JP3129779B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体材料を用
いた半導体レーザ装置に係わり、特に活性層にＩｎＧａ
ＡｌＰ系材料を用いた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＩｎＧａＡｌＰ系材料は、窒化物を除く
III −Ｖ族化合物半導体混晶中で最大のバンドギャップ
を有し、０．５〜０．６μｍ帯の発光素子材料として注
目を集めている。特に、ＧａＡｓを基板とし、これに格
子整合するＩｎＧａＡｌＰ系を活性層及びクラッド層と
するダブルヘテロ構造の半導体レーザは、室温で連続発
振可能な０．６μｍ帯可視光レーザとなり、赤外域の半
導体レーザには無い様々な応用が可能である。
【０００３】このような半導体レーザは、発振波長が短
いため小さなビームスポットが得られ、光ディスクの高
密度記録化を可能とする光源となり得る。但し、このた
めには、３０ｍＷ以上の光出力で安定に動作することが
必要である。
【０００４】半導体レーザの光出力を制限する要因とし
て、電流−光出力特性におけるキンク（電流−光出力特
性の直線性が損われ、折れ曲がりが生じること）の発生
があげられる。キンクが発生すると、横モードが変形し
てビーム特性の悪化が生じるため、光ディスク等の光源
として用いることは困難になる。従って、良好なビーム
特性を保持しつつ、高い光出力を得るには、キンクレベ
ルの高い半導体レーザが必要とされる。
【０００５】キンク発生のメカニズムの一つとして、ホ
ールバーニング効果が考えられる。これは、活性層中の
横モード、即ち光密度分布における光密度の高い部分に
おいて、電子と正孔の再結合による誘導放出が強く行わ
れ、電子と正孔の濃度が低下し活性層中の電子，正孔の
密度分布が変形するため、利得分布の変形を来たして横
モードが変形するものである。このとき、電子，正孔の
密度分布は、キャリアの拡散長が大きいほど変形を来た
し難いと考えられる。ＩｎＧａＡｌＰ系材料の場合、特
に正孔の拡散長が小さく、これがキンクレベルの低い主
要な要因であると考えられている。
【０００６】また、半導体レーザの光出力を制限する他
の要因として、いわゆる破壊的光学損傷（ＣＯＤ：Cata
strophic Optical Damage ）がある。これは、発振した
レーザ光を活性層自身が吸収し、これによって発生した
電子−正孔対が非発光再結合する際に発熱し、温度上昇
を来たし、エネルギーギャップの低下により光吸収がさ
らに強くなるといった正帰還が起こることにより、光密
度の高いレーザ端面近傍で結晶の融解が起こってレーザ
が破壊するというものである。ＣＯＤの発生は光密度に
依存し、活性層への光閉じ込め量の高い場合や横モード
幅の狭い場合ほど、低光出力でＣＯＤが発生する光密度
（ＣＯＤレベル）に達して破壊が起こる。従って、高い
光出力を得るには、ＣＯＤレベルの高い半導体レーザが
必要とされる。
【０００７】通常、ＣＯＤレベルを上げるため、活性層
を薄くして活性層での光密度の低減をはかっている。し
かし、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いた半導体レーザにおい
て、活性層を薄くした場合、活性層の両側に位置し注入
キャリアを閉じ込める役割を持つクラッド層として、十
分大きなエネルギーギャップを有するものを使うことが
困難となる。即ち、活性層を薄くした場合、しきい値電
流密度が増加し、エネルギーの高いキャリアが発振に寄
与するため、等価的な活性層のバンドギャップ増加が起
こる。そのため、クラッド層とのエネルギーギャップ差
が小さくなり、注入キャリアを有効に閉じ込めることが
できなくなる。
【０００８】さらに、ＩｎＧａＡｌＰ材料は、従来使用
されているＧａＡｌＡｓ材料に比べ、伝導帯側のバンド
不連続が小さいという特徴を持っている。従って、バン
ド不連続によって電子のｐクラッド層側への漏れを十分
に防ぐことが困難であり、この系において有効なキャリ
アの閉じ込めは難しい。特に、動作温度が上昇した場合
には、光出力低下が顕著となり、高出力動作が困難であ
った。
【０００９】従来、その混晶組成によって格子定数が変
化するＩｎＧａＡｌＰ系材料を半導体レーザに用いる場
合、使用温度である室温から結晶を成長する温度の間
で、基板との格子定数の違いを小さく抑えることが必要
であると考えられてきた。その理由は、格子定数の違い
が大きくなると、ミスフィット転位が生じたり、ストレ
スの発生による欠陥の伸張が促進され、特性の劣化が生
じ易くなるためである。特に、注入電流密度や光密度の
高い半導体レーザでは、ミスフィット転位や欠陥の伸張
により、特性の劣化が顕著に現われる。
【００１０】通常の半導体レーザでは、基板と活性層と
の格子定数の違い（格子不整合度）△ａ／ａを △ａ／ａ＝（ｂ−ｂ0 ）／ｂ0 としたとき、格子不整合度を約０．２％程度以下にする
ことが前提とされていた。但し、上式でｂはＩｎＧａＡ
ｌＰ層の格子定数、ｂ0 は基板の格子定数を示してい
る。
【００１１】このようなキンク，ＣＯＤなどの影響につ
いて、従来の半導体レーザを例にして更に詳述する。
【００１２】図２３は、従来の横モード制御構造を有す
るリッジ導波路型のＩｎＧａＡｌＰ半導体レーザの概略
構成を示す断面図である。図中３００はｎ−ＧａＡｓ基
板、３０１はｎ−ＧａＡｓバッファ層、３０２はｎ−Ｉ
ｎＧａＡｌＰクラッド層、３０３はＩｎＧａＰ活性層、
３０４はｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層、３０５はｐ−
ＩｎＧａＰキャップ層、３０６はｐ−ＧａＡｓコンタク
ト層である。このレーザは、リッジ形状をしたｐクラッ
ド層３０４，リッジ上のみに形成されたｐキャップ層３
０５及び埋込み発光波長に対し光吸収層として機能する
ｐコンタクト層３０６により、電流狭窄及び横モードを
制御する機構をなしている（例えば、Applied Physics
Letters, Vol.56, No.18, 1990, p.1718-1719 ）。
【００１３】図２３に示された半導体レーザの構造にお
いて、活性層３０３及びクラッド層３０２，３０４の混
晶組成を上記格子不整合度の範囲（０．２％以下）に設
定したとき、キンクレベルは４０ｍＷ程度であり、これ
が使用可能な最大光出力を制限していた。
【００１４】また、図２３に示された半導体レーザにお
ける電流−光出力特性の温度依存性を図２４に示す。活
性層３０３を薄く（例えば、０．０４μｍに）したこと
によって、光出力２０ｍＷまでの動作が実現できてい
る。ＣＯＤ光出力も５１ｍＷと高い値が得られた。しか
し、４０℃以上の高温で光出力の低下が著しく、動作温
度範囲（５０℃前後）を考慮した実用的な光出力は１０
ｍＷ程度であり、これが使用可能な最大光出力を制限し
ていた。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】このように従来、Ｉｎ
ＧａＡｌＰ系材料からなる活性層を持つ半導体レーザに
おいては、ホールバーニング効果に起因してキンクレベ
ルが低くなり、これが使用可能な最大光出力を制限して
いるという問題があった。
【００１６】一方、光ディスクの高密度記録化を実現す
るためには、より波長の短いレーザが有利である。その
理由は、レーザビームを光学系を用いて微小スポットに
絞り込む場合、得られるスポット径の理論的限界はレー
ザ光の波長に比例するためである。
【００１７】最近の研究によれば、（１００）面から、
＜０１１＞方向と等価な方向へ傾いた面方位を有する基
板上においてエピタキシャル成長したＩｎＧａＡｌＰ系
混晶結晶では、＜１１１＞方向に規則性を有する自然超
格子構造が形成され難く、得られる活性層とクラッド層
との間のエネルギー障壁の差が上記自然超格子構造が形
成された場合に得られるエネルギー障壁の差と比べて大
きくなることが知られている。（例えば、Electronics
letters 3rd August 1989, Vol.25, No.14, p905〜907
）このようなエネルギー障壁の差が大きくなる現象を
利用すれば、たとえ活性層の混晶組成が同じであって
も、自然超格子構造が形成されないようにエピタキシャ
ル成長を行えば、レーザの波長はより短くなる。
【００１８】しかしながら、依然として、図２４に示さ
れるように、活性層の薄膜化に伴う温度特性の悪化とい
う問題点を有していた。
【００１９】また、図２３に示した従来のリッジ導波型
のレーザに適用した場合には、基板３００は（１００）
面に対し傾くことになるので、（１１１）面を斜面とし
て有するリッジは非対称型になってしまう。それで、対
称なリッジを有する半導体レーザと比較して、横モード
が不安定に成り易く、この不安定さにより、光出力が低
くてもキンクが発生し易いという問題点があった。
【００２０】そこで、本発明は上記従来技術の問題点を
解消するもので、その第１の目的とするところは、高温
においても、動作可能であり、かつ使用可能な最大光出
力の向上を図り得る半導体レーザ装置を提供することで
ある。
【００２１】本発明の第２の目的は、高温においても、
使用可能な最大光出力の向上を図り得て、かつ短い波長
のレーザ光を発振し得る半導体レーザ装置を提供するこ
とである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の第１の発明は、化合物半導体基板と、該化合物半導体
基板上で注入キャリアを閉じ込めるダブルヘテロ構造部
とを備え、該ダブルヘテロ構造部は、前記化合物半導体
基板の格子定数よりも大きい格子定数を有する格子不整
合化活性層と、該格子不整合化活性層にエピタキシャル
接合し、前記化合物半導体基板の格子定数よりも小さい
格子定数を有する少なくとも一のクラッド層とを備えた
ことを特徴とする。
【００２３】また上記課題を解決するための第２の発明
は、化合物半導体基板と、該化合物半導体基板上で注入
キャリアを閉じ込めるダブルヘテロ構造部とを備え、該
ダブルヘテロ構造部は、前記化合物半導体基板の格子定
数よりも０．３％乃至２．５％大きい格子定数を有する
格子不整合化活性層と、該格子不整合化活性層にエピタ
キシャル接合し、＜１１１＞方向に規則性を持つ自然超
格子構造を形成しない構造を有する少なくとも一のクラ
ッド層とを備えたことを特徴とする。
【００２４】さらに上記課題を解決するための第３の発
明は、（１００）面から、＜０１１＞方向と等価な方向
へ傾いた面方位を有する化合物半導体基板と、該化合物
半導体基板にエピタキシャル接合する第１クラッド層
と、該第１クラッド層にエピタキシャル接合し、前記化
合物半導体基板の格子定数よりも０．５％乃至２．０％
大きい格子定数を有する格子不整合化活性層と、該格子
不整合化活性層とエピタキシャル接合して前記格子不整
合化活性層を挟み込む第２クラッド層とを備えたことを
特徴とする。
【００２５】
【作用】活性層及びクラッド層において、その材料の組
成比を変えると、伝導帯と価電子帯との間のバンドギャ
ップがそれぞれ変化することは周知のことである。
【００２６】例えばＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａ１x ）y Ｐ系
の材料（ただし、０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１）を用いた場
合、インジウムＩｎの組成比１−ｙを大きくすると、伝
導帯と価電子帯との間のバンドギャップが小さくなり、
反対に、インジウムＩｎの組成比１−ｙを小さくすると
上記バンドギャップは大きくなることが知られている。
【００２７】一方、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法）により成長したＩｎ1-y （Ｇａ1- x Ａ１x ）y Ｐ系
においては、成長温度及び成長原料比（Ｖ／III ）など
の成長条件を変えることにより、＜１１１＞方向に規則
性を有する自然超格子構造が形成されることが知られて
いる（例えば、J.Crystal Growth 93 (1988) p.406）。
