JP4124921B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長６３０〜６８０ｎｍで発振する半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＶＤ（Ｄigital Ｖideo又はＶersatile Ｄisk）等の光ディスク記録再生装置の読み取り及び書き込み用光源として、波長６３０〜６８０ｎｍの赤色半導体レーザ装置の開発が行われている。光ディスク装置の書き込み速度を上げるためには、半導体レーザの高出力化が必要とされている。
【０００３】
このような状況における従来の赤色半導体レーザの各種構成例について、以下に説明する。
【０００４】
ａ．従来技術１
図５に特開平１１−２６８８０号公報に示されるＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザの断面構造図を示す。図５において、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層とを交互に積層した量子井戸活性層４、低キャリア濃度（２〜６×１０17ｃｍ-3）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング阻止層６が積層されている。１０はエッチング阻止層６の表面上の一部に形成された、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰキャリア拡散抑制層７と、高濃度（４〜１５×１０17ｃｍ-3）ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８と、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層９とを順に積層したリッジ構造体である。１１はエッチング阻止層６の表面上のリッジ構造体１０以外の部分に形成されたｎ型ＧａＡｓ電流阻止層であり、１２はこの電流阻止層１１及びバンド不連続緩和層９上に形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層である。１３はコンタクト層１２の表面に形成されたｐ型電極であり、１４は基板１の裏面に形成されたｎ型電極である。
【０００５】
この半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１１によって挟まれたリッジ構造体１０を電流通路として電流狭窄がなされる。同時に、ＧａＡｓ電流狭窄層１１が量子井戸活性層４からの光を吸収するため、リッジの内外で実効屈折率差を形成して光を閉じ込めている。しかしながら、ＧａＡｓ電流狭窄層１１における光の吸収損失のため、動作電流が高くなるという問題がある。
【０００６】
ｂ．従来技術２
図６に特開平９−１７２２２２号公報に示される赤色半導体レーザの断面構造図を示す。図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１５上に、順次ｎ型ＧａＡｓバッファ層１６、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７、ＧａＩｎＰ活性層１８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層２０がエピタキシャル成長されている。そして、中間層２０を横切りｐ型クラッド層１９に至る深さで対のストライプ状溝を形成し、溝間にストライプ状リッジ２１を形成する。そして、溝を埋め込むようにｎ型ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層２２を形成し、さらに全面的にｐ型ＧａＡｓキャップ層２３をエピタキシャル成長している。
【０００７】
この半導体レーザは、電流狭窄層２２がＡｌＧａＡｓから構成されており、Ａｌの量が活性層１８のバンドギャップよりも大きくなるように選定されている。例えば、活性層の波長が６５０ｎｍのときには、Ａｌ組成が０．３９以上となっており、波長６３０ｎｍのときには０．４５以上となっている。そのため、ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層２２はレーザ光に対して透明であり、導波路損失を小さくすることができる。
【０００８】
ｃ．従来技術３
図７に特開平７−２４９８３８号公報に示される赤色半導体レーザの断面構造図を示す。図７において、ｎ型ＧａＡｓ基板２４上に、ｎ型（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２５、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層の量子井戸構造からなる活性層２６、ｐ型（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ内側クラッド層２７、ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐエッチングストッパ層２８、ｐ型（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ外側クラッド層２９、ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐバッファ層３０、ｐ型ＧａＡｓキャップ層３１が形成されている。そして、幅６μmのストライプ状窒化シリコンマスクを形成し、ウェットエッチングによりエッチングストッパ層２８までエッチングしてメサ構造を形成する。そして、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２とｎ型ＧａＡｓキャップ層３３を成長する。ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２は、メサ側面（斜線部分）の組成がＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐとなるように成長されている。そして、窒化シリコンマスクを除去後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３４を成長する。
【０００９】
図７に示す半導体レーザにおいても、電流ブロック層３２がレーザ光に対して透明なＡｌＩｎＰで構成されているため導波路損失が小さくなっている。また、ＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ内側及び外側クラッド層よりも屈折率が低いため、リッジの内外で実屈折率差が形成されて実屈折率導波型半導体レーザとなっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、図６及び図７に示した半導体レーザにおいては、電流狭窄層の光吸収損失を低減するために、電流狭窄層のＡｌ組成を増加させている。図６においては、活性層の波長が６５０ｎｍのときには、ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層２２のＡｌ組成は０．３９以上となっており、また、図７においてはメサ近傍のＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２のＡｌ組成は０．５となっている。このＡｌ組成は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの典型的なクラッド層材料である（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5ＰのＡｌ組成０．３５に比べて大きい値となっている。Ａｌ含有量の多い半導体層は表面準位が多く、これを介した非発光再結合が増加するため、レーザ共振器端面の光学損傷が発生しやすくなるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、導波路吸収損失が小さく、かつ、共振器端面の光学損傷を抑制する赤色半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する第１導電型基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ下部光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びＧａＩｎＰ上部第１光導波層を有し、前記ＧａＩｎＰ下部光導波層とＧａＩｎＰ上部第１光導波層は前記ＧａＩｎＡｓＰ活性層を挟んで上下に隣接して形成され、電流注入するストライプ領域の両側の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上にＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層を有し、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、ＡｌＧａＩｎＰ上部第２光導波層及び第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が形成されてなり、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層のＡｌ組成が、前記第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成と略等しい。
【００１５】
従って、活性層の上下に光導波層を有するＳＣＨ構造の赤色半導体レーザとなっており、活性層に隣接した下部光導波層と上部第１光導波層はＡｌを含まないＧａＩｎＰから構成されているので、レーザ共振器端面の光学損傷を抑制することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の赤色半導体レーザ装置において、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層が、ＧａＩｎＰからなる。
【００１７】
