(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
活性層の両側に設けられ、活性層にキャリアを閉じ込めるキャリアブロック層と、
キャリアブロック層に対して活性層と反対側に設けられる導波層と、
導波層に対して活性層と反対側に設けられ、導波層よりも低い屈折率を有するクラッド層と、
導波層よりも低い屈折率を有する電流狭窄層とを備え、
キャリアブロック層は、導波層よりも大きなエネルギーギャップを有し、
πを円周率、導波層の屈折率をN0、クラッド層の屈折率をN3、クラッド層間の実効厚みをde、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Veを
Ve＝（π・de/λ）・（N02−N32）0.5
と定義したとき、
Ve＞π/3
であり、
電流狭窄層は、ストライプ状の活性領域を挟むように形成され、活性領域と電流狭窄層が存在する領域との間に屈折率差を設けて屈折率導波構造を形成することを特徴とする実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記電流狭窄層は、導波層内でキャリアブロック層およびクラッド層に離間して形成されることを特徴とする請求項１記載の実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記導波層を形成する半導体材料をGaAsで構成することを特徴とする請求項１または２記載の実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【請求項４】
活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の仮想実効屈折率を電流狭窄層側の仮想実効屈折率より低い構造とすることを特徴とする請求項１記載の実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【請求項５】
活性層に対し、電流狭窄層とは反対側のクラッド層の屈折率を低下させることにより仮想実効屈折率を下げたことを特徴とする請求項４記載の実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【請求項６】
活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の導波層の屈折率を低下させることにより仮想実効屈折率を下げたことを特徴とする請求項４記載の実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【請求項７】
活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の導波層の厚さを、電流狭窄層側の導波層の厚さより小さくすることにより仮想実効屈折率を下げたことを特徴とする請求項４記載の実屈折率導波型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、通信、光ディスク等の光記録、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で用いられ、特に高出力でのレーザビームを必要とする固体レーザ励起用および高調波変換素子励起用に好適な高出力半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
半導体レーザ素子を光導波機構から分類すると、利得導波型と屈折率導波型に大別される。前者の利得導波型は、横モードが不安定であり、しかも接合に平行な方向と垂直な方向でのビームウエスト（ビーム幅が最小となる位置）のずれを示す非点収差が大きくなるため、応用上種々の不都合がある。これに対し、後者の屈折率導波型は、横モードが安定で、非点収差も小さいという利点がある。
屈折率導波型半導体レーザの一例として、BH（Buried Heterostructure）レーザがある。BHレーザは、活性層を低屈折率物質で埋め込んでいるため、完全な屈折率導波型を示し、閾値電流Ithが小さく、基本横モードで発振し、非点収差も小さいという利点を有する。その反面、BHレーザでは活性層を加工するため加工の際に活性層に導入されるダメージ、不純物が非発光再結合中心になるので、高出力レーザには不向きである。
一方、活性層の近傍に屈折率差を作り付けて屈折率分布を生じさせ、横モードを閉じこめるタイプのレーザとして、CSP（Channeled Substrate Planar）レーザやVSISレーザがある。これらのレーザでは、活性層の近傍にレーザ光に対して吸収係数の大きい電流狭窄層を作り付けており、比較的小さな屈折率差を制御できるので、広いストライプ幅でも基本モード発振が得られる。しかし、この吸収が内部損失となるため、閾値電流Ithは大きくなり、微分効率は小さくなる。
以上の課題に対して、吸収のない低屈折率の電流狭窄層を用いた低損失の屈折率導波型半導体レーザが提案されている（IEEE Journal of Quantum Electronics.Vol.29,No.6,p.1889~1894,（1993））。
