(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対のクラッド層に挟まれた量子井戸活性層と、前記クラッド層の少なくとも一方と量子井戸活性層との間に配置された光ガイド層と、前記光ガイド層と前記少なくとも一方のクラッド層との間に接触状態で配置され、前記少なくとも一方のクラッド層と同じ導電性を有する１層のスペーサ層とを備えた半導体レーザ素子において、
前記スペーサ層は、層厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、
前記スペーサ層と前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度は５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下であり、
前記スペーサ層は、その組成が前記少なくとも一方のクラッド層と等しいか又は少なくとも一方のクラッド層よりもバンドギャップが大きく、
前記少なくとも一方のクラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
１対のクラッド層に挟まれた量子井戸活性層と、前記クラッド層の少なくとも一方と量子井戸活性層との間に配置された光ガイド層と、前記光ガイド層と前記少なくとも一方のクラッド層との間に接触状態で配置され、前記少なくとも一方のクラッド層と同じ導電性を有する１層のスペーサ層とを備えた半導体レーザ素子において、
前記スペーサ層は、層厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、
前記スペーサ層は、前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下であり、
前記スペーサ層は、その組成が前記少なくとも一方のクラッド層と等しいか又は少なくとも一方のクラッド層よりもバンドギャップが大きく、
前記スペーサ層は、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方からなることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記少なくとも一方のクラッド層は、そのキャリア濃度が、８×１０17〜５×１０18ｃｍ-3の範囲であ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】
前記少なくとも一方のクラッド層は、ｐ型の導電性を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
ＭＯＣＶＤ法にて、ｎ型基板上に、順次ｎ型ドープバッファ層、ｎ型ドープクラッド層、第１のアンドープ光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、第２のアンドープ光ガイド層、前記光ガイド層に接触する一つの層からなるアンドープのスペーサ層、前記スペーサ層に接触するｐ型ドープクラッド層、ｐ型ドープキャップ層を形成する半導体レーザ素子の製造方法において、
製造された半導体レーザ素子における前記スペーサ層と前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下となるように、前記一層のアンドープのスペーサ層の層厚を５ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲内で制御すると共に、前記ｐドープクラッド層のドーピング濃度と製造条件を制御し、
前記ｐ型ドープクラッド層をＡｌＧａＡｓで形成するとともに、前記スペーサ層を、その組成が前記ｐ型ドープクラッド層と等しいか又は前記ｐ型ドープクラッド層よりもバンドギャップが大きい材料で形成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６】
ＭＯＣＶＤ法にて、ｎ型基板上に、順次ｎ型ドープバッファ層、ｎ型ドープクラッド層、第１のアンドープ光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、第２のアンドープ光ガイド層、前記光ガイド層に接触する一つの層からなるアンドープのスペーサ層、前記スペーサ層に接触するｐ型ドープクラッド層、ｐ型ドープキャップ層を形成する半導体レーザ素子の製造方法において、
製造された半導体レーザ素子における前記スペーサ層と前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下となるように、前記一層のアンドープのスペーサ層の層厚を５ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲内で制御すると共に、前記ｐドープクラッド層のドーピング濃度と製造条件を制御し、
前記スペーサ層をＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方で形成すると共に、前記ｐ型ドープクラッド層を、その組成が前記スペーサ層と等しいか又は前記スペーサ層よりもバンドギャップが小さい材料で形成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７】
