(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層上に第１導電型の第１のクラッド層が設けられ、電流注入領域を除いて前記第１のクラッド層上に低キャリア濃度の第１の電流ブロック層が設けられたIII 族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子において、前記第１の電流ブロック層がＧａＮからなり、前記第１のクラッド層と前記第１の電流ブロック層との間に前記第１の電流ブロック層へのキャリアの蓄積を阻止するＡｌＧａＮからなるキャリア蓄積防止層が形成され、前記キャリア蓄積防止層は、変調ドープ効果により前記第１のクラッド層から供給される第１導電型のキャリアを補償するように第２導電型のキャリアを供給するバンド間準位を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第１の電流ブロック層は前記第１のクラッド層よりもバンドギャップが小さい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】
前記バンド間準位は、バイアスを印加しない条件で実質的にすべての前記バンド間準位がイオン化する密度を有することを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記バンド間準位は、第２導電型の不純物のドーピングにより形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第１のクラッド層は前記キャリア蓄積防止層よりも大きなバンドギャップを有し、前記第１のクラッド層と前記キャリア蓄積防止層との間に、前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さくかつ前記キャリア蓄積防止層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する中間バンドギャップ層がさらに設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記キャリア蓄積防止層は、前記第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さくかつ前記第１の電流ブロック層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１のクラッド層は、前記活性層上に形成された平坦部と、前記電流注入領域における前記平坦部上に形成されたリッジ部を有し、前記キャリア蓄積防止層は、前記リッジ部の両側における前記平坦部上および前記リッジ部の側面上に形成され、前記第１の電流ブロック層は、前記キャリア蓄積防止層上に形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記キャリア蓄積防止層および前記第１の電流ブロック層はは前記電流注入領域を除いて前記第１のクラッド層上に順に形成され、前記電流注入領域において前記キャリア蓄積防止層および前記第１の電流ブロック層の側面と前記第１のクラッド層の上面とで囲まれた空間を埋め込むように第１導電型の第２のクラッド層が設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記キャリア蓄積防止層は、前記電流注入領域を除く領域に形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記第１の電流ブロック層上に第２導電型の第２の電流ブロック層が設けられたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか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、電流ブロック層を有する半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光導波路を形成するために活性層に平行な方向に屈折率差が与えられた屈折率導波構造の半導体レーザ素子が開発されている。図１２は、特開平８−２２２８０１号公報に記載された従来の半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【０００３】
図１２の半導体レーザ素子１２０においては、ｎ型基板１２１上にｎ型クラッド層１２２、活性層１２３、ｐ型クラッド層１２４およびｐ型コンタクト層１２７が順に形成され、ｐ型コンタクト層１２７およびｐ型クラッド層１２４がエッチングされてリッジ部およびそのリッジ部両側に平坦部が形成されている。
【０００４】
さらに、ｐ型クラッド層１２４のリッジ部の両側の平坦部上に低キャリア濃度の第１の電流ブロック層１２５が形成され、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層１２５上にｎ型電流ブロック層１２６が形成されている。ｐ型コンタクト層１２７上およびｎ型電流ブロック層１２６上にｐ型コンタクト層１２８が形成されている。
【０００５】
半導体レーザ素子１２０の駆動時に、ｎ型電流ブロック層１２６とｐ型クラッド層１２４との間におけるｐｎ接合部に逆バイアスが印加される。それにより、ｎ型電流ブロック層１２６により電流が遮断され、リッジ部に電流が狭窄されて注入される。
【０００６】
一般に、ｎ型電流ブロック層とｐ型クラッド層との間に形成されるｐｎ接合部は大きな電気容量を有するので、半導体レーザ素子の高速動作を阻害する要因になっている。ｐｎ接合部の電気容量は、そのｐｎ接合部におけるキャリア濃度が高い程大きくなる。
【０００７】
そこで、図１２の半導体レーザ素子１２０においては、ｎ型電流ブロック層１２６とｐ型クラッド層１２４との間のｐｎ接合部における電気容量を低減するために、低キャリア濃度の電流ブロック層１２５が設けられている。
【０００８】
この低キャリア濃度の電流ブロック層１２５は、ｎ型電流ブロック層１２６より低いキャリア濃度を有する。そのため、この低キャリア濃度の電流ブロック層１２５によりｎ型電流ブロック層１２６とｐ型クラッド層１２４との間のｐｎ接合部に空乏領域が形成され、電気容量が低減する。それにより、半導体レーザ素子１２０の高速動作が可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ｐ型クラッド層１２４のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する低キャリア濃度の電流ブロック層１２５を有する半導体レーザ素子１２０では、ｐ型クラッド層１２４および低キャリア濃度の電流ブロック層１２５の価電子帯のエネルギーバンド構造が図１３に示すような構造となる。
【００１０】
図１３はｐ型クラッド層および低キャリア濃度の電流ブロック層の価電子帯のエネルギーバンド構造を示す模式図である。図１３に示すように、低キャリア濃度の電流ブロック層１２５のバンドギャップがｐ型クラッド層１２４のバンドギャップよりも十分小さいため、ｐ型クラッド層１２４から低キャリア濃度の電流ブロック層１２５にキャリアが注入されて蓄積されやすくなる。その結果、低キャリア濃度の電流ブロック層１２５とｐ型クラッド層１２４の間に電気容量が新たに発生する。このため、半導体レーザ素子１２０において高速動作化が十分に図れない。
【００１１】
