(57)【要約】【課題】高いスロープ効率を有し、低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】発振波長λの半導体レーザ素子の本体１００上にはｐ側電極１１５が形成されている。ｐ側電極１１５の第１の電極層１１５ａは、ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１、ｄ１≧λ／（４πｋ１）の関係を満たし、ｐ側電極１１５の第２の電極層１１５ｂは、ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１、ｄ２＜λ／（４πｋ２）の関係を満たす。ｎＥＦＦは本体１００の発振波長λの光の実効屈折率、ｎＥ１は第１の電極層１１５ａの発振波長λの光の実効屈折率、ｄ１は第１の電極層１１５ａの厚み、ｋ１は第１の電極層１１５ａの発振波長λの光の消衰係数、ｎＥ２は第２の電極層１１５ｂの発振波長λの光の実効屈折率、ｄ２は第２の電極層１１５ｂの厚み、ｋ２は第２の電極層１１５ｂの発振波長λの光の消衰係数である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の基板と、この第１導電型の基板上に形成され、少なくとも、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む半導体層群とを有する本体を備えた発振波長λの半導体レーザ素子において、
上記半導体層群上に形成され、金属材料からなる電極を備え、
上記金属材料は上記発振波長λの光の屈折率がｎＥであり、
上記電極は、
上記発振波長λの光の実効屈折率がｎＥ１である第１の電極層と、
この第１の電極層上に形成され、上記発振波長λの光の実効屈折率がｎＥ２である第２の電極層と、
この第２の電極層上に形成され、Ａｕからなる第３の電極層と
を有し、
上記第１，第２の電極層は、
ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１
ｄ１≧λ／（４πｋ１）
ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１
ｄ２＜λ／（４πｋ２）
ここで、ｎＥＦＦ：上記本体の上記発振波長λの光の実効屈折率
ｄ１：上記第１の電極層の厚み［ｎｍ］
ｋ１：上記第１の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
ｄ２：上記第２の電極層の厚み［ｎｍ］
ｋ２：上記第２の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
の関係を満たす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、
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジ部の頂部が上記電極とオーミック接合を形成し、
上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成してい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、
上記第２の電極層は、上記金属材料を２層以上積層した積層構造を有し、
上記第２の電極層の各層Ａｎ（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）は、それぞれ、上記発振波長λの光の屈折率がｎＥ２ｎ（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）であり、
上記第２の電極層の各層は、
ｎＥＦＦ−ｎＥ２ｎ＜１
の関係を満たし、
上記第２の電極層は、
ｄトータル＜λ／４πｋ平均
ｄトータル：上記第２の電極層の全層を合わせた厚み［ｎｍ］
ｋ平均：上記第２の電極層の各層の上記発振波長λの光の消衰係数の平均値
の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体レーザ素子において、
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接し、
上記リッジ部の頂部は、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度半導体層からなり、
上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の低濃度半導体層からなり、
上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上の半導体層が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６】
請求項５に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成し、
上記基板がＧａＡｓからなり、
上記低濃度半導体層が、少なくとも、ＡｌＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを有し、
上記第２導電型の半導体層群に関して上記ショットキー接合を形成する部分が上記ＩｎＧａＡｓＰ層を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第１の電極層を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第２の電極層を構成する金属材料が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする光ディスク装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、典型的には、光ディスク装置のピックアップや光伝送システムの光伝送モジュール部分などに好適に用いられる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
また、本発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムなどに幅広く使用されている。その中でもリッジ埋め込み型と呼ばれる半導体レーザ素子は、高い信頼性を有し、しかも低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子として知られている。
【０００４】
しかしながら、上記リッジ埋め込み型半導体レーザ素子は、その製造工程において基板上に活性層やクラッド層を含む半導体層を形成するために行われる１回目の結晶成長工程に加えて、電流狭窄層を形成するための２回目の結晶成長工程と、コンタクト層を形成するための３回目の結晶成長工程を必要とし、加えて複雑な製造プロセスを経て製造しなければならないため、製造コストが高く、かつ歩留まりも悪いという問題があった。
【０００５】
そこで、より低コストで簡便に製造できる従来の半導体レーザ素子として、活性層上にリッジ部を有し、一回の結晶成長工程で製造できるリッジ導波路型半導体レーザ素子がある（例えば特許文献１（特開平４−１１１３７５号公報）参照）。
【０００６】
図９に、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子の断面を模式的に示す。このリッジ導波路型半導体レーザ素子は次のようにして製造される。
【０００７】
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Epitaxy：有機金属化学気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板４０１上に、ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層４０３、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５を順次積層し、フォトリソグラフィなどの手法により、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４の途中までエッチングして、リッジ部となるメサを形成した後、ｐ側電極４０６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次蒸着すると共に、ｎ側電極４０７としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを順次蒸着する。
【０００８】
このようにして製造されたリッジ導波路型半導体レーザ素子に電流を流すと、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４とｐ側電極４０６との間にはショットキー接合部４０８が形成され、ｐ側電極４０６とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５との間にのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。
【０００９】
上述のように、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子では合計３回の結晶成長工程と複雑な製造プロセスを必要とするが、リッジ導波路型半導体レーザ素子では１回の結晶成長工程を行うだけでよい。加えて、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子は、リッジに対する電流狭窄に絶縁膜を使用してエアリッジと呼ばれる構成の代わりに、ショットキー接合を利用する構成となっているため、構造がさらに簡単であり、より低コストで製造することができるというメリットがある。
