JPH09283840A

JPH09283840A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH09283840A
Application number: JP9234996A
Authority: JP
Inventors: Isao Kidoguchi; 勲木戸口; Hideto Adachi; 秀人足立; Yasuhito Kumabuchi; 康仁熊渕; Akira Takamori; 晃高森; Masaya Mannou; 正也萬濃; Toshiya Fukuhisa; 敏哉福久
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】安定な自励発振特性を有する半導体レーザを
提供する。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板７０１上に、ｎ型Ｇａ
Ａｓバッファ層７０２、ＡｌＧａＩｎＰのｎ型クラッド
層７０３、ＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＩｎＰからなる多
重量子井戸構造の活性層７０４、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ
からなる第１のｐ型クラッド層７０５ａ、光ガイド層７
０７、第２のｐ型クラッド層７０５ｂ、ｐ型のＧａＩｎ
Ｐからなる可飽和吸収層７０６、ＡｌＧａＩｎＰからな
る第３のｐ型クラッド層７０７が順次形成されている。
この構造には、可飽和吸収層の体積を小さくすると同時
に光ガイド層を設けている。可飽和吸収層の体積を小さ
くするほど、キャリア密度を容易に上げることができ、
飽和状態になりやすく、可飽和吸収の効果が顕著とな
る。これにより、安定した自励発振特性が得られ、その
結果、相対雑音強度の低い半導体レーザを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクシステ
ムの光源などに用いられる自励発振型の半導体レーザに
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信、レーザプリンタ、光ディ
スクなどの分野で半導体レーザの需要が高まり、ＧａＡ
ｓ系、およびＩｎＰ系を中心として活発に研究開発が進
められてきた。光情報処理分野においては、特に波長が
７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの光による情
報の記録・再生を行う方式が実用化され、コンパクトデ
ィスク等で広く普及するに至っている。

【０００３】しかし最近になってこれらの光ディスク装
置に益々記憶容量の増加が求められるようになり、それ
に伴い短波長レーザへの要望が強まってきている。Ａｌ
ＧａＩｎＰ系半導体レーザは波長が６３０〜６９０ｎｍ
での赤色領域で発振が可能であり、現在実用レベルにあ
る半導体レーザの中で最も短波長の光が得られるもので
ある。したがって、従来のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ
に代わる次世代の大容量光情報記録用光源として有望で
ある。ところで、半導体レーザは光ディスクの再生時
に、ディスク面からの反射光の帰還や温度の変化により
強度雑音を発生し、信号の読取エラーを誘発する。した
がって光ディスクの光源用には強度雑音の少ないレーザ
が不可欠となる。

【０００４】従来、再生専用・低出力のＡｌＧａＡｓ系
半導体レーザでは雑音を低減するためにリッジストライ
プの両側に意図的に可飽和吸収体が形成されるような構
造を採用することによって低雑音化を図ってきた。これ
によって縦モードをマルチ化することができる。レーザ
が縦単一モードで発振しているときに光の帰還や温度変
化等の外乱が入ると利得ピークの微少な変化によって近
接する縦モードが発振を開始し、元の発振モードとの間
で競合を起こす。これが雑音の原因となっており、縦モ
ードをマルチ化すると各モードの強度変化が平均化さ
れ、しかも外乱によって変化しないので安定な低雑音特
性を得ることができる。

【０００５】また、別の方法としてさらに安定な自励発
振特性を得る方法が特開昭６３−２０２０８３号公報に
示されている。ここでは出力光を吸収することのできる
層を設けることによって自励発振型半導体レーザを実現
している。

【０００６】さらに、特開平６−２６０７１６号公報で
は活性層のエネルギ−ギャップと吸収層のエネルギ−ギ
ャップをほぼ等しくすることによって特性を改善したと
報告がなされている。特に、歪量子井戸活性層のエネル
ギ−ギャップと歪量子井戸可飽和吸収層のそれがほぼ等
しくなっている。この構成によって良好な自励発振特性
を得ようとしている。同様の構成が、特開平７−２２６
９５号公報にも記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らの検討によると、可飽和吸収層と活性層とのエネル
ギ−ギャップをほぼ等しくするだけでは、良好な自励発
振特性が得られないことが明らかとなった。

【０００８】そこで本発明は、可飽和吸収層と活性層と
のエネルギ−ギャップ差を検討することにより、低雑音
特性に有効な安定した自励発振特性をもつ半導体レーザ
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザは、量子井戸層を有する活性層と、該活性層を挟むク
ラッド構造とを備えた半導体レーザであって、該クラッ
ド構造は、可飽和吸収層を含んでおり、該可飽和吸収層
は秩序構造であり、該量子井戸層は無秩序化構造であ
り、該可飽和吸収層のエネルギ−ギャップが、該活性層
の量子井戸層の基底準位間のエネルギ−ギャップより
も、３０から２００ｍｅＶだけ小さく、しかも、該光ガ
イド層は該活性層から離れた位置に配置され、そのこと
により上記目的が達成される。

【００１０】本発明による半導体レーザは、量子井戸層
を有する活性層と、該活性層を挟むクラッド構造とを備
えた半導体レーザであって、該クラッド構造は、可飽和
吸収層と、該可飽和吸収層の光閉じ込め率を高める光ガ
イド層とを含んでおり、該可飽和吸収層は秩序構造であ
り、該量子井戸層は無秩序構造であり、該可飽和吸収層
のエネルギ−ギャップが、該活性層の量子井戸層の基底
準位間のエネルギ−ギャップよりも、３０から２００ｍ
ｅＶだけ小さく、しかも、該光ガイド層は該活性層から
離れた位置に配置され、そのことにより上記目的が達成
される。

