(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧaＡs基板上に、少なくとも、下部クラッド層と、下部ガイド層と、１つまたは複数の井戸層とバリア層とが積層されて成る量子井戸を含む活性領域と、上部ガイド層と、上部クラッド層が形成された発振波長が７６０nmより大きく且つ８００nmより小さい半導体レーザ装置において、
上記量子井戸の最外層は上記バリア層となっており、
上記下部ガイド層および上記上部ガイド層は、上記量子井戸の最外層を構成している上記バリア層の外側に、当該バリア層に隣接して形成されており、
上記井戸層は、ＩnＧaＡsＰで構成され、
上記バリア層は、ＩnＧaＡsＰあるいはＧaＡsＰで構成され、
上記ガイド層は、ＡlxＧa1-xＡs(０.２０＜ｘ≦１)で構成され
ていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記ガイド層のIII族元素中におけるＡlの組成比を表わす上記ｘの値は０.２５よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の半導体レーザ装置において、
上記下部クラッド層および上部クラッド層は、Ａlを含んで構成されており、
上記ｘの値は、上記下部クラッド層および上部クラッド層のＡlの組成比の値よりも小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ装置において、
上記ｘの値は、段階的にあるいは連続的に、且つ、上記下部クラッド層および上部クラッド層に近づく程大きくなるように、変化していること特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記ガイド層における少なくともバリア層に接している部分の上記ｘの値は、０.４よりも小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記井戸層は、圧縮歪を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の半導体レーザ装置において、
上記バリア層は、引張歪を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の半導体レーザ装置を、発光装置として用いたことを特徴とする光ディスク装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、活性領域にＡlを含まない発振波長７８０nm帯(７６０nmより大きく８００nmより小さい)の半導体レーザ装置、および、その半導体レーザ装置を用いた光ディスク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＤ(コンパクトディスク)やＭＤ(ミニディスク)等のディスクを再生するための半導体レーザ装置として、７８０nm帯の半導体レーザ装置が広く使用されている。その中でも、高速書き込み可能なＣＤ‐Ｒ(ＣＤrecordable)用の半導体レーザ装置として、１２０mＷ以上の高出力でも信頼性の高い半導体レーザ装置が強く望まれている。
【０００３】
ところで、井戸層/バリア層にＡlが入っている従来のＡlＧaＡs量子井戸構造の場合には、特に高温,高出力時における信頼性が低下するという問題がある。これは、Ａlが活性な物質であるために酸素等の微量の不純物とも反応してしまい、材料の劣化を増幅してしまう為と考えられている。それに対抗する１つの方法として、上記井戸層/バリア層にＡlが入っていない構造にすることによって、高出力,高信頼性を実現することが考えられる。しかしながら、実際には、７８０nm帯において、１２０mＷ以上の高出力で十分な信頼性を有する半導体レーザ装置は未だ出現していない。
【０００４】
上記井戸層/バリア層にＡlが入っていない構造の発振波長８１０nmの半導体レーザ装置として、特開平１１‐２２０２４４号公報、および、Japanese Journal of Applied Physics Vol.38(1999)pp．L387‐L389に開示されているようなものが提案されている。そこで、この従来の技術に基づいて、７８０nmで発振する半導体レーザ装置を作成してみた。
【０００５】
図１２は、上記井戸層/バリア層にＡlが入っていないＩnＧaＡsＰ系量子井戸構造の半導体レーザ装置を示す構造図である。また、図１３は、図１２に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドギャップ(Ｅg)のダイアグラムを示す。
【０００６】
図１２において、１はｎ型ＧaＡs基板、２はｎ型Ａl0.63Ｇa0.37Ａs下部クラッド層、３はＩn0.484Ｇa0.516Ｐ下部ガイド層、４は活性領域である。ここで、活性領域４は、バリア層５と井戸層６とから成る二重量子井戸(ＤＱＷ)構造を有している。また、７はＩn0.484Ｇa0.516Ｐ上部ガイド層、８はｐ型のＡl0.63Ｇa0.37Ａs上部クラッド層、９はｐ型のＧaＡs保護層、１０はＳiＯ2電流ブロック層、１１はｎ側電極、１２はｐ側電極である。バリア層５は、Ｉn0.4Ｇa0.6Ｐで構成され、歪は引張歪−０.６２％で、層厚は５a,５cが８nmであり５bが７nmである。尚、Ｉn0.4Ｇa0.6ＰのＥgは、歪を考慮しない場合は２.０２eＶ程度と算出されるが、引張歪による影響によって１.９３eＶ〜１.９６eＶ程度になると考えられる。井戸層６は、Ｉn0.162Ｇa0.838Ａs0.671Ｐ0.329で構成されており、Ｅgは１.５７eＶで、基板と格子整合しており、層厚は６a,６b共に５nmである。また、ＡlＧaＡs上部クラッド層８は、リッジストライプ構造を有し、ストライプ幅は２.５μmである。
【０００７】
従来の井戸層/バリア層にＡlが入っていない半導体レーザ装置では、Ｉn0.484Ｇa0.516Ｐガイド層(Ｅg＝１.８９eＶ)とＩnＧaＡsＰ井戸層の間にＩn0.4Ｇa0.6Ｐバリア層を挿入して、井戸層に隣接する層(つまり、バリア層５)とのＥgの差「ΔＥg」を０.３６eＶ〜０.３９eＶと、井戸層/バリア層にＡlが入っている半導体レーザ装置よりも大きくしている。例えば、ＡlＧaＡs系の半導体レーザの量子井戸構造では、通常ΔＥg＝０.２５eＶ程度である。このように、上記従来の井戸層/バリア層にＡlが入っていない半導体レーザ装置では、バリア層５に用いるＡlフリーの材料としてΔＥgをできるだけ大きくとれる材料を選び、確実なキャリアの閉じ込めを図っているのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の井戸層/バリア層にＡlが入っていないＩnＧaＡsＰ系量子井戸構造の半導体レーザ装置においては、以下のような問題がある。すなわち、上記半導体レーザ装置の特性を測定したところ、閾値電流は１００mＡと高く、良好な特性が得られない。また、温度特性も非常に悪く、８０℃以上では発振しないのである。尚、上記井戸層/バリア層にＡlが入っているＡlＧaＡs系の７８０nmｍ帯の半導体レーザ装置の場合は、閾値電流が３５mＡ、温度特性が１１０Ｋ程度である。したがって、上記ＡlＧaＡs系の半導体レーザ装置と比較した場合には、逆に特性が悪化しているのである。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、ΔＥgの大きさに拘らず特性を著しく向上させることができるＡlフリーの半導体レーザ装置、および、その半導体レーザ装置を用いた光ディスク装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明は、
ＧaＡs基板上に、少なくとも、下部クラッド層と、下部ガイド層と、１つまたは複数の井戸層とバリア層とが積層されて成る量子井戸を含む活性領域と、上部ガイド層と、上部クラッド層が形成された発振波長が７６０nmより大きく且つ８００nmより小さい半導体レーザ装置において、
上記量子井戸の最外層は上記バリア層となっており、
上記下部ガイド層および上記上部ガイド層は、上記量子井戸の最外層を構成している上記バリア層の外側に、当該バリア層に隣接して形成されており、
上記井戸層は、ＩnＧaＡsＰで構成され、
上記バリア層は、ＩnＧaＡsＰあるいはＧaＡsＰで構成され、
