JP4886947B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファブリ・ペロー型半導体レーザ装置やＤＢＲ構造を有する半導体レーザ装置などに適した半導体レーザ装置の構造に係り、特に光出力の向上対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、書き込み・書き換えが可能な光ディスク装置では、高速書き込みの必要性から、赤外半導体レーザの高出力化が重要な課題となっている。半導体レーザの高出力化のためには、端面の光学損傷（Catastrophic Optical Damage 、以下ＣＯＤという）レベルの向上と出力の熱飽和の改善が必要である。
【０００３】
もっとも一般的な半導体レーザ装置に関する第１の従来例として、ＧａＡｓ層からなる活性層と、この活性層を上下から挟む２つの（Ａｌx Ｇａ1-x ）Ａｓ（０≦ｘ≦１、場合によってはＡｌＧａＡｓという）からなるクラッド層とを備えた半導体レーザ装置が知られている。
【０００４】
また、第２の従来例として、ＧａＡｓ，Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０≦ｘ１≦１、以下、場合によってはＡｌＧａＡｓという）またはＩｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１、以下、場合によってはＩｎＧａＡｓという）からなる活性層と、この活性層を上下から挟む２つのバンドギャップの大きな（Ａｌx3Ｇａ1-x3）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ≦１、以下、場合によってはＡｌＧａＩｎＰという）からなるクラッド層とを備えた半導体レーザ装置が知られている（例えば特開平５−２１８５８２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体レーザにおいては、以下に説明するような改善すべき点があった。
【０００６】
例えば、半導体レーザ装置の高出力発振状態において活性層の温度上昇が著しくなると、活性層に注入されるキャリアの密度が過剰になってキャリアのクラッド層への溢れ（オーバーフロー）が生じることがあった。キャリアが活性層からクラッドへ溢れ出すと、これらのキャリアは非発光再結合に消費され、活性層のさらなる温度上昇を引き起こす。その結果、高出力発振状態ではチップ温度上昇のためにキャリアが消費され、電流量を増大していっても光出力がある値以上には増大しないという熱飽和現象が生じる。特に、単一の量子井戸層を有するものでは、この現象が生じやすかった。
【０００７】
また、半導体レーザ装置の高出力発振状態において活性層の温度上昇が著しくなると、共振器端面の温度が著しく上昇することから、共振器端面での光吸収が増大し、ある電流量に達すると局所的に結晶が破壊される（溶融する），いわゆるＣＯＤが起こることがあった。
【０００８】
そして、以上のような熱飽和現象やＣＯＤは、半導体レーザ装置の効率の向上に対する障害となっていた。
【０００９】
また、燐を含む化合物半導体の結晶成長、例えばＡｌＧａＩｎＰ膜の結晶成長の後に燐を含まない結晶、例えばＡｌＧａＡｓ膜を結晶成長する場合、燐を含むガスが分解してできる燐がＡｌＧａＡｓ膜に混入することがある。したがって、ＡｌＧａＡｓ膜を発光素子の活性層に用いた場合、ＡｌＧａＡｓ層への燐の混入により活性層の特性が変化して、半導体レーザ装置の発光効率，発光波長の制御が困難になり、半導体レーザ装置の製造歩留まりが低下するおそれがあった。
【００１０】
本発明の第１の目的は、比較的小さい電流量での熱飽和現象やＣＯＤの発生を抑制する手段を講ずることにより、半導体レーザ装置における光出力の向上を図ることにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、製造歩留まりの高い半導体レーザ装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体レーザ装置は、基板上に設けられたレーザ発生領域である活性層を有する半導体レーザ装置であって、上記活性層の上方又は下方に設けられ、２以上の構成元素を含む第１の半導体からなるｎ型クラッド層と、上記活性層を挟んで上記ｎ型クラッド層に対向する側に設けられ、２以上の構成元素を含む第２の半導体からなる障壁高さ規定用ｐ型クラッド層とを備え、上記第２の半導体は、上記第１の半導体よりも多くの構成元素を含んでいる。
【００１３】
この構成により、第２の半導体の組成を調整する範囲が広くなり、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との伝導帯端のポテンシャル差を大きくして、障壁規定用ｐ型クラッド層への電子のオーバーフローを低減することができるので、活性層への電子の閉じ込め効率が向上する。また、ｎ型クラッド層の熱伝導率が障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の熱伝導率よりも大きくなるように調整することも容易となり、半導体レーザ装置の放熱性を向上させることができる。その結果、半導体レーザ装置の光出力の向上を図ることができる。
【００１４】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記活性層との伝導帯端のポテンシャル差が、上記ｎ型クラッド層と上記活性層との伝導帯端のポテンシャル差よりも大きいことにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層への電子のオーバーフロー抑制効果が確実に得られる。
【００１５】
上記活性層は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓによって構成されており、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を構成する第２の半導体は、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される組成を有することにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との間の伝導帯端のポテンシャル差を、大きくすることがさらに容易となる。
【００１６】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の層厚が、１０ｎｍ以上３００ｎｍかつ以下であることにより、活性層から障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を通る熱伝導経路の熱抵抗を低く抑えることができる。
【００１７】
上記第２の半導体のＡｌ組成比ｘは、０．３＜ｘ≦０．７の範囲内にあることにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との伝導帯端のポテンシャル差を３５０ｍｅＶよりも大きくすることができ、活性層からの電子のオーバーフローを効果的に抑制することができる。
【００１８】
上記第２の半導体のＩｎ組成比ｙは、０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲内にあることにより、活性層を構成するＧａＡｓと第２の半導体との格子整合を実現することができ、第２の半導体の結晶性が向上する。
【００１９】
上記ｎ型クラッド層を構成する第１の半導体は、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０≦ｘ１≦１）で表される組成を有することにより、ｎ型クラッド層の熱伝導率を障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の熱伝導率よりも確実に大きくすることができ、放熱特性を向上させることができる。
【００２０】
上記第１の半導体のＡｌ組成比ｘ１は、０．２≦ｘ１≦０．７の範囲内にあることが好ましい。
【００２１】
上記活性層の層厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることにより、端面での熱吸収を抑制することができ、光出力を向上させることができる。
【００２２】
上記障壁高さ規定用ｐ型層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられ、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１））からなる半導体層をさらに備えることにより、活性層で発生する熱をより効果的に放散することができる。
【００２３】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層は上記活性層の上方に設けられ、構成元素としての燐を含んでおり、上記活性層は、燐を含まない半導体によって構成されていることにより、活性層が形成された後に、燐を含む障壁高さ規定用ｐ型クラッド層が形成される構造となるので、活性層への燐の混入を抑制することができる。それにより、活性層の特性が変化せず、半導体レーザ装置の発光効率、発光波長がほとんど変化しない。
【００２４】
同様の理由により、上記ｎ型クラッド層は上記活性層の下方に設けられ、燐を含まない半導体によって構成されていることが好ましい。
【００２５】
本発明の半導体レーザ装置は、ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有するものにも適用することができ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）構造を有するものにも適用することができる。
【００２６】
本発明の第２の半導体レーザ装置は、基板上に設けられたレーザ発生領域である活性層を有する半導体レーザ装置であって、上記活性層の上方又は下方に設けられ、第１の半導体からなるｎ型クラッド層と、上記活性層を挟んで上記ｎ型クラッド層に対向する側に設けられ、第２の半導体からなる障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記活性層との間に設けられた少なくとも１つの第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層とを備え、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記活性層との価電子帯端のポテンシャル差の大きさは、上記第１スパイク緩和用クラッド層と上記活性層との価電子帯端のポテンシャル差よりも大きい。
【００２７】
この構成により、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との価電子帯端のポテンシャル差に応じて発生するスパイクによる障壁高さ又はバンド不連続量を小さくすることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
【００２８】
上記活性層は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓによって構成されており、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を構成する第２の半導体は、（Ａｌx1Ｇａ1-x1）y1Ｉｎ1-y1Ｐ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）で表される組成を有することにより、活性層への電子の閉じ込め効率の向上による光出力の向上を図ることができる。
【００２９】
上記第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１）で表される組成を有し、上記ｘ２は、上記活性層から上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層へ向かう方向に増大していることにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層から活性層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３０】
上記第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、（Ａｌx3Ｇａ1-x3）y2Ｉｎ1-y2Ｐ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ２≦１）で表される組成を有し、上記ｘ３は、上記活性層から上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層へ向かう方向に増大していることによっても、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層から活性層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３１】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられたｐ型コンタクト層と、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との間に設けられた少なくとも１つの第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層とをさらに備え、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層との価電子帯端のポテンシャル差は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差よりも小さいことにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差によるスパイクによる障壁高さ又はバンド不連続量を小さくすることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
【００３２】
上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、Ａｌx4Ｇａ1-x4Ａｓ（０≦ｘ４≦１）で表される組成を有し、上記ｘ４は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層から上記ｐ型コンタクト層へ向かう方向に減少していることにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層からｐ型コンタクト層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３３】
上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、（Ａｌx5Ｇａ1-x5）y3Ｉｎ1-y3Ｐ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ３≦１）で表される組成を有し、上記ｘ５は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層かた上記ｐ型コンタクト層へ向かう方向に減少していることによっても、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層からｐ型コンタクト層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３４】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を挟んで上記活性層とは対向する側に設けられ、窓部を有する電流ブロック層と、上記電流ブロック層の上記窓部を埋めるように形成された埋め込みｐ型クラッド層とをさらに備え、上記電流ブロック層の屈折率は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の屈折率および上記埋め込みｐ型クラッド層の屈折率よりも小さいことが好ましい。これにより、実屈折率導波構造が実現され、光の導波損失を低く抑制することができる。
【００３５】
上記電流ブロック層はＡｌx6Ｇａ1-x6Ａｓ（０≦ｘ６≦１）で表される組成を有しており、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記埋め込みクラッド層との間に設けられ、（Ａｌx7Ｇａ1-x7）y4Ｉｎ1-y4Ｐ（０≦ｘ７≦１、０≦ｙ４≦１）からなるエッチング停止層をさらに備えていることが好ましい。
【００３６】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられたｐ型コンタクト層と、上記埋め込みｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との間に設けられた少なくとも１つの第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層とをさらに備え、上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差は、上記埋め込みｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差よりも小さいことにより、動作電圧をさらに低減することができる。
【００３７】
上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、Ａｌx8Ｇａ1-x8Ａｓ（０≦ｘ８≦１）で表される組成を有し、上記ｘ８は、上記埋め込みｐ型クラッド層から上記ｐ型コンタクト層へ向かう方向に減少していることにより、埋め込みｐ型クラッド層から上記ｐ型コンタクト層に至る領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３８】
この第２の半導体レーザ装置は、ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有するものであってもよいし、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）構造を有するものであってもよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
−半導体レーザ装置の構成及び製造方法−
図１は、本発明の第１の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。本実施形態においては、ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有する半導体レーザ装置について説明する。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層２と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍの光導波路層３と、ＧａＡｓ結晶からなる厚さ３ｎｍの単一量子井戸型の活性層４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍの光導波路層５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ５０ｎｍの障壁高さ規定用のｐ型第１クラッド層６と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ１００ｎｍのｐ型第２クラッド層７と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなる厚さ１０ｎｍのエッチング停止層（以下ＥＳ層という）８と、ｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ結晶からなる厚さ７００ｎｍの電流ブロック層９と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのｐ型第３クラッド層１０と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのコンタクト層１１とを順次形成して構成されている。また、図示されていないが、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面およびコンタクト層１１の上に、それぞれｎ型電極およびｐ型電極が設けられた構成となっている。
【００４１】
上記半導体レーザ装置を構成する部材のうち化合物半導体層の結晶成長は、有機金属気相エピタキシャル（以下ＭＯＶＰＥという）装置を用い、ＭＯＶＰＥ法により、以下の手順で行なった。
【００４２】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、クラッド層２，光導波路層３，活性層４，光導波路層５及びｐ型第１クラッド層６を順次エピタキシャル成長させた。その後、ｐ型第１クラッド層６の上に、ｐ型第２クラッド層７，ＥＳ層８及び電流ブロック層９を順次エピタキシャル成長させた。以下、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、何らかの結晶膜が形成されたものを単にエピタキシャル基板という。
【００４３】
続いて、エピタキシャル基板を、ＭＯＶＰＥ装置から取り出し、電流ブロック層９の選択エッチングを行なって、ＥＳ層８に達する溝を形成する。
【００４４】
その後、エピタキシャル基板を再びＭＯＶＰＥ装置に戻し、ＥＳ層８及び電流ブロック層９の上に、電流ブロック層９に設けられた溝を埋めるｐ型第３クラッド層１０をエピタキシャル成長させた後、ｐ型第３クラッド層１０の上にコンタクト層１１をエピタキシャル成長させる。
【００４５】
その後、エピタキシャル基板をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面およびコンタクト層１１の上に、それぞれｎ型電極およびｐ型電極を設ける。
【００４６】
その後、エピタキシャル基板を、劈開により複数個の共振器長８００μｍのレーザチップに分割した。その後、レーザチップの相対向する２つの劈開面いわゆる端面に、端面保護コーティングとしてアモルファスシリコンとＳｉＯ2 との多層膜をコーティングした。また、高い光出力を得るために、レーザチップの後端面を高反射率（９０％）に、レーザチップの前端面を低反射率（１０％）になるように、非対称コーティングを施した。
【００４７】
本実施形態の半導体発光装置（半導体レーザ装置）によると、活性層４を上下から挟む２つのクラッド層のうち，障壁高さ規定用のｐ型第１クラッド層６をＡｌＧａＩｎＰによって構成しているので、活性層４とｐ型第１クラッド層６との間の伝導帯におけるポテンシャル差ΔＥｃを大きくすることができる。その結果、活性層４中の電子（キャリア）のｐ型第１クラッド層６へのオーバーフローを抑制することが可能となり、キャリアのオーバーフローに起因する，高出力発振状態における熱飽和現象の発生が抑制されることになる。
【００４８】
また、ｎ型クラッド層２が比較的熱伝導率の高いＡｌＧａＡｓによって構成されているので、半導体レーザ装置の高出力発振状態においても、活性層の温度上昇が小さくなり、共振器端面における温度上昇が抑制されることから、共振器端面での光吸収が小さくなる。その結果、光学損傷（Catastrophic Optical Damage ）いわゆるＣＯＤの発生が抑制される。
【００４９】
また、本実施形態の製造方法によると、ＧａＡｓからなる活性層４を結晶成長した後に、活性層４の上に、ホスフィンを用いてｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶をエピタキシャル成長させているので、ホスフィンが分解してできる燐が活性層４に混入することはほとんどないといえる。したがって、活性層４の特性が変化して半導体レーザ装置の発光効率、発光波長が変化するような特性劣化が生じることがほとんどない。その結果、半導体レーザ装置を多量生産する場合においても、半導体レーザ装置の光学特性ばらつきを小さく抑えることができ、半導体レーザ装置の製造歩留まり率を向上させることができる。
【００５０】
−第１の従来例との比較−
本実施形態の半導体発光装置の効果を確かめるために、本発明の半導体レーザ装置について、以下に述べるような検討および考察を行った。
【００５１】
図２は、本実施形態及び第１の従来例の半導体レーザ装置の電流−光出力特性（以下Ｉ−Ｌ特性という）を比較して示す図である。図２において、実線Ａ１は、本実施形態の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を、破線Ｂ１は厚さ３ｎｍの単一量子井戸活性層を有する第１の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を、破線Ｂ２は厚さ３ｎｍの２つの量子井戸からなる二重量子井戸活性層を有する第１の従来例の半導体レーザのＩ−Ｌ特性をそれぞれ示している。図２に示す本実施形態の半導体レーザ装置においては、活性層の下方に設けられるクラッド層（ｎ型クラッド層２）はｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶により構成され、活性層の上方に設けられるクラッド層（ｐ型第１クラッド層６）はｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されている。それに対し、図２に示す従来の各半導体レーザ装置においては、活性層の下方に設けられるクラッド層はｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶により構成され、活性層の上方に設けられるクラッド層はｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶によって構成されている。
