(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸層およびバリア層から成る活性層と、
前記活性層に隣接して設けられ、かつ前記バリア層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層と、
前記ｎ型キャリアブロック層に対して前記活性層と反対側に前記ｎ型キャリアブロック層に隣接して設けられるｎ型導波層と、
前記ｎ型導波層に対して前記活性層と反対側に前記ｎ型導波層に隣接して設けられ、かつ前記ｎ型導波層の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するｎ型クラッド層と、
前記活性層に対して前記ｎ型キャリアブロック層と反対側に前記活性層に隣接して設けられ、かつ前記バリア層およびｎ型導波層の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するｐ型クラッド層とを備える半導体レーザ素子であって、
キャリアブロック層として、前記ｎ型キャリアブロック層だけを有し、該ｎ型キャリアブロック層は、導波モードに与える影響が小さい層厚Ｔに形成され、
導波層として、前記ｎ型導波層だけを有し、
屈折率について、前記ｎ型導波層の屈折率＞前記ｎ型クラッド層の屈折率＞前記ｐ型クラッド層の屈折率の関係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ｎ型キャリアブロック層の層厚Ｔは、１０ｎｍ≦Ｔ≦３０ｎｍ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な応用分野で半導体レーザ素子の高出力化が切望されている。半導体レーザ素子の高出力化を図る上では、第１に、活性層における導波モードの光強度を低減することによって、半導体レーザ素子の出射端面で発生する瞬時光学損傷（Catastrophic Optical Damage、以下略してＣＯＤと称する）を抑制することが必要である。また第２に、注入キャリアを活性層に効率的に閉じ込めることによって、半導体レーザ素子の温度特性を高めることが必要である。
図３Ａ〜図３Ｄは、従来技術の半導体レーザ素子の一例を示す図である。図３Ａ〜図３Ｄに示す半導体レーザ素子２は、周知の分離閉じ込め構造（Separate Confinement Heterostructure、以下、略してＳＣＨ構造と称する）の半導体レーザ素子であり、活性層２１が１つの量子井戸層２１ａとその量子井戸層２１ａを挟む２つのバリア層２１ｂとで構成されている例を示す。図３Ａは半導体レーザ素子２の断面図であり、図３Ｂは半導体レーザ素子２の各層に対応した禁制帯幅の分布図であり、図３Ｃは半導体レーザ素子２の各層に対応した屈折率の分布図であり、図３Ｄは半導体レーザ素子２の導波モードを示すグラフである。図３Ｂ〜図３Ｄにおいて、横軸は、半導体レーザ素子２の厚み方向の位置を示している。
ＳＣＨ構造の半導体レーザ素子２は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２２、量子井戸層２１ａおよびバリア層２１ｂから成る活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの単一量子井戸層）２１、ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）２３が順次積層されて形成される。なお、図３Ｂ〜図３Ｄにおいて、ｎ型クラッド層２２はＴ１０〜Ｔ１１に、量子井戸層２１ａはＴ１２〜Ｔ１３に、バリア層２１ｂはＴ１１〜Ｔ１２およびＴ１３〜Ｔ１４に、ｐ型クラッド層２３はＴ１４〜Ｔ１５にそれぞれ対応する。
このようなＳＣＨ構造の半導体レーザ素子２では、キャリア閉じ込めを行う各クラッド層２２，２３自体が、導波モードの閉じ込めを担うように構成されている。このように、キャリアを閉じ込めるための構造が、同時に導波モードを決定づける構造となっているため、ＳＣＨ構造の半導体レーザ素子２では、活性層２１における導波モードの光強度を自由に低減することができないという問題がある。すなわち、半導体レーザ素子２を高出力で動作させることを制限している出射端面でのＣＯＤの発生を抑制するように、半導体レーザ素子２を設計することが困難という問題がある。
このようなＳＣＨ構造の半導体レーザ素子２における問題を克服し、活性層における導波モードの光強度を自由に設計することを目的として提案された完全分離閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructure、以下、略してＤＣＨ構造と称する）の半導体レーザ素子３が、たとえば特許第３６５８０４８号公報に開示されている。
図４Ａ〜図４Ｄは、ＤＣＨ構造の半導体レーザ素子３を示す図である。図４Ａは半導体レーザ素子３を示す断面図であり、図４Ｂは半導体レーザ素子３の各層に対応した禁制帯幅の分布図であり、図４Ｃは半導体レーザ素子３の各層に対応した屈折率の分布図であり、図４Ｄは半導体レーザ素子３の導波モードを示すグラフである。図４Ｂ〜図４Ｄにおいて、横軸は、半導体レーザ素子３の厚み方向の位置を示している。
