JP2010251342A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】高出力のシングルモード発振を簡易な構成かつ低閾値電流で実現することの可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】メサ部１７内には、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）系の材料（赤色系の材料）からなる活性層１３と、面内の中央領域に未酸化領域１８Ｂを有すると共に、未酸化領域１８Ｂの周縁に環状の酸化領域１８Ａを有する電流狭窄層１８とが設けられている。メサ部１７の上面には、未酸化領域１８Ｂに対応して高反射領域２３Ａを有すると共に、高反射領域２３Ａの周縁に環状の低反射領域２３Ｂを有する横モード調整層３０が設けられている。酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxおよび未酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_hrは０．８＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．５を満たしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、上面からレーザ光を射出する面発光型の半導体レーザに係り、特に、シングルモードの光出力が要求される用途に好適に適用可能な面発光型の半導体レーザに関する。

面発光型半導体レーザは、基板に対して直交する方向に光を射出するものであり、同じ基板上に２次元アレイ状に多数の素子を配列することが可能である。例えば、デジタルコピー機やプリンタ機用の光源として、２次元アレイ状に配列された面発光型半導体レーザを用いた場合には、感光ドラム上に並列処理で画素情報を入力することができ、高密度化および高速化が可能となる。そのため、近年、面発光型半導体レーザは、デジタルコピー機やプリンタ用の光源として注目されている。

すでにいくつかのメーカによって、プリンタの光源に用いる面発光型半導体レーザが実用化されている。ただし、その波長帯は赤外領域（７７０ｎｍ〜７９０ｎｍ）に限られている。仮に発振波長をより短波長化することができれば、ビームスポットをより小さくすることができ、より高精細なプリンタを実現することができる。そのため、近年では、プリンタの光源として適用可能な赤色帯の面発光型半導体レーザの開発が活発に行われている。

例えば、特許文献１では、赤色帯の面発光型半導体レーザをシングル横モードで発振させる技術が開示されている。この特許文献では、酸化層による電流狭窄は強い屈折率分布を与えるので、シングルモード性に優れない、との主張がなされている。そこで、この特許文献では、弱い屈折率分布となるように、イオンインプラによるゲインガイド構造が採用されている。さらに、２つのイオンインプラによる電流狭窄層が設けられており、熱レンズ効果による屈折率変化が抑制されている。特許文献１では、これらの構成によって、広い電流狭窄で横モード制御が可能となり、高出力のシングルモード発振が得られる、との主張がなされている。特許文献１の研究者は、赤色帯の面発光型半導体レーザについての論文（非特許文献１）を発表している。この非特許文献１においては、特許文献１と同様の構成が採用されているか否かは文面からははっきりしないが、特許文献１と同様の構成が採用されているものと仮定すると、確かにシングルモードの光出力が優れており、室温で２．８ｍＷが達成されている。

米国特許７３５９４２１号明細書

SPIE Vol.6484 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XI, paper 6484-04 Electronics Letters 19th January 2006 Vol.42 No.2

しかし、上記非特許文献１では、閾値が２．８ｍＡと高く、高温（６０℃）では３ｍＡを超えている。このような高い閾値電流は、信頼性の悪化要因にもなっている。プリンタ用のレーザ光源として、面発光型半導体レーザを採用するのは、低閾値化による低ドループ化が期待されるからである。従って、それを期待できない上記の方法は、最適な方法とは言えない。

また、非特許文献２においても、熱レンズ効果を抑制することによってレーザ発振をシングルモード化する手法が紹介されている。この非特許文献２においても、ゲインガイド構造が採用されている。さらに、この非特許文献２では、メサの一部にヒーティング電極(current source for heating)が採用されている。これにより、電流狭窄層の中央だけが局所的に発熱し、中央の屈折率が上昇するのを防いでいる。この手法によって、活性層の温度分布、ひいては屈折率分布がフラットに近づくので、広い電流狭窄で横モード制御が可能となり、シングルモード発振が得られる。しかし、このようなヒーティング電極を設けることはプロセスや実装の複雑化を招き、応用上、実用的とは言えない。また、活性層の温度分布がフラットになる効果はあるが、素子全体の温度上昇を避けることができないので、結果的に、光出力の低下を招き、さらに、信頼性の悪化を招く可能性もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高出力のシングルモード発振を簡易な構成かつ低閾値電流で実現することの可能な半導体レーザを提供することにある。

本発明の半導体レーザは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）系の活性層を備えたものである。より詳細には、この半導体レーザは、基板上に、第１多層膜反射鏡、上記活性層、第２多層膜反射鏡および横モード調整層を基板側から順に有すると共に、電流狭窄層を有する柱状の積層構造を備えたものである。電流狭窄層は、面内の中央領域に未酸化領域を有すると共に、未酸化領域の周縁に環状の電流狭窄層を有している。横モード調整層は、未酸化領域に対応して高反射領域を有すると共に、高反射領域の周縁に環状の低反射領域を有している。未酸化領域の直径をＤ_oxとし、高反射領域の直径をＤ_hrとすると、Ｄ_oxおよびＤ_hrは以下の関係式を満たしている。
０．８＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．５…（１）

