JP4076333B2 - 半導体レーザ装置及び光ディスク再生記録装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用等に要求される高出力・高信頼性を充たす半導体レーザ装置に関する。また本発明は、前記半導体レーザ装置を用いた光ディスク再生記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓからなる上下クラッド層やガイド層及び量子井戸活性層を積層する構造が一般的である。しかし、Ａｌを含む層が存在すると、Ａｌが酸化されやすいため劣化の要因となり、高出力・高信頼性の要求に応える半導体レーザ装置が得られない。
【０００３】
このためＡｌフリーの半導体レーザ装置がいくつか提案されている。たとえば、特開平１０−１０７３６９号公報は、ＧａＡｓ基板上に第１クラッド層、活性層、第２クラッド層から構成され、活性層がＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰからなり、第１、第２クラッド層がＡｌを含有してなる半導体レーザ装置を開示する。このように構成することにより、活性層表面のＡｌの酸化に起因する無効電流の発生を抑制し動作電流の低減を図っている。
【０００４】
また、特開平１１−２２０２２４号公報には、８００ｎｍ帯の半導体レーザ装置が開示されている。この装置は、活性領域のガイド層・バリア層・量子井戸層をＩｎＧａＡｓＰ系材料で構成している。この装置の概略を図９に示す。ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に、ｎ−ＧａＡｌＡｓクラッド層５０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０３、ＩｎＧａＡｓＰバリア層５０４、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層５０５、ＩｎＧａＡｓＰバリア層５０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０７、ｐ−ＧａＡｌＡｓクラッド層５０８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を順に積層した構成を示している。この構成において、第１第２クラッド層をＧａＡｓ基板に格子整合する組成とし、第１第２光導波層もＧａＡｓ基板に格子整合する組成としている。このことによってＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層がＧａＡｓ基板に対して０．３％以下の引っ張り歪とすることを可能にしている。
【０００５】
一般的に光ディスク用等に利用可能な７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザを実現するためには、量子井戸層（活性層）における引っ張り歪量を０．３％以下にすることが必要であるといわれている（たとえば、前出の特開平１１−２２０２２４号公報）。ここで歪量とは、ＧａＡｓ基板の格子定数をａGaAsとし、量子井戸層の格子定数をａ1とすると、（ａ1−ａGaAs）／ａGaAsで表される。この値が正であれば圧縮歪みを、負であれば引っ張り歪を示す。
【０００６】
また、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層を用いて７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザを構成する場合には、ＩｎＧａＡｓＰ系の組成比とバンドギャップとの関係において相分離を起こす組成領域が圧縮歪を通する組成比が重なるために、ＩｎＧａＡｓＰ系の組成によって大きな圧縮歪を有する活性層を作製することは実現困難であるといわれている。ＩｎＧａＡｓＰ系活性層によって上記条件を充たすためには、Ｉｎの組成比を０．２以下としなければならないのである。
【０００７】
ところで、一般に半導体レーザ装置においてキャリアの閉じ込めを良好にするには、バリア層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を高くする必要がある。しかし、前記量子井戸層に対して、格子整合系又はその近傍の組成でバリア層を構成しようとすると、ミシビリティ・ギャップ内に入ってしまうため、その製作は困難となる。一般的に、前記の化合物半導体混晶の結晶成長においては、すべての領域で安定して成長するとは限らず、均一な結晶を得ることができない（スピノーダル分解を起こす）組成領域が存在することが知られている（この領域を「ミシビリティ・ギャップ」と呼ぶ）。この領域は、結晶成長温度によって変化し、高温におけるほどミシビリティ・ギャップは小さく、低温ほど大きくなるものと理解されている。
【０００８】
図７に、２００〜８００℃におけるミシビリティ・ギャップを示し、等温度でスピノーダル分解を起こす組成比をプロットした。得られる曲線を一点鎖線で示す。この曲線は「スピノーダル曲線」とも呼ばれる。
【０００９】
光ディスク再生記録装置等に利用できるように７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザ装置とするため、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層（活性層）における引っ張り歪を０．３％以下、好ましくはゼロとする必要があるが、このためには前述したようにＩｎＧａＡｓＰ系活性層のＩｎの組成比を０．２以下にしなければならない。しかしこのような活性層とした場合、この活性層に見合うバリア層を作成するに当たり、格子整合系で十分なバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を得ようとするとミシビリティ・ギャップの領域に入ってしまい作製が不可能となる。このため、ある程度大きな引っ張り歪の入ったバリア層であってもその採用を余儀なくされることとなり、結果として半導体レーザ装置の信頼性の低下をもたらす。
【００１０】
また、キャリアの閉じ込めを良好にするためには、バリア層を引っ張り歪の入った組成領域の構成とし、結果として量子井戸活性領域全体として大きな引っ張り歪を受けた状態となるため、欠陥が入りやすく結晶性が低下し、半導体レーザ装置の信頼性が低下する。この対応として一般的に、量子井戸層には逆向きの圧縮歪みを用いる試みが採用されている。しかし、格子整合系あるいはその近傍の組成を用いてしかもミシビリティ・ギャップ外の領域の組成を用いても、得られる圧縮歪はせいぜい１％程度にすぎない。このような組成を用いて半導体レーザ装置を作製すると、結晶内部に存在する欠陥が通電により増殖し、装置の劣化を招きやすくなり、装置の信頼性が低下してしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決し、バリア層と量子井戸層の活性領域における歪を補償し、高出力でありかつ信頼性の高い、７６０〜８００ｎｍのＡｌフリーの半導体レーザ装置、及びそれを用いた光ディスク用再生記録装置を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ装置は、ＧａＡｓ基板上に、下クラッド層、バリア層と量子井戸層を有する活性領域、上クラッド層を積層してなる半導体レーザ装置であって、前記量子井戸層がＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyからなり、ｘが０．６９以上である。また本発明の半導体レーザ装置においては、前記下クラッド層及び前記上クラッド層がＡｌＧａＡｓ層である。さらに、前記バリア層がＧａＡｓ層であってもよい。本発明の半導体レーザ装置において、量子井戸層の基板に対する圧縮歪が３．５％以下である。また、前記量子井戸層厚は６０Å未満である。
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置において、バリア層が引っ張り歪を有し、前記量子井戸層及び前記バリア層からなる活性領域が歪補償構造を有する。本発明の半導体レーザ装置においては、発振波長が７６０ｎｍ以上８００ｎｍ未満である。さらに光ディスク再生記録装置において、本発明の半導体レーザ装置を用いる。
【００１４】
また、本発明の半導体レーザ装置においては、基板と下クラッド層の間にバッファ層、下クラッド層と活性領域との間に下ガイド層、活性領域と上クラッド層との間に上ガイド層、又は第二クラッド層に続いて保護層を積層してもよい。
【００１５】
本発明の半導体レーザにおけるように、量子井戸層（活性層）をＩｎＧａＡｓＰ系としＩｎ組成比を０．６９以上とすることは、上記従来技術において説明したように大きな圧縮歪を有する状態とすることを意味し、これまで半導体レーザの作製を実現する前提条件として考えられてきた領域を大きく外れることを意味する。すなわち、半導体レーザの作製が実現困難であると考えられている大きな圧縮歪の入った状態を採用することを意味するのである。しかしながら驚くべきことに、本発明においては、量子井戸層（活性層）に大きな圧縮歪を存在させるものの、バリア層に大きな引っ張り歪を存在させ自動的に活性層との間の歪を補償させる構造をとることによって、これらの技術的な課題を解消することができたのである。また本発明においては、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層のＩｎ組成比が大きい領域をとることから、結晶欠陥が増殖しにくいという効果も得られた。
【００１６】
