(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザにおいて、
活性層と、
前記活性層を挟むように構成された２つの光閉じ込め層と、
前記２つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、ＩＩＩ族元素として少なくともＩｎおよびＡｌを含み、Ｖ族元素として少なくともＰおよびＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と
を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層におけるＶ族組成に占めるＳｂの割合が０．５以下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。
【請求項３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には、ＩＩＩ族元素としてさらにＧａを含んでおり、ＩＩＩ族元素中に占めるＧａの割合が０．３以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＩｎＰに対する格子不整合が−０．３％から＋０．３％の範囲に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、前記活性層に注入されるキャリアのブロック層として機能することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記２つの光閉じ込め層の両方に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂで構成されることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光通信システムにおいて用いられる半導体レーザに関する。
【０００２】
近年、インターネットをはじめとするマルチメディア技術の進展に伴い、通信ネットワークのトラヒック量が急速に増大している。これに伴い、加入者アクセスネットワーク、および、企業のビル間接続やデータセンタ間接続、大学のキャンパス内・キャンパス間接続などを提供するメトロアクセスネットワークの両方においても、トラフィック量の増大への対応が望まれている。
【０００３】
このトラヒック量の急増に対応するため、特にメトロ・アクセス系ネットワークで用いられる光モジュールは、低消費電力であることが求められる。この要求を満たすために、光モジュールの光源となる半導体レーザは、温度調整が不要であることが望まれる。半導体レーザにおける消費電力は、温度調節用のペルチェ素子などによる消費電力が大部分を占めているからである。したがって、動作温度が上昇しても、発振しきい値電流の増加が少なく光出力の低下が小さい、いわゆる温度特性の良い半導体レーザが望まれる。
【０００４】
現在、メトロ・アクセス系ネットワークにおいて用いられており、また将来用いられる可能性がある波長域は、１．２６０μｍから１．６２５μｍまでの波長である。これは、国際電気通信連合 電気通信標準化部門（International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector：ＩＴＵ−Ｔ）において光通信用として勧告されている波長帯（Ｏ帯、Ｅ帯、Ｓ帯、Ｃ帯、Ｌ帯、Ｕ帯）のうち、光ファイバの監視光用に使用されるＵ帯を除いた波長域に対応する。
【０００５】
半導体レーザにおける温度特性を改善するためには、その活性層内に効率良く電子および正孔（ホール）を閉じ込める必要がある。従来、ＩｎＰ基板上の半導体レーザの活性層としては、Ａｌを除いた、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ、Ｐからなる材料（以下、ＩｎＧａＡｓＰ系材料と呼ぶ）を用いた多重量子井戸構造が用いられてきた。この理由は、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ系材料は酸化による影響を受け難いことから、レーザ特性の経時劣化が少ないためである。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ系材料の多重量子井戸構造では、伝導帯におけるバンド不連続が小さいために電子の閉じ込めが不十分となることが多い。このような場合、高温動作時においてｎ型半導体層側から注入された電子は、活性層である多重量子井戸構造を通過し、反対側のｐ側クラッド層にまで到達して正孔と再結合する。この再結合のために、電子および正孔の閉じ込めが不十分となり、レーザ特性の温度特性が悪くなるという問題があった。
【０００６】
この問題を克服するため、近年、ＩｎＧａＡｓＰ系材料よりも伝導帯におけるバンド不連続を大きくできるＡｌＧａＩｎＡｓを用いた活性層（ＭＱＷ活性層）構造が検討されている。このＡｌＧａＩｎＡｓを用いた活性層を採用しても、高温動作時や高注入動作時においては、活性層からのｐ型半導体層側への電子の漏れ出しを十分には抑制できない。このため、活性層とｐ側ＩｎＰクラッド層との間に、電子に対するエネルギー的な障壁としてＩｎＡｌＡｓ層をさらに設置する構造が提案されている。この構造では、ＩｎＡｌＡｓ層が活性層を通過してきた電子をはね返して、再び活性層に注入するよう動作する。（特許文献１および非特許文献１）。このＩｎＡｌＡｓ層は、キャリア（電子）をブロックする目的で設置されるため、キャリアブロック層と呼ばれている。
【０００７】
上述のような、電子および正孔の閉じ込めを効率的に行う構造的な工夫により、現在ではＩｎＰ基板上に作製された半導体レーザにおいても、１００℃を超える環境温度下での動作が実現するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１５１３４号公報  明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】K. Nakahara et al.， “１２．５−Gb／s Direct Modulation Up to 115 C in 1.3−・m InGaAlAs−MQW RWG DFB Lasers With Notch−Free Grating Structure，” IEEE Journal of Lightwave Technol， Vol. 22， No. 1， ２００４年， １５９−１６５．
【非特許文献２】H. Yokoyama et al.， “Reduction of In Composition in Heavily Zn−Doped InAlGaAs Layers Grown at Low Temperature by Metalorganic Chemical Vapor Deposition，” Japanese Journal of Applied Physics， Vol. ５１， ２０１２年， 025601.
