(57)【要約】【課題】  ｐ型クラッド層における電子の溢れ出しを抑制し、温度特性を向上させることができる半導体レーザを提供する。【解決手段】  活性層１４と第１ｐ型クラッド層１７との間に、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層１４よりも大きい材料により構成された電子障壁層１６を有している。従来のように屈折率あるいはバンドギャップの大小のみを考慮する場合と異なり、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを確実に大きくすることができ、第１ｐ型クラッド層１７ないし第２ｐ型クラッド層１９における電子の溢れ出しを確実に抑制することができる。電子障壁層１６の構成材料としては、例えば、活性層１４がＧａＩｎＰ混晶により構成されている場合には、ＧａＰ，ＧａＩｎＰ混晶，ＡｌＧａＰ混晶，ＧａＰＳｂ混晶またはＡｌＧａＰＳｂ混晶が好ましい。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えた半導体レーザであって、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、伝導帯のバンド端の絶対値が前記活性層よりも大きな材料により構成された電子障壁層を有し、前記電子障壁層により前記ｐ型クラッド層における電子の溢れ出しを抑制する
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記電子障壁層は、前記基板に対して格子整合している
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記活性層はＧａＩｎＰ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層に含まれるインジウム組成は０．２以上０．８以下である
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記基板はＧａＡｓにより構成された
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記電子障壁層はガリウムリン（ＧａＰ）により構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記電子障壁層はＧａＩｎＰ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記電子障壁層に含まれるインジウム組成は０．０５以上０．１以下である
ことを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記電子障壁層はＡｌＧａＰ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記電子障壁層に含まれるアルミニウム組成は０．４である
ことを特徴とする請求項９記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記電子障壁層はＧａＰＳｂ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
前記電子障壁層に含まれるリン組成は０．３２である
ことを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザ。
【請求項１３】
前記電子障壁層はＡｌＧａＰＳｂ混晶により構成されている
ことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
赤色領域の発振波長を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
赤外領域の発振波長を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
半導体レーザを備えた光装置であって、
前記半導体レーザは、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えると共に、前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に、伝導帯のバンド端の絶対値が前記活性層よりも大きな材料により構成された電子障壁層を有し、前記電子障壁層により前記ｐ型クラッド層における電子の溢れ出しを抑制する
ことを特徴とする光装置。
【請求項１７】
前記電子障壁層は、前記基板に対して格子整合している
ことを特徴とする請求項１６記載の光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等による高密度記録再生に用いられる赤色半導体レーザなどに好適な半導体レーザおよびこの半導体レーザを用いた光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、電子と正孔とが活性層で再結合することにより光を放射する。しかし、半導体レーザの構成材料によっては、活性層で再結合を起こすためにとどまっていなければならない電子や正孔が活性層から溢れ出すオーバーフローという現象がみられる。特に、ＩｎＧａＡｓＰ混晶を用いた通信用レーザや、ＤＶＤ等の光ピックアップに用いられる赤色レーザではそれが顕著である。これは、通信用レーザや赤色レーザの構成材料の制限から活性層への電子の閉じ込めが十分にできないことによるものである。このような活性層への電子の閉じ込めの強さは、活性層の偽フェルミレベルとクラッド層のフェルミレベルとの差ΔＥｃの大きさで決定される（例えば、非特許文献１参照。）
【０００３】
