(57)【要約】【課題】低温状態の動作においても直線性に優れた光出力−電流特性を有する半導体レーザ装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体レーザ装置は、基板１０の上に順次形成された第１導電型クラッド層１２、活性層１４及びリッジ部２０ａを有する第２導電型クラッド層１６を含み、共振器を構成する半導体層２０とを備えている。活性層１４は、利得領域３１と、共振器の端面を含む領域に形成され且つ利得領域３１と比べてバンドギャップエネルギーが大きい端面窓領域３３と、利得領域３１と端面窓領域３３との間に形成され且つバンドギャップエネルギーが連続的に変化する遷移領域３２とを有している。利得領域３１及び遷移領域３３における利得領域３１側の部分は電流が注入される電流注入部４１であり、端面窓領域３３及び遷移領域３２における端面窓領域３３側の部分には電流が注入されない電流非注入部４２である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に順次形成された第１導電型クラッド層、活性層及びリッジ部を有する第２導電型クラッド層を含み、共振器を構成する半導体層を備え、
前記活性層は、
利得領域と、
前記共振器の端面を含む領域に形成され且つ前記利得領域と比べてバンドギャップエネルギーが大きい端面窓領域と、
前記利得領域と前記端面窓領域との間に形成され且つバンドギャップエネルギーが前記利得領域のバンドギャップエネルギーから前記端面窓領域のバンドギャップエネルギーまで連続的に変化する遷移領域とを有し、
前記利得領域及び前記遷移領域における前記利得領域側の部分は、電流が注入される電流注入部であり、
前記端面窓領域及び前記遷移領域における前記端面窓領域側の部分は、電流が注入されない電流非注入部であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記電流注入部と電流非注入部との境界は、前記遷移領域における前記利得領域の吸収端の波長と比べて１１ｎｍ短い吸収端の波長を有する位置よりも前記端面窓領域側であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記リッジ部における前記利得領域の上に形成された部分は、不純物キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上且つ２×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記リッジ部の高さは、１．３μｍ以上且つ１．９μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２導電型クラッド層における前記リッジ部を除く部分の厚さは、０．１μｍ以上且つ０．４μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１導電型クラッド層及び第２導電型クラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体層であり、
前記活性層は、ＡｌＧａＡｓ系の半導体層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に端面窓構造を有する半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ装置は、様々な分野で幅広く使用されている。例えば、アルミニウムガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ）系半導体レーザ装置は、波長６５０ｎｍ帯の赤色レーザ光を得ることができるため、デジタルヴァーサタイルディスク（ＤＶＤ）に代表される光ディスクシステムの分野において光源として広く使用されている。
【０００３】
半導体レーザ装置の代表的な構造として、第１導電型のクラッド層と、メサ状のリッジ部を有する第２導電型のクラッド層との間に活性層が狭持されたダブルヘテロ型構造が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
光ディスクシステムの分野において半導体レーザ装置は、高速に光ディスクを書き換えるためにできるだけ高い光出力が必要とされる。例えば、ＤＶＤの書き換えを４倍速以上の高速で行うためには、１００ｍＷ以上の光出力が必要とされる。このような高出力の半導体レーザ装置を実現するためには、半導体レーザ装置の端面が自らの光出力により溶融破壊されるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）を防ぐ必要がある。
【０００５】
ＣＯＤを防ぐために、端面近傍の量子活性層を不純物拡散により無秩序化し、禁制帯幅のエネルギー（バンドギャップエネルギー）大きくする端面窓構造が広く用いられている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００６】
端面窓構造を形成することにより、活性層の端面近傍の領域におけるレーザ光の吸収を低減することができ、端面における発熱を防止することが可能となる。この結果、高出力の動作をさせた場合にもＣＯＤの発生を防ぐことが可能となり、数百ｍＷ以上の高い光出力の半導体レーザ装置を実現できる。
