と層の厚みは概ね次のとおりである。
第２バッファ層１４０はＳｉの不純物濃度は５Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚み０．５〜１．５μｍ程度である。
第２ｎクラッド層１４２のＳｉの不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３〜１Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
ＭＱＷ活性層１４４の第１光ガイド層１４４ａおよび第２光ガイド層１４４ｄは層の厚みが１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、バリア層１４４ｃは層の厚みが３ｎｍ〜１０ｎｍ程度、ウエル層１４４ｂは層の厚みが５ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
第２ｐクラッド層１４６のＺｎの不純物濃度は５Ｅ１７ｃｍ−３〜２Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、ストライプメサの層の厚み１μｍ〜３μｍ程度である。
バンド不連続緩和層１４８のＺｎの不純物濃度は１Ｅ１７ｃｍ−３〜３Ｅ１８ｃｍ−３程度であり、層の厚みは０．１μｍ程度である。
キャップ層１５０はコンタクト層としての機能も果たすので、Ｚｎの不純物濃度は１Ｅ１９ｃｍ−３〜３Ｅ１９ｃｍ−３程度であり、層の厚みは０．１μｍ〜０．５μｍ程度である。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面側には金属製のｎ電極１８が配設され、キャップ層１２８の上には金属製の第１ｐ電極１３０が、キャップ層１５０の上には金属製の第２ｐ電極１５２がそれぞれ配設されている。
次にモノリシック型２波長ＬＤ１０の製造方法の概略を説明する。
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１６上に、第１バッファ層１２０としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、第１ｎクラッド層１２２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ウエル層１２４ｂとして使用されるＧａ０。８４Ｉｎ（０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ 層と第１光ガイド層１２４ａ、バリア層１２４ｃ、および第２光ガイド層１２４ｄとして使用されるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） 層（１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）とを有するＭＱＷ活性層１２４、第１ｐクラッド層１２６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層を例えばＭＯＣＶＤ法等により、順次形成する。
このあとキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層の上にレジストマスクを形成し、第１バッファ層１２０としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、第１ｎクラッド層１２２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層１２４、第１ｐクラッド層１２６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層を、メサ状積層構造として残るようにｎ−ＧａＡｓ基板１６が露呈するまで選択的にエッチングする。このメサ状積層構造が短波長用ＬＤ１２に対応する。
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１６上に、第１バッファ層１２０としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、第１ｎクラッド層１２２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ウエル層１２４ｂとして使用されるＧａ０。８４Ｉｎ（０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ 層と第１光ガイド層１２４ａ、バリア層１２４ｃ、および第２光ガイド層１２４ｄとして使用されるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） 層（１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）とを有するＭＱＷ活性層１２４、第１ｐクラッド層１２６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層を例えばＭＯＣＶＤ法等により、順次形成する。
このあとキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層の上にレジストマスクを形成し、第１バッファ層１２０としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、第１ｎクラッド層１２２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層１２４、第１ｐクラッド層１２６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層を、メサ状積層構造として残るようにｎ−ＧａＡｓ基板１６が露呈するまで選択的にエッチングする。このメサ状積層構造が短波長用ＬＤ１２に対応する。
つぎに短波長用ＬＤ１２に隣接するエッチングにより露呈したｎ−ＧａＡｓ基板１６上に、第２バッファ層１４０としてのｎ−ＧａＡｓ層、第２ｎクラッド層１４２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ウエル層１４４ｂとしてＧａＩｎＰ層と第１光ガイド層１４４ａ、バリア層１４４ｃ、および第２光ガイド層１４４ｄとしてのＡｌＧａＩｎＰ層を含むＭＱＷ活性層１４４、第２ｐクラッド層１４６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、バンド不連続緩和層１４８としてのｐ−ＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を、例えばＭＯＣＶＤ法等により、順次形成する。
