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JP2010021342A - Semiconductor laser device - Google Patents

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JP2010021342A
JP2010021342A JP2008180174A JP2008180174A JP2010021342A JP 2010021342 A JP2010021342 A JP 2010021342A JP 2008180174 A JP2008180174 A JP 2008180174A JP 2008180174 A JP2008180174 A JP 2008180174A JP 2010021342 A JP2010021342 A JP 2010021342A
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layer
laser device
type
composition
semiconductor laser
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JP2008180174A
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Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Murasawa
智 村沢
Toru Takayama
徹 高山
Masahiro Kume
雅博 粂
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】再生系光ディスクシステムの光源に十分に使用可能な、安定した自励発振特性を有するIII族窒化物からなる半導体レーザ装置を実現できるようにする。
【解決手段】半導体レーザ装置は、基板11の上に形成され、AlGa1−xNからなるn型クラッド層13と、n型クラッド層13の上に形成されたMQW活性層15と、MQW活性層15の上に形成され、AlGa1−yNからなるp型クラッド層19と、p型クラッド層19の上に形成されたp型コンタクト層20と、基板11とn型クラッド層13の間に形成され、AlGa1−zNからなるn型反射抑制層12とを有している。n型クラッド層13におけるAl組成x、p型クラッド層19におけるAl組成y及びn型反射抑制層12におけるAl組成zは、x<zで且つy<zの関係を満たす。
【選択図】図9
A semiconductor laser device made of a group III nitride having stable self-excited oscillation characteristics that can be sufficiently used as a light source of a reproducing optical disk system is realized.
A semiconductor laser device is formed on the substrate 11, the n-type cladding layer 13 made of Al x Ga 1-x N, the MQW active layer 15 formed on the n-type cladding layer 13, A p-type cladding layer 19 formed on the MQW active layer 15 and made of Al y Ga 1-y N, a p-type contact layer 20 formed on the p-type cladding layer 19, a substrate 11, and an n-type cladding The n-type antireflection layer 12 made of Al z Ga 1-z N is formed between the layers 13. The Al composition x in the n-type cladding layer 13, the Al composition y in the p-type cladding layer 19, and the Al composition z in the n-type antireflection layer 12 satisfy the relationship x <z and y <z.
[Selection] Figure 9

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に自励発振型半導体レーザ装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a self-excited oscillation type semiconductor laser device.

近年、光ディスク及び光磁気記録ディスク等の記録媒体に対する光学的記録装置及び光学的読み出し装置等に用いる光ピックアップ光源として、半導体レーザ装置が多用されている。その用途はレコーダ用、PC用及び車載用等の多岐にわたり、光ディスク市場は拡大し続けている。特に最近では、青紫色の発光波長を有するIII族窒化物半導体、いわゆる窒化ガリウム系半導体(AlGaInN)レーザ装置を用いた次世代DVD(Digital Versatile Disc)のうちBlu−ray市場が急速な立ち上がりを見せている。なかでも、再生専用の次世代DVDが占める割合は高く、車載用途の青紫色半導体レーザ装置の研究開発が進められている。   2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor laser devices are frequently used as optical pickup light sources used in optical recording devices and optical reading devices for recording media such as optical disks and magneto-optical recording disks. The optical disk market continues to expand, with a wide range of applications such as recorders, PCs, and in-vehicle use. Recently, among the next generation DVD (Digital Versatile Disc) using a group III nitride semiconductor having a blue-violet emission wavelength, that is, a so-called gallium nitride semiconductor (AlGaInN) laser device, the Blu-ray market has started up rapidly. ing. Among them, the proportion of the next-generation DVD dedicated to reproduction is high, and research and development of a blue-violet semiconductor laser device for in-vehicle use is underway.

ところで、光ピックアップ装置の光源となる半導体レーザ装置に求められる特性として、低雑音特性が挙げられる。   By the way, a low noise characteristic is mentioned as a characteristic calculated | required by the semiconductor laser apparatus used as the light source of an optical pick-up apparatus.

以下、半導体レーザ装置における雑音の発生要因について説明する。   Hereinafter, noise generation factors in the semiconductor laser device will be described.

半導体レーザ装置を光ピックアップ光源に用いると、光ディスク若しくは光記録媒体及び光学系部材等からの反射光が半導体レーザ装置にフィードバックされる。この場合、レーザ光の可干渉性(コヒーレンス)が高い場合には、半導体レーザ装置における共振器内の光と反射光とが互いに干渉し、結果的に半導体レーザ装置の出力に雑音が生じてしまうことが分かっている。このレーザ光の可干渉性を低くするには、半導体レーザ装置における発振スペクトルをマルチモード発振させることが有効である。   When a semiconductor laser device is used as an optical pickup light source, reflected light from an optical disk or an optical recording medium and an optical system member is fed back to the semiconductor laser device. In this case, when the coherence of the laser light is high, the light in the resonator and the reflected light in the semiconductor laser device interfere with each other, resulting in noise in the output of the semiconductor laser device. I know that. In order to reduce the coherence of this laser beam, it is effective to oscillate the oscillation spectrum in the semiconductor laser device in a multimode.

例えば、射光に起因する雑音の解決法としては、(1)半導体レーザ装置を高周波重畳回路を用いて変調し、発振スペクトルをマルチモード化する。(2)半導体レーザ装置を自励発振(パルス発振)型のレーザ装置として発振スペクトルをマルチモード化する等の方法が知られている。
(1)半導体レーザ装置を高周波重畳回路により変調させる方法は、高周波重畳モジュールを使用することから部品点数が増大するため、光ピックアップ装置の小型化及びコストの面で不利である。また、高周波重畳回路からの不要輻射により、他の電子機器の誤動作が発生するおそれがある。
(2)高周波重畳回路を用いずに発振スペクトルをマルチモード化させる方法には、半導体レーザ装置の導波路内に可飽和吸収体を形成し、自励発振を生じさせる方法がある。これにより、レーザ発振による発振強度が時間の経過に対してパルス状に周期的に変化する。これにより、発振スペクトルがマルチモード化するため、レーザ出射光の干渉性が低下する。このような干渉性が低下した半導体レーザ装置は、光ディスクからの反射光が半導体レーザ装置に戻ってきたとしても、レーザ装置からの出射光と反射による戻り光とが干渉を起こさず、雑音の発生が抑えられるため、データの読み出しエラーを防止することができる。しかも、半導体レーザ装置自体をパルス発振状態とするため、高周波重畳回路等の付加的な部品を設ける必要がないので、小型化、軽量化及び低コスト化を図れると共に、不要輻射が生じないという効果を有する。
For example, as a solution for noise caused by incident light, (1) a semiconductor laser device is modulated using a high-frequency superposition circuit, and the oscillation spectrum is converted into a multimode. (2) A method of making the oscillation spectrum into a multimode is known by using a semiconductor laser device as a self-excited oscillation (pulse oscillation) type laser device.
(1) The method of modulating a semiconductor laser device with a high-frequency superposition circuit is disadvantageous in terms of downsizing and cost of the optical pickup device because the number of components increases because a high-frequency superposition module is used. Moreover, there is a possibility that malfunction of other electronic devices may occur due to unnecessary radiation from the high frequency superimposing circuit.
(2) As a method for converting the oscillation spectrum into a multimode without using a high frequency superposition circuit, there is a method in which a saturable absorber is formed in a waveguide of a semiconductor laser device to cause self-excited oscillation. As a result, the oscillation intensity due to laser oscillation periodically changes in a pulsed manner over time. As a result, the oscillation spectrum becomes multimode, so that the coherence of the laser beam is reduced. In such a semiconductor laser device with reduced coherence, even if the reflected light from the optical disk returns to the semiconductor laser device, the emitted light from the laser device and the return light from the reflection do not cause interference, and noise is generated. Therefore, data read errors can be prevented. In addition, since the semiconductor laser device itself is in a pulse oscillation state, there is no need to provide additional components such as a high-frequency superposition circuit, so that it is possible to reduce the size, weight, and cost, and to prevent unnecessary radiation. Have

このような自励発振型の半導体レーザ装置として、特許文献1が知られている。ここには、活性層の井戸層の層数を2〜4層、その厚さを10nm以下とし、AlGa1−xNからなるクラッド層におけるAl組成を0≦x≦0.3とすることにより、安定な自励発振を実現する青紫色レーザ装置が得られると記載されている。
特開平11−214788号公報
Patent document 1 is known as such a self-excited oscillation type semiconductor laser device. Here, the number of well layers in the active layer is 2 to 4, the thickness is 10 nm or less, and the Al composition in the cladding layer made of Al x Ga 1-x N is 0 ≦ x ≦ 0.3. Thus, it is described that a blue-violet laser device that realizes stable self-excited oscillation can be obtained.
JP-A-11-214788

しかしながら、前記従来のIII族窒化物系半導体を用いた自励発振型半導体レーザ装置は以下のような問題を有している。   However, the conventional self-pulsation type semiconductor laser device using the group III nitride semiconductor has the following problems.

まず、III族窒化物系半導体は、赤外レーザ装置や赤色レーザ装置の活性層を構成するAlGaAs系材料及びAlGaInP系材料と比べて微分モーダル利得が大きいことから、自励発振時のピークパワー強度が高くなりやすく、再生時の光出力動作時でも光ディスクの情報が書き換えられてしまうおそれがある。ここで、微分モーダル利得とは、活性層の微分利得(利得の動作キャリア密度に対する変化)と活性層における光閉じ込め係数との積であり、この値が大きいほど低い注入キャリア密度で発振しやすいレーザ装置であるといえる。但し、微分モーダル利得が大きい場合は、可飽和吸収効果により可飽和吸収体がレーザ光に対して透明な状態になると、光出力が時間的に急激に増大し、自励発振による光のパルスのピークパワー強度が高くなるため、再生時の動作光出力によっても光ディスクの情報が書き換わってしまう。   First, Group III nitride semiconductors have a higher differential modal gain than AlGaAs and AlGaInP materials that make up the active layer of infrared laser devices and red laser devices. The information on the optical disk may be rewritten even during the light output operation during reproduction. Here, the differential modal gain is the product of the differential gain of the active layer (change in gain relative to the operating carrier density) and the optical confinement coefficient in the active layer. The larger this value, the easier the laser to oscillate at a lower injected carrier density. It can be said that it is a device. However, when the differential modal gain is large, when the saturable absorber becomes transparent with respect to the laser beam due to the saturable absorption effect, the light output increases rapidly with time, and the pulse of light due to self-excited oscillation is increased. Since the peak power intensity is high, the information on the optical disc is rewritten even by the operating light output during reproduction.

図13に従来報告されている自励発振型の赤外レーザ装置、赤色レーザ装置及び青紫色レーザ装置の各微分モーダル利得を示す。図13からも分かるように、微分モーダル利得は、赤外レーザ装置、赤色レーザ装置及び青紫色レーザ装置の順に大きくなっており、青紫色レーザ装置は自励発振時のピークパワー強度が高くなりやすい。   FIG. 13 shows differential modal gains of a self-excited oscillation type infrared laser device, a red laser device, and a blue-violet laser device that have been conventionally reported. As can be seen from FIG. 13, the differential modal gain increases in the order of the infrared laser device, the red laser device, and the blue-violet laser device, and the blue-violet laser device tends to have high peak power intensity during self-excited oscillation. .

