JP4245691B2 - 窒化ガリウム系半導体レーザ素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク等の光ピックアップの光学系に光源として組み込まれる窒化ガリウム系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子（ＬＤ）の半導体材料として、窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。この窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は、例えば、MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.2(1997)5に記載されており、その断面図を図４に示す。図４において、２０１はサファイア基板、２０２はＧａＮバッファ層、２０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、２０４はｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、２０５はｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、２０６はｎ−ＧａＮガイド層、２０７はＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層とＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、２０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２０９はｐ−ＧａＮガイド層、２１０はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、２１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、２１２はｐ側電極、２１３はｎ側電極である。ここで、多重量子井戸構造活性層２０７は、３．５ｎｍ厚のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層が４層、７ｎｍ厚のＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層が３層、の合計７層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。また、この従来例では注入電流を狭窄するためにｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層２１０とｐ−ＧａＮコンタクト層２１１はリッジストライプ状に形成されている。
【０００３】
一方、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いる場合、データの読み出し時における雑音によるデータの読み出しエラーを防止するために、一定電流を注入しても光出力が変調されている自励発振型の半導体レーザ素子が用いられており、このような半導体レーザ素子は特開平９−１９１１６０号公報に記載されている。その断面図を図５に示す。図５において、２２１はｎ−ＳｉＣ基板、２２２はｎ−ＡｌＮバッファ層、２２３はｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、２２４はｎ−ＧａＮ光ガイド層、２２５は厚さ１０ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸活性層、２２６はｐ−ＧａＮ光ガイド層、２２７はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、２２８は厚さ５ｎｍのｐ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ可飽和吸収層、２２９はｐ−ＧａＮコンタクト層、２３０はｐ側電極、２３１はｎ側電極ある。この従来例においては、活性層２２５で発生した光の一部が可飽和吸収層２２８で吸収されることによって可飽和吸収層２２８の吸収係数が変化し、それに伴って活性層２２５からのレーザ発振による発光強度が周期的に変化する。
【０００４】
その結果、半導体レーザ素子からの出射光の干渉性が低下する。このように干渉性が低下した半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いると、ディスクからの反射光が半導体レーザ素子の活性領域に直接戻ってきても、レーザからの出射光と反射による戻り光が干渉を起こさないため雑音の発生が抑えられ、データの読み出しエラーを防止していた。
【０００５】
ところで、このような半導体レーザ素子を、光ディスク等の光ピックアップの光学系の光源として組み込む場合、ディスク面に形成されているピット列上に、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームのスポットを正確に当てるために、トラッキングサーボ機構が必要である。この機構として一般には、スポットとピットとの位置ずれを検出するために３ビーム法と呼ばれる手法が用いられている。
【０００６】
この手法を用いた光ピックアップ装置の概略構成図を図６に示す。図６において半導体レーザ素子２４１から出射されたレーザ光２４２は回折格子２４３によって３本のビームに分割される。この分割されたビームは無偏光ビームスプリッタ２４４からコリメータレンズ２４５に導かれて平行ビームとされた後、対物レンズ２４６によってディスク２４７のピット列からなる情報記録面に集光される。集光された後、この情報記録面で反射した３本のビームは、対物レンズ２４６及びコリメータレンズ２４５を通って無偏光ビームスプリッタ２４４に導かれ、それぞれ個別にフォトダイオード２４８、２４９、２５０に受光される。これら３個のフォトダイオードのうち、フォトダイオード２４８はディスク２４７の情報記録面に記録されたピット列による信号を読み取る機能を果たし、フォトダイオード２４９と２５０は、レーザビームのスポットとピットとの位置ずれを検出する機能を果たす。このフォトダイオード２４９と２５０からの出力に応じて対物レンズ２４６等の位置修正が行われて、レーザビームのスポットをディスク面に形成されているピット列上に正確に当てることができる。
【０００７】
このような３ビーム法においては、情報記録面で反射した３本のビームは、無偏光ビームスプリッタ２４４で反射してフォトダイオード２４８、２４９、２５０に受光されるのみならず、その一部は無偏光ビームスプリッタ２４４を通過して回折格子２４３に入射している。この入射ビームは回折格子２４３によって３本のビームに分割された後、半導体レーザ素子２４１の表面に、戻り光となって照射される。この３本の戻り光の照射位置をＡ、Ｂ、Ｃで示す。
【０００８】
さらに図７には半導体レーザ素子２４１の正面図での３本の戻り光の照射位置Ａ、Ｂ、Ｃを示している。このうちＡは半導体レーザ素子２４１の活性領域に直接戻ってくる戻り光であり、ＢとＣはＡの上下におよそ２０μｍから５０μｍの間隔で戻ってくる戻り光の照射位置である。なお図５に示された従来例では、レーザからの出射光とＡの位置への戻り光との干渉による雑音を抑えるために、可飽和吸収層２２８が設けられていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の前記窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は以下のような問題点があった。
図６と図７に示される３ビーム法を用いた場合、３本の戻り光が生じるが、このうち照射位置Ｂの戻り光は半導体レーザチップの基板に入射している。この時、基板がサファイアや炭化硅素のようにレーザ光に対して吸収係数が小さい材料からなるものであれば、照射位置Ｂの戻り光は基板内を多重反射することによって干渉パターンを形成することになる。従来の前記窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子はサファイアや炭化硅素を基板に用いており、また、活性層と基板の間にはレーザ光を吸収する層が全く存在しないため、照射位置Ｂの戻り光による干渉パターンと活性領域内部のレーザ光とが相互作用して、半導体レーザ素子の出射光の強度に影響を及ぼしていることが判明した。
【００１０】
一方、光ディスクシステムではディスクを回転してデータを順次読み出しているが、ディスクがわずかに傾くことは避けられない。この傾きの角度はディスクの回転により変化するが、この変化に伴って照射位置Ｂがわずかに変化してしまう。このため照射位置Ｂの戻り光による干渉パターンも変化することになり、この結果、半導体レーザ素子の出射光の強度も影響を受けて、強度が変動してしまっていた。このように出射光の強度が変動すると、ディスク上に記録されたデータの読み出しエラーを生じてしまい、光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来ない、という問題があった。
【００１１】
以上のように、従来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子では、３ビーム法を用いた光ピックアップの光学系に組み込むことを全く考慮していない。従って、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、上記窒化ガリウム系半導体レーザ素子における課題を解決して、光ディスクシステムの光源としての使用が可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、以下の発明から構成される。
請求項１に記載の発明は、基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれ、窒化物半導体からなる活性層を形成した半導体レーザ素子において、前記基板と、基板側に存在するクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層を設けたことを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、光吸収層が、組成の異なる２種類の半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、光吸収層が、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、基板が、サファイア基板、または、窒化ガリウム基板、または、炭化硅素基板からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、光吸収層の層厚が、０．０５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、少なくとも半導体レーザ素子と回折格子とを用いた光学系からなる３ビーム方式の光ピックアップ装置であって、前記半導体レーザ素子に請求項１乃至５のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光ピックアップ装置である。
【００１８】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれ、窒化物半導体からなる活性層を形成した半導体レーザ素子であって、前記基板と、基板側に存在するクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層が設けられている。このような構成により、基板内に入射されたディスクからの戻り光によって干渉パターンが形成されても、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に設けられた光吸収層のため、基板内に入射された戻り光は活性層に侵入することはない。従って、基板内に干渉パターンが形成されても、活性領域内部のレーザ光とは相互作用しないので半導体レーザ素子の出射光の強度は影響を受けない。これにより、データの読み出しエラーを生じることなく、光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来る窒化ガリウム系半導体レーザが得られた。
