(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層をそれぞれ設け、
前記活性層に前記クラッド層よりも近接して前記活性層および前記クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型キャリアブロック層を設け、
前記ｎ型およびｐ型クラッド層は、それぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、
πを円周率、第１クラッド層の屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5
と定義したとき
Ｖ＞π／３
であって、
前記活性層は、量子井戸層、および該量子井戸層の両側にそれぞれ設けられ、前記量子井戸層の禁制帯幅よりも大きい禁制帯幅を持つバリア層からなる単一または多重の量子井戸構造を有し、
該バリア層は、炭素またはマグネシウムでドープされていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記バリア層のドーピング濃度は１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3の範囲であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
量子井戸層、およびバリア層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
量子井戸層、およびバリア層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の高出力化を目的として、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリアブロック層を設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このような構造において、キャリアブロック層は注入キャリアを活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するとともに、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現できる。
【０００３】
図５（ａ）はこうした半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図５（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布図である。図５に示す構造は、周知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】
図５（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成される。
【０００５】
図５（ｂ）に示すように、各キャリアブロック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成されているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャリア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】
またキャリアブロック層および活性層が十分に薄く、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５（ｃ）に示すように、第１ｎ型クラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成されているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力化が可能となる。
【０００７】
この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多重量子井戸）−ＤＣＨ（Decoupled Confinement Heterostructure ）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum electronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596-1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子において高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリアを活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】
図６（ａ）は分離閉じ込め構造（ＳＣＨ）の半導体レーザ素子の禁制帯図であり、図６（ｂ）は完全分離閉じ込め構造（ＰＳＣＨ）の半導体レーザ素子の禁制帯図である。ここでは、活性層が１つの量子井戸層と該層を挟む２つのバリア層で構成されている例を示す。
【００１０】
図６（ａ）の分離閉じ込め構造では、禁制帯幅が大きく、かつ充分に厚く形成されたクラッド層が、注入キャリアを活性層内に閉じ込めている。活性層内のキャリアは熱励起によってクラッド層へオーバーフローしようとするが、クラッド層が厚いため、一定の確率で活性層内へ逆拡散する。そのため、活性層へのキャリア閉じ込めの効率がよい。しかしながら、導波モードが活性層内に集中するため、高出力動作に伴って端面破壊が発生し易くなる。
【００１１】
図６（ｂ）の完全分離閉じ込め構造では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への光の洩れ出しを容易にするため通常、０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成される。こうして導波モードが広がって、端面破壊レベルが向上するため高出力動作が可能になる。
【００１２】
図６（ｂ）に示すように、キャリアブロック層を越えてオーバーフローしたキャリアは、キャリアブロック層よりも低い禁制帯幅を有する第１クラッド層に分布する。この場合、いったんオーバーフローしたキャリアは、キャリアブロック層の高いポテンシャル障壁によって活性層内への逆拡散が阻止される。そのためこうした構造では活性層へのキャリア閉じ込めの効率が低下し易くなる。したがって、キャリアのオーバーフロー自体を抑制することが必要になる。
【００１３】
その対策として、キャリアブロック層の禁制帯幅を大きくし、キャリアブロック機能を強化している。
【００１４】
しかしながら、キャリアブロック層に用いる材料の禁制帯幅に限界がある。特にＡｌＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においては、バンド端が間接端化するため禁制帯幅の広い材料を用いても伝導帯のバンドオフセットは増加しない。このような場合キャリアブロック層へのドーピング濃度を高く形成することによってポテンシャル障壁の高さを維持することになるが、過度なドーピングがフリーキャリア吸収をもたらし、内部損失の増大を招いてしまう。
【００１５】
本発明の目的は、活性層へのキャリア閉じ込めを確実にすること、特に問題となる電子のオーバーフラッドを阻止することによって高効率で高出力な半導体レーザ素子を提供することである。
