(57)【要約】【課題】動作電圧が低く、しきい値電流の小さい半導体レーザ装置を構成する。【解決手段】この半導体レーザ装置は、ｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０と活性層１８との間に、この活性層１８に密接して配設されるとともに活性層１８のバンドキャップエネルギーの値とｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０のバンドギャップエネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーであってそれらと離散的に異なるバンドギャップエネルギー、及び活性層１８の屈折率とｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０の屈折率の中間の屈折率を有し、活性層１８よりも薄い厚みを有するｎ側エンハンス層１０２、ｐ側エンハンス層１０４を備え、活性層１８とｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０との伝導帯バンドオフセットまたは価電子帯バンドオフセット内に０次の量子準位を有するものである。【選択図】図３２
2011109148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
この半導体基板上に配設された第１導電型である第１クラッド層と、
この第１クラッド層の上に配設された第１光導波層と、
この第１光導波層の上に配設され、上記第１光導波層よりも屈折率が大きい量子井戸構造の活性層と、
この活性層の上に配設された、上記活性層よりも屈折率の小さい第２光導波層と、
この第２光導波層または第１光導波層と上記活性層との間に、この活性層に密接して配設されるとともに上記活性層のバンドキャップエネルギーの値と隣接する第２光導波層または第１光導波層のバンドギャップエネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーであってそれらと離散的に異なるバンドギャップエネルギー、及び上記活性層の屈折率と隣接する第２光導波層または第１光導波層の屈折率の中間の屈折率を有し、上記活性層の厚みよりも薄い厚みを有する第１の半導体層と、
上記第２光導波層の上に配設された第２導電型である第２クラッド層と、を備え、
上記活性層と第２光導波層または第１光導波層との伝導帯バンドオフセットまたは価電子帯バンドオフセット内に０次の量子準位を有することを特徴とした半導体レーザ装置。
【請求項２】
活性層と第１の半導体層との伝導帯バンドオフセットまたは価電子帯バンドオフセット内に０次の量子準位を有し、第１の半導体層と第２光導波層または第１光導波層との伝導帯バンドオフセットまたは価電子帯バンドオフセット内に１次以上の量子準位を有することを特徴とした請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
第１の半導体層が、第２光導波層または第１光導波層と上記活性層との間のいずれの側にも配設された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装置。
【請求項４】
第２光導波層または第１光導波層と同じバンドギャップエネルギーならびに同じ屈折率を有するバリア層を介して、活性層が複数配設されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ装置に係り、特に産業用レーザの励起光源として用いられる高出力の半導体レーザ装置ならびに半導体レーザ装置一般の効率向上と信頼性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用レーザ、たとえば金属加工用に用いられるＹｂドープＹＡＧ等の固体レーザや、Ｙｂドープファイバレーザ、あるいはＥｒドープファイバアンプ等の励起用光源として用いられる半導体レーザ装置は発振波長が９４０ｎｍ近傍で、この発振波長において高出力動作が求められる。
また、従来の発振波長が０．８μｍである半導体レーザ装置は活性層を、活性層よりも屈折率が小さくかつ活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいガイド層で挟み、さらにこのガイド層よりも屈折率が小さくかつこのガイド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このガイド層を挟む構造を採用していた。この構造においては電子及び正孔のキャリアは活性層に、光はガイド層に閉じ込めるものであり、いわゆるＳＣＨ（separate confinement heterostructure ）構造である。
【０００３】
発振波長が９４０ｎｍ近傍の従来の半導体レーザ装置の公知例としては、ｎ型クラッド層としてｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ（以下、材料表記において導電型が「ｎ型」であるのを「ｎ−」、「ｐ型」であるのを「ｐ−」、不純物のドーピングを行っていないアンドープのものを「ｉ−」で表記する。）を、ｎ側のガイド層としてＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓを、バリア層としてＧａＡｓＰを、活性層としてＩｎＧａＡｓを、ｐ側のガイド層としてＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓを、ｐ型クラッド層としてｐ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓを用いた例がある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また発振波長が６５０ｎｍの半導体レーザの公知例として、ｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層、ｎ側のアンドープＧａＩｎＰ光導波層、アンドープＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｐ側のアンドープＧａＩｎＰ光導波層、ｐ−ｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層、を順次積層し、共振器端面に当たる部分にＧａＩｎＰ窓層を設けた実施例や、ｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層、ｎ側のアンドープＧａＩｎＰ光導波層、ＧａＩｎＡｓＰ活性層とＧａＩｎＰ障壁層とからなる多重量子井戸構造、ｐ側のアンドープＧａＩｎＰ光導波層、およびｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓＰクラッド層、を順次積層し、共振器端面に当たる部分の多重量子井戸構造部をＺｎ拡散による混晶化をおこなって窓層を設けた実施例などがあり、これらの実施例の窓層により、端面の光吸収を低減しＣＯＤ（破壊的光学損傷）レベルが向上したこと、及び窓層は材料にＡｌを含まないので、結晶中の深い準位等の光吸収や、非発光再結合電流による影響がないことなどが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＳＣＨ構造の一つであって、光ガイド層の屈折率を連続的に変化させる構造のＧＲＩＮ  ＳＣＨ（graded index separate confinement heterostructure ）構造をもつ半導体レーザにおいて、層厚が０．０１１μｍのＩｎ０．２１Ｇａ０．７９Ａｓ活性層と、層厚が０．１７μｍでＡｌ組成比ｘは０．５〜０の間で連続的に変化するｎｏｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層がこのＩｎ０．２１Ｇａ０．７９Ａｓ活性層を挟む構成の例および層厚が０．０１１μｍのＩｎ０．２１Ｇａ０．７９Ａｓ活性層と、層厚が０．０６μｍでＡｌ組成比ｘは０．４〜０の間で連続的に変化するｎｏｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層がこのＩｎ０．２１Ｇａ０．７９Ａｓ活性層を挟む構成の例が開示されている（例えば非特許文献２参照）。
また、光ガイド層を段階的に変化するＧＲＩＮ  ＳＣＨ構造をもつ半導体レーザにおいて、層厚が９ｎｍのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ量子井戸活性層と、バンドギャップエネルギーが１．４２ｅＶ、１．５８ｅＶ、１．６５ｅＶ、１．７７ｅＶと段階的に変化し、それぞれの層厚が２０ｎｍである光ガイド層が、この量子井戸活性層を挟む構成の例が開示されている（例えば非特許文献３参照）。
また、ＬＳ（large spot）量子井戸レーザ構造を有する半導体レーザにおいて、すべての各層厚が７０ÅのＡｌ０．１５Ｉｎ０．１０Ｇａ０．７５Ａｓの多重量子井戸構造の活性層と、この活性層を挟む層厚が０．８μｍの線型に変化するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘは０．３から０．２）ＧＲＩＮ層を備えた半導体レーザが開示されている（例えば非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３４８３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】A. Knigge et al., ”100W-output power from passively cooled laser bar with 30% filling factor,” conference Digest of 2004 IEEE 19th International Semiconductor Laser Conference, Kunibiki Messe, Matsue-shi, Simane Pref., JAPAN, ThA1, pp. 35-36, September 2004
【非特許文献２】M. Wada et al., ”0.98-μm Strained Quantum Well Lasers for Coupling High Optical Power into Single-Mode Fiber, “ IEEE TRANSACTIONS PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 3, NO. 11, NOVEMBER, 1991
【非特許文献３】M. Ohkubo et al., ”980-nm Aluminum-Free InGaAs/InGaAsP/InGaP GRIN-SCH SL-QW Lasers, “ IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 2, FEBRUARY 1994
【非特許文献４】M. A. Emanuel et al., ”High-Efficiency AlGaAs-Based Laser Diode at 808 nm with Large Transverse Spot Size , “ IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 8, NO. 10, OCTOBER, 1996
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に開示されている従来の発振波長９４０ｎｍの半導体レーザ装置は、ガイド層にＡｌ組成比０．３５のＡｌＧａＡｓ層を、クラッド層にＡｌ組成比０．７０のＡｌＧａＡｓ層を用いているために、このガイド層内に光強度分布の多くの領域を包含している。Ａｌを含む層は酸化し易いため、Ａｌを含む層に多くの光が存在するとＣＯＤを引き起こしやすく場合によっては信頼性が低下するという問題があった。
特許文献１に開示された発振波長が６５０ｎｍの半導体レーザにおいては、ｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層にはＡｌＧａＩｎＡｓＰ層を使用しつつ、ｎ側およびｐ側の光導波層にＡｌを含まないＧａＩｎＰ層を用い、さらにＧａＩｎＰの窓層を設けたり、あるいはＧａＩｎＡｓＰ活性層とＧａＩｎＰ障壁層とからなる多重量子井戸構造にＺｎ拡散を行って混晶化した窓層を設けることによりＣＯＤレベルを高めている。
しかしながら、半導体レーザ装置においてその高出力動作を行う際には、レーザの出射端面におけるＣＯＤのレベルを高めて、半導体レーザ装置の信頼性を確保することが重要であるが、さらに内部損失を少なくすることが高出力動作に不可欠の事項である。
また、ＳＣＨ構造では、キャリアは活性層にのみ溜めるため、擬フェルミレベルが高くなり、延いては動作電圧が高くなる場合があった。さらにＳＣＨ構造では、光学損失を小さくするためにガイド層を厚くした場合は、光強度分布が拡がりすぎて、活性層への光閉じ込め率が低下し、しきい値電流が大きくなる場合があった。
【０００８】
この発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は発振波長９４０ｎｍ近傍の半導体レーザ装置において、ＣＯＤレベルを高くしつつ、内部損失の小さくすることにより、動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置を構成することであり、第２の目的は動作電圧が低く、しきい値電流の小さい半導体レーザ装置を構成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型である第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設された第１光導波層と、この第１光導波層の上に配設され、第１光導波層よりも屈折率が大きい量子井戸構造の活性層と、この活性層の上に配設された、活性層よりも屈折率の小さい第２光導波層と、この第２光導波層または第１光導波層と活性層との間に、この活性層に密接して配設されるとともに活性層のバンドキャップエネルギーの値と隣接する第２光導波層または第１光導波層のバンドギャップエネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーであってそれらと離散的に異なるバンドギャップエネルギー、及び活性層の屈折率と隣接する第２光導波層または第１光導波層の屈折率の中間の屈折率を有し、活性層の厚みよりも薄い厚みを有する第１の半導体層と、第２光導波層の上に配設された第２導電型である第２クラッド層と、を備え、活性層と第２光導波層または第１光導波層との伝導帯バンドオフセットまたは価電子帯バンドオフセット内に０次の量子準位を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る半導体レーザ装置においては、しきい値キャリア密度が低減し、伝導帯もしくは価電子帯の擬フェルミレベルが低下する。このためしきい値電流が低くなり、動作電圧が低くなるとともにキャリアのオーバーフローを抑制できるので高温特性がよくなる。延いては動作電圧が低く、しきい値電流の小さい半導体レーザ装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。
【図２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍のバンド図である。
【図３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍のバンド図である。
【図４】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
【図５】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
【図６】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
【図７】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
【図８】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図９】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図１０】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図１１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。
【図１２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
【図１３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
【図１４】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
【図１５】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
【図１６】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
【図１７】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図１８】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図１９】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図２０】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。
【図２１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
【図２２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
【図２３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図２４】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図２５】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図２６】この発明の一実施の形態に係る他の半導体レーザの斜視図である。
【図２７】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
【図２８】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
