(57)【要約】【課題】  活性層へのキャリアの注入を妨げにくいキャリアストッパー層を有する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１０ａは、活性層１５と、活性層上に設けられたｐ型クラッド層１８を有する。活性層とｐ型クラッド層との間には電子ストッパー層１７が設けられている。この電子ストッパー層は、活性層の伝導帯下端よりも高い伝導帯下端を有し、かつｐ型クラッド層の価電子帯上端よりも低い価電子帯上端を有する。電子ストッパー層の価電子帯上端は、ｐ型クラッド層の側から活性層の側に向かって単調に低下する。【選択図】  図３
2008016618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層の一方側に設けられたｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上に設けられたアノードと、
前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、電子に対するポテンシャル障壁を形成する電子ストッパー層と、
を備え、
前記電子ストッパー層の価電子帯上端が、前記ｐ型クラッド層の側から前記活性層の側に向かって単調に低下する、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記電子ストッパー層の価電子帯上端は、３０ｍｅＶ以下の段差で段階的に低下する、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
活性層と、
前記活性層の一方側に設けられたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に設けられたカソードと、
前記活性層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられ、正孔に対するポテンシャル障壁を形成する正孔ストッパー層と、
を備え、
前記正孔ストッパー層の伝導帯下端が、前記ｎ型クラッド層の側から前記活性層の側に向かって単調に上昇する、半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記正孔ストッパー層の伝導帯下端は、３０ｍｅＶ以下の段差で段階的に上昇する、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
活性層と、
前記活性層の一方側に設けられたｐ型クラッド層と、
前記ｐ型クラッド層上に設けられたアノードと、
前記ｐ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、電子に対するポテンシャル障壁を形成する電子ストッパー層と、
前記活性層の他方側に設けられたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に設けられたカソードと、
前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、正孔に対するポテンシャル障壁を形成する正孔ストッパー層と、
を備え、
前記電子ストッパー層の価電子帯上端が、前記ｐ型クラッド層の側から前記活性層の側に向かって単調に低下し、
前記正孔ストッパー層の伝導帯下端が、前記ｎ型クラッド層の側から前記活性層の側に向かって単調に上昇し、
前記電子ストッパー層の伝導帯下端の最大値は、前記正孔ストッパー層の伝導帯下端の最大値よりも高い、半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記電子ストッパー層がｐ型半導体からなる、請求項１、２または５に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記正孔ストッパー層がｎ型半導体からなる、請求項３〜５のいずれかに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、半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いる半導体レーザ素子は、波長が１．２５μｍ〜１．６５μｍのレーザ光を生成する。このようなレーザ素子では、主にＧａＩｎＡｓＰ系の４元混晶材料を用いた量子井戸構造が活性層として用いられ、またＩｎＰがクラッド層の材料として用いられる。
