JP2010192769A - 半導体レーザ装置およびその製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】自励特性を安定させるとともにＣＯＤ光出力を向上させることができる半導体レーザを歩留まりよく生産できる構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザは、基板（ｎ−ＧａＡｓ基板１１０）と、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０の上部に設けられた活性層１４０と、活性層１４０の上部の共振器方向に延設されたリッジ状の導波路を有するクラッド層（ｐ−第２クラッド層１７０）と、ｐ−第２クラッド層１７０の上部に設けられたキャップ層(ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０)と、上記リッジ状の導波路の側壁に設けられた電流ブロック層（ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００）と、を備えるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、光ディスク用半導体レーザ装置に関する自励発振型半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。

近年、ＢＲ−Ｄ／ＤＶＤ／ＣＤなどの光ディスクは世界中に広く普及しており、ＡＶ、ストレージ機器の中で欠かせない技術となっている。ＤＶＤなどの光ディスク装置の光源には半導体レーザが使われており、それぞれのメディアに応じて波長が使い分けられている。

一方で、光ディスク用半導体レーザの共通の課題として、戻り光による雑音対策が挙げられる。光ディスクからの戻り光が外部共振器モードとして作用し、光出力に揺らぎが生じることに起因している。現在、戻り光雑音対策としては、駆動電流に高周波重畳をかけてレーザ動作させることで縦モードをマルチモード化する方法と、レーザ内部に可飽和吸収領域を設け、自励発振動作させることで縦モードをマルチモード化する方法が一般的である。

自励発振型半導体レーザにおいては重畳回路が不要な為、部品点数を削減できる上、不要輻射が発生していないという点から光ディスクでの使用頻度が増えてきている。一方で、自励動作の温度範囲が限られることや、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｆｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）光出力が低いという課題もある。特に後者のＣＯＤ光出力が低い場合においては、半導体レーザの製造・選別工程および光ピックアップ製造工程において不意のサージが半導体レーザに入力された場合、その高電圧・電流によりＣＯＤ破壊に至る可能性が高まることになる。従って、自励発振型半導体レーザの取り扱いを容易にする為にも自励発振型半導体レーザのＣＯＤ光出力の向上が求められている。

特許文献１には、半導体レーザが記載されている。図１３(ａ)（ｂ）に示すように、この半導体レーザは、少なくとも１層の第１導電型の第１クラッド層２、活性層３、および少なくとも１層の第２導電型の第２クラッド層４を含むダブルへテロ構造と、半導体レーザのほぼ長手方向に延びるリッジ状の導波路を有する第２導電型の第３クラッド層６と、リッジ状の導波路の側壁に設けられた電流ブロック層８とを備え、少なくとも一方の共振器方向端面近傍に電流非注入領域が形成されるとともに、電流ブロック層の屈折率が第３クラッド層の屈折率と同一である領域を有するものである。同文献によれば、カップリングロスによる閾値電流、動作電流の増大を防止すると同時に、複合共振器効果によるノイズ特性劣化を防止し、半導体レーザの高機能化を図ることができるとされている。

特許文献２には、自励発振型半導体レーザが記載されている。この自励発振型半導体レーザは、第１導電型の第１のクラッド層と、上記第１のクラッド層上に形成された活性層と、上記活性層上に形成された第２導電型の第２のクラッド層と、上記第２のクラッド層に設けられたストライプ部の両側の部分に第１導電型の電流狭窄層が埋め込まれた電流狭窄構造を有し、レーザ共振器内部に可飽和吸収体が形成され、ストライプ状の電流注入構造を備えた自励発振型半導体レーザであって、上記電流注入構造が、ストライプ方向に沿って複数個分布させた電流非注入領域を有するものである。同文献によれば、共振器方向に非注入領域を複数箇所設定することで共振器方向に可飽和吸収領域が複数箇所形成され、安定な自励動作が得られるとされている。このような半導体レーザとして各種の提案がある（たとえば、特許文献３、特許文献４等）。

特開２００３−１５２２７７号公報 特開平１１−２２０２１１号公報 特開昭６０−２０２９７７号公報 特開２００８−２１７０５号公報

しかしながら、上記文献記載の従来技術は、安定した自励発振特性とＣＯＤ光出力の向上との両立を実現する点で、改善の余地を有していた。

一般に自励発振型半導体レーザにおいては可飽和吸収につりあう以上の利得が必要である為、活性層への光閉じ込め(Γ)を大きくすることで活性層利得を稼いでいる。従って、自励発振型半導体レーザにおいては単一モード半導体レーザに比べ光密度が大きくなり、ＣＯＤ光出力が低くなる問題がある。

特許文献２および３の自励発振型半導体レーザにおいては、端面部の電流非注入構造が可飽和吸収領域として機能しているため、安定した自励発振特性を実現することができる。しかしながら、上述の通り、ＣＯＤ光出力の点で改善の余地がある。

