JP2003179302A

JP2003179302A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2003179302A
Application number: JP2003000180A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Shono; 昌幸庄野; Yasuyuki Bessho; 靖之別所; Takatoshi Ikegami; 隆俊池上; Masaharu Honda; 正治本多
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2003-01-06
Publication date: 2003-06-27

Abstract

(57)【要約】【目的】低雑音特性を有する自励発振型の半導体レー
ザを提供する。【構成】基板１上に、基板上に、ＭＯＣＶＤ法によ
り、クラッド層３と、歪ＭＱＷ活性層４と、クラッド層
５とが形成され、クラッド層３及びクラッド層５の内部
に歪量子井戸可飽和吸収層６が形成されてなる自励発振
型の半導体レーザにおいて、歪量子井戸可飽和吸収層６
を構成する量子井戸構造の井戸層における価電子帯及び
伝導体の量子化準位間を、発振波長エネルギに等しくし
たことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低雑音を実現する
自励発振型の半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、小型軽量，高効率，高
応答速度，広い波長選択性等の優れた特性を有している
ことから、光ディスク，光通信，レーザプリンタ等の分
野への導入が盛んに進められている。中でも光ディスク
に使用される半導体レーザは、情報を読み取る際の戻り
光によって光出力が変動して誘起される雑音が大きな問
題であり、低雑音特性に対する要求が高い。

【０００３】半導体レーザとしては、シングル縦モード
レーザ及びマルチ縦モードレーザがある。シングル縦モ
ードレーザは、定常動作時の雑音は小さいが、戻り光に
よって出力が大きく変動する。一方、マルチ縦モードレ
ーザは、戻り光のような外的要因の変動による雑音は発
生しにくいが、発光点に非点隔差があり、収束スポット
径を小さくすることが困難でありピックアップには不適
切である。また消費電力が大きいという問題がある。

【０００４】そこで戻り光による雑音特性を改善するた
めの方法として、半導体レーザ素子の可干渉性を低下さ
せ、戻り光が入射しても戻り光の位相に反応せず、影響
を受けにくくする方法があり、自励発振現象を利用した
自励発振型の半導体レーザの報告が種々なされている。

【０００５】従来は、活性層の厚み又はクラッド層の厚
み等の構造パラメータを変えることにより、自励発振型
の半導体レーザを得ていたが、この方法では雑音の低減
に限界がある。そこで光吸収が大きい可飽和吸収層を挿
入する方法が提案されている。

【０００６】図８は、特開昭63−202083号公報に開示さ
れている従来の自励発振型の半導体レーザを示す模式的
断面図である。この半導体レーザは、ｎ−ＧａＡｓ基板
21上にｎ−Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓクラッド層22，アンドー
プＧａ_0.86Ａｌ_0.14Ａｓ活性層23，ｐ−Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5
Ａｓクラッド層24，ｐ−Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓモード分離
層25，ｐ−Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓ選択エッチング層26，ｐ
−ＧａＡｓキャップ層27がこの順で積層してある。ここ
でｐ−Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5Ａｓクラッド層24の上部，ｐ−Ｇ
ａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓ層モード分離層25及びｐ−Ｇａ_0.5Ａ
ｌ_0.5Ａｓ選択エッチング層26の両側はｎ−ＧａＡｓ層2
8，28にて埋め込まれている。そして上面，下面に電極2
9, 30を夫々形成して作成されている。ここでｎ−Ｇａ
Ａｓ層28とアンドープＧａ_0.86Ａｌ_0.14Ａｓ活性層23と
の間隔が0.1〜0.5μmであることにより良好な横基本モ
ードを得ている。

【０００７】この半導体レーザでは、クラッド層の表面
（又は内部でもよい）にクラッド層よりも屈折率が大き
いか、又は光吸収が大きい層（図８におけるｐ−Ｇａ
_0.8Ａｌ_0.2Ａｓ層モード分離層25）を設けることによ
り、レーザの発振状態が複数のモードを取り得るように
なしてあり、これら２つのレーザスペクトル間のモード
の振動により自励発振が起こりやすくなり、戻り光雑音
に強いという特性が得られる。