【特許文献１】特開２００１−１９６６９４号公報
【特許文献２】特開２００５−１０１４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、端面窓構造を形成した場合には、半導体レーザ装置を低温において動作させた場合に、光出力−電流特性が非線形になるおそれがあるという問題を本願発明者らは見出した。
【０００８】
先に述べたように、端面窓構造を形成する場合には、量子井戸活性層の端面近傍の領域に不純物を拡散させて無秩序化する。これにより量子井戸活性層の端面近傍の領域におけるバンドギャップエネルギーを大きくする。この際、不純物を拡散する端面窓領域と、不純物を拡散させずにレーザ発振を生じさせる利得領域との境界において、活性層のバンドギャップエネルギーが徐々に変化する遷移領域が形成される（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００９】
遷移領域のバンドギャップエネルギーは、端面窓領域側に向かって利得領域のバンドギャップエネルギーよりも次第に大きくなっていく。このため、遷移領域における局所的なバンドギャップエネルギーに相当する波長と、利得領域のバンドギャップエネルギーに相当する波長の差Δλが小さい部分が遷移領域に生じる。Δλが小さい遷移領域の部分は、禁制帯内のバンド端近傍に形成されるバンドテイル準位のために、レーザ発振光に対して吸収体として作用しうる。特に、遷移領域においては不純物拡散の影響により不純物準位が禁制帯内に多く形成されるため禁制帯内バンド端近傍に形成されるバンドテイル準位の影響が大きくなる。
【００１０】
光ディスク用の半導体レーザ装置は−２０℃の低温状態から８５℃の高温状態までの広い温度範囲において動作することが求められている。遷移領域におけるバンドギャップエネルギーは利得領域と異なるため、遷移領域の活性層はレーザ発振に必要な光増幅には寄与せず、バンドテイルの準位はレーザ発振光に対して吸収体として作用することになる。この場合、吸収体の光吸収の影響は低温になるほど大きくなる。このため、０℃以下の低温動作の際には遷移領域の光吸収の影響が大きくなり、光出力が数ｍＷ程度の領域において光出力−電流特性が非線形となるおそれがある。数ｍＷ程度の光出力は光ディスクの情報を再生するために必要なレーザ光の光出力に相当するため、低出力動作状態において十分な線形性を確保できない場合にはＡＰＣ（Automatic Power Control）動作が困難となるという問題が生じる。
【００１１】
本発明は、前記の問題を解決し、低温状態の動作においても直線性に優れた光出力−電流特性を有する半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体レーザ装置を、利得領域だけでなく遷移領域の一部にも電流を注入する構成とする。
【００１３】
具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板の上に順次形成された第１導電型クラッド層、活性層及びリッジ部を有する第２導電型クラッド層を含み、共振器を構成する半導体層とを備え、活性層は、利得領域と、共振器の端面を含む領域に形成され且つ利得領域と比べてバンドギャップエネルギーが大きい端面窓領域と、利得領域と端面窓領域との間に形成され且つバンドギャップエネルギーが利得領域のバンドギャップエネルギーから端面窓領域のバンドギャップエネルギーまで連続的に変化する遷移領域とを有し、利得領域及び遷移領域における利得領域側の部分は電流が注入される電流注入部であり、端面窓領域及び遷移領域における端面窓領域側の部分には電流が注入されない電流非注入部であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の半導体レーザ装置において、電流注入部と電流非注入部との境界は、遷移領域における利得領域の吸収端の波長と比べて１１ｎｍ短い吸収端の波長を有する位置よりも端面窓領域側とすればよい。
【００１５】
本発明の半導体レーザ装置において、リッジ部における利得領域の上に形成された部分は、不純物キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上且つ２×１０18ｃｍ-3以下であってもよい。
【００１６】
本発明の半導体レーザ装置において、リッジ部の高さは、１．３μｍ以上且つ１．９μｍ以下であってもよい。
【００１７】
本発明の半導体レーザ装置において、第２導電型クラッド層におけるリッジ部を除く部分の厚さは、０．１μｍ以上且つ０．４μｍ以下であってもよい。