また、特許文献４の自励発振型半導体レーザでは、活性層脇に可飽和吸収領域を形成することで、広い温度領域で自励動作が得られることを目的としているものある。この自励発振型半導体レーザにおいても、ＣＯＤ光出力の点で改善の余地がある。

さらに、特許文献１の半導体レーザにおいては、非注入領域を設けることにより、非注入領域がない半導体レーザより高いＣＯＤ光出力が得られている。しかしながら、非注入領域においては、注入領域と同じ膜厚のｐ型キャップ層７が設けられており、このｐ型キャップ層７から流入する電流を抑えることが十分ではないため、未だにＣＯＤ光出力の点で改善の余地がある。

本発明によれば、
基板と、
前記基板の上部に設けられた活性層と、
前記活性層の上部の共振器方向に延設されたリッジ状の導波路を有するクラッド層と、
前記クラッド層の上部に設けられたキャップ層と、
前記リッジ状の導波路の側壁に設けられた電流ブロック層と、を備え、
少なくとも一方の共振器端面近傍に電流低注入部が形成されるとともに、前記電流低注入部の前記キャップ層の膜厚が、前記電流低注入部以外の電流注入部の前記キャップ層の膜厚より薄い、自励発振型半導体レーザ提供される。

本発明によれば、
基板の上部に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上部にクラッド層およびキャップ層を積層して、前記キャップ層の上部にマスクを形成し、前記クラッド層および前記キャップ層を選択的に除去することにより、前記活性層の上部の共振器方向にリッジ状の導波路を有する前記クラッド層を延設するとともに、前記クラッド層の上部に前記キャップ層を形成する工程と、
電流注入部を形成する予定の領域に前記マスクの一部を残した状態で前記キャップ層をエッチングすることにより、少なくとも一方の共振器端面近傍に電流低注入部を形成するとともに、前記電流低注入部の前記キャップ層の膜厚を、前記電流低注入部以外の前記電流注入部の前記キャップ層の膜厚より薄く形成する工程と、
前記リッジ状の導波路の側壁に電流ブロック層を形成する工程と、
前記マスクを除去して、前記キャップ層の上部にコンタクト層を形成する工程と、を含む、
自励発振型半導体レーザの製造方法が提供される。

電流低注入部のキャップ層は、電流注入部のキャップ層に対して相対的に薄く形成され、より高抵抗となっている。そのため、電流注入部から電流低注入部のキャップ層を流れる注入電流は低減するため、電流低注入部において、発熱によるＣＯＤを抑制することができる。さらには、わずかながらも注入電流が電流低注入部の活性層に流れるため、光ポンピングに費やされる損失を低減させ、光の利得と吸収のバランスが吸収過多に傾くことを防ぐことができる。

本発明によれば、自励特性を安定させるとともにＣＯＤ光出力を向上させることができる半導体レーザを歩留まりよく生産できる構造およびその製造方法を実現することができる。

本発明の第一の実施の形態の半導体レーザ装置の斜視図である。 図１に示すＡ−Ａ'部分の断面図である。 図１に示す半導体レーザの注入部断面図である。 図１に示す半導体レーザの低注入部断面図である。 図１に示す半導体レーザ装置にて低注入長Ｌ２を変化させた時のＣＯＤ光出力のグラフを示す図である。 低注入部４２０の端面近傍活性層１４０ｂへ流れ込む電流量をシミュレートした結果を示す図である。 図５の横軸を端面近傍活性層へ流れる電流Ｉ２と注入部に流れる電流Ｉ１の比としたグラフを示す図である。 図１の半導体レーザ装置にてＩ２／Ｉ１を変化させた時の自励特性を示す可干渉性特性を示す図である。 本発明の第二の実施形態を示す半導体レーザ装置の斜視図である。 図９に示すＢ−Ｂ'部分の断面図である。 図９に示す半導体レーザの注入部断面図である。 図９に示す半導体レーザの低注入部断面図である。 従来の自励発振型半導体レーザの構造を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第一の実施の形態）
本発明の第一の実施の形態について、図１を用いて説明する。 図１は本発明の第一の実施形態を示す半導体レーザ装置の斜視図である。
第一の実施の形態の半導体レーザは、基板（ｎ−ＧａＡｓ基板１１０）と、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０の上部に設けられた活性層１４０と、活性層１４０の上部の共振器方向に延設されたリッジ状の導波路を有するクラッド層（ｐ−第２クラッド層１７０）と、ｐ−第２クラッド層１７０の上部に設けられたキャップ層(ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０)と、上記リッジ状の導波路の側壁に設けられた電流ブロック層（ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００）と、を備えるものである。
半導体レーザにおいては、少なくとも一方の共振器端面近傍に電流低注入部（低注入部４２０）が形成されるとともに、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚が、低注入部４２０以外の注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚より薄いものである。