【非特許文献３】C. G. Van de Walle ， “Band lineups and deformation potentials in the model-solid theory，” Physical Review B， Vol. 39， No. 3， １９８９年， 1871-1883．
【非特許文献４】C. Wang， “OMVPE growth of GaInAsSb in the 2-2.4 μm range，” Journal of Crystal Growth， Vol. 191， １９９８年， 631−640．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このようなＩｎＰ基板上でＡｌＧａＩｎＡｓ材料を活性層として用いたレーザであっても、ＧａＡｓ基板上でＩｎＧａＡｓを井戸層とする多重量子井戸レーザや量子ドットレーザと比べると、高温動作時におけるレーザ特性の劣化が大きい。ＧａＡｓ基板上に構成されたレーザで高温動作時におけるレーザ特性の劣化が小さい理由の１つは、伝導帯におけるバンド不連続を大きく取ることができる、Ａｌ組成比の大きなＡｌＧａＡｓをキャリアブロック層として利用できるためである。さらに、このＡｌＧａＡｓは、そのＡｌ組成比をいくら変化させてもＧａＡｓに対する格子不整合は０．１５％未満である。したがって、Ａｌ組成比にかかわらすＧａＡｓにほぼ格子整合させることができるため、層構成の設計自由度が大きい。一方で、ＩｎＰ基板上に構成されたレーザに用いられるＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層では、以下に説明するように層構成の設計自由度に制約があった。
【００１１】
図８は、活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を用いたＩｎＰ基板上のレーザのバンドラインナップを模式的に示した図である。縦方向は、電子のエネルギーレベルに対応し、横方向はレーザ積層構造の積層方向の位置に対応する。通常の製造方法では、図８の右側（ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０１）から左側（ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層８０３ａ）に向かって順次各層が積層される。図８において、電子は、右側のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０１側から活性層であるＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ ＭＱＷ８０２に注入される。一方、正孔は、左側のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層８０３ａ側からＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ ＭＱＷ８０２へ注入される。ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４は、活性層８０２の左側のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０３ｂおよびＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層８０３ａの間に挿入されている。
【００１２】
図８に示したレーザ構造では、高温動作時に活性層８０２を通過した電子が左側のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０３ｂに漏れ出してくる。ここで、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４は、この漏れ出した電子を再び活性層８０２に戻すための電子に対するエネルギー障壁として作用する。このエネルギー障壁は、伝導帯において、ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０３ｂに対するＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４のバンド不連続に相当し、図８ではΔＥＣで示してある。ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４は、このΔＥＣが大きい程、電子に対するキャリアブロック層として有効に作用する。キャリアブロック層としての性能は、ΔＥＣの他にその膜厚も重要となる。キャリアブロック層の膜厚があまり薄いとトンネル効果による電子の通過が無視できないためであり、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層の場合は一般に膜厚１０ｎｍ以上の膜厚が必要となる。しかしながら、膜厚が厚くなることによって新たな問題が生じる。
【００１３】
格子歪が大きく、膜厚が大きい層では格子緩和に起因した結晶欠陥が発生する。このため、結晶欠陥を避けるためには、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４はＩｎＰと格子整合する組成に近くする必要がある。具体的に用いることのできる組成は、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ付近の組成に限定される。ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４は、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ付近の組成に限定され、層構成の設計自由度に制約があるため、図８に示したレーザの層構造ではＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０３ｂの組成が決まれば、ΔＥＣもほぼ決まってしまう。
【００１４】
例えば、バンドギャップ波長が１．１μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層（組成としてはＡｌ０．２９Ｇａ０．１８Ｉｎ０．５３Ａｓ）を用いた場合のΔＥＣは、２２０ｍｅＶ程度である。このΔＥＣの値は、ＩｎＰ基板上のレーザとしては大きい値ではあるが、前述のＧａＡｓ基板上に構成されたレーザの高温時の動作に比べれば小さい。図８に示した構造で高温動作時におけるデバイス特性の劣化をさらに小さくするためには、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４およびＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０３ａのそれぞれの伝導帯の底のエネルギー差であるΔＥＣをさらに大きくする必要がある。
【００１５】
図８に示した構造でさらにΔＥＣを上げるためには、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４をアンドープ層から比較的高濃度のｐ型ドープ層にすることが有効である。しかしながら、ＡｌＩｎＡｓは、ＧａＩｎＡｓやＡｌＧａＩｎＡｓなどの材料に比べて高濃度のｐ型ドーピングが困難であり、さらにキャリア移動度も小さい（非特許文献２を参照）。このため、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４をｐ型にドーピングしてΔＥＣを上げることは難しい。ΔＥＣを上げる他の手段としては、ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０３ｂにおけるＡｌに対するＧａの組成比を増加させることも考えられる。しかし、Ｇａの組成比を増加させることによってＭＱＷ活性層８０２からＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層８０４への電子の漏れ出しが大きくなるため、あまり有効ではない。