【００１６】
また本発明の目的は、高出力化の障害となる出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レーザ素子を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層をそれぞれ設け、
前記活性層に前記クラッド層よりも近接して前記活性層および前記クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型キャリアブロック層を設け、
前記ｎ型およびｐ型クラッド層は、それぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、
πを円周率、第１クラッド層の屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5
と定義したとき
Ｖ＞π／３
であって、
前記活性層は、量子井戸層、および該量子井戸層の両側にそれぞれ設けられ、前記量子井戸層の禁制帯幅よりも大きい禁制帯幅を持つバリア層からなる単一または多重の量子井戸構造を有し、
該バリア層は、炭素またはマグネシウムでドープされてい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、前記バリア層のドーピング濃度は１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3の範囲であることを特徴とする。
ここで、第１クラッド層の屈折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、下記の（数１）で表わせる。
【００１８】
【数１】
0003658048.tif 000002
【００１９】
また本発明は、量子井戸層、およびバリア層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、量子井戸層、およびバリア層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００２０】
【作用】
本発明に従えば、量子井戸構造を持つ活性層のｐ型ドーピングバリア層１５，１９（以下、バリア層とのみ称することがある）が炭素またはマグネシウムでドープされて、いわゆる変調ドーピングが施されている。
【００２１】
図１は、変調ドーピングされた多重量子井戸構造の禁制帯図である。ここでは２つの量子井戸層の間、およびその両側に合計３つのバリア層が形成されている。バリア層を炭素またはマグネシウムでドーピングすることによって、バリア層の正孔の数が増加して、禁制帯幅の小さい量子井戸層に移動し局在することになる。このため量子井戸内の正孔濃度が高くなる。
【００２２】
図２は、注入キャリア密度に対する光利得を示すグラフである。横軸の注入キャリア密度は、素子の層厚方向に流れる単位面積１ｃｍ2 当りのキャリア数であり、縦軸は半導体レーザ素子の光利得を示す。グラフの各曲線は、バリア層のドーピング濃度による変化を示し、曲線Ｌ１はバリア層がノンドープ、曲線Ｌ２はバリア層のドーピング濃度が５×１０17ｃｍ-3、曲線Ｌ３は１×１０18ｃｍ-3、曲線Ｌ４は１．５×１０18ｃｍ-3、曲線Ｌ５は２×１０18ｃｍ-3である。
【００２３】
グラフを見ると、注入キャリア密度の増加に応じて光利得も増加するとともに、バリア層のドーピング濃度が高いほど光利得が増加することが判る。なお、過度のドーピングは格子定数の不一致をもたらすため、ドーピング濃度の上限は１×１０19ｃｍ-3が好ましく、結局１×１０17〜１×１０19ｃｍ-3の範囲内のドーピングが好ましい。
【００２４】
図３は、電流密度に対する光利得を示すグラフである。横軸の電流密度は、素子の層厚方向に流れる単位面積１ｃｍ2 当りの電流であり、縦軸は半導体レーザ素子の光利得を示す。グラフの各曲線は、バリア層のドーピング濃度による変化を示し、曲線Ｌ６はノンドープ、曲線Ｌ７は１×１０18ｃｍ-3である。
【００２５】
グラフを見ると、電流密度の増加に応じて光利得も増加するとともに、バリア層のドーピング濃度が高いほど光利得が増加することが判る。
【００２６】
このように量子井戸内の正孔濃度を高くすることにより、レーザ発振時（利得一定時）における活性層内の電子の擬フェルミレベルを従来より下げることが可能になる。これにより問題となる活性層内電子のキャリアブロック層を超えてのオーバーフローを抑制でき、活性層内へのキャリア閉じ込めの効率が向上する。
【００２７】
特に、活性層を構成する量子井戸層およびバリア層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成される場合、正孔と電子の有効質量比が約７と大きいために、レーザ発振時における電子の擬フェルミレベルが高くなり過ぎるという現象を回避しつつキャリアオーバーフローを抑制できる。そのため発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）が向上する。
【００２８】
また、ドーパントとして使用する炭素またはマグネシウムは、拡散性の小さい元素であるため、製造プロセス中での拡散が抑制され、狭い領域において高濃度ドーピングが可能になる。したがって、量子井戸層はノンドープで、バリア層のみにドープするという変調ドーピングを容易に実現できる。さらに、拡散による量子井戸構造の無秩序化や発光スペクトルの拡がりによって発生する発振閾値の上昇を回避できる。
【００２９】
ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：Journal Appl. Phys.59(4),15(1986)1156)。したがって炭素がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００３０】
また、ｎ型およびｐ型クラッド層を活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という複数層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層にはさまれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド層からなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形成することによって半導体レーザ素子の出射端面の活性領域におけるレーザ光の局所集中をさけ、端面破壊レベルをより高くすることが可能になるため、前述のような効果を有効且つ十分に発揮させることができる。またマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００３１】
また、量子井戸層およびバリア層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、好ましくはＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保たれるため、バリア層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００３２】
【実施例】
図４（ａ）は本発明の一実施例の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は活性層１０の拡大断面図である。