ここで、活性層として、例えば、主にＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ（０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１）を含む井戸層と、主にＡｌ_cＧａ_dＩｎ_1-c-dＰ（０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１）を含む障壁層とを交互に積層してなる量子井戸構造を用いることが可能である。電流狭窄層は第２多層膜反射鏡内に形成されることが好ましく、活性層から（７／４＋（ｎ／２））λ（ｎは０以上の整数）だけ離れた位置に形成されることが好ましい。動作温度が比較的低温（例えば２５℃程度）である場合には、Ｄ_oxおよびＤ_hrが０．８＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．０を満たしていることが好ましい。動作温度が比較的高温（例えば４０℃程度〜６０℃程度）である場合には、Ｄ_oxおよびＤ_hrが０．９＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．１を満たしていることが好ましく、１．０もしくはほぼ１．０であることがより好ましい。

本発明の半導体レーザでは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）系の活性層が設けられている。つまり、活性層として、赤外よりも短波長の赤色帯の光を発生する材料が用いられている。この半導体レーザでは、面内の中央領域に未酸化領域を有すると共に、未酸化領域の周縁に環状の酸化領域を有する電流狭窄層が設けられている。さらに、未酸化領域に対応して高反射領域を有すると共に、高反射領域の周縁に環状の低反射領域を有する横モード調整層が設けられている。そして、Ｄ_oxおよびＤ_hrが上記の式（１）を満たしている。これにより、導波路の等価的な屈折率分布を、弱いインデックスガイド構造にすることが可能となる。

本発明の半導体レーザによれば、活性層として赤色帯の光を発生する材料が用いられたレーザ構造において、Ｄ_oxおよびＤ_hrが上記の式（１）を満たしている。これにより、導波路の等価的な屈折率分布を、弱いインデックスガイド構造とすることが可能となる。その結果、屈折率分布がゲインガイド構造となっている場合よりも、無効電流を低減することができるので、低閾値化することができる。また、広い電流狭窄で横モード制御が可能となり、高出力のシングルモード発振を得ることができる。また、本発明では、特殊な構造やプロセスを用いる必要がないので、簡易な構造でレーザ発振をシングルモード化することができる。以上のことから、本発明では、高出力のシングルモード発振を簡易な構成かつ低閾値電流で実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。 図１の半導体レーザの一部の拡大図である。 図１の半導体レーザのシングルモード最大出力の、温度依存性の一例を表す特性図である。 図１の半導体レーザのＩ−Ｌ特性およびスロープ効率の一例を表す特性図である。 図１の半導体レーザの電流狭窄層の、定在波との位置関係について説明するための模式図である。 比較例に係る半導体レーザの電流狭窄層の、定在波との位置関係について説明するための模式図である。 図１の半導体レーザの製造過程を説明するための断面図である。 図７に続く過程を説明するための断面図である。 図８に続く過程を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

１．構成
２．製造方法
３．作用・効果

［１．構成］
図１は、本発明の一実施の形態に係る面発光型の半導体レーザ１の断面構成の一例を表したものである。図２（Ａ）は、図１の半導体レーザ１の上部を拡大して表したものである。半導体レーザ１は、例えば、基板１０の一面側に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、上部ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６を基板１０側から順に有する積層構造２０を備えている。この積層構造２０の上部、具体的には、下部ＤＢＲ層１１の一部、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、上部ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６には、例えば幅２０μｍ〜５０μｍ程度の円柱状のメサ部１７が形成されている。

なお、下部ＤＢＲ層１１が本発明の「第１多層膜反射鏡」の一具体例に相当し、上部ＤＢＲ層１５が本発明の「第２多層膜反射鏡」の一具体例に相当する。下部スペーサ層１２が本発明の「第１スペーサ層」の一具体例に相当し、上部スペーサ層１４が本発明の「第２スペーサ層」の一具体例に相当する。また、積層構造２０および後述の横モード調整層３０によって構成される積層構造が本発明の「積層構造」の一具体例に相当する。

基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓにより構成されている。ｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。下部ＤＢＲ層１１は、低屈折率層（図示せず）および高屈折率層（図示せず）を交互に積層して構成されたものである。下部ＤＢＲ層１１の最上層は、例えば、高屈折率層となっている。低屈折率層は、例えば、光学厚さがλ／４（λは発振波長）のｎ型Ａｌ_eＧａ_1-eＡｓ（０＜ｅ＜１）により構成されている。高屈折率層は、例えば、光学厚さがλ／４のｎ型Ａｌ_fＧａ_1-fＡｓ（０＜ｆ＜１）により構成されている。

下部スペーサ層１２は、例えば、Ａｌ_gＧａ_hＩｎ_1-g-hＰ（０＜ｇ＜１，０＜ｈ＜１）により構成されている。活性層１３は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）系の化合物半導体により構成されている。つまり、本実施の形態の半導体レーザ１では、活性層１３として、赤外よりも短波長の赤色帯の光を発生する材料が用いられている。なお、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ系化合物半導体とは、Ａｌ、ＧａおよびＩｎのうち少なくともＧａおよびＩｎと、Ａｓとを含む化合物半導体のことをいう。

