(57)【要約】【課題】  低消費電力化を図ることが可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  基板の上にｎ型クラッド層が形成されている。ｎ型クラッド層の上に、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層が配置されている。活性層の上に、溝が設けられた電流ブロック層が配置されている。溝の少なくとも底面の上に光ガイド層が配置されている。光ガイド層の上にｐ型クラッド層が配置されている。溝に充填された材料の実効屈折率が、電流ブロック層の実効屈折率よりも高い。ｎ型クラッド層の実効屈折率が、ｐ型クラッド層の実効屈折率より高い。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に配置され、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に配置され、溝が設けられた電流ブロック層と、
前記溝の少なくとも底面の上に配置された光ガイド層と、
前記光ガイド層の上に配置されたｐ型クラッド層と
を有し、
前記溝に充填された材料の実効屈折率が、前記電流ブロック層の実効屈折率よりも高く、
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率より高い半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が前記ｐ型クラッド層の実効屈折率と同一であると仮定した場合において、前記溝に充填された材料の実効屈折率と、前記電流ブロック層の実効屈折率との差に基づいて算出される単一モードカットオフ幅よりも、前記溝の幅の方が広い請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ｎ型クラッド層は、ＩＩＩ側元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記基板はＩｎＰで形成されており、前記活性層は、ＡｌＧａＩｎＡｓからなる多重量子井戸構造を有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｎ型クラッド層は、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰからなる群より選択された１つの半導体材料で形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に光学的に結合した光ファイバと
を有するレーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子は、
基板と、
前記基板の上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に配置され、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層上に配置され、溝が設けられた電流ブロック層と、
前記溝の少なくとも底面の上に配置された光ガイド層と、
前記光ガイド層の上に配置されたｐ型クラッド層と
を有し、
前記溝に充填された材料の実効屈折率が、前記電流ブロック層の実効屈折率よりも高く、
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率より高いレーザモジュール。
【請求項７】
さらに、
前記半導体レーザ素子の温度を調節する温度調整機構を有する請求項６に記載のレーザモジュール。
【請求項８】
基板の上に、ｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層の上に、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記電流ブロック層に溝を形成する工程と、
前記溝の少なくとも底面の上に光ガイド層を形成する工程と、
前記光ガイド層の上ｐ型クラッド層を形成する工程と
を有し、
前記溝に充填された材料の実効屈折率が、前記電流ブロック層の実効屈折率よりも高く、
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率より高い半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子及びレーザモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｎＰ基板上の１．２μｍ〜１．６μｍ帯の高出力レーザ素子に、ＧａＩｎＡｓＰ系の活性層の両側面をＩｎＰのブロッキング層で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造）が採用されている。半導体レーザ素子の光損失の要因の１つとして、価電子帯間吸収が挙げられる。価電子帯間吸収の大きさは正孔密度に比例するため、ｐ型クラッド層での価電子帯間吸収が、光損失に大きな影響を与える。
【０００３】
下記の特許文献１に、光フィールドをｎ型クラッド側に偏在させた半導体レーザ素子が開示されている。この半導体レーザ素子では、ｎ型ＩｎＰ及びｐ型ＩｎＰからなるクラッドが用いられる。ｎ型クラッド層の一部に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光フィールド制御層が挿入される。
【０００４】
図８に、下記の特許文献２に開示された半導体レーザ素子の断面図を示す。ｎ型ＩｎＰからなる基板１００の上に、メサストライプ１０１が形成されている。メサストライプ１０１は、ｎ型クラッド層１０２、活性層１０３、及びｐ型クラッド層１０４を含む。基板側に配置されたｎ型クラッド層１０２がｎ型ＧａＩｎＡｓＰで形成されており、上側のｐ型クラッド層１０３がｐ型ＩｎＰで形成されている。
【０００５】
メサストライプ１０１の両側に、電流ブロック層１０５が配置されている。メサストライプ１０１及び電流ブロック層１０５の上に、ｐ型クラッド層１０６及びｐ型コンタクト層１０７が配置されている。ｐ型コンタクト層１０７にｐ側電極１０８がオーミック接触し、基板１００の背面にｎ側電極１０９がオーミック接触している。ＧａＩｎＡｓＰからなるｎ型クラッド層１０２の屈折率が、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１０４の屈折率より大きいため、光フィールド１１０が、ｎ型クラッド層１０２の方に偏在する。
【０００６】
光フィールド１１０をｎ型クラッド層１０２の方に偏在させ、ｐ型クラッド層１０４、１０６への光の染み出し量を低減させることにより、ｐ型クラッド層１０４、１０６内での価電子帯間吸収による光損失を低減させることができる。
【０００７】
本明細書で説明したシミュレーションにおいて、下記の非特許文献１及び非特許文献２に開示された化合物半導体の物性定数を用いた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１７４３９４号公報
【特許文献２】特開２００４−１５３２１２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys., vol.19, No.2, pp.L137-L140,(1980), K. Utaka et. al.