通信用レーザは高度に温度管理された環境での使用を前提としているのに対して、赤色レーザは民生用として広く用いられているため広い温度範囲で安定して使えることが強く要求されている。しかしながら、ＤＶＤ用の波長６４０ｎｍの赤色レーザではΔＥｃが約１４０ｍｅＶと、従来のＣＤ（Compact Disk）用の波長７８０ｎｍのレーザの値である３５０ｍｅＶに比べて非常に低い。そのため、温度変化に対して極めて敏感になってしまっている。半導体レーザの閾値の温度依存性の指標としては、特性温度Ｔ0 が広く用いられている。波長６４０ｎｍの赤色レーザの特性温度は８０Ｋ程度、ＣＤ用の波長７８０ｎｍのレーザの特性温度は１５０Ｋ程度である。
【０００４】
特性温度を改善するためには、今までに様々な試みがなされてきた。その中にはＭＱＢ（Multi Quantum Barrier ；多重量子障壁）（例えば、非特許文献２参照。）等の技術があるが、実際に顕著な効果は確認できていない。そのため従来では、ｐ型クラッド層をバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ混晶などにより構成したり、あるいはｐ型クラッド層への不純物添加濃度を高くしてフェルミレベルを上げる等の対策がなされているが、未だ十分とはいえない。
【０００５】
なお、特許文献１には、電子オーバーフローを抑制するためのバリア層を有する赤色レーザが開示されている。この構成は、ＬＯＣ（Light Optical Cavity）構造を赤色レーザにおいて実現することにより高出力化を図ったものであり、ｎ型クラッド層の屈折率をｐ型クラッド層よりも低くして、光をｐ型クラッド層側へ広げるようにしている。また、活性層とｐ型クラッド層との間にバリア層を設け、このバリア層のアルミニウム組成を制御することによりバリア層の屈折率をｎ型クラッド層よりも低く、すなわちバリア層のバンドギャップを十分高くし（特許文献１の図１０参照。）、活性層からｐ型クラッド層への電子の透過を阻止するようになっている。
【非特許文献１】Ｍ．コンドウ（M.Kondow）、外５名，ＧａＩｎＮＡｓ：優れた高温特性を有する長波長帯のレーザダイオードの新材料（GaInNAs:A novel material for long-wavelength-range laser diodes with excellent high-temperature performance ），「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Japanese Journal of Applied Physics ）」，１９９６年２月，第３５巻，第１部，第２Ｂ号，ｐ．１２７３−１２７５
【非特許文献２】Ｋ．イガ、外２名，「エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters ）」，（米国），ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers ），１９８６年，第２２巻，ｐ．１００８
【非特許文献３】Ｓ．チワリ（S.Tiwari）、外１名，ＩＩＩ−Ｖ族化合物系におけるバンド不連続性および障壁高さの実験データ一覧（Empirical fit to band discontinuities and barrier heights in III-V alloy systems），「アプライド・フィジクス・レターズ（Applied Physics Letters ）」，（米国），American Institute of Physics ，１９９２年２月３日，第６０巻，第５号，ｐ．６３０−６３２，ＦＩＧ．１
【特許文献１】特許第３２３５２２５号明細書，図１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、特許文献１では、ＬＯＣ構造により赤色レーザの高出力化を図ると共に、バリア層のアルミニウム組成を制御することによりバリア層のバンドギャップを高くして、活性層からｐ型クラッド層への電子のオーバーフローを抑制しようとするものであるが、電子の溢れ出しは、前述したようにｐ型クラッド層の活性層に対するΔＥｃを十分にとれないことに原因がある。そのため、バリア層のバンドギャップを高くしても、バリア層の構成材料の伝導帯のバンド端の絶対値が低い場合にはバリア層の活性層に対するΔＥｃを十分に大きくとることができず、オーバーフローの抑制には不十分であるという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ｐ型クラッド層における電子の溢れ出しを抑制し、温度特性を向上させることができる半導体レーザおよびこれを用いた光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による半導体レーザは、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に備えたものであって、活性層とｐ型クラッド層との間に、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層よりも大きな材料により構成された電子障壁層を有しており、この電子障壁層により、ｐ型クラッド層における電子の溢れ出しが抑制される。
【０００９】
電子障壁層の構成材料としては、例えば、活性層がＧａＩｎＰ混晶により構成されている場合には、ガリウムリン（ＧａＰ），ＧａＩｎＰ混晶，ＡｌＧａＰ混晶，ＧａＰＳｂ混晶およびＡｌＧａＰＳｂ混晶が好ましい。
【００１０】
本発明による光装置は、上記本発明の半導体レーザを備えたものであり、具体的には光ディスク装置や光ファイバを用いた通信装置などである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体レーザによれば、活性層とｐ型クラッド層との間に電子障壁層を設ける構成とすると共に、この電子障壁層を、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層よりも大きな材料により構成するようにしたので、電子障壁層の活性層に対するΔＥｃを大きくとることができ、ｐ型クラッド層における電子の溢れ出しを確実に抑制することができる。よって、温度変化による動作電流の変化を小さくする、すなわち特性温度を高くすることができる。また、発光に寄与しないリーク電流成分を減らすことができ、動作電流の低減も可能となる。これにより、素子の発熱を抑制し、信頼性を向上させることができる。