【００５２】
図２からわかるように、第１の従来例の半導体レーザ装置のうち単一量子井戸型のもの（破線Ｂ１参照）においては、ＣＯＤは生じないが、電流値５００ｍＡ付近を越えても光出力が２２０ｍＷ以上に高くならずに、逆に、光出力が減少していくという熱飽和現象が生じている。一方、二重量子井戸型のもの（破線Ｂ２参照）においては、熱飽和現象が生じる前に、電流値が３００ｍＡ付近，光出力が２００ｍＷ付近でＣＯＤが発生している。つまり、活性層の上下のクラッド層をＡｌＧａＡｓにより構成した従来の半導体レーザ装置では、光出力２００ｍＷ以上で安定したレーザ発振を実現することは困難であった。
【００５３】
それに対し、本発明の半導体レーザ装置では、電流値が３８０ｍＡ付近，光出力が３４０ｍＷにおいてＣＯＤが発生するまで、光出力の飽和が生じなかった。これは、活性層４の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成していることによるもので、以下の理由によると考えられる。
【００５４】
図３は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰの各層のバンド構造の相違を、ＡｌＧａＡｓ層及びＡｌＧａＩｎＰ層の組成を変化させて示す図である。同図において、中央にはＧａＡｓ層のバンド構造を示し、左方にはＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層におけるＡｌ組成比ｘを０（右端）から１（左端）まで変化させたもののバンド構造を示し、右方には（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層におけるＡｌ組成比ｘを０（左端）から１（右端）まで変化させたもののバンド構造を示している。なお、半導体レーザ装置においては、伝導帯の電子の分布がポテンシャルの高い領域まで広がるのに対し、価電子帯では正孔の分布がポテンシャルの低い領域のみに限定されることから、価電子帯端のポテンシャル差は伝導帯端のポテンシャル差に比べてレーザ特性には影響が少ない。そこで、以下の考察においては、各層の伝導帯端のポテンシャルのみについて説明する。
【００５５】
図３に示すように、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層におけるＡｌ組成比ｘを１から０まで変化させると、Ａｌ組成比ｘが０．４付近のときに伝導帯端のポテンシャルがもっとも高くなっており、このときのＧａＡｓ層の伝導帯端とのポテンシャル差ΔＥｃmax は約０．３４ｅＶ（３４０ｍｅＶ）である。従来の半導体レーザ装置における２つのクラッド層（組成Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ）においても、ＧａＡｓ層とのポテンシャル差は約３４０ｍｅＶである。それに対し、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層におけるＡｌ組成比ｘを０から１まで変化させると、Ａｌ組成比ｘが０．７付近のときに伝導帯端のポテンシャルがもっとも高くなっており、このときのＧａＡｓ層の伝導帯端とのポテンシャル差ΔＥｃmax は約０．３９ｅＶ（３９０ｍｅＶ）である。したがって、本実施形態のｐ型第１クラッド層６（組成（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ）の伝導帯端と、ＧａＡｓ層である活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差は、約３９０ｍｅＶである。
【００５６】
図５は、本実施形態の半導体レーザ装置における電圧印加時のバンド状態を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置において、ｎ型クラッド層２の伝導帯端と活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差は約３４０ｍｅＶであるが、ｐ型第１クラッド層６の伝導帯端と活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差は約３９０ｍｅＶである。
【００５７】
その結果、ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層２を経て活性層４に注入される電子は、高さ約３９０ｍｅＶの障壁によって量子井戸である活性層４に閉じ込められることになる。一方、図５において破線で示す従来の半導体レーザ装置の活性層の上方にあるｐ型クラッド層の伝導帯端は、ＧａＡｓ層の伝導帯端に対して３４０ｍｅＶのポテンシャル差しかない。
【００５８】
以上の実験データから得られた事実を総合すると、本実施形態の半導体レーザ装置の場合、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層６の伝導帯端と、ＧａＡｓからなる活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差ΔＥｃmax が３９０ｍｅＶであり、従来のｐ型クラッド層の伝導帯端と活性層の伝導帯端とのポテンシャル差３４０ｍｅＶよりも大きいことから、活性層への電子の閉じ込め効率が向上し、その結果、伝導帯端におけるキャリアのオーバーフローが抑制され、高い光出力が得られるものと考えられる。
【００５９】
特に、本実施形態の半導体レーザ装置のごとく、活性層４を厚さ３ｎｍの単一量子井戸により構成することにより、二重量子井戸構造を有するものよりも、端面における光吸収量を低減することができる。その結果、本実施形態では、共振器端面における発熱が抑制され、３４０ｍＷという高いＣＯＤレベルが得られることになる。
【００６０】
−第２の従来例との比較−
図４は、本実施形態及び第２の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を比較して示す図である。図４において、実線Ａ１は、図２に示すと同様に本実施形態の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を、破線Ｂ３は厚さ３ｎｍの単一量子井戸活性層を有する第２の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性をそれぞれ示している。図４に示す第２の従来例の各半導体レーザ装置においては、活性層の下方に設けられるクラッド層はｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成され活性層の上方に設けられるクラッド層はｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されている。つまり、第２の従来例の半導体レーザ装置においては、上下双方にＡｌＧａＩｎＰ層からなるクラッド層が設けられている。
【００６１】
図４からわかるように、第２の従来例の半導体レーザ装置では、電流値が３４０ｍＡ付近，光出力が２６０ｍＷ付近でＣＯＤが発生している。つまり、活性層の上下のクラッド層をＡｌＧａＩｎＰにより構成した第２の従来例の半導体レーザ装置では、光出力３００ｍＷ以上で安定したレーザ発振を実現することは困難であった。
【００６２】
それに対し、本実施形態の半導体レーザ装置では、電流値が４００ｍＡ付近，光出力が３４０ｍＷにおいてＣＯＤが発生するまで、光出力の飽和が生じていない。また、本実施形態の半導体レーザ装置のスロープ効率（特性線Ａ１の傾斜）は第２の従来例のスロープ効率（特性線Ｂ３の傾斜）よりも大きい。
【００６３】
これは、活性層４の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成する一方、活性層４の下方のクラッド層であるｎ型クラッド層２をＡｌＧａＡｓにより構成していることによるものと考えられる。
【００６４】
第２の従来例では、活性層の上下に、ＡｌＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＩｎＰからなる２つのクラッド層を設けることにより、ＧａＡｓからなる活性層とクラッド層との間における伝導帯端のポテンシャル差を第１の従来例よりも拡大し、第１の従来例よりも大きな光出力を実現している。
【００６５】
しかし、一般に、ＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率はＡｌＧａＡｓの熱伝導率よりも小さい。下記表１は、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐと、Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓとの熱伝導率を示す表である。
【００６６】
【表１】
【００６７】
上記表１に示すように、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐの熱伝導率は、Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの熱伝導率に比べて２倍近く大きいことがわかる。
【００６８】
そのために、第２の従来例においては、活性層において発生した熱の放熱性がよくないために、第１の従来例よりも共振器端面の温度が上昇しやすくなっていて、ＣＯＤが生じている可能性がある。
【００６９】
それに対し、本実施形態の半導体レーザ装置においては、活性層を挟む２つのクラッド層のうち一方のクラッド層（ｐ型第１クラッド層６）のみを熱伝導率の小さい（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層とし、他方のクラッド層（ｎ型クラッド層２）は比較的熱伝導率の高いＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ層としているので、第２の従来例に比べて放熱性が向上しているはずである。そして、その結果、本実施形態の半導体レーザ装置の光出力が第２の従来例よりも向上しているものと思われる。
【００７０】
また、図５に示すように、障壁高さ規定用のｐ型クラッド層のみを大きなΔＥｃを有する（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層とすれば、ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層２を経て活性層４に注入される電子を、高さ約３９０ｍｅＶの障壁によって量子井戸である活性層４に閉じ込めることができるので、本実施形態の半導体レーザ装置における活性層への電子の閉じ込め機能は、第２の従来例に比べてほとんど劣っていないと思われる。
【００７１】
なお、ｐ型第１クラッド層６に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いる場合、ｙが約０．５であること、とりわけ０．４５≦ｙ≦０．５５であることにより、ｐ型第１クラッド層６と下地のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる光導波路層５との格子定数がほぼ一致して、両層が格子整合状態になる。
【００７２】
そして、ｙが約０．５である場合には、０．３＜ｘ≦０．７であることが好ましい。その第１の理由は、０．３＜ｘのときは３５０ｍｅＶ＜ΔＥｃとなって第１の従来例の半導体レーザ装置よりも電子のオーバーフローが起こりにくくなるからである。また、第２の理由は、ｘ≦０．７の場合にはＡｌ（Ａｌ1-x Ｇａx ）y Ｉｎ1-y Ｐが直接遷移型半導体となるが、ｘ＞０．７の場合にはＡｌ（Ａｌ1-x Ｇａx ）y Ｉｎ1-y Ｐが間接遷移型半導体となって、伝導帯の底がΓ点からＸ点に移り、ΔＥｃが減少し、活性層に注入される電子に対するオーバーフローの抑制効果が低下するからである。さらに、Ａｌ（Ａｌ1-x Ｇａx ）y Ｉｎ1-y Ｐが直接遷移型半導体であるという条件下（ｘ≦０．７）では、Ａｌ組成比が増大するほどΔＥｃが増大するので、特に、ｘ＝０．７であることが好ましい。
【００７３】
また、本実施形態においては、ｐ型第１クラッド層６の厚さを５０ｎｍと薄くしたが、これは活性層４からｐ型電極までの熱抵抗を低く抑えるためである。一方、表１に示すように、ＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率はＡｌＧａＡｓの熱伝導率に比べて小さいので、ｐ型第１クラッド層６の厚さは、キャリアの閉じ込め機能を発揮しうる範囲すなわち電子のド・ブロイ波長程度（約１０ｎｍ）以上で、放熱性を害さない厚さである３００ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００７４】
なお、活性層４の厚さは、光閉じ込め係数をできるだけ小さくして端面での光吸収をできるだけ抑えるためにはできるだけ薄いことが好ましく、また、単一量子井戸型の活性層であることが好ましい。さらに、単一量子井戸の膜厚は、０．５ｎｍ以上で５ｎｍ以下であることが好ましい。そのようにすれば、半導体レーザ装置のＣＯＤレベルをより向上させることができる。なお、電流ブロック層としては、レーザ光の吸収がほとんどなく、かつ、熱伝導率の高い半導体材料を用いることが好ましく、とりわけＡｌＧａＡｓが好ましい。
【００７５】
なお、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰに限らず、他の半導体材料、例えばＩｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ＩｎＧａＡｓＰ）や、Ｂx Ａｌy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ＢＡｌＧａＩｎＮ）などの４元以上の混晶は、３元混晶よりも熱伝導率が小さい。一般に、混晶を構成する元素数が大きいほど熱伝導率が小さい。そこで、活性層を挟む２つのクラッド層のうち一方をｎ元混晶（ｎは３以上の整数）とし、他方を（ｎ−１）元混晶としても、上記実施形態において得られたのと同様の効果が得られる。そのとき、活性層としてはＡｌＧａＡｓ以外の材料を用いてもよいことはいうまでもない。
【００７６】
なお、４元以上の混晶では、格子定数とエネルギー・バンドギャップとを独立に制御できることから、格子不整合に起因する結晶欠陥の発生を抑制しつつ，所望のバンドギャップを得ることができるため、４元以上の混晶を一方のクラッド層に用いることが好ましい。３元混晶においても、膜厚が、転位発生の臨界膜厚以下であれば、クラッド層に用いることができる。なお、ｐ型第３クラッド層１０としてはリッジ形状のものでもよい。
【００７７】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。
【００７８】
図６に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層１２と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層１３と、ＧａＡｓ結晶からなる厚さ３ｎｍの単一量子井戸型の活性層１４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層１５と、第１スパイク緩和用のｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる厚さ２５ｎｍの第１クラッド層１６と、障壁高さ規定用のｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第２クラッド層１７と、ｐ型Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第３クラッド層１８と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第４クラッド層１９と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなる厚さ１０ｎｍのエッチング停止層２０と、ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ結晶からなりストライプ状の窓部２１ａを有する厚さ７００ｎｍの電流ブロック層２１と、電流ブロック層２１の窓部２１ａを埋めて電流ブロック層２１の上に延びるｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる最大厚さ２．５μｍのｐ型第５クラッド層２２と、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第６クラッド層２３と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのｐ型コンタクト層２４とを順次形成して構成されている。また、図示されていないが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にはｎ型電極が、ｐ型コンタクト層２４にはｐ型電極がそれぞれ設けられた構成となっている。
【００７９】
図７は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層１３からｐ型コンタクト層２４までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。ただし、図７においては、バンド構造のみについて理解を容易にするために、活性層以外の各層の厚みをほぼ均一化して表している。同図に示すように、光導波路層１５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第２クラッド層１７との間に、バンドギャップが光導波路層１５よりも大きくｐ型第２クラッド層１７よりも小さいｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる第１クラッド層１６が設けられている。ここでは、光導波路層１５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層１６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層１７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3としている。
【００８０】
図７に示すように、光導波路層１５とｐ型第１クラッド層１６との境界部、ｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との境界部には、それぞれ障壁高さＶD16 ，ＶD17 のスパイク（寄生バリア）が生じている。つまり、第１の実施形態においても、図５には示されていないが、光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間の価電子帯端には大きなスパイクが生じている。本実施形態は、この価電子帯端の大きなスパイクを２つの小さなスパイクによって緩和したものである。
【００８１】
上記半導体レーザ装置を構成する部材のうち化合物半導体層の結晶成長は、有機金属気相エピタキシャル（以下ＭＯＶＰＥという）装置を用いて、基本的には、第１の実施形態と同様の方法により行なわれる。
【００８２】
そして、エピタキシャル基板は、劈開により、共振器方向すなわちストライプ方向の長さが８００μｍのレーザチップに分割されている。レーザチップの相対向する２つの劈開面いわゆる端面に、端面保護コーティングとしてアモルファスシリコンとＳｉＯ2 との多層膜がコーティングされる。また、高い光出力を得るために、レーザチップの後端面を高反射率（９０％）に、レーザチップの前端面を低反射率（１０％）になるように、非対称コーティングが施されている。
【００８３】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ｐ型第２クラッド層１７がｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されているので、第１の実施形態で説明したように、活性層１４とｐ型第２クラッド層１７との伝導帯端におけるポテンシャル差ΔＥｃを大きくとることができる。したがって、本実施形態の半導体レーザ装置は、第１の実施形態と同様に、活性層１４への電子の閉じ込め効率が向上し、光出力の向上を図ることができる。
【００８４】
加えて、本実施形態においては、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間に、両者のバンドギャップの中間的なバンドギャップを有するｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型第１クラッド層１６が介在しているので、価電子帯端に発生するスパイク（寄生バリア）による障壁高さを低く抑えることができる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができるので、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【００８５】
また、このように活性層１４への電子の閉じ込め効率の向上作用と、半導体レーザ装置の動作電圧の低減作用とが相俟って、半導体レーザ装置の発熱を抑えることができ、半導体レーザ装置の出力をよりいっそう高くすることができる。
【００８６】
本実施形態の半導体レーザ装置において、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．１Ｖであり、光出力が３５０ｍＷに至るまでに熱飽和現象は観測されなかった。
【００８７】
次に、本実施形態の半導体レーザ装置について、光導波路層１５からｐ型第２クラッド層１７までの各層に関し、伝導帯および価電子帯におけるポテンシャル差を検討し、それが半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを議論する。
【００８８】
−伝導帯におけるポテンシャル差の検討−
本実施形態の半導体レーザ装置においても、第１の実施形態と同様に、活性層１４と障壁高さ規定用のｐ型第２クラッド層１７との伝導帯端におけるポテンシャル差ΔＥｃは、３９０ｍｅＶである。すなわち、本発明の半導体レーザ装置は、従来のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ系のみの材料で構成された半導体レーザ装置と比べて、ｐ型クラッド層（ｐ型第２クラッド層１７）と活性層とのポテンシャル差ΔＥｃが大きく、それが活性層１４への電子の閉じ込め効率を従来の半導体レーザ装置と比べて大きくすることができるものと考えられる。
【００８９】
−価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さの検討−
図７に示すように、光導波路層１５と障壁高さ規定用のｐ型第２クラッド層１７との間に、ｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層１６が介在している場合、価電子帯には以下の障壁高さを有するスパイクが発生する。光導波路層１５とｐ型第１クラッド層１６との間のスパイクによる障壁高さＶD16 は０．１３０ｅＶである。ｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との間のスパイクによる障壁高さＶD17 は０．１２３ｅＶである。これらの値は、ｐ型第１クラッド層１６を用いない場合，つまり第１の実施形態の光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間のスパイクによる障壁高さ０．２９ｅに比べて小さい。すなわち、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間にｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型第１クラッド層１６が介在していることにより、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを低く抑えることができることを示している。
【００９０】
また、同図に示すように、ｐ型第２クラッド層１７とｐ型コンタクト層２４の間に配置された各層間には、各々スパイクによる障壁高さＶD22 又はバンド不連続量ΔＥｖ18，ΔＥｖ19，ΔＥｖ20，ΔＥｖ23，ΔＥｖ24が生じている。
【００９１】
なお、スパイクによる障壁高さは、価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖと不純物濃度とによって変わる。しかし、実際上、レーザの機能を保持するためには不純物濃度はほとんど変更することができないので、化合物半導体の組成によって定まる価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖに応じて変化することになる。
【００９２】
また、第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、単数である必要はなく複数個存在していてもよい。
【００９３】
−ｐ型第１クラッド層１６の最適なＡｌ組成の検討−
