JP2008091716A - 半導体レーザ素子、その製造方法、光無線通信用送信装置および光ディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低駆動電力かつ高い信頼性を保つことができるように改良された半導体レーザ素子を提供することを主要な目的とする。
【解決手段】活性層１０５を間に挟んで、上下にｐ型クラッド層１０９を含む複数のｐ型導電型層１０６〜１１０，１１４，１１５と、ｎ型クラッド層１０３を含む複数のｎ型導電型層１０１〜１０４とが設けられた半導体レーザ素子において、発振波長が１．０μｍ以下であり、上記複数のｐ型導電型層１０６〜１１０，１１４，１１５のうちのｎ番目の層をｐ型導電型層(ｎ)とし、該ｐ型導電型層(ｎ)の光閉じ込め係数をΓ(ｎ)とし、該ｐ型導電型層(ｎ)のドーピング濃度をＰ(ｎ)としたときのΓ(ｎ)とＰ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] が８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3 以下であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に半導体レーザ素子に関するものであり、より特定的には、該当波長帯で静特性と温度特性を両立させることができるように改良された光無線通信用半導体レーザ素子に関する。この発明は、そのような半導体レーザ素子の製造方法に関する。この発明は、また、そのような半導体レーザ素子を用いた光無線通信用送信装置および光ディスク装置に関する。

近年、ＩＴ技術の発達やブロードバンドの普及に従い、音声や映像といった大容量データを、時や場所によらずに扱う機会が増加している。中でも、高速有線インフラと接続された屋内外の固定端末と移動型携帯端末との間で空間を介して大容量データ通信を行うという市場は、今後ますます拡大するものと考えられる。このような無線通信に用いられるキャリアには電波と光があり、後者の信号源には価格面や取り扱いの容易さから現状ＬＥＤが使用されている。しかしデータの秘匿性やデータ量の増大による高速化への要請から、半導体レーザ素子を用いた光無線通信技術への期待は高い。このような状況を踏まえ、現在、半導体レーザ素子を用いた新たな高速光無線通信規格の標準化作業が進められている。

この新たな光無線通信規格で用いられる光の波長は、８５０〜９００ｎｍを中心とする波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯である。これは、空間へ光を放射するという使用法に由来する、人体とりわけ目に対する安全性や受光素子の波長依存性によって決まるもので、この波長帯で安定に動作する新たな半導体レーザ素子の開発が必要となる。

しかしながら、この１．０μｍ以下の近赤外波長帯は、短波長帯光ディスク装置や現状の長波長帯光ファイバ通信で用いられる波長帯のちょうど中間にあたるため、これら従来の波長帯では問題とならなかった半導体レーザ素子の構造パラメータがレーザの特性に大きな影響を与える可能性がある。

そのような構造パラメータのうち、特に半導体レーザ素子の効率に大きな影響を与えるパラメータの一つに、不純物がドーピングされた半導体層内での自由電子吸収αfcがある。

これは自由電子が価電子帯や伝導帯のエネルギーバンド内の同じ谷の中で光を吸収してより高エネルギー側に遷移する現象で、図９の線（ａ）〜（ｃ）のように、光の波長が長くドーピング濃度が大きいほど、自由電子吸収αfcの値は大きくなる。その関係は理論的に求められており、

と表される。

（式１）で、Ｎはドーピング濃度、λは光の波長、ａ〜ｃは乗数の異なる波長λの係数、τはキャリア緩和時間を表す。最右辺のλの係数であるｐは音響／光学フォノンやイオン化不純物による各種の散乱の程度によって異なる値をとり、一般にＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体の場合は３〜３．５程度の値となる。

このように自由電子による吸収は波長の３乗程度に比例するため、従来から光ファイバ通信で使用されてきた波長１．３μｍ以上の長波長帯半導体レーザ素子では非常に問題視されてきた。この問題に対する解決策の一つに、特許文献１に開示の技術がある。この例では、ＩｎＰ系レーザにおいて、キャップ層を除くｐ型導電型層全層のドーピング濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜７×１０¹⁷ｃｍ^-3程度という比較的低い値に設定することで自由電子吸収を抑制している。ここで特にｐ型のドーピング濃度を規定したのは、同じドーピング濃度で比較した場合、ｐ型ドーパントによる自由電子吸収のほうが、ｎ型ドーパントによるものより影響が大きいことによる。

対して光ディスク装置に用いられる短波長帯半導体レーザ素子では、長波長帯半導体レーザ素子とは異なり、自由電子吸収の影響がごく小さいため、ｐ型導電型層のドーピング濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度以下であればあまり問題とされてこなかった。

なおこれらの短波長帯と長波長帯の中間に位置する波長帯の半導体レーザ素子の、自由電子吸収に関する報告もなされている（例えば非特許文献１）。非特許文献１には、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ下部光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ上部光ガイド層、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層、ｎ−ＧａＡｓキャップ層が基板側から順に積層され、その活性層が波長８０８ｎｍ（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層）もしくは９８０ｎｍ（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層）で発振するよう設定された、数種のブロードエリア型半導体レーザ素子の記載がある。これらの半導体レーザ素子では、実験的に内部吸収αi＝４〜５ｃｍ^-1程度の値が得られているが、各種の検討により、この内部吸収の値を構成する要因の中に自由電子吸収αfcの影響はほとんど無いと結論づけている。
特許第２６９９８４８号公報 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．２０，１９９６

しかし、上で述べた近赤外波長帯半導体レーザ素子の例では、キャップ層を除くｐ型ドーピング濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度と先に述べた長波長帯半導体レーザ素子と同様、比較的低い値に設定されているため、当該波長帯での自由電子吸収の影響については、記載通り根本的に影響がないのか、それともドーピング濃度が低いため自由電子吸収の影響が顕在化していないのか、この例からは確定することができない。

ところで、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例や先述の長波長帯半導体レーザ素子のように、そのｐ型導電型層のドーピング濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度という比較的低い値に設定された半導体レーザ素子では、自由電子吸収の影響が小さくなるのとは逆に、温度特性、素子抵抗、横基本モード発振といった効率以外のレーザの特性に様々な悪影響が生じる。例えば光ガイド層、クラッド層ともにそのｐ型ドーピング濃度を４×１０¹⁷ｃｍ^-3〜６×１０¹⁷ｃｍ^-3程度に設定した半導体レーザ素子では、該ｐ型導電型層のキャリアに対する障壁レベルがより高いドーピングがなされた層の障壁レベルよりも低くなるため、レーザの温度特性が悪化する。特に長波長帯に比べ井戸層のエネルギーギャップが大きくキャリアリークが起こり易い近赤外波長帯の半導体レーザ素子の場合、光ガイド層、クラッド層といった活性層以外の層でのキャリアブロック効果の良悪が、より重大な課題となる。

素子抵抗についても、４×１０¹⁷ｃｍ^-3〜６×１０¹⁷ｃｍ^-3程度という低いドーピング濃度の半導体レーザ素子では、抵抗値の上昇に伴い高駆動電力化するため、特にそのような半導体レーザ素子を発光部品として光無線通信用装置に導入すると、レーザドライバなど装置内の他の構成部品に負荷がかかったり、許容電力の上限が下がり他の回路部品の選択の幅が狭くなりかねない。

またこのような低ｐ型ドーピング濃度下では、キャリアの拡散速度が遅くなるため、空間的ホールバーニングが誘発され発振横モードが不安定化する。このことで半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇し通信時の符号誤り率が増大するため、通信用半導体レーザ素子にとっては大きな問題となる。

