JP6347573B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

半導体レーザ素子は、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）の記録・再生用途に広く普及している。近年、半導体レーザ素子の応用として、固体レーザ装置、リモートセンシング用途、ガスレーザの代替用途、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）による緑色レーザ用光源などへの展開が期待されている。これらの用途には、赤外領域においてレーザ発振し、２００ｍＷを超える高出力であることが必要とされる。

半導体レーザ素子の高出力化を制限する要因として、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）が知られている。ＣＯＤとは、共振器のレーザ出射端面に形成された端面コーティング膜と端面部活性層との深い界面準位に起因して、非発光再結合が発生し、これにより端面近傍において発熱が生じ、この発熱に伴いバンドギャップがさらに縮小し、その結果としてさらに非発光再結合が促進されるという正帰還が生起し、最終的には高熱によって半導体結晶が溶出してしまい、レーザ発振不能に至らしめる現象である。なお、これ以降、半導体レーザ素子がＣＯＤに到達する出力電圧をＣＯＤレベルとも記す。

ＣＯＤレベルを高める手段として、たとえば、特開２００９−２７０１２号公報（特許文献１）に示されるように、共振器のレーザ出射部の端面近傍に不純物を拡散させ、該端面近傍のバンドギャップを広げることにより、光吸収を低減する端面窓構造が提案されている。また、たとえば、特開平０５−２１８５９３号公報（特許文献２）には、不純物としてＺｎを拡散させた窓層のみを高エネルギ化した窓構造の形成方法が提案されている。これらの技術は、たとえば、ＤＶＤ用に６５０ｎｍ帯半導体レーザに応用されている。

また、特開２００１−３４５５１４号公報（特許文献３）には、窓構造を有する赤外領域の半導体レーザに関し、レーザ部のクラッド層をＡｌＧａＩｎＰの４元組成の化合物半導体とすることにより、Ｚｎの拡散係数を向上させ、多重量子井戸層〔以下、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層とも記す〕であるＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの混晶化を促進し、窓構造を形成する技術が開示されている。この技術は、たとえば、ＣＤ用半導体レーザに利用されている。

特開２００９−２７０１２号公報 特開平０５−２１８５９３号公報 特開２００１−３４５５１４号公報

しかしながら、上記のいずれの技術によっても、固体レーザ装置やリモートセンシング用途の光源として期待されている８００ｎｍ以上の発振波長を有する半導体レーザにおいて、２００ｍＷを超える高出力のレーザに耐え得る窓構造の形成は困難であった。

この理由は、キャリアオーバーフローによる閾値電流の増大を十分に抑制できないからである。キャリアオーバーフローとは、大電流を印加した際、共振器の光導波路内のキャリアが、レーザ発振時の発熱によって、活性層からクラッド層へと漏出し、利得飽和を起こす現象である。一般に、半導体レーザの高出力化のためには、活性層を薄層化して光密度を低減し、光出力を向上させる必要がある。しかし、活性層の薄層化に伴い、活性層に注入されたキャリアを、活性層内に閉じ込めることが困難となる。これにより、キャリアが漏出しやすくなり、キャリアオーバーフローに至る。

キャリアオーバーフローにより、閾値電流が増大するため、量子効果による低閾値動作および発光効率の向上が図れなくなる。また、閾値電流が増大すると、無駄な電力消費が増加するとともに、共振器の温度が上昇し、ＣＯＤを誘発する。

ここで、一般的に、閾値電流（Ｊ_th）は、下記式（１）により表わされる。

式（１）中、η_iは内部量子効率を示し、Γは光閉じ込め係数を示し、Ｒｆは出射側端面反射率を示し、Ｒｒは反射側端面反射率を示し、Ｌは共振器の長さを示し、ｄは活性層の厚さを示し、α_iは内部吸収係数を示し、βはゲイン係数を示す。

式（１）より、閾値電流の低減には、活性層の厚さｄを小さくすることが有効であると考えられる。しかしながら、たとえば、特許文献２のようにＧａＡｓ量子井戸を用いた半導体レーザにおいては、ＧａＡｓのバルク波長が８７３ｎｍ程度であることを考慮すると、量子効果による低閾値動作のためには、井戸層の厚さは８ｎｍ以下とすることはできず、発光波長は８４０ｎｍ程度が限界である。

さらに、このように、井戸層の厚さが厚い場合には、窓構造の形成において、バリア層およびガイド層であるＡｌＧａＡｓを混晶化させた際、窓部が透明に成り難いという不具合がある。

また、従来より、量子井戸に圧縮歪みを導入し、ヘビーホールとライトホールの縮退を解き、ヘビーホールの有効質量を低減することが、低閾値電流化に有効であることが知られているが、上記課題の解決手段として十分なものではない。

