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JP4628046B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof, optical wireless communication transmitter, and optical disk device. - Google Patents

Semiconductor laser device and manufacturing method thereof, optical wireless communication transmitter, and optical disk device. Download PDF

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JP4628046B2
JP4628046B2 JP2004254545A JP2004254545A JP4628046B2 JP 4628046 B2 JP4628046 B2 JP 4628046B2 JP 2004254545 A JP2004254545 A JP 2004254545A JP 2004254545 A JP2004254545 A JP 2004254545A JP 4628046 B2 JP4628046 B2 JP 4628046B2
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Description

本発明は、高出力低駆動電力が要求される半導体レーザ素子とその製造方法、およびそのような半導体レーザ素子を備えた光無線通信用送信装置と光ディスク装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser element that requires high output and low driving power, a method for manufacturing the same, and a transmitter and an optical disc apparatus for optical wireless communication including such a semiconductor laser element.

近年、IT技術の発達やブロードバンドの普及に従い、音声や映像といった大容量データを、時や場所によらずに扱う機会が増加している。中でも、高速有線インフラと接続された屋内外の固定端末と移動型携帯端末との間で空間を介して大容量データ通信を行うという市場は、今後ますます拡大するものと考えられる。このような無線通信に用いられるキャリアには電波と光があり、後者の信号源には価格面や取り扱いの容易さから現状LEDが使用されている。しかしデータの秘匿性やデータ量の増大による高速化への要請から、半導体レーザ素子を用いた光無線通信技術への期待は高い。このような状況を踏まえ、現在、半導体レーザ素子を用いた新たな高速光無線通信規格の標準化作業が進められている。   In recent years, with the development of IT technology and the spread of broadband, opportunities to handle large volumes of data such as voice and video regardless of time and place are increasing. In particular, the market for large-capacity data communication via space between indoor and outdoor fixed terminals connected to high-speed wired infrastructure and mobile portable terminals is expected to expand in the future. Carriers used for such wireless communication include radio waves and light, and the latter signal source currently uses LEDs because of its price and ease of handling. However, there is high expectation for optical wireless communication technology using a semiconductor laser element due to the demand for speeding up due to the secrecy of data and the increase in the amount of data. Based on such a situation, the standardization work of a new high-speed optical wireless communication standard using a semiconductor laser element is currently in progress.

この新たな光無線通信規格で用いられる光の波長は、850〜950nmを中心とする波長1.0μm以下の近赤外波長帯である。これは空間へ光を放射するという使用法に由来する、人体とりわけ目に対する安全性や受光素子の波長依存性によって決まるもので、この波長帯で安定に動作する新たな半導体レーザ素子の開発が必要となる。   The wavelength of light used in this new optical wireless communication standard is a near infrared wavelength band with a wavelength of 1.0 μm or less centered on 850 to 950 nm. This is derived from the usage of emitting light into space, and is determined by the safety of the human body, especially the eyes, and the wavelength dependence of the light receiving element. It is necessary to develop a new semiconductor laser element that operates stably in this wavelength band. It becomes.

しかしながらこの1.0μm以下の近赤外波長帯は、短波長帯光ディスク装置や現状の長波長帯光ファイバ通信で用いられる波長帯のちょうど中間にあたるため、これら従来の波長帯では問題とならなかった半導体レーザ素子の構造パラメータがレーザの特性に大きな影響を与える可能性がある。   However, since the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less is just in the middle of the wavelength band used in the short-wavelength optical disk device and the current long-wavelength optical fiber communication, these conventional wavelength bands were not a problem. There is a possibility that the structural parameters of the semiconductor laser element greatly affect the characteristics of the laser.

そのような構造パラメータのうち、特に半導体レーザ素子の効率に大きな影響を与えるパラメータの一つに、不純物がドーピングされた半導体層内での自由電子吸収αfcがある。   Among such structural parameters, one of the parameters that greatly affects the efficiency of the semiconductor laser device is free electron absorption αfc in the semiconductor layer doped with impurities.

これは、自由電子が価電子帯や伝導帯のエネルギーバンド内の同じ谷の中で光を吸収してより高エネルギー側に遷移する現象で、ドーピング濃度をパラメータとして波長と自由電子吸収αfcとの関係を表した図9の線(a)〜(c)のように、光の波長が長くドーピング濃度が大きいほど、自由電子吸収αfcの値は大きくなる。その関係は理論的に求められており、
αfc ∝ {N×(aλ1.5+bλ2.5+cλ3.5)}/τ≒(N×λ)/τ (1)
と表される。この式(1)で、Nはドーピング濃度、λは光の波長、a〜cは指数の異なる波長λの係数、τはキャリア緩和時間を表す。最右辺のλの指数であるpは音響/光学フォノンやイオン化不純物による各種の散乱の程度によって異なる値をとり、一般にIII−V系化合物半導体の場合は3〜3.5程度の値となる。
This is a phenomenon in which free electrons absorb light in the same valley in the energy band of the valence band or conduction band and transition to a higher energy side, and the wavelength and free electron absorption αfc are used with the doping concentration as a parameter. As the lines (a) to (c) in FIG. 9 showing the relationship, the value of the free electron absorption αfc increases as the wavelength of light is longer and the doping concentration is higher. The relationship is sought theoretically,
αfc ∝ {N × (aλ 1.5 + bλ 2.5 + cλ 3.5 )} / τ≈ (N × λ p ) / τ (1)
It is expressed. In this formula (1), N is the doping concentration, λ is the wavelength of light, a to c are coefficients of the wavelength λ having different indices, and τ is the carrier relaxation time. P, which is the index of λ on the rightmost side, varies depending on the degree of various scattering caused by acoustic / optical phonons and ionized impurities, and is generally about 3 to 3.5 in the case of III-V compound semiconductors.

このように、自由電子による吸収は波長の3乗程度に比例するため、従来から光ファイバ通信で使用されてきた波長1.3μm以上の長波長帯半導体レーザ素子では非常に問題視されてきた。この問題に対する解決策の一つが特許文献1(特許2699848号公報)に開示されている。この例では、InP系レーザにおいて、キャップ層を除くp型導電型層全層のドーピング濃度を3×1017cm−3〜7×1017cm−3程度という比較的低い値に設定することで自由電子吸収を抑制している。ここで特にp型のドーピング濃度を規定したのは、同じドーピング濃度で比較した場合、p型ドーパントによる自由電子吸収のほうがn型ドーパントによるものより影響が大きいことによる。 As described above, since absorption by free electrons is proportional to the third power of the wavelength, long wavelength band semiconductor laser devices having a wavelength of 1.3 μm or more that have been conventionally used in optical fiber communication have been regarded as very problematic. One solution to this problem is disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 2699848). In this example, in the InP-based laser, the doping concentration of the entire p-type conductivity type layer excluding the cap layer is set to a relatively low value of about 3 × 10 17 cm −3 to 7 × 10 17 cm −3. Free electron absorption is suppressed. The reason why the p-type doping concentration is specified here is that, when compared at the same doping concentration, free electron absorption by the p-type dopant has a greater influence than that by the n-type dopant.

これに対して、光ディスク装置に用いられる短波長帯半導体レーザ素子では、長波長帯半導体レーザ素子とは異なり自由電子吸収の影響がごく小さいため、p型導電型層のドーピング濃度が5×1018cm−3〜1×1019cm−3程度以下であればあまり問題とされてこなかった。 On the other hand, the short wavelength semiconductor laser element used in the optical disk apparatus is unlikely to be affected by free electron absorption unlike the long wavelength semiconductor laser element, so that the doping concentration of the p-type conductivity type layer is 5 × 10 18. If it is about cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 or less, it has not been considered as a problem.

なお、これらの短波長帯と長波長帯の中間に位置する波長帯の半導体レーザ素子の、自由電子吸収に関する報告もなされている。例えば、非特許文献1(Appl.Phys.Lett.Vol.69 No.20,1996)には、n−GaAs基板上にn−InGaPクラッド層、n−InGaAsP下部光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、p−InGaAsP上部光ガイド層、p−InGaPクラッド層、n−GaAsキャップ層が基板側から順に積層され、その活性層は波長808nm(InGaAsP/InGaAsP量子井戸活性層)もしくは980nm(InGaAs/GaAs量子井戸活性層)で発振するよう設定された数種のブロードエリア型半導体レーザ素子の記載がある。これらの半導体レーザ素子では、実験的に内部吸収αi=4〜5cm−1程度の値が得られているが、各種の検討により、この内部吸収の値を構成する要因の中に自由電子吸収αfcの影響はほとんど無いと結論づけている。
特許2699848号公報 Appl.Phys.Lett.Vol.69 No.20,1996
There have also been reports on free electron absorption of semiconductor laser elements in a wavelength band located between these short wavelength band and long wavelength band. For example, Non-Patent Document 1 (Appl. Phys. Lett. Vol. 69 No. 20, 1996) describes an n-InGaP cladding layer, an n-InGaAsP lower light guide layer, an undoped quantum well active layer on an n-GaAs substrate. , A p-InGaAsP upper light guide layer, a p-InGaP cladding layer, and an n-GaAs cap layer are sequentially laminated from the substrate side, and the active layer has a wavelength of 808 nm (InGaAsP / InGaAsP quantum well active layer) or 980 nm (InGaAs / GaAs quantum layer). There are descriptions of several types of broad area type semiconductor laser devices set to oscillate in a well active layer. In these semiconductor laser elements, an internal absorption αi = about 4 to 5 cm −1 has been experimentally obtained, but free electron absorption αfc is one of the factors constituting the internal absorption value by various studies. It is concluded that there is almost no influence.
Japanese Patent No. 2699848 Appl. Phys. Lett. Vol. 69 No. 20, 1996

しかし上で述べた近赤外波長帯半導体レーザ素子の例では、キャップ層を除くp型ドーピング濃度が5×1017cm−3程度と先に述べた長波長帯半導体レーザ素子と同様、比較的低い値に設定されているため、当該波長帯での自由電子吸収の影響については、記載通り根本的に影響がないのか、それともドーピング濃度が低いため自由電子吸収の影響が顕在化していないのか、この例からは確定することができない。 However, in the example of the near-infrared wavelength semiconductor laser device described above, the p-type doping concentration excluding the cap layer is about 5 × 10 17 cm −3 , which is relatively similar to the above-described long-wavelength semiconductor laser device. Since it is set to a low value, the effect of free electron absorption in the wavelength band is not fundamentally affected as described, or is the effect of free electron absorption not manifested because the doping concentration is low, It cannot be determined from this example.

ところで、この近赤外波長帯半導体レーザ素子の例や先述の長波長帯半導体レーザ素子のようにそのp型導電型層のドーピング濃度が5×1017cm−3程度という比較的低い値に設定された半導体レーザ素子では、自由電子吸収の影響が小さくなるのとは逆に、温度特性、素子抵抗、横基本モード発振といった効率以外のレーザの特性に様々な悪影響が生じる。例えば光ガイド層、クラッド層ともにそのp型ドーピング濃度を4×1017cm−3〜6×1017cm−3程度に設定した半導体レーザ素子では、該p型導電型層のキャリアに対する障壁レベルがより高いドーピングがなされた層の障壁レベルよりも低くなるため、レーザの温度特性が悪化する。特に長波長帯に比べ井戸層のエネルギーギャップが大きくキャリアリークが起こり易い近赤外波長帯の半導体レーザ素子の場合、光ガイド層、クラッド層といった活性層以外の層でのキャリアブロック効果の良悪が、より重大な課題となる。 Incidentally, the doping concentration of the p-type conductivity type layer is set to a relatively low value of about 5 × 10 17 cm −3 as in the example of the near-infrared wavelength band semiconductor laser element and the long wavelength band semiconductor laser element described above. In the semiconductor laser device, the influence of free electron absorption is reduced. On the other hand, various adverse effects are caused on the laser characteristics other than the efficiency, such as temperature characteristics, element resistance, and transverse fundamental mode oscillation. For example, in a semiconductor laser device in which the p-type doping concentration of both the light guide layer and the cladding layer is set to about 4 × 10 17 cm −3 to 6 × 10 17 cm −3 , the barrier level of the p-type conductivity type layer against the carrier is The temperature characteristics of the laser are degraded because it is lower than the barrier level of the higher doped layer. In particular, in the case of a semiconductor laser device in the near-infrared wavelength band where the energy gap of the well layer is large and carrier leakage is likely to occur compared to the long wavelength band, the carrier blocking effect is good in layers other than the active layer such as the light guide layer and the cladding layer. However, it becomes a more serious issue.

素子抵抗についても、4×1017cm−3〜6×1017cm−3程度という低いドーピング濃度の半導体レーザ素子では、抵抗値の上昇に伴い高駆動電力化するため、特にそのような半導体レーザ素子を発光部品として光無線通信用装置に導入すると、レーザドライバなど装置内の他の構成部品に負荷がかかったり、許容電力の上限が下がり他の回路部品の選択の幅が狭くなりかねない。 Also in terms of device resistance, in a semiconductor laser device having a low doping concentration of about 4 × 10 17 cm −3 to 6 × 10 17 cm −3 , the driving power is increased as the resistance value increases. When an element is introduced as a light-emitting component into an optical wireless communication device, other components in the device such as a laser driver may be loaded, or the upper limit of allowable power may be reduced, and the selection range of other circuit components may be narrowed.

また、このような低p型ドーピング濃度下では、キャリアの拡散速度が遅くなるため空間的ホールバーニングが誘発され発振横モードが不安定化する。このことで半導体レーザ素子の相対雑音強度が上昇し通信時の符号誤り率が増大するため、通信用半導体レーザ素子にとっては大きな問題となる。   Also, under such a low p-type doping concentration, the carrier diffusion rate becomes slow, so that spatial hole burning is induced and the oscillation transverse mode becomes unstable. This raises the relative noise intensity of the semiconductor laser device and increases the code error rate during communication, which is a serious problem for the semiconductor laser device for communication.

以上のことから、波長1.0μm以下の近赤外波長帯で特にp型導電型層のドーピング構造を決定するには、自由電子吸収の抑制と、それとトレードオフの関係にある温度特性、素子抵抗、発振横モードの安定性を両立させることが必要となる。特に波長1.0μm以下の近赤外波長帯での自由電子吸収の影響の有無とその程度が不明確であるため、自由電子吸収の影響を受けずに高効率を保ち得る上限のp型ドーパンド濃度を定めることが、該当波長帯のレ−ザ素子を開発する上で必須の課題となる。   From the above, in order to determine the doping structure of the p-type conductivity type layer particularly in the near-infrared wavelength band of wavelength of 1.0 μm or less, the temperature characteristics and elements in a trade-off relationship with suppression of free electron absorption It is necessary to achieve both resistance and stability in the oscillation transverse mode. In particular, since it is unclear whether or not the effect of free electron absorption is in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less, the upper limit p-type dopant that can maintain high efficiency without being affected by free electron absorption. Determining the concentration is an indispensable issue in developing a laser element in the corresponding wavelength band.

本発明はこれらの問題を解決することを目的にしたもので、特に波長1.0μm以下の近赤外波長帯で発振する半導体レーザ素子のp型導電型半導体各層のドーピング濃度を光閉じ込め係数との積の値と共に規定したものであり、効率の向上と温度特性/抵抗値などの向上というドーピング濃度に対してトレードオフの関係にある諸特性の両立をはかることで、低駆動電力かつ高い信頼性を保つ該波長帯半導体レーザ素子とその製造方法を提供するものである。さらに発光素子として該波長帯でこのような利点をもつ半導体レーザ素子を搭載することで、従来、実現し得なかった新たな規格の高速光無線通信用送信装置を提供し、また高速化競争の続く光ディスク分野で高速読み書きを可能にした光ディスク装置を提供するものである。   An object of the present invention is to solve these problems. In particular, the doping concentration of each p-type conductive semiconductor layer of a semiconductor laser element that oscillates in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less is defined as an optical confinement factor. It is specified together with the product value of, and it achieves both low driving power and high reliability by balancing the various characteristics that are in a trade-off relationship with the doping concentration of improving efficiency and improving temperature characteristics / resistance values, etc. The wavelength band semiconductor laser device that maintains the characteristics and a method of manufacturing the same are provided. Furthermore, by mounting a semiconductor laser element having such advantages in the wavelength band as a light emitting element, a transmission device for high-speed optical wireless communication of a new standard that could not be realized in the past has been provided, and competition for higher speed has been achieved. The present invention provides an optical disk apparatus that enables high-speed reading and writing in the subsequent optical disk field.

