WO2010106841A1 - 半導体レーザ - Google Patents

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WO2010106841A1
WO2010106841A1 PCT/JP2010/051539 JP2010051539W WO2010106841A1 WO 2010106841 A1 WO2010106841 A1 WO 2010106841A1 JP 2010051539 W JP2010051539 W JP 2010051539W WO 2010106841 A1 WO2010106841 A1 WO 2010106841A1
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algaas layer
algaas
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semiconductor laser
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PCT/JP2010/051539
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秋山知之
菅原充
前多泰成
持田励雄
田中有
西研一
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株式会社Ｑｄレーザ
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    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor laser having a plurality of quantum dots as an active layer.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose methods for forming quantum dots.
  • a lower cladding layer 2 and a quantum dot active layer 3 are stacked on a p-type GaAs substrate 1.
  • An upper clad layer 4 having a convex shape (ridge portion) is provided on the quantum dot active layer 3.
  • the upper cladding layer 4 is formed only on the central portion of the quantum dot active layer 3.
  • Quantum dot lasers use quantum dots to reduce gain. In order to avoid this, it is required to strengthen the light confinement in the active layer. On the other hand, in order to improve the coupling efficiency with the fiber, the laser beam shape is required to be nearly circular.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of strengthening light confinement and making a beam shape close to a circle in a quantum dot laser.
  • the present invention has a first conductivity type, a lower cladding layer including a first AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.4 or more, an active layer provided on the lower cladding layer and having a plurality of quantum dots, An upper clad layer provided on the active layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type and including a second AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.4 or more.
  • This is a semiconductor laser characterized by the above. According to the present invention, light confinement can be strengthened and the beam shape can be made close to a circle.
  • the upper clad layer may include a third AlGaAs layer provided on the second AlGaAs layer and having an Al composition ratio of less than 0.4.
  • the upper cladding layer may be an isolated ridge portion. According to this configuration, the ridge portion can be formed steeply. Therefore, it is possible to suppress higher-order modes and increase the light confinement coefficient of the basic mode.
  • the minimum width of the ridge portion may be a configuration that the second AlGaAs layer has.
  • the said active layer can be set as the structure by which the four dot layers in which the said some quantum dot was provided in the horizontal direction were laminated
  • the Al composition ratio of the first AlGaAs layer and the second AlGaAs layer may be the same. According to this configuration, the beam shape can be made closer to a circle.
  • the lower cladding layer has a fourth AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.2 or more and 0.26 or less, and the first AlGaAs layer is provided on the fourth AlGaAs layer. It can. According to this configuration, it is possible to make the beam shape close to a circle while strengthening light confinement.
  • the first AlGaAs layer may have a thickness of 100 nm to 600 nm. According to this configuration, the beam shape can be made close to a circle.
  • the active layer covers the plurality of quantum dots made of InAs provided in the horizontal direction, the InGaAs layer provided between the plurality of quantum dots, the plurality of quantum dots, and the InGaAs layer. 6 to 8 dot layers composed of a barrier layer made of a GaAs layer provided on the substrate may be stacked. According to this configuration, it is possible to achieve a sufficient gain and suppress deterioration of the surface morphology due to accumulation of distortion.
  • the thickness of the active layer may be 240 nm or more and 300 nm or less.
  • the present invention provides a lower clad having a first conductivity type and including a fourth AlGaAs layer having an Al composition ratio of less than 0.4 and a first AlGaAs layer formed on the fourth AlGaAs layer and having an Al composition ratio of 0.4 or more.
  • An active layer provided on the lower cladding layer and having a plurality of quantum dots; and a second conductivity type provided on the active layer and having a conductivity type opposite to the first conductivity type.
  • a second AlGaAs layer having the same Al composition ratio as the first AlGaAs layer, and an upper cladding layer including a third AlGaAs layer provided on the second AlGaAs layer and having an Al composition ratio the same as the fourth AlGaAs layer.
  • the upper clad layer is an isolated ridge portion, and the minimum width of the ridge portion is included in the second AlGaAs layer.
  • the present invention has a first conductivity type, a fourth AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.2 or more and 0.26 or less, and an Al composition ratio formed on the fourth AlGaAs layer and having a thickness of 0.4 or more.
  • a lower clad layer including a first AlGaAs layer having a thickness of 100 nm to 600 nm, and a plurality of quantum dots made of InAs provided on the lower clad layer and provided in a horizontal direction, and provided between the quantum dots.
  • dot layers composed of an InGaAs layer and a barrier layer made of GaAs provided so as to cover the plurality of quantum dots and the InGaAs layer are stacked, and the thickness is 240 nm or more and 300 nm or less.
  • the second AlGaAs layer and the third AlGaAs layer are isolated ridge portions, and the minimum width of the ridge portion is the second AlGaAs layer, and the fifth AlGaAs layer is on both sides of the ridge portion.
  • This semiconductor laser remains on the active layer.
  • light confinement can be strengthened and the beam shape can be made close to a circle.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser according to Comparative Example 1.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor laser according to Comparative Example 2.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are diagrams showing the structures of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 that have been simulated, respectively.
  • FIG. 4 is a simulation result showing the optical confinement factor of the semiconductor lasers according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with respect to Wtop.
  • FIG. 5 is a diagram showing the etching rate with respect to the Al composition ratio in the AlGaAs layer.
  • FIG. 6 is a cross-sectional perspective view of the semiconductor laser according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a dot layer for one quantum dot active layer.
  • FIG. 8D are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor laser according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the FFP width of Example 1 in which three dot layers are stacked.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the FFP width of Example 1 in which four dot layers are stacked.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the FFP width of Example 1 in which five dot layers are stacked.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating the FFP width of Comparative Example 3 in which three dot layers are stacked.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the FFP width of Comparative Example 3 in which four dot layers are stacked.
  • FIG. 14 is a cross-sectional perspective view of the semiconductor laser according to the second embodiment.
  • FIG. 15D are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor laser according to the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram showing the FFP width of Example 2 with respect to the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer.
  • FIG. 17 is a diagram showing the light confinement factor of Example 2 with respect to the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer.
  • FIG. 18 is a diagram showing the FFP width of Example 2 with respect to the thickness of the first AlGaAs layer.
  • FIG. 19 is a diagram showing the FFP width of Example 2 with respect to the Al composition ratio of the first AlGaAs layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser according to Comparative Example 1.
  • a lower cladding layer 12 made of p-type Al 0.35 Ga 0.65 As having a thickness of 1400 nm
  • a GaAs quantum dot active layer 14 including a p-type layer having a thickness of 500 nm, a thickness A spacer layer 16 made of undoped GaAs having a thickness of 50 nm, an n-type Al 0.35 Ga 0.65 As having a thickness of 1200 nm, and an upper cladding layer 18 constituting the ridge portion 30 are provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor laser according to Comparative Example 2.
  • the upper cladding layer 18 is composed of a second AlGaAs layer 82 made of Al 0.45 Ga 0.55 As with a thickness of 200 nm, and a third AlGaAs layer 83 made of Al 0.35 Ga 0.65 As with a thickness of 1400 nm. ing.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) are diagrams showing the structures of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 that have been simulated.
  • the basic mode M0 and the first higher-order mode M1 the light intensity existing in the region R (the quantum dot active layer 14 below the ridge portion 30) in FIGS.
  • the values normalized by the intensity were set as the light confinement coefficients ⁇ 0 and ⁇ 1 of each mode, respectively.
  • FIG. 4 is a simulation result showing the optical confinement coefficients ⁇ 0 and ⁇ 1 of the semiconductor lasers according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2 with respect to Wtop.
  • White circles are the simulation results of Comparative Example 1
  • black circles are the simulation results of Comparative Example 2.
  • the broken line and the solid line are approximate lines connecting the simulation results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively.
  • the optical confinement coefficient ⁇ 1 of the first higher-order mode M1 is 0.2 to 0.4.
  • the light confinement coefficient ⁇ 1 is 0.2 or less, and particularly when Wtop is 2.0 ⁇ m or less, ⁇ 1 is almost 0. Furthermore, ⁇ 1 is almost 0 when Wtop is 1.8 ⁇ m or less.
  • ⁇ 1 can be made substantially zero by optimizing Wtop.
  • the comparative example 2 is larger than the comparative example 1 in the light confinement coefficient ⁇ 0 of the basic mode M0.
  • the comparative example 2 can suppress higher-order modes in the region R, and can increase the intensity of the fundamental mode in the region R.
  • the width Wtop of the upper surface of the ridge portion 30 is made the same as or larger than the width Wbot of the lower surface, it is possible to suppress the mixing of higher-order modes into the oscillation light, and the intensity of the fundamental mode in the region R Can be increased.
  • Wtop can be increased in a state where mixing of higher-order modes into the oscillation light is suppressed, the contact resistance between the upper cladding layer 18 and the n electrode 22 can be reduced.
  • the width Wtop of the upper surface of the ridge 30 is equal to or larger than the width Wbot of the lower surface, for example, it is conceivable to form the ridge 30 by dry etching. However, damage is formed in the quantum dot active layer 14. Thus, it is not easy to form a structure in which the width Wtop is equal to or larger than the width Wbot.
  • the side shape of the upper cladding layer 18 can be made steep by dry etching the third AlGaAs layer 83 and wet etching the second AlGaAs layer 82. Therefore, mixing of higher-order modes into the oscillation light can be suppressed, and the contact resistance between the upper cladding layer 18 and the n electrode 22 can be reduced. At this time, since the second AlGaAs layer 82 is wet-etched, over-etching of the quantum dot active layer 14 can be suppressed.
  • the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 82 is set to 0.4 or more.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the Al composition ratio and the etching rate when the AlGaAs layer is wet etched using concentrated hydrofluoric acid (47%).