ＤＣＨ構造の半導体レーザ素子３は、ｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３６、ｎ型導波層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３４、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３２、量子井戸層３１ａおよびバリア層３１ｂから成る活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの単一量子井戸層）３１、ｐ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３３、ｐ型導波層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３５、ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）３７が順次積層されて形成される。なお、図４Ｂ〜図４Ｄにおいて、ｎ型クラッド層３６はＴ２０〜Ｔ２１に、ｎ型導波層３４はＴ２１〜Ｔ２２に、ｎ型キャリアブロック層３２はＴ２２〜Ｔ２３に、活性層３１はＴ２３〜Ｔ２４に、ｐ型キャリアブロック層３３はＴ２４〜Ｔ２５に、ｐ型導波層３５はＴ２５〜Ｔ２６に、ｐ型クラッド層３７はＴ２６〜Ｔ２７にそれぞれ対応する。
このようなＤＣＨ構造の半導体レーザ素子３では、図４Ｂに示すように、高駆動電流注入に伴う活性層の温度上昇によって各キャリアブロック層３２，３３を超えてオーバーフローしたキャリアは、各キャリアブロック層３２，３３よりも低い禁制帯幅を有する各導波層３４，３５に分布することになる。一旦オーバーフローしたキャリアは、各キャリアブロック層３２，３３による高いポテンシャル障壁によって活性層３１内への逆拡散が阻止される。そのため、活性層３１へのキャリア閉じ込めの効率が低下し易くなるという問題がある。
特に、半導体レーザ素子３が、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、およびＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される場合には、電子とホールとの有効質量の差に起因して、すなわち電子はホールに対して有効質量が小さいので、活性層３１内において、電子のキャリア密度がホールのキャリア密度に対して相対的に高くなる。換言すれば、活性層３１内からオーバーフローするキャリアは、ホールに対して電子の方が多くなる。したがって半導体レーザ素子３においては電子の閉じ込めの効率が低下し易くなるという問題がある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の目的は、出射端面でのＣＯＤの発生を抑制し、かつ活性層へのキャリア閉じ込めを確実にすることによって、高効率かつ高出力である半導体レーザ素子を提供することである。
本発明は、量子井戸層およびバリア層から成る活性層と、
前記活性層に隣接して設けられ、かつ前記バリア層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層と、
前記ｎ型キャリアブロック層に対して前記活性層と反対側に前記ｎ型キャリアブロック層に隣接して設けられるｎ型導波層と、
前記ｎ型導波層に対して前記活性層と反対側に前記ｎ型導波層に隣接して設けられ、かつ前記ｎ型導波層の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するｎ型クラッド層と、
前記活性層に対して前記ｎ型キャリアブロック層と反対側に前記活性層に隣接して設けられ、かつ前記バリア層およびｎ型導波層の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するｐ型クラッド層とを備える半導体レーザ素子であって、
キャリアブロック層として、前記ｎ型キャリアブロック層だけを有し、該ｎ型キャリアブロック層は、導波モードに与える影響が小さい層厚Ｔに形成され、
導波層として、前記ｎ型導波層だけを有し、
屈折率について、前記ｎ型導波層の屈折率＞前記ｎ型クラッド層の屈折率＞前記ｐ型クラッド層の屈折率の関係を有することを特徴とする半導体レーザ素子である。
また本発明は、前記ｎ型キャリアブロック層の層厚Ｔは、１０ｎｍ≦Ｔ≦３０ｎｍであることを特徴とする。
本発明によれば、キャリアを活性層内に閉じ込めるための構造が、充分な厚さを有するｐ型クラッド層と、極めて薄いｎ型キャリアブロック層とによって構成されているので、高駆動電流注入に伴う活性層の温度上昇によってオーバーフローした電子を確実に活性層内に閉じ込めるとともに、活性層で発生した光がｎ型キャリアブロック層を通過し易くすることができる。