【００１９】
また光吸収層は、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に設けられているので、半導体レーザ素子内の活性層を導波するレーザ光はこの光吸収層まで広がっていない。従って、光吸収層は基板内に入射されたディスクからの戻り光のみを吸収し、半導体レーザ素子内部を導波するレーザ光を吸収することはないため、発振閾値電流値や最大光出力などのレーザ特性を悪化させることはない。
【００２０】
さらにこの光吸収層として、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体を用いれば、インジウムの組成を大きくするだけでエネルギーギャップを小さく出来るため容易に光吸収層が形成できるとともに、活性層やクラッド層を形成する材料と同じ窒化物半導体材料を用いることになるので、結晶成長により多層構造を形成する際に結晶性が損なわれることがない。従って、レーザ素子の信頼性向上にとって非常に有利である。
【００２１】
さらに、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子のように、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に、少なくともインジウムとガリウムを含み、大きなインジウム組成を有する窒化物半導体による光吸収層を形成すると、この光吸収層が形成されていない場合に比べて、信頼性が向上することが見い出された。通常、窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、基板や基板上の各層との間に熱膨張係数差があるため、結晶成長後に室温まで温度を下げる間に熱歪みが生じ、歪みによる応力が結晶内部の欠陥の広がりを増長するため、半導体レーザ素子の劣化を引き起こしていたが、本発明のように大きなインジウム組成を有する窒化物半導体による光吸収層を形成すると、インジウム組成が大きいことにより体積弾性率が小さくなり、この結果、熱歪みがこの光吸収層で緩和され、結晶内部の応力が緩和され、結晶内部の応力が低減した。これにより結晶内部の欠陥の広がりは増長されることなく、半導体レーザ素子の信頼性が向上した。
【００２２】
また、光吸収層は単層だけではなく、組成の異なる２種類の半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造を用いても構わない。多重量子井戸構造を用いた場合は、量子効果により伝導帯や価電子帯のバンド端の状態密度が増加するため光の吸収が増大するとともに、積層された半導体の界面で光を反射するので、基板内に入射されたディスクからの戻り光を効率よく吸収することができる。
【００２３】
さらに、前記の少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体を光吸収層として用いた場合は、インジウム組成を増大すると格子定数が大きくなるため、層厚が厚いと歪みが生じて結晶性が損なわれてしまうことがあるが、インジウム組成の異なる２種類の窒化物半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造を用いれば、インジウム組成が少ないほうの窒化物半導体層が歪みを緩和するので、結晶性を損なわずに光吸収層を形成できる。
【００２４】
本発明では、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に設けられた光吸収層により、基板内に入射されたディスクからの戻り光が活性層に侵入することを防いでいる。従って、この窒化ガリウム系半導体レーザ素子を形成する基板としては、窒化物半導体からなる活性層から出射されるレーザ光に対して光吸収係数が小さい、サファイア、または、窒化ガリウム、または、炭化硅素を用いる場合に、特に有効である。
【００２５】
さらに、基板内に入射されたディスクからの戻り光をこの光吸収層で十分に吸収するために、光吸収層の厚さは０．０５μｍ以上であることが好ましい。光吸収層としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を用いたときの、波長が４１０ｎｍのレーザ光に対する光強度の減衰を測定した結果を図３に示す。この図から分かるように光吸収層の厚さが０．０５μｍ以上であれば光強度は十分減衰しており、基板内に入射されたディスクからの戻り光が活性層に侵入することが防がれている。このことは、他の材料を用いた光吸収層の場合や、組成の異なる２種類の半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造により形成された光吸収層の場合でも、同様の結果が得られた。従って、厚さが０．０５μｍ以上の光吸収層を用いることにより、データの読み出しエラーを生じることなく、光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来る窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られた。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、具体例に従ってさらに詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、１はｃ面を表面として有するサファイア基板、２はＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４はｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層、５はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、６はｎ−ＧａＮガイド層、７は３層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、８はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、９はｐ−ＧａＮガイド層、１０はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１１はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１２はｐ側電極、１３はｎ側電極、１４はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００２７】
本発明において、サファイア基板１の表面はａ面・ｒ面・ｍ面等の他の面方位であっても構わない。またサファイア基板に限らずＧａＮ基板・ＳｉＣ基板・スピネル基板・ＭｇＯ基板も用いることが出来る。これらの基板はいずれもレーザ光に対して吸収係数が小さい材料からなるので、本発明の光吸収層を用いることで、データの読み出しエラーを生じない窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られる。
【００２８】
さらに、ＧａＮ基板とＳｉＣ基板の場合はサファイア基板に比べて基板上に積層した窒化ガリウム系半導体材料との格子定数差が小さく、良好な結晶性の膜が得られるので、レーザ素子の信頼性が向上する。またＧａＮ基板とＳｉＣ基板はサファイア基板に比べて劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点がある。
【００２９】
バッファ層２はその上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００３０】
ｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層４はレーザ光を吸収する材料であればよく、多重量子井戸構造活性層７を構成するＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層のＩｎ組成以上のＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶を用いても構わない。
【００３１】
ｎ型クラッド層５及びｐ型クラッド層１０は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層１０とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００３２】
ＧａＮ−ガイド層６、９は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層７を構成する量子井戸層のエネルギーギャップと、クラッド層５、１０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ＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ３元混晶、ＡｌＧａＮ３元混晶、ＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層７側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００３３】
多重量子井戸構造活性層７を構成する３層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよい。さらに量子井戸層と障壁層の層数も本実施例にこだわらず他の層数を用いてもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。なお、活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音を抑制出来るように自励発振特性を得るためには、活性層を構成する量子井戸層の層数を２層又は３層とすることが好ましい。これは活性層内のキャリアを変調されやすくするためであり、層数が多いと各量子井戸層にキャリアが均一に注入されず、また、単一量子井戸層ではキャリア濃度が大きくなるため、いずれの場合も活性層内のキャリアが変調されにくくなる。
【００３４】
また、本実施例では、多重量子井戸構造活性層７に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を形成している。これは多重量子井戸構造活性層７を成長した後にｐ−ＧａＮガイド層９を成長する際に、成長温度を上昇する必要があるが、この間に多重量子井戸構造活性層７が蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層を保護するものであればＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、このＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層９やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０から多重量子井戸構造活性層７へ正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層のＩｎ組成が小さい場合はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を形成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特にＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００３５】
次に、図１を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００３６】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層２を３５ｎｍ成長させる。
