JP4185716B2 - Semiconductor laser device and optical disk device using the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、活性領域にAlを含まない発振波長780nm帯(760nmより大きく800nmより小さい)の半導体レーザ装置、および、その半導体レーザ装置を用いた光ディスク装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
CD(コンパクトディスク)やMD(ミニディスク)等のディスクを再生するための半導体レーザ装置として、780nm帯の半導体レーザ装置が広く使用されている。その中でも、高速書き込み可能なCD‐R(CDrecordable)用の半導体レーザ装置として、120mW以上の高出力でも信頼性の高い半導体レーザ装置が強く望まれている。
【0003】
ところで、井戸層/バリア層にAlが入っている従来のAlGaAs量子井戸構造の場合には、特に高温,高出力時における信頼性が低下するという問題がある。これは、Alが活性な物質であるために酸素等の微量の不純物とも反応してしまい、材料の劣化を増幅してしまう為と考えられている。それに対抗する1つの方法として、上記井戸層/バリア層にAlが入っていない構造にすることによって、高出力,高信頼性を実現することが考えられる。しかしながら、実際には、780nm帯において、120mW以上の高出力で十分な信頼性を有する半導体レーザ装置は未だ出現していない。
【0004】
上記井戸層/バリア層にAlが入っていない構造の発振波長810nmの半導体レーザ装置として、特開平11‐220244号公報、および、Japanese Journal of Applied Physics Vol.38(1999)pp.L387‐L389に開示されているようなものが提案されている。そこで、この従来の技術に基づいて、780nmで発振する半導体レーザ装置を作成してみた。
【0005】
図13は、上記井戸層/バリア層にAlが入っていないInGaAsP系量子井戸構造の半導体レーザ装置を示す構造図である。また、図14は、図13に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドギャップ(Eg)のダイアグラムを示す。
【0006】
図13において、1はn型GaAs基板、2はn型Al0.63Ga0.37As下部クラッド層、3はIn0.484Ga0.516P下部ガイド層、4は活性領域である。ここで、活性領域4は、バリア層5と井戸層6とから成る単一量子井戸(SQW)構造を有している。また、7はIn0 .484Ga0.516P上部ガイド層、8はp型のAl0.63Ga0.37As上部クラッド層、9はp型のGaAs保護層、10はSiO2電流ブロック層、11はn側電極、12はp側電極である。バリア層5は、In0.4Ga0.6Pで構成され、歪は引張歪−0.62%で、層厚は5a及び5b共に5nmである。尚、In0.4Ga0.6PのEgは、歪を考慮しない場合には2.02eV程度と算出されるが、引張歪による影響によって1.93eV〜1.96eV程度になるものと考えられる。井戸層6は、In0.162Ga0.838As0.6710.329で構成され、Egは1.57eVで、基板と格子整合しており、層厚は5nmである。
【0007】
従来の井戸層/バリア層にAlが入っていない半導体レーザ装置では、In0.484Ga0.516Pガイド層(Eg=1.89eV)とInGaAsP井戸層の間にIn0.4Ga0.6Pバリア層を挿入して、井戸層に隣接する層(つまり、ガイド層3,7)とのEgの差「ΔEg」を0.37eV〜0.40eVと、井戸層/バリア層にAlが入っている半導体レーザ装置よりも大きくしている。例えば、AlGaAs系の半導体レーザの量子井戸構造では、通常ΔEg=0.25eV程度である。このように、上記従来の井戸層/バリア層にAlが入っていない半導体レーザ装置では、バリア層5に用いるAlフリーの材料としてΔEgをできるだけ大きくとれる材料を選び、確実なキャリアの閉じ込めを図っているのである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の井戸層/バリア層にAlが入っていないInGaAsP系量子井戸構造の半導体レーザ装置においては、以下のような問題がある。すなわち、上記半導体レーザ装置の特性を測定したところ、閾値電流は100mAと高く、且つ、微分効率は0.6W/Aとなって、良好な特性が得られない。また、温度特性も非常に悪く、80℃以上では発振しないのである。尚、上記井戸層/バリア層にAlが入っているAlGaAs系の780nmm帯の半導体レーザ装置の場合は、閾値電流が35mA、微分効率が0.9W/A、温度特性が110K程度である。したがって、上記AlGaAs系の半導体レーザ装置と比較した場合には、逆に特性が悪化しているのである。
【0009】
そこで、この発明の目的は、ΔEgの大きさに拘らず特性を著しく向上させることができるAlフリーの半導体レーザ装置、および、その半導体レーザ装置を用いた光ディスク装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第1の発明は、
GaAs基板上に、少なくとも、下部クラッド層と、1つまたは複数の井戸層とバリア層とが積層されて成る量子井戸を含む活性領域と、上部クラッド層が形成された発振波長が760nmより大きく且つ800nmより小さい半導体レーザ装置において、
上記バリア層を、上記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいIn1-xGaxAs1-yyで構成すると共に、
上記井戸層の格子定数をa1とする一方、上記バリア層の格子定数をa2とした場合に、以下の関係が成立することを特徴としている。
0<x<1
0.2<y<0.75
|(a2−a1)/a1|×100>0.65
【0011】
後に詳述するように、780nm帯の半導体レーザ装置にInGaPバリア層を用いた従来の場合には、
1)バリア層のEvの広がりによるホールの井戸層への注入効率の低下
2)|ΔEc|小による電子のオーバーフロー
が生じ、特性不良の原因となっている。
【0012】
ところで、InGaAsPは、組成を変えると、同じEgであってもコンダクションバンドのエネルギー(Ec)とバレンスバンドのエネルギー(Ev)の値は変わってくる。バリア層にInGaAsPを用いた場合、同じEgでは、InGaP組成に近づけるとEgはバレンスバンド側に広がり、井戸層とバリア層との|ΔEv|は大きくなる一方、|ΔEc|は小さくなる。逆に、GaAsP組成に近づけるとEgはコンダクションバンド側に広がり、井戸層とバリア層との|ΔEv|が小さくなる一方、|ΔEc|は大きくなる。そして、Evの変化は特にInGaAsP中のP元素の組成に関係し、Ecの変化は特に井戸層との歪量の差に関係する。
【0013】
上記構成によれば、上記バリア層をInGaAsPとし、P元素の組成比を0.2よりも大きく且つ0.75よりも小さくしているので、従来の場合のInGaPバリア層に比べ、GaAs基板に対するEvの差|ΔEv0|を小さく設定できる。したがって、ガイド層からの井戸層へのホールの注入の効率が大幅に改善される。
【0014】
さらに、上記バリア層の井戸層に対する歪量を0.65%より大きくしている。したがって、上記バリア層と井戸層とのΔEcが、0.12eV程度以上に設定される。この0.12eV程度とは、AlGaAs系半導体レーザの量子井戸構造において、バリア層としてIII族のAl組成が0.27程度のAlGaAsを用いた場合の、バリア層と井戸層とのΔEcに相当する。したがって、上記井戸層からの電子のオーバーフローが抑制される。
【0015】
こうして、上記InGaPバリア層を用いた従来の半導体レーザ装置における特性不良の原因が解消され、Egが小さいため効果が得られないと考えられていたGaAsPまたはGaAsPに近い組成のInGaAsPを用いた780nm帯の半導体レーザ装置の特性が、著しく向上されるのである。
【0016】
さらに、I n a s Pバリア層のI n 元素によって転位の増殖が抑えられ、更に高い信頼性が得られる。
【0017】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記GaAs基板の格子定数をa0とした場合に、(a1−a0)/a0の値は正の値である。
【0018】
この実施例によれば、上記井戸層のGaAs基板に対する歪は圧縮歪となっている。したがって、例えば、上記バリア層の格子定数a2を上記GaAs基板の格子定数a0より小さい引張歪にした場合であっても、活性領域全体としての平均的な歪量を抑制することができる。したがって、結晶内の欠陥の量を減らして信頼性の向上を図ることができ、上記活性領域全体としての臨界膜厚が増大するため上記バリア層の層厚を厚くできる。また、上記井戸層は圧縮歪であるため、偏光モードがTEモードの半導体レーザ装置が得られる。
【0019】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記井戸層にAl元素は含まれていない。
【0020】
この実施例によれば、上記井戸層およびバリア層には、活性な物質であるために酸素等の微量の不純物とも反応するAl元素は含まれていない。したがって、高温,高出力時においても高い信頼性が得られる。
【0021】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記井戸層がInGaAsPで構成されている。
【0022】
この実施例によれば、InGaAsP井戸層は、GaAs基板に比較してEgがバレンスバンド側に広がって|ΔEc0|<|ΔEv0|となる。逆に、AlGaAsを井戸層とした場合は井戸層のEgはコンダクションバンド側に広がって|ΔEc0|>|ΔEv0|となる。したがって、上記InGaAsP井戸層とバリア層とを組み合せた場合は、AlGaAsを井戸層とした場合に比較して、井戸層とバリア層との|ΔEc|がより大きく、|ΔEv|がより小さくなる。したがって、井戸層とバリア層との|ΔEc|が大きくなって電子のオーバーフローが抑制され、さらに低閾値電流化,高微分効率化,高温度特性化が図られる。
【0023】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記バリア層のうちの何れかあるいは総てが、上記井戸層側とは反対側の面においてAlGaAs層に接触している。
【0024】
この実施例によれば、上記バリア層はAlGaAs層に接触することによって、上記コンダクションバンド側において、上記AlGaAs層との間で大きなバリアが形成される。したがって、上記AlGaAs層を井戸層側とは反対側に位置させることによって、上記井戸層からバリア層にオーバーフローした一部の電子が更に上記AlGaAs層へオーバーフローすることが抑制される。こうして、上記井戸層への電子の閉じ込め効果が更に増加されて、特性が更に向上される。
【0025】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記AlGaAs層に接触しているバリア層は上記活性領域における最外に位置している。
【0026】
この実施例によれば、上記バリア層に接触しているAlGaAs層は上記活性領域における最外に位置している。したがって、一部の電子が活性領域外にまでオーバーフローすることが抑制され、上記電子の閉じ込め効果がより増加される。
【0027】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記AlGaAs層に接触しているバリア層の層厚は4nmよりも大きくなっている。
【0028】
この実施例によれば、上記AlGaAs層に接触しているバリア層の層厚が4nmよりも大きいので、上記AlGaAs層におけるAlの影響が大幅に抑制されて、高温,高出力時においても高い信頼性が得られる
【0029】
た、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記活性領域とクラッド層との間に、AlGaAsで構成されたガイド層を備えている。
【0030】
この実施例によれば、上記コンダクションバンド側において、上記活性領域とAlGaAsガイド層との間に大きなバリアが形成される。したがって、上記活性領域外であるガイド層までの電子のオーバーフローが抑制されて、InGa ガイド層を用いた場合に比べて、閾値電流および特性温度に対して顕著な向上が図られる。さらに、上記GaAs基板に対する格子整合も図られる。
【0031】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記クラッド層はAlGaAsで構成されている。
【0032】
この実施例によれば、バリア層あるいはガイド層からの電子のオーバーフローをさらに抑制することができる。また、AlGaAsはIII族組成の揺らぎが発生してもGaAs基板への格子整合性が維持されることから、1μm以上の厚さを有する上記クラッド層全体が確実に上記GaAs基板に対する格子整合を図ることができるのである。
【0033】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記活性領域とクラッド層との間にはInGaPまたはInGaAsPで構成されたガイド層を備えると共に、上記クラッド層はAlGaInPまたはInGaPで構成されている。
【0034】
この実施例によれば、上記ガイド層をInGaPあるいはInGaAsPとしているが、上記コンダクションバンド側においては、上記第1の発明におけるInGaAsPバリア層が、井戸層とガイド層の間のバリアとして機能することになる。したがって、上記バリア層の層厚を最適に選ぶことによって、電子が上記井戸層内に充分に留められて良好な素子特性が得られる。
【0035】
さらに、上記クラッド層をAlGaInPまたはInGaPとしている。このように、上記GaAs基板に対するEvの差|ΔEv0|が上記ガイド層であるInGaPまたはInGaAsPよりも大きいAlGaInPまたはInGaPを上記クラッド層として用いることによって、上記クラッド層の|ΔEv0|がガイド層よりも大きいバンド構造が得られる。したがって、上記井戸層へのホールの注入が問題なく行われるのである。
【0036】
さらに、上記井戸層およびバリア層は元より、上記活性領域外のガイド層にもAlは含まれていない。したがって、高温,高出力動作時においても更に高い信頼性を得ることができる。
【0037】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記バリア層のV族元素中におけるPの組成比を表わす上記yの値は、0.25よりも大きくなっている。
【0038】
この実施例によれば、上記バリア層の|ΔEv0|を上記井戸層の|ΔEv0|よりも確実に大きくすることで、注入されたホールが上記井戸層により確実に閉じ込められる。
【0039】
また、1実施例では、上記第1の発明の半導体レーザ装置において、上記バリア層のV族元素中におけるPの組成比を表わす上記yの値は、0.6よりも小さくなっている。
【0040】
この実施例によれば、上記バリア層の|ΔEv0|をより確実に小さくできる。したがって、上記ガイド層からのバリア層へのホールの注入がより確実に行われる。
【0041】
また、第2の発明は、
a s 基板上に、少なくとも、下部クラッド層と、1つまたは複数の井戸層とバリア層とが積層されて成る量子井戸を含む活性領域と、上部クラッド層が形成された発振波長が760 nm より大きく且つ800 nm より小さい半導体レーザ装置において、
上記バリア層を、上記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいI n 1-x a x s 1-y y で構成すると共に、
上記井戸層の格子定数をa 1 とする一方、上記バリア層の格子定数をa 2 とした場合に、
0<x≦1
. 2<y<0 . 75
( 2 −a 1)/ 1 |×100>0 . 65
の関係が成立し、
上記活性領域とクラッド層との間に、A l a s で構成されたガイド層を備えた
ことを特徴としている。
【0042】
上記構成によれば、上記バリア層をG a s PまたはI n a s Pとし、P元素の組成比を0 . 2よりも大きく且つ0 . 75よりも小さくしているので、従来の場合のI n a Pバリア層に比べ、G a s 基板に対するE v の差|ΔE v0 |を小さく設定できる。したがって、ガイド層からの井戸層へのホールの注入の効率が大幅に改善される。
【0043】
さらに、上記バリア層の井戸層に対する歪量を0 . 65%より大きくしている。したが って、上記バリア層と井戸層とのΔE c が、0 . 12 e V程度以上に設定される。この0 . 12 e V程度とは、A l a s 系半導体レーザの量子井戸構造において、バリア層として III 族のA l 組成が0 . 27程度のA l a s を用いた場合の、バリア層と井戸層とのΔE c に相当する。したがって、上記井戸層からの電子のオーバーフローが抑制される。
【0044】
さらに、上記コンダクションバンド側において、上記活性領域とA l a s ガイド層との間に大きなバリアが形成される。したがって、上記活性領域外であるガイド層までの電子のオーバーフローが抑制されて、I n a Pガイド層を用いた場合に比べて、閾値電流および特性温度に対して顕著な向上が図られる。さらに、上記G a s 基板に対する格子整合も図られる。
【0045】
また、第3の発明の光ディスク装置は、上記第1あるいは第2の発明の半導体レーザ装置を発光装置として用いたことを特徴としている。
【0046】
上記構成によれば、CD/MD用の光ディスク装置の発光装置として、従来よりも高い光出力で安定に動作する半導体レーザ装置が用いられている。したがって、光ディスクの回転数を従来よりも高速にしてもデータの読み書きが可能となり、特にCD‐R,CD‐RW(CDrewritable)等への書き込み時に問題となっていた光ディスクヘのアクセス時間が格段に短くなる。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【0048】
<第1実施の形態>
図1は、本実施の形態の半導体レーザ装置における構成を示す図である。本実施の形態は、InGaAsP井戸層/GaAsPバリア層の量子井戸活性領域を有する発振波長が780nmの半導体レーザ装置に関する。
【0049】
図1において、21はn型GaAs基板、22はn型GaAsバッファ層(層厚0.5μm)、23はn型Al0.5Ga0.5As下部クラッド層(層厚1.7μm)、24はAl0.35Ga0.65As下部ガイド層(層厚45nm)、25は活性領域である。ここで、活性領域25は、バリア層26と井戸層27とから成る二重量子井戸(DQW)構造を有している。また、28はAl0.35Ga0.65As上部ガイド層(層厚45nm)、29aはp型Al0.5Ga0.5As上部第1クラッド層(層厚0.2μm)、30はp型GaAsエッチングストップ層(層厚3nm)、29bはリッジストライプ形状のp型Al0.5Ga0.5As上部第2クラッド層(層厚1.28μm)、31はp型GaAs保護層(層厚0.7μm)、32はn型Al0.7Ga0.3As第1電流ブロック層(層厚0.6μm)、33はn型GaAs第2電流ブロック層(層厚0.7μm)、34はp型GaAs埋込み保護層(層厚0.6μm)、35はp型GaAsキャップ層(層厚2μm)、36はn側電極、37はp側電極である。
【0050】
