(57)【要約】【課題】ＧａＡｓを基板上に、ＩｎＧａＰまたはＡｌ組成の低いＩｎＧａＡｌＰ結晶を有する半導体レーザ素子において、結晶欠陥による特性の悪化を抑制し、高い性能と信頼性を得る。【解決手段】ｎ−ＧａＡｓ基板１に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ下部クラッド層３、ｎあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第一光導波層４を積層した後、ｎあるいはｉ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ下部第二光導波層５を形成してから、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３量子井戸活性層（ｘ３＝０．４９ｙ３±０．０１、０≦ｘ３≦０．３）６を形成する。【選択図】　　　　　図１
2004055648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に、クラッド層、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層および活性層をこの順に備えた半導体レーザ素子において、
前記Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層と前記活性層との間にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層、Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４（ただし、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４＜１）からなる光導波層および活性層をこの順に備えた半導体レーザ素子において、
前記Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層と前記Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４からなる光導波層との間に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層の厚さが１０ｎｍ以上である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素子。
【請求項４】
前記Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層の厚さが２０ｎｍ以上である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素子。
【請求項５】
前記活性層直下の層の自乗平均面粗さが、０．３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＰあるいはＩｎＧａＡｌＰからなる層を備えた半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野等、様々な分野で広く利用されている半導体レーザは、一般的に有機金属を原料として、熱分解による化学気相反応を利用した有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により製造される。しかし、ＭＯＣＶＤ法により成長されたＩｎＧａＰ結晶またはＡｌ組成の低いＩｎＧａＡｌＰ結晶には、多くの結晶欠陥が見られる。例えば（１００）面を表面とするＧａＡｓ基板上に、ＩｎＧａＰ結晶を成長させた場合、その成長表面に楕円状の隆起（ヒロック）からなる結晶欠陥が多数発生することが知られている。ヒロックによる凹凸は、活性層の結晶品質を低下させたり、半導体レーザの静特性や信頼性に対して悪影響を及ぼす。特に、活性層直下にＩｎＧａＰあるいはＩｎＧａＡｌＰからなる層がある場合に顕著である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
結晶欠陥を低減させるために、特許第１９５３６５３号において、ＧａＡｓ基板の面方位を（１００）面から＜１００＞方向に傾けた基板（以下傾斜基板）を用いる方法が記載されている。これは、２次元核成長を傾斜基板により抑制して結晶性を向上させるものである。しかし、傾斜基板をリッジ導波型のレーザに用いた場合には、通常（１１１）面を傾斜として有するはずのリッジ構造がエッチングの方位依存性により活性層を挟んで非対称型となってしまう。そのため、導波モードがストライプ幅で完全には規制されず、近視野像が非対称となるため横モードが不安定になり易く、光出力が低くてもキンクが発生し易いという問題点があった。また、傾斜基板のため，素子化の際のへき開が難しく、歩留りが悪いという問題点がある。
【０００４】
一方、結晶欠陥の発生し易いＩｎＧａＰ結晶またはＡｌ組成の低いＩｎＧａＡｌＰ結晶の代わりにＡｌＧａＡｓ系結晶を用いることで結晶性の問題を解決する方法が報告されている。しかし、この場合には酸化されやすいＡｌを含む結晶が厚く積層されるため、高温高出力での動作時に端面酸化が生じてしまい、素子の劣化を引き起こすという問題がある。またさらに、ＡｌＧａＡｓ系結晶は電気抵抗や熱抵抗がＩｎＧａＰ結晶に比べて高いという問題も有している。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて、ＧａＡｓを基板とし、かつＩｎＧａＰまたはＡｌ組成の低いＩｎＧａＡｌＰ結晶を有する半導体レーザ素子において、結晶欠陥が低減された高性能および高信頼性の半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に、クラッド層、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層および活性層をこの順に備えた半導体レーザ素子において、
Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層と活性層との間にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層が形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の第２の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層、Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４（ただし、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４＜１）からなる光導波層および活性層をこの順に備えた半導体レーザ素子において、
Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層とＩｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４からなる光導波層との間に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層が形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層の厚さは１０ｎｍ以上であることが望ましい。さらには、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層の厚さが２０ｎｍ以上であることが望ましい。
【０００９】
活性層直下の層の自乗平均面粗さは、０．３ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１０】
また、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層は、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層の活性層側に該クラッド層に隣接して形成されていてもよく、あるいは隣接せずに他の層を挟んで活性層側に形成されていてもよい。
【００１１】
また、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層は、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）層からなる光導波層の活性層側に該光導波層に隣接して形成されていてもよく、あるいは隣接せずに他の層を挟んで活性層側に形成されていてもよい。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の第１の半導体レーザ素子によれば、ＧａＡｓ基板上に、クラッド層、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層および活性層をこの順に備えた半導体レーザ素子において、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層と活性層との間にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層を有するものとすることにより、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる光導波層を形成したことによって生じた結晶表面の凹凸を平坦にすることができるので、結晶欠陥の少ない結晶性の良い活性層を得ることができる。これにより、半導体レーザ素子の特性および信頼性を向上させることができる。
【００１３】
また、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）結晶の上にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層を設けることにより、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）結晶をすべてＡｌＧａＡｓに置き換えること無く、厚いＡｌＧａＡｓ層に起因する問題、すなわち酸化による結晶品質の低下および特性劣化等の問題を回避できる。
【００１４】
また、本発明の第２の半導体レーザ素子によれば、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層とＩｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４（ただし、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４＜１）からなる光導波層との間に、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、０≦ｘ１＜１）からなる層を有するものとすることにより、上記同様に、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなるクラッド層を形成したことによって生じた結晶表面の凹凸を平坦にすることができるので、結晶欠陥の少ない結晶性の良い活性層を得ることができる。これにより、半導体レーザ素子の特性および信頼性を向上させることができる。
【００１５】
なお、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）からなる層とＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層とは接していても接していなくてもよく、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層を設けることによる上記のような結晶欠陥低減効果を得ることができる。
【００１６】
Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層を１０ｎｍ以上設けることにより結晶欠陥の少ない良好な結晶品質を得ることができる。好ましくは２０ｎｍ以上設けることにより、さらに結晶品質の向上を図ることができる。
【００１７】
また、活性層直下の層の自乗平均面粗さを、０．３ｎｍ以下とすることにより、さらに良好に欠陥が低減された活性層を得ることができる。
【００１８】
また、従来技術のように、傾斜基板を用いた場合と異なり、リッジ導波型のレーザへ応用した場合においてもエッチングの方位依存性が生じないため、リッジ構造が活性層を挟んで非対称になるようなことは無く、導波モードがストライプ幅で完全に規制されるため、設計通りの性能を得ることができる。また、傾斜基板によるへき開性の問題もないため、歩留り良く半導体レーザ素子を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。図１にその半導体レーザ素子の断面図を示す。
【００２１】
図１に示すように、有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ下部クラッド層（０．５７≦ｚ１≦０．８）３、ｎあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第一光導波層４、ｎあるいはｉ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ下部第二光導波層５（ただし、ｚ１＞ｘ１）、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３量子井戸活性層（ｘ３＝０．４９ｙ３±０．０１、０≦ｘ３≦０．３）６、ｐあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部光導波層７を形成し、さらにその上に、ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部クラッド層８、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層７を順次積層する。
