半導体レーザ装置
【課題】再生系光ディスクシステムの光源に十分に使用可能な、安定した自励発振特性を有するIII族窒化物からなる半導体レーザ装置を実現できるようにする。
【解決手段】半導体レーザ装置は、基板１１の上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型クラッド層１３の上に形成されたＭＱＷ活性層１５と、ＭＱＷ活性層１５の上に形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなるｐ型クラッド層１９と、ｐ型クラッド層１９の上に形成されたｐ型コンタクト層２０と、基板１１とｎ型クラッド層１３の間に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｎ型反射抑制層１２とを有している。ｎ型クラッド層１３におけるＡｌ組成ｘ、ｐ型クラッド層１９におけるＡｌ組成ｙ及びｎ型反射抑制層１２におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たす。
【解決手段】半導体レーザ装置は、基板１１の上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるｎ型クラッド層１３と、ｎ型クラッド層１３の上に形成されたＭＱＷ活性層１５と、ＭＱＷ活性層１５の上に形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなるｐ型クラッド層１９と、ｐ型クラッド層１９の上に形成されたｐ型コンタクト層２０と、基板１１とｎ型クラッド層１３の間に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｎ型反射抑制層１２とを有している。ｎ型クラッド層１３におけるＡｌ組成ｘ、ｐ型クラッド層１９におけるＡｌ組成ｙ及びｎ型反射抑制層１２におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に自励発振型半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク及び光磁気記録ディスク等の記録媒体に対する光学的記録装置及び光学的読み出し装置等に用いる光ピックアップ光源として、半導体レーザ装置が多用されている。その用途はレコーダ用、ＰＣ用及び車載用等の多岐にわたり、光ディスク市場は拡大し続けている。特に最近では、青紫色の発光波長を有するIII族窒化物半導体、いわゆる窒化ガリウム系半導体（ＡｌＧａＩｎＮ）レーザ装置を用いた次世代ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）のうちＢｌｕ−ｒａｙ市場が急速な立ち上がりを見せている。なかでも、再生専用の次世代ＤＶＤが占める割合は高く、車載用途の青紫色半導体レーザ装置の研究開発が進められている。
【０００３】
ところで、光ピックアップ装置の光源となる半導体レーザ装置に求められる特性として、低雑音特性が挙げられる。
【０００４】
以下、半導体レーザ装置における雑音の発生要因について説明する。
【０００５】
半導体レーザ装置を光ピックアップ光源に用いると、光ディスク若しくは光記録媒体及び光学系部材等からの反射光が半導体レーザ装置にフィードバックされる。この場合、レーザ光の可干渉性（コヒーレンス）が高い場合には、半導体レーザ装置における共振器内の光と反射光とが互いに干渉し、結果的に半導体レーザ装置の出力に雑音が生じてしまうことが分かっている。このレーザ光の可干渉性を低くするには、半導体レーザ装置における発振スペクトルをマルチモード発振させることが有効である。
【０００６】
例えば、射光に起因する雑音の解決法としては、（１）半導体レーザ装置を高周波重畳回路を用いて変調し、発振スペクトルをマルチモード化する。（２）半導体レーザ装置を自励発振（パルス発振）型のレーザ装置として発振スペクトルをマルチモード化する等の方法が知られている。
（１）半導体レーザ装置を高周波重畳回路により変調させる方法は、高周波重畳モジュールを使用することから部品点数が増大するため、光ピックアップ装置の小型化及びコストの面で不利である。また、高周波重畳回路からの不要輻射により、他の電子機器の誤動作が発生するおそれがある。
（２）高周波重畳回路を用いずに発振スペクトルをマルチモード化させる方法には、半導体レーザ装置の導波路内に可飽和吸収体を形成し、自励発振を生じさせる方法がある。これにより、レーザ発振による発振強度が時間の経過に対してパルス状に周期的に変化する。これにより、発振スペクトルがマルチモード化するため、レーザ出射光の干渉性が低下する。このような干渉性が低下した半導体レーザ装置は、光ディスクからの反射光が半導体レーザ装置に戻ってきたとしても、レーザ装置からの出射光と反射による戻り光とが干渉を起こさず、雑音の発生が抑えられるため、データの読み出しエラーを防止することができる。しかも、半導体レーザ装置自体をパルス発振状態とするため、高周波重畳回路等の付加的な部品を設ける必要がないので、小型化、軽量化及び低コスト化を図れると共に、不要輻射が生じないという効果を有する。
【０００７】
このような自励発振型の半導体レーザ装置として、特許文献１が知られている。ここには、活性層の井戸層の層数を２〜４層、その厚さを１０ｎｍ以下とし、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるクラッド層におけるＡｌ組成を０≦ｘ≦０．３とすることにより、安定な自励発振を実現する青紫色レーザ装置が得られると記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２１４７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来のIII族窒化物系半導体を用いた自励発振型半導体レーザ装置は以下のような問題を有している。
【０００９】
まず、III族窒化物系半導体は、赤外レーザ装置や赤色レーザ装置の活性層を構成するＡｌＧａＡｓ系材料及びＡｌＧａＩｎＰ系材料と比べて微分モーダル利得が大きいことから、自励発振時のピークパワー強度が高くなりやすく、再生時の光出力動作時でも光ディスクの情報が書き換えられてしまうおそれがある。ここで、微分モーダル利得とは、活性層の微分利得（利得の動作キャリア密度に対する変化）と活性層における光閉じ込め係数との積であり、この値が大きいほど低い注入キャリア密度で発振しやすいレーザ装置であるといえる。但し、微分モーダル利得が大きい場合は、可飽和吸収効果により可飽和吸収体がレーザ光に対して透明な状態になると、光出力が時間的に急激に増大し、自励発振による光のパルスのピークパワー強度が高くなるため、再生時の動作光出力によっても光ディスクの情報が書き換わってしまう。
【００１０】
図１３に従来報告されている自励発振型の赤外レーザ装置、赤色レーザ装置及び青紫色レーザ装置の各微分モーダル利得を示す。図１３からも分かるように、微分モーダル利得は、赤外レーザ装置、赤色レーザ装置及び青紫色レーザ装置の順に大きくなっており、青紫色レーザ装置は自励発振時のピークパワー強度が高くなりやすい。
【００１１】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に従来の青紫色レーザ装置と赤色レーザ装置の自励発振時の光出力の時間応答特性を示す。図１４（ｂ）に示す赤色レーザ装置においては、ピークパワー強度と平均出力との比の値が５．３倍であるのに対して、図１４（ａ）に示す青紫色レーザ装置においては、平均出力に対し光パルスのピークパワー強度が高く、ピークパワー強度と平均出力との比の値が８．１倍である。ここで、ピークパワー強度が平均出力の７倍以上になると、光ディスクの情報が書き換えられてしまう場合があることが分かっている。従って、ピーク強度と平均出力との比の値は、７倍以下に設定する必要がある。
【００１２】
III族窒化物系半導体を用いた自励発振型レーザ装置は、高い微分モーダル利得を持つことにより、再生時においても高いピークパワー強度による光ディスク書き換えが発生する一方、正孔の有効質量が大きいことに起因して、発振閾値が大きくなるという問題もある。発振閾値の増大は温度特性の劣化をもたらすため、信頼性の低下につながる。
【００１３】
従って、微分モーダル利得を大きくすれば自励発振の光のピーク強度が高くなって、光ディスクの情報が再生動作時においても書き換わるおそれがある。これに対し、光のピークパワー強度を抑えるために微分モーダル利得を小さくすれば、発振閾値が増大して、信頼性の低下につながる。このため、ピークパワー強度を抑えつつ、発振閾値が大きくならないという最適な微分モーダル利得が必要となる。
【００１４】
さらに、反射光による雑音特性劣化に加えて、青紫色レーザ装置（レーザチップ）の結晶成長用基板である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、発振波長に対して透明であるため、レーザ光を吸収するＧａＡｓ基板を用いる赤外レーザ装置や赤色レーザ装置と比較して基板からの反射光が多い。その上、自然放出光又は散乱されたレーザ光がＧａＮからなる基板とクラッド層との界面で発生する、いわゆるチップ内部の迷光も多い。
【００１５】
図１５に示す従来の青紫色レーザ装置、赤外レーザ装置及び赤色レーザ装置における各電流（Ｉｏｐ）−光出力（Ｐｏ）特性からも分かるように、レーザ発振前（発振電流閾値以前）において、青紫色レーザ装置は、赤外レーザ装置及び赤色レーザ装置よりも迷光量が多くなっている。迷光が活性層で吸収されると、光出力に揺らぎが生じるため雑音レベルが高くなり、相対強度雑音（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｅｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）の増大を招く。これを回避するには、青紫色レーザ装置においては、再生時の光出力を赤色レーザ装置及び赤外レーザ装置よりも高くして、相対的に自然放出光の寄与を小さくするという施策がなされている。一般に、赤色レーザ装置及び赤外レーザ装置の光出力が５ｍＷに対し、青紫色レーザ装置においては１０ｍＷ以上が必要となり、１０ｍＷを超える高い光出力時には自励発振が停止して、発振スペクトルは単一モードとなってしまう。
【００１６】
このように、青紫色自励発振型レーザ装置においては、迷光量を抑制して、低雑音特性を実現すると共に、１０ｍＷ以上の高出力下でも自励発振を維持することが必要となる。
【００１７】
以上のように、一般に使用される井戸層の厚さが１０ｎｍ以下で、層数が２〜４の場合には、高い微分モーダル利得のため、自励発振時の高いピークパワー強度による光ディスクへの書き換えが生じる。また、レーザ発振に必要な利得が足りないため、発振閾値が高くなるという問題が生じる。
【００１８】
さらに、自励発振が生じたとしても、迷光量が多く、雑音特性を劣化させるという問題も生じる。
【００１９】
また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるクラッド層のＡｌ組成が比較的に高い場合（０．１＜ｘ≦０．３）は、該クラッド層にクラックが発生して、信頼性の低下を引き起こすという問題をも同時に生じる。
【００２０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、再生系光ディスクシステムの光源に十分に使用可能な、安定した自励発振特性を有するIII族窒化物からなる半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザ装置を、アルミニウムの組成が基板に近い第１のクラッド層及び基板から遠い第２のクラッド層よりも高い窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる反射抑制層を基板と第１のクラッド層との間及び第２のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成する構成とする。
【００２２】
具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板の上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる第２導電型の第２のクラッド層と、第２のクラッド層の上に形成された第２導電型のコンタクト層と、基板と第１のクラッド層の間及び第２のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層とを備え、第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘ、第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙ及び反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たすことを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体レーザ装置によると、基板と第１のクラッド層の間及び第２のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を備え、第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘ、第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙ及び反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たすため、活性層からの基板又はコンタクト層への光分布の広がりを抑制することが可能となる。これにより、基板又はコンタクト層から反射される迷光が活性層に再吸収されて、雑音を増大させることを防止できる。また、各クラッド層よりも高いＡｌ組成を持つＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層は、各クラッド層の屈折率よりも低いため、屈折率が低い反射抑制層が少なくとも一方のクラッド層の外側に配置されることから、自励特性を実現し得る活性層への光閉じ込め係数を向上させることができる。
【００２４】
本発明の半導体レーザ装置において、第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘは、０．０３≦ｘ≦０．１であり、第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙは、０．０３≦ｙ≦０．１であり、反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、０．１＜ｚ≦０．３であり、反射抑制層の膜厚は、５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、自励発振に必要な活性層への光の閉じ込めを十分に確保できると共に、半導体層に生じるクラックを抑制できるため、信頼性が高い半導体レーザ装置を得ることができる。また、反射抑制層におけるＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その膜厚を５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることにより、基板又はコンタクト層への光分布の広がりを十分に減衰させることができるため、迷光の発生を抑制し、雑音の増大を防止できる。さらに、自励発振特性を実現し得る活性層への光の閉じ込め効率を向上させることもできる。その結果、低雑音特性を有する自励発振型半導体レーザ装置を得ることができる。また、反射抑制層におけるＡｌ組成及び膜厚を所定の範囲内にすることにより、格子不整合によって発生する応力に起因するクラックの発生を抑制することができるため、信頼性を低下させることなく、所望の動作特性を実現できる
