(57)【要約】【課題】広い光出力範囲及び広い温度範囲に亘って安定的な自励発振を維持することができる半導体レーザを提供すること。【解決手段】本発明に係る半導体レーザ１００は、半導体基板１０１の上に形成された下部クラッド層１０３と、下部クラッド層１０３の上に形成された活性層１０５と、活性層１０５の上に形成された第１上部クラッド層１０７と、第１上部クラッド層１０７の上に形成され、メサ構造を有する第２上部クラッド層１０９と、第２上部クラッド層の両側面上及び第２上部クラッド層の両側面から第２上部クラッド層の両側の領域の少なくとも一部の上に連続して延在し、活性層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する高次モードフィルタ層１１１と、高次モードフィルタ層１１１上を含む第２上部クラッド層の両側の領域上に、活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きい層１１２を含むブロック層ＢＬＫと、を備える。【選択図】図１
2010123630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された第１上部クラッド層と、
前記第１上部クラッド層の上に形成され、メサ構造を有する第２上部クラッド層と、
前記第２上部クラッド層の両側面上及び前記第２上部クラッド層の両側面から前記第２上部クラッド層の両側の領域の少なくとも一部の上に連続して延在し、前記活性層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する高次モードフィルタ層と、
前記高次モードフィルタ層上を含む前記第２上部クラッド層の両側の領域上に、前記活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きい層を含むブロック層と、を備えることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記高次モードフィルタ層が、前記メサ構造の両側面から両端面まで連続して延在していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
可飽和吸収領域が、前記活性層における利得領域の両側に形成され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。
【請求項４】
前記高次モードフィルタ層が、ＧａＡｓ層を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記高次モードフィルタ層が、ＧａＩｎＰ層を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記ブロック層が、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記ブロック層が、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層及びＧａＡｓ層を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記ＧａＡｓ層が前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層上に形成されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記半導体基板上に、発振波長が異なる第１光源及び第２光源を備え、
前記第１光源及び前記第２光源は、それぞれ、前記下部クラッド層、前記活性層、前記第１上部クラッド層、前記第２上部クラッド層、前記高次モードフィルタ層、及び前記ブロック層を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第１光源の前記第２上部クラッド層の材質は、前記第２光源の前記第２上部クラッド層の材質と同じであることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記第１光源の前記活性層の材質は、前記第２光源の前記活性層の材質と異なっていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
半導体基板の上に下部クラッド層を形成する工程と、
前記下部クラッド層の上に活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に第１上部クラッド層を形成する工程と、
前記第１上部クラッド層の上に、メサ構造を有する第２上部クラッド層を形成する工程と、
前記第２上部クラッド層の両側面上及び前記第２上部クラッド層の両側面から前記第２上部クラッド層の両側の領域の少なくとも一部の上に連続して延在するように、前記活性層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する高次モードフィルタ層を形成する工程と、
前記高次モードフィルタ層上を含む前記第２上部クラッド層の両側の領域上に、前記活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きい層を含むブロック層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関する。例えば、本発明は、自励発振型半導体レーザ（self-pulsating semiconductor laser）及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光ディスク装置、光ファイバ通信、レーザプリンタ、光計測等、光エレクトロニクス分野において、光源として広く用いられている。例えば、ＣＤ(Compact Disc)やＤＶＤ(Digital Versatile Disc)等を記録・再生媒体とする光ディスク装置においては、ディスク上に書き込まれた情報の読み出し(再生)、ディスク上への情報の書き込み(記録)は、波長や位相の揃った光を出射する半導体レーザの特徴を生かして、半導体レーザから出射され、レンズによって波長サイズにまで小さく絞り込まれた光によって行われる。
【０００３】
再生用の半導体レーザの場合、広い温度範囲での動作保証は言うまでもなく、波長スペクトル、水平/垂直方向の遠視野像、雑音、非点隔差、偏光、信頼性といった各特性が、光ピックアップヘッドの仕様を満足する形で求められる。これらの内、雑音特性は再生信号の品質を決める重要な特性の一つである。半導体レーザで生じる主な雑音には、縦単一モード動作時に、温度や電流の変化により発生するモード競合雑音、及び、戻り光がレーザ端面から再入射することにより発生する戻り光雑音（optical feedback noise）がある。光ディスク装置においては、特に、光ディスクやコリメータレンズからの反射によって戻り光が生じることから、戻り光雑音の抑制が重要となる。
【０００４】
戻り光雑音を低減するためには、縦モードをマルチモード化し、かつ、活性層内で屈折率変動を引き起こして波長チャーピングをかけることで、レーザ光の可干渉性を弱める必要がある。そのための方法として、レーザを駆動する直流電流に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波電流を重畳することで、レーザを発振しきい値以下の電流にまで高速のパルスで振り込む方法が知られている。この場合、高周波発振器が別途必要となり、コストが増大する。また、高周波電流が用いられるため、不要輻射（ＥＭＩ：Electro-Magnetic Interference）が生じる。ＥＭＩ対策のための部品を実装することは、更なるコストの増大を招いてしまう。
【０００５】
