JP2010153564A

JP2010153564A - Semiconductor laser element and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2010153564A
Application number: JP2008329596A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ono; 健一小野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser element and a manufacturing method thereof capable of preventing a decrease in crystalline performance to precisely control a mixed crystal composition. <P>SOLUTION: An n-type clad layer 12, an n-side guide layer 14, an active layer 16, a p-side guide layer 18, a p-type clad layer 20, and a p-type contact layer 22 are sequentially formed on an n-type GaAs substrate 10. No window structure is formed at the end surface of a laser resonator. The n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 comprise InGaP with a natural superlattice formed. The band gap of the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 is in the range from 1.77 to 1.88 eV at room temperature. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高出力用途の半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、特に結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser device for high power use and a method for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor laser device capable of preventing a decrease in crystallinity and precisely controlling a mixed crystal composition and a method for manufacturing the same.

半導体レーザ素子において、ガイド層と活性層のバンドギャップエネルギーの差をクラッド層と活性層のバンドギャップエネルギーの差の０．６６倍以下にすると、動作電圧を低減できることが知られている。この条件を満たすために必要なバンドギャップエネルギーを持つガイド層として、従来はＩｎＧａＡｓＰを用いていた（例えば、特許文献１，２参照）。 In a semiconductor laser device, it is known that the operating voltage can be reduced if the difference in band gap energy between the guide layer and the active layer is 0.66 times or less of the difference in band gap energy between the cladding layer and the active layer. Conventionally, InGaAsP has been used as a guide layer having a band gap energy necessary to satisfy this condition (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開２００７−２２７８７０号公報JP 2007-227870 A 特開２００８−１２４１２３号公報JP 2008-124123 A 特開２０００−１１４６５４号公報JP 2000-114654 A 特開平１０−２００１９０号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-200190 K. Ono and M. Takemi、Journal of Cryst. Growth 298 (2007) 41K. Ono and M. Takemi, Journal of Cryst. Growth 298 (2007) 41 A. Gomyo et al., Phys. Rev. Lett. 60 (1988) 2645.A. Gomyo et al., Phys. Rev. Lett. 60 (1988) 2645. 五明ら：第３８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、３０ａ−ＺＧ５（１９９１）Gomei et al .: Proceedings of the 38th Joint Conference on Applied Physics, 30a-ZG5 (1991) Z. C. Feng、 E. Armour、 I. Ferguson、 R. A. Stall、 T. Holden, L. Malikova, J. Z. Wan, and F. H. Pollak, “ Nondestructive assessment of In0.48(Ga1-xAlx)0.52P films grown on GaAs (001) by low pressure metalorganic chemical vapor deposition,” J. Appl. Phys., Vol. 85, No. 7, pp. 3824-3831, Apr. 1999ZC Feng, E. Armor, I. Ferguson, RA Stall, T. Holden, L. Malikova, JZ Wan, and FH Pollak, “Nondestructive assessment of In0.48 (Ga1-xAlx) 0.52P films grown on GaAs (001) by low pressure metalorganic chemical vapor deposition, ”J. Appl. Phys., Vol. 85, No. 7, pp. 3824-3831, Apr. 1999 A. G. Thompson M. Cardona, and K. L. Shaklee, “Electroreflectance in the GaAs-GaP,” Phys. Rev., Vol. 146, No. 2, pp. 601-610, June 1966A. G. Thompson M. Cardona, and K. L. Shaklee, “Electroreflectance in the GaAs-GaP,” Phys. Rev., Vol. 146, No. 2, pp. 601-610, June 1966

しかし、ＩｎＧａＡｓＰは、結晶成長において非混和性領域が存在する。特にＧａＡｓ基板に格子整合する組成やＡｓの比率が小さい組成で、その影響が深刻である。非混和性領域において結晶成長したＩｎＧａＡｓＰでは、相分離の発生によって結晶表面のモフォロジー悪化や、光学特性、電気特性の劣化などが起こる（例えば、非特許文献１参照）。こうした結晶性の低下は、半導体レーザ素子の性能に悪影響を与える。 However, InGaAsP has immiscible regions in crystal growth. In particular, the effect of the lattice matching with the GaAs substrate and the composition with a small ratio of As are serious. InGaAsP crystal grown in the immiscible region causes deterioration of the crystal surface morphology, optical characteristics, and electrical characteristics due to the occurrence of phase separation (see, for example, Non-Patent Document 1). Such a decrease in crystallinity adversely affects the performance of the semiconductor laser device.