【００１１】前記可飽和吸収層の厚さは、約１０から約
１００オングストロームの範囲内にあることが好まし
い。

【００１２】前記可飽和吸収層が複数設けられていても
よい。前記飽和吸収層のエネルギ−ギャップが、前記活
性層の量子井戸層の基底準位間のエネルギ−ギャップよ
りも、５０から１００ｍｅＶだけ小さいことが好まし
い。

【００１３】前記光ガイド層は、前記クラッド構造の他
の部分のバンドギャップよりも小さく、前記可飽和吸収
層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し
ていることが好ましい。

【００１４】前記光ガイド層の厚さは、３００〜１２０
０オングストロームの範囲内にあることが好ましい。

【００１５】前記光ガイド層は、前記クラッド構造内で
複数の部分に分離されていてもよい。

【００１６】前記光ガイド層は、前記クラッド構造内
で、前記可飽和吸収層に隣接していてもよい。

【００１７】前記可飽和吸収層には、１×１０18ｃｍ-3
以上の不純物がドープされていることが好ましい。

【００１８】前記活性層は、多重量子井戸構造を有して
いることが好ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明者らは、「活性層と可飽和
吸収層とのエネルギ−ギャップ差（△Ｅ）」と自励発振
との関係を検討した。本願明細書において、活性層と可
飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ差（△Ｅ）とは、活
性層および可飽和吸収層が量子井戸構造を有している場
合、「レーザ発振前における活性層の量子井戸層の基底
準位間のエネルギ−ギャップ（Ｅ’ga）から、可飽和吸
収層の基底準位間のエネルギ−ギャップ（Ｅ’gs）を引
いた値（Ｅ’ga−Ｅ’gs）」を意味する。これらのエネ
ルギ−ギャップと、バンドギャップ（Ｅga、Ｅgs）との
関係を図１に模式的に示す。一般に、量子井戸構造を持
つ半導体層において、基底準位間のエネルギ−ギャップ
は、伝導帯の底と価電子帯の底との間ではなく、それぞ
れの量子準位間のエネルギー差（Ｅ’g）であるので、
通常のバンドギャップ（Ｅg）よりも、約７０ｍｅＶ程
度、エネルギ−ギャップは大きくなる。

【００２０】なお、活性層が量子井戸構造を有し、可飽
和吸収層がバルク構造を有している場合は、活性層と可
飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ差は、「レーザ発振
前における活性層の基底準位間のエネルギギャップ
（Ｅ’ga）から、可飽和吸収層のバンドギャップ（Ｅg
s）を引いた値」を意味することする。

【００２１】本発明において、可飽和吸収層は、量子井
戸構造を持つこともあれば、バルク構造を持つこともあ
る。そのため、本願明細書では、便宜上、「可飽和吸収
層のエネルギ−ギャップ」を、次のように定義すること
とする。すなわち、可飽和吸収層が量子井戸構造を有す
る場合は、「基底準位間のエネルギ−ギャップ（Ｅ’g
s）」を意味し、可飽和吸収層がバルク構造を有する場
合は、その「バンドギャップ（Ｅgs）」を意味すること
する。この「可飽和吸収層のエネルギ−ギャップ」とい
う言葉を用いれば、「活性層と可飽和吸収層とのエネル
ギ−ギャップ差」は、「レーザ発振前における活性層の
量子井戸層の活性層の基底準位間のエネルギ−ギャップ
から可飽和吸収層のエネルギ−ギャップを引いた値」と
表現される。

【００２２】本願発明者らによる検討の結果、活性層と
可飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ差（△Ｅ）を３０
ｍｅＶから２００ｍｅＶとすることで、可飽和吸収層が
レーザ光を効率よく吸収するとともに、光の吸収も飽和
するため、安定した自励発振が得られることが明らかと
なった。活性層と可飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ
差（△Ｅ）が３０ｍｅＶより小さければ自励発振は得ら
れない。これはエネルギ−ギャップ差が小さいため、可
飽和吸収層があまりレーザ光を吸収しないためであると
考えられる。また、エネルギ−ギャップ差（△Ｅ）が２
００ｍｅＶを越えると、可飽和吸収層での光吸収が大き
くなりすぎ、可飽和吸収層が飽和特性を示さなくなるの
で、自励発振が起こらない。したがって、エネルギ−ギ
ャップ差（△Ｅ）は３０〜２００ｍｅＶがよいことがわ
かった。

【００２３】現在の結晶成長技術によれば、各半導体層
のエネルギ−ギャップ及びエネルギ−ギャップ差（△
Ｅ）は数ｍｅＶ以下の精度で制御できる。このため、形
成された活性層と可飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ
差（△Ｅ）が１０ｍｅＶもあれば、これらの活性層およ
び可飽和吸収層は、エネルギ−ギャップ差（△Ｅ）を設
けることを意図して形成されたものと認められる。従っ
て、活性層と可飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ差
（△Ｅ）が１０ｍｅＶ以上あれば、活性層の量子井戸層
の基底準位間のエネルギ−ギャップと、可飽和吸収層の
エネルギ−ギャップとが「はぼ同一である」とは言えな
い。

【００２４】エネルギ−ギャップ差（△Ｅ）が、特に５
０ｍｅＶ〜１００ｍｅＶの範囲では、可飽和吸収層の飽
和条件が最適となり、高い動作温度でも安定な自励発振
が達成される。エネルギ−ギャップ差（△Ｅ）が１００
ｍｅＶを越えると、可飽和吸収層での光吸収がだんだん
大きくなり、動作電流もやや大きくなる。よって、エネ
ルギ−ギャップ差は１００ｍｅＶ以下であれば好ましい
といえる。このように、エネルギ−ギャップ差が５０〜
１００ｍｅＶの範囲内にあるとき、半導体レーザの動作
電流が大きくならない上に、極めて特性のよい自励発振
特性が得られる。特に、車等の比較的に高温の環境で半
導体レーザを動作させる可能性がある場合、このような
エネルギ−ギャップ差に設定することが好ましい。