一方で、戻り光雑音を抑制するための他の技術として、「自励発振型半導体レーザ」を用いる方法がある。自励発振型半導体レーザでは、活性層周辺に「可飽和吸収体（saturable absorber）」と呼ばれる領域が設けられる。可飽和吸収体はレーザ光の吸収と透過が切り替わる機能を有しているため、可飽和吸収体での光学損失量に連動する形で活性層内のキャリア数に変動が生じ、活性層内における屈折率変動を引き起こす。活性層内の屈折率変動は、波長チャ−ピング発生の重要な要素となることは言うまでもなく、共振器の軸方向と垂直な方向でダイオードの接合面と平行な方向における導波路内外での屈折率差Δnの変化を生じさせる。これら一連の動作が直流駆動した半導体レーザ内で自動的に生じることで、レーザ光の強度が数百ＭＨｚから数ＧＨｚの周波数で自動的に変動し、高周波電流の重畳と同じ効果が素子単体で得られる。
【０００６】
自励発振型半導体レーザは、例えば特許文献１〜２に開示されている。
【０００７】
特許文献１に記載された半導体レーザは、第１導電型のＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＰもしくはＡｌＧａＩｎＰからなる活性層と、この活性層を挟み活性層よりも屈折率の小さなＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層とからなるダブルヘテロ構造を有する。活性層の上側の第２導電型のクラッド層は、活性層の上面に達するメサ構造を有している。半導体レーザは、そのメサ構造の側面とメサ構造両脇の活性層表面上に第２導電型の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を有し、さらに第２導電型の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層上にＧａＡｓ層を有する。
【０００８】
特許文献２に記載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る。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。
【０００９】
【特許文献１】特開平４−１５４１８４号公報
【特許文献２】特開平９−１８１３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以下の分析は、本発明の観点から与えられる。
【００１１】
本発明は、自励発振型半導体レーザにおける「水平横モードの安定性」に着目する。自励発振強度は、形成される可飽和吸収体のボリュームに依存する。共振器の軸方向と垂直かつダイオードの接合面と平行な方向(以下、水平方向)で活性層の両脇に可飽和吸収体を有する自励発振型半導体レーザの場合、水平方向における導波路内外での等価屈折率の差(以下、Δn)で決まる水平方向の光強度分布と活性層への注入電流の水平方向における広がり分布の重なりが、可飽和吸収体のボリュームを決める重要な要素の一つである。これに加え、活性層構造、導波路構造等で決まる活性層利得と損失の結果として、利得曲線(Ｊ−Ｇ曲線)上のどの動作点で自励動作をするのかも可飽和吸収体のボリュームを決める重要な要素である。
【００１２】
しかしながら、一般的に、半導体レーザでは、光出力が増大するにつれて、空間的に光密度の高い位置を中心に誘導放出によって局所的にキャリア密度の低下が生じる空間的ホールバーニング（Spatial Hole-Burning）と呼ばれる現象が発生する。上記自励発振型半導体レーザの場合、共振器の軸方向と垂直かつダイオードの接合面と垂直な方向(以下、垂直方向)での活性領域への強い光閉じ込め設計のために、空間的ホールバーニングの影響が顕著となって水平横モードの不安定性が増す。ここで、水平横モードの不安定性とは、水平方向の光強度分布に占める水平横基本モードの割合が低下して水平横高次モードの割合が増すことで、その結果、水平方向における光強度分布の対称性が変化し、正味の利得が低下することを意味する。この水平横モードの不安定性によって、広い光出力範囲あるいは広い温度範囲に渡って可飽和吸収体のボリュームを安定に保つことができず、自励発振強度を安定に保つことができないという問題が生じる。
【００１３】
特許文献１に記載のような自励発振型半導体レーザにおいては、水平横モードの安定性に十分な考慮がなされていない。そのため、ある特定の光出力範囲あるいは温度範囲では、水平方向の光強度分布と活性層への注入電流の水平方向における広がり分布の重なり、及び、利得曲線上の動作点を設計通り安定に保つことで適切な自励発振が得られていても、別の光出力あるいは温度では自励発振が弱まる、あるいは停止してしまう可能性がある。このことは、光ディスク装置において、戻り光雑音による信号再生誤りを誘発するため、製品の特性保証の観点で好ましくない。特に、光ディスク装置で用いられる半導体レーザには、１．５ｍＷ〜６．０ｍＷ程度の広い光出力範囲、更には、−１０℃〜７５℃程度の広い温度範囲にわたって安定した自励発振を行うことが要求されている。特許文献１に記載のような自励発振型半導体レーザでは、そのような広い光出力範囲あるいは広い温度範囲に渡って安定的な自励発振を実現することが困難である。
【００１４】
また、特許文献２に記載のような、メサ構造の両側に可飽和吸収層がある自励発振型半導体レーザ装置においては、レーザ光は、活性層に比較的強く閉じ込められているので、可飽和吸収層への光の閉じ込め量(光との相互作用)を大きくすることが困難である。その結果、強い自励強度を得ることができず、求められる使用環境(光出力、温度)において安定な自励動作を実現することが困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１視点によれば、半導体基板の上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第１上部クラッド層と、第１上部クラッド層の上に形成され、メサ構造を有する第２上部クラッド層と、第２上部クラッド層の両側面上及び第２上部クラッド層の両側面から第２上部クラッド層の両側の領域の少なくとも一部の上に連続して延在し、活性層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する高次モードフィルタ層と、高次モードフィルタ層上を含む第２上部クラッド層の両側の領域上に、活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きい層を含むブロック層と、を備える半導体レーザが提供される。
【００１６】
本発明の第１視点によれば、半導体基板の上に下部クラッド層を形成する工程と、下部クラッド層の上に活性層を形成する工程と、活性層の上に第１上部クラッド層を形成する工程と、第１上部クラッド層の上に、メサ構造を有する第２上部クラッド層を形成する工程と、第２上部クラッド層の両側面上及び第２上部クラッド層の両側面から第２上部クラッド層の両側の領域の少なくとも一部の上に連続して延在するように、活性層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する高次モードフィルタ層を形成する工程と、高次モードフィルタ層上を含む第２上部クラッド層の両側の領域上に、活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きい層を含むブロック層を形成する工程と、を含む半導体レーザの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、以下の効果のうち少なくとも１つを有する。
【００１８】
本発明の半導体レーザにおいては、ブロック層は、活性層のバンドギャップよりもバンドギャップが大きい層を含んでおり、発振波長域における光吸収係数が小さくなっている。そのため、導波路損失は低減されて発振が起こりやすくなる。その結果、本発明によれば、低しきい値電流、高スロープ効率、及び低動作電流が実現される。しきい値電流が低下することにより、高温条件下においても利得不足で自励発振が弱まることが抑制される。また、しきい値電流の低下及びスロープ効率の向上により、より小さな動作電流で所望の光出力パワーを得ることが可能となる。さらに、動作電流が低減されるため、素子寿命が長くなる。
【００１９】