上記ガイド層は、ＡlxＧa1-xＡs(０.２０＜ｘ≦１)で構成され
ていることを特徴としている。
【００１１】
後に詳述するように、ＩnＧaＡsＰは、組成を変えると、同じＥgであってもコンダクションバンドのエネルギー(Ｅc)とバレンスバンドのエネルギー(Ｅv)との値は変わってくる。特に、格子定数がＧaＡs基板に近い組成であるＩnＧaＡsＰのＥgは、バレンスバンド側に広がってくる。そのために、井戸層およびバリア層にＩnＧaＡsＰ系材料を用いた場合には、両層の間のΔＥgを大きな値に設定しても、Ｅvの差(｜ΔＥv｜)ばかりが大きくなって、Ｅcの差(｜ΔＥc｜)はＡlＧaＡs系の半導体レーザ装置程度の大きさを確保することができない。
【００１２】
したがって、上記バリア層およびガイド層としてＩnＧaＰを用いた従来の７８０nm帯半導体レーザ装置の場合には、｜ΔＥc｜小による電子のオーバーフローが生じて、閾値電流の上昇や温度特性の悪化等の特性不良の原因となっている。
【００１３】
上記構成によれば、ＩnＧaＡsＰあるいはＧaＡsＰで構成されるＡlを含まないバリア層の外側に、III族中のＡl組成比が０.２０より大きいＡlＧaＡsガイド層が設けられている。したがって、上記ＩnＧaＡsＰで構成されるＡlを含まない井戸層と上記ガイド層との｜ΔＥc｜が、０.１２eＶ程度以上に設定される。この０.１２eＶ程度とは、ＡlＧaＡs系半導体レーザの量子井戸構造において、バリア層としてIII族のＡl組成が０.２７程度のＡlＧaＡsを用いた場合の、バリア層と井戸層とのΔＥcに相当する。したがって、ＡlＧaＡs系の半導体レーザと同等以上に電子のオーバーフローが抑制される。
【００１４】
その結果、上記ＩnＧaＰガイド層を用いた半導体レーザ装置における特性不良の原因であった井戸層からの電子のオーバーフローを解消することができ、活性領域にＡlを含まない７８０nm帯の半導体レーザ装置の特性が、著しく向上されるのである。さらに、上記Ａlを含まないバリア層の存在によって、上記井戸層には、Ａlを含む上記ＡlＧaＡsガイド層が隣接されることはない。したがって、高い信頼性が確保される。
【００１５】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体レーザ装置において、上記ガイド層のIII族元素中におけるＡlの組成比を表わす上記ｘの値は０.２５よりも大きくなっている。
【００１６】
この実施例によれば、上記ＡlＧaＡsガイド層と井戸層との｜ΔＥc｜を０.１２eＶよりも確実に大きくして、上記井戸層からの電子のオーバーフローがより確実に抑制される。
【００１７】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体レーザ装置において、上記下部クラッド層および上部クラッド層はＡlを含んで構成されており、上記ｘの値は上記下部クラッド層および上部クラッド層のＡlの組成比の値よりも小さくなっている。
【００１８】
この実施例によれば、上記ＡlＧaＡsガイド層の｜ΔＥc0｜およびＧaＡs基板に対するＥvの差である｜ΔＥv0｜が、上記下部クラッド層および上部クラッド層よりも小さくなる。したがって、上記ガイド層中で電子のオーバーフローが抑え込まれて、温度特性の向上が図られる。
【００１９】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体レーザ装置において、上記ｘの値は、段階的にあるいは連続的に、且つ、上記下部クラッド層および上部クラッド層に近づく程大きくなるように、変化している。
【００２０】
この実施例によれば、上記ＡlＧaＡsガイド層の｜ΔＥc0｜および｜ΔＥv0｜が、上記井戸層側から下部クラッド層および上部クラッド層側に向かって順次大きくなっている。したがって、より確実に上記ガイド層中で電子のオーバーフローが抑え込まれる。
【００２１】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体レーザ装置において、上記ガイド層における少なくともバリア層に接している部分の上記ｘの値は、０.４よりも小さくなっている。
【００２２】
この実施例によれば、上記ガイド層における井戸層に近い領域におけるＡl組成が低くなっている。したがって、信頼性に悪影響を及ぼすことが防止される。
【００２３】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体レーザ装置において、上記井戸層は圧縮歪を有している。
【００２４】
この実施例によれば、上記井戸層には圧縮歪が導入されている。したがって、低閾値電流化が図られる。
【００２５】
また、１実施例では、上記第１の発明の半導体レーザ装置において、上記バリア層は引張歪を有している。
【００２６】
この実施例によれば、低閾値電流化を図るために上記井戸層に圧縮歪が導入された場合に、引張歪が導入された上記バリア層は歪補償機能を呈する。したがって、結晶内の欠陥が滅少して、より高い信頼性が得られるのである。
【００２７】
また、第２の発明の光ディスク装置は、上記第１の発明の半導体レーザ装置を発光装置として用いたことを特徴としている。
【００２８】
上記構成によれば、ＣＤ/ＭＤ用の光ディスク装置の発光装置として、従来よりも高い光出力で安定に動作する半導体レーザ装置が用いられている。したがって、光ディスクの回転数を従来よりも高速にしてもデータの読み書きが可能となり、特にＣＤ‐Ｒ,ＣＤ‐ＲＷ(ＣＤrewritable)等への書き込み時に問題となっていた光ディスクヘのアクセス時間が格段に短くなる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３０】
＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態の半導体レーザ装置における構成を示す図である。本実施の形態は、ＩnＧaＡsＰ井戸層/ＩnＧaＰバリア層の量子井戸活性領域とＡlＧaＡsガイド層とを有する発振波長が７８０nmの半導体レーザ装置に関する。
【００３１】
図１において、２１はｎ型ＧaＡs基板、２２はｎ型ＧaＡsバッファ層（層厚０.５μm)、２３はｎ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs下部クラッド層（層厚１.７μm)、２４はＡl0.35Ｇa0.65Ａs下部ガイド層（層厚４５nm）、２５は活性領域である。ここで、活性領域２５は、バリア層２６と井戸層２７とから成る二重量子井戸(ＤＱＷ)構造を有している。また、２８はＡl0.35Ｇa0.65Ａs上部ガイド層（層厚４５nm)、２９aはｐ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs上部第１クラッド層(層厚０.２μm)、３０はｐ型ＧaＡsエッチングストップ層(層厚３nm）、２９bはリッジストライプ形状のｐ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs上部第２クラッド層(層厚１.２８μm)、３１はｐ型ＧaＡs保護層(層厚０.７μm)、３２はｎ型Ａl0.7Ｇa0.3Ａs第１電流ブロック層(層厚０.６μm)、３３はｎ型ＧaＡs第２電流ブロック層(層厚０.７μm)、３４はｐ型ＧaＡs埋込み保護層(層厚０.６μm)、３５はｐ型ＧaＡsキャップ層(層厚２μm)、３６はｎ側電極、３７はｐ側電極である。
【００３２】
尚、上記バリア層２６はＩn0.4Ｇa0.6Ｐで構成され、歪は引張歪−０.６２％で、層厚は２６a,２６cが８nmであり、２６bが７nmである。尚、Ｉn0.4Ｇa0.6ＰのＥgは、歪を考慮しない場合は２.０２eＶ程度と算出される。しかしながら、引張歪による影響によって、１.９３eＶ〜１.９６eＶ程度になると考えられる。井戸層２７は、Ｉn0.162Ｇa0.838Ａs0.671Ｐ0.329で構成され、Ｅgは１.５７eＶで、基板と格子整合しており、層厚は２７a,２７b共に５nmである。尚、井戸層２７とバリア層２６との｜ΔＥg｜は０.３６eＶ〜０.３９eＶである。また、ＡlＧaＡsガイド層２４,２８のＥgは１.８６eＶである。
【００３３】
