JP2006228941A - 半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】高次モード・キンクの発生を抑えて高出力化の達成が可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】下部クラッド層２、活性層４、上部クラッド層６、およびコンタクト層７がこの順に積層され、コンタクト層７および上部クラッド層６の上層が凸条のストライプリッジ構造に成形されたリッジ部ａを備えている。そして、リッジ部ａ脇の上部クラッド層６の上面からリッジ部ａの側壁までが、埋め込み膜ｂ１によって覆われている。この埋め込み膜ｂ１は、第１低屈折率層１１，発振波長のレーザ光を吸収する光吸収層１２，第２低屈折率層１３、光吸収層を兼ねる酸化防止層１４をこの順に積層させた積層構造となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザに関し、特にはストライプリッジ構造を有する実屈折率型の半導体レーザに関する。
図２には、ストライプリッジ構造を有する実屈折率型の半導体レーザの一例として、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc)などへの記録に用いられるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザの概略断面構造を示す。
この図に示す半導体レーザは、ｎ型のＧａＡｓからなる基板１０１上に、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１０２、ＧａＩｎＰからなる活性層１０３、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１０４、およびｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層１０５がこの順に積層されている。そして、コンタクト層１０５および上部クラッド層１０４の上層が凸条のストライプリッジ構造に成形され、リッジ部ａを構成している。また、リッジ部ａ脇における上部クラッド層１０４の上面からリッジ部ａの側壁にかけては、ＡｌＩｎＰからなる低屈折率層１０６と、この上部のＧａＡｓからなる酸化防止層１０７とからなる埋め込み膜ｂで覆われている。そして、これらを覆うと共にコンタクト層１０５に接続された状態で、上部電極１０８が設けられる一方、基板１０１側には下部電極１０９が設けられている。このような構造においては、埋め込み膜ｂの構成を、酸化防止層１０７の下層に低屈折率層１０６を設けた構成とすることにより、発振されたレーザ光の内部ロスの低減を図っている（下記特許文献１参照）。
ところで、記録用に用いられる光ピックアップ用の半導体レーザには、記録速度を上げるために高出力化が望まれている。図３には、上記ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザにおける光出力−電流特性(Ｌ−Ｉ特性)を示す。この図に示すように、通常、半導体レーザは、しきい値電流以上では電流増加にともない、ほぼ直線的に光出力が増加する。しかしながら、電流が増加することにより、レーザ横モードが、基本モードである０次モードから１次以降の高次モードに移動する。これにより、光出力の直線的増加が維持できなくなる、いわゆるキンク（特に高次モード・キンク）と呼ばれる現象が発生する。この現象が生じる時の光出力（図３中：Ｌｋ）をキンクレベルと呼ぶ。そして、半導体レーザにおいては、このキンクレベルＬｋが最高出力を規定している場合が多い。
ここで、高次モード・キンクのカットオフ条件（高次モード・キンクを防止できる条件）は、一般に下記式（1）で表される。尚、図２を参照し、式（１）中、ｎ1はリッジ部ａの実効屈折率、ｎ2は埋め込み膜ｂの実効屈折率、λ0は発振波長、Ｗはリッジ幅を示す（図２参照）。
Figure 2006228941
上記式（１）から、高次モード・キンクを防止する手段として、次のような１）、２）の手段が考えられる。
１）リッジ幅（Ｗ）を狭くする。
２）実効屈折率差（ｎ1−ｎ2）を小さくする。これを実現する構成として、図２で示した構造における低屈折率層（ＡｌＩｎＰ）１０６を、屈折率が３．４〜３．５５の半導体層（例えばＡｌＧａＡｓ）に変更する構成が提案されている。これにより、実効屈折率差（ｎ1−ｎ2）が０．００１〜０．００５となり、基本モードが得られ易くなるとしている（下記特許文献１参照）。
また、これ以外にも、
３）埋め込み膜における高次モードの吸収係数を大きくすることにより、レーザ横モードが０次モードから高次モードに移動することを防止する手段も考えられる。そして、これを実現する手段としては、図２で示した構造における低屈折率層（ＡｌＩｎＰ）１０６を薄くして、レーザ光の吸収層ともなる酸化防止層（ＧａＡｓ）１０７を活性層１０３に近づける構成が考えられる。
特開２００２−１９８６１４号公報（第３段落、第９〜１０段落参照）
しかしながら、上述した１）〜３）の解決手段には、次のような課題がある。