【００２２】
次に、フォトリソグラフィと硫酸系エッチャントによる化学エッチングにより、幅１０μｍ程度のストライプ状の溝を２本形成し、該溝の間に、底辺の幅が２００μｍのリッジストライプを形成する。次に、プラズマＣＶＤにより、ＳｉＯ２膜１０を形成し、フォトリソグラフィと希釈したフッ酸によるエッチングにより、リッジストライプ上面部のＳｉＯ２膜１０をエッチング除去する。次に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順に蒸着し、熱処理することによりｐ側電極１１を形成する。次に、全体の厚さが１００μｍになるまで基板の研磨を行い、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕをこの順に蒸着し、熱処理してｎ側電極１２を形成する。このようにして作製された試料から共振器長１．５ｍｍのレーザバーをへき開により切りだし、共振器面に、低反射率光学膜コーティングおよび高反射率光学膜コーティングを施す。その後、へき開によりチップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態による半導体レーザ素子について説明する。図２にその半導体レーザ素子の断面図を示す。
【００２４】
図２に示すように、有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＡｓ基板２１に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２、ｎ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ下部クラッド層（０．５７≦ｚ１≦０．８０）２３、ｎあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第一光導波層２４、ｎあるいはｉ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（ただし、ｚ１＞ｘ１）下部第二光導波層２５、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３量子井戸活性層（ｘ３＝０．４９ｙ３±０．０１、０≦ｘ３≦０．３）２６、ｐあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部光導波層２７を形成し、さらにその上に、ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部第一クラッド層２８、ｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング阻止層２９、ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部第二クラッド層３０、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層３１を順次積層する。
【００２５】
この上に、ＳｉＯ２膜（図示せず）を形成し、ＧａＡｓの＜０１１＞方向に、フォトリソグラフィにより、４μｍ程度の幅のストライプ領域以外のＳｉＯ２膜を除去する。次に、ＳｉＯ２膜をマスクとして硫酸系エッチャントで、ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部第二クラッド層３０およびｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層３１を除去し、リッジストライプを形成する。この時エッチングは自動的にｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング阻止層２９上で停止する。ＳｉＯ２膜をフッ酸系のエッチャントで除去後、ＳｉＯ２膜３２を形成し、通常のリソグラフィにより、リッジ上面部のＳｉＯ２膜３２をストライプ状に除去する。ｐ側電極３３を形成し、基板の研磨を行いｎ側電極３４を形成する。その後、試料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを施し、チップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【００２６】
ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部第一クラッド層２８の厚さおよび組成は基本横モード発振が高出力まで維持できる厚さとする。すなわち等価屈折率段差が１．５×１０−３〜７．０×１０−３となるように選択する。なお、半導体レーザ素子の各層における組成および膜厚を適切に選択することで、等価屈折率段差を上記範囲とすることができる場合には、上部第一クラッド層２８の厚さをゼロとしてもよい。
【００２７】
また、活性層は圧縮歪を有するＩｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３量子井戸活性層（０＜ｘ３≦０．４、０≦ｙ３≦０．１）としてもよい。この場合、圧縮歪活性層の応力を補償するため活性層と光導波層との間に、活性層よりバンドギャップが大きく、かつ引張り歪応力を持つＩｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４歪補償層（０≦ｘ４＜０．４９ｙ４、０＜ｙ４≦０．５）を設けてもよい。この場合、圧縮歪活性層の歪量と厚さの積と、引張り歪補償層の歪量と厚さの積との合計は０．３ｎｍ以内とする。
【００２８】
上記第１と第２の実施の形態による半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に、クラッド層としてＡｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ、光導波層としてＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、活性層としてＩｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３を用いた構成であり、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの上にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓからなる層を下部第二光導波層として設けたことにより、活性層を形成する前の成長面が平坦なものとなっているため、欠陥の少ない良好な結晶品質を有する活性層を得ることができる。