ところで、上記ＡlＧaＡs系の半導体レーザ装置では、通常井戸層とバリア層との｜ΔＥg｜は０.２５eＶ程度であり、このΔＥgが０.２０eＶ程度になるとキャリアがオーバーフローして特性の劣化が見られるようになる。
【００３４】
上記構成のＩnＧaＡsＰ井戸層/ＩnＧaＰバリア層/ＡlＧaＡsガイド層半導体レーザ装置は、以下のようにして作成することができる。すなわち、先ず、(１００)面を有するＧaＡs基板２１上に、ＧaＡsバッファ層２２、ＡlＧaＡs下部クラッド層２３、ＡlＧaＡs下部ガイド層２４、３層のバリア層２６と２層の井戸層２７を交互に配置して成るＤＱＷ構造の活性領域２５、ＡlＧaＡs上部ガイド層２８、ＡlＧaＡs上部第１クラッド層２９a、ＧaＡsエッチングストップ層３０、ＡlＧaＡs上部第２クラッド層２９b、ＧaＡs保護層３１を、有機金属気相成長法によって順次結晶成長させる。さらに、ＧaＡs保護層３１上におけるリッジストライプ部を形成する部分に、ストライプ方向が(０１１)方向であるようなレジストマスクを写真工程によって形成する。
【００３５】
次に、上記レジストマスク以外の部分におけるＧaＡs保護層３１およびＡlＧaＡs上部第２クラッド層２９bのみをエッチング除去して、リッジストライプ部を形成する。そして、このリッジストライプ部の上側及び両側を含む全体に、ＡlＧaＡs第１電流ブロック層３２、ＧaＡs第２電流ブロック層３３、ＧaＡs埋込み保護層３４を、有機金属気相成長法によって順次結晶成長させる。その際に、上記リッジストライプ部上には、リッジストライプ部の形状を反映して電流ブロック層３２,３３および埋込み保護層３４が凸状に形成される。
【００３６】
次に、上記ＧaＡs埋込み保護層３４上における上記凸状部を除く領域にレジストマスクを形成する。そして、上記凸状部の埋込み保護層３４,第２電流ブロック層３３および第１電流ブロック層３２をエッチングにより順次除去して、リッジストライプ部の頂部を露出させる。その後、全面に、ＧaＡsキャップ層３５を有機金属気相成長法によって結晶成長させる。そして最後に、基板２１の表面にｎ側電極３６を形成し、キャップ層３５の表面にｐ側電極３７を形成する。以上のようにして、ストライプ幅２.５μmの埋込リッジ構造を有するＩnＧaＡsＰ井戸層/ＩnＧaＰバリア層/ＡlＧaＡsガイド層の半導体レーザ装置が形成される。
【００３７】
上述のようにして形成された半導体レーザ装置を、共振器長８００μmで壁開し、端面反射コーティングを施し、ステムにマウントした後、素子特性の測定を行った。その結果、閾値電流Ｉth＝３８mＡ、温度特性Ｔ0＝１０８Ｋを呈した。すなわち、本実施の形態における半導体レーザ装置では、従来の井戸層/バリア層にＡlが入っていないＩnＧaＡsＰ系量子井戸構造の半導体レーザ装置に比べ、井戸層２７およびバリア層２６の構成は同様であるにも拘らず、閾値電流Ｉth,温度特性Ｔ0共に向上させることができる。以下、その理由に付いて検証してみる。
【００３８】
(Ｅc,Ｅvの机上検討)
半導体のＥgは、コンダクションバンドのエネルギー(Ｅc)およびバレンスバンドのエネルギー(Ｅv)の差である。しかしながら、例え同じＥgであっても、ＥcおよびＥvは材料系や組成等によって相違する。一般に、ＡlＧaＡs系はＥc,Ｅvが高いのに対して、ＩnＧaＡsＰ系ではＥc,Ｅvが低いと言われている。異なる半導体層間のヘテロ界面においては、両層間のＥc同士の差及びＥv同士の差(ΔＥc,ΔＥv)が電子やキャリアの振る舞いに影響を与える。そこで、本実施の形態の半導体レーザ装置において井戸層２７に用いているＩnＧaＡsＰおよびガイド層２４に用いているＡlＧaＡsの組成に対するＥc,Ｅvについて着目し、その関係について検討を行ってみる。
【００３９】
以下においては、半導体のＥg,Ｅc,Ｅvの大小を、両半導体レーザ装置において基板に用いているＧaＡsのＥg,Ｅc,Ｅvを基準にしてその基準に対する差の値｜ΔＥg0｜,｜ΔＥc0｜,｜ΔＥv0｜で表現することにする。また、｜ΔＥg0｜は｜ΔＥcO｜＋｜ΔＥvO｜である。ここで、｜ΔＥg0｜のうち｜ΔＥc0｜が占める割合を、｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜と表現する。
【００４０】
そうすると、ＩnＧaＰの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜については
｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜＝０.１８
という数値がAppl.Phys.Lett.66,p1785(1995)に開示されており、これを検討に使用する。一方、ＧaＡsＰの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜については、上記ＩnＧaＰより大であることは一般に知られてはいるが、具体的な数値は不明である。そこで、ＧaＡsＰの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜として幾つかの値を設定し、更にＩnＧaＰとＧaＡsＰとの間の組成であるＩnＧaＡsＰについては、組成に応じてＩnＧaＰの値とＧaＡsＰの値との間で変化すると仮定し、各組成におけるＩnＧaＡsＰの｜ΔＥg0｜,｜ΔＥc0｜及び｜ΔＥv0｜がどのようになるかを検討してみる。ここでは、実際のＧaＡsＰ特性に最も合った例として、ＧaＡsＰの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜を０.６０とした場合を示す。尚、ＩnＧaＡsＰ系のＥg自体についても、実験結果に基づいて組成との関係を推定した。これは、ＩnＧaＡsＰ系のＥgについて、組成との関係式が幾つか提示されてはいるが、互いに相違しており明確になっていないためである。尚、ＡlＧaＡsの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜については、一般に０.６〜０.６５と言われており、０.６として検討を行った。
【００４１】
図４は、ＩnＧaＡsＰについて、横軸ｘをIII族のＧa組成とする一方、縦軸ｙをＶ族のＰ組成とした平面上に、同じＥgとなる(ｘ,ｙ)を結んで等Ｅg曲線を描いた図である。図５は、横軸ｘをIII族のＧa組成とする一方、縦軸ｙをＶ族のＰ組成とした平面上に、同じＥcとなる(ｘ,ｙ)を結んで等Ｅc曲線を描いた図である。尚、｜ΔＥc0｜を５０meＶ毎の等間隔で描いている。また、図６は、横軸ｘをIII族のＧa組成とする一方、縦軸ｙをＶ族のＰ組成とした平面上に、同じＥvとなる(ｘ,ｙ)を結んで等Ｅv曲線を描いた図である。尚、｜ΔＥv0｜を５０meＶ毎の等間隔で描いている。図７は、横軸ｘをIII族のＧa組成とする一方、縦軸ｙをＶ族のＰ組成とした平面上に、ＧaＡsに対する歪量が同じになる(ｘ,ｙ)を結んで等歪曲線(等格子定数曲線)を描いた図である。ところで、歪によるＥg,Ｅc,Ｅvの変化については、ＩnＧaＰの圧縮歪の場合に関して評価した例が「J.Appl.Phys.,54,4,pp.2052〜2056(1983)」に開示されている。しかしながら、その他のＩnＧaＡsＰやＧaＡsＰの種々の組成によってどのように変化するかが不明であるため、図４〜図６においては歪の影響は考慮してはいない。
【００４２】
上記等Ｅg線と等Ｅc線と等Ｅv線とを比較すると、上記等Ｅg線上に沿って組成をＩnＧaＰに近づけると、｜ΔＥv0｜は大きくなるが｜ΔＥc0｜は若干小さくなり、Ｅgはバレンスバンド側に広がることが判る。逆に、組成をＧaＡsＰに近づけると、｜ΔＥv0｜は小さくなるが｜ΔＥc0｜が大きくなり、Ｅgはコンダクションバンド側に広がることが判る。
【００４３】
図８に、ＧaＡs基板上に格子整合するＩnＧaＡsＰおよびＡlＧaＡsのＥc,Ｅvの関係を示している。ＩnＧaＡsＰ系材料は、ＡlＧaＡs系材料よりも｜ΔＥv0｜が大きくなり｜ΔＥc0｜が小さくなることが判る。また、図８には、本実施の形態におけるバリア層２６に相当するＩn０.４Ｇa０.６Ｐについても比較のために示している。尚、このＩn0.4Ｇa0.6Ｐの組成においては−０.６４％の引張歪を有しており、図８においては、歪の影響を考慮した｜ΔＥc0｜の推定値を記載している。この推定値は、圧縮歪ＩnＧaＰでのＥgの変化の報告例を参考にしたものであって、飽くまで目安でしかない。
