(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッド層のうちの所定厚さ部分をメサ構造とし、残りの厚さＤのクラッド層を活性層上全面に積層させてなるＧａＡｓ系のリッジ導波路型半導体レーザダイオードにおいて、活性層に対して垂直方向の近視野像の強度が１／ｅ2 であるスポットサイズの幅をＷとするとき、Ｄは０．３μｍ以上１．１２μｍ以下であって、かつ、Ｄ≧Ｗ×０．５を満足するような残り厚さＤを活性層全面に積層されたクラッド層が有し、２００ｍＷ未満の光出力では、キンクが、リッジ導波路型半導体レーザダイオードの光出力／注入電流特性に生じないことを特徴とするＧａＡｓ系のリッジ導波路型半導体レーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザダイオードに関し、更に詳細には、高出力で、かつ良好なレーザ特性を有するリッジ導波路型半導体レーザダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層を用いるＧａＡｓ系量子井戸レーザダイオードは、実用化に向けて活発に研究開発されている。実用化するには、先ず、レーザダイオードの光出力を増大させることが必要であって、例えば、１．５μｍ帯の光ファイバアンプとして使用するエルビウムドープ・ファイバの励起光源としてレーザダイオードを０．９８μｍの発振波長で使用する場合、また、１．３μｍ帯のファイバアンプであるプラセオジムドープ・ファイバの励起光源として、レーザダイオードを１．０２μｍの発振波長で使用する場合、レーザダイオードには、２００ｍＷ程度の極めて高い光出力が要求される。
【０００３】
ここで、図１を参照しながら、従来のＧa Ａs 系量子井戸レーザダイオードについて例を挙げて説明する。従来のリッジ導波路型Ｇa Ａs 系レーザダイオードの層構造１０は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、順次、Ｇa Ａs 系又はＡｌＧa Ａｓ系の化合物半導体層からなるバッファ層１４、下部クラッド層１６、第１光閉じこめ層１８、第２光閉じこめ層２０、第一歪み量子井戸層２２、障壁層２４、第二歪み量子井戸層２６、第３光閉じこめ層２８、第４光閉じこめ層３０、上部第一クラッド層３２、エッチング停止層３４、上部第二クラッド層３６、キャップ層３８の積層構造を有し、エッチング停止層３４上の上部第二クラッド層３６及びキャップ層３８はメサ構造になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ｇa Ａs 系量子井戸レーザダイオードの光出力の増大を制約する一番の要因は、レーザダイオードの光出射面が瞬時に破壊される瞬時端面破壊（ＣＯＤ）である。光出力が増加して、ある値に達すると、ＧａＡｓ系レーザダイオードに特徴的な瞬時端面破壊（ＣＯＤ）が発生し、その時点で、レーザダイオードの機能が停止する。
そこで、ＣＯＤの発生を防止するために、従来、幅広の、例えば４μm 位のメサ構造を採用して、活性層での光密度を低減させているが、しかし、ワイドメサ構造の場合、レーザダイオードの光学利得が活性層に対して平行方向で不均一になる、いわゆる空間ホールバーニングが生じ、このためにビームステアリング現象が生じ易くなる。
ビームステアリング現象とは、光ビームが活性層と平行方向に行ったり来たりする現象であって、これにより、半導体レーザダイオードの光出力／注入電流特性が非線形になる、いわゆるキンクを生じ、レーザ特性が著しく損なわれる。非線形とは、外部微分量子効率η（＝ｄＬ／ｄ（Ｉ−ＩTH）、ここで、Ｌは光出力、Ｉは光出力Ｌの時の注入電流値、ＩTHはしきい値電流の値である）が一定にならないことを言い、極端な場合には、ηが０近くになることもある。従って、注入電流による信号変換ができなくなり、レーザ特性が著しく損なわれる。この現象は、特に、レーザダイオードをファイバに結合する場合に著しい。
【０００５】
光出力を増大させても、ビームステアリング現象が発生しないようにするには、活性層の導波モード制御を始めとして、複雑に絡み合う様々な効果を考慮しなければならず、そのために、従来のＧa Ａs 系量子井戸レーザダイオードでは、この問題が解決されていない。
そこで、本発明の目的は、非常に高い光出力まで、光出力／注入電流特性が線形関係を維持するリッジ導波路型半導体レーザダイオードを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、活性層の光密度が、縦方向のスポットサイズと横方向のスポットサイズとの積に反比例すること、及び、活性層上全面に積層されたクラッド層の残り厚さＤ、例えば図１の層構造１０では第３、第４光閉じ込め層２８、３０、上部第１クラッド層３２、及びエッチング停止層３４の各層の層厚の和の厚簿により横方向の光閉じ込め、すなわち横方向のスポットサイズの大きさを制御できることに着目した。
そして、更に、本発明者は、光密度を低減するためにワイドメサ構造を採用したリッジ導波路型半導体レーザダイオードの場合、縦方向のスポットサイズの幅Ｗとクラッド層の残り厚さＤとの間で一定の関係が成立しているときには、高い光出力でもビームステアリング現象が生じない、即ち外部量子効率ηが一定の状態を維持できるのではないかと考えた。
