(57)【要約】【課題】長波長で高出力のレーザ発振可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】Ｇａ、Ａｓ及びＳｂを含む第１の半導体層と、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓを含む第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備え、第２の半導体層の伝導帯の電子と第１の半導体層の価電子帯のホールとを再結合させる半導体レーザ素子であって、第１の半導体層及び第２の半導体層の少なくとも一方にＮを含む。【選択図】  図１
2004200463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇａ、Ａｓ及びＳｂを含む第１の半導体層と、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓを含む第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備え、上記第２の半導体層の伝導帯の電子と上記第１の半導体層の価電子帯のホールとを再結合させる半導体レーザ素子であって、
上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層の少なくとも一方にＮを含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層の両方の層にＮを含む請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
第１の半導体層と、上記第１の半導体層の伝導帯下端準位より高い伝導帯下端準位と上記第１の半導体層の価電子帯上端準位より低い価電子帯上端準位とを有する第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ素子において、
前記第１の半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含んでなることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
上記第２の半導体層は、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰからなる請求項３記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
上記活性層は、ＩｎＰ基板上に成長された請求項１〜４のうちのいずれか１つに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、比較的長波長のレーザ発振が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子において、波長が０．４μｍ〜０．６μｍ程度の可視領域や波長１．３μｍ〜１．５μｍ程度の近赤外領域で動作させることができる半導体レーザ素子は比較的高性能な素子がすでに実現されており、ＣＤやＤＶＤ等の光情報処理分野や光ファイバー通信分野で実用化が進んでいる。
【０００３】
これに対して、波長が２μｍ〜３μｍ領域の半導体レーザ素子は、環境モニター、化学分析、医療等での応用が期待されており、ＧａＳｂ基板を用いた材料系で検討が進められてきた。本発明者らは先に、分子線成長法（ＭＢＥ）によりＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂからなるタイプＩＩの多重量子井戸構造の発光層を有するダイオードを試作し、室温で２．４μｍの電流注入発光（ＥＬ）を観測することに成功したことを発表した（非特許文献１）。
【０００４】
【非特許文献１】
H. Takasaki, Y. Kawamura et. al. “Electroluminescence of In0.53Ga0.47As/GaAs0.5Sb0.5 type II multiple quantum well diodes lattice-matched to InP” Journal of Crystal Growth 227-228(2001), P294-297.
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、波長３μｍ以上になると大気の透過率が高くなること、ガス検出及び微量分析用の連続光源としてはより長波長の光が求められること等から、半導体レーザにはより長波長で高出力のものが求められる。
【０００６】
そこで、本発明は長波長で高出力のレーザ発振可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、Ｇａ、Ａｓ及びＳｂを含む第１の半導体層と、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓを含む第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備え、上記第２の半導体層の伝導帯の電子と上記第１の半導体層の価電子帯のホールとを再結合させる半導体レーザ素子であって、
上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層の少なくとも一方にＮを含むことを特徴とする。
このように構成された本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層のいずれか１つにＮを含むことにより、上記第２の半導体層の伝導帯の下端と上記第１の半導体層の価電子帯の上端との間のギャップを小さくでき、長波長化が図れる（Ｎを含むことによる直接的な効果）。
また、本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層のいずれか１つにＮを含んでいるので、上記第１と第２の半導体層の結晶性を悪化させることなく、第１の半導体層のＳｂの含有量を多くでき、出力を減少させることなく長波長化が可能となる（Ｎを含むことによる間接的な効果）。
【０００８】