【０００８】また活性層をＭＱＷ（Ｍulti Ｑuantum
Ｗell;多重量子井戸）構造とした自励型の半導体レーザ
が提案されている（電子情報通信学会技術研究報告，信
学技報，vol.88,No.4,ＯＱＥ８８−５，pp33〜38）。こ
の半導体レーザは、光導波路である活性層をＭＱＷ構造
とすることにより、自励発振周波数を制御している。こ
の半導体レーザでは、注入キャリアに対する屈折率変化
が小さいため最大光出力を通常のものの２倍以上にする
ことができる。また、量子効果により低閾電流密度動作
が可能となり低消費電力につながる。さらに温度依存性
の改善が可能であり、高信頼性が得られる。以上より低
雑音高出力特性を有する半導体レーザの実現が可能であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが可飽和吸収層
を形成した自励発振型の半導体レーザでは、本願発明者
の実験結果によると、可飽和吸収層のバンドギャップが
活性層のバンドギャップよりかなり小さい場合には閾値
電流が大きくなり、また可飽和吸収層のバンドギャップ
が活性層のバンドギャップよりかなり大きい場合には可
飽和吸収層が発振光に対して透明状態となって光吸収が
不十分となり、自励発振が起こらない虞があった。これ
を解決するためには、可飽和吸収層のバンドギャップエ
ネルギを活性層のバンドギャップエネルギ、即ち発振波
長エネルギに略等しくすることが不可欠であることが判
った。

【００１０】しかしながら、可飽和吸収層がバルク構造
（層厚が量子効果を生じない数百Å以上）である場合に
は、可飽和吸収層の組成比を変えてそのバンドギャップ
の大きさを調整することにより、可飽和吸収層のバンド
ギャップエネルギを発振波長エネルギに略等しくするこ
とになる。しかし、このように可飽和吸収層の組成比を
変化させる場合には、特にＡｌＧａＩｎＰ系又はＧａＩ
ｎＡｓＰ系半導体レーザ素子等においては、可飽和吸収
層の結晶中に結晶欠陥が生じ、高閾値電流になる等の半
導体レーザ素子の特性劣化が生じるという問題があっ
た。特に発振波長が短波長（例えば活性層がＭＱＷ構造
とする場合）である場合、バルク構造の可飽和吸収層で
は発振波長エネルギにほぼ等しくすることが困難であっ
た。即ち、組成比だけで可飽和吸収層のバンドギャップ
エネルギを制御することは困難であった。

【００１１】また活性層をＭＱＷ構造とした自励発振型
の半導体レーザでは非点隔差が大きくなったり、低光出
力にてキンク（光出力−電流特性の非直線性）が生じる
という問題があった。

【００１２】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、可飽和吸収層を量子井戸構造又は歪量子井戸
構造とすることにより、可飽和吸収層と活性層のバンド
ギャップエネルギを合わせることが容易に行え、低光出
力にてキンクが生じにくく、低非点隔差であり、さらに
従来と同程度の閾値電流が得られる自励型の半導体レー
ザを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る半導体レ
ーザは、基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、一導電型クラ
ッド層と、活性層と、他導電型クラッド層とが形成さ
れ、前記一導電型クラッド層及び／又は前記他導電型ク
ラッド層の上、下面又は内部に可飽和吸収層が形成され
てなる自励発振型の半導体レーザにおいて、前記可飽和
吸収層として量子井戸可飽和吸収層を形成し、前記過飽
和吸収層を構成する量子井戸構造の井戸層における価電
子帯及び伝導体の量子化準位間を、発振波長エネルギに
等しくしたことを特徴とする。

【００１４】第２発明に係る半導体レーザは、第１発明
において、前記量子井戸可飽和吸収層は、前記一導電型
クラッド層及び他導電型クラッド層の両方／又は一方の
形成途中において形成された層であることを特徴とす
る。

