(57)【要約】【課題】自励発振型の半導体レーザにおいて、高温動作させた場合においても、十分な自励発振動作ができるようにする。【解決手段】ｐ−クラッド層１０５を、キャリア濃度が異なる２層から構成し、活性層１０４に近い側のｐ−クラッド層１０５Ａに対して、活性層１０４に遠い側のｐ−クラッド層１０５ＢのＺｎドープ量が低くなるように設定する。このようにｐ−クラッド層１０５に濃度分布を持たせることによって、高温時においてもｐ−クラッド層１０５Ｂの濃度が電流の広がらない最適な膜厚およびキャリア濃度に設定され、また、ｐ−クラッド層１０５Ａの濃度が活性層１０４にＺｎが拡散せず、高温時においてもキャリアのオーバーフローが抑制できるように、Ｚｎがドープされる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板の上に、第１導電型クラッド層、活性層、メサ型構造を有し電流狭窄層で挟まれた第２導電型クラッド層を含む構成の自励発振型半導体レーザであって、
前記活性層と前記電流狭窄層で挟まれた前記第２導電型クラッド層との間に第２導電型を有する第３のクラッド層を形成し、前記第３のクラッド層を、積層方向に対し濃度分布を有するように設定し、かつ前記活性層に近い側における前記第２導電型の濃度をｎ１、前記活性層に遠い側における前記第２導電型の濃度をｎ２として、前記濃度の関係がｎ１＞ｎ２であるように設定したことを特徴とする自励発振型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励発振型半導体レーザに係り、特に高温時においても安定した自励発振を実現できる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザの需要が高まり、ＣＤ，ＤＶＤなどが読み取り／記録用装置として家庭用ＡＶ機器やＰＣをはじめ、車載用カーナビゲーションなどに幅広く普及している。
【０００３】
これらの装置の課題である、ディスクからの戻り光ノイズを低減させる手段として２つの対策がなされている。１つは高周波重畳モジュールを用いて外部から高速変調を行うこと。もう１つは半導体レーザ素子自体がパルス発振状態になる自励発振型の半導体レーザを使用することである。
【０００４】
近年、ＥＣＴを装着した自動車が多くなり、車載用光ピックアップ装置を搭載する場合、高周波重畳モジュールから発せられる高周波がＥＴＣの読み取りを阻害する危険があるため、ＣＤ，ＤＶＤともに自励発振型の半導体レーザが要求されている。また自動車に搭載する場合には、低温から高温時においても安定して自励発振動作することが必要とされる。
【０００５】
ところで、半導体レーザを自励発振させる場合、可飽和吸収体を形成する必要がある。この形成方法の１つとして、例えば、図５に示すＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた赤色半導体レーザのように、活性層に可飽和吸収体を形成させる方法がある。
【０００６】
図５は従来の自励発振型赤色半導体レーザを共振器単面から見た構成図であり、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１（Ｓｉドープ、ドーパント濃度、１．０×１０１８ｃｍ−３、以下、ドーパント濃度については値のみ記す）上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（Ｓｉドープ：１．０×１０１８ｃｍ−３）０．５μｍが形成されている。バッファ層１０２は、以下に示すクラッド層１０３，１０５，１０７や活性層１０４などの結晶性を良好にさせるために必要である。
【０００７】
ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２上には、第１導電型クラッド層であるｎ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０３（Ｓｉドープ、８．０×１０１７ｃｍ−３）２．０μｍ、Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ/（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ歪量子井戸活性層１０４（ノンドープ）、第３のクラッド層である第２導電型のｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０５（Ｚｎドープ、４．０×１０１７ｃｍ−３）４００ｎｍ、ｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層１０６（Ｚｎドープ、１．０×１０１８ｃｍ−３）１０ｎｍ、第２導電型クラッド層であるｐ−（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１０７（Ｚｎドープ、１．２×１０１８ｃｍ−３）１．０μｍ、ｐ−Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ中間層１０８（Ｚｎドープ、１．２×１０１８ｃｍ−３）５０ｎｍ、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０９（Ｚｎドープ、２×１０１８ｃｍ−３）３００ｎｍからなるダブルへテロ接合構造部が形成されている。
【０００８】
その後、リッジストライプを形成し、そのリッジストライプ側面をｎ−ＧａＡｓ（Ｓｉドープ、７．５×１０１７ｃｍ−３）電流狭窄層１１０で選択的に埋め込み成長を行う。最後に、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１１（Ｚｎドープ、７×１０１８ｃｍ−３）３．０μｍ成長した後、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１１の表面にｐ側電極１１３を、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面にｎ側電極１１２を形成する。
