JP2006114811A - 半導体レーザおよび光ディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 活性層に対して垂直方向の遠視野像にスパイクが発生するのを抑制することができ、遠視野像が良好でレーザ光の集光性に優れた半導体レーザを提供する。
【解決手段】 発振波長λの光に対して透明な半導体基板１と、半導体基板１上の、発振波長λの光に対して透明な下地半導体層２と、下地半導体層２上の第１のクラッド層５と、第１のクラッド層５上の活性層８と、活性層８上の第２のクラッド層１３とを有する半導体レーザにおいて、第１のクラッド層５と半導体基板１との間に、ｎｔ＝（１／４）λ（ｎは屈折率、ｔは厚さ）を満たす半導体層３を少なくとも一層設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体レーザおよび光ディスク装置に関し、例えば、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザおよびこれを光源に用いる光ディスク装置に適用して好適なものである。

図７に、ＧａＮ基板を用いた従来のＧａＮ系半導体レーザを示す。図７に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＧａＮ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＮ中間層１０３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４、ｎ型ＧａＮ光導波層１０５、ＩｎＧａＮ光導波層１０６、アンドープのＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ（井戸層）／Ｇａ_1-y Ｉｎ_y Ｎ（障壁層、ｘ＞ｙ）多重量子井戸構造の活性層１０７、アンドープのＩｎＧａＮ中間層１０８、アンドープＡｌＧａＮ層１０９、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１１０、ｐ型ＧａＮ光導波層１１１、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１１２およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１３が順次積層されている。ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１１２の上部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１１３には、一方向に直線状に延在してリッジが形成されている。このリッジの側面およびその外側の部分のｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１１２上に延在してＳｉＯ₂ 膜１１４およびＳｉ膜１１５からなる二層膜が形成されている。そして、このリッジを覆うようにｐ側電極１１６がｐ型ＧａＮコンタクト層１１３にコンタクトして形成されている。

ここで、ｎ型ＧａＮ層１０２は、ｎ型ＧａＮ基板１０１上にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４などを成長させるに際し、あらかじめ下地として基板材料と同じ材料の層を成長させたもので、通常は１μｍ程度以上に厚く成長させる。ｎ型ＡｌＧａＮ中間層１０３は、ｎ型ＧａＮ層１０２とｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４との格子定数差による歪みを緩和するためのもので、そのＡｌ組成はｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４のＡｌ組成より小さく選ばれている。ＩｎＧａＮ中間層１０８は、活性層１０７より上層の層を成長させる際に活性層１０７が劣化するのを防止するためのものである。
図８にこのＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド図、特に伝導帯を示す。ここで、Ｅ_c は伝導帯の下端のエネルギーを示す。

ＧａＮ基板を用いた半導体レーザについては例えば特許文献１に開示されている。
特開２００３−１２４５７２号公報

しかしながら、上述の従来のＧａＮ系半導体レーザでは、活性層１０７に対して垂直方向の遠視野像（Far Field Pattern,ＦＦＰ）にスパイクが見られることから、光ディスク装置の光源などに用いる場合に好ましくなかった。
このＦＦＰに生じるスパイクについて詳細に説明する。
図９は、このＧａＮ系半導体レーザの光場のシミュレーションを行うことにより求めたＦＦＰを示す。ただし、このシミュレーションにおいては、各層の厚さを、ｎ型ＡｌＧａＮ中間層１０３は７０ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４は１２００ｎｍ、ｎ型ＧａＮ光導波層１０５は１２ｎｍ、ＩｎＧａＮ光導波層１０６は１５ｎｍ、活性層１０７の井戸層は３．５ｎｍ（井戸数は３）、障壁層は７ｎｍ、ＩｎＧａＮ中間層１０８は２４．５ｎｍ、アンドープＡｌＧａＮ層１０９は３０ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子阻止層１１０は１０．８ｎｍ、ｐ型ＧａＮ光導波層１１１は１２．３ｎｍ、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１１２は４００ｎｍとした。ｎ型ＧａＮ層１０２の厚さのみを変化させたところ、０．５μｍの整数倍のとき、活性層１０７に対して垂直方向のＦＦＰにスパイクが見られた。特に、ｎ型ＧａＮ層１０２の厚さが２μｍの整数倍のとき、例えば４μｍのときには、図９に示すように、ＦＦＰに特に強いスパイクが見られた。
図１０に、ｎ型ＧａＮ層１０２の厚さが４μｍのＧａＮ系半導体レーザについて実際に測定したＦＦＰの一例を示す。図１０より、実際にＦＦＰに強いスパイクが見られるのが分かる。
したがって、この発明が解決しようとする課題は、活性層に対して垂直方向の遠視野像にスパイクが発生するのを抑制することができ、遠視野像が良好でレーザ光の集光性に優れた半導体レーザおよびこれを光源に用いた光ディスク装置を提供することである。