【００１６】
このように、ＡｌＧａＩｎＡｓを活性層８０２や光閉じ込め層８０３ａに用いたレーザ構造においてＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４を用いる場合、層構成を変えることによって電子の漏れ出しを抑制するのは難しく、キャリアブロックに関する層構成の設計自由度は制約されていた。
【００１７】
既に述べたように、Ａｌが含まれないＩｎＧａＡｓＰ系材料だけから活性層が構成される場合は、Ａｌを含む材料から活性層が構成される場合と比べて、一般に素子特性の経時劣化が起こり難いことが知られている。ＩｎＧａＡｓＰ系材料をレーザの活性層として、ＡｌＩｎＡｓをキャリアブロック層の材料として適用した場合には、ＡｌＧａＩｎＡｓ材料をレーザの活性層とした場合よりも電子に対してさらに高い障壁を実現することができる。
【００１８】
図９は、活性層にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ構造を用いたＩｎＰ基板上のレーザのバンドラインナップを模式的に示した図である。図８と同様に、縦方向は、電子のエネルギーレベルに対応し、横方向はレーザ積層構造の積層方向の位置に対応する。通常の製造方法では、図９の右側（ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０１）から左側（ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０３ａ）に向かって順次各層が積層される。図９において、電子は、右側のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０１側から活性層であるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ層９０２に注入される。一方、正孔は、左側のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０３ａ側からＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ層９０２へ注入される。ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層９０４は、活性層９０２の左側のＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０３ａおよびＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０３ｂの間に設置されている。
【００１９】
図９に示した層構造において、例えばバンドギャップ波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０４（組成としてはＩｎ０．８６Ｇａ０．４０Ａｓ０．３２Ｐ０．６８）を用いた場合、伝導帯において、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０３に対するＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層９０４のエネルギー差（ΔＥＣ）は、約３９０ｍｅＶである。前述のＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡｓ材料を活性層とした構造の場合の２２０ｍｅＶと比べて、より大きなΔＥＣを実現することができる。
【００２０】
しかしながら、図９に示したバンド構造において価電子帯側に着目した場合、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層９０４の価電子帯の位置はＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層９０３ａ、９０３ｂよりも上方にある。したがって、注入された正孔はＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層９０４においてトラップされることになる。結局、図９に示したバンド構造を持つ層構成は、電子がｐ型半導体層への漏れ出すのを防ぐのには有効なものの、正孔の注入効率が悪いため、実際のレーザの層構造として用いられていない。この例のように、ＩｎＧａＡｓＰ系材料だけで活性層が構成されたレーザは、長期安定性は良いものの、活性層からｐ型層への電子の漏れ出しを大幅に抑制できるようなキャリアブロック層は未だ提案されていない。ＡｌＧａＩｎＡｓ材料で活性層が構成されたレーザに比べて、高温動作時のレーザ素子特性の劣化が大きいという問題は解決されていなかった。
【００２１】
本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであって、通信ネットワーク内で用いられる光モジュールの光源として、高温動作時にもレーザ特性の劣化が小さい半導体レーザを実現することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザにおいて、活性層と、前記活性層を挟むように構成された２つの光閉じ込め層と、前記２つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、ＩＩＩ族元素として少なくともＩｎとＡｌを含み、Ｖ族元素として少なくともＰとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備えたことを特徴とする半導体レーザである。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、請求項１の半導体レーザにおいて、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層におけるＶ族組成に占めるＳｂの割合が０．５以下であることを特徴とする。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の半導体レーザにおいて、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には、ＩＩＩ族元素としてさらにＧａを含んでおり、ＩＩＩ族元素中に占めるＧａの割合が０．３以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２の半導体レーザにおいて、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＩｎＰに対する格子不整合が−０．３％から＋０．３％の範囲に設定されることを特徴とする。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの半導体レーザにおいて、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、前記活性層に注入されるキャリアのブロック層として機能することを特徴とする。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体レーザにおいて、前記２つの光閉じ込め層の両方に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を有することを特徴とする。
