(57)【要約】【課題】高温，高出力で低閾値電流動作が可能である歪量子井戸構造を利用し、活性層に外部から歪を与える構造を有する半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】従来の光ガイド層におけるＡｌＧａＡｓ系混晶の代わりに、組成を自由に調整できるＡｌＧａＩｎＰ系混晶を光ガイド層１０２，１０４、およびバリア層１１５に用いることによって、ＭＱＷ（ＧａＡｓ）活性層１１６に外部層との格子定数の違いによる歪を加えることを可能にする。前記活性層１１６に加わった歪によって、バンド構造が変化し、注入キャリアであるホールの有効質量が小さくなるため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布が生じやすくなる。つまり、無歪量子井戸構造に比べてキャリア濃度に対する利得の増加が大きくなり、レーザ発振に必要な閾値電流を小さくすることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸構造からなる活性層と、少なくとも前記活性層の上下両面のいずれか一方に接するように形成された光ガイド層と、少なくとも前記光ガイド層あるいは前記活性層と基板との間に形成された第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層と、前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層より上層に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層との積層構造をなす半導体レーザ装置であって、
前記量子井戸構造の量子井戸層の組成をＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．４）とし、前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層の組成を（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とし、前記第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層の組成を（ＡｌｔＧａ１−ｔ）ｕＩｎ１−ｕＰ（０≦ｔ≦１，０≦ｕ≦１）とし、前記量子井戸構造のバリア層の組成を（ＡｌｖＧａ１−ｖ）ｗＩｎ１−ｗＰ（０＜ｖ≦１，０≦ｗ≦１）とし、前記活性層の上下両面のいずれかに接するように形成された前記光ガイド層の組成を（ＡｌｒＧａ１−ｒ）ｓＩｎ１−ｓＰ（０＜ｒ≦１，０≦ｓ≦１）とし、かつ前記バリア層と前記光ガイド層との少なくとも一方の層の格子定数をＧａＡｓの格子定数とは異なるように設定したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記活性層の上下面のいずれかに接するようにして形成されたＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層の組成を（ＡｌｖＧａ１−ｖ）ｗＩｎ１−ｗＰ（０＜ｖ≦１、０．３≦ｗ≦０．７）とし、前記積層構造の上下面のいずれかに接するようにして形成されたＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層の組成を（ＡｌｒＧａ１−ｒ）ｓＩｎ１−ｓＰ（０＜ｒ≦１、０．３≦ｓ≦０．７）に設定したことを特徴とする請求項１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係り、特に、多重量子井戸（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）構造の半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ディスク用半導体レーザには、活性層にＡｌＧａＡｓ系混晶を用いた発振波長７８０ｎｍ帯、およびＡｌＧａＩｎＰ系混晶を用いた６５０ｎｍ帯のものがある。さらに、量子井戸層の格子定数を意図的に基板格子定数からずらし、井戸層に歪を与えることによって発光効率を増大させて、より低消費電力化が可能である歪量子井戸構造を利用した半導体レーザが実現されるようになった。
【０００３】
通常、発振波長７８０ｍ帯の半導体レーザは、特許文献１に示されるように、活性層を構成する量子井戸層にはＧａＡｓを用い、バリア層と光ガイド層にはＡｌＧａＡｓ系混晶が用いられ、その組成をＡｌｘＧａ１−ｘＡｓと表せば、光ガイド層およびバリア層の組成は、０．２≦ｘ≦０．６の範囲のものが用いられる。
【０００４】
図４は発振波長７８０ｎｍ帯における従来の半導体レーザの構成を示す断面図である。
【０００５】
図４に示す半導体レーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板１００と、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０１と、第１ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１１２と、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ＭＱＷ活性層１１３と、第２ＡｌＧａＡｓ光ガイド層１１４と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５，１０７と、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６と、ＡｌＩｎＰ電流狭窄層１０８と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０９と、下部のｎ−電極１１０と、上部のｐ−電極１１１から構成される。
【０００６】
ＭＱＷを活性層に用いる場合、量子井戸に歪を加えることにより注入キャリアであるホールの有効質量を変化させることができる。この現象を利用すると閾値利得を小さくすることができ、半導体レーザの低電流動作が可能となる。これは発振波長６５０ｎｍ帯の半導体レーザなどでは、すでに広く実用化されている技術である。
【０００７】