図14(a)及び図14(b)に従来の青紫色レーザ装置と赤色レーザ装置の自励発振時の光出力の時間応答特性を示す。図14(b)に示す赤色レーザ装置においては、ピークパワー強度と平均出力との比の値が5.3倍であるのに対して、図14(a)に示す青紫色レーザ装置においては、平均出力に対し光パルスのピークパワー強度が高く、ピークパワー強度と平均出力との比の値が8.1倍である。ここで、ピークパワー強度が平均出力の7倍以上になると、光ディスクの情報が書き換えられてしまう場合があることが分かっている。従って、ピーク強度と平均出力との比の値は、7倍以下に設定する必要がある。   FIG. 14A and FIG. 14B show the time response characteristics of the light output during the self-oscillation of the conventional blue-violet laser device and the red laser device. In the red laser device shown in FIG. 14B, the value of the ratio between the peak power intensity and the average output is 5.3 times, whereas in the blue-violet laser device shown in FIG. The peak power intensity of the optical pulse is higher than the average output, and the value of the ratio between the peak power intensity and the average output is 8.1 times. Here, it has been found that when the peak power intensity is 7 times or more of the average output, the information on the optical disk may be rewritten. Therefore, the value of the ratio between the peak intensity and the average output needs to be set to 7 times or less.

III族窒化物系半導体を用いた自励発振型レーザ装置は、高い微分モーダル利得を持つことにより、再生時においても高いピークパワー強度による光ディスク書き換えが発生する一方、正孔の有効質量が大きいことに起因して、発振閾値が大きくなるという問題もある。発振閾値の増大は温度特性の劣化をもたらすため、信頼性の低下につながる。   A self-pulsation type laser device using a group III nitride semiconductor has a high differential modal gain, so that an optical disk can be rewritten with a high peak power intensity even during reproduction, while the effective mass of holes is large. Due to the above, there is a problem that the oscillation threshold value becomes large. An increase in the oscillation threshold causes a deterioration in temperature characteristics, leading to a decrease in reliability.

従って、微分モーダル利得を大きくすれば自励発振の光のピーク強度が高くなって、光ディスクの情報が再生動作時においても書き換わるおそれがある。これに対し、光のピークパワー強度を抑えるために微分モーダル利得を小さくすれば、発振閾値が増大して、信頼性の低下につながる。このため、ピークパワー強度を抑えつつ、発振閾値が大きくならないという最適な微分モーダル利得が必要となる。   Therefore, if the differential modal gain is increased, the peak intensity of the self-excited oscillation light increases, and the information on the optical disk may be rewritten during the reproducing operation. On the other hand, if the differential modal gain is reduced in order to suppress the peak power intensity of light, the oscillation threshold increases, leading to a decrease in reliability. For this reason, an optimum differential modal gain is required that suppresses the peak power intensity and does not increase the oscillation threshold.

さらに、反射光による雑音特性劣化に加えて、青紫色レーザ装置(レーザチップ)の結晶成長用基板である窒化ガリウム(GaN)は、発振波長に対して透明であるため、レーザ光を吸収するGaAs基板を用いる赤外レーザ装置や赤色レーザ装置と比較して基板からの反射光が多い。その上、自然放出光又は散乱されたレーザ光がGaNからなる基板とクラッド層との界面で発生する、いわゆるチップ内部の迷光も多い。   Furthermore, in addition to noise characteristic deterioration due to reflected light, gallium nitride (GaN), which is a substrate for crystal growth of a blue-violet laser device (laser chip), is transparent to the oscillation wavelength, and thus absorbs laser light. Compared with an infrared laser device or a red laser device using a substrate, there is more reflected light from the substrate. In addition, spontaneous emission light or scattered laser light is often generated at the interface between the GaN substrate and the cladding layer, so-called stray light inside the chip.

図15に示す従来の青紫色レーザ装置、赤外レーザ装置及び赤色レーザ装置における各電流(Iop)−光出力(Po)特性からも分かるように、レーザ発振前(発振電流閾値以前)において、青紫色レーザ装置は、赤外レーザ装置及び赤色レーザ装置よりも迷光量が多くなっている。迷光が活性層で吸収されると、光出力に揺らぎが生じるため雑音レベルが高くなり、相対強度雑音(RIN:Relateive Intensity Noise)の増大を招く。これを回避するには、青紫色レーザ装置においては、再生時の光出力を赤色レーザ装置及び赤外レーザ装置よりも高くして、相対的に自然放出光の寄与を小さくするという施策がなされている。一般に、赤色レーザ装置及び赤外レーザ装置の光出力が5mWに対し、青紫色レーザ装置においては10mW以上が必要となり、10mWを超える高い光出力時には自励発振が停止して、発振スペクトルは単一モードとなってしまう。   As can be seen from the current (Iop) -light output (Po) characteristics in the conventional blue-violet laser device, infrared laser device, and red laser device shown in FIG. The violet laser device has more stray light than the infrared laser device and the red laser device. When stray light is absorbed by the active layer, the light output fluctuates, resulting in a high noise level and an increase in relative intensity noise (RIN: Relativistic Intensity Noise). In order to avoid this, in the blue-violet laser device, a measure is taken to make the light output during reproduction higher than that of the red laser device and the infrared laser device, and relatively reduce the contribution of spontaneous emission light. Yes. In general, the light output of the red laser device and the infrared laser device is 5 mW, whereas the blue-violet laser device requires 10 mW or more. When the light output exceeds 10 mW, the self-excited oscillation stops and the oscillation spectrum is single. It becomes a mode.

このように、青紫色自励発振型レーザ装置においては、迷光量を抑制して、低雑音特性を実現すると共に、10mW以上の高出力下でも自励発振を維持することが必要となる。   Thus, in the blue-violet self-oscillation laser device, it is necessary to suppress the amount of stray light to realize low noise characteristics and to maintain self-oscillation even under a high output of 10 mW or more.

以上のように、一般に使用される井戸層の厚さが10nm以下で、層数が2〜4の場合には、高い微分モーダル利得のため、自励発振時の高いピークパワー強度による光ディスクへの書き換えが生じる。また、レーザ発振に必要な利得が足りないため、発振閾値が高くなるという問題が生じる。   As described above, when the well layer generally used has a thickness of 10 nm or less and the number of layers is 2 to 4, due to the high differential modal gain, the optical disc with high peak power intensity during self-excited oscillation is used. Rewriting occurs. In addition, since the gain necessary for laser oscillation is insufficient, there arises a problem that the oscillation threshold is increased.

さらに、自励発振が生じたとしても、迷光量が多く、雑音特性を劣化させるという問題も生じる。   Furthermore, even if self-excited oscillation occurs, there is a problem that the amount of stray light is large and noise characteristics are deteriorated.

また、AlGa1−xNからなるクラッド層のAl組成が比較的に高い場合(0.1<x≦0.3)は、該クラッド層にクラックが発生して、信頼性の低下を引き起こすという問題をも同時に生じる。 In addition, when the Al composition of the cladding layer made of Al x Ga 1-x N is relatively high (0.1 <x ≦ 0.3), cracks are generated in the cladding layer, reducing reliability. At the same time, it causes problems.

本発明は、前記従来の問題を解決し、再生系光ディスクシステムの光源に十分に使用可能な、安定した自励発振特性を有するIII族窒化物からなる半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to realize a semiconductor laser device made of a group III nitride having stable self-excited oscillation characteristics that can be sufficiently used as a light source for a reproducing optical disk system. Objective.

前記の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザ装置を、アルミニウムの組成が基板に近い第1のクラッド層及び基板から遠い第2のクラッド層よりも高い窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなる反射抑制層を基板と第1のクラッド層との間及び第2のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成する構成とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor laser device in which a reflection is made of aluminum gallium nitride (AlGaN) having a higher aluminum composition than a first cladding layer close to the substrate and a second cladding layer far from the substrate. The suppression layer is configured to be formed between at least one of the substrate and the first cladding layer and between the second cladding layer and the contact layer.

具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板の上に形成され、AlGa1−xNからなる第1導電型の第1のクラッド層と、第1のクラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、AlGa1−yNからなる第2導電型の第2のクラッド層と、第2のクラッド層の上に形成された第2導電型のコンタクト層と、基板と第1のクラッド層の間及び第2のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、AlGa1−zNからなる反射抑制層とを備え、第1のクラッド層におけるAl組成x、第2のクラッド層におけるAl組成y及び反射抑制層におけるAl組成zは、x<zで且つy<zの関係を満たすことを特徴とする。 Specifically, the semiconductor laser device according to the present invention is formed on a substrate and formed on a first clad layer of the first conductivity type made of Al x Ga 1-x N and the first clad layer. Active layer formed on the active layer, a second conductivity type second clad layer made of Al y Ga 1-y N, and a second conductivity type formed on the second clad layer And a reflection suppression layer made of Al z Ga 1-z N and formed between at least one of the substrate and the first cladding layer and between the second cladding layer and the contact layer, The Al composition x in the first cladding layer, the Al composition y in the second cladding layer, and the Al composition z in the reflection suppression layer satisfy the relationship x <z and y <z.

本発明の半導体レーザ装置によると、基板と第1のクラッド層の間及び第2のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、AlGa1−zNからなる反射抑制層を備え、第1のクラッド層におけるAl組成x、第2のクラッド層におけるAl組成y及び反射抑制層におけるAl組成zは、x<zで且つy<zの関係を満たすため、活性層からの基板又はコンタクト層への光分布の広がりを抑制することが可能となる。これにより、基板又はコンタクト層から反射される迷光が活性層に再吸収されて、雑音を増大させることを防止できる。また、各クラッド層よりも高いAl組成を持つAlGa1−zNからなる反射抑制層は、各クラッド層の屈折率よりも低いため、屈折率が低い反射抑制層が少なくとも一方のクラッド層の外側に配置されることから、自励特性を実現し得る活性層への光閉じ込め係数を向上させることができる。 According to the semiconductor laser device of the present invention, the reflection suppression layer formed of Al z Ga 1-z N is formed between at least one of the substrate and the first cladding layer and between the second cladding layer and the contact layer. The Al composition x in the first cladding layer, the Al composition y in the second cladding layer, and the Al composition z in the antireflection layer satisfy the relationship of x <z and y <z. Alternatively, the spread of light distribution to the contact layer can be suppressed. Thereby, it is possible to prevent stray light reflected from the substrate or the contact layer from being reabsorbed by the active layer and increasing noise. Further, since the reflection suppression layer made of Al z Ga 1-z N having a higher Al composition than each cladding layer is lower than the refractive index of each cladding layer, the reflection suppression layer having a low refractive index is at least one of the cladding layers. Therefore, the optical confinement factor to the active layer that can realize the self-excited characteristic can be improved.

本発明の半導体レーザ装置において、第1のクラッド層におけるAl組成xは、0.03≦x≦0.1であり、第2のクラッド層におけるAl組成yは、0.03≦y≦0.1であり、反射抑制層におけるAl組成zは、0.1<z≦0.3であり、反射抑制層の膜厚は、5nm以上且つ15nm以下であることが好ましい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the Al composition x in the first cladding layer is 0.03 ≦ x ≦ 0.1, and the Al composition y in the second cladding layer is 0.03 ≦ y ≦ 0. 1, the Al composition z in the reflection suppression layer is 0.1 <z ≦ 0.3, and the thickness of the reflection suppression layer is preferably 5 nm or more and 15 nm or less.