【００１２】
なお、電子障壁層の活性層に対するΔＥｃは、電子障壁層にかかる歪みや活性層におけるキャリアの注入の有無などにより多少変化するが、概ね、両者の構成材料の伝導帯のバンド端の絶対値の差に略等しいと考えることができる。よって、以下の説明では、特に明示しない限り、ΔＥｃを、活性層および電子障壁層それぞれの構成材料の伝導帯のバンド端の絶対値の差として説明する。
【００１３】
本発明では、特に、電子障壁層を基板に対して格子整合させることにより、電子障壁層の基板に対する歪みが解消され、電子障壁層の臨界膜厚の制限をなくすことができる。
【００１４】
また、電子障壁層を、伝導帯のバンド端の絶対値が最も大きなガリウムリン（ＧａＰ）により構成することにより、電子障壁層の活性層に対するΔＥｃを最大とすることができる。
【００１５】
加えて、電子障壁層をＧａＩｎＰ混晶により構成することにより、電子障壁層の格子定数をＧａＡｓなどの基板に近づけながら、活性層に対するΔＥｃを大きくとることが可能になる。
【００１６】
更にまた、電子障壁層をＡｌＧａＰ混晶により構成するようにすれば、電子障壁層の活性層に対するΔＥｃを大きくすると共に、価電子帯のバンド不連続性を緩和することによりｐ型クラッド層からの正孔の注入効率を高めることができる。
【００１７】
加えてまた、電子障壁層をＧａＰＳｂ混晶により構成することにより、電子障壁層の活性層に対するΔＥｃを大きくしつつ、電子障壁層の格子定数をＧａＡｓなどの基板と合わせることにより電子障壁層の臨界膜厚の制限をなくすことができる。
【００１８】
更にまた、電子障壁層をＡｌＧａＰＳｂ混晶により構成することにより、電子障壁層の活性層に対するΔＥｃを大きくすると共に、価電子帯のバンド不連続性を緩和することによりｐ型クラッド層からの正孔の注入効率を高め、かつ電子障壁層の格子定数をＧａＡｓなどの基板と合わせることにより電子障壁層の臨界膜厚の制限をなくすことができる。
【００１９】
また、本発明の光装置では、上記本発明による半導体レーザを備えるようにしたので、温度特性および信頼性が向上し、広い温度範囲で安定して使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構造を表すものである。この半導体レーザ１０は、例えば、基板１１の一面側に、ｎ型クラッド層１２，第１ガイド層１３，活性層１４，第２ガイド層１５，電子障壁層１６，第１ｐ型クラッド層１７，エッチングストップ層１８，第２ｐ型クラッド層１９およびｐ側コンタクト層２０がこの順に積層された構成を有している。
【００２２】
基板１１は、例えば、積層方向における厚さ（以下、単に厚さという）が１１０μｍであり、ケイ素（Ｓｉ）あるいはセレン（Ｓｅ）などのｎ型不純物を添加したｎ型ＧａＡｓにより構成されている。ｎ型クラッド層１２は、例えば、厚さが２．０μｍであり、ケイ素あるいはセレンなどのｎ型不純物を添加したｎ型Ａｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶により構成されている。
【００２３】
第１ガイド層１３は、例えば、厚さが１２０ｎｍであり、Ａｌ0.3 Ｇａ0.2 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶により構成されている。第１ガイド層１３は、不純物を含まなくてもよいし、または、ケイ素あるいはセレンなどのｎ型不純物が添加されていてもよい。
【００２４】
活性層１４は、例えば、厚さが１２ｎｍであり、ＧａＩｎＰ混晶により構成されている。活性層１４に含まれるインジウム組成は、例えば０．２以上０．８以下であることが好ましい。更に、０．５程度であればより好ましい。基板１１を構成するＧａＡｓと格子整合させることができるからである。
【００２５】
第２ガイド層１５は、例えば、厚さが１２０ｎｍであり、Ａｌ0.3 Ｇａ0.2 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶により構成されている。第２ガイド層１５は、不純物を含まなくてもよいし、または、亜鉛（Ｚｎ）あるいはマグネシウム（Ｍｇ）などのｐ型不純物が添加されていてもよい。
【００２６】
電子障壁層１６は、活性層１４から第１ｐ型クラッド層１７側への電子の溢れ出しを抑制するためのものであり、本実施の形態では、後述するように、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層１４よりも大きな材料により構成されている。これにより、この半導体レーザ１０では、従来のように屈折率あるいはバンドギャップの大小のみを考慮する場合と異なり、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを確実に大きくすることができ、第１ｐ型クラッド層１７ないし第２ｐ型クラッド層１９における電子の溢れ出しを確実に抑制することができるようになっている。
【００２７】
更に、電子障壁層１６は、基板に対して格子整合していることが好ましい。電子障壁層１６の基板１１に対する歪みを解消して、電子障壁層１６の臨界膜厚の制限をなくすことができるからである。
【００２８】
