JPH09181389A

JPH09181389A - 自励発振型半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH09181389A
Application number: JP7339697A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Suga; 康夫菅; Kentaro Tani; 健太郎谷; Tadashi Takeoka; 忠士竹岡; Akiyoshi Sugawara; 章義菅原
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1997-07-11
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: EP0782230B1; JP3199158B2; DE69615331T2; US6002701A; KR100262291B1; DE69615331D1; EP0782230A1

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直方向放射角θ⊥を小さく維持したまま、
高温で安定に動作する低雑音の自励発振型半導体レーザ
装置を提供する。【解決手段】第１導電型の半導体基板１１と、半導体
基板１１上に設けられ、活性層１４を含む積層構造とを
備えた自励発振型半導体レーザ装置であって、積層構造
は、活性層１４の下方に設けられた第１導電型の第１ク
ラッド層１３と、活性層の上方に設けられ、ストライプ
状リッジ部分を有する第２導電型の第２クラッド層１５
と、第２クラッド層１５上に設けられた可飽和吸収膜１
８とを含んでいる。可飽和吸収膜１８は、光励起キャリ
アを蓄積する蓄積領域１８ｂを有し、蓄積領域１８は、
第２クラッド層１４の表面から離れた位置に設けられて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自励発振型半導体
レーザ装置に関し、更に詳細には、光ディスク等の記録
再生用光源に適した低雑音の自励発振型半導体レーザ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単一軸モードで発振する半導体レーザ装
置に、光ディスク等によって反射されたレーザ光が入射
すると、光干渉のために発振状態が不安定に変化し、雑
音の原因となる。このような雑音は、「戻り光による雑
音」と呼ばれ、半導体レーザ装置を光ディスク等の広く
再生用光源に使用する場合の大きな支障となる。

【０００３】この戻り光による雑音を低減するために、
半導体レーザ装置の駆動電流に高周波を重畳させること
が行われてきた（高周波重畳法）。駆動電流に高周波が
重畳されると、高周波の位相に同期したレーザ光パルス
列が生成されることになる。その際、レーザ発振モード
が極めて短い時間（例えば、約２ナノ秒の間）に変化
し、それに応じてレーザ光パルス列の波長が僅かな範囲
（例えば、中心波長±２ｎｍ）内で不連続に変化する。
その結果、レーザ光が半導体レーザ装置に戻ってきた時
刻において発振状態にあるレーザ光と戻り光との間で可
干渉性（コヒーレンス）が失われ（非コヒーレント
化）、レーザ発振状態の不安定な変動が抑制される。そ
の結果、戻り光による雑音の発生が防止される。

【０００４】しかし、この方法によれば、高周波電流を
生成するための回路が特別に必要となるため、半導体レ
ーザ装置を組み込むべき装置（例えば、光ディスクの再
生装置）の小型化に適していなかった。

【０００５】近年、半導体レーザ装置の自励発振（セル
フパルセーション）という現象を利用して、高周波電流
生成のための回路が不要となる半導体レーザ装置が開発
されつつある。このような半導体レーザ装置は、自励発
振型半導体レーザ装置と呼ばれ、可飽和吸収領域を半導
体レーザ装置の光導波路部分内に備えている。自励発振
型半導体レーザ装置では、駆動用直流電流に高周波電流
を重畳しなくとも、可飽和吸収領域の働きによってレー
ザ発振モードが極めて短い時間に周期的に変化し、前述
の低雑音化が達成される。

【０００６】以下に、図面を参照しながら、自励発振型
半導体レーザ装置の従来例を説明する。

【０００７】図８の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ
基板４１と、その上に成長した半導体積層構造とを備え
ている。この半導体積層構造は、基板側から順番に、ｎ
型のバッファ層４２、ｎ型の第１クラッド層４３、活性
層４４及びｐ型の第２クラッド層４５を含んでいる。第
２クラッド層４５は、ストライプ状リッジ部分を有して
おり、そのリッジ部分の両側（非リッジ部分）は、リッ
ジ部分より薄くなっている。第２クラッド層４５のリッ
ジ部分の上には、ｐ型中間層４６を介して、ｐ型コンタ
クト層４７が形成されている。ストライプ状リッジの両
側には、ｎ型のＧａＡｓ埋込層４９が形成されている。
光の水平横方向に関する閉じ込めは、リッジのある部分
と無い部分との間に形成される等価的な屈折率差によっ
て達成される。半導体積層構造の上面にはｐ側電極４１
０が設けられており、基板４１の裏面にはｎ側電極４１
１が設けられている。両電極４１０及び４１１の間に
は、レーザ光生成に必要なキャリアを活性層４４に注入
するための電圧が印加される。

【０００８】ｐ型の半導体層とｎ型のＧａＡｓ埋込層４
９との間のｐｎ接合には逆バイアスが印加されるため、
電流はＧａＡｓ埋込層４９を流れず、ストライプ状リッ
ジ部分に狭窄される。その結果、電流は、活性層４４の
うち選択された領域（ストライプ状リッジの直下に位置
する領域）を流れる。活性層４４のうち、所定のレベル
を越える大きさの電流が流れる領域はレーザ光に対して
「利得領域」として機能するが、それ以外の領域は「可
飽和吸収領域」として機能する。以下、この可飽和吸収
領域の働きを説明する。