本発明の第1の側面に係る半導体レーザ素子は、基板上に、n型クラッド層と、量子井戸活性層である活性層と、p型クラッド層を含む複数のp型導電型層m(ここで、m=1、2…k、但し、kは自然数)とを備え、
発振波長が1.0μm以下かつ700nm以上であり、
上記基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記p型導電型層mに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(m)とし、該p型導電型層mのドーピング濃度をP(m)(cm−3)としたとき、Γ(m)とP(m)の積の総和

Figure 0004628046
が8.0×1017cm−3 以下であり、
ドーピング濃度が1.0×10 18 cm −3 以上であるp型導電型層の層厚の合計が、p型導電型層全体の層厚の合計の80%以上を占めており、
上記複数のp型導電型層は、上記活性層と上記p型クラッド層との間に位置するp型光ガイド層を含んでおり、
上記p型光ガイド層のドーピング濃度が2.0×10 17 cm −3 以上であることを特徴としている。 The semiconductor laser device according to the first aspect of the present invention includes an n-type cladding layer, an active layer which is a quantum well active layer, and a plurality of p-type conductivity type layers m including a p-type cladding layer (here, in, m = 1,2 ... k, however, k is provided with a natural number) and,
The oscillation wavelength is 1.0 μm or less and 700 nm or more ,
The ratio of the amount of light present in the p-type conductivity type layer m to the total amount of light present in all the layers on the substrate is defined as an optical confinement coefficient Γ (m), and the doping concentration of the p-type conductivity type layer m is defined as P ( m) (cm −3 ), the sum of products of Γ (m) and P (m)
Figure 0004628046
Ri Der There 8.0 × 10 17 cm -3 or less,
The total thickness of the p-type conductivity layer having a doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more occupies 80% or more of the total thickness of the p-type conductivity layer,
The plurality of p-type conductivity layers include a p-type light guide layer positioned between the active layer and the p-type cladding layer,
The p-type light guide layer has a doping concentration of 2.0 × 10 17 cm −3 or more .

この半導体レーザ素子は、従来自由電子吸収の影響が不明確だった波長1.0μm以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響による一部静特性の悪化、具体的には発振しきい値電流と効率の悪化を回避することで、必要とされる光出力での駆動電流の値を低減することができる。なお本明細書中でいう『効率』とは、半導体レーザ素子の静特性の一つであり、発振しきい値電流をIth(A),ある光出力Pop(W)を得る為に必要な駆動電流値をIop(A)とすると、Pop/(Iop−Ith)で定義される、半導体レーザ素子の基本的な静特性の一つである。   This semiconductor laser device has a partially deteriorated static characteristic due to the influence of free electron absorption in the near-infrared wavelength band of wavelength of 1.0 μm or less, where the influence of free electron absorption has been unclear. By avoiding current and efficiency degradation, the value of the drive current at the required light output can be reduced. Note that “efficiency” in this specification is one of the static characteristics of a semiconductor laser element, and is a drive necessary for obtaining an oscillation threshold current Ith (A) and a certain optical output Pop (W). If the current value is Iop (A), this is one of the basic static characteristics of the semiconductor laser element defined by Pop / (Iop-Ith).

本発明者らは、波長1.0μm以下の近赤外波長帯で自由電子吸収を回避できるp型ドーピング構造の“上限の値”を決定するため、実際に波長900nm程度で発振する半導体レーザ素子でp型ドーピング濃度Pや同じ層の光閉じ込め係数Γの組み合わせが異なる数種類の素子を作製し、効率の値と、効率に直接影響を与える内部吸収αiの値を算出した。   In order to determine the “upper limit value” of a p-type doping structure that can avoid free electron absorption in the near-infrared wavelength band with a wavelength of 1.0 μm or less, the present inventors actually perform a semiconductor laser element that oscillates at a wavelength of about 900 nm. Then, several types of devices having different combinations of the p-type doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ of the same layer were manufactured, and the efficiency value and the internal absorption αi directly affecting the efficiency were calculated.

その結果、p型ド−ピング各層m(m=1、2…k、但し、kは自然数)の光閉じ込め係数Γ(m)とそのドーピング濃度P(m)(cm−3、以下省略)との積の総和

Figure 0004628046
(以下、単にΣ{Γ(m)×P(m)}とも表す。)と、半導体レーザ素子の効率の値を決定する内部吸収αiとの間に図8のような関係があることがわかった。この結果では、内部吸収αiの値は、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と該p型層ドーピング濃度P(m)との積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が8.0×1017cm−3を越えると急激に増加している。半導体レーザ素子の内部吸収αiは自由電子吸収αfcとその他の吸収αoからなるが、その他の吸収αoの値は一般にドーピング濃度に依存せず、また通常4〜5cm−1未満であり、半導体レーザ素子への影響が小さい。図8では、p型ドーピング濃度に依存しないその他の吸収αoが3cm−1程度あり、これにp型ドーピングに由来する自由電子吸収αfcが加わり、半導体レーザ素子の内部吸収αiとなることがわかる。これらのことから、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と該p型層ドーピング濃度P(m)との積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を8.0×1017cm−3以下の範囲に設定すれば、内部吸収αiのうち、ドーピング濃度に依存する自由電子吸収αfcの急激な増加を抑制できることがわかる。 As a result, the optical confinement coefficient Γ (m) of each p-type doping layer m (m = 1, 2,... K, where k is a natural number) and its doping concentration P (m) (cm −3 , hereinafter omitted) Sum of products
Figure 0004628046
(Hereinafter, it is also expressed simply as Σ {Γ (m) × P (m)}) and the internal absorption αi that determines the value of the efficiency of the semiconductor laser element is found to have a relationship as shown in FIG. It was. In this result, the value of the internal absorption αi is the sum Σ {Γ (m) × P () of the product of the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity type layer m and the p-type layer doping concentration P (m). When the value of m)} exceeds 8.0 × 10 17 cm −3 , it rapidly increases. The internal absorption αi of the semiconductor laser element is composed of free electron absorption αfc and other absorption αo, but the value of the other absorption αo generally does not depend on the doping concentration and is usually less than 4 to 5 cm −1. The impact on is small. In FIG. 8, the other absorption αo that does not depend on the p-type doping concentration is about 3 cm −1, and the free electron absorption αfc derived from the p-type doping is added to the internal absorption αi of the semiconductor laser element. From these, the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the products of the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity type layer m and the p-type layer doping concentration P (m) is It can be seen that if the range is set to 8.0 × 10 17 cm −3 or less, the rapid increase in free electron absorption αfc depending on the doping concentration of the internal absorption αi can be suppressed.

さらに、図8から、総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が6.0×1017cm−3以下では内部吸収αiの値がほとんど変化しないことから、この総和の値が6.0×1017cm−3以下となるようなp型ドーピング層構造では内部吸収αiに対する自由電子吸収αfcの影響をほとんど排除できることもわかる。 Further, from FIG. 8, when the value of the sum Σ {Γ (m) × P (m)} is 6.0 × 10 17 cm −3 or less, the value of the internal absorption αi hardly changes. It can also be seen that a p-type doping layer structure of 6.0 × 10 17 cm −3 or less can almost eliminate the influence of free electron absorption αfc on internal absorption αi.

これらの事実は、1.0μm以下の近赤外波長帯では自由電子吸収の影響はないとする従来の認識を覆すものであり、該波長帯でも構造によっては自由電子吸収による静特性、特に効率の悪化という影響を被り得ることがわかった。また、p型ドーピング濃度に加えp型導電型層の光閉じ込め係数も同時に考慮することで、自由電子吸収の増大につながる比較的高いp型ドーピング濃度でも良好な特性を確保できることもわかった。その結果、自由電子吸収の抑制による効率の改善とはトレードオフの関係にある温度特性や抵抗値の改善を目的に、p型ドーピング濃度を従来の近赤外波長帯の半導体レーザ素子よりも高い値に設定することが可能となった。   These facts overturn the conventional recognition that there is no influence of free electron absorption in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less. Depending on the structure even in this wavelength band, static characteristics due to free electron absorption, particularly efficiency. It was found that it could be affected by the deterioration of It was also found that good characteristics can be secured even at a relatively high p-type doping concentration that leads to an increase in free electron absorption by simultaneously considering the optical confinement factor of the p-type conductivity type layer in addition to the p-type doping concentration. As a result, the p-type doping concentration is higher than that of conventional semiconductor laser elements in the near-infrared wavelength band for the purpose of improving temperature characteristics and resistance values that are in a trade-off relationship with improving efficiency by suppressing free electron absorption. It became possible to set the value.

なお、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値は小さいほどよいが、一般的に10cm−1を越えるとレーザの効率に顕著な影響があり、効率0.96W/A以上という高速無線通信で必要とされる効率値を得られなくなるため、半導体レーザ素子がこのような光無線通信用送信装置に搭載される場合には、内部吸収の値は10cm−1以下、より好ましくは5cm−1以下であることが望ましい。
短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷間遷移による吸収の影響が大きくなると言われている。これは波長に反比例する成分を含む現象だが、特に発明者らは700nm未満の波長領域で自由電子吸収αfcの値が10cm −1 を越えることを見出した。本発明では、700nm以上になるよう発振波長を設定しているため、波長に反比例する自由電子吸収成分の影響を被ることなく、高効率の半導体レーザ素子を得ることができる。
Note that the value of the internal absorption αi of the semiconductor laser element is preferably as small as possible. However, if it exceeds 10 cm −1 , the laser efficiency is significantly affected, and is necessary for high-speed wireless communication with an efficiency of 0.96 W / A or more. When the semiconductor laser device is mounted on such a transmitter for optical wireless communication, the internal absorption value is 10 cm −1 or less, more preferably 5 cm −1 or less. It is desirable.
In the short wavelength band, it is said that the influence of absorption due to the valley transition in the energy band of free electron absorption increases. This is a phenomenon that includes a component that is inversely proportional to the wavelength. In particular, the inventors have found that the value of free electron absorption αfc exceeds 10 cm −1 in a wavelength region of less than 700 nm . In the present invention, since the oscillation wavelength is set to be 700 nm or more, a highly efficient semiconductor laser device can be obtained without being affected by the free electron absorption component inversely proportional to the wavelength.

本発明では、p型ドーピング濃度が1.0×1018cm−3以上であるp型導電型層の層厚の合計がp型導電型層全体の層厚の合計の80%以上を占めている。 In the present invention , the total thickness of the p-type conductivity type layer having a p-type doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more accounts for 80% or more of the total thickness of the p-type conductivity type layer. Yes.

なお、ここで規定するp型導電型層とは、半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型の場合には、リッジおよびリッジの上下に連なる箇所に存在するp型導電型層であって、埋め込み部のみに存在するp型導電型層は含まないものとする。   Note that the p-type conductivity type layer defined here is a p-type conductivity type layer existing in a ridge and a portion connected to the top and bottom of the ridge when the semiconductor laser element is a ridge buried type, and only in the buried portion. The existing p-type conductivity layer is not included.

上記構成による作用は次の通りである。主なp型導電型層のドーピング濃度を1017cm−3台という比較的低い値に設定した場合、温度特性、素子抵抗、発振横モードといった、効率以外のレーザ特性に好ましくない影響が現れる。この影響は、自由電子吸収の場合とは逆で、p型ドーピング濃度が低いほど半導体レーザ素子にとって悪影響となってあらわれる。これら3種のレーザ特性についてp型ドーピングの影響を調べるため、該当波長帯で半導体レーザ素子を作製し、その影響を確認したところ、p型ドーピング濃度をp型導電型層全体の80%以上の厚さの層で1×1018cm−3以上とすることで回避できることがわかった。以上のことから、p型ドーピング濃度を従来の近赤外波長帯の半導体レーザ素子での値よりも高く設定することで、自由電子吸収の回避とはトレードオフの関係にある高温度特性、低消費電力、安定した発振横モードを保った波長1.0μm以下の近赤外帯半導体レーザ素子を得ることができる。 The operation of the above configuration is as follows. When the doping concentration of the main p-type conductivity type layer is set to a relatively low value of 10 17 cm −3 , undesirable effects on laser characteristics other than efficiency such as temperature characteristics, element resistance, and oscillation transverse mode appear. This effect is contrary to the case of free electron absorption. The lower the p-type doping concentration, the more adverse the semiconductor laser device. In order to investigate the effect of p-type doping on these three types of laser characteristics, a semiconductor laser device was fabricated in the corresponding wavelength band and the effect was confirmed. As a result, the p-type doping concentration was 80% or more of the entire p-type conductivity layer. It was found that this can be avoided by setting the thickness of the layer to 1 × 10 18 cm −3 or more. From the above, by setting the p-type doping concentration higher than the value in the conventional semiconductor laser device in the near-infrared wavelength band, the high temperature characteristics, which are in a trade-off relationship with the avoidance of free electron absorption, low A near-infrared semiconductor laser element having a wavelength of 1.0 μm or less that maintains power consumption and a stable oscillation transverse mode can be obtained.

一実施形態では、上記半導体レーザ素子の発振波長が900nm以下である。   In one embodiment, the oscillation wavelength of the semiconductor laser element is 900 nm or less.

発振波長が900nm以下の領域では、自由電子吸収を表した上記式(1)において波長λの指数pの値が小さくなるため、図9に示すように、自由電子吸収による効率の悪化をより効果的に回避することができる。   In the region where the oscillation wavelength is 900 nm or less, the value of the index p of the wavelength λ in the above equation (1) representing the free electron absorption is small, so that the efficiency deterioration due to free electron absorption is more effective as shown in FIG. Can be avoided.

一実施形態では、上記活性層と平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、上記活性層に関して、該光閉じ込め構造のある側の層の光閉じ込め係数の総和が、上記光閉じ込め構造のない側の層の光閉じ込め係数の総和よりも小さく、上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域は上記p型導電型層の少なくとも1つからなる。   In one embodiment, the light confinement structure confines light in a direction parallel to the active layer, and the sum of the light confinement coefficients of the layers on the side of the light confinement structure with respect to the active layer is The region in which light is confined in the light confinement structure is composed of at least one of the p-type conductivity layers.

この実施形態では、水平方向つまり活性層と平行な方向の光のモードを安定化するために、特に活性層を挟んで光閉じ込め構造を含む側の層の光閉じ込め係数を逆側よりも低くしている。一般に同じドーピング濃度で比較すると、p型ドーパントの自由電子吸収係数のほうがn型ドーパントでの値よりも大きいため、光閉じ込め構造を含む側の層をp型としたほうが逆の場合よりも自由電子吸収の影響が小さくなり、効率の値の改善につながる。   In this embodiment, in order to stabilize the light mode in the horizontal direction, that is, in the direction parallel to the active layer, the light confinement coefficient of the layer including the light confinement structure is made lower than that on the opposite side, particularly with the active layer interposed therebetween. ing. In general, when compared at the same doping concentration, the free electron absorption coefficient of the p-type dopant is larger than that of the n-type dopant, so that the free electron is better when the layer containing the optical confinement structure is p-type than the opposite case. Absorption effects are reduced, leading to improved efficiency values.

一実施形態では、上記半導体レーザ素子は、電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、上記電流注入領域は上記p型導電型層の少なくとも1つからなり、該電流注入領域のp型導電型層のドーピング濃度は1.0×1018cm−3以上である。 In one embodiment, the semiconductor laser device includes a current injection region and a non-current injection region, and has a current confinement structure that confines current in a direction parallel to the active layer, and the current injection region is the p-type conductive region. The doping concentration of the p-type conductivity type layer in the current injection region is 1.0 × 10 18 cm −3 or more.

発振横モードを安定させるため、電流狭窄構造の電流注入領域は、一般的に、数μm程度という狭い幅に設定されており、さらにその層厚はp型導電型層の大半を占める。したがって、電流注入領域を形成するp型導電型層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、この実施形態では、これらの層のドーピング濃度を1.0×1018cm−3以上となるよう設定することにより、より効果的に自由電子吸収による特性の悪化を回避した上で、素子の低抵抗化をも実現することができる。 In order to stabilize the oscillation transverse mode, the current injection region of the current confinement structure is generally set to a narrow width of about several μm, and the layer thickness occupies most of the p-type conductivity type layer. Therefore, the contribution to the element resistance of the p-type conductivity layer forming the current injection region is extremely large. Therefore, in this embodiment, by setting the doping concentration of these layers to be 1.0 × 10 18 cm −3 or more, more effectively avoiding deterioration of characteristics due to free electron absorption, It is also possible to reduce the resistance of the element.

