(57)【要約】【課題】広い温度範囲にわたって安定的な自励発振を維持することができる自励発振型半導体レーザを提供すること。【解決手段】本発明に係る自励発振型半導体レーザは、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の上に形成された第２上部クラッド層１０９と、ブロック層ＢＬＫとを備える。第２上部クラッド層１０９は、メサ構造ＭＳを有する。ブロック層ＢＬＫは、その第２上部クラッド層１０９の両側に形成され、活性層１０５よりもバンドギャップの大きい層１１１を含む。自励発振動作時、活性層１０５において、利得領域１１４の両側に可飽和吸収領域１１５が形成される。第１上部クラッド層１０７の厚さｄは、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下に設計されている。【選択図】図１
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【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に形成され、前記活性層よりもバンドギャップの大きい層を含むブロック層と
を備え、
前記第１上部クラッド層の厚さは、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下である
自励発振型半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記活性層において、利得領域の外側に可飽和吸収領域が形成される
自励発振型半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記ブロック層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を含む
自励発振型半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記ブロック層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とＧａＡｓ層とを含む
自励発振型半導体レーザ。
【請求項５】
請求項４に記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記ＧａＡｓ層は、前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層の上に形成された
自励発振型半導体レーザ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザであって、
共振器の軸方向に直角かつｐｎ接合面と平行な方向において、前記メサ構造に対応する部分と前記メサ構造以外に対応する部分との間の実効屈折率差は、５×１０−４以上４×１０−３以下である
自励発振型半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記第１上部クラッド層におけるキャリア濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上２×１０１８ｃｍ−３以下である
自励発振型半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザであって、
共振器の軸方向に直角かつｐｎ接合面と平行な方向において、前記メサ構造の底部の幅は、３．５μｍ以上５．０μｍ以下である
自励発振型半導体レーザ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記半導体基板上に、異なる発振波長を有する第１の光源と第２の光源がモノリシックに形成されており、
前記第１の光源と前記第２の光源の各々が、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、及び前記ブロック層を備えている
自励発振型半導体レーザ。
【請求項１０】
請求項９に記載の自励発振型半導体レーザであって、
前記第１の光源の前記第２上部クラッド層の材質は、前記第２の光源の前記第２上部クラッド層の材質と同じである
自励発振型半導体レーザ。
【請求項１１】
（ａ）半導体基板の上に、下部クラッド層を形成する工程と、
（ｂ）前記下部クラッド層の上に、活性層を形成する工程と、
（ｃ）前記活性層の上に、厚さ２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の第１上部クラッド層を形成する工程と、
（ｄ）前記第１上部クラッド層の上に、第２上部クラッド層を形成する工程と、
（ｅ）前記第２上部クラッド層がメサ構造を有するようにエッチングを行う工程と、
（ｆ）前記メサ構造の両側に、前記活性層よりもバンドギャップの大きい層を含むブロック層を形成する工程と
を有する
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記（ｆ）工程は、前記メサ構造の両側に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を形成する工程を含む
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記（ｆ）工程は、
（ｆ１）前記第メサ構造の両側に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を形成する工程と、
（ｆ２）前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層の上に、ＧａＡｓ層を形成する工程と
を含む
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１４】
（Ａ）半導体基板上の第１の領域に第１の半導体積層構造を形成する工程と、
ここで、前記（Ａ）工程は、
（Ａ１）前記半導体基板の上に、下部クラッド層を形成する工程と、
（Ａ２）前記下部クラッド層の上に、活性層を形成する工程と、
（Ａ３）前記活性層の上に、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の厚さを有する第１上部クラッド層を形成する工程と、
（Ａ４）前記第１上部クラッド層の上に、第２上部クラッド層を形成する工程と、
（Ａ５）前記第１の領域以外の前記第２上部クラッド層、前記第１上部クラッド層、前記活性層、及び前記下部クラッド層をエッチングすることにより、前記第１の半導体積層構造を形成する工程と
を含み、
（Ｂ）前記半導体基板上の第２の領域に第２の半導体積層構造を形成する工程と、
ここで、前記（Ｂ）工程は、
（Ｂ１）前記半導体基板及び前記第１の半導体積層構造を覆うように、別の下部クラッド層を形成する工程と、
（Ｂ２）前記別の下部クラッド層の上に、別の活性層を形成する工程と、
（Ｂ３）前記別の活性層の上に、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の厚さを有する別の第１上部クラッド層を形成する工程と、
（Ｂ４）前記別の第１上部クラッド層の上に、別の第２上部クラッド層を形成する工程と、
（Ｂ５）前記第２の領域以外の前記別の第２上部クラッド層、前記別の第１上部クラッド層、前記別の活性層、及び前記別の下部クラッド層をエッチングすることにより、前記第２の半導体積層構造を形成する工程と
を含み、
（Ｃ）前記第１領域と前記第２領域のそれぞれにおいて、前記第２上部クラッド層と前記別の第２上部クラッド層がそれぞれメサ構造を有するようにエッチングを行う工程と、
（Ｄ）前記第１領域と前記第２領域のそれぞれにおいて、前記メサ構造の両側に前記活性層よりもバンドギャップの大きい層を含むブロック層をそれぞれ形成する工程と
を有する
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記活性層の材質は、前記別の活性層の材質と異なっている
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記半導体基板と前記活性層との間の距離は、前記半導体基板と前記別の活性層との間の距離と実質的に等しい
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記第２上部クラッド層の材質は、前記別の第２上部クラッド層の材質と同じである