本発明の目的は、高速動作化が十分に図られた半導体レーザ素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層上に第１導電型の第１のクラッド層が設けられ、電流注入領域を除いて第１のクラッド層上に低キャリア濃度の第１の電流ブロック層が設けられたIII 族窒化物半導体からなる半導体レーザ素子であって、第１の電流ブロック層がＧａＮからなり、第１のクラッド層と第１の電流ブロック層との間に第１の電流ブロック層へのキャリアの蓄積を阻止するＡｌＧａＮからなるキャリア蓄積防止層が形成され、キャリア蓄積防止層は、変調ドープ効果により第１のクラッド層から供給される第１導電型のキャリアを補償するように第２導電型のキャリアを供給するバンド間準位を有するものである。
【００１３】
なお、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層とは、アンドープの層、もしくは電流を阻止することが可能な範囲で少量に不純物がドープされた層である。
【００１４】
本発明に係る半導体レーザ素子においては、第１のクラッド層と第１の電流ブロック層との間に、第２導電型のキャリアを供給するバンド間準位が形成されたキャリア蓄積防止層が形成されている。
【００１５】
この場合、第１のクラッド層から供給された第１導電型のキャリアは、キャリア蓄積防止層のバンド間準位から供給される第２導電型のキャリアにより補償される。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層におけるキャリアの蓄積を阻止することができる。それにより、第１の電流ブロック層の空乏状態が保たれる。したがって、第１の電流ブロック層と第１のクラッド層との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。
【００１６】
ここで、第１の電流ブロック層は第１のクラッド層よりもバンドギャップが小さい。第１の電流ブロック層が第１のクラッド層よりも小さなバンドギャップを有すると、第１のクラッド層から第１の電流ブロック層にキャリアが注入されて蓄積されやすくなる。しかしながら、この場合においては、第１のクラッド層と第１の電流ブロック層との間にキャリア蓄積防止層が形成されているため、第１の電流ブロック層におけるキャリアの蓄積を阻止することができる。
【００１７】
バンド間準位は、バイアスを印加しない条件で実質的にすべてのバンド間準位がイオン化する密度を有することが好ましい。この場合、第１のクラッド層から供給された第１導電型のキャリアを効果的に補償することが可能となる。したがって、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層におけるキャリアの蓄積をより効果的に阻止することが可能となる。
【００１８】
バンド間準位は、第２導電型の不純物のドーピングにより形成されてもよい。この場合、バンド間準位が形成されたキャリア蓄積防止層を容易に形成することが可能となる。
【００２０】
また、第１のクラッド層はキャリア蓄積防止層よりも大きなバンドギャップを有し、第１のクラッド層とキャリア蓄積防止層との間に、第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さくかつキャリア蓄積防止層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する中間バンドギャップ層がさらに設けられてもよい。
【００２１】
この場合、第１のクラッド層とキャリア蓄積防止層との間に中間バンドギャップ層が設けられているため、第１のクラッド層からｎ−キャリア蓄積防止層へキャリアが注入されにくくなり、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアがキャリア蓄積防止層と中間バンドギャップ層との両方に分かれて注入されるので、キャリアが第１の電流ブロック層に注入されにくくなる。
【００２２】
以上のことから、第１の電流ブロック層におけるキャリアの蓄積がさらに阻止される。
【００２３】
また、このように中間バンドギャップ層を設けることにより、半導体レーザ素子の高速動作化を図ることが可能なキャリア蓄積防止層の膜厚およびキャリア濃度の範囲が広がる。このため、キャリア蓄積防止層の膜厚およびキャリア濃度の設定が容易となり、キャリア蓄積防止層の作製が容易となる。
【００２４】
また、キャリア蓄積防止層は、第１のクラッド層のバンドギャップよりも小さくかつ第１の電流ブロック層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有してもよい。この場合においては、キャリア蓄積防止層が上記の中間バンドギャップ層としての機能を有するため、第１の電流ブロック層におけるキャリアの蓄積がさらに阻止される。
【００２５】
また、この場合においても、半導体レーザ素子の高速動作化を図ることが可能なキャリア蓄積防止層の膜厚およびキャリア濃度の範囲が広くなる。それにより、キャリア蓄積防止層の膜厚およびキャリア濃度の設定が容易となり、キャリア蓄積防止層の作製が容易となる。
【００２６】
第１のクラッド層は、活性層上に形成された平坦部と、電流注入領域における平坦部上に形成されたリッジ部を有し、キャリア蓄積防止層は、リッジ部の両側における平坦部上およびリッジ部の側面上に形成され、第１の電流ブロック層は、キャリア蓄積防止層上に形成されてもよい。この場合においては、高速動作化が図られたリッジ導波型構造の半導体レーザ素子が実現される。
【００２７】
また、キャリア蓄積防止層および第１の電流ブロック層は電流注入領域を除いて第１のクラッド層上に順に形成され、電流注入領域においてキャリア蓄積防止層および第１の電流ブロック層の側面と第１のクラッド層の上面とで囲まれた空間を埋め込むように第１導電型の第２のクラッド層が設けられてもよい。この場合においては、高速動作化が図られたセルフアライン型構造の半導体レーザ素子が実現される。
【００２８】
キャリア蓄積防止層は、電流注入領域を除く領域に形成されてもよい。この場合においては、電流注入領域に逆導電型のキャリア蓄積防止層が形成されていないため、電流が速やかに電流注入領域に注入される。
【００２９】
また、第１の電流ブロック層上に第２導電型の第２の電流ブロック層が設けられてもよい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００３１】
図１に示す半導体レーザ素子においては、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ１５００ｎｍのｎ−クラッド層２、および後述する発光層１４が順に形成されている。発光層１４上に、ｐ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ１５００ｎｍのｐ−クラッド層６およびｐ−Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ２００ｎｍのｐ−コンタクト層７が順に形成されている。これらのｐ−クラッド層６およびｐ−コンタクト層７がエッチングされてリッジ部が形成されている。
【００３２】
ｎ−ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度は１×１０１８ｃｍ−３、ｎ−クラッド層２のキャリア濃度は３×１０１７ｃｍ−３、ｐ−クラッド層６のキャリア濃度は３×１０１７ｃｍ−３、ｐ−コンタクト層７のキャリア濃度は２×１０１８ｃｍ−３である。
