JPH0278290A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザ索子に係り、特に光ディスクの光
源に好適な高出力低雑音半導体レーザ素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、光ビデオディスク等の光源に要求される低雑音半
導体レーザとして、自励発掘型半導体レーザが適してい
る。自励発掘型半導体レーザの特性については１例えば
電子通信学会技術研究報告○ＥＱ８４−３０　　ｐｐ６
５−７２に論じられているが、従来自励発掘型半導体レ
ーザのキング発生光出力及び自励発振の得られる光出力
は低く、高くとも７〜９ｍＷが限度であった。また、自
励発振周波数の制御について検討されておらず、約ＩＧ
Ｈｚ程度と高い周波数であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、自励発掘型半導体レーザに対して戻り
光が生じた場合の戻り光雑音を抑制することについては
何も配慮がなされておらず、戻り光量が大きい場合には
相対雑音強度１０−１δＨｚ−”以下のレベルである低
雑音特性を得ることができないという問題があった。

本発明の目的は、戻り光量が大きい場合でもより高出力
まで低雑音特性を維持して光デイスク光源として適切な
高出力低雑音特性を有した半導体レーザ索子を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は自励発掘型半導体レーザ素子において、バル
ク活性層あるいは多重量子井戸活性層に少なくともｎ型
不純物をドーピングすることにより達成できる。より具
体的には次のとおりである。

（１）、半導体活性層とこの層の上下に設けた半導体先
導波層からなる異種接合半導体層における該半導体活性
層の上部光導波層に対して、加工することによりリッジ
段差を形成し、リッジの両側に電流狭窄兼光吸収層を設
けて活性層横方向の実効的な屈折率差を制御して作製し
た自励発掘型半導体レーザにおいて、設定されたバルク
活性層或は多重量子井戸活性層に対して不純物をドーピ
ングすることを特徴とする半導体レーザ素子。

（２）、（１）項記載の半導体レーザ素子において、上
記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層に層全体に
一様に不純物をドーピングした半８体レーザ素子。

（３）、（２）項記載の半導体レーザ素子において、上
記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層にｎ型の不
純物をドーピングするかあるいはｎ型とｐ型の不純物を
同時にドーピングした半導体レーザ素子。

（４）、（］、）項記載の半導体レーザ索子において、
上記多重量子井戸活性層の量子障壁層のみあるいは量子
井戸層のみに不純物を変調ドーピングした半導体レーザ
索子。

（５）、（１）項記載の半導体レーザ素子において、上
記多重量子井戸活性層の量子障壁層のみにｎ型の不純物
をドーピングするかあるいはｎ型とｐ型の不純物を同時
にドーピングするか、或は量子井戸層のみにｎ型の不純
物をドーピングするかあるいはｎ型とｐ型の不純物を同
時にドーピングした半導体レーザ素子。

（６）、（１）項記載の半導体レーザ索子において、上
記多重量子井戸活性層の量子障壁層のみあるいは量子井
戸層のみに不純物を変調ドーピングし、かつ、不純物ド
ーピングする層の幅を量子障壁層あるいは量子井戸層の
幅よりも小さくした半導体レーザ素子。

（７）、（１）項記載の半導体レーザ素子において、上
記多重量子井戸活性層の量子障壁層あるいは量子井戸層
内に政府より小さい幅のｎ型の不純物をドーピングする
かあるいはｎ型とｐ型の不純物を同時ドーピングした領
域を形成し、かつ量子障壁層あるいは量子井戸層内にお
ける該ドーピング領域の両件側は不純物をドーピングし
ない半導体レーザ素子。

（８）、（１）項記載の半導体レーザ索子において、上
記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層にドーピン
グする不純物濃度はｎ型不純物では７Ｘ１０１δ〜ｌＸ
１０１９０−δであり、ｐ型不純物では５Ｘ１０１７〜
５　Ｘ　Ｉ　Ｑ　工８ａｎ−’である半導体レーザ索子
。

（９）、（１）項記載の半導体レーザ素子において、上
記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層にドーピン
グする不純物種はｎ型ではＳｅまたはＳｉであり、ｐ型
ではＢｅまたはＭｇである半導体レーザ素子。

（１０）、　（１）項記載の半導体レーザ素子において
、上記多重量子井戸活性層の量子障壁層の幅は３〜７ｎ
ｍであり、上記量子井戸層の幅は５〜２０ｎｍである半
導体レーザ素子。