【非特許文献２】IEEE PhotonicsTechnology Letters, vol. 4, No.6, pp.627-630 (1992), M. J. Mondry et al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
半導体レーザ素子及びレーザモジュールの低消費電力化が要求されている。例えば、エルビウムドープファイバ増幅器の励起用光源として使用されるレーザモジュールは、半導体レーザ素子と、冷却用のペルチェ素子とを含む。レーザモジュールの低消費電力化を図るために、半導体レーザ素子自体の消費電力の低下、及び冷却用のペルチェ素子の消費電力の低下を図ることが有効である。
【００１１】
上述の従来例のように、光フィールドをｎ型クラッド層の方に偏在させて、光損失を低減させることにより、半導体レーザ素子の電流光変換効率を高めることができる。さらに、低消費電力化を図るために、半導体レーザ素子のメサ幅（キャリアが注入される活性層の幅）を広くすることにより、素子抵抗を低減させることが有効である。ところが、メサ幅を広くすると、高次横モードが励振されやすくなり、単一モード動作が困難になる。
【００１２】
また、活性層に多重量子井戸構造を採用する場合、半導体レーザ素子の温度が上昇すると、活性層内の電子が熱励起されるため、量子井戸層への電子の閉じ込め効率が低下してしまう。量子井戸層に電子を閉じ込めるために、半導体レーザ素子を冷却することが好ましい。半導体レーザ素子を冷却するための電力が、レーザモジュールの低消費電力化を妨げる一つの要因になっている。
【００１３】
本発明の目的は、低消費電力化を図ることが可能な半導体レーザ素子、及びレーザモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一観点によると、
基板と、
前記基板の上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に配置され、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層の上に配置され、溝が設けられた電流ブロック層と、
前記溝の少なくとも底面の上に配置された光ガイド層と、
前記光ガイド層の上に配置されたｐ型クラッド層と
を有し、
前記溝に充填された材料の実効屈折率が、前記電流ブロック層の実効屈折率よりも高く、
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率より高い半導体レーザ素子が提供される。
【００１５】
本発明の他の観点によると、
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に光学的に結合した光ファイバと
を有するレーザモジュールであって、
前記半導体レーザ素子は、
基板と、
前記基板の上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に配置され、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層上に配置され、溝が設けられた電流ブロック層と、
前記溝の少なくとも底面の上に配置された光ガイド層と、
前記光ガイド層の上に配置されたｐ型クラッド層と
を有し、
前記溝に充填された材料の実効屈折率が、前記電流ブロック層の実効屈折率よりも高く、
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率より高いレーザモジュールが提供される。
【００１６】
本発明のさらに他の観点によると、
基板の上に、ｎ型クラッド層を形成する工程と、
前記ｎ型クラッド層の上に、多重量子井戸構造を有し、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に電流ブロック層を形成する工程と、
前記電流ブロック層に溝を形成する工程と、
前記溝の少なくとも底面の上に光ガイド層を形成する工程と、
前記光ガイド層の上ｐ型クラッド層を形成する工程と
を有し、
前記溝に充填された材料の実効屈折率が、前記電流ブロック層の実効屈折率よりも高く、
前記ｎ型クラッド層の実効屈折率が、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率より高い半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
活性層に、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いると、Ａｌを含まない材料を用いる場合に比べて、多重量子井戸構造の井戸層の伝導帯下端とバリア層の伝導帯下端とのエネルギ準位差を大きくすることができる。エネルギ準位差が大きくなると、井戸層からバリア層に電子が溢れにくくなる。このため、優れた温度特性を有する半導体レーザ素子が得られる。
【００１８】
活性層を形成した後、続いて電流ブロック層を形成することにより、Ａｌを含む活性層が大気に暴露されることによる酸化を防止することができる。これにより、半導体レーザ素子の高信頼性を確保することができる。
【００１９】
ｎ型クラッド層の実効屈折率がｐ型クラッド層の実効屈折率より高いため、光フィールドがｎ型クラッド層側に偏在する。これにより、ｐ型クラッド層での価電子帯間吸収に起因する光損失が低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１Ａは、実施例による半導体光素子の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。
【図２】図２は、実施例による半導体光素子のコア層の断面図である。
【図３−１】図３Ａ及び図３Ｂは、実施例による半導体光素子の製造途中段階における断面図である。
