JP3503715B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ素子に関
し、特に光ディスク等に用いられる半導体レーザ素子の
特性改善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】波長帯域７８０ｎｍの半導体レーザは、
ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ）、ＭＤ（Ｍｉｎｉ
Ｄｉｓｋ）及びＭＯ（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃａ
ｌ）ディスク装置の光源として幅広く用いられている。
これらの半導体レーザに要求される仕様として、（１）
駆動電流、駆動電圧をできる限り小さくして、消費電力
を低減すること、（２）光ディスク装置に用いた場合、
信号再生時に光ディスクやその他の光学部品からの戻り
光により誘起される雑音が少ないこと、が挙げられる。

【０００３】（１）の消費電力低減に関しては、駆動電
圧が発光層の禁制帯幅でほぼ決まり、その大幅な低減が
無理であることから、駆動電流の低減について主として
検討が行われている。

【０００４】（２）のレーザの戻り光雑音低減について
は、半導体レーザの自励発振現象を利用することが盛ん
に行われている。自励発振では、レーザを一定電流で駆
動したとき、レーザの出射光の光強度が一定でなく、１
ＧＨｚ程度の高い周波数で時間変動する状態となる。自
励発振が起こると、発振スペクトル線幅の増大及び発振
スペクトルのマルチモード化が生じるために、出射レー
ザ光のコヒーレンスが低下した状態になる。これによっ
て、出射レーザ光と戻り光との干渉が少なくなって、レ
ーザの光干渉性雑音を低減できる。

【０００５】また、（１）で述べたレーザの駆動電流低
減については、光吸収のない半導体層を電流光閉じ込め
層に用いたレーザが提案され、その性能が実証されてい
る。このタイプのレーザは、光の閉じ込めに屈折率の実
部の差，つまり、レーザ発振部分とそれ以外の領域とで
の実質的な屈折率の差を利用するために、実屈折率導波
型レーザと呼ばれる。以下にその従来例について述べ
る。

【０００６】（従来例１）高山等が報告した実屈折率導
波型レーザ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏ
ｌ．６５，ｐｐ．１２１１（１９９４））について説明
する。図２はこの実屈折率導波型レーザ素子の断面構造
を示す。

【０００７】図において、２００は該実屈折率導波型レ
ーザ素子で、そのｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層２０２を介して形成された積層構造２０
０ａを有している。該積層構造２００ａは、ＡｌＧａＡ
ｓ活性層２０４をｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層（下
クラッド層）２０３及びｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド
層（上クラッド層）２０５により挟み込んで構成されて
いる。

【０００８】そして該上クラッド層２０５上には、該層
の表面に達するストライプ状溝２０７を中央部分に有す
るｎ−ＡｌＧａＡｓ電流光閉じ込め層２０６が設けら
れ、該電流光閉じ込め層２０６上には、該ストライプ状
溝２０７を埋め込むよう、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３クラッ
ド層２０８が形成されている。この第３クラッド層２０
８上には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０９を介してｐ
型電極２１０が形成され、該基板２０１の裏面側にはｎ
型電極２１１が形成されている。

【０００９】次に製造方法について説明する。

【００１０】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層２０２を層厚１．０μｍ程度に形成し
た後、その上にｎ−Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ第１クラッド
層２０３を層厚１．５μｍ程度、アンドープＡｌ_0.14Ｇ
ａ_0.86Ａｓ活性層２０４を層厚０．０６μｍ程度に、さ
らにｐ−Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ第２クラッド層２０５を
層厚０．１μｍ程度に成長して、積層構造２００ａを形
成する。その後、該第２クラッド層２０５上にｎ−Ａｌ
_0.65Ｇａ_0.35ＡＳ電流光閉じ込め層２０６を層厚１．０
μｍ程度に成長する。ここでは各半導体層の成長はＭＯ
ＣＶＤ（有機金属気相成長）法により行う。

【００１１】続いて、該電流光閉じ込め層２０６の中央
部に、ｐ−第２クラッド層２０５に到達する幅２．０μ
ｍのストライプ溝２０７を形成し、その後溝２０７を埋
め込むようｐ−Ａｌ_0.55Ｇａ_0.45Ａｓ第３クラッド層２
０８を層厚２．０μｍ程度に成長し、さらにｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層２０９を層厚１．０μｍ程度に形成す
る。ここでは、上記各半導体層の成長は２回目のＭＯＣ
ＶＤ法により行っている。

【００１２】次に、コンタクト層２０９の露出面上にｐ
型電極２１０を形成し、基板２０１の裏面側にｎ型電極
２１１を形成する。

【００１３】そして、へき開法により共振器長が１００
μｍになるよう基板を分割し、これにより得られた共振
器端面にその反射率が３２％となるようにＡｌ₂Ｏ₃膜を
形成する。

【００１４】本レーザ素子は、ｐ型電極２１０とｎ型電
極２１１の間に順方向電圧を印加した時の発振開始電流
が１５．２ｍＡ、電流−光出力特性のスロープ効率が
０．６６Ｗ／Ａとなっている。さらに、本レーザ素子
は、光出力３ｍＷにおいて光強度が１ＧＨｚ程度の高周
波数で時間変動する自励発振現象が観測でき、戻り光に
よる雑音を十分抑制できるものとなっている。

【００１５】従来例１のレーザ素子では、電流光閉じ込
め層２０６の禁制帯幅をＥｇ１、活性層２０４の禁制帯
幅をＥｇ２、クラッド層２０３及び２０５の禁制帯幅を
Ｅｇ３、Ｅｇ４とすると、各半導体層の禁制帯幅の関係
は、 Ｅｇ２＜Ｅｇ３、Ｅｇ４＜Ｅｇ１ を満たすものとなっている。