本発明の半導体レーザにおいては、活性層のバンドギャップ以下のバンドギャップを有する高次モードフィルタ層が形成されている。これにより、本発明によれば、水平横基本モードの損失よりも水平横高次モードの損失が相対的に大きくなるため、空間的ホールバーニングによる水平横モードの不安定性が抑制される。つまり、水平方向の光強度分布に占める水平横高次モードの割合が低減されることで、水平方向における光強度分布の安定化が増し、更には、利得の低下が抑制される。その結果、広い光出力範囲、及び、広い温度範囲に亘って、安定的な自励発振を維持することが可能となる。従って、戻り光雑音が効果的に抑制され、半導体レーザの動作信頼性が向上する。
【００２０】
本発明の半導体レーザの製造方法によれば、活性層の表面を大気に曝すことなく、半導体レーザを製造することができる。その結果、活性層における非発光センタの形成が防止される。従って、活性層自身の利得不足のために自励発振が弱まることが抑制される。また、動作電流が低減されるため、素子寿命が長くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１実施形態に係る半導体レーザについて説明する。図１に、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの概略断面図を示す。図１において、Ｚ方向は、共振器の軸方向を表す。Ｘ方向（横方向）は、共振器の軸方向に垂直かつｐｎ接合面に平行な方向を表す。Ｙ方向は、共振器の軸方向に垂直かつｐｎ接合面に垂直な方向を表す。Ｘ、Ｙ及びＺ方向に現れる定在波は、それぞれ、水平横モード（Horizontal Transverse Mode）、垂直横モード（Vertical Transverse Mode）、及び縦モード（Longitudinal Mode）と呼ばれている。
【００２２】
第１実施形態に係る半導体レーザ１００の半導体積層構造について説明する。図１に示す形態においては、第１導電型の半導体基板１０１上に、結晶性を高めるための第１導電型のバッファ層１０２が形成されている。そのバッファ層１０２上に、「ダブルへテロ構造（ＤＨ；Double Heterostructure）」が形成されている。具体的には、第１導電型の下部クラッド層１０３上に、下部ガイド層１０４を介して活性層１０５が形成されている。その活性層１０５上に、上部ガイド層１０６を介して第２導電型の第１上部クラッド層１０７が形成されている。更に、第１上部クラッド層１０７上に、エッチング停止層１０８を介して第２導電型の第２上部クラッド層１０９が形成されている。この第２上部クラッド層１０９は、Ｚ方向に沿ってストライプ状に形成された「メサ構造ＭＳ（リッジ構造）」を有している。更に、メサ構造ＭＳを有する第２上部クラッド層１０９の両側面上及びエッチング停止層１０８上に、第２上部クラッド層１０９の両側面から両端面にかけて連続して延在するように、高次モードフィルタ層１１１が形成されている。高次モードフィルタ層１１１上には、ブロック層ＢＬＫが形成されている。図１に示す本実施形態においては、ブロック層ＢＬＫは、下部ブロック層１１２及び上部ブロック層１１３を有する。さらに、第２上部クラッド層１０９（メサ構造ＭＳ）の上面は、第２導電型のキャップ層１１０で覆われている。キャップ層１１０及びブロック層ＢＬＫ上には、第２導電型のコンタクト層１１４が形成されている。
【００２３】
本実施形態において、高次モードフィルタ層１１１のバンドギャップは、活性層１０５のバンドギャップ以下となっている。
【００２４】
ブロック層ＢＬＫは、活性層１０５に注入される注入電流をメサ構造ＭＳに狭窄する役割を果たす。また、ブロック層ＢＬＫは、Ｘ方向における光導波（水平横モード）を実現する役割も果たす。本発明においては、ブロック層ＢＬＫは、バンドギャップが活性層１０５のバンドギャップよりも大きい層を含んでいる。図１に示す本実施形態においては、下部ブロック層１１２を、バンドギャップが活性層１０５のバンドギャップよりも大きい層としている。
【００２５】
ここで、メサ構造ＭＳの両側に形成される半導体層埋め込み層１１１〜１１３は、活性層１０５のバンドギャップに対して、下からナローギャップ/ワイドギャップの順になっており、そのメサ構造ＭＳ側面に接するナローギャップ層が高次モードフィルタ層１１１として機能する。
【００２６】
以下に、第１実施形態に係る半導体レーザ１００の積層構造の例について説明する。以下の例においては、第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型としているが、ｎ型とｐ型は置き換えられてもよい。また、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐは、単にＡｌＧａＩｎＰと記載される場合がある。その場合、Ａｌ組成ｘを括弧内に示す。
【００２７】
以下に、本発明の半導体レーザ１００の積層構造の第１例を示す。
半導体基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層１０２：ｎ型ＧａＡｓ；厚さ６５０ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
下部クラッド層１０３：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ１２００ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
下部ガイド層１０４：ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．５０）；厚さ３０ｎｍ
活性層１０５（ウェル層）：ＧａＩｎＰ；厚さ５．０ｎｍ
活性層１０５（バリア層）：ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．５０）；厚さ５．０ｎｍ
上部ガイド層１０６：ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．５０）；厚さ３０ｎｍ
第１上部クラッド層１０７：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ２００ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
エッチング停止層１０８：ｐ型ＧａＩｎＰ；厚さ１０ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
第２上部クラッド層１０９：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ１０００ｎｍ；不純物濃度＝６×１０１７ｃｍ−３；メサ構造ＭＳの底部の幅Ｗ＝３．５μｍ
キャップ層１１０：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３００ｎｍ；不純物濃度＝１．５×１０１８ｃｍ−３
高次モードフィルタ層１１１：ｎ型もしくはアンドープのＧａＡｓ層、又はＧａＩｎＰ層；厚さ１０ｎｍ（エッチング停止層１０８上）
ブロック層ＢＬＫ（下部ブロック層１１２）：ｎ型もしくはアンドープの（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（ｘ＝１のときＡｌＩｎＰ層）；厚さ１５０ｎｍ
ブロック層ＢＬＫ（上部ブロック層１１３）：ｎ型ＧａＡｓ層１１３；厚さ８５０ｎｍ；不純物濃度３×１０１８ｃｍ−３
コンタクト層１１４：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３０００ｎｍ；不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３
【００２８】
第１実施形態の上記第１例において、活性層１０５のバンドギャップは、ガイド層及びクラッド層のバンドギャップより小さくなっている。また、活性層１０５の屈折率は、ガイド層及びクラッド層の屈折率より大きくなっている。活性層１０５は、複数の量子井戸が積層された多重量子井戸（Multi-Quantum Well）構造を有している。各井戸（ウェル）間は、バリア層によって分離されている。
【００２９】
