WO1997033351A1

WO1997033351A1 - Semiconductor laser

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Publication number: WO1997033351A1
Application number: PCT/JP1997/000643
Authority: WO
Inventors: Hideto Adachi; Isao Kidoguchi; Yasuhito Kumabuchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 1997-09-12
Anticipated expiration: 1998-09-04
Also published as: KR100329310B1; EP0886351A1; US6151348A; CN1214806A; DE69726412D1; CN1095231C; DE69726412T2; KR19990087508A; EP0886351B1; JP3424933B2; EP0886351A4

Description

明細書半導体レーザ

技術分野

本発明は、光ディスクシステムに含まれる光ピックアツプの光源などに用いられる、低雑音自励発振型半導体レーザに関する。背景技術

近年、光通信、レーザプリンタ、光ディスクなどの分野で半導体レーザの需要が高まり、 G a A s系及び I n P系を中心として、活発に研究開発が進められている。このうち光情報処理分野においては、特に波長が約 7 8 O n mの A】 G a A s系半導体レーザ光による悄報の記錄 ·再生を行う方式が実用化され、コンパクトディスク等で広く普及するに至っている。し力、し、最近になって、これらの光ディスク装置に対して、より一層の記憶容量の増加が求められるようになっており、それに伴って、短波長レーザの実現への要望が強まってきている。

この点に関連して、 A 1 G a I n P系半導体レーザは、約 6 3 0 n m〜約 6 9 0 n mの去诚での ¾ ^が可であり、 Ϊ .暁.占で卖闲しベルあ^半^汰し一ザの中で、最も短波長の光が得られる。従って、 A 1 G a I n P系半導体レーザは、従来の A 1 G a A s系半導体レーザに代わる次世代の大容量光情報記録用光源として、有望である。

ところで、半導体レーザを光源とする光ディスクの再生時には、ディスク面からの反射光の帰還や温度の変化により、強度雑音が発生する。このような強度雑音は、信号の読取エラーを誘発する。従って、光ディスクの光源用としては、強度雑音の少な t、半導体レ一ザが不可欠となる。

従来、再生専用光ディスクのための光源として使用される低出力の A 1 G a A S系半導体レーザでは、雑音を低減するために、リッジストライプの両側に意図的に可飽和吸収体が形成されるような構造を採用することによって、低雑音化が図られてきている。このような構成にすると、縦モードのマルチ化が達成される。半導体レーザが単一縦モードで発振しているときに、光の帰還や温度変化などによる外乱が入ると、利得ピークの微少な変化によって、近接する縦モードが発振を開始する。このようにして発振を開始したモードは、元の発振モードとの間で競合を起こし、これが雑音の原因となる。これに対して、上記のような手法によつて縦モ一ドをマルチ化すると、各モードの強度変化が平均化されるとともに外乱による強度変化が生じなくなるので、安定した低雑音特性を得ることが可能になる。

また、別の方法として、さらに安定な自励発振特性を得ようとする試みが、特開昭 6 3— 2 0 2 0 8 3号公報に示されている。具体的には、出力光を吸収できる層を設けることで、自励発振型半導体レーザを実現している。

さらに、特開平 6— 2 6 0 7 1 6号公報では、活性層のバンドギヤップと吸収層のバンドギャップとをほぼ等しくすることによって、半導体レーザの動作特性を改善したとの報告がなされている。上記公報では、特に、歪量子井戸活性層のエネルギーギャップと歪量子井戸可飽和吸収層のバンドギヤップとが、お互いにほぼ等しく設定されている構成が開示されており、このような構成によって良好な自励発振特性を得ようとしている。

さらに、特開平 6— 2 6 0 7 1 6号公報と同様の構成が、特開平 7 - 2 2 6 9 5号公報にも記載されている。

発明の開示；

本発明の半導体レーザは、活性層と可飽和吸収層とを少なくとも備え、該可飽和吸収層における圧縮歪み量は、該活性層における圧縮歪みの値よりも、約 0 . 3 %或いはそれ以上大きい。前記可飽和吸収層は、 P型の導電型を有し得る。

ある実施形態では、前記活性層と前記可飽和吸収層との間に設けられたクラッド層をさらに備えており、該クラッド層のバンドギャップは、該活性層及び該可飽和吸収層のそれぞれのバンドギャップよりも大きい。前記クラッド層の厚さは、例えば約 9 0 0オングストローム以上である。