次いで、先の短波長用ＬＤ１２に対応するメサ状積層構造の上に形成された第２バッファ層１４０としてのｎ−ＧａＡｓ層、第２ｎクラッド層１４２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層１４４、第２ｐクラッド層１４６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、バンド不連続緩和層１４８としてのｐ−ＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を除去するとともに、第２バッファ層１４０としてのｎ−ＧａＡｓ層、第２ｎクラッド層１４２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層１４４、第２ｐクラッド層１４６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、バンド不連続緩和層１４８としてのｐ−ＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層からなるメサ状積層構造を形成するように選択的にエッチングを行う。後に形成されたメサ状積層構造が赤色ＬＤ１４に対応する。
次いで、先の短波長用ＬＤ１２に対応するメサ状積層構造の上に形成された第２バッファ層１４０としてのｎ−ＧａＡｓ層、第２ｎクラッド層１４２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層１４４、第２ｐクラッド層１４６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、バンド不連続緩和層１４８としてのｐ−ＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を除去するとともに、第２バッファ層１４０としてのｎ−ＧａＡｓ層、第２ｎクラッド層１４２としてのｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層、ＭＱＷ活性層１４４、第２ｐクラッド層１４６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、バンド不連続緩和層１４８としてのｐ−ＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層からなるメサ状積層構造を形成するように選択的にエッチングを行う。後に形成されたメサ状積層構造が赤色ＬＤ１４に対応する。
さらに、エッチングにより、第１ｐクラッド層１２６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層およびキャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層からなるリッジ導波路を、また第２ｐクラッド層１４６としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、バンド不連続緩和層１４８としてのｐ−ＧａＩｎＰ層、およびキャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層からなるリッジ導波路をそれぞれ形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上にｎ電極１８を、キャップ層１２８としてのｐ−ＧａＡｓ層の上に第１ｐ電極１３０を、キャップ層１５０としてのｐ−ＧａＡｓ層の上に第２ｐ電極１５２を、それぞれ形成する。
このときのＭＯＣＶＤ成長の成長温度は例えば６５０℃、成長圧力は例えば１００ｍｂａｒ等の条件で処理を行い、各層を形成するための原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム（Trimethyl indium : TMI）、トリメチルガリウム（Trimethyl gallium : TMG）、トリメチルアルミニウム（Trimethyl aluminum : TMA ）、フォスフィン（Phosphine : PH3）、アルシン（Arsine : AsH3）、シラン（Silane : SiH4）、ジエチル亜鉛（Diethyl zinc : DEZ）、等を用いる。これらの原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller : MFC）用いて流量を制御し所望の各層の組成を得る。
このときのＭＯＣＶＤ成長の成長温度は例えば６５０℃、成長圧力は例えば１００ｍｂａｒ等の条件で処理を行い、各層を形成するための原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム（Trimethyl indium : TMI）、トリメチルガリウム（Trimethyl gallium : TMG）、トリメチルアルミニウム（Trimethyl aluminum : TMA ）、フォスフィン（Phosphine : PH3）、アルシン（Arsine : AsH3）、シラン（Silane : SiH4）、ジエチル亜鉛（Diethyl zinc : DEZ）、等を用いる。これらの原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller : MFC）用いて流量を制御し所望の各層の組成を得る。
次にモノリシック型２波長ＬＤ１０の動作について説明する。
モノリシック型２波長ＬＤ１０は、例えばＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置に加えてＣＤ−ＲＯＭ装置をハイブリッドに内蔵したＤＶＤ装置に用いられるもので、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置の読み取り及び書き込みの際に、６５０ｎｍ帯の赤色ＬＤ１４の第２ｐ電極１５２とｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上のｎ電極１８との間に所定の電圧を印加し、レーザ発振を起こして発光させてＤＶＤ−Ｒ／ＲＷディスクからのデータの読み込み及びＤＶＤ−Ｒ／ＲＷディスクへの書き込みを行う。
また、ＣＤ−ＲＯＭ装置の読み取りに際しては、７８０ｎｍ帯の短波長用ＬＤ１２の第１ｐ電極１３０とｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上のｎ電極１８との間に所定の電圧を印加し、レーザ発振を起こして発光させてＣＤ−ＲＯＭディスクからのデータの読み込みを行うものである。
モノリシック型２波長ＬＤ１０は、例えばＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置に加えてＣＤ−ＲＯＭ装置をハイブリッドに内蔵したＤＶＤ装置に用いられるもので、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置の読み取り及び書き込みの際に、６５０ｎｍ帯の赤色ＬＤ１４の第２ｐ電極１５２とｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上のｎ電極１８との間に所定の電圧を印加し、レーザ発振を起こして発光させてＤＶＤ−Ｒ／ＲＷディスクからのデータの読み込み及びＤＶＤ−Ｒ／ＲＷディスクへの書き込みを行う。
また、ＣＤ−ＲＯＭ装置の読み取りに際しては、７８０ｎｍ帯の短波長用ＬＤ１２の第１ｐ電極１３０とｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上のｎ電極１８との間に所定の電圧を印加し、レーザ発振を起こして発光させてＣＤ−ＲＯＭディスクからのデータの読み込みを行うものである。