【００３７】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３を成長する。次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層４を成長する。次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に用いて、厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層５を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層６を成長する。
【００３８】
その後再び、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２５ｎｍ）７を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を成長する。
【００３９】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層９を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００４０】
さらに、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて２００μｍ幅のストライプ状に、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１の最表面からｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１の最表面に、１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０をエッチングする。続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１４を電流阻止層として形成する。
【００４１】
さらに、このＳｉＯ2絶縁膜１４とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１２を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１３を形成して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーを完成する。
【００４２】
その後、このウエハーのサファイア基板１の裏面を通常の研磨技術により研磨し、ウェハーの厚さを５０μｍとする。そしてこのウェハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは共振器の長さを５００μｍとした。続いてこのレーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００４３】
このようにして作製された窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は３０ｍＡであり、良好なレーザ特性が得られた。このように低い発振閾値電流値が得られるのは、光吸収層４がｎ型クラッド層５とサファイア基板１との間に存在するため、活性領域で発生したレーザ光が光吸収層４まで広がっておらず、レーザ光は光吸収層４では吸収されていないことによるものである。
【００４４】
また、半導体レーザ素子はサファイア基板１の厚さが５０μｍであり、３ビーム法を用いてトラッキングサーボ機構を制御する際に生じる３本の戻り光のうちの１本がサファイア基板１に入射されているが、光吸収層４を設けたことにより、サファイア基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。
【００４５】
さらに本実施例では、リッジストライプの幅を１．５μｍと狭くしているので、このリッジストライプ領域外に存在する活性層が可飽和吸収層として働くため自励発振特性が得られ、これにより活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音も抑制された。以上の結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００４６】
本実施例では、光吸収層４の厚さを０．１μｍとしたが、０．０５μｍ以上の厚さであれば、本実施例にこだわらず同等の効果が得られる。また本実施例では、光吸収層４を、ｎ型コンタクト層３とｎ型クラッド層５の間に設けたが、ｎ型コンタクト層３の内部に設けても構わない。さらに活性領域で発生したレーザ光の広がりよりも離れていれば、ｎ型クラッド層５の内部に光吸収層４を設けても構わない。
【００４７】
なお本実施例では、光吸収層４を成長した後にｎ型クラッド層５を成長する際に成長温度を上昇しているが、この時光吸収層４の一部が成長温度の上昇中に蒸発してしまうことを防ぐために、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８と同様の蒸発防止層を光吸収層４の上に連続して形成しておいても構わない。
【００４８】
さらに本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、自励発振特性を持たせるために、リッジストライプの幅を狭くしてリッジストライプ領域外に存在する活性層を可飽和吸収層として機能させて自励発振を得ているが、これに限らず、共振器方向の活性層の一部に電流注入しないようにして、この活性層を可飽和吸収層として機能させたり、活性領域で発生したレーザ光の広がりの内部に可飽和吸収層を設けて自励発振特性を持たせていても構わない。なお、本実施例では活性層として３層の量子井戸層を持つ多重量子井戸構造活性層を用いたが、量子井戸層が２層の場合においても本実施例と同様に自励発振特性が得られており、活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音を抑制できた。
【００４９】
本実施例では、劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００５０】
さらに本実施例では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１３を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮやＳｉＣ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極１３を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製するエッチングを行う必要はない。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。さらには、電流阻止層としてはＳｉＯ2絶縁膜１４に限らず、ＳｉＮ等の他の誘電体絶縁膜や、ｎ型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いることもできる。
【００５１】
（第２の実施例）
光吸収層として、７層のＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層（厚さ５ｎｍ）と６層のＳｉドープｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層（厚さ５ｎｍ）とからなる合計の厚さ０．０６５μｍの多重量子井戸構造を用い、この光吸収層の上に同一の成長温度でＳｉドープｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層を設けたこと以外は、第１の実施例と同様にして、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を作製した。
【００５２】
このようにして作製された窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は３０ｍＡであり、実施例１と同様に良好なレーザ特性が得られた。また、多重量子井戸構造からなる光吸収層４を設けたことにより、サファイア基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。
【００５３】
さらに本実施例において、光吸収層をＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層の単一層ではなく、多重量子井戸構造で形成したことにより、光吸収層を形成するＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層との格子定数差による歪みから生じる結晶欠陥が低減した。また、Ｓｉドープｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層を設けたためＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層の蒸発を防ぐことができ、この上に成長したＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層の結晶性も向上した。以上の結果、レーザ素子の信頼性が向上するという効果も得られた。
【００５４】
また本実施例では、光吸収層の厚さを０．０６５μｍとしたが、０．０５μｍ以上の厚さであれば、本実施例にこだわらず同等の効果が得られるので、Ｓｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層やＳｉドープｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層の層数や層厚を変えて多重量子井戸構造の光吸収層を形成しても構わない。また、これら各層のＩｎ組成も本実施例にこだわらず、レーザ光を吸収する材料であれば他のＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶を用いることもできる。
【００５５】
（第３の実施例）
図２は本発明の第３の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、２１はｃ面を表面として有するｎ型窒化ガリウム基板、２２はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、２３は７層のｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と６層のｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層とからなる多重量子井戸構造の光吸収層、２４はｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２５はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、２６はｎ−ＧａＮガイド層、２７は３層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、２８はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２９はｐ−ＧａＮガイド層、３０はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、３１はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、３２はｐ側電極、３３はｎ側電極、３４はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００５６】
この図２を参照して窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。まず、基板としてｃ面を表面として有する厚さ１００μｍのｎ型窒化ガリウム基板を用い、バッファ層を形成せずにｎ型窒化ガリウム基板に直接ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層を形成したこと以外は、第２の実施例と同様にして、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１まで成長させることによって、窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーを作成する。
