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JP3926313B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体レーザおよびその製造方法に関し、特に光ディスクへのデータの書き込みおよび光ディスクからのデータの読み取り等に用いられる（以下、「光ディスク用」という。）半導体レーザおよびその製造方法に関する。
従来から、光ディスク用の半導体レーザとしては、端面出射型の半導体レーザが用いられている。この端面出射型の半導体レーザは、約７０℃の高温で動作することが求められる。これを実現する手法としては、半導体レーザ内に含まれる活性層中に閉じ込められる光の強度を大きくして、出射されるレーザ光と電子・ホールとの相互作用を増加させる手法が有効である。
しかしながら、活性層中に閉じ込められる光の強度を大きくするため、活性層中に光を集中させると、出射されるレーザ光は活性層に垂直な方向に広がる傾向にある。したがって、一般的に用いられる端面出射型の半導体レーザにおいては、出射されるレーザ光の活性層に垂直な方向への広がり（以下、「垂直放射角」という。）が活性層に水平な方向への広がり（以下、「水平放射角」という。）よりも大きくなる。例えば、出射されるレーザ光の遠視野像（Far Field Pattern）における垂直放射角が２４°、水平放射角が８°となって、出射されるレーザ光は楕円状となる。
しかし、光ディスク上においては、真円状のレーザ光が必要とされる。そこで、楕円状のレーザ光をレーザ光の整形手段を用いて真円状とする手法、または楕円状のレーザ光の周縁の一部を除去して真円状とする手法が用いられている。しかしながら、前者の手法においてはレーザ光の整形手段を導入することが半導体レーザのコストアップにつながるという問題があった。また、後者の手法においてはレーザ光の利用効率が低下するため、高出力のレーザ光とすることができないという問題があった。
また、光ディスクへのデータの高速書き込みのため、出射されるレーザ光を高出力化した場合には、半導体レーザの光出射端面が劣化するという問題があった。半導体レーザの光出射端面の劣化を抑制するため、半導体レーザの光出射端面およびその近傍に窓領域を形成する手法が一般的に用いられている。
窓領域の形成は、従来、半導体レーザ内の活性層を構成する量子井戸層とガイド層とバリア層とを混晶化した部分を形成することにより行なわれていた。窓領域の形成によって、窓領域における活性層の量子井戸層のエネルギバンドギャップが広くなることから、量子井戸層における光の吸収を低減し、半導体レーザの光出射端面の劣化を抑制することができる。
また、窓領域を形成する他の方法もある。図１２（Ａ）に、非特許文献１に記載されている従来の半導体レーザの模式的な斜視図を示す。この従来の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に順次積層されているｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝ｘｌｏｗ）下クラッド層２、アンドープＡｌＧａＡｓガイド層３、アンドープＧａＡｓガイド層４、アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層５、アンドープＧａＡｓバリア層６、アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層７、アンドープＧａＡｓガイド層８、アンドープＡｌＧａＡｓガイド層９、ｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ上クラッド層（ｘ＝ｘｕｐ）１０およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１を含む。また、この従来の半導体レーザにおいては、その上部にリッジストライプ部１２が形成されると共に、その光出射端面およびその近傍にシリコン注入による窓構造１３が形成されており、半導体レーザの光出射端面の劣化を抑制している。
ここで、図１２（Ｂ）の屈折率分布に示すように、出射されるレーザ光の楕円率（垂直放射角／水平放射角）の低減とキンクレベルの向上とを両立させるため、ｎ型ＡｌＧａＡｓ下クラッド層２の屈折率ｎｃ ｌはｐ型ＡｌＧａＡｓ上クラッド層１０の屈折率ｎｃ ｕよりも高く設定される。それゆえ、それぞれの層を構成するＡｌの構成比率はｘｌｏｗ＜ｘｕｐとなる。
このような構成とすることにより、光強度分布が基板側に広がるため、リッジストライプ部１２の屈折率の影響を受けにくくなり、キンクレベルが向上する。また、光強度分布が基板側に広がることにより、出射されるレーザ光の楕円率を低減させることができる。すなわち、ｘｌｏｗ＝ｘｕｐである場合には、出射されるレーザ光の垂直放射角は３１．５゜、水平放射角は８．６゜、楕円率は３．７となるのに対し、ｎｃ ｌ−ｎｃ ｕ＝０．０２９とした場合に出射されるレーザ光の垂直放射角は２３．９゜、水平放射角は１０．１゜、楕円率は２．４となる（例えば、非特許文献１の第１３０頁のグラフ参照。）。
レーザ光の整形手段を用いない場合には、光ディスク用の半導体レーザとしては、より低楕円率のレーザ光を出射するものを用いる必要がある。
しかしながら、非特許文献１に記載された従来の半導体レーザから出射されるレーザ光は楕円率が２．４である。それゆえ、レーザ光の整形手段を用いない場合には、この従来の半導体レーザを光ディスク用の半導体レーザとして用いるには不十分であった。
また、この従来の半導体レーザから出射されるレーザ光の楕円率を低下させると、光の活性層中への光閉じ込め率が低下するため、閾値電流が上昇し、また特性温度（閾値の温度上昇率を表わすパラメータ）が低下するため、この従来の半導体レーザを約７０℃の高温で動作させることができないという問題もあった。
特開２００１−２１０９１０号公報 特開平１１−２３３８８２号公報 特開平１０−２２５６１号公報 三菱電機技報２００２年２月号（第１２９−１３２頁）
本発明の目的は、高温の動作環境においても低楕円率のレーザ光を出射することができる半導体レーザとその製造方法とを提供することにある。
