(57)【要約】【課題】電子の可干渉性が考慮され、層構成が単純でありながら生産性及び高温動作性能に優れた半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子３０は、第１導電型の半導体基板１の上方に第１導電型のクラッド層３、活性層４、第２導電型のクラッド層５が順次形成されている。クラッド層５上には、Γ点バンドにおいて所定のエネルギーバンドギャップを有する第２導電型の井戸層と、Γ点バンドにおいて所定のエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第２導電型の障壁層とが交互に積層され、かつクラッド層５に接する第１の積層層，及びクラッド層５に対して最も離れた位置に形成された最終積層がそれぞれ井戸層となるように第２導電型の多重量子障壁層２０が形成されている。多重量子障壁層２０は井戸層と障壁層との繰り返し周期が５〜１０周期の範囲内であり、かつ多重量子障壁層２０の総厚が５０ｎｍ以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記第１導電型の半導体基板の上方に形成された第１導電型のクラッド層と、
前記第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型のクラッド層と、
前記第２導電型のクラッド層上に、Γ点バンドにおいて所定のエネルギーバンドギャップを有する第２導電型の井戸層、及びΓ点バンドにおいて前記所定のエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第２導電型の障壁層が交互に積層され、かつ前記第２導電型のクラッド層に接する第１の積層層，及び前記第２導電型のクラッド層に対して最も離れた位置に形成された最終積層がそれぞれ前記第２導電型の井戸層となるように形成された第２導電型の多重量子障壁層と、
を備え、
前記多重量子障壁層は前記井戸層と前記障壁層との繰り返し周期が５周期から１０周期の範囲内であり、かつ前記多重量子障壁層の総厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記多重量子障壁層は、前記井戸層の厚さが６分子層以上７分子層未満のときに前記障壁層の厚さが８分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが７分子層以上８分子層未満のときに前記障壁層の厚さが７分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが８分子層以上９分子層未満のときに前記障壁層の厚さが６分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが９分子層以上１０分子層未満のときに前記障壁層の厚さが５分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが１０分子層以上１１分子層未満のときに前記障壁層の厚さが４分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが１１分子層以上１３分子層以下のときに前記障壁層の厚さが３分子層以上１０分子層以下の範囲である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】
前記多重量子障壁層上の所定の領域に形成された第２導電型のリッジをさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記多重量子障壁層上に形成された、前記第２導電型のクラッド層とは異なる第２導電型の他のクラッド層をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光情報処理や光計測等の光源に用いられる半導体レーザ素子に係り、特に高温環境下での動作が必要とされる半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、一般的に、電子及び正孔の拡散を抑制して活性層で効率よく発光させた光を閉じ込めるために、活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいクラッド層で活性層を挟み込んだダブルヘテロ構造（以下、ＤＨ構造と称す）が採用されている。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザ素子を高温環境下で動作させると電子及び正孔のエネルギーが増大し、電子及び正孔が活性層とクラッド層とのエネルギー障壁を乗り越えやすくなり、ＤＨ構造におけるキャリア拡散の抑制効果が低下してしまう。このため、高温環境下では電流を光に変換する光変換効率が大きく低下する。
【０００４】
そこで、一定の光出力を得るためにより大きな電流を流すと、消費電力の増加に伴う自己発熱によって活性層領域の温度がさらに上昇するといった悪循環に陥ってしまう。そのため、レーザ発振できなくなったり素子の寿命が大幅に低下したりする等の問題が発生する。このような事態を避けて半導体レーザ素子を高温環境下で使用できるようにするためには、電子や正孔に対するエネルギー障壁をできるだけ大きくすることが重要であり、特に拡散速度の大きい電子に対するエネルギー障壁を十分大きく設定することが重要である。