【００５７】
その後、この半導体レーザ素子ウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１の最表面に、１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層３０をエッチングする。続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜３４を電流阻止層として形成する。
【００５８】
さらに、このＳｉＯ2絶縁膜３４とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１の表面にニッケルと金からなるｐ側電極３２を形成し、ｎ型窒化ガリウム基板２１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極３３を形成して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーを完成する。
【００５９】
その後、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは共振器の長さを５００μｍとした。続いて、レーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングによりｐ側電極３２とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。なお、本実施例ではｎ型窒化ガリウム基板２１を研磨せずに基板の裏面にｎ側電極３３を形成したが、通常の研磨技術によりｎ型窒化ガリウム基板２１の裏面を研磨してウェハーの厚さを薄くしてからｎ側電極３３を形成した後に、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開しても構わない。この場合、基板の厚さが薄いことにより劈開が容易になるという利点がある。
【００６０】
このようにして作製された窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は３０ｍＡであり、実施例２と同様に良好なレーザ特性が得られた。また、多重量子井戸構造からなる光吸収層４を設けたことにより、窒化ガリウム基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。なお、窒化ガリウム基板を用いた場合は、サファイア基板に比べて屈折率が大きいことにより、基板に入射した戻り光は基板上に結晶成長した層内に入射しにくくなっている。従って、本実施例のように窒化ガリウム基板を用いた場合はサファイア基板を用いた場合よりも、より効果的に基板に入射した戻り光と活性領域内部のレーザ光とが相互作用することを防止できた。
【００６１】
また、本実施例ではリッジストライプの幅を狭くしてリッジストライプ領域外に存在する活性層を可飽和吸収層として機能させることにより、自励発振特性も得られた。なお、本実施例では多重量子井戸構造からなる光吸収層を用いたが、単一層からなる光吸収層を用いても構わない。また光吸収層の厚さを０．０６５μｍとしたが、０．０５μｍ以上の厚さであれば、本実施例にこだわらず同等の効果が得られるので、Ｓｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層やＳｉドープｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層の層数や層厚を変えて多重量子井戸構造の光吸収層を形成しても構わない。また、これら各層のＩｎ組成も本実施例にこだわらず、レーザ光を吸収する材料であれば他のＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶を用いることもできる。
【００６２】
さらに本実施例では、基板の窒化ガリウムをｎ型としたが、ｎ型とｐ型の構成を逆にしても構わない。さらに、電流阻止層としてはＳｉＯ2絶縁膜３４に限らず、ＳｉＮ等の他の誘電体絶縁膜や、ｎ型あるいはｐ型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いることもできる。
【００６３】
（第４の実施例）
半導体レーザ素子として第３の実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いて、図６に示される３ビーム法を用いた光ピックアップ装置を作製した。
【００６４】
本実施例に用いた半導体レーザ素子には光吸収層が設けられているので、ｎ型窒化ガリウム基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られている。また、同時に半導体レーザ素子は自励発振特性も有しており、これにより活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音も抑制されている。以上の結果、本実施例の光ピックアップ装置を用いて光ディスクからのデータの読み出しを行ったところ、エラー無しでデータの読み出しを行うことが可能となった。
【００６５】
なお半導体レーザ素子として、本発明の第１の実施例や第２の実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いて光ピックアップ装置を作製しても、同様に、エラー無しでデータの読み出しを行うことが可能な光ピックアップ装置を作製できた。
【００６６】
【発明の効果】
上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、レーザ素子を形成する基板と、基板側のクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層を設けた。この結果、３ビーム法を用いてトラッキングサーボ機構を制御する際に生じる３本の戻り光のうち基板内に入射される戻り光は、活性領域内部のレーザ光と相互作用することがなくなる。
【００６７】
従って、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。また、光吸収層を設けても、活性領域内部のレーザ光は光吸収層まで広がっていないので光吸収層で吸収されることはなく、発振閾値電流値の増大を生じない。これにより、良好なレーザ特性を有し、光ディスクシステム用として使用可能な、データの読み出し時にエラーを発生しない窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００６８】
また、多重量子井戸構造の光吸収層とすることによって、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光の影響を受けることがなく、かつ、格子定数差による歪みから生じる結晶欠陥が低減するという効果も得られた。
【００６９】
また、このような光吸収層を設けた窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いて作製した、３ビーム法によるトラッキングサーボ機構を有する光ピックアップ装置は、エラー無しで光ディスクからのデータの読み出しを行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図３】光吸収層としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を用いたときの、波長が４１０ｎｍのレーザ光に対する光強度の減衰を示すグラフ図である。
【図４】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【図５】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の自励発振型の半導体レーザ素子の断面図である。
【図６】３ビーム法によるトラッキングサーボ機構を有する光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図７】３ビーム法によるトラッキングサーボ機構を有する光ピックアップ装置に用いられている半導体レーザの正面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２１ ｎ型窒化ガリウム基板
２ ＧａＮバッファ層
３、２２ ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４ ｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層
２３ ｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎとｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎとからなる多重量子井戸構造光吸収層
２４ ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
５、２５ ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層
６、２６ ｎ−ＧａＮガイド層
７、２７ 多重量子井戸構造活性層
８、２８ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
９、２９ ｐ−ＧａＮガイド層
１０、３０ ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層
１１、３１ ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層
１２、３２ ｐ側電極
１３、３３ ｎ側電極
１４、３４ ＳｉＯ2絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク等の光ピックアップの光学系に光源として組み込まれる窒化ガリウム系半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外から緑色の波長領域での発光波長を有する半導体レーザ素子（ＬＤ）の半導体材料として、窒化ガリウム系半導体（ＧａＩｎＡｌＮ）が用いられている。この窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は、例えば、MRS Internet J.Nitride Semicond.Res.2(1997)5に記載されており、その断面図を図４に示す。図４において、２０１はサファイア基板、２０２はＧａＮバッファ層、２０３はｎ−ＧａＮコンタクト層、２０４はｎ−Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ層、２０５はｎ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、２０６はｎ−ＧａＮガイド層、２０７はＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層とＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、２０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層、２０９はｐ−ＧａＮガイド層、２１０はｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層、２１１はｐ−ＧａＮコンタクト層、２１２はｐ側電極、２１３はｎ側電極である。ここで、多重量子井戸構造活性層２０７は、３．５ｎｍ厚のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層が４層、７ｎｍ厚のＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ障壁層が３層、の合計７層で構成され、量子井戸層と障壁層が交互に形成されている。また、この従来例では注入電流を狭窄するためにｐ−Ａｌ0.08Ｇａ0.92Ｎクラッド層２１０とｐ−ＧａＮコンタクト層２１１はリッジストライプ状に形成されている。
【０００３】