また、本発明に係る第１の半導体レーザ素子では、より長波長化が図れるように、上記第１の半導体層及び上記第２の半導体層の両方の層にＮを含有させることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る第２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層と、上記第１の半導体層の伝導帯下端準位より高い伝導帯下端準位と上記第１の半導体層の価電子帯上端準位より低い価電子帯上端準位とを有する第２の半導体層が交互に積層された量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ素子において、前記第１の半導体層は、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含んでなることを特徴とする。
このように構成された本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層がＮを含んでいるので、上記第１の半導体層のバンドギャップを小さくでき、長波長化が図れる。
また、本発明に係る第１の半導体レーザ素子は、上記第１の半導体層がＮを含んでいるので、上記第１と第２の半導体層の結晶性を悪化させることなく、第１の半導体層のＳｂの含有量を多くでき、出力を減少させることなく長波長化が可能となる。
【００１０】
また、本発明に係る第２の半導体レーザ素子では、上記第２の半導体層は、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰからなることが好ましい。
【００１１】
さらに、本発明に係る第１と第２の半導体レーザ素子は、上記活性層と格子整合が容易なＩｎＰ基板を用いて構成されることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態１．
本実施の形態１の半導体レーザ素子は、図１に示すように、裏面に負電極８が形成されたｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３、後述の活性層４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７及び正電極９が順番に形成され、活性層４が以下のように構成されたことを特徴としている。
【００１３】
（活性層４の基本構成）
本実施の形態１の半導体レーザ素子において、活性層４は、ＧａＡｓＳｂＮからなる第１の半導体層４ａとＧａＩｎＡｓＮからなる第２の半導体層４ｂとが交互に積層された多重量子井戸構造を有しており、その活性層４において、それぞれｎ型ＩｎＰクラッド層２及びｐ型ＩｎＰクラッド層６等を介して注入される第２の半導体層４ｂの伝導帯の電子と第１の半導体層４ａの価電子帯のホールとを再結合させることにより発光させるものである。
【００１４】
ここで、本発明において、ＧａＡｓＳｂＮからなる第１の半導体層４ａとは、主要な構成元素としてＧａ、Ｉｎ及びＡｓを含みさらにＮを含む半導体層であり、好ましくは一般式ＧａＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）からなる層である。
また、ＧａＩｎＡｓＮからなる第２の半導体層４ｂとは、主要な構成元素としてＧａ、Ｉｎ及びＡｓを含みさらにＮを含む半導体層であり、好ましくは、一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる層である。
【００１５】
そして、本実施の形態１において、第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂの組成（組成比）は、第２の半導体層４ｂの伝導帯の電子と第１の半導体層４ａの価電子帯のホールとが再結合するように設定される。
具体的には、図２のエネルギーバンド図に示すように、第１の半導体層４ａの伝導帯の下端を第１の伝導帯下端準位１１とし、第１の半導体層４ａの価電子帯の上端を第１の価電子帯上端準位１２としたときに、第２の半導体層４ｂの伝導帯の下端である第２の伝導帯下端準位２１が第１の伝導帯下端準位１１より低くなるように、かつ第２の半導体層４ｂの価電子帯の上端である第２の価電子帯上端準位２２が第１の価電子帯上端準位１２より低くなるように第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂの組成（組成比）は設定される。
このように活性層の組成比が設定された実施の形態１の半導体レーザ素子は、所定の閾値以上の電圧電流下において、第２の半導体層４ｂの伝導帯の電子と第１の半導体層４ａの価電子帯のホールとを再結合させることによりレーザ発振させることができる。
【００１６】
（活性層４の詳細）
以下、本実施の形態１の半導体レーザ素子における活性層４についてより詳細に説明する。
本実施の形態１において、活性層４は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層２及びｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層３を成長させた後、例えば、固体ソースＭＢＥ法（固体源を用いた分子線エピタキシー法）により、第１の半導体層４ａと第２の半導体層４ｂを所望の組成になるように交互に成長させる。
【００１７】
この際、第１の半導体層４ａの膜厚は、第１の半導体層４ａの膜厚が発光波長にも関係する（厚さが厚いほど、波長が長くなる傾向がある。）ので、その点を考慮して設定されるが、好ましくは、１０Å〜２００Å、より好ましくは、１０Å〜１００Åの範囲に設定する。
このような範囲が好ましい理由は、上記範囲に設定すると比較的長波長でかつ電子とホールの再結合確率を高く保つことが可能であるからである。
【００１８】
また、第２の半導体層４ｂの膜厚は、数十Å〜数百Åに設定するが、好ましくは、１０Å〜２００Å、より好ましくは、１０Å〜１００Åの範囲に設定する。
このような範囲が好ましい理由は、上記範囲に設定すると比較的長波長でかつ電子とホールの再結合確率を高く保つことが可能であるからである。
【００１９】