本発明の半導体レーザ素子は、上記光閉じ込め構造と上記電流狭窄構造を同時に備えていてもよい。この場合、電流狭窄構造の電流注入領域は、一般的に、光閉じ込め構造の光が閉じ込められる領域に合致するように形成される。   The semiconductor laser device of the present invention may include the optical confinement structure and the current confinement structure at the same time. In this case, the current injection region of the current confinement structure is generally formed to match the region where the light of the light confinement structure is confined.

一実施形態では、上記半導体レーザ素子は、電流注入領域と非電流注入領域からなり上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造と、上記電流狭窄構造の一部からなり上記活性層と平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造とを備え、上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域を画定する2つの境界面は、上記電流狭窄構造内の電流注入領域を画定する2つの境界面と一致しており、上記2つの境界面間の距離は、上記活性層に最も近い部分で2.2μm以上である。   In one embodiment, the semiconductor laser element includes a current confinement structure that includes a current injection region and a non-current injection region and confines a current in a direction parallel to the active layer, and a part of the current confinement structure. Two boundary surfaces that define a region in which light is confined in the light confinement structure, and two boundary surfaces that define a current injection region in the current confinement structure. The distance between the two boundary surfaces is 2.2 μm or more at the portion closest to the active layer.

この構成による作用は次の通りである。一般に電流狭窄構造/光閉じ込め構造の水平方向に離間した2つの境界面間の距離、すなわち電流狭窄構造のうち電流注入領域(光閉じ込め構造においては、光が閉じ込められる領域)の幅(リッジ構造の場合には、リッジ幅)が数μmで、横基本モード発振する半導体レーザ素子では、その幅を少し変えると、ニアフィールドパターン(NFP)径はその変化以上に急激に変化する。このため、この幅が狭いほど、この幅に対するNFP径が大きくなり、電流狭窄構造の非電流注入領域内の層への光の漏れが大きくなる。非電流注入領域内の層は高濃度にドーピングされており、漏れた光はその量に応じて、非電流注入領域内の層での自由電子吸収の増加に直結する。これに対して、この実施形態では、上記境界面間の距離つまり電流注入領域の幅が2.2μm以上であるから、この幅よりもNFP径の方が狭くなる。したがって、非電流注入領域内の層への光の漏れによる自由電子吸収の増加を抑制することができる。   The effect | action by this structure is as follows. In general, the distance between two horizontally separated boundary surfaces of the current confinement structure / light confinement structure, that is, the width of the current injection region (region where light is confined in the light confinement structure) of the current confinement structure (the ridge structure In this case, in a semiconductor laser device having a ridge width (several μm) and oscillating in a transverse fundamental mode, when the width is slightly changed, the near field pattern (NFP) diameter changes more rapidly than the change. Therefore, the narrower the width, the larger the NFP diameter with respect to the width, and the greater the light leakage to the layer in the non-current injection region of the current confinement structure. The layer in the non-current injection region is highly doped, and the leaked light is directly linked to an increase in free electron absorption in the layer in the non-current injection region according to the amount. On the other hand, in this embodiment, since the distance between the boundary surfaces, that is, the width of the current injection region is 2.2 μm or more, the NFP diameter is narrower than this width. Therefore, an increase in free electron absorption due to light leakage to the layer in the non-current injection region can be suppressed.

本発明では、上記p型導電型層のうち上記活性層に最も近い層つまり上記p型光ガイド層のドーピング濃度が2.0×1017cm−3以上である。 In the present invention, a doping concentration of a layer closest to the active layer among the p-type conductivity layers, that is, the p-type light guide layer is 2.0 × 10 17 cm −3 or more.

1.0μm以下の近赤外波長帯の半導体レーザ素子は、長波長帯半導体レーザ素子に比べ活性層における井戸層−障壁層間の伝導体側エネルギーギャップΔEcが小さいため、活性層からのキャリアリークが生じ易い。しかし、この実施形態では、活性層に最も近いp型導電型層つまり上記p型光ガイド層のドーピング濃度を2.0×1017cm−3以上に設定することで、活性層からのキャリアリークに対する障壁層として十分にその役割を果たし、高い温度特性を確保することができる。なお、活性層に最も近いp型導電型層とは、意図的にp型ドーパントが添加されたp型導電型層であり、元々はアンドープ層であったものが、隣接したp型導電型層からドーパントが拡散した結果としてp型導電型層となった層は除く。 A semiconductor laser element in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less has a smaller carrier-side energy gap ΔEc between the well layer and the barrier layer in the active layer than in the long-wavelength semiconductor laser element, so that carrier leakage from the active layer occurs. easy. However, in this embodiment, by setting the doping concentration of the p-type conductivity type layer closest to the active layer, that is, the p-type light guide layer to 2.0 × 10 17 cm −3 or more, carrier leakage from the active layer It can sufficiently fulfill its role as a barrier layer against high temperature characteristics. Note that the p-type conductivity layer closest to the active layer is a p-type conductivity layer to which a p-type dopant is intentionally added. An originally undoped layer is an adjacent p-type conductivity layer. Excludes layers that have become p-type conductivity layers as a result of diffusion of dopants.

一実施形態では、上記p型光ガイド層は積層方向に異なるドーピング濃度を有する2層以上からなり、これら2層以上のp型光ガイド層のうち、上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が他のp型光ガイド層のドーピング濃度よりも小さい。 In one embodiment, the upper Symbol p-type optical guide layer comprises two or more layers having different doping concentrations in the stacking direction, of the two or more layers of p-type optical guide layer, the doping of the layer closest to the active layer The concentration is lower than the doping concentration of the other p-type light guide layers.

この実施形態では、自由電子吸収の回避と温度特性の改善を極めて効果的に行うことができる。例えば活性層に近い側の光ガイド層のp型ドーピング濃度をP1、遠い側の光ガイド層のp型ドーピング濃度をP2とし、近い側の光ガイド層の光閉じ込め係数をΓ1、遠い側の光ガイド層の光閉じ込め係数をΓ2とすると、一般に活性層に近い側のガ光イド層の光閉じ込め係数のほうが遠い側での値よりも大きいため(Γ1>Γ2)、本実施形態のように活性層に近い側の光ガイド層のドーピング濃度を遠い側の光ガイド層での値よりも小さく設定(P1<P2)とすることで、本発明を構成するパラメータであるp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)と該p型層ドーピング濃度P(m)との積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値のうち、光ガイド層に関する部分(Γ1×P1+Γ2×P2)を、逆に設定した場合(P1>P2)に比べて小さくすることができる。したがって、他のp型導電型層の層構造が同じなら、より総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を小さくできるため、自由電子吸収の影響を抑制することができる。または、総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を一定に設定した場合には、他のp型導電型層のドーピング濃度や光閉じ込め係数に対する設定の自由を増すことができる。   In this embodiment, free electron absorption can be avoided and temperature characteristics can be improved extremely effectively. For example, p-type doping concentration in the active layer near the side of the light guide layer P1, a p-type doping concentration of the light guide layer on the far side and P2, .GAMMA.1 light confinement coefficient near the side of the light guide layer, farther light When the optical confinement factor of the guide layer is Γ2, since the optical confinement factor of the gallium id layer on the side closer to the active layer is generally larger than the value on the far side (Γ1> Γ2), it is active as in this embodiment. By setting the doping concentration of the light guide layer closer to the layer to be smaller than the value of the light guide layer farther (P1 <P2), the p-type conductivity layer m, which is a parameter constituting the present invention, is set. Of the value of the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the product of the optical confinement coefficient Γ (m) and the p-type layer doping concentration P (m), the portion (Γ1 × P1 + Γ2 × Smaller than when P2) is set in reverse (P1> P2) Can Kusuru. Therefore, if the other p-type conductivity layers have the same layer structure, the value of the sum Σ {Γ (m) × P (m)} can be further reduced, so that the influence of free electron absorption can be suppressed. Alternatively, when the value of the sum Σ {Γ (m) × P (m)} is set to be constant, it is possible to increase the freedom of setting the doping concentration and the optical confinement coefficient of other p-type conductivity layers.

また、活性層に近い部分のドーピング濃度を低くしたため、ドーピング濃度に比例する拡散速度を小さくすることができ、活性層へのドーパントの拡散を抑制し信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。   Further, since the doping concentration in the portion close to the active layer is lowered, the diffusion rate proportional to the doping concentration can be reduced, and the diffusion of the dopant into the active layer can be suppressed and a highly reliable semiconductor laser device can be obtained. .

一実施形態では、光閉じ込め係数Γが1.0×10−4以上となるp型導電型層のドーピング濃度が8.0×1 cm−3以下である。 In one embodiment, the doping concentration of p-type conductivity type layer optical confinement factor Γ becomes 1.0 × 10 -4 or 8.0 × 1 is 0 1 8 cm -3 or less.

一般に半導体に高濃度ドーピングを行うと層の屈折率が大きくなるが、AlGaAs系材料では8.0×1018cm−3を越えるとこの傾向が顕著となり、該当層の光閉じ込め係数Γが設定値よりも大きくなる。この場合、上記総和Σ{Γ(m)×P(m)}を本発明に従って8.0×1017cm−3 以下としたとしても、8.0×1018cm−3以上と高ドーピング濃度である該当層での自由電子吸収の影響は大きく、狙い通りの効率の低下という効果を得ることができない。また設計の自由度も低下する。この実施形態は、このような不都合を回避するものである。 In general, when a semiconductor is heavily doped, the refractive index of the layer increases. However, in the case of an AlGaAs-based material, this tendency becomes significant when the concentration exceeds 8.0 × 10 18 cm −3 , and the optical confinement coefficient Γ of the corresponding layer is set to a set value. Bigger than. In this case, even if the total sum Σ {Γ (m) × P (m)} is set to 8.0 × 10 17 cm −3 or less according to the present invention, a high doping concentration of 8.0 × 10 18 cm −3 or more is obtained. The effect of free electron absorption in the corresponding layer is large, and the effect of reducing the efficiency as intended cannot be obtained. In addition, the degree of freedom in design also decreases. This embodiment avoids such inconvenience.

一実施形態では、上記p型導電型層は、上記p型クラッド層の上部に位置するp型キャップ層を含んでおり、上記キャップ層の光閉じ込め係数Γが5.0×10−5以下である。 In one embodiment, the p-type conductivity type layer includes a p-type cap layer located above the p-type cladding layer, and the optical confinement coefficient Γ of the cap layer is 5.0 × 10 −5 or less. is there.

一般的に、キャップ層は低オーミック抵抗とするために、1018cm−3から1020cm−3台という非常に高濃度のドーピングがなされており、このような層に光が存在すると多大な吸収を被る。また、キャップ層には、コンタクト抵抗を低減するために、小さなエネルギーギャップをもつ半導体材料が用いられるので、キャップ層は、周囲の層に比べて屈折率が高くまた発振波長に対して透明な層となる。このため、光閉じ込め係数の値で5.0×10−5を越える光が存在すると、キャップ層が導波層となり、活性層を通る本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性にキンクを誘発するため、通信用半導体レーザ素子として用いた場合、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態ではこれらの影響を回避し、高効率かつ安定に通信動作させ得る半導体レーザ素子を得ることができる。 In general, the cap layer has a very high concentration of 10 18 cm −3 to 10 20 cm −3 in order to make the ohmic resistance low, and if there is light in such a layer, a large amount of doping occurs. Suffers from absorption. In addition, since a semiconductor material having a small energy gap is used for the cap layer in order to reduce contact resistance, the cap layer has a higher refractive index than the surrounding layers and is transparent to the oscillation wavelength. It becomes. For this reason, if there is light exceeding 5.0 × 10 −5 as the value of the optical confinement factor, the cap layer becomes a waveguide layer, causing interference with the original guided light passing through the active layer. Since this interference induces kinks in the current-light output characteristics, when used as a semiconductor laser device for communication, communication quality such as a code error rate is deteriorated. In the present embodiment, it is possible to obtain a semiconductor laser element that avoids these influences and can perform a communication operation with high efficiency and stability.

本発明の第2の側面に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子の製造方法であって、有機金属化学気相成長法を用いて上記活性層およびその活性層に隣接する層を成長すると共に、上記活性層の成長温度を上記隣接する層の成長温度よりも低くし、かつ成長温度が変化する境界面で成長を一旦中断することを特徴としている。   A method of manufacturing a semiconductor laser device according to a second aspect of the present invention is a method of manufacturing a semiconductor laser device having any one of the above-described structures, and the active layer and its activity using a metal organic chemical vapor deposition method. The method is characterized in that a layer adjacent to the layer is grown, the growth temperature of the active layer is made lower than the growth temperature of the adjacent layer, and the growth is temporarily interrupted at the interface where the growth temperature changes.

もし、上記成長温度が変化する境界面で一旦中断せずに連続成長した場合、温度が変化した直後に雰囲気温度のオーバーシュートが生じる。ドーピング量はドーパント材料ガスの濃度とドープされる導電型層の材料、成長時の温度で決まるため、雰囲気温度のオーバーシュートにより当初設定の温度とは異なる温度で成長を行った層では、設定通りのドーピング濃度の素子が得られないことになる。本発明ではこの温度変更界面で一旦成長を中断して再開するという方法を用いたため、このようなオーバーシュートを起こすことなく、設定通りのp型ドーピング構造を得ることができ、高効率と高温度特性/低消費電力を両立した半導体レーザ素子を製造することができる。   If continuous growth is performed without any interruption at the boundary surface where the growth temperature changes, an overshoot of the ambient temperature occurs immediately after the temperature changes. The doping amount is determined by the concentration of the dopant material gas, the material of the conductivity type layer to be doped, and the temperature at the time of growth.Therefore, in the layer grown at a temperature different from the initially set temperature due to the overshoot of the ambient temperature, Therefore, an element having a doping concentration of 5 cannot be obtained. In the present invention, since the method of temporarily stopping and restarting the growth at the temperature change interface is used, a p-type doping structure as set can be obtained without causing such overshoot, and high efficiency and high temperature can be obtained. A semiconductor laser device having both characteristics / low power consumption can be manufactured.

本発明の第3の側面に係る光無線通信用送信装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載している。   A transmission apparatus for optical wireless communication according to the third aspect of the present invention is equipped with a semiconductor laser element having any one of the above-described configurations of the present invention.

本発明の半導体レーザ素子は、先に説明したように、1.0μm以下の近赤外波長における自由電子吸収の影響を考慮して、高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現した半導体レーザ素子である。このような特性の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる1.0μm以下の波長の光を低駆動電力/電圧で発生させることができるため、レーザドライバの設計の自由度を上げることができる。また半導体レーザ素子自体の寿命が延びるため、装置の信頼性が向上する。   As described above, the semiconductor laser device of the present invention is a semiconductor laser that realizes high efficiency, high temperature characteristics, and low power consumption in consideration of the effect of free electron absorption in the near infrared wavelength of 1.0 μm or less. It is an element. By using a semiconductor laser element having such characteristics, it is possible to generate light with a wavelength of 1.0 μm or less, which will be required for future high-speed optical wireless communication, with low driving power / voltage. Can increase the degree of freedom. Further, since the life of the semiconductor laser element itself is extended, the reliability of the apparatus is improved.

本発明の第4の側面に係る光ディスク装置は、本発明の上記いずれかの構成を有する半導体レーザ素子を搭載している。   An optical disc apparatus according to the fourth aspect of the present invention is equipped with a semiconductor laser element having any one of the above-described configurations of the present invention.

この発明によると、搭載している半導体レーザ素子が高効率かつ高温度特性、低消費電力を実現したものであるので、高出力化競争が続いている1.0μm以下の近赤外波長帯の光ディスク装置において、ディスク回転数を従来よりも高速化することができる。特にCD−R/RWなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができる。   According to the present invention, since the mounted semiconductor laser device realizes high efficiency, high temperature characteristics, and low power consumption, the competition for higher output continues in the near infrared wavelength band of 1.0 μm or less. In the optical disk apparatus, the disk rotation speed can be increased more than before. In particular CD-R / RW access time to the disk which has been a problem when writing to such is much shorter than the devices using conventional semiconductor laser device, to provide an optical disk apparatus which realizes a more comfortable operation be able to.

本発明の第1の側面によると、波長1.0μm以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避しながら高い濃度のp型ドーピングを行うことができるため、該波長帯で、高い効率と、それとトレードオフの関係にある高温度特性、低消費電力化を両立した半導体レーザ素子を実現することができる。   According to the first aspect of the present invention, high concentration p-type doping can be performed while avoiding deterioration of static characteristics due to the influence of free electron absorption in the near-infrared wavelength band of 1.0 μm or less. In the wavelength band, it is possible to realize a semiconductor laser device that achieves both high efficiency, high temperature characteristics and low power consumption that are in a trade-off relationship with each other.