第１ｐ型クラッド層１７は、例えば、厚さが０．４μｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型Ａｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶により構成されている。エッチングストップ層１８は、後述する製造工程において第１ｐ型クラッド層１７の厚さのばらつきを抑制するためのものである。エッチングストップ層１８は、例えば、厚さが１５ｎｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＩｎＰにより構成されている。第２ｐ型クラッド層１９は、例えば、厚さが１．６μｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型Ａｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶により構成されている。ｐ側コンタクト層２０は、例えば、厚さが０．３μｍであり、亜鉛またはマグネシウムなどのｐ型不純物を添加したｐ型ＧａＡｓにより構成されている。
【００２９】
このうち第２ｐ型クラッド層１９およびｐ側コンタクト層２０は、細い帯状（図１においては紙面に対して垂直な方向に延長された帯状）の突条部（リッジ）２１とされている。この突条部２１は、活性層１４の電流注入領域を制限するためのものであり、活性層１４の突条部２１に対応する部分が電流注入領域となっている。
【００３０】
ｐ側コンタクト層２０の表面には、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）よりなる絶縁層２２が形成されている。絶縁層２２には、突条部２１の上面に開口が設けられている。絶縁層２２の表面には、ｐ側電極２３が形成されている。ｐ側電極２３は、例えばチタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）が順次積層された構造を有しており、絶縁層２２の開口を介してｐ側コンタクト層２０と電気的に接続されている。基板１１の裏側には、ｎ側電極２４が形成されている。ｎ側電極２４は、例えばＡｕＧｅ：Ｎｉおよび金（Ａｕ）を順次積層して熱処理により合金化した構造を有しており、基板１１と電気的に接続されている。
【００３１】
更に、この半導体レーザ１０では、共振器方向において対向する一対の側面が共振器端面となっており、一対の共振器端面には一対の反射鏡膜（図示せず）がそれぞれ形成されている。これら一対の反射鏡膜のうち一方は低反射率となるように、他方は高反射率となるように反射率がそれぞれ調整されている。これにより、活性層１４において発生した光は一対の反射鏡膜の間を往復して増幅され、低反射率側の反射鏡膜からレーザビームとして出射するようになっている。
【００３２】
図２は、電子障壁層１６の具体的な構成材料について説明するためのものであり、非特許文献３のＦＩＧ．１に基づいて作成したものである。なお、非特許文献３のＦＩＧ．１は、二元および三元系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体について、歪みのない状態での不連続性、障壁高さおよびバンドギャップを含む実験データを集約した図である。
【００３３】
この半導体レーザ１０では、上述したようにＧａＩｎＰ混晶よりなる活性層１４がＧａＡｓよりなる基板１１に対して格子整合しているので、活性層１４の伝導帯のバンド端の絶対値Ｅｃ（ａｃｔｉｖｅ）は、第１基準線Ｌｓｕｂ（図２における縦方向の太点線）と、ＧａＰとＩｎＰとを結ぶボウイングラインとの交点である。なお、この値は、インジウム組成０．５（Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶）に相当する。
【００３４】
このとき、本実施の形態では、電子障壁層１６を、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層１４よりも大きな材料、すなわち、図２において活性層１４の伝導帯のバンド端の絶対値Ｅｃ（ａｃｔｉｖｅ）を通る第２基準線Ｌａｃｔｉｖｅ（図１における横方向の太点線）よりも上側にある材料により構成したものである。
【００３５】
具体的には、電子障壁層１６を、例えばＧａＰにより構成する。ＧａＰは、図２に示したように、伝導帯のバンド端の絶対値が最も高い位置にあり、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを最大とすることができるからである。図３は、電子障壁層１６をＧａＰにより構成した場合のバンド構造を表したものであり、図４は、その場合の特性温度Ｔ0 を表したものである。なお、図４は、非特許文献１のＦｉｇ．３に基づいて作成したものである。図３および図４に示したように、電子障壁層１６をＧａＰにより構成することにより、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを約３８０ｍｅＶと最大にすることができ、その場合の特性温度Ｔ0 は約１８０Ｋとなる。これに対して、電子障壁層１６を設けない場合、第１ｐ型クラッド層１７の活性層１４に対するΔＥｃは約１４０ｍｅＶにすぎず、特性温度Ｔ0 は７０Ｋないし８０Ｋと極めて低くなってしまっていた。
【００３６】
３８０ｍｅＶという値は、図２の縦軸において電子障壁層１６の構成材料であるＧａＰの伝導帯のバンド端の絶対値と、活性層１４の構成材料であるＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶の伝導帯のバンド端の絶対値との差を読み取ることにより求めたものであり、１４０ｍｅＶという値は、図２の縦軸において第１ｐ型クラッド層１７の構成材料であるＡｌ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶の伝導帯のバンド端の絶対値と、活性層１４の構成材料であるＧａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ混晶の伝導帯のバンド端の絶対値との差を読み取ることにより求めたものである。