従って、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域のＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層をＧａＩｎＰで形成することにより、２回目の結晶成長がＡｌを含まない層から積層できるため、再成長層の結晶品質を向上させることができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する第１導電型基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ下部光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びＧａＩｎＰ上部第１光導波層を有し、前記ＧａＩｎＰ下部光導波層とＧａＩｎＰ上部第１光導波層は前記ＧａＩｎＡｓＰ活性層を挟んで上下に隣接して形成され、電流注入するストライプ領域の両側の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、Ａｌ組成が第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成と略等しいＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層を有し、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、ＧａＩｎＰ上部第２光導波層及び前記第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が形成されてなり、前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層と前記ＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和が前記ＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しい。
【００１９】
従って、ＧａＩｎＰ上部第１光導波層とＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和がＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しいことによって、ストライプ領域の垂直方向の屈折率分布がほぼ対称となるので、活性層は光の強度が最も強い中心位置にあって光閉じ込め係数が高くなり、従って、レーザの閾電流密度を低減させることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、第１導電型ＧａＡｓ上に第１導電型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成した第１導電型ＧａＡｓＰ厚膜を前記第１導電型基板として用いてなる。
【００２１】
従って、ｎ型ＧａＡｓ上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成したｎ型ＧａＡｓＰ厚膜を成長したエピタキシャル基板は６６０ｎｍ帯赤色ＬＥＤ用基板として市販されており、これをレーザの基板として用いることでレーザの作製が容易となる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層が、基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層と第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成してなる。
【００２３】
従って、電流ブロック層を基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層及び第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成することにより、ストライプ領域外側はｐｎ逆バイアス接合となって有効な電流狭窄が可能となる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、ＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成してなる。
【００２５】
従って、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、Ａｌを含まないＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成することにより、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層表面の酸化を抑制でき、再成長が容易となる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、電流注入するストライプ幅が５μｍよりも狭い。
【００２７】
従って、電流注入するストライプ領域の幅を５μｍより狭くしても、電流ブロック層にしみ出したレーザ光が吸収されないため導波路損失が増大することがなく、閾電流を低減させることができる。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを含む。
【００２９】
従って、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを含むことにより、ヒロックの発生を抑制して表面平坦性を改善することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の参考例を図１及び図２に基づいて説明する。
【００３１】
［構造］本参考例の赤色半導体レーザの断面構造図を図１に示す。図１において、１１５はｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層１０２、ｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３を積層したＧａＡｓＰ基板である。
【００３２】
１０４はｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層、１０５はｎ型クラッド層１０４上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ活性層、１０６は活性層１０５上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐエッチングストップ層である。
【００３３】
１０７は電流注入するストライプ領域を除いてエッチングストップ層１０６上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層であり、１０８はｐ型電流ブロック層１０７上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層である。
【００３４】
１０９はｎ型電流ブロック層１０８及びストライプ領域のエッチングストップ層１０６上に形成された（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.7Ｉｎ0.3Ｐ光導波層であり、１１０は光導波層１０９上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層、１１１はｐ型クラッド層１１０上に形成されたｐ型Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐバンド不連続緩和層、１１２はｐ型バンド不連続緩和層１１１上に形成されたｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4キャップ層である。
【００３５】
１１３はｐ型キャップ層１１２表面に形成されたｐ側電極であり、１１４はｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面に形成されたｎ側電極である。
【００３６】
［製造方法］次に、このように構成された赤色半導体レーザの製造方法について図２を用いて説明する。最初に、図２(ａ)に示すようにＧａＡｓＰ基板１１５上に、ｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層１０４、バンドギャップ波長６３５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ活性層１０５、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐエッチングストップ層１０６、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０７、ｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０８を順次エピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長は有機金属気相成長法で行った。
【００３７】
次に、エピタキシャル基板のｎ型電流ブロック層１０８上にレジストマスク２０１を形成し、フォトリソグラフィ技術により幅６μｍのストライプ状窓を形成する。そして、レジストマスク２０１をマスクとしてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層１０７、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層１０８をＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６表面までケミカルエッチングして、図２(ｂ)に示すようなストライプ状溝を形成する。エッチングは硫酸系エッチング溶液を用いた。
【００３８】
