JP4067289B2

JP4067289B2 - Semiconductor laser element

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Publication number: JP4067289B2
Application number: JP2001265255A
Authority: JP
Inventors: 良治廣山; 大二朗井上; 真吾亀山; 康彦野村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2021-09-03
Also published as: JP2003078211A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子を用いた記録可能なＤＶＤシステムが知られている。記録可能なＤＶＤシステムにおいて、記録速度を向上させるためには、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させる必要がある。このようにディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるためには、ディスクへビームを絞り込むための対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、光源である半導体レーザの高出力化を図る必要がある。
【０００３】
このうち、まず、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上について検討する。一般に、対物レンズは、レーザ光の水平方向の広がり角度に合わせて設けられているとともに、レーザ光の垂直方向の広がり角度は水平方向の広がり角度よりも大きい場合が多いので、垂直方向のレーザ光は、対物レンズからはみ出して照射される。この場合には、対物レンズとレーザ光との結合効率が低下する。したがって、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるためには、垂直方向のビーム広がり角度を低減する必要がある。すなわち、半導体レーザの活性層に対して、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比（アスペクト比：垂直方向のビーム広がり角度／水平方向の広がり角度）を１．０に近づける必要がある。
【０００４】
また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤ（ＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＤａｍａｇｅ：レーザ光出射端面劣化）のレベルの向上が不可欠である。ＣＯＤを抑制する方法としては、従来、Ｚｎ拡散による窓構造を用いる方法が知られている。この従来の窓構造を用いる方法では、レーザ素子の活性層の共振器端面の近傍領域に、不純物を導入することにより、活性層の量子井戸構造を無秩序化する。それによって、活性層の共振器端面近傍のバンドギャップが他の領域よりも広がるので、共振器端面における光吸収が低減される。これにより、レーザ端面の温度上昇を抑制することができるので、ＣＯＤが低減される。
【０００５】
また、ＣＯＤを抑制する他の方法として、発光スポットの面積を拡大することにより、端面の活性層での光密度を低減させる方法が知られている。この場合、発光スポットの面積を拡大することによって、垂直方向のビーム広がり角度が低減される。
【０００６】
また、垂直方向のビーム広がり角度を低減することによって、横方向の高次モード発振により生じるキンク（電流−光出力特性の曲がり）が発生しにくくなる。このため、垂直広がり角度の低減は、上記したＣＯＤの抑制のみならず、光出力の向上も図ることができる。
【０００７】
上述したように、従来では、ディスク上に照射されるレーザ光の強度を向上させるために、対物レンズとレーザ光との結合効率を向上させるとともに、半導体レーザの高出力化を図る必要があった。このうち、対物レンズとレーザ光との結合効率の向上には、水平方向のビーム広がり角度に対する垂直方向のビーム広がり角度の比であるアスペクト比を低減する必要がある。また、半導体レーザの高出力化には、ＣＯＤレベルやキンクレベルを向上させる必要がある。そして、従来では、垂直方向のビーム広がり角度を小さくすることによって、アスペクト比の低減が可能であるとともに、ＣＯＤレベルやキンクレベルの向上が可能であることが知られている。また、垂直方向のビーム広がり角度を小さくするためには、発光スポットを拡大すればよい。
【０００８】
しかしながら、ブロック層で光吸収することにより横方向の光を閉じ込める従来の損失導波構造において、垂直方向のビーム広がり角度を低減させるために発光スポットを拡大すると、ブロック層での光吸収が増大して、電流−光出力特性の傾き（スロープ効率）が低下する。このため、一定の光出力を得るための動作電流が増加するという不都合が生じる。このように動作電流が増加すると、光出力が発熱によって制限される光出力熱飽和が生じやすくなるので、光出力を向上させるのは困難であった。このように、従来の損失導波構造では、垂直方向のビーム広がり角度を低減させることにより高出力化を図ることは困難であった。
【０００９】
そこで、従来、ブロック層をレーザ光に対して透明化した実屈折率導波構造を用いて、ブロック層での光吸収を低減する方法が知られている。
【００１０】
図６は、従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。図６を参照して、従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層１０２、および、約２．０μｍの膜厚を有するＳｉがドープされた（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１０３が形成されている。ｎ型クラッド層１０３上には、量子井戸構造を有する活性層１０４が形成されている。活性層１０４は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）ＩｎＰからなる２つの光ガイド層の間に、約８ｎｍの厚みを有する３つのＧａ_0.43Ｉｎ_0.57Ｐからなる井戸層と、約５ｎｍの厚みを有する２つの（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.58Ｉｎ_0.42Ｐからなる障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有する。
【００１１】
この活性層１０４上には、Ｚｎがドープされた（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型第１クラッド層１０５およびＺｎがドープされた（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型第２クラッド層１０６が形成されている。ｐ型第２クラッド層１０６は、約１．３μｍの膜厚を有する台形状に形成されている。ｐ型第２クラッド層１０６の上面上の全面に接触するように、約０．１μｍの膜厚を有するＺｎドープされたＧａＩｎＰからなるｐ型コンタクト層１０７が形成されている。これらのｐ型第２クラッド層１０６とｐ型コンタクト層１０７とによって、約２．５μｍ〜約３．５μｍの幅を有するリッジ部が構成されている。
【００１２】
ｐ型第１クラッド層１０５の上面と、ｐ型第２クラッド層１０６の側面と、ｐ型コンタクト層１０７の側面とを覆うように、約０．５μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｎ型光閉じ込め層１０８、および、約０．３μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層１０９が形成されている。ｎ型光閉じ込め層１０８は、レーザ光を横方向制御するために設けられており、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）１０６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）からなる。また、ｎ型電流ブロック層１０９は、リッジ部への電流を阻止するために設けられている。
【００１３】
ｎ型電流ブロック層１０９上には、リッジ部の上面（ｐ型コンタクト層１０７）と接触するように、約３．０μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１１０が形成されている。ｐ型キャップ層１１０上には、ｐ側電極１１１が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１２が形成されている。
【００１４】
上記のような従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、リッジ部を構成するｐ型第２クラッド層１０６の側面を覆うように、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）１０６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）からなるｎ型光閉じ込め層１０８を設けることによって、屈折率の違いを利用して横方向の光を閉じ込める。これにより、ｎ型電流ブロック層１０９での光吸収がないので、ｎ型電流ブロック層１０９での光吸収に起因する光出力熱飽和は発生しにくくなる。
