JP2007329487A - レーザ素子および光記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自然放出光の少ない窒化物半導体レーザ素子の提供。
【解決手段】基板と、基板の上面に形成された、活性層を含みストライプ状のリッジ構造を有する半導体と、前記半導体の上方に設けられた光吸収部を備え、レーザ光の発振方向が前記リッジ構造のストライプ方向であるレーザ素子であって、前記光吸収部は、前記リッジ構造の下端から横方向に前記レーザ光の基本モード又は高次モードを吸収しない程度に離間して設けられ、前記レーザ光の波長を含む波長範囲における光を吸収する特性を有し、前記半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有する金属又は半導体からなるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体より成るレーザ素子に関し、特に、自然放出光を抑える構造に関する。

次世代の光記録再生装置用の光源には、高記録密度の実現のため、より集光径を小さくすることが可能な短波長の光を発するものが用いられる。しかし、コスト低減のために、光記録再生装置におけるレンズや記録媒体である光ディスク等に安価なプラスチック系の材料を用いることが望ましく、一般にそのような材料は吸収端が３９０ｎｍ程度であるため、光源が発する光の波長を４００ｎｍ前後とすることが求められる。このような短波長光源には、窒化ガリウムに代表される窒化物より成る半導体レーザ素子が適する。

窒化物半導体レーザ素子の代表的な構造は特許文献１に開示されており、図１３に示したようになっている。このレーザ素子は、基板側から順に、Ｎ電極１１１、ＳｉＣ基板１０１、ＡｌＮバッファ層１０２、ｎ−ＧａＮ層１０３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０４、ＩｎＧａＮ活性層１０５、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１０６、ｐ−ＧａＮコンタクト層１０７、Ａｌ₂Ｏ₃保護膜１０９、Ｐ電極１１０、ＳｉＯ₂絶縁膜１１２を有する。ＩｎＧａＮより成る活性層１０５を有するこのレーザ素子が発するレーザ光の波長は４０５ｎｍ程度である。なお、レーザ素子の上部には、素子内を流れる電流の流路を活性層１０５における光の共振方向に対して垂直な方向に狭窄するために、一般の長波長のレーザ素子と同様に、リッジ構造（ｐ−クラッド層の凸部）が形成され、その傍らに絶縁性のＳｉＯ₂膜１１２が設けられている。
特開平９−２８９３５８号公報

上記レーザ素子における窒化物半導体層１０２〜１０７およびＳｉＣ基板１０１は、発振波長に対してほとんど透明であって、レーザ発振時に発生する自然放出光の吸収が少ない。基板としてサファイアを使用することも一般的であり、また、窒化物半導体の光ガイド層で活性層を上下から挟む構造とすることもあるが、これらも同様である。そのため、レーザ素子の出射端面からレーザ光と共に出射する自然放出光の割合が高い。本発明者が上記構造のレーザ素子を作製して、一方の出射端面からの出力強度を測定したところ、自然放出光成分の強度は０．５〜１ｍＷであった。

自然放出光は波長範囲（スペクトル幅）が広いため雑音が大きい。このため、レーザ素子を例えば１０ｍＷ以下の低出力で動作させるときには、自然放出光成分が相対的に多くなって、全体の雑音も大きくなる。また、レーザ光の出力をステム等と共にパッケージングされたモニター用ＰＤ（フォトダイオード）の検知電流によって制御する場合、自然放出光成分の割合が大きいと、出力の揺らぎが大きくなって制御が困難になる。レーザ素子の後方に直接設置される内部ＰＤでは、自然放出光を多く受光することになり、レーザ素子の前方に集光光学系を介して設置される外部ＰＤでは、相対的に雑音が高くなるからである。さらに、ホログラムレーザにおいては、レーザ素子の側面等から出射する自然放出光が迷光となって、制御が困難になることもある。

リッジ構造を有する窒化物半導体レーザ素子においては、リッジ構造の側方に設けられる絶縁膜の屈折率は一般に窒化物半導体の屈折率よりも小さく、このため、活性層からリッジ構造の側方に向かう自然放出光は、絶縁膜と窒化物半導体層の界面で反射され易い。例えば、屈折率の大きいＧａＮから屈折率の小さいＳｉＯ₂に光が入射する場合、入射角が４０゜程度以上になると全反射する。こうして反射された自然放出光は活性層側に戻ることになり、本来のレーザ光と共に出射端面から出射し易い。

一方、現在光記録再生装置の光源として用いられている比較的長波長のレーザ素子におけるＧａＡｓ等の半導体は、発振波長に対して吸収があり、現在のレーザ素子のレーザ発振時の自然放出光は、窒化物半導体レーザ素子に比べて著しく少ない。上記のように自然放出光の多い窒化物半導体レーザ素子を光記録再生装置の光源としてそのまま用いると、光出力の微調節が難しくなったり、低出力発振時の雑音特性が低下したりする。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、自然放出光の少ない窒化物半導体レーザ素子を提供することを目的とする。また、そのようなレーザ素子を備えた高性能の光記録再生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ素子は、基板と、前記基板の上面に形成された、活性層を含みストライプ状のリッジ構造を有する半導体と、前記半導体の上方に設けられた光吸収部を備え、レーザ光の発振方向が前記リッジ構造のストライプ方向であるレーザ素子であって、前記光吸収部は、前記リッジ構造の下端から横方向に前記レーザ光の基本モード又は高次モードを吸収しない程度に離間して設けられ、前記レーザ光の波長を含む波長範囲における光を吸収する特性を有し、前記半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有する金属又は半導体からなるようにする。