【図３−２】図３Ｃは、実施例による半導体光素子の製造途中段階における断面図である。
【図４】図４は、ＩｎＰに格子整合する条件の下で、ＡｌＧａＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓＰとの組成比を変化させたときのバンドギャップエネルギと、約３６００ｎｍの波長域における屈折率との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、ＩｎＰに格子整合する条件の下で、ＡｌＧａＩｎＡｓとＩｎＧａＡｓＰとの組成比を変化させたときのバンドギャップエネルギと、１４８０ｎｍの波長域における屈折率との関係を示すグラフである。
【図６】図６Ａは、シミュレーションの対象となる試料Ａ、試料Ｂ及び試料Ｃの断面図であり、図６Ｂは、ｎ型クラッド層の厚さと、ｐ型クラッド層への光の染み出し割合との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例による半導体レーザ素子を実装したレーザモジュールの断面図である。
【図８】図８は、従来の半導体レーザ素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１Ａに、実施例による半導体光素子２０の例として、半導体レーザ素子の平面図を示す。長方形の平面形状を有する基板２１の上に、一方向に長いストライプ構造３０が形成されている。基板２１及びストライプ構造３０は、ストライプ構造３０の長手方向と交差する一対の端面を有する。一方の端面に高反射膜３１が形成され、他方の端面に低反射膜３２が形成されている。ストライプ構造３０内で誘導放出により発生したレーザビームが、低反射膜３２から外部に放射される。なお、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザでは、高反射膜３１及び低反射膜３２の代わりに無反射コーティングが採用される。他の例として、ＤＦＢレーザと同様に、両端を無反射コーティングにすることにより、半導体光素子を、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として動作させることも可能である。
【００２２】
図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。基板２１の上に、ｎ型クラッド層２２、コア層３５、及び電流ブロック層３６が形成されている。電流ブロック層３６に、コア層３５まで達する溝３７が形成されている。溝３７は、ストライプ構造３０（図１Ａ）に対応する平面形状を有する。
【００２３】
溝３７の底面と側面、及び電流ブロック層３６の上面に、ｐ型光ガイド層３８が形成されている。ｐ型光ガイド層３８の上に、ｐ型クラッド層３９が形成されている。溝３７は、ｐ型光ガイド層３８及びｐ型クラッド層３９で埋め尽くされている。ｐ型クラッド層３９の上に、ｐ型コンタクト層４０が形成されている。
【００２４】
ｐ型コンタクト層４０の上に、ｐ側電極４１が形成され、基板２１の背面に、ｎ側電極４２が形成されている。ｐ側電極４１はｐ型コンタクト層４０にオーミック接触し、ｎ側電極４２は、基板２１にオーミック接触している。
【００２５】
基板２１は、ｎ型ＩｎＰで形成される。ｎ型クラッド層２２は、ＩｎＰからなる基板２１に格子整合するｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓで形成される。
【００２６】
コア層３５は、活性層２４、及び活性層２４を挟むｎ側分離閉じ込めヘテロ構造層（ｎ側ＳＣＨ層）２３とｐ側分離閉じ込めヘテロ構造層（ｐ側ＳＣＨ層）２５とを含む。ｎ側ＳＣＨ層２３が活性層２４よりも基板２１側に配置されている。活性層２４は、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成される。コア層３５の詳細な構造については、後に図２を参照して説明する。
【００２７】
電流ブロック層３６は、ｐ型ＩｎＰ層２６、及びその上に配置されたｎ型ＩｎＰ層２７を含む。半導体光素子２０の動作中に、ｐ型ＩｎＰ層２６とｎ型ＩｎＰ層２７とのｐｎ接合界面に逆バイアスが印加される。ｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２７の代わりに、それぞれｐ型ＩｎＰ系材料層及びｎ型ＩｎＰ系材料層を用いてもよい。ここで、「ＩｎＰ系材料」とは、ＩＩＩ族元素としてＩｎを含み、Ｖ族元素としてＰを含み、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長可能な化合物半導体材料を意味する。ＩｎＰ系材料の例として、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。
【００２８】
ｐ型光ガイド層３８は、ＩｎＰからなる基板２１に格子整合するｐ型ＩｎＧａＡｓＰで形成される。ｐ型クラッド層３９は、ｐ型ＩｎＰで形成される。ｐ型コンタクト層４０は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰまたはｐ型ＩｎＧａＡｓで形成される。
【００２９】
溝３７内のｐ型光ガイド層３８、コア層３５、及びｎ型クラッド層２２で構成されるｐｉｎ接合に順方向バイアスが印加されるように、ｎ側電極４２及びｐ側電極４１に直流電圧が印加される。このとき、電流ブロック層３６のｐｎ接合には逆方向バイアスが印加されるため、電流ブロック層３６にはほとんど電流が流れない。このため、溝３７の直下のコア層３５に電流が集中する。
【００３０】
ｐ型光ガイド層３８の屈折率が、電流ブロック層３６の屈折率より高い。ｐ型クラッド層３９の屈折率と、電流ブロック層３６の屈折率とは等しい。このため、溝３７に充填された材料の実効屈折率が、電流ブロック層３６の実効屈折率より高い。この実効屈折率の差によって、ストライプ構造３０（図１Ａ）の幅方向（横方向）に関して光閉じ込めが行われる。