次に、レジストマスク２０１を除去した後に、図２(ｃ)に示すように有機金属気相成長法を用いて（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.7Ｉｎ0.3Ｐ光導波層１０９、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層１１０、ｐ型Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐバンド不連続緩和層１１１、ｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4キャップ層１１２を順次エピタキシャル成長させる。
【００３９】
その後、ｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4キャップ層１１２表面にｐ側電極１１３を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１を研磨した後に、基板裏面にｎ側電極１１４を形成して図１に示したような構造の赤色半導体レーザを得る。
【００４０】
［動作］本参考例による赤色半導体レーザにおいては、ストライプ領域の外側に設けられたＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層１０７，１０８によって電流がストライプ領域に狭窄される。
【００４１】
電流ブロック層は、基板側からｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ層１０７とｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ層１０８を積層して構成されており、ストライプ領域外側ではｐｎｐｎ接合となっている。そのため、ｐｎ逆バイアス接合により電流がほとんど流れなくなり、ストライプ領域に電流を狭窄することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では電流ブロック層がｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層の２層から組成されているが、組成やキャリア濃度，導電型が異なる２層以上の層から形成されていてもよい。或いは、高抵抗又は半絶縁性のＡｌＧａＩｎＰ１層で構成することも可能である。
【００４３】
ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０５に電流が注入されると、バンドギャップに対応した６３５ｎｍの発光が生じる。そして、ストライプ状溝部では薄いＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６を介して活性層１０５の上部に（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.7Ｉｎ0.3Ｐ光導波層１０９が設けられている。光導波層１０９の屈折率は活性層１０５の屈折率よりも小さく、クラッド層及び電流ブロック層の屈折率よりも大きくなっている。一方、溝の外側では活性層１０５から離れた位置に光導波層１０９が位置している。従って、ストライプ溝部のほうが外部よりも実効屈折率が高くなり、活性層で発生した光を閉じ込める光導波路を形成する。
【００４４】
水平横モードは、ストライプ状溝部の外側にしみ出すが、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０７及びｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０８は活性層１０５よりもバンドギャップが大きいため、光吸収がない。従って、導波路損失が低減され、レーザの動作電流を低減することができる。
【００４５】
また、導波路の実効屈折率差を形成するのに、電流ブロック層の屈折率を低減するのではなく光導波層の位置を変えることによって実現している。そのため、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０７及びｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０８のＡｌ組成はｐ型クラッド層１１０と同じ値にすることができる。従って、電流ブロック層のＡｌ組成を増加する必要がなく、レーザ共振器端面の光学損傷レベルを低下させることがない。
【００４６】
また、本参考例の赤色半導体レーザは、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＧａＡｓ0.6Ｐ0.4基板上に積層されている。ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4に格子整合するＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐのバンドギャップ波長は５６０ｎｍであり、活性層１０５のバンドギャップ波長６３５ｎｍよりも短波長となる。従って、活性層１０５に隣接したＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐエッチングストップ層１０６は活性層よりもバンドギャップが大きいキャリアブロック層として働き、活性層の光を吸収することがない。そして、ＧａＩｎＰは硫酸系エッチングに対してエッチングレートが非常に低いため、ＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層との選択エッチングが容易となっている。
【００４７】
ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＧａＡｓ0.6Ｐ0.4基板１１５は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層１０２、ｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３を気相成長法で積層して形成されている。このようなエピタキシャル基板は６６０ｎｍ帯赤色ＬＥＤ用基板として市販されており、これを用いることによってレーザの作製が容易となる。
【００４８】
本発明の第一の実施の形態を図３に基づいて説明する。参考例で示した部分と同一部分は同一符合を用いて示し、説明も省略する（以下の実施の形態でも同様とする）。
【００４９】
［構成］図３は本発明の第一の実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。図３において、３０１はｎ型クラッド層１０４上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ下部光導波層であり、３０２は下部光導波層３０１上に形成された、ＧａＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの歪超格子構造からなる量子井戸活性層であり、３０３は量子井戸活性層３０２上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第１光導波層である。３０４はｎ型電流ブロック層１０８及びストライプ領域の上部第１光導波層３０３上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第２光導波層である。他の点は、参考例に示した赤色半導体レーザの構造と同様である。
【００５０】
［動作］
本実施の形態においては、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ量子井戸活性層３０２の上下に光導波層３０１，３０３を有するＳＣＨ構造となっており、下部光導波層３０１と上部第１光導波層３０３はＡｌを含まないＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐから構成されている。即ち、活性層及び活性層に隣接した領域がＡｌを含んでいない。従って、第一の実施の形態に比べてレーザ共振器端面の酸化や表面準位を低減でき、端面の光学損傷発生レベルを抑制することができる。
【００５１】
また、ｎ型電流ブロック層１０８上及びストライプ領域の上部第１光導波層３０３上に形成する上部第２光導波層３０４はＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐで構成されている。従って、２回目の結晶成長がＡｌを含まない層から積層することができ、再成長層の結晶品質が向上する。
【００５２】
さらに、本実施の形態の半導体レーザにおいては、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第１光導波層３０３とＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第２光導波層３０４の層厚の和がＧａ0. 7Ｉｎ0.7Ｐ下部光導波層３０１の層厚と等しくなるように構成されている。従って、ストライプ領域の垂直方向の屈折率分布は、量子井戸活性層３０２を中心としてほぼ上下対称となっている。そのため、量子井戸活性層３０２は垂直モードで光強度が最も強い位置にあり、光閉じ込め係数が高くなる。従って、レーザの閾電流密度が低減される。
【００５３】
その他の点については、参考例と同様の効果を有する。
【００５４】
本発明の第二の実施の形態を図４に基づいて説明する。
【００５５】
［構造］図４は本実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。図４において、４０１はｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95クラッド層である。４０２は電流注入するストライプ領域を除いて上部第１光導波層３０３上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95電流ブロック層であり、４０３はｐ型電流ブロック層４０２上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95電流ブロック層であり、４０４はｎ型電流ブロック層403上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐキャップ層である。そして、４０５は上部第２光導波層３０４上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95クラッド層である。他の点は第一の実施の形態に示した赤色半導体レーザと同様である。