【００３３】
さらに、リッジ部の上面にストライプ状開口部を有する厚さｔのｎ−ＧａＡｓからなるｎ−キャリア蓄積防止層８が、ｐ−クラッド層６上に形成されている。また、リッジ部の上面にストライプ状開口部を有するアンドープのＧａＡｓからなる厚さ１０００ｎｍの低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９がｎ−キャリア蓄積防止層８上に形成されている。リッジ部の上面にストライプ状開口部を有するｎ−ＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍの逆導電型の第２の電流ブロック層１０が低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９上に形成されている。ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。逆導電型の第２の電流ブロック層１０のキャリア濃度は８×１０１７ｃｍ−３である。
【００３４】
逆導電型の第２の電流ブロック層１０のストライプ状開口部内のｐ−コンタクト層７上および逆導電型の第２の電流ブロック層１０上に、ｐ−ＧａＡｓからなる厚さ３０００ｎｍのｐ−コンタクト層１１が形成されている。ｐ−コンタクト層１１のキャリア濃度は３×１０１９ｃｍ−３である。ｐ−コンタクト層１１上に厚さ３００ｎｍのｐ側電極１２が形成される。ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面に厚さ３００ｎｍのｎ側電極１３が形成されている。このように、図１の半導体レーザ素子はリッジ導波型構造を有する。
【００３５】
発光層１４は、ｎ−クラッド層２上に形成された（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ３０ｎｍのガイド層３、このガイド層３上に形成された量子井戸活性層４、およびこの量子井戸活性層４上に形成された（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ３０ｎｍのガイド層５を含む。
【００３６】
量子井戸活性層４は、Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ５ｎｍの複数の量子井戸層１５と（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ５ｎｍの複数の障壁層１６とが交互に積層されてなる超格子構造を有する。例えば、障壁層１６の数は２であり、量子井戸層１５の数は３である。
【００３７】
上記の構成をまとめて表１に示す。
【００３８】
【表１】
0003561676.tif 000002
【００３９】
図２は図１の半導体レーザ素子におけるｐ−クラッド層６、ｎ−キャリア蓄積防止層８および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のエネルギーバンド図を模式的に表したものである。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、図１の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位、すなわちドナー準位が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。
【００４１】
なお、この場合においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップと低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とのバンドギャップとは等しく、これらの層８，９のバンドギャップは、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さい。
【００４２】
図２（ｂ）に示すように、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００４３】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。このように、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８を形成することにより、容易に図１の半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００４４】
図３、図４および図５は図１に示した半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００４５】
図３に示すように、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成長）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｎ−クラッド層２、（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるガイド層３、量子井戸活性層４、（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるガイド層５、（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｐ−クラッド層６およびｐ−Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｐ−コンタクト層７を順に成長させる。
【００４６】
図４に示すように、ｐ−コンタクト層７上にＳｉＯ２  膜を形成してパターニングし、ストライプ状のＳｉＯ２  膜１７を形成する。その後、ＳｉＯ２  膜１７をマスクとしてｐ−コンタクト層７およびｐ−クラッド層６の一部をエッチングにより除去し、リッジ部を形成する。
【００４７】
さらに、図５に示すように、ＳｉＯ２  膜１７を選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法によりｐ−クラッド層６上にｎ−ＧａＡｓからなる逆導電型のｐ−キャリア蓄積防止層８、アンドープのＧａＡｓからなる低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９およびｎ−ＧａＡｓからなる逆導電型の第２の電流ブロック層１０を順に成長させる。
【００４８】
ＳｉＯ２  膜１７を除去した後、図１に示したように、逆導電型の第２の電流ブロック層１０上およびｐ−コンタクト層７上にｐ−ＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層１１をＭＯＣＶＤ法により形成し、ｐ−コンタクト層１１の表面にＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１３を形成する。
【００４９】
ここで、図１の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが２０〜３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００５０】
なお、遮断周波数とは、測定対象の半導体レーザ素子から出力された正弦波を重畳したレーザ光の振幅が低周波重畳時（本例では重畳周波数が１０ＭＨｚ以下のとき）に比べて３ｄＢ低下する周波数である。