本発明は、半導体基板の上方に、下クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および上クラッド層がこの順序で形成されており、光出射端面の近傍において活性層の量子井戸層が活性層に隣接する層と混晶化している部分を含む窓領域を有する半導体レーザであって、光出射端面から、窓領域、光損失が低減するように光強度分布の半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、窓領域における光強度分布の半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが利得領域における光強度分布よりも広がっている半導体レーザである。このような構成とすることにより、活性層中への光閉じ込め率を変化させることなく、利得領域における光強度分布が半導体基板側へ広がり、さらに窓領域において光強度分布が広がっていることによって、閾値電流や特性温度を悪化させることなく出射されるレーザ光のさらなる低楕円率化が実現できる。
なお、本願において、「量子井戸層を含む活性層」は、量子井戸層のみから構成される活性層だけでなく、量子井戸層と他の層とから構成される活性層も意味する。
また、本発明は、半導体基板の上方に、下クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および上クラッド層がこの順序で形成されており、光出射端面の近傍において活性層の量子井戸層が活性層に隣接する層と混晶化している部分を含む窓領域を有する半導体レーザであって、光出射端面から、窓領域、光強度分布の光強度分布の半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、遷移領域の幅が１６μｍ以上であり、光出射端面から放射される光の垂直放射角が１７°以下である半導体レーザである。このような構成とした場合でも、活性層中への光閉じ込め率を変化させることなく、利得領域における光強度分布が半導体基板側へ広がり、さらに窓領域において光強度分布が広がっていることによって、閾値電流や特性温度を悪化させることなく出射されるレーザ光のさらなる低楕円率化が実現できる。
また、本発明の半導体レーザにおいては、下クラッド層は半導体基板側の第１下クラッド層と活性層側の第２下クラッド層とからなり、第１下クラッド層の屈折率が第２下クラッド層の屈折率よりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、活性層中への光閉じ込め率を変化させることなく低閾値電流を実現しつつ、半導体基板側へ光強度分布が広がることにより、出射されるレーザ光の垂直放射角が低下した低楕円率のレーザ光の出射が実現可能となる。
また、本発明の半導体レーザにおいては、第１下クラッド層の屈折率が第２下クラッド層の屈折率よりも０．００３以上０．０２以下大きいことが好ましい。これらの層の屈折率差が０．０２よりも大きい場合には約７０℃の高温環境における動作が困難となる傾向にあり、また、これらの層の屈折率差が０．００３未満である場合には、出射されるレーザ光の垂直放射角が低下しない傾向にある。これらの層の屈折率差が０．００３以上０．０２以下である場合には、出射されるレーザ光が低楕円率であって、低閾値電流で特性温度の大きい（温度上昇時の閾値電流変化が小さい）半導体レーザが実現可能となる。
また、本発明の半導体レーザにおいては、第２下クラッド層の厚さが０．０５μｍ以上０．９μｍ以下であることが好ましい。第２下クラッド層の厚さが０．０５μｍ以上０．９μｍ以下である場合には、下クラッド層を２層とした効果が得られやすく、出射されるレーザ光が低楕円率である光ディスク用に適した半導体レーザを実現できる傾向にある。
また、本発明の半導体レーザは、光出射端面から、窓領域、光強度分布の広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、窓領域における活性層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長が、利得領域における活性層のＰＬ波長よりも１５ｎｍ以上短波長であることが好ましい。窓領域における活性層のＰＬ波長が利得領域における活性層のＰＬ波長よりも１５ｎｍ以上短波長である場合には、窓領域における光強度分布の垂直方向への広がりを増大させ、出射されるレーザ光の楕円率の低減を図ることができる傾向にある。
また、本発明の半導体レーザは、光出射端面から、窓領域、光強度分布の広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、窓領域における活性層のＰＬ波長が、利得領域における活性層のＰＬ波長よりも４０ｎｍ以上短波長であることが好ましい。窓領域における活性層のＰＬ波長が利得領域における活性層のＰＬ波長よりも４０ｎｍ以上短波長である場合には、これらの領域における活性層のＰＬ波長の差に対して出射されるレーザ光の垂直放射角の変化が少なくなるため、垂直放射角のばらつきの少ない低楕円率のレーザ光を出射する半導体レーザの実現が可能となる。
また、本発明の半導体レーザにおいては、下クラッド層が上クラッド層の屈折率よりも大きい屈折率を有する層を含むことが好ましい。また、本発明の半導体レーザは、光出射端面から、窓領域、光強度分布の広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、遷移領域の光出射端面と垂直な方向における幅が１６μｍ以上であることが好ましい。上記遷移領域の幅が１６μｍ以上である場合には、遷移領域において光強度分布が緩やかに広がることにより、光の損失を小さく抑えることができる。
また、本発明の半導体レーザは、上クラッド層の上方に上クラッド層よりも価電子帯のエネルギの高いキャップ層を有し、キャップ層の厚さが０．０５μｍ以上であることが好ましい。一般にＩＩＬＤ（Impurity Induced Layer Disordering）と呼ばれる窓領域の形成手法を用いた場合には、キャップ層内において不純物が広く拡散することから、光強度分布の広がりが変化する領域である遷移領域を容易に形成することが可能となる。
また、本発明の半導体レーザにおいて、下クラッド層、活性層および上クラッド層は、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）またはＧａzＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｚ≦１である。）の一般式で表わされる半導体層からなることことが好ましい。下クラッド層、活性層および上クラッド層にこれらの材料を用いた場合には、上記ＩＩＬＤによる窓領域の形成を好適に行なうことができる。