尚、上記バリア層26はGaAs0.720.28で構成され、歪は引張歪−1%で、層厚は26a,26cが8nmであり、26bが7nmである。尚、GaAs0.720.28のEgは、歪を考慮しない場合は1.77eV程度と算出される。引張歪によるEgへの影響については本材料組成付近では明確ではないので、ここでは考慮しないものとする。井戸層27は、In0.162Ga0.838As0.6710.329で構成され、Egは1.57eVで、基板と格子整合しており、層厚は27a,27b共に5nmである。尚、井戸層27とバリア層26とのΔEgは0.20eVである。
【0051】
ところで、従来のAlGaAs系の量子井戸構造の半導体レーザ装置では、通常ΔEgは0.25eV程度であり、本実施の形態のごとくΔEgが0.20eV程度になるとキャリアがオーバーフローして特性の劣化が見られるようになる。
【0052】
上記構成のInGaAsP井戸層/GaAsPバリア層半導体レーザ装置は、以下の様にして作成することができる。すなわち、先ず、(100)面を有するGaAs基板21上に、GaAsバッファ層22、AlGaAs下部クラッド層23、AlGaAs下部ガイド層24、3層のバリア層26と2層の井戸層27を交互に配置して成るDQW構造の活性領域25、AlGaAs上部ガイド層28、AlGaAs上部第1クラッド層29a、GaAsエッチングストップ層30、AlGaAs上部第2クラッド層29b、GaAs保護層31を、有機金属気相成長法によって順次結晶成長させる。さらに、GaAs保護層31上におけるリッジストライプ部を形成する部分に、ストライプ方向が(011)方向であるようなレジストマスクを写真工程によって形成する。
【0053】
次に、上記レジストマスク以外の部分におけるGaAs保護層31およびAlGaAs上部第2クラッド層29bのみをエッチング除去して、リッジストライプ部を形成する。そして、このリッジストライプ部の上側及び両側を含む全体に、AlGaAs第1電流ブロック層32、GaAs第2電流ブロック層33、GaAs埋込み保護層34を、有機金属気相成長法によって順次結晶成長させる。その際に、上記リッジストライプ部上には、リッジストライプ部の形状を反映して電流ブロック層32,33および埋込み保護層34が凸状に形成される。
【0054】
次に、上記GaAs埋込み保護層34上における上記凸状部を除く領域にレジストマスクを形成する。そして、上記凸状部の埋込み保護層34,第2電流ブロック層33および第1電流ブロック層32をエッチングにより順次除去して、リッジストライプ部の頂部を露出させる。その後、全面に、GaAsキャップ層35を有機金属気相成長法によって結晶成長させる。そして最後に、基板21の表面にn側電極36を形成し、キャップ層35の表面にp側電極37を形成する。以上のようにして、ストライプ幅2.5μmの埋込リッジ構造を有するInGaAsP井戸層/GaAsPバリア層の半導体レーザ装置が形成される。
【0055】
尚、比較のため、図1におけるバリア層26のみを、図13に示すInGaAsP系量子井戸構造の半導体レーザ装置におけるバリア層5と同じIn0.4Ga0.6PとしたInGaAsP井戸層/InGaPバリア層の半導体レーザ装置も同様に形成して、GaAsPバリア層とInGaPバリア層との違いによる素子特性の比較を行った。尚、InGaPバリア層を用いた比較用の半導体レーザ装置の場合には、井戸層とバリア層とのΔEgは0.36eV〜0.39eVとなる。
【0056】
両半導体レーザ装置とも、共振器長800μmで壁開し、端面反射コーティングを施し、ステムにマウントした後、素子特性の測定を行った。その結果、GaAsPバリア層を用いた本実施の形態の半導体レーザ装置では、閾値電流Ith=25mA、微分効率ηd=1.0W/A、温度特性T0=140Kを呈した。これに対して、InGaPバリア層を用いた上記比較用の半導体レーザ装置では、閾値電流Ith=38mA、微分効率ηd=0.52W/A、温度特性T0=108Kを呈した。このように、InGaPバリア層を用いた比較用の半導体レーザ装置は、上述したように、井戸層とバリア層とのΔEgは大きいにも拘らず、良好な特性は得られない。一方、GaAsPバリア層を用いた本実施の形態の半導体レーザ装置では、上記ΔEgは0.20eVと非常に小さいにも拘らず、InGaPバリア層と比べて素子特性を著しく向上できるのである。以下、その理由に付いて検証してみる。
【0057】
(Ec,Evの机上検討)
半導体のEgは、コンダクションバンドのエネルギー(Ec)およびバレンスバンドのエネルギー(Ev)の差である。しかしながら、例え同じEgであっても、EcおよびEvは材料系や組成等によって相違する。一般に、AlGaAs系はEc,Evが高いのに対して、InGaAsP系ではEc,Evが低いと言われている。異なる半導体層間のヘテロ界面においては、両層間のEc同士の差及びEv同士の差(ΔEc,ΔEv)が電子やキャリアの振る舞いに影響を与える。そこで、本実施の形態の半導体レーザ装置および比較用の半導体レーザ装置において井戸層およびバリア層に用いているInGaAsPに対するEc,Evについて着目し、その関係について検討を行ってみる。
【0058】
以下においては、半導体のEg,Ec,Evの大小を、両半導体レーザ装置において基板に用いているGaAsのEg,Ec,Evを基準にしてその基準に対する差の値|ΔEg0|,|ΔEc0|,|ΔEv0|で表現することにする。また、|ΔEg0|は|ΔEcO|+|ΔEvO|である。ここで、|ΔEg0|のうち|ΔEc0|が占める割合を、|ΔEc0|/|ΔEg0|と表現する。
【0059】
そうすると、比較例に相当するInGaPの|ΔEc0|/|ΔEg0|については
|ΔEc0|/|ΔEg0|=0.18
という数値がAppl.Phys.Lett.66,p1785(1995)に開示されており、これを検討に使用する。一方、本実施の形態に相当するGaAsPの|ΔEc0|/|ΔEg0|については、上記InGaPより大であることは一般に知られてはいるが、具体的な数値は不明である。そこで、GaAsPの|ΔEc0|/|ΔEg0|として幾つかの値を設定し、更にInGaPとGaAsPとの間の組成であるInGaAsPについては、組成に応じてInGaPの値とGaAsPの値との間で変化すると仮定し、各組成におけるInGaAsPの|ΔEg0|,|ΔEc0|,|ΔEv0|がどのようになるかを検討してみる。ここでは、実際のGaAsP特性に最も合った例として、GaAsPの|ΔEc0|/|ΔEg0|を0.60とした場合を示す。尚、InGaAsP系のEg自体についても、実験結果に基づいて組成との関係を推定した。これは、InGaAsP系のEgについて、組成との関係式が幾つか提示されてはいるが、互いに相違しており明確になっていないためである。
【0060】
図4は、横軸xをIII族のGa組成とする一方、縦軸yをV族のP組成とした平面上に、同じEgとなる(x,y)を結んで等Eg曲線を描いた図である。図5は、横軸xをIII族のGa組成とする一方、縦軸yをV族のP組成とした平面上に、同じEcとなる(x,y)を結んで等Ec曲線を描いた図である。尚、|ΔEc0|を50meV毎の等間隔で描いている。また、図6は、同様に、横軸xをIII族のGa組成とする一方、縦軸yをV族のP組成とした平面上に、同じEvとなる(x,y)を結んで等Ev曲線を描いた図である。尚、|ΔEv0|を50meV毎の等間隔で描いている。また、図7は、横軸xをIII族のGa組成とする一方、縦軸yをV族のP組成とした平面上に、GaAsに対する歪量が同じになる(x,y)を結んで等歪曲線(等格子定数曲線)を描いた図である。
【0061】
上記等Eg線と等Ec線と等Ev線とを比較すると、上記等Eg線上に沿って組成をInGaPに近づけると、|ΔEv0|は大きくなるが|ΔEc0|は若干小さくなり、Egはバレンスバンド側に広がることが判る。逆に、組成をGaAsPに近づけると、|ΔEv0|は小さくなるが|ΔEc0|が大きくなり、Egはコンダクションバンド側に広がることが判る。
【0062】
(机上検討図と本実施の形態の比較、図4〜図7から判る効果)
図4〜図7に、本実施の形態半導体レーザ装置におけるInGaAsP井戸層27およびGaAsPバリア層26の各組成(x,y)点を、夫々○,●で示している。図5より|ΔEc0|を読み取り、図6より|ΔEv0|を読み取り、GaAs基板21,InGaAsP井戸層27およびGaAsPバリア層26のエネルギーバンドの関係を描くと図3に示すようになる。さらに、素子構造の活性領域近傍のエネルギーバンドを描くと図2(a)に示すようになる。尚、図2(b)に、InGaPバリア層を用いた比較用の半導体レーザ装置の場合を示している。
【0063】
図2において、本実施の形態の半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置とを比較すると、先ず第1に明確に判ることは、図2(b)に示すように、InGaPバリア層の半導体レーザ装置では、Ev側に、ガイド層から流れ込むホールに対して非常に大きなバリアが形成されていることである。このバリアの影響によって井戸層にホールが注入され難くなり、閾値電流の上昇や微分効率の低下が発生したと推測される。これに対して、GaAsPバリア層の半導体レーザ装置の場合には、図2(a)に示すように、Ev側にバリアが存在せず、電子およびホール共にキャリアの注入が効率よく行われて、閾値電流の低減および微分効率の増大に繋がったと推定される。
【0064】
第2に、上記GaAsPバリア層の半導体レーザ装置は、InGaPバリア層の半導体レーザ装置よりもEgは小さいが、井戸層とバリア層とのEc同士の差である|ΔEc|は逆に大きくなっていることが判る。このように、バリア層をGaAsPとすることによって|ΔEc|が大きくなるため、電子のオーバーフローがより抑制されて、更なる閾値電流の低減および微分効率の増大、また、温度特性の向上に繋がったと推定される。
【0065】
(組成および歪量の有効な範囲の決定)
図5および図6は、上述したようにGaAsPの|ΔEc0|/|ΔEg0|を0.60と仮定した場合のものであり、真の曲線は不明である。しかしながら、本実施の形態の半導体レーザ装置と比較用の半導体レーザ装置とから得られた素子特性が、上述したように、図5および図6による推定に対して大きな齟齬がないために、図4〜図7に示す曲線が有する傾向は、大まかには実態を表わしていると判断される。
【0066】
以下、この判断に基づいて、InGaAsP組成がバリア層として有効に機能する|ΔEc0|および|ΔEv0|の上限と下限とについて述べる。
【0067】
井戸層へのキャリア注入についてはホールが支配的と考え、|ΔEv0|を不必要に大きくしないように設定する。また、井戸層からのキャリアのオーバーフローについては電子が支配的と考え、|△Ec0|を不必要に小さくしないように設定することにする。尚、発振波長が780nmの半導体レーザ装置におけるInGaAsP井戸層においては、|ΔEc0|=約0.03eVであり、|ΔEv0|=約0.12eVであると推定される。但し、この値は、井戸層の歪量等によって変動するので厳密ではない。
【0068】
先ず、|ΔEv0|の最小値については、バリア層と井戸層とのΔEvは少なくとも正の値になる必要がある。したがって、|ΔEv0|>約0.12eVであり、図6からP組成0.15〜0.30付近に|ΔEv0|の境界が存在すると言える。
【0069】
次に、|ΔEv0|の最大値については、ガイド層からのホールの注入を疎外しない程度に抑える必要がある。ガイド層やクラッド層として、InGaPやAlGaAs等のGaAs基板に格子整合する種々の材料や組成が用いられるが、少なくとも最も|ΔEv0|の大きいInGaPが用いられた場合よりも|ΔEv0|を小さくする必要があり、|ΔEv0|<約0.38eV(図6におけるGaAsに対する歪量が0の破線とInGaPの線との交点での|ΔEv0|の値)となる。したがって、図6から、P組成が0.60〜0.80である付近に|ΔEv0|の境界が存在すると言える。
【0070】
また、|ΔEc0|の最小値については、井戸層からの電子のオーバーフローを防ぐために、バリア層と井戸層のΔEcが0.12eV程度以上になるように設定する必要がある。この0.12eVは、AlGaAs系の半導体レーザ装置では、バリア層にIII族のAl組成が0.27程度のAlGaAsを用いた場合に相当する。したがって、バリア層の|ΔEc0|は、井戸層の|ΔEc0|が約0.03eVであるから、|ΔEc0|>約0.15eV(約0.03eV+0.12eV)となる。図5及び図7から判るように等Ec線が等格子定数線と平行に近いことから、|ΔEc0|に関しては井戸層のGaAsに対する歪量からの歪量の差の値で境界を設定することができる。すなわち、井戸層の歪量との歪量の差が−0.65%〜−0.85%の付近に|ΔEc0|の境界が存在すると言える。
【0071】
次に、|ΔEc0|の最大値については、電子の注入は相当大きなバリアでなければあまり影響はないと考え、特に考慮しないものとする。
【0072】
以上、大まかに推定したP組成および歪量の境界に基づいて、実際に幾種類かのバリア層の半導体レーザ装置を作成して特性を測定した結果によると、P組成を0.2以下および0.75以上に設定すると、素子特性が大幅に低下する。したがって、P組成については、0.2よりも大きく且つ0.75よりも小さい範囲が有効なのである。更には、0.25よりも大きく且つ0.6よりも小さい範囲で、極めて有効な素子特性を得ることができるのである。また、井戸層の歪量との歪量の差を−0.65%以下に設定すると、素子特性が低下する。したがって、井戸層の歪量との歪量の差については、−0.65%よりも大きい範囲が有効なのである。
【0073】
尚、上述した|ΔEg0|,|ΔEc0|,|ΔEv0|の推定値は、歪によるバンド構造の変化については明確なデータが無いために考慮しておらず、真の値を示しているとは限らない。しかしながら、本実施の形態において得られた範囲は、飽くまでもこれらの推定を参考にして実際に半導体レーザ装置を作成し、その特性を検討した結果に基づいて得たものである。したがって、上記推定値の真偽によって、上記範囲が左右されるものではない。
【0074】
(電子オーバーフローに対するAlGaAsガイド層の利点)
上記コンダクションバンド側においては、AlGaAsをガイド層として用いることによって、GaAsPバリア層26a,26cとAlGaAsガイド層24,28との間でも大きなバリアが形成される。したがって、例え電子の一部がバリア層26a,26cにオーバーフローしたとしても、ガイド層24,28へのオーバーフローを抑制することができ、井戸層27への電子の閉じ込め効果が更に増加して、素子特性の向上に非常に効果がある。これは、図13に示す従来のInGaAsP系半導体レーザ装置と上記比較用のInGaPバリア層の半導体レーザ装置とを比較した場合に顕著に現れる。両者は、井戸層がInGaAsPでありバリア層がInGaPであり略同じ材料であるのに対して、ガイド層に前者がInGaPで後者がAlGaAsでの違いがあるだけである。しかしながら、素子特性には、閾値電流は前者が100mAで後者が38mAであり、温度特性は前者が80℃では発振せず評価できないほど非常に悪いのに対し、後者が108Kであり、大きな差が現れている。以上のことから、AlGaAsをガイド層として用いる効果が判る。
【0075】
(Alフリーによる高信頼性)
本実施の形態においては、井戸層27および井戸層27に接するバリア層26にAlを含んでいないために、高温,高出力時においても、高い信頼性を得ることが可能である。また、バリア層26にInを添加してInGaAsPバリア層とすることによって、更に高い信頼性を得ることが可能になる。これは、Inが転位の増殖を抑えているためと考えられる。
【0076】
また、本実施の形態においては、上記活性領域における最外のバリア層26a,26cの外側がAlGaAsのガイド層24,28となっている。そのため、GaAsPバリア層26の層厚を4nm以下にすると、高温,高出力時での信頼性が低下する。これは、ガイド層24,28のAlの影響と考えられる。したがって、GaAsPバリア層26の層厚を4nmより大きくすることによって、ガイド層24,28のAlの影響を大幅に抑制することができ、高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができる。
【0077】
(InGaAsP井戸層によるEc,Evに関する利点)
図3から判るように、上記InGaAsP井戸層27は、GaAs基板21に比較して、Egはバレンスバンド側に広がって|ΔEc0|<|ΔEv0|となる。これとは逆に、GaAsPバリア層26は、Egはコンダクションバンド側に広がって|ΔEc0|>|ΔEv0|となる。したがって、InGaAsP井戸層27とGaAsPバリア層26との組み合わせは、例えばAlGaAsを井戸層とした場合に比較して、井戸層27とバリア層26とのΔEcおよびΔEvを考えると、|ΔEc|をより大きく、|ΔEv|をより小さくできる。すなわち、本実施の形態によれば、小さなEgのバリア層で|ΔEv|を小さいままに|ΔEc|を大きくすることが可能になる。その結果、井戸層27とバリア層26との|ΔEc|を大きくして電子のオーバーフローを抑制し、より低閾値電流化,高微分効率化,高温度特性化が可能になるのである。
【0078】
(無歪井戸層への引張歪バリア層の影響による効果)
本実施の形態においては、上記井戸層27としてGaAs基板21に格子整合したInGaAsPを用いたが、両側に在るバリア層26の引張歪の影響によって井戸層27も歪の影響を受けている。したがって、通常は、井戸層に歪を導入するのであるが、本実施の形態においては、井戸層27に歪を導入することなく歪の効果を得ることができ、低閾値電流化および高出力化が可能になるのである。
【0079】
また、本実施の形態における半導体レーザ装置は、TMモード発振を行う。引張歪層の発光は、ライトホールバンドが発光に寄与してTMモードとなることが知られている。本実施の形態におけるInGaAsP井戸層27には、格子定数がGaAs基板21と一致しているにも拘らず、GaAsPバリア層26の引張歪の影響を受けて引張歪のエネルギーが加えられてTMモードとなるのである。通常、井戸層に引張歪を入れてTMモードとする場合、バリア層も引張歪であると、活性領域全体としての歪量が非常に大きくなって信頼性が低下してしまう。ところが、本実施の形態の場合には、無歪の井戸層を用いているために活性領域全体としての歪量を抑制することができ、高い素子特性と高い信頼性の両立が可能なTMモードの半導体レーザ装置が得られるのである。
【0080】
尚、上述のように、本実施の形態においてはTMモードを選択しているが、バリア層の引張歪量を下げることや井戸層を圧縮歪とすること等によって、TEモードを選択することも可能である。
【0081】
以上のごとく、本実施の形態においては、半導体レーザ装置における活性領域25を、バリア層26と井戸層27とから成るDQW構造とし、バリア層26を歪量−1%のGaAs0.720.28で構成し、井戸層27をGaAs基板21と格子整合したIn0.162Ga0.838As0.6710.329で構成している。このように、バリア層26を、0.2よりも大きく且つ0.75よりも小さいP組成であって、−0.65%よりも大きい井戸層の歪量(=基板の歪量)との歪量の差を有するGaAsPとし、InGaAsP井戸層27と組み合せることによって、バリア層26と井戸層27とガイド層24,28の|ΔEv0|を、井戸層27の|ΔEv0|<バリア層26の|ΔEv0|<ガイド層24,28の|ΔEv0|の大小関係が成立するように設定することができ、ガイド層24,28からのホールの注入を効率良く行うことができる。さらに、上記バリア層26と井戸層27との間のΔEcを0.12eV以上に設定することができ、井戸層27からの電子のオーバーフローを抑制することができる。
【0082】
したがって、井戸層27とバリア層26とのΔEgは0.20eVと小さいにも拘わらず、閾値電流Ith=25mA、微分効率ηd=1.0W/A、温度特性T0=140Kと、InGaPバリア層と比べて素子特性を著しく向上させることができるのである。
【0083】