【００３１】
ＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡｓＰ（ｐ型光ガイド層３８）と、ＩｎＰに格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓ（ｎ型クラッド層２２）とを比較すると、ＡｌＧａＩｎＡｓの屈折率がＩｎＧａＡｓＰの屈折率より高い。さらに、ＡｌＧａＩｎＡｓの屈折率は、ＩｎＰ（ｐ型クラッド層３９）の屈折率より高い。このため、ｎ型クラッド層２２の実効屈折率は、溝３７に充填された材料の実効屈折率より高い。その結果、光フィールド４５が、コア層３５を基準としてｎ型クラッド層２２の方に偏在する。
【００３２】
図２に、コア層３５の断面図を示す。活性層２４が、ｎ側ＳＣＨ層２３とｐ側ＳＣＨ層２５とで挟まれている。活性層２４は、バリア層２４Ｂと井戸層２４Ｗとを含む多重量子井戸構造を有する。バリア層２４Ｂと井戸層２４Ｗとは交互に積層されており、積層方向の両端にバリア層２４Ｂが配置される。バリア層２４Ｂ及び井戸層２４Ｗは、アンドープのＡｌＧａＩｎＡｓで形成されている。バリア層２４Ｂのバンドギャップエネルギが井戸層２４Ｗのバンドギャップエネルギより大きくなるように、構成元素の組成比が選択されている。なお、バリア層２４ＢをアンドープのＡｌＩｎＡｓで形成してもよい。
【００３３】
ｎ側ＳＣＨ層２３は、Ａｌ組成比が相互に異なる３層のアンドープのＡｌＧａＩｎＡｓ層２３Ａ〜２３Ｃで構成されている。ｎ側ＳＣＨ層２３内のＡｌの組成比は、ｎ型クラッド層２２から活性層２４に向かって、階段状に小さくなっている。Ａｌ組成比が相互に異なるＡｌＧａＩｎＡｓ層を４層以上にしてもよい。または、ｎ側ＳＣＨ層２３を、活性層２４に向かってＡｌ組成比が連続的に小さくなる構成としてもよい。ｐ側ＳＣＨ層２５は、ｎ側ＳＣＨ層２３を上下反転させた構造を有する。すなわち、ｐ側ＳＣＨ層２５も、Ａｌ組成比の異なる３層のアンドープのＡｌＧａＩｎＡｓ層２５Ａ〜２５Ｃを含む。ｐ側ＳＣＨ層２５内のＡｌ組成比も、ｐ型光ガイド層３８から活性層２４に向かって階段状または連続的に小さくなる。
【００３４】
ｎ側ＳＣＨ層２３及びｐ側ＳＣＨ層２５は、活性層２４より大きいバンドギャップエネルギを有し、キャリアを活性層２４に閉じ込める。ｎ側ＳＣＨ層２３及びｐ側ＳＣＨ層２５の屈折率は活性層２４の屈折率より小さい。ただし、ｎ側ＳＣＨ層２３及びｐ側ＳＣＨ層２５は、光を閉じ込めるための十分な厚さを有しないため、これらの層の光閉じ込め機能は小さい。厚さ方向に関する光閉じ込め機能は、主としてｎ型クラッド層２２及びｐ型クラッド層３９で実現される。
【００３５】
図３Ａ〜図３Ｃを参照して、実施例による半導体光素子の製造方法について説明する。
【００３６】
図３Ａに示すように、ｎ型ＩｎＰからなる基板２１の上に、ｎ型クラッド層２２、ｎ側ＳＣＨ層２３、活性層２４、ｐ側ＳＣＨ層２５、ｐ型ＩｎＰ層２６、及びｎ型ＩｎＰ層２７を順番にエピタキシャル成長させる。これらの半導体層の成長には、例えば有機金属化
学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等を適用することができる。ｎ型ＩｎＰ層２７の上に、マスクパターン４６を形成する。マスクパターン４６には、例えばＳｉＯ２が用いられる。マスクパターン４６に、開口４７を形成する。開口４７は、ストライプ構造３０（図１Ａ）に整合する平面形状を有する。
【００３７】
図３Ｂに示すように、マスクパターン４６をエッチングマスクとして、ｎ型ＩｎＰ層２７及びｐ型ＩｎＰ層２６をエッチングすることにより、溝３７を形成する。ｎ型ＩｎＰ層２７及びｐ型ＩｎＰ層２６のエッチングは、コア層３５に対してＩｎＰを選択的にエッチングできる条件で行う。このエッチングには、ウェットエッチングまたはドライエッチングを適用することができる。溝３７の両側に、ｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２７からなる電流ブロック層３６が残る。溝３７も底面に、コア層３５の一部が露出する。
【００３８】
図３Ｃに示すように、溝３７の底面と側面、及び電流ブロック層３６の上面に、ｐ型光ガイド層３８をエピタキシャル成長させる。さらに、ｐ型光ガイド層３８の上に、ｐ型クラッド層３９をエピタキシャル成長させる。溝３７内が、ｐ型光ガイド層３８及びｐ型クラッド層３９で埋め込まれ、ｐ型クラッド層３９の上面がほぼ平坦になる。ｐ型クラッド層３９の上に、ｐ型コンタクト層４０をエピタキシャル成長させる。
【００３９】
その後、図１Ｂに示したように、ｐ側電極４１及びｎ側電極４２を形成する。ストライプ構造３０（図１Ａ）と直交する方向にへき開することにより、複数のストライプ構造３０が横方向に並んだレーザバーを形成する。レーザバーの端面に、高反射膜３１（図１Ａ）及び低反射膜３２（図１Ａ）を形成する。その後、レーザバーをチップ単位に分割する。
【００４０】
図４及び図５を参照して、ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓを用いることの効果について説明する。図４は、ＩｎＰに格子整合する条件の下で、ＡｌＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓＰとの組成比を変化させたときのバンドギャップエネルギと、約３６００ｎｍの波長域における屈折率との関係を示す。図５は、ＩｎＰに格子整合する条件の下で、ＡｌＧａＩｎＡｓとＧａＩｎＡｓＰとの組成比を変化させたときのバンドギャップエネルギと、１４８０ｎｍの波長域における屈折率との関係を示す。１４８０ｎｍの波長域におけるＡｌＧａＩｎＡｓ及びＧａＩｎＡｓＰの物性値として、上述の非特許文献１及び非特許文献２に開示されたものを用いた。波長１４８０ｎｍのレーザ光源は、例えばエルビウムドープファイバ増幅器用の励起用光源として用いられる。