本発明者らは、従来技術が有する上記の課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、活性層１０７に対して垂直方向のＦＦＰにスパイクが見られる現象は、ｎ型ＧａＮ基板１０１およびｎ型ＧａＮ層１０２とも発振波長λの光に対して透明であることから、半導体レーザの動作時に活性層１０７の近傍の光場からｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４を通ってｎ型ＧａＮ基板１０１側に漏れた光が、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１０４とｎ型ＧａＮ層１０２との界面と、ｎ型ＧａＮ基板１０１と空気との界面との間に定在波を作ることが原因であるという結論に至った。そして、これに基づいて種々検討を行った結果、この発明を案出するに至ったものである。

すなわち、上記課題を解決するために、第１の発明は、
発振波長λの光に対して透明な半導体基板と、
半導体基板上の、発振波長λの光に対して透明な下地半導体層と、
下地半導体層上の第１のクラッド層と、
第１のクラッド層上の活性層と、
活性層上の第２のクラッド層とを有する半導体レーザにおいて、
第１のクラッド層と半導体基板との間に、ｎｔ＝（１／４）λ（ｎは屈折率、ｔは厚さ）を満たす半導体層を少なくとも一層有する
ことを特徴とする半導体レーザである。

第２の発明は、
光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
半導体レーザとして、
発振波長λの光に対して透明な半導体基板と、
半導体基板上の、発振波長λの光に対して透明な下地半導体層と、
下地半導体層上の第１のクラッド層と、
第１のクラッド層上の活性層と、
活性層上の第２のクラッド層とを有し、
第１のクラッド層と半導体基板との間に、ｎｔ＝（１／４）λ（ｎは屈折率、ｔは厚さ）を満たす半導体層を少なくとも一層有する半導体レーザを用いた
ことを特徴とするものである。

ここで、第１のクラッド層と半導体基板との間には、ｎｔ＝（１／４）λを満たす半導体層を一層だけ有する場合もあるが、半導体レーザの動作時に活性層付近に生じる光場の半導体基板側への漏れをより少なくし、活性層に対して垂直方向の遠視野像にスパイクが発生するのをより効果的に防止する観点からは、好適には、この半導体層を二層以上有する。この場合、これらの半導体層は所定の間隔で設けられる。具体的には、例えば、半導体層を四層設ける場合には、これらの半導体層は、第１のクラッド層から半導体基板に向かう方向に順に（２／４）λ、（３／４）λおよび（５／４）λの間隔で設けられる。下地半導体層は、典型的には半導体基板と同一の材料により構成される。

半導体レーザは、典型的には窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたもの、例えばＧａＮ系半導体レーザであるが、他の材料、例えば発振波長が１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザなどであってもよい。

半導体基板、下地半導体層またはｎｔ＝（１／４）λを満たす半導体層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、最も一般的には、Ａｌ_X Ｂ_y Ｇａ_1-x-y-z Ｉｎ_z Ａｓ_u Ｎ_1-u-v Ｐ_v （ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１、０≦ｕ＋ｖ＜１）からなり、より具体的には、Ａｌ_X Ｂ_y Ｇａ_1-x-y-z Ｉｎ_z Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）からなり、典型的には、Ａｌ_X Ｇａ_1-x-z Ｉｎ_z Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｚ≦１）からなる。最も典型的には、半導体基板および下地半導体層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＧａＮ、ｎｔ＝（１／４）λを満たす半導体層を構成する窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＡｌ_X Ｇａ_1-x Ｎ（ただし、０＜ｘ＜１）、第１のクラッド層はＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ただし、０＜ｙ＜１かつｘ＜ｙ）である。
光ディスク装置には、再生（読み出し）専用のもの、記録（書き込み）専用のもの、再生および記録が可能なもののいずれも含まれる。

上述のように構成された第１および第２の発明においては、発振波長λの光に対して透明な下地半導体層中に、ｎｔ＝（１／４）λを満たす半導体層を少なくとも一層有することにより、半導体レーザの動作時に活性層付近に生じる光場が第１のクラッド層から半導体基板側に漏れても、ｎｔ＝（１／４）λを満たす半導体層を透過した光はその位相が変化すると同時に、強度を減衰させながら半導体基板と空気との界面に到達するのでこの界面での反射が抑制される。これは、実効的に第１のクラッド層が厚くなったのと同等であり、結果として、活性層付近に生じる光場の半導体基板側への漏れを少なくすることができる。