【０００９】
前記各層の組成などは一例であって、ダブルヘテロ接合の各層１０３〜１０７および中間層１０８の格子定数は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１とほぼ等しく、かつクラッド層１０３，１０５，１０７、エッチングストップ層１０６、中間層１０８のバンドギャップエネルギーが活性層１０４のバンドギャップエネルギーより大きくなるように、Ｉｎ，Ｇａ，Ａｌの組成が決定されている。なお、各層はすべて有機金属気相成長層法（ＭＯＣＶＤ法）による結晶成長で形成されており、各層の不純物は、それぞれの層が結晶成長する際に同時に添加される。
【００１０】
この構造における可飽和吸収領域は、図６(ａ)に示すように、活性層１０４において電流が注入されず、かつ光が導波する領域であり、水平方向の光の分布に比べて電流分布が小さい状態で自励発振する。しかし、高温時や高出力時において以下の理由で自励発振が維持できないという課題がある。電流の広がりは、本来、リッジストライプ幅と同程度にして活性層に到達させる。
【００１１】
しかし、高温，高出力時では、図６(ｂ)に示すように、ｐ−クラッド層１０５において電流が水平方向に広がってしまい、可飽和吸収領域が小さくなるため自励発振が抑制されてしまう。
【００１２】
前記課題を解決するために、特許文献１，特許文献２に示されるように、ｐ−クラッド層１０５を工夫することによって、高温，高出力で高歩留まりな自励発振型半導体レーザを作製する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−１４８５３５号公報
【特許文献２】特許第３３８１５３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の構造は、ｐ−クラッド層１０５をノンドープ層とし、高濃度ドープしたｐ−クラッド層１０７からｐ型ドーパントを拡散させることにより、リッジストライプ幅と同程度に電流の広がりを抑え、自励発振特性を改善する構造である。
【００１４】
しかし、熱処理時間、熱処理温度やｐ−クラッド層１０５の濃度ばらつきが、ｐ型ドーパントの拡散距離に非常に大きな誤差を招きやすいことから拡散距離の制御が非常に困難である。拡散距離を制御したとしても、活性層とｐ−クラッド層１０５の界面近傍のｐ型ドーパント濃度が少ないために高温時にキャリアのオーバーフローを起こし、温度特性に対し不利である。また、温度特性向上のために拡散量を増加させると活性層まで拡散してしまい、信頼性に悪影響を及ぼす。
【００１５】
特許文献２の構造は、ｐ−クラッド層１０５とリッジストライプ底部の両サイドをエッチングすることにより、屈折率の変化に伴う光の閉じ込めを改善し、さらに電流の広がりをストライプ幅と同程度に抑え自励発振特性を改善する構造である。
【００１６】
しかし、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ構造は、通常、８〜１０°程度オフ基板を使用する。特許文献２のウェットエッチングを用いた作製方法では、垂直にエッチングされないために溝が傾く。また、エッチングストップ層がないため、ＡｌＧａＩｎＰを精度良く狙いの膜厚までエッチングすることは非常に困難である。その結果、エッチングの溝の傾きやばらつきによって光の閉じ込めが不安定になりやすい。
【００１７】
上記のようなことから、従来の技術では、ｐ−クラッド層１０５において、横方向の電流広がりを抑制し、高温時においても安定な自励発振を得るという課題を解決するに至っていない。
【００１８】
本発明は、前記従来の技術の課題を解決し、自励発振型の半導体レーザにおいて高温動作させた場合においても十分な自励発振動作が可能な半導体レーザ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】
【００１９】
前記目的を達成するため、本発明は、第１導電型半導体基板の上に、第１導電型クラッド層、活性層、メサ型構造を有し電流狭窄層で挟まれた第２導電型クラッド層を含む構成の自励発振型半導体レーザであって、前記活性層と前記電流狭窄層で挟まれた前記第２導電型クラッド層との間に第２導電型を有する第３のクラッド層を形成し、前記第３のクラッド層を、積層方向に対し濃度分布を有するように設定し、かつ前記活性層に近い側における前記第２導電型の濃度をｎ１、前記活性層に遠い側における前記第２導電型の濃度をｎ２として、前記濃度の関係がｎ１＞ｎ２であるように設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、活性層と電流狭窄層に挟まれたクラッド層の濃度分布を最適化し、横方向の電流の広がり制御することにより、高温，高出力動作時においても安定して自励発振し、高信頼性な半導体レーザが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
なお、以下の説明において、自励発振型赤色半導体レーザの構造については、図５を参照して説明したことから、本実施形態の説明では、既に説明した部材に対応する部材には同一符号を付して、その説明は省略し、半導体レーザのうち、本発明の特徴の構成層であって、横方向の電流の広がりを制御するための第３のクラッド層としてのｐ−クラッド層１０５について詳細に説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施形態である自励発振型赤色半導体レーザの要部を示す構成図であって、図５におけるｐ−クラッド層１０５近傍を拡大して詳細に示したものである。本実施形態における第３のクラッド層であるｐ−クラッド層１０５は、キャリア濃度が異なる２層からなっている。そして、活性層１０４に近い側のｐ−クラッド層１０５Ａ（Ｚｎドープ、４．５×１０１７ｃｍ−３）９０ｎｍに対し、活性層１０４に遠い側のｐ−クラッド層１０５Ｂ（Ｚｎドープ、５．０×１０１６ｃｍ−３）３１０ｎｍのＺｎドープ量は低く設定されている。