さらに、本実施の形態の半導体レーザは、図１に示す、ｎ−バッファー層１２０、ｎ−クラッド層１３０、ｐ−第１クラッド層１５０、エッチングストップ層１６０、ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５、ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０（コンタクト層）、ｎ電極３１０、およびｐ電極３２０を備えるものである。本実施の形態の半導体レーザは、端面低注入自励発振型半導体レーザである。また、活性層１４０、ｎ−クラッド層１３０、およびｐ−第１クラッド層１５０からなるダブルヘテロ構造が形成されてもよい。電流ブロック層は、単層でもよく、または多層構造でもよい。本実施の形態では、多層構造(ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００)である電流ブロック層を用いている。

図１に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０上にｎ−バッファー層１２０、ｎ−クラッド層１３０、活性層１４０、ｐ−第１クラッド層１５０、エッチングストップ層１６０、ｐ−第２クラッド層１７０、ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０、ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００、ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０が積層されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０下部にはｎ電極３１０、ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０上部にはｐ電極３２０が形成されている。ｐ−第２クラッド層１７０にはメサ部が形成され、そのメサ部両側にＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００から成る電流狭窄構造が形成されている。本実施の形態の半導体レーザ装置においては、メサ部とメサ脇部の屈折率差△ｎを０．００１以上、０．００３以下とし、また、ｐ−第１クラッド層１５０の層厚は０．２５μｍ以上、０．３５μｍ以下、メサ幅Ｗは２．５μm以上、４．０μm以下とする。これらにより、メサ脇部に可飽和吸収領域を形成する自励発振型半導体レーザを構成することができる。

図２は、図１のＡ−Ａ'部分の断面図である。図２に示すように、注入部４１０においては、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０直上にｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０、ｐ電極３２０が形成されている。一方、低注入部４２０においては、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０直上にＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００、ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０、ｐ電極３２０の順に形成されている。ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００は電流狭窄層として機能するものである。このとき、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の層厚に関し、注入部４１０に対して低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の層厚Ｔ１を薄く形成することができる。たとえば、Ｔ１を０．０６μｍ以上、０．２４μｍ以下にすることができる。本実施の形態では、Ｔ１が０．１μｍとしている。

次に、本発明の第一の実施形態を示す半導体レーザ装置の製造工程について、図１、図２を用いて説明する。
本実施の形態の半導体レーザの製造工程は、以下の工程を含むものである。
工程(１)基板(ｎ−ＧａＡｓ基板１１０)の上部に活性層１４０を形成する工程、
工程(２)活性層１４０の上部にクラッド層およびキャップ層を積層して、当該キャップ層の上部にマスクを形成し、当該クラッド層および当該キャップ層を選択的に除去することにより、活性層１４０の上部の共振器方向にリッジ状の導波路を有するクラッド層(ｐ−第２クラッド層１７０)を延設するとともに、ｐ−第２クラッド層１７０の上部にキャップ層(ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０)を形成する工程、
工程(３)電流注入部(注入部４１０)を形成する予定の領域に当該マスクの一部を残した状態でｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０をエッチングすることにより、少なくとも一方の共振器端面近傍に電流低注入部(低注入部４２０)を形成するとともに、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚を、低注入部４２０以外の注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚より薄く形成する工程、
工程(４)リッジ状の導波路の側壁に電流ブロック層(ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００)を形成する工程、および、
工程(５)当該マスクを除去して、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の上部にコンタクト層(ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０)を形成する工程。

［工程(１)、(２)］
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０上に０．３μm厚、ｎ＝３〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｎ−ＧａＡｓバッファー層（ｎ−バッファー層１２０）と、１．２μｍ厚、ｎ＝３〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ−クラッド層１３０）とＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰからなるＭＱＷ活性層（活性層１４０）と、０．２５μｍ以上、０．４μｍ以下、ｐ＝４．０〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層（ｐ−第１クラッド層１５０）と、０．０１μｍ厚の（Ａｌ）ＧａＩｎＰエッチングストップ層（エッチングストップ層１６０）と、１．０μｍ厚、ｐ＝４．０〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層（ｐ−第２クラッド層１７０）と、０．０５μｍ厚、ｐ＝１．０×１０Ｅ１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５と０．３μｍ厚、ｐ＝１．０〜２．０×１０Ｅ１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０をＭＯＶＰＥ結晶装置などにより順次積層する。

次に、フォトリソグラフィーにてストライプ状にＳｉＯ_２パターンを形成し、それをマスクとしてｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０、ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１７０をエッチングストップ層１６０までエッチングし、メサストライプを形成する。この時、メサ幅Ｗは３．５μｍである。

［工程(３)］
次に、注入部４１０、低注入部４２０を形成する為、注入部４１０に相当する領域のＳｉＯ_２マスクが残るようにフォトリソグラフィーによりパターニングする。このとき、低注入長Ｌ２は３０μｍとした。続いて、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を燐酸系エッチャントにより０．１μｍ厚（Ｔ１）までエッチングする。

［工程(４)］
次に、２回目の結晶成長にてメサストライプ外のエッチングストップ層１６０上および低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０上に０．１μｍ厚、ＡｌＩｎＰブロック層１９０と、０．８μｍ厚、ｎ＝３．０×１０Ｅ１８ｃｍ^−３のｎ−ＧａＡｓブロック層２００をＭＯＶＰＥなどで積層する。この時、ＡｌＩｎＰブロック層１９０およびｎ−ＧａＡｓブロック層２００は、ＳｉＯ_２上には結晶成長されず、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０直上にのみ選択的に結晶成長する。

