JPH04329687A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，高出力動作が可能であ
り，高い信頼性および優れた低雑音性を有する半導体レ
ーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ素子は，石英系の光ファイ
バが光通信方式の伝送媒体として利用可能であることが
見い出されて以来，その光源として注目されはじめ，こ
れに伴い半導体レーザ素子の研究が強力に推進された。 現在のところ，ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系およびＩｎＰ
／ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザ素子が商用の光通信
回線に使用されている。また，半導体レーザ素子は，光
通信以外にも，光による計測制御や光情報処理など多く
の分野で広範囲に利用されている。

【０００３】しかし，半導体レーザ素子を光源として用
いると，光通信の分野においては，出射されたレーザ光
の一部が中継器や分波器などで反射されて戻り光となり
，この戻り光が誘起する雑音が問題になっている。

【０００４】また，光学的に情報を記録および再生する
光ディスク装置などの情報記録再生装置においても，出
射されたレーザ光の一部がディスク面で反射されて，再
び半導体レーザ素子の共振器内部に戻ってくる。ディス
ク面からの戻り光は，素子内部の光と結合して雑音を発
生させ，それが原因で情報の記録時および再生時にエラ
ーが起こる。

【０００５】したがって，特に，このような光情報処理
分野では，光源として用いられる半導体レーザ素子は，
相対雑音強度が−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下であることが要
求される。しかも，上記のような情報記録再生装置にお
いては，情報書き込み時には５０ｍＷ以上の高出力動作
および高い信頼性が必要とされる。

【０００６】従来，光ディスク装置などの情報記録再生
装置に使用可能な高出力の半導体レーザ素子については
，光出射端面の反射率を約５％程度にまで低下させ，高
い光出力を取り出すことが行われてきた。しかし，光出
射端面の反射率を低下させると，ディスク面からの戻り
光が素子内部の光と結合しやすくなるので，戻り光によ
り誘起される雑音が増大することになる。

【０００７】このような戻り光が誘起する雑音を低減す
るために，例えば，半導体レーザ素子の駆動電流に高周
波重畳電流を印加して多重縦モード発振を起こすことが
行われている。多重縦モード発振を起こすと，時間的な
コヒーレンスが低下するので，戻り光の影響が少なくな
り，雑音が低下するのである。また，光アイソレータを
用いて戻り光自体を減少させる方法や，半導体レーザ素
子を利得導波型と屈折率導波型との中間的な発振モード
制御方式に設定して半導体レーザ素子を自励発振させる
方法などが考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし，半導体レーザ
素子に高周波重畳電流を印加する方法では，通常の半導
体レーザ駆動回路に加えて，高周波重畳電流を印加する
ための回路を外付けする必要がある。また，一般に，高
周波回路は通常の電子回路に比べて取扱いが複雑であり
，このような回路を組み込んだ場合，装置外部への高周
波の不要輻射などを抑制するために，厳重なシールドが
必要であり，高周波重畳を用いないシステムに比べてコ
ストアップにつながる。

【０００９】光アイソレータを用いる方法では，通常の
光学系に比べて，光アイソレータを挿入する分だけ光路
を延長する必要がある。これは，光学系の寸法を増大さ
せるので，装置の小型化が困難になる。しかも，光アイ
ソレータを用いることでコストアップにつながる。

【００１０】半導体レーザ素子を利得導波型と屈折率導
波型との中間的な発振モード制御方式に設定して半導体
レーザ素子を自励発振させる方法では，半導体レーザ素
子の非点収差が大きくなるので，小さい集光スポットを
必要とする用途（例えば，上記の情報記録再生装置の光
源）には適さない。また，駆動電流と光出力との関係が
比較的低い出力で破綻を来たし，高出力動作を行わせる
ことができない。

【００１１】なお，通常の半導体レーザ素子において，
光出射端面の反射率を高めれば，戻り光により誘起され
る雑音を減少させることは可能であるが，高出力動作を
行わせると，素子内部における光密度が増大して信頼性
の低下または光出射端面の破壊につながる。

