半導体レーザおよび電子機器
【課題】用途に適合した十分な光出力と寿命を確保でき、また、動作電圧の上昇を防止できる半導体レーザ、およびこのような半導体レーザを適用した電子機器を提供する。
【解決手段】半導体基板１００の上にバッファ層１０１、バッファ層１０２、第１下側クラッド層１０３、第２下側クラッド層１０４、活性層１０５、第１上側クラッド層１０６、エッチングストップ層１０７、第２上側クラッド層１０８、中間バンドギャップ層１０９、キャップ層１１０がこの順で積層してある。共振器長Ｌ＝１５００μｍとし、第１下側クラッド層１０３のドーパント濃度（ｎ型不純物としてのＳｉの濃度）Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、第２下側クラッド層１０４のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、つまり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3とした。
【解決手段】半導体基板１００の上にバッファ層１０１、バッファ層１０２、第１下側クラッド層１０３、第２下側クラッド層１０４、活性層１０５、第１上側クラッド層１０６、エッチングストップ層１０７、第２上側クラッド層１０８、中間バンドギャップ層１０９、キャップ層１１０がこの順で積層してある。共振器長Ｌ＝１５００μｍとし、第１下側クラッド層１０３のドーパント濃度（ｎ型不純物としてのＳｉの濃度）Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、第２下側クラッド層１０４のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、つまり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層をこの順に形成した半導体レーザおよびこのような半導体レーザを適用した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層をこの順に形成した半導体レーザが提案され、光ディスク（書き込み用光ディスク）に光データを書き込んで記録する電子機器に適用されている。
【０００３】
従来の半導体レ−ザに対して、光ディスクの書き込み速度の高速化に伴い光出力の増大が要望されている。また、近年の動向として、光ディスクの容量拡大のため記録層を２層とした光ディスクも実用に供されており、半導体レ−ザの高出力化がさらに要望されている。
【０００４】
しかしながら、半導体レ−ザの高出力化に伴って次のような問題が生じている。第１の問題は、半導体レーザの光出射端面からの光出力の増大に伴い、光出射端面が劣化するという問題であり、第２の問題は、光出力を増大するために増やされる駆動電流による通電時の特性劣化、つまり信頼性の低下問題である。光出力を増大して光ディスクへ適用するためには、これらの問題を解決する必要がある。
【０００５】
光出力の増大による光出射端面の劣化を防止する技術として、光出射端部にバンドギャップを大きくした領域、いわゆる窓領域の形成が有効であることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかし、駆動電流（動作電流）の増大に伴う劣化現象は、窓領域を形成して端面の劣化を防止した状態でも発生している。つまり、駆動電流の増大は、端面での光学的劣化が発生しない状態であっても、半導体レ−ザの内部で結晶が劣化し、駆動電流の増大、光出力の劣化を引き起こしている。また、端面での劣化が発生しない条件の下では、駆動時の動作電流密度が信頼性に影響を及ぼすことが、実験的に確認されている。
【０００７】
したがって、光出力を増大した場合でも十分な信頼性を確保するためには、動作電流密度を増大させないことが必要である。光出力を増大したときの駆動電流増大による信頼性低下を防ぐためには、共振器長を長くすることが有効である。つまり、半導体レ−ザの駆動電流を増大させる場合、共振器長を長くすることにより、単位面積あたりの電流値すなわち動作電流密度を低下させることが可能である。
【０００８】
ところが、半導体レーザでは、共振器長を長くすると微分効率η（動作電流対光出力特性の傾き：Ｗ／Ａ）が低下する。したがって、微分効率ηが低いままでは、所定の光出力を実現するために動作電流を増大しなければならず、結果として動作電流密度を十分低減することができないという問題がある。
【０００９】
なお、活性層を上下のクラッド層で挟んだ半導体レーザとして特許文献２、特許文献３が知られている。
【特許文献１】特開２００３−１２４５６９号公報
【特許文献２】特開２００５−１０１４４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願発明者は、種々検討していく中で、微分効率ηを向上させる対策として下側クラッド層に不純物として導入するドーパントの濃度（ドーパント濃度。キャリア濃度ともいう。）の低減が有効であることを見出した。つまり、共振器長を長くして動作電流密度を低減する場合に、例えば第１導電型としてのｎ型で構成した下側クラッド層のドーパント濃度を低減することにより、微分効率ηの低下を防止して動作電流密度の増加を抑制し、信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００１１】
また、下側クラッド層でのドーパント濃度の低減は、抵抗を増大させることから動作電圧を増大する必要が生じる。例えば、半導体レ−ザを使用する光ピックアップ（光ディスク装置などの光学ドライブ）では、半導体レ−ザを駆動するためにレ−ザドライバＩＣを使用する。レ−ザドライバＩＣではＩＣの熱損失などを考慮した最大電流の定格がある。また、光学ドライブ内部の電源電圧仕様とレ−ザドライバＩＣ内部での電圧降下とから定まるレ−ザ駆動の最大定格電圧の定格が存在する。したがって、半導体レ−ザを光学ドライブ（レ−ザドライバＩＣ）に適用するためには、レ−ザドライバＩＣの最大定格電流、および最大定格電圧以下とする必要があり、半導体レ−ザの動作電圧の増加は抑える必要がある。
【００１２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、量子井戸層を含む活性層を上下のクラッド層で挟んだ半導体レーザの下側クラッド層のドーパント濃度と共振器長を画定することにより、用途に適合した十分な光出力と寿命を確保できる半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、下側クラッド層の基板側領域でのドーパント濃度を下側クラッド層の活性層側領域でのドーパント濃度より高くすることにより、高出力の光出力での動作状態で高い信頼性（寿命）を確保するため、共振器長を長くし、下側クラッド層のドーパント濃度を低減した場合でも動作電圧の上昇を防止できる半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、本発明に係る半導体レーザを適用して光ディスクに対する光データの書き込みを行なうことにより、信頼性の高い光データの書き込みが可能な電子機器を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る半導体レーザは、半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、前記下側クラッド層のドーパント濃度は４．０×１０17／ｃｍ3以下であり、共振器長は１５００μｍ以上としてあることを特徴とする。
【００１６】
この構成により、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止して十分な微分効率を実現することが可能となるので、所望の光出力とした場合の動作電流密度を低減して実用上必要な寿命を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係る半導体レーザでは、半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、前記下側クラッド層のドーパント濃度は２．０×１０17／ｃｍ3以下であり、共振器長は１８００μｍ以上としてあることを特徴とする。
【００１８】
この構成により、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止してさらに十分な微分効率を実現することが可能となるので、所望の高出力の光出力とした場合の動作電流密度をさらに低減して実用上必要な寿命を確保することが可能となる。
【００１９】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層の前記半導体基板側に位置する基板側領域でのドーパント濃度は、前記第１下側クラッド層の前記活性層側に位置する活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする。
【００２０】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする。
【００２２】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【００２３】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側でのドーパント濃度に対して前記活性層側から徐々に増加させてあることを特徴とする。
【００２４】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【００２５】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記基板側領域のドーパント濃度は、４．０×１０17／ｃｍ3以上としてあることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、高い微分効率を保持し、素子抵抗の増大を防止して、高い光出力を確実に実現することが可能となる。
【００２７】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記基板側領域の厚さは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下としてあることを特徴とする。
【００２８】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを確実に実現することが可能となる。
【００２９】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記活性層の光出射端部は、窓構造を有することを特徴とする。
【００３０】
この構成により、光出射端面の劣化を確実に防止することができる。
【００３１】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層のドーパントは、シリコンであることを特徴とする。
【００３２】
この構成により、高精度で容易にドーパント濃度を制御でき、下側クラッド層を高精度に形成することが可能となる。
【００３３】
また、本発明に係る電子機器は、半導体レーザを用いて光データの書き込みを行なう電子機器であって、前記半導体レーザは、本発明に係る半導体レーザであることを特徴とする。
【００３４】
この構成により、光ディスクに対する光データの書き込みを長期間にわたって信頼性良く行なうことが可能な電子機器となる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る半導体レーザによれば、下側クラッド層のドーパント濃度と共振器長を画定することから、用途に適合した十分な光出力と寿命を確保できるという効果を奏する。
【００３６】
また、下側クラッド層のドーパント濃度を４．０×１０17／ｃｍ3以下とし、共振器長を１５００μｍ以上とすることから、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止し、所望の光出力とした場合の動作電流密度を低減して実用上必要な寿命を確保することができるという効果を奏する。
【００３７】
また、下側クラッド層のドーパント濃度を２．０×１０17／ｃｍ3以下とし、共振器長を１８００μｍ以上とすることから、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止し、さらに高出力の所望の光出力とした場合の動作電流密度を低減して実用上必要な寿命を確保することができるという効果を奏する。
【００３８】
また、本発明に係る半導体レーザによれば、下側クラッド層の基板側領域でのドーパント濃度を下側クラッド層の活性層側領域でのドーパント濃度より高くすることから、高出力の光出力での動作状態で高い信頼性（寿命）を確保するため、共振器長を長くし、下側クラッド層のドーパント濃度を低減した場合でも動作電圧の上昇を防止でき、動作電圧が低く一般的なレーザドライバＩＣによる駆動が可能になるという効果を奏する。
【００３９】
また、本発明に係る電子機器によれば、本発明に係る半導体レーザを適用することから、光ディスクに対する光データの書き込みを長期間にわたって信頼性良く行なうことが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４１】
なお、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）をＡｌＧａＩｎＰと、ＧａzＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｚ≦１である。）をＧａＩｎＰと、ＡｌrＧａ1-rＡｓ（ただし、０≦ｒ≦１である。）をＡｌＧａＡｓとそれぞれ略記することがある。また、第１導電型として例えばｎ型、第２導電型として例えばｐ型を例示するが逆の導電型とすることも可能である。
【００４２】
＜実施の形態１＞
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構造例の概略を示す斜視図である。
【００４３】
本実施の形態に係る半導体レーザは、半導体基板１００の上にバッファ層１０１、バッファ層１０２、第１下側クラッド層１０３、第２下側クラッド層１０４、活性層１０５、第１上側クラッド層１０６、エッチングストップ層１０７がこの順で積層してある。また、第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４を併せて単に下側クラッド層ということがある。
【００４４】
半導体基板１００はｎ型ＧａＡｓで、バッファ層１０１はｎ型ＧａＡｓで、バッファ層１０２はｎ型ＧａＩｎＰで、第１下側クラッド層１０３は厚さ２．０μｍのｎ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、第２下側クラッド層１０４は厚さ０．２μｍのｎ型（Ａｌ0.665Ｇａ0.335）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、活性層１０５は量子井戸層を含むアンド−プ層で、第１上側クラッド層１０６は厚さ０．１μｍのｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、エッチングストップ層１０７はｐ型ＧａＩｎＰでそれぞれ構成してある。
【００４５】
さらに、リッジストライプ部として、第２上側クラッド層１０８、中間バンドギャップ層１０９、キャップ層１１０がエッチングストップ層１０７の上にこの順で積層してある。つまり、エッチングストップ層１０７の表面の一部に尾根状に突出して形成された第２上側クラッド層１０８、第２上側クラッド層１０８の上に順に積層された中間バンドギャップ層１０９、キャップ層１１０でリッジストライプ部が構成してある。また、第１上側クラッド層１０６および第２上側クラッド層１０８を併せて単に上側クラッド層ということがある。
