(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一チップ内に、第１の緩和振動周波数ｆｒ１を有する第１のストライプ構造と、第２の緩和振動周波数ｆｒ２を有する第２のストライプ構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置であって、
前記第１のストライプ構造の共振器を、前記第２のストライプ構造の共振器長よりも短くし、
前記第１のストライプ構造の端面をエッチング端面とし、前記第２のストライプ構造の端面を、前記エッチング端面よりも外側で分割されたへき開端面とし、
前記第１のストライプ構造の前端面反射率及び後端面反射率の平均を、前記第２のストライプ構造の前端面反射率及び後端面反射率の平均よりも大きくすることにより、前記第１の緩和振動周波数ｆｒ２を前記第２の緩和振動周波数ｆｒ２よりも大きくしたことを特徴とするＧａＮ系半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のストライプ構造の各々にｐ電極を有し、該ｐ電極と同一面であって、前記第１及び第２のストライプ構造を両側から挟む２つの領域に一方の前記２つのストライプに共通するｎ電極を有しており、該ｎ電極は、前記第２のストライプ構造側に形成されている請求項１記載のＧａＮ系半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１のストライプ構造と前記第２のストライプ構造の間に分離溝を有し、該分離溝の幅は、該レーザの発光点近傍で広くなるよう形成されていることを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１のストライプ構造と前記第２のストライプ構造の発光波長の差が５ｎｍいないであることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１の緩和振動周波数ｆｒ１及び前記第２の緩和振動周波数ｆｒ２が、（ｆｒ１−ｆｒ２）／ｆｒ２＞０．１を満たすことを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系レーザ装置。
【請求項６】
前記第１のストライプ構造における導波部と周辺部の等価屈折率比が、前記第２のストライプ構造における導波部と周辺部の等価屈折率比よりも大きなことを特徴とする請求項１記載のＧａＮ系半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本件発明は窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いたＧａＮ系半導体レーザ装置に関し、詳細には、１チップ内に複数のストライプ構造を設けた多点発光型のＧａＮ系半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ系レーザダイオードの実用化に伴い、３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの短波長光を使用して光ディスクへの高密度記録を行う光ディスク情報システムの開発が盛んである。こうした光ディスク情報システムでは、光ディスクからの信号読出しを低出力で、光ディスクへの信号書込みを高出力で行う。従来は、単一のストライプ構造を有するＧａＮ系レーザダイオードを光源として用い、レーザダイオードの出力を変えながら読取り／書込みの双方を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的な単一ストライプ構造のＧａＮ系レーザダイオードを用いて読出し／書込みの双方を行う場合、レーザ出力の読取り／書込み比（以下、「ＲＷ比」）を高めて高速でのデータ転送を行うには以下の問題があった。
【０００４】
光情報ディスクシステムにおいて、読取りには、出力の相対ノイズ強度（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ、以下、「Ｒｉｎ値」）を低く抑えることが必要であり、書取りには、高出力を横モードシングルかつ長寿命で出力できることが必要である。ところが、一般にＲｉｎ値は、低出力にする程悪化するため、ＲＷ比を高めるために読取り時の出力を単純に低くしては読取時に必要なＲｉｎ値のレベルを保つことができない。他方、レーザ素子の横モードシングル性や寿命は、高出力にする程悪化するため、ＲＷ比を高めるために書込み時の出力を単純に高めては、必要な横モードシングル性や寿命を確保することができない。