図８（ａ）は吸収のない電流狭窄層を用いた前記低損失の屈折率導波型半導体レーザの一例を示す構造図であり、図８（ｂ）はその導波モードを示すグラフである。図８（ａ）において、GaAsから成るバッファ層８の上に、AlGaAsから成るクラッド層７、AlGaAsから成る導波層６、GaAsから成る活性層５、AlGaAsから成る導波層４、AlGaAsから成るクラッド層２、およびGaAsから成るキャップ層１が順次形成されており、クラッド層２内部にクラッド層２よりAl組成を上げて低屈折率とした電流狭窄層３がストライプ状の活性領域10を挟むように形成される。これによって活性領域10と電流狭窄層３が存在する埋込領域９との間に屈折率差を設けて、屈折率導波構造を形成している。
この構造は、高出力半導体レーザに通常用いられているSCH（Separate Confinement Heterostructure）構造に対し、活性層５の近傍にクラッド層よりAl組成を上げて低屈折率とした電流狭窄層３を埋込むことにより横方向の屈折率分布を形成したもので、埋込まれた電流狭窄層３はレーザ光を吸収しないため、内部損失は小さくなり、高い光出力まで基本横モード発振が実現されている。
しかしながら、図８に示す屈折率導波型半導体レーザは、製造マージンがたいへん小さく、製造歩溜りが低いということが判明している。すなわち、比較的高い光出力まで安定なレーザ発振を行うために、屈折率導波構造に要求される活性領域と埋込領域との実効屈折率差ΔNeffについては、種々の文献において議論されており、例えば前記文献ではΔNeff≧５×10-3、他の先行技術（特公平６−36456号公報）ではΔNeff≧４×10-3としている。このように一定以上の屈折率差を確保するためには、屈折率が充分低い電流狭窄層を活性層の充分近傍に作り込む必要がある。
ところが、従来のSCH構造に対して低屈折率の電流狭窄層を用いて屈折率を制御することはたいへん困難である。その第１の理由として、電流狭窄層の作り込みによって導波路の非対称性があまり大きくなると、基本モードに対しても規格化周波数のカットオフが発生して導波構造が破綻する結果、内部損失が大きくなり、微分効率が低下する。第２の理由として、電流狭窄層の制御が困難であることが挙げられる。電流狭窄層は通常エッチングにより形成されるが、エッチングでは0.1μｍ以下の精度で加工を行なうことは大変困難であるため、電流狭窄層の位置、層厚には制限が生じる。第３の理由として、例えば電流狭窄層にAlGaAsを用いた場合、プロセス中での電流狭窄層近傍の酸化劣化、結晶性の低下を防ぐために、電流狭窄層のAl組成をなるべく低く抑える必要があり、従来の構造ではクラッド層、電流狭窄層間に充分な屈折率差（Al組成差）をつけることは困難であった。
結局、電流狭窄層に関する幾つかの制約下では、従来のSCH構造に対し低屈折率の電流狭窄層を用いて屈折率導波構造を作り込むことはたいへん困難であり、製造マージンも小さい。
【発明の開示】
本発明の目的は、高出力で製造容易な屈折率導波型の半導体レーザ素子を提供することにある。
本発明は、活性層と、
活性層の両側に設けられ、活性層にキャリアを閉じ込めるキャリアブロック層と、
キャリアブロック層に対して活性層と反対側に設けられる導波層と、
導波層に対して活性層と反対側に設けられ、導波層よりも低い屈折率を有するクラッド層と、
導波層よりも低い屈折率を有する電流狭窄層とを備え、
キャリアブロック層は、導波層よりも大きなエネルギーギャップを有し、
πを円周率、導波層の屈折率をN0、クラッド層の屈折率をN3、クラッド層間の実効厚みをde、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Veを
Ve＝（π・de/λ）・（N02−N32）0.5
と定義したとき、
Ve＞π/3
であり、
電流狭窄層は、ストライプ状の活性領域を挟むように形成され、活性領域と電流狭窄層が存在する領域との間に屈折率差を設けて屈折率導波構造を形成することを特徴とする実屈折率導波型半導体レーザ素子である。
また本発明は、前記電流狭窄層は、導波層内でキャリアブロック層およびクラッド層に離間して形成されることを特徴とする。
また本発明は、前記導波層を形成する半導体材料をGaAsで構成することを特徴とする。
また本発明は、活性層に対し電流狭窄層とは反対側の仮想実効屈折率を電流狭窄層側の仮想実効屈折率より低い構造とすることを特徴とする。
また本発明は、活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の第１クラッド層31の屈折率を第２クラッド層22の屈折率よりも低下させることにより仮想実効屈折率を下げたことを特徴とする。
また本発明は、活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の第１導波層30の屈折率を第２導波層23の屈折率よりも低下させることにより仮想実効屈折率を下げたことを特徴とする。
また本発明は、活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の導波層30の厚さを、電流狭窄層側の第２の導波層23の厚さより小さくすることにより仮想実効屈折率を下げたことを特徴とする。
好ましくは、電流狭窄層の形成により活性領域34と埋込領域33との実効屈折率差ΔNeffは、
ΔNeff≧0.001
となることを特徴とする。
好ましくは、電流狭窄層はAlxGal−xAsから成り、このときＸは0.0〜0.7であることを特徴とする。
好ましくは、キャリアブロック層はAlxGal−xAsから成り、このときＸは0.0〜0.7であることを特徴とする。
好ましくは、活性層はInxGal−xAsからなることを特徴とする。