その際に、上記GaAsPバリア層26の層厚を4nmより大きくしているので、AlGaAsガイド層24,28のAlの影響を大幅に抑制することができ、高温,高出力時に高い信頼性を得ることができる。
【0084】
また、上記GaAsPバリア層26にInを添加してInGaAsPバリア層とすることによって、転位の増殖を抑えることができ、更に高い信頼性を得ることができるのである。
【0085】
(種々の構成の自由度)
本実施の形態においては、上記InGaAsP井戸層27をGaAs基板21と同じ格子定数としたが、InGaAsP井戸層27に歪を加えてもGaAsPバリア層26は有効であり、素子特性の向上に繋がる。また、本実施の形態における井戸数は2層であるが、これに限るものではなく、任意の井戸数で同様の効果が得られる。また、本実施の形態においては埋込リッジ構造としたがこれに限定されるものではなく、リッジ構造,内部ストライプ構造,埋込ヘテロ構造等のあらゆる構造に対して同様の効果を得ることができる。
【0086】
また、本実施の形態においては、上記基板としてn型基板を用いたが、p型基板を用いると共に各層のn型とp型とを入れ換えても同様の効果を得ることができる。また、波長を780nmとしたがこれに限るものではなく、760nmよりも大きく且つ800nmよりも小さい所謂780nm帯であれば同様の効果を得ることができるのである。
【0087】
<第2実施の形態>
図8は、本実施の形態の半導体レーザ装置における構成を示す図である。本実施の形態は、InGaAsP圧縮歪井戸層/InGaAsPバリア層の量子井戸活性領域を有する波長780nmの半導体レーザ装置に関する。
【0088】
図8において、41はn型GaAs基板、42はn型GaAsバッファ層(層厚0.5μm)、43aはn型Al0.4Ga0.6As下部第2クラッド層(層厚3.0μm)、43bはn型Al0.5Ga0.5As下部第1クラッド層(層厚0.2μm)、44はAl0.42Ga0.58As下部ガイド層(層厚0.1μm)、45は活性領域である。ここで、活性領域45は、バリア層46と井戸層47とから成るDQW構造を有している。また、48はAl0.42Ga0.58As上部ガイド層(層厚0.1μm)、49aはp型Al0.5Ga0.5As上部第1クラッド層(層厚0.2μm)、50はp型GaAsエッチングストップ層(層厚3nm)、49bはリッジストライプ形状のp型Al0.5Ga0.5As上部第2クラッド層(層厚1.28μm)、51はp型GaAs保護層(層厚0.7μm)、52はn型Al0.7Ga0.3As第1電流ブロック層(層厚0.6μm)、53はn型GaAs第2電流ブロック層(層厚0.7μm)、54はp型GaAs埋込み保護層(層厚0.6μm)、55はp型GaAsキャップ層(層厚2μm)、56はn側電極、57はp側電極である。
【0089】
尚、上記バリア層46は、In0.09Ga0.91As0.410.59によって構成され、Egは2.02eV、歪は引張歪−1.45%で、層厚は46a,46cが10nmであり46bが5nmである。また、上記井戸層47は、In0.27Ga0.73As0.550.45で構成され、Egは1.55eV、歪は圧縮歪0.35%で、層厚は47a,47b共に8nmである。尚、井戸層47とバリア層46とのΔEgは0.47eVである。
【0090】
尚、歪によるバリア層46および井戸層47のEgへの影響については、本材料組成付近でも明確ではないので、本実施の形態でも考慮しないものとする。
【0091】
上記構成のInGaAsP圧縮歪井戸層/InGaAsPバリア層半導体レーザ装置は、上記第1実施の形態の場合と同様の成長,プロセスの手法によってストライプ幅2μmの埋込リッジ構造を形成することによって作成することができる。そして、得られた半導体レーザ素子を共振器長800μmで壁開し、端面反射コーティングを施し、ステムにマウントした後に、素子特性の測定を行った。その結果、閾値電流Ith=29mA、微分効率ηd=0.95W/A、温度特性T0=150Kであった。このように、井戸層に圧縮歪を導入すると共にInGaAsPバリア層を用いた半導体レーザ装置でも、良好な素子特性を得ることができるのである。
【0092】
図9に、本実施の形態の半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す。本半導体レーザ装置の場合にも、上記第1実施の形態における半導体レーザ装置の場合と同様に、バリア層46をP組成が0.6よりも小さいInGaAsPで構成しているため、バリア層にInGaPを用いた従来の半導体レーザ装置に比較して、井戸層47とバリア層46との間の|ΔEv|は小さいままに|ΔEc|を大きくすることができる。
【0093】
図5および図6から判るように、本半導体レーザ装置におけるバリア層46の組成付近では等Ec線と等Ev線との組成に対する変化の仕方が大きく異なっており、適切な組成を選ぶことでバリア層46の|ΔEc0|と|ΔEv0|とをある程度独立に制御することが可能である。例えば、等Ec線が等格子定数線に略平行なことから、バリア層46のEcと歪量とを殆ど変えずにEvを変化させることも可能である。本実施の形態においては、上記第1実施の形態の半導体レーザ装置に比較して井戸層47とバリア層46との|ΔEv|が大きくなるようにIn組成およびP組成を調整している。これによって、井戸層47へのホールの閉じ込めをも向上することが可能になる。
【0094】
尚、本実施の形態においては、図9と図2(b)との比較から判るように、バリア層にInGaPを用いた従来の半導体レーザに比べて、バレンスバンドのバリアが小さく設定されている。したがって、本実施の形態においても電子およびホール共にキャリアの注入の効率が大幅に改善されて、素子特性の向上に効果があるのである。さらに、井戸層47およびこれに接するバリア層46にAlを含んでいないために、高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができる。
【0095】
また、本実施の形態においては、上記InGaAsPバリア層46は、GaAs基板41から格子定数がずれて、−1.45%の引張歪になっている。しかしながら、井戸層47に圧縮歪を導入することによって活性領域全体としての平均的な歪量を抑制することができ、井戸層を基板に格子整合させる場合に比較して、結晶内の欠陥の量を減らし、更なる信頼性の向上を図ることができる。また、平均的な歪量を小さくしたことによって、活性領域全体としての臨界膜厚も増大し、バリア層46a,46bの層厚を10nmと厚く設定することができる。本実施の形態においても、活性領域における最外のバリア層46a,46cの外側がAlGaAsから成るガイド層44,48となっているが、井戸層47からAlGaAsガイド層44,48までの距離を10nmと大きくしているので、ガイド層44,48から活性領域へのAlの影響を更に小さくすることができ、高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができる。また、本実施の形態においては、上記バリア層46にInを添加してInGaAsP層としているため、Inによって転位の増殖を抑えることによって、更に高い信頼性を得ることができるのである。
【0096】
本実施の形態においては、上記井戸層47として0.35%の圧縮歪を有するInGaAsPを用いており、歪の効果を得ることができる。したがって、低閾値電流化および高出力化が可能になる。尚、圧縮歪層の発光にはヘビーホールバンドが寄与するために、偏光モードはTEモードとなることが知られている。本実施の形態における半導体レーザ装置の偏光モードもTEモードであり、井戸層47を圧縮歪とすることによって、TEモードの半導体レーザ装置を形成することができるのである。
【0097】
尚、本実施の形態においては、上記活性領域をInGaAsP圧縮歪井戸層/InGaAsP引張歪バリア層としたが、この組み合わせに限定されるものではない。InGaAsP無歪井戸層/InGaAsP引張歪バリア層あるいはInGaAsP圧縮歪井戸層/GaAsPバリア層の組み合わせも可能である。また、本実施の形態における井戸数は2層であるが、これに限定されるものではなく、任意の井戸数で同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、埋込リッジ構造としたがこれに限定されるものではなく、リッジ構造,内部ストライプ構造,埋込ヘテロ構造等のあらゆる構造に対して同様の効果を得ることができる。
【0098】
また、本実施の形態においては、上記基板としてn型基板を用いたが、p型基板を用いると共に各層のn型とp型とを入れ換えても同様の効果を得ることができる。また、波長を780nmとしたがこれに限定されるものではなく、760nmよりも大きく且つ800nmよりも小さい所謂780nm帯であれば同様の効果を得ることができるのである。
【0099】
<第3実施の形態>
図10は、本実施の形態の半導体レーザ装置における構成を示す図である。本実施の形態は、InGaAsP井戸層/GaAsPバリア層の量子井戸活性領域を有する波長780nmの半導体レーザ装置に関する。
【0100】
図10において、61はn型GaAs基板、62はn型GaAsバッファ層(層厚0.5μm)、63はn型(Al0.5Ga0.5)0.516In0.484P下部クラッド層(層厚1.7μm)、64はGa0.516In0.484P下部ガイド層(層厚50nm)、65は活性領域である。ここで、上記活性領域65は、バリア層66と井戸層67とからなるSQW構造を有している。また、68はGa0.516In0.484P上部ガイド層(層厚50nm)、69aはp型(Al0.5Ga0.5)0.516In0.484P上部第1クラッド層(層厚0.2μm)、70はp型GaAsエッチングストップ層(層厚3nm)、69bはリッジストライプ形状のp型(Al0.5Ga0.5)0.516In0.484P上部第2クラッド層(層厚1.28μm)、71はp型GaAs保護層(層厚1.0μm)、72はSiNx電流ブロック層、73はn側電極、74はp側電極である。
【0101】
尚、上記バリア層66は、GaAs0.750.25で構成され、Egは1.73eV、歪は引張歪−0.89%で、層厚は66a,66b共に5nmである。また、井戸層67は、In0.27Ga0.73As0.550.45で構成され、Egは1.55eVで、歪は圧縮歪0.35%で、層厚は8nmである。尚、井戸層67とバリア層66とのΔEgは0.18eVである。尚、歪によるバリア層66および井戸層67のEgへの影響については、本材料組成付近でも明確ではないので、本実施の形態においても考慮しないものとしている。
【0102】
上記構成のInGaAsP井戸層/GaAsPバリア層半導体レーザ装置は、次のようにして作成される。すなわち、先ず、上記第1実施の形態の場合と同様の成長,プロセスの手法によってリッジストライプ部を形成する。そして、上記リッジストライプ部の上側及び両側を含む全体に、SiNx電流ブロック層72をプラズマ気相成長法によって成長させる。その際に、上記リッジストライプ部上には、リッジストライプ部の形状を反映して電流ブロック層72が凸状に形成される。
【0103】
次に、上記電流ブロック層72上における上記凸状部の保護層71を除く領域にレジストマスクを形成する。そして、上記凸状部における保護層71の周囲の電流ブロック層72をエッチングによって除去し、リッジストライプ部の頂部を露出させる。そして最後に、基板61の表面にn側電極73を形成し、電流ブロック層72および保護層71の表面にp側電極74を形成する。以上のようにして、ストライプ幅3μmのリッジ導波路構造を有するInGaAsP井戸層/GaAsPバリア層の半導体レーザ装置が形成される。
【0104】
そして、得られた半導体レーザ素子を共振器長800μmで壁開し、端面反射コーティングを施し、ステムにマウントした後、素子特性の測定を行った。その結果、閾値電流Ith=30mA、微分効率ηd=0.9W/A、温度特性T0=130Kであった。このように、リッジ導波路構造を有するGaAsPバリア層を用いた半導体レーザ装置では、ΔEgが0.18eVと非常に小さいにも拘らず、良好な素子特性を得ることができるのである。
【0105】
図11に、本実施の形態の半導体レーザ装置における活性層近傍のエネルギーバンドを示す。本半導体レーザ装置の場合にも、上記第1実施の形態における半導体レーザ装置の場合と同様に、バリア層66をP組成が0.60よりも小さいGaAsPで構成しているため、バリア層にInGaPを用いた従来の半導体レーザ装置に比較して、井戸層67とバリア層66との間の|ΔEv|は小さいままに|ΔEc|を大きくすることができる。したがって、特に、電子のオーバーフローを抑制することができ、低閾値電流,高微分効率,高温度特性等の良好な素子特性を得ることができる。尚、バリア層にInを添加したInGaAsPを用いても、P組成が0.75よりも小さければ、図5および図6から判るように、井戸層とバリア層との間の|ΔEv|は小さいままに|ΔEc|を大きくすることができ、良好な素子特性を得ることができるのである。また、本実施の形態においては、InGaAsP井戸層67のIn組成およびP組成を上記第1実施の形態の場合よりも増やしており、井戸層67とバリア層66との間の|ΔEc|の増大を図っている。
【0106】
本実施の形態においては、上記ガイド層64,68をInGaPとしており、図11から判るように、コンダクションバンド側でGaAs0.750.25バリア層66が井戸層67とガイド層64,68の間におけるバリアになっている。ここで、GaAs0.750.25バリア層66の層厚を4nm以下に薄くすると、上記閾値電流が上がり、微分効率が下がり、温度特性が下がる。これは、バリア層66をトンネルする電子が多くなり、ガイド層64,68に電子がオーバーフローすることによって電子が井戸層67に充分に溜まらないためである。また、GaAsPバリア層66の層厚を20nm以上に厚くすると、電子の注入効率が低下するため、閾値電流が増大し、微分効率が低下する。以上のことから、バリア層66の層厚は、4nmよりは大きく且つ20nmよりは小さくすることによって、電子を井戸層67内に充分に溜めることが可能となって良好な素子特性を得ることが可能になるのである。
【0107】
さらに、本実施の形態においては、上記ガイド層64,68にInGaPを用いると共に、クラッド層63,69にAlGaInPを用いている。クラッド層がAlGaAsである場合には、上記第1実施の形態における比較例において図2(b)に示すように、InGaPであるバリア層の|ΔEv0|がクラッド層よりも大きいために、ホールの井戸層ヘの注入が阻害される。ところが、本実施の形態の場合には、InGaPよりも|ΔEv0|の大きいAlGaInPをクラッド層63,69に用いているために、図11に示すように、クラッド層63,69の|ΔEv0|がInGaPであるガイド層64,68よりも大きいバンド構造となって、井戸層67へのホールの注入が問題なく行われるのである。さらに、このバンド構造の場合には、井戸層67とこれに接するバリア層66a,66bとは元より、バリア層66a,66bの外側のInGaPガイド層64,68にもAlは含まれてはいない。そのために、高温,高出力動作時においても高い信頼性を得ることができるのである。
【0108】
尚、上述した井戸層67へのホール注入の効果および高温,高出力時での高信頼性の効果は、ガイド層としてInGaAsPを用いると共に、クラッド層としてInGaPを用いても同様に得ることができる。
【0109】
また、本実施の形態においては、上記InGaAsP井戸層67を0.35%の圧縮歪としているので、偏光モードがTEモードの半導体レーザ装置を得ることができる。
【0110】
尚、本実施の形態においては、上記活性領域をInGaAsP圧縮歪井戸層/GaAsP引張歪バリア層としたが、この組み合わせに限定されるものではない。InGaAsP無歪井戸層/GaAsPバリア層、InGaAsP無歪井戸層/InGaAsP引張歪バリア層、あるいは、InGaAsP圧縮歪井戸層/InGaAsP引張歪バリア層の組み合わせも可能である。また、本実施の形態における井戸数は1層であるが、これに限定されるものではなく、任意の井戸数で同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、リッジ導波路構造としたがこれに限定されるものではなく、埋込リッジ構造,内部ストライプ構造,埋込ヘテロ構造等のあらゆる構造に対して同様の効果が得ることができる。
【0111】
また、本実施の形態においては、上記基板としてn型基板を用いたが、p型基板を用いると共に各層のn型とp型とを入れ換えても同様の効果を得ることができる。また、波長を780nmとしたがこれに限定されるものではなく、760nmよりも大きく且つ800nmよりも小さい所謂780nm帯で同様の効果を得ることができるのである。
【0112】
<第4実施の形態>
本実施の形態は、上記各実施の形態における半導体レーザ装置を用いた光ディスク装置に関する。図12は、本実施の形態における光ディスク装置の構成図である。この光ディスク装置は、光ディスク81にデータを書き込んだり、光ディスク81に書き込まれたデータを再生したりするものであり、その際に用いる発光装置として、上記各実施の形態の何れか一つにおける半導体レーザ装置82を備えている。
【0113】
以下、本光ディスク装置の構成および動作について説明する。本光ディスク装置は、書き込みの際には、半導体レーザ装置82から出射された信号光(データ信号が重畳されたレーザ光)はコリメートレンズ83を通過して平行光となり、ビームスプリッタ84を透過する。そして、λ/4偏光板85によって偏光状態が調節された後に、レーザ光照射用対物レンズ86によって集光されて光ディスク81を照射する。こうして、データ信号が重畳されたレーザ光によって、光ディスク81にデータが書き込まれる。
【0114】
一方、読み出しの際には、上記半導体レーザ装置82から出射されたデータ信号が重畳されていないレーザ光が、上記書き込みの場合と同じ経路を辿って光ディスク81を照射する。そして、データが記録された光ディスク81の表面で反射されたレーザ光は、レーザ光照射用対物レンズ86およびλ/4偏光板85を経た後、ビームスプリッタ84で反射されて進行方向が90°変更される。その後、再生光用対物レンズ87によって集光され、信号検出用受光素子88に入射される。そして、こうして信号検出用受光素子88内で、入射したレーザ光の強弱に応じて光ディスク81から読み出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89によって元の情報信号に再生されるのである。
【0115】
本実施の形態における光ディスク装置においては、上述したように、従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ装置82を用いている。そのために、光ディスク81の回転数を従来よりも高速化しても、データの読み書きを行うことが可能である。したがって、従来、特にCD‐R,CD‐RW等への書き込み時に問題となっていた光ディスクヘのアクセス時間を格段に短くすることができ、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することが可能になるのである。
【0116】
尚、本実施の形態においては、上記各実施の形態における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。しかしながら、この発明はこれに限定される物ではなく、波長780nm帯の半導体レーザ装置を発光装置として用いる光ディスク記録装置や光ディスク再生装置にも適用可能であることは言うまでもない。
【0117】
また、上記第1および第2実施の形態においては、井戸層をバリア層で挟んで構成された活性領域を更にAlGaAsガイド層で挟んだものを用いているが、この発明はこれに限定されるものではない。例えば、バリア層自体の層内部にAlGaAs層の薄い層を設けた構造を含む活性領域であっても差し支えない。