【０００３】
半導体レーザ素子の高温時の電流−光出力特性を劣化させる要因の一つとして、キャリアオーバーフローがある。これは、ｎ型クラッド層から活性層に注入された電子がｐ型クラッド層に抜け、あるいは活性層や光閉じ込め層の電子が熱的に励起されてｐ型クラッド層に漏れてしまい、活性層での再結合と発光に寄与しなくなる現象である。同様に、ｐ型クラッド層から活性層に注入された正孔が、ｎ型クラッド層に抜ける場合もある。
【０００４】
電子のオーバーフローを防ぐためには、図１に示すように、活性層１５の伝導帯下端よりも高い伝導帯下端を有する電子ストッパー層２４を、活性層１５とｐ型クラッド層１８の間に形成する。なお、図１において１３はｎ型クラッド層、１４は下部光閉じ込め層、１６は上部光閉じ込め層を示す。
【０００５】
同様に、正孔のオーバーフローを防ぐためには、活性層の価電子帯上端よりも低い価電子帯上端を有する正孔ストッパー層を、活性層とｎ型クラッド層の間に形成する。
【０００６】
下記の非特許文献１および２には、活性層とｐ型クラッド層の間に挿入された電子ストッパー層が開示されている。また、下記の非特許文献３には、活性層とｐ型クラッド層の間に挿入された電子ストッパー層と共に、活性層とｎ型クラッド層の間に挿入された正孔ストッパー層が開示されている。
【非特許文献１】Hiroshi Wada他４名、「１．３μｍＡｌＧａＩｎＡｓ−ＩｎＰ量子井戸レーザの温度特性に井戸数が及ぼす影響（Effects of well Number on Temperature Characteristics in 1.3-μmAlGaInAs-InP Quantum-Well Lasers）」、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、第５巻、第３号、４２０−４２７頁、１９９９年
【非特許文献２】Piprek J.他２名、「量子井戸再結合損失が多重量子井戸レーザの内部微分効率に及ぼす影響（Effects of Quantum Well Recombination Losses on the InternalDifferential Efficiency of Multi-Quantum-Well Lasers）」、Conference Digest. ISLC1998 NARA. 1998 IEEE 16th International Semiconductor Laser Conference、１６７−１６８頁、１９９８年
【非特許文献３】R. F. Kazarinov他１名、「光通信用半導体レーザの新規な設計(Novel design of semiconductor lasers for optical communication)」、ＳＰＩＥ、第２３９９巻、３８６−３９５頁、１９９５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
半導体の価電子帯上端の電子エネルギーをＥｖとすると、Ｅｖはその半導体のバンドギャップエネルギーＥｇおよび電子親和力χに応じて決まる（つまり、真空準位（真空の電子エネルギー）をＥｖａｃとすると、Ｅｖ＋Ｅｇ＋χ＝Ｅｖａｃという関係が成り立つ）。このため、図１に示すように、レーザ素子を構成する材料の組み合わせによっては、電子ストッパー層２４の価電子帯上端がｐ型クラッド層１８の価電子帯上端より低くなる。この場合、電子ストッパー層２４によってｐ型クラッド層１８から活性層１５への正孔の注入が阻害されてしまう。同様に、正孔ストッパー層の伝導帯下端がｎ型クラッド層の価電子帯下端よりも高くなり、正孔ストッパー層によってｎ型クラッド層から活性層への電子の注入が阻害される場合もある。
【０００８】
そこで、本発明は、活性層へのキャリアの注入を妨げにくいキャリアストッパー層を有する半導体レーザ素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの態様は、活性層と、活性層の一方側に設けられたｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層上に設けられたアノードと、活性層とｐ型クラッド層との間に設けられ、電子に対するポテンシャル障壁を形成する電子ストッパー層とを備える半導体レーザ素子に関する。電子ストッパー層の価電子帯上端は、ｐ型クラッド層の側から活性層の側に向かって単調に低下する。この低下は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。