本発明の半導体レーザ装置において、第２のクラッド層は、その上部に形成され、電流が選択的に注入されるストライプ部を有しており、第２のクラッド層におけるストライプ部の側方には、電流ブロック層が形成されていることが好ましい。
【００２６】
この場合に、電流ブロック層は誘電体材料又は半導体材料により構成されていることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、電流ブロック層を誘電体材料により形成する場合には、窒化物半導体層をエピタキシャル成長する工程が簡略化できるため、製造コストを低減できる。一方、電流ブロック層を半導体材料により形成する場合には、窒化物半導体のＩｎ組成又はＡｌ組成を調整することができるため、所望の屈折率を設定できるので、設計自由度が向上する。また、電流ブロック層を構成する材料は、発振波長の光に対してほぼ透明の材料であっても、その光を吸収する材料であってもよい。電流ブロック層に透明材料を用いる場合は、電流ブロック層における光の損失が小さくなるため、スロープ効率が改善され、温度特性が向上する。また、電流ブロック層に吸収材料を用いる場合は、電流ブロック層において光の吸収が生じることにより、チップ内部の迷光の抑制や光の拡がり角の形状の安定化が得られる。
【００２８】
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は５であり、井戸層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度を得られると共に、活性層の内部に十分な可飽和吸収体を形成することが可能となるため、１０ｍＷ以上の光出力動作時においても安定した自励発振を得られ、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。
【００３０】
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は６であり、井戸層の膜厚は、０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
このようにすると、ピークパワー強度が抑制され、活性層の内部に自励発振に必要な可飽和吸収層を十分に形成することができる。このため、１０ｍＷ以上の高出力動作時においても自励発振が可能であり、且つ低発振閾値を実現することができる。
【００３２】
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は７であり、井戸層の膜厚は、０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、井戸層に対するインジウム（Ｉｎ）の添加量が相対的に大きくなって、空間的にＩｎ偏析が発生する。Ｉｎ組成が高いとバンドギャップエネルギーが局所的に小さくなるため、発振波長に対して吸収を持つことになるので、Ｉｎ偏析は可飽和吸収体を形成しやすくなる。また、井戸層の層数が７層と多いため、活性層に形成される可飽和吸収体をも確保することができる。
【００３４】
以上の構成により、１０ｍＷ以上の高出力動作時でも安定した自励発振を得られるようになる。また、本発明によれば、ピークパワー強度と平均出力との比の値が７倍以下となるため、光ディスクの書き換えが生じることがなく、また、井戸層が薄いため発振閾値を低くすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る半導体レーザ装置によると、微分モーダル利得や迷光の発生を制御することができるため、光出力が１０ｍＷ以上の自励発振特性を得られると共に、自励ピークパワーの強度を抑制でき、さらに雑音特性に優れた半導体レーザ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本願発明にあたって、本願発明者らは、従来技術における前記の課題を解決すべく詳細な検討を以下のように行った。
【００３７】
図１に示すように、本願発明の試作例に係るIII族窒化物系半導体レーザ装置は、例えばｎ型ＧａＮからなる基板１０１の上に形成されたＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０２及びｐ型クラッド層１０４に挟まれた、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１０３を備えている。
【００３８】
ｐ型クラッド層１０４の上部には、リッジストライプ部１５０が形成され、該リッジストライプ部１５０の上部には、ｐ型コンタクト層１０５が形成されている。また、リッジストライプ部１５０の両側面上及び両側方の領域には電流ブロック層１０６が形成されている。なお、リッジストライプ部１５０を通った電流が多重量子井戸活性層１０３に注入されて発光する。
【００３９】
本試作例においては、各クラッド層１０２、１０４のＡｌ組成を、それぞれ０．０２、０．０７及び０．１２の３通りとし、さらに多重量子井戸活性層１０３における井戸層の層数を１ｗ、３ｗ、５ｗ、７ｗ及び９ｗの５とし、各井戸層の厚さを１ｎｍ、３ｎｍ及び５ｎｍの３通りとして、計９通りのレーザ装置を作製し、それぞれの特性の確認を行った。その結果を図２に示す。
【００４０】
図２から分かるように、井戸層１ｗ等の厚さ及びクラッド層１０２、１０４の各Ａｌ組成によって、それぞれ、自励発振を伴わないレーザ発振をするレーザ装置、自励発振を伴うレーザ発振をするレーザ装置、及び発振閾値が高くレーザ発振に至らないレーザ装置という結果を得た。自励発振したレーザ装置は、光出力が１０ｍＷを超えても自励発振を起こすことを確認している。また、発振ピークパワーの強度を測定したところ、クラッド層のＡｌ組成が０．０７で且つ井戸層の膜厚が５ｎｍのレーザ装置は、発振ピーク強度と平均出力値との比の値が８．３倍であるのに対し、クラッド層のＡｌ組成が０．０７で且つ井戸層の膜厚が３ｎｍのレーザ装置は、発振ピーク強度と平均出力値との比の値が６．３倍という結果を得ている。
【００４１】
この現象を解明すべく、本願発明者は、多重量子井戸活性層の利得及び損失、並びに多重量子井戸活性層への光閉じ込め係数に注目し、微分モーダル利得の計算を行った。その結果を図３に示す。試作結果（記号◎）と計算結果とから、以下のようなことが確認できる。
【００４２】
まず、図３から分かるように、井戸層の厚さが１ｎｍのレーザ装置が、レーザ発振を生じなかった理由は、井戸層がの厚さが小さいことにより、レーザ発振に必要な微分モーダル利得が足りなかったためであると考えられる。また、自励発振に至らずレーザ発振した理由は、発振に必要な微分モーダル利得は得られるものの、自励発振を生じさせるほどの微分モーダル利得は得られなかったためである。井戸層の厚さが１ｎｍであっても、クラッド層のＡｌ組成が０．１２であれば、活性層への光閉じ込め係数を増大させることは可能である。このため、自励発振を生じる微分モーダル利得は得られるものの、Ａｌ組成が０．１を超えると基板１０１との格子不整合が大きくなり、格子不整合により発生する応力によってクラッド層１０２、１０４にクラックが発生することから、信頼性が低下する。
【００４３】
次に、クラッド層のＡｌ組成が０．０２で、井戸層の厚さが３ｎｍ又は５ｎｍのレーザ装置は、自励発振はするものの、温度特性が劣化した。これは、Ａｌ組成が０．０２の場合は、活性層とクラッド層とのバンドギャップ差が小さく、活性層に有効にキャリアが閉じ込められなかったため、温度特性が劣化したと考えられる。
【００４４】
次に、クラッド層のＡｌ組成が０．０７で、井戸層の厚さが３ｎｍ又は５ｎｍのレーザ装置について説明する。これらのレーザ装置は、自励発振を得られるものの、井戸層の厚さが５ｎｍのレーザ装置は、再生用パワー（１０ｍＷ）で光ディスクの情報を書き換えてしまうほどの自励発振ピーク強度となった。これは、微分モーダル利得が大き過ぎるためであり、適当な自励発振ピーク強度を達成するには、微分モーダル利得を最適化する必要がある。
【００４５】
以上の実験及び計算結果から、自励発振を実現すると共に、自励発振ピーク強度を抑制するには、クラッド層のＡｌ組成並びに活性層の井戸層の厚さ及び層数を最適化し、活性層の利得及び損失並びに活性層への光閉じ込め係数を制御して、所望の微分モーダル利得を得られる導波路構造を設計する必要があることが判明した。その望ましい範囲は、微分モーダル利得が１．５×１０−１７ｃｍ２以上且つ２．４×１０−１７ｃｍ２以下であり、これを実現するには、井戸層が５層の場合には、膜厚が２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下であり、クラッド層のＡｌ組成は０．０３以上且つ０．１以下である。
【００４６】
同様に、ＡｌＧａＮからなるクラッド層のＡｌ組成をそれぞれ０、０．０５及び０．１とし、活性層における井戸層の数を６層又は７層とした場合の微分モーダル利得の計算結果を図４及び図５に示す。
【００４７】
井戸層の厚さが大きくなることにより微分モーダル利得が増大する理由は、井戸層の厚さが増すと共に活性層の利得が増大することに起因する。但し、図４及び図５からも分かるように、自励ピークパワー強度が大きいこと、自励発振に至らないレーザ発振及び発振閾値が大きいためにレーザ発振に至らないこと、及び温度特性が劣化すること等の問題を考慮すると、最適な自励発振を実現できる範囲は、井戸層の層数が６の場合は、井戸層の厚さが０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下であり、また、井戸層の層数が７の場合は、井戸層の厚さが０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下であることが分かった。
【００４８】
次に、図１の構成を持つ試作用の半導体レーザ装置において、基板１０１とｎ型クラッド層１０２との間に該ｎ型クラッド層１０２よりもＡｌ組成が高いＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を形成して、雑音特性に対する寄与を検討した。ここでは、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層は、Ａｌ組成を０．３とし、その厚さを１０ｎｍとしている。
【００４９】
図６にＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の有無による雑音特性（ＲＩＮ特性）の結果を示す。図６から分かるように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を設けることにより、１０ｍＷの光出力時で約３ｄＢ／Ｈｚの改善が見られる。
【００５０】
これを考察するにあたり、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の有無によって、光分布がどのように変化しているかをニアフィールドパターン（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＮＦＰ）によって確認した。その結果を図７に示す。図７から分かるように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を設けない場合は、基板側の光分布の裾が振動している。この振動は基板１０１から反射された迷光に起因しており、この迷光の存在が雑音特性を劣化させる原因である。一方、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を設けた場合は、基板側における光分布が速やかに減衰している。これにより、クラッド層よりも高いＡｌ組成を有するＡｌｚＧａ１−ｚＮ層は、反射抑制層として効果があることが確認される。
【００５１】
以上の結果から、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を基板１０１とｎ型クラッド層１０２との間に形成して、基板１０１への光分布の広がりを抑制したことにより、基板１０１から反射される迷光が活性層１０３に再吸収されなくなり、その結果、ＲＩＮ特性を改善したと考えられる。さらに、自励発振特性を実現し得る活性層１０３への光閉じ込め係数を向上させる効果もあることが新たに分かった。
【００５２】
さらに、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層をｐ型クラッド層１０４とｐ型コンタクト層１０５との間にのみ設けた場合、及び基板１０１とｎ型クラッド層１０２との間にもさらに設けた場合も同様にＲＩＮ特性の改善を確認している。
【００５３】
なお、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成を０．１以下とするとＲＩＮ特性が悪化する。これは、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成が０．１よりも小さい場合には、クラッド層よりもＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の方が屈折率が大きくなり、クラッド層と反射抑制層との界面で光が反射されて、迷光量が増大するからである。
【００５４】
このように、例えば、基板１０１とｎ型クラッド層１０２の間に、ｎ型クラッド層１０２よりもＡｌ組成が高いＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を設けることにより、基板１０１から反射される迷光の発生が抑制されて、ＲＩＮ特性が改善されると共に自励発振特性が向上する。しかしながら、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成と同様に、反射抑制層はＡｌ組成が高くなり過ぎたり、厚くなり過ぎたりすると、該反射抑制層にクラックが発生してしまう。そこで、反射抑制層にクラックを発生させないＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成及び厚さの好ましい値を得るべく検討を行った。その結果を図８に示す。図８から分かるようｂに、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成が高くなるか、厚くなるとクラックが発生する傾向にある。
【００５５】
より具体的には、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層の厚さが５ｎｍよりも小さいか、Ａｌ組成が０．１よりも小さいと光分布の広がりを抑制できず、迷光が発生してＲＩＮ特性を劣化させる。一方、反射抑制層の厚さが１５ｎｍよりも大きいか、Ａｌ組成が０．３よりも大きいと反射抑制層にクラックが発生するおそれがあるため、Ａｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５６】
