(57)【要約】【課題】活性層への光閉じ込め係数を低くした場合でも、簡単な構成で高出力が得られ、モード変移が起こりにくい半導体発光素子を提供する。【解決手段】ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、多重量子井戸構造を含む活性層１４と、その活性層１４を挟むＳＣＨ層１３、１５と、ＳＣＨ層１３、１５を挟むｎ型クラッド層３２およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８とを設けた半導体レーザにおいて、ｎ型クラッド層３２を、ｐ型クラッド層１８より屈折率が大きいＩｎＧａＡｓＰによって構成した。【選択図】        図３
2004153212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰからなる基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９７μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子を高出力化するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムに用いられる光信号は、長距離にわたって敷設された光ファイバ内を伝送されるので、この光信号の光源として用いられる半導体発光素子である半導体レーザの特性としては、高出力、高安定度が要求される。
【０００３】
図１２は、高出力特性が配慮された半導体レーザ１０の斜視図であり、図１３は、要部の断面模式図である。
【０００４】
図１２において、半導体レーザ１０は、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなる半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  光閉込構造）層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５が順番に積層されている。
【０００５】
なお、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されている。このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。
【０００６】
また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が設けられている。
【０００７】
良好な発振特性を得るために、活性層１４として、一つの均一物質で構成されたバルク構造の他に、図１３に示しているように、複数の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの両側に位置する複数の障壁層１４ｂとを積層したＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  多量子井戸）構造が採用されている。
【０００８】
さらに、このＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３を複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１４の上側に位置するＳＣＨ層１５を複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造としている。
【０００９】
そして、ｎ型クラッド層１２、複数の層からなるＳＣＨ層１３、ＭＱＷ構造を有した活性層１４、複数の層からなるＳＣＨ層１５、ｐ型クラッド層１８の各層についての、活性層１４で発光する光に対する屈折率ｎを、図１４に示す屈折率特性となるように設定している。
【００１０】
即ち、中央の活性層１４の屈折率が最も高く、両側の各クラッド層１２、１８の屈折率が等しく最も低くなるように設定し、ＳＣＨ層１３、１５の複数の層も段階的に変化させて、活性層１４を中心として上下対称の特性となるようにしている。
【００１１】
このような屈折率特性を有する半導体レーザ１０のｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電圧を印加すると、活性層１４で光Ｐが生起され、その生起された光Ｐが、図１２に示す半導体レーザ１０の端面２２ａ、２２ｂから外部へ出射される。
【００１２】
なお、活性層１４の屈折率が各クラッド層１２、１８の屈折率より高いことによって、活性層１４で生起した光Ｐの散逸を防ぐ光導波路が形成され、また、活性層１４と両側のクラッド層１２、１８との間にそれぞれ中間の屈折率を有するＳＣＨ層１３、１５を介在させたことにより、注入したキャリアを活性層１４の近傍に集中させることができ、キャリアと光が同時に同一領域に集中するので、発光効率が高くなる。
【００１３】
このような構造の半導体レーザ１０を高出力化するために、ＳＣＨ層１３、１５および活性層１４への光閉じ込め係数の低減が有効である。
【００１４】
ところが、ＳＣＨ層１３、１５および活性層１４への光閉じ込め係数を低減した場合、両クラッド層１２、１８内を通過する光の成分が多くなり、別の問題が発生する。
【００１５】
即ち、両クラッド層１２、１８内を通過する光の成分が多くなることに対応して両クラッド層１２、１８の厚さを増す必要があるが、ｐ型クラッド層１８は比較的電気抵抗が高いため、このｐ型クラッド層１８の厚さ増加によって素子全体の電気抵抗が増大して、高電流領域での素子の発熱量が大きくなって、光出力を低下させてしまう。
【００１６】
また、両クラッド層１２、１８のうち、ｐ型クラッド層１８内の光の分布が増加すると、価電子帯間光吸収による光損失量が増大してしまう。
【００１７】
この価電子帯間光吸収による光損失量は、ｐ型クラッド層１８のｐ型不純物濃度を小さくすることで低減することができるが、このようにｐ型不純物濃度を小さくすると、素子の電気抵抗がさらに増大してしまい、高出力が得られなくなってまう。
【００１８】
この価電子帯間吸収による光損失の問題を解決する方法として、特許文献１の欄に示した特開２０００−１７４３９４号公報には、図１５に示すように、ｎ型クラッド層１２の内部に、そのｎ型クラッド層１２より屈折率が高く、活性層１４の屈折率に近い光フィールド制御層２３を設けて、光の分布をｎ型クラッド層１２側にシフトさせ、ｐ型クラッド層１８内に分布する光の量を減らす技術が開示されている。
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−１７４３９４号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにｎ型クラッド層１２内に活性層１４に近い屈折率の光フィールド制御層２３を設けることは、その構造が複雑化するだけでなく、新たな問題が発生する。
【００２１】
即ち、上記のような光フィールド制御層２３は、活性層１４と同様の構造であるからＳＣＨ層１３から遠い位置に設けた場合、別の光導波路が形成されて光の分布が双峰特性になってしまう。
【００２２】
したがって、この光フィールド制御層２３は、ＳＣＨ層１３の近く設けなけれならないが、このような屈折率が高い光フィールド制御層２３をＳＣＨ層１３の近くに設けると、導波路全体の等価屈折率が高くなり、シングルモードから横高次モードへ変移しやすくなってしまう。
【００２３】
また、この横高次モードへの変移は、活性層１４とＳＣＨ層１３、１５を含めた領域の幅を狭くすることで防止できるが、このように活性層１４とＳＣＨ層１３、１５を含めた領域の幅を狭くすることは、素子の電気抵抗および熱抵抗の増加を招き、発光効率を却って低下させてしまう。
【００２４】