【００２８】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体レーザにおいて、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、ＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂで構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、ＩｎＰ基板上に作製された半導体レーザにおいて、従来技術で用いられてきたＡｌＩｎＡｓ等を材料にキャリアブロック層を構成した場合と比べて、伝導帯におけるバンド不連続をより大きくすることができる。層構成の設計自由度をより大きくすることができる。また、従来技術では電子に対する十分な障壁となるような層が見出されていなかったＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるＭＱＷ活性層を用いたレーザ構造において、良好な電子ブロックを提供することができる。本発明のキャリアブロック層により、高温動作時でもレーザ特性の劣化が小さい半導体レーザを実現する。高温環境下でも発振しきい値電流の上昇や光出力の低下を抑え、温度調節が不要となり光モジュールの消費電力の増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、ＡｌＩｎＡｓおよびＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂを対比して、伝導帯の底および価電子帯の頂上のエネルギー的な位置関係を示した図である。
【図２】図２は、ＩｎＰに格子整合する条件において、ＡｌＩｎＡｓに対するＡｌＩｎＰＳｂの伝導帯および価電子帯における各バンド不連続の変化を示した図である。
【図３】図３は、ＩｎＰに格子整合する条件において、ＡｌＩｎＡｓに対するＡｌＧａＩｎＰＳｂの伝導帯および価電子帯における各バンド不連続の変化を示した図である。
【図４】図４は、ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂ割合を固定した条件でＡｌＧａＩｎＰＳｂのＳｂ組成変化に対するＩＩＩ族組成変化を示した図である。
【図５】図５は、ＩｎＰに格子整合する条件において、ＩｎＧａＡｓＰに対するＡｌＧａＩｎＰＳｂの伝導帯および価電子帯におけるバンド不連続の変化を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施例１に係る半導体レーザの層構成を示した図である。
【図７】図７は、本発明の実施例２に係る半導体レーザの層構成を示した図である。
【図８】図８は、活性層にＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ多重量子井戸構造を用いたＩｎＰ基板上のレーザのバンドラインナップを模式的に示した図である。
【図９】図９は、活性層にＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ ＭＱＷ構造を用いたＩｎＰ基板上のレーザのバンドラインナップを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の半導体レーザでは、ＩｎＰ基板上に構成されたレーザにおいて用いられることのなかった材料であるＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂが持つ新たな特徴を見出し、この特徴を利用することによって高温動作時におけるレーザ特性の劣化を抑える。ＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂは、ＩｎＰへの格子整合する条件付近であっても、その組成を変えるだけで伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギーを大きく変えることができる特徴を持っている。ＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂを、電子に対するキャリアブロック層として用い、その組成を活性層に用いる材料や発振波長に合わせて変えることで、従来よりも高温動作時におけるレーザ特性の劣化を抑制できる。
【００３２】
以下、従来技術における代表的なキャリアブロック層であるＩｎＰに格子整合するＡｌＩｎＡｓと対比をしながら、ＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂの伝導帯の底および価電子帯の頂上のエネルギー的な配置が、Ｓｂ組成によってどのように変化するかを説明する。以後の説明では、簡単のため、ＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂを意味する場合に、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂと表記する。後述する２つの実施例でそれぞれ示すように、２つの材料はキャリアブロック層として同様の作用および効果を示す。
【００３３】
図１は、ＡｌＩｎＡｓおよびＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂを対比して、伝導帯の底および価電子帯の頂上のエネルギー的な位置関係を模式的に示した図である。図１は、仮想的に２つの材料が接合されたときのバンド変化を説明するための図である。図１において、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂのＡｌＩｎＡｓに対する伝導帯のエネルギー差であるバンド不連続ΔＥＣは、次式によって表すことができる。
ΔＥＣ＝〔Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂの価電子帯の頂上のエネルギー＋Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂのバンドギャップ〕−
〔ＡｌＩｎＡｓの価電子帯の頂上のエネルギー＋ＡｌＩｎＡｓのバンドギャップ〕
式（１）
【００３４】
また、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂのＡｌＩｎＡｓに対する価電子のエネルギー差であるバンド不連続ΔＥＶについても、次式によって表すことができる。
ΔＥＶ＝〔ＡｌＩｎＡｓの価電子帯の頂上のエネルギー〕−
〔Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂの価電子帯の頂上のエネルギー〕            式（２）
【００３５】
ここで、電子にとっては、ΔＥＣが正の場合（バンド図で伝導帯よりも上向きにギャップがある）は、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂはＡｌＩｎＡｓよりもエネルギー的に高い障壁となることを意味する。また、正孔にとっては、ΔＥＶが正の場合（バンド図で価電子帯より下向きにギャップがある）は、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂはＡｌＩｎＡｓよりもエネルギー的に高い障壁となることを意味する。それぞれの材料の価電子帯の頂上のエネルギー１０１、１０２およびバンドギャップ１０３、１０４が分かれば、式（１）および式（２）に基づいて、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰＳｂのＡｌＩｎＡｓに対する伝導帯のバンド不連続（ΔＥＣ）と価電子のバンド不連続（ΔＥＶ）を求めることができる。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の三元混晶や四元混晶に関しては、価電子帯の頂上のエネルギーやバンドギャップは計算によっても見積ること可能で、実験ともよく一致することが知られている（例えば、非特許文献３を参照）。したがって、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＰＳｂに関しては、計算から価電子帯の頂上のエネルギーとバンドギャップを求めることが比較的容易である。まず、本発明の半導体レーザで採用される材料の１つであるＡｌＩｎＰＳｂについて、式（１）および式（２）に基づいてバンド不連続を求め、キャリアブロック層としての動作を検討する。