【００１５】
しかしながら、上記のような従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、リッジ部の上面（ｐ型コンタクト層１０７）と接触するように形成されたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１１０において光が吸収されるという不都合が生じる。このため、図６に示した従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子では、光の内部損失が発生するという不都合があった。
【００１６】
そこで、光の内部損失を低減するために、従来、リッジ部の上面上に、レーザ光に対して透明化されたキャップ層を備える実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子が提案されている。これらは、たとえば、特開２０００−２４４０６３号公報に開示されている。
【００１７】
上記特開２０００−２４４０６３号公報に開示された赤色半導体レーザの構造では、リッジ部を構成するｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型クラッド層（第１上クラッド層５８）の上面上に、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなるｐ型キャップ層（第２上クラッド層６６）を形成する。このように、リッジ部の上面上に、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料（ＡｌＧａＡｓ）からなるｐ型キャップ層を形成することによって、ｐ型キャップ層における光の吸収が抑制されるので、ｐ型キャップ層における光の内部損失を低減することが可能である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本願発明者が、上記公報に開示された従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子について、種々検討した結果、以下のような問題点が存在することを見出した。すなわち、上記公報に開示された構造では、ｐ型クラッド層（第１上クラッド層５８）を構成するｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ＝Ａｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐの屈折率は、３．２４５であり、ｐ型キャップ層（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓからなる第２上クラッド層６６）の屈折率は、ｐ型クラッド層の屈折率よりも大きい３．３０５である。一般に、光は屈折率の大きい方へ進む傾向があるので、ｐ型キャップ層の屈折率がｐ型クラッド層よりも大きい場合には、レーザ光は、ｐ型クラッド層よりもｐ型キャップ層へ分布しやすくなる。このように、レーザ光がｐ型キャップ層へ分布しやすくなると、半導体レーザ素子の垂直横モードが不安定になるという不都合が発生する。その結果、上記公報に開示された構造では、垂直横モードの不良率が増加するとう問題点があると考えられる。なお、この問題点については、本願発明者らは、実験により確認済みであり、その実験の詳細については、後述する。
【００１９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の１つの目的は、垂直横モードの不良率を低減することが可能な半導体レーザ素子を提供することである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、上記の問題点に着目して種々の実験を行うとともに、鋭意検討した結果、実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子において、リッジ部の上面上に、レーザ光に対して透明化されたキャップ層を形成する場合に、キャップ層の屈折率を適切に設定すれば、垂直横モードが不安定になるのを防止することが可能であることを見いだした。以下、本発明の内容を説明する。
【００２１】
この発明の一の局面による半導体レーザ素子は、活性層上に形成され、リッジ部を含む第１導電型のクラッド層と、リッジ部の側面を覆うように形成された光閉じ込め層と、少なくともリッジ部の上面上に形成され、リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む第１導電型の第１キャップ層とを備える。
【００２２】
この一の局面による半導体レーザ素子では、上記のように、少なくともリッジ部の上面上に、リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む第１キャップ層を形成することによって、クラッド層から第１キャップ層へ光が漏れるのを有効に抑制することができる。これにより、半導体レーザ素子の垂直横モードが不安定になるのを防止することができるので、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減することができる。
【００２３】
上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、第１キャップ層は、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料を含む。このように構成すれば、第１キャップ層における光の吸収を抑制することができるので、内部損失を低減することができるとともに、スロープ効率（電流−光出力特性の傾き）を向上させることができる。また、内部損失を低減することができるので、最大光出力も増加することができる。したがって、この構成では、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減しながら、内部損失の低減などを達成することができる。
【００２４】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、リッジ部を含むクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰを含み、第１キャップ層は、ＡｌＧａＡｓを含む。このように構成すれば、クラッド層および第１キャップ層のＡｌ組成比を調節することによって、容易に、クラッド層よりも屈折率が小さく、かつ、レーザ光よりもバンドギャップの広い第１キャップ層を形成することができる。
【００２５】
上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、第１キャップ層上に形成され、ＧａＡｓを含む第１導電型の第２キャップ層をさらに備える。このように構成すれば、第１キャップ層によりレーザ光が漏れるのを抑制しながら、第２キャップ層により電極との良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
【００２６】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、光閉じ込め層は、レーザ光よりもバンドギャップが広く、かつ、リッジ部を含むクラッド層よりも屈折率の小さい材料を含む。このように構成すれば、光閉じ込め層（電流ブロック層）における光の吸収を防止することが可能な実屈折率導波構造を容易に得ることができる。
【００２７】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度が１８°以下である。このような１８°以下の小さいビーム広がり角度では、発光スポットが大きくなるため、第１キャップ層へ光が広がりやすくなる。したがって、１８°以下の小さいビーム広がり角度では、第１キャップ層による光吸収の抑制効果が大きくなる。これにより、内部損失を低減する効果もより大きくなる。この場合、好ましくは、垂直方向のビーム広がり角度が１６°以下である。このように構成すれば、第１キャップ層による光吸収の抑制効果をさらに大きくすることができる。
【００２８】
また、上記一の局面による半導体レーザ素子において、好ましくは、活性層は、量子井戸構造を有し、活性層の共振器端面の近傍領域では、不純物を導入することにより量子井戸構造が無秩序化されて他の領域よりもバンドギャップが広がっている。このように構成すれば、端面近傍におけるレーザ光の吸収が抑制されるので、端面の発熱を抑制することができる。これにより、レーザ光出射端面劣化（ＣＯＤ）を有効に防止することができるので、高い最大光出力を得ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。図２は、本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【００３１】