また、本発明の第2の側面によると、p型ドーピング濃度を所望の値に設定した半導体レーザ素子を製造する際、有機金属化学気相成長法において起こりうる製造時の雰囲気温度のオーバーシュートを回避することができ、成長時の温度に従って変動する各導電型層のドーピング濃度を設定通りの値になるよう半導体レーザ素子を作製することができ、高効率と高温度特性/低消費電力を両立した半導体レーザ素子を現実に製造することができる。   In addition, according to the second aspect of the present invention, when manufacturing a semiconductor laser device having a p-type doping concentration set to a desired value, an overshoot of the atmospheric temperature during manufacturing that may occur in the metal organic chemical vapor deposition method is reduced. The semiconductor laser device can be manufactured so that the doping concentration of each conductive type layer that varies according to the temperature during growth can be set to a value as set, achieving both high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption. The manufactured semiconductor laser device can be actually manufactured.

また、本発明の第3の側面によると、1.0μm以下の近赤外波長帯の波長を用いた光無線通信用装置の信頼性を向上させることができ、またレーザドライバの設計の自由度も上げることができる。   Further, according to the third aspect of the present invention, the reliability of the optical wireless communication apparatus using a wavelength in the near infrared wavelength band of 1.0 μm or less can be improved, and the degree of freedom in designing the laser driver. Can also be raised.

また、本発明の第4の側面によると、光ディスク装置において、ディスクの回転数を従来よりも高速化することができ、デ−タの読み書き速度を上げることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, in the optical disc apparatus, the number of revolutions of the disc can be increased more than before, and the data read / write speed can be increased.

〈第1実施形態〉
図1、図2を用いて、本発明の第1の実施形態について説明する。図1、図2はそれぞれ本実施形態の構造、製造方法を示す模式的断面図である。初めに図1を用いて本実施形態の構造を説明する。なおこの後の全実施形態において、n型の導電型層を「n−」と表し、p型の導電型層を「p−」で表す。また層の名称中の「下部」「上部」とは、活性層を挟んでそれぞれ「基板側」、「基板とは逆側」、に位置することを意味する。
<First Embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are schematic cross-sectional views showing the structure and manufacturing method of this embodiment, respectively. First, the structure of this embodiment will be described with reference to FIG. In all the subsequent embodiments, the n-type conductivity type layer is represented by “n−”, and the p-type conductivity type layer is represented by “p−”. In addition, “lower” and “upper” in the names of layers mean that they are located on the “substrate side” and “the opposite side of the substrate”, respectively, across the active layer.

層構造は、基板101上に、バッファ層102、下部クラッド層103、下部光ガイド層104、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層105、上部光ガイド層106、上部第一クラッド層107、エッチングストップ層108、上部第二クラッド層109、第一キャップ層110がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層109と第一キャップ層110とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。さらに、リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層111、第二埋め込み層112、第三埋め込み層113(これらをまとめて埋め込み部Fと言う。)が積層され、この埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに、リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面に第二キャップ層114、第三キャップ層115が積層されている。   The layer structure consists of a buffer layer 102, a lower cladding layer 103, a lower light guide layer 104, a multiple quantum well active layer 105 composed of a quantum well layer and a barrier layer, an upper light guide layer 106, and an upper first cladding layer on a substrate 101. 107, the etching stop layer 108, second upper cladding layer 109, a first cap layer 110 are stacked from the substrate side in this order, the bottom etch stop layer of the ridge in the second upper cladding layer 109 and the first cap layer 110 A ridge stripe structure (ridge stripe portion R) directly above is formed. Further, on both sides of the ridge stripe portion R, a first buried layer 111, a second buried layer 112, and a third buried layer 113 (collectively referred to as a buried portion F) are stacked so as to bury their side surfaces. The buried portion F and the ridge stripe portion R form a current confinement structure in which a current flows mainly directly below the ridge stripe portion R. Further, a second cap layer 114 and a third cap layer 115 are laminated on the entire upper surface of the ridge stripe portion R and the buried portion F.

第1実施形態の一具体例では、n−GaAs基板101上に、n−GaAsバッファ層102(0.5μm厚)、n−Al0.452Ga0.548As下部クラッド層103(1.8μm厚)、n−Al0.4Ga0.6As下部光ガイド層104(95nm厚)、2層の0.08%圧縮歪In0.06Ga0.94As量子井戸層(4.5nm厚)と3層の無歪Al0.15Ga0.85As障壁層(3層のうち基板側から第1、第3番目の障壁層の層厚21.5nm、第2番目は8nm厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層105(発振波長0.87μm)、p−Al0.4Ga0.6As上部光ガイド層106(90nm厚)、p−Al0.5Ga0.5As上部第一クラッド層107(0.15μm厚)、p−GaAsエッチングストップ層108(4nm厚) p−Al0.53Ga0.47As上部第二クラッド層109(1.28μm厚)、p−GaAs第一キャップ層110(0.75μm厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層109と第一キャップ層110とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Rを形成している。 In a specific example of the first embodiment, an n-GaAs buffer layer 102 (0.5 μm thickness), an n-Al 0.452 Ga 0.548 As lower cladding layer 103 (1.8 μm) are formed on an n-GaAs substrate 101. N-Al 0.4 Ga 0.6 As lower light guide layer 104 (95 nm thickness), two 0.08% compressive strain In 0.06 Ga 0.94 As quantum well layer (4.5 nm thickness), n-Al 0.4 Ga 0.6 As ) And three layers of unstrained Al 0.15 Ga 0.85 As barrier layers (the thickness of the first and third barrier layers from the substrate side is 21.5 nm, the second is 8 nm thick from the three layers) Alternately stacked undoped multiple quantum well active layers 105 (oscillation wavelength 0.87 μm), p-Al 0.4 Ga 0.6 As upper light guide layer 106 (90 nm thickness), p-Al 0.5 Ga 0.5 As upper first cladding layer 107 (0.15 μm thick), p-GaAs etching stop layer 108 (4 m thick) p-Al 0.53 Ga 0.47 As second upper cladding layer 109 (1.28 thick), p-GaAs first cap layer 110 (0.75 .mu.m thick) are laminated from the substrate side in this order, The upper second cladding layer 109 and the first cap layer 110 form a ridge stripe portion R in which the lowermost portion of the ridge is directly above the etching stop layer.

リッジストライプ部Rは高さが約2μm、幅(つまり、リッジストライプ部Rを画定している2つの境界面間の距離)がエッチングストップ層108層直上の最も広いところで約3.1μmである。ここでリッジストライプ部Rの高さとは、後に述べるエッチング法を用いて削除される、上部第二クラッド層109と第一キャップ層110の層厚の和をいう。   The ridge stripe portion R has a height of about 2 μm, and a width (that is, a distance between two boundary surfaces defining the ridge stripe portion R) is about 3.1 μm at the widest point immediately above the etching stop layer 108. Here, the height of the ridge stripe portion R means the sum of the layer thicknesses of the upper second cladding layer 109 and the first cap layer 110, which are removed by using an etching method described later.

さらに、リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形でn−Al0.7Ga0.3As第一埋め込み層111(0.6μm厚)、n−GaAs第二埋め込み層112(0.7μm厚)、p−GaAs第三埋め込み層113(0.7μm厚)が積層され、この埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面にp−GaAs第二キャップ層114(0.95μm厚)、p−GaAs第三キャップ層115(0.3μm厚)が積層されている。 Further, the n-Al 0.7 Ga 0.3 As first buried layer 111 (0.6 μm thickness) and the n-GaAs second buried layer 112 (0. 7 μm thick) and a p-GaAs third buried layer 113 (0.7 μm thick) are stacked, and the buried portion F and the ridge stripe portion R form a current confinement structure in which current flows mainly directly under the ridge stripe portion R. There is no. Further, a p-GaAs second cap layer 114 (0.95 μm thickness) and a p-GaAs third cap layer 115 (0.3 μm thickness) are laminated on the entire upper surface of the ridge stripe portion R and the buried portion F.

次に、図2A−2Cを用いて本実施形態の製造方法を説明する。層の構成材料や層厚は上で示しているので、ここでは省略している。   Next, the manufacturing method of this embodiment is demonstrated using FIG. 2A-2C. The constituent materials and layer thickness of the layers are shown above and are omitted here.

まず、図2Aに示すように、n−基板101上にn−バッファ層102、n−下部クラッド層103、n−下部光ガイド層104、2層の井戸層と3層の障壁層からなる量子井戸活性層105、p−上部光ガイド層106、p−上部第一クラッド層107、p−エッチングストップ層108、p−上部第二クラッド層109、p−第一キャップ層110を有機金属化学気相成長法(MOCVD法)を用いてこの順に積層する。成長温度については、量子井戸活性層で690℃、それ以外の層では713℃としており、両温度の境界では一旦成長を止めて温度を変えそれが安定した後、再度成長を行った。   First, as shown in FIG. 2A, a quantum consisting of an n-buffer layer 102, an n-lower cladding layer 103, an n-lower light guide layer 104, two well layers, and three barrier layers on an n-substrate 101. The well active layer 105, the p-upper light guide layer 106, the p-upper first cladding layer 107, the p-etching stop layer 108, the p-upper second cladding layer 109, and the p-first cap layer 110 are treated with an organic metal chemistry. The layers are stacked in this order using a phase growth method (MOCVD method). The growth temperature was 690 ° C. for the quantum well active layer and 713 ° C. for the other layers. At the boundary between the two temperatures, the growth was temporarily stopped, the temperature was changed, and the growth was performed again.

その後、図2Bに示すように、一例としてSiOからなる絶縁膜121をマスクとしたエッチング法を用いて、高さが約2μm、幅が最下部で約3.1μmとなるようリッジストライプ部Rを作製する。エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液及びフッ酸を用いて、p−GaAsエッチングストップ層108の直上まで行う。 Thereafter, as shown in FIG. 2B, by using an etching method using the insulating film 121 made of SiO 2 as a mask as an example, the ridge stripe portion R has a height of about 2 μm and a width of about 3.1 μm at the bottom. Is made. Etching is performed up to just above the p-GaAs etching stop layer 108 using a mixed aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide and hydrofluoric acid.

次に、図2Cに示すように、再度MOCVD法を用いて、リッジストライプ部Rの両側にその側面を埋め込む形でn−第一埋め込み層111、n−第二埋め込み層112、p−第三埋め込み層113を順次積層する。このとき、リッジストライプ部Rの上面には絶縁膜121があるため、リッジストライプ部R上には各埋め込み層の成長は起こらず、リッジストライプ部Rの両側部のみに埋め込み層111〜113を積層することができる。その後、絶縁膜121を除去し、再びMOCVD法を用いてp−第二キャップ層114、p−第三キャップ層115を積層する。   Next, as shown in FIG. 2C, by using the MOCVD method again, the n-first buried layer 111, the n-second buried layer 112, and the p-third are buried in the side surfaces on both sides of the ridge stripe portion R. The buried layer 113 is sequentially stacked. At this time, since the insulating film 121 is present on the upper surface of the ridge stripe portion R, the buried layers do not grow on the ridge stripe portion R, and the buried layers 111 to 113 are stacked only on both sides of the ridge stripe portion R. can do. Thereafter, the insulating film 121 is removed, and the p-second cap layer 114 and the p-third cap layer 115 are laminated again using the MOCVD method.

以後、p側、n側の両表面に、それぞれ、一例としてTi/Pt/Au、AuGe/Niで構成されるオーミック電極を蒸着した後、通常のウエハプロセス(劈開によるウェハーのバー分割、端面コーティングによる反射膜形成、チップ分割)を経ることで、ストライプ方向に光を出射する共振器長500μmの埋め込みリッジ型半導体レーザ素子を得る。本実施形態ではドーパント用不純物材料として、n型にシリコンSi、p型に亜鉛Znを用いている。   After that, ohmic electrodes made of Ti / Pt / Au and AuGe / Ni are deposited on both the p-side and n-side surfaces as an example, and then the normal wafer process (wafer bar splitting, end face coating by cleavage) Through a reflective film formation and chip division by the method, a buried ridge type semiconductor laser element having a resonator length of 500 μm that emits light in the stripe direction is obtained. In this embodiment, silicon Si is used for the n-type and zinc Zn is used for the p-type as the dopant impurity material.

本実施形態では、第三キャップ層側である図1の上方から基板側である図1の下方へ向かって電流が流れるが、このとき各層の導電型が上に述べたような構造となっているため、第一、第二、第三埋め込み層111,112,113が非電流注入領域となり、電流は、第三キャップ層115から電流注入領域であるリッジストライプ部Rを通って、活性層105を含むエッチングストップ層108より下方の層へと流れる電流狭窄構造を形成している。   In the present embodiment, a current flows from the upper side of FIG. 1 is a third cap layer side to downward in FIG. 1 is a substrate, but this time a structure such as the conductivity type of each layer described above Therefore, the first, second, and third buried layers 111, 112, and 113 serve as non-current injection regions, and current flows from the third cap layer 115 through the ridge stripe portion R that is the current injection region to the active layer 105. A current confinement structure is formed that flows to a layer below the etching stop layer 108 including.

また、本実施形態における活性層と平行な方向に光を閉じ込めるための光閉じ込め構造は、リッジストライプ部Rを構成する層の一つである上部第二クラッド層109と、非電流注入領域を構成する層の一つである第一埋め込み層111との屈折率の違いにより形成されている。つまり、光閉じ込め構造は、これらの層109、111を電流狭窄構造と共有していることになる。   In addition, the light confinement structure for confining light in the direction parallel to the active layer in the present embodiment includes the upper second cladding layer 109 which is one of the layers constituting the ridge stripe portion R and the non-current injection region. It is formed by the difference in refractive index from the first buried layer 111 which is one of the layers to be formed. That is, the optical confinement structure shares these layers 109 and 111 with the current confinement structure.

本実施形態の半導体レーザ素子のp型導電型層のドーピング濃度Pと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層106で1.35×1018cm−3、0.167、上部第一クラッド層107で1.35×1018cm−3、0.118、上部第二クラッド層109で2.4×1018cm−3、0.049、GaAsキャップ層については、第一キャップ層110で3.0×1018cm−3、1.0×10−6、第二キャップ層114で3.0×1018cm−3、1.0×10−7未満、第三キャップ層115で1.0×1020cm−3、1.0×10−7未満とし、活性層105に隣接する上部光ガイド層106からリッジストライプ部Rを通って第三キャップ層115までのp型導電型層m(本実施形態では、m=1、2…7)の光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が略5.02×1017cm−3となるように設定している。ここで、p型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)とは、前述したように、基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する層m内に存在する光量の割合のことを言う。 The values of the doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ of the p-type conductivity type layer of the semiconductor laser device of this embodiment are 1.35 × 10 18 cm −3 and 0.167, respectively, in the upper light guide layer 106. The clad layer 107 is 1.35 × 10 18 cm −3 , 0.118, the upper second clad layer 109 is 2.4 × 10 18 cm −3 , 0.049, and the GaAs cap layer is the first cap layer 110. 3.0 × 10 18 cm −3 , 1.0 × 10 −6 , the second cap layer 114 is 3.0 × 10 18 cm −3 , less than 1.0 × 10 −7 , and the third cap layer 115 is The p-type conductivity type is 1.0 × 10 20 cm −3 and less than 1.0 × 10 −7, and extends from the upper light guide layer 106 adjacent to the active layer 105 to the third cap layer 115 through the ridge stripe portion R. Layer m (in this embodiment , M = 1,2 ... 7) of the optical confinement factor gamma (m) and the doping concentration P (sum of products of m) Σ {Γ (m) × P (m)} the value of approximately 5.02 × 10 17 It is set to be cm −3 . Here, the optical confinement coefficient Γ (m) of the p-type conductivity type layer m is the ratio of the amount of light present in the layer m to the total amount of light present in all layers on the substrate, as described above. To tell.

なお、p−エッチングストップ層108については、その層厚が他のp型導電型層に比して極端に小さく、したがってその光量、より詳しくは光閉じ込め係数は上記総和値に影響を与えることのない無視可能な値であるため、考慮の対象から外している。以降に述べる実施形態でもp−エッチングストップ層は同様に取り扱われている。   It should be noted that the p-etching stop layer 108 has an extremely small thickness compared to other p-type conductivity layers, and therefore the amount of light, more specifically, the light confinement factor, affects the total value. Since it is not negligible, it is excluded from consideration. In the embodiments described below, the p-etching stop layer is similarly handled.