【０００５】
また、レーザストライプ構造の設計についても、低出力時のＲｉｎ値を低くする設計では高い最大出力が得られず、逆に高い最大出力を得るための設計では低出力時のＲｉｎが大きくなってしまうため、単一のレーザストライプ構造で双方の特性を満足することは難しい。
【０００６】
したがって、一般的な単一ストライプ構造のＧａＮ系レーザダイオードを用いて読出し／書込みの双方を行う場合、必要なＲｉｎ値レベルや寿命等を保ちながら、ＲＷ比を高めて高速でのデータ転送を行うことが困難であった。
【０００７】
そこで、本件発明は、光ディスク情報システムに必要とされるＲｉｎ値レベルや寿命を保ちながら、ＲＷ比を高めて高速でのデータ転送を可能とするＧａＮ系半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件発明に係るＧａＮ系半導体レーザ装置は、一チップ内に、第１の緩和振動周波数ｆｒ１を有する第１のストライプ構造と、第２の緩和振動周波数ｆｒ２を有する第２のストライプ構造を有するＧａＮ系半導体レーザ装置であって、第１のストライプ構造の共振器を、第２のストライプ構造の共振器長よりも短くし、第１のストライプ構造の端面をエッチング端面とし、第２のストライプ構造の端面を、エッチング端面よりも外側で分割されたへき開端面とし、第１のストライプ構造の面反射率及び後端面反射率の平均を、第２のストライプ構造の前端面反射率及び後端面反射率の平均よりも大きくすることにより、第１の緩和振動周波数ｆｒ２を第２の緩和振動周波数ｆｒ２よりも大きくしたことを特徴とする。
【０００９】
即ち、本件発明の第１の特徴は、２以上のストライプ構造を１チップ内に設け、あるストライプ構造を低出力用にし、別のストライプ構造を高出力用にした点にあり、これにより低出力と高出力の双方での特性を良好にできる。ここで、ストライプ構造は、図に示すようにストライプ状のリッジを形成した構造であっても良く、電流狭窄構造のようにストライプ状の開口部が設けられた構造であっても良く、すなわち、ストライプ状の導波路が設けられ、各導波路に対応した複数の発光点を有する端面発光型のレーザ素子に主に適用できる。また、面発光型のレーザ素子であっても、複数の導波路、発光点において、本発明を適用することもできる。更に、本発明は自励発振型レーザでも、自励発振型でないレーザ素子のいずれにも適用でき、上記緩和振動周波数を有するレーザ素子に適用できる。
【００１０】
また、本件発明の第２の特徴は、レーザダイオードが示す緩和振動周波数ｆｒの大小がＲｉｎ−Ｐｏｗｅｒ特性に大きな影響を与えることに着目し、緩和振動周波数ｆｒが大きなストライプ構造と、緩和振動周波数ｆｒの小さなストライプ構造を形成した点にある。緩和振動周波数の大きなストライプ構造によって低出力でのＲｉｎ値を良好とし、緩和振動の小さなストライプ構造によって高出力での横モードシングル性と信頼性を確保することができる。
【００１１】
したがって、本件発明に係るＧａＮ系レーザ装置を光ディスク情報システムに使用する場合、緩和振動周波数ｆｒ１が大きな第１のストライプ構造を読取用光源とし、緩和振動周波数ｆｒ２が小さな第２のストライプ構造を書き取り用光源とする。また、光ディスク情報システムの読出し用及び書き込み用に使用する場合、第１のストライプ構造と第２のストライプ構造が、互いに独立して駆動可能であることが好ましく、また、第１のストライプ構造と第２のストライプ構造の発光波長の差が５ｎｍ以内であることが好ましい。
【００１２】
ここで、第１及び第２のストライプ構造が示す緩和振動周波数ｆｒ１及びｆｒ２は、同一温度、同一条件、且つ同一出力でパルス電流を注入した際の緩和振動光波形から決定される。図３は、ＧａＮ系半導体レーザダイオードについて２５℃、パルス幅１０ｎｓ、パルス周期２０ｎｓ、５ｍＷゼロバイアスの条件で測定した緩和振動光波形の一例を示すグラフである。緩和振動光波形のピーク間隔をｄ（ｓ）とすると、緩和振動周波数ｆｒ＝１／ｄ（Ｈｚ）となる。
【００１３】
緩和振動周波数により、低出力用及び高出力用ストライプ構造の最適化が可能である点について説明する。図４は、ＧａＮ系レーザダイオードを高周波重畳駆動した場合のＲｉｎ値と出力Ｐの関係を示すグラフである。図４に示すように、レーザダイオードの出力Ｐを次第に上げていくとＲｉｎはほぼリニアに減少していくが、ある程度の出力に達すると極小値が現れ、続いて極大値が現れて再び減少する。通常は、使用する出力が極小値の近傍かやや手前となるようにレーザダイオードが設計される場合が多い。しかし、書込み用の高出力Ｐ２に合わせてＲｉｎ−Ｐｏｗｅｒ特性を最適化した場合（図中、符号２２の曲線）、読出し用の低出力Ｐ１におけるＲｉｎ値が非常に大きくなってしまう。一方、このＲｉｎ−Ｐｏｗｅｒ曲線は、緩和振動周波数ｆｒを大きくすることにより低出力側にシフトさせることができる（図中、符号２０の曲線）。したがって、読出し用の低出力Ｐ１に合わせて緩和振動周波数ｆｒを大きくしたストライプ構造を別に形成することにより、読出し時におけるＲｉｎ値を必要なレベルに低下させることができる。