活性層１３は、例えば、主にＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ（０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１）を含む井戸層（図示せず）と、主にＡｌ_cＧａ_dＩｎ_1-c-dＰ（０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１）を含む障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる量子井戸構造を有している。この活性層１３では、後述の未酸化領域１８Ｂと対向する領域が発光領域１３Ａとなる。この発光領域１３Ａは、後述の電流狭窄層１８によって狭窄された電流が注入される電流注入領域に対応している。また、発光領域１３Ａは主に基本横モード発振が生じる領域であり、発光領域１３Ａを取り囲む環状の周縁領域が主に高次横モード発振が生じる領域となっている。

上部スペーサ層１４は、例えば、Ａｌ_jＧａ_kＩｎ_1-j-kＰ（０＜ｊ＜１，０＜ｋ＜１）により構成されている。この下部スペーサ層１２、活性層１３および上部スペーサ層１４は、不純物が含まれていないことが望ましいが、ｐ型またはｎ型不純物が含まれていてもよい。ｐ型不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）などが挙げられる。

ここで、積層構造２０における上部ＤＢＲ層１５側のキャビティ長Ｌ₁（活性層１３の厚さ方向の中心と上部スペーサ層１４の上面との距離）は、例えば、（１／２）λ、もしくは（１＋（ｍ／２））λ（ｍは０以上の整数、λは発振波長）となっている。キャビティ長Ｌ₁が（１＋（ｍ／２））λとなっている場合には、キャビティ長Ｌ₁が（１／２）λとなっている場合と比べて、キャリアオーバーフローの発生を低減することが可能である。また、キャビティ長Ｌ₁が長くなればなる程、後述の電流狭窄層１８の、活性層１３からの距離Ｌ₂も必然的に遠くなる。そのため、積層構造２０内において光が伝播する領域（導波路）の等価的な屈折率分布を弱いインデックスガイド構造とすることができる。ただし、電流狭窄層１８の、活性層１３からの距離Ｌ₂が遠くなればなる程、横方向のリーク電流が大きくなることから、キャビティ長Ｌ₁はλまたは（３／２）λとなっていることが好ましい。また、積層構造２０における下部ＤＢＲ層１１側のキャビティ長（活性層１３の厚さ方向の中心と下部スペーサ層１２の下面との距離）は、例えば、（１／２）λとなっている。

上部ＤＢＲ層１５は、例えば、図２に示したように、低屈折率層１５Ａおよび高屈折率層１５Ｂを交互に積層して構成されたものである。上部ＤＢＲ層１５の最上層は、例えば、高屈折率層１５Ｂとなっており、上部ＤＢＲ層１５の最下層も、例えば、高屈折率層１５Ｂとなっている。ここで、低屈折率層１５Ａは、例えば、光学厚さがλ／４のｐ型Ａｌ_pＧａ_1-pＡｓ（０＜ｐ＜１）により構成されている。高屈折率層１５Ｂは、例えば、光学厚さがλ／４のｐ型Ａｌ_qＧａ_1-qＡｓ（０＜ｑ＜１）により構成されている。

ただし、上部ＤＢＲ層１５において、活性層１３側から所定の距離だけ離れた低屈折率層１５Ａの部位には、低屈折率層１５Ａの代わりに、電流狭窄層１８が形成されている。この電流狭窄層１８において、面内の中央領域が未酸化領域１８Ｂとなっており、この未酸化領域１８Ｂを取り囲む環状の周縁領域が酸化領域１８Ａとなっている。未酸化領域１８Ｂは、例えば、ｐ型Ａｌ_rＧａ_1-rＡｓ（０＜ｒ≦１）により構成されており、導電性を有している。一方、電流狭窄領域１８Ａは、例えば、メサ部１７の側面からｐ型Ａｌ_rＧａ_1-rＡｓ層（後述の被酸化層１８Ｄ）を酸化することにより形成されたものであり、絶縁性を有している。従って、電流狭窄層１８は、上部電極２２および下部電極２５から注入された電流を狭窄する機能を有している。

電流狭窄層１８は、活性層１３（活性層１３の厚さ方向の中心）から（７／４＋（ｎ／２））λ（ｎは０以上の整数）だけ離れた位置（定在波の節）に形成されていることが好ましい。後述するように、導波路の等価的な屈折率分布を弱いインデックスガイド構造とすることができるからである。ここで、キャビティ長Ｌ₁がλとなっている場合には、電流狭窄層１８は、活性層１３側から４番目の層（低屈折率層１５Ａ）の部位に形成されている。また、キャビティ長Ｌ₁が（３／２）λとなっている場合には、電流狭窄層１８は、活性層１３側から２番目の層（低屈折率層１５Ａ）の部位に形成されている。

コンタクト層１６は、例えばｐ型ＧａＡｓにより構成されており、例えば、上記の未酸化領域１８Ｂと対向する領域に、例えば円形の開口部を有している。

ところで、図１、図２（Ａ）に示したように、メサ部１７の上面には横モード調整層３０および上部電極２２が設けられている。メサ部１７の側面およびその周辺部分（裾野）には保護膜２１が設けられており、保護膜２１のうちメサ部１７の周辺部分に対応する部分の表面上には電極パッド２４が設けられている。基板１０の裏面には下部電極２５が設けられている。