【0118】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第1の発明の発振波長が780nm帯の半導体レーザ装置は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいIn1-xGaxAs1-yyでバリア層を構成すると共に、0<x<1,0.2<y<0.75の関係が成立するようにしたので、従来の場合のInGaPバリア層に比べ、GaAs基板に対するEvの差|ΔEv0|を小さく設定できる。したがって、ガイド層からの井戸層へのホールの注入の効率が大幅に改善される。
【0119】
さらに、上記井戸層の格子定数をa1とする一方、上記バリア層の格子定数をa2とした場合、|(a2−a1)/a1|×100>0.65の関係が成立するようにしたので、上記バリア層と井戸層のコンダクションバンドエネルギーの差ΔEcを、0.12eV程度以上に設定できる。この0.12eV程度とは、AlGaAs系半導体レーザの量子井戸構造において、バリア層としてIII族のAl組成を0.27程度のAlGaAsを用いた場合の、バリア層と井戸層とのΔEcに相当する。したがって、上記井戸層から電子がオーバーフローすることを抑制できる。
【0120】
すなわち、この発明によれば、InGaPバリア層を用いた半導体レーザ装置における特性不良の原因を解消することができ、従来は、Egが小さいため効果が得られないと考えられていたGaAsPあるいはInGaAsPを用いた780nm帯の半導体レーザ装置について、閾値電流の低減,微分効率の向上および温度特性の向上等、著しい特性の向上を図ることができるのである。
【0121】
さらに、上記バリア層の III 族元素中におけるG a の組成比を表す上記xの値を1より小さくしたので、I n a s Pバリア層のI n 元素によって転位の増殖を抑えて、更に高い信頼性を得ることができる。
【0122】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記井戸層のGaAs基板に対する歪を圧縮歪としたので、上記バリア層の格子定数をGaAs基板の格子定数より小さい引張歪に設定した場合にも、活性領域全体としての平均的な歪量を抑制することができる。したがって、結晶内の欠陥の量を減らして信頼性の向上を図ることができ、上記活性領域全体としての臨界膜厚が増大するため上記バリア層の層厚を厚くすることができる。また、上記井戸層は圧縮歪であるため、偏光モードをTEモードにできる。
【0123】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記井戸層およびバリア層に、活性な物質であるために酸素等の微量の不純物とも反応するAl元素を含んでいないので高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができる。
【0124】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記井戸層をInGaAsPで構成したので、AlGaAsを井戸層とした場合に比較して、井戸層とバリア層の|ΔEc|をより大きくし|ΔEv|をより小さくできる。したがって、井戸層とバリア層との|ΔEc|を大きくして電子のオーバーフローを抑制して、更なる低閾値電流化,高微分効率化,高温度特性化を図ることができる。
【0125】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記バリア層のうちの何れかあるいは総てを、上記井戸層側とは反対側の面においてAlGaAs層に接触させているので、上記コンダクションバンド側において、上記AlGaAs層との間に大きなバリアを形成できる。したがって、上記AlGaAs層を井戸層側とは反対側に位置させることによって、電子の一部が上記AlGaAs層へオーバーフローすることを抑制できる。すなわち、上記井戸層への電子の閉じ込め効果を更に増加でき、特性を更に向上することができる。
【0126】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記AlGaAs層に接触しているバリア層を上記活性領域における最外に位置させたので、電子の一部が活性領域外にまでオーバーフローすることを抑制でき、上記電子の閉じ込め効果をより効果的に増加できる。
【0127】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記AlGaAs層に接触しているバリア層の層厚を4nmよりも大きくしたので、上記AlGaAs層におけるAlの影響を大幅に抑制して、高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができる
【0128】
た、1実施例の半導体レーザ装置は、上記活性領域とクラッド層との間に、AlGaAsで構成されたガイド層を備えたので、上記コンダクションバンド側において、上記活性領域とAlGaAsガイド層との間に大きなバリアを形成することができる。したがって、上記活性領域外であるガイド層まで電子がオーバーフローするのを抑制できる。その結果、InGaAsPガイド層を用いた場合に比べて、閾値電流及び特性温度に対し顕著な向上を図ることができる。さらに、GaAs基板に対する格子整合を図ることもできる。
【0129】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記クラッド層をAlGaAsで構成したので、バリア層あるいはガイド層からの電子のオーバーフローをさらに抑制することができる。また、AlGaAsはIII族組成の揺らぎが発生してもGaAs基板への格子整合性が維持されることから、1μm以上の厚さを有する上記クラッド層全体が確実に上記GaAs基板に対する格子整合を図ることできる。
【0130】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記活性領域とクラッド層との間にはInGaPまたはInGaAsPで構成されたガイド層を有しているが、上記コンダクションバンド側においては、上記第1の発明におけるInGaAsPバリア層が井戸層とバリア層との間のバリアとして機能している。したがって、上記バリア層の層厚を最適に選ぶことによって、電子を上記井戸層内に充分に溜めることができ、良好な素子特性を得ることができる。
【0131】
さらに、|ΔEv0|が上記ガイド層であるInGaPまたはInGaAsPよりも大きいAlGaInPまたはInGaPを上記クラッド層として用いるので、上記クラッド層の|ΔEv0|をガイド層よりも大きくして、上記井戸層へのホールの注入を問題なく行うことができる。
【0132】
さらに、上記井戸層およびバリア層は元より、上記活性領域外のガイド層にもAlを含まないようにして、高温,高出力動作時において更に高い信頼性を得ることができる。
【0133】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記yの値を0.25よりも大きくしたので、上記バリア層の|ΔEv0|を上記井戸層の|ΔEv0|よりも確実に大きくすることで、注入されたホールが上記井戸層により確実に閉じ込めることができる。
【0134】
また、1実施例の半導体レーザ装置は、上記yの値を0.6よりも小さくしたので、上記バリア層の|ΔEv0|をより確実に小さくして、上記ガイド層からのバリア層へのホールの注入をより確実に行うことができる。
【0135】
また、第2の発明の発振波長が780 nm 帯の半導体レーザ装置は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいI n 1-x a x s 1-y y でバリア層を構成すると共に、0<x≦1,0 . 2<y<0 . 75の関係が成立するようにしたので、従来の場合のI n a Pバリア層に比べ、G a s 基板に対するE v の差|ΔE v0 |を小さく設定できる。したがって、ガイド層からの井戸層へのホールの注入の効率が大幅に改善される。
【0136】
さらに、上記井戸層の格子定数をa 1 とする一方、上記バリア層の格子定数をa 2 とした 場合、| ( 2 −a 1)/ 1 |×100>0 . 65の関係が成立するようにしたので、上記バリア層と井戸層のコンダクションバンドエネルギーの差ΔE c を、0 . 12 e V程度以上に設定できる。この0 . 12 e V程度とは、A l a s 系半導体レーザの量子井戸構造において、バリア層として III 族のA l 組成を0 . 27程度のA l a s を用いた場合の、バリア層と井戸層とのΔE c に相当する。したがって、上記井戸層から電子がオーバーフローすることを抑制できる。
【0137】
さらに、上記活性領域とクラッド層との間に、A l a s で構成されたガイド層を備えたので、上記コンダクションバンド側において、上記活性領域とA l a s ガイド層との間に大きなバリアを形成することができる。したがって、上記活性領域外であるガイド層まで電子がオーバーフローするのを抑制できる。その結果、I n a Pガイド層を用いた場合に比べて、閾値電流及び特性温度に対し顕著な向上を図ることができる。さらに、G a s 基板に対する格子整合を図ることもできる。
【0138】
また、第3の発明の光ディスク装置は、従来よりも高い光出力で安定に動作する上記第1あるいは第2の発明の半導体レーザ装置を発光装置として用いたので、光ディスクの回転数を従来よりも高速にしてもデータの読み書きを行うことができる。特にCD‐R,CD‐RW等への書き込み時に問題となっていた光ディスクヘのアクセス時間を、格段に短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の半導体レーザ装置における構成を示す図である。
【図2】 図1に示す半導体レーザ装置および比較用の半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す図である。
【図3】 図1におけるGaAs基板,InGaAsP井戸層およびGaAsPバリア層のエネルギーバンドの関係を示す図である。
【図4】 InGaAsPの等Eg線図である。
【図5】 InGaAsPの等Ec線図である。
【図6】 InGaAsPの等Ev線図である。
【図7】 InGaAsPの等格子定数線図である。
【図8】 図1とは異なる半導体レーザ装置における構成を示す図である。
【図9】 図8に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す図である。
【図10】 図1および図8とは異なる半導体レーザ装置における構成を示す図である。
【図11】 図10に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す図である。
【図12】 この発明の光ディスク装置の構成図である。
【図13】 井戸層/バリア層にAlが入っていない従来のInGaAsP量子井戸半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【図14】 図13に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドギャップ(Eg)を示す図である。
【符号の説明】
21,41,61…GaAs基板、
22,42,62…GaAsバッファ層、
23…AlGaAs下部クラッド層、
24,44…AlGaAs下部ガイド層、
25,45,65…活性領域、
26,66…GaAsPバリア層、
27,47,67…InGaAsP井戸層、28,48…AlGaAs上部ガイド層、
29a,49a…AlGaAs上部第1クラッド層、
29b,49b…AlGaAs上部第2クラッド層、
30,50,70…GaAsエッチングストップ層、
31,51,71…GaAs保護層、
32,52…AlGaAs第1電流ブロック層、
33,53…GaAs第2電流ブロック層、
34,54…GaAs埋込み保護層、
35,55…GaAsキャップ層、
36,56,73…n側電極、
37,57,74…p側電極、
43a…AlGaAs下部第2クラッド層、
43b…AlGaAs下部第1クラッド層、
46…InGaAsPバリア層、
63…AlGaInP下部クラッド層、
64…GaInP下部ガイド層、
68…GaInP上部ガイド層、
69a…AlGaInP上部第1クラッド層、
69b…AlGaInP上部第2クラッド層、
72…SiNx電流ブロック層、
81…光ディスク、
82…半導体レーザ装置、
83…コリメートレンズ、
84…ビームスプリッタ、
85…λ/4偏光板、
86…レーザ光照射用対物レンズ、
87…再生光用対物レンズ、
88…信号検出用受光素子、
89…信号光再生回路。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor laser device having an oscillation wavelength band of 780 nm (greater than 760 nm and smaller than 800 nm) that does not contain Al in an active region, and an optical disk device using the semiconductor laser device.
[0002]
[Prior art]
  A semiconductor laser device of 780 nm band is widely used as a semiconductor laser device for reproducing a disc such as a CD (compact disc) or an MD (mini disc). Among them, as a semiconductor laser device for CD-R (CD recordable) capable of high-speed writing, a highly reliable semiconductor laser device with high output of 120 mW or more is strongly desired.
[0003]
  By the way, in the case of the conventional AlGaAs quantum well structure in which Al is contained in the well layer / barrier layer, there is a problem that reliability is lowered particularly at high temperature and high output. This is considered to be because Al is an active substance and thus reacts with a small amount of impurities such as oxygen, thereby amplifying deterioration of the material. One way to counter this is to realize high output and high reliability by adopting a structure in which Al is not contained in the well layer / barrier layer. However, actually, a semiconductor laser device having a high output of 120 mW or more and sufficient reliability in the 780 nm band has not yet appeared.
[0004]
  As a semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 810 nm having a structure in which Al is not contained in the well layer / barrier layer, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-220244 and Japanese Journal of Applied Physics Vol. The one disclosed in L387-L389 has been proposed. Therefore, based on this conventional technique, an attempt was made to create a semiconductor laser device that oscillates at 780 nm.
[0005]
  FIG. 13 is a structural diagram showing a semiconductor laser device having an InGaAsP quantum well structure in which Al is not contained in the well layer / barrier layer. FIG. 14 shows a diagram of the energy band gap (Eg) in the vicinity of the active region in the semiconductor laser device shown in FIG.
[0006]
  In FIG. 13, 1 is an n-type GaAs substrate, and 2 is an n-type Al.0.63Ga0.37As lower cladding layer, 3 is In0.484Ga0.516P lower guide layer 4 is an active region. Here, the active region 4 has a single quantum well (SQW) structure including a barrier layer 5 and a well layer 6. 7 is In.0 .484Ga0.516P upper guide layer, 8 is p-type Al0.63Ga0.37As upper cladding layer, 9 is p-type GaAs protective layer, 10 is SiO2A current blocking layer, 11 is an n-side electrode, and 12 is a p-side electrode. The barrier layer 5 is made of In.0.4Ga0.6It is composed of P, the strain is -0.62% in tensile strain, and the layer thickness is 5 nm for both 5a and 5b. In0.4Ga0.6The Eg of P is calculated to be about 2.02 eV when strain is not taken into consideration, but is considered to be about 1.93 eV to 1.96 eV due to the influence of tensile strain. Well layer 6 is made of In.0.162Ga0.838As0.671P0.329Eg is 1.57 eV, lattice-matched with the substrate, and the layer thickness is 5 nm.