また、ＩｎＧａＡｓＰは、結晶成長時に材料ガスであるＡｓＨ_３とＰＨ_３の分解率の比率が成長温度によって大きく左右されるため、混晶組成の精密制御が非常に困難である。従って、半導体レーザ素子の性能を規格内に歩留り良く収めることができなかった。 In InGaAsP, the ratio of the decomposition rate of AsH ₃ and PH ₃ which are material gases at the time of crystal growth depends greatly on the growth temperature, so that it is very difficult to precisely control the mixed crystal composition. Therefore, the performance of the semiconductor laser device could not be kept within the standard with good yield.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる半導体レーザ素子及びその製造方法を得るものである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor laser device capable of preventing a decrease in crystallinity and precisely controlling a mixed crystal composition and a method for manufacturing the same. Is.

本発明は、第１導電型ＧａＡｓ基板と、この第１導電型ＧａＡｓ基板上に順番に形成された第１の第１導電型クラッド層、第１ガイド層、活性層、第２ガイド層、第１の第２導電型クラッド層、及び第２導電型コンタクト層とを備え、レーザ共振器の端面に窓構造が形成されておらず、前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層は、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰからなり、前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶであることを特徴とする半導体レーザ素子である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。 The present invention includes a first conductivity type GaAs substrate and a first first conductivity type cladding layer, a first guide layer, an active layer, a second guide layer, a first guide layer, and a first guide layer formed in order on the first conductivity type GaAs substrate. A second conductive type cladding layer and a second conductive type contact layer, no window structure is formed on the end face of the laser resonator, and the first guide layer and the second guide layer The semiconductor laser device is characterized in that it is made of InGaP with a lattice, and the band gap at room temperature of the first guide layer and the second guide layer is 1.77 to 1.88 eV. Other features of the present invention will become apparent below.

本発明により、結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent a decrease in crystallinity and precisely control the mixed crystal composition.

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型クラッド層１２、ｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２が順番に形成されている。ｐ型クラッド層２０の上部分の両側には、プロトン注入領域２４が形成されている。ｐ型コンタクト層２２上にｐ電極２６が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にｎ電極２８が形成されている。また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子では、レーザ共振器の端面に窓構造が形成されていない。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor laser device according to the first embodiment. On the n-type GaAs substrate 10, an n-type cladding layer 12, an n-side guide layer 14, an active layer 16, a p-side guide layer 18, a p-type cladding layer 20, and a p-type contact layer 22 are sequentially formed. Proton injection regions 24 are formed on both sides of the upper portion of the p-type cladding layer 20. A p-electrode 26 is formed on the p-type contact layer 22, and an n-electrode 28 is formed on the lower surface of the n-type GaAs substrate 10. In the semiconductor laser device according to the present embodiment, the window structure is not formed on the end face of the laser resonator.

ｎ型ＧａＡｓ基板１０の面方位は（１００）面から＜１１１＞Ｂ方向に０．５°〜１０°傾いている。ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０はＡｌ_０．１５Ｇａ_０．３５Ｉｎ_０．５０Ｐ、活性層１６はＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２、ｐ型コンタクト層２２はＧａＡｓからなる。活性層１６として上記材料を用いることにより、発振波長が８０８ｎｍ近傍となる半導体レーザを実現することができる。 The plane orientation of the n-type GaAs substrate 10 is inclined by 0.5 ° to 10 ° in the <111> B direction from the (100) plane. The n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 20 are made of Al _0.15 Ga _0.35 In _0.50 P, the active layer 16 is made of GaAs _0.88 P _0.12 , and the p-type contact layer 22 is made of GaAs. By using the above material for the active layer 16, a semiconductor laser having an oscillation wavelength of about 808 nm can be realized.

また、本実施の形態の特徴として、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８は、自然超格子が形成されたＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐからなる。ここで、自然超格子とはＩｎとＧａがＩＩＩ族原子層面内で規則的に配置された構造である。このｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶである。 As a feature of the present embodiment, the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 are made of In _0.49 Ga _0.51 P on which a natural superlattice is formed. Here, the natural superlattice is a structure in which In and Ga are regularly arranged in the group III atomic layer plane. The n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 have a band gap of 1.77 to 1.88 eV at room temperature.