また、本発明のレーザ素子は、好ましくは、前記離間距離が０．５μm以上１０μm以下であるようにする。

このレーザ素子では、活性層から全方位に向かう自然放出光の一部は、光吸収部に入射して吸収される。しかも、光吸収部は電流路の狭窄した部分に近接しており、したがって活性層のうち光を共振させてレーザ光とする部分に近いから、光吸収部に入射する自然放出光は多く、レーザ素子の外部に出る自然放出光は少ない。また、光吸収部はレーザ光の波長を含む波長範囲の光を吸収するから、レーザ素子の外部に出る自然放出光のうち、レーザ光と同じ波長のものは特に少ない。したがって、レーザ光の利用に際して悪影響を及ぼし易い自然放出光が大きく低減される。

上記のレーザ素子は、電流路の狭窄した部分を形成するために、活性層における光の共振方向に延びるリッジ構造と、リッジ構造の側方に位置してリッジ構造に接する絶縁膜を備え、光吸収部が絶縁膜と活性層との間に位置する構成とすることができる。リッジ構造と絶縁膜によって電流路に狭窄した部分を形成することは確立された優れた手法であるが、前述のように、絶縁膜と窒化物半導体層の屈折率の関係によっては、両者の界面で反射される自然放出光が多くなり、反射された自然放出光はレーザ光と共に出射端面から出射し易い。しかし、光吸収部が絶縁膜と活性層との間に位置するこの構成では、絶縁膜に達する前に自然放出光は吸収されることになり、絶縁膜で反射されてレーザ光と共に出射する自然放出光は少ない。

電流路の狭窄した部分を形成するために、活性層における光の共振方向に延びるリッジ構造と、リッジ構造の側方に位置してリッジ構造に接する絶縁膜を備え、絶縁膜と活性層との間の層が溝を有し、光吸収部が絶縁膜と活性層との間の層の溝を埋めている構成とすることもできる。この構成では、絶縁膜と活性層との間の層の溝を深くすることにより、光吸収部を活性層に近づけて、活性層に対する角度の小さい自然放出光も吸収することが可能になる。

電流路の狭窄した部分を形成するために、活性層における光の共振方向に延びるリッジ構造と、リッジ構造の側方に位置してリッジ構造に接する絶縁膜を備え、光吸収部が絶縁体より成り、絶縁膜の側方に位置して絶縁膜に接している構成とすることもできる。この構成では、リッジ構造の下端よりも深い部位を加工する必要がなく、製造が容易である。光吸収部は、絶縁体であるから、電流路に狭窄した部分を形成するために兼用することができ、リッジ構造の側方に位置する絶縁膜の幅を狭くすることが可能である。したがって、光吸収部が絶縁膜と活性層との間に位置する構成と同様に、光吸収部によって多くの自然放出光を吸収することができる。

活性層で生成されるレーザ光の波長の光に対する光吸収部の吸収係数κは０．１以上とするとよい。このようにすると、光吸収部をあまり厚くする必要がなく、製造が容易になる。

電流路の狭窄した部分と光吸収部との離間距離は０．５μｍ以上とするとよい。光吸収部が電流路に近すぎるとレーザ発振の閾値電流が上昇するが、この距離であれば閾値の上昇を低く抑えることができる。

本発明ではまた、光源からの光を光記録媒体に導いて情報の記録と再生を行う光記録再生装置に、上記のいずれかのレーザ素子を光源として備えるようにする。レーザ光が短波長であって微小なスポットを形成することが可能であるから、記録密度が高い上、自然放出光による雑音が少ないため、情報の記録と再生を正確に行うことができ、レーザ光の強度の微調節も容易になる。

窒化物半導体より成るレーザ素子であって、素子内の電流路のうちレーザ光を生成する活性層に達する一方の部分が、活性層における光の共振方向に対して垂直な方向に狭窄しているものにおいて、本発明のように、活性層で生成されるレーザ光の波長を含む波長範囲の光を吸収する特性を有し、電流路の狭窄した部分から僅かに離間して活性層における光の共振方向に延びる光吸収部を備えるようにすると、自然放出光の一部を光吸収部によって吸収することが可能であり、自然放出光に起因する雑音、制御の難しさ等の不都合を軽減することができる。

特に、電流路の狭窄した部分を形成するために、活性層における光の共振方向に延びるリッジ構造と、リッジ構造の側方に位置してリッジ構造に接する絶縁膜を備える構成では、絶縁膜と窒化物半導体層の界面で反射されてレーザ光と共に出射端面から出射する自然放出光を減少させることができて、その構成の特長を生かしながら、レーザ光と共に出射する自然放出光に起因する不都合を確実に軽減することができる。