横モード調整層３０は、例えば、第１調整層３１と、第２調整層３２と、第３調整層３３とからなり、半導体レーザ１の光射出領域に対応する領域（例えば、コンタクト層１６の開口内）に形成されている。第１調整層３１および第２調整層３２は、光出射領域の中央領域、すなわち主に基本横モード発振が生じる領域に、この順に積層されている。なお、図示しないが、第１調整層３１および第２調整層３２が、第１調整層３１および第２調整層３２を１組として複数組積層されていてもよい。第１調整層３１および第２調整層３２は、後述するように、未酸化領域１８Ｂに対応して形成されている。第３調整層３３は、光出射領域を取り囲む環状の周縁領域、すなわち主に高次横モード発振が生じる領域に形成されている。第３調整層３３は、後述するように、酸化領域１８Ａに対応して形成されている。

第１調整層３１は、具体的には、膜厚が（２α−１）λ／４ｎ₁（αは１以上の整数、ｎ₁は屈折率）で、屈折率ｎ₁が第１調整層３１の下地の屈折率より低い物質、例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）などの誘電体により構成されている。第１調整層３１の下地は、例えば、上部ＤＢＲ層１５の最表面に設けられた高屈折率層１５Ｂである。第２調整層３２は、具体的には、膜厚が（２β−１）λ／４ｎ₂（βは１以上の整数、ｎ₂は屈折率）で、屈折率ｎ₂が第１調整層３１のそれより高い物質、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体により構成されている。第３調整層３３は、具体的には、膜厚が（２γ−１）λ／４ｎ₃（γは１以上の整数、ｎ₃は屈折率）、屈折率ｎ₃が第１調整層３１のそれより高い物質、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）などの誘電体により構成されている。第２調整層３２および第３調整層３３は、同一の膜厚および材料により構成されていることが好ましい。これらの層を一括形成することができ、製造工程を簡略化することができるからである。

以上のことから、第１調整層３１および第２調整層３２によって構成される積層構造は、活性層１３から発せられた光を高反射率で反射する作用を有している。従って、この積層構造の形成されている領域は高反射領域２３Ａとなる。一方、第３調整層３３は、活性層１３から発せられた光を低反射率で反射する作用を有している。従って、第３調整層３３の形成されている領域は低反射領域２３Ｂとなる。

なお、高反射領域２３Ａでの反射率をＲ₁とし、低反射領域２３Ｂでの反射率をＲ₂とし、光出射領域にこれらの調整層を設けなかった場合の反射率をＲ₃とすると、以下の式の関係を満たすようにそれぞれの屈折率が調節されていることが好ましい（図２（Ｂ）の反射率分布参照）。これにより、基本横モードの光出力を低減することなく、高次横モード発振のみを抑制することができるからである。

Ｒ₁≧Ｒ₃＞Ｒ₂

例えば、第１調整層３１の屈折率を１．６とし、第２調整層３２および第３調整層３３の屈折率を２．０とすると、高反射領域２３Ａでの反射率Ｒ₁は例えば９９．６％となり、低反射領域２３Ｂでの反射率Ｒ₂ は例えば９７．２％となる。なお、Ｒ₃は一般的に９９．５％である。このように反射率がわずかな差で低下した場合であっても、低反射領域２３Ｂでのゲインが下がるので、基本横モードの光出力を低減することなく、高次横モード発振のみを抑制することが可能となる。

保護膜２１は、例えば酸化物または窒化物により形成されたもので、メサ部１７の側面、更にその周辺（裾野）を覆うように形成されている。上部電極２２および電極パッド２４は、例えば、Ｔｉ、ＰｔおよびＡｕをこの順に積層して構成されたものであり、コンタクト層１６と電気的に接続されている。上部電極２２は、コンタクト層１６の開口部に対応する領域に開口部を有している。この開口部は、半導体レーザ１の上面側から見ると、例えば、コンタクト層１６の開口部と共に、一つの開口部（光射出口２３）を構成している。なお、コンタクト層１６および上部電極２２の開口部は、それぞれ同一の内径を有している必要はなく、上部電極２２の開口部の内径がコンタクト層１６のそれより大きくなっていてもよい。下部電極２５は、例えば、ＡｕとＧｅとの合金層、ＮｉおよびＡｕを基板１０の側から順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

次に、高反射領域２３Ａの直径Ｄ_oxと、電流狭窄層１８の酸化狭窄径（未酸化領域１８Ｂの直径）Ｄ_hrとの関係について、図３および図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照しつつ説明する。図３は、Ｄ_hr／Ｄ_oxと、シングルモードの最大出力との関係の一例を表したものである。図３において、実線で示された実施例の結果は、電流狭窄層１８を積層構造２０内に形成される定在波の節の位置であって、かつ活性層１３から（７／４）λだけ離れた位置（後述の図５（Ａ）参照）に設けた際に得られたものである。なお、電流狭窄層１８の位置については後に詳述する。また、図３において、破線で示された比較例の結果は、活性層をＡｌＧａＡｓ系（赤外系）の材料で構成することにより得られたものである。図４（Ａ）はＤ_hr／Ｄ_ox＝０．８におけるＩ−Ｌ特性とスロープ効率（Ｉ−Ｌ曲線の傾き）の一例を表したものである。同様に、図４（Ｂ）はＤ_hr／Ｄ_ox＝１．０におけるＩ−Ｌ特性とスロープ効率の一例を、図４（Ｃ）はＤ_hr／Ｄ_ox＞＞１．０におけるＩ−Ｌ特性とスロープ効率の一例をそれぞれ表したものである。