上記半導体レーザ素子の動作時には、ｐ型クラッド層２０側から活性層１６に正孔が注入され、ｎ型クラッド層１２側から活性層１６に電子が注入される。これらの正孔と電子の結合により、活性層１６にレーザ光が発生する。なお、プロトンは注入した領域を高抵抗にする作用があるので、電流はプロトン注入領域２４を避けて流れる。 During the operation of the semiconductor laser device, holes are injected into the active layer 16 from the p-type cladding layer 20 side, and electrons are injected into the active layer 16 from the n-type cladding layer 12 side. Laser light is generated in the active layer 16 by the combination of these holes and electrons. It should be noted that since protons act to increase the resistance of the implanted region, current flows avoiding the proton implanted region 24.

本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法について説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されたｎ型クラッド層１２、不純物添加のないｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）等が添加されたｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２を順番に形成する。 A method for manufacturing the semiconductor laser device according to the present embodiment will be described. First, an n-type cladding layer 12 to which silicon (Si) is added as an n-type impurity, an n-side guide layer 14 without an impurity, an active layer 16, and a p-side guide are formed on an n-type GaAs substrate 10 by MOCVD or the like. A layer 18, a p-type cladding layer 20 to which zinc (Zn), magnesium (Mg), or the like is added as a p-type impurity, and a p-type contact layer 22 are sequentially formed.

ここで、ＭＯＣＶＤ成長の成長温度を例えば６５０℃とし、成長圧力を例えば１００ｍｂａｒ等とする。各層を形成するための原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウム（Trimethylaluminum: TMA）、トリメチルインジウム（Trimethylindium: TMI）、トリメチルガリウム（Trimethylgallium: TMG）、フォスフィン（Phosphine: PH₃）、アルシン（Arsine: AsH₃）、ジシラン（Si₂H₆）、ジエチル亜鉛（Diethylzinc: DEZ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Cyclopentadienyl Magnesium: Cp₂Mg）を用いる。これら原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller: MFC）等を用いて流量を制御することで、所望の組成の層を得る。 Here, the growth temperature of MOCVD growth is set to, for example, 650 ° C., and the growth pressure is set to, for example, 100 mbar. As a source gas for forming each layer, for example, trimethyl aluminum (Trimethylaluminum: TMA), trimethyl indium (Trimethylindium: TMI), trimethyl gallium (Trimethylgallium: TMG), phosphine (Phosphine: PH _3), arsine (Arsine: AsH ₃₎ Disilane (Si ₂ H ₆ ), diethyl zinc (Diethylzinc: DEZ), and cyclopentadienyl magnesium (Cp ₂ Mg) are used. A layer having a desired composition is obtained by controlling the flow rate of these source gases using a mass flow controller (MFC) or the like.

このエピタキシャル積層構造を形成した後、パターン転写等により部分的にプロトン注入領域２４を形成し、ｐ型コンタクト層２２の上にｐ電極２６を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にｎ電極２８を形成する。以上の工程により、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が製造される。 After forming this epitaxial laminated structure, a proton injection region 24 is partially formed by pattern transfer or the like, a p-electrode 26 is formed on the p-type contact layer 22, and an n-electrode 28 is formed on the lower surface of the n-type GaAs substrate 10. Form. Through the above steps, the semiconductor laser device according to the present embodiment is manufactured.

ここで、ＩｎＧａＰは、自然超格子の発生によりバンドギャップ縮小が起こることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。これは光デバイスの短波長化に対して大きな妨げとなるため、これまで自然超格子の無秩序化（ディスオーダー）の対策が講じられてきた。その最も一般的な対策がＧａＡｓ基板の面方位を（１００）面からＡ方向へ１０°〜２０°傾斜させるというものであり、ＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系の光デバイスにおいて広く用いられている。これに対し、本実施の形態では、自然超格子の発生を利用してバンドギャップが１．７７〜１．８８ｅＶのＩｎＧａＰ層をガイド層に用いている。 Here, it is known that InGaP has a band gap reduction due to the generation of a natural superlattice (see, for example, Non-Patent Document 2). Since this greatly hinders the shortening of the wavelength of optical devices, measures for disordering the natural superlattice have been taken so far. The most common countermeasure is to incline the plane direction of the GaAs substrate from the (100) plane to the A direction by 10 ° to 20 °, and is widely used in InGaP / AlGaInP optical devices. On the other hand, in the present embodiment, an InGaP layer having a band gap of 1.77 to 1.88 eV is used for the guide layer by utilizing generation of a natural superlattice.