【００５６】
［動作］
本実施の形態においては、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層４０３上にＡｌを含まないＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐからなるキャップ層を形成している。そのため、表面酸化しやすいＡｌ面が再成長表面に露出する面積を減少させることができ、２回目の結晶成長層の品質が向上する。
【００５７】
また、ｎ型クラッド層４０１及びｐ型電流ブロック層４０２及びｎ型電流ブロック層４０３及びｐ型クラッド層４０５は、Ａｓを約５％含んだＡｌＧａＩｎＡｓＰ混晶から構成されている。ＡｌＧａＩｎＰにＡｓを少量加えることによって、有機金属気相成長法で結晶成長した膜のヒロック密度とヒロックサイズを低減することができ、素子の表面平坦性が改善される。これにより、導波光の散乱損失が低減されてレーザの閾電流密度やスロープ効率が改善される。
【００５８】
また、本実施の形態においては電流注入するストライプ領域の幅Ｗを５μｍより狭くして、例えば３μｍとすることができる。ストライプ幅が狭くなると、横モードにおいてストライプ領域外側への光しみ出しが増加する。このとき、電流ブロック層が光吸収材料である場合には、吸収損失が大幅に増加してスロープ効率を低下させてしまう。また、電流ブロック層のＡｌ組成が高い場合には、電流ブロック層にしみ出した光が表面準位によって吸収されて、端面の光学損傷が発生しやすくなる。一方、本実施の形態の赤色半導体レーザにおいては、電流ブロック層にしみ出したレーザ光は吸収されないため導波路損失が増加することがない。また、電流ブロック層のＡｌ組成はクラッド層と同じであり、端面の光学損傷レベルが低下することがない。そして、ストライプ幅を狭くしたことにより、素子の動作電流を低減することができる。
【００５９】
その他の点については、参考例および第一の実施の形態と同様の効果を有する。
【００６１】
請求項１記載の発明によれば、活性層の上下に光導波層を有するＳＣＨ構造の赤色半導体レーザとなっており、活性層に隣接した下部光導波層と上部第１光導波層はＡｌを含まないＧａＩｎＰから構成されているので、レーザ共振器端面の光学損傷を抑制することができる。
【００６２】
請求項２記載の発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域のＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層をＧａＩｎＰで形成することにより、２回目の結晶成長がＡｌを含まない層から積層できるため、再成長層の結晶品質を向上させることができる。
【００６３】
請求項３記載の発明によれば、ＧａＩｎＰ上部第１光導波層とＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和がＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しいことによって、ストライプ領域の垂直方向の屈折率分布がほぼ対称となるので、活性層は光の強度が最も強い中心位置にあって光閉じ込め係数が高くなり、従って、レーザの閾電流密度を低減させることができる。
【００６４】
請求項４記載の発明によれば、ｎ型ＧａＡｓ上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成したｎ型ＧａＡｓＰ厚膜を成長したエピタキシャル基板は６６０ｎｍ帯赤色ＬＥＤ用基板として市販されており、これをレーザの基板として用いることでレーザの作製が容易となる。
【００６５】
請求項５記載の発明によれば、電流ブロック層を基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層及び第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成することにより、ストライプ領域外側はｐｎ逆バイアス接合となって有効な電流狭窄が可能となる。
【００６６】
請求項６記載の発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、Ａｌを含まないＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成することにより、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層表面の酸化を抑制でき、再成長が容易となる。
【００６７】
請求項７記載の発明によれば、電流注入するストライプ領域の幅を５μｍより狭くしても、電流ブロック層にしみ出したレーザ光が吸収されないため導波路損失が増大することがなく、閾電流を低減させることができる。
【００６８】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを加えることにより、ヒロックの発生を抑制して表面平坦性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図２】その赤色半導体レーザの製造工程を示す断面構造図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図５】従来技術１のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図６】従来技術２の実屈折率導波型半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図７】従来技術３の実屈折率導波型半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層
１０３ ｎ型ＧａＡｓＰ厚膜
１０４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０５ ＧａＩｎＡｓＰ活性層
１０６ ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層
１０８ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層
１０９ ＡｌＧａＩｎＰ光導波層
１１０ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１１１ ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層
１１２ ｐ型ＧａＡｓＰキャップ層
１１５ ＧａＡｓＰ基板
３０１ ＧａＩｎＰ下部光導波層
３０２ 量子井戸活性層
３０３ ＧａＩｎＰ上部第１光導波層
３０４ ＧａＩｎＰ上部第２光導波層
４０１ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層
４０２ ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
４０３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
４０４ ＧａＩｎＰキャップ層
４０５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長６３０〜６８０ｎｍで発振する半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＤＶＤ（Ｄigital Ｖideo又はＶersatile Ｄisk）等の光ディスク記録再生装置の読み取り及び書き込み用光源として、波長６３０〜６８０ｎｍの赤色半導体レーザ装置の開発が行われている。光ディスク装置の書き込み速度を上げるためには、半導体レーザの高出力化が必要とされている。
【０００３】
このような状況における従来の赤色半導体レーザの各種構成例について、以下に説明する。
【０００４】
ａ．従来技術１
図５に特開平１１−２６８８０号公報に示されるＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザの断面構造図を示す。図５において、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層とを交互に積層した量子井戸活性層４、低キャリア濃度（２〜６×１０17ｃｍ-3）ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング阻止層６が積層されている。１０はエッチング阻止層６の表面上の一部に形成された、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰキャリア拡散抑制層７と、高濃度（４〜１５×１０17ｃｍ-3）ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８と、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層９とを順に積層したリッジ構造体である。１１はエッチング阻止層６の表面上のリッジ構造体１０以外の部分に形成されたｎ型ＧａＡｓ電流阻止層であり、１２はこの電流阻止層１１及びバンド不連続緩和層９上に形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層である。１３はコンタクト層１２の表面に形成されたｐ型電極であり、１４は基板１の裏面に形成されたｎ型電極である。
【０００５】
この半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１１によって挟まれたリッジ構造体１０を電流通路として電流狭窄がなされる。同時に、ＧａＡｓ電流狭窄層１１が量子井戸活性層４からの光を吸収するため、リッジの内外で実効屈折率差を形成して光を閉じ込めている。しかしながら、ＧａＡｓ電流狭窄層１１における光の吸収損失のため、動作電流が高くなるという問題がある。
【０００６】
ｂ．従来技術２