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置において、第１導電型クラッド層及び第２導電型クラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体層であり、活性層は、ＡｌＧａＡｓ系の半導体層であってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、低温状態の動作においても直線性に優れた光出力−電流特性を有する半導体レーザ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は本実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成であり、（ａ）は平面構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面構成を示している。本実施形態においては、波長が７８０ｎｍ帯の赤外光を発振する半導体レーザ装置を例として説明するが、これに限定されない。また、説明のため、ｐ側電極及びｎ側電極については省略している。
【００２１】
図１に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板である基板１０の上に、共振器を構成する半導体層２０が形成されている。半導体層２０は、基板１０側から順次形成されたバッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、第１ガイド層１３、活性層１４、第２ガイド層１５、ｐ型クラッド層１６、保護層１７及びコンタクト層１８を有している。
【００２２】
バッファ層１１は厚さが０．５μｍのｎ型のＧａＡｓからなり、ｎ型クラッド層１２は厚さが２．０μｍのｎ型の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる。第１ガイド層１３はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなり、活性層１４はＧａＡｓからなるウェル層とＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなるバリア層とが交互に積層された量子井戸活性層である。第２ガイド層１５はＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなり、ｐ型クラッド層１６は（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐからなる。ｐ型クラッド層１６は、ストライプ状のリッジ部２０ａを有している。ｐ型クラッド層１６におけるリッジ部２０ａを除く部分の上面及びリッジ部２０ａの側壁は、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる厚さが０．３μｍの電流ブロック層１９に覆われている。保護層１７及びコンタクト層１８はリッジ部２０ａの上に形成され、保護層１７は厚さが５０ｎｍのｐ型のＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐからなり、コンタクト層１８は厚さが０．４μｍのｐ型ＧａＡｓからなる。
【００２３】
ｐ型クラッド層１６は、ストライプ状のリッジ部２０ａを有している。ｐ型クラッド層１６におけるリッジ部２０ａを除く部分の上面及びリッジ部２０ａの側壁は、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる厚さが０．３μｍの電流ブロック層１９に覆われている。保護層１７及びコンタクト層１８は、リッジ部２０ａの上に形成されている。ｐ型クラッド層１６におけるリッジ部２０ａの上面と活性層１４の上面との間の距離は１．４μｍであり、ｐ型クラッド層１６におけるリッジ部２０ａの下端と活性層１４の上面との間の距離ｄｐは０．２４μｍである。
【００２４】
コンタクト層１８から注入された電流は、電流ブロック層１９によりリッジ部２０ａのみに狭窄される。これにより、活性層１４におけるリッジ部２０ａの下側の部分に集中して電流が注入され、数十ｍＡという少ない注入電流によりレーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態を実現できる。
【００２５】
活性層１４へ注入されたキャリアが再結合することにより発光が生じる。発光光の活性層１４の上下面と垂直な方向の光閉じ込めは、ｐ型クラッド層１６とｎ型クラッド層１２とにより行われる。活性層１４の上下面と平行な方向の光閉じ込めは、クラッド層よりも屈折率が低い電流ブロック層１９によって行われる。
【００２６】
電流ブロック層１９はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、導波路を伝播する光は電流ブロック層１９に大きくしみ出すことができるため、リッジ部２０ａの内側と外側との実効屈折率差Δｎを高出力動作に適した１０-3のオーダとすることが容易である。Δｎの大きさは、ｄｐの大きさを変化させることにより１０-3のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御できる低動作電流の高出力半導体レーザを実現できる。本実施形態においては、ｄｐを０．２４μｍとすることによりΔｎを４×１０-3とした。水平及び垂直拡がり角が記録再生光ディスク用の光源に好適な、８°及び１６．２°の半値全幅を有する安定した基本横モード発振が可能である。