また、本発明の半導体レーザにおいて、下クラッド層、活性層および上クラッド層は、ＡｌrＧａ1-rＡｓ（ただし、０≦ｒ≦１である。）またはＧａＡｓの一般式で表わされる半導体層からなることが好ましい。下クラッド層、活性層および上クラッド層にこれらの材料を用いた場合にも、上記ＩＩＬＤによる窓領域の形成を好適に行なうことができる。
さらに、本発明は、半導体基板の上方に、下クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および上クラッド層がこの順序で形成されており、光出射端面の近傍において活性層の量子井戸層が活性層に隣接する層と混晶化している部分を含む窓領域を有し、光出射端面から、窓領域、光強度分布の半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、窓領域における光強度分布の半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが利得領域における光強度分布よりも広がっている半導体レーザの製造方法であって、上クラッド層の上方に上クラッド層よりも価電子帯のエネルギの高いキャップ層を形成する工程と、キャップ層の上方から不純物を注入することにより遷移領域を形成する工程とを含む半導体レーザの製造方法である。これにより、光強度分布を半導体基板の表面に対して垂直方向に緩やかに広げる領域である遷移領域を有する半導体レーザを容易に製造することが可能となる。
また、本発明の半導体レーザの製造方法においては、キャップ層の厚さが０．０５μｍ以上であることが好ましい。
また、本発明の半導体レーザの製造方法においては、上クラッド層中にベリリウム（Ｂｅ）が含まれていることが好ましい。Ｂｅは拡散しにくいｐ型ドーパントであるため、窓領域の形成等において上クラッド層が加熱された場合であっても、Ｂｅが上クラッド層以外の層へ拡散しにくい傾向にある。
また、本発明の半導体レーザの製造方法においては、上クラッド層が分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）によって積層されることが好ましい。Ｂｅをｐ型ドーパントとして用いる場合に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて上クラッド層を積層するためには、危険なＢｅの有機化合物を用いる必要があるのに対し、ＭＢＥ法を用いて上クラッド層を積層する場合には、単体のＢｅを加熱および蒸発すればよいため、比較的安全にＢｅを用いることができる。
また、本発明の半導体レーザの製造方法においては、上クラッド層中にマグネシウム（Ｍｇ）または亜鉛（Ｚｎ）が含まれていることが好ましい。Ｍｇは拡散しにくいｐ型ドーパントであるため、窓領域の形成等において上クラッド層が加熱された場合であっても、Ｍｇが上クラッド層以外の層へ拡散しにくい傾向にある。また、ＺｎはＭＯＣＶＤ法による扱いが簡単なドーパントであり、窓領域の形成等のプロセス温度を限定することにより良好な特性の半導体レーザを容易に製造することができる。
本発明によれば、高温の動作環境においても低楕円率のレーザ光を出射することができる半導体レーザとその製造方法とを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、本明細書において、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）をＡｌＧａＩｎＰと、ＧａzＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｚ≦１である。）をＧａＩｎＰと、ＡｌrＧａ1-rＡｓ（ただし、０≦ｒ≦１である。）をＡｌＧａＡｓとそれぞれ略記することがある。
（実施の形態１）
図１に本発明の半導体レーザの好ましい一例の模式的な斜視図を示す。図１に示すように、本発明の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に順次形成されている、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１０１と、ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層１０２と、ｎ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第１下クラッド層１０３（厚さ２．０μｍ）と、ｎ型（Ａｌ0.665Ｇａ0.335）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第２下クラッド層１０４（厚さ０．２μｍ）と、量子井戸層を含むアンドープ活性層１０５と、ｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第１上クラッド層１０６（厚さ０．１μｍ）と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７とを含む。
そして、リッジストライプ部として、ｐ型エッチングストップ層１０７の表面の一部から上方に突出したｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第２上クラッド層１０８（厚さ１．５μｍ）が形成され、ｐ型第２上クラッド層１０８上にはｐ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１０９（厚さ０．０５μｍ）と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０（厚さ０．５μｍ）が順次形成されている。
また、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７上であってｐ型第２上クラッド層１０８が形成されていない領域にはｎ型ＡｌＩｎＰ電流阻止層１２０が形成されており、ｎ型電流阻止層１２０上にはｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２１と、ｐ側電極１２３とが順次形成されている。また、ｎ型基板１００の面において上記半導体層が積層されている側と反対側の面にはｎ側電極１２２が形成されている。
また、ｎ型基板１００の表面と垂直な光出射端面１２４、１２５にはそれぞれ前面反射膜１２６と後面反射膜１２７とが形成されている。