【図２９】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図３０】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図３１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
【図３２】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。
【図３３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図３４】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対するしきい値キャリア密度の依存性を示すグラフである。
【図３５】はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対する擬フェルミレベルの位置係数ｘの依存性を示すグラフである。
【図３６】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対するしきい値キャリア密度の依存性を示すグラフである。
【図３７】はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対する擬フェルミレベルの位置係数ｘの依存性を示すグラフである。
【図３８】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍のバンド構造を示す模式図である。
【図３９】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図４０】図３９の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図４１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図４２】図４１の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である
【図４３】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図４４】図４３の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図４５】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図４６】図４５の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図４７】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図４８】図４７の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図４９】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図５０】図４９の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【図５１】この発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。
【図５２】図５１の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。以下の図において同じ符号は、同じものか相当のものであることを示す。
図１において、半導体レーザ１０は、発振波長が９４０ｎｍ帯の半導体レーザでＹｂドープＹＡＧ等の固体レーザや、Ｙｂドープファイバレーザ、あるいはＥｒドープファイバアンプ等の励起用光源として用いられる。
半導体レーザ１０はｎ−ＧａＡｓ基板１２上に順次配設された、第１クラッド層としてｎ型クラッド層１４、第１光導波層としてのｎ側ガイド層１６、量子井戸構造の活性層１８、第２光導波層としてのｐ側ガイド層２０、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層２２、およびｐ−ＧａＡｓのコンタクト層２４を備えている。
コンタクト層２４とコンタクト層２４に接する側のｐ型クラッド層２２の一部の層とにおいて、そのｘ方向中央部のストライプ領域を除く両側にプロトンが注入され、プロトン注入領域２６が設けられている。
プロトン注入領域２６は高抵抗領域となるので、プロトン注入領域２６に挟まれたストライプ領域が電流の集中する電流経路２８を構成する。この電流経路２８のｘ方向のストライプ幅が図中Ｓで示されている。
コンタクト層２４の表面には金膜で形成されたｐ電極３０が、またｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には金膜で形成されたｎ電極３２がそれぞれ設けられている。
半導体レーザ１０の光の出射方向はｚ方向で、半導体レーザ１０のｚ方向の両端面は劈開端面になっている。この劈開端面の間が共振器になっていて、図中共振器長がＬで示されている。
【００１３】
ｎ−ＧａＡｓ基板１２の層厚は大略１２５μｍであり、ｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６と活性層１８とｐ側ガイド層２０とｐ型クラッド層２２とコンタクト層２４との厚みは大略５μｍ程度である。そしてｎ型クラッド層１４とｐ型クラッド層２２とはそれぞれの層厚が０．７μｍ程度である。
この実施の形態１においては、ｎ型クラッド層１４はｎ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐで形成されているが、Ａｌ組成比ｘ１は、１＞ｘ１＞０、Ｉｎに関係する組成比ｙ１は０．５２＞ｙ１＞０．４８であればよい。
またｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０はｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成されているが、ＧａＡｓと格子整合すればＩｎの組成比は１＞ｕ＞０であればよい。
ｐ型クラッド層２２はｐ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐで形成されているが、Ａｌ組成比ｘ２は、１＞ｘ２＞０、Ｉｎに関係する組成比ｙ１は０．５２＞ｙ２＞０．４８であればよい。
【００１４】
図２はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍のバンド図である。
この実施の形態１の半導体レーザ１０においては、活性層１８は、半導体レーザの発振波長を９４０ｎｍとするためにＩｎの組成比０．０７としたＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成されている。しかしながらＹｂドープファイバレーザ、あるいはＥｒドープファイバアンプ等の励起用光源として用いる場合には発振波長が長くなり、例えば発振波長は１．０６μｍとなるので、Ｉｎ組成比は、０．２４＞ｖ＞０であればよい。また半導体レーザ１０の活性層１８は、この場合においては一例として単一量子井戸層構造で形成されている。
図３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍のバンド図である。
この実施の形態１における半導体レーザ１０においては、活性層１８は単一量子井戸層で構成されているが、図３において示されるように、活性層１８は量子井戸層３４の間に、ｎ側ガイド層１６あるいはｐ側ガイド層２０と同じ材料の井戸層間バリア層３６が設けられた多重量子井戸構造にしてもよい。また多重量子井戸層の数は２層でなくてもよい。
半導体レーザ１０はｐ電極３０とｎ電極３２との間に電圧が印加され、プロトン注入領域２６に挟まれた電流経路２８により電流が集中され、活性層１８近傍でレーザ光を発振させる。発生したレーザー光はｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６の屈折率差、およびｐ型クラッド層２２とｐ側ガイド層２０の屈折率差を適切に選択することにより、レーザ光の光強度分布がＡｌを含まないｎ側ガイド層１６、活性層１８およびｐ側ガイド層２０の領域に多く分布させることが出来る。
Ａｌを含まない層は酸化が起きにくい。このためレーザのＣＯＤレベルを高くすることができてレーザの信頼性を高くすることが出来る。
【００１５】
さらに半導体レーザ装置を高出力化するためには、半導体レーザの内部損失を低減することが重要である。半導体レーザにおける内部損失は主にｐ型またはｎ型の不純物をドーピングした半導体層のドーパントによるフリーキャリア吸収によって引き起こされる。
すなわち、半導体レーザの共振器の間を往復して増幅を繰り返す光の強度分布の多くの割合がドーピングした半導体層中に存在する場合は内部損失が大きくなる。逆に増幅を繰り返す光が、その光強度分布の割合のわずかしかドーピングした半導体層の中に存在しなければ内部損失は小さくなる。
【００１６】
図４はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
この図４は、基本的な構成としては半導体レーザ１０の構成とし、各曲線の計算条件は次のとおりである。
すなわち、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成された単一量子井戸層を有する活性層の場合において、
（１）曲線Ｉ（▲）は、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比０．１０とし、活性層１８の層厚み（この実施の形態１では量子井戸層（ウエル層）厚みに相当する）を６ｎｍとした場合である。
（２）曲線ＩＩ（△）は、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比０．１５とし、活性層１８の層厚を６ｎｍとした場合である。
（３）曲線ＩＩＩ（○）は、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比０．１５とし、活性層１８の層厚を８ｎｍとした場合である。
（４）曲線ＩＶ（□）は、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比０．１５とし、活性層１８の層厚を１４ｎｍとした場合である。
図４における横軸はガイド層厚みで、このガイド層厚はｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０を同じ厚みとした場合のｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０各々の層厚である。
また縦軸はアンドープ領域の光強度割合で、アンドープ領域であるｎ型クラッド層１４と活性層１８とｐ側ガイド層２０とに含まれる光強度分布の割合である。
【００１７】
図４から分かるように、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１０で、活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ガイド層厚が４００ｎｍ以上になるとアンドープ領域の光強度割合は８６％以上となる（以下、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０を一括して論じるときには、「ガイド層」という）。
また活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、ガイド層厚が４００ｎｍ以上になるとアンドープ領域の光強度割合は９０％を越えている。
ＡｌＧａＩｎＰの屈折率はＡｌ組成比が増加するに従って小さくなる。ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５を越した場合、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成されているｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０とｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２との屈折率差がさらに大きくなる。このためにｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０それぞれの層厚が４００ｎｍ以上あれば必ずアンドープ領域の光強度割合は９０％を越える。
さらに、ＡｌＧａＩｎＰの屈折率はＡｌ組成比が増加するに従って低下し、Ａｌが少しでも含まれるＡｌＧａＩｎＰ層の屈折率はＩｎＧａＰ層の屈折率よりも小さくなる。この発明に係る半導体レーザはドーパントを含まないガイド層とドーピングされたクラッド層との間の屈折率差を利用してドーパントを含まないガイド層内にできるだけ多くの光強度分布が存在するようにしたものであるから、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ層を使用し、ガイド層にＩｎＧａＰ層を使用する限り、ガイド層の層厚を厚くすればＡｌＧａＩｎＰ層のＡｌ組成比が０．１５未満であっても、アンドープ領域に光強度分布の９０％以上が存在するようにレーザ光を閉じこめることが可能となる。
また、活性層の層厚が６ｎｍの曲線ＩＩと活性層の層厚が８ｎｍの曲線ＩＩＩとを比較するとアンドープ領域の光強度分布の割合はほとんど差異がない。これは活性層の層厚が８ｎｍ以下の場合は、活性層の層厚が薄いために活性層の屈折率がアンドープ領域の光強度分布の割合に影響を与えることが少なく、半導体レーザの光強度分布は主にｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６の屈折率差、およびｐ型クラッド層２２とｐ側ガイド層２０の屈折率差によって決定されることを意味している。
【００１８】
発明者らの独自の実験によれば、ドーピングを行わない半導体層内に光強度分布の９０％以上が存在するように光を閉じこめると、半導体レーザの内部損失は１ｃｍ−１以下になることが分かった。
すなわち曲線Ｉの場合においても内部損失がかなり低減できるが、曲線ＩＩ、曲線ＩＩＩ、及び曲線ＩＶの場合においては、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０それぞれの層厚が４００ｎｍ以上にすると半導体レーザの内部損失は１ｃｍ−１以下にすることができる。
特に励起用光源としての、例えば固体レーザの励起用光源として用いる半導体レーザ装置では、半導体レーザの内部損失を１ｃｍ−１以下にすることが望ましい。
従って例えば実施の形態１における半導体レーザ１０の構成、すなわちｎ型クラッド層１４はｎ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０はｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにより、活性層１８はＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成された量子井戸層により、ｐ型クラッド層２２はｐ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐによりそれぞれ形成された構成を有し、活性層１８の層厚を６ｎｍ以上とし、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０それぞれの層厚を４００ｎｍ以上にすれば、半導体レーザの内部損失を１ｃｍ−１以下にすることができる。
なお、図４の半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合の計算は、公知の文献、例えばP. J. B. Clarricoats and K. B. Chan, ”Electromagnetic-wave propagation along radially inhomogeneous dielectric cylinders”, Electronics Letters, 29th October 1970 Vol. 6 No. 22, pp. 694-695  における多重分割法によって行った。
【００１９】
次に半導体レーザ１０の発振可能性についてのシミュレーションについて説明する。
図５はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
すなわち図５は半導体レーザの発振に必要なしきい値キャリア密度のウエル層の層厚依存性を示している。
この計算においては、半導体レーザの構成は半導体レーザ１０の構成で、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の層厚をそれぞれ５５０ｎｍとしている。また半導体レーザの前面反射率を１３％、後面反射率を９８％、及び共振器長を１０００μｍとし、半導体レーザの内部損失を０．８ｃｍ−１としている。
なお、図５の半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度の計算は、公知の文献、例えばM. Asada, A. Kameyama, and Y. Suematsu, ”Gain and intervalence band absorption in quantum-well lasers”, IEEE J. of Quantum Electronics, VOL. QE-20, NO. 7, JULY 1984 における密度行列法によって行った。
【００２０】
図５から次のことが分かる。半導体レーザのしきい値キャリア密度はウエル層の層厚が厚くなるに伴って小さくなり、ウエル層の層厚がおおよそ１２ｎｍの時最小となる。さらにウエル層の層厚が増加するとしきい値キャリア密度はかえって増加する。
これはウエル層の層厚がおおよそ１２ｎｍ未満の領域では量子効果が強くなるが一方で活性層内への光の閉じ込め率が小さくなり、結果としてしきい値キャリア密度は高くなる。
またウエル層の層厚がおおよそ１２ｎｍを越える領域では、活性層内への光の閉じ込め率は大きくなるが逆に量子効果が小さくなり結果としてしきい値キャリア密度は増加する。図５に示されるように、単一量子井戸構造の場合にはウエル層の層厚が、また多重量子井戸構造の場合にはウエル層の層厚の和が６ｎｍ以上であれば、レーザ発振に必要な十分な利得が得られる。
また、ウエル層の層厚が１２ｎｍ近傍の時に、しきい値キャリア密度が最も小さくなることから層厚１２ｎｍ近傍の単一量子井戸の活性層、あるいはウエル層の層厚の和が１２ｎｍ近傍となる多重量子井戸構造、例えばウエル層の層厚が６ｎｍの二重量子井戸構造の活性層にすると、しきい値電流が最も小さくなる。