【０００５】
電子に対するエネルギー障壁を大きくするためには、活性層とｐ型のクラッド層とのエネルギーギャップ差を大きくすることと、ｐ型のクラッド層のキャリア濃度を高くしてｐ型のクラッド層のフェルミ準位を下げることが考えられる。
しかしながら、これらの対策に関しては、使用する半導体材料やｐ型不純物材料によって大きく制約を受けるため、今以上の大幅な改善を望むことは難しい。
【０００６】
そこで、結晶構造の工夫によって等価的にエネルギー障壁を大きくする手段として、活性層とクラッド層との間に多重量子障壁層を設ける構成が例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示されている手段は、反射できる電子のエネルギー範囲が制限されている複数の多重量子障壁層を幾重にも組み合わせるものであり、これにより、より高いエネルギー範囲に亘って電子の反射率を高められるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１１４４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている手段では、複数の多重量子障壁層を幾重にも組み合わせて形成しなければならないため、生産性を悪化させる要因となる。
また、特許文献１に開示されている手段では、複数の多重量子障壁層が幾重にも組み合わされた複雑な構成を有するので、例えばその内のいずれかの多重量子障壁層が１分子層だけ設計と異なって製造された場合においても、微妙なバランスが容易に崩れてしまうため、急激に性能が悪化してしまう場合がある。
【０００９】
また、特許文献１に開示されている手段では、多重量子障壁層を構成する上での基本となる電子の可干渉性が十分に考慮されているとは言い難い。そのため、計算上では非常に顕著な効果が期待されるものの、実際に製造した半導体レーザ素子ではそのほどの効果が得られない場合がある。
【００１０】
例えば、３元混晶系のＡｌＧａＡｓ（アルミニウム ガリウム 砒素）系の半導体材料における電子の可干渉距離は５０ｎｍ程度であり、さらに４元混晶系のＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム ガリウム インジウム リン）系の半導体材料における電子の可干渉距離は３元混晶系の電子の可干渉距離よりもさらに短いことが推察される。
従って、少なくとも総厚が５０ｎｍを超える多重量子障壁層では、電子が干渉によって強め合うとか弱め合うといった議論は意味をなさなくなり、この点が従来の構成において十分な効果が得られていない要因の一つと考えられる。
例えば、特許文献１に開示されている多重量子障壁層の総厚は約９６ｎｍである。
【００１１】
そこで、本発明は、電子の可干渉性が考慮され、従来よりも層構成が単純でありながら、従来よりも生産性及び高温動作性能に優れた半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は次の半導体レーザ素子を提供する。
１）第１導電型の半導体基板（１）と、前記第１導電型の半導体基板の上方に形成された第１導電型のクラッド層（３）と、前記第１導電型のクラッド層上に形成された活性層（４）と、前記活性層上に形成された第２導電型のクラッド層（５）と、前記第２導電型のクラッド層上に、Γ点バンドにおいて所定のエネルギーバンドギャップを有する第２導電型の井戸層（２１ａ〜２１ｅ）、及びΓ点バンドにおいて前記所定のエネルギーバンドギャップよりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第２導電型の障壁層（２２ａ〜２２ｄ）が交互に積層され、かつ前記第２導電型のクラッド層に接する第１の積層層（２１ａ），及び前記第２導電型のクラッド層に対して最も離れた位置に形成された最終積層（２１ｅ）がそれぞれ前記第２導電型の井戸層となるように形成された第２導電型の多重量子障壁層（２０）と、を備え、前記多重量子障壁層は前記井戸層と前記障壁層との繰り返し周期が５周期から１０周期の範囲内であり、かつ前記多重量子障壁層の総厚が５０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子（３０）。
２）前記多重量子障壁層は、前記井戸層の厚さが６分子層以上７分子層未満のときに前記障壁層の厚さが８分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが７分子層以上８分子層未満のときに前記障壁層の厚さが７分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが８分子層以上９分子層未満のときに前記障壁層の厚さが６分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが９分子層以上１０分子層未満のときに前記障壁層の厚さが５分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが１０分子層以上１１分子層未満のときに前記障壁層の厚さが４分子層以上１０分子層以下の範囲であり、前記井戸層の厚さが１１分子層以上１３分子層以下のときに前記障壁層の厚さが３分子層以上１０分子層以下の範囲であることを特徴とする１）記載の半導体レーザ素子。