この材料系の場合、ＩｎＰ，ＧａＰ，ＡｌＰが＜１１１
＞方向に順次積層しているもので、ＩｎＧａＡｌＰ層全
体としては下地層あるいは基板と格子整合するものであ
る。このような自然格子構造の形成に伴ってバンドギャ
ップが変化する。つまり、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）
y Ｐ系結晶に自然超格子構造が形成されると、自然超格
子構造が形成されない場合と比べてバンドギャップが小
さくなる。
【００２８】第１の発明の半導体レーザ装置では、活性
層の組成比を変えて上記バンドギャップが小さくなるよ
うにした。つまり、活性層の格子定数を大きく設定し
た。
【００２９】反対に、クラッド層の少なくとも一方の層
の組成比を変えて上記バンドギャップが大きくなるよう
にした。つまり、活性層の格子定数を小さく設定した。
【００３０】それで、活性層のバンドギャップとクラッ
ド層のバンドギャップとの差を示すエネルギー障壁は大
きくなる。
【００３１】従って、活性層を薄くしても注入キャリア
は有効に閉じ込められ、動作温度が上昇しても大きな光
出力を維持することが可能になる。
【００３２】また、活性層及びクラッド層の格子定数の
不整合度は、一方が正であり他方が負であるので、半導
体レーザ装置内に発生する応力は互いに打ち消し合う。
【００３３】詳細には、伸びようとする力と縮もうとす
る力とが打ち消し合うので、そり及び変形などの歪みが
生じない。また、この歪みが生じないので応力場が発生
せず、従って応力場に沿って移動する特徴を有する転位
などの結晶欠陥が基板などから活性層へ侵入することが
ない。
【００３４】つまり、信頼性の高い半導体レーザ装置を
得ることができ、第１の目的を達成することができる。
【００３５】第２の発明の半導体レーザ装置では、自然
超格子構造の形成に伴ってバンドギャップが変化すると
いう知見に基づき、少なくとも一のクラッド層に自然超
格子構造を形成しないことにより、クラッド層のバンド
ギャップを大きくした。また、第１の発明と同様に活性
層の格子定数を大きく設定して上記バンドギャップを小
さくした。
【００３６】それで、活性層のバンドギャップとクラッ
ド層のバンドギャップとの差を示すエネルギー障壁は大
きくなる。
【００３７】従って、第１の発明と同様に、活性層を薄
くしても注入キャリアは有効に閉じ込められ、動作温度
が上昇しても大きな光出力を維持することが可能にな
る。つまり、第１の目的を達成することができる。
【００３８】第３の発明の半導体レーザ装置では、第１
の発明と同様に活性層の格子定数を大きく設定して上記
バンドギャップを小さくした。それで、活性層のバンド
ギャップとクラッド層のバンドギャップとの差から生ず
るエネルギー障壁は大きくなる。
【００３９】また、（１００）面から、＜０１１＞方向
と等価な方向へ傾いた面方位を有する化合物半導体基板
上に、ダブルヘテロ構造部を設けることによって、活性
層のバンドギャップ及びクラッド層のバンドギャップの
双方を大きくした。
【００４０】従って、温度特性を損なうこと無く、活性
層の格子定数を大きくしたことによる発振波長の長波長
化が補償され得る。つまり、活性層を薄くしても注入キ
ャリアは有効に閉じ込められ、動作温度が上昇しても、
波長のより短い光レーザの出力を維持することが可能に
なる。
【００４１】一方、活性層の格子定数を基板の格子定数
に対し、ある程度大きくすることによって、活性層にあ
る程度の歪みが加わる。この歪みにより、活性層の材料
であるＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系のバンド構
造、特に価電子帯の有効質量は活性層面内方向について
小さくなる。
【００４２】従って、活性層面内方向での正孔の拡散長
は大きくなり、キンク発生の一因であるホールバーニン
グ効果を回避でき、高い光出力までキンクの無い安定な
横モードでの発振が可能となる。つまり、第２の目的を
達成することができる。
【００４３】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【００４４】図１は、第１の発明に係わる半導体レーザ
装置におけるダブルヘテロ構造部の格子不整合度を示す
概念図である。
【００４５】図１に示すように、概念的な半導体レーザ
装置は、ＧａＡｓ基板１０と、該基板１０上に形成され
るダブルヘテロ構造部１１とを備える。上記ダブルヘテ
ロ構造部１１は、光及びキャリアを閉じ込めるＩｎ1-y
（Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の活性層１２と、該活性層１
２のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
活性層１２へ電子および正孔をそれぞれ注入するため互
いに異なる導電型を有するクラッド層１３、１４とから
構成される。
【００４６】活性層１２は、ＧａＡｓ基板１０に対し格
子定数が０．５乃至２．０％大きい組成から成る。
【００４７】クラッド層１３、１４の一方（本実施例で
はクラッド層１４）であって活性層１２に接する部分に
はＧａＡｓ基板１０に対し格子定数が０．２乃至２．０
％小さいクラッド層１５が設けられている。
【００４８】活性層１２及びクラッド層１５における格
子不整合度（Δａ／ａ）と組成の関係を図２に示す。
【００４９】図１に示した概念的な半導体レーザ装置に
おいて、特に、活性層１２の格子不整合度が１．０％、
クラッド層１５の格子不整合度が−０．５％に設定され
たダブルヘテロ構造部を、横モード制御構造のＩｎ1-y
（Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置に適用し
た例を図３に示す。
【００５０】図３に示すように、横モード制御構造の半
導体レーザ装置では、ｎ型ＧａＡｓ組成の基板２０と、
ｎ型ＧａＡｓ組成のバッファ２１と、ダブルヘテロ構造
部２２と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のキャップ層２
３と、ｎ型ＧａＡｓ組成の電流挟窄層２４と、ｐ型Ｇａ
Ａｓ組成のコンタクト層２５とが順次積層されて構成さ
れる。
【００５１】ダブルヘテロ構造部２２では、ｎ型Ｉｎ
0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層２６
と、Ｉｎ0.62Ｇａ0.38Ｐ組成の格子不整合化活性層２７
と、ｐ型Ｉｎ0.45（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.55Ｐ組成の格
子不整合化クラッド層２８と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3
Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層２９と、ｐ型Ｉｎ0.
5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のエッチングストップ層３０と、ｐ型
Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層
３１とが順次積層される。
【００５２】格子不整合化活性層２７は図１に示した活
性層１２に対応し、ｎ型ＧａＡｓ基板２０に対し格子定
数が約１．０％大きい。また、格子不整合化クラッド層
２８は図１に示したクラッド層１５に対応し、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板２０に対し格子定数が約０．５％小さい。この
ような格子不整合度はフォトルミネッセンス波長、Ｘ線
回析、透過型電子顕微鏡などを利用して確認された。
【００５３】なお、格子不整合化活性層２７の組成は、
Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐの表記において、Ａｌ
組成ｘ＝０とし、Ｇａ組成ｙ＝０．３８としたものであ
る。
【００５４】また、格子不整合化クラッド層２８の組成
は、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐの表記において、
Ａｌ組成ｘ＝０．７とし、Ｇａ＋Ａｌ組成ｙ＝０．５５
としたものである。
【００５５】各クラッド層の不純物ドーピングは、ｐ型
に対しＺｎを不純物として１×１０18ｃｍ-3程度、ｎ型
に対しＳｉを不純物として１×１０17ｃｍ-3程度の濃度
に設定した。
【００５６】以上の構成において、格子不整合化活性層
２７は、従来の活性層の組成Ｉｎ0. 5 Ｇａ0.5 Ｐに対し
Ｉｎ比を増した組成を有するので、伝導帯と価電子帯と
の間のエネルギー差を示すバンドギャップが減少する。
【００５７】また、格子不整合化クラッド層２８は、従
来のクラッド層の組成Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）
0.5Ｐに対しＩｎ比を減らした組成を有するので、バン
ドギャップが増加する。
【００５８】したがって、格子不整合化活性層２７に注
入されたキャリアを、活性層２７を薄くしても、ある程
度の厚み範囲で有効に閉じ込めることができる。
【００５９】次に、キャリアを有効に閉じ込めることが
できる活性層２７の厚さｄと格子不整合度との関係につ
いて図４を用いて説明する。
【００６０】図４は、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx）y Ｐ
系の材料を用いた場合に、ミスフィット転位の発生によ
る半導体レーザ装置の劣化が発生する条件を、格子不整
合化活性層２７の膜厚ｄ（オングストローム）と格子不
整合度Δａ／ａとの関係で示す。
【００６１】図４に示すように、劣化の発生が認められ
た結果は白丸で示され、劣化の発生が認められなかった
結果は黒丸で示される。また、実験結果を基に決められ
た劣化発生の理論的境界は曲線で示される。つまり、こ
の曲線の上方、すなわち膜厚ｄ及び格子不整合度Δａ／
ａが共に大きい領域で劣化が発生する。
【００６２】したがって、高い光出力を得るためには、 ０＜Δａ／ａ×１００≦２００／ｄ （％） …（１） であることが必要である。
【００６３】また、同様の原理で、格子不整合化活性層
２７に隣接する格子不整合化クラッド層２８の膜厚ｔ
（オングストローム）と、その格子不整合度Δａ／ａと
の関係についても成立する。すなわち、高い光出力を得
るためには、 −２００／ｔ≦Δａ／ａ×１００＜０ （％） …（２） であることが必要である。
【００６４】以上の範囲では、半導体レーザ装置の劣化
が認められず、それに反して、上記範囲から外れた場合
には、急速な劣化が認められた。
【００６５】特に、格子不整合化活性層２７において、
膜厚が０．０２μｍでは格子不整合度０．５乃至１．０
％の範囲で、０．０１５μｍでは格子不整合度０．７５
乃至１．５％の範囲で高い光出力を得ることができ、か
つ発振閾値が小さくなる効果が著しい。
【００６６】なお、格子不整合化活性層２７の格子不整
合度に制限範囲が以下の理由で存在する。
【００６７】すなわち、格子不整合化活性層２７の格子
不整合度が大きくなると、ミスフィット転位の発生によ
り半導体レーザ装置が劣化することになる。活性層２７
が薄くなるにしたがって、格子不整合度の上限は大きく
なり、活性層２７の膜厚が０．０１μｍにおける格子不
整合度２％が上限値である。
【００６８】また、格子不整合化活性層２７の膜厚が大
きくなると、製造上、格子不整合度を大きくすることが
できなくなる。それで、膜厚の上限は０．１μｍであっ
て、このときの格子不整合度の下限値は０．２％であ
る。
【００６９】格子不整合化クラッド層２８における格子
不整合度も同様の理由で０．２％乃至２％の範囲に限定
される。
【００７０】上記（１）式及び（２）式を満足するよう
に、格子不整合化活性層２７の膜厚を０．０１５μｍ
（１≦２００／１５０％）とし、格子不整合化クラッド
層２８の膜厚を０．０２μｍ（−２００／２００≦−
０．５％）と設定したときの半導体レーザ装置の電流−