以上のことから、波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で特にｐ型導電型層のドーピング構造を決定するには、自由電子吸収と、それとトレードオフの関係にある温度特性、素子抵抗、発振横モードの安定性を両立させることが必要となる。特に波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯での自由電子吸収の影響の有無とその程度が不明確であるため、自由電子吸収の影響を受けずに高効率を保ち得る上限のｐ型ドーパンド濃度を定めることが、該当波長帯のレ−ザ素子を開発する上で必須の課題となる。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたもので、低駆動電力かつ高い信頼性を保つことができるように改良された半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

この発明の他の目的は、そのような半導体レーザ素子の製造方法を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、発光素子として該波長帯で上述のような利点をもつ半導体レーザ素子を搭載した高速光無線通信用送信装置を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、そのような半導体レーザ素子を搭載した、高速化競争の続く光ディスク分野で高速読み書きを可能にした光ディスク装置を提供することにある。

この発明にかかる半導体レーザ素子は、活性層を間に挟んで、少なくとも、上下にｐ型クラッド層を含む複数のｐ型導電型層とｎ型クラッド層を含む複数のｎ型導電型層が設けられた半導体レーザ素子に係り、発振波長が１．０μｍ以下であり、上記複数のｐ型導電型層のうちのｎ番目の層をｐ型導電型層(ｎ)とし、該ｐ型導電型層(ｎ)の光閉じ込め係数をΓ(ｎ)とし、該ｐ型導電型層(ｎ)のドーピング濃度をＰ(ｎ)としたときのΓ(ｎ)とＰ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] が８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3 以下であることを特徴とする。

ここで、光閉じ込め係数は、基板に垂直な方向の光量の総和に対してある層ｎ内に存在する光量の割合である。ここでは、単純に「光の量」という意味で「光量」という言葉を用いる。光閉じ込め係数は、半導体層各層の層厚と組成（屈折率）や上部の電極構造（金属材料種や層厚）、発振する光の波長が決まれば、等価屈折率法をいう計算手法を用いて、各層に存在する光の割合＝各層の光閉じ込め係数が一意に決まる。「基板に垂直な方向の層構造」を全層確定した上で計算を行なうと、各層の光閉じ込め係数（垂直方向の光量の総和を１としたときの各層に存在する光量の割合）が一意に決まる。この光閉じ込め係数という概念を説明するために、ある特定の層の光閉じ込め係数を狙いの値にする場合、その層で狙いの値になるよう全層の構造（層厚、組成等）を決定するという手法をとる。

この発明によれば、従来自由電子吸収の影響が不明確だった波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避することで高い効率の値を得ることができる。

本発明者らは波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収を回避できるｐ型ドーピング構造の“上限の値”を決定するため、実際に波長９００ｎｍで発振する半導体レーザ素子でｐ型ドーピング濃度Ｐや同じ層の光閉じ込め係数Γの組み合わせが異なる数種類の素子を作製し、効率の値と、効率に直接影響を与える内部吸収αiの値を算出した。
その結果、ｐ型ド−ピング各層（ｎ）の光閉じ込め係数Γ（ｎ）とそのドーピング濃度Ｐ（ｎ）との積の総和Σと、半導体レーザ素子の内部吸収αiとの間に図１０のような関係があることがわかった。この結果から、自由電子吸収αfcを含む内部吸収αiの値は、ｐ型導電型層(ｎ)の光閉じ込め係数Γ(ｎ)と該ｐ型層ドーピング濃度Ｐ(ｎ)との積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] の値が８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3を越えると急激に増加することがわかる。
さらに図１０によると、総和Σの値が６．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下では内部吸収αiの値がほとんど変化しないことから、この数値以下となるｐ型ドーピング層構造では内部吸収αiに対する自由電子吸収αfcの影響はほとんど無いこともわかった。

これらの事実は、１．０μｍ以下の近赤外波長帯では自由電子吸収の影響はないとする従来の認識を覆すものであり、該波長帯でも構造によっては自由電子吸収による静特性、特に効率の悪化という影響を蒙り得ることがわかった。また、ｐ型ドーピング濃度に加えｐ型導電型層の光閉じ込め係数も同時に考慮することで、自由電子吸収の増大につながる比較的高いｐ型ドーピング濃度でも良好な特性を確保できることもわかった。その結果、自由電子吸収の抑制による効率の改善とはトレードオフの関係にある温度特性や抵抗値の改善を目的に、ｐ型ドーピング濃度を従来の近赤外波長帯の半導体レーザ素子よりも高い値に設定することが可能となった。

なお半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は小さいほどよいが、特に１０ｃｍ^-1を越えるとレーザの効率に顕著な影響があり、効率０．９６Ｗ／Ａ以上という高速無線通信で必要とされる効率値を得られなくなるため、内部吸収の値は１０ｃｍ^-1以下、より好ましくは５ｃｍ^-1以下であることが望ましい。

この発明の好ましい実施態様によれば、上述の半導体レーザ素子で、ｐ型ドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であるｐ型導電型層の層厚の合計が、ｐ型導電型層全体の層厚の合計の８０％以上を占めることを特徴とする。

その作用は次の通りである。先に述べたように、主なｐ型導電型層のドーピング濃度を１０¹⁷ｃｍ^-3台という比較的低い値に設定した場合、温度特性、素子抵抗、発振横モードといった効率以外のレーザ特性に好ましくない影響が現れる。この影響は、自由電子吸収の場合とは逆で、ｐ型ドーピング濃度が低いほど半導体レーザ素子にとって悪影響となって現れる。これら３種のレーザ特性について、ｐ型ドーピングの影響を調べるため、該当波長帯で半導体レーザ素子を作製しその影響を確認したところ、ｐ型ドーピング濃度を、ｐ型導電型層全体の８０％以上の厚さの層で、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上とすることで回避できることがわかった。以上のことから、ｐ型ドーピング濃度を従来の近赤外波長帯の半導体レーザ素子での値よりも高く設定することで、自由電子吸収の回避とはトレードオフの関係にある高温度特性、低消費電力、安定した発振横モードを保った波長１．０μｍ以下の近赤外帯半導体レーザ素子を得ることができる。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記半導体レーザ素子において、発振波長が９００ｎｍ以下であることを特徴とする。

その作用は、発振波長が９００ｎｍ以下の領域では、図９に示すように、自由電子吸収を表した（式１）のうち波長λの係数ｐの値が小さくなるため、自由電子吸収による効率の悪化をより効果的に回避することができる。

この発明の他の態様にかかる半導体レーザ素子によれば、上述の半導体レーザ素子において、発振波長が７００ｎｍ以上であることを特徴とする。

その作用は次の通りである。短波長帯では、自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷間遷移による吸収の影響が大きくなるといわれる。これは波長に反比例する成分を含む現象だが、特に発明者らは、７００ｎｍ以下の波長で、自由電子吸収αfcの値が１０ｃｍ^-1を越えることを見出した。このため、本発明のように、７００ｎｍ以上になるよう発振波長を設定すると、波長に反比例する自由電子吸収成分の影響を蒙ることなく、高効率の半導体レーザ素子を得ることができる。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上述の半導体レーザ素子において、上記活性層の上下の一方の側には、上記活性層に対して水平方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造が設けられており、上記光閉じ込め構造の光が閉じ込められた領域を構成する層の導電型がｐ型であり、上記光閉じ込め構造のある側の各層の光閉じ込め係数の総和が、該光閉じ込め構造のない側の各層の光閉じ込め係数の総和よりも小さいことを特徴とする。