半導体レーザの利得は主に活性層の層厚、活性層のバンドギャップ、およびガイド層のバンドギャップで決まることや、端面反射率や共振器長などは単に半導体レーザの全損失に影響を与えるに過ぎないことや、ＩｎＧａＰのガイド層の層厚やＡｌＧａＩｎＰのクラッド層のＡｌ組成比は単に半導体レーザの光強度分布において活性層の部分への光の閉じ込め率を変化させるに過ぎないことなどを考慮すれば、端面反射率やＡｌＧａＩｎＰのクラッド層のＡｌ組成比を変えても図５に示された曲線の形状は単に値が上下するだけである。
すなわち、この半導体レーザの発振可能性のシミュレーションはここで行った一例に限られること無く、例えばＡｌＧａＩｎＰのクラッド層のＡｌ組成比を変化させても半導体レーザの発振が可能であることを意味している。
【００２１】
なお、活性層の層厚の上限は、公知の文献、例えばI. J. Fritz, S. T. Picraux, L. R. Dawson, and T. J. Drummond, ”Dependence of critical layer thickness on strain for InxGa1-xAs/GaAs strained layer superlattices ”, Appl. Phys. Lett. 46(10), 15 May 1985, pp. 967-969 により示される臨界膜厚により決定される。
ＧａＡｓに整合するＩｎＧａＡｓの臨界膜厚により活性層の層厚の上限は約３０ｎｍから４０ｎｍ程度と考えられる。活性層が単一量子井戸構造とした場合には、量子井戸層の層厚の上限が約３０ｎｍから４０ｎｍ程度となるが、量子効果が有効に働くのは約２０ｎｍ以下程度となる。
また多重量子井戸構造とした場合には量子井戸層の層厚の和が約３０ｎｍから４０ｎｍ程度で上限と考えられる。
【００２２】
図６はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
この試作例１の半導体レーザの構成は半導体レーザ１０と同じ構成で、活性層の層厚は１２ｎｍ、ｎ側ガイド層およびｐ側ガイド層の層厚はそれぞれ５００ｎｍ、共振器長は１０００μｍである。共振器の前端面及び後端面はコーティングをしない劈開端面としている。劈開端面の場合には反射率は約３２％となる。また電流を流す幅、つまり半導体レーザ１０におけるプロトン注入領域２６に挟まれた電流経路２８のストライプ幅は６０μｍである。
図６においては前端面から出射された光出力のみを記載しているので後端面から出射される光出力をも考慮すると、全体の光出力は、図６に示された値の２倍になる。
この試作例１の半導体レーザにおいては、しきい値電流が０．１９８Ａ、０．６Ｗ出力時の動作電流は１．５４５Ａ、スロープ効率は０．４４５Ｗ／Ａで、良好な特性を示した。
また、０．６Ｗ出力時の発振波長は９４０．７ｎｍであった。
【００２３】
図７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
この試作例２の半導体レーザの構成は、ｎ側ガイド層およびｐ側ガイド層の層厚はそれぞれ５５０ｎｍとした以外は先の試作例１と同じ構成である。
この試作例２の半導体レーザにおいては、しきい値電流が０．１８６Ａ、０．６Ｗ出力時の動作電流は１．４８２Ａ、スロープ効率は０．４６３Ｗ／Ａで、良好な特性を示した。
また、０．６Ｗ出力時の発振波長は９４３．２ｎｍであった。試作例２の半導体レーザのガイド層の層厚を試作例１の半導体レーザのそれよりも厚くしたことで、アンドープ領域内における光の閉じ込め率が大きくなった。この結果、試作例１の半導体レーザと比較して、試作例２の半導体レーザにおいてはしきい値電流が小さくなり、かつスロープ効率が大きくなっている。
【００２４】
変形例１
図８はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図８において、半導体レーザ４０の基本構成は半導体レーザ１０のそれと同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ１０においては、コンタクト層２４とコンタクト層２４に接する側のｐ型クラッド層２２の一部の層とにおいて、そのｘ方向中央部のストライプ領域を除く両側にプロトンが注入されてプロトン注入領域２６が設けられている。このプロトン注入領域２６に挟まれたストライプ領域が電流経路２８とされている。
これに対して半導体レーザ４０においては、コンタクト層２４のｘ方向中央部に設けられたストライプ領域を除く両側の表面上に絶縁膜４２が設けられ、コンタクト層２４の表面上に設けられたｐ電極３０と接するコンタクト層２４のストライプ領域が電流経路２８とされている。その他の構成は半導体レーザ１０と同じである。
この半導体レーザ４０においては半導体レーザ１０と同様の効果を奏するとともに、安価なプロセス装置を用いて電流狭窄構造を構成することができるので、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
【００２５】
変形例２
図９はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図９において、半導体レーザ４４の基本構成は半導体レーザ１０と同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ１０の電流狭窄構造は半導体レーザ１０の説明や変形例１の説明において述べたとおりである。
これに対して、半導体レーザ４４は、コンタクト層２４とコンタクト層２４に接する側のｐ型クラッド層２２の一部の層とによって、そのｘ方向中央部の光導波路リッジ４６が形成されている。この光導波路リッジ４６の両側にｎ−（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐの電流狭窄層４８が設けられ、光導波路リッジ４６が埋込まれている。この導波路リッジ４６のコンタクト層２４の表面にｐ電極３０が設けられている。その他の構成は半導体レーザ装１０と同じである。
この半導体レーザ４４においては、半導体レーザ１０と同様の効果を奏するとともに、結晶成長工程で電流狭窄構造を構成することができるので、ウエハプロセス工程が簡単になり、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
【００２６】
変形例３
図１０はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図１０において、半導体レーザ５０は基本的には半導体レーザ１０と同じ構成であるが、半導体レーザ５０が半導体レーザ１０と相違するところはプロトン注入領域を多くして、電流経路２８を複数個にしている点である。
この半導体レーザ５０は、電流経路２８を４カ所とした４点アレイ型半導体レーザである。半導体レーザ５０のｘ方向の寸法を延長し、プロトン注入領域２６の数をさらに増すことによりさらなる多点のアレイ型半導体レーザを製作することが可能である。アレイの点数を増すことにより大出力の半導体レーザを構成することができる。
【００２７】
以上のようにこの実施の形態に係る半導体レーザにおいては、第１導電型のＧａＡｓ基板と、このＧａＡｓ基板上に配設された第１導電型である（Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１）ｙ１Ｉｎ１−ｙ１Ｐ（１＞ｘ１＞０、０．５２＞ｙ１＞０．４８）の第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設された、ＧａＡｓと格子整合するアンドープのＩｎｕＧａ１−ｕＰ（１＞ｕ＞０）の第１光導波層と、この第１光導波層の上に配設され、第１光導波層よりも屈折率が大きく、ＩｎｖＧａ１−ｖＡｓ（０．２４＞ｖ＞０）を量子井戸層として含む活性層と、この活性層の上に配設された、活性層よりも屈折率の小さいアンドープのＩｎｕＧａ１−ｕＰ（１＞ｕ＞０）の第２光導波層と、  この第２光導波層の上に配設された第２導電型である（Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２）ｙ２Ｉｎ１−ｙ２Ｐ（１＞ｘ２＞０、０．５２＞ｙ２＞０．４８）の第２クラッド層と、を備えているので、活性層がＩｎｖＧａ１−ｖＡｓ（０．２４＞ｖ＞０）を量子井戸層として有することにより、発振波長が９４０ｎｍ近傍を含むレーザ光を出射し、第１導電型の第１クラッド層と第１光導波層との間の屈折率差及び第２導電型の第２クラッド層と第２光導波層との間の屈折率差によりレーザ光の光強度分布の多くの領域がＡｌを含まない第１光導波層と第２光導波層との間に閉じこめられる。このためにＡｌの酸化が原因となるＣＯＤが少なくなり、ＣＯＤレベルが高くなる。さらにレーザ光の光強度分布がアンドープ領域である第１光導波層と第２光導波層との間に閉じこめられるので内部損失を小さくすることができる。延いては動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置を構成することができる。
さらに、活性層を一つまたは複数の量子井戸層を含むように構成し、量子井戸層の層厚の和が１２ｎｍ程度とすることにより、半導体レーザのしきい値キャリア密度をもっとも小さくすることができて、しきい値電流を小さくすることができる。
さらにまた、第１クラッド層および第２クラッド層のＡｌ組成比が０．１以上で、かつ第１光導波層および第２光導波層それぞれの層厚が４００ｎｍ以上にすることにより、アンドープ領域である第１光導波層と第２光導波層との間に存在するレーザ光の光強度分布が８６％以上とすることができる。
さらに第１クラッド層および第２クラッド層のＡｌ組成比が０．１５以上で、かつ第１光導波層および第２光導波層それぞれの層厚が４００ｎｍ以上にすることにより、アンドープ領域である第１光導波層と第２光導波層との間に存在するレーザ光の光強度分布が９０％以上とすることができる。
【００２８】
実施の形態２．
図１１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。
図１１において、半導体レーザ５４が実施の形態１において説明した半導体レーザ１０と異なるところは、ｎ側ガイド層１６と活性層１８の間に第１バリア層としてのｎ側第１バリア層５６が、そして活性層１８とｐ側ガイド層２０の間に第１バリア層としてのｐ側第１バリア層５８がさらに設けられたことである。半導体レーザ５４の他の構成は半導体レーザ１０と同じである。
ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８はアンドープの半導体であるｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２で形成されている。またｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚はそれぞれ１０ｎｍである。
【００２９】
図１２はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
この図１２は、基本的な構成としては、半導体レーザ５４の構成とし、曲線Ｉ（▲）、曲線ＩＩ（△）、曲線ＩＩＩ（○）、および曲線ＩＶ（□）の各曲線の計算条件は実施の形態１の図４で記載したものと同じである。
図１２における横軸はガイド層厚みで、このガイド層厚はｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０を同じ厚みとした場合のｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０各々の層厚である。また縦軸はアンドープ領域の光強度割合で、アンドープ領域であるｎ側ガイド層１６とｎ側第１バリア層５６と活性層１８とｐ側第１バリア層５８とｐ側ガイド層２０とに含まれる光強度分布の割合である。
図１２から分かるように、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１０で、活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域の光強度割合は８６％を越えている。
また活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域における光強度割合は９０％を越えている。
これはｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８を設けることにより、半導体レーザの光強度分布において活性層部分への光の閉じ込め率を高くすることができ、アンドープ領域への光の閉じ込めをより効果的に行うことができる。延いては動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置をより効果的に構成することができる。
さらに活性層１８の層厚を変化させてもアンドープ領域における光強度割合はほとんど変わらない。これは半導体レーザの光強度分布が主にバリア層とガイド層とで決まる屈折率とクラッド層の屈折率との屈折率差で定まることを意味している。
図１２の計算ではｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚をそれぞれ１０ｎｍとしている。
【００３０】
この第１バリア層（以下、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８を一括して論じるときには、「第１バリア層」という）は、第１バリア層の屈折率と層厚で規定される実効屈折率として、半導体レーザのアンドープ領域への光強度分布に対して影響を与え、第１バリア層の層厚が厚くなると実効屈折率は高くなるので、第１バリア層それぞれの層厚が１０ｎｍを越えると、活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、当然、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域における光強度割合は９０％を越えることになる。
また第１バリア層それぞれの層厚が１０ｎｍ未満であっても、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比を０．１５よりも大きくすることにより、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上でアンドープ領域における光強度割合を９０％以上にすることができる。これはＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が大きくなるに従ってＡｌＧａＩｎＰの屈折率が小さくなるからである。
図１２において、例えば曲線ＩＩ，曲線ＩＩＩ、及び曲線ＩＶは、Ａｌ組成比が０．１５とした例であるが、Ａｌ組成比を０．１５以上とすることにより、ｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６の間の屈折率差、およびｐ側ガイド層２０とｐ型クラッド層２２の間の屈折率差がそれぞれ大きくなり、第１バリア層それぞれの層厚が１０ｎｍ未満であっても、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上でアンドープ領域における光強度割合を９０％以上にすることができるということである。
このようにｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８を設けることにより、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８とｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０とで規定される実効屈折率が高くなるので、アンドープ領域における光強度割合を高くするための半導体レーザの構成の自由度を高めることができ、動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置を構成しやすくすることができる。
【００３１】
図１３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
すなわち図１３は半導体レーザの発振に必要なしきい値キャリア密度のウエル層の層厚依存性を示している。
この計算においては、半導体レーザの構成は半導体レーザ５４の構成で、一例としてｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の層厚をそれぞれ６００ｎｍとしている。また半導体レーザの前面反射率を１３％、後面反射率を９８％、及び共振器長を１０００μｍとし、半導体レーザの内部損失を０．８ｃｍ−１としている。
図１３に示されるように、実施の形態１におけると同様にウエル層の層厚の和が６ｎｍ以上であれば、レーザ発振に必要な十分な利得が得られる。
また、実施の形態１におけると同様に、ウエル層の層厚が１２ｎｍ近傍の時に、しきい値キャリア密度が最も小さくなることから層厚１２ｎｍ近傍の単一量子井戸の活性層、あるいはウエル層の層厚の和が１２ｎｍ近傍となる多重量子井戸構造の活性層にすると、しきい値電流が最も小さくなる。この理由は実施の形態１において述べたことと同様である。
【００３２】
図１４はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
この計算においては、半導体レーザの構成は基本的には半導体レーザ５４と同じ構成であるが、一例としてｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８はＧａＡｓＰのＰ組成比を０．１としたｉ−ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１で形成され、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚はそれぞれ８ｎｍとしている。その他条件は図１３の計算と同様で、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の層厚はそれぞれ６００ｎｍとし、また半導体レーザの前面反射率を１３％、後面反射率を９８％、及び共振器長を１０００μｍとし、半導体レーザの内部損失を０．８ｃｍ−１としている。
図１４の場合も、図１３の場合と同様にウエル層の層厚の和が６ｎｍ以上であれば、レーザ発振に必要な十分な利得が得られる。また、ウエル層の層厚が１２ｎｍ近傍の時に、しきい値キャリア密度が最も小さくなることから、ウエル層の層厚の和が１２ｎｍ近傍となる単一あるいは多重量子井戸構造の活性層にするとしきい値電流が最も小さくなる。
【００３３】
図１５はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