【００１０】
電子ストッパー層の価電子帯上端が徐々に低下するため、正孔が越えるべきポテンシャル障壁の段差を低くし、あるいはポテンシャル障壁に傾斜をつけることができる。これにより、正孔がポテンシャル障壁を越えやすくなるので、この電子ストッパー層は、アノードから活性層への正孔の注入を阻害しにくい。
【００１１】
電子ストッパー層の価電子帯上端は、３０ｍｅＶ以下の段差で段階的に低下することが好ましい。３０ｍｅＶは室温程度の熱エネルギーであるので、３０ｍｅＶ以下の段差なら正孔が容易に越えることができる。したがって、正孔を活性層へより円滑に注入することができる。
【００１２】
本発明の別の態様は、活性層と、活性層の一方側に設けられたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられたカソードと、活性層とｎ型クラッド層との間に設けられ、正孔に対するポテンシャル障壁を形成する正孔ストッパー層とを備える半導体レーザ素子に関する。正孔ストッパー層の伝導帯下端は、ｎ型クラッド層の側から活性層の側に向かって単調に上昇する。この上昇は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。
【００１３】
正孔ストッパー層の伝導帯下端が徐々に上昇するため、電子が越えるべきポテンシャル障壁の段差を低くし、あるいはポテンシャル障壁に傾斜をつけることができる。これにより、電子がポテンシャル障壁を越えやすくなるので、この正孔ストッパー層は、カソードから活性層への電子の注入を阻害しにくい。
【００１４】
正孔ストッパー層の伝導帯下端は、３０ｍｅＶ以下の段差で段階的に上昇することが好ましい。３０ｍｅＶは室温程度の熱エネルギーであるので、３０ｍｅＶ以下のポテンシャル段差なら電子が容易に越えることができる。したがって、電子を活性層へより円滑に注入することができる。
【００１５】
本発明の更に別の態様は、活性層と、活性層の一方側に設けられたｐ型クラッド層と、ｐ型クラッド層上に設けられたアノードと、ｐ型クラッド層と活性層との間に設けられ、電子に対するポテンシャル障壁を形成する電子ストッパー層と、活性層の他方側に設けられたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層上に設けられたカソードと、ｎ型クラッド層と活性層との間に設けられ、正孔に対するポテンシャル障壁を形成する正孔ストッパー層とを備えている。電子ストッパー層の価電子帯上端は、ｐ型クラッド層の側から活性層の側に向かって単調に低下する。この低下は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。正孔ストッパー層の伝導帯下端は、ｎ型クラッド層の側から活性層の側に向かって単調に上昇する。この上昇は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。電子ストッパー層の伝導帯下端の最大値は、正孔ストッパー層の伝導帯下端の最大値よりも高い。
【００１６】
電子ストッパー層の価電子帯上端が徐々に低下するので、正孔がポテンシャル障壁を越えやすくなり、したがって、アノードから活性層への正孔の注入が阻害されにくい。また、正孔ストッパー層の伝導帯下端が徐々に上昇するため、電子がポテンシャル障壁を越えやすくなり、したがって、カソードから活性層への電子の注入が阻害されにくい。電子ストッパー層の伝導帯下端の最大値が正孔ストッパー層の伝導帯下端の最大値よりも高いので、電子ストッパー層は、正孔ストッパー層を通過して活性層に注入された電子をブロックし、キャリアオーバーフローを抑えることができる。
【００１７】
電子ストッパー層はｐ型半導体からなっていてもよい。電子ストッパー層中のｐ型ドーパントによって電子ストッパー層の正孔に対するポテンシャル障壁が全体的に低くなる。これにより、活性層への正孔の注入がより円滑になる。
【００１８】
正孔ストッパー層はｎ型半導体からなっていてもよい。正孔ストッパー層中のｎ型ドーパントによって正孔ストッパー層の電子に対するポテンシャル障壁が全体的に低くなる。これにより、活性層への電子の注入がより円滑になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、活性層へのキャリアの注入を妨げにくいキャリアストッパー（電子ストッパーまたは正孔ストッパー）層を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