【００２４】
図２にＳＩＭＳ解析による深さ方向のＺｎ濃度プロファイルを示す。図２において、ｐ−クラッド層１０７のＺｎドープ量が１．２×１０１８ｃｍ−３と多いため、ｐ−クラッド層１０７成長中、または、それ以後の層の成長中にｐ−クラッド層１０５ＢにＺｎが拡散する。その結果、ｐ−クラッド層１０５Ｂのキャリア濃度が１．０×１０１７ｃｍ−３程度まで増加している。
【００２５】
上述したように、従来の一様ドープしたｐ−クラッド層１０５の場合、図６（ｂ）に示すように、高温時はｐ−クラッド層１０５の抵抗が低くなるため、ｐ−クラッド層１０７から流れてきたキャリアが水平方向（横方向）に広がってしまう。そのため、可飽和吸収領域が狭くなり自励発振は止まってしまう。
【００２６】
しかし、図３に示すように本実施形態では、ｐ−クラッド層１０５に濃度分布を持たせることによって、高温時においてもｐ−クラッド層１０５Ｂの濃度が電流の広がらない最適な膜厚およびキャリア濃度に設定されている。また、活性層１０４にＺｎが拡散せず、高温時においてもキャリアのオーバーフローが抑制できるように、ｐ−クラッド層１０５ＡにＺｎがドープしてある。この両構成により高温時においても可飽和吸収領域が十分確保でき安定した自励発振が実現できる。
【００２７】
また、本実施形態の例は一例であり、本発明者の研究によれば、前記ｐ−クラッド層１０５Ａ，１０５Ｂの膜厚をｄ１，ｄ２とし、また、ｐ−クラッド層１０５Ａ，１０５Ｂは、成長中に生じるＺｎの拡散により濃度変化することから、その濃度値を以下のように設定することにより、その領域内で作製されたものは、横方向の電流の拡がりを抑制することが可能で、かつ高温時でもキャリアのオーバーフローが抑制できる安定した自励発振が実現できる。
【００２８】
すなわち、ｐ−クラッド層１０５Ａ内におけるＺｎ濃度の最大値をｎ１とし、ｐ−クラッド層１０５Ｂ内におけるＺｎ濃度の最小値をｎ２としたとき、ｎ１＞ｎ２の関係を満たすように、それぞれ濃度を設定する。
【００２９】
具体的には図４に示すように、それぞれのＺｎ濃度の関係はｎ１＞ｎ２、設定値は、２．０Ｅ１７ｃｍ−３≦ｎ１≦５．０Ｅ１７ｃｍ−３、１．０Ｅ１６ｃｍ−３≦ｎ２≦３．５Ｅ１７ｃｍ−３内にする。すなわち、ｐ−クラッド層１０５内の濃度分布は、１.０Ｅ１６ｃｍ−３≦ｎ１−ｎ２≦４．０Ｅ１７ｃｍ−３の範囲以内にする。また、それぞれの膜厚は、２５ｎｍ≦ｄ１≦３５０ｎｍ、１５０ｎｍ≦ｄ２≦４７５ｎｍにし、かつ、前記条件を満たしつつ、ｐ−クラッド層１０５の膜厚を３００ｎｍ≦ｄ１＋ｄ２≦５００ｎｍの範囲内に設定する。
【００３０】
なお、本実施形態では、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系自励発振型の赤色半導体レーザに関して説明したが、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系自励発振型の赤外半導体レーザにおいても適用できる。
【００３１】
また、自励発振型の赤色半導体レーザと自励発振型の赤外半導体レーザを１つの半導体基板上に作製するモノリシック２波長レーザに関しても前記と同様に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る自励発振型半導体レーザは、活性層と電流狭窄層に挟まれたｐ−クラッド層の濃度分布を最適化することにより、高温時においても横方向の電流が抑えられ、かつキャリアのオーバーフローが生じなくなることから、安定した自励発振型を得られ、特に車載用の光ディスク装置に適用する上で有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態である自励発振型赤色半導体レーザの要部を示す構成図
【図２】本実施形態のＳＩＭＳ解析による深さ方向のＺｎ濃度プロファイルを示す図
【図３】本実施形態における可飽和吸収領域と利得領域の説明図
【図４】本実施形態におけるｐ−クラッド層の膜厚とＺｎ濃度との関係を示す図
【図５】従来の自励発振型赤色半導体レーザを共振器単面から見た構成図
【図６】従来例における可飽和吸収領域と利得領域の説明図
【符号の説明】
【００３４】
１０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０４  歪量子井戸活性層（活性層）
１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ  第１のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０６  ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０７  第２のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０８  ｐ−ＧａＩｎＰ中間層
１０９  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１１０  ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層
１１１  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１１２  ｎ電極
１１３  ｐ電極
【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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