(57)【要約】【課題】電流ブロック層のバンドギャップを活性層よりも高く維持しつつ、活性層内の横方向の実効屈折率差を適度に小さくしてＦＦＰ変動の小さい高出力赤色半導体レーザを提供する。【解決手段】傾斜ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層１０、ｐ電極１２が積層され、ｎ−ＧａＡｓ基板２の裏側にはｎ電極１が形成されている。ＭＱＷ活性層５はＧａＩｎＰを成分とし、ブロック層１１は（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．７＜Ｘ＜１）で構成されている。【選択図】        図１
2007103790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体基板上に、少なくとも、ｎ型クラッド層、ＧａＩｎＰを成分とする活性層、ｐ型クラッド層を順に備え、活性層よりも上部に前記ｐ型クラッド層を含むストライプ状のリッジ部を有するＡｌＧａＩｎＰ系の高出力赤色半導体レーザにおいて、前記リッジ部側面が前記活性層よりもバンドギャップが大きく、前記ｐ型クラッド層よりも屈折率の小さいｎ型の（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（０．７＜Ｘ＜１）で埋め込まれていることを特徴とする高出力赤色半導体レーザ。
【請求項２】
前記ｐ型クラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰを成分とする半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１記載の高出力赤色半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＶＤ等に用いられる高出力赤色半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
記録型ＤＶＤ市場の成熟により、高倍速で書き込むため、波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザでは、２５０mＷを超えるような高出力が求められている。
【０００３】
この赤色半導体レーザの一般的な構造を図２に示す。ｎ−ＧａＡｓ基板３２と、その上に成長させた半導体積層構造を備えている。この半導体積層構造は、基板側から順にｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３３、ＭＱＷ活性層３４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層３５、ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層３６、ｎ−ＧａＡｓブロック層３７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層３９、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０で構成される。また、ｎ−ＧａＡｓ基板３２の下面にはｎ電極３１が、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０の上面にはｐ電極４１が形成される。
【０００４】
図２の赤色半導体レーザは、第２クラッド層３８とバッファ層３９とで、ストライプ状のリッジ部分Ａを形成し、このリッジ部分Ａの両側にｎ−ＧａＡｓブロック層３７を配置し、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層３９とｎ−ＧａＡｓブロック層３７の層をｐ−ＧａＡｓキャップ層４０で覆った埋め込みリッジ構造を有している。
【０００５】
リッジ部分Ａは発振波長に対して透明であるが、リッジ側面に配置されたｎ−ＧａＡｓブロック層３７の光吸収作用により、水平方向に光を閉じ込めている。電流は、逆バイアスとなるｎ−ＧａＡｓブロック層３７及びその下部には流れず、ストライプ状のリッジ部Ａを流れる。
【０００６】
また、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８とを直接接合すると、価電子帯側のバンドオフセットが大きいために、ｐ側領域のキャリアである正孔に対して大きな障壁が接合界面近傍にでき、正孔の流れを妨げて電流が流れにくくなる。これを防ぐために、ｐ−ＧａＡｓキャップ層４０とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８との間にバンドギャップが両者の中間になるｐ−ＧａＩｎＰバッファ層３９を挟み、接合界面に形成される障壁を低くして正孔を流れやすくしている。
【０００７】
ｐ電極４１とｎ電極３１との間に通電すると、電流は、電流阻止層であるｎ−ＧａＡｓブロック層３７により狭窄され、リッジ部Ａの下部位置に相当するＭＱＷ活性層３４の中央部から発光が得られる。
【０００８】
ところで、図２の赤色半導体レーザでは、ｎ−ＧａＡｓブロック層３７のバンドギャップがＭＱＷ活性層３４のバンドギャップよりも小さいため、光がｎ−ＧａＡｓブロック層３７に吸収されて、共振器内での導波路損失が増大し、高出力化が困難になる。
【０００９】
そこで、ブロック層３７が光を吸収しないように、ＭＱＷ活性層３４よりもバンドギャップの大きなｎ−ＡｌＩｎＰブロック層をｎ−ＧａＡｓブロック層３７の替りに用いた実屈折率導波構造を導入して導波路損失を小さくし、低しきい値電流、高出力でのレーザ発振を可能としたものが提案されている。
【００１０】
ｎ−ＧａＡｓブロック層３７の替りにｎ−ＡｌＩｎＰブロック層４２を用いた場合のＭＱＷ活性層３４からリッジ部Ａまでの積層構造を図３（ａ）に示す。ストライプ幅Ｗはストライプ状のリッジ部分Ａの下辺の幅、すなわち第２クラッド層３８の下側境界面の幅を表す。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）の積層構造におけるＭＱＷ活性層３４内の水平方向（横方向）の屈折率の変化を示す。横方向は、ｎ−ＡｌＩｎＰブロック層４２及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層３８とｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層３６との境界面における範囲を示している。ストライプ幅Ｗに相当する範囲がＢであり、第２クラッド層３８の両側に配置されているブロック層４２に相当する範囲がＣである。