このようにすると、自励発振に必要な活性層への光の閉じ込めを十分に確保できると共に、半導体層に生じるクラックを抑制できるため、信頼性が高い半導体レーザ装置を得ることができる。また、反射抑制層におけるAl組成を0.1<z≦0.3とし、その膜厚を5nm以上且つ15nm以下とすることにより、基板又はコンタクト層への光分布の広がりを十分に減衰させることができるため、迷光の発生を抑制し、雑音の増大を防止できる。さらに、自励発振特性を実現し得る活性層への光の閉じ込め効率を向上させることもできる。その結果、低雑音特性を有する自励発振型半導体レーザ装置を得ることができる。また、反射抑制層におけるAl組成及び膜厚を所定の範囲内にすることにより、格子不整合によって発生する応力に起因するクラックの発生を抑制することができるため、信頼性を低下させることなく、所望の動作特性を実現できる
本発明の半導体レーザ装置において、第2のクラッド層は、その上部に形成され、電流が選択的に注入されるストライプ部を有しており、第2のクラッド層におけるストライプ部の側方には、電流ブロック層が形成されていることが好ましい。
In this way, it is possible to sufficiently secure light confinement in the active layer necessary for self-oscillation, and to suppress cracks generated in the semiconductor layer, so that a highly reliable semiconductor laser device can be obtained. Further, by setting the Al composition in the reflection suppression layer to 0.1 <z ≦ 0.3 and the film thickness to be 5 nm or more and 15 nm or less, the spread of the light distribution to the substrate or the contact layer can be sufficiently attenuated. Therefore, generation of stray light can be suppressed and increase in noise can be prevented. Furthermore, the light confinement efficiency in the active layer that can realize the self-excited oscillation characteristic can be improved. As a result, a self-excited oscillation type semiconductor laser device having low noise characteristics can be obtained. In addition, by making the Al composition and the film thickness in the reflection suppression layer within a predetermined range, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the stress caused by lattice mismatch, without reducing the reliability, In the semiconductor laser device of the present invention capable of realizing a desired operating characteristic, the second cladding layer has a stripe portion formed thereon and into which current is selectively injected. A current blocking layer is preferably formed on the side of the stripe portion.

この場合に、電流ブロック層は誘電体材料又は半導体材料により構成されていることが好ましい。   In this case, the current blocking layer is preferably made of a dielectric material or a semiconductor material.

このようにすると、電流ブロック層を誘電体材料により形成する場合には、窒化物半導体層をエピタキシャル成長する工程が簡略化できるため、製造コストを低減できる。一方、電流ブロック層を半導体材料により形成する場合には、窒化物半導体のIn組成又はAl組成を調整することができるため、所望の屈折率を設定できるので、設計自由度が向上する。また、電流ブロック層を構成する材料は、発振波長の光に対してほぼ透明の材料であっても、その光を吸収する材料であってもよい。電流ブロック層に透明材料を用いる場合は、電流ブロック層における光の損失が小さくなるため、スロープ効率が改善され、温度特性が向上する。また、電流ブロック層に吸収材料を用いる場合は、電流ブロック層において光の吸収が生じることにより、チップ内部の迷光の抑制や光の拡がり角の形状の安定化が得られる。   In this case, when the current blocking layer is formed of a dielectric material, the process of epitaxially growing the nitride semiconductor layer can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced. On the other hand, when the current blocking layer is formed of a semiconductor material, since the In composition or Al composition of the nitride semiconductor can be adjusted, a desired refractive index can be set, so that the degree of design freedom is improved. The material constituting the current blocking layer may be a material that is substantially transparent to light having an oscillation wavelength or a material that absorbs the light. When a transparent material is used for the current blocking layer, light loss in the current blocking layer is reduced, so that slope efficiency is improved and temperature characteristics are improved. When an absorbing material is used for the current blocking layer, light absorption occurs in the current blocking layer, thereby suppressing stray light inside the chip and stabilizing the shape of the light divergence angle.

本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は5であり、井戸層の膜厚は、2nm以上且つ4nm以下であることが好ましい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the active layer is a quantum well active layer formed by alternately stacking quantum well layers and barrier layers, the number of well layers is 5, and the thickness of the well layer is 2 nm. The thickness is preferably 4 nm or less.

このようにすると、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度を得られると共に、活性層の内部に十分な可飽和吸収体を形成することが可能となるため、10mW以上の光出力動作時においても安定した自励発振を得られ、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。   In this way, it is possible to obtain a peak power intensity that does not rewrite information on the optical disk and to form a sufficient saturable absorber inside the active layer. Therefore, during a light output operation of 10 mW or more In addition, stable self-excited oscillation can be obtained, and an optimum differential modal gain with a sufficiently small oscillation threshold can be obtained.

本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は6であり、井戸層の膜厚は、0.8nm以上且つ2.5nm以下であることが好ましい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the active layer is formed of a quantum well active layer in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked, the number of well layers is 6, and the thickness of the well layer is 0. It is preferably 8 nm or more and 2.5 nm or less.

このようにすると、ピークパワー強度が抑制され、活性層の内部に自励発振に必要な可飽和吸収層を十分に形成することができる。このため、10mW以上の高出力動作時においても自励発振が可能であり、且つ低発振閾値を実現することができる。   In this way, the peak power intensity is suppressed, and a saturable absorption layer necessary for self-oscillation can be sufficiently formed inside the active layer. Therefore, self-excited oscillation is possible even during a high output operation of 10 mW or more, and a low oscillation threshold can be realized.

本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は7であり、井戸層の膜厚は、0.4nm以上且つ1.5nm以下であることが好ましい。   In the semiconductor laser device of the present invention, the active layer is formed of a quantum well active layer in which quantum well layers and barrier layers are alternately stacked, the number of well layers is 7, and the thickness of the well layer is 0. It is preferably 4 nm or more and 1.5 nm or less.

このようにすると、井戸層に対するインジウム(In)の添加量が相対的に大きくなって、空間的にIn偏析が発生する。In組成が高いとバンドギャップエネルギーが局所的に小さくなるため、発振波長に対して吸収を持つことになるので、In偏析は可飽和吸収体を形成しやすくなる。また、井戸層の層数が7層と多いため、活性層に形成される可飽和吸収体をも確保することができる。   In this way, the amount of indium (In) added to the well layer becomes relatively large, and In segregation occurs spatially. When the In composition is high, the band gap energy is locally reduced, and therefore, absorption occurs at the oscillation wavelength, so that In segregation easily forms a saturable absorber. In addition, since the number of well layers is as large as seven, a saturable absorber formed in the active layer can be secured.

以上の構成により、10mW以上の高出力動作時でも安定した自励発振を得られるようになる。また、本発明によれば、ピークパワー強度と平均出力との比の値が7倍以下となるため、光ディスクの書き換えが生じることがなく、また、井戸層が薄いため発振閾値を低くすることができる。   With the above configuration, a stable self-oscillation can be obtained even during a high output operation of 10 mW or more. In addition, according to the present invention, since the value of the ratio between the peak power intensity and the average output is 7 times or less, the optical disk is not rewritten, and the oscillation threshold is lowered because the well layer is thin. it can.

本発明に係る半導体レーザ装置によると、微分モーダル利得や迷光の発生を制御することができるため、光出力が10mW以上の自励発振特性を得られると共に、自励ピークパワーの強度を抑制でき、さらに雑音特性に優れた半導体レーザ装置を実現できる。   According to the semiconductor laser device of the present invention, since the differential modal gain and the generation of stray light can be controlled, the self-excited oscillation characteristic with an optical output of 10 mW or more can be obtained, and the intensity of the self-excited peak power can be suppressed. Furthermore, a semiconductor laser device having excellent noise characteristics can be realized.

本願発明にあたって、本願発明者らは、従来技術における前記の課題を解決すべく詳細な検討を以下のように行った。   In the invention of the present application, the inventors of the present invention conducted a detailed study as follows to solve the above-described problems in the prior art.

図1に示すように、本願発明の試作例に係るIII族窒化物系半導体レーザ装置は、例えばn型GaNからなる基板101の上に形成されたAlGaNからなるn型クラッド層102及びp型クラッド層104に挟まれた、InGaNからなる多重量子井戸活性層103を備えている。   As shown in FIG. 1, a group III nitride semiconductor laser device according to a prototype of the present invention includes an n-type cladding layer 102 made of AlGaN and a p-type cladding formed on a substrate 101 made of n-type GaN, for example. A multi-quantum well active layer 103 made of InGaN sandwiched between layers 104 is provided.

p型クラッド層104の上部には、リッジストライプ部150が形成され、該リッジストライプ部150の上部には、p型コンタクト層105が形成されている。また、リッジストライプ部150の両側面上及び両側方の領域には電流ブロック層106が形成されている。なお、リッジストライプ部150を通った電流が多重量子井戸活性層103に注入されて発光する。   A ridge stripe portion 150 is formed on the p-type cladding layer 104, and a p-type contact layer 105 is formed on the ridge stripe portion 150. In addition, current blocking layers 106 are formed on both sides of the ridge stripe 150 and on both sides. Note that a current passing through the ridge stripe 150 is injected into the multiple quantum well active layer 103 to emit light.

本試作例においては、各クラッド層102、104のAl組成を、それぞれ0.02、0.07及び0.12の3通りとし、さらに多重量子井戸活性層103における井戸層の層数を1w、3w、5w、7w及び9wの5とし、各井戸層の厚さを1nm、3nm及び5nmの3通りとして、計9通りのレーザ装置を作製し、それぞれの特性の確認を行った。その結果を図2に示す。   In this prototype, the clad layers 102 and 104 have three Al compositions of 0.02, 0.07, and 0.12, respectively, and the number of well layers in the multiple quantum well active layer 103 is 1 w, A total of nine laser devices were fabricated with 3 wells, 3w, 5w, 7w, and 9w, and three well layers with thicknesses of 1 nm, 3 nm, and 5 nm, and their characteristics were confirmed. The result is shown in FIG.

図2から分かるように、井戸層1w等の厚さ及びクラッド層102、104の各Al組成によって、それぞれ、自励発振を伴わないレーザ発振をするレーザ装置、自励発振を伴うレーザ発振をするレーザ装置、及び発振閾値が高くレーザ発振に至らないレーザ装置という結果を得た。自励発振したレーザ装置は、光出力が10mWを超えても自励発振を起こすことを確認している。また、発振ピークパワーの強度を測定したところ、クラッド層のAl組成が0.07で且つ井戸層の膜厚が5nmのレーザ装置は、発振ピーク強度と平均出力値との比の値が8.3倍であるのに対し、クラッド層のAl組成が0.07で且つ井戸層の膜厚が3nmのレーザ装置は、発振ピーク強度と平均出力値との比の値が6.3倍という結果を得ている。   As can be seen from FIG. 2, the thickness of the well layer 1w and the like and the Al compositions of the cladding layers 102 and 104 cause laser oscillation without self-excited oscillation and laser oscillation with self-excited oscillation, respectively. As a result, a laser device and a laser device having a high oscillation threshold and not causing laser oscillation were obtained. It has been confirmed that the self-excited laser device generates self-excited oscillation even when the optical output exceeds 10 mW. Further, when the intensity of the oscillation peak power was measured, the laser device in which the Al composition of the cladding layer was 0.07 and the thickness of the well layer was 5 nm had a ratio value of the oscillation peak intensity to the average output value of 8. As a result, the laser device in which the Al composition of the cladding layer is 0.07 and the film thickness of the well layer is 3 nm is 6.3 times the value of the ratio between the oscillation peak intensity and the average output value. Have gained.

この現象を解明すべく、本願発明者は、多重量子井戸活性層の利得及び損失、並びに多重量子井戸活性層への光閉じ込め係数に注目し、微分モーダル利得の計算を行った。その結果を図3に示す。試作結果(記号◎)と計算結果とから、以下のようなことが確認できる。   In order to elucidate this phenomenon, the present inventor calculated the differential modal gain by paying attention to the gain and loss of the multiple quantum well active layer and the optical confinement coefficient in the multiple quantum well active layer. The result is shown in FIG. The following can be confirmed from the prototype result (symbol 結果) and the calculation result.