【００２５】可飽和吸収層の体積を小さくすると、可飽
和吸収層でのキャリア密度を容易に上げられる。活性層
が放出したレーザ光を可飽和吸収層が吸収し、電子とホ
ールのペアを生じるが、可飽和吸収層の体積が小さい
と、単位体積あたりの光の吸収量が増加し、このキャリ
ア密度を容易に上げることができる。そして飽和状態に
なりやすく、可飽和吸収の効果が顕著となる。したがっ
て、可飽和吸収層が薄いほど、強くて安定な自励発振特
性を得ることができることが本発明者らの実験により明
らかとなった。このような強くて安定な自励発振を引き
起こすためには、可飽和吸収層の厚さを、約１０〜１０
０オングストロームの範囲内にすることが好ましい。た
だし、可飽和吸収層の厚さが約１００オングストローム
を越えてバルク構造を持つような厚さであっても、エネ
ルギ−ギャップ差を好ましい範囲内に設定すれば、問題
ない。また可飽和吸収層は複数に分離されて設けられて
も良い。

【００２６】本発明の半導体レーザでは、クラッド構造
中に光ガイド層を設けている。その理由は、可飽和吸収
層の体積を小さくするために可飽和吸収層の厚さを量子
井戸層のように薄くした場合に、可飽和吸収層での光の
閉じ込め率が極端に減少する結果、安定な自励発振が得
られなくなることを防止するためである。光ガイド層を
用いて、例えば、活性層への光閉じ込め率が５．０％以
上に維持したまま、可飽和吸収層への閉じ込め率を少な
くとも１．２％程度以上にすると、安定な自励発振を生
じることが可能となる。

【００２７】このように本願発明における光ガイド層
は、可飽和吸収層の光閉じ込め率を高めるためのもので
あり、活性層から離れた位置に配置される。この点で、
活性層の光閉じ込め率を高めるために活性層に隣接する
位置に配置された従来の光ガイド層とは大きく異なる。

【００２８】なお、可飽和吸収層と光ガイド層との位置
関係は、可飽和吸収層の体積および光閉じ込めを考慮し
て、最適に決定される。

【００２９】以下、本発明の実施例について図面を参照
しつつ説明する。（実施例１）図２は、本発明による半導体レーザの実施
例の断面図である。この半導体レーザは、ｎ型のＧａＡ
ｓ基板１０１と、ＧａＡｓ基板１０１上に形成された半
導体積層構造を備えている。ＧａＡｓ基板１０１は、
（１００）面の面方位が＜０１１＞方向に１０度傾斜し
たいわゆるオフ基板を用いている。

【００３０】また、この半導体積層構造は、ｎ型ＧａＡ
ｓバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１
０３、ＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＩｎＰからなる多重量
子井戸活性層１０４、第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッ
ド層１０５ａ、ｐ型のＧａＩｎＰからなる可飽和吸収層
１０６、第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５ｂ
を含んでいる。第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１
０５ｂの上面には、共振器長方向に延びるストライプ状
リッジ部分（幅：約２．０〜７．０μｍ）が形成されて
いる。第２のｐ型クラッド層１０５ｂのリッジ部分上面
には、コンタクト層１１０が形成されている。

【００３１】第２のｐ型クラッド層１０５ｂ及びコンタ
クト層１１０の両側には、ｎ型のＧａＡｓ層電流ブロッ
ク層１１１が形成されている。にコンタクト層１１０と
電流ブロック層１１１の上にはｐ型のＧａＡｓキャップ
層１１２が形成されている。キャップ層１１２の上面に
はｐ電極１１３が形成され、基板１０１の裏面にはｎ電
極１１４が形成されている。活性層１０４は３層の井戸
層と障壁層からなる多重量子井戸構造となっている。

【００３２】ここで可飽和吸収層はIII属元素であるＧ
ａ、ＩｎとＶ属元素であるＰとが規則的に配置した秩序
化構造（オーダリング構造）であり、活性層中の井戸層
は、III属元素のＧａ，ＩｎとＶ属元素のＰとが規則的
に配置せず、ランダムに配置した無秩序化構造（ディス
オーダリング構造）となっている。このため、可飽和吸
収層と量子井戸層とは、同じ組成のＧａ0.41Ｉｎ0.59Ｐ
でありながら、バンドギャップは無秩序化した量子井戸
層の方が大きくなり、そのエネルギギャップ差も８０ｍ
ｅＶとなり、量子井戸層の方が大きい。また、可飽和吸
収層と量子井戸層は、ともに０．７５％の圧縮歪みが入
っているが、結晶に歪みが入ることによる結晶性の劣化
もなく、それぞれの結晶性も良好なものとなっている。

【００３３】同じ組成でありながら、可飽和吸収層を秩
序化構造とし、量子井戸層を無秩序化構造とする方法に
ついて説明する。図１７は、横軸に成長温度、縦軸にＧ
ａＩｎＰのバンドギャップの大きさをとったものであ
る。成長ガスのＶ/III比は、２００〜３００程度であ
る。量子井戸層の成長温度Ｔaを７６０℃とし、可飽和
吸収層の成長温度Ｔsを７２０℃とすることにより、バ
ンドギャップ差をつけることができる。この条件では、
エネルギギャップ差も８０ｍＶとなり、自励発振に有効
な値に設定することができる。