３）前記多重量子障壁層上の所定の領域に形成された第２導電型のリッジ（１０）をさらに備えていることを特徴とする１）又は２）記載の半導体レーザ素子（３０）。
４）前記多重量子障壁層上に形成された、前記第２導電型のクラッド層とは異なる第２導電型の他のクラッド層（５）をさらに備えていることを特徴とする１）又は２）記載の半導体レーザ素子（６０）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来よりも層構成が単純であり、従来よりも生産性が向上するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の実施例１を説明するための模式的断面図である。
【図２】図１のＡ部を拡大した拡大図であり、実施例１の半導体レーザ素子におけるエッチング停止層 兼 多重量子障壁層を説明するための模式的断面図である。
【図３】多重量子障壁層の電子入射層を活性層相当のΓ点エネルギーバンドギャップの小さい層として計算した井戸層入射モデルを説明するための模式図である。
【図４】多重量子障壁層の電子入射層を活性層よりもΓ点エネルギーバンドギャップの大きい層であるｐ型のクラッド層として計算した障壁層入射モデルを説明するための模式図である。
【図５】図３に示す井戸層入射モデルと図４に示す障壁層入射モデルとの違いによる電子反射率の特性の違いを説明するための図である。
【図６】（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐにおける伝導帯及び価電子帯のエネルギーバンド図であり、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを基準とした差分を示すものである。
【図７】実施例１における多重量子障壁層の伝導帯におけるＸ点バンド及びΓ点バンドのエネルギーバンド図である。
【図８】井戸層１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）、障壁層５ＭＬ（１４．１５ｎｍ）を５周期としたときのΓ点バンドにおける電子反射率を説明するための図である。
【図９】井戸層及び障壁層を５周期とした場合のＸ点バンドにおける多重量子障壁による改善量を説明するための図である。
【図１０】井戸層及び障壁層を５周期とした場合のΓ点バンドにおける多重量子障壁による改善量を説明するための図である。
【図１１】井戸層及び障壁層を１０周期とした場合のＸ点バンドにおける多重量子障壁による改善量を説明するための図である。
【図１２】井戸層及び障壁層を１０周期とした場合のΓ点バンドにおける多重量子障壁による改善量を説明するための図である。
【図１３】井戸層及び障壁層を３周期とした場合のＸ点バンドにおける多重量子障壁による改善量を説明するための図である。
【図１４】井戸層及び障壁層を３期とした場合のΓ点バンドにおける多重量子障壁による改善量を説明するための図である。
【図１５】本発明の半導体レーザ素子の実施例２を説明するための模式的断面図である。
【図１６】図１５のＢ部を拡大した拡大図であり、実施例２の半導体レーザ素子における多重量子障壁層を説明するための模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例である実施例１及び実施例２により図１〜図１６を用いて説明する。
【００１６】
＜実施例１＞
まず、実施例１の半導体レーザ素子３０の構成について図１を用いて説明する。
【００１７】
図１に示すように、ｎ型（例えば第１導電型と称す）の半導体基板１の一面１ａ上に、ｎ型のバッファ層２、ｎ型のクラッド層３、ノンドープＭＱＷ（多重量子井戸）活性層（以下、活性層）４、ｐ型（例えば第２導電型と称す）のクラッド層５、及びｐ型のエッチング停止層２０が順次形成されている。
エッチング停止層２０上には、ｐ型のクラッド層７、ｐ型の障壁緩和層８、及びｐ型のコンタクト層９が順次形成されている。
【００１８】
図１中央の台形状部分が紙面手前−奥方向に延在するｐ型のリッジ１０であり、リッジ１０の両側には同じく紙面手前−奥方向に延在する一対の溝１１が形成されている。
【００１９】
リッジ１０以外のコンタクト層９及び一対の溝１１を覆うように絶縁層１３が形成されている。絶縁層１３は、リッジ１０のコンタクト層９を露出させる開口部１３ａを有する。
【００２０】
絶縁層１３上にはリッジ１０のコンタクト層９に接続するｐ側電極１５が形成されている。ｐ側電極１５上にはｐ側めっき電極１６が形成されている。
【００２１】
ｎ型の半導体基板１の他面１ｂ上（図１では下側）にはｎ側電極１８が形成されている。
【００２２】