まず、図3から分かるように、井戸層の厚さが1nmのレーザ装置が、レーザ発振を生じなかった理由は、井戸層がの厚さが小さいことにより、レーザ発振に必要な微分モーダル利得が足りなかったためであると考えられる。また、自励発振に至らずレーザ発振した理由は、発振に必要な微分モーダル利得は得られるものの、自励発振を生じさせるほどの微分モーダル利得は得られなかったためである。井戸層の厚さが1nmであっても、クラッド層のAl組成が0.12であれば、活性層への光閉じ込め係数を増大させることは可能である。このため、自励発振を生じる微分モーダル利得は得られるものの、Al組成が0.1を超えると基板101との格子不整合が大きくなり、格子不整合により発生する応力によってクラッド層102、104にクラックが発生することから、信頼性が低下する。   First, as can be seen from FIG. 3, the laser device having a well layer thickness of 1 nm did not cause laser oscillation because the well layer has a small thickness, so that the differential modal gain necessary for laser oscillation is low. This is thought to be because there was not enough. The reason for laser oscillation without reaching self-excited oscillation is that although a differential modal gain necessary for oscillation is obtained, a differential modal gain sufficient to cause self-excited oscillation cannot be obtained. Even if the thickness of the well layer is 1 nm, it is possible to increase the optical confinement factor in the active layer if the Al composition of the cladding layer is 0.12. For this reason, although a differential modal gain that causes self-excited oscillation is obtained, when the Al composition exceeds 0.1, the lattice mismatch with the substrate 101 increases, and the clad layers 102 and 104 are caused by the stress generated by the lattice mismatch. Since cracks occur, the reliability decreases.

次に、クラッド層のAl組成が0.02で、井戸層の厚さが3nm又は5nmのレーザ装置は、自励発振はするものの、温度特性が劣化した。これは、Al組成が0.02の場合は、活性層とクラッド層とのバンドギャップ差が小さく、活性層に有効にキャリアが閉じ込められなかったため、温度特性が劣化したと考えられる。   Next, in the laser device in which the Al composition of the cladding layer was 0.02 and the thickness of the well layer was 3 nm or 5 nm, although the self-excited oscillation occurred, the temperature characteristics deteriorated. This is presumably because when the Al composition is 0.02, the band gap difference between the active layer and the cladding layer is small, and carriers are not effectively confined in the active layer, so that the temperature characteristics are deteriorated.

次に、クラッド層のAl組成が0.07で、井戸層の厚さが3nm又は5nmのレーザ装置について説明する。これらのレーザ装置は、自励発振を得られるものの、井戸層の厚さが5nmのレーザ装置は、再生用パワー(10mW)で光ディスクの情報を書き換えてしまうほどの自励発振ピーク強度となった。これは、微分モーダル利得が大き過ぎるためであり、適当な自励発振ピーク強度を達成するには、微分モーダル利得を最適化する必要がある。   Next, a laser device in which the Al composition of the cladding layer is 0.07 and the thickness of the well layer is 3 nm or 5 nm will be described. Although these laser devices can obtain self-oscillation, the laser device having a well layer thickness of 5 nm has a self-oscillation peak intensity enough to rewrite information on the optical disk with the reproduction power (10 mW). . This is because the differential modal gain is too large, and it is necessary to optimize the differential modal gain in order to achieve an appropriate self-excited oscillation peak intensity.

以上の実験及び計算結果から、自励発振を実現すると共に、自励発振ピーク強度を抑制するには、クラッド層のAl組成並びに活性層の井戸層の厚さ及び層数を最適化し、活性層の利得及び損失並びに活性層への光閉じ込め係数を制御して、所望の微分モーダル利得を得られる導波路構造を設計する必要があることが判明した。その望ましい範囲は、微分モーダル利得が1.5×10−17cm以上且つ2.4×10−17cm以下であり、これを実現するには、井戸層が5層の場合には、膜厚が2nm以上且つ4nm以下であり、クラッド層のAl組成は0.03以上且つ0.1以下である。 From the above experiments and calculation results, in order to realize self-oscillation and suppress the self-oscillation peak intensity, the Al composition of the cladding layer and the thickness and number of layers of the active layer are optimized, and the active layer It has been found that it is necessary to design a waveguide structure that can control the gain and loss of light and the optical confinement factor in the active layer to obtain a desired differential modal gain. The desirable range is that the differential modal gain is 1.5 × 10 −17 cm 2 or more and 2.4 × 10 −17 cm 2 or less, and in order to realize this, in the case where there are five well layers, The film thickness is 2 nm or more and 4 nm or less, and the Al composition of the cladding layer is 0.03 or more and 0.1 or less.

同様に、AlGaNからなるクラッド層のAl組成をそれぞれ0、0.05及び0.1とし、活性層における井戸層の数を6層又は7層とした場合の微分モーダル利得の計算結果を図4及び図5に示す。   Similarly, the calculation results of the differential modal gain when the Al composition of the cladding layer made of AlGaN is 0, 0.05 and 0.1, respectively, and the number of well layers in the active layer is 6 or 7 are shown in FIG. And shown in FIG.

井戸層の厚さが大きくなることにより微分モーダル利得が増大する理由は、井戸層の厚さが増すと共に活性層の利得が増大することに起因する。但し、図4及び図5からも分かるように、自励ピークパワー強度が大きいこと、自励発振に至らないレーザ発振及び発振閾値が大きいためにレーザ発振に至らないこと、及び温度特性が劣化すること等の問題を考慮すると、最適な自励発振を実現できる範囲は、井戸層の層数が6の場合は、井戸層の厚さが0.8nm以上且つ2.5nm以下であり、また、井戸層の層数が7の場合は、井戸層の厚さが0.4nm以上且つ1.5nm以下であることが分かった。   The reason why the differential modal gain increases by increasing the thickness of the well layer is that the gain of the active layer increases as the thickness of the well layer increases. However, as can be seen from FIG. 4 and FIG. 5, the self-excited peak power intensity is large, the laser oscillation that does not lead to self-excited oscillation and the oscillation threshold value are large, so that laser oscillation does not occur, and the temperature characteristics deteriorate. In consideration of such problems, the range in which the optimum self-excited oscillation can be realized is that when the number of well layers is 6, the thickness of the well layers is 0.8 nm or more and 2.5 nm or less. It was found that when the number of well layers was 7, the thickness of the well layers was 0.4 nm or more and 1.5 nm or less.

次に、図1の構成を持つ試作用の半導体レーザ装置において、基板101とn型クラッド層102との間に該n型クラッド層102よりもAl組成が高いAlGa1−zN層を形成して、雑音特性に対する寄与を検討した。ここでは、AlGa1−zN層は、Al組成を0.3とし、その厚さを10nmとしている。 Next, the semiconductor laser device for trial with the configuration of FIG. 1, the Al composition than the n-type cladding layer 102 is high Al z Ga 1-z N layer between the substrate 101 and the n-type cladding layer 102 The contribution to noise characteristics was studied. Here, the Al z Ga 1-z N layer has an Al composition of 0.3 and a thickness of 10 nm.

図6にAlGa1−zN層の有無による雑音特性(RIN特性)の結果を示す。図6から分かるように、AlGa1−zN層を設けることにより、10mWの光出力時で約3dB/Hzの改善が見られる。 FIG. 6 shows the results of noise characteristics (RIN characteristics) with and without the Al z Ga 1-z N layer. As can be seen from FIG. 6, by providing the Al z Ga 1-z N layer, an improvement of about 3 dB / Hz can be seen at a light output of 10 mW.

これを考察するにあたり、AlGa1−zN層の有無によって、光分布がどのように変化しているかをニアフィールドパターン(Near Field Pattern:NFP)によって確認した。その結果を図7に示す。図7から分かるように、AlGa1−zN層を設けない場合は、基板側の光分布の裾が振動している。この振動は基板101から反射された迷光に起因しており、この迷光の存在が雑音特性を劣化させる原因である。一方、AlGa1−zN層を設けた場合は、基板側における光分布が速やかに減衰している。これにより、クラッド層よりも高いAl組成を有するAlGa1−zN層は、反射抑制層として効果があることが確認される。 In considering this, it was confirmed by the near field pattern (NFP) how the light distribution changed depending on the presence or absence of the Al z Ga 1-z N layer. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 7, when the Al z Ga 1-z N layer is not provided, the bottom of the light distribution on the substrate side vibrates. This vibration is caused by the stray light reflected from the substrate 101, and the presence of this stray light causes the noise characteristics to deteriorate. On the other hand, when the Al z Ga 1-z N layer is provided, the light distribution on the substrate side is rapidly attenuated. Thus, Al z Ga 1-z N layer having a higher Al composition than that of the clad layer, it is confirmed that the effect as the antireflection layer.

以上の結果から、AlGa1−zNからなる反射抑制層を基板101とn型クラッド層102との間に形成して、基板101への光分布の広がりを抑制したことにより、基板101から反射される迷光が活性層103に再吸収されなくなり、その結果、RIN特性を改善したと考えられる。さらに、自励発振特性を実現し得る活性層103への光閉じ込め係数を向上させる効果もあることが新たに分かった。 From the above results, the reflection suppressing layer made of Al z Ga 1-z N was formed between the substrate 101 and the n-type cladding layer 102 to suppress the spread of the light distribution to the substrate 101, whereby the substrate 101 It is considered that the stray light reflected from the light is not reabsorbed by the active layer 103, and as a result, the RIN characteristics are improved. Further, it has been newly found that there is an effect of improving the optical confinement coefficient in the active layer 103 that can realize the self-excited oscillation characteristic.

さらに、AlGa1−zNからなる反射抑制層をp型クラッド層104とp型コンタクト層105との間にのみ設けた場合、及び基板101とn型クラッド層102との間にもさらに設けた場合も同様にRIN特性の改善を確認している。 Moreover, when provided with the antireflection layer made of Al z Ga 1-z N only between the p-type cladding layer 104 and the p-type contact layer 105, and further in between the substrate 101 and the n-type cladding layer 102 The improvement of the RIN characteristic is also confirmed in the case where it is provided.

なお、AlGa1−zN層のAl組成を0.1以下とするとRIN特性が悪化する。これは、AlGa1−zN層のAl組成が0.1よりも小さい場合には、クラッド層よりもAlGa1−zN層の方が屈折率が大きくなり、クラッド層と反射抑制層との界面で光が反射されて、迷光量が増大するからである。 Note that when the Al composition of the Al z Ga 1-z N layer is 0.1 or less, the RIN characteristics are deteriorated. This is because when the Al composition of the Al z Ga 1-z N layer is smaller than 0.1, the refractive index of the Al z Ga 1-z N layer is larger than that of the cladding layer, and the reflection from the cladding layer This is because light is reflected at the interface with the suppression layer and the amount of stray light increases.

このように、例えば、基板101とn型クラッド層102の間に、n型クラッド層102よりもAl組成が高いAlGa1−zNからなる反射抑制層を設けることにより、基板101から反射される迷光の発生が抑制されて、RIN特性が改善されると共に自励発振特性が向上する。しかしながら、n型クラッド層102のAl組成と同様に、反射抑制層はAl組成が高くなり過ぎたり、厚くなり過ぎたりすると、該反射抑制層にクラックが発生してしまう。そこで、反射抑制層にクラックを発生させないAlGa1−zN層のAl組成及び厚さの好ましい値を得るべく検討を行った。その結果を図8に示す。図8から分かるようbに、AlGa1−zN層のAl組成が高くなるか、厚くなるとクラックが発生する傾向にある。 Thus, for example, by providing a reflection suppressing layer made of Al z Ga 1-z N having an Al composition higher than that of the n-type cladding layer 102 between the substrate 101 and the n-type cladding layer 102, reflection from the substrate 101 is performed. The generation of stray light is suppressed, the RIN characteristic is improved and the self-excited oscillation characteristic is improved. However, like the Al composition of the n-type cladding layer 102, if the Al composition of the reflection suppression layer becomes too high or too thick, cracks will occur in the reflection suppression layer. Therefore, studies were made to obtain preferable values of the Al composition and thickness of the Al z Ga 1-z N layer that does not cause cracks in the antireflection layer. The result is shown in FIG. As can be seen from FIG. 8, cracks tend to occur when the Al composition of the Al z Ga 1-z N layer increases or becomes thicker.