第１実施形態の上記第１例において、高次モードフィルタ層１１１のバンドギャップは、活性層１０５の発光部のバンドギャップと同等かそれ以下であり、光吸収係数の大きい高次モードフィルタ層１１１が形成されている。
【００３０】
第１実施形態の上記第１例において、下部ブロック層１１２のバンドギャップは活性層１０５の発光部のバンドギャップより大きく、光吸収係数の小さいブロック層ＢＬＫが形成されている。
【００３１】
これにより、上記構成における半導体レーザ１００の発振波長は、例えば約６５０ｎｍ付近の所望の波長にすることができる。このとき、半導体レーザの素子長は、例えば３５０μｍとすることができ、素子幅は例えば２５０μｍとすることができる。また、前方端面（光出射面）には、反射率が例えば２０％程度、後方端面には反射率が例えば７０％程度のコーティングを形成することができる。
【００３２】
次に、第１実施形態に係る半導体レーザ１００の積層構造の第２例を示す。
半導体基板１０１：ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層１０２：ｎ型ＧａＡｓ；厚さ６５０ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
下部クラッド層１０３：ｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）；厚さ１２００ｎｍ；不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３
下部ガイド層１０４：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３５）；厚さ＝８０ｎｍ
活性層１０５（ウェル層）：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．０５；厚さ＝４．８ｎｍ
活性層１０５（バリア層）：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３５；厚さ＝５．０ｎｍ
上部ガイド層１０６：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３５）；厚さ＝８０ｎｍ
第１上部クラッド層１０７：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）；厚さ２５０ｎｍ；不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３
エッチング停止層１０８：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ１０ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
第２上部クラッド層１０９：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）；厚さ１０００ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３；メサ構造ＭＳの底部の幅Ｗ＝４．０μｍ
キャップ層１１０：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３００ｎｍ；不純物濃度１．５×１０１８ｃｍ−３
高次モードフィルタ層１１１：ｎ型もしくはアンドープのＧａＡｓ層、又はＧａＩｎＰ層；厚さ１０ｎｍ（エッチング停止層１０８上）、第２上部クラッド層１０９からの幅１００ｎｍ
ブロック層ＢＬＫ（下部クラッド層１１２）：ｎ型もしくはアンドープの（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（ｘ＝１のときＡｌＩｎＰ層）；厚さ１５０ｎｍ、
ブロック層ＢＬＫ（上部クラッド層１１３）：ｎ型ＧａＡｓ層；厚さ８５０ｎｍ；不純物濃度３×１０１８ｃｍ−３
コンタクト層１１４：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３０００ｎｍ；不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３
【００３３】
第１実施形態の上記第２例において、高次モードフィルタ層１１１がＧａＡｓ層であるとき、そのバンドギャップは、活性層１０５の発光部のものと同等かそれ以下であり、光吸収係数の大きい高次モードフィルタ層１１１が形成されている。
【００３４】
第２例によれば、Ｘ方向における実効屈折率差Δｎは、３．０×１０−３程度となる。  
【００３５】
第１例によれば、半導体基板１０１上の半導体積層構造はＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系材料から形成され、発光波長は６５０ｎｍ付近とすることができる。第２例によれば、半導体積層構造はＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料から形成され、発光波長が７８０ｎｍ付近とすることができる。
【００３６】
次に、上記第１例及び図１を基に、本発明の半導体レーザの動作及びその効果について説明する。
【００３７】
上述のダブルへテロ構造に順バイアスが印加されるとき、ブロック層ＢＬＫ（ｎ−ＧａＡｓ層１１３／ｎ−ｏｒｉ−ＡｌＩｎＰ１１２）及び高次モードフィルタ層（ｎ−ｏｒｉ−ＧａＡｓ層１１１）とその下のｐ型層（ｐ−ＧａＩｎＰ層１０８／ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層１０７）の間には、逆バイアスが印加される。その結果、電流は、第２上部クラッド層１０９（メサ構造ＭＳ）からだけ、第１上部クラッド層１０７や活性層１０５に流れ込む。つまり、電流は、ブロック層ＢＬＫによってブロックされ、メサ構造ＭＳに狭窄される。その意味で、このブロック層ＢＬＫは、「電流狭窄機構」として機能していると言える。
【００３８】
メサ構造ＭＳは活性層１０５の近傍まで形成されており、活性層１０５において電流が注入される幅は、メサ構造ＭＳの底面の幅Ｗにほぼ対応している。より詳細には、後述されるように、メサ構造ＭＳの底面から活性層までの間にＸ方向に広がった幅で電流が注入される。その結果、活性層１０５において、メサ構造ＭＳの底面の幅Ｗにほぼ対応した領域にだけ利得が発生する（反転分布が形成される）。そのような領域は、図１において、利得領域（活性領域）１１５として示されている。
【００３９】
また、光導波に関して、Ｙ方向の光閉じ込め（垂直横モード）は、上述のダブルヘテロ構造により実現される。一方、Ｘ方向の光閉じ込め（水平横モード）においては、光は、活性層１０５内部に完全に閉じ込められず、周囲に染み出している。その染み出した光が活性層１０５の近傍に形成され、Ｙ方向においては、活性層１０５よりもバンドギャップの大きい下部ガイド層１０４、上部ガイド層１０６、下部クラッド層１０３、第１上部クラッド層１０７及び第２上部クラッド層１０９、Ｘ方向においては、吸収係数の大きな高次モードフィルタ層１１１及び吸収係数の比較的小さなブロック層ＢＬＫによって導波される。その意味で、高次モードフィルタ層１１１及びブロック層ＢＬＫは、「Ｘ方向光導波機構」としても機能していると言える。
【００４０】
ここで、高次モードフィルタ層１１１が、メサ構造ＭＳの下部ではなく上部に形成される理由は、基本モード光が受ける光学損失の増大を小さく抑えた上で、高次モードに対する光学損失をより効果的に増大させるためである。また、高次モードフィルタ層１１１が、メサ構造ＭＳの両側面から離れた位置ではなく、メサ構造ＭＳに隣接して形成される理由も、基本モード光が受ける光学損失の増大を小さく抑えた上で、高次モードに対する光学損失をより効果的に増大させるためである。
【００４１】
