JPH11330632A - 半導体レ―ザ及び該半導体レ―ザを用いた光ディスク装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザを構成する可飽和吸収層やスペ
ーサ層のドーピングの程度や厚さなどを最適に設定する
ことによって、安定な自励発振特性を有し、かつ、信頼
性の高い半導体レーザを提供する。 【解決手段】 活性層１０６と、活性層１０６を挟むク
ラッド構造とを備えた自励発振型半導体レーザ装置であ
って、クラッド構造は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のｎ型不
純物がドープされた可飽和吸収層１０４を含んでいる。
可飽和吸収層１０４中のキャリア寿命は、高濃度の不純
物によって低減され、安定した自励発振特性が得られ
る。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。

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低雑音自励発振型半導体レー
ザ、及び該半導体レーザを用いた光ディスク装置に関す
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（レーザダイオード）
の需要が高まり、ＧａＡｓ系およびＩｎＰ系半導体レー
ザ素子を中心として、種々の半導体レーザ素子の研究開
発が活発に進められてきた。光情報処理分野において
は、特に発振波長（ｌａｓｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔ
ｈ）が７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ（７８
０ｎｍ−Ｂａｎｄ ＡｌＧａＡｓ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏ
ｄｅｓ）を光源に用いて情報の記録・再生を行うシステ
ムが実用化されており、コンパクトディスクの記録・再
生システムとして広く普及するに至っている。

【０００３】しかし、最近、これらの光ディスクの記憶
容量の増加が強く求められるようになり、それに伴い、
より短波長のレーザ光を放射できる半導体レーザ素子が
必要になってきた。

【０００４】ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子によれ
ば、６３０〜６９０ｎｍ（赤色領域）でのレーザ発振が
可能である。なお、本願明細書において、「ＡｌＧａＩ
ｎＰ」は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０≦ｘ＜
１）を簡略的に表現したものである。この半導体レーザ
素子は、現在、実用レベルにある種々の半導体レーザ素
子の中で最も短い波長のレーザ光を放射することができ
るので、従来から広く使用されていたＡｌＧａＡｓ系半
導体レーザに代わって、次世代の大容量光情報記録用光
源として有望である。

【０００５】半導体レーザ素子の評価にとっては、レー
ザ光の波長だけではなく、強度雑音（Ｉｎｔｅｎｓｉｔ
ｙ Ｎｏｉｓｅ）や、温度特性が重要な要素である。特
に、半導体レーザ素子が光ディスクの再生用光源として
使用される場合、強度雑音の少ないことが極めて重要で
ある。強度雑音は、光ディスクに記録されている信号の
読取エラーを誘発するからである。半導体レーザ素子の
強度雑音は、素子の温度変化によって引き起こされるだ
けではなく、光ディスクの表面から反射された光の一部
が半導体レーザ素子に帰還してしまうことによっても生
じる。したがって、このような反射光の帰還が生じて
も、強度雑音の少ない半導体レーザ素子が光ディスクの
再生用光源には不可欠となる。

【０００６】従来、光ディスクの再生専用低出力光源と
してＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を用いる場合、雑
音を低減するために素子内のリッジストライプの両側に
意図的に可飽和吸収体（ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏ
ｒｂｅｒ）が形成されていた。このような構造を採用す
ることによって、レーザ発振の縦モード（Ｌｏｎｇｉｔ
ｕｄｉｎａｌ ｍｏｄｅ）をマルチ化することができ
る。レーザが単一縦モードで発振しているときには、レ
ーザ光の素子へ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、それまで発振していた
縦モードに近接する他の縦モードでのレーザ発振が開始
し、元の発振モードとの間で競合（Ｍｏｄｅ ｃｏｍｐ
ｅｔｉｔｉｏｎ）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。

【０００７】また、安定な自励発振特性を得ることので
きる先行技術が特開昭６３−２０２０８３号公報に示さ
れている。この先行技術では、活性層で生成された光を
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（Ｓｅｌｆ−Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ Ｐ
ｕｌｓａｔｉｎｇ ｔｙｐｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄ
ｅ）を実現している。

【０００８】また、特開平６−２６０７１６号公報は、
活性層のバンドギャップと吸収層のバンドギャップをほ
ぼ等しくすることによって赤色半導体レーザ素子の特性
を改善したと記載している。図１４は、特開平６−２６
０７１６号公報に開示されている従来の自励発振型の半
導体レーザ素子を示す模式断面図である。以下、図１４
を参照しながら、この半導体レーザ素子を説明する。

【０００９】図１４において、ｎ型のＧａＡｓからなる
基板１４０１上にｎ型のＧａＩｎＰからなるバッファ層
１４０２、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層１
４０３、ＧａＩｎＰからなる歪量子井戸活性層（ｓｔｒ
ａｉｎｅｄ ｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ ａｃｔｉｖｅ
ｌａｙｅｒ）１４０４が順次形成される。ここでクラッ
ド層１４０３中には歪量子井戸可飽和吸収層（ｓｔｒａ
ｉｎｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｓａｔｕｒａｂ
ｌｅ ａｂｓｏｒｂｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１４０５が形
成され、その上部にはリッジ状のクラッド層１４０６と
ｐ型のＧａＩｎＰからなるコンタクト層１４０７が形成
されている。このリッジ状のクラッド層１４０６および
コンタクト層１４０７の両側はｎ型のＧａＡｓ層からな
る電流のブロック層１４０８によって埋め込まれてい
る。さらにコンタクト層１４０７とブロック層１４０８
上にはｐ型のＧａＡｓからなるキャップ層１４０９が形
成されており、キャップ層１４０９上にはｐ型電極１４
１０、基板１４０１側にはｎ電極１４１１がそれぞれ形
成されている。

【００１０】また、図１５は歪量子井戸可飽和吸収層１
４０５のエネルギバンド図を示しており（Ａｌ_0.7Ｇａ
_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層１５０１とＧａ_xＩ
ｎ_1-xＰ（膜厚１００Å、歪＋０．５〜１．０％）から
なる井戸層１５０２とを交互に積層してあり、本従来例
では井戸層１５０２が３層形成されている。ここで、歪
量子井戸活性層１４０４のバンドギャップと歪量子井戸
可飽和吸収層１４０５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。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ＡｌＧａＩｎＰ系半導
体の利得特性は、ＡｌＧａＡｓ系半導体の利得特性から
大きく異なり、その結果、自励発振しにくいことが明ら
かとなった。図１３は、ＧａＩｎＰとＧａＡｓについ
て、利得のキャリア密度依存性を示している。ＧａＡｓ
およびＧａＩｎＰは、それぞれ、ＡｌＧａＡｓ系半導体
レーザおよびＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの活性層に
主に用いられる材料である。

【００１２】自励発振を達成するためには、キャリア密
度の増加に対する利得の増加の割合（利得曲線の傾き）
が大きいことが要求される。ところが、ＧａＩｎＰの利
得曲線の傾きはＧａＡｓの利得曲線の傾きよりも小さい
ため、相対的に自励発振が達成されにくいことが判明し
た。

【００１３】また、本願発明者らの実験結果によると、
赤色半導体レーザ（ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ）の
場合、上記の利得特性の違いにより、従来例のように活
性層と可飽和吸収層とのバンドギャップを等しくしただ
けでは安定した自励発振を得ることが困難であることが
わかった。

【００１４】本願発明者らの実験結果によると、赤色半
導体レーザ（ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ）の場合、
利得特性の違いにより、従来例のように活性層と可飽和
吸収層とのバンドギャップを等しくしただけでは安定し
た自励発振を得ることが困難であることがわかった。

【００１５】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、特に半導体レーザを構成する可飽和吸収層やスペ
ーサ層のドーピングの程度や厚さなどを最適に設定する
ことによって、安定な自励発振特性を有し、かつ、信頼
性の高い半導体レーザを提供することを目的とする。