前記各層をＭＯＣＶＤ法によって形成し、ＭＯＣＶＤ成長条件として、成長温度が６５０℃以上８００℃以下であり、Ｖ族原料の供給量対III族原料の供給量との比が５０以上２００以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク用や光通信用などに用いられる半導体レーザ、並びにその製造方法に関し、特に良好な持性を有し、かつ信頼性の優れた量子井戸活性層を備えた半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＤ−Ｒ／ＲＷやＤＶＤ−Ｒ／ＲＷに代表される光ディスクヘの情報書込において書込スピードを向上させる為、１００ｍＷ級の半導体レーザの出現が期待されている。
【０００３】
半導体レーザの高出力化とその信頼性確保に対する課題は、端面劣化の抑制並びに低電流化の実現であり、これら課題に対して活性層を量子井戸とする構造がその利得特性で優れている点からバルク活性層の構造よりも有利である。
【０００４】
従来の活性層を量子井戸とした半導体レーザ素子の構造断面図を図７に示す。ｎ型基板７０１上に、Ｓｉドープｎ型バッファ層７０２、Ｓｉドープｎ型クラッド層７０３、アンドープ光ガイド層７０４、アンドープ量子井戸活性層７０５、アンドープ光ガイド層７０６、Ｚｎドープｐ型クラッド層７０７、Ｚｎドープｐ型キャップ層７０８が形成された後、リッジストライプ状にＺｎドープｐ型キャップ層７０８とＺｎドープｐ型クラッド層７０７が加工され、リッジストライプの側面をＳｉドープ型ブロック層７０９で埋め込まれる。さらに、Ｚｎドープｐ型コンタクト層７１０が形成されて半導体レーザ素子が構成される。また、７１１は導波路内の光分布を示している。
【０００５】
ここで、量子井戸活性層７０５の上下両側に形成される光ガイド層７０４と７０６は、量子井戸活性層７０５への良好な光閉じ込めを実現し、且つｐ型クラッド層７０７及びｎ型クラッド層７０３から量子井戸活性層７０５への不純物拡散を防止するために形成されている。
【０００６】
一般にバルク活性層の半導体レーザ素子の場合、活性層に不純物が拡散すると活性層申に光キャリアの再結合中心となる結晶欠陥が形成され、素子特性が低下し、また、不純物は素子動作中にも容易に拡散し、その結果素子寿命が低下するという問題があった。特にｐ型のドーピング材料として用いられるＺｎは膜中の拡散速度が速く、活性層がｐ型となってリモートジャンクションになっている場合が多い。この様な問題点を解決する為、活性層とｐ型クラッド層の間にアンドープ又は反対の導電型（ｎ型）層を形成したり、拡散速度の小さい異なる組成の層を形成することによって、Ｚｎ拡散を防止する試みがなされている。
【０００７】
これに対して、量子井戸を活性層とする半導体レーザ素子では、量子井戸の両側に形成するアンドープの光ガイド層が量子井戸層への不純物拡散を防止する役割も兼ね備えている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発明者らは量子井戸を活性層とする半導体レーザ素子で、本来量子井戸層への不純物拡散を防止する役割の光ガイド層へも不純物が拡散することによって、素子特性が低下することを確認した。特に５×１０17ｃｍ-3以上の不純物がクラッド層から光ガイド層へ拡散すると閾値電流が上昇し、信頼性が低下することがわかった。これは、図７に示した様に活性層が量子井戸の場合、導波路内の光分布７１１としては、ガイド層内に分布している割合が大きくなる為、ガイド層内に拡散したドーパントによって形成される欠陥がガイド層に分布した光の再結合中心となることで素子の特性劣化を招いたものである。また、クラッド層から光ガイド層への不純物の拡散量とその拡散距離は、クラッド層のドーピング濃度及び製造条件に依存することもわかった。
【０００９】
本発明の目的は、量子井戸を活性層とする半導体レーザ素子においてアンドープ光ガイド層への不純物の拡散を防止することによって、高出力で信頼性の良好な半導体レーザ素子の構造とその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上の問題を解決するため、本発明（請求項１）の半導体レーザ素子は、１対のクラッド層に挟まれた量子井戸活性層と、前記クラッド層の少なくとも一方と量子井戸活性層との間に配置された光ガイド層と、前記光ガイド層と前記少なくとも一方のクラッド層との間に接触状態で配置され、前記少なくとも一方のクラッド層と同じ導電性を有する１層のスペーサ層とを備えた半導体レーザ素子において、
前記スペーサ層が、層厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、
前記スペーサ層と前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度は５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下であり、
前記スペーサ層は、その組成が前記少なくとも一方のクラッド層と等しいか又は少なくとも一方のクラッド層よりもバンドギャップが大きく、
前記少なくとも一方のクラッド層は、ＡｌＧａＡｓからなることを特徴としている。
また、本発明（請求項２）の半導体レーザ素子は、１対のクラッド層に挟まれた量子井戸活性層と、前記クラッド層の少なくとも一方と量子井戸活性層との間に配置された光ガイド層と、前記光ガイド層と前記少なくとも一方のクラッド層との間に接触状態で配置され、前記少なくとも一方のクラッド層と同じ導電性を有する１層のスペーサ層とを備えた半導体レーザ素子において、
前記スペーサ層が、層厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満であり、
前記スペーサ層は、前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下であり、