Ｐ組成比については任意に広範な範囲から選択することができ、特に限定されるものではない。本発明においては、好適な範囲として０．４０以上を採用して半導体レーザ装置の作製を実現した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明にかかる半導体レーザ装置の構造の一例を示したものである。この構造は、半導体基板表面にバッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、量子井戸活性領域、および第二導電型半導体上クラッド層が積層され、前記上クラッド層の一部までがメサストライプ形状を有し、前記ストライプ両側を第一・第二導電型半導体電流ブロック層によって埋め込まれている半導体レーザ装置である。
【００１８】
図２〜図４を参照しながら、前記半導体レーザ構造の作製方法を説明する。（１００）面を持つｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層１０３（層厚：２．０μｍ）、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ下ガイド層１０４（層厚：３００Å）、Ｉｎ0.75Ｇａ0.25Ａｓ0.15Ｐ0.85圧縮歪量子井戸層（歪：２．４８％、層厚：５４Å、２層）とＧａＡｓ0.72Ｐ0.28引っ張り歪バリア層（歪：−１．０％、層厚：５０Å、３層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性層１０５、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ上ガイド層１０６（層厚：３００Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第一上クラッド層１０７（層厚：０．２３５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８（層厚：３０Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第二上クラッド層１０９（層厚：１．２μｍ）、ＧａＡｓ保護層１１０（層厚：０．７５μｍ）を順次有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）にて結晶成長させた。さらにメサストライプ部を形成する部分に、レジストマスク１１１をストライプ方向が（０１１）方向を持つように写真工程（フォトリソグラフィの手法）により作製した（図２）。
【００１９】
次に、前記レジストマスク部１１１以外の部分をエッチングし、メサストライプ部１２１ａを形成する。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液およびフッ酸を用い二段階で行い、エッチングストップ層１０８直上まで行った。ＧａＡｓはフッ酸によるエッチングレートが非常に遅いということを利用し、エッチング面の平坦化およびメサストライプの幅制御を可能にしている。エッチングの深さは１．９５μm、メサストライプの幅はエッチングストップ層１０８直上で約２．５μmである。エッチング後、上記レジストマスク１１１を除去した（図３）。
【００２０】
続いてｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ第一ブロック層１１２（層厚：０．６μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第二ブロック層１１３（層厚：０．３μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１４（層厚：１．０５μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、光・電流狭窄領域を形成した。その後写真工程により、上記メサストライプ部両側１２１ｂ上にのみレジストマスク１１５を形成した（図４）。
【００２１】
続いて上記メサストライプ部１２１ａ上のブロック層をエッチングにより除去した。このエッチングには、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液および硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、二段階でエッチングを行った。その後上記レジストマスク１１５を除去し、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１６（層厚：２．０μｍ）を積層した。このようにして、図１に示す構造の半導体レーザ装置を作製することができた。
【００２２】
本実施の形態において、上記歪量子井戸層であるＩｎ0.75Ｇａ0.25Ａｓ0.15Ｐ0.85は、歪によるエネルギーシフトを考慮した、バルクでのバンドギャップエネルギーがおよそ１．５５３ｅＶであるが、量子井戸となっているのでそれよりもバンドギャップが大きくなり、およそ１．５８９ｅＶとなって発振波長がおよそ７８０ｎｍとなった。前記量子井戸層の組成付近の組成図を図７に示す。
【００２３】
一般に半導体レーザ作製時の半導体各層の組成を決定するためには、図７に示されるような組成図が用いられる。図７には、組成図に合わせて、歪を考慮したバルクでの等バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）線（実線）、等歪量線（破線）、各成長温度におけるミシビリティ・ギャップ（一点鎖線）を示す。
【００２４】
等歪量線は、ＧａＡｓ基板に格子整合する組成比を０％としている。前述したようにこの歪量は、ＧａＡｓ基板の格子定数をａGaAs、半導体層の格子定数をａ1とすると、（ａ1−ａGaAs）／ａGaAsで表される。この値が正であれば圧縮歪、負であれば引っ張り歪と呼ばれる。
【００２５】
一般的に等Ｅｇ線は、組成比より算出されたバルクにおけるバンドギャップエネルギーの等しい組成比をプロットして得る。しかし、従来得られている等Ｅｇ線ついては、異なる計算例に基づくものがみられ、あまり明確なものではなかった。また、等Ｅｇ線は歪量によって変動するにもかかわらず、この影響を考慮した等Ｅｇ線も得られていない。そこで本発明者らは、これまでの実験結果を鋭意検討し、独自に計算式を導き出して等Ｅｇ線を作成した。また、歪量によるＥｇの変動量の加味した等Ｅｇ線とすることができた。
【００２６】
また前述したように、このような化合物半導体混晶の結晶成長においては、すべての組成領域で安定とは限らず、均一な結晶を得ることができない（スピノーダル分解を起こす）組成領域（ミシビリティ・ギャップ）が存在する。この領域は結晶成長温度によって変化し、高温ほどミシビリティ・ギャップは小さく、低温ほど大きい。図７において、２００〜８００℃におけるミシビリティ・ギャップを示しており、等温度でスピノーダル分解を起こす組成比をプロットしている（スピノーダル曲線、一点鎖線）。
【００２７】
本実施の形態で得られた半導体レーザ装置を信頼性試験に供したところ、８５℃、２００ｍＷでも、５０００時間以上安定に動作することが確認された。このことは、結晶内部に欠陥が存在していても半導体レーザに通電するとＩｎの組成比が大きいため欠陥が増殖しにくく、半導体レーザ装置の長寿命化・高信頼性という効果が得られたものと推測される。Ｉｎの組成比が０．６９以上の場合、より顕著にこの効果があらわれた。このため、従来窓構造を用いてレーザの高出力化をはかっていたが、本発明の場合窓構造を用いることなく、高出力化・高信頼性という効果が得られた。このことは、低価格で高信頼性の半導体レーザ装置が実現することを意味する。
【００２８】
上記歪量子井戸層の歪を考慮したバルクでのＥｇを同値として組成比を変化させ歪量を増加させると、歪量３．５％を越える領域においては試作された半導体レーザ装置の信頼性が悪くなる傾向が見られた。よって、安定した膜厚で半導体レーザ装置を作製するためには、量子井戸層の歪量は３．５％以内であることが好ましい。
【００２９】
また、上記歪量子井戸層の組成の結晶成長について、スピノーダル分解を起こす温度はおよそ５００℃である。このため、通常用いられる６００〜７５０℃という成長温度で均質な膜を得ることができる。また７５０℃を越えない温度であれば、不純物が拡散することを防ぐことができることも確認された。さらに、Ｉｎの組成比が０．６９以上の領域であれば、成長温度７５０℃においてはミシビリティ・ギャップ外となることから、通常の成長温度である６００〜７５０℃での成長が可能である。
【００３０】
上記歪量子井戸層の層厚は、５４Åであった。さらにこの層厚を大きくすることによって、より長波長の光を発振させることもできる。しかし、前記量子井戸層の歪量が２．４８％である本実施の形態の場合には、６０Å以上では信頼性が低下する傾向が見られた。従って、安定した膜質でレーザを作製するには、６０Å未満であることが好適であることがわかった。
【００３１】
圧縮歪量子井戸層の微分利得は層厚に依存しており、およそ層厚４０Åにピークを持っている。この微分利得が大きいほど、高速変調に対応した半導体レーザ装置となるので、層厚６０Å未満、特に４０±２０Å程度であることが好適である。
【００３２】
本実施の形態においては、量子井戸層の有する圧縮歪量が大きくバリア層に引っ張り歪をもたせて歪を補償しているので、バリア層が引っ張り歪を有していない場合より高信頼性の半導体レーザ装置が得られた。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、半導体レーザ装置はリッジ構造（半導体レーザの積層構造において、上クラッド層までがメサストライプ形状であり、メサストライプ両側に光・電流狭窄層を設けている構造）を有しているが、ＢＨ構造（埋め込みヘテロ形構造。半導体レーザの積層構造において、下クラッドの一部までがメサストライプ形状であり、メサストライプ両側に光・電流狭窄層を設けている構造）を有していても同様の効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２