【００１６】本発明の他の目的は、このような半導体レ
ーザを用いた光ディスク装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、活性層と、該活性層を挟むクラッド構造とを備え
た自励発振型半導体レーザ装置であって、該クラッド構
造は、１×１０¹⁸ｃｍ ^-3以上のｎ型不純物がドープされ
た可飽和吸収層を含んでいる。

【００１８】前記可飽和吸収層と前記活性層との間隔
は、２００Å以上であることが好ましい。

【００１９】前記クラッド構造は、更に、前記活性層お
よび前記可飽和吸収層のバンドギャップよりも大きいバ
ンドギャップを持つスペーサ層を、該活性層および該可
飽和吸収層の間に有していることが好ましい。

【００２０】前記スペーサ層の厚さが、２００Å以上で
あることが好ましい。

【００２１】前記スペーサ層のうち、前記活性層に隣接
する少なくとも厚さ２００Åの領域の不純物濃度は、３
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

【００２２】ある実施形態では、前記スペーサ層には、
不純物がほぼ一様にドープされており、その不純物濃度
は３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。

【００２３】ある実施形態では、前記可飽和吸収層は、
前記クラッド構造の該可飽和吸収層に隣接する部分にお
ける不純物濃度よりも局所的に高い不純物濃度を有して
いる。

【００２４】前記クラッド構造は、更に、前記スペーサ
層のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ
光ガイド層を、該活性層と該可飽和吸収層との間に有し
ていることが好ましい。

【００２５】ある実施形態では、前記クラッド構造は、
更に、光ガイド層を含んでおり、前記可飽和吸収層は、
該光ガイドに隣接して配置されている。

【００２６】ある実施形態では、前記クラッド構造は、
更に、光ガイド層を含んでおり、前記可飽和吸収層は、
該光ガイド内に配置されている。

【００２７】ある実施形態では、前記クラッド構造は、
更に、光ガイド層を含んでおり、前記可飽和吸収層は、
該光ガイドの近傍に配置されている。

【００２８】前記活性層は量子井戸構造を有しており、
前記可飽和吸収層は量子井戸から形成されていることが
好ましい。

【００２９】本発明の他の自励発振型半導体レーザ装置
活性層と、該活性層を挟むクラッド構造とを備えた自励
発振型半導体レーザ装置であって、該クラッド構造は、
１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物がドープされた可飽和吸
収層と、該可飽和吸収層の近傍に配置された光ガイド層
とを含んでおり、該可飽和吸収層には、量子準位が形成
され、量子準位間の遷移エネルギーが、該活性層の弱励
起下での遷移エネルギーよりも小さい。

【００３０】前記量子準位間の遷移エネルギーとレーザ
発振波長がほぼ等しいことが好ましい。

【００３１】前記不純物はｎ型であることが好ましい。

【００３２】前記クラッド構造は、更に、前記活性層お
よび前記可飽和吸収層のバンドギャップよりも大きいバ
ンドギャップを持つスペーサ層を、該活性層および該可
飽和吸収層の間に有していることが好ましい。

【００３３】前記スペーサ層の厚さは、２００Å以上で
あることが好ましい。

【００３４】前記スペーサ層の不純物濃度は、３×１０
¹⁸ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

【００３５】ある実施形態では、前記可飽和吸収層と前
記活性層が同一材料から形成されており、該活性層のパ
リア層のバンドギャップが前記光ガイド層のバンドギャ
ップよりも大きい。

【００３６】ある実施形態では、前記活性層及び前記ク
ラッド構造は、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_{1-x- y}Ｐ（０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１、ただし、ｘ及びｙは同時にゼロにはならな
い）材料から形成されており、前記可飽和吸収層と前記
活性層が同一材料から形成されており、該活性層のパリ
ア層のＡｌ組成が前記光ガイド層のＡｌ組成よりも大き
い。

【００３７】ある実施形態では、前記活性層及び前記ク
ラッド構造は、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｚ≦１）材料か
ら形成されており、前記可飽和吸収層と前記活性層が同
一材料から形成されており、該活性層のパリア層のＡｌ
組成が前記光ガイド層のＡｌ組成よりも大きい。

【００３８】ある実施形態では、前記可飽和吸収層と前
記活性層が同一材料から形成されており、該活性層のウ
ェル層の厚さが前記可飽和吸収層の厚さよりも小さい。

【００３９】本発明の更に他の自励発振型半導体レーザ
装置は、活性層と、該活性層を挟むクラッド構造とを備
えた自励発振型半導体レーザ装置であって、該クラッド
構造は、ｐ型不純物及びｎ型不純物の両方がドープされ
た可飽和吸収層を含んでいる。

【００４０】前記可飽和吸収層は、前記クラッド構造の
ｎ型部分に挿入されている。

【００４１】前記可飽和吸収層におけるキャリア濃度
は、半導体レーザ素子を駆動しない状態で、１×１０¹⁸
ｃｍ^-3以上であることが好ましい。

【００４２】本発明の更に他の自励発振型半導体レーザ
装置は 活性層と、ｎ型可飽和吸収層とを備えた自励発
振型半導体レーザ装置であって、前記ｎ型可飽和吸収層
でのキャリアの寿命が、６ナノ秒以下である。

【００４３】本発明の光ディスク装置は、半導体レーザ
素子と、該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、該記録媒体によって
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
ィスク装置であって、該半導体レーザ素子は、活性層
と、該活性層を挟むクラッド構造とを備え、該クラッド
構造は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のｐ型不純物がドープさ
れている可飽和吸収層を含んでいる自励発振型半導体レ
ーザである。

【００４４】ある実施形態では、前記半導体レーザ素子
は、情報を前記記録媒体に記録するときには単一モード
で発振し、該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。

【００４５】ある実施形態では、前記半導体レーザ素子
の近傍に前記光検出器が配置されている。

【００４６】ある実施形態では、前記光検出器は、シリ
コン基板に形成された複数のフォトダイオードを有して
おり、前記半導体レーザ素子は該シリコン基板上に配置
されている。

【００４７】ある実施形態では、前記シリコン基板は、
その主面に形成された凹部と、該シリコン基板の凹部の
一側面に形成されたマイクロミラーとを有しており、前
記半導体レーザ素子は、該シリコン基板の該凹部内に配
置され、該半導体レーザ素子から放射されたレーザ光が
該マイクロミラーによって反射された後、該シリコン基
板の主面にほぼ垂直な方向に進むように該マイクロミラ
ーと該主面との角度が設定されている。

【００４８】前記マイクロミラーの表面には、金属膜が
形成されていることが好ましい。

【００４９】

【発明の実施の形態】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調節することによって可
飽和吸収層におけるキャリアの寿命時間を７ナノ秒以下
に低減している。その結果、キャリア密度の時間変化率
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、相対雑音を下げることができる。

【００５０】従来の半導体レーザ素子では、活性層近傍
の通常のドーピングレベルが、例えば、１×１０¹⁷〜１
×１０¹⁸ｃｍ^-3であるため、可飽和吸収層のキャリア寿
命が長く、自励発振が生じにくかった。発明者らの研究
によると、キャリア寿命が大きい場合には、キャリア密
度の時間変化率に与える自然放出光の寄与が小さくな
り、キャリア密度の振動が生じにくくなるためである。
以下、この点を詳細に説明する。

【００５１】可飽和吸収層を備えた半導体レーザ装置に
おけるレート方程式は、以下のように表現される。

【００５２】

【数１】

【００５３】

【数２】

【００５４】

【数３】

【００５５】ここで、Ｓは光子密度（ｔｏｔａｌ ｐｈ
ｏｔｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）、ｎは電子密度（ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ）、Γは光閉じ込め係数（ｏｐ
ｔｉｃａｌ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏ
ｒ）、ｐは正孔密度（ｈｏｌｅｄｅｎｓｉｔｙ）、β_sp
は自然放出光係数（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓ
ｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）、Ｖは体積（ｖｏ
ｌｕｍｅ）、τはキャリアの寿命（ｃａｉｉｅｒ ｌｉ
ｆｅ ｔｉｍｅ）、ｇは利得（ｇａｉｎ）、Ｉは注入電
流密度（ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓ
ｉｔｙ）を表している。また、添字（ｓｕｆｆｉｘ）１
及び２は、それぞれ、活性層及び可飽和吸収層に対応し
ている。