まず、図１を参照して、一実施形態による半導体レーザ素子の構造について説明する。この一実施形態による半導体レーザ素子では、（１００）面から［０１１］方向に９°オフしたｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉがドープされたｎ型ＧａＩｎＰからなるバッファ層２、および、約２．０μｍの膜厚を有するＳｉがドープされた（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｎ型クラッド層３が形成されている。なお、ｎ型クラッド層３にドープされたＳｉのドープ量は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。ｎ型クラッド層３上には、量子井戸構造を有する活性層４が形成されている。活性層４は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）ＩｎＰからなる２つの光ガイド層の間に、約８ｎｍの厚みを有する３つのＧａ_0.43Ｉｎ_0.57Ｐからなる井戸層と、約５ｎｍの厚みを有する２つの（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.58Ｉｎ_0.42Ｐからなる障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有する。
【００３２】
この活性層４上には、Ｚｎがドープされた（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型第１クラッド層５およびＺｎがドープされた（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｐ型第２クラッド層６が形成されている。ｐ型第２クラッド層６は、約１．３μｍの膜厚を有する台形状に形成されている。ｐ型第２クラッド層６の上面上の全面に接触するように、約０．１μｍの膜厚を有するＺｎドープされたＧａＩｎＰからなるｐ型コンタクト層７が形成されている。これらのｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７にドープされたＺｎのドープ量は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。また、ｐ型第２クラッド層６とｐ型コンタクト層７とによって、約２．５μｍ〜約３．５μｍの幅を有するリッジ部が構成されている。なお、ｐ型第１クラッド層５およびｐ型第２クラッド層６は、本発明の「クラッド層」の一例である。
【００３３】
ｐ型第１クラッド層５の上面と、ｐ型第２クラッド層６の側面と、ｐ型コンタクト層７の側面とを覆うように、約０．５μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＡｌＩｎＰからなるｎ型光閉じ込め層８、および、約０．３μｍの膜厚を有するＳｅがドープされたＧａＡｓからなるｎ型電流ブロック層９が形成されている。ｎ型光閉じ込め層８は、レーザ光を横方向制御するために設けられており、ｐ型第２クラッド層（（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）からなる。これにより、本実施形態の半導体レーザ素子は、実屈折率導波構造を有するように形成されている。また、ｎ型光閉じ込め層８およびｎ型電流ブロック層９は、リッジ部への電流を阻止するために設けられている。なお、ｎ型光閉じ込め層８は、本発明の「光閉じ込め層」の一例である。
【００３４】
また、ｎ型クラッド層３、活性層４、ｐ型第１クラッド層５、ｐ型第２クラッド層６およびｐ型コンタクト層７の端面近傍には、不純物としてＺｎを導入することによって、Ｚｎ拡散領域１４が形成されている。これにより、活性層４の共振器端面の近傍領域（Ｚｎ拡散領域１４）は、Ｚｎ拡散により量子井戸構造が無秩序化されている。それによって、活性層４の共振器端面の近傍領域のバンドギャップが他の部分のバンドギャップに比べて拡大された窓構造が形成されている。このＺｎ拡散領域１４のリッジ部の上面上には、窓領域への不要な電流注入を抑制するために、ｎ型光閉じ込め層８およびｎ型電流ブロック層９が形成されている。
【００３５】
ここで、ｎ型電流ブロック層９上には、端面近傍以外の領域のリッジ部の上面（ｐ型コンタクト層７）と接触するように、約０．５μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓからなるｐ型第１キャップ層１０が形成されている。ｐ型第１キャップ層１０上には、約２．５μｍの膜厚を有するＺｎがドープされたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１１が形成されている。これらのｐ型第１キャップ層１０およびｐ型第２キャップ層１１にドープされたＺｎのドープ量は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。ｐ型第２キャップ層１１上には、ｐ側電極１２が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１３が形成されている。
【００３６】
本願発明者らは、上記のような構造を有する本実施形態の半導体レーザ素子において、安定な垂直横モードを得るためには、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１と、ｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２との関係が重要となることを見出した。具体的には、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１がｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２より大きい場合（ｎ１＞ｎ２の場合）、ｐ型第２クラッド層６からｐ型第１キャップ層１０へ光が漏れやすくなる。このように、ｐ型第１キャップ層１０側へ光が漏れやすいと、本来単峰パターンとなる垂直方向の遠視野像が、双峰パターンや、サイドピークを有するパターンなどの異常パターンになりやすくなり、その結果、垂直横モードが不安定になる。
【００３７】
本願発明者らは、上記の点を確認するため、以下のような実験を行った。ｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２を一定（ｎ２＝３．２４５）にした状態で、ｐ型第１キャップ層１０のＡｌ組成を変化させることによりｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１を変化させた場合の、遠視野像が異常パターンとなる割合（垂直横モードの不良率）を調べた。その結果が、図３に示されている。
【００３８】
図３に示すように、ｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２を一定（ｎ２＝３．２４５）にした状態で、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１をｎ１＝３．６から小さくするにしたがって、垂直横モードの不良率は減少した。そして、ｎ１がｎ２より小さくなる範囲（ｎ１＜３．２４５）では、垂直横モードの不良率がほぼ０％になることが判明した。
【００３９】
本実施形態では、上記のような実験結果に基づき、ｐ型第１キャップ層１０の屈折率ｎ１をｐ型第２クラッド層６の屈折率ｎ２よりも小さくなるように構成している。
【００４０】
次に、実屈折率導波構造と、レーザ光に対して透明かつｐ型第２クラッド層（（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）６よりも屈折率の小さいＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓからなるｐ型第１キャップ層１０とを有する本実施形態による半導体レーザ素子と、レーザ光に対して不透明な材料（ＧａＡｓ）からなるキャップ層を有する従来（比較例）の半導体レーザ素子とを作製して、半導体レーザ素子の内部損失の差と、電流−光出力特性とを調べた。その結果を図４および図５に示す。
【００４１】
まず、図４を参照して、本実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との内部損失の差の垂直広がり角度への依存性について調べた。図４に示すように、本実施形態による半導体レーザ素子と従来（比較例）の半導体レーザ素子との内部損失の差Δαは、垂直広がり角度θｖが１８°以下の範囲で増大することが判明した。また、垂直広がり角度θｖが１６°以下の範囲では、内部損失の差Δαは、さらに増大することが判明した。ここで、本実施形態の半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子との内部損失の差Δαが増大するということは、本実施形態の内部損失を抑制する効果が大きくなっていることを意味する。
【００４２】
すなわち、１８°以下の小さい垂直広がり角度では、発光スポットが大きくなるため、リッジ部の上面上に接触するように形成されたキャップ層へ光が広がりやすくなる。したがって、１８°以下の小さい垂直広がり角度では、本実施形態のキャップ層による光吸収の抑制効果が大きくなるので、本実施形態の内部損失を低減する効果もより大きくなる。また、１６°以下の垂直広がり角度では、さらに本実施形態のキャップ層による光吸収の抑制効果が大きくなるので、本実施形態の内部損失を低減する効果もさらに大きくなる。このように、本実施形態の半導体レーザ素子では、特に、垂直広がり角度θｖが１８°以下の範囲で、従来（比較例）の半導体レーザ素子に比べて内部損失が大きく低減されることが判明した。
【００４３】
次に、図５を参照して、本実施形態の半導体レーザ素子と、従来（比較例）の半導体レーザ素子との光出力特性を比較する。なお、図５に示した電流−光出力特性の測定条件は、動作パルスの幅（パルス幅）：１００ｎｓｅｃ、動作パルスの比（デューティ）：５０％、垂直広がり角度（θｖ）：１５°、チップ長さ（Ｌ）：９００μｍ、および、発光面の前面側の反射率５％，発光面の後面側の反射率９５％とした。
