(57)【要約】【課題】良好なセルフパルセーション特性と高いキンクレベルとの両立が可能であり、優れた特性を有する半導体発光装置を提供する。【解決手段】少なくとも、ｎ型クラッド層４，活性層５およびｐ型クラッド層６がこの順に積層されてなる積層構造部を備え、この積層構造部上にはリッジ構造部と金属電極８とが設けられている。この積層構造部は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料により構成され、この積層構造部のうちｐ型クラッド層６は、６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の厚さを有する。リッジ構造部は、ＧａＡｓ系化合物半導体材料を含んで構成されると共に、中央部の幅が５．５μｍ±０．３μｍ、端部付近の幅が３．０μｍ±０．３μｍのテーパードストライプ形状を有する。金属電極８は、積層構造部の上面のうちリッジ構造部の両側の領域、およびリッジ構造部の上面に設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料により構成されると共に、少なくとも、ｎ型クラッド層と、活性層と、厚さが６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の第１ｐ型クラッド層とがこの順に積層されてなる積層構造部と、
前記積層構造部上に設けられ、ＧａＡｓ系化合物半導体材料を含んで構成されると共に、中央部の幅が５．５μｍ±０．３μｍ、端部付近の幅が３．０μｍ±０．３μｍのテーパードストライプ形状のリッジ構造部と、
前記積層構造部の上面のうち前記リッジ構造部の両側の領域、および前記リッジ構造部の上面に設けられた金属電極と
を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記リッジ構造部は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料よりなる第２ｐ型クラッド層と、ＧａＡｓ系化合物半導体材料よりなるコンタクト層とをこの順に積層して構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルセーションレーザを主体とした半導体レーザ、マルチレーザ、あるいは光集積回路等の、いわゆる半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスク用の半導体レーザとして、例えば情報の読み取りの用途において、半導体レーザへの戻り光により発生するノイズを抑制可能にしたパルセーション（自励発振）動作する半導体レーザ（パルセーションレーザ）が提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
このパルセーションレーザには、活性層の近くに過飽和吸収層（ＳＡＬ；Saturable Absorbing Layer)を設けたＳＡＬ型と、インディクスガイドとゲインガイドの中間的な導波ガイドを実現する弱い屈折率差を設定し、動作時に活性層内部に過飽和吸収領域が形成されるＷＩ（Weakly Index guide) 型とがある。
【０００４】
このうちＷＩ型のパルセーションレーザでは、動作時に活性層内のレーザ発振領域の両側に過飽和吸収領域が形成されて、パルセーション動作が行われる。このレーザ発振領域は、光の分布と電流分布とが重なる領域に形成され、過飽和吸収領域は活性層の光の分布と重なる領域に形成される。
【０００５】
しかし、このＷＩ型においては、微妙な屈折率差の設定が必要であることから、設計の自由度が小さく、また低出力における量子ノイズの収束が遅い、等の短所があった。
【０００６】
パルセーションレーザにおいては、パルセーション動作がレーザ素子の温度、パワーバンド（レーザ出力パワー）に依存しており、パルセーションを安定させて使用できる範囲、即ちその使用される温度、パワーバンドの範囲が制限される。
【０００７】
従来のパルセーション構造では、ＳＡＬ型およびＷＩ型のいずれにおいても、可飽和吸収のメカニズムによることから、高温、高パワー、あるいは低温、低パワーになると、パルセーションが不安定になり、使用できる範囲が限定されていた。例えば、温度上昇すると温度に応じてキャリアが発生し、このキャリアも過飽和吸収領域に吸収され過飽和吸収領域の光吸収容量が減少する。また、高パワーにすることは電流を多く流すことになり、それにつれて電流の広がりも大きくなり、過飽和吸収領域の体積が減少する。即ち、光の吸収能力が落ちるため、使用範囲が限られてしまう。
【０００８】
そのため、パルセーションの温度、パワーバンドに対するマージンを高め、パルセーションレーザとして使用できる範囲の拡大が望まれていた。
【特許文献１】特開２００１−２３７４９１号公報