【００５６】活性層に電流を注入する前、各式（１）か
ら（３）の各項はゼロである。活性層に対して電流を注
入し始めると、電流に関する項がゼロよりも大きくなる
ため、dn₁/dtは正となる。これは、活性層における電子
密度ｎ₁が増加することを意味している。

【００５７】電子密度ｎ₁の増加は、自然放出による光
子数の増加と利得による光子数の増加を招くため、dＳ/
dtを増加させ、その結果、総光子密度Ｓを増加させる。
総光子密度Ｓの増加は、式（２）の第１項の絶対値を大
きくするため、dn₁/dtは減少し、電子密度ｎ₁は低下す
る。

【００５８】式（３）の第１項における利得ｇ₂は、最
初、負の値を持っている。そのため、式（３）の右辺は
正となり、可飽和吸収層における電子密度ｎ₂は増加す
る。やがて、可飽和吸収層がある程度の量の光を吸収す
ると、利得ｇ₂は正になる。利得ｇ₂が正になると、dn₂/
dtが減少し始め、やがて負になる。

【００５９】自励発振を実現するには、光子密度Ｓ、電
子密度ｎ₁及びｎ₂を大きく振動させる必要がある。この
ような振動を引き起こすためには、光閉じ込め係数Γを
大きくするか、各層の体積Ｖ₁及びＶ₂を小さくすれば良
いと考えられる。しかしながら、発明者らの実験によれ
ば、光閉じ込め係数Γを大きくするか、各層の体積Ｖ ₁
及びＶ₂を小さくしても、自励発振は達成されなかっ
た。

【００６０】そこで、発明者は、通常、定数として扱わ
れる可飽和吸収層における電子の寿命τ₂に着目した。
発明者は、種々の解析や実験によって、可飽和吸収層に
おける電子の寿命τ₂が適切な値（７ナノ秒以下）を持
てば自励発振が達成されることを見いだした。また、発
明者は、可飽和吸収層のドーピングレベルを適切な値
（１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上）に設定すれば、可飽和吸収層
における電子の寿命τ₂を上記適切な値にすることがで
きることも見いだした。

【００６１】前述したように、活性層の近傍における不
純物ドーピングレベルは、１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3未満になる
ように低めに設定されている。これは、活性層への不純
物拡散によってレーザの信頼性が低下するという問題を
避けるためである。しかしながら、１×１０¹⁸ｃｍ^-3未
満の低い値では寿命τ₂が長すぎるため、自励発振は達
成されていなかった。

【００６２】前述のように、発明者らの実験によれば、
その寿命τ₂は約６ナノ秒以下が望ましいことがわかっ
た。寿命τ₂はドーピングレベルが低いと長くなり、ド
ーピングレベルが１×１０¹⁸ｃｍ^-3未満では寿命τ₂は
６ナノ秒を越える。これに対して、ドーピングレベルを
１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、例えば、２×１０¹⁸ｃｍ^-3程度
に高くすることによって、寿命τ₂を３ナノ秒程度にま
で減少させることが可能となる。

【００６３】前述の特開平６−２６０７１６号公報に
は、ドーピングに関する記述はない。特開平６−２６０
７１６号公報は、活性層の両側に設けられたクラッド層
中に、単に活性層と同等のバンドギャップを有する可飽
和吸収層を導入するだけで自励発振が生じると記載して
いるが、それだけでは、自励発振型レ−ザの実現は困難
であることを発明者らは見いだした。

【００６４】先に述べたように、発明者らの実験から、
例えば１×１０¹⁷ｃｍ^-3から１×１０¹⁸ｃｍ^-3未満の範
囲内の通常のドーピングレベルでは、自励発振現象（ｓ
ｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｅｄ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｏ
ｆ ｌｉｇｈｔ ｏｕｔｐｕｔ）が非常に生じにくいこ
とがわかった。

【００６５】なお、通常のドーピングレベルで自励発振
を生ずるためには、別のパラメータとして可飽和吸収層
の体積Ｖを十分に小さくし、キャリアの密度を相対的に
増加させる方法が考えられる。しかし、可飽和吸収層の
体積を小さくするには、その厚さを薄くする必要があ
り、それにともない可飽和吸収層への光の閉じ込めが減
少してしまう。そのために、光の吸収効率が低下し、結
果として所望の自励発振特性を有するような半導体レー
ザを得ることが困難となる。

【００６６】このように、可飽和吸収層のドーピングレ
ベルを適切な値に設定することによって可飽和吸収層に
おける電子の寿命τ₂を適切な値（６ナノ秒以下）にす
ることは、安定な自励発振を得るために極めて有効であ
る。

【００６７】なお、本発明の半導体レーザでは、可飽和
吸収層を量子井戸とした場合に、光閉じ込め係数が低下
するのを補うため、可飽和吸収層に隣接する位置に、ま
たは可飽和吸収層の近傍に光ガイド層を設け、可飽和吸
収層による光吸収の効果を十分生じさせる。その結果と
して、安定な自励発振特性を得ることが可能となる。

【００６８】以下、図面を参照しながら、本発明による
半導体レーザ素子の実施例を説明する。

【００６９】（実施例１）図１は、本発明による半導体
レーザ装置の第１の実施例の断面構造を示している。

【００７０】この半導体レーザは、ｎ型のＧａＡｓ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。この半導体積層構造は、ｎ型Ｇａ
ＩＰバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０３、ｎ型のＧａＩｎＰ高ドープ可飽和吸収層１０
４、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰスペーサ層１０５、ＡｌＧａ
ＩｎＰおよびＧａＩｎＰからなる多重量子井戸活性層１
０６、第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０７、ｐ
型のＧａＩｎＰエッチング停止層１０８、第２のｐ型Ａ
ｌＧａＩｎＰクラッド層１０９を含んでいる。

【００７１】第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０
９は、共振器長方向に延びるストライプ状の形状（幅：
約２．０〜７．０μｍ）を有している。

【００７２】第２のｐ型クラッド層１０９の上面には、
ＧａＩｎＰからなるコンタクト層１１０が形成されてい
る。第２のｐ型クラッド層１０９及びコンタクト層１１
０の両側には、ｎ型のＧａＡｓ電流ブロック層１１１が
形成されている。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を有している。

【００７３】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、高ドープ可飽和吸
収層１０６、ｐ型のＧａＩｎＰエッチング停止層１０
８、第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０７、第２
のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０９が、クラッド構
造を構成している。

【００７４】レーザ発振のために、ｐ電極１１３とｎ電
極１１４との間に電圧を印加してｐ電極１１３からｎ電
極１１４に電流（駆動電流）を流すとき、電流は、コン
タクト層１１０及び第２のｐ型クラッド層１０９を流れ
るように電流ブロック層１１１によって狭窄される。こ
のため、電流は、活性層１０４のうち、第２のｐ型クラ
ッド層１０９の真下の領域（電流注入領域）を流れ、電
流ブロック層２１１の真下の領域は流れない。活性層１
０４の電流注入領域内で光が発生し、その光は電流注入
領域より外側にもある程度広がる。この光の一部が可飽
和吸収層１０６と相互作用することによって、自励発振
が引き起こされる。

【００７５】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。

【００７６】

【表１】

【００７７】図２に、可飽和吸収層へのｎ型不純物のド
ーピング濃度を変えたときのキャリアの寿命とキャリア
密度の関係を示す。ドーピング濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3
の場合と５×１０¹⁷ｃｍ^-3の場合の２種類を示してあ
る。ここで言うキャリア密度とは、活性層で電子とホー
ルの再結合によって生成した光が、可飽和吸収層へしみ
だすことによって生じるキャリアの密度のことである。
図２の結果から可飽和吸収層へのドーピングレベルによ
って寿命時間が大きく影響されていることがわかる。