活性層で生成されるレーザ光の波長の光に対する光吸収部の吸収係数κを０．１以上とすると、光吸収部をあまり厚くする必要がなく、製造が容易である。

電流路の狭窄した部分と光吸収部との離間距離を０．３μｍ以上とすると、レーザ発振の閾値の上昇を低く抑えることができて、駆動電力の増大が避けられ、素子の劣化も抑えられる。

本発明のレーザ素子を光源として備える光記録再生装置では、レーザ光が短波長であって微小なスポットを形成することが可能であるから、記録密度が高い上、自然放出光による雑音が少ないため、情報の記録と再生を正確に行うことができ、レーザ光の強度の微調節も容易になる。

以下、本発明の窒化物半導体レーザ素子および光記録再生装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態のレーザ素子１の構成を図１の縦断面図に模式的に示す。レーザ素子１は、Ｎ電極１０、ｎ−ＧａＮ基板１１、ｎ−ＧａＮ層１２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層１３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１４、ｎ−ＧａＮガイド層１５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層１７、ｐ−ＧａＮガイド層１８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０、絶縁膜２１、吸収膜２２、およびＰ電極２３より成る。

ｎ−ＧａＮ層１２からｐ−ＧａＮコンタクト層２０までの窒化物半導体の各層は、ｎ−ＧａＮ基板１１の上面にこの順で積層されており、そのうちｐ−クラッド層１９の上部とｐ−コンタクト層２０は、ストライプ状のリッジ構造とされている。図１はこのリッジ構造に対して垂直な断面を表している。絶縁膜２１は、リッジ構造の側面とリッジ構造の側方に位置するｐ−クラッド層１９の上面を覆うように設けられており、吸収膜２２は、ｐ−クラッド層１９と絶縁膜２１の間に設けられている。Ｎ電極１０は基板１１の下面の略全体を覆うように、また、Ｐ電極２３はリッジ構造の上面と側面の全体とｐ−クラッド層１９の上面の略全体を覆うように設けられている。

電流はＰ電極２３とＮ電極１０の間を流れるが、リッジ構造と絶縁膜２１によって電流路は規制され、電流路のうちリッジ構造から活性層１６までの部分は狭窄して、リッジ構造の下端の幅に略等しい幅となる。以下、電流路のうち狭窄したこの部分を電流狭窄領域という。活性層１６のうち電流狭窄領域の下方に位置する部分がレーザ光の生成に関与する部分となる。活性層１６における光の共振方向は図１の紙面に対して垂直であり、生成したレーザ光は図１の紙面に平行な両端面から出射する。電流路が狭窄していることにより、生成したレーザ光の幅が狭くなるとともに、活性層１６を流れる電流の密度が増大して、レーザ発振に必要な駆動電力が少なくなる。

レーザ発振の際には共振せずに活性層１６からあらゆる方向に出る自然放出光も生じるが、レーザ素子１では、その一部を吸収膜２２によって吸収する。吸収膜２２はＭｏで作製されており、レーザ光の波長を含む波長範囲に対して所定の吸収率を有する。また、Ｍｏより成る吸収膜２２はＡｌＧａＮより成るｐ−クラッド層１９よりも屈折率が大きい。吸収膜２２の屈折率がｐ−クラッド層１９の屈折率よりも小さいと、両者の界面での反射率が高くなり、入射角が大きければ全反射も生じるが、このように吸収膜２２の屈折率をｐ−クラッド層１９の屈折率と同等以上とすることで、そのような反射を防止することができる。

リッジ構造の周辺部を拡大して図２に示す。吸収膜２２はリッジ構造の下端から僅かに離間している。リッジ構造の下端の幅をＷ１、リッジ構造の両側方に位置する２つの吸収膜２２の間の幅をＷ２とすると、吸収膜２２とリッジ構造下端の離間距離Ｄは
Ｄ＝（Ｗ２−Ｗ１）／２
である。距離Ｄのこの領域では、絶縁膜２１が直接ｐ−クラッド層１９の上面に接している。なお、電流狭窄領域の幅はリッジ構造の下端の幅に略等しいから、Ｄは吸収膜２２と電流狭窄領域の離間距離でもある。リッジ構造の下端の幅すなわち電流狭窄領域の幅Ｗ１は、Ｗ１＝２．０μｍである。

自然放出光をより多く吸収するためには、離間距離Ｄは小さいほどよい。しかし、離間距離Ｄはレーザの発振特性に関係し、例えば、距離Ｄを小さくしすぎると、発振モードに吸収膜２２が影響して、内部吸収αｉが増大し、レーザ発振のための閾値電流が上昇する。そこで、レーザ素子１ではＤ＝０．５μｍとしている。