【００５１】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を３０ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度が３×１０１７〜６×１０１７ｃｍ−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００５２】
次に、本発明の第２の参考例における半導体レーザ素子について説明する。
第２の参考例の半導体レーザ素子の構成は、図１に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本参考例の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表２に示す。
【００５３】
【表２】
0003561676.tif 000003
【００５４】
表２に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００５５】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なく
なることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００５６】
ここで、本参考例においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップが、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さく、かつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップよりも大きくなるように設定されている。このような本参考例のｎ−キャリア蓄積防止層８は、第４の参考例において後述する中間バンドギャップ層としての機能も有する。
【００５７】
すなわち、この場合においては、ｐ−クラッド層６、ｎ−キャリア蓄積防止層８および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップがこの順で小さくなる。このため、ｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８とのエネルギー差が、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とのエネルギー差に比べて小さくなる。それにより、キャリアがｐ−クラッド層６からｎ−キャリア蓄積防止層８へ注入されにくくなり、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアがｎ−キャリア蓄積防止層８と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との両方に分かれて注入されるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９に注入されるキャリアが少なくなる。
【００５８】
以上のように、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との中間の大きさのバンドギャップを有するｎ−キャリア蓄積防止層８を形成することにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９に蓄積されるキャリアの量をより少なくすることが可能となる。
【００５９】
以上のことから、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との中間の大きさのバンドギャップを有するｎ−キャリア蓄積防止層８が形成された本参考例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量をより小さくできるので、半導体レーザ素子の高速動作化がより図られる。
【００６０】
本参考例の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが１０〜４０ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００６１】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を２５ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度が２．５×１０１７〜８．５×１０１７ｃｍ−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００６２】
上記の結果に示すように、本参考例においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８がｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との中間の大きさのバンドギャップを有するため、ｎ−キャリア蓄積防止層８および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップの大きさが等しい第１の実施例に比べて、半導体レーザ素子の遮断周波数を顕著に向上させることが可能なｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の範囲が広くなる。したがって、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の設定を容易に行うことが可能となり、ｎ−キャリア蓄積防止層８の作製が容易となる。
【００６３】
なお、本参考例の半導体レーザ素子において、ｎ−キャリア蓄積防止層８とｐ−クラッド層６との間に、アンドープ層を形成してもよい。あるいは、ｎ−キャリア蓄積防止層８と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、アンドープ層を形成してもよい。この場合、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９よりもバンドギャップの大きい材料からなるアンドープ層を形成することが好ましい。加えて、アンドープ層の材料は、ｐ−クラッド層６よりも小さくかつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。
【００６４】
次に、本発明の第３の参考例における半導体レーザ素子について説明する。
第３の参考例の半導体レーザ素子の構成は、図１に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本実施の形態の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表３に示す。
【００６５】
【表３】
0003561676.tif 000004
【００６６】
表３に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００６７】
なお、この場合においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップと低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とのバンドギャップとは等しく、これらの層８，９のバンドギャップは、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さい。