  • the Al composition ratio exceeds 0.4, the etching rate of the AlGaAs layer increases rapidly. Even when other etchants are used, the etching rate of wet etching increases rapidly when the Al composition ratio exceeds 0.4.
  • the second AlGaAs layer 82 can be selectively etched with respect to the third AlGaAs layer 83 by wet etching the second AlGaAs layer 82 using, for example, concentrated hydrofluoric acid or a hydrofluoric acid aqueous solution. In this way, the second AlGaAs layer 82 can have the minimum width of the ridge portion 30.
  • Quantum dot lasers are required to have strong light confinement due to the small gain of quantum dots. Therefore, when the thickness of the quantum dot active layer 14 is increased in order to strengthen the vertical light confinement, the beam shape becomes an elliptical shape spreading in the vertical direction. Therefore, in order to strengthen the light confinement and make the beam shape isotropic, the thickness of the quantum dot active layer 14 is decreased to weaken the light confinement in the vertical direction, and the width Wtop of the ridge portion 30 is decreased. It is conceivable to increase the light confinement in the horizontal direction.
  • Comparative Example 2 it was found that since the refractive index of the second AlGaAs layer 82 was small, the beam expanded downward, making it difficult to achieve both light confinement and beam shape. Examples for solving the above problems will be described below.
  • FIG. 6 is a cross-sectional perspective view of the first embodiment.
  • a buffer layer 11 made of p-type GaAs
  • a lower cladding layer 12 made of p-type AlGaAs
  • a spacer layer 15 made of undoped GaAs
  • a quantum dot active layer 14 in which four quantum dots are stacked an undoped GaAs
  • a spacer layer 16 made of, an upper clad layer 18 and a contact layer 19 made of n-type GaAs are sequentially laminated.
  • the lower cladding layer 12 includes a fourth AlGaAs layer 84 having an Al composition ratio of 0.35 and a first AlGaAs layer 81 having an Al composition ratio of 0.45, and the upper cladding layer 18 includes a second AlGaAs layer 82 having an Al composition ratio of 0.45. And a third AlGaAs layer 83 having an Al composition ratio of 0.35.
  • Table 1 shows the material, film thickness, and doping concentration of each layer.
  • the upper cladding layer 18 and the contact layer 19 form a ridge portion 30. Concave portions 35 reaching the spacer layer 16 are formed on both sides of the ridge portion 30.
  • a silicon oxide film is formed as a protective film 28 on the contact layer 19 and on the surface of the recess 35.
  • An n electrode 22 is formed on the contact layer 19 of the ridge 30.
  • a pad 26 connected to the n electrode 22 via the wiring 25 is formed.
  • a p-electrode 24 is formed on the lower surface of the substrate 10.
  • FIG. 7 is a diagram showing a dot layer 40 for one quantum dot active layer.
  • the quantum dots 41 are made of InAs.
  • An InGaAs layer 42 having a thickness of about 5 nm is formed between the quantum dots 41.
  • An undoped GaAs layer 43 having a thickness of about 14 nm is formed so as to cover the quantum dots 41 and the InGaAs layer 42.
  • a p-type GaAs layer 44 having a thickness of about 10 nm and an undoped GaAs layer 45 having a thickness of 9 nm are formed on the undoped GaAs layer 43.
  • the undoped GaAs layer 43, the p-type GaAs layer 44, and the undoped GaAs layer 45 constitute a barrier layer 46.
  • Table 2 shows the material, film thickness, and doping concentration of each layer in the quantum dot active layer 14.
  • FIG. 8A to FIG. 8D are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the semiconductor laser according to the first embodiment.
  • a buffer layer 11 for example, using MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a buffer layer 11, a lower cladding layer 12, a quantum dot active layer 14 having a plurality of quantum dots, an upper portion
  • the clad layer 18 is sequentially laminated.
  • a photoresist 32 is formed on the upper clad layer 18.
  • the upper cladding layer 18 is anisotropically etched using a dry etching method so as to reach the second AlGaAs layer 82 using the photoresist 32 as a mask. At this time, the side surface of the upper cladding layer 18 is substantially vertical.
  • the second AlGaAs layer 82 of the upper cladding layer 18 is etched by wet etching.
  • the etching rate of the second AlGaAs layer 82 is faster than that of the quantum dot active layer 14 and the third AlGaAs layer 83.
  • the second AlGaAs layer 82 and the side surface are etched, and the ridge portion 30 is formed.
  • the upper cladding layer 18 having the ridge portion 30 is formed on the quantum dot active layer 14. Since the etching rate of the first AlGaAs layer 81 is fast, the constriction 85 of the ridge portion 30 is formed in the first AlGaAs layer 81.
  • the photoresist 32 is removed.
  • an n electrode 22 is formed on the upper clad layer 18 and a p electrode 24 is formed under the p-type substrate 10. Thereby, the semiconductor laser according to Example 1 is completed.
  • FIG. 10 and FIG. 11 are simulation results showing the beam shape of the semiconductor laser according to the first embodiment.
  • FIG. 10 and FIG. 11 are diagrams showing FFP (Far Field Pattern) widths when the dot layers 40 are stacked in three layers, four layers and five layers, respectively.
  • FFP Field Pattern
  • the horizontal FFP width and the vertical FFP width are substantially the same. That is, the beam shape is close to a circle.
  • the light confinement factor is about 0.35.
  • the vertical FFP width is larger than the horizontal FFP width. This is because the refractive index of the second AlGaAs layer 82 is small, so that the beam spreads downward.
  • Example 1 with three dot layers 40 as in Comparative Example 3, the horizontal FFP width and the vertical FFP width are substantially the same, and the light confinement coefficient is 0. As small as 3 or so.
  • the FFP width in the horizontal direction and the FFP width in the vertical direction are substantially the same, and the light confinement coefficient is as large as about 0.4.
  • the light confinement factor is as large as about 0.5, but the FFP width in the vertical direction is larger than the FFP width in the horizontal direction.
  • Example 1 compared with Comparative Example 3, the light confinement factor is large and the beam shape can be made close to a circle. As a result, the gain can be increased and the coupling coefficient with the fiber can be increased.
  • the lower cladding layer 12 includes a first AlGaAs layer 81 having an Al composition ratio of 0.4 or more.
  • the upper cladding layer 18 includes a second AlGaAs layer having an Al composition ratio of 0.4 or more. Thereby, light confinement can be strengthened and the beam shape can be made close to a circle.
  • the upper cladding layer 18 preferably has a third AlGaAs layer 83 provided on the second AlGaAs layer 82 and having an Al composition ratio of less than 0.4. Further, the upper cladding layer 18 is preferably an isolated ridge portion 30. As a result, the ridge portion 30 can be formed steeply as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 4, the higher-order mode can be suppressed and the light confinement coefficient of the fundamental mode can be increased.
  • the lower clad layer 12 is symmetrical with the upper clad layer 18 in order to make the beam shape circular. Therefore, the lower cladding layer 12 preferably includes a fourth AlGaAs layer 84 having an Al composition ratio of less than 0.4 below the first AlGaAs layer 81.
  • the second AlGaAs layer 82 has the minimum width W3 of the ridge portion 30.
  • the quantum dot active layer 14 preferably has a structure in which four dot layers 40 each having a plurality of quantum dots 41 in the horizontal direction are stacked. Thereby, as shown in FIG. 10, the light confinement coefficient is large and the beam shape can be made close to a circle.
  • the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 82 is more preferably 0.45 or more for the purpose of increasing the wet etching rate. From the viewpoint of reducing the vertical resistance of the second AlGaAs layer 82, 0.6 or less is preferable, and 0.5 or less is more preferable.
  • the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 81 is preferably substantially the same as the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 82 from the viewpoint of suppressing the downward beam. That is, when the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 82 is 0.4 or more, the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 81 is also preferably 0.4 or more, and the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 82 is 0.45 or more. In this case, the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 81 is also preferably 0.45 or more. Further, from the viewpoint of reducing the longitudinal resistance of the first AlGaAs layer 81, 0.6 or less is preferable, and 0.5 or less is more preferable.
  • the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 83 is more preferably 0.35 or less from the viewpoint of slowing the wet etching rate. From the viewpoint of functioning as a cladding layer, 0.2 or more is preferable, and 0.3 or more is more preferable.
  • the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 84 is more preferably 0.35 or less in order to make the lower cladding layer 12 symmetrical with the upper cladding layer 18. From the viewpoint of functioning as a cladding layer, 0.2 or more is preferable, and 0.3 or more is more preferable.
  • the Al composition ratio between the third AlGaAs layer 83 and the fourth AlGaAs layer 84 is preferably substantially the same.
  • the first AlGaAs layer 82 and the second AlGaAs layer 82 are mixed crystals of GaAs and AlAs, but contain other elements such as In as long as the Al composition ratio is 0.4 or more and the wet etching rate tends to increase. May be.
  • the third AlGaAs layer 83 and the fourth AlGaAs layer 84 are mixed crystals of GaAs and AlAs, but other elements such as In are used within a range where the Al composition ratio is less than 0.4 and the wet etching rate tends to be low. May be included.
  • the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
  • the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
  • FIG. 14 is a cross-sectional perspective view of the second embodiment.
  • a buffer layer 102 made of n-type GaAs
  • a lower cladding layer 104 made of n-type AlGaAs
  • a spacer layer 106 made of undoped GaAs
  • a quantum dot active layer 108 in which 6 to 8 quantum dots are stacked.
  • a spacer layer 110 made of undoped GaAs, an upper cladding layer 112 made of p-type AlGaAs, and a contact layer 114 made of p-type GaAs are sequentially stacked.