【００４４】
(机上検討図と本実施の形態の比較、図４〜図７から判る効果)
図４〜図７に、本実施の形態半導体レーザ装置におけるＩnＧaＡsＰ井戸層２７およびＩnＧaＰバリア層２６の各組成(ｘ,ｙ)点を、夫々○,●で示している。但し、ＩnＧaＰバリア層２６は引張歪であるため、Ｅg,｜ΔＥc0｜,｜ΔＥv0｜共に、実際にはより小さい値になると考えられる。図５より｜ΔＥc0｜を読み取り、図６より｜ΔＥv0｜を読み取ることができる。また、図８に、井戸層２７,ガイド層２４,２８およびバリア層２６に該当する組成を、夫々(１),(２),(３)で示している。それに基づいて、ＧaＡs基板２１,ＩnＧaＡsＰ井戸層２７,ＩnＧaＰバリア層２６およびＡlＧaＡsガイド層２４,２８のエネルギーバンドの関係を描くと図３に示すようになる。さらに、本実施の形態における素子構造の活性領域近傍のエネルギーバンドを描くと図２(a)に示すようになる。尚、図２(b)に、ＩnＧaＰガイド層を用いた上記従来の半導体レーザ装置のエネルギーバンドを示している。但し、クラッド層の組成は、本実施の形態に合わせてＡl０.5Ｇa０.5Ａsとしている。
【００４５】
図２(a)及び図２(b)において、本実施の形態の半導体レーザ装置と従来の半導体レーザ装置とを比較すると、先ず第１に明確に判ることは、ガイド層同士の比較において、本実施の形態の半導体レーザ装置においては、従来の半導体レーザ装置の場合よりも、ガイド層のＥgは小さいが、井戸層とガイド層との｜ΔＥc｜は逆に大きくなっていることが判る。これによって、ＩnＧaＰバリア層２６からの電子のオーバーフローがＡlＧaＡsガイド層２４,２８によって抑制されるために、従来のＩnＧaＰガイド層半導体レーザ装置に対して、閾値電流の低減および温度特性の向上に繋がったと推定される。
【００４６】
(ＡlＧaＡsガイド層組成の有効な範囲の決定)
図５および図６は、上述したようにＧaＡsＰの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜を０.６０と仮定した場合のものであり、真の曲線は不明である。しかしながら、本実施の形態の半導体レーザ装置と上記従来の半導体レーザ装置とから得られた素子特性が、上述したように、図５および図６による推定に対して大きな齟齬がないために、図４〜図７に示す曲線が有する傾向は、大まかには実態を表わしていると判断される。
【００４７】
以下、この判断に基づいて、ＡlＧaＡs組成がガイド層として有効に機能する｜ΔＥc0｜の範囲について述べる。
【００４８】
上記井戸層からのキャリアのオーバーフローについては電子が支配的と考え、｜△Ｅc0｜を不必要に小さくしないように設定することにする。尚、発振波長が７８０nmの半導体レーザ装置におけるＩnＧaＡsＰ井戸層では、｜ΔＥc0｜＝約０.０３eＶであり、｜ΔＥv0｜＝約０.１２eＶであると推定される。但し、この値は、井戸層の歪量等によって変動するので厳密ではない。
【００４９】
先ず、｜ΔＥc0｜の最小値については、井戸層からの電子のオーバーフローを防ぐために、ガイド層と井戸層のΔＥcが０.１２eＶ程度以上になるように設定する必要がある。この０.１２eＶは、ＡlＧaＡs井戸層を有する７８０nm帯半導体レーザ装置において、III族のＡl組成が０.２７程度であるＡlＧaＡsをガイド層として用いた場合に相当する。本実施の形態の半導体レーザ装置の場合は、井戸層２７が｜ΔＥc0｜＝約０.０３eＶであるＩnＧaＡsＰであることから、ガイド層２４,２８の｜ΔＥc0｜＞約０.１５eＶ(＝約０.０３eＶ＋０.１２eＶ)が条件となる。そして、この｜ΔＥc0｜に相当するＡlＧaＡsは、Ａl組成が０.２０よりも大きいＡlＧaＡsとなる。但し、これは最低限のΔＥcを確保するための値であり、より確実にキャリアのオーバーフローを防ぐために、はＡl組成が０.２５より大きいＡlＧaＡsをガイド層２４,２８として用いることが望ましい。
【００５０】
次に、｜ΔＥc0｜の最大値については、電子の注入は相当大きなバリアでなければあまり影響はないと考え、特に考慮しないものとする。本実施の形態の半導体レーザ装置の場合には、ガイド層２４,２８のＡl組成は０.３５であるので十分なΔＥcが得られている。
【００５１】
(Ａlフリーによる高信頼性)
本実施の形態においては、井戸層２７および井戸層２７に接するバリア層２６にＡlを含んでいないために、高温,高出力時においても、高い信頼性を得ることが可能である。仮に、ガイド層２４,２８に接するバリア層２６を無くして、ＡlＧaＡsガイド層２４,２８とＩnＧaＡsＰ井戸層２７とを隣接させても、井戸層２７からのキャリアのオーバーフローを抑制できる可能性はある。しかしながら、不純物をより多く含むＡlを含むガイド層２４,２８は、発光層あるいはそれに隣接する層として用いると非発光再結合が発生して活性領域での結晶の劣化を促進させるので、望ましくはない。
【００５２】
また、本実施の形態においては、上記量子井戸活性領域における最外のバリア層２６a,２６cの外側がＡlＧaＡsのガイド層２４,２８となっている。しかしながら、ＩnＧaＰバリア層２６の層厚を４nm以下にすると、高温,高出力時での信頼性が低下する。これは、ガイド層２４,２８のＡlの影響と考えられる。したがって、ＩnＧaＰバリア層２６の層厚を４nmより大きくすることによって、ガイド層２４,２８のＡlの影響を大幅に抑制することができ、高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができるのである。
【００５３】
(ＩnＧaＡsＰ井戸層によるＥc,Ｅvに関する利点)
図３から判るように、上記ＩnＧaＡsＰ井戸層２７は、ＧaＡs基板２１に比較して、Ｅgはバレンスバンド側に広がって｜ΔＥc0｜＜｜ΔＥv0｜となる。これとは逆に、ＡlＧaＡsのガイド層２４,２８は、Ｅgはコンダクションバンド側に広がって｜ΔＥc0｜＞｜ΔＥv0｜となる。したがって、ＩnＧaＡsＰ井戸層２７とＡlＧaＡsのガイド層２４,２８との組み合わせは、例えばＡlＧaＡsを井戸層とした場合に比較して、井戸層２７とガイド層２４,２８とのΔＥcおよびΔＥvを考えると、｜ΔＥc｜をより大きくでき、｜ΔＥv｜をより小さくできる。すなわち、本実施の形態によれば、小さなＥgのガイド層で｜ΔＥv｜を小さいままに｜ΔＥc｜を大きくすることが可能になるのである。したがって、ガイド層２４,２８のＡl組成は、少なくとも０.２０より大きく設定すれば本実施の形態における効果が現れるのである。尚、その場合におけるＡl組成は、ＡlＧaＡs井戸層を有する７８０nm帯半導体レーザ装置におけるガイド層のＡl組成よりも０.０５以上少ない。
【００５４】
本実施の形態の半導体レーザ装置においては、ＡlＧaＡsのガイド層２４,２８のＡl組成を０.３５としているが、０.２０より大きければよく、Ａl組成を０.３５より下げても差し支えない。その場合には、キャリアのオーバーフローの効果は少し低下する代わりに、Ａlによる信頼性の低下をさらに抑制することが可能になる。
【００５５】
以上のごとく、本実施の形態においては、半導体レーザ装置における活性領域２５を、バリア層２６と井戸層２７とから成るＤＱＷ構造とし、バリア層２６をＩnＧaＰで構成する一方、井戸層２７をＧaＡs基板２１と格子整合したＩn0.162Ｇa0.838Ａs0.671Ｐ0.329で構成している。更に、ガイド層２４,２８をＡl0.35Ｇa0.65Ａsで構成している。このように、ガイド層２４,２８をＡlＧaＡsで構成することによって、ガイド層として従来のごとくＩnＧaＰを用いた場合に比してガイド層のＥgは小さくなるが、井戸層とガイド層との｜ΔＥc｜を大きくすることができる。したがって、ＩnＧaＰバリア層２６からの電子のオーバーフローをＡlＧaＡsガイド層２４,２８によって抑制することができる。その結果、従来のＩnＧaＰガイド層半導体レーザ装置よりも、閾値電流の低減および温度特性の向上を図ることができるのである。
【００５６】