【００３７】
なお、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃは、電子障壁層１６にかかる引張り歪みや活性層１４へのキャリアの注入の有無などにより、実際には３８０ｍｅＶよりも多少小さくなる可能性がある。しかし、例えば二百数十ｍｅＶ程度まで小さくなったとしても、特性温度Ｔ0 としては１２０Ｋないし１５０Ｋ程度を得ることができ、従来に比べればなお著しく改善されているといえる。
【００３８】
電子障壁層１６にかかる歪みについては、基板１１との格子定数の大小により異なる。一般に、電子障壁層１６の格子定数が基板１１よりも小さい場合（図２において第１基準線Ｌｓｕｂよりも左側）では引張り歪み、基板１１よりも大きい場合（図２において第１基準線Ｌｓｕｂよりも右側）では圧縮歪みが生じる。なお、バンドギャップは圧縮歪みがかかると広くなり、引張り歪みがかかると狭くなるので、電子障壁層１６の格子定数は基板１１よりも大きいほうが好ましい。バンドギャップが大きくなるのに伴い、ΔＥｃも大きくすることができる可能性があるからである。
【００３９】
電子障壁層１６をＧａＰにより構成した場合の電子障壁層１６の厚さについては、ＧａＰの基板１１に対する格子歪みが３．７％とやや大きいので、臨界膜厚は約９ｎｍ（９０オングストローム）となる。なお、電子障壁層１６の基板１１に対する格子歪みは、電子障壁層１６の格子定数から基板１１の格子定数を差し引き、その差を基板１１の格子定数で割ることにより求められる。
【００４０】
この半導体レーザ１０は、次のようにして製造することができる。
【００４１】
まず、例えば、上述した厚さおよび材料よりなる基板１１の表側に、例えばＭＯＣＶＤ法により、それぞれ上述した厚さおよび材料よりなるｎ型クラッド層１２，第１ガイド層１３，活性層１４，第２ガイド層１５，電子障壁層１６，第１ｐ型クラッド層１７，エッチングストップ層１８，第２ｐ型クラッド層１９およびｐ側コンタクト層２０を順に積層する。その際、電子障壁層１６を、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層１４よりも大きな材料、例えばＧａＰにより構成する。
【００４２】
そののち、エッチングストップ層１８を用いたエッチングを行い、ｐ側コンタクト層２０および第２ｐ型クラッド層１９の一部を選択的に除去し、細い帯状の突条部２１とする。突状部２１を形成したのち、その両側に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ；化学気相成長）法により、上述した材料よりなる絶縁層２２を形成する。
【００４３】
絶縁層２２を形成したのち、例えば、基板１１の裏側を研削して基板１１の厚さを１１０μｍ程度とし、基板１１の裏側にｎ側電極２４を形成する。また、絶縁層２２に、例えばエッチングにより、ｐ側コンタクト層２０に対応して開口を設け、ｐ側コンタクト層２０および絶縁層２２の上に、ｐ側電極２３を形成する。ｎ側電極２４およびｐ側電極２３を形成したのち、基板１１を所定の大きさに整え、ｐ側コンタクト層２０の長さ方向において対向する一対の共振器端面に図示しない反射鏡膜を形成する。これにより、図１に示した半導体レーザ１０が形成される。
【００４４】
この半導体レーザ１０では、ｎ側電極２４とｐ側電極２３との間に所定の電圧が印加されると、突状部２１により電流狭窄され、活性層１４に電流が注入されて、電子−正孔再結合により発光が起こる。この光は、図示しない一対の反射鏡膜により反射され、その間を往復してレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。ここでは、電子障壁層１６が、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層１４よりも大きな材料、例えばＧａＰにより構成されているので、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃが大きくなり、第１ｐ型クラッド層１７等における電子の溢れ出しが確実に抑制される。よって、温度変化による動作電流の変化が小さくなる。また、発光に寄与しないリーク電流成分が減り、動作電流の低減も可能となる。これにより、素子の発熱が抑制され、信頼性が向上する。
【００４５】
このように本実施の形態の半導体レーザ１０では、電子障壁層１６を、伝導帯のバンド端の絶対値が活性層１４よりも大きな材料により構成するようにしたので、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくとることができ、第１ｐ型クラッド層１７等における電子の溢れ出しを確実に抑制することができる。よって、温度変化による動作電流の変化を小さくする、すなわち特性温度を高くすることができる。また、発光に寄与しないリーク電流成分を減らすことができ、動作電流の低減も可能となる。これにより、素子の発熱を抑制し、信頼性を向上させることができるようになる。
【００４６】
特に、本実施の形態では、電子障壁層１６を、伝導帯のバンド端の絶対値が最も大きなガリウムリン（ＧａＰ）により構成したことにより、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを最大とすることができる。
【００４７】
また、本実施の形態では、電子障壁層１６を基板１１に対して格子整合させることにより、電子障壁層１６の基板１１に対する歪みが解消され、電子障壁層１６の臨界膜厚の制限をなくすことができる。
【００４８】
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態の説明において、第１の実施の形態と同一構成要素には、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４９】
〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態に係る半導体レーザは、電子障壁層１６がＧａＩｎＰ混晶により構成されていることを除いては、上記第１の実施の形態に係る半導体レーザと同一の構成を有するものである。
【００５０】
電子障壁層１６がＧａＩｎＰ混晶により構成されていることにより、この半導体レーザでは、第１の実施の形態と同様に、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくとることができ、第１ｐ型クラッド層１７ないし第２ｐ型クラッド層１９における電子の溢れ出しを確実に抑制することができるようになっている。
【００５１】
また、本実施の形態では、電子障壁層１６がＧａＩｎＰ混晶により構成されているので、ＧａＩｎＰ混晶に含まれるインジウム組成を制御することにより電子障壁層１６の格子定数を基板１１に近づけることができる。電子障壁層１６に含まれるインジウム組成は、例えば０．０５以上０．１以下であることが好ましい。０．０５未満では格子歪みの緩和効果が十分でなく、０．１より大きいと活性層１４のインジウム組成に近くなるので、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくすることが難しくなるからである。
【００５２】
図５は、電子障壁層１６をＧａＩｎＰ混晶により構成した場合の、電子障壁層１６の基板１１に対する格子歪みと臨界膜厚との関係を表したものである。図５から分かるように、格子歪みが小さくなるほど臨界膜厚が大きくなり、電子障壁層１６の厚さを大きくすることができる。
【００５３】
このように本実施の形態では、電子障壁層１６をＧａＩｎＰ混晶により構成するようにしたので、電子障壁層１６の格子定数を基板１１に近づけながら活性層１４に対するΔＥｃを大きくとることができる。よって、第１の実施の形態と同様に、電子障壁層１６の臨界膜厚の制限を緩和して電子障壁層１６を厚くすることにより第１ｐ型クラッド層１７等における電子の溢れ出しを確実に抑制し、温度特性および信頼性を更に向上させることができる。
【００５４】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態に係る半導体レーザは、電子障壁層１６がＡｌＧａＰ混晶により構成されていることを除いては、上記第１の実施の形態に係る半導体レーザと同一の構成を有している。
【００５５】
電子障壁層１６がＡｌＧａＰ混晶により構成されていることにより、この半導体レーザにおいても、第１の実施の形態と同様に、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくとることができ、第１ｐ型クラッド層１７ないし第２ｐ型クラッド層１９における電子の溢れ出しを確実に抑制することができるようになっている。
【００５６】
また、本実施の形態では、電子障壁層１６がＡｌＧａＰ混晶により構成されているので、第２光ガイド層１５と電子障壁層１６との間で、価電子帯のバンド不連続性を緩和することができ、第１ｐ型クラッド層１７等からの正孔の注入効率を高めることができる。そのためには、電子障壁層１６に含まれるアルミニウム組成は、例えば０．４であることが好ましい。
【００５７】
図６は、電子障壁層１６をＡｌ0.4 ＧａＰ混晶により構成した場合のバンド構造を表したものであり、図７は、その場合の特性温度Ｔ0 を表したものである。なお、図７は、非特許文献１のＦｉｇ．３に基づいて作成したものである。図６および図７に示したように、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃは約２７０ｍｅＶ、その場合の特性温度Ｔ0 は約１７０Ｋとなり、第１の実施の形態のＧａＰに比べると多少低下するものの、従来に比べると格段に改善されている。更に、価電子帯のバンド不連続性が解消されるので、第１ｐ型クラッド層１７等からの正孔の注入効率を改善することができる。
【００５８】
電子障壁層１６をＡｌ0.4 ＧａＰ混晶により構成した場合の電子障壁層１６の厚さについては、Ａｌ0.4 ＧａＰ混晶の基板１１に対する格子歪みが３．７％とやや大きいので、臨界膜厚は約９ｎｍ（９０オングストローム）となる。
【００５９】
このように本実施の形態では、電子障壁層１６をＡｌＧａＰ混晶により構成するようにしたので、第１の実施の形態と同様に、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくすることができ、第１ｐ型クラッド層１７等における電子の溢れ出しを確実に抑制し、温度特性および信頼性を向上させることができる。また、価電子帯のバンド不連続性を緩和することにより第１ｐ型クラッド層１７等からの正孔の注入効率を高めることができる。
【００６０】
〔第４の実施の形態〕
本実施の形態に係る半導体レーザも、電子障壁層１６がＧａＳｂＰ混晶により構成されていることを除いては、上記第１の実施の形態に係る半導体レーザと同一の構成を有するものである。
【００６１】
電子障壁層１６がＧａＳｂＰ混晶により構成されていることにより、この半導体レーザにおいても、第１の実施の形態と同様に、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくとることができ、第１ｐ型クラッド層１７ないし第２ｐ型クラッド層１９における電子の溢れ出しを確実に抑制することができるようになっている。
【００６２】
また、本実施の形態では、電子障壁層１６がＧａＳｂＰ混晶により構成されているので電子障壁層１６の格子定数を基板１１と合わせることにより電子障壁層１６の臨界膜厚の制限をなくすことが可能となる。そのためには、電子障壁層１６に含まれるリン組成は、図８に示したように、第１基準線Ｌｓｕｂ（図８における縦方向の太点線）と、ＧａＰとＧａＳｂとを結ぶボウイングライン（図８における太線）との交点における値、例えば０．３２であることが好ましい。なお、図８は、非特許文献３のＦＩＧ．１に基づいて作成したものである。