その作用は次の通りである。本発明の半導体レーザ素子では水平方向の光のモードを安定化するために、特に活性層を挟んで、光閉じ込め構造を含む側の層の光閉じ込め係数を逆側よりも低くしている。一般に同じドーピング濃度で比較すると、ｐ型ドーパントの自由電子吸収係数のほうがｎ型での値よりも大きいため、光閉じ込め係数を含む側の層をｐ型としたほうが逆の場合よりも自由電子吸収の影響が小さくなり、効率の値の改善につながる。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上述の半導体レーザ素子において、電流注入領域と非電流注入領域からなり、活性層に対して水平方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、該電流注入領域はｐ型導電型層からなり、該ｐ型導電型層のドーピング濃度が２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。

その作用は次の通りである。一般的に発振横モードを安定させるため、この電流注入領域は数μｍ程度という狭い幅に設定されており、さらにその層厚はｐ型導電型層の大半を占めるため、電流注入領域を形成するｐ型導電型層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、これらの層のドーピング濃度を２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上となるよう設定することにより、より効果的に自由電子吸収による特性の悪化を回避した上で素子の低抵抗化をも実現することができる。

この発明の他の好ましい実施態様によれば、上述の半導体レーザ素子において、電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層に対して水平方向に電流を狭窄する電流狭窄構造と、上記活性層に対して水平方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造とを有し、上記電流狭窄構造と上記光閉じ込め構造は同じ層構成からなり、両構造の、上記活性層の水平方向の幅を規定する部分であって、該活性層に最も近い部分における幅が２．２μｍ以上であることを特徴とする。

ここで、同じ層構成という概念は、電流狭窄構造と光閉じ込め構造の双方ともに、同じ上部第二クラッド層、第１キャップ層、第１、第２、第３埋め込み層で形成され、さらに「リッジ幅」も同じことを意味する。

その作用は次の通りである。水平方向に電流狭窄構造／光閉じ込め構造を構成する境界部分の幅が数μｍであり横基本モード発振する半導体レーザ素子では、その幅を少し変えると、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径は、その変化以上に急激に変化する。このため、この幅が狭いほど、幅に対するニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径が大きくなり、埋め込み層への光の漏れが大きくなる。埋め込み層は、非電流注入領域とするために高濃度にドーピングされており、漏れた光は、その量に応じて、埋め込み層での自由電子吸収の増加に直結する。この境界部分の幅が２．２μｍ以上の場合、ニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径が境界部分の幅より狭くなるため、埋め込み層への光の漏れによる自由電子吸収の増加を抑制することができる。

上述の半導体レーザ素子において、ｐ型導電型層のうち、活性層に最も近い層のドーピング濃度が２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。

その作用は次の通りである。１．０μｍ以下の近赤外波長帯の半導体レーザ素子は、長波長帯半導体レーザ素子に比べ、井戸層−障壁層間の伝導体側エネルギーギャップΔＥｃ
が小さいため、アンドープ層に隣接し活性層に最も近いｐ型導電型層のドーピング濃度を２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上に設定することで、活性層からのキャリアリークに対する障壁層として十分にその役割を果たし、高い温度特性を確保することができる。なお、ここでいう「アンドープ層」とは、層の成長を行う際に設定したドーピング濃度の値が０ｃｍ^-3であるが、該当層を成長した後、ほかのｐ型導電型層からドーパントの拡散が起こり、最終的にドーピング濃度が０ｃｍ^-3ではなくなった可能性のある層のドーピングの状態をいい、そのようなドーピング状態の層を「アンドープ層」としている。

この発明の他の局面に従う半導体レーザ素子は、上述の半導体レーザ素子において、上記活性層と上記ｐ型クラッド層との間にｐ型光ガイド層が設けられ、上記ｐ型光ガイド層は積層方向に異なるドーピング濃度を有する２層以上の層からなり、２層以上の層からなる上記ｐ型光ガイド層のうち上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が、他のｐ型光ガイド層のドーピング濃度よりも小さいことを特徴とする。

その作用は次の通りである。ｐ型光ガイド層を層の積層方向に２層に分け、活性層に近い側すなわち光閉じ込め係数の大きい側の層のドーピング濃度を遠い側の層での値よりも小さく設定しているため、上記で説明した自由電子吸収の回避と温度特性の改善をより効果的に行うことができる。また活性層に近い部分のドーピング濃度を低くしたためドーピング濃度に比例する拡散速度を小さくすることができ、活性層へのドーパントの拡散を抑制し信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上述の半導体レーザ素子において、光閉じ込め係数Γが１．０×１０−⁴以上となるｐ型導電型層のドーピング濃度が８．０×１０^-18ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。

その作用は次の通りである。一般に半導体に高濃度ドーピングを行うと層の屈折率が大きくなるが、ＡｌＧａＡｓ系材料では８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3を越えるとこの傾向が顕著となり、該当層の光閉じ込め係数Γが設定値よりも大きくなる。このことは光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σを増大させるため、効率の低下につながる。ただし光閉じ込め係数が１．０×１０^-4より小さい層では、存在する光の量が極めて少ないため、層の屈折率が増大したとしても、素子全体の光の形状を変えるまでには至らない。本発明では、ｐ型導電型層全層のうち、層の光閉じ込め係数が１．０×１０^-4以上となる層のドーピング濃度の上限を８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下になるよう設定したため、当初設定の光分布形状を維持することができ、目的通りの高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができる。

上述の半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層の上部にｐ型キャップ層を有し、該キャップ層の光閉じ込め係数が５．０×１０^-5以下であるのが好ましい。

その作用は次の通りである。一般的にキャップ層は低オーミック抵抗とするため１０¹⁸ｃｍ^-3から１０²⁰ｃｍ^-3台という非常に高濃度のドーピングがなされており、これらの層に光が存在すると多大な吸収を蒙る。またキャップ層の材料には、コンタクト抵抗を低減するため、小さなエネルギーギャップをもつ半導体材料が用いられるため、周囲の層に比べて屈折率が高くまた発振波長に対して透明な層となる。このため光閉じ込め係数の値で５．０×１０^-5を越える光が存在すると、キャップ層が導波層となり、活性層を導波する本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性にキンクを誘発するため、通信用半導体レーザ素子として用いた場合、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本発明ではこれらの影響を回避し、高効率かつ安定に通信動作させうる半導体レーザ素子を得ることができる。

この発明の他の局面に従う方法は、上述の半導体レーザ素子の製造方法であって、各層を有機金属化学気相成長法を用いて積層する方法において、上記活性層の成長温度をその他の層の成長温度よりも低くし、かつ成長温度が変化する境界で成長を一旦中断することを特徴とする。

その作用は次の通りである。もしこの成長温度変更界面で一旦中断せずに連続成長した場合、温度が変化した直後に雰囲気温度のオーバーシュートが生じる。ドーピング量は、ドーパント材料ガスの濃度と被導電型層の材料、成長時の温度で決まるため、雰囲気温度のオーバーシュートのため当初設定の温度とは異なる温度で成長を行った層では、設定通りのドーピング濃度の素子が得られないことになる。本発明ではこの界面で一旦成長を中断して再開するという方法を用いたため、このようなオーバーシュートを起こすことなく、設定通りのｐ型ドーピング構造を得ることができ、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を製造することができる。