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記（Ｄ）工程は、前記第１領域と前記第２領域のそれぞれにおいて、前記メサ構造の両側に（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を形成する工程を含む
自励発振型半導体レーザの製造方法。
【請求項１９】
請求項１４乃至１７のいずれかに記載の自励発振型半導体レーザの製造方法であって、
前記（Ｄ）工程は、
（Ｄ１）前記第１領域と前記第２領域のそれぞれにおいて、前記メサ構造の両側に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を形成する工程と、
（Ｄ２）前記（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層の上に、ＧａＡｓ層を形成する工程と
を含む
自励発振型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。特に、本発明は、戻り光ノイズ（optical feedback noise）の抑制に優れた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、光ディスク装置や光ファイバ通信、光演算等における光源として用いられている。ＤＶＤ装置などの光ディスク装置の場合、光ディスクからの反射光が半導体レーザ素子に再び入射する可能性がある。その再入射する光は「戻り光」と呼ばれており、その戻り光によって出射光出力に生じるノイズは「戻り光ノイズ」と呼ばれている。戻り光ノイズは信号の読み取りエラーなどを招くため、半導体レーザの分野において、戻り光ノイズの抑制は重要な課題の一つである。
【０００３】
戻り光ノイズを低減するためには、縦モードをマルチモード化し、かつ、活性層内の屈折率変動により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、レーザ駆動電流（直流）に数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの高周波電流を重畳する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。
【０００４】
従って、戻り光ノイズ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」が近年着目されている。自励発振型半導体レーザによれば、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。この可飽和吸収体は、レーザ光の吸収・透過をスイッチする機能を有しており、その可飽和吸収体によって、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することになる。つまり、自励発振が実現され、高周波電流の重畳と同じ効果が素子単体で得られる。
【０００５】
自励発振型半導体レーザに関連する従来技術として、次のものが知られている。
【０００６】
特許文献１に記載された自励発振型半導体レーザによれば、第１導電型のＧａＡｓ基板上にダブルヘテロ構造が形成されている。そのダブルヘテロ構造は、ＧａＩｎＰ活性層と、ＧａＩｎＰ活性層を挟むＡｌＧａＩｎＰクラッド層からなっている。活性層上の第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。つまり、メサ構造を有するクラッド層が活性層の直上に形成されている。そのメサ構造の側面とメサ構造両脇の活性層表面上には、第２導電型の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層が形成されている。
【０００７】
特許文献２に記載された自励発振型半導体レーザは、第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成された第２導電型の第２のクラッド層とを備えている。第２のクラッド層はメサ部を有し、そのメサ部の両側に電流狭窄構造が設けられている。電流狭窄構造は、第１導電型のＧａＡｓからなっている。横方向の屈折率差Δｎは、０．００３以下０．００１以上である。また、横方向導波の外側での第２のクラッド層の厚さｄは、４００ｎｍ以下である。この場合、常温（２５℃）と高温（６０℃）において、メサ部を通して活性層に注入される電流の横方向の広がりは、メサ部の底部の幅程度に抑えられる。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−１５４１８４号公報
【特許文献２】特開平１１−２２０２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明者は、自励発振型半導体レーザにおける「自励発振の温度依存性」に着目した。自励発振強度は、可飽和吸収領域のボリュームに依存し、そのボリュームは、利得と損失のバランス、即ち、利得曲線(Ｊ−Ｇ曲線)のどの動作点で自励動作をするかによって決定される。ここで、利得と損失のバランスは、活性層の構造、光導波の分布と活性層に注入される注入電流の分布の重なり、及び、光導波路損失の大きさによって決まる。低温条件においては、活性層の構造で決まる利得は比較的大きくなり、注入電流の横方向の広がり（拡散）は比較的小さくなるため、大きな利得とそれに釣り合う損失によって自励動作が生じることで、可飽和吸収領域のボリュームは大きくなる傾向にある。しかしながら、活性層の構造で決まる利得が小さ過ぎる、または、電流の横広がりが小さ過ぎる場合には、損失過剰になることで可飽和吸収領域のボリュームが大きくなり、自励発振強度が弱まってしまう。一方、高温条件においては、活性層の構造で決まる利得は比較的小さくなり、注入電流の横方向の広がりは比較的大きくなるため、小さな利得とそれに釣り合う損失によって自励動作が生じることで、可飽和吸収領域のボリュームは小さくなる傾向にある。しかしながら、活性層の構造で決まる利得が小さ過ぎて損失過剰になる、または、電流の横広がりが大き過ぎて利得過剰になる場合には、可飽和吸収領域のボリュームが小さくなり、自励発振が弱まってしまう。
【００１０】
このように、自励発振強度は、動作温度や動作電流に依存する。しかしながら、従来技術においては、このような自励発振の温度依存性が十分に考慮されていなかった。そのため、ある特定の温度範囲では最適な利得特性で強い自励発振が得られていても、別の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、戻り光ノイズによる信号再生エラーを誘発し、製品の信頼性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、−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。従来技術では、そのような広い温度範囲にわたる安定的な自励発振を実現することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
本発明の第１の観点において、自励発振型半導体レーザが提供される。その自励発振型半導体レーザは、半導体基板（１０１）と、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）の上に形成された第２上部クラッド層（１０９）と、ブロック層（ＢＬＫ）とを備える。第２上部クラッド層（１０９）は、メサ構造（ＭＳ）を有する。ブロック層（ＢＬＫ）は、メサ構造（ＭＳ）を有する第２上部クラッド層（１０９）の両側に形成され、活性層（１０５）よりもバンドギャップの大きい層（１１１）を含む。自励発振動作時、活性層（１０５）において、利得領域（１１４）の両側に可飽和吸収領域（１１５）が形成される。
【００１３】
光を吸収する性質を有するＧａＡｓ層だけでブロック層が構成される場合、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。しかしながら、本発明によれば、ブロック層（ＢＬＫ）は、活性層（１０５）よりもバンドギャップの大きい層を含んでいる。すなわち、発振波長域における光吸収係数の小さいブロック層（ＢＬＫ）が形成されている。例えば、ブロック層（ＢＬＫ）は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層を含んでいる。このようなブロック層（ＢＬＫ）により、導波路損失は低減され、発振が起こりやすくなる。その結果、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。しきい値電流は温度上昇に伴って増加する傾向を有するが、その絶対値が低減されているため、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、しきい値電流が低減され、かつ、スロープ効率が向上するため、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。更に、動作電流が低減されるため、素子寿命が長くなる。