【００４６】
第２上側クラッド層１０８は厚さ１．５μｍのｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、中間バンドギャップ層１０９は厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＩｎＰで、キャップ層１１０は厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓでそれぞれ構成してある。なお、リッジストライプ部の幅（リッジ幅Ｗｒ：第２上側クラッド層１０８の底面の幅）は１．８μｍとしてある。
【００４７】
エッチングストップ層１０７の上の第２上側クラッド層１０８が形成されていない領域には電流阻止層１２０が形成してあり、電流阻止層１２０の上にはコンタクト層１２１、ｐ側電極１２３がこの順で形成してある。半導体基板１００のバッファ層１０１が形成されている面と反対の面にはｎ側電極１２２が形成してある。なお、電流阻止層１２０はｎ型ＡｌＩｎＰで、コンタクト層１２１はｐ型ＧａＡｓでそれぞれ構成してある。
【００４８】
また、ｎ型基板１００の表面と垂直な方向で長さ方向の端部に形成された光出射端面１２４、１２５にはそれぞれ前面反射膜１２６、後面反射膜１２７が形成してある。また、共振器長Ｌは、光出射端面１２４、１２５相互間の距離で画定される。
【００４９】
なお、本実施の形態に係る半導体レーザでは、ｎ型ド−パントはシリコン（Ｓｉ）であり、ｐ型ド−パントはマグネシウム（Ｍｇ）とし、Ｍｇの濃度は１．０×１０18／ｃｍ3とした。ｎ型ド−パントとしてＳｉを用いることにより高精度で容易にドーパント濃度Ｎｃを制御でき、下側クラッド層を高精度に形成することができる。
【００５０】
図１Ｂは、図１Ａに示した半導体レーザの活性層での利得領域と窓部との配置関係を示す斜視図である。
【００５１】
本実施の形態に係る半導体レ−ザの活性層１０５では、光出射端面１２４、１２５から一定長さの領域が混晶化され窓領域Ａｗが構成してある。混晶化された窓領域Ａｗでの活性層１０５のエネルギーバンドギャップは、光が増幅される領域である利得領域Ａｇでの活性層１０５のエネルギーバンドギャップよりも大きくなる。したがって、半導体レ−ザによる光は窓領域Ａｗでは吸収されないことから、半導体レ−ザの光出射端面１２４、１２５での光吸収による劣化は生じることがない。
【００５２】
窓領域Ａｗは、半導体基板１００の表面にバッファ層１０１からキャップ層１１０までの各層を順次積層した後、キャップ層１１０の上面の両端部（窓領域Ａｗに対応する領域）に厚さ３５ｎｍのＺｎＯ膜（図示せず）および厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜（図示せず）をこの順で形成し、５１０℃で２時間の熱処理を施してＺｎを拡散することによって形成される。
【００５３】
ＳｉＯ2膜は外部へＺｎが蒸発することを防止するために形成されており、ＺｎＯ膜およびＳｉＯ2膜は熱処理後に除去される。また、窓領域Ａｗを形成する際に、光強度分布の広がりが変化する領域となる遷移領域Ａｔが窓領域Ａｗと利得領域Ａｇとの間に形成される。なお、中間バンドギャップ層１０９およびキャップ層１１０の両端部（光出射端面１２４、１２５から約３０μｍの領域）は除去されている。
【００５４】
半導体レーザの前面となる光出射端面１２４に対応させた窓領域Ａｗを活性層１０５の光出射端部１０５ｆに形成し、半導体レーザの後面となる光出射端面１２５に対応させた窓領域Ａｗを活性層１０５の光出射端部１０５ｒに形成する。つまり、光出射端部１０５ｆ、１０５ｒは、窓構造（窓領域Ａｗ）を有することから、光出射端面１２４、１２５の劣化を確実に防止することが可能となる。
【００５５】
図１Ｃは、図１Ａに示した半導体レーザの活性層の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【００５６】
活性層１０５は、第２下側クラッド層１０４から第１上側クラッド層１０６にかけて順に積層された、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層１０５ａ、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層１０５ｂ、厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０５ｃ、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層１０５ｄ、厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０５ｅ、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層１０５ｆ、および厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層１０５ｇによって構成してある。
【００５７】
図１Ｄは、図１Ａに示した半導体レーザのｎ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。図１Ｅは、図１Ａに示した半導体レーザのｐ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【００５８】
ｎ側電極１２２は、半導体基板１００にＡｕＧｅ層１２２ａ、Ｎｉ層１２２ｂ、Ｍｏ層１２２ｃおよびＡｕ層１２２ｄをこの順に積層して形成してある。また、ｐ側電極１２３は、コンタクト層１２１にＡｕＺｎ層１２３ａ、Ｍｏ層１２３ｂおよびＡｕ層１２３ｃをこの順に積層して形成してある。
【００５９】
図１Ｆは、図１Ａに示した半導体レーザの後面反射膜の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【００６０】
後面反射膜１２７は、光出射端面１２５に対してＡｌ2Ｏ3層１２７ａ、Ｓｉ層１２７ｂ、Ａｌ2Ｏ3層１２７ｃ、Ｓｉ層１２７ｄおよびＡｌ2Ｏ3層１２７ｅを順に積層して形成してあり、反射率は９０％となっている。
【００６１】
また、前面反射膜１２６は、光出射端面１２４に対してＡｌ2Ｏ3層を積層してあり、反射率は８％となっている。
【００６２】
半導体レ−ザに窓構造を形成し、端面での劣化が生じない状態とした場合、図２で示すとおり、半導体レ−ザの寿命は動作電流密度によって決まることが知られている。
【００６３】
図２は、図１Ａに示した半導体レーザでの動作電流密度対寿命の相関を示す相関グラフである。
【００６４】
同図で横軸は動作電流密度Ｊｏｐ（ｋＡ／ｃｍ2）であり、縦軸は寿命ＬＴ（ｈ）である。グラフ上に□（四角図形）で示した点が実測経験値であり、実測経験値から抽出した直線Ｃｈ１が動作電流密度対寿命の相関特性を示す。実用上要求される寿命ＬＴは５０００時間であるが、この寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保するために必要な動作電流密度Ｊｏｐの条件は、直線Ｃｈ１から動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2以下とする必要があることが分かる。
【００６５】
図３は、図１Ａに示した半導体レーザに基づく構成と特性について実施例と比較例とを比較して示す特性比較図表である。
【００６６】
実施例１に係る半導体レーザは、共振器長Ｌ＝１５００μｍとした。また、第１下側クラッド層１０３のドーパント濃度（ｎ型不純物としてのＳｉの濃度。以下同様とする。）Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、第２下側クラッド層１０４のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、つまり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3とした。
【００６７】
実施例２に係る半導体レーザは、実施例１に比較して共振器長Ｌをさらに長くし共振器長Ｌ＝１８００μｍとした。また、第１下側クラッド層１０３のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０17／ｃｍ3、第２下側クラッド層１０４のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０17／ｃｍ3、つまり、実施例１に比較して下側クラッド層のドーパント濃度をさらに低減し、ドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０17／ｃｍ3とした。
【００６８】
比較例１に係る半導体レーザは、共振器長Ｌ＝１３００μｍとし、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０18／ｃｍ3とした。さらに、比較例２に係る半導体レーザは、共振器長Ｌ＝２０００μｍとし、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０18／ｃｍ3とした。
【００６９】
比較例１に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝７３ｍＡ、微分効率η＝０．８３Ｗ／Ａ、光出力（常用使用時のパルス。以下同様とする。）Ｐｏｐ＝１８０ｍＷ（７５℃）である。実使用条件である温度７５℃のもと、光出力Ｐｏｐ＝１８０ｍＷでエ−ジングにかけたところ、寿命ＬＴ＝５０００ｈ（時間）となった。そのときの動作電流Ｉｏｐ＝４２０ｍＡであった。共振器長Ｌ＝１３００μｍとリッジ幅Ｗｒ＝１．８μｍとの積で動作電流Ｉｏｐ（４２０ｍＡ）を除して動作電流密度Ｊｏｐを求めると、動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2である。
【００７０】
比較例１に係る半導体レーザを高速で書き込む光学ドライブに適用することを想定して、光出力Ｐｏｐをさらに増加させ、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷとした。温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷを出力するには、動作電流Ｉｏｐ＝６３０ｍＡが必要であり、この状態では動作電流密度Ｊｏｐ＝２７ｋＡ／ｃｍ2であった。この動作条件では、寿命ＬＴ≦５０ｈと短く実用できない値となった。
【００７１】
つまり、比較例１に係る半導体レーザは、光出力Ｐｏｐ＝１８０ｍＷでは十分な信頼性を有するが、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでは寿命ＬＴが５０時間以内と短く、信頼性が不十分となることから実用に供することは困難である。すなわち、比較例１に係る半導体レーザを光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷで動作させたときの動作電流密度Ｊｏｐは２７ｋＡ／ｃｍ2であり、寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保できる動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2よりはるかに大きく寿命が短いことがわかる。
【００７２】
比較例２に係る半導体レーザでは、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ（７５℃）の動作状態とした場合の動作電流密度Ｊｏｐを低減するために、共振器長Ｌ＝２０００μｍと共振器長を比較例１に比較して長くしたものである。
【００７３】
比較例２に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝９５ｍＡ、微分効率η＝０．６５Ｗ／Ａである。共振器長Ｌを長くしたことから、微分効率η＝０．６５Ｗ／Ａと微分効率が大きく低下している。つまり、比較例１と比較して共振器長Ｌを長くしたことから面積が拡大したことによる動作電流密度Ｊｏｐの低下はあるが、微分効率ηが低下している。微分効率ηの低下に伴い、同一の光出力Ｐｏｐを得るために動作電流Ｉｏｐを増大することが必要となる。
【００７４】
したがって、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでは動作電流Ｉｏｐ＝８００ｍＡが必要となり、動作電流密度Ｊｏｐ＝２２ｋＡ／ｃｍ2と動作電流密度Ｊｏｐが大きくなり、寿命ＬＴ＝約８００ｈと信頼性（寿命）が低下した。つまり、単に共振器長Ｌを長くしただけの比較例２に係る半導体レーザでは、十分な信頼性が得られるレベルに動作電流密度Ｊｏｐを低減することができず、比較例１の場合と同様実用に供することはできない。
【００７５】
実施例１に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝６３ｍＡ、微分効率η＝１．０５Ｗ／Ａ、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ（７５℃）での動作電流Ｉｏｐ＝５００ｍＡである。また、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでの動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2である。したがって、長期エ−ジングで寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保でき、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでも十分な信頼性を有する。
【００７６】
つまり、共振器長Ｌを共振器長Ｌ＝１５００μｍと長くし、また、下側クラッド層のドーパント濃度をドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3と低減することにより、十分な光出力Ｐｏｐの状態でも寿命ＬＴを長くすることができ、実用上十分な信頼性を確保することが可能となる。
【００７７】
実施例２に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝６２ｍＡ、微分効率η＝１．１５Ｗ／Ａ、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ（７５℃）での動作電流Ｉｏｐ＝６００ｍＡである。また、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷでの動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2である。したがって、実施例１と同様に長期エ−ジングで寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保でき、実施例１に比較して高出力である光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷとした場合でも十分な信頼性を有する。つまり、実施例１に比較して同一の信頼性条件下でさらに高出力とすることが可能となる。
【００７８】
上述したとおり、実施例１、実施例２に係る半導体レーザの構成によれば、共振器長Ｌの増大に伴う微分効率ηの低減を抑制することにより、動作電流密度Ｊｏｐの増大を抑制し、寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保して十分な信頼性を有する半導体レーザとすることができる。
【００７９】