図２に、水平方向における活性層近傍での光強度分布と注入キャリア分布の関係を示すグラフを示す。図２に示す通り、活性層１０５において、活性層１０５への注入電流のＸ方向の広がりで決まる利得領域１１５の幅に対して、光導波領域の幅は大きくなる。そして、光導波領域と利得領域１１５の差分、即ち、利得領域１１５の外側における光導波領域の内、利得領域１１５に近い側の一部が「可飽和吸収領域（saturable absorber region）１１６」として機能し、その外側の領域は損失の領域となる。この可飽和吸収領域１１６によって自励発振が実現される。但し、その自励発振の強弱は可飽和吸収領域１１６のボリュームに依存する。可飽和吸収領域１１６として機能し得るそもそものボリュームは、光導波領域と利得領域１１５の差分であるが、その内のどの程度のボリュームが可飽和吸収動作に達するかは、利得の絶対値及び可飽和吸収領域１１６におけるキャリア寿命にも依存する。光導波領域の大きさは、メサ構造ＭＳに対応する領域と、それ以外の領域におけるＸ方向の等価屈折率の差Δｎによってほぼ決まる。
【００４２】
一方、利得領域１１５の大きさは、活性層１０５に注入される注入電流の分布幅にほぼ対応しているが、より詳細には、注入電流のＸ方向の広がりに温度依存性があることから、注入電流の分布幅はメサ構造ＭＳの底部の幅Ｗだけでなく温度にも依存している。高温条件において、注入電流の分布幅は比較的大きくなる。それは、メサ構造ＭＳ直下の第１上部クラッド層１０７、上部ガイド層１０６、及び活性層１０５において、ホールキャリアのＸ方向の広がり（以下、「横広がり」と参照される場合がある）が大きくなるからである。従って、利得領域１１５は比較的大きくなり、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域は比較的小さくなる。逆に、低温条件においては、注入電流の横広がりは小さくなり、利得領域１１５も比較的小さくなる。従って、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域は比較的大きくなる。一方、前述したように、活性層構造、導波路構造等で決まる活性層利得と損失の結果として、利得曲線(Ｊ−Ｇ曲線)上のどの動作点で自励動作をするかも可飽和吸収体のボリュームを決める重要な要素である。高温条件においては、活性層自体の利得が比較的小さくレーザ発振に必要な注入キャリア密度が比較的大きくなるため、一般的に、微分利得が小さく、利得飽和が大きい傾向にある。逆に、低温条件においては、活性層自体の利得が比較的大きくレーザ発振に必要な注入キャリア密度が比較的小さくなるため、一般的に、微分利得が大きく、利得飽和が小さい傾向にある。しかしながら、それは、各温度における光導波領域と利得領域１１５の差分で決まる可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域の損失量にも強く依存する。
【００４３】
このように、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域のボリューム、及び、利得曲線とその動作点は、温度によって変化する。従って、自励発振も温度依存性を有することになる。例えば、低温条件において、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域のボリュームが大きくなり過ぎると、微分利得が不足して低出力域から安定した自励動作が始まらない、あるいは、損失過剰により自励発振が弱まってしまう。但し、活性層自身の利得が損失に対して大きすぎる時には、逆に利得過剰となって自励発振が弱まってしまう場合もある。一方、高温条件において、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域のボリュームが小さくなり過ぎると、利得過剰により自励発振が弱まってしまう。但し、活性層自身の利得が損失に対して小さすぎる時には、逆に損失過剰となって自励発振が弱まってしまう場合もある。自励発振が弱くなると、戻り光雑音が顕著になってしまう。半導体レーザの動作信頼性を高めるためには、温度依存性を十分考慮し、広い温度範囲（少なくとも−１０℃〜７５℃）で安定的な自励発振が維持されるように設計を行うことが重要である。安定的な自励発振を実現するためには、まず、発振自体を安定的に発生させる必要がある。発振は、誘導放出による利得が損失（吸収、散乱等）を上回ることで発生するため、損失を可能な限り減らすことが好ましい。
【００４４】
光を吸収する性質を有する例えばＧａＡｓ層だけでブロック層が形成されている半導体レーザにおいては、導波路損失が大きくなり、レーザ発振が起こりにくくなる。その結果、しきい値電流が増大し、また、動作電流も高くなってしまう。特に、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系材料の活性層を有する半導体レーザの場合、高温時に顕著となるキャリアオーバーフローの影響で、その問題は大きくなる。
【００４５】
一方、本発明の半導体レーザにおいて、ブロック層ＢＬＫは、発振波長域における光吸収係数の小さい下部ブロック層１１２（例えばＡｌＩｎＰ層又はＡｌＧａＩｎＰ層）を含んでいる。そのため、光を吸収する性質を有する例えばＧａＡｓ層だけでブロック層が形成されている半導体レーザと比べて、導波路損失が低減されて発振が起こりやすくなり、しきい値電流が低減される。しきい値電流は温度上昇に伴って増加する傾向を有するが、そのしきい値電流の絶対値が小さくなっているため、高温条件下においても利得不足で発振が弱まることが抑制される。また、しきい値電流の低下及びスロープ効率の向上により、より小さな動作電流で所望の光出力パワーを得ることが可能となる（実施例１参照）。さらに、動作電流が低減されるため、素子寿命が長くなる。
【００４６】
また、広い光出力範囲、及び、広い温度範囲で安定的な自励発振を実現するためには、前述されたような発振特性(しきい値電流、スロープ効率)の向上に加え、横モードの安定性が極めて重要となる。本実施形態のように、Ｘ方向に可飽和吸収体を有する自励発振型半導体レーザの場合、前述したように、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域のボリュームが光導波領域と利得領域１１５との差分で決まっているため、特に、水平横モードの安定性が重要となる。水平横モードが不安定になる原因は、空間的ホールバーニングによって基本モードの利得が低下し、基本モードと高次モードのしきい値利得差が小さくなることにある。水平横モードに占める高次モードの割合が増すにつれて、例えば1次の高次モードの場合はメサ構造ＭＳの脇付近（両側面の外側近傍）で光強度が強くなるため、水平方向の正味の光強度分布は次第にメサ構造ＭＳの脇の方へ動いていく。このような状況になると、光導波領域と利得領域１１５との差分が安定せず、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域のボリュームが定まらない。更に、空間的ホールバーニングによって水平方向の横モードが不安定になると、Ｚ軸方向の縦モードが蛇行するビームステアリングという現象が生じ、同様な理由から、可飽和吸収領域１１６として機能し得る損失領域のボリュームが定まらない。同時に、横モード及び縦モードの不安定性によって、利得曲線(Ｊ−Ｇ曲線)が安定せず、更に、自励動作をする動作点も定まらない。以上から、広い光出力範囲、及び、広い温度範囲に渡って水平横モードが安定であることは、形成される可飽和吸収体のボリュームが安定であることで、安定的な自励発振を得ることに他ならない。
【００４７】
広い光出力範囲、及び、広い温度範囲に渡って水平横モードが安定的な自励発振を実現するためには、空間的ホールバーニングの抑制は言うまでもなく、空間的ホールバーニングが生じても水平横モードの基本モードと高次モードのしきい値利得差が小さくなり過ぎないよう、発振直後から、基本モードと高次モードのしきい値利得差を大きく保っておくことが有効となる。誘導放出による利得が損失を上回って光学利得を持つことで形成されるメサ構造ＭＳ内及びその脇の光強度分布の内、基本モードの場合はメサ構造ＭＳの中央付近で強い光強度となるのに対し、高次モードの場合はメサ構造ＭＳの脇付近で強い光強度となる。
【００４８】