【００６３】
図９は、電子障壁層１６をＧａＰ0.32Ｓｂ混晶により構成した場合のバンド構造を表したものであり、図１０は、その場合の特性温度Ｔ0 を表したものである。なお、図１０は、非特許文献１のＦｉｇ．３に基づいて作成したものである。電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃは約２４０ｍｅＶ、その場合の特性温度Ｔ0 は約１６０Ｋとなり、第１の実施の形態のＧａＰや、第３の実施の形態のＡｌＧａＰ混晶に比べると多少低下する。しかし、臨界膜厚の制限を受けなくなるので、電子障壁層１６の厚みを大きくすることができる。
【００６４】
なお、ＧａＰ0.32Ｓｂ混晶の場合、バンドギャップが１．１９ｅＶとやや小さく、図９に示したように、価電子帯のバンド不連続性はやや大きくなる。ＧａＰＳｂ混晶においては、図１１に示したように、アンチモン組成が大きくなるほどバンドギャップは小さくなり、アンチモン組成が０．８付近で極小値を示したのち微増する。よって、電子障壁層１６に含まれるアンチモン組成およびリン組成を制御することにより、電子障壁層１６のバンドギャップを広くし、価電子帯のバンド不連続性を緩和するようにしてもよい。
【００６５】
このように本実施の形態では、電子障壁層１６をＧａＰＳｂ混晶により構成するようにしたので、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくしつつ、電子障壁層１６の格子定数を基板１１と合わせることにより電子障壁層１６の臨界膜厚の制限を解消することができる。よって、電子障壁層１６を厚くすることにより第１ｐ型クラッド層１７等における電子の溢れ出しを確実に抑制し、温度特性および信頼性を更に向上させることが可能になる。
【００６６】
なお、本発明においては、電子障壁層１６の構成材料は、上記第１の実施の形態ないし第４の実施の形態で説明したＧａＰ，ＧａＩｎＰ混晶，ＡｌＧａＰ混晶およびＧａＰＳｂ混晶に限られず、例えばＡｌＧａＰＳｂ混晶も好ましい。電子障壁層１６をＡｌＧａＰＳｂ混晶により構成することにより、第３の実施の形態のＡｌＧａＰ混晶と、第４の実施の形態のＧａＰＳｂ混晶の利点の両方を得ることができるからである。すなわち、電子障壁層１６の活性層１４に対するΔＥｃを大きくすると共に、価電子帯のバンド不連続性を緩和することにより第１ｐ型クラッド層１７等からの正孔の注入効率を高め、かつ電子障壁層１６の格子定数を基板１１と合わせることにより電子障壁層１６の臨界膜厚の制限をなくすことができる。この場合、電子障壁層１６に含まれるアルミニウム組成は０．７５であることが好ましく、また、電子障壁層１６に含まれるリン組成は０．３２であることが好ましい。
【００６７】
以上、第１〜第４の実施の形態を説明したが、次に、この半導体レーザ１０の変形例について説明する。すなわち、上記各実施の形態では、プロセスの都合上、第１ｐ型クラッド層１７と第２ｐ型クラッド層１９との間にＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層１８を用いる構成として説明したが、エッチングストップ層１８をＧａＩｎＰ混晶により構成すると、ＧａＩｎＰ混晶が直接遷移材料であり、バンドギャップエネルギーが活性層１４と非常に近いので、エッチングストップ層１８においても意図しない発光が生じ、損失となってしまう虞がある。ここでは、エッチングストップ層１８としてＧａＩｎＰに代えて、ＧａＰ（ガリウム燐）を用いて、厚さを薄く例えば５ｎｍとするものである。ＧａＰは、広いバンドギャップを有し、かつ間接遷移材料であるため、エッチングストップ層１８において意図しない発光が生じたり、活性層１４で発生した光が吸収されることがなく、エッチングストップ層１８における損失を抑制することができるようになる。
【００６８】
なお、ＧａＰと同様にバンドギャップの広い間接遷移材料としてはＡｌＰ（アルミニウム燐）が挙げられるが、ＡｌＰはＧａＰに比べて安定性が低いので、エッチングストップ層１８の構成材料としては上記ＧａＰのほうが好ましい。
【００６９】
上記半導体レーザ１０は、光ディスク装置や通信装置などのデバイスに種々適用可能であり、以下、その一例について説明する。
【００７０】
図１２は、上記半導体レーザ１０を備えた光装置の構成の一例を概略的に表したものである。この光装置１００は、例えばＤＶＤ等による高密度記録再生用の光ピックアップとして用いられるものであり、光源としての半導体レーザ１０と、この半導体レーザ１０とＤＶＤ等の記録媒体１０１との間に設けられた光学系１１０とを備えている。記録媒体１０１の表面には、数μｍの大きさの多数のピット（突起）が形成されている。光学系１１０は、半導体レーザ１０から記録媒体１０１への光路中に配設され、例えば、グレーティング１１１，偏光ビームスプリッタ１１２，平行化レンズ１１３，４分の１波長板１１４，対物レンズ１１５，円柱レンズ１１６およびフォトダイオードなどの受光素子１１７を有している。
【００７１】
この光装置１００では、光源（半導体レーザ１０）からの光は、グレーティング１１１，偏光ビームスプリッタ１１２，平行化レンズ１１３，４分の１波長板１１４および対物レンズ１１５を通って記録媒体１０１に焦点を結び、記録媒体１０１の表面のピットで反射される。反射された光は、対物レンズ１１５，４分の１波長板１１４，平行化レンズ１１３，偏光ビームスプリッタ１１２，円柱レンズ１１６を通って受光素子１１７に入り、ピット信号、トラッキング信号およびフォーカス信号の読取りが行われる。
【００７２】
このように本実施の形態の光装置１００では、光源として上記実施の形態の半導体レーザ１０を用いるようにしたので、その温度特性および信頼性が高く、広い温度範囲で安定して使用することができる。なお、光装置１００としては、再生専用のものに限らず、記録再生が可能な光ディスク装置であってもよい。
