(57)【要約】【課題】半導体レーザの偏光特性と信頼性との両立を目的とする。【解決手段】この目的を達成するために、基板１１と、基板１１の上方に設けられた第１のクラッド層１２、第１の中間層１３と、第１の中間層１３の上方に設けられた量子井戸活性層１４と、量子井戸活性層１４の上方に設けられた第２の中間層１５、第２のクラッド層１６と、を備え、量子井戸活性層１４の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きく、量子井戸活性層１４の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きく、第１のクラッド層１２の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む半導体レーザとした。【選択図】図１
2015012253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に設けられた第１の導電型を有する第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の上方に設けられた第１の導電型を有する第１の中間層と、
前記第１の中間層の上方に設けられた量子井戸活性層と、
前記量子井戸活性層の上方に設けられた第２の導電型を有する第２の中間層と、
前記第２の中間層の上方に設けられた第２の導電型を有する第２のクラッド層と、
を備え、
前記量子井戸活性層の格子定数が前記第１の中間層の格子定数よりも大きく、
前記量子井戸活性層の格子定数が前記第２の中間層の格子定数よりも大きく、
前記第１のクラッド層の格子定数が前記第１の中間層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第１のクラッド層がインジウムを含み、
前記第２のクラッド層の格子定数が前記第２の中間層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第２のクラッド層がインジウムを含む
半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１のクラッド層の格子定数が前記量子井戸活性層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第１のクラッド層がインジウムを含み、
前記第２のクラッド層の格子定数が前記量子井戸活性層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第２のクラッド層がインジウムを含む
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の中間層の格子定数と前記第２の中間層の格子定数との差が、
前記量子井戸活性層の格子定数と前記第１の中間層の格子定数との差よりも小さい
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の中間層の格子定数と前記第２の中間層の格子定数との差が、
前記量子井戸活性層の格子定数と前記第２の中間層の格子定数との差よりも小さい
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１のクラッド層の格子定数と前記第２のクラッド層の格子定数との差が、
前記量子井戸活性層の格子定数と前記第１のクラッド層の格子定数との差よりも小さい
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１のクラッド層の格子定数と前記第２のクラッド層の格子定数との差が、
前記量子井戸活性層の格子定数と前記第２のクラッド層の格子定数との差よりも小さい
請求項１に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電子装置、情報処理装置などに必要な光源として用いられる半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の半導体レーザは、図４に示すごとく、基板１と、基板１の上方に設けられた第１のクラッド層２と、第１のクラッド層２の上方に設けられた量子井戸活性層４と、量子井戸活性層４の上方に設けられた第２のクラッド層６とを備え、第２のクラッド層６の格子定数が第１のクラッド層２の格子定数よりも大きくなるよう、第１のクラッド層２及び第２のクラッド層６におけるインジウムの含有量を調整する構成としていた。
【０００３】
このような構成とすることにより量子井戸活性層４の両端に逆方向の歪を加えることで、偏光比を向上させていた。
【０００４】
なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０３２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような従来の半導体レーザでは、偏光比の向上と信頼性の向上の両立が難しいことが問題となっていた。
【０００７】