本発明に係る活性層近傍の構造について、図８に示す従来のSCH構造と比較しながら説明する。図８のSCH構造におけるクラッド層２、７はキャリアの閉じ込めと導波モード制御という２つの機能を兼ねている。このため、導波層４、６を厚くするとキャリアの閉じ込め機能が弱まり、微分効率の低下等が起きるため、導波層４、活性層５および導波層６の合計の厚さは一般的には0.4μｍ以下の場合が多い。
図８（ｂ）は、活性領域10中心のＺ軸に沿った導波モードの光強度分布を示すグラフであり、導波層４、活性層５および導波層６の範囲では正弦関数的に変化する光強度を示し、クラッド層２、７の範囲では指数関数的に変化する光強度を示すため、このときの導波モードは裾野が拡がった「指数関数型」のプロファイルになる。
電流狭窄層を用いた屈折率導波構造において、導波モードについては、以下の理由から「指数関数型」よりむしろ「ガウス型」の方が有利である。すなわち、活性層５の近傍に低屈折率の電流狭窄層３を作り込んで横方向に屈折率差を形成する屈折率導波構造において、電流狭窄層３の効果は、電流狭窄層３を作り込む位置での電場強度が大きいほど顕著となる。電流狭窄層３は現実的には活性層５から0.1μｍ以上離して形成されるが、「指数関数型」導波モードと「ガウス型」導波モードとを比較すると、当該電流狭窄層３の領域では「ガウス型」の方が電場強度が大きく、電流狭窄層３がより効果的に機能するため、大きなΔNeffを得ることが出来る。
図１（ａ）は本発明に係る屈折率導波半導体レーザを示す構造図であり、図１（ｂ）はその導波モードを示すグラフである。図１（ａ）において、ｎ−GaAsから成るバッファ層32の上に、ｎ−AlGaAsから成り、導波層より低い屈折率を有するクラッド層31、ｎ−AlGaAsから成る導波層30、ｎ−AlGaAsから成り、導波層より大きなエネルギーギャップを有するキャリアブロック層29、ノンドープAlGaAsから成るサイドバリア層28、ノンドープGaAsから成る２本の量子井戸層とノンドープAlGaAsから成る１本のバリア層で構成される活性層27、ノンドープAlGaAsから成るサイドバリア層26、ｐ−AlGaAsから成り、導波層より大きなエネルギーギャップを有するキャリアブロック層25、ｐ−AlGaAsから成る導波層23、ｐ−AlGaAsから成り導波層より低い屈折率を有するクラッド層22、およびｐ−GaAsから成るキャップ層21が順次形成されている。導波層23内部には、導波層23よりAl組成を上げて低屈折率とした電流狭窄層24がストライプ状の活性領域34を挟むように形成される。これによって活性領域34と電流狭窄層24が存在する埋込領域33との間に屈折率差を設けて、屈折率導波構造を形成している。
図１（ａ）に示す構造では、注入キャリアの閉じ込めはキャリアブロック層25、29が担うため、導波層23、30の厚さはキャリア閉じ込めとは独立に自由に設計できる。そこで本構造を用いれば、導波層23から導波層30までの領域を厚く形成することが可能になり、活性領域34中心のＺ軸に沿った導波モードは、図１（ｂ）に示すように「ガウス型」とすることができる。その結果、「指数関数型」導波モードを示す従来の構造と比較して、実効屈折率差ΔNeffがより大きく効果的な屈折率導波構造を実現できる。
図４は、AlGaAs/GaAs系半導体レーザにおいて電流狭窄層の効果を計算した結果を示すグラフであり、図４（ａ）（ｂ）は本発明のものであり、図４（ｃ）（ｄ）は従来のものである。このとき用いた各層のAl組成比Ｘや膜厚を次表に示し、（表１）は本発明のもの、（表２）は従来のものである。
【表１】
0003576560.tif 000002
【表２】
0003576560.tif 000003
計算はいわゆる等価屈折率法を用いて行い、活性領域、埋込領域について各々多層スラブ導波路として解析して実効屈折率を計算した後、両者の値の差として実効屈折率差ΔNeffを求めている。図４（ａ）（ｂ）において、Xbは図１の電流狭窄層24のAl組成比、dbは電流狭窄層24の厚さ（単位はμｍ）、dpはキャリアブロック層25上面から電流狭窄層24下面までの距離（単位はμｍ）をそれぞれ示す。また、図４（ｃ）（ｄ）において、Xbは図８の電流狭窄層３のAl組成比、dbは電流狭窄層３の厚さ、dpは導波層４上面から電流狭窄層３下面までの距離をそれぞれ示す。
図４の各グラフを見ると、dpが小さくなって電流狭窄層が活性層に近づくほど実効屈折率差ΔNeffが大きくなり、電流狭窄層のAl組成比Xbが大きくなるほどΔNeffが大きくなり、また電流狭窄層の厚さdbが大きいほどΔNeffが大きいという全体的な傾向が判る。さらに、本発明構造と従来構造とを比較すると、Xbおよびdpが同じであっても本発明の方が大きなΔNeffが得られている。したがって、本構造を採用すれば、SCHと比較して、よりAl組成比が小さくプロセス上安定な電流狭窄層を、活性層からより遠距離に形成することによって、カットオフを回避できる領域内で所定の屈折率差ΔNeffを得ることが可能である。この結果、従来と比較してより製造マージンが大きくなるだけでなく、構造全体を低Al組成で作製することができるので、酸化劣化や結晶性の低下を回避し、信頼性の高いレーザを得ることができる。
さらに本発明は、活性層の両側に、キャリアブロック層が設けられ、前記キャリアブロック層の両外方には導波層が設けられ、前記導波層の両外方にクラッド層が設けられた低屈折率の電流狭窄層を用いた屈折率導波型レーザ素子において、活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の仮想実効屈折率を電流狭窄層側の仮想実効屈折率より低い構造を採用している。このことは積極的に導波モードを電流狭窄層に近づけることになり、したがって電流狭窄層の効果を高めることが可能である。このような構造では、導波モードは非対称導波路により電流狭窄層側へシフトしているので、同一の電流狭窄層により大きな屈折率差を形成できる。