【００１６】ここで、電流光閉じ込め層の禁制帯幅は活
性層の禁制帯幅よりも広いために、活性層で発生した光
は電流光閉じ込め層で吸収されない。

【００１７】また、電流光閉じ込め層の禁制帯幅はクラ
ッド層の禁制帯幅より広く、禁制帯幅と屈折率は反比例
の関係にあるので、電流光閉じ込め層の屈折率はクラッ
ド層の屈折率よりも低くなる。そのために、ストライプ
溝外側での層厚方向の等価屈折率がストライプ溝内側で
の層厚方向の等価屈折率よりも低くなり、実屈折率差に
よる光閉じ込め（実屈折率導波）が可能となる。また、
この素子では、自励発振は、ストライプ溝内側及び外側
での層厚方向の等価屈折率差（△ｎ）を調整することに
より実現している。

【００１８】（従来例２）島等が報告した実屈折率導波
型レーザ（１９９４年春季応用物理学会予稿集２８ｐ−
Ｋ−４）について説明する。図３は、この実屈折率導波
型レーザの素子構造を示す断面図てある。

【００１９】図において、３００は実屈折率導波型レー
ザ素子で、そのｎ−ＧａＡｓ基板３０１上には、ＴＱＷ
（Ｔｒｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層３
０３を、ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層（下クラッド
層）３０２及びｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層（上ク
ラッド層）３０４により挟み込んでなる積層構造３００
ａが設けられている。

【００２０】この上クラッド層３０４上には、ＡｌＧａ
Ａｓエッチングストップ層３０５が形成され、該エッチ
ングストップ層３０５の中央部分には、ｐ−ＡｌＧａＡ
ｓ第３クラッド層３０６上にｐ−ＧａＡｓ層３０７を積
層してなるリッジストライプ部３０８が形成されてお
り、該リッジストライプ部３０８の両側には、リッジ側
面を埋めるようｐ−ＡｌＧａＡｓ電流光閉じ込め層３０
９が形成されている。

【００２１】そして、該リッジストライプ部３０８及び
光電流閉じ込め層３０９上には、ｐ−ＧａＡｓコンタク
ト層３１０を介してｐ型電極３１１が形成され、該基板
３０１の裏面側にはｎ型電極３１２が形成されている。

【００２２】次に製造方法について説明する。

【００２３】ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−Ａｌ
_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ第１クラッド層３０２、ＴＱＷ（Ｔｒ
ｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層３０３、
ｐ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ第２クラッド層３０４をＭＯ
ＣＶＤ法により順次成長して、積層構造３００ａを形成
する。続いて、該第２クラッド層３０４上に、ｐ−Ａｌ
_0.69Ｇａ_0.31Ａｓエッチングストップ層３０５、ｐ−Ａ
ｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ第３クラッド層３０６、ｐ−ＧａＡ
ｓ層３０７を順次ＭＯＣＶＤ法により積層形成する。

【００２４】次に、表面に誘電体ストライプマスクを該
ｐ−ＧａＡｓ層３０７の所定領域上に形成した後、エッ
チング処理を施して、エッチングストップ層３０５に到
達するリッジストライプ部３０８を形成する。続いて、
リッジストライプ部３０８の両側にその側面（リッジ側
面）を埋めるように塩素添加ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−
Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流光閉じ込め層３０９を形成し、
全面にｐ−ＧａＡｓコンタクト層３１０をＭＯＣＶＤ法
により形成する。その後、コンタクト層３１０の表面上
にｐ型電極３１１を、基板３０１の裏面側にｎ型電極３
１２を形成する。

【００２５】そしてへき開法により共振器長が６００μ
ｍになるよう基板を分割し、これにより得られた共振器
端面にその反射率が４％〜９０％となるよう所定の処理
を施す。

【００２６】本レーザ素子３００では、ｐ型電極３１１
とｎ型電極３１２の間に順方向電圧を印加した時の発振
開始電流は３２ｍＡであり、電流−光出力特性のスロー
プ効率は１．０５Ｗ／Ａとなる。

【００２７】従来例２のレーザにおいても、電流光閉じ
込め層の禁制帯幅がクラッド層の禁制帯幅より広いた
め、禁制帯幅と屈折率は反比例の関係にあることから、
電流光閉じ込め層の屈折率はクラッド層の屈折率よりも
低くなる。そのために、リッジストライプ部の外側での
層厚方向の等価屈折率がリッジストライプ部の内側での
層厚方向の等価屈折率よりも低くなり、実屈折率差によ
る光閉じ込め（実屈折率導波）が可能となる。

【００２８】（従来例３）電流光閉じ込め層の禁制帯幅
Ｅｇ１、活性層の禁制帯幅Ｅｇ２、クラッド層の禁制帯
幅Ｅｇ３が、Ｅｇ２＜Ｅｇ１＜Ｅｇ３の関係を満たす、
実屈折率導波型レーザが、矢野等により報告されている
（特公昭５７−５０７０号公報参照）。図４はこの公報
に開示の素子構造を示す断面図である。

【００２９】図において、４００は該実屈折率導波型レ
ーザ素子で、そのｎ−ＧａＡｓ基板４０１上には、アン
ドープＡｌＧａＡｓ活性層４０３をｎ−ＡｌＧａＡｓ第
１クラッド層（下クラッド層）４０２及びｐ−ＡｌＧａ
Ａｓ第２クラッド層（上クラッド層）４０４により挟み
込んでなる積層構造４００ａが配設されている。