【００６８】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００６９】
本参考例の半導体レーザ素子において、ｎキャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００７０】
図６は本発明の第４の参考例における半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【００７１】
図６に示す半導体レーザ素子の構成は、以下の点を除いて、図１に示した半導体レーザ素子の構成と同様である。
【００７２】
図６に示す半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８との間に、ｐ−クラッド層６よりもバンドギャップが小さくかつｎ−キャリア蓄積防止層８よりもバンドギャップが大きな中間バンドギャップ層８０が形成されている。このような図６の半導体レーザ素子の構成をまとめて表４に示す。
【００７３】
【表４】
0003561676.tif 000005
【００７４】
表４に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００７５】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００７６】
ここで、本参考例においてｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップと低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップとが等しく、これらの層８，９のバンドギャップは、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さい。さらに、ｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８との間には、ｐ−クラッド層６およびｎ−キャリア蓄積防止層８の中間の大きさのバンドギャップを有する中間バンドギャップ層８０が形成されている。このような中間バンドギャップ８０が形成された本参考例においては、以下のような効果が得られる。
【００７７】
すなわち、この場合においては、ｐ−クラッド層６、中間バンドギャップ層８０およびｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップがこの順で小さくなるため、ｐ−クラッド層６と中間バンドギャップ層８０とのエネルギー差がｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８とのエネルギー差に比べて小さくなる。このため、キャリアがｐ−クラッド層６から中間バンドギャップ層８０へ注入されにくくなり、さらにｎ−キャリア蓄積防止層８へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアが中間バンドギャップ層８０とｎ−キャリア蓄積防止層８との両方に分かれて注入されるので、ｎ−キャリア蓄積防止層８に注入されるキャリアが少なくなる。
【００７８】
以上のことから、中間バンドギャップ層８０を形成することにより、ｎ−キャリア蓄積防止層８へ注入されるキャリアを少なくし、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ注入されるキャリアを少なくすることが可能になる。それにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９に蓄積されるキャリアの量をより少なくすることが可能になる。
【００７９】
以上のことから、中間バンドギャップ層８０が形成された本参考例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量をより小さくできるので、半導体レーザ素子の高速動作化がより図られる。
【００８０】
本参考例の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０17ｃｍ-3のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが１５〜３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００８１】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を３０ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度が２．５×１０１７〜６×１０１７ｃｍ−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００８２】
上記の結果に示すように、中間バンドギャップ層８０が形成された本参考例においては、中間バンドギャップ層が形成されていない第１の参考例に比べて、半導体レーザ素子の遮断周波数を顕著に向上させることが可能なｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の範囲が広くなる。したがって、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の設定を容易に行うことが可能となり、ｎ−キャリア蓄積防止層８の作製が容易となる。
【００８３】
図７は本発明の第５の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００８４】
図７に示す半導体レーザ素子においては、図１に示した半導体レーザ素子と同様、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に各層２〜５が形成されている。
【００８５】
ガイド層５上に、ｐ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ２００ｎｍのｐ−クラッド層９１が形成されている。ｐ−クラッド層９１のキャリア濃度は３×１０１７ｃｍ−３である。
【００８６】
ｐ−クラッド層９１上に、ｎ−Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｎ−キャリア蓄積防止層９２、アンドープのＧａＡｓからなる厚さ１０００ｎｍの低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３およびｎ−ＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍの逆導電型の第２の電流ブロック層９４が順に形成されている。
【００８７】
ｎ−キャリア蓄積防止層９２、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３および逆導電型の第２の電流ブロック層９４の中央部の領域が除去されてストライプ状開口部が形成されている。ｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。逆導電型の第２の電流ブロック層９４のキャリア濃度は８×１０１７ｃｍ−３である。
【００８８】