前記スペーサ層は、その組成が前記少なくとも一方のクラッド層と等しいか又は少なくとも一方のクラッド層よりもバンドギャップが大きく（逆に言えば、前記少なくとも一方のクラッド層は、その組成が前記スペーサ層と等しいか又は前記スペーサ層よりもバンドギャップが小さく）、
前記スペーサ層は、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方からなることを特徴としている。
請求項１および請求項２の発明に係る半導体レーザ素子は、クラッド層から拡散してくる不純物を層厚が５ｎｍ以上１０ｎｍ未満である一つの薄い層からなるスペーサ層で吸収し、光ガイド層への不純物拡散を防止するものであり、高い信頼性を有する半導体レーザ素子が得られる。
【００１１】
なお、スペーサ層が５ｎｍよりも薄くなると光ガイド層への不純物拡散防止が不十分になり、素子特性並びに信頼性が劣化し、また１０ｎｍ以上に厚くなるとキャリア濃度低下による電子障壁が低下して、半導体レーザ素子の温度特性が低下してしまう。従って、スペーサ層を５ｎｍ以上１０ｎｍ未満の層厚で形成することで、良好な特性と高い信頼性を有する半導体レーザ素子が得られるものである。
【００１２】
一実施形態では、スペーサ層上に形成するクラッド層のキャリア濃度を８×１０17〜５×１０18ｃｍ-3の範囲としている。クラッド層のキャリア濃度が上記の範囲より高い場合には多くの不純物がガイド層へ拡散し、特性劣化が生じる。また少ない場合には素子の温度特性の低下や動作電圧が高くなるという間題が生じてしまう。
【００１３】
また、本発明（請求項１および２）の半導体レーザ素子では、前記少なくとも一方のクラッド層と同じ導電性を有するスペーサ層は、光ガイド層との界面でのキヤリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下とすることを特徴とするものであり、例えばｐ型クラッド層に対してスペーサ層がｎ型であるとリモートジャンクションになってしまい、また、スペーサ層と光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3未満では素子の温度特性の低下や動作電圧が高くなるという問題が生じ、さらに、ガイド層への不純物拡散が５×１０17ｃｍ-3以上になると素子特性並びに信頼性が劣化してしまうため、上記範囲とする必要がある。
【００１４】
また、本発明（請求項１および２）の半導体レーザ素子では、光ガイド層とクラッド層の間に形成するスペーサ層の組成はそのクラッド層と等しいか又はそのクラッド層よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする半導体レーザ素子を提供するものであり、活性層への良好な光閉じ込めを行い、素子特性並びに光放射特性を良好に実現できる。
【００１５】
本発明（請求項５）の半導体レーザ素子の製造方法では、ＭＯＣＶＤ法にて、ｎ型基板上に、順次ｎ型ドープバッファ層、ｎ型ドープクラッド層、第１のアンドープ光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、第２のアンドープ光ガイド層、前記光ガイド層に接触する一つの層からなるアンドープのスペーサ層、前記スペーサ層に接触するｐ型ドープクラッド層、ｐ型ドープキャップ層を形成する半導体レーザ素子の製造方法において、
製造された半導体レーザ素子における前記スペーサ層と前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下となるように、前記一層のアンドープのスペーサ層の層厚を５ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲内で制御すると共に、前記ｐドープクラッド層のドーピング濃度と製造条件を制御し、
前記ｐ型ドープクラッド層をＡｌＧａＡｓで形成するとともに、前記スペーサ層を、その組成が前記ｐ型ドープクラッド層と等しいか又は前記ｐ型ドープクラッド層よりもバンドギャップが大きい材料で形成することを特徴としている。
また、本発明（請求項６）の半導体レーザ素子の製造方法では、気相成長法にてｎ型基板上に順次ｎ型ドープバッファ層、ｎ型ドープクラッド層、アンドープ光ガイド層、アンドープ量子井戸活性層、アンドープ光ガイド層、前記光ガイド層に接触する一つの層からなるアンドープのスペーサ層、前記スペーサ層に接触するｐ型ドープクラッド層、ｐ型ドープキャップ層を形成する半導体レーザ素子の製造方法において、
製造された半導体レーザ素子における前記スペーサ層と前記光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下となるように、前記一層のアンドープのスペーサ層の層厚を５ｎｍ以上１０ｎｍ未満の範囲内で制御すると共に、前記ｐドープクラッド層のドーピング濃度と製造条件を制御し、
前記スペーサ層をＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰのいずれか一方で形成すると共に、前記ｐ型ドープクラッド層を、その組成が前記スペーサ層と等しいか又は前記スペーサ層よりもバンドギャップが小さい材料で形成することを特徴としている。
請求項５および請求項６の発明に係る製造方法は、スペーサ層をアンドープとすることでｐ型の導電性確保とガイド層への不純物拡散を防止でき、気相成長方法によつて、ｎｍオーダーの層厚の制御性も可能とするものである。また、これら製造方法で製造された半導体レーザ素子は、請求項１および２の発明に関して説明した利点を有することになる。
【００１６】