【００３６】
図２は、ＩｎＰに格子整合する条件において、ＡｌＩｎＡｓに対するＡｌＩｎＰＳｂの伝導帯におけるバンド不連続と価電子帯におけるバンド不連続の変化を示した図である。具体的には、ＡｌＩｎＡｓおよびＡｌＩｎＰＳｂを接合したと仮想した場合に、ＩｎＰに格子整合する条件においてＡｌＩｎＰＳｂのＳｂ組成を変化させたときに（横軸）、伝導帯におけるバンド不連続（ΔＥＣ）および価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）の計算値を示したものである（縦軸）。
【００３７】
図２では、横軸のＳｂ組成比が０の位置がＩｎＰに相当する。この組成では、伝導帯のΔＥＣは負の値となっており、ＡｌＩｎＰＳｂの伝導帯のエネルギー位置は、ＡｌＩｎＡｓの伝導帯のエネルギー位置よりも低い。しかし、Ｓｂ組成を増加させるに従ってＡｌＩｎＰＳｂの伝導帯のエネルギー位置は高くなっていく。ＡｌＩｎＰＳｂのＳｂ組成が０．３を超えると、ΔＥＣは正の値となり、ＡｌＩｎＰＳｂの伝導帯のエネルギー位置はＡｌＩｎＡｓの伝導帯のエネルギー位置よりも高くなる。このとき、ＡｌＩｎＰＳｂは電子に対して、より高い障壁となることが分かる。すなわち、ＡｌＩｎＰＳｂを、ＡｌＩｎＡｓと比べて電子に対するより高いキャリアブロック層として作用させることができる。
【００３８】
ＡｌＩｎＰＳｂの電子に対するキャリアブロック層としての効果は、計算上はＳｂ組成を０．５よりも増加させることでさらに大きくなるが、ＡｌＩｎＰＳｂの結晶成長を考えた場合、Ｖ族組成に占めるＳｂの割合は少ない方が望ましい。これは、Ｓｂを含む材料の結晶成長では、Ｓｂ組成が大きくなるとＳｂの表面偏析が顕著になり、この表面偏析したＳｂによる膜質の影響が大きくなるためである。また、一般にＳｂを含まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、結晶成長時にＩＩＩ族原料に対するＶ族原料の供給量比（一般にＶ／ＩＩＩ比と呼ばれる）を１よりも十分大きく取れば比較的安定した条件で結晶成長が可能なことが知られている。しかし、Ｓｂ組成の大きな材料ではこのＶ／ＩＩＩ比を１付近にする必要があり、Ｖ／ＩＩＩ比のわずかな変化が膜質に大きな影響を与える（非特許文献４）。このため、レーザを構成する層の一部だけにＳｂを含む層が存在する本発明の半導体レーザの場合、ＡｌＩｎＰＳｂおよび後述するＡｌＧａＩｎＰＳｂにおけるＳｎ組成を０．５以下にするのが望ましい。
【００３９】
したがって、本発明の半導体レーザにおいて、キャリアブロック層は、２つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、ＩＩＩ族元素として少なくともＩｎとＡｌを含み、Ｖ族元素として少なくともＰとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であり、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層におけるＶ族組成に占めるＳｂの割合が０．５以下であることが望ましい。
【００４０】
図２を再び参照すると、伝導帯におけるバンド不連続とは対照的に、価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）は、ＡｌＩｎＰＳｂのＳｂ組成の変化によらず常に正の値となっている。これは、ＡｌＩｎＰＳｂが、正孔に関して、ＡｌＩｎＡｓよりも高い障壁となることを意味している。しかし、図２から分かるようにＩｎＰに対しては、ＡｌＩｎＰＳｂは正孔に関して障壁とはならない。このため、ＩｎＰ基板上に構成された半導体レーザにＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を用いる場合、キャリアブロック層の上下の層構成を工夫すれば、正孔の注入効率を妨げることにはならない。例えば、図８に示したバンド構成を持つ半導体レーザの構造で、ＡｌＩｎＡｓキャリアブロック層８０４の材料をＡｌＩｎＰＳｂに変えた場合、後述する実施例１で詳細に示すようにＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層やＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層の組成を調整すれば、正孔の注入効率の低下を回避できる。
【００４１】
以上説明したように、ＡｌＩｎＰＳｂは、ＩｎＰに格子整合する条件付近にある制約の下でも、そのＳｂ組成を変化させることによって、その伝導帯および価電子帯の位置を比較的自由に変えることができる。したがって、半導体レーザを構成する他の層の組成に応じてキャリアブロック層の設計が可能であって、組成がほぼ固定されていた従来技術のＡｌＩｎＡｓを用いたキャリアブロック層に比べて、各層構成の設計自由度を大きくすることができる。
【００４２】
次に、本発明の半導体レーザで採用されるもう一つの材料であるＡｌＩｎＧａＰＳｂについて、キャリアブロック層としての動作を検討する。次に説明するＡｌＧａＩｎＰＳｂでは、ＡｌＩｎＰＳｂに比べて、さらに各層構成の設計自由度を大きくできる。
【００４３】
ＡｌＩｎＧａＰＳｂは５つの元素を含む五元混晶のため、前述の式（１）および式（２）に必要な価電子帯の頂上のエネルギーとバンドギャップを求めることは一般に難しい。しかしながら、ＡｌＩｎＧａＰＳｂはＩｎＰにほぼ格子整合しており、さらにＧａに対するＡｌの組成比が大きい条件で有ればバンドギャップを容易に見積もることができる。この場合、ＡｌＧａＩｎＰＳｂの材料パラメータは、ＩｎＰに格子整合するＡｌＩｎＰＳｂおよびＧａＩｎＰＳｂの混晶として次式によって簡単に求めることができる。
〔ＡｌＧａＩｎＰＳｂの材料パラメータ〕＝ Ａ×〔ＡｌＩｎＰＳｂの材料パラメータ〕
＋（１−Ａ）×〔ＧａＩｎＰＳｂの材料パラメータ〕          式（３）
【００４４】
ここで、Ａは五元混晶であるＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＡｌＩｎＰＳｂの割合である。式（３）は、ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＡｌＩｎＰＳｂの割合がＧａＩｎＰＳｂに比べて十分大きい条件であれば、bowing factorの影響が小さいために良い近似を与える。
【００４５】
図３は、ＩｎＰに格子整合する条件において、ＡｌＩｎＡｓに対するＡｌＧａＩｎＰＳｂの伝導帯におけるバンド不連続と価電子帯におけるバンド不連続の変化を示した図である。ＡｌＩｎＡｓおよびＡｌＧａＩｎＰＳｂを接合したと仮想した場合に、ＩｎＰに格子整合する条件においてＡｌＧａＩｎＰＳｂのＳｂ組成を変化させたときに（横軸）、伝導帯におけるバンド不連続（ΔＥＣ）および価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）の計算値を示したものである（縦軸）。図３の（ａ）は伝導帯におけるバンド不連続（ΔＥＣ）の計算値を、図３の（ｂ）は価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）の計算値を示している。いずれも、ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合をパラメータとして、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５の場合について示してある。
【００４６】