ストライプ状開口部を埋め込むようにｐ−クラッド層９１上および逆導電型の第２の電流ブロック層９４上にｐ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ１３００ｎｍのｐ−クラッド層９５が形成されている。ｐ−クラッド層９５のキャリア濃度は３×１０１７ｃｍ−３である。このように、図６の半導体レーザ素子はセルフアライン型構造を有する。
【００８９】
ｐ−Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ２００ｎｍのｐ−コンタクト層９６がｐ−クラッド層９５上に形成されている。ｐ−ＧａＡｓからなる厚さ３０００ｎｍのｐ−コンタクト層９７がｐ−コンタクト層９６上に形成されている。ｐ−コンタクト層９６のキャリア濃度は２×１０１８ｃｍ−３である。ｐ−コンタクト層９７のキャリア濃度は３×１０１９ｃｍ−３である。
【００９０】
上記の構成をまとめて表５に示す。
【００９１】
【表５】
0003561676.tif 000006
【００９２】
図８および図９は図７に示した半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００９３】
図８に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｎ−クラッド層２、（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ３０ｎｍのガイド層３、量子井戸活性層４、（Ａｌ０．５  Ｇａ０．５  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなる厚さ３０ｎｍのガイド層５、ｐ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなｐ−クラッド層９１、ｎ−Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｎ−キャリア蓄積防止層９２、アンドープのＧａＡｓからなる低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３、およびｎ−ＧａＡｓからなる逆導電型の第２の電流ブロック層９４を順に成長させる。
【００９４】
逆導電型の第２の電流ブロック層９４上にマスク（図示せず）を形成し、ストライプ状開口部を有するようにパターンニングする。その後、図９に示すように、逆導電型の第２の電流ブロック層９４、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３およびキャリア蓄積防止層９２の中央部をエッチングにより除去し、ストライプ状開口部を形成する。
【００９５】
さらに、図７に示したように、ＭＯＣＶＤ法により逆導電型の第２の電流ブロック層９４上およびストライプ状開口部内のｐ−クラッド層９１上にｐ−（Ａｌ０．７  Ｇａ０．３  ）０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｐ−クラッド層９５、ｐ−Ｇａ０．５  Ｉｎ０．５  Ｐからなるｐ−コンタクト層９６、およびｐ−ＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層９７を順に形成する。ｐ−コンタクト層９７の表面にＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１３を形成する。
【００９６】
図９の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、ｐ−クラッド層９１と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層９１から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００９７】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層９１との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００９８】
図７の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔが２０〜３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００９９】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を３０ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層のキャリア濃度が３×１０１７〜６×１０１７ｃｍ−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【０１００】
次に、本発明の第６の参考例における半導体レーザ素子について説明する。
第６の参考例の半導体レーザ素子の構成は、図７に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本実施の形態の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表６に示す。
【０１０１】
【表６】
0003561676.tif 000007
【０１０２】
表６に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、ｐ−クラッド層９１と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層９１から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【０１０３】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層９１との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【０１０４】
図１０は、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔを変化させたときの表８の半導体レーザ素子の遮断周波数の測定結果を示す図である。なお、この場合のｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３である。
【０１０５】
図１０に示すように、ｎ−キャリア蓄積防止層９２を形成しない場合には遮断周波数が２００ＭＨｚであったものが、ｎ−キャリア蓄積防止層９２を厚くすることにより遮断周波数が徐々に向上し、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の厚さｔが１５〜３５ｎｍの場合において遮断周波数が顕著に向上する。
【０１０６】
一方、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚を２５ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度が３．５×１０１７〜８×１０１７ｃｍ−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【０１０７】
次に、本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子について説明する。