本実施の形態１の活性層４において、第１の半導体層４ａの組成（Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｎの各組成比）は、第２の半導体層４ｂとの関連において所望の発光波長が得られるように設定されるものであるが、発光波長との関連でいうと、Ｓｂ及びＮの組成比が重要となる。
すなわち、第１の半導体層４ａのＳｂ組成を増加させると、第１の半導体層４ａの第１の価電子帯上端１２の、第２の伝導帯下端準位２１（第２の半導体層４ｂの価電子帯上端）に対するギャップ差が小さくなる傾向があり、発光波長の長波長化が図れる。
このより多くのＳｂを含むことによる長波長化に対して、第１の半導体層４ａがさらに窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、Ｓｂの組成比を大きくできる。これにより、発光波長のより長波長化が可能となる（Ｎを含むことによる間接的な効果）。
また、本実施の形態１の半導体レーザ素子では、第１の半導体層４ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、第２の半導体層４ｂの伝導帯の下端と第１の半導体層４ａの価電子帯の上端の間のエネルギー差を小さくでき、これによっても長波長化が図られている（Ｎを含むことによる直接的な効果）。
以上の発光波長の長波長化と結晶性の両方を考慮して、第１の半導体層４ａの組成比は、第１の半導体層４ａを一般式ＧａＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（ｕ＜１，ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）からなる層とした場合、好ましくは、０．４＞ｕ＞１．０、より好ましくは、０．５＞ｕ＞０．７の範囲に設定する。これらの範囲が好ましい理由は、結晶性の良好な層が得られるからである。
【００２０】
本実施の形態１の活性層４において、第２の半導体層４ｂの組成（Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｎの各組成比）は、言うまでも無く、第１の半導体層４ａとの関連において所望の発光波長が得られるように設定されるものである。
尚、第２の半導体層４ｂは、一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＮ１−ｙ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる層とした場合、長波長化の点から、好ましくは、０．６＞ｘ＞０の範囲に設定し、ｙの範囲としては、好ましくは、１．０＞ｙ＞０．６の範囲に設定する。
ここで、特に、本実施の形態１では第２の半導体層４ｂが窒素（Ｎ）を含んでいるので、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、比較的幅広い範囲で第２の半導体層の組成を設定することができる。
従って、実施の形態１では、第２の半導体層４ｂが窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４ａの第１の価電子帯上端１２と第２の伝導帯下端準位２１（第２の半導体層４ｂの価電子帯上端）との間のギャップ差が小さくなるように組成を設定でき、発光波長の長波長化が図れる。
【００２１】
以上のようにして、活性層４を成長させた後、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５、ｐ型ＩｎＰクラッド層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７及び正電極９を順次形成することにより実施の形態１の半導体レーザ素子は構成される。
【００２２】
以上のように構成された本発明に係る実施の形態１の半導体レーザ素子では、第１の半導体層４ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、第２の半導体層４ｂの伝導帯の下端と第１の半導体層４ａの価電子帯の上端の間のエネルギー差を小さくでき、これによって直接的に長波長化が図れることに加え、第１の半導体層４ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、Ｓｂの組成比を大きくでき、間接的に発光波長のより長波長化が可能となる。
【００２３】
また、本実施の形態１では、Ｇａ、Ｉｎ及びＡｓを含む第２の半導体層４ｂにおいてさらに窒素（Ｎ）を含んでいるので、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの結晶性を悪化させることなく、比較的幅広い範囲で第２の半導体層の組成を設定することができる。
これによっても、発光強度を減少させることなく発光波長の長波長化が可能となる。
以上説明したように、特に、本実施の形態１の半導体レーザ素子では、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂにそれぞれ窒素（Ｎ）を含んでいるので、発光強度を減少させることなく発光波長の大幅な長波長化が可能であり、波長が３μｍ以上の半導体レーザ素子を実現できる。
【００２４】
また、本実施の形態１の半導体レーザ素子は、ＩｎＰ基板１上に、活性層４等を成長させているので、各層の格子整合が容易であり、品質の良い半導体レーザ素子を構成できる。
【００２５】
以上の実施の形態１の半導体レーザ素子に係る発明は、活性層４における第１の半導体層と第２の半導体層の積層数には限定されるものではなく、少なくとも一周期あればよい。
また、本実施の形態１では、より好ましい例として、第１の半導体層４ａ及び第２の半導体層４ｂの両方の層がＮを含むように構成したが、本発明では、いずれか一方のＮを含んでいれば，長波長化が可能である。
【００２６】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の半導体レーザ素子は、実施の形態１の半導体レーザ素子において、活性層４に換えて後述の活性層４０を備えている点以外は、実施の形態１と同様に構成される。