実施例１では、半導体基板１としてＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板を用いた。
【００２３】
また、実施例１では、ｎ型のバッファ層２としてｎ型ドーパントであるＳｉ（シリコン）の濃度が１×１０18ｃｍ-3のＧａＡｓ層を形成した。
【００２４】
また、実施例１では、ｎ型のクラッド層３としてＳｉの濃度が１×１０18ｃｍ-3の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（アルミニウム ガリウム インジウム リン）層を形成した。
【００２５】
また、実施例１では、活性層４を、ノンドープ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる障壁層とノンドープＩｎ0.53Ｇａ0.47Ｐ（インジウム ガリウム リン）からなる井戸層とが交互に積層され、かつクラッド層３に接する第１の層及びクラッド層３から最も離れた最終積層層がそれぞれ障壁層である多重量子井戸構造とした。第１の層及び最終積層層の障壁層は光ガイド層としての機能も有している。
【００２６】
また、実施例１では、ｐ型のクラッド層５としてｐ型ドーパントであるＺｎ（亜鉛）の濃度が５×１０17ｃｍ-3の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層を形成した。
【００２７】
また、実施例１では、ｐ型のクラッド層７としてＺｎの濃度が１×１０18ｃｍ-3の（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層を形成した。
【００２８】
また、実施例１では、ｐ型の障壁緩和層８としてＺｎの濃度が２×１０18ｃｍ-3のＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ層を形成した。
【００２９】
また、実施例１では、ｐ型のコンタクト層９としてＺｎの濃度が１×１０19ｃｍ-3以上のＧａＡｓ層を形成した。
【００３０】
ｎ型のバッファ層２、ｎ型のクラッド層３、活性層４、ｐ型のクラッド層５、ｐ型のクラッド層７、ｐ型の障壁緩和層８、及びｐ型のコンタクト層９は、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を用いて形成することができる。
【００３１】
リッジ１０及び一対の溝１１は、フォトリソグラフィー法を用いて、エッチング停止層２０が露出するまで、コンタクト層９，障壁緩和層８，及びクラッド層７を部分的にエッチングすることによって形成することができる。
【００３２】
実施例１では、絶縁層１３としてＳｉＯ2（二酸化シリコン）膜を形成した。絶縁層１３は例えばプラズマＣＶＤ法を用いて形成することができる。
また、絶縁層１３の開口部１３ａは、フォトリソグラフィー法を用いて、リッジ１０のコンタクト層９が露出するまで、絶縁層１３を部分的にエッチングすることによって形成することができる。
【００３３】
また、実施例１では、ｐ側電極１５として、Ｔｉ（チタン），Ｐｔ（白金），及びＡｕ（金）を含む合金膜を形成した。ｐ側電極１５は例えばスパッタリング法を用いて形成することができる。
【００３４】
また、実施例１では、ｐ側めっき電極１６としてＡｕめっき膜を形成した。ｐ側めっき電極１６は例えばｐ側めっき電極１６をめっき導通膜としてＡｕめっきすることによって形成することができる。
【００３５】
また、実施例１では、ｎ側電極１８として、ＡｕＧｅ（金ゲルマニウム），Ｎｉ（ニッケル），及びＡｕを含む合金膜を形成した。ｎ側電極１８は例えばスパッタリング法を用いて形成することができる。
【００３６】
次に、実施例１の半導体レーザ素子３０における多重量子障壁層について図２〜図１４を用いて説明する。
【００３７】
実施例１の半導体レーザ素子３０では、エッチング停止層２０が多重量子障壁層の機能を有している。
【００３８】
図２は図１のエッチング停止層（多重量子障壁層）２０を厚さ方向に拡大した模式的拡大断面図であり、図１の“Ａ”で示す領域に対応するものである。
図２に示すように、多重量子障壁層（エッチング停止層）２０は、ｐ型の井戸層２１ａ〜２１ｅとｐ型の障壁層２２ａ〜２２ｄとが交互に積層され、かつクラッド層５に接する第１の層２１ａ，及びクラッド層５から最も離れた位置に形成された最終積層層２１ｅがそれぞれ井戸層となるように構成されている。
【００３９】
井戸層と障壁層とを相対比較すると、井戸層とはΓ点バンドにおいてエネルギーバンドギャップが小さい（Γ点バンドエネルギーが低い）層であり、障壁層とはΓ点バンドにおいてエネルギーバンドギャップが大きい（Γ点バンドエネルギーが高い）層である。
【００４０】
実施例１では、ｐ型の井戸層２１ａ〜２１ｅとしてＺｎの濃度が１×１０18ｃｍ-3で厚さが３．１１ｎｍのＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ層をそれぞれ形成した。
【００４１】
また、実施例１では、ｐ型の障壁層２２ａ〜２２ｄとしてＺｎの濃度が１×１０18ｃｍ-3で厚さが１．７０ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層をそれぞれ形成した。