本発明の他の局面に従う光無線通信用送信装置は、上述の半導体レーザ素子を搭載した光無線通信用送信装置に係る。

その作用は次の通りである。第１の発明の半導体レーザ素子は先に説明したように、高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現した半導体レーザ素子である。このような特性の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる１．０μｍ以下の波長の光を低駆動電力／電圧で発生させることができるため、レーザドライバの設計の自由度をあげることができる。また半導体レーザ素子自体の寿命が延びるため、装置の信頼性が向上する。

本発明の他の局面に従う光ディスク装置は、上述の半導体レーザ素子を搭載した光ディスク装置に係る。

その作用は次の通りである。上述の半導体レーザ素子は先に説明したように、１．０μｍ以下の近赤外波長における自由電子吸収の影響を考慮して、高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現した半導体レーザ素子である。このような特性の半導体レーザ素子を該装置に適用することで、該当波長帯で高出力化競争が続く光ディスク装置のディスク回転数を従来よりも高速化することができるようになった。このため、特にＣＤ−Ｒ／ＲＷなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができる。

本発明は半導体レーザ素子に関する発明であり、その効果は、波長１．０μｍ以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避しながら高い濃度のｐ型ドーピングを行うことができるため、該波長帯で、高い効率と、それとトレードオフの関係にある高温度特性、低消費電力化を両立した半導体レーザ素子を実現することができた。また、本発明によれば、新規光無線通信用の送信装置に用いる波長８５０〜９００ｎｍ帯半導体レーザ素子において、活性層の光閉じ込め係数を０．０１８〜０．０２５に規定することができ、該当波長帯で静特性と温度特性を両立させることができた。

本発明は半導体レーザ素子の製造方法に関する発明であり、その効果はｐ型ドーピング濃度を所望の値に設定した半導体レーザ素子を製造する際、有機金属化学気相成長法において起こりうる製造時の雰囲気温度のオーバーシュートを回避することができ、成長時の温度に従って変動する各導電型層のドーピング濃度を設定通りの値になるよう半導体レーザ素子を作製することができ、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を現実に製造することを可能にした。

本発明は半導体レーザ素子を用いた光無線通信用送信装置に関するもので、その効果は１．０μｍ以下の近赤外波長帯の波長を用いた光無線通信用装置の信頼性を向上させることができ、またレーザドライバの設計の自由度も上げることができた。

本発明は半導体レーザ素子を用いた光ディスク装置に関するもので、その効果は、ディスクの回転数を従来よりも高速化することができ、デ−タの読み書き速度を上げることができた。

〈第１実施形態〉

図１を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。図１はそれぞれ本実施形態にかかる半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。なおこの後の全実施形態において、ｎ型の導電型層を「ｎ−」と表し、ｐ型の導電型層を「ｐ−」で表す。また層の名称中の「下部」「上部」とは、活性層を挟んでそれぞれ「基板側」、「基板とは逆側」、に位置することを意味する。

ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.452Ｇａ_0.548Ａｓ下部クラッド層１０３(１．８μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下部光ガイド層１０４(９５ｎｍ厚)、２層の０.０８％圧縮歪Iｎ_0.06Ｇａ_0.94Ａｓ量子井戸層(４．５ｎｍ厚)と３層の無歪Ａl_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚２１．５ｎｍ、第２番目は８ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層１０５(発振波長０．８７μｍ)、ｐ−Ａl_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上部光ガイド層１０６(９０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上部第一クラッド層１０７(０．１５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８(４ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.53Ｇａ_0.48Ａｓ上部第二クラッド層１０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層１１０(０．７５μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、リッジの最下部がエッチングストップ層１０８直上となるリッジストライプ構造を形成している。このリッジストライプ構造は高さが約２μｍ、幅がエッチングストップ層１０８層直上で約３．１μｍである。この幅をリッジ幅とする。

リッジストライプ構造の両側には、その側面を埋め込む形で、ｎ−Ａl_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ第一埋め込み層１１１(０．６μｍ厚)、ｎ−ＧａＡｓ第二埋め込み層１１２(０．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三埋め込み層１１３(０．７μｍ厚)が積層され、主にリッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部、埋め込み部の上全面にｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層１１４(０．９５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層１１５(０．３μｍ厚)が積層されている。

次に、図２を用いて本実施形態にかかる半導体レーザ素子の製造方法を説明する。層の構成材料や層厚は、上述の通りであるので、ここでは省略している。

図２(a)を参照して、ｎ−基板１０１上に、ｎ−バッファ層１０２、ｎ−下部クラッド層１０３、ｎ−下部光ガイド層１０４、２層の井戸層と３層の障壁層からなる量子井戸活性層１０５、ｐ−上部光ガイド層１０６、ｐ−上部第一クラッド層１０７、ｐ−エッチングストップ層１０８、ｐ−上部第二クラッド層１０９、ｐ−第一キャップ層１１０を有機金属化学気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)を用いて、この順に積層する。成長温度については、量子井戸活性層で６９０℃、それ以外の層では７１３℃としており、両温度の境界では一旦成長を止めて温度を変えそれが安定した後、再度成長を行った。

その後、図２(b)を参照して、絶縁膜１２１をマスクとしたエッチング法を用いて、高さが約２μｍ、幅が最下部で約３．１μｍとなるようリッジストライプ構造を作製する。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液及びフッ酸を用いて、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８の直上まで行う。次に再度ＭＯＣＶＤ法を用いて、リッジストライプ構造の両側にその側面を埋め込む形でｎ−第一埋め込み層１１１、ｎ−第二埋め込み層１１２、ｐ−第三埋め込み層１１３を順次積層する。このときリッジストライプ構造の上面には、ＳｉＯ₂などの絶縁膜１２１があるため、リッジストライプ上には各埋め込み層の成長は起こらず、リッジストライプの両側部のみに埋め込み層１１１〜１１３を積層することができる。

その後、図２（ｂ）と(ｃ)を参照して、絶縁膜１２１を除去し、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、ｐ−第二キャップ層１１４、ｐ−第三キャップ層１１５を積層する。以後図示はしないが、ｐ側ｎ側両表面に各々Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉといった材料で構成されるオーミック電極を蒸着した後、通常のウエハプロセスを経ることで、ストライプ方向に光を出射する共振器長５００μｍの埋め込みリッジ型半導体レーザ素子を得る。本実施形態ではドーパント用不純物材料として、ｎ型にシリコンＳi、ｐ型に亜鉛Ｚｎを用いている。

図３を参照して、上下の電極間に電流を通ずると、図中矢印で示す方向に、光出力する。

なお、光出力の水平方向の幅（光閉じ込め構造で決まる幅）については、図３のようにおおよそ上部第二クラッド層１０９の下幅に相当するが、正確には「上部第二クラッド層１０９、第１キャップ層１１０」「第１、第２、第３埋め込み層１１１，１１２，１１３」「リッジ幅（１０９の下幅）」の関係で決まる。

本実施形態では、第三キャップ層１１５側である図３の上方から、基板側である図３の下方へ向かって、電流が流れるが、このとき各層の導電型が上に述べたような構造となっているため、第一、第二、第三埋め込み層１１１，１１２，１１３が非電流注入領域となり、電流は、第三キャップ層１１５から電流注入領域であるリッジストライプ部を通って、活性層１０５を含む、エッチングストップ層１０８より下方の層へと流れる電流狭窄構造を形成している。