すなわち、活性層内へのキャリア閉じ込め効率を高く維持するとともに、キャリア閉じ込め構造とは独立して光閉じ込め構造を構成することで、導波モードを広げて、活性層における導波モードの光強度を低減することができるので、出射端面でのＣＯＤの発生を抑制することができる。したがって、高効率かつ高出力である半導体レーザ素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
【図１Ａ】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子１の断面図である。
【図１Ｂ】半導体レーザ素子１の各層１１〜１５に対応した禁制帯幅の分布図である。
【図１Ｃ】半導体レーザ素子１の各層１１〜１５に対応した屈折率の分布図である。
【図１Ｄ】半導体レーザ素子１の各層１１〜１５における導波モードを示すグラフである。
【図２】本実施例の半導体レーザ素子１の出力特性を示す図である。
【図３Ａ】半導体レーザ素子２の断面図である。
【図３Ｂ】半導体レーザ素子２の各層に対応した禁制帯幅の分布図である。
【図３Ｃ】半導体レーザ素子２の各層に対応した屈折率の分布図である。
【図３Ｄ】半導体レーザ素子２の導波モードを示すグラフである。
【図４Ａ】半導体レーザ素子３を示す断面図である。
【図４Ｂ】半導体レーザ素子３の各層に対応した禁制帯幅の分布図である。
【図４Ｃ】半導体レーザ素子３の各層に対応した屈折率の分布図である。
【図４Ｄ】半導体レーザ素子３の導波モードを示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下図面を参考にして本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１Ａは本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子１の断面図であり、図１Ｂは半導体レーザ素子１の各層１１〜１５に対応した禁制帯幅の分布図であり、図１Ｃは半導体レーザ素子１の各層１１〜１５に対応した屈折率の分布図であり、図１Ｄは半導体レーザ素子１の各層１１〜１５における導波モードを示すグラフである。図１Ｂ〜図１Ｄにおいて、横軸は、半導体レーザ素子１の厚み方向の位置を示している。本実施の形態の半導体レーザ素子１は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される。
半導体レーザ素子１は、半導体基板１９の上に、ｎ型クラッド層１５、ｎ型導波層１４、ｎ型キャリアブロック層１３、活性層１１、ｐ型クラッド層１２が順次積層されて形成されている。活性層１１は、図１Ａに示すように、１つの量子井戸層１１ａと、その量子井戸層１１ａを挟み、量子井戸層１１ａの禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有する２つのバリア層１１ｂとから成る。なお、図１Ｂ〜図１Ｄにおいて、ｎ型クラッド層１５はＴ０〜Ｔ１に、ｎ型導波層１４はＴ１〜Ｔ２に、ｎ型キャリアブロック層１３はＴ２〜Ｔ３に、活性層１１はＴ３〜Ｔ４に、ｐ型クラッド層１２はＴ４〜Ｔ５にそれぞれ対応する。
本実施の形態の半導体レーザ素子１は、前述のように単一量子井戸（ＳＱＷ、Single Quantum Well）構造であるが、量子井戸層が複数設けられる多重量子井戸（ＭＱＷ、Multi Quantum Well）構造であっても良い。
ｐ型クラッド層１２の上には、電流狭窄層１６、第１ｐ型コンタクト層１７および第２ｐ型コンタクト層１８が形成されている。さらに、図示しないが、半導体基板１９下面側および第２ｐ型コンタクト層１８の上面側には、それぞれオーミック電極が形成されている。第２ｐ型コンタクト層１８は、このオーミック電極とのオーミック性を得るために、高濃度のドーピングを施すことによって形成されている。
以下、半導体レーザ素子１について詳細に説明する。
ｐ型クラッド層１２は、バリア層１１ｂの禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するように形成される。また、ｎ型キャリアブロック層１３は、バリア層１１ｂの禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するように形成される。半導体レーザ素子１は、このような構成を有することによって、注入されたキャリアを活性層１１内に効率良く閉じ込めることができる。
また、ｐ型クラッド層１２は、十分に厚い層厚を有するように形成される。したがって、高駆動電流注入に伴い活性層の温度が上昇し、活性層１１内に閉じ込められている電子がｐ型クラッド層１２へオーバーフローした場合に、そのオーバーフローした電子を一定の確率で活性層１１内に逆拡散させることができる。
ｎ型キャリアブロック層１３は、活性層１１内で発生した光がｎ型キャリアブロック層１３を容易に通過することができる厚さ、すなわち導波モードに与える影響を極めて小さくし、且つキャリアのトンネル現象が発生しない厚さに形成される。