【００４２】
ｐ型の井戸層２１ａ〜２１ｅ及びｐ型の障壁層２２ａ〜２２ｄは、例えばＭＯＣＶＤを用いて形成することができる。
【００４３】
ところで、図３に示すように、多重量子障壁層の電子入射層を活性層相当のΓ点エネルギーバンドギャップの小さい層（井戸層入射モデル）として計算した場合、多重量子障壁層を活性層からの電子の可干渉性を維持したまま構成するには、活性層から５０ｎｍ以内もしくはそれより近い位置に設計しなければならない。
【００４４】
しかしながら、活性層に近い高屈折率の層を含む多重量子障壁層を活性層の近傍に配置すると、多重量子障壁層が光を引き込むことによって活性層への光閉じ込め効率が悪化するため、レーザ発振特性を悪化させてしまう。そのため、多重量子障壁層を光導波路への影響が小さくなるように活性層からある程度離れた位置に形成する必要がある。そうすることによって多重量子障壁層に電子が到達した時点では、すでに活性層における電子との干渉性はほぼなくなっている。
【００４５】
従って、実際の多重量子障壁層におけるエネルギー障壁の設計では、ｐ型のクラッド層（障壁層）を電子入射層として設計する必要があり、特にΓ点バンドでは図４に示す障壁層入射モデルで設計しなければならない。
図４に示す障壁層入射モデルの多重量子障壁層によれば、ｐ型のクラッド層中の電子拡散を抑制することが可能になる。これによりｐ型クラッド層中の電子密度勾配が小さくなり、電子の拡散速度が軽減される。そのため、活性層から拡散していく電子を抑制することができる。
【００４６】
図５はこれらの設計モデルの違いによる電子反射率の差を示すものである。図５中の“実線”は図３に示す井戸層入射モデルでΓ点バンドを計算したものであり、図５中の“点線”は図４に示す障壁層入射モデルでΓ点バンドを計算したものである。
【００４７】
また、図５では、いずれの設計モデルに対しても、井戸層の厚さを３．９６ｎｍ（１４分子層）、障壁層の厚さを１．１３ｎｍ（４分子層）とし、井戸層と障壁層の繰り返し周期を１０周期とし、井戸層での電子の有効質量を０．０９２ｍｏとし、障壁層での電子の有効質量を０．１８９ｍｏ（“ｍｏ”は自由空間における電子の静止質量）とし、障壁層と井戸層とのエネルギー差を０．１７５ｅＶとして計算している。
【００４８】
図５に示すように、設計モデルの違いによって計算結果は大きくことなる。
そこで、実施例１では障壁層入射モデル｛ｐ型のクラッド層（障壁層）を電子入射層として設計｝でΓ点バンドを計算している。
【００４９】
次に、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料のエネルギーバンドについて図６を用いて説明する。
【００５０】
図６に示すように、（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ系の半導体材料では、ｘ＝０．６７（０．７近傍）において、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ（活性層相当）とのエネルギーバンドギャップ差がΓ点とＸ点でほぼ同じになり、それ以上はエネルギーバンドギャップ差の小さいＸ点バンドに占める電子が優勢となり、Ａｌ組成比率ｘを大きくしても極端に活性層とのエネルギーバンドギャップ差を大きくすることは難しい。むしろ、Ａｌ組成比率ｘを大きくすると、結晶質を良好に保ちながらキャリア濃度を上げることが難しくなるため、実施例１のｐ型のクラッド層５，７ではΓ点バンドとＸ点バンドのバランスが取れるように、ｘ＝０．７とした。
【００５１】
このため、実施例１の半導体レーザ素子３０では、Γ点とＸ点におけるｐ型のクラッド層５，７と活性層４（Γ点）とのエネルギーバンドギャップ差がほぼ等しいため、ｐ型のクラッド層５にオーバーフローして活性層４から可干渉距離以上離れた電子はΓ点バンドとＸ点バンドとに混在することになる。
従って、多重量子障壁層２０の効果も、Γ点バンドとＸ点バンドを両方加味したものでなければならない。
【００５２】
そこで、実施例１ではΓ点バンドとＸ点バンドの両方において最適な条件を満たす多重量子障壁層を計算によって求めたので、以下に説明する。
【００５３】
図７において、実線はΓ点バンドを模式的に示したものであり、破線はＸ点バンドを模式的に示したものである。
図７に示すように、いずれのバンドにおいても伝導帯における活性層（Γ点）からのエネルギーバンドギャップ差はバルク結晶で約０．１７５ｅＶであるため、以降はこれを基準としたエネルギー障壁の改善量を指標とする。ここで、改善量の効果を見積もる際には、多重量子障壁層が活性層から電子の可干渉距離よりも十分離れているため、電子の入射層をｐ型のクラッド層６とした図７の障壁層入射モデルで計算した。即ち、Γ点バンドの多重量子障壁層の計算には、前述した図４の障壁層入射モデルを採用している。
また、電子の可干渉性を考慮して、電子の可干渉距離以内で多重量子障壁層を構成するために、多重量子障壁層の総厚５０ｎｍ以下とし、かつ量産時のばらつきにも影響を受けにくいように、井戸層及び障壁層をそれぞれ単一の厚さの組み合わせとした。