また本実施形態における活性層水平方向の光閉じ込め構造は、リッジストライプ部を構成する層の一つである上部第二クラッド層１０９と、非電流注入領域を構成する層の一つである第一埋め込み層１１１との屈折率の違いにより形成されており、本構造での水平方向の電流狭窄構造と光閉じ込め構造はともにリッジ構造により形づくられている。

本実施形態の半導体レーザ素子の、ｐ型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数Γの値は、それぞれ、上部光ガイド層１０６で（１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１６７）、上部第一クラッド層１０７で（１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１１８）、上部第二クラッド層１０９で（２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．０４９）、ＧａＡｓキャップ層については、第一キャップ層１１０で（３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、１．０×１０^-6）、第二キャップ層１１４で（３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、１．０×１０^-7未満）、第三キャップ層１１５で（１．０×１０²⁰ｃｍ^-3、１．０×１０^-7未満）とし、ｐ型導電型層（ｎ）の光閉じ込め係数Γ(ｎ)とドーピング濃度Ｐ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)]の値が５．０２×１０¹⁷ｃｍ^-3となるように設定している。また電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層１１１で２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｎ−第二埋め込み層１１２で３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ−第三埋め込み層１１３で２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。

なお、ここで、光閉じ込め係数を記載しているのは、上部光ガイド層１０６より上の層のみである。基板と垂直な方向にはこれらの層以外にも、基板１０１、バッファ層１０２、下部クラッド層１０３、下部光ガイド層１０４、量子井戸活性層１０５と多くの層がある。これらの光閉じ込め係数を足し合わせると、総和は１となる。

また本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で０．９９Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として４．０ｃｍ^-1が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇も見られなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく直線的な電流−光出力特性が得られた。

本実施形態の半導体レーザ素子では、波長８７０ｎｍという波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振し、基板に垂直な方向の光量の総和に対してある層ｎ内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｎ)とすると、特にｐ型導電型層の光閉じ込め係数Γ(ｎ)とドーピング濃度Ｐ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)]の値を５．０２×１０¹⁷ｃｍ^-3という、８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の値に設定することで、該当波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避することができ、効率０．９９Ｗ／Ａという高い値を得ることができた。

またｐ型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和を定めると同時に、ｐ型導電型層各層の層厚とドーピング濃度をそれぞれ、上部光ガイド層１０６で（９０ｎｍ、１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、上部第一クラッド層１０７で（０．１５μｍ、１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、上部第二クラッド層１０９で（１．２８μｍ、２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第一キャップ層１１０で（０．７５μｍ、３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第二キャップ層１１４で（０．９５μｍ、３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第三キャップ層１１５で（０．３μｍ、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3）として、ｐ型導電型層のうち層厚で８０％以上にあたる層で、ドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3となるように設定している。

従来技術の項で述べたように、主なｐ型導電型層のドーピング濃度を１０¹⁷ｃｍ^-3台という比較的低い値に設定した場合、温度特性、素子抵抗、発振横モードといった効率以外のレーザ特性に好ましくない影響が現れる。この影響は、自由電子吸収の場合とは逆に、ｐ型ドーピング濃度が低いほどレーザ特性にとっては悪影響となる。このことを踏まえて実際に近赤外波長帯の半導体レーザ素子を作製し、これらのレーザ特性について調べたところ、ｐ型導電型層の全層厚に対し８０％以上の厚さの層で、ｐ型ドーピング濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上と設定することで、この影響を回避できることがわかった。

本実施形態では、この条件に合うようｐ型導電型層のドーピング濃度と層厚を定めたことで、該当波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避しながら、温度特性１２０Ｋ以上など、その他の特性も良好な値を確保することができた。そして高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。

また本実施形態では、光閉じ込め構造を形成するリッジ部分（上部第二クラッド層１０９、第一キャップ層１１０）の導電型をｐ型としたため、これをｎ型にした場合に比べて自由電子吸収を抑制でき、より高い効率で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。

本実施形態の半導体レーザ素子では活性層水平方向の発振横モードを安定化するために、リッジ部にエネルギーギャップの小さい材料を用いて、エッチングストップ層１０８より上方の層の光閉じ込め係数を低くしている。その結果、活性層１０５より下部のｎ型導電型層の光閉じ込め係数は、活性層１０５を挟んで等距離にあるｐ型導電型層のそれよりも大きな値となる。一般に同じドーピング濃度で比較すると、ｐ型ドーパントの自由電子吸収係数はｎ型の値よりも大きいため、光閉じ込め構造含む側の層をｐ型としたほうが逆の場合よりも自由電子吸収の影響が小さくでき、効率の向上につながる。

さらに本実施形態では、上部第二クラッド層１０９、第一〜第三キャップ層１１０，１１４，１１５のドーピング濃度を各々２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3と、全て２．０×１０¹⁸ｍ^-3以上となるよう設定している。これらの層は、電流狭窄構造のうち、数μｍという狭いリッジ幅でその幅が決まる電流注入領域を構成する層であり、またその層厚の合計が３．２８μｍとｐ型導電型層全体の９０％以上を占めるため、これらの層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、これらの層のドーピング濃度を１．０×１０¹⁸ｍ^-3以上となるよう設定することにより、自由電子吸収による特性の悪化を回避すると同時に素子の低抵抗化をも実現することができた。

また本実施形態では第一〜第三キャップ層１１０，１１４，１１５の光閉じ込め係数を合わせて５．０×１０^-6程度と非常に小さな値になるよう設定している。一般にキャップ層は低オーミック抵抗とするために、１０¹⁸ｃｍ−３〜１０²⁰ｃｍ^-3という非常に高濃度のドーピングがなされており、ここに光が存在すると多大な吸収を蒙る。またキャップ層の材料にはコンタクト抵抗を低減するため、小さなエネルギーギャップをもつ半導体材料が用いられる。本実施形態の場合ＧａＡｓを用いているが、この場合、周囲の層に比べて屈折率が高く、また発振波長に対して透明な層となる。このため、光閉じ込め係数で５．０×１０^-5を越える光が存在すると、このキャップ層が導波層となり、活性層を導波する本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性に複数のキンクを引き起こすため、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態ではキャップ層の光閉じ込め係数を、５．０×１０^-6程度と、５．０×１０^-5以下になるように設定したため、これらの影響を受けることなく、高効率かつ安定に通信動作させうる半導体レーザ素子を得ることができた。

さらに本実施形態では、光閉じ込め構造と電流狭窄構造の活性層水平方向の幅を規定するリッジ幅を２．２μｍ以上の値となるようにしており、埋め込み層での自由電子吸収を抑制することができた。リッジ幅数μｍで横基本モード発振する半導体レーザ素子の、リッジ幅に対するニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径の変化を調べると、図４のように前者の変化を１とすると、後者は０．１１程度と非常に小さいことがわかる。このためリッジ幅が狭いほど、リッジ幅に対するニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径は大きくなり、結果として埋め込み層への光の漏れが大きくなる。埋め込み層は、非電流注入部とするために、高濃度にドーピングされているため、埋め込み層に漏れた光はその量に応じた自由電子吸収の増加に直結することとなる。リッジ幅が２．２μｍ以上の場合、図４のようにニアフィールドパターン（ＮＦＰ）の幅がリッジ幅より狭くなるため、埋め込み層への光の漏れによる自由電子吸収の増加を抑制することができる。