また、本発明（請求項７）の半導体レーザ素子の製造方法では、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition: 有機金属気相成長）法を用い、その成長条件として、成長温度が６５０℃以上８００℃以下であり、V族原料の供給量対III族原料の供給量比が５０以上２００以下であることを特徴とするものであり、本条件によってクラッド層から光ガイド層への不純物の拡散量およびその拡散距離を制御し、且つ良質の結晶性が確保できるため、良好な特性と高い信頼性を有する半導体レーザ素子を得ることが可能となる。
【００１７】
以下、本発明の作用を記載する。
【００１８】
一般に半導体レーザ素子の活性層に不純物が拡散すると活性層中に光キャリアの再結合中心となる結晶欠陥が形成され、素子特性が低下し、また、不純物は素子動作中にも容易に拡散し、その結果素子寿命が低下するという問題がある。特にｐ型のドーピング材料として用いられるＺｎは膜中の拡散速度が速く、活性層がｐ型となってリモートジャンクションになってしまう。
【００１９】
量子井戸を活性層とする半導体レーザ素子では、量子井戸の両側に形成するアンドープの光ガイド層が量子井戸層への不純物拡散を防止する役割も兼ね備えていたが、検討の結果、光ガイド層へも５×１０17ｃｍ-3以上の不純物がクラッド層からガイド層へ拡散すると閾値電流が上昇し、信頼性が低下することがわかった。これは、活性層が量子井戸構造で非常に薄い場合、導波路内の光はガイド層内に比較的大きな割合で分布している為、ガイド層内に拡散したドーパントによって形成される欠陥が光キャリアの再結合中心となり、素子の特性劣化を招くものと考えられる。つまり、活性層が量子井戸構造を有する半導体レーザでは、活性層ばかりでなくアンドープ光ガイド層へもＺｎが拡散すると特性劣化を招くことがわかった。この様な問題点に対して、光ガイド層とクラッド層の間に薄いスペーサ層を形成し、クラッド層から拡散してくる不純物をスペーサ層で吸収し、光ガイド層への不純物拡散を防止することによって、良好な特性と高い信頼性を有する半導体レーザ素子が得られた。
【００２０】
また、クラッド層から光ガイド層への不純物の拡散量とその拡散距離は、クラッド層のドーピング濃度及び製造条件に依存するため、ドーピング濃度や層厚に関わる素子構造設計と製造条件の最適化を行うことによって、高出力でしかも信頼性の良好な半導体レーザ素子の製造が可能となった。
【００２１】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞
図１は実施例１の半導体レーザ素子の断面図である。これはリアルインデックスガイド型と呼ばれる構造で、ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板１（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２（１．５×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍ設定）、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層３（キャリア濃度８×１０17ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）、アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層４（厚み３０ｎｍ）、アンドープＡｌＧａＡｓ二重量子井戸層５（ウエル層８ｎｍ、バリア層５ｎｍ）、アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層６（厚み３０ｎｍ）、アンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層７（厚み６ｎｍ）、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上第１クラッド層８（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ３００ｎｍ設定）、エッチングストップ層９、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上第２クラッド層１０（キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ１２００ｎｍ設定）、ｐ型ＧａＡｓ層１１（３×１０18ｃｍ-3、厚さ８００ｎｍ設定）を形成する。
【００２２】
その後、ｐ型ＧａＡｓ層１１とｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上第２クラッド層１０を２〜２．５μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。さらにＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ層１１とｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上第２クラッド層１０からなるリッジの側面をｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流ブロック層１２（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ７００ｎｍ）及びｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１３（キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍ）で埋め込んだ後、ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層１４（５×１０18ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）を形成する。