図６に特開平９−１７２２２２号公報に示される赤色半導体レーザの断面構造図を示す。図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１５上に、順次ｎ型ＧａＡｓバッファ層１６、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７、ＧａＩｎＰ活性層１８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層２０がエピタキシャル成長されている。そして、中間層２０を横切りｐ型クラッド層１９に至る深さで対のストライプ状溝を形成し、溝間にストライプ状リッジ２１を形成する。そして、溝を埋め込むようにｎ型ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層２２を形成し、さらに全面的にｐ型ＧａＡｓキャップ層２３をエピタキシャル成長している。
【０００７】
この半導体レーザは、電流狭窄層２２がＡｌＧａＡｓから構成されており、Ａｌの量が活性層１８のバンドギャップよりも大きくなるように選定されている。例えば、活性層の波長が６５０ｎｍのときには、Ａｌ組成が０．３９以上となっており、波長６３０ｎｍのときには０．４５以上となっている。そのため、ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層２２はレーザ光に対して透明であり、導波路損失を小さくすることができる。
【０００８】
ｃ．従来技術３
図７に特開平７−２４９８３８号公報に示される赤色半導体レーザの断面構造図を示す。図７において、ｎ型ＧａＡｓ基板２４上に、ｎ型（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２５、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層の量子井戸構造からなる活性層２６、ｐ型（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ内側クラッド層２７、ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐエッチングストッパ層２８、ｐ型（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐ外側クラッド層２９、ｐ型Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐバッファ層３０、ｐ型ＧａＡｓキャップ層３１が形成されている。そして、幅６μmのストライプ状窒化シリコンマスクを形成し、ウェットエッチングによりエッチングストッパ層２８までエッチングしてメサ構造を形成する。そして、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２とｎ型ＧａＡｓキャップ層３３を成長する。ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２は、メサ側面（斜線部分）の組成がＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐとなるように成長されている。そして、窒化シリコンマスクを除去後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３４を成長する。
【０００９】
図７に示す半導体レーザにおいても、電流ブロック層３２がレーザ光に対して透明なＡｌＩｎＰで構成されているため導波路損失が小さくなっている。また、ＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ内側及び外側クラッド層よりも屈折率が低いため、リッジの内外で実屈折率差が形成されて実屈折率導波型半導体レーザとなっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、図６及び図７に示した半導体レーザにおいては、電流狭窄層の光吸収損失を低減するために、電流狭窄層のＡｌ組成を増加させている。図６においては、活性層の波長が６５０ｎｍのときには、ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層２２のＡｌ組成は０．３９以上となっており、また、図７においてはメサ近傍のＡｌＩｎＰ電流ブロック層３２のＡｌ組成は０．５となっている。このＡｌ組成は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの典型的なクラッド層材料である（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5ＰのＡｌ組成０．３５に比べて大きい値となっている。Ａｌ含有量の多い半導体層は表面準位が多く、これを介した非発光再結合が増加するため、レーザ共振器端面の光学損傷が発生しやすくなるという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、導波路吸収損失が小さく、かつ、共振器端面の光学損傷を抑制する赤色半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する第１導電型基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ下部光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びＧａＩｎＰ上部第１光導波層を有し、前記ＧａＩｎＰ下部光導波層とＧａＩｎＰ上部第１光導波層は前記ＧａＩｎＡｓＰ活性層を挟んで上下に隣接して形成され、電流注入するストライプ領域の両側の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上にＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層を有し、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、ＡｌＧａＩｎＰ上部第２光導波層及び第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が形成されてなり、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層のＡｌ組成が、前記第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成と略等しい。
【００１５】
従って、活性層の上下に光導波層を有するＳＣＨ構造の赤色半導体レーザとなっており、活性層に隣接した下部光導波層と上部第１光導波層はＡｌを含まないＧａＩｎＰから構成されているので、レーザ共振器端面の光学損傷を抑制することができる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の赤色半導体レーザ装置において、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層が、ＧａＩｎＰからなる。
【００１７】
従って、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域のＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層をＧａＩｎＰで形成することにより、２回目の結晶成長がＡｌを含まない層から積層できるため、再成長層の結晶品質を向上させることができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する第１導電型基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ下部光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びＧａＩｎＰ上部第１光導波層を有し、前記ＧａＩｎＰ下部光導波層とＧａＩｎＰ上部第１光導波層は前記ＧａＩｎＡｓＰ活性層を挟んで上下に隣接して形成され、電流注入するストライプ領域の両側の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、Ａｌ組成が第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成と略等しいＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層を有し、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、ＧａＩｎＰ上部第２光導波層及び前記第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が形成されてなり、前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層と前記ＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和が前記ＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しい。
【００１９】
従って、ＧａＩｎＰ上部第１光導波層とＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和がＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しいことによって、ストライプ領域の垂直方向の屈折率分布がほぼ対称となるので、活性層は光の強度が最も強い中心位置にあって光閉じ込め係数が高くなり、従って、レーザの閾電流密度を低減させることができる。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、第１導電型ＧａＡｓ上に第１導電型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成した第１導電型ＧａＡｓＰ厚膜を前記第１導電型基板として用いてなる。
【００２１】