【００５４】
エネルギー障壁の高さの改善量の定義は、図８に示す計算例のように、バルクのｐ型のクラッド層における活性層からのエネルギーバンドギャップ差が、０．１７５ｅＶから、電子反射率が９９％となる値（ｅＶ）までの範囲とした。
また、計算に使用した電子の有効質量は、井戸層でのΓ点電子の有効質量を０．０９２ｍｏとし、障壁層でのΓ点電子の有効質量を０．１８９ｍｏとし、Ｘ点電子の有効質量は井戸層及び障壁層共に０．６ｍｏとした。なお、ｍｏは自由空間における電子の静止質量である。
【００５５】
図９に多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量を計算した結果を示す。ここでいう改善量とは、バルク（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層に対する改善量である。
図９では井戸層と障壁層の単一の組み合わせで５周期と固定し、井戸層及び障壁層の厚さをそれぞれ１ＭＬ（１分子層：０．２８３ｎｍ）〜２０ＭＬ（２０分子層：５．６６ｎｍ）の範囲で変化させて上記改善量を計算している。
また、図９では多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲をグレーで塗りつぶした領域として示している。
【００５６】
ここで３０ｍｅＶとは、室温で概略６５０ｎｍの波長帯域で使用されるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子において、発振波長の差分に換算すると１０ｎｍ以上に相当する(１ｎｍあたりおよそ２．８ｍｅＶ)。仮に発振波長を１０ｎｍ長くすることができれば、活性層のエネルギーバンドギャップを１０ｎｍに相当する約２８ｍｅＶ小さくすることが可能となる。これにより活性層とｐ型クラッド層間のエネルギー障壁を約２８ｍｅＶ大きくすることができる。実際に発明者は、事前実験を行って、発振波長を１０ｎｍ長くすることにより限界動作温度を１０℃程度向上させられることを確認している。
【００５７】
しかしながら光ピックアップなどのシステムを構成する場合、半導体レーザ素子の発振波長はシステム性能に直接関係するため変更することは困難である。そこで、実施例１では、発振波長の変更以外の手段で限界動作温度を向上させるために多重量子障壁を採用し、限界動作温度の１０℃向上を指針として発振波長で１０ｎｍ以上に相当する３０ｍｅＶ以上のエネルギー障壁改善を目標としている。
【００５８】
ここでは、図９に示す結果から、多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上になる条件を、障壁層が１０ＭＬ（１０分子層：２．８３ｎｍ）以下で、かつ井戸層が４ＭＬ（４分子層：１．１３ｎｍ）〜２０ＭＬ（２０分子層：５．６６ｎｍ）の範囲（図９の太線の実線で囲われた領域）とする。
【００５９】
次に、図１０に、多重量子障壁におけるΓ点バンドエネルギー障壁の改善量を計算した結果を示す。なお、図１０ではＸ点バンドエネルギー障壁のときと同様に、井戸層と障壁層の単一の組み合わせで５周期と固定し、井戸層及び障壁層の厚さをそれぞれ１ＭＬ（１分子層：０．２８３ｎｍ）〜２０ＭＬ（２０分子層：５．６６ｎｍ）の範囲で変化させて上記改善量を計算している。
図１０において、多重量子障壁におけるΓ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲をグレーで塗りつぶした領域として示している。
また、図１０において、太線の破線で囲われた領域は、図９の太線の実線で囲われた領域に対応する領域、即ち多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲を示すものである。
【００６０】
従って、図１０において、グレーで塗りつぶした領域と太線の破線で囲われた領域との重なり領域が、Ｘ点バンドエネルギー障壁の改善量及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量がそれぞれ３０ｍｅＶ以上となる範囲である。
ここでは、多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量がそれぞれ３０ｍｅＶ以上になる条件を、図１０の太線の実線で囲われた領域とする。
【００６１】