【００１４】
更に、本発明によれば、第１上部クラッド層（１０７）の厚さｄは、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下に設計される。本願発明者の実験によれば、このような構成によって、広い温度範囲（−１０℃〜７５℃）にわたって、可干渉性指数γ及び相対雑音強度ＲＩＮ（Relative Intensity Noise）が十分低い値に保たれることが判明した。このことは、広い温度範囲にわたって自励発振が弱まることなく安定に保たれていることを意味する。すなわち、本発明によれば、要求される温度範囲全体にわた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、戻り光ノイズが効果的に抑制され、半導体レーザの信頼性が向上する。
【００１５】
以上に説明されたように、本発明に係る自励発振型半導体レーザによれば、広い温度範囲にわたって、安定的な自励発振を維持することが可能となる。要求される温度範囲全体にわたって戻り光ノイズが良好に抑制されるため、動作信頼性が向上する。更に、動作電流が低減されるため、長期信頼性が向上する。
【００１６】
本発明の第２の観点において、自励発振型半導体レーザの製造方法が提供される。その製造方法は、（ａ）半導体基板（１０１）の上に、下部クラッド層（１０３）を形成する工程と、（ｂ）下部クラッド層（１０３）の上に、活性層（１０５）を形成する工程と、（ｃ）活性層（１０５）の上に、厚さ２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の第１上部クラッド層（１０７）を形成する工程と、（ｄ）第１上部クラッド層（１０７）の上に、第２上部クラッド層（１０９）を形成する工程と、（ｅ）第２上部クラッド層（１０９）がメサ構造（ＭＳ）を有するようにエッチングを行う工程と、（ｆ）メサ構造（ＭＳ）の両側に、活性層（１０５）よりもバンドギャップの大きい層を含むブロック層（ＢＬＫ）を形成する工程と、を有する。
【００１７】
このような方法により、上述の自励発振型半導体レーザを製造することが可能となる。また、本発明に係る製造工程によれば、活性層（１０５）の表面が大気に曝されることがない。その結果、活性層（１０５）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（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。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、自励発振型半導体レーザにおける自励発振の温度依存性が十分に考慮される。その結果、広い温度範囲にわたって、安定的な自励発振を維持することが可能となる。要求される温度範囲全体にわたって戻り光ノイズが良好に抑制されるため、動作信頼性が向上する。更に、動作電流が低減されるため、長期信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザ及びその製造方法を説明する。その自励発振型半導体レーザは、例えば、ＤＶＤ装置などの光ディスク装置の光源として用いられる。
【００２０】
１．第１の実施の形態
１−１．構造
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構造を示す断面図である。図１において、Ｚ方向は、共振器の軸方向を表す。Ｘ方向（水平方向）は、共振器の軸方向に直角かつｐｎ接合面に平行な方向を表す。Ｙ方向は、共振器の軸方向に直角かつ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。
【００２１】
図１において、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。
【００２２】
更に、メサ構造ＭＳを有する第２上部クラッド層１０９の両側には、ブロック層ＢＬＫが形成されている。つまり、ブロック層ＢＬＫは、メサ構造ＭＳの側面およびメサ構造ＭＳが形成されていない領域のエッチング停止層１０８を覆うように形成されている。後述されるように、このブロック層ＢＬＫは、活性層１０５に注入される注入電流を、上記メサ構造ＭＳに狭窄する役割を果たす。また、このブロック層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。本実施の形態において、ブロック層ＢＬＫは、バンドギャップが活性層１０５よりも大きく、屈折率が第２上部クラッド層１０９よりも小さい層を含んでいる。
【００２３】
更に、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１１３が形成されている。
【００２４】
以上に示された半導体積層構造によって、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が構成されている。その発光波長は、例えば６５０ｎｍ付近である。そのような半導体レーザ素子を構成する各層の一例が、以下に示される。以下の例において、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。当然、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が括弧内に示される。
【００２５】
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＝５×１０１７ｃｍ−３
下部クラッド層１０３：ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ＝１２００ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３
下部ガイド層１０４：ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５）；厚さ＝３０ｎｍ
【００２６】
活性層１０５のバンドギャップは、周囲のガイド層やクラッド層のものより小さく、その屈折率は、周囲のガイド層やクラッド層のものより大きい。本例において、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。各ウェル層はＧａＩｎＰで形成され、その厚さは５．０ｎｍである。各バリア層はＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５）で形成され、その厚さは５．０ｎｍである。尚、ウェルに印加される圧縮歪は、６５０ｎｍ付近で所望の発振波長となるよう調整されている。
【００２７】
上部ガイド層１０６：ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５）；厚さ＝３０ｎｍ
第１上部クラッド層１０７：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さｄ＝３００ｎｍ；不純物濃度＝６×１０１７ｃｍ−３
エッチング停止層１０８：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．２）；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＝４．０μｍ
キャップ層１１０：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ＝３００ｎｍ；不純物濃度＝１．５×１０１８ｃｍ−３
コンタクト層１１３：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ＝３０００ｎｍ；不純物濃度＝２×１０１８ｃｍ−３
【００２８】