図２は、ＧａＡｓ基板の面方位とＩｎＧａＰのバンドギャップの関係を示す図である（例えば、非特許文献３参照）。この図から、ＧａＡｓ基板の面方位を（１００）面からＢ面方向に０．５°〜１０°傾けることにより、単に（１００）ジャスト面を使用するよりも自然超格子によるバンドギャップ縮小を起こすことが分かる。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the plane orientation of the GaAs substrate and the band gap of InGaP (for example, see Non-Patent Document 3). From this figure, by inclining the plane orientation of the GaAs substrate by 0.5 ° to 10 ° from the (100) plane toward the B plane, the band gap is reduced by the natural superlattice rather than simply using the (100) just plane. I understand that.

さらに我々は、面方位の異なるＧａＡｓ基板について成長温度によって自然超格子のオーダリング状態がどのように変化するかを詳細に調査した。図３は、成長温度条件に対するバンドギャップ波長の変化を調べた図である。（１００）ジャスト、Ａ面方向へ１０°オフ、Ｂ面方向へ５°オフという３種類のＧａＡｓ基板についてＰＬ測定を行った。また、バンドギャップ波長は格子整合度換算したものである。この結果より、Ａ面方向へのオフ、（１００）ジャスト、Ｂ面方向へのオフの順にバンドギャップ波長は長く（即ちバンドギャップは小さく）なることが分かる。さらに、それぞれの面方位に対して長波長化の効果を最大にするような成長温度条件が存在することが分かる。この実験結果を参酌して基板面方位や成長条件を適宜選択することで、自然超格子が形成されたＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐからなるｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８を形成することができる。 Furthermore, we investigated in detail how the ordering state of the natural superlattice changes with the growth temperature for GaAs substrates with different plane orientations. FIG. 3 is a graph showing changes in the band gap wavelength with respect to the growth temperature condition. PL measurement was performed on three types of GaAs substrates (100) just, 10 ° off in the A plane direction, and 5 ° off in the B plane direction. Further, the band gap wavelength is converted into the degree of lattice matching. From this result, it can be seen that the band gap wavelength becomes longer (that is, the band gap becomes smaller) in the order of OFF in the A plane direction, (100) just, and OFF in the B plane direction. Furthermore, it can be seen that there is a growth temperature condition that maximizes the effect of increasing the wavelength for each plane orientation. The n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 made of In _0.49 Ga _0.51 P on which natural superlattices are formed are selected by appropriately selecting the substrate surface orientation and growth conditions in consideration of the experimental results. Can be formed.

ここで、ｎ型クラッド層１２、ｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型クラッド層２０のバンドギャップエネルギーをそれぞれＥｇ（Ｃ１）、Ｅｇ（Ｇ１）、Ｅｇ（Ａ）、Ｅｇ（Ｇ２）、Ｅｇ（Ｃ２）とする。ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０はＡｌ_０．１５Ｇａ_０．３５Ｉｎ_０．５０Ｐからなるため、Ｅｇ（Ｃ１）＝Ｅｇ（Ｃ２）＝１．９７１ｅＶである（例えば、非特許文献４参照）。ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８は自然超格子が形成されたＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐからなるため、Ｅｇ（Ｇ１）＝Ｅｇ（Ｇ２）＝１．７７〜１．８８ｅＶである。活性層１６はＧａＡｓ_０．８８Ｐ_０．１２からなるため、Ｅｇ（Ａ）＝１．５７５ｅＶである（例えば、非特許文献５参照）。 Here, the band gap energies of the n-type cladding layer 12, the n-side guide layer 14, the active layer 16, the p-side guide layer 18, and the p-type cladding layer 20 are respectively Eg (C1), Eg (G1), and Eg (A). , Eg (G2), Eg (C2). Since the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 20 are made of Al _0.15 Ga _0.35 In _0.50 P, Eg (C1) = Eg (C2) = 1.971 eV (for example, non-patent literature) 4). Since the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 are made of In _0.49 Ga _0.51 P with a natural superlattice formed, Eg (G1) = Eg (G2) = 1.77 to 1.88 eV. is there. Since the active layer 16 is made of GaAs _0.88 P _0.12 , Eg (A) = 1.575 eV (see, for example, Non-Patent Document 5).