【００２７】
共振器を構成する半導体層２０のストライプ状のリッジ部２０ａと交差する方向の面（共振器端面）のうちの一方（前端面）には反射率が７％となるように誘電体膜がコーティングされており、他方（後端面）には反射率が９４％となるように誘電体膜がコーティングされている。活性層１４における共振器端面近傍の領域には、無秩序化された端面窓領域３３が形成されている。活性層１４における端面窓領域３３はレーザ発振を生じさせる利得領域と比べてバンドギャップエネルギーが大きい。このため、レーザ光の吸収が低減されるので、共振器端面における発熱を低減し、共振器端面が溶融破壊されるＣＯＤの発生を防止できる。
【００２８】
端面窓領域３３は、活性層１４に不純物を拡散させることにより形成する。このため、不純物の拡散の拡がりにより利得領域３１と端面窓領域３３との間には、バンドギャップエネルギーが連続的に変化する遷移領域３２が生じる。
【００２９】
図２は、本実施形態の半導体レーザ装置における活性層１４の吸収端の波長の変化を示している。図２において横軸は共振器端面からの距離であり、縦軸は活性層１４の各領域における吸収端の波長である。なお、吸収端の波長とは、半導体のバンドギャップエネルギーによって決まる、半導体が吸収する最低のエネルギーの光の波長を意味し、バンドギャップエネルギーが大きくなるほど吸収端の波長は短くなる。
【００３０】
図２に示すように、利得領域３１における吸収端の波長は７７７ｎｍ程度となっている。端面窓領域３３においては、無秩序化によりバンドギャップエネルギーが大きくなっており、吸収端の波長は７４５ｎｍ程度となっている。利得領域３１と端面窓領域３３との間の遷移領域３２においては、バンドギャップエネルギーが利得領域３１側から端面窓領域３３側へ次第に大きくなる。従って、吸収端の波長は利得領域３１の７７７ｎｍ程度から端面窓領域３３の７４５ｎｍ程度まで連続的に短くなっている。
【００３１】
従来の半導体レーザ装置は、遷移領域及び端面窓領域には電流を注入しないようにしていた。つまり、活性層に電流を注入する電流注入部と電流を注入しない電流非注入部との境界は、利得領域と遷移領域との境界と一致している。
【００３２】
本実施形態の半導体レーザ装置は、活性層１４に電流を注入する電流注入部４１と電流非注入部４２との境界は、遷移領域３２に位置している。具体的には、遷移領域３２の吸収端の波長が、利得領域３１の吸収端の波長と比べて１１ｎｍ短くなる部分よりも端面窓領域３３側に位置している。これにより、遷移領域３２における局所的モード損失が０．０３ｃｍ-1以下となり、線形性に優れた光出力-電流特性を得ることができる。遷移領域３２における局所的モード損失とは、遷移領域３２の局所的な吸収損失に活性層１４の光の閉じ込め係数を乗じて積分した損失和のことである。
【００３３】
図３（ａ）〜（ｅ）は０℃における光出力−電流特性を示しており、（ａ）〜（ｅ）は遷移領域３２における局所的モード損失が０．０１ｃｍ-1、０．０３ｃｍ-1、０．０５ｃｍ-1、０．０７ｃｍ-1及び０．１ｃｍ-1の場合をそれぞれ示している。図３において遷移領域３２における局所的モード損失の値は、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界の位置を変化させることにより変化させた。図３における局所的モード損失の値は、遷移領域３２における電流非注入部４２である部分の局所的な吸収損失に活性層１４の光の閉じ込め係数を乗じて積分した損失和に電流非注入部４２の長さの変化をパラメータとして組み込んでいる。
【００３４】
遷移領域３２においては端面窓領域３３から利得領域３１に向かうにつれてバンドギャップエネルギーが徐々に小さくなる。このため、遷移領域３２のバンド端近傍に形成されるテイル準位が、レーザ発振光に対して吸収体として作用する。吸収体の吸収係数は低温になるほど大きくなるため、０℃のような低温状態においては遷移領域３２の光吸収の影響が室温の場合よりも大きくなる。しかし、図３に示すように、遷移領域３２における局所的モード損失を０．０３ｃｍ-1以下とすれば、０℃のような低温状態においても線形性に優れた光出力-電流特性が得られる。
【００３５】
遷移領域３２における局所的モード損失の大きさが、光出力−電流特性に与える影響について詳しく説明を行う。遷移領域３２に局所的モード損失が存在すると、光吸収損失のために発振閾電流値の増大及び光出力−電流特性におけるスロープ効率の低下が生じる。発振閾電流値が大きくなるのは、遷移領域３２の局所的モード損失のために導波路の損失が増大し、レーザ発振に必要な利得が増大するためである。また、スロープ効率が低下するのは、導波路損失が大きい導波路では、単位注入電流あたりの活性層における光の増幅利得が小さくなるためである。このため、遷移領域３２の局所的モード損失を徐々に大きくすると、発振閾電流値は徐々に増大し、スロープ効率も徐々に低下していく。
【００３６】