レーザ素子１の製造方法について図１を参照して説明する。なお、以下に述べるエピタキシャル成長法とは、基板上に結晶膜を成長させる方法であって、ＶＰＥ（気相エピタキシャル）法、ＣＶＤ（化学気相デポジション）法、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相エピタキシャル）法、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相デポジション）法、Ｈａｌｉｄｅ−ＶＰＥ（ハロゲン化学気相エピタキシャル）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシャル）法、ＧＳＭＢＥ（ガス原料分子線エピタキシャル）法、ＣＢＥ（化学ビームエピタキシャル）法を含む。

まず、ＧａＮ基板１１とするＧａＮウェハを作製する。ＧａＮウエハは、５００μｍ程度の厚さのＧａＮ単結晶膜（ウェハ原板）に数μｍ間隔で１０〜５０ｎｍ程度の段差を設け、新たに４μｍ程度のＧａＮ層をエピタキシャル成長によって積層する。これは、単結晶膜のもつ貫通転位等の履歴を取り除くためであり、段差状のＧａＮ単結晶膜の横方向の選択成長を利用したものである。得られたＧａＮウェハは欠陥密度の高い領域と非常に低い領域が周期的に繰り返す構造となり、レーザ構造は欠陥密度の非常に低い領域の上に形成する。

次に、上記のＧａＮウェハ上に各窒化ガリウム半導体層をエピタキシャル成長させる。まず、ＭＯＣＶＤ装置にウェハをセットし、Ｖ族原料のＮＨ₃とＩＩＩ族原料のＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を用いて、５５０℃の基板（ウェハ）温度で低温ＧａＮバッファ層（不図示）を２５ｎｍ成長させる。次いで、前記原料にＳｉＨ₄を加え、１０７５℃の基板温度でｎ−ＧａＮ層１２（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を３μｍ成長させる。

続いて、ＩＩＩ族原料としてＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を追加し、基板温度を７００〜８００℃程度に下げて、ｎ−Ｉｎ_0.07Ｇａ_0.93Ｎクラック防止層１３を５０ｎｍ成長させる。さらに、ＩＩＩ族原料のＴＭＩｎをＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）に替え、基板温度を再び１０７５℃に上げて、ｎ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１４（Ｓｉ不純物濃度１×１０¹⁸／ｃｍ³）を０．９５μｍ成長させ、続いてｎ−ＧａＮガイド層１５を０．１μｍ成長させる。

その後、基板温度を７３０℃に下げ、３周期の厚さ４ｎｍのＩｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ井戸層と厚さ６ｎｍのＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎバリア層から成る多重量子井戸構造の活性層１６を成長させる。層構成は、バリア層／井戸層／バリア層／井戸層／バリア層／井戸層／バリア層の順序である。なお、バリア層と井戸層の間、または井戸層とバリア層の間に、１秒以上１８０秒以下の成長中断を行ってもよい。このようにすると、各層の平坦性が向上し、発光半値幅が減少する。

次いで、基板温度を再度１０５０℃に上げ、ｐ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎバリア層１７を１８ｎｍ、ｐ−ＧａＮガイド層１８を０．１μｍ成長させる。さらに、同じ基板温度で、ｐ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎクラッド層１９を０．５μｍ、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０を０．１μｍ成長させる。これらの層の成長に際しては、Ｃｐ₂Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて、ｐ型不純物としてＭｇを５×１０¹⁹〜２×１０²⁰／ｃｍ³の濃度で添加する。

こうして窒化物半導体を積層した後、ｐ−ＧａＮコンタクト層２０とｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１９をドライエッチングして、リッジ構造を形成する。その後、真空蒸着法によって、吸収膜２２を１００ｎｍ程度の厚さで設け、さらに、絶縁膜２１を設ける。吸収膜２２の材料としてはＭｏを、絶縁膜２１の材料としてはＳｉＯ₂を用いる。なお、吸収膜２２はどのような方法で設けてもよく、例えばスパッタ法を採用することもできる。また、絶縁膜２１は、発振波長に対して吸収がほとんどなければよく、ＳｉＯ₂のほかに、ＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｓｂ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＺｎＳ、Ｂｉ₂Ｏ₃等を用いることもできる。

絶縁膜２１を設けた後、蒸着によりＰ電極２３を設ける。Ｐ電極２３は、例えば、絶縁膜２１側からＰｄ／Ｍｏ／Ａｕとする。絶縁膜２１とＰ電極２３の間に、密着性を向上させるための膜を設けるようにしてもよい。

Ｐ電極２３を設けた後、ＧａＮウェハの下面側を機械的加工またはエッチングにより一部除去し、ウェハの厚さを８０〜２００μｍ程度とする。これは、後に個々のレーザ素子１とするために分割する工程を容易にするためである。特に、活性層１６のレーザ光出射端面を分割と同時に形成する場合には、８０〜１５０μｍ程度に薄くしておくのが好ましい。一部除去後のウェハの下面は、Ｎ電極１０の密着性を高めるために平滑にしておく。機械的加工を採用する場合、初めから研磨を行ってもよいが、研削によりある程度の厚さとした後に研磨を行うのが能率がよい。