モノリシック型２波長ＬＤ１０の７８０ｎｍ帯の短波長用ＬＤ１２においては、ＭＱＷ活性層１２４のウエル層１２４ｂとしてこの実施の形態１においてはＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ が選定されている。しかしＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ は非混和性領域（Miscibity GaP）に近く相分離を起こし始める組成領域にある。
図４はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザに用いたＩｎＧａＡｓＰ材料の組成図である。
図４において、横軸はＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）材料のＧａの組成比ｘで、縦軸はＡｓの組成比ｙである。図中の直線ＡはＧａＡｓ基板に格子整合する組成を示す直線である。また同心円Ｂはスピノーダル等温線と呼ばれるもので、それぞれの円はある温度において相分離を起こし始める限界線で、その円の内部が非混和性領域であることを示している。
図４はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザに用いたＩｎＧａＡｓＰ材料の組成図である。
図４において、横軸はＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ）材料のＧａの組成比ｘで、縦軸はＡｓの組成比ｙである。図中の直線ＡはＧａＡｓ基板に格子整合する組成を示す直線である。また同心円Ｂはスピノーダル等温線と呼ばれるもので、それぞれの円はある温度において相分離を起こし始める限界線で、その円の内部が非混和性領域であることを示している。
また図４における黒丸はMiscibity GaPにより、相分離を起こしていることを示している。こうした現象は熱力学的計算から求められる温度よりも遙かに高い成長温度においても認められる。
図４における白丸は相分離を起こしていないことを示すものである。白丸のうち白丸Ｐは、ＭＱＷ活性層１２４のウエル層１２４ｂとして選定されたＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ に対応するものである。図４から分かるようにこの組成の材料はMiscibity GaPにより、相分離を起こし始める組成になっている。
図４における白丸は相分離を起こしていないことを示すものである。白丸のうち白丸Ｐは、ＭＱＷ活性層１２４のウエル層１２４ｂとして選定されたＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ に対応するものである。図４から分かるようにこの組成の材料はMiscibity GaPにより、相分離を起こし始める組成になっている。
図５はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのフォトルミネッセンスの波長と発光強度との関係を示すグラフである。
図５の横軸はフォトルミネッセンスの波長λPLで、縦軸は任意座標の相対値で表したフォトルミネッセンスの発光強度である。
図５において、曲線ａは（１００）面から＜０１１＞の方向に、１５°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板（以下、１５°オフ（ｏｆｆ）基板という。なお傾斜する角度が変わる場合同様の表記をする。）を使用し、ウエル層としてＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２を選定しＭＱＷ活性層を構成した場合のフォトルミネッセンスの波長λPLと発光強度との関係の測定結果である。
図５の横軸はフォトルミネッセンスの波長λPLで、縦軸は任意座標の相対値で表したフォトルミネッセンスの発光強度である。
図５において、曲線ａは（１００）面から＜０１１＞の方向に、１５°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板（以下、１５°オフ（ｏｆｆ）基板という。なお傾斜する角度が変わる場合同様の表記をする。）を使用し、ウエル層としてＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２を選定しＭＱＷ活性層を構成した場合のフォトルミネッセンスの波長λPLと発光強度との関係の測定結果である。
なお参考のための比較例として、曲線ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを記載している。これらの曲線はすべて、ウエル層としてＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２ を選定しＭＱＷ活性層を構成した場合のフォトルミネッセンスの波長と発光強度との関係を示すもので、
（ｉ）曲線ｂは（１００）面を主面とするｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合（以下、（１００）ジャスト（ｊｕｓｔ）基板という）
（ｉｉ）曲線ｃは（１００）面から＜０１１＞の方向に、２°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｉｉｉ）曲線ｄは（１００）面から＜０１１＞の方向に、３°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｉｖ）曲線ｅは（１００）面から＜０１１＞の方向に、５°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｖ）曲線ｆは（１００）面から＜０１１＞の方向に、９°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｖｉ）曲線ｇは（１００）面から＜０１１＞の方向に、１０°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
についての測定結果である。
（ｉ）曲線ｂは（１００）面を主面とするｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合（以下、（１００）ジャスト（ｊｕｓｔ）基板という）
（ｉｉ）曲線ｃは（１００）面から＜０１１＞の方向に、２°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｉｉｉ）曲線ｄは（１００）面から＜０１１＞の方向に、３°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｉｖ）曲線ｅは（１００）面から＜０１１＞の方向に、５°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｖ）曲線ｆは（１００）面から＜０１１＞の方向に、９°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
（ｖｉ）曲線ｇは（１００）面から＜０１１＞の方向に、１０°傾斜する面を主面としたｎ−ＧａＡｓ基板を使用した場合