【００２３】
最後に、上面にはｐ電極１５、下面にはｎ電極１６を形成後、共振器長が６００μｍになるようにバー状に分割して、バーの両側の光出射端面に反射膜を非対称にコーティング（Ｒ＝１０％〜９５％）し、さらにチップに分割して個別の素子にする。素子形成の成長条件は、III族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、V族原料としてＡｓＨ3（アルシン）、ｎ型、ｐ型の各ドーパント原料としてＳｉＨ4（シラン）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）を用い、成長温度は７５０℃、成長圧力は７６Ｔｏｒｒ、V／III＝１２０で行った。
【００２４】
なお、比較のため、光ガイド層とｐクラッド層の間にスペーサ層がない従来構造の素子も同時に試作した。試作した半導体レーザ素子の特性評価の結果、第１実施例の半導体レーザ素子（ａ）は室温での閾値電流が３０ｍＡ、８５ｍＷでの動作電流が１３０ｍＡであり、６０℃、８５ｍＷのＣＷの信頼性試験においても２０００時間以上に渡つて安定に走行している。また、アンドープのスペーサ層７の組成をｐクラッド層８、１０と同じとした為、光放射特性はスペーサの有無で変化はなく、所望の特性（θ⊥＝９°、θ‖＝２２°）が得られた。
【００２５】
これに対して、スペーサ層の無い従来素子（ｂ）では室温での閾値電流が４３ｍＡと、１０ｍＡ以上第１実施例の半導体レーザ素子（ａ）より増加し、６０℃、８５ｍＷの信頼性試験においては数時間で素子劣化してしまった。
【００２６】
図２は、第１実施例の半導体レーザ素子（ａ）とスペーサ層の無い従来素子（ｂ）における活性層近傍のドーピング不純物（Ｚｎ）原子の分布を示したものである。なお、ドーピングプロファイルはＳＩＭＳ（secondary ion mass spectroscopy: ２次イオン質量分析法）によって測定した結果である。図２より、（ａ）,（ｂ）いずれの素子においてもｐクラッド層から活性層側へのＺｎの拡散が認められるが、従来の素子（ｂ）では量子井戸層への拡散はないものの光ガイド層へ１０17〜１０18ｃｍ-3の拡散が認められる。これに対し、第１実施例の半導体レーザ素子（ａ）では、スペーサ層７でＺｎ拡散が抑制され、光ガイド層６への拡散が３×１０17ｃｍ-3以下に抑えられていることがわかる。
【００２７】
図３は、ｐクラッド層と光ガイド層との界面でのキャリア濃度に対する素子の閾値電流と８５ｍＷ時での動作電圧の変化をプロットしたものである。図３より、ｐクラッド層と光ガイド層との界面でのキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3以上で急激に閾値電流が増大し、また５×１０16ｃｍ-3以下で動作電圧が急激に増大していることがわかる。
【００２８】
すなわち、上記の結果から光ガイド層へ不純物（Ｚｎ）が拡散することにより、半導体レーザ素子の特性、信頼性が劣化するのは明らかであり、光ガイド層への拡散してくるＺｎ濃度としては、クラッド層と光ガイド層の界面で５×１０16ｃｍ-3以上、５×１０17ｃｍ-3以下にする必要がある。好ましくはガイド層へのＺｎ拡散はより少ない方が良く、５×１０16ｃｍ-3以上５×１０17ｃｍ-3以下の範囲が良い。したがって、光ガイド層６とｐクラッド層８の間にアンドープの薄いスペーサ層７を設け、光ガイド層６への不純物の拡散を防止することによって、特性、信頼性の優れた半導体レーザ素子が得られた。
【００２９】
ところで、スペーサ層７の層厚は光ガイド層６への不純物拡散を抑制するためには厚い方がよいが、逆に厚すぎると半導体レーザ素子の特性を劣化させてしまう。すなわち、厚すぎるとヘテロ界面でのクラッド層８側のキャリア濃度が低下することによってキャリア障壁が低下し、高温でのキャリアのオーバーフローが増加し、素子の温度特性の低下を招いてしまう。また、局部的ではあるが、抵抗値が増加し、動作電圧の増加を起こしてしまう。つまり、スペーサ層７の層厚は最適な値が存在する。
【００３０】
図４に、ｐクラッド層のキャリア濃度が（ａ）５×１０17ｃｍ-3、（ｂ）２×１０18ｃｍ-3、（ｃ）５×１０18ｃｍ-3の各場合におけるアンドープスペーサ層への不純物（Ｚｎ）の拡散プロファイルを示す。なお、スペーサ層は２０ｎｍ形成している。上記の試作結果から光ガイド層への拡散してくるＺｎ濃度としては５×１０17ｃｍ-3以下にする必要があるため、図４より、キャリア濃度の高い（ｃ）５×１０18ｃｍ-3の場合でもスペーサ層の層厚としては８ｎｍ程度で良いことがわかる。また、スペーサ層の層厚が５ｎｍ未満ではｐクラッド層のキャリア濃度が８×１０17ｃｍ-3以上になり、上記の条件を満たすことはできない。
【００３１】
従つて、ｐクラッド層８、１０のキャリア濃度を８×１０17〜５×１０18ｃｍ-3の範囲とし、スペーサ層７の層厚を５ｎｍ以上１０ｎｍ未満とすることで、特性、信頼性の優れた半導体レーザ素子が再現性良く得られる。より好ましくはｐクラッド層８、１０のキャリア濃度を８×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下の範囲とし、スペーサ層７の層厚を５ｎｍ以上８ｎｍ以下の範囲とするのが良く、さらに最適値としては、ｐクラッド層８、１０のキャリア濃度が１．５×１０18ｃｍ-3、スペーサ層７の層厚が６ｎｍであった。なお、本実施例では、ＭＯＣＶＤ法による製造例について述べたが、ｎｍオーダーの層厚制御性が可能なＭＢＥ（molecular beam epitaxy: 分子線エピタキシャル成長）法やＭＯＭＢＥ(metal organic MBE:有機金属分子線エピタキシャル成長)、ＧＳＭＢＥ(gas source MBE: ガスソース分子線エピタキシャル成長)法のような気相成長法でも全く同じ効果がある。