遷移領域３２の局所的モード損失をさらに大きくすると、遷移領域３２において吸収されるレーザ光の量も多くなり、遷移領域３２における吸収準位に電子−正孔対が多く生成される。このため、吸収準位がキャリアで埋まり、光吸収が小さくなる吸収飽和が生じる。吸収飽和が生じると、局所的モード損失が小さくなるため、導波路損失が小さくなり、スロープ効率は急激に増大する。このため、光出力−電流特性に非線形性が生じることになる。本願発明者らの実験により、０℃における遷移領域での局所的モード損失が０．０３ｃｍ-1よりも大きくなると、光出力−電流特性に非線形性が生じることが明らかとなった。
【００３７】
光出力−電流特性の非線形性は、図３に示すように光出力が数ｍＷの領域において生じる。この領域は、光ディスクの情報を再生するために用いるレーザ光の出力に相当する。このため、光出力−電流特性のが非線形となると半導体レーザ装置にＡＰＣ（Automatic Power Control）動作をさせることが困難となる。
【００３８】
図４は、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界部分における活性層１４の吸収端の波長と、遷移領域３２における局所的モード損失との相間を０℃、２５℃及び８５℃について示している。図４において半導体レーザ装置の利得波長が７７７ｎｍ、リッジ部２０ａにおけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3、リッジ部２０ａの高さが１．３μｍ、リッジ部２０ａの下における第一クラッド層の厚さが０．１５μｍであるの場合についての計算結果である。
【００３９】
図４に示すように、２５℃及び８５℃よりも０℃における局所的モード損失の方が大きい。これは温度が低いほど、遷移領域３２における光吸収が大きくなるため導波路損失が大きくなるという一般的な半導体レーザの特性と一致している。
【００４０】
この場合、０℃において、遷移領域３２における局所的モード損失を０．０３ｃｍ-1以下にし、光出力-電流特性の線形性を確保するためには、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界における活性層の吸収端の波長を７６６ｎｍ以下とする必要がある。つまり、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界を利得波長との差が１１ｎｍ以上となる領域に設け、遷移領域３２における利得波長との差が１１ｎｍ以下の領域に電流を注入すればよい。
【００４１】
遷移領域３２における利得波長との差が小さい領域に電流を注入すると、禁制帯内のバンド端付近に形成されているテイル準位及び不純物準位に対して電流注入が行われ、テイル準位にキャリアが満たされる。キャリアが満たされたテイル準位は吸収体として作用しなくなるため、局所的モード損失が小さくなる。
【００４２】
本実施形態の半導体レーザ装置は、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界が遷移領域３２に位置している。つまり、活性層１４における利得領域３１と遷移領域３２の利得領域３１側の一部とに電流が注入され、端面窓領域３３と遷移領域３２の端面窓領域３３側の一部とには電流が注入されない構成となっている。このため、遷移領域３２において禁制帯内のバンド端近傍に形成されるテイル準位に対して電流注入が行われる。その結果、テイル準位にキャリアが満たされ吸収体として作用しなくなり、特に低温動作の際に光出力−電流特性の線形性を向上させることができる。
【００４３】
図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態の半導体レーザ装置の０℃における光出力−電流特性を従来の半導体レーザ装置と比較して示している。図５（ａ）に示す本実施形態の半導体レーザ装置は、図５（ｂ）に示す従来の半導体レーザ装置と比べて光出力−電流特性が線形性に優れている。
【００４４】
電流注入部４１と電流非注入部４２との境界を遷移領域３２に形成するためには、例えばコンタクト層１８の形成の形成位置を調整すればよい。具体的には、図１（ａ）に示すように、リッジ部２０ａの上部において、利得領域３１と遷移領域３２の利得領域３１側の部分との上を覆うようにコンタクト層１８を形成する。また、端面窓領域３３と遷移領域３２の端面窓領域３３側の部分の上には電流ブロック層１９を残存させればよい。
【００４５】
以下においては、低温動作の際に光出力−電流特性の線形性を向上させるための他のパラメータについて検討した結果を説明する。
【００４６】
図６は、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界部分における活性層１４の吸収端の波長と、遷移領域３２における局所的モード損失との相間をリッジ部２０ａにおけるキャリア濃度を変化させた場合について示している。図６において半導体レーザ装置の利得波長は７７７ｎｍであり、温度が０℃であるとして計算を行った。
【００４７】
図６に示すように、リッジ部２０ａのキャリア濃度が高くなると、遷移領域３２における局所的モード損失が小さくなる。遷移領域３２には、禁制帯内のバンド端近傍に形成される吸収準位であるテイル準位及び端面窓領域から不純物が拡散されることにより生じる不純物準位を有している。一方、リッジ部２０ａのキャリア濃度を高くすると、リッジ部２０ａの抵抗が小さくなり、リッジ部２０ａから注入された電流が活性層１４へ流れる際に生じうる電流の端面方向への拡がりが大きくなる。電流の端面方向への拡がりが大きくなると、遷移領域３２のテイル準位及び不純物準位に対して電流注入が行われる。その結果、これらの準位にキャリアが満たされ、光吸収が小さくなるため、局所的モード損失が小さくなると考えられる。