【００１４】
一般的な光ディスク情報システムに必要とされるＲＷ比は、書込み１倍速の場合に約１５であり、書込み速度をｎ倍にするとＲＷ比をｎ１／２倍にする必要がある。したがって、第１の緩和振動周波数ｆｒ１及び第２の緩和振動周波数ｆｒ２の差は、書込みの速度が高い程大きく設定することが好ましく、ｘ＝（ｆｒ１−ｆｒ２）／ｆｒ２で表されるｘが好ましくは０．１以上、より好ましくは０．３以上、さらに好ましくは０．６以上とすることが望ましい。
【００１５】
緩和振動周波数は、次の式１で表される。式１において、ａは微分利得、ξは光閉じ込め率、ηｓｅｐは前面スロープ効率、ｐｏｕｔは前面出力、ｅは電気素量、Ｖは活性領域の体積（＝発光する断面積と共振器長の積）、η１は内部微分量子効率である。
【式１】
0004333362.tif 000002
したがって、第１及び第２のストライプ構造の光閉じ込め率ξや活性領域の体積Ｖ等の構造的なパラメータを調節することにより、第１及び第２のストライプ構造の緩和振動周波数ｆｒ１及びｆｒ２を制御することができる。
【００１７】
例えば、第１のストライプ構造における光閉じ込め率ξを第２のストライプ構造よりも大きくしてｆｒ１＞ｆｒ２とするには、第１のストライプ構造の有する前端面反射率及び後端面反射率の平均を、第２のストライプ構造の有する前端面反射率及び後端面反射率の平均よりも大きくすれば良い。また、第１のストライプ構造における導波部と周辺部の等価屈折率比を、第２のストライプ構造における導波部と周辺部の等価屈折率比よりも大きくしても良い。例えば、第１及び第２のストライプ構造がリッジ型である場合に、第１のストライプ構造のリッジ深さが、第２のストライプ構造のリッジ深さよりも大きくする。
【００１８】
また、第１のストライプ構造における活性領域の体積Ｖを第２のストライプ構造よりも小さくしてｆｒ１＞ｆｒ２とするには、第１のストライプ構造のリッジ幅を第２のストライプ構造よりも狭くしたり、第１のストライプ構造の共振器長を第２のストライプ構造よりも短くすれば良い。
【００１９】
第１のストライプ構造と第２のストライプ構造の活性層は、同一組成で同一高さに形成することが好ましく、これにより活性層を同時形成して工程を簡略化すると共に、発光波長のばらつきを抑制することができる。また、同様に、第１のストライプ構造と第２のストライプ構造のクラッド層も、同一組成で同一高さに形成することが好ましい。
【００２０】
また、本件発明に係るＧａＮ系半導体レーザ装置は、１チップ内に２以上のストライプ構造を有していても良いが、ストライプ構造が形成可能な範囲で互いに近接して形成することが好ましく、最も離れたストライプ構造でも中心同士の距離が１５０μｍ以下であることが望ましい。ストライプ構造同士が１５０μｍ以上離れると、光ディスク情報システムとの信号のやり取りに不都合が生じるからである。
【００２１】
また、本発明に係る光ディスク情報システムは、３８０〜４３０ｎｍの光を使用して光ディスクの読取及び書込みを行う光ディスク情報システムであって、上記本発明のＧａＮ系半導体レーザ装置を備え、第１のストライプ構造を読取用光源とし、第２のストライプ構造を書込み用光源とすることを特徴とする。本発明の光ディスク情報システムによれば、必要なノイズレベルや寿命を保ちながら、ＲＷ比を高めて高速でのデータ転送を行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示す概略断面図である。図１に示す半導体レーザ装置は、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を含む量子井戸活性層６を、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ＜１）を含むｎ型クラッド層４とＡｌ２Ｇａ１−２Ｎ（０＜ｚ＜１）を含むｐ型クラッド層８とで挟んだダブルヘテロ構造を有し、ｐ型クラッド層８の一部をリッジ状にしてストライプ構造を形成したリッジ導波路型ＧａＮ系半導体レーザ装置である。ｐ型クラッド層８には、２本の平行なリッジ８ａ及び８ａ’が隣接して形成されており、２本のストライプ構造１６及び１６’を構成している。