【００２７】
すなわち、本実施の形態２の活性層４０は、図３に示すように、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含む第１の半導体層４０ａと、第１の半導体層４０ａの伝導帯下端準位１２１より高い伝導帯下端準位１１１と第１の半導体層１２１の価電子帯上端準位１２２より低い価電子帯上端準位１１２とを有する第２の半導体層４０ｂとが交互に積層された多重量子井戸層を備えたことを特徴としている。
このように構成された実施の形態２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層４０ａの伝導帯の電子と第１の半導体層４０ａの価電子帯のホールとを再結合させてレーザ発振させる半導体レーザ素子である。
【００２８】
ここで、本発明において、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ及びＮを含む第１の半導体層４０ａとは、主要な構成元素としてＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂを含みさらにＮを含む半導体層であり、好ましくは一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（０＜ｘ＜１、０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）で表される層である。
【００２９】
本実施の形態２の活性層４０において、第１の半導体層４０ａの組成（Ｇａ、、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｎの各組成比）は、所望の発光波長が得られるように設定されるが、発光波長との関連でいうと、Ｓｂ及びＮの組成比が重要となる。
すなわち、第１の半導体層４０ａのＳｂ組成を増加させると、第１の半導体層４０ａのバンドギャップが小さくなる傾向があり、発光波長の長波長化が図れるが、第１の半導体層４０ａがさらに窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４０ａ及び第２の半導体層４０ｂの結晶性を悪化させることなく第１の半導体層４０ａのＳｂの含有量を大きくでき、発光波長のより長波長化（３μｍ以上）が可能となる（Ｎを含むことによる間接的な効果）。
また、実施の形態２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層４０ａがさらに窒素（Ｎ）を含むことにより、第１の半導体層４０ａのエネルギーギャップを小さくでき、これによってさらに長波長化が図れる（Ｎを含むことによる直接的な効果）。
【００３０】
本実施の形態２では、以上の発光波長の長波長化と結晶性の両方を考慮して、第１の半導体層４０ａを一般式ＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ１−ｕ−ｖＳｂｕＮｖ（０＜ｘ＜１、０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１，ｕ＋ｖ＜１）で表される層とした場合、各組成比は以下の範囲に設定されることが好ましい。
Ｓｂの組成ｕは、好ましくは、１．０＞ｕ＞０．８の範囲に設定する。
また、窒素の組成ｖは、好ましくは、０．５＞ｖ＞０、より好ましくは、０．２＞ｖ＞０の範囲に設定する。
さらに、Ｇａ組成ｘは、好ましくは、０．６＞ｘ＞０の範囲に設定する。
【００３１】
本実施の形態２において、第２の半導体層４０ｂは、第１の半導体層４０ａの伝導帯下端準位１２１より高い伝導帯下端準位１１１と第１の半導体層１２１の価電子帯上端準位１２２より低い価電子帯上端準位１１２とを有するものであれば良いが、好ましくは、第１の半導体層と容易に格子整合させることができ、結晶性の良い第１の半導体層４０ａ及び第２の半導体層４０ｂを形成することができるように、それぞれ４つの元素を含んでなるＡｌＧａＩｎＡｓ層またはＧａＩｎＡｓＰ層からなる層を用いる。
【００３２】
以上のように構成された実施の形態２の半導体レーザ素子は、第１の半導体層４０ａが窒素（Ｎ）を含んでいるので、第１の半導体層４０ａのＳｂの含有量を大きくでき、発光波長のより長波長化（３μｍ以上）が可能となる上に、第１の半導体層４０ａが窒素（Ｎ）を含むことにより、直接的に第１の半導体層４０ａのエネルギーギャップを小さくでき、これによってさらに長波長化が図れる。
【００３３】
以上の実施の形態１及び２では、ＩｎＰ基板を用いて半導体レーザ素子を構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、ＧａＡｓ等の他の化合物半導体基板を用いて構成してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、長波長で高出力のレーザ発振可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施の形態１の半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の半導体レーザ素子における活性層４のバンドダイアグラムの模式図である。
【図３】本発明に係る実施の形態２の半導体レーザ素子における活性層４０のバンドダイアグラムの模式図である。
【符号の説明】
１…ｎ型ＩｎＰ基板、２…ｎ型ＩｎＰクラッド層、３…ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、４，４０…活性層、４ａ，４０ａ…第１の半導体層、４ｂ，４０ｂ…第２の半導体層、５…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層、６…ｐ型ＩｎＰクラッド層、７…ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、８…負電極、９…正電極。
【図１】
2004200463.tif 000003
【図２】
2004200463.tif 000004
【図３】
2004200463.tif 000005