第１の実施例の半導体レーザ素子の構成は、図７に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本実施の形態の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表７に示す。
【０１０８】
【表７】
0003561676.tif 000008
【０１０９】
表７に示すように、本実施例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、ｐ−クラッド層９１と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成されている。このため、本実施例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層９１から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【０１１０】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層９１との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本実施例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【０１１１】
ここで、本実施例においては、第２の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２のバンドギャップが、ｐ−クラッド層９１のバンドギャップよりも小さく、かつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３のバンドギャップよりも大きくなるように設定されている。このような本実施例のｎ−キャリア蓄積防止層９２は、第４の参考例の中間バンドギャップ層８０としての機能も有する。
【０１１２】
すなわち、この場合においては、ｐ−クラッド層９１、ｎ−キャリア蓄積防止層９２および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３のバンドギャップがこの順で小さくなる。このため、ｐ−クラッド層９１とｎ−キャリア蓄積防止層９２とのエネルギー差が、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とのエネルギー差に比べて小さくなる。このため、キャリアがｐ−クラッド層９１からｎ−キャリア蓄積防止層９２へ注入されにくくなり、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアがｎ−キャリア蓄積防止層９２と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との両方に分かれて注入されるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３に注入されるキャリアが少なくなる。
【０１１３】
以上のことから、中間バンドギャップ層としても作用するｎ−キャリア蓄積防止層９２を形成することにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３に蓄積されるキャリアの量をより少なくすることが可能となる。
【０１１４】
以上のように、中間バンドギャップ層としての機能も有するｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成された本実施例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量をより小さくできるので、半導体レーザ素子の高速動作化がより図られる。
【０１１５】
本実施例の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３のｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔが４０ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【０１１６】
なお、本実施例の半導体レーザ素子において、ｎ−キャリア蓄積防止層９２とｐ−クラッド層９１との間に、アンドープ層を形成してもよい。あるいは、ｎ−キャリア蓄積防止層９２と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、アンドープ層を形成してもよい。この場合、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３よりもバンドギャップの大きい材料からなるアンドープ層を形成することが好ましい。加えて、アンドープ層の材料は、ｐ−クラッド層９１よりも小さくかつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。
【０１１７】
上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、ｎ型の不純物をドーピングすることにより、キャリア蓄積防止層にドナー準位を形成している。この場合、キャリア蓄積防止層に形成するドナー準位の密度は、バイアスを印加しない状態でドナー準位がほとんどイオン化する密度とすることが好ましい。
【０１１８】
また、上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、ｐ型のクラッド層の電流注入領域を除く領域上に逆導電型のｎ−キャリア蓄積防止層を形成する場合について説明したが、ｐ型のクラッド層の電流注入領域上にｎ−キャリア蓄積防止層が形成されてもよい。ただし、この場合においては、ｎ−キャリア蓄積防止層が電流を阻害しないようにするため、ｎ−キャリア蓄積防止層の膜厚を小さくする。
【０１１９】
さらに、上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層上に逆導電型の第２の電流ブロック層を有する構造について説明したが、逆導電型の第２の電流ブロック層は本発明において必ずしも必要な層ではなく、電流ブロック層として低キャリア濃度の第１の電流ブロック層のみを形成してもよい。
【０１２０】
加えて、上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、半導体として、III 族窒化物半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる半導体レーザ素子について説明した。
【０１２１】
次に、本発明の原理および作用の詳細について説明する。
以下においては、ｅを素電荷とし、εｃ  をクラッド層の誘電率とし、εをキャリア蓄積防止層の誘電率とし、Ｎｃ  をクラッド層のキャリア濃度とし、Ｎをキャリア蓄積防止層のキャリア濃度とし、Ｅｇｃをクラッド層のバンドギャップとし、ΔＥｖ  をクラッド層およびキャリア蓄積防止層間の価電子帯のバンド不連続量とし、ΔＥｃ  をクラッド層およびキャリア蓄積防止層間の伝導帯のバンド不連続量とする。
【０１２２】
ここでは、図１１に示すように、クラッド層がｎ型であり、キャリア蓄積防止層にアクセプタ準位が形成されている場合について考える。キャリア蓄積防止層上には低キャリア濃度の電流ブロック層が形成されている。
【０１２３】
さらに、この場合においては、εｃ  Ｎｃ  ΔＥｃ  ／（εＮ）＜Ｅｇｃ−ΔＥｃ  −ΔＥｖ  の関係が成り立つとともに、次の条件（１）または（２）のいずれかを満たす場合について考える。