【００２３】
図１に示す半導体レーザ装置において、ストライプ構造１６における前後端面の反射率の平均を約６５〜８５％とし、ストライプ構造１６’における前後端面の反射率の平均を約５０〜６０％とする。例えば、共振器端面の前面において、ストライプ構造１６に対応する部分にのみ反射率約４０％のミラーを形成し、ストライプ構造１６’に対応する部分にはミラーが形成しない。ストライプ構造１６及び１６’の後端面には、いずれも反射率約９０％のミラーを形成する。
【００２４】
こうして形成されたストライプ構造１６の緩和振動周波数ｆ１は、ストライプ構造１６’の緩和振動周波数ｆｒ２に比べて約３０〜５０％程度大きくなっている。上述の通り、２本のストライプ構造の持つ緩和振動周波数の差が大きい程ＲＷ比を高めるのには有利である。例えば、適切なＲｉｎと寿命を達成するには、ｘ＝（ｆｒ１−ｆｒ２）／ｆｒ２で表されるｘが０．１以上、より好ましくは０．３以上、さらに好ましくは０．６以上であることが望ましい。
【００２５】
そして、ストライプ構造１６の示すＲｉｎ−Ｐｏｗｅｒ特性は、図４の曲線２０に示すように極小値が１．５〜２．０ｍＷとなり、ストライプ構造１６’が示すＲｉｎ−Ｐｏｗｅｒ特性は、図４の曲線２２に示すように極小値が４．０〜５．０ｍｗとなる。したがって、図１に示す半導体レーザ装置のストライプ構造１６を光ディスク情報装置の読取光源として使用することにより、１．５〜３．０ｍＷ程度の低出力で−１２５ｄＢ／Ｈｚ以下のＲｉｎ値を達成することができると共に、ストライプ構造１６’を光ディスク情報装置の書き込み光源として使用することにより、４０〜７０ｍＷ程度の高出力において十分な寿命を得ることができる。
【００２６】
以下、図１に示すＧａＮ系半導体レーザ装置について、構造の詳細を説明する。基板１としては、ＧａＮを用いることが好ましいが、窒化物半導体と異なる異種基板を用いても良い。異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を成長させることが可能で従来から知られており、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられる。
【００２７】
また、異種基板は、異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導体を成長させた後、研磨などの方法により除去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去する方法でも良い。
【００２８】
基板１上には、バッファ層（図示せず）を介して、ｎ型窒化物半導体層であるｎ型コンタクト層２、ｎ型クラッド層４が形成されている。ｎ型クラッド層４と活性層６の間にｎ型光ガイド層を形成しても良い。ｎ型窒化物半導体層は、少なくとも活性層６と接する部分において活性層６よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。また、各層は、ｎ型不純物をドープしながら成長させてｎ型としても良いし、アンドープで成長させてｎ型としても良い。
【００２９】
ｎ型窒化物半導体層２〜４の上には、活性層６が形成されている。活性層６は、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ２Ｎ井戸層（０＜ｘ１＜１）とＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ障壁層（０≦ｘ２＜１、ｘ１＞ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層されたＭＱＷ構造を有しており、活性層の両端はいずれも障壁層となっている。井戸層は、アンドープで形成されており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が好ましくは１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープして形成されている。
【００３０】
最終障壁層の上には、ｐ型窒化物半導体層として、ｐ型クラッド層８が形成されている。ｐ型クラッド層８と活性層６の間に、ｐ型電子閉じ込め層やｐ型光ガイド層を設けても良い。ｐ型クラッド層８は、少なくとも活性層６と接する部分において活性層よりも広いバンドギャップを有することが必要であり、そのためにＡｌを含む組成であることが好ましい。
【００３１】