【特許文献２】特開平６−２６０７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、新しいメカニズムによってパルセーションを発生させ、温度依存性が小さく、確実にパルセーション動作を安定して行うことができるレーザの構成として、レーザ内にフォトトランジスタを形成してパルセーション動作を行う構成が考えられる。
【００１０】
即ち、少なくとも、第１導電型のクラッド層と、活性層と、第２導電型のクラッド層とを有する積層構造の上に、コンタクト層をストライプ状に形成し、このストライプ状のコンタクト層と、その両側の第２導電型のクラッド層とに亘って金属電極層を被着した半導体レーザを構成するものである。金属電極層は、電極コンタクト層に対してはオーミックコンタクトされ、第２導電型のクラッド層に対してはショットキー障壁を形成してコンタクトされる。このショットキー障壁を含むフォトトランジスタが、活性層の活性域を挟んでその両外側に構成される。
【００１１】
このような構成では、レーザ発光による光照射によってフォトトランジスタをオンさせて、これにより本来電流注入領域に注入すべき注入電流を、両外側にリークしさせて活性層の活性域に対する電流注入を減少させ、レーザ発光を停止させる。このレーザ発光が停止すると、フォトトランジスタに対する光照射が停止することによってフォトトランジスタがオフする。このフォトトランジスタがオフすれば、本来の電流注入領域への電流が増え、活性層の活性域に対する電流注入量が増加してレーザ発光が再びなされる。この現象の繰り返しによって、目的とするパルセーション動作を行うことができる。
【００１２】
この半導体レーザでは、低温から高温に至る広範囲の温度で安定したパルセーションが可能になり、また広範囲の出力において安定してパルセーション動作を行うことができる。
【００１３】
ところで、このようなフォトトランジスタを形成した半導体レーザにおいては、第２導電型クラッド層の膜厚が、レーザの特性を左右するパラメータの１つとなる。そして、例えば、より高い出力でも安定して動作を行うことを目的として、水平放射角が維持される範囲で、第２導電型例えばｐ型クラッド層の膜厚ｄ２を小さくすることが考えられる。
【００１４】
しかしながら、ｐ型クラッド層の膜厚ｄ２を薄くすると、セルフパルセーション特性が悪化してしまう。
【００１５】
ここで、半導体レーザの一例の電流−光出力特性を図７に示す。図中、電流−光出力特性の曲線に大きい中だるみを生じる点をキンクレベル（kink-Level) と呼ぶ。即ち、電流−光の変換効率の曲線が変化する変曲点を指す。また、光出力が１０ｍＷから１２ｍＷに変化（ΔＰ）したときの電流変化量（ΔＩ）に対する比率をＢＤ２と定義する。
即ち、ＢＤ２＝ΔＰ／ΔＩである。
【００１６】
図8 は、半導体レーザの他の例における、キンクレベルの光出力とＢＤ２との関係を表したものである。この図のようにキンクレベルの光出力とＢＤ２とには強い相関関係がある。従って、測定器において容易に定量化が可能なＢＤ２を、便宜上キンクレベルの評価項目（指標）とすることが可能である。
【００１７】
より高い出力でも安定して動作を行うためには、キンクレベルはなるべく大きいことが望ましい。
【００１８】
ここで、ｐ型クラッド層の上にリッジ構造のコンタクト層を設けて、前述したフォトトランジスタを形成した構成の半導体レーザにおいて、ｐ型クラッド層の膜厚ｄ２を変化させたときの、ＢＤ２および第２ピーク値γの変化を図９に示す。なお、γは、出力の波長依存性における最大ピークの出力値を１としたときの第２ピークの出力値であり、セルフパルセーション特性の指標となるものである。この第２ピーク値γが大きいと、干渉が強いことを意味し、セルフパルセーションが弱くなる。
【００１９】
図９に示したように、ＢＤ２はｐ型クラッド層の膜厚ｄ２を薄くすると減少し、第２ピーク値γはｐ型クラッド層の膜厚ｄ２を薄くすると増大する。図８に示したように、ＢＤ２が大きいほど高いキンクレベルとなる。また、第２ピーク値γが小さいほど、良好なセルフパルセーション特性が得られる。即ち、図９より、ｐ型クラッド層の膜厚ｄ２を薄くすると、ＢＤ２が大きくなってキンクレベルが良好になるが、第２ピーク値γが増大してセルフパルセーション特性は悪化することがわかる。
【００２０】
従って、上述の構成の半導体レーザでは、良好なセルフパルセーション特性と高いキンクレベルとの両立は困難であった。
【００２１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、良好なセルフパルセーション特性と高いキンクレベルとの両立が可能であり、優れた特性を有する半導体発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の半導体発光装置は、少なくとも、ｎ型クラッド層と、活性層と、第１ｐ型クラッド層とがこの順に積層されてなる積層構造部を備え、この積層構造部上には、リッジ構造部と金属電極とが設けられている。この積層構造部は、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体材料により構成され、この積層構造部のうち第１ｐ型クラッド層は、６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の厚さを有する。リッジ構造部は、ＧａＡｓ系化合物半導体材料を含んで構成されると共に、中央部の幅が５．５μｍ±０．３μｍ、端部付近の幅が３．０μｍ±０．３μｍのテーパードストライプ形状を有する。金属電極は、積層構造部の上面のうちリッジ構造部の両側の領域、およびリッジ構造部の上面に設けられている。