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、８００ｎｍ〜９６０ｎｍの波長でレーザ発振し、低閾値電流および高効率を維持しながら、ＣＯＤレベルの高い、半導体レーザ素子を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討を行なったところ、レーザ出射部の端面近傍に不純物を拡散させた窓構造が形成された領域（以下、窓領域とも記す）を有する共振器において、ＭＱＷ層を、ＩｎＧａＡｓを用いた厚さの薄い井戸層と、ＡｌＧａＡｓを用いたバリア層およびガイド層と、から構成した場合には、ＩｎとＡｌとが各層に相互拡散することを見出し、この現象を利用すれば、活性層にＩｎを拡散させて、窓領域に属する活性層のバンドギャップをさらに大きく広げることができ、高出力レーザにも耐え得る良質な窓構造の形成ができるのではないかという着想に至った。そして、本発明者は、この着想に基づき、さらに検討を重ねることにより、圧縮歪みによって低閾値電流で動作可能であり、かつ発光波長９００ｎｍ程度の高出力が実現可能である半導体レーザ素子の構成を見出し、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型のＧａＡｓ基板と、該基板上に形成された第１導電型の第１クラッド層と該第１クラッド層上に形成されたＩｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓ（０．０８＜ｙ＜０．２５）からなる井戸層を含む活性層と、該活性層上に形成された第２導電型の第２クラッド層と、該第２クラッド層上に設けられた、第２導電型の第３クラッド層、第１中間層、第２中間層およびコンタクト層がこの順で積層されたリッジストライプ形状の積層体と、を備え、該リッジストライプ形状の積層体は光導波路を構成し、該光導波路において、該活性層のバンドギャップは、該光導波路の長手方向に垂直な端面において最大であることを特徴とする。

なお、ここで、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型の導電型を意味し、第２導電型とは第１導電型とは異なるｐ型またはｎ型の導電型を意味する。

また、上記光導波路の長手方向に垂直な端面における上記井戸層が混晶化していることが好ましい。

また、上記光導波路の長手方向に垂直な端面における上記活性層は不純物が拡散された窓領域であり、該窓領域にはＺｎが拡散していることが好ましい。さらに、該窓領域には井戸層のＩｎが拡散していることが好ましい。

また、上記活性層は、上記井戸層とＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦Ｘ≦０．５）からなるバリア層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造であることが好ましい。

また、上記活性層の厚さは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。
また、ガイド層およびバリア層であるＡｌＧａＡｓと井戸層であるＩｎＧａＡｓの相対的な格子定数の差Δａと、該バリア層の格子定数ａとは、以下の式：
０．０１≦Δａ／ａ≦０．０２
を満たすことが好適である。

また、上記活性層は、上記井戸層を少なくとも２層含むことが好ましい。
上記窓領域に属さない活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長と、窓領域に属する活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長との差をΔλとしたとき、Δλが５０ｎｍ以上であることが好ましい。なお、これ以降、フォトルミネッセンスをＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）とも記し、ＰＬスペクトルのピーク波長を、ＰＬピーク波長とも記す。

また、上記第３クラッド層、第１中間層、第２中間層およびコンタクト層の各層間における相対的な価電子帯のエネルギ差は０．１５ｅＶ以下であることが好ましい。

また、上記第３クラッド層はＡｌＧａＩｎＰを含むことが好適である。

本発明の半導体レーザ素子は、８００ｎｍ〜９６０ｎｍの波長でレーザ発振し、低閾値電流および高効率を維持しながら、ＣＯＤレベルが高いという優れた効果を示す。

実施の形態の半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。 実施の形態の半導体レーザ素子の模式的な上面図である。 図２に示された切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た共振器長手方向における断面図である。 実施の形態の半導体レーザ素子の活性層の一例を示す模式的な断面図である。 実施の形態の半導体レーザ素子の中間層の一例を示す模式的な断面図である。 窓領域を除く活性層のＰＬピーク波長と不純物が拡散した窓領域に属する活性層のＰＬピーク波長との差（Δλ）と、不純物拡散時間との関係を示す図である。 ΔλとＣＯＤレベルとの関係を示す図である。 Δａ／ａと臨界膜厚との関係を示す図である。 Δａ／ａと閾値電流との関係を示す図である。 臨界膜厚と井戸層のＩｎ組成比との関係を示す図である。 井戸厚固定とした場合の臨界膜厚と井戸層のＩｎ組成比との関係を示す図である。 井戸層のＩｎ組成比とＰＬピーク波長の関係を示す図である。 中間層の構成とＩ−Ｖ特性との関係を示す図である。 素子抵抗と各層間の相対的なエネルギ差との関係を示す図である。

以下、図１〜１４を参照して、本発明の実施の形態である半導体レーザ素子を説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表わすものではない。

＜半導体レーザ素子＞
≪素子構成≫
以下、実施の形態の半導体レーザ素子１の構成を説明する。図１は、半導体レーザ素子１の模式的斜視図の一例であり、図２は、半導体レーザ素子１の模式的上面図の一例である。そして、図３は、図２に示す半導体レーザ素子１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

半導体レーザ素子１は、図３に示すように、ｎ型のＧａＡｓからなる基板２の上に、ｎ型のＧａＡｓからなるバッファ層（図示せず）と、ｎ型のＧａＩｎＰＡｓからなる第１クラッド層３と、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなる下部ガイド層４と、Ｉｎ_ｙＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層５１を含む活性層５と、を備えている。活性層５は、図４に示すように、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層５１とＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓからなるバリア層５２とが交互に積層されたＭＱＷ層である。