前記クラッド層の不純物濃度は、少なくとも約 1 X 1 0 ^{1 8} c m— ³であり得る。本発明の他の局面によれば、半導体レーザが、活性暦と可飽和吸収暦と該 QJ'飽和吸収層の近傍に配置された光ガイド層とを少なくとも備え、該可飽和吸収層における圧縮歪み量は、該活性層における圧縮歪みの値よりも、約 0 . 3 %或いはそれ以上大きい。

ある実施形態では、前記活性層と前記可飽和吸収層と前記光ガイド層とがこの順序で配置されている。

或いは、前記活性層と前記光ガイド層と前記可飽和吸収層とがこの順序で配置されている。なお、この場合には、上述の「クラッド層の厚さが約 9 0 0オングストローム以上」という値には、活性層と過飽和吸収層との間に配置された光ガィド層の厚さも含まれるものとする。従って、厳密には、「クラッド層の厚さと光ガイド層の厚さとの合計値が約 9 0 0オングストローム以上」ということにな前記活性層は歪量子井戸構造を有し得て、前記可飽和吸収層は、該活性層における圧縮歪みの値よりも約 0 . 3 %或いはそれ以上大きい圧縮歪みを有する歪量子井戸層であり得る。

前記可飽和吸収層は、 p型の導電型を有して p型クラッド層中に配置され得る。ある実施形態では、前記活性層と前記可飽和吸収層との間に設けられたクラッド層をさらに備えており、該クラッド層のバンドギャップは、該活性層及び該可飽和吸収層のそれぞれのバンドギヤップよりも大きい。

前記クラッド層の厚さは、約 9 0 0オングストローム以上であり得る。前記クラッド層の不純物濃度は、少なくとも約 1 X 1 0 ^{1 8} c m_ ³であり得る。これより、本発明は、半導体レーザに含まれる可飽和吸収層の歪み量の適切な設定や光閉じ込め率を決定する光ガイド層の適切な設置により、特に高温動作時に安定した自励発振特性を有する半導体レーザを提供すること、を目的とする。図面の簡単な説明

図 1は、 I n G a P層への圧縮歪みの導入の有無が半導体レーザの利得特性に与える影響を説明する図である。

図 2は、本発明の第 1の実施形態における半導体レーザの構造を示す断面図である。

図 3は、本発明の第 1の実施形態の半導体レーザにおける活性層及びその近傍における A 1組成の変化を示す図である。

図 4は、本発明の第 1の実施形態の半導体レーザにおける電流一光出力特性図である。

図 5は、本発明の第 1の実施形態の半導体レーザにおける光出力の時間変化を示す図である。

図 6 A及び図 6 Bは、可飽和吸収層への圧縮歪みの導入の有無が半導体レーザの相対強度雑音特性に与える影響を説明する図である。

図 7は、本発明の第 1の実施形態の半導体レーザにおける可飽和吸収層への印加歪み量の最適範囲を説明する図である。

図 8は、本発明の第 2の実施形態における半導体レーザの構造を示す断面図である

図 9は、本発明の第 2の実施形態の半導体レーザの活性層及びその近傍における A 1組成の変化を示す図である。

図 1 0は、活性層と光閉じ込め層との間の距離と、活性層及び可飽和吸収層での光閉じ込め係数との間の関係を示す図である。図 1 1 A、図 1 1 B、及び図 1 1 Cは、可飽和吸収層への圧縮歪みの導入の有無、及び光ガイド層の配置の最適化が、半導体レーザの相対強度雑音特性に与える影響を説明する図である。

図 12は、本発明の第 2の実施形態の半導体レーザにおける寿命時間と動作電流との相関を示す図である。

図 13は、 GaAs及び 1 n G a Pにおける利得特性を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の具体的に実施形態の説明に先立って、以下ではまず、本発明に至る過程で本願発明者らによって行われた検討結果について説明する。

先に述べたように、従来技術においては、半導体レーザにおける自励発振現象の利用に関する様々な報告が行われている。しかし、本願発明者による検討によれば、 A 1 G a I n P系半導体レーザでは、 A 1 G a A s系に比べて材料の利得特性曲線が大きく異なるために、自励発振特性を得ることが困難であることが明らかとなつた。この点を、図 13を参照して説明する。

図 13は、 G a A s及び I nG a Pの利得特性を示す図である。これらの材料 (G a A s及び I nG a P) は、それぞれ A 1 G a A s系半導体レーザ及び A 1 Ga I nP系半導体レーザの活性層の構成材料として主に用いられる。