本発明の具体的な構造設計は以下のように行う。活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の仮想実効屈折率を電流狭窄層側の仮想実効屈折率より低い構造とする具体的な方法としては、以下のような手段を例示できる。
たとえば、１）活性層に対し、電流狭窄層と反対側のクラッド層の屈折率を低下させて非対称化を行うことができる。この場合には、近似的に非対称３層導波路と考えて解析することができ、導波路の非対称性が大きくなり、導波路構造が破綻しない範囲では当該クラッド層の屈折率が小さいほど効果は大きくなる。
また、２）活性層に対し、電流狭窄層と反対側の導波路の屈折率を低下させて非対称化を行うことができる。この場合には、近似的に非対称４層導波路と考えて解析することができ、当該導波路の屈折率は隣接するクラッド層の屈折率より大きくならなければならない。
さらに、３）実際に各層の屈折率は変えなくても、たとえば活性層に対し、電流狭窄層と反対側の導波層の厚さを電流狭窄層側の導波層の厚さより薄くしても上述の効果を得ることができる。この場合、導波モードは導波層の中心付近に立つため、活性層と導波モードの重なり、いわゆる結合利得係数は減少するが、電流狭窄層を導波モードの中心付近まで接近させて形成できるので、屈折率導波構造の形成はより容易となるという付加的効果も期待できる。
図２には実際に以上の手法を用いた場合の、導波領域における電界分布と埋込領域のAl組成プロファイルを示す。また計算に用いた条件を（表３）に示す。同図から、上記のいずれの手法を用いても導波モードをシフトさせることが可能であり、電流狭窄層を入れる場合に同層との重なりが大きくなるため、所定の屈折率差ΔNeffを得ることができる。
【表３】
0003576560.tif 000004
また図３には、非対称化を行わない場合と、上記各手法を用いて非対称化を導入したときの導波領域と埋込領域との屈折率差ΔNeffを示す。なお、計算は、いわゆる等価屈折率法を用いて行い、活性領域、埋込領域について各々多層スラブ導波路として解析し、実効屈折率を計算した後、両値の差として実効屈折率差ΔNeffを求めている。このときの計算条件は（表３）のとおりである。
同図から、電流狭窄層のAl組成比xbが増加するとともに、活性領域と埋込領域との実効屈折率差ΔNeffが増加することがわかる。また、いずれの手法を用いても非対称化を行わない場合として、同一xbにおけるΔNeffは大きくなり、より有効に屈折率導波構造が形成されていることがわかる。
上記の手法は併せて用いることもできるし、他の既存の層の低屈折率化や、新たに低屈折率層を設けることもできる。また、層内で屈折率を段階的に変化させて所望の屈折率を得ることも可能である。
したがって、カットオフを回避できる領域内で所定の屈折率差ΔNeffを実現する場合、非対称構造を採用することによって、対称構造と比較して、よりAl組成が小さくプロセス上安定な電流狭窄層を活性層からより遠距離に形成することが可能になる。この結果、従来と比較してより製造マージンが大きくなるだけでなく、構造全体を低Al組成で作製することができるので、酸化劣化や結晶性の低下を回避し、信頼性の高い半導体レーザを得ることができる。
また本発明に従えば、電流狭窄層24は結果的に導波層23、30の内部に形成されることが多い。キャリアブロック層がないと、導波層内部にレーザ発振に寄与する正孔、電子が共存していたため、導波層内に加工面を導入するというキャリアが非発光再結合して、発振効率が著しく低下し、発振不能になることが多い。しかし、本構造では活性層に対しキャリアブロック層25、29より外側では、導波層23、30内でも電子または正孔のいずれか一方しか存在しないため、キャリアの再結合は起こり得ず、レーザーの特性を損なうこと無く導波層の加工が可能になるという特徴を有する。
このことは、例えば加工面の酸化劣化が激しいAlGaAs系の化合物半導体を用いて半導体レーザを製造する場合に有利となる。
図９は、図８に示した従来のSAS型半導体レーザの製造工程を示す。まず図９（ａ）において、MBE法やMOCVD法等を用いて、ｎ−GaAs基板上にバッファ層８、クラッド層７、導波層６、活性層５、導波層４、クラッド層２、電流狭窄層３およびGaAsから成るプロセスキャップ層11を順次成長させる。次に図９（ｂ）において、プロセスキャップ層11上にフォトレジスト12を塗布した後、ストライプ状の窓を形成し、これをマスクとしてプロセスキャップ層11および電流狭窄層３にエッチングを施し、ストライプ状の溝を形成する。次に図９（ｃ）において、フォトレジスト12およびプロセスキャップ層11を除去した後、第２回目の結晶成長において上部のクラッド層２およびキャップ層１を形成する。
電流狭窄層３は通常ウェットエッチングにより形成され、その後電流狭窄層３より上部にクラッド層２およびキャップ層１を再成長しているため、電流狭窄層３および下部のクラッド層２の再成長界面は積層膜形成中に一度大気に解放されることになる。このとき、再成長界面が酸化することは避けられず、界面近傍、またはそれ以降に形成される上部クラッド層２およびキャップ層１の膜質は著しく低下する。この影響を低減する目的で、ウェットエッチング後に硫化アンモニウムや塩酸系、硫酸系の処理液による表面処理が行われるが、酸化の影響を完全に除去することは困難である。