図３の（ａ）から、ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合が増えるに従って、伝導帯におけるバンド不連続（ΔＥＣ）は小さくなっており、電子に対する障壁としての効果は小さくなることが分かる。特に、ＧａＩｎＰＳｂの割合が０．５の場合は、伝導帯におけるバンド不連続の増加が小さい。したがって、電子に対する障壁としての効果を活かすためには、ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合が０．４以下であるキャリアブロック層を用いることが好ましい。
【００４７】
図４は、ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合を０．４で固定した条件下で、ＡｌＧａＩｎＰＳｂのＳｂ組成の変化に対するＩＩＩ族組成の変化を示した図である。横軸はＡｌＧａＩｎＰＳｂのＳｂ組成を示し、縦軸はＩＩＩ族組成を示す。図４から、Ｓｂ組成（横軸）が０．５の時に、ＡｌＧａＩｎＰＳｂにおけるＧａ組成は０．３となっている。したがって、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層におけるＧａ組成は０．３以下であることが望ましい。
【００４８】
したがって、本発明の半導体レーザは、活性層と、前記活性層を挟むように構成された２つの光閉じ込め層と、前記２つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、ＩＩＩ族元素として少なくともＩｎとＡｌを含み、Ｖ族元素として少なくともＰとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備え、このＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には、ＩＩＩ族元素としてさらにＧａを含んでおり、ＩＩＩ族元素中に占めるＧａの割合が０．３以下であることを特徴とする。
【００４９】
再び図３に戻ると、図３の（ｂ）から明らかなように、ＡｌＧａＩｎＰＳｂではＩｎＰにほぼ格子整合させる条件の制約の下でも、ＡｌＧａＩｎＰＳｂのＳｂ組成を変化させることによって（横軸）、価電子帯の頂上の位置を大きく変えることができる。ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合が０．４以下の条件では、ＡｌＧａＩｎＰＳｂのＡｌＩｎＡｓに対する価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）はほとんどの組成で正となる。このため、ＡｌＧａＩｎＰＳｂおよびＡｌＩｎＡｓの間では、ＡｌＧａＩｎＰＳｂは正孔にとっての障壁となる。しかしながら、ＡｌＩｎＡｓよりも価電子帯のエネルギー位置が低いＩｎＧａＡｓＰなどを光閉じ込め層として用いる場合は、バンド不連続（ΔＥＶ）をほぼ０にすることができる。これを、バンドギャップ波長が１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰを例として用いて説明する。
【００５０】
図５は、ＩｎＰに格子整合する条件において、ＩｎＧａＡｓＰに対するＡｌＧａＩｎＰＳｂの伝導帯およびに価電子帯おけるバンド不連続の変化を示す図である。より具体的には、ＩｎＰに格子整合する条件においてＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合を０．１に固定し、ＩｎＰに格子整合するバンドギャップ波長が約１．０５μｍとなるＩｎＧａＡｓＰ（Ｉｎ０．８９Ｇａ０．１１Ａｓ０．２４Ｐ０．７６）に対するＡｌＧａＩｎＰＳｂの、伝導帯におけるバンド不連続（ΔＥＣ）および価電子帯におけるバンド不連続（ΔＥＶ）の変化を求めたものである。ここで、「ＡｌＧａＩｎＰＳｂに占めるＧａＩｎＰＳｂの割合」は、式（３）の係数（１−Ａ）に対応する。横軸はＡｌＧａＩｎＰＳｂのＳｂ組成であり、縦軸は各バンド不連続（ΔＥＣ、ΔＥＶ）である。
【００５１】
図５より、Ｓｂ組成（横軸）が約０．３の時に、価電子帯におけるバンド不連続はほぼ０となる。これはＩｎＧａＡｓＰおよびＡｌＧａＩｎＰＳｂの間で正孔を移動させた際に、正孔に対するエネルギー的な障壁がほぼ存在しないことを意味する。一方、Ｓｂ組成が０．３の時の伝導帯におけるバンド不連続は約３００ ｍｅＶである。この値は、ＩｎＰ基板上のレーザの電子に対するブロック層としては、従来技術では得ることが困難だった高い値であって、ＩｎＧａＡｓＰ材料系の活性層およびＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層の組み合わせによって高温動作時におけるレーザ特性の改善が期待できる。
【００５２】
前述のように、キャリアブロック層の膜厚は、トンネル効果による電子の通過を抑制するために１０ ｎｍ以上が必要とされている。一方で、膜厚が逆に大き過ぎると素子抵抗の増大の原因となるため、一般的には５０ｎｍ以下の膜厚が用いられる。膜厚が１０〜５０ｎｍ程度の場合、ＩｎＰに対する格子不整合が−０．３％から＋０．３％の範囲となるようにすれば、格子不整合に起因した結晶欠陥の発生を避けることもできる。ここで、格子不整合は、（〔キャリアブロック層の格子定数〕―〔ＩｎＰの格子定数〕）／〔ＩｎＰの格子定数〕）として定義される。
【００５３】
上述の２つの例では、ＩｎＰに格子整合する条件で、ＡｌＩｎＰＳｂおよびＡｌＧａＩｎＰＳｂをキャリアブロック層に用いる場合でも、ＩｎＰに対する格子不整合が−０．３％から＋０．３％の範囲であれば、キャリアブロック層としては、ＡｌＩｎＰＳｂおよびＡｌＧａＩｎＰＳｂのキャリアブロック層いずれもほぼ同様の効果が得られる。
【００５４】
また上述のキャリアブロック層の構成例では、ＩＩＩ族元素としてＡｌ、Ｇａ、Ｉｎなどを含み、Ｖ族元素としてＰ、Ｓｂなどを含むＡｌＩｎＰＳｂおよびＡｌＧａＩｎＰＳｂについて説明した。しかし、これらのキャリアブロック層に少量のＡｓが入ってもキャリアブロック層としても効果は大きくは変化しない。このため、上記のキャリアブロック層の組成は厳密にＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂである必要はなく、Ａｓ組成が少量であれば、ＡｌＩｎＡｓＰＳｂやＡｌＩｎＧａＡｓＰＳｂであってもキャリアブロック層としてはほぼ同様の効果が得られる。
【００５５】
次に、本発明の半導体レーザのより具多的な実施例を、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００５６】
図６は、本発明の実施例１に係る半導体レーザの層構成を示した図である。本実施例では、ＡｌＧａＩｎＡｓ材料を活性層に含む構造に対して、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を適用する例を説明する。
【００５７】
図６に示した層構造の作製には、ＩＩＩ族原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｖ族原料ガスとしてホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いた有機金属気相エピタキシー法を用いる。本実施例の半導体レーザは、次の工程で作製される。
【００５８】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２を成長する。引き続き、膜厚０．１μｍで、バンドギャップ波長１．１μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層３を成長した後、６層のＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層および７層のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層からなる歪多重量子井戸構造４を成長させる。さらに、その上に膜厚０．０５μｍで、バンドギャップ波長１．１μｍのＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層５を成長する。ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層３およびＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層５は同じ組成で構成され、ＩｎＰにほぼ格子整合しており、具体的な組成はＡｌ０．２９Ｇａ０．１８Ｉｎ０．５３Ａｓである。