従って、ｎ型ＧａＡｓ上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成したｎ型ＧａＡｓＰ厚膜を成長したエピタキシャル基板は６６０ｎｍ帯赤色ＬＥＤ用基板として市販されており、これをレーザの基板として用いることでレーザの作製が容易となる。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層が、基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層と第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成してなる。
【００２３】
従って、電流ブロック層を基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層及び第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成することにより、ストライプ領域外側はｐｎ逆バイアス接合となって有効な電流狭窄が可能となる。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、ＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成してなる。
【００２５】
従って、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、Ａｌを含まないＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成することにより、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層表面の酸化を抑制でき、再成長が容易となる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、電流注入するストライプ幅が５μｍよりも狭い。
【００２７】
従って、電流注入するストライプ領域の幅を５μｍより狭くしても、電流ブロック層にしみ出したレーザ光が吸収されないため導波路損失が増大することがなく、閾電流を低減させることができる。
【００２８】
請求項８記載の発明は、請求項１ないし７の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを含む。
【００２９】
従って、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを含むことにより、ヒロックの発生を抑制して表面平坦性を改善することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の参考例を図１及び図２に基づいて説明する。
【００３１】
［構造］本参考例の赤色半導体レーザの断面構造図を図１に示す。図１において、１１５はｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層１０２、ｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３を積層したＧａＡｓＰ基板である。
【００３２】
１０４はｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層、１０５はｎ型クラッド層１０４上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ活性層、１０６は活性層１０５上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐエッチングストップ層である。
【００３３】
１０７は電流注入するストライプ領域を除いてエッチングストップ層１０６上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層であり、１０８はｐ型電流ブロック層１０７上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層である。
【００３４】
１０９はｎ型電流ブロック層１０８及びストライプ領域のエッチングストップ層１０６上に形成された（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.7Ｉｎ0.3Ｐ光導波層であり、１１０は光導波層１０９上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層、１１１はｐ型クラッド層１１０上に形成されたｐ型Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐバンド不連続緩和層、１１２はｐ型バンド不連続緩和層１１１上に形成されたｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4キャップ層である。
【００３５】
１１３はｐ型キャップ層１１２表面に形成されたｐ側電極であり、１１４はｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面に形成されたｎ側電極である。
【００３６】
［製造方法］次に、このように構成された赤色半導体レーザの製造方法について図２を用いて説明する。最初に、図２(ａ)に示すようにＧａＡｓＰ基板１１５上に、ｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層１０４、バンドギャップ波長６３５ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ活性層１０５、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐエッチングストップ層１０６、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０７、ｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０８を順次エピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長は有機金属気相成長法で行った。
【００３７】
次に、エピタキシャル基板のｎ型電流ブロック層１０８上にレジストマスク２０１を形成し、フォトリソグラフィ技術により幅６μｍのストライプ状窓を形成する。そして、レジストマスク２０１をマスクとしてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層１０７、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層１０８をＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６表面までケミカルエッチングして、図２(ｂ)に示すようなストライプ状溝を形成する。エッチングは硫酸系エッチング溶液を用いた。
【００３８】
次に、レジストマスク２０１を除去した後に、図２(ｃ)に示すように有機金属気相成長法を用いて（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.7Ｉｎ0.3Ｐ光導波層１０９、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐクラッド層１１０、ｐ型Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐバンド不連続緩和層１１１、ｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4キャップ層１１２を順次エピタキシャル成長させる。
【００３９】
その後、ｐ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4キャップ層１１２表面にｐ側電極１１３を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１を研磨した後に、基板裏面にｎ側電極１１４を形成して図１に示したような構造の赤色半導体レーザを得る。
【００４０】
［動作］本参考例による赤色半導体レーザにおいては、ストライプ領域の外側に設けられたＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層１０７，１０８によって電流がストライプ領域に狭窄される。
【００４１】
電流ブロック層は、基板側からｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ層１０７とｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ層１０８を積層して構成されており、ストライプ領域外側ではｐｎｐｎ接合となっている。そのため、ｐｎ逆バイアス接合により電流がほとんど流れなくなり、ストライプ領域に電流を狭窄することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では電流ブロック層がｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層の２層から組成されているが、組成やキャリア濃度，導電型が異なる２層以上の層から形成されていてもよい。或いは、高抵抗又は半絶縁性のＡｌＧａＩｎＰ１層で構成することも可能である。
【００４３】
ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０５に電流が注入されると、バンドギャップに対応した６３５ｎｍの発光が生じる。そして、ストライプ状溝部では薄いＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６を介して活性層１０５の上部に（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.7Ｉｎ0.3Ｐ光導波層１０９が設けられている。光導波層１０９の屈折率は活性層１０５の屈折率よりも小さく、クラッド層及び電流ブロック層の屈折率よりも大きくなっている。一方、溝の外側では活性層１０５から離れた位置に光導波層１０９が位置している。従って、ストライプ溝部のほうが外部よりも実効屈折率が高くなり、活性層で発生した光を閉じ込める光導波路を形成する。