【００１５】第３発明に係る半導体レーザは、第１、第
２発明において、前記活性層が量子井戸構造又は歪量子
井戸構造を有することを特徴とする。

【００１６】第１発明にあっては、可飽和吸収層を厚み
が約200Å以下である量子井戸構造とすることにより、
この範囲内で井戸層の厚み（以下井戸幅という）を制御
すれば、結晶欠陥等の問題が発生することなく可飽和吸
収層と活性層とのバンドギャップエネルギを容易に合わ
せることが可能となる。例えば井戸幅を短くするとバン
ドギャップエネルギは大きくなり、逆に井戸幅を長くす
るとバンドギャップエネルギは長くなる。井戸層の数
は、使用材料及び井戸幅により決定されるものであり、
単数又は複数とすることが可能である。

【００１７】また、可飽和吸収層を歪量子井戸構造とす
ることにより、井戸層に使用する化合物半導体の構成比
を変えて格子歪みを導入する方法と、前述の井戸幅を制
御する方法とにより可飽和吸収層と活性層とのバンドギ
ャップエネルギを容易に合わせることをより精度良く行
うことができる。また、井戸層の数は、使用材料及び井
戸幅により決定されるものであり、単数又は複数とする
ことが可能である。

【００１８】図９は、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａ_x
Ｉｎ_1-xＰにおけるＧａ含有率ｘと歪量との関係を示す
グラフである。歪量が正の値である場合は圧縮歪みを示
しており、負の値である場合は引張歪みを示している。
この場合、圧縮歪みの量を増加させる、即ちＧａの含有
率を減少させると、発振波長は長くなり、逆に引張歪み
の量を増加させる、即ちＧａの含有率を増加させると、
発振波長は短くなる。図９に示す如くＧａ含有率と歪量
とは直線的な関係を有しているためＧａ含有率を変える
ことにより、容易に所要の歪量を得て、可飽和吸収層の
バンドギャップエネルギを制御することができる。また
井戸幅を所望の歪量の臨界膜厚（結晶欠陥が発生し始め
る膜厚）以下にしておけば結晶欠陥の問題は発生しな
い。

【００１９】第３発明にあっては、第１，第２発明にお
ける効果に加えて、活性層を量子井戸構造又は歪量子井
戸構造とすることにより、自励発振周波数を制御して、
低雑音の半導体レーザを得ることができる。ここで井戸
層の数を少なくすると動作電流を低減することが可能で
あるが利得が減少するので、井戸層の数は井戸幅と組み
合わせて決定する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施例を示す
図面に基づき具体的に説明する。

【００２１】図１は、本発明に係る半導体レーザを示す
模式的断面図であり、赤色半導体レーザの場合を示す。
図中１は、ｎ−ＧａＡｓからなる基板であり、この基板
１の上に、ｎ−ＧａＩｎＰからなるバッファ層２，ｎ−
（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐからなるクラッド層
３，歪ＭＱＷ活性層４が順次形成されている。ここでク
ラッド層３中には歪量子井戸可飽和吸収層６が成されて
いる。歪ＭＱＷ活性層４上にはｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）
_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるクラッド層５及び歪量子井戸可飽
和吸収層６が形成されており、この上の中央部には、リ
ッジ状のクラッド層５と、ｐ−ＧａＩｎＰからなるコン
タクト層７とが形成されている。これらクラッド層５及
びコンタクト層７の両側はｎ−ＧａＡｓからなるブロッ
ク層８，８にて埋め込まれている。さらにコンタクト層
７及びブロック層８の上にはｐ−ＧａＡｓからなるキャ
ップ層９が形成されており、キャップ層９の上面にはｐ
電極10が、基板１の下面にはｎ電極11が夫々形成されて
いる。

【００２２】図２，３は、図１に示す半導体レーザの製
造方法を示す説明図である。基板１上に、ＭＯＣＶＤ法
（有機金属気相成長法）により、バッファ層２（膜厚0.
3μm），クラッド層３（膜厚0.8μm）を形成するが、ク
ラッド層３の形成途中において歪量子井戸可飽和吸収層
６を形成する。この歪量子井戸可飽和吸収層６は、図４
にそのエネルギバンド図を示しており、（Ａｌ_0.7Ｇａ
_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバリア層6a（膜厚50Å）
と、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰからなる井戸層6b（膜厚 100Å，歪
＋0.5〜1.0％）とを交互に積層してあり、本実施例では
井戸層6bを３層形成してある。