一方、窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いる場合、データの読み出し時における雑音によるデータの読み出しエラーを防止するために、一定電流を注入しても光出力が変調されている自励発振型の半導体レーザ素子が用いられており、このような半導体レーザ素子は特開平９−１９１１６０号公報に記載されている。その断面図を図５に示す。図５において、２２１はｎ−ＳｉＣ基板、２２２はｎ−ＡｌＮバッファ層、２２３はｎ−ＡｌＧａＮクラッド層、２２４はｎ−ＧａＮ光ガイド層、２２５は厚さ１０ｎｍのＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸活性層、２２６はｐ−ＧａＮ光ガイド層、２２７はｐ−ＡｌＧａＮクラッド層、２２８は厚さ５ｎｍのｐ−Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ可飽和吸収層、２２９はｐ−ＧａＮコンタクト層、２３０はｐ側電極、２３１はｎ側電極ある。この従来例においては、活性層２２５で発生した光の一部が可飽和吸収層２２８で吸収されることによって可飽和吸収層２２８の吸収係数が変化し、それに伴って活性層２２５からのレーザ発振による発光強度が周期的に変化する。
【０００４】
その結果、半導体レーザ素子からの出射光の干渉性が低下する。このように干渉性が低下した半導体レーザ素子を光ディスクシステムの光源として用いると、ディスクからの反射光が半導体レーザ素子の活性領域に直接戻ってきても、レーザからの出射光と反射による戻り光が干渉を起こさないため雑音の発生が抑えられ、データの読み出しエラーを防止していた。
【０００５】
ところで、このような半導体レーザ素子を、光ディスク等の光ピックアップの光学系の光源として組み込む場合、ディスク面に形成されているピット列上に、半導体レーザ素子から出射されたレーザビームのスポットを正確に当てるために、トラッキングサーボ機構が必要である。この機構として一般には、スポットとピットとの位置ずれを検出するために３ビーム法と呼ばれる手法が用いられている。
【０００６】
この手法を用いた光ピックアップ装置の概略構成図を図６に示す。図６において半導体レーザ素子２４１から出射されたレーザ光２４２は回折格子２４３によって３本のビームに分割される。この分割されたビームは無偏光ビームスプリッタ２４４からコリメータレンズ２４５に導かれて平行ビームとされた後、対物レンズ２４６によってディスク２４７のピット列からなる情報記録面に集光される。集光された後、この情報記録面で反射した３本のビームは、対物レンズ２４６及びコリメータレンズ２４５を通って無偏光ビームスプリッタ２４４に導かれ、それぞれ個別にフォトダイオード２４８、２４９、２５０に受光される。これら３個のフォトダイオードのうち、フォトダイオード２４８はディスク２４７の情報記録面に記録されたピット列による信号を読み取る機能を果たし、フォトダイオード２４９と２５０は、レーザビームのスポットとピットとの位置ずれを検出する機能を果たす。このフォトダイオード２４９と２５０からの出力に応じて対物レンズ２４６等の位置修正が行われて、レーザビームのスポットをディスク面に形成されているピット列上に正確に当てることができる。
【０００７】
このような３ビーム法においては、情報記録面で反射した３本のビームは、無偏光ビームスプリッタ２４４で反射してフォトダイオード２４８、２４９、２５０に受光されるのみならず、その一部は無偏光ビームスプリッタ２４４を通過して回折格子２４３に入射している。この入射ビームは回折格子２４３によって３本のビームに分割された後、半導体レーザ素子２４１の表面に、戻り光となって照射される。この３本の戻り光の照射位置をＡ、Ｂ、Ｃで示す。
【０００８】
さらに図７には半導体レーザ素子２４１の正面図での３本の戻り光の照射位置Ａ、Ｂ、Ｃを示している。このうちＡは半導体レーザ素子２４１の活性領域に直接戻ってくる戻り光であり、ＢとＣはＡの上下におよそ２０μｍから５０μｍの間隔で戻ってくる戻り光の照射位置である。なお図５に示された従来例では、レーザからの出射光とＡの位置への戻り光との干渉による雑音を抑えるために、可飽和吸収層２２８が設けられていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の前記窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子は以下のような問題点があった。
図６と図７に示される３ビーム法を用いた場合、３本の戻り光が生じるが、このうち照射位置Ｂの戻り光は半導体レーザチップの基板に入射している。この時、基板がサファイアや炭化硅素のようにレーザ光に対して吸収係数が小さい材料からなるものであれば、照射位置Ｂの戻り光は基板内を多重反射することによって干渉パターンを形成することになる。従来の前記窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子はサファイアや炭化硅素を基板に用いており、また、活性層と基板の間にはレーザ光を吸収する層が全く存在しないため、照射位置Ｂの戻り光による干渉パターンと活性領域内部のレーザ光とが相互作用して、半導体レーザ素子の出射光の強度に影響を及ぼしていることが判明した。
【００１０】
一方、光ディスクシステムではディスクを回転してデータを順次読み出しているが、ディスクがわずかに傾くことは避けられない。この傾きの角度はディスクの回転により変化するが、この変化に伴って照射位置Ｂがわずかに変化してしまう。このため照射位置Ｂの戻り光による干渉パターンも変化することになり、この結果、半導体レーザ素子の出射光の強度も影響を受けて、強度が変動してしまっていた。このように出射光の強度が変動すると、ディスク上に記録されたデータの読み出しエラーを生じてしまい、光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来ない、という問題があった。
【００１１】
以上のように、従来の窒化ガリウム系半導体を用いた半導体レーザ素子では、３ビーム法を用いた光ピックアップの光学系に組み込むことを全く考慮していない。従って、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、上記窒化ガリウム系半導体レーザ素子における課題を解決して、光ディスクシステムの光源としての使用が可能な窒化ガリウム系半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る窒化ガリウム系半導体発光素子は、以下の発明から構成される。
請求項１に記載の発明は、基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれ、窒化物半導体からなる活性層を形成した半導体レーザ素子において、前記基板と、基板側に存在するクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層を設けたことを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、光吸収層が、組成の異なる２種類の半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造であることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、光吸収層が、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体からなることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、基板が、サファイア基板、または、窒化ガリウム基板、または、炭化硅素基板からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、光吸収層の層厚が、０．０５μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子である。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、少なくとも半導体レーザ素子と回折格子とを用いた光学系からなる３ビーム方式の光ピックアップ装置であって、前記半導体レーザ素子に請求項１乃至５のいずれかに記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光ピックアップ装置である。
【００１８】
本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子は、基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれ、窒化物半導体からなる活性層を形成した半導体レーザ素子であって、前記基板と、基板側に存在するクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層が設けられている。このような構成により、基板内に入射されたディスクからの戻り光によって干渉パターンが形成されても、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に設けられた光吸収層のため、基板内に入射された戻り光は活性層に侵入することはない。従って、基板内に干渉パターンが形成されても、活性領域内部のレーザ光とは相互作用しないので半導体レーザ素子の出射光の強度は影響を受けない。これにより、データの読み出しエラーを生じることなく、光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来る窒化ガリウム系半導体レーザが得られた。
【００１９】
また光吸収層は、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に設けられているので、半導体レーザ素子内の活性層を導波するレーザ光はこの光吸収層まで広がっていない。従って、光吸収層は基板内に入射されたディスクからの戻り光のみを吸収し、半導体レーザ素子内部を導波するレーザ光を吸収することはないため、発振閾値電流値や最大光出力などのレーザ特性を悪化させることはない。
【００２０】
さらにこの光吸収層として、少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体を用いれば、インジウムの組成を大きくするだけでエネルギーギャップを小さく出来るため容易に光吸収層が形成できるとともに、活性層やクラッド層を形成する材料と同じ窒化物半導体材料を用いることになるので、結晶成長により多層構造を形成する際に結晶性が損なわれることがない。従って、レーザ素子の信頼性向上にとって非常に有利である。
【００２１】
さらに、本発明に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子のように、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に、少なくともインジウムとガリウムを含み、大きなインジウム組成を有する窒化物半導体による光吸収層を形成すると、この光吸収層が形成されていない場合に比べて、信頼性が向上することが見い出された。通常、窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、基板や基板上の各層との間に熱膨張係数差があるため、結晶成長後に室温まで温度を下げる間に熱歪みが生じ、歪みによる応力が結晶内部の欠陥の広がりを増長するため、半導体レーザ素子の劣化を引き起こしていたが、本発明のように大きなインジウム組成を有する窒化物半導体による光吸収層を形成すると、インジウム組成が大きいことにより体積弾性率が小さくなり、この結果、熱歪みがこの光吸収層で緩和され、結晶内部の応力が緩和され、結晶内部の応力が低減した。これにより結晶内部の欠陥の広がりは増長されることなく、半導体レーザ素子の信頼性が向上した。
【００２２】
また、光吸収層は単層だけではなく、組成の異なる２種類の半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造を用いても構わない。多重量子井戸構造を用いた場合は、量子効果により伝導帯や価電子帯のバンド端の状態密度が増加するため光の吸収が増大するとともに、積層された半導体の界面で光を反射するので、基板内に入射されたディスクからの戻り光を効率よく吸収することができる。