（１１）、　（１０）項記載の半導体レーザ索子におい
て、上記多重量子井戸活性層膜厚は０．０５〜０．０９
μｍである半導体レーザ素子。

（１２）、　（１）項記載の半導体レーザ素子において
、上記多重量子井戸活性層はＧＲＩＮ−３ＣＨ（Ｇｒａ
ｄｅｄ　Ｉｎｄｅｘ　５ｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉｎ
ｅｍｅｎｔｌｌｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造で
ある半導体レーザ素子。

（］３）、　（１）項記載の半導体レーザ素子において
、結晶成長する半導体基板の面方位は（１１１）である
半導体レーザ素子。

〔作用〕

低雑音特性に優れた自励発掘型半導体レーザでも戻り光
量が大きい場合には、例えば第３５回応用物理学関係連
合講演会予稿集３　ｐ　１９２に示されているように、
戻り光雑音を生じて相対雑音強度が１０”Ｈｚ−’より
ｄ″６くなってしまう。この場合の戻り光雑音は素子の
戻り光のタイミングに関わり、素子の自励発振周波数と
光ピツクアップ系光路長によって決まるものである。光
ビデオディスクにみる光路長６０ＩＩＷ１１の場合、戻
り光雑音を誘起しないためには素子の自励発振周波数を
１．３Ｇ　Ｈｚ以下にする必要がある。すなわち、低雑
音特性を得るためには自励発振周波数の制御が重要であ
る。

本発明は、自励発掘型半導体レーザにおいてバルク活性
層或は多重量子井戸活性層にｎ型不純物をドーピングす
ることにより、素子の自励発振周波数を低減することが
できる。以下その理由を説明する。

自励発振周波数に関しては、半導体レーザの自励発振が
緩和振動と同様な周波数において共振しやすい性質をも
つことを考えると、緩和振動周波数を表わす式と同様に
記述することができる。すなわち、自励発振周波数Ｊ、
は ｄｎ 子寿命、■は駆動電流、Ｉｔｈは閾値電流、Ｃは光速Ｈ
ｎｒは有効屈折率、α１は内部損失、Ｌは共振器長、Ｒ
１，Ｒ２は端面反射率である。

活性層を多重量子井戸構造とすると、例えば電子通信学
会技術研究報告○ＱＥ８６−６３　　ｐｐ１７−２４に
示されているように、微分利得が増大するために緩和振
動周波数が高くなるように自励発振周波数が通常のバル
ク活性層に比べて高くなってしまう。自励発振周波数を
低減するためには、上記（１）（２）式における共振器
長を長くすることや端面反射率を高くすることによって
光子寿命を大きくすることの他に、微分利得を小さくす
ることが有効と考えられる。微分利得を小さくすること
は活性層にｎ型不純物をドーピングすることにより達成
される。つまり、多重量子井戸活性層にｎ型不純物をド
ーピングすることによりキャリアを注入しない状態にお
いても再結合発光に寄与する電子を供給することができ
、通常より広いエネルギー領域において利得を得ること
が可能である。このため、利得スペクトルが広くなり、
キャリア注入に対する利得の立ち上がり即ち微分利得が
活性層アンドープの場合より小さくなる。

多重量子井戸層に対して一様にドーピングを行うと、不
純物イオンの空間電荷により量子井戸層内に形成された
量子準位が変形したり利得スペクトルの分布が乱れたり
して発振波長が安定しなくなる等の悪影響が生じる可能
性がある。そこで、実際には量子井戸層にはドーピング
しない？１３量子障壁層にのみ変調ドープするか或は量
子障壁層の中央部にのみδドープすることが有効である
。

また、多重量子井戸層全体の膜厚が薄くなると縦多モー
ド自励発振が得られず、縦単一モード発振よなる傾向が
あるので、全体の膜厚は０．０５〜０．０９μｍが適当
であった。さらに、量子井戸層を薄くすると縦単一モー
ド発振となる傾向がありかつ自励発振が得られたとして
もその周波数は高くなってしまうので、量子井戸幅は５
〜２０ｎｍが適当であり特に８〜ｌ　２ｎｍが望ましい
。

本発明によって、自励発振周波数を低減できるので、戻
り光が３〜６％生じても相対離行強度１０−１４〜１０
−１３Ｈｚ−”レベルの低雑音特性を従来より高い光出
力時においても実現できた。