次に、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間に介在するｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘの設定について考察する。ここでは、ｐ型第１クラッド層１６としてｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを用い、Ａｌ組成比ｘをパラメータとして、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを調べた。その場合、光導波路層１５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層１６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層１７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3に固定している。
【００９４】
図８は、ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘと価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。同図において、実線曲線は光導波路層１５とｐ型第１クラッド層１６との間のスパイクによる障壁高さＶD16 を示し、破線曲線はｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との間のスパイクによる障壁高さＶD17 を示している。ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘが比較的小さい範囲では、障壁高さＶD17 が障壁高さＶD16 よりも大きくなる。逆に、ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘが比較的大きい範囲では、障壁高さＶD16 が障壁高さＶD17 よりも大きくなる。動作電圧（しきい値電圧）をできるだけ小さくするためには、各障壁高さＶD16 ，ＶD17 の最大値がもっとも小さいことが好ましい。したがって、各障壁高さＶD16 ，ＶD17 が等しくなる点、すなわちｘ＝０．６５付近にｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘを設定すればよい。
【００９５】
−ｐ型第１クラッド層１６およびｐ型第２クラッド層１７の内部に発生する空乏層の影響の検討−
図９は、ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘと、ｐ型第１クラッド層１６に形成される空乏層の長さＬ１（図７参照）および蓄積層の長さＬ２（図７参照）との和（Ｌ１＋Ｌ２）との関係を示す図である。図９からわかるように、動作電圧（しきい値電圧）低減のためにｘ＝０．６５を選ぶと、Ｌ１＋Ｌ２＝２１ｎｍになる。活性層１４への電子の閉じ込め効率を向上させるためには、伝導帯端に形成される電子に対する障壁高さを最大にするのがよいが、ｐ型第１クラッド層１６の厚さを（Ｌ１＋Ｌ２）より小さくしてしまうと、実際には、空乏層および蓄積層の内部電界の影響によって電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そのため、ｐ型第１クラッド層１６の厚さを（Ｌ１＋Ｌ２）とするのが好ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層１６の厚さを２５ｎｍとしている。
【００９６】
同様に、ｐ型第２クラッド層１７の厚さも、その内部に発生する空乏層の長さＬ３と蓄積層の長さＬ４との合計（図７参照）を考慮して定めることが好ましい。本実施形態の条件下では、ｐ型第２クラッド層１７中に形成される空乏層長さＬ３と蓄積層長さＬ４の合計は、Ｌ３＋Ｌ４＝３６ｎｍである。そして、この厚さ（Ｌ３＋Ｌ４）以下の厚さを有するｐ型第２クラッド層１７を設けた場合、内部電界の影響から電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層１７の厚さを４０ｎｍとした。
【００９７】
−ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘと半導体レーザ装置の動作電圧との関係−
光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間にｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるｐ型第１クラッド層１６が介在している場合に、半導体レーザ装置のしきい値電圧がどのように変化するかを検討したところ、既に説明したようにｘ＝０．６５付近が最も動作電圧が小さく、２．１Ｖであった。
【００９８】
次に、ｐ型第２クラッド層１７からｐ型コンタクト層２４までの間の価電子帯におけるポテンシャル差が半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを以下に議論する。
【００９９】
ｐ型第２クラッド層１７からｐ型コンタクト層２４までの間においては、価電子帯におけるポテンシャル差ΔＥｖが０．５ｅＶ程度存在する。したがって、ｐ型第２クラッド層１７に直接接するｐ型コンタクト層２４を形成した場合、ｐ電極側から流入した正孔がこの障壁を越えるためには大きなバイアス電圧が必要になる。したがって、ｐ型第２クラッド層１７とｐ型コンタクト層２４との間に複数のｐ型層を挿入して、全体としてのΔＥｖを小さくすることが望ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層１７とｐ型コンタクト層２４との間に、ｐ型第３クラッド層１８，ｐ型第４クラッド層１９，エッチング停止層２０，ｐ型第５クラッド層２２およびｐ型第６クラッド層２３を挿入している。その結果、本実施形態の半導体レーザ装置のｐ型第２クラッド層３１とｐ型コンタクト層２４との間に発生する各スパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖは、０．１５ｅＶ以下である。
【０１００】
なお、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を必ずしも３つ設ける必要はなく、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を１つ，２つ又は４つ以上設けてもよい。
【０１０１】
なお、本実施形態の半導体レーザ装置において、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間に、ｐ型第１クラッド層１６の代わりに、Ａｌ組成比ｘが段階的に異なるｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなる２層以上のｐ型クラッド層か、Ａｌ組成比ｘがほぼ連続的に変化するｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるｐ型クラッド層を用いても、価電子帯におけるスパイク高さを小さくすることができる。
【０１０２】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層３２と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層３３と、ＧａＡｓ結晶からなる厚さ３ｎｍの単一量子井戸型の活性層３４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層３５と、ｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ２５ｎｍの第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層３６と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ４０ｎｍの障壁高さ規定用のｐ型第２クラッド層３７と、ｐ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第３クラッド層３８と、ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ結晶からなりストライプ状の窓部３９ａを有する厚さ７００ｎｍの電流ブロック層３９と、電流ブロック層３９の窓部３９ａを埋めて電流ブロック層３９の上に延びるｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる最大厚さ２．５μｍのｐ型第５クラッド層４０と、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第６クラッド層４１と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのｐ型コンタクト層４２とを順次形成して構成されている。なお、図示しないが、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の裏面にはｎ電極が、ｐ型コンタクト層４２にはｐ電極がそれぞれ形成されている。
【０１０３】
図１１は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層３５からｐ型コンタクト層４２までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。ただし、図１１においては、バンド構造のみについて理解を容易にするために、活性層以外の各層の厚みをほぼ均一化して表すとともに、活性層３４や光導波路層３３の図示を省略している。同図に示すように、光導波路層３５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第２クラッド層３７との間に、バンドギャップが光導波路層３５よりも大きくｐ型第２クラッド層３７よりも小さいｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなる第１クラッド層３６が設けられている。ここでは、光導波路層３５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層３６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層３７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3としている。
【０１０４】
図１１に示すように、光導波路層３５とｐ型第１クラッド層３６との境界部、ｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との境界部には、それぞれ障壁高さＶD36 ，ＶD37 のスパイク（寄生バリア）が生じている。つまり、第１の実施形態においても、図５には示されていないが、光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間の価電子帯端には大きなスパイクが生じている。本実施形態は、この価電子帯端の大きなスパイクを２つの小さなスパイクによって緩和したものである。
【０１０５】
また、同図に示すように、ｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に配置された各層間には、各々スパイクによるバンド不連続量ΔＥｖ38，ΔＥｖ40，ΔＥｖ41，ΔＥｖ42が生じている。
【０１０６】
なお、スパイクによる障壁高さは、価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖと不純物濃度とによって変わる。しかし、実際上、レーザの機能を保持するためには不純物濃度はほとんど変更することができないので、化合物半導体の組成によって定まる価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖに応じて変化することになる。
【０１０７】
また、第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、単数である必要はなく複数個存在していてもよい。
【０１０８】
上記半導体レーザ装置を構成する部材のうち化合物半導体層の結晶成長は、有機金属気相エピタキシャル（以下ＭＯＶＰＥという）装置を用いて、基本的には、第１の実施形態と同様の方法により行なわれる。
【０１０９】
そして、エピタキシャル基板は、劈開により、共振器方向すなわちストライプ方向の長さが８００μｍのレーザチップに分割されている。レーザチップの相対向する２つの劈開面いわゆる端面に、端面保護コーティングとしてアモルファスシリコンとＳｉＯ2 との多層膜がコーティングされる。また、高い光出力を得るために、レーザチップの後端面を高反射率（９０％）に、レーザチップの前端面を低反射率（１０％）になるように、非対称コーティングが施されている。
【０１１０】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、第１，第２の実施形態と同様に、ｐ型第２クラッド層３７がｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されているので、第１の実施形態で説明したように、活性層３４とｐ型第２クラッド層３７との伝導帯端におけるポテンシャル差ΔＥｃを大きくとることができる。したがって、本実施形態の半導体レーザ装置は、第１，第２の実施形態と同様に、活性層３４への電子の閉じ込め効率が向上し、光出力の向上を図ることができる。
【０１１１】
また、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に、両者のバンドギャップの中間的なバンドギャップを有するｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層３６を用いているので、第２の実施形態と同様に、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを低く抑えることができる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができるので、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【０１１２】
また、このように活性層３４への電子の閉じ込め効率の向上作用と、半導体レーザ装置の動作電圧の低減作用とが相俟って、半導体レーザ装置の発熱を抑えることができ、半導体レーザ装置の出力をよりいっそう高くすることができる。
【０１１３】
また、第２の実施の形態では、電流ブロック層２１の窓部２１ａを形成するためのエッチングの際に、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓからなる電流ブロック層２１との選択的エッチングが可能な膜として、同じＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘの小さいＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ）からなるエッチング停止層２０を設ける必要があった。それに対し、本実施形態では、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第３クラッド層３８を設けているので、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３９との選択エッチングは容易である。第２の実施形態においては、後に詳しく説明するように、エッチング停止層２０がエッチングされて膜厚がばらつくことによって、ビーム拡がり角の大きな変化量が生じているが、本実施形態においてはこのようなビーム拡がり角の変化を小さく抑えることができる。
【０１１４】
本実施形態に半導体レーザ装置においては、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．１Ｖであり、光出力が３５０ｍＷに達するまで熱飽和現象は観測されなかった。
【０１１５】
次に、本実施形態の半導体レーザ装置について、光導波路層３５からｐ型第２クラッド層３７までの各層に関し、伝導帯および価電子帯におけるポテンシャル差を検討し、それが半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを議論する。
【０１１６】
−価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さの検討−
図１１に示すように、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に、ｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層３６が介在している場合、価電子帯には以下の障壁高さを有するスパイクが発生する。光導波路層３５とｐ型第１クラッド層３６との間のスパイクによる障壁高さＶD36 は０．１３２ｅＶである。ｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との間のスパイクによる障壁高さＶD37 は０．１２１ｅＶである。これらの値は、ｐ型第１クラッド層１６を用いない場合，つまり第１の実施形態の光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間のスパイクによる障壁高さ０．２９ｅに比べて小さい。すなわち、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間にｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型第１クラッド層３６が介在していることにより、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを低く抑えることができることを示している。
【０１１７】
−ｐ型第１クラッド層３６の最適なＡｌ組成の検討−
光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に介在するｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｙの設定について考察する。ここでは、ｐ型第１クラッド層３６としてｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを用い、Ａｌ組成比ｘをパラメータとして、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを調べた。その場合、光導波路層３５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層３６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層３７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3に固定している。
【０１１８】
図１２は、ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘと価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。同図において、実線曲線は光導波路層３５とｐ型第１クラッド層３６との間のスパイクによる障壁高さＶD36 を示し、破線曲線はｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との間のスパイクによる障壁高さＶD37 を示している。ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘが極めて小さい範囲では、スパイクによる障壁高さＶD37 がスパイクによる障壁高さＶD36 よりも大きくなる。逆に、それ以外の範囲では、スパイクによる障壁高さＶD36 がスパイクによる障壁高さＶD37 よりも大きくなる。動作電圧（しきい値電圧）をできるだけ小さくするためには、各スパイクによる障壁高さＶD36 ，ＶD37 の最大値がもっとも小さいことが好ましい。したがって、各スパイクによる障壁高さＶD16 ，ＶD37 が等しくなる点、すなわちｘ＝０．２付近にｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘを設定すればよい。
【０１１９】
−ｐ型第１クラッド層３６およびｐ型第２クラッド層３７の内部に発生する空乏層の影響の検討−
図１３は、ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘと、ｐ型第１クラッド層３６に形成される空乏層の長さＬ１１（図１１参照）および蓄積層の長さＬ１２（図１１参照）との和（Ｌ１１＋Ｌ１２）との関係を示す図である。図１３からわかるように、動作電圧（しきい値電圧）低減のためにｘ＝０．２を選ぶと、Ｌ１１＋Ｌ１２＝２１ｎｍになる。活性層３４への電子の閉じ込め効率を向上させるためには、伝導帯端に形成される電子に対する障壁高さを最大にするのがよいが、ｐ型第１クラッド層３６の厚さを（Ｌ１１＋Ｌ１２）より小さくしてしまうと、実際には、空乏層および蓄積層の内部電界の影響によって電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そのため、ｐ型第１クラッド層３６の厚さを（Ｌ１１＋Ｌ１２）とするのが好ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層３６の厚さを２５ｎｍとしている。
【０１２０】
同様に、ｐ型第２クラッド層３７の厚さも、その内部に発生する空乏層の長さＬ１３と蓄積層の長さＬ１４との合計（図１１参照）を考慮して定めることが好ましい。本実施形態の条件下では、ｐ型第２クラッド層３７中に形成される空乏層長さＬ１３と蓄積層長さＬ１４の合計は、Ｌ１３＋Ｌ１４＝３６ｎｍである。そして、この厚さ（Ｌ１３＋Ｌ１４）以下の厚さを有するｐ型第２クラッド層３７を設けた場合、内部電界の影響から電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層３７の厚さを４０ｎｍとした。
【０１２１】
−ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘと半導体レーザ装置の動作電圧との関係−
光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間にｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層３６が介在している場合、半導体レーザ装置の動作電圧がどのように変化するかを検討したところ、ｙ＝０．２０付近が最も動作電圧が小さく、２．１Ｖであった。
【０１２２】
次に、ｐ型第２クラッド層３７からｐ型コンタクト層４２までの間の価電子帯におけるポテンシャル差が半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを以下に議論する。
【０１２３】
ｐ型第２クラッド層３７からｐ型コンタクト層４２までの間においては、価電子帯におけるポテンシャル差ΔＥｖが０．５ｅＶ程度存在する。したがって、ｐ型第２クラッド層３７に直接接するｐ型コンタクト層４２を形成した場合、ｐ電極側から流入した正孔がこの障壁を越えるためには大きなバイアス電圧が必要になる。したがって、ｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に複数のｐ型層を挿入して、全体としてのΔＥｖを小さくすることが望ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に、各々第２スパイク緩和用ｐ型コンタクト層として機能する，ｐ型第３クラッド層３８，ｐ型第５クラッド層４０およびｐ型第６クラッド層４１を挿入している。その結果、図１１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置のｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に発生する各スパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖは、０．１５ｅＶ以下である。
【０１２４】
なお、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を必ずしも３つ設ける必要はなく、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を１つ，２つ又は４つ以上設けてもよい。
【０１２５】
なお、本実施形態に示した半導体レーザ装置の構造では、第２の実施形態の半導体レーザ装置に示すようなエッチング停止層を設ける必要がない。ｐ型第３クラッド層３８がエッチング停止層の機能を有するためである。第２の実施形態の半導体レーザ装置においては、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層２１の下にＡｌ組成比ｘの小さいＡｌＧａＡｓ（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ）からなるエッチング停止層２０を設け、電流ブロック層２１とエッチング停止層２０のＡｌ組成の違いに起因するエッチング速度の違い，すなわちエッチング選択比を利用して電流ブロック層２１の選択的エッチングを行なっている。しかしながら、第１の実施形態においては電流ブロック層２１とエッチング停止層２０が同じＡｌＧａＡｓ系の材料からなるため、エッチング選択比を大きく確保することができず、選択的エッチング終了後のエッチング停止層２０のうち電流ブロック層の窓部に位置する部分の厚さがわずかに薄くなる。これに起因して、半導体レーザ装置においてレーザビームの拡がり角にばらつきが発生し、歩留まりが低下することがあった。これに対して、本実施の形態では、ｐ型第３クラッド層３８と電流ブロック層３９とは、互いに異なる材料であるＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓとによって構成されているので、ｐ型第３クラッド層３８と電流ブロック層３９との間のエッチング選択比を大きく確保することができ、ｐ型第３クラッド層３８の厚みのばらつきを抑制することができる。それにより、ｐ型第３クラッド層３８の膜厚変化に起因するビーム拡がり角の変化量も小さくなり、半導体レーザ装置の歩留まりが向上する。例えば、第２の実施の形態に係る本発明の半導体レーザ装置では、水平拡がり角のばらつき幅、垂直拡がり角のばらつき幅は共に１°程度あるのに対して、本実施形態に係る本発明の半導体レーザ装置では、水平拡がり角のばらつき幅、垂直拡がり角のばらつき幅は共に０．５°以下に抑制される。