についての測定結果である。
（１００）ジャスト（ｊｕｓｔ）基板を用いた場合の曲線ｂのＰＬ波長λPLの極大値は７８０ｎｍで、２°オフ基板の曲線ｃ及び３°オフ基板の曲線ｄのＰＬ波長λPLの極大値も７８０ｎｍからそれほど大きくは変位していないが、５°オフ基板の曲線ｅ及び９°オフ基板の曲線ｆ及び１０°オフ基板の曲線ｇのＰＬ波長λPLの極大値は９００ｎｍ近辺に大きく変位し、固相比から予想されるＰＬ波長から大きく外れた波長でＰＬ発光が起きていることを示している。これは大きな相分離が起きていることを示すものである。
しかしながら、１５°オフ基板を用いた場合には、曲線ａで示されているように、再び固相比から予想されるＰＬ波長である７８０ｎｍ近傍のＰＬ波長に戻っている。
これはＧａＡｓ基板の主面の方位が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾くのに伴って、表面エネルギーが増大するために、一旦は相分離を起こす方向に加速されるが、本来熱力学的な計算からは（１００）面から＜０１１＞の方向への面方位の傾斜は、混晶が安定する方向であるために、ある限界値を超えて傾斜角が大きくなると再び混晶になりやすくなっているものと理解することができる。
しかしながら、１５°オフ基板を用いた場合には、曲線ａで示されているように、再び固相比から予想されるＰＬ波長である７８０ｎｍ近傍のＰＬ波長に戻っている。
これはＧａＡｓ基板の主面の方位が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾くのに伴って、表面エネルギーが増大するために、一旦は相分離を起こす方向に加速されるが、本来熱力学的な計算からは（１００）面から＜０１１＞の方向への面方位の傾斜は、混晶が安定する方向であるために、ある限界値を超えて傾斜角が大きくなると再び混晶になりやすくなっているものと理解することができる。
すなわち、図４における白丸Ｐのように、ＭＱＷ活性層のウエル層が、例えばＧａ０。８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．６８Ｐ０．３２により形成される場合には、Miscibity GaPにより相分離を起こし始める組成になっている。しかしこうした組成の材料であっても、ＧａＡｓ基板の主面を（１００）面から＜０１１＞の方向に、例えば１５°傾斜する面とすることにより、Miscibity GaPによる相分離を抑制できる。
実施の形態１のモノリシック型２波長ＬＤ１０では、このＧａＡｓ基板の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１５°としているが、傾斜角θを１２°以上傾斜させたＧａＡｓ基板とすることにより、Miscibity GaPによる相分離を抑制できる。 ただこの傾斜角を大きくしすぎると、導波光の水平方向の光を閉じ込めるメサ状積層構造が傾くためにビーム形状の制御が困難になるので、この傾斜角θを２０°以下にすることが必要である。
すなわちＧａＡｓ基板の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にすれば、Miscibity GaPによる相分離を抑制することができる。
実施の形態１のモノリシック型２波長ＬＤ１０では、このＧａＡｓ基板の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１５°としているが、傾斜角θを１２°以上傾斜させたＧａＡｓ基板とすることにより、Miscibity GaPによる相分離を抑制できる。 ただこの傾斜角を大きくしすぎると、導波光の水平方向の光を閉じ込めるメサ状積層構造が傾くためにビーム形状の制御が困難になるので、この傾斜角θを２０°以下にすることが必要である。
すなわちＧａＡｓ基板の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にすれば、Miscibity GaPによる相分離を抑制することができる。
このように、ｎ−ＧａＡｓ基板１６の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にすることにより、短波長用ＬＤ１２のＭＱＷ活性層１２４をｎ−ＧａＡｓ基板１６とpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）により形成されるウエル層１２４ｂを備えたものとすることができ、これによってウエル層１２４ｂの相分離を防ぐことができる。
従って、ＧａＡｓ基板の主面を（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲にある面に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にある面とするという簡単な構成により、短波長用ＬＤ１２のフォトルミネッセンスの発光強度の低下や発光半値幅の増加や結晶モフォロジーの劣化というレーザ発振の特性劣化を抑制することが出来て、発振特性の良い短波長用ＬＤ１２を構成できる。延いてはレーザの発振特性の良いモノリシック型２波長ＬＤを構成することができる。
従って、ＧａＡｓ基板の主面を（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲にある面に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にある面とするという簡単な構成により、短波長用ＬＤ１２のフォトルミネッセンスの発光強度の低下や発光半値幅の増加や結晶モフォロジーの劣化というレーザ発振の特性劣化を抑制することが出来て、発振特性の良い短波長用ＬＤ１２を構成できる。延いてはレーザの発振特性の良いモノリシック型２波長ＬＤを構成することができる。
またｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）によるＭＱＷ活性層１２４を形成することにより、第１ｎクラッド層１２２をｎ−ＡｌＧａＩｎＰにより、また第１ｐクラッド層１２６をｐ−ＡｌＧａＩｎＰにより、それぞれ形成することにより、クラッド層と活性層との屈折率差を小さくしてビーム形状を所望の大きさにするための設計マージン確保しながら、工程中のエッチング回数を減らせることができ、安価なモノリシック型２波長ＬＤを製造することができる。
さらにまたｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）によるＭＱＷ活性層１２４を形成することにより、ＣＯＤを防止するための窓構造の形成が容易に行うことができるので、ＣＯＤレベルが向上し、信頼性の高いモノリシック型２波長ＬＤを製造することができる。
さらにまたｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）によるＭＱＷ活性層１２４を形成することにより、ＣＯＤを防止するための窓構造の形成が容易に行うことができるので、ＣＯＤレベルが向上し、信頼性の高いモノリシック型２波長ＬＤを製造することができる。
図６はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の変形例の斜視図である。