さらに、上記ガイド層２４,２８を、０.２０よりも大きいＡl組成のＡlＧaＡsとすることによって、ガイド層２４,２８と井戸層２７とのΔＥcを０.１２eＶ以上に設定することができ、井戸層２７からの電子のオーバーフローを抑制することができる。さらに、ＩnＧaＡsＰ井戸層２７と組み合せることによって、小さなＥgのガイド層２４,２８で、井戸層２７とガイド層２４,２８との｜ΔＥv｜を小さいままに｜ΔＥc｜を大きくすることが可能になる。すなわち、井戸層２７へのホール注入のバリアにはならないようにし、且つ、井戸層２７からの電子のオーバーフローを抑制することができるのである。
【００５７】
したがって、上述した従来の井戸層/バリア層にＡlが入っていないＩnＧaＡsＰ系量子井戸構造の半導体レーザ装置に比べ、井戸層２７およびバリア層２６の構成は同様であるにも拘らず、閾値電流Ｉth＝３８mＡ、温度特性Ｔ0＝１０８Ｋと、ＩnＧaＰガイド層と比べて素子特性を著しく向上させることができるのである。
【００５８】
その際に、上記ＩnＧaＰバリア層２６の層厚を４nmより大きくしているので、ＡlＧaＡsガイド層２４,２８のＡlの影響を大幅に抑制することができ、高温,高出力時に高い信頼性を得ることができる。
【００５９】
(種々の構成の自由度)
本実施の形態においては、上記ＩnＧaＡsＰ井戸層２７をＧaＡs基板２１と同じ格子定数としたが、ＩnＧaＡsＰ井戸層２７に歪を加えてもＡlＧaＡsのガイド層２４,２８は有効であり、素子特性の向上に繋がる。また、本実施の形態における井戸数は２層であるが、これに限るものではなく、任意の井戸数で同様の効果が得られる。また、本実施の形態においては埋込リッジ構造としたがこれに限定されるものではなく、リッジ構造,内部ストライプ構造,埋込ヘテロ構造等のあらゆる構造に対して同様の効果を得ることができる。
【００６０】
また、本実施の形態においては、上記基板としてｎ型基板を用いたが、ｐ型基板を用いると共に各層のｎ型とｐ型とを入れ換えても同様の効果を得ることができる。また、波長を７８０nmとしたがこれに限るものではなく、７６０nmよりも大きく且つ８００nmよりも小さい所謂７８０nm帯であれば同様の効果を得ることができるのである。
【００６１】
＜第２実施の形態＞
本実施の形態は、ＩnＧaＡsＰ井戸層/ＧaＡsＰバリア層の量子井戸活性領域とＡlＧaＡsガイド層とを有する発振波長が７８０nmである半導体レーザ装置に関する。本実施の形態の半導体レーザ装置は、上記第１実施の形態の半導体レーザ装置において、バリア層２６をＩnＧaＰからＧaＡs0.72Ｐ0.28に置き換えたものであり、バリア層以外の構成および製造方法に変更はない。したがって、以下の説明には、上記第１実施の形態における図１をそのまま用ることにする。
【００６２】
上記ＧaＡs0.72Ｐ0.28バリア層２６は、歪が引張歪−１％で、層厚は２６a,２６cが８nmであり２６bが７nmである。ＧaＡs0.72Ｐ0.28のＥgは、歪を考慮しない場合は１.７７eＶ程度と算出される。尚、引張歪によるＥgへの影響については本材料組成付近では明確ではないので、ここでは考慮しないものとする。井戸層２７は、Ｉn0.162Ｇa0.838Ａs0.671Ｐ0.329で構成され、Ｅgは１.５７eＶで、基板と格子整合しており、層厚は２７a,２７b共に５nmである。井戸層２７とバリア層２６との｜ΔＥg｜は０.２０eＶである。また、ガイド層２４,２８のＥgは１.８６eＶである。
【００６３】
得られた半導体レーザ装置を共振器長８００μmで壁開し、端面反射コーティングを施し、ステムにマウントした後に、素子特性の測定を行った。その結果、閾値電流Ｉth＝２５mＡ、温度特性Ｔ0＝１４０Ｋであった。このように、引張歪が導入されたＧaＡsＰバリア層を用いた半導体レーザ装置では、ΔＥgが０.２０eＶと小さいにも拘らず、ＩnＧaＰバリア層を有する上記第１実施の形態の半導体レーザ装置に比して、素子特性を著しく向上させることができる。
【００６４】
(ＧaＡsＰバリア層の利点、及び、ＡlＧaＡsガイド層を併用する利点)
図２(c)に、本実施の形態の半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す。上記第１実施の形態におけるＩnＧaＰバリア層を有する半導体レーザ装置の場合には、図２(a)に示すエネルギーバンドからも判るように、Ｅv側において、ガイド層２４,２８から井戸層２７へ流れ込むホールに対して非常に大きなバリアができていることが判る。一方、本実施の形態におけるＧaＡsＰバリア層の半導体レーザ装置の場合には、Ｅv側において、ガイド層から井戸層へ流れ込むホールに対するバリアは存在しない。図４〜図７に、本実施の形態におけるバリア層のＧaＡsＰ組成を▲で示している。先に述べたように、ＧaＡsＰの｜ΔＥc0｜/｜ΔＥg0｜は０.６０程度であると推定されるため、図６から判るように、ＩnＧaＰに比較して｜ΔＥv0｜を大幅に小さくすることができる。したがって、バリア層としてＩnＧaＰの変わりにＧaＡsＰを用いることによって、井戸層とバリア層とのΔＥvも小さくでき、井戸層へのホールの注入を格段に改善することができるのである。
【００６５】
したがって、本実施の形態によれば、電子およびホール共に、キャリアの注入が効率よく行うことができ、閾値電流の低減に繋がったものと推定される。
【００６６】
一方、図４および図５から判るように、上記ＧaＡsＰバリア層の｜ΔＥc0｜については、ＩnＧaＰに比べてＥgが小さくなっているにも関わらず大きくなっている。組成がＧaＡs0.72Ｐ0.28である場合の｜ΔＥc0｜は、０.２１eＶ程度と推定される。したがって、上述したようにＩnＧaＡsＰ井戸層２７の｜ΔＥc0｜は約０.０３eＶであるから、井戸層とバリア層との｜ΔＥc｜は０.１８eＶ（＝０.２１eＶ−０.０３eＶ）程度となる。この値は、ＡlＧaＡs井戸層を有する７８０nm帯半導体レーザ装置と比較しても同等レベルの大きさを有している。しかしながら、ＧaＡsＰバリア層は−１％の引張歪を有するため、井戸層の両側に薄く形成することはできるのであるが、ガイド層として数１０nmの厚さで形成すると欠陥が発生してしまう。そのため、ガイド層としては、ＧaＡs基板に格子整合し、且つ、ΔＥcを大きく設定できる材料を形成する必要がある。以上のことから、本実施の形態のごとく、ガイド層としてＡlＧaＡsを用いるのが効果的なのである。
【００６７】
仮に、上記ガイド層としてＧaＡs基板に格子整合するＩnＧaＡsＰを用いた場合には、井戸層とガイド層との｜ΔＥc｜は、図８からも判るように小さい値になってしまう。井戸層とバリア層との｜ΔＥc｜は十分大きいのであるが、バリア層の厚さは薄いので電子は容易にオーバーフローしてしまい、良好な特性を得ることはできないのである。
【００６８】
本実施の形態の半導体レーザ装置におけるＡl0.35Ｇa0.65Ａsガイド層２４,２８は、その｜ΔＥc0｜が０.２６eＶ程度であり、バリア層よりもさらに高いと推定される。したがって、キャリアのオーバーフロー抑制に関して極めて高い効果を得ることができ、温度特性Ｔ0を向上させることができるのである。
【００６９】
比較として、ＡlＧaＡs系の半導体レーザ装置の場合には、バリア層およびガイド層にＡl0.35Ｇa0.65Ａsを用いると、井戸層とバリア層およびガイド層とのΔＥcは０.１８eＶ程度となると推定される。したがって、同じＡl0.35Ｇa0.65Ａsを用いた場合でも、本実施の形態の方が井戸層とガイド層とのΔＥcを大きく取ることができるのである。これは、上記第１実施の形態の説明においても述べたように、井戸層にＩnＧaＡsＰを用いたことによる効果である。
【００７０】
(ＧaＡsＰバリア層の有効な範囲の決定)
本実施の形態においては、上記第１実施の形態に対して、上記バリア層にＧaＡs0.72Ｐ0.28を用いることで特性を改善するようにしているが、このバリア層は適切な組成範囲のＧaＡsＰ,ＩnＧaＡsＰを用いることで十分な効果を得ることができる。
【００７１】
以下、上記ＩnＧaＡsＰ組成がバリア層として有効に機能する｜ΔＥc0｜および｜ΔＥv0｜の上限と下限とについて述べる。井戸層へのキャリア注入についてはホールが支配的と考え、｜ΔＥv0｜を不必要に大きくしないように設定する。また、井戸層からのキャリアのオーバーフローについては電子が支配的と考え、｜△Ｅc0｜を不必要に小さくしないように設定することにする。尚、発振波長が７８０nmの半導体レーザ装置におけるＩnＧaＡsＰ井戸層では、｜ΔＥc0｜＝約０.０３eＶであり、｜ΔＥv0｜＝約０.１２eＶであると推定される。但し、この値は、井戸層の歪量等によって変動するので厳密ではない。