その後、ＧａＮウェハの下面に、Ｎ電極１０を薄く設ける。Ｎ電極１０は、例えば、基板１１側からＴｉ／Ａｌ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕとする。このような薄い金属膜を制御性よく設けるには真空蒸着法が適しているが、イオンプレーティング法、スパッタ法等の他の方法を用いてもよい。Ｎ電極１０を設けた後、５００℃程度の温度でアニーリングを行って、Ｐ電極２３とＮ電極１０を良好なオーミック電極とする。

アニーリングを行った後、ＧａＮウェハを分割して、個々のレーザ素子１とする。ウェハの分割は、例えば、下面にダイヤモンドポイントでスクライブラインを入れ、スクライブラインに沿って適宜力を加えて破断することにより行う。スクライブラインの形成には、ワイヤソーまたは薄板ブレードを用いる方法、エキシマレーザ等のレーザ光の照射により加熱し、急冷してレーザ光照射部位にクラックを生じさせるレーザスクライビング法、高エネルギー密度のレーザ光を照射して、照射部位を蒸発させるレーザアフレーション法を採用することもできる。また、ワイヤソーまたは薄板ブレードによって直接切断することも可能である。

分割によって得られた個々のレーザ素子１は、ダイボンディング法によってヒートシンク上にマウントし、ワイヤボンディング法によってＰ電極２３を電源に接続することで、実用に供される形態となる。ヒートシンクへのマウントは、Ｎ電極１０側を接合面とするジャンクアップで強固に行う。なお、ヒートシンクとはステム等のことである。

上記のようにして製造したレーザ素子１の特性を調べたところ、雰囲気温度２５℃において４０ｍＡで連続発振し、発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、発振モードは基本モードであった。なお、共振器長は５００μｍ、出射端面の反射率は約２０％である。

注入電流Ｉとレーザ光の出力Ｌとの関係を図３に示す。図３において、実線で表したＩ−Ｌ曲線がレーザ素子１のものである。レーザ発振時の自然放出光は０．５ｍＷ以下であった。また、出力Ｌが２ｍＷのときの雑音特性を測定したところ、ＲＩＮmax＜−１２５ｄＢ／Ｈｚであった。

比較のために吸収膜２２のみを省いた構成のレーザ素子を製造し、その特性を調べた。この比較例のレーザ素子は、レーザ素子１と同様に、雰囲気温度２５℃において４０ｍＡで連続発振したが、そのＩ−Ｌ曲線は図３に破線で表したようになった。すなわち、レーザ発振時の自然放出光は１ｍＷ程度であり、レーザ素子１の約２倍であった。また、出力Ｌが２ｍＷのときの雑音特性は、ＲＩＮmax＜−１１５ｄＢ／Ｈｚであり、悪化した。

吸収膜２２とリッジ構造の下端との離間距離Ｄが特性に及ぼす影響を調べるべく、離間距離Ｄの異なるいくつかのレーザ素子１を製造した。距離Ｄ＝０．１５μｍとしたところ、雰囲気温度２５℃において４５ｍＡで連続発振し、閾値電流が上昇する結果となった。レーザ発振時の自然放出光は０．５ｍＷ以下であり、出力Ｌが２ｍＷのときの雑音特性もＲＩＮmax＜−１２５ｄＢ／Ｈｚであって、変化は見られなかった。閾値電流の上昇は、離間距離Ｄを小さくしたことにより内部吸収が増加したためと考えられる。また、距離Ｄ＝２．０μｍとしたところ、雰囲気温度２５℃において４０ｍＡで連続発振し、レーザ発振時の自然放出光は０．６ｍＷ以下であった。

離間距離Ｄと自然放出光の強度の関係を図４に示す。図４において、各点がレーザ素子１のものであり、実線で表した直線（１ｍＷ）は上述の比較例のレーザ素子のものである。自然放出光の量は、離間距離Ｄが大きくなるほど増加する傾向にあるが、離間距離Ｄが１０μｍであっても、吸収膜２２がない構成の半分程度にとどまる。

離間距離Ｄとレーザ発振に必要な閾値電流との関係を図５に示す。測定は雰囲気温度２５℃で行った。離間距離Ｄが極端に小さくなると閾値電流は上昇するが、Ｄ≧０．３μｍであれば閾値電流が抑えられることが判る。

以上の結果をまとめると、吸収膜２２とリッジ構造の下端との離間距離Ｄは、閾値電流の観点から
Ｄ≧０．３μｍ
を満たすことが好ましく、自然放出光の低減の観点から、この範囲内で下限に近い方が好ましい。

レーザ素子１は、自然放出光が少ないから、照射対象上の微小な範囲にレーザ光を収束させる装置の光源として適している。ただし、自然放出光の出射角度はレーザ光の出射角度と同じではないから、レーザ素子１から照射対象までの光路長が非常に短いときには、レーザ光が形成するスポットの周囲に自然放出光が集光されることになる。レーザ光と共に出射する自然放出光のうち周辺部の光は、主として吸収膜２２とリッジ構造の間に位置する絶縁膜２１で反射された光であり、したがって、自然放出光が形成するパターンのサイズは距離Ｄに依存する。