また、電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、n−第一埋め込み層111で2.0×1018cm−3、n−第二埋め込み層112で3.0×1018cm−3、p−第三埋め込み層113で2.0×1018cm−3とした。 In addition, the doping concentration of the buried layer serving as the non-current injection portion in the current confinement structure is 2.0 × 10 18 cm −3 for the n−first buried layer 111 and 3.0 × for the n−second buried layer 112. 10 18 cm −3 , and the p-third buried layer 113 was 2.0 × 10 18 cm −3 .

本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で0.99W/A、内部吸収αiの値として4.0cm−1が得られた。また温度特性も120K以上と良好な値が得られ、p型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。 As the characteristics of the semiconductor laser device of this embodiment, an efficiency value of 0.99 W / A and an internal absorption αi value of 4.0 cm −1 were obtained. Further, the temperature characteristics were as good as 120 K or more, and the resistance value did not increase due to the decrease in the p-type doping concentration. A linear current-light output characteristic was obtained without the occurrence of kinks due to instability of the transverse mode.

上述の如く、本実施形態では、波長870nmという波長1.0μm以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子において、特にp型導電型層mの光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を5.02×1017cm−3という、8.0×1017cm−3以下の値に設定することで、該当波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避することができ、効率0.99W/Aという高い値を得ることができた。 As described above, in the present embodiment, in the semiconductor laser element that oscillates in the near-infrared wavelength band of wavelength 870 nm or less, the optical confinement coefficient Γ (m) and the doping concentration of the p-type conductivity type layer m. P sum of the products of (m) sigma values of {Γ (m) × P ( m)} of 5.02 × 10 17 cm -3, 8.0 × 10 17 cm -3 to set with the following values Thus, it was possible to avoid deterioration of static characteristics due to the influence of free electron absorption in the corresponding wavelength band, and to obtain a high value of 0.99 W / A efficiency.

また、p型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和を定めると同時に、全p型導電型層のうち、層厚でこれらのp型導電型層の80%以上にあたる層でドーピング濃度が1.0×1018cm−3となるように設定している。具体的には、層厚とドーピング濃度をそれぞれ、上部光ガイド層106で90nm、1.35×1018cm−3、上部第一クラッド層107で0.15μm、1.35×1018cm−3、エッチングストップ層108で4nm、8.2×1017cm−3、上部第二クラッド層109で1.28μm、2.4×1018cm−3、第一キャップ層110で0.75μm、3.0×1018cm−3、第二キャップ層114で0.95μm、3.0×1018cm−3、第三キャップ層115で0.3μm、1.0×1020cm−3として、これらのp型導電型層のうち層厚で実質的に100パーセントにあたる層でドーピング濃度が1.0×1018cm−3となるように設定している。 Further, the sum of the products of the p-type doping concentration and the optical confinement coefficient is determined, and at the same time, the doping concentration of the p-type conductivity layer is 80% or more of the p-type conductivity type layer among all the p-type conductivity type layers. It is set to be 0 × 10 18 cm −3 . Specifically, the layer thickness and the doping concentration are respectively 90 nm and 1.35 × 10 18 cm −3 for the upper light guide layer 106, and 0.15 μm and 1.35 × 10 18 cm − for the upper first cladding layer 107. 3 , 4 nm for the etching stop layer 108, 8.2 × 10 17 cm −3 , 1.28 μm for the upper second cladding layer 109, 2.4 × 10 18 cm −3 , 0.75 μm for the first cap layer 110, 3.0 × 10 18 cm −3 , 0.95 μm for the second cap layer 114, 3.0 × 10 18 cm −3 , 0.3 μm for the third cap layer 115, 1.0 × 10 20 cm −3 Of these p-type conductivity type layers, a layer having a thickness substantially equivalent to 100% is set to have a doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 .

従来技術の項で述べたように、主なp型導電型層のドーピング濃度を1017cm−3台という比較的低い値に設定した場合、温度特性、素子抵抗、発振横モードといった効率以外のレーザ特性に好ましくない影響が現れる。この影響は、自由電子吸収の場合とは逆に、p型ドーピング濃度が低いほどレーザ特性にとっては悪影響となる。このことを踏まえて実際に近赤外波長帯の半導体レーザ素子を作製し、これらのレーザ特性について調べたところ、p型導電型層の全層厚に対し80%以上の厚さの層でp型ドーピング濃度を1×1018cm−3以上と設定することで、この影響を回避できることがわかった。本実施形態では、この条件に合うようp型導電型層のドーピング濃度と層厚を定めたことで、該当波長帯で自由電子吸収の影響による静特性の悪化を回避しながら、温度特性120K以上など、その他の特性も良好な値を確保することができた。そして高効率と高温度特性/低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。 As described in the section of the prior art, when the doping concentration of the main p-type conductivity type layer is set to a relatively low value of 10 17 cm −3 , other than efficiency such as temperature characteristics, element resistance, and oscillation transverse mode. Undesirable effects appear on the laser characteristics. Contrary to the case of free electron absorption, this effect has an adverse effect on the laser characteristics as the p-type doping concentration is lower. Based on this fact, semiconductor laser elements in the near-infrared wavelength band were actually fabricated, and their laser characteristics were examined. As a result, it was found that a layer having a thickness of 80% or more with respect to the total thickness of the p-type conductivity type layer It was found that this effect can be avoided by setting the type doping concentration to 1 × 10 18 cm −3 or more. In this embodiment, the p-type conductivity layer doping concentration and layer thickness are determined so as to meet this condition, so that deterioration of static characteristics due to the influence of free electron absorption is avoided in the corresponding wavelength band, and temperature characteristics of 120K or higher. Etc., and other characteristics were able to ensure good values. A semiconductor laser device having both high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption can be obtained.

また本実施形態では、光閉じ込め構造を形成するリッジストライプ部R(上部第二クラッド層109および第一キャップ層110)の導電型をp型としたため、これをn型にした場合に比べて自由電子吸収を抑制でき、より高い効率で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。本実施形態の半導体レーザ素子では活性層と平行な方向の発振横モードを安定化するために、リッジストライプ部にエネルギーギャップの小さい材料を用いて、エッチングストップ層108より上方の層の光閉じ込め係数を低くしている。その結果、活性層105より下部のn型導電型層の光閉じ込め係数は、活性層105を挟んで等距離にあるp型導電型層のそれよりも大きな値となる。一般に同じドーピング濃度で比較すると、p型ドーパントの自由電子吸収係数はn型ドーパントの値よりも大きいため、光閉じ込め構造を含む側の層をp型とした方が、逆の場合よりも自由電子吸収の影響が小さくでき、効率の向上につながる。   In this embodiment, since the conductivity type of the ridge stripe portion R (the upper second cladding layer 109 and the first cap layer 110) forming the optical confinement structure is p-type, it is free compared with the case where it is n-type. A semiconductor laser element capable of suppressing electron absorption and oscillating with higher efficiency could be obtained. In the semiconductor laser device of this embodiment, in order to stabilize the oscillation transverse mode in the direction parallel to the active layer, a material having a small energy gap is used for the ridge stripe portion, and the optical confinement coefficient of the layer above the etching stop layer 108 is used. Is low. As a result, the optical confinement factor of the n-type conductivity type layer below the active layer 105 is larger than that of the p-type conductivity layer that is equidistant from the active layer 105. In general, when compared at the same doping concentration, the free electron absorption coefficient of the p-type dopant is larger than the value of the n-type dopant, so that the p-type layer on the side containing the optical confinement structure is more free electron than the reverse case. Absorption effects can be reduced, leading to improved efficiency.

さらに本実施形態では、上部第二クラッド層109、第一〜第三キャップ層110、114、115のドーピング濃度を各々2.4×1018cm−3、3.0×1018cm−3、3.0×1018cm−3、1.0×1020cm−3と、全て1.0×1018cm−3以上となるよう設定している。これらの層は電流狭窄構造のうち数μmという狭いリッジ幅でその幅が決まる電流注入領域を構成する層であり、またその層厚の合計が3.28μmとp型導電型層全体の約90%という80%以上の値を占めるため、これらの層の素子抵抗への寄与は極めて大きい。このため、これらの層のドーピング濃度を1.0×1018cm−3以上となるよう設定することにより、自由電子吸収による特性の悪化を回避すると同時に素子の低抵抗化をも実現することができた。 Furthermore, in the present embodiment, the doping concentrations of the upper second cladding layer 109 and the first to third cap layers 110, 114, and 115 are 2.4 × 10 18 cm −3 , 3.0 × 10 18 cm −3 , respectively. 3.0 × 10 18 cm −3 and 1.0 × 10 20 cm −3 are all set to be 1.0 × 10 18 cm −3 or more. These layers constitute a current injection region whose width is determined by a narrow ridge width of several μm in the current confinement structure, and the total thickness is 3.28 μm, which is about 90 of the entire p-type conductivity type layer. %, The contribution of these layers to the device resistance is extremely large. For this reason, by setting the doping concentration of these layers to be 1.0 × 10 18 cm −3 or more, it is possible to avoid deterioration of characteristics due to free electron absorption and to reduce the resistance of the element. did it.

また本実施形態では、第一〜第三キャップ層110、114、115の光閉じ込め係数を合わせて5.0×10−6程度と非常に小さな値になるよう設定している。一般にキャップ層は低オーミック抵抗とするために1.0×1018cm−3〜1.0×1020cm−3という非常に高濃度のドーピングがなされており、ここに光が存在すると多大な吸収を被る。また、キャップ層には、コンタクト抵抗を低減するために、小さなエネルギーギャップをもつ半導体材料が用いられる。本実施形態ではGaAsを用いているが、この場合、周囲の層に比べて屈折率が高く、また発振波長に対して透明な層となる。このため、光閉じ込め係数で5.0×10−5を越える光が存在すると、このキャップ層が導波層となり、活性層を通る本来の導波光と干渉を起こす。この干渉は電流−光出力特性に複数のキンクを引き起こすため、符号誤り率などの通信品質を劣化させることとなる。本実施形態ではキャップ層の光閉じ込め係数を5.0×10−6程度と5.0×10−5以下になるように設定したため、これらの影響を受けることなく、高効率かつ安定に通信動作させ得る半導体レーザ素子を得ることができた。 In the present embodiment, the optical confinement coefficients of the first to third cap layers 110, 114, and 115 are set to a very small value of about 5.0 × 10 −6 . In general, the cap layer is doped at a very high concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 to 1.0 × 10 20 cm −3 in order to obtain a low ohmic resistance. Suffers from absorption. Further, a semiconductor material having a small energy gap is used for the cap layer in order to reduce contact resistance. In this embodiment, GaAs is used. In this case, the refractive index is higher than that of the surrounding layers, and the layer is transparent to the oscillation wavelength. For this reason, when light having an optical confinement coefficient exceeding 5.0 × 10 −5 exists, this cap layer becomes a waveguide layer, and causes interference with the original guided light passing through the active layer. Since this interference causes a plurality of kinks in the current-light output characteristics, communication quality such as a code error rate is deteriorated. In this embodiment, since the optical confinement coefficient of the cap layer is set to be about 5.0 × 10 −6 and 5.0 × 10 −5 or less, the communication operation can be performed efficiently and stably without being affected by these. A semiconductor laser device that can be obtained was obtained.

さらに本実施形態では、光閉じ込め構造と電流狭窄構造の活性層と平行な方向の幅を規定するリッジ幅(リッジ最下部の幅を言う。)を2.2μm以上の値となるようにしており、埋め込み層111〜113での自由電子吸収を抑制することができた。リッジ幅数μmで横基本モード発振する半導体レーザ素子の、リッジ幅に対するニアフィールドパターン(NFP)径の変化を調べると、図3に実線で示す結果が得られた。図3中、破線は比較のために示したNFP径が等しい場合の線である。この図から、リッジ幅の変化を1とすると、NFP径の変化は0.11程度と非常に小さいことがわかる。このため、リッジ幅が狭いほど、リッジ幅に対するNFP径は大きくなり、結果として、埋め込み層111〜113への光の漏れが大きくなる。埋め込み層111〜113は非電流注入部とするために高濃度にドーピングされているため、埋め込み層111〜113に漏れた光はその量に応じた自由電子吸収の増加に直結することとなる。しかし、リッジ幅が2.2μm以上の場合、図3に示すようにNFP径がリッジ幅より狭くなるため、埋め込み層への光の漏れによる自由電子吸収の増加を抑制することができる。   Furthermore, in this embodiment, the ridge width (referred to as the width at the bottom of the ridge) that defines the width in the direction parallel to the active layer of the optical confinement structure and the current confinement structure is set to a value of 2.2 μm or more. The free electron absorption in the buried layers 111 to 113 could be suppressed. When the change of the near field pattern (NFP) diameter with respect to the ridge width of the semiconductor laser device that oscillates in the transverse fundamental mode with a ridge width of several μm was examined, the result indicated by the solid line in FIG. 3 was obtained. In FIG. 3, a broken line is a line when the NFP diameters shown for comparison are equal. From this figure, it can be seen that if the change in the ridge width is 1, the change in the NFP diameter is as small as about 0.11. For this reason, the narrower the ridge width, the larger the NFP diameter with respect to the ridge width. As a result, light leakage to the buried layers 111 to 113 increases. Since the buried layers 111 to 113 are doped at a high concentration so as to be a non-current injection portion, light leaked to the buried layers 111 to 113 is directly connected to an increase in free electron absorption corresponding to the amount. However, when the ridge width is 2.2 μm or more, the NFP diameter becomes narrower than the ridge width as shown in FIG. 3, so that increase of free electron absorption due to light leakage to the buried layer can be suppressed.

但し、リッジ幅が4.0μm以上となると、いわゆる横高次カットオフ周波数を越えて横モードが不安定化する場合が多く、また、たとえ基本モードを維持できたとしてもスペクトルホールバーニングにより、キンクの発生原因となる。本実施形態ではリッジ幅を4.0μmよりも狭い幅に設定したため、安定して横基本モード発振する半導体レーザ素子を得ることができた。   However, when the ridge width is equal to or greater than 4.0 .mu.m, in many cases to destabilize the transverse mode beyond the so-called higher-order transverse cut-off frequency, and by even spectral hole burning even able to maintain the fundamental mode, kink Cause the occurrence of In this embodiment, since the ridge width is set to be narrower than 4.0 μm, it is possible to obtain a semiconductor laser device that stably oscillates in the transverse fundamental mode.

ところで、本実施形態では、このような構造を有する半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製するにあたり、特に下部光ガイド層104から量子井戸活性層105、さらに量子井戸活性層105から上部光ガイド層106を成長する際、量子井戸活性層成長温度の690℃と活性層以外の層の成長温度713℃の間の温度不連続界面でガスの流入を一旦中断し、温度が安定した後に再開するという成長方法を用いている。もしこの界面で一旦中断せず連続して成長した場合、温度が変化した直後に温度のオーバーシュートが起こる。ドーピング量はドーパント材料ガスの濃度やドープされる導電型層の材料、成長時の温度で決まるため、温度のオーバーシュートにより設定した温度とは異なる温度で成長された層のドーピング濃度は、現実には設定とは異なる値となる。本実施形態では、該当界面で一旦成長を中断して再開するという方法を用いたため、このようなオーバーシュートが起こらず、各導電型層とも、設定通りのドーピングプロファイルを得ることができ、高効率と高温度特性/低消費電力を両立した半導体レーザ素子を得ることができた。   By the way, in the present embodiment, in fabricating a semiconductor laser device having such a structure by using a metal organic chemical vapor deposition method, in particular, from the lower light guide layer 104 to the quantum well active layer 105 and further to the quantum well active layer 105. When the upper light guide layer 106 is grown from above, the gas flow is temporarily interrupted at the temperature discontinuous interface between the quantum well active layer growth temperature of 690 ° C. and the growth temperature of the layers other than the active layer 713 ° C. It uses a growth method that resumes after having started. If it grows continuously without interruption at this interface, a temperature overshoot occurs immediately after the temperature changes. Since the doping amount is determined by the concentration of the dopant material gas, the material of the doped conductive type layer, and the temperature during growth, the doping concentration of the layer grown at a temperature different from the temperature set by the temperature overshoot is actually Is different from the setting. In the present embodiment, since using a method that resumed once interrupted growth in the corresponding interface, it does not occur such an overshoot, in each conductive layer, it is possible to obtain a doping profile as designed, high efficiency And a semiconductor laser device having both high temperature characteristics / low power consumption.