  • the lower cladding layer 104 includes a fourth AlGaAs layer 116 and a first AlGaAs layer 118.
  • the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 differs depending on the number of quantum dot active layers 108. When the number of quantum dot active layers 108 is 6, the Al composition ratio is 0.25, and 7 layers is 0.23. , 8 layers are 0.21. Thus, the reason why the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer is changed depending on the number of the quantum dot active layers 108 is that the Al composition ratio at which the fundamental mode does not occur differs depending on the number of layers, as will be described later.
  • the first AlGaAs layer 118 includes an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As layer and an n-type Al 0.45 Ga 0.55 As layer having an Al composition ratio of 0.4 or more.
  • the upper cladding layer 112 includes a fifth AlGaAs layer 120, a second AlGaAs layer 122, and a third AlGaAs layer 124.
  • the Al composition ratio of the fifth AlGaAs layer 120 is 0.35
  • the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 122 is 0.45
  • the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 124 is 0.35.
  • the second AlGaAs layer 122 and the third AlGaAs layer 124 among the three layers constituting the upper clad layer 112 form a ridge portion 126 together with the contact layer 114.
  • the cross-sectional shape of the ridge portion 126 is rectangular. Concave portions 128 are formed on both sides of the ridge portion 126.
  • the fifth AlGaAs layer 120 remains on both sides of the ridge portion 126.
  • a silicon oxide film is formed as a protective film 130 on the contact layer 114 and on the surface of the recess 128.
  • a p-type electrode 132 is formed on the contact layer 114 of the ridge portion 126.
  • a pad 134 connected via the p-electrode 132 and the wiring 133 is formed.
  • An n electrode 136 is formed on the lower surface of the substrate 100.
  • Table 4 shows the material, film thickness, and doping concentration of each layer constituting the dot layer 40 that is one layer of the quantum dot active layer 108. Since the configuration diagram of the dot layer 40 is the same as the diagram shown in FIG. 7, it will be described with reference to FIG.
  • the quantum dots 41 are formed of 0.8 nm thick InAs.
  • An InGaAs layer 42 having a thickness of 3.6 nm is formed between the quantum dots 41.
  • An undoped GaAs layer 43 having a thickness of 14.4 nm is formed so as to cover the quantum dots 41 and the InGaAs layer 42.
  • a p-type GaAs layer 44 having a thickness of 10 nm and an undoped GaAs layer 45 having a thickness of 12 nm are sequentially formed on the undoped GaAs layer 43.
  • the undoped GaAs layer 43, the p-type GaAs layer 44, and the undoped GaAs layer 45 constitute a barrier layer 46.
  • a buffer layer 102, a lower cladding layer 104, a spacer layer 106, a quantum dot active layer 108 having a plurality of quantum dots, a spacer layer are formed on an n-type semiconductor substrate 100 using, for example, the MBE method.
  • 110, an upper cladding layer 112, and a contact layer 114 are sequentially deposited and formed.
  • a photoresist 138 is formed on the contact layer 114.
  • the upper cladding layer 112 and the contact layer 114 are anisotropically etched using a dry etching method so as to reach the second AlGaAs layer 122.
  • the side surfaces of the upper cladding layer 112 and the contact layer 114 are substantially vertical.
  • the second AlGaAs layer 122 of the upper cladding layer 112 is etched using a wet etching method. Since the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 122 is 0.45 and the Al composition ratio of the fifth AlGaAs layer 120 and the third AlGaAs layer 124 is 0.35, the etching of the second AlGaAs layer 122 is performed as described with reference to FIG. The rate is faster than that of the fifth AlGaAs layer 120 and the third AlGaAs layer 124. That is, the second AlGaAs layer 122 can be selectively etched with respect to the fifth AlGaAs layer 120 and the third AlGaAs layer 124.
  • a ridge portion 126 is formed by the second AlGaAs layer 122 and the third AlGaAs layer 124, and the fifth AlGaAs layer 120 remains on the quantum dot active layer 108 in the recesses 128 on both sides of the ridge portion 126. Further, since the etching rate of the second AlGaAs layer 122 is faster than that of the third AlGaAs layer 124, the constriction 140 of the ridge portion 126 is formed in the second AlGaAs layer 122.
  • a p-type electrode 132 is formed on the contact layer 114, and an n-type electrode 136 is formed on the lower surface of the n-type substrate 100. Thereby, the semiconductor laser according to Example 2 is completed.
  • FIG. 16 is a simulation result showing the FFP (Far Field Pattern) full width at half maximum with respect to the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 in the semiconductor laser according to the second embodiment.
  • the quantum dot active layer 108 is 6 layers (indicated by a one-dot chain line), 7 layers (indicated by a two-dot chain line), and 8 layers (indicated by a solid line)
  • the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 124 is 0.35
  • Simulations were performed for the cases of 0.3 and 0.25.
  • the materials and film thicknesses of the respective layers shown in Tables 3 and 4 were used except for the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 and the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 124.
  • black circles, black triangles, and black squares indicate the full width at half maximum of the FFP in the vertical direction (that is, the stacking direction of each layer), and the black circle indicates the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 124 is 0.35, and the black triangle indicates 0. .3, black squares are simulation results for 0.25.
  • White circles, white triangles, and white squares indicate the full width at half maximum of the FFP in the horizontal direction (that is, the direction parallel to the substrate 100).
  • White circles indicate the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 124, 0.35, white triangles indicate 0.3, white Squares are simulation results for the case of 0.25.
  • the simulation was performed for the case where the quantum dot active layer 108 has 6 to 8 layers.
  • the quantum dot active layer 108 is preferably 6 layers or more in order to realize a sufficient gain, and the quantum dot active layer 108 As the number of layers increases, the maximum gain can be increased. However, when the number of layers is 9 or more, the surface morphology is likely to be deteriorated due to accumulation of strain, so that 8 layers or less is preferable.
  • the full width at half maximum increases in both the vertical FFP and the horizontal FFP as the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 decreases. Get smaller.
  • the decrease rate of the full width at half maximum is larger than that in the horizontal direction FFP, and as the Al composition ratio decreases, the difference in full width at half maximum between the vertical direction FFP and the horizontal direction FFP decreases. Get closer to. This is presumably because the smaller the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116, the more the elongation in the vertical direction of NFP (Near Field Field Pattern) is promoted.
  • the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 is less than 0.23 when the number of quantum dot active layers 108 is 6, the Al of the fourth AlGaAs layer 116 when the number of quantum dot active layers 108 is seven.
  • the composition ratio is less than 0.22, the fundamental mode does not occur when the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 in which the number of the quantum dot active layers 108 is eight is less than 0.2. Is not shown.
  • the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 may be 0.24 or more and 0.26 or less when the quantum dot active layer 108 is six layers.
  • the case of 0.25 is more preferable.
  • the case of 0.22 or more and 0.24 or less is preferable, and the case of 0.23 is more preferable.
  • the case of 0.2 or more and 0.22 or less is preferable, and the case of 0.21 is more preferable.
  • the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 is 0.2 or more and 0.26 or less.
  • the case is preferable, and the case of 0.21 or more and 0.25 or less is more preferable.
  • FIG. 17 is a simulation result showing the optical confinement coefficient with respect to the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 in the semiconductor laser according to Example 2.
  • the simulation was performed for the ratios of 0.35 (circle), 0.3 (triangle), and 0.25 (square).
  • the materials and film thicknesses of the respective layers shown in Tables 3 and 4 were used except for the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 and the Al composition ratio of the third AlGaAs layer 124.
  • the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 is less than 0.23 when the number of quantum dot active layers 108 is 6, the number of quantum dot active layers 108 is 7
  • the fundamental mode occurs when the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 is less than 0.2 when the number of quantum dot active layers 108 is eight.
  • the light confinement factor is not shown because it disappears.
  • the optical confinement factor of the fundamental mode tends to decrease as the Al composition ratio of the fourth AlGaAs layer 116 decreases in any of the quantum dot active layers 108 in the case of 6, 7, or 8 layers. is there.
  • FIG. 18 is a simulation result showing the FFP full width at half maximum with respect to the film thickness of the first AlGaAs layer 118 in the semiconductor laser according to Example 2.
  • the simulation was performed assuming that the first AlGaAs layer 118 is a single layer of Al 0.45 Ga 0.55 As, and the materials and film thicknesses shown in Tables 3 and 4 were used for the other layers.
  • the black circles in FIG. 18 indicate the FFP full width at half maximum in the vertical direction
  • the white circles indicate the FFP full width at half maximum in the horizontal direction
  • the one-dot chain line indicates six quantum dot active layers 108
  • the two-dot chain line indicates seven layers. Indicates the case of 8 layers.
  • the full width at half maximum of the vertical FFP takes a minimum value when the thickness of the first AlGaAs layer 118 is about 300 nm when the quantum dot active layer 108 is eight layers, and is about 400 nm when the thickness is seven layers. In the case of (6), the minimum value is taken.
  • the full width at half maximum in the horizontal direction FFP tends to slightly increase as the film thickness of the first AlGaAs layer 118 increases regardless of whether the quantum dot active layer 108 has six layers, seven layers, or eight layers. Therefore, when the full width at half maximum of the vertical FFP takes a minimum value, the difference in full width at half maximum between the vertical FFP and the horizontal FFP becomes small, and the shape of the FFP approaches a circular shape.
  • the film thickness of the first AlGaAs layer 118 is preferably 200 nm or more and 400 nm or less, and 250 nm or more and 350 nm or less when the quantum dot active layer 108 is eight layers. More preferably, the case of 300 nm is even more preferable. In the case of 7 layers, the case of 300 nm or more and 500 nm or less is preferable, 350 nm or more and 450 nm or less are more preferable, and the case where it is 400 nm is further more preferable.