【０００９】可飽和吸収領域はレーザ光に対する利得領
域としてではなく、吸収領域として機能するが、その吸
収する程度（光吸収量）は、可飽和吸収領域中に存在す
る光励起キャリアの密度に依存する。ここで、「光励起
キャリア」とは、レーザ光を吸収することによって価電
子帯から伝導帯へ励起された電子およびホールを意味す
る。図９は、光吸収量と光励起キャリア数（密度）との
関係を示している。図９からわかるように、光吸収量
は、光励起キャリア密度が高くなるほど低下し、光励起
キャリア密度が低くなるほど増加する。可飽和吸収領域
の光吸収量が周期的に変動すれば、半導体レーザ装置の
内部損失も周期的に変動するので、レーザ発振に必要な
閾値電流密度も周期的に変動する。その結果、駆動電流
が一定に維持されていても実質的に駆動電流を変化させ
た効果と同様の効果が現れ、自励発振が達成される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術においては、以下に説明する問題がある。

【００１１】レーザ光は、活性層４４の利得領域だけで
はなく、その外側に位置する可飽和吸収領域にも広がっ
て分布する。自励発振のためには、レーザ光の分布領域
と可飽和吸収領域との重複部分を出来る限り広くするこ
とが要求される。そのためには、活性層４４を厚くする
ことによって可飽和吸収領域を大きくするか、あるい
は、第２クラッド層４５の非リッジ部分を厚くすること
によってレーザ光の分布領域を水平横方向に拡大する必
要がある。

【００１２】このようにして、レーザ光の分布領域と可
飽和吸収領域との重複部分を広くすると、以下に述べる
２つの点で問題が生じる。

【００１３】まず、第１に、活性層４４を厚くすると、
垂直方向の光閉込効果が強くなる結果、レーザ光の垂直
方向放射角θ⊥が広がってしまうという問題がある。レ
ーザ光の水平方向放射角θ‖は、典型的には、８〜１０
°であり、これはストライプ状リッジの幅によって決定
される。これに対して、レーザ光の垂直方向放射角θ⊥
は、活性層４４の厚さに依存し、活性層４４が自励発振
達成のために必要な厚さを持つ場合、約４０°にもな
る。垂直方向放射角θ⊥が大きいほど、放射されたレー
ザ光の楕円率は大きくなる。楕円率が大きくなりすぎる
と、レンズによる集光効率が低下するなどして、光ディ
スク用光源として不利となる。一方、楕円率の低下を目
的として、活性層４４を薄くすると、今度は、自励発振
が生じなくなる。例えば、井戸層の厚さが６ｎｍの多重
量子井戸（ＭＱＷ）構造を持つ活性層を用いた場合、自
励発振のためには、井戸層の数は８以上であることが必
要であり、７以下では自励発振が生じないという実験結
果もある。光ディスク用光源として好ましい楕円率を得
るには、井戸層数は７以下であることが好ましい。

【００１４】次に、第２クラッド層４５のドーピングレ
ベルに関する問題がある。

【００１５】一般的に、第２クラッド層４５の不純物の
ドーピングレベルを高くすることによって、活性層４４
からのキャリアのオーバフローが抑制されることが知ら
れている。キャリアのオーバフローは、半導体レーザ装
置の動作温度が高くなるほど、生じやすくなる。キャリ
アの持つ運動エネルギが増加するからである。キャリア
が活性層４４からオーバフローすると、無効電流が増加
するため、動作電流が増加してしまう。キャリアのオー
バフローを抑制するためには、第２クラッド層４５の不
純物のドーピングレベルを高くすることによって、活性
層４４に対する第２クラッド層４５の障壁高さを大きく
することが有効な手法として知られている。

【００１６】しかしながら、図８の半導体レーザ装置に
おいて、第２クラッド層４５のドーピングレベルを高く
すると、第２クラッド層４５の電気抵抗率が低下するた
め、第２クラッド層４５の非リッジ部分を電流が水平横
方向に広がって流れることになる。例えば、第２クラッ
ド層４５に約１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のｐ型不純物をドー
プすれば、自励発振を達成することはできなくなる。理
由は、可飽和吸収領域に電流が流れ込むと、そこに利得
が生じるために光吸収機能が失われ、その結果、可飽和
吸収領域として機能しなくなるからである。より正確に
は、可飽和吸収領域として機能しえる領域が、レーザ光
の分布領域から遠ざかる方向に移動し、レーザ光と可飽
和吸収領域との相互作用の程度が著しく低下するからで
ある。従って、図８に示すような半導体レーザ装置にお
いては、第２クラッド層４５の不純物のドーピングレベ
ルを高くすることはできない。そのため、従来の自励発
振型半導体レーザ装置によれば、キャリアオーバフロー
のために高温動作が困難であった。

【００１７】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的とするところは、垂直方向放
射角θ⊥を小さく維持したまま、高温で安定に動作する
低雑音の自励発振型半導体レーザ装置を提供することに
ある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の自励発振型半導
体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、該半導体
基板上に設けられ、活性層を含む積層構造とを備えた半
導体レーザ装置であって、該積層構造は、該活性層の下
方に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、該活性
層の上方に設けられ、ストライプ状リッジ部分を有する
第２導電型の第２クラッド層と、該第２クラッド層上に
設けられた可飽和吸収膜とを含んでおり、該可飽和吸収
膜は、光励起キャリアを蓄積する蓄積領域を有し、該蓄
積領域は、該第２クラッド層の表面から離れた位置に設
けられ、そのことにより上記目的を達成することができ
る。