なお、量子井戸活性層105を構成する井戸/障壁層の歪の定義については、GaAs基板の格子定数をa(GaAs)、井戸層または障壁層の格子定数をaとして、{a−a(GaAs)}/a(GaAs)で定義され、その符号が正の場合を圧縮歪、負の場合を引っ張り歪としている。また、歪の大きさは圧縮/引っ張り歪とも絶対値で表現している。   For the definition of the strain of the well / barrier layer constituting the quantum well active layer 105, the lattice constant of the GaAs substrate is a (GaAs) and the lattice constant of the well layer or barrier layer is a. )} / A (GaAs), where the sign is positive is compression strain, and negative is tensile strain. The magnitude of strain is expressed as an absolute value for both compression / tensile strain.

〈第2実施形態〉
本発明の第2実施形態の半導体レーザ素子について、図4を用いてその構造を説明する。
Second Embodiment
The structure of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

層構造は、基板201上に、バッファ層202、下部第一クラッド層203a、下部第二クラッド層203b、下部光ガイド層204、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層205、上部光ガイド層206、上部第一クラッド層207、エッチングストップ層208、上部第二クラッド層209、第一キャップ層210がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層209と第一キャップ層210とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形で第一埋め込み層211、第二埋め込み層212、第三埋め込み層213(これらをまとめて埋め込め部F)が積層され、この埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面に第二キャップ層214、第三キャップ層215が積層されている。なお、216,217はそれぞれp型電極、n型電極である。   The layer structure consists of a buffer layer 202, a lower first cladding layer 203a, a lower second cladding layer 203b, a lower light guide layer 204, a multiple quantum well active layer 205 composed of a quantum well layer and a barrier layer, an upper light, on a substrate 201. The guide layer 206, the upper first cladding layer 207, the etching stop layer 208, the upper second cladding layer 209, and the first cap layer 210 are laminated in this order from the substrate side, and the upper second cladding layer 209, the first cap layer 210, Thus, a ridge stripe structure (ridge stripe portion R) is formed in which the lowermost portion of the ridge is directly above the etching stop layer. On both sides of the ridge stripe portion R, a first buried layer 211, a second buried layer 212, and a third buried layer 213 (collectively a buried portion F) are stacked so as to bury their side surfaces. The stripe portion R forms a current confinement structure in which current flows mainly directly under the ridge stripe portion R. Further, a second cap layer 214 and a third cap layer 215 are laminated on the entire upper surface of the ridge stripe portion R and the buried portion F. Reference numerals 216 and 217 denote a p-type electrode and an n-type electrode, respectively.

第2実施形態の一具体例では、n−GaAs基板201上に、n−GaAsバッファ層202(0.5μm厚)、n−Al0.45Ga0.55As下部第一クラッド層203a(3.0μm厚)、n−Al0.47Ga0.53As下部第二クラッド層203b(0.24μm厚)、n−Al0.43Ga0.57As下部光ガイド層204(103nm厚)、2層の0.4%圧縮歪In0.21Ga0.79As0.620.38量子井戸層(7.5nm厚)と3層の0.8%引っ張り歪In0.09Ga0.91As0.40.6障壁層(3層のうち基板側から第1、第3番目の障壁層の層厚10nm、第2番目は5nm厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層205(発振波長0.75μm)、p−Al0.43Ga0.57As上部光ガイド層206 (53nm厚)、p−Al0.49Ga0.51As上部第一クラッド層207(0.177μm厚)、p−GaAsエッチングストップ層208(3nm厚)、p−Al0.49Ga0.51As上部第二クラッド層209(1.28μm厚)、p−GaAs第一キャップ層 210(0.75μm厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層209と第一キャップ層210とでリッジの最下部がエッチングストップ層直上となるリッジストライプ部Rを形成している。このリッジストライプ部Rは高さが約2μm、幅がエッチングストップ層208層直上の最も広いところで約2.8μmである。 In a specific example of the second embodiment, an n-GaAs buffer layer 202 (0.5 μm thick), an n-Al 0.45 Ga 0.55 As lower first cladding layer 203a (3 0.04 μm thick), n-Al 0.47 Ga 0.53 As lower second cladding layer 203b (0.24 μm thick), n-Al 0.43 Ga 0.57 As lower light guide layer 204 (103 nm thick), Two layers of 0.4% compressive strain In 0.21 Ga 0.79 As 0.62 P 0.38 quantum well layer (7.5 nm thickness) and three layers 0.8% tensile strain In 0.09 Ga 0 .91 As 0.4 P 0.6 Barrier Layer (Undoped Multiple Quantum Well with Alternating Layers of Layers 10th and 5th Thickness of First and Third Barrier Layers from the Substrate Side of the Three Layers) Active layer 205 (oscillation wavelength 0.75 μm), p-Al 0.43 Ga 0.57 As upper light guide layer 206 (53 nm thickness), p-Al 0.49 Ga 0.51 As upper first cladding layer 207 (0.177 μm thickness), p-GaAs etching stop layer 208 (3 nm thickness), p-Al 0.49 Ga 0.5 . A 51 As upper second cladding layer 209 (1.28 μm thickness) and a p-GaAs first cap layer 210 (0.75 μm thickness) are laminated in this order from the substrate side, and the upper second cladding layer 209 and the first cap layer 210 are laminated. Thus, a ridge stripe portion R is formed in which the lowermost portion of the ridge is directly above the etching stop layer. The ridge stripe portion R has a height of about 2 μm and a width of about 2.8 μm at the widest portion immediately above the etching stop layer 208.

リッジストライプ部Rの両側にはその側面を埋め込む形でn−Al0.7Ga0.3As第一埋め込み層211(0.6μm厚)、n−GaAs第二埋め込み層212(0.7μm厚)、p−GaAs第三埋め込み層213(0.7μm厚)が積層され、埋め込み部Fとリッジストライプ部Rとで、主にリッジストライプ部R直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに リッジストライプ部Rと埋め込み部Fの上全面にp−GaAs第二キャップ層214(0.95μm厚)、p−GaAs第三キャップ層215(0.3μm厚)が積層されている。 The n-Al 0.7 Ga 0.3 As first buried layer 211 (0.6 μm thickness) and the n-GaAs second buried layer 212 (0.7 μm thickness) are embedded on both sides of the ridge stripe portion R. ), A p-GaAs third buried layer 213 (0.7 μm thick) is stacked, and the buried portion F and the ridge stripe portion R form a current confinement structure in which current flows mainly directly below the ridge stripe portion R. . Further, a p-GaAs second cap layer 214 (0.95 μm thickness) and a p-GaAs third cap layer 215 (0.3 μm thickness) are laminated on the entire upper surface of the ridge stripe portion R and the buried portion F.

本実施形態の半導体レーザ素子を有機金属化学気相成長法を用いて作製する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第1実施形態に準ずる。また端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、第1実施形態と同じである。   The growth profile such as the growth temperature and interruption when the semiconductor laser device of this embodiment is manufactured using the metal organic chemical vapor deposition method is the same as that of the first embodiment. The process up to the edge emitting semiconductor laser element is also the same as in the first embodiment.

本実施形態の半導体レーザ素子の、p型導電型層のドーピング濃度Pと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部光ガイド層206で2.0×1018cm−3、0.086、上部第一クラッド層207で2.0×1018cm−3、0.146、上部第二クラッド層209で5.0×1018cm−3、0.062、GaAsキャップ層については、第一キャップ層210で3.0×1018cm−3、5.0×10−6、第二キャップ層214で3.0×1018cm−3、1.0×10−7未満、第三キャップ層215で1.0×1020cm−3、1.0×10−7未満とし、活性層205に隣接する上部光ガイド層206からリッジストライプ部Rを通って第3キャップ層215までのp型導電型層m(本実施形態では、m=1、2…7)の光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が略7.77×1017cm−3となるように設定している。 In the semiconductor laser device of this embodiment, the p-type conductivity layer doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ are 2.0 × 10 18 cm −3 and 0.086 for the upper light guide layer 206, respectively. 2.0 × 10 18 cm −3 , 0.146 for one cladding layer 207, 5.0 × 10 18 cm −3 , 0.062 for the upper second cladding layer 209, and the first cap layer for the GaAs cap layer 210 is 3.0 × 10 18 cm −3 , 5.0 × 10 −6 , and the second cap layer 214 is 3.0 × 10 18 cm −3 , less than 1.0 × 10 −7 , and the third cap layer 215. P-type conductivity from the upper light guide layer 206 adjacent to the active layer 205 to the third cap layer 215 through the ridge stripe portion R, and less than 1.0 × 10 20 cm −3 and 1.0 × 10 −7. Mold layer m (in this embodiment m = 1,2 ... 7) of the optical confinement factor gamma (m) and the doping concentration P (sum of products of m) Σ {Γ (m) × P (m)} value substantially 7.77 × 10 17 cm of -3 .

また電流狭窄構造のうち非電流注入部となる埋め込み層のドーピング濃度は、n−第一埋め込み層211で3.0×1018cm−3、n−第二埋め込み層212で3.0×1018cm−3、p−第三埋め込み層213で5.0×1018cm−3とした。 In addition, the doping concentration of the buried layer serving as a non-current injection portion in the current confinement structure is 3.0 × 10 18 cm −3 for the n−first buried layer 211 and 3.0 × 10 10 for the n−second buried layer 212. 18 cm −3 , and the p-third buried layer 213 was 5.0 × 10 18 cm −3 .

本実施形態の半導体レーザ素子の特性は、効率の値で0.97W/A、内部吸収αiの値として5cm−1が得られた。また温度特性も120K以上と良好な値が得られ、p型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇もみられなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。 As the characteristics of the semiconductor laser device of this embodiment, 0.97 W / A in terms of efficiency and 5 cm −1 in terms of internal absorption αi were obtained. Further, the temperature characteristics were as good as 120 K or more, and the resistance value did not increase due to the decrease in the p-type doping concentration. A linear current-light output characteristic was obtained without the occurrence of kinks due to instability of the transverse mode.

このように、本実施形態においても、第1実施形態と同じように、自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性/低消費電力を両立した、波長1.0μm以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。本第2実施形態では、p型導電型層の各個別の層の光閉じ込め係数やドーピング濃度の値も第1実施形態と同様、高効率と高温度特性/低消費電力を両立すべき値の範囲となるよう設定している。   As described above, in this embodiment as well, as in the first embodiment, it is possible to achieve both high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption without being affected by free electron absorption. A semiconductor laser element that oscillates in the infrared wavelength band was obtained. In the second embodiment, the values of the optical confinement coefficient and the doping concentration of each individual layer of the p-type conductivity type are values that should satisfy both high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption as in the first embodiment. The range is set.

また本実施形態では、特に発振波長を750nmという第1実施形態よりも短い波長で発振する半導体レーザ素子に本発明を適用している。前述したように、短波長帯では自由電子吸収のうちエネルギーバンド内の谷の間での遷移による吸収の影響が大きくなると言われる。これは波長に反比例する成分を持つが、特に700nm以下の波長では、自由電子吸収αfcの値で10cm−1を越えることを本発明者は見出した。これを踏まえて、本実施形態ではレーザ発振波長を750nmとしたため、上述の波長に反比例する自由電子吸収成分による吸収の影響を被ることなく、0.97W/Aという比較的高い効率の半導体レーザ素子を得ることができた。 Further, in the present embodiment, the present invention is applied to a semiconductor laser element that oscillates at a wavelength shorter than that of the first embodiment, in particular, an oscillation wavelength of 750 nm. As described above, in the short wavelength band, it is said that the influence of absorption due to transition between valleys in the energy band in the free electron absorption becomes large. This has a component inversely proportional to the wavelength, but the present inventors have found that the value of free electron absorption αfc exceeds 10 cm −1 particularly at a wavelength of 700 nm or less. Based on this, since the laser oscillation wavelength is set to 750 nm in this embodiment, the semiconductor laser device has a relatively high efficiency of 0.97 W / A without being affected by absorption by a free electron absorption component inversely proportional to the above-described wavelength. Could get.

さらに、本実施形態では、第1実施形態と同様、第一〜第三キャップ層210、214、215の光閉じ込め係数を合わせて1.0×10−5程度と、1.0×10−5以下となるよう設定した上で、上部光ガイド層206からリッジストライプ部Rを通って第三キャップ層215までのp型導電型全層のうち層の光閉じ込め係数が1.0×10−4以上の層のドーピング濃度を、上部光ガイド層で2.0×1018cm−3、上部第一クラッド層で2.0×1018cm−3、上部第二クラッド層で5.0×1018cm−3と全て8.0×1018cm−3以下となるように設定している。一般に半導体に高濃度ドーピングを行うと層の屈折率が大きくなるが、AlGaAs系材料ではドーピング濃度が8.0×1018cm−3を越えるとこの傾向が顕著となり、この影響で該当層の光閉じ込め係数Γが設定値よりも大きくなる。このため、光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σが増大し、効率が低下することになる。但し、光閉じ込め係数が1.0×10−4より小さい層では存在する光の量が極めて小さいため、該当層の屈折率が増大したとしてもレーザ素子全体の光の形状を変えるまでには至らない。本実施形態では、p型導電型層全層のうち光閉じ込め係数が1.0×10−4以上の層のドーピング濃度の上限を5.0×1018cm−3と、8.0×1018cm−3以下になるよう設定したため、設定の光分布形状を維持することができ、目的の通りの高効率と高温度特性/低消費電力を両立した半導体レーザ素子が得られた。 Further, in the present embodiment, as in the first embodiment, the optical confinement coefficients of the first to third cap layers 210, 214, and 215 are about 1.0 × 10 −5 and 1.0 × 10 −5. The light confinement coefficient of the p-type conductivity type all layers from the upper light guide layer 206 through the ridge stripe portion R to the third cap layer 215 is set to 1.0 × 10 −4. a doping concentration of more layers, the upper optical guide layer at 2.0 × 10 18 cm -3, an upper first cladding layer at 2.0 × 10 18 cm -3, second upper cladding layer at 5.0 × 10 18 cm −3 and all are set to 8.0 × 10 18 cm −3 or less. In general, when a semiconductor is heavily doped, the refractive index of the layer increases. However, when the doping concentration exceeds 8.0 × 10 18 cm −3 in an AlGaAs-based material, this tendency becomes significant. The confinement factor Γ becomes larger than the set value. For this reason, the sum Σ of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration increases, and the efficiency decreases. However, since the amount of light existing in a layer having an optical confinement factor smaller than 1.0 × 10 −4 is extremely small, even if the refractive index of the corresponding layer is increased, the light shape of the entire laser device is not changed. Absent. In the present embodiment, the upper limit of the doping concentration of a layer having an optical confinement coefficient of 1.0 × 10 −4 or more among all p-type conductivity type layers is 5.0 × 10 18 cm −3 , and 8.0 × 10. Since it was set to be 18 cm −3 or less, the set light distribution shape could be maintained, and a semiconductor laser device having both high efficiency as intended and high temperature characteristics / low power consumption was obtained.

〈第3実施形態〉
本発明の第3の実施形態の半導体レーザ素子について、図5を用いてその構造を説明する。
<Third Embodiment>
The structure of the semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

その層構造は、基板301上に、バッファ層302、下部第一クラッド層303a、下部第二クラッド層303b、下部光ガイド層304、量子井戸層と障壁層からなる多重量子井戸活性層305、上部第一光ガイド層306a、上部第二光ガイド層306b、上部第一クラッド層307、エッチングストップ層308、上部第二クラッド層309、第一キャップ層310、第二キャップ層311がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層309と第一、第二キャップ層310、311とでリッジの最下部がエッチングストップ層308直上であるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。リッジストライプ部Rの側面及びその両側には絶縁膜322が積層され、この絶縁膜322とリッジストライプ部Rとで、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。   The layer structure includes a buffer layer 302, a lower first cladding layer 303a, a lower second cladding layer 303b, a lower light guide layer 304, a multiple quantum well active layer 305 composed of a quantum well layer and a barrier layer, and an upper portion. The first light guide layer 306a, the upper second light guide layer 306b, the upper first cladding layer 307, the etching stop layer 308, the upper second cladding layer 309, the first cap layer 310, and the second cap layer 311 are arranged in this order on the substrate side. The upper second cladding layer 309 and the first and second cap layers 310 and 311 form a ridge stripe structure (ridge stripe portion R) in which the lowermost portion of the ridge is directly above the etching stop layer 308. An insulating film 322 is laminated on the side surface and both sides of the ridge stripe portion R, and the insulating film 322 and the ridge stripe portion R form a current confinement structure in which current flows only directly under the ridge stripe portion.