従って、｜Ｅｇ（Ｇ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｇ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の大きい方が｜Ｅｇ（Ｃ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｃ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の小さい方の０．６６倍以下という条件を満たす。よって、特許文献１に記載されているように、電圧−電流特性の立ち上がり電圧（ジャンクション電圧）を低減して、高出力用途の半導体レーザ素子の動作電圧を低減することができる。これにより、電気変換効率の低下を抑制し、半導体レーザの特性や信頼性の劣化を防止することができる。 Therefore, the larger of | Eg (G1) -Eg (A) | and | Eg (G2) -Eg (A) | is greater than | Eg (C1) -Eg (A) | ) | Satisfies the condition of 0.66 times or less of the smaller one. Therefore, as described in Patent Document 1, the rising voltage (junction voltage) of the voltage-current characteristic can be reduced, and the operating voltage of the semiconductor laser element for high output use can be reduced. As a result, a decrease in electrical conversion efficiency can be suppressed, and deterioration of characteristics and reliability of the semiconductor laser can be prevented.

また、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８が１００ｎｍ未満の場合は、拡散やドリフトにより電子及び正孔を十分に輸送できるため、ジャンクション電圧が小さくなる。しかし、レーザ光の光強度分布がｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０内に存在し、フリーキャリア吸収の影響を受けて半導体レーザのスロープ効率が低下する。これを避けるために、ｎ側ガイド層１４とｐ側ガイド層１８の少なくとも一方は１００ｎｍ以上の厚さを有する。ただし、電子及び正孔の相互拡散定数は数μｍ程度なので、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の厚さを６００ｎｍより厚くするとドリフトにより強制的に電流を流すこととなり、動作電圧の増加を招く。 Further, when the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 are less than 100 nm, electrons and holes can be sufficiently transported by diffusion and drift, so that the junction voltage is reduced. However, the light intensity distribution of the laser light exists in the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 20, and the slope efficiency of the semiconductor laser decreases due to the influence of free carrier absorption. In order to avoid this, at least one of the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 has a thickness of 100 nm or more. However, since the mutual diffusion constant of electrons and holes is about several μm, if the thickness of the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 is made thicker than 600 nm, a current is forced to flow due to drift, and the operating voltage increases. Invite.

上記の構造の半導体レーザ素子において、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の構成物質として、ＧａＡｓ基板と格子整合し、室温におけるバンドギャップが１．７７〜１．８８ｅＶの物質を用いる必要がある。これに対して、本実施の形態では、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰをＩｎＧａＡｓＰの代わりに用いている。従って、結晶性の低下の原因となりさらに混晶組成の精密制御が困難なＩｎＧａＡｓＰを用いる必要が無いため、結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる。 In the semiconductor laser device having the above structure, it is necessary to use a material having a band gap of 1.77 to 1.88 eV at room temperature as a constituent material of the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 in lattice matching with the GaAs substrate. is there. In contrast, in this embodiment, InGaP in which a natural superlattice is formed is used instead of InGaAsP. Therefore, since it is not necessary to use InGaAsP which causes a decrease in crystallinity and it is difficult to precisely control the mixed crystal composition, it is possible to prevent a decrease in crystallinity and precisely control the mixed crystal composition.

なお、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰによりガイド層を形成した半導体レーザ素子は既に提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。しかし、これらの半導体レーザ素子は、イオン注入により自然超格子を無秩序化してレーザ共振器の端面に窓構造を形成したものである。ここでは、自然超格子は窓構造を形成するための超格子構造の無秩序化プロセスに関るものであり、窓構造と不可分の関係にある。これに対して、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、レーザ共振器の端面に窓構造が形成されておらず、発明の目的も基本構造も全く異なる。 A semiconductor laser element in which a guide layer is formed of InGaP in which a natural superlattice is formed has already been proposed (see, for example, Patent Documents 3 and 4). However, in these semiconductor laser elements, the natural superlattice is disordered by ion implantation and a window structure is formed on the end face of the laser resonator. Here, the natural superlattice relates to the disordering process of the superlattice structure for forming the window structure, and is inseparable from the window structure. On the other hand, the semiconductor laser device according to the present embodiment has no window structure formed on the end face of the laser resonator, and the object of the invention and the basic structure are completely different.

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。実施の形態１のＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０の代わりに、ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層３２がそれぞれ形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。この構成により実施の形態１と同様の効果を得ることができる。 Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a semiconductor laser device according to the second embodiment. Instead of the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 20 made of AlGaInP in the first embodiment, an n-type cladding layer 30 and a p-type cladding layer 32 made of AlGaAs are respectively formed. Other configurations are the same as those of the first embodiment. With this configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

なお、ｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層３２のＡｌ組成比は、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の屈折率より小さい屈折率となるように選択される。例えば、ｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層３２はＡｌ_０．１５Ｇａ_０．３５Ａｓからなる。 The Al composition ratio of the n-type cladding layer 30 and the p-type cladding layer 32 is selected so as to have a refractive index smaller than that of the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18. For example, the n-type cladding layer 30 and the p-type cladding layer 32 are made of Al _0.15 Ga _0.35 As.