〔実施例〕

実施例１ 以下、本発明の実施例１のＭＱＷ自励発振レーザを第１
図を用いて説明する。ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ｇａ
Ａｓバッファ層２（厚さ０．５μｍ）、ｎ−Ａ　ｌ２ｘ
Ｇ　ａ　１−ＸＡ　！！クラッド層３（厚さ１．５μｍ
、ｘ＝０．４５）、ＡＱＧａＡｓ多重量子井戸構造活性
層４’　　（ＡＱｙＧａ、１−ｙＡｓ量子障壁層ｙ＝０
．２〜０．２７．厚さご３〜５ｎｍ５層くり返し、Ａ　
Ｑ　ｚＧ　ａｌ−ｚ　Ａ　ｓ量子井戸層ｚ＝０．０４〜
０．０７４層くり返しで量子障壁層及び量子井戸層に一
様にｎ型不純物Ｓｅを９×１０１７〜２×１０１６０−
３ドーピングする）　、　　ｐ　　Ａ　Ｑ　ｘＧａｉ−
ｘＡｓＡｓクララ５（厚さ］、　、　３−１　、６　ｐ
　ｍ　、　ｘ　＝　０　、４５　）　、　ＰＧ　ａ　Ａ
　ｓ層（厚さ０．２μｍ）をまず有機金属気相成長法（
ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ）
法によって順次結晶成長する。

この後、結晶上部に絶縁膜を形成し、ホトリソグラフィ
とエツチングによってストライブ状の絶縁膜マスクを作
製する。この絶縁膜マスクを利用して、第１図における
ストライブ状リッジ導波路１３をリン酸系溶液でエツチ
ング加工する。エツチングにより形成したリッジ両側の
層５の厚さｄは０．３〜０．６μｍとした。次に、絶縁
膜マスクを残したまま、ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ電流狭窄
層７（厚さ０．７〜１６１μｍ）を選択成長する。その
あと、絶縁１１％マスクをフッ酸系溶液を用いてエツチ
ング除去した後、ｐ　　ＧａＡｓ埋込み層８（厚さ１．
０〜１．５μｍ）を再度結晶成長する。この後、ｐ側ｉ
ｔ極９、ｎ（ｌＩＩＩ電極１０を蒸着し、襞間スクライ
ブ工、程により素子の形に切り出した。

基本横モードで安定に発振するレーザを得るためにはリ
ッジ底部のストライプ幅Ｓが４〜７μｍであることが適
切であった。比較のために、活性層をアンドープＡＱＧ
ａＡｓ多重量子井戸層４としてのその他のパラメータを
同じとした素子を作製した。

活性層にｎ型不純物をドーピングした索子及びアンドー
プとした素子の両方においてキンクレベルまで自励発振
が持続した。第３図に本実施例の活性層−様ｎドープ素
子の先出カー＠流特性を活性層アンドープ索子のそれと
比較して示す。ＭＱＷ活性層に一様ｎ型ドープした素子
では、アンドープの素子よりも低い注入キャリア密度で
より高い利得が得られるため、閾キャリア密度及び閾電
流密度が下がり低閾値電流が得られる。第３図に示した
ように、−様ｎ型ドープした素子では閾値電流は２５〜
３０ｍＡであり、アンドープ素子の３５〜４０ｍＡに比
べ２０〜３０％の低閾値電流を図ることができた。さら
に、キングレベルにおいてもアンドープ索子に比べ向上
させることができ、２５〜３０ｍＷに高くすることがで
きた。このキングレベルに到るまで、相対雑音強度は１
０−１３Ｈｚ−”　レベル以下を得ることができた。

また、ｎ型ドーピングすることによってＭ、　Ｑ　Ｗ活
性層の微分利得を減少させることができるので、自励発
振周波数を低減することが可能である。第４図に示した
ように、−様ｎ型ドープした素子く図中Δ印）では自励
発振周波数をアンドープ素子（図中口開）に比べて１／
２〜１／３に低減することが可能であった。本実施例で
、素子の出射面と反対側の裏面に高反射膜コーティング
することにより、さらに自励発振周波数を低減すること
ができた。このことにより、キングレベル２５〜３０ｍ
Ｗまで自励発振周波数をＬ　、　ＯＧ　Ｈｚ　以下に維
持することが可能となり、戻り光３〜６％生じても相対
雑音強度を１０−”’Ｈｚ−’　レベル以下に抑えるこ
とができた。また、非対称コーティングした素子ではキ
ングレベルを６０〜７０ｍＷに向上させることが可能で
あった。

本実施例の素子は、非対称コーティングした索子では端
面破壊レベルが８０〜９０ｍＷであり、素子の寿命試験
では環境温度５０℃、２０ｍＷの定光出力動作で２００
０時間以上動作しても劣化することばなかった。