このように、ｎ型キャリアブロック層１３が極めて薄く形成されているので、たとえｎ型キャリアブロック層１３の屈折率が活性層１１の屈折率に対して小さい場合でも、活性層１１内で発生した光が容易にｎ型キャリアブロック層１３を通過することができる。キャリア閉じ込めから独立したｎ型導波層およびｎ型クラッド層を適性に選ぶことによって活性層１１内に導波モードが集中することを防止することができる。このように、導波モードを広げることによって、活性層３１における導波モードの光強度を減少させることができるので、出射端面におけるＣＯＤの発生を抑制することができる。したがって、半導体レーザ素子１を高出力で動作させることができる。
特に、半導体レーザ素子１が、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、およびＩｎＧａＡｓＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される場合には、電子とホールとの有効質量の差に起因して、すなわち電子はホールに対して有効質量が小さいので、活性層１１内において、電子のキャリア密度がホールのキャリア密度に対して相対的に高くなる。換言すれば、活性層１１内からオーバーフローするキャリアは、ホールに対して電子の方が多くなる。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体における電子とホールとの有効質量については、たとえば次の文献（１）〜（４）に記載される。
（１）Sadao Adachi, J. Appl. Phys., 58(3), R1-29, 1985.
（２）Sadao Adachi, J. Appl. Phys., 53(12), p. 8775-8792, 1982.
（３）Sadao Adachi, "Properties of Aluminium Gallium Arsenide", published 
by INSPEC, 1993 p. 58-72.
（４）Sadao Adachi, "Physical Properties of III-V Semiconductor Compounds:
InP, InAs, GaAs, GaP, InGaAs, and InGaAnP", published by John Wiley & Sons 
Inc., 1992 p. 277-278.
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体によって形成される本発明に係る半導体レーザ素子１では、活性層１１を前述するようなｐ型クラッド層１２とｎ型キャリアブロック層１３とで挟む構成を採用することによって、活性層１１からオーバーフローした電子を活性層１１内に逆拡散させることができるので、活性層１１内におけるキャリアの閉じ込め効率を確実に高くすることができる。
このとき、たとえばｎ型キャリアブロック層１３を、ｐ型クラッド層１２の禁制帯幅よりも大きな禁制帯幅を有するように形成しておくことで、ホールの閉じ込め効率も高くすることができるので、活性層１１内におけるキャリアの閉じ込め効率をより確実に高くすることができる。
ｎ型キャリアブロック層１３は、その層厚Ｔが１０ｎｍ≦Ｔ≦３０ｎｍとなるように形成されることが好ましい。層厚Ｔを３０ｎｍ以下に形成しておくことで、ｎ型キャリアブロック層１３が導波モードに与える影響を効果的に低減して、活性層１１で発生した光を効果的にｎ型導波層１４の方へ導くことができる。また、層厚Ｔを１０ｎｍ以上に形成しておくことで、ｎ型キャリアブロック層１３の空乏化およびトンネル効果に起因して、ホールの閉じ込め機能が損なわれることを防止することができる。
前述するように、ｎ型キャリアブロック層１３およびｐ型クラッド層１２によって、活性層１１内にキャリアを効率的に閉じ込めることができるので、ｎ型導波層１４およびｎ型クラッド層１５は、キャリア閉じ込め構造とは独立して設計することができる。
ｎ型導波層１４は、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１２の禁制帯幅よりも小さな禁制帯幅を有するように形成される。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、禁制帯幅が大きくなるほど屈折率が小さくなるので、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１２の屈折率は、ｎ型導波層１４の屈折率よりも小さくなる。したがって、活性層１１およびｎ型キャリアブロック層１３が充分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効的な屈折率分布は図１Ｃに示すように、活性層１１からｎ型導波層１４までの各層が、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１２に対して高屈折率部となる。これにより、活性層１１で発生した光は、その高屈折率部内に拡がって伝搬することになる。すなわち、活性層１１内における導波モードの光強度を減少させることができるので、出射端面におけるＣＯＤの発生を抑制することができる。したがって、半導体レーザ素子１を高出力で動作させることができる。