光出力特性を図５に示す。
【００７１】図５に示すように、動作温度が８０℃の範
囲まで４０ｍＷの光出力が得られ、このように温度特性
が良好である結果として、高い温度においても高い光出
力を実現することができる。つまり、詳細には、従来技
術において動作温度４０℃以上において光出力の低下が
著しいのに比べて、より高い温度８０℃においても発振
閾値は６０ｍＡであって低く、動作温度の上昇に伴う発
振閾値の増加は小さい。
【００７２】また、従来技術において４３ｍＷの光出力
でキンクが発生したのに比べて、本実施例の半導体レー
ザ装置では、キンクレベルは１００ｍＷ以上まで向上す
る。
【００７３】さらに、発振閾値電流の低減及び微分量子
効率の向上も認められる。
【００７４】一方、第１の発明では、活性層２７の正の
格子不整合度による歪みと、クラッド層２８の負の格子
不整合度による歪みとは歪み方向が反対であるため、一
方の層にのみ歪みを導入した場合と比べて、歪みによっ
て発生する応力による他の層へ与える影響が大きく軽減
され得る。
【００７５】具体的には、応力の打ち消し合いにより、
半導体レーザ装置本体の反り及び変形を防ぐことができ
る。また、歪みが生じないので応力場が発生せず、従っ
て応力場に沿って移動する特徴を有する転位などの結晶
欠陥が基板などから活性層２７へ侵入することがない。
それゆえ、信頼性の高い半導体レーザ装置を得ることが
できる。
【００７６】特に、活性層２７の膜厚ｄと格子不整合度
（Δａ／ａ）activeとの積、及びクラッド層２８の膜厚
ｔと格子不整合度（Δａ／ａ）cladとの積を合算した値
がほぼ零になるように膜厚ｄ、ｔ，格子不整合度（Δａ
／ａ）active、（Δａ／ａ）cladを設定すると、応力の
打ち消し合いが完全である。すなわち、 ｄ＊（Δａ／ａ）active＋ｔ＊（Δａ／ａ）clad＝０ である場合に最も信頼性の高い半導体レーザ装置を得る
ことができる。
【００７７】なお、図３に示した半導体レーザ装置に対
して、バッファ層２１がｎ−ＩｎＧａＰ系であり、エッ
チングストップ層３０がｐ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ−Ｇａ
ＡｌＡｓ若しくはｐ−ＧａＡｓ系であり、キャップ層２
３がｐ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ−ＧａＡｌＡｓ若しくはｐ
−ＧａＡｓ系であり、電流狭窄層２４が半絶縁性のＧａ
Ａｓ，若しくはｎ型又は半絶縁性のＧａＡｌＡｓ系であ
り、ｐ型クラッド層２９の厚さが０．１〜０．４μｍの
構造でも上記と同様の効果が得られる。また、活性層２
７が量子井戸層と障壁層とからなる量子井戸構造であっ
ても同様の効果が得られる。
【００７８】また、高い光出力を得るために本実施例で
は活性層２７の格子不整合度を変えてエネルギーギャッ
プを変化させた。
【００７９】しかし、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx）y Ｐ
系材料では、格子不整合の他に、Ａｌ組成ｘや、結晶成
長条件により変化する原子の秩序配列性によっても活性
層２７のエネルギーギャップを変化させることができ
る。そして、結果的に同じエネルギーギャップであれば
その素子特性はキンクレベルと同様格子不整合度の大き
なもので若干改善される傾向が現われた。これは、発振
しきい値の低減，微分量子効率の向上等に顕著に現われ
た。これらの効果は、キンクレベルの向上と同様、格子
不整合による歪みにより、バンド構造が変化し、活性層
面内方向の正孔の有効質量が小さくなることに依存して
いると考えられる。
【００８０】また、このような効果が０．５％程度以上
の格子不整合度から現われる理由は、活性層面内方向の
正孔の有効質量の小さなバンドのバンド端と大きなバン
ドのバンド端とのエネルギー差が、注入キャリア密度や
動作温度に依存することなく十分に大きくなるために
は、この程度の格子不整合度による歪みが必要だからで
あると考えられる。さらに、格子不整合度を０．６％以
上にすれば、上記効果が確実に得られた。
【００８１】このように本実施例によれば、ＩｎＧａＰ
活性層２７のＧａ組成をＧａＡｓ基板２０と格子整合す
る０．５よりも小さく、例えば０．３８とすることによ
り、活性層２７の格子定数を基板２０の格子定数よりも
１％程度大きくすることができる。そして、活性層２７
の基板２０に対する不整合度が大きくなると、活性層２
７に歪みが加わり、この歪みにより活性層２７のＩｎＧ
ａＰの価電子帯にある正孔の有効質量を活性層面内方向
について小さくすることができる。
【００８２】このため、活性層面内方向での正孔の拡散
長を大きくすることができ、ホールバーニング効果に起
因するキンク発生を低減することができる。従って、高
い光出力までキンクのない安定な横モードでの発振が可
能となり、光ディスクの高密度記録化を可能とするレー
ザ光源として用いることでがきる。
【００８３】また、活性層２７に隣接するｐ型クラッド
層２８の格子定数を基板２０に対して小さくしたので、
ｐ型クラッド層２８のバンドギャップエネルギーが増加
する。つまり、活性層２７とクラッド層２８との間のバ
ンドギャップの差（エネルギー障壁）が大きくなるため
温度特性が向上する。
【００８４】なお、ＩｎＧａＡｌＰ系材料の半導体レー
ザ装置では、素子の温度特性は主として活性層２７から
ｐ型クラッド層２９への電子のオーバーフローによって
決まる。そのため、負の格子不整合度を導入したクラッ
ド層の領域２８はｐ型クラッド層２９側に設けたほうが
温度特性の向上などの効果が大きい。
【００８５】また、ｐ型クラッド層２８の厚さは、活性
層２７内の電子がトンネル過程によってｐ型クラッド層
２９へ透過しないよう、１００オングストローム以上で
あることが望ましい。
【００８６】一般に、ＩｎＧａＡｌＰ系材料では、格子
不整合を利用しなくてもＡｌ組成ｘを増すことによって
バンドギャップエネルギーを大きくすることができる。
しかし、Ａｌ組成ｘが０．７以上では、低抵抗のｐ型結
晶が得にくくなるため、素子抵抗が増加し、動作電圧が
高くなるなどの問題点がある。
【００８７】また、活性層２７に正の格子不整合度を導
入することなく、負の格子不整合度を導入したクラッド
層の領域２８のみを利用しても温度特性が改善された。
しかし、活性層２７に正の格子不整合度を導入する方が
バンドギャップ差が大きくなるため、温度特性の向上効
果が大きい。また、高い素子信頼性を実現し得る。
【００８８】次に、第２の発明に係わる第１実施例を説
明する。
【００８９】図６は、第２の発明に係わる第１実施例の
半導体レーザ装置におけるダブルヘテロ構造部の格子不
整合度及びバンドギャップを示す概念図である。
【００９０】図６に示すように、概念的な半導体レーザ
装置は、ＧａＡｓ基板４０と、該基板４０上に形成され
るダブルヘテロ構造部４１とを備える。上記ダブルヘテ
ロ構造部４１は、光及びキャリアを閉じ込めるＩｎ1-y
（Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の活性層４２と、該活性層４
２のバンドギャップより大きいバンドギャップを有し、
活性層４２へ電子および正孔をそれぞれ注入するため互
いに異なる導電型を有するクラッド層４３、４４とから
構成される。
【００９１】活性層４２は、ＧａＡｓ基板４０に対し格
子定数が０．３乃至２．５％大きい組成から成る。
【００９２】クラッド層４３では自然超格子構造が形成
されており、それに反して、クラッド層４４では自然超
格子構造が形成されていない。
【００９３】本出願の発明者のバンドギャップ測定実験
によれば、自然超格子構造が形成されていないＩｎ0.5
（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層４４のバ
ンドギャップは２．３３ｅＶである。また、＜１１１＞
方向の自然超格子構造が形成されているＩｎ0.5 （Ｇａ
0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層４３でバンドギ
ャップとして最も小さな値は２．２３ｅＶである。後述
するように、クラッド層の成長温度Ｔｇ、ＰＨ3 とIII
族原料とのモル流量比Ｖ／III 、及びキャリア濃度に依
存してバンドギャップの値が変わるからである。
【００９４】活性層の組成が基板４０に対し格子整合す
るＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐである場合、活性層のバンドギャ
ップは上記成長条件に依存して１．８８±０．０３ｅＶ
である。
【００９５】それゆえ、活性層と＜１１１＞方向の自然
超格子構造が形成されているクラッド層４３のバンド不
連続は、両者のバンドギャップの差として求まり、０．
３５ｅＶである。また、活性層と＜１１１＞方向の自然
超格子構造が形成されていないクラッド層４４のバンド
不連続は０．４５ｅＶである。
【００９６】一方、Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成の活性層の
バンドギャップが１．８８ｅＶとなる成長条件で、Ｉｎ
0.53Ｇａ0.47Ｐ組成の活性層４２を形成すると、その格
子定数は基板４０に対し０．３％大きくなり、バンドギ
ャップは１．８３ｅＶになる。また、上記成長条件で、
Ｉｎ0.8 Ｇａ0.2 Ｐ組成の活性層４２を形成すると、そ
の格子定数は基板４０に対し２．５％大きくなり、バン
ドギャップは１．４９ｅＶになる。
【００９７】Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ｐ活性層４２と＜１１１
＞方向の自然超格子構造が形成されていないクラッド層
４４のバンド不連続は０．５０ｅＶである。この値は格
子整合したＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ活性層と自然超格子構造
が形成されているクラッド層４３とのバンド不連続に比
べ、１５０ｍｅＶ大きい。
【００９８】また、Ｉｎ0.8 Ｇａ0.2 Ｐ活性層４２と＜
１１１＞方向の自然超格子構造が形成されていないクラ
ッド層４４のバンド不連続は０．８４ｅＶである。この
値は格子整合したＩｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ活性層と自然超格
子構造が形成されているクラッド層４３とのバンド不連
続に比べ、４９０ｍｅＶ大きい。
【００９９】このようなバンド不連続の増加により活性
層４２内に電子が有効に閉じ込められる。
【０１００】図６に示した概念的な半導体レーザ装置に
おいて、特に、活性層４２の格子不整合度が１．０％に
設定されたダブルヘテロ構造部を、横モード制御構造の
Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）yＰ系の半導体レーザ装置
に適用した例を図７に示す。
【０１０１】図７に示すように、横モード制御構造の半
導体レーザ装置では、ｎ型ＧａＡｓ系の基板５０と、ｎ
型ＧａＡｓ系のバッファ５１と、ダブルヘテロ構造部５
２と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のキャップ層５３
と、ｎ型ＧａＡｓ系の電流挟窄層５４と、ｐ型ＧａＡｓ
系のコンタクト層５５とが順次積層されて構成される。
【０１０２】ダブルヘテロ構造部５２では、ｎ型Ｉｎ
0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層５６
と、Ｉｎ0.62Ｇａ0.38Ｐ組成の格子不整合化活性層５７
と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のク
ラッド層５８と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のエッチ
ングストップ層５９と、ｐ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3 Ａｌ0.
