(57)【要約】【課題】キンクレベルが改善された半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】ＩｎｗＧａ１−ｗＮ（０．０８≦ｗ≦０．２）からなる井戸層およびＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０．０１≦ｂ≦０．０５）からなる障壁層を含む単一または多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の上に設けられ、光共振器の軸方向にストライプ状に延びたリッジ部と前記リッジ部の両側に位置する非リッジ部とを含み、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．１）からなるクラッド層と、前記活性層徒然器クラッド層との間に設けられ、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｙ＜ｚ）からなるオーバーフロー防止層と、を備え、前記非リッジ部の厚みをＤ（μｍ）、前記光共振器の軸方向長さをＬ（μｍ）とした時、下記式Ｌ≧７５０−４００×（Ｄ／０．０１）及び０＜Ｄ≦０．０１を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。【選択図】図１
2008066476.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎｗＧａ１−ｗＮ（０．０８≦ｗ≦０．２）からなる井戸層およびＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０．０１≦ｂ≦０．０５）からなる障壁層を含む単一または多重量子井戸構造を有する活性層と、
前記活性層の上に設けられ、光共振器の軸方向にストライプ状に延びたリッジ部と前記リッジ部の両側に位置する非リッジ部とを含み、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．１）からなるクラッド層と、
前記活性層と前記クラッド層との間に設けられ、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｙ＜ｚ）からなるオーバーフロー防止層と、
を備え、
前記非リッジ部の厚みをＤ（μｍ）、前記光共振器の軸方向長さをＬ（μｍ）とした時、下記式
Ｌ≧７５０−４００×（Ｄ／０．０１）
及び
０＜Ｄ≦０．０１
を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記オーバーフロー防止層のアクセプタ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記リッジ部の幅は、１．５μｍ以上２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記リッジ部の幅を２．０μｍ以下とし、下記式
Ｌ≧１２００−４００×（Ｄ／０．０１）
を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記リッジ部の幅を１．８μｍ以下とし、下記式
Ｌ≧  １０００−４００×（Ｄ／０．０１）
を満たすことを特徴とする請求項１または２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する。
【背景技術】
【０００２】
波長４００ｎｍ帯の青紫色半導体レーザ装置は、次世代ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などへの応用が期待されている。次世代ＤＶＤにおける記録容量は、片面単層媒体において１５ギガバイト以上が必要である。このためにスポットサイズは従来のＤＶＤより小であることが必要である。また、この波長帯において書き換えを行うには、パルス光出力は２００ｍＷ以上であることが好ましい。
【０００３】
このためのＧａＮ系半導体レーザ装置において、光出力のキンクレベルを２００ｍＷ（パルス出力）以上とし、かつジッターや対物レンズシフトによる光学特性の低下を抑制する遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）を実現する必要がある。
【０００４】
半導体レーザ装置において、キンクレベルを大とし、水平横方向ＦＦＰの半値幅Ｆｈを大とする技術開示例がある（特許文献１）。この開示例においては、リッジ内とリッジ脇との実効屈折率差Δｎと、リッジ幅Ｗとが特定のΔｎ・Ｗ領域内にあるように、絶縁膜厚、電極膜厚、リッジ高さ、上部クラッド層厚などを設定している。しかし、この開示例を用いても次世代ＤＶＤにおける書き換え用途要求を満たすのに充分ではない。