  • the case is preferably 400 nm or more and 600 nm or less, more preferably 450 nm or more and 550 nm or less, and even more preferably 500 nm. That is, for the purpose of bringing the FFP shape closer to a circular shape, when the number of quantum dot active layers 108 is 6 to 8, the thickness of the first AlGaAs layer 118 is preferably 200 nm or more and 600 nm or less, and 250 nm.
  • the case of 550 nm or more is more preferable, and the case of 300 nm or more and 500 nm or less is more preferable.
  • the full width at half maximum of the vertical FFP is about the same when the thickness of the first AlGaAs layer 118 is 0 nm and when it is 600 nm. Further, as described above, when the minimum value of the full width at half maximum in the vertical direction FFP is taken, the film thickness of the first AlGaAs layer 118 is 300 nm when the number of layers is 8, 400 nm when the number of layers is 7, and 6 layers. 500 nm. Therefore, for the purpose of reducing the full width at half maximum in the vertical direction FFP, when the number of the quantum dot active layers 108 is 6 to 8, the thickness of the first AlGaAs layer 118 is preferably 100 nm to 500 nm. The case of 150 nm or more and 450 nm or less is more preferable, and the case of 200 nm or more and 400 nm or less is more preferable.
  • the thickness of the first AlGaAs layer 118 is preferably 100 nm or more and 600 nm or less for the purpose of bringing the FFP shape closer to a circular shape or reducing the full width at half maximum of the vertical FFP.
  • the thickness of the first AlGaAs layer 118 is preferably 200 nm to 500 nm, and is preferably 250 nm to 450 nm. Is more preferable, and the case of 300 nm or more and 400 nm or less is still more preferable.
  • FIG. 19 is a simulation result showing the FFP full width at half maximum with respect to the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 118 in the semiconductor laser according to the second embodiment.
  • the simulation is performed assuming that the first AlGaAs layer 118 is a single layer of Al X Ga 1-X As and has a film thickness of 300 nm.
  • the materials and film thicknesses shown in Table 3 and Table 4 are used. It was.
  • the black circles in FIG. 19 indicate the FFP full width at half maximum in the vertical direction
  • the white circles indicate the FFP full width at half maximum in the horizontal direction
  • the one-dot chain line indicates six quantum dot active layers 108
  • the two-dot chain line indicates seven layers. Indicates the case of 8 layers.
  • the vertical FFP decreases as the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 118 increases, and the Al composition ratio decreases. Near 0.5, the difference between the vertical FFP and the horizontal FFP becomes smaller, and the FFP shape approaches a circular shape.
  • the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 118 is large, but considering that the resistance of the first AlGaAs layer 118 is increased, 0.6 is considered. The following is preferable, and 0.5 or less is more preferable.
  • the Al composition ratio of the first AlGaAs layer 118 is preferably 0.45 or more and 0.55 or less, more preferably 0.47 or more and 0.52 or less, and 0 The case of .5 is more preferable.
  • the lower cladding layer 104 has the Al composition ratio of 0 to 0.26 and the Al composition ratio provided on the fourth AlGaAs layer 116 of 0 to 0.26. 4 or more first AlGaAs layers 118.
  • the upper cladding layer 112 includes a second AlGaAs layer 122 having an Al composition ratio of 0.4 or more and a third AlGaAs layer 124 having an Al composition ratio of less than 0.4 provided on the second AlGaAs layer 122.
  • the third AlGaAs layer 124 is removed by dry etching, and as shown in FIG. 15C, the second AlGaAs layer 122 is removed by wet etching.
  • the rectangular ridge 126 can be formed without damaging the fifth AlGaAs layer 120, and the fifth AlGaAs layer 120 can be left on the quantum dot active layer.
  • the Al composition ratio of the second AlGaAs layer 122 is more preferably 0.45 or more for the purpose of increasing the wet etching rate.
  • 0.6 or less is preferable, and 0.5 or less is more preferable.
  • the Al composition ratio of the fifth AlGaAs layer 120 and the third AlGaAs layer 124 is more preferably 0.35 or less for the purpose of slowing the etching rate. From the viewpoint of functioning as a cladding layer, 0.2 or more is preferable, and 0.3 or more is more preferable.
  • a constriction 140 is formed as shown in FIG. 15C, and the minimum width of the ridge portion 126 has the second AlGaAs layer 122. It will be.
  • the quantum dot active layer 108 includes the horizontally provided InAs quantum dots 41, the InGaAs layer 42 provided between the quantum dots 41, the quantum dots 41, and the InGaAs layers.
  • a dot layer 40 composed of a barrier layer 46 covering 42 is laminated.
  • the number of the dot layers 40 is preferably 6 to 8 from the viewpoint of realizing a sufficient gain and suppressing deterioration of the surface morphology due to accumulation of distortion.
  • the thickness of the quantum dot active layer 108 is preferably 240 nm or more and 300 nm or less, and more preferably 260 nm or more and 280 nm or less.
  • the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
  • the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.
  • the first AlGaAs layer 118 is illustrated as an example in which a plurality of AlGaAs layers having an Al composition ratio of 0.4 or more are provided, but may be a single layer.

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Abstract

　本発明は、第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層８１を含む下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に設けられ、複数の量子ドットを有する活性層１４と、活性層１４上に設けられ、第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層を含む上部クラッド層１８と、を具備する半導体レーザである。

Description

半導体レーザ
　本発明は、半導体レーザに関し、特に活性層として複数の量子ドットを有する半導体レーザに関する。
　近年、量子ドットを有する活性層に用いる半導体レーザが開発されている。特許文献１及び特許文献２には、量子ドットの形成方法が開示されている。
　特許文献２の図１Ｅを参照に、ｐ型ＧａＡｓ基板１上に下部クラッド層２、量子ドット活性層３が積層されている。量子ドット活性層３上には凸部形状（リッジ部）からなる上部クラッド層４が設けられている。上部クラッド層４が量子ドット活性層３の中央部上にのみ形成されている。