7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層６０とが順次積層される。
【０１０３】格子不整合化活性層５７は図６に示した活
性層４２に対応し、厚みが０．０１５μｍであり、ｎ型
ＧａＡｓ基板５０に対し格子定数が約１．０％大きい。
この格子不整合度はフォトルミネッセンス波長、Ｘ線回
析、透過型電子顕微鏡などを利用して確認された。
【０１０４】各クラッド層の不純物ドーピングは、ｐ型
に対しＺｎを不純物として１×１０18ｃｍ-3程度、ｎ型
に対しＳｉを不純物として５×１０17ｃｍ-3程度の濃度
に設定した。
【０１０５】なお、格子不整合化活性層２７の組成は、
Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐの表記において、Ａｌ
組成ｘ＝０とし、Ｇａ組成ｙ＝０．３８としたものであ
る。
【０１０６】上記構成の半導体レーザ装置は減圧ＭＯＣ
ＶＤ法により成長されたものであり、以下にクラッド層
５８における成長条件とバンドギャップとの関係を説明
する。
【０１０７】図８は、キャリア濃度を５乃至７×１０17
ｃｍ-3に設定して、クラッド層５８が成長するときのＶ
／III 比（ＰＨ3 とIII 族原料とのモル流量比）とバン
ドギャップとの関係を測定したグラフである。
【０１０８】図８に示すように、３種類の成長温度（Ｔ
ｇ）、すなわち６９０℃、７３０℃、７５０℃のいずれ
においてもＶ／III 比が２００を超えるとバンドギャッ
プは急激に小さくなる。この理由は、Ｖ／III 比が２０
０を超えると＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成さ
れ易くなるからである。また、成長温度の上昇と共にバ
ンドギャップは大きくなる。この理由は、成長温度が高
いほど自然超格子構造が形成され難くなるためである。
【０１０９】図９は、Ｖ／III 比を４００に設定して、
クラッド層５８が成長するときのキャリア濃度とバンド
ギャップとの関係を測定したグラフである。
【０１１０】図９に示すように、成長温度に関係なく、
キャリア濃度の増加と共に、バンドギャップは大きくな
り、キャリア濃度７×１０17ｃｍ-3以上ではバンドギャ
ップは２．３３ｅＶで一定値となる。バンドギャップが
２．３３ｅＶ以上のサンプルでは自然超格子構造が形成
されていないが、他のサンプルでは＜１１１＞方向の自
然超格子構造が形成される。その理由は、キャリア濃度
の増加と共に、ｐ型ドーパントが自然超格子構造の形成
を阻止する効果を有するためである。
【０１１１】図８及び図９に示した成長条件とバンドギ
ャップとの関係を基に、図７に示した半導体レーザ装置
のクラッド層５８の成長条件は以下のように定められ
た。すなわち、成長温度は、作製の容易さを考慮して６
９０℃とし、Ｖ／III 比は４００に設定され、キャリア
濃度は８×１０17ｃｍ-3以上に設定された（図９参
照）。
【０１１２】このときのクラッド層５８のバンドギャッ
プは２．３３ｅＶであって、自然超格子構造は形成され
ない。つまり、バンド不連続は、Ｉｎ0.62Ｇａ0.38Ｐ組
成の格子不整合化活性層５７におけるバンドギャップが
１．７１ｅＶであるので、０．６２ｅＶである。
【０１１３】一方、図１０は、クラッド層５８が成長す
るときの成長速度とバンドギャップとの関係を３種類の
成長温度について測定したグラフである。
【０１１４】図１０に示すように、Ｖ／III 比及びキャ
リア濃度に関係なくバンドギャップは変化する。つま
り、成長速度の低下と共にバンドギャップは大きくな
り、成長速度が１μｍ／ｈ以下ではバンドギャップは
２．３３ｅＶで一定となる。バンドギャップが２．３３
ｅＶ以上のサンプルでは自然超格子構造が形成されてい
ないが、他のサンプルでは＜１１１＞方向の自然超格子
構造が形成される。
【０１１５】それゆえ、Ｖ／III 比及びキャリア濃度の
調整による他に、成長速度を変えることによっても図７
に示された半導体レーザ装置を作製できる。
【０１１６】図７に示された半導体レーザ装置における
電流−光出力特性に関しては、第１発明の電流−光出力
特性と同様の結果が得られた（図５参照）。
【０１１７】つまり、動作温度８０℃まで８０ｍＷの光
出力を得ることができる。
【０１１８】次に、活性層５７の厚み及び格子不整合度
に対する半導体レーザ装置の寿命の変化を図１１を用い
て説明する。
【０１１９】図１１に示すように、一万時間を越えて動
作するレーザ装置は白丸で示され（寿命一万時間以
上）、１００時間以下の使用で動作しなくなるレーザ装
置は黒丸で示される（寿命１００時間以下）。
【０１２０】この様に寿命時間に大きな違いが生ずる理
由は、活性層５７の格子不整合によりミスフィット転位
が発生し、動作中にこの発生転位が増殖するためであ
る。このため、活性層厚みが０．１μｍでは格子不整合
度０．３％が限界であり、活性層厚みが０．０１μｍで
は格子不整合度２．５％が限界である。また、活性層が
０．０１μｍよりも薄くなると、活性層５７での光閉じ
込め量が小さくなるため、レーザ発振ができない。それ
故、活性層５７の厚みは０．０１μｍ以上でなければな
らない。
【０１２１】特に、図１１に斜線で示すように、活性層
厚みと格子不整合度の関係が（０．０１μｍ，０．３
％）、（０．０４μｍ，０．３％）、（０．０４μｍ，
０．５％）、及び（０．０１μｍ，１．５％）の各ポイ
ントを結ぶ直線で囲まれる領域内では、レーザ装置の動
作電流が低くなり、長い期間に渡って動作し、長寿命化
が達成できる。
【０１２２】これに対し、参考までに図２４に示される
ように、基板９０に格子整合した活性層９３、及び＜１
１１＞方向の自然超格子構造が形成される成長条件（成
長温度７５０℃、Ｖ／III 比３００、キャリア濃度４×
１０17ｃｍ-3）で成長されたｐ型クラッド層９４を有す
る従来の半導体レーザ装置では、バンドギャップは各々
１．８８ｅＶ、２．２３ｅＶである。つまり、バンド不
連続は０．３５ｅＶである。この場合、ストライプ幅５
μｍ、共振器長４００μｍの半導体レーザ装置における
最高連続発振温度は４０℃であり、動作温度は低く、寿
命特性も不良である。
【０１２３】しかしながら、本実施例によれば、活性層
５７では格子不整合によりバンドギャップが小さくされ
（１．４９乃至１．８３ｅＶ）、かつクラッド層５８で
は成長条件を調整して＜１１１＞方向の自然超格子構造
が形成されないのでバンドギャップが大きくされる
（２．３３ｅＶ）。それで、活性層５７とクラッド層５
８との間のバンド不連続が大きくなる（０．８４乃至
０．５０ｅＶ）ので、電子のオーバーフローが効果的に
押さえられ、良好な温度特性を備えたＩｎＧａＡｌＰ系
の半導体レーザ装置を実現することができる。つまり、
産業界においても有用である。
【０１２４】具体的には、本実施例の半導体レーザ装置
では、最高連続発振温度は５０℃以上上昇することが実
験により確かめられた。また、活性層厚みを０．０２±
０．００８μｍにし、活性層５７の格子定数を基板５０
の格子定数よりも０．５乃至２％の範囲で大きくするこ
とにより、動作温度１００℃まで光出力５０ｍＷで動作
する高出力半導体レーザ装置を高い歩留まりで実現する
ことが可能になった。
【０１２５】なお、上述の実施例では、ｐ型クラッド層
５８にのみ＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成され
ないが、図７に示されるリッジ部のｐ型クラッド層６０
を含むｐ型クラッド層全体、あるいはｐ型クラッド層５
８の一部に＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成され
ない構成でも同様の効果がある。
【０１２６】また、上述の実施例では、ダブルヘテロ構
造部を形成する材料としてＩｎＧａＡｌＰ系を用いた
が、自然に自然超格子構造が形成される半導体材料であ
れば、成長条件を調整して自然超格子構造の形成を防ぐ
ことにより、同様に用いることができる。例えば、自然
自然超格子の有無によりバンドギャップが変化する材料
としてはＩｎＧａＡｓＰが知られている。それで、第２
の発明はＩｎＧａＡｓＰ系（ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＡｓ
Ｐ系）に適用することもできる。
【０１２７】さらに、上述の実施例では、ｐ型ドーパン
トとしてＺｎを用いたが、Ｍｇなどの他のドーパントを
用いても同様の効果が得られる。
【０１２８】さらにまた、基板２０の面方位は一般的
に、図１２に示すように（１００）である。しかしなが
ら、（１００）から少し傾斜した、例えば１５度以内に
傾いた面を有する基板を用いても良い。
【０１２９】次に、第２の発明の第２実施例の半導体レ
ーザ装置について説明する。
【０１３０】図１３は、横モード制御構造のＩｎ
1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置の概
略構造断面図である。
【０１３１】図１３に示すように、第２実施例の半導体
レーザ装置では、ｎ型ＧａＡｓ系の基板７０と、ｎ型Ｇ
ａＡｓ系のバッファ７１と、ｎ型Ｉｎ0.5（Ｇａ0.3 Ａ
ｌ0. 7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層７２と、Ｉｎ1-y Ｇａ
y Ｐ組成（Ｙ＜０．５）の格子不整合化活性層７３と、
＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成されていないｐ
型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第１クラ
ッド層７４と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のエッチン
グストップ層７５と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａ
ｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第２クラッド層７６と、ｐ型Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5Ｐ組成の中間バンドギャップ層７７と、ｐ
型ＧａＡｓ系のコンタクト層７８とが順次積層されて構
成される。
【０１３２】上記構成の半導体レーザ装置にキャリアを
注入すると、コンタクト層７８及び第１クラッド層７４
により形成されるｐ−ｐヘテロ障壁により、注入キャリ
アはリッジ部７５、７６、７７に制限される。このリッ
ジ部直下の格子不整合化活性層７３で発光が生じてレー
ザ発振に至る。その際、リッジ外部とリッジ内部との実
効的な屈折率差によってリッジ部に光が閉じ込められ
る。閉じ込められた光は、格子不整合化活性層７３と第
１クラッド層７４との間に形成される十分なエネルギー
障壁により高い動作温度でも高い光出力で放出される。
【０１３３】つまり、第１実施例と同様の効果を得るこ
とができる。
【０１３４】なお、バッファ７１の組成がｎ型ＩｎＧａ
Ｐ、格子不整合化活性層７３の組成がＩｎＧａＡｌＰ、
ＩｎＧａＡｓＰ、又はＡｌＧａＡｓ、エッチングストッ
プ層７５の組成がｐ型ＧａＡｌＡｓ又はｐ型ＧａＡｓ、
中間バンドギャップ層７７の組成がｐ型ＧａＡｌＡｓ又
はｐ型ＧａＡｓであっても同様の効果を得ることができ
る。
【０１３５】また、クラッド層７２、第１クラッド層７