ブロック層ＢＬＫは、ｎ型またはアンドープの（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層１１１、及びその上に形成されたｎ型ＧａＡｓ層１１２を含んでいる。Ａｌ組成ｘは１であってもよく、その場合、ブロック層ＢＬＫは、ｎ型またはアンドープのＡｌＩｎＰ層１１１を含むことになる。ＡｌＩｎＰ層１１１（又はＡｌＧａＩｎＰ層１１１）の厚さは、例えば１５０ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ層１１２の厚さは、例えば８５０ｎｍであり、その不純物密度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３である。ＡｌＩｎＰ層１１１（又はＡｌＧａＩｎＰ層１１１）のバンドギャップは、活性層１０５の発光部のものより大きく、その屈折率は、第２上部クラッド層１０９（メサ構造ＭＳ）のものより小さい。すなわち、光吸収係数の小さいブロック層ＢＬＫが形成されている。
【００２９】
このように、第２上部クラッド層１０９とその両側に形成されたブロック層ＢＬＫにより、Ｘ方向に屈折率差が生じている。つまり、ストライプ状のメサ構造ＭＳに対応する部分とそのメサ構造ＭＳ以外に対応する部分との間に、屈折率差が生じている。Ｘ方向の光導波に関連する実効的な屈折率差Δｎは、第１上部クラッド層１０７の厚さｄにも依存している。上述の例で示された構造によれば、Ｘ方向におけるその実効屈折率差Δｎは、２．０×１０−３程度となる。
【００３０】
１−２．動作及び動作特性
図１を参照して、上述のダブルへテロ構造に順バイアスが印加される場合を考える。この時、ブロック層ＢＬＫ（ｎ−ＧａＡｓ層１１２／ｎ−ｏｒｉ−ＡｌＩｎＰ１１１）とその下のｐ型層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層１０８／ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層１０７）との間には、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。
【００３１】
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。その結果、活性層１０５において、メサ構造ＭＳに対応した領域にだけゲイン（反転分布）が発生する。そのような領域は、図１において、利得領域（活性領域）１１４として示されている。
【００３２】
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）は、上述の実効的な屈折率差Δｎによって実現される。より詳細には、光は、活性層１０５内部に完全に閉じ込められず、トンネル効果により、周囲のクラッド層にわずかに染み出している。その染み出した光が、活性層１０５の近傍に形成され相対的に低い屈折率を有するブロック層ＢＬＫを感じる。その結果、Ｘ方向に上述の実効屈折率差Δｎが生じ、光が閉じ込められる。その意味で、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。
【００３３】
活性層１０５において、利得領域１１４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１１４との差分、すなわち、利得領域１１４の外側における光導波領域が、「可飽和吸収領域（saturable absorber region）１１５」となる。この可飽和吸収領域１１５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１１５のボリュームに依存する。その可飽和吸収領域１１５のボリュームは、光導波領域の大きさと利得領域１１４の大きさによって決まる。光導波領域の大きさは、上述の実効屈折率Δｎによってほぼ決まる。一方、利得領域１１４の大きさは、活性層１０５に注入される注入電流の分布幅に対応しており、その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。
【００３４】
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や活性層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１１４は比較的大きくなり、可飽和吸収領域１１５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１１４も比較的小さくなる。従って、可飽和吸収領域１１５として機能し得る損失領域は比較的大きくなる。
【００３５】
このように、可飽和吸収領域１１５として機能し得る損失領域のボリューム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１１５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、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１１５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、戻り光ノイズ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。
【００３６】
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、誘導放射による利得が損失（透過、吸収、散乱等）を上回ると発生する。よって、損失を可能な限り減らすことが好ましい。本実施の形態によれば、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ＡｌＩｎＰ層１１１（又はＡｌＧａＩｎＰ層１１１）を含んでいる。従来技術と異なり、光を吸収する性質を有するＧａＡｓ層だけでブロック層ＢＬＫは構成されていない。その結果、導波路損失が低減され、発振が起こりやすくなる。すなわち、しきい値電流（発振がはじまる電流値）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。
【００３７】
また、導波路損失及びしきい値電流が低減されるため、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。図２は、従来技術及び本発明のそれぞれの半導体レーザ素子に関して、４ｍＷの光出力パワーに必要な動作電流を示している。本発明素子は、上述の例で示された構造を有している。一方、従来素子は、ｎ型ＧａＡｓ層だけで構成されたブロック層を有している。図２から明らかなように、どの温度条件下においても、本発明素子の動作電流は、従来素子の動作電流よりも小さくなっている。これは、本発明素子の導波路損失が低減されており、また、しきい値電流が低減されているからである。より小さい動作電流で十分なため、スロープ効率（slope efficiency）が向上し、且つ、素子寿命が長くなる。すなわち、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。よって、高温条件下において効果はより顕著になる。
【００３８】
次に、本願発明者は、自励発振の温度依存性に関して検証を行った。具体的には、本願発明者は、１次の可干渉性指数γ、及び戻り光量に対する相対雑音強度ＲＩＮ（Relative Intensity Noise）の温度依存性を検証した。強い自励発振が得られている場合、縦モードの波長チャーピングが大きくなり、γ及びＲＩＮは小さい値を示すことになる。逆に、自励発振が弱まると、γ及びＲＩＮは大きくなる。γ及びＲＩＮを測定することにより、安定的な自励発振が得られているか否かを検証することが可能である。ここで、安定的な自励発振を示す基準として、γは６０％以下であり、ＲＩＮが−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下であることが要求される。
【００３９】
図３は、上記例（第１上部クラッド層１０７の厚さｄ＝３００ｎｍ）の場合における、可干渉性指数γと相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示している。この測定実験において、半導体レーザ素子の光出力パワーは４ｍＷであった。光路長（光ディスクとレーザ素子との間の距離）は３４ｍｍであった。戻り光量は１％であった。図３から明らかなように、−１０℃〜７５℃の広い温度範囲にわたって、可干渉指数γと相対雑音強度ＲＩＮの両方が低いレベルに保たれている。γとＲＩＮの温度変化はほとんど見られない。このことは、広い温度範囲にわたって自励発振が弱まることなく安定に保たれていることを意味する。すなわち、本発明によれば、要求される温度範囲全体にわたって安定的な自励発振を維持することが可能となる。