【００７２】
先ず、｜ΔＥv0｜の最小値については、バリア層と井戸層とのΔＥvは少なくとも正の値になる必要がある。したがって、｜ΔＥv0｜＞約０.１２eＶであり、図６からＰ組成０.１５〜０.３０付近に｜ΔＥv0｜の境界が存在すると言える。
【００７３】
次に、｜ΔＥv0｜の最大値については、ガイド層からのホールの注入を疎外しない程度に抑える必要がある。ガイド層やクラッド層として、ＩnＧaＰやＡlＧaＡs等のＧaＡs基板に格子整合する種々の材料や組成が用いられるが、少なくとも最も｜ΔＥv0｜の大きいＩnＧaＰが用いられた場合よりも｜ΔＥv0｜を小さくする必要があり、｜ΔＥv0｜＜約０.３８eＶ(図６におけるＧaＡsに対する歪量が０の破線とＩnＧaＰの線との交点での｜ΔＥv0｜の値)となる。したがって、図６から、Ｐ組成が０.６０〜０.８０である付近に｜ΔＥv0｜の境界が存在すると言える。
【００７４】
また、｜ΔＥc0｜の最小値については、井戸層からの電子のオーバーフローを防ぐために、バリア層と井戸層のΔＥcが０.１２eＶ程度以上になるように設定する必要がある。この０.１２eＶは、ＡlＧaＡs系の半導体レーザ装置では、バリア層にIII族のＡl組成が０.２７程度のＡlＧaＡsを用いた場合に相当する。したがって、バリア層の｜ΔＥc0｜は、井戸層の｜ΔＥc0｜が約０.０３eＶであるから、｜ΔＥc0｜＞約０.１５eＶ(約０.０３eＶ＋０.１２eＶ)となる。図５及び図７から判るように等Ｅc線が等格子定数線と平行に近いことから、｜ΔＥc0｜に関しては井戸層のＧaＡsに対する歪量からの歪量の差の値で境界を設定することができる。すなわち、井戸層の歪量との歪量の差が−０.６５％〜−０.８５％の付近に｜ΔＥc0｜の境界が存在すると言える。
【００７５】
尚、本実施の形態の半導体レーザ装置の場合には、ＡlＧaＡsガイド層２４,２８が存在するため、ガイド層２４,２８より外側へのキャリアのオーバーフローについては問題が無い構造になっている。しかしながら、バリア層２６と井戸層２７とのΔＥcを上述のように大きくすることによって、不必要に多くのキャリアがＡlを含む層ヘオーバーフローしてしまうのを抑制することができ、上記第１実施の形態の場合に比べて、より高い信頼性を得ることができるのである。
【００７６】
次に、｜ΔＥc0｜の最大値については、電子の注入は相当大きなバリアでなければあまり影響はないと考え、特に考慮しないものとする。
【００７７】
以上、大まかに推定したＰ組成及び歪量の境界に基づいて、実際に幾種類かのバリア層の半導体レーザ装置を作成して特性を測定した結果によると、Ｐ組成については、０.２よりも大きく且つ０.７５よりも小さい範囲が有効なのである。更には、０.２５よりも大きく且つ０.６よりも小さい範囲で、極めて有効な素子特性を得ることができるのである。また、井戸層の歪量との歪量の差を−０.６５％以下に設定すると、素子特性が低下する。したがって、井戸層の歪量との歪量の差については、−０.６５％よりも大きい範囲が有効なのである。
【００７８】
尚、上述した｜ΔＥg0｜,｜ΔＥc0｜,｜ΔＥv0｜の推定値は、歪によるバンド構造の変化については明確なデータが無いために考慮しておらず、真の値を示しているとは限らない。しかしながら、本実施の形態において得られた範囲は、飽くまでもこれらの推定を参考にして実際に半導体レーザ装置を作成し、その特性を検討した結果に基づいて得たものである。したがって、上記推定値の真偽によって、上記範囲が左右されるものではない。
【００７９】
以上のごとく、本実施の形態においては、上記第１実施の形態の半導体レーザ装置におけるバリア層２６を、ＩnＧaＰから歪量−１％が導入されたＧaＡs0.72Ｐ0.28に置き換えて、ＩnＧaＡsＰ井戸層/ＧaＡsＰバリア層の量子井戸活性領域とＡlＧaＡsガイド層との半導体レーザ装置としている。このように、バリア層２６を、０.２よりも大きく且つ０.７５よりも小さいＰ組成であって、−０.６５％よりも大きい井戸層の歪量(＝基板の歪量)との歪量の差を有するＧaＡsＰとし、ＩnＧaＡsＰ井戸層２７と組み合せることによって、バリア層２６と井戸層２７とガイド層２４,２８の｜ΔＥv0｜を、井戸層２７の｜ΔＥv0｜＜バリア層２６の｜ΔＥv0｜＜ガイド層２４,２８の｜ΔＥv0｜の大小関係が成立するように設定することができ、ガイド層２４,２８からのホールの注入を効率良く行うことができる。さらに、バリア層２６と井戸層２７との間のΔＥcを０.１２eＶ以上に設定することができ、井戸層２７からの電子のオーバーフローを抑制することができる。
【００８０】
したがって、上記井戸層２７とバリア層２６とのΔＥgは０.２０eＶと小さいにも拘わらず、閾値電流Ｉth＝２５mＡ、温度特性Ｔ0＝１４０Ｋと、ＩnＧaＰバリア層と比べて素子特性を著しく向上させることができるのである。
【００８１】
(種々の構成の自由度)
本実施の形態においては、上記ＩnＧaＡsＰ井戸層２７をＧaＡs基板２１と同じ格子定数としたが、ＩnＧaＡsＰ井戸層２７に歪を加えてもＧaＡsＰバリア層２６は有効であり、素子特性の向上に繋がる。また、本実施の形態における井戸数は２層であるが、これに限るものではなく、任意の井戸数で同様の効果が得られる。また、本実施の形態においては埋込リッジ構造としたがこれに限定されるものではなく、リッジ構造,内部ストライプ構造,埋込ヘテロ構造等のあらゆる構造に対して同様の効果を得ることができる。
【００８２】
また、本実施の形態においては、上記基板としてｎ型基板を用いたが、ｐ型基板を用いると共に各層のｎ型とｐ型とを入れ換えても同様の効果を得ることができる。また、波長を７８０nmとしたがこれに限るものではなく、７６０nmよりも大きく且つ８００nmよりも小さい所謂７８０nm帯であれば同様の効果を得ることができるのである。
【００８３】
＜第３実施の形態＞
図９は、本実施の形態の半導体レーザ装置における構成を示す図である。本実施の形態は、ＩnＧaＡsＰ圧縮歪井戸層/ＩnＧaＡsＰバリア層の量子井戸活性領域とＡlＧaＡsガイド層とを有する波長７８０nmの半導体レーザ装置に関する。
【００８４】
図９において、４１はｎ型ＧaＡs基板、４２はｎ型ＧaＡsバッファ層(層厚０.５μm)、４３aはｎ型Ａl0.4Ｇa0.6Ａs下部第２クラッド層（層厚３.０μm)、４３bはｎ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs下部第１クラッド層(層厚０.２μm)、４４aはＡl0.42Ｇa0.58Ａs下部第２ガイド層(層厚７０nm)、４４bはＡl0.32Ｇa0.68Ａs下部第１ガイド層（層厚１０nm)、４５は活性領域である。ここで、活性領域４５は、バリア層４６と井戸層４７とから成るＤＱＷ構造を有している。また、４８aはＡl0.32Ｇa0.68Ａs上部第１ガイド層(層厚１０nm)、４８bはＡl0.42Ｇa0.58Ａs上部第２ガイド層（層厚７０nm)、４９aはｐ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs上部第１クラッド層（層厚０.２μm)、５０はｐ型ＧaＡsエッチングストップ層(層厚３nm)、４９bはリッジストライプ形状のｐ型Ａl0.5Ｇa0.5Ａs上部第２クラッド層(層厚１.２８μm)、５１はｐ型ＧaＡs保護層(層厚０.７μm)、５２はｎ型Ａl0.7Ｇa0.3Ａs第１電流ブロック層（層厚０.６μm)、５３はｎ型ＧaＡs第２電流ブロック層（層厚０.７μm)、５４はｐ型ＧaＡs埋込み保護層（層厚０.６μm)、５５はｐ型ＧaＡsキャップ層(層厚２μm)、５６はｎ側電極、５７はｐ側電極である。
【００８５】
尚、上記バリア層４６は、Ｉn0.126Ｇa0.874Ａs0.407Ｐ0.593によって構成され、Ｅgは１.９８eＶ、歪は引張歪−１.２０％で、層厚は４６a,４６cが１０nmであり４６bが５nmである。また、上記井戸層４７は、Ｉn0.27Ｇa0.73Ａs0.55Ｐ0.45で構成され、Ｅgは１.５５eＶ、歪は圧縮歪０.３５％で、層厚は４７a,４７b共に８nmである。尚、井戸層４７とバリア層４６との｜ΔＥg｜は０.４３eＶである。