【００１２】本発明は，上記従来の問題点を解決するも
のであり，その目的とするところは，それ自体が優れた
低雑音特性を有するので，例えば，光ディスク装置など
の情報記録再生装置の光源として用いた場合に，高周波
回路や光アイソレータを用いる必要がなく，しかも高出
力動作が可能であり，特に高出力動作下でも優れた信頼
性を示す半導体レーザ素子を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は，半導体基板上に活性層を含む積層構造が形成され
，この半導体基板および積層構造の側面で構成されるレ
ーザ共振器端面のうち，少なくとも光出射側のレーザ共
振器端面上に，活性層より禁制帯幅が大きい半導体層と
反射膜とが順次形成されている半導体レーザ素子であり
，この反射膜が２０％以上の反射率を有することにより
，上記目的が達成される。

【００１４】上記半導体レーザ素子の構造は，特に限定
されず，ダブルヘテロ構造（ＤＨ構造），量子井戸構造
（ＱＷ構造），分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ構造）
などを採用することができる。また，これらの構造にレ
ーザ光を横方向で閉じ込める機構を併用してもよく，例
えば，ＶＳＩＳ（Ｖ−ｃｈａｎｎｅｌｅｄＳｕｂｓｔｒ
ａｔｅ　　Ｉｎｎｅｒ　　Ｓｔｒｉｐｅ）構造と称する
内部ストライプ型を採用することができる。

【００１５】上記半導体レーザ素子の基板および積層構
造は，従来から用いられている半導体材料で形成すれば
よく，例えば，ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＰ，Ｉｎ
ＧａＡｌＰ，ＩｎＧａＡｓＰなどが用いられる。この半
導体基板上に活性層を含む積層構造を形成する方法は，
従来から用いられている結晶成長法でよく，例えば，液
相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法），有機金属気相成
長法（ＭＯＣＶＤ法），分子線エピタキシャル成長法（
ＭＢＥ法）などが用いられる。

【００１６】光出射端面上に形成される半導体層につい
ては，活性層より禁制体幅が大きい半導体材料で形成す
ればよく，例えば，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｌＰ，Ｉ
ｎＧａＡｓＰ，ＺｎＳｅ，ＺｎＳなどが用いられる。こ
の半導体層を形成する方法は，レーザ共振器端面上に半
導体層を形成することが可能な成長方法であればよく，
例えば，有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法），分子線
エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法），原子層エピタキシ
ャル成長法（ＡＬＥ法），有機金属分子線エピタキシャ
ル成長法（ＭＯＭＢＥ法）などが用いられる。

【００１７】この半導体層の厚さは，その材料に依存す
るが，例えば，ＡｌＧａＡｓを用いた場合には，０．２
ｎｍ〜３μｍの範囲内で設定される。このような範囲内
では，半導体基板および積層構造との格子不整合から生
じる歪みの影響が少なく，良好な結晶性を有する薄い半
導体層が形成されるので，窓効果が現れる。

【００１８】上記の半導体層上に形成される反射膜は，
その反射率が２０％以上であればよく，その材料は特に
限定されない。反射膜の材料としては，例えば，Ａｌ２
Ｏ３，ＳｉＯ２，ＡｌＮなどの誘電体材料が用いられる
。 反射膜の形成方法としては，例えば，真空蒸着法などが
用いられる。反射膜の反射率は，その材質に依存して厚
さを適切に設定することにより２０％以上に制御される
。

【００１９】

【作用】本発明の半導体レーザ素子は，光出射側のレー
ザ共振器端面上に形成された，活性層より禁制帯幅が大
きい半導体層と，その上に形成された反射率が２０％以
上の反射膜とを有する。光出射端面の反射率が２０％以
上であり，従来の高出力半導体レーザ素子の数％に比べ
て非常に大きいので，半導体レーザ素子から出射された
レーザ光が，光ディスクなどで反射された戻り光と結合
することが防止される。それゆえ，戻り光により誘起さ
れる雑音が低減され，光ディスク装置などの情報記録再
生装置の光源として用いる場合に要求される−１３０ｄ
Ｂ／Ｈｚ以下という相対雑音強度が実現される。また，
光出射側のレーザ共振器端面上に活性層より禁制帯幅が
大きい半導体層が形成されているので，レーザ共振器端
面の近傍で非発光再結合が起こらず，共振器端面の劣化
が防止される。それゆえ，例えば，５０ｍＷ以上の高出
力動作下でも高い信頼性が得られる。