この点に関して本発明では、電流狭窄層24を導波層23内に形成しており、通常導波層23のAl含有量はクラッド層22と比較して減少しているので、製造工程における酸化の影響を低く抑えることができ、再成長界面、またはそれ以降に形成される層の膜質を良好に保つことができる。
さらに、量子井戸にInGaAsを用いたSAS型半導体レーザでは、導波層をAlを含まないGaAsで形成することが可能であり、この構造に対し本発明を適用すれば、電流狭窄層の形成過程では再成長界面での酸化は無く、良好な膜形成を行うことが可能である。この結果、レーザの特性を損なうこと無く屈折率導波構造を形成することができる。
本発明において、活性領域の具体的な構造設計は、特願平５−505542号に記載のあるように以下のように行う。
活性層とキャリアブロック層の導波機能の相殺は両方の厚みが発振波長の数分の１以下の条件では概ね、導波層の屈折率をN0、活性層の屈折率および厚みをN1およびd1、キャリブロック層の屈折率および厚みをN2およびd2とするとき、
d1・（N12−N02）0.5＝２・d2・（N02−N22）0.5
の条件が成り立つとき、ほぼ実現される。活性層が多重量子井戸構造のように多層で構成される場合には、各層につき左辺にあたる量を計算し、それを加算したものを左辺に使用すればよい。具体的には、量子井戸間のバリア層の組成が導波層の組成と等しい場合、屈折率および厚みがNw、dwのｍ層の量子井戸からなる活性層の場合には、
ｍ・dw・（Nw2−N02）0.5＝２・d2・（N02−N22）0.5
のときに活性層とキャリアブロック層の導波機能の相殺がほぼ実現される。
上記のことを指針にした半導体レーザの試作から、キャリアブロック層について以下の条件式が得られている。V0を、
V0＝（π・d1/λ）・（N12−N02）0.5
で定義する。
活性層がｍ層の量子井戸層からなる場合には、
V0＝（ｍ・π・dw/λ）・（Nw2−N02）0.5
で定義する。
次にV1を、
V1＝（π・d2/λ）・（N02−N22）0.5
で定義する。
次に活性層、バリア層、サイドバリア層、およびキャリアブロック層を含む導波層の厚みをd3とし、クラッド層の屈折率をN3としたとき、V2を、
V2＝（π・d3/λ）・（N02−N32）0.5
で定義する。ここでλはレーザの発振波長である。
上式から明らかなようにV0、V1、V2はそれぞれ導波層に対する活性層、キャリアブロック層、およびクラッド層に対する導波層の規格化周波数に相当し、V0、V2は導波機能、V1は反導波機能の指標となっている。キャリアブロック層の反導波機能が大きすぎると、導波モードの活性層近傍にくぼみが生じる。その結果、光閉じ込め率が減少し、閾値電流の増大を招く。従って、キャリアブロック層が導波モードに与える影響は小さくなければならない。種々の半導体レーザの試作から、
V1＜V2/10
であればキャリアブロック層が全体の導波モードに与える影響が軽微であることがわかっている。
また、キャリアブロック層が活性層の導波モードを相殺するためには、以下の条件で特に有効であることがわかっている。
V0/3＜V1＜V0
一方、規格化周波数Veを
Ve＝（π・de/λ）・（N02−N32）0.5
と定義したとき、
Ve＞π/3
とすることによって、導波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷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か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Veは２π以下であることが好ましい。
なお、N0は導波層の屈折率が一定の場合は、その一定値をとるが、導波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deは、前記両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、ｎ側クラッド層の活性層に近い界面の位置をx1、およびｐ側クラッド層の活性層に近い界面の位置をx2とすると、次の式で求められる。
0003576560.tif 000005
さらに、キャリアブロック層はキャリアを有効に活性層に閉じ込めなければならない。キャリアブロック層の厚みをd2（単位オングストローム）、導波層とキャリアブロック層とのエネルギーギャップ差をＥ（単位eV。但し、エネルギーギャップに分布がある場合は最小値を採用する）としたとき、
Ｅ＞2.5×103/d22
であればキャリアを充分有効に活性層へ閉じ込められることがわかっている。
このように本発明によれば、活性層の両サイドにバンドギャップが大きく屈折率の低い反導波機能を有するキャリアブロック層を設け、キャリアブロック層が注入された電子やホールを活性層内に閉じこめる役割を果たす。この結果、導波層は、キャリア閉じ込め機能をあまり考慮しなくてもよく、導波層の設計自由度が増加して、導波モードを「ガウス型」に近づけることができる。これによって、屈折率導波構造を形成するための電流狭窄層は、より低Al組成で、活性層からより遠距離に形成することにより、カットオフを回避できる領域内で所定の屈折率差を得ることができ、プロセス的に安定で信頼性の高い半導体レーザを得ることができる。