本実施形態によれば、少なくともメサ構造ＭＳの脇に形成される高次モードフィルタ層１１１は、発振波長域における光吸収係数の大きい層（例えばＧａＡｓ層）から構成される。その結果、基本モードが感じる高次モードフィルタ層１１１での光学損失に比べて、高次モードが感じる高次モードフィルタ層１１１での光学損失の方が相対的に大きくなるため、発振直後から水平横モードの基本モードと高次モードのしきい値利得差を大きく保っておくことが可能となる（実施例２参照）。これにより、空間的ホールバーニングによって生じる水平方向（Ｘ方向）横モード及び共振器方向（Ｚ方向）縦モードの不安定性を発生させることなく、広い光出力範囲（例えば１．５ｍＷ〜６．０ｍＷ）及び広い温度範囲（例えば−１０℃〜７５℃）に亘って安定な自励発振が得られるようになる。このように、本発明の半導体レーザによれば、光ディスク装置の光源として要求される動作範囲において、良好な信号再生が可能となる。戻り光雑音が十分抑制され、半導体レーザの信頼性が向上する。
【００４９】
また、本実施形態によれば、高次モードフィルタ層１１１をメサ構造ＭＳの上部に、かつメサ構造ＭＳに隣接して形成することにより、高次モードに対する光学損失を増大させることができる。
【００５０】
本発明の半導体レーザによれば、温度によって変化する「可飽和吸収層による損失」と「活性層自身の利得」を、広い光出力範囲及び広い温度範囲に亘って、適切に且つ安定にバランスさせることができ、安定な自励振動を実現することができる。そのような発振特性を低しきい値電流且つ高スロープ効率で実現できるため、長期信頼性に優れた素子が得られる。また、自励強度の光出力依存性及び温度依存性において、面内ばらつきの低減、更には、高い再現性が得られる。さらには、製造歩留りを高くかつ安定に保つことが可能となり、生産性が向上する。
【００５１】
次に、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザについて説明する。図３に、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの概略断面図を示す。図３において、図１に示す第１実施形態と同じ要素には同じ符号を付してある。
【００５２】
第１実施形態においては、高次モードフィルタ層は、第２上部クラッド層が形成された領域を除いてエッチング停止層全面に形成されていたが、本実施形態に係る半導体レーザ２００においては、高次モードフィルタ層２１１は、第２上部クラッド層１０９の側面及びエッチング停止層１０８上の一部に、第２上部クラッド層１０９の側面からエッチング停止層１０８に連続して延在するように形成されている。エッチング停止層１０８上において、高次モードフィルタ層２１１が形成されていない領域には、ブロック層ＢＬＫが形成されている。
【００５３】
第２実施形態に係る半導体レーザの積層構造は、第１実施形態の第１例及び第２例に示した構成を採用することができる。このとき、第１実施形態と異なる点は、高次モードフィルタ層２１１は、エッチング停止層１０８上を第２上部クラッド層１０９の下部から両端面に向かって１００ｎｍ延在するように形成することができ、エッチング停止層１０８上において第２上部クラッド層１０９及び高次モードフィルタ層２１１が形成されていない領域には下部ブロック層２１２を形成することができる。
【００５４】
第２実施形態の第１例及び第２例において、第２上部クラッド層１０９に対応する領域と、高次モードフィルタ層２１１が形成されていない領域に対応する領域との間において、Ｘ方向に等価屈折率の差Δｎが生じており、上記第１例で示された構造によれば、Ｘ方向におけるその実屈折率差Δｎは、３．０×１０−３程度となる。
【００５５】
第２実施形態によれば、高次モードフィルタ層がメサ構造の両側面付近に限定されているので、高次モード光を抑制しながら導波路損失の低減が可能となる。また、第２実施形態によっても第１実施形態と同じ効果が得られる。
【００５６】
本実施形態において、上記以外の形態は、第１実施形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００５７】
次に、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザについて説明する。図４に、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザの概略断面図を示す。図４において、図１に示す第１実施形態及び図３に示す第２実施形態と同じ要素には同じ符号を付してある。
【００５８】
第１実施形態及び第２実施形態においては、ブロック層は２層で形成されていたが、本実施形態に係る半導体レーザ３００おいては、ブロック層３１２は、バンドギャップが活性層１０５のバンドギャップよりも大きい１層のみから形成されている。すなわち、本実施形態においては、ブロック層ＢＬＫは、第１実施形態及び第２実施形態の上部ブロック層に相当する層を含まず、第１実施形態及び第２実施形態の下部ブロック層に相当する層のみから構成することができる。
【００５９】
第３実施形態に係る半導体レーザの積層構造の例について、第１実施形態及び第２実施形態の第１例及び第２例を基に説明すると、ブロック層３１２は、ｎ型もしくはアンドープの（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（厚さ１０００ｎｍ；不純物濃度３×１０１８ｃｍ−３）とすることができる。ブロック層以外の構成については、第１実施形態及び第２実施形態の第１例及び第２例に示した構成を採用することができる。
【００６０】
第３実施形態によっても、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。
【００６１】
本実施形態において、上記以外の形態は、第１実施形態及び第２実施形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００６２】
次に、本発明の第４実施形態に係る半導体レーザについて説明する。図５に、本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの概略断面図を示す。
【００６３】
本実施形態における半導体レーザ４００は、異なる発光波長を有する複数の光源４４１，４４２を有する。２つの光源４４１，４４２は、半導体基板４０１上にモノリシックに集積化されている。各光源は、第１実施形態〜第３実施形態と同様の構成にすることができる。図５に示す形態においては、光源４４１，４４２は、第２実施形態の構成を有している。すなわち、半導体基板４０１上に、バッファ層４０２，４２２、下部クラッド層４０３，４２３、下部ガイド層４０４，４２４、活性層４０５，４２５、上部ガイド層４０６，４２６、第１上部クラッド層４０７，４２７、エッチング停止層４０８，４２８、第２上部クラッド層４０９，４２９、キャップ層４１０，４３０、高次モードフィルタ層４１１，４３１、下部ブロック層４１２，４３２、上部ブロック層４１３，４３３、コンタクト層４１４，４３４が光源毎に積層されている。
【００６４】
第４実施形態に係る半導体レーザの積層構造の第１例を示すと、第１光源４４１における各層４０２〜４１４を第２実施形態における第１例に挙げた構成とし、第２光源４４２における各層４２２〜４３４を第２実施形態における第２例に挙げた構成とすることができる。この場合、第１光源４４１の発光波長は６５０ｎｍ付近なり、第２光源４４２の発光波長を７８０ｎｍ付近となる。
【００６５】
第１光源４４１のメサ構造ＭＳ１及び第２光源４４２のメサ構造ＭＳ２の底部のＸ方向の幅Ｗ１及びＷ２は、例えば、それぞれ３．５μｍ及び４．０μｍとすることができる。実効屈折率差Δｎは、例えば、第１光源４４１（発光波長＝６５０ｎｍ）に関して３．０×１０−３程度、第２光源４４２（発光波長＝７８０ｎｍ）に関して３．０×１０−３程度となる。
【００６６】
次に、第４実施形態に係る半導体レーザの積層構造の第２例を示すと、第１光源４４１における各層４０２〜４１４を第２実施形態における第１例に挙げた構成とし、第２光源４４２における各層４２２〜４３４を以下に示す構成とすることができる。
【００６７】