ここで、活性層１０５は、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層、厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層、厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層および厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層がｎ型第２下クラッド層１０４側からこの順序で積層されることによって構成されている。
また、ｎ側電極１２２は、ｎ型基板１００上にＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ｍｏ層およびＡｕ層がこの順序で積層されることによって形成されており、ｐ側電極１２３は、ｐ型コンタクト層１２１上にＡｕＺｎ層、Ｍｏ層およびＡｕ層がこの順序で積層されることによって形成されている。
また、光出射端面１２４上の前面反射膜１２６（反射率８％）はＡｌ2Ｏ3層であって、光出射端面１２５上の後面反射膜１２７（反射率９０％）はＡｌ2Ｏ3層、Ｓｉ層、Ａｌ2Ｏ3層、Ｓｉ層およびＡｌ2Ｏ3層が光出射端面１２５側からこの順序で積層されることによって形成されている。なお、この半導体レーザの共振器長は９００μｍである。
なお、上記半導体層はＭＢＥ法で形成されており、ｎ型ドーパントはＳｉであり、ｐ型ドーパントはＢｅである。
この半導体レーザにおいては、光出射端面１２４、１２５から一定幅の領域（窓領域Ｃ）の一部が混晶化されており、窓領域Ｃにおける活性層のエネルギバンドギャップが利得領域Ａにおける活性層におけるエネルギバンドギャップよりも大きくなる。それゆえ、半導体レーザ中の光が窓領域Ｃにおいて吸収されにくくなるため、半導体レーザの光出射端面１２４、１２５の劣化を抑制することができる。ここで、利得領域Ａは光が増幅される領域である。
窓領域Ｃは、半導体基板１００上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１０１からｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０までの各層を半導体基板１００の表面の全面に渡って順次積層した後に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０の上面の両端部に厚さ３５ｎｍのＺｎＯ膜（図示せず）および厚さ２００ｎｍのＳｉＯ２膜（図示せず）を順次形成し、ＺｎＯ膜を５１０℃で２時間熱処理し、Ｚｎを拡散することによって形成される。また、窓領域Ｃの形成の際に遷移領域Ｂも形成される。なお、遷移領域Ｂは、光強度分布の広がりが変化する領域である。また、ＳｉＯ２膜は外部へＺｎが蒸発するのを防止するために形成されており、ＺｎＯ膜およびＳｉＯ２膜は熱処理後に除去される。また、図１に示すように、ｐ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層１０９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０の両端部（光出射端面から約３０μｍの部分）は除去されている。
また、この半導体レーザのｎ型基板１００側にあるｎ型第１下クラッド層１０３およびｎ型第２下クラッド層１０４のＡｌの含有率が、ｎ型基板１００側にないｐ型第１上クラッド層１０６およびｐ型第２上クラッド層１０８のＡｌの含有率よりも低いため、ｎ型第１下クラッド層１０３およびｎ型第２下クラッド層１０４の屈折率はｐ型第１上クラッド層１０６およびｐ型第２上クラッド層１０８の屈折率よりも大きくなる。したがって、半導体レーザ内部の利得領域Ａにおいては、従来の非特許文献１に記載されている半導体レーザと同様に光強度分布がｎ型基板１００側へ広がる。
さらに、本発明の半導体レーザにおいては、図２の模式的断面図に示すように、半導体レーザ内部の利得領域Ａにおける光強度分布１４０Ａは、窓領域Ｃにおいてさらにｎ型基板１００側へｎ型基板１００の表面に垂直な方向に広がっている（光強度分布１４０Ｃ）。
これは、以下の理由によるものと考えられる。まず、図３に、窓領域の形成条件を変化させることによって窓領域における活性層のＰＬ波長が互いに異なる半導体レーザを複数形成し、これらの半導体レーザの利得領域における活性層のＰＬ波長と窓領域における活性層のＰＬ波長とのＰＬ波長差と出射されるレーザ光の垂直放射角との関係を示した図を示す。図３に示すように、ＰＬ波長差が１５ｎｍ以上（窓領域における活性層のＰＬ波長が利得領域における活性層のＰＬ波長よりも１５ｎｍ以上短波長）であればＰＬ波長差が増加するにつれて出射されるレーザ光の垂直放射角が確実に低下することがわかる。また、ＰＬ波長差が４０ｎｍ以上（窓領域における活性層のＰＬ波長が利得領域における活性層のＰＬ波長よりも４０ｎｍ以上短波長）となった場合には、出射されるレーザ光の垂直放射角が１６°未満となるだけでなく、ＰＬ波長差に対する出射されるレーザ光の垂直放射角の変化量が減少するため、ＰＬ波長差のばらつきに対して出射されるレーザ光の垂直放射角のばらつきを低減することができる。
次に、図４に、窓領域の形成条件を変化させた場合の窓領域における活性層の屈折率の分布を模式的に示す。図４（Ａ）は窓領域を形成しない場合の屈折率の分布を示している。そして、図４（Ｂ）は活性層１０５の量子井戸層とバリア層との間のみで混晶化が起こる場合の屈折率の分布を示している。この場合には、活性層１０５の量子井戸層とバリア層とから構成される多重量子井戸（ＭＱＷ）構造における平均屈折率は変化しないため、出射されるレーザ光の垂直放射角が変化しない。したがって、この場合は、図３に示すＰＬ波長差が１５ｎｍ未満の場合に対応しているものと考えられる。しかし、図４（Ｃ）に示すように、量子井戸層が活性層１０５に隣接するｎ型第２下クラッド層１０４およびｐ型第１上クラッド層１０６と混晶化した場合には、ＭＱＷ構造における平均屈折率が変化するため、出射されるレーザ光の垂直放射角が変化する。したがって、この場合は、図３に示す窓領域におけるＰＬ波長差が１５ｎｍ以上の場合に対応するものと考えられる。
図５（Ａ）は、本発明の半導体レーザにおいて光強度分布が窓領域で広がっていることを説明するための図である。横軸は活性層１０５の厚みの中心を０μｍとしたときの厚さ方向への距離（半導体基板側への距離は負の値）を示し、縦軸は屈折率を示す。ここでは、ｎ型第１下クラッド層１０３の屈折率と、窓領域および利得領域における活性層の実効屈折率との関係に着目する。
ここで、クラッド層における光強度分布の広がりはＥｘｐ［−γ｜ｘ｜］の値に比例し（ｘはクラッド層におけるＡｌの含有率を示す）、広がりの目安となる値は１／γである（すなわち、１／γが大きいほど光強度分布は広がる）。また、γ2＝（Ｎeff 2−ｎ2）ｋ0 2の式が成立する（ただし、この式において、Ｎeffは活性層の実効屈折率を示し、ｎは各クラッド層の屈折率を示し、ｋ0は２π／λを意味し、λは光の波長を示す）。