活性層５の上には、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部ガイド層６と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる第２クラッド層７とが積層されている。

さらに、第２クラッド層７の上には、ｐ型のＧａＩｎＰからなる第３クラッド層８と、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる中間層９と、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層１０と、をこの順序で積層された構造を含むリッジストライプ形状の積層体３０を備えている。そして、リッジストライプ形状の積層体３０は光導波路を構成している。また、中間層９は、図５に示すように、第１中間層９１と第２中間層９２とからなる２層構造を有している。

また、半導体レーザ素子１は、図１および２に示すように、共振器端面部に、共振器の長手方向に深さｔを持つ、不純物としてＺｎ（亜鉛）が拡散した窓領域２０が形成されている。また、図２に示す窓領域２０を覆うように、電流非注入領域（図示せず）が形成されている。

そして、半導体レーザ素子１は、光導波路における活性層５のバンドギャップが、該光導波路の端面において最大であることを特徴とする。ここで、端面において最大であるとは、光導波路の２つの端面のうち、少なくとも一方の端面において最大であることを示し、好ましくは両端面において最大である。

上記の構成を有する実施の形態の半導体レーザ素子１は、赤外の波長帯（すなわち、波長８００ｎｍ以上９６０ｎｍ以下）において、高出力であり、かつ高信頼性を有し、低閾値電流である、特性を兼備した優れた半導体レーザ素子である。

以下、実施の形態の半導体レーザ素子１を構成する各部について説明する。
≪ＧａＡｓ基板≫
ＧａＡｓ基板２は、ｎ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓ（ガリウム砒素）から構成されることが好ましい。ｎ型の不純物としては、たとえば、Ｓｉ（シリコン）を用いることができる。また、基板２の厚さは特に制限されず、たとえば、４５０μｍ程度することができる。

≪バッファ層≫
バッファ層（図示せず）は、ＧａＡｓ基板２の上に積層されている。バッファ層は、ｎ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓから構成されることが好ましい。ｎ型の不純物としては、たとえば、Ｓｉを用いることができる。バッファ層の厚さは特に制限されず、たとえば、２００ｎｍ程度とすることができる。

≪第１クラッド層≫
第１クラッド層３は、バッファ層の上に積層され、キャリアおよび活性層５から発生する光を効率よく閉じ込める機能を有する。第１クラッド層３は、ｎ型の不純物がドーピングされたＧａＩｎＰＡｓ（ガリウムインジウムリン砒素）から構成されることが好ましい。ｎ型の不純物としては、たとえば、Ｓｉを用いることができる。第１クラッド層３の厚さは特に制限されず、たとえば、３０００ｎｍ程度とすることができる。また、ＧａＩｎＰＡｓの化学組成は、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5ＰＡｓであることが好ましい。

≪下部ガイド層≫
下部ガイド層４は、第１クラッド層３の上に積層され、第１クラッド層３と協働して光を閉じ込める機能を有する。ここで、下部ガイド層４の方が第１クラッド層３よりも高い屈折率を有するように形成されることによって、光を下部ガイド層４側に閉じ込めることができる。下部ガイド層４は、ｎ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）から構成されることが好ましい。ここで、ｎ型の不純物としては、たとえば、Ｓｉを用いることができる。下部ガイド層４の厚さは特に制限されず、たとえば、８０ｎｍ程度とすることができる。また、ＡｌＧａＡｓは、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓの化学組成であることが好ましい。

≪活性層≫
活性層５は、電子とホールの輻射再結合により光を発生する層であり、図４に示すように、ノンドープのＩｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓ（０．０８＜ｙ＜０．２５）からなる井戸層５１と、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦ｘ≦０．５）からなるバリア層５２と、が交互に積層されてなる多重量子井戸構造を有する。活性層５の厚さは、６５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。

井戸層５１の厚さは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。井戸層５１の厚さが、３ｎｍ未満であると、厚みの制御が困難であり生産性の観点から好ましくなく、８ｎｍを超過すると、窓領域を形成する際、不純物であるＺｎが拡散し難くなるという不具合がある。ここで、より好ましい井戸層５１の厚さは５ｎｍである。

また、活性層５は、少なくとも２層以上のＩｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓ（０．０８＜ｙ＜０．２５）からなる井戸層５１を含むことが好適である。これにより、良好なレーザ発振特性を得ることができる。さらに、窓領域２０に属する井戸層５１は混晶化していることが好ましい。混晶化によって窓領域２０を、より良質な窓構造とすることができる。

また、実施の形態の半導体レーザ素子では、光導波路内において、活性層のバンドギャップは、光導波路の長手方向に垂直な両端面のうち、少なくとも一方の端面において最大であるという特徴を有する。すなわち、端面部活性層のバンドギャップを素子内部と比較して相対的に大きくすることにより、レーザ光の吸収を低減し、端面破壊を防止して、ＣＯＤレベルを高めることができる。このような特徴を有する活性層は、以下のように、井戸層に含まれるＩｎが、レーザ出射端面近傍の窓領域に拡散することによって実現される。