第3実施形態の一具体例では、n−GaAs基板301上に、n−GaAsバッファ層302(0.5μm厚)、n−Al0.56Ga0.44As下部第一クラッド層303a(2μm厚)、n−Al0.3Ga0.7As下部第二クラッド層303b(0.05μm厚)、n−Al0.41Ga0.59As下部光ガイド層304(100nm厚)、2層の0.14%圧縮歪 In0.12Ga0.88As量子井戸層(4.8nm厚)と3層の無歪Al0.15Ga0.85As障壁層(3層のうち基板側から第1、第3番目の障壁層の層厚22nm、第2番目は8nm厚)を交互に積層したアンドープ多重量子井戸活性層305(発振波長0.89μm)、p−Al0.4Ga0.6As上部第一光ガイド層306a(50nm厚)、p−Al0.4Ga0.6As上部第二光ガイド層306b(50nm厚)、p−Al0.47Ga0.53As上部第一クラッド層307(0.4μm厚)、p−InGaAsPエッチングストップ層308(15nm厚)、p−Al0.5Ga0.5As上部第二クラッド層309(1.28μm厚)、p−GaAs第一キャップ層310(1.7μm厚)、 p−GaAs第二キャップ層311(0.3μm厚)がこの順に基板側から積層され、上部第二クラッド層309と第一、第二キャップ層310、311とでリッジの最下部がエッチングストップ層308直上であるリッジストライプ構造(リッジストライプ部R)を形成している。 In a specific example of the third embodiment, an n-GaAs buffer layer 302 (0.5 μm thick), an n-Al 0.56 Ga 0.44 As lower first cladding layer 303 a (2 μm) are formed on an n-GaAs substrate 301. Thickness), n-Al 0.3 Ga 0.7 As lower second cladding layer 303b (0.05 μm thickness), n-Al 0.41 Ga 0.59 As lower light guide layer 304 (100 nm thickness), two layers 0.14% compression strain of In 0.12 Ga 0.88 As quantum well layer (4.8 nm thickness) and three unstrained Al 0.15 Ga 0.85 As barrier layers (from the substrate side of the three layers) Undoped multiple quantum well active layer 305 (oscillation wavelength 0.89 μm), p-Al 0.4 Ga 0,0, alternately stacked with a thickness of 22 nm for the first and third barrier layers and a thickness of 8 nm for the second barrier layer . 6 As the first light guide layer 306a (50 nm thick) top, p-Al 0.4 Ga 0.6 As upper second light Id layer 306 b (50 nm thick), p-Al 0.47 Ga 0.53 As first upper cladding layer 307 (0.4 .mu.m thick), p-InGaAsP etch stop layer 308 (15 nm thick), p-Al 0.5 Ga 0.5 As upper second cladding layer 309 (1.28 μm thickness), p-GaAs first cap layer 310 (1.7 μm thickness), p-GaAs second cap layer 311 (0.3 μm thickness) in this order. A ridge stripe structure (ridge stripe portion R) is formed by laminating from the substrate side, and the upper second cladding layer 309 and the first and second cap layers 310 and 311 have the bottom of the ridge directly above the etching stop layer 308. Yes.

このリッジストライプ部Rは、高さが約3μm、幅がエッチングストップ層308直上の最も広いところで約2.5μmである。リッジストライプ部Rの側面及びその両側には絶縁膜322としてSiO膜が積層され、リッジストライプ部直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。 The ridge stripe portion R has a height of about 3 μm and a width of about 2.5 μm at the widest portion immediately above the etching stop layer 308. A SiO 2 film is laminated as an insulating film 322 on the side surface and both sides of the ridge stripe portion R to form a current confinement structure in which current flows only directly under the ridge stripe portion.

また、絶縁膜322と第二キャップ層311上にはp型電極316が、そして基板301の裏面にはn型電極317が形成されている。   A p-type electrode 316 is formed on the insulating film 322 and the second cap layer 311, and an n-type electrode 317 is formed on the back surface of the substrate 301.

先の第1および第2実施形態の半導体レーザ素子がリッジ埋め込み型半導体レーザ素子であったのに対して、本実施形態の半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザ素子である。   Whereas the semiconductor laser elements of the first and second embodiments are ridge buried semiconductor laser elements, the semiconductor laser element of this embodiment is a ridge waveguide semiconductor laser element.

本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程では、リッジストライプ部Rを形成した後、絶縁膜322をウェハ全面に形成し、その後、第2キャップ層322上の絶縁膜部分をフォトリソグラフィー技術を用いて除去して電流通路を形成している。この点を除いては、本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程は先の2つの実施形態における製造工程と略同様であり、有機金属化学気相成長法を用いて結晶を成長する際の成長温度や中断といった成長プロファイルは、先の第1、第2実施形態に準ずる。また、電極形成後の端面出射型半導体レーザ素子とするまでのプロセスについても、先の実施形態と同じである。   In the manufacturing process of the semiconductor laser device of this embodiment, after forming the ridge stripe portion R, the insulating film 322 is formed on the entire surface of the wafer, and then the insulating film portion on the second cap layer 322 is formed by using a photolithography technique. The current path is formed by removing. Except for this point, the manufacturing process of the semiconductor laser device of this embodiment is generally similar to the manufacturing process in the two previous embodiments, the growth during the growing crystals by metal-organic chemical vapor deposition Growth profiles such as temperature and interruption are the same as those in the first and second embodiments. Further, the process up to the end-emitting semiconductor laser element after electrode formation is the same as in the previous embodiment.

本実施形態の半導体レーザ素子のp型導電型層のドーピング濃度Pと光閉じ込め係数Γの値はそれぞれ、上部第一光ガイド層306aで3.0×1017cm−3、0.135、上部第二光ガイド層306bで8×1017cm−3、0.06、上部第一クラッド層307で1.35×1018cm−3、0.219、上部第二クラッド層309で3.0×1018cm−3、0.011、GaAsキャップ層については、p−第一キャップ層310を5.0×1018cm−3、1.0×10−6、p−第二キャップ層311を1.0×1020cm−3、1.0×10−7未満とし、活性層305に隣接する上部第一光ガイド層306aからリッジストライプ部Rを通って第二キャップ層311までのp型導電型層m(本実施形態では、m=1、2…7)の光閉じ込め係数Γ(m)とドーピング濃度P(m)の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値が4.17×1017cm−3となるように設定している。 The values of the doping concentration P and the optical confinement coefficient Γ of the p-type conductivity type layer of the semiconductor laser device of this embodiment are 3.0 × 10 17 cm −3 and 0.135, respectively, in the upper first light guide layer 306a. 8 × 10 17 cm −3 , 0.06 for the second light guide layer 306 b, 1.35 × 10 18 cm −3 , 0.219 for the upper first cladding layer 307, 3.0 for the upper second cladding layer 309. For the × 10 18 cm −3 , 0.011 and GaAs cap layers, the p-first cap layer 310 is 5.0 × 10 18 cm −3 , 1.0 × 10 −6 , p-second cap layer 311. Is less than 1.0 × 10 20 cm −3 and less than 1.0 × 10 −7, and p from the upper first light guide layer 306a adjacent to the active layer 305 to the second cap layer 311 through the ridge stripe portion R Type conductivity type layer m (this implementation The state, m = 1,2 ... 7 optical confinement factor gamma (m) the product sum Σ {Γ (m) × P (m)} value 4.17 × 10 of the doping concentration P (m)) of It is set to be 17 cm −3 .

本実施形態の半導体レーザ素子の静特性は、効率の値で1.0W/A、内部吸収αiの値として3.5cm−1が得られた。また温度特性も130K以上と良好な値が得られ、p型ドーピング濃度減少による抵抗値の上昇も見られなかった。横モードの不安定化によるキンクの発生もなく、直線的な電流−光出力特性が得られた。 The static characteristics of the semiconductor laser device of the present embodiment were 1.0 W / A in terms of efficiency and 3.5 cm −1 as the value of internal absorption αi. Further, the temperature characteristics were as good as 130 K or higher, and the resistance value did not increase due to the decrease of the p-type doping concentration. A linear current-light output characteristic was obtained without the occurrence of kinks due to instability of the transverse mode.

本実施形態でも、自由電子吸収の影響を受けることなく、高効率と高温度特性/低消費電力を両立した、波長1.0μm以下の近赤外の波長帯で発振する半導体レーザ素子を得ることができた。   Also in the present embodiment, a semiconductor laser device that oscillates in the near-infrared wavelength band of wavelength of 1.0 μm or less, having both high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption, without being affected by free electron absorption. I was able to.

特に本実施形態では、p型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σ{Γ(m)×P(m)}を実施形態1、2よりも小さくなるよう設定している。図8はΣ{Γ(m)×P(m)}と内部吸収αiの関係を示したグラフを示しているが、この図から、特に上記の総和Σ{Γ(m)×P(m)}の値を6.0×1017cm−3以下に設定すると、p型導電型層での自由電子吸収による特性の悪化をほぼ完全に防ぐことができることがわかる。 Particularly in this embodiment, the sum Σ {Γ (m) × P (m)} of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration of each p-type conductivity type layer is set to be smaller than those in the first and second embodiments. FIG. 8 shows a graph showing the relationship between Σ {Γ (m) × P (m)} and the internal absorption αi. From this graph, it can be seen that, in particular, the total Σ {Γ (m) × P (m) } Is set to 6.0 × 10 17 cm −3 or less, it can be seen that deterioration of characteristics due to free electron absorption in the p-type conductivity layer can be almost completely prevented.

また、特に本実施形態の半導体レーザ素子では、波長890nmという、波長900nmを越えない波長となるよう、発振波長を設定している。発振波長900nm以下では、自由電子吸収を求める上記式(1)において波長λの指数pの値が小さくなるため、図9に示すように、特に自由電子吸収による効率の悪化を抑制することができる。   In particular, in the semiconductor laser device of this embodiment, the oscillation wavelength is set so that the wavelength is 890 nm and does not exceed 900 nm. When the oscillation wavelength is 900 nm or less, the value of the index p of the wavelength λ is small in the above equation (1) for obtaining free electron absorption, so that deterioration of efficiency due to free electron absorption can be suppressed as shown in FIG. .

さらに本実施形態では、第1第2実施形態と同様、p型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和の値を規定するとともに、活性層を含むアンドープ層に隣接するp型導電型層のドーピング濃度を2.0×1017cm−3以上となるように設定した。本実施形態の半導体レーザ素子は、長波長帯半導体レーザ素子に比べ、井戸層のエネルギーギャップが大きい分、井戸層−障壁層間の伝導体側エネルギーギャップΔEcが小さく、活性層直近のドーピング濃度を2.0×1017cm−3未満とした場合、活性層を含むアンドープ層からのキャリアリークが急激に増加して半導体レーザ素子の温度特性が悪化する。本実施形態では、活性層直近のドーピング濃度を3.0×1017cm−3に設定したため、上記キャリアリークに対する障壁層としての役割を十分果たすことができ、130K以上という第1、第2実施形態と同等以上の温度特性を確保することができた。 Further, in the present embodiment, as in the first and second embodiments, the sum of the products of the optical confinement coefficient and the doping concentration of each p-type conductivity type is defined, and the p-type conductivity adjacent to the undoped layer including the active layer is defined. The doping concentration of the mold layer was set to be 2.0 × 10 17 cm −3 or more. The semiconductor laser device of this embodiment has a smaller energy gap ΔEc between the well layer and the barrier layer than the long wavelength band semiconductor laser device, and the doping concentration in the vicinity of the active layer is 2. When it is less than 0 × 10 17 cm −3 , carrier leakage from the undoped layer including the active layer increases rapidly, and the temperature characteristics of the semiconductor laser device deteriorate. In this embodiment, since the doping concentration in the immediate vicinity of the active layer is set to 3.0 × 10 17 cm −3 , it can sufficiently serve as a barrier layer against the carrier leak, and the first and second implementations of 130 K or more. A temperature characteristic equivalent to or better than that of the form could be secured.

そして、本実施形態では、p型導電型各層の光閉じ込め係数とドーピング濃度の積の総和Σの値などを規定するとともに、p型上部光ガイド層を層の積層方向に2層306a,306bに分け、活性層に近い側すなわち光閉じ込め係数の大きい側の層である上部第一光ガイド層306aのドーピング濃度を3.0×1017cm−3と、遠い側のp型上部第二光ガイド層306bの値8.0×1017cm−3よりも小さく設定している。このことにより自由電子吸収の抑制と温度特性の改善をより効果的に行うことができた。同時に活性層へのドーパントの拡散も抑制することができ、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができた。 In the present embodiment, the value of the sum Σ of the product of the optical confinement coefficient and the doping concentration of each p-type conductivity type layer is specified, and the p-type upper light guide layer is divided into two layers 306a and 306b in the layer stacking direction. In other words, the doping concentration of the upper first light guide layer 306a, which is the layer closer to the active layer, that is, the layer having the larger optical confinement coefficient, is 3.0 × 10 17 cm −3, and the p-type upper second light guide on the far side The value of the layer 306b is set to be smaller than 8.0 × 10 17 cm −3 . This has made it possible to more effectively suppress free electron absorption and improve temperature characteristics. At the same time, the diffusion of dopant into the active layer could be suppressed, and a highly reliable semiconductor laser device could be obtained.

以上3種の実施形態では、波長750nm、900nm弱程度の半導体レーザ素子について記述したが、本発明の骨子は、従来自由電子吸収を問題としていなかった波長1.0μm以下の近赤外波長帯で自由電子吸収の影響の程度を把握し、電流注入領域にあるp型導電型層のドーピング濃度と光閉じ込め係数との積の総和を規定することで、当該波長帯での自由電子吸収の影響の回避と温度特性や素子抵抗の値の維持もしくは改善との両立をはかるものであるため、p型導電型層をもつ波長1.0μm以下、そして好ましくは700nm以上で発振する近赤外波長帯半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。   In the above three embodiments, semiconductor laser elements having wavelengths of about 750 nm and less than 900 nm have been described. However, the gist of the present invention is the near-infrared wavelength band having a wavelength of 1.0 μm or less, where free electron absorption has not been a problem in the past. To determine the extent of the effect of free electron absorption, and by defining the sum of the product of the doping concentration of the p-type conductivity layer in the current injection region and the optical confinement factor, the effect of free electron absorption in that wavelength band In the near-infrared wavelength band that oscillates at a wavelength of 1.0 μm or less, and preferably 700 nm or more, with a p-type conductivity layer. The present invention can be applied to all semiconductor laser elements.

また、上記全実施形態ではp型クラッド層がエッチングストップ層によって二分される構造となっているが、先に述べた本特許の骨子からすると、層を構成する材料の混晶比で規定されるクラッド層の分類については、本発明の本質とは直接の関係はない。例えばエッチングストップ層がなくクラッド層1層で構成されるBH(埋め込みヘテロ)構造型の半導体レーザ素子や、他の目的のためクラッド層が3層以上の複数層で構成された半導体レーザ素子に対しても、本特許の内容は適用され得るものである。   In all the embodiments described above, the p-type cladding layer is divided into two parts by the etching stop layer. However, according to the gist of the patent described above, it is defined by the mixed crystal ratio of the material constituting the layer. The classification of the cladding layer is not directly related to the essence of the present invention. For example, for a BH (buried hetero) structure type semiconductor laser element constituted by one clad layer without an etching stop layer, or a semiconductor laser element constituted by a plurality of layers of clad layers for other purposes. However, the contents of this patent can be applied.

さらに、上記全実施形態において、GaAs基板を用い、かつ被ドーピング層の層材料を全てAlGaAs系の材料としているが、III−V族系の化合物半導体であればp型ドーピング濃度と光閉じ込め係数の積の総和の自由電子吸収αfcへの寄与はほとんど同じであるため、本発明を構成する要件を満たせば、他のIII−V族系の化合物半導体材料、例えばInGaP、InGaAlPなどで構成された半導体レーザ素子全てに適用され得るものである。   Further, in all the above embodiments, a GaAs substrate is used and the layer material of the doped layer is all AlGaAs-based material. However, in the case of a III-V group compound semiconductor, p-type doping concentration and optical confinement coefficient are Since the contribution of the sum of products to the free electron absorption αfc is almost the same, if the requirements constituting the present invention are satisfied, semiconductors composed of other III-V group compound semiconductor materials such as InGaP, InGaAlP, etc. The present invention can be applied to all laser elements.

また導電型についても、全実施形態で活性層より基板に近い側をn型、遠い側をp型としているが、上記実施形態と逆の導電型すなわち活性層より基板に近い側がp型、遠い側がn型という構成に対しても、本発明は適用し得るものである。   As for the conductivity type, the side closer to the substrate than the active layer is n-type and the side far from the active layer is p-type in all embodiments, but the conductivity type opposite to that of the above embodiment, that is, the side closer to the substrate than the active layer is p-type and far away. The present invention can also be applied to a configuration in which the side is n-type.