【００３４】本願明細書では、半導体積層構造から、バ
ッファ層、活性層、コンタクト層、キャップ層および電
流ブロック層を除いた残りの部分を、全体として、「ク
ラッド構造」と呼ぶことにする。本実施例の場合は、ｎ
型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０３、第１のｐ型ＡｌＧ
ａＩｎＰクラッド層１０５ａ、可飽和吸収層１０６、第
２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５ｂが、クラッ
ド構造を構成している。

【００３５】本実施例の積層構造を構成する各半導体層
のドーピングレベルおよび膜厚は以下の通りである。

【００３６】名称番号ドーピング膜厚キャップ層・・・１１２５×１０¹⁸（ｃｍ-3）３μｍコンタクト層・・・１１０１×１０¹⁸（ｃｍ-3）５００Å 第２のｐ型クラッド層・・・１０５ｂ１×１０¹⁸（ｃｍ-3）０.９μｍ可飽和吸収層・・・１０６２×１０¹⁸（ｃｍ-3）５０Å 第１のｐ型クラッド層・・・１０５ａ５×１０¹⁷（ｃｍ-3）５００Å 活性層・・・１０４アンドープ５００Å 障壁層５０Å 井戸層５０Å ｎ型クラッド層・・・１０３５×１０¹⁷（ｃｍ-3） 1.０μｍバッファ層・・・１０２１×１０¹⁸（ｃｍ-3）０.３μｍ図３は、本実施例の半導体レーザについて、活性層付近
から可飽和吸収層付近までの（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ
0.5ＰのＡｌ組成ｘの分布を示す。この実施例では、ｎ
型クラッド層１０３、第１のｐ型クラッド１０５ａ、第
２のｐ型クラッド層１０５ｂのＡｌ組成は０．７であ
る。活性層１０４内の量子井戸層と可飽和吸収層は、と
もに、Ｇａ0.41Ｉｎ0.59Ｐから形成されているため、圧
縮歪みが0.75％程度加わっているが、この程度での格子
不整合では結晶性の劣化もほとんどない。

【００３７】自励発振を安定に起こさせるための重要な
点は、活性層１０４の量子井戸層と可飽和吸収層とのエ
ネルギ−ギャップ差にある。実施例１では、そのエネル
ギ−ギャップ差が８０ｍｅＶとなっており、安定した自
励発振が得られた。

【００３８】本願発明者は、可飽和吸収層の働きとエネ
ルギ−ギャップ差について検討してみた。その結果を以
下に説明する。

【００３９】まず、図４（ａ）から（ｃ）を参照する。
図４（ａ）からわかるように、注入電流が４０ｍＡにな
るとレーザ発振（自励発振）が起こり、その後、注入電
流を更に大きくすると、図４（ａ）中のＡ点で自励発振
が停止し、通常のレーザ発振となる。自励発振によって
得られる最大の光出力をＰmaxと呼ぶことにする。図４
（ａ）の例では、Ｐmaxは４．０ｍＷである。Ｐmaxを与
える電流よりも小さな電流では、図４（ｃ）のように、
時間の経過とともに光出力が大きく振動し、安定した振
幅を持つ自励発振が得られる。しかし、Ｐmaxを与える
電流よりも大きな電流では、図４（ｂ）に示すように、
時間の経過とともに光出力の振幅が徐々に減少し、通常
のレーザ発振になる。

【００４０】注入電流と同様に、動作温度Ｔも、あるレ
ベルを越えると、自励発振しなくなる傾向がある。自励
発振が観測される最高の温度をＴmaxとした。Ｔmaxは、
言い換えれば、自励発振が停止する温度ともいえる。

【００４１】図５は、その横軸がエネルギ−ギャップ差
（ｍｅＶ）、縦軸がＴmax（自励発振が停止する温度）
とＰmax（室温での自励発振の最大光出力）を示すグラ
フである。実験の結果、エネルギーギャップ差が１０、
２０ｍｅＶでは自励発振は観測されず、３０ｍｅＶで自
励発振が観測された。３０ｍｅＶでは、５１℃まで自励
発振が観測でき、その時、光出力が５ｍＷまで自励発振
した。

【００４２】エネルギ−ギャップ差が３０ｍｅＶ以上に
なって自励発振がおこりはじめ、２００ｍｅＶまで自励
発振が確認できた。特にエネルギ−ギャップ差が５０〜
１００の範囲ではＴmaxが高く、Ｐmaxも大きいので実用
的に好ましい範囲である。以上述べたように、安定な自
励発振のためには、活性層と可飽和吸収層のエネルギー
ギャップ差を所定の値にすることが重要である。このエ
ネルギーギャップ差は可飽和吸収層の成長条件、即ち、
自然超格子が形成される条件で形成することで、可飽和
吸収層への歪みの量を大きく加えることなく確保するこ
とができる。

【００４３】エネルギ−ギャップ差が１００ｍｅＶを越
えると、活性層と可飽和吸収層とのエネルギ−ギャップ
の差から、可飽和吸収層でのレーザ光の吸収が大きくな
り、その結果、動作電流がやや大きくなる傾向にある。
これについて図６を用いて説明する。

【００４４】図６は、横軸がエネルギーギャップ差（ｍ
ｅＶ）、縦軸が動作電流（ｍＡ）のグラフである。エネ
ルギーギャップ差が１００ｍｅＶを越えると、動作電流
が１３０ｍＡよりおおきくなる。

【００４５】図７は、動作電流と本実施例の半導体レー
ザの寿命との相関関係を示すグラフである。このグラフ
は、半導体レーザの光出力を５ｍＷに維持し、動作温度
が６０℃の状態で測定された結果に基づいている。寿命
を５０００時間以上にするには、動作電流を１３０ｍＡ
以下にすればよいことが図１３からわかる。