【００４１】
図４及び図５の横軸は、バンドギャップエネルギを単位「ｅＶ」で表し、縦軸は、屈折率を表す。図４及び図５に示した実線は、ＩｎＰに格子整合する条件でＡｌＧａＩｎＡｓの組成比を変化させたときのバンドギャップエネルギと屈折率との関係を示し、破線は、ＩｎＰに格子整合する条件でＧａＩｎＡｓＰの組成比を変化させたときのバンドギャップエネルギと屈折率との関係を示す。
【００４２】
図４において、実線及び破線の左上の端点はＧａＩｎＡｓのバンドギャップエネルギ及び屈折率を示す。図４及び図５において、実線の右下の端点はＡｌＩｎＡｓのバンドギャップエネルギ及び屈折率を示し、破線の右下の端点はＩｎＰのバンドギャップエネルギ及び屈折率を示す。活性層２４（図１Ｂ）の実効的な屈折率及びバンドギャップエネルギは図４及び図５において領域２４Ａの範囲内の値になる。すなわち、活性層２４の屈折率は３．３５〜３．４程度である。ＡｌＧａＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２のバンドギャップエネルギと、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層３９のバンドギャップエネルギとがほぼ同一であるという条件の下では、ＡｌＧａＩｎＡｓの組成比は領域２２Ａ内から選択される。このとき、ｎ型クラッド層２２の３６００ｎｍの波長域における屈折率は３．２４程度（図４）であり、１４８０ｎｍの波長域における屈折率は３．２４５程度（図５）で
ある。
【００４３】
他の例として、ｎ型クラッド層２２を、ＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡｓＰで形成する場合について考察する。この例では、ｎ型クラッド層２２のバンドギャップエネルギを、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層３９のバンドギャップエネルギと同一にすることはできない。ＧａＩｎＡｓＰからなるｎ型クラッド層２２のバンドギャップエネルギを、ＩｎＰのバンドギャップエネルギに近い値にすると、ＧａＩｎＡｓＰとＩｎＰとの屈折率差が小さくなってしまう。両者の屈折率差が小さいと、光フィールドをｐ型クラッド層３９からｎ型クラッド層２２の方に偏在させる十分な効果が得られない。
【００４４】
ＧａＩｎＡｓＰからなるｎ型クラッド層２２の屈折率を、ＡｌＧａＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２の屈折率と同程度（図４の条件において３．２４、図５の条件において３．２４５）にすると、そのバンドギャップエネルギは、図４の条件のときには１．０５ｅＶ程度、図５の条件のときには１．１８ｅＶ程度まで狭くなってしまう。このように、ｎ型クラッド層２２をＡｌＧａＩｎＡｓで形成する場合には、ＩｎＧａＡｓＰで形成する場合に比べて、ｎ型クラッド層２２のバンドギャップエネルギがＩｎＰのバンドギャップエネルギに近いという条件の下で、ｎ型クラッド層２２の屈折率をｐ型クラッド層３９の屈折率より十分大きくすることができる。
【００４５】
ｎ型クラッド層２２の屈折率がｐ型クラッド層３９の屈折率より十分大きくなると、光フィールドがｎ型クラッド層２２の方に、より大きく偏在する。ｎ型クラッド層２２にＧａＩｎＡｓＰを用いて、光フィールドを実施例と同程度に偏在させるためには、ｎ型クラッド層２２を厚くしなければならない。ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓを用いた場合には、ＩｎＧａＡｓＰを用いた場合に比べて、光フィールドを偏在させる効果を維持したまま、ｎ型クラッド層２２を薄くすることが可能である。
【００４６】
上記実施例では、ｎ型クラッド層２２をｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる単一の層で形成したが、相互に組成の異なる複数の混晶半導体層で形成してもよい。このとき、少なくとも１つの層は、ＡｌＧａＩｎＡｓを含む高屈折率層とする。この高屈折率層が、図１Ｂに示したＡｌＧａＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２と同じ機能を有する。すなわち、高屈折率層の屈折率は、ｐ型クラッド層３９の屈折率より高い。実施例では、ｎ型クラッド層２２が、高屈折率層として機能する。
【００４７】
ｎ型クラッド層２２を、ＡｌＧａＩｎＡｓに代えてＡｌＩｎＡｓで形成してもよい。ＡｌＩｎＡｓの屈折率はＩｎＰの屈折率より高いため、ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓを用いた場合と同様に、光フィールドをｎ型クラッド層２２側に偏在させることができる。さらに、ＡｌＩｎＡｓのバンドギャップエネルギはＡｌＧａＩｎＡｓのバンドギャップエネルギより大きいため、ｎ型クラッド層２２のバンドギャップエネルギを活性層２４のバンドギャップエネルギより十分大きくすることができる。
【００４８】
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、実施例の効果について具体的に説明する。活性層２４にＧａＩｎＡｓＰ系半導体を用いた試料Ａ（図６Ａ）、活性層２４にＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体を用い、ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓを用いた試料Ｂ（図６Ａ）、及び活性層２４にＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体を用い、ｎ型クラッド層２２にＡｌＩｎＡｓを用いた試料Ｃ（図６Ａ）の光フィールドの分布を、シミュレーションにより求めた。以下、シミュレーション結果について説明する。