【００２０】

【実施例】以下に，本発明の実施例について説明する。

【００２１】本実施例では，ＶＳＩＳ構造を有する内部
ストライプ型の半導体レーザ素子を作製した。この半導
体レーザ素子の構造を図１に示す。図２は，図１のＡ−
Ａ’線に沿った部分的な断面図であり，光出射側のレー
ザ共振器端面近傍の構造を示す。なお，ＶＳＩＳ構造に
ついては，例えば，Ｓ．Ｙａｍａｍｏｔｏら，Ａｐｐｌ
．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．５，ｐ
ｐ．３７２−３７４（１９８２）を参照されたい。この
ような半導体レーザ素子は以下のようにして作製された
。

【００２２】まず，ｐ−ＧａＡｓ基板１００上に，液相
エピタキシャル成長法（ＬＰＥ法）により，ｎ−ＧａＡ
ｓ電流阻止層１０１を成長させた後，ホトリソグラフィ
法および化学エッチングにより，ｎ−ＧａＡｓ電流阻止
層１０１を貫きｐ−ＧａＡｓ基板１００に達するＶ字形
ストライプ溝１０２を形成した。次いで，液相エピタキ
シャル成長法（ＬＰＥ法）により，Ｖ字形ストライプ溝
１０２を埋めるように，ｐ−Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５
Ａｓ第１クラッド層１０３を成長させた後，引き続いて
，ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ活性層１０４，ｎ
−Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ第２クラッド層１０５
，およびｎ−ＧａＡｓコンタクト層１０６を順次成長さ
せた。

【００２３】このようにして得られたウエハを劈開する
ことにより，レーザ共振器端面１０７および１０８を形
成した（共振器長は４５０μｍ）。そして，これらの端
面上に，有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により，
それぞれ，高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層（キャリ
ア密度１０１７／ｃｍ３以下，厚さ１μｍ）１０９およ
び１１０を成長させた。なお，高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０
．５Ａｓ層１０９および１１０は，ｐ−Ａｌ０．１５Ｇ
ａ０．８５Ａｓ活性層１０４より大きい禁制帯幅を有す
る。次いで，ｐ−ＧａＡｓ基板１００の裏面にはｐ側電
極１１１を形成し，ｎ−ＧａＡｓコンタクト層１０６の
表面にはｎ側電極１１２を形成した。

【００２４】さらに，光出射側となるレーザ共振器端面
１０７上の高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０９の
表面には，真空蒸着法により，Ａｌ２Ｏ３誘電体反射膜
１１３（厚さ５５ｎｍ）を形成した。なお，光出射端面
の反射率は２０％に制御した。他方，レーザ共振器端面
１０８上の高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１１０の
表面には，Ａｌ２Ｏ３誘電体膜（厚さ１２２ｎｍ）とＳ
ｉ膜（厚さ５０ｎｍ）との多層反射膜１１４を形成した
。なお，光出射側ではない端面の反射率は約９５％に制
御した。このようにして得られた半導体レーザ素子は，
反射率２０％の端面を光出射側としてヒートシンク上に
マウントし，駆動電流を印加したところ，波長７８０ｎ
ｍのレーザ光を出射した。そして，この半導体レーザ素
子の駆動電流−光出力特性，相対雑音強度などについて
調べた。

【００２５】図３に，半導体レーザ素子の駆動電流と光
出力との関係を示す。実線は，本実施例で得られた半導
体レーザ素子に関するデータであり，点線は，比較のた
めに作製した従来の半導体レーザ素子（レーザ共振器端
面上に高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０９および
１１０を有しないこと以外は本実施例の半導体レーザ素
子と同じ構造を有する）に関するデータである。従来の
半導体レーザ素子が１３０ｍＷの光出力で破壊したのに
対して，本実施例の半導体レーザ素子は３８０ｍＷの光
出力まで安定に発振し，熱飽和に至った。このことから
，本実施例の半導体レーザ素子では，レーザ共振器端面
１０７と高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０９との
間，およびレーザ共振器端面１０８と高抵抗Ａｌ０．５
Ｇａ０．５Ａｓ層１１０との間には良好な界面が形成さ
れ，レーザ共振器端面の近傍で光吸収による非発光再結
合が起こらず，良好な窓効果が得られていることがわか
る。なお，本実施例の半導体レーザ素子は，５０℃，１
００ｍＷの駆動条件下では，８，０００時間以上にわた
って安定に動作し，極めて良好な信頼性を示した。

