(57)【要約】【課題】リッジ構造を有する半導体レーザ素子において、リッジ部の付け根付近に生じる応力を低減する。【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型ＩｎＰ基板３と、ｎ型ＩｎＰ基板３上に設けられた活性層１２を含む下部半導体積層部４と、下部半導体積層部４上において所定方向に延びる所定領域上に設けられ、リッジ形状を有しておりｐ型クラッド層１８を含むリッジ部５と、リッジ部５の側面上から下部半導体積層部４上の所定領域を除く領域上にわたって設けられた絶縁性の保護膜２５とを備える。下部半導体積層部４は、引っ張り歪みを有し活性層１２とリッジ部５との間に設けられた伸張歪応力付加層１４を更に含み、ｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＩｎＰ基板と、
前記ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられた活性層を含む下部半導体積層部と、
前記下部半導体積層部上において所定方向に延びる所定領域上に設けられ、リッジ形状を有しておりｐ型クラッド層を含むリッジ部と、
前記リッジ部の側面上から前記下部半導体積層部上の前記所定領域を除く領域上にわたって設けられた絶縁性の保護膜と
を備え、
前記下部半導体積層部が、引っ張り歪みを有し前記活性層と前記リッジ部との間に設けられた伸張歪層を更に含み、前記ｎ型ＩｎＰ基板に対して負の格子不整合度を有することを特徴とする、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層及び前記伸張歪層の格子不整合度の和が負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】
前記伸張歪層の格子定数及びバンドギャップが前記活性層より大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記伸張歪層がｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ、またはｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記活性層がＡｌＧａＩｎＡｓからなり、前記伸張歪層がｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ、またはｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層が、圧縮歪みを有する井戸層と引っ張り歪みを有する障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記活性層が、前記ｎ型ＩｎＰ基板と前記活性層との間に設けられた層に対して格子整合していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記伸張歪層が前記下部半導体積層部の最上層に位置しており、前記保護膜と前記伸張歪層が互いに接していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記伸張歪層の層厚が１０［ｎｍ］以上１００［ｎｍ］以下であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、リッジ型のレーザダイオードが記載されている。このレーザダイオードは、ｎ型ＩｎＰ基板上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰから成る回折格子層と、回折格子層上に設けられたＡｌＧａＩｎＡｓから成る多重量子井戸活性層と、この活性層上に設けられたｐ型ＩｎＰから成るリッジ状の上部クラッド層とを備えている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】K.Takagi, et al., “120℃ 10-Gb/sUncooled Direct Modulated 1.3-μm AlGaInAs MQW DFB Laser Diodes”, IEEEPhotonics Technology Letters, VOL. 16, NO. 11, pp.2415-2417 (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、リッジ構造を有する半導体レーザ素子においては、リッジ部の側面からリッジ部以外の素子の表面にわたって保護膜が設けられる。この保護膜は、多くの場合、ＳｉＯ２などの誘電体膜である。このような半導体レーザ素子を作製する際には、各種半導体層を積層したのちエッチングによりリッジ部を形成し、その後に保護膜を成膜することとなる。
【０００５】
しかしながら、例えばＩｎＰ系の半導体の熱膨張係数は、誘電体等の保護膜の熱膨張係数と比較して極めて大きい場合がある。したがって、保護膜を３００℃〜４００℃といった高温にて成膜したのち素子が常温に戻る際、保護膜に接する半導体層が収縮しようとし、保護膜との間に歪みが生じる。これにより、主にリッジ部の付け根付近に応力が生じ、ｐ型ドーパントが拡散して活性層が劣化する等、素子の信頼性が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、リッジ構造を有する半導体レーザ素子において、リッジ部の付け根付近に生じる応力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板と、ｎ型ＩｎＰ基板上に設けられた活性層を含む下部半導体積層部と、下部半導体積層部上において所定方向に延びる所定領域上に設けられ、リッジ形状を有しておりｐ型クラッド層を含むリッジ部と、リッジ部の側面上から下部半導体積層部上の所定領域を除く領域上にわたって設けられた絶縁性の保護膜とを備え、下部半導体積層部が、引っ張り歪みを有し活性層とリッジ部との間に設けられた伸張歪層を更に含み、ｎ型ＩｎＰ基板に対して負の格子不整合度を有することを特徴とする。
【０００８】
この半導体レーザ素子では、下部半導体積層部において活性層とリッジ部との間に伸張歪層が設けられており、下部半導体積層部がｎ型ＩｎＰ基板に対して負の格子不整合度を有する。リッジ部の付け根付近の応力は主に圧縮応力（保護膜を高温で成膜した後、素子が常温に戻る際に下部半導体積層部が圧縮される）であるため、下部半導体積層部が負の格子不整合度を有することにより、この圧縮応力を効果的に補償し、リッジ部の付け根付近に生じる応力を低減できる。