【００２９】
次に、本発明の第３の実施の形態による半導体レーザ素子について、その製造方法に沿って説明する。図３にその半導体レーザ素子の断面図を示す。
【００３０】
図３に示すように、有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＡｓ基板上に４１、ｎ−ＧａＡｓバッファ層４２、ｎ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第一クラッド層４３、ｎ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ下部第二クラッド層（０．３５≦ｘ１≦０．５６）４４、ｎあるいはｉ−Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４下部光導波層（ただし、０≦ｘ４≦１、０≦ｙ４＜１）４５、圧縮歪Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３量子井戸活性層（０＜ｘ３≦０．４、０≦ｙ３≦０．１）４６、ｐあるいはｉ−ＩｎＧａＡｓＰ上部光導波層４７、ｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部第一クラッド層４８、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチング阻止層４９、ｎ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ電流狭窄層５０（厚さ２００〜６００ｎｍ）、およびＧａＡｓキャップ層５１（厚さ１０ｎｍ程度）を順次積層する。次に、通常のリソグラフィ技術により、ＧａＡｓの＜０１１＞方向に１〜４μｍ程度の幅のストライプ領域に相当するＧａＡｓキャップ層５１を除去する。
【００３１】
次に、ＧａＡｓキャップ層５１をマスクとして、塩酸系エッチャントでｎ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ電流狭窄層５０をエッチングする。これにより、ストライプ領域にｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチング阻止層４９を露出させた溝を形成する。この時、エッチングは自動的にｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチング阻止層４９上で停止する。その後、硫酸系エッチャントによりマスクとして使用したＧａＡｓキャップ層５１およびストライプ底面のｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチング阻止層４９を除去する。
【００３２】
次に、ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部第二クラッド層５２（０．４≦ｚ１≦０．５）、ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層５３を順次積層する。ｐ側電極５４を形成した後、基板の研磨を行ってｎ側電極５５を形成する。その後、試料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを施し、チップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【００３３】
ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部第二クラッド層５２（０．４≦ｚ１≦０．５）の組成および厚さ、さらにｎ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ電流狭窄層５０の厚さは、基本横モード発振が高出力まで維持できる値とする。具体的には、等価屈折率段差が１．５×１０−３〜７．０×１０−３となるように設定する。
【００３４】
なお、ＩｎＧａＡｓＰエッチング阻止層は、ＧａＡｓに格子整合する組成であることが望ましいが、格子整合しない組成であってよい。
【００３５】
本実施の形態による半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に、クラッド層としてＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、光導波層としてＩｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ａｓ１−ｙ４Ｐｙ４、活性層として圧縮歪Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３を用いた構成であり、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐの上にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓからなる層を下部第二クラッド層として設けたことにより、光導波層および活性層を形成する前の成長面が平坦なものとなっているため、欠陥の少ない良好な結晶品質を有する光導波層および活性層とすることができる。
【００３６】
なお、上記第１〜第３の実施の形態では、Ｉｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）層が、ＧａＡｓ基板と活性層との間に形成されたクラッド層あるいは光導波層の場合について述べたが、クラッド層あるいは光導波層としての機能を有しない他の層としてＩｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）層が形成されている半導体レーザ素子であってもよく、同様に、該層と活性層との間にＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層を設けることにより、活性層への結晶欠陥の影響を抑制することができる。
【００３７】
なお、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層はＩｎ０．４９（Ｇａｘ２Ａｌ１−ｘ２）０．５１Ｐ（ただし、０．５＜ｘ２≦１）層の直上に形成されていてもよく、あるいは半導体層を挟んで活性層側に形成されていてもよい。また、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ（０≦ｘ１＜１）からなる層は活性層の直下に形成されていてもよく、あるいは半導体層を挟んで基板側に形成されていてもよい。