【００３３】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２６の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＳＱＷ：単一量子井戸）１０、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）２１、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）２２、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）２３、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）２４、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜３×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）２５が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ、アクセプターはＰ型コンタクト層以外はＣをドープしたものである。Ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしている。
【００３４】
ｐ型コンタクト層２の上面および半導体基板２６の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。また、レーザ光は紙面垂直方向に沿って進行し、光共振器を構成する両端面の間で発振する。
【００３５】
図４（ｂ）に示すように、活性層１０は単一量子井戸を有し、下から順次、無ドーピングバリア層（Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、厚み：０．０３８μｍ）１４、ｐ型ドーピングバリア層（ｐ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、炭素ドープ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１０μｍ）１５、無ドーピングバリア層（Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、厚み：０．００２μｍ）１６、量子井戸層（ＧａＡｓ、ドーピング無し、厚み：０．００４μｍ）１７、無ドーピングバリア層（Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、厚み：０．００２μｍ）１８、ｐ型ドーピングバリア層（ｐ−Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、炭素ドープ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１０μｍ）１９、無ドーピングバリア層（Ａｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓ、厚み：０．０３８μｍ）２０がそれぞれ形成されている。
【００３６】
注目すべき点は、単一量子井戸構造を持つ活性層１０において、幾つかのバリア層が炭素でドープされている点である。炭素ドーピングによって形成された正孔は、量子井戸層内に局在して光利得の増加に資する。その結果、擬フェルミレベルが低下して、キャリアブロック層のポテンシャル障壁が相対的に高くなって、キャリア閉じ込めの効率が向上する。また、半導体レーザ素子の特性温度も向上する。
【００３７】
比較例として、ｐ型ドーピングバリア層１５、１９の代わりに無ドーピングバリア層を置換して形成した半導体レーザを作成した。実施例および比較例ともに、キャビティー長：１５００μｍ、電流注入ストライプ幅：５０μｍ、光学コーティング無しという共通条件で比較したところ、発振閾値の温度依存性を示す特性温度に関して、比較例は１１０Ｋ、実施例は１４０Ｋと計測され、実施例のものが約３０％向上することが確認された。
【００３８】
なお以上の実施例において、ｐ型ドーピングバリア層１５、１９のドーパントとして炭素を用いた例を示したが、同様に拡散性の低いマグネシウムなどを使用することも可能である。
【００３９】
また、活性層１０は単一量子井戸構造のものを示したが、量子井戸層の数が２つ以上の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）であっても構わない。
【００４０】
また、半導体レーザ素子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本発明を適用することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、量子井戸構造を持つ活性層のｐ型ドーピングバリア層１５，１９を炭素またはマグネシウムでドープすることによって、量子井戸内の正孔濃度が高くなる。そのため、活性層内の電子の擬フェルミレベルが低くなって、電子が活性層からオーバーフローする確率が小さくなる。したがって、活性層内へのキャリア閉じ込めの効率が向上して、レーザ発振効率や特性温度が向上する。
【００４２】
こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子において、高効率化および高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】変調ドーピングされた多重量子井戸構造の禁制帯図である。
【図２】注入キャリア密度に対する光利得を示すグラフである。
【図３】電流密度に対する光利得を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は本発明の一実施例の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は活性層１０の拡大断面図である。
【図５】図５（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図５（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布図である。
【図６】図６（ａ）は分離閉じ込め構造（ＳＣＨ）の半導体レーザ素子の禁制帯図であり、図６（ｂ）は完全分離閉じ込め構造（ＰＳＣＨ）の半導体レーザ素子の禁制帯図である。
【符号の説明】
１０  活性層
１１  第２ｎ型クラッド層
１２  第１ｎ型クラッド層
１３  ｎ型キャリアブロック層
１４、１６、１８、２０  無ドーピングバリア層
１５、１９  ｐ型ドーピングバリア層
１７  量子井戸層
２１  ｐ型キャリアブロック層
２２  第１ｐ型クラッド層
２３  第２ｐ型クラッド層
２４  電流狭窄層
２５  ｐ型コンタクト層
２６  半導体基板
２７、２８  オーミック電極
【図１】
0003658048.tif 000003
【図２】
0003658048.tif 000004
【図３】
0003658048.tif 000005
【図４】
0003658048.tif 000006
【図５】
0003658048.tif 000007
【図６】
0003658048.tif 000008