本願発明者らによる検討によれば、キヤリア密度に対する利得特性曲線の傾きが大きいほど、自励発振特性が容易に得られることが明らかになった。その理由は、自励発振特性を得るためには可飽和吸収層の內部でキヤリアの強い振動が要求されることに関連しており、キヤリア密度に対する利得特性曲線の傾きが大きいほど、少ない光の吸収でキャリア密度を変化させることが可能となり、結果的にキヤリアの振動が生じやすくなるためである。

ところが、 I n G a Pの場合は、 GaA sに比べて傾きが小さいため、相対的に自励発振特性を得ることが困難であることが判明した。これは、 I nGa Pの高い微分利得がキヤリアの強い振動を誘起することに基づいている。これに対して、例えば A〗 G a A s系のレーザダイオード（L D ) では、安定した自励発振特性を容易に得ることが可能である。

本願発明者らの実験結果によると、赤色半導体レーザの場合、従来技術で行われているように単に可飽和吸収層を付加しただけでは、安定した自励発振特性を得ることが困難であることが明らかになった。具体的には、前述したように、 A 】 G a I η Ρ系半導体レーザにおいては、可飽和吸収層の利得特性の制御が重要となる。

そこで、本願発明者らは、特に可飽和吸収層の歪み量を検討することによって、高温動作時の自励発振特性の向上を実現した。さらに、このような良好な利得特性を実現したレーザにおいて、さらなる特性の向上を実現するためには、可飽和吸収層への光の閉じ込め係数を増加させることが大きく影饗することを新たに見い出した。

具体的には、本願発明者らによる検討によれば、可飽和吸収層の利得特性を最適なものにするためには、可飽和吸収雇に、活性層に印加されている圧縮歪み量よりも約 0 . 3 %或いはそれ以上に大きい圧縮歪みを印加すればよい。このような設定によって、高温動作時でも、自励発振を十分に維持できることが明らかになった。これは、適切な大きさの圧縮歪みの導入によって、可飽和吸収層の内部において、キャリア密度の変化に対する利得の変化が急激になり、可飽和吸収層でのキヤリアの增減の振動成分が強くなつて、結果として活性層と可飽和吸収層との間でのフォトンとキヤリアとの相互作用が強化されるからである。

導入される圧縮歪み置が上記の設定よりも小さい場合、 A 1 G a 〗 n P系材料のように本質的に利得特性の低い材料系では、充分な自励発振特性を得ることが困難となる。一方、導入される圧縮歪み量が大き過ぎると、結晶の品質が劣化して信頼性に悪影響を与える。圧縮歪み量の上限値は、活性層への歪みの印加の有無にかかわらず、約 2 . 0 %である。これより大きな圧縮歪みが印加されると、可飽和吸収層の中での転位の発生などの問題が顕著になつてくる。

ここで、本発明に従って可飽和吸収層に印加される歪み量を、さらに説明する。本発明によれば、可飽和吸収層の歪みは、活性層に対して可飽和吸収層が圧縮されるように印加される。例えば、活性層に既に圧縮歪みが印加されている場合は、可飽和吸収層には、活性層に印加されている圧縮歪み量よりも約 0 . 3 %或

C、はそれ以上に大きな圧縮歪みを印加する。

一方、活性層に引っ張り歪みが印加されている場合には、可飽和吸収層に圧縮歪みを印加して上記の条件を満足することができるだけでなく、引っ張り歪みを印加しても、上記の条件を満足することが可能である。すなわち、引っ張り歪みが印加されている活性層に対して、可飽和吸収層に、活性層に対する引っ張り歪みよりも小さな引っ張り歪みを印加すれば、可飽和吸収層には結果的に圧縮歪みが印加されることになる。そこで、両者に印加される歪み量の差が適切な大きさになるように設定すれば、引っ張り歪みの印加によっても上記の条件が満足される。

活性層が歪量子井戸構造を有する場合には、歪量子井戸構造の歪み量に対して約 0 . 3 %或いはそれ以上大きい歪み量を、可飽和吸収層に印加する必要がある。これは、可飽和吸収層における光吸収効果を十分に発揮させるためである。

このように、可飽和吸収層に印加されるべき圧縮歪み量は、活性層の圧縮歪み量が 0 %であれば、少なくとも約 0 . 3 %になる。或いは、活性層の圧縮歪み量が約 0 . 5 %であれば、可飽和吸収層に印加されるべき圧縮歪み量は、少なくとも約 0 . 8 %になる。