【００８６】
上記ガイド層４４b,４８aのＥgは１.８２eＶであり、ガイド層４４a,４８bのＥgは１.９５eＶである。尚、歪によるバリア層４６および井戸層４７のＥgへの影響については、本材料組成付近でも明確ではないので、本実施の形態でも考慮しないものとする。
【００８７】
上記構成のＩnＧaＡsＰ圧縮歪井戸層/ＩnＧaＡsＰバリア層/ＡlＧaＡsガイド層半導体レーザ装置は、上記第１実施の形態の場合と同様の成長,プロセスの手法によってストライプ幅２μmの埋込リッジ構造を形成することによって作成することができる。そして、得られた半導体レーザ装置を共振器長８００μmで壁開し、端面反射コーティングを施し、ステムにマウントした後に、素子特性の測定を行った。その結果、閾値電流Ｉth＝３０mＡ、温度特性Ｔ0＝１５３Ｋであった。このように、井戸層に圧縮歪を導入すると共にＩnＧaＡsＰバリア層を用いた半導体レーザ装置でも、良好な素子特性を得ることができるのである。
【００８８】
図１０(a)に、本実施の形態の半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す。本半導体レーザ装置においては、ＡlＧaＡsガイド層４４,４８の夫々を２層構造としている。そして、井戸層４７に近いガイド層４４b,４８aについては、上記第１,第２実施の形態のガイド層２４,２８に比して、Ａlの組成を０.３２と小さくしている。このように、発光層である井戸層４７に近い領域のＡl組成を小さくすることによって、信頼性をより向上させる。一方、井戸層４７から遠いガイド層４４a,４８bは、Ａlの組成を上記第１,第２実施の形態のガイド層２４,２８より大きい０.４２とし、井戸層４７側からクラッド層４３,４９側に向かって｜ΔＥc0｜,｜ΔＥv0｜が順次大きくなるようにしている。したがって、ガイド層４４,４８中でキャリアのオーバーフローを抑え込むことができ、上記第２実施の形態の半導体レーザ装置の場合と略同等の温度特性Ｔ0を得ることができるのである。
【００８９】
本半導体レーザ装置の場合にも、上記バリア層４６をＰ組成が０.６０よりも小さいＩnＧaＡsＰで構成しているため、バリア層にＩnＧaＰを用いた上記第１実施の形態の半導体レーザ装置に比較して、井戸層４７とバリア層４６との間の｜ΔＥv｜は小さいままに｜ΔＥc｜を大きくすることができるのである。
【００９０】
図５および図６から判るように、本半導体レーザ装置におけるバリア層４６の組成付近では等Ｅc線と等Ｅv線との組成に対する変化の仕方が大きく異なっており、適切な組成を選ぶことでバリア層４６の｜ΔＥc0｜と｜ΔＥv0｜とをある程度独立に制御することが可能である。例えば、等Ｅc線が等格子定数線に略平行なことから、バリア層４６のＥcと歪量とを殆ど変えずにＥvを変化させることも可能である。本実施の形態においては、上記第２実施の形態の半導体レーザ装置に比較して井戸層４７とバリア層４６との｜ΔＥv｜が大きくなるようにＩn組成およびＰ組成を調整している。これによって、井戸層４７へのホールの閉じ込めをも向上することが可能になる。
【００９１】
また、本実施の形態においては、上記井戸層４７として０.３５％の圧縮歪を有するＩnＧaＡsＰを用いており、低閾値電流化なる歪の効果を得ることができる。その際に、量子井戸活性領域は、圧縮歪が導入された井戸層４７と−１.２０％の引張歪が導入されたバリア層４６とによる歪補償構造を有している。したがって、活性領域全体としての平均的な歪量を抑制することができ、井戸層を基板に格子整合させる場合と比較して、結晶内の欠陥の量を減らして、更なる信頼性の向上を図ることができる。また、平均的な歪量を小さくしたことによって、量子井戸層活性領域全体としての臨界膜厚も増大し、バリア層４６a,４６bの層厚を第２実施の形態の場合の８nmに比べて１０nmと厚く設定することができる。また、井戸層４７からＡlＧaＡsガイド層４４,４８までの距離を１０nmと大きくしているので、ガイド層４４,４８から活性領域へのＡlの影響を更に小さくすることができ、高温,高出力時においても高い信頼性を得ることができる。また、本実施の形態においては、上記バリア層４６にＩnを添加してＩnＧaＡsＰ層としているために、Ｉnによって転位の増殖を抑えることによって、更に高い信頼性を得ることができるのである。
【００９２】
尚、上記構成の半導体レーザ装置におけるガイド層４４,４８は２層構造になっており、Ａl組成を量子井戸活性領域側からクラッド層４３,４９側まで２段階に増加している。しかしながら、Ａl組成を、量子井戸活性領域側からクラッド層４３,４９側まで連続的に増加させるようにしても一向に構わない。その場合におけるエネルギーバンドの例を図１０(b)に示す。図１０(b)においては、ＡlＧaＡsガイド層４４,４８のＡl組成を０.３２からクラッド層４３b,４９と同じ０.５まで増加させている。この場合にも、キャリアのオーバーフローを十分に抑制することができる。
【００９３】
但し、その場合における上記ガイド層４４,４８のＡl組成は、少なくともバリア層４６に接する部分については、Ａlの組成は０.４より小さくするのが望ましい。これは、井戸層４７に近い領域におけるＡl組成が高いと、信頼性に悪影響を及ぼすからである。
【００９４】
尚、本実施の形態においては、上記活性領域をＩnＧaＡsＰ圧縮歪井戸層/ＩnＧaＡsＰ引張歪バリア層としたが、この組み合わせに限定されるものではない。ＩnＧaＡsＰ無歪井戸層/ＩnＧaＡsＰ引張歪バリア層あるいはＩnＧaＡsＰ圧縮歪井戸層/ＧaＡsＰバリア層の組み合わせも可能である。また、本実施の形態における井戸数は２層であるが、これに限定されるものではなく、任意の井戸数で同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、埋込リッジ構造としたがこれに限定されるものではなく、リッジ構造,内部ストライプ構造,埋込ヘテロ構造等のあらゆる構造に対して同様の効果を得ることができる。
【００９５】
また、本実施の形態においては、上記基板としてｎ型基板を用いたが、ｐ型基板を用いると共に各層のｎ型とｐ型とを入れ換えても同様の効果を得ることができる。また、波長を７８０nmとしたがこれに限定されるものではなく、７６０nmよりも大きく且つ８００nmよりも小さい所謂７８０nm帯であれば同様の効果を得ることができるのである。
【００９６】
＜第４実施の形態＞
本実施の形態は、上記各実施の形態における半導体レーザ装置を用いた光ディスク装置に関する。図１１は、本実施の形態における光ディスク装置の構成図である。この光ディスク装置は、光ディスク６１にデータを書き込んだり、光ディスク６１に書き込まれたデータを再生したりするものであり、その際に用いる発光装置として、上記各実施の形態の何れか一つにおける半導体レーザ装置６２を備えている。
【００９７】
以下、本光ディスク装置の構成および動作について説明する。本光ディスク装置は、書き込みの際には、半導体レーザ装置６２から出射された信号光(データ信号が重畳されたレーザ光)はコリメートレンズ６３を通過して平行光となり、ビームスプリッタ６４を透過する。そして、λ/４偏光板６５によって偏光状態が調節された後に、レーザ光照射用対物レンズ６６によって集光されて光ディスク６１を照射する。こうして、データ信号が重畳されたレーザ光によって、光ディスク６１にデータが書き込まれる。
【００９８】
一方、読み出しの際には、上記半導体レーザ装置６２から出射されたデータ信号が重畳されていないレーザ光が、上記書き込みの場合と同じ経路を辿って光ディスク６１を照射する。そして、データが記録された光ディスク６１の表面で反射されたレーザ光は、レーザ光照射用対物レンズ６６およびλ/４偏光板６５を経た後、ビームスプリッタ６４で反射されて進行方向が９０°変更される。その後、再生光用対物レンズ６７によって集光され、信号検出用受光素子６８に入射される。そして、こうして信号検出用受光素子６８内で、入射したレーザ光の強弱に応じて光ディスク６１から読み出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６９によって元の情報信号に再生されるのである。
【００９９】
