(57)【要約】【課題】寿命が長く、かつ、素子構造の設計の自由度が大きい半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子は、屈折率可変領域１８と、この屈折率可変領域１８にレーザ出射方向で隣り合うレーザダイオード発振領域１９とを備える。屈折率可変領域１８にキャリアが時間的に変化して注入されることによって、屈折率可変領域１８の屈折率が時間的に変化する。【選択図】図４
2005158858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザダイオード発振領域と、
このレーザダイオード発振領域にレーザ出射方向で隣り合うと共に、キャリアが時間的に変化して注入されて屈折率が時間的に変化する屈折率可変領域と
を備えることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記屈折率可変領域上に形成された第１電極と、
上記レーザダイオード発振領域上に形成されていると共に、上記第１電極に対して電気的に分離された第２電極とを備えることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記レーザダイオード発振領域は、多重量子井戸構造を持つ活性層を有し、
上記屈折率可変領域は、多重量子井戸構造が無秩序化されてなる活性層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記屈折率可変領域および上記レーザダイオード発振領域は、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系材料またはＧａＡｌＮ系材料で形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記屈折率可変領域は出射レーザ光のエネルギより大きい禁制帯幅を持つ活性層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体レーザ素子の駆動方法であって、
上記屈折率可変領域に電流を時間的に変化させて流すことを特徴とする半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ素子の駆動方法であって、
上記屈折率可変領域に光を時間的には変化させて照射することを特徴とする半導体レーザ素子の駆動方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体レーザ素子の駆動方法において、
上記屈折率可変領域に照射する上記光のエネルギは、上記屈折率可変領域が有する活性層の禁制帯幅よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ピックアップや光記録等に使用される半導体レーザ素子およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子は大容量記録のための光ディスクの記録、再生用の光源として利用されている。従来、半導体レーザ素子としては、電子情報通信学会技術研究報告OQE91-24（非特許文献１）に開示されたものがある。この半導体レーザ素子は、図７に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に順次結晶成長したｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０２、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０３、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層２０４、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０５、ｐ型第１クラッド層２０６、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層２０７、ｐ型第２クラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１４を備えている。また、上記ｐ型第２クラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層２０９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０の両側にはｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２１２を形成している。そして、上記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１４上にはｐ型電極２１５を形成する一方、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１下にはｎ型電極２１６を形成している。
【０００３】
以下、図５〜図７を用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０００４】
まず、ＭＢＥ（分子線結晶成長）装置またはＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置などを用いて、図５に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０２、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０３、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層２０４、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層２０５、ｐ型第１クラッド層２０６、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層２０７、ｐ型第２クラッド層１２０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１２０９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１２１０を順次結晶成長させる。
【０００５】
次に、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２１０上にＡｌ2Ｏ3膜１２１１をＥＢ（電子ビーム）蒸着装置やスパッタ装置などで形成した後、フォトリソグラフィやエッチングによってｐ型第２クラッド層１２０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２１０およびＡｌ2Ｏ3膜１２１１をメサストライプ状に整形する。これにより、図６に示すように、ｐ型第２クラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層２０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０およびＡｌ2Ｏ3膜２１１が得られる。
【０００６】