【００７８】前述したように、一般に、活性層の近傍に
は高いドーピングを付加するまでもない。それは、ｎ−
ＡｌＧａＩｎＰクラッド層への少数キャリアであるホー
ルのオーバーフローの心配が無いためで、典型的なｎ−
ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のキャリア濃度は５×１０¹⁷
ｃｍ^-3程度である。

【００７９】むしろ、高いドーピングをＡｌ組成の高い
ｎ−ＡｌＧａＩｎＰに行うとＤＸセンターを形成して非
発光中心となり、半導体レーザの特性を落とすという懸
念もあるため、高ドープを行わないのが通常である。

【００８０】自励発振特性を有する半導体レーザを得る
ためには、少なくとも可飽和吸収層は高ドープにする構
造とする必要がある。その理由を以下に示す。

【００８１】自励発振現象は、可飽和吸収層の寿命時間
が短いほど生じ易い。これは寿命時間が短いほど、自励
発振現象を生じさせるために必要な可飽和吸収層のキャ
リアの時間変化が大きくなるからである。発明者らの実
験によれば、その寿命時間は、約７ナノ秒以下が望まし
いことがわかった。寿命時間とドーピングレベルとの関
係は、ドーピングレベルが低い場合、寿命時間が長くな
り、たとえば１×１０ ¹⁸（ｃｍ^-3）以下で７ナノ秒を越
える。それに対して、ドーピングレベルを２×１０
¹⁸（ｃｍ^-3）程度と高くすることによって５ナノ秒程度
まで減少させることが可能となる。

【００８２】信頼性の観点から活性層の近傍に高ドープ
の層が存在することは望ましくないが、活性層と可飽和
吸収層の間に存在するスペーサ層（ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ
から成る）のキャリア濃度は３×１０¹⁸（ｃｍ^-3）以下
であれば、信頼性への影響がないことがわかっている。

【００８３】本発明に対して、従来の技術に記載した自
励発振型の半導体レーザでは、ドーピングに関する記述
はない。さらに従来の技術の赤色半導体レーザの場合、
活性層の両側に設けられたクラッド層中に、単に活性層
と同等のバンドギャップを有する可飽和吸収層を導入す
るだけで自励発振が生じると記載しているが、それだけ
では、自励発振型レ−ザの実現は困難である。先に述べ
たように発明者らの実験で、例えば、１×１０¹⁷〜１×
１０¹⁸ｃｍ^-3程度の通常のドーピングレベルでは、自励
発振現象が非常に生じにくいことがわかっている。本発
明はこの点に鑑み実験による最適な構造を提案してい
る。

【００８４】図３は、本実施例の活性層付近の（Ａｌ_x
Ｇａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5ＰのＡｌ組成ｘ（Ａｌ ｍｏｌｅ
ｆｒａｃｔｉｏｎ）のプロファイルを示す（０≦ｘ＜
１）。本実施例では、ｎ型クラッド層１０３、スペーサ
層１０５、第１のｐ型クラッド層１０７のＡｌ組成ｘは
０．７であるが、これらの層のＡｌ組成ｘは０．７に限
定されるものではない。また、ｎ型クラッド層１０３、
スペーサ層１０５、第１のｐ型クラッド層１０７のＡｌ
組成ｘが相互に異なっていても良い。また、各層の中
で、Ａｌ組成ｘが階段状若しくは連続的に変化していて
も良い。

【００８５】図３に示されるように、本実施例の可飽和
吸収層１０４は、クラッド構造中のｎ型部分において、
活性層１０６から離れた位置に挿入されている。クラッ
ド構造において、活性層１０６と可飽和吸収層１０４と
の間に位置する部分を、本願明細書では、スペーサ層１
０５と呼んでいる。

【００８６】本実施例のスペーサ層１０５の厚さは９０
０Åである。スペーサ層１０５の役割は、可飽和吸収層
１０４に高濃度にドープされた不純物が活性層１０６に
拡散して素子の信頼性を劣化させることを、抑制するこ
とにある。

【００８７】本実施例の可飽和吸収層１０６の厚さは１
５０Åである。これ以上の厚さの可飽和吸収層は量子井
戸構造を形成していないので、可飽和吸収層中に量子準
位は形成されていない。可飽和吸収層１０６が厚いと、
言い換えると、可飽和吸収層１０６の体積が大きいと、
キャリア密度が小さくなるため、キャリアの寿命が短く
ならず、自励発振が生じにくくなる。このような観点か
ら、可飽和吸収層の厚さは、約１５０Å未満であること
が好ましい。

【００８８】可飽和吸収層１０６のＡｌ組成ｘは、活性
層１０４から放射された光を可飽和吸収層１０６が十分
に吸収できるように選択される。

【００８９】一般に、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの
バンドギャップは、Ａｌ組成ｘが大きくなる程大きくな
る。従って、図３は、本実施例の活性層付近のバンドギ
ャップのプロファイルをも示しているといえる。図３か
らわかるように、スペーサ層１０５のバンドギャップ
は、活性層１０６および可飽和吸収層１０４のバンドギ
ャップよりも大きく、このため、活性層１０６からオー
バフローした少数キャリアが可飽和吸収層１０４に入ら
ない。

【００９０】スペーサ層１０５のバンドギャップは、第
１のｐ型クラッド層１０７などのバンドギャップと等し
く設定されている必要はない。活性層１０６からのキャ
リアのオーバフローに対するバリア効果を高めるため
に、スペーサ層１０５のバンドギャップを第１のｐ型ク
ラッド層１０７等のバンドギャップより大きくしてもよ
い（Ａｌ組成比を０．７より大きくしてもよい）。ま
た、活性層１０６及び／または可飽和吸収層１０４の光
閉じ込め係数を調整するために、スペーサ層１０５のバ
ンドギャップをクラッド構造の他の部分のバンドギャッ
プよりも小さくしてもよい（Ａｌ組成比を０．７より小
さくしてもよい）。

【００９１】なお、本実施例では、可飽和吸収層１０４
の光閉じ込め係数は約４．５％である。可飽和吸収層１
０４の光閉じ込め率が３％以上の場合、安定した自励発
振特性が得られることがわかった。

【００９２】図４は、図１の半導体レーザの電流−光出
力特性を示す。閾値電流は、約６０ｍＡである。自励発
振型半導体レーザ素子の特性においては、通常の半導体
レーザの特性と異なって、閾値電流近傍で光出力の急激
な立ち上がりが見られる。これは可飽和吸収層が存在す
るために、キャリア注入量がある閾値を越えるまでは光
が外部へ放出されないためである。キャリア注入量が閾
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。

【００９３】図５は、図４のグラフにおける点Ｐ（出
力：５ｍＷ）に対応する電流を半導体レーザに流した場
合における、光出力の時間依存性を示している。図５に
示されている振動波形は、シミュレーションにより得ら
れた。図５から、光出力の振動（自励発振）現象が継続
して生じていることが分かる。図６は、実際に作製した
自励発振型半導体レーザを動作させることによって得ら
れた光出力の振動波形を示している。時間に対して光出
力が大きく振動しており、自励発振の生じていることが
確認できた。

【００９４】図４を再び参照する。注入電流を、図４の
点Ｐに相当する電流値よりも更に大きくして行くと、や
がて自励発振が停止し、通常のレーザ発振が生じる。自
励発振の停止する時の光出力を最大自励発振出力（Ｐ
_max）と呼ぶことにする。

【００９５】図７Ａ及び図７Ｂは、半導体レーザ素子の
相対強度雑音（ＲＩＮ： Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅ
ｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）特性を示す。図７Ａが可飽和
吸収層がない半導体レーザの特性、図７Ｂが本発明の半
導体レーザの特性を示している。本発明の半導体レーザ
によれば、広い温度範囲で安定した低雑音特性を示して
いる。特に−１４０ｄＢの値が得られているので実用的
にも適してしることがわかる。