より具体的には、AlGa1−zNからなる反射抑制層の厚さが5nmよりも小さいか、Al組成が0.1よりも小さいと光分布の広がりを抑制できず、迷光が発生してRIN特性を劣化させる。一方、反射抑制層の厚さが15nmよりも大きいか、Al組成が0.3よりも大きいと反射抑制層にクラックが発生するおそれがあるため、Al組成を0.1<z≦0.3とし、その厚さを5nm以上且つ15nm以下とすることが好ましい。 More specifically, if the thickness of the reflection suppressing layer made of Al z Ga 1-z N is smaller than 5 nm or the Al composition is smaller than 0.1, the spread of light distribution cannot be suppressed, and stray light is generated. As a result, the RIN characteristic is deteriorated. On the other hand, if the thickness of the reflection suppression layer is greater than 15 nm or the Al composition is greater than 0.3, cracks may occur in the reflection suppression layer, so that the Al composition is 0.1 <z ≦ 0.3. The thickness is preferably 5 nm or more and 15 nm or less.

この範囲の反射抑制層を用いて半導体レーザ装置を作製及び評価したところ、自励発振特性及びRIN特性で良好な結果を得られ、実用可能であることが確認された。   When a semiconductor laser device was fabricated and evaluated using a reflection suppressing layer in this range, good results were obtained with self-excited oscillation characteristics and RIN characteristics, and it was confirmed that the semiconductor laser apparatus was practical.

以下、具体例として実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments will be described as specific examples.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図9は本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。   FIG. 9 shows a cross-sectional configuration of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.

図9に示すように、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置は、例えば、n型窒化ガリウム(GaN)からなる基板11の上に順次エピタキシャル成長してなり、厚さが10nmのn型Al0.15Ga0.85Nからなるn型反射抑制層12と、厚さが2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなるn型クラッド層13と、厚さが90nmのAl0.003Ga0.997Nからなるガイド層14と、InGaNからなる多重量子井戸(MQW)活性層15と、厚さが35nmのIn0.02Ga0.98Nからなる第1中間層16と、厚さが65nmのIn微添加GaNからなる第2中間層17と、厚さが20nmのAl0.2Ga0.8Nからなるオーバーフロー抑制(OFS)層18と、厚さが480nmのp型Al0.05Ga0.95Nからなるp型クラッド層19と、厚さが50nmのp型GaNからなるp型コンタクト層20とを有している。 9, the semiconductor laser device according to the first embodiment, for example, n-type successively epitaxially grown on a substrate 11 of gallium nitride (GaN) and becomes to a thickness of 10nm of the n-type Al 0 .15 Ga 0.85 N n-type antireflection layer 12, 2.5 μm thick n-type Al 0.05 Ga 0.95 N clad layer 13, and 90 nm thick Al A guide layer 14 made of 0.003 Ga 0.997 N, a multiple quantum well (MQW) active layer 15 made of InGaN, and a first intermediate layer 16 made of In 0.02 Ga 0.98 N having a thickness of 35 nm. A second intermediate layer 17 made of In slightly doped GaN with a thickness of 65 nm, an overflow suppression (OFS) layer 18 made of Al 0.2 Ga 0.8 N with a thickness of 20 nm, and a thickness of 480 nm p A p-type cladding layer 19 made of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N and a p-type contact layer 20 made of p-type GaN having a thickness of 50 nm are provided.

ここで、MQW活性層15は、それぞれ厚さが7.5nmのIn0.02Ga0.98Nからなる5層のバリア層0b、2b、…、8bと、それぞれ厚さが2.5nmのIn0.05Ga0.95Nからなる5層の井戸層1w、3w、…、9wとが交互に積層されて構成されている。 Here, the MQW active layer 15 has five barrier layers 0b, 2b,..., 8b made of In 0.02 Ga 0.98 N each having a thickness of 7.5 nm, and each having a thickness of 2.5 nm. an in 0.05 Ga 0.95 consisting N 5 well layer 1w, 3w, ..., and 9w are formed by stacking alternately.

p型クラッド層19の上部には、p型コンタクト層20を含めリッジストライプ部50が形成されている。リッジストライプ部50の両側面上及び両側方の領域には、例えば厚さが400nmの酸化シリコン(SiO)からなる電流ブロック層21が形成されている。ここで、リッジストライプ部50のストライプ幅Wは、1.4μmである。また、電流ブロック層21の下面、すなわちリッジストライプ部50の下面からMQW活性層15の上面までの距離(残し厚)dpを160nmとしている。また、図示はしないが、p型コンタクト層20の上から電流ブロック層21の上にわたってp側電極が形成され、基板11におけるn型反射抑制層12と反対側の面上にはn側電極が形成されている。 A ridge stripe portion 50 including the p-type contact layer 20 is formed on the p-type cladding layer 19. The areas of both sides and on both sides of the ridge stripe portion 50, for example, the current blocking layer 21 thickness is from 400nm silicon oxide (SiO 2) is formed. Here, the stripe width W of the ridge stripe portion 50 is 1.4 μm. The distance (remaining thickness) dp from the lower surface of the current blocking layer 21, that is, the lower surface of the ridge stripe portion 50 to the upper surface of the MQW active layer 15 is 160 nm. Although not shown, a p-side electrode is formed from above the p-type contact layer 20 to the current blocking layer 21, and an n-side electrode is formed on the surface of the substrate 11 opposite to the n-type antireflection layer 12. Is formed.

本発明において、n型GaNからなる基板11の主面は、a面、r面又はm面でよく、さらには他の面方位であってもよい。また、基板11はGaNに限られず、サファイア(単結晶Al)、炭化シリコン(SiC)又はシリコン(Si)を用いることができる。 In the present invention, the main surface of the substrate 11 made of n-type GaN may be an a-plane, r-plane, or m-plane, and may have another plane orientation. The substrate 11 is not limited to GaN, and sapphire (single crystal Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), or silicon (Si) can be used.

また、第1の実施形態に係るn型反射抑制層12には、厚さが10nmのn型Al0.15Ga0.85Nを用いたが、Al組成及び厚さは一例である。前述したように、AlGa1−zNにおけるAl組成を0.1<z≦0.3とし、その厚さを5nm以上且つ15nm以下とすることにより、n型反射抑制層12におけるクラックの発生を防止すると共に、基板11への光分布の広がりをも抑制することができる。その結果、基板11から反射される迷光がMQW活性層15に再吸収されることを防止し、RIN特性を改善することが可能となる。 Further, the n-type antireflection layer 12 according to the first embodiment, the thickness was used n-type Al 0.15 Ga 0.85 N of 10 nm, Al composition and thickness are an example. As described above, the Al composition in Al z Ga 1-z N is set to 0.1 <z ≦ 0.3, and the thickness is set to 5 nm or more and 15 nm or less, so that cracks in the n-type antireflection layer 12 are reduced. Generation | occurrence | production can be prevented and the spread of the light distribution to the board | substrate 11 can also be suppressed. As a result, stray light reflected from the substrate 11 can be prevented from being reabsorbed by the MQW active layer 15 and the RIN characteristics can be improved.

さらに、基板11とn型クラッド層13との間に、n型Al0.15Ga0.85Nからなるn型反射抑制層12を形成したことにより、生成された光をMQW活性層15に有効に閉じ込める効果もあり、10mWという高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。 Further, the n-type antireflection layer 12 made of n-type Al 0.15 Ga 0.85 N is formed between the substrate 11 and the n-type cladding layer 13, so that the generated light is transferred to the MQW active layer 15. There is also an effect of effectively confining, and self-excited oscillation characteristics can be realized even during a high output operation of 10 mW.

厚さが2.5μmのn型Al0.05Ga0.95Nからなるn型クラッド層13及び厚さが480nmのp型Al0.05Ga0.95Nからなるp型クラッド層19においても、Al組成及びその厚さはこれに限られない。例えば、AlGa1−xN及びAlGa1−yNにおけるAl組成をそれぞれ0.03≦x≦0.1及び0.03≦y≦0.1と設定することにより、MQW活性層15に自励発振に必要な光閉じ込め効果を十分に確保することができる。その上、各クラッド層13、19に生じるクラックを抑制し、信頼性が高いレーザ装置を作製することが可能となる。 In the n-type cladding layer 13 made of n-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 2.5 μm and the p-type cladding layer 19 made of p-type Al 0.05 Ga 0.95 N having a thickness of 480 nm. However, the Al composition and its thickness are not limited to this. For example, by setting the Al composition in Al x Ga 1-x N and Al y Ga 1-y N to 0.03 ≦ x ≦ 0.1 and 0.03 ≦ y ≦ 0.1, respectively, the MQW active layer 15 can sufficiently secure the light confinement effect necessary for the self-excited oscillation. In addition, it is possible to suppress a crack generated in each of the cladding layers 13 and 19 and manufacture a highly reliable laser device.

各クラッド層13、19の厚さについても、所望の光閉じ込め効果及び光分布(拡がり角)を考慮して適宜変更してもよい。さらに、n型クラッド層13及びp型クラッド層19のAl組成は対称(x=y)ではなく、x>y又はx<yのように異なっていてもよい。例えばx>yの場合は、光分布が基板側に寄るため、p側電極による吸収がなくなるので光損失が減少し、温度特性に優れるレーザ装置を得ることができる。逆にx<yの場合は、光分布がp側電極側によるため、水平方向(基板面に平行な方向)の光の閉じ込め効果をさらに強くすることができる。   The thicknesses of the clad layers 13 and 19 may be appropriately changed in consideration of a desired light confinement effect and light distribution (expansion angle). Further, the Al compositions of the n-type cladding layer 13 and the p-type cladding layer 19 are not symmetrical (x = y), and may be different such that x> y or x <y. For example, in the case of x> y, since the light distribution is closer to the substrate side, absorption by the p-side electrode is eliminated, so that a light loss is reduced and a laser device having excellent temperature characteristics can be obtained. Conversely, when x <y, the light distribution is on the p-side electrode side, so that the light confinement effect in the horizontal direction (direction parallel to the substrate surface) can be further enhanced.

これにより、電流−光出力特性における非線形性が発生する現象である折れ曲がり(キンク)の光出力レベルが向上したり、拡がり角が安定化したりするという効果がある。   Thereby, there is an effect that the light output level of bending (kink), which is a phenomenon in which nonlinearity in the current-light output characteristics occurs, is improved, and the divergence angle is stabilized.

各クラッド層13、19は、例えば、組成が互いに異なるAlGaN/AlGaN、又はAlGaN/GaNを多層に積層してなる超格子構造であってもよい。この場合は、Al組成の平均が0.03≦x≦0.1及び0.03≦y≦0.1の範囲内であればよい。このように、各クラッド層13、19を超格子構造とすることにより、動作電圧を低減することができる。   Each of the cladding layers 13 and 19 may have a superlattice structure in which, for example, AlGaN / AlGaN or AlGaN / GaN having different compositions are stacked in multiple layers. In this case, the average Al composition may be within the ranges of 0.03 ≦ x ≦ 0.1 and 0.03 ≦ y ≦ 0.1. Thus, the operating voltage can be reduced by making each of the cladding layers 13 and 19 have a superlattice structure.