さ 'こ、本発明では、光閉じ込め層を設けることによって、光閉じ込め率（光閉じ込め係数）を規定する。

自励発振特性は、活性層及び可飽和吸収層における光の閉じ込め状態に大きく影響さ'れる。特に、可飽和吸収層での光閉じ込めが十分に大きくないと、安定な自励発振特性を得ることはできない。しかし、その一方で、可飽和吸収層での光閉じ込めを増加させ過ぎると活性層での光閉じ込めが減少し過ぎて、駆動電流が上昇して信頼性に悪影響を及ぼす。

本発明の半導体レーザでは、高温動作時の自励発振特性をより向上するために光ガイド層を導入して、可飽和吸収層での光閉じ込めを增加させている。本願発明者らによる今回の検討によれば、光ガイド層を、活性層と歪みを有する可飽和吸収層との間に設けることにより、自励発振特性が向上することが明らかになつた。具体的には、活性層、可飽和吸収層、及び光ガイド層をこの順序で配置することにより、活性層での光の閉じ込めを低減することなく、可飽和吸収層での光の閉じ込めをより増加できることが明らかになつた。

光ガイド層を活性層と可飽和吸収層との間に設けると、光ガイド層の A 1組成が低くバンドギャップが小さいので、活性層から光ガイド層へのキャリアのォ一バーフローが生じる恐れがある。し力、し、上記のように本発明では、光ガイド層を活性層からみて可飽和吸収層よりも遠くに配置することで、このようなキヤリァのオーバ一フローやそれに伴う悪影響を低減することができる。その結果、約 6 0て或、はそれ以上の高、温度でも、安定した自励発振特性を実現することができる。

図 1は、歪みを有さない I n G a P層及び歪みを有する I n G a P層のそれぞれにおける利得特性（すなわち、キャリア密度に対する利得係数の変化）を示す。これより、歪みの印加に伴って、利得特性曲線の傾き（すなわち微分利得）が増加していることが確認される。この微分利得の増加は、キャリア密度の変化に対して強い振動を誘発し、結果として自励発振現象を強める。

従来技術の自励発振型半導体レーザでは、可飽和吸収層へのこのような歪み量の導入は、全く考慮されていない。例えば、本願明細書において、従来技術の自励発振型半導体レーザの構成例を開示しているとして幾つかの文献を挙げているが、それらの文献には、上記のような歪み量の導入に関する記述はない。

さらに、従来技術においては、半導体レーザの活性層の両側に設けられたクラッド層の中に活性層と同等のバンドギヤップを有する可飽和吸収層を導入するだけで、自励発振が生じるとされている。し力、し、本願発明者らによる検討によれば、実際には、そのような可飽和吸収層の設置のみでは、自励発振型レーザの実現が困難であることが明らかになった。すなわち、先に述べたように、本願発明者らによる実験では、可飽和吸収層のバンドギヤップが活性層のバンドギヤップと同等レベルである程度では、自励発振現象が非常に生じ難いことが明らかになつた。

そこで、本願発明者らは、上記のような内容を考慮した上で、自励発振型半導体レーザの最適な構成を実験に基づ t、て提案している。以下では、上記のような検討結果に基づいて達成された本発明の様々な実施形態のいくつかを、添付の図面を参照しながら説明する。

(第 1の実施形態）

図 2は、本発明の第 1の実施形態における自励発振特性を有する半導体レーザ 10の構造を示す断面図である。

半導体レーザ 10において、 n型 G a A s基板 201の上に、 n型 I nGa P ノくッファ層 202、 n型 A 1 G a I nPクラッド層 203、 I nGa P井戸層及び A 1 G a I n P障壁層を含む多重量子井戸活性層 204、 p型 A l Ga l n P からなる第 1の p型クラッド層 205 a、 p型 A 1 G a I nP光ガイド層 207、 p型 A l Ga I nPからなる第 2の p型クラッド層 205 b、 p型 I nGa P歪量子井戸可飽和吸叹層 206、 p型 A 1 G a 1 n Pからなる第 3の p型クラッド層 205 及び P型 I nG a Pエッチングストップ層 200カ^ 順次形成されている。 p型 I n G a Pエッチングストップ層 20◦の上には、 p型 A I Ga l ri Pからなる第 4の p型クラッド層 205 d及び p型 I nGa Pコンタクト層 2 10が,リッジ状に形成されており、リツジの両側には、 n型 G a A s電流ブロック層 21 1が形成されている。さらに、 p型コンタクト層 210及び n型電流ブロック層 21 1の上には、 p型 GaA sキャップ層 21 2が形成されている。そして、キャップ層 212の上には p電極 213が形成され、一方、基板 201の裏面には n電極 214が形成されている。