[0007]
  In a semiconductor laser device in which Al is not contained in a conventional well layer / barrier layer, In0.484Ga0.516In between the P guide layer (Eg = 1.89 eV) and the InGaAsAs well layer0.4Ga0.6Inserting P barrier layer, Eg difference “ΔEg” from the layer adjacent to the well layer (ie, guide layers 3, 7) is 0.37 eV to 0.40 eV, and Al enters the well layer / barrier layer It is larger than the semiconductor laser device. For example, in the quantum well structure of an AlGaAs semiconductor laser, ΔEg is usually about 0.25 eV. As described above, in the conventional semiconductor laser device in which Al is not contained in the well layer / barrier layer, a material capable of taking ΔEg as large as possible is selected as the Al-free material used for the barrier layer 5 to ensure the confinement of carriers. It is.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the conventional semiconductor laser device having an InGaAsP quantum well structure in which Al is not contained in the well layer / barrier layer has the following problems. That is, when the characteristics of the semiconductor laser device were measured, the threshold current was as high as 100 mA, and the differential efficiency was 0.6 W / A, so that good characteristics could not be obtained. Also, the temperature characteristics are very poor, and oscillation does not occur at 80 ° C. or higher. In the case of an AlGaAs-based 780 nm band semiconductor laser device in which Al is contained in the well layer / barrier layer, the threshold current is 35 mA, the differential efficiency is 0.9 W / A, and the temperature characteristic is about 110K. Therefore, when compared with the AlGaAs semiconductor laser device, the characteristics are deteriorated.
[0009]
  Accordingly, an object of the present invention is to provide an Al-free semiconductor laser device capable of remarkably improving the characteristics regardless of the magnitude of ΔEg, and an optical disk device using the semiconductor laser device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the first invention provides:
  An active region including a quantum well formed by laminating at least a lower cladding layer, one or a plurality of well layers, and a barrier layer on a GaAs substrate, and an oscillation wavelength in which the upper cladding layer is formed is greater than 760 nm and In a semiconductor laser device smaller than 800 nm,
  The barrier layer has a larger band gap energy than the well layer.1-xGaxAs1-yPyAnd consisting of
  When the lattice constant of the well layer is a1, while the lattice constant of the barrier layer is a2, the following relationship is established.
            0 <x <1
            0.2 <y <0.75
            | (A2−a1) / a1 | × 100> 0.65
[0011]
  As will be described in detail later, in the conventional case where an InGaP barrier layer is used in a 780 nm band semiconductor laser device,
    1) Reduction of hole injection efficiency due to the spread of Ev in the barrier layer
    2) | ΔEc |
This causes a characteristic defect.
[0012]
  By the way, when the composition of InGaAsP is changed, the values of the energy (Ec) of the conduction band and the energy (Ev) of the valence band change even if the same Eg. When InGaAsP is used for the barrier layer, at the same Eg, when approaching the InGaP composition, Eg spreads to the valence band side, and | ΔEv | between the well layer and the barrier layer increases, but | ΔEc | decreases. On the other hand, when approaching the GaAsP composition, Eg spreads toward the conduction band, and | ΔEv | between the well layer and the barrier layer decreases, while | ΔEc | increases. The change in Ev is particularly related to the composition of the P element in InGaAsP, and the change in Ec is particularly related to the difference in strain from the well layer.
[0013]
  According to the above configuration, the barrier layerISince nGaAsP is used, and the composition ratio of the P element is larger than 0.2 and smaller than 0.75, the difference | ΔEv0 | of the Ev relative to the GaAs substrate can be set smaller than the conventional InGaP barrier layer. . Therefore, the efficiency of hole injection from the guide layer to the well layer is greatly improved.
[0014]
  Further, the strain amount of the barrier layer with respect to the well layer is 0.65%.Biggeris doing. Therefore, ΔEc between the barrier layer and the well layer is set to about 0.12 eV or more. This about 0.12 eV corresponds to ΔEc between the barrier layer and the well layer when AlGaAs having a group III Al composition of about 0.27 is used as the barrier layer in the quantum well structure of the AlGaAs semiconductor laser. . Therefore, the overflow of electrons from the well layer is suppressed.
[0015]
  In this way, the cause of the characteristic defect in the conventional semiconductor laser device using the InGaP barrier layer is eliminated, and 780 nm band using InGaAsP having a composition close to GaAsP or GaAsP, which has been considered to be ineffective due to a small Eg. The characteristics of this semiconductor laser device are remarkably improved.
[0016]
  In addition, I n G a A s I of P barrier layer n The growth of dislocations is suppressed by the element, and higher reliability can be obtained.
[0017]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, when the lattice constant of the GaAs substrate is a0, the value of (a1-a0) / a0 is a positive value.
[0018]
  According to this embodiment, the strain of the well layer with respect to the GaAs substrate is a compressive strain. Therefore, for example, even when the lattice constant a2 of the barrier layer is set to a tensile strain smaller than the lattice constant a0 of the GaAs substrate, the average strain amount of the entire active region can be suppressed. Therefore, the amount of defects in the crystal can be reduced to improve the reliability, and the critical film thickness of the entire active region is increased, so that the thickness of the barrier layer can be increased. Moreover, since the well layer is compressive strained, a semiconductor laser device having a polarization mode of TE mode can be obtained.
[0019]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the well layer contains no Al element.
[0020]
  According to this embodiment, the well layer and the barrier layer do not contain an Al element that reacts with a small amount of impurities such as oxygen because it is an active substance. Therefore, high reliability can be obtained even at high temperature and high output.
[0021]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the well layer is made of InGaAsP.
[0022]
  According to this embodiment, in the InGaAsAsP well layer, Eg spreads to the valence band side as compared with the GaAs substrate, so that | ΔEc0 | <| ΔEv0 |. Conversely, when AlGaAs is used as the well layer, Eg of the well layer spreads toward the conduction band and becomes | ΔEc0 |> | ΔEv0 |. Therefore, when the InGaAsP well layer and the barrier layer are combined, | ΔEc | between the well layer and the barrier layer is larger and | ΔEv | is smaller than when AlGaAs is used as the well layer. Therefore, | ΔEc | between the well layer and the barrier layer is increased, and the overflow of electrons is suppressed, and further, a low threshold current, a high differential efficiency, and a high temperature characteristic are achieved.
[0023]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, any or all of the barrier layers are in contact with the AlGaAs layer on the surface opposite to the well layer side.
[0024]
  According to this embodiment, when the barrier layer is in contact with the AlGaAs layer, a large barrier is formed between the barrier layer and the AlGaAs layer on the conduction band side. Accordingly, by positioning the AlGaAs layer on the side opposite to the well layer side, it is possible to suppress a part of the electrons overflowing from the well layer to the barrier layer from overflowing further to the AlGaAs layer. Thus, the effect of confining electrons in the well layer is further increased, and the characteristics are further improved.
[0025]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is located on the outermost side in the active region.
[0026]
  According to this embodiment, the AlGaAs layer in contact with the barrier layer is located at the outermost position in the active region. Therefore, some electrons are prevented from overflowing outside the active region, and the electron confinement effect is further increased.
[0027]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the thickness of the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is greater than 4 nm.
[0028]
  According to this embodiment, since the thickness of the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is larger than 4 nm, the influence of Al in the AlGaAs layer is greatly suppressed, and the reliability is high even at high temperature and high output. Sex is obtained.
[0029]
  MaIn one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, a guide layer made of AlGaAs is provided between the active region and the cladding layer.
[0030]
  According to this embodiment, a large barrier is formed between the active region and the AlGaAs guide layer on the conduction band side. Therefore, the overflow of electrons to the guide layer outside the active region is suppressed, and InGa PCompared with the case where the guide layer is used, the threshold current and the characteristic temperature are significantly improved. Furthermore, lattice matching with the GaAs substrate is also achieved.
[0031]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the cladding layer is made of AlGaAs.
[0032]
  According to this embodiment, the overflow of electrons from the barrier layer or the guide layer can be further suppressed. In addition, AlGaAs maintains lattice matching with the GaAs substrate even if group III composition fluctuations occur, so that the entire cladding layer having a thickness of 1 μm or more reliably achieves lattice matching with the GaAs substrate. It can be done.
[0033]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, a guide layer made of InGaP or InGaAsP is provided between the active region and the cladding layer, and the cladding layer is made of AlGaInP or InGaP. It is configured.
[0034]
  According to this embodiment, the guide layer is InGaP or InGaAsP, but on the conduction band side, the InGaAsAsP barrier layer in the first invention functions as a barrier between the well layer and the guide layer. become. Therefore, by appropriately selecting the thickness of the barrier layer, electrons are sufficiently retained in the well layer, and good device characteristics can be obtained.
[0035]
  Further, the cladding layer is made of AlGaInP or InGaP. Thus, by using AlGaInP or InGaP, which has a difference Ev with respect to the GaAs substrate, which is larger than the guide layer InGaP or InGaAsP, as the clad layer, the clad layer | ΔEv0 | A large band structure is obtained. Therefore, holes are injected into the well layer without any problem.
[0036]
  Further, Al is not contained in the guide layer outside the active region as well as the well layer and the barrier layer. Therefore, higher reliability can be obtained even at high temperature and high power operation.
[0037]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the value of y representing the composition ratio of P in the group V element of the barrier layer is greater than 0.25.
[0038]
  According to this embodiment, by making | ΔEv0 | of the barrier layer larger than | ΔEv0 | of the well layer, the injected holes are surely confined by the well layer.
[0039]
  In one embodiment, in the semiconductor laser device of the first invention, the value of y representing the composition ratio of P in the group V element of the barrier layer is smaller than 0.6.
[0040]
  According to this embodiment, | ΔEv0 | of the barrier layer can be more reliably reduced. Therefore, holes are more reliably injected from the guide layer into the barrier layer.
[0041]
  In addition, the second invention,
  G a A s On the substrate, at least a lower cladding layer, an active region including a quantum well in which one or more well layers and a barrier layer are stacked, and an upper cladding layer having an oscillation wavelength of 760 are formed. nm Larger and 800 nm In smaller semiconductor laser devices,
  The barrier layer has a larger band gap energy than the well layer. n 1-x G a x A s 1-y P y And consisting of
  The lattice constant of the well layer is a 1 On the other hand, the lattice constant of the barrier layer is a 2 If
            0 <x ≦ 1
            0 . 2 <y <0 . 75
             ( a 2 -A 1) / a 1 | × 100> 0 . 65
  Is established,
  Between the active region and the cladding layer, A l G a A s With a guide layer composed of
It is characterized by that.
[0042]
  According to the above configuration, the barrier layer is made of G. a A s P or I n G a A s P and the composition ratio of the P element is 0 . Greater than 2 and 0 . Since it is smaller than 75, I in the conventional case n G a G compared to P barrier layer a A s E to substrate v Difference | ΔE v0 | Can be set small. Therefore, the efficiency of hole injection from the guide layer to the well layer is greatly improved.
[0043]
  Further, the strain amount of the barrier layer with respect to the well layer is reduced to 0. . It is larger than 65%. But ΔE between the barrier layer and the well layer c Is 0 . 12 e It is set to about V or higher. This 0 . 12 e About V means A l G a A s As a barrier layer in the quantum well structure of semiconductor lasers III Family A l Composition is 0 . 27 A l G a A s ΔE between the barrier layer and the well layer c It corresponds to. Therefore, the overflow of electrons from the well layer is suppressed.
[0044]
  Further, on the conduction band side, the active region and A l G a A s A large barrier is formed between the guide layer. Therefore, the overflow of electrons to the guide layer outside the active region is suppressed, and I n G a Compared with the case where the P guide layer is used, the threshold current and the characteristic temperature are significantly improved. Furthermore, the above G a A s Lattice matching to the substrate is also achieved.
[0045]
  Also,ThirdThe optical disc apparatus according to the present invention is the above first.Or secondThe semiconductor laser device according to the invention is used as a light emitting device.
[0046]
  According to the above configuration, a semiconductor laser device that operates stably with a higher light output than the conventional one is used as a light emitting device of an optical disc device for CD / MD. Therefore, it is possible to read and write data even if the rotational speed of the optical disk is higher than before, and the access time to the optical disk, which has been a problem when writing to CD-R, CD-RW (CDrewritable), etc. Shorter.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0048]
  <First embodiment>
  FIG. 1 is a diagram showing a configuration of the semiconductor laser device of the present embodiment. This embodiment relates to a semiconductor laser device having a quantum well active region of InGaAsP well layer / GaAsP barrier layer and an oscillation wavelength of 780 nm.
[0049]
  In FIG. 1, 21 is an n-type GaAs substrate, 22 is an n-type GaAs buffer layer (layer thickness 0.5 μm), and 23 is an n-type Al.0.5Ga0.5As lower cladding layer (layer thickness 1.7 μm), 24 is Al0.35Ga0.65As lower guide layer (layer thickness 45 nm), 25 is an active region. Here, the active region 25 has a double quantum well (DQW) structure including a barrier layer 26 and a well layer 27. 28 is Al0.35Ga0.65As upper guide layer (layer thickness 45nm), 29a is p-type Al0.5Ga0.5As upper first cladding layer (layer thickness 0.2 μm), 30 is a p-type GaAs etching stop layer (layer thickness 3 nm), 29b is a ridge stripe-shaped p-type Al0.5Ga0.5As upper second cladding layer (layer thickness 1.28 μm), 31 is p-type GaAs protective layer (layer thickness 0.7 μm), 32 is n-type Al0.7Ga0.3As first current blocking layer (layer thickness 0.6 μm), 33 is n-type GaAs second current blocking layer (layer thickness 0.7 μm), 34 is p-type GaAs buried protective layer (layer thickness 0.6 μm), 35 is A p-type GaAs cap layer (layer thickness 2 μm), 36 is an n-side electrode, and 37 is a p-side electrode.
[0050]
  The barrier layer 26 is made of GaAs.0.72P0.28The strain is tensile strain-1%, the layer thicknesses are 26 nm and 26 c are 8 nm, and 26 b is 7 nm. GaAs0.72P0.28Eg is calculated to be about 1.77 eV when distortion is not taken into consideration. The effect of tensile strain on Eg is not clear in the vicinity of the composition of the material, and is not considered here. Well layer 27 is made of In.0.162Ga0.838As0.671P0.329Eg is 1.57 eV, lattice-matched with the substrate, and the layer thicknesses of both 27a and 27b are 5 nm. Note that ΔEg between the well layer 27 and the barrier layer 26 is 0.20 eV.
[0051]
  By the way, in a conventional AlGaAs-based semiconductor laser device having a quantum well structure, ΔEg is usually about 0.25 eV, and when ΔEg is about 0.20 eV as in this embodiment, the carrier overflows and the characteristics deteriorate. Be able to.
[0052]
  The InGaAsAs well layer / GaAsP barrier layer semiconductor laser device having the above structure can be manufactured as follows. That is, first, on a GaAs substrate 21 having a (100) plane, a GaAs buffer layer 22, an AlGaAs lower cladding layer 23, an AlGaAs lower guide layer 24, three barrier layers 26 and two well layers 27 are alternately arranged. The active region 25 having the DQW structure, the AlGaAs upper guide layer 28, the AlGaAs first upper cladding layer 29a, the GaAs etching stop layer 30, the AlGaAs upper second cladding layer 29b, and the GaAs protective layer 31 are formed by metal organic vapor phase epitaxy. To grow crystals sequentially. Further, a resist mask whose stripe direction is the (011) direction is formed by a photographic process at a portion where the ridge stripe portion is formed on the GaAs protective layer 31.
[0053]
  Next, only the GaAs protective layer 31 and the AlGaAs upper second cladding layer 29b in portions other than the resist mask are removed by etching to form a ridge stripe portion. Then, the AlGaAs first current blocking layer 32, the GaAs second current blocking layer 33, and the GaAs buried protective layer 34 are sequentially grown on the entire surface including the upper side and both sides of the ridge stripe portion by the metal organic chemical vapor deposition method. At this time, the current blocking layers 32 and 33 and the buried protective layer 34 are formed in a convex shape on the ridge stripe portion, reflecting the shape of the ridge stripe portion.
[0054]
  Next, a resist mask is formed in a region on the GaAs buried protective layer 34 excluding the convex portion. Then, the buried protective layer 34, the second current blocking layer 33, and the first current blocking layer 32 in the convex shape are sequentially removed by etching to expose the top of the ridge stripe portion. Thereafter, a GaAs cap layer 35 is grown on the entire surface by metal organic vapor phase epitaxy. Finally, the n-side electrode 36 is formed on the surface of the substrate 21, and the p-side electrode 37 is formed on the surface of the cap layer 35. As described above, a semiconductor laser device of an InGaAsP well layer / GaAsP barrier layer having a buried ridge structure with a stripe width of 2.5 μm is formed.
[0055]
  For comparison, only the barrier layer 26 in FIG. 1 is replaced with the same In as the barrier layer 5 in the semiconductor laser device of the InGaAsP quantum well structure shown in FIG.0.4Ga0.6A semiconductor laser device of InGaAsP well layer / InGaP barrier layer with P was formed in the same manner, and the device characteristics were compared by the difference between the GaAsP barrier layer and the InGaP barrier layer. In the case of a comparative semiconductor laser device using an InGaP barrier layer, ΔEg between the well layer and the barrier layer is 0.36 eV to 0.39 eV.
