JP3505379B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は種々の光ディスクシ
ステムの光源として用いられる半導体レーザ素子に関
し、特に記録・再生可能な光ディスクシステムの光源等
として用いた場合に低ノイズで動作する自励発振型の半
導体レーザ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクシステム等に用いられる従来
の半導体レーザ素子では、ディスク等で反射されたレー
ザ光が半導体レーザ素子へ再入射することによってノイ
ズが発生する、所謂「戻り光ノイズ」が問題となってい
る。

【０００３】この戻り光ノイズを低減するための手段と
して、自励発振現象を利用する方法が知られており、例
えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ６８（２５）ｐ３５４３−３５４５（１９９６）に
は、ＡｌＧａＩｎＰ系可視光レーザにおいて可飽和吸収
層を用いた自励発振型の半導体レーザ素子が記載されて
いる。

【０００４】図１７は、上記文献に記載された半導体レ
ーザ素子の断面構造を示す。この半導体レーザ素子は、
ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッ
ド層２、歪量子井戸活性層３、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１
上クラッド層４、ｐ−ＧａＩｎＰ可飽和吸収層５、ｐ−
ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２
上クラッド層７及びｐ−ＧａＩｎＰキャップ層８をこの
順に積層形成した構成になっている。

【０００５】ここで、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２上クラッ
ド層７及びｐ−ＧａＩｎＰキャップ層８はリッジ形状に
エッチングされ、リッジ部の両側面にはｐ−ＡｌＧａＩ
ｎＰ第２上クラッド層７及びｐ−ＧａＩｎＰキャップ層
８を埋め込むようにｎ−ＧａＡｓ電流阻止層９が形成さ
れている。

【０００６】更に、ｐ−ＧａＩｎＰキャップ層８上及び
ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層９上にはｐ−ＧａＡｓコンタク
ト層１０が形成されている。

【０００７】上記構成において、ｐ−ＧａＩｎＰ可飽和
吸収層５の上面に接して配置されたｐ−ＡｌＧａＩｎＰ
光ガイド層６は、ｐ−ＧａＩｎＰ可飽和吸収層５の光閉
じ込め率を増大させる機能を有しており、可飽和吸収効
果を増大させて安定した自励発振を得ることができる。

【０００８】更に、ｐ−ＧａＩｎＰ可飽和吸収層５に
は、光吸収によって生成したキャリアの消滅を促進させ
るためにp型不純物として濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3の亜鉛
が添加されている。可飽和吸収領域の不純物濃度が高い
と、光吸収によって生成したキャリアの寿命が短くなる
ため、キャリア密度の時間変化率に対する自然放出光の
寄与が大きくなる。このため、上記構成の自励発振型の
半導体レーザ素子によれば、可飽和吸収効果が向上して
自励発振が生じやすくなり、半導体レーザ素子の温度特
性及びノイズ特性が大きく改善され、更に高温連続動作
においても長寿命を有することが上記文献に記載されて
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等が上記の自励発振型の半導体レーザ素子を記録・再
生可能な半導体レーザ素子に適用して実験を行ったとこ
ろ、光ディスクの書き込み等に必要な高出力動作時にお
いては、十分な寿命が得られないことが判った。そし
て、その原因を検討したところ、次のようなことが判明
した。

【００１０】即ち、ｐ−ＧａＩｎＰ可飽和吸収層５上若
しくはその上方近傍には、結晶再成長等に起因する結晶
欠陥が多く存在する。また、リッジ内部の可飽和吸収層
５は動作電流の通路となるのみならず、絶えずキャリア
の生成・消滅を繰り返している。このため、結晶欠陥を
生じ易い。特に、上記従来例のように、２×１０¹⁸ｃｍ
^-3の高濃度に不純物を添加した場合には、このｐ−Ｇａ
ＩｎＰ可飽和吸収層５には多くの結晶欠陥が発生してい
る。

【００１１】このため、高出力動作時には、これらの結
晶欠陥や不純物が増殖或いは拡散し、歪量子井戸活性層
３へ進行する結果、半導体レーザ素子の高出力動作時に
おける寿命が劣化する。加えて、電流拡がりの抑制や非
点隔差を小さくするためには、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１
上クラッド層４の層厚を薄くする必要があり、素子特性
の劣化は更に頭著なものとなる。

【００１２】更に近年の光ディスクシステムにおいて
は、書き込み速度を向上させるため光ディスクの回転速
度は速くなる傾向にあり、録再型半導体レーザに対して
高出力動作と低ノイズ維持の両立が求められている。

【００１３】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たものであり、高出力動作時においても、素子特性が劣
化せず、十分な寿命を得ることができ、かつ高出力動作
と低ノイズ維持の両立が可能な半導体レーザ素子を提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、半導体基板上に、下クラッド層、活性層、第１上
クラッド層、光ガイド層、エッチングストッパ層及び第
２上クラッド層を含む複数の半導体層が形成され、該第
２上クラッド層にストライプ状の開口を有する電流狭窄
部が形成された半導体レーザ素子において、該光ガイド
層は、該エッチングストッパ層と該活性層との間に配置
され、該光ガイド層のバンドギャップは、該第１上クラ
ッド層のバンドギャップより小さく、かつ該エッチング
ストッパ層のバンドギャップより大きく、該エッチング
ストッパ層又は該光ガイド層と該エッチングストッパ層
の積層構造が、発振レーザ光に対して可飽和吸収効果を
有しており、そのことにより上記目的が達成される。

【００１５】上記の構成による本発明の半導体レーザ素
子においては、エッチングストッパ層が可飽和吸収層の
機能を兼ね備えており、更に光ガイド層が活性層に近い
エッチングストッパ層の下側に配置されている。この光
ガイド層は可飽和吸収層の光閉じ込め率を増大させる機
能のみならず、再成長界面や可飽和吸収層中の結晶欠陥
が増殖し、活性層へ進行するのを抑制する機能も兼ね備
えている。

【００１６】従って、上記の構成によれば、半導体レー
ザ素子の高出力動作時においても、これらの結晶欠陥が
増殖し、活性層へ進行するのを抑制できるので、半導体
レーザ素子の素子寿命が劣化することがない。

【００１７】よって、本発明によれば、高出力動作時に
おいても長寿命の信頼性の高い半導体レーザ素子を実現
できる。

【００１８】好ましくは、前記活性層のレーザ発振波長
λ１と前記エッチングストッパ層のバンドギャップに相
当する波長λ２との差が、下記の条件を満足する範囲に
ある −１２ｎｍ≦λ１−λ２≦２ｎｍ 構成とする。ここでバンドギャップに相当する波長と
は、図１６に示すように各々の層が量子井戸層である場
合には、価電子帯と伝導帯の量子準位によるエネルギー
差を波長に置き換えた値と定義する。

【００１９】λ１−λ２が絶対値の大きな正値をとる場
合にはエッチングストッパ層での可飽和吸収効果が弱
く、安定な自励発振が得られない。従って少ない戻り光
でもノイズが発生する。一方、λ１−λ２が絶対値の大
きな負値をとる場合にはエッチングストッパ層での可飽
和吸収効果が強く、戻り光ノイズは十分回避できるが、
発振閾値において電流光出力特性がスイッチング的動作
を示し、光出力の揺らぎに起因する量子ノイズが増大す
る。活性層のレーザ発振波長λ１とエッチングストッパ
層のバンドギャップに相当する波長λ２との差が、 −１２ｎｍ≦λ１−λ２≦２ｎｍ の範囲内にある構成とすると、戻り光ノイズと量子ノイ
ズの両方を低減できる。このため、広い光出力範囲にお
いて安定した低ノイズ特性を得ることができる。