利得領域におけるｎ型第１下クラッド層１０３の１／γは０．４８８μｍであるのに対し、窓領域におけるｎ型第１下クラッド層１０３の１／γは０．８２７μｍとなる。これは、窓領域における活性層の実効屈折率がｎ型第１下クラッド層１０３の屈折率に近づくためγ2＝（Ｎeff 2−ｎ2）ｋ0 2の式における（Ｎeff 2−ｎ2）の値が小さくなり、γの値も小さくなるからである。
図５（Ｂ）は、ｎ型第１下クラッド層１０３の１／γが変化することによって光強度分布が広がることを示した図である。横軸は活性層１０５の厚みの中心を０μｍとしたとき厚さ方向への距離（半導体基板側への距離は負の値）を示し、縦軸は光強度（ｎ型第１下クラッド層１０３とｎ型第２下クラッド層１０４との界面における光強度を１としたときの相対値）を示す。図５（Ｂ）に示すように、１／γが０．４８８μｍである場合には活性層１０５の厚みの中心から半導体基板側へ約２．７μｍの地点において光強度が０となっているのに対し、１／γが０．８２７μｍである場合には活性層１０５の厚みの中心から半導体基板側へ約２．７μｍの地点においても光強度が０となっていない。この結果から、本実施の形態においては、窓領域における光強度分布が利得領域における光強度分布よりも半導体基板の表面に対して垂直方向にさらに広がっていることがわかる。
なお、利得領域におけるｐ型第２上クラッド層１０８の１／γは０．２９５μｍであるのに対し、窓領域におけるｐ型第２上クラッド層１０８の１／γは０．３３８μｍとなるため、窓領域におけるｐ型第２上クラッド層１０８においても光強度分布は広がるものの、窓領域におけるｎ型第１下クラッド層１０３における光強度分布よりは広がらない。
図５（Ｃ）は、活性層に近いｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の屈折率が共に低い場合の屈折率と窓領域および利得領域における活性層の実効屈折率との関係を示す。この場合には、窓領域における活性層の実効屈折率が低下しても、クラッド層の屈折率も低いことから、窓領域における活性層の実効屈折率がこれらのクラッド層の屈折率に著しく接近することがないため、γ2＝（Ｎeff 2−ｎ2）ｋ0 2の式における（Ｎeff 2−ｎ2）の値が小さくならない。したがって、この場合には、窓領域における光強度分布はあまり広がらない。
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層の屈折率が異なり、窓領域における活性層の実効屈折率を低下させた場合には、高い屈折率を有する方のクラッド層における光強度分布の広がりがさらに増加するが、本実施の形態においてはｎ型クラッド層を互いに屈折率が異なる２層からなる構造とし、活性層１０５側のｎ型第２下クラッド層１０４の屈折率を半導体基板１００側のｎ型第１下クラッド層１０３の屈折率よりも低くしている。なお、本発明においては、ｎ型クラッド層を１層とすることもできるが、ｎ型クラッド層を屈折率が互いに異なる２層からなる構造とした場合には出射されるレーザ光の垂直放射角をより低減させることができる点で好ましい。
図６（Ａ）に、ｎ型第１下クラッド層１０３とｎ型第２下クラッド層１０４の屈折率差と出射されるレーザ光の垂直放射角との関係を示し、図６（Ｂ）にｎ型第１下クラッド層１０３とｎ型第２下クラッド層１０４の屈折率差と閾値電流との関係を示す。図６（Ａ）に示すように屈折率差を０．００３以上に増大させた場合には、出射されるレーザ光の垂直放射角は低下するが、図６（Ｂ）に示すように閾値電流は上昇する。出射されるレーザ光の垂直放射角を低下させるためには、図６（Ａ）に示す関係から、これらの層の屈折率差が０．００３以上あることが好ましく、７０℃という高温の環境での動作において良好な信頼性を得る６５ｍＡ以下の閾値電流とするためには、図６（Ｂ）に示す関係から、これらの層の屈折率差は０．０２以下が適当である。
図７に、ｎ型第２下クラッド層１０４の厚みの変化と出射されるレーザ光の垂直放射角（窓領域と記載されているものが本実施の形態において実際に出射されるレーザ光の垂直放射角）との関係を示す。図７に示すように、ｎ型第２下クラッド層１０４の厚みを増加させた場合には、出射されるレーザ光の垂直放射角が一旦低下した後に増加する傾向にある。出射されるレーザ光の垂直放射角を光ディスク用として適当な１７゜以下にするためには、ｎ型第２下クラッド層１０４の厚みは０．０５μｍ以上０．９μｍ以下であることが好ましい。ｎ型第２下クラッド層１０４の厚みがこの範囲内にある場合には、閾値電流は４０〜４１ｍＡとなって、ほとんど変化しない。また、図７において、比較として示されている利得領域における垂直放射角は、本実施の形態と同じ構成の半導体レーザの窓領域を切除した端面に利得領域を露出させた半導体レーザを別途作製して測定されたものである。図７にも示すように、窓領域を形成した場合には窓領域を形成しない場合と比べて、出射されるレーザ光の垂直放射角が低減することがわかる。
図８は、本発明の半導体レーザにおいて、利得領域Ａにおける活性層のＰＬ波長と窓領域Ｃにおける活性層のＰＬ波長とのＰＬ波長差と、光出射端面からの距離との関係を示している。すなわち、図８の横軸が０μｍである地点において劈開した劈開面が半導体レーザの光出射端面となる。図８において、窓領域ＣにおいてＰＬ波長差はほぼ一定となっているが、遷移領域ＢにおいてＰＬ波長差は約２５μｍに渡って徐々に減少している。ここで、遷移領域Ｂの幅は、利得領域Ａにおける活性層のＰＬ波長と窓領域Ｃにおける活性層のＰＬ波長とのＰＬ波長差が、ＰＬ波長差の最大値の１０％から９０％になる領域の幅として定義されている。
図９は、本発明の半導体レーザにおいて好ましい遷移領域の幅について説明するために、コア半径が半分になるまで次第に減少しているテーパ状の光ファイバに関する文献（D.Marcuse, B.S.T.J. vol.49, No.8 October 1970）から引用した図である。図９において、横軸は変化領域（コア半径が次第に減少している領域）の幅と減少する前のコア半径との比（変化領域幅／減少前のコア半径）を示し、縦軸はモード変換に伴う光の損失率を示す。図９に示す実線は変化領域と定常領域（コア半径が減少する前の領域）との境界がなだらかなｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｔａｐｅｒである場合を示し、破線は変化領域と定常領域との境界が角張っているｌｉｎｅａｒ ｔａｐｅｒである場合を示している。