【特許文献１】特開平９−２０５２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図３に示す従来の赤色半導体レーザでは、高出力化は可能となったものの、レーザ構造内の光導波状態を表す横モードは、光出力の上昇とともに不安定になり、横モードを変動させてしまうという問題が発生する。
【００１２】
横モードの変動は、遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）に大きな影響を与える。図４は、ＦＦＰの変動の様子を表したものであり、水平方向のＦＦＰの半値全幅（角）をθＨ、垂直方向（積層方向）のＦＦＰの半値全幅（角）をθＶとした場合の放射角の分布状態を示している。また、斜線部分は、同じ種類の半導体レーザ素子の生産ロットによるバラツキ（変動）を表す。
【００１３】
この図からもわかるように、ＡｌＧａＩｎＰ系レーザでは、ＦＦＰの水平方向放射角に光出力が与える影響が大きく、出力５ｍＷ時よりも出力２５０ｍＷ時の方が、ＦＦＰの水平方向放射角が２度程大きくなってしまう。水平方向の放射角が大きく変動すると、レンズに入る光の大きさの変化が大きくなるので、光ピックアップ用レーザ等に用いることが難しくなる。
【００１４】
ＦＦＰの水平方向放射角が大きくなるのは、図３（ａ）に示すｎ−ＡｌＩｎＰブロック層４２とＭＱＷ活性層３４との屈折率差Δｔが大きいために、図３（ｂ）に示すＭＱＷ活性層３４の横方向におけるストライブ部分Ｂとその両側部分Ｃとの実効屈折率差Δｎが大きくなって活性層のストライプ部分Ｂに光が集中しやすくなり、近視野像（ＮＦＰ：Near Field Pattern）が小さくなるためである。
【００１５】
また、水平方向放射角は、個々のレーザ素子により異なり、生産ロットにおいては一定のバラツキの範囲が存在する上、パワー変動が加わるので、この水平方向放射角のバラツキをある一定範囲内に抑制することは難しい。横モード変動の原因の１つに、ホールバーニングや高次モードへの移行によるキンクの発生によるものがあるが、高次モードへの移行によるキンクは、光導波路が基本横モード以外の高次モードを許容している場合に生じるため、この高次モードをカットオフする方法としては、光導波路のストライプ幅Ｗを狭くするか、実効屈折率差Δｎを小さくするかが必要になる。
【００１６】
ブロック層４２に用いられているＡｌＩｎＰとＭＱＷ活性層３４との屈折率差Δｔは大きいため、実効屈折率差Δｎが大きくなってしまうので、この場合、光導波路内の基本横モード以外の高次モードをカットするためには、ストライプ幅Ｗを小さくする必要があるが、ストライプ幅Ｗを小さくしすぎるとＦＦＰの水平方向放射角θＨはかなり大きくなる。また、リッジ形状が台形であるために、リッジ下部の幅Ｗを狭くすると、リッジ上部の幅が狭くなりすぎ、コンタクトが不安定になったり、コンタクトがとれなくなったりするので、駆動電圧上昇や高速応答性の劣化を招く。そこで、高次モードをカットオフできる最大のストライプ幅Ｗを形成するようにしている。
【００１７】
しかし、ストライプ幅Ｗは、フォトリソグラフィ及びエッチングによって形成しているために、ストライプ幅Ｗの形成には比較的大きな誤差が発生し、ストライプ幅Ｗが製造されたレーザ素子毎に異なると、高次モードがカットオフされないこともあり、ＦＦＰのθＨは不安定になって、図４の斜線部のようなバラツキを発生させる。
【００１８】
本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、電流ブロック層のバンドギャップを活性層よりも高く維持しつつ、活性層内の横方向の実効屈折率差を適度に小さくしてＦＦＰ変動の小さい高出力赤色半導体レーザを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ｎ型半導体基板上に、少なくとも、ｎ型クラッド層、ＧａＩｎＰを成分とする活性層、ｐ型クラッド層を順に備え、活性層よりも上部に前記ｐ型クラッド層を含むストライプ状のリッジ部を有するＡｌＧａＩｎＰ系の高出力赤色半導体レーザにおいて、前記リッジ部側面が前記活性層よりもバンドギャップが大きく、前記ｐ型クラッド層よりも屈折率の小さいｎ型の（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層（０．７＜Ｘ＜１）で埋め込まれていることを特徴とする高出力赤色半導体レーザである。
【００２０】
また、請求項２記載の発明は、前記ｐ型クラッド層が、ＡｌＧａＩｎＰを成分とする半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１記載の高出力赤色半導体レーザである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電流ブロック層のバンドギャップを活性層よりも高く維持して電流ブロック層が光を吸収しないようにし、活性層内の横方向の実効屈折率差を適度に小さくした実屈折率導波構造を用いているので、高出力化することができるとともにＦＦＰ変動を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明による高出力赤色半導体レーザの断面構造を示す。
【００２３】
傾斜ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層１０、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１２、ｐ電極１３が積層され、ｎ−ＧａＡｓ基板２の裏側にはｎ電極１が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板２には、その結晶方位が、（００１）から１０〜１５度傾斜しているものを用いる。なお、傾斜ｎ−ＧａＡｓ基板２上に格子整合したＡｌＧａＩｎＰ層は、（ＡｌＺＧａ１−Ｚ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０＜Ｚ≦１）という構成を得る。