【００９６】スペーサ層や可飽和吸収層が一様にドープ
されている場合でも、全体にある程度高いドーピングを
行うことによって吸収層でのキャリア寿命を小さくする
ことが考えられる。しかしながら先にも述べたように一
般に活性層近傍に高いドーピングは行わない。本発明の
ように、活性層に近い場所に存在する可飽和吸収層に高
いドーピングを行うという新規な構造は、安定した自励
発振を有する優れた半導体レーザを作製するために必要
不可欠であることが明らかとなった。

【００９７】なお、本実施例では半導体レーザを構成す
る材料にＡｌＧａＩｎＰを用いて説明したが、他の材
料、例えばＡｌＧａＡｓやII−VI族化合物の場合でも本
発明の効果は大きい。

【００９８】可飽和吸収層にクラッド構造のｎ型不純物
がドープされている部分に配置することは、クラッド構
造のｐ型不純物がドープされている部分に配置する場合
に比較して、以下に述べる利点を有している。

【００９９】（１） ｎ型不純物は、ｐ型不純物を可飽
和吸収層にドープする場合よりも、高い濃度で可飽和吸
収層にドープされ得る。例えば、ｐ型不純物であるＺｎ
の場合、可飽和吸収層にドープ可能な最大の不純物濃度
は、約５×１０¹⁸ｃｍ^-3であるが、ｎ型不純物であるＳ
ｉの場合、可飽和吸収層にドープ可能な最大の不純物濃
度は、約１×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える値である。可飽和吸
収層にドープされている不純物の濃度が高いほど、可飽
和吸収層による光の吸収が少なくとも、多くのキャリア
が生成されることになる。また、前述のように、可飽和
吸収層の不純物濃度が高いほど、キャリア寿命が短縮さ
れるので、自励発振を起こしやすい。これらの理由か
ら、ｎ型不純物を高い濃度で可飽和吸収層にドープした
場合、少ない光学的損失で自励発振が達成され、半導体
レーザの閾値電流（Ｉ_th）及び動作電流（Ｉ_op）が低減
される。

【０１００】（２） ｐ型不純物として最もよく使用さ
れるＺｎは、拡散係数が大きく、ｎ型不純物（例えばＳ
ｉ）よりも拡散しやすい。可飽和吸収層にドープした不
純物が拡散しにくい場合は、可飽和吸収層を活性層に近
い位置に配置しても、半導体レーザの信頼性は低下しに
くい。可飽和吸収層にＳｉをドープした場合、動作電流
は製造直後から変動せず、安定な値をとる。動作電流が
製造直後から経時的に変動する場合は、製造の最終段階
でエージング工程などの動作電流を安定化させる工程が
必要となるが、本発明によれば、そのような工程が不要
なるので、製造コストが低減される。

【０１０１】（実施例２）本発明による半導体レーザ装
置の第２の実施例を説明する。この半導体レーザは、量
子井戸構造を有する活性層を用いているため、第１の実
施例よりも高い光出力を得ることができる。

【０１０２】まず、図８を参照する。図８に示されるよ
うに、この半導体レーザは、ｎ型のＧａＡｓ基板８０１
と、ＧａＡｓ基板８０１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８０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０
３、光ガイド層８０４、ｎ型のＧａＩｎＰ高ドープ量子
井戸可飽和吸収層８０５、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰスペー
サ層８０６、ＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＩｎＰからなる
多重量子井戸活性層８０７、第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ
クラッド層８０８、ｐ型のＧａＩｎＰエッチング停止層
８０９、第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８１０を
含んでいる。

【０１０３】第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８１
０は、共振器長方向に延びるストライプ状の形状（幅：
約２．０〜７．０μｍ）を有している。

【０１０４】第２のｐ型クラッド層８１０の上面には、
コンタクト層８１１が形成されている。第２のｐ型クラ
ッド層８１０及びコンタクト層８１１の両側には、ｎ型
のＧａＡｓ電流ブロック層８１２が形成されている。コ
ンタクト層８１１と電流ブロック層８１２の上にはｐ型
のＧａＡｓキャップ層８１３が形成されている。キャッ
プ層８１３の上面にはｐ電極８１４が形成され、基板８
０１の裏面にはｎ電極８１５が形成されている。活性層
８０７は３層の井戸層と障壁層からなる多重量子井戸構
造を有している。

【０１０５】この半導体レーザ素子を構成する各半導体
層の種類、厚さ、不純物濃度などは、第１の実施例のそ
れらと同様である。本実施例の半導体レーザ素子の特徴
は以下の通りである。

【０１０６】１） 可飽和吸収層として量子井戸可飽和
吸収層（厚さ：３０Å〜１５０Å）８０５が用いられて
いる。

【０１０７】２） 活性層として多重量子井戸活性層８
０７が用いられている。

【０１０８】３） 可飽和吸収層８０５が高いレベル
（１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上）にドープされている。

【０１０９】４） 可飽和吸収層８０５に隣接する位置
に（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる光ガイド層
（厚さ：３００Å〜１５００Å）８０４が設けられてい
る。

【０１１０】以下、図９を参照しながら、本実施例の半
導体レーザ素子をより詳細に説明する。

【０１１１】図９から明らかなように、本実施例では、
屈折率が可飽和吸収層８０５の屈折率より小さく、スペ
ーサ層８０６や第１のｎ型クラッド層８０３の屈折率よ
りも大きな光ガイド層８０４が可飽和吸収層８０５の近
傍に設けられている。

【０１１２】可飽和吸収層８０５を量子井戸構造を持つ
ように薄くした場合、光の閉じ込め係数が極端に減少す
る。また、高濃度にドープされている可飽和吸収層をあ
まり活性層８０７に近づけることもできない。その結
果、このままでは自励発振を生じることはできない。

【０１１３】本実施例では、クラッド構造の他の部分よ
りも屈折率の大きな（Ａｌ_0.5Ｇａ_{0 .5}）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐか
らなる光ガイド層８０４を可飽和吸収層８０５の近傍に
配置することによって、可飽和吸収層８０５の閉じ込め
係数を増加させている。光ガイド層８０４の挿入によっ
て可飽和吸収層８０５への閉じ込め係数を少なくとも
１．５％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。

【０１１４】可飽和吸収層８０５を量子井戸にした場
合、その膜厚が薄いため、光ガイド層８０４なしで閉じ
込め係数を自励発振に必要な大きさに設定することはで
きない。また、閉じ込め係数を増加させるために、可飽
和吸収層８０５の層数を増加すると、逆に可飽和吸収層
８０５の体積が増加してキャリア密度が小さくなり、自
励発振は生じなくなる。したがって可飽和吸収層８０５
の近傍に光ガイド層８０４を設けることによって新たに
自励発振を実現することができた。

【０１１５】光ガイド層８０４のバンドギャップは、可
飽和吸収層８０５のバンドギャップよりも大きくスペー
サ層８０６のバンドギャップよりも小さいことが好まし
い。ただし、光ガイド層８０４のバンドギャップが可飽
和吸収層８０５のバンドギャップに近すぎると、可飽和
吸収層８０５への光の閉じ込めが大きくなりすぎ、光吸
収の飽和特性を示さなくなるからである。

【０１１６】多重量子井戸活性層８０７は３つの量子井
戸層を含み、各量子井戸層の厚さは５０Åである。量子
井戸可飽和吸収層８０５のための光ガイド層８０４は、
組成ｘ＝０．５で膜厚１５００Åの層から形成されてい
る。この厚さは２００Å以上で有効となることが分かっ
ている。