【００４９】
図６Ａに、シミュレーションの対象となる試料Ａ、試料Ｂ及び試料Ｃの断面図を示す。基板２１からｐ型クラッド層３９までの基本的な積層構造は、実施例による半導体光素子の積層構造（図１Ｂ）と同一である。
【００５０】
試料Ａにおいては、ｎ型クラッド層２２、ｎ側ＳＣＨ層２３、活性層２４、及びｐ側ＳＣＨ層２５は、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体で形成されている。活性層２４の井戸層２４Ｗの厚さは４ｎｍであり、バリア層２４Ｂの厚さは１０ｎｍである。バリア層２４Ｂの組成波長は１．２μｍである。ここで、「組成波長」とは、混晶半導体のバンドギャップエネルギを光の波長で表したものであり、フォトルミネッセンス出力の光強度が最大値を示す波長に相当する。また、発振波長は１４８０ｎｍに調節されている。
【００５１】
ｎ側ＳＣＨ層２３は、基板側から順番に、組成波長が１．１０μｍで厚さが７ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層、組成波長が１．１５μｍで膜厚が６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層、及び組成波長が１．２μｍで膜厚が６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層が積層された３層構造を有する。ｐ側ＳＣＨ層２５は、ｎ側ＳＣＨ層２３を構成する３層の積層順を反転させた３層構造を有する。ｐ型クラッド層３９は不純物濃度７．０×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰで形成されており、その厚さは５００ｎｍである。
【００５２】
基板２１とｎ側ＳＣＨ層２３との間に、ｎ型ＧａＩｎＡｓＰからなるｎ型クラッド層２２が挿入されている。ｎ型クラッド層２２が、光フィールドを偏在させる高屈折率層として機能する。
【００５３】
試料Ｂにおいては、ｎ側ＳＣＨ層２３、活性層２４、ｐ側ＳＣＨ層２５がＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体で形成されている。各層の膜厚及び組成波長は、試料Ａの対応する層の膜厚及び組成波長と同一である。基板２１とｎ側ＳＣＨ層２３との間に、ＡｌＧａＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２が挿入されている。ｎ型クラッド層２２が、光フィールドを偏在させる高屈折率層として機能する。
【００５４】
試料Ｃにおいては、ｎ型クラッド層２２がＡｌＩｎＡｓで形成されている。ｎ側ＳＣＨ層２３、活性層２４、及びｐ側ＳＣＨ層２５の構成は、試料Ｂの構成と同一である。
【００５５】
図６Ｂに、シミュレーション結果を示す。横軸は、ｎ型クラッド層２２の厚さを単位「μｍ」で表し、縦軸は、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合を単位「％」で表す。ここで、「ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合」とは、厚さ方向に関する１次元の光強度分布をグラフに表したとき、光強度分布の全面積のうち、ｐ型クラッド層３９内の部分の面積の割合を意味する。
【００５６】
試料Ａにおいて、ｎ型クラッド層２２を配置しない構成（図６Ｂにおいてｎ型クラッド層２２の厚さが０μｍの点）とすると、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合は約４７％になる。一例として、ｎ型クラッド層２２の厚さを７．５μｍとすると、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合は約２２．５％になる。ｎ型クラッド層２２の厚さを７．５μｍより厚くしても、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合は、ほとんど低下しない。シミュレーション結果からわかるように、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体を用いた場合には、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合を２２．５％以下にすることが困難である。
【００５７】
試料Ｂのように、ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体を用いた場合には、ｎ型クラッド層２２の厚さを５００ｎｍとしたときに、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合が約２２．５％になる。ｎ型クラッド層２２を５００ｎｍより厚くすると、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合は、さらに低下する。このように、試料Ｂにおいて、ｎ型クラッド層２２の厚さを５００ｎｍより厚くすることにより、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合を、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いた試料Ａの構成では実現困難であった値まで低くすることができる。ＡｌＧａＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２の厚さを５００ｎｍ以上にすることにより、試料Ａの構成では得られない格別の効果を得るこ