図６において、モノリシック型２波長ＬＤ３０は第１の半導体レーザ素子としての７８０ｎｍ帯のリッジ埋込型の短波長用ＬＤ３２と第２の半導体レーザ素子として６５０ｎｍ帯のリッジ埋込型の赤色ＬＤ３４とから構成され、これらは共通のｎ−ＧａＡｓ基板１６の上に構成されている。
短波長用ＬＤ３２および赤色ＬＤ３４は共に導波路リッジがｎ型半導体層や絶縁体層などからなる電流狭窄層３６により埋め込まれた電流狭窄構造を有している。
他の各層の構成はモノリシック型２波長ＬＤ１０と同様である。
このような、リッジ埋込型の短波長用ＬＤ３２とリッジ埋込型の赤色ＬＤ３４とから構成されたモノリシック型２波長ＬＤ３０においても、モノリシック型２波長ＬＤ１０と同様の効果を奏する。
図６において、モノリシック型２波長ＬＤ３０は第１の半導体レーザ素子としての７８０ｎｍ帯のリッジ埋込型の短波長用ＬＤ３２と第２の半導体レーザ素子として６５０ｎｍ帯のリッジ埋込型の赤色ＬＤ３４とから構成され、これらは共通のｎ−ＧａＡｓ基板１６の上に構成されている。
短波長用ＬＤ３２および赤色ＬＤ３４は共に導波路リッジがｎ型半導体層や絶縁体層などからなる電流狭窄層３６により埋め込まれた電流狭窄構造を有している。
他の各層の構成はモノリシック型２波長ＬＤ１０と同様である。
このような、リッジ埋込型の短波長用ＬＤ３２とリッジ埋込型の赤色ＬＤ３４とから構成されたモノリシック型２波長ＬＤ３０においても、モノリシック型２波長ＬＤ１０と同様の効果を奏する。
また、この実施の形態１では第１ｎクラッド層１２２および第１ｐクラッド層１２６として、ＡｌＧａＩｎＰを用いたが、ＭＱＷ活性層にＧａＩｎＡｓＰを含む構造であれば、第１ｎクラッド層１２２および第１ｐクラッド層１２６として、ＡｌＧａＡｓを用いても同様の効果を奏する。
また、この実施の形態１では、活性層をＭＱＷ構造としたが、活性層にＩｎＧａＡｓＰ系材料を含む場合であれば、必ずしもＭＱＷ構造でなくても、単なる量子井戸構造でも良い。
また、この実施の形態１では、活性層をＭＱＷ構造としたが、活性層にＩｎＧａＡｓＰ系材料を含む場合であれば、必ずしもＭＱＷ構造でなくても、単なる量子井戸構造でも良い。
以上のようにこの実施の形態１に係る半導体レーザ装置においては、（１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくはこの面と等価な結晶面を主面とするＧａＡｓ基板と、このＧａＡｓ基板上に配設されるとともに、ＧａＡｓ基板とそれぞれが格子整合する第１導電型半導体材料の第１の第１クラッド層とこの第１の第１クラッド層の上に配設されＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層とこの第１の活性層の上に配設されＧａＡｓ基板と格子整合する第２導電型半導体材料の第１の第２クラッド層とを有する第１の半導体レーザ部と、を備えたもので、ＧａＡｓ基板の主面を（１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくはこの面と等価な結晶面としているので、このＧａＡｓ基板上に形成されるＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層において、活性層のＧａＩｎＡｓＰ系材料の非混和性領域による相分離の発生を抑制することができる。延いては高出力で高効率の半導体レーザを提供することができる。
さらに、ＧａＡｓ基板を共通の基板とし、このＧａＡｓ基板上に配設され光の導波方向を同にして第１の半導体レーザ部に隣接するとともに、ＧａＡｓ基板とそれぞれが格子整合する第１導電型半導体材料の第２の第１クラッド層とこの第２の第１クラッド層の上に配設されＧａｕＩｎ（１−ｕ）ＡｓｖＰ（１−ｖ） （１≧ｕ＞０、１≧ｖ＞０）で形成された層を含む第２の活性層とこの第２の活性層の上に配設されＧａＡｓ基板と格子整合する第２導電型半導体材料の第２の第２クラッド層とを有する第２の半導体レーザ部をさらに備えたもので、第１の半導体レーザ部の活性層のＧａＩｎＡｓＰ系材料の非混和性領域による相分離の発生を抑制することにより、設計の自由度が高く、レーザの発振特性の良いモノリシック型２波長ＬＤを構成することができる。
実施の形態２．
図７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図、図８はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の部分断面図である。
図７において、リッジ導波路型の半導体ＬＤ４０は、７００ｎｍ〜９００ｎｍ帯の半導体レーザで、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いられる。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６は実施の形態１と同様のものである。ｎ−ＧａＡｓ基板１６上にｎ−ＡｌＧａＡｓのバッファ層４２、第１の第１クラッド層としてのｎ−ＡｌＧａＡｓのｎクラッド層４４、第１の活性層としてのＭＱＷ活性層４６、第１の第２クラッド層としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰのｐクラッド層４８、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層５０が順次配設されている。
ｐクラッド層４８とキャップ層５０は、ＭＱＷ活性層４６の中央部上に所定の幅で光の導波方向に延在するリッヂ導波路を形成する。このリッヂ導波路の両側はリッジ導波路を構成するｐクラッド層４８の中央部よりも薄い所定の厚さのｐクラッド層４８の周縁部となり、このｐクラッド層４８の周縁部がＭＱＷ活性層４６を覆っている。
図７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図、図８はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の活性層近傍の部分断面図である。
図７において、リッジ導波路型の半導体ＬＤ４０は、７００ｎｍ〜９００ｎｍ帯の半導体レーザで、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いられる。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６は実施の形態１と同様のものである。ｎ−ＧａＡｓ基板１６上にｎ−ＡｌＧａＡｓのバッファ層４２、第１の第１クラッド層としてのｎ−ＡｌＧａＡｓのｎクラッド層４４、第１の活性層としてのＭＱＷ活性層４６、第１の第２クラッド層としてのｐ−ＡｌＧａＩｎＰのｐクラッド層４８、およびｐ−ＧａＡｓのキャップ層５０が順次配設されている。
ｐクラッド層４８とキャップ層５０は、ＭＱＷ活性層４６の中央部上に所定の幅で光の導波方向に延在するリッヂ導波路を形成する。このリッヂ導波路の両側はリッジ導波路を構成するｐクラッド層４８の中央部よりも薄い所定の厚さのｐクラッド層４８の周縁部となり、このｐクラッド層４８の周縁部がＭＱＷ活性層４６を覆っている。