【００２３】
本発明の半導体発光装置では、金属電極は、リッジ構造部とオーミック接触すると共に、積層構造部とショットキー障壁を形成して接触するので、積層構造部のうちリッジ構造部と対応する領域には、電流注入領域が形成され、積層構造部のうちリッジ構造部と対応する領域の両側には、フォトトランジスタが形成される。これにより、電流注入領域からのレーザ発光による光照射の有無によってフォトトランジスタがオン・オフし、その繰り返しによってパルセーション動作が行われる。したがって、従来のパルセーションレーザのように可飽和吸収体を設ける必要がない。
また、第１ｐ型クラッド層の厚さが６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下、リッジ構造部の形状が、中央部の幅が５．５μｍ±０．３μｍ、端部付近の幅が３．０μｍ±０．３μｍのテーパードストライプ形状であることから、γが低下すると共にＤＢ２が高くなる。このとき、水平放射角は良好な範囲内を維持しており、さらに、高温動作時の劣化率も非常に低くなる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の半導体発光装置によれば、第１ｐ型クラッド層の厚さを６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下とすると共に、リッジ構造部の形状を、中央部の幅が５．５μｍ±０．３μｍ、端部付近の幅が３．０μｍ±０．３μｍのテーパードストライプ形状としたので、セルフパルセーション特性や、水平放射角、および高温動作時の劣化率を悪化させることなく、高いキンクレベルを実現することができる。これにより、高出力時においても、キンクの発生を抑制することができるので、安定してパルセーション動作を行うことができ、信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの概略構成を表したものである。この半導体レーザ１は、例えばオフ角１０度のＧａＡｓ基板から成る半導体基板２上に、バッファ層３を介して、例えばｎ型のＡｌＧａＩｎＰから成るｎ型クラッド層４、例えばＧａＩｎＰから成る活性層５、第２導電型例えばｐ型のＡｌＧａＩｎＰから成るｐ型クラッド層６（第１ｐ型クラッド層）が順次形成されることにより積層構造部を構成している。半導体基板２の裏面にはｎ側電極９が形成されている。
【００２７】
上面が平坦なｐ型クラッド層６の上には、例えばｐ型のＧａＡｓから成るリッジ構造のコンタクト層７が形成されて、リッジ構造部を構成している。これらｐ型クラッド層６およびコンタクト層７の上に亘って、例えば下層からＴｉ（チタン），Ｐｔ（白金），Ａｕ（金）の積層から成るｐ側電極８が被着形成されている。これにより、リッジ構造部の両外側の部分では、ｐ側電極８とｐ型クラッド層６とがショットキー障壁を形成して接続される。一方、中央の部分では、ｐ側電極８とｐ型クラッド層６とがコンタクト層７を介して接続され、ｐ側電極８とコンタクト層７とがオーミック接触されている。
【００２８】
本実施の形態では、活性層５の活性域（図示せず；コンタクト層７に対応してその下に形成される）を挟んでその両外側に、それぞれショットキー障壁によって構成されるショットキー障壁型のフォトトランジスタが形成される。即ち、ショットキー障壁と、その直下のｐ型クラッド層６およびｎ型クラッド層４によってフォトトランジスタが形成される。
【００２９】
なお、ショットキー障壁の障壁の高さは、ｐ側電極８からの注入電流を阻止し、コンタクト層７の形成部、即ち活性層の活性域に電流を集中させる電流狭窄効果を有すると共に、活性層５からのレーザ光によってオンできる程度に低い高さに設定する。
【００３０】
次に、本実施の形態の半導体レーザ１の作用について説明する。
【００３１】
すなわち、ｐ側電極８とｎ側電極９との間に、所要の順方向電圧を供給すると、ショットキー障壁によって電流の狭窄がなされ、活性層５の中心部（活性域）に集中的に電流注入がなされ、この中心部が活性域となってレーザ発光が生じる。このレーザ発光は、フォトトランジスタに吸収され、これによりショットキー障壁がオンしてフォトトランジスタがオン状態になる。このオン状態になると、電流狭窄作用が小さくなることから、注入電流が広がり、無効電流が増大することから閾値電流が高くなって、活性域におけるレーザ発光動作が停止する。