実施例１、実施例２、比較例１、比較例２に基づく知見から、さらにデータを収集して共振器長Ｌ、下側クラッド層１０３のドーパント濃度Ｎｃ、微分効率η、動作電流Ｉｏｐ（温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ）、動作電流密度Ｊｏｐの相互関係を分析した結果について図４ないし図６に基づいて説明する。なお、図４ないし図６は、適宜のポイントでの実験値を基礎として計算した計算値による特性曲線である。
【００８０】
図４は、図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対微分効率の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【００８１】
同図で、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、縦軸は温度２５℃での微分効率η（Ｗ／Ａ）である。４種類のドーパント濃度Ｎｃ（／ｃｍ3）をパラメータとしている。
【００８２】
つまり、曲線Ｃｈ２ａは下側クラッド層（第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４）のドーパント濃度ＮｃとしてのＳｉ濃度（以下同様である。）が２×１０17／ｃｍ3（実施例２に関連）、曲線Ｃｈ２ｂはＳｉ濃度が４×１０17／ｃｍ3（実施例１に関連）、曲線Ｃｈ２ｃはＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3（実施例１と比較例１、２の中間ドーパント濃度に対応）、曲線Ｃｈ２ｄはＳｉ濃度が２×１０18／ｃｍ3（比較例１、２に関連）の場合での共振器長Ｌ対微分効率ηの相関特性をそれぞれ示す。
【００８３】
上述したとおり、共振器長Ｌを長くしていくと、微分効率ηは低下していく。また、パラメータとして設定した下側クラッド層のＳｉ濃度が小さいほど微分効率ηは高くなり、共振器長Ｌを長くしていくことによる微分効率ηの特性低下を補償することができる。
【００８４】
また、Ｓｉ濃度が小さいときは、共振器長Ｌを長く延伸したときにも微分効率ηの低下（低下度合）が少ない。これは、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを低減することによって、半導体レ−ザ内部での光吸収が少なくなり、微分効率ηが上昇するためである。
【００８５】
なお、対応する実施例１、比較例１、比較例２の場合をそれぞれ図上に示してある。これらを参酌して、共振器長Ｌを１５００μｍ以上とし、ドーパント濃度Ｎｃを４×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、微分効率ηの低減を防止し、比較例１、比較例２に対して十分大きい微分効率ηを実現することが可能となる。
【００８６】
この構成により、共振器長Ｌを長くした場合の微分効率の低減を抑制し、所望の光出力Ｐｏｐとしたときの動作電流密度Ｊｏｐを低減して実用上必要な寿命ＬＴを確保することが可能となる。
【００８７】
また、共振器長Ｌを１８００μｍ以上とし、ドーパント濃度Ｎｃを２×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、実施例１に比較してさらに微分効率ηを向上させることが可能となる。したがって、この構成により、実施例１に比較してさらに高出力の光出力Ｐｏｐとした場合の動作電流密度Ｊｏｐをさらに低減して実用上必要な寿命ＬＴを確保することが可能となる。
【００８８】
図５は、図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【００８９】
同図で、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、縦軸は温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷとした状態での動作電流Ｉｏｐ（ｍＡ）である。図４に示した４種類のドーパント濃度Ｎｃ（／ｃｍ3）をそのままパラメータとしている。
【００９０】
つまり、曲線Ｃｈ３ａはＳｉ濃度が２×１０17／ｃｍ3（実施例２に関連）、曲線Ｃｈ３ｂはＳｉ濃度が４×１０17／ｃｍ3（実施例１に関連）、曲線Ｃｈ３ｃはＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3（実施例１と比較例１、２の中間ドーパント濃度に対応）、曲線Ｃｈ３ｄはＳｉ濃度が２×１０18／ｃｍ3（比較例１、２に関連）の場合での共振器長Ｌ対動作電流Ｉｏｐの相関特性をそれぞれ示す。
【００９１】
なお、図４と同様、対応する実施例１、比較例１、比較例２の場合をそれぞれ図上に示してある。
【００９２】
上述したとおり、共振器長Ｌを長くしていくと、動作電流Ｉｏｐは徐々に増加する。また、パラメータとして設定した下側クラッド層のＳｉ濃度が小さいほど動作電流Ｉｏｐは小さくなり、共振器長Ｌを長くすることによる動作電流Ｉｏｐの増加を補償することができる。
【００９３】
また、Ｓｉ濃度を小さくした場合でも、共振器長Ｌを２５００μｍ以上とすると、動作電流Ｉｏｐが６００ｍＡを超えることから、光学ドライバ（レ−ザドライバＩＣ）の最大定格電流を超える場合があり実用的でないことがある（曲線Ｃｈ３ａ、Ｃｈ３ｂ）。つまり、本実施の形態に係る半導体レーザでの共振器長Ｌの上限は、光学ドライバ（レーザドライバＩＣ）の最大定格電流により規定することとなる。
【００９４】
図６は、図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流密度の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【００９５】
同図で、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、縦軸は温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷとした状態での動作電流密度Ｊｏｐ（ｋＡ／ｃｍ2）である。動作電流密度Ｊｏｐは、図５で示した動作電流Ｉｏｐを動作電流Ｉｏｐが流れる面積（共振器長Ｌ×リッジ幅Ｗｒ）で除した値である。また、図５と同様、図４に示した４種類のドーパント濃度Ｎｃ（／ｃｍ3）をそのままパラメータとしている。
【００９６】
つまり、曲線Ｃｈ４ａはＳｉ濃度が２×１０17／ｃｍ3（実施例２に関連）、曲線Ｃｈ４ｂはＳｉ濃度が４×１０17／ｃｍ3（実施例１に関連）、曲線Ｃｈ４ｃはＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3（実施例１と比較例１、２の中間ドーパント濃度に対応）、曲線Ｃｈ４ｄはＳｉ濃度が２×１０18／ｃｍ3（比較例１、２に関連）の場合での共振器長Ｌ対動作電流密度Ｊｏｐの相関特性をそれぞれ示す。
【００９７】
なお、図４、図５と同様、対応する実施例１、比較例１、比較例２の場合をそれぞれ図上に示してある。
【００９８】
実用上必要とされる信頼性（寿命ＬＴ＝５０００ｈ）を確保するためには図２で示したとおり、動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2以下とすることが必要であるが、図６で示すとおり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを比較例１、比較例２のように高濃度に維持した状態で共振器長Ｌを単純に長くしただけでは、共振器長Ｌの増大に伴い微分効率ηが低減する（図４）ことから動作電流密度Ｊｏｐを１８ｋＡ／ｃｍ2以下とすることは困難である（曲線Ｃｈ４ｃ、Ｃｈ４ｄ）。
【００９９】
他方、上述したとおり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを低減することによって、半導体レ−ザ内部での光吸収を低減させ微分効率ηを増大させることができることから、動作電流密度Ｊｏｐを低減するためには、共振器長Ｌの増大と下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃの低減との両方を同時にバランス良く導入する必要がある（曲線Ｃｈ４ａ、Ｃｈ４ｂ）。
【０１００】
例えば、実施例２の場合は、曲線Ｃｈ４ａに対して光出力Ｐｏｐを約３０％（光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）向上させていることから、動作電流Ｉｏｐは約２０％増加させることとなるが、この場合でも曲線Ｃｈ４ａ（共振器長Ｌ＝１８００μｍで動作電流密度約１５ｋＡ／ｃｍ2）によれば動作電流密度Ｊｏｐを１８ｋＡ／ｃｍ2以下とできることが明確である。
【０１０１】
上述したとおり、本実施の形態（実施例１）に係る半導体レーザの構成と特性（図３ないし図６）から、共振器長Ｌを１５００μｍ以上とした場合に、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを４．０×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、共振器長Ｌを長くすることによる微分効率ηの低減を防止して十分な微分効率ηを実現し、所望の光出力Ｐｏｐを出力した場合の動作電流密度Ｊｏｐを低減して、実用上十分な信頼性を確保することが可能な半導体レーザを提供することができる。
【０１０２】
また、上述したとおり、本実施の形態（実施例２）に係る半導体レーザの構成と特性（図３ないし図６）から、共振器長Ｌを１８００μｍ以上とした場合に、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを２．０×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、共振器長Ｌを長くすることによる微分効率ηの低減を防止して十分な微分効率ηを実現し、所望の光出力Ｐｏｐをさらに高出力とした場合の動作電流密度Ｊｏｐを低減して、実用上十分な信頼性を確保することが可能な半導体レーザを提供することができる。
【０１０３】
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、共振器長Ｌの増大と下側クラッド層でのドーパント濃度Ｎｃの低減の両方をバランス良く導入することによって動作電流密度Ｊｏｐを所定値（例えば実施の形態１では、動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2）以下に維持して所望の光出力Ｐｏｐでの寿命ＬＴを改善することとしたが、他方、下側クラッド層でのドーパント濃度Ｎｃの低減に伴い半導体レーザの素子抵抗Ｒｄが増大するという問題が生じる。特に、下側クラッド層（第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４）のドーパント濃度を全層に渡って低減すると、下側クラッド層の抵抗が増大し、動作電圧Ｖｏｐが上昇する場合が考えられる。
【０１０４】
本実施の形態に係る半導体レーザ（実施例３ないし実施例６）は、実施例１（実施の形態１）と比較して半導体レーザの素子抵抗Ｒｄを低減する点が主に異なる。図７に基づいて、実施の形態２（実施例３ないし実施例６）について説明する。
【０１０５】
図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの下側クラッド層の構造例の概略をエネルギーバンドで示すエネルギーバンド図である。
【０１０６】
（実施例３）
実施例３に係る半導体レーザ（図７）は、実施例１に係る半導体レーザに対して、第１下側クラッド層１０３と第２下側クラッド層１０４で構成される下側クラッド層の抵抗を低減する構成としてある。共振器長Ｌその他の構成は実施例１と共通としてある（共振器長Ｌ＝１５００μｍ、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ）ので主に異なる点について説明する。
【０１０７】
つまり、実施例３では、第１下側クラッド層１０３を半導体基板１００側に位置する基板側領域１０３ａと、活性層１０５側（第２下側クラッド層１０４側）に位置する活性層側領域１０３ｂとに分割して２層構造としてある。
【０１０８】
基板側領域１０３ａは厚さ０．２５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝７×１０17（／ｃｍ3）とし、活性層側領域１０３ｂは厚さ１．７５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3）とした。
【０１０９】
つまり、実施例３に係る半導体レーザでは、第１下側クラッド層１０３の基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃは、第１下側クラッド層１０３の活性層１０５側に位置する活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃ（下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ）よりも高くしてある。
【０１１０】
実施の形態１に係る半導体レーザ、本実施の形態に係る半導体レーザいずれでも、バッファ層１０２から第１下側クラッド層１０３（基板側領域１０３ａ）にかけて境界部分で発生するバンド不連続に起因するノッチ１０３ｎ（実施例１：ノッチ１０３ｎｆ、実施例３：ノッチ１０３ｎｔ。ノッチ１０３ｎｆおよびノッチ１０３ｎｔを区別する必要が無い場合は、ノッチ１０３ｎとする。）を生じる。
【０１１１】
実施例１でのノッチ１０３ｎｆは、下側クラッド層（第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４）のドーパント濃度Ｎｃを小さくしている（Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3））ことから、ノッチ１０３ｎｆが比較例１、比較例２に比較して大きくなり、バッファ層１０２から第１下側クラッド層１０３への電子の流れを阻害することとなり、結果として素子抵抗Ｒｄを増大させ、結果として大きい動作電圧Ｖｏｐが必要となる。
【０１１２】
他方、実施例３でのノッチ１０３ｎｔは、第２下側クラッド層１０４は実施例１と同様とし、第１下側クラッド層１０３を２層構造として半導体基板１００側の基板側領域１０３ａでのドーパント濃度をＮｃ＝７×１０17（／ｃｍ3）とし、実施例１の場合（Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3））に比較して高くしていることから、ノッチ１０３ｎｔをノッチ１０３ｎｆに比較して小さくすることができる。
【０１１３】
したがって、バッファ層１０２から第１下側クラッド層１０３（基板側領域１０３ａ）への電子の流れを阻害する要因を実施例１に比較して低減することが可能となり、結果として素子抵抗Ｒｄを低減させることができる。つまり、実施例３に係る半導体レーザは、素子抵抗Ｒｄを低減できることから、動作電圧Ｖｏｐの増大を防止することが可能となる。
【０１１４】
上述したとおり、第１下側クラッド層１０３を基板側領域１０３ａと活性層側領域１０３ｂとの２層構造として、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃを、活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃ（下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ）よりも高くすることにより、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大を防止した半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１１５】