すなわち、上記従来の構成においては、第１のクラッド層２の格子定数が第２のクラッド層６の格子定数よりも小さい構成とするために、第１のクラッド層２に含まれるインジウム原子の量を少なくしなければならない。インジウム原子はその直径が大きく、第１のクラッド層２内にドーピング原子を閉じ込める働きがある。しかし、上述したとおり、第１のクラッド層２におけるインジウム原子の量を少なくしなければならないため、第１のクラッド層２からドーピング原子が外へ出てしまい、量子井戸活性層４に入り込んでしまう。その結果として、信頼性の向上が難しくなってしまっていた。
【０００８】
また逆に、信頼性を担保するために第１のクラッド層２のインジウム原子の量を増やすと、第１のクラッド層２と第２のクラッド層６の格子定数の差が小さくなってしまい、偏光比の向上を得ることが難しくなってしまっていた。
【０００９】
そこで本発明は、偏光比の向上と信頼性の向上の両立する半導体レーザを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、この目的を達成するために本発明は、基板と、前記基板の上方に設けられた第１の導電型を有する第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上方に設けられた第１の導電型を有する第１の中間層と、前記第１の中間層の上方に設けられた量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層の上方に設けられた第２の導電型を有する第２の中間層と、前記第２の中間層の上方に設けられた第２の導電型を有する第２のクラッド層とを備え、前記量子井戸活性層の格子定数が前記第１の中間層の格子定数よりも大きく、前記量子井戸活性層の格子定数が前記第２の中間層の格子定数よりも大きく、前記第１のクラッド層の格子定数が前記第１の中間層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第１のクラッド層がインジウムを含み、前記第２のクラッド層の格子定数が前記第２の中間層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第２のクラッド層がインジウムを含む構成とした。
【発明の効果】
【００１１】
このような構成とすることにより、偏光比の向上と信頼性の向上の両立を可能とする。
【００１２】
即ち、前記量子井戸活性層の格子定数が前記第１の中間層の格子定数よりも大きく、前記量子井戸活性層の格子定数が前記第２の中間層の格子定数よりも大きい構成とすることにより、前記量子井戸活性層の上下方向から前記量子井戸活性層に対して圧縮応力を発生させることができるため、光学遷移は電子−ヘビーホール間遷移となり、半導体レーザから出射される光はＴＥ偏光となり、偏光比を向上させることができる。
【００１３】
また、前記第１のクラッド層の格子定数が前記第１の中間層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第１のクラッド層がインジウムを含み、前記第２のクラッド層の格子定数が前記第２の中間層の格子定数よりも大きくなる程度に前記第２のクラッド層がインジウムを含む構成とすることにより、第１のクラッド層及び第２のクラッド層からドーピング原子が出ることを抑制することができ、その結果として、量子井戸活性層にドーピング原子が入り込むことを抑制することができる。
【００１４】
従って、偏光比の向上と信頼性の向上とを両立することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１における半導体レーザの断面図
【図２】実施の形態１における半導体レーザの格子定数の関係を示す図
【図３】実施の形態１における半導体レーザの各層における応力関係を示す図
【図４】従来の半導体レーザの断面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１における半導体レーザについて図面を参照しながら説明する。実施の形態１における半導体レーザは、図１に示すごとく、基板１１と、基板１１の上方に設けられた第１導電型を有する第１のクラッド層１２と、第１のクラッド層１２の上方に設けられた第１導電型を有する第１の中間層１３と、第１の中間層１３の上方に設けられた量子井戸活性層１４と、量子井戸活性層１４の上方に設けられた第２の導電型を有する第２の中間層１５と、第２の中間層１５の上方に設けられた第２の導電型を有する第２のクラッド層１６とを備えている。
【００１７】
そして、図２に示すごとく、エピタキシャル成長前の量子井戸活性層１４の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きく、且つ第２の中間層１５の格子定数よりも大きい構成としている。
【００１８】
また、第１のクラッド層１２の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む構成としている。
【００１９】
このような構成とすることにより、偏光比の向上と信頼性の向上の両立を可能とすることができる。
【００２０】