本工程(４)の電流ブロック層を形成する工程においては、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の上部に電流ブロック層(ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００)を形成するものである。
この工程により、本実施の形態の半導体レーザにおいては、電流ブロック層(ＡｌＩｎＰブロック層１９０、ｎ−ＧａＡｓブロック層２００)とクラッド層(ｐ−第２クラッド層１７０)との間に介在するように、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０が設けられる。

［工程(５)］
次に、ＳｉＯ_２マスクを除去した後、再度結晶成長方法で、３．０μｍ厚、ｐ＝３．０〜８．０×１０Ｅ１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０を成長させる。最後に、ＴｉＰｔＡｕ系の電極として、ｎ電極３１０およびｐ電極３２０を形成する。

以上の工程により、本実施の形態の半導体レーザが得られる。
本実施の形態の半導体レーザにおいては、図５に示すように、共振器長（＝Ｌ１+Ｌ２+Ｌ２）は３５０μｍとした。つまり、電流注入部の共振器方向の長さをＬ１とし、電流低注入部の共振器方向の長さをＬ２とし、Ｌ２の合計値をＬ２'としたとき、Ｌ２'（Ｌ２+Ｌ２）／Ｌ１は６０／２９０（＜０．３）となっている。

また、工程(３)のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を形成する工程においては、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の不純物濃度をコンタクト層(ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０)の不純物濃度より低くするものである。つまり、工程(５)において、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０よりも、コンタクト層の不純物濃度が高くなるように、コンタクト層に不純物をドープする。不純物は、同じ導電型であれば特に限定されず、同種であっても異種であってもよい。
この工程により、本実施の形態の半導体レーザにおいては、キャップ層（ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０）の上部にコンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０）が設けられ、このｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の不純物濃度は、コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ埋込層２１０）の不純物濃度より低いものとなる。

本実施の形態の効果について説明する。
本実施の形態の半導体レーザにおいては、注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚より低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚を薄くすることにより、注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０に対して低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の抵抗をより高くすることができる。これにより、後述するように、注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０から低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０に流れる注入電流が低減されることにより、低注入部４２０において、通電により発生した発熱によるＣＯＤを抑制して、ＣＯＤ光出力を向上させることができる。さらには、わずかながらも注入電流を低注入部４２０の活性層１４０に流すことができるので、低注入部４２０において、光ポンピングに費やされる損失を低減させ、光の利得と吸収のバランスが吸収過多に傾くことを防ぐことにより、半導体レーザの自励動作を安定化させることができる。

図３に示す本実施の形態の半導体レーザの注入部４１０においては、メサ直下の活性層１４０ａが利得領域５１０ａとして機能する。また、メサ部とメサ脇部の屈折率差△ｎにより横方向の光導波領域においては利得領域５１０ａより屈折率が大きい為、利得領域５１０ａの外側が可飽和吸収領域５２０ａとして機能する。この可飽和吸収領域５２０ａにより自励動作が実現される。

一方、図４に示す本実施の形態の半導体レーザの低注入部４２０においては、低注入部形成工程において、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を０．１μｍ残した効果により、注入部からの横拡散電流が存在する。この横拡散電流プロファイルはｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の層厚およびキャリア濃度、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１５０およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１７０のキャリア濃度、および低注入長Ｌ２によって設定することが可能である。また、低注入部４２０においても、メサ直下の活性層１４０ｂが利得領域５１０ｂとして機能する。活性層１４０ｂのうち、利得領域５１０ｂの外側が可飽和吸収領域５２０ｂとして機能する。可飽和吸収領域５２０ｂによっても自励動作が実現される。

第一の実施形態の半導体レーザ装置の製造工程において、低注入長Ｌ２を変化させた時のＣＯＤ光出力を図５に示す。このときの共振器長（＝Ｌ１+Ｌ２+Ｌ２）は３５０μｍである。低注入長Ｌ２を増加させることでＣＯＤ光出力が向上している結果が得られている。具体的には、Ｌ２＝２０μｍ以上に設定すれば（Ｌ２'／Ｌ１は４０／３１０（＞０．１））、低注入部がない構造に比べ２０％以上のＣＯＤ光出力の向上が見られ、十分にＣＯＤ光出力が改善している結果が得られた。本実施の形態で作製した低注入長Ｌ２=３０μｍの構造においては低注入部がない構造に比べ３０％のＣＯＤ光出力の向上が得られていることが分かる。

図６は注入部４１０と低注入部４２０との境界よりレーザ端面方向へ向かっての活性層１４０ｂへ流れ込む電流量をシミュレートした結果である。図６においては、注入部４１０の電流量を１として各低注入長における端面近傍の活性層１４０ｂに流れる電流の比率を表している。このとき、共振器長は３５０μｍ、低注入長Ｌ２は３０μｍである。