【０１２４】
（１）クラッド層およびキャリア蓄積防止層が歪みを有していない場合
（２）各層が閃亜鉛鉱構造の半導体からなり、各層の積層方向が一般式［０ＭＮ］方向（Ｍ、ＮはＭ＝Ｎ＝０を除く任意の数、例えば［００１］方向と［００１］方向）で表される場合、あるいは、各層がウルツ鉱構造の半導体からなり、各層の積層方向が一般式［ＨＫＬ０］方向、（Ｈ、Ｋ、ＬはＨ＋Ｋ＋Ｌ＝０であり、かつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数、例えば［１−１００］方向と［１１−２０］方向）で表される場合
まず、キャリア蓄積防止層の厚さｔがおよそｔＡ  ＝（２εｃ  Ｎｃ  ΔＥｃ  ）１／２  ／（ｅＮ）であるときには、クラッド層およびキャリア蓄積防止層のバンド構造は図１１（ａ）のようになる。
【０１２５】
すなわち、図１１（ａ）に示すように、キャリア蓄積防止層の伝導帯の最も低いところ（クラッド層との界面）のエネルギーが、クラッド層の伝導帯のエネルギーの最も低いところのエネルギーと等しくなる。したがって、キャリア蓄積防止層の伝導帯のクラッド層との界面にはキャリアが溜まらない。
【０１２６】
一方、キャリア蓄積防止層の厚さｔがおよそｔＢ  ＝［２εｃ  εＮｃ  （Ｅｇｃ−ΔＥＶ  ）／［Ｎ（εｃ  Ｎｃ  ＋εＮ）］］１／２  ／ｅであるときには、クラッド層およびキャリア蓄積防止層のバンド構造は図１１（ｂ）のようになる。
【０１２７】
すなわち、図１１（ｂ）に示すように、キャリア蓄積防止層の価電子帯の最も高いところ（低キャリア濃度の第１の電流ブロック層との界面）のエネルギーが、クラッド層の伝導帯のエネルギーの最も低いところのエネルギーと等しくなる。したがって、キャリア蓄積防止層のアクセプタ準位は全てイオン化しており、低キャリア濃度の電流ブロック層にキャリアが供給されない。
【０１２８】
ところで、キャリア蓄積防止層の厚さｔがｔＡ  ≦ｔ≦ｔＢ  の範囲では、クラッド層とキャリア蓄積防止層との界面にかかる電場の微小な変化に対して、界面に蓄積される電場の量は変化しない。つまり、クラッド層とキャリア蓄積防止層の界面の過渡的な電気容量を０に近くすることができる。このことから、キャリア蓄積防止層の厚さｔを上記の範囲に設定することが特に好ましい。
【０１２９】
ここで、εｃ  Ｎｃ  ΔＥｃ  ／（εＮ）＝Ｅｇｃ−ΔＥｃ  −ΔＥｖ  のときには、ｔＡ  ＝ｔＢ  となる。このため、キャリア蓄積防止層の厚さｔとキャリア蓄積防止層のキャリア濃度Ｎを調整してｔ＝ｔＡ  ＝ｔＢ  に設定することが困難になる。つまり、εｃ  Ｎｃ  ΔＥｃ  ／（εＮ）よりＥｇｃ−ΔＥｃ  −ΔＥｖ  の値が大きければ大きい程、キャリア蓄積防止層の厚さｔとキャリア蓄積防止層のキャリア濃度Ｎの設定は容易になる。
【０１３０】
通常、半導体レーザ素子に使用されるクラッド層もしくはキャリア蓄積防止層の材料の組み合わせでは、ほぼεｃ  ＝εであり、キャリア蓄積防止層のバンドギャップ（Ｅｇｃ−ΔＥｃ  −ΔＥｖ  ）よりΔＥｃ  の方が小さい。Ｎｃ  ＞＞Ｎの場合には、εｃ  Ｎｃ  ΔＥｃ  ／（εＮ）＞Ｅｇｃ−ΔＥｖ  −ΔＥｃ  となることがあるが、Ｎ＞＞Ｎｃ  あるいはほぼＮ＝Ｎｃ  とすれば、εｃ  Ｎｃ  ΔＥｃ  ／（εＮ）＜Ｅｇｃ−ΔＥｃ  −ΔＥｖ  の関係を満たすことは容易である。
【０１３１】
上記の議論では、クラッド層がｎ型でありキャリア蓄積防止層にアクセプタ準位が形成されている場合について考えたが、上記の実施例のようにクラッド層がｐ型でありかつキャリア蓄積防止層にドナー準位が形成されている場合においても、同様の効果がある。
【０１３２】
すなわち、ｐ型クラッド層およびドナー準位が形成されたキャリア蓄積防止層においてεｃ  Ｎｃ  ΔＥｖ  ／（εＮ）＜Ｅｇｃ−ΔＥｃ  −ΔＥｖ  の関係が成り立つ場合、キャリア蓄積防止層の厚さｔがｔＡ  ≦ｔ≦ｔＢ  の範囲では、クラッド層とキャリア蓄積防止層との界面にかかる電場の微小な変化に対して、界面に蓄積される電荷の量が変化しない。つまり、クラッド層とキャリア蓄積防止層との界面の過渡的な電気容量を０に近くすることができる。したがって、ドナー準位が形成されたキャリア蓄積防止層の厚さｔを上記の範囲に設定することが特に好ましい。また、ｐ型のクラッド層のキャリア濃度Ｎｃ  およびドナー準位が形成されたキャリア蓄積防止層のキャリア濃度Ｎは、Ｎｃ  ≦Ｎであることがさらに好ましい。
【０１３３】
ここで、第４の実施例のようにクラッド層とキャリア蓄積防止層との間に中間バンドギャップ層を形成した場合においては、ｔＡ  側の条件が広くなる。また、第２および第７の実施例のようにキャリア蓄積防止層が中間バンドギャップとしての機能を有する場合においては、ｔＡ  側およびｔＢ  側の条件が広くなる。このことは、第２、第４および第７の実施例において前述したキャリア蓄積防止層８の最適な膜厚の範囲に現れている。
【０１３４】
なお、第７の実施例および第９の実施例の半導体レーザ素子においては、前述の条件（１）および（２）のどちらも当てはまらず、歪みによりクラッド層にピエゾ電場による電位勾配が発生する。このため、これらの実施例においては、上記のような関係を容易に導くことはできない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１〜第３の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子におけるｐ−クラッド層、ｎ−キャリア蓄積防止層および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層のエネルギーバンド図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図５】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】本発明の第４の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図７】本発明の第５の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図８】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図９】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１０】第５の参考例の半導体レーザ素子の遮断周波数とキャリア蓄積防止層の厚さとの関係の測定結果を示す図である。
【図１１】本発明の原理および作用を説明するための図である。
【図１２】従来の半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図である。
【図１３】図１２の半導体レーザ素子におけるｐ型クラッド層および低キャリア濃度の電流ブロック層の価電子帯のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
８，６２，９２  キャリア蓄積防止層
９，９３  低キャリア濃度の第１の電流ブロック層
１０，９４  逆導電型の第２の電流ブロック層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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