即ち、量子井戸活性層１４の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きく、且つ第２の中間層１５の格子定数よりも大きい構成とすることにより、図３に示すごとく、エピタキシャル成長後において、量子井戸活性層１４の上下方向から量子井戸活性層１４に対して圧縮応力を発生させることができる。そのため、光学遷移は電子−ヘビーホール間遷移となり、半導体レーザから出射される光はＴＥ偏光となり、偏光比を向上させることができる。
【００２１】
また、第１のクラッド層１２の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む構成とすることにより、第１のクラッド層１２及び第２のクラッド層１６からドーピング原子が出ることを抑制することができる。その結果として、量子井戸活性層１４ドーピング原子が入り込むことを抑制することができ、信頼性の向上を得ることができる。
【００２２】
従って、偏光比の向上と信頼性の向上とを両立することができるのである。
【００２３】
以下、任意の構成を含めた実施の形態１における半導体レーザの特徴について説明する。
【００２４】
第１のクラッド層１２の格子定数が量子井戸活性層１４の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が量子井戸活性層１４の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む構成とすることにより、上述した信頼性の向上の効果をより大きくすることができる。
【００２５】
即ち、第１のクラッド層１２及び第２のクラッド層１６からドーピング原子が出ることを抑制することができ、その結果として、量子井戸活性層にドーピング原子が入り込むことを抑制することができ、信頼性の向上を得ることができる。
【００２６】
なお、第１の中間層１３の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第１の中間層１３の格子定数との差よりも小さい構成、即ち、第１の中間層１３の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差が非常に小さい構成とすることにより、量子井戸活性層１４の上下方向からの応力差を小さくすることができる。その結果として、駆動中の量子井戸活性層１４における発熱により半導体レーザ全体に熱膨張が発生するような場合においても、上下方向からの応力差が小さいため、第１の中間層１３、第２の中間層１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００２７】
また、第１の中間層１３の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差よりも小さい構成としても同様に、第１の中間層１３、第２の中間層１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００２８】
更に、第１のクラッド層１２の格子定数と第２のクラッド層１６の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第１のクラッド層１２の格子定数との差よりも小さい構成とすることにより、量子井戸活性層１４の上下方向からの応力差を小さくすることができる。その結果として、駆動中の量子井戸活性層１４における発熱により半導体レーザ全体に熱膨張が発生するような場合においても、上下方向からの応力差が小さいため、第１の中間層１３、第２の中間層１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００２９】
また、第１のクラッド層１２の格子定数と第２のクラッド層１６の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第２のクラッド層１６の格子定数との差よりも小さい構成としても同様に、第１の中間層１３、第２の中間層１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００３０】
以下、より具体的な構成について説明する。
【００３１】
実施の形態１における半導体レーザは、面方位の（１００）面から結晶軸の［０１１］方向に１０°だけ傾けた面を主面とするｎ型ＧａＡｓからなる基板１１を有し、図１に示すごとく、基板１１から順次形成されたｎ型（ＡｌX1Ｇａ1-X1）y1Ｉｎ1-y1Ｐからなる第１のクラッド層１２、ｎ型（ＡｌX2Ｇａ1-X2）y2Ｉｎ1-y2Ｐからなる第１の中間層１３、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなる量子井戸活性層１４、ｐ型（ＡｌX3Ｇａ1-X3）y3Ｉｎ1-y3Ｐからなる第２の中間層１５、ｐ型（ＡｌX4Ｇａ1-X4）y4Ｉｎ1-y4Ｐからなる第２のクラッド層１６と、ｐ型（ＡｌX5Ｇａ1-X5）y5Ｉｎ1-y5Ｐからなる第３のクラッド層１７を含むエピタキシャル成長層を有している。
【００３２】