【００１９】ある実施形態では、前記可飽和吸収膜は、
第１のバンドギャップを有する第１の障壁半導体層と、
該第１のバンドギャップよりも小さな第２のバンドギャ
ップを有する井戸半導体層と、該第２のバンドギャップ
よりも大きな第３のバンドギャップを有する第２の障壁
半導体層とを含んでいる。

【００２０】前記蓄積領域中の光励起キャリアが、前記
可飽和吸収膜と前記第２のクラッド層との界面に存在す
る非発光結合中心によって再結合しないように、前記第
１の障壁半導体層の厚さは設定されていることが好まし
い。前記第１の障壁半導体層の厚さは、約１０ｎｍ以上
であることが好ましい。

【００２１】ある実施形態では、前記第１半導体層は第
１のＡｌＧａＡｓから形成され、前記第２半導体層はＧ
ａＡｓから形成され、前記蓄積領域として機能し、前記
第３半導体層は第２のＡｌＧａＡｓから形成されてい
る。

【００２２】ある実施形態では、前記可飽和吸収膜は、
多重量子井戸構造を有しており、該多重量子井戸構造中
の複数の井戸層が前記蓄積領域として機能する。

【００２３】ある実施形態では、レーザ光を吸収する半
導体埋込層が前記可飽和吸収膜上に設けられている。前
記半導体埋込層はＧａＡｓから形成されていてもよい。

【００２４】前記第２クラッド層には、約１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3以上の第２導電型不純物がドープされていることが
好ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を説
明する。

【００２６】本発明の半導体レーザ装置は、活性層とは
別にストライプ状リッジ構造の外側に設けられた可飽和
吸収膜（可飽和吸収領域）を備えている。この可飽和吸
収膜は、光励起キャリアを蓄積する領域を内部に有して
おり、この蓄積領域は上部クラッド層（第２クラッド
層）の表面（再成長界面）から離れている。このような
蓄積領域は、可飽和吸収膜内で生じた励起キャリアを埋
込層内部へ逃がすことなく、可飽和吸収膜中に蓄積する
ため、自励発振を引き起こすことができる。特に、励起
キャリアが、再成長界面から離れた位置に蓄積される結
果、非発光再結合中心にトラップされることがなく、可
飽和吸収領域としての高い機能を発揮することができ
る。

【００２７】以下に、図面を参照しながら、本発明の実
施例を説明する。

【００２８】（実施例１）まず、本発明をＡｌＧａＩｎ
Ｐ系の半導体レーザ装置に適用した実施例を図１を参照
しながら説明する。

【００２９】図１の半導体レーザ装置は、ｎ型（第１導
電型）のＧａＡｓ基板１１と、その上にエピタキシャル
成長した複数の半導体層を含む半導体積層構造とを備え
ている。

【００３０】半導体積層構造は、基板１１の側から順番
に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層（ｎ型不純物：Ｓｉ、不
純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ：２００ｎｍ）１
２、ｎ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッ
ド層（ｎ型不純物：Ｓｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ
^-3、厚さ：１２００ｎｍ）１３、ＧａＩｎＰ活性層（厚
さ：４００ｎｍ）１４及びｐ型（第２導電型）の（Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層（ｐ型不純
物：Ｂｅ、不純物濃度：約１．５×１０¹⁸ｃｍ_-3、厚
さ：１２００ｎｍ）１５を含んでいる。

【００３１】第２クラッド層１５は、この実施例では、
幅３．５から４．５μｍのストライプ状リッジ部分１５
ａを有しており、そのリッジ部分１５ａの両側は、リッ
ジ部分より薄くなっている。リッジ部分の幅は、水平横
方向に沿う利得領域の分布幅、ひいてはレーザ光のビー
ム幅を決定する。第２クラッド層１５のうち、このよう
に薄くなっている部分を、便宜上、クラッド層の「非リ
ッジ部分（１５ｂ）」と称することとする。第２クラッ
ド層１５の厚さは、リッジ部分１５ａにおいては、約
０．８〜１．２μｍで、非リッジ部分１５ｂでは、約
０．１０〜０．２５μｍである。可飽和吸収膜へ光を分
布させるという観点から非リッジ部分１５ｂの厚さは、
約０．１０〜０．１５μｍの範囲内にあることが好まし
い。

【００３２】第２クラッド層１５のリッジ部分１５ａの
上には、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層（ｐ型不純物：Ｂｅ、不
純物濃度：１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：５０ｎｍ）１６を
介して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（ｐ型不純物：Ｂ
ｅ、不純物濃度：１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：５００ｎ
ｍ）１７が形成されている。第２クラッド層１５のリッ
ジ部分１５ａ、ｐ型中間層１６及びｐ型コンタクト層１
７によって、「ストライプ状リッジ構造」が形成され、
電流の狭窄経路となっている。