【００２０】 また、好ましくは、前記エッチングスト
ッパ層はＧａＡｓ系材料からなり且つ前記光ガイド層は
ＡｌＧａＡｓ系材料からなり、または、前記エッチング
ストッパ層はＧａＩｎＰ系材料からなり且つ前記光ガイ
ド層はＡｌＧａＩｎＰ系材料からなり、前記エッチング
ストッパ層のバンドギャップに相当する波長λ２と前記
光ガイド層のバンドギャップに相当する波長λ３との差
が、下記の条件を満足する範囲にある０ｎｍ＜λ２−λ
３≦７０ｎｍ構成とする。

【００２１】レーザ発振の立ち上がりにおいて、光吸収
によって生成されるキャリアの寿命が短いと電流光出力
特性におけるスイッチング動作が顕著となるため、低出
力時にはキャリア寿命が比較的長い方が望ましい。一
方、光出力の増大に伴って可飽和吸収領域では光子密度
が高くなり生成キャリアも増加するため、自励発振を維
持するためにはキャリア寿命を短くすることが必要であ
る。エッチングストッパ層と光ガイド層のバンドギャッ
プ差λ２−λ３が、 ０ｎｍ＜λ２−λ３≦７０ｎｍ の範囲内にある構成とすると、可飽和吸収領域であるエ
ッチングストッパ層で過剰にキャリアが生成されると光
ガイド層へオーバーフローしやすくなる。これにより高
出力動作時においてのみ生成キャリアの寿命を実質的に
短く出来るため、高出力動作と低ノイズ特性の両立が可
能となる。

【００２２】また、好ましくは、前記光ガイド層に添加
された不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3より大きく１×１
０¹⁹ｃｍ^-3より小さい構成とする。

【００２３】光ガイド層に添加された不純物濃度が上記
範囲内にあれば、高出力動作時のみ過剰な生成キャリア
が光ガイド層へオーバーフローし短時間で消滅する。ま
た、素子の信頼性を低下させるような結晶欠陥が導入さ
れるのを回避することが出来る。従って高出力まで半導
体レーザ素子の信頼性と低ノイズ特性が維持される。

【００２４】また、好ましくは、前記エッチングストッ
パ層に添加された不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3より大
きく３×１０¹⁸ｃｍ^-3より小さい構成とする。

【００２５】エッチングストッパ層に添加された不純物
濃度が上記範囲内にあれば、生成キャリアの少ない低出
力時にはキャリア寿命の比較的長いエッチングストッパ
層でキャリアが消滅するため、電流光出力特性のスイッ
チング動作を緩和することが出来る。従って広い出力範
囲において直線性の良い電流光出力特性が得られ、かつ
半導体レーザ素子の低ノイズ特性が維持される。

【００２６】また、好ましくは、前記光ガイド層のバン
ドギャップが、前記エッチングストッパ層側で大きく前
記第１上クラッド層側で小さくなる変化を有する構成と
する。

【００２７】本構成によれば、一旦光ガイド層へオーバ
ーフローした生成キャリアは、エッチングストッパ層側
へ逆戻りせず、エネルギー準位のの低い第１上クラッド
層近傍へ拡散して消滅する。従って更に高出力まで低ノ
イズ特性の維持が可能となる。

【００２８】また、好ましくは、前記光ガイド層が、多
重量子井戸構造である構成とする。

【００２９】本構成によれば、光ガイド層へオーバーフ
ローした生成キャリアが井戸層内に閉じ込められるた
め、エッチングストッパ層側へ逆戻りせず、再結合によ
って消滅しやすくなる。従って高出力動作によって過剰
にキャリアが生成されてもその寿命を短く出来、低ノイ
ズ特性を維持することが出来る。

【００３０】また、好ましくは、前記光ガイド層の不純
物濃度が、前記エッチングストッパ層側で小さく前記第
１上クラッド層側で大きくなる変化を有する構成とす
る。

【００３１】本構成によれば、光ガイド層へオーバーフ
ローした生成キャリアが第１上クラッド層側へ拡散した
ときに更に消滅しやすくなる。従って更に高出力まで低
ノイズ特性の維持が可能となる。

【００３２】また、好ましくは、前記光ガイド層の全層
厚が１００Å以上２００Å以下である構成とする。

【００３３】光ガイド層厚が薄くなるとエッチングスト
ッパ層への光閉じ込め率が小さくなり可飽和吸収効果を
高出力まで維持できず、逆に厚くなると可飽和吸収効果
が強くなり電流光出力特性がスイッチング的動作を示し
やすくなる。上記範囲内にあれば、エッチングストッパ
層への光閉じ込め効果を高め、かつ電流光出力特性の急
峻な立ち上がりを抑えることが出来る。従って広い範囲
において直線性の良い電流光出力特性が得られ、かつ低
ノイズ特性が維持される。

【００３４】また、好ましくは、前記エッチングストッ
パ層が、前記ストライプ状開口部にのみ配置されている
構成とする。

【００３５】本構成によれば、ストライプ内外での実効
屈折率差を大きくできる。このため、非点隔差を小さく
し、横モードを安定化することができる。

【００３６】 また、好ましくは、前記エッチングスト
ッパ層が、光出射端面付近において、少なくとも一部が
除去された領域を持つ構成とする。

【００３７】本構成によれば、光ディスク等からの戻り
光が半導体レーザ端面に再入射した際に可飽和吸収効果
を持つ領域との相互作用を引き起こしにくくなる。この
ため、安定な自励発振動作を得ることができる。

【００３８】また、好ましくは、前記エッチングストッ
パ層を、Ａｌを含まない材料で形成する。

【００３９】本構成によれば、Ａｌの酸化に起因する再
成長界面等の結晶欠陥を低減できる。このため、素子の
特性および信頼性を更に向上することができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づき具体的に説明する。

【００４１】なお、以下において層厚の単位はμｍを用
いるが、量子効果を有するような極薄層の層厚について
は主にÅを用いる。

【００４２】（実施形態１）図１は本発明半導体レーザ
素子の実施形態１を示す。本実施形態１は、本発をＡｌ
ＧａＡｓ系材料を用いたリッジ型の半導体レーザ素子に
適用した例を示す。

【００４３】図１に従い、この半導体レーザ素子の構造
を製造工程と共に説明する。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１
０１を成長装置（図示せず）内にセットし、このｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１０１上に、第１回目の結晶成長によりｎ−
Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ下クラッド層１０２（キャリア濃度
１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．０μｍ）、ノンドープ量子
井戸活性層１０３、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１上クラ
ッド層１０４（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ
０．１７μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ光ガイド層１
０５（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２００
Å）、ｐ−Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓエッチングストッパ層
１０６（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１００
Å）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２上クラッド層１０７
（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．２μｍ）及
びｐ−ＧａＡｓキャップ層１０８（キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０．１μｍ）を順次積層成長させる。

【００４４】ここで、ノンドープ量子井戸活性層１０３
は、Ａｌ_0.14Ｇａ_0.86Ａｓ井戸層（厚さ１００Å）、Ａ
ｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層（厚さ１００Å）及び同組成の
ガイド層（厚さ３００Å）から成る３重井戸構造に形成
されている。

【００４５】また、可飽和吸収層となるｐ−Ａｌ_0.14Ｇ
ａ_0.86Ａｓエッチングストッパ層１０６のバンドギャッ
プをフォトルミネッセンス法により測定したところ、相
当する波長λ２は７９２ｎｍであった。

【００４６】次に、上記の半導体層が形成されたｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１０１を成長装置から取り出し、公知のフォ
トリソグラフィ技術を用いてｐ−ＧａＡｓキャップ層１
０８上にストライプ状のＳｉＯ₂膜を形成する。そし
て、このＳｉＯ₂膜をエッチングマスクとし、公知の選
択エッチング技術を用いて、ｐ−ＡｌＧａＡｓエッチン
グストッパ層１０６に到達するようにｐ−ＡｌＧａＡｓ
第２上クラッド層１０７及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１
０８をリッジ形状に加工する。