特開平８－８８３４５号公報 特開２００６－２８６９０２号公報
　量子ドットレーザにおいては、量子ドットを用いるため利得が小さくなる。これを回避するためには、活性層への光閉込を強くすることが求められる。一方、ファイバとの結合効率を向上させるためには、レーザビーム形状が円形に近いことが求められる。
　本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、量子ドットレーザにおいて、光閉込を強くし、かつビーム形状を円形に近づけることが可能な半導体レーザを提供することを目的とする。
　本発明は、第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層を含む下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットを有する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層を含む上部クラッド層と、を具備することを特徴とする半導体レーザである。本発明によれば、光閉込を強くし、かつビーム形状を円形に近づけることができる。
　上記構成において、前記上部クラッド層は、前記第２ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が０．４未満の第３ＡｌＧａＡｓ層を含む構成とすることができる。
　上記構成において、前記上部クラッド層は孤立するリッジ部である構成とすることができる。この構成によれば、リッジ部を急峻に形成することができる。よって、高次モードを抑制し、基本モードの光閉込係数を高めることができる。
　上記構成において、前記リッジ部の最小幅は前記第２ＡｌＧａＡｓ層が有する構成とすることができる。また、上記構成において、前記活性層は、前記複数の量子ドットが水平方向に設けられたドット層が４層積層されている構成とすることができる。この構成によれば、光閉込係数が大きく、かつビーム形状を円形に近づけることができる。
　上記構成において、前記第１ＡｌＧａＡｓ層と前記第２ＡｌＧａＡｓ層とのＡｌ組成比は同じ構成とすることができる。この構成によれば、ビーム形状をより円形に近づけることができる。
　上記構成において、前記下部クラッド層は、Ａｌ組成比が０．２以上０．２６以下の第４ＡｌＧａＡｓ層を有し、前記第１ＡｌＧａＡｓ層は前記第４ＡｌＧａＡｓ層上に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、光閉込を強くしつつ、ビーム形状を円形に近づけることができる。
　上記構成において、前記第１ＡｌＧａＡｓ層の厚さは１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である構成とすることができる。この構成によれば、ビーム形状を円形に近づけることができる。
　上記構成において、前記活性層は、水平方向に設けられたＩｎＡｓからなる前記複数の量子ドットと前記複数の量子ドットの間に設けられたＩｎＧａＡｓ層と前記複数の量子ドット及び前記ＩｎＧａＡｓ層を覆うように設けられたＧａＡｓ層からなるバリア層とで構成されるドット層が６層から８層積層されている構成とすることができる。この構成によれば、十分な利得の実現と歪みの蓄積による表面モホロジーの劣化の抑制とを図ることができる。
　上記構成において、前記活性層の厚さは２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である構成とすることができる。
　本発明は、第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４未満の第４ＡｌＧａＡｓ層と前記第４ＡｌＧａＡｓ層上に形成されＡｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層とを含む下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットを有する活性層と、前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が前記第１ＡｌＧａＡｓ層と同じである第２ＡｌＧａＡｓ層と前記第２ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が前記第４ＡｌＧａＡｓ層と同じである第３ＡｌＧａＡｓ層とを含む上部クラッド層とを具備し、前記上部クラッド層は孤立するリッジ部であり、前記リッジ部の最小幅は前記第２ＡｌＧａＡｓ層が有することを特徴とする半導体レーザである。
　本発明は、第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．２以上０．２６以下の第４ＡｌＧａＡｓ層と前記第４ＡｌＧａＡｓ層上に形成されＡｌ組成比が０．４以上であり厚さが１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である第１ＡｌＧａＡｓ層とを含む下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、水平方向に設けられたＩｎＡｓからなる複数の量子ドットと前記複数の量子ドットの間に設けられたＩｎＧａＡｓ層と前記複数の量子ドット及び前記ＩｎＧａＡｓ層を覆うように設けられたＧａＡｓからなるバリア層とで構成されるドット層が６層から８層積層され、厚さが２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である活性層と、前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４未満の第５ＡｌＧａＡｓ層と前記第５ＡｌＧａＡｓ層上に設けられたＡｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層と前記第２ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が０．４未満の第３ＡｌＧａＡｓ層とを含む上部クラッド層と、を具備し、前記第２ＡｌＧａＡｓ層と前記第３ＡｌＧａＡｓ層とは孤立するリッジ部であると共に前記リッジ部の最小幅は前記第２ＡｌＧａＡｓ層が有し、前記第５ＡｌＧａＡｓ層は前記リッジ部の両側の前記活性層上に残存することを特徴とする半導体レーザである。
　本発明によれば、光閉込を強くし、かつビーム形状を円形に近づけることができる。
図１は比較例１に係る半導体レーザの断面図である。 図２は比較例２に係る半導体レーザの断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれシュミーレションした比較例１及び比較例２の構造を示す図である。 図４は、比較例１と比較例２に係る半導体レーザの光閉込係数をＷｔｏｐに対し示したシミュレーション結果である。 図５は、ＡｌＧａＡｓ層におけるＡｌ組成比に対するエッチングレートを示す図である。 図６は、実施例１に係る半導体レーザの断面斜視図である。 図７は、量子ドット活性層の１層分のドット層を示した図である。 図８（ａ）から図８（ｄ）は、実施例１に係る半導体レーザの製造工程を示した断面図である。 図９は、ドット層を３層積層した実施例１のＦＦＰ幅を示す図である。 図１０は、ドット層を４層積層した実施例１のＦＦＰ幅を示す図である。 図１１は、ドット層を５層積層した実施例１のＦＦＰ幅を示す図である。 図１２は、ドット層を３層積層した比較例３のＦＦＰ幅を示す図である。 図１３は、ドット層を４層積層した比較例３のＦＦＰ幅を示す図である。 図１４は、実施例２に係る半導体レーザの断面斜視図である。 図１５（ａ）から図１５（ｄ）は、実施例２に係る半導体レーザの製造工程を示した断面図である。 図１６は、実施例２のＦＦＰ幅を第４ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比に対して示した図である。 図１７は、実施例２の光閉込係数を第４ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比に対して示した図である。 図１８は、実施例２のＦＦＰ幅を第１ＡｌＧａＡｓ層の膜厚に対して示した図である。 図１９は、実施例２のＦＦＰ幅を第１ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比に対して示した図である。
　まず、比較例１および比較例２について説明する。図１は比較例１に係る半導体レーザの断面図である。ｐ型ＧａＡｓ基板１０上に、膜厚が１４００ｎｍのｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる下部クラッド層１２、膜厚が５００ｎｍのｐ型層を含むＧａＡｓ量子ドット活性層１４、膜厚が５０ｎｍのアンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１６、膜厚が１２００ｎｍのｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなり、リッジ部３０を構成する上部クラッド層１８が設けられている。リッジ部３０は、上面の幅Ｗｔｏｐに対し、下面からの高さｈ１が２０ｎｍのリッジ部３０の幅Ｗ１、下面からの高さｈ２が５０ｎｍのリッジ部３０の幅Ｗ２としたとき、Ｗ１＝Ｗｔｏｐ＋１．２μｍ、Ｗ２＝Ｗｔｏｐ＋０．８μｍである。
　図２は、比較例２に係る半導体レーザの断面図である。上部クラッド層１８は、膜厚が２００ｎｍのＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓからなる第２ＡｌＧａＡｓ層８２、膜厚が１４００ｎｍのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓからなる第３ＡｌＧａＡｓ層８３から構成されている。第３ＡｌＧａＡｓ層８３の側面はほぼ垂直に形成され、第２ＡｌＧａＡｓ層８２にはくびれ８５が形成されている。リッジ部３０の下面からの高さｈ３が１００ｎｍときのリッジ部３０の幅Ｗ３としたとき、Ｗ３＝Ｗｔｏｐ－０．２５μｍである。
　図３（ａ）及び図３（ｂ）はそれぞれシュミーレションした比較例１及び比較例２の構造を示す図である。基本モードＭ０及び第１高次モードＭ１において、図３（ａ）及び図３（ｂ）のうち領域Ｒ（リッジ部３０下の量子ドット活性層１４）に存在する光強度を各モードの全光強度で規格化した値をそれぞれ各モードの光閉込係数Γ０及びΓ１とした。
　図４は比較例１と比較例２に係る半導体レーザの光閉込係数Γ０及びΓ１をＷｔｏｐに対し示したシミュレーション結果である。白丸が比較例１のシミュレーション結果、黒丸が比較例２のシミュレーション結果である。破線及び実線は、それぞれ比較例１および比較例２のシミュレーション結果を結んだ近似線である。比較例１では、第１高次モードＭ１の光閉込係数Γ１が０．２から０．４である。これに対し、比較例２では、光閉込係数Γ１は０．２以下であり、特に、Ｗｔｏｐが２．０μｍ以下ではΓ１はほとんど０である。さらに、Ｗｔｏｐが１．８μｍ以下ではΓ１はほぼ０である。このように、比較例２では、Ｗｔｏｐを最適化することにより、Γ１をほぼ０とすることができる。また、基本モードＭ０の光閉込係数Γ０においても、比較例１に比べ比較例２は大きい。このように、比較例２は、領域Ｒ内の高次モードを抑制することができ、領域Ｒ内の基本モードの強度を増大させることができる。
　以上のように、リッジ部３０の上面の幅Ｗｔｏｐを下面の幅Ｗｂｏｔと同じか大きくすることにより、発振光への高次モードの混入を抑制することができ、領域Ｒ内の基本モードの強度を増大させることができる。また、発振光への高次モードの混入を抑制した状態で、Ｗｔｏｐを大きくできるため、上部クラッド層１８とｎ用電極２２との接触抵抗を低減することができる。
　リッジ部３０の上面の幅Ｗｔｏｐを下面の幅Ｗｂｏｔと同じか大きくするためには、例えば、リッジ部３０をドライエッチングで形成することが考えられる。しかしながら、量子ドット活性層１４にダメージが形成されてしまう。このように、幅Ｗｔｏｐを幅Ｗｂｏｔと同じか大きい構造を形成することは容易ではない。
　そこで、図２を参照に、比較例２においては、第３ＡｌＧａＡｓ層８３をドライエッチングし、第２ＡｌＧａＡｓ層８２をウエットエッチングすることにより、上部クラッド層１８の側面形状を急峻にすることができる。よって、発振光への高次モードの混入を抑制し、かつ上部クラッド層１８とｎ用電極２２との接触抵抗を低減することができる。このとき、第２ＡｌＧａＡｓ層８２をウエットエッチングするため、量子ドット活性層１４がオーバエッチングされることを抑制することができる。
　第２ＡｌＧａＡｓ層８２のエッチングレートを量子ドット活性層１４及び第３ＡｌＧａＡｓ層８３より速くする例として、例えば、第２ＡｌＧａＡｓ層８２のＡｌ組成比を０．４以上とする。図５は、濃弗酸（４７％）を用いＡｌＧａＡｓ層をウエットエッチングした際のＡｌ組成比とエッチングレートとの関係を示す図である。ＡｌＧａＡｓ層は、Ａｌ組成比が０．４を越えるとエッチングレートが急激に大きくなる。他のエッチャントを用いても、Ａｌ組成比が０．４を越えるとウエットエッチングのエッチング速度が急激に速くなる。これにより、例えば濃弗酸や弗酸水溶液を用い第２ＡｌＧａＡｓ層８２をウエットエッチングすることにより、第３ＡｌＧａＡｓ層８３に対し第２ＡｌＧａＡｓ層８２を選択的にエッチングすることができる。このようにして、リッジ部３０の最小幅を第２ＡｌＧａＡｓ層８２が有することができる。
　量子ドットレーザは、量子ドットの小さい利得のため光閉込を強くすることが求められる。そこで、垂直方向の光閉込を強くするため、量子ドット活性層１４の厚さを大きくすると、ビーム形状は垂直方向に広がる楕円形状となってしまう。そこで、光閉込を強くかつビーム形状を等方的にするため、量子ドット活性層１４の厚さを薄くして垂直方向の光閉込を弱くし、リッジ部３０の幅Ｗｔｏｐを狭くして水平方向の光閉込を強くすることが考えられる。