本発明の第一の実施の形態においては、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の１／３程度まで薄くしている。つまり注入部４１０のキャップ層厚０．３μｍに対して低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層厚を０．１μｍとしている。これにより、注入部４１０の活性層１４０ａの電流に対し、端面近傍の活性層１４０ｂに流れる電流は１／１０程度になっていることがわかる。これは、前述のとおり低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０がより高抵抗化しているためである。

このように端面における電流注入が抑制されると、ＣＯＤ光出力が向上する。電流低注入部が無い構造に比較すると、たとえば２０％以上のＣＯＤ光出力向上効果を得るには図５と図６の結果より、電流注入部の電流値（Ｉ１）と端面近傍の活性層１４０ｂに流れる電流（Ｉ２）の比Ｉ２／Ｉ１が少なくとも０．１７以下であればいいことがわかる。図７は、図５の横軸をＩ２／Ｉ１としてＣＯＤ光出力の変化を見たグラフである。図７に示すように、Ｉ２／Ｉ１≦０．１７であれば十分なＣＯＤ光出力の向上が得られることがわかる。

以上のように半導体レーザの端面における電流注入が抑制されたことで、表面準位を介した非発光再結合と発熱によるバンドギャップ縮小が抑制された効果によりＣＯＤ光出力が向上したことが実験的にも計算的にも実証された。

次に本実施の形態における自励発振特性について述べる。本実施の形態においては、前述のとおり低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の１／３程度まで薄くする構成により、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を完全に除去した場合に比べ、図６の計算結果に示されるように端面近傍においては５倍以上の注入電流が得られる。その為、低注入部４２０の活性層１４０ｂにおいては注入電流の寄与が存在し、光ポンピングに費やされる損失を低減することができる。この結果、低注入部４２０における可飽和吸収領域５２０ｂ以外の損失を最小限にすることで、自励発振動作に関わる利得および吸収のバランスを大きく崩すことなく、安定した自励発振動作の実現が可能となった。

本実施の形態の半導体レーザ装置において、共振器長を３５０μｍとし、低注入長Ｌ２を変化させた時の自励特性を示す可干渉性特性を図８に示す。なお横軸は電流注入部の電流値（Ｉ１）とレーザ端面部の電流値（Ｉ２）の比Ｉ２／Ｉ１で表している。縦モードのマルチモード化の程度を表す可干渉性は、自励特性を判断する指標の一つである。この可干渉性は、通常５０％以下であれば良好とされている

図８では、−１０℃および２５℃においては、Ｉ２／Ｉ１に依存せず、可干渉性＜１０％と良好な特性を示している。一方、高温７０℃においてはＩ２／Ｉ１が小さくなるに伴い、可干渉性が大きくなる傾向が示されている。

一般的に、温度上昇に伴いメサ脇への横拡散電流が増加する影響で、可飽和吸収領域５２０ｂが縮小することにより自励動作を維持する利得と吸収のバランスが不安定になっている。この状況において、さらにＩ２／Ｉ１が小さくなる、つまり注入部に対し端面近傍の活性層１４０の注入電流が極端に減少している条件が加わると、光ポンピングに費やされる損失を抑制することができなくなり、低注入部４２０における光ポンピングの損失が過多となり、半導体レーザにおいては、自励発振動作を維持できなくなる。そのため、高温７０℃の条件下においてＩ２／Ｉ１が小さくなると、半導体レーザの自励特性が不安定になる。

このような半導体レーザの自励特性の不安定性を回避して、自励動作を安定化させる観点から、Ｉ２／Ｉ１は、０．０６以上が好ましい。本実施の形態においては、図８に示すように、可干渉性５０％の基準で判断した場合、Ｉ２／Ｉ１が０．０６以上であれば自励特性としては十分動作していると言えるためである。

以上、本実施の形態の半導体レーザにおいてには、−１０℃から７０℃に掛けて良好な自励動作特性を得るためには、図８の結果より、電流注入部の電流値（Ｉ１）とレーザ端面部の電流値（Ｉ２）の比Ｉ２／Ｉ１が少なくとも０．０６以上であればいいことがわかる。

また、本実施の形態の端面低注入自励発振型半導体レーザでは電流注入部の長さ（Ｌ１）と電流低注入部の長さ（Ｌ２）の合計値Ｌ２'との比Ｌ２'／Ｌ１が０．３より小さくなる共振器長とし、電流注入部の電流値（Ｉ１）とレーザ端面部の電流値（Ｉ２）の比Ｉ２／Ｉ１が０．０６以上、０．１７以下になる低注入部４２０の長さおよびｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の厚さとすることで、端面での表面準位を介した非発光再結合と発熱によるバンドギャップ縮小が抑制された効果により、ＣＯＤ光出力が向上できる上、低注入部の活性層においては注入電流の寄与が存在し、光ポンピングに費やされる導波路損失を低減することができ、低注入部における可飽和吸収以外の損失を最小限にすることで、自励発振動作に関わる利得および吸収のバランスを大きく崩すことなく、安定した自励発振動作を実現することができる。以上の効果により、従来は困難であった実用使用温度領域−１０℃から７０℃までの安定した自励特性とＣＯＤ光出力の向上の両立が可能となる。