また、ｎ型クラッド層３０とｐ型クラッド層３２のＡｌ組成比を必ずしも同一でなくてもよい。ただし、両者のＡｌ組成比を同一にすることにより、光分布が対称となり、例えばＹＡＧロッドへの入射効率が高くなる。 Further, the Al composition ratio of the n-type cladding layer 30 and the p-type cladding layer 32 may not necessarily be the same. However, by making both the Al composition ratios the same, the light distribution becomes symmetric and, for example, the efficiency of incidence on the YAG rod increases.

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。ｎ型クラッド層１２とｎ側ガイド層１４の間にｎ型クラッド層３４が形成され、ｐ側ガイド層１８とｐ型クラッド層２０の間にｐ型クラッド層３６が形成されている。ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６は、自然超格子が無秩序化されたＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐからなる。ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６の室温におけるバンドギャップは１．８８〜１．９２ｅＶである。その他の構成は実施の形態１と同様である。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing a semiconductor laser device according to the third embodiment. An n-type cladding layer 34 is formed between the n-type cladding layer 12 and the n-side guide layer 14, and a p-type cladding layer 36 is formed between the p-side guide layer 18 and the p-type cladding layer 20. The n-type cladding layer 34 and the p-type cladding layer 36 are made of In _0.49 Ga _0.51 P in which natural superlattices are disordered. The band gap at room temperature of the n-type cladding layer 34 and the p-type cladding layer 36 is 1.88 to 1.92 eV. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８のバンドギャップを１．７７〜１．８８ｅＶに設定すると、活性層とガイド層・クラッド層との間の光閉じ込めが強くなり過ぎることがある。そこで、本実施の形態では、クラッド層の屈折率を上げる（バンドギャップを小さくする）ために、ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６を挿入している。 When the band gaps of the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 are set to 1.77 to 1.88 eV, optical confinement between the active layer and the guide layer / cladding layer may become too strong. Therefore, in the present embodiment, the n-type cladding layer 34 and the p-type cladding layer 36 are inserted in order to increase the refractive index of the cladding layer (to reduce the band gap).

また、ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６は、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８と同一組成のＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐからなるため、製造中に原料ガスの比率を変化させる必要がなく、製造が簡単である。ただし、両者のバンドギャップが異なるようにするため、以下のような製造工程を採用する。 In addition, since the n-type cladding layer 34 and the p-type cladding layer 36 are made of In _0.49 Ga _0.51 P having the same composition as the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18, the ratio of the source gas during manufacturing Is easy to manufacture. However, in order to make the two band gaps different, the following manufacturing process is adopted.

まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法等によってｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型クラッド層１２、及びｎ型クラッド層３４を成長させる。ただし、ｎ型クラッド層３４の成長温度は、図３を参酌して自然超格子の秩序化が崩れる温度、例えば７００℃にする。そして、成長温度を下げてｎ側ガイド層１４を成長させる。ただし、ｎ側ガイド層１４の成長温度は、自然超格子の秩序化が最大になる温度にする。 First, the n-type cladding layer 12 and the n-type cladding layer 34 are grown on the n-type GaAs substrate 10 by the MOCVD method or the like. However, the growth temperature of the n-type cladding layer 34 is set to a temperature at which the ordering of the natural superlattice is broken, for example, 700 ° C. with reference to FIG. Then, the n-side guide layer 14 is grown at a lower growth temperature. However, the growth temperature of the n-side guide layer 14 is set to a temperature at which the ordering of the natural superlattice is maximized.

次に、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、第２のｐ型クラッド層２０、ｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２を成長させる。ただし、ｐ型クラッド層３６の成長温度は自然超格子の秩序化が崩れる温度にし、ｐ側ガイド層１８の成長温度は自然超格子の秩序化が最大になる温度にする。このエピタキシャル積層構造を形成した後、実施の形態１と同様の工程を行うことで、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が製造される。 Next, the active layer 16, the p-side guide layer 18, the second p-type cladding layer 20, the p-type cladding layer 20, and the p-type contact layer 22 are grown. However, the growth temperature of the p-type cladding layer 36 is set to a temperature at which the ordering of the natural superlattice is lost, and the growth temperature of the p-side guide layer 18 is set to a temperature at which the ordering of the natural superlattice is maximized. After forming this epitaxial multilayer structure, the same process as in the first embodiment is performed to manufacture the semiconductor laser device according to the present embodiment.