【００３０】そして、該上クラッド層４０４上には、該
層の表面に達するストライプ状溝４０６を中央部分に有
するｎ−ＡｌＧａＡｓ電流光閉じ込め層４０５が設けら
れ、該電流光閉じ込め層４０５上には、該ストライプ状
溝４０６を埋め込むよう、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３クラッ
ド層４０７が形成されている。この第３クラッド層４０
７上には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層４０８を介してｐ
型電極４０９が形成され、該基板４０１の裏面側にはｎ
型電極４１０が形成されている。

【００３１】次に製造方法について説明する。

【００３２】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、ｎ−
Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ第１クラッド層４０２を層厚１．５
μｍに、アンドープＡｌ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ活性層４０３
を層厚０．１μｍに、ｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ第２クラ
ッド層４０４を層厚０．２μｍに成長して、積層構造４
００ａを形成し、その後ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ電流光
閉じ込め層４０５を層厚１．０μｍに形成する。

【００３３】次に、電流光閉じ込め層４０５の中央部
に、ｐ−第２クラッド層４０４に到達するストライプ溝
４０６を形成し、続いて、ストライプ溝４０６を埋める
ようにｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ _0.4Ａｓ第３クラッド層４０７
を層厚２．０μｍに形成し、さらにその上にｐ− Ｇａ
Ａｓコンタクト層４０８を層厚１．０μｍに成長する。
その後、コンタクト層４０８の表面上にｐ型電極４０９
を形成し、基板４０１の裏面側にｎ型電極４１０を形成
する。

【００３４】そして、へき開法により共振器長が２５０
〜４００μｍになるよう基板を分割する。

【００３５】従来例３のレーザ素子では、ｐ型電極４０
９とｎ型電極４１０の間に順方向電圧を印加した時の発
振開始電流は１００ｍＡである。

【００３６】ここで、電流閉じ込め層の禁制帯幅は活性
層の禁制帯幅よりも広いために、活性層で発生した光は
電流光閉じ込め層で吸収されない。

【００３７】また、電流光閉じ込め層の禁制帯幅はクラ
ッド層の禁制帯幅より狭く、禁制帯幅と屈折率は反比例
の関係にあるので、電流光閉じ込め層の屈折率の方がク
ラッド層の屈折率よりも高くなる。

【００３８】しかし、ストライプ溝外側で選択されるレ
ーザ発振のモードでの等価屈折率がストライプ溝内部で
の層厚方向の等価屈折率よりも低いために、実屈折率差
による光閉じ込め（実屈折率導波）が可能となる。

【００３９】この従来例３のレーザ素子については、最
適設計範囲が上記公報に記述されており、ストライプ幅
（上記ストライプ溝の幅）Ｗ、電流光閉じ込め層の層厚
及び禁制帯幅をそれぞれｄ及びＥｇ１、クラッド層の禁
制帯幅をＥｇ３とすると、ストライプ幅はＷ＝４〜７μ
ｍが適当であり、Ｗ＜３μｍ及びＷ＞８μｍの条件で
は、横方向の光閉じ込めの効果を発揮しないこととな
り、また、電流光閉じ込め層の層厚はｄ＝１〜２μｍが
適当であり、上記禁制帯幅Ｅｇ１とＥｇ３の差が比較的
小さいことが望ましいとしている。

【００４０】また、従来例３のレーザ素子における光閉
じ込め機構において、自励発振についての検討は全く行
われていない。

【００４１】

【発明が解決しようとする課題】従来例１の半導体レー
ザ素子２００では、電流光閉じ込め層２０６の禁制帯幅
がクラッド層の禁制帯幅よりも広い。ＡｌＧａＡｓ系材
料において、禁制帯幅とＡｌ組成比は比例関係にあるた
め、この条件を満たす電流光閉じ込め層はそのＡｌ組成
比がかなり高くなる。そのために、電流光閉じ込め層に
溝形成を行うプロセスで、該電流光閉じ込め層の表面が
酸化されやすく、その後の溝埋め込みのＭＯＣＶＤ成長
で成長不良が発生し、所望の素子構造を作成するのが非
常に困難となるという問題がある。

【００４２】また、従来例２の半導体レーザ素子３００
では、電流光閉じ込め層の禁制帯幅をクラッド層の禁制
帯幅よりも広く設定するので、電流光閉じ込め層のＡｌ
組成比はかなり高くなる。そのために、リッジストライ
プ部の両側に電流光閉じ込め層を埋め込み成長する際、
誘電体マスク表面に成長物質が堆積しないように、塩素
等の反応性の高いガスを添加する必要がある。その結
果、成長装置内部で異常反応や腐食などが生じるという
問題がある。

【００４３】これに対して、従来例３の半導体レーザ素
子４００では、電流光閉じ込め層の禁制帯幅がクラッド
層の禁制帯幅よりも狭い。そのために、この条件を満た
す電流光閉じ込め層のＡｌ組成比は比較的低く設定でき
る。従って、従来例１と同様の溝埋め込み構造の素子の
製造プロセスでは、溝形成時の表面酸化が抑制されるの
で、溝埋め込みＭＯＣＶＤ成長で成長不良が発生しにく
くなる。

【００４４】しかし、従来例３で最適設計範囲として開
示されているストライプ幅Ｗ、電流光閉じ込め層の層厚
ｄ、電流光閉じ込め層の禁制帯幅（Ａｌ組成比）では以
下に述べるような問題が生ずる。