図９に示すように、変化領域幅が減少前のコア半径以下の長さであれば光の損失率は２０％を超える（図９のＤ点よりも左側の領域になる）。また、変化領域幅が減少前のコア半径の１０倍以上の長さであれば光の損失率は１０％以下にまで低減する（図９のＥ点よりも右側の領域になる）。
上記文献ではコアの屈折率が１．４３２であり、クラッドの屈折率が１であるため、コアとクラッドの屈折率差が大きく、光はほぼコア内に閉じ込められていると考えられるので、上記文献の減少前のコア半径は図２に示す本発明の半導体レーザの活性層１０５の厚みの中心からｐ型第２上クラッド層１０８の上面までの距離（約１．６μｍ）に相当するものと考えられる。
したがって、光の損失を低減させるという観点からは、本発明の半導体レーザの遷移領域幅を活性層１０５の厚みの中心からｐ型第２上クラッド層１０８の上面までの距離（約１．６μｍ）の１０倍の距離、すなわち１６μｍ以上とすれば、活性層１０５の厚みの中心からｐ型第２上クラッド層１０８の上面までの距離が光出射端面１２４に向かって次第に減少し、光出射端面１２４においてその距離が半分となる場合でも、光の損失率を低減できるものと考えられる。
なお、遷移領域幅は、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０の厚みを変化させることにより変化させることができ、遷移領域幅を１６μｍ以上とするためには、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０の厚みを０．０５μｍ以上とすることが好適である。
図１０（Ａ）は、ＩＩＬＤによる窓領域の形成を説明するための図である。説明を簡単にするために、ＭＱＷ層、厚さ１．５μｍのＢｅドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層および厚さ０．５μｍのＢｅドープｐ型ＧａＡｓキャップ層がこの順序で積層された３層からなる素子を用いて説明する。
図１０（Ａ）において、ＺｎＯ膜をｐ型ＧａＡｓキャップ層の上面に設置して熱処理を行なうことによってＺｎＯ膜からＺｎがｐ型ＧａＡｓキャップ層に注入され、このＺｎが素子中に拡散されることによってＺｎ等の格子間原子がこの素子中に発生する（ＺｎがＧａと置き換わることによりＧａの格子間原子が発生し、ＺｎがＢｅと置き換わることによりＢｅの格子間原子も発生する）。これらの原子は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層よりも価電子帯のエネルギが高いｐ型ＧａＡｓキャップ層に留まろうとする性質があるため、拡散時にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層との界面で反射される（参考文献：P.N.Grillot et. Al., Acceptor diffusion and segregation in (AlxGa1-x)0.5In0.5P heterostructures, Journal of Applied Physics, Volume 91, Number 8, pp4891-4899, 2002)。したがって、ＺｎＯ膜の底面からＭＱＷ層までの距離が２μｍ程度であったとしても、それより十分長い、例えば素子の幅方向へ約２５μｍ程度、Ｚｎ等が徐々に拡散することとなるため、窓領域と利得領域との間に遷移領域を容易に形成することができる。
図１０（Ｂ）に、Ｓｉイオン注入を用いて窓領域の形成を行なう場合の模式図を示す。この場合には、マスク層でＳｉイオンの注入を遮蔽しているだけで、特別に素子の幅方向への拡散を促進するメカニズムは存在しないため、窓領域と利得領域の境界は急峻なものとなる。したがって、この場合には、窓領域と利得領域との間に遷移領域を容易に形成することができない。
本発明の半導体レーザの代表的なものにおいては、発振波長が６５６ｎｍ、閾値電流が３８ｍＡ、特性温度が１１０Ｋおよび微分量子効率が１．１Ｗ／Ａであり、７０℃における光出力が１４０ｍＷ（デューティ５０％）で３０００時間以上動作可能である。この半導体レーザにおいては、垂直放射角が１５゜、水平放射角が１２゜、その比である楕円率は１．２５であった。これにより、光ディスク上において、レーザ光の整形を行なうことなく真円に近い光スポットが得られる。
比較のため、窓領域を形成しなかったこと以外は本発明の半導体レーザと同様の構成の半導体レーザにおいて垂直放射角、水平放射角および楕円率を調査したところ、垂直放射角が２１゜、水平放射角が１２゜、楕円率が１．７５であった。
したがって、本発明においては、活性層内部における光閉じ込め量を変化させずに、楕円率を１．７５から１．２５に改善することができた。また、活性層中における光閉じ込め量が変わらないので、上記のような良好な特性温度が得られた。
（実施の形態２）
図１１に本発明の半導体レーザの他の好ましい一例の模式的な斜視図を示す。図１１に示すように、この半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板２００上に順次形成されている、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０１と、ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層２０２と、ｎ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第１下クラッド層２０３（厚さ２．０μｍ）と、ｎ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第２下クラッド層２０４（厚さ０．２μｍ）と、量子井戸層を含むアンドープ活性層２０５と、ｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第１上クラッド層２０６（厚さ０．１μｍ）と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２０７とを含む。
また、リッジストライプ部として、ｐ型エッチングストップ層２０７の表面の一部から上方に突出したｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐ第２上クラッド層２０８（厚さ１．５μｍ）が形成されており、ｐ型第２上クラッド層２０８上にはｐ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層２０９（厚さ０．０５μｍ）と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０（厚さ０．５μｍ）とが順次形成されている。