この発明によれば、活性層に対して垂直方向の遠視野像にスパイクが発生するのを抑制することができ、遠視野像が良好でレーザ光の集光性に優れた半導体レーザを得ることができる。そして、この半導体レーザを光源に用いることにより、高性能の光ディスク装置を実現することができる。

以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図において、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
図１はこの発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。
図１に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ基板１上にｎ型ＧａＮ層２、ｎ型ＡｌＧａＮ層３、ｎ型ＡｌＧａＮ中間層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５、ｎ型ＧａＮ光導波層６、ＩｎＧａＮ光導波層７、アンドープのＧａ_1-x Ｉｎ_x Ｎ（井戸層）／Ｇａ_1-y Ｉｎ_y Ｎ（障壁層、ｘ＞ｙ）多重量子井戸構造の活性層８、アンドープのＩｎＧａＮ中間層９、アンドープＡｌＧａＮ層１０、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１１、ｐ型ＧａＮ光導波層１２、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１３およびｐ型ＧａＮコンタクト層１４が順次積層されている。ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１３の上部およびｐ型ＧａＮコンタクト層１４には、一方向に直線状に延在してリッジが形成されている。このリッジの側面およびその外側の部分のｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１３上に延在してＳｉＯ₂ 膜１５およびＳｉ膜１６からなる二層膜が形成されている。そして、このリッジを覆うように例えばＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜からなるｐ側電極１７がｐ型ＧａＮコンタクト層１４にコンタクトして形成されている。

ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層３の厚さをｔ、屈折率をｎ、このＧａＮ系半導体レーザの発振波長をλとすると、ｎ、ｔは、ｎｔ＝（１／４）λを満たすように選ばれる。具体的には、λ＝４００ｎｍとすると、ｎ＝２．４のとき、ｔ＝４２ｎｍとなる。
他の層の厚さは、例えば、ｎ型ＧａＮ層２は３．８μｍ、ｎ型ＡｌＧａＮ中間層４は７０ｎｍ、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５は１２００ｎｍ、ｎ型ＧａＮ光導波層６は１２ｎｍ、ＩｎＧａＮ光導波層７は１５ｎｍ、活性層８の井戸層は３．５ｎｍ（井戸数は３）、障壁層は７ｎｍ、ＩｎＧａＮ中間層９は２４．５ｎｍ、アンドープＡｌＧａＮ層１０は３００ｎｍ、ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層１１は１０．８ｎｍ、ｐ型ＧａＮ光導波層１２は１２．３ｎｍ、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１３は４００ｎｍである。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層３のＡｌ組成は例えば０．０１〜０．０４、ｎ型ＡｌＧａＮ中間層４のＡｌ組成は例えば０．０３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５のＡｌ組成は例えば０．０５、ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層１３のＡｌＧａＮ層のＡｌ組成は例えば０．０８である。
図２にこのＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド図、特に伝導帯を示す。
図３に、このＧａＮ系半導体レーザの光場のシミュレーションを行うことにより求めた活性層８に対して垂直方向のＦＦＰを示す。図３より、図９に比べてＦＦＰのスパイクは大幅に抑制されていることが分かる。

以上のように、この第１の実施形態によれば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５とｎ型ＧａＮ基板１との間に発振波長λに対してｎｔ＝（１／４）λを満たす厚さｔおよび屈折率ｎのｎ型ＡｌＧａＮ層３が設けられていることにより、活性層８に対して垂直方向のＦＦＰにスパイクが発生するのを大幅に抑制することができる。このため、良好なＦＦＰを得ることができ、光ディスク装置の光ピックアップの光源にこのＧａＮ系半導体レーザを用いることにより、レンズによるレーザ光の集光性が向上する。このため、光ピックアップの光学系に負担をかけることなく、高性能の光ディスク装置を実現することができる。

図４はこの発明の第２の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す。
図４に示すように、このＧａＮ系半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＮ層２中に、ｎｔ＝（１／４）λを満たす厚さｔおよび屈折率ｎのｎ型ＡｌＧａＮ層３が四層、互いに所定の間隔、具体的には、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５からｎ型ＧａＮ基板１に向かう方向に順に（２／４）λ、（３／４）λおよび（５／４）λの間隔で設けられている。これらの間隔は、ＧａＮ系半導体レーザの動作時にｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４とｎ型ＧａＮ基板１との間に定在波が立たないように決められたものである。
上記以外の構成は第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザと同様であるので、説明を省略する。
図５にこのＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド図、特に伝導帯を示す。
図６に、このＧａＮ系半導体レーザの光場のシミュレーションを行うことにより求めた活性層８に対して垂直方向のＦＦＰを示す。図６より、図９に比べてＦＦＰのスパイクはより大幅に抑制されていることが分かる。