【００４６】図６及び図７からわかるように、寿命の観
点からは、エネルギーギャップ差が１００ｍｅＶ以下で
あることが望ましい。

【００４７】図８は、この半導体レーザの電流−光出力
特性を示すグラフである。グラフの横軸は、レーザへの
注入電流（ｍＡ）を、縦軸は光出力（ｍＷ）を示してい
る。閾値電流は、約５０ｍＡである。自励発振型半導体
レーザの特性が、通常の半導体レーザの特性と異なるの
は、図８にも表れているように、閾値電流近傍で光出力
の急激な立ち上がりが観測される点にある。これは、可
飽和吸収層が存在するために、ある程度のキャリアの注
入量に達するまでは光出力が外部へ放出されないことに
よる。注入電流がある値を越えるとレーザ発振が生じ、
注入電流に比例して光出力が増加しはじめる。

【００４８】図９は、本実施例の半導体レーザの図８の
Ｐ点における出力波形を示す。図９に示されるように、
わずか２ｎｓの間に光出力が大きく振動しており、自励
発振していることが確認できた。

【００４９】本発明の半導体レーザでは、可飽和吸収層
のドーピングレベルを２×１０18（ｃｍ-3）として、キ
ャリアの寿命時間を低減している。その結果、キャリア
の時間変化率に対する自然放出の寄与が増大し、自励発
振を容易に生じることができる。ドーピングは、１×１
０18（ｃｍ-3）以上あれば、キャリアの寿命時間を低減
する効果がある。

【００５０】本実施例では、厚さが５０オングストロー
ムの可飽和吸収層を用いたが、可飽和吸収層の厚さは、
これに限定されない。可飽和吸収層を多重量子井戸構造
を持つものとしても良く、また、バルク構造を持つもの
としてもよい。

【００５１】（実施例２）次に、図１０を参照しなが
ら、本発明による半導体レーザの第２の実施例を説明す
る。この半導体レーザは、ｎ型のＧａＡｓ基板７０１
と、ＧａＡｓ基板７０１上に形成された半導体積層構造
を備えている。この半導体積層構造は、ｎ型ＧａＡｓバ
ッファ層７０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７０
３、ＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＩｎＰからなる多重量子
井戸活性層７０４、第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド
層７０５ａ、光ガイド層７０７、第２のｐ型ＡｌＧａＩ
ｎＰクラッド層７０５ｂ、ｐ型のＧａＩｎＰからなる可
飽和吸収層７０６、第３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド
層７０５ｃを含んでいる。第３のｐ型ＡｌＧａＩｎＰク
ラッド層７０５ｃの上面には、共振器長方向に延びるス
トライプ状リッジ部分（幅：２．０〜７．０μｍ）が形
成されている。第３のｐ型クラッド層７０５ｃのリッジ
部分上面には、コンタクト層７１０が形成されている。
第３のｐ型クラッド層７０５ｃ及びコンタクト層７１０
の両側には、ｎ型のＧａＡｓ層電流ブロック層７１１が
形成されている。コンタクト層７１０と電流ブロック層
７１１の上にはｐ型のＧａＡｓキャップ層７１２が形成
されている。キャップ層７１２の上面にはｐ電極７１３
が形成され、基板７０１の裏面にはｎ電極７１４が形成
されている。活性層７０４は３層の井戸層と障壁層から
なる多重量子井戸構造となっている。

【００５２】本実施例の場合は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰク
ラッド層７０３、第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７０５ａ、光ガイド層７０７、第２のｐ型ＡｌＧａＩｎ
Ｐクラッド層７０５ｂ、可飽和吸収層７０６、第３のｐ
型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７０５ｃが、クラッド構造
を構成している。前述の実施例と異なる点は、後で詳細
に説明するように、クラッド構造中に光ガイド層７０７
を設けたことにある。

【００５３】図１１にｎ型クラッド層７０３から第３の
ｐ型クラッド層７０５ｃまでの（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉ
ｎ0.5ＰのＡｌ組成ｘの分布を示す。ｎ型クラッド層、
第１のｐ型クラッド層、第２のｐ型クラッド層、第３の
ｐ型クラッド層、光ガイド層は、Ａｌ組成を０．５とし
ている。また活性層７０４の井戸層および可飽和吸収層
７０６は、ともにＧａ_0.41Ｉｎ_0.59Ｐとしている。成長
条件は、実施例１と同様である。

【００５４】本実施例でも、可飽和吸収層の基底準位と
井戸層の基底準位との差（エネルギ−ギャップ差）を８
０ｍｅＶとしている。図１０に示すような構造の場合で
も、安定した自励発振を起こさせるためには、エネルギ
−ギャップ差が３０〜２００ｍｅＶの範囲内にある必要
があり、５０〜１００ｍｅＶの範囲内にあることが好ま
しい。

【００５５】本実施例の特徴は、可飽和吸収層の体積を
小さくするともに、光ガイド層をクラッド構造中に設け
ている点である。可飽和吸収層の体積を小さくするほ
ど、キャリア密度を容易に上げることができる。キャリ
ア密度が高いほど、光吸収は飽和状態になりやすくなる
ので、可飽和吸収効果が顕著となる。このため、可飽和
吸収層の体積を小さくするほど、強い自励発振が得られ
ることになる。しかしながら、可飽和吸収層の体積が小
さくなるほど、可飽和吸収層における光の閉じ込め率が
小さくなってしまうという問題がある。本実施例では、
活性層と可飽和吸収層との間に光ガイド層を設けること
によって、活性層から可飽和吸収層の方向へレーザ光の
分布を広げ、それによって可飽和吸収層の光閉じ込め率
を高め、可飽和吸収層と光の相互作用の働きを強めてい
る。このように、本実施例の光ガイド層は、可飽和吸収
層の光閉じ込め率を高めるものであり、活性層の光閉じ
込め率を高める従来の光ガイド層とは、機能が大きく異
なっている。