【００５９】
歪多重量子井戸構造４は、発振波長が１．３μｍになるように、井戸層および障壁層それぞれの組成ならびに膜厚を調整する。ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層５の上に、電子に対するキャリアブロック層として、膜厚０．０２μｍのＡｌＩｎＰＳｂ層６を成長させる。キャリアブロック層の上には、さらに、膜厚０．０５μｍでバンドギャップ波長１．０μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７、膜厚１．８μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層８、および、膜厚０．２５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９を順次成長する。
【００６０】
ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層６およびＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層７は、ともにほぼＩｎＰに格子整合しており、具体的な組成は、それぞれＡｌ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ０．６６Ｓｂ０．３４およびＩｎ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ０．１６Ｐ０．８４である。この２つの材料間での価電子帯におけるバンド不連続はほぼ０であり、伝導帯におけるバンド不連続は、３５０ｍｅＶ程度である。
【００６１】
したがって、本発明の半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザにおいて、活性層と、前記活性層を挟むように構成された２つの光閉じ込め層と、前記２つの光閉じ込め層の少なくとも一方の内部であって、前記活性層の近傍に配置され、ＩＩＩ族元素として少なくともＩｎとＡｌを含み、Ｖ族元素として少なくともＰとＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを備えている。
【００６２】
本実施例の半導体レーザの特性を評価するために、上述の本発明の半導体レーザの層構成を持つ〔試験体１〕、および、図６に示した層構造においてＡｌＩｎＰＳｂ層６だけが存在しない層構成を持つ比較用の〔試験体２〕を作製した。
【００６３】
半導体レーザの特性は、ファブリペロー型レーザを用いて評価する。ファブリペロー型レーザの具体的な作製方法は、以下の通りである。ウェハ前面にシリコン酸化膜を蒸着した後、ストライプ状に幅４０μｍの領域のシリコン酸化膜を除去する。ｐ型ＩｎＧａＡｓ層９が表面に露出したこの領域に、ＡｕＺｎを蒸着した後、熱処理してｐ型電極１０を形成する。ｎ型電極１１は、ｎ型ＩｎＰ基板１を薄く研磨した後、ＡｕＧｅＮｉを蒸着し、熱処理して形成する。共振器はへき開により形成し、共振器長は６００μｍとする。
【００６４】
２つの試験体について、２５℃における発振しきい値電流密度は、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を備えた〔試験体１〕で１．０ ｋＡ／ｃｍ２であり、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含まない〔試験体２〕で、０．９ ｋＡ／ｃｍ２であった。ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含まない方が、発振しきい値電流密度は低かった。しかしながら、６５℃における〔試験体１〕および〔試験体２〕のしきい値電流は、ともに１．７ｋＡ／ｃｍ２となった。さらに６５℃よりも高温動作をさせると、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層がある〔試験体１〕の方がしきい値電流密度が低くなった。
【００６５】
半導体レーザにおける温度特性の評価のためには、一般に特性温度と呼ばれるパラメータを用いる。特性温度は、しきい値電流の温度変化を測定することにより、次式から求めることができる。
Ｊｔｈ ＝ Ｊ０ ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）                       式（４）
ここで、Ｊｔｈは動作温度 Ｔ におけるしきい値電流密度、Ｊ０は定数、Ｔ０が特性温度である。式（４）から、このＴ０が大きいほど動作温度の上昇に対するしきい値電流密度の増加が小さいことになり、半導体レーザの温度特性が良いことになる。
【００６６】
２５℃から６５℃までの範囲におけるしきい値電流密度の特性温度は、〔試験体１〕で７５Ｋ、〔試験体２〕で６５Ｋであった。これは、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含む構造〔試験体１〕のレーザが、これを含まない構造〔試験体２〕のレーザに比べて、動作温度を上昇させた場合のしきい値電流の増加が少ないことを意味する。ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含む構造〔試験体１〕のレーザの最高発振温度は１３５℃であり、これを含まない構造〔試験体１〕のレーザの最高発振温度１２５℃に比べて高かった。ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含むレーザ構造において、最高動作温度および特性温度が高いのは、温度上昇によって活性層から漏れ出してきた電子がＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層によりはね返され、再び活性層に注入されることを反映したものである。
【００６７】
本実施例では、活性層がＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ歪多重量子井戸構造で、この活性層の両側の光閉じ込め層がＡｌＧａＩｎＡｓ層からなり、発振波長が１．３μｍとなるレーザの場合を例として説明した。しかしながら、本発明の半導体レーザは、上述の構成に限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、発振波長を長くするために活性層にＩｎＧａＡｓ井戸層を含む構造に変えることができる。また、バンド不連続および光閉じ込め係数の調整のため、活性層の両側のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層の材料をＡｌＧａＩｎＰＳｂに変更した場合でも、ＡｌＩｎＰＳｂを有効な電子ブロック層として利用できる。本実施例では、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層をアンドープとした場合を示したが、ドーピングを行っても良い。さらに、本実施例では、ＡｌＩｎＰＳｂキャリアブロック層を活性層の片側のみに設置した場合について示したが、活性層の両側に設置しても良い。
【００６８】
また、本実施例では、半導体レーザの作製方法として有機金属気相エピタキシー法を用いた例を説明した。しかしながら、本発明の特徴は、四元または五元のＩＩＩ−Ｖ族半導体混晶が成長できる方法である限り、ガスソース分子線エピタキシー法（有機金属気相エピタキシー法）や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いて作製する場合にも有効であることは言うまでもない。