１）のリッジ幅（Ｗ）を狭くする解決手段では、半導体レーザにおけるリッジ部の熱抵抗が増大し、レーザ光発振時の発熱によりリッジ部の屈折率ｎ1が増大するため、カットオフ条件から逸脱しやすくなる、という問題が発生する。
２）実効屈折率差（ｎ1−ｎ2）を小さくする解決手段では、半導体レーザにおけるｐｎ接合面での水平方向の放射角(θ//)が小さくなり、光ピックアップ装置で使用できる出力の下限を下回る、と言った問題が発生する。
３）埋め込み膜における高次モードの吸収係数を大きくする解決手段では、確かに、高次モードを吸収できるが、同時に０次モードも比例して吸収される。つまり、図４に示すように、０次モードの吸収係数［α０］は、１次モードの吸収係数［α１］に比例するのである。したがって、図５に示すように、低屈折率層（ＡｌＩｎＰ）１０６の膜厚ｔを小さくすることにより、１次モード（高次モード）の吸収を大きくすることができるが、同時に０次モードも吸収されてしまうのである。また、このような０次モードおよび１次モードの吸収係数により、１）の解決方法と同様にリッジ部の発熱による問題も発生する。
そこで本発明は、自己発熱を抑えつつも高次モード・キンクを防止でき、これによりさらなる高出力化の達成が可能な半導体レーザを提供することを目的とする。
以上のような目的を達成するための本発明の半導体レーザは、実屈折率型の半導体レーザに関する。この半導体レーザは、下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層をこの順に積層し、当該上部クラッド層の上層が凸条のストライプリッジ構造に成形されている。そして、ストライプリッジ構造脇における上部クラッド層の上面からストライプリッジ構造の側壁までが、本発明に特徴的な層構造の埋め込み膜で覆われている。すなわち、この埋め込み膜は、発振波長のレーザ光を吸収する光吸収層を介して当該レーザ光の吸収を防止するための低屈折率層を２層以上積層させた構成であることを特徴としている。
このような構成の半導体レーザでは、低屈折率層が１層だけ設けられた従来の埋め込み膜構造と比較し、埋め込み膜における１次モード（高次モード）の吸収に対する０次モードの吸収係数が小さく抑えられることとが確認された。これにより、本構成の埋め込み膜を備えた半導体レーザでは、埋め込み膜においての０次モードの吸収を抑えて高次モードの吸収が高められるため、自己発熱を抑えつつ高次モード・キンクの発生を抑えることができる。
以上説明したように、本発明の半導体レーザによれば、高次モード・キンクの発生を抑えることが可能であるため、さらなる高出力化を達成することが可能になる。
次に、本発明を適用した半導体レーザの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、実施形態の半導体レーザの断面構成図である。この図に示す半導体レーザは、例えばＤＶＤ（Digital Versatile Disc)などへの記録に用いられるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザであり、ストライプリッジ構造を有する実屈折率型として構成されている。
すなわち、ＧａＡｓからなる基板（以下、ＧａＡｓ基板）１上には、下部クラッド層２、下部ガイド層３、活性層４，上部ガイド層５，上部クラッド層６，コンタクト層７がこの順に積層されている。そして、コンタクト層７の全層および上部クラッド層６の上層（１μｍ程度）が凸条のストライプリッジ構造に成形され、リッジ部ａを構成している。
また、リッジ部ａ脇の上部クラッド層６の上面からリッジ部ａの側壁に掛けては、第１低屈折率層１１，光吸収層１２，第２低屈折率層１３，および酸化防止層１４をこの順に積層してなる埋め込み膜ｂ１で覆われている。つまり、光吸収層１２を介して低屈折率層１１，１３を２層積層させた積層構造の埋め込み膜ｂ１によって、リッジ部ａ脇の上部クラッド層６の上面からリッジ部ａの側壁までが覆われているのである。そして、この埋め込み膜ｂ１の積層構造が、本実施形態に特徴的な構成となっている。尚、この埋め込み膜ｂ１は、リッジ部ａの上面を構成するコンタクト層７を露出させる形状に成形されている。
そして、埋め込み膜ｂ１上には、コンタクト層７に接続された状態で、上部電極１５が設けられる一方、ＧａＡｓ基板１０１の裏面側には下部電極１６が設けられている。
以上のような構成において、各層の詳細を説明する。
先ず、ＧａＡｓ基板１上に設けられた下部クラッド層２は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる。この組成は、例えば（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。尚、図面においては、ＧａＡｓ基板１上に直接下部クラッド層２を設けた構成としたが、ＧａＡｓ基板１と下部クラッド層２との間に、格子整合を図るためのバッファ層を設けても良い。バッファ層としては、ｎ型ＧａＩｎＰ、または下部クラッド層２よりもＡｌ組成が小さいｎ型のＡｌＧａＩｎＰが用いられる。
そして、下部ガイド層３は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなり、その組成は例えば（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