【００１０】
しかしながら、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子には次のような問題点があることが分かった。
【００１１】
すなわち、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子は、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子や、エアリッジと呼ばれる構成を有するリッジ導波路型半導体レーザ素子とは異なり、リッジ部の側面に対して直接電極が接していると共に、リッジ部から外方へ延在するクラッド層の表面とに対しても直接に電極が接している。この場合、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子を構成する半導体材料の屈折率と、上記電極を構成する金属材料の屈折率との関係によっては、発振したレーザ光分布が、上記リッジ部側面およびリッジ部近傍のクラッド層表面にまで広がって、その上に形成された上記電極にまで漏れ出してしまうことが分かった。
【００１２】
例えば、上記特許文献１のリッジ導波路型半導体レーザ素子において、リッジ部側の電極に用いられている金属材料の屈折率は、半導体層と接するＴｉが、波長６５０ｎｍから１．５μｍの範囲でおよそ３．０から３．６であり、Ｔｉの上側に設けられているＰｔが同じく波長６６８ｎｍから１．５μｍの範囲で２．９から５．５である。一方、上記リッジ部の外方の基板に垂直な方向における実効屈折率も３．２前後である。
【００１３】
このように、上記リッジ部の外方の基板に垂直な方向における実効屈折率と、半導体層上に直接形成された電極材料の屈折率とが近接していると、あるいは、その実効屈折率よりも電極材料の屈折率のほうが大きいと、発振したレーザ光が電極方向へ漏れやすくなることがある。
【００１４】
そして、上記電極までレーザ光が漏れてしまうと、一般に電極を構成する金属材料の光吸収係数は半導体材料の光吸収係数に比べて１０４倍から１０５倍程度も大きいため、非常に大きな光吸収が発生し、内部損失を大幅に増加させてしまうことになる。
【００１５】
したがって、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子においては、スロープ効率が低下したり、発振閾値電流値が上昇したりしてしまうという問題が発生することが分かった。
【特許文献１】特開平４−１１１３７５号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
そこで、本発明の課題は、高いスロープ効率を有し、低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子を提供することにある。
【００１７】
さらに、本発明の他の課題は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ素子は、
第１導電型の基板と、この第１導電型の基板上に形成され、少なくとも、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む半導体層群とを有する本体を備えた発振波長λの半導体レーザ素子において、
上記半導体層群上に形成され、金属材料からなる電極を備え、
上記金属材料は上記発振波長λの光の屈折率がｎＥであり、
上記電極は、
上記発振波長λの光の実効屈折率がｎＥ１である第１の電極層と、
この第１の電極層上に形成され、上記発振波長λの光の実効屈折率がｎＥ２である第２の電極層と、
この第２の電極層上に形成され、Ａｕからなる第３の電極層と
を有し、
上記第１，第２の電極層は、
ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１
ｄ１≧λ／（４πｋ１）
ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１
ｄ２＜λ／（４πｋ２）
ここで、ｎＥＦＦ：上記本体の上記発振波長λの光の実効屈折率
ｄ１：上記第１の電極層の厚み［ｎｍ］
ｋ１：上記第１の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
ｄ２：上記第２の電極層の厚み［ｎｍ］
ｋ２：上記第２の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
の関係を満たすことを特徴としている。
【００１９】
ここで、「第１導電型」とはｎ型とｐ型のうち一方の導電型を指し、「第２導電型」とはｎ型とｐ型のうち他方の導電型を指す。つまり、上記第１導電型がｐ型の場合は第２導電型はｎ型を指し、第１導電型がｎ型の場合は第２導電型はｐ型を指す。
【００２０】
また、「実効屈折率」とは、本体中を伝播する発振レーザ光の位相速度（＝ｃ／ｎＥＦＦ）を定める量（ｃ：光速）であり、「消衰係数」とは、複素屈折率Ｎ(〜)＝ｎ−ｉｋにおける虚部である。
【００２１】
上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記第２導電型のクラッド層を含む半導体層群上に、ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１かつｄ１≧λ／（４πｋ１）なる関係を満たすように第１の電極層を形成し、この第１の電極層上に、ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１かつｄ２＜λ／（４πｋ２）なる関係を満たすように第２の電極層を形成し、さらに、この第２の電極層上にＡｕからなる第３の電極層を形成することによって、発振したレーザ光を上記電極層にまで漏らすことなく半導体層群中に閉じ込めることができるようになる。
【００２２】
これは、上記第１の電極層としてｎＥＦＦ−ｎＥ２≧１を満たすような低い屈折率を有する金属材料を、ｄ１≧λ／（４πｋ１）なる厚みに形成することによって、発振レーザ光を半導体層群中に十分閉じ込めることができるようになるためである。
【００２３】
また、ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１であるような比較的高い屈折率を有する第２の電極層の厚みｄ２をｄ２＜λ／（４πｋ２）と制限することによって、第２の電極層による光吸収の影響を抑制することが可能になる。
【００２４】
この結果、低い発振閾値電流と高いスロープ効率とを有し、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができるようになる。
【００２５】
なお、上記第１導電型の基板に関して半導体層群側の面とは反対側の面に、この面とオーミック接合をなす別の電極が設けられるのが望ましい。
【００２６】
上記別の電極を設けることにより、半導体層群上の電極とその別の電極との間の通電を容易に行える。
【００２７】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接する。
【００２８】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部に接すると共に、リッジ部の側面と、半導体層群のリッジ部を除く領域であってリッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接するように、電極を形成することにより、上記特許文献１のリッジ導波路型半導体レーザ素子と同様に、製造段階での結晶成長工程を１度で済ませることができる。
【００２９】
したがって、一般的なリッジ埋め込み型半導体レーザ素子に比べて、大幅に製造工程が削減され、低コストで作成できる半導体レーザ素子を提供することができるようになる。
【００３０】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記リッジ部の頂部が上記電極とオーミック接合を形成し、
上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成している。
【００３１】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部が電極とオーミック接合を形成し、かつ、リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群のリッジ部を除く領域であってリッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、電極とショットキー接合を形成することにより、電流狭窄のために新たな半導体層を再成長したり、絶縁膜を形成したりする必要がなくなる。
【００３２】
したがって、上記半導体レーザ素子は、製造工程が簡略化でき、歩留りの向上や製造コストの低下を実現することができる。
【００３３】
さらに、上記半導体レーザ素子では、リッジ部近傍に対して電極が直接に接触していても発振したレーザ光が電極まで漏れない。
【００３４】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第２の電極層は、上記金属材料を２層以上積層した積層構造を有し、
上記第２の電極層の各層Ａｎ（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）は、それぞれ、上記発振波長λの光の屈折率がｎＥ２ｎ（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）であり、
上記第２の電極層の各層は、
ｎＥＦＦ−ｎＥ２ｎ＜１
の関係を満たし、
