(57)【要約】【課題】キャリアオーバーフロ−を防止して、良好な温度特性を有し、高出力化が図れる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】基板２上に第１導電型クラッド層４と、活性層５と、第２導電型クラッド層６と、第２導電型エッチング停止層７と、が順次積層され、第２導電型エッチング停止層７上に形成されたリッジ部１０及び一対の電流ブロック層１１と、第３の第２導電型クラッド層１２とが順次積層され、一対の電流ブロック層１１がリッジ部１０を挟持し、活性層５は、ＧａＩｎＰ井戸層５ＡとＡｌＧａＩｎＰ障壁層５Ｂとが交互に積層された量子井戸構造を有し、かつ、第２導電型クラッド層６と隣接するＡｌＧａＩｎＰ障壁層５Ｂは、厚さが１〜１０ｎｍであり、かつ、活性層５に隣接する第１の第２導電型クラッド層６は、ＡｌＡｓまたはＡｌＡｓ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型基板上に第１導電型クラッド層と、活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチング停止層と、第１導電型ＡｌＩｎＰ層を含む一対の電流ブロック層と、第２導電型コンタクト層と、が順次積層され、更に、前記一対の電流ブロック層は、第２導電型エッチング停止層上に形成された第２の第２導電型クラッド層と第２導電型キャップ層とからなるリッジ部を有した半導体レーザ素子であって、
前記活性層は、ＧａＩｎＰ井戸層とＡｌＧａＩｎＰ障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、かつ、前記第１の第２導電型クラッド層と隣接する前記ＡｌＧａＩｎＰ障壁層の厚さは、１〜１０ｎｍであり、かつ、前記活性層と隣接する前記第１の第２導電型クラッド層は、ＡｌＡｓまたはＡｌＡｓ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓであることを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や光計測等の光源用に用いられる半導体レーザ素子に係り、特にＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いた半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いた半導体レーザ素子は、高密度ディスク装置、レーザプリンタ用光源、バーコードリーダ及び光計測等の光源として期待されている。
【０００３】
以下に、この半導体レーザ素子について図３を用いて説明する。
図３は、従来の半導体レーザ素子を示す断面図である。
従来の半導体レーザ素子１５は、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉ（シリコン）をドーピングしたｎ型ＧａＡｓバッファ層３と、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングしたｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４と、ノンドープＭＱＷ活性層１６（以下、単に活性層１６という）と、５×１０１７ｃｍ−３のＺｎ（亜鉛）をドーピングした第１のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１７と、１×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７と、が順次積層されている。
【０００４】
ここで、活性層１６は、ノンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層１６Ａとノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層１６Ｂとが交互に積層された二重量子井戸構造を形成している。そして、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４と、活性層１６と、第１のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１７とでダブルへテロ構造を形成している。
【０００５】
更に、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７上には、１×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングした第２のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層８と、２×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐキャプ層９と、が順次積層されてなるリッジ部１０が形成されている。このリッジ部１０は、例えば上辺の長さが下辺の長さよりも短い台形形状である。
【０００６】
更にまた、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７上に形成されたリッジ部１０を挟持する１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした一対のｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流狭窄層１１、１１と、リッジ部１０上及び一対のｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流狭窄層１１、１１上に形成された２×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２と、が積層されている。
【０００７】
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２上にはＡｕ系のｐ型オーミック電極１３が形成され、積層方向と反対側のｎ型ＧａＡｓ基板２にはＡｕ系のｎ型オーミック電極１４が形成されている。
なお、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７は、エッチングを停止して、一定形状のリッジ部１０を得るために設けられたものである。このｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７は、レーザ光に対する吸収損失を抑えるために極力薄くする必要があり、この膜厚は、３ｎｍである。また、この半導体レーザ素子１５と同様なものは、非特許文献１にも開示されている。
【０００８】
この半導体レーザ素子１５は、ｐ型オーミック電極１３側からｎ型オーミック電極１４側に向かって順方向電流を注入し、この電流が発振しきい値以上になったとき、リッジ部１０の下部に対応した活性層１６からレーザ発振させて、レーザ光を出射させるものである。
【０００９】
【非特許文献１】
第４７回応用物理学関連連合講演会／講演予稿集Ｎｏ．３／ｐ１１４８／２９ａ−Ｎ−６
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、動作電流の低電流化、動作温度範囲の拡大、及び高出力化等の高性能化を図るためには、活性層に注入したキャリアが効率よく発光再結合しレーザ光に変換されることが必要である。
【００１１】
しかしながら、半導体レーザ素子１５においては、活性層１６と、第１のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１７との間の伝導帯におけるヘテロ障壁△Ｅｃが材料物性上の制約により余り大きくとれないために、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４の側から活性層１６に注入された電子の一部が第１のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１７へ比較的容易に漏れ出してしまう。こうした現象はキャリヤオーバーフローと言われ、漏れ出した電子はレーザ光に変換されないため、内部量子効率を劣化させる原因となっていた。このことは、同じ発光出力を得るために大きな電流を流す必要があるので、半導体レーザ素子の自己発熱を増長して、温度特性を悪化させていた。この結果、基本的に大きな電流を流して使用される高出力レーザなどの応用に不利となっていた。