この試作例３の半導体レーザの構成は半導体レーザ５４と同じ構成で、活性層の層厚は１２ｎｍ、ｎ側ガイド層およびｐ側ガイド層の層厚はそれぞれ５５０ｎｍ、共振器長は１０００μｍである。ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８はＰの組成比を０．１２としたｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２で形成されている。またｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚はそれぞれ１０ｎｍである。共振器の前端面及び後端面はコーティングをしない劈開端面としている。劈開端面の場合には反射率は約３２％となる。また電流を流す幅、つまり半導体レーザ１０におけるプロトン注入領域２６に挟まれた電流経路２８のストライプ幅は６０μｍである。
図１５においては前端面から出射された光出力のみを記載しているので後端面から出射される光出力をも考慮すると、全体の光出力は、図１５に示された値の２倍になる。
この試作例３の半導体レーザにおいては、しきい値電流が０．１３１Ａ、０．６Ｗ出力時の動作電流は１．４１９Ａ、スロープ効率は０．４６６Ｗ／Ａで、良好な特性を示した。
また、０．６Ｗ出力時の発振波長は９４６．６ｎｍであった。
【００３４】
図１６はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一試作例の光出力−電流特性を示すグラフである。
この試作例４の半導体レーザの構成は、ｎ側ガイド層およびｐ側ガイド層の層厚はそれぞれ６００ｎｍとした以外は先の試作例３と同じ構成である。
この試作例４の半導体レーザにおいては、しきい値電流が０．１２８Ａ、０．６Ｗ出力時の動作電流は１．３６５Ａ、スロープ効率は０．４８５Ｗ／Ａで、良好な特性を示した。
また、０．６Ｗ出力時の発振波長は９４５．３ｎｍであった。試作例４の半導体レーザのガイド層の層厚を試作例３の半導体レーザのそれよりも厚くしたことで、アンドープ領域内における光の閉じ込め率が大きくなった。この結果、試作例３の半導体レーザと比較して、試作例４の半導体レーザにおいてはしきい値電流が小さくなり、かつスロープ効率が大きくなっている。
【００３５】
変形例４
図１７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図１７において、半導体レーザ６０の基本構成は半導体レーザ５４のそれと同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ６０における電流狭窄構造は実施の形態１の変形例１と同様である。その他の構成は半導体レーザ５４と同じである。
この半導体レーザ６０においては半導体レーザ５４と同様の効果を奏するとともに、安価なプロセス装置を用いて電流狭窄構造を構成することができるので、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
変形例５
図１８はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図１８において、半導体レーザ６２の基本構成は半導体レーザ５４と同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ６２における電流狭窄構造は実施の形態１の変形例２と同様である。その他の構成は半導体レーザ５４と同じである。
この半導体レーザ６２においては、半導体レーザ５４と同様の効果を奏するとともに、結晶成長工程で電流狭窄構造を構成することができるので、ウエハプロセス工程が簡単になり、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
変形例６
図１９はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図１９において、半導体レーザ６４は基本的には半導体レーザ５４と同じ構成であるが、半導体レーザ６４が半導体レーザ５４と相違するところはプロトン注入領域を多くして、電流経路２８を複数個にしている点で、この点は実施の形態１の変形例３と同様の構成である。半導体レーザ６４のｘ方向寸法を延長し、プロトン注入領域２６の数をさらに増すことによりさらなる多点のアレイ型半導体レーザを製作することが可能である。アレイの点数を増すことにより大出力の半導体レーザを構成することができる。
【００３６】
以上のようにこの実施の形態に係る半導体レーザにおいては、活性層と第１光導波層との間、および活性層と第２光導波層との間それぞれにアンドープＧａＡｓ１−ｗＰｗ（０．２＞ｗ＞０）の第１バリア層を備えているので、半導体レーザの光強度分布において活性層部分への光の閉じ込め率を高くすることができ、アンドープ領域への光の閉じ込めをより効果的に行うことができる。延いては動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置をより効果的に構成することができる。
また第１バリア層を設けることにより、第１バリア層とガイド層とで規定される実効屈折率が高くなるので、アンドープ領域における光強度割合を高くするための半導体レーザの構成の自由度を高めることができ、動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置を構成しやすくすることができる。
【００３７】
実施の形態３．
図２０はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。
図２０において、半導体レーザ６６が実施の形態２において説明した半導体レーザ５４と異なるところは、ｎ側ガイド層１６と活性層１８の間にｎ側第１バリア層５６に加えて第２バリア層としてのｎ側第２バリア層６８が、そして活性層１８とｐ側ガイド層２０の間にｐ側第１バリア層５８に加えて第２バリア層としてのｐ側第２バリア層７０が、さらに設けられたことである。
この実施の形態３の半導体レーザ６６においては、ｎ側第２バリア層６８はｎ側ガイド層１６とｎ側第１バリア層５６との間に設けられている。またｐ側第２バリア層７０はｐ側第１バリア層５８とｐ側ガイド層２０との間に設けられている。半導体レーザ６６においてｎ側第２バリア層６８およびｐ側第２バリア層７０はアンドープの半導体であるｉ−ＧａＡｓで形成され、層厚は、例えば８ｎｍとしている。
ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８は実施の形態２の半導体レーザ５４と同じｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２で形成されているが、層厚は半導体レーザ５４と異なり、例えば８ｎｍとしている。半導体レーザ６６の他の構成は半導体レーザ５４と同じである。
この実施の形態３の構成の半導体レーザ６６ではＧａＡｓＰの第１バリア層に加えてＧａＡｓの第２バリア層を備えている（以下、ｎ側第２バリア層６８およびｐ側第２バリア層７０を一括して論じるときには「第２バリア層」という）。ＧａＡｓの第２バリア層はｎ−ＧａＡｓ基板１２と完全に格子整合するので、層厚を厚くしても活性層１８に歪みが付加されることがない。従って実施の形態１や実施の形態２の構成を有する半導体レーザと比較して、活性層１８内への光の閉じ込め率をより大きくすることができる。このため光とキャリアとの相互作用がより強くなりしきい値電流をより小さくすることができる。
【００３８】
図２１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
この図２１は、基本的な構成としては、半導体レーザ６６の構成とし、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成された単一量子井戸層を有する活性層の場合において、曲線Ｉ（▲）、曲線ＩＩ（△）、曲線ＩＩＩ（○）、および曲線ＩＶ（□）の各曲線の計算条件は実施の形態１の図４で記載したものと同じである。
図２１における横軸はガイド層厚みで、このガイド層厚はｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０を同じ厚みとした場合のｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０各々の層厚である。
また縦軸はアンドープ領域の光強度割合で、アンドープ領域であるｎ側ガイド層１６とｎ側第２バリア層６８とｎ側第１バリア層５６と活性層１８とｐ側第１バリア層５８とｐ側第２バリア層７０とｐ側ガイド層２０とに含まれる光強度分布の割合である。
【００３９】
図２１から分かるように、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１０で、活性層１８の層厚が６ｎｍで、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域の光強度割合は８８％を越えている。
また活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域における光強度割合はおおよそ９２％以上になっている。
ＧａＡｓの第２バリア層はｎ−ＧａＡｓ基板１２と完全に格子整合するので、層厚を厚くしても活性層１８に歪みが付加されることがなく、活性層１８内への光の閉じ込め率がより大きくなっていることに起因する。
さらに活性層１８の層厚を変化させてもアンドープ領域における光強度割合はほとんど変わらない。これは実施の形態２の場合と同様に、半導体レーザの光強度分布が主にバリア層とガイド層とで決まる屈折率とクラッド層の屈折率との屈折率差で定まることを意味している。
計算ではｎ側及びｐ側のＧａＡｓの第２バリア層をそれぞれ８ｎｍとしている。この第２バリア層は、第２バリア層の屈折率と層厚で規定される実効屈折率として、半導体レーザのアンドープ領域への光強度分布に対して影響を与え、第２バリア層の層厚が厚くなると実効屈折率は高くなる。従ってｎ側第２バリア層６８及びｐ側第２バリア層７０それぞれの層厚が８ｎｍを越えると、活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、当然、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域における光強度割合は９０％を越えることになる。
【００４０】
また第２バリア層それぞれの層厚が８ｎｍ未満であっても、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８それぞれの層厚を大きくするか、またはｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比を０．１５よりも大きくすることにより、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上でアンドープ領域における光強度割合を９０％以上にすることができる。
図２１において、例えば曲線ＩＩ，曲線ＩＩＩ、及び曲線ＩＶは、Ａｌ組成比が０．１５とした例であるが、Ａｌ組成比を０．１５以上とすることにより、ｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６の間の屈折率差、およびｐ側ガイド層２０とｐ型クラッド層２２の間の屈折率差がそれぞれ大きくなり、第２バリア層それぞれの層厚が８ｎｍ未満であっても、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上でアンドープ領域における光強度割合を９０％以上にすることができるということである。
このようにｎ側第２バリア層６８をｎ側ガイド層１６とｎ側第１バリア層５６との間に設け、ｐ側第２バリア層７０をｐ側第１バリア層５８とｐ側ガイド層２０との間に設けることにより、活性層１８に歪みが付加されることなくバリア層の層厚を厚くすることができるので、活性層１８内への光の閉じ込め率をより大きくすることができる。このため光とキャリアとの相互作用がより強くなりしきい値電流をより小さくすることができる。
【００４１】
図２２はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
すなわち図２２は半導体レーザの発振に必要なしきい値キャリア密度のウエル層の層厚依存性を示している。
この計算においては、半導体レーザの構成は半導体レーザ６６の構成で、一例としてｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の層厚をそれぞれ６００ｎｍとしている。また半導体レーザの前面反射率を１３％、後面反射率を９８％、及び共振器長を１０００μｍとし、半導体レーザの内部損失を０．８ｃｍ−１としている。
図２２に示されるように、実施の形態１および２におけると同様にウエル層の層厚の和が６ｎｍ以上であれば、レーザ発振に必要な十分な利得が得られる。
また、実施の形態１および２におけると同様に、ウエル層の層厚が１２ｎｍ近傍の時に、しきい値キャリア密度が最も小さくなることから層厚１２ｎｍ近傍の単一量子井戸の活性層、あるいはウエル層の層厚の和が１２ｎｍ近傍となる多重量子井戸構造の活性層にすると、しきい値電流が最も小さくなる。この理由は実施の形態１において述べたことと同様である。
【００４２】
変形例７
図２３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図２３において、半導体レーザ７２の基本構成は半導体レーザ６６のそれと同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ７２における電流狭窄構造は実施の形態１の変形例１と同様である。その他の構成は半導体レーザ６６と同じである。
この半導体レーザ７２においては半導体レーザ６６と同様の効果を奏するとともに、安価なプロセス装置を用いて電流狭窄構造を構成することができるので、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
変形例８
図２４はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図２４において、半導体レーザ７４の基本構成は半導体レーザ６６と同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ７４における電流狭窄構造は実施の形態１の変形例２と同様である。その他の構成は半導体レーザ６６と同じである。
この半導体レーザ７４においては、半導体レーザ６６と同様の効果を奏するとともに、結晶成長工程で電流狭窄構造を構成することができるので、ウエハプロセス工程が簡単になり、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
変形例９
図２５はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図２５において、半導体レーザ７６は基本的には半導体レーザ６６と同じ構成であるが、半導体レーザ７６が半導体レーザ６６と相違するところはプロトン注入領域を多くして、電流経路２８を複数個にしている点で、この点は実施の形態１の変形例３と同様の構成である。半導体レーザ７６のｘ方向寸法を延長し、プロトン注入領域２６の数をさらに増すことによりさらなる多点のアレイ型半導体レーザを製作することが可能である。アレイの点数を増すことにより大出力の半導体レーザを構成することができる。
【００４３】
図２６はこの発明の一実施の形態に係る他の半導体レーザの斜視図である。
図２６において、半導体レーザ７８がｎ側ガイド層１６と活性層１８の間にｎ側第１バリア層５６に加えて第２バリア層としてのｎ側第２バリア層６８が、そして活性層１８とｐ側ガイド層２０の間にｐ側第１バリア層５８に加えて第２バリア層としてのｐ側第２バリア層７０が、さらに設けられたことは先に説明した半導体レーザ６６と同じである。
しかしこの半導体レーザ７８が半導体レーザ６６と異なるところは、ｎ側第２バリア層６８がｎ側第１バリア層５６と活性層１８との間に、またｐ側第２バリア層７０が活性層１８とｐ側第１バリア層５８との間に設けられていることである。半導体レーザ７８においてｎ側第２バリア層６８およびｐ側第２バリア層７０はアンドープの半導体であるｉ−ＧａＡｓで形成され、層厚は、例えば８ｎｍとしている。またｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８はアンドープ半導体であるｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２で形成され、層厚は例えば８ｎｍとしている。半導体レーザ７８におけるその他の構成は半導体レーザ６６と同じである。
従って半導体レーザ６６と同様に、実施の形態１や実施の形態２の構成を有する半導体レーザと比較して、活性層１８内への光の閉じ込め率をより大きくすることができる。このため光とキャリアとの相互作用がより強くなりしきい値電流をより小さくすることができる。
【００４４】
さらに半導体レーザ７８の構成においては、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成され圧縮歪が印加される活性層１８とｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２の引っ張り歪みが印加されるｎ側第１バリア層５６との間に格子整合するｉ−ＧａＡｓのｎ側第２バリア層６８が、また同様にＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成され圧縮歪みが印加される活性層１８とｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２の引っ張り歪みが印加されるｐ側第１バリア層５８との間にｎ−ＧａＡｓ基板１２と格子整合するｉ−ＧａＡｓのｐ側第２バリア層７０が挿入されているので、活性層１８、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚を厚くすることが可能になる。
従って半導体レーザ７８は半導体レーザ６６に比較して、さらに活性層１８内への光の閉じ込め率をより大きくすることができる。このため光とキャリアとの相互作用がより強くなりしきい値電流をより小さくすることができる。
さらにまた、活性層１８とＧａＡｓＰのｎ側第１バリア層５６との間にＧａＡｓのｎ側第２バリア層６８を設け、活性層１８から離してバンドギャップの大きいＧａＡｓＰのｎ側第１バリア層５６を設けることにより、また活性層１８とＧａＡｓＰのｐ側第１バリア層５８との間にｐ側第２バリア層７０を設け、活性層１８から離してバンドギャップの大きいＧａＡｓＰのｐ側第１バリア層５８を設けることにより、キャリア電子のオーバーフローを防ぐことができる。
【００４５】