【００７３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚さ、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚さとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。例えば、電子障壁層１６の構成材料としては、上記第１ないし第４の実施の形態において説明したものの外にも、ＡｌＩｎＡｓ混晶またはＡｌＩｎＳｂ混晶なども挙げられる。ＡｌＩｎＡｓ混晶は、ＡｌＩｎＳｂ混晶に比べて第１基準線Ｌｓｕｂに近く、基板１１に対する歪みが小さくて済むので好ましい。
【００７４】
また、例えば、上記実施の形態の図２を参照して説明した第１基準線Ｌｓｕｂおよび第２基準線Ｌａｃｔｉｖｅは、必ずその位置に固定されているものではなく、電子障壁層を導入したい半導体レーザにおける基板の構成材料、活性層の構成材料、混晶組成または基板に対する歪み量などに応じて、図２において適切な位置に移動することができ、その結果により電子障壁層の構成材料を適切に選択することが可能である。このように、本発明は単に赤色レーザに限定されず、さまざまな材料系または波長域の半導体レーザへの応用の可能性を有している。
【００７５】
例えば、ＩｎＰよりなる基板上にＧａＩｎＡｓＰ混晶よりなる活性層を有する通信用レーザは、従来の赤色レーザと同様に温度特性に劣るといわれている。この場合、第１基準線ＬｓｕｂをＩｎＰの格子定数に合わせ、第２基準線Ｌａｃｔｉｖｅを活性層の構成材料の伝導帯のバンド端の絶対値Ｅｃ（ａｃｔｉｖｅ）に合わせる。そして、電子障壁層を、第２基準線Ｌａｃｔｉｖｅよりも上側にある材料により構成すれば、赤色レーザの場合と全く同様に温度特性や信頼性を向上させることができる。更に、それらの材料のうち第１基準線Ｌｓｕｂ上にあるものを用いれば、電子障壁層を基板に対して格子整合させることも可能である。
【００７６】
あるいは、ＧａＰよりなる基板を利用する場合には、第１基準線ＬｓｕｂをＧａＰの格子定数に合わせることも可能である。ただし、ＧａＰ基板を用いる場合には、伝導帯のバンド端の絶対値がＧａＰよりも大きい材料がないので、電子障壁層の構成材料を選ぶことは比較的難しくなる虞がある。
【００７７】
更にまた、例えばＧａＡｓよりなる基板上にＡｌＧａＡｓ混晶よりなる活性層を有する光ディスク用レーザは、一般的に高い温度特性を示すが、本発明を適用することにより温度特性や信頼性を更に向上させることが可能である。その場合、第１基準線ＬｓｕｂをＧａＡｓの格子定数に合わせ、第２基準線Ｌａｃｔｉｖｅを活性層の構成材料の伝導帯のバンド端の絶対値Ｅｃ（ａｃｔｉｖｅ）に合わせる。そして、電子障壁層を、第２基準線Ｌａｃｔｉｖｅよりも上側にある材料、例えばＧａＰＳｂ混晶等により構成すればよい。更に、それらの材料のうち第１基準線Ｌｓｕｂ上にあるものを用いれば、電子障壁層を基板に対して格子整合させることも可能である。
【００７８】
加えて、例えば、上記実施の形態では、半導体レーザの構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、バッファ層など他の層を更に備えていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明による半導体レーザ１０は、例えば、光ファイバ通信あるいは光配線の光源、レーザプリンタの光源、または光ディスク用途に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した電子障壁層の構成材料について説明するための図である。
【図３】図１に示した半導体レーザのバンド図である。
【図４】図１に示した半導体レーザの特性温度を表す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザにおいて、電子障壁層の基板に対する格子歪みと臨界膜厚との関係を表す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザのバンド図の一例である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図の一例である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザの電子障壁層の材料および組成を説明するための図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザのバンド図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザの特性温度を表す図である。
【図１１】ＧａＰＳｂ混晶におけるアンチモン組成とバンドギャップとの関係を表す図である。
【図１２】図１に示した半導体レーザを備えた光装置の構成の一例を表す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０…半導体レーザ、１１…基板、１２…ｎ型クラッド層、１３…第１ガイド層、１４…活性層、１５…第２ガイド層、１６…電子障壁層、１７…第１ｐ型クラッド層、１８…エッチングストップ層、１９…第２ｐ型クラッド層、２０…ｐ側コンタクト層、２１…突条部、２２…絶縁層、２３…ｐ側電極、２４…ｎ側電極、１００…光装置
【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】
2006049420.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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