【００２４】
ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１はｎ型不純物Ｓｉドープの（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．７＜Ｘ＜１）で構成されるが、Ｘの値は０．８〜０．９が望ましく、本実施例では０．８とした。また、ＭＱＷ活性層５は、３層のＧａＩｎＰ井戸層と２層のアンドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐバリア層で形成されている。
【００２５】
その他の各層については、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３はｎ型不純物Ｓｉドープの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４とＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６はアンドープの（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７はｐ型不純物Ｚｎドープの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８はｐ型不純物Ｚｎドープの無歪の（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐを３層とｐ型不純物Ｚｎドープの（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐを２層用いてこれらを交互に積層した層、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９はｐ型不純物Ｚｎドープの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層１０はｐ型不純物ＺｎドープのＧａＩｎＰ、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１はｎ型不純物Ｓｉドープの（Ａｌ０．８Ｇａ０．２）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１２はｐ型不純物ＺｎドープのＧａＡｓにより構成されている。ｐ電極１３はＴｉとＡｕの多層金属膜が、ｎ電極１はＡｕ、Ｇｅ、Ｎｉの合金層とＴｉとＡｕの多層金属膜が用いられる。
【００２６】
ＭＱＷ活性層５を、両側からＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、６で挟み込んだ構造としている。これら光ガイド層は垂直方向に光を閉じ込めるために形成されているもので、光ガイド層の組成や厚さによって垂直広がり角度を制御できる。この垂直方向の光閉じ込めを弱めると、発光スポットが垂直方向に拡大し、出射ビームの垂直広がり角度（ＦＦＰの積層方向の大きさ）が低減する。
【００２７】
図１に示す高出力赤色半導体レーザは、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９とｐ−ＧａＩｎＰバッファ層１０とで、ストライプ状のリッジ部分Ｄを形成し、このリッジ部分Ｄの両側をｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１で覆った埋め込みリッジ構造を有している。電流は、逆バイアスとなるｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１及びその下部には流れず、ストライプ状のリッジ部Ｄを流れる。
【００２８】
製造方法は、既知のＭＯＣＶＤ法やフォトリソグラフィ技術等により以下のように行われる。なお、各層の適切な膜厚は、半導体材料の組成比率等により、変化するものであるが、本実施例では、前述の各層の組成比率に基づき以下のように形成した。
【００２９】
ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ＭＯＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)を用いた第１回目の結晶成長によって、１〜３．５μｍ望ましくは１．５〜３μｍ厚のｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、５ｎｍ厚のＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層４、ＭＱＷ活性層５、１０ｎｍ厚のＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、０．１〜０．３μｍ例えば０．２２μｍ厚のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７、ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層８、０．６〜２μｍ例えば１．２μｍ厚のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９、０．０２〜０．２μｍ例えば０．０５μｍ厚のｐ−ＧａＩｎＰバッファ層１０を順に形成し、ダブルヘテロ構造のウエハを得る。なお、ＭＱＷ活性層５は、６ｎｍ厚の井戸層を３層と、４ｎｍ厚のバリア層を２層の多重量子井戸構造とし、エッチングストップ層８は、２ｎｍ厚の無歪の（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐを３層と、５ｎｍ厚の（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐを２層の多層構造とした。
