(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、これを挟むように設けられたクラッド層と、を備える半導体レーザ素子であって、少なくとも一方の上記クラッド層内、又は該クラッド層と上記活性層の間に歪みを有する可飽和光吸収層と、該可飽和光吸収層に隣接して上記歪みとは逆の歪みを有する補助層を有し、前記可飽和光吸収層はその両側に拡散防止層を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層は、圧縮歪みを有する量子井戸層と、量子障壁層とからなる量子井戸構造を有し、前記可飽和光吸収層は圧縮歪みを有す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】
活性層と、これを挟むように設けられたクラッド層と、を備える半導体レーザ素子であって、少なくとも一方の上記クラッド層内、又は該クラッド層と上記活性層の間に可飽和光吸収層を備え、該可飽和光吸収層は互いに逆の歪みを有する量子井戸層と量子障壁層からなり、前記可飽和光吸収層はその両側に拡散防止層を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記活性層は、圧縮歪みを有する量子井戸層と、量子障壁層とからなる量子井戸構造を有し、前記可飽和光吸収層の量子井戸層は圧縮歪みを有することを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記可飽和光吸収層のドーパント濃度が３×１０18ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記可飽和光吸収層のドーパント濃度が４×１０18ｃｍ-3以上７×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記可飽和光吸収層は略無秩序化していることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、又は６記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記可飽和光吸収層は前記活性層よりキャリア濃度が大きいことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、又は７記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記活性層から出力されるレーザ光が６５０ｎｍ〜７００ｎｍ帯の波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、又は８記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザ素子は、出力レーザ光の戻り光が半導体レーザ素子へ再入射された場合、この戻り光に起因した雑音（以下、戻り光雑音）が出力レーザ光内に発生するといった問題があった。斯る戻り光雑音は、例えば半導体レーザ素子を光ディスク装置の光源として使用する場合に、ディスク面等からの反射による出力レーザ光の戻り光が半導体レーザ素子へ再入射することにより発生する。
【０００３】
この半導体レーザ素子の戻り光雑音を低減するために、特開昭６１−８４８９１号（Ｈ０１Ｓ  ３／１８）公報には、活性層と組成が略同じであるレーザ光（発振光）に対して可飽和吸収特性を有する層（可飽和光吸収層）を備え、活性層と可飽和吸収層が結合光導波層として働く程度に近接した半導体レーザ素子が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、主に赤色の短波長発振が可能なことから活発に研究開発されている。
【０００５】
斯るＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の中、６５０〜７００ｎｍ帯の発振波長を有する素子は、一般に活性層が０．５〜１％程度の圧縮歪みを有する層厚１００Å以下の量子井戸層と無歪みの量子障壁層が交互に積層されてなるアンドープの量子井戸構造を有する。
【０００６】
この６５０〜７００ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子に従来の可飽和光吸収層を導入する場合、この可飽和光吸収層はキャリア濃度（不純物濃度）を有するようにして素子抵抗を減じさせるため、可飽和光吸収層は上記不純物によって無秩序化するようになる。この無秩序化の結果、可飽和光吸収層はバンドギャップが広くなるため、良好な自励発振を行うためには、可飽和光吸収層は活性層の量子井戸層に比べて大きな圧縮歪みをもつＧａＩｎＰからなると共に、この可飽和光吸収層は層厚が１００Å以上必要であることが判った。