　しかしながら、比較例２においては、第２ＡｌＧａＡｓ層８２の屈折率が小さいため、ビームが下方向に拡がってしまい、光閉込とビーム形状の両立が難しいことがわかった。以下に、上記課題を解決するための実施例について説明する。
　図６は実施例１の断面斜視図である。ｐ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層１１、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１２、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１５、量子ドットを４層積層した量子ドット活性層１４、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１６、上部クラッド層１８およびｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１９が順次積層されている。下部クラッド層１２はＡｌ組成比が０．３５の第４ＡｌＧａＡｓ層８４およびＡｌ組成比が０．４５の第１ＡｌＧａＡｓ層８１からなり、上部クラッド層１８はＡｌ組成比が０．４５の第２ＡｌＧａＡｓ層８２およびＡｌ組成比が０．３５の第３ＡｌＧａＡｓ層８３からなる。各層の材料、膜厚及びドーピング濃度を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上部クラッド層１８及びコンタクト層１９はリッジ部３０を形成している。リッジ部３０の両側にはスペーサ層１６に達する凹部３５が形成されている。コンタクト層１９上及び凹部３５表面に保護膜２８として酸化シリコン膜が形成されている。リッジ部３０のコンタクト層１９上にｎ用電極２２が形成されている。ｎ用電極２２と配線２５を介し接続するパッド２６が形成されている。基板１０の下面にはｐ用電極２４が形成されている。
　図７は、量子ドット活性層の１層分のドット層４０を示した図である。量子ドット４１はＩｎＡｓより形成される。量子ドット４１間に膜厚が約５ｎｍのＩｎＧａＡｓ層４２が形成される。量子ドット４１およびＩｎＧａＡｓ層４２を覆うように、膜厚が約１４ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４３が形成される。アンドープＧａＡｓ層４３上に膜厚が約１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層４４、膜厚が９ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４５が形成される。アンドープＧａＡｓ層４３、ｐ型ＧａＡｓ層４４、アンドープＧａＡｓ層４５はバリア層４６を構成する。量子ドット活性層１４内の各層の材料、膜厚及びドーピング濃度を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次に実施例１に係る半導体レーザの製造方法について説明する。図８（ａ）から図８（ｄ）は実施例１に係る半導体レーザを製造する工程を示す断面図である。図８（ａ）を参照に、ｐ型半導体基板１０上に、例えばＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用い、バッファ層１１、下部クラッド層１２、複数の量子ドットを有する量子ドット活性層１４、上部クラッド層１８を順次積層し形成する。
　図８（ｂ）を参照に、上部クラッド層１８上にフォトレジスト３２を形成する。フォトレジシト３２をマスクに第２ＡｌＧａＡｓ層８２に達するように、上部クラッド層１８をドライエッチング法を用い異方性エッチングする。このとき、上部クラッド層１８の側面はほぼ垂直となる。
　図８（ｃ）を参照に、ウエットエッチングを用い上部クラッド層１８の第２ＡｌＧａＡｓ層８２をエッチングする。このとき、第２ＡｌＧａＡｓ層８２はＡｌ組成比が０．４５のため、第２ＡｌＧａＡｓ層８２のエッチングレートは、量子ドット活性層１４及び第３ＡｌＧａＡｓ層８３より速くなる。これにより、第２ＡｌＧａＡｓ層８２及び、側面がエッチングされ、リッジ部３０が形成される。このように、量子ドット活性層１４上にリッジ部３０を有する上部クラッド層１８が形成される。第１ＡｌＧａＡｓ層８１のエッチングレートが速いため第１ＡｌＧａＡｓ層８１にはリッジ部３０のくびれ８５が形成される。フォトレジスト３２を除去する。
　図８（ｄ）を参照に、上部クラッド層１８上にｎ用電極２２、ｐ型基板１０下にｐ用電極２４を形成する。これにより、実施例１に係る半導体レーザが完成する。
　図９から図１１は、実施例１に係る半導体レーザのビーム形状を示すシミュレーション結果である。図９、図１０および図１１は、それぞれドット層４０を３層、４層および５層積層したときのＦＦＰ（Far Field Pattern）幅を示す図である。
　比較例３として、実施例１の第１ＡｌＧａＡｓ層８１のＡｌ組成比を０．３５とした場合についても同様のシミュレーションを行った。図１２および図１３は、それぞれドット層４０を３層、４層および５層積層したときのＦＦＰ（Far Field Pattern）幅を示す図である。なお、図９から図１３において、黒丸は、シミュレーションした量子ドット活性層１４への光閉込係数を示し、実線はシミュレーション結果を繋いだ線である。白丸は、シミュレーションした水平方向（すなわち基板１０に水平な方向）のＦＦＰ幅を示し、破線はシミュレーション結果を繋いだ線である。白三角は、シミュレーションした垂直方向（すなわち各層の積層方向）のＦＦＰ幅を示し、点線はシミュレーション結果を繋いだ線である。縦の点線は、水平方向と垂直方向とのＦＦＰ幅が最も小さく、かつ光閉込係数が小さくないメサ幅（メサ幅を小さくしていった際に光閉込係数が急激に減少する前のメサ幅）を示している。
　特に縦の点線のメサ幅Ｗｔｏｐに注目すると、図１２を参照に、ドット層４０が３層の比較例３においては、水平方向のＦＦＰ幅と垂直方向のＦＦＰ幅は略同じである。すなわち、ビーム形状は円形に近い。しかしながら、光閉込係数は約０．３５である。図１３を参照に、ドット層４０が４層の比較例３においては、光閉込係数は約０．４と大きくなるが、垂直方向のＦＦＰ幅が水平方向のＦＦＰ幅に対し大きくなる。これは、第２ＡｌＧａＡｓ層８２の屈折率が小さいため、ビームが下方向に拡がるためである。このように、比較例３においては、光閉込とビーム形状の両立が難しい。
　図９を参照に、ドット層４０が３層の実施例１においては、比較例３と同様に、水平方向のＦＦＰ幅と垂直方向のＦＦＰ幅は略同じであり、光閉込係数は０．３程度と小さい。図１０を参照に、ドット層４０が４層の実施例１においては、水平方向のＦＦＰ幅と垂直方向のＦＦＰ幅は略同じであり、かつ光閉込係数は０．４程度と大きくなる。図１１を参照に、ドット層４０が５層の実施例１においては、光閉込係数は０．５程度と大きいが、垂直方向のＦＦＰ幅が水平方向のＦＦＰ幅より大きくなってしまう。
　以上のように、実施例１によれば、比較例３に比べ、光閉込係数が大きく、かつビーム形状を円形に近づけることができる。これにより、利得を大きくかつファイバとの結合係数を高めることができる。
　実施例１においては、下部クラッド層１２はＡｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層８１を含む。また、上部クラッド層１８は、Ａｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層を含む。これにより、光閉込を強くし、かつビーム形状を円形に近づけることができる。
　また、上部クラッド層１８は、第２ＡｌＧａＡｓ層８２上に設けられたＡｌ組成比が０．４未満の第３ＡｌＧａＡｓ層８３を有することが好ましい。さらに、上部クラッド層１８は孤立するリッジ部３０であることが好ましい。これにより、図８（ｃ）のように、リッジ部３０を急峻に形成することができる。よって、図４のように、高次モードを抑制し、基本モードの光閉込係数を高めることができる。
　さらに、ビーム形状を円形状とするためには、下部クラッド層１２を上部クラッド層１８と対称とすることが好ましい。よって、下部クラッド層１２は、第１ＡｌＧａＡｓ層８１の下に、Ａｌ組成比が０．４未満の第４ＡｌＧａＡｓ層８４を含むことが好ましい。
　また、図８（ｃ）のように、リッジ部３０の最小幅Ｗ３は第２ＡｌＧａＡｓ層８２が有することとなる。
　さらに、図６および図７のように、量子ドット活性層１４は、複数の量子ドット４１を水平方向に有するドット層４０が４層積層されている構造とすることが好ましい。これにより、図１０のように、光閉込係数が大きく、かつビーム形状を円形に近づけることができる。
　第２ＡｌＧａＡｓ層８２のＡｌ組成比は、ウエットエッチングのレートを早くするという目的から、０．４５以上がより好ましい。第２ＡｌＧａＡｓ層８２の縦方向の抵抗を削減するという観点からは０．６以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。
　第１ＡｌＧａＡｓ層８１のＡｌ組成比は、下方向のビームを抑制するという観点からは、第２ＡｌＧａＡｓ層８２のＡｌ組成比と略同じであることが好ましい。すなわち、第２ＡｌＧａＡｓ層８２のＡｌ組成比が０．４以上の場合、第１ＡｌＧａＡｓ層８１のＡｌ組成比も０．４以上であることが好ましく、第２ＡｌＧａＡｓ層８２のＡｌ組成比が０．４５以上の場合、第１ＡｌＧａＡｓ層８１のＡｌ組成比も０．４５以上であることが好ましい。また、第１ＡｌＧａＡｓ層８１の縦方向の抵抗を削減するという観点からは０．６以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。
　第３ＡｌＧａＡｓ層８３のＡｌ組成比は、ウエットエッチングのレートを遅くするという観点から、０．３５以下がより好ましい。クラッド層として機能するという観点からは０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましい。
　さらに、第４ＡｌＧａＡｓ層８４のＡｌ組成比は、下部クラッド層１２を上部クラッド層１８と対称とするため、０．３５以下がより好ましい。クラッド層として機能するという観点からは０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましい。第３ＡｌＧａＡｓ層８３と第４ＡｌＧａＡｓ層８４とのＡｌ組成比は略同じであることが好ましい。
　第１ＡｌＧａＡｓ層８２および第２ＡｌＧａＡｓ層８２はＧａＡｓとＡｌＡｓとの混晶であるが、Ａｌ組成比が０．４以上でウェットエッチングレートが高くなる傾向を示す範囲でＩｎ等の他の元素を含んでいてもよい。また、第３ＡｌＧａＡｓ層８３および第４ＡｌＧａＡｓ層８４はＧａＡｓとＡｌＡｓとの混晶であるが、Ａｌ組成比が０．４未満でウェットエッチングレートが低くなる傾向を示す範囲でＩｎ等の他の元素を含んでいてもよい。
　実施例１において、第１導電型としてｎ型、第２導電型としてｐ型を例に説明したが、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型でもよい。
　図１４は実施例２の断面斜視図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型ＧａＡｓからなるバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１０４、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１０６、量子ドットを６層から８層積層した量子ドット活性層１０８、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１１０、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層１１２、及びｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１１４が順次積層されている。
　表３は、各層の材料、膜厚及びドーピング濃度を示す。下部クラッド層１０４は、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６と第１ＡｌＧａＡｓ層１１８とで構成される。第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比は量子ドット活性層１０８の層数により異なり、量子ドット活性層１０８の層数が６層ではＡｌ組成比は０．２５であり、７層では０．２３であり、８層では０．２１である。このように、量子ドット活性層１０８の層数により第４ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比を変えているのは、後述するように、層数毎に基本モードの発生しなくなるＡｌ組成比が異なるためであり、また、層数毎に第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比に対するＦＦＰ半値全幅及び光閉込係数が異なるためである。第１ＡｌＧａＡｓ層１１８は、Ａｌ組成比が０．４以上であるｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ層とで構成される。