【００３３】ストライプ状リッジ構造の両側面、および
第２クラッド層１５の非リッジ部分１５ｂの表面は、可
飽和吸収膜１８によって覆われている。本実施例の可飽
和吸収膜１８は、第１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層（ｎ型不
純物：Ｓｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ：約
２０ｎｍ）１８ａ、ＧａＡｓ層（ｎ型不純物：Ｓｉ、不
純物濃度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ：約３０ｎｍ）１８
ｂ及び第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層（ｎ型不純物：Ｓ
ｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ：約２０ｎ
ｍ）１８ｃを積層した構成を有している。可飽和吸収膜
１８は、本発明の半導体レーザ装置において重要な働き
をするので、可飽和吸収膜１８の構成と働きについて
は、あとで詳細に説明する。

【００３４】可飽和吸収膜１８上には、ストライプ状リ
ッジ構造を埋め込むように、ｎ型のＧａＡｓ埋込層（ｎ
型不純物：Ｓｉ、不純物濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ：１０００ｎｍ）１９が形成されている。

【００３５】ｎ型のＧａＡｓ埋込層１９とｐ型コンタク
ト層１７の上には、ｐ側電極（厚さ：１００ｎｍ）１１
０が設けられており、基板の裏面にはｎ側電極（厚さ：
１００ｎｍ）１１１が設けられている。ｎ型のＧａＡｓ
埋込層１９と各ｐ型半導体層との間に形成されるｐｎ接
合には、逆バイアスが印加されるので、電流はＧａＡｓ
埋込層１９によって「ストライプ状リッジ構造」内に狭
窄されて流れる。

【００３６】次に、図２（ａ）から（ｂ）を参照しなが
ら、図１の半導体レーザ装置を製造する方法の一例を説
明する。

【００３７】まず、図２（ａ）に示すように、公知の分
子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法を用いて、基板１
１上に、ｎ型のバッファ層１２、ｎ型の第１クラッド層
１３、活性層１４、ｐ型の第２クラッド層１５、ｐ型中
間層１６、およびｐ型コンタクト層１７を成長させる。

【００３８】次に、図２（ｂ）に示すように、公知のフ
ォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いて、ｐ型
コンタクト層１７、ｐ型中間層１６及び第２クラッド層
１５のうちのストライプ状リッジ構造となる部分以外の
部分を、選択的に除去する。このようなストライプ状リ
ッジ構造を形成するための工程は、ＭＢＥ装置内では行
えないので、基板１１をＭＢＥ装置からいったん外に取
り出して行う。エッチングによって露出した各半導体層
１５、１６及び１７の表面には、エッチャントや大気中
の水蒸気、またはマスク材料等がコンタミネーションと
して残留する。なお、用いるエッチング技術としては、
ウェットエッチング法、ドライエッチング法、またはこ
れらを組み合わせたエッチング法のいずれを用いても良
い。

【００３９】次に、再び、基板をＭＢＥ装置内にロード
して、半導体層の「再成長」を行う。具体的には、第１
のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ａ、ＧａＡｓ層１８ｂ、第
２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ｃ、ＧａＡｓ埋込層１９
を連続して成長させる。「再成長」の前には、ＭＢＥ装
置内において、前述のコンタミネーションを除去するた
めに清浄化工程を実行する。しかし、完全な除去は不可
能なため、ストライプ状リッジ構造の表面と再成長半導
体層（第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ｃ）との界面に
は、非発光再結合中心（界面トラップ）が形成される。

【００４０】次に、基板１１をＭＢＥ装置から取り出し
た後、ストライプ状リッジ構造の上部を覆うように成長
したｎ型の各半導体層１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び１９
の一部を選択的にエッチングする。こうして、図２
（ｃ）に示すように、平坦な上面を持つ構造を形成す
る。このエッチングは、コンタクト層１７が露出するま
で行う。次に、例えば、スパッタリング法を用いて上記
平坦な面上にＡｕ−Ｚｎ膜を堆積することによってｐ側
電極１１０を形成し、基板１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ−Ｎ
ｉ膜を堆積することによってｎ側電極１１１を形成す
る。この後、半導体レーザ装置の通常の製造工程を経
て、図１に示す半導体レーザ装置が製造される。

【００４１】以下に、図３（ａ）及び（ｂ）を参照しな
がら、可飽和吸収膜１８の構成と働きを詳細に説明す
る。

【００４２】本実施例の可飽和吸収膜１８は、第１のバ
ンドギャップ（Ｅｇ₁＝約２．０ｅＶ）を有する第１の
Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層（第１の障壁半導体層）１８ａ
と、第１のバンドギャップよりも小さな第２のバンドギ
ャップ（Ｅｇ₂＝約１．４２ｅＶ）を有するＧａＡｓ層
（井戸半導体層）１８ｂと、第２のバンドギャップより
も大きな第３のバンドギャップ（Ｅｇ₃＝約２．０ｅ
Ｖ）を有する第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層（第２の障壁
半導体層）１８ｃとを含んでおり、これらの半導体層に
よってダブルヘテロ構造が形成されている。このような
構造によって、図３（ａ）に示すようなポテンシャルの
井戸が形成されている。このポテンシャルの井戸部分に
位置するＧａＡｓ層（井戸半導体層）１８ｂは、レーザ
光を吸収し、励起キャリアを発生するようなバンドギャ
ップを持つ半導体層から形成される。そのような半導体
層であれば、井戸半導体層１８ｂは、ＧａＡｓ以外の半
導体から形成されても良い。