【０００９】
また、半導体レーザ素子は、活性層及び伸張歪層の格子不整合度の和が負であることを特徴としてもよい。これにより、ｎ型ＩｎＰ基板に対して負の格子不整合度を有する下部半導体積層部を好適に実現できる。
【００１０】
また、半導体レーザ素子は、伸張歪層の格子定数及びバンドギャップが活性層より大きいことを特徴としてもよい。これにより、引っ張り歪みを有する伸張歪層を好適に実現できる。
【００１１】
また、半導体レーザ素子は、伸張歪層がｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ、またはｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴としてもよい。
【００１２】
また、半導体レーザ素子は、活性層がＡｌＧａＩｎＡｓからなり、伸張歪層がｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ、またはｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなることを特徴としてもよい。
【００１３】
また、半導体レーザ素子は、活性層が、圧縮歪みを有する井戸層と引っ張り歪みを有する障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有することを特徴としてもよい。或いは、活性層が、ｎ型ＩｎＰ基板と活性層との間に設けられた層に対して格子整合していることを特徴としてもよい。これにより、伸張歪層が受ける活性層からの圧縮応力の影響を低減できるので、リッジ部付け根の応力をより効果的に緩和できる。
【００１４】
また、半導体レーザ素子は、伸張歪層が下部半導体積層部の最上層に位置しており、保護膜と伸張歪層が互いに接していることを特徴としてもよい。これにより、下部半導体積層部と保護膜との間に生じる歪みをより効果的に緩和できる。
【００１５】
また、半導体レーザ素子は、伸張歪層の層厚が１０［ｎｍ］以上１００［ｎｍ］以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、リッジ構造を有する半導体レーザ素子において、リッジ部の付け根付近に生じる応力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの構成を示している。図１（ａ）は半導体レーザ素子１Ａの光導波方向と直交する断面を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線に沿った側断面図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａの作製工程を順に示す図であり、光導波方向に沿った側断面を示している。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａの作製工程を順に示す図である。図３（ａ）は光導波方向に沿った側断面を示しており、図３（ｂ）は光導波方向に垂直な断面を示している。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１実施形態の変形例としての半導体レーザ素子１Ｂの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃの構成を示している。図６（ａ）は半導体レーザ素子１Ｃの光導波方向と直交する断面を示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のVIｂ−VIｂ線に沿った側断面図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｃの作製工程を順に示す図であり、光導波方向に沿った側断面を示している。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｃの作製工程を順に示す図である。図８（ａ）は光導波方向に沿った側断面を示しており、図８（ｂ）は光導波方向に垂直な断面を示している。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｃの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第２実施形態の変形例としての半導体レーザ素子１Ｄの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｅの構成を示している。図１１（ａ）は半導体レーザ素子１Ｅの光導波方向と直交する断面を示す図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のXIｂ−XIｂ線に沿った側断面図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｅの作製工程を順に示す図であり、光導波方向に沿った側断面を示している。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｅの作製工程を順に示す図である。図１３（ａ）は光導波方向に沿った側断面を示しており、図１３（ｂ）は光導波方向に垂直な断面を示している。
【図１４】図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ｅの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。
【図１５】図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、第３実施形態の変形例としての半導体レーザ素子１Ｆの作製工程を示す図であり、光導波方向に垂直な断面を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、所定波長のレーザ光を出力する、いわゆる分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子である。図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すると、半導体レーザ素子１Ａは、主面３ａを有するｎ型ＩｎＰ基板３を備えている。ｎ型ＩｎＰ基板３は、後述するｎ型バッファ層１１と共に、半導体レーザ素子１Ａ内部を導波する光に対して下部クラッドとして機能する。