【００４５】つまり、上記公報記載の技術では、ストラ
イプ幅ＷがＷ＝４〜７μｍが適当であるとされている
が、この値Ｗが４μｍ以上の場合、レーザの自励発振が
起こりにくく、そのためにレーザの低雑音化が実現でき
ない。さらに、ストライプ幅が４μｍ以上では発振開始
電流が増大するために、低電流化が困難である。

【００４６】また、電流光閉じ込め層ｄはｄ＝１〜２μ
ｍが適当であるとされているが、ｄが１μｍ以上の場
合、ストライプ領域の層厚が厚くなるために、素子抵抗
が高くなって駆動電圧が増大する。さらに、ｄが１μｍ
以上の場合、レーザの自励発振が起こりにくく、レーザ
の低雑音化が実現できない。

【００４７】さらに、電流光閉じ込め層の禁制帯幅がク
ラッド層の禁制帯幅に近い方が適当であるとされている
が、その場合、電流光閉じ込め層のＡｌ組成比が高くな
るために、ストライプ溝の形成時に電流光閉じ込め層の
表面酸化が起こりやすくなり、溝埋め込みの結晶成長の
際に、成長不良が発生することがある。しかも、Ａｌ組
成比が高い場合も自励発振が起こり難くなり、上記と同
様レーザの低雑音化が実現できなくなってしまう。

【００４８】このように、従来例３では、自励発振を起
こすための素子構造についての検討がなされていないた
めに、低雑音化の実現が困難である。さらに、低消費電
力化のために必要な駆動電圧に対する検討が不十分であ
るため、駆動電圧の低減による低消費電力化も困難であ
る。また、上記低雑音化や低消費電力化を図るという観
点からすると、上記公報記載のＡｌＧａＡｓ系材料を用
いた素子の製造プロセスは、素子構造における寸法等の
設定値が最適な範囲のものであるとはいえない。

【００４９】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、電流光閉じ込め層の禁制帯幅がク
ラッド層の禁制帯幅より狭い実屈折率導波型レーザにお
いて、雑音の発生や駆動電力の増大を防止して、低消費
電力及び低雑音という特性に優れた半導体レーザ素子を
提供することが本発明の目的である。

【００５０】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体レ
ーザ素子は、構成材料として、Ａｌを含有する半導体材
料を用いた自励発振型の半導体レーザ素子であって、第
１導電型の第１クラッド層上に、活性層及び第２導電型
の第２クラッド層を順次積層してなる積層構造と、該第
２クラッド層の表面上に形成されたストライプ状半導体
層と、該第２クラッド層の表面上の、該ストライプ状半
導体層の両側部に形成された電流光閉じ込め層とを備え
ている。そして該電流光閉じ込め層は、該活性層の禁制
帯幅より大きく、かつ該第１及び第２クラッド層の禁制
帯幅より小さい禁制帯幅を有し、その層厚が１μｍより
小さく、そのＡｌ組成比が０．３５以下となるよう形成
したものであり、該ストライプ状の半導体層は、その幅
が１．０μｍ以上であって４μｍ未満の範囲内の値とな
るよう形成したものである。そのことにより上記目的が
達成される。この発明は、上記半導体レーザ素子におい
て、前記ストライプ状半導体層内側での層厚方向の等価
屈折率と、該ストライプ状半導体層外側での層厚方向の
等価屈折率との差△ｎを、１×１０ ^−３ 以上かつ１×１
０ ^−２ 以下の範囲の値としたものである。この発明は、
上記半導体レーザ素子において、該電流光閉じ込め層の
層厚を、０．４μｍ以上かつ０．８μｍ以下の値とした
ものである。

【００５１】

【００５２】

【００５３】

【作用】この発明においては、電流光閉じ込め層の禁制
帯幅がクラッド層の禁制帯幅よりも狭いため、電流光閉
じ込め層のＡｌ組成比を比較的低く設定できる。これに
よりストライプ溝の形成時に生ずる電流光閉じ込め層の
表面酸化が抑制されることとなり、該電流光閉じ込め層
上に溝埋め込みＭＯＣＶＤ成長により成長される半導体
層の成長不良を抑制できる。

【００５４】また、ストライプ溝の幅Ｗを４μｍ以下と
しているため、自励発振が発生しやすくなって低雑音化
を実現でき、また該ストライプ溝の幅が４μｍ以下でか
つ１．０μｍ以上であるため、発振開始電流Ｉｔｈを低
減して、低消費電力化を図ることができる。

【００５５】また、電流光閉じ込め層の層厚を１μｍ未
満にしているため、駆動電圧の増大を防止でき、また自
励発振が起こり易くなって、低雑音化を図ることができ
る。また、電流光閉じ込め層のＡｌ組成比を、０．３５
以下としているため、第１回目の結晶成長で形成した半
導体層上に第２回目の結晶成長により半導体層を形成す
る際、結晶不良が生じにくくなり、結晶不良による高抵
抗化に伴って駆動電圧が増大するのを抑制できる。ま
た、リッジストライプ部を埋め込む際に用いる選択成長
用のＳｉＮマスク上に成膜物質が堆積するのを抑制する
ことができる。また、Ａｌ組成比Ｘ１が０．３５以下で
あるため、最大自励発振光出力Ｐｍａｘを一定値以上に
保持でき、低雑音化が可能となる。

【００５６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００５７】（実施例１）図１は本発明の第１の実施例
による半導体レーザ素子の断面構造を示す図である。

【００５８】図において、１００は本実施例の実屈折率
導波型レーザ素子で、そのｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に
ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２を介して形成された積層
構造１００ａを有している。該積層構造１００ａは、ア
ンドープＡｌＧａＡｓ活性層１０４をｎ−ＡｌＧａＡｓ
第１クラッド層（下クラッド層）１０３及びｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ第２クラッド層（上クラッド層）１０５により挟
み込んで構成されている。