（実施例４）
実施例４に係る半導体レーザ（図７に示した実施例３と基本的構成は共通するので適宜符合を援用する。）は、実施例３の構成を半導体レーザの内部での光分布との関係から規定するものである。つまり、実施例３、実施例１に係る半導体レーザの内部での光分布は、半導体レーザの集束特性からほとんどが活性層側領域１０３ｂに分布する。したがって、実施例３での光吸収の影響は実施例１と同じであり、微分効率ηは実施例１と同じ値になる。
【０１１６】
実施例４に係る半導体レーザは、実施例３に係る半導体レーザと同様に２層構造としてあり、２層構造を活性層１０５で導波される光の分布状態に合わせて構成してある。その他の構成は実施例３と同様であるので、主に異なる点について説明する。
【０１１７】
つまり、第１下側クラッド層１０３は、半導体基板１００側に位置して活性層１０５で導波される光が分布しない基板側領域１０３ａと、活性層１０５側に位置して活性層１０５で導波される光が分布する活性層側領域１０３ｂとを備え、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃは、活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃより高くしてある。
【０１１８】
この構成により、実施例３に係る半導体レーザと同様、素子抵抗Ｒｄを低減できることから、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１１９】
（実施例５）
実施例５に係る半導体レーザ（図７に示した実施例３と基本的構成は共通するので適宜符合を援用する。）は、ドーパント濃度Ｎｃを活性層側領域１０３ｂから基板側領域１０３ａへ徐々に増加させた構造としてある。実施例３、実施例４では、第１下側クラッド層１０３を２層構造としたが、２層構造とせず、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃを徐々に変動させる構造とした場合でも同様の作用効果が得られる。その他の構成は実施例３、実施例４と同様であるので、主に異なる点について説明する。
【０１２０】
つまり、下側クラッド層は、半導体基板１００側の第１下側クラッド層１０３と活性層１０５側の第２下側クラッド層１０４で構成され、第１下側クラッド層１０３は、半導体基板１００側に位置して活性層１０５で導波される光が分布しない基板側領域１０３ａと活性層１０５側に位置して活性層１０５で導波される光が分布する活性層側領域１０３ｂとを備え、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃは、活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃに対して活性層１０５側から徐々に増加させてある。なお、このときのドーパント濃度Ｎｃは実施例３、実施例４と同様とすることが可能である。
【０１２１】
この構成により、実施例３、実施例４に係る半導体レーザと同様、素子抵抗Ｒｄを低減できることから、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１２２】
（実施例６）
活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃよりドーパント濃度Ｎｃを大きくした基板側領域１０３ａの厚さは、厚くしすぎると微分効率ηが低下し、また、薄すぎると素子抵抗Ｒｄを低減する効果が小さくなる。
【０１２３】
実施例６に係る半導体レーザは、基板側領域１０３ａの厚さを最適化したものであり、他の実施例のいずれに対しても適用することが可能である。つまり、ノッチ１０３ｎの厚さは、本実施の形態では、おおよそ３０ｎｍないし９０ｎｍであることから、基板側領域１０３ａの厚さの範囲としては、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。また、基板側領域１０３ａから活性層側領域１０３ｂへのドーパントの拡散を考慮して、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【０１２４】
この構成により、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大がなく、低い動作電圧での駆動が可能な半導体レーザを確実に実現することが可能となる。
【０１２５】
＜実施の形態３＞
本実施の形態では、光学ドライバに対する書き込み速度をさらに向上させるため、半導体レーザの光出力Ｐｏｐを実施の形態１の実施例１（光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ）、実施の形態２（実施例３ないし実施例６）の場合に比較してさらに増大させて実施の形態１の実施例２と同様に光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷとした場合について、実施例７、実施例８として説明する。なお、本実施の形態に係る半導体レーザの基本的構成は、図７に示した実施例３と共通するので適宜符号を援用する。
【０１２６】
実施例７、実施例８に係る半導体レーザは、実施例２に係る半導体レーザに対して、実施の形態２（実施例３、実施例４）の場合と同様に第１下側クラッド層１０３を半導体基板１００側に位置する基板側領域１０３ａと、活性層１０５側（第２下側クラッド層１０４側）に位置する活性層側領域１０３ｂとに分割して２層構造としてある。なお、実施例５と同様に徐々に濃度を変化させる構造とすることも可能である。
【０１２７】
つまり、実施例７、実施例８に係る半導体レーザは、実施例２に係る半導体レーザに対して実施の形態２を適用したものであり、第１下側クラッド層１０３と第２下側クラッド層１０４で構成される下側クラッド層の抵抗を低減した構成としてある。共振器長Ｌその他の構成は実施例２と共通としてある（共振器長Ｌ＝１８００μｍ、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）ので主に異なる点について説明する。
【０１２８】
具体的には、実施例７では、基板側領域１０３ａは厚さ０．２５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝５×１０17（／ｃｍ3）とし、活性層側領域１０３ｂは厚さ１．７５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝２×１０17（／ｃｍ3）とした。また、実施例８では、基板側領域１０３ａは厚さ０．２５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝１０×１０17（／ｃｍ3）とし、活性層側領域１０３ｂは厚さ１．７５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝２×１０17（／ｃｍ3）とした。
【０１２９】
図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザでの基板側領域のドーパント濃度と特性との相関を示す相関グラフであり、（Ａ）は素子抵抗を、（Ｂ）は動作電圧を示す。
【０１３０】
同図（Ａ）で、横軸は基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ（×１０17／ｃｍ3）であり、縦軸は素子抵抗Ｒｄ（Ω）である。また、同図（Ｂ）で、横軸は同図（Ａ）と同様であり、縦軸は動作電圧Ｖｏｐ（７５℃で光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）である。
【０１３１】
同図では、実施例７の場合（基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ＝５×１０17（／ｃｍ3））は、抵抗Ｒｄ＝３（Ω）、動作電圧Ｖｏｐ＝３．６（Ｖ）となっている。これに対して、実施例２に対応するドーパント濃度Ｎｃ＝２×１０17（／ｃｍ3））の場合は、抵抗Ｒｄ＝３．６（Ω）、動作電圧Ｖｏｐ＝３．９２（Ｖ）となっている。また、実施例８の場合（基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ＝１０×１０17（／ｃｍ3））は、抵抗Ｒｄ＝２．８５（Ω）、動作電圧Ｖｏｐ＝３．５５（Ｖ）となっている。つまり、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ対素子抵抗Ｒｄの相関は曲線Ｃｈ５で示され、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ対動作電圧Ｖｏｐの相関は曲線Ｃｈ６で示される。
【０１３２】
半導体レ−ザの動作電圧Ｖｏｐは、半導体レ−ザを電流駆動するレ−ザドライバＩＣの駆動最大電圧（最大定格出力）以下である必要がある。すなわち、レ−ザドライバＩＣの駆動最大電圧以上の動作電圧を必要とする半導体レ−ザには電流を流すことができず、レ−ザドライバＩＣを適用することができない。
【０１３３】
光ピックアップ（レーザドライバＩＣ）の電源電圧としては５Ｖが最も一般的である。電源電圧５Ｖの場合、電源定格の範囲は５±０．５Ｖであるから、最小許容電源電圧は４．５Ｖである。また、レーザドライバＩＣ自体の電圧降下として０．７Ｖは必要であるから、半導体レ−ザに許される駆動最大電圧は４．５Ｖ−０．７Ｖ＝３．８Ｖとなる。
【０１３４】
したがって、高い光出力Ｐｏｐ（例えば、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）を出力するためには、素子抵抗Ｒｄを低減し、動作電圧ＶｏｐをレーザドライバＩＣの駆動最大電圧（３．８Ｖ）以下とすることが可能なドーパント濃度Ｎｃ＝３×１０17（／ｃｍ3）以上とすることが必要である。また、確実性、信頼性をさらに保証するためには、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3）以上とすることがより好ましい。
【０１３５】
本実施の形態に係る半導体レーザは、高出力の光出力での信頼性を確保し、光学ドライバに対する書き込み速度をさらに向上させた場合でも、動作電圧の上昇を防止して、低い駆動電圧での駆動が可能となり、一般的なレーザドライバＩＣによる駆動を行なうことが可能となる。
【０１３６】
＜実施の形態４＞
本実施の形態に係る電子機器（不図示）は、半導体レーザを用いて光ディスク（書き込み用光ディスク）に対する光データの書き込みを行なう構成としてある。本実施の形態に係る電子機器は、実施の形態１ないし実施の形態３に係る半導体レーザを適用する構成としてある。
【０１３７】
電子機器は、光ディスクを回転駆動する光ディスク駆動部と、該光ディスク駆動部に載置された光ディスクへ光データを書き込む半導体レーザと、該半導体レーザを駆動して電気信号に対応する光信号を発生させるレーザドライバＩＣと、該レーザドライバＩＣへ光信号に対応する電気信号を供給する電気信号供給部と、前記光ディスク駆動部および前記電気信号供給部を制御して電子機器として機能させる制御部とを備える。なお、該制御部は中央処理装置（ＣＰＵ）により構成される。
【０１３８】
この構成により、光ディスクに対する光データの書き込みを長期間にわたって信頼性良く行なうことが可能な電子機器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構造例の概略を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した半導体レーザの活性層での利得領域と窓部との配置関係を示す斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示した半導体レーザの活性層の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図１Ｄ】図１Ａに示した半導体レーザのｎ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図１Ｅ】図１Ａに示した半導体レーザのｐ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図１Ｆ】図１Ａに示した半導体レーザの後面反射膜の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図２】図１Ａに示した半導体レーザでの動作電流密度対寿命の相関を示す相関グラフである。
【図３】図１Ａに示した半導体レーザに基づく構成と特性について実施例と比較例とを比較して示す特性比較図表である。
【図４】図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対微分効率の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【図５】図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【図６】図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流密度の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの下側クラッド層の構造例の概略をエネルギーバンドで示すエネルギーバンド図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザでの基板側領域のドーパント濃度と特性との相関を示す相関グラフであり、（Ａ）は素子抵抗を、（Ｂ）は動作電圧を示す。
【符号の説明】
【０１４０】
１００ 半導体基板
１０１ バッファ層
１０２ バッファ層
１０３ 第１下側クラッド層（下側クラッド層）
１０３ａ 基板側領域
１０３ｂ 活性層側領域
１０４ 第２下側クラッド層（下側クラッド層）
１０５ 活性層
１０５ｆ 光出射端部
１０５ｒ 光出射端部
１０６ 第１上側クラッド層
１０７ エッチングストップ層
１０８ 第２上側クラッド層
１０９ 中間バンドギャップ層
１１０ キャップ層
１２０ 電流阻止層
１２１ コンタクト層
１２２ ｎ側電極
１２３ ｐ側電極
１２４ 光出射端面
１２５ 光出射端面
１２６ 前面反射膜
１２７ 後面反射膜
Ａｇ 利得領域
Ａｔ 遷移領域
Ａｗ 窓領域（窓構造）
ＬＴ 寿命
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層をこの順に形成した半導体レーザおよびこのような半導体レーザを適用した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に、下側クラッド層、活性層、上側クラッド層をこの順に形成した半導体レーザが提案され、光ディスク（書き込み用光ディスク）に光データを書き込んで記録する電子機器に適用されている。
【０００３】
従来の半導体レ−ザに対して、光ディスクの書き込み速度の高速化に伴い光出力の増大が要望されている。また、近年の動向として、光ディスクの容量拡大のため記録層を２層とした光ディスクも実用に供されており、半導体レ−ザの高出力化がさらに要望されている。
【０００４】
しかしながら、半導体レ−ザの高出力化に伴って次のような問題が生じている。第１の問題は、半導体レーザの光出射端面からの光出力の増大に伴い、光出射端面が劣化するという問題であり、第２の問題は、光出力を増大するために増やされる駆動電流による通電時の特性劣化、つまり信頼性の低下問題である。光出力を増大して光ディスクへ適用するためには、これらの問題を解決する必要がある。
【０００５】