しかし、この７８０ｎｍ帯の半導体レーザでは、ＭＱＷ活性層がＧａＡｓであり、光ガイド層およびバリア層がＡｌＧａＡｓ系混晶であるため、Ａｌ組成を調整すると、バンドギャップと同時に格子定数が一意的に決まってしまうため、活性層に格子歪を自由に加えることができず、歪量子井戸構造の特性である閾値電流の低減効果を十分に利用することができない。つまり、基板格子定数と同等の格子定数の活性層を持つ半導体レーザにおいて、歪量子井戸構造の低電流動作特性を積極的に利用するためには、活性層に外部から歪を加える必要がある。
【特許文献１】特開２００２−１１１１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように基板格子定数と同等の格子定数を持つ半導体レーザにおいて、歪量子井戸構造の特性を積極的に利用するためには、活性層に外部から応力を加えることによって歪を加える方法が考えられる。
【０００９】
その方法の一つとして、活性層に隣接する層に歪を加えることにより、相対的に活性層に歪を加える方法が考えられる。しかし、従来のＧａＡｓを組成とするＭＱＷ活性層とＡｌＧａＡｓ系混晶を組成とする光ガイド層およびバリア層で構成された量子井戸構造では、ＡｌＧａＡｓ系混晶とＧａＡｓ活性層との格子定数がほぼ等しく、活性層に閾値低減の効果を与えるために十分な歪を加えることが困難であるという課題があった。
【００１０】
本発明では、前記従来の課題を解決し、高温，高出力で低閾値電流動作が可能である歪量子井戸構造を利用し、活性層に外部から歪を与える構造を有する半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、量子井戸構造からなる活性層と、少なくとも前記活性層の上下両面のいずれか一方に接するように形成された光ガイド層と、少なくとも前記光ガイド層あるいは前記活性層と基板との間に形成された第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層と、前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層より上層に形成された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層との積層構造をなす半導体レーザ装置であって、前記量子井戸構造の量子井戸層の組成をＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦０．４）とし、前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層の組成を（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）とし、前記第２導電型のＡｌＧａＩｎＰ系混晶クラッド層の組成を（ＡｌｔＧａ１−ｔ）ｕＩｎ１−ｕＰ（０≦ｔ≦１，０≦ｕ≦１）とし、前記量子井戸構造のバリア層の組成を（ＡｌｖＧａ１−ｖ）ｗＩｎ１−ｗＰ（０＜ｖ≦１，０≦ｗ≦１）とし、前記活性層の上下両面のいずれかに接するように形成された前記光ガイド層の組成を（ＡｌｒＧａ１−ｒ）ｓＩｎ１−ｓＰ（０＜ｒ≦１，０≦ｓ≦１）とし、かつ前記バリア層と前記光ガイド層との少なくとも一方の層の格子定数をＧａＡｓの格子定数とは異なるように設定したことを特徴とする。
【００１２】
前記構成によって、活性層に隣接するＡｌＧａＩｎＰ系混晶光ガイド層およびバリア層の組成比を変化させ、格子定数を変化させることにより、活性層に外部から応力を与えることで歪を加えることができる。また、活性層のＧａＡｓよりも格子定数が大きい、少なくとも一つのＡｌＧａＩｎＰ系混晶光ガイド層およびバリア層を設けることにより、活性層に引張性歪を加えた歪量子井戸構造を有する半導体レーザ装置とすることが可能になる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記活性層の上下面のいずれかに接するようにして形成されたＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層の組成を（ＡｌｖＧａ１−ｖ）ｗＩｎ１−ｗＰ（０＜ｖ≦１、０．３≦ｗ≦０．７）とし、前記積層構造の上下面のいずれかに接するようにして形成されたＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層の組成を（ＡｌｒＧａ１−ｒ）ｓＩｎ１−ｓＰ（０＜ｒ≦１、０．３≦ｓ≦０．７）に設定したことを特徴とし、歪量子井戸構造の効果を利用するために、活性層に外部から応力を加えることによって格子歪を加えることが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、低閾値電流動作が可能であり、かつＺｎなどの不純物拡散が促進され、窓構造が形成しやすくなり、高温，高出力で動作する歪量子井戸構造を有する発振波長７８０ｎｍ帯の半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施形態である半導体レーザ装置の構成を示す断面図である。
【００１７】
本実施形態における発振波長７８０ｎｍ帯の半導体レーザ装置が図４に示した従来例の構造と異なる点は、光ガイド層およびバリア層にＡｌＧａＩｎＰ系混晶を用いた構成にある。
【００１８】
図１に示す本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ−ＧａＡｓ基板１００と、第１導電型のｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０１と、第１ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層１０２と、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱＷ活性層１０３と、第２ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層１０４と、第２導電型の第１ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０５と、第２導電型のｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層１０６と、第２導電型の第２ｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０７と、Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流狭窄層１０８と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０９と、下部のｎ−電極１１０と、上部のｐ−電極１１１とから構成される。