ただしリッジ幅が４．０μｍ以上となると、いわゆる横高次カットオフ周波数を越えて横モードが不安定化する場合が多く、またたとえ基本モードを維持できたとしても、スペクトルホールバーニングにより、これもキンクの発生原因となる。本実施形態ではリッジ幅を４．０μｍよりも狭い幅に設定したため、安定に横基本モード発振する半導体レーザ素子を得ることができた。

ところで本実施形態では、このような構造をもつ半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製するにあたり、特に下部光ガイド層１０４から量子井戸活性層１０５、さらに量子井戸活性層１０５から上部光ガイド層１０６を成長する際、量子井戸活性層成長温度の６９０℃と活性層以外の層の成長温度７１３℃の間の温度不連続界面で、ガスの流入を一旦中断し、温度が安定した後に再開するという成長方法を用いている。もしこの界面で一旦中断せず、連続して成長した場合、温度が変化した直後に温度のオーバーシュートが起こる。ドーピング量はドーパント材料ガスの濃度や被導電型層の材料、成長時の温度で決まるため、温度のオーバーシュートが起こり、設定した温度とは異なる温度で成長された層のドーピング濃度は、現実には設定とは異なる値となる。

本実施形態では、該当界面で一旦成長を中断して再開するという方法を用いたため、このようなオーバーシュートが起こらず、各導電型層とも、設定通りのドーピングプロファイルを得ることができ、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。

なお量子井戸活性層を構成する井戸／障壁層の歪の定義については、ＧａＡｓ基板の格子定数をａ（ＧａＡｓ）、井戸層または障壁層の格子定数をａとして、[ａ−ａ（ＧａＡｓ）] ／ａ（ＧａＡｓ）で定義され、その符号が正の場合を圧縮歪、負の場合を引っ張り歪としている。また歪の大きさは圧縮／引っ張り歪とも絶対値で表現している。
〈第２実施形態〉

本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子について、図５を用いてその構造を説明する。

ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ下部第一クラッド層２０３a(３．０μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ下部第二クラッド層２０３ｂ(０．２４μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.43Ｇａ_0.57Ａｓ下部光ガイド層２０４(１０３ｎｍ厚)、２層の０.４％圧縮歪Iｎ_0.21Ｇａ_0.79Ａｓ_0.62Ｐ_0.38量子井戸層(７．５ｎｍ厚)と３層の０．８％引っ張り歪Iｎ_0.09Ｇａ_0.91Ａｓ_0.4Ｐ_0.6障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚１０ｎｍ、第２番目は５ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層２０５(発振波長０．７５μｍ)、ｐ−Ａl_0.43Ｇａ_0.57Ａｓ上部光ガイド層２０６ (５３ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ上部第一クラッド層２０７(０．１７７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層２０８(３ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ上部第二クラッド層２０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ２１０(０．７５μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、リッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造を形成している。

このリッジストライプ構造は、高さが約２μｍ、幅がエッチングストップ層２０８層直上の最も広いところで約２．８μｍである。リッジストライプ構造の両側には、その側面を埋め込む形で、ｎ−Ａl_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ第一埋め込み層２１１(０．６μｍ厚)、ｎ−ＧａＡｓ第二埋め込み層２１２(０．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三埋め込み層２１３(０．７μｍ厚)が積層され、主にリッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。

さらに、リッジストライプ部、埋め込み部の上全面にｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層２１４(０．９５μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第三キャップ層２１５(０．３μｍ厚)が積層されている。本実施形態の半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第１実施形態に準ずる。また端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、第１実施形態と同じであるため省略した。

本実施形態の半導体レーザ素子の、ｐ型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数Γの値は、それぞれ、上部光ガイド層２０６で（２．０×１０１８ｃｍ^-3、０．０８６）、上部第一クラッド層２０７で（２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．１４６）、上部第二クラッド層２０９で（４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．０６２）、ＧａＡｓキャップ層については、第一キャップ層２１０で（３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、５．０×１０^-6）、第二キャップ層２１４で（３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、１．０×１０^-7未満）、第三キャップ層２１５で（１．０×１０²⁰ｃｍ^-3、１．０×１０^-7未満）とし、ｐ型導電型層（ｎ）の光閉じ込め係数Γ(ｎ)とドーピング濃度Ｐ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] の値が７．７７×１０¹⁷ｃｍ^-3となるように設定している。また電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層２１１で３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｎ−第二埋め込み層２１２で３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ−第三埋め込み層２１３で５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。

また本実施形態の半導体レーザ素子は、効率の値で０．９７Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として５ｃｍ−１が得られた。また温度特性も１２０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく直線的な電流−光出力特性が得られた。

本実施形態の半導体レーザ素子では、第１実施形態と同じように、波長７５０ｎｍという波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振し、基板に垂直な方向の光量の総和に対してある層（ｎ）内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｎ)とすると、特にｐ型導電型層の光閉じ込め係数Γ(ｎ)と該層ドーピング濃度Ｐ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] を７．１４×１０¹⁷ｃｍ^-3という、８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の値に設定し、またｐ型導電型層のうち層厚で８０％以上にあたる層で、そのドーピング濃度を１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3にすることで、自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。ｐ型導電型層の各個別の層の光閉じ込め係数やドーピング濃度の値も、第１実施形態と同様、高効率と高温度特性／低消費電力を両立すべき値の範囲となるよう設定している。

また本実施形態では、特に発振波長を７５０ｎｍという第１実施形態よりも短い波長で発振する半導体レーザ素子に本発明を適用している。短波長では、自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷の間での遷移による吸収の影響が大きくなるといわれる。これは波長に反比例する成分を持つが、特に７００ｎｍ以下の波長では、自由電子吸収αfcの値で１０ｃｍ−１を越えることを見出した。これを踏まえて、本実施形態では７５０ｎｍと、比較的短い近赤外波長帯の中でも７００ｎｍ以上となるよう設定したため、上述の波長に反比例する自由電子吸収成分による吸収の影響を蒙ることなく、０．９７Ｗ／Ａという比較的高い効率の半導体レーザ素子を得ることができた。

さらに本実施形態では、第１実施形態と同様、第一〜第三キャップ層の光閉じ込め係数を合わせて１．０×１０^-5程度と１．０×１０^-5以下となるよう設定した上で、ｐ型の導電型全層のうち、層の光閉じ込め係数が１．０×１０^-4以上の層のドーピング濃度を、上部光ガイド層で２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、上部第一クラッド層で２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、上部第二クラッド層で５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3と全て８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下となるように設定している。

一般に半導体に高濃度ドーピングを行うと層の屈折率が大きくなるが、ＡｌＧａＡｓ系材料では８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3を越えるとこの傾向が顕著となり、この影響で、該当層の光閉じ込め係数Γが設定値よりも大きくなる。このため、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和 Σが増大し、効率が低下することになる。ただし光閉じ込め係数が１．０×１０^-4より小さい層では、存在する光の量が極めて小さいため、該当層の屈折率が増大したとしても、レーザ素子全体の光の形状を変えるまでには至らない。本実施形態ではｐ型導電型層全層のうち光閉じ込め係数が１．０×１０^-4以上の層のドーピング濃度の上限を５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3と８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下になるよう設定したため、設定の光分布形状を維持することができ、目的の通りの高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子が得られた。
〈第３実施形態〉