このように、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８を結晶成長する時の成長温度とｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０を結晶成長する時の成長温度が異なるようにする。これにより、同一基板上において自然超格子の秩序化度を変化させることができる。 As described above, the growth temperature when the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 are grown is different from the growth temperature when the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 20 are grown. Thereby, the ordering degree of the natural superlattice can be changed on the same substrate.

また、成長温度以外の成長条件、例えばＶ族／ＩＩＩ族ガス比を変えてもよい。即ち、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比とｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比が異なるようにしてもよい。 Further, growth conditions other than the growth temperature, for example, the V group / III gas ratio may be changed. That is, the group V / III ratio of the source gas when the n-side guide layer 14 and the p-side guide layer 18 are crystal-grown, and the source gas V when the n-type cladding layer 12 and the p-type cladding layer 20 are crystal-grown. The group / group III ratio may be different.

なお、実施の形態１〜３においてＧａＡｓＰを活性層に持つ８０８ｎｍ帯の半導体レーザ素子について説明したが、ＩｎＧａＡｓを活性層に持つ９００〜１１００ｎｍ帯の半導体レーザ素子や、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを活性層に持つ８００ｎｍ近傍帯の半導体レーザ素子にも本発明を適用することができる。即ち、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１）の活性層を用いることができる。これらの半導体レーザ素子において、ガイド層として、ＩｎＧａＡｓＰの代わりに、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰを用いることで、同様の効果を得ることができる。また、活性層は数ｎｍの非常に薄い層であるため、厚いガイド層のようなＩｎＧａＡｓＰの非混和性の問題は生じない。 Although the 808 nm band semiconductor laser device having GaAsP as the active layer has been described in the first to third embodiments, the 900 to 1100 nm band semiconductor laser device having InGaAs as the active layer, or GaAs or AlGaAs as the active layer. The present invention can also be applied to a semiconductor laser element in a band near 800 nm. In other words, an active layer of In _x Ga _1-x As _y P _1-y (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 1) can be used. In these semiconductor laser elements, the same effect can be obtained by using InGaP having a natural superlattice instead of InGaAsP as the guide layer. Further, since the active layer is a very thin layer of several nm, there is no problem of immiscibility of InGaAsP like a thick guide layer.

実施の形態１に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a semiconductor laser element according to a first embodiment. ＧａＡｓ基板の面方位とＩｎＧａＰのバンドギャップの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the surface orientation of a GaAs substrate, and the band gap of InGaP. 成長温度条件に対するバンドギャップ波長の変化を調べた図である。It is the figure which investigated the change of the band gap wavelength with respect to growth temperature conditions. 実施の形態２に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a semiconductor laser element according to a second embodiment. 実施の形態３に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing a semiconductor laser element according to a third embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０ｎ型ＧａＡｓ基板（第１導電型ＧａＡｓ基板）
１２，３０ｎ型クラッド層（第１の第１導電型クラッド層）
１４ｎ側ガイド層（第１ガイド層）
１６活性層
１８ｐ側ガイド層（第２ガイド層）
２０，３２ｐ型クラッド層（第１の第２導電型クラッド層）
２２ｐ型コンタクト層（第２導電型コンタクト層）
３４ｎ型クラッド層（第２の第１導電型クラッド層）
３６ｐ型クラッド層（第２の第２導電型クラッド層） 10 n-type GaAs substrate (first conductivity type GaAs substrate)
12,30 n-type cladding layer (first first conductivity type cladding layer)
14 n-side guide layer (first guide layer)
16 Active layer 18 p-side guide layer (second guide layer)
20, 32 p-type cladding layer (first second conductivity type cladding layer)
22 p-type contact layer (second conductivity type contact layer)
34 n-type cladding layer (second first conductivity type cladding layer)
36 p-type cladding layer (second second conductivity type cladding layer)

Claims

第１導電型ＧａＡｓ基板と、この第１導電型ＧａＡｓ基板上に順番に形成された第１の第１導電型クラッド層、第１ガイド層、活性層、第２ガイド層、第１の第２導電型クラッド層、及び第２導電型コンタクト層とを備え、
レーザ共振器の端面に窓構造が形成されておらず、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層は、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰからなり、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶであることを特徴とする半導体レーザ素子。 A first conductivity type GaAs substrate, and a first first conductivity type cladding layer, a first guide layer, an active layer, a second guide layer, and a first second layer formed in order on the first conductivity type GaAs substrate; A conductive clad layer and a second conductive contact layer;
No window structure is formed on the end face of the laser resonator,
The first guide layer and the second guide layer are made of InGaP in which a natural superlattice is formed,
A band gap at room temperature of the first guide layer and the second guide layer is 1.77 to 1.88 eV.