【００１９】
また、（表１）は、図１の半導体レーザ装置を構成する各積層膜の膜厚を示した構造表である。
【００２０】
【表１】
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本実施形態では、歪量子井戸構造を形成するために、ＭＱＷ活性層と光ガイド層およびバリア層の格子定数は異なる。
【００２１】
図２は本実施形態の歪量子構造を備えた半導体レーザの伝導帯におけるバンド構造および結晶構造の模式図であって、図５に示した従来の無歪量子井戸構造と比較したものである。図５の従来の構造では、基板と活性層はどちらもＧａＡｓであり、格子定数が等しく歪量子井戸構造の低電流動作特性を利用することができない。また、光ガイド層１１２，１１４、およびバリア層１１７はＡｌＧａＡｓ系混晶であるため、レーザ閾値電流を低減するための歪を活性層に加えることが困難である。
【００２２】
本実施形態では、図２に示した通り、従来の光ガイド層１１２，１１４におけるＡｌＧａＡｓ系混晶の代わりに、組成を自由に調整できるＡｌＧａＩｎＰ系混晶を光ガイド層１０２，１０４、およびバリア層１１５に用いることによって、ＭＱＷ（ＧａＡｓ）活性層１１６に外部層との格子定数の違いによる歪を加えることができる。
【００２３】
前記活性層に加わった歪によって、バンド構造が変化し、注入キャリアであるホールの有効質量が小さくなるため、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布が生じやすくなる。つまり、無歪量子井戸構造に比べてキャリア濃度に対する利得の増加が大きくなり、レーザ発振に必要な閾値電流を小さくすることが可能となる。
【００２４】
図３は前記活性層に加わる歪量を変化させたときの電流−光出力特性を示したものである。図３に示すように、ｓ＝０．５１のときに（ＡｌＧａ）／Ｉｎの組成比ｒを変化させることによって、前記活性層に加わる歪量を変化させると、動作電流が減少していくことが分る。これは、注入キャリアであるホールの有効質量変動による閾値利得低減、スロープ効率向上の効果によるものと考えられる。
【００２５】
しかし、前記活性層に歪を加え過ぎると、格子不整合により発生した結晶欠陥によって、光学特性が劣化するためレーザ特性が悪化する。よって、前記活性層の上下面のいずれかに接するようにして形成されたＡｌＧａＩｎＰバリア層の組成を（ＡｌｖＧａ１−ｖ）ｗＩｎ１−ｗＰ（ｖ＝０．５、０．３≦ｗ≦０．７）とし、前記積層構造の上下面のいずれかに接するようにして形成されたＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層の組成を（ＡｌｒＧａ１−ｒ）ｓＩｎ１−ｓＰ（ｒ＝０．５，０．３≦ｓ≦０．７）とし、光ガイド層とバリア層の少なくとも一つの層が前記活性層のＧａＡｓと格子定数が異なることが好ましい。
【００２６】
このように歪量子井戸構造の効果を利用するために前記活性層に外部から応力を加えることにより、格子歪を加えることで低閾値利得の特性を７８０ｎｍ帯半導体レーザに利用することが可能となる。
【００２７】
また、活性層のＧａＡｓの格子定数よりも大きな格子定数を持つ前記光ガイド層およびバリア層を導入することにより、活性層には引張性歪が加わることになり、Ｚｎなどの不純物拡散が促進されるため、レーザ発光の共振器を成す端面の窓構造形成が容易となるという効果を得ることも可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、特に波長６５０ｎｍ帯におけるレーザダイオードとのモノリシック集積化に適し、また、高温，高出力動作時の閾値電流を低減することが可能な波長７８０ｎｍ帯の多重量子井戸（Multi Quantum Well；ＭＱＷ）構造の半導体レーザ装置に実施して有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態である半導体レーザ装置の構成を示す断面図
【図２】本実施形態の歪量子構造を備えた半導体レーザの伝導帯におけるバンド構造および結晶構造の模式図
【図３】本実施形態における活性層に加わる歪量を変化させたときの電流−光出力特性の説明図
【図４】従来の半導体レーザ装置の構成を示す断面図
【図５】従来の歪量子井戸構造を備えた半導体レーザの伝導帯におけるバンド構造および結晶構造の模式図
【符号の説明】
【００３０】
１００  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０１  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０２  第１ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
１０３  ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ  ＭＱＷ活性層
１０４  第２ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
１０５  第１ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０６  ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０７  第２ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０８  ＡｌＩｎＰ電流狭窄層
１０９  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１１０  ｎ−電極
１１１  ｐ−電極
１１５  ＡｌＧａＩｎＰバリア層
１１６  ＭＱＷ（ＧａＡｓ）活性層
【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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