[0056]
  Both semiconductor laser devices were opened with a cavity length of 800 μm, coated with an end face reflection coating, mounted on a stem, and then measured for element characteristics. As a result, the semiconductor laser device of the present embodiment using the GaAsP barrier layer exhibited a threshold current Ith = 25 mA, a differential efficiency ηd = 1.0 W / A, and a temperature characteristic T0 = 140K. In contrast, the comparative semiconductor laser device using the InGaP barrier layer exhibited a threshold current Ith = 38 mA, a differential efficiency ηd = 0.52 W / A, and a temperature characteristic T0 = 108K. As described above, the comparative semiconductor laser device using the InGaP barrier layer cannot obtain good characteristics even though ΔEg between the well layer and the barrier layer is large as described above. On the other hand, in the semiconductor laser device of the present embodiment using the GaAsP barrier layer, although the ΔEg is as small as 0.20 eV, the device characteristics can be remarkably improved as compared with the InGaP barrier layer. Below, we will examine the reason.
[0057]
  (Desk on Ec and Ev)
  The Eg of the semiconductor is the difference between the energy (Ec) of the conduction band and the energy (Ev) of the valence band. However, even if the Eg is the same, Ec and Ev are different depending on the material system and composition. In general, the AlGaAs system has a high Ec and Ev, whereas the InGaAsP system has a low Ec and Ev. At heterointerfaces between different semiconductor layers, the difference between Ec and the difference between Ev (ΔEc, ΔEv) between the two layers affect the behavior of electrons and carriers. Therefore, attention is paid to Ec and Ev with respect to InGaAsP used in the well layer and the barrier layer in the semiconductor laser device of this embodiment and the semiconductor laser device for comparison, and the relationship is examined.
[0058]
  In the following, the magnitudes of Eg, Ec, and Ev of the semiconductor are defined as difference values | ΔEg0 |, | ΔEc0 |, with respect to Eg, Ec, and Ev of GaAs used for the substrate in both semiconductor laser devices. It is expressed by | ΔEv0 |. | ΔEg0 | is | ΔEcO | + | ΔEvO |. Here, the ratio of | ΔEc0 | in | ΔEg0 | is expressed as | ΔEc0 | / | ΔEg0 |.
[0059]
  Then, for InGaP | ΔEc0 | / | ΔEg0 |
      | ΔEc0 | / | ΔEg0 | = 0.18
The numerical value is disclosed in Appl. Phys. Lett. 66, p1785 (1995), and this is used for the examination. On the other hand, it is generally known that | ΔEc0 | / | ΔEg0 | of GaAsP corresponding to the present embodiment is larger than the above InGaP, but the specific numerical value is unknown. Therefore, several values are set as | ΔEc0 | / | ΔEg0 | of GaAsP. Further, for InGaAsP, which is a composition between InGaP and GaAsP, the value between InGaP and GaAsP depends on the composition. Assuming that it changes, let us consider how | ΔEg0 |, | ΔEc0 |, | ΔEv0 | Here, as an example most suitable for the actual GaAsP characteristic, a case where | ΔEc0 | / | ΔEg0 | of GaAsP is 0.60 is shown. For InGaAsP-based Eg itself, the relationship with the composition was estimated based on the experimental results. This is because although several relational expressions with the composition of InGaAsP-based Eg are presented, they are different from each other and are not clear.
[0060]
  In FIG. 4, an equal Eg curve is drawn by connecting (x, y) with the same Eg on a plane having the horizontal axis x as the group III Ga composition and the vertical axis y as the group V P composition. FIG. FIG. 5 depicts an equal Ec curve connecting (x, y) with the same Ec on a plane having the horizontal axis x as the group III Ga composition and the vertical axis y as the group V P composition. FIG. Note that | ΔEc0 | is drawn at equal intervals of 50 meV. Similarly, FIG. 6 shows a case where the horizontal axis x is a group III Ga composition, while the vertical axis y is a group V P composition with the same Ev (x, y) connected. It is the figure which drew the Ev curve. Note that | ΔEv0 | is drawn at equal intervals of 50 meV. In FIG. 7, the horizontal axis x is a group III Ga composition, while the vertical axis y is a group V P composition, and the amount of strain with respect to GaAs is the same (x, y). It is the figure which drew the iso-strain curve (iso-lattice constant curve).
[0061]
  Comparing the equal Eg line, the equal Ec line, and the equal Ev line, when the composition is close to InGaP along the equal Eg line, | ΔEv0 | increases, but | ΔEc0 | slightly decreases, and Eg is the valence band. It can be seen that it spreads to the side. Conversely, when the composition approaches GaAsP, | ΔEv0 | decreases, but | ΔEc0 | increases, and Eg spreads toward the conduction band.
[0062]
  (Comparison between the desktop study diagram and this embodiment, the effects seen from FIGS. 4 to 7)
  4 to 7, the composition (x, y) points of the InGaAsAs well layer 27 and the GaAsP barrier layer 26 in the semiconductor laser device of the present embodiment are indicated by ○ and ●, respectively. When | ΔEc0 | is read from FIG. 5 and | ΔEv0 | is read from FIG. 6, the relationship between the energy bands of the GaAs substrate 21, the InGaAsAs well layer 27 and the GaAsP barrier layer 26 is shown in FIG. Further, an energy band in the vicinity of the active region of the element structure is drawn as shown in FIG. FIG. 2B shows the case of a comparative semiconductor laser device using an InGaP barrier layer.
[0063]
  In FIG. 2, when the semiconductor laser device of the present embodiment is compared with the semiconductor laser device for comparison, first, it is clearly understood that the semiconductor laser of the InGaP barrier layer as shown in FIG. In the apparatus, a very large barrier is formed on the Ev side against holes flowing from the guide layer. It is presumed that the influence of this barrier makes it difficult for holes to be injected into the well layer, causing an increase in threshold current and a decrease in differential efficiency. On the other hand, in the case of a semiconductor laser device having a GaAsP barrier layer, as shown in FIG. 2 (a), there is no barrier on the Ev side, and carriers and electrons are efficiently injected for both electrons and holes. It is estimated that this led to a decrease in threshold current and an increase in differential efficiency.
[0064]
  Secondly, the semiconductor laser device with the GaAsP barrier layer has a smaller Eg than the semiconductor laser device with the InGaAs barrier layer, but | ΔEc |, which is the difference between the Ec of the well layer and the barrier layer, becomes larger. I know that. In this way, by setting the barrier layer to GaAsP, | ΔEc | becomes larger, and therefore, the overflow of electrons is further suppressed, leading to further reduction of threshold current, increase of differential efficiency, and improvement of temperature characteristics. Presumed.
[0065]
  (Determination of effective range of composition and strain)
  FIG. 5 and FIG. 6 are the cases where | ΔEc0 | / | ΔEg0 | of GaAsP is assumed to be 0.60 as described above, and the true curve is unknown. However, since the element characteristics obtained from the semiconductor laser device of this embodiment and the semiconductor laser device for comparison are not significantly different from the estimations shown in FIGS. 5 and 6 as described above, FIG. ~ The tendency of the curve shown in Fig. 7 is judged to roughly represent the actual situation.
[0066]
  Based on this determination, the upper and lower limits of | ΔEc0 | and | ΔEv0 | in which the InGaAsP composition functions effectively as a barrier layer will be described below.
[0067]
  Regarding carrier injection into the well layer, holes are considered to be dominant, and | ΔEv0 | is set not to be unnecessarily large. In addition, regarding the overflow of carriers from the well layer, electrons are considered to be dominant, and | ΔEc0 | is set not to be unnecessarily small. In the InGaAsAs well layer in the semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 780 nm, it is estimated that | ΔEc0 | = about 0.03 eV and | ΔEv0 | = about 0.12 eV. However, this value is not exact because it varies depending on the strain amount of the well layer.
[0068]
  First, regarding the minimum value of | ΔEv0 |, ΔEv between the barrier layer and the well layer needs to be at least a positive value. Therefore, | ΔEv0 |> about 0.12 eV, and it can be said from FIG. 6 that a boundary of | ΔEv0 | exists in the vicinity of the P composition of 0.15 to 0.30.
[0069]
  Next, it is necessary to suppress the maximum value of | ΔEv0 | to such an extent that hole injection from the guide layer is not excluded. As the guide layer and the cladding layer, various materials and compositions such as InGaP and AlGaAs that are lattice-matched with the GaAs substrate are used, but at least | ΔEv0 | needs to be smaller than when InGaP having the largest | ΔEv0 | is used. And | ΔEv0 | <about 0.38 eV (the value of | ΔEv0 | at the intersection of the broken line with zero GaAs and the InGaP line in FIG. 6). Therefore, it can be said from FIG. 6 that a boundary of | ΔEv0 | exists in the vicinity where the P composition is 0.60 to 0.80.
[0070]
  Also, the minimum value of | ΔEc0 | needs to be set so that ΔEc between the barrier layer and the well layer is about 0.12 eV or more in order to prevent the overflow of electrons from the well layer. This 0.12 eV corresponds to the case where AlGaAs having a group III Al composition of about 0.27 is used for the barrier layer in the AlGaAs semiconductor laser device. Therefore, | ΔEc0 | of the barrier layer is | ΔEc0 |> about 0.15 eV (about 0.03 eV + 0.12 eV) because | ΔEc0 | of the well layer is about 0.03 eV. As can be seen from FIG. 5 and FIG. 7, the iso-Ec line is almost parallel to the equi-lattice constant line, so that | ΔEc0 | Can do. That is, it can be said that there is a boundary of | ΔEc0 | in the vicinity of the difference in strain amount from the well layer strain amount of −0.65% to −0.85%.
[0071]
  Next, regarding the maximum value of | ΔEc0 |, it is considered that electron injection has little influence unless it is a considerably large barrier, and is not particularly considered.
[0072]
  As described above, according to the result of actually producing several types of barrier layer semiconductor laser devices based on the roughly estimated boundary between the P composition and the strain amount and measuring the characteristics, the P composition is 0.2 or less and 0. If it is set to .75 or more, the device characteristics are greatly deteriorated. Therefore, for the P composition, a range larger than 0.2 and smaller than 0.75 is effective. Furthermore, extremely effective device characteristics can be obtained within a range larger than 0.25 and smaller than 0.6. Further, when the difference in strain amount from the strain amount of the well layer is set to −0.65% or less, the device characteristics are deteriorated. Therefore, a range larger than −0.65% is effective for the difference in strain amount from the well layer strain amount.
[0073]
  Note that the estimated values of | ΔEg0 |, | ΔEc0 |, | ΔEv0 | are not considered because there is no clear data regarding the change in the band structure due to strain, and indicate the true value. Not exclusively. However, the range obtained in the present embodiment is obtained based on the result of actually making a semiconductor laser device with reference to these estimations and studying the characteristics. Therefore, the range is not affected by the truth of the estimated value.
[0074]
  (Advantages of AlGaAs guide layer against electronic overflow)
  On the conduction band side, a large barrier is formed between the GaAsP barrier layers 26a and 26c and the AlGaAs guide layers 24 and 28 by using AlGaAs as a guide layer. Therefore, even if some of the electrons overflow into the barrier layers 26a and 26c, overflow to the guide layers 24 and 28 can be suppressed, and the effect of confining electrons in the well layer 27 is further increased. It is very effective in improving the characteristics. This remarkably appears when the conventional InGaAsP-based semiconductor laser device shown in FIG. 13 is compared with the semiconductor laser device having the comparative InGaP barrier layer. In both cases, the well layer is InGaAsP and the barrier layer is InGaP, which is substantially the same material, whereas the guide layer has the difference that the former is InGaP and the latter is AlGaAs. However, the device characteristics are such that the threshold current is 100 mA for the former and 38 mA for the latter, and the temperature characteristics are so bad that the former cannot oscillate at 80 ° C. and cannot be evaluated. Appears. From the above, the effect of using AlGaAs as the guide layer can be seen.
[0075]
  (High reliability by Al free)
  In the present embodiment, since Al is not included in the well layer 27 and the barrier layer 26 in contact with the well layer 27, high reliability can be obtained even at high temperature and high output. Further, by adding In to the barrier layer 26 to form an InGaAsP barrier layer, higher reliability can be obtained. This is probably because In suppresses the growth of dislocations.
[0076]
  Further, in the present embodiment, the outer sides of the outermost barrier layers 26a and 26c in the active region are the AlGaAs guide layers 24 and 28. Therefore, when the thickness of the GaAsP barrier layer 26 is 4 nm or less, the reliability at high temperature and high output is lowered. This is considered to be an influence of Al of the guide layers 24 and 28. Therefore, by making the layer thickness of the GaAsP barrier layer 26 larger than 4 nm, the influence of Al on the guide layers 24 and 28 can be greatly suppressed, and high reliability can be obtained even at high temperatures and high outputs. .
[0077]
  (Advantages of Ec and Ev due to InGaAsP well layer)
  As can be seen from FIG. 3, in the InGaAsP well layer 27, Eg spreads to the valence band side and becomes | ΔEc0 | <| ΔEv0 | as compared with the GaAs substrate 21. On the contrary, in the GaAsP barrier layer 26, Eg spreads toward the conduction band and becomes | ΔEc0 |> | ΔEv0 |. Therefore, the combination of the InGaAsP well layer 27 and the GaAsP barrier layer 26 is more than | ΔEc | when considering ΔEc and ΔEv between the well layer 27 and the barrier layer 26 as compared with, for example, the case where AlGaAs is used as the well layer. Larger and | ΔEv | can be smaller. That is, according to the present embodiment, it is possible to increase | ΔEc | while keeping | ΔEv | small with a barrier layer having a small Eg. As a result, | ΔEc | between the well layer 27 and the barrier layer 26 is increased to suppress the overflow of electrons, thereby enabling lower threshold current, higher differential efficiency, and higher temperature characteristics.
[0078]
  (Effect of tensile strain barrier layer on unstrained well layer)
  In this embodiment, InGaAsP lattice-matched to the GaAs substrate 21 is used as the well layer 27, but the well layer 27 is also affected by the strain due to the tensile strain of the barrier layers 26 on both sides. Therefore, strain is usually introduced into the well layer. However, in this embodiment, the strain effect can be obtained without introducing strain into the well layer 27, and a low threshold current and high output can be obtained. Is possible.
[0079]
  In addition, the semiconductor laser device in the present embodiment performs TM mode oscillation. It is known that the light emission from the tensile strained layer becomes TM mode with the light hole band contributing to the light emission. Although the lattice constant of the InGaAsAs well layer 27 in the present embodiment is the same as that of the GaAs substrate 21, the tensile strain energy is applied under the influence of the tensile strain of the GaAsP barrier layer 26, and the TM mode is applied. It becomes. Usually, when tensile strain is added to the well layer to form the TM mode, if the barrier layer is also tensile strain, the amount of strain in the entire active region becomes very large and reliability is lowered. However, in the case of the present embodiment, since an unstrained well layer is used, the strain amount of the entire active region can be suppressed, and TM mode capable of achieving both high element characteristics and high reliability. Thus, the semiconductor laser device can be obtained.
[0080]
  As described above, the TM mode is selected in the present embodiment. However, the TE mode may be selected by lowering the tensile strain amount of the barrier layer or compressing the well layer. Is possible.
[0081]
  As described above, in the present embodiment, the active region 25 in the semiconductor laser device has a DQW structure including the barrier layer 26 and the well layer 27, and the barrier layer 26 has a strain of −1% GaAs.0.72P0.28In, in which the well layer 27 is lattice-matched with the GaAs substrate 210.162Ga0.838As0.671P0.329It consists of. Thus, the barrier layer 26 has a P composition larger than 0.2 and smaller than 0.75, and a well layer strain amount (= substrate strain amount) larger than −0.65%. By using GaAsP having a difference in strain amount and combining it with the InGaAsAs well layer 27, | ΔEv0 | of the barrier layer 26, well layer 27, and guide layers 24, 28 can be changed to | ΔEv0 | <of the barrier layer 26. | ΔEv0 | <the magnitude relationship of | ΔEv0 | of the guide layers 24 and 28 can be established, so that holes can be efficiently injected from the guide layers 24 and 28. Furthermore, ΔEc between the barrier layer 26 and the well layer 27 can be set to 0.12 eV or more, and an overflow of electrons from the well layer 27 can be suppressed.
[0082]
  Therefore, although ΔEg between the well layer 27 and the barrier layer 26 is as small as 0.20 eV, the threshold current Ith = 25 mA, the differential efficiency ηd = 1.0 W / A, the temperature characteristic T0 = 140 K, and the InGaP barrier layer In comparison, the device characteristics can be remarkably improved.
[0083]
  At this time, since the thickness of the GaAsP barrier layer 26 is larger than 4 nm, the influence of Al of the AlGaAs guide layers 24 and 28 can be greatly suppressed, and high reliability can be obtained at high temperature and high output. be able to.
[0084]
  Further, by adding In to the GaAsP barrier layer 26 to form an InGaAsP barrier layer, it is possible to suppress the growth of dislocations and to obtain higher reliability.
[0085]
  (Freedom of various configurations)
  In the present embodiment, the InGaAsAs well layer 27 has the same lattice constant as that of the GaAs substrate 21. However, even if the InGaAsAs well layer 27 is strained, the GaAsAs barrier layer 26 is effective and leads to improvement in device characteristics. Further, the number of wells in this embodiment is two, but the number of wells is not limited to this, and the same effect can be obtained with an arbitrary number of wells. In this embodiment, the buried ridge structure is used. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained for all structures such as a ridge structure, an internal stripe structure, and a buried hetero structure. .