【００２０】
また、半導体レーザ素子１Ａは、ｎ型ＩｎＰ基板３上に設けられた下部半導体積層部４を備えている。下部半導体積層部４は、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、及び伸張歪応力付加層１４を含んでいる。ｎ型バッファ層１１はｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａ上に設けられており、ＩｎＰ系の化合物半導体、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなる。ｎ型バッファ層１１の層厚は例えば１００［ｎｍ］である。
【００２１】
活性層１２は、ｎ型バッファ層１１上に設けられており、所望の発光波長に応じた組成の半導体からなる。一実施例としては、活性層１２は多重量子井戸構造を有しており、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓからなる障壁層（バリア層）および井戸層が交互に積層されて成る。特に、活性層１２は、圧縮歪みを有する井戸層と引っ張り歪みを有する障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有することが好ましい。或いは、活性層１２は、ｎ型ＩｎＰ基板３と活性層１２との間に設けられた層、すなわちｎ型バッファ層１１に対して格子整合していることが好ましい。
【００２２】
ｐ型キャリアストップ層１３は、キャリアオーバーフローを低減するための層であり、活性層１２上に設けられている。ｐ型キャリアストップ層１３は例えばＺｎドープｐ型ＡｌＩｎＡｓからなり、その層厚は例えば３０［ｎｍ］である。
【００２３】
伸張歪応力付加層１４は、引っ張り歪みを有する（すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板３に対する格子不整合度が負である）層であり、本実施形態における伸張歪層である。伸張歪応力付加層１４は、活性層１２とリッジ部５（後述）との間に設けられており、本実施形態では、伸張歪応力付加層１４はｐ型キャリアストップ層１３上であって下部半導体積層部４の最上層となる位置に設けられている。伸張歪応力付加層１４は、例えばｐ型キャリアストップ層１３に対して引っ張り歪みを生じるＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなり、その層厚は１０［ｎｍ］以上１００［ｎｍ］以下が好ましく、一実施例では３０［ｎｍ］である。
【００２４】
また、ｎ型ＩｎＰ基板３に対する伸張歪応力付加層１４の格子不整合度は、伸張歪応力付加層１４の格子不整合度と活性層１２の格子不整合度との和が負となる程度の値であることが好ましく、好適な範囲は−２．０％以上−０．２％以下である。このような伸張歪応力付加層１４は、その格子定数及びバンドギャップを活性層１２の障壁層より大きくすることによって好適に実現可能である。下部半導体積層部４は、このような伸張歪応力付加層１４を含むことによって、ｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有している。なお、伸張歪応力付加層１４は、上述したｐ型ＧａＩｎＡｓＰの他、ｐ型ＡｌＩｎＡｓやｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓによって構成されてもよい。
【００２５】
また、半導体レーザ素子１Ａは、下部半導体積層部４上に設けられたリッジ部５を備えている。リッジ部５は、下部半導体積層部４上において所定方向（光導波方向）に延びる所定領域（光導波領域）上に設けられ、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａに垂直な方向に突き出たリッジ形状を呈している。
【００２６】
リッジ部５は、中間層１５、ｐ型スペーサ層１６、回折格子層１７、ｐ型クラッド層１８、およびｐ型コンタクト層１９を含んでいる。中間層１５は、伸張歪応力付加層１４上に設けられており、例えばＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなり、その層厚は例えば３０［ｎｍ］である。また、ｐ型スペーサ層１６は、例えばＺｎドープｐ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば５０［ｎｍ］である。
【００２７】
回折格子層１７は、ｐ型スペーサ層１６上に設けられている。回折格子層１７は、活性層１２に沿って配列された複数の光吸収領域１７ａと、複数の光吸収領域１７ａの間を埋め込むように形成された領域１７ｂとを含んで構成されている。
【００２８】
複数の光吸収領域１７ａは、光導波方向と直交する方向を長手方向としてそれぞれ形成され、半導体レーザ素子１Ａが出力しようとする所定波長に応じた周期Λでもって、互いに間隔をあけて光導波方向に配列されている。各光吸収領域１７ａは、例えばＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなり、活性層１２が発する波長の光を吸収するようにバンドギャップが調整されている。各光吸収領域１７ａの厚さは、例えば３０［ｎｍ］である。また、複数の光吸収領域１７ａの間に設けられた領域１７ｂは、複数の光吸収領域１７ａと比較してバンドギャップが大きい半導体、例えばＺｎドープｐ型ＩｎＰからなる。このように、光損失が大きい複数の光吸収領域１７ａの間に、光損失が小さい領域１７ｂが設けられることにより、活性層１２付近を共振する光に対して利得変調を行うことができる。
【００２９】
ｐ型クラッド層１８は、回折格子層１７上に設けられており、半導体レーザ素子１Ａ内部を導波する光に対して上部クラッドとして機能する。ｐ型クラッド層１８は例えばＺｎドープｐ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば２．０［μｍ］である。また、ｐ型コンタクト層１９は、ｐ型クラッド層１８上に設けられており、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓからなる。ｐ型コンタクト層１９の層厚は例えば３００［ｎｍ］である。