図８にＭＱＷ活性層４６の断面構造が示されている。図８のＭＱＷ活性層４６の断面構造は図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面における断面図である。
ＭＱＷ活性層４６は、ｎ−ＧａＡｓ基板１６とpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．９≧ｘ≧０．６、１≧ｙ≧０．３）により形成されるウエル層を有し、ｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．７≧ｘ≧０．５、０．５≧ｙ≧０）により形成される第１、第２光ガイド層、およびバリア層を有している。
この実施の形態２においては、例えばｘ＝０．９、ｙ＝０．８とするＧａ０。９Ｉｎ０．１Ａｓ０．８Ｐ０．２ によりウエル層４６ｂが形成されている。
図２において、ｎクラッド層４４に接して第１光ガイド層４６ａが配設され、この上にウエル層４６ｂが配設され、さらにウエル層４６ｂの上にバリア層４６ｃが形成される。ウエル層４６ｂとバリア層４６ｃとは交互に配設され、最上層のウエル層４６ｂの上に第２光ガイド層４６ｄが配設され、この第２光ガイド層４６ｄの上に第２光ガイド層４６ｄと接してｐクラッド層４８が配設される。
またｎ型不純物およびｐ型不純物は実施の形態１と同じであり、またバッファ層４２、ｎクラッド層４４、ＭＱＷ活性層４６を構成する各層、ｐクラッド層、および４８キャップ層５０各層の層厚及び不純物濃度は、実施の形態１における第１バッファ層１２１、第１ｎクラッド層１２２、ＭＱＷ活性層１２４を構成する各層、第１ｐクラッド層１２６、キャップ層１２８のそれらと概ね同じである。
ＭＱＷ活性層４６は、ｎ−ＧａＡｓ基板１６とpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．９≧ｘ≧０．６、１≧ｙ≧０．３）により形成されるウエル層を有し、ｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．７≧ｘ≧０．５、０．５≧ｙ≧０）により形成される第１、第２光ガイド層、およびバリア層を有している。
この実施の形態２においては、例えばｘ＝０．９、ｙ＝０．８とするＧａ０。９Ｉｎ０．１Ａｓ０．８Ｐ０．２ によりウエル層４６ｂが形成されている。
図２において、ｎクラッド層４４に接して第１光ガイド層４６ａが配設され、この上にウエル層４６ｂが配設され、さらにウエル層４６ｂの上にバリア層４６ｃが形成される。ウエル層４６ｂとバリア層４６ｃとは交互に配設され、最上層のウエル層４６ｂの上に第２光ガイド層４６ｄが配設され、この第２光ガイド層４６ｄの上に第２光ガイド層４６ｄと接してｐクラッド層４８が配設される。
またｎ型不純物およびｐ型不純物は実施の形態１と同じであり、またバッファ層４２、ｎクラッド層４４、ＭＱＷ活性層４６を構成する各層、ｐクラッド層、および４８キャップ層５０各層の層厚及び不純物濃度は、実施の形態１における第１バッファ層１２１、第１ｎクラッド層１２２、ＭＱＷ活性層１２４を構成する各層、第１ｐクラッド層１２６、キャップ層１２８のそれらと概ね同じである。
次に半導体ＬＤ４０の製造方法の概略を説明する。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６上に、バッファ層４２としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ｎクラッド層４４としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ｉ−Ｇａ０。９Ｉｎ０．１Ａｓ０．８Ｐ０．２ により形成されるウエル層４６ｂとこのウエル層４６ｂの材料に対応してｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．７≧ｘ≧０．５、０．５≧ｙ≧０）から選定される第１光ガイド層４６ａ、バリア層４６ｃ、および第２光ガイド層４６ｄとを有するＭＱＷ活性層４６、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層、およびキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を例えばＭＯＣＶＤ法等により、順次形成する。
このあとキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層の上にレジストマスクを形成し、バッファ層４２としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ｎクラッド層４４としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ＭＱＷ活性層４６、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層、およびキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を、メサ状積層構造として残るようにｎ−ＧａＡｓ基板１６が露呈するまで選択的にエッチングする。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６上に、バッファ層４２としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ｎクラッド層４４としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ｉ−Ｇａ０。９Ｉｎ０．１Ａｓ０．８Ｐ０．２ により形成されるウエル層４６ｂとこのウエル層４６ｂの材料に対応してｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．７≧ｘ≧０．５、０．５≧ｙ≧０）から選定される第１光ガイド層４６ａ、バリア層４６ｃ、および第２光ガイド層４６ｄとを有するＭＱＷ活性層４６、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層、およびキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を例えばＭＯＣＶＤ法等により、順次形成する。
このあとキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層の上にレジストマスクを形成し、バッファ層４２としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ｎクラッド層４４としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層、ＭＱＷ活性層４６、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層、およびキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層を、メサ状積層構造として残るようにｎ−ＧａＡｓ基板１６が露呈するまで選択的にエッチングする。