この点を考慮すると、吸収膜２２とリッジ構造の下端との離間距離Ｄは、
Ｄ≦１０μｍ
を満たすことが好ましい。距離Ｄがこの範囲の上限の１０μｍの場合、レーザ光のスポットの径が２μｍで、レーザ素子１から照射対象までの実質的な光路長が３ｃｍとなるように光学系を設定するときでも、自然放出光の集光パターンのサイズは３〜４μｍ程度に抑えられる。したがって、離間距離Ｄが上記の範囲を満たせば、この光学系を備える光ディスク装置において、光ディスクのピット外に結合する光は僅かになり、検出される信号の強度が大きく変動するのを防止することができる。

吸収膜２２の材質と厚さ、さらにはリッジ構造の下端部の幅Ｗ１が特性に及ぼす影響を調べるべく、これらの異なるレーザ素子１を製造した。

その結果、吸収膜２２の材料は、発振するレーザ光の波長に対して吸収があれば、何でもよいことが判明した。ただし、吸収膜２２の厚さを１００ｎｍ程度に抑えるためには、吸収膜２２の材料の吸収係数κは
κ≧０．１
を満たすことが望ましい。なお、吸収係数κは、複素数で表される屈折率の虚数成分である。

このような材料としては、Ｍｏをはじめとする金属、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ等の半導体、ＳｉＯ、ＴｉＯ₂等の絶縁体、ポリアミド等が挙げられる。これらの材料は、高次モードの発振の抑制にも有効であり、また、ｐ−クラッド層１９と同等以上の屈折率を有し、ｐ−クラッド層１９との界面での反射を良好に抑えることもできる。κ＜０．１では、吸収膜２２を１００ｎｍを超える厚さにしないと、レーザ発振時の自然放出光があまり減少せず、吸収膜２２の形成に時間を要することになる。

リッジ構造の幅Ｗ１については、離間距離ＤがＤ≧０．３μｍを満たす限り、
０．５μｍ≦Ｗ１≦５μｍ
を満たせば、自然放出光の量やレーザ発振の閾値電流に影響しないことが判った。

自然放出光を低減させるレーザ素子１の構造の特徴は、活性層１６から上の吸収膜２２を含む部分にあり、活性層１６よりも下の部分は、自然放出光の低減には関与しない。したがって、基板１１をサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等のＧａＮ以外の材料で作製しても、自然放出光を低減し得ることに何らかわりはない。また、レーザ素子１では吸収膜２２はｐ−クラッド層１９と絶縁膜２１の間に位置しているが、吸収膜２２をｐ−ガイド層１８とｐ−クラッド層１９の間に設けるようにしてもよい。さらに、吸収膜２２とｐ−クラッド層１９の間、あるいは吸収膜２２とｐ−ガイド層１８の間に、プロセス過程で発生する酸化膜等が介在していても、自然放出光の低減に影響はない。

また、リッジ構造の近傍が平坦である必要はなく、吸収膜２２が存在し、その吸収膜２２が電流狭窄領域から離間していればよい。レーザ素子１の変形例の１つを図６に示す。これは、ｐ−クラッド層１９およびｐ−コンタクト層２０のうちリッジ構造の側方に位置する部分全体をエッチングによって除去するのではなく、ｐ−クラッド層１９に達する断面Ｖ字状の２本の溝を設けて２本の溝の間の部分をリッジ構造としたものである。吸収膜２２は、ｐ−コンタクト層２０の上面のうち、リッジ構造以外の部分全体に設けられている。

第２の実施形態のレーザ素子２の構成を図７の縦断面図に模式的に示す。レーザ素子２は、Ｎ電極３０、ｎ−ＧａＮ基板３１、ｎ−ＧａＮ層３２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層３３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３４、ｎ−ＧａＮガイド層３５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層３６、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層３７、ｐ−ＧａＮガイド層３８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層３９、ｐ−ＧａＮコンタクト層４０、絶縁膜４１、吸収膜４２、およびＰ電極４３より成る。絶縁膜４１の形状と吸収膜４２の材料を除き、レーザ素子２の各構成要素の材料や配置は第１の実施形態のレーザ素子１と同様である。

絶縁膜４１は、リッジ構造の側面を覆っているが、ｐ−クラッド層３９のうちのリッジ構造の側方の部分の上に位置する部分は僅かであり、吸収膜４２が、絶縁膜４１の側方に位置して絶縁膜４１に接し、Ｐ電極４３にも接する形態となっている。また、吸収膜４２は、ｎ−Ｓｉで作製されており、絶縁体である。このような構成のレーザ素子２では、Ｐ電極４３とｐ−クラッド層３９とを絶縁して電流狭窄領域を形成する構成の一部を、吸収膜４２が兼ねている。

