(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層をクラッド層で挟んだ化合物半導体層の積層構造を有する半導体レーザ素子において、
前記クラッド層が、バンドギャップの値を変えないようにして化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させてなる組成変調型化合物半導体層であり、点状欠陥の前記活性層への拡散を抑制する
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層がＡｌＧa Ａs を含む層で構成されていると共に、
前記クラッド層が、Ａｌの含有率（Ｘ）とＩｎの含有率（Ｙ）とを同時に増減させ、バンドギャップの値が変わらないようにして厚さ方向に組成を層状に変調させたＡｌx Ｇａ(1-X-Y) ＩｎY Ａｓ層である
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】
前記活性層がＡｌＧa Ａs を含む層で構成されていると共に、
前記クラッド層が、Ｐの含有率（Ｙ）を減増し、その減増に合わせて逆にＡｌの含有率（Ｘ）を増減させ、バンドギャップの値が変わらないようにして厚さ方向に組成を層状に変調させたＡｌx Ｇａ(1-X) Ａｓ(1-Y) ＰY 層である
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４】
前記積層構造がII−VI族化合物半導体層で形成され、
前記活性層がＺｎＣｄＳｅを含む層で構成されていると共に、
前記クラッド層が、Ｚｎの含有率（Ｘ）とＳの含有率（Ｙ）とを同時に増減させ、バンドギャップの値が変わらないようにして厚さ方向に組成を層状に変調させたＺｎx Ｍｇ(1-X) ＳY Ｓｅ(1-Y) 層である
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５】
前記積層構造がIII 族ナイトライド系の化合物半導体層で形成され、
前記活性層がIII 族元素としてＧa 、Ａｌ及びＩｎのうちの少なくとも１種類の元素と、Ｎを含む層で構成されていると共に、
前記クラッド層が、Ａｌの含有率（Ｘ）を増減させると同時に、それに比べて少ない割合でＩｎの含有率（Ｙ）を増減させ、バンドギャップの値が変わらないようにして厚さ方向に組成を層状に変調させたＡｌx Ｇａ(1-X-Y) ＩｎY Ｎ層である
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】
【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し、更に詳細には赤外領域から紫外領域にわたる広い波長領域で使用できる寿命の長い半導体レーザ素子に関するものである。尚、本明細書で言う半導体レーザ素子とは、化合物半導体からなる活性層を化合物半導体からなる上下のクラッド層で挟んだ積層構造を有するレーザ素子であって、半導体レーザ装置の主要部を構成する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ装置は、化合物半導体からなる活性層をその両側から化合物半導体からなるクラッド層で挟んだ積層構造、通常、ダブルヘテロ構造を備えていて、その積層構造に電流を流すことによってレーザ発振を起こさせ、赤外領域から紫外領域にわたる広い波長領域のレーザ光を発光できる発光素子である。半導体レーザ装置は、光ディスク装置の読み取り装置を始めとして、種々の分野で多用されている。
ところで、半導体レーザ装置の光出力は、動作時間の経過と共に低下する傾向にある。この現象は、半導体レーザ装置の劣化現象と呼ばれていて、数種類の劣化のモードがある。