【００４４】
図５に示すように、本実施形態による半導体レーザ素子は、従来（比較例）の半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が低減されるとともに、スロープ効率（電流−光出力特性の傾き）が向上されることが判明した。また、従来（比較例）の半導体レーザ素子の最大光出力は、約１５０ｍＷであり、本実施形態による半導体レーザ素子の最大光出力は、約２００ｍＷであった。これにより、本実施形態による半導体レーザ素子では、従来（比較例）の半導体レーザ素子に比べて、最大光出力が大きくなることが判明した。
【００４５】
本実施形態では、上記のように、ｐ型第１キャップ層１０を、リッジ部を構成するｐ型第２クラッド層（（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）６よりも屈折率の小さい材料（Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）を用いて形成することによって、ｐ型第２クラッド層６からｐ型第１キャップ層１０へ光が漏れるのを有効に抑制することができる。これにより、半導体レーザ素子の垂直横モードが不安定になるのを防止することができるので、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、上記のように、ｐ型第１キャップ層１０上に、ＧａＡｓからなるｐ型第２キャップ層１１を形成することによって、ｐ型第１キャップ層１０によりレーザ光が漏れるのを抑制しながら、ｐ型第２キャップ層１１によりｐ側電極１２との良好なオーミックコンタクトを得ることができる。
【００４７】
また、本実施形態では、上記のように、ｐ型第１キャップ層１０を、レーザ光よりもバンドギャップが広い材料（Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）を用いて形成することによって、ｐ型第１キャップ層１０における光の吸収を抑制することができるので、内部損失を低減することができるとともに、スロープ効率（電流−光出力特性の傾き）を向上させることができる。また、内部損失を低減することができるので、最大光出力も増加することができる。したがって、本実施形態では、半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を低減しながら、内部損失の低減などを達成することができる。
【００４８】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００４９】
たとえば、上記実施形態では、ｐ型第１クラッド層５上に、ｐ型第２クラッド層６を形成したが、本発明はこれに限らず、ｐ型第１クラッド層５とｐ型第２クラッド層６との間に、リッジ部形成時のエッチング制御性を向上させるために、ＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層を設けてもよい。
【００５０】
また、上記実施形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなるクラッド層および活性層と、ＡｌＩｎＰからなる光閉じ込め層と、ＡｌＧａＡｓ系の材料からなるキャップ層とを有する半導体レーザ素子を形成したが、本発明はこれに限らず、活性層がＡｌＧａＩｎＰ系の材料からなる赤色レーザ、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる赤外レーザ、ＩｎＧａＡｓ系材料からなる発振波長０．９８μｍの半導体レーザなど、様々な波長帯の半導体レーザに適用可能である。この場合、クラッド層よりも屈折率の小さい材料によりキャップ層を形成すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。たとえば、クラッド層をＡｌ_xＧａ_1-xＡｓで形成した場合、キャップ層は、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（ｘ＜ｙ）または屈折率が上記クラッド層よりも小さい（Ａｌ_zＧａ_1-z）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐで形成してもよい。また、クラッド層を（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐで形成した場合、キャップ層は、（Ａｌ_yＧａ_1-y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（ｘ＜ｙ）または屈折率が上記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層よりも小さいＡｌ_zＧａ_1-zＡｓで形成してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、垂直横モードの不良率を低減することが可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の垂直横モードの不良率を示した特性図である。
【図４】本発明の一実施形態による半導体レーザ素子と従来（比較例）の半導体レーザ素子との内部損失の差と、垂直広がり角度との関係を示した特性図である。
【図５】本発明の一実施形態による半導体レーザ素子および従来（比較例）の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示した特性図である。
【図６】従来の実屈折率導波構造を有する半導体レーザ素子の構造を示した断面図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＡｓ基板
３ｎ型クラッド層
４活性層
５ｐ型第１クラッド層（クラッド層）
６ｐ型第２クラッド層（クラッド層）
８ｎ型光閉じ込め層（光閉じ込め層）
１０ｐ型第１キャップ層（第１キャップ層）
１１ｐ型第２キャップ層（第２キャップ層）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a recordable DVD system using an AlGaInP red semiconductor laser element is known. In the recordable DVD system, in order to improve the recording speed, it is necessary to improve the intensity of the laser beam irradiated onto the disk. In order to improve the intensity of the laser beam irradiated onto the disk in this way, the efficiency of coupling the objective lens for narrowing the beam to the disk and the laser beam is improved and the output of the semiconductor laser as the light source is increased. It is necessary to plan.
[0003]
Among these, first, improvement of the coupling efficiency between the objective lens and the laser beam will be examined. In general, the objective lens is provided in accordance with the horizontal spread angle of the laser beam, and the vertical spread angle of the laser beam is often larger than the horizontal spread angle. Is irradiated out of the objective lens. In this case, the coupling efficiency between the objective lens and the laser beam is reduced. Therefore, in order to improve the coupling efficiency between the objective lens and the laser beam, it is necessary to reduce the beam divergence angle in the vertical direction. That is, the ratio of the vertical beam divergence angle to the horizontal beam divergence angle (aspect ratio: vertical beam divergence angle / horizontal divergence angle) needs to be close to 1.0 with respect to the active layer of the semiconductor laser. There is.