第１実施形態
図２は、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す概略断面図である。この半導体レーザ素子１０ａは、ｎ型半導体からなる基板１２の上面に順次に積層されたｎ型クラッド層１３、下部光閉じ込め層１４、活性層１５、上部光閉じ込め層１６、電子ストッパー層１７、およびｐ型クラッド層１８を有する。これらの各層は化合物半導体からなる。基板１２と下部クラッド層１３は一体であってもよい。この場合、基板１２と下部クラッド層１３は、単一の半導体からなる一つの基材を構成し、その基材の表層が下部クラッド層１３として機能する。
【００２２】
ｐ型クラッド層１８の上には、ストライプ状のアノード２１が設けられている。また、基板１２の下面全体は、カソード２２によって覆われている。レーザ素子１０ａの両端面（図示せず）は、図２の紙面に平行な鏡面であり、レーザ共振器を構成している。アノード２１及びカソード２２を介して活性層１５に電流を注入することにより、レーザ素子１０ａはレーザ発振を起こし、その一方の端面からレーザ光を出力する。
【００２３】
図３は、レーザ素子１０ａのエネルギー準位図である。図３において２６は価電子帯、２７は伝導帯、黒丸は電子、白丸は正孔を示す。矢印２８及び２９は、それぞれレーザ素子１０ａに注入される正孔および電子の向きを示す。矢印２５は、活性層１５での誘導放出に伴う電子の遷移を示している。
【００２４】
図３に示すように、活性層１５は、複数の量子井戸層３１と複数のバリア層３２とが交互に積層された多重量子井戸構造を有している。バリア層３２は井戸層３１よりも大きなバンドギャップエネルギーを有している。
【００２５】
電子ストッパー層１７は、電子に対するポテンシャル障壁を形成している。電子ストッパー層１７は、上部光閉じ込め層１６上に順次に積層された下部ストッパー層３５および上部ストッパー層３７からなる。上部ストッパー層３７に隣接するｐ型クラッド層１８の伝導帯下端は、上部ストッパー層３７の伝導帯下端よりも低い。また、ｐ型クラッド層１８の価電子帯上端は、上部ストッパー層３７の価電子帯上端よりも高い。
【００２６】
活性層１５に比較的近い下部ストッパー層３５は、活性層１５および上部光閉じ込め層１６の伝導帯下端よりも高い伝導帯下端を有する。上部ストッパー層３７の伝導帯下端は下部ストッパー層３５の伝導帯下端よりも低い。したがって、電子ストッパー層１７の伝導帯下端は、ｐ型クラッド層１８の側から活性層１５の側に向かって単調に、かつ段階的に上昇する。また、上部ストッパー層３７の価電子帯上端は下部ストッパー層３５の価電子帯上端よりも高い。したがって、電子ストッパー層１７の価電子帯上端は、ｐ型クラッド層１８の側から活性層１５の側に向かって単調に、かつ段階的に低下する。
【００２７】
レーザ素子１０ａは、価電子帯２６の上端と同様の屈折率分布を有している。価電子帯上端と屈折率分布とのこのような関係は、他の実施形態でも同じである。活性層１５は、光閉じ込め層１４、１６の各々よりも高い屈折率を有している。また、光閉じ込め層１４はｎ型クラッド層１３よりも高い屈折率を有し、光閉じ込め層１６はｐ型クラッド層１８よりも高い屈折率を有している。これらの層は、活性層１５で発生する光を導波する光導波路を形成する。
【００２８】
本実施形態では、量子井戸層３１およびバリア層３２はＡｌＧａＩｎＡｓからなり、基板１２、ｎ型クラッド層１３およびｐ型クラッド層１８はＩｎＰからなる。光閉じ込め層１４、１６はＡｌＧａＩｎＡｓからなる。この組成によれば、レーザ素子１０ａは、１．２５μｍ〜１．６５μｍの波長帯でレーザ光を生成することができる。
【００２９】
電子ストッパー層１７はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓからなるが、そのＡｌ組成比ｘはアノード２１に近づくにつれて段階的に低下する。図４は、この組成の一例における電子ストッパー層１７の価電子帯２６を示すエネルギー準位図である。下部ストッパー層３５および上部ストッパー層３７のＡｌ組成比は、それぞれ０．４８、０．４であり、Ｇａ組成比は、それぞれ０、０．０７６である。
【００３０】