【０１２６】
なお、本実施形態の半導体レーザ装置において、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に、ｐ型第１クラッド層３６の代わりに、Ａｌ組成比ｘが段階的に異なるｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなる２層以上のｐ型クラッド層か、Ａｌ組成比ｘがほぼ連続的に変化するｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型クラッド層を用いても、価電子帯におけるスパイクによる障壁高さを小さくすることができる。
【０１２７】
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、第２の実施形態の半導体レーザ装置において、第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層１６の代わりに、Ａｌ組成比ｚ１が連続的に変化する厚さ３０ｎｍのＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓからなるｐ型第１クラッド層５１を用い、第２スパイク緩和用のｐ型第３クラッド層１８およびｐ型第４クラッド層１９の代わりに、Ａｌ組成比ｚ２が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓからなるｐ型第３クラッド層５２を用い、さらにエッチング停止層２０の代わりに、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓからなる厚さ１０ｎｍのエッチング停止層５３を用い、ｐ型第６クラッド層２３の代わりに、組成比ｚ３が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのＡｌz3Ｇａ1-z3Ａｓからなるｐ型第６クラッド層５４を用いて構成されている。本実施形態の半導体レーザ装置のその他の構成は、第２の実施形態の半導体レーザ装置において説明した通りであり、図６と同じ符号を付して説明を省略する。
【０１２８】
なお、ｐ型第１クラッド層５１におけるＡｌ組成比ｚ１は、光導波路層１５からｐ型第２クラッド層１７に至るまで、ｐ型第１クラッド層５１の厚さ位置にほぼ比例させて０．３から１まで変化させた。また、ｐ型第３クラッド層５２におけるＡｌ組成比ｚ２は、ｐ型第２クラッド層１７からエッチング停止層５３に至るまで、ｐ型第３クラッド層５２の厚さ位置にほぼ比例させて１から０．２まで変化させた。さらに、ｐ型第６クラッド層５４におけるＡｌ組成比ｚ３は、ｐ型第５クラッド層２２からｐ型コンタクト層２４に至るまで、ｐ型第６クラッド層５４の厚さ位置にほぼ比例させて０．５から０まで変化させた。
【０１２９】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、Ａｌ組成比ｚ１が連続的に変化するＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓからなるｐ型第１クラッド層５１を用いているので、価電子帯端に発生するスパイクによる障壁高さ又はバンド不連続量を低く抑えることができる。したがって、ｐ型第１クラッド層５１とｐ型第２クラッド層１７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができ、それにより、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【０１３０】
また、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、組成比ｚ２が連続的に変化するＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓからなるｐ型第３クラッド層５２を用い、組成比ｚ３が連続的に変化するＡｌz3Ｇａ1-z3Ａｓからなるｐ型第６クラッド層５４を用いているので、ｐ型第２クラッド層１７からｐ型コンタクト層２４までの間において、ｐ型第３クラッド層５２とｐ型第２クラッド層１７との境界部，ｐ型第３クラッド層５２とエッチング停止層５３との境界部，ｐ型第６クラッド層５４とｐ型第５クラッド層２２との境界部，及びｐ型第６クラッド層５４とｐ型コンタクト層２４との境界部における価電子帯のスパイクによる障壁高さをほとんど０にすることができる。
【０１３１】
図１５は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層１５からｐ型コンタクト層２４までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置においては、エッチング停止層５３とｐ型第５クラッド層２２との間の価電子帯端に高さＶD22 ＝０．１５０ｅＶのスパイクが存在する以外は、価電子帯端におけるスパイクがほとんど生じていないといえる。
【０１３２】
本実施形態の半導体レーザ装置において、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力が３５０ｍＷの出力に至るまでに熱飽和現象は観測されなかった。また、本実施形態の半導体レーザ装置において、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．０Ｖであり、第２の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減することができた。本実施形態において、第２の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減させることができた理由は、ｐ型第１クラッド層５１、ｐ型第３クラッド層５２およびｐ型第６クラッド層５４を用いることにより、価電子帯のスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖをほとんど０にすることができたためであると考えられる。とりわけ、価電子帯のスパイクによる障壁高さΔＥｖを最も低減させることのできるｐ型第１クラッド層５１が動作電圧低減に大きく寄与したものと考えられる。
【０１３３】
（第５の実施の形態）
図１６は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、第３の実施形態の半導体レーザ装置において、第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層３６の代わりに、Ａｌ組成比ｔ１が連続的に変化する厚さ３０ｎｍのｐ型（Ａｌt1Ｇａ1-t1）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層６１を用い、第２スパイク緩和用のｐ型第３クラッド層３８の代わりに、Ａｌ組成比ｔ２が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのｐ型（Ａｌt2Ｇａ1-t2）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第３クラッド層６２を用い、さらに第２スパイク緩和用のｐ型第６クラッド層４１の代わりに、Ａｌ組成比ｔ３が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのＡｌt3Ｇａ1-t3Ａｓからなるｐ型第６クラッド層６３を用いて構成されている。本実施形態の半導体レーザ装置のその他の構成は、第３の実施形態の半導体レーザ装置において説明した通りであり、図６と同じ符号を付して説明を省略する。
【０１３４】
なお、ｐ型第１クラッド層６１におけるＡｌ組成比ｔ１は、光導波路層３５からｐ型第２クラッド層３７に至るまで、ｐ型第１クラッド層６１の厚さ位置にほぼ比例させて０．１５から０．７まで変化させた。また、ｐ型第３クラッド層６２におけるＡｌ組成比ｔ２は、ｐ型第２クラッド層３７からｐ型第５クラッド層４０に至るまで、ｐ型第３クラッド層６２の厚さ位置にほぼ比例させて０．７から０まで変化させた。さらに、ｐ型第６クラッド層６３におけるＡｌ組成比ｔ３は、ｐ型第５クラッド層４０からｐ型コンタクト層４２に至るまで、ｐ型第６クラッド層６３の厚さ位置にほぼ比例させて０．５から０まで変化させた。
【０１３５】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、組成比ｔ１が連続的に変化するｐ型（Ａｌt1Ｇａ1-t1）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層６１を用いているので、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖを低く抑えることができる。その結果、ｐ型第１クラッド層６１とｐ型第２クラッド層３７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができ、それにより、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【０１３６】
また、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、組成比ｔ２が連続的に変化するｐ型（Ａｌt2Ｇａ1-t2）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第３クラッド層６２を用い、組成比ｔ３が連続的に変化するＡｌt3Ｇａ1-t3からなるｐ型第６クラッド層６３を用いているので、ｐ型第２クラッド層３７からｐ型コンタクト層４２までの間において、ｐ型第３クラッド層６２とｐ型第２クラッド層３７との境界部，ｐ型第３クラッド層６２とｐ型第５クラッド層４０との境界部，ｐ型第６クラッド層６３とｐ型第５クラッド層４０との境界部，及びｐ型第６クラッド層６３とｐ型コンタクト層４２との境界部における価電子帯のスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖをほとんど０にすることができる。
【０１３７】
図１７は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層３５からｐ型コンタクト層４２までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置においては、光導波路層３５とｐ型第１クラッド層６１との間の価電子帯端に障壁高さＶD61 ＝０．１ｅＶのスパイクが存在する以外は、価電子帯端におけるスパイクがほとんど生じていないといえる。
【０１３８】
本実施形態の半導体レーザ装置において、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力が３５０ｍＷの出力に至るまでに熱飽和現象は観測されなかった。また、本実施形態の半導体レーザ装置において、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．０Ｖであり、第３の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減することができた。本実施形態において、第３の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減させることができた理由は、ｐ型第１クラッド層６１、ｐ型第３クラッド層６２およびｐ型第６クラッド層６３を用いることにより、価電子帯のスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖをほとんど０にすることができたためであると考えられる。とりわけ、価電子帯のスパイクによる障壁高さを最も低減させることのできるｐ型第１クラッド層６１が動作電圧低減に大きく寄与したものと考えられる。
【０１３９】
（第６の実施形態）
上記第１〜第５の実施形態においては、本発明をファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を備えた半導体レーザ装置に適用した例について説明した。しかし、本発明は、ＦＰ共振器型半導体レーザ装置以外のレーザ装置にも適用することができる。その例として、以下、本発明を分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Ditributed Bragg Reflector）型半導体レーザ装置に適用した例である第６の実施形態について説明する。
【０１４０】
図１８は、本発明の第６の実施形態の半導体レーザ装置の構成を概略的に示す破断斜視図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、共振器の長手方向に、利得領域７０と、位相制御領域７１と、ＤＢＲ領域７２と備えている。つまり、利得領域７０の端面を構成する劈開面（前面）とＤＢＲ領域７２の端面（後面）とを反射面とする共振器が構成されている。利得制御領域７０の共振器長手方向長さは５００μｍであり、位相制御領域７１の共振器長手方向長さは３００μｍであり、ＤＢＲ領域７２の共振器長手方向長さは５００μｍである。
【０１４１】
そして、本実施形態の半導体レーザ装置は、利得領域７０と、位相制御領域７１と、ＤＢＲ領域７２とに亘って、ｎ型ＧａＡｓ基板７３の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなるｎ型クラッド層７４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる２つの光導波路層によってＧａＡｓ結晶からなる単一量子井戸を挟んだ構造の活性層７５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第１クラッド層７６と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなるｐ型第２クラッド層７７と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなるｐ型第３クラッド層７８と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなるエッチング停止層７９と、ｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ結晶からなりストライプ状の窓部を有する電流ブロック層８０と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなるｐ型第４クラッド層８１と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなるｐ型コンタクト層８２とを順次形成して構成されている。
【０１４２】
ここで、活性層７５のうち位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２に位置する部分は、不純物であるＺｎのドープによる量子井戸構造の無秩序化処理が施されており、発振波長のレーザに対してほぼ透明となっている。また、第２クラッド層７７のうちＤＢＲ領域７２に位置する部分は、回折格子７７ａとなっている。
【０１４３】
また、ｐ型コンタクト層８２のうち利得領域７０，位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２の各境界部に位置する部分は、エッチングにより除去されており、ｐ型コンタクト層８２は３つの部分８２ａ，８２ｂ，８２ｃに電気的に分離されている。そして、ｐ型コンタクト層８２のうち利得領域７０，位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２に位置する各部分８２ａ，８２ｂ，８２ｃの上に、それぞれ利得制御領域電極８３，位相制御領域電極８４及びＤＢＲ領域電極８５が設けられている。また、図示しないが、ｎ型ＧａＡｓ基板７３の裏面には、ｎ型電極が設けられている。
【０１４４】
すなわち、利得領域７０，位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２に各々個別に電流の注入を行なうことが可能に構成されている。したがって、位相制御領域７１とＤＢＲ領域７２とへの注入電流量を個別に制御することにより、レーザの発振波長を連続的に変化させることができる。
【０１４５】
本実施形態のようなＤＢＲ型半導体レーザ装置においては、ＤＢＲ領域７２に形成された回折格子の周期と実効屈折率とによって、レーザの発振波長を制御することができる。しかし、ＤＢＲ領域７２及び位相制御領域７１は、利得領域ではないので、導波損失が発生する。そのため、通常のＦＰ共振器型半導体レーザ装置に比べて、レーザ発振に必要な注入キャリア密度は大きくなる。動作キャリア密度が大きくなると、活性層からクラッド層へのキャリアのオーバーフローが多くなるので、温度特性が低下して、高出力動作が困難になる。そこで、第１〜第５の実施形態において説明したように、障壁高さ規定用のｐ型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰにより構成することで、キャリアのオーバーフローを抑制し、高出力動作を実現することができる。
【０１４６】
−半導体レーザ装置の評価−
本実施形態の構造を有する半導体レーザ装置と、本実施形態の半導体レーザにおけるｐ型第１クラッド層７６の代わりに、従来型のｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなるｐ型第１クラッド層を設けた比較例の半導体レーザ装置との特性を評価した。このとき、測定を簡略化するために、波長制御は行なっていない。つまり、位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２への電流注入は行なわずに、利得領域７０のみに通電した。
【０１４７】
その結果、ｐ型第１クラッド層７６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成した本実施形態の半導体レーザ装置では、発振波長８５０ｎｍのレーザの光出力が２００ｍＷ以上となる，高出力動作が実現した。ＣＯＤレベルは２２０ｍＷであった。一方、ｐ型第１クラッド層をＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓにより構成した比較例の半導体レーザ装置では、ＣＯＤが生じるまでの光出力が得られず、１２０ｍＷ付近で光出力が飽和した。
【０１４８】
すなわち、第１の実施形態で説明したように、これは、活性層７５の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層７６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成していることにより、伝導帯端におけるキャリアのオーバーフローが抑制され、高い光出力が得られるものと考えられる。また、活性層７５の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層７６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成する一方、活性層７５の下方のクラッド層であるｎ型クラッド層７４をＡｌＧａＡｓにより構成していることによるものと考えられる。その結果、本実施形態の半導体レーザ装置においては、発熱中のレーザチップの発熱を抑制することができ、高出力動作が可能になった。
【０１４９】
本実施形態においては、第１の実施形態をＤＢＲ型半導体レーザ装置に適用した例について説明したが、第２〜第５の実施形態をＤＢＲ型半導体レーザ装置に適用しても、各実施形態とほぼ同様の効果を発揮することができる。
【０１５０】
（その他の実施形態）
上記各実施形態においては、ｐ型クラッド層を活性層の上方に、ｎ型クラッド層を活性層の下方にそれぞれ配置したが、ｐ型クラッド層を活性層の下方に、ｎ型クラッド層を活性層の上方にそれぞれ配置してもよい。
【０１５１】
【発明の効果】
本発明の第１の半導体レーザ装置によれば、活性層と障壁規定用ｐ型クラッド層との間の伝導帯端のポテンシャル差の拡大により障壁規定用クラッド層への電子のオーバーフローを低減することができるので、活性層への電子の閉じ込め効率を向上することができるとともに、活性層の温度上昇を小さくできるので、共振器端面の温度上昇を防止でき、共振器端面での光吸収を小さくでき、ＣＯＤを起こりにくくすることができる。
【０１５２】
本発明の第２の半導体レーザ装置によれば、活性層と障壁規定用ｐ型クラッド層との間の伝導帯端のポテンシャル差に応じて発生するスパイクの緩和により、動作電圧の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。
【図２】第１の実施形態及び第１の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を比較して示す図である。
【図３】ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰの各層のバンド構造の相違を、ＡｌＧａＡｓ層及びＡｌＧａＩｎＰ層の組成を変化させて示す図である。
【図４】第１の実施形態及び第２の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を比較して示す図である。
【図５】第１の実施形態の半導体レーザ装置における電圧印加時のバンド状態を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。
【図７】第２の実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図８】第２の実施の形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。
【図９】第２の実施の形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と、空乏層および蓄積層の長さの和との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。
【図１１】第３の実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図１２】第３の実施形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。
【図１３】第３の実施の形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と、空乏層および蓄積層の長さの和との関係を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。
【図１５】本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図１６】本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。
【図１７】第５の実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態の半導体レーザ装置の構成を概略的に示す破断斜視図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型クラッド層
３，５ 光導波路層
４ 活性層
６ ｐ型第１クラッド層
７ ｐ型第２クラッド層
８ エッチング停止層（ＥＳ層）
９ 電流ブロック層
１０ ｐ型第３クラッド層
１１ コンタクト層
１１，３１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２，３２ ｎ型クラッド層
１３，１５，３３，３５ 光導波路層
１４，３４ 活性層
１６，３６，５１，６１ ｐ型第１クラッド層
１７，３７ ｐ型第２クラッド層
１８，３８，５２，６２ ｐ型第３クラッド層
１９ ｐ型第４クラッド層
２０，５３ エッチング停止層
２１，３９ 電流ブロック層
２１ａ，３９ａ 窓部
２２，４０ ｐ型第５クラッド層
２３，４１，５４，６３ ｐ型第６クラッド層
２４，４２ ｐ型コンタクト層
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファブリ・ペロー型半導体レーザ装置やＤＢＲ構造を有する半導体レーザ装置などに適した半導体レーザ装置の構造に係り、特に光出力の向上対策に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、書き込み・書き換えが可能な光ディスク装置では、高速書き込みの必要性から、赤外半導体レーザの高出力化が重要な課題となっている。半導体レーザの高出力化のためには、端面の光学損傷（Catastrophic Optical Damage 、以下ＣＯＤという）レベルの向上と出力の熱飽和の改善が必要である。