４、第２クラッド層７６におけるｇａ／Ａｌ比は０．３
／０．７に限定されず、クラッド層のバンドギャップが
活性層よりも大きくなる範囲（例えば、Ｉｎ1-y （Ｇａ
1-x Ａｌx ）y Ｐ系において０．３≦Ｘ＜１．０）で適
宜定めても良い。
【０１３６】さらに、格子不整合化活性層７３の組成で
は、Ｘ＝０、Ｙ＝０．５と設定されているが、この値に
限定されず、クラッド層のバンドギャップよりも小さく
なるバンドギャップを有する範囲の組成であれば良い。
【０１３７】さらにまた、第２クラッド層７６に＜１１
１＞方向の自然超格子構造が形成されていない構造であ
っても良い。また、第１クラッド層７４の一部のみが＜
１１１＞方向の自然超格子構造が形成されていない構造
であっても良い。
【０１３８】次に、第２の発明の第３実施例の半導体レ
ーザ装置について説明する。
【０１３９】図１４は、リッジ部の無いＩｎ1-y （Ｇａ
1-xＡｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置の概略構造断面
図である。
【０１４０】図１４に示すように、第３実施例の半導体
レーザ装置では、ｎ型ＧａＡｓ系の基板８０と、ｎ型Ｇ
ａＡｓ（又はｎ型ＩｎＧａＰ）系のバッファ８１と、ｎ
型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド
層８２と、Ｉｎ1-y ＧａyＰ組成（Ｙ＜０．５）の格子
不整合化活性層８３と、＜１１１＞方向の自然超格子構
造が形成されていないｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａ
ｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第１クラッド層８４と、ｐ型Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のバッファ層８５と、ｐ型Ｉｎ0. 5
（Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第２クラッド層８６
と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成（若しくはｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ系）の中間バンドギャップ層８７と、ｎ型ＧａＡ
ｓ（若しくは半絶縁性のＧａＡｓ又はｎ型ＧａＡｌＡ
ｓ）系の電流ブロック層８８、ｐ型ＧａＡｓ組成のコン
タクト層８９とが順次積層されて構成される。
【０１４１】上記構成の半導体レーザ装置にキャリアを
注入すると、電流ブロック層８８によるｐｎ逆接合層の
ため、注入キャリアはストライプ中央部（電流ブロック
層８８間）に制限される。それで、このストライプ中央
部直下の格子不整合化活性層８３で発光が生じてレーザ
発振に至る。その際、格子不整合化活性層８３と第１ク
ラッド層８４との間に形成される十分なエネルギー障壁
により高い動作温度でも高い光出力で放出される。
【０１４２】つまり、第１実施例と同様の効果を得るこ
とができる。
【０１４３】なお、クラッド層８２、第１クラッド層８
４、第２クラッド層８６におけるＧａ／Ａｌ比は０．３
／０．７に限定されず、クラッド層のバンドギャップが
活性層８３よりも大きくなる範囲（例えば、Ｉｎ
1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系において０．３≦Ｘ＜
１．０）で適宜定めても良い。
【０１４４】さらに、格子不整合化活性層８３では、組
成がＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系においてＸ＝
０、Ｙ＝０．５と設定されているが、この値に限定され
ず、クラッド層のバンドギャップよりも小さくなるバン
ドギャップを有する範囲の組成であれば良い。
【０１４５】さらにまた、第２クラッド層８６に＜１１
１＞方向の自然超格子構造が形成されていない構造であ
っても良い。また、第１クラッド層８４の一部のみが＜
１１１＞方向の自然超格子構造が形成されていない構造
であっても良い。
【０１４６】次に、第２の発明の第４実施例の半導体レ
ーザ装置について説明する。
【０１４７】図１５は、リッジ部の無いＩｎ1-y （Ｇａ
1-xＡｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置の概略構造断面
図である。
【０１４８】図１５に示すように、第４実施例の半導体
レーザ装置では、ｎ型ＧａＡｓ系の基板９０と、ｎ型Ｇ
ａＡｓ（又はｎ型ＩｎＧａＰ）系のバッファ９１と、ｎ
型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド
層９２と、Ｉｎ1-y ＧａyＰ組成（Ｙ＜０．５）の格子
不整合化活性層９３と、＜１１１＞方向の自然超格子構
造が形成されていないｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａ
ｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第１クラッド層９４と、ｐ型Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成（又はｐ型ＧａＡｌＡｓ系）のエッ
チングストップ層９５と、ｎ型又は半絶縁性のＩｎＧａ
ＡｌＰ系若しくはｎ型ＡｌＧａＡｓ系の電流ブロック層
９６と、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ系若しくはｐ型ＧａＡｌＡ
ｓ系の光ガイド層９７と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ
0.7 ）0.5 Ｐ組成の第２クラッド層９８と、ｐ型Ｉｎ
0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成（ｐ型ＧａＡｌＡｓ系）の中間バン
ドギャップ層９９と、ｐ型ＧａＡｓ系のコンタクト層１
００とが順次積層されて構成される。
【０１４９】上記構成の半導体レーザ装置にキャリアを
注入すると、電流ブロック層９６によるｐｎ逆接合層の
ため、注入キャリアはストライプ中央部（電流ブロック
層９６間）に制限される。それで、このストライプ中央
部直下の格子不整合化活性層９３で発光が生じてレーザ
発振に至る。その際、電流ブロック層９６にまで染み出
した光は、光ガイド層９７及び電流ブロック層９６によ
って作られる屈折率差によって閉じ込められる。閉じ込
められた光は、格子不整合化活性層９３と第１クラッド
層９４との間に形成される十分なエネルギー障壁により
高い動作温度でも高い光出力で放出される。
【０１５０】つまり、第１実施例と同様の効果を得るこ
とができる。
【０１５１】なお、クラッド層９２、第１クラッド層９
４、第２クラッド層９８におけるＧａ／Ａｌ比は０．３
／０．７に限定されず、クラッド層のバンドギャップが
活性層９３よりも大きくなる範囲（例えば、Ｉｎ
1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系において０．３≦Ｘ＜
１．０）で適宜定めても良い。
【０１５２】また、光ガイド層９７のＡｌ組成比は限定
されず、クラッド層９２、第１クラッド層９４、第２ク
ラッド層９８のＡｌ組成比より小さく、活性層９３のＡ
ｌ組成比より大きいものであれば良い。電流ブロック層
９６のＡｌ組成比も限定されず、活性層９３のＡｌ組成
比より大きい範囲で適宜変更可能である。さらに、活性
層９３では、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系におい
て、Ａｌ組成がＸ＝０、Ｇａ＋Ａｌ組成がＹ＝０．５と
設定されているが、この値に限定されず、クラッド層及
び光ガイド層９７のバンドギャップよりも小さくなるバ
ンドギャップを有する組成範囲であれば良い。
【０１５３】さらに、第２クラッド層９６及び光ガイド
層９７に＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成されて
いない構造であっても良い。また、第１クラッド層８４
の一部のみが＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成さ
れていない構造であっても良い。
【０１５４】次に、第２の発明の第５実施例の半導体レ
ーザ装置について説明する。
【０１５５】図１６は、横モード制御構造のＩｎ
1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置の概
略構造断面図である。
【０１５６】図１６に示すように、第５実施例の半導体
レーザ装置では、ｎ型ＧａＡｓ系の基板１０１と、ｎ型
ＧａＡｓ（又はｎ型ＩｎＧａＰ）系のバッファ１０２
と、ｎ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第
１クラッド層１０３と、ｎ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.4 Ａｌ
0.6 ）0.5 Ｐ組成の第２クラッド層１０４と、Ｉｎ1-y
Ｇａy Ｐ組成（Ｙ＜０．５）の格子不整合化活性層１０
５と、＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成されてい
ないｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第
３クラッド層１０６と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成
（又はｐ型ＧａＡｌＡｓ系）のエッチングストップ層１
０７と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0. 5 Ｐ組成
の第４クラッド層１０８と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組
成（若しくはｐ型ＧａＡｌＡｓ系）の中間バンドギャッ
プ層１０９と、ｎ型ＧａＡｓ系若しくはｎ型ＧａＡｌＡ
ｓ系の電流ブロック層１１０と、ｐ型ＧａＡｓ系のコン
タクト層１１１とが順次積層されて構成される。
【０１５７】上記構成の半導体レーザ装置にキャリアを
注入すると、電流ブロック層８８によるｐｎ逆接合層の
ため、注入キャリアはリッジ部１０８、１０９に制限さ
れる。このリッジ部直下の格子不整合化活性層１０５で
発光が生じてレーザ発振に至る。
【０１５８】ここで、第２クラッド層１０４のバンドギ
ャップを格子不整合化活性層１０５のバンドギャップよ
り大きく設定し、かつ第１クラッド層１０３のバンドギ
ャップより小さく設定することにより、格子不整合化活
性層１０５での光密度が低減される。
【０１５９】したがって、高い動作温度でも高い光出力
で放出される。つまり、第１実施例と同様の効果を得る
ことができる。
【０１６０】なお、第１クラッド層１０３、第３クラッ
ド層１０６、及び第４クラッド層１０８では、Ｉｎ1-y
（Ｇａ1-x Ａｌx）y Ｐ系において、Ａｌ組成がＸ＝
０．７、Ｇａ＋Ａｌ組成がＹ＝０．５と設定されている
が、この値に限定されず、Ａｌ組成比はクラッド層１０
３、１０６、１０８のバンドギャップが活性層１０５の
バンドギャップより大きく、かつ第２クラッド層１０４
のバンドギャップより大きくなる範囲で適宜定めれば良