【０１１７】量子井戸可飽和吸収層８０５は、少数キャ
リアの注入が生じない距離までならば多重量子井戸活性
層８０７に近づけてもかまわない。可飽和吸収層８０５
を活性層８０７に近づけすぎると、活性層８０７からオ
ーバフローした少数キャリアが可飽和吸収層８０５に注
入されてしまうので適当でない。したがって、可飽和吸
収層８０５は、活性層８０７の近傍で、かつできるだけ
少数キャリアが注入されない位置に設けるのが適当であ
る。なお、活性層８０７から可飽和吸収層８０５への少
数キャリア注入を抑制するためには、スペーサ層８０６
のバンドギャップをクラッド構造の他の部分のバンドギ
ャップよりも大きくすることが好ましい。

【０１１８】本実施例の半導体レーザ素子の最高光出力
（Ｐ_max）は、多重量子井戸活性層８０７に量子井戸構
造を導入することによって、バルク活性層を用いた半導
体レーザ素子の最高光出力よりも２割程度増加できた。
また、しきい値電流が低減され、高温でも動作が可能と
なる。

【０１１９】本実施例の半導体レーザによれば、図１０
に示されるような自励発振現象が確認されており、−１
３５ｄＢ／Ｈｚ以下の相対雑音強度（ＲＩＮ）が得られ
ている。

【０１２０】半導体レーザでは、発振波長は活性層材料
のバンドギャップから算出される値（実験的には弱励起
下のフォトルミネッセンスによって観測される値）より
も１０から２０ｎｍ程度長波長化する。これは、活性層
内に多数のキャリアが存在し、多体効果によるバンドギ
ャップシュリンケージによって実質的なバンドギャップ
が狭まるためである。量子井戸可飽和吸収層９０３と量
子井戸活性層９０５の量子準位を合わせ込むだけでは量
子井戸可飽和吸収層９０３での光の吸収が十分でなく、
自励発振が得にくい場合がある。

【０１２１】この問題を解決する方法を以下に示す。

【０１２２】活性層材料の弱励起下（レーザ発振前の状
態）での遷移エネルギーよりも、可飽和吸収層の量子準
位の遷移エネルギーを小さくする。具体的には、（１）
量子井戸活性層を構成するバリア層の禁制帯幅を可飽和
吸収層に近接する光ガイド層の禁制帯幅よりも大きくす
る方法、（２）可飽和吸収層と活性層の材料の組成が同
じくし、活性層を構成するウエル層の厚さを可飽和吸収
層の厚さよりも小さくする方法、（３）可飽和吸収層の
Ｇａ組成を活性層のウエルの組成よりも小さくする方法
などが考えられる。

【０１２３】上記（１）、（２）および（３）の具体的
な例を、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１１Ｃを用いて説明
する。図１１Ａは（１）の例、図１１Ｂは（２）の例、
図１１Ｃは（３）の例を示している。

【０１２４】図１１Ａの例の特徴は、可飽和吸収層１１
０３に隣接する光ガイド層１１０２のＡｌ組成が０.４
５であり、活性層を構成するバリア層の組成が０.５と
いう点である。このことにより、可飽和吸収層１１０３
の量子準位は活性層１１０５の量子準位よりも低エネル
ギーとなる。図１１Ａの例では、可飽和吸収層１１０３
と活性層１１０５のウエル層の厚さは同じにしてある。
また光ガイド層１１０２のＡｌ組成を小さくすることに
よりこのガイド層１１０２の屈折率が大きくなり、可飽
和吸収層１１０８への光閉じ込めを上昇させることがで
きるという利点もあわせつもっている。

【０１２５】図１１Ｂの例の特徴は、可飽和吸収層１１
０８と活性層を構成するウエル層の組成が同じで、ま
た、光ガイド層１１０７と活性層を構成するバリア層の
組成が０.５であり、可飽和吸収層１１０８の厚さが活
性層を構成するウエル層の厚さよりも厚い点である。こ
の場合でも、可飽和吸収層１１０７の量子準位は活性層
１１０８の量子準位よりも低エネルギーとなる。

【０１２６】（ｃ）の特徴は、可飽和吸収層１１１０の
Ｇａ組成（０.４１）を活性層を構成するウェルのＧａ
組成（０.４４）よりも小さくした点である。これによ
り、可飽和吸収層で０.７５パーセント、活性層のウェ
ルで０.５パーセントの圧縮歪が加わっている。これに
より、可飽和吸収層の方が、約５０ｍｅＶ遷移エネルギ
ーが減少することになる。

【０１２７】ここでは、具体的な例を用いて説明した
が、活性層材料の弱励起下での遷移エネルギーよりも可
飽和吸収層の量子準位の遷移エネルギーを小さくするこ
とができれば、どのような方法によっても良いのであ
る。

【０１２８】本実施例では、活性層に量子井戸構造を導
入することによって最高光出力が２割程度増加できた。
また、低しきい値電流化、高温動作、高出力化が可能と
なった。より特性を向上させる方法として活性層や可飽
和吸収層に歪量子井戸を用いても本発明を用いれば自例
発振特性を有する半導体レーザを得ることができるのは
言うまでもない。もちろん、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図
１１Ｃのいずれの例を併用してもかまわない。

【０１２９】以上説明したように、本実施例の半導体レ
ーザの特性は、量子井戸活性層、高ドープ可飽和吸収
層、および光ガイド層という新規な構造を採用すること
で初めて実現できるものである。

【０１３０】なお、本実施例では半導体レーザを構成す
る材料にＡｌＧａＩｎＰを用いて説明したが、他の材
料、例えばＡｌＧａＡｓやII−VI族化合物の場合でも本
発明の効果は大きい。

【０１３１】（実施例３）本発明による半導体レーザの
第３の実施例を説明する。断面構造図を図１２に示す。

【０１３２】１２０１はｎ型の基板であり、この基板１
２０１上にバッファ層１２０２、ｎークラッド層１２０
３、ｎ型の光ガイド層１２０４、共添加可飽和吸収層１
２０５、ｎ型のスペーサ層１２０６、多重量子井戸活性
層１２０７、第１のｐ−クラッド層１２０８、ｐ型のエ
ッチング停止層１２０９が順次形成される。その上部に
はリッジ状の第２のｐ−クラッド層１２１０とｐ型のキ
ャップ層１２１１が形成される。このリッジ状の第２の
ｐ−クラッド層１２１０およびキャップ層１２１１の両
側はｎ型の電流ブロック層１２１２によって埋め込まれ
ている。さらにキャップ層１２１１と電流ブロック層１
２１２上にはｐ型のコンタクト層１２１３が形成されて
おり、コンタクト層１２１３上にはｐ側電極１２１４、
基板１２０１側にはｎ側電極１２１５がそれぞれ形成さ
れている。

【０１３３】この半導体レーザは可飽和吸収層へｎ型不
純物を高ドープすることによって拡散が生じ、信頼性へ
影響を及ぼすことを抑制する構造としている。すなわ
ち、可飽和吸収層１２０５にｎ型不純物およびｐ型不純
物を同時に添加して、不純物の拡散を防止している。こ
の可飽和吸収層の伝導型は多数キャリアである電子の輸
送を妨げないためにｎ型であり、熱平衡状態で１×１０
¹⁸ｃｍ^-3以上としてある。この様な構成とすることによ
り、拡散しやすいＳｅ等の不純物も拡散を抑制でき、安
定な自励発振を有する半導体レーザを得ることができ
る。

【０１３４】実施例２で述べた構造でももちろん３×１
０¹⁸ｃｍ^-3以下のキャリア濃度とすれば、摂氏５０度、
５ｍＷでの信頼性試験において、駆動電流の変化率が２
０％以下に抑えることができており、使用上、問題はな
い。より拡散の生じやすい材料、例えば、II−VI族化合
物等では本実施例の構造により信頼性を向上させること
ができる。

【０１３５】また、本発明では、共添加することによっ
て、キャリアの寿命の低減を行え、結果として、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
発振を容易にしている。