活性層４は、ＧａＩｎＰからなる。
上部ガイド層５は、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなり、その組成は下部ガイド層３と同一であって良く、例えば（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
い。
上部クラッド層６は、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなり、その組成は下部クラッド層２と同一であって良く、例えば（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
コンタクト層７は、ｐ型のＧａＡｓからなる。尚、図面においては、上部クラッド層６上に直接、ＧａＡｓコンタクト層７を設けた構成としたが、上部クラッド層６とコンタクト層７との間に、格子整合を図るためのバッファ層を設けても良い。バッファ層としては、ｐ型のＧａＩｎＰ、または上部クラッド層６よりもＡｌ組成が小さいｐ型のＡｌＧａＩｎＰが用いられる。
そして、本実施形態の特徴である埋め込み膜ｂ１を構成する各層は、次のように構成されている。
先ず、第１低屈折率層１１は、この半導体レーザの活性層４で発振されるレーザ光の吸収を防止するための非吸収層であり、例えばｎ型のＡｌＩｎＰ［ＡｌxＩｎ(1-x)Ｐ］
からなる。この材料は、組成を調整することにより、レーザ光を吸収しない非吸収層となり、例えばその組成はＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
また、第１低屈折率層１１を構成する材料としては、Ｇａの組成を少量に抑えたｎ型のＡｌＧａＩｎＰ［ＡｌxＧａ(1-x)ＩｎＰ］、またはＧａの組成を少量に抑えたｎ型のＡｌＧａＡｓ［ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ］を用いても良い。これらの材料も、上述したようにその組成を調整することにより、レーザ光の吸収しない非吸収層となる。
そして、この第１低屈折率層１１の膜厚ｔ１は、できるだけ薄いことが好ましく、５００ｎｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、活性層４により近い位置に光吸収層１２を配置するようにする。
そして、光吸収層１２は、この半導体レーザの活性層４で発振されるレーザ光を吸収する層であり、例えばｎ型のＧａＡｓからなる。また、Ａｌの組成を極少量に抑えたものであれば、ｎ型のＡｌＧａＡｓ［ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ］であっても良い。このような光吸収層１２の膜厚は、極薄膜で良い。例えばｎ型のＧａＡｓからなる光吸収層１２であれば、１〜２０ｎｍ程度、好ましくは１〜１０ｎｍ以下であることとし、一例として１．５ｎｍとする。
また、第２低屈折率層１３は、第１低屈折率層１１で説明した材料と同様の材料が用いられるが、第１低屈折率層１１と同一材料が選択されても良く、異なる材料が選択されても良い。この第２低屈折率層１３の膜厚は、例えば２００ｎｍ程度であることとする。
さらに、酸化防止層１４は、ｎ型のＧａＡｓからなる。ＧａＡｓは、上述したように光吸収層１２を構成する材料ともなるため、この酸化防止層１４は、光吸収層をも兼ねることになる。このような酸化防止層１４の膜厚は、酸化防止の機能が充分に得られる程度の膜厚であれば良く、例えば２００ｎｍ程度であることとする。
尚、ここでの図示は省略したが、第１低屈折率層１１の下層には、第１低屈折率層１１以降の層を成膜する際の結晶再成長において、再成長させる層の結晶性の向上を図るためのＧａＡｓ層を設けても良い。このＧａＡｓ層は、光吸収層も兼ねることになる。
以上のように構成された半導体レーザにおいては、リッジ部ａ脇から側壁を覆う埋め込み膜ｂ１の構成を、第１低屈折率層１１と第２低屈折率層１３とを、光吸収層１２を介して積層させた構成とした。これにより、低屈折率層が単層構造である従来の埋め込み膜構造と比較し、埋め込み膜ｂ１における１次モード（高次モード）の吸収に対する０次モードの吸収係数が小さく抑えられることとが、下記のように確認された。
下記表１には、上記した実施形態の半導体レーザについて、低屈折率膜を２層構造とした埋め込み膜ｂ１での０次モードの吸収係数と、１次モードの吸収係数を測定した結果（実施形態の構造）を示す。また下記表１には、比較例として技術背景において図２を用いて説明した低屈折率膜が単層構造の埋め込み膜ｂでの０次モードの吸収係数と、１次モードの吸収係数を測定した結果（従来の構造）を示す。尚、実施形態の構造においては、２層の低屈折率膜の合計膜厚（ｔ１＋ｔ２）を３５０ｎｍとした。
Figure 2006228941
また、先の図４には、表１の結果をグラフで示した。
これらの表１および図４に示すように、従来の構造と比較して、実施形態の構造においては、１次モードの吸収係数に対する０次モードの吸収係数が低くなっていることが確認される。