図２７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのガイド層の厚みに対するアンドープ領域における光強度割合を示すグラフである。
この図２７は、基本的な構成としては、半導体レーザ７８の構成とし、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成された単一量子井戸層を有する活性層の場合において、曲線Ｉ（▲）、曲線ＩＩ（△）、曲線ＩＩＩ（○）、および曲線ＩＶ（□）の各曲線の計算条件は実施の形態１の図４で記載したものと同じである。
図２７における横軸はガイド層厚みで、このガイド層厚はｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０を同じ厚みとした場合のｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０各々の層厚である。
また縦軸はアンドープ領域の光強度割合で、アンドープ領域であるｎ側ガイド層１６とｎ側第１バリア層５６とｎ側第２バリア層６８と活性層１８とｐ側第２バリア層７０とｐ側第１バリア層５８とｐ側ガイド層２０とに含まれる光強度分布の割合である。
【００４６】
図２７から分かるように、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１０で、活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域の光強度割合は８８％を越えている。
また活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域における光強度割合はおおよそ９２％以上になっている。
ＧａＡｓの第２バリア層はｎ−ＧａＡｓ基板１２と完全に格子整合するので、層厚を厚くしても活性層１８に歪みが付加されることがなく、活性層１８内への光の閉じ込め率がより大きくなっていることに起因する。
さらに活性層１８の層厚を変化させてもアンドープ領域における光強度割合はほとんど変わらない。これは実施の形態２の場合と同様に、半導体レーザの光強度分布が主にバリア層とガイド層とで決まる屈折率とクラッド層の屈折率との屈折率差で定まることを意味している。
計算ではｎ側及びｐ側のＧａＡｓの第２バリア層をそれぞれ８ｎｍとしている。この第２バリア層は、第２バリア層の屈折率と層厚で規定される実効屈折率として、半導体レーザのアンドープ領域への光強度分布に対して影響を与え、第２バリア層の層厚が厚くなると実効屈折率は高くなる。従ってｎ側第２バリア層６８及びｐ側第２バリア層７０それぞれの層厚が８ｎｍを越えると、活性層１８の層厚が６ｎｍ以上で、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比が０．１５の場合、当然、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上になるとアンドープ領域における光強度割合は９０％を越えることになる。
【００４７】
また第２バリア層それぞれの層厚が８ｎｍ未満であっても、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８それぞれの層厚を大きくするか、またはｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２のＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比を０．１５よりも大きくすることにより、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上でアンドープ領域における光強度割合を９０％以上にすることができる。
図２７において、例えば曲線ＩＩ，曲線ＩＩＩ、及び曲線ＩＶは、Ａｌ組成比が０．１５とした例であるが、Ａｌ組成比を０．１５以上とすることにより、ｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６の間の屈折率差、およびｐ側ガイド層２０とｐ型クラッド層２２の間の屈折率差がそれぞれ大きくなり、第２バリア層それぞれの層厚が８ｎｍ未満であっても、ガイド層厚が３５０ｎｍ以上でアンドープ領域における光強度割合を９０％以上にすることができるということである。
云うまでもないことであるがアンドープ領域に９０％以上の光を閉じ込めるという制限がない場合は、ＧａＡｓＰの層厚およびＰ組成比には特段の制約は必要ない。例えばＧａＡｓのｎ側及びｐ側第２バリア層の層厚をそれぞれ５ｎｍ以下とし、かつＧａＡｓＰのｎ側およびｐ側第１バリア層の層厚をそれぞれ略１０ｎｍとするとこの構成の半導体レーザは実施の形態２の半導体レーザの特性に近づくだけである。
【００４８】
図２８はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度を示すグラフである。
すなわち図２８は半導体レーザの発振に必要なしきい値キャリア密度のウエル層の層厚依存性を示している。
この計算においては、半導体レーザの構成は半導体レーザ７８の構成で、一例としてｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の層厚をそれぞれ６００ｎｍとしている。また半導体レーザの前面反射率を１３％、後面反射率を９８％、及び共振器長を１０００μｍとし、半導体レーザの内部損失を０．８ｃｍ−１としている。
図２８に示されるように、実施の形態１および２におけると同様にウエル層の層厚の和が６ｎｍ以上であれば、レーザ発振に必要な十分な利得が得られる。
また、実施の形態１および２におけると同様に、ウエル層の層厚が１２ｎｍ近傍の時に、しきい値キャリア密度が最も小さくなることから層厚１２ｎｍ近傍の単一量子井戸の活性層、あるいはウエル層の層厚の和が１２ｎｍ近傍となる多重量子井戸構造の活性層にすると、しきい値電流が最も小さくなる。この理由は実施の形態１において述べたことと同様である。
【００４９】
変形例１０
図２９はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図２９において、半導体レーザ８０の基本構成は半導体レーザ７８のそれと同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ８０における電流狭窄構造は実施の形態１の変形例１と同様である。その他の構成は半導体レーザ７８と同じである。
この半導体レーザ８０においては半導体レーザ７８と同様の効果を奏するとともに、安価なプロセス装置を用いて電流狭窄構造を構成することができるので、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
変形例１１
図３０はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図３０において、半導体レーザ８２の基本構成は半導体レーザ７８と同じであるが、電流狭窄構造が異なっている。
半導体レーザ８２における電流狭窄構造は実施の形態１の変形例２と同様である。その他の構成は半導体レーザ７８と同じである。
この半導体レーザ８２においては、半導体レーザ７８と同様の効果を奏するとともに、結晶成長工程で電流狭窄構造を構成することができるので、ウエハプロセス工程が簡単になり、安価な半導体レーザを提供できるという効果がある。
変形例１２
図３１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の斜視図である。
図３１において、半導体レーザ８４は基本的には半導体レーザ７８と同じ構成であるが、半導体レーザ８４が半導体レーザ７８と相違するところはプロトン注入領域を多くして、電流経路２８を複数個にしている点で、この点は実施の形態１の変形例３と同様の構成である。半導体レーザ８４のｘ方向寸法を延長し、プロトン注入領域２６の数をさらに増すことによりさらなる多点のアレイ型半導体レーザを製作することが可能である。アレイの点数を増すことにより大出力の半導体レーザを構成することができる。
【００５０】
以上のようにこの実施の形態に係る半導体レーザにおいては、活性層と第１光導波層との間、および活性層と第２光導波層との間それぞれにアンドープＧａＡｓの第２バリア層がさらに配設されたもので、第２バリア層は第１導電型のＧａＡｓ基板と完全に格子整合するので、層厚を厚くしても活性層に歪みが付加されることがない。従って活性層内への光の閉じ込め率をより大きくすることができる。このため光とキャリアとの相互作用がより強くなりしきい値電流をより小さくすることができる。延いては動作電流が小さく高効率で、信頼性の高い半導体レーザ装置をより効果的に構成することができる。
さらに、第２バリア層が活性層と第１バリア層との間に配設されたもので、圧縮歪みが印加される活性層と引っ張り歪みが印加される第１バリア層との間に格子整合するｉ−ＧａＡｓのｎ側第２バリア層６８が、また同様にＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成され圧縮歪みが印加される活性層１８とｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２の引っ張り歪みが印加されるｐ側第１バリア層５８との間にＧａＡｓ基板と格子整合する第２バリア層が挿入されているので、活性層、および第１バリア層の層厚を厚くすることが可能になる。従ってさらに活性層内への光の閉じ込め率をより大きくすることができる。このため光とキャリアとの相互作用がより強くなりしきい値電流をより小さくすることができる。さらにまた、活性層に隣接して第２バリア層を設け活性層から離してバンドギャップの大きい第１バリア層を設けることにより、キャリア電子のオーバーフローを防ぐことができる。このため活性層で誘導放出に寄与する電子を多くすることができ、内部量子効率の低下を抑制することができる。従ってスロープ効率の低下を抑制することができ、高効率の半導体レーザ装置を構成することができる。
【００５１】
なお以上の実施の形態の説明においては、半導体レーザの発振波長をおおよそ９４０ｎｍ近傍を想定しているので、活性層を形成するＩｎＧａＡｓのＩｎの組成比０．０７と、層厚をおおよそ１２ｎｍ近傍としている。しかし活性層のＩｎ組成比と層厚のいずれか一方、あるいは活性層のＩｎ組成比と層厚の両方を変えることで異なる波長で半導体レーザを発振させることができる。特にＩｎ組成比を変えることは発振波長に大きく影響する。
例えば、活性層の層厚を１２ｎｍに固定した場合、活性層のＩｎ組成比を０．０４，０．１４，０．２０５，及び０．２３５とすると、この組成比に対応して半導体レーザの発振波長はそれぞれおおよそ、９００ｎｍ、９８０ｎｍ、１０６０ｎｍ、および１１００ｎｍとなる。
なお、活性層の層厚を１２ｎｍよりも厚くすることにより発振波長は長波長の方に変移し、活性層の層厚を１２ｎｍよりも薄くすることにより短波長の方に変移する。従ってＩｎ組成比と層厚とを適切に変化させることにより、９００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の発振波長を有する半導体レーザを構成することができる。
またＩｎＧａＰのガイド層の層厚は、以上の説明で例示した物に限るものではなく、ＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比を変化させることによりガイド層の層厚を広い範囲で設定することができる。
例えば、Ａｌ組成比を０．１５よりも大きくするとクラッド層とガイド層との間の屈折率差を大きくすることができるので、ガイド層を薄くしても光の強度分布をアンドープ領域に包含することが可能である。逆にＡｌ組成比を０．１５よりも小さくするとガイド層厚を厚くして光の強度分布をアンドープ領域に包含することが可能である。
【００５２】
またＧａＡｓＰバリア層のＰ組成比および層厚も、以上の説明で例示した場合に限るものではない。例えばｐ組成比を大きくし層厚を厚くするか、ｐ組成比を変えずに層厚を厚くするか、層厚を変えずにｐ組成比を大きくすれば、活性層への光の閉じ込め率を大きくすることができ、しきい値キャリア密度を低減することができる。
またＧａＡｓバリア層の層厚も以上の説明で例示した場合に限るものではない。層厚を厚くすれば、活性層への光の閉じ込め率を大きくすることができ、しきい値キャリア密度を低減することができる。
また、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の一例としてＡｌ組成比を０．１５および層厚を０．７μｍとしているが、これに限るものではない。
例えば、Ａｌ組成比を０．１５よりも大きくすると、活性層で発生した光の多くはアンドープ領域に包含されるので、結果としてＧａＡｓ基板やＧａＡｓコンタクト層へ光が漏れる割合が低下する。この場合にはクラッド層の層厚を０．７μｍよりも薄くしてもＧａＡｓ基板やＧａＡｓコンタクト層における光の吸収が増加しないので、クラッド層を薄くすることが可能になる。このためクラッド層の層厚を薄くすることにより放熱効果が改善され、しきい値電流が低減し、効率が向上する。
また以上の説明におけるこの発明に係る半導体レーザ構造として、プロトン注入による電流狭窄構造、絶縁膜による電流狭窄構造、およびｎ型半導体による電流狭窄構造を有するものについて説明したが、この半導体レーザ構造に限られるものではなく、例えば単純なリッジ構造や電流狭窄用の半導体層を埋め込んだリッジ構造でも同様の効果を奏する。
【００５３】
実施の形態４．
図１４の計算の基礎となる半導体レーザの構成は、基本的には半導体レーザ５４と同じ構成である。しかしｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０はｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成されている。ただしＧａＡｓと格子整合すればＩｎの組成比は１＞ｕ＞０であればよい。
またｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８はＧａＡｓＰのＰ組成比を０．１としたｉ−ＧａＡｓ０．９Ｐ０．１で形成され、ｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚はそれぞれ８ｎｍとしている。
そしてこの場合の活性層１８は、半導体レーザの発振波長を９４０ｎｍとするためにＩｎの組成比０．０７としたＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成されている。
しかしながらＹｂドープファイバレーザ、あるいはＥｒドープファイバアンプ等の励起用光源として用いる場合には発振波長が長くなり、例えば発振波長は１．０６μｍとなるので、Ｉｎ組成比は、０．２４＞ｖ＞０であればよい。そして半導体レーザ１０の活性層１８は、この場合においては一例として単一量子井戸層構造で形成されている。
図１４は、半導体レーザの構成を、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０、ならびにｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の材料および層厚を上述の様に設定し、単一量子井戸構造で形成されている活性層１８のウエル層の層厚を変化させて、しきい値キャリア密度を計算し、ウエル層に対するしきい値キャリア密度の関係を求めたものである。
この実施の形態４は、実施の形態２の図１４の計算結果の基礎としての構成を有する半導体レーザのうち、ウエル層の層厚をｎ側第１バリア層５６およびｐ側第１バリア層５８の層厚の層厚よりも厚くした構成の半導体レーザについてさらに敷衍したものである。
【００５４】
図３２はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面図である。なお図３２は半導体レーザの光の導波方向に直交する断面における断面図で、図１１の半導体レーザに対応させて云えば、この半導体レーザにおけるｚ軸に直交する断面における断面図に対応する。また図３９以降の半導体レーザの断面図も同様の断面における断面図である。
図３２において、半導体レーザ１００は、半導体基板としてのｎ−ＧａＡｓ基板１２上に順次配設された、ｎ型クラッド層１４、ｎ側ガイド層１６、第１の半導体層としてのｎ側エンハンス層１０２、このｎ側エンハンス層１０２に密接して配設された活性層１８、この活性層１８に密接して配設された第１の半導体層としてのｐ側エンハンス層１０４、ｐ側ガイド層２０、ｐ型クラッド層２２、コンタクト層２４を備え、コンタクト層２４の表面には金膜で形成されたｐ電極３０が、またｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には金膜で形成されたｎ電極３２がそれぞれ設けられている。
【００５５】
ｎ型クラッド層１４は、例えばｎ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は０．７μｍである。
ｎ側ガイド層１６は、例えばｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は６００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２は、ｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２により形成され、活性層１８の層厚ｔよりも薄い層厚ｄを有している（ｔ＞ｄ）。ｎ側エンハンス層１０２は実施の形態２におけるｎ側第１バリア層５６に相当するものであるが、この実施の形態においてはｎ側エンハンス層１０２の層厚ｄが活性層の層厚ｔよりも薄いものに限られるとしており以下「エンハンス層」と称することにする。
活性層１８は、例えばｉ−Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成され、層厚は８ｎｍまたは１２ｎｍである。
ｐ側エンハンス層１０４は、ｎ側エンハンス層１０２と同様にｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２により形成され、活性層の層厚ｔよりも薄い層厚ｄを有している（ｔ＞ｄ）。
ｐ側ガイド層２０は、例えばｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は６００ｎｍである。
ｐ型クラッド層２２は、例えばｐ−（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は０．７μｍである。