バッファ層４２２：ｎ型ＧａＡｓ；厚さ６７５ｎｍ；不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３
下部クラッド層４２３：ｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．６５）；厚さ１２００ｎｍ；不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３
下部ガイド層４２４：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）；厚さ＝５ｎｍ
活性層４２５（ウェル層）：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．０４；厚さ＝４．５ｎｍ
活性層４２５（バリア層）：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４；厚さ＝５．０ｎｍ
上部ガイド層４２６：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）；厚さ＝５ｎｍ
第１上部クラッド層４２７：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．６５）；厚さ２５０ｎｍ；不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３
エッチング停止層４２８：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２）；厚さ１０ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
第２上部クラッド層４２９：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ１０００ｎｍ；不純物濃度６×１０１７ｃｍ−３
キャップ層４３０：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３００ｎｍ；不純物濃度１．５×１０１８ｃｍ−３
高次モードフィルタ層４３１：ｎ型もしくはアンドープのＧａＡｓ層、又はＧａＩｎＰ層；厚さ１０ｎｍ（エッチング停止層４２８上）、第２上部クラッド層４２９からの幅１００ｎｍ
ブロック層ＢＬＫ（下部ブロック層４３２）：ｎ型もしくはアンドープの（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（ｘ＝１のときＡｌＩｎＰ層）；厚さ１５０ｎｍ、
ブロック層ＢＬＫ（上部ブロック層４３３）：ｎ型ＧａＡｓ層１１３；厚さ８５０ｎｍ；不純物濃度３×１０１８ｃｍ−３
コンタクト層４３４：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ３０００ｎｍ；不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３
【００６８】
第４実施形態の第１例においては、第１光源４４１の第２上部クラッド層４０９と第２光源４４２の第２上部クラッド層４２９とでは異なる材質が使用されていたが、第２例においては、第１光源４４１の第２上部クラッド層４０９と第２光源４４２の第２上部クラッド層４２９とでは同じ材質が使用されている。第２例によれば、２つの第２上部クラッド層４０９，４２９の一括形成をより容易に実施することができる。
【００６９】
第４実施形態によっても、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。
【００７０】
本実施形態において、上記以外の形態は、第１実施形態及び第２実施形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
【００７１】
次に、本発明の半導体レーザの製造方法について説明する。以下に、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法を基にして、本発明の半導体レーザの製造方法の一例を説明する。図６〜図８に、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図を示す。
【００７２】
まず、半導体基板１０１上に、バッファ層１０２、下部クラッド層１０３、下部ガイド層１０４、活性層１０５、上部ガイド層１０６、第１上部クラッド層１０７、エッチング停止層１０８、第２上部クラッド層１０９、及びキャップ層１１０がエピタキシャル成長により積層される（図６（ａ））。
【００７３】
次に、熱ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、弗酸によるエッチングにより、キャップ層１１０上の所定の領域にマスク（例えばＳｉＯ２膜）２２１が形成される（図６（ｂ））。続いて、第２上部クラッド層１０９がエッチング停止層１０８が露出するまでウェットエッチングされ、マスク２２１によりメサ構造ＭＳを有する第２上部クラッド層１０９が形成される。なお、メサ構造ＭＳは、ドライエッチングとウェットエッチングの組み合わせにより形成されてもよい。
【００７４】
次に、選択エピタキシャル成長により、メサ構造ＭＳの両側面及びエッチング停止層１０８の露出面上に、高次モードフィルタ層２１１が形成される（図７（ｃ））。続いて、フォトリソグラフィを用いて、高次モードフィルタ層の両端面側の一部がウェットエッチングされ、メサ構造ＭＳの両側面及びそこから連続してエッチング停止層１０８の一部に延在する高次モードフィルタ層２１１が形成される（図７（ｄ））。
【００７５】
次に、フォトリソグラフィのレジスト（不図示）が除去された後、マスク２２１を用いた選択エピタキシャル成長により、高次モードフィルタ層２１１及びエッチング停止層１０８の露出面を覆うように、ブロック層ＢＬＫが形成される。図８に示す形態においては、下部ブロック層２１２が形成された後、その上に上部ブロック層１１３が形成される（図８（ｅ））。
【００７６】
次に、マスク２２１が除去された後、エピタキシャル成長により、コンタクト層１１４がキャップ層１１０及び上部ブロック層１１３上に形成される（図８（ｆ））。
【００７７】
次に、両面に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極及びｎ側電極がそれぞれ形成され（不図示）、例えば４５０℃程度の温度下で電極アロイが行われる。最後に、所望の素子長及び素子幅となるように切り出しが行われる。最後に、前方端面（光出射面）及び後方端面に所望の反射率を有するコーティングが形成される（不図示）。
【００７８】
上記製造方法によれば、多重量子井戸活性層１０５の表面が大気に曝されることがない。その結果、その多重量子井戸活性層１０５の表面において、非発光センタ（dark defect）の形成が防止される。従って、多重量子井戸活性層１０５自身の利得不足のために自励発振が弱まることが抑制される。また、動作電流が低減されるため、素子寿命が長くなる。
【００７９】
上記製造方法は、第２実施形態に係る半導体レーザを例にして説明したが、第１実施形態及び第３実施形態に係る半導体レーザも同様の方法で製造可能であり、詳細な製造方法の説明はここでは省略する。
【００８０】
次に、本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの製造方法について説明する。図９〜図１１に、図５に示す本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図を示す。まず、半導体基板４０１上に、半導体層４０２〜４１０が形成される。次に、第１光源４４１が形成される領域に、フォトリソグラフィ技術によってマスク４５１（例えばＳｉＯ２膜）が形成される（図９（ａ））。続いて、そのマスク４５１を用いたウェットエッチングあるいはドライエッチングにより、第１光源４４１以外の領域にある半導体層４０２〜４１０が除去され、第１光源４４１の基礎となる半導体積層構造が形成される（図９（ｂ））。
【００８１】