【実施例２】
【００６９】
図７は、本発明の実施例２に係る半導体レーザの層構成を示した図である。本実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を活性層に含む構造に対して、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を適用する例を説明する。
【００７０】
図７の層構造の作製には、ＩＩＩ族原料として金属Ｉｎ、金属Ｇａ、金属Ａｌ、Ｖ族原料としてホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、金属Ｓｂを用いたガスソース分子線エピタキシー法を用いる。本実施例の半導体レーザは、次の工程で作製される。
【００７１】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１２上に、膜厚０．５μｍのｎ型ＩｎＰバッファ層１３を成長する。引き続き、膜厚０．１μｍで、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１４を成長した後、８層のＩｎＡｓＰ井戸層および９層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層からなる歪多重量子井戸構造１５を成長させる。歪多重量子井戸構造１５は、発振波長が１．３μｍになるように井戸層および障壁層それぞれの組成ならびに膜厚を調整する。歪多重量子井戸構造１５の上に、膜厚０．１μｍで、バンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６を、膜厚０．０３μｍのＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層１７を挟む形で成長する。
【００７２】
ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層１７およびＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６は、ともにほぼＩｎＰに格子整合しており、具体的な組成は、それぞれＡｌ０．３６Ｇａ０．０９Ｉｎ０．５５Ｐ０．７０Ｓｂ０．３０およびＩｎ０．８６Ｇａ０．１４Ａｓ０．３２Ｐ０．６９である。この２つの材料間での価電子帯におけるバンド不連続はほぼ０であり、伝導帯におけるバンド不連続は３００ ｍｅＶ程度である。ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１６の上に、膜厚１．８μｍのｐ型ＩｎＰクラッド層１８、膜厚０．２５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を順次成長する。
【００７３】
本実施例の半導体レーザの特性を評価するために、上述の本発明の半導体レーザの層構成を持つ〔試験体３〕と、図７に示した層構造においてＡｌＧａＩｎＰＳｂ層１７だけが存在しない層構成を持つ比較用の〔試験体４〕とを作製した。半導体レーザの特性は、ファブリペロー型レーザを用いて評価する。ファブリペロー型レーザの作製方法は、実施例１と同様の方法を用いた。
【００７４】
２５℃における発振しきい値電流密度は、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を備えた〔試験体３〕で０．９ ｋＡ／ｃｍ２とであり、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含まない〔試験体４〕で０．８ ｋＡ／ｃｍ２であった。ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含まない構成のレーザの方が、発振しきい値電流密度は低かった。しかしながら、６５℃における〔試験体３〕および〔試験体４〕のしきい値電流は、それぞれ１．６ ｋＡ／ｃｍ２および１．７ ｋＡ／ｃｍ２となった。しきい値電流は、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を含む構成のレーザの方が低くなった。２５℃から６５℃までの範囲におけるしきい値電流密度の特性温度は、〔試験体３〕で６９Ｋ、〔試験体４〕で６０Ｋであった。ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を備えた構成のレーザとすることにより、動作温度を上昇させた場合にしきい値電流の増加を抑えることができる。
【００７５】
また、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を備えた構造のレーザ〔試験体３〕では、最高発振温度は１２５℃であり、これを含まない構造のレーザ〔試験体１〕の最高発振温度１１５℃に比べて高かった。
【００７６】
以上詳細に説明したように、従来技術では高温動作時にレーザ特性の劣化が問題であったＩｎＧａＡｓＰ系材料を活性層に用いたレーザ構造であっても、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を用いることによって、この高温動作時の特性劣化を抑制することができる。
【００７７】
本実施例の半導体レーザでも、実施例１で説明したような様々な変形が可能であって、各層の組成やドーピングの有無についての変形が可能である。また、ＡｌＧａＩｎＰＳｂキャリアブロック層を活性層の片側のみに設置した場合について示したが、活性層の両側に設置しても良い。さらに、四元または五元のＩＩＩ−Ｖ族半導体混晶が成長できる方法である限り、有機金属気相エピタキシー法や分子線エピタキシー法などの他の成長方法を用いた場合も有効である。
【００７８】
以上詳細に説明してきたように、ＩｎＰ基板上に作製された本発明の半導体レーザでは、キャリアブロック層の材料としてＡｌＩｎＰＳｂまたはＡｌＧａＩｎＰＳｂを用いる。これによって、従来技術で用いられてきたＡｌＩｎＡｓ等を材料にキャリアブロック層を構成した場合と比べて、伝導帯におけるバンド不連続をより大きくすることができる。さらに、層構成の設計自由度をより大きくすることができる。
【００７９】
また、従来技術では電子に対する十分な障壁となるような層が見出されてなかったＩｎＧａＡｓＰ系材料からなるＭＱＷ活性層を用いたレーザ構造において、良好な電子ブロックを提供することができる。本発明におけるキャリアブロック層により、高温動作時においても電子をより効率良く活性層付近に閉じ込めることができるため、高温動作時でもレーザ特性の劣化が小さい半導体レーザを実現できる。高温環境下でも発振しきい値電流の上昇や光出力の低下を抑えることができる。半導体レーザの温度調節が不要となって、本発明の半導体レーザを光源とする光モジュールの消費電力の増加を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光源として利用できる。
【符号の説明】
【００８１】
１、１２  ｎ型ＩｎＰ基板
２、１３  ｎ型ＩｎＰバッファ層
３、５、７、１４、１６、８０１、８０３ａ、８０３ｂ、９０１、９０３ａ、９０３ｂ  光閉じ込め層
４、１５、８０２、９０２  多重量子井戸構造
６、１７、８０４、９０４  キャリアブロック層
８、１８  ｐ型ＩｎＰクラッド層
９、１９  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０、２０  ｐ型電極
１１、２１  ｎ型電極
１０１、１０２  価電子帯の頂上のエネルギー
１０３、１０４  バンドギャップ
【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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