【００２３】
さらに、前記の少なくともインジウムとガリウムを含む窒化物半導体を光吸収層として用いた場合は、インジウム組成を増大すると格子定数が大きくなるため、層厚が厚いと歪みが生じて結晶性が損なわれてしまうことがあるが、インジウム組成の異なる２種類の窒化物半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造を用いれば、インジウム組成が少ないほうの窒化物半導体層が歪みを緩和するので、結晶性を損なわずに光吸収層を形成できる。
【００２４】
本発明では、基板と、基板側に存在するクラッド層との間に設けられた光吸収層により、基板内に入射されたディスクからの戻り光が活性層に侵入することを防いでいる。従って、この窒化ガリウム系半導体レーザ素子を形成する基板としては、窒化物半導体からなる活性層から出射されるレーザ光に対して光吸収係数が小さい、サファイア、または、窒化ガリウム、または、炭化硅素を用いる場合に、特に有効である。
【００２５】
さらに、基板内に入射されたディスクからの戻り光をこの光吸収層で十分に吸収するために、光吸収層の厚さは０．０５μｍ以上であることが好ましい。光吸収層としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を用いたときの、波長が４１０ｎｍのレーザ光に対する光強度の減衰を測定した結果を図３に示す。この図から分かるように光吸収層の厚さが０．０５μｍ以上であれば光強度は十分減衰しており、基板内に入射されたディスクからの戻り光が活性層に侵入することが防がれている。このことは、他の材料を用いた光吸収層の場合や、組成の異なる２種類の半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造により形成された光吸収層の場合でも、同様の結果が得られた。従って、厚さが０．０５μｍ以上の光吸収層を用いることにより、データの読み出しエラーを生じることなく、光ディスクシステム用の光源として実用に供することが出来る窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られた。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、具体例に従ってさらに詳細に説明する。
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、１はｃ面を表面として有するサファイア基板、２はＧａＮバッファ層、３はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、４はｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層、５はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、６はｎ−ＧａＮガイド層、７は３層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、８はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、９はｐ−ＧａＮガイド層、１０はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、１１はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、１２はｐ側電極、１３はｎ側電極、１４はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００２７】
本発明において、サファイア基板１の表面はａ面・ｒ面・ｍ面等の他の面方位であっても構わない。またサファイア基板に限らずＧａＮ基板・ＳｉＣ基板・スピネル基板・ＭｇＯ基板も用いることが出来る。これらの基板はいずれもレーザ光に対して吸収係数が小さい材料からなるので、本発明の光吸収層を用いることで、データの読み出しエラーを生じない窒化ガリウム系半導体レーザ素子が得られる。
【００２８】
さらに、ＧａＮ基板とＳｉＣ基板の場合はサファイア基板に比べて基板上に積層した窒化ガリウム系半導体材料との格子定数差が小さく、良好な結晶性の膜が得られるので、レーザ素子の信頼性が向上する。またＧａＮ基板とＳｉＣ基板はサファイア基板に比べて劈開しやすいため、劈開によるレーザ共振器端面の形成が容易であるという利点がある。
【００２９】
バッファ層２はその上に窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長させることが出来るものであればＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＡｌＮやＡｌＧａＮ３元混晶を用いてもよい。
【００３０】
ｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層４はレーザ光を吸収する材料であればよく、多重量子井戸構造活性層７を構成するＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層のＩｎ組成以上のＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶を用いても構わない。
【００３１】
ｎ型クラッド層５及びｐ型クラッド層１０は、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ以外のＡｌ組成を持つＡｌＧａＮ３元混晶でもよい。この場合Ａｌ組成を大きくすると活性層とクラッド層とのエネルギーギャップ差及び屈折率差が大きくなり、キャリアや光が活性層に有効に閉じ込められてさらに発振閾値電流の低減及び、温度特性の向上が図れる。またキャリアや光の閉じ込めが保持される程度でＡｌ組成を小さくしていくと、クラッド層におけるキャリアの移動度が大きくなるため、半導体レーザ素子の素子抵抗を小さくできる利点がある。さらにこれらのクラッド層は微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよく、ｎ型クラッド層５とｐ型クラッド層１０とで混晶の組成が同一でなくても構わない。
【００３２】
ＧａＮ−ガイド層６、９は、そのエネルギーギャップが、多重量子井戸構造活性層７を構成する量子井戸層のエネルギーギャップと、クラッド層５、１０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ＧａＮにこだわらず他の材料、例えばＩｎＧａＮ３元混晶、ＡｌＧａＮ３元混晶、ＩｎＧａＡｌＮ４元混晶等を用いてもよい。またガイド層全体にわたってドナー又はアクセプターをドーピングする必要はなく、多重量子井戸構造活性層７側の一部のみをノンドープとしてもよく、さらにはガイド層全体をノンドープとしてもよい。この場合、ガイド層に存在するキャリアが少なくなり、自由キャリアによる光の吸収が低減されて、さらに発振閾値電流が低減できるという利点がある。
【００３３】
多重量子井戸構造活性層７を構成する３層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層は、必要なレーザ発振波長に応じてその組成を設定すればよく、発振波長を長くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を大きくし、短くしたい場合は量子井戸層のＩｎ組成を小さくする。また量子井戸層と障壁層は、ＩｎＧａＮ３元混晶に微量に他の元素を含んだ４元以上の混晶半導体でもよい。さらに障壁層は単にＧａＮを用いてもよい。さらに量子井戸層と障壁層の層数も本実施例にこだわらず他の層数を用いてもよく、単一量子井戸構造活性層でも構わない。なお、活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音を抑制出来るように自励発振特性を得るためには、活性層を構成する量子井戸層の層数を２層又は３層とすることが好ましい。これは活性層内のキャリアを変調されやすくするためであり、層数が多いと各量子井戸層にキャリアが均一に注入されず、また、単一量子井戸層ではキャリア濃度が大きくなるため、いずれの場合も活性層内のキャリアが変調されにくくなる。
【００３４】
また、本実施例では、多重量子井戸構造活性層７に接するようにＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を形成している。これは多重量子井戸構造活性層７を成長した後にｐ−ＧａＮガイド層９を成長する際に、成長温度を上昇する必要があるが、この間に多重量子井戸構造活性層７が蒸発してしまうことを防ぐためである。従って、量子井戸層を保護するものであればＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８として用いることができ、他のＡｌ組成を有するＡｌＧａＮ３元混晶やＧａＮを用いてもよい。また、このＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８にＭｇをドーピングしてもよく、この場合はｐ−ＧａＮガイド層９やｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０から多重量子井戸構造活性層７へ正孔が注入され易くなるという利点がある。さらに、量子井戸層のＩｎ組成が小さい場合はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を形成しなくても量子井戸層は蒸発しないため、特にＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を形成しなくても、本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子の特性は損なわれない。
【００３５】
次に、図１を参照して上記窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。以下の説明ではＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いた場合を示しているが、窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成長できる成長法であればよく、ＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）やＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長法）等の他の気相成長法を用いることもできる。
【００３６】
まず所定の成長炉内に設置された、ｃ面を表面として有する厚さ３５０μｍのサファイア基板１上に、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）とアンモニア（ＮＨ3）を原料に用いて、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層２を３５ｎｍ成長させる。
【００３７】
次に成長温度を１０５０℃まで上昇させて、ＴＭＧとＮＨ3、及びシランガス（ＳｉＨ4）を原料に用いて、厚さ３μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３を成長する。次に、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層４を成長する。次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3とＳｉＨ4、及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を原料に用いて、厚さ０．５μｍのＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層５を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．１μｍのＳｉドープｎ−ＧａＮガイド層６を成長する。