光出力の増大による光出射端面の劣化を防止する技術として、光出射端部にバンドギャップを大きくした領域、いわゆる窓領域の形成が有効であることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかし、駆動電流（動作電流）の増大に伴う劣化現象は、窓領域を形成して端面の劣化を防止した状態でも発生している。つまり、駆動電流の増大は、端面での光学的劣化が発生しない状態であっても、半導体レ−ザの内部で結晶が劣化し、駆動電流の増大、光出力の劣化を引き起こしている。また、端面での劣化が発生しない条件の下では、駆動時の動作電流密度が信頼性に影響を及ぼすことが、実験的に確認されている。
【０００７】
したがって、光出力を増大した場合でも十分な信頼性を確保するためには、動作電流密度を増大させないことが必要である。光出力を増大したときの駆動電流増大による信頼性低下を防ぐためには、共振器長を長くすることが有効である。つまり、半導体レ−ザの駆動電流を増大させる場合、共振器長を長くすることにより、単位面積あたりの電流値すなわち動作電流密度を低下させることが可能である。
【０００８】
ところが、半導体レーザでは、共振器長を長くすると微分効率η（動作電流対光出力特性の傾き：Ｗ／Ａ）が低下する。したがって、微分効率ηが低いままでは、所定の光出力を実現するために動作電流を増大しなければならず、結果として動作電流密度を十分低減することができないという問題がある。
【０００９】
なお、活性層を上下のクラッド層で挟んだ半導体レーザとして特許文献２、特許文献３が知られている。
【特許文献１】特開２００３−１２４５６９号公報
【特許文献２】特開２００５−１０１４４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願発明者は、種々検討していく中で、微分効率ηを向上させる対策として下側クラッド層に不純物として導入するドーパントの濃度（ドーパント濃度。キャリア濃度ともいう。）の低減が有効であることを見出した。つまり、共振器長を長くして動作電流密度を低減する場合に、例えば第１導電型としてのｎ型で構成した下側クラッド層のドーパント濃度を低減することにより、微分効率ηの低下を防止して動作電流密度の増加を抑制し、信頼性の低下を防止することが可能となる。
【００１１】
また、下側クラッド層でのドーパント濃度の低減は、抵抗を増大させることから動作電圧を増大する必要が生じる。例えば、半導体レ−ザを使用する光ピックアップ（光ディスク装置などの光学ドライブ）では、半導体レ−ザを駆動するためにレ−ザドライバＩＣを使用する。レ−ザドライバＩＣではＩＣの熱損失などを考慮した最大電流の定格がある。また、光学ドライブ内部の電源電圧仕様とレ−ザドライバＩＣ内部での電圧降下とから定まるレ−ザ駆動の最大定格電圧の定格が存在する。したがって、半導体レ−ザを光学ドライブ（レ−ザドライバＩＣ）に適用するためには、レ−ザドライバＩＣの最大定格電流、および最大定格電圧以下とする必要があり、半導体レ−ザの動作電圧の増加は抑える必要がある。
【００１２】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、量子井戸層を含む活性層を上下のクラッド層で挟んだ半導体レーザの下側クラッド層のドーパント濃度と共振器長を画定することにより、用途に適合した十分な光出力と寿命を確保できる半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明は、下側クラッド層の基板側領域でのドーパント濃度を下側クラッド層の活性層側領域でのドーパント濃度より高くすることにより、高出力の光出力での動作状態で高い信頼性（寿命）を確保するため、共振器長を長くし、下側クラッド層のドーパント濃度を低減した場合でも動作電圧の上昇を防止できる半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明は、本発明に係る半導体レーザを適用して光ディスクに対する光データの書き込みを行なうことにより、信頼性の高い光データの書き込みが可能な電子機器を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る半導体レーザは、半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、前記下側クラッド層のドーパント濃度は４．０×１０17／ｃｍ3以下であり、共振器長は１５００μｍ以上としてあることを特徴とする。
【００１６】
この構成により、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止して十分な微分効率を実現することが可能となるので、所望の光出力とした場合の動作電流密度を低減して実用上必要な寿命を確保することができる。
【００１７】
また、本発明に係る半導体レーザでは、半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、前記下側クラッド層のドーパント濃度は２．０×１０17／ｃｍ3以下であり、共振器長は１８００μｍ以上としてあることを特徴とする。
【００１８】
この構成により、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止してさらに十分な微分効率を実現することが可能となるので、所望の高出力の光出力とした場合の動作電流密度をさらに低減して実用上必要な寿命を確保することが可能となる。
【００１９】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層の前記半導体基板側に位置する基板側領域でのドーパント濃度は、前記第１下側クラッド層の前記活性層側に位置する活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする。
【００２０】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする。
【００２２】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【００２３】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側でのドーパント濃度に対して前記活性層側から徐々に増加させてあることを特徴とする。
【００２４】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【００２５】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記基板側領域のドーパント濃度は、４．０×１０17／ｃｍ3以上としてあることを特徴とする。
【００２６】
この構成により、高い微分効率を保持し、素子抵抗の増大を防止して、高い光出力を確実に実現することが可能となる。
【００２７】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記基板側領域の厚さは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下としてあることを特徴とする。
【００２８】
この構成により、高い微分効率を有し、動作電圧の増大がない半導体レーザを確実に実現することが可能となる。
【００２９】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記活性層の光出射端部は、窓構造を有することを特徴とする。
【００３０】
この構成により、光出射端面の劣化を確実に防止することができる。
【００３１】
また、本発明に係る半導体レーザでは、前記下側クラッド層のドーパントは、シリコンであることを特徴とする。
【００３２】
この構成により、高精度で容易にドーパント濃度を制御でき、下側クラッド層を高精度に形成することが可能となる。
【００３３】
また、本発明に係る電子機器は、半導体レーザを用いて光データの書き込みを行なう電子機器であって、前記半導体レーザは、本発明に係る半導体レーザであることを特徴とする。
【００３４】
この構成により、光ディスクに対する光データの書き込みを長期間にわたって信頼性良く行なうことが可能な電子機器となる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る半導体レーザによれば、下側クラッド層のドーパント濃度と共振器長を画定することから、用途に適合した十分な光出力と寿命を確保できるという効果を奏する。
【００３６】
また、下側クラッド層のドーパント濃度を４．０×１０17／ｃｍ3以下とし、共振器長を１５００μｍ以上とすることから、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止し、所望の光出力とした場合の動作電流密度を低減して実用上必要な寿命を確保することができるという効果を奏する。
【００３７】
また、下側クラッド層のドーパント濃度を２．０×１０17／ｃｍ3以下とし、共振器長を１８００μｍ以上とすることから、共振器長を長くすることによる微分効率の低減を防止し、さらに高出力の所望の光出力とした場合の動作電流密度を低減して実用上必要な寿命を確保することができるという効果を奏する。
【００３８】
また、本発明に係る半導体レーザによれば、下側クラッド層の基板側領域でのドーパント濃度を下側クラッド層の活性層側領域でのドーパント濃度より高くすることから、高出力の光出力での動作状態で高い信頼性（寿命）を確保するため、共振器長を長くし、下側クラッド層のドーパント濃度を低減した場合でも動作電圧の上昇を防止でき、動作電圧が低く一般的なレーザドライバＩＣによる駆動が可能になるという効果を奏する。
【００３９】
また、本発明に係る電子機器によれば、本発明に係る半導体レーザを適用することから、光ディスクに対する光データの書き込みを長期間にわたって信頼性良く行なうことが可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４１】
なお、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である。）をＡｌＧａＩｎＰと、ＧａzＩｎ1-zＰ（ただし、０≦ｚ≦１である。）をＧａＩｎＰと、ＡｌrＧａ1-rＡｓ（ただし、０≦ｒ≦１である。）をＡｌＧａＡｓとそれぞれ略記することがある。また、第１導電型として例えばｎ型、第２導電型として例えばｐ型を例示するが逆の導電型とすることも可能である。
【００４２】
＜実施の形態１＞
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構造例の概略を示す斜視図である。
【００４３】
本実施の形態に係る半導体レーザは、半導体基板１００の上にバッファ層１０１、バッファ層１０２、第１下側クラッド層１０３、第２下側クラッド層１０４、活性層１０５、第１上側クラッド層１０６、エッチングストップ層１０７がこの順で積層してある。また、第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４を併せて単に下側クラッド層ということがある。
【００４４】
半導体基板１００はｎ型ＧａＡｓで、バッファ層１０１はｎ型ＧａＡｓで、バッファ層１０２はｎ型ＧａＩｎＰで、第１下側クラッド層１０３は厚さ２．０μｍのｎ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、第２下側クラッド層１０４は厚さ０．２μｍのｎ型（Ａｌ0.665Ｇａ0.335）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、活性層１０５は量子井戸層を含むアンド−プ層で、第１上側クラッド層１０６は厚さ０．１μｍのｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、エッチングストップ層１０７はｐ型ＧａＩｎＰでそれぞれ構成してある。
【００４５】
さらに、リッジストライプ部として、第２上側クラッド層１０８、中間バンドギャップ層１０９、キャップ層１１０がエッチングストップ層１０７の上にこの順で積層してある。つまり、エッチングストップ層１０７の表面の一部に尾根状に突出して形成された第２上側クラッド層１０８、第２上側クラッド層１０８の上に順に積層された中間バンドギャップ層１０９、キャップ層１１０でリッジストライプ部が構成してある。また、第１上側クラッド層１０６および第２上側クラッド層１０８を併せて単に上側クラッド層ということがある。
【００４６】
第２上側クラッド層１０８は厚さ１．５μｍのｐ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、中間バンドギャップ層１０９は厚さ０．０５μｍのｐ型ＧａＩｎＰで、キャップ層１１０は厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓでそれぞれ構成してある。なお、リッジストライプ部の幅（リッジ幅Ｗｒ：第２上側クラッド層１０８の底面の幅）は１．８μｍとしてある。
【００４７】
エッチングストップ層１０７の上の第２上側クラッド層１０８が形成されていない領域には電流阻止層１２０が形成してあり、電流阻止層１２０の上にはコンタクト層１２１、ｐ側電極１２３がこの順で形成してある。半導体基板１００のバッファ層１０１が形成されている面と反対の面にはｎ側電極１２２が形成してある。なお、電流阻止層１２０はｎ型ＡｌＩｎＰで、コンタクト層１２１はｐ型ＧａＡｓでそれぞれ構成してある。
【００４８】
また、ｎ型基板１００の表面と垂直な方向で長さ方向の端部に形成された光出射端面１２４、１２５にはそれぞれ前面反射膜１２６、後面反射膜１２７が形成してある。また、共振器長Ｌは、光出射端面１２４、１２５相互間の距離で画定される。
【００４９】
なお、本実施の形態に係る半導体レーザでは、ｎ型ド−パントはシリコン（Ｓｉ）であり、ｐ型ド−パントはマグネシウム（Ｍｇ）とし、Ｍｇの濃度は１．０×１０18／ｃｍ3とした。ｎ型ド−パントとしてＳｉを用いることにより高精度で容易にドーパント濃度Ｎｃを制御でき、下側クラッド層を高精度に形成することができる。
【００５０】
図１Ｂは、図１Ａに示した半導体レーザの活性層での利得領域と窓部との配置関係を示す斜視図である。
【００５１】
本実施の形態に係る半導体レ−ザの活性層１０５では、光出射端面１２４、１２５から一定長さの領域が混晶化され窓領域Ａｗが構成してある。混晶化された窓領域Ａｗでの活性層１０５のエネルギーバンドギャップは、光が増幅される領域である利得領域Ａｇでの活性層１０５のエネルギーバンドギャップよりも大きくなる。したがって、半導体レ−ザによる光は窓領域Ａｗでは吸収されないことから、半導体レ−ザの光出射端面１２４、１２５での光吸収による劣化は生じることがない。
【００５２】
窓領域Ａｗは、半導体基板１００の表面にバッファ層１０１からキャップ層１１０までの各層を順次積層した後、キャップ層１１０の上面の両端部（窓領域Ａｗに対応する領域）に厚さ３５ｎｍのＺｎＯ膜（図示せず）および厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2膜（図示せず）をこの順で形成し、５１０℃で２時間の熱処理を施してＺｎを拡散することによって形成される。
【００５３】
ＳｉＯ2膜は外部へＺｎが蒸発することを防止するために形成されており、ＺｎＯ膜およびＳｉＯ2膜は熱処理後に除去される。また、窓領域Ａｗを形成する際に、光強度分布の広がりが変化する領域となる遷移領域Ａｔが窓領域Ａｗと利得領域Ａｇとの間に形成される。なお、中間バンドギャップ層１０９およびキャップ層１１０の両端部（光出射端面１２４、１２５から約３０μｍの領域）は除去されている。
【００５４】
半導体レーザの前面となる光出射端面１２４に対応させた窓領域Ａｗを活性層１０５の光出射端部１０５ｆに形成し、半導体レーザの後面となる光出射端面１２５に対応させた窓領域Ａｗを活性層１０５の光出射端部１０５ｒに形成する。つまり、光出射端部１０５ｆ、１０５ｒは、窓構造（窓領域Ａｗ）を有することから、光出射端面１２４、１２５の劣化を確実に防止することが可能となる。