上記第２の電極層は、
ｄトータル＜λ／４πｋ平均
ｄトータル：上記第２の電極層の全層を合わせた厚み［ｎｍ］
ｋ平均：上記第２の電極層の各層の上記発振波長λの光の消衰係数の平均値
の関係を満たす。
【００３５】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２の電極層が金属材料を２層以上積層した積層構造を有して、この各層がｎＥＦＦ−ｎＥ２ｎ＜１を満たすとき、第２の電極層がｄトータル＜λ／４πｋ平均を満たすように形成すると、本体の発振波長λの光の実効屈折率ｎＥＦＦに近い屈折率を有する、あるいは、その実効屈折率ｎＥＦＦよりも大きな屈折率を有する金属材料からなる第２の電極層の発振レーザ光の閉じ込めに対する影響を小さくできる。
【００３６】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記半導体層群の上記電極側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接し、
上記リッジ部の頂部は、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度半導体層からなり、
上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の低濃度半導体層からなり、
上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上の半導体層が形成されている。
【００３７】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部が、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上の高濃度半導体層からなることにより、良好なオーミック接合が実現できる。
【００３８】
また、上記リッジ部の側面と、半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下の低濃度半導体層からなることにより、電流狭窄性および信頼性に優れたショットキー接合を得ることができる。
【００３９】
さらに、上記第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である低濃度半導体層と活性層との間に、第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上の半導体層を形成することによって、光学設計の際には、この第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上の半導体層の層厚・組成を変更することにより、ショットキー接合特性を左右する上記１×１０１７ｃｍ−３以下にドーピングされた第２導電型の低濃度半導体層の構成を変更することなく、素子に要求される仕様を満たす設計ができるようになる。
【００４０】
しかも、上記第２導電型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上の半導体層は、低濃度半導体層の第２導電型のドーピング濃度と同じまたはそれ以上にドーピングされているために、素子抵抗の上昇を抑制でき、一層の低消費電力化を図ることができる。
【００４１】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキー接合を形成し、
上記基板がＧａＡｓからなり、
上記低濃度半導体層が、少なくとも、ＡｌＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを有し、
上記第２導電型の半導体層群に関して上記ショットキー接合を形成する部分が上記ＩｎＧａＡｓＰ層を含む。
【００４２】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ＧａＡｓからなる基板上にＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、そのＡｌＧａＡｓ層を光閉じ込め層（クラッド層）として用いることができる。
【００４３】
また、上記ＧａＡｓからなる基板上にＩｎＧａＡｓＰ層を形成することにより、ショットキー接合を形成するための層としてそのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができる。
【００４４】
また、上記ＡｌＧａＡｓ層に対してＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ層で被覆することにより、酸化しやすいＡｌＧａＡｓ層が大気中に露出されることがないので、Ａｌの酸化に起因する深い準位の発生を抑制でき、長期の信頼性を向上でき、さらに、深い準位に起因する吸収を削減できる。
【００４５】
また、上記ＡｌＧａＡｓ層に対してＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ層で被覆し、そのＩｎＧａＡｓＰ層に対して直接電極を形成してショットキー接合させることによって、ショットキー接合の漏れ電流をより大きく減少させることができる。
【００４６】
Ａｌを含まない半導体層であってＩｎＧａＡｓＰ層と同様の効果が期待できる半導体層としてはＩｎＧａＰ層があるが、ＩｎＧａＰはホール（正孔）に対するバリアが大きく、また、自然超格子化により屈折率が変動しやすいなどのデメリットがあるため、ＩｎＧａＰ層よりＩｎＧａＡｓＰ半導体層の方が好ましい。
【００４７】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第１の電極層を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された少なくとも一つの元素を含む。
【００４８】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第１の電極層を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことにより、ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１の式を満たす第１の電極層を形成することが容易になると共に、発振レーザ光を本体中に閉じ込める効果を向上させることも容易になる。
【００４９】
一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第２の電極層を構成する金属材料が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも一つの元素を含む。
【００５０】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２の電極層を構成する金属材料が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも一つの元素を含むことにより、ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１の式を満たす第２の電極層を形成すること、第１の電極層に対する第２の電極層の密着性を向上させること、および、第３の電極層の金属材料であるＡｕが第２導電型の半導体層群に拡散するのを防止することが容易になる。
【００５１】
したがって、上記Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも一つの元素を含む金属材料で第２の電極層を形成することにより、第１，第２および第３の電極層を有する電極は、素子特性を悪化させず、長期間にわたって低いコンタクト抵抗を維持できる。
【００５２】
本発明の光ディスク装置は、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴としている。
【００５３】
上記構成の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光ディスク装置に比べて、より低消費電力で書き込みができる上、より安価にすることができる。
【００５４】
本発明の光伝送システムは、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴としている。
【００５５】
上記構成の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光伝送システムよりも安価でかつ低消費電力動作にでき、低価格化と高性能化とを図ることができる。
【発明の効果】
【００５６】
本発明の半導体レーザ素子によれば、リッジ部側に設けられた電極（特にリッジ部の最上部以外の領域に設けられた電極）による発振レーザ光の吸収を抑制することができるため、吸収損失を低減することが可能となる。また、簡便な構成を有するため、製造が容易で歩留まりを向上させることができる。したがって、高いスロープ効率を有し、低消費電力（低閾値電流）動作が可能で、かつ低コストに製造できる半導体レーザ素子を提供することができる。
【００５７】
本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光ディスク装置に比べて、低消費電力でデータ書き込みが可能になる上、より安価に構成される。
【００５８】
本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来よりも安価でかつ低消費電力動作が可能な光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化と高性能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