第３のクラッド層１７はリッジを構成しており、この第３のクラッド層１７上面の少なくとも一部が露出するように誘電体電流ブロック層１８を設けている。この誘電体電流ブロック層１８は窒化シリコン（ＳｉＮ）からなり、第３のクラッド層１７の側面及び第２のクラッド層１６の上面を覆っている。誘電体電流ブロック層１８の上方にはｐ側電極１９を設けており、上述した誘電体電流ブロック層１８から露出する第３のクラッド層１７における上面の少なくとも一部とｐ側電極１９とが接する構成としている。基板１１のエピタキシャル成長層と反対側の面にはｎ側電極２０が形成されている。これらｐ側電極１９及びｎ側電極２０に駆動電流を流すことにより、本実施の形態における半導体レーザを駆動することができる。なお、ｐ側電極１９には、例えば、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）からなる積層膜を用いることができる。また、ｎ側電極２０には、例えば、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）／ニッケル（Ｎｉ）からなる積層膜を用いることができる。
【００３３】
以上のような構成を持つ半導体レーザにおいて、ｐ側電極１９から注入された電流が誘電体電流ブロック層１８によってリッジを構成する第３のクラッド層１７にのみ狭窄され、前記リッジの下方に位置する量子井戸活性層１４に集中して注入される。その結果、レーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が約１０ｍＡ程度という少ない注入電流により実現される。
【００３４】
量子井戸活性層１４に注入されたキャリアの再結合により発光した光は、量子井戸活性層１４と垂直な方向に対しては、第１のクラッド層１２及び第２のクラッド層１６によって垂直方向に閉じ込められる。一方、量子井戸活性層１４と平行な方向に対しては、誘電体電流ブロック層１８が第１のクラッド層１２、第２のクラッド層１６と比べて屈折率が低いため、水平方向の光閉じ込めが生じる。その上、この誘電体電流ブロック層１８はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。また、前記リッジを構成する第３のクラッド層１７の内部及び外部の実効屈折率差（Δｎ）は、前記リッジの下端と量子井戸活性層１４との距離によって、１０−３のオーダで精密に制御することができる。このため、光分布を精密に制御しつつ、低動作電流の高出力半導体レーザを得ることができる。
【００３５】
本実施の形態における半導体レーザは、レーザ共振器の端面部分に、量子井戸活性層１４のバンドギャップを拡大する端面窓構造が形成されている。レーザ共振器の端面部分に端面窓構造が形成されると、その端面部分において、量子井戸活性層１４のバンドギャップを拡大させることができる。このため、内部で電子と正孔が再結合してできた誘導放出光がレーザ共振器の端面部分で吸収されにくくなるから、発熱を抑制できる。これにより、端面光学損傷を抑制できるので、高出力化が可能となる。
【００３６】
レーザ共振器の劈界面からなる前端面及び後端面には誘電体膜をコーティングしており、半導体レーザからの出射光に対する反射率が、前端面では約３０％以上、後端面では約９０％以上となるようにしている。
【００３７】
本実施の形態における半導体レーザは、図２に示すごとく、量子井戸活性層１４の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きく、量子井戸活性層１４の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きい構成としている。
【００３８】
また、第１のクラッド層１２の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む構成としている。
【００３９】
このような構成とすることにより、偏光比の向上と信頼性の向上の両立を可能とすることができる。以下、その理由について説明する。
【００４０】
まず、偏光比が向上する理由について説明する。
【００４１】
半導体レーザにおける量子井戸活性層１４が圧縮応力を受けると、光学遷移は電子−ヘビーホール間遷移となり、半導体レーザから出射される光はＴＥ偏光となる。一方、量子井戸活性層１４が引張応力を受けると光学遷移は電子−ライトホール間遷移となりＴＭ偏光となる。従って、量子井戸活性層１４が圧縮応力を受けると、偏光比が向上することとなる。
【００４２】
ここで、本実施の形態における半導体レーザは、図２に示すごとく、エピタキシャル成長前の量子井戸活性層１４の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きく、量子井戸活性層１４の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きい構成とすることにより、図３に示すごとく、エピタキシャル成長後において、量子井戸活性層１４の上下方向から量子井戸活性層１４に対して圧縮応力を発生させることができる。そのため、光学遷移は電子−ヘビーホール間遷移となり、半導体レーザから出射される光はＴＥ偏光となり、偏光比を向上させることができる。
【００４３】
続いて、信頼性が向上する理由について説明する。
【００４４】
第１のクラッド層１２、第１の中間層１３にはｎ型の導電型とするためＳｉがドーピングされており、第２のクラッド層１６、第３のクラッド層１７、第２の中間層１５にはｐ型の導電型とするためＺｎがドーピングされている。