図１０の太線の実線で囲われた領域とは、井戸層の厚さが６ＭＬ（１．７０ｎｍ）以上７ＭＬ（１．９８ｎｍ）未満のときに障壁層の厚さが８ＭＬ（２．２６ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下の範囲、井戸層の厚さが７ＭＬ（１．９８ｎｍ）以上８ＭＬ（２．２６ｎｍ）未満のときに障壁層の厚さが７ＭＬ（１．９８ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下の範囲、井戸層の厚さが８ＭＬ（２．２６ｎｍ）以上９ＭＬ（２．５５ｎｍ）未満のときに障壁層の厚さが６ＭＬ（１．７０ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下の範囲、井戸層の厚さが９ＭＬ（２．５５ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）未満のときに障壁層の厚さが５ＭＬ（１．４２ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下の範囲、井戸層の厚さが１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以上１１ＭＬ（３．１１ｎｍ）未満のときに障壁層の厚さが４ＭＬ（１．１３ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下の範囲、及び井戸層の厚さが１１ＭＬ（３．１１ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下のときに障壁層の厚さが３ＭＬ（０．８５ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下の範囲である。
【００６２】
また、換言すれば、図１０の太線の実線で囲われた領域とは、障壁層の厚さが３ＭＬ（０．８５ｎｍ）以上４ＭＬ（１．１３ｎｍ）未満のときに井戸層の厚さが１１ＭＬ（３．１１ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下の範囲、障壁層の厚さが４ＭＬ（１．１３ｎｍ）以上５ＭＬ（１．４２ｎｍ）未満のときに井戸層の厚さが１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下の範囲、障壁層の厚さが５ＭＬ（１．４２ｎｍ）以上６ＭＬ（１．７０ｎｍ）未満のときに井戸層の厚さが９ＭＬ（２．５５ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下の範囲、障壁層の厚さが６ＭＬ（１．７０ｎｍ）以上７ＭＬ（１．９８ｎｍ）未満のときに井戸層の厚さが８ＭＬ（２．２６ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下の範囲、障壁層の厚さが７ＭＬ（１．９８ｎｍ）以上８ＭＬ（２．２６ｎｍ）未満のときに井戸層の厚さが７ＭＬ（１．９８ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下の範囲、及び障壁層の厚さが８ＭＬ（２．２６ｎｍ）以上１０ＭＬ（２．８３ｎｍ）以下のときに井戸層の厚さが６ＭＬ（１．７０ｎｍ）以上１３ＭＬ（３．６８ｎｍ）以下の範囲である。
【００６３】
なお、上記した井戸層及び障壁層の各厚さは、有効数字を３桁とし、少数点以下３桁目を四捨五入した値である。
【００６４】
次に、井戸層と障壁層の単一の組み合わせで１０周期（図９及び図１０では５周期）と固定し、井戸層及び障壁層の厚さをそれぞれ１ＭＬ（１分子層：０．２８３ｎｍ）〜２０ＭＬ（２０分子層：５．６６ｎｍ）の範囲で変化させて、多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量、及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量をそれぞれ計算した。その結果を図１１及び図１２に示す。
【００６５】
図１１及び図１２（各１０周期）は前述した図９及び図１０（各５周期）にそれぞれ対応するものである。
即ち、図１１において、グレーで塗りつぶした領域は、多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲を示している。
また、図１２において、グレーで塗りつぶした領域は、多重量子障壁におけるΓ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲を示している。
【００６６】
図１１及び図１２と図９及び図１０とをそれぞれ対応させて比較すると明らかなように、井戸層と障壁層の組み合わせが５周期の場合と１０周期の場合とでは、Ｘ点バンドエネルギー障壁の改善量及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量がそれぞれ３０ｍｅＶ以上となる範囲がほぼ同じであることが確認できる。
【００６７】
また、発明者が鋭意実験した結果、５周期〜１０周期の範囲内であれば、Ｘ点バンドエネルギー障壁の改善量及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量がそれぞれ３０ｍｅＶ以上となる範囲がほぼ同じであることが確認されている。
【００６８】
次に、井戸層と障壁層の単一の組み合わせで３周期（図９及び図１０では５周期であり、図１１及び図１２では１０周期である）と固定し、井戸層及び障壁層の厚さをそれぞれ１ＭＬ（１分子層：０．２８３ｎｍ）〜２０ＭＬ（２０分子層：５．６６ｎｍ）の範囲で変化させて、多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量、及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量をそれぞれ計算した。その結果を図１３及び図１４に示す。