この範囲の反射抑制層を用いて半導体レーザ装置を作製及び評価したところ、自励発振特性及びＲＩＮ特性で良好な結果を得られ、実用可能であることが確認された。
【００５７】
以下、具体例として実施形態を説明する。
【００５８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図９は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。
【００６０】
図９に示すように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、例えば、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１の上に順次エピタキシャル成長してなり、厚さが１０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型反射抑制層１２と、厚さが２．５μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層１３と、厚さが９０ｎｍのＡｌ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎからなるガイド層１４と、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１５と、厚さが３５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１中間層１６と、厚さが６５ｎｍのＩｎ微添加ＧａＮからなる第２中間層１７と、厚さが２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるオーバーフロー抑制（ＯＦＳ）層１８と、厚さが４８０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層１９と、厚さが５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０とを有している。
【００６１】
ここで、ＭＱＷ活性層１５は、それぞれ厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる５層のバリア層０ｂ、２ｂ、…、８ｂと、それぞれ厚さが２．５ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる５層の井戸層１ｗ、３ｗ、…、９ｗとが交互に積層されて構成されている。
【００６２】
ｐ型クラッド層１９の上部には、ｐ型コンタクト層２０を含めリッジストライプ部５０が形成されている。リッジストライプ部５０の両側面上及び両側方の領域には、例えば厚さが４００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電流ブロック層２１が形成されている。ここで、リッジストライプ部５０のストライプ幅Ｗは、１．４μｍである。また、電流ブロック層２１の下面、すなわちリッジストライプ部５０の下面からＭＱＷ活性層１５の上面までの距離（残し厚）ｄｐを１６０ｎｍとしている。また、図示はしないが、ｐ型コンタクト層２０の上から電流ブロック層２１の上にわたってｐ側電極が形成され、基板１１におけるｎ型反射抑制層１２と反対側の面上にはｎ側電極が形成されている。
【００６３】
本発明において、ｎ型ＧａＮからなる基板１１の主面は、ａ面、ｒ面又はｍ面でよく、さらには他の面方位であってもよい。また、基板１１はＧａＮに限られず、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又はシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。
【００６４】
また、第１の実施形態に係るｎ型反射抑制層１２には、厚さが１０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを用いたが、Ａｌ組成及び厚さは一例である。前述したように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮにおけるＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることにより、ｎ型反射抑制層１２におけるクラックの発生を防止すると共に、基板１１への光分布の広がりをも抑制することができる。その結果、基板１１から反射される迷光がＭＱＷ活性層１５に再吸収されることを防止し、ＲＩＮ特性を改善することが可能となる。
【００６５】
さらに、基板１１とｎ型クラッド層１３との間に、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型反射抑制層１２を形成したことにより、生成された光をＭＱＷ活性層１５に有効に閉じ込める効果もあり、１０ｍＷという高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。
【００６６】
厚さが２．５μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層１３及び厚さが４８０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層１９においても、Ａｌ組成及びその厚さはこれに限られない。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成をそれぞれ０．０３≦ｘ≦０．１及び０．０３≦ｙ≦０．１と設定することにより、ＭＱＷ活性層１５に自励発振に必要な光閉じ込め効果を十分に確保することができる。その上、各クラッド層１３、１９に生じるクラックを抑制し、信頼性が高いレーザ装置を作製することが可能となる。
【００６７】
各クラッド層１３、１９の厚さについても、所望の光閉じ込め効果及び光分布（拡がり角）を考慮して適宜変更してもよい。さらに、ｎ型クラッド層１３及びｐ型クラッド層１９のＡｌ組成は対称（ｘ＝ｙ）ではなく、ｘ＞ｙ又はｘ＜ｙのように異なっていてもよい。例えばｘ＞ｙの場合は、光分布が基板側に寄るため、ｐ側電極による吸収がなくなるので光損失が減少し、温度特性に優れるレーザ装置を得ることができる。逆にｘ＜ｙの場合は、光分布がｐ側電極側によるため、水平方向（基板面に平行な方向）の光の閉じ込め効果をさらに強くすることができる。
【００６８】
これにより、電流−光出力特性における非線形性が発生する現象である折れ曲がり（キンク）の光出力レベルが向上したり、拡がり角が安定化したりするという効果がある。
【００６９】
各クラッド層１３、１９は、例えば、組成が互いに異なるＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ、又はＡｌＧａＮ/ＧａＮを多層に積層してなる超格子構造であってもよい。この場合は、Ａｌ組成の平均が０．０３≦ｘ≦０．１及び０．０３≦ｙ≦０．１の範囲内であればよい。このように、各クラッド層１３、１９を超格子構造とすることにより、動作電圧を低減することができる。
【００７０】
Ａｌ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎからなるガイド層１４、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１中間層１６及びＩｎ微添加ＧａＮからなる第２中間層１７は、そのエネルギーギャップがＭＱＷ活性層１５を構成する井戸層１ｗ等のエネルギーギャップと各クラッド層１３、１９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であれば、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮでなくともよい。また、ガイド層１４、第１中間層１６及び第２中間層１７は、そのＡｌ組成又はＩｎ組成だけでなく、その膜厚も所望の光閉じ込め効果及び光分布（拡がり角）を考慮して適宜変更してもよい。さらに、ガイド層１４、各中間層１６、１７には、その全部又は一部にドナー又はアクセプタをドーピングしてもよい。これによりキャリア濃度が増大して、発振閾値及び動作電圧を低減することができる。
【００７１】
ＭＱＷ活性層１５における厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層、及び厚さが２．５ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる井戸層の各Ｉｎ組成及び各厚さは、所望のレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよい。例えば、井戸層１ｗ等の層数が５の場合は、該井戸層１ｗ等の厚さをそれぞれ２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下に設定する必要がある。このようにすると、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度にできると共に、１０ｍＷ以上の光出力動作時においても自励発振が可能である。さらには、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。なお、ＭＱＷ活性層１５におけバリア層には、ＩｎＧａＮに代えてＧａＮを用いてもよい。
【００７２】
厚さが２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるオーバーフロー抑制（ＯＦＳ）層１８は、このＡｌ組成及び厚さでなくともよい。ＯＦＳ層１８のＡｌ組成が低い又は厚さが小さい場合には、キャリアの移動度が大きくなるため、レーザ装置の抵抗を小さくすることができる。一方、Ａｌ組成が高い又は厚さが大きい場合には、ＯＦＳ層１８を電子が飛び越える確率が減るため、電子が発光に有効に寄与するようになるので、内部量子効率が向上する。また、ＯＦＳ層１８にはｐ型ドーパントであるＭｇをドーピングしてもよく、これによりｐ型クラッド層１９から正孔が注入されやすくなる。
【００７３】
リッジストライプ部５０におけるストライプ幅は１．４μｍとしたが、０．７μｍ以上且つ２．５μｍ以下であれば問題はない。例えば、ストライプ幅が０．７μｍ以下であると動作電圧が増大する。また、ストライプ幅の２．５μｍという値は、キンクレベルや単峰性の拡がり角形状等の各種特性を維持する限界である。
【００７４】
また、リッジストライプ部５０は、上部の幅が下部の幅よりも小さいテーパストライプ形状としてもよい。テーパストライプ形状を採用することにより、注入キャリアを効率良く活用できるため、温度特性及びキンクレベルの向上、動作電圧の低減、及び自励発振の助長等種々の特性改善を図ることができる。また、ｐ型クラッド層１９の残し厚ｄｐも１６０ｎｍに限られず、キンクレベル及び拡がり角等の所望の特性を実現できる値に設定すればよい。
【００７５】
電流ブロック層２１は、その厚さが４００ｎｍに限られない。また、その材料もＳｉＯ２に代えて、窒化シリコン（ＳｉＮ）若しくはアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）等の誘電体材料又はＩｎＧａＮ若しくはＡｌＧａＮ等の半導体材料を用いることができる。
【００７６】
電流ブロック層２１を誘電体材料により形成する場合は、窒化物半導体からなるエピタキシャル層を成長させる際のエピタキシャル成長の成長回数を削減できるため、製造コストが低減する。また、電流ブロック層２１を窒化物半導体材料により形成する場合は、その形成時にＩｎ組成及びＡｌ組成を変化させることにより、所望の屈折率を設定できるため、設計の自由度が向上する。
【００７７】
また、電流ブロック層２１には、発振波長の光に対してほぼ透明の材料を用いてもよく、また発振波長の光を吸収する材料であってもよい。電流ブロック層２１に透明材料を用いる場合は、電流ブロック層２１での損失が小さくなるため、スロープ効率の改善及び温度特性が向上する。これに対し、電流ブロック層２１に吸収材料を用いる場合は、電流ブロック層２１において光が吸収されることにより、半導体レーザ装置（チップ）内の迷光を抑制できると共に、光の拡がり角の形状の安定化を図れる。
【００７８】
さらに、電流ブロック層２１は単層ではなく、２層以上を積層させた積層構造としてもよい。２層以上を積層する場合には、発振波長の光に対して透明な材料と吸収可能な材料とを組み合わせて双方の特長を生かすことにより、半導体レーザ装置の動作の諸特性を向上させることができ、また、設計の自由度を向上することができる。
【００７９】
以下、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の動作の諸特性を説明する。
【００８０】
図１０（ａ）は出力が１０ｍＷ時の波長特性を示し、図１０（ｂ）は発振応答特性（発振ピークパワー強度）を示し、図１０（ｃ）はＲＩＮ特性を示す。
【００８１】
図１０（ａ）からは、発振波長の４０１．５ｎｍを中心として波長幅が広がっていることから、発振スペクトルがマルチモード化し、自励発振していることが分かる。図１０（ｂ）からは、発振ピークパワー強度が平均出力値に対して５．８倍となり、７倍以下に抑制されていることが分かる。さらに、図１０（ｃ）からは、出力が１０ｍＷ時のＲＩＮ特性が約−１３０ｄＢ／Ｈｚとなり、良好なＲＩＮ特性を得られることが分かる。
【００８２】
以上のように、第１の実施形態によると、ＭＱＷ活性層１５の層数及び厚さ、並びにｎ型クラッド層１３、ｐ型クラッド層１９及び反射抑制層における各Ａｌ組成を所定の範囲に設定して、微分モーダル利得及び迷光の発生を制御することにより、出力が１０ｍＷ以上の高出力動作時においても自励発振特性を維持し、また自励ピークパワー強度を抑制することができる。さらに、雑音特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
【００８３】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
図１１は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図１１において、図９に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００８５】
図１１に示すように、第２の実施形態においては、基板１１とｎ型クラッド層２３との間にｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型反射抑制層１２を設ける代わりに、ｐ型クラッド層２９とｐ型コンタクト層２０との間にｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２を設けている。
【００８６】
ここで、ｎ型クラッド層２３は、厚さが２．８μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなり、ｐ型クラッド層２９は、厚さが５００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる。
【００８７】
また、ＭＱＷ活性層２５は、それぞれ厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる６層のバリア層０ｂ、２ｂ、…、１０ｂと、それぞれ厚さが１．５ｎｍのＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる６層の井戸層１ｗ、３ｗ、…、１１ｗとが交互に積層されて構成されている。