【００３８】
その後再び、成長温度を７５０℃に下げ、ＴＭＧとＮＨ3とＴＭＩを原料に用いて、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層（厚さ５ｎｍ）、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長することにより多重量子井戸構造活性層（トータルの厚さ２５ｎｍ）７を作成する。さらに続けてＴＭＧとＴＭＡとＮＨ3を原料に用いて、成長温度は７５０℃のままで厚さ１０ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８を成長する。
【００３９】
次に、再び成長温度を１０５０℃に上昇して、ＴＭＧとＮＨ3、及びシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）を原料に用いて、厚さ０．１μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮガイド層９を成長する。さらに続けてＴＭＡを原料に加え、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０を成長する。続けて、ＴＭＡを原料から除いて、成長温度は１０５０℃のままで厚さ０．５μｍのＭｇドープｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１を成長して、窒化ガリウム系エピタキシャルウエハーを完成する。その後、このウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。
【００４０】
さらに、通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて２００μｍ幅のストライプ状に、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１の最表面からｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３が露出するまでエッチングを行ってメサ構造を作製する。次に、上記と同様のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、残ったｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１の最表面に、１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層１０をエッチングする。続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜１４を電流阻止層として形成する。
【００４１】
さらに、このＳｉＯ2絶縁膜１４とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層１１の表面にニッケルと金からなるｐ側電極１２を形成し、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極１３を形成して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーを完成する。
【００４２】
その後、このウエハーのサファイア基板１の裏面を通常の研磨技術により研磨し、ウェハーの厚さを５０μｍとする。そしてこのウェハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは共振器の長さを５００μｍとした。続いてこのレーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングにより各電極とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。
【００４３】
このようにして作製された窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は３０ｍＡであり、良好なレーザ特性が得られた。このように低い発振閾値電流値が得られるのは、光吸収層４がｎ型クラッド層５とサファイア基板１との間に存在するため、活性領域で発生したレーザ光が光吸収層４まで広がっておらず、レーザ光は光吸収層４では吸収されていないことによるものである。
【００４４】
また、半導体レーザ素子はサファイア基板１の厚さが５０μｍであり、３ビーム法を用いてトラッキングサーボ機構を制御する際に生じる３本の戻り光のうちの１本がサファイア基板１に入射されているが、光吸収層４を設けたことにより、サファイア基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。
【００４５】
さらに本実施例では、リッジストライプの幅を１．５μｍと狭くしているので、このリッジストライプ領域外に存在する活性層が可飽和吸収層として働くため自励発振特性が得られ、これにより活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音も抑制された。以上の結果、光ディスクシステム用として本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いると、データの読み出しエラーを防止することができ、実用に供する窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００４６】
本実施例では、光吸収層４の厚さを０．１μｍとしたが、０．０５μｍ以上の厚さであれば、本実施例にこだわらず同等の効果が得られる。また本実施例では、光吸収層４を、ｎ型コンタクト層３とｎ型クラッド層５の間に設けたが、ｎ型コンタクト層３の内部に設けても構わない。さらに活性領域で発生したレーザ光の広がりよりも離れていれば、ｎ型クラッド層５の内部に光吸収層４を設けても構わない。
【００４７】
なお本実施例では、光吸収層４を成長した後にｎ型クラッド層５を成長する際に成長温度を上昇しているが、この時光吸収層４の一部が成長温度の上昇中に蒸発してしまうことを防ぐために、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層８と同様の蒸発防止層を光吸収層４の上に連続して形成しておいても構わない。
【００４８】
さらに本実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、自励発振特性を持たせるために、リッジストライプの幅を狭くしてリッジストライプ領域外に存在する活性層を可飽和吸収層として機能させて自励発振を得ているが、これに限らず、共振器方向の活性層の一部に電流注入しないようにして、この活性層を可飽和吸収層として機能させたり、活性領域で発生したレーザ光の広がりの内部に可飽和吸収層を設けて自励発振特性を持たせていても構わない。なお、本実施例では活性層として３層の量子井戸層を持つ多重量子井戸構造活性層を用いたが、量子井戸層が２層の場合においても本実施例と同様に自励発振特性が得られており、活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音を抑制できた。
【００４９】
本実施例では、劈開によりレーザの共振器端面を形成しているが、サファイア基板は硬くて劈開しにくい場合があるので、ドライエッチングにより共振器端面を形成することもできる。
【００５０】
さらに本実施例では絶縁体であるサファイアを基板として用いたため、エッチングにより露出したｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層３の表面にｎ側電極１３を形成しているが、ｎ型導電性を有するＧａＮやＳｉＣ等を基板に用いれば、この基板の裏面にｎ側電極１３を形成してもよい。この場合、２００μｍ幅のストライプ状のメサ構造を作製するエッチングを行う必要はない。また、ｐ型とｎ型の構成を逆にしても構わない。さらには、電流阻止層としてはＳｉＯ2絶縁膜１４に限らず、ＳｉＮ等の他の誘電体絶縁膜や、ｎ型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いることもできる。
【００５１】
（第２の実施例）
光吸収層として、７層のＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層（厚さ５ｎｍ）と６層のＳｉドープｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層（厚さ５ｎｍ）とからなる合計の厚さ０．０６５μｍの多重量子井戸構造を用い、この光吸収層の上に同一の成長温度でＳｉドープｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層を設けたこと以外は、第１の実施例と同様にして、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を作製した。
【００５２】
このようにして作製された窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は３０ｍＡであり、実施例１と同様に良好なレーザ特性が得られた。また、多重量子井戸構造からなる光吸収層４を設けたことにより、サファイア基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。
【００５３】
さらに本実施例において、光吸収層をＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層の単一層ではなく、多重量子井戸構造で形成したことにより、光吸収層を形成するＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層とＳｉドープｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層との格子定数差による歪みから生じる結晶欠陥が低減した。また、Ｓｉドープｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層を設けたためＳｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層の蒸発を防ぐことができ、この上に成長したＳｉドープｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層の結晶性も向上した。以上の結果、レーザ素子の信頼性が向上するという効果も得られた。
【００５４】
また本実施例では、光吸収層の厚さを０．０６５μｍとしたが、０．０５μｍ以上の厚さであれば、本実施例にこだわらず同等の効果が得られるので、Ｓｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層やＳｉドープｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層の層数や層厚を変えて多重量子井戸構造の光吸収層を形成しても構わない。また、これら各層のＩｎ組成も本実施例にこだわらず、レーザ光を吸収する材料であれば他のＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶を用いることもできる。
【００５５】
（第３の実施例）