以下、本発明の半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６０】
なお、以下の説明では、「ｎ−」は第１導電型としてのｎ型を表し、「ｐ−」は第２導電型としてのｐ型を表す。
【００６１】
〔第１実施形態〕
図１に、本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の断面を模式的に示す。
【００６２】
上記半導体レーザ素子は、本体１００と、この本体１００上に形成されたｐ側電極１１５と、本体１００下に形成されたｎ側電極１１６とを備え、発振波長が８９０ｎｍとなっている。
【００６３】
上記本体１００は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１と、このｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に順次積層されたｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１下クラッド層１０３、ｎ−Ａｌ０．４２２Ｇａ０．５７８Ａｓ第２下クラッド層１０４、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第１上ガイド層１０７、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第２上ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第１上クラッド層１０９、ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第２上クラッド層１１０およびｐ−Ｉｎ０．１５６８Ｇａ０．８４３２Ａｓ０．４Ｐ０．６半導体層１１１とからなっている。なお、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１は第１導電型の基板の一例、ｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１下クラッド層１０３は第１導電型のクラッド層の一例、ｎ−Ａｌ０．４２２Ｇａ０．５７８Ａｓ第２下クラッド層１０４は第１導電型のクラッド層の一例、多重歪量子井戸活性層１０６は活性層の一例、ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第１上クラッド層１０９は第２導電型のクラッド層の一例、ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第２上クラッド層１１０は第２導電型のクラッド層の一例である。また、上記ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第２上クラッド層１１０とｐ−Ｉｎ０．１５６８Ｇａ０．８４３２Ａｓ０．４Ｐ０．６半導体層１１１とが低濃度半導体層の一例を構成している。そして、上記ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第２上ガイド層１０８と上記ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第１上クラッド層１０９とが、低濃度半導体層と活性層との間に形成される半導体層の一例である。
【００６４】
上記ｐ−Ｉｎ０．１５６８Ｇａ０．８４３２Ａｓ０．４Ｐ０．６半導体層１１１上には、順メサストライプ形状のリッジ１３０をなすように、ｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３上クラッド層１１２、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３およびｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４が設けられている。なお、上記ｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３上クラッド層１１２は第２導電型のクラッド層の一例、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４は高濃度半導体層の一例である。そして、上記ｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１下クラッド層１０３からｐ側電極１１５に向かってｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４までの層が半導体層群の一例を構成している。
【００６５】
上記ｐ側電極１１５は、リッジ１３０と、リッジ１３０の両側にある半導体層１１１とを覆うように設けられている。より詳しくは、上記ｐ側電極１１５は、リッジ１３０の頂部および側面部と、リッジ１３の両側方下にある半導体層１１１の上部とに接触している。そして、上記ｐ側電極１１５は、Ａｇからなる第１の電極層１１５ａと、ＴｉおよびＰｔからなる第２の電極層１１５ｂと、Ａｕからなる第３の電極層１１５ｃとが順に積層された構成となっている。
【００６６】
上記本体１００の発振波長λ（＝８９０ｎｍ）の光に対する実効屈折率ｎＥＦＦは、３．２７３である。
【００６７】
上記第１の電極層１１５ａは上記発振波長λの光の実効屈折率がｎＥ１であり、この実効屈折率ｎＥ１はｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１なる関係を満たしている。具体的には、上記第１の電極層１１５ａを構成するＡｇは、上記発振波長λ付近の光に対する屈折率ｎＡｇが０．１０５を示す。
【００６８】
上記第２の電極層１１５ｂは上記発振波長λの光の実効屈折率がｎＥ２であり、この実効屈折率がｎＥ２がｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１なる関係を満たしている。具体的には、上記第２の電極層１１５ｂを構成するＴｉ，Ｐｔにおいて、Ｔｉは上記発振波長λ付近の光に対する屈折率ｎＴｉが３．２５を示す一方、Ｐｔは上記発振波長λ付近の光に対する屈折率ｎＰｔが３．１６を示す。
【００６９】
上記ｎ側電極１１６は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕの多層金属薄膜からなって、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面（ｐ側電極側の面とは反対側の面）に接触している。
【００７０】
また、図１において、１１７はリッジ形成領域であり、１１８はリッジ形成外領域である。
【００７１】
次に、図２から図４を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
【００７２】
まず、図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１−１の（１００）面上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚：０．５μｍ、Ｓｉドーピング濃度：７．２×１０１７ｃｍ−３）、ｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１下クラッド層１０３（層厚：２．０μｍ、Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０１７ｃｍ−３）、ｎ−Ａｌ０．４２２Ｇａ０．５７８Ａｓ第２下クラッド層１０４（層厚：０．１μｍ、Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０１７ｃｍ−３）、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ下ガイド層１０５（層厚３．０ｎｍ、ノンドープ）、多重歪量子井戸活性層１０６（ノンドープ）、Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第１上ガイド層１０７（層厚：３．０ｎｍ、ノンドープ）、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第２上ガイド層１０８（層厚：０．１μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第１上クラッド層１０９（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−Ａｌ０．４５６Ｇａ０．５４４Ａｓ第２上クラッド層１１０（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０１７ｃｍ−３）、ｐ−Ｉｎ０．１５６８Ｇａ０．８４３２Ａｓ０．４Ｐ０．６半導体層１１１（層厚：１５．０ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０１７ｃｍ−３）、ｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第３上クラッド層１１２−１（層厚：１．２８μｍ、Ｚｎドーピング濃度：２．４×１０１８ｃｍ−３）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３−１（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：３×１０１８ｃｍ−３）、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４−１（層厚：０．３μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０１９ｃｍ−３）を順次、ＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長させる。