【００４７】本実施形態１では、選択エッチング溶液と
して弗化水素酸を用いた。また、リッジ幅はｐ−ＡｌＧ
ａＡｓエッチングストッパ層１０６との界面において１
〜４μｍとした。

【００４８】その後、再度、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を
成長装置内にセットし、前記のＳｉＯ₂膜を残したまま
第２回目の結晶成長によりｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流
阻止層１０９（キャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ
０．６μｍ）を積層する。このとき、公知の選択成長技
術を用いることにより、ＳｉＯ₂膜上にはＡｌＧａＡｓ
膜は成長せず、電流阻止層１０９はリッジ部両側面を埋
め込むように形成する。

【００４９】その後、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を再度成
長装置から取り出し、ＳｉＯ₂膜を除去する。

【００５０】次いで、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を再々
度、成長装置内にセットし、第３回目の結晶成長により
ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１０（キャリア濃度５×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２．０μｍ）を積層する。最後にｐ−
ＧａＡｓコンタクト層１１０の上面及びｎ−ＧａＡｓ基
板１０１の下面に各々オーミック電極（図示せず）を形
成し、劈開法により共振器長を３７５μｍに調整して、
出射側端面には反射率１５％、反対側端面には反射率７
５％のコーティング膜を各々形成する。以上の工程によ
り、本実施形態１のリッジ型の半導体レーザ素子を得
た。本実施形態１の半導体レーザ素子の発振波長λ１を
測定したところ、７８５ｎｍであった。

【００５１】下記表１は、本実施形態１の半導体レーザ
素子の最大自励発振出力及びエージング歩留まりを評価
した結果を比較例１と共に示す。なお、比較例１の半導
体レーザ素子としては、光ガイド層１０５をエッチング
ストッパ層１０６の上側に配置した他は本実施形態１の
半導体レーザ素子と同構造のものを用いた。

【００５２】

【表１】

【００５３】表１において、エージング歩留まりは、温
度６０℃・出力３５mWで１０００時間の寿命試験後、駆
動電流の上昇が初期値に対して２０％以内であったもの
の割合を示す。

【００５４】表１から理解されるように、光ガイド層１
０５をエッチングストッパ層１０６の下側に配置した本
実施形態１の半導体レーザ素子は、光ガイド層１０５を
エッチングストッパ層１０６の上側に配置した比較例１
の半導体レーザ素子に比べると、素子寿命が向上してい
る。

【００５５】このような結果が得られた理由について
は、次のように考えられる。

【００５６】光ガイド層１０５は、ｐ−第１上クラッド
層１０４および ｐ−第２上クラッド層１０７よりＡｌ
混晶比が低いため、結晶内部及び界面に欠陥が生じにく
い。即ち、光ガイド層１０５は可飽和吸収層として働く
エッチングストッパ層１０６の光閉じ込め率を増大させ
る機能のみならず、再成長界面の結晶欠陥が増殖し活性
層１０３へ進行するのを抑制する機能をも兼ね備えてい
ると考えられるからである。

【００５７】特に、本実施形態１の半導体レーザ素子に
おいては、光ガイド層１０５は再成長界面を持たないた
め、比較例に比べて欠陥抑制効果が高い。従って、本実
施形態１の半導体レーザ素子においては、高出力動作時
においても素子特性が劣化せず十分な寿命を得ることが
できる。

【００５８】次に、エッチングストッパ層１０６のＡｌ
混晶比を変えることによって、エッチングストッパ層１
０６のバンドギャップに相当する波長λ２を変化させた
他は本実施形態１の半導体レーザ素子と同構造のものを
作製し、光出力と相対雑音強度（以下ＲＩＮと称する）
の関係を評価した結果を図２に示す。光路長は２０ｍｍ
とし、測定周波数および帯域幅は各々７２０ｋＨｚ・１
０ｋＨｚである。ＲＩＮは戻り光率１〜１５％で変化さ
せた場合の最大値を示している。

【００５９】図２より、λ１−λ２の値が絶対値の大き
な負値となるに伴って可飽和吸収効果が増大するため、
高出力まで自励発振が持続することがわかる。最大自励
発振出力に近づくにつれ徐々にノイズは増大するが、Ｒ
ＩＮは−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下の低ノイズ特性が維持さ
れている。更に出力が増大し自励発振が停止すると、急
激にノイズが増大する。これより、高出力動作と低ノイ
ズ特性の両立は、最大自励発振出力を高くすることによ
って実現されることがわかる。

【００６０】次に、これらの半導体レーザ素子を光ピッ
クアップに適用してジッタ（再生信号の時間軸の揺ら
ぎ）を測定した。

【００６１】図３は、λ１−λ２と再生ジッタとの関係
を示す。通常の光ディスクシステムの場合、再生ジッタ
が２０ｎｓｅｃ以下であれば、実用上問題を生じる可能
性は小さい。これを満足する範囲は、図３からわかるよ
うに、 −１２ｎｍ≦λ１−λ２≦２ｎｍ となる。この結果が得られた理由については、以下のよ
うに考えられる。

【００６２】λ１−λ２が２ｎｍよりも大きい場合に
は、エッチングストッパ層１０６での可飽和吸収効果が
弱く（低く）、安定な自励発振が得られない。従って、
少ない戻り光でもノイズが発生し、再生信号に揺らぎが
生じてジッタが悪化するものと考えられる。

【００６３】一方、λ１−λ２が−１２ｎｍよりも小さ
い場合には、エッチングストッパ層１０６での可飽和吸
収効果が強く（高く）、戻り光ノイズは十分に回避でき
る。ところが、この場合には、発振閾値において光出力
−電流特性がスイッチング的動作を示し、光出力の揺ら
ぎに起因する量子ノイズが増大する。この量子ノイズに
よってジッタが悪化したものと考えられる。

【００６４】以上の推論結果により、戻り光ノイズと量
子ノイズの両方を回避し、広い光出力範囲において安定
した低ノイズ特性を得るためには、活性層１０３のレー
ザ発振波長λ１とエッチングストッパ層１０６のバンド
ギャップに相当する波長λ２との差λ１−λ２が、 −１２ｎｍ≦λ１−λ２≦２ｎｍ の範囲内にあるように構成すればよいことがわかる。

【００６５】なお、本実施形態１では活性層１０３の量
子井戸層を３層構造としたが、他の井戸層数を採用し
た、いわゆる多重量子井戸構造であっても、実施形態１
と同様の効果を奏することができる。

【００６６】また、本実施形態１では、高出力用の半導
体レーザ素子に本発明を適用する場合について説明した
が、本発明は、情報読み出し等の低出力用半導体レーザ
素子についても同様に適用することができる。この場合
は、素子寿命を更に一層向上できる利点がある。

【００６７】（実施形態２）本実施形態２では、光ガイ
ド層１０５及びエッチングストッパ層１０６の構造が実
施形態１における光ガイド層と異なる他は、同様の構成
になっている。即ち、本実施形態２においては、光ガイ
ド層１０５をｐ−Ａｌ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ（キャリア濃度
２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１５０Å）とし、エッチングス
トッパ層１０６をｐ−ＧａＡｓ （キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ３０Å ）とした点で実施形態１とは
異なっている。

【００６８】本実施形態２におけるエッチングストッパ
層１０６は非常に薄く、また量子効果によって実質的な
バンドギャップが広がるため、単独では可飽和吸収効果
を持たない。しかし、エッチングストッパ層１０６下面
に配置された光ガイド層１０５により、エッチングスト
ッパ層１０６の量子準位が影響を受け、光吸収波長は長
波長側へシフトする。これによりエッチングストッパ層
１０６は可飽和吸収層として働く。フォトルミネッセン
ス法により測定したところ、活性層のレーザ発振波長λ
１およびエッチングストッパ層のバンドギャップに相当
する波長λ２の差はλ１−λ２＝−５ｎｍであった。