【００３０】
半導体レーザ素子１Ａにおいては、このリッジ部５への電流注入により生じる活性層１２内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。光導波方向と直交する方向におけるリッジ部５の幅は例えば１．５［μｍ］である。
【００３１】
リッジ部５の両側面には、絶縁性の保護膜２５が設けられている。本実施形態の保護膜２５は、リッジ部５の両側面のほか、リッジ部５から露出する下部半導体積層部４の表面、すなわちリッジ部５が設けられた下部半導体積層部４上の所定領域を除く領域上にわたって設けられている。本実施形態では、下部半導体積層部４の最上層が伸張歪応力付加層１４であるため、保護膜２５は伸張歪応力付加層１４と接している。保護膜２５を構成可能な材料としては、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＢＣＢ、ポリイミドといった誘電体や、絶縁体、ポリマー等が挙げられる。保護膜２５の厚さは、例えば５００［ｎｍ］である。
【００３２】
ｐ型コンタクト層１９上には電極２０が設けられており、この電極２０とｐ型コンタクト層１９とがオーミック接触を成している。また、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａとは反対側の裏面には電極２１が設けられており、この電極２１とｎ型ＩｎＰ基板３とがオーミック接触を成している。
【００３３】
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの作製方法について、図２〜図４を参照しながら説明する。まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａ上に、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、伸張歪応力付加層１４、中間層１５、ｐ型スペーサ層１６、光吸収層２４、及びカバー層２６を形成する。光吸収層２４は、例えばＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなり、光吸収領域１７ａ（図１を参照）となる層である。カバー層２６は、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば３０［ｎｍ］である。なお、これらの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。
【００３４】
次に、回折格子層１７を構成する複数の光吸収領域１７ａを形成する。すなわち、カバー層２６上にＳｉＯ２を１００［ｎｍ］の厚さに成膜し、レジストを塗布したのち、例えば電子線（ＥＢ）描画によって複数の光吸収領域１７ａに対応するパターンを転写する。そして、カバー層２６及び光吸収層２４に対してドライエッチングを施す。このとき、ｐ型スペーサ層１６が露出した時点（エッチング深さ３０［ｎｍ］）でエッチングを停止する。こうして、図２（ｂ）に示すように、互いに間隔をあけて光導波方向に配列された複数の光吸収領域１７ａが形成される。
【００３５】
続いて、レジストを剥離したのちｎ型ＩｎＰ基板３を成長炉に再投入し、図３（ａ）に示すように、ｐ型クラッド層１８、ｐ型コンタクト層１９を順次成長させる。なお、ｐ型クラッド層１８を成長させる際、ｐ型ＩｎＰによって複数の光吸収領域１７ａの隙間が埋め込まれることにより領域１７ｂが形成され、これによって回折格子層１７が完成する。その後、ｐ型コンタクト層１９上にＳｉＯ２を５００［ｎｍ］の厚さに成膜し、ドライエッチングによりリッジ形成用ストライプマスクを形成する。このマスクを用いて、ｐ型コンタクト層１９、ｐ型クラッド層１８、回折格子層１７、ｐ型スペーサ層１６、及び中間層１５にメタン水素系のドライエッチングを施し、図３（ｂ）に示すようにリッジ部５を形成する。このとき、伸張歪応力付加層１４が露出した時点でエッチングを停止する。
【００３６】
続いて、図４（ａ）に示すように、リッジ部５の表面（上面及び両側面）と、リッジ部５から露出した伸張歪応力付加層１４の表面とを覆うように、保護膜２５を形成する。このとき、例えばＳｉＯ２からなる保護膜２５を、プラズマＣＶＤ法により成膜する。成膜原料としては例えばＳｉＨ４及びＯ２を用い、成膜温度を例えば４００℃とする。
【００３７】
そして、リッジ部５の上方に位置する保護膜２５の一部をドライエッチングにより除去し、開口を形成する。その後、図４（ｂ）に示すように、該開口を介してｐ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１をｎ型ＩｎＰ基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面に反射防止膜（ＡＲ膜）及び高反射膜（ＨＲ膜）をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａが完成する。
【００３８】
本実施形態による半導体レーザ素子１Ａによれば、次の作用効果が得られる。すなわち、半導体レーザ素子１Ａを作製する際には、保護膜２５を高温で成膜した後、下部半導体積層部４及び保護膜２５が常温に戻る際に下部半導体積層部４が圧縮されるので、下部半導体積層部４に圧縮応力が内包される。特に、リッジ部５の付け根付近には、リッジ部５の側面及び底部からの応力が集中するので、大きな圧縮応力が内包されることとなる。この問題点を解決するため、半導体レーザ素子１Ａでは、下部半導体積層部４において活性層１２とリッジ部５との間に伸張歪応力付加層１４が設けられており、下部半導体積層部４がｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有する。このように、下部半導体積層部４が負の格子不整合度を有することによって、リッジ部５の付け根付近に内包される圧縮応力を効果的に打ち消し、この圧縮応力を低減できる。したがって、半導体レーザ素子１Ａの信頼性を高めることができる。
【００３９】