次に、上記ｐ型第２クラッド層２０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層２０９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０の両側にｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２１２をＭＢＥ装置またはＭＯＣＶＤ装置で結晶成長させて、Ａｌ2Ｏ3膜２１１およびその上の不要層２１３を除去する。
【０００７】
次に、図７に示すように、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０およびｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２１２上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１４をＭＢＥ装置またはＭＯＣＶＤ装置で結晶成長させる。
【０００８】
次に、上記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１４上にｐ型電極２１５を蒸着などで形成すると共に、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１下にｎ型電極２１６を蒸着などで形成することにより、半導体レーザ素子が完成する。
【０００９】
この半導体レーザ素子は、メサストライプの幅とｐ型第１クラッド層２０６の層厚との値を調節することによって、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層２０４のメサストライプの外側に可飽和吸収領域を形成し、戻り光ノイズに強い自励発振型半導体レーザ素子にすることができる。この自励発振型半導体レーザ素子を用いた光ピックアップ装置は、光ディスクの読み出しの際の戻り光の影響を排除し、光ディスクの情報を安定して読み出すことができる。また、上記光ピックアップ装置は、例えば、高周波重畳回路などの電子部品が不要となり、低コスト化が図れる。
【００１０】
最近では、可飽和吸収層を活性層の両側に作りつけた自励発振型半導体レーザ素子なども開発されている。そして、半導体レーザ素子は光記憶装置の高密度化、高速化のため発光波長の短波長化、その光出力を継続しても特性が劣化するまでの時間が実用レベル以上である実用光出力の増大が望まれている。
【００１１】
しかしながら、上記従来の半導体レーザ素子では、活性層の両側に可飽和吸収層を形成すると、内部ロスが大きくなるため、駆動電流が大きくなって、寿命が短くなるという問題が生じると共に、素子構造の設計の自由度が少なくなるという問題が生じていた。
【非特許文献１】電子情報通信学会技術研究報告OQE91-24
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明の課題は、寿命が長く、かつ、素子構造の設計の自由度が大きい半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、第１の発明の半導体レーザ素子は、レーザダイオード発振領域と、このレーザダイオード発振領域にレーザ出射方向で隣り合うと共に、キャリアが時間的に変化して注入されて屈折率が時間的に変化する屈折率可変領域とを備えることを特徴としている。
【００１４】
上記構成の半導体レーザ素子によれば、レーザダイオード発振領域とは別に屈折率可変領域にキャリアが時間的に変化して注入すると、屈折率可変領域の屈折率が時間的に変化する。これによって出射するレーザ光の位相を時間的に変えることができるために、戻り光により出射するレーザ光が影響されにくくなる。したがって、上記半導体レーザ素子を例えば光ピックアップ装置に用いることにより、戻り光ノイズを低減することができる。
【００１５】
また、上記戻り光ノイズを低減するための例えば可飽和吸収領域を用いないから、駆動電流が低減し、寿命を延ばすことができる。
【００１６】
また、上記レーザダイオード発振領域が有する活性層の両側に可飽和吸収領域を形成しないから、レーザダイオード発振領域の構造の制限が無くなり、素子構造の設計の自由度を大きくすることができる。
【００１７】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記屈折率可変領域上に形成された第１電極と、上記レーザダイオード発振領域上に形成されていると共に、上記第１電極に対して電気的に分離された第２電極とを備える。
【００１８】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第１電極と第２電極とは電気的または物理的に分離されているから、第１電極に電流を流すことにより、レーザダイオード発振領域とは別に屈折率可変領域にキャリアを容易に注入することができる。
【００１９】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記レーザダイオード発振領域は、多重量子井戸構造を持つ活性層を有し、上記屈折率可変領域は、多重量子井戸構造が無秩序化されてなる活性層を有する。
【００２０】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記屈折率可変領域および上記レーザダイオード発振領域は、それぞれ、ＡｌＧａＩｎＰ系材料またはＧａＡｌＮ系材料で形成されている。
【００２１】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記屈折率可変領域は出射レーザ光のエネルギより大きい禁制帯幅を持つ活性層を有する。
【００２２】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記屈折率可変領域が持つ活性層の禁制帯幅より出射レーザ光のエネルギが小さいので、出射レーザは屈折率可変領域の活性層を通過できる。つまり、上記屈折率可変領域の活性層は出射レーザ光の波長に対して透明になる。
【００２３】
第２の発明の半導体レーザ素子の駆動方法は、上記第１の発明の半導体レーザ素子の駆動方法であって、上記屈折率可変領域に電流を時間的に変化させて流すことを特徴としている。
【００２４】
第３の発明の半導体レーザ素子の駆動方法は、上記第１の発明の半導体レーザ素子の駆動方法であって、上記屈折率可変領域に光を時間的には変化させて照射することを特徴としている。
【００２５】
一実施形態の半導体レーザ素子の駆動方法では、上記第２の発明の半導体レーザ素子の駆動方法において、上記屈折率可変領域に照射する上記光のエネルギは、上記屈折率可変領域が有する活性層の禁制帯幅よりも大きい。
【発明の効果】
【００２６】
第１の発明の半導体レーザ素子は、レーザダイオード発振領域とは別に屈折率可変領域にキャリアが時間的に変化して注入することによって、屈折率可変領域の屈折率が時間的に変化するから、戻り光ノイズを低減することができる。
【００２７】
また、上記戻り光ノイズを低減するための例えば可飽和吸収領域を用いないから、駆動電流が低減し、寿命を延ばすことができる。
【００２８】