ここで、従来公知のＧａＡｓからなる井戸層をＭＱＷ層に用いた場合と、Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓからなる井戸層（すなわち、ｙ＝０．１５）をＭＱＷ層に用いた場合において、窓領域に属さない活性層のＰＬピーク波長と、不純物が拡散した窓領域に属する活性層のＰＬピーク波長との差をΔλとし、Δλと不純物拡散時間との関係を示した結果が、図６である。ここで、Δλは、窓領域２０の出来具合を示している。なお、図６のデータを測定するにあたり、不純物拡散温度は、５３７℃としている。

図６から明らかなように、ＧａＡｓからなる井戸層をＭＱＷ層に用いた場合においては、Δλは拡散時間１２０分付近で極大値を示し、その後減少している。これは、クラッド層に用いられているＡｌＧａＩｎＰ中のＩｎが窓領域へと拡散するため、窓領域のＰＬピーク波長が長波化し、結果として、Δλを減少させるためであると考えられる。

これに対し、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層をＭＱＷ層に用いた場合においては、Δλは不純物拡散時間に従って増加し、不純物拡散時間１８０分付近において、ＧａＡｓからなる井戸層の極大値に比べて、ほぼ２倍以上である９０ｎｍ程度となっている。これは、ＭＱＷ層にＩｎＧａＡｓからなる井戸層を用いた場合では、井戸層のＩｎが拡散することにより窓領域のＰＬピーク波長が短波化するとともに、バリア層に用いられているＡｌＧａＡｓからＡｌが混入するため、窓領域の波長シフトが大きくなるためであると考えられる。したがって、活性層５が、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層５１を含むことにより、Δλを５０ｎｍ以上とする構成が可能となる。

図７は、ΔλとＣＯＤレベル（半導体レーザ素子がＣＯＤに到達する出力）との関係を示したものである。ΔλとＣＯＤレベルとの間には、強い相関関係が存在し、Δλの増加に伴って、ＣＯＤレベルは上昇している。すなわち、Δλの増加に伴って、窓構造はより良質なものとなり、半導体レーザ素子の高出力化が可能となる。そして、Δλが５０ｎｍ以上であれば、２００ｍＷ以上の高出力半導体レーザ素子が実現可能である。

また、実施の形態の半導体レーザ素子は、以下に説明するように、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層のＩｎ組成比ｙを特定の範囲に限定することによって、ガイド層およびバリア層と井戸層との格子歪みを制御し、ガイド層、バリア層および井戸層の結晶品質を確保しながら低閾値電流で動作することが可能である。

ここで、ＡｌＧａＡｓからなるバリア層およびガイド層の格子定数をａとし、バリア層およびガイド層の格子定数とＩｎＧａＡｓからなる井戸層の格子定数との相対的な差をΔａとしたとき、Δａをａで除した値、すなわちΔａ／ａは、格子歪みの指標とすることができる。なお、これ以降、Δａ／ａを歪量とも記す。

図８は、Δａ／ａと臨界膜厚との関係を示している。図８において、Δａ／ａが大きくなるほど、臨界膜厚は低下している。ここで、臨界膜厚とは、歪量（Δａ／ａ）に対して、正常に結晶成長を行なうことができる限界の膜厚を意味する。臨界膜厚を超えると格子歪みが大きくなり、結晶表面のモフォロジーを制御できなくなるため、高品質な結晶を形成することができない。

本実施の形態の半導体レーザ素子１は、少なくとも２つのＩｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層５１を含む、そして、井戸層５１の厚さは、混晶化させた窓領域が不透明となる不具合を防止するため、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。したがって、井戸層５１の厚さが５ｎｍ程度である二重量子井戸層〔以下、ＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）層とも記す〕を想定した場合、臨界膜厚は少なくとも１０ｎｍ程度は必要である。したがって、図８より、Δａ／ａは、０．０２以下であることが好ましい。

また、図９は、Δａ／ａと閾値電流との関係を示している。図９より、圧縮歪みによって低閾値電流化（４０ｍＡ以下）を実現するためには、Δａ／ａは、０．０１以上であることが好ましい。したがって、Δａ／ａは、０．０１≦Δａ／ａ≦０．０２の関係式を満たすことが好ましい。

また、図８より、Δａ／ａを０．０１以上とするためには、臨界膜厚の上限は３０ｎｍ程度までとすることが好ましい。

さらに、図１０は、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層において、ｙを変化させたときの、臨界膜厚とｙとの関係を示している。図１０から、上述のように、１０ｎｍ程度の臨界膜厚を確保するためには、ｙは０．２５より小さいことを要する。

また、図１１は、井戸厚固定とした場合において、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層のｙを変化させたときの、臨界膜厚とｙとの関係を示している。図１１から、上述のように、臨界膜厚の上限を３０ｎｍ程度までに制限するためには、ｙは、０．０８より大きいことを要する。

したがって、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓからなる井戸層において、ｙは、０．０８＜ｙ＜０．２５であることを要する。