なお、この実施の形態ではｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４の層厚ｄは、活性層の厚みｔが８ｎｍの場合は、層厚ｄは１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，及び７ｎｍで、活性層の厚みｔが１２ｎｍの場合は、層厚ｄは１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，７ｎｍ及び１０ｎｍとしている。
【００５６】
図３３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図３３において、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４のバンドギャップエネルギーは活性層１８のバンドギャップエネルギーとｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０のバンドギャップエネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーを有している。
さらに活性層１８の材料、ｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０の材料、およびｎ側エンハンス層１０２またはｐ側エンハンス層１０４の材料は、ｎ側エンハンス層１０２またはｐ側エンハンス層１０４の屈折率が、活性層１８の屈折率とｎ側ガイド層１６またはｐ側ガイド層２０の屈折率との中間の屈折率を有するように選択されている。
次にこの実施の形態におけるエンハンス層の層厚に対するしきい値キャリア密度の依存性およびエンハンス層の層厚に対する擬フェルミレベルの依存性について説明する。
図３３においてΔＥｃは活性層１８とｎ側ガイド層１６あるいはｐ側ガイド層２０との間の伝導帯バンドオフセットを示す。また一点鎖線（Ａ）は発振時の伝導帯の擬フェルミレベルである。なおこの擬フェルミレベルの位置を、ΔＥｃと位置係数ｘとの積によりｘΔＥｃで示すことにする。この場合、位置係数ｘは０＜ｘ＜１である。
【００５７】
図３４はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対するしきい値キャリア密度の依存性を示すグラフである。また図３５はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対する擬フェルミレベルの位置係数ｘの依存性を示すグラフである。
図３４及び図３５に示したシミュレーションの結果は、図５の半導体レーザのウエル厚みに対するしきい値キャリア密度の計算を行った場合と同様に、M. Asada et al.文献における密度行列法によって行った。また図３４及び図３５のシミュレーションは活性層１８の層厚を８ｎｍとした場合である。
まず図３４において、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設け無い場合（ｄ＝０）には、しきい値キャリア密度は、３．２０ｃｍ−３であるのに対して、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設け、それぞれの層厚を１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，及び７ｎｍとした場合には、しきい値キャリア密度は順次、２．７５ｃｍ−３，２．８３ｃｍ−３，２．９４ｃｍ−３，及び３．０６ｃｍ−３となり、活性層より薄いｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けることにより、しきい値キャリア密度が低減できる。
しきい値キャリア密度はレーザ発振を行うために必要なキャリア密度であるので、しきい値キャリア密度が低減できると云うことは半導体レーザのしきい値電流を低減することができると云うことを示している。
【００５８】
次に、図３５において、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けない無い場合（ｄ＝０）には、伝導帯擬フェルミレベルは０．４２４ΔＥｃであるのに対して、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設け、それぞれの層厚を１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，及び７ｎｍとした場合には、伝導帯の擬フェルミレベルは順次、０．３７１ΔＥｃ，０．３６９ΔＥｃ，０．３６４ΔＥｃ，及び０．３６５ΔＥｃとなり、活性層より薄いｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けることにより、伝導帯の擬フェルミレベルが低下する。
擬フェルミレベルは活性層のどのエネルギーレベルまで平均的にキャリアが注入されているかを表す指標であり、擬フェルミレベルが低いと云うことは動作電圧が低くなるとともに、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０までのエネルギーレベルの差が大きいことを意味し、キャリアがｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０へオーバーフローし難いことを表す。延いては動作電圧が低くなり、良好な高温特性を保持することになる。
図３６はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対するしきい値キャリア密度の依存性を示すグラフである。また図３７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザのエンハンス層の層厚に対する擬フェルミレベルの位置係数ｘの依存性を示すグラフである。
【００５９】
図３６及び図３７のシミュレーションは活性層１８の層厚を１２ｎｍとした場合で、図３４及び図３５のシミュレーションと同様の手法で行った。
まず図３６において、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けない無い場合（ｄ＝０）には、しきい値キャリア密度は、２．９７ｃｍ−３であるのに対して、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設け、それぞれの層厚を１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，７ｎｍ，及び１０ｎｍとした場合には、しきい値キャリア密度は順次、２．４３ｃｍ−３，２．４８ｃｍ−３，２．５５ｃｍ−３，２．５４ｃｍ−３，及び２．５６ｃｍ−３となり、活性層より薄いｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けることにより、しきい値キャリア密度が低減できる。延いては半導体レーザのしきい値電流を低減することができる。
次に、図３７において、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けない無い場合（ｄ＝０）には、伝導帯の擬フェルミレベルは０．３８６ΔＥｃであるのに対して、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設け、それぞれの層厚を１ｎｍ，２ｎｍ，５ｎｍ，７ｎｍ，及び１０ｎｍとした場合には、伝導帯の擬フェルミレベルは順次、０．３３２ΔＥｃ，０．３３２ΔＥｃ，０．３３１ΔＥｃ，０．３２７ΔＥｃ，及び０．３２３ΔＥｃとなり、活性層より薄いｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４を設けることにより、伝導帯の擬フェルミレベルが低下する。延いては半導体レーザは動作電圧が低く良好な高温特性を保持することになる。
【００６０】
次にエンハンス層の効果について活性層内バンド構造を用いて説明する。
図３８はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの活性層近傍のバンド構造を示す模式図である。
図３８は活性層幅１８が８ｎｍで、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４がそれぞれ１ｎｍとした場合の、活性層１８近傍のバンド構造のエネルギー準位を示している。
まず伝導帯では活性層１８とｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４とを含めた領域に三つの量子状態が存在し、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４の領域のみでは１次及び２次の二つの量子状態が存在する。
一方価電子帯では、活性層１８とｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４とを含めた領域に六つの量子状態が存在し、ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４の領域のみでは３次、４次及び５次の三つの量子状態が存在する。価電子帯の量子状態が多いのは、主に正孔（ホール）の有効質量が電子のそれよりも大きいことに起因している。
発振状態を詳細に解析した結果、０次の量子準位が発振に必要な利得を生み出していることが分かった。また１次以上の量子状態は電子や正孔といったキャリアを蓄積する作用がある。
【００６１】
すなわち、伝導帯および価電子帯において、活性層とエンハンス層（ｎ側エンハンス層およびｐ側エンハンス層）とのバンドオフセット内に０次の準位が存在し、活性層とエンハンス層とを含めた領域に二つ以上の量子準位があれば、エンハンス層によるキャリア密度の低減および擬フェルミレベルの低下を行う効果が顕著になる。
なお、エンハンス層はガイド層よりも屈折率が高いので、活性層内への光の閉じ込め率を大きくする効果があり、活性層とエンハンス層とのバンドオフセット内に０次の準位が存在しなくても、また活性層とエンハンス層とを含めた領域に二つ以上の量子準位がなくてもある程度のしきい値キャリ密度の低減および擬フェルミレベルの低下を行う効果がある。
また、価電子帯の擬フェルミレベルは、元来低いレベルにあるので、この実施の形態では伝導帯の擬フェルミレベルの低下の効果のみについて説明したが、価電子帯でも同様に擬フェルミレベルが低下する。そして場合によっては、価電子帯の擬フェルミレベルが伝導帯の擬フェルミレベルよりも高い場合があるので、この場合には価電子帯の擬フェルミレベルの低下の効果が有効になる。
この実施の形態では活性層の層厚を８ｎｍおよび１２ｎｍの例について説明したが、活性層の層厚はこれに限るものではなく、その他の層厚を有する活性層の場合においても同様の効果が得られることを確認している。
【００６２】
この実施の形態における半導体レーザ１００においては、活性層の層厚より薄い層厚を有し、活性層１８のバンドギャップエネルギーとガイド層１６，２０のバンドギャップエネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーを有し、活性層１８の屈折率とガイド層１６，２０の屈折率の中間の屈折率を有するエンハンス層１０２，１０４を活性層１８に隣接して設けることにより、しきい値キャリ密度を低減し、擬フェルミレベルを低下することができる。延いてはしきい値電流が低く、動作電圧が低く高温特性の良好な半導体レーザを構成することができる。
【００６３】
変形例１３
図３９はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図４０は図３９の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図３９において、半導体レーザ１０６は活性層を二つ備えた二重量子井戸（ＤＱＷ）構造で、第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４が配設されている。第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。
この変形例では、  ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は６００ｎｍである。
それぞれの活性層１８ａ，活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２、およびｐ側エンハンス層１０４は、層厚が１０ｎｍで、ｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２により形成されている。
また第１の活性層１８ａおよび第２の活性層１８ｂはそれぞれ層厚が１２ｎｍで、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成されている。ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａまたは第２の活性層１８ｂの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が２０ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにより形成されている。
図３８に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａまたは第２の活性層１８ｂのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１０６も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００６４】
変形例１４
図４１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図４２は図４１の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図４１において、半導体レーザ１１０は、活性層１８に隣接してｐ側エンハンス層１０４のみが配設され、ｎ側エンハンス層を有していない。
この変形例では、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は６００ｎｍである。ｐ側エンハンス層１０４は、層厚が１０ｎｍで、ｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２により形成されている。また活性層１８は層厚が１２ｎｍで、Ｉｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓで形成されている。
ｐ側エンハンス層１０４は隣接する活性層１８の層厚よりも薄い層厚を有している。またｐ側エンハンス層１０４はｐ側ガイド層２０よりも屈折率が高いので活性層１８内への光閉じ込め率を高めること、およびｐ側エンハンス層１０４は活性層１８のバンドギャップと隣接するｐ側ガイド層２０のバンドギャップとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
このため０次準位による利得を損なうことなく多くのキャリアを蓄積して擬フェルミレベルを低下させるなどの効果は、活性層の両側にエンハンス層を隣接する場合と同様の効果を有する。なおこの変形例ではｐ側にエンハンス層を設けているが、ｎ側に設けても同様の効果がある。
【００６５】
変形例１５
図４３はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図４４は図４３の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図４３および図４４において、この変形例の半導体レーザ１１２は約８７０ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ、ｐ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで形成され、層厚は３５０ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓにより形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−ＧａＡｓにより形成され、層厚は１２ｎｍである。
この半導体レーザ１１２は、層厚１２ｎｍのＧａＡｓ単一量子井戸構造とするとともにエンハンス層として層厚５ｎｍのｉ−Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを用いている。ＡｌＧａＡｓの場合は、Ａｌ組成比が大きくなるとバンドギャップエネルギーが大きくなるとともに屈折率が小さくなるので、エンハンス層の屈折率は活性層とガイド層との中間の値となる。またバンドギャップエネルギーもそれらの中間の値となる。
この変形例では単一量子井戸でエンハンス層を活性層の両側に設けているが、多重量子井戸でも、エンハンス層を活性層に片側のみに設けても同様の効果を有する。
この変形例の半導体レーザ１１２も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００６６】
変形例１６
この変形例の半導体レーザ１１４は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。半導体レーザ１１４、以下に述べる半導体レーザ１１６，半導体レーザ１１８，半導体レーザ１２０，半導体レーザ１２２，半導体レーザ１２４，半導体レーザ１２６，および半導体レーザ１２８の断面図および伝導帯バンド構造を示す模式図はそれぞれ図４３及び図４４と同じになる。
半導体レーザ１１４のｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ、ｐ−Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓで形成され、層厚は３５０ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓにより形成され、層厚は１２ｎｍである。
この半導体レーザ１１４は、活性層を層厚１２ｎｍのＡｌ組成比が０．１のＡｌＧａＡｓ単一量子井戸構造とするとともにエンハンス層として層厚５ｎｍのＡｌ組成比が０．３のＡｌＧａＡｓ層を用いている。活性層にＡｌＧａＡｓを用いることに伴い、屈折率差およびエネルギーギャップ差を確保するために、ガイド層及びクラッド層のＡｌ組成比を変形例１５の半導体レーザ１１２よりも大きくしている。
この変形例の半導体レーザ１１４も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００６７】
変形例１７