【００２３】クラッド層３上には歪ＭＱＷ活性層４を同
じくＭＯＣＶＤ法により形成する。歪ＭＱＷ活性層４
は、図５にそのエネルギバンド図を示しており、（Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5）Ｉｎ_0.5Ｐからなるガイド層4a（膜厚 500
Å）上に、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5） _0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるバ
リア層4b（膜厚50Å）とＧａＩｎＰからなる井戸層4c
（膜厚100Å，歪＋0.5％）とを交互に積層し、さらにそ
の上に（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5） _0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるガイド
層4a（膜厚 500Å）を形成してなる。本実施例において
は井戸層4cの数が５〜８であると良好な特性が得られ、
図５では５層の井戸層4cを設けている。ここでガイド層
4aは光を閉じ込めガイドして発光効率を高める目的で形
成してある。歪ＭＱＷ活性層４の上には、前述と同様の
歪量子井戸可飽和吸収層６を含みｐ−（Ａｌ_0.7Ｇ
ａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるクラッド層５（1.1μm ）
及びコンタクト層７をＭＯＣＶＤ法により形成する（図
２(a))。

【００２４】次に、コンタクト層７上に電子ビーム蒸着
法又はＣＶＤ法にてＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソグ
ラフィー法により幅約５μm のストライプ状にパターニ
ングを行い、マスク12とする（図２(b))。そしてマスク
12にて覆われていない部分のコンタクト層７及びクラッ
ド層５の上部 0.8μmを、臭化水素酸を使用したエッチ
ング（30℃，30秒間）により除去してリッジ状とする
（図２(c))。

【００２５】その後、選択成長によりｎ−ＧａＡｓを成
長させてブロック層８，８（１μm）とする（図３
(d))。そして緩衝フッ酸液によりマスク12を除去した
後、ｐ−ＧａＡｓからなるキャップ層９をＭＯＣＶＤ法
により形成し（図３(e))、キャップ層９の上面にｐ電極
10を、基板１の下面にｎ電極11を夫々形成する（図３
(f))。

【００２６】図６は、活性層又はクラッド層の厚み等を
適宜選択してなる従来の自励発振型半導体レーザ及び本
発明に係る半導体レーザにおける光出力−電流特性を示
すグラフであり、図６(a)が従来の半導体レーザの場合
を示し、図６(b) が本発明に係る半導体レーザの場合を
示す。本発明に係る半導体レーザとして、歪0.5％の井
戸層4cを５層有する歪ＭＱＷ活性層４と、歪 0.6％の井
戸層6bを１層有する歪量子井戸可飽和吸収層６とを備
え、ブロック層８下側のクラッド層５の膜厚は0.25μm
であるものを使用した。従来の半導体レーザとしては、
歪0.5％の井戸層（100Å)を７層とバリア層(50Å)６層
とを有する歪ＭＱＷ活性層を備え、ブロック層下側のク
ラッド層の膜厚は0.35μmであるものを使用した。図６
より本発明においては、光出力−電流特性の非直線性が
大幅に改善されていることがわかる。また、これらの半
導体レーザにおける閾値電流，非点隔差，キンクの有無
を表１に示す。表１より明らかな如く、本発明において
は非点隔差を縮小する効果も得られている。

【００２７】

【表１】

【００２８】図７は、本発明における歪量子井戸可飽和
吸収層６の井戸層6bの数に対する閾値電流と光干渉性を
示すγ値とを示すグラフである。γ値が1.0であるとシ
ングルモードとして作動し、γ値が小さくなる程、自励
発振性が強くなり、0.7以下であると自励発振型として
良好に作動する。ここで使用した半導体レーザは、井戸
層6bの膜厚が 100Å，歪0.6％であり、井戸層4cの膜厚
が 100Å，バリア層4bの膜厚が50Å，歪0.5％、ブロッ
ク層８の下側のクラッド層５は0.25μm のものである。
光干渉性を低くするために井戸層6bの数を増加させると
閾値電流が高くなる。従って本実施例では歪量子井戸可
飽和吸収層６に形成する井戸層6bの数は１〜３とするこ
とが望ましい。