【００３２】
＜実施例２＞
図５は実施例２のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの断面図である。ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板５０１（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層５０２（１．０×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍ設定）、ｎ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ下クラッド層５０３（キャリア濃度８×１０17ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）、アンドープＩｎ0.5（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｐ光ガイド層５０４（厚み３５ｎｍ）、アンドープＩｎＡｌＧａＰ多重量子井戸層５０５（Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐウエル層７ｎｍとＩｎ0.5（Ａｌ0.4Ｇａ0.6）0.5Ｐ光バリア層８ｎｍの４周期で構成）、アンドープＩｎ0.5（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｐ光ガイド層５０６（厚み３５ｎｍ）、アンドープＩｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐスペーサ層５０７（厚み８ｎｍ）、ｐ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ上第１クラッド層５０８（キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ３００ｎｍ設定）、エッチングストップ層５０９、ｐ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ上第２クラッド層５１０（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）、ｐ型ＧａＡｓ層５１１（４×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍ設定）を形成する。
【００３３】
その後、ｐ型ＧａＡｓ層５１１とｐ型Ｉｎ0.5（Ａ１0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ上第２クラッド層５１０を４〜５μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。さらにＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ層５１１とｐ型Ｉｎ0.5（Ａ１0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ上第２クラッド層５１０からなるリッジの側面をｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層５１２（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ１２００ｎｍ）で埋め込んだ後、ＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層５１３（４×１０18ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）を形成する。
【００３４】
その後上面にはｐ電極５１４、下面にはｎ電極５１５を形成後、共振器長が８００μｍになるようにバー状に分割して、バーの両側の光出射端面に反射膜を非対称にコーティング（Ｒ＝１０％−９５％）し、さらにチップに分割して個別の素子にする。素子製造における成長条件は、成長温度は６５０℃、成長圧力は７６Ｔｏｒｒ、V／III＝２００で行い、III族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）V族原料としてＰＨ3（ホスフィン）またはＴＢＰ（ターシャリ−ブチルホスフィン）、ｎ型、ｐ型の各ドーパント原料としてＳｉＨ4（シラン）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）を用いた。
【００３５】
試作した素子の特性は、所望の波長で発振していることからドーピング元素（Ｚｎ、Ｓｉ）の拡散による多重量子井戸層の無秩序がなく、さらに、光ガイド層への拡散も抑制されていることを確認した。試作した素子の特性は、室温での閾値電流が４５ｍＡ、６０℃、３０ｍＷの信頼性試験においても２０００時間以上に渡つて安定走行と、良好な結果を得ることができた。
【００３６】
＜実施例３＞