【００８８】
良好な特性が得られる微分モーダル利得の値である１．５×１０−１７ｃｍ２以上且つ２．４×１０−１７ｃｍ２以下を実現するには、各クラッド層２３、２９のＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成を０．０３≦ｘ、ｙ≦０．１とし、且つ、井戸層１ｗ等の層数が６の場合には、前述したように、該井戸層１ｗ等の厚さをそれぞれ０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下に設定する必要がある。これにより、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度を得られると共に、１０ｍＷ以上の高い光出力時でも安定した自励発振が維持され、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。
【００８９】
第２の実施形態の特徴である、ｐ型クラッド層２９とｐ型コンタクト層２０との間に形成されたｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２は、そのＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下に設定することにより、該ｐ型反射抑制層２２に生じるクラックを防止することができる。
【００９０】
また、第２の実施形態に係るｐ型反射抑制層２２は、ＭＱＷ活性層２５からｐ型コンタクト層２０への光の広がりを抑制するため、ｐ型コンタクト層２５から反射される迷光を防ぐので、ＲＩＮ特性が向上する。さらに、ｐ型反射抑制層２２は、ＭＱＷ活性層２５への光の閉じ込め係数を増大する効果を持つため、高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。
【００９１】
なお、第２の実施形態においては、リッジ型のレーザ構造を用いて説明したが、リッジ型に限られず、埋め込み型のレーザ構造であってもよい。埋め込み型レーザ構造とは、活性層の上に中間層、ｐ型ＯＦＳ層、ｐ型第１クラッド層及びｎ型電流ブロック層を形成した後、ｎ型電流ブロック層の一部に電流注入のためのストライプ状の窓部を形成し、ｐ型第２クラッド層、ｐ型反射抑制層及びｐ型コンタクト層を再成長により形成する構造をいう。なお、活性層からｎ型電流ブロック層の間の層は中間層、ｐ型ＯＦＳ層及びｐ型第１クラッド層に限られず、所望の半導体層を適宜選択すればよい。
【００９２】
第２の実施形態に係るリッジ型レーザ構造においては、ｐ型クラッド層２９、ｐ型反射抑制層２２及びｐ型コンタクト層２０の一部はストライプ形状を有するため、ｐ型コンタト層２０の平面積は小さい。一方、埋め込み型レーザ構造の場合は、活性層の上方の全面にｐ型コンタクト層が設けられるため、リッジ型レーザ構造と比べて、ｐ型コンタクト層の面積は極めて大きい。このように、ｐ型コンタクト層の面積が大きいことは、反射される迷光量が大きく、雑音特性の劣化につながるが、このような埋め込み型レーザ構造では、活性層の上方の全体にｐ型反射抑制層が形成されるため、ｐ型コンタクト層への光分布の広がりを抑制して、反射される迷光量を大幅に削減できるので、雑音特性を劣化を確実に抑制できる。
【００９３】
このように、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間にｐ型反射抑制層を形成する場合は、リッジ型レーザ構造よりも埋め込み型レーザ構造の方が雑音抑制に対して大きな効果を得ることができる。
【００９４】
第２の実施形態に係る半導体レーザ装置は、光出力が１０ｍＷの動作時においても、自励発振により発振スペクトルがマルチモード化していることを確認している。また、光出力の時間応答特性においても、発振ピークパワー強度と平均出力との比の値が７倍以下となり、光ディスクに対して情報の書き換えが発生しない発振ピークパワー強度を実現している。また、ＲＩＮ特性も約−１３０ｄＢ／Ｈｚを実現している。
【００９５】
以上により、光ピックアップ光源として実用可能な窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。
【００９６】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
【００９７】
図１２は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図１２において、図９に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００９８】
図１２に示すように、第３の実施形態においては、基板１１とｎ型クラッド層３３との間にｎ型ｎ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｎ型反射抑制層１２を設け、且つ、ｐ型クラッド層３９とｐ型コンタクト層２０との間にもｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２を設けている。
【００９９】
ここで、ｎ型クラッド層３３は、厚さが２．４μｍのｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなり、ｐ型クラッド層３９は、厚さが４６０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる。
【０１００】
また、ＭＱＷ活性層３５は、それぞれ厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる７層のバリア層０ｂ、２ｂ、…、１２ｂと、それぞれ厚さが０．７ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる７層の井戸層１ｗ、３ｗ、…、１３ｗとが交互に積層されて構成されている。
【０１０１】
良好な特性を得るための微分モーダル利得の値である１．５×１０−１７ｃｍ２以上且つ２．４×１０−１７ｃｍ２以下を実現するには、各クラッド層３３、３９のＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成を０．０３≦ｘ、ｙ≦０．１とし、且つ、井戸層１ｗ等の層数が７の場合には、前述したように、該井戸層１ｗ等の厚さをそれぞれ０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下に設定する必要がある。井戸層１ｗ等の厚さをこの程度に設定すると、該井戸層１ｗ等へのＩｎの添加量は相対的に多くなる。インジウム（Ｉｎ）の添加量が多くなると、空間的にＩｎ偏析が発生する。また、Ｉｎ組成が高いと、バンドギャップエネルギーが局所的に小さくなるため、発振波長に対して吸収を持つことになるので、Ｉｎの偏析は可飽和吸収体を形成しやすくなるという利点がある。また、井戸層１ｗ等の層数が７と多いため、ＭＱＷ活性層３５に形成される可飽和吸収体をも確保できる。
【０１０２】
これにより、ディスクへの書き込みが生じない程度のピークパワー強度を得られると共に、１０ｍＷ以上の高い光出力時でも安定した自励発振が維持され、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。
【０１０３】
第３の実施形態の特徴である、基板１１とｎ型クラッド層３３との間に形成されたｎ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｎ型反射抑制層１２及びｐ型クラッド層３９とｐ型コンタクト層２０との間に形成されたｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２は、そのＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下に設定することにより、各反射抑制層１２、２２に生じるクラックを防止することができる。
【０１０４】
また、第３の実施形態に係る各反射抑制層１２、２２は、ＭＱＷ活性層３５から基板１１側への光の広がりと、ｐ型コンタクト層２０側への光の広がりとを抑制して、基板１１及びｐ型コンタクト層２０から反射される迷光を防ぐので、ＲＩＮ特性が向上する。さらに、各反射抑制層１２、２２は、ＭＱＷ活性層３５への光の閉じ込め係数を増大する効果を持つため、高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。
【０１０５】
第３の実施形態に係る半導体レーザ装置は、光出力が１０ｍＷの動作時においても、発振スペクトルがマルチモード化し、自励発振することを確認している。また、光出力の時間応答特性においても、発振ピークパワー強度と平均出力との比の値が７倍以下となり、光ディスクに対して情報の書き換えが発生しない発振ピークパワー強度を実現している。さらに、各反射抑制層１２、２２を設けたことにより、ＲＩＮ特性も約−１３０ｄＢ／Ｈｚと良好な特性を得られている。
【０１０６】
以上により、光ピックアップ光源として実用可能な窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。
【０１０７】
なお、本発明の各実施形態においては、基板１１の導電型をｎ型としたが、これに限られず、ｐ型の基板を用いてもよい。この場合には、ｐ型基板とＭＱＷ活性層との間にｐ型反射抑制層を設け、ＭＱＷ活性層の上に形成されたｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との間にｎ型反射抑制層を設ければよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明に係る半導体レーザ装置は、高出力動作時における自励発振動作を維持すると共に、発振ピーク強度が抑制され且つ雑音特性にも優れており、光ディスクシステムの分野におけるレーザ光源等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の試作例に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図２】本発明の９通りの試作例に係る半導体レーザ装置の試作結果を示すグラフある。
【図３】本発明の５層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のＡｌ組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。
【図４】本発明の６層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のＡｌ組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。
【図５】本発明の７層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のＡｌ組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。
【図６】本発明のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置におけるＲＩＮ特性を反射抑制層を有さない試作例と共に示したグラフである。
【図７】本発明のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における近視野像（ＮＦＰ）を反射抑制層を有さない試作例と共に示したグラフである。
【図８】本発明のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置の反射抑制層におけるＡｌ組成及び厚さとクラックの発生との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の動作特性を示し、（ａ）は波長特性を示すグラフであり、（ｂ）は自励発振時間応答特性を示すグラフであり、（ｃ）は相対雑音強度（ＲＩＮ）特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図１３】従来の赤色、赤外及び青紫色レーザ装置における微分モーダル利得の動作キャリア密度依存性を示すグラフである。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は従来の半導体レーザ装置における自励発振時間応答特性を示し、（ａ）は青紫色レーザ装置であり、（ｂ）は赤色レーザ装置である。
【図１５】従来の赤色、赤外及び青紫色レーザ装置における電流（Ｉｏｐ）−光出力（Ｐｏ）特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１０】
１０１ 基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３ 多重量子井戸活性層
１０４ ｐ型クラッド層
１０５ ｐ型コンタクト層
１０６ 電流ブロック層
１５０ リッジストライプ部
１１ 基板
１２ ｎ型反射抑制層
１３ ｎ型クラッド層
１４ ガイド層
１５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１６ 第１中間層
１７ 第２中間層
１８ オーバーフロー抑制（ＯＦＳ）層
１９ ｐ型クラッド層
２０ ｐ型コンタクト層
２１ 電流ブロック層
２２ ｐ型反射抑制層
２３ ｎ型クラッド層
２５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２９ ｐ型クラッド層
３３ ｎ型クラッド層
３９ ｐ型クラッド層
０ｂ、２ｂ、４ｂ、６ｂ、８ｂ、１０ｂ、１２ｂ バリア層
１ｗ、３ｗ、５ｗ、７ｗ、９ｗ、１１ｗ、１３ｗ 井戸層
５０ リッジストライプ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に自励発振型半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ディスク及び光磁気記録ディスク等の記録媒体に対する光学的記録装置及び光学的読み出し装置等に用いる光ピックアップ光源として、半導体レーザ装置が多用されている。その用途はレコーダ用、ＰＣ用及び車載用等の多岐にわたり、光ディスク市場は拡大し続けている。特に最近では、青紫色の発光波長を有するIII族窒化物半導体、いわゆる窒化ガリウム系半導体（ＡｌＧａＩｎＮ）レーザ装置を用いた次世代ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）のうちＢｌｕ−ｒａｙ市場が急速な立ち上がりを見せている。なかでも、再生専用の次世代ＤＶＤが占める割合は高く、車載用途の青紫色半導体レーザ装置の研究開発が進められている。
【０００３】
ところで、光ピックアップ装置の光源となる半導体レーザ装置に求められる特性として、低雑音特性が挙げられる。
【０００４】
以下、半導体レーザ装置における雑音の発生要因について説明する。
【０００５】
半導体レーザ装置を光ピックアップ光源に用いると、光ディスク若しくは光記録媒体及び光学系部材等からの反射光が半導体レーザ装置にフィードバックされる。この場合、レーザ光の可干渉性（コヒーレンス）が高い場合には、半導体レーザ装置における共振器内の光と反射光とが互いに干渉し、結果的に半導体レーザ装置の出力に雑音が生じてしまうことが分かっている。このレーザ光の可干渉性を低くするには、半導体レーザ装置における発振スペクトルをマルチモード発振させることが有効である。