上述した各層の典型的なドーピング量、厚さ、及び印加される歪み量は、それぞれ以下の通りである。表 1

名称参照番号ドーピング量膜厚歪み量キヤップ層 21 2 5 X 10¹⁸ (cm"³) 3 /i m 無第 3の p型クラッド層 205 c 1 x 10¹⁸ (cm³) 0. 9 ^ m 媒エツチングス卜ップ屨 200 5 x 10¹⁷ (cm³) 100人

第 2の p型クラッド層 205 b 5 x 10¹⁷ (cm³) 1 35 OA ffiP 歪 i子井戸可飽和吸収層 206 2 x 10¹⁸ (cm ³) 150 A 0.8¾ 第 1の p型クラッド層 205 a 5 x 1 O¹⁷ (cm³) 900人無活性層 204 アンド一プ 500A 0.5% n型クラッド層 203 5 x 1 O¹⁷ (cm-³) 1. 0

'ッファ層 202 1 10¹⁸ (cm³) 0. 3 慨

図 3に、半導体レーザ 1 0の活性層 204及びその近傍における（A l _xG a

0. 5 I n₀, ₅Pの A 1組成 xの変化を示す。図示されているように、半導体レ—ザ10では、 n型クラッド層 203及び第 1〜第 4の p型クラッド層 20 5 a〜205 dにおける A I組成 Xを、 0. 7としている。

また、先の表に示したように、半導体レーザ 10では、可飽和吸収層 206の厚さを約 1 50人に設定している。可飽和吸収層 206が厚いと、その体積が大きくなりすぎるために、キャリア密度が相対的に小さくなる。そのため、キヤリァ密度の振動の効果が減少して、自励発振特性が得られ難くなる。このため、可飽和吸収層 2 0 6は薄い方が望ましい。

さらに、半導体レーザ 1 0の可飽和吸収層 2 0 6の不純物濃度（ドーピング量）は、約 2 X 1 0 ^{1 8} c m—³に設定している。これは、可飽和吸収層 2 0 6の内部におけるキヤリアの寿命を短くするためである。

具体的には、可飽和吸収層 2 0 6の内部におけるキヤリアの寿命が短いほど、自励発振現象を生じさせるために必要な可飽和吸収層 2 0 6のキヤリア密度の時間変化が大きくなり、結果的に自励発振現象が生じやすくなる。本願発明者らの実験によれば、その寿命時間は、自励発振現象を生じさせるためには、可飽和吸収層 2 0 6の内部でのキャリア寿命は約 6ナノ秒以下であることが望ましい。一般に、不純物濃度が低ければキャリアの寿命が長くなり、不純物濃度が高ければキャリアの寿命が短くなるが、可飽和吸収層 2 0 6の不純物澳度（ドーピングレベル）を約 1 X 1 0 ^{1 8} c m—³程度に高くすることによって、その中でのキヤリア寿命を減少させることができる。

半導体レーザ 1 0では、第 1の p型グラッド層 2 0 5 aの厚さを約 9 0 O Aとしている。また、そのバンドギャップを、活性層 2 0 4及び可飽和吸収層 2 0 6 のバンドギヤップよりも大きくなるように設定して、活性層 2 0 4からあふれでた少数キャリアが可飽和吸収層 2 0 6に入らないようにしている。さらに、可飽和吸収層 2 0 6の歪み量は、約 0 . 8 %としている。

以上のような設定によって、半導体レーザ 1 0では、可飽和吸収層 2 0 6への光の閉じ込め係数が約 3 %以上であれば、自励発振特性が得られる。

図 4は、本実施形態の自励発振型半導体レーザ 1 0における電流一光出力特性の測定例であり、この場合には閲値電流が約 5 O m Aであることがわかる。図 4 にも現れているように、自励発振型半導体レーザの電流—光出力特性が通常の半導体レーザの特性と異なっている点は、閾値電流の近傍で特性曲線の急激な立ち上がりが認められる点である。これは、自励発振型半導体レーザには可飽和吸収層が存在するために、ある程度のキャリアの注入量に達するまでは、光出力が外部へ放出されないことによる。キヤリァ注入量がある値を越えるとレーザ発振が生じて、注入電流量に比例して光出力が増加する。

図 5は、本実施形態の自励発振型半導体レーザ 1 0における光出力波形の測定例である。時間の経過につれて光出力が大きく振動しており、自励発振が生じていることが確認できる。