また、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層２０７上であってｐ型第２上クラッド層２０８が形成されていない領域にはｎ型ＡｌＩｎＰ電流阻止層２２０が形成されており、ｐ型第２上クラッド層２０８、ｎ型電流阻止層２２０およびｐ型ＧａＡｓキャップ層２１０上にはｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２１と、ｐ側電極２２３とが順次形成されている。また、ｎ型基板２００の面において上記半導体層が積層されている側と反対側の面にはｎ側電極２２２が形成されている。
また、光出射端面２２４、２２５にはそれぞれ前面反射膜２２６と後面反射膜２２７とが形成されている。
この半導体レーザにおいては、ｎ型第１下クラッド層２０３のＡｌの含有率がｎ型第２下クラッド層２０４のＡｌの含有率よりも低く、ｎ型第２下クラッド層２０４のＡｌの含有率がｐ型第１上クラッド層２０６のＡｌの含有率と同じであるため、ｎ型第１下クラッド層２０３の屈折率がｎ型第２下クラッド層２０４およびｐ型第１上クラッド層２０６の屈折率よりも大きく、ｎ型第２下クラッド層２０４とｐ型第１上クラッド層２０６の屈折率が同じであることに特徴がある。
この半導体レーザにおいても、活性層中の光閉じ込め量を減少させることなく、窓領域Ｃにおける光強度分布を利得領域Ａにおける光強度分布よりもｎ型基板２００側へ広げることができるため、閾値電流や特性温度を悪化させることなく出射されるレーザ光の低楕円率化が実現できる。
（その他）
上記実施の形態においては、ｎ型第１下クラッド層とＧａＩｎＰバッファ層との間、およびｐ型第２上クラッド層とｐ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層との間に低屈折率層を設けることによって、光の損失をさらに低減することもできる。
また、上記実施の形態においては、活性層に含まれる量子井戸層を複数としたが、量子井戸層を単一としてもよい。
また、上記実施の形態においては、ガイド層とバリア層の混晶比を同一としたが、ガイド層とバリア層の混晶比を異なるものとしてもよい。
また、上記実施の形態において、ｐ型ドーパントとしてはＢｅの他に、ＭｇまたはＺｎを用いることができる。ｐ型ドーパントとしてＭｇまたはＺｎを用いる場合には、ＭＯＣＶＤ法を用いて半導体層を積層することが好ましい。
また、上記実施の形態においては、ｎ型電流阻止層等のｎ型層を窓領域の上方に位置するリッジストライプ部上に形成することにより、窓領域への電流注入を防止してもよい。
また、上記実施の形態においては、ｎ型電流阻止層の代わりに酸化シリコン膜または窒化シリコン膜等の誘電体膜を形成することにより、半導体レーザの構造の簡略化を図ることができる。
また、本実施の形態においては、窓領域形成手法としては、例えば原子空孔拡散法を用いてもよい。
また、本実施の形態においては、下クラッド層、活性層および上クラッド層に、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰの一般式で表わされる半導体層を用いたが、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓの一般式で表わされる半導体層を用いることもできる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明においては、高温の動作環境においても低楕円率のレーザ光を出射することができる半導体レーザとその製造方法とを提供することができる。これにより、レーザ光の利用効率を低下させることなくシンプルな構成の光ディスク用ピックアップを用いることができるため、光ピックアップの小型軽量化や高速アクセスに寄与する。
本発明の半導体レーザの好ましい一例の模式的な斜視図である。 図１に示す半導体レーザのリッジストライプ方向に沿った模式的な断面図である。 本発明の半導体レーザの利得領域における活性層のＰＬ波長と窓領域における活性層のＰＬ波長とのＰＬ波長差と、出射されるレーザ光の垂直放射角との関係を示した図である。 （Ａ）は窓領域を形成しない半導体レーザの屈折率の分布を示し、（Ｂ）は本発明の半導体レーザについて量子井戸層とバリア層との間のみで混晶化された場合の屈折率の分布を示し、（Ｃ）は量子井戸層が活性層に隣接するｎ型第２下クラッド層およびｐ型第１上クラッド層と混晶化した場合にＭＱＷ構造の平均屈折率が変化することを示した図である。 （Ａ）は本発明の半導体レーザにおいて光強度分布が窓領域でさらに広がっていることを説明するための図であり、（Ｂ）は本発明の半導体レーザにおいて１／γの値が変化することによって光強度分布が広がることを示した図であり、（Ｃ）は活性層に近いｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の屈折率が共に低い場合のクラッド層の屈折率と窓領域および利得領域における活性層の実効屈折率との関係を示した図である。 （Ａ）はｎ型第１下クラッド層とｎ型第２下クラッド層の屈折率差と出射されるレーザ光の垂直放射角との関係を示した図であり、（Ｂ）はｎ型第１下クラッド層とｎ型第２下クラッド層の屈折率差と閾値電流との関係を示した図である。 ｎ型第２下クラッド層の厚みの変化と出射されるレーザ光の垂直放射角との関係を示した図である。 本発明の半導体レーザにおいて、利得領域における活性層のＰＬ波長と窓領域における活性層のＰＬ波長とのＰＬ波長差と、光出射端面からの距離との関係を示した図である。 文献（D.Marcuse, B.S.T.J. vol.49, No.8 October 1970）から引用した図である。 （Ａ）はＩＩＬＤによる窓領域の形成を説明するための図であり、（Ｂ）はＳｉイオン注入を用いて窓領域の形成を行なう場合の模式図である。 本発明の半導体レーザの他の好ましい一例の模式的な斜視図である。 （Ａ）は非特許文献１に記載されている従来の半導体レーザの模式的な斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す半導体レーザの屈折率分布である。
符号の説明