【００６９】本実施形態２における光ガイド層１０５
は、量子井戸活性層と同程度のバンドギャップであるた
め、可飽和吸収層として働くエッチングストッパ層１０
６への光閉じ込めを増大させる働きのみならず、光ガイ
ド層１０５自身も可飽和吸収層として働く。しかし、可
飽和吸収効果はエッチングストッパ層１０６に比べて弱
い。フォトルミネッセンス法により測定したところ、エ
ッチングストッパ層１０６のバンドギャップに相当する
波長λ２および光ガイド層１０５のバンドギャップに相
当する波長λ３の差はλ２−λ３＝２０ｎｍであった。

【００７０】下記表２は、本実施形態２の半導体レーザ
素子の最大自励発振出力およびエージング歩留まりの評
価結果を示す。エージング条件は実施形態１と同じであ
る。

【００７１】

【表２】

【００７２】表２より、本実施形態２の半導体レーザ素
子は、先の実施形態１の半導体レーザ素子に比べると、
最大自励発振出力が向上している。このような結果が得
られた理由については、次のように考えられる。

【００７３】半導体レーザ素子の光出力が増大するに伴
い、エッチングストッパ層１０６における光強度も増大
し、可飽和吸収効果によって生成されるキャリアは増加
する。これらの生成キャリアはエッチングストッパ層１
０６中で再結合し消滅するが、エッチングストッパ層１
０６と光ガイド層１０５のバンドギャップ差が小さい場
合、エッチングストッパ層１０６で消滅しきれず過剰と
なったキャリアは光ガイド層１０５側へオーバーフロー
する。光ガイド層１０５はエッチングストッパ層１０６
に比べて体積が大きいため、拡散によって消滅が促進さ
れる。従ってエッチングストッパ層１０６のみで生成キ
ャリヤを消費する場合に比べ、キャリア寿命は実質的に
短くなる。このため、光吸収の飽和が起こりにくくな
り、高出力でも自励発振が維持されるのである。

【００７４】次に、光ガイド層１０５のＡｌ混晶比を変
えることによって、光ガイド層１０５のバンドギャップ
に相当する波長λ３を変化させた他は本実施形態２の半
導体レーザ素子と同構造のものを作製し、最大自励発振
出力を測定した結果を図４に示す。エッチングストッパ
層１０６と光ガイド層１０５のバンドギャップに相当す
る波長差λ２−λ３が大きくなるに伴って最大自励発振
出力は小さくなり、７０ｎｍ以上では最大自励発振出力
が急激に低下する。これより、エッチングストッパ層１
０６での過剰キャリアが光ガイド層１０５側へオーバー
フローするためには、エッチングストッパ層１０６と光
ガイド層１０５のバンドギャップ差に相当する波長差は
７０ｎｍ 以下であることが好ましいことがわかる。な
お、λ２−λ３≦０ｎｍにおいては、光ガイド層１０５
のバンドギャップがエッチングストッパ層１０６のバン
ドギャップより小さくなるため光ガイド層１０５での可
飽和吸収効果が顕著になる。この結果レーザ駆動によっ
て増殖する欠陥が活性層３へ進行し、半導体レーザ素子
の寿命が劣化する。

【００７５】また、本発明の半導体レーザ素子は、低光
出力動作時にはキャリアのオーバーフローが生じず、寿
命が比較的長いエッチングストッパ層１０６のみで生成
キャリアが消滅し、電流光出力特性のスイッチング動作
が起こりにくい。高出力となるに伴って、過剰キャリア
が光ガイド層１０５へオーバーフローし、実質的なキャ
リア寿命が短くなる。

【００７６】次に、光ガイド層１０５の層厚を変化させ
た他は本実施形態２の半導体レーザ素子と同構造のもの
を作製し、最大自励発振出力および発振閾値における光
出力の跳び（図５参照）を測定した結果を図５に示す。
光ガイド層１０５の厚みが１００Å以下ではエッチング
ストッパ層１０６への光閉じ込め効果が弱くなり、最大
自励発振出力は小さい。一方２００Å以上では実質的な
キャリア寿命が極端に短くなり、電流光出力特性のスイ
ッチング的動作が顕著となる。従って、広い出力範囲に
おいて自励発振を持続すると共に直線性の良い電流光出
力特性を得るためには、光ガイド層１０５の厚みは１０
０Å以上２００Å以下とするのが好ましい。

【００７７】また表２より、本実施形態２の半導体レー
ザ素子は、最大自励発振出力が向上しているにもかかわ
らず、先の実施形態１の半導体レーザ素子と同等のエー
ジング歩留まりを有してしている。本実施形態２におけ
るエッチングストッパ層１０６はＡｌを含まないため表
面が酸化されにくい。そのため、実施形態１の半導体レ
ーザ素子に比べて再成長界面の欠陥が低減し、より高い
出力でも信頼性が維持できたと考えられる。

【００７８】本実施形態２では、ｐ−ＧａＡｓエッチン
グストッパ層１０６の厚みをを３０Åとしたが、量子井
戸構造においてはその厚みによって実質的なバンドギャ
ップが変化するため、上記の量子効果を得るには該エッ
チングストッパ層の厚みが１００Å以下であることが好
ましい。また、弗化水素酸などのエッチング溶液に対し
て十分なエッチング停止機能を有するためには、該エッ
チングストッパ層の厚みが１０Å以上であることが好ま
しい。

【００７９】本実施形態２では、光ガイド層１０５自身
も可飽和吸収層として働く構成としたが、λ２−λ３が
上記範囲内であればレーザ光を吸収しない層であっても
高出力動作におけるキャリアオーバーフローは起こりや
すくなるため、同様の効果を得ることができる。

【００８０】（実施形態３）本実施形態３の半導体レー
ザ素子では、光ガイド層１０５の不純物濃度が上記実施
形態２の光ガイド層１０５の不純物濃度と異なる他は、
同様の構成になっている。即ち、本実施形態３の光ガイ
ド層１０５の不純物濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、不
純物濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3である実施形態２とはこの
点で異なっている。

【００８１】下記表３は、本実施形態３の半導体レーザ
素子の最大自励発振出力およびエージング歩留まりの評
価結果を示す。エージング条件は実施形態１と同じであ
る。

【００８２】

【表３】

【００８３】表３より、本実施形態３の半導体レーザ素
子は、先の実施形態２の半導体レーザ素子に比べると、
更に最大自励発振出力が向上している。これは、光ガイ
ド層１０５の不純物濃度が実施形態２に比べて高くなっ
ており、オーバーフローした過剰キャリアの寿命が短く
なったためである。これによって光吸収の飽和が更に起
こりにくくなり、より高出力でも自励発振が維持された
と考えられる。

【００８４】次に、光ガイド層１０５の不純物濃度を変
化させた他は本実施形態３の半導体レーザ素子と同構造
のものを作製し、最大自励発振出力およびエージング歩
留まりを評価した結果を図６に示す。光ガイド層１０５
の不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で最大自励発振出
力が急激に上昇するが、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上になる
と、結晶欠陥を生じやすくなり歩留まりが急激に低下す
る。従って、高出力まで自励発振と素子寿命を維持する
ためには、光ガイド層１０５の不純物濃度が１×１０¹⁸
ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることが好まし
い。

【００８５】本実施形態３においては、実施形態２に比
べて最大自励発振出力が向上しているにもかかわらず、
エージング歩留まりの低下は見られない。これは、高光
出力動作時には生成キャリアを光ガイド層１０５で消費
するため、高サイクルの自励振動によって結晶欠陥を生
じ易いエッチングストッパ層は不純物濃度を低く設定で
きるからである。