続いて、本実施の形態の半導体レーザの製造工程において、安定した自励特性およびＣＯＤ光出力の向上を両立した半導体レーザを歩留まりよく製造できることを、図６に示す非注入部の長さＬ２に応じた電流比の関数を用いて以下説明する。

図６に示す関数をみると、電流比が低い範囲、とくに、本実施の形態の半導体レーザの好ましい電流比である０．０６≦Ｌ２／Ｌ１≦０．１７の範囲においては、かかる電流比に対応する低注入長Ｌ２の範囲が広いのは、本実施の形態のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０(注入部のキャップ層の膜厚に対し１／３程度の膜厚)の場合である。

この電流比の場合においては、キャップ層がない場合およびキャップ層の膜厚が均一である場合と比較すると、上記電流比の範囲に対応する低注入長Ｌ２の範囲が広いことがわかる。つまり、本実施の形態において、多少低注入長Ｌ２のバラツキがあったとしても、電流比のバラツキを少なくすることができるため、本実施の形態の半導体レーザの製造マージンは広くなる。そのため、本実施の形態の半導体レーザの製造方法を用いることにより、実用使用温度領域−１０℃から７０℃までの安定した自励特性とＣＯＤ光出力の向上を両立することができる半導体レーザを歩留まりよく製造することができる。

さらに、本実施の形態の製造工程においては、低注入長Ｌ２を一定に固定した場合においても、低注入部のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚を調整するという簡便な方法により、半導体レーザの電流比を所望の範囲にすることができる。これにより、実用使用温度領域−１０℃から７０℃までの安定した自励特性とＣＯＤ光出力の向上の両立が可能となる半導体レーザを歩留まりよく製造することができる。

また、図２に示すように、ｐ−第２クラッド層１７０とｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０との間に、ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５が設けられている。ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５のバンドギャップは、ｐ−第２クラッド層１７０のバンドギャップとｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０のバンドギャップとの間の中間値を有するものである。これにより、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０からｐ−第２クラッド層１７０に向かって、バンドギャップを段階的に変更することができる。そのため、本実施の形態において、かかる構成を採用すると、スパイクの発生を抑制するとともに、電流が流れやすくなり、より安定した半導体レーザを実現することができる。

次に、従来技術と対比しつつ本実施の形態の効果についてさらに説明する。
特許文献１に記載の半導体レーザにおいては、図１３(ａ)（ｂ）および明細書に記載の製造工程等から、非注入領域および注入領域に設けられているｐ型キャップ層７は均一の膜厚を有するものである。そのため、ｐ型キャップ層７においては、注入領域から非注入領域に流れる電流に対して同じ抵抗値を示すことなる。そのため、高い光出力を得るために高電流値に設定すると、非注入領域において電流値が大きくなりＣＯＤが発生する懸念がある。他方、ＣＯＤを抑制するために、電流値を低く設定すると、注入領域においても電流値が低くなり高い光出力を得ることができないこともある。

また、図６に示すように、非注入領域と注入領域とのキャップ層の膜厚が同じである場合には、非注入領域の長さを大きくしても、電流比を小さくすることができず、本実施の形態の所望の電流比の範囲を実現することができない。つまり、特許文献１に記載の半導体レーザにおいては、実用使用温度領域−１０℃から７０℃までの安定した自励特性とＣＯＤ光出力の向上を両立することが困難である。

これに対して、本実施の形態の半導体レーザにおいては、注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚より低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の膜厚を薄くすることにより、注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０に対して低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の抵抗をより高くすることができる。これにより、上述のとおり、注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０から低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０に流れる注入電流が低減されることにより、低注入部４２０において、電流の発熱によるＣＯＤを抑制して、ＣＯＤ光出力を向上させることができる。さらには、当該注入電流をわずかに流すことができるので、低注入部４２０において、光ポンピングに費やされる損失を低減させ、光の利得と吸収のバランスが吸収過多に傾くことを防ぐことにより、半導体レーザの自励動作を安定化させることができる。

また、上述のとおり、本実施の形態の半導体レーザの製造方法においては、実用使用温度領域−１０℃から７０℃までの安定した自励特性とＣＯＤ光出力の向上を両立することができる半導体レーザを歩留まりよく製造することができる。

(第二の実施の形態)
続いて、本発明の第二の実施の形態について、図９を用いて説明する。図９は第二の実施形態を示す半導体レーザ装置の斜視図である。
第二の実施の形態の半導体レーザは、電流ブロック層が単層であり、この電流ブロック層として酸化膜２５０を用いる点が異なる以外は第一の実施形態と同じ構造とする。電流ブロック層は、誘電率が低い材料層であればよい。本実施の形態においては、誘電率が低い材料層として酸化膜２５０を用いるものである。