〈第4実施形態〉
図6を用いて本発明の第4の実施形態である光無線通信用送信装置について説明する。これは、第1実施形態の半導体レーザ素子401を用いて空間的に離れた場所にある受信装置に信号光を送信するための装置である。
<Fourth embodiment>
An optical wireless communication transmission apparatus according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This is an apparatus for transmitting signal light to a receiving apparatus located in a spatially separated place using the semiconductor laser element 401 of the first embodiment.

具体的には、信号発生源402と送信用回路403とレーザドライバ404と電気信号を光に変えて空間に放射する半導体レーザ素子401を備えており、信号発生源402から発せられる電気信号を送信用回路403を通じてレーザドライバ404に入力し、この電気信号を半導体レーザ素子401を用いてE/O(電気/光)変換し、外部空間への放射光405とする。このとき半導体レーザ素子外部には、人体、特に眼への安全基準を満たすよう光を拡散する樹脂モールドが備えつけられており、半導体レーザ素子401から出た光は安全基準を満たす程度に非コヒーレント化され、外部放射光405とされている。   Specifically, a signal generation source 402, a transmission circuit 403, a laser driver 404, and a semiconductor laser element 401 that converts an electric signal into light and radiates it into the space are provided, and an electric signal emitted from the signal generation source 402 is transmitted. The electric signal is input to the laser driver 404 through the trust circuit 403, and this electric signal is E / O (electrical / optical) converted by using the semiconductor laser element 401 to be emitted light 405 to the external space. At this time, a resin mold for diffusing light so as to satisfy the safety standard for the human body, particularly the eyes, is provided outside the semiconductor laser element, and the light emitted from the semiconductor laser element 401 is made incoherent to the extent that the safety standard is satisfied. The external radiation light 405 is used.

このように、第1実施形態の高効率かつ高温度特性/低消費電力の半導体レーザ素子を用いることで、今後の高速光無線通信で必要とされる1.0μm以下の近赤外波長帯の光を低い駆動電力/電圧で発生させることができるため、レーザドライバや他の回路構成部品の消費電力に余裕ができ、ドライバや回路を設計する際の自由度を上げることができる。また高効率、高温度特性から駆動電流を低くすることができるため、半導体レーザ素子の寿命が延び、装置の信頼性が向上する。   As described above, by using the semiconductor laser device with high efficiency and high temperature characteristics / low power consumption according to the first embodiment, a near infrared wavelength band of 1.0 μm or less required for future high-speed optical wireless communication is required. Since light can be generated with low drive power / voltage, there is a margin in power consumption of the laser driver and other circuit components, and the degree of freedom in designing the driver and circuit can be increased. In addition, since the drive current can be lowered due to high efficiency and high temperature characteristics, the life of the semiconductor laser element is extended and the reliability of the device is improved.

〈第5実施形態〉
図7を用いて本発明の第5の実施形態である光ディスク記録再生装置について説明する。これは光ディスク501にデ−タを書き込んだり、書き込まれたデ−タを再生するための装置であり、発光素子502,コリメ−トレンズ503,ビ−ムスプリッタ504,λ/4偏光板504,レ−ザ光照射用対物レンズ506、再生光用対物レンズ507、信号光検出用受光素子508、信号再生回路509を備えている。そして、発光素子502として、先に説明した本発明第2の実施形態の半導体レーザ素子が用いられている。この光ディスク記録再生装置についてその作用を以下に説明する。
<Fifth Embodiment>
An optical disc recording / reproducing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This is a device for writing data on the optical disc 501 and reproducing the written data. The light emitting element 502, collimating lens 503, beam splitter 504, λ / 4 polarizing plate 504, The light irradiation objective lens 506, the reproduction light objective lens 507, the signal light detection light receiving element 508, and the signal reproduction circuit 509 are provided. As the light emitting element 502, the semiconductor laser element according to the second embodiment of the present invention described above is used. The operation of this optical disk recording / reproducing apparatus will be described below.

まず書き込みの際には、半導体レーザ素子502から出射された信号光がコリメ−トレンズ503により平行光とされ、ビ−ムスプリッタ504を透過しλ/4偏光板505で偏光状態が調節された後、対物レンズ506で集光されて光ディスク501に照射される。これに対して、読み出しの際には、デ−タ信号がのっていないレ−ザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク501に照射される。このレ−ザ光がデ−タが記録された光ディスク501の表面で反射され、レ−ザ光照射用対物レンズ506、λ/4波長板505を経た後、ビ−ムスプリッタ504で反射されて90度角度を変えた後、再生光用対物レンズ507で集光され、信号検出用受光素子508に入射する。信号検出用受光素子508内で、入射したレ−ザ光の強弱によって、記録されたデ−タ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路509において元の信号に再生される。   First, at the time of writing, the signal light emitted from the semiconductor laser element 502 is converted into parallel light by the collimate lens 503, passes through the beam splitter 504, and the polarization state is adjusted by the λ / 4 polarizing plate 505. The light is condensed by the objective lens 506 and irradiated onto the optical disc 501. On the other hand, at the time of reading, laser light without a data signal is irradiated onto the optical disc 501 along the same path as at the time of writing. The laser light is reflected by the surface of the optical disk 501 on which the data is recorded, passes through the laser light irradiation objective lens 506 and the λ / 4 wavelength plate 505, and then is reflected by the beam splitter 504. After changing the angle by 90 degrees, the light is condensed by the reproduction light objective lens 507 and incident on the signal detection light receiving element 508. In the signal detecting light receiving element 508, the recorded data signal is converted into an electric signal by the intensity of the incident laser beam, and the signal light reproducing circuit 509 reproduces the original signal.

本実施形態の光ディスク装置は従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子を用いているため、ディスクの回転数を従来よりも高速化してもデ−タの読み書きが可能となった。したがって、特にCD−R/RWなどへの書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなり、より快適な操作を実現した光ディスク装置を提供することができた。   Since the optical disk apparatus of the present embodiment uses a semiconductor laser element that operates at a higher optical output than before, the data can be read and written even if the rotational speed of the disk is made higher than before. Accordingly, an optical disc apparatus that realizes a more comfortable operation because the access time to the disc, which has been a problem particularly when writing to a CD-R / RW, is much shorter than a conventional device using a semiconductor laser element. Could be provided.

本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、基板から第一キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a state where a substrate to a first cap layer are stacked in the manufacturing process of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、エッチング工程が終了した状態を表す模式的断面図である。It is typical sectional drawing showing the state which the etching process was complete | finished in the manufacture process of the semiconductor laser element of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の製造過程において、第三キャップ層まで積層した状態を表す模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a state where a third cap layer is stacked in the manufacturing process of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 実験で得られた、リッジ幅と半導体レーザ素子のニアフィールドパターン(NFP)径の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ridge width | variety obtained by experiment, and the near field pattern (NFP) diameter of a semiconductor laser element. 本発明の第2実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser element of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laser element of 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態の光無線通信用装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the apparatus for optical wireless communications of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態の光ディスク記録再生装置を示す模式的構成図である。It is a typical block diagram which shows the optical disk recording / reproducing apparatus of 5th Embodiment of this invention. 実験で得られた、半導体レーザ素子の内部吸収αiの値と、p型半導体層のドーピング濃度と光密度の積の総和との関係を表したグラフである。It is the graph showing the relationship between the value of internal absorption (alpha) i of the semiconductor laser element obtained by experiment, and the sum total of the product of the doping concentration of a p-type semiconductor layer, and a light density. 自由電子吸収と波長との関係をドーピング濃度をパラメータとして表した模式図である。It is the schematic diagram which represented the relationship between free electron absorption and a wavelength by using doping concentration as a parameter.

101、201、301 基板
102、202、302 バッファ層
103、203a、203b、303a、303b 下部クラッド層
104a、104b、204、304a、304b 下部光ガイド層
105、205、305 活性層
106、206、306a、306b 上部光ガイド層
107、207、307 上部第一クラッド層
108、208、308 エッチングストップ層
109、209、309 上部第二クラッド層
110、210、310 第一キャップ層
114、214、311 第二キャップ層
115、215 第三キャップ層
111、211 第一埋め込み層
112、212 第二埋め込み層
113、213 第三埋め込み層
116、216、316 p型電極
117、217、317 n型電極
121 選択エッチング用絶縁膜
322 電流狭窄用絶縁膜
401 第1実施形態の半導体レーザ素子
402 信号発生源
403 送信用回路
404 レーザドライバ
405 外部空間への放射光
501 光ディスク
502 第2実施形態の半導体レーザ素子
503 コリメ−トレンズ
504 ビ−ムスプリッタ
505 λ/4偏光板
506 レ−ザ光照射用対物レンズ
507 再生光用対物レンズ
508 信号光検出用受光素子
509 信号再生回路
R リッジストライプ部
F 埋め込み部
101, 201, 301 Substrate 102, 202, 302 Buffer layer 103, 203a, 203b, 303a, 303b Lower cladding layer 104a, 104b, 204, 304a, 304b Lower light guide layer 105, 205, 305 Active layer 106, 206, 306a , 306b Upper light guide layer 107, 207, 307 Upper first cladding layer 108, 208, 308 Etching stop layer 109, 209, 309 Upper second cladding layer 110, 210, 310 First cap layer
114, 214, 311 Second cap layer 115, 215 Third cap layer 111, 211 First buried layer 112, 212 Second buried layer 113, 213 Third buried layer 116, 216, 316 P-type electrode 117, 217, 317 n-type electrode 121 insulating film for selective etching 322 insulating film for current confinement 401 semiconductor laser element of first embodiment 402 signal generation source 403 transmission circuit 404 laser driver 405 emitted light to external space 501 optical disc 502 of second embodiment Semiconductor laser element 503 Collimate lens 504 Beam splitter 505 λ / 4 polarizing plate 506 Laser light irradiation objective lens 507 Reproduction light objective lens 508 Signal light detection light receiving element 509 Signal reproduction circuit R Ridge stripe part F Embedding Part

Claims (11)

基板上に、n型クラッド層と、量子井戸活性層である活性層と、p型クラッド層を含む複数のp型導電型層m(ここで、m=1、2…k、但し、kは自然数)とを備え、
発振波長が1.0μm以下かつ700nm以上であり、
上記基板上の全ての層に存在する光量の総和に対する上記p型導電型層mに存在する光量の割合を光閉じ込め係数Γ(m)とし、該p型導電型層mのドーピング濃度をP(m)(cm−3)としたとき、Γ(m)とP(m)の積の総和
Figure 0004628046
が8.0×1017cm−3 以下であり、
ドーピング濃度が1.0×10 18 cm −3 以上であるp型導電型層の層厚の合計が、p型導電型層全体の層厚の合計の80%以上を占めており、
上記複数のp型導電型層は、上記活性層と上記p型クラッド層との間に位置するp型光ガイド層を含んでおり、
上記p型光ガイド層のドーピング濃度が2.0×10 17 cm −3 以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
An n-type cladding layer, an active layer that is a quantum well active layer, and a plurality of p-type conductivity type layers m including a p-type cladding layer (where m = 1, 2,..., K, where k is with a natural number) and,
The oscillation wavelength is 1.0 μm or less and 700 nm or more ,
The ratio of the amount of light present in the p-type conductivity type layer m to the total amount of light present in all the layers on the substrate is defined as an optical confinement coefficient Γ (m), and the doping concentration of the p-type conductivity type layer m is defined as P ( m) (cm −3 ), the sum of products of Γ (m) and P (m)
Figure 0004628046
Ri Der There 8.0 × 10 17 cm -3 or less,
The total thickness of the p-type conductivity layer having a doping concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more occupies 80% or more of the total thickness of the p-type conductivity layer,
The plurality of p-type conductivity layers include a p-type light guide layer positioned between the active layer and the p-type cladding layer,
A semiconductor laser device, wherein the p-type light guide layer has a doping concentration of 2.0 × 10 17 cm −3 or more .
発振波長が950nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。   2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the oscillation wavelength is 950 nm or less. 上記活性層に平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造を有し、
上記活性層に関して、該光閉じ込め構造のある側の層の光閉じ込め係数の総和が、上記光閉じ込め構造のない側の層の光閉じ込め係数の総和よりも小さく、
上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域は上記p型導電型層の少なくとも1つからなることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザ素子。
Having a light confinement structure for confining light in a direction parallel to the active layer,
With respect to the active layer, the sum of the light confinement factors of the layer on the side having the light confinement structure is smaller than the sum of the light confinement factors of the layer on the side having no light confinement structure,
The semiconductor laser device according to claim 1 or 2 area among light is confined in the optical confinement structure is characterized by comprising at least one of the p-type conductivity type layer.
電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造を有し、
上記電流注入領域は上記p型導電型層の少なくとも1つからなり、該電流注入領域のp型導電型層のドーピング濃度は1.0×1018cm−3以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
A current confinement structure comprising a current injection region and a non-current injection region, and confining current in a direction parallel to the active layer,
The current injection region is made of at least one of the p-type conductivity type layers, and the doping concentration of the p-type conductivity type layer in the current injection region is 1.0 × 10 18 cm −3 or more. Item 4. The semiconductor laser device according to any one of Items 1 to 3 .
電流注入領域と非電流注入領域からなり、上記活性層と平行な方向に電流を狭窄する電流狭窄構造と、
上記電流狭窄構造の一部からなり、上記活性層と平行な方向に光を閉じ込める光閉じ込め構造とを備え、
上記光閉じ込め構造のうち光が閉じ込められる領域を画定する2つの境界面は、上記電流狭窄構造内の電流注入領域を画定する2つの境界面と一致しており、上記2つの境界面間の距離は、上記活性層に最も近い部分で2.2μm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1つに記載の半導体レーザ素子。
A current confinement structure comprising a current injection region and a non-current injection region, and confining current in a direction parallel to the active layer;
It comprises a part of the current confinement structure, and comprises a light confinement structure that confines light in a direction parallel to the active layer,
Two boundary surfaces that define a region in which light is confined in the light confinement structure coincide with two boundary surfaces that define a current injection region in the current confinement structure, and a distance between the two boundary surfaces. the semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at 2.2μm or more in the portion closest to the active layer.
記p型光ガイド層は積層方向に異なるドーピング濃度を有する2層以上からなり、これら2層以上のp型光ガイド層のうち、上記活性層に最も近い層のドーピング濃度が他のp型光ガイド層のドーピング濃度よりも小さいことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。 Upper Symbol p-type optical guide layer comprises two or more layers having different doping concentrations in the stacking direction, these two-layer or more p-type optical guide layer, the doping concentration of the layer closest to the active layer other p-type 6. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the concentration of the light guide layer is smaller than that of the light guide layer. 光閉じ込め係数Γが1.0×10−4以上となるp型導電型層のドーピング濃度が8.0×1 cm−3以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。 Any of claims 1 to 6, wherein the doping concentration of p-type conductivity type layer optical confinement factor Γ becomes 1.0 × 10 -4 or more is 8.0 × 1 0 1 8 cm -3 or less The semiconductor laser device according to any one of the above. 上記p型導電型層は、上記p型クラッド層の上部に位置するp型キャップ層を含んでおり、
上記キャップ層の光閉じ込め係数Γが5.0×10−5以下であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
The p-type conductivity type layer includes a p-type cap layer located above the p-type cladding layer.
The semiconductor laser device according to any one of claims 1 to 7, wherein the optical confinement factor of the cap layer Γ is 5.0 × 10 -5 or less.
請求項1〜のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子の製造方法であって、
有機金属化学気相成長法を用いて上記活性層およびその活性層に隣接する層を成長すると共に、上記活性層の成長温度を上記隣接する層の成長温度よりも低くし、かつ成長温度が変化する境界面で成長を一旦中断することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor laser device according to any one of claims 1-8,
The active layer and the layer adjacent to the active layer are grown using metalorganic chemical vapor deposition, the growth temperature of the active layer is lower than the growth temperature of the adjacent layer, and the growth temperature changes. A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein growth is temporarily interrupted at a boundary surface.
請求項1〜のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子を搭載した光無線通信用送信装置。 A transmitter for optical wireless communication equipped with the semiconductor laser element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1〜のいずれか1つに記載の半導体レーザ素子を搭載した光ディスク装置。 An optical disk device on which the semiconductor laser element according to any one of claims 1 to 8 is mounted.
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