上述したように、第１調整層３１および第２調整層３２（高反射領域２３Ａ）は未酸化領域１８Ｂに対応して形成されている。具体的には、高反射領域２３Ａの中心軸（図示せず）と、未酸化領域１８Ｂの中心軸（図示せず）とは、互いに同一線上に位置している。さらに、高反射領域２３Ａの直径Ｄ_hrと、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_hrとは、以下の関係式を満たしている。

０．８＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．５…（１）

ここで、Ｄ_hr／Ｄ_oxが０．８となっている場合には、図４（Ａ）に示したように、Ｉ−Ｌ特性の直線性（リニアリティー）が悪く、発振出力を大きくすることができない。また、Ｄ_hr／Ｄ_oxが０．８を下回っている場合には、Ｉ−Ｌ特性の直線性がさらに悪く、発振させることが困難となる。Ｄ_hr／Ｄ_oxが１．５となっている場合には、図４（Ｃ）に示したように、スロープ効率に大きな変曲点があり、この変曲点に対応する出力において高次モードが出現してしまう。また、Ｄ_hr／Ｄ_oxが１．５を超える場合にも、変曲点に対応する出力において高次モードが出現してしまう。一方、Ｄ_hr／Ｄ_oxが１．０となっている場合には、図４（Ｂ）に示したように、Ｉ−Ｌ特性の直線性がよく、しかも高次モードが出現する変曲点が存在せず、基本横モードが安定に発振する。以上の考察から、上に示した関係式は、通常の温度条件において、高出力のシングルモード発振を低閾値電流で、かつ安定して実現することの可能な範囲を示しているといえる。従って、Ｄ_oxおよびＤ_hrが上記の式（１）を満たすことにより、温度特性に優れたシングルモード発振が可能となる。

ただし、動作温度が比較的低温（例えば２５℃程度）である場合には、Ｄ_oxおよびＤ_hrが０．８＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．０を満たしていることが好ましい。また、動作温度が比較的高温（例えば４０℃程度〜６０℃程度）である場合には、Ｄ_oxおよびＤ_hrが０．９＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．１を満たしていることが好ましく、１．０もしくはほぼ１．０であることがより好ましい。Ｄ_oxおよびＤ_hrが上記の関係式を満たす場合には、上記の温度範囲において、シングルモードの出力を最大にすることが可能となる。

なお、Ｄ_hr／Ｄ_oxには物理的な上限として、光射出口２３の内径が存在する。Ｄ_hr／Ｄ_oxが光射出口２３の内径と同一となっている場合には、高反射領域２３Ａが光射出口２３全体に形成されていることになり、低反射領域２３Ｂが存在しないことになってしまうからである。仮に、高反射領域２３Ａが光射出口２３全体に形成されている場合には、シングルモード最大出力、Ｉ−Ｌ特性およびスロープ効率は、Ｄ_hr／Ｄ_oxが１よりも十分に大きい場合のそれらと同様である。従って、高反射領域２３Ａが光射出口２３全体に形成されている場合のシングルモード最大出力は、例えば、図３において、Ｄ_hr／Ｄ_oxが１．５以上となっている場合のシングルモード最大出力と同等である。また、高反射領域２３Ａが光射出口２３全体に形成されている場合のＩ−Ｌ特性およびスロープ効率は、例えば、図４（Ｃ）に示したものと同等である。

ところで、比較例として挙げた赤外系のレーザでは、シングルモードの出力が最大となるＤ_hr／Ｄ_oxの値が、本実施の形態の半導体レーザ１における好適な範囲（上記の式（１））よりも随分と小さい。これは、レーザの材料系の違いに起因している。すなわち、赤外系のレーザでは、導波路の等価的な屈折率分布が、強いインデックスガイド構造となる。そのため、直径Ｄ_oxが５μｍ以上１０μｍ未満となっている場合には、３次モード発振が光射出領域内に発生しやすい。また、直径Ｄ_oxが上記の範囲内において大きくなるにつれて、Ｉ−Ｌ特性の直線性が悪くなる。ただし、直径Ｄ_oxが上記の範囲内となっている場合であっても、他の条件を最適化することにより、３次モード以上の発振をカットオフすることは可能である。また、赤外系の材料では、赤色系の材料と比べて温度特性が良いことから、酸化狭窄層の直径Ｄ_oxを、活性層での発熱が大きくなるほどにまで小さくしても、レーザ特性があまり変化しない。以上のことから、赤外系の材料では、直径Ｄ_oxを大きくするよりは、小さくする方が種々の観点から好ましく、それゆえ、直径Ｄ_oxを、例えば５μｍよりも狭くすることで、３次以上のモードのカットオフを実現している。その結果、赤外系のレーザでは、シングルモードの出力が最大となるＤ_hr／Ｄ_oxの値が０．５程度と小さくなっている。