また、上記可飽和吸収領域を用いないから、レーザダイオード発振領域の構造の制限が無くなり、素子構造の設計の自由度を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の一実施の形態の低雑音型半導体レーザ素子は以下のようにして作製する。
【００３０】
まず、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層５、ｐ型第１クラッド層６、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層７、ｐ型第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１０９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０を分子線結晶成長装置または有機金属気相成長装置などで順次結晶成長させる。
【００３１】
次に、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０上にＡｌ2Ｏ3膜１１１をＥＢ蒸着やスパッタなどで積層した後、フォトリソグラフィやエッチングによって、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層１０９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０およびＡｌ2Ｏ3膜１１１をメサストライプ状に整形する。これにより、図２に示すように、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層９、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０およびＡｌ2Ｏ3膜１１が得られる。
【００３２】
次に、上記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層８、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０の両側に、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１２をＭＢＥ装置またはＭＯＣＶＤ装置で結晶成長させて、Ａｌ2Ｏ3膜１１およびその上の不要層１３を除去する。
【００３３】
次に、図３に示すように、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０およびｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１２上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４をＭＢＥ装置またはＭＯＣＶＤ装置で結晶成長させる。
【００３４】
次に、スパッタ法、フォトリソグラフィおよびエッチングを行って、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４の一方の端面から約５０μｍまでの領域上のみにｐ型ＺｎＯ層を結晶成長させる。このとき、上記スパッタ法の代わりにＣＶＤ（化学蒸気堆積）法を用いてもよい。
【００３５】
次に、アニールなどの熱プロセスを行うことにより、ｐ型ＺｎＯ層下の領域にＺｎを拡散させる。そうすると、上記ｐ型ＺｎＯ層下のＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４が無秩序化する。言い換えれば、上記ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４において、ｐ型ＺｎＯ層下に位置する領域の量子井戸構造が無秩序化する。
【００３６】
次に、上記ｐ型ＺｎＯ層を除去した後、図４に示すように、分離溝２０を形成することによって、屈折率可変領域１８と、この屈折率可変領域１８にレーザ出射方向で隣り合うＬＤ（レーザダイオード）発振領域１９とを形成する。ここで、図４の点線で囲んだ領域はｐ型ＺｎＯ層のＺｎが拡散した領域である。このように、上記ｐ型ＺｎＯ層のＺｎは屈折率可変領域１８のみに拡散している。
【００３７】
上記屈折率可変領域１８は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の一部、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３Ａ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４Ａ、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層５Ａ、ｐ型第１クラッド層６Ａ、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層７Ａ、ｐ型第２クラッド層８Ａ、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層９Ａ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０Ａおよびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４Ａを有している。一方、上記ＬＤ発振領域１９は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に形成されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の一部、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３Ｂ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４Ｂ、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層５Ｂ、ｐ型第１クラッド層６Ｂ、ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層７Ｂ、ｐ型第２クラッド層８Ｂ、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層９Ｂ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０Ｂおよびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４Ｂを有している。上記ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３Ａから図中上方に向ってｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４Ａまでの層と、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３Ｂから図中上方に向ってｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４Ａまでの層とは、分離溝２０によって電気的に分離されている。
【００３８】