また、本発明では、活性層に対しキャリアブロック層より外側では、導波層内でも電子、または正孔のいずれか一方しか存在しないため、レーザの特性を損なうこと無く導波層内の当該領域に電流狭窄層を形成できる。この結果、電流狭窄層加工時の下地層の酸化の影響を低く抑えることができ、以降の膜質を良好に保つことができる。
さらに、全体のAl組成を下げられることは、電気抵抗、熱抵抗の低減に大きく寄与する。また、導波モードを「ガウス型」にすることで、出射ビームのビーム品質を上げると同時に一定光出力でのピーク光強度が抑えられ、光出射端面の瞬時光学損傷を防止できる。
以上のように本発明によれば、活性層の両側に、キャリアブロック層が設けられ、前記キャリアブロック層の両外方には導波層が設けられ、前記導波層の両外方にクラッド層が設けられた低屈折率の電流狭窄層を用いた屈折率導波型レーザ素子において、活性層に対し、電流狭窄層とは反対側の仮想実効屈折率を電流狭窄層側の仮想実効屈折率より低い構造としている。この場合、導波モードは電流狭窄層との重なりが大きくなるため、同層の効果を有効に享受できる。この結果、屈折率導波型レーザ素子の形成に際し、電流狭窄層の設計が容易となり、製造マージンが広がる。
【図面の簡単な説明】
図１（ａ）は本発明に係る屈折率導波型半導体レーザを示す構造図であり、図１（ｂ）はその導波モードを示すグラフである。
図２は、各手法により得た非対称構造での導波領域における電界分布と埋込領域のAl組成プロファイルを示すグラフである。
図３は、電流狭窄層のAl組成xbに対する導波領域と埋込領域の屈折率差ΔNeffを示すグラフである。
図４は、AlGaAs/GaAs系半導体レーザにおいて電流狭窄層の効果を計算した結果を示すグラフであり、図４（ａ）（ｂ）は本発明のものであり、図４（ｃ）（ｄ）は従来のものである。
図５は本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。
図６は、本発明が適用可能なリッジ型屈折率導波型半導体レーザの一例を示す構造図である。
図７は、電流狭窄層を有しない参考例であるTJS型屈折率導波半導体レーザの一例を示す構造図である。
図８（ａ）は電流狭窄層を用いた従来の屈折率導波型半導体レーザの一例を示す構造図であり、図８（ｂ）はその導波モードを示すグラフである。
図９は、図８に示した従来のSAS型半導体レーザの製造工程を示す工程図である。
図10（ａ）は実施例１に示した半導体レーザの電流−光出力特性、図10（ｂ）は遠視野像を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
（実施例１）
図５は、本発明の第１実施例である半導体レーザ素子の製造方法を説明する工程図である。まず図５（ａ）において、ｎ−GaAs基板上に、GaAsからなるバッファ層32（厚さ0.5μｍ）、Al0.33Ga0.67Asからなるｎ側クラッド層31（厚さ0.8μｍ）、Al0.20Ga0.80Asからなるｎ側導波層30（厚さ0.5μｍ）、Al0.50Ga0.50Asからなるｎ側キャリアブロック層29（厚さ0.0135μｍ）、Al0.20Ga0.80Asからなるｎ側サイドバリア層28（厚さ0.05μｍ）、２本のGaAs量子井戸層（厚さ0.011μｍ）とそれらを補間するAl0.20Ga0.80Asからなるバリア層（厚さ0.006μｍ）で構成される活性層27（厚さ0.028μｍ）、Al0.20Ga0.80Asからなるのｐ側サイドバリア層26（厚さ0.05μｍ）、Al0.50Ga0.50Asからなるｐ側キャリアブロック層25（厚さ0.0135μｍ）、Al0.20Ga0.80Asからなるｐ側導波層23（厚さ0.2μｍ）、Al0.40Ga0.60Asからなる電流狭窄層24（厚さ0.5μｍ）、GaAsからなるプロセスキャップ層35（厚さ0.1μｍ）を順次成長させる。なお、第１回目の結晶成長にはMOCVD法を用いたが、MBE法など他の結晶成長法を用いることもできる。
次に図５（ｂ）において、プロセスキャップ層35上にフォトレジスト36を塗布し、このフォトレジストにフォトリソグラフィ法を用いて所望のストライプ幅の窓を形成し、これをマスクとして電流狭窄層24にウェットエッチングを施して、紙面垂直方向に延びるストライプ状の溝部37を形成する。このエッチング工程において、従来は電流狭窄層24を活性層27の直近に形成していたので、しばしば過剰のエッチングにより活性層にダメージを与えており、製造マージンが小さいため、これに代わる高精度のエッチング技術が要求されていたが、本発明では電流狭窄層24を活性層27からより遠くに形成しているため、活性層27を傷つけることなく溝部37を形成できる。
次にフォトレジスト36を除去し、表面洗浄の過程でプロセスキャップ層35を除去した後、第２回目の結晶成長においてAl0.20Ga0.80Asからなる上部のｐ側導波層23（厚さ0.3μｍ）、Al0.33Ga0.67Asからなるｐ側クラッド層22（厚さ0.8μｍ）、ｐ−GaAsからなるキャップ層21（厚さ２μｍ）を順次形成すると、図５（ｃ）に示す本発明の半導体レーザ素子が得られる。その後、基板およびキャップ層21に電極を形成して電流を流すと、キャリア注入によってレーザ発振が可能になる。
第２回目の結晶成長の直前に、製造途中の基板を大気に曝すことになるが、このとき、従来では加工表面のAl組成が高かったため、表面に酸化膜が形成され、以降の結晶性が低下していたが、本発明では加工表面のAl組成が低いので酸化の程度が小さく、したがって結晶性が良く信頼性の高い結晶成長が可能となる。図４（ｂ）に示す計算結果からこのときのΔNeffは0.008となり、屈折率導波型構造を実現するのに充分な屈折率差が得られることが判る。