[0004]
Further, in order to increase the output of the semiconductor laser, it is indispensable to improve the level of COD (catalytic optical damage). As a method for suppressing COD, a method using a window structure based on Zn diffusion is conventionally known. In this conventional method using a window structure, the quantum well structure of the active layer is disordered by introducing impurities into the region near the cavity facet of the active layer of the laser element. As a result, the band gap in the vicinity of the resonator end face of the active layer is wider than other regions, so that light absorption at the resonator end face is reduced. Thereby, since the temperature rise of a laser end surface can be suppressed, COD is reduced.
[0005]
As another method for suppressing COD, a method of reducing the light density in the active layer at the end face by expanding the area of the light emission spot is known. In this case, the beam divergence angle in the vertical direction is reduced by enlarging the area of the light emission spot.
[0006]
Further, by reducing the beam divergence angle in the vertical direction, kink (curvature of current-light output characteristics) caused by high-order mode oscillation in the horizontal direction is less likely to occur. For this reason, the reduction of the vertical spread angle can not only suppress the above-described COD but also improve the light output.
[0007]
As described above, conventionally, in order to improve the intensity of the laser beam irradiated on the disk, it is necessary to improve the coupling efficiency between the objective lens and the laser beam and to increase the output of the semiconductor laser. . Of these, in order to improve the coupling efficiency between the objective lens and the laser beam, it is necessary to reduce the aspect ratio, which is the ratio of the beam divergence angle in the vertical direction to the beam divergence angle in the horizontal direction. Further, in order to increase the output of the semiconductor laser, it is necessary to improve the COD level and the kink level. Conventionally, it is known that the aspect ratio can be reduced and the COD level and the kink level can be improved by reducing the beam divergence angle in the vertical direction. Further, in order to reduce the beam divergence angle in the vertical direction, the light emission spot may be enlarged.
[0008]
However, in the conventional loss waveguide structure that confines light in the lateral direction by absorbing light in the block layer, if the emission spot is enlarged to reduce the beam divergence angle in the vertical direction, the light absorption in the block layer increases. As a result, the slope (slope efficiency) of the current-light output characteristics decreases. For this reason, there arises a disadvantage that the operating current for obtaining a constant light output increases. When the operating current increases in this way, light output thermal saturation, in which the light output is limited by heat generation, is likely to occur, and it is difficult to improve the light output. Thus, in the conventional loss waveguide structure, it has been difficult to achieve high output by reducing the beam divergence angle in the vertical direction.
[0009]
Therefore, conventionally, there is known a method of reducing light absorption in the block layer by using an actual refractive index waveguide structure in which the block layer is made transparent with respect to laser light.
[0010]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor laser device having a real refractive index waveguide structure. Referring to FIG. 6, in a conventional semiconductor laser device having a real refractive index waveguide structure, a buffer layer 102 made of n-type GaInP doped with Si on an n-type GaAs substrate 101, and about 2.0 μm. Si-doped (Al _0.7 Ga _0.3 ) An n-type cladding layer 103 made of InP is formed. An active layer 104 having a quantum well structure is formed on the n-type cladding layer 103. The active layer 104 is made of (Al _x Ga _1-x ) Three Ga having a thickness of about 8 nm between two light guide layers made of InP _0.43 In _0.57 A well layer made of P and two (Al _x Ga _1-x ) _0.58 In _0.42 It has a strain-compensated multiple quantum well structure in which barrier layers made of P are alternately stacked.
[0011]
On the active layer 104, Zn was doped (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P-type first cladding layer 105 made of P and Zn doped (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 A p-type second cladding layer 106 made of P is formed. The p-type second cladding layer 106 is formed in a trapezoidal shape having a thickness of about 1.3 μm. A p-type contact layer 107 made of Zn-doped GaInP having a thickness of about 0.1 μm is formed so as to be in contact with the entire upper surface of the p-type second cladding layer 106. The p-type second cladding layer 106 and the p-type contact layer 107 constitute a ridge portion having a width of about 2.5 μm to about 3.5 μm.
[0012]
Al doped with Se having a thickness of about 0.5 μm so as to cover the upper surface of the p-type first cladding layer 105, the side surface of the p-type second cladding layer 106, and the side surface of the p-type contact layer 107. _0.5 In _0.5 An n-type optical confinement layer 108 made of P and an n-type current blocking layer 109 made of Se-doped GaAs having a thickness of about 0.3 μm are formed. The n-type optical confinement layer 108 is provided to control the laser beam in the lateral direction, and the p-type second cladding layer ((Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P) Material with a refractive index smaller than 106 (Al _0.5 In _0.5 P). The n-type current blocking layer 109 is provided to block current to the ridge portion.
[0013]
On the n-type current blocking layer 109, a p-type cap layer 110 made of GaAs doped with Zn having a thickness of about 3.0 μm is provided so as to be in contact with the upper surface of the ridge portion (p-type contact layer 107). Is formed. A p-side electrode 111 is formed on the p-type cap layer 110. An n-side electrode 112 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101.
[0014]
In the semiconductor laser device having the conventional actual refractive index waveguide structure as described above, the p-type second clad layer ((Al) covers the side surface of the p-type second clad layer 106 constituting the ridge portion. _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P) Material with a refractive index smaller than 106 (Al _0.5 In _0.5 By providing the n-type optical confinement layer 108 made of P), light in the lateral direction is confined using the difference in refractive index. Thereby, since there is no light absorption in the n-type current blocking layer 109, light output heat saturation caused by light absorption in the n-type current blocking layer 109 is less likely to occur.
[0015]
However, in the semiconductor laser device having the conventional actual refractive index waveguide structure as described above, light is emitted from the p-type cap layer 110 made of GaAs formed so as to be in contact with the upper surface (p-type contact layer 107) of the ridge portion. Is disadvantageously absorbed. For this reason, the conventional semiconductor laser device having the actual refractive index waveguide structure shown in FIG. 6 has a disadvantage that an internal loss of light occurs.
[0016]
In order to reduce the internal loss of light, a semiconductor laser device having a real refractive index waveguide structure having a cap layer made transparent to the laser light on the upper surface of the ridge portion has been proposed. . These are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-244063.