吸収膜４２とリッジ構造の下端との離間距離Ｄを０．４μｍとしたレーザ素子２について特性を調べたところ、雰囲気温度２５℃において４１ｍＡで連続発振し、発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、発振モードは基本モードであった。レーザ発振時の自然放出光は０．５ｍＷ以下であり、出力を２ｍＷとしたときの雑音特性は、ＲＩＮmax＜−１２５ｄＢ／Ｈｚであった。

さらに、第１の実施形態と同様に、離間距離Ｄや吸収膜４２の材料の異なる種々のレーザ素子２を製造して、それらが特性に及ぼす影響を調べた。その結果、レーザ素子１と同じく、離間距離Ｄが
Ｄ≧０．３μｍ
を満たし、発振波長に対する吸収膜４２の吸収係数κが
κ≧０．１
を満たせば、レーザ発振時の自然放出光は０．５ｍＷ以下となり、出力が２ｍＷのときの雑音特性も、ＲＩＮmax＜−１２５ｄＢ／Ｈｚとなることが判った。

レーザ素子２は、絶縁膜４１を形成する際にマスクを使用するだけで、レーザ素子１と同様に製造することができる。絶縁膜４１と吸収膜４２の形成順序を逆にして、前者を先に形成することも可能である。このようにして製造したレーザ素子２の変形例を図８に示す。

第３の実施形態のレーザ素子３の構成を図９の縦断面図に模式的に示す。レーザ素子３は、Ｎ電極５０、ｎ−ＧａＮ基板５１、ｎ−ＧａＮ層５２、ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層５３、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５４、ｎ−ＧａＮガイド層５５、ｎ−ＩｎＧａＮ活性層５６、ｐ−ＡｌＧａＮバリア層５７、ｐ−ＧａＮガイド層５８、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５９、ｐ−ＧａＮコンタクト層６０、絶縁膜６１、吸収壁６２、およびＰ電極６３より成る。吸収膜２２に代えて吸収壁６２を備えたことを除き、レーザ素子３の各構成要素の材料や配置は第１の実施形態のレーザ素子１と同様である。

ｐ−クラッド層５９およびｐ−ガイド層５８には電流狭窄領域に沿って２本の溝が形成されており、これらの溝を充填するように吸収壁６２が設けられている。溝は、２０μｍの幅を有し、ｐ−クラッド層５９の上面からｐ−ガイド層５８の半ばまで達している。吸収壁６２は、ＴｉＯ₂で作製されており、絶縁体である。

レーザ素子３はレーザ素子１とほぼ同様にして製造することができる。すなわち、ｐ−クラッド層５９を成長させた段階で、エッチングにより上記の溝を形成し、吸収壁６２を設ける際に、溝に対向する窓を有するマスクを用いればよい。

吸収壁６２とリッジ構造の下端との離間距離Ｄを０．８μｍとしたレーザ素子３について特性を調べたところ、雰囲気温度２５℃において４０ｍＡで連続発振し、発振波長は４０５±５ｎｍであった。また、発振モードは基本モードであった。レーザ発振時の自然放出光は０．５ｍＷ以下であり、出力を２ｍＷとしたときの雑音特性は、ＲＩＮmax＜−１２５ｄＢ／Ｈｚであった。

さらに、第１の実施形態と同様にして、離間距離Ｄや吸収壁６２の材料の異なる種々のレーザ素子３を製造して、それらが特性に及ぼす影響を調べた。その結果、レーザ素子１と同じく、離間距離Ｄが
Ｄ≧０．３μｍ
を満たし、発振波長に対する吸収壁６２の吸収係数κが
κ≧０．１
を満たせば、レーザ発振時の自然放出光は０．５ｍＷ以下となり、出力が２ｍＷのときの雑音特性も、ＲＩＮmax＜−１２５ｄＢ／Ｈｚとなることが判った。

吸収壁６２が活性層５６に近いため、レーザ素子３では、活性層５６に対する角度の小さい自然放出光を吸収することができる。吸収壁６２の下端の位置（溝の深さ）に制限はなく、活性層５６に達していてもよい。ただし、活性層５６に達する吸収壁６２は必ず絶縁体としなければならない。このような変形例を図１０に示す。この構成は、吸収壁６２が活性層５６を貫通してｎ−ＧａＮガイド層５５にまで達するようにしたものである。なお、活性層５６に達しない場合は、吸収壁６２を絶縁体とする必要はなく、ｎ型半導体としてもよい。

吸収壁６２の幅にも制限はなく、いくら幅を広くしてもよい。このような変形例を図１１に示す。この構成では、吸収壁６２がレーザ素子３の側面まで達しており、ｐ−クラッド層５９はリッジ構造と電流狭窄領域の周囲に存在するだけになっている。

なお、反射を防止するために、吸収壁６２の屈折率をこれに接する各層の屈折率と同程度以上にするのが望ましいことは前述のとおりであるが、吸収壁６２の屈折率がリッジ構造と吸収壁６２の間の垂直モード屈折率以上であれば、その条件は満たされる。