【０００６】
例えば、射光に起因する雑音の解決法としては、（１）半導体レーザ装置を高周波重畳回路を用いて変調し、発振スペクトルをマルチモード化する。（２）半導体レーザ装置を自励発振（パルス発振）型のレーザ装置として発振スペクトルをマルチモード化する等の方法が知られている。
（１）半導体レーザ装置を高周波重畳回路により変調させる方法は、高周波重畳モジュールを使用することから部品点数が増大するため、光ピックアップ装置の小型化及びコストの面で不利である。また、高周波重畳回路からの不要輻射により、他の電子機器の誤動作が発生するおそれがある。
（２）高周波重畳回路を用いずに発振スペクトルをマルチモード化させる方法には、半導体レーザ装置の導波路内に可飽和吸収体を形成し、自励発振を生じさせる方法がある。これにより、レーザ発振による発振強度が時間の経過に対してパルス状に周期的に変化する。これにより、発振スペクトルがマルチモード化するため、レーザ出射光の干渉性が低下する。このような干渉性が低下した半導体レーザ装置は、光ディスクからの反射光が半導体レーザ装置に戻ってきたとしても、レーザ装置からの出射光と反射による戻り光とが干渉を起こさず、雑音の発生が抑えられるため、データの読み出しエラーを防止することができる。しかも、半導体レーザ装置自体をパルス発振状態とするため、高周波重畳回路等の付加的な部品を設ける必要がないので、小型化、軽量化及び低コスト化を図れると共に、不要輻射が生じないという効果を有する。
【０００７】
このような自励発振型の半導体レーザ装置として、特許文献１が知られている。ここには、活性層の井戸層の層数を２〜４層、その厚さを１０ｎｍ以下とし、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるクラッド層におけるＡｌ組成を０≦ｘ≦０．３とすることにより、安定な自励発振を実現する青紫色レーザ装置が得られると記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２１４７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来のIII族窒化物系半導体を用いた自励発振型半導体レーザ装置は以下のような問題を有している。
【０００９】
まず、III族窒化物系半導体は、赤外レーザ装置や赤色レーザ装置の活性層を構成するＡｌＧａＡｓ系材料及びＡｌＧａＩｎＰ系材料と比べて微分モーダル利得が大きいことから、自励発振時のピークパワー強度が高くなりやすく、再生時の光出力動作時でも光ディスクの情報が書き換えられてしまうおそれがある。ここで、微分モーダル利得とは、活性層の微分利得（利得の動作キャリア密度に対する変化）と活性層における光閉じ込め係数との積であり、この値が大きいほど低い注入キャリア密度で発振しやすいレーザ装置であるといえる。但し、微分モーダル利得が大きい場合は、可飽和吸収効果により可飽和吸収体がレーザ光に対して透明な状態になると、光出力が時間的に急激に増大し、自励発振による光のパルスのピークパワー強度が高くなるため、再生時の動作光出力によっても光ディスクの情報が書き換わってしまう。
【００１０】
図１３に従来報告されている自励発振型の赤外レーザ装置、赤色レーザ装置及び青紫色レーザ装置の各微分モーダル利得を示す。図１３からも分かるように、微分モーダル利得は、赤外レーザ装置、赤色レーザ装置及び青紫色レーザ装置の順に大きくなっており、青紫色レーザ装置は自励発振時のピークパワー強度が高くなりやすい。
【００１１】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に従来の青紫色レーザ装置と赤色レーザ装置の自励発振時の光出力の時間応答特性を示す。図１４（ｂ）に示す赤色レーザ装置においては、ピークパワー強度と平均出力との比の値が５．３倍であるのに対して、図１４（ａ）に示す青紫色レーザ装置においては、平均出力に対し光パルスのピークパワー強度が高く、ピークパワー強度と平均出力との比の値が８．１倍である。ここで、ピークパワー強度が平均出力の７倍以上になると、光ディスクの情報が書き換えられてしまう場合があることが分かっている。従って、ピーク強度と平均出力との比の値は、７倍以下に設定する必要がある。
【００１２】
III族窒化物系半導体を用いた自励発振型レーザ装置は、高い微分モーダル利得を持つことにより、再生時においても高いピークパワー強度による光ディスク書き換えが発生する一方、正孔の有効質量が大きいことに起因して、発振閾値が大きくなるという問題もある。発振閾値の増大は温度特性の劣化をもたらすため、信頼性の低下につながる。
【００１３】
従って、微分モーダル利得を大きくすれば自励発振の光のピーク強度が高くなって、光ディスクの情報が再生動作時においても書き換わるおそれがある。これに対し、光のピークパワー強度を抑えるために微分モーダル利得を小さくすれば、発振閾値が増大して、信頼性の低下につながる。このため、ピークパワー強度を抑えつつ、発振閾値が大きくならないという最適な微分モーダル利得が必要となる。
【００１４】
さらに、反射光による雑音特性劣化に加えて、青紫色レーザ装置（レーザチップ）の結晶成長用基板である窒化ガリウム（ＧａＮ）は、発振波長に対して透明であるため、レーザ光を吸収するＧａＡｓ基板を用いる赤外レーザ装置や赤色レーザ装置と比較して基板からの反射光が多い。その上、自然放出光又は散乱されたレーザ光がＧａＮからなる基板とクラッド層との界面で発生する、いわゆるチップ内部の迷光も多い。
【００１５】
図１５に示す従来の青紫色レーザ装置、赤外レーザ装置及び赤色レーザ装置における各電流（Ｉｏｐ）−光出力（Ｐｏ）特性からも分かるように、レーザ発振前（発振電流閾値以前）において、青紫色レーザ装置は、赤外レーザ装置及び赤色レーザ装置よりも迷光量が多くなっている。迷光が活性層で吸収されると、光出力に揺らぎが生じるため雑音レベルが高くなり、相対強度雑音（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｅｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）の増大を招く。これを回避するには、青紫色レーザ装置においては、再生時の光出力を赤色レーザ装置及び赤外レーザ装置よりも高くして、相対的に自然放出光の寄与を小さくするという施策がなされている。一般に、赤色レーザ装置及び赤外レーザ装置の光出力が５ｍＷに対し、青紫色レーザ装置においては１０ｍＷ以上が必要となり、１０ｍＷを超える高い光出力時には自励発振が停止して、発振スペクトルは単一モードとなってしまう。
【００１６】
このように、青紫色自励発振型レーザ装置においては、迷光量を抑制して、低雑音特性を実現すると共に、１０ｍＷ以上の高出力下でも自励発振を維持することが必要となる。
【００１７】
以上のように、一般に使用される井戸層の厚さが１０ｎｍ以下で、層数が２〜４の場合には、高い微分モーダル利得のため、自励発振時の高いピークパワー強度による光ディスクへの書き換えが生じる。また、レーザ発振に必要な利得が足りないため、発振閾値が高くなるという問題が生じる。
【００１８】
さらに、自励発振が生じたとしても、迷光量が多く、雑音特性を劣化させるという問題も生じる。
【００１９】
また、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなるクラッド層のＡｌ組成が比較的に高い場合（０．１＜ｘ≦０．３）は、該クラッド層にクラックが発生して、信頼性の低下を引き起こすという問題をも同時に生じる。
【００２０】
本発明は、前記従来の問題を解決し、再生系光ディスクシステムの光源に十分に使用可能な、安定した自励発振特性を有するIII族窒化物からなる半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザ装置を、アルミニウムの組成が基板に近い第１のクラッド層及び基板から遠い第２のクラッド層よりも高い窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなる反射抑制層を基板と第１のクラッド層との間及び第２のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成する構成とする。
【００２２】
具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、基板の上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に形成された活性層と、活性層の上に形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる第２導電型の第２のクラッド層と、第２のクラッド層の上に形成された第２導電型のコンタクト層と、基板と第１のクラッド層の間及び第２のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層とを備え、第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘ、第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙ及び反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たすことを特徴とする。
【００２３】
本発明の半導体レーザ装置によると、基板と第１のクラッド層の間及び第２のクラッド層とコンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を備え、第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘ、第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙ及び反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たすため、活性層からの基板又はコンタクト層への光分布の広がりを抑制することが可能となる。これにより、基板又はコンタクト層から反射される迷光が活性層に再吸収されて、雑音を増大させることを防止できる。また、各クラッド層よりも高いＡｌ組成を持つＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層は、各クラッド層の屈折率よりも低いため、屈折率が低い反射抑制層が少なくとも一方のクラッド層の外側に配置されることから、自励特性を実現し得る活性層への光閉じ込め係数を向上させることができる。
【００２４】
本発明の半導体レーザ装置において、第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘは、０．０３≦ｘ≦０．１であり、第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙは、０．０３≦ｙ≦０．１であり、反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、０．１＜ｚ≦０．３であり、反射抑制層の膜厚は、５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、自励発振に必要な活性層への光の閉じ込めを十分に確保できると共に、半導体層に生じるクラックを抑制できるため、信頼性が高い半導体レーザ装置を得ることができる。また、反射抑制層におけるＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その膜厚を５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることにより、基板又はコンタクト層への光分布の広がりを十分に減衰させることができるため、迷光の発生を抑制し、雑音の増大を防止できる。さらに、自励発振特性を実現し得る活性層への光の閉じ込め効率を向上させることもできる。その結果、低雑音特性を有する自励発振型半導体レーザ装置を得ることができる。また、反射抑制層におけるＡｌ組成及び膜厚を所定の範囲内にすることにより、格子不整合によって発生する応力に起因するクラックの発生を抑制することができるため、信頼性を低下させることなく、所望の動作特性を実現できる
本発明の半導体レーザ装置において、第２のクラッド層は、その上部に形成され、電流が選択的に注入されるストライプ部を有しており、第２のクラッド層におけるストライプ部の側方には、電流ブロック層が形成されていることが好ましい。
【００２６】
この場合に、電流ブロック層は誘電体材料又は半導体材料により構成されていることが好ましい。
【００２７】
このようにすると、電流ブロック層を誘電体材料により形成する場合には、窒化物半導体層をエピタキシャル成長する工程が簡略化できるため、製造コストを低減できる。一方、電流ブロック層を半導体材料により形成する場合には、窒化物半導体のＩｎ組成又はＡｌ組成を調整することができるため、所望の屈折率を設定できるので、設計自由度が向上する。また、電流ブロック層を構成する材料は、発振波長の光に対してほぼ透明の材料であっても、その光を吸収する材料であってもよい。電流ブロック層に透明材料を用いる場合は、電流ブロック層における光の損失が小さくなるため、スロープ効率が改善され、温度特性が向上する。また、電流ブロック層に吸収材料を用いる場合は、電流ブロック層において光の吸収が生じることにより、チップ内部の迷光の抑制や光の拡がり角の形状の安定化が得られる。
【００２８】
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は５であり、井戸層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
このようにすると、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度を得られると共に、活性層の内部に十分な可飽和吸収体を形成することが可能となるため、１０ｍＷ以上の光出力動作時においても安定した自励発振を得られ、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。
【００３０】
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は６であり、井戸層の膜厚は、０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
このようにすると、ピークパワー強度が抑制され、活性層の内部に自励発振に必要な可飽和吸収層を十分に形成することができる。このため、１０ｍＷ以上の高出力動作時においても自励発振が可能であり、且つ低発振閾値を実現することができる。
【００３２】
本発明の半導体レーザ装置において、活性層は量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、井戸層の層数は７であり、井戸層の膜厚は、０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
このようにすると、井戸層に対するインジウム（Ｉｎ）の添加量が相対的に大きくなって、空間的にＩｎ偏析が発生する。Ｉｎ組成が高いとバンドギャップエネルギーが局所的に小さくなるため、発振波長に対して吸収を持つことになるので、Ｉｎ偏析は可飽和吸収体を形成しやすくなる。また、井戸層の層数が７層と多いため、活性層に形成される可飽和吸収体をも確保することができる。