【００４４】
水平横モードは、ストライプ状溝部の外側にしみ出すが、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０７及びｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０８は活性層１０５よりもバンドギャップが大きいため、光吸収がない。従って、導波路損失が低減され、レーザの動作電流を低減することができる。
【００４５】
また、導波路の実効屈折率差を形成するのに、電流ブロック層の屈折率を低減するのではなく光導波層の位置を変えることによって実現している。そのため、ｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０７及びｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ｐ電流ブロック層１０８のＡｌ組成はｐ型クラッド層１１０と同じ値にすることができる。従って、電流ブロック層のＡｌ組成を増加する必要がなく、レーザ共振器端面の光学損傷レベルを低下させることがない。
【００４６】
また、本参考例の赤色半導体レーザは、ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＧａＡｓ0.6Ｐ0.4基板上に積層されている。ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4に格子整合するＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐのバンドギャップ波長は５６０ｎｍであり、活性層１０５のバンドギャップ波長６３５ｎｍよりも短波長となる。従って、活性層１０５に隣接したＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐエッチングストップ層１０６は活性層よりもバンドギャップが大きいキャリアブロック層として働き、活性層の光を吸収することがない。そして、ＧａＩｎＰは硫酸系エッチングに対してエッチングレートが非常に低いため、ＡｌＧａＩｎＰからなる電流ブロック層との選択エッチングが容易となっている。
【００４７】
ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有するＧａＡｓ0.6Ｐ0.4基板１１５は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層１０２、ｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３を気相成長法で積層して形成されている。このようなエピタキシャル基板は６６０ｎｍ帯赤色ＬＥＤ用基板として市販されており、これを用いることによってレーザの作製が容易となる。
【００４８】
本発明の第一の実施の形態を図３に基づいて説明する。参考例で示した部分と同一部分は同一符合を用いて示し、説明も省略する（以下の実施の形態でも同様とする）。
【００４９】
［構成］図３は本発明の第一の実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。図３において、３０１はｎ型クラッド層１０４上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ下部光導波層であり、３０２は下部光導波層３０１上に形成された、ＧａＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの歪超格子構造からなる量子井戸活性層であり、３０３は量子井戸活性層３０２上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第１光導波層である。３０４はｎ型電流ブロック層１０８及びストライプ領域の上部第１光導波層３０３上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第２光導波層である。他の点は、参考例に示した赤色半導体レーザの構造と同様である。
【００５０】
［動作］
本実施の形態においては、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ量子井戸活性層３０２の上下に光導波層３０１，３０３を有するＳＣＨ構造となっており、下部光導波層３０１と上部第１光導波層３０３はＡｌを含まないＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐから構成されている。即ち、活性層及び活性層に隣接した領域がＡｌを含んでいない。従って、第一の実施の形態に比べてレーザ共振器端面の酸化や表面準位を低減でき、端面の光学損傷発生レベルを抑制することができる。
【００５１】
また、ｎ型電流ブロック層１０８上及びストライプ領域の上部第１光導波層３０３上に形成する上部第２光導波層３０４はＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐで構成されている。従って、２回目の結晶成長がＡｌを含まない層から積層することができ、再成長層の結晶品質が向上する。
【００５２】
さらに、本実施の形態の半導体レーザにおいては、Ｇａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第１光導波層３０３とＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐ上部第２光導波層３０４の層厚の和がＧａ0. 7Ｉｎ0.7Ｐ下部光導波層３０１の層厚と等しくなるように構成されている。従って、ストライプ領域の垂直方向の屈折率分布は、量子井戸活性層３０２を中心としてほぼ上下対称となっている。そのため、量子井戸活性層３０２は垂直モードで光強度が最も強い位置にあり、光閉じ込め係数が高くなる。従って、レーザの閾電流密度が低減される。
【００５３】
その他の点については、参考例と同様の効果を有する。
【００５４】
本発明の第二の実施の形態を図４に基づいて説明する。
【００５５】
［構造］図４は本実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。図４において、４０１はｎ型ＧａＡｓ0.6Ｐ0.4厚膜１０３上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95クラッド層である。４０２は電流注入するストライプ領域を除いて上部第１光導波層３０３上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95電流ブロック層であり、４０３はｐ型電流ブロック層４０２上に形成されたｎ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95電流ブロック層であり、４０４はｎ型電流ブロック層403上に形成されたＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐキャップ層である。そして、４０５は上部第２光導波層３０４上に形成されたｐ型（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.7Ｉｎ0.3Ａｓ0.05Ｐ0.95クラッド層である。他の点は第一の実施の形態に示した赤色半導体レーザと同様である。
【００５６】
［動作］
本実施の形態においては、ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層４０３上にＡｌを含まないＧａ0.7Ｉｎ0.3Ｐからなるキャップ層を形成している。そのため、表面酸化しやすいＡｌ面が再成長表面に露出する面積を減少させることができ、２回目の結晶成長層の品質が向上する。
【００５７】
また、ｎ型クラッド層４０１及びｐ型電流ブロック層４０２及びｎ型電流ブロック層４０３及びｐ型クラッド層４０５は、Ａｓを約５％含んだＡｌＧａＩｎＡｓＰ混晶から構成されている。ＡｌＧａＩｎＰにＡｓを少量加えることによって、有機金属気相成長法で結晶成長した膜のヒロック密度とヒロックサイズを低減することができ、素子の表面平坦性が改善される。これにより、導波光の散乱損失が低減されてレーザの閾電流密度やスロープ効率が改善される。
【００５８】
また、本実施の形態においては電流注入するストライプ領域の幅Ｗを５μｍより狭くして、例えば３μｍとすることができる。ストライプ幅が狭くなると、横モードにおいてストライプ領域外側への光しみ出しが増加する。このとき、電流ブロック層が光吸収材料である場合には、吸収損失が大幅に増加してスロープ効率を低下させてしまう。また、電流ブロック層のＡｌ組成が高い場合には、電流ブロック層にしみ出した光が表面準位によって吸収されて、端面の光学損傷が発生しやすくなる。一方、本実施の形態の赤色半導体レーザにおいては、電流ブロック層にしみ出したレーザ光は吸収されないため導波路損失が増加することがない。また、電流ブロック層のＡｌ組成はクラッド層と同じであり、端面の光学損傷レベルが低下することがない。そして、ストライプ幅を狭くしたことにより、素子の動作電流を低減することができる。
【００５９】
その他の点については、参考例および第一の実施の形態と同様の効果を有する。
【００６１】
請求項１記載の発明によれば、活性層の上下に光導波層を有するＳＣＨ構造の赤色半導体レーザとなっており、活性層に隣接した下部光導波層と上部第１光導波層はＡｌを含まないＧａＩｎＰから構成されているので、レーザ共振器端面の光学損傷を抑制することができる。
【００６２】
請求項２記載の発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域のＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層をＧａＩｎＰで形成することにより、２回目の結晶成長がＡｌを含まない層から積層できるため、再成長層の結晶品質を向上させることができる。