本発明者は、上記効果を確認するため、伸張歪応力付加層１４を有する半導体レーザ素子１Ａと、伸張歪応力付加層を有しない半導体レーザ素子とを作製し、ＡＰＣ信頼性試験を実施した。その結果、周囲温度を１００［℃］、駆動電流を１５０［ｍＡ］、連続動作時間を１５００時間とするＡＰＣ信頼性試験において、伸張歪応力付加層を有しない半導体レーザ素子は、４０個中２４個が電流変動率２０％以上となったのに対し、伸張歪応力付加層１４を有する半導体レーザ素子１Ａでは、電流変動率２０％以上となったのは４０個中僅か１個であった。
【００４０】
また、伸張歪応力付加層を有しない半導体レーザ素子ではリッジ部の付け根付近の圧縮応力は７００［Ｍｐａ］であったが、伸張歪応力付加層１４を有する半導体レーザ素子１Ａでは該圧縮応力が２０［Ｍｐａ］となり、リッジ部の付け根付近における圧縮応力をほぼゼロとすることができた。
【００４１】
本実施形態のように、活性層１２及び伸張歪応力付加層１４の格子不整合度の和は負であることが好ましい。これにより、ｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有する下部半導体積層部４を好適に実現できる。また、本実施形態のように、伸張歪応力付加層１４の格子定数及びバンドギャップは、活性層１２の格子定数及びバンドギャップより大きいことが好ましい。これにより、引っ張り歪みを有する伸張歪応力付加層１４を好適に実現できる。
【００４２】
また、本実施形態のように、活性層１２は、圧縮歪みを有する井戸層と、引っ張り歪みを有する障壁層とが交互に積層された歪補償多重量子井戸構造を有することが好ましい。或いは、活性層１２は、ｎ型ＩｎＰ基板３と活性層１２との間に設けられたｎ型バッファ層１１に対して格子整合していることが好ましい。これにより、伸張歪応力付加層１４が受ける活性層１２からの圧縮応力の影響を低減できるので、リッジ部５の付け根の圧縮応力をより効果的に緩和できる。
【００４３】
また、本実施形態のように、伸張歪応力付加層１４は下部半導体積層部４の最上層に位置しており、保護膜２５と伸張歪応力付加層１４とが互いに接していることが好ましい。これにより、下部半導体積層部４と保護膜２５との間に生じる歪みをより効果的に緩和できる。
【００４４】
また、本実施形態のように、伸張歪応力付加層１４は、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ、ｐ型ＡｌＩｎＡｓ、またはｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなることが好ましい。特に、伸張歪応力付加層１４の材料として引っ張り歪みを有するＡｌＩｎＡｓ（例えば、Ａｌの組成比０．６）を適用した場合、このようなＡｌの組成比は、活性層に格子整合する従来のｐ型ＡｌＩｎＡｓのＡｌ組成比（０．４７７）と比較して大きいので、キャリアオーバーフローをより効果的に抑制でき、更なる特性の改善を期待できる。特に、８５℃以上の高温環境ではＡｌＩｎＡｓのキャリアオーバーフロー抑制効果が低下する傾向があるが、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、そのような環境下においてもキャリアオーバーフローを好適に抑制できる。
【００４５】
伸張歪応力付加層１４が、引っ張り歪みを有するＡｌＩｎＡｓからなる場合、飽和電流値（光出力が飽和するときの電流値）も改善される。すなわち、伸張歪応力付加層１４を有しない半導体レーザ素子と、伸張歪応力付加層１４を有する半導体レーザ素子１Ａとを１００［℃］での電流−光出力特性を比較すると、伸張歪応力付加層１４を有しない半導体レーザ素子の飽和電流は９５［ｍＡ］であったのに対し、伸張歪応力付加層１４を有する半導体レーザ素子１Ａの飽和電流は１１０［ｍＡ］まで改善した。これは、ＡｌＩｎＡｓの伝導帯高さが、活性層１２のバリア層（ＡｌＧａＩｎＡｓ，Ａｌ＝０．２８５，Ｇａ＝０．１３０）の伝導帯に対してより高くなったことに因る。
【００４６】
（第１の変形例）
続いて、上記実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子１Ｂについて、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照しつつ説明する。本変形例の半導体レーザ素子１Ｂは、樹脂層２７を備える点についてのみ上記実施形態と異なっており、他の構成については上記実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様である。
【００４７】
この半導体レーザ素子１Ｂの作製工程においては、第１実施形態と同一の作製方法にて保護膜２５まで形成したのち、図５（ａ）に示すように、樹脂層２７を形成する。樹脂層２７は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）といった樹脂からなる。本工程では、樹脂層２７の材料を塗布し、キュアによって硬化させることにより、樹脂層２７を、リッジ部５の両側面を埋め込むように、リッジ部５が設けられた下部半導体積層部４上の所定領域を除く領域上に形成する。
【００４８】
その後、リッジ部５の上方に位置する樹脂層２７及び保護膜２５をドライエッチングにより除去し、開口を形成する。そして、図５（ｂ）に示すように、該開口を介してｐ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１をｎ型ＩｎＰ基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面にＡＲ膜及びＨＲ膜をコーティングすることにより、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ｂが完成する。
【００４９】
本変形例のように、保護膜２５を覆う樹脂層２７が存在する場合であっても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
（第２の実施の形態）
本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃは、屈折率変調型のＤＦＢレーザ素子である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子１Ｃは、ｎ型ＩｎＰ基板３、下部半導体積層部６、リッジ部７、電極２０及び２１を備えている。これらの構成のうち、ｎ型ＩｎＰ基板３、電極２０及び２１の構成については第１実施形態と同様である。