【００１２】
そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、キャリアオーバーフロ−を防止して、良好な温度特性を有し、高出力化が図れる半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１導電型基板上に第１導電型クラッド層と、活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチング停止層と、第１導電型ＡｌＩｎＰ層を含む一対の電流ブロック層と、第２導電型コンタクト層と、が順次積層され、更に、前記一対の電流ブロック層は、第２導電型エッチング停止層上に形成された第２の第２導電型クラッド層と第２導電型キャップ層とからなるリッジ部を有した半導体レーザ素子であって、前記活性層は、ＧａＩｎＰ井戸層とＡｌＧａＩｎＰ障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、かつ、前記第１の第２導電型クラッド層と隣接する前記ＡｌＧａＩｎＰ障壁層の厚さは、１〜１０ｎｍであり、かつ、前記活性層と隣接する前記第１の第２導電型クラッド層は、ＡｌＡｓまたはＡｌＡｓ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓであることを特徴とする半導体レーザ素子を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザ素子の実施形態について図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態の半導体レーザ素子を示す断面図である。
図２は、活性層の近傍のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
従来技術と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
本発明の実施形態における半導体レーザ素子１は、従来における半導体レーザ素子１５において、第１のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１７を第１のＡｌＡｓクラッド層６又は、ＡｌＡ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓに代え、この第１のＡｌＡｓクラッド層６又は、ＡｌＡ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓに隣接する活性層１６のノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層１６Ｂの厚さを１〜１０ｎｍの範囲としたものであり、それ以外は同様である。
【００１５】
以下に、本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１に示すように、半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に１×１０１８ｃｍ−３のＳｉ（シリコン）をドーピングしたｎ型ＧａＡｓバッファ層３と、１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングしたｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層４と、ノンドープＭＱＷ活性層５（以下、単に活性層５という）と、５×１０１７ｃｍ−３のＣ（炭素）をドーピングした第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６と、１×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７と、が順次積層されている。
【００１６】
更に、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７上には、１×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングした第２のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層８と、２×１０１８ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐキャプ層９と、が順次積層されてなる台形状のリッジ部１０が形成されている。
【００１７】
更にまた、ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層７上に形成されたリッジ部１０を挟持する１×１０１８ｃｍ−３のＳｉをドーピングした一対のｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流狭窄層１１、１１と、リッジ部１０上及び一対のｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流狭窄層１１、１１上に形成された、２×１０１９ｃｍ−３のＺｎをドーピングしたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２と、が順次積層されている。
ここで、活性層５は、厚さ８ｎｍのノンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層５Ａと厚さ８ｎｍのノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂとが交互に積層された二重量子井戸構造を形成している。この場合、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６と隣接するノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂの厚さも８ｎｍである。
【００１８】
ここで、第１のｐ型クラッド層６にＡｌＡｓを用い、これに隣接するノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂの厚さを８ｎｍ、即ち、１〜１０ｎｍの範囲にした場合の効果について図２を用いて説明する。
図２に示すように、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６と隣接するノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂの厚さが１〜１０ｎｍの範囲にある場合には、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６側から活性層５へと注入される正孔は、このノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂをトンネル効果により透過できる。
【００１９】
このため、この正孔は、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６とノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂとの間に形成されている価電子帯におけるヘテロ障壁△Ｅｖに阻止されることなく、ノンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層５Ａへとスムーズに供給されるので、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６と隣接するノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層５Ｂとのヘテロ接合を正孔の注入側に形成することにより生じるキャリア輸送上の不都合は解消される。