【００２６】次に，本実施例で得られた半導体レーザ素
子の出力光の強度ノイズを測定した。ノイズの測定条件
としては，駆動方法は自動光出力制御（ＡＰＣ）５ｍＷ
，室温，中心周波数１ＭＨｚ，バンド幅３０ｋＨｚ，コ
リメートレンズの開口数（ＮＡ）０．３，光路長６０ｍ
ｍであった。本実施例の半導体レーザ素子は，高周波重
畳電流を印加せずに戻り光を０．０１％〜１０％まで変
化させたところ，−１３０ｄＢ／Ｈｚの最大相対雑音強
度が得られ，光ディスク装置などの情報記録再生装置の
光源として実用可能な値を示した。さらに，光出射端面
の反射率と相対雑音強度との関係を調べた。その結果を
図４に示す。この図に示す相対雑音強度は戻り光を０．
０１％〜１０％まで変化させた時の最大値である。 この図から明らかなように，光出射端面の反射率を上昇
させると，相対雑音強度が向上する。一般に，高周波回
路や光アイソレータを用いることなく，半導体レーザ素
子を光ディスク装置などの情報記録再生装置の光源とし
て応用するためには，相対雑音強度が−１３０ｄＢ／Ｈ
ｚ以下でなければならない。したがって，図４から光出
射端面の反射率を２０％以上に設定すればよいことがわ
かる。

【００２７】さらに，レーザ共振器端面上に形成する半
導体層の厚さについて調べた。一般に，このような半導
体層は，活性層より大きい禁制帯幅を有する限り，原理
的には，１分子層（ＡｌＧａＡｓ層の場合で約０．２ｎ
ｍ）以上の厚さを有すれば，窓効果が現れる。しかし，
半導体層の厚さをある程度大きくすると，半導体基板お
よび積層構造を構成する半導体材料との格子不整合に起
因して，この半導体層中に歪みが発生し，その結晶性が
低下する。したがって，レーザ共振器端面上に形成する
半導体層の厚さは，このような結晶性の低下が問題にな
る臨界的な厚さが上限となると考えられる。

【００２８】実際，本実施例の半導体レーザ素子におい
て，高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層１０９の厚さを
変化させた場合の最大光出力を求めた。その結果を図５
に示す。この図から明らかなように，厚さが３μｍを越
えると，最大光出力が減少しはじめる。したがって，レ
ーザ共振器端面上に形成する半導体層がＡｌＧａＡｓか
らなる場合には，その厚さを０．２ｎｍ〜３．０μｍの
範囲内で設定すればよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば，高出力動作が可能であ
り，特に高出力動作下でも高い信頼性を有すると共に，
優れた低雑音特性を有する半導体レーザ素子が得られる
。特に，光出射端面の反射率が２０％以上であるので，
戻り光雑音の相対雑音強度は−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下で
ある。このような半導体レーザ素子を光ディスク装置な
どの情報記録再生装置の光源として用いれば，高周波回
路や光アイソレータなどを用いることなく，書き込み時
および読み取り時のエラー発生を防止することができる
。したがって，情報記録再生装置の小型化し得ると共に
，製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体レーザ素子の構
造を示す斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った部分的な断面図であ
る。

【図３】図１の半導体レーザ素子および従来の半導体レ
ーザ素子について駆動電流と光出力との関係を示すグラ
フ図である。

【図４】図１の半導体レーザ素子の光出射端面の反射率
と相対雑音強度との関係を示すグラフ図である。

【図５】図１の半導体レーザ素子の光出射側のレーザ共
振器端面上に形成された半導体層の厚さと最大光出力と
の関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１００　　ＧａＡｓ基板 １０１　　ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層 １０２　　Ｖ字形ストライプ溝 １０３　　ｐ−Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ第１クラ
ッド層１０４　　ｐ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ活
性層１０５　　ｎ−Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ第２
クラッド層１０６　　ｎ−ＧａＡｓコンタクト層 １０７　　光出射側のレーザ共振器端面１０８　　他方
のレーザ共振器端面 １０９，１１０　　高抵抗Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ半
導体層１１３　　Ａｌ２Ｏ３誘電体反射膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板上に活性層を含む積層構造
   が形成され，この半導体基板および積層構造の側面で構
   成されるレーザ共振器端面のうち少なくとも光出射側の
   レーザ共振器端面上に，活性層より禁制帯幅が大きい半
   導体層と反射膜とが順次形成されている半導体レーザ素
   子であって，この反射膜の反射率が２０％以上である，
   半導体レーザ素子。