第４の実施形態の光記録再生装置の概略構成を図１２に示す。光記録再生装置４は、半導体レーザ素子７１、コリメートレンズ７２、ビームスプリッタ７３、集光レンズ７４、フォトダイオード７５、および光検出器７６を備えている。レーザ素子７１は、上述の各実施形態の窒化物半導体レーザ素子１〜３のいずれかである。フォトダイオード７５はレーザ素子７１の外部に設けられており、ビームスプリッタ７３で分けられたレーザ光Ｌの一部を受光する。レーザ光Ｌの出力強度はフォトダイオード７５によって検出された強度に基づいて調節される。なお、このように外部フォトダイオード７５を設けることに代えて、強度検出用のフォトダイオードをレーザ素子７１の内部に設けるようにしてもよい。

情報の再生に際し、レーザ素子７１が発するレーザ光Ｌは、コリメートレンズ７２、ビームスプリッタ７３および集光レンズ７４を順に経て、光ディスク７７の記録面のピット内に集光し、ピットに記された信号を反映した反射光となる。この反射光は、再び集光レンズ７４を経てビームスプリッタ７３により光検出器７６に導かれ、光検出器７６によって信号が再生される。現状では、光ディスクの反射率や光検出器の検出効率が低く、レーザ光Ｌの出力強度は、例えば、記録時には３０ｍＷ、再生時には５ｍＷ程度であるが、今度の改善により、必要なレーザ光Ｌの強度は低下すると考えられる。

光源であるレーザ素子７１として、吸収膜２２、４２または吸収壁６２を有する窒化物半導体レーザ素子１、２または３を備えている光記録再生装置４では、レーザ光Ｌが光ディスク７７上に形成するスポットの周囲に入射する自然放出光は少ない。このため、記録に際しても再生に際しても誤りが生じ難い。また、自然放出光によるノイズが少ないため、低出力で行う再生の正確さが一層高くなり、しかも、フォトダイオード７５によって検出される強度が正確になって、レーザ光の出力強度を精度よく調節することが可能である。

第１の実施形態のレーザ素子の構成を模式的に示す縦断面図。 第１の実施形態のレーザ素子のリッジ構造の周辺を拡大して示す縦断面図。 第１の実施形態のレーザ素子および比較例における注入電流とレーザ光出力の関係を示す図。 第１の実施形態のレーザ素子における吸収膜とリッジ構造の離間距離と自然放出光の強度との関係を示す図。 第１の実施形態のレーザ素子における吸収膜とリッジ構造の離間距離とレーザ発振の閾値電流との関係を示す図。 第１の実施形態のレーザ素子の変形例の構成を模式的に示す縦断面図。 第２の実施形態のレーザ素子の構成を模式的に示す縦断面図。 第２の実施形態のレーザ素子の変形例の構成を模式的に示す縦断面図。 第３の実施形態のレーザ素子の構成を模式的に示す縦断面図。 第３の実施形態のレーザ素子の変形例の構成を模式的に示す縦断面図。 第３の実施形態のレーザ素子の別の変形例の構成を模式的に示す縦断面図。 第４の実施形態の光記録再生装置の概略構成を模式的に示すブロック図。 従来のレーザ素子の構成を模式的に示す縦断面図。

符号の説明

１、２、３ レーザ素子
１０、３０、５０ Ｎ電極
１１、３１、５１ ｎ−ＧａＮ基板
１２、３２、５２ ｎ−ＧａＮ層
１３、３３、５３ ｎ−ＩｎＧａＮクラック防止層
１４、３４、５４ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１５、３５、５５ ｎ−ＧａＮガイド層
１６、３６、５６ ｎ−ＩｎＧａＮ活性層
１７、３７、５７ ｐ−ＡｌＧａＮバリア層
１８、３８、５８ ｐ−ＧａＮガイド層
１９、３９、５９ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２０、４０、６０ ｐ−ＧａＮコンタクト層
２１、４１、６１ 絶縁膜
２２、４２ 吸収膜
６２ 吸収壁
２３、４３、６３ Ｐ電極
４ 光記録再生装置
７１ レーザ素子
７２ コリメートレンズ
７３ ビームスプリッタ
７４ 集光レンズ
７５ フォトダイオード
７６ 光検出器
７７ 光ディスク

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の上面に形成された、活性層を含みストライプ状のリッジ構造を有する半導体と、
   前記半導体の上方に設けられた光吸収部を備え、
   レーザ光の発振方向が前記リッジ構造のストライプ方向であるレーザ素子であって、
   前記光吸収部は、前記リッジ構造の下端から横方向に前記レーザ光の基本モード又は高次モードを吸収しない程度に離間して設けられ、前記レーザ光の波長を含む波長範囲における光を吸収する特性を有し、前記半導体の屈折率よりも小さい屈折率を有する金属又は半導体からなる、レーザ素子。
2. 前記離間距離が０．５μm以上１０μm以下である、請求項１記載のレーザ素子。
3. 光源からの光を光記録媒体に導いて情報の記録と再生を行う光記録再生装置において、
   請求項１又は２に記載のレーザ素子を光源として備えることを特徴とする光記録再生装置。

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