【０１３６】最後に半導体レーザのミラー損失とキャビ
ティー長について説明する。半導体レーザのミラー損失
は、１／（２Ｌ）×ｌｎ（１／（Ｒｆ＋Ｒｒ））の式で
表される。ここで、Ｌ：キャビティー長、Ｒｆ：前端面
での反射率、Ｒｒ：後端面での反射率である。ミラー損
失を小さくすれば、低キャリア注入でレーザ発振するよ
うになり、そのためにはこの式から、キャビティー長Ｌ
を大きくするか、または反射率Ｒを大きくすればよいこ
とがわかる。

【０１３７】実施例１〜３での半導体レーザの端面に
は、ＳｉＯ₂とＳｉ₃Ｎ₄の多層膜による端面コーティン
グがなされ、キャビティー長は５００μｍとし、ミラー
損失は１０ｃｍ^-1である。実験によりミラー損失を１５
ｃｍ^-1以下にすれば高温でのノイズ特性が良好であるこ
とがわかっている。

【０１３８】上記の式から、キャビティー長Ｌが大きけ
れば、ミラー損失を小さくはできることが明らかだが、
余りにＬを大きくしてしまうとキャリアの注入が多くな
るので好ましくない。実験によれば、Ｌは７００μｍ以
下、好ましくは３００〜６００μｍの範囲が好適である
ことがわかっている。

【０１３９】このように本実施例の半導体レーザの高温
でのノイズ特性をよくするには、キャビティー長Ｌをパ
ラメータとしたミラー損失を考慮することも重要である
ことがわかった。

【０１４０】上記何れの実施例においても、ＡｌＧａＩ
ｎＰ系の半導体レーザ素子について説明してきたが、本
願発明はこれに限定されるものではない。例えば、Ａｌ
_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）系、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-y
Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系、またはＭｇ_xＺｎ_1-x
Ｓ_yＳｅ_1-y（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系にも適用可能
である。何れの材料系であっても、可飽和吸収層に１×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物がドープされることによっ
て、安定した自励発振が達成される。

【０１４１】Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）系半導体
レーザ素子の場合、例えば、活性層はＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａ
ｓから形成され、可飽和吸収層はＧａＡｓから形成さ
れ、クラッド層はＡｌＧａＡｓから形成される。

【０１４２】Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１）系半導体レーザ素子の場合、例えば、活性層
はＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎから形成され、可飽和吸収層はＩ
ｎ_{0. 2}Ｇａ_0.8Ｎから形成され、クラッド層はＡｌ_0.1Ｇ
ａ_0.9Ｎ。Ｍｇ_xＺｎ_1-xＳ_yＳｅ_1-y（０≦ｘ≦１、０≦
ｙ≦１）系半導体レーザ素子の場合、例えば、活性層は
Ｃｄ_0.2Ｚｎ_0.8Ｓｅから形成され、可飽和吸収層はＣｄ
_0.3Ｚｎ_0.7Ｓｅから形成され、クラッド層はＭｇ_0.1Ｚ
ｎ_0.9Ｓ_0.1Ｓｅ_0.9から形成される。

【０１４３】（実施例４）次に、図１６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。

【０１４４】この光ディスク装置は、前述の本発明によ
る半導体レーザ素子９０１と、半導体レーザ素子９０１
から放射されたレーザ光（波長６５０ｎｍ）９０２を平
行光にするコリメータレンズ９０３と、その平行光を３
本のレーザ光（図では１本のレーザ光のみ示されてい
る）に分離する回折格子９０７と、レーザ光の特定成分
を透過／反射するハーフプリズム９０５と、ハーフプリ
ズム９０５から出たレーザ光を光ディスク９０７上に集
光する集光レンズ９０６とを備えている。光ディスク９
０７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９０７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。

【０１４５】光ディスク９０７からの反射レーザ光は、
ハーフプリズム９０５で反射された後、受光レンズ９０
８及びシリンドリカルレンズ９０９を透過し、受光素子
９１０に入射する。受光素子９１０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９０７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９１１が光学系を駆動することによって、光ディス
ク９０７上のレーザ光スポットの位置を調整する。

【０１４６】この光ディスク装置において、半導体レー
ザ素子９０１以外の構成要素は、公知の素子を用いてよ
い。前述のように、本実施例の半導体レーザ素子９０１
は、高濃度にドープされた可飽和吸収層を有している。
このため、光ディスク９０７から反射されたレーザ光の
一部がハーフプリズム９０５と回折格子９０７を透過し
て半導体レーザ素子９０１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。

【０１４７】図８に示す半導体レーザ素子によれば、光
出力が約１０ｍＷのレベルまでは自励発振が生じるが、
そのレベルを越えて光出力を大きくして行くと、発振状
態は徐々に自励発振から単一モード発振に変化して行
く。例えば、光出力が約１５ｍＷ場合、自励発振は生じ
ない。光ディスクに記録された情報を再生するときに
は、半導体レーザ素子は自励発振によって戻り光雑音の
生じない状態にあるべきだが、光ディスク上に情報を記
録するときには自励発振をしている必要はない。例え
ば、約１５ｍＷの光出力で情報の記録を行い、約５ｍＷ
の出力で情報の再生を行うようにすれば、情報の低歪み
再生だけではなく記録も可能になる。

【０１４８】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。

【０１４９】これに対して、従来の波長が６３０〜６８
０ｎｍ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。

【０１５０】（実施例５）次に、本発明による光ディス
ク装置の他の実施例を説明する。

【０１５１】この光ディスク装置は、前述の本発明によ
る半導体レーザ素子を含むレーザユニットを用いた装置
である。このレーザユニットは、フォトダイオードの形
成されたシリコン基板と、その上にマウントされた半導
体レーザ素子とを含んでいる。更に、シリコン基板には
半導体レーザ素子から放射されたレーザ光を反射させる
ミイクロミラーが形成されている。

【０１５２】まず、図１７を参照しながら、このレーザ
ユニットを説明する。図１７に示されるように、シリコ
ン基板（７ミリ×３．５ミリ）１の主面１ａの中央に凹
部２が形成されており、その凹部２の底面に半導体レー
ザ素子３が配置されている。凹部２の一側面は傾斜して
おり、マイクロミラー４として機能する。シリコン基板
１の主面１ａが面方位（１００）の場合、異方性エッチ
ングによって、（１１１）面を露出させ、マイクロミラ
ー４として利用することができる。（１１１）面は、
（１００）から５４°傾斜しているので、主面１ａが
（１００）面から＜１１０＞方向に９°だけ傾斜したオ
フ基板を用いれば、主面１ａに対して４５°傾斜した
（１１１）面が得られる。なお、この（１１１）面に対
向する位置に設けられた（１１１）面は基板主面１ａに
対して６３°傾斜することになる。この面には、マイク
ロミラー４が形成されず、後述する光出力モニター用フ
ォトダイオード５が形成される。異方性エッチングによ
って形成した（１１１）面は平滑なミラー面であるの
で、優れたマイクロミラー４として機能するが、マイク
ロミラー４の反射効率を高めるために、レーザ光を吸収
しにくい金属膜を少なくともシリコン基板１の傾斜面上
に蒸着することが好ましい。

【０１５３】シリコン基板１には、半導体レーザ素子３
の光出力モニター用フォトダイオード５以外にも、光信
号検出用の５分割フォトダイオード６ａ及び６ｂが形成
されている。

【０１５４】図１８を参照しながら、本実施例の光ディ
スク装置を説明する。前述したような構造を持つレーザ
ユニット１０の半導体レーザ素子（図１８において不図
示）から放射されたレーザ光は、マイクロミラー（図１
８において不図示）によって反射された後、ホログラム
素子１１の下面に形成されたグレーティングによって３
本のビームに分離される（図中では簡単化のため１本の
ビームのみ示されている）。その後、レーザ光は四分の
一波長板（１／４λ板）１２と対物レンズ１３を透過
し、光ディスク１４上に集光される。光ディスク１４か
ら反射されたレーザ光は、対物レンズ１３及び１／４λ
板１２を透過した後、ホログラム素子１１の上面に形成
されたグレーティングによって回折される。この回折に
よって、図１９に示されるように、−１次光と＋１次光
とが形成される。例えば、−１次光は図中左に位置する
受光面１５ａに照射され、＋１次光は図中右に位置する
受光面１５ｂに照射される。−１次光と＋１次光とで焦
点距離が異なるように、ホログラム素子１１の上面に形
成されたグレーティングのパターンが調整される。