【００４８】
また、リッジ部２０ａのキャリア濃度を３×１０18cm-3以上とすると、活性層１４における端面窓領域３３以外の領域にリッジ部２０ａのｐ型不純物が熱拡散しやすくなる。利得領域３１にｐ型不純物が拡散すると、利得領域３１に非発光再結合中心が生成され、発光効率が低下する。従って、リッジ部２０ａのキャリア濃度は２×１０18cm-3以下とすることが好ましい。本実施形態においては、利得領域３１における非発光再結合中心の生成を抑制しつつ、リッジ部２０ａの抵抗を小さくするためにキャリア濃度を１×１０18cm-3としている。
【００４９】
図７（ａ）から（ｅ）は０℃での光出力−電流特性であり、（ａ）〜（ｅ）はリッジ部２０ａのキャリア濃度が３×１０17ｃｍ-3、５×１０17ｃｍ-3、１×１０18ｃｍ-3、２×１０18ｃｍ-3及び３×１０18ｃｍ-3である場合をそれぞれ示している。
【００５０】
図７に示すように、リッジ部２０ａのキャリア濃度が３×１０17ｃｍ-3の場合は光出力−電流特性に非線形性が生じているのに対し、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3、１×１０18ｃｍ-3、２×１０18ｃｍ-3の場合は光出力−電流特性に非線形性が生じていない。つまり、リッジ部２０ａのキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上であれば、遷移領域３２の吸収準位にキャリアが満たされ、吸収体として作用しなくなる。これにより、０℃以下の低温動作の場合においても光出力-電流特性に非線形性を生じない線形性に優れた光出力-電流特性を実現することができる。
【００５１】
図８は電流注入部４１と電流非注入部４２との境界部分における活性層１４の吸収端の波長と、遷移領域３２における局所的モード損失との相間をリッジ部２０ａの高さを変化させた場合について示している。図８において半導体レーザ装置の利得波長は７７７ｎｍであり、温度が０℃であるとして計算を行った。なお、リッジ部２０ａの高さとは、リッジ部２０ａの上面から電流ブロック層１９の下面までの距離である。
【００５２】
図８に示すように、リッジ部２０ａの高さが高いと、遷移領域３２における局所モード損失が小さくなる。リッジ部２０ａの高さを高くすると、リッジ部２０ａから注入された電流が活性層１４へ流れる際に生じうる電流の端面方向への拡がりが大きくなる。電流の端面方向への拡がりが大きくなると、遷移領域３２のテイル準位及び不純物準位に対して電流注入が行われる。その結果、これらの準位にキャリアが満たされ、光吸収が小さくなるため、局所的モード損失が小さくなると考えられる。
【００５３】
しかし、リッジ部２０ａの高さを高くしすぎると、リッジ部２０ａの直列抵抗が大きくなり動作電圧が増大する。動作電圧が高くなると、高温且つ高出力の動作をさせた場合に、動作電圧がレーザ駆動回路の最大供給電圧（３．５V）に近づくために所望の光出力を得ることができないといった重大な支障が生じる。図９は、動作温度が８５℃、デューティが４０％、出力が３５０ｍＷである高温高出力パルス駆動動作時における動作電圧とリッジ部２０ａの高さとの関係を示している。リッジ部２０ａの高さが１．０μｍから１．９μｍまでは、リッジ部２０ａの高さを高くすることにより動作電圧が減少していく。しかし、リッジ部２０ａの高さを２．２μｍとすると動作電圧が増大する。リッジ部２０ａの高さを高くすればリッジ部２０ａの上に形成されたコンタクト層１８と活性層１４との距離が大きくなる。コンタクト層１８と活性層１４との距離が大きくなると、導波路を伝播する光分布がコンタクト層１８において受ける光吸収損失が低減される。このため、スロープ効率が向上し、動作電流値が小さくなるため動作電圧が低くなる。しかし、コンタクト層１８と活性層１４との距離があまりに大きくなると、リッジ部２０ａの直列抵抗そのものが増大するため、動作電圧の増大が生じるのではないかと考えられる。
【００５４】
図１０（ａ）から（ｅ）は０℃での光出力−電流特性であり、（ａ）〜（ｅ）はリッジ部２０ａの高さが１．０μｍ、１．３μｍ、１．６μｍ、１．９μｍ及び２．２μｍである場合をそれぞれ示している。
【００５５】
図１０に示すように、リッジ部２０ａの高さが１．０μｍの場合は光出力−電流特性に非線形性が生じているのに対し、高さが１．３μｍ、１．６μｍ、１．９μｍ及び２．２μｍの場合は光出力−電流特性に非線形性が生じていない。つまり、リッジ部２０ａの高さが１．３μｍ3以上であれば、遷移領域３２の吸収準位にキャリアが満たされ、吸収体として作用しなくなる。これにより、０℃以下の低温動作の場合においても光出力-電流特性に非線形性を生じない線形性に優れた光出力-電流特性を実現することができる。
【００５６】