【００２０】
また、活性層５と第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６との間の伝導帯におけるヘテロ障壁ΔＥｃは、従来の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層の場合に比べ、約０．０６ｅＶ〜０．１８ｅＶも大きくなり、キャリヤオーバーフローを顕著に減少させることができる。
このため、活性層５に注入された電子の一部が第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６へ漏れ出ることを防止できるので、内部量子効率を向上させることができる。この結果、効率よく活性層５に電子が注入されることになるので、半導体レーザ１素子内部での発熱が抑えられ温度特性が改善され、大電流を必要とする高い出力用に最適となる。
【００２１】
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２上にはＡｕ系のｐ型オーミック電極１３が形成され、積層方向と反対側のｎ型ＧａＡｓ基板２にはＡｕ系のｎ型オーミック電極１４が形成されている。
ところで、本実施例では、リッジ部１０の作製に、通常のウェットエッチング工程を使用したので、リッジ部１０を台形状としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、通常のウェットエッチング工程の代わりに、ＲＩＥ等のドライエッチング工程を使用した場合には概ね長方形の断面をもつリッジ部となる。また、ドライエッチング工程とウェットエッチング工程を組み合わせることにより、様々な断面形状のリッジ部が形成される。
【００２２】
この半導体レーザ素子１の動作は、従来の半導体レーザ素子１５の動作と同様であるのでその説明を省略する。
【００２３】
以上のように、本発明の実施形態によれば、第１のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層１７を第１のＡｌＡｓ層６又は、ＡｌＡ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓに代え、この第１のＡｌＡｓ層６又は、ＡｌＡ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓに隣接する活性層１６のノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層１６Ｂの厚さを１〜１０ｎｍの範囲としたので、キャリアオーバーフロ−を防止して、良好な温度特性を有し、高出力化が図ることができる。
【００２４】
なお、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６の不純物濃度を５×１０１７ｃｍ−３としたが、ＡｌＡｓに対してＣは高濃度にドーピングが可能であり、かつ、ＡｌＡｓにドーピングされたＣ原子は非常に拡散し難いので、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６の不純物濃度を更に高濃度にすることにより、活性層５に対する第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６の伝導帯端を高エネルギー側へ効果的にシフトさせることができる。この場合、活性層５と第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６の間の伝導帯側のヘテロ障壁がさらに拡大されるので、キャリアオーバーフローの抑制に一層効果がある。
【００２５】
また、第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６の代りに、ＡｌＡｓ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓを用いてもよく、さらに、これらＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓは、必ずしも第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層６の全層に用いる必要はなく、少なくとも活性層５と隣接していれば同様の効果が得られる。ＡｌＡｓやＡｌＡｓ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓを用いるので、半導体レーザ素子内部で発生した熱の放散が改善される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、第１導電型基板上に第１導電型クラッド層と、活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチング停止層と、第１導電型ＡｌＩｎＰ層を含む一対の電流ブロック層と、第２導電型コンタクト層と、が順次積層され、更に、前記一対の電流ブロック層は、第２導電型エッチング停止層上に形成された第２の第２導電型クラッド層と第２導電型キャップ層とからなるリッジ部を有した半導体レーザ素子であって、前記活性層は、ＧａＩｎＰ井戸層とＡｌＧａＩｎＰ障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、かつ、前記第１の第２導電型クラッド層と隣接する前記ＡｌＧａＩｎＰ障壁層の厚さは、１〜１０ｎｍであり、かつ、前記活性層と隣接する前記第１の第２導電型クラッド層は、ＡｌＡｓまたはＡｌＡｓ混晶比の大きいＡｌＧａＡｓであるので、キャリアオーバーフロ−を防止して、良好な温度特性を有し、高出力化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】活性層の近傍のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
【図３】従来の半導体レーザ素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ素子、２…ｎ型ＧａＡｓ基板（第１導電型基板）、３…ｎ型ＧａＡｓバッファ層、４…（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層（第１導電型クラッド層）、５…活性層、５Ａ…ノンドープＩｎ０．５Ｇａ０．５Ｐ井戸層、５Ｂ…ノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ障壁層、６…第１のｐ型ＡｌＡｓクラッド層（第１の第２導電型ＡｌＡｓクラッド層）、７…ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐエッチング停止層（第２導電型エッチング停止層）、８…第２のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層、９…ｐ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐキャプ層、１０…リッジ部、１１…ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流狭窄層、１２…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１３…ｐ型オーミック電極、１４…ｎ型オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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