【００４０】
更に、本願発明者は、第１上部クラッド層１０７の“厚さｄ”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。この厚さｄは、光導波領域の大きさを決める上述の実効屈折率Δｎに影響を及ぼす。厚さｄが小さくなると、実効屈折率Δｎは大きくなり、光導波領域の大きさは減少する。一方、厚さｄが大きくなると、実効屈折率Δｎは小さくなり、光導波領域の大きさは増加する。
【００４１】
図４Ａは、様々な厚さｄに関して、可干渉性指数γの温度依存性を示している。また、図４Ｂは、様々な厚さｄに関して、相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示している。図４Ａ及び図４Ｂから明らかなように、厚さｄが２２０ｎｍ、３００ｎｍ、又は４５０ｎｍの場合、−１０℃〜７５℃の広い温度範囲にわたって、γ及びＲＩＮはそれぞれ６０％以下及び−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下に抑えられている。すなわち、要求される温度範囲全体にわたって、安定的な自励発振が保たれている。
【００４２】
しかしながら、厚さｄが１８０ｎｍの場合、高温条件（７５℃）において、γ及びＲＩＮは高くなっている。これは、自励発振が弱まり、戻り光ノイズが大きくなったことを意味している。厚さｄが１８０ｎｍの場合、他の場合に比べて、光導波領域の大きさは減少している。その上、高温条件においては、注入電流の横広がりが大きくなり、利得領域１１４が比較的大きくなっている。その結果、利得過剰となることで可飽和吸収領域１１５のボリュームが小さくなり過ぎ、自励発振が弱まるあるいは停止する。
【００４３】
また、厚さｄが４８０ｎｍの場合、低温条件（−１０℃）及び高温条件（７５℃）において、γ及びＲＩＮは高くなっている。これも、自励発振が弱まり、戻り光ノイズが大きくなったことを意味している。厚さｄが４８０ｎｍの場合、他の場合に比べて、光導波領域の大きさは増加している。その上、低温条件においては、注入電流の横広がりが小さくなり、利得領域１１４が比較的小さくなっている。その結果、損失過剰となることで可飽和吸収領域１１５のボリュームが小さくなり過ぎ、自励発振が弱まるあるいは停止する。また、高温条件においては、キャリアオーバーフローの影響で活性層１０５自身の利得が低下するため、やはり損失過剰により自励発振が弱まるあるいは停止する。
【００４４】
以上に示されたように、可飽和吸収領域１１５のボリュームの温度依存性の観点からは、第１上部クラッド層１０７の“厚さｄ”は２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下に設定されることが好適である。
【００４５】
更に、本願発明者は、上記例において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。
【００４６】
図５Ａ及び図５Ｂは、様々な実効屈折率差Δｎに関して、可干渉性指数γ及び相対雑音強度ＲＩＮのそれぞれの温度依存性を示している。図５Ａ及び図５Ｂから明らかなように、実効屈折率差Δｎが５．０×１０−４以上４．０×１０−３以下の場合、−１０℃〜７５℃の広い温度範囲にわたって、γ及びＲＩＮはそれぞれ６０％以下及び−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下に抑えられている。すなわち、要求される温度範囲全体にわたって、安定的な自励発振が保たれている。一方、実効屈折率差Δｎがそれ以外の範囲の場合、自励発振が弱まってしまう。
【００４７】
次に、第１上部クラッド層１０７におけるキャリア濃度（ｐ濃度）に関する検証が行われた。図６Ａ及び図６Ｂは、様々なキャリア濃度に関して、可干渉性指数γ及び相対雑音強度ＲＩＮのそれぞれの温度依存性を示している。図６Ａ及び図６Ｂから明らかなように、第１上部クラッド層１０７のキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上２×１０１８ｃｍ−３以下である場合、−１０℃〜７５℃の広い温度範囲にわたって、γ及びＲＩＮはそれぞれ６０％以下及び−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下に抑えられている。すなわち、要求される温度範囲全体にわたって、安定的な自励発振が保たれている。一方、キャリア濃度がそれ以外の範囲の場合、自励発振が弱まってしまう。
【００４８】
次に、注入電流の分布を決めるパラメータの一つである、メサ構造底部のＸ方向の幅Ｗに関する検証が行われた。図７Ａ及び図７Ｂは、様々なパラメータＷに関して、可干渉性指数γ及び相対雑音強度ＲＩＮのそれぞれの温度依存性を示している。図７Ａ及び図７Ｂから明らかなように、メサ構造底部の幅Ｗが３．５μｍ以上５．０μｍ以下である場合、−１０℃〜７５℃の広い温度範囲にわたって、γ及びＲＩＮはそれぞれ６０％以下及び−１１０ｄＢ／Ｈｚ以下に抑えられている。すなわち、要求される温度範囲全体にわたって、安定的な自励発振が保たれている。一方、幅Ｗがそれ以外の範囲の場合、自励発振が弱まってしまう。
【００４９】
１−３．製造方法
次、上述の半導体レーザ素子を製造するための方法の一例を説明する。
まず、図８Ａに示されるように、半導体基板１０１の上に、半導体積層構造がエピタキシャル成長により形成される。その半導体積層構造は、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から構成されている。
【００５０】
具体的には、半導体基板１０１（ｎ型ＧａＡｓ）上に、バッファ層１０２（ｎ型ＧａＡｓ，厚さ＝６５０ｎｍ，不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３）を介して、下部クラッド層１０３（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７），厚さ＝１２００ｎｍ，不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３）が形成される。その下部クラッド層１０３上に、下部ガイド層１０４（ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５），厚さ＝３０ｎｍ）を介して、多重量子井戸活性層１０５（ウェル層：ＧａＩｎＰ，厚さ＝５．０ｎｍ；バリア層：ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５），厚さ＝５．０ｎｍ）が形成される。そのウェル層に印加される圧縮歪は、６５０ｎｍ付近で所望の発振波長となるよう調整されている。
【００５１】
更に、多重量子井戸活性層１０５上に、上部ガイド層１０６（ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．４５），厚さ＝３０ｎｍ）を介して、第１上部クラッド層１０７（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７））が形成される。ここで、第１上部クラッド層１０７の厚さｄは、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下であり、そのキャリア濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上２×１０１８ｃｍ−３以下である。その第１上部クラッド層１０７上に、エッチング停止層１０８（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．２），厚さ＝１０ｎｍ，不純物濃度＝６×１０１７ｃｍ−３）を介して、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）が形成される。更に、第２上部クラッド層１０９上に、キャップ層１１０（ｐ型ＧａＡｓ，厚さ＝３００ｎｍ，不純物濃度＝１．５×１０１８ｃｍ−３）が形成される。
【００５２】