【０００３】
もっとも一般的な半導体レーザ装置に関する第１の従来例として、ＧａＡｓ層からなる活性層と、この活性層を上下から挟む２つの（Ａｌx Ｇａ1-x ）Ａｓ（０≦ｘ≦１、場合によってはＡｌＧａＡｓという）からなるクラッド層とを備えた半導体レーザ装置が知られている。
【０００４】
また、第２の従来例として、ＧａＡｓ，Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０≦ｘ１≦１、以下、場合によってはＡｌＧａＡｓという）またはＩｎx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１、以下、場合によってはＩｎＧａＡｓという）からなる活性層と、この活性層を上下から挟む２つのバンドギャップの大きな（Ａｌx3Ｇａ1-x3）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ≦１、以下、場合によってはＡｌＧａＩｎＰという）からなるクラッド層とを備えた半導体レーザ装置が知られている（例えば特開平５−２１８５８２号公報参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体レーザにおいては、以下に説明するような改善すべき点があった。
【０００６】
例えば、半導体レーザ装置の高出力発振状態において活性層の温度上昇が著しくなると、活性層に注入されるキャリアの密度が過剰になってキャリアのクラッド層への溢れ（オーバーフロー）が生じることがあった。キャリアが活性層からクラッドへ溢れ出すと、これらのキャリアは非発光再結合に消費され、活性層のさらなる温度上昇を引き起こす。その結果、高出力発振状態ではチップ温度上昇のためにキャリアが消費され、電流量を増大していっても光出力がある値以上には増大しないという熱飽和現象が生じる。特に、単一の量子井戸層を有するものでは、この現象が生じやすかった。
【０００７】
また、半導体レーザ装置の高出力発振状態において活性層の温度上昇が著しくなると、共振器端面の温度が著しく上昇することから、共振器端面での光吸収が増大し、ある電流量に達すると局所的に結晶が破壊される（溶融する），いわゆるＣＯＤが起こることがあった。
【０００８】
そして、以上のような熱飽和現象やＣＯＤは、半導体レーザ装置の効率の向上に対する障害となっていた。
【０００９】
また、燐を含む化合物半導体の結晶成長、例えばＡｌＧａＩｎＰ膜の結晶成長の後に燐を含まない結晶、例えばＡｌＧａＡｓ膜を結晶成長する場合、燐を含むガスが分解してできる燐がＡｌＧａＡｓ膜に混入することがある。したがって、ＡｌＧａＡｓ膜を発光素子の活性層に用いた場合、ＡｌＧａＡｓ層への燐の混入により活性層の特性が変化して、半導体レーザ装置の発光効率，発光波長の制御が困難になり、半導体レーザ装置の製造歩留まりが低下するおそれがあった。
【００１０】
本発明の第１の目的は、比較的小さい電流量での熱飽和現象やＣＯＤの発生を抑制する手段を講ずることにより、半導体レーザ装置における光出力の向上を図ることにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、製造歩留まりの高い半導体レーザ装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体レーザ装置は、基板上に設けられたレーザ発生領域である活性層を有する半導体レーザ装置であって、上記活性層の上方又は下方に設けられ、２以上の構成元素を含む第１の半導体からなるｎ型クラッド層と、上記活性層を挟んで上記ｎ型クラッド層に対向する側に設けられ、２以上の構成元素を含む第２の半導体からなる障壁高さ規定用ｐ型クラッド層とを備え、上記第２の半導体は、上記第１の半導体よりも多くの構成元素を含んでいる。
【００１３】
この構成により、第２の半導体の組成を調整する範囲が広くなり、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との伝導帯端のポテンシャル差を大きくして、障壁規定用ｐ型クラッド層への電子のオーバーフローを低減することができるので、活性層への電子の閉じ込め効率が向上する。また、ｎ型クラッド層の熱伝導率が障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の熱伝導率よりも大きくなるように調整することも容易となり、半導体レーザ装置の放熱性を向上させることができる。その結果、半導体レーザ装置の光出力の向上を図ることができる。
【００１４】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記活性層との伝導帯端のポテンシャル差が、上記ｎ型クラッド層と上記活性層との伝導帯端のポテンシャル差よりも大きいことにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層への電子のオーバーフロー抑制効果が確実に得られる。
【００１５】
上記活性層は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓによって構成されており、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を構成する第２の半導体は、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表される組成を有することにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との間の伝導帯端のポテンシャル差を、大きくすることがさらに容易となる。
【００１６】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の層厚が、１０ｎｍ以上３００ｎｍかつ以下であることにより、活性層から障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を通る熱伝導経路の熱抵抗を低く抑えることができる。
【００１７】
上記第２の半導体のＡｌ組成比ｘは、０．３＜ｘ≦０．７の範囲内にあることにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との伝導帯端のポテンシャル差を３５０ｍｅＶよりも大きくすることができ、活性層からの電子のオーバーフローを効果的に抑制することができる。
【００１８】
上記第２の半導体のＩｎ組成比ｙは、０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲内にあることにより、活性層を構成するＧａＡｓと第２の半導体との格子整合を実現することができ、第２の半導体の結晶性が向上する。
【００１９】
上記ｎ型クラッド層を構成する第１の半導体は、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０≦ｘ１≦１）で表される組成を有することにより、ｎ型クラッド層の熱伝導率を障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の熱伝導率よりも確実に大きくすることができ、放熱特性を向上させることができる。
【００２０】
上記第１の半導体のＡｌ組成比ｘ１は、０．２≦ｘ１≦０．７の範囲内にあることが好ましい。
【００２１】
上記活性層の層厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることにより、端面での熱吸収を抑制することができ、光出力を向上させることができる。
【００２２】
上記障壁高さ規定用ｐ型層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられ、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１））からなる半導体層をさらに備えることにより、活性層で発生する熱をより効果的に放散することができる。
【００２３】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層は上記活性層の上方に設けられ、構成元素としての燐を含んでおり、上記活性層は、燐を含まない半導体によって構成されていることにより、活性層が形成された後に、燐を含む障壁高さ規定用ｐ型クラッド層が形成される構造となるので、活性層への燐の混入を抑制することができる。それにより、活性層の特性が変化せず、半導体レーザ装置の発光効率、発光波長がほとんど変化しない。
【００２４】
同様の理由により、上記ｎ型クラッド層は上記活性層の下方に設けられ、燐を含まない半導体によって構成されていることが好ましい。
【００２５】
本発明の半導体レーザ装置は、ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有するものにも適用することができ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）構造を有するものにも適用することができる。
【００２６】
本発明の第２の半導体レーザ装置は、基板上に設けられたレーザ発生領域である活性層を有する半導体レーザ装置であって、上記活性層の上方又は下方に設けられ、第１の半導体からなるｎ型クラッド層と、上記活性層を挟んで上記ｎ型クラッド層に対向する側に設けられ、第２の半導体からなる障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記活性層との間に設けられた少なくとも１つの第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層とを備え、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記活性層との価電子帯端のポテンシャル差の大きさは、上記第１スパイク緩和用クラッド層と上記活性層との価電子帯端のポテンシャル差よりも大きい。
【００２７】
この構成により、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と活性層との価電子帯端のポテンシャル差に応じて発生するスパイクによる障壁高さ又はバンド不連続量を小さくすることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
【００２８】
上記活性層は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓによって構成されており、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を構成する第２の半導体は、（Ａｌx1Ｇａ1-x1）y1Ｉｎ1-y1Ｐ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１）で表される組成を有することにより、活性層への電子の閉じ込め効率の向上による光出力の向上を図ることができる。
【００２９】
上記第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１）で表される組成を有し、上記ｘ２は、上記活性層から上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層へ向かう方向に増大していることにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層から活性層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３０】
上記第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、（Ａｌx3Ｇａ1-x3）y2Ｉｎ1-y2Ｐ（０≦ｘ３≦１、０≦ｙ２≦１）で表される組成を有し、上記ｘ３は、上記活性層から上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層へ向かう方向に増大していることによっても、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層から活性層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３１】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられたｐ型コンタクト層と、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との間に設けられた少なくとも１つの第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層とをさらに備え、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層との価電子帯端のポテンシャル差は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差よりも小さいことにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層とｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差によるスパイクによる障壁高さ又はバンド不連続量を小さくすることができ、動作電圧の低減を図ることができる。
【００３２】
上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、Ａｌx4Ｇａ1-x4Ａｓ（０≦ｘ４≦１）で表される組成を有し、上記ｘ４は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層から上記ｐ型コンタクト層へ向かう方向に減少していることにより、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層からｐ型コンタクト層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３３】
上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、（Ａｌx5Ｇａ1-x5）y3Ｉｎ1-y3Ｐ（０≦ｘ５≦１、０≦ｙ３≦１）で表される組成を有し、上記ｘ５は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層かた上記ｐ型コンタクト層へ向かう方向に減少していることによっても、障壁高さ規定用ｐ型クラッド層からｐ型コンタクト層に至るまでの領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３４】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を挟んで上記活性層とは対向する側に設けられ、窓部を有する電流ブロック層と、上記電流ブロック層の上記窓部を埋めるように形成された埋め込みｐ型クラッド層とをさらに備え、上記電流ブロック層の屈折率は、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層の屈折率および上記埋め込みｐ型クラッド層の屈折率よりも小さいことが好ましい。これにより、実屈折率導波構造が実現され、光の導波損失を低く抑制することができる。
【００３５】
上記電流ブロック層はＡｌx6Ｇａ1-x6Ａｓ（０≦ｘ６≦１）で表される組成を有しており、上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層と上記埋め込みクラッド層との間に設けられ、（Ａｌx7Ｇａ1-x7）y4Ｉｎ1-y4Ｐ（０≦ｘ７≦１、０≦ｙ４≦１）からなるエッチング停止層をさらに備えていることが好ましい。
【００３６】
上記障壁高さ規定用ｐ型クラッド層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられたｐ型コンタクト層と、上記埋め込みｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との間に設けられた少なくとも１つの第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層とをさらに備え、上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差は、上記埋め込みｐ型クラッド層と上記ｐ型コンタクト層との価電子帯端のポテンシャル差よりも小さいことにより、動作電圧をさらに低減することができる。
【００３７】
上記第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、Ａｌx8Ｇａ1-x8Ａｓ（０≦ｘ８≦１）で表される組成を有し、上記ｘ８は、上記埋め込みｐ型クラッド層から上記ｐ型コンタクト層へ向かう方向に減少していることにより、埋め込みｐ型クラッド層から上記ｐ型コンタクト層に至る領域におけるスパイクをほとんどなくすことができる。
【００３８】
この第２の半導体レーザ装置は、ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有するものであってもよいし、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）構造を有するものであってもよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
−半導体レーザ装置の構成及び製造方法−
図１は、本発明の第１の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。本実施形態においては、ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有する半導体レーザ装置について説明する。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層２と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍの光導波路層３と、ＧａＡｓ結晶からなる厚さ３ｎｍの単一量子井戸型の活性層４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍの光導波路層５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ５０ｎｍの障壁高さ規定用のｐ型第１クラッド層６と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ１００ｎｍのｐ型第２クラッド層７と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなる厚さ１０ｎｍのエッチング停止層（以下ＥＳ層という）８と、ｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ結晶からなる厚さ７００ｎｍの電流ブロック層９と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのｐ型第３クラッド層１０と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのコンタクト層１１とを順次形成して構成されている。また、図示されていないが、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面およびコンタクト層１１の上に、それぞれｎ型電極およびｐ型電極が設けられた構成となっている。
【００４１】
上記半導体レーザ装置を構成する部材のうち化合物半導体層の結晶成長は、有機金属気相エピタキシャル（以下ＭＯＶＰＥという）装置を用い、ＭＯＶＰＥ法により、以下の手順で行なった。
【００４２】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、クラッド層２，光導波路層３，活性層４，光導波路層５及びｐ型第１クラッド層６を順次エピタキシャル成長させた。その後、ｐ型第１クラッド層６の上に、ｐ型第２クラッド層７，ＥＳ層８及び電流ブロック層９を順次エピタキシャル成長させた。以下、ｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、何らかの結晶膜が形成されたものを単にエピタキシャル基板という。
【００４３】
続いて、エピタキシャル基板を、ＭＯＶＰＥ装置から取り出し、電流ブロック層９の選択エッチングを行なって、ＥＳ層８に達する溝を形成する。
【００４４】
その後、エピタキシャル基板を再びＭＯＶＰＥ装置に戻し、ＥＳ層８及び電流ブロック層９の上に、電流ブロック層９に設けられた溝を埋めるｐ型第３クラッド層１０をエピタキシャル成長させた後、ｐ型第３クラッド層１０の上にコンタクト層１１をエピタキシャル成長させる。
【００４５】
その後、エピタキシャル基板をＭＯＶＰＥ装置から取り出し、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面およびコンタクト層１１の上に、それぞれｎ型電極およびｐ型電極を設ける。
【００４６】
その後、エピタキシャル基板を、劈開により複数個の共振器長８００μｍのレーザチップに分割した。その後、レーザチップの相対向する２つの劈開面いわゆる端面に、端面保護コーティングとしてアモルファスシリコンとＳｉＯ2 との多層膜をコーティングした。また、高い光出力を得るために、レーザチップの後端面を高反射率（９０％）に、レーザチップの前端面を低反射率（１０％）になるように、非対称コーティングを施した。
【００４７】
本実施形態の半導体発光装置（半導体レーザ装置）によると、活性層４を上下から挟む２つのクラッド層のうち，障壁高さ規定用のｐ型第１クラッド層６をＡｌＧａＩｎＰによって構成しているので、活性層４とｐ型第１クラッド層６との間の伝導帯におけるポテンシャル差ΔＥｃを大きくすることができる。その結果、活性層４中の電子（キャリア）のｐ型第１クラッド層６へのオーバーフローを抑制することが可能となり、キャリアのオーバーフローに起因する，高出力発振状態における熱飽和現象の発生が抑制されることになる。
【００４８】
また、ｎ型クラッド層２が比較的熱伝導率の高いＡｌＧａＡｓによって構成されているので、半導体レーザ装置の高出力発振状態においても、活性層の温度上昇が小さくなり、共振器端面における温度上昇が抑制されることから、共振器端面での光吸収が小さくなる。その結果、光学損傷（Catastrophic Optical Damage ）いわゆるＣＯＤの発生が抑制される。
【００４９】
また、本実施形態の製造方法によると、ＧａＡｓからなる活性層４を結晶成長した後に、活性層４の上に、ホスフィンを用いてｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶をエピタキシャル成長させているので、ホスフィンが分解してできる燐が活性層４に混入することはほとんどないといえる。したがって、活性層４の特性が変化して半導体レーザ装置の発光効率、発光波長が変化するような特性劣化が生じることがほとんどない。その結果、半導体レーザ装置を多量生産する場合においても、半導体レーザ装置の光学特性ばらつきを小さく抑えることができ、半導体レーザ装置の製造歩留まり率を向上させることができる。
【００５０】
−第１の従来例との比較−
本実施形態の半導体発光装置の効果を確かめるために、本発明の半導体レーザ装置について、以下に述べるような検討および考察を行った。
【００５１】
図２は、本実施形態及び第１の従来例の半導体レーザ装置の電流−光出力特性（以下Ｉ−Ｌ特性という）を比較して示す図である。図２において、実線Ａ１は、本実施形態の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を、破線Ｂ１は厚さ３ｎｍの単一量子井戸活性層を有する第１の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を、破線Ｂ２は厚さ３ｎｍの２つの量子井戸からなる二重量子井戸活性層を有する第１の従来例の半導体レーザのＩ−Ｌ特性をそれぞれ示している。図２に示す本実施形態の半導体レーザ装置においては、活性層の下方に設けられるクラッド層（ｎ型クラッド層２）はｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶により構成され、活性層の上方に設けられるクラッド層（ｐ型第１クラッド層６）はｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されている。それに対し、図２に示す従来の各半導体レーザ装置においては、活性層の下方に設けられるクラッド層はｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶により構成され、活性層の上方に設けられるクラッド層はｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶によって構成されている。
【００５２】
図２からわかるように、第１の従来例の半導体レーザ装置のうち単一量子井戸型のもの（破線Ｂ１参照）においては、ＣＯＤは生じないが、電流値５００ｍＡ付近を越えても光出力が２２０ｍＷ以上に高くならずに、逆に、光出力が減少していくという熱飽和現象が生じている。一方、二重量子井戸型のもの（破線Ｂ２参照）においては、熱飽和現象が生じる前に、電流値が３００ｍＡ付近，光出力が２００ｍＷ付近でＣＯＤが発生している。つまり、活性層の上下のクラッド層をＡｌＧａＡｓにより構成した従来の半導体レーザ装置では、光出力２００ｍＷ以上で安定したレーザ発振を実現することは困難であった。
【００５３】