図１Ｃに示すように、ｎ型クラッド層１５は、ｐ型クラッド層１２の屈折率よりも大きな屈折率を有するように形成されるのが好ましい。これにより、導波モードをｎ型半導体によって形成されている方へシフトさせることができる。換言すれば、ｎ型半導体によって形成されている層と導波モードとがオーバーラップする割合を高めることができる。
一般に、半導体レーザ素子では、フリーキャリア吸収に起因して内部損失が発生し、このフリーキャリア吸収は、ｐ型半導体層よりもｎ型半導体層の方が小さいことが知られている。したがって、導波モードとｎ型半導体層によって形成される層とがオーバーラップする割合が高くなるように、たとえば９０％以上となるように半導体レーザ素子１を設計することによって、内部損失を可及的に低減して、スロープ効率を高めることができる。したがって、半導体レーザ素子１を高効率かつ高出力で動作させることができる。
（実施例）
半導体レーザ素子１は、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）１９の上に、ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ、厚み：３．５μｍ）１５、ｎ型導波層（ｎ−Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ、厚み：０．４μｍ）１４、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓ、厚み：０．０１３μｍ）１３、活性層（ＳＱＷ：単一量子井戸、Ｉｎ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ／Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓ、量子井戸層厚：０．００６μｍ／バリア層厚：０．０５μｍ）１１、ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ０．５０Ｇａ０．５０Ａｓ、厚み：１．１μｍ）１２が順次積層されて形成されている。
また、ｐ型クラッド層１２の上には、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、厚み：０．３μｍ）１６、第１ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、厚み：１．７μｍ）１７および第２ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、厚み：０．３μｍ）１８が形成されている。
このような構造を有する半導体レーザ素子１は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ、Molecular Beam Epitaxy）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ、Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などのエピタキシャル成長によって作製することが可能である。なお、本実施例の半導体レーザ素子１は、ＭＯＣＶＤによって作製されている。
本実施例の半導体レーザ素子１は、図１Ｄに示すように、導波モードの殆どが、内部損失が相対的に小さいｎ型半導体で形成された層を伝搬していることが判る。具体的には、導波モードとｎ型半導体層によって形成される層とがオーバーラップする割合は９０％以上に達している。
図２は、本実施例の半導体レーザ素子１の出力特性を示す図である。半導体レーザ素子１は、電流注入ストライプ幅が１００μｍ、共振器長が４ｍｍ、ＡＲ／ＨＲ反射率が２．５／９８％となるように作製されている。１５℃、連続注入（ＣＷ）の運転条件において、図２に示すように、最大出力が１７Ｗ以上となることが確認された。また、注入電流が１〜８Ａの間において、スロープ効率が１．１となることが確認されており、本発明が目的としている高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子１であることが確認される。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
【図１Ａ】
0005485905.tif 000002
【図１Ｂ】
0005485905.tif 000003
【図１Ｃ】
0005485905.tif 000004
【図１Ｄ】
0005485905.tif 000005
【図２】
0005485905.tif 000006
【図３Ａ】
0005485905.tif 000007
【図３Ｂ】
0005485905.tif 000008
【図３Ｃ】
0005485905.tif 000009
【図３Ｄ】
0005485905.tif 000010
【図４Ａ】
0005485905.tif 000011
【図４Ｂ】
0005485905.tif 000012
【図４Ｃ】
0005485905.tif 000013
【図４Ｄ】
0005485905.tif 000014