以上のように、この第２の実施形態によれば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５とｎ型ＧａＮ基板１との間に発振波長λに対してｎｔ＝（１／４）λを満たす厚さｔおよび屈折率ｎのｎ型ＡｌＧａＮ層３が四層設けられていることにより、活性層８に対して垂直方向のＦＦＰにスパイクが発生するのをより有効に抑制することができる。このため、良好なＦＦＰを得ることができ、光ディスク装置の光ピックアップの光源にこのＧａＮ系半導体レーザを用いることにより、レンズによるレーザ光の集光性が向上する。このため、光ピックアップの光学系に負担をかけることなく、高性能の光ディスク装置を実現することができる。

以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態において挙げた数値、構造、基板などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、構造、基板などを用いてもよい。

なお、本発明者らの研究によれば、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５を十分に厚く、具体的には１．４〜１．５μｍ以上に厚くすれば、活性層８付近の光場がｎ型ＧａＮ基板１側に漏れるのをほぼ完全に防止することができるため、活性層８に対して垂直方向のＦＦＰにスパイクが発生するのを防止することができるが、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５をこのように厚く成長させるとクラックなどが発生したりするおそれがあり、好ましくない。

この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの遠視野像をシミュレーションで求めた結果を示す略線図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド図である。 この発明の第１の実施形態によるＧａＮ系半導体レーザの遠視野像をシミュレーションで求めた結果を示す略線図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザを示す断面図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザの要部のエネルギーバンド図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザの遠視野像をシミュレーションで求めた結果を示す略線図である。 従来のＧａＮ系半導体レーザの遠視野像を実験で求めた結果を示す略線図である。

符号の説明

１…ｎ型ＧａＮ基板、２…ｎ型ＧａＮ層、３…ｎ型ＡｌＧａＮ層、４…ｎ型ＡｌＧａＮ中間層、５…ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、６…ｎ型ＧａＮ光導波層、７…ＩｎＧａＮ光導波層、８…活性層、９…ＩｎＧａＮ中間層、１０…アンドープＡｌＧａＮ層、１１…ｐ型ＡｌＧａＮ電子障壁層、１２…ｐ型ＧａＮ光導波層、１３…ｐ型ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子クラッド層、１４…ｐ型ＧａＮコンタクト層、１５…ＳｉＯ₂ 膜、１６…Ｓｉ膜、１７…ｐ側電極

Claims (10)

1. 発振波長λの光に対して透明な半導体基板と、
   上記半導体基板上の、発振波長λの光に対して透明な下地半導体層と、
   上記下地半導体層上の第１のクラッド層と、
   上記第１のクラッド層上の活性層と、
   上記活性層上の第２のクラッド層とを有する半導体レーザにおいて、
   上記第１のクラッド層と上記半導体基板との間に、ｎｔ＝（１／４）λ（ｎは屈折率、ｔは厚さ）を満たす半導体層を少なくとも一層有する
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 上記第１のクラッド層と上記半導体基板との間に上記半導体層を二層以上有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 上記第１のクラッド層と上記半導体基板との間に二層以上の上記半導体層が所定の間隔で設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
4. 上記第１のクラッド層と上記半導体基板との間に四層の上記半導体層が上記第１のクラッド層から上記基板に向かう方向に順に（２／４）λ、（３／４）λおよび（５／４）λの間隔で設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
5. 上記半導体基板は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
6. 上記半導体基板はＧａＮ基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
7. 上記半導体層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
8. 上記半導体層はＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層（ただし、０＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
9. 上記第１のクラッド層はＡｌ_y Ｇａ_1-y Ｎ層（ただし、０＜ｙ＜１かつｘ＜ｙ）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. 光源に半導体レーザを用いた光ディスク装置において、
    上記半導体レーザとして、
    発振波長λの光に対して透明な半導体基板と、
    上記半導体基板上の、発振波長λの光に対して透明な下地半導体層と、
    上記下地半導体層上の第１のクラッド層と、
    上記第１のクラッド層上の活性層と、
    上記活性層上の第２のクラッド層とを有し、
    上記第１のクラッド層と上記半導体基板との間に、ｎｔ＝（１／４）λ（ｎは屈折率、ｔは厚さ）を満たす半導体層を少なくとも一層有する半導体レーザを用いた
    ことを特徴とする光ディスク装置。
    

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