【００３２】
レーザ発光が停止すると、フォトトランジスタに対する照明光が減少することによってフォトトランジスタはオフする。このオフ状態になると、電流狭窄作用が大きくなることから、再びコンタクト層７による電流注入領域に集中的に電流が流れ、活性層５の活性域に対する電流注入が集中的になされることから、レーザ発光が生じる。このような動作が連続的になされることによって、パルセーションが生じる。
【００３３】
このように本実施の形態では、フォトトランジスタのオン・オフのいわばスイッチング効果によってパルセーションをいわば半強制的に発生させることができる。
【００３４】
また、本実施の形態の半導体レーザ１では、図２に示したように、リッジ構造部を構成するコンタクト層７の幅を、端面付近と中央部とで異ならせ、その間に幅が直線的に変化するテーパー部７Ｔを有する構成とする。なお、図２は図１の半導体レーザ１のｐ側電極８を除いた状態の斜視図を表すものである。
【００３５】
これにより、図３に平面構造を示したように、中央部の幅ｗ１が広く、端面付近の幅（間口幅）ｗ２が狭い、即ちテーパードストライプ（ＴＡＰＳ）形状の導波路が形成される。なお、図１は、図３中Ａ−Ａにおける断面図に相当する。また、図３において、各部の長さは、例えば、ストライプの端面付近の幅ｗ２の狭い部分の長さＬ１，Ｌ５が１０μｍ程度、テーパー部の長さＬ２，Ｌ４が１７０μｍ程度、中央部の長さＬ３が４０μｍ程度とする。
【００３６】
さらに、本実施の形態の半導体レーザ１においては、光放射角の水平方向半値幅を従来の構成と同等の値に維持しつつ、良好なセルフパルセーション特性を有し、キンクの発生を抑制し、信頼性を満足させるために、ｐ型クラッド層６の厚さｄ２、並びにテーパードストライプの中央部の幅ｗ１および端面付近の幅（間口幅）ｗ２とをある限定された範囲にする。
【００３７】
即ち、自励型パルセーションとするため、積層構造部のｐ型クラッド層６の厚さｄ２を、６００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内とする。また、ＦＦＰ（Far Field Pattern ）の活性層５の面方向に平行な方向のビーム広がり角θ//（光放射角の水平方向半値幅）を９°〜１０°（従来の構成と同等の値）とするため、テーパードストライプの端面付近の幅（間口幅）ｗ２を、３．０±０．３μｍの範囲内とする。さらに、水平放射角・セルフパルセーション特性を維持しつつ、キンクの発生を抑制する（キンクレベルを高くする）ために、テーパードストライプの中央部の幅ｗ１を５．５±０．３μｍの範囲内とする。
【００３８】
ここで、図１〜図３に示した半導体レーザにおいて、テーパードストライプ（ＴＡＰＳ）の中央部の幅ｗ１を４．５μｍ〜７．５μｍの範囲で１．０μｍ刻みで変化させた場合の各種特性の変化を図４（Ａ）〜図４（Ｃ）および図５に示す。図４（Ａ）は水平放射角として、θ//（光放射角の水平方向半値幅）の変化、同図（Ｂ）はＢＤ２（Ｗ／Ａ）の変化、同図（Ｃ）は第２ピーク値γの変化をそれぞれ示している。また、図５は、高温動作時（７０℃・出力４ｍＷ）の劣化率の変化を示している。
【００３９】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の各結果から、水平放射角９°〜１０°を維持しつつ、高いＢＤ２と低いγとを両立する条件は、ｗ１＝５．５μｍであることがわかる。また、このｗ１＝５．５μｍの場合、高温動作時劣化率も低めに維持されていることがわかる。
【００４０】
なお、図示しないが、ｗ１の値をさらに細かく選定して同様の測定を行うことにより、テーパードストライプの中央部の幅ｗ１を５．５±０．３μｍの範囲内にしたときには、同様に、水平放射角９°〜１０°を維持しつつ、高いＢＤ２と低いγとを両立することが可能であることがわかった。
【００４１】
本実施の形態の半導体レーザ１は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系の半導体レーザであることにより、発振波長が６００ｎｍ〜６６０ｎｍ、例えば６５０ｎｍ付近（赤色）のレーザ光を発振する。また、パルセーションの周波数は、数百ＭＨｚ程度の周波数が得られる。
【００４２】
本実施の形態の半導体レーザ１では、レーザ内にフォトトランジスタを形成したことにより、このフォトトランジスタのスイッチングによってパルセーションを発生させることができるため、可飽和吸収によりパルセーションを起こす従来構造に比して、広範囲の温度や出力で安定したパルセーション動作が可能となる。
【００４３】