【０１５５】図２０に示されるように、レーザ光が光デ
ィスク上で焦点を結んでいるときには、レーザユニット
１０の受光面１５ａに形成される反射レーザ光のスポッ
トの形状は、受光面１５ｂに形成される反射レーザ光の
スポットの形状と等しくなる。レーザ光が光ディスク上
で焦点を結んでいないときは、レーザユニットの受光面
に形成される反射レーザ光のスポットの形状が２つの受
光面１５ａ及び１５ｂで異なる。

【０１５６】このように左右の受光面上に形成される光
スポットの大きさは、次のようにしてフォーカスエラー
信号ＦＥＳして検出される。

【０１５７】 ＦＥＳ＝（Ｓ１＋Ｓ３＋Ｓ５）−（Ｓ２＋Ｓ４＋Ｓ６） ここで、Ｓ１〜Ｓ３は、図３２に示すように、受光面１
５ａを構成している５つのフォトダイオードの内の中央
の３つのフォトダイオードから出力された信号強度を意
味し、Ｓ４〜Ｓ６は、受光面１５ｂを構成している５つ
のフォトダイオードの内の中央の３つのフォトダイオー
ドから出力された信号強度を意味している。フォーカス
エラー信号ＦＥＳがゼロのとき、レーザ光は光ディスク
上に焦点を結んでいる（ｏｎ ｆｏｃｕｓ）。図１８の
アクチュエータ１５によって、フォーカスエラー信号Ｆ
ＥＳがゼロになるように対物レンズ１３が駆動される。

【０１５８】トラッキングエラー信号ＴＥＳは、次のよ
うにして求められる。

【０１５９】ＴＥＳ＝（Ｔ１−Ｔ２）＋（Ｔ３−Ｔ４） ここで、Ｔ１及びＴ２は、受光面１５ａを構成している
５つのフォトダイオードの内の両端の２つのフォトダイ
オードから出力された信号強度を意味し、Ｔ３及びＴ４
は、受光面１５ｂを構成している５つのフォトダイオー
ドの内の両端の２つのフォトダイオードから出力された
信号強度を意味している。

【０１６０】情報信号ＲＥＳは、次のようにして求めら
れる。

【０１６１】 ＲＥＳ＝（Ｓ１＋Ｓ３＋Ｓ５）＋（Ｓ２＋Ｓ４＋Ｓ６） なお、本実施例では、半導体レーザ素子とフォトダイオ
ードとが一体化されたレーザユニットを用いたが、これ
らが分離されていてもよい。

【０１６２】このように、半導体レーザ素子とフォトダ
イオードとが一体的に構成されたレーザユニットを用い
ることによって、光ディスク装置の小型化が可能とな
る。また、フォトダイオード及びマイクロミラーがシリ
コン基板に予め形成されているので、光学的なアライメ
ントは、シリコン基板に対する半導体レーザ素子の位置
あわせだけを行えば良い。このように光学的なアライメ
ントが容易であるので、組立精度が高く、製造工程が簡
単になる。

【０１６３】

【発明の効果】以上のように、本発明の半導体レーザ
は、可飽和吸収層のドーピングレベルを増加することに
より、キャリアの寿命時間を制御し、安定した自励発振
特性を実現する。

【０１６４】また、本発明の半導体レーザは、活性層に
量子井戸を適用し、さらに光ガイド層を備た量子井戸可
飽和吸収層を用いることによって、より高出力の自励発
振特性を実現するこができる。

【０１６５】また、本発明の半導体レーザは、高ドープ
された可飽和吸収体を活性層の電流注入領域に隣接する
位置に配置することにより、容易に自励発振を生じるも
のである。

【０１６６】また本発明では、スペーサ層内に多重量子
障壁層を設けることにより、可飽和吸収層への電子流入
の抑制、可飽和吸収層の光閉じ込め係数の増加に寄与
し、これにより自励発振の発生をより容易にすることが
できる。

【０１６７】また本発明では、可飽和吸収層や電流狭窄
層へ、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントを同時添加する
ことにより、ドーパントの拡散が抑制され、キャリア濃
度プロファイルを変化させることはないので、半導体レ
ーザの諸特性の向上と歩留まりを高める上で非常に有効
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの
第１の実施例の断面図である。

【図２】本発明の高ドープ可飽和吸収層の効果を説明す
るための図で、ドーピング濃度を変えた時のキャリアの
寿命時間を示す図。

【図３】本発明の第１の実施例に於ける活性層近傍のＡ
ｌ組成を示す構造図である。

【図４】本発明の第１の実施例に於ける電流光出力特性
を示す図である。

【図５】本発明の第１の実施例に於ける光出力及びキャ
リア密度の時間変化を示すグラフである。

【図６】本発明の第１の実施例に於ける光出力とキャリ
ア密度の実測時間を示す波形の図である。

【図７Ａ】本発明の第１の実施例と従来例の雑音特性の
比較図である。

【図７Ｂ】本発明の第１の実施例と従来例の雑音特性の
比較図である。

【図８】本発明によるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの
第２の実施例の断面図である。

【図９】本発明の第２の実施例に於ける活性層近傍のＡ
ｌ組成を示す図である。

【図１０】本発明の第２の実施例における光出力とキャ
リア密度の実測時間波形の図である。

【図１１Ａ】本発明の効果を説明するための図で、活性
層近傍のＡｌ組成を示す構造図である。

【図１１Ｂ】本発明の効果を説明するための図で、活性
層近傍のＡｌ組成を示す構造図である。

【図１１Ｃ】本発明の効果を説明するための図で、活性
層近傍のＡｌ組成を示す構造図である。

【図１２】本発明の第３の実施例に於けるＡｌＧａＩｎ
Ｐ系半導体レーザの素子断面図である。

【図１３】ＧａＡｓとＧａＩｎＰについて、利得のキャ
リア密度依存性（利得特性）示す図である。

【図１４】従来の実施例に於ける素子断面図である。

【図１５】従来の実施例に於ける可飽和吸収層の組成構
造図である。

【図１６】本発明による光ディスク装置の実施例の構成
を模式的に示す図である。

【図１７】本発明による光ディスク装置に使用されるレ
ーザユニットの斜視図である。

【図１８】本発明による光ディスク装置に他の実施例の
構成を模式的に示す図である。

【図１９】本発明による光ディスク装置の実施例に用い
られるホログラム素子の働きを示す図である。

【図２０】本発明による光ディスク装置の実施例に用い
られる光検出器を示す平面図である。

【符号の説明】

１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板 １０２ ｎ型ＧａＩＰバッファ層 １０３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 １０４ ｎ型ＧａＩｎＰ高ドープ可飽和吸収層 １０５ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰスペーサ層 １０６ 多重量子井戸活性層 １０７ 第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 １０８ ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層 １０９ 第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 １１０ ＧａＩｎＰコンタクト層 １１１ ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層 １１２ ｐ型ＧａＡｓキャップ層 １１３ ｐ電極 １１４ ｎ電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上野山 雄 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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 活性層と、該活性層を挟むクラッド構造
   とを備えた自励発振型半導体レーザ装置であって、 該クラッド構造は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の不純物がド
   ープされた可飽和吸収層と、該可飽和吸収層の近傍に配
   置された光ガイド層とを含んでおり、 該可飽和吸収層には、量子準位が形成され、 量子準位間の遷移エネルギーが、該活性層の弱励起下で
   の遷移エネルギーよりも小さい自励発振型半導体レーザ
   装置。
2. 【請求項２】 前記量子準位間の遷移エネルギーとレー
   ザ発振波長がほぼ等しい請求項１に記載の自励発振型半
   導体レーザ装置。