さらに、図 6 A及び図 6 Bには、可飽和吸収層に歪みが導入されていない場合 (歪なし：図 6 A ) と導入されている場合（歪あり：図 6 B ) とのそれぞれにおける、相対強度雑音特性（温度変化に対する相対強度雑音レベルの変化）を示す。 —般に、自励発振特性と相対強度雑音特性とは密接な関係にあり、自励発振が停止すると、相対強度雑音のレベルが上昇する。図 6に示すデータから、可飽和吸収層に歪みが導入されていない場合には、約 4 5 °Cまでの温度範囲で相対強度雑音レベルが安定しており、その範囲で低雑音化が達成されている。一方、可飽和吸収層に歪みが導入されている場合には、約 5 5 までの温度範囲で相対強度雑音レベルが安定しており、その範囲で低雑音化が達成されている。

さらに、図 7は、活性層に約 0 . 5 %の歪み量が導入されている場合における、可飽和吸収層に導入される歪み量と自励発振が生じる最高温度 T m a Xとの関係を示す図である。

図 7より、可飽和吸収層に約 0 . 8 %から約 1 . 8 %の範囲の歪み量が導入される場合に、 T m a Xが約 6 0 °C以上になっている。これに対して、可飽和吸収層に与えられる歪み量が約 0 . 8 %以下である場合には、微分利得が十分に確保できないために自励発振が不安定になる。また、可飽和吸収層に与えられる歪み量が約 1 . 8 %以上である場合には、歪み量が大きすぎて光吸収効果が過度に増大し、結果的に閾値電流や駆動電流が過度に増加する。この結果、活性層への注入キャリァ量が多くなり、可飽和吸収層でのキヤリァの振動の効果が相対的に小さくなるために、自励発振がやはり不安定になる。このように、可飽和吸収層に印加される歪み量は、自励発振特性に大きな影響を与えるパラメータであり、安定な自励発振特性を得るためにはその最適な設定範囲が存在する。

以上の説明では、活性層への印加歪み量を約 0 . 5 %としているので、可飽和吸収層に印加されるべき歪み量は、少なくともそれより約 0 . 3 %大きい約 0 .

8 %、或いはそれ以上になる。これに対して、活性層への印加歪み量がほぼ零である場合には、可飽和吸収層に印加されるべき歪み量は、少なくとも約 0 . 3 %、或いはそれ以上ということになる。

このように、本発明によれば、可飽和吸収層への印加歪み量と活性層への印加歪み量との差を、少なくとも約 0 . 3 %、或いはそれ以上とする。なお、可飽和吸収層に印加する歪み量の上限は、好ましくは、活性層の歪み量に関係なく、約 2 . 0 %以下であればよい。これは、これより大きい歪みを印加すると、可飽和吸収層の内部での転位の発生などの問題が生じて、信頼性が低下する原因になるカヽらである。

以上の説明では、可飽和吸収層をクラッド層の中に設けているが、その代わりに、 n型クラッド層の中に可飽和吸収層を設けてもよい。この場合にも、本実施形態で説明したように、可飽和吸収層に過度の歪みを導入すると、光吸収効果が大きくなり過ぎて、動作特性が劣化する。可飽和吸収層を n型クラッド層の中に設置する構成においても、可飽和吸収層へ導入する歪み量を活性層の歪み量に対する差として規定すれば、可飽和吸収層への導入歪み量を最適化することで、可飽和吸収層が P型クラッド層の中に配置されている上記の場合と同様に、安定な自励発振の実現などの効果を得ることができる。

さらに活性層への光の閉じ込め機能に関連して、可飽和吸収層は、好ましくは、活性層、可飽和吸収層、及び光ガイド層の順に配置されるのがよい。このような配置とすることによって、活性層の光閉じ込め機能を低減することなく、可飽和吸収層の光閉じ込め機能をさらに増加することができる。これによつて、キヤリァのォ一バーフローの影響も低減されて、約 60°C或いはそれ以上の高い温度であっても、安定な自励発振特性を実現することができる。

本実施例では、可飽和吸収層に歪みを導入することによって最高自励発振温度が約 10°C程度増加できた。同時に高出力化が可能となった。以上説明したように、本実施例の半導体レーザの特性は、歪みを有する量子井戸可飽和吸収層及び光ガイド層という構造を採用することで実現できるものである。

(第 2の実施形態）

図 8は、本発明の第 2の実施形態における自励発振特性を有する半導体レーザ 20の構造を示す断面図である。本実施形態では、光ガイド層の配置を考慮することによって、動作特性をさらに向上させることができる。