　上部クラッド層１１２は、第５ＡｌＧａＡｓ層１２０、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２、及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４で構成される。第５ＡｌＧａＡｓ層１２０のＡｌ組成比は０．３５であり、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２のＡｌ組成比は０．４５であり、第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比は０．３５である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図１４に戻り、上部クラッド層１１２を構成する３層のうちの第２ＡｌＧａＡｓ層１２２と第３ＡｌＧａＡｓ層１２４とは、コンタクト層１１４と共にリッジ部１２６を形成している。リッジ部１２６の断面形状は長方形様形状をしている。リッジ部１２６の両側には凹部１２８が形成されている。上部クラッド層１１２を構成する３層のうち第５ＡｌＧａＡｓ層１２０は、リッジ部１２６の両側に残存している。
　コンタクト層１１４上及び凹部１２８表面には保護膜１３０として酸化シリコン膜が形成されている。リッジ部１２６のコンタクト層１１４上にｐ用電極１３２が形成されている。ｐ用電極１３２と配線１３３とを介し接続するパッド１３４が形成されている。基板１００の下面にはｎ用電極１３６が形成されている。
　表４は、量子ドット活性層１０８の１層分であるドット層４０を構成する各層の材料、膜厚及びドーピング濃度を示している。ドット層４０の構成図は図７で示した図と同じであるため、ここでは図７を参照して説明する。量子ドット４１は０．８ｎｍ厚のＩｎＡｓにより形成される。量子ドット４１間に膜厚３．６ｎｍのＩｎＧａＡｓ層４２が形成される。量子ドット４１及びＩｎＧａＡｓ層４２を覆うように、膜厚１４．４ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４３が形成される。アンドープＧａＡｓ層４３上に膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層４４、膜厚１２ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４５が順次形成される。アンドープＧａＡｓ層４３、ｐ型ＧａＡｓ層４４、及びアンドープＧａＡｓ層４５はバリア層４６を構成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　次に、図１５（ａ）から図１５（ｄ）を用い、実施例２に係る半導体レーザの製造方法について説明する。図１５（ａ）を参照に、ｎ型半導体基板１００上に、例えばＭＢＥ法を用い、バッファ層１０２、下部クラッド層１０４、スペーサ層１０６、複数の量子ドットを有する量子ドット活性層１０８、スペーサ層１１０、上部クラッド層１１２、及びコンタクト層１１４を順次堆積し形成する。
　図１５（ｂ）を参照に、コンタクト層１１４上にフォトレジスト１３８を形成する。フォトレジスト１３８をマスクに第２ＡｌＧａＡｓ層１２２に達するように、上部クラッド層１１２とコンタクト層１１４とをドライエッチング法を用い異方性エッチングする。このとき、上部クラッド層１１２とコンタクト層１１４との側面はほぼ垂直となる。
　図１５（ｃ）を参照に、ウエットエッチング法を用い上部クラッド層１１２の第２ＡｌＧａＡｓ層１２２をエッチングする。第２ＡｌＧａＡｓ層１２２のＡｌ組成比は０．４５であり、第５ＡｌＧａＡｓ層１２０及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比は０．３５であるため、図５で説明したように、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２のエッチングレートは、第５ＡｌＧａＡｓ層１２０及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４に比べて速くなる。つまり、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２を第５ＡｌＧａＡｓ層１２０及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４に対して選択的にエッチングできる。このため、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２と第３ＡｌＧａＡｓ層１２４とによりリッジ部１２６が形成され、リッジ部１２６の両側の凹部１２８には第５ＡｌＧａＡｓ層１２０が量子ドット活性層１０８上に残存する。また、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２のエッチングレートが第３ＡｌＧａＡｓ層１２４より速いことから、第２ＡｌＧａＡｓ層１２２にはリッジ部１２６のくびれ１４０が形成される。
　図１５（ｄ）を参照に、コンタクト層１１４上にｐ用電極１３２を、ｎ型基板１００の下面にｎ用電極１３６を形成する。これにより、実施例２に係る半導体レーザが完成する。
　図１６は実施例２に係る半導体レーザにおいて、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比に対するＦＦＰ（Far Field Pattern）半値全幅を示したシミュレーション結果である。量子ドット活性層１０８が６層（一点鎖線で表示）、７層（二点鎖線で表示）、８層（実線で表示）の各場合において、第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比が０．３５、０．３、０．２５の場合についてシミュレーションを行った。なお、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比以外は、表３及び表４で示した各層の材料及び膜厚を用いた。また、図１６中の黒丸、黒三角、黒四角は、垂直方向（即ち各層の積層方向）のＦＦＰ半値全幅を示し、黒丸は第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比が０．３５、黒三角は０．３、黒四角は０．２５の場合についてのシミュレーション結果である。白丸、白三角、白四角は、水平方向（即ち基板１００に水平な方向）のＦＦＰ半値全幅を示し、白丸は第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比が０．３５、白三角は０．３、白四角は０．２５の場合についてのシミュレーション結果である。
　量子ドット活性層１０８が６層から８層の場合についてシミュレーションを行ったのは、十分な利得を実現するためには量子ドット活性層１０８は６層以上が好ましいこと、また、量子ドット活性層１０８の層数を多くする程最大利得を増大させることができるが、９層以上になると歪みの蓄積によって表面モホロジーの劣化等が生じ易くなることから８層以下が好ましいことによる。
　図１６を参照に、量子ドット活性層１０８が６層、７層、８層いずれの場合においても、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が小さくなるに従い、垂直方向ＦＦＰ及び水平方向ＦＦＰ共に半値全幅が小さくなる。特に、垂直方向ＦＦＰでは水平方向ＦＦＰに比べ半値全幅の低下率が大きく、Ａｌ組成比が小さくなるに従い、垂直方向ＦＦＰと水平方向ＦＦＰとの半値全幅の差が小さくなり、ＦＦＰの形状が円形形状に近づく。これは、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が小さいほど、ＮＦＰ（Near Field Pattern）の垂直方向の伸びが促進されるためと考えられる。また、量子ドット活性層１０８の層数が６層の場合における第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が０．２３未満の場合、量子ドット活性層１０８の層数が７層における第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が０．２２未満の場合、量子ドット活性層１０８の層数が８層における第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が０．２未満の場合は、基本モードが発生しなくなるため、ＦＦＰ半値全幅が示されていない。
　図１６に示すように、ＦＦＰの形状を円形形状に近づける目的から、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比は、量子ドット活性層１０８が６層の場合は０．２４以上０．２６以下の場合が好ましく、０．２５の場合がより好ましい。７層の場合は０．２２以上０．２４以下の場合が好ましく、０．２３の場合がより好ましい。８層の場合は０．２以上０．２２以下の場合が好ましく、０．２１の場合がより好ましい。即ち、ＦＦＰの形状を円形形状に近づける目的から、量子ドット活性層１０８の層数が６層から８層の場合において、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比を０．２以上０．２６以下とする場合が好ましく、０．２１以上０．２５以下とする場合がより好ましい。
　図１７は実施例２に係る半導体レーザにおいて、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比に対する光閉込係数を示したシミュレーション結果である。図１６と同様に、量子ドット活性層１０８が６層（一点鎖線で表示）、７層（二点鎖線で表示）、８層（実線で表示）の各場合において、第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比が０．３５（丸印）、０．３（三角）、０．２５（四角）の場合についてシミュレーションを行った。なお、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比以外は、表３及び表４で示した各層の材料及び膜厚を用いた。また、図１６と同様に、量子ドット活性層１０８の層数が６層の場合における第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が０．２３未満の場合、量子ドット活性層１０８の層数が７層における第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が０．２２未満の場合、量子ドット活性層１０８の層数が８層における第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が０．２未満の場合は、基本モードが発生しなくなるため、光閉込係数が示されていない。
　図１７を参照に、量子ドット活性層１０８が６層、７層、８層いずれの場合においても、第４ＡｌＧａＡｓ層１１６のＡｌ組成比が小さくなるに従い、基本モードの光閉込係数は低下傾向にある。
　図１８は実施例２に係る半導体レーザにおいて、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚に対するＦＦＰ半値全幅を示したシミュレーション結果である。なお、シミュレーションは、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８はＡｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓの単層であるとして行い、その他の層については、表３及び表４に示す材料、膜厚を用いた。また、図１８中の黒丸は垂直方向のＦＦＰ半値全幅を示し、白丸は水平方向のＦＦＰ半値全幅を示していて、一点鎖線は量子ドット活性層１０８が６層、二点鎖線は７層、実線は８層の場合を示している。
　図１８を参照に、垂直方向ＦＦＰの半値全幅は、量子ドット活性層１０８が８層の場合は第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚が３００ｎｍ程度の場合に極小値を取り、７層の場合は４００ｎｍ程度の場合に極小値を取り、６層の場合は５００ｎｍ程度の場合に極小値を取る。一方、水平方向ＦＦＰの半値全幅は、量子ドット活性層１０８が６層、７層、８層いずれの場合においても、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚が大きくなるに従い若干増加する傾向にある。したがって、垂直ＦＦＰの半値全幅が極小値を取る場合に、垂直ＦＦＰと水平ＦＦＰとの半値全幅の差が小さくなり、ＦＦＰの形状が円形形状に近づく。
　図１８に示すように、ＦＦＰの形状を円形形状に近づける目的から、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚は、量子ドット活性層１０８が８層の場合は２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下が好ましく、２５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下がより好ましく、３００ｎｍの場合がさらに好ましい。７層の場合は３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の場合が好ましく、３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下がより好ましく、４００ｎｍである場合がさらに好ましい。６層の場合は４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合が好ましく、４５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下がより好ましく、５００ｎｍである場合がさらに好ましい。即ち、ＦＦＰの形状を円形形状に近づける目的から、量子ドット活性層１０８の層数が６層から８層の場合において、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚を２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下にすることが好ましく、２５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の場合がより好ましく、３００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の場合がさらに好ましい。