一方、本実施の形態の赤色系のレーザでは、導波路の等価的な屈折率分布が、比較的弱いインデックスガイド構造となる。これにより、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxが５μｍ以上１０μｍ未満となっている場合には、３次モード発振が光射出領域内に存在しないような分布となる。また、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxが１０μｍ以上となっている場合には、３次モード発振が光射出領域内に存在するような分布となる。従って、横モード調整層３０を設け、Ｄ_oxおよびＤ_hrが上記の式（１）を満たすようにＤ_hrを調整することにより、３次モード発振を抑えつつ、高出力のシングルモード発振を得ることが可能となる。

なお、赤色系のレーザにおいて、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxが５μｍ未満となっている場合には、２次モードがカットオフされてしまい、素子の熱抵抗の上昇を招き、光出力が低下してしまう。従って、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxは５μｍ以上となっていることが好ましい。また、赤色系のレーザにおいて、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxが１０μｍ以上となっている場合には、上述したように、３次モード発振を選択的に抑えることが難しい。従って、酸化領域１８Ｂの直径Ｄ_oxは１０μｍ未満となっていることが好ましい。

次に、積層構造２０内に形成される面内方向のインデックスガイド構造の好適な屈折率分布について、図５（Ａ），（Ｂ）および図６（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。図５（Ａ）は、積層構造２０内に生じる定在波４０を模式的に表したものである。図５（Ｂ）は、導波路の等価的な屈折率分布の一例を表したものである。図６（Ａ）は、比較例に係るレーザにおいて積層構造２０内に生じる定在波４０を模式的に表したものである。図６（Ｂ）は、比較例に係るレーザの導波路の等価的な屈折率分布の一例を表したものである。なお、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）には、屈折率分布と併せて、シングルモードの発光輝度Ｉ₁と、２次モードの発光輝度Ｉ₂とが示されている。

ここで、図５（Ａ）、図６（Ａ）では、積層構造２０内に形成される定在波４０の腹４１が活性層１３の厚さ方向の中央に位置している場合が例示されている。また、図５（Ａ）、図６（Ａ）では、上部ＤＢＲ層１５側のキャビティ長Ｌ₁が（３／２）λとなっており、下部ＤＢＲ層１１側のキャビティ長が（１／２）λとなっている場合が例示されている。図５（Ａ）では、電流狭窄層１８が上部ＤＢＲ層１５内において、活性層１３側から４番目の層の部位（定在波４０の節４２の位置）に設けられており、電流狭窄層１８の、活性層１３からの距離Ｌ₂が（７／４）λとなっている場合が例示されている。図６（Ａ）では、電流狭窄層１８が上部ＤＢＲ層１５内において、活性層１３側から３番目の層の部位（定在波４０の腹４１の位置）に設けられており、電流狭窄層１８の、活性層１３からの距離Ｌ₂が（６／４）λとなっている場合が例示されている。

図の記載から以下のことがわかる。まず、電流狭窄層１８が節４２の位置に設けられている場合には、腹４１の位置に設けられている場合と比べて、導波路の等価的な屈折率分布が、より弱いインデックスガイド構造となっていることがわかる。これは、電流狭窄層１８が腹４１の位置に設けられている場合には、光場が酸化領域１８Ｂの低い屈折率をより多く感じてしまい、上部スペーサ層１４の実効的な屈折率が低くなり、コア部とクラッド部との屈折率差が大きくなってしまうからである。また、これは、電流狭窄層１８が節４２の位置に設けられている場合には、光場が酸化領域１８Ｂの低い屈折率をあまり感じず、上部スペーサ層１４の実効的な屈折率が低くならず、コア部とクラッド部との屈折率差を小さくすることができるからである。

なお、図５（Ａ）の場合において、電流狭窄層１８の厚さを３０ｎｍとしたときに、コア部とクラッド部との屈折率差をコア部の屈折率で除算することにより得られる値Δｎ（（コア部の屈折率−クラッド部の屈折率）／コア部の屈折率））は０．１％よりも小さい。一方、図６（Ａ）の場合において、電流狭窄層１８の厚さを３０ｎｍとしたときに、Δｎは０．５％よりも大きい。本実施の形態において、「弱いインデックスガイド構造」というのは、例えば、上記のΔｎが０．１％よりも小さな屈折率分布を有するインデックスガイド構造を指している。また、本実施の形態において、「強いインデックスガイド構造」というのは、例えば、上記のΔｎが０．５％よりも大きな屈折率分布を有するインデックスガイド構造を指している。

また、定在波４０の強度は活性層１３から離れるにつれて弱くなっている。このことから、電流狭窄層１８が活性層１３から遠く離れた節４２の位置に設けられている場合には、活性層１３の近くの節４２の位置に設けられている場合と比べて、屈折率分布が、より弱いインデックスガイド構造となることもわかる。以上のことから、電流狭窄層１８を活性層１３から遠く離れた節４２の位置に設けることにより、屈折率分布を、より弱いインデックスガイド構造とすることができることがわかる。ただし、電流狭窄層１８の、活性層１３からの距離Ｌ₂が遠くなればなる程、横方向のリーク電流が大きくなることから、電流狭窄層１８を活性層１３からあまり遠くに離すことはあまり好ましくない。