図９に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０上にｎ−バッファー層１２０、ｎ−クラッド層１３０、活性層１４０、ｐ−第１クラッド層１５０、エッチングストップ層１６０、ｐ−第２クラッド層１７０、ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０、酸化膜２５０が積層されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０下部にはｎ電極３１０、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０および酸化膜２５０上部にはｐ電極３２０が形成されている。ｐ−第２クラッド層１７０にはメサ部を形成し、そのメサ部両側に酸化膜２５０から成る電流狭窄構造が形成されている。本実施の形態の半導体レーザ装置においては、メサ部とメサ脇部の屈折率差△ｎを０．００１以上、０．００３以下とし、また、ｐ−第１クラッド層１５０の層厚は０．２５μｍ以上、０．３５μｍ以下、メサ幅Ｗは２．０μm以上、４．０μm以下とすることでメサ脇部に可飽和吸収領域を形成する自励発振型半導体レーザとしている。

図１０は図１のＢ−Ｂ'部分の断面図である。図１０に示すように、注入部４１０においては、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０直上にｐ電極３２０が形成される。一方、低注入部４２０においては、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０直上に酸化膜２５０、ｐ電極３２０の順に形成され、酸化膜２５０が電流狭窄層として機能する。このとき、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の層厚に関し、注入部４１０に対して低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の層厚Ｔ１を薄く形成することができる。たとえば、Ｔ１を０．０６μｍ以上、０．２４μｍ以下にすることができる。本実施の形態では、Ｔ１が０．１μｍの場合について説明する。

次に第二の実施形態を示す半導体レーザ装置の製造工程について説明する。図９、図１０に示すにように、まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１１０上に０．３μm厚、ｎ＝３〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｎ−ＧａＡｓバッファー層（ｎ−バッファー層１２０）と、１．２μｍ厚、ｎ＝３〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（ｎ−クラッド層１３０）とＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰからなるＭＱＷ活性層（活性層１４０）と、０．２５μｍ以上、０．４μｍ以下、ｐ＝４．０〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層（ｐ−第１クラッド層１５０）と、０．０１μｍ厚の（Ａｌ）ＧａＩｎＰエッチングストップ層（エッチングストップ層１６０）と、１．０μｍ厚、ｐ＝４．０〜７．０×１０Ｅ１７ｃｍ^−３のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層（ｐ−第２クラッド層１７０）と、０．０５μｍ厚、ｐ＝１．０×１０Ｅ１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５と０．３μｍ厚、ｐ＝１．０〜２．０×１０Ｅ１８ｃｍ^−３のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０をＭＯＶＰＥ結晶装置などにより順次積層する。

次にフォトリソグラフィーにてストライプ状にＳｉＯ_２パターンを形成し、それをマスクとしてｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０、ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層１７５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１７０をエッチングストップ層１６０までエッチングし、メサストライプを形成する。このとき、メサ幅Ｗは３．０μｍである。次に、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層厚１８０を注入部４１０のｐ−ＧａＡｓキャップ層厚より薄くエッチングする為、注入部４１０に相当する領域のＳｉＯ_２マスクが残るようにフォトリソグラフィーによりパターニングする。この時、低注入長Ｌ２は３０μｍとなるようにした。

次に、低注入部４２０のｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を燐酸系エッチャントにより０．１μｍ厚（Ｔ１）までエッチングする。

次にＳｉＯ_２マスクを除去した後、再度ＳｉＯ_２やＳｉＮなどの絶縁膜を全面に成膜する。その後、フォトリソグラフィーとエッチング工程を経ることで注入部４１０の絶縁膜のみを除去し、ＴｉＰｔＡｕ系の電極として、ｎ電極３１０およびｐ電極３２０を形成する。

本実施の形態において、共振器長（＝Ｌ１+Ｌ２+Ｌ２）は３５０μｍとした。つまり、電流注入部の共振器方向の長さをＬ１とし、電流低注入部の共振器方向の長さをＬ２とし、Ｌ２の合計値をＬ２'としたとき、Ｌ２'（Ｌ２+Ｌ２）／Ｌ１は６０／２９０（＜０．３）となっている。

次に本実施形態の効果について説明する。図１１に示す本実施の形態の半導体レーザの注入部４１０においては、メサ直下の活性層１４０ａが利得領域５１０ａとして機能する。また、メサ部とメサ脇部の屈折率差△ｎにより横方向の光導波領域が利得領域５１０ａの屈折率より大きい為、利得領域５１０ａの外側は可飽和吸収領域５２０ａとして機能する。この可飽和吸収領域５２０ａにより自励動作が実現される。

一方、図１２に示す本実施の形態の半導体レーザの低注入部４２０においては、低注入部形成工程においてｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０を０．１μｍ厚残した効果により、注入部からの横拡散電流が存在する。この横拡散電流プロファイルはｐ−ＧａＡｓキャップ層１８０の層厚およびキャリア濃度、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１５０およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１７０のキャリア濃度、および低注入長Ｌ２によって設定することが可能である。また、低注入部４２０においても、メサ直下の活性層１４０ｂが利得領域５１０ｂとして機能する。活性層１４０ｂのうち、利得領域５１０ｂの外側が可飽和吸収領域５２０ｂとして機能する。可飽和吸収領域５２０ｂによっても自励動作が実現される。