また、図１２は、臨界膜厚以下で井戸層の厚さを一定としたときのＰＬピーク波長の計算結果を示している。Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓ（０．０８＜ｙ＜０．２５）からなる井戸層であり、その厚さが８ｎｍ以下であれば、８００ｎｍ〜９６０ｎｍの波長でレーザ発振可能であることが確認できる。

≪上部ガイド層≫
上部ガイド層６は、活性層５の上に積層され、下部ガイド層４と同様の役割を担っており、光を閉じ込めるために用いられる。上部ガイド層６は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）から構成されることが好ましい。ここで、ｐ型の不純物としては、たとえば、Ｚｎを用いることができる。上部ガイド層６の厚さは特に制限されず、たとえば、８０ｎｍ程度とすることができる。また、ＡｌＧａＡｓの化学組成は、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓであることが好ましい。

≪第２クラッド層≫
第２クラッド層７は、上部ガイド層の上に積層され、上部ガイド層と協働して光を閉じ込める機能を有する。第２クラッド層７は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓから構成されることが好ましい。ここで、ｐ型の不純物としては、たとえば、Ｚｎを用いることができる。第２クラッド層７の厚さは特に制限されず、たとえば、１５０ｎｍ程度とすることができる。また、ＡｌＧａＡｓの化学組成はＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓであることが好ましい。

≪第３クラッド層、中間層およびコンタクト層≫
第３クラッド層８と中間層９とコンタクト層１０とは、この順序で、第２クラッド層７の上に積層され、リッジストライプ形状の積層体３０を構成している。そして、リッジストライプ形状の積層体３０は光導波路を構成している。

（第３クラッド層）
第３クラッド層８は、第２クラッド層７の上に積層されている。第３クラッド層８は、第２クラッド層７と同様の機能を有し、ｐ型の不純物がドーピングされたＧａＩｎＰから構成されることが好ましい。ここで、ｐ型の不純物としては、たとえば、Ｚｎを用いることができる。第３クラッド層８の厚さは特に制限されず、たとえば、１０００ｎｍ程度とすることができる。また、ＡｌＧａＩｎＰの化学組成はＡｌ_0.7Ｇａ_0.3ＩｎＰであることが好ましい。ＡｌＧａＩｎＰは、キャリアオーバーフローの抑止効果が高く好適である。

（コンタクト層）
コンタクト層１０は、電極とのオーミック接合を取るために設けられる。コンタクト層１０は、ｐ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓであることが好ましい。ここで、ｐ型の不純物としては、たとえば、Ｚｎを用いることができる。コンタクト層１０の厚さは、４００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは３００ｎｍ以下である。厚さが４００ｎｍを超過すると、オーミック接合が取れ難くなるため好ましくない。

（中間層）
中間層９は、第３クラッド層８とコンタクト層１０との間に挟まれるようにして形成されており、第３クラッド層８とコンタクト層１０とのバンドエネルギ差を低減する機能を有する。本実施の形態の中間層は、従来型の中間層と異なり、図５に示すように、第１中間層９１と第２中間層９２からなる２層構造を有することを特徴とする。中間層９の厚さは特に制限されず、たとえば５０ｎｍ程度とすることができる。また、第１中間層９１を構成するＧａＩｎＰの化学組成はＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであることが好ましく、第２中間層９２を構成するＡｌＧａＡｓの化学組成は、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓであることが好ましい。

従来型の中間層を用いる構成では、コンタクト層／中間層／クラッド層の構成は、ＧａＡｓコンタクト層／ｐ型のＧａＩｎＰ中間層／ｐ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層となる。このとき、ＧａＡｓを基準とした各層の相対的な価電子帯エネルギは、ＧａＡｓ＝０ｅＶ、ＧａＩｎＰ＝−０．２３ｅＶ、ＡｌＧａＩｎＰ＝−０．４６ｅＶである。したがって、各層間の相対的な価電子帯のエネルギ差Ｅｖは、０．２３ｅＶである。

これに対し、実施の形態の半導体レーザ素子１では、中間層９は、第１中間層９１と第２中間層９２とからなる。すなわち、コンタクト層／中間層／クラッド層の構成は、ＧａＡｓコンタクト層／ｐ型のＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ第２中間層／ｐ型のＧａＩｎＰ第１中間層／ｐ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層、となる。このとき、ＧａＡｓを基準とした各層の相対的な価電子帯エネルギは、ＧａＡｓ＝０ｅＶ、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ＝−０．１１ｅＶ、ＧａＩｎＰ＝−０．２３ｅＶ、ＡｌＧａＩｎＰ＝−０．４６ｅＶである。したがって、各層間の相対的な価電子帯のエネルギ差Ｅｖは、０．１５ｅＶ以下となっている。

図１３は、中間層をｐ型のＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ第２中間層／ｐ型のＧａＩｎＰ第１中間層の２層とした場合と、中間層をｐ型のＧａＩｎＰ層のみとした場合の、ＧａＡｓコンタクト層とｐ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間のＩ−Ｖ特性を比較したものである。

図１３より明らかなように、中間層を本発明の構成とした場合は、従来型の構成に比べて、いずれの電流帯においても、低い電圧を維持している。すなわち、エネルギ差Ｅｖを０．１５ｅＶ以下とすることにより、半導体レーザ素子の省電力化が可能である。