図６は実施例３のＩｎＧａＡｓ系歪量子井戸活性層を有する半導体レーザ素子の断面図を示したものである。ＭＯＣＶＤ法でｎ型ＧａＡｓ基板６０１（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3）上にｎ型ＧａＡｓバッファ層６０２（１．０×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍ設定）、ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下クラッド層６０３（キャリア濃度８×１０17ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６０４（厚み３５ｎｍ）、アンドープ歪量子井戸層６０５（Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ａｓウエル層７ｎｍとＩｎＧａＡｓＰバリア層２０ｎｍの２周期で構成）、アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６０６（厚み３５ｎｍ）、アンドープＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓスペーサ層６０７（厚み８ｎｍ）、ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上第１クラッド層６０８（キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚さ３００ｎｍ設定）、エッチングストップ層６０９、ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上第２クラッド層６１０（キャリア濃度２×１０18ｃｍ-3、厚さ１０００ｎｍ設定）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６１１（４×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍ設定）を形成する。
【００３７】
その後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６１１とｐ型Ａ１0.6Ｇａ0.4Ａｓ上第２クラッド層６１０を２〜３μｍ幅のストライプ状のリッジに加工する。その後、リッジ上面及び側面にＳｉＯ2膜６１２を形成し、ホトリソグラフィー法によってリツジ上面部のみＳｉＯ2膜６１２を除去し、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６１１を露出させる。その後、上面にはｐ電極６１３、下面にはｎ電極６１４を形成後、共振器長が８００μｍになるようにバー状に分割して、バーの両側の光出射端面に反射膜を非対称にコーティング（Ｒ＝８％−９５％）し、さらにチップに分割して個別の素子にする。
【００３８】
素子製造における成長条件は、成長温度がｎ型Ａ１0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層６０３までの領域で７５０℃、光ガイド層６０４、６０６を含む歪量子井戸層６０５の領域で６８０℃、アンドープのスペーサ層６０７からｐクラッド層６０８、６１０とコンタクト層６１３の領域で６５０℃とし、V／III比は、光ガイド層６０４、６０６を含む歪量子井戸層６０５の領域で２００、それ以外で１２０とした。成長圧力は７６Ｔｏｒｒで行つた。これらの条件は、ｎ型クラッド層６０３と光ガイド層６０４、６０６を含む歪量子井戸層６０５の領域では、それぞれの組成の層における最適な温度、V／III比で実施することで良質の結晶性を確保でき、また、ｐクラッド層６０８およびそれよりも上の層では、温度を下げることによって光ガイド層６０６へのＺｎ拡散を抑制することができた。
【００３９】
なお、原料ガスは、III族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）、V族原料としてＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（ホスフィン）、ｎ型、ｐ型の各ドーパント原料としてＳｉＨ4（シラン）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）を用いた。
【００４０】
試作した素子の特性は閾値電流３０ｍＡ、８０℃、１５０ｍＷの信頼性試験においても、５０００時間以上に渡って安定に走行している。
【００４１】
なお、上記各実施例においては、結晶成長にすべてＭＯＣＶＤ法によるものを記載したが、ｎｍオーダーの層厚制御が可能なＭＢＥ法やＭＯＭＢＥ、ＧＳＭＢＥ、ＡＬＥ(atomic layer epitaxy:原子層エピタキシー)、ＶＰＥ(vapor phase epitaxy: 気相エピタキシー)法のような気相成長法でも、すべて同様な効果がある。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、量子井戸を活性層とする半導体レーザ素子において、光ガイド層とクラッド層の間に、これら両層に接触する１層の薄いアンドープのスペーサ層を設けることによって、クラッド層から拡散してくる不純物をスペーサ層で吸収し、光ガイド層への不純物拡散を防止できる為、良好な特性と高い信頼性を有する半導体レーザ素子が得られる。また、クラッド層やスペーサ層のドーピング濃度や層厚に関わる素子構造設計と製造条件の最適化を行うことによって、クラッド層から光ガイド層への不純物の拡散量およびその拡散距離を制御し、高出力でしかも信頼性の良好な半導体レーザ素子の製造が可能となった。特に、光ガイド層と、Ｚｎをドープしたｐ型のクラッド層との間に、このスペーサ層を設けることにより、好ましい結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の半導体レーザ素子の構造断面図である。