【００５９】そして該上クラッド層１０５上には、該ク
ラッド層の表面に達する幅２．５μｍのストライプ状溝
１０７を中央部分に有する層厚０．５μｍのｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ電流光閉じ込め層１０６が設けられ、該電流光閉
じ込め層１０６上には、該ストライプ状溝１０７を埋め
込むよう、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層１０８が形
成されている。この第３クラッド層１０８上には、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層１０９を介してｐ型電極１１０が
形成され、該基板１０１の裏面側にはｎ型電極１１１が
形成されている。

【００６０】次に製造方法について説明する。

【００６１】ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に層厚０．５μ
ｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２を成長し、続いて、
その上に層厚１．０μｍのｎ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ第１
クラッド層１０３、層厚０．０６μｍのアンドープＡｌ
_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層１０４、層厚０．３μｍのｐ−
Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ第２クラッド層１０５を成長して積
層構造１００ａを形成する。その後、該第２クラッド層
１０５上に、層厚０．５μｍのｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ
電流光閉じ込め層１０６を成長する。ここで、各半導体
層の成長は、第１回目のＭＯＣＶＤ法による結晶成長に
より行う。

【００６２】次に、選択エッチングにより、電流光閉じ
込め層１０６の中央部に、ｐ−第２クラッド層１０５に
到達する幅２．５μｍのストライプ溝１０７を形成す
る。

【００６３】続いて、全面に該ストライプ溝１０７を埋
めるようｐ−Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ第３クラッド層１０８
を層厚１．５μｍとなるよう成長し、さらにその上にｐ
−ＧａＡｓコンタクト層１０９を層厚１．５μｍとなる
よう成長する。ここでは、上記第３クラッド層１０８及
びコンタクト層１０９の成長は、第２回目のＭＯＣＶＤ
法による結晶成長により行う。

【００６４】その後、コンタクト層１０９の表面上にｐ
型電極１１０を形成するとともに、基板１０１の裏面側
にｎ型電極１１１を形成する。

【００６５】そして、へき開法により共振器長が２００
μｍとなるよう基板を分割し、これにより得られた共振
器端面にその反射率が３０％となるようにＡｌ₂Ｏ₃膜を
形成する。

【００６６】本実施例のレーザ素子１００では、ｐ型電
極１１０とｎ型電極１１１の間に順方向電圧を印加した
時の発振開始電流は１９．７ｍＡ、電流−光出力特性の
スロープ効率は０．４６Ｗ／Ａとなり、低電流動作を実
現することができた。

【００６７】さらに、光出力３ｍＷにおいて光強度が１
ＧＨｚ程度の高周波数で時間変動する自励発振現象が観
測できた。このような自励発振が起こると、発振スペク
トル線幅の増大及び発振スペクトルのマルチモード化が
生じるために、出射レーザ光のコヒーレンスが低下した
状態になる。従って、本実施例の素子は出射レーザ光と
戻り光との干渉が少ないものとなり、素子の光干渉性雑
音を低減できる。このような素子は、光ディスク装置の
ような戻り光が生じる用途には好適である。

【００６８】図１に示す本実施例の素子１００の断面構
造においては、ストライプ溝１０７の幅（ストライプ
幅）をＷ、電流光閉じ込め層１０６の層厚をｄ、電流光
閉じ込め層１０６のＡｌ組成比をＸ１とすると、本実施
例のようにｄが０．５μｍ、Ｘ１が０．２である場合
に、Ｗの変化に対する発振開始電流（Ｉｔｈ）の変化、
及びＷの変化に対する最大自励発振光出力（Ｐｍａｘ）
の変化は、それぞれ図６及び図７に示す通りのものとな
る。

【００６９】Ｐｍａｘが０ｍＷより大きい場合に自励発
振が起こり、上記の戻り光に対する素子の雑音は低減す
る。Ｐｍａｘが大きいほど、自励発振強度は強くなるの
で雑音はさらに低減する。これに対して、上記ストライ
プ幅Ｗが４μｍ以上のときＰｍａｘ＝０ｍＷとなるため
に、自励発振が起こらず、低雑音化が実現できないこと
が図７からわかる。また、ストライプ幅Ｗが４μｍ以上
の値である場合、及び１．０μｍ未満の値である場合に
は、発振開始電流Ｉｔｈが急激に増大する傾向にあるこ
とが図６よりわかる。

【００７０】以上より、低雑音特性と低電流特性を両立
するには、 １．０μｍ≦Ｗ＜４μｍ に設定することが重要であることを見い出した。

【００７１】次に、Ｗ＝２．５μｍ、Ｘ１＝０．２５の
場合に、電流光閉じ込め層の層厚ｄが変化したときの駆
動電圧Ｖｏｐ（光出力３ｍＷ）の変化を図８に示す。該
層厚ｄが１μｍより厚くなると素子抵抗が増加するため
に、駆動電圧Ｖｏｐは２Ｖ以上に増大する。さらに、発
振開始電流を一定とした場合の上記層厚ｄの変化に対す
る最大自励発振光出力Ｐｍａｘの変化を図９に示す。該
層厚ｄが厚くなると、Ｐｍａｘは急激に減少し、低雑音
化が実現できないことがわかる。以上より、電流光閉じ
込め層の層厚ｄを１μｍより薄く設定する必要がある。