[0086]
  In the present embodiment, an n-type substrate is used as the substrate. However, a similar effect can be obtained by using a p-type substrate and replacing the n-type and p-type of each layer. Further, although the wavelength is 780 nm, the present invention is not limited to this, and a similar effect can be obtained if it is a so-called 780 nm band larger than 760 nm and smaller than 800 nm.
[0087]
  <Second Embodiment>
  FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the semiconductor laser device according to the present embodiment. The present embodiment relates to a semiconductor laser device having a wavelength of 780 nm having a quantum well active region of an InGaAsAsP compressive strain well layer / InGaAsAs barrier layer.
[0088]
  In FIG. 8, 41 is an n-type GaAs substrate, 42 is an n-type GaAs buffer layer (layer thickness 0.5 .mu.m), 43a is an n-type Al.0.4Ga0.6As lower second cladding layer (layer thickness: 3.0 μm), 43b is n-type Al0.5Ga0.5As lower first cladding layer (layer thickness 0.2 μm), 44 is Al0.42Ga0.58As lower guide layer (layer thickness 0.1 μm), 45 is an active region. Here, the active region 45 has a DQW structure including a barrier layer 46 and a well layer 47. 48 is Al.0.42Ga0.58As upper guide layer (layer thickness 0.1 μm), 49a is p-type Al0.5Ga0.5As upper first cladding layer (layer thickness 0.2 μm), 50 is a p-type GaAs etching stop layer (layer thickness 3 nm), 49b is a ridge stripe-shaped p-type Al0.5Ga0.5As upper second cladding layer (layer thickness 1.28 μm), 51 is p-type GaAs protective layer (layer thickness 0.7 μm), 52 is n-type Al0.7Ga0.3As first current blocking layer (layer thickness 0.6 μm), 53 is n-type GaAs second current blocking layer (layer thickness 0.7 μm), 54 is p-type GaAs buried protective layer (layer thickness 0.6 μm), 55 is A p-type GaAs cap layer (layer thickness 2 μm), 56 is an n-side electrode, and 57 is a p-side electrode.
[0089]
  The barrier layer 46 is made of In.0.09Ga0.91As0.41P0.59Eg is 2.02 eV, strain is tensile strain -1.45%, layer thickness is 10 nm for 46a and 46c, and 5 nm for 46b. The well layer 47 is made of In.0.27Ga0.73As0.55P0.45Eg is 1.55 eV, the strain is 0.35% compressive strain, and the layer thicknesses of both 47a and 47b are 8 nm. Note that ΔEg between the well layer 47 and the barrier layer 46 is 0.47 eV.
[0090]
  Note that the effect of strain on the Eg of the barrier layer 46 and the well layer 47 is not clear even in the vicinity of the composition of the material, and is not considered in this embodiment.
[0091]
  The InGaAsP compression strained well layer / InGaAsAsP barrier layer semiconductor laser device having the above-described structure is formed by forming a buried ridge structure having a stripe width of 2 μm by the same growth and process method as in the first embodiment. Can do. Then, the obtained semiconductor laser device was opened with a cavity length of 800 μm, end face reflection coating was applied, and the device characteristics were measured after mounting on the stem. As a result, the threshold current Ith = 29 mA, the differential efficiency ηd = 0.95 W / A, and the temperature characteristic T0 = 150K. As described above, even in a semiconductor laser device in which compressive strain is introduced into a well layer and an InGaAsP barrier layer is used, good element characteristics can be obtained.
[0092]
  FIG. 9 shows an energy band near the active region in the semiconductor laser device of the present embodiment. Also in the case of this semiconductor laser device, as in the case of the semiconductor laser device in the first embodiment, since the barrier layer 46 is made of InGaAsP having a P composition smaller than 0.6, the barrier layer is made of InGaP. | ΔEv | between the well layer 47 and the barrier layer 46 can be increased while | ΔEc |
[0093]
  As can be seen from FIGS. 5 and 6, the manner of change in the composition of the equal Ec line and the equal Ev line is greatly different in the vicinity of the composition of the barrier layer 46 in this semiconductor laser device, and the barrier can be selected by selecting an appropriate composition. It is possible to independently control | ΔEc0 | and | ΔEv0 | of the layer 46 to some extent. For example, since the equal Ec line is substantially parallel to the equal lattice constant line, it is also possible to change Ev with almost no change in the Ec and strain amount of the barrier layer 46. In the present embodiment, the In composition and the P composition are adjusted so that | ΔEv | between the well layer 47 and the barrier layer 46 is larger than that of the semiconductor laser device of the first embodiment. As a result, the confinement of holes in the well layer 47 can also be improved.
[0094]
  In this embodiment, as can be seen from a comparison between FIG. 9 and FIG. 2B, the barrier of the valence band is set smaller than that of the conventional semiconductor laser using InGaP for the barrier layer. . Therefore, also in this embodiment, the efficiency of carrier injection for both electrons and holes is greatly improved, and the device characteristics are improved. Further, since Al is not contained in the well layer 47 and the barrier layer 46 in contact with the well layer 47, high reliability can be obtained even at high temperature and high output.
[0095]
  In the present embodiment, the InGaAsP barrier layer 46 has a tensile strain of −1.45% because the lattice constant is deviated from the GaAs substrate 41. However, by introducing compressive strain into the well layer 47, the average strain amount of the active region as a whole can be suppressed, and the amount of defects in the crystal compared to the case where the well layer is lattice-matched to the substrate. The reliability can be further improved. Further, by reducing the average strain amount, the critical film thickness of the entire active region is also increased, and the layer thicknesses of the barrier layers 46a and 46b can be set to 10 nm. Also in the present embodiment, the outermost barrier layers 46a and 46c in the active region are the guide layers 44 and 48 made of AlGaAs, but the distance from the well layer 47 to the AlGaAs guide layers 44 and 48 is 10 nm. Therefore, the influence of Al from the guide layers 44 and 48 to the active region can be further reduced, and high reliability can be obtained even at high temperature and high output. In this embodiment, since In is added to the barrier layer 46 to form an InGaAsP layer, higher reliability can be obtained by suppressing the growth of dislocations with In.
[0096]
  In the present embodiment, InGaAsP having a compressive strain of 0.35% is used as the well layer 47, and the effect of strain can be obtained. Therefore, a low threshold current and high output can be achieved. It is known that the polarization mode becomes the TE mode because the heavy hole band contributes to the light emission of the compression strain layer. The polarization mode of the semiconductor laser device in the present embodiment is also the TE mode, and the TE mode semiconductor laser device can be formed by making the well layer 47 compressive strain.
[0097]
  In this embodiment, the active region is an InGaAsAs compressive strain well layer / InGaAsP tensile strain barrier layer. However, the present invention is not limited to this combination. A combination of InGaAsAsP unstrained well layer / InGaAsAsP tensile strain barrier layer or InGaAsAs compressive strain well layer / GaAsP barrier layer is also possible. Further, although the number of wells in this embodiment is two, it is not limited to this, and the same effect can be obtained with an arbitrary number of wells. In this embodiment, the buried ridge structure is used. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained for all structures such as a ridge structure, an internal stripe structure, and a buried hetero structure. it can.
[0098]
  In the present embodiment, an n-type substrate is used as the substrate. However, a similar effect can be obtained by using a p-type substrate and replacing the n-type and p-type of each layer. Further, although the wavelength is 780 nm, the present invention is not limited to this, and a similar effect can be obtained if it is a so-called 780 nm band larger than 760 nm and smaller than 800 nm.
[0099]
  <Third Embodiment>
  FIG. 10 is a diagram showing a configuration in the semiconductor laser device of the present embodiment. The present embodiment relates to a semiconductor laser device having a wavelength of 780 nm having an InGaAsP well layer / GaAsP barrier layer quantum well active region.
[0100]
  In FIG. 10, 61 is an n-type GaAs substrate, 62 is an n-type GaAs buffer layer (layer thickness is 0.5 μm), and 63 is an n-type (Al0.5Ga0.5)0.516In0.484P lower cladding layer (layer thickness 1.7 μm), 64 is Ga0.516In0.484P lower guide layer (layer thickness 50 nm), 65 is an active region. Here, the active region 65 has an SQW structure including a barrier layer 66 and a well layer 67. 68 is Ga.0.516In0.484P upper guide layer (layer thickness 50 nm), 69a is p-type (Al0.5Ga0.5)0.516In0.484P upper first cladding layer (layer thickness 0.2 μm), 70 is a p-type GaAs etching stop layer (layer thickness 3 nm), 69b is a ridge stripe p-type (Al)0.5Ga0.5)0.516In0.484P upper second cladding layer (layer thickness 1.28 μm), 71 is a p-type GaAs protective layer (layer thickness 1.0 μm), 72 is SiNxA current blocking layer, 73 is an n-side electrode, and 74 is a p-side electrode.
[0101]
  The barrier layer 66 is made of GaAs.0.75P0.25Eg is 1.73 eV, strain is tensile strain -0.89%, and layer thicknesses of 66a and 66b are both 5 nm. The well layer 67 is made of In.0.27Ga0.73As0.55P0.45Eg is 1.55 eV, the strain is 0.35% compressive strain, and the layer thickness is 8 nm. Note that ΔEg between the well layer 67 and the barrier layer 66 is 0.18 eV. Note that the effect of strain on the Eg of the barrier layer 66 and the well layer 67 is not clear even in the vicinity of the composition of the material, and is not considered in this embodiment.
[0102]
  The InGaAsP well layer / GaAsP barrier layer semiconductor laser device having the above-described configuration is fabricated as follows. That is, first, a ridge stripe portion is formed by the same growth and process technique as in the first embodiment. Then, the entire surface including the upper side and both sides of the ridge stripe portion is covered with SiN.xThe current blocking layer 72 is grown by plasma vapor deposition. At this time, the current blocking layer 72 is formed in a convex shape on the ridge stripe portion, reflecting the shape of the ridge stripe portion.
[0103]
  Next, a resist mask is formed on the current blocking layer 72 in a region excluding the protective layer 71 of the convex portion. Then, the current blocking layer 72 around the protective layer 71 in the convex portion is removed by etching to expose the top of the ridge stripe portion. Finally, the n-side electrode 73 is formed on the surface of the substrate 61, and the p-side electrode 74 is formed on the surfaces of the current blocking layer 72 and the protective layer 71. As described above, an InGaAsP well layer / GaAsP barrier layer semiconductor laser device having a ridge waveguide structure with a stripe width of 3 μm is formed.
[0104]
  Then, the obtained semiconductor laser element was opened with a cavity length of 800 μm, end face reflection coating was applied, and mounted on the stem, and then element characteristics were measured. As a result, the threshold current Ith = 30 mA, the differential efficiency ηd = 0.9 W / A, and the temperature characteristic T0 = 130K. As described above, in a semiconductor laser device using a GaAsP barrier layer having a ridge waveguide structure, although ΔEg is as small as 0.18 eV, good element characteristics can be obtained.
[0105]
  FIG. 11 shows an energy band near the active layer in the semiconductor laser device of the present embodiment. Also in the case of this semiconductor laser device, as in the case of the semiconductor laser device in the first embodiment, the barrier layer 66 is made of GaAsP having a P composition smaller than 0.60. | ΔEv | between the well layer 67 and the barrier layer 66 can be made large while | ΔEc | Therefore, in particular, it is possible to suppress the overflow of electrons, and to obtain good element characteristics such as low threshold current, high differential efficiency, and high temperature characteristics. Even if InGaAsP with In added to the barrier layer is used, if the P composition is smaller than 0.75, | ΔEv | between the well layer and the barrier layer is small as can be seen from FIGS. It is possible to increase | ΔEc | as it is, and good device characteristics can be obtained. In the present embodiment, the In composition and the P composition of the InGaAsAs well layer 67 are increased as compared with the first embodiment, and the increase in | ΔEc | between the well layer 67 and the barrier layer 66 is increased. I am trying.
[0106]
  In the present embodiment, the guide layers 64 and 68 are InGaP, and as can be seen from FIG.0.75P0.25The barrier layer 66 is a barrier between the well layer 67 and the guide layers 64 and 68. Where GaAs0.75P0.25When the thickness of the barrier layer 66 is reduced to 4 nm or less, the threshold current increases, the differential efficiency decreases, and the temperature characteristics decrease. This is because the number of electrons tunneling through the barrier layer 66 increases and the electrons overflow into the guide layers 64 and 68 so that the electrons are not sufficiently accumulated in the well layer 67. Further, when the thickness of the GaAsP barrier layer 66 is increased to 20 nm or more, the electron injection efficiency is lowered, so that the threshold current is increased and the differential efficiency is lowered. From the above, by making the thickness of the barrier layer 66 larger than 4 nm and smaller than 20 nm, electrons can be sufficiently stored in the well layer 67 and good device characteristics can be obtained. It becomes possible.
[0107]
  Further, in the present embodiment, InGaP is used for the guide layers 64 and 68, and AlGaInP is used for the cladding layers 63 and 69. When the cladding layer is AlGaAs, as shown in FIG. 2 (b) in the comparative example in the first embodiment, | ΔEv0 | of the barrier layer of InGaP is larger than that of the cladding layer. Injection into the well layer is hindered. However, in the case of the present embodiment, AlGaInP having a larger | ΔEv0 | than InGaP is used for the cladding layers 63 and 69, so that | ΔEv0 | of the cladding layers 63 and 69 is as shown in FIG. The band structure is larger than that of the guide layers 64 and 68 of InGaP, and holes are injected into the well layer 67 without any problem. Further, in the case of this band structure, Al is not included in the InGaP guide layers 64 and 68 outside the barrier layers 66a and 66b as well as the well layer 67 and the barrier layers 66a and 66b in contact therewith. . Therefore, high reliability can be obtained even at high temperature and high output operation.
[0108]
  The effect of hole injection into the well layer 67 and the effect of high reliability at high temperature and high output can be similarly obtained by using InGaAsP as the guide layer and InGaP as the cladding layer. .
[0109]
  In the present embodiment, since the InGaAsAs well layer 67 has a 0.35% compressive strain, a semiconductor laser device having a polarization mode of TE mode can be obtained.
[0110]
  In the present embodiment, the active region is an InGaAsP compressive strain well layer / GaAsP tensile strain barrier layer, but is not limited to this combination. A combination of InGaAsP unstrained well layer / GaAsP barrier layer, InGaAsAsP unstrained well layer / InGaAsP tensile strain barrier layer, or InGaAsP compressive strain well layer / InGaAsP tensile strain barrier layer is also possible. Further, although the number of wells in this embodiment is one, it is not limited to this and the same effect can be obtained with an arbitrary number of wells. In this embodiment, the ridge waveguide structure is used. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained for all structures such as a buried ridge structure, an internal stripe structure, and a buried hetero structure. be able to.
[0111]
  In the present embodiment, an n-type substrate is used as the substrate. However, a similar effect can be obtained by using a p-type substrate and replacing the n-type and p-type of each layer. Although the wavelength is 780 nm, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained in a so-called 780 nm band larger than 760 nm and smaller than 800 nm.
[0112]
  <Fourth embodiment>
  The present embodiment relates to an optical disk device using the semiconductor laser device in each of the above embodiments. FIG. 12 is a configuration diagram of the optical disc apparatus according to the present embodiment. This optical disc apparatus writes data on the optical disc 81 and reproduces data written on the optical disc 81. As a light emitting device used at that time, the semiconductor laser according to any one of the above embodiments is used. A device 82 is provided.
[0113]
  Hereinafter, the configuration and operation of the optical disc apparatus will be described. In the present optical disc apparatus, when writing, the signal light emitted from the semiconductor laser device 82 (laser light on which the data signal is superimposed) passes through the collimator lens 83 to become parallel light and passes through the beam splitter 84. Then, after the polarization state is adjusted by the λ / 4 polarizing plate 85, the light is condensed by the laser light irradiation objective lens 86 to irradiate the optical disk 81. In this way, data is written on the optical disc 81 by the laser beam on which the data signal is superimposed.
[0114]
  On the other hand, at the time of reading, the laser beam with which the data signal emitted from the semiconductor laser device 82 is not superimposed follows the same path as in the case of the writing and irradiates the optical disc 81. Then, the laser beam reflected by the surface of the optical disk 81 on which the data is recorded passes through the objective lens 86 for irradiating the laser beam and the λ / 4 polarizing plate 85 and then is reflected by the beam splitter 84 to change the traveling direction by 90 °. Is done. Thereafter, the light is condensed by a reproduction light objective lens 87 and is incident on a signal detection light receiving element 88. In this way, the data signal read from the optical disk 81 is converted into an electric signal in accordance with the intensity of the incident laser beam in the signal detecting light receiving element 88, and is reproduced into the original information signal by the signal light reproducing circuit 89. It is.
[0115]
  In the optical disk device according to the present embodiment, as described above, the semiconductor laser device 82 that operates at a higher light output than before is used. Therefore, data can be read and written even if the rotational speed of the optical disk 81 is increased as compared with the conventional technique. Accordingly, it is possible to provide an optical disc apparatus that can significantly shorten the access time to the optical disc, which has been a problem at the time of writing to CD-R, CD-RW, etc., and realizes a more comfortable operation. It becomes possible.