図１１は電流注入部４１と電流非注入部４２との境界部分における活性層１４の吸収端の波長と、遷移領域３２における局所的モード損失との相間をｐ型クラッド層１６の厚さを変化させた場合について示している。図１１において半導体レーザ装置の利得波長は７７７ｎｍであり、温度が０℃であるとして計算を行った。なお、ｐ型クラッド層１６の厚さとはリッジ部２０ａを除くｐ型クラッド層１６の厚さである。
【００５７】
図１１に示すように、ｐ型クラッド層１６の厚さが厚くなると、遷移領域３２における局所モード損失が小さくなる。ｐ型クラッド層１６の厚さを厚くすると、リッジ部２０ａから注入された電流が活性層１４へ流れる際に生じうる電流の端面方向への拡がりが大きくなる。電流の端面方向への拡がりが大きくなると、遷移領域３２のテイル準位及び不純物準位に対して電流注入が行われる。その結果、これらの準位にキャリアが満たされ、光吸収が小さくなるため、局所的モード損失が小さくなると考えられる。
【００５８】
ｐ型クラッド層１６の厚さを０．４μｍ以上とすると、リッジ部２０ａの内側と外側とにおける実効屈折率差Δｎが１×１０-3以下となる。このため、光分布の水平方向の閉じ込め機構が屈折率導波機構から利得導波機構へと変化し、光分布の形状が活性層の水平方向キャリア分布の影響を受けやすくなる。このため、動作電流値に対して光分布が変形しやすくなりキンクレベルが低下し、２５０ｍＷを越えるような高出力状態においてキンクが発生するおそれがある。従って、高出力動作を実現するためには、ｐ型クラッド層１６の厚さは０．４μｍ以下とすることが好ましい。
【００５９】
一方Δｎが１×１０-2以上となると、リッジ幅を１．５μｍ〜３μｍと狭くしても光分布の水平横方向の閉じ込めが強くなるため、高温動作の際に高次横モードがカットオフされなくなり、電流−光出力特性にキンクが生じる。Δｎが１×１０-2以上となるのはｐ型クラッド層１６の厚さが０．０５μｍ以下の場合であるため、高温動作時において高次横モード発振を生じさせないためにはｐ型クラッド層１６の厚さを０．０５μｍ以上とすることが好ましい。
【００６０】
従って、高温動作の際における高次横モード発振の抑制及び動作電流値の変化に対する光分布の変形の抑制を行い、安定した基本横モード発振を得るためには、ｐ型クラッド層１６の厚さを０．１μｍ以上且つ０．４μｍ以下の範囲とすることが好ましい。この場合には、Δｎが１×１０-3以上且つ７×１０-3以下となる。本実施形態においては、Δｎが５×１０-3となるようにｐ型クラッド層１６の厚さを０．１５μｍとしている。
【００６１】
図１２（ａ）から（ｅ）は０℃での光出力−電流特性であり、（ａ）〜（ｅ）はｐ型クラッド層１６の厚さが０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２５μｍ、０．４μｍ及び０．４５μｍである場合をそれぞれ示している。
【００６２】
図１２に示すように、ｐ型クラッド層１６の厚さが０．０５μｍの場合は光出力−電流特性に非線形性が生じているのに対し、厚さが０．１μｍ以上の場合は光出力−電流特性に非線形性が生じていない。つまり、ｐ型クラッド層１６の厚さが０．１μｍ以上であれば、遷移領域３２の吸収準位にキャリアが満たされ、吸収体として作用しなくなる。これにより、０℃以下の低温動作の場合においても光出力-電流特性に非線形性を生じない線形性に優れた光出力-電流特性を実現することができる。
【００６３】
以上説明したように、リッジ部２０ａのキャリア濃度、リッジ部２０ａの高さ及びｐ型クラッド層１６の厚さは、低温動作の際における光出力−電流特性の線形性に影響を与える。このため、これらの条件の１つ又は複数を組み合わせて最適化すれば、特に低温動作の際における光出力−電流特性の線形性を向上させることができる。電流注入部４１と電流非注入部４２との境界が遷移領域３２に位置する構成とすることにより、光出力−電流特性の線形性を向上させる効果が得られるが、リッジ部２０ａのキャリア濃度、リッジ部２０ａの高さ及びｐ型クラッド層１６の厚さは条件の１つ又は複数を組み合わせて最適化すれば、さらに光出力−電流特性の線形性を向上させることが可能となる。
【００６４】
具体的には、電流注入部４１と電流非注入部４２との境界は、遷移領域３２における吸収端の波長が利得領域３１の吸収端の波長よりも１１ｎｍ短くなる位置よりも端面窓領域３３側の位置とすることが好ましい。また、リッジ部２０ａのキャリア濃度は、５×１０17ｃｍ-3以上且つ２×１０18ｃｍ-3以下とすることが好ましい。リッジ部２０ａの高さは、１．３μｍ以上且つ１．９μｍ以下とすることが好ましい。ｐ型クラッド層１６の厚さは０．１μｍ以上且つ０．４μｍ以下とすることが好ましい。
【００６５】
リッジ部２０ａのキャリア濃度、リッジ部２０ａの高さ及びｐ型クラッド層１６の厚さは、すべてを最適化した場合に最も光出力−電流特性の線形性を向上させる効果が得られる。しかし、いずれか１つ又は２つを最適化した場合にも光出力−電流特性の線形性を向上させる効果が得られる。
【００６６】