【００７３】
上記多重歪量子井戸活性層１０６は、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ圧縮歪量子井戸層（歪：０．７％、層厚：４．６ｎｍ×２層）とＩｎ０．２４Ｇａ０．７６Ａｓ０．５５Ｐ０．４５引張り歪障壁層（歪：０．１％、バンドギャップＥｇ≒１．６０ｅＶ、基板側から膜厚：２１．５ｎｍ、７．９ｎｍ、２１．５ｎｍの３層であり、基板１０１に最も近いものが、ｎ側障壁層、最も遠いものがｐ側障壁層となる）とを交互に配置して形成されている。
【００７４】
次に、上記リッジ１３０を形成すべき領域１１７ａ（図１参照）上に、レジストマスク１１９（マスク幅：４．２μｍ）をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク１１９は、形成すべきリッジ１３０が延びる方向に対応して＜０−１１＞方向にストライプ状に延びるように形成される。
【００７５】
次に、上記レジストマスク１１９をマスクにして、第３上クラッド層１１２−１，コンタクト層１１３−１，１１４−１のうちリッジ形成外領域１１８（図１参照）と重なる部分をエッチングで除去する。これにより、上記レジストマスク１１９の直下に、図３に示すような第３上クラッド層１１２およびコンタクト層１１３，１１４が得られる。つまり、上記レジストマスク１１９の直下に順メサストライプ状のリッジ１３０が得られる。
【００７６】
上記エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて半導体層１１１の直上まで行った後、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でコンタクト層１１３−１，１１４−１のオーバーハング部分をとる。また、上記エッチングの深さは１．７８μｍ、リッジ１３０の最下部の幅は約２．７μｍである。
【００７７】
次に、上記レジストマスク１１９は除去した後、図４に示すように、電子ブーム蒸着法を用いて、第１の電極層１１５ａとしてＡｇ層（層厚：５０ｎｍ）と、第２の電極層１１５ｂとしてＴｉ層（層厚：５ｎｍ）およびＰｔ層（層厚：８ｎｍ）と、第３の電極層１１５ｃとしてＡｕ層（層厚：３００ｎｍ）とをこの順に積層形成する。これにより、上記Ａｇ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層かなるｐ側電極１１５が得られる。
【００７８】
その後、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１−１を裏面側から所望の厚み（ここでは約１００μｍ）にまでラッピング法により研削する。これにより、図１に示すｎ−ＧａＡｓ基板１０１が得られる。
【００７９】
そして、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、ＡｕＧｅ合金層（Ａｕ：８８％とＧｅ：１２％との合金、層厚１００ｎｍ）、Ｎｉ層（層厚：１５ｎｍ）およびＡｕ層（層厚：３００ｎｍ）をこの順で積層形成する。これにより、上記ＡｕＧｅ合金層、Ｎｉ層およびＡｕ層からなるｎ側電極１１６が得られる。
【００８０】
続いて、Ｎ２雰囲気中で３９０℃１分間加熱し、ｎ側電極１１６のアロイ処理を行う。
【００８１】
次に、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を、所望の共振器長（ここでは、５００μｍ）を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーをチップ（５００μｍ×２５０μｍ）に分割する。上記分割後のチップを、Ｉｎ糊剤を用いてステム（図示せず）上に固着させ、ｐ側電極１１５上に外部回路との電気的接続を行うためのＡｕワイヤー（不図示）をボンディングして、本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子が完成する。
【００８２】
このようにして作製された半導体レーザ素子において、ｐ側電極１１５とｎ側電極１１６との間に電流を流すと、リッジ１３０の側方のｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１とｐ側電極１１５との間でショットキー接合が形成されて電流が遮断される。このとき、上記リッジ１３０の最上部にあるｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４と、ｐ側電極１１５との間でのオーミック接合を通してのみ電流が流れる。これにより電流狭窄が実現される。
【００８３】
本実施形態の半導体レーザ素子は、製造段階での結晶成長工程を１度で済ますことができるため、一般的なリッジ埋め込み型の半導体レーザ素子に比べて大幅に製造工程が削減され、低コストで作製することが可能となった。
【００８４】
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子は、本体１００の上記発振波長λの光に対する実効屈折率をｎＥＦＦとし、第１の電極層１１５ａの上記発振波長λの光に対する消衰係数をｋ１としたとき、第１の電極層１１５ａは、上記発振波長λの光に対する屈折率ｎＥ１がｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１の式を満たし、厚みｄ１［ｎｍ］がｄ１≧λ／（４πｋ１）の式を満たすように形成されている。また、上記第１の電極層１１５ａはＡｇ層で構成されている。
【００８５】
一方、上記第２の電極層１１５ｂは、上記発振波長λの光に対する屈折率ｎＥ２がｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１の式を満たすように形成されている。そして、上記第２の電極層１１５ｂの上記発振波長λの光に対する消衰係数をｋ２としたとき、第２の電極層１１５ｂの厚みｄ２［ｎｍ］がｄ２＜λ／（４πｋ２）を満たしている。また、上記第２の電極層１１５ｂはＴｉ層とＰｔ層とで構成されている。
【００８６】
ここで、上記Ａｇ層，Ｔｉ層，Ｐｔ層の上記発振波長λの光に対する消衰係数をｋＡｇ，ｋＴｉ，ｋＰｔとすると、Ａｇ層の厚みｄＡｇがｄＡｇ≧λ／（４πｋＡｇ）の式を満たし、Ｔｉ層の厚みｄＴｉがｄＴｉ＜λ／（４πｋＴｉ）の式を満たし、Ｐｔ層の厚みｄＰｔがｄＰｔ＜λ／（４πｋＰｔ）の式を満たしている。
【００８７】
そして、上述のように、上記第２の電極層１１５ｂがＴｉ層とＰｔ層とからなる２層構造を有するので、上記第２の電極層１１５ｂの消衰係数は、Ｔｉ層とＰｔ層との上記発振波長λの光に対する消衰係数の平均値ｋ平均（＝（ｄＴｉ・ｋＴｉ＋ｄＰｔ・ｋＰｔ）／ｄＴｉ＋ｄＰｔ）とみなし、第２の電極層１１５ｂの厚みｄ２（＝ｄTi＋ｄPt＝ｄトータル）がｄ２＜λ／（４πｋ平均）の関係をも満たしている。
【００８８】
具体的には、上記半導体レーザ素子の上記発振波長λの光に対する実効屈折率ｎＥＦＦは３．２７３であり、上記Ａｇ層の上記発振波長λの光に対する屈折率は０．１０５であり、上記Ｔｉ層の上記発振波長λの光に対する屈折率は３．２５であり、上記Ｐｔ層の上記発振波長λの光に対する屈折率は３．１６である。また、上記Ａｇ層の上記発振波長λの光に対する消衰係数ｋＡｇは６．２２であり、上記Ｔｉ層の上記発振波長λの光に対する消衰係数ｋＴｉは３．８４であり、Ｐｔ層の上記発振波長λの光の消衰係数ｋＰｔは５．３８である。そして、上記Ｔｉ層の上記発振波長λの光に対する消衰係数と、Ｐｔ層の上記発振波長λの光に対する消衰係数との平均値ｋ平均が、４．７９である。
【００８９】
したがって、上記Ａｇ層，Ｔｉ層，Ｐｔ層の厚みｄＡｇ，ｄＴｉ，ｄＰｔは、ｄＡｇ≧１１．４ｎｍ、ｄＴｉ＜１８．４ｎｍ、ｄＰｔ＜１３．２ｎｍを満たし、かつ、Ｔｉ層とＰｔ層とからなる第２の電極層の厚みｄ２（＝ｄＴｉ＋ｄＰｔ）は、ｄ２＜１４．７９ｎｍを満たすように、Ａｇ層の厚みｄＡｇを５０ｎｍに設定し、Ｔｉ層の厚みｄＴｉを５ｎｍに設定し、Ｐｔ層の厚みｄＰｔを８ｎｍに設定した。なお、上記第３の電極層１１５ｃを構成するＡｕ層の厚みは３００ｎｍに設定した。
【００９０】
上述のように、ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１の式を満たす第１の電極層１１５ａを、その厚みｄ１［ｎｍ］がｄ１≧λ／（４πｋ１）の式を満たすように形成することによって、本体１００から発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が大きくなり、第１の電極層１１５ａまで光が漏れることを防止できるようになる。これは、上記発振波長λの光に対する実効屈折率ｎＥＦＦよりも十分に小さい上記屈折率ｎＥ１を有する厚みｄ１の第１の電極層１１５ａを、第１の電極層１１５ａの上記発振波長λの光に対する吸収係数の逆数以上のｄ１≧λ／（４πｋ１）となるように形成することによって、発振レーザ光の分布形状における裾部分を電極にまで漏れ出さないようにする効果を高めることで実現できている。
【００９１】