図５は、本発明にかかる半導体レーザ装置の構造の一例を示したものである。この構造は、半導体基板表面にバッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、量子井戸活性領域、および第二導電型半導体上クラッド層が積層され、前記層構造がメサストライプ形状を有し、前記ストライプ両側を電流ブロック層によって埋め込まれ、前記構造表面にクラッド層およびキャップ層が積層され、前記キャップ層上に金属電極が配されている半導体レーザ装置である。
【００３５】
前記半導体レーザ構造の作製方法を説明する。まず（１００）面を持つｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層２０３（層厚：１．５μｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.60Ｐ0.40下ガイド層２０４（層厚：４００Å）、Ｉｎ0.7１Ｇａ0.29Ａｓ0.18Ｐ0.82圧縮歪量子井戸層（歪：２．２９％、層厚：５２Å、３層）とＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.60Ｐ0.40引っ張り歪バリア層（歪：−０．３４％、層厚：８０Å、２層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性層２０５、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.60Ｐ0.40上ガイド層２０６（層厚：４００Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上クラッド層２０７（層厚：１．５μｍ）、ＧａＡｓ保護層２０８（層厚：２００Å）を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で順次結晶成長させた。
【００３６】
さらにＳｉＯ2絶縁膜を積層し、メサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向を持つように写真工程により作製した。その後、レジストマスク以外の絶縁膜を取り除き、さらにレジストマスクを除去し、ストライプ状の絶縁膜マスクを得た。
【００３７】
次に、前記絶縁膜マスク部以外の部分をエッチングし、逆メサストライプ部２２１ａを形成した。エッチングは臭化水素水と過酸化水素水の混合水溶液を用い、下クラッド層２０３の途中まで行った。エッチングの深さは約２．０μｍ、メサストライプの幅は量子井戸活性領域で約１．５μｍであった。続いて前記ストライプ部２２１ａ側面および前記メサストライプ部両側２２１ｂにバッファードフッ酸（フッ化水素とフッ化アンモニウムの混合溶液）にて表面の清浄処理を施した。
【００３８】
次に、上記絶縁膜マスクを選択成長用マスクとしてｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓブロック層２０９（層厚：１．０μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓブロック層２１０（層厚：１．０μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、メサストライプ部両側２２１ｂに光・電流狭窄領域を形成した。その後上記絶縁膜マスクを取り除き、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層２１１（層厚：１．０μｍ）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１２（層厚：２．０μｍ）を順次積層した。このようにして、図５に示す構造の半導体レーザ装置を作製することができた。
【００３９】
本実施の形態において、上記歪量子井戸層であるＩｎ0.71Ｇａ0.29Ａｓ0.18Ｐ0.82は、歪を考慮したバルクでのバンドギャップエネルギーがおよそ１．５５３ｅＶであるが、量子井戸となっているのでそれよりもバンドギャップが大きくなり、およそ１．５８９ｅＶとなって発振波長がおよそ７８０ｎｍとなった。前記量子井戸層の組成付近の組成図を図７に示す。
【００４０】
また、本実施の形態において、上記歪量子井戸層のＩｎ組成比が０．７１であるが、これによる効果は実施の形態１と同様であった。上記歪量子井戸層の歪量が２．４８％であるが、この歪量における効果は実施の形態１と同様であった。また、上記歪量子井戸層の層厚が５２Åであるが、この層厚における効果は実施の形態１と同様であった。さらに、バリア層は引っ張り歪を有しており、このことから得られる効果は実施の形態１と同様であった。
【００４１】
本実施の形態において、半導体レーザ装置はＢＨ構造を有しているが、リッジ構造を有していても同様の効果が得られる。またＢＨ構造には量子井戸活性領域側面に再成長界面が存在し結晶欠陥が生じやすいが、Ｉｎが多い組成比になっているため、側面の再成長界面に対する欠陥抑制の効果が得られ、より有効である。また、井戸層だけでなくバリア層やガイド層もＩｎの入った組成のため、上記効果が得られる。
【００４２】
実施の形態３
図６は、本発明にかかる半導体レーザ装置の構造の一例を示したものである。この構造は、半導体基板表面にバッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、量子井戸活性領域、および第二導電型半導体上クラッド層が積層され、前記上クラッド層の一部までがメサストライプ形状を有し、前記ストライプ両側を第一・第二導電型半導体電流ブロック層によって埋め込まれている半導体レーザ装置である。
【００４３】
前記半導体レーザ構造の作製方法を説明する。（１００）面を持つｎ−ＧａＡｓ基板３０１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層３０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層３０３（層厚：２．０μｍ）、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ下ガイド層３０４（層厚：３００Å）、Ｉｎ0.69Ｇａ0.31Ａｓ0.57Ｐ0.43圧縮歪量子井戸層（歪：３．４７％、層厚：３４Å、２層）とＩｎ0.03Ｇａ0.97Ａｓ0.68Ｐ0.32引っ張り歪バリア層（歪：−０．９３％、層厚：１００Å、３層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性層３０５、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ上ガイド層３０６（層厚：３００Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第一上クラッド層３０７（層厚：０．２３５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層３０８（層厚：３０Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第二上クラッド層３０９（層厚：１．２μｍ）、ＧａＡｓ保護層３１０（層厚：０．７５μｍ）を順次有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）にて結晶成長させた。さらにメサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向を持つように写真工程により作製した。
【００４４】
次に、前記レジストマスク部以外の部分をエッチングし、メサストライプ部３２１ａを形成した。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液およびフッ酸を用い二段階で行い、エッチングストップ層３０８直上まで行った。ＧａＡｓはフッ酸によるエッチングレートが非常に遅いということを利用し、エッチング面の平坦化およびメサストライプの幅制御を可能にしている。エッチングの深さは１．９５μm、メサストライプの幅はエッチングストップ層３０８直上で約２．５μmであった。エッチング後、上記レジストマスクを除去した。
【００４５】
続いてｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ第一ブロック層３１２（層厚：０．６μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第二ブロック層３１３（層厚：０．３μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層３１４（層厚：１．０５μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、光・電流狭窄領域を形成する。その後写真工程により、上記メサストライプ部両側３２１ｂ上にのみレジストマスクを形成した。
【００４６】
続いて上記メサストライプ部３２１ａ上のブロック層をエッチングにより除去した。このエッチングには、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液および硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、二段階でエッチングを行った。その後上記レジストマスクを除去し、ｐ−ＧａＡｓキャップ層３１６（層厚：２．０μｍ）を積層した。このようにして、図６に示す構造の半導体レーザ装置を作製することができた。