Al0.003Ga0.997Nからなるガイド層14、In0.02Ga0.98Nからなる第1中間層16及びIn微添加GaNからなる第2中間層17は、そのエネルギーギャップがMQW活性層15を構成する井戸層1w等のエネルギーギャップと各クラッド層13、19のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であれば、AlGaN及びInGaNでなくともよい。また、ガイド層14、第1中間層16及び第2中間層17は、そのAl組成又はIn組成だけでなく、その膜厚も所望の光閉じ込め効果及び光分布(拡がり角)を考慮して適宜変更してもよい。さらに、ガイド層14、各中間層16、17には、その全部又は一部にドナー又はアクセプタをドーピングしてもよい。これによりキャリア濃度が増大して、発振閾値及び動作電圧を低減することができる。 The energy gap of the guide layer 14 made of Al 0.003 Ga 0.997 N, the first intermediate layer 16 made of In 0.02 Ga 0.98 N, and the second intermediate layer 17 made of In slightly-doped GaN is MQW. As long as the material has a value between the energy gap of the well layer 1w constituting the active layer 15 and the energy gap of the clad layers 13 and 19, the material may not be AlGaN and InGaN. The guide layer 14, the first intermediate layer 16, and the second intermediate layer 17 are appropriately selected in consideration of not only the Al composition or In composition but also the film thickness of the desired light confinement effect and light distribution (expansion angle). It may be changed. Furthermore, the guide layer 14 and the intermediate layers 16 and 17 may be doped with donors or acceptors in all or part thereof. As a result, the carrier concentration increases, and the oscillation threshold and the operating voltage can be reduced.

MQW活性層15における厚さが7.5nmのIn0.02Ga0.98Nからなるバリア層、及び厚さが2.5nmのIn0.05Ga0.95Nからなる井戸層の各In組成及び各厚さは、所望のレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよい。例えば、井戸層1w等の層数が5の場合は、該井戸層1w等の厚さをそれぞれ2nm以上且つ4nm以下に設定する必要がある。このようにすると、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度にできると共に、10mW以上の光出力動作時においても自励発振が可能である。さらには、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。なお、MQW活性層15におけバリア層には、InGaNに代えてGaNを用いてもよい。 Each InW of the barrier layer made of In 0.02 Ga 0.98 N with a thickness of 7.5 nm and the well layer made of In 0.05 Ga 0.95 N with a thickness of 2.5 nm in the MQW active layer 15. What is necessary is just to set the composition and each thickness according to a desired laser oscillation wavelength. For example, when the number of the well layers 1w and the like is 5, the thickness of the well layers 1w and the like needs to be set to 2 nm or more and 4 nm or less, respectively. In this way, the peak power intensity can be set so as not to rewrite the information on the optical disc, and self-oscillation is possible even during an optical output operation of 10 mW or more. Furthermore, an optimum differential modal gain with a sufficiently small oscillation threshold can be obtained. Note that GaN may be used in place of InGaN for the barrier layer in the MQW active layer 15.

厚さが20nmのAl0.2Ga0.8Nからなるオーバーフロー抑制(OFS)層18は、このAl組成及び厚さでなくともよい。OFS層18のAl組成が低い又は厚さが小さい場合には、キャリアの移動度が大きくなるため、レーザ装置の抵抗を小さくすることができる。一方、Al組成が高い又は厚さが大きい場合には、OFS層18を電子が飛び越える確率が減るため、電子が発光に有効に寄与するようになるので、内部量子効率が向上する。また、OFS層18にはp型ドーパントであるMgをドーピングしてもよく、これによりp型クラッド層19から正孔が注入されやすくなる。 The overflow suppression (OFS) layer 18 made of Al 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 20 nm may not have this Al composition and thickness. When the Al composition of the OFS layer 18 is low or the thickness is small, the mobility of carriers increases, so that the resistance of the laser device can be reduced. On the other hand, when the Al composition is high or the thickness is large, the probability of electrons jumping over the OFS layer 18 is reduced, and the electrons effectively contribute to light emission, so that the internal quantum efficiency is improved. Also, the OFS layer 18 may be doped with Mg, which is a p-type dopant, so that holes are easily injected from the p-type cladding layer 19.

リッジストライプ部50におけるストライプ幅は1.4μmとしたが、0.7μm以上且つ2.5μm以下であれば問題はない。例えば、ストライプ幅が0.7μm以下であると動作電圧が増大する。また、ストライプ幅の2.5μmという値は、キンクレベルや単峰性の拡がり角形状等の各種特性を維持する限界である。   Although the stripe width in the ridge stripe portion 50 is 1.4 μm, there is no problem if it is 0.7 μm or more and 2.5 μm or less. For example, if the stripe width is 0.7 μm or less, the operating voltage increases. Further, the value of 2.5 μm of the stripe width is a limit for maintaining various characteristics such as a kink level and a unimodal divergent shape.

また、リッジストライプ部50は、上部の幅が下部の幅よりも小さいテーパストライプ形状としてもよい。テーパストライプ形状を採用することにより、注入キャリアを効率良く活用できるため、温度特性及びキンクレベルの向上、動作電圧の低減、及び自励発振の助長等種々の特性改善を図ることができる。また、p型クラッド層19の残し厚dpも160nmに限られず、キンクレベル及び拡がり角等の所望の特性を実現できる値に設定すればよい。   Further, the ridge stripe portion 50 may have a tapered stripe shape in which the upper width is smaller than the lower width. By adopting the taper stripe shape, injected carriers can be used efficiently, so that various characteristics such as improvement of temperature characteristics and kink level, reduction of operating voltage, and promotion of self-excited oscillation can be achieved. Further, the remaining thickness dp of the p-type cladding layer 19 is not limited to 160 nm, and may be set to a value that can realize desired characteristics such as a kink level and a divergence angle.

電流ブロック層21は、その厚さが400nmに限られない。また、その材料もSiOに代えて、窒化シリコン(SiN)若しくはアモルファスシリコン(α−Si)等の誘電体材料又はInGaN若しくはAlGaN等の半導体材料を用いることができる。 The thickness of the current blocking layer 21 is not limited to 400 nm. Also, the material can be a dielectric material such as silicon nitride (SiN) or amorphous silicon (α-Si), or a semiconductor material such as InGaN or AlGaN, instead of SiO 2 .

電流ブロック層21を誘電体材料により形成する場合は、窒化物半導体からなるエピタキシャル層を成長させる際のエピタキシャル成長の成長回数を削減できるため、製造コストが低減する。また、電流ブロック層21を窒化物半導体材料により形成する場合は、その形成時にIn組成及びAl組成を変化させることにより、所望の屈折率を設定できるため、設計の自由度が向上する。   When the current blocking layer 21 is formed of a dielectric material, the number of times of epitaxial growth when growing an epitaxial layer made of a nitride semiconductor can be reduced, so that the manufacturing cost is reduced. Further, when the current blocking layer 21 is formed of a nitride semiconductor material, a desired refractive index can be set by changing the In composition and the Al composition at the time of forming the current blocking layer 21, so that the degree of freedom in design is improved.

また、電流ブロック層21には、発振波長の光に対してほぼ透明の材料を用いてもよく、また発振波長の光を吸収する材料であってもよい。電流ブロック層21に透明材料を用いる場合は、電流ブロック層21での損失が小さくなるため、スロープ効率の改善及び温度特性が向上する。これに対し、電流ブロック層21に吸収材料を用いる場合は、電流ブロック層21において光が吸収されることにより、半導体レーザ装置(チップ)内の迷光を抑制できると共に、光の拡がり角の形状の安定化を図れる。   The current blocking layer 21 may be made of a material that is substantially transparent to light having an oscillation wavelength, and may be a material that absorbs light having an oscillation wavelength. When a transparent material is used for the current blocking layer 21, since the loss in the current blocking layer 21 is reduced, the slope efficiency is improved and the temperature characteristics are improved. On the other hand, when an absorbing material is used for the current blocking layer 21, stray light in the semiconductor laser device (chip) can be suppressed by absorbing light in the current blocking layer 21, and the light spreading angle shape can be reduced. Stabilize.

さらに、電流ブロック層21は単層ではなく、2層以上を積層させた積層構造としてもよい。2層以上を積層する場合には、発振波長の光に対して透明な材料と吸収可能な材料とを組み合わせて双方の特長を生かすことにより、半導体レーザ装置の動作の諸特性を向上させることができ、また、設計の自由度を向上することができる。   Furthermore, the current blocking layer 21 may be a laminated structure in which two or more layers are laminated instead of a single layer. When laminating two or more layers, it is possible to improve various characteristics of the operation of the semiconductor laser device by combining a material that is transparent to light having an oscillation wavelength and a material that can be absorbed to take advantage of both features. In addition, the degree of freedom in design can be improved.

以下、第1の実施形態に係る半導体レーザ装置の動作の諸特性を説明する。   Hereinafter, various characteristics of the operation of the semiconductor laser device according to the first embodiment will be described.

図10(a)は出力が10mW時の波長特性を示し、図10(b)は発振応答特性(発振ピークパワー強度)を示し、図10(c)はRIN特性を示す。   10A shows the wavelength characteristics when the output is 10 mW, FIG. 10B shows the oscillation response characteristics (oscillation peak power intensity), and FIG. 10C shows the RIN characteristics.

図10(a)からは、発振波長の401.5nmを中心として波長幅が広がっていることから、発振スペクトルがマルチモード化し、自励発振していることが分かる。図10(b)からは、発振ピークパワー強度が平均出力値に対して5.8倍となり、7倍以下に抑制されていることが分かる。さらに、図10(c)からは、出力が10mW時のRIN特性が約−130dB/Hzとなり、良好なRIN特性を得られることが分かる。   From FIG. 10A, it can be seen that the oscillation spectrum is multi-moded and self-oscillated because the wavelength width is widening around the oscillation wavelength of 401.5 nm. FIG. 10B shows that the oscillation peak power intensity is 5.8 times the average output value, and is suppressed to 7 times or less. Furthermore, FIG. 10C shows that the RIN characteristic when the output is 10 mW is about −130 dB / Hz, and a good RIN characteristic can be obtained.

以上のように、第1の実施形態によると、MQW活性層15の層数及び厚さ、並びにn型クラッド層13、p型クラッド層19及び反射抑制層における各Al組成を所定の範囲に設定して、微分モーダル利得及び迷光の発生を制御することにより、出力が10mW以上の高出力動作時においても自励発振特性を維持し、また自励ピークパワー強度を抑制することができる。さらに、雑音特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。   As described above, according to the first embodiment, the number and thickness of the MQW active layers 15 and the respective Al compositions in the n-type cladding layer 13, the p-type cladding layer 19 and the reflection suppression layer are set within a predetermined range. Thus, by controlling the differential modal gain and the generation of stray light, the self-excited oscillation characteristic can be maintained and the self-excited peak power intensity can be suppressed even during a high output operation with an output of 10 mW or more. Furthermore, a semiconductor laser device having excellent noise characteristics can be obtained.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図11は本発明の第2の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図11において、図9に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 11 shows a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 11, the same components as those shown in FIG.

図11に示すように、第2の実施形態においては、基板11とn型クラッド層23との間にn型Al0.15Ga0.85Nからなるn型反射抑制層12を設ける代わりに、p型クラッド層29とp型コンタクト層20との間にp型AlGa1−zNからなるp型反射抑制層22を設けている。 As shown in FIG. 11, in the second embodiment, instead of providing the n-type antireflection layer 12 made of n-type Al 0.15 Ga 0.85 N between the substrate 11 and the n-type cladding layer 23. It is provided with a p-type antireflection layer 22 made of p-type Al z Ga 1-z N between the p-type cladding layer 29 and the p-type contact layer 20.

ここで、n型クラッド層23は、厚さが2.8μmのn型Al0.07Ga0.93Nからなり、p型クラッド層29は、厚さが500nmのp型Al0.07Ga0.93Nからなる。 Here, the n-type cladding layer 23 is made of n-type Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 2.8 μm, and the p-type cladding layer 29 is p-type Al 0.07 Ga having a thickness of 500 nm. It consists of 0.93 N.