【００６９】
図１３及び図１４（各３周期）は前述した図９及び図１０（各５周期）、及び図１１及び図１２（各１０周期）にそれぞれ対応するものである。
即ち、図１３において、グレーで塗りつぶした領域は、多重量子障壁におけるＸ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲を示している。
また、図１４において、グレーで塗りつぶした領域は、多重量子障壁におけるΓ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲を示している。
【００７０】
図１３及び図１４と、図９及び図１０，並びに図１１及び図１２とをそれぞれ対応させて比較すると明らかなように、井戸層と障壁層の組み合わせが３周期の場合と５周期及び１０周期の場合とでは、Ｘ点バンドエネルギー障壁の改善量及びΓ点バンドエネルギー障壁の改善量がそれぞれ３０ｍｅＶ以上となる範囲が明らかに異なることが確認できる。特に図１４に示すように、Γ点バンドエネルギー障壁の改善量が３０ｍｅＶ以上となる範囲が明らかに小さくなっていることが確認できる。
【００７１】
上述した結果をまとめると、井戸層と障壁層の組み合わせ周期を５周期〜１０周期の範囲内とし、かつ井戸層と障壁層の厚さの組み合わせを図１０における太線の破線で囲んだ領域とグレーで塗りつぶした領域との重なり領域内、例えば図１０における太線の実線で囲われた領域内とし、かつ多重量子障壁層の総厚を５０ｎｍ以下とすることにより、井戸層と障壁層とがそれぞれ単一の厚さの組み合わせで、電子の可干渉性が考慮された多重量子障壁層を構成することができる。
そのため、従来よりも層構成が単純であり、従来よりも生産性が向上するという効果が得られる。
【００７２】
そこで、実施例１では、図２に示したように、多重量子障壁層（エッチング停止層）２０のｐ型の井戸層２１ａ〜２１ｅとｐ型の障壁層２２ａ〜２２ｄとの周期を５周期とし、ｐ型の井戸層２１ａ〜２１ｅの厚さをそれぞれ１１ＭＬ（１１分子層：３．１１ｎｍ）とし、ｐ型の障壁層２２ａ〜２２ｄの厚さをそれぞれ６ＭＬ（６分子層：１．７０ｎｍ）とした。
【００７３】
発明者が鋭意実験した結果、上述した実施例１の半導体レーザ素子３０によれば、例えば光出力７ｍＷでの限界動作温度が従来の１１０℃から１２０℃に向上した。
【００７４】
＜実施例２＞
次に、実施例２の半導体レーザ素子６０の構成について図１５及び図１６を用いて説明する。
【００７５】
図１５及び図１６は実施例１の図１及び図２にそれぞれ対応するものである。なお、図１５及び図１６では、説明をわかりやすくするために図１及び図２と同じ構成部については同じ符号を付している。
【００７６】
図１５及び図１６と図１及び図２とをそれぞれ対応させて比較すると明らかなように、実施例１ではエッチング停止層２０を多重量子障壁層２０としたのに対し、実施例２では、多重量子障壁層５０を、エッチング停止層４０とは別にして、ｐ型のクラッド層５をその厚さ方向に分断するようにｐ型のクラッド層５の内部に形成している点で相違する。この相違点以外は実施例１と同じである。
【００７７】
即ち、実施例２の半導体レーザ素子６０における多重量子障壁層５０は実施例１の半導体レーザ素子３０における多重量子障壁層２０に相当し、実施例２の多重量子障壁層５０におけるｐ型の井戸層５１ａ〜５１ｅ及びｐ型の障壁層５２ａ〜５２ｄは実施例１の多重量子障壁層２０におけるｐ型の井戸層２１ａ〜２１ｅ及びｐ型の障壁層２２ａ〜２２ｄにそれぞれ相当するものである。
【００７８】
実施例２の半導体レーザ素子６０についても、実施例１で詳述した理由と同様の理由により、実施例１の半導体レーザ素子３０と同様の効果を得ることができる。
【００７９】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【００８０】
例えば、実施例１及び実施例２における半導体基板及び各半導体層のｎ型とｐ型の導電型がそれぞれ逆であってもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１＿ｎ型の半導体基板、  １ａ，１ｂ＿面、  ２＿ｎ型のバッファ層、  ３＿ｎ型のクラッド層、  ４＿活性層、  ５，７＿ｐ型のクラッド層、  ８＿ｐ型の障壁緩和層、  ９＿ｐ型のコンタクト層、  １０＿ｐ型のリッジ、  １１＿溝、  １３＿絶縁層、  １３ａ＿開口部、  １５＿ｐ側電極、  １６＿ｐ側めっき電極、  １８＿ｎ側電極、  ２０＿エッチング停止層 兼 多重量子障壁層、  ２１ａ〜２１ｅ，５１ａ〜５１ｅ＿ｐ型の井戸層、  ２２ａ〜２２ｄ，５２ａ〜５２ｄ＿ｐ型の障壁層、  ３０，６０＿半導体レーザ素子、  ４０＿エッチング停止層、  ５０＿多重量子障壁層
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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