【００７２】また、ストライプ幅ＷがＷ＝２．５μｍ、
活性層１０４のＡｌ組成比Ｘ２がＸ２＝０．１４、クラ
ッド層のＡｌ組成比Ｘ３がＸ３＝０．６、電流光閉じ込
め層の層厚ｄがｄ＝０．５５μｍである場合に、電流光
閉じ込め層のＡｌ組成比Ｘ１に対するウエハ面内におけ
る正常成長部分の割合を図１０に示す。ここで、正常成
長部分は、順方向電圧を印加したときに、駆動電圧が２
Ｖ以下であるものとした。第２回目の結晶成長で結晶不
良が生じると、高抵抗化に伴って駆動電圧が増大する。
上記Ａｌ組成比Ｘ１が０．３５より大きいとき、正常成
長の割合は５０％未満となり、成長不良発生が多くな
る。

【００７３】さらに、発振開始電流を一定にした場合の
上記Ａｌ組成比Ｘ１に対する最大自励発振光出力Ｐｍａ
ｘを図１１に示す。Ｘ１が大きくなると、Ｐｍａｘは減
少する傾向にある。特にＸ１が０．３５より大きくなる
と、Ｐｍａｘは急激に減少し、低雑音化が実現できない
ことがわかる。以上より、Ｘ１を０．３５以下にする必
要がある。

【００７４】以上より、結晶成長不良による素子製造上
の問題を解決し、低電流化と低電圧化による低消費電力
化を実現し、戻り光による雑音発生を抑制するには、ス
トライプ幅Ｗ、電流光閉じ込め層の層厚ｄ、及びＡｌＧ
ａＡｓ電流光閉じ込め層のＡｌ組成比Ｘ１を １．０μｍ≦Ｗ＜４μｍ、 ０μｍ＜ｄ＜１μｍ、 Ｘ１≦０．３５、 に設定することが重要であることを見い出した。

【００７５】さらに、本実施例の素子において自励発振
を起こすための前提条件としては、該ストライプ溝１０
７内側とその外側での層厚方向の等価屈折率差（△ｎ）
の抑制が必要である。

【００７６】図１２は等価屈折率差△ｎに対する発振開
始電流（Ｉｔｈ）の関係を示し、図１３は等価屈折率差
△ｎに対する最大自励発振光出力（Ｐｍａｘ）の関係を
示す。△ｎを１０×１０^-3以下に設定することにより所
望の自励発振が起こり、低雑音化を実現できることがわ
かる。しかし、△ｎが１×１０^-3未満になると自励発振
の強度が強すぎるために、発振開始電流Ｉｔｈが３０ｍ
Ａ以上に増大し、低電流駆動が困難になる。従って、 １×１０^-3≦△ｎ≦１×１０^−２ に設定することが重要である。

【００７７】また、電流光閉じ込め層の層厚ｄに対する
等価屈折率差△ｎの関係を図１４に示す。ここでは、パ
ラメータとして電流光閉じ込め層のＡｌ組成比Ｘ１をと
り、それぞれ０．１５（黒丸）、０．２０（黒四角）、
０．２５（白丸）、０．３０（白四角）、０．３５（白
三角）の５つの場合を示している。なお、その他の条件
は、上記第１の実施例の素子構造のものと同一としてい
る。

【００７８】△ｎが上記範囲を満たすには、ｄを ０．４μｍ≦ｄ≦０．８μｍ に設定することが望ましく、この範囲内であれば、上記
電流光閉じ込め層のＡｌ組成比Ｘ１の調整等により等価
屈折率差△ｎを上記所要の範囲内に設定することができ
る。

【００７９】また、層厚ｄが０．９μｍ以上の場合は、
駆動電圧が増大し、低雑音化が困難となるという問題が
あり、層厚ｄが０．３μｍ以下の場合は、結晶成長中の
不純物拡散による電流光閉じ込め層の極性反転に伴う電
流閉じ込め効果の低下が問題となる。

【００８０】（実施例２）図５は本発明の第２の実施例
による半導体レーザ素子の断面構造を示す。本実施例の
素子は信号書換可能な光ディスク装置において、信号書
換のための高出力の出射光の放射が可能な高出力レーザ
である。

【００８１】図において、５００は本実施例の高出力レ
ーザ素子であり、そのｎ−ＧａＡｓ基板５０１上には、
ｎ−ＧａＡｓバッファ層５０２を介して積層構造５００
ａが設けられており、該積層構造５００ａは、アンドー
プ活性層５０４を、ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
（下クラッド層）５０３及びｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラ
ッド層（上クラッド層）５０５により挟み込んで構成さ
れている。

【００８２】この上クラッド層５０５はその中央部分に
リッジストライプ部５０７を有しており、該リッジスト
ライプ部５０７上にはｐ−ＧａＡｓ層５０６が形成され
ている。またこのリッジストライプ部５０７の両側に
は、リッジ側面を埋めるようｐ−ＡｌＧａＡｓ電流光閉
じ込め層５０８が形成されている。

【００８３】そして、該リッジストライプ部５０７上の
ｐ−ＧａＡｓ層５０６及び光電流閉じ込め層５０８上に
は、第３クラッド層５０９が全面に形成され、その上に
はｐ−ＧａＡｓコンタクト層５１０が形成されている。

【００８４】そして、該コンタクト層上にはｐ型電極５
１１が形成され、該基板５０１の裏面側にはｎ型電極５
１２が形成されている。

【００８５】次に製造方法について説明する。

【００８６】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に層厚
０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層５０２を成長した
後、その上に層厚１．５μｍのｎ−Ａｌ_０．５Ｇａ_0.5
Ａｓ第１クラッド層５０３、層厚０．０５μｍのアンド
ープＡｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ活性層５０４、層厚１．５μ
ｍのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２クラッド層５０５を順
次成長して積層構造５００ａを形成する。続いて、該第
２クラッド層５０５上に層厚０．１μｍのｐ−ＧａＡｓ
層を成長する。ここで上記各半導体層の成長は、第１回
目のＭＯＣＶＤ法による結晶成長により行う。