【００４７】
本実施の形態において、上記歪量子井戸層であるＩｎ0.69Ｇａ0.31Ａｓ0.0.57Ｐ0.43は、歪によるエネルギーシフトを考慮した、バルクでのバンドギャップエネルギーがおよそ１．２６８ｅＶであるが、量子井戸となっているのでそれよりもバンドギャップが大きくなり、およそ１．３９３ｅＶとなって発振波長がおよそ８９０ｎｍとなった。前記量子井戸層の組成付近の組成図を図７に示す。
【００４８】
また、上記歪量子井戸層のＩｎの組成比が０．６９であるが、これによる効果は実施の形態１と同様であった。上記歪量子井戸層の歪量が３．４７％であるが、この歪量における効果は実施の形態１と同様であった。
【００４９】
上記歪量子井戸層の層厚が３４Åであるが、この層厚における効果は実施の形態１と同様であった。また、バリア層は引っ張り歪を有しており、このことから得られる効果は実施の形態１と同様であった。
【００５０】
半導体レーザ装置はリッジ構造を有しているが、ＢＨ構造を有していても同様の効果が得られる。
以上の実施の形態１〜３において、各半導体層を形成する成長方法を一例として示したが、これら各実施の形態に示したものに限定されるものではなく、これら以外のもの、たとえばガスソースや有機金属ソースの分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を用いることもできる。
【００５１】
また、量子井戸層の層厚、層数についても、実施の形態１〜３に示すものに限定されるものではなく、実施の形態に示したもの以外のものであっても同様な効果を得ることができる。また、半導体レーザ装置は、各実施の形態で示したリッジ構造やＢＨ構造だけに限定されず、ブロードエリア構造の半導体レーザ装置であってもよい。さらに、各実施の形態で示した電流ブロック層としてｐｎ逆接合の半導体埋め込み構造に限定されることなく、たとえば高抵抗層埋め込みや、絶縁体膜埋め込みなどであってもよい。
【００５２】
実施の形態４
図８は、本発明にかかる光ディスク記録再生装置の構造の一例を示したものである。これは光ディスク４０１にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生するためのものであり、その際用いられる発光素子として、先に説明した本発明実施の形態１の半導体レーザ装置４０２を備えている。
【００５３】
この光ディスク記録再生装置についてさらに詳しく説明する。書き込みの際は、半導体レーザ装置４０２から出射された信号光がコリメートレンズ４０３により平行光とされ、ビームスプリッタ４０４を透過しλ／４偏光板４０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ４０６で集光され光ディスク４０１に照射される。読み出し時には、データ信号がのっていないレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク４０１に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク４０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ４０６、λ／４偏光板４０５を経た後、ビームスプリッタ４０４で反射され９０°角度を変えた後、再生光用対物レンズ４０７で集光され、信号検出用受光素子４０８に入射する。信号検出用受光素子内で入射したレーザ光の強弱によって記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路４０９において元の信号に再生される。
【００５４】
本実施の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装置を用いているため、ディスクの回転数を従来より高速化してもデータの読み書きが可能である。従って特に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装置を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適に操作できる光ディスク装置を提供することができた。
【００５５】
なお、ここでは本発明の半導体レーザ装置を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したがこれに限定されるものではなく、同じ波長７８０ｎｍ帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置にも適用することもできる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧａＡｓ基板上に作製された半導体レーザ装置において、ＡｌフリーのＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層におけるＩｎ組成比を０．６９以上とすることによって、高圧縮歪を得ることができ、またＩｎ不足による結晶欠陥の生成および増殖を防ぐことができ、高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。また、上記歪量子井戸層の歪量を３．５％以下とすることにより、安定した膜質の井戸層をもつ、高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。さらに、上記歪量子井戸層の層厚を６０Å未満、好ましくは２０Å以上６０Å未満とすることによって、安定した膜質の量子井戸層をもつ、高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。
【００５７】
また本発明によれば、上記歪量子井戸層の組成であれば、成長温度７５０℃以下で前記量子井戸層を成長させ、相分離を起こさず不純物の拡散を防ぐことができ、高信頼性の半導体レーザを作製することができる。また、量子井戸活性領域に歪補償構造を設けることで、結晶欠陥が少なくなり、より高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。
【００５８】
さらにこの発明によれば、本発明による半導体レーザ素子を用いてより高速な光ディスク再生記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、第１回結晶成長マスクプロセス終了後の断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、メサストライプ形成エッチングプロセス終了後の断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、ブロック層埋込結晶成長プロセス終了後の断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】 Ｉｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy組成図における、ＧａＡｓ基板に対する等歪量線、歪を考慮したバルクでの等バンドギャップエネルギー曲線およびスピノーダル分解曲線を示したグラフである。
【図８】 本発明の実施の形態４に係る光ディスク記録再生装置の概略図である。
【図９】 従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ 下クラッド層
１０４ 下ガイド層
１０５ 多重歪量子井戸活性層
１０６ 上ガイド層
１０７ 第一上クラッド層
１０８ エッチングストップ層
１０９ 第二上クラッド層
１１０ 保護層
１１１ レジストマスク
１１２ 第一ブロック層
１１３ 第二ブロック層
１１４ 平坦化層
１１５ レジストマスク
１１６ キャップ層
１２１ａ メサストライプ部
１２１ｂ メサストライプ部両側
２０１ 基板
２０２ バッファ層
２０３ 下クラッド層
２０４ 下ガイド層
２０５ 多重歪量子井戸活性層
２０６ 上ガイド層
２０７ 上クラッド層
２０８ 保護層
２０９ ブロック層
２１０ ブロック層
２１１ クラッド層
２１２ キャップ層
２２１ａ ストライプ部
２２１ｂ メサストライプ部両側
３０１ 基板
３０２ バッファ層
３０３ 下クラッド層
３０４ 下ガイド層
３０５ 多重歪量子井戸活性層
３０６ 上ガイド層
３０７ 第一上クラッド層
３０８ エッチングストップ層
３０９ 第二上クラッド層
３１０ 保護層
３１２ 第一ブロック層
３１３ 第二ブロック層
３１４ 平坦化層
３１６ キャップ層
３２１ａ メサストライプ部
３２１ｂ メサストライプ部両側
４０１ 光ディスク
４０２ 半導体レーザ装置
４０３ コリメートレンズ
４０４ ビームスプリッタ
４０５ 偏光板
４０６ レーザ光照射用対物レンズ
４０７ 再生光用対物レンズ
４０８ 信号検出用受光素子
４０９ 信号光再生回路
５０１ 基板
５０２ クラッド層
５０３ 光ガイド層
５０４ バリア層
５０５ 量子井戸活性層
５０６ バリア層
５０７ 光ガイド層
５０８ クラッド層
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用等に要求される高出力・高信頼性を充たす半導体レーザ装置に関する。また本発明は、前記半導体レーザ装置を用いた光ディスク再生記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓからなる上下クラッド層やガイド層及び量子井戸活性層を積層する構造が一般的である。しかし、Ａｌを含む層が存在すると、Ａｌが酸化されやすいため劣化の要因となり、高出力・高信頼性の要求に応える半導体レーザ装置が得られない。