【００３０】
次に、ストライプ状のＳｉＯ２をマスクとし、ドライエッチングによりｐ−ＧａＩｎＰバッファ層１０及びｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９をエッチングして、リッジ部Ｂを形成する。次に、塩酸若しくは希硫酸と過酸化水素水でウェットエッチングしてエッチングストップ層８に達するまでエッチングを行う。エッチングストップ層８によりリッジエッチングが自動的に停止し、制御良くリッジを形成できる。
【００３１】
その後、ウエハをＭＯＣＶＤ装置内に戻し、第２回目の結晶成長によって０．４μｍ厚のｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層１１を形成する。その後、ＳｉＯ２のマスクをＨＦ処理によって除去し、再びＭＯＣＶＤ装置内で、３００ｎｍ〜２μｍ望ましくは５００ｎｍ〜１μｍ厚のｐ−ＧａＡｓキャップ層１２を形成する。最後に、ラッピング、ポリッシュによってウエハを１００μｍ程度まで薄くし、真空蒸着法によってｎ電極１及びｐ電極１３を形成する。
【００３２】
以上のように、ブロック層１１をｎ型不純物Ｓｉドープの（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．７＜Ｘ＜１）とすることで、ＧａＩｎＰを成分としたＭＱＷ活性層５とブロック層１１との屈折率差Δｔは、図３に示す従来の赤色半導体レーザにおけるｎ−ＡｌＩｎＰブロック層４２とＭＱＷ活性層３４との屈折率差Δｔよりも小さくなるので、実効屈折率差Δｎは図３の従来のものよりも小さくなる。実効屈折率差Δｎが小さくなると、活性層のストライプ部分（中央部分）への光の集中が緩和され、また、リッジ部のストライプ幅Ｗを小さくしなくても良いので、特にＦＦＰの水平方向放射角の大きさを小さくすることができる。さらに、光導波路内の高次モードをカットオフするために必要なストライプ幅Ｗに余裕を持たせることができるので、生産ロットにおける個々のレーザ素子の変動を抑えることができる。
【００３３】
ところで、ＡｌＧａＩｎＰ混晶系では、Ａｌ組成比を上げるか、Ｇａ組成比を下げることでＡｌＧａＩｎＰの屈折率を低くすることができる。光を外部に逃がさず、閉じ込めるためには、第２クラッド層９よりもブロック層１１の屈折率を小さくしなければならないが、ブロック層１１を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．７＜Ｘ＜１）で構成し、第２クラッド層９を（ＡｌＹＧａ１−Ｙ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ｙ＜Ｘ）とすることで、第２クラッド層９よりも屈折率を小さくすることができる。
【００３４】
また、ブロック層１１のバンドギャップをＧａＩｎＰを成分とするＭＱＷ活性層よりも高くすることができ、ブロック層１１による光の吸収を抑えることができるので、高出力化も達成できる。
【００３５】
なお、２５０mＷを超えるような高出力の赤色半導体レーザでは、レーザ素子内部からの発熱が大きくなるので、図１の高出力赤色半導体レーザの第２クラッド層９に、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰの替りにｐ型不純物ＺｎドープのＡｌ０．５ＧａＡｓを用いるようにして、熱の拡散を促進するようにしても良い。ＡｌＧａＡｓの熱伝導率は、ＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率の約２倍に達するので、レーザ素子内部で発生した熱は、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層を速やかに伝導して外部に拡散する。また、ＡｌＧａＡｓ混晶系では、Ａｌ組成を下げることで、屈折率を大きくし、熱伝導率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の高出力赤色半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図２】従来の赤色半導体レーザの断面構造を示す図である。
【図３】従来の赤色半導体レーザの活性層における実効屈折率差と半導体層との関係を示す図である。
【図４】ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザとＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザとのＦＦＰの相違を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    ｎ電極
２    ｎ−ＧａＡｓ基板
３    ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４    ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
５    ＭＱＷ活性層
６    ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層
７    ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
８    ｐ−ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
９    ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
１０  ｐ−ＧａＩｎＰバッファ層
１１  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰブロック層
１２  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１３  ｐ電極
【図１】
2007103790.tif 000003
【図２】
2007103790.tif 000004
【図３】
2007103790.tif 000005
【図４】
2007103790.tif 000006