い。
【０１６１】また、第２クラッド層１０４のＡｌ組成
は、Ｘ＝０．６に限定されず、第１クラッド層１０３、
第３クラッド層１０６、及び第４クラッド層１０８のＡ
ｌ組成比より小さく、かつ活性層１０５のＡｌ組成比よ
り大きい構造であれば良い。
【０１６２】さらに、活性層１０５では、Ｉｎ1-y （Ｇ
ａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系において、Ａｌ組成がＸ＝０、Ｇ
ａ＋Ａｌ組成がＹ＝０．５と設定されているが、この値
に限定されず、クラッド層１０３、１０４、１０６、１
０８のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有
する条件でＡｌ組成比Ｘ及びＧａ＋Ａｌ組成比Ｙを適宜
定めれば良い。
【０１６３】さらにまた、第４クラッド層１０８に＜１
１１＞方向の自然超格子構造が形成されていない構造で
あっても良い。また、第３クラッド層１０６の一部のみ
が＜１１１＞方向の自然超格子構造が形成されていない
構造であっても良い。
【０１６４】上述のごとく、第２の発明は、第１乃至第
５実施例に基づき説明されたが、他の横モード制御構
造、若しくはＩｎＧａＡｌＰ系材料又はＩｎＧａＡｓＰ
系材料から成るダブルヘテロ構造であれば同様の効果が
得られる。また、（ＩｎＰ）（ＧａＰ）などから成る２
元混晶の自然超格子構造でも可能である。
【０１６５】また、例えば、利得導波型又はワイドスト
ライプ型の半導体レーザ構造、レーザ出射端面部に電流
を注入しない構造、若しくはレーザ出射端面部に光を吸
収しない窓構造などの他の構造の半導体レーザ装置にも
第２発明は適用可能である。また、半導体レーザ以外の
例えば発光ダイオードにおいても適用可能であり、高温
動作、高速応答が可能になる。
【０１６６】さらに、基板５０、７０、８０、９０、１
０１はＧａＡｓ系に限られず、ＧａＡｓ系の格子定数に
比較的近い格子定数を有するもの、例えばＡｌＡｓ系で
あれば用いることが可能である。
【０１６７】さらにまた、第１乃至第３実施例では減圧
ＭＯＣＶＤ法を用いたが、これに限られず、分子線エピ
タキシー法（ＭＢＥ法）、ガスソースＭＢＥ法などを用
いても良い。
【０１６８】一方、リッジストライプの方向が（１０
０）基板上の＜０１１＞方向のストライプ、又は＜０１
１＞方向のストライプでも良く、（１００）面からのず
れ角度が１５度以内であるならば、（１００）面から＜
０１１＞方向へ傾いた基板、又は（１００）面から＜０
１１＞方向へ傾いた基板を用いても良い。
【０１６９】ここで、１は結晶軸方向が負であることを
意味する。
【０１７０】次に、第３の発明に係わる第１実施例を説
明する。
【０１７１】図１７は、第３の発明に係わる第１実施例
の半導体レーザ装置におけるダブルヘテロ構造部の格子
不整合度及びバンドギャップを示す概念図である。
【０１７２】図１７に示すように、概念的な半導体レー
ザ装置は、（１００）面から＜０１１＞方向と等価な方
向へ傾いた面方位を有するＧａＡｓ基板１２１と、該基
板１２１上に形成されるダブルヘテロ構造部１２２とを
備える。上記ダブルヘテロ構造部１２２は、光及びキャ
リアを閉じ込めるＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の
活性層１２３と、該活性層１２３のバンドギャップより
大きいバンドギャップを有し、活性層１２３へ電子およ
び正孔をそれぞれ注入するため互いに異なる導電型を有
するクラッド層１２４、１２５とから構成される。
【０１７３】活性層１２３は、ＧａＡｓ基板１２１に対
し格子定数が０．５乃至２．０％大きい組成から成る。
【０１７４】図１７に示した概念的な半導体レーザ装置
において、特に、活性層１２３の格子不整合度が１．０
％に設定されたダブルヘテロ構造部を、横モード制御構
造のＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ
装置に適用した例を図１８に示す。
【０１７５】図１８に示すように、横モード制御構造の
半導体レーザ装置では、（１００）面から＜０１１＞方
向と等価な方向へ１０度傾いた面方位を有するｎ型Ｇａ
Ａｓ系の基板１３０と、ｎ型ＧａＡｓ系のバッファ層１
３１と、ダブルヘテロ構造部１３２と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇ
ａ0.5 Ｐ組成のキャップ層１３３と、ｎ型ＧａＡｓ系の
電流挟窄層１３４と、ｐ型ＧａＡｓ系のコンタクト層１
３５とが順次積層されて構成される。
【０１７６】ダブルヘテロ構造部１３２では、ｎ型Ｉｎ
0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層１３
６と、Ｉｎ0.62Ｇａ0.38Ｐ組成の格子不整合化活性層１
３７と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成
のクラッド層１３８と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成の
エッチングストップ層１３９と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ
0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層１４０とが順次
積層される。
【０１７７】ダブルヘテロ構造部１３２は、減圧有機金
属気相成長法（減圧ＭＯＣＶＤ法）により形成された。
この時の成長条件は、成長温度７００℃、Ｖ／III 比
（ＰＨ3 とIII 族原料のモル流量比）を３００である。
【０１７８】格子不整合化活性層１３７は図１７に示し
た活性層１２３に対応し、厚みが０．０１５μｍであ
り、ｎ型ＧａＡｓ基板１３０に対し格子定数が約１．０
％大きい。この格子不整合度はフォトルミネッセンス波
長、Ｘ線回析、透過型電子顕微鏡などを利用して確認さ
れた。
【０１７９】各クラッド層の不純物ドーピングは、ｐ型
に対しＺｎを不純物として１×１０18ｃｍ-3程度、ｎ型
に対しＳｉを不純物として１×１０17ｃｍ-3程度の濃度
に設定した。
【０１８０】なお、格子不整合化活性層１３７の組成
は、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐの表記において、
Ａｌ組成ｘ＝０とし、Ｇａ組成ｙ＝０．３８としたもの
である。
【０１８１】また、クラッド層１３８、１４０の組成
は、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐの表記において、
Ａｌ組成ｘ＝０．７とし、Ｇａ＋Ａｌ組成ｙ＝０．５と
したものである。
【０１８２】以上の第３に発明に係わる半導体レーザ装
置において、キャリアを注入すると、電流挟窄層１３４
によるｐｎ逆接合層のため、注入キャリアはリッジ部１
３３、１４０に制限される。このリッジ部直下の格子不
整合化活性層１０５で発光が生じてレーザ発振に至る。
【０１８３】次に、キャリアを有効に閉じ込めることが
できる活性層１３７の厚さｄと格子不整合度との関係に
ついて図１９を用いて説明する。
【０１８４】図１９は、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y
Ｐ系の材料を用いた場合に、ミスフィット転位の発生に
よる半導体レーザ装置の劣化が発生する条件を、格子不
整合化活性層２７の膜厚ｄ（オングストローム）と格子
不整合度Δａ／ａとの関係で示す。
【０１８５】図１９に示すように、劣化の発生が認めら
れた結果は白ヌキの四角で示され、劣化の発生が認めら
れなかった結果は黒塗りの四角で示される。また、実験
結果を基に決められた劣化発生の理論的境界が曲線で示
される。つまり、この曲線の上方、すなわち膜厚ｄ及び
格子不整合度Δａ／ａが共に大きい領域で劣化が発生す
る。
【０１８６】したがって、高い光出力を得るためには、 ０＜Δａ／ａ×１００≦２００／ｄ （％） …（３） であることが必要である。
【０１８７】特に、膜厚が０．０２μｍでは格子不整合
度０．５乃至１．０％の範囲で、０．０１５μｍでは格
子不整合度０．７５乃至１．５％の範囲で高い光出力を
得ることができ、かつ発振閾値が小さくなる効果が著し
い。
【０１８８】なお、格子不整合化活性層１３７の格子不
整合度に制限範囲が以下の理由で存在する。
【０１８９】すなわち、格子不整合化活性層１３７の格
子不整合度が大きくなると、ミスフィット転位の発生に
より半導体レーザ装置が劣化することになる。活性層１
３７が薄くなるにしたがって、格子不整合度の上限は大
きくなり、活性層１３７の膜厚が０．０１μｍにおける
格子不整合度２％が上限値である。
【０１９０】また、格子不整合化活性層１３７の膜厚が
大きくなると、製造上、格子不整合度を大きくすること
ができなくなる。それで、膜厚の上限は０．１μｍであ
って、このときの格子不整合度の下限値は０．２％であ
る。
【０１９１】上記（３）式を満足するように、格子不整
合化活性層１３７の膜厚を０．０１５μｍ（１≦２００
／１５０％）と設定したときの半導体レーザ装置の電流
−光出力特性は、第１の発明における電流−光出力特性
と同様の結果となる（図５参照）。
【０１９２】つまり、８０℃まで４０ｍＷの光出力が得
られており、高い光出力が高い動作温度まで実現され
る。このように温度特性が良好である結果として、高い
温度においても高い光出力を実現することができる。つ
まり、詳細には、従来技術において動作温度４０℃以上
において光出力の低下が著しいのに比べて、より高い温
度８０℃においても発振閾値は６０ｍＡであって低く、
動作温度の上昇に伴う発振閾値の増加は小さい。また、
従来の半導体レーザ装置では４３ｍＷでキンクが生じた
のに対し、本実施例の半導体レーザ装置では、キンクレ
ベルは１００ｍＷ以上まで向上し、傾斜基板１３０を用
いているにも拘らず、極めて高いキンクレベルが実現さ
れる。
【０１９３】さらに、本実施例の構造では、従来構造に
比べ、発振閾値電流の低減、微分量子効率の向上が認め
られる。
【０１９４】ここで、従来のごとく、（１００）面を有
するＧａＡｓ基板上に、上記ダブルヘテロ構造部１３２
のエピタキシャル成長を行った場合、ダブルヘテロ構造
部１３２の格子不整合化活性層１３７では、従来の活性
層３０３に比べエネルギーギャップが小さくなっている
ので、発振波長が２０ｎｍ程度長波長化し、６９０ｎｍ
になってしまう。これに対し、本実施例の半導体レーザ
装置では、（１００）面から＜０１１＞方向と等価な方
向へ１０度傾いた面方位を有するｎ型ＧａＡｓ系の基板
１３０上に上記ダブルヘテロ構造部１３２をエピタキシ
ャル成長により形成したので、ダブルヘテロ構造部１３
２内のエネルギーギャップが格子不整合化活性層１３７
及びクラッド層１３８、１４０共々増加し、結果として
約１５ｎｍの短波長化が実現される。つまり、レーザの
発振波長は６７５ｎｍになる。
【０１９５】したがって、活性層の格子不整合度を大き
くしたことによる発振波長の長波長化の欠点を補償する
ことが可能になる。
【０１９６】次に、基板１３０の（１００）面に対する
傾斜角度がダブルヘテロ構造部１３２におけるバンドギ
ャップ値に与える影響を説明する。
【０１９７】図２０は、（１００）面から＜０１１＞方
向と等価な方向に傾斜した面方位を有するＧａＡｓ基板
１３０上にエピタキシャル成長された格子不整合化活性