【０００３】
このためＡｌフリーの半導体レーザ装置がいくつか提案されている。たとえば、特開平１０−１０７３６９号公報は、ＧａＡｓ基板上に第１クラッド層、活性層、第２クラッド層から構成され、活性層がＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰからなり、第１、第２クラッド層がＡｌを含有してなる半導体レーザ装置を開示する。このように構成することにより、活性層表面のＡｌの酸化に起因する無効電流の発生を抑制し動作電流の低減を図っている。
【０００４】
また、特開平１１−２２０２２４号公報には、８００ｎｍ帯の半導体レーザ装置が開示されている。この装置は、活性領域のガイド層・バリア層・量子井戸層をＩｎＧａＡｓＰ系材料で構成している。この装置の概略を図９に示す。ｎ−ＧａＡｓ基板５０１上に、ｎ−ＧａＡｌＡｓクラッド層５０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０３、ＩｎＧａＡｓＰバリア層５０４、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層５０５、ＩｎＧａＡｓＰバリア層５０６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０７、ｐ−ＧａＡｌＡｓクラッド層５０８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層を順に積層した構成を示している。この構成において、第１第２クラッド層をＧａＡｓ基板に格子整合する組成とし、第１第２光導波層もＧａＡｓ基板に格子整合する組成としている。このことによってＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層がＧａＡｓ基板に対して０．３％以下の引っ張り歪とすることを可能にしている。
【０００５】
一般的に光ディスク用等に利用可能な７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザを実現するためには、量子井戸層（活性層）における引っ張り歪量を０．３％以下にすることが必要であるといわれている（たとえば、前出の特開平１１−２２０２２４号公報）。ここで歪量とは、ＧａＡｓ基板の格子定数をａGaAsとし、量子井戸層の格子定数をａ1とすると、（ａ1−ａGaAs）／ａGaAsで表される。この値が正であれば圧縮歪みを、負であれば引っ張り歪を示す。
【０００６】
また、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層を用いて７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザを構成する場合には、ＩｎＧａＡｓＰ系の組成比とバンドギャップとの関係において相分離を起こす組成領域が圧縮歪を通する組成比が重なるために、ＩｎＧａＡｓＰ系の組成によって大きな圧縮歪を有する活性層を作製することは実現困難であるといわれている。ＩｎＧａＡｓＰ系活性層によって上記条件を充たすためには、Ｉｎの組成比を０．２以下としなければならないのである。
【０００７】
ところで、一般に半導体レーザ装置においてキャリアの閉じ込めを良好にするには、バリア層のバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を高くする必要がある。しかし、前記量子井戸層に対して、格子整合系又はその近傍の組成でバリア層を構成しようとすると、ミシビリティ・ギャップ内に入ってしまうため、その製作は困難となる。一般的に、前記の化合物半導体混晶の結晶成長においては、すべての領域で安定して成長するとは限らず、均一な結晶を得ることができない（スピノーダル分解を起こす）組成領域が存在することが知られている（この領域を「ミシビリティ・ギャップ」と呼ぶ）。この領域は、結晶成長温度によって変化し、高温におけるほどミシビリティ・ギャップは小さく、低温ほど大きくなるものと理解されている。
【０００８】
図７に、２００〜８００℃におけるミシビリティ・ギャップを示し、等温度でスピノーダル分解を起こす組成比をプロットした。得られる曲線を一点鎖線で示す。この曲線は「スピノーダル曲線」とも呼ばれる。
【０００９】
光ディスク再生記録装置等に利用できるように７６０〜８００ｎｍ帯の半導体レーザ装置とするため、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層（活性層）における引っ張り歪を０．３％以下、好ましくはゼロとする必要があるが、このためには前述したようにＩｎＧａＡｓＰ系活性層のＩｎの組成比を０．２以下にしなければならない。しかしこのような活性層とした場合、この活性層に見合うバリア層を作成するに当たり、格子整合系で十分なバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を得ようとするとミシビリティ・ギャップの領域に入ってしまい作製が不可能となる。このため、ある程度大きな引っ張り歪の入ったバリア層であってもその採用を余儀なくされることとなり、結果として半導体レーザ装置の信頼性の低下をもたらす。
【００１０】
また、キャリアの閉じ込めを良好にするためには、バリア層を引っ張り歪の入った組成領域の構成とし、結果として量子井戸活性領域全体として大きな引っ張り歪を受けた状態となるため、欠陥が入りやすく結晶性が低下し、半導体レーザ装置の信頼性が低下する。この対応として一般的に、量子井戸層には逆向きの圧縮歪みを用いる試みが採用されている。しかし、格子整合系あるいはその近傍の組成を用いてしかもミシビリティ・ギャップ外の領域の組成を用いても、得られる圧縮歪はせいぜい１％程度にすぎない。このような組成を用いて半導体レーザ装置を作製すると、結晶内部に存在する欠陥が通電により増殖し、装置の劣化を招きやすくなり、装置の信頼性が低下してしまう。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題を解決し、バリア層と量子井戸層の活性領域における歪を補償し、高出力でありかつ信頼性の高い、７６０〜８００ｎｍのＡｌフリーの半導体レーザ装置、及びそれを用いた光ディスク用再生記録装置を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ装置は、ＧａＡｓ基板上に、下クラッド層、バリア層と量子井戸層を有する活性領域、上クラッド層を積層してなる半導体レーザ装置であって、前記量子井戸層がＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyからなり、ｘが０．６９以上である。また本発明の半導体レーザ装置においては、前記下クラッド層及び前記上クラッド層がＡｌＧａＡｓ層である。さらに、前記バリア層がＧａＡｓ層であってもよい。本発明の半導体レーザ装置において、量子井戸層の基板に対する圧縮歪が３．５％以下である。また、前記量子井戸層厚は６０Å未満である。
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置において、バリア層が引っ張り歪を有し、前記量子井戸層及び前記バリア層からなる活性領域が歪補償構造を有する。本発明の半導体レーザ装置においては、発振波長が７６０ｎｍ以上８００ｎｍ未満である。さらに光ディスク再生記録装置において、本発明の半導体レーザ装置を用いる。
【００１４】
また、本発明の半導体レーザ装置においては、基板と下クラッド層の間にバッファ層、下クラッド層と活性領域との間に下ガイド層、活性領域と上クラッド層との間に上ガイド層、又は第二クラッド層に続いて保護層を積層してもよい。
【００１５】
本発明の半導体レーザにおけるように、量子井戸層（活性層）をＩｎＧａＡｓＰ系としＩｎ組成比を０．６９以上とすることは、上記従来技術において説明したように大きな圧縮歪を有する状態とすることを意味し、これまで半導体レーザの作製を実現する前提条件として考えられてきた領域を大きく外れることを意味する。すなわち、半導体レーザの作製が実現困難であると考えられている大きな圧縮歪の入った状態を採用することを意味するのである。しかしながら驚くべきことに、本発明においては、量子井戸層（活性層）に大きな圧縮歪を存在させるものの、バリア層に大きな引っ張り歪を存在させ自動的に活性層との間の歪を補償させる構造をとることによって、これらの技術的な課題を解消することができたのである。また本発明においては、ＩｎＧａＡｓＰ系活性層のＩｎ組成比が大きい領域をとることから、結晶欠陥が増殖しにくいという効果も得られた。
【００１６】
Ｐ組成比については任意に広範な範囲から選択することができ、特に限定されるものではない。本発明においては、好適な範囲として０．４０以上を採用して半導体レーザ装置の作製を実現した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明にかかる半導体レーザ装置の構造の一例を示したものである。この構造は、半導体基板表面にバッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、量子井戸活性領域、および第二導電型半導体上クラッド層が積層され、前記上クラッド層の一部までがメサストライプ形状を有し、前記ストライプ両側を第一・第二導電型半導体電流ブロック層によって埋め込まれている半導体レーザ装置である。
【００１８】