【００３４】
以上の構成により、１０ｍＷ以上の高出力動作時でも安定した自励発振を得られるようになる。また、本発明によれば、ピークパワー強度と平均出力との比の値が７倍以下となるため、光ディスクの書き換えが生じることがなく、また、井戸層が薄いため発振閾値を低くすることができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明に係る半導体レーザ装置によると、微分モーダル利得や迷光の発生を制御することができるため、光出力が１０ｍＷ以上の自励発振特性を得られると共に、自励ピークパワーの強度を抑制でき、さらに雑音特性に優れた半導体レーザ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本願発明にあたって、本願発明者らは、従来技術における前記の課題を解決すべく詳細な検討を以下のように行った。
【００３７】
図１に示すように、本願発明の試作例に係るIII族窒化物系半導体レーザ装置は、例えばｎ型ＧａＮからなる基板１０１の上に形成されたＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０２及びｐ型クラッド層１０４に挟まれた、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層１０３を備えている。
【００３８】
ｐ型クラッド層１０４の上部には、リッジストライプ部１５０が形成され、該リッジストライプ部１５０の上部には、ｐ型コンタクト層１０５が形成されている。また、リッジストライプ部１５０の両側面上及び両側方の領域には電流ブロック層１０６が形成されている。なお、リッジストライプ部１５０を通った電流が多重量子井戸活性層１０３に注入されて発光する。
【００３９】
本試作例においては、各クラッド層１０２、１０４のＡｌ組成を、それぞれ０．０２、０．０７及び０．１２の３通りとし、さらに多重量子井戸活性層１０３における井戸層の層数を１ｗ、３ｗ、５ｗ、７ｗ及び９ｗの５とし、各井戸層の厚さを１ｎｍ、３ｎｍ及び５ｎｍの３通りとして、計９通りのレーザ装置を作製し、それぞれの特性の確認を行った。その結果を図２に示す。
【００４０】
図２から分かるように、井戸層１ｗ等の厚さ及びクラッド層１０２、１０４の各Ａｌ組成によって、それぞれ、自励発振を伴わないレーザ発振をするレーザ装置、自励発振を伴うレーザ発振をするレーザ装置、及び発振閾値が高くレーザ発振に至らないレーザ装置という結果を得た。自励発振したレーザ装置は、光出力が１０ｍＷを超えても自励発振を起こすことを確認している。また、発振ピークパワーの強度を測定したところ、クラッド層のＡｌ組成が０．０７で且つ井戸層の膜厚が５ｎｍのレーザ装置は、発振ピーク強度と平均出力値との比の値が８．３倍であるのに対し、クラッド層のＡｌ組成が０．０７で且つ井戸層の膜厚が３ｎｍのレーザ装置は、発振ピーク強度と平均出力値との比の値が６．３倍という結果を得ている。
【００４１】
この現象を解明すべく、本願発明者は、多重量子井戸活性層の利得及び損失、並びに多重量子井戸活性層への光閉じ込め係数に注目し、微分モーダル利得の計算を行った。その結果を図３に示す。試作結果（記号◎）と計算結果とから、以下のようなことが確認できる。
【００４２】
まず、図３から分かるように、井戸層の厚さが１ｎｍのレーザ装置が、レーザ発振を生じなかった理由は、井戸層がの厚さが小さいことにより、レーザ発振に必要な微分モーダル利得が足りなかったためであると考えられる。また、自励発振に至らずレーザ発振した理由は、発振に必要な微分モーダル利得は得られるものの、自励発振を生じさせるほどの微分モーダル利得は得られなかったためである。井戸層の厚さが１ｎｍであっても、クラッド層のＡｌ組成が０．１２であれば、活性層への光閉じ込め係数を増大させることは可能である。このため、自励発振を生じる微分モーダル利得は得られるものの、Ａｌ組成が０．１を超えると基板１０１との格子不整合が大きくなり、格子不整合により発生する応力によってクラッド層１０２、１０４にクラックが発生することから、信頼性が低下する。
【００４３】
次に、クラッド層のＡｌ組成が０．０２で、井戸層の厚さが３ｎｍ又は５ｎｍのレーザ装置は、自励発振はするものの、温度特性が劣化した。これは、Ａｌ組成が０．０２の場合は、活性層とクラッド層とのバンドギャップ差が小さく、活性層に有効にキャリアが閉じ込められなかったため、温度特性が劣化したと考えられる。
【００４４】
次に、クラッド層のＡｌ組成が０．０７で、井戸層の厚さが３ｎｍ又は５ｎｍのレーザ装置について説明する。これらのレーザ装置は、自励発振を得られるものの、井戸層の厚さが５ｎｍのレーザ装置は、再生用パワー（１０ｍＷ）で光ディスクの情報を書き換えてしまうほどの自励発振ピーク強度となった。これは、微分モーダル利得が大き過ぎるためであり、適当な自励発振ピーク強度を達成するには、微分モーダル利得を最適化する必要がある。
【００４５】
以上の実験及び計算結果から、自励発振を実現すると共に、自励発振ピーク強度を抑制するには、クラッド層のＡｌ組成並びに活性層の井戸層の厚さ及び層数を最適化し、活性層の利得及び損失並びに活性層への光閉じ込め係数を制御して、所望の微分モーダル利得を得られる導波路構造を設計する必要があることが判明した。その望ましい範囲は、微分モーダル利得が１．５×１０−１７ｃｍ２以上且つ２．４×１０−１７ｃｍ２以下であり、これを実現するには、井戸層が５層の場合には、膜厚が２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下であり、クラッド層のＡｌ組成は０．０３以上且つ０．１以下である。
【００４６】
同様に、ＡｌＧａＮからなるクラッド層のＡｌ組成をそれぞれ０、０．０５及び０．１とし、活性層における井戸層の数を６層又は７層とした場合の微分モーダル利得の計算結果を図４及び図５に示す。
【００４７】
井戸層の厚さが大きくなることにより微分モーダル利得が増大する理由は、井戸層の厚さが増すと共に活性層の利得が増大することに起因する。但し、図４及び図５からも分かるように、自励ピークパワー強度が大きいこと、自励発振に至らないレーザ発振及び発振閾値が大きいためにレーザ発振に至らないこと、及び温度特性が劣化すること等の問題を考慮すると、最適な自励発振を実現できる範囲は、井戸層の層数が６の場合は、井戸層の厚さが０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下であり、また、井戸層の層数が７の場合は、井戸層の厚さが０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下であることが分かった。
【００４８】
次に、図１の構成を持つ試作用の半導体レーザ装置において、基板１０１とｎ型クラッド層１０２との間に該ｎ型クラッド層１０２よりもＡｌ組成が高いＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を形成して、雑音特性に対する寄与を検討した。ここでは、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層は、Ａｌ組成を０．３とし、その厚さを１０ｎｍとしている。
【００４９】
図６にＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の有無による雑音特性（ＲＩＮ特性）の結果を示す。図６から分かるように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を設けることにより、１０ｍＷの光出力時で約３ｄＢ／Ｈｚの改善が見られる。
【００５０】
これを考察するにあたり、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の有無によって、光分布がどのように変化しているかをニアフィールドパターン（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｐａｔｔｅｒｎ：ＮＦＰ）によって確認した。その結果を図７に示す。図７から分かるように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を設けない場合は、基板側の光分布の裾が振動している。この振動は基板１０１から反射された迷光に起因しており、この迷光の存在が雑音特性を劣化させる原因である。一方、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層を設けた場合は、基板側における光分布が速やかに減衰している。これにより、クラッド層よりも高いＡｌ組成を有するＡｌｚＧａ１−ｚＮ層は、反射抑制層として効果があることが確認される。
【００５１】
以上の結果から、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を基板１０１とｎ型クラッド層１０２との間に形成して、基板１０１への光分布の広がりを抑制したことにより、基板１０１から反射される迷光が活性層１０３に再吸収されなくなり、その結果、ＲＩＮ特性を改善したと考えられる。さらに、自励発振特性を実現し得る活性層１０３への光閉じ込め係数を向上させる効果もあることが新たに分かった。
【００５２】
さらに、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層をｐ型クラッド層１０４とｐ型コンタクト層１０５との間にのみ設けた場合、及び基板１０１とｎ型クラッド層１０２との間にもさらに設けた場合も同様にＲＩＮ特性の改善を確認している。
【００５３】
なお、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成を０．１以下とするとＲＩＮ特性が悪化する。これは、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成が０．１よりも小さい場合には、クラッド層よりもＡｌｚＧａ１−ｚＮ層の方が屈折率が大きくなり、クラッド層と反射抑制層との界面で光が反射されて、迷光量が増大するからである。
【００５４】
このように、例えば、基板１０１とｎ型クラッド層１０２の間に、ｎ型クラッド層１０２よりもＡｌ組成が高いＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を設けることにより、基板１０１から反射される迷光の発生が抑制されて、ＲＩＮ特性が改善されると共に自励発振特性が向上する。しかしながら、ｎ型クラッド層１０２のＡｌ組成と同様に、反射抑制層はＡｌ組成が高くなり過ぎたり、厚くなり過ぎたりすると、該反射抑制層にクラックが発生してしまう。そこで、反射抑制層にクラックを発生させないＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成及び厚さの好ましい値を得るべく検討を行った。その結果を図８に示す。図８から分かるようｂに、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層のＡｌ組成が高くなるか、厚くなるとクラックが発生する傾向にある。
【００５５】
より具体的には、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層の厚さが５ｎｍよりも小さいか、Ａｌ組成が０．１よりも小さいと光分布の広がりを抑制できず、迷光が発生してＲＩＮ特性を劣化させる。一方、反射抑制層の厚さが１５ｎｍよりも大きいか、Ａｌ組成が０．３よりも大きいと反射抑制層にクラックが発生するおそれがあるため、Ａｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００５６】
この範囲の反射抑制層を用いて半導体レーザ装置を作製及び評価したところ、自励発振特性及びＲＩＮ特性で良好な結果を得られ、実用可能であることが確認された。
【００５７】
以下、具体例として実施形態を説明する。
【００５８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
【００５９】
図９は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。
【００６０】
図９に示すように、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、例えば、ｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基板１１の上に順次エピタキシャル成長してなり、厚さが１０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型反射抑制層１２と、厚さが２．５μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層１３と、厚さが９０ｎｍのＡｌ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎからなるガイド層１４と、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１５と、厚さが３５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１中間層１６と、厚さが６５ｎｍのＩｎ微添加ＧａＮからなる第２中間層１７と、厚さが２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるオーバーフロー抑制（ＯＦＳ）層１８と、厚さが４８０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層１９と、厚さが５０ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２０とを有している。
【００６１】
ここで、ＭＱＷ活性層１５は、それぞれ厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる５層のバリア層０ｂ、２ｂ、…、８ｂと、それぞれ厚さが２．５ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる５層の井戸層１ｗ、３ｗ、…、９ｗとが交互に積層されて構成されている。
【００６２】
ｐ型クラッド層１９の上部には、ｐ型コンタクト層２０を含めリッジストライプ部５０が形成されている。リッジストライプ部５０の両側面上及び両側方の領域には、例えば厚さが４００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる電流ブロック層２１が形成されている。ここで、リッジストライプ部５０のストライプ幅Ｗは、１．４μｍである。また、電流ブロック層２１の下面、すなわちリッジストライプ部５０の下面からＭＱＷ活性層１５の上面までの距離（残し厚）ｄｐを１６０ｎｍとしている。また、図示はしないが、ｐ型コンタクト層２０の上から電流ブロック層２１の上にわたってｐ側電極が形成され、基板１１におけるｎ型反射抑制層１２と反対側の面上にはｎ側電極が形成されている。
【００６３】
本発明において、ｎ型ＧａＮからなる基板１１の主面は、ａ面、ｒ面又はｍ面でよく、さらには他の面方位であってもよい。また、基板１１はＧａＮに限られず、サファイア（単結晶Ａｌ２Ｏ３）、炭化シリコン（ＳｉＣ）又はシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。