［２．製造方法］
本実施の形態の半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

図７（Ａ），（Ｂ）ないし図９（Ａ），（Ｂ）は、その製造方法を工程順に表したものである。なお、図７（Ａ），（Ｂ）および図８（Ａ），（Ｂ）は、製造過程の素子を図１のＡ−Ａ線に対応する箇所で切断した断面の構成を表したものである。

ここでは、ＧａＡｓからなる基板１０上の化合物半導体層を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ₃）、アルシン (ＡｓＨ₃)を用いる。ドナー不純物の原料としては、例えば、Ｈ₂Ｓｅを用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えば、ジメチルジンク（ＤＭＺ）を用いる。

まず、基板１０上に、下部ＤＢＲ層１１、下部スペーサ層１２、活性層１３、上部スペーサ層１４、上部ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６をこの順に積層する（図７（Ａ））。このとき、上部ＤＢＲ層１５内の所定の部位に被酸化層１８Ｄを形成する。この被酸化層１８Ｄは、後述の酸化工程を経ることにより、電流狭窄層１８となる層であり、例えば、ｐ型ＡｌＡｓによって構成されている。

ここで、下部ＤＢＲ層１１内の低屈折率層および高屈折率層のＡｌ組成値（ｅ，ｆ）、上部ＤＢＲ層１５内の低屈折率層１５Ａおよび高屈折率層１５ＢのＡｌ組成値（ｐ，ｑ）、電流狭窄層１８内の未酸化領域１８ＢのＡｌ組成値（ｒ）は以下の関係式を満たす。なお、式中の（ｅ，ｐ）はｅまたはｐを意味し、（ｆ，ｑ）はｆまたはｑを意味する。

１≧ｒ＞（ｅ，ｐ）＞０．８＞（ｆ，ｑ）＞０．４５

次に、上面全体にレジスト層（図示せず）を形成したのち、メサ部１７の上面に対応する部分にだけレジスト層を残す。続いて、下部スペーサ層１２の一部、活性層１３、上部スペーサ層１４、上部ＤＢＲ層１５およびコンタクト層１６を選択的にエッチングして、メサ部１７を形成する（図７（Ｂ））。その後、レジスト層を除去する。

次に、水蒸気雰囲気中において、高温で酸化処理を行い、メサ部１７の外側から被酸化層１８ＤのＡｌを選択的に酸化する。これにより被酸化層１８Ｄの外縁領域が絶縁層（酸化アルミニウム）となる。すなわち、環状の外縁領域が酸化領域１８Ａとなり、その中央領域が電流注入領域である未酸化領域１８Ｂとなる（図８（Ａ））。

次に、例えば真空蒸着法により、表面全体に前述の金属材料を積層させたのち、例えば選択エッチングにより、メサ部１７の上面に環状の上部電極２２を形成する。次に、表面全体にレジスト層（図示せず）を形成したのち、上部電極２２の開口部に対応する部分に開口部を形成する。その後、コンタクト層１６を選択的にエッチングして、コンタクト層１６に開口部を形成する。これにより、光射出口２３が形成される（図８（Ｂ））。その後、レジスト層を除去する。

次に、例えばＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により、表面全体に前述の誘電体（厚さ：（λ／４）の奇数倍）を堆積させる。その後、誘電体のうち光射出口２３の中央領域に対応する部分以外を選択的にエッチングして、第１調整層３１を形成する（図９（Ａ））。続いて、上記と同様の方法で、表面全体に前述の誘電体（厚さ：（λ／４）の奇数倍）を堆積させたのち、誘電体を選択的にエッチングする。これにより、上部電極２２の上面を露出させると共に、第２調整層３２、第３調整層３３および保護膜２１を一括に形成する（図９（Ｂ））。

次に、例えば真空蒸着法により、表面全体に前述の金属材料を積層させたのち、例えば選択エッチングにより、メサ部１７の周囲に電極パッド２４を形成する。その後、基板１０の裏面を研磨、エッチングし、基板１０の厚さを１００μｍ程度にする。最後に、基板０の裏面に下部電極２５を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。

［３．作用・効果］
このような構成の半導体レーザ１では、上部電極２２と下部電極２５との間に所定の電圧が印加されると、電流狭窄層１８における未酸化領域１８Ｂを通して活性層１３に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の下部ＤＢＲ層１１および上部ＤＢＲ層１５により反射され、所定の波長λでレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。

ところで、本実施の形態の半導体レーザ１では、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）系の活性層１３が設けられている。つまり、活性層１３として、赤外よりも短波長の赤色帯の光を発生する材料が用いられている。この半導体レーザ１では、面内の中央領域に未酸化領域１８Ｂを有すると共に、未酸化領域１８Ｂの周縁に環状の酸化領域１８Ａを有する電流狭窄層１８が設けられている。さらに、未酸化領域１８Ｂに対応して高反射領域２３Ａを有すると共に、高反射領域２３Ａの周縁に環状の低反射領域２３Ｂを有する横モード調整層３０が設けられている。そして、Ｄ_oxおよびＤ_hrが上記の式（１）を満たしている。これにより、導波路の等価的な屈折率分布を、弱いインデックスガイド構造にすることが可能となる。例えば、本実施の形態においては、電流狭窄層１８が、活性層１３（活性層１３の厚さ方向の中心）から（７／４＋（ｎ／２））λだけ離れた位置（定在波の節）に形成されている。これにより、弱いインデックスガイド構造にすることが可能となる。