図２〜図４を参照しながら、前記半導体レーザ構造の作製方法を説明する。（１００）面を持つｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層１０３（層厚：２．０μｍ）、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ下ガイド層１０４（層厚：３００Å）、Ｉｎ0.75Ｇａ0.25Ａｓ0.15Ｐ0.85圧縮歪量子井戸層（歪：２．４８％、層厚：５４Å、２層）とＧａＡｓ0.72Ｐ0.28引っ張り歪バリア層（歪：−１．０％、層厚：５０Å、３層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性層１０５、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ上ガイド層１０６（層厚：３００Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第一上クラッド層１０７（層厚：０．２３５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１０８（層厚：３０Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第二上クラッド層１０９（層厚：１．２μｍ）、ＧａＡｓ保護層１１０（層厚：０．７５μｍ）を順次有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）にて結晶成長させた。さらにメサストライプ部を形成する部分に、レジストマスク１１１をストライプ方向が（０１１）方向を持つように写真工程（フォトリソグラフィの手法）により作製した（図２）。
【００１９】
次に、前記レジストマスク部１１１以外の部分をエッチングし、メサストライプ部１２１ａを形成する。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液およびフッ酸を用い二段階で行い、エッチングストップ層１０８直上まで行った。ＧａＡｓはフッ酸によるエッチングレートが非常に遅いということを利用し、エッチング面の平坦化およびメサストライプの幅制御を可能にしている。エッチングの深さは１．９５μm、メサストライプの幅はエッチングストップ層１０８直上で約２．５μmである。エッチング後、上記レジストマスク１１１を除去した（図３）。
【００２０】
続いてｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ第一ブロック層１１２（層厚：０．６μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第二ブロック層１１３（層厚：０．３μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１４（層厚：１．０５μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、光・電流狭窄領域を形成した。その後写真工程により、上記メサストライプ部両側１２１ｂ上にのみレジストマスク１１５を形成した（図４）。
【００２１】
続いて上記メサストライプ部１２１ａ上のブロック層をエッチングにより除去した。このエッチングには、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液および硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、二段階でエッチングを行った。その後上記レジストマスク１１５を除去し、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１６（層厚：２．０μｍ）を積層した。このようにして、図１に示す構造の半導体レーザ装置を作製することができた。
【００２２】
本実施の形態において、上記歪量子井戸層であるＩｎ0.75Ｇａ0.25Ａｓ0.15Ｐ0.85は、歪によるエネルギーシフトを考慮した、バルクでのバンドギャップエネルギーがおよそ１．５５３ｅＶであるが、量子井戸となっているのでそれよりもバンドギャップが大きくなり、およそ１．５８９ｅＶとなって発振波長がおよそ７８０ｎｍとなった。前記量子井戸層の組成付近の組成図を図７に示す。
【００２３】
一般に半導体レーザ作製時の半導体各層の組成を決定するためには、図７に示されるような組成図が用いられる。図７には、組成図に合わせて、歪を考慮したバルクでの等バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）線（実線）、等歪量線（破線）、各成長温度におけるミシビリティ・ギャップ（一点鎖線）を示す。
【００２４】
等歪量線は、ＧａＡｓ基板に格子整合する組成比を０％としている。前述したようにこの歪量は、ＧａＡｓ基板の格子定数をａGaAs、半導体層の格子定数をａ1とすると、（ａ1−ａGaAs）／ａGaAsで表される。この値が正であれば圧縮歪、負であれば引っ張り歪と呼ばれる。
【００２５】
一般的に等Ｅｇ線は、組成比より算出されたバルクにおけるバンドギャップエネルギーの等しい組成比をプロットして得る。しかし、従来得られている等Ｅｇ線ついては、異なる計算例に基づくものがみられ、あまり明確なものではなかった。また、等Ｅｇ線は歪量によって変動するにもかかわらず、この影響を考慮した等Ｅｇ線も得られていない。そこで本発明者らは、これまでの実験結果を鋭意検討し、独自に計算式を導き出して等Ｅｇ線を作成した。また、歪量によるＥｇの変動量の加味した等Ｅｇ線とすることができた。
【００２６】
また前述したように、このような化合物半導体混晶の結晶成長においては、すべての組成領域で安定とは限らず、均一な結晶を得ることができない（スピノーダル分解を起こす）組成領域（ミシビリティ・ギャップ）が存在する。この領域は結晶成長温度によって変化し、高温ほどミシビリティ・ギャップは小さく、低温ほど大きい。図７において、２００〜８００℃におけるミシビリティ・ギャップを示しており、等温度でスピノーダル分解を起こす組成比をプロットしている（スピノーダル曲線、一点鎖線）。
【００２７】
本実施の形態で得られた半導体レーザ装置を信頼性試験に供したところ、８５℃、２００ｍＷでも、５０００時間以上安定に動作することが確認された。このことは、結晶内部に欠陥が存在していても半導体レーザに通電するとＩｎの組成比が大きいため欠陥が増殖しにくく、半導体レーザ装置の長寿命化・高信頼性という効果が得られたものと推測される。Ｉｎの組成比が０．６９以上の場合、より顕著にこの効果があらわれた。このため、従来窓構造を用いてレーザの高出力化をはかっていたが、本発明の場合窓構造を用いることなく、高出力化・高信頼性という効果が得られた。このことは、低価格で高信頼性の半導体レーザ装置が実現することを意味する。
【００２８】
上記歪量子井戸層の歪を考慮したバルクでのＥｇを同値として組成比を変化させ歪量を増加させると、歪量３．５％を越える領域においては試作された半導体レーザ装置の信頼性が悪くなる傾向が見られた。よって、安定した膜厚で半導体レーザ装置を作製するためには、量子井戸層の歪量は３．５％以内であることが好ましい。
【００２９】
また、上記歪量子井戸層の組成の結晶成長について、スピノーダル分解を起こす温度はおよそ５００℃である。このため、通常用いられる６００〜７５０℃という成長温度で均質な膜を得ることができる。また７５０℃を越えない温度であれば、不純物が拡散することを防ぐことができることも確認された。さらに、Ｉｎの組成比が０．６９以上の領域であれば、成長温度７５０℃においてはミシビリティ・ギャップ外となることから、通常の成長温度である６００〜７５０℃での成長が可能である。
【００３０】
上記歪量子井戸層の層厚は、５４Åであった。さらにこの層厚を大きくすることによって、より長波長の光を発振させることもできる。しかし、前記量子井戸層の歪量が２．４８％である本実施の形態の場合には、６０Å以上では信頼性が低下する傾向が見られた。従って、安定した膜質でレーザを作製するには、６０Å未満であることが好適であることがわかった。
【００３１】
圧縮歪量子井戸層の微分利得は層厚に依存しており、およそ層厚４０Åにピークを持っている。この微分利得が大きいほど、高速変調に対応した半導体レーザ装置となるので、層厚６０Å未満、特に４０±２０Å程度であることが好適である。
【００３２】
本実施の形態においては、量子井戸層の有する圧縮歪量が大きくバリア層に引っ張り歪をもたせて歪を補償しているので、バリア層が引っ張り歪を有していない場合より高信頼性の半導体レーザ装置が得られた。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、半導体レーザ装置はリッジ構造（半導体レーザの積層構造において、上クラッド層までがメサストライプ形状であり、メサストライプ両側に光・電流狭窄層を設けている構造）を有しているが、ＢＨ構造（埋め込みヘテロ形構造。半導体レーザの積層構造において、下クラッドの一部までがメサストライプ形状であり、メサストライプ両側に光・電流狭窄層を設けている構造）を有していても同様の効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２
図５は、本発明にかかる半導体レーザ装置の構造の一例を示したものである。この構造は、半導体基板表面にバッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、量子井戸活性領域、および第二導電型半導体上クラッド層が積層され、前記層構造がメサストライプ形状を有し、前記ストライプ両側を電流ブロック層によって埋め込まれ、前記構造表面にクラッド層およびキャップ層が積層され、前記キャップ層上に金属電極が配されている半導体レーザ装置である。
【００３５】