さらに、ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１の式を満たす第２の電極層１１５ｂを、その厚みｄ２［ｎｍ］がｄ２＜λ／（４πｋ２）の式を満たすように形成することによって、比較的屈折率の高い第２の電極層１１５ｂによる光吸収を抑制することが可能になる。これは、実効屈折率ｎＥＦＦに近い屈折率を有する第２の電極層１１５ｂ（厚み：ｄ２、消衰係数：ｋ平均）を、第２の電極層１１５ｂの上記発振波長λの光に対する吸収係数の逆数よりも小さいｄ２＜λ／（４πｋ平均）となるように形成することによって、上記第２の電極層１１５ｂを構成する金属材料に波長λの光が吸収される量を１−１／ｅより小さくできることで実現できている。なお、上記ｅは自然対数の底である。
【００９２】
したがって、本実施形態の半導体レーザ素子は、低い発振閾値電流と高いスロープ効率との両方を有し、低消費電力動作と低コストでの製造とが可能なとなっている。
【００９３】
上記第１，第２の電極層１１５ａ，１１５ｂに関する形成条件による効果は、本実施形態のようにリッジ導波型半導体レーザ素子であって、しかもリッジの側面と上クラッド層の表面とに対して直接に電極が形成されているものに対して特に大きい。
【００９４】
このように効果が大きいのは、発振レーザ光に対して吸収体として作用してしまう電極がより発光領域に近い所に形成されているためであり、さらに、上述のようなリッジの側方と上クラッド層の表面とに直接電極が形成されたリッジ導波型半導体レーザ素子においては、発振レーザ光の分布が電極にまで漏れ出さないような半導体層構造の設計が困難な場合が多々あるためである。
【００９５】
また、本実施形態の半導体レーザ素子では、第２の電極層１１５ｂのＴｉ層は、第３の電極層１１５ｃであるＡｕ層の密着性を向上させる目的で形成されている。一方、上記第２の電極層１１５ｂのＰｔ層は、上記Ａｕ層のＡｕが拡散により第１の電極層１１５ａやその下の半導体層にまで拡散し、半導体レーザ素子の閾値電流値・効率・抵抗などの特性や、信頼性を悪化させてしまうことを防止するための拡散防止の目的で形成されている。
【００９６】
また、本実施形態の半導体レーザ素子では、上記Ａｇ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層およびＡｕ層で構成するｐ側電極１１５の電気的・光学的特性を長期間維持しながら、製造工程における電極剥離不良を抑制することができ、素子特性と歩留まりとのよさを両立できるようになる。それによって、優れた初期特性を長期に渡って発揮し続けることのできる半導体レーザ素子が提供される。
【００９７】
上述のように、異なる複数の金属で第２の電極層を構成する効果は、第３の電極層として用いる金属材料が、密着性に乏しく、かつ、拡散しやすいものであるときに特に大きい。例えば、第３の電極層の電極材料として好適に用いられるＡｕは、密着性・拡散性ともに悪いものの代表である。ただし、この目的で用いられる第２の電極層の材料は比較的屈折率の大きい金属が多く、本実施形態のように、第２の電極層の膜厚ｄ２をｄ２＜λ／（４πｋ２）を満たすように形成しないと、半導体レーザ素子の特性を悪化させることとなる。
【００９８】
本実施形態では、上述のように、５ｎｍ厚のＴｉ層と８ｎｍ厚のＰｔ層とを使用しているが、このＴｉ層やＰｔ層のように、およそ１０ｎｍ以下の金属薄膜を蒸着法などにより形成する際には、その金属薄膜の形成レート（蒸着レート）を０．１〜０．２ｎｍ／秒程度に設定するのが適当である。上記金属薄膜の形成レートを０．２ｎｍ／秒程度より早くした場合、Ｔｉ層の密着性向上やＰｔ層の拡散防止の効果が小さくなることがある。
【００９９】
また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部１３０の頂部を構成するｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４に対してｐ側電極１１５がオーミック接合しており、リッジ部１３０の側方およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１に対して、ｐ側電極１１５がショットキー接合している。このことによって、別途電流狭窄層となる半導体埋め込み層の再成長工程や、絶縁膜形成工程を要さずにリッジ頂部以外への電流が遮断できる構造を得ることが可能となり、上述のリッジ部１３０の頂部に形成されたオーミック接合を通してのみ電流が流れ、極めて簡単な構成で電流狭窄が実現された半導体レーザ素子を提供できるようになる。
【０１００】
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部１３０の頂部に形成されたｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４のｐ型のドーピング濃度を、１×１０１８ｃｍ−３以上である１×１０１９ｃｍ−３と設定することにより、良好なオーミック接合を実現させた。なお、過剰なドーピングによる結晶性の悪化や、活性層方向へのドーパントの不要な拡散を防止する観点から、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層１１４のｐ型のドーピング濃度の上限は、１×１０２１ｃｍ−３以下とした方が良い。
【０１０１】
また、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０のｐ型のドーピング濃度を１×１０１７ｃｍ−３と設定することにより、電流狭窄性と長期信頼性とに優れたショットキー接合を得ることができる。このｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０のｐ型のドーピング濃度の範囲は、良好な電流狭窄性の実現と必要以上の素子抵抗の悪化を防ぐことを両立させるため、１×１０１６ｃｍ−３以上、１×１０１７ｃｍ−３以下が好ましい。
【０１０２】
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子においては、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１とｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０とからなる低濃度半導体層の一例と多重歪量子井戸活性層１０６との間に、ｐ型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であるｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８（Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０１８ｃｍ−３）とｐ型のドーピング濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であるｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９（Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０１８ｃｍ−３）とを形成し、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９の組成・層厚を調整することによって、ショットキー接合特性を悪化させること無しに、要求される光学特性仕様にあった半導体レーザ素子を提供することを可能にした。
【０１０３】
しかも、上記ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９のｐ型ドーピング濃度は、上記低濃度半導体層の一例のｐ型ドーピング濃度よりも大きい１．３５×１０１８ｃｍ−３であるので、素子抵抗の上昇を抑制でき、一層の低消費電力化を図ることを可能にしている。このｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９のｐ型ドーピング濃度は、少なくともｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０のｐ型のドーピング濃度の上限である１×１０１７ｃｍ−３以上で、かつ、５×１０１８ｃｍ−３以下の範囲で調整することが適当である。
【０１０４】
また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、低濃度半導体層の一例をｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１とｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０との２層が積層された構造としており、リッジ部１３０の側方に形成されるｐ側電極１１５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１に対してショットキー接合をなしている。ここで、上述のように、ＧａＡｓからなるｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に形成されたｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０は、屈折率やバンドギャップから光閉じ込め層（クラッド層）として適当である。
【０１０５】
さらに、上記ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０の上側（基板と反対側の層）にｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１を積層していることによって、リッジ１３０を形成した後も、酸化しやすいｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０を大気中に露出されることがないので、Ａｌの酸化に起因する深い準位の発生を抑制し、長期の信頼性をより向上させ、また深い準位に起因する光吸収を削減することができる。