以下では、本実施形態の利点を説明する。一般に、電子ストッパー層によって電子のオーバーフローを防ぐためには、電子ストッパー層の伝導帯下端を活性層のそれよりも十分に高くする。これを実現するために、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きな材料が電子ストッパー層に使用されるが、それにより電子ストッパー層の価電子帯上端がｐ型クラッド層のそれよりも低くなる。こうして生じた価電子帯上端の段差は、アノードからｐ型クラッド層に注入された正孔が活性層に向かって移動しようとするときに、正孔に対するポテンシャル障壁となる。
【００３１】
しかし、本実施形態では、電子ストッパー層１７の価電子帯上端がアノード２１側から活性層１５側に向かって段階的に低下するので、ｐ型クラッド層１８および下部ストッパー層３５間の価電子帯上端の差を正孔が一度に越える場合に比べて、正孔が越えるべきポテンシャル障壁の段差が低くなる。これにより、正孔がポテンシャル障壁を越えやすくなるので、この電子ストッパー層１７は、アノード２１から活性層１５への正孔の注入を阻害しにくい。正孔が電子ストッパー層１７を通過しやすくなるので、正孔を活性層１５へ円滑に注入することができる。したがって、レーザ素子１０ａの閾値電流を低減し、発光効率を改善することができる。
【００３２】
下部ストッパー層３５が活性層１５や上部光閉じ込め層１６よりも低い価電子帯上端を有するので、電子ストッパー層１７は活性層１５や上部光閉じ込め層１６からｐ型クラッド層１８への正孔の漏れを抑える。これにより、特に高温下で閾値電流を低減し、発光効率を改善することができる。
【００３３】
電子ストッパー層１７の価電子帯上端の段差は３０ｍｅＶ以下であることが好ましい。３０ｍｅＶは室温程度の熱エネルギーなので、３０ｍｅＶ以下のポテンシャル段差なら正孔が容易に越えることができる。したがって、正孔を活性層１５へより円滑に注入することができる。
【００３４】
第２実施形態
図５は、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す概略断面図である。この半導体レーザ素子１０ｂは、ｎ型クラッド層１３と下部光閉じ込め層１４の間に正孔ストッパー層１９が挿入されている点で、第１実施形態のレーザ素子１０ａと異なる。
【００３５】
図６は、レーザ素子１０ｂのエネルギー準位図である。正孔ストッパー層１９は、正孔に対するポテンシャル障壁を形成している。正孔ストッパー層１９は、ｎ型クラッド層１３上に順次に積層された下部ストッパー層３８および上部ストッパー層４０からなる。下部ストッパー層３８に隣接するｎ型クラッド層１３の価電子帯上端は、下部ストッパー層３８の価電子帯上端よりも高い。また、ｎ型クラッド層１３の伝導帯下端は、下部ストッパー層３８の伝導帯下端よりも低い。
【００３６】
活性層１５に比較的近い上部ストッパー層４０は、活性層１５および下部光閉じ込め層１４の価電子帯上端よりも低い価電子帯上端を有する。下部ストッパー層３８の価電子帯上端は上部ストッパー層４０の価電子帯上端よりも高い。したがって、正孔ストッパー層１９の価電子帯上端は、ｎ型クラッド層１３の側から活性層１５の側に向かって単調に、かつ段階的に低下する。また、下部ストッパー層３８の伝導帯下端は上部ストッパー層４０の伝導帯下端よりも低い。したがって、正孔ストッパー層１９の伝導帯下端は、ｎ型クラッド層１３の側から活性層１５の側に向かって単調に、かつ段階的に上昇する。
【００３７】
本実施形態では、量子井戸層３１およびバリア層３２はＧａＩｎＡｓＰからなり、基板１２、ｎ型クラッド層１３およびｐ型クラッド層１８はＩｎＰからなる。光閉じ込め層１４、１６はＧａＩｎＡｓＰからなる。この組成によれば、レーザ素子１０ｂは、１．２５μｍ〜１．６５μｍの波長帯でレーザ光を生成することができる。
【００３８】
正孔ストッパー層１９はＧａｘＩｎ１−ｘＰからなるが、そのＧａ組成比ｘはカソード２２に近づくにつれて段階的に低下する。図７は、この組成の一例における正孔ストッパー層１９の伝導帯２７を示すエネルギー準位図である。図７に示すように、下部ストッパー層３８および上部ストッパー層４０のＧａ組成比は、それぞれ０．１、０．１８である。正孔ストッパー層１９の伝導帯下端の段差ΔＥ１およびΔＥ２は共に３０ｍｅＶ以下である。３０ｍｅＶは室温程度の熱エネルギーなので、電子はこれらの段差を容易に越えることができる。
【００３９】