【００５５】
図１Ｃは、図１Ａに示した半導体レーザの活性層の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【００５６】
活性層１０５は、第２下側クラッド層１０４から第１上側クラッド層１０６にかけて順に積層された、厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層１０５ａ、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層１０５ｂ、厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０５ｃ、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層１０５ｄ、厚さ５ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層１０５ｅ、厚さ５ｎｍのＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ量子井戸層１０５ｆ、および厚さ５０ｎｍの（Ａｌ0.56Ｇａ0.44）0.5Ｉｎ0.5Ｐガイド層１０５ｇによって構成してある。
【００５７】
図１Ｄは、図１Ａに示した半導体レーザのｎ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。図１Ｅは、図１Ａに示した半導体レーザのｐ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【００５８】
ｎ側電極１２２は、半導体基板１００にＡｕＧｅ層１２２ａ、Ｎｉ層１２２ｂ、Ｍｏ層１２２ｃおよびＡｕ層１２２ｄをこの順に積層して形成してある。また、ｐ側電極１２３は、コンタクト層１２１にＡｕＺｎ層１２３ａ、Ｍｏ層１２３ｂおよびＡｕ層１２３ｃをこの順に積層して形成してある。
【００５９】
図１Ｆは、図１Ａに示した半導体レーザの後面反射膜の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【００６０】
後面反射膜１２７は、光出射端面１２５に対してＡｌ2Ｏ3層１２７ａ、Ｓｉ層１２７ｂ、Ａｌ2Ｏ3層１２７ｃ、Ｓｉ層１２７ｄおよびＡｌ2Ｏ3層１２７ｅを順に積層して形成してあり、反射率は９０％となっている。
【００６１】
また、前面反射膜１２６は、光出射端面１２４に対してＡｌ2Ｏ3層を積層してあり、反射率は８％となっている。
【００６２】
半導体レ−ザに窓構造を形成し、端面での劣化が生じない状態とした場合、図２で示すとおり、半導体レ−ザの寿命は動作電流密度によって決まることが知られている。
【００６３】
図２は、図１Ａに示した半導体レーザでの動作電流密度対寿命の相関を示す相関グラフである。
【００６４】
同図で横軸は動作電流密度Ｊｏｐ（ｋＡ／ｃｍ2）であり、縦軸は寿命ＬＴ（ｈ）である。グラフ上に□（四角図形）で示した点が実測経験値であり、実測経験値から抽出した直線Ｃｈ１が動作電流密度対寿命の相関特性を示す。実用上要求される寿命ＬＴは５０００時間であるが、この寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保するために必要な動作電流密度Ｊｏｐの条件は、直線Ｃｈ１から動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2以下とする必要があることが分かる。
【００６５】
図３は、図１Ａに示した半導体レーザに基づく構成と特性について実施例と比較例とを比較して示す特性比較図表である。
【００６６】
実施例１に係る半導体レーザは、共振器長Ｌ＝１５００μｍとした。また、第１下側クラッド層１０３のドーパント濃度（ｎ型不純物としてのＳｉの濃度。以下同様とする。）Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、第２下側クラッド層１０４のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3、つまり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3とした。
【００６７】
実施例２に係る半導体レーザは、実施例１に比較して共振器長Ｌをさらに長くし共振器長Ｌ＝１８００μｍとした。また、第１下側クラッド層１０３のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０17／ｃｍ3、第２下側クラッド層１０４のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０17／ｃｍ3、つまり、実施例１に比較して下側クラッド層のドーパント濃度をさらに低減し、ドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０17／ｃｍ3とした。
【００６８】
比較例１に係る半導体レーザは、共振器長Ｌ＝１３００μｍとし、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０18／ｃｍ3とした。さらに、比較例２に係る半導体レーザは、共振器長Ｌ＝２０００μｍとし、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ＝２．０×１０18／ｃｍ3とした。
【００６９】
比較例１に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝７３ｍＡ、微分効率η＝０．８３Ｗ／Ａ、光出力（常用使用時のパルス。以下同様とする。）Ｐｏｐ＝１８０ｍＷ（７５℃）である。実使用条件である温度７５℃のもと、光出力Ｐｏｐ＝１８０ｍＷでエ−ジングにかけたところ、寿命ＬＴ＝５０００ｈ（時間）となった。そのときの動作電流Ｉｏｐ＝４２０ｍＡであった。共振器長Ｌ＝１３００μｍとリッジ幅Ｗｒ＝１．８μｍとの積で動作電流Ｉｏｐ（４２０ｍＡ）を除して動作電流密度Ｊｏｐを求めると、動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2である。
【００７０】
比較例１に係る半導体レーザを高速で書き込む光学ドライブに適用することを想定して、光出力Ｐｏｐをさらに増加させ、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷとした。温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷを出力するには、動作電流Ｉｏｐ＝６３０ｍＡが必要であり、この状態では動作電流密度Ｊｏｐ＝２７ｋＡ／ｃｍ2であった。この動作条件では、寿命ＬＴ≦５０ｈと短く実用できない値となった。
【００７１】
つまり、比較例１に係る半導体レーザは、光出力Ｐｏｐ＝１８０ｍＷでは十分な信頼性を有するが、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでは寿命ＬＴが５０時間以内と短く、信頼性が不十分となることから実用に供することは困難である。すなわち、比較例１に係る半導体レーザを光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷで動作させたときの動作電流密度Ｊｏｐは２７ｋＡ／ｃｍ2であり、寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保できる動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2よりはるかに大きく寿命が短いことがわかる。
【００７２】
比較例２に係る半導体レーザでは、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ（７５℃）の動作状態とした場合の動作電流密度Ｊｏｐを低減するために、共振器長Ｌ＝２０００μｍと共振器長を比較例１に比較して長くしたものである。
【００７３】
比較例２に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝９５ｍＡ、微分効率η＝０．６５Ｗ／Ａである。共振器長Ｌを長くしたことから、微分効率η＝０．６５Ｗ／Ａと微分効率が大きく低下している。つまり、比較例１と比較して共振器長Ｌを長くしたことから面積が拡大したことによる動作電流密度Ｊｏｐの低下はあるが、微分効率ηが低下している。微分効率ηの低下に伴い、同一の光出力Ｐｏｐを得るために動作電流Ｉｏｐを増大することが必要となる。
【００７４】
したがって、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでは動作電流Ｉｏｐ＝８００ｍＡが必要となり、動作電流密度Ｊｏｐ＝２２ｋＡ／ｃｍ2と動作電流密度Ｊｏｐが大きくなり、寿命ＬＴ＝約８００ｈと信頼性（寿命）が低下した。つまり、単に共振器長Ｌを長くしただけの比較例２に係る半導体レーザでは、十分な信頼性が得られるレベルに動作電流密度Ｊｏｐを低減することができず、比較例１の場合と同様実用に供することはできない。
【００７５】
実施例１に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝６３ｍＡ、微分効率η＝１．０５Ｗ／Ａ、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ（７５℃）での動作電流Ｉｏｐ＝５００ｍＡである。また、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでの動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2である。したがって、長期エ−ジングで寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保でき、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷでも十分な信頼性を有する。
【００７６】
つまり、共振器長Ｌを共振器長Ｌ＝１５００μｍと長くし、また、下側クラッド層のドーパント濃度をドーパント濃度Ｎｃ＝４．０×１０17／ｃｍ3と低減することにより、十分な光出力Ｐｏｐの状態でも寿命ＬＴを長くすることができ、実用上十分な信頼性を確保することが可能となる。
【００７７】
実施例２に係る半導体レーザの初期特性は、閾値電流Ｉｔｈ＝６２ｍＡ、微分効率η＝１．１５Ｗ／Ａ、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ（７５℃）での動作電流Ｉｏｐ＝６００ｍＡである。また、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷでの動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2である。したがって、実施例１と同様に長期エ−ジングで寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保でき、実施例１に比較して高出力である光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷとした場合でも十分な信頼性を有する。つまり、実施例１に比較して同一の信頼性条件下でさらに高出力とすることが可能となる。
【００７８】
上述したとおり、実施例１、実施例２に係る半導体レーザの構成によれば、共振器長Ｌの増大に伴う微分効率ηの低減を抑制することにより、動作電流密度Ｊｏｐの増大を抑制し、寿命ＬＴ＝５０００ｈを確保して十分な信頼性を有する半導体レーザとすることができる。
【００７９】
実施例１、実施例２、比較例１、比較例２に基づく知見から、さらにデータを収集して共振器長Ｌ、下側クラッド層１０３のドーパント濃度Ｎｃ、微分効率η、動作電流Ｉｏｐ（温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ）、動作電流密度Ｊｏｐの相互関係を分析した結果について図４ないし図６に基づいて説明する。なお、図４ないし図６は、適宜のポイントでの実験値を基礎として計算した計算値による特性曲線である。
【００８０】
図４は、図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対微分効率の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【００８１】
同図で、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、縦軸は温度２５℃での微分効率η（Ｗ／Ａ）である。４種類のドーパント濃度Ｎｃ（／ｃｍ3）をパラメータとしている。
【００８２】
つまり、曲線Ｃｈ２ａは下側クラッド層（第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４）のドーパント濃度ＮｃとしてのＳｉ濃度（以下同様である。）が２×１０17／ｃｍ3（実施例２に関連）、曲線Ｃｈ２ｂはＳｉ濃度が４×１０17／ｃｍ3（実施例１に関連）、曲線Ｃｈ２ｃはＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3（実施例１と比較例１、２の中間ドーパント濃度に対応）、曲線Ｃｈ２ｄはＳｉ濃度が２×１０18／ｃｍ3（比較例１、２に関連）の場合での共振器長Ｌ対微分効率ηの相関特性をそれぞれ示す。
【００８３】
上述したとおり、共振器長Ｌを長くしていくと、微分効率ηは低下していく。また、パラメータとして設定した下側クラッド層のＳｉ濃度が小さいほど微分効率ηは高くなり、共振器長Ｌを長くしていくことによる微分効率ηの特性低下を補償することができる。
【００８４】
また、Ｓｉ濃度が小さいときは、共振器長Ｌを長く延伸したときにも微分効率ηの低下（低下度合）が少ない。これは、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを低減することによって、半導体レ−ザ内部での光吸収が少なくなり、微分効率ηが上昇するためである。
【００８５】
なお、対応する実施例１、比較例１、比較例２の場合をそれぞれ図上に示してある。これらを参酌して、共振器長Ｌを１５００μｍ以上とし、ドーパント濃度Ｎｃを４×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、微分効率ηの低減を防止し、比較例１、比較例２に対して十分大きい微分効率ηを実現することが可能となる。
【００８６】
この構成により、共振器長Ｌを長くした場合の微分効率の低減を抑制し、所望の光出力Ｐｏｐとしたときの動作電流密度Ｊｏｐを低減して実用上必要な寿命ＬＴを確保することが可能となる。
【００８７】
また、共振器長Ｌを１８００μｍ以上とし、ドーパント濃度Ｎｃを２×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、実施例１に比較してさらに微分効率ηを向上させることが可能となる。したがって、この構成により、実施例１に比較してさらに高出力の光出力Ｐｏｐとした場合の動作電流密度Ｊｏｐをさらに低減して実用上必要な寿命ＬＴを確保することが可能となる。
【００８８】
図５は、図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【００８９】
同図で、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、縦軸は温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷとした状態での動作電流Ｉｏｐ（ｍＡ）である。図４に示した４種類のドーパント濃度Ｎｃ（／ｃｍ3）をそのままパラメータとしている。