【００５６】次に、図１２（ａ）、（ｂ）及び図１３を
参照しながら、本実施例における光ガイド層の機能を詳
細に説明する。図１２（ａ）は光ガイド層を設けなかっ
た場合、図１２（ｂ）は光ガイド層を設けた場合の光強
度分布を示している。図１２（ｂ）からわかるように、
クラッド構造の他の部分よりも相対的にエネルギ−ギャ
ップが小さい（屈折率が高い）半導体層を光ガイド層と
して活性層から離れた位置に設けることによって、光強
度のピークが２つできる。すなちわ、活性層と光ガイド
層の各々への光閉じ込めが可能になり、その結果、可飽
和吸収層へ有効に光を分布させることができる。

【００５７】図１３は、光閉じ込め率の光ガイド層厚さ
依存性を示すグラフである。横軸は光ガイド層の厚さ
（オングストローム）、縦軸は光閉じ込め率（％）を示
している。ここで、ある層の「光閉じ込め率」とは、光
の全体量のうち、その層内に分布している光の量の割合
を示すものである。

【００５８】実験の結果、安定した自励発振特性を得る
ためには、活性層の光閉じ込め率が５％以上、可飽和吸
収層の光閉じ込め率が１．２％以上必要であることがわ
かった。このような光閉じ込め率を得るためには、光ガ
イド層の厚さを３００〜１２００オングストロームの範
囲内にすればよいことがわかった。このように、光ガイ
ド層をクラッド構造内に設けることによって、実施例１
の半導体レーザと同様に、安定した自励発振特性が得ら
れる。

【００５９】可飽和吸収層の位置は、光ガイド層から離
れた位置に形成されているが、図１４に示すように光ガ
イド層中に形成してもよい。可飽和吸収層への光閉じ込
め率が１．２％以上となるように光ガイド層中に可飽和
吸収層を形成すれば、自励発振を起こさせることができ
る。

【００６０】なお、実施例１及び２では、活性層が多重
量子井戸構造の場合について説明したが、単一の量子井
戸構造であっても、量子井戸層と可飽和吸収層との基底
準位のエネルギーギャップの差を、３０〜２００ｍｅ
Ｖ、特に、５０〜１００ｅｍＶにすることで安定した自
励発振特性をもつ半導体レーザを実現できる。また、活
性層が量子井戸を持たないバルク型であっても、エネル
ギ−ギャップ差を上記範囲内に設定すれば、本発明の効
果を得ることができる。

【００６１】実施例２では、光ガイド層を可飽和吸収層
と活性層との間に配置したが、光ガイド層と可飽和吸収
層との配置関係は、それに限定されるものではない。図
１５を参照して、光ガイド層と可飽和吸収層との配置関
係を説明する。図１５において、ＳＡ１からＳＡ５で示
される破線部の何れの位置に可飽和吸収層を配置しても
良い。

【００６２】ＳＡ１で示される位置は、実施例２におけ
る可飽和収層の位置に対応している。ＳＡ１で示される
位置は光ガイド層から離れているが、可飽和吸収層は光
ガイド層に隣接していても良い。ＳＡ２からＳＡ４は、
光ガイド層内に設けられた可飽和吸収層の位置を示して
いる。ＳＡ５は、光ガイド層と活性層との間に設けられ
た可飽和吸収層の位置を示している。ＳＡ５で示される
位置は光ガイド層から離れているが、可飽和吸収層は光
ガイド層に隣接していても良い。

【００６３】光ガイド層内に可飽和吸収層を設けた場合
と、そうではない場合とでは、可飽和吸収層からみた量
子井戸の障壁の高さが異なるため、可飽和吸収層内の基
底準位のレベルは多少変化する。

【００６４】なお、可飽和吸収層に不純物が高濃度でド
ーピングされている場合、活性層の近傍に可飽和吸収層
を配置すると、可飽和吸収層中の不純物が活性層に悪影
響を与えるおそれがある。そのため、例えば不純物濃度
が１×１０18ｃｍ-3以上の可飽和吸収層を設ける場合、
可飽和吸収層と活性層との間隔を２００オングストロー
ム以上離すことが好ましい。

【００６５】また、可飽和吸収層の数はひとつに限られ
ない。例えば、図１５のＳＡ１からＳＡ５のうちの何れ
か２以上の位置の各々に可飽和吸収層を配置してもよ
い。あるいは、可飽和吸収層が多重量子井戸構造を持つ
ようにしてもよい。ただし、複数の可飽和吸収層をクラ
ッド構造内に設けると、結果的に可飽和吸収層のトータ
ルの体積が増加するため、可飽和吸収層内のキャリア密
度が低下するという問題が生じる。また、比較的に屈折
率の大きな材料から形成される可飽和吸収層を複数個、
近接させて配置する場合は、それら複数の可飽和吸収層
が近接配置された部分に光が閉じ込められやすくなるた
め、光ガイド層を設ける必要性は低下する。

【００６６】なお、光ガイド層を複数に分離して設けて
も良い。例えば、一対の光ガイド層で可飽和吸収層を挟
み込むようにしてもよい。もし、それら一対の光ガイド
層を可飽和吸収層に隣接するように配置したならば、図
１５のＳＡ３に可飽和吸収層を設けた構造が得られる。
そのような場合、光ガイド層内に可飽和吸収層を設けた
と表現することもできる。光ガイド層内に可飽和吸収層
を設けた場合の光ガイド層の厚さとは、図１６に示す第
１の光ガイド部分の厚さＴ１と第２の光ガイド部分の厚
さＴ２の和で表される。