また、図１４は、素子抵抗Ｒｄと各層間の相対的な価電子帯のエネルギ差Ｅｖとの関係を示している。図１４より、Ｅｖが小さくなるほど、素子抵抗は小さくできることがわかる。すなわち、Ｅｖが小さくなるほど、半導体レーザ素子の電力消費をより少なくすることができる。したがって、半導体レーザ素子の省電力化の観点から、第３クラッド層、第１中間層、第２中間層およびコンタクト層の各層間における相対的な価電子帯のエネルギ差Ｅｖは、０．１５ｅＶ以下であることが好ましく、より好ましくは０．１０ｅＶ以下であり、特に好ましくは、０．０５ｅＶ以下である。ここで、Ｅｖを０．１５ｅＶよりもさらに小さくする方法としては、たとえば、中間層をさらに追加する方法、キャリア濃度を調整する方法などが考えられる。

≪窓領域≫
窓領域２０は、不純物が拡散された領域であり、図１に示すように、半導体レーザ素子１の上面からＧａＡｓ基板２の厚さ方向に浸透し、活性層５を貫通して、第１クラッド層３まで達している。また、窓領域２０は、共振器の両端面から共振器の長手方向に浸透している。ここで、窓領域２０が共振器の長手方向に浸透する深さｔの範囲は、４０ｎｍ程度とすることが好ましい。ここで、不純物としては、たとえば、Ｚｎを用いることができる。

≪電流注入領域および電流非注入領域≫
電流非注入領域（図示せず）は、光導波路のうち、絶縁層で覆われた部分であり、光導波路のうち、絶縁層で覆われていない部分が電流注入領域である。ここで、電流非注入領域は、少なくとも、窓領域を覆うように形成されている。なお、電流非注入領域を形成する絶縁層としては、たとえば、ＳｉＯ₂（酸化シリコン）、ＳｉＮ（窒化シリコン）などを用いることができる。

≪電流ブロック層≫
電流ブロック層（図示せず）は、ＳｉＯ₂などからなる絶縁層であり、リッジストライプ形状の積層体３０の側面部および第２クラッド層７の露出面を覆うように形成されている。これにより、コンタクト層１０へ効率的に電流を流すことができる。

このような本発明の半導体レーザ素子は、以下のような製造方法によって製造される。換言すれば、以下のような製造方法によって製造される半導体レーザ素子は、上記のような特性を示す。したがって、本発明の半導体レーザ素子は、８００ｎｍ〜９６０ｎｍの波長でレーザ発振し、低閾値電流および高効率を維持しながら、ＣＯＤレベルの高い、という優れた効果を有する。

＜半導体レーザ素子の製造方法＞
以下、実施の形態の半導体レーザ素子１の製造方法について詳細に説明する。

まず、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長）装置を用いて、ｎ型のＧａＡｓ基板２上に、ｎ型のＧａＡｓからなるバッファ層と、ｎ型のＧａＩｎＰからなる第１クラッド層３とを、成長温度を７６０℃として、形成する。

次いで、Ｖ族原料を供給しながら降温し、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなるバリア層５２と厚さ５ｎｍのＩｎＧａＡｓからなる井戸層５１とが交互に積層されたＤＱＷ構造を有する活性層５を、設定温度６８０℃で形成する。ここで、ＭＱＷ構造は、ＤＱＷ構造（二重量子井戸構造）に制限されず、臨界膜厚を超えない限り、積層数を適宜変更することができる。したがって、たとえば、三重量子井戸構造などであっても良い。

次いで、再度、Ｖ族原料を供給しながら７６０℃まで昇温を行ない、ｐ型のドーパントとしてＺｎを用いたＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなるｐ型の第２クラッド層７と、ＧａＡｓからなるエッチングストップ層（図示せず）と、ｐ型のドーパントとしてＺｎを用いたＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる第３クラッド層８と、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる第１中間層９１と、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓからなる第２中間層９２と、ＧａＡｓからなるコンタクト層１０とを、順次積層する。以上のようにして、半導体レーザ構造を有するウエハを得る。

次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、ウエハの表面側から（すなわち、コンタクト層１０の上から）、窓領域２０を形成する部分を開口する工程を実行する。

まず、コンタクト層１０の上に感光性レジストを塗布し、幅６０μｍ、ピッチ１１００μｍのストライプ状のパターンを形成する。

次いで、上記感光性レジストをマスクとして、コンタクト層１０上にＺｎＯ（酸化亜鉛）とＳｉＯ₂とからなる混合膜（以下、ＺｎＯ／ＳｉＯ₂混合膜とも記す。）を形成する。ここで、ＺｎＯ／ＳｉＯ₂混合膜は、たとえば、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スパッタリング装置などを用いて成膜することができる。

次いで、アセトンなどの有機溶媒に浸漬し、超音波洗浄を行なうことにより、感光性レジストを除去し、コンタクト層１０上に、ストライプ状にパターニングされたＺｎＯ／ＳｉＯ₂混合膜を形成する。

