【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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。 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。

【０００３】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。
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。

【０００４】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 _0.5 Ａｌ _0.5 Ａｓクラッド層22，アンドープＧａ _0.86 Ａｌ _0.14 Ａｓ活性層23，ｐ−Ｇａ _0.5 Ａｌ
_0.5 Ａｓクラッド層24，ｐ−Ｇａ _0.8 Ａｌ _0.2 Ａｓモード分離層25，ｐ−Ｇａ _0.5 Ａｌ _0.5 Ａｓ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 _0.5 Ａｌ _0.5 Ａｓクラッド層24の上部，ｐ−Ｇａ _0.8 Ａｌ _0.2 Ａｓ層モード分離層25及びｐ
−Ｇａ _0.5 Ａｌ _0.5 Ａｓ選択エッチング層26の両側はｎ
−ＧａＡｓ層28，28にて埋め込まれている。 そして上面，下面に電極29, 30を夫々形成して作成されている。
ここでｎ−ＧａＡｓ層28とアンドープＧａ _0.86 Ａｌ _0.14
Ａｓ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。

【０００５】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
_0.8 Ａｌ _0.2 Ａｓ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。

【０００６】また活性層をＭＱＷ（ Ｍ ulti Ｑ uantum
Ｗ ell;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。

【０００７】

【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。

【０００８】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。

【０００９】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。 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。

【００１０】

【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、一導電型クラッド層と、活性層と、
他導電型クラッド層とをこの順に備え、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を形成し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てあることを特徴とする。

【００１１】第２発明に係る半導体レーザは、基板上に、一導電型クラッド層と、活性層と、他導電型クラッド層とをこの順に備え、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を形成し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歪量子井戸可飽和吸収層を形成してあることを特徴とする。

【００１２】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。

【００１３】

【作用】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。

【００１４】第２発明にあっては、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。 また第１発明と同様、
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。

【００１５】図９は、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａ _x
Ｉｎ _1-x Ｐ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。

【００１６】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。

【００１７】

【実施例】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。 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 _0.7 Ｇａ _0.3 ） _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ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
_0.7 Ｇａ _0.3 ） _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ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−ＧａＩ
ｎＰ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−ＧａＡ
ｓ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−Ｇａ
Ａｓ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。

【００１８】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
_0.7 Ｇａ _0.3 ） _0.5 Ｉｎ _{0. 5} Ｐからなるバリア層6a（膜厚50Å）と、Ｇａ _x Ｉｎ _1-x Ｐ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。

【００１９】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
_0.5 Ｇａ _0.5 ） _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐからなるガイド層4a（膜厚 500Å）上に、（Ａｌ _0.5 Ｇａ _0.5 ） _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ
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 _0.5 Ｇａ _0.5 ） _0.5 Ｉｎ _0.5
Ｐ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 _0.7 Ｇａ _0.3 ） _0.5 Ｉｎ _0.5 Ｐ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))。

【００２０】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ＳｉＯ ₂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))。

【００２１】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))。

【００２２】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。

【００２３】

【表１】

【００２４】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。

【００２５】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。 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（ Ｓ ingle Ｑ uantum Ｗ ell;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。 本実施例は、ＧａＩｎ
Ｐ及びＡｌＧａＩｎＰ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。

【００２６】

【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 ２ バッファ層 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 ７ コンタクト層 ８ ブロック層 ９ キャップ層 10 ｐ電極 11 ｎ電極 12 マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本多 正治 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内