【００３８】
なお、本発明は、上記第１〜第３の実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨に基づいた変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、屈折率導波機構を有する半導体レーザ素子についてのみ記載しているが、回折格子付きの半導体レーザ素子や光集積回路に組み込まれた半導体レーザ素子の作製に適用することできる。
【００３９】
また、上記実施の形態では、ＧａＡｓ基板はｎ型の導電性を用いているが、ｐ型の導電性のＧａＡｓ基板を用いてもよく、この場合すべての半導体層の導電性を反対にすればよい。
【００４０】
また、活性層においては、量子井戸を一層としているが、量子井戸を多層に積層した多重量子井戸レーザとしてもよい。この場合、各量子井戸の間に光導波層と同じ材料の層を挟むことで多重量子井戸層を形成することができる。
【００４１】
また、上記第２と第３の実施の形態では、ストライプ幅が１〜４μｍ程度である基本横モードで発振する半導体レーザ素子について記載しているが、本発明は、ストライプ幅を４μｍより大きくした、屈折率導波型幅広半導体レーザ素子に適用することも可能である。この場合、等価屈折率段差を１．５×１０−３以上に設定することにより、マルチモード発振であっても低雑音なレーザ光を得ることができる。
【００４２】
本発明による効果を確認するため、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層を５０ｎｍの厚さで積層し、その上に厚さの異なるＡｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層および厚さ２ｎｍのＧａＡｓキャップ層をこの順に積層したサンプルを作製し、Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層の厚さと表面荒さの関係を調べた。結晶成長温度は７２０℃とし、表面状態の評価にはＡＦＭ（ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）を用いた。Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層とＧａＡｓキャップ層との合計厚と、ＧａＡｓキャップ層上の表面粗さとの関係を図４に示す。
【００４３】
図４に示すように、Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層を積層しない場合、ＧａＡｓキャップ層上の自乗平均面荒さ（ＲＭＳ）は０．６ｎｍであるが、Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層の厚さが５ｎｍの場合は自乗平均面粗さは０．４ｎｍ、Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層の厚さが１０ｎｍの場合は自乗平均面粗さは０．３ｎｍとなり、Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層の厚さを増加させるに従って自乗平均面粗さは小さくなり、特に厚さ２０ｎｍ以上では自乗平均面荒さが０．２ｎｍ以下で収束に向かい、平坦性が向上することがわかる。なお、ＡｌＧａＡｓの組成としてＡｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓを用いて評価を行ったが、Ａｌの組成比により結晶構造に大きな変化は無く、自乗平均面粗さに影響を及ぼすものでは無いため、他の組成のＡｌＧａＡｓにおいても同様の効果を得ることができる。
【００４４】
次に、本発明の半導体レーザ素子の特性への効果を検証するため、第１の実施の形態の半導体レーザ素子の層構成であって自乗平均面粗さが０．３ｎｍである素子と、自乗平均面粗さが０．６ｎｍであるｎあるいはｉ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ下部第二光導波層５が無い素子とを作製し比較した。改善効果は活性層の品質に表われると考えられることから、評価は、それぞれの素子の内部量子効率を測定することで行った。その結果、本発明の半導体レーザ素子は、ｎあるいはｉ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ下部第二光導波層５が無い素子に比べて、内部量子効率が１．２倍向上し、結晶性が改善されたことが確認できた。
【００４５】
上記のことから、本発明の半導体レーザ素子は、結晶性が改善され、特性および信頼性が良好であるため、光通信、光情報・画像処理および印刷分野において、装置の光源等に用いることができ、装置の高機能化および高精度化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【図３】本発明の第３の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【図４】Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層の厚さと自乗平均面粗さとの関係を示すグラフ
【符号の説明】
１　　ｎ−ＧａＡｓ基板
２　　ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３　　ｎ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ下部クラッド層
４　　ｎあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第一光導波層
５　　ｎあるいはｉ−Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ下部第二光導波層
６　　Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ１−ｙ３Ｐｙ３量子井戸活性層
７　　ｐあるいはｉ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部光導波層
８　　ｐ−Ａｌｚ１Ｇａ１−ｚ１Ａｓ上部クラッド層
９　　ｐ＋−ＧａＡｓコンタクト層
１０　　ＳｉＯ２膜
１１　　ｐ側電極
１２　　ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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