【０００７】
しかしながら、この比較的大きな厚みの可飽和光吸収層に上述のような大きな歪を導入すると、可飽和光吸収層の結晶性が悪くなり、結果として、素子全体の結晶性を低下させるため、しきい値電流、信頼性等の素子特性が劣化するといった問題があった。
【０００８】
本発明は上述の問題点を鑑み成されたものであり、しきい値電流等の素子特性が良好な歪みを有する可飽和光吸収層を備える半導体レーザ素子を提供することが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、活性層と、これを挟むように設けられたクラッド層と、を備える半導体レーザ素子であって、少なくとも一方の上記クラッド層内、又は該クラッド層と上記活性層の間に歪みを有する可飽和光吸収層と、該可飽和光吸収層に隣接して上記歪みと逆の歪みを有する補助層を有することを特徴とする。
【００１０】
更に、一導電型のクラッド層と、該クラッド層上に設けられた活性層と、該活性層上に設けられた上記一導電型とは逆導電形の平坦部とリッジ部とからなるクラッド層と、からなる半導体レーザ素子であって、上記平坦部上に歪みを有する可飽和光吸収層とこれとは逆歪みであって前記逆導電形のクラッド層より前記可飽和光吸収層に近いバンドギャップを有する補助層をこの順序で備え、該補助層上に上記リッジ部を有することを特徴とする。
【００１１】
例えば、クラッド層はＡｌＧａＩｎＰ、活性層はＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなるバルク、又はＧａＩｎＰ又は及びＡｌＧａＩｎＰからなる量子井戸構造からなるものが使用できると共に、可飽和光吸収層、補助層もＧａＩｎＰ又はＡｌＧａＩｎＰからなるものが利用できる。
【００１２】
特に、前記活性層は、圧縮歪みを有する量子井戸層と、量子障壁層とからなる量子井戸構造を有し、前記可飽和光吸収層は圧縮歪みを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明の別の半導体レーザ素子は、活性層と、これを挟むように設けられたクラッド層と、を備える半導体レーザ素子であって、少なくとも一方の上記クラッド層内、又は該クラッド層と上記活性層の間に可飽和光吸収層を備え、該可飽和光吸収層は互いに逆の歪みを有する量子井戸層と量子障壁層からなることを特徴とする。例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系レーザでは、可飽和光吸収層の量子井戸層と量子障壁層はＧａＩｎＰ又は及びＡｌＧａＩｎＰからなるものが利用できる。
【００１４】
特に、前記活性層は、圧縮歪みを有する量子井戸層と、量子障壁層とからなる量子井戸構造を有し、前記可飽和光吸収層の量子井戸層は圧縮歪みを有することを特徴とする。
【００１５】
更に、前記可飽和光吸収層は略無秩序化していることを特徴とする。
【００１６】
また、前記可飽和光吸収層はその両側に拡散防止層を備えていることを特徴とする。なお、この散防止層は上記補助層であるようにもできる。
【００１７】
加えて、前記可飽和光吸収層は前記活性層よりキャリア濃度が大きいことを特徴とする。
【００１８】
更に、前記活性層から出力されるレーザ光が６５０ｎｍ〜７００ｎｍ帯の波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子であることを特徴とする。尚、活性層の量子井戸層と、バルクの可飽和光吸収層又は可飽和光吸収層の量子井戸層はＧａＩｎＰからなるのが好ましい。
【００１９】
なお、可飽和光吸収層はレーザ光に略等しいバンドギャップを有するようにするのが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を図を用いて説明する。尚、図１、図２はそれぞれ斯る半導体レーザ素子の模式断面構造図、活性層近傍の模式バンド構造図である。
【００２１】
図中、１はｎ型ＧａＡｓ半導体基板で、その一主面（結晶成長面）は（１００）面から［０１１］方向に角度θ（θ＝５度〜１７度、好ましくは７度〜１３度：以下この角度θをオフ角度θという）で傾斜した面であり、この前記一主面上には層厚０．３μｍのｎ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバッファ層２、及び層厚０．８〜０．９μｍのｎ型（ＡｌｘａＧａ１−ｘａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ｓｉドープ、１≧ｘａ＞０：ｘａ＝０．７）からなるクラッド層３がこの順序で形成されている。
【００２２】