次に、熱ＣＶＤ、フォトリソグラフィ、弗酸によるエッチングを通して、キャップ層１１０上の所定の領域にＳｉＯ２マスク２００が形成される。続いて、図８Ｂに示されるように、そのＳｉＯ２マスク２００を用いることによって、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が行われる。その結果、第２上部クラッド層１０９は、メサ構造ＭＳを有するように加工される。そのメサ構造ＭＳの底部のＸ方向の幅Ｗは、３．５μｍ以上５．０μｍ以下に設定される。尚、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。
【００５３】
次に、図８Ｃに示されるように、ＳｉＯ２マスク２００を用いた選択エピタキシャル成長により、メサ構造ＭＳの両側にブロック層ＢＬＫが形成される。具体的には、メサ構造ＭＳの側面及びエッチング停止層１０８の露出面を覆うように、ｎ型またはアンドープのＡｌＧａＩｎＰ層１１１（厚さ＝１５０ｎｍ）が形成される。そして、そのＡｌＧａＩｎＰ層１１１の上に、ｎ型ＧａＡｓ層１１２（厚さ＝８５０ｎｍ，不純物濃度＝３×１０１８ｃｍ−３）が形成される。
【００５４】
次に、ＳｉＯ２マスク２００が除去された後、図８Ｄに示されるように、コンタクト層１１３（ｐ型ＧａＡｓ，厚さ＝３０００ｎｍ，不純物濃度＝２×１０１８ｃｍ−３）がエピタキシャル成長により形成される。その後、両面に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、４５０℃の温度下で電極アロイが行われる。最後に、素子長が３５０μｍ、素子幅が２５０μｍとなるように切り出しが行われ、前方端面（光出射面）の反射率が２０％程度、後方端面の反射率が７０％程度となるようにコーティングが行われる。
【００５５】
このようにして、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が製造され得る。上述の工程によれば、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。
【００５６】
１−４．効果
光吸収性のＧａＡｓ層だけでブロック層が構成される場合、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。
【００５７】
本実施の形態によれば、ブロック層ＢＬＫは、活性層１０５よりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＩｎＰ層１１１を含んでいる。すなわち、発振波長域における光吸収係数の小さいブロック層ＢＬＫが形成されている。このようなブロック層ＢＬＫにより、導波路損失は低減され、発振が起こりやすくなる。その結果、しきい値電流が低減され、スロープ効率が向上し、動作電流が低減される。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低減されているため、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、しきい値電流が低減され、且つ、スロープ効率が向上するため、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（図２参照）。更に、動作電流が低減されるため、素子寿命が長くなる。すなわち、本実施の形態によれば、素子性能が向上し、長期信頼性が向上する。
【００５８】
更に、本実施の形態によれば、第１上部クラッド層１０７の厚さｄは、２２０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下に設計される。この場合、図４Ａ及び図４Ｂで示されたように、広い温度範囲（−１０℃〜７５℃）にわたって、可干渉性指数γ及び相対雑音強度ＲＩＮが十分低い値に保たれる。このことは、広い温度範囲にわたって自励発振が弱まることなく安定的に維持されていることを意味する。このように、本実施の形態によれば、光ディスク装置の光源として要求される全温度範囲（−１０℃〜７５℃）にわたって、良好な信号再生が可能となる。戻り光ノイズが十分抑制され、半導体レーザの信頼性が向上する。
【００５９】
上述の構成によれば、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、広い温度範囲で適切にバランスさせることができる。よって、自励振動に適した利得特性を、広い動作温度範囲にわたって実現することができる。そのような発振特性を、低しきい値電流か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、上記構成により、自励強度の温度依存性の面内ばらつき低減および高い再現性が得られる。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。
【００６０】
２．第２の実施の形態
図９は、本発明の第２の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構造を示す断面図である。図９において、図１で示された構造と同様の構造には同じ符号が付され、重複する説明は適宜省略される。
【００６１】
本実施の形態によれば、ブロック層ＢＬＫは、ＧａＡｓ層を含まず、第１導電型の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層１２０だけから構成されている。例えば、ブロック層ＢＬＫは、ｎ型ＡｌＩｎＰ層１２０（ｘ＝１）を含んでいる。そのｎ型ＡｌＩｎＰ層１２０の厚さは、例えば１０００ｎｍであり、その不純物密度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３である。このような構成によっても、第１の実施の形態と同じ効果が得られる。また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００６２】
３．第３の実施の形態
第１の実施の形態で示された例では、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付近であった。本発明は、半導体積層構造がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料から形成され、発光波長が７８０ｎｍ付近である自励発振型半導体レーザに対しても有効である。図１０は、そのような自励発振型半導体レーザの構造を示している。既出の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。図１０で示される構造の各層の一例が、以下に示される。
【００６３】
半導体基板３０１：ｎ型ＧａＡｓ
バッファ層３０２：ｎ型ＧａＡｓ；厚さ＝６５０ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３
下部クラッド層３０３：ｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）；厚さ＝１２００ｎｍ；不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３
下部ガイド層３０４：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３４）；厚さ＝８０ｎｍ
多重量子井戸活性層３０５：ウェル層（ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．０５），厚さ＝４．８ｎｍ）；バリア層（ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３４），厚さ＝５．０ｎｍ）
上部ガイド層３０６：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３４）；厚さ＝８０ｎｍ
第１上部クラッド層３０７：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）；厚さｄ＝２５０ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３
エッチング停止層３０８：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２）；厚さ＝１０ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３