【００５１】
また、本実施形態の下部半導体積層部６は、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、伸張歪応力付加層１４、及び回折格子層２８を含んでいる。これらのうち、回折格子層２８を除く他の層の構成及び作用は、第１実施形態と同様である。なお、本実施形態では、伸張歪応力付加層１４は下部半導体積層部６の最上層ではなく、回折格子層２８が下部半導体積層部６の最上層に位置している。また、下部半導体積層部６は、伸張歪応力付加層１４を含むことによって、ｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有している。
【００５２】
回折格子層２８は、活性層１２に沿って設けられている。本実施形態では、回折格子層２８は伸張歪応力付加層１４の直上に設けられている。回折格子層２８とｎ型クラッド層１８との界面には、回折格子２８ａが形成されている。回折格子２８ａは、半導体レーザ素子１Ａが出力しようとする所定波長に応じた周期Λでもって、光導波方向に形成された周期構造である。回折格子層２８は、例えばＺｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなり、その厚さは例えば３０［ｎｍ］である。
【００５３】
リッジ部７は、下部半導体積層部６上において所定方向（光導波方向）に延びる所定領域（光導波領域）上に設けられ、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａに垂直な方向に突き出たリッジ形状を呈している。本実施形態のリッジ部７は、ｐ型クラッド層１８及びｐ型コンタクト層１９を含んでいる。ｐ型クラッド層１８は、回折格子層２８上に設けられており、半導体レーザ素子１Ｃ内部を導波する光に対して上部クラッドとして機能する。ｐ型クラッド層１８は例えばＺｎドープｐ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば２．０［μｍ］である。また、ｐ型コンタクト層１９の構成は第１実施形態と同様である。
【００５４】
半導体レーザ素子１Ｃにおいては、このリッジ部７への電流注入により生じる活性層１２内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。光導波方向と直交する方向におけるリッジ部７の幅は例えば１．５［μｍ］である。
【００５５】
リッジ部７の両側面には、絶縁性の保護膜２５が設けられている。本実施形態の保護膜２５は、リッジ部７の両側面のほか、リッジ部７から露出する下部半導体積層部６の表面、すなわちリッジ部７が設けられた下部半導体積層部６上の所定領域を除く領域上にわたって設けられている。本実施形態では、下部半導体積層部６の最上層が回折格子層２８であるため、保護膜２５は回折格子層２８と接している。保護膜２５の構成材料は第１実施形態と同様である。
【００５６】
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃの作製方法について、図７〜図９を参照しながら説明する。まず、図７（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａ上に、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、伸張歪応力付加層１４、回折格子層２８、及びカバー層２９を形成する。カバー層２９は、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば３０［ｎｍ］である。なお、これらの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。
【００５７】
次に、回折格子層２８の表面に回折格子２８ａを形成する。すなわち、カバー層２９上にＳｉＯ２を１００［ｎｍ］の厚さに成膜し、レジストを塗布したのち、例えばＥＢ描画によって回折格子２８ａに対応するパターンを転写する。そして、カバー層２９及び回折格子層２８に対してドライエッチングを施す。このとき、エッチング深さを例えば２５［ｎｍ］とする。こうして、図７（ｂ）に示すように、周期構造を有する回折格子２８ａが形成される。
【００５８】
続いて、レジストを剥離したのちｎ型ＩｎＰ基板３を成長炉に再投入し、図８（ａ）に示すように、ｐ型クラッド層１８、ｐ型コンタクト層１９を順次成長させる。その後、ｐ型コンタクト層１９上にＳｉＯ２を５００［ｎｍ］の厚さに成膜し、ドライエッチングによりリッジ形成用ストライプマスクを形成する。このマスクを用いて、ｐ型コンタクト層１９及びｐ型クラッド層１８にメタン水素系のドライエッチングを施し、図８（ｂ）に示すようにリッジ部７を形成する。このとき、回折格子層２８が露出した時点でエッチングを停止する。
【００５９】
続いて、図９（ａ）に示すように、リッジ部７の表面（上面及び両側面）と、リッジ部７から露出した回折格子層２８の表面とを覆うように、保護膜２５を形成する。なお、保護膜２５の作製方法は第１実施形態と同様である。
【００６０】
そして、リッジ部７の上方に位置する保護膜２５の一部をドライエッチングにより除去し、開口を形成する。その後、図９（ｂ）に示すように、該開口を介してｐ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１をｎ型ＩｎＰ基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面にＡＲ膜及びＨＲ膜をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃが完成する。
【００６１】
本実施形態による半導体レーザ素子１Ｃにおいては、下部半導体積層部６において活性層１２とリッジ部７との間に伸張歪応力付加層１４が設けられており、下部半導体積層部６がｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有する。このように、下部半導体積層部６が負の格子不整合度を有することによって、リッジ部７の付け根付近に内包される圧縮応力を効果的に打ち消し、この圧縮応力を低減できる。