劣化が比較的速く進行するモードには、例えば、ＣＯＤ（カタストロフィック・オプティカル・ダメージ、光学的な致命的損傷）によって半導体レーザ素子の共振器面が瞬間的に破壊されて起こる劣化現象、基板結晶の欠陥に起因として活性層を貫通する転位が、電子−正孔再結合時に生じるエネルギにより増殖して、発光効率が低下する劣化現象などが挙げられる。そこで、積層構造の端面に保護膜を形成してＣＯＤを抑制したり、結晶欠陥密度の小さい結晶基板を用いたり、結晶成長条件の最適化によって成長途中や成長直後において化合物半導体層に結晶欠陥が生じないようにしたりして、このような劣化現象の進行を防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体レーザ装置には、上述の比較的速く進行するモードとは別に、比較的遅い速度で劣化する劣化現象、特に、結晶の点状欠陥に関係する劣化現象がある。しかも、そのような劣化現象を抑制する対策は未だ実用化されておらず、このため、半導体レーザ装置を長寿命化することが難しいのが現状である。
そこで、本発明の目的は、点状欠陥に関係する劣化の進行を抑制または遅らせることのできる半導体レーザ素子を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
ところで、点状欠陥に関係する劣化現象は、活性層付近に存在する点状欠陥が活性層に隣接、又は近接する化合物半導体層の不純物（組成）や歪みにより影響されてその化合物半導体に拡散することによって進行すると考えられている。
そこで、本発明者は、点状欠陥の拡散を活性層両側で阻止するか、または制限することにより、劣化現象の進行を抑制または遅らせることができると考え、本発明を完成するに到った。
【０００５】
上記知見に基づき、本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層をクラッド層で挟んだ化合物半導体層の積層構造を有する半導体レーザ素子において、クラッド層が、バンドギャップの値を変えないようにして化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させてなる組成変調型化合物半導体層であり、点状欠陥の活性層への拡散を抑制することを特徴としている。
【０００６】
積層構造を形成する活性層、クラッド層、ガイド層等の化合物半導体層の少なくとも１層を組成変調型化合物半導体層で形成すれば、本発明の効果を奏することができるが、特に、活性層に隣接または近接して設けられたクラッド層を組成変調型化合物半導体層とすることが効果的である。バンドギャップの値がほぼ一定で化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させた組成変調型化合物半導体層を形成するには、例えば、化合物半導体層を四元で構成し、バンドギャップを大きくする元素の含有率を増加すると共にバンドギャップを小さくする元素の含有率を増加することにより、又はバンドギャップを大きくする元素の含有率を増加すると共にバンドギャップを大きくする別の元素の含有率を減少させることにより、バンドギャップを変えることなく組成を変調させることができる。組成変調型化合物半導体層の組成変調のプロファイルは、任意の形状でよく、組成が量子井戸のような階段状に変化するプロファイルでも良く、或いは組成が連続的に曲線状に変化するプロファイルでも良い。また、組成は、周期的に、或いは非周期的に変化しても良い。組成変調型化合物半導体層を形成するには、例えばＭＯＣＶＤ法では、反応ガスの流速、濃度を変化させ、また基板温度を変化させることにより、またＭＢＥ法では、構成原料の蒸気圧を変化させることにより、それぞれ成長する化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させることができる。
【０００７】
結晶格子を組んで成長させた化合物半導体の結晶は、本来、組成に依存した格子定数を有し、従って、格子定数に依存した歪みを持つことになる。また、点状欠陥の拡散は、組成及び歪みにより著しく影響され、従って、化合物半導体層の組成が一様で歪みがなく温度勾配がなければ、点状欠陥は、厚さ方向にも、厚さ方向に直交する層方向にも同じ態様で拡散する。
そこで、本発明では、組成が厚さ方向に変化する、従って歪が厚さ方向に変化する組成変調型化合物半導体層を積層構造中に形成することにより、点状欠陥の拡散を非等方的に制御して抑制し、点状欠陥の拡散に対するバリアを構成している。よって、本発明に係る半導体レーザ素子は、点状欠陥の拡散によって生じる劣化現象の進行を抑制または遅らせることができ、半導体レーザ素子の素子寿命を伸ばすことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施例１