半導体レーザ 20において、 n型 G a A s基板 801の上に、 n型 I nG a P バッファ層 802、 n型 A 1 Ga I nPクラッド層 803、 1 nGa P井戸層及び A】 G a〗 n P障壁層を含む多重量子井戸活性層 804、 p型 A 1 G a I n P からなる第 1の p型クラッド層 805 a、 p型 I n G a P歪量子井戸可飽和吸収層 806、 p型 A】 G a I n Pからなる第 2の p型クラッド層 805 b、及び p 型 I nG a Pエッチングストップ層 800カ^ 順次形成されている。 p型エッチングス卜ップ層 800の上には、 p型 A 1 G a I n P光ガイド層 81 5、 p型 A 】 G a I n Pからなる第 3の p型クラッド層 805 c、及び p型 I nGa Pコンタク卜層 810力、'、リッジ形状をなすようにさらに順次形成されている。リッジの両側には、 n型 G a A s電流ブロック層 81 1が形成されている。さらに、 p 型コンタクト層 810及び n型電流ブロック層 81 1の上には、 p型 GaA sキヤップ層 812が形成されている。そして、キャップ層 812の上には p電極 8 1 3が形成され、一方、基板 801の裏面には n電極 814が形成されている。図 9に、半導体レーザ 20の活性層 804及びその近傍における（A 1 _XG a x__x) o. ₅ I n_{0 5} Pの A 1組成 xの変化を示す。図示されているように、半導体レーザ 2 0では、 n型クラッド層 8 0 3、ならびに第 1、第 2及び第 3の p型クラッド層 8 0 5 a、 8 0 5 b及び 8 0 5 cにおける A 1組成 Xを、 0 . 7としている。また、図からわかるように、光ガイド層 8 1 5は、活性層 8 0 4から見て可飽和吸収層 8 0 6よりも遠くに設けられている。

図 1 0には、活性層と約 1 0 0 0オングス卜ロームの厚さを有する光ガイド層との間の距離 d (図 9参照）に対する、活性層及び可飽和吸収層のそれぞれにおける光閉じ込め係数の依存性を示す。

自励発振特性は、活性層及び可飽和吸収層の光閉じ込め係数のバランスにより、大きく影響される。単純に自励発振特性を強めるためには、可飽和吸収層の光閉じ込め係数を増加させればよいが、可飽和吸収層における光閉じ込め係数の増加に伴って、活性層の光閉じ込め係数は逆に低下し、それによつて半導体レーザそれ自体の動作特性の劣化や駆動電流の増加などの悪影響が招かれる。

この点に関連して、第 1の実施形態では、光ガイド層を活性層と可飽和吸収層との間に設けることによって、特に可飽和吸収層の光閉じ込め係数を増加させている。これに対して、本願発明者らによるさらなる検討によれば、可飽和吸収層の外側（すなわち、活性層とは反対の側）に光ガイド層を設けることにより、活性層での光閉じ込め機能を低下させることなく、可飽和吸収層での光閉じ込め機能をさらに増加できることが明らかになつた。

図 1 0力、ら、活性層と光ガイド層との間の距離 dが約 1 3 0 0オングストローム以上で且つ約 2 0 0 0オングストローム以下であれば、可飽和吸収層における光閉じ込め係数は約 2 . 0 %近くになって、可飽和吸収層での光閉じ込め機能が大きくなることがわかる。このような距離 dの設定は、上述のように光ガイド層を可飽和吸収層の外側に設けた場合に相当するものであって、先に参照した図 8 の構造に相当するものである。なお、このように光ガイド層が活性層から離れて位置している場合でも、活性層での光閉じ込め機能はそれほど低下していな t、。図 1 1 A、図 1 1 B、及び図 1 1 Cは、可飽和吸収層への歪みの導入の有無及び光ガイド層の配置の最適化による、相対強度雑音特性への影響を比較するための図である。ここで、図 1 1 A及び図 1 1 Bは、先に図 6 A及び図 6 Bとして示した図と同じであり、可飽和吸収層への歪みの導入の有無が相対強度雑音特性に与える影響を示している。一方、図 1 1 Cは、可飽和吸収層に歪みを導入した上で、さらに光ガイド層の配置を本実施形態で先に説明したように最適化した場合における、相対強度雑音特性を示す。光ガイド層の最適配置を行っていない状態に相当する図 1 1 Bの特性に比べて、光ガイド層の最適配置を行っている状態に相当する図 1 1 Cの特性は向上しており、約 6 0てまでの温度範囲に渡って、相対強度雑音特性の劣化は確認できない。