とができる。
【００５８】
試料Ｃのように、ｎ型クラッド層２２にｎ型ＡｌＩｎＡｓを用いた場合でも、試料Ａに比べて、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合を低くすることが可能である。試料Ｃの場合には、ｎ型クラッド層２２の厚さを１２００ｎｍより厚くすることにより、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合を、試料Ａの構成では実現困難であった値まで低くすることができる。
【００５９】
試料Ａ〜試料Ｃ（図６Ａ）では、発振波長が１４８０ｎｍに調整されていた。次に、発振波長が１６００ｎｍに調整されている試料について考察する。この試料の、活性層以外の積層構造は、試料Ｂの積層構造と同一である。活性層は、ＧａＩｎＡｓからなる井戸層と、ＩｎＰに格子整合するＡｌＧａＩｎＡｓからなるバリア層とを含む。井戸層の厚さは６ｎｍであり、バリア層の厚さは１０ｎｍである。バリア層の組成波長は１．５７３μｍである。
【００６０】
ｎ型クラッド層２２として、バリア層と同一の組成のＡｌＧａＩｎＡｓが用いられている。この試料において、シミュレーションを行ったところ、ｎ型クラッド層２２の厚さが１６０ｎｍのとき、ｐ型クラッド層３９への光の染み出し割合が２２．５％であった。ｎ型クラッド層２２の厚さを１６０ｎｍ以上にすることにより、試料Ａの構成では得られない格別の効果を得ることができる。
【００６１】
ＧａＩｎＡｓＰは、Ｖ族元素としてＡｓとＰとの２種類を含むため、成長温度のばらつきに起因して、構成元素の組成比の面内ばらつきが大きくなりやすい。また、成長時に格子整合条件からずれ易いため、クラッド層として機能するような厚い膜を形成すると、厚さ方向に関しても組成の均一性が低下する。さらに、ＧａＩｎＡｓＰには、成長温度と組成との関係に、非混和領域が存在する。このため、安定した成長を行うことが困難である。
【００６２】
これに対し、ＡｌＧａＩｎＡｓ及びＡｌＩｎＡｓは、Ｖ族元素としてＡｓの１種類しか含まない。このため、ｎ型クラッド層２２にＧａＩｎＡｓＰを用いる場合に比べて、ｎ型クラッド層２２の組成比の面内のばらつきが生じにくく、厚さ方向に関しても、組成の均一性を確保しやすい。さらに、ＡｌＧａＩｎＡｓを用いることにより、成長温度と組成との関係における非混和領域の影響を軽減することができる。このため、安定した成長を行うことが可能である。
【００６３】
ＡｌＧａＩｎＡｓは、ＩＩＩ族元素として３種類の元素を含むが、ＡｌＩｎＡｓは、ＩＩＩ族元素として２種類の元素しか含まない。このため、試料Ｃにおいては、ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓを用いた試料Ｂに比べて、ｎ型クラッド層２２の組成比の面内ばらつきを、さらに小さくすることができる。
【００６４】
ｎ型クラッド層２２にＡｌＩｎＡｓを用いた試料Ｃでは、ｎ型クラッド層２２にＡｌＧａＩｎＡｓを用いた試料Ｂと同等の効果を得るために、ｎ型クラッド層２２を厚くしなければならない。ただし、ＡｌＩｎＡｓを用いる場合には、組成比の面内ばらつきを小さくすることが可能なため、ＡｌＧａＩｎＡｓに比べて容易に厚い膜を形成することができる。このため、ＡｌＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２を、試料ＢのＡｌＧａＩｎＡｓからなるｎ型クラッド層２２より厚くすることは、試料Ｃの構成を採用することの阻害要因にはならない。
【００６５】
試料Ｂ及び試料Ｃのように、ｎ側ＳＣＨ層２３、活性層２４、及びｐ側ＳＣＨ層２５にＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体を用いた場合に、ｎ型クラッド層２２にＧａＩｎＡｓＰを用い
てもよい。ＧａＩｎＡｓＰは、ＩｎＰより高い屈折率を有するため、光フィールドをｎ型クラッド層２２側に偏在させることができる。
【００６６】
実施例による半導体光素子は、例えばエルビウムドープファイバ増幅器用の励起用光源として使用される。この用途で使用する場合、活性層２４のバリア層２４Ｂと井戸層２４Ｗ（図２）のＡｌＧａＩｎＡｓの構成元素の組成比は、発振波長が約１４００ｎｍ以上１５００ｎｍ未満の波長、一例として１４８０ｎｍになるように選択される。その他に、実施例による半導体光素子は、１．５５μｍ帯等のＤＦＢアレイ及び光増幅器集積型のチューナブルレーザモジュール等の信号光源に適用することができる。この場合、チューナブルレーザの光増幅領域に本実施例による構成を用いると、特に有効である。実施例による半導体光素子を信号光源として用いる場合には、発振波長が１２５０ｎｍ以上１６２０ｎｍ未満になるように、活性層２４の組成比が選択される。
【００６７】
さらに、実施例では、図１Ｂに示したように、光フィールド４５がｎ型クラッド層２２の方に偏在する。このｎ型クラッド層２２は、ストライプ構造３０（図１Ａ）の横方向に広がって配置されている。このため、図８に示したメサストライプ構造の導波路に比べて、横方向に関する光閉じ込め効果が小さい。
【００６８】
横方向に関する光閉じ込め効果が大きい場合には、ストライプ構造３０（図１Ａ）の幅を広くすると、高次横モードが励振され易くなる。実施例では、横方向に関する光閉じ込め効果が小さいため、高次横モードの励振を抑制しつつ、ストライプ構造３０（図１Ａ）、すなわち溝３７（図１Ｂ）の幅を広くすることが可能である。一例として、ｎ型クラッド層２２の実効屈折率をｐ型クラッド層３９の実効屈折率と同一とした構造において、溝３７に充填された材料の実効屈折率と、電流ブロック層３６の実効屈折率との差に基づいて算出される単一モードカットオフ幅よりも、溝３７の幅の幅を広くしても、単一モードの励振を行うことが可能である。溝３７の幅を広くすることにより、素子抵抗を低下させることができる。素子抵抗が低下することにより、低消費電力化を図ることができる。