前記半導体レーザ構造の作製方法を説明する。まず（１００）面を持つｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層２０３（層厚：１．５μｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.60Ｐ0.40下ガイド層２０４（層厚：４００Å）、Ｉｎ0.7１Ｇａ0.29Ａｓ0.18Ｐ0.82圧縮歪量子井戸層（歪：２．２９％、層厚：５２Å、３層）とＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.60Ｐ0.40引っ張り歪バリア層（歪：−０．３４％、層厚：８０Å、２層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性層２０５、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ0.60Ｐ0.40上ガイド層２０６（層厚：４００Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上クラッド層２０７（層厚：１．５μｍ）、ＧａＡｓ保護層２０８（層厚：２００Å）を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で順次結晶成長させた。
【００３６】
さらにＳｉＯ2絶縁膜を積層し、メサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向を持つように写真工程により作製した。その後、レジストマスク以外の絶縁膜を取り除き、さらにレジストマスクを除去し、ストライプ状の絶縁膜マスクを得た。
【００３７】
次に、前記絶縁膜マスク部以外の部分をエッチングし、逆メサストライプ部２２１ａを形成した。エッチングは臭化水素水と過酸化水素水の混合水溶液を用い、下クラッド層２０３の途中まで行った。エッチングの深さは約２．０μｍ、メサストライプの幅は量子井戸活性領域で約１．５μｍであった。続いて前記ストライプ部２２１ａ側面および前記メサストライプ部両側２２１ｂにバッファードフッ酸（フッ化水素とフッ化アンモニウムの混合溶液）にて表面の清浄処理を施した。
【００３８】
次に、上記絶縁膜マスクを選択成長用マスクとしてｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓブロック層２０９（層厚：１．０μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓブロック層２１０（層厚：１．０μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、メサストライプ部両側２２１ｂに光・電流狭窄領域を形成した。その後上記絶縁膜マスクを取り除き、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層２１１（層厚：１．０μｍ）、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１２（層厚：２．０μｍ）を順次積層した。このようにして、図５に示す構造の半導体レーザ装置を作製することができた。
【００３９】
本実施の形態において、上記歪量子井戸層であるＩｎ0.71Ｇａ0.29Ａｓ0.18Ｐ0.82は、歪を考慮したバルクでのバンドギャップエネルギーがおよそ１．５５３ｅＶであるが、量子井戸となっているのでそれよりもバンドギャップが大きくなり、およそ１．５８９ｅＶとなって発振波長がおよそ７８０ｎｍとなった。前記量子井戸層の組成付近の組成図を図７に示す。
【００４０】
また、本実施の形態において、上記歪量子井戸層のＩｎ組成比が０．７１であるが、これによる効果は実施の形態１と同様であった。上記歪量子井戸層の歪量が２．４８％であるが、この歪量における効果は実施の形態１と同様であった。また、上記歪量子井戸層の層厚が５２Åであるが、この層厚における効果は実施の形態１と同様であった。さらに、バリア層は引っ張り歪を有しており、このことから得られる効果は実施の形態１と同様であった。
【００４１】
本実施の形態において、半導体レーザ装置はＢＨ構造を有しているが、リッジ構造を有していても同様の効果が得られる。またＢＨ構造には量子井戸活性領域側面に再成長界面が存在し結晶欠陥が生じやすいが、Ｉｎが多い組成比になっているため、側面の再成長界面に対する欠陥抑制の効果が得られ、より有効である。また、井戸層だけでなくバリア層やガイド層もＩｎの入った組成のため、上記効果が得られる。
【００４２】
実施の形態３
図６は、本発明にかかる半導体レーザ装置の構造の一例を示したものである。この構造は、半導体基板表面にバッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、量子井戸活性領域、および第二導電型半導体上クラッド層が積層され、前記上クラッド層の一部までがメサストライプ形状を有し、前記ストライプ両側を第一・第二導電型半導体電流ブロック層によって埋め込まれている半導体レーザ装置である。
【００４３】
前記半導体レーザ構造の作製方法を説明する。（１００）面を持つｎ−ＧａＡｓ基板３０１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層３０２（層厚：０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層３０３（層厚：２．０μｍ）、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ下ガイド層３０４（層厚：３００Å）、Ｉｎ0.69Ｇａ0.31Ａｓ0.57Ｐ0.43圧縮歪量子井戸層（歪：３．４７％、層厚：３４Å、２層）とＩｎ0.03Ｇａ0.97Ａｓ0.68Ｐ0.32引っ張り歪バリア層（歪：−０．９３％、層厚：１００Å、３層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性層３０５、ｎ−Ａｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ上ガイド層３０６（層厚：３００Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第一上クラッド層３０７（層厚：０．２３５μｍ）、ｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層３０８（層厚：３０Å）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第二上クラッド層３０９（層厚：１．２μｍ）、ＧａＡｓ保護層３１０（層厚：０．７５μｍ）を順次有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）にて結晶成長させた。さらにメサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向を持つように写真工程により作製した。
【００４４】
次に、前記レジストマスク部以外の部分をエッチングし、メサストライプ部３２１ａを形成した。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液およびフッ酸を用い二段階で行い、エッチングストップ層３０８直上まで行った。ＧａＡｓはフッ酸によるエッチングレートが非常に遅いということを利用し、エッチング面の平坦化およびメサストライプの幅制御を可能にしている。エッチングの深さは１．９５μm、メサストライプの幅はエッチングストップ層３０８直上で約２．５μmであった。エッチング後、上記レジストマスクを除去した。
【００４５】
続いてｎ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ第一ブロック層３１２（層厚：０．６μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第二ブロック層３１３（層厚：０．３μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ平坦化層３１４（層厚：１．０５μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、光・電流狭窄領域を形成する。その後写真工程により、上記メサストライプ部両側３２１ｂ上にのみレジストマスクを形成した。
【００４６】
続いて上記メサストライプ部３２１ａ上のブロック層をエッチングにより除去した。このエッチングには、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液および硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、二段階でエッチングを行った。その後上記レジストマスクを除去し、ｐ−ＧａＡｓキャップ層３１６（層厚：２．０μｍ）を積層した。このようにして、図６に示す構造の半導体レーザ装置を作製することができた。
【００４７】
本実施の形態において、上記歪量子井戸層であるＩｎ0.69Ｇａ0.31Ａｓ0.0.57Ｐ0.43は、歪によるエネルギーシフトを考慮した、バルクでのバンドギャップエネルギーがおよそ１．２６８ｅＶであるが、量子井戸となっているのでそれよりもバンドギャップが大きくなり、およそ１．３９３ｅＶとなって発振波長がおよそ８９０ｎｍとなった。前記量子井戸層の組成付近の組成図を図７に示す。
【００４８】
また、上記歪量子井戸層のＩｎの組成比が０．６９であるが、これによる効果は実施の形態１と同様であった。上記歪量子井戸層の歪量が３．４７％であるが、この歪量における効果は実施の形態１と同様であった。
【００４９】