ｐ型クラッド層８の途中まで（ｐ型光ガイド層を設ける場合には、その途中まで）２本のリッジストライプ８ａ及び８ａ’が形成されており、２本のストライプ構造１６及び１６’が構成されている。ストライプ構造１６及び１６’の間で、ｎ型クラッド層４、活性層６及びｐ型クラッド層８等の素子層は共通である。２本のリッジストライプ８ａ及び８ａ’は同一形状で平行に形成されている。その中心同士の距離ｄは１５０μｍ以下、より好ましくは７０μｍ以下とすることが望ましい。中心同士の距離ｄが近いほど、光ディスク情報システムに使用した場合の信号の読込み時及び書込み時における発光点のずれを小さくすることができる。２本のリッジストライプ８ａ及び８ａ’の各々に、ｐ型電極１２及び１２’とｐ型パッド電極１４及び１４’とが形成されている。ｐ型電極１２及び１２’とｐ型パッド電極１４及び１４’とは、いずれもストライプ構造ごとに独立して形成されており、ストライプ構造１６及び１６’を独立して駆動できるようになっている。
【００３２】
また、上側の層を除去して露出したｎ型コンタクト層２の表面にｎ型電極１０が形成されている。ｎ型電極１０はストライプ構造１６と１６’の間で共通である。このように、基板同一面側にｐ電極とｎ電極を設けてｎ電極を２本のストライプ構造で共通とする場合、ｎ電極１０、読取用ストライプ１６及び書込み用ストライプ１６’の位置関係は特に限定されないが、共通のｎ電極１０が書込み用ストライプに隣接していることが好ましい。これにより、比較的大きな電流を流す書込み用ストライプ１６’への電流経路をより短くして発光効率を向上することができる。尚、ｎ型電極の構成は特に限定されず、ｎ型電極をストライプ構造ごとに独立して設けても、基板同一面側でなく基板裏面に設けても良い。
【００３３】
得られたストライプ構造１６及び１６’の共振器後端面（モニタ面）には、反射率約９０％のミラーがほぼ全面に形成されており、共振器前端面（出射面）には、反射率約４０％のミラーがストライプ構造１６の側にだけ形成されている。共振器前端面のストライプ構造１６’に対応する部分については、へき開又はエッチングにより形成した端面をそのまま使用することができる。ミラーの材料は特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２等を用いることができる。
尚、本実施の形態においては、共振器前端面のミラーの有無によりストライプ構造１６と１６’の間の光閉じ込め率を調整したが、前後端面の反射率の平均をストライプ構造間で必要な比率にすることができればミラーの構成は特に限定されない。例えば、双方のストライプ構造の前後両方にミラーを形成し、ミラーの反射率のみを異ならせても良い。
【００３４】
実施の形態２．
図２は、実施の形態２におけるＧａＮ系半導体レーザ装置を示す概略断面図である。本実施の形態では、ｎ電極１０及び１０’をストライプ構造ごとに独立に設けると共に、ｎ型コンタクト層２からｐ型クラッド層８に到る全ての素子層についてストライプ構造同士の間に分離溝１１が形成されている。その他の点は、実施の形態１と同様である。
【００３５】
本実施の形態によれば、読取り用ストライプ構造１６と書込み用ストライプ構造１６’の間で電流経路の重複を完全になくすことができるため、同時に駆動させた場合にレーザ光に現れるノイズを大幅に抑制することができる。尚、ノイズの抑制をさらに効果的にするため、図５に示すように分離溝１１の幅ｄ’を発光点７の近傍についてｄ’’に広げても良い。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態１及び２では、共振器のミラー構成を変えることによって緩和振動周波数を調整した。本実施の形態においては、ストライプ構造におけるリッジ部分の幅や深さを変えることによって緩和振動周波数を調整する。ミラー構成をストライプ構造間で共通とし、リッジ部分８ａの形状をストライプ構造間で異ならせる他は、実施の形態１又は実施の形態２と同様である。
【００３７】
図６Ａは、ｐ型クラッド層８のリッジ部分８ａの形状を示す模式図である。リッジ部分８ａの幅Ｗと深さＤをストライプ構造１６と１６’の間で異ならせる。即ち、読取り用ストライプ構造１６のリッジ部分８ａの形状を、ストライプ構造１６’に比べて幅Ｗがより狭く、深さＤがより深くなるようにする。幅Ｗを狭くすることにより活性領域の体積Ｖを小さくすることができ、深さＤを深くすることによってリッジ部分における横方向の屈折率差Δｎを大きくして光閉じ込め率ξを高くすることができる。したがって、上述の式１に示すように、ストライプ構造１６の緩和振動周波数ｆｒ１をストライプ構造１６’の緩和振動周波数ｆｒ２に比べて大きくすることができる。
【００３８】