第２上部クラッド層３０９：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）；厚さ＝１０００ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３；メサ構造ＭＳの底部の幅Ｗ＝４．５μｍ
キャップ層３１０：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ＝３００ｎｍ；不純物濃度＝１．５×１０１８ｃｍ−３
コンタクト層３１３：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ＝３０００ｎｍ；不純物濃度＝２×１０１８ｃｍ−３
【００６４】
ブロック層ＢＬＫは、第１の実施の形態と同様に、ｎ型またはアンドープのＡｌＩｎＰ層３１１（又はＡｌＧａＩｎＰ層３１１）、及びその上に形成されたｎ型ＧａＡｓ層３１２を含んでいる。ＡｌＩｎＰ層３１１（又はＡｌＧａＩｎＰ層３１１）の厚さは、例えば１５０ｎｍである。ｎ型ＧａＡｓ層３１２の厚さは、例えば８５０ｎｍであり、その不純物密度は、例えば３×１０１８ｃｍ−３である。あるいは、ブロック層ＢＬＫは、第２の実施の形態と同様に、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層だけから構成されていてもよい。上述の構成によれば、Ｘ方向における実効屈折率差Δｎは、２．５×１０−３程度となる。
【００６５】
本実施の形態に係る構成によっても、第１の実施の形態と同じ効果が得られる。すなわち、パラメータｄを適宜設定することにより、広い温度範囲にわたって安定的な自励発振を維持することが可能となる。また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００６６】
４．第４の実施の形態
本発明に係る自励発振型半導体レーザにおいて、異なる発光波長を有する複数の光源が、モノリシックに集積化されていてもよい。例えば、第１の実施の形態で示された第１の光源（発光波長＝６５０ｎｍ付近）と第３の実施の形態で示された第２の光源（発光波長＝７８０ｎｍ付近）が、半導体基板上にモノリシックに形成されていてもよい。その場合、図１で示された構造と図１０で示された構造が、１チップ上に一体構造として形成される。そのような一体構造を形成するための方法の一例が、以下に示される。尚、既出の実施の形態と重複する説明は、適宜省略される。
【００６７】
まず、図１１Ａに示されるように、半導体基板１０１上に、上述の半導体層１０２〜１１０のそれぞれが順番に形成される。次に、発光波長が６５０ｎｍである第１の光源が形成される第１の領域に、フォトリソグラフィ技術によってＳｉＯ２マスク４０１が形成される。続いて、そのＳｉＯ２マスク４０１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の領域以外の半導体層１０２〜１１０が除去される。その結果、第１の領域における半導体基板１０１上に、第１の光源の基礎となる第１の半導体積層構造が形成される。
【００６８】
次に、ＳｉＯ２マスク４０１が除去された後、図１１Ｂに示されるように、上述の半導体層３０２〜３１０のそれぞれが順番に形成される。すなわち、半導体基板１０１及び上記第１の半導体積層構造を覆うように、半導体層３０２〜３１０がそれぞれ全面に形成される。ここで、２つの光源の発行点の高さが揃うように、バッファ層３０２や下部クラッド層３０３の厚さは適宜調整される。その結果、半導体基板１０１と第１の光源の活性層１０５との間の距離は、半導体基板１０１と第２の光源の活性層３０５との間の距離と実質的に等しくなる。
【００６９】
次に、図１１Ｃに示されるように、発光波長が７８０ｎｍである第２の光源が形成される第２の領域に、フォトリソグラフィ技術によってＳｉＯ２マスク４０２が形成される。続いて、そのＳｉＯ２マスク４０２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の領域以外の半導体層３０２〜３１０が除去される。その結果、第２の領域における半導体基板１０１上に、第２の光源の基礎となる第２の半導体積層構造が形成される。尚、第１の半導体積層構造と第２の半導体積層構造の形成順序は逆であってもよい。
【００７０】
次に、図１１Ｄに示されるように、キャップ層１１０及び３１０上の所定の領域に、ＳｉＯ２マスク４０３及び４０４がそれぞれ形成される。続いて、それらＳｉＯ２マスク４０３及び４０４を用いることによって、エッチング停止層１０８及び３０８がそれぞれ露出するまでウェットエッチングが行われる。その結果、第１の領域及び第２の領域のそれぞれに、メサ構造ＭＳ１及びＭＳ２が一括して形成される。メサ構造ＭＳ１及びＭＳ２の底部のＸ方向の幅Ｗ１及びＷ２は、それぞれ４．０μｍ及び４．５μｍである。尚、メサ構造ＭＳ１及びＭＳ２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。
【００７１】
その後、第１の領域及び第２の領域のそれぞれにおいて、メサ構造ＭＳ１及びＭＳ２のそれぞれの両側にブロック層ＢＬＫが形成される。それぞれのブロック層ＢＬＫの形成方法は、既出の実施の形態と同様である。このようにして、半導体基板１０１上に、発光波長の異なる第１の光源及び第２の光源がモノリシックに形成される。実効屈折率差Δｎは、第１の光源（発光波長＝６５０ｎｍ）に関して２．０×１０−３程度、第２の光源（発光波長＝７８０ｎｍ）に関して２．５×１０−３程度である。
【００７２】
本実施の形態に係る構成によっても、既出の実施の形態と同じ効果が得られる。すなわち、第１の光源と第２の光源のそれぞれに関して、広い温度範囲にわたって安定的な自励発振を維持することが可能となる。更に、第１の光源と第２の光源のそれぞれに関して、動作電流を低減することが可能となる。
【００７３】
５．第５の実施の形態
第４の実施の形態において、第２上部クラッド層１０９の材質はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）であり、第２上部クラッド層３０９の材質はｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５）であった。異なる材質にもかかわらず、適切なエッチングプロセスによって、メサ構造ＭＳ１及びＭＳ２が一括して形成された。そのような適切なエッチングプロセスが利用できない場合は、全ての光源に関して、同じ材質で第２上部クラッド層が形成されるとよい。
【００７４】
例えば、第２の領域における第２上部クラッド層の材質として、第１の領域におけるものと同じｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）が用いられるとよい。その場合の製造工程の一部が図１２に示されている。図１２は、第４の実施の形態で示された図１１Ｂに対応している。図１２に示されている通り、半導体層３０２〜３１０の代わりに、半導体層５０２〜５１０が形成されている。図１２で示される構造の各層の一例が、以下に示される。
【００７５】
バッファ層５０２：ｎ型ＧａＡｓ；厚さ＝６５０ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３
下部クラッド層５０３：ｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．６５）；厚さ＝１２００ｎｍ；不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ−３
下部ガイド層５０４：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）；厚さ＝５ｎｍ
多重量子井戸活性層５０５：ウェル層（ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．０４），厚さ＝４．５ｎｍ）；バリア層（ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４），厚さ＝５．０ｎｍ）
上部ガイド層５０６：ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４）；厚さ＝５ｎｍ
第１上部クラッド層５０７：ｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．６５）；厚さｄ＝２５０ｎｍ；不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ−３