【００８７】次に、ＳｉＮストライプ膜をマスクとし
て、上記ｐ−ＧａＡｓ層及び第２クラッド層５０５を選
択的にエッチングして、リッジストライプ５０７及びそ
の上のｐ−ＧａＡｓ層５０６を形成する。上記エッチン
グは、ｐ−第２クラッド層５０５のエッチング部分での
残存部分の層厚が０．４５μｍとなるよう行う。

【００８８】次に、第２回目のＭＯＣＶＤ法による結晶
成長により、ＳｉＮストライプ膜をマスクとして、リッ
ジストライプ５０７の両側に、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ
電流光閉じ込め層５０８を層厚０．５μｍとなるよう成
長して、リッジストライプ部５０７を埋め込む。

【００８９】さらに、ＳｉＮストライプ膜を除去して、
第３回目のＭＯＣＶＤ法による結晶成長により、全表面
にｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３クラッド層５０９を厚さ
０．５μｍに成長し、さらにその上にｐ−ＧａＡｓコン
タクト層５１０を厚さ１．５μｍに成長する。

【００９０】その後、コンタクト層５１０の表面上にｐ
型電極５１１を形成するとともに、基板５０１の裏面側
にｎ型電極５１２を形成する。

【００９１】そして、へき開法により共振器長が３７５
μｍとなるよう基板を分割し、これにより得られた共振
器の光出射側端面にその反射率が１２％となるようＡｌ
₂Ｏ₃膜を形成し、その反対側の端面にその反射率が７５
％となるようＳｉ膜を形成する。

【００９２】本実施例のレーザ素子では、ｐ型電極５１
１とｎ型電極５１２の間に順方向電圧を印加した時の発
振開始電流は３９ｍＡであり、電流−光出力特性のスロ
ープ効率は０．７０Ｗ／Ａとなり、低電流動作が実現で
きた。

【００９３】さらに、光出力３ｍＷにおいて自励発振現
象が観測でき、本実施例の素子を信号再生用に用いたと
き戻り光に対して低雑音動作が実現できた。従って、こ
れまで高出力レーザでは信号再生時に雑音を低減するた
め、駆動電流に高周波を重畳してレーザ光をマルチモー
ドで発振させることにより、コヒーレンスを低下させる
手法を用いてきたが、本実施例では高周波を重畳する必
要がなく、駆動回路の簡素化、小型軽量化が可能とな
る。

【００９４】図５に示す第２実施例のレーザ素子５００
の断面構造において、リッジストライプ５０７の下部の
幅をＷ、電流光閉じ込め層５０８の層厚をｄ、そのＡｌ
組成比をＸ１とすると、本実施例のように、ｄが０．５
μｍ、Ｘ１が０．２である場合に、Ｗの変化に対する発
振開始電流（Ｉｔｈ）の変化、及びＷの変化に対する最
大自励発振光出力（Ｐｍａｘ）の変化は、それぞれ図１
５及び図１６に示す通りのものとなる。

【００９５】Ｐｍａｘが０ｍＷより大きい場合に自励発
振が起こり、上記の戻り光に対する素子の雑音が低減す
る。Ｐｍａｘが大きいほど、自励発振強度は強くなるの
で雑音がさらに低減する。これに対して、Ｗが４μｍ以
上のときＰｍａｘ＝０ｍＷとなるために、自励発振が起
こらず、低雑音化が実現できないことが図１６からわか
る。また、Ｗが４μｍ以上、あるいはＷが１．０μｍ未
満ではＩｔｈが急激に増大する傾向にあることが図１５
よりわかる。

【００９６】また、電流光閉じ込め層厚ｄについては、
駆動電圧増大防止と低雑音化のために１μｍ未満に設定
する必要がある。

【００９７】また、電流光閉じ込め層のＡｌ組成比Ｘ１
が、０．３５より大きい場合は素子作製時に該ＳｉＮス
トライプ膜上に成膜材料の堆積が生じ、その除去には非
常に複雑なプロセスを必要とする。また、このような成
膜材料の堆積を防止するため、従来例２のように反応性
のガスを用いると、成長装置での腐食等の問題が生じ
る。これに対して、Ａｌ組成比Ｘ１が０．３５以下の場
合にはＳｉＮストライプ膜上への堆積は生じない。

【００９８】以上より、結晶成長不良による素子製造上
の問題を解決し、低電流化と低電圧化による低消費電力
化を実現し、戻り光による雑音発生を抑制するには、
Ｗ，ｄ，及びＸ１を １．０μｍ≦Ｗ＜４μｍ、 ０μｍ＜ｄ＜１μｍ、 Ｘ１≦０．３５、 に選定することが重要である。

【００９９】なお、半導体レーザ素子の構造は、上述し
た実施例のものに限定されるものではなく、該実施例以
外の層厚、Ａｌ組成比においても、本発明の効果を有す
るものであればよい。

【０１００】また、上記各実施例では、Ａｌを含有する
半導体材料として、ＡｌＧａＡｓ系材料を例に挙げた
が、それ以外のＡｌＧａＩｎＰ系材料についても本発明
は適用可能である。

【０１０１】また、上記各実施例では、半導体レーザ素
子を構成する各半導体層を成長する方法としてＭＯＣＶ
Ｄ法を用いたが、これに限るものではなく、それ以外に
もＬＰＥ（液相成長）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャ
ル成長）法、ＭＯＭＢＥ法、ＡＬＥ（原子層エピタキシ
ャル成長）法等の他の成長法も用いることができる。