それに対し、本発明の半導体レーザ装置では、電流値が３８０ｍＡ付近，光出力が３４０ｍＷにおいてＣＯＤが発生するまで、光出力の飽和が生じなかった。これは、活性層４の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成していることによるもので、以下の理由によると考えられる。
【００５４】
図３は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰの各層のバンド構造の相違を、ＡｌＧａＡｓ層及びＡｌＧａＩｎＰ層の組成を変化させて示す図である。同図において、中央にはＧａＡｓ層のバンド構造を示し、左方にはＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層におけるＡｌ組成比ｘを０（右端）から１（左端）まで変化させたもののバンド構造を示し、右方には（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層におけるＡｌ組成比ｘを０（左端）から１（右端）まで変化させたもののバンド構造を示している。なお、半導体レーザ装置においては、伝導帯の電子の分布がポテンシャルの高い領域まで広がるのに対し、価電子帯では正孔の分布がポテンシャルの低い領域のみに限定されることから、価電子帯端のポテンシャル差は伝導帯端のポテンシャル差に比べてレーザ特性には影響が少ない。そこで、以下の考察においては、各層の伝導帯端のポテンシャルのみについて説明する。
【００５５】
図３に示すように、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層におけるＡｌ組成比ｘを１から０まで変化させると、Ａｌ組成比ｘが０．４付近のときに伝導帯端のポテンシャルがもっとも高くなっており、このときのＧａＡｓ層の伝導帯端とのポテンシャル差ΔＥｃmax は約０．３４ｅＶ（３４０ｍｅＶ）である。従来の半導体レーザ装置における２つのクラッド層（組成Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ）においても、ＧａＡｓ層とのポテンシャル差は約３４０ｍｅＶである。それに対し、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層におけるＡｌ組成比ｘを０から１まで変化させると、Ａｌ組成比ｘが０．７付近のときに伝導帯端のポテンシャルがもっとも高くなっており、このときのＧａＡｓ層の伝導帯端とのポテンシャル差ΔＥｃmax は約０．３９ｅＶ（３９０ｍｅＶ）である。したがって、本実施形態のｐ型第１クラッド層６（組成（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ）の伝導帯端と、ＧａＡｓ層である活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差は、約３９０ｍｅＶである。
【００５６】
図５は、本実施形態の半導体レーザ装置における電圧印加時のバンド状態を模式的に示す図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置において、ｎ型クラッド層２の伝導帯端と活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差は約３４０ｍｅＶであるが、ｐ型第１クラッド層６の伝導帯端と活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差は約３９０ｍｅＶである。
【００５７】
その結果、ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層２を経て活性層４に注入される電子は、高さ約３９０ｍｅＶの障壁によって量子井戸である活性層４に閉じ込められることになる。一方、図５において破線で示す従来の半導体レーザ装置の活性層の上方にあるｐ型クラッド層の伝導帯端は、ＧａＡｓ層の伝導帯端に対して３４０ｍｅＶのポテンシャル差しかない。
【００５８】
以上の実験データから得られた事実を総合すると、本実施形態の半導体レーザ装置の場合、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層６の伝導帯端と、ＧａＡｓからなる活性層４の伝導帯端とのポテンシャル差ΔＥｃmax が３９０ｍｅＶであり、従来のｐ型クラッド層の伝導帯端と活性層の伝導帯端とのポテンシャル差３４０ｍｅＶよりも大きいことから、活性層への電子の閉じ込め効率が向上し、その結果、伝導帯端におけるキャリアのオーバーフローが抑制され、高い光出力が得られるものと考えられる。
【００５９】
特に、本実施形態の半導体レーザ装置のごとく、活性層４を厚さ３ｎｍの単一量子井戸により構成することにより、二重量子井戸構造を有するものよりも、端面における光吸収量を低減することができる。その結果、本実施形態では、共振器端面における発熱が抑制され、３４０ｍＷという高いＣＯＤレベルが得られることになる。
【００６０】
−第２の従来例との比較−
図４は、本実施形態及び第２の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を比較して示す図である。図４において、実線Ａ１は、図２に示すと同様に本実施形態の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を、破線Ｂ３は厚さ３ｎｍの単一量子井戸活性層を有する第２の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性をそれぞれ示している。図４に示す第２の従来例の各半導体レーザ装置においては、活性層の下方に設けられるクラッド層はｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成され活性層の上方に設けられるクラッド層はｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されている。つまり、第２の従来例の半導体レーザ装置においては、上下双方にＡｌＧａＩｎＰ層からなるクラッド層が設けられている。
【００６１】
図４からわかるように、第２の従来例の半導体レーザ装置では、電流値が３４０ｍＡ付近，光出力が２６０ｍＷ付近でＣＯＤが発生している。つまり、活性層の上下のクラッド層をＡｌＧａＩｎＰにより構成した第２の従来例の半導体レーザ装置では、光出力３００ｍＷ以上で安定したレーザ発振を実現することは困難であった。
【００６２】
それに対し、本実施形態の半導体レーザ装置では、電流値が４００ｍＡ付近，光出力が３４０ｍＷにおいてＣＯＤが発生するまで、光出力の飽和が生じていない。また、本実施形態の半導体レーザ装置のスロープ効率（特性線Ａ１の傾斜）は第２の従来例のスロープ効率（特性線Ｂ３の傾斜）よりも大きい。
【００６３】
これは、活性層４の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成する一方、活性層４の下方のクラッド層であるｎ型クラッド層２をＡｌＧａＡｓにより構成していることによるものと考えられる。
【００６４】
第２の従来例では、活性層の上下に、ＡｌＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＩｎＰからなる２つのクラッド層を設けることにより、ＧａＡｓからなる活性層とクラッド層との間における伝導帯端のポテンシャル差を第１の従来例よりも拡大し、第１の従来例よりも大きな光出力を実現している。
【００６５】
しかし、一般に、ＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率はＡｌＧａＡｓの熱伝導率よりも小さい。下記表１は、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐと、Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓとの熱伝導率を示す表である。
【００６６】
【表１】
上記表１に示すように、（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐの熱伝導率は、Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓの熱伝導率に比べて２倍近く大きいことがわかる。
【００６８】
そのために、第２の従来例においては、活性層において発生した熱の放熱性がよくないために、第１の従来例よりも共振器端面の温度が上昇しやすくなっていて、ＣＯＤが生じている可能性がある。
【００６９】
それに対し、本実施形態の半導体レーザ装置においては、活性層を挟む２つのクラッド層のうち一方のクラッド層（ｐ型第１クラッド層６）のみを熱伝導率の小さい（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層とし、他方のクラッド層（ｎ型クラッド層２）は比較的熱伝導率の高いＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ層としているので、第２の従来例に比べて放熱性が向上しているはずである。そして、その結果、本実施形態の半導体レーザ装置の光出力が第２の従来例よりも向上しているものと思われる。
【００７０】
また、図５に示すように、障壁高さ規定用のｐ型クラッド層のみを大きなΔＥｃを有する（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層とすれば、ＧａＡｓ基板１からｎ型クラッド層２を経て活性層４に注入される電子を、高さ約３９０ｍｅＶの障壁によって量子井戸である活性層４に閉じ込めることができるので、本実施形態の半導体レーザ装置における活性層への電子の閉じ込め機能は、第２の従来例に比べてほとんど劣っていないと思われる。
【００７１】
なお、ｐ型第１クラッド層６に（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を用いる場合、ｙが約０．５であること、とりわけ０．４５≦ｙ≦０．５５であることにより、ｐ型第１クラッド層６と下地のＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる光導波路層５との格子定数がほぼ一致して、両層が格子整合状態になる。
【００７２】
そして、ｙが約０．５である場合には、０．３＜ｘ≦０．７であることが好ましい。その第１の理由は、０．３＜ｘのときは３５０ｍｅＶ＜ΔＥｃとなって第１の従来例の半導体レーザ装置よりも電子のオーバーフローが起こりにくくなるからである。また、第２の理由は、ｘ≦０．７の場合にはＡｌ（Ａｌ1-x Ｇａx ）y Ｉｎ1-y Ｐが直接遷移型半導体となるが、ｘ＞０．７の場合にはＡｌ（Ａｌ1-x Ｇａx ）y Ｉｎ1-y Ｐが間接遷移型半導体となって、伝導帯の底がΓ点からＸ点に移り、ΔＥｃが減少し、活性層に注入される電子に対するオーバーフローの抑制効果が低下するからである。さらに、Ａｌ（Ａｌ1-x Ｇａx ）y Ｉｎ1-y Ｐが直接遷移型半導体であるという条件下（ｘ≦０．７）では、Ａｌ組成比が増大するほどΔＥｃが増大するので、特に、ｘ＝０．７であることが好ましい。
【００７３】
また、本実施形態においては、ｐ型第１クラッド層６の厚さを５０ｎｍと薄くしたが、これは活性層４からｐ型電極までの熱抵抗を低く抑えるためである。一方、表１に示すように、ＡｌＧａＩｎＰの熱伝導率はＡｌＧａＡｓの熱伝導率に比べて小さいので、ｐ型第１クラッド層６の厚さは、キャリアの閉じ込め機能を発揮しうる範囲すなわち電子のド・ブロイ波長程度（約１０ｎｍ）以上で、放熱性を害さない厚さである３００ｎｍ以下とするのが望ましい。
【００７４】
なお、活性層４の厚さは、光閉じ込め係数をできるだけ小さくして端面での光吸収をできるだけ抑えるためにはできるだけ薄いことが好ましく、また、単一量子井戸型の活性層であることが好ましい。さらに、単一量子井戸の膜厚は、０．５ｎｍ以上で５ｎｍ以下であることが好ましい。そのようにすれば、半導体レーザ装置のＣＯＤレベルをより向上させることができる。なお、電流ブロック層としては、レーザ光の吸収がほとんどなく、かつ、熱伝導率の高い半導体材料を用いることが好ましく、とりわけＡｌＧａＡｓが好ましい。
【００７５】
なお、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰに限らず、他の半導体材料、例えばＩｎx Ｇａ1-x Ａｓy Ｐ1-y （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ＩｎＧａＡｓＰ）や、Ｂx Ａｌy Ｇａ1-x-y-z Ｉｎz Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ＢＡｌＧａＩｎＮ）などの４元以上の混晶は、３元混晶よりも熱伝導率が小さい。一般に、混晶を構成する元素数が大きいほど熱伝導率が小さい。そこで、活性層を挟む２つのクラッド層のうち一方をｎ元混晶（ｎは３以上の整数）とし、他方を（ｎ−１）元混晶としても、上記実施形態において得られたのと同様の効果が得られる。そのとき、活性層としてはＡｌＧａＡｓ以外の材料を用いてもよいことはいうまでもない。
【００７６】
なお、４元以上の混晶では、格子定数とエネルギー・バンドギャップとを独立に制御できることから、格子不整合に起因する結晶欠陥の発生を抑制しつつ，所望のバンドギャップを得ることができるため、４元以上の混晶を一方のクラッド層に用いることが好ましい。３元混晶においても、膜厚が、転位発生の臨界膜厚以下であれば、クラッド層に用いることができる。なお、ｐ型第３クラッド層１０としてはリッジ形状のものでもよい。
【００７７】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。
【００７８】
図６に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層１２と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層１３と、ＧａＡｓ結晶からなる厚さ３ｎｍの単一量子井戸型の活性層１４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層１５と、第１スパイク緩和用のｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる厚さ２５ｎｍの第１クラッド層１６と、障壁高さ規定用のｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第２クラッド層１７と、ｐ型Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第３クラッド層１８と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第４クラッド層１９と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなる厚さ１０ｎｍのエッチング停止層２０と、ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ結晶からなりストライプ状の窓部２１ａを有する厚さ７００ｎｍの電流ブロック層２１と、電流ブロック層２１の窓部２１ａを埋めて電流ブロック層２１の上に延びるｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる最大厚さ２．５μｍのｐ型第５クラッド層２２と、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第６クラッド層２３と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのｐ型コンタクト層２４とを順次形成して構成されている。また、図示されていないが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にはｎ型電極が、ｐ型コンタクト層２４にはｐ型電極がそれぞれ設けられた構成となっている。
【００７９】
図７は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層１３からｐ型コンタクト層２４までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。ただし、図７においては、バンド構造のみについて理解を容易にするために、活性層以外の各層の厚みをほぼ均一化して表している。同図に示すように、光導波路層１５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第２クラッド層１７との間に、バンドギャップが光導波路層１５よりも大きくｐ型第２クラッド層１７よりも小さいｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる第１クラッド層１６が設けられている。ここでは、光導波路層１５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層１６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層１７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3としている。
【００８０】
図７に示すように、光導波路層１５とｐ型第１クラッド層１６との境界部、ｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との境界部には、それぞれ障壁高さＶD16 ，ＶD17 のスパイク（寄生バリア）が生じている。つまり、第１の実施形態においても、図５には示されていないが、光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間の価電子帯端には大きなスパイクが生じている。本実施形態は、この価電子帯端の大きなスパイクを２つの小さなスパイクによって緩和したものである。
【００８１】
上記半導体レーザ装置を構成する部材のうち化合物半導体層の結晶成長は、有機金属気相エピタキシャル（以下ＭＯＶＰＥという）装置を用いて、基本的には、第１の実施形態と同様の方法により行なわれる。
【００８２】
そして、エピタキシャル基板は、劈開により、共振器方向すなわちストライプ方向の長さが８００μｍのレーザチップに分割されている。レーザチップの相対向する２つの劈開面いわゆる端面に、端面保護コーティングとしてアモルファスシリコンとＳｉＯ2 との多層膜がコーティングされる。また、高い光出力を得るために、レーザチップの後端面を高反射率（９０％）に、レーザチップの前端面を低反射率（１０％）になるように、非対称コーティングが施されている。
【００８３】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、ｐ型第２クラッド層１７がｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されているので、第１の実施形態で説明したように、活性層１４とｐ型第２クラッド層１７との伝導帯端におけるポテンシャル差ΔＥｃを大きくとることができる。したがって、本実施形態の半導体レーザ装置は、第１の実施形態と同様に、活性層１４への電子の閉じ込め効率が向上し、光出力の向上を図ることができる。
【００８４】
加えて、本実施形態においては、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間に、両者のバンドギャップの中間的なバンドギャップを有するｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型第１クラッド層１６が介在しているので、価電子帯端に発生するスパイク（寄生バリア）による障壁高さを低く抑えることができる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができるので、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【００８５】
また、このように活性層１４への電子の閉じ込め効率の向上作用と、半導体レーザ装置の動作電圧の低減作用とが相俟って、半導体レーザ装置の発熱を抑えることができ、半導体レーザ装置の出力をよりいっそう高くすることができる。
【００８６】
本実施形態の半導体レーザ装置において、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．１Ｖであり、光出力が３５０ｍＷに至るまでに熱飽和現象は観測されなかった。
【００８７】
次に、本実施形態の半導体レーザ装置について、光導波路層１５からｐ型第２クラッド層１７までの各層に関し、伝導帯および価電子帯におけるポテンシャル差を検討し、それが半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを議論する。
【００８８】
−伝導帯におけるポテンシャル差の検討−
本実施形態の半導体レーザ装置においても、第１の実施形態と同様に、活性層１４と障壁高さ規定用のｐ型第２クラッド層１７との伝導帯端におけるポテンシャル差ΔＥｃは、３９０ｍｅＶである。すなわち、本発明の半導体レーザ装置は、従来のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ系のみの材料で構成された半導体レーザ装置と比べて、ｐ型クラッド層（ｐ型第２クラッド層１７）と活性層とのポテンシャル差ΔＥｃが大きく、それが活性層１４への電子の閉じ込め効率を従来の半導体レーザ装置と比べて大きくすることができるものと考えられる。
【００８９】
−価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さの検討−
図７に示すように、光導波路層１５と障壁高さ規定用のｐ型第２クラッド層１７との間に、ｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなる第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層１６が介在している場合、価電子帯には以下の障壁高さを有するスパイクが発生する。光導波路層１５とｐ型第１クラッド層１６との間のスパイクによる障壁高さＶD16 は０．１３０ｅＶである。ｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との間のスパイクによる障壁高さＶD17 は０．１２３ｅＶである。これらの値は、ｐ型第１クラッド層１６を用いない場合，つまり第１の実施形態の光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間のスパイクによる障壁高さ０．２９ｅに比べて小さい。すなわち、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間にｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型第１クラッド層１６が介在していることにより、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを低く抑えることができることを示している。
【００９０】
また、同図に示すように、ｐ型第２クラッド層１７とｐ型コンタクト層２４の間に配置された各層間には、各々スパイクによる障壁高さＶD22 又はバンド不連続量ΔＥｖ18，ΔＥｖ19，ΔＥｖ20，ΔＥｖ23，ΔＥｖ24が生じている。
【００９１】
なお、スパイクによる障壁高さは、価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖと不純物濃度とによって変わる。しかし、実際上、レーザの機能を保持するためには不純物濃度はほとんど変更することができないので、化合物半導体の組成によって定まる価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖに応じて変化することになる。
【００９２】
また、第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、単数である必要はなく複数個存在していてもよい。
【００９３】
−ｐ型第１クラッド層１６の最適なＡｌ組成の検討−
次に、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間に介在するｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘの設定について考察する。ここでは、ｐ型第１クラッド層１６としてｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを用い、Ａｌ組成比ｘをパラメータとして、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを調べた。その場合、光導波路層１５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層１６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層１７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3に固定している。
【００９４】