上記歪量子井戸層の層厚が３４Åであるが、この層厚における効果は実施の形態１と同様であった。また、バリア層は引っ張り歪を有しており、このことから得られる効果は実施の形態１と同様であった。
【００５０】
半導体レーザ装置はリッジ構造を有しているが、ＢＨ構造を有していても同様の効果が得られる。
以上の実施の形態１〜３において、各半導体層を形成する成長方法を一例として示したが、これら各実施の形態に示したものに限定されるものではなく、これら以外のもの、たとえばガスソースや有機金属ソースの分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）を用いることもできる。
【００５１】
また、量子井戸層の層厚、層数についても、実施の形態１〜３に示すものに限定されるものではなく、実施の形態に示したもの以外のものであっても同様な効果を得ることができる。また、半導体レーザ装置は、各実施の形態で示したリッジ構造やＢＨ構造だけに限定されず、ブロードエリア構造の半導体レーザ装置であってもよい。さらに、各実施の形態で示した電流ブロック層としてｐｎ逆接合の半導体埋め込み構造に限定されることなく、たとえば高抵抗層埋め込みや、絶縁体膜埋め込みなどであってもよい。
【００５２】
実施の形態４
図８は、本発明にかかる光ディスク記録再生装置の構造の一例を示したものである。これは光ディスク４０１にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生するためのものであり、その際用いられる発光素子として、先に説明した本発明実施の形態１の半導体レーザ装置４０２を備えている。
【００５３】
この光ディスク記録再生装置についてさらに詳しく説明する。書き込みの際は、半導体レーザ装置４０２から出射された信号光がコリメートレンズ４０３により平行光とされ、ビームスプリッタ４０４を透過しλ／４偏光板４０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ４０６で集光され光ディスク４０１に照射される。読み出し時には、データ信号がのっていないレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク４０１に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク４０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ４０６、λ／４偏光板４０５を経た後、ビームスプリッタ４０４で反射され９０°角度を変えた後、再生光用対物レンズ４０７で集光され、信号検出用受光素子４０８に入射する。信号検出用受光素子内で入射したレーザ光の強弱によって記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路４０９において元の信号に再生される。
【００５４】
本実施の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装置を用いているため、ディスクの回転数を従来より高速化してもデータの読み書きが可能である。従って特に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装置を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適に操作できる光ディスク装置を提供することができた。
【００５５】
なお、ここでは本発明の半導体レーザ装置を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したがこれに限定されるものではなく、同じ波長７８０ｎｍ帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置にも適用することもできる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧａＡｓ基板上に作製された半導体レーザ装置において、ＡｌフリーのＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸層におけるＩｎ組成比を０．６９以上とすることによって、高圧縮歪を得ることができ、またＩｎ不足による結晶欠陥の生成および増殖を防ぐことができ、高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。また、上記歪量子井戸層の歪量を３．５％以下とすることにより、安定した膜質の井戸層をもつ、高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。さらに、上記歪量子井戸層の層厚を６０Å未満、好ましくは２０Å以上６０Å未満とすることによって、安定した膜質の量子井戸層をもつ、高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。
【００５７】
また本発明によれば、上記歪量子井戸層の組成であれば、成長温度７５０℃以下で前記量子井戸層を成長させ、相分離を起こさず不純物の拡散を防ぐことができ、高信頼性の半導体レーザを作製することができる。また、量子井戸活性領域に歪補償構造を設けることで、結晶欠陥が少なくなり、より高信頼性の半導体レーザ装置を作製することができる。
【００５８】
さらにこの発明によれば、本発明による半導体レーザ素子を用いてより高速な光ディスク再生記録装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、第１回結晶成長マスクプロセス終了後の断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、メサストライプ形成エッチングプロセス終了後の断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、ブロック層埋込結晶成長プロセス終了後の断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図５】 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図６】 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の断面図である。
【図７】 Ｉｎ1-xＧａxＡｓ1-yＰy組成図における、ＧａＡｓ基板に対する等歪量線、歪を考慮したバルクでの等バンドギャップエネルギー曲線およびスピノーダル分解曲線を示したグラフである。
【図８】 本発明の実施の形態４に係る光ディスク記録再生装置の概略図である。
【図９】 従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ 下クラッド層
１０４ 下ガイド層
１０５ 多重歪量子井戸活性層
１０６ 上ガイド層
１０７ 第一上クラッド層
１０８ エッチングストップ層
１０９ 第二上クラッド層
１１０ 保護層
１１１ レジストマスク
１１２ 第一ブロック層
１１３ 第二ブロック層
１１４ 平坦化層
１１５ レジストマスク
１１６ キャップ層
１２１ａ メサストライプ部
１２１ｂ メサストライプ部両側
２０１ 基板
２０２ バッファ層
２０３ 下クラッド層
２０４ 下ガイド層
２０５ 多重歪量子井戸活性層
２０６ 上ガイド層
２０７ 上クラッド層
２０８ 保護層
２０９ ブロック層
２１０ ブロック層
２１１ クラッド層
２１２ キャップ層
２２１ａ ストライプ部
２２１ｂ メサストライプ部両側
３０１ 基板
３０２ バッファ層
３０３ 下クラッド層
３０４ 下ガイド層
３０５ 多重歪量子井戸活性層
３０６ 上ガイド層
３０７ 第一上クラッド層
３０８ エッチングストップ層
３０９ 第二上クラッド層
３１０ 保護層
３１２ 第一ブロック層
３１３ 第二ブロック層
３１４ 平坦化層
３１６ キャップ層
３２１ａ メサストライプ部
３２１ｂ メサストライプ部両側
４０１ 光ディスク
４０２ 半導体レーザ装置
４０３ コリメートレンズ
４０４ ビームスプリッタ
４０５ 偏光板
４０６ レーザ光照射用対物レンズ
４０７ 再生光用対物レンズ
４０８ 信号検出用受光素子
４０９ 信号光再生回路
５０１ 基板
５０２ クラッド層
５０３ 光ガイド層
５０４ バリア層
５０５ 量子井戸活性層
５０６ バリア層
５０７ 光ガイド層
５０８ クラッド層
Claims (5)
- ＧａＡｓ基板上に、下クラッド層のＡｌＧａＡｓ層、バリア層のＩｎＧａＡｓＰ層と量子井戸層を有する活性領域、及び上クラッド層のＡｌＧａＡｓ層を積層してなる半導体レーザ装置であって、前記バリア層が引っ張り歪を有し、前記量子井戸層及び前記バリア層からなる活性領域が歪補償構造を有し、かつ前記量子井戸層がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙからなり、ｘが０．６９以上、ｙが０．４０以上である、発振波長が７６０ｎｍ以上８００ｎｍ未満の半導体レーザ装置。
- 前記量子井戸層の前記基板に対する圧縮歪が３．５％以下である請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記量子井戸層厚が６０Å未満である請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記量子井戸層厚が２０Å以上６０Å未満である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置を用いた光ディスク再生記録装置。
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