第二の実施の形態の半導体レーザおよびその製造方法においては、第一の実施の形態と同様の効果が得られる。また、第二の実施の形態の装置においても第一の実施の形態と同じ動作原理により、従来は困難であった実用使用温度領域−１０℃から７０℃までの安定した自励特性とＣＯＤ光出力の向上の両立が可能となる。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１１０ ｎ−ＧａＡｓ基板
１２０ ｎ−バッファー層
１３０ ｎ−クラッド層
１４０ 活性層
１４０ａ 活性層
１４０ｂ 活性層
１５０ ｐ−第１クラッド層
１６０ エッチングストップ層
１７０ ｐ−第２クラッド層
１７５ ｐ−ＧａＩｎＰヘテロバッファー層
１８０ ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１９０ ＡｌＩｎＰブロック層
２００ ｎ−ＧａＡｓブロック層
２１０ ｐ−ＧａＡｓ埋込層
２５０ 酸化膜
３１０ ｎ電極
３２０ ｐ電極
４１０ 注入部
４２０ 低注入部
５１０ａ 利得領域
５１０ｂ 利得領域
５２０ａ 可飽和吸収領域
５２０ｂ 可飽和吸収領域

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板の上部に設けられた活性層と、
   前記活性層の上部の共振器方向に延設されたリッジ状の導波路を有するクラッド層と、
   前記クラッド層の上部に設けられたキャップ層と、
   前記リッジ状の導波路の側壁に設けられた電流ブロック層と、を備え、
   少なくとも一方の共振器端面近傍に電流低注入部が形成されるとともに、前記電流低注入部の前記キャップ層の膜厚が、前記電流低注入部以外の電流注入部の前記キャップ層の膜厚より薄い、自励発振型半導体レーザ。
2. 前記キャップ層の上部にコンタクト層がさらに設けられ、
   前記キャップ層の不純物濃度は、前記コンタクト層の前記不純物濃度より低い、請求項１に記載の自励発振型半導体レーザ。
3. 前記電流低注入部の前記キャップ層は、前記電流ブロック層と前記クラッド層との間に介在する、請求項１または２に記載の自励発振型半導体レーザ。
4. 前記電流ブロック層は、単層または多層構造である、請求項１から３のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザ。
5. 前記電流注入部の共振器方向の長さをＬ１とし、前記電流低注入部の共振器方向の長さをＬ２とし、Ｌ２の合計値をＬ２'としたとき、Ｌ２'／Ｌ１＜０．３である、請求項１から４のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザ。
6. 前記電流注入部に流れる電流値をＩ１とし、前記電流低注入部に流れる電流値をＩ２としたとき、０．０６≦Ｉ２／Ｉ１≦０．１７である、請求項１から５のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザ。
7. 前記電流ブロック層は、誘電率が低い材料層である、請求項１から６のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザ。
8. 基板の上部に活性層を形成する工程と、
   前記活性層の上部にクラッド層およびキャップ層を積層して、前記キャップ層の上部にマスクを形成し、前記クラッド層および前記キャップ層を選択的に除去することにより、前記活性層の上部の共振器方向にリッジ状の導波路を有する前記クラッド層を延設するとともに、前記クラッド層の上部に前記キャップ層を形成する工程と、
   電流注入部を形成する予定の領域に前記マスクの一部を残した状態で前記キャップ層をエッチングすることにより、少なくとも一方の共振器端面近傍に電流低注入部を形成するとともに、前記電流低注入部の前記キャップ層の膜厚を、前記電流低注入部以外の前記電流注入部の前記キャップ層の膜厚より薄く形成する工程と、
   前記リッジ状の導波路の側壁に電流ブロック層を形成する工程と、
   前記マスクを除去して、前記キャップ層の上部にコンタクト層を形成する工程と、を含む、
   自励発振型半導体レーザの製造方法。
9. 前記キャップ層を形成する工程において、前記キャップ層の不純物濃度を前記コンタクト層の不純物濃度より低くする、請求項８に記載の自励発振型半導体レーザの製造方法。
10. 前記電流ブロック層を形成する工程において、前記電流低注入部の前記キャップ層の上部に前記電流ブロック層を形成する、請求項８または９に記載の自励発振型半導体レーザの製造方法。
11. 前記電流注入部の共振器方向の長さをＬ１とし、前記電流低注入部の共振器方向の長さをＬ２とし、Ｌ２の合計値をＬ２'としたとき、Ｌ２'／Ｌ１＜０．３である、請求項８から１０のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザの製造方法。
12. 前記電流注入部に流れる電流値をＩ１とし、前記電流低注入部に流れる電流値をＩ２としたとき、０．０６≦Ｉ２／Ｉ１≦０．１７である、請求項８から１１のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザの製造方法。

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