図８は、ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘと価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。同図において、実線曲線は光導波路層１５とｐ型第１クラッド層１６との間のスパイクによる障壁高さＶD16 を示し、破線曲線はｐ型第１クラッド層１６とｐ型第２クラッド層１７との間のスパイクによる障壁高さＶD17 を示している。ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘが比較的小さい範囲では、障壁高さＶD17 が障壁高さＶD16 よりも大きくなる。逆に、ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘが比較的大きい範囲では、障壁高さＶD16 が障壁高さＶD17 よりも大きくなる。動作電圧（しきい値電圧）をできるだけ小さくするためには、各障壁高さＶD16 ，ＶD17 の最大値がもっとも小さいことが好ましい。したがって、各障壁高さＶD16 ，ＶD17 が等しくなる点、すなわちｘ＝０．６５付近にｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘを設定すればよい。
【００９５】
−ｐ型第１クラッド層１６およびｐ型第２クラッド層１７の内部に発生する空乏層の影響の検討−
図９は、ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘと、ｐ型第１クラッド層１６に形成される空乏層の長さＬ１（図７参照）および蓄積層の長さＬ２（図７参照）との和（Ｌ１＋Ｌ２）との関係を示す図である。図９からわかるように、動作電圧（しきい値電圧）低減のためにｘ＝０．６５を選ぶと、Ｌ１＋Ｌ２＝２１ｎｍになる。活性層１４への電子の閉じ込め効率を向上させるためには、伝導帯端に形成される電子に対する障壁高さを最大にするのがよいが、ｐ型第１クラッド層１６の厚さを（Ｌ１＋Ｌ２）より小さくしてしまうと、実際には、空乏層および蓄積層の内部電界の影響によって電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そのため、ｐ型第１クラッド層１６の厚さを（Ｌ１＋Ｌ２）とするのが好ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層１６の厚さを２５ｎｍとしている。
【００９６】
同様に、ｐ型第２クラッド層１７の厚さも、その内部に発生する空乏層の長さＬ３と蓄積層の長さＬ４との合計（図７参照）を考慮して定めることが好ましい。本実施形態の条件下では、ｐ型第２クラッド層１７中に形成される空乏層長さＬ３と蓄積層長さＬ４の合計は、Ｌ３＋Ｌ４＝３６ｎｍである。そして、この厚さ（Ｌ３＋Ｌ４）以下の厚さを有するｐ型第２クラッド層１７を設けた場合、内部電界の影響から電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層１７の厚さを４０ｎｍとした。
【００９７】
−ｐ型第１クラッド層１６のＡｌ組成比ｘと半導体レーザ装置の動作電圧との関係−
光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間にｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるｐ型第１クラッド層１６が介在している場合に、半導体レーザ装置のしきい値電圧がどのように変化するかを検討したところ、既に説明したようにｘ＝０．６５付近が最も動作電圧が小さく、２．１Ｖであった。
【００９８】
次に、ｐ型第２クラッド層１７からｐ型コンタクト層２４までの間の価電子帯におけるポテンシャル差が半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを以下に議論する。
【００９９】
ｐ型第２クラッド層１７からｐ型コンタクト層２４までの間においては、価電子帯におけるポテンシャル差ΔＥｖが０．５ｅＶ程度存在する。したがって、ｐ型第２クラッド層１７に直接接するｐ型コンタクト層２４を形成した場合、ｐ電極側から流入した正孔がこの障壁を越えるためには大きなバイアス電圧が必要になる。したがって、ｐ型第２クラッド層１７とｐ型コンタクト層２４との間に複数のｐ型層を挿入して、全体としてのΔＥｖを小さくすることが望ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層１７とｐ型コンタクト層２４との間に、ｐ型第３クラッド層１８，ｐ型第４クラッド層１９，エッチング停止層２０，ｐ型第５クラッド層２２およびｐ型第６クラッド層２３を挿入している。その結果、本実施形態の半導体レーザ装置のｐ型第２クラッド層３１とｐ型コンタクト層２４との間に発生する各スパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖは、０．１５ｅＶ以下である。
【０１００】
なお、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を必ずしも３つ設ける必要はなく、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を１つ，２つ又は４つ以上設けてもよい。
【０１０１】
なお、本実施形態の半導体レーザ装置において、光導波路層１５とｐ型第２クラッド層１７との間に、ｐ型第１クラッド層１６の代わりに、Ａｌ組成比ｘが段階的に異なるｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなる２層以上のｐ型クラッド層か、Ａｌ組成比ｘがほぼ連続的に変化するｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓからなるｐ型クラッド層を用いても、価電子帯におけるスパイク高さを小さくすることができる。
【０１０２】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる厚さ３μｍのｎ型クラッド層３２と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層３３と、ＧａＡｓ結晶からなる厚さ３ｎｍの単一量子井戸型の活性層３４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる厚さ５０ｎｍの光導波路層３５と、ｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ２５ｎｍの第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層３６と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ４０ｎｍの障壁高さ規定用のｐ型第２クラッド層３７と、ｐ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第３クラッド層３８と、ｎ型Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓ結晶からなりストライプ状の窓部３９ａを有する厚さ７００ｎｍの電流ブロック層３９と、電流ブロック層３９の窓部３９ａを埋めて電流ブロック層３９の上に延びるｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなる最大厚さ２．５μｍのｐ型第５クラッド層４０と、ｐ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ結晶からなる厚さ４０ｎｍのｐ型第６クラッド層４１と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなる厚さ２．５μｍのｐ型コンタクト層４２とを順次形成して構成されている。なお、図示しないが、ｎ型ＧａＡｓ基板３１の裏面にはｎ電極が、ｐ型コンタクト層４２にはｐ電極がそれぞれ形成されている。
【０１０３】
図１１は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層３５からｐ型コンタクト層４２までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。ただし、図１１においては、バンド構造のみについて理解を容易にするために、活性層以外の各層の厚みをほぼ均一化して表すとともに、活性層３４や光導波路層３３の図示を省略している。同図に示すように、光導波路層３５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第２クラッド層３７との間に、バンドギャップが光導波路層３５よりも大きくｐ型第２クラッド層３７よりも小さいｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなる第１クラッド層３６が設けられている。ここでは、光導波路層３５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層３６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層３７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3としている。
【０１０４】
図１１に示すように、光導波路層３５とｐ型第１クラッド層３６との境界部、ｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との境界部には、それぞれ障壁高さＶD36 ，ＶD37 のスパイク（寄生バリア）が生じている。つまり、第１の実施形態においても、図５には示されていないが、光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間の価電子帯端には大きなスパイクが生じている。本実施形態は、この価電子帯端の大きなスパイクを２つの小さなスパイクによって緩和したものである。
【０１０５】
また、同図に示すように、ｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に配置された各層間には、各々スパイクによるバンド不連続量ΔＥｖ38，ΔＥｖ40，ΔＥｖ41，ΔＥｖ42が生じている。
【０１０６】
なお、スパイクによる障壁高さは、価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖと不純物濃度とによって変わる。しかし、実際上、レーザの機能を保持するためには不純物濃度はほとんど変更することができないので、化合物半導体の組成によって定まる価電子帯端のバンド不連続量ΔＥｖに応じて変化することになる。
【０１０７】
また、第１スパイク緩和用ｐ型クラッド層は、単数である必要はなく複数個存在していてもよい。
【０１０８】
上記半導体レーザ装置を構成する部材のうち化合物半導体層の結晶成長は、有機金属気相エピタキシャル（以下ＭＯＶＰＥという）装置を用いて、基本的には、第１の実施形態と同様の方法により行なわれる。
【０１０９】
そして、エピタキシャル基板は、劈開により、共振器方向すなわちストライプ方向の長さが８００μｍのレーザチップに分割されている。レーザチップの相対向する２つの劈開面いわゆる端面に、端面保護コーティングとしてアモルファスシリコンとＳｉＯ2 との多層膜がコーティングされる。また、高い光出力を得るために、レーザチップの後端面を高反射率（９０％）に、レーザチップの前端面を低反射率（１０％）になるように、非対称コーティングが施されている。
【０１１０】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、第１，第２の実施形態と同様に、ｐ型第２クラッド層３７がｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成されているので、第１の実施形態で説明したように、活性層３４とｐ型第２クラッド層３７との伝導帯端におけるポテンシャル差ΔＥｃを大きくとることができる。したがって、本実施形態の半導体レーザ装置は、第１，第２の実施形態と同様に、活性層３４への電子の閉じ込め効率が向上し、光出力の向上を図ることができる。
【０１１１】
また、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に、両者のバンドギャップの中間的なバンドギャップを有するｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層３６を用いているので、第２の実施形態と同様に、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを低く抑えることができる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができるので、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【０１１２】
また、このように活性層３４への電子の閉じ込め効率の向上作用と、半導体レーザ装置の動作電圧の低減作用とが相俟って、半導体レーザ装置の発熱を抑えることができ、半導体レーザ装置の出力をよりいっそう高くすることができる。
【０１１３】
また、第２の実施の形態では、電流ブロック層２１の窓部２１ａを形成するためのエッチングの際に、Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓからなる電流ブロック層２１との選択的エッチングが可能な膜として、同じＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘの小さいＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ）からなるエッチング停止層２０を設ける必要があった。それに対し、本実施形態では、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第３クラッド層３８を設けているので、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３９との選択エッチングは容易である。第２の実施形態においては、後に詳しく説明するように、エッチング停止層２０がエッチングされて膜厚がばらつくことによって、ビーム拡がり角の大きな変化量が生じているが、本実施形態においてはこのようなビーム拡がり角の変化を小さく抑えることができる。
【０１１４】
本実施形態に半導体レーザ装置においては、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．１Ｖであり、光出力が３５０ｍＷに達するまで熱飽和現象は観測されなかった。
【０１１５】
次に、本実施形態の半導体レーザ装置について、光導波路層３５からｐ型第２クラッド層３７までの各層に関し、伝導帯および価電子帯におけるポテンシャル差を検討し、それが半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを議論する。
【０１１６】
−価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さの検討−
図１１に示すように、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に、ｐ型（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層３６が介在している場合、価電子帯には以下の障壁高さを有するスパイクが発生する。光導波路層３５とｐ型第１クラッド層３６との間のスパイクによる障壁高さＶD36 は０．１３２ｅＶである。ｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との間のスパイクによる障壁高さＶD37 は０．１２１ｅＶである。これらの値は、ｐ型第１クラッド層１６を用いない場合，つまり第１の実施形態の光導波路層５とｐ型第１クラッド層６との間のスパイクによる障壁高さ０．２９ｅに比べて小さい。すなわち、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間にｐ型Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓからなるｐ型第１クラッド層３６が介在していることにより、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを低く抑えることができることを示している。
【０１１７】
−ｐ型第１クラッド層３６の最適なＡｌ組成の検討−
光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に介在するｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｙの設定について考察する。ここでは、ｐ型第１クラッド層３６としてｐ型Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓを用い、Ａｌ組成比ｘをパラメータとして、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さを調べた。その場合、光導波路層３５のｐ型キャリアの密度を１×１０16ｃｍ-3、ｐ型第１クラッド層３６のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3、ｐ型第２クラッド層３７のキャリア密度を７×１０17ｃｍ-3に固定している。
【０１１８】
図１２は、ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘと価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。同図において、実線曲線は光導波路層３５とｐ型第１クラッド層３６との間のスパイクによる障壁高さＶD36 を示し、破線曲線はｐ型第１クラッド層３６とｐ型第２クラッド層３７との間のスパイクによる障壁高さＶD37 を示している。ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘが極めて小さい範囲では、スパイクによる障壁高さＶD37 がスパイクによる障壁高さＶD36 よりも大きくなる。逆に、それ以外の範囲では、スパイクによる障壁高さＶD36 がスパイクによる障壁高さＶD37 よりも大きくなる。動作電圧（しきい値電圧）をできるだけ小さくするためには、各スパイクによる障壁高さＶD36 ，ＶD37 の最大値がもっとも小さいことが好ましい。したがって、各スパイクによる障壁高さＶD16 ，ＶD37 が等しくなる点、すなわちｘ＝０．２付近にｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘを設定すればよい。
【０１１９】
−ｐ型第１クラッド層３６およびｐ型第２クラッド層３７の内部に発生する空乏層の影響の検討−
図１３は、ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘと、ｐ型第１クラッド層３６に形成される空乏層の長さＬ１１（図１１参照）および蓄積層の長さＬ１２（図１１参照）との和（Ｌ１１＋Ｌ１２）との関係を示す図である。図１３からわかるように、動作電圧（しきい値電圧）低減のためにｘ＝０．２を選ぶと、Ｌ１１＋Ｌ１２＝２１ｎｍになる。活性層３４への電子の閉じ込め効率を向上させるためには、伝導帯端に形成される電子に対する障壁高さを最大にするのがよいが、ｐ型第１クラッド層３６の厚さを（Ｌ１１＋Ｌ１２）より小さくしてしまうと、実際には、空乏層および蓄積層の内部電界の影響によって電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そのため、ｐ型第１クラッド層３６の厚さを（Ｌ１１＋Ｌ１２）とするのが好ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第１クラッド層３６の厚さを２５ｎｍとしている。
【０１２０】
同様に、ｐ型第２クラッド層３７の厚さも、その内部に発生する空乏層の長さＬ１３と蓄積層の長さＬ１４との合計（図１１参照）を考慮して定めることが好ましい。本実施形態の条件下では、ｐ型第２クラッド層３７中に形成される空乏層長さＬ１３と蓄積層長さＬ１４の合計は、Ｌ１３＋Ｌ１４＝３６ｎｍである。そして、この厚さ（Ｌ１３＋Ｌ１４）以下の厚さを有するｐ型第２クラッド層３７を設けた場合、内部電界の影響から電子に対する障壁高さを最大にすることができない。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層３７の厚さを４０ｎｍとした。
【０１２１】
−ｐ型第１クラッド層３６のＡｌ組成比ｘと半導体レーザ装置の動作電圧との関係−
光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間にｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層３６が介在している場合、半導体レーザ装置の動作電圧がどのように変化するかを検討したところ、ｙ＝０．２０付近が最も動作電圧が小さく、２．１Ｖであった。
【０１２２】
次に、ｐ型第２クラッド層３７からｐ型コンタクト層４２までの間の価電子帯におけるポテンシャル差が半導体レーザ装置の特性にどのように影響を与えるかを以下に議論する。
【０１２３】
ｐ型第２クラッド層３７からｐ型コンタクト層４２までの間においては、価電子帯におけるポテンシャル差ΔＥｖが０．５ｅＶ程度存在する。したがって、ｐ型第２クラッド層３７に直接接するｐ型コンタクト層４２を形成した場合、ｐ電極側から流入した正孔がこの障壁を越えるためには大きなバイアス電圧が必要になる。したがって、ｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に複数のｐ型層を挿入して、全体としてのΔＥｖを小さくすることが望ましい。そこで、本実施形態の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に、各々第２スパイク緩和用ｐ型コンタクト層として機能する，ｐ型第３クラッド層３８，ｐ型第５クラッド層４０およびｐ型第６クラッド層４１を挿入している。その結果、図１１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置のｐ型第２クラッド層３７とｐ型コンタクト層４２との間に発生する各スパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖは、０．１５ｅＶ以下である。
【０１２４】
なお、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を必ずしも３つ設ける必要はなく、第２スパイク緩和用ｐ型クラッド層を１つ，２つ又は４つ以上設けてもよい。
【０１２５】
なお、本実施形態に示した半導体レーザ装置の構造では、第２の実施形態の半導体レーザ装置に示すようなエッチング停止層を設ける必要がない。ｐ型第３クラッド層３８がエッチング停止層の機能を有するためである。第２の実施形態の半導体レーザ装置においては、ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層２１の下にＡｌ組成比ｘの小さいＡｌＧａＡｓ（Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ）からなるエッチング停止層２０を設け、電流ブロック層２１とエッチング停止層２０のＡｌ組成の違いに起因するエッチング速度の違い，すなわちエッチング選択比を利用して電流ブロック層２１の選択的エッチングを行なっている。しかしながら、第１の実施形態においては電流ブロック層２１とエッチング停止層２０が同じＡｌＧａＡｓ系の材料からなるため、エッチング選択比を大きく確保することができず、選択的エッチング終了後のエッチング停止層２０のうち電流ブロック層の窓部に位置する部分の厚さがわずかに薄くなる。これに起因して、半導体レーザ装置においてレーザビームの拡がり角にばらつきが発生し、歩留まりが低下することがあった。これに対して、本実施の形態では、ｐ型第３クラッド層３８と電流ブロック層３９とは、互いに異なる材料であるＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓとによって構成されているので、ｐ型第３クラッド層３８と電流ブロック層３９との間のエッチング選択比を大きく確保することができ、ｐ型第３クラッド層３８の厚みのばらつきを抑制することができる。それにより、ｐ型第３クラッド層３８の膜厚変化に起因するビーム拡がり角の変化量も小さくなり、半導体レーザ装置の歩留まりが向上する。例えば、第２の実施の形態に係る本発明の半導体レーザ装置では、水平拡がり角のばらつき幅、垂直拡がり角のばらつき幅は共に１°程度あるのに対して、本実施形態に係る本発明の半導体レーザ装置では、水平拡がり角のばらつき幅、垂直拡がり角のばらつき幅は共に０．５°以下に抑制される。
【０１２６】
なお、本実施形態の半導体レーザ装置において、光導波路層３５とｐ型第２クラッド層３７との間に、ｐ型第１クラッド層３６の代わりに、Ａｌ組成比ｘが段階的に異なるｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなる２層以上のｐ型クラッド層か、Ａｌ組成比ｘがほぼ連続的に変化するｐ型（Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型クラッド層を用いても、価電子帯におけるスパイクによる障壁高さを小さくすることができる。
【０１２７】