【００６２】
なお、本実施形態では、伸張歪応力付加層１４の上に回折格子層２８（ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ）が積層されているが、回折格子層２８は厚さ３０［ｎｍ］程度と薄いので、伸張歪応力付加層１４の上記効果に何ら支障はない。また、回折格子層２８が、伸張歪応力付加層１４に対して格子整合するのではなく引っ張り歪みを有する場合には、下部半導体積層部６における圧縮応力緩和作用が更に顕著となる。
【００６３】
（第２の変形例）
続いて、上記実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子１Ｄについて、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照しつつ説明する。本変形例の半導体レーザ素子１Ｄは、樹脂層３０を備える点についてのみ上記実施形態と異なっており、他の構成については上記実施形態の半導体レーザ素子１Ｃと同様である。
【００６４】
この半導体レーザ素子１Ｄの作製工程においては、第２実施形態と同一の作製方法にて保護膜２５まで形成したのち、図１０（ａ）に示すように、樹脂層３０を形成する。樹脂層３０は、例えばＢＣＢといった樹脂からなる。本工程では、樹脂層３０の材料を塗布し、キュアによって硬化させることにより、樹脂層３０を、リッジ部７の両側面を埋め込むように、リッジ部７が設けられた下部半導体積層部６上の所定領域を除く領域上に形成する。
【００６５】
その後、リッジ部７の上方に位置する樹脂層３０及び保護膜２５をドライエッチングにより除去し、開口を形成する。そして、図１０（ｂ）に示すように、該開口を介してｐ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１をｎ型ＩｎＰ基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面にＡＲ膜及びＨＲ膜をコーティングすることにより、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ｄが完成する。
【００６６】
本変形例のように、保護膜２５を覆う樹脂層３０が存在する場合であっても、第２実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６７】
（第３の実施の形態）
本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｅは、利得変調型のＤＦＢレーザ素子である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子１Ｅは、ｎ型ＩｎＰ基板３、下部半導体積層部８、リッジ部９、電極２０及び２１を備えている。これらの構成のうち、ｎ型ＩｎＰ基板３、電極２０及び２１の構成については第１実施形態と同様である。
【００６８】
また、本実施形態の下部半導体積層部８は、ｎ型バッファ層１１、回折格子層３１、ｎ型スペーサ層３２、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、及び伸張歪応力付加層１４を含んでいる。これらのうち、ｎ型バッファ層１１、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、及び伸張歪応力付加層１４の構成及び作用は、第１実施形態と同様である。なお、下部半導体積層部８は、伸張歪応力付加層１４を含むことによって、ｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有している。
【００６９】
回折格子層３１は、ｎ型バッファ層１１上に設けられている。回折格子層３１は、活性層１２に沿って配列された複数の光吸収領域３１ａと、複数の光吸収領域３１ａの間を埋め込むように形成された領域３１ｂとを含んで構成されている。なお、光吸収領域３１ａ及び領域３１ｂの構成及び作用は、第１実施形態の光吸収領域１７ａ及び領域１７ｂと同様である。
【００７０】
ｎ型スペーサ層３２は、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば１００［ｎｍ］である。なお、本実施形態の活性層１２は、このｎ型スペーサ層３２上に設けられている。
【００７１】
リッジ部９は、下部半導体積層部８上において所定方向（光導波方向）に延びる所定領域（光導波領域）上に設けられ、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａに垂直な方向に突き出たリッジ形状を呈している。本実施形態のリッジ部９は、ｐ型クラッド層１８及びｐ型コンタクト層１９を含んでいる。ｐ型クラッド層１８は、伸張歪応力付加層１４上に設けられており、半導体レーザ素子１Ｅ内部を導波する光に対して上部クラッドとして機能する。ｐ型クラッド層１８は例えばＺｎドープｐ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば２．０［μｍ］である。また、ｐ型コンタクト層１９の構成は第１実施形態と同様である。
【００７２】
半導体レーザ素子１Ｅにおいては、このリッジ部９への電流注入により生じる活性層１２内部での実効的な屈折率分布によって、屈折率型導波路が形成される。光導波方向と直交する方向におけるリッジ部９の幅は例えば１．５［μｍ］である。
【００７３】
リッジ部９の両側面には、絶縁性の保護膜２５が設けられている。本実施形態の保護膜２５は、リッジ部９の両側面のほか、リッジ部９から露出する下部半導体積層部８の表面、すなわちリッジ部９が設けられた下部半導体積層部８上の所定領域を除く領域上にわたって設けられている。本実施形態では、下部半導体積層部８の最上層が伸張歪応力付加層１４であるため、保護膜２５は伸張歪応力付加層１４と接している。保護膜２５の構成材料は第１実施形態と同様である。
【００７４】
続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｅの作製方法について、図１２〜図１４を参照しながら説明する。まず、図１２（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板３の主面３ａ上に、ｎ型バッファ層１１、光吸収層３３、及びカバー層３４を形成する。カバー層３４は、例えばＳｉドープｎ型ＩｎＰからなり、その層厚は例えば１０［ｎｍ］である。なお、これらの半導体層の成長は、例えば有機金属気相成長炉を用いて行われる。