【００９０】
つまり、曲線Ｃｈ３ａはＳｉ濃度が２×１０17／ｃｍ3（実施例２に関連）、曲線Ｃｈ３ｂはＳｉ濃度が４×１０17／ｃｍ3（実施例１に関連）、曲線Ｃｈ３ｃはＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3（実施例１と比較例１、２の中間ドーパント濃度に対応）、曲線Ｃｈ３ｄはＳｉ濃度が２×１０18／ｃｍ3（比較例１、２に関連）の場合での共振器長Ｌ対動作電流Ｉｏｐの相関特性をそれぞれ示す。
【００９１】
なお、図４と同様、対応する実施例１、比較例１、比較例２の場合をそれぞれ図上に示してある。
【００９２】
上述したとおり、共振器長Ｌを長くしていくと、動作電流Ｉｏｐは徐々に増加する。また、パラメータとして設定した下側クラッド層のＳｉ濃度が小さいほど動作電流Ｉｏｐは小さくなり、共振器長Ｌを長くすることによる動作電流Ｉｏｐの増加を補償することができる。
【００９３】
また、Ｓｉ濃度を小さくした場合でも、共振器長Ｌを２５００μｍ以上とすると、動作電流Ｉｏｐが６００ｍＡを超えることから、光学ドライバ（レ−ザドライバＩＣ）の最大定格電流を超える場合があり実用的でないことがある（曲線Ｃｈ３ａ、Ｃｈ３ｂ）。つまり、本実施の形態に係る半導体レーザでの共振器長Ｌの上限は、光学ドライバ（レーザドライバＩＣ）の最大定格電流により規定することとなる。
【００９４】
図６は、図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流密度の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【００９５】
同図で、横軸は共振器長Ｌ（μｍ）であり、縦軸は温度７５℃で光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷとした状態での動作電流密度Ｊｏｐ（ｋＡ／ｃｍ2）である。動作電流密度Ｊｏｐは、図５で示した動作電流Ｉｏｐを動作電流Ｉｏｐが流れる面積（共振器長Ｌ×リッジ幅Ｗｒ）で除した値である。また、図５と同様、図４に示した４種類のドーパント濃度Ｎｃ（／ｃｍ3）をそのままパラメータとしている。
【００９６】
つまり、曲線Ｃｈ４ａはＳｉ濃度が２×１０17／ｃｍ3（実施例２に関連）、曲線Ｃｈ４ｂはＳｉ濃度が４×１０17／ｃｍ3（実施例１に関連）、曲線Ｃｈ４ｃはＳｉ濃度が１×１０18／ｃｍ3（実施例１と比較例１、２の中間ドーパント濃度に対応）、曲線Ｃｈ４ｄはＳｉ濃度が２×１０18／ｃｍ3（比較例１、２に関連）の場合での共振器長Ｌ対動作電流密度Ｊｏｐの相関特性をそれぞれ示す。
【００９７】
なお、図４、図５と同様、対応する実施例１、比較例１、比較例２の場合をそれぞれ図上に示してある。
【００９８】
実用上必要とされる信頼性（寿命ＬＴ＝５０００ｈ）を確保するためには図２で示したとおり、動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2以下とすることが必要であるが、図６で示すとおり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを比較例１、比較例２のように高濃度に維持した状態で共振器長Ｌを単純に長くしただけでは、共振器長Ｌの増大に伴い微分効率ηが低減する（図４）ことから動作電流密度Ｊｏｐを１８ｋＡ／ｃｍ2以下とすることは困難である（曲線Ｃｈ４ｃ、Ｃｈ４ｄ）。
【００９９】
他方、上述したとおり、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを低減することによって、半導体レ−ザ内部での光吸収を低減させ微分効率ηを増大させることができることから、動作電流密度Ｊｏｐを低減するためには、共振器長Ｌの増大と下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃの低減との両方を同時にバランス良く導入する必要がある（曲線Ｃｈ４ａ、Ｃｈ４ｂ）。
【０１００】
例えば、実施例２の場合は、曲線Ｃｈ４ａに対して光出力Ｐｏｐを約３０％（光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）向上させていることから、動作電流Ｉｏｐは約２０％増加させることとなるが、この場合でも曲線Ｃｈ４ａ（共振器長Ｌ＝１８００μｍで動作電流密度約１５ｋＡ／ｃｍ2）によれば動作電流密度Ｊｏｐを１８ｋＡ／ｃｍ2以下とできることが明確である。
【０１０１】
上述したとおり、本実施の形態（実施例１）に係る半導体レーザの構成と特性（図３ないし図６）から、共振器長Ｌを１５００μｍ以上とした場合に、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを４．０×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、共振器長Ｌを長くすることによる微分効率ηの低減を防止して十分な微分効率ηを実現し、所望の光出力Ｐｏｐを出力した場合の動作電流密度Ｊｏｐを低減して、実用上十分な信頼性を確保することが可能な半導体レーザを提供することができる。
【０１０２】
また、上述したとおり、本実施の形態（実施例２）に係る半導体レーザの構成と特性（図３ないし図６）から、共振器長Ｌを１８００μｍ以上とした場合に、下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃを２．０×１０17／ｃｍ3以下とすることにより、共振器長Ｌを長くすることによる微分効率ηの低減を防止して十分な微分効率ηを実現し、所望の光出力Ｐｏｐをさらに高出力とした場合の動作電流密度Ｊｏｐを低減して、実用上十分な信頼性を確保することが可能な半導体レーザを提供することができる。
【０１０３】
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、共振器長Ｌの増大と下側クラッド層でのドーパント濃度Ｎｃの低減の両方をバランス良く導入することによって動作電流密度Ｊｏｐを所定値（例えば実施の形態１では、動作電流密度Ｊｏｐ＝１８ｋＡ／ｃｍ2）以下に維持して所望の光出力Ｐｏｐでの寿命ＬＴを改善することとしたが、他方、下側クラッド層でのドーパント濃度Ｎｃの低減に伴い半導体レーザの素子抵抗Ｒｄが増大するという問題が生じる。特に、下側クラッド層（第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４）のドーパント濃度を全層に渡って低減すると、下側クラッド層の抵抗が増大し、動作電圧Ｖｏｐが上昇する場合が考えられる。
【０１０４】
本実施の形態に係る半導体レーザ（実施例３ないし実施例６）は、実施例１（実施の形態１）と比較して半導体レーザの素子抵抗Ｒｄを低減する点が主に異なる。図７に基づいて、実施の形態２（実施例３ないし実施例６）について説明する。
【０１０５】
図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの下側クラッド層の構造例の概略をエネルギーバンドで示すエネルギーバンド図である。
【０１０６】
（実施例３）
実施例３に係る半導体レーザ（図７）は、実施例１に係る半導体レーザに対して、第１下側クラッド層１０３と第２下側クラッド層１０４で構成される下側クラッド層の抵抗を低減する構成としてある。共振器長Ｌその他の構成は実施例１と共通としてある（共振器長Ｌ＝１５００μｍ、光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ）ので主に異なる点について説明する。
【０１０７】
つまり、実施例３では、第１下側クラッド層１０３を半導体基板１００側に位置する基板側領域１０３ａと、活性層１０５側（第２下側クラッド層１０４側）に位置する活性層側領域１０３ｂとに分割して２層構造としてある。
【０１０８】
基板側領域１０３ａは厚さ０．２５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝７×１０17（／ｃｍ3）とし、活性層側領域１０３ｂは厚さ１．７５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3）とした。
【０１０９】
つまり、実施例３に係る半導体レーザでは、第１下側クラッド層１０３の基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃは、第１下側クラッド層１０３の活性層１０５側に位置する活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃ（下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ）よりも高くしてある。
【０１１０】
実施の形態１に係る半導体レーザ、本実施の形態に係る半導体レーザいずれでも、バッファ層１０２から第１下側クラッド層１０３（基板側領域１０３ａ）にかけて境界部分で発生するバンド不連続に起因するノッチ１０３ｎ（実施例１：ノッチ１０３ｎｆ、実施例３：ノッチ１０３ｎｔ。ノッチ１０３ｎｆおよびノッチ１０３ｎｔを区別する必要が無い場合は、ノッチ１０３ｎとする。）を生じる。
【０１１１】
実施例１でのノッチ１０３ｎｆは、下側クラッド層（第１下側クラッド層１０３および第２下側クラッド層１０４）のドーパント濃度Ｎｃを小さくしている（Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3））ことから、ノッチ１０３ｎｆが比較例１、比較例２に比較して大きくなり、バッファ層１０２から第１下側クラッド層１０３への電子の流れを阻害することとなり、結果として素子抵抗Ｒｄを増大させ、結果として大きい動作電圧Ｖｏｐが必要となる。
【０１１２】
他方、実施例３でのノッチ１０３ｎｔは、第２下側クラッド層１０４は実施例１と同様とし、第１下側クラッド層１０３を２層構造として半導体基板１００側の基板側領域１０３ａでのドーパント濃度をＮｃ＝７×１０17（／ｃｍ3）とし、実施例１の場合（Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3））に比較して高くしていることから、ノッチ１０３ｎｔをノッチ１０３ｎｆに比較して小さくすることができる。
【０１１３】
したがって、バッファ層１０２から第１下側クラッド層１０３（基板側領域１０３ａ）への電子の流れを阻害する要因を実施例１に比較して低減することが可能となり、結果として素子抵抗Ｒｄを低減させることができる。つまり、実施例３に係る半導体レーザは、素子抵抗Ｒｄを低減できることから、動作電圧Ｖｏｐの増大を防止することが可能となる。
【０１１４】
上述したとおり、第１下側クラッド層１０３を基板側領域１０３ａと活性層側領域１０３ｂとの２層構造として、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃを、活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃ（下側クラッド層のドーパント濃度Ｎｃ）よりも高くすることにより、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大を防止した半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１１５】
（実施例４）
実施例４に係る半導体レーザ（図７に示した実施例３と基本的構成は共通するので適宜符合を援用する。）は、実施例３の構成を半導体レーザの内部での光分布との関係から規定するものである。つまり、実施例３、実施例１に係る半導体レーザの内部での光分布は、半導体レーザの集束特性からほとんどが活性層側領域１０３ｂに分布する。したがって、実施例３での光吸収の影響は実施例１と同じであり、微分効率ηは実施例１と同じ値になる。
【０１１６】
実施例４に係る半導体レーザは、実施例３に係る半導体レーザと同様に２層構造としてあり、２層構造を活性層１０５で導波される光の分布状態に合わせて構成してある。その他の構成は実施例３と同様であるので、主に異なる点について説明する。
【０１１７】
つまり、第１下側クラッド層１０３は、半導体基板１００側に位置して活性層１０５で導波される光が分布しない基板側領域１０３ａと、活性層１０５側に位置して活性層１０５で導波される光が分布する活性層側領域１０３ｂとを備え、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃは、活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃより高くしてある。
【０１１８】
この構成により、実施例３に係る半導体レーザと同様、素子抵抗Ｒｄを低減できることから、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１１９】
（実施例５）
実施例５に係る半導体レーザ（図７に示した実施例３と基本的構成は共通するので適宜符合を援用する。）は、ドーパント濃度Ｎｃを活性層側領域１０３ｂから基板側領域１０３ａへ徐々に増加させた構造としてある。実施例３、実施例４では、第１下側クラッド層１０３を２層構造としたが、２層構造とせず、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃを徐々に変動させる構造とした場合でも同様の作用効果が得られる。その他の構成は実施例３、実施例４と同様であるので、主に異なる点について説明する。
【０１２０】
つまり、下側クラッド層は、半導体基板１００側の第１下側クラッド層１０３と活性層１０５側の第２下側クラッド層１０４で構成され、第１下側クラッド層１０３は、半導体基板１００側に位置して活性層１０５で導波される光が分布しない基板側領域１０３ａと活性層１０５側に位置して活性層１０５で導波される光が分布する活性層側領域１０３ｂとを備え、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃは、活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃに対して活性層１０５側から徐々に増加させてある。なお、このときのドーパント濃度Ｎｃは実施例３、実施例４と同様とすることが可能である。
【０１２１】
この構成により、実施例３、実施例４に係る半導体レーザと同様、素子抵抗Ｒｄを低減できることから、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大がない半導体レーザを実現することが可能となる。
【０１２２】
（実施例６）
活性層側領域１０３ｂでのドーパント濃度Ｎｃよりドーパント濃度Ｎｃを大きくした基板側領域１０３ａの厚さは、厚くしすぎると微分効率ηが低下し、また、薄すぎると素子抵抗Ｒｄを低減する効果が小さくなる。
【０１２３】
実施例６に係る半導体レーザは、基板側領域１０３ａの厚さを最適化したものであり、他の実施例のいずれに対しても適用することが可能である。つまり、ノッチ１０３ｎの厚さは、本実施の形態では、おおよそ３０ｎｍないし９０ｎｍであることから、基板側領域１０３ａの厚さの範囲としては、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。また、基板側領域１０３ａから活性層側領域１０３ｂへのドーパントの拡散を考慮して、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【０１２４】
この構成により、高い微分効率ηを有し、動作電圧Ｖｏｐの増大がなく、低い動作電圧での駆動が可能な半導体レーザを確実に実現することが可能となる。
【０１２５】
＜実施の形態３＞
