(57)【要約】【課題】結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる半導体レーザ素子及びその製造方法を得る。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型クラッド層１２、ｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２が順番に形成されている。レーザ共振器の端面に窓構造が形成されていない。ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８は、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰからなる。ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型ＧａＡｓ基板と、この第１導電型ＧａＡｓ基板上に順番に形成された第１の第１導電型クラッド層、第１ガイド層、活性層、第２ガイド層、第１の第２導電型クラッド層、及び第２導電型コンタクト層とを備え、
レーザ共振器の端面に窓構造が形成されておらず、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層は、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰからなり、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶであることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１ガイド層と前記第２ガイド層の少なくとも一方は１００ｎｍ以上の厚さを有し、
前記第１の第１導電型クラッド層、前記第１ガイド層、前記活性層、前記第２ガイド層、前記第１の第２導電型クラッド層、前記第２導電型コンタクト層のバンドギャップエネルギーをそれぞれＥｇ（Ｃ１）、Ｅｇ（Ｇ１）、Ｅｇ（Ａ）、Ｅｇ（Ｇ２）、Ｅｇ（Ｃ２）とすると、｜Ｅｇ（Ｇ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｇ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の大きい方が｜Ｅｇ（Ｃ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｃ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の小さい方の０．６６倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第１の第１導電型クラッド層及び前記第１の第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰからなり、
前記活性層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１の第１導電型クラッド層及び前記第１の第２導電型クラッド層はＡｌＧａＡｓからなり、
前記活性層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第１の第１導電型クラッド層と前記第１ガイド層の間に形成された第２の第１導電型クラッド層と、
前記第２ガイド層と前記第１の第２導電型クラッド層の間に形成された第２の第２導電型クラッド層とを更に備え、
前記第２の第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層は、自然超格子が無秩序化されたＩｎＧａＰからなり、
前記第２の第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層の室温におけるバンドギャップは１．８８〜１．９２ｅＶであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記ＧａＡｓ基板の面方位は（１００）面から＜１１１＞Ｂ方向に０．５°〜１０°傾いていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項５に係る半導体レーザ素子を製造する方法であって、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を結晶成長する時の成長温度と前記第２の第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層を結晶成長する時の成長温度が異なるようにすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
請求項５に係る半導体レーザ素子を製造する方法であって、
前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比と第１導電型クラッド層及び前記第２の第２導電型クラッド層を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比が異なるようにすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力用途の半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、特に結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子において、ガイド層と活性層のバンドギャップエネルギーの差をクラッド層と活性層のバンドギャップエネルギーの差の０．６６倍以下にすると、動作電圧を低減できることが知られている。この条件を満たすために必要なバンドギャップエネルギーを持つガイド層として、従来はＩｎＧａＡｓＰを用いていた（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２２７８７０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２４１２３号公報
【特許文献３】特開２０００−１１４６５４号公報
【特許文献４】特開平１０−２００１９０号公報
【非特許文献１】K. Ono and M. Takemi、Journal of Cryst. Growth 298 (2007) 41
【非特許文献２】A. Gomyo et al., Phys. Rev. Lett. 60 (1988) 2645.
【非特許文献３】五明ら：第３８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、３０ａ−ＺＧ５（１９９１）
【非特許文献４】Z. C. Feng、 E. Armour、 I. Ferguson、 R. A. Stall、 T. Holden, L. Malikova, J. Z. Wan, and F. H. Pollak, “  Nondestructive assessment of In0.48(Ga1-xAlx)0.52P films grown on GaAs (001) by low pressure metalorganic chemical vapor deposition,”  J. Appl. Phys., Vol. 85, No. 7, pp. 3824-3831, Apr. 1999