本実施の形態における光ディスク装置においては、上述したように、従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ装置６２を用いている。そのために、光ディスク６１の回転数を従来よりも高速化しても、データの読み書きを行うことが可能である。したがって、従来、特にＣＤ‐Ｒ,ＣＤ‐ＲＷ等への書き込み時に問題となっていた光ディスクヘのアクセス時間を格段に短くすることができ、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することが可能になるのである。
【０１００】
尚、本実施の形態においては、上記各実施の形態における半導体レーザ装置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。しかしながら、この発明はこれに限定される物ではなく、波長７８０nm帯の半導体レーザ装置を発光装置として用いる光ディスク記録装置や光ディスク再生装置にも適用可能であることは言うまでもない。
【０１０１】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第１の発明の発振波長が７８０nm帯の半導体レーザ装置は、ＩnＧaＡsＰで井戸層を構成し、ＩnＧaＡsＰあるいはＧaＡsＰでバリア層を構成し、ＡlxＧa1-xＡs(０.２０＜ｘ≦１)でガイド層を構成したので、上記井戸層とガイド層との｜ΔＥc｜を、上記バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合の０.１２eＶ以上に設定することができる。したがって、上記井戸層から電子がオーバーフローすることを抑制できる。
【０１０２】
すなわち、この発明によれば、ＩnＧaＰガイド層を用いた半導体レーザ装置における特性不良の原因であった井戸層からの電子のオーバーフローを解消することができ、活性領域にＡlを含まない７８０nm帯の半導体レーザ装置について、閾値電流の低減および温度特性の向上等、著しい特性の向上を図ることができるのである。さらに、上記Ａlを含まないバリア層の存在によって、上記井戸層には、Ａlを含む上記ＡlＧaＡsガイド層が隣接されることはない。したがって、高い信頼性を確保することができる。
【０１０３】
また、１実施例の半導体レーザ装置は、上記ｘの値を０.２５よりも大きくしたので、上記ＡlＧaＡsガイド層と井戸層との｜ΔＥc｜を０.１２eＶよりも確実に大きくして、上記井戸層からの電子のオーバーフローをより確実に抑制することができる。
【０１０４】
また、１実施例の半導体レーザ装置は、上記ｘの値を上記下部クラッド層および上部クラッド層のＡlの組成比の値よりも小さくしたので、上記ＡlＧaＡsガイド層の｜ΔＥc0｜および｜ΔＥv0｜を、上記下部クラッド層および上部クラッド層よりも小さくできる。したがって、上記ガイド層中において電子のオーバーフローを抑え込んで、温度特性の向上を図ることができる。
【０１０５】
また、１実施例の半導体レーザ装置は、上記ｘの値を、段階的にあるいは連続的に、且つ、上記下部クラッド層および上部クラッド層に近づく程大きくなるように変化させたので、上記ＡlＧaＡsガイド層の｜ΔＥc0｜,｜ΔＥv0｜を、上記井戸層側から下部クラッド層および上部クラッド層側に向かって順次大きくすることができる。したがって、より確実に上記ガイド層中において電子のオーバーフローを抑え込むことができる。
【０１０６】
また、１実施例の半導体レーザ装置は、上記ガイド層における少なくともバリア層に接している部分の上記ｘの値を、０.４よりも小さくしたので、上記ガイド層の井戸層に近い領域のＡl組成を低くして、信頼性に悪影響を及ぼすことを防止できる。
【０１０７】
また、１実施例の半導体レーザ装置は、上記井戸層に圧縮歪を導入したので、低閾値電流化を図ることができる。
【０１０８】
また、１実施例の半導体レーザ装置は、バリア層に引張歪を導入したので、低閾値電流化を図るために上記井戸層に圧縮歪を導入した場合に、上記引張歪が導入されたバリア層によって、上記井戸層の歪を補償することができる。したがって、結晶内の欠陥を滅少させて、より高い信頼性を得ることができるのである。
【０１０９】
また、第２の発明の光ディスク装置は、従来よりも高い光出力で安定に動作する上記第１の発明の半導体レーザ装置を発光装置として用いたので、光ディスクの回転数を従来よりも高速にしてもデータの読み書きを行うことができる。特にＣＤ‐Ｒ,ＣＤ‐ＲＷ等への書き込み時に問題となっていた光ディスクヘのアクセス時間を、格段に短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の半導体レーザ装置における構成を示す図である。
【図２】  図１に示す半導体レーザ装置および他のバリア層構成を有する半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す図である。
【図３】  図１におけるＧaＡs基板,ＩnＧaＡsＰ井戸層,ＩnＧaＰバリア層およびＡlＧaＡsガイド層のエネルギーバンドの関係を示す図である。
【図４】  ＩnＧaＡsＰの等Ｅg線図である。
【図５】  ＩnＧaＡsＰの等Ｅc線図である。
【図６】  ＩnＧaＡsＰの等Ｅv線図である。
【図７】  ＩnＧaＡsＰの等格子定数線図である。
【図８】  ＧaＡs基板に格子整合するＧaＡs,ＩnＧaＡsＰ,ＡlＧaＡsおよびＩn0.4Ｇa0.6ＰのＥc,Ｅvの関係を示す図である。
【図９】  図１とは異なる半導体レーザ装置における構成を示す図である。
【図１０】  図９に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドを示す図である。
【図１１】  この発明の光ディスク装置の構成図である。
【図１２】  井戸層/バリア層にＡlが入っていない従来のＩnＧaＡsＰ量子井戸半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【図１３】  図１２に示す半導体レーザ装置における活性領域近傍のエネルギーバンドギャップ(Ｅg)を示す図である。
【符号の説明】
２１,４１…ＧaＡs基板、
２２,４２…ＧaＡsバッファ層、
２３…ＡlＧaＡs下部クラッド層、
２４…ＡlＧaＡs下部ガイド層、
２５,４５…活性領域、
２６…ＩnＧaＰバリア層、
２７,４７…ＩnＧaＡsＰ井戸層、
２８…ＡlＧaＡs上部ガイド層、
２９a,４９a…ＡlＧaＡs上部第１クラッド層、
２９b,４９b…ＡlＧaＡs上部第２クラッド層、
３０,５０…ＧaＡsエッチングストップ層、
３１,５１…ＧaＡs保護層、
３２,５２…ＡlＧaＡs第１電流ブロック層、
３３,５３…ＧaＡs第２電流ブロック層、
３４,５４…ＧaＡs埋込み保護層、
３５,５５…ＧaＡsキャップ層、
３６,５６…ｎ側電極、
３７,５７…ｐ側電極、
４３a…ＡlＧaＡs下部第２クラッド層、
４３b…ＡlＧaＡs下部第１クラッド層、
４４a…ＡlＧaＡs下部第２ガイド層、
４４b…ＡlＧaＡs下部第１ガイド層、
４６…ＩnＧaＡsＰバリア層、
４８a…ＡlＧaＡs上部第１ガイド層、
４８b…ＡlＧaＡs上部第２ガイド層、
６１…光ディスク、
６２…半導体レーザ装置、
６３…コリメートレンズ、
６４…ビームスプリッタ、
６５…λ/４偏光板、
６６…レーザ光照射用対物レンズ、
６７…再生光用対物レンズ、
６８…信号検出用受光素子、
６９…信号光再生回路。
【図１】
0004185724.tif 000002
【図２】
0004185724.tif 000003
【図３】
0004185724.tif 000004
【図４】
0004185724.tif 000005
【図５】
0004185724.tif 000006
【図６】
0004185724.tif 000007
【図７】
0004185724.tif 000008
【図８】
0004185724.tif 000009
【図９】
0004185724.tif 000010
【図１０】
0004185724.tif 000011
【図１１】
0004185724.tif 000012
【図１２】
0004185724.tif 000013
【図１３】
0004185724.tif 000014