【００４５】
第２のクラッド層１６、第３のクラッド層１７には、キャリアオーバーフローを抑制するために、バンドギャップの大きいＡｌＧａＩｎＰを用いているが、このＡｌＧａＩｎＰは、ｐ型ドーパントの拡散係数が大きいため、ｐ型ドーパントが結晶中を拡散し、量子井戸活性層１４に侵入して非発光再結合中心を発生させ、半導体レーザ駆動中に結晶欠陥増殖による内部劣化が発生することが課題となる。
【００４６】
同様に、第１のクラッド層１２内においても、そのｎ型ドーパントが結晶中を拡散し、量子井戸活性層１４に侵入することが課題となる。
【００４７】
これらの課題に対し、本実施の形態では、第１のクラッド層１２の格子定数が第１の中間層１３の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が第２の中間層１５の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む構成とした。インジウム原子はその直径が大きく、第１のクラッド層１２内にドーピング原子を閉じ込める働きがあるため、第１のクラッド層１２及び第２のクラッド層１６からドーピング原子が出ることを抑制することができる。その結果として、量子井戸活性層にドーピング原子が入り込むことを抑制することができ、信頼性の向上を得ることができる。
【００４８】
更に、第１のクラッド層１２の格子定数が量子井戸活性層１４の格子定数よりも大きくなる程度に第１のクラッド層１２がインジウムを含み、第２のクラッド層１６の格子定数が量子井戸活性層１４の格子定数よりも大きくなる程度に第２のクラッド層１６がインジウムを含む構成とすることにより、上述した信頼性の向上の効果をより大きくすることができる。
【００４９】
即ち、第１のクラッド層１２及び第２のクラッド層１６からドーピング原子が出ることを抑制することができ、その結果として、量子井戸活性層１４にドーピング原子が入り込むことを抑制することができ、信頼性の向上を得ることができる。
【００５０】
なお、第１の中間層１３の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第１の中間層１３の格子定数との差よりも小さい構成、即ち、第１の中間層１３の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差が非常に小さい構成とすることにより、量子井戸活性層１４の上下方向からの応力差を小さくすることができる。その結果として、駆動中の量子井戸活性層１４における発熱により半導体レーザ全体に熱膨張が発生するような場合においても、上下方向からの応力差が小さいため、第１、第２の中間層１３、１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００５１】
また、第１の中間層１３の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第２の中間層１５の格子定数との差よりも小さい構成としても同様に、第１、第２の中間層１３、１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００５２】
更に、第１のクラッド層１２の格子定数と第２のクラッド層１６の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第１のクラッド層１２の格子定数との差よりも小さい構成とすることにより、量子井戸活性層１４の上下方向からの応力差を小さくすることができる。その結果として、駆動中の量子井戸活性層１４における発熱により半導体レーザ全体に熱膨張が発生するような場合においても、上下方向からの応力差が小さいため、第１、第２の中間層１３、１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００５３】
また、第１のクラッド層１２の格子定数と第２のクラッド層１６の格子定数との差が、量子井戸活性層１４の格子定数と第２のクラッド層１６の格子定数との差よりも小さい構成としても同様に、第１、第２の中間層１３、１５に転位が生じる可能性を低減することができる。
【００５４】
なお、第１の中間層１３にＳｉをドーピングし、第２の中間層１５にＺｎをドーピングした導電型構造とすることによって、電気を容易に流すことができ、電気抵抗の上昇による発熱を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の半導体レーザは、偏光比の向上と信頼性の向上とを両立することができるという効果を有し、電子装置、情報処理装置などにおいて有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１１  基板
１２  第１のクラッド層
１３  第１の中間層
１４  量子井戸活性層
１５  第２の中間層
１６  第２のクラッド層
【図１】
2015012253.tif 000003
【図２】
2015012253.tif 000004
【図３】
2015012253.tif 000005
【図４】
2015012253.tif 000006