そこで、本発明者は、次に説明する実験を多数回行った結果、キンク発生出力とＷとＤとの間にある関係を見い出した。なお、本明細書でキンク発生出力とは、外部量子効率ηが一定でなくなる注入電流時の光出力、例えばηの変化率が２０％になる注入電流時の光出力を言う。
【０００７】
実験例
ｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、順次、以下の組成の各化合物半導体層を有機気相成長法によりエピタキシャル成長させ、図１に示すＧa Ａs 系半導体レーザダイオードの層構造１０を作製した。
バッファ層１４        ：ｎ−ＧａＡｓ層
下部クラッド層１６    ：ｎ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層
第１光閉じこめ層１８  ：Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層
第２光閉じこめ層２０  ：ＧａＡｓ0.94Ｐ0.06層
第一歪み量子井戸層２２：Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層
障壁層２４            ：ＧａＡｓ0.94Ｐ0.06層
第二歪み量子井戸層２６：Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層
第３光閉じこめ層２８  ：ＧａＡｓ0.94Ｐ0.06層
第４光閉じこめ層３０  ：Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層
上部第一クラッド層３２：ｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層
エッチング停止層３４  ：ｐ−Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ層
上部第二クラッド層３６：ｐ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層
キャップ層３８        ：ｐ−ＧａＡｓ層
【０００８】
次に、キャップ層３８上にＳｉＮ膜を成膜し、それをマスクとしてクエン酸系のウエットエッチングにより層構造１０の上部第二クラッド層３６をエッチングしてエッチング停止層３４で停止させ、第二クラッド層３６を幅４μｍのメサ構造に形成した。
次いで、メサ構造を備えた層構造１０の全面に再びＳｉＮ膜を成膜した。その後、キャップ層３８上からＳｉＮ膜を除去して、キャップ層３８を露出させ、露出したキャップ層３８上にｐ−電極を、及び、基板１２の下側にｎ−電極をそれぞれ形成した。
更に、レーザ構造の低反射側端面には反射率１０％の誘電体膜、高反射端面には反射率９５％の誘電体膜をコーティングして、本実験に供する試料半導体レーザダイオードを作製した。
【０００９】
試料半導体レーザダイオードを作製するに当たっては、第１光閉じ込め層１８、第２光閉じ込め層２０、第３光閉じ込め層２８、第４光閉じ込め層３０及び上部第一クラッド層３２の膜厚を後述するように変化させ、それ以外の各層の膜厚を以下のように固定した。
バッファ層１４ ：０．５μｍ
下部クラッド層１６ ：２．０μｍ
エッチング停止層３４ ：３ｎｍ
上部第二クラッド層３６：２．０μｍ
キャップ層３８ ：０．５μｍ
【００１０】
一方、第１光閉じ込め層１８と第４光閉じ込め層３０の厚さを同じとし、その厚さをｄ１、第２光閉じ込め層２０と第３光閉じ込め層２８の厚さを同じとし、その厚さをｄ２として、表１に示すように、英小文字ａからｉの組み合わせ毎にｄ１及びｄ２の値を異なる値に設定した。
ｄ１とｄ２の値を様々に変化させて組み合わせることにより、第１、第２光閉じ込め層１８、２０、第一歪み量子井戸層２２、障壁層２４及び第二歪み量子井戸層２６、第３、第４光閉じ込め層２８、３０からなる活性層の近視野像のスポットサイズ幅Ｗを変えることができる。
【表１】
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更に、ｄ１とｄ２の設定値の組み合わせとは独立して、活性層全面に積層するクラッド層部分、即ち第３光閉じ込め層２８、第４光閉じ込め層３０、上部第１クラッド層３２およびエッチング停止層３４の各膜厚の和Ｄを表２に示す番号毎に異なる値に設定した。
【表２】
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【００１１】
本実験例では、組み合わせａからｉ毎に設定したｄ１とｄ２のそれぞれの値と、番号１から１５毎に設定したクラッド層と同じ機能を有する層の膜厚の和Ｄの値を、表３に示すように、様々に組み合わせた。例えば、ｄ１とｄ２の設定値の組み合わせがａ、即ちｄ１＝１００ｎｍ、ｄ２＝１０ｎｍで、Ｄの設定値が番号６、即ちＤ＝０．７７μm のａ−６の組み合わせを作り、ｄ１、ｄ２及びＤの値がその値になるように試料半導体レーザダイオードａ−６を作製した。他の組み合わせ、ａ−１からｉ−６の試料半導体レーザダイオードについても同様である。