実施例２ 本発明の実施例２について第１図を用いて説明する。素
子の作製プロセスは、実施例１と同様に行うが結晶成長
においてＭＱＷ活性層における数子障壁層にのみ不純物
としてＳｅをドーピングして変調ｎ型ドープした素子を
作製した。不純物Ｓｅのドーピング濃度は９　Ｘ　１０
１７−２　Ｘ　Ｉ　Ｏ”Ｑｌｌ’とした。この素子にお
いても安定に自励発振が得られ、キンクレベルまで自励
発振が持続した。

本実施例の素子では、閾値電流は２０〜２５ｍＡであり
、実施例１の素子と同程度かあるいはそれ以下に低減す
ることができた。自励発振周波数についても実施例１と
同程度かあるいはそれ以下に抑制することができた。こ
のことにより、キンクレベルまで自励発振周波数を１　
、０　Ｇ　ＨＺ　　以下に維持することができ、戻り光
が３〜６％生じても相対雑音強度を１０−１δＨｚ−’
　レベル以下に抑えることが可能であった。

実施例３ 本発明の実施例３のＭＱＷ自励発振レーザを第２図を用
いて説明する。素子の作製ブ〔Ｊセスは。

実施例１と同様に行うが、結晶成長においてＭＱＷ活性
層の下方と上方にそれぞれｎ型及びＰ型のＡ　Ｑ　Ｇ　
ａ　Ａ　ｓグレーデッド層１１．１２を設けた、いわゆ
るＧ　ＲＩ　Ｎ　−Ｓ　ＣＨ（Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅ
ｘＷａｖｅｇｕｉｄｅ　５ｅｐａｒａｔｅ　Ｃｏｎｆｉ
ｎｅＩｌｌｅｎｔ肪ｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔａｒｅ）構造
とした素子を作製した。

ＭＱＷ活性層については実施例１或は２のように一様ｎ
型ドープ或は変調ｎ型ドープとすることにより、閾値電
流１０〜２０ｍＡを得た。また、キンクレベル３０ｍＷ
まで自励発振が持続し、光出力２〜３０ｍＷの範囲で自
励発振周波数０．２〜Ｌ　、　ＯＧ　ＨＺ　であった。

このことにより、戻り光が３〜６％生じても相対雑音強
度を］、０−１８Ｈｚ−”レベル以下に抑えることが可
能であった。

〔発明の効果〕

本発明によると、自励発掘型半導体レーザのＩ＋￥波数
を従来の１／２〜１／３に低減できる効果ガ得られた。

活性層を多重量子井戸層とすると微力利得が増大し通常
のバルク活性層の場合より内堀発振周波数が高くなって
しまうが、本発明によ−てバルク活性層と同程度か或は
それ以下に低下することができた。光出力２５〜３０ｍ
Ｗまで素イの自励発振周波数を０．２〜１　、０　Ｇ　
Ｈｚ程度に低く抑制することができ、戻り光が３〜６％
生じても相対雑音強度は１０−１４−　Ｌ　０−１ａＨ
ｚ−”レベルの低雑音特性を得ることができた６非対称
コートした素子ではさらに５０〜６０ｍＷまで自励発振
が生じ、先出５〜５０ｍＷの範囲において戻り光が生じ
ても相対雑音強度１０−”〜１．０−１３ＨＺ　−’レ
ベルの低雑音特性を得た。本発明により、半導体レーザ
の高出力低雑音特性を従来よりも改善する効果があった
。