【００７５】
次に、回折格子層３１を構成する複数の光吸収領域３１ａを形成する。すなわち、カバー層３４上にＳｉＯ２を１００［ｎｍ］の厚さに成膜し、レジストを塗布したのち、例えばＥＢ描画によって複数の光吸収領域３１ａに対応するパターンを転写する。そして、カバー層３４及び光吸収層３３に対してドライエッチングを施す。このとき、ｎ型バッファ層１１が露出した時点（エッチング深さ３０［ｎｍ］）でエッチングを停止する。こうして、図１２（ｂ）に示すように、互いに間隔をあけて光導波方向に配列された複数の光吸収領域３１ａが形成される。
【００７６】
続いて、レジストを剥離したのちｎ型ＩｎＰ基板３を成長炉に再投入し、図１３（ａ）に示すように、ｎ型スペーサ層３２、活性層１２、ｐ型キャリアストップ層１３、伸張歪応力付加層１４、ｐ型クラッド層１８、ｐ型コンタクト層１９を順次成長させる。なお、ｎ型スペーサ層３２を成長させる際、ｎ型ＩｎＰによって複数の光吸収領域３１ａの隙間が埋め込まれることにより領域３１ｂが形成され、これによって回折格子層３１が完成する。その後、ｐ型コンタクト層１９上にＳｉＯ２を５００［ｎｍ］の厚さに成膜し、ドライエッチングによりリッジ形成用ストライプマスクを形成する。このマスクを用いて、ｐ型コンタクト層１９及びｐ型クラッド層１８にメタン水素系のドライエッチングを施し、図３（ｂ）に示すようにリッジ部９を形成する。このとき、伸張歪応力付加層１４が露出した時点でエッチングを停止する。
【００７７】
続いて、図１４（ａ）に示すように、リッジ部９の表面（上面及び両側面）と、リッジ部９から露出した伸張歪応力付加層１４の表面とを覆うように、保護膜２５を形成する。なお、保護膜２５の作製方法は第１実施形態と同様である。
【００７８】
そして、リッジ部９の上方に位置する保護膜２５の一部をドライエッチングにより除去し、開口を形成する。その後、図１４（ｂ）に示すように、該開口を介してｐ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１をｎ型ＩｎＰ基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面にＡＲ膜及びＨＲ膜をコーティングすることにより、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｅが完成する。
【００７９】
本実施形態による半導体レーザ素子１Ｅにおいては、下部半導体積層部８において活性層１２とリッジ部９との間に伸張歪応力付加層１４が設けられており、下部半導体積層部８がｎ型ＩｎＰ基板３に対して負の格子不整合度を有する。このように、下部半導体積層部８が負の格子不整合度を有することによって、リッジ部９の付け根付近に内包される圧縮応力を効果的に打ち消し、この圧縮応力を低減できる。
【００８０】
（第３の変形例）
続いて、上記実施形態の一変形例に係る半導体レーザ素子１Ｆについて、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）を参照しつつ説明する。本変形例の半導体レーザ素子１Ｆは、樹脂層３５を備える点についてのみ上記実施形態と異なっており、他の構成については上記実施形態の半導体レーザ素子１Ｅと同様である。
【００８１】
この半導体レーザ素子１Ｆの作製工程においては、第３実施形態と同一の作製方法にて保護膜２５まで形成したのち、図１５（ａ）に示すように、樹脂層３５を形成する。樹脂層３５は、例えばＢＣＢといった樹脂からなる。本工程では、樹脂層３５の材料を塗布し、キュアによって硬化させることにより、樹脂層３５を、リッジ部９の両側面を埋め込むように、リッジ部９が設けられた下部半導体積層部８上の所定領域を除く領域上に形成する。
【００８２】
その後、リッジ部９の上方に位置する樹脂層３５及び保護膜２５をドライエッチングにより除去し、開口を形成する。そして、図１５（ｂ）に示すように、該開口を介してｐ型コンタクト層１９と接する電極２０を蒸着し、更に電極２１をｎ型ＩｎＰ基板３の裏面に蒸着する。最後に、共振器となる両端面にＡＲ膜及びＨＲ膜をコーティングすることにより、本変形例に係る半導体レーザ素子１Ｆが完成する。
【００８３】
本変形例のように、保護膜２５を覆う樹脂層３５が存在する場合であっても、第３実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００８４】
本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では伸張歪層の構成材料としてＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ、及びＡｌＧａＩｎＡｓを例示したが、結晶性が低下しない範囲で引っ張り歪みを実現できる組成であれば良く、これらに限られるものではない。また、上記各実施形態では活性層の構成材料としてＡｌＧａＩｎＡｓを例示したが、例えばＧａＩｎＡｓＰといった他の組成を有しても良い。また、上記各実施形態ではｎ型ドーパントとしてＳｉを、ｐ型ドーパントとしてＺｎをそれぞれ例示したが、ｎ型ドーパントはＳ、Ｓｎ、Ｓｅ、及びＴｅの何れかであってもよく、ｐ型ドーパントはＣ、Ｂｅ、及びＭｇの何れかであってもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１Ａ〜１Ｆ…半導体レーザ素子、３…ｎ型ＩｎＰ基板、３ａ…主面、４，６，８…下部半導体積層部、５，７，９…リッジ部、１１…ｎ型バッファ層、１２…活性層、１３…ｐ型キャリアストップ層、１４…伸張歪応力付加層、１５…中間層、１６…ｐ型スペーサ層、１７，３１…回折格子層、１７ａ，３１ａ…光吸収領域、１８…ｐ型クラッド層、１９…ｐ型コンタクト層、２０，２１…電極、２５…保護膜、２７，３０，３５…樹脂層、２８…回折格子層、２８ａ…回折格子、３２…ｎ型スペーサ層。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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