図２は本発明の第３の実施例に係る窒化ガリウム系半導体レーザ素子を示す断面図である。この図において、２１はｃ面を表面として有するｎ型窒化ガリウム基板、２２はｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層、２３は７層のｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と６層のｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層とからなる多重量子井戸構造の光吸収層、２４はｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２５はｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層、２６はｎ−ＧａＮガイド層、２７は３層のＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ量子井戸層と２層のＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ障壁層とからなる多重量子井戸構造活性層、２８はＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層、２９はｐ−ＧａＮガイド層、３０はｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層、３１はｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層、３２はｐ側電極、３３はｎ側電極、３４はＳｉＯ2絶縁膜である。
【００５６】
この図２を参照して窒化ガリウム系半導体レーザ素子の作製方法を説明する。まず、基板としてｃ面を表面として有する厚さ１００μｍのｎ型窒化ガリウム基板を用い、バッファ層を形成せずにｎ型窒化ガリウム基板に直接ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層を形成したこと以外は、第２の実施例と同様にして、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１まで成長させることによって、窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーを作成する。
【００５７】
その後、この半導体レーザ素子ウエハーを８００℃の窒素ガス雰囲気中でアニールして、Ｍｇドープのｐ型層を低抵抗化する。さらに通常のフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１の最表面に、１．５μｍ幅のストライプ状にリッジ構造を形成するようにｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１とｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層３０をエッチングする。続いて、リッジの側面とリッジ以外のｐ型層表面に厚さ２００ｎｍのＳｉＯ2絶縁膜３４を電流阻止層として形成する。
【００５８】
さらに、このＳｉＯ2絶縁膜３４とｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層３１の表面にニッケルと金からなるｐ側電極３２を形成し、ｎ型窒化ガリウム基板２１の裏面にチタンとアルミニウムからなるｎ側電極３３を形成して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子ウエハーを完成する。
【００５９】
その後、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開することによりレーザの共振器端面を形成し、リッジストライプと平行な方向にレーザ共振器を形成する。ここでは共振器の長さを５００μｍとした。続いて、レーザ素子を個々のレーザチップに分割する。そして、各チップをステムにマウントし、ワイヤーボンディングによりｐ側電極３２とリード端子とを接続して、窒化ガリウム系半導体レーザ素子を完成する。なお、本実施例ではｎ型窒化ガリウム基板２１を研磨せずに基板の裏面にｎ側電極３３を形成したが、通常の研磨技術によりｎ型窒化ガリウム基板２１の裏面を研磨してウェハーの厚さを薄くしてからｎ側電極３３を形成した後に、このウェハーをリッジストライプと垂直な方向に劈開しても構わない。この場合、基板の厚さが薄いことにより劈開が容易になるという利点がある。
【００６０】
このようにして作製された窒化ガリウム系半導体レーザ素子の発振波長は４１０ｎｍ、発振閾値電流は３０ｍＡであり、実施例２と同様に良好なレーザ特性が得られた。また、多重量子井戸構造からなる光吸収層４を設けたことにより、窒化ガリウム基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。なお、窒化ガリウム基板を用いた場合は、サファイア基板に比べて屈折率が大きいことにより、基板に入射した戻り光は基板上に結晶成長した層内に入射しにくくなっている。従って、本実施例のように窒化ガリウム基板を用いた場合はサファイア基板を用いた場合よりも、より効果的に基板に入射した戻り光と活性領域内部のレーザ光とが相互作用することを防止できた。
【００６１】
また、本実施例ではリッジストライプの幅を狭くしてリッジストライプ領域外に存在する活性層を可飽和吸収層として機能させることにより、自励発振特性も得られた。なお、本実施例では多重量子井戸構造からなる光吸収層を用いたが、単一層からなる光吸収層を用いても構わない。また光吸収層の厚さを０．０６５μｍとしたが、０．０５μｍ以上の厚さであれば、本実施例にこだわらず同等の効果が得られるので、Ｓｉドープｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層やＳｉドープｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎ層の層数や層厚を変えて多重量子井戸構造の光吸収層を形成しても構わない。また、これら各層のＩｎ組成も本実施例にこだわらず、レーザ光を吸収する材料であれば他のＩｎ組成を持つＩｎＧａＮ３元混晶やＩｎＧａＡｌＮ４元混晶を用いることもできる。
【００６２】
さらに本実施例では、基板の窒化ガリウムをｎ型としたが、ｎ型とｐ型の構成を逆にしても構わない。さらに、電流阻止層としてはＳｉＯ2絶縁膜３４に限らず、ＳｉＮ等の他の誘電体絶縁膜や、ｎ型あるいはｐ型の導電性や半絶縁性を有する半導体材料を用いることもできる。
【００６３】
（第４の実施例）
半導体レーザ素子として第３の実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いて、図６に示される３ビーム法を用いた光ピックアップ装置を作製した。
【００６４】
本実施例に用いた半導体レーザ素子には光吸収層が設けられているので、ｎ型窒化ガリウム基板内に入射した戻り光は活性領域内部のレーザ光と相互作用することはない。これにより、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られている。また、同時に半導体レーザ素子は自励発振特性も有しており、これにより活性領域へ直接戻ってくる戻り光によって生じる雑音も抑制されている。以上の結果、本実施例の光ピックアップ装置を用いて光ディスクからのデータの読み出しを行ったところ、エラー無しでデータの読み出しを行うことが可能となった。
【００６５】
なお半導体レーザ素子として、本発明の第１の実施例や第２の実施例の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いて光ピックアップ装置を作製しても、同様に、エラー無しでデータの読み出しを行うことが可能な光ピックアップ装置を作製できた。
【００６６】
【発明の効果】
上述したように本発明による窒化ガリウム系半導体レーザ素子では、レーザ素子を形成する基板と、基板側のクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層を設けた。この結果、３ビーム法を用いてトラッキングサーボ機構を制御する際に生じる３本の戻り光のうち基板内に入射される戻り光は、活性領域内部のレーザ光と相互作用することがなくなる。
【００６７】
従って、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光による影響を受けることはなく、安定した強度の出射光が得られた。また、光吸収層を設けても、活性領域内部のレーザ光は光吸収層まで広がっていないので光吸収層で吸収されることはなく、発振閾値電流値の増大を生じない。これにより、良好なレーザ特性を有し、光ディスクシステム用として使用可能な、データの読み出し時にエラーを発生しない窒化ガリウム系半導体レーザ素子が実現できた。
【００６８】
また、多重量子井戸構造の光吸収層とすることによって、半導体レーザ素子の出射光の強度は戻り光の影響を受けることがなく、かつ、格子定数差による歪みから生じる結晶欠陥が低減するという効果も得られた。
【００６９】
また、このような光吸収層を設けた窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いて作製した、３ビーム法によるトラッキングサーボ機構を有する光ピックアップ装置は、エラー無しで光ディスクからのデータの読み出しを行うことが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図３】光吸収層としてＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ層を用いたときの、波長が４１０ｎｍのレーザ光に対する光強度の減衰を示すグラフ図である。
【図４】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【図５】窒化ガリウム系半導体を用いた従来の自励発振型の半導体レーザ素子の断面図である。
【図６】３ビーム法によるトラッキングサーボ機構を有する光ピックアップ装置の概略構成図である。
【図７】３ビーム法によるトラッキングサーボ機構を有する光ピックアップ装置に用いられている半導体レーザの正面図である。
【符号の説明】
１ サファイア基板
２１ ｎ型窒化ガリウム基板
２ ＧａＮバッファ層
３、２２ ｎ−ＧａＮｎ型コンタクト層
４ ｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ光吸収層
２３ ｎ−Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎとｎ−Ｉｎ0.03Ｇａ0.97Ｎとからなる多重量子井戸構造光吸収層
２４ ｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
５、２５ ｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｎ型クラッド層
６、２６ ｎ−ＧａＮガイド層
７、２７ 多重量子井戸構造活性層
８、２８ Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ蒸発防止層
９、２９ ｐ−ＧａＮガイド層
１０、３０ ｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎｐ型クラッド層
１１、３１ ｐ−ＧａＮｐ型コンタクト層
１２、３２ ｐ側電極
１３、３３ ｎ側電極
１４、３４ ＳｉＯ2絶縁膜
Claims (3)
- 基板上に、窒化物半導体からなるクラッド層及び／又はガイド層に挟まれ、窒化物半導体からなる活性層を形成した半導体レーザ素子において、
前記基板と基板側に存在するクラッド層との間に、エネルギーギャップが活性層とほぼ同じか、または、活性層よりも小さい半導体からなる光吸収層が設けられ、
前記光吸収層は、少なくともインジウムとガリウムとを含む窒化物半導体からなり、かつ、インジウム組成の異なる２種類の窒化物半導体が交互に積層されてなる多重量子井戸構造であり、
前記光吸収層の層厚は、０．０５μｍ以上であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体レーザ素子。 - 基板が、サファイア基板、または、窒化ガリウム基板、または、炭化硅素基板からなることを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子。
- 少なくとも半導体レーザ素子と回折格子とを用いた光学系からなる３ビーム方式の光ピックアップ装置であって、前記半導体レーザ素子に請求項１または２に記載の窒化ガリウム系半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光ピックアップ装置。
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