また、非対称コートした素子では環境温度５０’Ｃ，４
０ｍＷの定光出力動作において２０００時間経過しても
劣化は見られなかった。

本発明では、結晶月料をＡ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系とし
た・　　が、他の材料ΔＱＧａ　ＩｎＰ／Ｇａ　ＩｎＰ
系及びＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等にも応用できること
：　　はｉ゛うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例１のＭＱＷ自励発振レーザの
断面図、第２図は、本発明の実施例３のＭＱＷ自励発振
レーザの断面図、第３図は、素子の光出力−電流特性を
示す図、第４図は、素子の自励発振周波数と駆動電流の
関係を示す図である。 １−　ｎ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、２　・−ｎ　−Ｇ　
ａ　Ａ　ｓバッファ層、３＝−ｎ−ＡＱｘＧａｔ−ｘＡ
ｓＡｓクララ、４・・アンドープＡ　Ｑ、　Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ多重量子井戸構造活性層、４′　・・−様ｎ型ドー
プＡ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ多重量子井戸構造活性層、４
″′・・・変調ｎ型ドープＡ　Ｑ　Ｇ　ａＡｓ多重量子
井戸構造活性層、５・・・ｐ−ＡＱｘＧａｓｘＡｓクラ
ット層、６−＝　ｐ　−Ｇ　ａ　Ａ　ｓ層、？−ｎ−Ｇ
ａＡｓｔｔ流狭窄層、８−　ｐ　−ＧａＡｓ埋込層、９
・・・ｐ側電極、１０・・・ｎ側電極、１１・・・ｎ　
−Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ、　Ａ　ｓグレーデッド層、１２−ｐ
　−ＡＱＧａＡｓグレーデッド層、１３・・・ストライ
プ状リッジ導波路。 鴻　１ｆ！１ 第　２　ｎ 第　３　ｎ Ｄ　　　　　　　　５０　　　　　　１０θ　　　　　
　／りＯｔ　　　　：ｔ　　　　（ゲＫＡ） 第　４−　区 θ０１　　　　　　　　ｔｌ、Ｉ　　　　　　　　Ｏ，
２、り３　　　Ｄ４９勤電胤（−ｒ／ｒｔｈ−／ジ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体活性層とこの層の上下に設けた半導体光導波
   層からなる異種接合半導体層における該半導体活性層の
   上部光導波層に対して、加工することによりリツジ段差
   を形成し、リツジの両側に電流狭窄兼光吸収層を設けて
   活性層横方向の実効的な屈折率差を制御して作製した自
   励発振型半導体レーザにおいて、設定されたバルク活性
   層或は多重量子井戸活性層に対して不純物をドーピング
   することを特徴とする半導体レーザ素子。 ２、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子におい
   て、上記バルク活性層或い上記多重量子井戸活性層に層
   全体に一様に不純物をドーピングした半導体レーザ素子
   。 ３、特許請求の範囲第２項記載の半導体レーザ素子にお
   いて、上記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層に
   ｎ型の不純物をドーピングするかあるいはｎ型とｐ型の
   不純物を同時にドーピングした半導体レーザ索子。 ４、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子におい
   て、上記多重量子井戸活性層の量子障壁層のみあるいは
   量子井戸層のみに不純物を変調ドーピングした半導体レ
   ーザ素子。５、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ
   素子において、上記多重量子井戸活性層の量子障壁層の
   みにｎ型の不純物をドーピングするかあるいはｎ型とｐ
   型の不純物を同時にドーピングするか、或いは量子井戸
   層のみにｎ型の不純物をドーピングするかあるいはｎ型
   とｐ型の不純物を同時にドーピングした半導体レーザ素
   子。 ６、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子におい
   て、上記多重量子井戸活性層の量子障壁層のみあるいは
   量子井戸層のみに不純物を変調ドーピングし、かつ、不
   純物ドーピングする層の幅を量子障壁層あるいは量子井
   戸層の幅よりも小さくした半導体レーザ素子。 ７、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子におい
   て、上記多重量子井戸層活性層の量子障壁層あるいは量
   子井戸層内に該層より小さい幅のｎ型の不純物をドーピ
   ングするかあるいはｎ型とｐ型の不純物を同時ドーピン
   グした領域を形成し、かつ量子障壁層あるいは量子井戸
   層内における該ドーピング領域の両外側は不純物をドー
   ピングしない半導体レーザ素子。 ８、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ索子におい
   て、上記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層にド
   ーピングする不純物濃度はｎ型不純物では７×１０＾１
   ＾５〜１×１０＾１＾９ｃｍ＾−＾３であり、ｐ型不純
   物では５×１０＾１＾７〜５×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾
   ３である半導体レーザ素子。 ９、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子におい
   て、上記バルク活性層或は上記多重量子井戸活性層にド
   ーピングする不純物種はｎ型ではＳｅまたはＳｉであり
   、ｐ型ではＢｅまたはＭｇである半導体レーザ素子。 １０、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子にお
   いて、上記多重量子井戸活性層の量子障壁層の幅は３〜
   ７ｎｍであり、上記量子井戸層の幅は５〜２０ｎｍであ
   る半導体レーザ素子。 １１、特許請求範囲第１０項記載の半導体レーザ素子に
   おいて、上記多重量子井戸活性層膜厚は０．０５〜０．
   ０９μｍである半導体レーザ素子。 １２、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子にお
   いて、上記多重量子井戸活性層はＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Ｇ
   ｒａｄｅｄＩｎｄｅｘＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅ
   ｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造である
   半導体レーザ素子。 １３、特許請求範囲第１項記載の半導体レーザ素子にお
   いて、結晶成長する半導体基板の面方位は（１１１）で
   ある半導体レーザ素子。 １４、自励発掘型の半導体レーザ素子において、活性層
   に少なくともｎ型不純物をドーピングしたことを特徴と
   する半導体レーザ素子。