以下では、本実施形態の利点を説明する。一般に、正孔ストッパー層によって正孔のオーバーフローを防ぐためには、正孔ストッパー層の価電子帯上端を活性層のそれよりも十分に低くする。これを実現するために、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きな材料が正孔ストッパー層に使用されるが、それにより正孔ストッパー層の伝導帯下端がｎ型クラッド層のそれよりも高くなる。こうして生じた伝導帯下端の段差は、カソードからｎ型クラッド層に注入された電子が活性層に向かって移動しようとするときに、電子に対するポテンシャル障壁となる。
【００４０】
しかし、本実施形態では、正孔ストッパー層１９の伝導帯下端がカソード２２側から活性層１５側に向かって段階的に上昇するので、ｎ型クラッド層１３および上部ストッパー層４０間の伝導帯下端の差を電子が一度に越える場合に比べて、電子が越えるべきポテンシャル障壁の段差が低くなる。これにより、電子がポテンシャル障壁を越えやすくなるので、この正孔ストッパー層１９は、カソード２２から活性層１５への電子の注入を阻害しにくい。電子が正孔ストッパー層１９を通過しやすくなるので、電子を活性層１５へ円滑に注入することができる。したがって、レーザ素子１０ｂの閾値電流を低減し、発光効率を改善することができる。
【００４１】
上部ストッパー層４０は、活性層１５や下部光閉じ込め層１４よりも高い伝導帯下端を有するので、正孔ストッパー層１９は活性層１５や下部光閉じ込め層１４からｎ型クラッド層１３への電子の漏れを抑える。これにより、特に高温下で閾値電流を低減し、発光効率を改善することができる。
【００４２】
また、正孔ストッパー層１９の伝導帯下端の段差が３０ｍｅＶ以下なので、電子を活性層１５へより円滑に注入することができる。
【００４３】
第３実施形態
図８は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の伝導帯２７を示すエネルギー準位図である。この半導体レーザ素子では、電子ストッパー層１７の下部ストッパー層３５と上部ストッパー層３７の間に中間ストッパー層３６が挿入され、正孔ストッパー層１９の下部ストッパー層３８と上部ストッパー層４０の間に中間ストッパー層３９が挿入されている。他の構成は半導体レーザ素子１０ｂと同じである。
【００４４】
電子ストッパー層１７はＧａｘＩｎ１−ｘＰからなるが、そのＧａ組成比ｘはアノード２１に近づくにつれて段階的に低下する。下部ストッパー層３５、中間ストッパー層３６、上部ストッパー層３７のＧａ組成比は、それぞれ０．２、０．１５、０．１である。正孔ストッパー層１９もＧａｘＩｎ１−ｘＰからなり、そのＧａ組成比ｘはカソード２２に近づくにつれて段階的に低下する。下部ストッパー層３８、中間ストッパー層３９、上部ストッパー層４０のＧａ組成比は、それぞれ０．０８、０．１２、０．１４である。
【００４５】
図８に示すように、電子ストッパー層１７の伝導帯下端の最大値は、正孔ストッパー層１９の伝導帯下端の最大値よりも高い。したがって、電子ストッパー層１７は、正孔ストッパー層１９を通過して活性層１５に注入された電子をブロックし、キャリアオーバーフローを抑えることができる。
【００４６】
第４実施形態
図９は、本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザ素子の価電子帯２６を示すエネルギー準位図である。本実施形態では、電子ストッパー層１７と上部光閉じ込め層１６との間に第２のｐ型クラッド層４８が挿入されている。このｐ型クラッド層４８はｐ型ＩｎＰからなり、第１のｐ型クラッド層１８と同じ伝導帯下端および価電子帯上端を有している。ｐ型クラッド層４８の厚さＬｓは１μｍ以下である。また、下部ストッパー層３５、上部ストッパー層３７の各々はｐ型にドープされており、各層のｐ型キャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３である。電子ストッパー層１７の価電子帯上端の段差ΔＥ１およびΔＥ２は共に３０ｍｅＶ以下である。本実施形態の他の構成は、第１実施形態のレーザ素子１０ａと同様である。
【００４７】
電子ストッパー層１７中のｐ型ドーパントによって電子ストッパー層１７の正孔に対するポテンシャル障壁が全体的に低くなる。これにより、活性層１５への正孔の注入がより円滑になる。
【００４８】
なお、ｐ型半導体からなる電子ストッパー層１７や、第２のｐ型クラッド層４８を、第２または第３実施形態のレーザ素子に適用してもよい。
【００４９】
第５実施形態