次に、上記屈折率可変領域１８上にｐ型第１電極１６を形成し、ＬＤ発振領域１９上にｐ型第２電極１５を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１下にｎ型共通電極１７を形成すると、低雑音型半導体レーザ素子の構造が完成する。
【００３９】
このように作製された低雑音型半導体レーザ素子は、５０ｍＷ以上の光出力での低雑音化が図れた。なお、図７の従来の半導体レーザ素子は、１０ｍＷの光出力まででしか低雑音化できない。
【００４０】
また、上記低雑音型半導体レーザ素子は、可飽和吸収領域を有さないので、駆動電流を２０ｍＡに改善できた。これによって、上記低雑音型半導体レーザ素子は、７０℃、１０ｍＷで１００００ｈ以上の寿命を得ることができた。つまり、上記低雑音型半導体レーザ素子は信頼性を向上できた。なお、図７の従来の半導体レーザ素子は、駆動電流が３５ｍＡであるため、７０℃、１０ｍＷで５０００ｈの寿命しか得られない。
【００４１】
上記低雑音型半導体レーザ素子を駆動させる場合、キャリア分布を電流で時間的に変化させることによって、上述の作用効果を得ている。具体的には、上記ｐ型第１電極１６とｎ型共通電極１７との間にパルス電流を流してキャリア分布を時間的に変化させることによって、低雑音化および長寿命化を達成している。
【００４２】
また、上記屈折率可変領域１８のＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４Ａが持つ多重量子井戸構造は、ｐ型ＺｎＯ層によるＺｎ拡散で無秩序化している。このような多重量子井戸構造の無秩序化は簡単であった。本実施の形態以外で多重量子井戸構造を無秩序化する方法としては、例えば、一方の端面をエッチングして、活性層の禁制帯幅より大きな禁制帯幅の材料でその端面を埋め込む方法がある。しかし、この方法では、本実施の形態の無秩序化の方法よりも、ＭＢＥやＭＯＣＶＤなどでの結晶成長回数が増え、埋め込み部分とＬＤ発振領域との界面の影響などで３０％以上のコストアップ、そして、駆動電流特性が２０ｍＡから３０ｍＡへ悪化してしまう。したがって、本実施の形態の無秩序化の方法の方が上記材料で端面を埋め込む方法よりも好ましい。
【００４３】
上記実施の形態では、ｐ型第１電極１６とｎ型共通電極１７との間にパルス電流を流してキャリア分布を時間的に変化させていたが、屈折率可変領域１８に光を時間的に変化させて照射することによってキャリア分布を時間的に変化させてもよい。このように屈折率可変領域１８に光を時間的に変化させて照射する場合、この光の波長エネルギは屈折率可変領域１８のＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４Ａの禁制帯幅より大きくする必要がある。これは、上記光の波長エネルギが屈折率可変領域１８のＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４Ａの禁制帯幅より小さいと、屈折率可変領域１８のＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層４Ａで光吸収によるキャリア分布の変化がおこらないからです。また、その場合、上記屈折率可変領域１８に照射する光の量を時間的に変化させる。
【００４４】
また、上記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で半導体レーザ素子を作製したが、化合物半導体材料で半導体レーザ素子を作製してもよい。例えば、ＧａＡｌＮ系で半導体レーザ素子を作製してもよい。
【００４５】
また、上記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３Ａからｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４Ａまでの層と、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層３Ｂからｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４Ａまでの層とは、分離溝２０によって電気的に分離していたが、例えば絶縁体によって電気的に分離してもよい。
【００４６】
また、上記実施の形態では、基板上に、複数のｎ型半導体層、活性層および複数のｐ型半導体層を順次積層していたが、複数のｐ型半導体層、活性層および複数のｎ型半導体層を順次積層してもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態の半導体レーザ素子は、特に光ピックアップや光記録に用いる低雑音型半導体レーザ素子として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は本発明の一実施の形態の半導体レーザ素子を光出射端面側から見た概略断面図である。
【図２】図２は上記半導体レーザ素子を光出射端面側から見た概略断面図である。
【図３】図３は上記半導体レーザ素子を光出射端面側から見た概略断面図である。
【図４】図４は上記半導体レーザ素子を側面（光出射端面に対して略垂直な面）側から見た概略断面図である。
【図５】図５は従来の半導体レーザ素子を光出射端面側から見た概略断面図である。
【図６】図６は上記従来の半導体レーザ素子を光出射端面側から見た概略断面図である。
【図７】図７は上記従来の半導体レーザ素子を光出射端面側から見た概略断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…ｎ型ＧａＡｓ基板
２…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３Ａ，３Ｂ…ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
４Ａ，４Ｂ…ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ歪量子井戸活性層
５Ａ，５Ｂ…ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
６Ａ，６Ｂ…ｐ型第１クラッド層
７Ａ，７Ｂ…ｐ型ＧａＩｎＰエッチストップ層
８Ａ，８Ｂ…ｐ型第２クラッド層
９Ａ，９Ｂ…ｐ型ＧａＩｎＰ中間層
１０Ａ，１０Ｂ…ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１１…Ａｌ2Ｏ3膜
１２…ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層
１３…不要層
１４Ａ，１４Ｂ…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１５…ｐ型第２電極
１６…ｐ型第１電極
１７…ｎ型共通電極
１８…屈折率可変領域
１９…ＬＤ発振領域
【図１】
2005158858.tif 000003
【図２】
2005158858.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005158858.tif 000007
【図６】
2005158858.tif 000008
【図７】
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