次いで、ウエハ全面を覆うようにして、ＺｎＯ／ＳｉＯ₂混合膜をスパッタリング法により成膜した後、さらにＺｎＯ／ＳｉＯ₂混合膜の上に、カバーとしてＳｉＯ₂膜をウエハ全面に蒸着する。

次いで、このウエハをアニールすることにより、ＺｎをＭＱＷ層（すなわち、活性層５）を突き抜ける程度に拡散させる。これにより、窓領域２０が形成される。ここで、アニール条件は、たとえば、５３２℃で２時間程度とすることができる。

アニールの後、このウエハに、ＨＦ（フッ化水素）を用いたウエットエッチングを行なうことにより、ウエハ表面に形成されたＺｎＯ／ＳｉＯ₂混合膜を除去する。ここで、ウエットエッチングを実行する時間は、たとえば、３０秒程度とすることができる。

次いで、ウエハ表面全体に、再度、ＳｉＯ₂膜を蒸着する。そしてフォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ₂膜上に、出射端面に平行となるようにレジストのストライプを形成する。レジストのストライプの形成にはステッパーを用いることができる。また、ストライプの幅は１μｍ〜２μｍとなるように形成されることが好ましい。該レジストのストライプをマスクとして、反応性イオンエッチングを実行し、レジストのストライプに沿ってＳｉＯ₂からなるストライプ状マスク層を形成し、有機洗浄およびアッシングによって該レジストを除去する。

次いで、リッジストライプ形状の積層体３０を形成する工程を実行する。上記のＳｉＯ₂からなるストライプ状マスク層を、マスクとして、誘導結合プラズマエッチング装置を用いて、ドライエッチングを行なう。この際、上記ＧａＡｓからなるエッチングストップ層までエッチングを行なう。これにより、リッジストライプ形状の積層体３０が形成できる。その後、ストライプ状マスク層を、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）を用いたウエットエッチングで除去する。

次いで、再びウエハの厚み方向の一表面の全体にＳｉＯ₂を蒸着させて、ＳｉＯ₂膜を形成する。ＳｉＯ₂膜は、ＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層およびリッジストライプ形状の積層体３０を覆うように形成される。

次いで、ＳｉＯ_２膜の、リッジストライプ形状の積層体３０の厚み方向の一表面に積層された部分のうち、Ｚｎを拡散してＭＱＷ層を無秩序化した領域（Ｚｎ拡散領域）に積層される部分を除く残余の部分を除去し、該残余のＳｉＯ₂膜からなる電流非注入領域を形成する。

ここで、電流非注入領域は、少なくとも窓領域２０を覆うように形成され、すなわちＺｎ拡散領域を覆うように設けられる。ここで、電流非注入領域を形成する方法としては、ＢＨＦなどを用いたウエットエッチングまたは反応性イオンエッチングを行なうことにより、ＳｉＯ₂膜を除去する方法が好ましい。

次いで、ウエハの厚み方向の一表面とは反対の表面（すなわち、ウエハの裏面）を薄く削りウエハの厚みを調節した後、Ａｕ（金）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕを、この順序で成膜し、Ｎ型の裏面電極を形成する。ここで、成膜方法としては、たとえば、スパッタリング法、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）蒸着法などを用いることができる。また、形成されたＮ型の裏面電極と、ＧａＡｓ基板２とのオーミック接合をとるために、該電極を形成後に、アニールを行なうことが好ましい。ここで、アニール条件は、たとえば、４４０℃で１５分程度とすることができる。

次いで、ウエハの厚み方向の一表面に、Ｐ型の表面電極を形成する。まず、Ｔｉ（チタン）、Ａｕをスパッタリング装置を用いて、この順序で成膜する。次いで、窓領域２０を除く部分に、先に成膜されたＴｉ、Ａｕ膜を下地として、電界めっきを形成する。このように、窓領域２０に電界めっきを形成しないことにより、ウエハを共振器長さに分割する際、分割が容易となる。

次いで、各窓領域２０の間に、共振器長さ毎に、罫描き線を入れて、その後、ウエハを分割してバーを得る。ここで、実施の形態の半導体レーザ素子１では、共振器長さは１１００μｍである。

次いで、分割されたバーの共振器の出射端面および反射端面に、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）スパッタリング装置またはＥＢ蒸着装置などを用いて、これらの端面における反射率が非対称となるように端面コート膜を形成する。実施の形態である半導体レーザ素子１では、出射端面の反射率が２％となるように、出射端面にはＡｌ₂Ｏ₃膜を約１４０ｎｍ成膜し、反射端面については、ＳｉＯ₂膜とＴａ₂Ｏ₅膜（五酸化タンタル膜）とを積層したマルチコート膜を成膜して、反射率を９６％としている。

次いで、上記のようにして端面コーティングされたバーを、半導体レーザ素子（チップ）それぞれに分割する。実施の形態の半導体レーザ素子１では、チップ幅を１００μｍとしている。

最後に、分割された半導体レーザチップを、Ｐ型の表面電極を下部として、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を材料としたサブマウントに接合させ、半導体レーザチップの付いたサブマウントをステムといわれる端子に接合して、半導体レーザチップを保護する意味合いでキャップを被せる。このようにして、半導体レーザ素子１を製造することができる。