１，１００，２００ ｎ型ＧａＡｓ基板、２ ｎ型ＡｌＧａＡｓ下クラッド層、３ アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、４ アンドープＧａＡｓガイド層、５ アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層、６ アンドープＧａＡｓバリア層、７ アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸層、８ アンドープＧａＡｓガイド層、９ アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、１０ ｐ型ＡｌＧａＡｓ上クラッド層、１１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１２ リッジストライプ部、１３ 窓構造、１０１，２０１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層、１０２，２０２ ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層、１０３，２０３ ｎ型第１下クラッド層、１０４，２０４ ｎ型第２下クラッド層、１０５，２０５ 活性層、１０６，２０６ ｐ型第１上クラッド層、１０７，２０７ ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層、１０８，２０８ ｐ型第２上クラッド層、１０９，２０９ ｐ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層、１１０，２１０ ｐ型ＧａＡｓキャップ層、１２０，２２０ ｎ型ＡｌＩｎＰ電流阻止層、１２１，２２１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１２２，２２２ ｎ側電極、１２３，２２３ ｐ側電極、１２４，１２５，２２４，２２５ 光出射端面、１２６，２２６ 前面反射膜、１２７，２２７ 後面反射膜。

Claims (10)

  1. 半導体基板の上方に、下クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および上クラッド層がこの順序で形成されており、光出射端面の近傍において前記活性層の量子井戸層が前記活性層に隣接する層と混晶化している部分を含む窓領域を有する半導体レーザであって、前記光出射端面から、前記窓領域、光損失が低減するように光強度分布の前記半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、前記窓領域における光強度分布の前記半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが前記利得領域における光強度分布よりも広がっていることを特徴とする、半導体レーザ。
  2. 前記遷移領域の幅が１６μｍ以上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。
  3. 半導体基板の上方に、下クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および上クラッド層がこの順序で形成されており、光出射端面の近傍において前記活性層の量子井戸層が前記活性層に隣接する層と混晶化している部分を含む窓領域を有する半導体レーザであって、前記光出射端面から、前記窓領域、光強度分布の前記半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、前記遷移領域の幅が１６μｍ以上であり、前記光出射端面から放射される光の垂直放射角が１７°以下であることを特徴とする、半導体レーザ。
  4. 前記窓領域における前記活性層のフォトルミネッセンス波長が、前記利得領域における前記活性層のフォトルミネッセンス波長よりも１５ｎｍ以上短波長であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ。
  5. 前記下クラッド層が前記上クラッド層の屈折率よりも大きい屈折率を有する層を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ。
  6. 前記上クラッド層の上方に前記上クラッド層よりも価電子帯のエネルギの高いキャップ層を有し、前記キャップ層の厚さが０．０５μｍ以上であることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ。
  7. 前記下クラッド層、前記活性層および前記上クラッド層は、（Ａｌ x Ｇａ 1-x ） y Ｉｎ 1-y Ｐ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）またはＧａ z Ｉｎ 1-z Ｐ（ただし、０≦ｚ≦１である。）の一般式で表わされる半導体層からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ。
  8. 前記下クラッド層、前記活性層および前記上クラッド層は、Ａｌ r Ｇａ 1-r Ａｓ（ただし、０≦ｒ≦１である。）またはＧａＡｓの一般式で表わされる半導体層からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ。
  9. 半導体基板の上方に、下クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および上クラッド層がこの順序で形成されており、光出射端面の近傍において前記活性層の量子井戸層が前記活性層に隣接する層と混晶化している部分を含む窓領域を有し、前記光出射端面から、前記窓領域、光強度分布の前記半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが変化する領域である遷移領域および利得領域をこの順序で有し、前記窓領域における光強度分布の前記半導体基板の表面に垂直な方向への広がりが前記利得領域における光強度分布よりも広がっている半導体レーザの製造方法であって、前記上クラッド層の上方に前記上クラッド層よりも価電子帯のエネルギの高いキャップ層を形成する工程と、前記キャップ層の上方から不純物を注入することにより前記遷移領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする、半導体レーザの製造方法。
  10. 前記キャップ層の厚さが０．０５μｍ以上であることを特徴とする、請求項９に記載の半導体レーザの製造方法。
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