尚、さらにストライプ構造間での光閉じ込め率ξの差を大きくするために、図６Ｂに示すように、ストライプ構造のリッジ部分８ａを別の材料９で埋め込み、埋め込み材料の有無や材質をストライプ構造の間で変えても良い。
【００３９】
実施の形態４．
実施の形態１及び２では、共振器のミラー構成を変えることによって緩和振動周波数を調整した。本実施の形態においては、ストライプ構造における共振器の長さを変えることによって緩和振動周波数を調整する。ミラー構成をストライプ構造間で共通とし、共振器長をストライプ構造間で異ならせる他は、実施の形態１又は実施の形態２と同様である。
【００４０】
図７は、並列に形成されたストライプ構造を示す模式図である。共振器長をストライプ構造１６と１６’の間で異ならせる。即ち、読取り用ストライプ構造１６の共振器長Ｌ１を、ストライプ構造１６’の共振器長Ｌ２に比べて短くする。共振器長Ｌ１を短くすることによりストライプ構造１６における活性領域の体積Ｖをストライプ構造１６’よりも小さくすることができる。したがって、上述の式１に示すように、ストライプ構造１６の緩和振動周波数ｆｒ１をストライプ構造１６’の緩和振動周波数ｆｒ２に比べて大きくすることができる。
【００４１】
実施の形態１乃至４では、共振器のミラー構成、リッジ形状、及び共振器長によって緩和振動周波数をストライプ構造間で異ならせる手段について説明した。これらの手段は、各々独立に採用するだけでなく適宜組み合わせても良い。また、式１に示すパラメータ、即ち微分利得ａ、光閉じ込め率ξ、前面スロープ効率ηｓｅｐ、前面出力ｐｏｕｔ、活性領域の体積Ｖ、内部微分量子効率η１をストライプ構造間で異ならせる手段であれば、他のいかなる手段を採用しても良い。
【００４２】
また、実施の形態１乃至４では、ストライプ構造を２本設ける構成についてのみ説明したが、ストライプ構造を３本以上設けて、各々に必要とされる特性に応じて緩和振動周波数を異ならせても良い。
【００４３】
【実施例】
以下，本件発明の実施例について説明する。
〔実施例１〕
大略図２に示す構造のＧａＮ系半導体装置を以下のようにして作製した。
（基板１）
２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＶＰＥ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ、その後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させて、下地層とする。次に、下地層表面にストライプ状のマスクを複数形成して、マスク開口部（窓部）から窒化物半導体、本実施例ではＧａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）により成膜された窒化物半導体層を備えた窒化物半導体基板を得る。この時、選択成長時のマスクは、ＳｉＯ２からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍとする。
【００４４】
（バッファ層）
窒化物半導体基板の上に、バッファ層成長後、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるバッファ層を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＡｌＧａＮのｎ型コンタクト層と、ＧａＮからなる窒化物半導体基板との間で、バッファ層として機能する。次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、素子構造となる各層を積層する。
【００４５】
（ｎ型コンタクト層２）
次に得られたバッファ層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層２を４μｍの膜厚で成長させる。
【００４６】
（クラック防止層）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を８００℃にしてＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなるクラック防止層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
（ｎ型クラッド層４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ２００回繰り返してＡ層とＢ層の積層し、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層４を成長させる。
【００４８】