【０１０６】
また、上記ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０をｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１で被覆し、そのｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１に対してｐ側電極１１５を直接形成してショットキー接合させることによって、ショットキー接合の漏れ電流をより大きく減少させることができ、半導体レーザ素子の閾値電流値の低減に顕著な効果があった。これらの結果、低い閾値電流値と高いスロープ効率を有し、長期の信頼性に優れた半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【０１０７】
なお、本実施形態においては、ショットキー接合を形成させる半導体層をＩｎＧａＡｓＰとＡｌＧａＡｓとからなる２層構造としたが、もちろん１層構造であっても、あるいは３層構造以上であってもよい。
【０１０８】
上記ショットキー接合を形成させる半導体層を３層構造以上にする場合、その３層構造の最上層を、本実施形態のようにＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ層にすると、信頼性の向上と、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓに対するエッチング選択性を利用した高精度なリッジ形成とを可能にするという効果を発揮させることができるので好ましい。
【０１０９】
なお、Ａｌを含まないという点では、ＩｎＧａＰ半導体層を用いることもできるが、特に本実施形態のようにｐ型半導体層として使用する場合、ＩｎＧａＰよりもＩｎＧａＡｓＰの方が、ホール（正孔）に対するバリアが低く、ホール注入効率を向上させる効果があると共に、ＩｎＧａＰは結晶成長条件によっては屈折率の変動を伴う自然超格子化しやすく、好ましくないという面がある。
【０１１０】
また、本実施形態においては、第１の電極層１１５ａの材料としてＡｇを使用し、第２の電極層１１５ｂの材料としてＴｉおよびＰｔを使用し、第３の電極層１１５ｃの材料としてＡｕを使用したが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。つまり、所望の半導体レーザ素子の発振波長と実効屈折率を勘案して、ｎＥＦＦ−ｎＥ１≧１を満たす材料であれば、その膜厚ｄ１をｄ１≧λ／４πｋ１の関係を満たすようにすることによって第１の電極層の材料として使用することができ、また、ｎＥＦＦ−ｎＥ２＜１を満たす材料であれば、その膜厚ｄ２をｄ２＜λ／４πｋ２の関係を満たすように形成することで第２の電極層の材料として使用することができる。このとき、上記屈折率条件を満たすものであれば、単体の金属元素からなる層である必要はなく、複数の元素からなる合金や化合物であってもよい。
【０１１１】
また、ＧａＡｓ、ＧａＮおよびＩｎＰのいずれか１つからなる基板を使用した半導体レーザ素子においては、第１の電極層を構成する金属材料として、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された元素、または、その元素を含む化合物を好適に使用することができる。また、上記第２の電極層を構成する金属材料としては、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、ＴｉおよびＷの中から選択された元素、または、その元素を含む化合物を好適に使用することができる。
【０１１２】
また、第３の電極層としてＡｕを使用する際には、第２の電極層として密着性を改善させる効果のあるＴｉまたはＣｒまたはＭｏからなる金属層と、Ａｕの拡散を防止する効果のあるＰｔまたはＰｄまたはＲｄまたはＯｓからなる金属層の２層構造を用いることが好ましく、これらの金属材料を上述した膜厚形成条件に適合するように形成することによって、低抵抗かつ低屈折率で発振レーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が高く、また、酸化しにくいために圧接によるワイヤーボンディングが容易なＡｕを、その良好な特性を長期間維持し、製造上の歩留まりを低下させること無しに使用することができるようになる。
【０１１３】
これまでの説明においては、本発明の電極構成をｐ型半導体層に対するオーミック接合およびショットキー接合に適用した場合を例にとって示してきたが、もちろんｎ型半導体層に対して適用しても同様の効果が得られる。
【０１１４】
また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を有するＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を用いたが、もちろん本発明は上述した構造に限られるものではない。例えば、結晶成長を円滑に行うための中間層を追加するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での各々の層厚、材料の追加・変更等を加えうることは当然である。
【０１１５】
〔第２実施形態〕
図５に、本発明の第２実施形態の光ディスク装置２００の構成を模式的に示す。なお、図５においては、レーザ光の光路を点線で図示している。
【０１１６】
上記光ディスク装置２００は、例えばＣＤ−Ｒ（書き込み可能なコンパクトディスク）などの光ディスク２０１にデータを書き込んだり、光ディスク２０１に書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際に用いられる発光素子として、波長７８０ｎｍ帯で発振するように活性層の組成・層厚を調整した半導体レーザ素子２０２を備えている。この半導体レーザ素子２０２は上記第１実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有している。
【０１１７】
以下、上記光ディスク装置２００についてさらに詳しく説明する。
【０１１８】
上記光ディスク装置２００が光ディスク２０１にデータを書き込む際には、データ信号がのせられたレーザ光が半導体レーザ素子２０２から出射される。このレーザ光はコリメートレンズ２０３により平行光とされ、ビームスプリッタ２０４を透過しλ／４偏光板２０５で偏光状態が調整された後、対物レンズ２０６で集光されて光ディスク２０１に照射される。
【０１１９】
また、上記光ディスク装置２００が光ディスク２０１のデータを読み出す際には、データ信号がのせられたレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク２０１に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク２０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ２０６、λ／４偏光板２０５を経た後、光軸が９０°曲がるようにビームスプリッタ２０４で反射されて、受光素子用対物レンズ２０７で集光されて信号検出用受光素子２０８に入射する。この信号検出用受光素子２０８内に入射したレーザ光の強弱に基づいて、光ディスク２０１に記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路２０９において元の信号に再生される。
【０１２０】
上記光ディスク装置２００では、低コストで製造でき、かつ高いスロープ効率と低い閾値電流で動作する半導体レーザ素子２０２を用いているため、装置の消費電力を大幅に削減することが可能となった。したがって、より環境に対する負荷の少ない光ディスク装置を従来よりも安価に提供することができた。
【０１２１】
上記第２実施形態では、上記第１実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有する半導体レーザ素子２０２を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長７８０ｎｍ帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置や、他の波長帯（例えば６５０ｎｍ帯）の光ディスク装置にも適用可能であることは言うまでもない。
【０１２２】
〔第３実施形態〕
図６に、本発明の第３実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール３００の断面を模式的に示す。また、図７に、上記光伝送モジュール３００の光源部分の斜視図を模式的に示す。また、図８に、上記光伝送モジュール３００を備える光伝送システムの構成を模式的に示す。
【０１２３】
詳しくは後述するが、上記光伝送システムは、通信を行う双方の側（例えば、端末とサーバ）にそれぞれ同じ光伝送モジュール３００を備えることにより、双方の光伝送モジュール３００間で光（赤外線）信号を送受信することができる。
【０１２４】
上記光伝送モジュール３００は、図６に示すように、上記第１実施形態で説明した８９０ｎｍ帯で発振するＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ素子３０１を光源の一例として備えると共に、シリコン（Ｓｉ）のｐｉｎフォトダイオードである受光素子３０２を備えている。
【０１２５】
上記半導体レーザ素子３０１は回路基板３０６に実装されている。この回路基板３０６は、半導体レーザ素子３０１を駆動するための正負両電極のパターンと、半導体レーザ素子３０１を搭載する部分に設けられた凹部３０６ａとを有している。