本実施の形態では、光学ドライバに対する書き込み速度をさらに向上させるため、半導体レーザの光出力Ｐｏｐを実施の形態１の実施例１（光出力Ｐｏｐ＝３００ｍＷ）、実施の形態２（実施例３ないし実施例６）の場合に比較してさらに増大させて実施の形態１の実施例２と同様に光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷとした場合について、実施例７、実施例８として説明する。なお、本実施の形態に係る半導体レーザの基本的構成は、図７に示した実施例３と共通するので適宜符号を援用する。
【０１２６】
実施例７、実施例８に係る半導体レーザは、実施例２に係る半導体レーザに対して、実施の形態２（実施例３、実施例４）の場合と同様に第１下側クラッド層１０３を半導体基板１００側に位置する基板側領域１０３ａと、活性層１０５側（第２下側クラッド層１０４側）に位置する活性層側領域１０３ｂとに分割して２層構造としてある。なお、実施例５と同様に徐々に濃度を変化させる構造とすることも可能である。
【０１２７】
つまり、実施例７、実施例８に係る半導体レーザは、実施例２に係る半導体レーザに対して実施の形態２を適用したものであり、第１下側クラッド層１０３と第２下側クラッド層１０４で構成される下側クラッド層の抵抗を低減した構成としてある。共振器長Ｌその他の構成は実施例２と共通としてある（共振器長Ｌ＝１８００μｍ、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）ので主に異なる点について説明する。
【０１２８】
具体的には、実施例７では、基板側領域１０３ａは厚さ０．２５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝５×１０17（／ｃｍ3）とし、活性層側領域１０３ｂは厚さ１．７５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝２×１０17（／ｃｍ3）とした。また、実施例８では、基板側領域１０３ａは厚さ０．２５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝１０×１０17（／ｃｍ3）とし、活性層側領域１０３ｂは厚さ１．７５μｍでドーパント濃度Ｎｃ＝２×１０17（／ｃｍ3）とした。
【０１２９】
図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザでの基板側領域のドーパント濃度と特性との相関を示す相関グラフであり、（Ａ）は素子抵抗を、（Ｂ）は動作電圧を示す。
【０１３０】
同図（Ａ）で、横軸は基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ（×１０17／ｃｍ3）であり、縦軸は素子抵抗Ｒｄ（Ω）である。また、同図（Ｂ）で、横軸は同図（Ａ）と同様であり、縦軸は動作電圧Ｖｏｐ（７５℃で光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）である。
【０１３１】
同図では、実施例７の場合（基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ＝５×１０17（／ｃｍ3））は、抵抗Ｒｄ＝３（Ω）、動作電圧Ｖｏｐ＝３．６（Ｖ）となっている。これに対して、実施例２に対応するドーパント濃度Ｎｃ＝２×１０17（／ｃｍ3））の場合は、抵抗Ｒｄ＝３．６（Ω）、動作電圧Ｖｏｐ＝３．９２（Ｖ）となっている。また、実施例８の場合（基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ＝１０×１０17（／ｃｍ3））は、抵抗Ｒｄ＝２．８５（Ω）、動作電圧Ｖｏｐ＝３．５５（Ｖ）となっている。つまり、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ対素子抵抗Ｒｄの相関は曲線Ｃｈ５で示され、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ対動作電圧Ｖｏｐの相関は曲線Ｃｈ６で示される。
【０１３２】
半導体レ−ザの動作電圧Ｖｏｐは、半導体レ−ザを電流駆動するレ−ザドライバＩＣの駆動最大電圧（最大定格出力）以下である必要がある。すなわち、レ−ザドライバＩＣの駆動最大電圧以上の動作電圧を必要とする半導体レ−ザには電流を流すことができず、レ−ザドライバＩＣを適用することができない。
【０１３３】
光ピックアップ（レーザドライバＩＣ）の電源電圧としては５Ｖが最も一般的である。電源電圧５Ｖの場合、電源定格の範囲は５±０．５Ｖであるから、最小許容電源電圧は４．５Ｖである。また、レーザドライバＩＣ自体の電圧降下として０．７Ｖは必要であるから、半導体レ−ザに許される駆動最大電圧は４．５Ｖ−０．７Ｖ＝３．８Ｖとなる。
【０１３４】
したがって、高い光出力Ｐｏｐ（例えば、光出力Ｐｏｐ＝４００ｍＷ）を出力するためには、素子抵抗Ｒｄを低減し、動作電圧ＶｏｐをレーザドライバＩＣの駆動最大電圧（３．８Ｖ）以下とすることが可能なドーパント濃度Ｎｃ＝３×１０17（／ｃｍ3）以上とすることが必要である。また、確実性、信頼性をさらに保証するためには、基板側領域１０３ａでのドーパント濃度Ｎｃ＝４×１０17（／ｃｍ3）以上とすることがより好ましい。
【０１３５】
本実施の形態に係る半導体レーザは、高出力の光出力での信頼性を確保し、光学ドライバに対する書き込み速度をさらに向上させた場合でも、動作電圧の上昇を防止して、低い駆動電圧での駆動が可能となり、一般的なレーザドライバＩＣによる駆動を行なうことが可能となる。
【０１３６】
＜実施の形態４＞
本実施の形態に係る電子機器（不図示）は、半導体レーザを用いて光ディスク（書き込み用光ディスク）に対する光データの書き込みを行なう構成としてある。本実施の形態に係る電子機器は、実施の形態１ないし実施の形態３に係る半導体レーザを適用する構成としてある。
【０１３７】
電子機器は、光ディスクを回転駆動する光ディスク駆動部と、該光ディスク駆動部に載置された光ディスクへ光データを書き込む半導体レーザと、該半導体レーザを駆動して電気信号に対応する光信号を発生させるレーザドライバＩＣと、該レーザドライバＩＣへ光信号に対応する電気信号を供給する電気信号供給部と、前記光ディスク駆動部および前記電気信号供給部を制御して電子機器として機能させる制御部とを備える。なお、該制御部は中央処理装置（ＣＰＵ）により構成される。
【０１３８】
この構成により、光ディスクに対する光データの書き込みを長期間にわたって信頼性良く行なうことが可能な電子機器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構造例の概略を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した半導体レーザの活性層での利得領域と窓部との配置関係を示す斜視図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示した半導体レーザの活性層の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図１Ｄ】図１Ａに示した半導体レーザのｎ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図１Ｅ】図１Ａに示した半導体レーザのｐ側電極の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図１Ｆ】図１Ａに示した半導体レーザの後面反射膜の積層構造例を概念的に示す側面図である。
【図２】図１Ａに示した半導体レーザでの動作電流密度対寿命の相関を示す相関グラフである。
【図３】図１Ａに示した半導体レーザに基づく構成と特性について実施例と比較例とを比較して示す特性比較図表である。
【図４】図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対微分効率の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【図５】図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【図６】図１Ａに示した半導体レーザでの共振器長対動作電流密度の相関を下側クラッド層のドーパント濃度による４つのパラメータについて示す相関グラフである。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの下側クラッド層の構造例の概略をエネルギーバンドで示すエネルギーバンド図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザでの基板側領域のドーパント濃度と特性との相関を示す相関グラフであり、（Ａ）は素子抵抗を、（Ｂ）は動作電圧を示す。
【符号の説明】
【０１４０】
１００ 半導体基板
１０１ バッファ層
１０２ バッファ層
１０３ 第１下側クラッド層（下側クラッド層）
１０３ａ 基板側領域
１０３ｂ 活性層側領域
１０４ 第２下側クラッド層（下側クラッド層）
１０５ 活性層
１０５ｆ 光出射端部
１０５ｒ 光出射端部
１０６ 第１上側クラッド層
１０７ エッチングストップ層
１０８ 第２上側クラッド層
１０９ 中間バンドギャップ層
１１０ キャップ層
１２０ 電流阻止層
１２１ コンタクト層
１２２ ｎ側電極
１２３ ｐ側電極
１２４ 光出射端面
１２５ 光出射端面
１２６ 前面反射膜
１２７ 後面反射膜
Ａｇ 利得領域
Ａｔ 遷移領域
Ａｗ 窓領域（窓構造）
ＬＴ 寿命
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、
前記下側クラッド層のドーパント濃度は４．０×１０17／ｃｍ3以下であり、
共振器長は１５００μｍ以上としてあることを特徴とする半導体レ−ザ。
【請求項２】
半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、
前記下側クラッド層のドーパント濃度は２．０×１０17／ｃｍ3以下であり、
共振器長は１８００μｍ以上としてあることを特徴とする半導体レ−ザ。
【請求項３】
前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層の前記半導体基板側に位置する基板側領域でのドーパント濃度は、前記第１下側クラッド層の前記活性層側に位置する活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レ−ザ。
【請求項４】
前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レ−ザ。
【請求項５】
前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側でのドーパント濃度に対して前記活性層側から徐々に増加させてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レ−ザ。
【請求項６】
前記基板側領域のドーパント濃度は、４．０×１０17／ｃｍ3以上としてあることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項７】
前記基板側領域の厚さは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下としてあることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項８】
前記活性層の光出射端部は、窓構造を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項９】
前記下側クラッド層のドーパントは、シリコンであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項１０】
半導体レーザを用いて光データの書き込みを行なう電子機器であって、
前記半導体レーザは、請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の半導体レーザであることを特徴とする電子機器。
【請求項１】
半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、
前記下側クラッド層のドーパント濃度は４．０×１０17／ｃｍ3以下であり、
共振器長は１５００μｍ以上としてあることを特徴とする半導体レ−ザ。
【請求項２】
半導体基板に、第１導電型の下側クラッド層、量子井戸層を含む活性層、および第２導電型の上側クラッド層がこの順に形成してある半導体レーザであって、
前記下側クラッド層のドーパント濃度は２．０×１０17／ｃｍ3以下であり、
共振器長は１８００μｍ以上としてあることを特徴とする半導体レ−ザ。
【請求項３】
前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層の前記半導体基板側に位置する基板側領域でのドーパント濃度は、前記第１下側クラッド層の前記活性層側に位置する活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レ−ザ。
【請求項４】
前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側領域でのドーパント濃度より高くしてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レ−ザ。
【請求項５】
前記下側クラッド層は、前記半導体基板側の第１下側クラッド層と前記活性層側の第２下側クラッド層で構成され、前記第１下側クラッド層は、前記半導体基板側に位置して前記活性層で導波される光が分布しない基板側領域と前記活性層側に位置して前記活性層で導波される光が分布する活性層側領域とを備え、前記基板側領域でのドーパント濃度は、前記活性層側でのドーパント濃度に対して前記活性層側から徐々に増加させてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レ−ザ。
【請求項６】
前記基板側領域のドーパント濃度は、４．０×１０17／ｃｍ3以上としてあることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項７】
前記基板側領域の厚さは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下としてあることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項８】
前記活性層の光出射端部は、窓構造を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項９】
前記下側クラッド層のドーパントは、シリコンであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一つに記載の半導体レ−ザ。
【請求項１０】
半導体レーザを用いて光データの書き込みを行なう電子機器であって、
前記半導体レーザは、請求項１ないし請求項９のいずれか一つに記載の半導体レーザであることを特徴とする電子機器。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１０３５７３（Ｐ２００８−１０３５７３Ａ）
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８５４４４（Ｐ２００６−２８５４４４）
【出願日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１日（２００８．５．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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