（ｎ型光ガイド層）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００４９】
（活性層６）
次に、温度を８００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を５５Åの膜厚で、この障壁層（Ｂ）、井戸層（Ｗ）を、（Ｂ）／（Ｗ）／（Ｂ）／（Ｗ）の順に積層する。最後に障壁層として、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを成長させる。活性層６は、総膜厚約５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００５０】
（ｐ型電子閉込め層）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ型電子閉込層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００５１】
（ｐ型光ガイド層）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型光ガイド層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型光ガイド層は、アンドープとして成長させるが、ｐ型電子閉込め層１０８、ｐ型クラッド層１０９等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。
【００５２】
（ｐ型クラッド層８）
続いて、１０５０℃でアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層８を成長させる。
【００５３】
（ｐ型コンタクト層）
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層８の上に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【００５４】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＣｌ２ガスによりエッチングし、図２に示すように、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層２の表面を基板の両側で露出させと同時に、エッチング端面として共振器面となる前端面、後端面を形成する。また、素子の中央付近に、基板１に達する分離溝１１を幅２０μｍで形成する。分離溝１１は、さらに図５に示すように、バッファ層に達する深さまで幅４０μｍに広げる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ２が最適である。
【００５５】
次にストライプ状の導波路領域として、リッジストライプ８ａ及び８ａ’を分離溝１１を挟んで平行に形成する。リッジストライプ形成のための保護膜はＳｉ酸化物（主として、ＳｉＯ２）とする。リッジストライプの上面の幅Ｗを１．８μｍ、リッジの深さＤは０．５μｍとし、２本のリッジストライプの中心同士の距離を５０μｍとする。この時、リッジストライプの深さは、ｐ型コンタクト層、およびｐ型クラッド層８、ｐ型光ガイド層の一部をエッチングして、ｐ型光ガイド層が一部残る深さとなる。
【００５６】
次に、リッジストライプ形成後、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる保護膜１５を、分離溝１１とリッジストライプ８ａ及び８ａ’の上面を除いて、リッジストライプの側面及びそれに連続する平面（ｐ型光ガイド層の露出面）に形成する。
【００５７】
そして、露出したリッジストライプ部分のｐ型コンタクト層の上面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２及び１２’を形成する。既に露出させたｎ型コンタクト層２の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるストライプ状のｎ電極１０及び１０’をストライプと平行な方向で形成する。
次に、ｐ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極１４及び１４’を設け、ｎ電極上にも同様のパット電極を設ける。
ｎ型コンタクト層２露出時に形成したエッチング端面に、ストライプ１６の前端面には反射率が４０％となるミラーを、ストライプ１６、１６’の後端面には反射率９０％となるミラーを、フォトリソグラフィーによりそれぞれ形成する。