[0017]
In the structure of the red semiconductor laser disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-244063, the p-type (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 On the upper surface of the p-type cladding layer made of P (first upper cladding layer 58), p-type Al _0.7 Ga _0.3 A p-type cap layer (second upper clad layer 66) made of As is formed. Thus, by forming a p-type cap layer made of a material (AlGaAs) having a wider band gap than the laser light on the upper surface of the ridge portion, light absorption in the p-type cap layer is suppressed. It is possible to reduce the internal loss of light in the mold cap layer.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of various studies on the semiconductor laser device having the conventional actual refractive index waveguide structure disclosed in the above publication, the present inventors have found that the following problems exist. In other words, in the structure disclosed in the above publication, the p-type (Al) constituting the p-type cladding layer (first upper cladding layer 58). _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P = Al _0.35 Ga _0.15 In _0.5 The refractive index of P is 3.245, and the p-type cap layer (Al _0.7 Ga _0.3 The refractive index of the second upper cladding layer 66) made of As is 3.305, which is larger than the refractive index of the p-type cladding layer. In general, since light tends to travel toward a higher refractive index, when the refractive index of the p-type cap layer is larger than that of the p-type cladding layer, the laser light is directed to the p-type cap layer rather than the p-type cladding layer. It becomes easy to distribute. As described above, when the laser beam is easily distributed to the p-type cap layer, the vertical transverse mode of the semiconductor laser element becomes unstable. As a result, the structure disclosed in the above publication is considered to have a problem that the defect rate of the vertical transverse mode increases. In addition, about this problem, this inventor has been confirmed by experiment and the detail of the experiment is mentioned later.
[0019]
The present invention has been made to solve the above problems,
One object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of reducing the defect rate in the vertical transverse mode.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present application conducted various experiments paying attention to the above-mentioned problems and, as a result of intensive studies, in a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure, on the upper surface of the ridge portion, In the case of forming a transparent cap layer, it has been found that if the refractive index of the cap layer is set appropriately, the vertical transverse mode can be prevented from becoming unstable. The contents of the present invention will be described below.
[0021]
A semiconductor laser device according to an aspect of the present invention includes a first conductivity type clad layer formed on an active layer and including a ridge portion, an optical confinement layer formed so as to cover a side surface of the ridge portion, and at least a ridge And a first cap layer of a first conductivity type formed on the upper surface of the portion and including a material having a refractive index smaller than that of the cladding layer including the ridge portion.
[0022]
In the semiconductor laser device according to this aspect, as described above, the first cap layer including a material having a refractive index smaller than that of the cladding layer including the ridge portion is formed on at least the upper surface of the ridge portion. It is possible to effectively prevent light from leaking to the first cap layer. As a result, it is possible to prevent the vertical transverse mode of the semiconductor laser element from becoming unstable, so that the defect rate of the vertical transverse mode of the semiconductor laser element can be reduced.
[0023]
In the semiconductor laser device according to the aforementioned aspect, the first cap layer preferably includes a material having a wider band gap than the laser light. If comprised in this way, since absorption of the light in a 1st cap layer can be suppressed, while being able to reduce an internal loss, slope efficiency (inclination of an electric current-light output characteristic) can be improved. . Further, since the internal loss can be reduced, the maximum light output can also be increased. Therefore, with this configuration, it is possible to achieve a reduction in internal loss while reducing the vertical transverse mode defect rate of the semiconductor laser element.
[0024]
In the semiconductor laser device according to the aforementioned aspect, preferably, the cladding layer including the ridge portion includes AlGaInP, and the first cap layer includes AlGaAs. With this configuration, the first cap layer having a refractive index smaller than that of the clad layer and a wider band gap than that of the laser beam can be easily obtained by adjusting the Al composition ratio of the clad layer and the first cap layer. Can be formed.
[0025]
The semiconductor laser device according to the aforementioned aspect preferably further includes a second cap layer of a first conductivity type formed on the first cap layer and containing GaAs. If comprised in this way, a favorable ohmic contact with an electrode can be obtained by a 2nd cap layer, suppressing a laser beam leaking by a 1st cap layer.
[0026]
In the semiconductor laser device according to the aforementioned aspect, the light confinement layer preferably includes a material having a wider band gap than the laser light and a refractive index smaller than that of the cladding layer including the ridge portion. If comprised in this way, the real refractive index waveguide structure which can prevent absorption of the light in a light confinement layer (electric current block layer) can be obtained easily.
[0027]
In the semiconductor laser device according to the aforementioned aspect, the vertical beam divergence angle is preferably 18 ° or less. At such a small beam divergence angle of 18 ° or less, the light emission spot becomes large, so that light easily spreads to the first cap layer. Therefore, at a small beam divergence angle of 18 ° or less, the effect of suppressing light absorption by the first cap layer is increased. Thereby, the effect of reducing internal loss is further increased. In this case, the beam divergence angle in the vertical direction is preferably 16 ° or less. If comprised in this way, the inhibitory effect of the light absorption by a 1st cap layer can be enlarged further.
[0028]
In the semiconductor laser device according to the aforementioned aspect, the active layer preferably has a quantum well structure, and the quantum well structure is disordered by introducing impurities in a region near the cavity end face of the active layer. The band gap is wider than other areas. If comprised in this way, since the absorption of the laser beam in the end surface vicinity is suppressed, the heat_generation | fever of an end surface can be suppressed. As a result, laser light emitting end face deterioration (COD) can be effectively prevented, and a high maximum light output can be obtained.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure according to an embodiment of the present invention.
[0031]
First, the structure of a semiconductor laser device according to an embodiment will be described with reference to FIG. In the semiconductor laser device according to this embodiment, a buffer layer 2 made of n-type GaInP doped with Si is formed on an n-type GaAs substrate 1 which is 9 ° off from the (100) plane in the [011] direction, and about 2 Si doped with a film thickness of 0.0 μm (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 An n-type cladding layer 3 made of P is formed. The doping amount of Si doped in the n-type cladding layer 3 is 3 × 10 ¹⁷ cm ^-3 It is. An active layer 4 having a quantum well structure is formed on the n-type cladding layer 3. The active layer 4 is made of (Al _x Ga _1-x ) Three Ga having a thickness of about 8 nm between two light guide layers made of InP _0.43 In _0.57 A well layer made of P and two (Al _x Ga _1-x ) _0.58 In _0.42 It has a strain-compensated multiple quantum well structure in which barrier layers made of P are alternately stacked.