なお、活性層と光ガイド層との間の距離を約 2 0 0 0オングストロー厶以上ににすると、活性層での光閉じ込めが低下して動作電流が増加し、半導体レーザの信頼性に悪影響が及ぼされる。

図 1 2は、半導体レーザ 2 0における、レーザ素子の寿命時間と動作電流との関係を示す。これより、半導体レーザの寿命として約 5 0 0 0時間以上を確保するためには、動作温度約 6 0 及び光出力約 5 mWという動作条件で、動作電流が約 1 3 O m A以下でなくてはならない。一方、本願発明者らによる検討では、半導体レーザ 2 0の構成では、活性層と光ガイド層との間の距離が約 2 0 0 0ォングス卜ローム以上になると、動作電流が約 1 3 O m Aを越える。この点を考慮すれば、光ガイド層は、活性層から約 1 3 0 0オングストローム〜約 2 0 0 0ォングストロームだけ離れた箇所に位置させることが適している。

さらにこの場合には、 A 1組成が低い光ガイド層を、活性層と可飽和吸収層との間ではなく、過飽和吸収層よりも外側に配置することによって、キャリアのォ —バーフロ—の影響も低減される。すなわち、光ガイド層を可飽和吸収層の外側に配置すると、活性層と可飽和吸収層との間は、高い A 1組成を有する材料で占められることとなる。これにより、キャリア、特に電子のオーバ一フローが低減される。電亍のオーバーフローが増加すると、可飽和吸収屑による光吸収効采か' 減少して安定な自励発振を維持できなくなるが、上記のように光ガイド層の位置を最適化する本実施形態の配置（構成）では、そのような問題点を克服することができて、高温動作時でも安定な自励発振特性を実現することができる。産業上の利用の可能性

以上のように、本発明によれば、可飽和吸収層へ適切な大きさの圧縮歪みを導入することにより、微分利得を増加させて、安定した自励発振特性をもつ半導体レーザを実現することができる。

また、本発明によれば、半導体レーザでは、光ガイド層を採用し、特に活性層、可飽和吸収層、及び光ガイド層の順に配置することで、より高温動作時においても、自励発振特性を実現する半導体レーザを得ることができる。

Claims

請求の範囲

1. 活性層と可飽和吸収層とを少なくとも備え、

該可飽和吸収層における圧縮歪み量は、該活性層における圧縮歪みの値よりも、約 0. 3%或いはそれ以上大きい、半導体レーザ。

2. 前記可飽和吸収層が p型の導電型を有している、請求項 1に記載の半導体レーザ。

3. 前記活性層と前記可飽和吸収層との間に設けられたクラッド層をさらに備えており、該クラッド層のバンドギャップは、該活性層及び該可飽和吸収層のそれぞれのバンドギヤップよりも大きい、請求項 1に記載の半導体レーザ。

4. 前記クラッド層の厚さが約 900オングストローム以上である、請求項 3 に記載の半導体レーザ。 '

5. 前記クラッド層の不純物濃度が少なくとも約 1 X 10¹⁸ cm ³である、請求項 3または 4に記載の半導体レーザ。

6. 活性層と可飽和吸収層と該可飽和吸収層の近傍に配置された光ガイド層とを少なくとも備え、

7. 前記活性層と前記可飽和吸収層と前記光ガイド層とがこの順序で配 Sされている、請求項 6に記載の半導体レーザ。

8 . 前記活性層と前記光ガイド層と前記可飽和吸収層とがこの順序で配置されている、請求項 6に記載の半導体レーザ。

9 . 前記活性層が歪量子井戸構造を有しており、前記可飽和吸収層は、該活性層における圧縮歪みの値よりも約 0 . 3 %或、はそれ以上大き、圧縮歪みを有する歪量子井戸層である、請求項 6に記載の半導体レーザ。

1 0 . 前記可飽和吸収層が p型の導電型を有していて、 p型クラッド層の中に配置されている、請求項 6に記載の半導体レーザ。

1 1 . 前記活性層と前記可飽和吸収層との間に設けられたクラッド層をさらに備えており、該クラッド層のバンドギャップは、該活性層及び該可飽和吸収層のそれぞれのバンドギヤップよりも大きい、請求項 6に記載の半導体レーザ。

1 2 . 前記クラッド層の厚さが約 9 0 0オングストローム以上である、請求項 1 1に記載の半導体レ一ザ。

1 3 . 前記クラッド層の不純物濃度が少なくとも約 1 X 1 0 ^{1 8} c m ³である、請求項 1 1または 1 2に記載の半導体レーザ。