また、MQW活性層25は、それぞれ厚さが7.5nmのIn0.02Ga0.98Nからなる6層のバリア層0b、2b、…、10bと、それぞれ厚さが1.5nmのIn0.07Ga0.93Nからなる6層の井戸層1w、3w、…、11wとが交互に積層されて構成されている。 Further, MQW active layer 25 are each thickness 7.5nm of In 0.02 Ga 0.98 consisting N 6 layers of the barrier layer 0b, 2b, ..., 10b and a thickness of 1.5nm, respectively In Six well layers 1w, 3w,..., 11w made of 0.07 Ga 0.93 N are alternately stacked.

良好な特性が得られる微分モーダル利得の値である1.5×10−17cm以上且つ2.4×10−17cm以下を実現するには、各クラッド層23、29のAlGa1−xN及びAlGa1−yNにおけるAl組成を0.03≦x、y≦0.1とし、且つ、井戸層1w等の層数が6の場合には、前述したように、該井戸層1w等の厚さをそれぞれ0.8nm以上且つ2.5nm以下に設定する必要がある。これにより、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度を得られると共に、10mW以上の高い光出力時でも安定した自励発振が維持され、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。 In order to realize a differential modal gain value of 1.5 × 10 −17 cm 2 or more and 2.4 × 10 −17 cm 2 or less that can provide good characteristics, the Al x Ga of each of the cladding layers 23 and 29 can be realized. When the Al composition in 1-x N and Al y Ga 1-y N is 0.03 ≦ x, y ≦ 0.1, and the number of layers such as the well layer 1w is 6, as described above, It is necessary to set the thickness of the well layer 1w and the like to 0.8 nm or more and 2.5 nm or less, respectively. As a result, the peak power intensity that does not rewrite information on the optical disk can be obtained, and stable self-oscillation can be maintained even at a high light output of 10 mW or more, and an optimum differential modal gain with a sufficiently small oscillation threshold can be obtained. Can do.

第2の実施形態の特徴である、p型クラッド層29とp型コンタクト層20との間に形成されたp型AlGa1−zNからなるp型反射抑制層22は、そのAl組成を0.1<z≦0.3とし、その厚さを5nm以上且つ15nm以下に設定することにより、該p型反射抑制層22に生じるクラックを防止することができる。 The p-type antireflection layer 22 made of p - type Al z Ga 1-z N formed between the p-type cladding layer 29 and the p-type contact layer 20, which is a feature of the second embodiment, has an Al composition. Is set to 0.1 <z ≦ 0.3 and the thickness is set to 5 nm or more and 15 nm or less, cracks generated in the p-type antireflection layer 22 can be prevented.

また、第2の実施形態に係るp型反射抑制層22は、MQW活性層25からp型コンタクト層20への光の広がりを抑制するため、p型コンタクト層25から反射される迷光を防ぐので、RIN特性が向上する。さらに、p型反射抑制層22は、MQW活性層25への光の閉じ込め係数を増大する効果を持つため、高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。   Moreover, since the p-type reflection suppressing layer 22 according to the second embodiment suppresses the spread of light from the MQW active layer 25 to the p-type contact layer 20, it prevents stray light reflected from the p-type contact layer 25. , RIN characteristics are improved. Further, since the p-type antireflection layer 22 has an effect of increasing the confinement factor of light in the MQW active layer 25, self-excited oscillation characteristics can be realized even during high output operation.

なお、第2の実施形態においては、リッジ型のレーザ構造を用いて説明したが、リッジ型に限られず、埋め込み型のレーザ構造であってもよい。埋め込み型レーザ構造とは、活性層の上に中間層、p型OFS層、p型第1クラッド層及びn型電流ブロック層を形成した後、n型電流ブロック層の一部に電流注入のためのストライプ状の窓部を形成し、p型第2クラッド層、p型反射抑制層及びp型コンタクト層を再成長により形成する構造をいう。なお、活性層からn型電流ブロック層の間の層は中間層、p型OFS層及びp型第1クラッド層に限られず、所望の半導体層を適宜選択すればよい。   In the second embodiment, the ridge type laser structure is described. However, the ridge type laser structure is not limited to the ridge type laser structure. In the buried laser structure, an intermediate layer, a p-type OFS layer, a p-type first cladding layer, and an n-type current blocking layer are formed on an active layer, and then a current is injected into a part of the n-type current blocking layer. And a p-type second cladding layer, a p-type antireflection layer, and a p-type contact layer are formed by regrowth. The layers between the active layer and the n-type current blocking layer are not limited to the intermediate layer, the p-type OFS layer, and the p-type first cladding layer, and a desired semiconductor layer may be selected as appropriate.

第2の実施形態に係るリッジ型レーザ構造においては、p型クラッド層29、p型反射抑制層22及びp型コンタクト層20の一部はストライプ形状を有するため、p型コンタト層20の平面積は小さい。一方、埋め込み型レーザ構造の場合は、活性層の上方の全面にp型コンタクト層が設けられるため、リッジ型レーザ構造と比べて、p型コンタクト層の面積は極めて大きい。このように、p型コンタクト層の面積が大きいことは、反射される迷光量が大きく、雑音特性の劣化につながるが、このような埋め込み型レーザ構造では、活性層の上方の全体にp型反射抑制層が形成されるため、p型コンタクト層への光分布の広がりを抑制して、反射される迷光量を大幅に削減できるので、雑音特性を劣化を確実に抑制できる。   In the ridge type laser structure according to the second embodiment, since the p-type cladding layer 29, the p-type antireflection layer 22 and part of the p-type contact layer 20 have a stripe shape, the plane area of the p-type contact layer 20 is reduced. Is small. On the other hand, in the case of the buried laser structure, the p-type contact layer is provided on the entire surface above the active layer, so that the area of the p-type contact layer is extremely large compared to the ridge laser structure. As described above, the large area of the p-type contact layer causes a large amount of reflected stray light, leading to deterioration of noise characteristics. However, in such a buried laser structure, the p-type reflection is entirely present above the active layer. Since the suppression layer is formed, the spread of light distribution to the p-type contact layer can be suppressed and the amount of reflected stray light can be greatly reduced, so that deterioration of noise characteristics can be reliably suppressed.

このように、p型クラッド層とp型コンタクト層との間にp型反射抑制層を形成する場合は、リッジ型レーザ構造よりも埋め込み型レーザ構造の方が雑音抑制に対して大きな効果を得ることができる。   Thus, when the p-type antireflection layer is formed between the p-type cladding layer and the p-type contact layer, the buried laser structure has a greater effect on noise suppression than the ridge laser structure. be able to.

第2の実施形態に係る半導体レーザ装置は、光出力が10mWの動作時においても、自励発振により発振スペクトルがマルチモード化していることを確認している。また、光出力の時間応答特性においても、発振ピークパワー強度と平均出力との比の値が7倍以下となり、光ディスクに対して情報の書き換えが発生しない発振ピークパワー強度を実現している。また、RIN特性も約−130dB/Hzを実現している。   In the semiconductor laser device according to the second embodiment, it has been confirmed that the oscillation spectrum is in multimode due to self-excited oscillation even when the optical output is 10 mW. Also in the time response characteristics of the optical output, the value of the ratio between the oscillation peak power intensity and the average output is 7 times or less, and the oscillation peak power intensity that does not cause rewriting of information to the optical disc is realized. Also, the RIN characteristic is about -130 dB / Hz.

以上により、光ピックアップ光源として実用可能な窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。   As described above, a nitride-based semiconductor laser device practical as an optical pickup light source can be realized.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図12は本発明の第3の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図12において、図9に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。   FIG. 12 shows a cross-sectional structure of a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 12, the same components as those shown in FIG.

図12に示すように、第3の実施形態においては、基板11とn型クラッド層33との間にn型n型AlGa1−zNからなるn型反射抑制層12を設け、且つ、p型クラッド層39とp型コンタクト層20との間にもp型AlGa1−zNからなるp型反射抑制層22を設けている。 As shown in FIG. 12, in the third embodiment, an n-type antireflection layer 12 made of n-type n-type Al z Ga 1-z N is provided between the substrate 11 and the n-type cladding layer 33, and The p-type antireflection layer 22 made of p - type Al z Ga 1-z N is also provided between the p-type cladding layer 39 and the p-type contact layer 20.

ここで、n型クラッド層33は、厚さが2.4μmのn型Al0.1Ga0.9Nからなり、p型クラッド層39は、厚さが460nmのp型Al0.1Ga0.9Nからなる。 Here, the n-type cladding layer 33 is made of n-type Al 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 2.4 μm, and the p-type cladding layer 39 is p-type Al 0.1 Ga having a thickness of 460 nm. 0.9 N.

また、MQW活性層35は、それぞれ厚さが7.5nmのIn0.02Ga0.98Nからなる7層のバリア層0b、2b、…、12bと、それぞれ厚さが0.7nmのIn0.1Ga0.9Nからなる7層の井戸層1w、3w、…、13wとが交互に積層されて構成されている。 The MQW active layer 35 includes seven barrier layers 0b, 2b,..., 12b made of In 0.02 Ga 0.98 N each having a thickness of 7.5 nm, and In layers having a thickness of 0.7 nm. Seven well layers 1w, 3w,..., 13w made of 0.1 Ga 0.9 N are alternately stacked.

良好な特性を得るための微分モーダル利得の値である1.5×10−17cm以上且つ2.4×10−17cm以下を実現するには、各クラッド層33、39のAlGa1−xN及びAlGa1−yNにおけるAl組成を0.03≦x、y≦0.1とし、且つ、井戸層1w等の層数が7の場合には、前述したように、該井戸層1w等の厚さをそれぞれ0.4nm以上且つ1.5nm以下に設定する必要がある。井戸層1w等の厚さをこの程度に設定すると、該井戸層1w等へのInの添加量は相対的に多くなる。インジウム(In)の添加量が多くなると、空間的にIn偏析が発生する。また、In組成が高いと、バンドギャップエネルギーが局所的に小さくなるため、発振波長に対して吸収を持つことになるので、Inの偏析は可飽和吸収体を形成しやすくなるという利点がある。また、井戸層1w等の層数が7と多いため、MQW活性層35に形成される可飽和吸収体をも確保できる。 In order to realize a differential modal gain value of 1.5 × 10 −17 cm 2 or more and 2.4 × 10 −17 cm 2 or less for obtaining good characteristics, Al x of each cladding layer 33, 39 is used. When the Al composition in Ga 1-x N and Al y Ga 1-y N is 0.03 ≦ x, y ≦ 0.1, and the number of layers such as the well layers 1w is 7, as described above The thicknesses of the well layers 1w and the like need to be set to 0.4 nm or more and 1.5 nm or less, respectively. When the thickness of the well layer 1w or the like is set to this level, the amount of In added to the well layer 1w or the like becomes relatively large. As the amount of indium (In) added increases, In segregation occurs spatially. In addition, when the In composition is high, the band gap energy is locally reduced, so that absorption occurs with respect to the oscillation wavelength. Therefore, segregation of In has an advantage that a saturable absorber is easily formed. Moreover, since the number of layers such as the well layer 1w is as large as 7, a saturable absorber formed in the MQW active layer 35 can be secured.

これにより、ディスクへの書き込みが生じない程度のピークパワー強度を得られると共に、10mW以上の高い光出力時でも安定した自励発振が維持され、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。   As a result, a peak power intensity that does not cause writing to the disk can be obtained, stable self-oscillation is maintained even at a high light output of 10 mW or more, and an optimal differential modal gain with a sufficiently small oscillation threshold value can be obtained. be able to.