前記ｎ型クラッド層３上には、図２に詳細を示すように、層厚２００Åのアンドープの（ＡｌｙａＧａ１−ｙａ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（本実施例ではｙａ＝０．４）光ガイド層４が形成されている。
【００２３】
この光ガイド層４上には、層厚１００Åの圧縮歪を有する（ＡｌｐＧａ１−ｐ）ｑ  Ｉｎ１−ｑＰ（１＞ｐ≧０，０＜ｑ＜０．５１：本実施例ではｐ＝０、ｑ＝０．４  ４、歪み量は０．５％）量子井戸層５ａ、５ａ、５ａ、５ａと層厚４０Åの無歪みの（ＡｌｒＧａ１−ｒ）ｓＩｎ１−ｓＰ（１≧ｒ＞０，ｓ＝０．５１：本実施例ではｒ＝０．４）量子障壁層５ｂ、５ｂ、５ｂとが交互に積層されてなるアンドープの圧縮歪み型多重量子井戸構造（圧縮歪ＭＱＷ構造）からなる活性層５が形成されている。
【００２４】
この活性層５上には、層厚２００Åのアンドープの（ＡｌｙｂＧａ１−ｙｂ）０．５Ｉ  ｎ０．５Ｐ（本実施例ではｙｂ＝０．４）光ガイド層６が形成されている。
【００２５】
この光ガイド層６上には、層厚が５００Åのｐ型（ＡｌｘｂＧａ１−ｘｂ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ｚｎドープ：１≧ｘｂ＞０，本例ではｘｂ＝０．７）からなるクラッド層７が形成されている。
【００２６】
このクラッド層７上には、ｐ型（ＡｌｚａＧａ１−ｚａ）ｔａＩｎ１−ｔａＰ（Ｚｎドープ、１≧ｚａ＞０、１＞ｔａ＞０．５１：本例ではｚａ＝０．７，ｔａ＝０．５８、歪み量は−０．５％）からなる引張り歪みを有する層厚１００Åの補助層８、ｐ型（ＡｌｖＧａ１−ｖ）ｕＩｎ１−ｕＰ（Ｚｎドープ、１＞ｖ≧０，０．５１＞ｕ＞０：本例ではｖ＝０、ｕ＝０．３８、歪み量は１％）からなる層厚３００Å厚の可飽和光吸収層９、ｐ型（ＡｌｚｂＧａ１−ｚｂ）ｔｂＩｎ１−ｔｂＰ（Ｚｎドープ、１≧ｚｂ＞０、１＞ｔｂ＞０．５１：本例ではｚｂ＝０．７，ｔｂ＝０．５８、歪み量は−０．５％）からなる引張り歪みを有する層厚１００Åの補助層１０がこの順序に形成されている。
【００２７】
この補助層１０上には、０．３μｍ程度の平坦部とこの平坦部の略中央に紙面垂直方向（共振器長方向）に延存する高さ０．５〜０．６μｍ、上部幅３〜４μｍ、下部幅４〜５μｍのストライプ状リッジ部で構成されるｐ型（ＡｌｘｂＧａ１−ｘｂ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ｚｎドープ：１≧ｘｂ＞０，本例ではｘｂ＝０．７）からなるクラッド層１１が形成されている。
【００２８】
前記クラッド層１１の前記リッジ部上面には、層厚０．１μｍのｐ型Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５Ｐコンタクト層１２が形成されており、このコンタクト層１２の側面上  及びｐ型クラッド層１１上には層厚１μｍのｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１３、１３が形成されている。
【００２９】
前記コンタクト層１２及び電流阻止層１３、１３上には、層厚が２〜６μｍであるｐ型ＧａＡｓキャップ層１４が形成されている。
【００３０】
前記キャップ層１４上面にはＡｕ−Ｃｒからなるｐ型側オーミック電極１５が、前記ｎ型ＧａＡｓ基板１下面にはＡｕ−Ｓｎ−Ｃｒからなるｎ型側オーミック電極１６が形成されている。
【００３１】
斯る半導体レーザ素子は、図２に示すように、活性層５がバンドギャップの大きいｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層７、１１で挟まれると共に、このｐ型クラッド層内にレーザ光のエネルギー（ｈν）に略等しいバンドギャップを有する可飽和光吸収層９を有する構成であり、該可飽和光吸収層９がレーザ光に対して可飽和光吸収特性を呈するので、上記半導体レーザ素子は良好な自励発振が起こる。
【００３２】
この可飽和光吸収層９の両側には、該可飽和光吸収層９とは逆歪みの補助層８、１０を有するので、可飽和光吸収層９が大きな歪み、大きな層厚を有しても、該可飽和光吸収層９の歪みによる応力を緩和させるので、可飽和光吸収層９の結晶性の劣化を低減でき、更には素子全体の結晶性の低下を抑制できる。この結果、しきい値電流、信頼性等の素子特性が良好であった。
【００３３】
斯る半導体レーザ素子において、ｐ型可飽和光吸収層９のドーパント濃度を変えてレーザ発振実験を行ったところ、従来素子にあった自励発振が不安定になることにより歩留まりが低下するといったことを略解消できた。
【００３４】