【００４３】井戸半導体層１８ｂを挟み込む２つのＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ａ及び１８ｃは、何れも、井戸半
導体層１８ｂがレーザ光を吸収することによって発生し
た励起キャリアにとって、十分な障壁となる材料から形
成されている。Ａｌ混晶比を調整することにより、Ａｌ
_xＧａ_1-xＡｓ層１８ａ及びＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ層１８ｃの
バンドギャップを制御し、井戸半導体層１８ｂのバンド
ギャップに対して、十分大きな高さのポテンシャルの障
壁を形成する。電子についての障壁の高さは、例えば約
０．１５ｅＶ以上であることが好ましい。障壁層として
機能すれば、２つのＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ層１８ａ及びＡｌ
_yＧａ_1-yＡｓ層１８ｃの組成は、同一である必要はな
い。

【００４４】なお、第１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ａ
は、ＧａＡｓ層１８ｂで生じた励起キャリアが再成長界
面上の非発光再結合中心（界面トラップ）によって再結
合しないように機能する。このため、第１のＡｌ_0.6Ｇ
ａ_0.4Ａｓ層１８ａは、励起キャリアが再成長界面に到
達しない厚さにする必要がある。ただし、第１のＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ａを厚くしすぎると、可飽和吸収
膜におけるレーザ光の分布強度が小さくなるため、自励
発振が生じにくくなる。

【００４５】図４を参照しながら、第１のＡｌ_0.6Ｇａ
_0.4Ａｓ層１８ａの好ましい厚さの範囲を説明する。

【００４６】図４の破線は、図１の半導体レーザ装置に
おいて、再成長界面における非発光再結合から影響を受
けない程度を示している。言い換えると、破線は、再成
長界面による非発光再結合レートの逆数を表現してい
る。第１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ａの厚さが約１０
０オングストローム（約１０ｎｍ）より薄くなると、急
激に、再成長界面からの影響を受けやすくなる。このた
め、第１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ａの厚さは、約１
００オングストローム（約１０ｎｍ）以上であることが
好ましい。また、井戸半導体層１８ｂにおけるレーザ光
強度は、そのピーク強度の３分の１程度は必要であると
考えられる。図１の半導体レーザ装置の場合、レーザ光
の強度がピーク強度の約３分の１程度以下に低下する位
置は、再成長界面からの距離が約３０００オングストロ
ームを越える位置にある。このため、第１のＡｌ_0.6Ｇ
ａ_0.4Ａｓ層１８ａの厚さは、約１００オングストロー
ムから約３０００オングストロームの範囲内に設定され
ることが好ましい。

【００４７】一方、第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ｃ
は、励起キャリアがＧａＡｓ埋込層１９の内部に拡散し
ないような障壁として機能する厚さであれば良い。第２
のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１層１８ｃの厚さが薄すぎる
と、励起キャリアは、第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８
ｃ中をトンネリングする可能性がある。この点から、本
実施例の場合、第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ｃは、
約２００ｎｍ以上の厚さを持つことが必要である。ま
た、障壁層としては、その厚さは約５０ｎｍもあれば十
分であるので、それ以上厚くしても、キャリア蓄積の効
果はそれほど増加しない。ただし、酸化しやすいＡｌを
含む層は素子劣化防止のためにできるだけ薄くすること
が好ましいので、第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ｃの
厚さは、約１００ｎｍ以下にすることが好ましい。

【００４８】ＧａＡｓ層１８ｂの厚さは、活性層１４で
発生したレーザ光と十分に相互作用を行い、それによっ
て自励発振を引き起こすような厚さに設定される。レー
ザ光の強度は活性層１４から遠ざかるについて低下する
ため、レーザ光とＧａＡｓ層１８ｂとの相互作用の程度
は、活性層１４とＧａＡｓ層１８ｂとの距離に依存す
る。このため、ＧａＡｓ層１８ｂの好ましい厚さは、活
性層１４とＧａＡｓ層１８ｂとの距離を考慮して最適化
される。活性層１４とＧａＡｓ層１８ｂとの距離が比較
的に小さい場合（例えば、約０．１０μｍ）は、レーザ
光とＧａＡｓ層１８ｂとの相互作用の程度が強いので、
比較的に薄いＧａＡｓ層（例えば、約１５ｎｍ）１８ｂ
であっても、自励発振を引き起し得る。ＧａＡｓ層１８
ｂを厚くしすぎてレーザ光と相互作用しない位置にまで
ＧａＡｓ層１８ｂの一部が存在したとしても、その部分
のＧａＡｓ層１８ｂは励起キャリアの発生に実質的には
寄与しない。このため、ＧａＡｓ層１８ｂの表面の位置
は、レーザ光の分布強度がピーク値の例えば約３０％に
低下する位置よりも、活性層１４に近い側に配置される
ことが好ましい。このように、ＧａＡｓ層１８ｂの好ま
しい厚さは、第１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１層１８ａの
厚さや、第２クラッド層１５の厚さに依存する。