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、第２の実施形態の半導体レーザ装置において、第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層１６の代わりに、Ａｌ組成比ｚ１が連続的に変化する厚さ３０ｎｍのＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓからなるｐ型第１クラッド層５１を用い、第２スパイク緩和用のｐ型第３クラッド層１８およびｐ型第４クラッド層１９の代わりに、Ａｌ組成比ｚ２が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓからなるｐ型第３クラッド層５２を用い、さらにエッチング停止層２０の代わりに、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓからなる厚さ１０ｎｍのエッチング停止層５３を用い、ｐ型第６クラッド層２３の代わりに、組成比ｚ３が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのＡｌz3Ｇａ1-z3Ａｓからなるｐ型第６クラッド層５４を用いて構成されている。本実施形態の半導体レーザ装置のその他の構成は、第２の実施形態の半導体レーザ装置において説明した通りであり、図６と同じ符号を付して説明を省略する。
【０１２８】
なお、ｐ型第１クラッド層５１におけるＡｌ組成比ｚ１は、光導波路層１５からｐ型第２クラッド層１７に至るまで、ｐ型第１クラッド層５１の厚さ位置にほぼ比例させて０．３から１まで変化させた。また、ｐ型第３クラッド層５２におけるＡｌ組成比ｚ２は、ｐ型第２クラッド層１７からエッチング停止層５３に至るまで、ｐ型第３クラッド層５２の厚さ位置にほぼ比例させて１から０．２まで変化させた。さらに、ｐ型第６クラッド層５４におけるＡｌ組成比ｚ３は、ｐ型第５クラッド層２２からｐ型コンタクト層２４に至るまで、ｐ型第６クラッド層５４の厚さ位置にほぼ比例させて０．５から０まで変化させた。
【０１２９】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、Ａｌ組成比ｚ１が連続的に変化するＡｌz1Ｇａ1-z1Ａｓからなるｐ型第１クラッド層５１を用いているので、価電子帯端に発生するスパイクによる障壁高さ又はバンド不連続量を低く抑えることができる。したがって、ｐ型第１クラッド層５１とｐ型第２クラッド層１７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができ、それにより、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【０１３０】
また、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、組成比ｚ２が連続的に変化するＡｌz2Ｇａ1-z2Ａｓからなるｐ型第３クラッド層５２を用い、組成比ｚ３が連続的に変化するＡｌz3Ｇａ1-z3Ａｓからなるｐ型第６クラッド層５４を用いているので、ｐ型第２クラッド層１７からｐ型コンタクト層２４までの間において、ｐ型第３クラッド層５２とｐ型第２クラッド層１７との境界部，ｐ型第３クラッド層５２とエッチング停止層５３との境界部，ｐ型第６クラッド層５４とｐ型第５クラッド層２２との境界部，及びｐ型第６クラッド層５４とｐ型コンタクト層２４との境界部における価電子帯のスパイクによる障壁高さをほとんど０にすることができる。
【０１３１】
図１５は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層１５からｐ型コンタクト層２４までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置においては、エッチング停止層５３とｐ型第５クラッド層２２との間の価電子帯端に高さＶD22 ＝０．１５０ｅＶのスパイクが存在する以外は、価電子帯端におけるスパイクがほとんど生じていないといえる。
【０１３２】
本実施形態の半導体レーザ装置において、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力が３５０ｍＷの出力に至るまでに熱飽和現象は観測されなかった。また、本実施形態の半導体レーザ装置において、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．０Ｖであり、第２の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減することができた。本実施形態において、第２の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減させることができた理由は、ｐ型第１クラッド層５１、ｐ型第３クラッド層５２およびｐ型第６クラッド層５４を用いることにより、価電子帯のスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖをほとんど０にすることができたためであると考えられる。とりわけ、価電子帯のスパイクによる障壁高さΔＥｖを最も低減させることのできるｐ型第１クラッド層５１が動作電圧低減に大きく寄与したものと考えられる。
【０１３３】
（第５の実施の形態）
図１６は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、第３の実施形態の半導体レーザ装置において、第１スパイク緩和用のｐ型第１クラッド層３６の代わりに、Ａｌ組成比ｔ１が連続的に変化する厚さ３０ｎｍのｐ型（Ａｌt1Ｇａ1-t1）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層６１を用い、第２スパイク緩和用のｐ型第３クラッド層３８の代わりに、Ａｌ組成比ｔ２が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのｐ型（Ａｌt2Ｇａ1-t2）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第３クラッド層６２を用い、さらに第２スパイク緩和用のｐ型第６クラッド層４１の代わりに、Ａｌ組成比ｔ３が連続的に変化する厚さ４０ｎｍのＡｌt3Ｇａ1-t3Ａｓからなるｐ型第６クラッド層６３を用いて構成されている。本実施形態の半導体レーザ装置のその他の構成は、第３の実施形態の半導体レーザ装置において説明した通りであり、図６と同じ符号を付して説明を省略する。
【０１３４】
なお、ｐ型第１クラッド層６１におけるＡｌ組成比ｔ１は、光導波路層３５からｐ型第２クラッド層３７に至るまで、ｐ型第１クラッド層６１の厚さ位置にほぼ比例させて０．１５から０．７まで変化させた。また、ｐ型第３クラッド層６２におけるＡｌ組成比ｔ２は、ｐ型第２クラッド層３７からｐ型第５クラッド層４０に至るまで、ｐ型第３クラッド層６２の厚さ位置にほぼ比例させて０．７から０まで変化させた。さらに、ｐ型第６クラッド層６３におけるＡｌ組成比ｔ３は、ｐ型第５クラッド層４０からｐ型コンタクト層４２に至るまで、ｐ型第６クラッド層６３の厚さ位置にほぼ比例させて０．５から０まで変化させた。
【０１３５】
本実施形態の半導体レーザ装置によれば、組成比ｔ１が連続的に変化するｐ型（Ａｌt1Ｇａ1-t1）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第１クラッド層６１を用いているので、価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖを低く抑えることができる。その結果、ｐ型第１クラッド層６１とｐ型第２クラッド層３７との間に印加すべきバイアス電圧を低減することができ、それにより、半導体レーザ装置の動作電圧を低減することができる。
【０１３６】
また、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、組成比ｔ２が連続的に変化するｐ型（Ａｌt2Ｇａ1-t2）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐからなるｐ型第３クラッド層６２を用い、組成比ｔ３が連続的に変化するＡｌt3Ｇａ1-t3からなるｐ型第６クラッド層６３を用いているので、ｐ型第２クラッド層３７からｐ型コンタクト層４２までの間において、ｐ型第３クラッド層６２とｐ型第２クラッド層３７との境界部，ｐ型第３クラッド層６２とｐ型第５クラッド層４０との境界部，ｐ型第６クラッド層６３とｐ型第５クラッド層４０との境界部，及びｐ型第６クラッド層６３とｐ型コンタクト層４２との境界部における価電子帯のスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖをほとんど０にすることができる。
【０１３７】
図１７は、本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層３５からｐ型コンタクト層４２までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置においては、光導波路層３５とｐ型第１クラッド層６１との間の価電子帯端に障壁高さＶD61 ＝０．１ｅＶのスパイクが存在する以外は、価電子帯端におけるスパイクがほとんど生じていないといえる。
【０１３８】
本実施形態の半導体レーザ装置において、光学損傷（ＣＯＤ）レベルは３５０ｍＷ以上であり、光出力が３５０ｍＷの出力に至るまでに熱飽和現象は観測されなかった。また、本実施形態の半導体レーザ装置において、光出力を２００ｍＷとしたときの動作電圧は２．０Ｖであり、第３の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減することができた。本実施形態において、第３の実施形態の半導体レーザ装置と比べて動作電圧を０．１Ｖだけ低減させることができた理由は、ｐ型第１クラッド層６１、ｐ型第３クラッド層６２およびｐ型第６クラッド層６３を用いることにより、価電子帯のスパイクによる障壁高さＶ又はバンド不連続量ΔＥｖをほとんど０にすることができたためであると考えられる。とりわけ、価電子帯のスパイクによる障壁高さを最も低減させることのできるｐ型第１クラッド層６１が動作電圧低減に大きく寄与したものと考えられる。
【０１３９】
（第６の実施形態）
上記第１〜第５の実施形態においては、本発明をファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を備えた半導体レーザ装置に適用した例について説明した。しかし、本発明は、ＦＰ共振器型半導体レーザ装置以外のレーザ装置にも適用することができる。その例として、以下、本発明を分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Ditributed Bragg Reflector）型半導体レーザ装置に適用した例である第６の実施形態について説明する。
【０１４０】
図１８は、本発明の第６の実施形態の半導体レーザ装置の構成を概略的に示す破断斜視図である。同図に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置は、共振器の長手方向に、利得領域７０と、位相制御領域７１と、ＤＢＲ領域７２と備えている。つまり、利得領域７０の端面を構成する劈開面（前面）とＤＢＲ領域７２の端面（後面）とを反射面とする共振器が構成されている。利得制御領域７０の共振器長手方向長さは５００μｍであり、位相制御領域７１の共振器長手方向長さは３００μｍであり、ＤＢＲ領域７２の共振器長手方向長さは５００μｍである。
【０１４１】
そして、本実施形態の半導体レーザ装置は、利得領域７０と、位相制御領域７１と、ＤＢＲ領域７２とに亘って、ｎ型ＧａＡｓ基板７３の上に、ｎ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなるｎ型クラッド層７４と、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ結晶からなる２つの光導波路層によってＧａＡｓ結晶からなる単一量子井戸を挟んだ構造の活性層７５と、ｐ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ結晶からなるｐ型第１クラッド層７６と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなるｐ型第２クラッド層７７と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなるｐ型第３クラッド層７８と、ｐ型Ａｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ結晶からなるエッチング停止層７９と、ｎ型Ａｌ0.6 Ｇａ0.4 Ａｓ結晶からなりストライプ状の窓部を有する電流ブロック層８０と、ｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ結晶からなるｐ型第４クラッド層８１と、ｐ型ＧａＡｓ結晶からなるｐ型コンタクト層８２とを順次形成して構成されている。
【０１４２】
ここで、活性層７５のうち位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２に位置する部分は、不純物であるＺｎのドープによる量子井戸構造の無秩序化処理が施されており、発振波長のレーザに対してほぼ透明となっている。また、第２クラッド層７７のうちＤＢＲ領域７２に位置する部分は、回折格子７７ａとなっている。
【０１４３】
また、ｐ型コンタクト層８２のうち利得領域７０，位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２の各境界部に位置する部分は、エッチングにより除去されており、ｐ型コンタクト層８２は３つの部分８２ａ，８２ｂ，８２ｃに電気的に分離されている。そして、ｐ型コンタクト層８２のうち利得領域７０，位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２に位置する各部分８２ａ，８２ｂ，８２ｃの上に、それぞれ利得制御領域電極８３，位相制御領域電極８４及びＤＢＲ領域電極８５が設けられている。また、図示しないが、ｎ型ＧａＡｓ基板７３の裏面には、ｎ型電極が設けられている。
【０１４４】
すなわち、利得領域７０，位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２に各々個別に電流の注入を行なうことが可能に構成されている。したがって、位相制御領域７１とＤＢＲ領域７２とへの注入電流量を個別に制御することにより、レーザの発振波長を連続的に変化させることができる。
【０１４５】
本実施形態のようなＤＢＲ型半導体レーザ装置においては、ＤＢＲ領域７２に形成された回折格子の周期と実効屈折率とによって、レーザの発振波長を制御することができる。しかし、ＤＢＲ領域７２及び位相制御領域７１は、利得領域ではないので、導波損失が発生する。そのため、通常のＦＰ共振器型半導体レーザ装置に比べて、レーザ発振に必要な注入キャリア密度は大きくなる。動作キャリア密度が大きくなると、活性層からクラッド層へのキャリアのオーバーフローが多くなるので、温度特性が低下して、高出力動作が困難になる。そこで、第１〜第５の実施形態において説明したように、障壁高さ規定用のｐ型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰにより構成することで、キャリアのオーバーフローを抑制し、高出力動作を実現することができる。
【０１４６】
−半導体レーザ装置の評価−
本実施形態の構造を有する半導体レーザ装置と、本実施形態の半導体レーザにおけるｐ型第１クラッド層７６の代わりに、従来型のｐ型Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓからなるｐ型第１クラッド層を設けた比較例の半導体レーザ装置との特性を評価した。このとき、測定を簡略化するために、波長制御は行なっていない。つまり、位相制御領域７１及びＤＢＲ領域７２への電流注入は行なわずに、利得領域７０のみに通電した。
【０１４７】
その結果、ｐ型第１クラッド層７６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成した本実施形態の半導体レーザ装置では、発振波長８５０ｎｍのレーザの光出力が２００ｍＷ以上となる，高出力動作が実現した。ＣＯＤレベルは２２０ｍＷであった。一方、ｐ型第１クラッド層をＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓにより構成した比較例の半導体レーザ装置では、ＣＯＤが生じるまでの光出力が得られず、１２０ｍＷ付近で光出力が飽和した。
【０１４８】
すなわち、第１の実施形態で説明したように、これは、活性層７５の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層７６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成していることにより、伝導帯端におけるキャリアのオーバーフローが抑制され、高い光出力が得られるものと考えられる。また、活性層７５の上方のクラッド層であるｐ型第１クラッド層７６を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐにより構成する一方、活性層７５の下方のクラッド層であるｎ型クラッド層７４をＡｌＧａＡｓにより構成していることによるものと考えられる。その結果、本実施形態の半導体レーザ装置においては、発熱中のレーザチップの発熱を抑制することができ、高出力動作が可能になった。
【０１４９】
本実施形態においては、第１の実施形態をＤＢＲ型半導体レーザ装置に適用した例について説明したが、第２〜第５の実施形態をＤＢＲ型半導体レーザ装置に適用しても、各実施形態とほぼ同様の効果を発揮することができる。
【０１５０】
（その他の実施形態）
上記各実施形態においては、ｐ型クラッド層を活性層の上方に、ｎ型クラッド層を活性層の下方にそれぞれ配置したが、ｐ型クラッド層を活性層の下方に、ｎ型クラッド層を活性層の上方にそれぞれ配置してもよい。
【０１５１】
【発明の効果】
本発明の第１の半導体レーザ装置によれば、活性層と障壁規定用ｐ型クラッド層との間の伝導帯端のポテンシャル差の拡大により障壁規定用クラッド層への電子のオーバーフローを低減することができるので、活性層への電子の閉じ込め効率を向上することができるとともに、活性層の温度上昇を小さくできるので、共振器端面の温度上昇を防止でき、共振器端面での光吸収を小さくでき、ＣＯＤを起こりにくくすることができる。
【０１５２】
本発明の第２の半導体レーザ装置によれば、活性層と障壁規定用ｐ型クラッド層との間の伝導帯端のポテンシャル差に応じて発生するスパイクの緩和により、動作電圧の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。
【図２】第１の実施形態及び第１の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を比較して示す図である。
【図３】ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰの各層のバンド構造の相違を、ＡｌＧａＡｓ層及びＡｌＧａＩｎＰ層の組成を変化させて示す図である。
【図４】第１の実施形態及び第２の従来例の半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を比較して示す図である。
【図５】第１の実施形態の半導体レーザ装置における電圧印加時のバンド状態を模式的に示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における半導体レーザ装置のストライプ方向に直交する方向の断面図である。
【図７】第２の実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図８】第２の実施の形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。
【図９】第２の実施の形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と、空乏層および蓄積層の長さの和との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。
【図１１】第３の実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図１２】第３の実施形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と価電子帯に発生するスパイクによる障壁高さとの関係を示す図である。
【図１３】第３の実施の形態の半導体レーザ装置のｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比と、空乏層および蓄積層の長さの和との関係を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。
【図１５】本実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図１６】本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザ装置のストライプ方向に対して直交する方向の断面図である。
【図１７】第５の実施形態の半導体レーザ装置の光導波路層からｐ型コンタクト層までの伝導帯と価電子帯とのバンドダイアグラムを示すエネルギバンド図である。
【図１８】本発明の第６の実施形態の半導体レーザ装置の構成を概略的に示す破断斜視図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型クラッド層
３，５ 光導波路層
４ 活性層
６ ｐ型第１クラッド層
７ ｐ型第２クラッド層
８ エッチング停止層（ＥＳ層）
９ 電流ブロック層
１０ ｐ型第３クラッド層
１１ コンタクト層
１１，３１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２，３２ ｎ型クラッド層
１３，１５，３３，３５ 光導波路層
１４，３４ 活性層
１６，３６，５１，６１ ｐ型第１クラッド層
１７，３７ ｐ型第２クラッド層
１８，３８，５２，６２ ｐ型第３クラッド層
１９ ｐ型第４クラッド層
２０，５３ エッチング停止層
２１，３９ 電流ブロック層
２１ａ，３９ａ 窓部
２２，４０ ｐ型第５クラッド層
２３，４１，５４，６３ ｐ型第６クラッド層
２４，４２ ｐ型コンタクト層
Claims (9)
- 基板上に設けられたレーザ発生領域であるＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓによって構成された活性層を有する半導体レーザ装置であって、
上記活性層の上方又は下方に設けられ、Ａｌx1Ｇａ1-x1Ａｓ（０≦ｘ１≦１）からなるｎ型クラッド層と、
上記活性層を挟んで上記ｎ型クラッド層に対向する側に設けられ、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなるｐ型第１クラッド層と、
上記ｐ型第１クラッド層を挟んで上記活性層に対向する側に設けられ、Ａｌx2Ｇａ1-x2Ａｓ（０≦ｘ２≦１）からなるｐ型第２クラッド層とを備え、
上記ｐ型第１クラッド層の層厚が、１０ｎｍ以上かつ３００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１記載の半導体レーザ装置において、
上記ｐ型第１クラッド層と上記活性層との伝導帯端のポテンシャル差は、上記ｎ型クラッド層と上記活性層との伝導帯端のポテンシャル差よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１又は２記載の半導体レーザ装置において、
上記ｐ型第１クラッド層のＡｌ組成比ｘは、０．３＜ｘ≦０．７の範囲内にあることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１又は２記載の半導体レーザ装置において、
上記ｐ型第１クラッド層のＩｎ組成比ｙは、０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲内にあることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１記載の半導体レーザ装置において、
上記ｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘ１は、０．２≦ｘ１≦０．７の範囲内にあることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の半導体レーザ装置において、
上記活性層の層厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１記載の半導体レーザ装置において、
上記ｐ型第１クラッド層は上記活性層の上方に設けられ、構成元素としての燐を含んでおり、
上記活性層は、燐を含まない半導体によって構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の半導体レーザ装置において、
ファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器を有するものであることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 請求項１〜７のうちいずれか１つに記載の半導体レーザ装置において、
分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）構造を有するものであることを特徴とする半導体レーザ装置。
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