本実施例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施例であって、図１は実施例１の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
本実施例の半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、金属層からなるたｎ側電極１２、ｎ−Ｇa Ａs からなる結晶基板１４、ｎ−Ａｌx1Ｇａ(1-X1-Y1) ＩｎY1Ａｓからなる第１のクラッド層１６、Ａｌx2Ｇａ(1-X2)Ａｓからなる活性層１８、ｐ−Ａｌx3Ｇａ(1-X3-Y3) ＩｎY3Ａｓからなる第２のクラッド層２０、ｐ−Ｇa Ａs からなるキャップ層２２、絶縁膜２４、及び、絶縁膜２４に線状に開口した窓に設けられた金属層からなるｐ側電極２６で構成されている。
実施例１の層構造において、第１のクラッド層１６及び第２のクラッド層２０を組成変調型化合物半導体層で形成する。本実施例の組成変調型化合物半導体層では、図２（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に示すように、バンドギャップの値を大きくするＡｌ、Ａｓの含有率（Ｘ）とバンドギャップの値を小さくするＩｎ、Ａｓの含有率（Ｙ）とを同時に増減させ、バンドギャップの値が変わらないように化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させている。ここで、図２中の組成の縦軸のスケールと絶対値は任意である。これは、以下の図４、図６、図８及び図１０でも同様である。
本実施例では、組成変調型化合物半導体層が、組成プロファイルに依存した格子定数を持ち、連続的に格子がつながっているので、同時にその厚さ方向プロファイルに依存した厚さ方向に変化する歪みを持つ。そこで、組成変調型化合物半導体層が、点状欠陥の拡散の障害層となって、点状欠陥に起因する劣化現象の進行を抑制することができる。
本実施例では、活性層１８を三元のＡｌx2Ｇａ(1-X2)Ａｓで構成しているが、Ａｌx2Ｇａ(1-X2)ＩｎY2Ａｓからなる組成変調型化合物半導体層で構成することにより、一層本発明の効果を向上させることができる。
【０００９】
実施例２
本実施例は、本発明に係る別の半導体レーザ素子の実施例であって、図３は実施例２の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
本実施例の半導体レーザ素子３０は、図３に示すように、化合物半導体層の組成が異なることを除いて、実施例１と同じ積層構造を有する。即ち、第１のクラッド層３６がｎ−Ａｌx1Ｇａ(1-X1)Ａｓ(1-Y1)ＰY1からなり、活性層３８がＡｌx2Ｇａ(1-X2)Ａｓからなり、第２のクラッド層４０がｐ−Ａｌx3Ｇａ(1-X3)Ａｓ(1-Y3)ＰY3からなることを除いて実施例１と同じである。図３中、３２は、金属層からなるｎ側電極、３４はｎ−Ｇa Ａs からなる結晶基板、４２はｐ−Ｇa Ａs からなるキャップ層、４４は絶縁膜、及び、４６はｐ側電極である。
実施例２の層構造において、第１のクラッド層３６及び第２のクラッド層４０を組成変調型化合物半導体層で形成する。本実施例の組成変調型化合物半導体層では、図４（ａ）、（ｂ）又は（ｃ）に示すように、Ｐの含有率（Ｙ）を減増し、その減増に合わせてＡｌの含有率（Ｘ）を増減させ、バンドギャップの値が変わらないようにして、化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させている。
本実施例の半導体レーザ素子は、以上の構成の組成変調型化合物半導体層により実施例１と同様の効果を奏し、点状欠陥に起因する劣化現象の進行が抑制される。
また、実施例１で説明したように、活性層３８をＡｌx2Ｇａ(1-X2)Ａｓ(1-Y2)ＰY2からなる組成変調型化合物半導体層で構成することもできる。
【００１０】
実施例３
本実施例は、本発明に係る更に別の半導体レーザ素子の実施例であって、図５は実施例３の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