エッチング停止層５０８：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５０９：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）；厚さ＝１０００ｎｍ；不純物濃度＝６×１０１７ｃｍ−３
キャップ層５１０：ｐ型ＧａＡｓ；厚さ＝３００ｎｍ；不純物濃度＝１．５×１０１８ｃｍ−３
【００７６】
このように、第２の領域における第２上部クラッド層５０９の材質として、第１の領域におけるものと同じｐ型ＡｌＧａＩｎＰ（ｘ＝０．７）が用いられる。その結果、第１の領域及び第２の領域のそれぞれに、エッチングによりメサ構造ＭＳ１及びＭＳ２を一括して形成することが可能となる。その他の製造工程は、第４の実施の形態で示されたものと同様である。本実施の形態によっても第４の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００７７】
６．まとめ
以上に説明されたように、本発明によれば、自励発振型半導体レーザにおける自励発振の温度依存性が十分に考慮される。その結果、広い温度範囲にわたって、安定的な自励発振を維持することが可能となる。要求される温度範囲全体にわたって戻り光ノイズが良好に抑制されるため、動作信頼性が向上する。更に、動作電流が低減されるため、長期信頼性が向上する。尚、本発明は、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系だけでなく、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＧａＮ系、ＺｎＳｅ系等の自励発振型半導体レーザにも適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、動作電流の温度依存性を示すグラフである。
【図３】図３は、可干渉性指数γ及び相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示すグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、様々なパラメータｄに関して、可干渉性指数γの温度依存性を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、様々なパラメータｄに関して、相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、様々なパラメータΔｎに関して、可干渉性指数γの温度依存性を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、様々なパラメータΔｎに関して、相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示すグラフである。
【図６Ａ】図６Ａは、様々なキャリア密度に関して、可干渉性指数γの温度依存性を示すグラフである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、様々なキャリア密度に関して、相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、様々なパラメータＷに関して、可干渉性指数γの温度依存性を示すグラフである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、様々なパラメータＷに関して、相対雑音強度ＲＩＮの温度依存性を示すグラフである。
【図８Ａ】図８Ａは、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは、第１の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第３の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、第４の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【図１２】図１２は、第５の実施の形態に係る自励発振型半導体レーザの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０１  半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ）
１０２  バッファ層（ｎ型ＧａＡｓ）
１０３  下部クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ）
１０４  下部ガイド層（ＡｌＧａＩｎＰ）
１０５  多重量子井戸活性層（ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ）
１０６  上部ガイド層（ＡｌＧａＩｎＰ）
１０７  第１上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ）
１０８  エッチング停止層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ）
１０９  第２上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ）
１１０  キャップ層（ｐ型ＧａＡｓ）
１１１  ＡｌＩｎＰ層
１１２  ｎ型ＧａＡｓ層
１１３  コンタクト層（ｐ型ＧａＡｓ）
１１４  利得領域
１１５  可飽和吸収領域
１２０  ＡｌＩｎＰ層
２００  ＳｉＯ２マスク
３０１  半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ）
３０２  バッファ層（ｎ型ＧａＡｓ）
３０３  下部クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＡｓ）
３０４  下部ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）
３０５  多重量子井戸活性層（ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）
３０６  上部ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）
３０７  第１上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ）
３０８  エッチング停止層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ）
３０９  第２上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ）
３１０  キャップ層（ｐ型ＧａＡｓ）
３１１  ＡｌＩｎＰ層
３１２  ｎ型ＧａＡｓ層
３１３  コンタクト層（ｐ型ＧａＡｓ）
４０１、４０２、４０３、４０４  ＳｉＯ２マスク
５０２  バッファ層（ｎ型ＧａＡｓ）
５０３  下部クラッド層（ｎ型ＡｌＧａＡｓ）
５０４  下部ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）
５０５  多重量子井戸活性層（ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）
５０６  上部ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）
５０７  第１上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＡｓ）
５０８  エッチング停止層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ）
５０９  第２上部クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ）
５１０  キャップ層（ｐ型ＧａＡｓ）
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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２】
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