【００６４】
また、第１の実施形態に係るｎ型反射抑制層１２には、厚さが１０ｎｍのｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎを用いたが、Ａｌ組成及び厚さは一例である。前述したように、ＡｌｚＧａ１−ｚＮにおけるＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下とすることにより、ｎ型反射抑制層１２におけるクラックの発生を防止すると共に、基板１１への光分布の広がりをも抑制することができる。その結果、基板１１から反射される迷光がＭＱＷ活性層１５に再吸収されることを防止し、ＲＩＮ特性を改善することが可能となる。
【００６５】
さらに、基板１１とｎ型クラッド層１３との間に、ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型反射抑制層１２を形成したことにより、生成された光をＭＱＷ活性層１５に有効に閉じ込める効果もあり、１０ｍＷという高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。
【００６６】
厚さが２．５μｍのｎ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｎ型クラッド層１３及び厚さが４８０ｎｍのｐ型Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなるｐ型クラッド層１９においても、Ａｌ組成及びその厚さはこれに限られない。例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成をそれぞれ０．０３≦ｘ≦０．１及び０．０３≦ｙ≦０．１と設定することにより、ＭＱＷ活性層１５に自励発振に必要な光閉じ込め効果を十分に確保することができる。その上、各クラッド層１３、１９に生じるクラックを抑制し、信頼性が高いレーザ装置を作製することが可能となる。
【００６７】
各クラッド層１３、１９の厚さについても、所望の光閉じ込め効果及び光分布（拡がり角）を考慮して適宜変更してもよい。さらに、ｎ型クラッド層１３及びｐ型クラッド層１９のＡｌ組成は対称（ｘ＝ｙ）ではなく、ｘ＞ｙ又はｘ＜ｙのように異なっていてもよい。例えばｘ＞ｙの場合は、光分布が基板側に寄るため、ｐ側電極による吸収がなくなるので光損失が減少し、温度特性に優れるレーザ装置を得ることができる。逆にｘ＜ｙの場合は、光分布がｐ側電極側によるため、水平方向（基板面に平行な方向）の光の閉じ込め効果をさらに強くすることができる。
【００６８】
これにより、電流−光出力特性における非線形性が発生する現象である折れ曲がり（キンク）の光出力レベルが向上したり、拡がり角が安定化したりするという効果がある。
【００６９】
各クラッド層１３、１９は、例えば、組成が互いに異なるＡｌＧａＮ/ＡｌＧａＮ、又はＡｌＧａＮ/ＧａＮを多層に積層してなる超格子構造であってもよい。この場合は、Ａｌ組成の平均が０．０３≦ｘ≦０．１及び０．０３≦ｙ≦０．１の範囲内であればよい。このように、各クラッド層１３、１９を超格子構造とすることにより、動作電圧を低減することができる。
【００７０】
Ａｌ０．００３Ｇａ０．９９７Ｎからなるガイド層１４、Ｉｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる第１中間層１６及びＩｎ微添加ＧａＮからなる第２中間層１７は、そのエネルギーギャップがＭＱＷ活性層１５を構成する井戸層１ｗ等のエネルギーギャップと各クラッド層１３、１９のエネルギーギャップの間の値を持つような材料であれば、ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮでなくともよい。また、ガイド層１４、第１中間層１６及び第２中間層１７は、そのＡｌ組成又はＩｎ組成だけでなく、その膜厚も所望の光閉じ込め効果及び光分布（拡がり角）を考慮して適宜変更してもよい。さらに、ガイド層１４、各中間層１６、１７には、その全部又は一部にドナー又はアクセプタをドーピングしてもよい。これによりキャリア濃度が増大して、発振閾値及び動作電圧を低減することができる。
【００７１】
ＭＱＷ活性層１５における厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなるバリア層、及び厚さが２．５ｎｍのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎからなる井戸層の各Ｉｎ組成及び各厚さは、所望のレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよい。例えば、井戸層１ｗ等の層数が５の場合は、該井戸層１ｗ等の厚さをそれぞれ２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下に設定する必要がある。このようにすると、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度にできると共に、１０ｍＷ以上の光出力動作時においても自励発振が可能である。さらには、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。なお、ＭＱＷ活性層１５におけバリア層には、ＩｎＧａＮに代えてＧａＮを用いてもよい。
【００７２】
厚さが２０ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなるオーバーフロー抑制（ＯＦＳ）層１８は、このＡｌ組成及び厚さでなくともよい。ＯＦＳ層１８のＡｌ組成が低い又は厚さが小さい場合には、キャリアの移動度が大きくなるため、レーザ装置の抵抗を小さくすることができる。一方、Ａｌ組成が高い又は厚さが大きい場合には、ＯＦＳ層１８を電子が飛び越える確率が減るため、電子が発光に有効に寄与するようになるので、内部量子効率が向上する。また、ＯＦＳ層１８にはｐ型ドーパントであるＭｇをドーピングしてもよく、これによりｐ型クラッド層１９から正孔が注入されやすくなる。
【００７３】
リッジストライプ部５０におけるストライプ幅は１．４μｍとしたが、０．７μｍ以上且つ２．５μｍ以下であれば問題はない。例えば、ストライプ幅が０．７μｍ以下であると動作電圧が増大する。また、ストライプ幅の２．５μｍという値は、キンクレベルや単峰性の拡がり角形状等の各種特性を維持する限界である。
【００７４】
また、リッジストライプ部５０は、上部の幅が下部の幅よりも小さいテーパストライプ形状としてもよい。テーパストライプ形状を採用することにより、注入キャリアを効率良く活用できるため、温度特性及びキンクレベルの向上、動作電圧の低減、及び自励発振の助長等種々の特性改善を図ることができる。また、ｐ型クラッド層１９の残し厚ｄｐも１６０ｎｍに限られず、キンクレベル及び拡がり角等の所望の特性を実現できる値に設定すればよい。
【００７５】
電流ブロック層２１は、その厚さが４００ｎｍに限られない。また、その材料もＳｉＯ２に代えて、窒化シリコン（ＳｉＮ）若しくはアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）等の誘電体材料又はＩｎＧａＮ若しくはＡｌＧａＮ等の半導体材料を用いることができる。
【００７６】
電流ブロック層２１を誘電体材料により形成する場合は、窒化物半導体からなるエピタキシャル層を成長させる際のエピタキシャル成長の成長回数を削減できるため、製造コストが低減する。また、電流ブロック層２１を窒化物半導体材料により形成する場合は、その形成時にＩｎ組成及びＡｌ組成を変化させることにより、所望の屈折率を設定できるため、設計の自由度が向上する。
【００７７】
また、電流ブロック層２１には、発振波長の光に対してほぼ透明の材料を用いてもよく、また発振波長の光を吸収する材料であってもよい。電流ブロック層２１に透明材料を用いる場合は、電流ブロック層２１での損失が小さくなるため、スロープ効率の改善及び温度特性が向上する。これに対し、電流ブロック層２１に吸収材料を用いる場合は、電流ブロック層２１において光が吸収されることにより、半導体レーザ装置（チップ）内の迷光を抑制できると共に、光の拡がり角の形状の安定化を図れる。
【００７８】
さらに、電流ブロック層２１は単層ではなく、２層以上を積層させた積層構造としてもよい。２層以上を積層する場合には、発振波長の光に対して透明な材料と吸収可能な材料とを組み合わせて双方の特長を生かすことにより、半導体レーザ装置の動作の諸特性を向上させることができ、また、設計の自由度を向上することができる。
【００７９】
以下、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の動作の諸特性を説明する。
【００８０】
図１０（ａ）は出力が１０ｍＷ時の波長特性を示し、図１０（ｂ）は発振応答特性（発振ピークパワー強度）を示し、図１０（ｃ）はＲＩＮ特性を示す。
【００８１】
図１０（ａ）からは、発振波長の４０１．５ｎｍを中心として波長幅が広がっていることから、発振スペクトルがマルチモード化し、自励発振していることが分かる。図１０（ｂ）からは、発振ピークパワー強度が平均出力値に対して５．８倍となり、７倍以下に抑制されていることが分かる。さらに、図１０（ｃ）からは、出力が１０ｍＷ時のＲＩＮ特性が約−１３０ｄＢ／Ｈｚとなり、良好なＲＩＮ特性を得られることが分かる。
【００８２】
以上のように、第１の実施形態によると、ＭＱＷ活性層１５の層数及び厚さ、並びにｎ型クラッド層１３、ｐ型クラッド層１９及び反射抑制層における各Ａｌ組成を所定の範囲に設定して、微分モーダル利得及び迷光の発生を制御することにより、出力が１０ｍＷ以上の高出力動作時においても自励発振特性を維持し、また自励ピークパワー強度を抑制することができる。さらに、雑音特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
【００８３】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
【００８４】
図１１は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図１１において、図９に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００８５】
図１１に示すように、第２の実施形態においては、基板１１とｎ型クラッド層２３との間にｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなるｎ型反射抑制層１２を設ける代わりに、ｐ型クラッド層２９とｐ型コンタクト層２０との間にｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２を設けている。
【００８６】
ここで、ｎ型クラッド層２３は、厚さが２．８μｍのｎ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなり、ｐ型クラッド層２９は、厚さが５００ｎｍのｐ型Ａｌ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる。
【００８７】
また、ＭＱＷ活性層２５は、それぞれ厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる６層のバリア層０ｂ、２ｂ、…、１０ｂと、それぞれ厚さが１．５ｎｍのＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎからなる６層の井戸層１ｗ、３ｗ、…、１１ｗとが交互に積層されて構成されている。
【００８８】
良好な特性が得られる微分モーダル利得の値である１．５×１０−１７ｃｍ２以上且つ２．４×１０−１７ｃｍ２以下を実現するには、各クラッド層２３、２９のＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成を０．０３≦ｘ、ｙ≦０．１とし、且つ、井戸層１ｗ等の層数が６の場合には、前述したように、該井戸層１ｗ等の厚さをそれぞれ０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下に設定する必要がある。これにより、光ディスクの情報を書き換えない程度のピークパワー強度を得られると共に、１０ｍＷ以上の高い光出力時でも安定した自励発振が維持され、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。
【００８９】
第２の実施形態の特徴である、ｐ型クラッド層２９とｐ型コンタクト層２０との間に形成されたｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２は、そのＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下に設定することにより、該ｐ型反射抑制層２２に生じるクラックを防止することができる。
【００９０】
また、第２の実施形態に係るｐ型反射抑制層２２は、ＭＱＷ活性層２５からｐ型コンタクト層２０への光の広がりを抑制するため、ｐ型コンタクト層２５から反射される迷光を防ぐので、ＲＩＮ特性が向上する。さらに、ｐ型反射抑制層２２は、ＭＱＷ活性層２５への光の閉じ込め係数を増大する効果を持つため、高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。
【００９１】
なお、第２の実施形態においては、リッジ型のレーザ構造を用いて説明したが、リッジ型に限られず、埋め込み型のレーザ構造であってもよい。埋め込み型レーザ構造とは、活性層の上に中間層、ｐ型ＯＦＳ層、ｐ型第１クラッド層及びｎ型電流ブロック層を形成した後、ｎ型電流ブロック層の一部に電流注入のためのストライプ状の窓部を形成し、ｐ型第２クラッド層、ｐ型反射抑制層及びｐ型コンタクト層を再成長により形成する構造をいう。なお、活性層からｎ型電流ブロック層の間の層は中間層、ｐ型ＯＦＳ層及びｐ型第１クラッド層に限られず、所望の半導体層を適宜選択すればよい。
【００９２】
第２の実施形態に係るリッジ型レーザ構造においては、ｐ型クラッド層２９、ｐ型反射抑制層２２及びｐ型コンタクト層２０の一部はストライプ形状を有するため、ｐ型コンタト層２０の平面積は小さい。一方、埋め込み型レーザ構造の場合は、活性層の上方の全面にｐ型コンタクト層が設けられるため、リッジ型レーザ構造と比べて、ｐ型コンタクト層の面積は極めて大きい。このように、ｐ型コンタクト層の面積が大きいことは、反射される迷光量が大きく、雑音特性の劣化につながるが、このような埋め込み型レーザ構造では、活性層の上方の全体にｐ型反射抑制層が形成されるため、ｐ型コンタクト層への光分布の広がりを抑制して、反射される迷光量を大幅に削減できるので、雑音特性を劣化を確実に抑制できる。
【００９３】
このように、ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との間にｐ型反射抑制層を形成する場合は、リッジ型レーザ構造よりも埋め込み型レーザ構造の方が雑音抑制に対して大きな効果を得ることができる。
【００９４】