【００６７】また可飽和吸収層は、図２、図１０のよう
にリッジ構造の下部のクラッド層中に配置されている
が、図１８に示すような位置に可飽和吸収層は配置され
ていてもよい。図１８（ａ）では、可飽和吸収層は、リ
ッジ構造の直下に配置されている。この構造にすれば、
電流ブロック層下の可飽和吸収層は、逆バイアスにより
空乏化しており、多数キャリアである正孔（ホール）は
ストライプの中に閉じ込められている。（ｂ）の構造
は、リッジ構造の内部に可飽和吸収層を形成した構造で
ある。リッジ構造形成のためのエッチングを行うため、
可飽和吸収層の下にはエッチング停止層が形成されてい
る。エッチングはこのエッチング停止層でストップす
る。（ａ）、（ｂ）のいずれの構造でも、８０℃程度の
高温、２０ｍＷ程度の高出力まで自励発振特性を維持さ
せることができる。

【００６８】（実施の形態３）次に、図１９を参照しな
がら、本発明による光ディスク装置を説明する。

【００６９】この光ディスク装置は、前述の本発明によ
る半導体レーザ１９０１と、半導体レーザ１９０１から
放射されたレーザ光（波長６５０ｎｍ）１９０２を平行
光にするコリメータレンズ１９０３と、その平行光を３
本のレーザ光（図では１本のレーザ光のみ図示されてい
る）に分離する回折格子１９０４と、レーザ光の特定成
分を透過／反射するハーフプリズム１９０５と、ハーフ
プリズム１９０５から出たレーザ光を光ディスク１９０
７上に集光する集光レンズ１９０６とを備えている。光
ディスク１９０７上では、例えば、直径１μｍ程度のレ
ーザビームスポットが形成される。光ディスク１９０７
は、読み出し専用のものに限定されず、書き換え可能な
ものでもよい。

【００７０】光ディスク１９０７からの反射レーザ光
は、ハーフプリズム１９０５で反射された後、受光レン
ズ１９０８及びシリンドリカルレンズ１９０９を透過
し、受光素子１９１０に入射する。受光素子１９１０
は、複数に分割されたフォトダイオードを有しており、
光ディスク１９０７から反射されたレーザ光に基づい
て、情報再生信号、トラッキング信号及びフォーカスエ
ラー信号を生成する。トラッキング信号及びフォーカス
エラー信号に基づいて駆動系１９１１が光学系を駆動す
ることによって、光ディスク８０７上のレーザ光スポッ
トの位置を調整する。

【００７１】本実施例の半導体レーザ１９０１は、可飽
和吸収層を有している。このため、光ディスク１９０７
から反射されたレーザ光の一部がハーフプリズム１９０
５と回折格子１９０４を透過して半導体レーザ１９０１
に戻ってきても、低ノイズの相対強度雑音は低いレベル
に維持される。

【００７２】このように、本発明の光ディスク装置によ
れば、高周波重畳用の回路部品を用いることなく、波長
が６３０〜６８０ｎｍ帯で低歪みの再生が達成される。
従来の波長が６３０〜６８０ｎｍ帯ＡｌＧａＩｎＰ系半
導体レーザ素子は、安定な自励発振を起こせなかったた
め、従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を光ディ
スク装置に用いる場合、高周波を駆動電流に重畳するこ
とによって、戻り光雑音を抑制する必要があった。その
ためには、大型の高周波重畳回路が必要となり、光ディ
スク装置の小型化に不適当であったが、本実施例の光デ
ィスク装置は、小型化にも有利である。

【００７３】

【発明の効果】本発明では以下の効果が得られる。

【００７４】（１）エネルギ−ギャップ差を３０から２
００ｍｅＶとすることで可飽和吸収層がレーザ光を効率
よく吸収するとともに、光の吸収も飽和するため、安定
した自励発振が得られる。特にエネルギ−ギャップが５
０〜１００ｍｅＶの範囲では、可飽和吸収層の飽和条件
が最適となり、さらに動作電流も大きくならないので、
特性のよい自励発振特性が得られる。

【００７５】（２）光ガイド層を設ければ、可飽和吸収
層の体積が小さくても、可飽和吸収層でのキャリア密度
を容易に上げられ、強くて安定した自励発振特性を得る
ことができる。

【００７６】（３）活性層の量子井戸層と可飽和吸収層
をともに格子整合の組成を用いても、秩序構造、無秩序
構造とすることにより、エネルギギャップを設定するこ
とができるので、結晶性の劣化の少ない系で自励発振特
性を実現できる。

【００７７】その結果、広い温度範囲に渡り相対雑音強
度の低い半導体レーザを実現できる。

【００７８】本発明の光ディスク装置の効果は以下の通
りである。（１）従来のＡｌＧａＩｎＰ系の６３０ｎｍから６８０
ｎｍの波長を持つ半導体レーザレーザを光ディスク装置
に用いようとすれば、自励発振特性を有していないの
で、半導体レーザに高周波を重畳して雑音特性をよくす
る必要があった。しかし、本発明の自励発振型の半導体
レーザを用いることで、レーザに高周波を重畳するため
の回路を必要としないので、部品点数が少ない簡単な構
成で、小型が図れ、かつ高性能の光ディスク装置とな
る。

【００７９】（２）ＣＤ（コンパクトディスク）で用い
られていたレーザは、自励発振型のレーザであったが、
このレーザは、ＡｌＧａＡｓ系であり、波長は７８０ｎ
ｍである。したがって、本発明の自励発振型のレーザ
は、波長を従来の７８０ｎｍから６５０ｎｍにできるの
で、７８０ｎｍのレーザでは困難な高密度のＲＯＭでも
再生できる。