【非特許文献５】A. G. Thompson M. Cardona, and K. L. Shaklee, “Electroreflectance in the GaAs-GaP,” Phys. Rev., Vol. 146, No. 2, pp. 601-610, June 1966
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ＩｎＧａＡｓＰは、結晶成長において非混和性領域が存在する。特にＧａＡｓ基板に格子整合する組成やＡｓの比率が小さい組成で、その影響が深刻である。非混和性領域において結晶成長したＩｎＧａＡｓＰでは、相分離の発生によって結晶表面のモフォロジー悪化や、光学特性、電気特性の劣化などが起こる（例えば、非特許文献１参照）。こうした結晶性の低下は、半導体レーザ素子の性能に悪影響を与える。
【０００５】
また、ＩｎＧａＡｓＰは、結晶成長時に材料ガスであるＡｓＨ３とＰＨ３の分解率の比率が成長温度によって大きく左右されるため、混晶組成の精密制御が非常に困難である。従って、半導体レーザ素子の性能を規格内に歩留り良く収めることができなかった。
【０００６】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる半導体レーザ素子及びその製造方法を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１導電型ＧａＡｓ基板と、この第１導電型ＧａＡｓ基板上に順番に形成された第１の第１導電型クラッド層、第１ガイド層、活性層、第２ガイド層、第１の第２導電型クラッド層、及び第２導電型コンタクト層とを備え、レーザ共振器の端面に窓構造が形成されておらず、前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層は、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰからなり、前記第１ガイド層及び前記第２ガイド層の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶであることを特徴とする半導体レーザ素子である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型クラッド層１２、ｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２が順番に形成されている。ｐ型クラッド層２０の上部分の両側には、プロトン注入領域２４が形成されている。ｐ型コンタクト層２２上にｐ電極２６が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にｎ電極２８が形成されている。また、本実施の形態に係る半導体レーザ素子では、レーザ共振器の端面に窓構造が形成されていない。
【００１０】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０の面方位は（１００）面から＜１１１＞Ｂ方向に０．５°〜１０°傾いている。ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０はＡｌ０．１５Ｇａ０．３５Ｉｎ０．５０Ｐ、活性層１６はＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２、ｐ型コンタクト層２２はＧａＡｓからなる。活性層１６として上記材料を用いることにより、発振波長が８０８ｎｍ近傍となる半導体レーザを実現することができる。
【００１１】
また、本実施の形態の特徴として、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８は、自然超格子が形成されたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなる。ここで、自然超格子とはＩｎとＧａがＩＩＩ族原子層面内で規則的に配置された構造である。このｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の室温におけるバンドギャップは１．７７〜１．８８ｅＶである。
【００１２】
上記半導体レーザ素子の動作時には、ｐ型クラッド層２０側から活性層１６に正孔が注入され、ｎ型クラッド層１２側から活性層１６に電子が注入される。これらの正孔と電子の結合により、活性層１６にレーザ光が発生する。なお、プロトンは注入した領域を高抵抗にする作用があるので、電流はプロトン注入領域２４を避けて流れる。
【００１３】
本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法について説明する。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されたｎ型クラッド層１２、不純物添加のないｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型不純物として亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）等が添加されたｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２を順番に形成する。
【００１４】
ここで、ＭＯＣＶＤ成長の成長温度を例えば６５０℃とし、成長圧力を例えば１００ｍｂａｒ等とする。各層を形成するための原料ガスとして、例えばトリメチルアルミニウム（Trimethylaluminum: TMA）、トリメチルインジウム（Trimethylindium: TMI）、トリメチルガリウム（Trimethylgallium: TMG）、フォスフィン（Phosphine: PH3）、アルシン（Arsine: AsH3）、ジシラン（Si2H6）、ジエチル亜鉛（Diethylzinc: DEZ）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Cyclopentadienyl Magnesium: Cp2Mg）を用いる。これら原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller: MFC）等を用いて流量を制御することで、所望の組成の層を得る。
【００１５】
このエピタキシャル積層構造を形成した後、パターン転写等により部分的にプロトン注入領域２４を形成し、ｐ型コンタクト層２２の上にｐ電極２６を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の下面にｎ電極２８を形成する。以上の工程により、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が製造される。