本発明の第３の実施形態の半導体レーザ素子について、図６を用いて、その構造を説明する。

ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３０２(０．５μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.56Ｇａ_0.44Ａｓ下部第一クラッド層３０３a(２μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下部第二クラッド層３０３b(０．０５μｍ厚)、ｎ−Ａl_0.41Ｇａ_0.59Ａｓ下部光ガイド層３０４a(１００ｎｍ厚)、２層の０.１４％圧縮歪 Iｎ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ量子井戸層(４．８ｎｍ厚)と３層の無歪Ａl_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ障壁層(３層のうち基板側から第１、第３番目の障壁層の層厚２２ｎｍ、第２番目は８ｎｍ厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層３０５(発振波長０．８９μｍ)、ｐ−Ａl_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上部第一光ガイド層３０６a(５０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上部第二光ガイド層３０６b(５０ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.47Ｇａ_0.53Ａｓ上部第一クラッド層３０７(０．４μｍ厚)、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層３０８(１５ｎｍ厚)、ｐ−Ａl_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上部第二クラッド層３０９(１．２８μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第一キャップ層３１０(１．７μｍ厚)、ｐ−ＧａＡｓ第二キャップ層３１１(０．３μｍ厚)がこの順に基板側から積層され、リッジの最下部がエッチングストップ層３０８直上であるリッジストライプ構造を形成している。

このリッジストライプ構造は、高さが約３μｍ、幅がエッチングストップ層３０８直上の最も広いところで約２．５μｍである。リッジストライプ構造の側面及びその両側には絶縁膜３２２としてＳiＯ２膜が積層され、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。本実施形態の半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第１、第２実施形態に準ずる。また、端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、先の実施形態と同じであるため省略した。

本実施形態の半導体レーザ素子の、ｐ型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数Γの値は、それぞれ、上部第一光ガイド層３０６aで（３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．１３５）、上部第二光ガイド層３０６bで（８×１０¹⁷ｃｍ^-3、０．０６）、上部第一クラッド層３０７で（１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．２１９）、上部第二クラッド層３０９で（３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、０．０１１）、ＧａＡｓキャップ層については、ｐ−第一キャップ層を（５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、１．０×１０^-6）、ｐ−第二キャップ層を（１．０×１０²⁰ｃｍ^-3、１．０×１０^-7未満）とし、ｐ型導電型層（ｎ）の光閉じ込め係数Γ(ｎ)とドーピング濃度Ｐ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] の値が４．１６×１０¹⁷ｃｍ^-3となるように設定している。また電流狭窄構造のうち、非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、ｎ−第一埋め込み層１１１で３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｎ−第二埋め込み層１１２で３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ−第三埋め込み層１１３で５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。

また本実施形態の半導体レーザ素子の静特性は、効率の値で１．０Ｗ／Ａ、内部吸収αiの値として３．５ｃｍ^-1が得られた。また温度特性も１３０Ｋ以上と良好な値が得られ、ｐ型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった横モードの不安定化によるキンクの発生もなく直線的な電流−光出力特性が得られた。

本実施形態の半導体レーザ素子では、第１、第２実施形態と同じように、波長７５０ｎｍという波長１．０μｍ以下の近赤外の波長帯で発振し、基板に垂直な方向の光量の総和に対してある層ｎ内に存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(ｎ)とすると、特にｐ型の導電型を有する層の光閉じ込め係数Γ(ｎ)と該層ドーピング濃度Ｐ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] を４．３８×１０¹⁷ｃｍ^-3という、８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の値に設定し、ｐ型導電型層のうち層厚で８０％以上の層でそのドーピング濃度を１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3とすることで、自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性／低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。

特に本実施形態ではｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] を、実施形態１、２よりも小さくなるよう設定している。図１０のように、特に上記の総和 Σの値を５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に設定すると、ｐ型導電型層での自由電子吸収による特性の悪化を、ほぼ完全に防ぐことができる。

また特に本実施形態の半導体レーザ素子では、波長８９０ｎｍという、波長９００ｎｍを越えない波長となるよう、発振波長を設定している。発振波長９００ｎｍ以下では、図９のように自由電子吸収式（１）の波長λの係数ｐの値が小さくなるため、特に自由電子吸収による効率の悪化を抑制することができる。

さらに本実施形態では、第１第２実施形態と同様、ｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和 Σの値を規定するとともに、活性層を含むアンドープ層に隣接するｐ型導電型層のドーピング濃度を２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上となるように設定した。本実施形態の半導体レーザ素子は長波長帯半導体レーザ素子に比べ井戸層のエネルギーギャップが大きい分、井戸層−障壁層間の伝導体側エネルギーギャップΔＥｃが小さく、活性層直近のドーピング濃度を２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3未満とした場合、キャリアリークが急激に増加して、半導体レーザ素子の温度特性が悪化する。本実施形態では、これを３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3に設定したため、活性層を含むアンドープ層からのキャリアのリークに対する障壁層としての役割を十分果たすことができ、１３０Ｋ以上という第１、第２実施形態と同等以上の温度特性を確保することができた。

そして本実施形態では、ｐ型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σの値などを規定するとともに、ｐ型上部光ガイド層を層の積層方向に２層に分け、活性層に近い側すなわち光閉じ込め係数の大きい側の層である上部第一光ガイド層のドーピング濃度を、３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3と、遠い側のｐ型上部第二光ガイド層の値８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3よりも小さく設定している。このことにより自由電子吸収の抑制と温度特性の改善をより効果的に行うことができた。同時に活性層へのドーパントの拡散も抑制することができ、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができた。

以上３種の実施形態では、波長７５０ｎｍ、９００ｎｍ弱程度の半導体レーザ素子について記述したが、本発明の骨子は、従来自由電子吸収を問題としていなかった波長１．０μｍ以下の波長帯で自由電子吸収の影響の程度を把握し、ｐ型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数との積の総和を規定することで、当該波長帯での自由電子吸収の影響の回避と温度特性や素子抵抗の値を維持もしくは改善の両立を図るものであるため、ｐ型導電型層をもつ波長１．０μｍ以下で発振する半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。

また全実施形態で、ｐ型クラッド層がエッチングストップ層によって二分される構造となっているが、先に述べた本発明の骨子からすると、層を構成する材料の混晶比で規定されるクラッド層の分類については、一部の場合を除き本発明の内容とは直接の関係はない。例えばエッチングストップ層がなくクラッド層１層で構成されるＢＨ構造型の半導体レーザ素子や、他の目的のためクラッド層が３層以上の複数層で構成された半導体レーザ素子に対しても、本発明の内容は適用され得るものである。
〈第４実施形態〉

図７を用いて本発明の第４の実施形態である光無線通信用送信装置について説明する。これは、第１実施形態の半導体レーザ素子４０１を用いて空間的に離れた場所にある受信装置に信号光を送信するための装置である。具体的には、信号発生源４０２と送信用回路４０３とレーザドライバ４０４と電気信号を光に変えて空間に放射する半導体レーザ素子４０１を備えており、信号発生源４０２から発せられる電気信号を送信用回路４０３を通じてレーザドライバに入力し、この電気信号を半導体レーザ素子４０１を用いてＥ／Ｏ変換し、外部空間への放射光４０５とする。このとき半導体レーザ素子外部には、人体、特に眼への安全基準を満たすよう光を拡散する樹脂モールドが備えつけられており、半導体レーザ素子４０１からでた光は、安全基準を満たす程度に非コヒーレント化され、外部放射光４０５とされている。