本実施例の半導体レーザ素子５０は、図５に示すように、化合物半導体層の組成が異なることを除いて、実施例１と同じ積層構造を有する。即ち、第１のクラッド層５６がｎ−（Ａｌx1Ｇａ(1-X1)）(1-Y1)ＩｎY1Ｐからなり、活性層５８が（Ａｌx2Ｇａ(1-X2)）(1-Y2)ＩｎY2Ｐからなり、第２のクラッド層６０がｐ−（Ａｌx3Ｇａ(1-X3)）(1-Y3)ＩｎY3Ｐかり、キャップ層６２がｐ−（Ａｌx4Ｇａ(1-X4)）(1-Y4)ＩｎY4Ｐからなることを除いて実施例１と同じである。図５中、５２は金属層からなるｎ側電極、５４はｎ−Ｇa Ａs からなる結晶基板、６４は絶縁膜、及び、６６はｐ側電極６６である。
【００１１】
実施例３の層構造において、第１のクラッド層５６、活性層５８、第２のクラッド層６０及びキャップ層６２を組成変調型化合物半導体層で形成する。本実施例の組成変調型化合物半導体層では、図６に示すように、Ａｌの含有率（Ｘ）を増減し、その増減の程度より多少急峻な勾配でＩｎの含有率（Ｙ）を同時に増減させ、バンドギャップの値が変わらないように化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させている。
本実施例の半導体レーザ素子は、以上の構成の組成変調型化合物半導体層により実施例１と同様の効果を奏し、点状欠陥に起因する劣化現象の進行が抑制される。
【００１２】
実施例４
本実施例は、本発明に係る更に別の半導体レーザ素子の実施例であって、図７は本実施例の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
本実施例の半導体レーザ素子８０は、図７に示すように金属層からなるｎ側電極８２、ｎ−Ｇa Ａs からなる結晶基板８４、ｎ−Ｚｎx1Ｍｇ(1-X1)ＳY1Ｓｅ(1-Y1)からなる第１のクラッド層８６、ｎ−ＺｎＳx2Ｓｅ(1-X2)からなる第１のガイド層８８、ＺｎＣｄＳｅからなる活性層９０、ｐ−ＺｎＳx2Ｓｅ(1-X2)からなる第２のガイド層９２、ｐ−Ｚｎx3Ｍｇ(1-X3)ＳY3Ｓｅ(1-Y3)からなる第２のクラッド層９４、ｐ−ＺｎＴｅからなるキャップ層９６、絶縁膜９８及び絶縁膜９８に線状に開口した窓に設けられた金属層からなるｐ側電極１００で構成されている。
【００１３】
実施例４の層構造において、第１のクラッド層８６及び第２のクラッド層９４を組成変調型化合物半導体層で形成する。本実施例の組成変調型化合物半導体層では、図７に示すように、Ｚｎの含有率（Ｘ）とＳの含有率（Ｙ）とを同時に増減させ、バンドギャップの値が変わらないようにして化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させている。
本実施例の半導体レーザ素子は、以上の構成の組成変調型化合物半導体層により実施例１と同様の効果を奏し、点状欠陥に起因する劣化現象の進行が抑制される。
また、実施例１で説明したように、活性層９０を四元のＺｎＣｄＳｅＳからなる組成変調型化合物半導体層で構成することもできる。
【００１４】
実施例５
本実施例は、本発明に係る更に別の半導体レーザ素子の実施例であって、図９は実施例５の半導体レーザ素子の層構造を示す断面図である。
本実施例の半導体レーザ素子１１０は、図９に示すように、金属層からなるｎ側電極１１２、ｎ−ＳｉＣからなる結晶基板１１４、ＡｌＮからなるバッファ層１１６、ｎ−Ａｌx1Ｇａ(1-X1-Y1) ＩｎY1Ｎからなる第１のクラッド層１１８、Ｇａx2Ｉｎ(1-X2)Ｎからなる活性層１２０、ｐ−Ａｌx3Ｇａ(1-X3-Y3) ＩｎY3Ｎからなる第２のクラッド層１２２、ｐ−Ａｌx4Ｇａ(1-X4-Y4) ＩｎY4Ｎからなるキャップ層１２４、絶縁膜１２６及び絶縁膜１２６に線状に開口した窓に設けられた金属層からなるｐ側電極１２８で構成されている。
【００１５】
実施例５の層構造において、第１のクラッド層１１８、第２のクラッド層１２２及びキャップ層１２４を組成変調型化合物半導体層で形成する。本実施例の組成変調型化合物半導体層では、例えば図１０に示すように、Ａｌの含有率（Ｘ）を増減させると同時に、それに比べて少ない割合でＩｎの含有率（Ｙ）を増減させて、バンドギャップの値が変わらないようにして化合物半導体層の厚さ方向に組成を層状に変調させている。