層１３７、クラッド層１３８、１４０のバンドギャップ
が、基板１３０の傾斜角度に対して変化する特性を示
す。
【０１９８】格子不整合化活性層１３７、クラッド層１
３８、１４０の、基板１３０の（１００）面に対する傾
斜角度に対するバンドギャップ値の変化量は、フォトル
ミネッセンスにより測定され、第２の発明において説明
したように、＜１１１＞方向に規則性を有する自然超格
子構造が全く形成されない活性層１３７、クラッド層１
３８、１４０のバンドギャップ値との比較により表現さ
れる。換言すれば、活性層１３７、クラッド層１３８、
１４０の最も大きなバンドギャップ値を基準として、活
性層１３７、クラッド層１３８、１４０のバンドギャッ
プ値と基準値との差、つまり、バンドギャップ変化量＝
基準値−傾斜角度に対するバンドギャップ値として、基
板１３０の（１００）面に対する傾斜角度に対するバン
ドギャップ値の変化量が示される。
【０１９９】また、図２０における右側の縦軸には、格
子不整合化活性層１３７から発光する光の波長の変化量
がバンドギャップ変化量に対応させて示される。
【０２００】図２０に示すように、基板１３０の（１０
０）面に対する傾斜角度θが大きくなると共に、活性層
１３７、クラッド層１３８、１４０のバンドギャップ値
は増加し、傾斜角度θが約１０乃至１５度でバンドギャ
ップ値は飽和する。数量的には、約１０度傾斜した基板
１３０を用いることにより、傾斜しない基板１３０に対
し約１５ｎｍの短波長化が図られる。
【０２０１】また、活性層１３７およびクラッド層１３
８、１４０のバンドギャップ値の変化量はほぼ等しいの
で、活性層１３７とクラッド層１３８、１４０とのバン
ドギャップ差を大きな値に保ったまま短波長化が達成さ
れ得る。つまり、温度特性の改善効果を保持したまま短
波長化が達成され得る。
【０２０２】なお、図１８に示した半導体レーザ装置に
対して、バッファ層１３１がｎ−ＩｎＧａＰ系であり、
エッチングストップ層１３９がｐ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ
−ＧａＡｌＡｓ若しくはｐ−ＧａＡｓ系であり、キャッ
プ層１３３がｐ−ＩｎＧａＡｌＰ，ｐ−ＧａＡｌＡｓ若
しくはｐ−ＧａＡｓ系であり、電流狭窄層１３４が半絶
縁性のＧａＡｓ，若しくはｎ型又は半絶縁性のＧａＡｌ
Ａｓ系であり、ｐ型クラッド層１３８の厚さが０．１〜
０．４μｍの構造でも上記と同様の効果が得られる。ま
た、格子不整合化活性層１３７が量子井戸層と障壁層と
からなる量子井戸構造であっても同様の効果が得られ
る。
【０２０３】また、高い光出力を得るために本実施例で
は活性層１３７の格子不整合度を変えてエネルギーギャ
ップを変化させた。
【０２０４】しかし、Ｉｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx）y Ｐ
系材料では、格子不整合の他に、Ａｌ組成ｘや、結晶成
長条件により変化する原子の秩序配列性によっても活性
層２７のエネルギーギャップを変化させることができ
る。そして、結果的に同じエネルギーギャップであれば
その素子特性はキンクレベルと同様格子不整合度の大き
なもので若干改善される傾向が現われた。これは、発振
しきい値の低減，微分量子効率の向上等に顕著に現われ
た。これらの効果は、キンクレベルの向上と同様、格子
不整合による歪みにより、バンド構造が変化し、活性層
面内方向の正孔の有効質量が小さくなることに依存して
いると考えられる。
【０２０５】また、このような効果が０．５％程度以上
の格子不整合度から現われる理由は、活性層面内方向の
正孔の有効質量の小さなバンドのバンド端と大きなバン
ドのバンド端とのエネルギー差が、注入キャリア密度や
動作温度に依存することなく十分に大きくなるために
は、この程度の格子不整合度による歪みが必要だからで
あると考えられる。さらに、格子不整合度を０．６％以
上にすれば、上記効果が確実に得られた。
【０２０６】このように本実施例によれば、ＩｎＧａＰ
活性層１３７のＧａ組成をＧａＡｓ基板１３０と格子整
合する０．５よりも小さく、例えば０．３８とすること
により、活性層１３７の格子定数を基板２０の格子定数
よりも１％程度大きくすることができる。そして、活性
層１３７の基板２０に対する不整合度が大きくなると、
活性層１３７に歪みが加わり、この歪みにより活性層１
３７のＩｎＧａＰの価電子帯にある正孔の有効質量を活
性層面内方向について小さくすることができる。
【０２０７】このため、活性層面内方向での正孔の拡散
長を大きくすることができ、ホールバーニング効果に起
因するキンク発生を低減することができる。従って、高
い光出力までキンクのない安定な横モードでの発振が可
能となり、光ディスクの高密度記録化を可能とするレー
ザ光源として用いることでがきる。
【０２０８】次に、第３の発明に係わる第２実施例を説
明する。
【０２０９】図２１は、第３の発明に係わる第２実施例
の横モード制御構造のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体レーザ
装置の構造断面図である。
【０２１０】図２１に示すように、横モード制御構造の
半導体レーザ装置では、（１００）面から＜０１１＞方
向と等価な方向へ１０度傾いた面方位を有するｎ型Ｇａ
Ａｓ系の基板１５０と、ｎ型ＧａＡｓ系のバッファ層１
５１と、ｎ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成
のクラッド層１５２と、Ｉｎ0.62Ｇａ0.38Ｐ組成で０．
０１５μｍ厚みの格子不整合化活性層１５３と、ｐ型Ｉ
ｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成のクラッド層１
５４と、ｐ型Ｉｎ0.5 Ｇａ0.5 Ｐ組成のキャップ層１５
５と、ｐ型ＧａＡｓ系のコンタクト層１５６とが順次積
層されて構成される。
【０２１１】格子不整合化活性層１５３、クラッド層１
５２、１５４などのダブルヘテロ構造部は、第１実施例
と同様に、減圧ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長
により形成される。
【０２１２】また、各クラッド層１５２、１５４の不純
物ドーピングは、ｐ型に対しＺｎを不純物として１×１
０18ｃｍ-3程度、ｎ型に対しＳｉを不純物として１×１
０17ｃｍ-3程度の濃度に設定した。
【０２１３】上記の第２実施例の半導体レーザ装置は、
第１実施例の半導体レーザ装置と比較して、エピタキシ
ャル成長の工程を大幅に省略して作製される。
【０２１４】以上の第２実施例の半導体レーザ装置にお
いて、第１実施例と同様に、基板１５０は（１００）面
から＜０１１＞方向と等価な方向へ１０度傾いた面方位
を有し、格子不整合化活性層１５３の格子定数は基板１
５０の格子定数よりも約１％大きい。
【０２１５】したがって、第１実施例と同様に、高い光
出力を得ることができ、発振閾値が小さく、かつ発振波
長は短波長化され得る。
【０２１６】次に、第３の発明に係わる第３実施例を説
明する。
【０２１７】図２２は、第３の発明に係わる第３実施例
の横モード制御構造のＩｎＧａＡｌＰ系の半導体レーザ
装置の構造断面図である。
【０２１８】図２２に示すように、横モード制御構造の
半導体レーザ装置では、（１００）面から＜０１１＞方
向と等価な方向へ１０度傾いた面方位を有するｎ型Ｇａ
Ａｓ系の基板１６０と、ｎ型ＧａＡｓ系又はｎ型ＩｎＧ
ａＰ系のバッファ層１６１と、ｎ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.3
Ａｌ0.7）0.5 Ｐ組成の第１クラッド層１６２と、ｎ型
Ｉｎ0.5 （Ｇａ0.4 Ａｌ0.6 ）0.5 Ｐ組成の第２クラッ
ド層１６３と、Ｉｎ0. 62Ｇａ0.38Ｐ組成又はＩｎＧａＡ
ｌＰ系の格子不整合化活性層１６４と、ｐ型Ｉｎ
0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第３クラッド層
１６５と、ｐ型ＩｎＧａＰ系又はｐ型ＧａＡｌＡｓ系の
エッチングストップ層１６６と、ｐ型Ｉｎ0.5 （Ｇａ
0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐ組成の第４クラッド層１６７と、
ｐ型ＩｎＧａＰ系又はｐ型ＧａＡｌＡｓ系の中間バンド
ギャップ層１６８と、ｎ型ＧａＡｓ系又はｎ型ＧａＡｌ
Ａｓ系の電流挟窄層１６９と、ｐ型ＧａＡｓ系のコンタ
クト層１７０とが順次積層されて構成される。
【０２１９】格子不整合化活性層１６４、クラッド層１
６２、１６３、１６５、１６７などのダブルヘテロ構造
部は、第１実施例と同様に、減圧ＭＯＣＶＤ法によるエ
ピタキシャル成長により形成される。
【０２２０】上記の第３実施例の半導体レーザ装置で
は、第２クラッド層１６３のバンドギャップは、格子不
整合化活性層１６４のバンドギャップより大きく、かつ
第１クラッド層１６２のバンドギャップより小さい。そ
れで、レーザ光は格子不整合化活性層１６４の小さな断
面および第２クラッド層１６３の断面からも出力される
ので、大きな光出力を得ることができる。
【０２２１】以上の第３実施例の半導体レーザ装置にお
いて、第１実施例と同様に、基板１６０は（１００）面
から＜０１１＞方向と等価な方向へ１０度傾いた面方位
を有し、格子不整合化活性層１６４の格子定数は基板１
６０の格子定数よりも約１％大きい。
【０２２２】したがって、第１実施例と同様に、高い光
出力を得ることができ、発振閾値が小さく、かつ発振波
長は短波長化され得る。
【０２２３】上記の第３実施例の半導体レーザ装置で
は、第１、第３、第４のクラッド層１６２、１６５、１
６７の組成はＩｎ0.5 （Ｇａ0.3 Ａｌ0.7 ）0.5 Ｐと設
定されたが、第２クラッド層１６３のバンドギャップが
第１、第３、第４のクラッド層１６２、１６５、１６７
のバンドギャップより小さく、かつ活性層１６４のバン
ドギャップより大きくなる範囲で、第１、第２、第３、
第４のクラッド層１６２、１６３、１６５、１６７のＡ
ｌ組成比が適宜定められれば良い。
【０２２４】上述のごとく、第３の発明は、第１乃至第
３実施例に基づき説明されたが、他の横モード制御構
造、若しくはＩｎＧａＡｌＰ系材料又はＩｎＧａＡｓＰ
系材料から成るダブルヘテロ構造であれば同様の効果が
得られる。また、（ＩｎＰ）（ＧａＰ）などから成る２
元混晶の自然超格子構造でも可能である。
【０２２５】また、例えば、利得導波型又はワイドスト
ライプ型の半導体レーザ構造、レーザ出射端面部に電流
を注入しない構造、若しくはレーザ出射端面部に光を吸
収しない窓構造などの他の構造の半導体レーザ装置にも
第２発明は適用可能である。また、半導体レーザ以外の
例えば発光ダイオードにおいても適用可能であり、高温
動作、高速応答が可能になる。
【０２２６】さらに、基板１３０、１５０、１６０はＧ
ａＡｓ系に限られず、ＧａＡｓ系の格子定数に比較的近
い格子定数を有するもの、例えばＡｌＡｓ系であれば用
いることが可能である。
【０２２７】さらにまた、第１乃至第３実施例では減圧
ＭＯＣＶＤ法を用いたが、これに限られず、分子線エピ
タキシー法（ＭＢＥ法）、ガスソースＭＢＥ法などを用
いても良い。
【０２２８】一方、リッジストライプの方向が（１０
０）基板上の＜０１１＞方向のストライプ、又は＜０１
１＞方向のストライプでも良く、（１００）面から＜０
１１＞方向へ傾いた基板、又は（１００）面から＜０１
１＞方向へ傾いた基板を用いても良い。