　また、量子ドット活性層１０８の層数が８層の場合において、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚が０ｎｍの場合と６００ｎｍの場合との垂直ＦＦＰの半値全幅は同程度である。また、前述したように、垂直方向ＦＦＰの半値全幅の極小値を取る場合の第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚は、層数が８層の場合で３００ｎｍ、７層の場合で４００ｎｍ、６層の場合で５００ｎｍである。よって、垂直方向ＦＦＰの半値全幅を小さくする目的から、量子ドット活性層１０８の層数が６層から８層の場合において、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚を１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下にすることが好ましく、１５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合がより好ましく、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の場合がさらに好ましい。
　以上のことより、ＦＦＰの形状を円形形状に近づける目的、又は、垂直方向ＦＦＰの半値全幅を小さくする目的から、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚は、１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の場合が好ましい。特に、ＦＦＰを円形形状に近づけ、垂直ＦＦＰの半値幅を小さくすることを同時に実現する目的からは、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の膜厚は、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の場合が好ましく、２５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の場合がより好ましく、３００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の場合がさらに好ましい。
　図１９は実施例２に係る半導体レーザにおいて、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８のＡｌ組成比に対するＦＦＰ半値全幅を示したシミュレーション結果である。なお、シミュレーションは、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８はＡｌＸＧａ１－ＸＡｓの単層で、膜厚が３００ｎｍであるとして行い、その他の層については、表３及び表４に示す材料、膜厚を用いた。また、図１９中の黒丸は垂直方向のＦＦＰ半値全幅を示し、白丸は水平方向のＦＦＰ半値全幅を示していて、一点鎖線は量子ドット活性層１０８が６層、二点鎖線は７層、実線は８層の場合を示している。
　図１９を参照に、量子ドット活性層１０８が６層、７層、８層のいずれの場合においても、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８のＡｌ組成比が大きくなるに従い垂直方向ＦＦＰは低下し、Ａｌ組成比が０．５付近で垂直方向ＦＦＰと水平方向ＦＦＰとの差が小さくなり、ＦＦＰ形状が円形形状に近づく。
　図１９に示すように、垂直ＦＦＰの半値全幅を小さくする目的からは、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８のＡｌ組成比は大きい方が好ましいが、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８の抵抗が増大することを考慮すると０．６以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。ＦＦＰの形状を円形形状に近づける目的からは、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８のＡｌ組成比は、０．４５以上０．５５以下の場合が好ましく、０．４７以上０．５２以下の場合がより好ましく、０．５の場合がさらに好ましい。
　以上のように、実施例２によれば、下部クラッド層１０４は、Ａｌ組成比が０．２以上０．２６以下の第４ＡｌＧａＡｓ層１１６と第４ＡｌＧａＡｓ層１１６上に設けられたＡｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層１１８とを含む。また、上部クラッド層１１２は、Ａｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層１２２と第２ＡｌＧａＡｓ層１２２上に設けられたＡｌ組成比が０．４未満の第３ＡｌＧａＡｓ層１２４とを含む。これにより、図１６及び図１７に示すように、光閉込をある程度強くしつつ、ビーム形状を円形形状に近づけることができる。
　図１５（ｂ）のように、ドライエッチングで第３ＡｌＧａＡｓ層１２４を除去し、図１５（ｃ）のように、ウエットエッチングで第２ＡｌＧａＡｓ層１２２を除去する。これにより、第５ＡｌＧａＡｓ層１２０にダメージを与えることなく、長方形様形状をしたリッジ部１２６を形成できると共に、第５ＡｌＧａＡｓ層１２０を量子ドット活性層１０８上に残存させることができる。
　第２ＡｌＧａＡｓ層１２２のＡｌ組成比は、ウエットエッチングのレートを速くする目的から、０．４５以上である場合がより好ましい。第２ＡｌＧａＡｓ層１２２の抵抗を低減するという目的からは、０．６以下が好ましく、０．５以下がより好ましい。
　また、第５ＡｌＧａＡｓ層１２０及び第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のＡｌ組成比は、エッチングレートを遅くするという目的からは、０．３５以下である場合がより好ましい。クラッド層として機能するという観点からは、０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましい。
　第２ＡｌＧａＡｓ層１２２のエッチングレートが、第３ＡｌＧａＡｓ層１２４のエッチングレートよりも速いことから、図１５（ｃ）のように、くびれ１４０が形成され、リッジ部１２６の最小幅は第２ＡｌＧａＡｓ層１２２が有することになる。
　量子ドット活性層１０８は、図７を用いて説明したように、水平に設けられたＩｎＡｓからなる量子ドット４１と、量子ドット４１の間に設けられたＩｎＧａＡｓ層４２と、量子ドット４１及びＩｎＧａＡｓ層４２を覆うバリア層４６とで構成されるドット層４０が積層されている。ドット層４０の層数は、前述したように、十分な利得の実現と歪みの蓄積による表面モホロジーの劣化の抑制との点から、６層から８層である場合が好ましい。量子ドット活性層１０８の厚さとしては、２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である場合が好ましく、２６０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下である場合がより好ましい。
　実施例２において、第１導電型としてｎ型、第２導電型としてｐ型を例に説明したが、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型でもよい。また、第１ＡｌＧａＡｓ層１１８は、Ａｌ組成比が０．４以上のＡｌＧａＡｓ層が複数層設けられている場合を例に示したが、単層である場合でもよい。
　以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Claims (12)

  1. 　第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層を含む下部クラッド層と、
    　前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットを有する活性層と、
    　前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層を含む上部クラッド層と、
    　を具備することを特徴とする半導体レーザ。
  2. 　前記上部クラッド層は、前記第２ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が０．４未満の第３ＡｌＧａＡｓ層を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 　前記上部クラッド層は孤立するリッジ部であることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
  4. 　前記リッジ部の最小幅は前記第２ＡｌＧａＡｓ層が有することを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
  5. 　前記活性層は、前記複数の量子ドットが水平方向に設けられたドット層が４層積層されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体レーザ。
  6. 　前記第１ＡｌＧａＡｓ層と前記第２ＡｌＧａＡｓ層とのＡｌ組成比は同じであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体レーザ。
  7. 　前記下部クラッド層は、Ａｌ組成比が０．２以上０．２６以下の第４ＡｌＧａＡｓ層を有し、前記第１ＡｌＧａＡｓ層は前記第４ＡｌＧａＡｓ層上に設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項記載の半導体レーザ。
  8. 　前記第１ＡｌＧａＡｓ層の厚さは１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ。
  9. 　前記活性層は、水平方向に設けられたＩｎＡｓからなる前記複数の量子ドットと前記複数の量子ドットの間に設けられたＩｎＧａＡｓ層と前記複数の量子ドット及び前記ＩｎＧａＡｓ層を覆うように設けられたＧａＡｓ層からなるバリア層とで構成されるドット層が６層から８層積層されていることを特徴とする請求項７又は８記載の半導体レーザ。
  10. 　前記活性層の厚さは２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９記載の半導体レーザ。
  11. 　第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４未満の第４ＡｌＧａＡｓ層と前記第４ＡｌＧａＡｓ層上に形成されＡｌ組成比が０．４以上の第１ＡｌＧａＡｓ層とを含む下部クラッド層と、
    　前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットを有する活性層と、
    　前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が前記第１ＡｌＧａＡｓ層と同じである第２ＡｌＧａＡｓ層と前記第２ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が前記第４ＡｌＧａＡｓ層と同じである第３ＡｌＧａＡｓ層とを含む上部クラッド層と、
    　を具備し、
    　前記上部クラッド層は孤立するリッジ部であり、前記リッジ部の最小幅は前記第２ＡｌＧａＡｓ層が有することを特徴とする半導体レーザ。
  12. 　第１導電型を有し、Ａｌ組成比が０．２以上０．２６以下の第４ＡｌＧａＡｓ層と前記第４ＡｌＧａＡｓ層上に形成されＡｌ組成比が０．４以上であり厚さが１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である第１ＡｌＧａＡｓ層とを含む下部クラッド層と、
    　前記下部クラッド層上に設けられ、水平方向に設けられたＩｎＡｓからなる複数の量子ドットと前記複数の量子ドットの間に設けられたＩｎＧａＡｓ層と前記複数の量子ドット及び前記ＩｎＧａＡｓ層を覆うように設けられたＧａＡｓ層からなるバリア層とで構成されるドット層が６層から８層積層され、厚さが２４０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である活性層と、
    　前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有し、Ａｌ組成比が０．４未満の第５ＡｌＧａＡｓ層と前記第５ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が０．４以上の第２ＡｌＧａＡｓ層と前記第２ＡｌＧａＡｓ層上に設けられＡｌ組成比が０．４未満の第３ＡｌＧａＡｓ層とを含む上部クラッド層と、
    　を具備し、
    　前記第２ＡｌＧａＡｓ層と前記第３ＡｌＧａＡｓ層とは孤立するリッジ部であると共に前記リッジ部の最小幅は前記第２ＡｌＧａＡｓ層が有し、前記第５ＡｌＧａＡｓ層は前記リッジ部の両側の前記活性層上に残存することを特徴とする半導体レーザ。
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