【特許文献１】特開２００２−２９９７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、キンクレベルが改善された半導体レーザ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、ＩｎｗＧａ１−ｗＮ（０．０８≦ｗ≦０．２）からなる井戸層及びＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０．０１≦ｂ≦０．０５）からなる障壁層を含む単一または多重量子井戸構造を有する活性層と、前記活性層の上に設けられ、光共振器の軸方向にストライプ状に延びたリッジ部と前記リッジ部の両側に位置する非リッジ部とを含み、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．１）からなるクラッド層と、前記活性層と前記クラッド層との間に設けられ、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｙ＜ｚ）からなるオーバーフロー防止層と、を備え、前記非リッジ部の厚みをＤ（μｍ）、前記光共振器の軸方向長さをＬ（μｍ）とした時、下記式
Ｌ≧７５０−４００×（Ｄ／０．０１）
及び
０＜Ｄ≦０．０１
を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、キンクレベルが改善された半導体レーザ装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態につき説明する。  
図１は、本発明の具体例にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図である。  
ＧａＮ基板１０上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ＧａＮ光ガイド層１４、活性層１６、ｐ型オーバーフロー防止層１８、ＧａＮ光ガイド層２０、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２及びｐ＋型ＧａＮコンタクト層２４がこの順序で結晶成長されている。結晶成長には、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法を用いることができる。
【０００９】
そして、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２は、幅Ｗをもち光共振器の軸方向へストライプ状に延びたリッジ部２６と、その両側に位置する非リッジ部２８と、を含んでいる。リッジ部２６及びその上に設けられているｐ＋型ＧａＮコンタクト層２４の両側面と、非リッジ部２８の上面と、は、ＳｉＯ２のような絶縁膜３０により覆われている。さらに、ｐ＋型ＧａＮコンタクト層２４の上面及び絶縁膜３０を覆うようにｐ側電極３２が設けられている。一方、ＧａＮ基板１０の裏面には、ｎ側電極３４が設けられている。ここで、リッジ部２６の幅をＷ（μｍ）とし、光共振器長をＬ（μｍ）とし、非リッジ部２８のｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２の厚みをＤ（μｍ）とする。
【００１０】
へきかい面からなり光共振器を構成する前面の光出射面には、例えば反射率が１０％である光反射膜が設けられ、対向する面の光反射面には例えば反射率が９５％の光反射膜が設けられる。
【００１１】
本具体例は、ストライプ状のリッジ部２６により、水平横方向への光閉じ込めが制御されたいわゆる屈折率導波型半導体レーザ装置である。例えば１６倍速を含む次世代ＤＶＤにおける書き換え用途においては、パルス光出力は２００ｍＷ以上であること、すなわちキンクレベルが２００ｍＷ以上であることが好ましい。さらに、対物レンズシフト特性及びジッター特性を良好にするために、水平横方向ＦＦＰの半値幅Ｆｈが９．２°以上であることが好ましい。
【００１２】
一般に、リッジ部２６と非リッジ部２８との実効屈折率差Δｎを大きくすると、水平横方向光閉じ込めが強くなり、キンクレベルが低下するがＦｈは大きくできる。本具体例は、Ｆｈの要求仕様を満たす範囲においてΔｎを大きくし、これにより生じるキンクレベルの低下は共振器長Ｌを大きくすることにより改善している。
【００１３】
ここで、結晶成長された積層体についてより詳細に説明する。  
ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．１）クラッド層１２の厚みは、例えば１．５μｍとし、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４の厚みは、例えば０．０７μｍとする。活性層１６は、ＩｎｗＧａ１−ｗＮ（０．０８≦ｗ≦０．２）からなる井戸層及びＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０．０１≦ｂ≦０．０５）からなる障壁層から構成される単一または多重量子井戸構造とする。ＧａＮ光ガイド層２０の厚みは、例えば０．０３μｍとし、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０≦ｙ≦０．１）からなりリッジ部２６において厚みは、例えば０．４５μｍとする。ｐ＋型ＧａＮコンタクト層２４の厚みは、例えば０．１μｍとする。
【００１４】