【００１６】
ここで、ＩｎＧａＰは、自然超格子の発生によりバンドギャップ縮小が起こることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。これは光デバイスの短波長化に対して大きな妨げとなるため、これまで自然超格子の無秩序化（ディスオーダー）の対策が講じられてきた。その最も一般的な対策がＧａＡｓ基板の面方位を（１００）面からＡ方向へ１０°〜２０°傾斜させるというものであり、ＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系の光デバイスにおいて広く用いられている。これに対し、本実施の形態では、自然超格子の発生を利用してバンドギャップが１．７７〜１．８８ｅＶのＩｎＧａＰ層をガイド層に用いている。
【００１７】
図２は、ＧａＡｓ基板の面方位とＩｎＧａＰのバンドギャップの関係を示す図である（例えば、非特許文献３参照）。この図から、ＧａＡｓ基板の面方位を（１００）面からＢ面方向に０．５°〜１０°傾けることにより、単に（１００）ジャスト面を使用するよりも自然超格子によるバンドギャップ縮小を起こすことが分かる。
【００１８】
さらに我々は、面方位の異なるＧａＡｓ基板について成長温度によって自然超格子のオーダリング状態がどのように変化するかを詳細に調査した。図３は、成長温度条件に対するバンドギャップ波長の変化を調べた図である。（１００）ジャスト、Ａ面方向へ１０°オフ、Ｂ面方向へ５°オフという３種類のＧａＡｓ基板についてＰＬ測定を行った。また、バンドギャップ波長は格子整合度換算したものである。この結果より、Ａ面方向へのオフ、（１００）ジャスト、Ｂ面方向へのオフの順にバンドギャップ波長は長く（即ちバンドギャップは小さく）なることが分かる。さらに、それぞれの面方位に対して長波長化の効果を最大にするような成長温度条件が存在することが分かる。この実験結果を参酌して基板面方位や成長条件を適宜選択することで、自然超格子が形成されたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなるｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８を形成することができる。
【００１９】
ここで、ｎ型クラッド層１２、ｎ側ガイド層１４、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、ｐ型クラッド層２０のバンドギャップエネルギーをそれぞれＥｇ（Ｃ１）、Ｅｇ（Ｇ１）、Ｅｇ（Ａ）、Ｅｇ（Ｇ２）、Ｅｇ（Ｃ２）とする。ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０はＡｌ０．１５Ｇａ０．３５Ｉｎ０．５０Ｐからなるため、Ｅｇ（Ｃ１）＝Ｅｇ（Ｃ２）＝１．９７１ｅＶである（例えば、非特許文献４参照）。ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８は自然超格子が形成されたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなるため、Ｅｇ（Ｇ１）＝Ｅｇ（Ｇ２）＝１．７７〜１．８８ｅＶである。活性層１６はＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２からなるため、Ｅｇ（Ａ）＝１．５７５ｅＶである（例えば、非特許文献５参照）。
【００２０】
従って、｜Ｅｇ（Ｇ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｇ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の大きい方が｜Ｅｇ（Ｃ１）−Ｅｇ（Ａ）｜と｜Ｅｇ（Ｃ２）−Ｅｇ（Ａ）｜の小さい方の０．６６倍以下という条件を満たす。よって、特許文献１に記載されているように、電圧−電流特性の立ち上がり電圧（ジャンクション電圧）を低減して、高出力用途の半導体レーザ素子の動作電圧を低減することができる。これにより、電気変換効率の低下を抑制し、半導体レーザの特性や信頼性の劣化を防止することができる。
【００２１】
また、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８が１００ｎｍ未満の場合は、拡散やドリフトにより電子及び正孔を十分に輸送できるため、ジャンクション電圧が小さくなる。しかし、レーザ光の光強度分布がｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０内に存在し、フリーキャリア吸収の影響を受けて半導体レーザのスロープ効率が低下する。これを避けるために、ｎ側ガイド層１４とｐ側ガイド層１８の少なくとも一方は１００ｎｍ以上の厚さを有する。ただし、電子及び正孔の相互拡散定数は数μｍ程度なので、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の厚さを６００ｎｍより厚くするとドリフトにより強制的に電流を流すこととなり、動作電圧の増加を招く。
【００２２】
上記の構造の半導体レーザ素子において、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の構成物質として、ＧａＡｓ基板と格子整合し、室温におけるバンドギャップが１．７７〜１．８８ｅＶの物質を用いる必要がある。これに対して、本実施の形態では、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰをＩｎＧａＡｓＰの代わりに用いている。従って、結晶性の低下の原因となりさらに混晶組成の精密制御が困難なＩｎＧａＡｓＰを用いる必要が無いため、結晶性の低下を防ぎ、混晶組成を精密に制御することができる。
【００２３】
なお、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰによりガイド層を形成した半導体レーザ素子は既に提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。しかし、これらの半導体レーザ素子は、イオン注入により自然超格子を無秩序化してレーザ共振器の端面に窓構造を形成したものである。ここでは、自然超格子は窓構造を形成するための超格子構造の無秩序化プロセスに関るものであり、窓構造と不可分の関係にある。これに対して、本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、レーザ共振器の端面に窓構造が形成されておらず、発明の目的も基本構造も全く異なる。
【００２４】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。実施の形態１のＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０の代わりに、ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層３２がそれぞれ形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。この構成により実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