【図２】  実施例１の半導体レーザ素子（ａ）とスペーサ層の無い従来素子（ｂ）における活性層近傍のドーピング不純物（Ｚｎ）原子の分布を示す図である。
【図３】  ｐクラッド層と光ガイド層との界面でのキャリア濃度に対する素子の閾値電流と８５ｍＷ時での動作電圧の変化を示す図である。
【図４】  ｐクラッド層の各キャリア濃度におけるアンドープスペーサ層への不純物（Ｚｎ）の拡散プロファイルである。
【図５】  実施例２の半導体レーザ素子の構造断面図である。
【図６】  実施例３の半導体レーザ素子の構造断面である。
【図７】  従来の半導体レーザ素子の構造断面図である。
【符号の説明】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層
４  アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層
５  アンドープＡｌＧａＡｓ二重量子井戸層
６  アンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓ光ガイド層
７  アンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓスペーサ層
８  ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上第１クラッド層
９  エッチングストップ層
１０  ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ上第２クラッド層
１１  ｎ型ＧａＡｓ層
１２  ｎ型Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ電流ブロック層
１３  ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
１４  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１４  ｐ電極
１５  ｎ電極
５０１  ｎ型ＧａＡｓ基板
５０２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
５０３  ｎ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ下クラッド層
５０４  アンドープＩｎ0.5（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｐ光ガイド層
５０５  アンドープＩｎＡｌＧａＰ多重量子井戸層
５０６  アンドープＩｎ0.5（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｐ光ガイド層
５０７  アンドープＩｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐスペーサ層
５０８  ｐ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ上第１クラッド層
５０９  エッチングストップ層
５１０  ｐ型Ｉｎ0.5（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｐ上第２クラッド層
５１１  ｐ型ＧａＡｓ層
５１２  ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
５１３  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
５１４  ｐ電極
５１５  ｎ電極
６０１  ｎ型ＧａＡｓ基板
６０２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
６０３  ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ下クラッド層
６０４  アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
６０５  アンドープ歪量子井戸層
６０６  アンドープＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
６０７  アンドープＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓスペーサ層
６０８  ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上第１クラッド層
６０９  エッチングストップ層
６１０  ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ上第２クラッド層
６１１  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
６１２  ＳｉＯ2膜
６１３  ｐ電極
６１４  ｎ電極
７０１  ｎ型基板
７０２  Ｓｉドープｎ型バッファ層
７０３  Ｓｉドープｎ型クラッド層
７０４  アンドープ光ガイド層
７０５  アンドープ量子井戸活性層
７０６  アンドープ光ガイド層
７０７  Ｚｎドープｐ型クラッド層
７０８  Ｚｎドープｐ型キャップ層
７０９  Ｓｉドープｎ型ブロック層
７１０  Ｚｎドープｐ型コンタクト層
７１１  導波路内の光分布
【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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