【００１２】
次いで、各試料半導体レーザダイオードを動作させ、スポットサイズ幅Ｗ及び光出力を増加してキンクが生じた時のキンク出力（ｍＷ）を測定し、表３から表６に示した。表３から表６には、更に、その組み合わせでのＤの設定値、Ｄ／Ｗの計算値を示した。
【表３】
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【表４】
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【表５】
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【表６】
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【００１３】
実用的なＧａＡｓ系量子井戸レーザダイオードとしては、キンク出力が少なくとも２００ｍＷを必要とするので、表３において、キンク出力が２００ｍＷ（本測定では、測定誤差および動作環境の変動等を考慮し、１９０ｍＷとする）以上の組み合わせにはＯＫ、逆に、キンク出力が２００ｍＷ（本測定では、測定誤差および動作環境の変動等を考慮し、１９０ｍＷとする）以下の組み合わせにはＮＧの評価を行った。以上の結果から、Ｄ／Ｗ≧０．５であれば、評価がＯＫになる。よって、Ｄ／Ｗ≧０．５にすることにより、出力の高い実用的なＧａＡｓ系量子井戸レーザダイオードを実現できることが確認できた。
【００１４】
上述の実験例の結果に基づいて、本発明に係るリッジ導波路型半導体レーザダイオードは、クラッド層のうちの所定厚さ部分をメサ構造とし、残りの厚さＤのクラッド層を活性層上全面に積層させてなるリッジ導波路型半導体レーザダイオードにおいて、
活性層に対して垂直方向の近視野像の強度が１／ｅ2 であるスポットサイズの幅をＷとするとき、Ｄが、
Ｄ≧Ｗ×０．５
を満足するような残り厚さＤを活性層全面に積層されたクラッド層が有することを特徴としている。なお、上述のｅは自然対数の底である。
本発明で、クラッド層とは、上部クラッド層に限らず、活性層上全面に積層されたクラッド層と同じ機能を有する層、例えば光閉じ込め層もクラッド層に含むものとする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
実施例
先ず、活性層に対する垂直方向の近視野像のスポットサイズの幅Ｗについて所望の値を設定する。
スポットサイズ幅Ｗは、例えば、縦方向の遠視野像（ＦＦＰ）の半値全角をθとすると、Ｗ＝λ／（πtan （θ／（２ｌｎ２）0.5 ））で求めることができる。ここで、λは波長、ｌｎは自然対数である。
次いで、Ｄ≧Ｗ×０．５の相関関係から必要な上部クラッド層の残り厚さＤを求める。例えば、スポットサイズＷを１．３μｍとすると、必要なＤは、Ｄ≧１．３×０．５、即ち０．６５μm 以上の値であって、上部クラッド層の残り厚さＤが０．６５μm 以上になるように、図１に示す層構造１０を形成する。尚、図１でＤは、第二歪み量子井戸層２６とエッチング停止層３４との間の層、即ち第３光閉じこめ層２８、第４光閉じこめ層３０、上部第一クラッド層、及びエッチング停止層３４の各膜厚の和で定義される。
【００１６】
また、本実施例では、クラッド層の活性層からの残り厚さＤを制御するためにＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐからなるエッチング停止層を用いたが、他の材料を使用したエッチング停止層でも良く、また、エッチング停止層に代えて別の方法により、残り厚さＤを制御することもできる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の構成によれば、クラッド層のうちの所定厚さ部分をメサ構造とし、残りの厚さＤのクラッド層を活性層上全面に積層させてなるリッジ導波路型半導体レーザダイオードにおいて、活性層に対して垂直方向の近視野像の強度が１／ｅ2 であるスポットサイズの幅をＷとするとき、ＤとＷとの間で本発明で特定した関係を維持することにより、ビームステアリング現象に伴う光出力／注入電流特性のキンク現象を改善し、非常に高い光出力まで、光出力／注入電流特性が線形関係にあるリッジ導波路型半導体レーザダイオードを実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】リッジ導波路型半導体レーザダイオードの一例の層構造を示す層構造断面図である。
【符号の説明】
１０  リッジ導波路型Ｇa Ａs 系レーザダイオードの層構造
１２  基板
１４  バッファ層
１６  下部クラッド層
１８  第１光閉じこめ層
２０  第２光閉じこめ層
２２  第一歪み量子井戸層
２４  障壁層
２６  第二歪み量子井戸層
２８  第３光閉じこめ層
３０  第４光閉じこめ層
３２  上部第一クラッド層
３４  エッチング停止層
３６  上部第二クラッド層
３８  キャップ層
【図１】
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