【０１２６】
上記凹部３０６ａの底面には、半導体レーザ素子３０１が取り付けられたレーザマウント（マウント材）３１０がはんだで固定されている。また、上記凹部３０６ａは、半導体レーザ素子３０１によるレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっている。具体的には、上記凹部３０６ａの深さは３００μｍとしている。また、上記凹部３０６ａの底面の粗さは、上記レーザ光の放射角に悪影響を与えないように粗さが調整されている。
【０１２７】
上記受光素子３０２も、回路基板３０６に実装され、ワイヤ３０７Ｂにより電気信号が取り出される。この他に、上記回路基板３０６にはレーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ（集積回路）回路３０８が実装されている。
【０１２８】
また、上記凹部３０６ａの底面にレーザマウント３１０を固定した後、凹部３０６ａに、光を拡散するフィラーを混入した液状のシリコン樹脂３０９を適量滴下する。そうすると、上記シリコン樹脂３０９は表面張力のために凹部３０６ａ内に留まり、レーザマウント３１０を覆って凹部３０６ａに固定する。この第３実施形態では、回路基板３０６の表面に凹部３０６ａを形成し、その凹部３０６ａの底面にレーザマウント３１０を固定しているが、上述のように、シリコン樹脂３０９は表面張力のためにレーザチップ表面およびその近傍に留まるので、凹部３０６ａは必ずしも形成する必要はない。
【０１２９】
上記シリコン樹脂３０９は、凹部３０６ａに滴下した後、８０℃で約５分間加熱して、ゼリー状になるまで硬化させている。また、上記シリコン樹脂３０９は透明なエポキシ樹脂モールド３０３により被覆している。このエポキシ樹脂モールド３０３には、レーザ光の放射角制御のためのレンズ部３０４と、信号光を集光するためのレンズ部３０５とがそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。上記レンズ部３０４は半導体レーザ素子３０１の上方に位置する一方、レンズ部３０５は受光素子３０２の上方に位置している。
【０１３０】
以下、上記レーザマウント３１０について、図７を用いて説明する。
【０１３１】
上記レーザマウント３１０はＬ字型のヒートシンク３１１を有している。このヒートシンク３１１に半導体レーザ素子３０１がＩｎ糊剤を用いてダイボンドされている。上記半導体レーザ素子３０１の下面３０１ｂには高反射膜がコーティングされている一方、半導体レーザ素子３０１の上面３０１ａには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜は、レーザチップ端面の保護も兼ねて形成されている。
【０１３２】
上記ヒートシンク３１１の基部３１１ｂには正電極３１２が固定されている。この正電極３１２と基部３１１ｂとの間には絶縁物を介挿して、正電極３１２がヒートシンク３１１と導通しないようにしている。また、上記正電極３１２と、半導体レーザ素子３０１の表面のショットキー接合部上に設けられた電極領域３０１ｃとは、ワイヤ３０７Ｃによって接続されている。
【０１３３】
上記レーザマウント３１０は回路基板３０６上のレーザ駆動用負電極部（図示せず）にはんだ固定されている。また、上記レーザマウント３１０の正電極３１２の平坦部３１３は、回路基板３０６上のレーザ駆動用正電極部（図示せず）にワイヤ３０７Ａを介して電気的に接続されている。このような配線の形成により、レーザビーム３１４を発振により得ることができる光伝送モジュール３００が完成する。
【０１３４】
上記光伝送モジュール３００は、上述の低コストで製造でき、高効率、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュール消費電力を従来に比べて低く抑えることができるとともに、モジュール単価を大幅に下げることができる。この光伝送モジュール３００を用いた光伝送システムは、低消費電力で動作するため、環境に対する負荷を小さくでき、また低価格で構成できる。さらにこの光伝送システムを携帯機器に搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯機器を使用することができるようになる。
【０１３５】
上記光伝送システムは、図８に示すように、部屋の天井に設置された基地局３１６に光伝送モジュール３００を備えると共に、パーソナルコンピュータ３１５に、上記光伝送モジュール３００と同じ光伝送モジュール３５０を備えている。上記パーソナルコンピュータ３１５側の光伝送モジュール３５０の光源から情報を持って発した光信号は、基地局３１６側の光伝送モジュール３００の受光素子によって受信される。また、上記基地局３１６側の光伝送モジュール３００の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ３１５側の光伝送モジュール３５０の受光素子によって受信される。このようにして光（赤外線）によるデータ通信を実現することができる。
【０１３６】
なお、本発明の半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではない。例えば半導体レーザ素子についてはその井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得ることは勿論である。
【０１３７】
なお、上記ワイヤ３０７Ａ，３０７Ｂ，３０７Ｃとして例えばＡｕワイヤを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図２】図２は本発明の上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式断面図である。
【図３】図３は本発明の上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式断面図である。
【図４】図４は本発明の上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式断面図である。
【図５】図５は本発明の第２実施形態の光ディスク装置の模式構成図である。
【図６】図６は本発明の第３実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュールの模式断面図である。
【図７】図７は本発明の上記第３実施形態の光伝送モジュールの光源部分の模式斜視図である。
【図８】図８は本発明の上記第３実施形態の光伝送システムの模式構成図である。
【図９】従来のリッジ導波型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１００  本体
１０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３  ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１下クラッド層
１０４  ｎ−ＡｌＧａＡｓ第２下クラッド層
１０５  ＡｌＧａＡｓ下ガイド層
１０６  多重歪量子井戸活性層
１０７  ＡｌＧａＡｓ第１上ガイド層
１０８  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層
１０９  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層
１１０  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層
１１１  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
１１２  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３上クラッド層
１１３  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１１４  ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層
１１５  ｐ側電極
１１５ａ  第１の電極層
１１５ｂ  第２の電極層
１１５ｃ  第３の電極層
１１６  ｎ側電極
１１７ａ  リッジ形成領域
１１７ｂ  リッジ形成外領域
１１９  レジストマスク
１３０  リッジ
２００  光ディスク装置
２０１  光ディスク
２０２  半導体レーザ素子
２０３  コリメートレンズ
２０４  ビームスプリッタ
２０５  λ／４偏光板
２０６  対物レンズ
２０７  受光素子用対物レンズ
２０８  信号検出用受光素子
２０９  信号光再生回路
３００，３５０  光伝送モジュール
３０１  半導体レーザ素子
３０２  受光素子
３０３  エポキシ樹脂モールド
３０４，３０５  レンズ部
３０６  回路基板
３０６ａ  凹部
３０７Ａ，３０７Ｂ，３０７Ｃ  ワイヤ
３０８  ＩＣ回路
３０９  シリコン樹脂
３１０  レーザマウント
３１１  ヒートシンク
３１１ｂ  基部
３１２  正電極
３１３  平坦部
３１４  レーザビーム
３１５  パーソナルコンピュータ
３１６  基地局
【図１】
2007317731.tif 000003
【図２】
2007317731.tif 000004
【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】
2007317731.tif 000009
【図８】
2007317731.tif 000010
【図９】
2007317731.tif 000011