[0032]
On this active layer 4, Zn was doped (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P-type first cladding layer 5 made of P and doped with Zn (Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 A p-type second cladding layer 6 made of P is formed. The p-type second cladding layer 6 is formed in a trapezoidal shape having a film thickness of about 1.3 μm. A p-type contact layer 7 made of Zn-doped GaInP having a thickness of about 0.1 μm is formed so as to be in contact with the entire upper surface of the p-type second cladding layer 6. The doping amount of Zn doped into the p-type first cladding layer 5, the p-type second cladding layer 6, and the p-type contact layer 7 is 1 × 10. ¹⁸ cm ^-3 It is. The p-type second cladding layer 6 and the p-type contact layer 7 constitute a ridge having a width of about 2.5 μm to about 3.5 μm. The p-type first cladding layer 5 and the p-type second cladding layer 6 are examples of the “cladding layer” of the present invention.
[0033]
AlInP doped with Se having a thickness of about 0.5 μm so as to cover the upper surface of the p-type first cladding layer 5, the side surface of the p-type second cladding layer 6, and the side surface of the p-type contact layer 7. And an n-type current blocking layer 9 made of GaAs doped with Se having a thickness of about 0.3 μm. The n-type optical confinement layer 8 is provided in order to control the laser beam in the lateral direction, and a p-type second cladding layer ((Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P) Material with a refractive index smaller than 6 (Al _0.5 In _0.5 P). Thereby, the semiconductor laser device of this embodiment is formed so as to have an actual refractive index waveguide structure. Further, the n-type optical confinement layer 8 and the n-type current blocking layer 9 are provided in order to block current to the ridge portion. The n-type optical confinement layer 8 is an example of the “optical confinement layer” in the present invention.
[0034]
Further, Zn is diffused by introducing Zn as an impurity in the vicinity of the end faces of the n-type cladding layer 3, the active layer 4, the p-type first cladding layer 5, the p-type second cladding layer 6 and the p-type contact layer 7. Region 14 is formed. Thereby, the quantum well structure is disordered by Zn diffusion in the region near the resonator end face of the active layer 4 (Zn diffusion region 14). As a result, a window structure is formed in which the band gap in the region near the resonator end face of the active layer 4 is larger than the band gap in other portions. An n-type optical confinement layer 8 and an n-type current blocking layer 9 are formed on the upper surface of the ridge portion of the Zn diffusion region 14 in order to suppress unnecessary current injection into the window region.
[0035]
Here, Zn having a thickness of about 0.5 μm was doped on the n-type current blocking layer 9 so as to be in contact with the upper surface (p-type contact layer 7) of the ridge portion in a region other than the vicinity of the end face. Al _0.8 Ga _0.2 A p-type first cap layer 10 made of As is formed. On the p-type first cap layer 10, a p-type cap layer 11 made of GaAs doped with Zn and having a thickness of about 2.5 μm is formed. The doping amount of Zn doped in the p-type first cap layer 10 and the p-type second cap layer 11 is 1 × 10. ¹⁹ cm ^-3 It is. A p-side electrode 12 is formed on the p-type second cap layer 11. An n-side electrode 13 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 1.
[0036]
In order to obtain a stable vertical transverse mode in the semiconductor laser device of the present embodiment having the above-described structure, the inventors of the present application have obtained a refractive index n1 of the p-type first cap layer 10 and a p-type second. It has been found that the relationship with the refractive index n2 of the cladding layer 6 is important. Specifically, when the refractive index n1 of the p-type first cap layer 10 is larger than the refractive index n2 of the p-type second cladding layer 6 (when n1> n2), the p-type second cladding layer 6 to the p-type first Light easily leaks to the one cap layer 10. As described above, when light easily leaks to the p-type first cap layer 10 side, a vertical far-field image that originally has a single peak pattern tends to be an abnormal pattern such as a bimodal pattern or a pattern having side peaks. As a result, the vertical transverse mode becomes unstable.
[0037]
The inventors of the present application conducted the following experiment in order to confirm the above points. The refractive index of the p-type first cap layer 10 is changed by changing the Al composition of the p-type first cap layer 10 while the refractive index n2 of the p-type second cladding layer 6 is constant (n2 = 3.245). When n1 is changed, the ratio of the far-field image to an abnormal pattern (vertical transverse mode defect rate) was examined. The result is shown in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 3, in the state where the refractive index n2 of the p-type second cladding layer 6 is constant (n2 = 3.245), the refractive index n1 of the p-type first cap layer 10 is changed from n1 = 3.6. As the size was reduced, the defect rate of the vertical transverse mode decreased. Then, it was found that in the range where n1 is smaller than n2 (n1 <3.245), the defect rate in the vertical transverse mode is almost 0%.
[0039]
In the present embodiment, the refractive index n1 of the p-type first cap layer 10 is configured to be smaller than the refractive index n2 of the p-type second cladding layer 6 based on the above experimental results.
[0040]
Next, a real refractive index waveguide structure and a p-type second cladding layer ((Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P) Al whose refractive index is smaller than 6. _0.8 Ga _0.2 The semiconductor laser device according to the present embodiment having the p-type first cap layer 10 made of As, and the conventional (comparative example) semiconductor laser device having a cap layer made of a material (GaAs) opaque to the laser beam. It was fabricated and the difference in internal loss of the semiconductor laser element and the current-light output characteristics were examined. The results are shown in FIG. 4 and FIG.
[0041]
First, with reference to FIG. 4, the dependence of the difference in internal loss between the semiconductor laser device of this embodiment and the conventional (comparative example) semiconductor laser device on the vertical spread angle was examined. As shown in FIG. 4, it was found that the internal loss difference Δα between the semiconductor laser device according to the present embodiment and the conventional (comparative) semiconductor laser device increases in the range where the vertical spread angle θv is 18 ° or less. . Further, it was found that the internal loss difference Δα further increases in the range where the vertical spread angle θv is 16 ° or less. Here, an increase in the internal loss difference Δα between the semiconductor laser device of this embodiment and the conventional semiconductor laser device means that the effect of suppressing the internal loss of this embodiment is increased.
[0042]
That is, at a small vertical spread angle of 18 ° or less, the light emission spot becomes large, so that light easily spreads to the cap layer formed so as to be in contact with the upper surface of the ridge portion. Therefore, at a small vertical spread angle of 18 ° or less, the effect of suppressing light absorption by the cap layer of the present embodiment is increased, so that the effect of reducing the internal loss of the present embodiment is further increased. Further, at a vertical spread angle of 16 ° or less, the effect of suppressing light absorption by the cap layer of the present embodiment is further increased, so that the effect of reducing the internal loss of the present embodiment is further increased. Thus, in the semiconductor laser device of this embodiment, it has been found that the internal loss is greatly reduced as compared with the conventional (comparative example) semiconductor laser device, particularly in the range where the vertical spread angle θv is 18 ° or less. .