さらに、活性層１６とＧａＮ光ガイド層２０との間に設けられるｐ型オーバーフロー防止層１８は、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ（ｙ＜ｚ）からなり、厚みを例えば０．０１μｍとする。窒化物系の半導体レーザ装置においては活性層１６で再結合しないキャリアがｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２まで漏れることを防ぐことが重要である。ｐ型オーバーフロー防止層１８のアルミニウム組成比ｚをｐ型ＡｌＧａＮクラッドにおける組成比ｙより大である０．２程度とすることによりバンドギャップが広くできてキャリアの漏れが低減できる。さらにｐ型オーバーフロー防止層１８のアクセプタ濃度を、例えば１×１０２０ｃｍ−３以上とすることにより活性層１６との界面の伝導帯側へテロ障壁を大きくする。この結果、電子のオーバーフローが一層抑制できる。
【００１５】
しかしながら、アルミニウム組成比が０．２と高いと屈折率が小さくなる。すなわち、ｐ型オーバーフロー防止層１８の屈折率は、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０及びｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２のそれよりも小さくなるので、垂直方向への光閉じ込めが強くなる。この結果、導波モードが横方向に広がりやすくなっている。
【００１６】
図２は、前面光出力の動作電流依存性、動作電圧の動作電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図である。縦軸は前面光出力（ｍＷ）および動作電圧（Ｖ）であり、横軸は動作電流（ｍＡ）である。  
ここで、リッジ部２６の幅Ｗは、２．０μｍであり、非リッジ部２８の厚みＤは０．０１μｍである。共振器長Ｌは、６００μｍ（点線）、８００μｍ（実線）、１０００μｍ（破線）、１２００μｍ（一点鎖線）、１４００μｍ（二点鎖線）と選んだ。Ｄは０．０１μｍと微細であるが、この加工精度は可能である。リッジ部２６はＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により形成することができるが、この場合、活性層１６などをエッチング終点モニターとすることで、ＧａＮ光ガイド層２０近傍まで精度よくエッチング可能である。なお、ＧａＮ光ガイド層２０がエッチングされると光閉じ込めに及ぼす影響が大きくなるので非リッジ部２８を０＜Ｄ≦０．０１μｍの範囲で残すことが好ましい。
【００１７】
前面光出力の折れ曲がりで表されるキンクレベルは、Ｌ＝６００μｍにおいて１８０ｍＷ，Ｌ＝８００μｍにおいて２００ｍＷ，Ｌ＝１０００μｍにおいて２３０ｍＷとなり、共振器長Ｌを大きくするとともにＫＫで表されるようなほぼ直線的な変化により大きくできる。また、動作電流が２００ｍＡの動作電圧は、Ｌ＝６００μｍにおいて５．９Ｖ，Ｌ＝８００μｍにおいて４．５Ｖ，Ｌ＝１０００μｍにおいて４．２Ｖ，Ｌ＝１４００μｍにおいて３．９ＶとＬを大とするとともに低減化できる。
【００１８】
図３は、Ｗ＝２．０μｍの場合における動作電流及び動作電圧の共振器長依存性として表したグラフ図である。縦軸は動作電流（ｍＡ）及び動作電圧（Ｖ）であり、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）である。  
動作電流は、共振器長が８００μｍ近傍において約２００ｍＡとほぼ最小となる。また、共振器長Ｌを大きくすると共に動作電流はほぼ直線的に大きくなる。このとき図２に例示されるようにキンクレベルも大きくできる。また、動作電圧は、共振器長Ｌを大きくすると共に減少していくが、１６００μｍ以上においてはほぼ一定値４．１Ｖとなりほとんど減少しなくなる。
【００１９】
図２及び図３に例示されるように、Ｗ＝２．０μｍの場合、キンクレベルが２００ｍＷ以上、動作電圧が４．３Ｖ以下とできるＬ≧８００μｍの範囲が好ましい。Ｌを大きくすると共にキンクレベルをより大きくできるが、動作電流がより大きくなるので光ディスク駆動装置電源に応じて適正な選択を行うことが好ましい。なお、共振器長は非リッジ部２８の厚みＤにも依存するが、これに関しては後に詳細に説明する。
【００２０】
次に、比較例について説明する。  
比較例においてリッジ部２６の幅をＷ＝２．０μｍ、共振器長をＬ＝６００μｍとした。
【００２１】
図４は、比較例の前面光出力の動作電流依存性のシミュレーション結果を表すグラフ図である。縦軸は前面光出力（ｍＷ）、横軸は動作電流（ｍＡ）を表す。  
非リッジ部２８の厚みＤをそれぞれ０．０１２μｍ（一点鎖線）、０．０２μｍ（点線）、０．０３μｍ（実線）としている。そしてＤ＝０．０１２μｍにおいてキンクレベルは１８０ｍＷである。キンクレベルはＤ＝０．０２μｍにおいて２８０ｍＷ，Ｄ≧０．０３μｍにおいては３８０ｍＷ以上とより高く出来る。この場合Ｄを大きくすると、リッジ部２６と非リッジ部２８との横方向実効屈折率差Δｎが小さくとなる。この結果、光閉じ込めが弱くなりキンクレベルが改善されることによる。
【００２２】
一方、図５は、比較例の水平横方向ＦＦＰの半値角Ｆｈの非リッジ部２９の厚みＤ依存性のシミュレーション結果を表わすグラフ図である。縦軸はＦｈ（°）、横軸は非リッジ部２８の厚みＤ（μｍ）を表す。  