この理由は、このドーパント濃度が略３×１０１８ｃｍ−３以上の場合に、可飽和光吸収層９の無秩序化がより完全に近付くので、動作中に可飽和光吸収層９にドーパントが更に拡散してバンドギャップが大きくなる程度が無視できる程度になるためである。尚、より好ましいドーパント濃度は、無秩序化を完全により近付けるために４×１０１８ｃｍ−３以上７×１０１８ｃｍ−３以下である。
【００３５】
また、例えば、上記一実施形態の補助層８、１０をｐ型Ｇａ０．５８Ｉｎ０．４２Ｐとして、この補助層１０、可飽和光吸収層９、補助層８を上記クラッド層１１の平坦部上に配置するように設ける場合、補助層１０がクラッド層１１のリッジ部をエッチング形成する際のエッチング停止層として機能するようにできる。即ち、クラッド層１１に比べて可飽和光吸収層９のバンドギャップに近くなるように補助層１０の材料を選択することにより、クラッド層１１と補助層１０のＡｌ組成比が大きく異なるようになるので、補助層１０がエッチング停止層となる。
【００３６】
勿論、可飽和光吸収層９自体をエッチング停止層とすることもできるが、補助層１０をエッチング停止層とする方が、薄膜形成技術により高精度に設定される可飽和光吸収層９の層厚が減じ、自励発振が不良になる恐れがないので、より好ましい。
【００３７】
図３は、補助層８、１０の両側にｐ型（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる光ガイド層１７、１８を設けた他の一実施形態の活性層近傍の模式バンド構造図である。尚、上記一実施形態とは、光ガイド層１７、１８を設ける以外は同じであるので、その説明は割愛する。
【００３８】
このように可飽和光吸収層９に光ガイド層１７、１８を隣接配置することにより、光を可飽和光吸収層９に集中できるので、設計の自由度が増す。
【００３９】
この構成では、光ガイド層１８をエッチング停止層として利用するように設定することも可能である。
【００４０】
また、上述の補助層８、１０をノンドープで形成することによりこれらを拡散防止層とし、動作などにより、可飽和光吸収層９中に更なる不純物が拡散することを防止するようにしてもよい。勿論、別に拡散防止層を設ける構成にもできる。
【００４１】
このように不純物拡散を防止することにより、可飽和光吸収層９のバンドギャップが変動するのを防止するようにしてもよい。
【００４２】
上述の実施形態では、可飽和光吸収層の両側にこれとは逆歪みの補助層を設けたが、一方のみでも効果がある。
【００４３】
また、上述では、可飽和光吸収層が圧縮歪みを有し、補助層が引張り歪みを有する例について述べたが、これらを逆にした構成も素子構造に応じて適用できる。
【００４４】
図４は、図３に示す一実施形態とは、補助層８、１０がなく、可飽和光吸収層９が１．２％の圧縮歪みを有する層厚１００Åのｐ型Ｇａ０．３５Ｉｎ０．６５Ｐ量子井戸層９ａと上記補助層に対応する、−０．７％の引張り歪みを有する層厚５０Åのｐ型（Ａｌ０．４Ｇ０．６）０．６１Ｉｎ０．３９Ｐ量子障壁層９ｂで構成されている点のみが異なる実施形態に係る活性層近傍のバンド構造模式構造図であるので、その説明は割愛する。
【００４５】
また、上述では、可飽和光吸収層の井戸層が圧縮歪みを有し、障壁層が引張り歪みを有する例について述べたが、これらを逆にした構成も素子構造に応じて適用可能である。
【００４６】
上述では、可飽和光吸収層等は、活性層５とクラッド層７の間に設けるようにしてもよく、更には、上述ではｐ型クラッド層中に設けたが、これに代えてｎ型クラッド層中、又はｎ型クラッド層と活性層の間に設けるようにすることもできる。また、ｐ型クラッド層中、又はｐ型クラッド層と活性層の間に設けると共に、ｎ型クラッド層中、又はｎ型クラッド層と活性層の間に設けるようにもできる。
【００４７】
更に、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１とｎ型クラッド層３の間に設けたｎ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバッファ層２に代えてｎ型ＧａＡｓバッファ層を用いてもよく、またバッファ層はなくともよい。
【００４８】
また、上述のようにリッジ部と平坦部で構成されるクラッド層中には、例えば両部の間にエッチング停止層等の他の層が含まれる構成とすることもできる。
【００４９】
尚、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｕＩｎ１−ｕＰ（ｘ≧０）結晶は、ｕ＝０．５１の場合に正確にＧａＡｓ半導体基板と格子整合して歪が生じないが、ｕ＝０．５１の近傍であっても殆ど歪が生じないので、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐと略記しているものは、組成比ｕは０．５１近傍であればよい。
【００５０】