【００８６】次に、本実施形態３の半導体レーザ素子に
ついて、エッチングストッパ層１０６の不純物濃度を変
化させて最大自励発振出力および発振閾値における光出
力の跳びを評価した結果を図７に示す。エッチングスト
ッパ層１０６の不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下では
自励発振が起こりにくくなり、３×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で
はスイッチング動作が顕著となる。従って、広い出力範
囲において自励発振を持続すると共に直線性の良い電流
光出力特性を得るためには、エッチングストッパ層１０
６の不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上３×１０¹⁸ｍ^-3
以下であることが好ましい。

【００８７】（実施形態４）本実施形態４の半導体レー
ザ素子では、光ガイド層１０５のＡｌ混晶比が層厚方向
で変化する他は、上記実施形態３と同様の構成になって
いる。即ち、図８に示すように、本実施形態４の光ガイ
ド層１０５のＡｌ混晶比は層厚方向で０．１４から０．
２まで変化しており、バンドギャップがエッチングスト
ッパ層１０６側で大きく第１上クラッド層１０４側で小
さくなる構成としている。光ガイド層１０５のＡｌ混晶
比が層厚方向で一定である実施形態３とはこの点で異な
っている。

【００８８】下記表４は、本実施形態４の半導体レーザ
素子の最大自励発振出力およびエージング歩留まりの評
価結果を示す。エージング条件は実施形態１と同じであ
る。

【００８９】

【表４】

【００９０】表４より、本実施形態４の半導体レーザ素
子は、先の実施形態３の半導体レーザ素子に比べると、
更に最大自励発振出力が向上している。これは、高光出
力動作時において光ガイド層１０５へオーバーフローし
た生成キャリアはエネルギー準位の低い第１上クラッド
層１０４近傍へ拡散して消滅するため、エッチングスト
ッパ層１０６へ逆戻りしないからである。従って更に高
出力まで低雑音特性の維持が可能となる。

【００９１】本実施形態４では、光ガイド層１０５のＡ
ｌ混晶比を０．１４から０．２まで変化させたが、エッ
チングストッパ層１０６のバンドギャップに相当する波
長λ２と光ガイド層１０５のバンドギャップに相当する
波長λ３の差の最大値が ０ｎｍ＜λ２−λ３≦７０ｎｍ の範囲であれば本発明の効果は有効となる。

【００９２】また本実施形態４ではＡｌ混晶比変化の度
合が層厚方向で一定であるとしたが、第１上クラッド層
１０４側の方がエネルギー準位が低ければ同様の効果が
得られるので、Ａｌ混晶比変化率を層厚方向で変化させ
たり、あるいは多段階にしても良い。

【００９３】（実施形態５）本実施形態５の半導体レー
ザ素子では、光ガイド層１０５が多重量子井戸構造であ
る他は上記実施形態３と同様の構成になっている。即
ち、図９に示すように、本実施形態５の光ガイド層１０
５はＡｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ井戸層３層（厚み各５０Å）
とＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ障壁層２層（厚み各３０Å）を交
互に配置した多重量子井戸構造であり、単一量子井戸構
造である実施形態３とはこの点で異なっている。

【００９４】下記表５は、本実施形態の半導体レーザ素
子の最大自励発振出力およびエージング歩留まりの評価
結果を示す。エージング条件は実施形態１と同じであ
る。

【００９５】

【表５】

【００９６】表５より、本実施形態５の半導体レーザ素
子は、先の実施形態３の半導体レーザ素子に比べると、
更に最大自励発振出力が向上している。これは、高光出
力動作時において光ガイド層１０５へオーバーフローし
た生成キャリアは障壁層によって囲まれた井戸層内に閉
じ込められて消滅し、エッチングストッパ層１０６へ逆
戻りしないからである。従って更に高出力まで低雑音特
性の維持が可能となる。

【００９７】また、本実施形態５を先の実施形態４のＡ
ｌ混晶比を変化させた光ガイド層に適用したところ、更
に最大自励発振出力が向上した。

【００９８】本実施形態５では、多重量子井戸光ガイド
層１０５の井戸数を３としたが、その他の井戸数であっ
ても本発明の効果は同様である。また障壁層の厚みや混
晶比も井戸層内にキャリアがエッチングストッパ層へ逆
戻りせず閉じ込められる構造であればよい。

【００９９】（実施形態６）本実施形態６の半導体レー
ザ素子では、光ガイド層１０５の不純物濃度が層厚方向
で変化する他は上記実施形態３と同様の構成になってい
る。即ち、図１０に示すように、本実施形態６の光ガイ
ド層１０５の不純物濃度は層厚方向で３×１０¹⁸ｃｍ^-3
から１×１０¹⁹ｃｍ^-3まで変化しており、エッチングス
トッパ層１０６側で小さく第１上クラッド層１０４側で
大きくなる構成としている。光ガイド層１０５の不純物
濃度が層厚方向で一定である実施形態３とはこの点で異
なっている。

【０１００】下記表６は、本実施形態６の半導体レーザ
素子の最大自励発振出力およびエージング歩留まりの評
価結果を示す。エージング条件は実施形態１と同じであ
る。

【０１０１】

【表６】

【０１０２】表６より、本実施形態６の半導体レーザ素
子は、先の実施形態３の半導体レーザ素子に比べると、
更に最大自励発振出力が向上している。本実施形態のよ
うに光ガイド層１０５の不純物濃度に勾配を設けること
により、キャリアオーバーフローが増加しても確実にキ
ャリア寿命を短くすることが出来る。これによって光吸
収の飽和が更に起こりにくくなり、より高出力でも自励
発振が維持されたと考えられる。

【０１０３】また、本実施形態６の不純物濃度プロファ
イルを先の実施形態４および５の光ガイド層に適用した
ところ、いずれの実施形態においても更に最大自励発振
出力が向上した。

【０１０４】（実施形態７）図１１は本発明の半導体レ
ーザ素子の実施形態７を示す。本実施形態７は、本発明
をＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた自己整合型の赤色半導
体レーザ素子に適用した例を示す。

【０１０５】図１１に従い、この半導体レーザ素子の構
造を製造工程と共に説明する。但し、図１１では、図１
と同様の部分には同一の符号を付してある。

【０１０６】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を成長装置
（図示せず）内にセットし、このｎ−ＧａＡｓ基板１０
１上に、第１回目の結晶成長により厚さｎ−（Ａｌ_0.7
Ｇａ_0.3）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ下クラッド層１０２、ノンド
ープ歪量子井戸活性層１０３、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）
_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ第１上クラッド層１０４、ｐ−（Ａｌ_0.
45Ｇａ_0.55）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ光ガイド層１０５、ｐ−Ｇ
ａ_0.44Ｉｎ_0.56Ｐエッチングストッパ層１０６及びｎ−
ＧａＡｓ電流阻止層１０９を順次積層成長する。

【０１０７】ここで、ノンドープ歪量子井戸活性層１０
３は、Ｇａ_0.44Ｉｎ_0.56Ｐ井戸層４層、（Ａｌ_0.5Ｇａ
_0.5）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ障壁層３層が交互に積層され、そ
の上下には障壁層と同組成のガイド層が形成されてい
る。

【０１０８】ｐ−Ｇａ_0.44Ｉｎ_0.56Ｐエッチングストッ
パ層１０６は厚さ３０Åの単一量子井戸層とした。

【０１０９】次に、上記の半導体層が形成されたｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１０１を成長装置から取り出し、公知の選択
エッチング技術を用いて、ｐ−Ｇａ_0.44Ｉｎ_0.56Ｐエッ
チングストッパ層１０６に到達するようにｎ−ＧａＡｓ
電流阻止層１０９にストライプ状の溝１１１を形成す
る。

【０１１０】その後、再度、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を
成長装置内にセットし、第２回目の結晶成長によりｐ−
（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ第２クラッド層１０
７及びｐ−Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐコンタクト層１１０を順
次積層する。最後に、ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層１１
０の上面及びｎ−ＧａＡｓ基板１０１の下面に各々オー
ミック電極（図示せず）を形成し、劈開法により共振器
長を３７５μｍに調整して、 出射側端面には反射率１
５％、反対側端面には反射率７５％のコーティング膜を
各々形成し、本実施形態７の半導体レーザ素子を得た。