なお、ｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層３２のＡｌ組成比は、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８の屈折率より小さい屈折率となるように選択される。例えば、ｎ型クラッド層３０及びｐ型クラッド層３２はＡｌ０．１５Ｇａ０．３５Ａｓからなる。
【００２６】
また、ｎ型クラッド層３０とｐ型クラッド層３２のＡｌ組成比を必ずしも同一でなくてもよい。ただし、両者のＡｌ組成比を同一にすることにより、光分布が対称となり、例えばＹＡＧロッドへの入射効率が高くなる。
【００２７】
実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。ｎ型クラッド層１２とｎ側ガイド層１４の間にｎ型クラッド層３４が形成され、ｐ側ガイド層１８とｐ型クラッド層２０の間にｐ型クラッド層３６が形成されている。ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６は、自然超格子が無秩序化されたＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなる。ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６の室温におけるバンドギャップは１．８８〜１．９２ｅＶである。その他の構成は実施の形態１と同様である。
【００２８】
ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８のバンドギャップを１．７７〜１．８８ｅＶに設定すると、活性層とガイド層・クラッド層との間の光閉じ込めが強くなり過ぎることがある。そこで、本実施の形態では、クラッド層の屈折率を上げる（バンドギャップを小さくする）ために、ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６を挿入している。
【００２９】
また、ｎ型クラッド層３４及びｐ型クラッド層３６は、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８と同一組成のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐからなるため、製造中に原料ガスの比率を変化させる必要がなく、製造が簡単である。ただし、両者のバンドギャップが異なるようにするため、以下のような製造工程を採用する。
【００３０】
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法等によってｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型クラッド層１２、及びｎ型クラッド層３４を成長させる。ただし、ｎ型クラッド層３４の成長温度は、図３を参酌して自然超格子の秩序化が崩れる温度、例えば７００℃にする。そして、成長温度を下げてｎ側ガイド層１４を成長させる。ただし、ｎ側ガイド層１４の成長温度は、自然超格子の秩序化が最大になる温度にする。
【００３１】
次に、活性層１６、ｐ側ガイド層１８、第２のｐ型クラッド層２０、ｐ型クラッド層２０、及びｐ型コンタクト層２２を成長させる。ただし、ｐ型クラッド層３６の成長温度は自然超格子の秩序化が崩れる温度にし、ｐ側ガイド層１８の成長温度は自然超格子の秩序化が最大になる温度にする。このエピタキシャル積層構造を形成した後、実施の形態１と同様の工程を行うことで、本実施の形態に係る半導体レーザ素子が製造される。
【００３２】
このように、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８を結晶成長する時の成長温度とｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０を結晶成長する時の成長温度が異なるようにする。これにより、同一基板上において自然超格子の秩序化度を変化させることができる。
【００３３】
また、成長温度以外の成長条件、例えばＶ族／ＩＩＩ族ガス比を変えてもよい。即ち、ｎ側ガイド層１４及びｐ側ガイド層１８を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比とｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層２０を結晶成長する時の原料ガスのＶ族／ＩＩＩ族比が異なるようにしてもよい。
【００３４】
なお、実施の形態１〜３においてＧａＡｓＰを活性層に持つ８０８ｎｍ帯の半導体レーザ素子について説明したが、ＩｎＧａＡｓを活性層に持つ９００〜１１００ｎｍ帯の半導体レーザ素子や、ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓを活性層に持つ８００ｎｍ近傍帯の半導体レーザ素子にも本発明を適用することができる。即ち、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１）の活性層を用いることができる。これらの半導体レーザ素子において、ガイド層として、ＩｎＧａＡｓＰの代わりに、自然超格子が形成されたＩｎＧａＰを用いることで、同様の効果を得ることができる。また、活性層は数ｎｍの非常に薄い層であるため、厚いガイド層のようなＩｎＧａＡｓＰの非混和性の問題は生じない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施の形態１に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】ＧａＡｓ基板の面方位とＩｎＧａＰのバンドギャップの関係を示す図である。
【図３】成長温度条件に対するバンドギャップ波長の変化を調べた図である。
【図４】実施の形態２に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図５】実施の形態３に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ｎ型ＧａＡｓ基板（第１導電型ＧａＡｓ基板）
１２，３０  ｎ型クラッド層（第１の第１導電型クラッド層）
１４  ｎ側ガイド層（第１ガイド層）
１６  活性層
１８  ｐ側ガイド層（第２ガイド層）
２０，３２  ｐ型クラッド層（第１の第２導電型クラッド層）
２２  ｐ型コンタクト層（第２導電型コンタクト層）
３４  ｎ型クラッド層（第２の第１導電型クラッド層）
３６  ｐ型クラッド層（第２の第２導電型クラッド層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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