本実施形態の構成は、ＡｌＧａＡｓ系の赤外の半導体レーザ装置だけでなく、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色の半導体レーザ装置等においても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係る半導体レーザ装置は、低温状態の動作においても直線性に優れた光出力−電流特性を有する半導体レーザ装置を実現でき、特に光ディスク装置等に用いる高出力の半導体レーザ装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線における断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における活性層の吸収端の波長を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における光出力−電流特性を示すグラフであり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ遷移領域における局所的モード損失が０．０１ｃｍ-1、０．０３ｃｍ-1、０．０５ｃｍ-1、０．０７ｃｍ-1及び０．１ｃｍ-1の場合である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における電流注入部と電流非注入部との境界部分における活性層の吸収端の波長と、遷移領域における局所的モード損失との相間を動作温度ごとに示すグラフである。
【図５】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における光出力−電流特性と、従来の半導体レーザ装置における光出力−電流特性とを示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における電流注入部と電流非注入部との境界部分における活性層の吸収端の波長と、遷移領域における局所的モード損失との相間をリッジ部のキャリア濃度ごとに示すグラフである。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における光出力−電流特性を示すグラフであり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれリッジ部のキャリア濃度が３×１０17ｃｍ-3、５×１０17ｃｍ-3、１×１０18ｃｍ-3、２×１０18ｃｍ-3及び３×１０18ｃｍ-3の場合である。
【図８】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における電流注入部と電流非注入部との境界部分における活性層の吸収端の波長と、遷移領域における局所的モード損失との相間をリッジ部の高さごとに示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置におけるリッジ部の高さと動作電圧との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における光出力−電流特性を示すグラフであり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれリッジ部２０ａの高さが１．０μｍ、１．３μｍ、１．６μｍ、１．９μｍ及び２．２μｍの場合である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における電流注入部と電流非注入部との境界部分における活性層の吸収端の波長と、遷移領域における局所的モード損失との相間をｐ型クラッド層の厚さごとに示すグラフである。
【図１２】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置における光出力−電流特性を示すグラフであり、（ａ）〜（ｅ）はそれぞれｐ型クラッド層１６の厚さが０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２５μｍ、０．４μｍ及び０．４５μｍの場合である。
【符号の説明】
【００６９】
１０      基板
１１      バッファ層
１２      ｎ型クラッド層
１３      第１ガイド層
１４      活性層
１５      第２ガイド層
１６      ｐ型クラッド層
１７      保護層
１８      コンタクト層
１９      電流ブロック層
２０      半導体層
２０ａ    リッジ部
３１      利得領域
３２      遷移領域
３３      端面窓領域
４１      電流注入部
４２      電流非注入部
【図１】
2010123674.tif 000003
【図２】
2010123674.tif 000004
【図３】
2010123674.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010123674.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010123674.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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