【００６３】
請求項３記載の発明によれば、ＧａＩｎＰ上部第１光導波層とＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和がＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しいことによって、ストライプ領域の垂直方向の屈折率分布がほぼ対称となるので、活性層は光の強度が最も強い中心位置にあって光閉じ込め係数が高くなり、従って、レーザの閾電流密度を低減させることができる。
【００６４】
請求項４記載の発明によれば、ｎ型ＧａＡｓ上にｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成したｎ型ＧａＡｓＰ厚膜を成長したエピタキシャル基板は６６０ｎｍ帯赤色ＬＥＤ用基板として市販されており、これをレーザの基板として用いることでレーザの作製が容易となる。
【００６５】
請求項５記載の発明によれば、電流ブロック層を基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層及び第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成することにより、ストライプ領域外側はｐｎ逆バイアス接合となって有効な電流狭窄が可能となる。
【００６６】
請求項６記載の発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、Ａｌを含まないＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成することにより、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層表面の酸化を抑制でき、再成長が容易となる。
【００６７】
請求項７記載の発明によれば、電流注入するストライプ領域の幅を５μｍより狭くしても、電流ブロック層にしみ出したレーザ光が吸収されないため導波路損失が増大することがなく、閾電流を低減させることができる。
【００６８】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし７の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置において、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを加えることにより、ヒロックの発生を抑制して表面平坦性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図２】その赤色半導体レーザの製造工程を示す断面構造図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図４】本発明の第二の実施の形態における赤色半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図５】従来技術１のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図６】従来技術２の実屈折率導波型半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【図７】従来技術３の実屈折率導波型半導体レーザの構造を示す断面構造図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＧａＡｓＰ組成傾斜層
１０３ ｎ型ＧａＡｓＰ厚膜
１０４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０５ ＧａＩｎＡｓＰ活性層
１０６ ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層
１０８ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層
１０９ ＡｌＧａＩｎＰ光導波層
１１０ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１１１ ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層
１１２ ｐ型ＧａＡｓＰキャップ層
１１５ ＧａＡｓＰ基板
３０１ ＧａＩｎＰ下部光導波層
３０２ 量子井戸活性層
３０３ ＧａＩｎＰ上部第１光導波層
３０４ ＧａＩｎＰ上部第２光導波層
４０１ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層
４０２ ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
４０３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
４０４ ＧａＩｎＰキャップ層
４０５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層
Claims (8)
- ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する第１導電型基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ下部光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びＧａＩｎＰ上部第１光導波層を有し、
前記ＧａＩｎＰ下部光導波層とＧａＩｎＰ上部第１光導波層は前記ＧａＩｎＡｓＰ活性層を挟んで上下に隣接して形成され、
電流注入するストライプ領域の両側の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上にＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層を有し、
前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、ＡｌＧａＩｎＰ上部第２光導波層及び第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が形成されてなり、
前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層のＡｌ組成が、前記第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成と略等しいことを特徴とする赤色半導体レーザ装置。 - 前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ層上に形成する光導波層が、ＧａＩｎＰからなることを特徴とする請求項１記載の赤色半導体レーザ装置。
- ＧａＡｓとＧａＰの間の格子定数を有する第１導電型基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ下部光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層及びＧａＩｎＰ上部第１光導波層を有し、
前記ＧａＩｎＰ下部光導波層とＧａＩｎＰ上部第１光導波層は前記ＧａＩｎＡｓＰ活性層を挟んで上下に隣接して形成され、
電流注入するストライプ領域の両側の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、Ａｌ組成が第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のＡｌ組成と略等しいＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層を有し、
前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上及びストライプ領域の前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層上に、ＧａＩｎＰ上部第２光導波層及び前記第２導電型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層が形成されてなり、
前記ＧａＩｎＰ上部第１光導波層と前記ＧａＩｎＰ上部第２光導波層の層厚の和が前記ＧａＩｎＰ下部光導波層の層厚と等しいことを特徴とする赤色半導体レーザ装置。 - 第１導電型ＧａＡｓ上に第１導電型ＧａＡｓＰ組成傾斜層を介して形成した第１導電型ＧａＡｓＰ厚膜を前記第１導電型基板として用いてなることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置。
- 前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層が、基板側から第２導電型ＡｌＧａＩｎＰ層と第１導電型ＡｌＧａＩｎＰ層を積層して形成してなることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置。
- 前記ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層上に、ＧａＩｎＰ又はＧａＡｓＰ又はＧａＩｎＡｓＰからなるキャップ層を形成してなることを特徴とする請求項１ないし５の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置。
- 電流注入するストライプ幅が５μｍよりも狭いことを特徴とする請求項１ないし６の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置。
- 請求項１ないし７の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置であって、第１導電型クラッド層、光導波層、電流ブロック層又は第２導電型クラッド層にＡｓを加えることを特徴とする請求項１ないし７の何れか一に記載の赤色半導体レーザ装置。
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