【００２９】本実施例では、歪量子井戸可飽和吸収層６
をクラッド層３及びクラッド層５の両方に備える構成と
しているが、どちらか一方でも良好な効果が得られる。
またその形成位置は必要な光吸収量によって決定され、
クラッド層（３又は５）の内部に限定されるものではな
い。

【００３０】さらに本実施例では、歪量子井戸構造を有
する歪量子井戸可飽和吸収層としているが、量子井戸構
造を有する量子井戸可飽和吸収層とすることも可能であ
る。可飽和吸収層を構成する量子井戸構造の井戸層にお
ける価電子帯及び伝導体の量子化準位間と、発振波長エ
ネルギが略等しいことが望ましい。また歪ＭＱＷ構造の
みならずＭＱＷ構造，ＳＱＷ（Ｓingle Ｑuantum Ｗel
l;単量子井戸) 構造又はバルク構造の活性層を備える半
導体レーザにも本発明は適用可能である。

【００３１】本実施例は、ＧａＩｎＰ及びＡｌＧａＩｎ
Ｐを使用した赤色半導体レーザの場合について説明した
が、他の化合物半導体を使用したあらゆる自励発振型の
半導体レーザに適用することが可能であることはいうま
でもない。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明に係る半導体レーザ
は、可飽和吸収層を量子井戸構造とすることにより、可
飽和吸収層と活性層とのバンドギャップエネルギを合わ
せることが容易に行え、さらに可飽和吸収層を歪量子井
戸構造とすることにより、バンドギャップエネルギの制
御がより精度良く容易に行い得、低雑音高出力特性を有
する良好な半導体レーザが実現する等、本発明は優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体レーザを示す模式的断面図
である。

【図２】図１に示す半導体レーザの製造方法を示す説明
図である。

【図３】図１に示す半導体レーザの製造方法を示す説明
図である。

【図４】図１に示す半導体レーザにおける歪量子井戸可
飽和吸収層のエネルギバンド図である。

【図５】図１に示す半導体レーザにおける歪ＭＱＷ活性
層のエネルギバンド図である。

【図６】光出力−電流特性を示すグラフである。

【図７】歪量子井戸可飽和吸収層の井戸層の数に対する
閾値電流及びγ値を示すグラフである。

【図８】従来の半導体レーザを示す模式的断面図であ
る。

【図９】ＧａＩｎＰにおける歪量とＧａ組成との関係を
示すグラフである。

【符号の説明】

１基板３クラッド層４歪ＭＱＷ活性層５クラッド層６歪量子井戸可飽和吸収層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池上隆俊大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者本多正治大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA13 AA45 AA51 AA71 AA74 AA89 BA05 CA06 CA14 CB02 DA05 DA23 EA16 EA23 EA27 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、ＭＯＣＶＤ法により、一導電
型クラッド層と、活性層と、他導電型クラッド層とが形
成され、前記一導電型クラッド層及び／又は前記他導電
型クラッド層の上、下面又は内部に可飽和吸収層が形成
されてなる自励発振型の半導体レーザにおいて、前記可
飽和吸収層として量子井戸可飽和吸収層を形成し、前記
過飽和吸収層を構成する量子井戸構造の井戸層における
価電子帯及び伝導体の量子化準位間を、発振波長エネル
ギに等しくしたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】前記量子井戸可飽和吸収層が、前記一導
電型クラッド層及び他導電型クラッド層の両方／又は一
方の形成途中において形成された層であることを特徴と
する半導体レーザ。
【請求項３】前記活性層が量子井戸構造又は歪量子井
戸構造を有することを特徴とする請求項１又は２記載の
半導体レーザ。