【０１１１】なお、本実施形態７の半導体レーザ素子の
発振波長λ１及び可飽和吸収層となるエッチングストッ
パ層１０６のバンドギャップに相当する波長λ２は共に
６５８ｎｍで、λ１−λ２の値は０ｎｍであった。

【０１１２】下記表７は、本実施形態７の半導体レーザ
素子の最大自励発振出力及びエージング歩留まりの評価
結果を比較例７と共に示す。なお、比較例７の半導体レ
ーザ素子としては、光ガイド層をエッチングストッパ層
の上側に配置した他は本実施形態７の半導体レーザ素子
と同構造のものを用いた。

【０１１３】

【表７】

【０１１４】表７と上記表１とを比較してみれば明らか
なように、本実施形態７の半導体レーザ素子において
も、実施形態１の半導体レーザ素子と同じ効果が得られ
る。

【０１１５】ここで、自己整合型の半導体レーザ素子に
おいては、電流通路が再成長界面となるため、比較例７
の構造においては、エージング歩留まりがリッジ型の半
導体レーザ素子より低下しているが、本実施形態７にお
いては、歩留まりの低下は見られなかった。

【０１１６】このことより、本発明は半導体レーザ素子
の材料や作製方法に依存せず、光ガイド層が活性層に近
い側に配置されていれば十分な効果が得られることがわ
かる。

【０１１７】（実施形態８）図１２は本発明半導体レー
ザ素子の実施形態８を示す。本実施形態８は、本発明を
上記実施形態２同様のリッジ型の半導体レーザ素子に適
用した例を示す。但し、本実施形態８においては、ｐ−
ＧａＡｓエッチングストッパ層１０６がリッジストライ
プの内部にのみ形成されており、この点で実施形態２の
半導体レーザ素子とは異なっている。

【０１１８】本実施形態８の半導体レーザ素子は、上記
実施形態２と全く同様にして作製される。以下に図４に
従い、その主な製造工程を説明する。

【０１１９】実施形態１及び実施形態２同様に、公知の
選択エッチング技術を用いて、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上
クラッド層１０７及びｐ−ＧａＡｓキャップ層１０８を
リッジ形状に加工した後、クエン酸と過酸化水素の混合
液をエッチング溶液として、リッジストライプの外部に
露出しているｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０６
のみを選択的に除去する。このエッチング溶液はＡｌ混
晶比の低いＡｌＧａＡｓ層を選択的にエッチングし、Ｐ
Ｈ調整によりＡｌ混晶比が０．１〜０．３の間で選択性
を持たせることが出来る。従って、エッチングストッパ
層１０６よりＡｌ混晶比の高いｐ−ＡｌＧａＡｓ光ガイ
ド層１０５でエッチングは停止する。なお、ｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層１０８はＳｉＯ₂膜で覆われているため浸
食されない。その後の作製工程は実施形態１及び実施形
態２と全く同じである。

【０１２０】下記表８は、本実施形態８の半導体レーザ
素子の出力５mW時における非点隔差を評価した結果を示
す。また比較例として、実施形態２の半導体レーザ素子
について同様の評価を行った結果についても同時に示
す。

【０１２１】

【表８】

【０１２２】表８から理解されるように、可飽和吸収機
能を持つエッチングストッパ層１０６がリッジストライ
プの内部にのみに形成された本実施形態８の半導体レー
ザ素子は、実施形態２の半導体レーザ素子に比べると非
点隔差が減少し光学特性が向上している。その理由は、
上記の構造によれば、リッジストライプの内外の実効屈
折率差が実施形態２に比べて大きくなったためである。

【０１２３】このように、光ガイド層がエッチングスト
ッパ層の下側に形成されている本発明の半導体レーザ素
子では、光学特性の改善を容易に行うことが出来る。

【０１２４】（実施形態９）図１３は本発明半導体レー
ザ素子の実施形態９を示す。本実施形態９は、本発明を
上記実施形態２同様のリッジ型の半導体レーザ素子に適
用した例を示す。但し、本実施形態９においては、光出
射端面から３０μｍのリッジストライプの外部領域のみ
ｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０６が除去されて
いる（図１３（ａ）参照）他は、実施形態２と全く同じ
構造になっている。

【０１２５】以下に、図１３に従い本実施形態９の半導
体レーザ素子の主な製造工程について説明する。

【０１２６】実施形態８同様に、リッジストライプの外
部に露出しているｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１
０６のみを選択的に除去する際、全面にレジスト膜を塗
布し、フォトリソグラフィ技術を用いて共振器方向に垂
直に幅３０μｍの溝を形成する。クエン酸と過酸化水素
の混合液をエッチング溶液として、この溝の内部に露出
したｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０６のみをエ
ッチングする。次いで、レジスト膜を剥離する。

【０１２７】その後は、上記実施形態２と同じ工程によ
り半導体レーザ素子を作製するが、最後に半導体レーザ
素子端面を劈開する際、レーザ光出射端面から３０μｍ
の領域が上記のエッチングストッパ層除去部分となるよ
うに分割して本実施形態９の半導体レーザ素子を得た。

【０１２８】本実施形態９の半導体レーザ素子の最大自
励発振出力及びエージング歩留まりの評価を行ったとこ
ろ、上記表２に示した実施形態２の半導体レーザ素子と
同じ結果を得た。

【０１２９】次に、本実施形態９の半導体レーザ素子を
光ディスクの光源に応用したところ、戻り光量の変動に
かかわらず安定した自励発振が生じた。下記表９は光出
射端面からエッチングストッパ層の除去領域までの距離
を変えて本構造の半導体レーザ素子を作製し、光ディス
クの誤り訂正前の読み取りエラーの個数を測定した結果
を示す。

【０１３０】

【表９】

【０１３１】ここで、通常、ＣＤ（コンパクト ディス
ク）用のディスク等の場合、１秒あたり２００個以下の
エラーであれば、誤り訂正機能により問題を生じる可能
性は小さいが、実用上は１秒あたり１００個以下のエラ
ーが望まれる。本実施形態９においては、表９に示すよ
うに、光出射端面から、エッチングストッパ層１０６ま
での距離が３μｍから１００μｍの範囲において、エラ
ーが１秒あたり１００個以下となっており、所望の特性
が得られていることがわかる。

【０１３２】その理由は、戻り光が光出射端面に侵入し
た際、可飽和吸収効果を持つエッチングストッパ層１０
６に吸収される効果が少ないため、半導体レーザ素子の
出力が安定し、読み取りエラーが少なくなっているもの
と考えられる。

【０１３３】なお、表１に示すように、光出射端面から
エッチングストッパ層１０６までの距離が１００μｍよ
り大きい場合には、可飽和吸収効果が十分でなくエラー
が増大しており、３μｍより小さい場合は、戻り光がエ
ッチングストッパ層１０６に吸収され、半導体レーザ素
子の出力を変動させる原因となり、エラーを増大させて
いるものと考えられる。

【０１３４】なお、本実施形態９では光共振器端面の片
側にのみエッチングストッパ層の除去領域を形成してい
るが、残りの端面からの戻り光が存在する場合は、両光
出射端面のストライプ外部にエッチングストッパ層の除
去領域を形成した構造にしても同様の効果を得ることが
できる。

【０１３５】（実施形態１０）図１４は本発明半導体レ
ーザ素子の実施形態１０を示す。本実施形態１０の半導
体レーザ素子は、光出射端面から３０μｍのｐ−ＧａＡ
ｓエッチングストッパ層１０６が全て除去されている他
は、実施形態９の半導体レーザ素子と同様になってい
る。以下に、その構造を製造工程と共に説明する。