【００４９】以上説明してきたように、本実施例の半導
体レーザ装置装置は、励起キャリア蓄積領域を持つ可飽
和吸収膜１８をＧａＡｓ埋込層１９の下に備えている。
このことによって、活性層の厚さを比較的に薄く維持し
たままで、高温でも安定に自励発振を引き起こすことが
できる。図８の構造では、活性層の厚さを５５ｎｍ程度
以上にする必要があると考えられるところ、本実施例で
は、活性層の厚さは４０ｎｍとすることができた。その
結果、垂直方向放射角θ⊥を３２°程度にすることがで
きた。なお、図８の従来の半導体レーザ装置において、
多重量子井戸構造を持つ活性層を採用した場合、発明者
の実験によると、井戸層（６ｎｍ）の数が７以下では自
励発振が生じず、井戸層の数が１０以上の場合に安定な
自励発振が得られることがわかった。これに対して、本
実施例の場合、自励発振の有無は、活性層１４の厚さに
依存しない。

【００５０】図８に示す半導体レーザ装置のＧａＡｓ埋
込層４９も、第２クラッド層４５のリッジ部分近傍で
は、レーザ光を吸収し、励起キャリアを発生している。
しかし、図３（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ埋込層４９
の中でレーザ光の吸収によって生成された励起キャリア
の一部は、再成長界面の非発光再結合中にトラップさ
れ、再結合によって消滅する。また、励起キャリアの残
りは、再成長界面から遠ざかる方向に、ＧａＡｓ埋込層
４９中を拡散していく。この結果、レーザ光の吸収によ
りＧａＡｓ埋込層４９中で生成された励起キャリアは蓄
積されず、ＧａＡｓ埋込層４９は可飽和吸収領域として
は機能し得ない。

【００５１】図５（ａ）は、図３（ａ）の構成（「内部
蓄積領域あり」）および図３（ｂ）の構成（「内部蓄積
領域なし」）の両方の場合について、光吸収量のレーザ
光量依存性を示している。図５（ａ）からわかるよう
に、「内部蓄積領域あり」の場合、光吸収量のレーザ光
量依存性は大きいが、「内部蓄積領域なし」の場合は、
光吸収量のレーザ光量依存性は小さい。

【００５２】図５（ｂ）は、図３（ａ）の構成（「内部
蓄積領域あり」）および図３（ｂ）の構成（「内部蓄積
領域なし」）の両方の場合について、励起キャリア数
（密度）のレーザ光量依存性を示している。図５（ｂ）
からわかるように、「内部蓄積領域あり」の場合、レー
ザ光量に応じて励起キャリアは顕著に増加するが、「内
部蓄積領域なし」の場合は、レーザ光量から増加しても
励起キャリア数は小さいままである。

【００５３】本実施例では、前述したように、励起キャ
リアにとってポテンシャルの井戸となる領域をバンドギ
ャップの異なる３つの半導体層（１８ａ、１８ｂ及び１
８ｃ）を積層することによって形成し、それによって再
成長層の一部に励起キャリアを蓄積した。しかし、その
ようなポテンシャルの井戸を形成するバンド構造は、図
３（ａ）に示すものに限定されない。例えば、可飽和吸
収膜１８のエネルギバンドギャップを曲線状に又は多段
階に変化させ、それによって励起キャリアを蓄積できる
領域（ポテンシャルの井戸領域）を形成しても良い。た
だし、そのようなキャリア蓄積領域の少なくとも一部
は、レーザ光を吸収するバンドギャップを持つ必要があ
る。

【００５４】また、本実施例の可飽和吸収膜１８は、第
２クラッド層１５の非リッジ部分上だけではなく、リッ
ジ状ストライプ構造の側面上にも存在している。しか
し、第２クラッド層１５の非リッジ部分上にのみ配置さ
れるようにしていてもよい。

【００５５】更に、本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導
体材料を用いて製造される場合に限定されない。例え
ば、ＡｌＧａＡｓ系等の材料を用いても良い。

【００５６】（実施例２）まず、本発明をＡｌＧａＩｎ
Ｐ系の半導体レーザ装置に適用した他の実施例を図６を
参照しながら説明する。

【００５７】図６の半導体レーザ装置は、ｎ型（第１導
電型）のＧａＡｓ基板３１と、その上に成長した半導体
積層構造とを備えている。

【００５８】半導体積層構造は、基板１１の側から順番
に、ｎ型のＧａＡｓバッファ層（ｎ型不純物：Ｓｉ、不
純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ：５００ｎｍ）３
２、ｎ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラッ
ド層（ｎ型不純物：Ｓｉ、不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ
^-3、厚さ：１０００ｎｍ）３３、ＧａＩｎＰ活性層（厚
さ：３５０ｎｍ）１４及びｐ型（第２導電型）の（Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッド層（ｐ型不純
物：Ｂｅ、不純物濃度：約１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚
さ：１０００ｎｍ）３５を含んでいる。

【００５９】第２クラッド層３５は、この実施例では、
幅３．５から４．５μｍのストライプ状リッジ部分３５
ａを有しており、そのリッジ部分３５ａの両側は、リッ
ジ部分より薄くなっている。リッジ部分の幅は、水平横
方向に沿う利得領域の分布幅、ひいてはレーザ光のビー
ム幅を決定する。第２クラッド層３５のうち、このよう
に薄くなっている部分を、便宜上、クラッド層の「非リ
ッジ部分（３５ｂ）」と称することとする。第２クラッ
ド層３５の厚さは、リッジ部分３５ａにおいては、約
０．８〜１．２μｍで、非リッジ部分３５ｂでは、約
０．１０〜０．２０μｍである。