その結果、屈折率分布がゲインガイド構造となっている場合よりも、無効電流を低減することができるので、低閾値化することができる。また、広い電流狭窄で横モード制御が可能となり、高出力のシングルモード発振を得ることができる。また、本実施の形態では、特殊な構造やプロセスを用いる必要がないので、簡易な構造でレーザ発振をシングルモード化することができる。以上のことから、本実施の形態では、高出力のシングルモード発振を簡易な構成かつ低閾値電流で実現することができる。

また、本実施の形態において、電流狭窄層１８を活性層１３から遠く離れた位置に形成するに際して、キャビティ長Ｌ₁を（１／２）λにした上で、電流狭窄層１８を上部ＤＢＲ層１５内において相対的に光射出口２３側に配置してもよい。また、電流狭窄層１８の上部ＤＢＲ層１５内の位置を固定した状態で、積層構造２０における上部ＤＢＲ層１５側のキャビティ長Ｌ₁を（１／２）λよりも長くしてもよい。後者のケースの場合には、キャビティ長Ｌ₁が（１／２）λとなっている場合と比べて、キャリアオーバーフローの発生を低減することが可能であり、その結果、さらに温度特性を改善することができる。

１…半導体レーザ、１０…基板、１１…下部ＤＢＲ層、１２…下部スペーサ層、１３…活性層、１３Ａ…発光領域、１４…上部スペーサ層、１５…上部ＤＢＲ層、１５Ａ…低屈折率層、１５Ｂ…高屈折率層、１６…コンタクト層、１７…メサ部、１８…電流狭窄層、１８Ａ…酸化領域、１８Ｂ…未酸化領域、１８Ｄ…被酸化層、２０…積層構造、２１…保護膜、２２…上部電極、２３…光射出口、２３Ａ…高反射領域、２３Ｂ…低反射領域、２４…電極パッド、３０…横モード調整層、３１…第１調整層、３２…第２調整層、３３…第３調整層、４０…定在波、４１…腹、４２…節。

Claims (10)

1. 基板上に、第１多層膜反射鏡、第１スペーサ層、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＰ（０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）系の活性層、第２スペーサ層、第２多層膜反射鏡および横モード調整層を前記基板側から順に有すると共に電流狭窄層を有する柱状の積層構造を備え、
   前記電流狭窄層は、面内の中央領域に未酸化領域を有すると共に、前記未酸化領域の周縁に環状の酸化領域を有し、
   前記横モード調整層は、前記未酸化領域に対応して高反射領域を有すると共に、前記高反射領域の周縁に環状の低反射領域を有し、
   前記未酸化領域の直径をＤ_oxとし、前記高反射領域の直径をＤ_hrとすると、Ｄ_oxおよびＤ_hrは以下の関係式を満たす
   半導体レーザ。
   ０．８＜Ｄ_hr／Ｄ_ox＜１．５
2. 前記活性層は、主にＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ（０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１）を含む井戸層と、主にＡｌ_cＧａ_dＩｎ_1-c-dＰ（０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１）を含む障壁層とを交互に積層してなる量子井戸構造を有する
   請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記電流狭窄層は、前記活性層から（７／４＋（ｎ／２））λ（ｎは０以上の整数）だけ離れた位置に形成されている
   請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記電流狭窄層は、前記第２多層膜反射鏡内に形成されている
   請求項３に記載の半導体レーザ。
5. Ｄ_oxおよびＤ_hrは以下の関係を満たす
   請求項１に記載の半導体レーザ。
   Ｄ_hr／Ｄ_ox＝１
6. Ｄ_oxは以下の関係を満たす
   請求項１に記載の半導体レーザ。
   ５μｍ≦Ｄ_ox＜１０μｍ
7. 前記積層構造における前記第２スペーサ層側のキャビティ長が、（１＋（ｍ／２））λ（ｍは０以上の整数、λは発振波長）となっている
   請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
8. 前記キャビティ長が、λまたは（３／２）λとなっている
   請求項７に記載の半導体レーザ。
9. 前記高反射領域は、膜厚が（２α−１）λ／４ｎ₁（αは１以上の整数、λは発振波長、ｎ₁は屈折率）、屈折率ｎ₁が前記第１多層膜反射鏡の表面のそれよりも低い値を有する第１調整層と、膜厚が（２β−１）λ／４ｎ₂（βは１以上の整数、ｎ₂は屈折率）、屈折率ｎ₂が前記第１調整層のそれよりも高い値を有する第２調整層とをこの順に積層した構造によって構成されており、
   前記低反射領域は、膜厚が（２γ−１）λ／４ｎ₃（γは１以上の整数、ｎ₃は屈折率）、屈折率ｎ₃が前記第１調整層のそれよりも高い値を有する第３調整層によって構成されている
   請求項１に記載の半導体レーザ。
10. 前記第１調整層は酸化物により、前記第２調整層および第３調整層は窒化物によりそれぞれ構成されている
    請求項９に記載の半導体レーザ。

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