【０１３６】まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を成長装置
（図示せず）内にセットし、このｎ−ＧａＡｓ基板１０
１上に、第１回目の結晶成長によりｎ−ＡｌＧａＡｓ下
クラッド層１０２、ノンドープ量子井戸活性層１０３、
ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０４、ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ光ガイド層１０５及びｐ−ＧａＡｓエッチングス
トッパ層１０６を順次積層成長する。

【０１３７】次いで、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を成長装
置から取り出し、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上全面にレジ
スト膜を塗布し、公知のフォトリソグラフィ技術を用い
て共振器方向に垂直に幅３０μｍの溝を形成し、ｐ−Ｇ
ａＡｓエッチングストッパ層１０６を露出させる。そし
て、クエン酸と過酸化水素の混合液をエッチング溶液と
してｐ−ＧａＡｓエッチングストッパ層１０６の露出部
分をエッチングし、その後レジスト膜を剥離する。

【０１３８】そして、再度、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を
成長装置内にセットし、第２回目の結晶成長により、ｐ
−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１０７及びｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層１０８を順次積層成長する。その後、実施
形態２と同じ工程により半導体レーザ素子を作製する
が、最後に素子端面を劈開する際、レーザ光出射端面か
ら３０μｍの領域が上記の可飽和吸収層の除去部分とな
るように分割して本実施形態１０の半導体レーザ素子を
得た。

【０１３９】本実施形態１０の半導体レーザ素子の最大
自励発振出力及びエージング歩留まりを評価したとこ
ろ、上記表２に示した実施形態２の半導体レーザ素子と
同じ結果を得た。

【０１４０】次に、本実施形態１０の半導体レーザ素子
を光ディスクに応用したところ、戻り光量の変動にかか
わらず安定した自励発振が生じた。下記表１０は光出射
端面からエッチングストッパ層の除去領域までの距離を
変えて本構造の半導体レーザ素子を作製し、光ディスク
の誤り訂正前の読み取りエラーの個数を測定した結果を
示す。

【０１４１】

【表１０】

【０１４２】本実施形態１０の半導体レーザ素子では、
光出射端面において最も戻り光強度が強いストライプの
内部の可飽和吸収領域をも除去しているため、表１０と
表９とを比較してみれば明かなように、実施形態９の半
導体レーザ素子に比べ、光ディスク読み取りエラーの個
数が更に低減し、より安定した自励発振動作が生じてい
ることがわかる。

【０１４３】（実施形態１１）図１５は本発明半導体レ
ーザ素子の実施形態１１示す。本実施形態１１は、本発
明をＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた自己整合型の赤色半
導体レーザ素子に適用した例を示す。

【０１４４】本実施形態１１の半導体レーザ素子は、実
施形態７の半導体レーザ素子におけるｐ−Ｇａ_0.44Ｉｎ
_0.56Ｐエッチングストッパ層１０６をｐ−Ｇａ_0.51Ｉｎ
_0.49Ｐエッチングストッパ層とし、ストライプ外におい
て、このエッチングストッパ層をｎ−ＧａＡｓ電流阻止
層１０９上に形成している他は、実施形態７の半導体レ
ーザ素子と同様の構造になっている。

【０１４５】本実施形態１１の半導体レーザ素子におい
ても、実施形態７の半導体レーザ素子と同じく、ｐ−Ｇ
ａＩｎＰエッチングストッパ層単独では可飽和吸収効果
を持たず、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層との接合領域
であるストライプ内においてのみ可飽和吸収効果を有す
る。従って、上記実施形態８の半導体レーザ素子と同じ
く、ストライプ内外の実効屈折率差がリッジストライプ
の外部に比べて大きくなるため、非点隔差が小さくなる
と共に横モードが安定化する。

【０１４６】本実施形態１１の半導体レーザ素子の出力
５mW時における非点隔差を評価した結果を下記表１１に
示す。

【０１４７】

【表１１】

【０１４８】表１１と上記表８とを比較してみれば理解
されるように、本実施形態１１の自己整合型半導体レー
ザ素子においても、実施形態８の半導体レーザ素子と同
じく非点隔差を改善する効果があることがわかる。

【０１４９】（その他の実施形態）以上、本発明の種々
の実施形態について説明したが、本発明が適用される実
施形態は上記実施形態１〜実施形態１１のものに限定さ
れるものではなく、以下に示す各種の変更が可能であ
る。

【０１５０】一例として、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ
素子についてはリッジ型、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レー
ザ素子については自己整合型の構造のみを示したが、材
料と素子構造の組み合わせを変えても同様の効果が得ら
れる。また、他の材料系、例えば、ＺｎＳｅ系、ＧａＮ
系材料等を用いた半導体レーザ素子でも同様の効果が得
られる。

【０１５１】また、活性層については量子井戸活性層の
場合のみを示したが、量子効果を持たないバルク構造の
場合でも、本発明の主旨に反しない限り同様の効果が得
られる。

【０１５２】また、活性層の発振波長や可飽和吸収層の
吸収係数、或いは共振器長や端面反射率などの変更を行
っても本発明の効果は損なわれない。

【０１５３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の半導体レー
ザ素子によれば、可飽和吸収効果を兼ね備えたエッチン
グストッパ層の下側に光ガイド層を配置したので、結晶
欠陥の増殖を抑制し高出力動作時においても素子特性が
劣化せず十分な素子寿命を得ることができる。

【０１５４】 一実施形態の半導体レーザ素子によれ
ば、活性層のレーザ発振波長λ１およびエッチングスト
ッパ層のバンドギャップに相当する波長λ２が、−１２
ｎｍ≦λ１−λ２≦２ｎｍの範囲にある構成をとるの
で、戻り光ノイズと量子ノイズの両方を回避出来る。こ
のため、広い光出力範囲において安定した低ノイズ特性
を得ることができる。

【０１５５】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、前記エッチングストッパ層はＧａＡｓ系材料か
らなり且つ前記光ガイド層はＡｌＧａＡｓ系材料からな
り、または、前記エッチングストッパ層はＧａＩｎＰ系
材料からなり且つ前記光ガイド層はＡｌＧａＩｎＰ系材
料からなり、エッチングストッパ層のバンドギャップに
相当する波長λ２と光ガイド層のバンドギャップに相当
する波長λ３との差が、０ｎｍ＜λ２−λ３≦７０ｎｍ
の範囲内にある構成をとるので、可飽和吸収によって生
成した過剰キャリアをオーバーフローさせキャリア寿命
を実質的に短く出来る。このため、高出力動作と低ノイ
ズ特性の両立が可能となる。

【０１５６】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、光ガイド層に添加された不純物濃度が１×１０
¹⁸ｃｍ^-3より大きく１×１０¹⁹ｃｍ^-3より小さい構成を
とるので、結晶欠陥を抑制して自励発振出力を向上する
ことが出来る。このため、高出力まで素子の信頼性と低
ノイズ特性が維持される。

【０１５７】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、エッチングストッパ層に添加された不純物濃度
が５×１０¹⁷ｃｍ^-3より大きく３×１０¹⁸ｃｍ^-3より小
さい構成をとるので、スイッチング動作を抑制して自励
発振出力を向上することが出来る。このため、広い出力
範囲において直線性の良い電流光出力特性が得られかつ
素子の低ノイズ特性が維持される。

【０１５８】 また、本発明の半導体レーザ素子によれ
ば、光ガイド層のバンドギャップが、エッチングストッ
パ層側で大きく第１上クラッド層側で小さくなる変化を
有する構成をとるので、過剰にキャリアが生成されても
その消滅を促進することが出来る。このため、高出力動
作においても低ノイズ特性を維持することが出来る。

【０１５９】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、光ガイド層が多重量子井戸構造である構成をと
るので、キャリア消滅を促進させ実質的なキャリア寿命
を短く出来る。このため、更に高出力まで低ノイズ特性
の維持が可能となる。