【００８０】（３）この半導体レーザを光ディスク装置
の光源として用いる。このレーザにより、再生時の光デ
ィスク（記録媒体）からの戻り光による雑音特性もよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】エネルギ−ギャップを説明するための模式図

【図２】本発明による半導体レーザの第１の実施例の断
面図

【図３】第１の実施例のバンドギャップエネルギー図

【図４】（ａ）は、Ｐmaxを説明する光出力特性図（ｂ）は、Ｐmaxよりも大きな光出力を与える条件での
光出力の時間変化を示す図（ｃ）は、Ｐmaxよりも小さな光出力を与える条件での
光出力の時間変化を示す図

【図５】本発明の第１の実施例についてのＴmax、Ｐmax
特性図

【図６】エネルギーギャップと動作電流との関係を示す
特性図

【図７】動作電流と寿命時間との関係を示す特性図

【図８】本発明の第１の実施例の光出力特性図

【図９】本発明の第１の実施例の光出力の時間変化を示
す図

【図１０】本発明による半導体レーザの第２の実施例の
断面図

【図１１】第２の実施例のバンドギャップエネルギー図

【図１２】（ａ）は、光ガイド層を設けない場合の光強
度分布図（ｂ）は、光ガイド層を設けた場合の光強度分布を示す
図

【図１３】第２の実施例における光閉じ込め率を示す特
性図

【図１４】本発明による半導体レーザの他の実施例のバ
ンドギャップエネルギー図

【図１５】本発明における可飽和吸収層と光ガイド層と
の位置関係を示すバンドギャップエネルギー図

【図１６】光ガイド層内に可飽和吸収層を設けた場合の
バンドギャップエネルギー図

【図１７】ＧａＩｎＰ結晶の成長温度とバンドギャップ
との関係を示す図

【図１８】可飽和吸収層の位置を示す構造断面図

【図１９】本発明の実施例による光ディスク装置の構成
図

【符号の説明】

１０１基板１０２バッファ層１０３ｎ型クラッド層１０４活性層１０５ａ，１０５ｂｐ型クラッド層１０６可飽和吸収層１１０コンタクト層１１１電流ブロック層１１２キャップ層１１３ｐ電極１１４ｎ電極７０７光ガイド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高森晃大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者萬濃正也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者福久敏哉大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子井戸層を有する活性層と、該活性層
を挟むクラッド構造とを備えた半導体レーザであって、該クラッド構造は、可飽和吸収層と、該可飽和吸収層を
含んでおり、該可飽和吸収層は秩序構造を有し、該量子井戸層は無秩
序化しており、該可飽和吸収層のエネルギ−ギャップが、該活性層の量
子井戸層の基底準位間のエネルギ−ギャップよりも、３
０から２００ｍｅＶだけ小さい半導体レーザ。
【請求項２】量子井戸層を有する活性層と、該活性層
を挟むクラッド構造とを備えた半導体レーザであって、該クラッド構造は、可飽和吸収層と、該可飽和吸収層の
光閉じ込め率を高める光ガイド層とを含んでおり、該可飽和吸収層は秩序構造を有し、該量子井戸層は無秩
序化しており、該可飽和吸収層のエネルギ−ギャップが、該活性層の量
子井戸層の基底準位間のエネルギ−ギャップよりも、３
０から２００ｍｅＶだけ小さく、しかも、該光ガイド層
は該活性層から離れた位置に配置されている半導体レー
ザ。
【請求項３】前記可飽和吸収層の厚さは、約１０から
約１００オングストロームの範囲内にある請求項１また
は２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】前記可飽和吸収層が複数設けられている
請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項５】前記飽和吸収層のエネルギ−ギャップ
が、前記活性層の量子井戸層の基底準位間のエネルギ−
ギャップよりも、５０から１００ｍｅＶだけ小さい請求
項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項６】前記光ガイド層は、前記クラッド構造の
他の部分のバンドギャップよりも小さく、前記可飽和吸
収層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有
している請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項７】前記光ガイド層の厚さは、３００〜１２
００オングストロームの範囲内にある請求項６に記載の
半導体レーザ。
【請求項８】前記光ガイド層は、前記クラッド構造内
で複数の部分に分離されている請求項７に記載の半導体
レーザ。
【請求項９】前記光ガイド層は、前記クラッド構造内
で、前記可飽和吸収層に隣接している請求項６に記載の
半導体レーザ。
【請求項１０】量子井戸層を有する活性層と、該活性
層を挟むクラッド構造とを備えた半導体レーザであっ
て、該クラッド構造は、可飽和吸収層と、該可飽和吸収層を
含んでおり、該可飽和吸収層は電流ブロック層に隣接している半導体
レーザ。
【請求項１１】前記可飽和吸収層には、１×１０18ｃ
ｍ-3以上の不純物がドープされている請求項１または２
または１０に記載の半導体レーザ。
【請求項１２】前記活性層は、多重量子井戸構造を有
している請求項１または２または１０に記載の半導体レ
ーザ。
【請求項１３】前記活性層中の量子井戸層と、前記可
飽和吸収層とは、まわりの層にほぼ格子整合している請
求項１または２または１０に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】請求項１〜１２のいずれかに記載の半
導体レーザと、前記半導体レーザ素子から放射されたレ
ーザ光を記録媒体に集光する集光光学系と、前記記録媒
体によって反射されたレーザ光を検出する光検出器とを
備えた光ディスク装置。
【請求項１５】半導体レーザは、記録媒体に記録され
ている情報を再生するときには、自励発振モードで動作
する請求項１３に記載の光ディスク装置。
【請求項１６】半導体レーザの近傍に光検出器が配置
されている請求項１３または１４に記載の光ディスク装
置。