そして、ｐ型クラッド層６の厚さｄ２を６００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内としたことにより、図９に示したように第２ピーク値γが小さくなり、セルフパルセーション特性が良好となる。また、テーパードストライプの端面付近の幅（間口幅）ｗ２を３．０±０．３μｍの範囲内としたことにより、従来の構成と同様に、水平放射角を９°〜１０°とすることが可能になる。さらに、テーパードストライプの中央部の幅ｗ１を５．５±０．３μｍの範囲内としたことにより、水平放射角を９°〜１０°の範囲に維持しつつ、高いＢＤ２と低い第２ピーク値γとを両立することができる。これにより、キンクレベルの向上即ちキンクの発生の抑制と良好なセルフパルセーション特性とが共に得られる。
【００４４】
従って、本実施の形態の半導体レーザ１では、水平放射角・セルフパルセーション特性・高温動作時の劣化率を悪化させることなく、キンクレベルを向上させることができる。例えば、キンクレベルを１２ｍＷ以上にして、１２ｍＷ以下の出力ではキンクを発生しないようにすることが可能になる。
【００４５】
これにより、半導体レーザの製造歩留まりの向上を図ることができる。また、良好な特性を有し、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。
【００４６】
また、本実施の形態の半導体レーザ１は、特別な層や部品を設けていないため、従来の半導体レーザの構成と同様に、１回のエピタキシャル成長で製造することが可能であり、安価に製造することが可能となる。
【００４７】
以上実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく種々変形可能である。例えば、上述の実施の形態では、活性層５に直接クラッド層４，６が接しているが、活性層５と各クラッド層４，６との間に、必要に応じてガイド層を配置してもよい。また、ｐ型クラッド層６とコンタクト層７との間に、必要に応じて中間層（例えばｐ型のＧａＩｎＰ）を設けてもよい。
【００４８】
また、ｐ側電極８とｐ型クラッド層６により形成されるショットキー障壁の横方向の幅は、不必要な電流の広がりを防ぐために、あまり大きくし過ぎないことが望ましいが、例えばｐ側電極８を広く形成したい場合もある。その場合には、例えば、外側の部分において、ｐ型クラッド層６上に絶縁層を形成することにより、ショットキー障壁を絶縁層のない部分に規制すればよい。
【００４９】
上述の実施の形態では、コンタクト層７によりリッジ構造部が形成され、リッジ構造部の外側でｐ側電極８とｐ型クラッド層６とがショットキー障壁を有するコンタクトを形成する構成としたが、その他の構成にも本発明を適用することができるものである。例えば、図６に示したように、ｐ型クラッド層上部６Ｂ（第２ｐ型クラッド層）およびその上のコンタクト層がリッジ構造部を構成し、この構成のリッジ構造部によりテーパードストライプ（ＴＡＰＳ）が形成されると共に、リッジ構造部の外側でｐ型クラッド層下部６Ａ（第１ｐ型クラッド層）と金属電極とによりショットキー障壁が形成されるような構成のものにも、同様に本発明を適用することが可能である。この場合には、ｐ型クラッド層下部６Ａの厚さを６００ｎｍ〜８００ｎｍにすればよい。
【００５０】
また、上述の実施の形態では、単独の半導体レーザに本発明を適用した場合を説明したが、本発明は、複数の半導体レーザを有するマルチレーザのそれぞれの半導体レーザ、或いはパルセーションレーザを組み込んだ例えばレーザカプラ等の光集積回路等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施の形態の半導体レーザの概略構成図（断面図）である。
【図２】図１の半導体レーザのｐ側電極を除いた状態の斜視図である。
【図３】図１の半導体レーザのテーパードストライプを表す平面図である。
【図４】（Ａ）は、図１の半導体レーザのｐ型クラッド層の膜厚による水平放射角の変化を表す図、（Ｂ）は図１の同ｐ型クラッド層の膜厚によるＢＤ２の変化を表す図、（Ｃ）は同ｐ型クラッド層の膜厚による第２ピーク値の変化をそれぞれ表す図である。
【図５】図１の半導体レーザのｐ型クラッド層の膜厚による高温動作時の劣化率の変化を表す図である。
【図６】本発明の変形例を説明するための断面図である。
【図７】半導体レーザの電流−光出力特性を表す図である。
【図８】半導体レーザのキンクレベルの光出力とＢＤ２との関係を表す図である。
【図９】フォトトランジスタを有する半導体レーザにおける、ｐ型クラッド層の膜厚の変化による、ＢＤ２および第２ピーク値の変化を表す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…半導体レーザ、２…半導体基板、３…バッファ層、４…ｎ型クラッド層、５…活性層、６…ｐ型クラッド層、６Ａ…ｐ型クラッド層下部、６Ｂ…ｐ型クラッド層上部、７…コンタクト層、８…ｐ側電極、９…ｎ側電極
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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