更に、上記各実施形態では、ＧａＡｓ半導体基板１の一主面が（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面であったが、これらと等価な関係にあるものが望ましい。即ち、ＧａＡｓ基板の一主面（結晶成長面）は、（１００）面から［０−１−１］方向に傾斜した面、（０１０）面から［１０１］又は［−１０−１］方向に傾斜した面、（００１）面から［１１０］又は［−１−１０］方向に傾斜した面でもよく、即ち｛１００｝面から＜０１１＞方向に傾斜した面であればよい。
【００５１】
また、上述ではＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子について説明したが、他の材料系、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＺｎＳｅ系にも適用が可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子は、可飽和光吸収層に隣接して可飽和光吸収層の歪みと逆歪みを有する補助層を有するので、素子全体の結晶性が悪くなる恐れがなく、しきい値電流、信頼性等の素子特性が良好である。
【００５３】
更に、クラッド層の平坦部上に歪みを有する可飽和光吸収層とこれとは逆歪みであって前記逆導電形のクラッド層より前記可飽和光吸収層に近いバンドギャップを有する補助層をこの順序で備え、該補助層上に上記リッジ部を有する構成の場合、補助層がエッチング停止層として機能するので、平坦部の厚みを高精度に制御できる。よって、歩留まりが向上する。
【００５４】
特に、前記活性層は、圧縮歪みを有する量子井戸層と、量子障壁層とからなる量子井戸構造を有し、前記可飽和光吸収層は圧縮歪みを有する場合、レーザ光が６５０ｎｍ〜７００ｎｍ帯の波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の特性を良好にできる。
【００５５】
また、本発明の別の半導体レーザ素子は、可飽和光吸収層は互いに逆の歪みを有する量子井戸層と量子障壁層からなるので、可飽和光吸収層の結晶性が悪くなる恐れがなく、、しきい値電流、信頼性等の素子特性が良好である。
【００５６】
特に、前記活性層は、圧縮歪みを有する量子井戸層と、量子障壁層とからなる量子井戸構造を有し、前記可飽和光吸収層の量子井戸層は圧縮歪みを有する場合レーザ光が６５０ｎｍ〜７００ｎｍ帯の波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の特性を良好にできる。
【００５７】
更に、前記可飽和光吸収層は略無秩序化している場合、可飽和光吸収層の吸収可能な波長の変動が低減できるので、素子歩留まりが向上する。
【００５８】
また、前記可飽和光吸収層はその両側に拡散防止層を備える場合、可飽和光吸収層の吸収可能な波長の変動が低減できるので、素子歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である半導体レーザ素子の模式断面構造図である。
【図２】上記実施の一形態である半導体レーザ素子の活性層近傍の模式バンド構造図である。
【図３】本発明の実施の他の一形態である半導体レーザ素子の活性層近傍の模式バンド構造図である。
【図４】本発明の実施の他の一形態である半導体レーザ素子の活性層近傍の模式バンド構造図である。
【符号の説明】
３            ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５            活性層
７            ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
８            ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ補助層
９            ｐ型ＧａＩｎＰ可飽和光吸収層
１０        ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ補助層
１１        ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
９ａ    ｐ型ＧａＩｎＰ量子井戸層
９ｂ    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ量子障壁層
【図１】
0003634458.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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