この変形例の半導体レーザ１１６は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ、ｐ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は１００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−ＧａＡｓ０．７８Ｐ０．２２により形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５により形成され、層厚は１０ｎｍである。
この半導体レーザ１１６は、活性層を層厚１０ｎｍのｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸構造とするとともにエンハンス層として層厚５ｎｍのｉ−ＧａＡｓ０．７８Ｐ０．１２層を用いている。ガイド層をＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐとすることにより、活性層、エンハンス層及びガイド層にＡｌを含まない実質的なＡｌフリー構造を実現している。なおクラッド層をＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓとすることにより、ガイド層よりも屈折率を小さくし、ガイド層内に光を閉じ込める構造にしている。
この変形例の半導体レーザ１１６も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００６８】
変形例１８
この変形例の半導体レーザ１１８は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ、ｐ−Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は１００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ｉｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．３０Ｐ０．７０により形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５により形成され、層厚は１０ｎｍである。
この半導体レーザ１１８は、活性層を層厚１０ｎｍのｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸構造とするとともにエンハンス層として層厚５ｎｍのｉ−Ｉｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．３０Ｐ０．７０層を用いている。ガイド層をＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐとすることにより、活性層、エンハンス層及びガイド層にＡｌを含まない実質的なＡｌフリー構造を実現している。なおＩｎＧａＡｓＰのエンハンス層のＡｓ組成比およびＧａ組成比はＧａＡｓ基板に格子整合するようにしている。
この変形例の半導体レーザ１１８も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００６９】
変形例１９
この変形例の半導体レーザ１２０は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓで形成され、層厚は３５０ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓにより形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓにより形成され、層厚は１２ｎｍである。
この半導体レーザ１１８の活性層は層厚１２ｎｍで、ｉ−Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓの単一量子井戸構造である。
この変形例の半導体レーザ１２０も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００７０】
変形例２０
この変形例の半導体レーザ１２２は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ａｌ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は１００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−ＧａＡｓ０．７８Ｐ０．２２により形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５により形成され、層厚は１０ｎｍである。
この半導体レーザ１２０の活性層は層厚１０ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５の単一量子井戸構造である。
この変形例の半導体レーザ１２２も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００７１】
変形例２１
この変形例の半導体レーザ１２４は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は１００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ｉｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．３０Ｐ０．７０により形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５により形成され、層厚は１０ｎｍである。
この半導体レーザ１２４の活性層は層厚１０ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓ０．７５Ｐ０．２５の単一量子井戸構造である。なおＩｎＧａＡｓＰのエンハンス層のＡｓ組成比およびＧａ組成比はＧａＡｓ基板に格子整合するようにしている。
この変形例の半導体レーザ１２４も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００７２】
変形例２２
この変形例の半導体レーザ１２６は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は０．７μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は５００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ｉｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．３０Ｐ０．７０により形成され、層厚は５ｎｍである。
活性層１８はｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２により形成され、層厚は１２ｎｍである。
この半導体レーザ１２６の活性層は層厚１２ｎｍで、ｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２の単一量子井戸構造である。なおＩｎＧａＡｓＰのエンハンス層のＡｓ組成比およびＧａ組成比はＧａＡｓ基板に格子整合するようにしている。
この変形例の半導体レーザ１２６も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００７３】
変形例２３
この変形例の半導体レーザ１２８は約８０８ｎｍの発振波長を有し、基本的には半導体レーザ１００の構成と同じであるが、ｎ−ＧａＡｓ基板１２とコンタクト層２４を除く層構造の材料を変えている。
すなわち、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は０．７μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐで形成され、層厚は５００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−ＧａＡｓ０．７８Ｐ０．２２により形成され、層厚は２ｎｍである。
活性層１８はｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２により形成され、層厚は１２ｎｍである。
この半導体レーザ１２６の活性層は層厚１２ｎｍで、ｉ−ＧａＡｓ０．８８Ｐ０．１２の単一量子井戸構造である。
この変形例の半導体レーザ１２８も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
【００７４】
変形例２４
図４５はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図４６は図４５の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図４５において、半導体レーザ１３０は活性層を三つ備えた三重量子井戸構造で６６０ｎｍの発振波長を有している。
半導体レーザ１３０の第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂおよび第３の活性層１８ｃ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４が配設されている。  また、第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、および第２の活性層１８ｂに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第３の活性層１８ｃに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはそれぞれバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。
この変形例では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５Ｉｎ０．５Ｐ、ｐ−（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成され、層厚は１．３μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−（Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで形成され、層厚は５ｎｍである。
それぞれの活性層に隣接するｎ側エンハンス層１０２、およびｐ側エンハンス層１０４は、層厚が２ｎｍで、ｉ−（Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成されている。
【００７５】
また第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂおよび第３の活性層１８ｃはそれぞれ層厚が８ｎｍで、Ｉｎ０．５６Ｇａ０．４４Ｐで形成されている。ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂまたは第３の活性層１８ｃの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が５ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−（Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５）０．５Ｉｎ０．５Ｐにより形成されている。
図４６に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂまたは第３の活性層１８ｃのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１３０も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
この変形例は、M. Mannoh, J. Hoshina, S. Kamiyama, H. Ohta, Y. Ban, and K. Ohnaka, “High power and high-temperature operation of GaInP/AlGaInP strained multiple quantum well lasers,” Appl. Phsy. Lett., vol. 62, No. 11, pp. 1173-1175, 1993  に記載の半導体レーザを参考にエンハンス層を設けたものである。 
【００７６】
変形例２５
図４７はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図４８は図４７の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図４７において、半導体レーザ１３２は活性層を四つ備えた四重量子井戸構造で４００ｎｍの発振波長を有している。
半導体レーザ１３２は、半導体基板としてのｎ−ＧａＮ基板１３４の上にｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層１６が順次配設され、四層の活性層１８を介して、ｐ側ガイド層２０及びｐ型クラッド層２２が順次配設され、このｐ型クラッド層２２の上にｐ−ＧａＮのコンタクト層２４が配設されている。
四層の活性層１８である第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃおよび第４の活性層１８ｄ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４が配設されている。第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、第２の活性層１８ｂに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第３の活性層１８ｃに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、および第３の活性層１８ｃに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第４の活性層１８ｄに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはそれぞれバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。
【００７７】
この変形例では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎ、ｐ−Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ｎにより形成され、層厚は０．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−ＧａＮで形成され、層厚は１００ｎｍである。
ｎ側エンハンス層１０２およびｐ側エンハンス層１０４は、ｉ−Ｉｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎにより形成され、層厚は１ｎｍである。
また第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃおよび第４の活性層１８ｄはそれぞれ層厚が３．５ｎｍで、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎで形成されている。
ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃまたは第４の活性層１８ｄの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が７ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−ＧａＮにより形成されている。
図４８に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、または第４の活性層１８ｄのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１３２も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
この変形例は、P. G. Eliseev, G. A. Symolyakov, and M. Osinski, “Ghost modes and resonant effects in AlGaN-InGaN-GaN lasers,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron.,  Vol. 5, No. 3, pp. 771-779, 1999  に記載の半導体レーザを参考にエンハンス層を設けたものである。 
【００７８】
変形例２６
図４９はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図５０は図４９の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図４９において、半導体レーザ１３６は活性層を三つ備えた三重量子井戸構造で１３１０ｎｍの発振波長を有している。
半導体レーザ１３６は、半導体基板としてのｎ−ＩｎＰ基板１３８の上にｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層が順次配設され、三層の活性層１８を介して、ｐ側ガイド層２０及びｐ型クラッド層２２が順次配設され、このｐ型クラッド層２２の上にｐ−ＩｎＰのコンタクト層２４が配設されている。
三層の活性層１８である第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂおよび第３の活性層１８ｃ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４が配設されている。
第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、および第２の活性層１８ｂに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第３の活性層１８ｃに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはそれぞれバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。
【００７９】
この変形例では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ｉｎ０．８１７Ｇａ０．１８３Ａｓ０．４０Ｐ０．６０、ｐ−Ｉｎ０．８１７Ｇａ０．１８３Ａｓ０．４０Ｐ０．６０により形成され、層厚は７８．５ｎｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．７３８Ｇａ０．２６２Ａｓ０．５６８Ｐ０．４３２で形成され、層厚は５０ｎｍである。