このように第１実施形態の高効率かつ高温度特性／低消費電力の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる１．０μｍ以下の近赤外波長帯の光を低い駆動電力／電圧で発生させることができるため、レーザドライバや他の回路構成部品の消費電力に余裕ができ、ドライバや回路を設計する際の自由度を上げることができる。また高効率、高温度特性から駆動電流を低くすることができるため、半導体レーザ素子の寿命が延び、装置の信頼性が向上する。
〈第５実施形態〉

図８を用いて、本発明の第５の実施形態である光ディスク記録再生装置について説明する。これは光ディスク５０１にデ−タを書き込んだり、書き込まれたデ−タを再生するための装置であり、その際用いられる発光素子として、先に説明した本発明第２の実施形態の半導体レーザ素子５０２を備えている。この光ディスク記録再生装置についてその作用を説明する。まず書き込みの際には、半導体レーザ素子５０２から出射された信号光がコリメ−トレンズ５０３により平行光とされ、ビ−ムスプリッタ５０４を透過しλ/４偏光板５０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ５０６で集光され光ディスク５０１に照射される。

読み出しの際には、デ−タ信号が載っていないレ−ザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク５０１に照射される。このレ−ザ光がデ−タが記録された光ディスク５０１の表面で反射され、レ−ザ光照射用対物レンズ５０６、λ/４波長板５０５を経た後、ビ−ムスプリッタ５０４で反射され９０度角度を変えた後、再生光用対物レンズ５０７で集光され、信号検出用受光素子５０８に入射する。信号検出用受光素子内で入射したレ−ザ光の強弱によって記録されたデ−タ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路５０９において元の信号に再生される。

本実施形態の光ディスク装置は、従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子を用いているため、ディスクの回転数を従来よりも高速化してもデ−タの読み書きが可能となった。従って特にＣＤ−Ｒ／ＲＷなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができた。

今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、該当波長帯で静特性と温度特性を両立させることができる半導体レーザ素子が得られる。

本発明第１の実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。 （ａ） 本発明第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法を表す一連の模式的断面図のうち、基板から第一キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。 （ｂ）本発明第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法を表す一連の模式的断面図のうち、エッチング工程が終了した状態を表す模式的断面図である。 （ｃ）本発明第１の実施形態の半導体レーザ素子の製造方法を表す一連の模式的断面図のうち、第三キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。 本発明第１の実施形態の半導体レーザ素子の光出力の様子を示す図である。 リッジ幅と半導体レーザ素子のニアフィールドパターン（ＮＦＰ）径の関係を示す実験結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。 本発明の第３の実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。 本発明の第４の実施形態の光無線通信用送信装置の概念図である。 本発明の第５の実施形態の光ディスク記録再生装置の概念図である。 自由電子吸収と波長の関係を表した模式図である。 半導体レーザ素子の内部吸収αiの値とｐ型半導体層のドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和の関係を表した実験結果を示す図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１ 基板
１０２、２０２、３０２、４０２ バッファ層
１０３、２０３a、２０３b、３０３a、３０３b 下部クラッド層
１０４a、１０４b、２０４、３０４a、３０４b 下部光ガイド層
１０５、２０５、３０５ 活性層
１０６a、１０６b、２０６、３０６a、３０６b 上部光ガイド層
１０７、２０７、３０７ 上部第一クラッド層
１０８、２０８、３０８ エッチングストップ層
１０９、２０９、３０９ 上部第二クラッド層
１１０、２１０、３１０ 第一キャップ層
１１４、２１４、３１１ 第二キャップ層
１１５、２１５ 第三キャップ層
１１１、２１１ 第一埋め込み層
１１２、２１２ 第二埋め込み層
１１３、２１３ 第三埋め込み層
１２１ 選択エッチング用絶縁膜
３１３ 電流狭窄用絶縁膜
４０１ 第１実施形態の半導体レーザ素子
４０２ 信号発生源
４０３ 送信用回路
４０４ 半導体レーザ素子駆動用ドライバ
４０５ 外部空間への放射光
５０１ 光ディスク
５０２ 第２実施形態の半導体レーザ素子
５０３ コリメ−トレンズ
５０４ ビ−ムスプリッタ
５０５ λ/４偏光板
５０６ レ−ザ光照射用対物レンズ
５０７ 再生光用対物レンズ
５０８ 信号光検出用受光素子
５０９ 信号再生回路

Claims (14)

1. 活性層を間に挟んで上下に、少なくとも、ｐ型クラッド層を含む複数のｐ型導電型層と、ｎ型クラッド層を含む複数のｎ型導電型層とが設けられた半導体レーザ素子において、
   発振波長が１．０μｍ以下であり、
   前記複数のｐ型導電型層のうちのｎ番目の層をｐ型導電型層(ｎ)とし、該ｐ型導電型層(ｎ)の光閉じ込め係数をΓ(ｎ)とし、該ｐ型導電型層(ｎ)のドーピング濃度をＰ(ｎ)としたときのΓ(ｎ)とＰ(ｎ)の積の総和 Σ[Γ(ｎ)×Ｐ(ｎ)] が８．０×１０¹⁷ｃｍ^-3 以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記複数のｐ型導電型層のうちの、ドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であるｐ型導電型層の層厚の合計が、ｐ型導電型層全体の層厚の合計の８０％以上を占めることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 発振波長が９００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 発振波長が７００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記活性層の上下の一方の側には、前記活性層に対して水平方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造が設けられており、
   前記光閉じ込め構造の光が閉じ込められた領域を構成する層の導電型がｐ型であり、
   前記光閉じ込め構造のある側の各層の光閉じ込め係数の総和が、該光閉じ込め構造のない側の各層の光閉じ込め係数の総和よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
6. 電流注入領域と非電流注入領域からなり、前記活性層に対して水平方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、
   前記電流注入領域はｐ型導電型層からなり、該ｐ型導電型層のドーピング濃度が２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
7. 電流注入領域と非電流注入領域からなり、前記活性層に対して水平方向に電流を狭窄する電流狭窄構造と、
   前記活性層に対して水平方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造とを有し、
   前記電流狭窄構造と前記光閉じ込め構造は同じ層構成からなり、
   両構造の、前記活性層の水平方向の幅を規定する部分であって、該活性層に最も近い部分における幅が２．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記複数のｐ型導電型層のうち、活性層に最も近い層のドーピング濃度が２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間にｐ型光ガイド層が設けられ、
   前記ｐ型光ガイド層は積層方向に異なるドーピング濃度を有する２層以上の層からなり、 ２層以上の層からなる前記ｐ型光ガイド層のうち前記活性層に最も近い層のドーピング濃度が、他のｐ型光ガイド層のドーピング濃度よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記複数のｐ型導電型層のうち、光閉じ込め係数Γが１．０×１０^-4以上となるｐ型導電型層のドーピング濃度が、８．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記ｐ型クラッド層の上部にｐ型キャップ層を有し、該ｐ型キャップ層の光閉じ込め係数が５．０×１０^-5以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
12. 請求項１〜１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法であって、
    各層を有機金属化学気相成長法を用いて積層する方法において、前記活性層の成長温度をその他の層の成長温度よりも低くし、かつ成長温度が変化する境界で成長を一旦中断することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
13. 請求項１〜１１に記載の半導体レーザ素子を搭載した光無線通信用送信装置。
14. 請求項１〜１１に記載の半導体レーザ素子を搭載した光ディスク装置。

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