第3の実施形態の特徴である、基板11とn型クラッド層33との間に形成されたn型AlGa1−zNからなるn型反射抑制層12及びp型クラッド層39とp型コンタクト層20との間に形成されたp型AlGa1−zNからなるp型反射抑制層22は、そのAl組成を0.1<z≦0.3とし、その厚さを5nm以上且つ15nm以下に設定することにより、各反射抑制層12、22に生じるクラックを防止することができる。 The n-type antireflection layer 12 made of n-type Al z Ga 1-z N and the p-type cladding layer 39 and p, which are the features of the third embodiment, are formed between the substrate 11 and the n-type cladding layer 33. The p-type antireflection layer 22 made of p - type Al z Ga 1-z N formed between the p-type contact layer 20 has an Al composition of 0.1 <z ≦ 0.3 and a thickness of 5 nm. By setting the thickness to 15 nm or less, cracks generated in the reflection suppression layers 12 and 22 can be prevented.

また、第3の実施形態に係る各反射抑制層12、22は、MQW活性層35から基板11側への光の広がりと、p型コンタクト層20側への光の広がりとを抑制して、基板11及びp型コンタクト層20から反射される迷光を防ぐので、RIN特性が向上する。さらに、各反射抑制層12、22は、MQW活性層35への光の閉じ込め係数を増大する効果を持つため、高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。   Further, each of the reflection suppression layers 12 and 22 according to the third embodiment suppresses the spread of light from the MQW active layer 35 to the substrate 11 side and the spread of light to the p-type contact layer 20 side, Since stray light reflected from the substrate 11 and the p-type contact layer 20 is prevented, the RIN characteristics are improved. Furthermore, since each of the reflection suppression layers 12 and 22 has an effect of increasing the confinement factor of light in the MQW active layer 35, self-excited oscillation characteristics can be realized even during high output operation.

第3の実施形態に係る半導体レーザ装置は、光出力が10mWの動作時においても、発振スペクトルがマルチモード化し、自励発振することを確認している。また、光出力の時間応答特性においても、発振ピークパワー強度と平均出力との比の値が7倍以下となり、光ディスクに対して情報の書き換えが発生しない発振ピークパワー強度を実現している。さらに、各反射抑制層12、22を設けたことにより、RIN特性も約−130dB/Hzと良好な特性を得られている。   The semiconductor laser device according to the third embodiment has confirmed that the oscillation spectrum becomes multimode and self-oscillates even when the optical output is 10 mW. Also in the time response characteristics of the optical output, the value of the ratio between the oscillation peak power intensity and the average output is 7 times or less, and the oscillation peak power intensity that does not cause rewriting of information to the optical disc is realized. Furthermore, by providing each of the reflection suppression layers 12 and 22, the RIN characteristics can be obtained as good as about -130 dB / Hz.

以上により、光ピックアップ光源として実用可能な窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。   As described above, a nitride-based semiconductor laser device practical as an optical pickup light source can be realized.

なお、本発明の各実施形態においては、基板11の導電型をn型としたが、これに限られず、p型の基板を用いてもよい。この場合には、p型基板とMQW活性層との間にp型反射抑制層を設け、MQW活性層の上に形成されたn型クラッド層とn型コンタクト層との間にn型反射抑制層を設ければよい。   In each embodiment of the present invention, the conductivity type of the substrate 11 is n-type. However, the present invention is not limited to this, and a p-type substrate may be used. In this case, a p-type antireflection layer is provided between the p-type substrate and the MQW active layer, and n-type antireflection is provided between the n-type cladding layer and the n-type contact layer formed on the MQW active layer. A layer may be provided.

本発明に係る半導体レーザ装置は、高出力動作時における自励発振動作を維持すると共に、発振ピーク強度が抑制され且つ雑音特性にも優れており、光ディスクシステムの分野におけるレーザ光源等として有用である。   The semiconductor laser device according to the present invention maintains a self-excited oscillation operation at the time of a high output operation, suppresses the oscillation peak intensity and has excellent noise characteristics, and is useful as a laser light source in the field of optical disc systems. .

本発明の試作例に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a prototype of the present invention. 本発明の9通りの試作例に係る半導体レーザ装置の試作結果を示すグラフある。It is a graph which shows the trial manufacture result of the semiconductor laser apparatus which concerns on nine kinds of trial manufacture examples of this invention. 本発明の5層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のAl組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。6 is a graph showing the relationship between the differential modal gain and the Al composition of a cladding layer in a semiconductor laser device according to a prototype having five well layers according to the present invention, with the thickness of the well layer as a parameter. 本発明の6層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のAl組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。6 is a graph showing the relationship between the differential modal gain and the Al composition of a cladding layer in a semiconductor laser device according to a prototype having six well layers of the present invention, with the thickness of the well layer as a parameter. 本発明の7層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のAl組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。6 is a graph showing the relationship between the differential modal gain and the Al composition of a cladding layer in a semiconductor laser device according to a prototype having seven well layers according to the present invention, with the thickness of the well layer as a parameter. 本発明のAlGa1−zNからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置におけるRIN特性を反射抑制層を有さない試作例と共に示したグラフである。It is a graph showing with prototype example having no antireflection layer RIN characteristic in the semiconductor laser device according to the prototype example having a reflection suppressing layer made of Al z Ga 1-z N of the present invention. 本発明のAlGa1−zNからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における近視野像(NFP)を反射抑制層を有さない試作例と共に示したグラフである。It is a graph showing with prototype example having no antireflection layer near-field image (NFP) in the semiconductor laser device according to the prototype example having a reflection suppressing layer made of Al z Ga 1-z N of the present invention. 本発明のAlGa1−zNからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置の反射抑制層におけるAl組成及び厚さとクラックの発生との関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the occurrence of the Al composition and thickness and cracks in the antireflection layer of the semiconductor laser device according to the prototype example having a reflection suppressing layer made of Al z Ga 1-z N of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. (a)〜(c)は本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザ装置の動作特性を示し、(a)は波長特性を示すグラフであり、(b)は自励発振時間応答特性を示すグラフであり、(c)は相対雑音強度(RIN)特性を示すグラフである。(A)-(c) shows the operating characteristic of the semiconductor laser apparatus based on the 1st Embodiment of this invention, (a) is a graph which shows a wavelength characteristic, (b) is a self-excited oscillation time response characteristic. (C) is a graph which shows a relative noise intensity (RIN) characteristic. 本発明の第2の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。It is a typical structure sectional view showing the semiconductor laser device concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。It is a typical structure sectional view showing a semiconductor laser device concerning a 3rd embodiment of the present invention. 従来の赤色、赤外及び青紫色レーザ装置における微分モーダル利得の動作キャリア密度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the operating carrier density dependence of the differential modal gain in the conventional red, infrared, and blue-violet laser apparatus. (a)及び(b)は従来の半導体レーザ装置における自励発振時間応答特性を示し、(a)は青紫色レーザ装置であり、(b)は赤色レーザ装置である。(A) And (b) shows the self-excited oscillation time response characteristic in the conventional semiconductor laser device, (a) is a blue-violet laser device, (b) is a red laser device. 従来の赤色、赤外及び青紫色レーザ装置における電流(Iop)−光出力(Po)特性を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current (Iop) -light output (Po) characteristic in the conventional red, infrared, and blue-violet laser apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

101 基板
102 n型クラッド層
103 多重量子井戸活性層
104 p型クラッド層
105 p型コンタクト層
106 電流ブロック層
150 リッジストライプ部
11 基板
12 n型反射抑制層
13 n型クラッド層
14 ガイド層
15 多重量子井戸(MQW)活性層
16 第1中間層
17 第2中間層
18 オーバーフロー抑制(OFS)層
19 p型クラッド層
20 p型コンタクト層
21 電流ブロック層
22 p型反射抑制層
23 n型クラッド層
25 多重量子井戸(MQW)活性層
29 p型クラッド層
33 n型クラッド層
39 p型クラッド層
0b、2b、4b、6b、8b、10b、12b バリア層
1w、3w、5w、7w、9w、11w、13w 井戸層
50 リッジストライプ部
Reference Signs List 101 substrate 102 n-type cladding layer 103 multiple quantum well active layer 104 p-type cladding layer 105 p-type contact layer 106 current blocking layer 150 ridge stripe portion 11 substrate 12 n-type antireflection layer 13 n-type cladding layer 14 guide layer 15 multiple quantum Well (MQW) active layer 16 first intermediate layer 17 second intermediate layer 18 overflow suppression (OFS) layer 19 p-type cladding layer 20 p-type contact layer 21 current blocking layer 22 p-type antireflection layer 23 n-type cladding layer 25 multiple Quantum well (MQW) active layer 29 p-type cladding layer 33 n-type cladding layer 39 p-type cladding layers 0b, 2b, 4b, 6b, 8b, 10b, 12b Barrier layers 1w, 3w, 5w, 7w, 9w, 11w, 13w Well layer 50 Ridge stripe

Claims (7)

基板の上に形成され、AlGa1−xNからなる第1導電型の第1のクラッド層と、
前記第1のクラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成され、AlGa1−yNからなる第2導電型の第2のクラッド層と、
前記第2のクラッド層の上に形成された第2導電型のコンタクト層と、
前記基板と前記第1のクラッド層の間及び前記第2のクラッド層と前記コンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、AlGa1−zNからなる反射抑制層とを備え、
前記第1のクラッド層におけるAl組成x、前記第2のクラッド層におけるAl組成y及び前記反射抑制層におけるAl組成zは、x<zで且つy<zの関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
A first conductivity type first clad layer formed on the substrate and made of Al x Ga 1-x N;
An active layer formed on the first cladding layer;
A second clad layer of the second conductivity type formed on the active layer and made of Al y Ga 1-y N;
A second conductivity type contact layer formed on the second cladding layer;
A reflection suppressing layer formed between at least one of the substrate and the first cladding layer and between the second cladding layer and the contact layer, and comprising Al z Ga 1-z N;
The Al composition x in the first clad layer, the Al composition y in the second clad layer, and the Al composition z in the antireflection layer satisfy the relationship x <z and y <z. Laser device.
前記第1のクラッド層におけるAl組成xは、0.03≦x≦0.1であり、
前記第2のクラッド層におけるAl組成yは、0.03≦y≦0.1であり、
前記反射抑制層におけるAl組成zは、0.1<z≦0.3であり、前記反射抑制層の膜厚は、5nm以上且つ15nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
The Al composition x in the first cladding layer is 0.03 ≦ x ≦ 0.1,
The Al composition y in the second cladding layer is 0.03 ≦ y ≦ 0.1,
2. The semiconductor according to claim 1, wherein an Al composition z in the reflection suppression layer is 0.1 <z ≦ 0.3, and a thickness of the reflection suppression layer is 5 nm or more and 15 nm or less. Laser device.
前記第2のクラッド層は、その上部に形成され、電流が選択的に注入されるストライプ部を有しており、
前記第2のクラッド層における前記ストライプ部の側方には、電流ブロック層が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ装置。
The second cladding layer has a stripe portion formed on the top thereof, into which current is selectively injected,
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a current blocking layer is formed on a side of the stripe portion in the second cladding layer.
前記電流ブロック層は、誘電体材料又は半導体材料により構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。   The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the current blocking layer is made of a dielectric material or a semiconductor material. 前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は5であり、
前記井戸層の膜厚は、2nm以上且つ4nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The active layer comprises a quantum well active layer formed by alternately stacking quantum well layers and barrier layers,
The number of well layers is 5,
5. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is 2 nm or more and 4 nm or less.
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は6であり、
前記井戸層の膜厚は、0.8nm以上且つ2.5nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The active layer comprises a quantum well active layer formed by alternately stacking quantum well layers and barrier layers,
The number of the well layers is 6,
5. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is not less than 0.8 nm and not more than 2.5 nm.
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は7であり、
前記井戸層の膜厚は、0.4nm以上且つ1.5nm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
The active layer comprises a quantum well active layer formed by alternately stacking quantum well layers and barrier layers,
The number of well layers is 7,
5. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the thickness of the well layer is not less than 0.4 nm and not more than 1.5 nm.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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