Ｄ＝０．０１μｍにおいてＦｈ＝９．２°、Ｄ＝０．０３μｍにおいてＦｈ＝８．７２°、Ｄ＝０．０５μｍにおいてＦｈ＝８．２２°となる。Ｄを大きくすると、Δｎが小となり横方向光閉じ込めが弱まりＦｈが小さくなる。この結果アスペクト比が大となり次世代ＤＶＤの光学特性上好ましくない。
【００２３】
また、ｐ型オーバーフロー防止層１８のアルミニウム組成比が大きいために、屈折率が小さくなり垂直方向光閉じ込めが強まる。この結果、横方向への導波モードが広がりやすくなる。加えて非リッジ部２８の厚みＤが大であると、横方向へ電流が広がり発振閾値電流が大きくなるので好ましくない。
【００２４】
これに対して、本具体例においては、Ｄ≦０．０１μｍとなるまでエッチングをすることにより横方向への電流広がりを抑制し、Ｆｈ＝９．２°とすることにより光学特性を改善し、さらに共振器長Ｌを適正に選択することによりキンクレベルの改善と動作電圧の低減が可能となる。比較例におけるようにＦｈ＜９．２°であると、対物レンズシフト特性やジッター特性などの光学特性が低下し、次世代ＤＶＤ仕様を充分には満たすことができないことがある。一方、Ｆｈが大き過ぎると集光レンズへの光取り込み効率が低下する。従って、Ｆｈは、９．２°以上１１°以下が好ましい。また、ＦＦＰの垂直方向半値角Ｆｖは、スポットを絞り込むために１７°以上、２３°以下とすることが好ましい。以上より、アスペクト比（＝Ｆｖ／Ｆｈ）は、１．５４以上２．５以下が好ましい。
【００２５】
Ｄ＝０．０１２μｍである比較例の場合、図４に例示されるようにキンクレベルが１８０ｍＷであることから、次世代ＤＶＤの光出力仕様を十分には満たしていない。これに対して本具体例においては、Ｄ≦０．０１μｍとし、Ｄに応じて共振器長Ｌを適正に選択することによりキンクレベルを改善できる。
【００２６】
図６は、キンクレベルが２００ｍＷとなる共振器長Ｌと非リッジ部２８の厚みＤとの関係を表すシミュレーション結果のグラフ図である。縦軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、横軸は非リッジ部厚みＤ（μｍ）である。  
図６に表したように、ＤとＬとの間にはほぼ直線的関係が成り立つ。実線はリッジ幅Ｗ＝２．０μｍ、破線はＷ＝１．８μｍ、点線はＷ＝１．５μｍを表す。
【００２７】
Ｗが大きくなるとキンクレベルが低下し、小さくなると抵抗が大となるので、１．５μｍ≦Ｗ≦２．５μｍの範囲が好ましい。例えば、Ｗがリッジ部２６の幅の下限値１．５μｍの場合、共振器長Ｌ≧７５０−４００×（Ｄ／０．０１）なる式で表されるＬ及びＤの組み合わせによりキンクレベルを２００ｍＷ以上とできる。また、Ｗ＝１．８μｍ以下の場合、Ｌ≧１０００−４００×（Ｄ／０．０１）なる式で表されるＬ及びＤの組み合わせによりキンクレベルを２００ｍＷ以上とできる。さらに、Ｗ＝２．０μｍ以下の場合、Ｌ≧１２００−４００×（Ｄ／０．０１）なる式で表されるＬ及びＤの組み合わせによりキンクレベルを２００ｍＷ以上とできる。なお、Ｌの上限値は、Ｌの増大に対して動作電圧の低減効果がほとんど無くなる１６００μｍとすることができる。なお、既に説明したようにＦｈ≧９．２°とするためにＤ≦０．０１μｍであることが好ましい。
【００２８】
本具体例により、キンクレベルが改善され、例えば２００ｍＷ以上のパルス光出力を有し、良好な対物レンズシフト特性やジッター特性を有する波長４００ｎｍ帯の半導体レーザ装置が実現できる。この結果、片面単層媒体において１５ギガバイト以上の記憶容量が可能となり、次世代ＤＶＤにおける書き換えが可能となる。
【００２９】
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例には限定されない。  
例えば、半導体レーザ装置を構成する基板、化合物半導体多層膜、電極、リッジ部、非リッジ部などの材質、形状、サイズ、配置などに関して、当業者が各種の設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の具体例にかかる半導体レーザ装置の模式斜視図である。
【図２】具体例にかかる半導体レーザ装置の前面光出力および動作電圧の動作電流依存性を表すグラフ図である。
【図３】具体例にかかる半導体レーザ装置の動作電流及び動作電圧の共振器長依存性を表すグラフ図である。
【図４】比較例における前面光出力の動作電流依存性を表すグラフ図である。
【図５】比較例におけるＦＦＰの水平方向半値角Ｆｈの非リッジ部厚み依存性を表すグラフ図である。
【図６】キンクレベル２００ｍＷを得る共振器長と非リッジ部厚み依存性を表すグラフ図である。
【符号の説明】
【００３１】
１６・・・活性層、１８・・・ｐ型オーバーフロー防止層、２２・・・ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、２６・・・リッジ部、２８・・・非リッジ部
【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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