本実施例の半導体レーザ素子は、以上の構成の組成変調型化合物半導体層により、実施例１と同様の効果を奏し、点状欠陥に起因する劣化現象の進行が抑制される。
また、実施例１で説明したように、活性層１２０を四元のＡｌx2Ｇａ(1-X2-Y2) ＩｎY2Ｎからなる組成変調型化合物半導体層で構成することもできる。
【００１６】
実施例５の改変例
本実施例は、実施例５の半導体レーザ素子の改変例であって、本実施例の半導体レーザ素子は、実施例５のｎ−ＳｉＣからなる結晶基板１１４に変えてサファイヤ単結晶基板（Ａｌ2 Ｏ3)１１４を、ＡｌＮからなるバッファ層１１６に変えてＧa Ｎ、ＡｌＮ、又はＡｌＧａＮからなるバッファ層１１６を使用したことを除いて実施例５の半導体レーザ素子と同じ構成である。以上の構成により、本実施例は、実施例５と同じ効果を奏することができる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ素子は、積層構造を形成する化合物半導体層のうち、特にクラッド層を組成変調型化合物半導体層としたことにより、従来、有効な実用的対策の無かった点状欠陥の活性層への拡散を抑制または遅らせることができる。本発明に係る半導体レーザ素子を使用することにより、例えば、高密度の光記録ディスク装置の読み取り装置に適用することができるような、赤外領域から紫外領域にわたる寿命の長い半導体レーザ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の実施例１の層構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ実施例１の半導体レーザ素子の組成変調型化合物半導体層の組成変調プロファイルの例を示す。
【図３】本発明に係る半導体レーザ素子の実施例２の層構造を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ実施例２の半導体レーザ素子の組成変調型化合物半導体層の組成変調プロファイルの例を示す。
【図５】本発明に係る半導体レーザ素子の実施例３の層構造を示す断面図である。
【図６】実施例３の半導体レーザ素子の組成変調型化合物半導体層の組成変調プロファイルの例を示す。
【図７】本発明に係る半導体レーザ素子の実施例４の層構造を示す断面図である。
【図８】実施例４の半導体レーザ素子の組成変調型化合物半導体層の組成変調プロファイルの例を示す。
【図９】本発明に係る半導体レーザ素子の実施例５の層構造を示す断面図である。
【図１０】実施例５の半導体レーザ素子の組成変調型化合物半導体層の組成変調プロファイルの例を示す。
【符号の説明】
１０……本発明に係る半導体レーザ装置の実施例１、１２……ｎ側電極、１４……基板、１６……第１のクラッド層、１８……活性層、２０……第２のクラッド層、２２……キャップ層、２４……絶縁膜、２６……ｐ側電極、３０……本発明に係る半導体レーザ装置の実施例２、３２……ｎ側電極、３４……基板、３６……第１のクラッド層、３８……活性層、４０……第２のクラッド層、４２……キャップ層、４４……絶縁膜、４６……ｐ側電極、５０……本発明に係る半導体レーザ装置の実施例３、５２……ｎ側電極、５４……基板、５６……第１のクラッド層、５８……活性層、６０……第２のクラッド層、６２……キャップ層、６４……絶縁膜、６６……ｐ側電極、８０……本発明に係る半導体レーザ装置の実施例４、８２……ｎ側電極、８４……基板、８６……第１のクラッド層、８８……第１のガイド層、９０……活性層、９２……第２のガイド層、９４……第２のクラッド層、９６……キャップ層、９８……絶縁膜、１００……ｐ側電極、１１０……本発明に係る半導体レーザ装置の実施例５、１１２……ｎ側電極、１１４……基板、１１６……バッファ層、１１８……第１のクラッド層、１２０……活性層、１２２……第２のクラッド層、１２４……キャップ層、１２６……絶縁膜、１２８……ｐ側電極。
【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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