以上に説明した本発明の半導体レーザ素子の構成および効果をまとめると以下のとおりである。

本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型のＧａＡｓ基板２と、基板２上に形成された第１導電型の第１クラッド層３と、第１クラッド層３上に形成されたＩｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓ（０．０８＜ｙ＜０．２５）からなる井戸層５１を含む活性層５と、活性層５上に形成された第２導電型の第２クラッド層７と、第２クラッド層７上に設けられた、第２導電型の第３クラッド層８、第１中間層９１、第２中間層９２およびコンタクト層１０がこの順で積層されたリッジストライプ形状の積層体３０と、を備え、リッジストライプ形状の積層体３０は光導波路を構成し、上記光導波路において、活性層５のバンドギャップは、該光導波路の長手方向に垂直な端面において最大である、半導体レーザ素子である。

上記のような構成とすることにより、本発明の半導体レーザ素子は、８００ｎｍ〜９６０ｎｍの波長でレーザ発振し、低閾値電流および高効率を維持しながら、ＣＯＤレベルが高いという優れた効果を示す。

また、上記光導波路の長手方向に垂直な端面における井戸層５１が混晶化していることが好ましい。これにより、窓領域２０を、より良質な窓構造とすることができる。

また、上記光導波路の長手方向に垂直な端面における活性層５は不純物が拡散された窓領域２０であり、窓領域２０にはＺｎが拡散していることが好ましい。さらに窓領域２０には井戸層５１のＩｎが拡散していることが好ましい。これにより、ＣＯＤレベルを高め、半導体レーザ素子の高出力化が可能である。

また、活性層５は、井戸層５１とＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦ｘ≦０．５）からなるバリア層５２とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造であることが好ましい。これにより、良好なレーザ発振特性を得ることができる。

また、上記井戸層５１の厚さは、３ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、混晶化させた窓領域が不透明となる不具合を防止することができる。

また、バリア層５２の格子定数と井戸層５１の格子定数との相対的な差Δａと、バリア層５２の格子定数ａとは、以下の式：
０．０１≦Δａ／ａ≦０．０２
を満たすことが好ましい。これにより、井戸層５１とバリア層５２との間の格子不整合による歪みを低減し、高品質な結晶を成長させることができる。

また、活性層５は、井戸層５１を少なくとも２層含む、これにより、高出力においても出力効率が低下し難いレーザを得ることができる。

また、窓領域２０に属さない活性層５のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長と、窓領域２０に属する活性層５のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長との差をΔλとしたとき、Δλが５０ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、ＣＯＤレベルを高め、半導体レーザ素子の高出力化が可能である。

また、上記第３クラッド層８、第１中間層９１、第２中間層９２およびコンタクト層１０の各層間における相対的な価電子帯のエネルギ差は０．１５ｅＶ以下であることが好ましい。これにより、作動電圧を低減し、半導体レーザ素子の省電力化が可能である。

また、上記第３クラッド層８はＡｌＧａＩｎＰを含むことが好ましい。これにより、高いエネルギ障壁が確保でき、キャリアオーバーフローを低減することにより高温動作が可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１ 半導体レーザ素子、２ ＧａＡｓ基板、３ 第１クラッド層、４ 下部ガイド層、５ 活性層、５１ 井戸層、５２ バリア層、６ 上部ガイド層、７ 第２クラッド層、８ 第３クラッド層、９ 中間層、９１ 第１中間層、９２ 第２中間層、１０ コンタクト層、２０ 窓領域、３０ リッジストライプ形状の積層体。

Claims (3)

1. 第１導電型のＧａＡｓ基板と、
   前記基板上に形成された第１導電型の第１クラッド層と、
   前記第１クラッド層上に形成されており、Ｉｎ_yＧａ_(1-y)Ａｓ（０．０８＜ｙ＜０．２５）からなる井戸層と、Ａｌ _x Ｇａ _(1-x) Ａｓ（０≦ｘ≦０．５）からなるバリア層とが交互に積層されてなる活性層と、
   前記活性層上に形成された第２導電型の第２クラッド層と、
   前記第２クラッド層上に設けられた、第２導電型の第３クラッド層、第１中間層、第２中間層およびコンタクト層がこの順で積層されたリッジストライプ形状の積層体と、を備え、
   前記リッジストライプ形状の積層体は光導波路を構成し、
   前記光導波路において、前記活性層のバンドギャップは、前記光導波路の長手方向に垂直な端面において最大であり、
   前記光導波路の長手方向に垂直な端面における前記活性層は、不純物が拡散された窓領域であり、
   前記窓領域にはＺｎと前記井戸層のＩｎとが拡散しており、
   前記窓領域に属さない活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長と、前記窓領域に属する活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長との差をΔλとしたとき、Δλが５０ｎｍ以上であり、
   前記井戸層の厚さは、６ｎｍ以下である、半導体レーザ素子。
2. 前記井戸層の厚さは、３ｎｍ以上６ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第３クラッド層、第１中間層、第２中間層およびコンタクト層の各層間における相対的な価電子帯のエネルギ差は０．１５ｅＶ以下である、請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。

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