[0043]
Next, referring to FIG. 5, the optical output characteristics of the semiconductor laser device of this embodiment and the conventional (comparative example) semiconductor laser device are compared. The measurement conditions of the current-light output characteristics shown in FIG. 5 are as follows: operation pulse width (pulse width): 100 nsec, operation pulse ratio (duty): 50%, vertical spread angle (θv): 15 °, chip Length (L): 900 μm, a reflectance of 5% on the front surface side of the light emitting surface, and a reflectance of 95% on the rear surface side of the light emitting surface.
[0044]
As shown in FIG. 5, in the semiconductor laser device according to the present embodiment, the threshold current is reduced and the slope efficiency (the slope of the current-light output characteristic) is reduced as compared with the conventional (comparative example) semiconductor laser device. Was found to be improved. The maximum light output of the conventional (comparative example) semiconductor laser device is about 150 mW, and the maximum light output of the semiconductor laser device according to the present embodiment is about 200 mW. As a result, it has been found that the semiconductor laser device according to the present embodiment has a larger maximum light output than the conventional (comparative example) semiconductor laser device.
[0045]
In the present embodiment, as described above, the p-type first cap layer 10 is formed by using the p-type second cladding layer ((Al _0.7 Ga _0.3 ) _0.5 In _0.5 P) Material with a refractive index smaller than 6 (Al _0.8 Ga _0.2 By using As), leakage of light from the p-type second cladding layer 6 to the p-type first cap layer 10 can be effectively suppressed. As a result, it is possible to prevent the vertical transverse mode of the semiconductor laser element from becoming unstable, so that the defect rate of the vertical transverse mode of the semiconductor laser element can be reduced.
[0046]
In this embodiment, as described above, the p-type first cap layer 10 is formed with the p-type second cap layer 11 made of GaAs, so that the laser light leaks from the p-type first cap layer 10. While suppressing this, a good ohmic contact with the p-side electrode 12 can be obtained by the p-type second cap layer 11.
[0047]
In the present embodiment, as described above, the p-type first cap layer 10 is made of a material (Al _0.8 Ga _0.2 As), the absorption of light in the p-type first cap layer 10 can be suppressed, so that the internal loss can be reduced and the slope efficiency (inclination of current-light output characteristics). Can be improved. Further, since the internal loss can be reduced, the maximum light output can also be increased. Therefore, in this embodiment, it is possible to achieve a reduction in internal loss while reducing the vertical transverse mode defect rate of the semiconductor laser element.
[0048]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
[0049]
For example, in the above embodiment, the p-type second cladding layer 6 is formed on the p-type first cladding layer 5. However, the present invention is not limited to this, and the p-type first cladding layer 5 and the p-type second cladding are used. An etching stop layer made of GaInP may be provided between the layer 6 and the layer 6 in order to improve etching controllability when forming the ridge portion.
[0050]
In the above embodiment, a semiconductor laser element having a cladding layer and an active layer made of an AlGaInP-based material, an optical confinement layer made of AlInP, and a cap layer made of an AlGaAs-based material is formed. Not limited to this, the active layer is applied to semiconductor lasers of various wavelength bands such as red lasers made of AlGaInP-based materials, infrared lasers made of AlGaAs-based materials, and semiconductor lasers having an oscillation wavelength of 0.98 μm made of InGaAs-based materials. Is possible. In this case, if the cap layer is formed of a material having a refractive index smaller than that of the cladding layer, the same effect as in the above embodiment can be obtained. For example, if the cladding layer is made of Al _x Ga _1-x When formed of As, the cap layer is made of Al. _y Ga _1-y As (x <y) or the refractive index is smaller than that of the cladding layer (Al _z Ga _1-z ) _0.5 In _0.5 P may be used. In addition, the cladding layer (Al _x Ga _1-x ) _0.5 In _0.5 When formed of P, the cap layer is (Al _y Ga _1-y ) _0.5 In _0.5 P (x <y) or the refractive index is the above (Al _x Ga _1-x ) _0.5 In _0.5 Al smaller than P-clad layer _z Ga _1-z You may form with As.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser device capable of reducing the defect rate in the vertical transverse mode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a defect rate in a vertical transverse mode of a semiconductor laser device having an actual refractive index waveguide structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a difference in internal loss between a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention and a conventional (comparative example) semiconductor laser device and a vertical spread angle.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing current-light output characteristics of a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention and a conventional (comparative example) semiconductor laser device.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor laser device having a real refractive index waveguide structure.
[Explanation of symbols]
1 n-type GaAs substrate
3 n-type cladding layer
4 Active layer
5 p-type first cladding layer (cladding layer)
6 p-type second cladding layer (cladding layer)
8 n-type optical confinement layer (optical confinement layer)
10 p-type first cap layer (first cap layer)
11 p-type second cap layer (second cap layer)

Claims

A cladding layer of a first conductivity type formed on the active layer and including a ridge portion;
An optical confinement layer formed to cover the side surface of the ridge portion;
A first cap layer of a first conductivity type formed on at least an upper surface of the ridge portion and including a material having a refractive index smaller than that of a clad layer including the ridge portion ;
The first cap layer includes a material having a wider band gap than laser light,
The cladding layer including the ridge portion includes AlGaInP,
The first cap layer is a semiconductor laser element including AlGaAs .

The first formed in the cap layer further comprises a second cap layer of the first conductivity type comprising GaAs, a semiconductor laser device according to claim 1.

The optical confinement layer has a wider band gap than the laser beam, and includes a material having a small refractive index than the cladding layer including the ridge portion, a semiconductor laser device according to claim 1 or 2.

The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 3 , wherein a beam divergence angle in a vertical direction is 18 ° or less.

The semiconductor laser device according to claim 4 , wherein a vertical beam divergence angle is 16 ° or less.

The active layer has a quantum well structure,
In the region near the resonator end face of said active layer, said quantum well structure by introducing impurities is disordered has spread band gap than other regions, in any one of claims 1 to 5 The semiconductor laser device described.