【００６９】
実施例では、Ａｌを含むｎ型クラッド層２２（図３Ａ）を形成した後、同一の成長チャンバ内で連続して、ｐ型ＩｎＰ層２６及びｎ型ＩｎＰ層２７を成長させることができる。このため、ｎ型クラッド層２２が大気に暴露されることがない。これに対し、図８に示した例では、メサストライプ１０１を形成した後、メサストライプ１０１の両側に、ｎ型クラッド層１０２の表面が露出する。ｎ型クラッド層１０２に含まれるＡｌは酸化されやすいため、露出した表面が大気に暴露されると、酸化されてしまう。実施例においては、ｎ型クラッド層２２の表面の酸化を防止することができる。
【００７０】
実施例では、活性層２４（図２Ｂ）に、ＩＩＩ族元素としてＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＡｌＧａＩｎＡｓが用いられている。多重量子井戸構造を有する活性層２４にＡｌを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いると、試料Ａのように活性層２４にＧａＩｎＡｓＰ系半導体を用いた場合に比べて、井戸層２４Ｗとバリア層２４Ｂ（図２）との伝導帯下端のエネルギ準位差が大きくなる。井戸層２４Ｗとバリア層２４Ｂとの伝導帯下端のエネルギ準位差が小さい場合には、井戸層２４Ｗの伝導帯の電子が、バリア層２４Ｂに溢れ易い。井戸層２４Ｗの伝導帯の電子がバリア層２４Ｂに溢れると、電気光変換効率が低下してしまう。実施例では、伝導帯下端のエネルギ準位差が大きいため、高温になっても、井戸層２４Ｗの伝導帯の電子が、バリア層２４Ｂに溢れにくい。このため、高温動作が可能である。
【００７１】
図７に、実施例による半導体レーザ素子を実装したレーザモジュールの断面図を示す。このレーザモジュールは、例えばエルビウムドープファイバ増幅器の励起用光源として使用される。セラミックス製のパッケージ６０の底面に、温度調整モジュール６１が搭載さ
れている。温度調整モジュール６１には、例えばペルチェ素子が用いられる。温度調整モジュール６１の上にベース６２が固定されている。
【００７２】
ベース６２に、ヒートシンク６３、レンズ６６、アイソレータ６７、及びフォトディテクタ７０が固定されている。ヒートシンク６３に、半導体光素子６４及びサーミスタ６５が搭載されている。半導体光素子６４には、上記実施例の半導体光素子が用いられる。パッケージ６０の側面に貫通孔が形成されており、この貫通孔内に、レンズ６８、及び光ファイバ６９の入射端が固定されている。
【００７３】
温度調整モジュール６１は、ヒートシンク６３を介して半導体光素子６４の温度を調節する。一般的には、半導体光素子６４が温度調整モジュール６１によって冷却される。半導体光素子６４から出射したレーザビームが、レンズ６６でコリメートされる。コリメートされたレーザビームが、アイソレータ６７を経由してレンズ６８に入射する。レンズ６８は、入射したレーザビームを、光ファイバ６９の入射端面に集光する。このように、光ファイバ６９が、半導体光素子６４に光学的に結合している。サーミスタ６５は、ヒートシンク６３を介して、半導体光素子６４の動作中の温度を計測する。半導体光素子６４の高反射膜から漏れたレーザビームが、フォトディテクタ７０で検出される。
【００７４】
半導体光素子６４に、上記実施例による半導体光素子が用いられているため、高温動作が可能である。このため、温度調整モジュール６１による冷却に要する電力を低減することができる。さらに、温度調整モジュール６１を省略し、ヒートシンク６３からの自然放熱により半導体光素子６４を冷却してもよい。ヒートシンク６３は、放熱フィンが設けられた外形を有するものに限定されない。例えば、熱伝導率の高い金属板をヒートシンク６３として用いることも可能である。
【００７５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００７６】
２０  半導体光素子
２１  基板
２２  ｎ型クラッド層
２３  ｎ側ＳＣＨ層
２４  活性層
２４Ｂ  バリア層
２４Ｗ  井戸層
２５  ｐ側ＳＣＨ層
２６  ｐ型ＩｎＰ層
２７  ｎ型ＩｎＰ層
３０  ストライプ構造
３１  高反射膜
３２  低反射膜
３５  コア層
３６  電流ブロック層
３７  溝
３８  ｐ型光ガイド層
３９  ｐ型クラッド層
４０  ｐ型コンタクト層
４１  ｐ側電極
４２  ｎ側電極
４５  光フィールド
４６  マスクパターン
４７  開口
６０  パッケージ
６１  温度調整モジュール
６２  ベース
６３  ヒートシンク
６４  半導体光素子
６５  サーミスタ
６６  レンズ
６７  アイソレータ
６８  レンズ
６９  光ファイバ
７０  フォトディテクタ
１０１  メサストライプ
１０２  クラッド層
１０３  活性層
１０４  ｐ型クラッド層
１０５  電流ブロック層
１０６  ｐ型クラッド層
１０７  ｐ型コンタクト層
１０８  ｐ側電極
１０９  ｎ側電極
１１０  光フィールド
【図１】
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【図２】
2014154798.tif 000004
【図３−１】
2014154798.tif 000005
【図３−２】
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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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