【００６０】第２クラッド層３５のリッジ部分３５ａの
上には、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層（ｐ型不純物：Ｂｅ、不
純物濃度：１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ：５０ｎｍ）１６を
介して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層（ｐ型不純物：Ｂ
ｅ、不純物濃度：５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ：５００ｎ
ｍ）１７が形成されている。第２クラッド層３５のリッ
ジ部分３５ａ、ｐ型中間層３６及びｐ型コンタクト層３
７によって、「ストライプ状リッジ構造」が形成され、
電流の狭窄経路となっている。

【００６１】ストライプ状リッジ構造の両側面、および
第２クラッド層３５の非リッジ部分３５ｂの表面は、可
飽和吸収膜３８によって覆われている。本実施例の可飽
和吸収膜３８は、井戸層数が３の多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造を有している。具体的には、可飽和吸収膜３８
は、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ障壁層とＧａＡｓ井戸層とを交
互に積層したものである。前述した理由により、再成長
界面に接するＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ障壁層の厚さは、約１
０ｎｍを越えるようにすることが好ましい。他のＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ障壁層の厚さには、このような観点から
の制約はない。ただ、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ障壁層の厚さ
を１０ｎｍよりも薄くすると、励起キャリアは、障壁層
をトンネリングすることによって、井戸層間を移動しや
すくなる。本実施例では、他のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ障壁
層の厚さを４ｎｍに設定した。また、ＧａＡｓ井戸層の
厚さは１０ｎｍに設定した。成長界面に接しないＡｌ
_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ障壁層の厚さとしては、４〜６ｎｍの範
囲内にあることが好ましく、ＧａＡｓ井戸層の厚さは、
８〜２０ｎｍの範囲内にあることが好ましい。

【００６２】本実施例の可飽和吸収膜３８は、単に多重
量子井戸構造を備えていればよいのではなく、井戸層
が、レーザ光を吸収し、それによって励起キャリアを生
成するような材料から形成されている必要がある。この
ような性質を持つ材料であれば、井戸層はＧａＡｓ以外
の材料から形成されていても良い。

【００６３】自励発振のためには、可飽和吸収膜３８の
励起キャリア寿命をレーザ光の自励発振の周期程度に短
くし、それによって、励起キャリアの数の変化を自励発
振周期と同じ程度の時間で生じさせる必要がある。自励
発振周期は、数ナノ秒程度である。本実施例の可飽和吸
収膜３８によれば、励起キャリアの変化速度は、２〜３
ナノ秒程度と比較的に短くなる。これは、ヘテロ界面で
のキャリア再結合の影響によって、キャリア寿命が短縮
されためである。本実施例の場合、ヘテロ界面の数が多
いため、実施例１の可飽和吸収膜に比較して、より短い
時間で励起キャリア数が変化する。その結果、本実施例
では自励発振が生じやすくなる。

【００６４】また、多重量子井戸構造を持つ可飽和吸収
膜３８は、その比較的に多いヘテロ界面のために、電流
ブロック機能をも併せ持つ。このような可飽和吸収膜３
８がストライプ状リッジ構造を覆っているので、電流を
よりいっそう効率的にストライプ状リッジ構造内に狭窄
できる。

【００６５】可飽和吸収膜３８上には、ストライプ状リ
ッジ構造を埋め込むように、ｎ型のＧａＡｓ埋込層（ｎ
型不純物：Ｓｉ、不純物濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚
さ：８００ｎｍ）３９が形成されている。

【００６６】ｎ型のＧａＡｓ埋込層３９とｐ型コンタク
ト層３７の上には、ｐ側電極（厚さ：１００ｎｍ）３１
０が設けられており、基板の裏面にはｎ側電極（厚さ：
１００ｎｍ）３１１が設けられている。ｎ型のＧａＡｓ
埋込層３９と各ｐ型半導体層との間に形成されるｐｎ接
合には、逆バイアスが印加されるので、電流はＧａＡｓ
埋込層３９によって「ストライプ状リッジ構造」内に狭
窄されて流れる。

【００６７】上述の構成を持つ半導体レーザ装置は、可
飽和吸収膜３８の形成工程を除けば、図２（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明した製造方法と同様の方法によっ
て製造される。また、可飽和吸収膜３８の形成工程自体
は、通常の多重量子井戸層を形成する工程と同じでよ
い。

【００６８】次に、本発明が図８の従来例に対して持つ
利点を、図７を参照しながら説明する。従来例では可飽
和吸収領域を大きくするために、活性層を厚くする必要
があり、そのため垂直方向放射角θ⊥が大きくなる。し
かし、本発明では、可飽和吸収膜の構成やサイズを、活
性層の構成やサイズとは独立して決定できるので、自励
発振のため活性層を厚くする必要がない。

【００６９】また、従来例では、第２クラッド層のドー
ピングレベルを高くできないので、キャリアのオーバフ
ローのため、高温動作が困難である。しかし、本発明で
は、第２クラッド層のドーピングレベルを高くできるの
で、キャリアのオーバフローを抑制し、高温動作（例え
ば、６０℃以上）が可能となる。