【０１０２】

【発明の効果】以上のように本発明の半導体レーザ素子
によれば、レーザ光の発光領域としてのストライプ状部
分の幅、該ストライプ状部分の両側に位置する電流光閉
じ込め層の層厚及びＡｌ組成比、並びに該ストライプ状
部分の内側と外側とでの等価屈折率差を最適化すること
により、低電流特性と低雑音特性の両立を図ることがで
き、また、電流光閉じ込め層厚を最適化することによ
り、低電圧駆動を達成できる。さらに上記電流光閉じ込
め層のＡｌ組成比の最適化により、レーザ素子の製造プ
ロセスに起因する問題を回避できる。

【０１０３】このように本発明では、素子製造上の問題
を発生することなく、低消費電力化と低雑音化を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による半導体レーザ素子
の断面構造を示す図である。

【図２】従来の半導体レーザ素子として、高山等が報告
した実屈折率導波型レーザ素子の構造を示す断面図であ
る。

【図３】従来の半導体レーザ素子として、島等が報告し
た実屈折率導波型レーザ素子の構造を示す断面図であ
る。

【図４】従来の半導体レーザ素子として、矢野等により
報告されている実屈折率導波型レーザ素子の構造を示す
断面図である。

【図５】本発明の第２の実施例による半導体レーザ素子
の断面構造を示す図である。

【図６】上記第１の実施例による半導体レーザ素子にお
ける、ストライプ幅Ｗの変化に対する発振開始電流（Ｉ
ｔｈ）の変化を示す図である。

【図７】上記第１の実施例による半導体レーザ素子にお
ける、ストライプ幅Ｗの変化に対する最大自励発振光出
力（Ｐｍａｘ）の変化を示す図である。

【図８】上記第１の実施例による半導体レーザ素子にお
ける、電流光閉じ込め層の層厚ｄと駆動電圧Ｖｏｐ（光
出力３ｍＷ）の関係を示す図である。

【図９】上記第１の実施例による半導体レーザ素子にお
ける、発振開始電流を一定とした場合の上記層厚ｄに対
する最大自励発振光出力Ｐｍａｘの変化を示す図であ
る。

【図１０】上記第１の実施例における、電流光閉じ込め
層のＡｌ組成比Ｘ１に対するウエハ面内における正常成
長部分の割合を示す図である。

【図１１】上記第１の実施例における、発振開始電流を
一定にした場合の上記Ａｌ組成比Ｘ１に対する最大自励
発振光出力Ｐｍａｘの変化を示す図である。

【図１２】等価屈折率差△ｎに対する発振開始電流（Ｉ
ｔｈ）の関係を示す図である。

【図１３】等価屈折率差△ｎに対する最大自励発振光出
力（Ｐｍａｘ）の関係を示す図である。

【図１４】電流光閉じ込め層の層厚ｄに対する等価屈折
率差△ｎの関係を示す図である。

【図１５】上記第２実施例の半導体レーザ素子におけ
る、ストライプ幅Ｗの変化に対する発振開始電流（Ｉｔ
ｈ）の変化を示す図である。

【図１６】上記第２実施例の半導体レーザ素子におけ
る、ストライプ幅Ｗの変化に対する最大自励発振光出力
（Ｐｍａｘ）の変化を示す図である。

【符号の説明】

１００，５００ 半導体レーザ素子 １００ａ，５００ａ 積層構造 １０１，５０１ ｎ−ＧａＡｓ基板 １０２，５０２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層 １０３，５０３ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層 １０４，５０４ アンドープＡｌＧａＡｓ活性層 １０５，５０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層 １０６，５０８ ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流光閉じ込め層 １０７ ストライプ状溝 １０８，５０９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層 １０９，５１０ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層 １１０，５１１ ｐ型電極 １１１，５１２ ｎ型電極 ５０６ ｐ−ＧａＡｓ層 ５０７ リッジストライプ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−196801（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−66894（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−51281（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−13705（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−226562（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−140787（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−101089（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−178985（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−174178（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160503（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−206984（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−99373（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−369884（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−62391（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−5070（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構成材料として、Ａｌを含有する半導体
   材料を用いた自励発振型の半導体レーザ素子であって、 第１導電型の第１クラッド層上に、活性層及び第２導電
   型の第２クラッド層を順次積層してなる積層構造と、 該第２クラッド層の表面上に形成されたストライプ状半
   導体層と、 該第２クラッド層の表面上の、該ストライプ状半導体層
   の両側部に形成された電流光閉じ込め層とを備え、 該電流光閉じ込め層は、該活性層の禁制帯幅より大き
   く、かつ該第１及び第２クラッド層の禁制帯幅より小さ
   い禁制帯幅を有し、その層厚が１μｍより小さく、その
   Ａｌ組成比が０．３５以下となるよう形成したものであ
   り、 該ストライプ状半導体層は、その幅が１．０μｍ以上で
   あって４μｍ未満の範囲内の値となるよう形成したもの
   である半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体レーザ素子におい
   て、 前記ストライプ状半導体層内側での層厚方向の等価屈折
   率と、該ストライプ状半導体層外側での層厚方向の等価
   屈折率との差△ｎが、１×１０^−３以上かつ１×１０
   ^−２以下の範囲の値となっている半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体レーザ素子におい
   て、 該電流光閉じ込め層は、０．４μｍ以上かつ０．８μｍ
   以下の層厚を有する半導体レーザ素子。