【０２２９】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はなく、適宜の設計的変更により、適宜の態様で実施し
得るものである。
【０２３０】
【発明の効果】以上説明したように、第１の発明によれ
ば、化合物半導体基板と、該化合物半導体基板上で注入
キャリアを閉じ込めるダブルヘテロ構造部とを備え、該
ダブルヘテロ構造部は、前記化合物半導体基板の格子定
数よりも０．５％乃至２．０％大きい格子定数を有する
格子不整合化活性層と、該格子不整合化活性層にエピタ
キシャル接合し、前記化合物半導体基板の格子定数より
も０．２％乃至２．０％小さい格子定数を有する少なく
とも一のクラッド層とを備えたので、高温においても、
動作可能であり、かつ使用可能な最大光出力の向上を図
り得る。
【０２３１】また、第２の発明によれば、化合物半導体
基板と、該化合物半導体基板上で注入キャリアを閉じ込
めるダブルヘテロ構造部とを備え、該ダブルヘテロ構造
部は、前記化合物半導体基板の格子定数よりも０．３％
乃至２．５％大きい格子定数を有する格子不整合化活性
層と、該格子不整合化活性層にエピタキシャル接合し、
＜１１１＞方向に規則性を持つ自然超格子構造を形成し
ない構造を有する少なくとも一のクラッド層とを備えた
ので、高温においても、動作可能であり、かつ使用可能
な最大光出力の向上を図り得る。
【０２３２】さらに、第３の発明によれば、（１００）
面から、＜０１１＞方向と等価な方向へ傾いた面方位を
有する化合物半導体基板と、該化合物半導体基板にエピ
タキシャル接合する第１クラッド層と、該第１クラッド
層にエピタキシャル接合し、前記化合物半導体基板の格
子定数よりも０．５％乃至２．０％大きい格子定数を有
する格子不整合化活性層と、該格子不整合化活性層とエ
ピタキシャル接合して前記格子不整合化活性層を挟み込
む第２クラッド層とを備えたので、高温においても、使
用可能な最大光出力の向上を図り得て、かつ短い波長の
レーザ光を発振し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係わる半導体レーザ装置における
ダブルヘテロ構造部の格子不整合度を示す概念図であ
る。
【図２】図１に示された半導体レーザ装置の活性層及び
クラッド層における格子不整合度（Δａ／ａ）と組成の
関係を示す表である。
【図３】図１に示された半導体レーザ装置の活性層の格
子不整合度が１．０％、クラッド層の格子不整合度が−
０．５％に設定されたダブルヘテロ構造部を、横モード
制御構造のＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体
レーザ装置に適用したときの構造断面図である。
【図４】図３に示された半導体レーザ装置において、キ
ャリアを有効に閉じ込めることができる格子不整合化活
性層の厚さと格子不整合度との間の特性を示す関係図で
ある。
【図５】図３に示された半導体レーザ装置において、格
子不整合化活性層の膜厚を０．０１５μｍ（１≦２００
／１５０％）とし、格子不整合化クラッド層の膜厚を
０．０２μｍ（−２００／２００≦−０．５％）と設定
したときの半導体レーザ装置の電流−光出力特性を示す
特性図である。
【図６】第２の発明に係わる第１実施例の半導体レーザ
装置におけるダブルヘテロ構造部の格子不整合度及びバ
ンドギャップを示す概念図である。
【図７】図６に示された半導体レーザ装置において、活
性層の格子不整合度が１．０％に設定されたダブルヘテ
ロ構造部を、横モード制御構造のＩｎ1-y（Ｇａ1-x Ａ
ｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置に適用したときの構造
断面図である。
【図８】図７に示された半導体レーザ装置において、キ
ャリア濃度を５乃至７×１０17ｃｍ-3に設定して、クラ
ッド層が成長するときのＶ／III 比（ＰＨ3 とIII 族原
料とのモル流量比）とバンドギャップとの関係を測定し
たグラフである。
【図９】図７に示された半導体レーザ装置において、Ｖ
／III 比を４００に設定して、クラッド層が成長すると
きのキャリア濃度とバンドギャップとの関係を測定した
グラフである。
【図１０】図７に示された半導体レーザ装置において、
クラッド層が成長するときの成長速度とバンドギャップ
との関係を３種類の成長温度について測定したグラフで
ある。
【図１１】図７に示された半導体レーザ装置において、
活性層の厚み及び格子不整合度に対する半導体レーザ装
置の寿命の変化を示す特性図である。
【図１２】図７に示された半導体レーザ装置において、
基板の面方位が（１００）であることを示す要部拡大図
である。
【図１３】第２の発明に係わる第２実施例における横モ
ード制御構造のＩｎ1-y （Ｇａ1- x Ａｌx ）y Ｐ系の半
導体レーザ装置の概略構造断面図である。
【図１４】第２の発明に係わる第３実施例におけるリッ
ジ部の無いＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体
レーザ装置の概略構造断面図である。
【図１５】第２の発明に係わる第４実施例におけるリッ
ジ部の無いＩｎ1-y （Ｇａ1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体
レーザ装置の概略構造断面図である。
【図１６】第２の発明に係わる第５実施例における横モ
ード制御構造のＩｎ1-y （Ｇａ1- x Ａｌx ）y Ｐ系の半
導体レーザ装置の概略構造断面図である。
【図１７】第３の発明に係わる第１実施例の半導体レー
ザ装置におけるダブルヘテロ構造部の格子不整合度及び
バンドギャップを示す概念図である。
【図１８】図１７に示された半導体レーザ装置におい
て、活性層の格子不整合度が１．０％に設定されたダブ
ルヘテロ構造部を、横モード制御構造のＩｎ1-y （Ｇａ
1-x Ａｌx ）y Ｐ系の半導体レーザ装置に適用したとき
の構造断面図である。
【図１９】図１８に示された半導体レーザ装置におい
て、キャリアを有効に閉じ込めることができる格子不整
合化活性層の厚さと格子不整合度との間の特性を示す関
係図である。
【図２０】（１００）面から＜０１１＞方向と等価な方
向に傾斜した面方位を有するＧａＡｓ基板上にエピタキ
シャル成長された格子不整合化活性層、クラッド層のバ
ンドギャップが、基板の傾斜角度に対して変化する特性
を示す特性図である。
【図２１】第３の発明に係わる第２実施例における横モ
ード制御構造のＩｎ1-y （Ｇａ1- x Ａｌx ）y Ｐ系の半
導体レーザ装置の概略構造断面図である。
【図２２】第３の発明に係わる第３実施例における横モ
ード制御構造のＩｎ1-y （Ｇａ1- x Ａｌx ）y Ｐ系の半
導体レーザ装置の概略構造断面図である。
【図２３】従来の横モード制御構造を有するリッジ導波
路型のＩｎＧａＡｌＰ半導体レーザの概略構成を示す断
面図である。
【図２４】図２３に示された半導体レーザにおける電流
−光出力特性の温度依存性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０ ＧａＡｓ基板 １１ ダブルヘテロ構造部 １２ 活性層 １３、１４、１５ クラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 幸江 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 板谷 和彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１ 株式 会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 平２−310985（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−130988（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−21093（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−260682（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−109789（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−152983（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 化合物半導体基板と、該化合物半導体基
    板上で注入キャリアを閉じ込めるダブルヘテロ構造部と
    を備え、該ダブルヘテロ構造部は、 前記化合物半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数
    を有する格子不整合化活性層と、 該格子不整合化活性層からの電子のオーバーフローを抑
    制するように、前記格子不整合化活性層の前記電子のオ
    ーバーフローが生じる側にエピタキシャル接合し、か
    つ、前記化合物半導体基板の格子定数よりも小さい格子
    定数、および前記化合物半導体基板のバンドギャップよ
    りも大きいバンドギャップを有する第１のクラッド層と
    を少なくとも備えたことを特徴とする半導体レーザ装
    置。
  2. 【請求項２】 前記格子不整合化活性層は、前記化合物
    半導体基板の格子定数よりも０．３％乃至２．５％大き
    い格子定数を有し、 前記第１のクラッド層は、＜１１１＞方向に規則性を持
    つ自然超格子構造を形成しない構造を有し、前記格子不
    整合化活性層との間でのバンドギャップ差が０．８４ｅ
    Ｖ乃至０．５０ｅＶ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装置。
  3. 【請求項３】 前記半導体レーザは、前記化合物半導体
    基板にエピタキシャル接合する第２のクラッド層を、さ
    らに備え、 前記化合物半導体基板は、（１００）面から、＜０１１
    ＞方向と等価な方向へ傾いた面方位を有し、 前記格子不整合化活性層は、前記第２のクラッド層にエ
    ピタキシャル接合し、前記化合物半導体基板の格子定数
    よりも０．５％乃至２．０％大きい格子定数を有し、 前記第１のクラッド層は、前記格子不整合化活性層との
    間でのバンドギャップ差が０．８４ｅＶ乃至０．５０ｅ
    Ｖである、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レ
    ーザ装置。
  4. 【請求項４】 基板の上部の第１のクラッド層上に直接
    接触して配置され、前記基板の格子定数よりも大きい格
    子定数を有する格子不整合化活性層と、 該格子不整合化活性層からの電子のオーバーフローを抑
    制するように、前記格子不整合化活性層の前記電子のオ
    ーバーフローが生じる側にエピタキシャル接合し、か
    つ、前記第１のクラッド層の格子定数よりも小さい格子
    定数、および前記第１のクラッド層のバンドギャップよ
    りも大きいバンドギャップを有する第２のクラッド層と
    を少なくとも備えたことを特徴とする半導体レーザ装
    置。
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