次に、マスク４５１が除去された後、第２光源の基礎となる半導体層４２２〜４３０が積層される。即ち、半導体基板４０１及び第１光源４４１の半導体積層構造を覆うように、半導体層４２２〜４３０がそれぞれ全面に形成される（図１０（ｃ））。このとき、第１光源４４１と第２光源４４２の発光点の高さが揃うように、バッファ層４２２や下部クラッド層４２３の厚さが適宜調整される。その結果、半導体基板４０１と第１光源４４１の活性層４０５との間の距離は、半導体基板４０１と第２光源４４２の活性層４２５との間の距離と実質的に等しくなる。次に、第２光源４４２が形成される領域に、フォトリソグラフィ技術によってマスク４５２が形成される。続いて、マスク４５２を用いたウェットエッチングあるいはドライエッチングにより、第２光源４４２以外の領域にある半導体層４２２〜４３０が除去され、第２光源４４２の基礎となる半導体積層構造が形成される（図１０（ｄ））。このとき、第２光源４４２以外の領域にある半導体層４２２〜４３０は、例えばエッチング時間の制御やエッチング停止層（不図示）の使用により選択的に除去される。尚、第１光源４４１の半導体積層構造と第２光源４４２の半導体積層構造の形成順序は逆であってもよい。
【００８２】
次に、上述の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法と同様にして、エッチング停止層４０８，４２８、メサ構造ＭＳを有する第２上部クラッド層４０９，４２９が形成される（図１１（ｅ））。このとき、第１光源４４１及び第２光源４４２のメサ構造ＭＳ１及びＭＳ２は、一括して形成することができる。次に、上述の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法と同様にして、キャップ層４１０，４３０、高次モードフィルタ層４１１，４３１、及びブロック層４１２，４１３，４３２，４３３が形成され、第４実施形態に係る半導体レーザ４００が製造される（図１１（ｆ））。このようにして、半導体基板４０１上に、発光波長の異なる第１光源４４１及び第２光源４４２がモノリシックに形成される。
【実施例１】
【００８３】
本発明の半導体レーザについて、４ｍＷの光出力パワーに必要な動作電流の温度依存性を測定した。測定に使用した半導体レーザは、第２実施形態の第１例の構成を有する半導体レーザである。また、比較例として、ブロック層がｎ型ＧａＡｓ層のみで構成された半導体レーザについても同様の測定を実施した。図１２に測定結果を示す。
【００８４】
図１２に示されるように、本発明の半導体レーザの動作電流は、どの温度条件下においても、比較例に係る半導体レーザの動作電流よりも小さくなっている。これは、比較例に係る半導体レーザに比べて本発明の半導体レーザの導波路損失が低減されており、しきい値電流の低減、及びスロープ効率（Slope Efficiency）の向上が得られているためである。また、動作電流は素子の長期信頼性を決める重要な要因の一つであるので、本発明によれば、素子性能が向上し、長期信頼性が向上する。尚、高温条件下で顕著となるキャリアオーバーフローの差によって、温度が高くなるほど動作電流の差は大きくなるため、高温条件下においてはその効果がより顕著になる。
【実施例２】
【００８５】
本発明の半導体レーザについて、高次モードフィルタ層の厚さに対する水平横モードの光学損失ついて測定した。具体的には、第２実施形態に係る第１例の構成を有する半導体レーザについて、導波路構造で決まる基本モードと高次モード(１次モード)の光学損失について、高次モードフィルタ層(ＧａＡｓ層)の厚さ依存性を検証した。測定結果を図１３に示す。なお、図１３のグラフの横軸に示す高次モードフィルタ層の厚さは、第２上部クラッド層側面上の厚さ及びエッチング停止層上の厚さを示す。
【００８６】
図１３に示されるように、高次モードフィルタ層が厚くなるにつれて、基本モードと高次モードの光学損失差が広がっている。このことは、高次モードフィルタ層が厚くなるにつれて、発振直後からの基本モードと高次モードのしきい値利得差が大きくなることを意味する。また、温度、あるいは、高次モードフィルタ層と別のパラメータが様々な値に変更されたサンプルに対しても実験を行い、同種のデータを得た（不図示）。
【００８７】
一方で、図１３の結果によれば、高次モードフィルタ層が厚くなるにつれて、基本モードの損失も若干増加する。これは、活性層よりもバンドギャップの大きい下部ブロック層(ＡｌＩｎＰ層)を含むブロック層の効果である、しきい値電流の低減、スロープ効率の向上、及び動作電流の低減が損なわれる方向に寄与する。そのため、高次モードフィルタ層が形成される際の厚さ、及びメサ構造ＭＳの側面から延在する長さは、求められる光出力範囲及び温度範囲に応じて最適化されるべきものであることが分かる。
【００８８】
上記説明においては、本発明について、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系を例にして説明したが、本発明は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系等の自励発振型半導体レーザにも適用することができる。
【００８９】
本発明の半導体レーザ及びその製造方法は、上記実施形態に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。
【００９０】
本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの概略断面図。
【図２】水平方向における活性層近傍での光強度分布と注入キャリア分布の関係を示すグラフ。
【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの概略断面図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る半導体レーザの概略断面図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの概略断面図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図。
【図７】本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図。
【図９】本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための概略工程図。
【図１２】実施例１における測定結果を示すグラフ。
【図１３】実施例２における測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００９２】
１００，２００，３００，４００        半導体レーザ
１０１，４０１        半導体基板
１０２，４０２，４２２        バッファ層
１０３，４０３，４２３        下部クラッド層
１０４，４０４，４２４        下部ガイド層
１０５，４０５，４２５        多重量子井戸活性層
１０６，４０６，４２６        上部ガイド層
１０７，４０７，４２７        第１上部クラッド層
１０８，４０８，４２８        エッチング停止層
１０９，４０９，４２９        第２上部クラッド層
１１０，４１０，４３０        キャップ層
１１１，２１１，４１１，４３１        高次モードフィルタ層
１１２，２１２，３１２，４１２，４３２        下部ブロック層
１１３，４１３，４３３        上部ブロック層
１１４，４１４，４３４        コンタクト層
１１５        利得領域
１１６        可飽和吸収領域
２２１，４５１，４５２        マスク
４４１        第１光源
４４２        第２光源
ＭＳ，ＭＳ１，ＭＳ２        メサ構造
ＢＬＫ        ブロック層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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