前記第１ガイド層と前記第２ガイド層の少なくとも一方は１００ｎｍ以上の厚さを有し、
前記第１の第１導電型クラッド層、前記第１ガイド層、前記活性層、前記第２ガイド層、前記第１の第２導電型クラッド層、前記第２導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをそれぞれＥｇ（Ｃ１）、Ｅｇ（Ｇ１）、Ｅｇ（Ａ）、Ｅｇ（Ｇ２）、Ｅｇ（Ｃ２）とすると、｜Ｅｇ（Ｇ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｇ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の大きい方が｜Ｅｇ（Ｃ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｃ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の小さい方の０．６６倍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。 At least one of the first guide layer and the second guide layer has a thickness of 100 nm or more,
Band gap energies of the first first conductivity type cladding layer, the first guide layer, the active layer, the second guide layer, the first second conductivity type cladding layer, and the second conductivity type contact layer are determined. If Eg (C1), Eg (G1), Eg (A), Eg (G2), Eg (C2) respectively, | Eg (G1) -Eg (A) | and | Eg (G2) -Eg (A) The larger one of | is 0.66 times or less of the smaller of | Eg (C1) -Eg (A) | and | Eg (C2) -Eg (A) | Semiconductor laser element.

前記第１の第１導電型クラッド層及び前記第１の第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰからなり、
前記活性層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。 The first first conductivity type cladding layer and the first second conductivity type cladding layer are made of AlGaInP,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the active layer is made of In _x Ga _1-x As _y P _1-y (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 1).

前記第１の第１導電型クラッド層及び前記第１の第２導電型クラッド層はＡｌＧａＡｓからなり、
前記活性層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。 The first first conductivity type cladding layer and the first second conductivity type cladding layer are made of AlGaAs,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the active layer is made of In _x Ga _1-x As _y P _1-y (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 1).

前記第１の第１導電型クラッド層と前記第１ガイド層の間に形成された第２の第１導電型クラッド層と、
前記第２ガイド層と前記第１の第２導電型クラッド層の間に形成された第２の第２導電型クラッド層とを更に備え、
前記第２の第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層は、自然超格子が無秩序化されたＩｎＧａＰからなり、
前記第２の第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層の室温におけるバンドギャップは１．８８〜１．９２ｅＶであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。 A second first conductivity type cladding layer formed between the first first conductivity type cladding layer and the first guide layer;
A second second conductivity type cladding layer formed between the second guide layer and the first second conductivity type cladding layer;
The second first conductivity type cladding layer and the second second conductivity type cladding layer are made of InGaP in which natural superlattices are disordered,
The band gap at room temperature of the second first conductivity type cladding layer and the second second conductivity type cladding layer is 1.88 to 1.92 eV, respectively. The semiconductor laser device according to item.

前記ＧａＡｓ基板の面方位は（１００）面から＜１１１＞Ｂ方向に０．５°〜１０°傾いていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。 6. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the plane orientation of the GaAs substrate is inclined by 0.5 ° to 10 ° in the <111> B direction from the (100) plane.

請求項５に係る半導体レーザ素子を製造する方法であって、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を結晶成長する時の成長温度と前記第２の第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層を結晶成長する時の成長温度が異なるように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 for producing a semiconductor laser device according to claim 5, comprising:
The growth temperature for crystal growth of the first guide layer and the second guide layer and the growth temperature for crystal growth of the second first conductivity type cladding layer and the second second conductivity type cladding layer are as follows. A method of manufacturing a semiconductor laser device, characterized in that they are different.

請求項５に係る半導体レーザ素子を製造する方法であって、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比と第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比が異なるように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 for producing a semiconductor laser device according to claim 5, comprising:
The group V / III ratio of the source gas for crystal growth of the first guide layer and the second guide layer and the crystal growth of the first conductivity type cladding layer and the second second conductivity type cladding layer A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein the V group / III group ratio of the source gas is different.