以上のように、本構成の埋め込み膜を備えた半導体レーザでは、埋め込み膜ｂ１における１次モード（高次モード）の吸収に対する０次モードの吸収係数が小さく抑えられる、すなわち埋め込み膜ｂ１においての０次モードの吸収を抑えて高次モードの吸収が高められることから、自己発熱を抑えつつ高次モード・キンクの発生を抑えることができる。この結果、半導体レーザのさらなる高出力化を達成することが可能になる。
尚、上述した実施形態においては、第１低屈折率層１１および第２低屈折率層１３の２層の低屈折率層１１，１３を、光吸収層１２を介して積層させた構成を説明した。しかしながら、本発明はこのような積層構造に限定されることはなく、光吸収層１２を介して３層以上の低屈折率層を積層させても良い。また、各低屈折率層および光吸収層を、それぞれ異なる組成や材料構成としても良い。
また、上述した実施形態においては、本発明をクラッド層がＡｌＧａＩｎＰからなるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザに適用した場合を説明した。しかしながら、本発明は、ストライプリッジ構造を有する実屈折率型の半導体レーザに広く適用可能であり、発振波長に応じて低屈折率層１１，１３、および光吸収層１２として適切な材料を用いることで同様の効果を得ることができる。例えば、クラッド層がＡｌＧａＡｓからなるＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザに適用する場合には、低屈折率層１１，１３として、レーザ光を吸収しない組成にそれぞれ調整されたＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＡｓが用いられる。また、光吸収層１２として、レーザ光を吸収する組成にそれぞれ調整されたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓが用いられる。
実施形態の半導体レーザの断面構成図である。 従来の半導体レーザの断面構成図である。 半導体レーザのＬ−Ｉ特性とキンクレベルを示す図である。 １次モードの吸収係数に対する０次モードの吸収係数を示す図である。 低屈折率層の膜厚に対する１次モードの吸収係数を示す図である。
符号の説明
３…下部クラッド層、４…活性層、６…上部クラッド層、１１…第１低屈折率層、１２…光吸収層、１３…第２低屈折率層、１４…酸化防止層（光吸収層）、ａ…リッジ部、ｂ１…埋め込み膜

Claims (5)

  1. 下部クラッド層、活性層、上部クラッド層がこの順に積層され、当該上部クラッド層の上層が凸条のストライプリッジ構造に成形された実屈折率型の半導体レーザにおいて、
    発振波長のレーザ光を吸収する光吸収層を介して当該レーザ光の吸収を防止するための低屈折率層を２層以上積層させた積層構造の埋め込み膜によって、前記ストライプリッジ構造脇における前記上部クラッド層の上面から当該ストライプリッジ構造の側壁までが覆われている
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    前記上部クラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰからなり、
    前記光吸収層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなり、
    前記低屈折率層は、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＡｓからなる
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  3. 請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    前記上部クラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなり、
    前記光吸収層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなり、
    前記低屈折率層は、ＡｌＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、またはＡｌＧａＡｓからなる
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  4. 請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    前記埋め込み膜の最上層には、酸化防止層を兼ねた前記光吸収層が設けられている
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  5. 請求項１記載の半導体レーザにおいて、
    前記埋め込み膜の最下層には、結晶性の向上を図るための層を兼ねた前記光吸収層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ。

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