第２の実施形態に係る半導体レーザ装置は、光出力が１０ｍＷの動作時においても、自励発振により発振スペクトルがマルチモード化していることを確認している。また、光出力の時間応答特性においても、発振ピークパワー強度と平均出力との比の値が７倍以下となり、光ディスクに対して情報の書き換えが発生しない発振ピークパワー強度を実現している。また、ＲＩＮ特性も約−１３０ｄＢ／Ｈｚを実現している。
【００９５】
以上により、光ピックアップ光源として実用可能な窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。
【００９６】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。
【００９７】
図１２は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面構成を示している。図１２において、図９に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００９８】
図１２に示すように、第３の実施形態においては、基板１１とｎ型クラッド層３３との間にｎ型ｎ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｎ型反射抑制層１２を設け、且つ、ｐ型クラッド層３９とｐ型コンタクト層２０との間にもｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２を設けている。
【００９９】
ここで、ｎ型クラッド層３３は、厚さが２．４μｍのｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなり、ｐ型クラッド層３９は、厚さが４６０ｎｍのｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる。
【０１００】
また、ＭＱＷ活性層３５は、それぞれ厚さが７．５ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる７層のバリア層０ｂ、２ｂ、…、１２ｂと、それぞれ厚さが０．７ｎｍのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなる７層の井戸層１ｗ、３ｗ、…、１３ｗとが交互に積層されて構成されている。
【０１０１】
良好な特性を得るための微分モーダル利得の値である１．５×１０−１７ｃｍ２以上且つ２．４×１０−１７ｃｍ２以下を実現するには、各クラッド層３３、３９のＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成を０．０３≦ｘ、ｙ≦０．１とし、且つ、井戸層１ｗ等の層数が７の場合には、前述したように、該井戸層１ｗ等の厚さをそれぞれ０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下に設定する必要がある。井戸層１ｗ等の厚さをこの程度に設定すると、該井戸層１ｗ等へのＩｎの添加量は相対的に多くなる。インジウム（Ｉｎ）の添加量が多くなると、空間的にＩｎ偏析が発生する。また、Ｉｎ組成が高いと、バンドギャップエネルギーが局所的に小さくなるため、発振波長に対して吸収を持つことになるので、Ｉｎの偏析は可飽和吸収体を形成しやすくなるという利点がある。また、井戸層１ｗ等の層数が７と多いため、ＭＱＷ活性層３５に形成される可飽和吸収体をも確保できる。
【０１０２】
これにより、ディスクへの書き込みが生じない程度のピークパワー強度を得られると共に、１０ｍＷ以上の高い光出力時でも安定した自励発振が維持され、発振閾値が十分に小さい最適な微分モーダル利得を得ることができる。
【０１０３】
第３の実施形態の特徴である、基板１１とｎ型クラッド層３３との間に形成されたｎ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｎ型反射抑制層１２及びｐ型クラッド層３９とｐ型コンタクト層２０との間に形成されたｐ型ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなるｐ型反射抑制層２２は、そのＡｌ組成を０．１＜ｚ≦０．３とし、その厚さを５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下に設定することにより、各反射抑制層１２、２２に生じるクラックを防止することができる。
【０１０４】
また、第３の実施形態に係る各反射抑制層１２、２２は、ＭＱＷ活性層３５から基板１１側への光の広がりと、ｐ型コンタクト層２０側への光の広がりとを抑制して、基板１１及びｐ型コンタクト層２０から反射される迷光を防ぐので、ＲＩＮ特性が向上する。さらに、各反射抑制層１２、２２は、ＭＱＷ活性層３５への光の閉じ込め係数を増大する効果を持つため、高出力動作時でも自励発振特性を実現することができる。
【０１０５】
第３の実施形態に係る半導体レーザ装置は、光出力が１０ｍＷの動作時においても、発振スペクトルがマルチモード化し、自励発振することを確認している。また、光出力の時間応答特性においても、発振ピークパワー強度と平均出力との比の値が７倍以下となり、光ディスクに対して情報の書き換えが発生しない発振ピークパワー強度を実現している。さらに、各反射抑制層１２、２２を設けたことにより、ＲＩＮ特性も約−１３０ｄＢ／Ｈｚと良好な特性を得られている。
【０１０６】
以上により、光ピックアップ光源として実用可能な窒化物系半導体レーザ装置を実現することができる。
【０１０７】
なお、本発明の各実施形態においては、基板１１の導電型をｎ型としたが、これに限られず、ｐ型の基板を用いてもよい。この場合には、ｐ型基板とＭＱＷ活性層との間にｐ型反射抑制層を設け、ＭＱＷ活性層の上に形成されたｎ型クラッド層とｎ型コンタクト層との間にｎ型反射抑制層を設ければよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明に係る半導体レーザ装置は、高出力動作時における自励発振動作を維持すると共に、発振ピーク強度が抑制され且つ雑音特性にも優れており、光ディスクシステムの分野におけるレーザ光源等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の試作例に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図２】本発明の９通りの試作例に係る半導体レーザ装置の試作結果を示すグラフある。
【図３】本発明の５層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のＡｌ組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。
【図４】本発明の６層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のＡｌ組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。
【図５】本発明の７層の井戸層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における微分モーダル利得とクラッド層のＡｌ組成の関係を井戸層の厚さをパラメータとして示したグラフである。
【図６】本発明のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置におけるＲＩＮ特性を反射抑制層を有さない試作例と共に示したグラフである。
【図７】本発明のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置における近視野像（ＮＦＰ）を反射抑制層を有さない試作例と共に示したグラフである。
【図８】本発明のＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層を有する試作例に係る半導体レーザ装置の反射抑制層におけるＡｌ組成及び厚さとクラックの発生との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の動作特性を示し、（ａ）は波長特性を示すグラフであり、（ｂ）は自励発振時間応答特性を示すグラフであり、（ｃ）は相対雑音強度（ＲＩＮ）特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置を示す模式的な構成断面図である。
【図１３】従来の赤色、赤外及び青紫色レーザ装置における微分モーダル利得の動作キャリア密度依存性を示すグラフである。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は従来の半導体レーザ装置における自励発振時間応答特性を示し、（ａ）は青紫色レーザ装置であり、（ｂ）は赤色レーザ装置である。
【図１５】従来の赤色、赤外及び青紫色レーザ装置における電流（Ｉｏｐ）−光出力（Ｐｏ）特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１０】
１０１ 基板
１０２ ｎ型クラッド層
１０３ 多重量子井戸活性層
１０４ ｐ型クラッド層
１０５ ｐ型コンタクト層
１０６ 電流ブロック層
１５０ リッジストライプ部
１１ 基板
１２ ｎ型反射抑制層
１３ ｎ型クラッド層
１４ ガイド層
１５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
１６ 第１中間層
１７ 第２中間層
１８ オーバーフロー抑制（ＯＦＳ）層
１９ ｐ型クラッド層
２０ ｐ型コンタクト層
２１ 電流ブロック層
２２ ｐ型反射抑制層
２３ ｎ型クラッド層
２５ 多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層
２９ ｐ型クラッド層
３３ ｎ型クラッド層
３９ ｐ型クラッド層
０ｂ、２ｂ、４ｂ、６ｂ、８ｂ、１０ｂ、１２ｂ バリア層
１ｗ、３ｗ、５ｗ、７ｗ、９ｗ、１１ｗ、１３ｗ 井戸層
５０ リッジストライプ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる第１導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる第２導電型の第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層の上に形成された第２導電型のコンタクト層と、
前記基板と前記第１のクラッド層の間及び前記第２のクラッド層と前記コンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層とを備え、
前記第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘ、前記第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙ及び前記反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘは、０．０３≦ｘ≦０．１であり、
前記第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙは、０．０３≦ｙ≦０．１であり、
前記反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、０．１＜ｚ≦０．３であり、前記反射抑制層の膜厚は、５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第２のクラッド層は、その上部に形成され、電流が選択的に注入されるストライプ部を有しており、
前記第２のクラッド層における前記ストライプ部の側方には、電流ブロック層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記電流ブロック層は、誘電体材料又は半導体材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は５であり、
前記井戸層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は６であり、
前記井戸層の膜厚は、０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は７であり、
前記井戸層の膜厚は、０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１】
基板の上に形成され、ＡｌｘＧａ１−ｘＮからなる第１導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成され、ＡｌｙＧａ１−ｙＮからなる第２導電型の第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層の上に形成された第２導電型のコンタクト層と、
前記基板と前記第１のクラッド層の間及び前記第２のクラッド層と前記コンタクト層との間の少なくとも一方に形成され、ＡｌｚＧａ１−ｚＮからなる反射抑制層とを備え、
前記第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘ、前記第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙ及び前記反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、ｘ＜ｚで且つｙ＜ｚの関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１のクラッド層におけるＡｌ組成ｘは、０．０３≦ｘ≦０．１であり、
前記第２のクラッド層におけるＡｌ組成ｙは、０．０３≦ｙ≦０．１であり、
前記反射抑制層におけるＡｌ組成ｚは、０．１＜ｚ≦０．３であり、前記反射抑制層の膜厚は、５ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第２のクラッド層は、その上部に形成され、電流が選択的に注入されるストライプ部を有しており、
前記第２のクラッド層における前記ストライプ部の側方には、電流ブロック層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記電流ブロック層は、誘電体材料又は半導体材料により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は５であり、
前記井戸層の膜厚は、２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は６であり、
前記井戸層の膜厚は、０．８ｎｍ以上且つ２．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記活性層は、量子井戸層と障壁層とを交互に積層してなる量子井戸活性層からなり、
前記井戸層の層数は７であり、
前記井戸層の膜厚は、０．４ｎｍ以上且つ１．５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２１３４２（Ｐ２０１０−２１３４２Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８０１７４（Ｐ２００８−１８０１７４）
【出願日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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