このようにして得られた半導体レーザ素子は、ストライプ幅６μｍ、共振器長500μｍのとき、96％/4％コーティングにて閾値電流40mA、スロープ効率1.0W/Aとなった。また、図10に示すように出力200mWまでキンクのない線形性の良好な電流−光出力特性が得られ、レーザビームの遠視野像は単峰性のガウス型であり、良好な屈折率導波構造であることが確認できた。
なおこのとき、V0＝0.0847、V1＝0.0564、V2＝3.283、Ve＝3.200であった。
（実施例２）
本発明の第２実施例として、図１（ａ）に示した構造をInGaAs歪量子井戸レーザに適用した例を説明する。第１実施例と同様に、図５（ａ）において、ｎ−GaAs基板上にGaAsからなるバッファ層32（厚さ0.5μｍ）、Al0.12Ga0.88Asからなるｎ側クラッド層31（厚さ0.9μｍ）、GaAsからなるｎ側導波層30（厚さ0.6μｍ）、Al0.30Ga0.70Asからなるｎ側キャリアブロック層29（厚さ0.0135μｍ）、GaAsからなるｎ側サイドバリア層28（厚さ0.05μｍ）、３本のIn0.20Ga0.80As量子井戸（厚さ0.007μｍ）とそれらを補間する２本のGaAsからなるバリア層（厚さ0.006μｍ）による活性層27（厚さ0.033μｍ）、GaAsからなるｐ側サイドバリア層26（厚さ0.05μｍ）、Al0.30Ga0.70Asからなるｐ側キャリアブロック層25（厚さ0.0135μｍ）、GaAsからなるｐ側導波層23（厚さ0.2μｍ）、Al0.20Ga0.80Asからなる電流狭窄層24（厚さ0.5μｍ）、GaAsからなるプロセスキャップ層35（厚さ0.1μｍ）を順次成長させる。
次に図５（ｂ）において、プロセスキャップ層35上にフォトレジスト36を塗布し、このフォトレジストに所望のストライプ幅の窓を形成し、これをマスクとして電流狭窄層24にウェットエッチングを施して溝部37を形成する。
次にフォトレジスト36を除去し、表面洗浄の過程でプロセスキャップ層35を除去した後、第２回目の結晶成長においてGaAsからなる上部のｐ側導波層23（厚さ0.4μｍ）、Al0.12Ga0.88Asからなるｐ側クラッド層22（厚さ0.9μｍ）、ｐ−GaAsからなるキャップ層21（厚さ２μｍ）を順次形成すると、図５（ｃ）に示す本発明の半導体レーザ素子が得られる。その後、基板およびキャップ層21に電極を形成して電流を流すと、キャリア注入によってレーザ発振が可能になる。特に本実施例では、再成長界面はGaAsとなるので、Al酸化が回避できるため、したがって結晶性が良く信頼性の高い結晶成長が可能となる。
このようにして得られた半導体レーザ素子は、閾値電流30mA、スロープ効率1.0W/Aとなった。また、出力100mWまでキンクのない線形性の良好な電流−光出力特性が得られ、レーザビームの遠視野像は単峰性のガウス型であり、良好な屈折率導波構造であることが確認できた。
このように従来よりAl組成が低く、しかも活性層より遠い位置で形成された電流狭窄層によって良好な屈折率導波構造を形成することが可能であり、製造マージンが大きく、信頼性の高い半導体レーザを得ることができる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の構造、組成の半導体レーザについて適用可能である。
（実施例３）
図６は、本発明が適用可能なリッジ型屈折率導波型半導体レーザの一例を示す構造図である。図６において、ｎ−GaAs基板（不図示）の上に、ｎ−GaAsから成るバッファ層32（厚さ0.5μｍ）、ｎ−Al0.33Ga0.67Asから成るクラッド層31（厚さ0.8μｍ）、ｎ−Al0.20Ga0.80Asから成る導波層30（厚さ0.5μｍ）、ｎ−Al0.50Ga0.50Asから成るキャリアブロック層29（厚さ0.0135μｍ）、ノンドープAl0.20Ga0.80Asから成るサイドバリア層28（厚さ0.05μｍ）、ノンドープGaAsから成る２本の量子井戸層（厚さ0.011μｍ）とAl0.20Ga0.80Asから成るバリア層（厚さ0.006μｍ）で構成される活性層27（厚さ0.028μｍ）、ノンドープAl0.20Ga0.80Asから成るサイドバリア層26（厚さ0.05μｍ）、ｐ−Al0.50Ga0.50Asから成るキャリアブロック層25（厚さ0.0135μｍ）、ｐ−Al0.20Ga0.80Asから成る導波層23（厚さ0.5μｍ）、ｐ−Al0.33Ga0.67Asから成るクラッド層22（厚さ0.8μｍ）、およびｐ−GaAsから成るプロセスキャップ層を順次形成する。
次に、SiO2などの無機膜を蒸着などで形成し、これにフォトリソグラフィ法を用いて所望のストライプ幅の窓を形成し、これをマスクとして埋込領域33となる部分のクラッド層22、および一部の導波層23を除去する。続いて第２回目の結晶成長として、Al0.40Ga0.60Asから成る電流狭窄層24を埋め込む。なお、このとき選択成長を用いている。この後マスクとなっていいた無機膜を除去後、第３回目の結晶成長でｐ−GaAsから成るキャップ層21（厚さ２μｍ）を形成する。その後、基板およびキャップ層21に電極を形成して電流を流すと、キャリア注入によってレーザ発振が可能となる。
クラッド層22の両側には、導波層23よりAl組成を上げて低屈折率とした電流狭窄層24がストライプ状の活性領域34を挟むように形成される。これによって活性領域34と電流狭窄層24が存在する埋込領域33との間に屈折率差を設けて、屈折率導波構造を形成している。