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る半導体レーザ素子の伝導帯２７を示すエネルギー準位図である。本実施形態では、正孔ストッパー層１９と下部光閉じ込め層１４との間に第２のｎ型クラッド層４３が挿入されている。このｎ型クラッド層４３はｎ型ＩｎＰからなり、第１のｎ型クラッド層１３と同じ伝導帯下端および価電子帯上端を有している。ｎ型クラッド層４３の厚さＬｃは１μｍ以下である。また、下部ストッパー層３８、上部ストッパー層４０の各々はｎ型にドープされており、各層のｎ型キャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１８ｃｍ−３である。本実施形態の他の構成は、第２実施形態のレーザ素子１０ａと同様である。
【００５０】
正孔ストッパー層１９中のｎ型ドーパントによって正孔ストッパー層１９の電子に対するポテンシャル障壁が全体的に低くなる。これにより、活性層１５への電子の注入がより円滑になる。
【００５１】
なお、ｎ型半導体からなる正孔ストッパー層１９や、第２のｎ型クラッド層４３を、第３実施形態のレーザ素子に適用してもよい。
【００５２】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００５３】
上記実施形態では、電子ストッパー層１７の価電子帯上端がｐ型クラッド層側から活性層側に向かって段階的に低下するが、この低下は連続的であってもよい。価電子帯上端が連続的に低下する電子ストッパー層は、電子ストッパー層の組成をその層厚方向に沿って連続的に変化させることで実現できる。このような電子ストッパー層では正孔に対するポテンシャル障壁に傾斜がつくので、正孔がポテンシャル障壁を越えやすい。したがって、この電子ストッパー層もアノードから活性層への正孔の注入を阻害しにくい。
【００５４】
同様に、正孔ストッパー層１９の伝導帯下端は、ｎ型クラッド層側から活性層側に向かって連続的に上昇してもよい。伝導帯下端が連続的に上昇する正孔ストッパー層は、正孔ストッパー層の組成をその層厚方向に沿って連続的に変化させることで実現できる。このような正孔ストッパー層では電子に対するポテンシャル障壁に傾斜がつくので、電子がポテンシャル障壁を越えやすい。したがって、この正孔ストッパー層もカソードから活性層への電子の注入を阻害しにくい。
【００５５】
上記実施形態において下部光閉じ込め層１４、上部光閉じ込め層１６は必須ではなく、活性層１５の上に電子ストッパー層１７や正孔ストッパー層１９を直接形成してもよい。
【００５６】
上記実施形態では正孔ストッパー層１９が電子ストッパー層１７と共にレーザ素子中に設けられているが、電子ストッパー層１７を設けずに正孔ストッパー層１９のみを設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】従来の半導体レーザ素子のエネルギー準位図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す概略断面図である。
【図３】第１実施形態のエネルギー準位図である。
【図４】電子ストッパー層の価電子帯を示すエネルギー準位図である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体レーザ素子を示す概略断面図である。
【図６】第２実施形態のエネルギー準位図である。
【図７】正孔ストッパー層の伝導帯を示すエネルギー準位図である。
【図８】第３の実施形態の伝導帯を示すエネルギー準位図である。
【図９】第４の実施形態の価電子帯を示すエネルギー準位図である。
【図１０】第５の実施形態の伝導帯を示すエネルギー準位図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ａ、１０ｂ…半導体レーザ素子、１２…基板、１３…ｎ型クラッド層、１４…下部光閉じ込め層、１５…活性層、１６…上部光閉じ込め層、１７…電子ストッパー層、１８…ｐ型クラッド層、１９…正孔ストッパー層、２１…アノード、２２…カソード、２６…価電子帯、２７…伝導帯、３５、３８…下部ストッパー層、３６、３９…中間ストッパー層、３７、４０…上部ストッパー層。
【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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