【００５８】
以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面、（１１−００）など）で、端面より外側でバー状に分割して、更にバー状のウエハを分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は６５０μｍである。
【００５９】
共振器の前端面（出射面）にミラーを形成した側を読取り用ストライプ１６とし、ミラーを形成しない側を書込み用ストライプ１６’として特性を評価した。２５℃において、パルス幅１０ｎｓ、パルス周期２０ｎｓ、５ｍＷゼロバイアスの条件で緩和振動周波数を測定したところ、読取り用ストライプ１６の緩和振動周波数ｆｒ１は１．９ＧＨｚであり、書込み用ストライプ１６’の緩和振動周波数ｆｒ２は１．４ＧＨｚであった。
【００６０】
また、読取り用ストライプ１６の出力２．０ｍＷにおけるＲｉｎが−１２８ｄＢ／Ｈｚ、スロープ効率ηｓｅｐは０．６Ｗ／Ａであり、Ｒｉｎが−１２５ｄＢ／Ｈｚとなる出力は１．５ｍＷであった。一方、書込み用ストライプ１６’の出力２．０ｍＷにおけるＲｉｎは−１１８ｄＢ／Ｈｚ、スロープ効率ηｓｅｐは１．２Ｗ／Ａであり、Ｒｉｎが−１２５ｄＢ／Ｈｚとなる出力は４．０ｍＷであった。
【００６１】
作製したＧａＮ系半導体レーザ装置を光ディスク情報装置に用い、読込み用ストライプ１６の出力を２．０ｍＷとし、書込み用ストライプ１６’の出力を３０ｍＷとした時の寿命は、書込み用ストライプに律速され５０００ｈであった。
【００６２】
〔実施例２〕
実施例１のＧａＮ系半導体レーザ装置を光ディスク情報システムで２倍速の書込みレートで使用するため、読込み用ストライプ１６の出力を２．０ｍＷとし、書込み用ストライプ１６’の出力を４５ｍＷとした時の寿命は、書込み用ストライプに律速され２５００ｈであった。
【００６３】
〔比較例１〕
実施例１の書込み用ストライプ１６’のみを光ディスク情報システムに用い、１本のストライプで読込みと書込みの両方を行った。読込み時のＲｉｎを−１２５ｄＢ／Ｈｚにするため、読込み時の出力を４．０ｍＷとし、書込み時の出力を６０ｍＷとした。この時の寿命は１５００ｈであり、実施例１に比べて１／３以下の寿命であった。また、２倍速の書込みレートで使用するため、書込み時の出力を８４ｍＷとした時の寿命は１０００ｈであり、実施例２の半分以下の寿命であった。
【００６４】
〔比較例２〕
実施例１の読込み用ストライプ１６のみを光ディスク情報システムに用い、１本のストライプで読込みと書込みの両方を行った。読込み時の出力を２．０ｍＷとし、書込み時の出力を３０ｍＷとした時の寿命は、１０００ｈであり、実施例１の約１／５の寿命であった。
【００６５】
本発明に係るＧａＮ系半導体レーザ装置は、２以上のストライプ構造を１チップ内に設け、あるストライプ構造を低出力用にし、別のストライプ構造を高出力用にしたため、低出力と高出力の双方での特性を良好にできる。また、緩和振動周波数ｆｒが大きなストライプ構造と、緩和振動周波数ｆｒの小さなストライプ構造を形成したため、緩和振動周波数の大きなストライプ構造によって低出力でのＲｉｎ値を良好とし、緩和振動の小さなストライプ構造によって高出力での横モードシングル性と信頼性を確保することができる。したがって、本件発明に係るＧａＮ系半導体レーザ装置を光ディスク情報システムに用いることにより、必要とされるＲｉｎ値レベルや寿命を保ちながら、ＲＷ比を高めて高速でのデータ転送を行うことができる。
【００６６】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【００６７】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態２に係るＧａＮ系半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図３】図３は、緩和振動光学波形の一例を示すグラフである。
【図４】図４は、Ｒｉｎ−Ｐｏｗｅｒ特性の一例を示すグラフである。
【図５】図５は、リッジ部に形成する分離溝の形状を示す模式図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、リッジ部の構成を示す模式図である。
【図７】図７は、共振器長により緩和振動周波数を異ならせる構成を示す模式図である。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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