こうしてリッジ型の半導体レーザに本発明構造を適用すると、従来よりAl組成が低く、しかも活性層より離れて形成された電流狭窄層によって容易に屈折率導波構造を実現できる。
このようにして得られた半導体レーザ素子は、閾値電流30mA、スロープ効率1.0W/Aとなった。また、出力100mWまでキンクのない線形性の良好な電流−出力特性が得られ、レーザビームの遠視野像は単峰性のガウス型であり、良好な屈折率導波構造であることが確認された。
（電流狭窄層を有しない参考例）
図７は、電流狭窄層を有しない参考例であるTJS型屈折率導波半導体レーザの一例を示す構造図である。図７において、ｎ−GaAsから成るバッファ層32の上に、ｎ−AlGaAsから成るクラッド層31、ｎ−AlGaAsから成る導波層30、ｎ−AlGaAsから成るキャリアブロック層29、ノンドープAlGaAsから成るサイドバリア層28、ノンドープGaAsから成る２本の量子井戸層とノンドープAlGaAsから成るバリア層で構成される活性層27、ノンドープAlGaAsから成るサイドバリア層26、ｐ−AlGaAsから成るキャリアブロック層25、ｐ−AlGaAsから成る導波層23、ｐ−AlGaAsから成るクラッド層22、およびｐ−GaAsから成るキャップ層21が順次形成されている。この場合は、特に電流狭窄層は設けていないが、基板の形状を反映して33の埋込領域は実効屈折率が小さくなり屈折率導波構造が形成される。
（実施例５〜実施例７および参考例）
次に、導波路を非対称化することにより、電流狭窄層の効果を高める方法について、実施例を示す。
実施例１と同じプロセスを用いて半導体レーザ素子を作成した。
このとき用いた各層の組成、厚さは（表４）に示すとおりである。
【表４】0003576560.tif 000006
このようにして得られた半導体レーザ素子は、ストライプ幅６μｍ、共振器長500μｍのとき、96％/4％コーティングにて閾値電流40mA、スロープ効率1.0W/Aとなった。また、出力200mWまでキンクのない線形性の良好な電流−光出力特性が得られ、レーザビームの遠視野像は単峰性のガウス型であり、良好な屈折率導波構造であることが確認できた。
このように、いずれの手法を用いた場合でも、非対称化により参考例（対称）よりも低いAl組成の電流狭窄層を用いても大きなΔNeffが得られ、良好な素子が作成されている。また、非対称化を行った素子では、電流狭窄層のAl組成を下げる代わりにキャリアブロック層からの距離を大きくしても同様の効果が期待でき、このような低Al組成化、遠距離化により、より大きなマージンを持って素子を作成できる。
（参考例）
参考例として非対称化を行わない場合の例を示す。プロセスは実施例と同様である。このとき用いた組成、厚さを（表４）に示す。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の構造、組成の半導体レーザについて適用可能である。
また、半導体レーザを構成する材料は、Ga、Al、Asを全て含む必要はなく、さらに他の材料を加えて用いることも可能であり、たとえば活性層にInGaAsを用いた歪量子井戸レーザなど、あらゆる屈折率導波型半導体レーザに対して適用できる。また、活性層の構造に関しても、いわゆるGRIN（Graded−Index）構造やDH（Double Heterostructure）構造などにも本発明は適用可能である。
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、キャリアブロック層が注入キャリアを活性層内に閉じ込める役割を果たすとともに、低いAl組成の電流狭窄層を活性層から遠い位置に形成することによって所望の屈折率差を確保できるため、製造が容易で高信頼性の屈折率導波型半導体レーザ素子を実現できる。
さらに、非対称導波路の採用によって、導波モードは電流狭窄層側にシフトするため、より大きな屈折率差を形成できるので、電流狭窄層の活性層からの距離とAl組成比に対するマージンが広がり、製造が容易でかつ設計自由度が大きくなる。
また、電流狭窄層以外の層のAl組成も低く抑えることが可能になるため、酸化の影響が少なくなり、また電気的特性、熱特性や光学特性等を改善できる。
こうして高出力で製造容易な屈折率導波型の半導体レーザ素子を得ることができる。
【図３】
0003576560.tif 000007
【図１】
0003576560.tif 000008
【図２】
0003576560.tif 000009
【図４（ａ）】
0003576560.tif 000010
【図４（ｂ）】
0003576560.tif 000011
【図４（ｃ）】
0003576560.tif 000012
【図４（ｄ）】
0003576560.tif 000013
【図５（ａ）】
0003576560.tif 000014
【図５（ｂ）】
0003576560.tif 000015
【図５（ｃ）】
0003576560.tif 000016
【図６】
0003576560.tif 000017
【図９（ａ）】
0003576560.tif 000018
【図７】
0003576560.tif 000019
【図９（ｂ）】
0003576560.tif 000020
【図１０（ｂ）】
0003576560.tif 000021
【図８】
0003576560.tif 000022
【図９（ｃ）】
0003576560.tif 000023
【図１０（ａ）】
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