さらに、エッチングにより、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層およびキャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層からなるリッジ導波路を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上にｎ電極１８を、キャップ層５０としてのｐ−ＧａＡｓ層の上にｐ電極１３０を、それぞれ形成する。
このときのＭＯＣＶＤ成長の成長温度は例えば６５０℃、成長圧力は例えば１００ｍｂａｒ等の条件で処理を行い、各層を形成するための原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム（Trimethyl indium : TMI）、トリメチルガリウム（Trimethyl gallium : TMG）、トリメチルアルミニウム（Trimethyl aluminum : TMA ）、フォスフィン（Phosphine : PH3）、アルシン（Arsine : AsH3）、シラン（Silane : SiH4）、ジエチル亜鉛（Diethyl zinc : DEZ）、等を用いる。これらの原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller : MFC）用いて流量を制御し所望の各層の組成を得る。
このときのＭＯＣＶＤ成長の成長温度は例えば６５０℃、成長圧力は例えば１００ｍｂａｒ等の条件で処理を行い、各層を形成するための原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム（Trimethyl indium : TMI）、トリメチルガリウム（Trimethyl gallium : TMG）、トリメチルアルミニウム（Trimethyl aluminum : TMA ）、フォスフィン（Phosphine : PH3）、アルシン（Arsine : AsH3）、シラン（Silane : SiH4）、ジエチル亜鉛（Diethyl zinc : DEZ）、等を用いる。これらの原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller : MFC）用いて流量を制御し所望の各層の組成を得る。
次に半導体ＬＤ４０の動作について説明する。
半導体ＬＤ４０は、ｐ電極１３０とｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上のｎ電極１８との間に所定の電圧を印加し、レーザ発振を起こして発光させて、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いる。
ウエル層４６ｂの材料として、Ｇａ０。９Ｉｎ０．１Ａｓ０．８Ｐ０．２を使用する場合、半導体ＬＤ４０は８２０ｎｍのＰＬ発光が得られる。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６とpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） において、ｘ＝０．９、ｙ＝０．８を選定した場合、この座標を実施の形態１の図４において説明したＩｎＧａＡｓＰ材料の組成図上に求めると、この座標点は非混和性領域（Miscibity GaP）から離れているが、この組成であってもウエル層に歪みを印加する歪ＭＱＷ構造にすると、歪みエネルギーの増加のために相分離が急激に進むことが分かっている。従って、傾斜基板を使用する場合にはこの点の考慮が必要であった。
しかしながら、この実施の形態２における半導体ＬＤ４０においては、ｎ−ＧａＡｓ基板１６は（１００）面から＜０１１＞の方向に、例えば１５°傾斜する面を主面としている。
半導体ＬＤ４０は、ｐ電極１３０とｎ−ＧａＡｓ基板１６の裏面上のｎ電極１８との間に所定の電圧を印加し、レーザ発振を起こして発光させて、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いる。
ウエル層４６ｂの材料として、Ｇａ０。９Ｉｎ０．１Ａｓ０．８Ｐ０．２を使用する場合、半導体ＬＤ４０は８２０ｎｍのＰＬ発光が得られる。
ｎ−ＧａＡｓ基板１６とpseudmorphic であるｉ−ＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） において、ｘ＝０．９、ｙ＝０．８を選定した場合、この座標を実施の形態１の図４において説明したＩｎＧａＡｓＰ材料の組成図上に求めると、この座標点は非混和性領域（Miscibity GaP）から離れているが、この組成であってもウエル層に歪みを印加する歪ＭＱＷ構造にすると、歪みエネルギーの増加のために相分離が急激に進むことが分かっている。従って、傾斜基板を使用する場合にはこの点の考慮が必要であった。
しかしながら、この実施の形態２における半導体ＬＤ４０においては、ｎ−ＧａＡｓ基板１６は（１００）面から＜０１１＞の方向に、例えば１５°傾斜する面を主面としている。
実施の形態１において述べた如く、ＧａＡｓ基板の主面の方位が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾斜角θ傾いている場合、傾斜角θが大きくなるに伴って、表面エネルギーが増大するために、一旦は相分離を起こす方向に加速される。しかしながら本来熱力学的な計算からは（１００）面から＜０１１＞の方向への面方位の傾斜は、混晶が安定する方向であるために、ある限界値を超えて傾斜角θが大きくなると再び混晶になりやすくなる。
この傾斜角θを大きくしすぎると、導波光の水平方向の光を閉じ込めるメサ状積層構造が傾くためにビーム形状の制御が困難になるので、この傾斜角θを２０°以下にすることが必要である。
従ってＧａＡｓ基板の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にすれば、Miscibity GaPによる相分離を抑制することができる。
とくに通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いる半導体ＬＤは高出力動作が要求され、ＣＯＤレベルの向上が必須の要件である。
この傾斜角θを大きくしすぎると、導波光の水平方向の光を閉じ込めるメサ状積層構造が傾くためにビーム形状の制御が困難になるので、この傾斜角θを２０°以下にすることが必要である。
従ってＧａＡｓ基板の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にすれば、Miscibity GaPによる相分離を抑制することができる。
とくに通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いる半導体ＬＤは高出力動作が要求され、ＣＯＤレベルの向上が必須の要件である。
この実施の形態２における半導体ＬＤ４０においては、ｎ−ＧａＡｓ基板１６の主面が（１００）面から＜０１１＞の方向に傾く傾斜角θを１２°≦θ≦２０°の範囲に、さらに望ましくは１４°≦θ≦１６°の範囲にするという簡単な構成により、ＧａＩｎＡｓＰ系材料の相分離を抑制できるので、ＧａＩｎＡｓＰ系材料を使用した活性層を相分離なしに使用することができる。そのために半導体ＬＤ４においては、レーザ発振の特性劣化が少なく、窓構造の作製が容易になり、高出力動作においてもＣＯＤレベルを向上させることができる。また半導体ＬＤの設計の自由度を高めることができる。延いては、ＣＯＤレベルが高く信頼性の高い高出力用の半導体ＬＤを構成することができる。