【００７０】なお、上記何れの実施例でも、活性層とし
てバルク層を用いたが、多重量子井戸（ＭＱＷ）層を用
いても良い。また、光ガイド層で活性層を挟むＳＣＨ
（Separation Confinement Heterostructure）構造を採
用してもよい。

【００７１】ＧａＡｓ埋め込み層の代わりに、ＡｌＧａ
Ａｓ埋め込み層を用いても良く、これらの埋め込み層に
代えて、抵抗率の高い電流ブロック層を含む構造を設け
ても良い。各半導体層の導電型についても、上記各実施
例の場合に限定されず、それらの反対の導電型であって
もよい。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、活性層の厚さや構造に
依存することなく、独立して、可飽和吸収膜の構造やサ
イズを決定することができる。また、第２クラッド層の
ドーピングレベルを高くすることができる。このため、
本発明によれば、垂直方向放射角θ⊥を小さく維持した
まま、高温で安定に動作する低雑音の自励発振型半導体
レーザ装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による自励発振型半導体レーザ装置の実
施例を示す断面図。

【図２】（ａ）から（ｃ）は、図１の自励発振型半導体
レーザ装置の製造方法を示す工程断面図。

【図３】（ａ）は本発明による半導体レーザ装置におけ
る再成長界面付近のバンドダイヤグラム、（ｂ）は従来
の半導体レーザ装置における再成長界面付近のバンドダ
イヤグラム。

【図４】第１のＡｌＧａＡｓ障壁層の好ましい厚さを示
すグラフ。

【図５】（ａ）は、レーザ光量と光吸収量との関係を示
すグラフ、（ｂ）はレーザ光量と励起キャリア数との関
係を示すグラフ。

【図６】本発明による自励発振型半導体レーザ装置の他
の実施例を示す断面図。

【図７】本発明による自励発振型半導体レーザ装置と従
来例との比較図。

【図８】自励発振型半導体レーザ装置の従来例を示す断
面図。

【図９】可飽和吸収膜における励起キャリア数と光吸収
量との関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１１ｎ型（第１導電型）のＧａＡｓ基板１２ｎ型のＧａＡｓバッファ層１３ｎ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１クラ
ッド層１４ＧａＩｎＰ活性層１５ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２クラッ
ド層１５ａリッジ部分１５ｂ非リッジ部分１６ｐ型中間層１７ｐ型コンタクト層１８可飽和吸収膜１８ａ第１のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１８ｂＧａＡｓ層１８ｃ第２のＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層１９ｎ型のＧａＡｓ埋込層１１０ｐ側電極１１１ｎ側電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅原章義大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型の半導体基板と、該半導体基
板上に設けられ、活性層を含む積層構造とを備えた自励
発振型半導体レーザ装置であって、該積層構造は、該活性層の下方に設けられた第１導電型の第１クラッド
層と、該活性層の上方に設けられ、ストライプ状リッジ
部分を有する第２導電型の第２クラッド層と、該第２ク
ラッド層上に設けられた可飽和吸収膜とを含んでおり、該可飽和吸収膜は、光励起キャリアを蓄積する蓄積領域
を有し、該蓄積領域は、該第２クラッド層の表面から離
れた位置に設けられている自励発振型半導体レーザ装
置。
【請求項２】前記可飽和吸収膜は、第１のバンドギャ
ップを有する第１の障壁半導体層と、該第１のバンドギ
ャップよりも小さな第２のバンドギャップを有する井戸
半導体層と、該第２のバンドギャップよりも大きな第３
のバンドギャップを有する第２の障壁半導体層とを含ん
でいる請求項１に記載の自励発振型半導体レーザ装置。
【請求項３】前記蓄積領域中の光励起キャリアが、前
記可飽和吸収膜と前記第２のクラッド層との界面に存在
する非発光結合中心によって再結合しないように、前記
第１の障壁半導体層の厚さが設定されている請求項２に
記載の自励発振型半導体レーザ装置。
【請求項４】前記第１の障壁半導体層の厚さは、約１
０ｎｍ以上である請求項３に記載の自励発振型半導体レ
ーザ装置。
【請求項５】前記第１半導体層は第１のＡｌＧａＡｓ
から形成され、前記第２半導体層はＧａＡｓから形成され、前記蓄積領
域として機能し、前記第３半導体層は第２のＡｌＧａＡｓから形成されて
いる、請求項２に記載の自励発振型半導体レーザ装置。
【請求項６】前記可飽和吸収膜は、多重量子井戸構造
を有しており、該多重量子井戸構造中の複数の井戸層が
前記蓄積領域として機能する、請求項１に記載の自励発
振型半導体レーザ装置。
【請求項７】レーザ光を吸収する半導体埋込層が前記
可飽和吸収膜上に設けられている、請求項１から５に記
載の自励発振型半導体レーザ装置。
【請求項８】前記半導体埋込層はＧａＡｓから形成さ
れている、請求項７に記載の自励発振型半導体レーザ装
置。
【請求項９】前記第２クラッド層には、約１×１０¹⁸
ｃｍ^-3以上の第２導電型不純物がドープされている、請
求項１に記載の自励発振型半導体装置。