それぞれの活性層に隣接するｎ側エンハンス層１０２、およびｐ側エンハンス層１０４は、層厚が４ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．６５２Ｇａ０．３４８Ａｓ０．７５０Ｐ０．２５０により形成されている。
また第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂおよび第３の活性層１８ｃはそれぞれ層厚が７．５ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．５５７Ｇａ０．４４３Ａｓ０．９５０Ｐ０．０５０で形成されている。ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂまたは第３の活性層１８ｃの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が２３ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−Ｉｎ０．７３８Ｇａ０．２６２Ａｓ０．５６８Ｐ０．４３２により形成されている。
図５０に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂまたは第３の活性層１８ｃのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１３６も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
この変形例は、Z. M. Li, and T. Bradford, “A comparative study of temperature sensitivity of InGaAsP and AlGaAs MQW lasers using numerical simulations,” IEEE J. Quantum Electron.,  Vol. 31, No. 10, pp. 1841-1847, 1995  に記載の半導体レーザを参考にエンハンス層を設けたものである。 
【００８０】
変形例２７
図５１はこの発明の一実施の形態に係る半導体レーザの一変形例の断面図である。また図５２は図５１の半導体レーザの活性層近傍の伝導帯バンド構造を示す模式図である。
図５１において、半導体レーザ１４０は活性層を五つ備えた五重量子井戸構造で１３１０ｎｍの発振波長を有している。
半導体レーザ１４０は、半導体基板としてのｎ−ＩｎＰ基板１３８の上にｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層が順次配設され、五層の活性層１８を介して、ｐ側ガイド層２０及びｐ型クラッド層２２が配設され、このｐ型クラッド層２２の上にｐ−ＩｎＰのコンタクト層２４が配設されている。
五層の活性層１８である第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄおよび第５の活性層１８ｅ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４とが配設されている。第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、および第２の活性層１８ｂに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第３の活性層１８ｃに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、第３の活性層１８ｃに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第４の活性層１８ｄに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間および第４の活性層１８ｄに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第５の活性層１８ｅに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはそれぞれバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。
【００８１】
この変形例では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ｐ、ｐ−Ａｌ０．４７Ｇａ０．５３Ｐにより形成され、層厚は０．２μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ａｌ０．３０Ｇａ０．１７Ｉｎ０．５３Ａｓで形成され、層厚は２００ｎｍである。
それぞれの活性層に隣接するｎ側エンハンス層１０２、およびｐ側エンハンス層１０４は、各々層厚が２ｎｍで、ｉ−Ａｌ０．２２Ｇａ０．２５Ｉｎ０．５３Ａｓにより形成されている。
また、第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄおよび第５の活性層１８ｅはそれぞれ層厚が５ｎｍで、ｉ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．３１Ｉｎ０．５３Ａｓで形成されている。ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄまたは第５の活性層１８ｅの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が１０ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−Ａｌ０．３０Ｇａ０．１７Ｉｎ０．５３Ａｓにより形成されている。
図５２に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄまたは第５の活性層１８ｅのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１４０も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
この変形例は、M. T. C. Silva, J. P. Sih, T. M. Chuo, J. K. Kirk, G. A. Evans, and J. K. Butler, “1.3μm strained MQW AlGaInAs and InGaAsP ridge-waveguide lasers a comparative study,” Microwave and Optoelectronics Conference, 1999 SBMO/IEEE MTT-S, APS and LEOS-IMOC’99, International Vol. 1, 9-12, Aug. 1999, pp.10-12  に記載の半導体レーザを参考にエンハンス層を設けたものである。 
【００８２】
変形例２８
この変形例の半導体レーザ１４２は活性層を二つ備えた二重量子井戸（ＤＱＷ）構造で、第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４が配設されている。第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。半導体レーザ１４２の断面図および伝導帯バンド構造を示す模式図はそれぞれ図３９及び図４０と同じになる。
この変形例では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、ｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐにより形成され、層厚は１．５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−ＧａＡｓで形成され、層厚は２０ｎｍである。
それぞれの活性層に隣接するｎ側エンハンス層１０２、およびｐ側エンハンス層１０４は、層厚が３ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓにより形成されている。
また第１の活性層１８ａおよび第２の活性層１８ｂはそれぞれ層厚が７ｎｍで、ｉ−Ｇａ０．６７Ｉｎ０．３３Ｎ０．００６Ａｓ０．９９４で形成されている。ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａまたは第２の活性層１８ｂの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が１３ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−ＧａＡｓにより形成されている。
図４０に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａまたは第２の活性層１８ｂのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１４２も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
この変形例は、S. Sato, and S. Satoh, “Room-temperature continuous-wave operation of 1.24 -μm GaInNAs lasers grown by metal-organic chemical vapor deposition ,” IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron.,  Vol. 5, No. 3, pp. 707-710, 1999  に記載の半導体レーザを参考にエンハンス層を設けたものである。 
【００８３】
変形例２９
この変形例の半導体レーザ１４４は活性層を五つ備えた五重量子井戸構造で１５５０ｎｍの発振波長を有している。半導体レーザ１４４の断面図および伝導帯バンド構造を示す模式図はそれぞれ図５１及び図５２と同じになる。
半導体レーザ１４４は、半導体基板としてのｎ−ＩｎＰ基板１３８の上にｎ型クラッド層１４とｎ側ガイド層が順次配設され、五層の活性層１８を介して、ｐ側ガイド層２０及びｐ型クラッド層２２が配設され、このｐ型クラッド層２２の上にｐ−ＩｎＰのコンタクト層２４が配設されている。
五層の活性層１８である第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄおよび第５の活性層１８ｅ各々を挟んでｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４が配設されている。
第１の活性層１８ａに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第２の活性層１８ｂに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、および第２の活性層１８ｂに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第３の活性層１８ｃに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間、第３の活性層１８ｃに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第４の活性層１８ｄに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間および第４の活性層１８ｄに隣接するｐ側エンハンス層１０４と第５の活性層１８ｅに隣接するｎ側エンハンス層１０２との間にはそれぞれバリア層１０８が配設されている。その他の構成は半導体１００と同じである。
【００８４】
この変形例では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層２２は、それぞれｎ−ＩｎＰ、ｐ−ＩｎＰにより形成され、層厚は０．７５μｍである。
ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０は、ｉ−Ｉｎ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ０．１７５Ｐ０．８２５で形成され、層厚は１４０ｎｍである。
それぞれの活性層に隣接するｎ側エンハンス層１０２、およびｐ側エンハンス層１０４は、層厚が４ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ０．６０Ｐ０．４０により形成されている。
また、第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄおよび第５の活性層１８ｅはそれぞれ層厚が８ｎｍで、ｉ−Ｉｎ０．７７５Ｇａ０．２２５Ａｓ０．７１Ｐ０．２９で形成されている。ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄまたは第５の活性層１８ｅの層厚よりも薄い層厚を有している。
さらにバリア層１０８は層厚が２０ｎｍで、ｎ側ガイド層１６およびｐ側ガイド層２０の構成材料と同じｉ−Ｉｎ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ０．１７５Ｐ０．８２５により形成されている。
図５２に示される様に、ｎ側エンハンス層１０２とｐ側エンハンス層１０４は、隣接する第１の活性層１８ａ、第２の活性層１８ｂ、第３の活性層１８ｃ、第４の活性層１８ｄまたは第５の活性層１８ｅのバンドギャップエネルギーと隣接するｎ側ガイド層１６、ｐ側ガイド層２０またはバリア層１０８のバンドギャップエネルギーとの中間の値のバンドギャップエネルギーを有する材料により構成されている。
この変形例の半導体レーザ１４４も、先に述べた半導体レーザ１００と同様の効果を有する。
この変形例は、S. C. Woodworth, D. T. Cassidy, and M. J. Hamp,  “Experimental analysis of a broadly tunable InGaAsP laser with compositionally varied quantum wells,” IEEE J. Quantum Electron.,  Vol. 39, No. 3, pp. 426-430, 2003  に記載の半導体レーザを参考にエンハンス層を設けたものである。 
【００８５】
この実施の形態の半導体レーザは、活性層よりの層厚が薄く、活性層のバンドギャップエネルギーとガイド層のバンドギャップエネルギーとの間のバンドギャップエネルギーを有しかつ活性層の屈折率とガイド層の屈折率との間の屈折率を有する材料により構成されるエンハンス層が活性層に隣接してを設けられている。この構成により半導体レーザはしきい値キャリア密度が低減され、延いては半導体レーザのしきい値電流を低減することができる。またこの構成により伝導帯もしくは価電子帯の擬フェルミレベルが低下し動作電圧が低くなるとともにキャリアのオーバーフローも防げるので半導体レーザの高温特性が向上する。
なおこの実施の形態では五重量子井戸構造まで説明したがさらに多くの量子井戸層を有する構造にしても同様の効果を奏する。
またこの実施の形態の説明においては発振波長によってそれぞれ代表的な半導体レーザ構造を例示しエンハンス層を設けた場合について説明したがこれに限るものではなく、その他の半導体レーザ構造でも屈折率及びバンドギャップエネルギーの関係を満足すれば同様の効果が得られる。
また基板、クラッド層、およびコンタクト層以外はアンドープとした例を示したが、ガイド層やバリア層などにドーピングをしても同様の効果が得られる。
さらに、この実施の形態では電子の有効質量が正孔（ホール）に有効質量よりも軽い一般的な半導体レーザを例に説明したが、活性層に歪みを導入することによりホールの有効質量を軽くした場合も同様に構成して、同様に効果を得ることができる。
【００８６】
以上の様にこの実施の形態に係る半導体レーザ装置においては、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板上に配設された第１導電型である第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設された第１光導波層と、この第１光導波層の上に配設され、第１光導波層よりも屈折率が大きい量子井戸構造の活性層と、この活性層の上に配設された、上記活性層よりも屈折率の小さい第２光導波層と、この第２光導波層または第１光導波層と活性層との間に、この活性層に密接して配設されるとともに活性層のバンドキャップの値と隣接する第２光導波層または第１光導波層のバンドギャップエネルギーとの中間のバンドギャップエネルギーであってそれらと離散的に異なるバンドギャップエネルギー、及び活性層の屈折率と隣接する第２光導波層または第１光導波層の屈折率の中間の屈折率を有し、活性層の厚みよりも薄い厚みを有する第１の半導体層と、第２光導波層の上に配設された第２導電型である第２クラッド層と、を備え、活性層と第２光導波層または第１光導波層との伝導帯バンドオフセットまたは価電子帯バンドオフセット内に０次の量子準位を有するので、しきい値キャリア密度が低減し、伝導帯もしくは価電子帯の擬フェルミレベルが低下する。このためしきい値電流が低くなり、動作電圧が低くなるとともにキャリアのオーバーフローを抑制できるので高温特性がよくなる。延いては動作電圧が低く、しきい値電流の小さい半導体レーザ装置を構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、この発明に係る半導体レーザ装置は、産業用レーザの励起光源として用いられる高出力半導体レーザ装置を含め半導体レーザ装置全般に適している。
【符号の説明】
【００８８】
１２  ｎ−ＧａＡｓ基板、    １４  ｎ型クラッド層、    １６  ｎ側ガイド層、    １８  活性層、    ２０  ｐ側ガイド層、    ２２  ｐ型クラッド層、    ５６  ｎ側第１バリア層、    ５８  ｐ側第１バリア層、    ６８  ｎ側第２バリア層、    ７０  ｐ側第２バリア層、    １３４  ｎ−ＧａＮ基板、    １３８  ｎ−ＩｎＰ基板、    １０２  ｎ側エンハンス層、    １０４  ｐ側エンハンス層、    １０８  バリア層。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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