[0116]
  In the present embodiment, the example in which the semiconductor laser device in each of the above embodiments is applied to a recording / reproducing optical disk device has been described. However, the present invention is not limited to this, and it goes without saying that the present invention can also be applied to an optical disk recording apparatus and an optical disk reproducing apparatus that use a semiconductor laser device having a wavelength of 780 nm band as a light emitting device.
[0117]
  In the first and second embodiments, the active region formed by sandwiching the well layer with the barrier layer is further sandwiched with the AlGaAs guide layer. However, the present invention is limited to this. It is not a thing. For example, it may be an active region including a structure in which a thin AlGaAs layer is provided inside the barrier layer itself.
[0118]
【The invention's effect】
  As apparent from the above, the semiconductor laser device having the oscillation wavelength of 780 nm band according to the first aspect of the invention has a larger band gap energy than the well layer.1-xGaxAs1-yPyConstitutes the barrier layer and 0 <x <1, 0.2 <y <0.75, the Ev difference | ΔEv0 | relative to the GaAs substrate can be set smaller than in the conventional InGaP barrier layer. Therefore, the efficiency of hole injection from the guide layer to the well layer is greatly improved.
[0119]
  Further, when the lattice constant of the well layer is a1, while the lattice constant of the barrier layer is a2, the relationship | (a2−a1) / a1 | × 100> 0.65 is established. The difference ΔEc between the conduction band energy of the barrier layer and the well layer can be set to about 0.12 eV or more. This about 0.12 eV corresponds to ΔEc between the barrier layer and the well layer when AlGaAs having a group III Al composition of about 0.27 is used as the barrier layer in the quantum well structure of the AlGaAs semiconductor laser. . Therefore, it is possible to suppress the overflow of electrons from the well layer.
[0120]
  That is, according to the present invention, the cause of the characteristic failure in the semiconductor laser device using the InGaP barrier layer can be eliminated. Conventionally, GaAsP or InGaAsP, which has been considered to be ineffective due to the small Eg, can be obtained. With regard to the 780 nm band semiconductor laser device used, it is possible to achieve significant improvements in characteristics such as a reduction in threshold current, an improvement in differential efficiency, and an improvement in temperature characteristics.
[0121]
  Further, the barrier layer III G in group elements a The value of x representing the composition ratio of n G a A s I of P barrier layer n Higher reliability can be obtained by suppressing the growth of dislocations by the element.
[0122]
  In the semiconductor laser device of one embodiment, since the strain of the well layer with respect to the GaAs substrate is a compressive strain, even when the lattice constant of the barrier layer is set to a tensile strain smaller than the lattice constant of the GaAs substrate, the semiconductor laser device is active. It is possible to suppress the average distortion amount as the entire region. Therefore, it is possible to improve the reliability by reducing the amount of defects in the crystal, and the critical film thickness of the entire active region is increased, so that the thickness of the barrier layer can be increased. Further, since the well layer has a compressive strain, the polarization mode can be changed to the TE mode.
[0123]
  In addition, the semiconductor laser device of one embodiment is high even at high temperatures and high power because the well layer and the barrier layer do not contain Al elements that react with trace amounts of impurities such as oxygen because they are active substances. Reliability can be obtained.
[0124]
  In the semiconductor laser device of one embodiment, since the well layer is made of InGaAsP, | ΔEc | between the well layer and the barrier layer is made larger than that in the case where AlGaAs is used as the well layer, and | ΔEv | Can be smaller. Therefore, | ΔEc | between the well layer and the barrier layer can be increased to suppress the overflow of electrons, and further lower threshold current, higher differential efficiency, and higher temperature characteristics can be achieved.
[0125]
  Also, in the semiconductor laser device of one embodiment, any or all of the barrier layers are in contact with the AlGaAs layer on the surface opposite to the well layer side, so that the conduction band side is A large barrier can be formed between the AlGaAs layer and the AlGaAs layer. Accordingly, by positioning the AlGaAs layer on the side opposite to the well layer side, it is possible to suppress a part of electrons from overflowing to the AlGaAs layer. That is, the effect of confining electrons in the well layer can be further increased, and the characteristics can be further improved.
[0126]
  Further, in the semiconductor laser device of one embodiment, since the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is positioned at the outermost position in the active region, it is possible to prevent a part of electrons from overflowing to the outside of the active region. The electron confinement effect can be increased more effectively.
[0127]
  Further, in the semiconductor laser device of one embodiment, since the thickness of the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is larger than 4 nm, the influence of Al in the AlGaAs layer is greatly suppressed, and high temperature and high output are achieved. High reliability can be obtained even at times.
[0128]
  MaIn addition, since the semiconductor laser device according to one embodiment includes the guide layer made of AlGaAs between the active region and the cladding layer, the active region and the AlGaAs guide layer are disposed on the conduction band side. A large barrier can be formed between them. Therefore, it is possible to suppress the electrons from overflowing to the guide layer outside the active region. As a result, the threshold current and the characteristic temperature can be significantly improved as compared with the case where the InGaAsAs guide layer is used. Furthermore, lattice matching with respect to the GaAs substrate can be achieved.
[0129]
  In the semiconductor laser device of one embodiment, since the cladding layer is made of AlGaAs, the overflow of electrons from the barrier layer or the guide layer can be further suppressed. In addition, AlGaAs maintains lattice matching to the GaAs substrate even if group III composition fluctuations occur, so that the entire cladding layer having a thickness of 1 μm or more reliably achieves lattice matching to the GaAs substrate. I can.
[0130]
  The semiconductor laser device of one embodiment has a guide layer made of InGaP or InGaAsP between the active region and the cladding layer. On the conduction band side, the first semiconductor laser device has the first layer. The InGaAsP barrier layer in the invention functions as a barrier between the well layer and the barrier layer. Therefore, by optimally selecting the thickness of the barrier layer, electrons can be sufficiently accumulated in the well layer, and good device characteristics can be obtained.
[0131]
  Further, since AlGaInP or InGaP having a larger | ΔEv0 | than the guide layer InGaP or InGaAsP is used as the clad layer, | ΔEv0 | of the clad layer is made larger than the guide layer so that holes to the well layer are formed. Can be injected without problems.
[0132]
  Further, the well layer and the barrier layer can be made to contain Al even in the guide layer outside the active region, and higher reliability can be obtained at high temperature and high output operation.
[0133]
  In the semiconductor laser device of one embodiment, since the value of y is larger than 0.25, the implantation of the barrier layer by making | ΔEv0 | larger than | ΔEv0 | The formed holes can be surely confined by the well layer.
[0134]
  In the semiconductor laser device of one embodiment, since the value of y is smaller than 0.6, | ΔEv0 | of the barrier layer is more reliably reduced, and holes from the guide layer to the barrier layer are obtained. Can be injected more reliably.
[0135]
  The oscillation wavelength of the second invention is 780. nm The band semiconductor laser device has a larger band gap energy than the well layer. n 1-x G a x A s 1-y P y And a barrier layer, and 0 <x ≦ 1,0 . 2 <y <0 . Since the relationship of 75 is established, I in the conventional case n G a G compared to P barrier layer a A s E to substrate v Difference | ΔE v0 | Can be set small. Therefore, the efficiency of hole injection from the guide layer to the well layer is greatly improved.
[0136]
  Further, the lattice constant of the well layer is defined as a 1 On the other hand, the lattice constant of the barrier layer is a 2 Was If ( a 2 -A 1) / a 1 | × 100> 0 . Since the relationship of 65 is established, the difference ΔE in the conduction band energy between the barrier layer and the well layer c To 0 . 12 e It can be set to about V or higher. This 0 . 12 e About V means A l G a A s As a barrier layer in the quantum well structure of semiconductor lasers III Family A l Composition is 0 . 27 A l G a A s ΔE between the barrier layer and the well layer c It corresponds to. Therefore, it is possible to suppress the overflow of electrons from the well layer.
[0137]
  Furthermore, between the active region and the cladding layer, A l G a A s In the conduction band side, the active region and A are provided. l G a A s A large barrier can be formed between the guide layer. Therefore, it is possible to suppress the electrons from overflowing to the guide layer outside the active region. As a result, I n G a Compared with the case where the P guide layer is used, the threshold current and the characteristic temperature can be significantly improved. In addition, G a A s It is also possible to achieve lattice matching with the substrate.
[0138]
  Also,ThirdThe optical disc apparatus according to the first aspect of the present invention operates stably at a higher light output than the prior art.Or secondSince the semiconductor laser device of the invention is used as a light emitting device, data can be read and written even if the rotational speed of the optical disk is higher than that of the conventional one. In particular, the access time to the optical disk, which has been a problem when writing to CD-R, CD-RW, etc., can be remarkably shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing energy bands in the vicinity of an active region in the semiconductor laser device shown in FIG. 1 and a comparative semiconductor laser device.
3 is a diagram showing the relationship of energy bands of a GaAs substrate, an InGaAsP well layer, and a GaAsP barrier layer in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is an iso-Eg diagram of InGaAsP.
FIG. 5 is an isoc diagram of InGaAsP.
FIG. 6 is an iso-Ev diagram of InGaAsP.
FIG. 7 is an isolattic diagram of InGaAsP.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration in a semiconductor laser device different from that in FIG. 1;
9 is a diagram showing an energy band in the vicinity of an active region in the semiconductor laser device shown in FIG.
10 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser device different from those in FIGS. 1 and 8. FIG.
11 is a diagram showing an energy band near an active region in the semiconductor laser device shown in FIG.
FIG. 12 is a configuration diagram of an optical disc apparatus according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing the structure of a conventional InGaAsAsP quantum well semiconductor laser device in which Al is not contained in a well layer / barrier layer.
14 is a diagram showing an energy band gap (Eg) in the vicinity of an active region in the semiconductor laser device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
21, 41, 61 ... GaAs substrate,
22, 42, 62 ... GaAs buffer layer,
23 ... AlGaAs lower clad layer,
24, 44 ... AlGaAs lower guide layer,
25, 45, 65 ... active region,
26, 66 ... GaAsP barrier layer,
27, 47, 67 ... InGaAsP well layer, 28, 48 ... AlGaAs upper guide layer,
29a, 49a ... AlGaAs upper first cladding layer,
29b, 49b ... AlGaAs upper second cladding layer,
30, 50, 70 ... GaAs etching stop layer,
31, 51, 71 ... GaAs protective layer,
32, 52 ... AlGaAs first current blocking layer,
33, 53 ... GaAs second current blocking layer,
34, 54 ... GaAs buried protective layer,
35,55 ... GaAs cap layer,
36, 56, 73 ... n-side electrode,
37, 57, 74 ... p-side electrode,
43a ... AlGaAs lower second cladding layer,
43b ... AlGaAs lower first cladding layer,
46: InGaAsP barrier layer,
63 ... AlGaInP lower clad layer,
64 ... GaInP lower guide layer,
68 ... GaInP upper guide layer,
69a ... AlGaInP upper first cladding layer,
69b ... AlGaInP upper second cladding layer,
72 ... SiNxCurrent blocking layer,
81 ... optical disc,
82 ... Semiconductor laser device,
83 ... collimating lens,
84: Beam splitter,
85 ... λ / 4 polarizing plate,
86 ... Objective lens for laser light irradiation,
87 ... Objective lens for reproduction light,
88. Light receiving element for signal detection,
89 ... Signal light regeneration circuit.

Claims (14)

GaAs基板上に、少なくとも、下部クラッド層と、1つまたは複数の井戸層とバリア層とが積層されて成る量子井戸を含む活性領域と、上部クラッド層が形成された発振波長が760nmより大きく且つ800nmより小さい半導体レーザ装置において、
上記バリア層を、上記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいIn1-xGaxAs1-yyで構成すると共に、
上記井戸層の格子定数をa1とする一方、上記バリア層の格子定数をa2とした場合に、
0<x<1
0.2<y<0.75
|(a2−a1)/a1|×100>0.65
の関係が成立することを特徴とする半導体レーザ装置。
An active region including a quantum well formed by laminating at least a lower cladding layer, one or a plurality of well layers, and a barrier layer on a GaAs substrate, and an oscillation wavelength in which the upper cladding layer is formed is greater than 760 nm and In a semiconductor laser device smaller than 800 nm,
The barrier layer is made of In 1-x Ga x As 1-y P y having a larger band gap energy than the well layer,
When the lattice constant of the well layer is a1, while the lattice constant of the barrier layer is a2,
0 < x <1
0.2 <y <0.75
| (A2−a1) / a1 | × 100> 0.65
A semiconductor laser device characterized in that the relationship is established.
請求項1に記載の半導体レーザ装置において、
上記GaAs基板の格子定数をa0とした場合に、(a1−a0)/a0の値が正の値であること特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser device, wherein the value of (a1-a0) / a0 is a positive value when the lattice constant of the GaAs substrate is a0.
請求項1あるいは請求項2に記載の半導体レーザ装置において、
上記井戸層にAl元素が含まれていないことを特徴とする半導体レーザ装置。
In the semiconductor laser device according to claim 1 or 2,
A semiconductor laser device, wherein the well layer does not contain an Al element.
請求項3に記載の半導体レーザ装置において、
上記井戸層がInGaAsPで構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 3,
A semiconductor laser device, wherein the well layer is made of InGaAsP.
請求項1乃至請求項4の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記バリア層のうちの何れかあるいは総てが、上記井戸層側とは反対側の面においてAlGaAs層に接触していることを特徴とする半導体レーザ装置。
In the semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4,
Any or all of the barrier layers are in contact with the AlGaAs layer on the surface opposite to the well layer side.
請求項5に記載の半導体レーザ装置において、
上記AlGaAs層に接触しているバリア層は、上記活性領域における最外に位置していることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 5,
The semiconductor laser device, wherein the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is located at the outermost position in the active region.
請求項5あるいは請求項6に記載の半導体レーザ装置において、
上記AlGaAs層に接触しているバリア層の層厚は4nmより大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
In the semiconductor laser device according to claim 5 or 6,
A semiconductor laser device, wherein the thickness of the barrier layer in contact with the AlGaAs layer is greater than 4 nm.
請求項1乃至請求項7の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記活性領域とクラッド層との間に、A l a s で構成されたガイド層を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 7,
Between the active region and the cladding layer, a semiconductor laser device characterized by comprising a guide layer formed of A l G a A s.
請求項1乃至請求項8の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
記クラッド層AlGaAsで構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 8,
Upper hear Rudd layer semiconductor laser device, characterized in that it consists of AlGaAs.
請求項1乃至請求項7の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記活性領域とクラッド層との間にI n a PまたはI n a s で構成されたガイド層を備えると共に、
上記クラッド層はA l a n PまたはI n a Pで構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 7 ,
Provided with a guide layer formed of I n G a P or I n G a A s P between the active region and the cladding layer,
It said cladding layer is a semiconductor laser device characterized in that it consists of A l G a I n P or I n G a P.
請求項1乃至請求項10の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記バリア層のV族元素中におけるPの組成比を表わす上記yの値は0 . 25よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
In the semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 10 ,
The value of the y representing the composition ratio of P in the group V elements in said barrier layer is 0. The semiconductor laser device and greater than 25.
請求項1乃至請求項11の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記バリア層のV族元素中におけるPの組成比を表わす上記yの値は . よりも小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
In the semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 11,
The value of the y representing the composition ratio of P in the group V elements in said barrier layer 0. Sixth semiconductor laser device according to claim smaller Ikoto than.
a s 基板上に、少なくとも、下部クラッド層と、1つまたは複数の井戸層とバリア層とが積層されて成る量子井戸を含む活性領域と、上部クラッド層が形成された発振波長が760 nm より大きく且つ800 nm より小さい半導体レーザ装置において、
上記バリア層を、上記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいI n 1-x a x s 1-y y で構成すると共に、
上記井戸層の格子定数をa 1 とする一方、上記バリア層の格子定数をa 2 とした場合に、
0<x≦1
. 2<y<0 . 75
( 2 −a 1)/ 1 |×100>0 . 65
の関係が成立し、
上記活性領域とクラッド層との間に、A l a s で構成されたガイド層を備えた
ことを特徴とする半導体レーザ装置。
In G a A s substrate, at least a lower cladding layer, an active region comprising one or more well layers and the quantum well barrier layer and is formed by laminating, oscillation wavelength upper cladding layer is formed is 760 In a semiconductor laser device larger than nm and smaller than 800 nm ,
The barrier layer, together constituting a band gap energy than the well layer is greater I n 1-x G a x A s 1-y P y,
When the lattice constant of the well layer is a 1 and the lattice constant of the barrier layer is a 2 ,
0 <x ≦ 1
0. 2 <y <0. 75
| (A 2 -a 1) / a 1 |. × 100> 0 65
Is established,
Between the active region and the cladding layer, a semiconductor laser device according to claim <br/> further comprising a guide layer formed of A l G a A s.
請求項1乃至請求項13の何れか一つに記載の半導体レーザ装置を、発光装置として用いたことを特徴とする光ディスク装置。  14. An optical disk device, wherein the semiconductor laser device according to claim 1 is used as a light emitting device.
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