図９はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の変形例の斜視図である。
図９において、７００ｎｍ〜９００ｎｍ帯の半導体レーザで、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いられるリッジ埋込型の半導体ＬＤ５６がｎ−ＧａＡｓ基板１６の上に構成されている。
リッジ埋込型の半導体ＬＤ５６は導波路リッジがｎ型半導体層や絶縁体層などからなる電流狭窄層３６により埋め込まれた電流狭窄構造を有している。他の各層の構成は半導体ＬＤ４０と同様である。
このような、リッジ埋込型の半導体ＬＤ５６においても、リッジ導波路型の半導体ＬＤ４０と同様の効果を奏する。
また、この実施の形態２では、ｎクラッド層４４としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層を、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層を用いたが、ＭＱＷ活性層４６にＩｎＧａＡｓＰ系材料を含む場合であれば、ｎクラッド層４４およびｐクラッド層４８の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いても同様の効果を奏する。
また、この実施の形態２では、活性層をＭＱＷ構造としたが、活性層にＩｎＧａＡｓＰ系材料を含む場合であれば、必ずしもＭＱＷ構造でなくてもよい。
図９において、７００ｎｍ〜９００ｎｍ帯の半導体レーザで、通信用ファイバアンプや固体レーザ励起用光源として用いられるリッジ埋込型の半導体ＬＤ５６がｎ−ＧａＡｓ基板１６の上に構成されている。
リッジ埋込型の半導体ＬＤ５６は導波路リッジがｎ型半導体層や絶縁体層などからなる電流狭窄層３６により埋め込まれた電流狭窄構造を有している。他の各層の構成は半導体ＬＤ４０と同様である。
このような、リッジ埋込型の半導体ＬＤ５６においても、リッジ導波路型の半導体ＬＤ４０と同様の効果を奏する。
また、この実施の形態２では、ｎクラッド層４４としてのｎ−ＡｌＧａＡｓ層を、ｐクラッド層４８としてのｐ−ＡｌＧａＡｓ層を用いたが、ＭＱＷ活性層４６にＩｎＧａＡｓＰ系材料を含む場合であれば、ｎクラッド層４４およびｐクラッド層４８の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いても同様の効果を奏する。
また、この実施の形態２では、活性層をＭＱＷ構造としたが、活性層にＩｎＧａＡｓＰ系材料を含む場合であれば、必ずしもＭＱＷ構造でなくてもよい。
以上のようにこの実施の形態２に係る半導体レーザ装置においては、（１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくはこの面と等価な結晶面を主面とするＧａＡｓ基板と、このＧａＡｓ基板上に配設されるとともに、ＧａＡｓ基板とそれぞれが格子整合する第１導電型半導体材料の第１の第１クラッド層とこの第１の第１クラッド層の上に配設されＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層とこの第１の活性層の上に配設されＧａＡｓ基板と格子整合する第２導電型半導体材料の第１の第２クラッド層とを有する第１の半導体レーザ部と、を備えたもので、ＧａＡｓ基板の主面を（１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくはこの面と等価な結晶面としているので、このＧａＡｓ基板上に形成されるＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層において、活性層のＧａＩｎＡｓＰ系材料の非混和性領域による相分離の発生を抑制することができる。延いては高出力動作においてもＣＯＤレベルが高く信頼性の高い半導体レーザを提供することができる。
以上のように、この発明に係る半導体レーザ装置は、情報通信用機器や光通信用の受・発光装置、固体レーザ励起用に使用する半導体レーザ装置に適している。
１６ ｎ−ＧａＡｓ基板、 １２２ 第１ｎクラッド層、 １２４ ＭＱＷ活性層、 １２６ 第１ｐクラッド層、 １２ 短波長用ＬＤ、 １４２ 第２ｎクラッド層、 １４４ ＭＱＷ活性層、 １４６ 第２ｐクラッド層、 １４ 赤色ＬＤ。
Claims (4)
- （１００）面から＜０１１＞方向へ１２°以上２０°以下の角度傾けた面もしくは前記面と等価な結晶面を主面とするＧａＡｓ基板と、
このＧａＡｓ基板上に配設されるとともに、上記ＧａＡｓ基板とそれぞれが格子整合する第１導電型半導体材料の第１の第１クラッド層とこの第１の第１クラッド層の上に配設されＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）で形成された層を含む第１の活性層とこの第１の活性層の上に配設されＧａＡｓ基板と格子整合する第２導電型半導体材料の第１の第２クラッド層とを有する第１の半導体レーザ部と、
を備えた半導体レーザ装置。 - ＧａＡｓ基板を共通の基板とし、前記ＧａＡｓ基板上に配設され光の導波方向を同にして第１の半導体レーザ部に隣接するとともに、上記ＧａＡｓ基板とそれぞれが格子整合する第１導電型半導体材料の第２の第１クラッド層とこの第２の第１クラッド層の上に配設されＧａｕＩｎ（１−ｕ）ＡｓｖＰ（１−ｖ） （１≧ｕ＞０、１≧ｖ＞０）で形成された層を含む第２の活性層とこの第２の活性層の上に配設されＧａＡｓ基板と格子整合する第２導電型半導体材料の第２の第２クラッド層とを有する第２の半導体レーザ部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
- 第１の活性層がＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （０．９≧ｘ≧０．６、１＞ｙ≧０．３）により形成された井戸層を有する量子井戸構造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。
- 第１の活性層がＧａｘＩｎ（１−ｘ）ＡｓｙＰ（１−ｙ） （１≧ｘ＞０、１≧ｙ＞０）により形成された井戸層を有するとともに室温でのフォトルミネッセンスの波長が７６５ｎｍ以上７８５ｎｍ以下である量子井戸構造であり、第２の活性層がＧａｕＩｎ（１−ｕ）ＡｓｖＰ（１−ｖ） （１≧ｕ＞０、１≧ｖ＞０）により形成された井戸層を有するとともに室温でのフォトルミネッセンスの波長が６３０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下である量子井戸構造であることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
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-
2004
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