【０１６０】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、光ガイド層の不純物濃度がエッチングストッパ
層側で小さく第１上クラッド層側で大きくなる変化を有
する構成をとるので、キャリア消滅を促進させ実質的な
キャリア寿命を短く出来る。このため、更に高出力まで
低ノイズ特性の維持が可能となる。

【０１６１】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、光ガイド層の全層厚が１００Å以上２００Å以
下である構成をとるので、エッチングストッパ層への光
閉じ込め効果を高め、かつスイッチング動作を抑制する
ことが出来る。このため、広い範囲において直線性の良
い電流光出力特性が得られ、かつ低ノイズ特性が維持さ
れる。

【０１６２】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、エッチングストッパ層がストライプ状開口部に
のみ配置されている構成をとるので、ストライプ内外で
の実効屈折率差を大きく出来る。このため、非点隔差を
小さくかつ横モードを安定化することができる。

【０１６３】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、エッチングストッパ層が、光出射端面付近にお
いて、少なくとも一部が除去された領域を持つ構成をと
るので、戻り光が可飽和吸収領域との相互作用を引き起
こしにくい。このため、安定な自励発振動作を得ること
ができる。

【０１６４】 また、一実施形態の半導体レーザ素子に
よれば、エッチングストッパ層がＡｌを含まない材料で
形成されており、再成長界面の結晶欠陥を低減出来る。
このため、素子の特性および信頼性を一層向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す、リッジ型の半導体
レーザ素子の断面図である。

【図２】実施形態１のリッジ型の半導体レーザ素子にお
いて、光出力と相対雑音強度の関係を示すグラフであ
る。

【図３】実施形態１のリッジ型の半導体レーザ素子にお
いて、λ１−λ２と再生ジッタとの関係を示すグラフで
ある。

【図４】実施形態２のリッジ型の半導体レーザ素子にお
いて、λ２−λ３と最大自励発振出力との関係を示すグ
ラフである。

【図５】実施形態２のリッジ型の半導体レーザ素子にお
いて、（ａ）は光ガイド層厚と最大自励発振出力を、
（ｂ）は光出力の跳びの関係を、それぞれ示すグラフで
ある。

【図６】実施形態３のリッジ型の半導体レーザ素子にお
いて、光ガイド層の不純物濃度と最大自励発振出力およ
びエージング歩留まりの関係を示すグラフである。

【図７】実施形態３のリッジ型の半導体レーザ素子にお
いて、エッチングストッパ層の不純物濃度と最大自励発
振出力および光出力の跳びの関係を示すグラフである。

【図８】本発明の実施形態４を示す、光ガイド層および
エッチングストッパ層の構造図である。

【図９】本発明の実施形態５を示す、光ガイド層および
エッチングストッパ層の構造図である。

【図１０】本発明の実施形態６を示す、光ガイド層およ
びエッチングストッパ層の構造図および不純物濃度分布
のグラフである。

【図１１】本発明の実施形態７を示す、自己整合型の半
導体レーザ素子の断面図である。

【図１２】本発明の実施形態８を示す、リッジ型の半導
体レーザ素子の断面図である。

【図１３】本発明の実施形態９を示す、（ａ）はリッジ
型の半導体レーザ素子の光出射端面における断面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線による断面図、（ｃ）はそ
の非出射端面における断面図である。

【図１４】本発明の実施形態１０を示す、リッジ型の半
導体レーザ素子の光出射端面における断面図である。

【図１５】本発明の実施形態１１を示す、自己整合型の
半導体レーザ素子の断面図である。

【図１６】本発明におけるバンドギャップの定義を表わ
すバンド構造図である。

【図１７】従来の自励発振型の半導体レーザ素子の断面
図である。

【符号の説明】

１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板 １０２ ｎ−下クラッド層 １０３ 量子井戸活性層 １０４ ｐ−第１上クラッド層 １０５ ｐ−光ガイド層 １０６ ｐ−エッチングストッパ層 １０７ ｐ−第２上クラッド層 １０８ ｐ−キャップ層 １０９ ｎ−電流阻止層 １１０ ｐ−コンタクト層 １１１ ストライプ状の溝

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−22695（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196810（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−263794（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−3367（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−106695（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−321395（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−83064（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−321946（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−283840（ＪＰ，Ａ) 特表 平10−505960（ＪＰ，Ａ) 国際公開96／030977（ＷＯ，Ａ１) 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．96 Ｎｏ．290，ｐ．７−12（ＬＱ Ｅ96−78) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G11B 7/125

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に、下クラッド層、活性
   層、第１上クラッド層、光ガイド層、エッチングストッ
   パ層及び第２上クラッド層を含む複数の半導体層が形成
   され、該第２上クラッド層にストライプ状の開口を有す
   る電流狭窄部が形成された半導体レーザ素子において、
   該光ガイド層は、該エッチングストッパ層と該活性層と
   の間に配置され、該光ガイド層のバンドギャップは、該
   第１上クラッド層のバンドギャップより小さく、かつ該
   エッチングストッパ層のバンドギャップより大きく、該
   エッチングストッパ層又は該光ガイド層と該エッチング
   ストッパ層の積層構造が、発振レーザ光に対して可飽和
   吸収効果を有し、 前記光ガイド層のバンドギャップが、前記エッチングス
   トッパ層側で大きく前記第１上クラッド層側で小さくな
   る変化を有する半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記エッチングストッパ層はＧａＡｓ系
   材料からなり且つ前記光ガイド層はＡｌＧａＡｓ系材料
   からなり、または、前記エッチングストッパ層はＧａＩ
   ｎＰ系材料からなり且つ前記光ガイド層はＡｌＧａＩｎ
   Ｐ系材料からなり、 前記エッチングストッパ層のバンドギャップに相当する
   波長λ２と前記光ガイド層のバンドギャップに相当する
   波長λ３との差が、下記の条件を満足する範囲にある０
   ｎｍ＜λ２−λ３≦７０ｎｍ請求項１に記載の半導体レ
   ーザ素子。
3. 【請求項３】 半導体基板上に、下クラッド層、活性
   層、第１上クラッド層、光ガイド層、エッチングストッ
   パ層及び第２上クラッド層を含む複数の半導体層が形成
   され、該第２上クラッド層にストライプ状の開口を有す
   る電流狭窄部が形成された半導体レーザ素子において、
   該光ガイド層は、該エッチングストッパ層と該活性層と
   の間に配置され、該光ガイド層のバンドギャップは、該
   第１上クラッド層のバンドギャップより小さく、かつ該
   エッチングストッパ層のバンドギャップより大きく、該
   エッチングストッパ層又は該光ガイド層と該エッチング
   ストッパ層の積層構造が、発振レーザ光に対して可飽和
   吸収効果を有し、 前記光ガイド層の不純物濃度が、前記エッチングストッ
   パ層側で小さく前記第１上クラッド層側で大きくなる変
   化を有する半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記光ガイド層が、多重量子井戸構造で
   ある請求項３に記載の半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 半導体基板上に、下クラッド層、活性
   層、第１上クラッド層、光ガイド層、エッチングストッ
   パ層及び第２上クラッド層を含む複数の半導体層が形成
   され、該第２上クラッド層にストライプ状の開口を有す
   る電流狭窄部が形成された半導体レーザ素子において、
   該光ガイド層は、該エッチングストッパ層と該活性層と
   の間に配置され、該光ガイド層のバンドギャップは、該
   第１上クラッド層のバンドギャップより小さく、かつ該
   エッチングストッパ層のバンドギャップより大きく、該
   エッチングストッパ層又は該光ガイド層と該エッチング
   ストッパ層の積層構造が、発振レーザ光に対して可飽和
   吸収効果を有し、 前記エッチングストッパ層が、光出射端面付近におい
   て、少なくとも一部が除去された領域を持つ半導体レー
   ザ素子。