本発明は、この問題を解決し、活性層への光閉じ込め係数を低くした場合でも、簡単な構成で高出力が得られ、モード変移が起こりにくい半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の半導体発光素子は、
ＩｎＰからなる基板（１１）上に、多重量子井戸構造を含む活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成したことを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の請求項２の半導体発光素子は、請求項１の半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９７μｍ以下であることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明を適用した半導体レーザ３０の全体の構成を示し、図２は要部の断面の構造を示している。なお、この半導体レーザ３０の構成において、前記従来の半導体レーザ１０と同一部分には、同一符号を付して説明する。
【００２８】
この半導体レーザ３０では、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５が順番に積層されている。なお、ｎ型クラッド層３２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されており、このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。
【００２９】
また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が設けられている。
【００３０】
活性層１４として、図２に示すように、４層の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの両側に位置する５層の障壁層１４ｂとを積層した４層のＭＱＷ（多重量子井戸）構造が採用されている。この４層のＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３を複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１４の上側に位置するＳＣＨ層１５を複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造としている。
【００３１】
図２に示しているように、活性層１４における障壁層１４ｂの屈折率をｎｓ、ｎ型クラッド層３２の屈折率をｎａ、ｐ型クラッド層１８の屈折率をｎｂとする。また、ＳＣＨ層１３を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃの屈折率および厚さをそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｔ１、ｔ２、ｔ３とし、同様に、ＳＣＨ層１５を構成する各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの屈折率および厚さをそれぞれ１、ｎ２、ｎ３、ｔ１、ｔ２、ｔ３とする。
【００３２】
そして、各屈折率の大小関係は、次のように、活性層１４から遠ざかる程小さくなるように設定され、且つ、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎｂより高い。
【００３３】
ｎｓ＞ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎａ＞ｎｂ
【００３４】
さらに、この半導体レーザ３０においては、図３に示すように、各ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１４からクラッド層３２、１８へ向かう程小さくなるように設定されている。
【００３５】
即ち、
ｎｓ−ｎ１＞ｎ１−ｎ２＞ｎ２−ｎ３＞ｎ３−ｎｂ＞ｎ３−ｎａ
となるように設定されている。
【００３６】
また、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃの厚みｔ１、ｔ２、ｔ３は等しく設定されている。
【００３７】
このように構成された半導体レーザ３０では、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電圧を印加すると、活性層１４で光Ｐが生起され、その光Ｐが図１に示した半導体レーザ３０の端面２２ａ、２２ｂから外部へ出射される。
【００３８】
この場合、図３の屈折率特性に示したように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１４から各クラッド層３２、１８へ向かう程小さくなるように設定されているので、ＳＣＨ層１３、１５内における活性層１４の近傍領域の屈折率の高い領域においては屈折率が急激に低下し、両クラッド層の近傍領域の屈折率低い領域においては、屈折率が緩慢に低下する。
【００３９】
このため、光導波路内で光の集中度を緩和する、即ち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下する。
【００４０】
また、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎｂより高いので、図４に示しているように、光の分布が、両クラッド層を同一屈折率にしたときの対称な特性Ａ′に対して、特性Ａのようにｎ型クラッド層３２側に偏って分布する。
【００４１】
このため、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層１８における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力なレーザ光を得ることができる。
【００４２】
また、活性層１４とｎ型クラッド層３２との屈折率差が従来のものより小さくなるので、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅も拡大することができ、レーザの高出力化にさらに有利となる。
【００４３】
また、前記したようにｎ型クラッド層内に屈折率の高い光フィールド層を設けたものより、構造が簡単で、活性層１３の幅を拡大でき、それにより、素子抵抗値の増加による光出力の低下も防止できる。
【００４４】
また、ｐ型クラッド層１８の厚さを増加させる必要がなく、素子抵抗値の増加による光出力の低下を招く恐れもない。
【００４５】
なお、ここでは、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光の閉じ込め係数を低減するための一つの方法として、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が活性層１４から遠くなる程小さくなるように設定し、各層の厚さを等しくしていたが、図５に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差を等しくし、各層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃの厚みｔ１、ｔ２、ｔ３を活性層１４から遠いものほど大きくなるように設定してもよい。
【００４６】
即ち、
ｎｓ−ｎ１＝ｎ１−ｎ２＝ｎ２−ｎ３＝ｎ３−ｎｂ  ＞ｎ３−ｎａ
ｔ１＜ｔ２＜ｔ３
となるように設定してもよい。
【００４７】
また、図６に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が活性層１４から遠くなる程小さくなり、しかも、各層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃの厚みｔ１、ｔ２、ｔ３を活性層１４から遠いものほど大きくなるように設定してもよい。
【００４８】
即ち、
ｎｓ−ｎ１＞ｎ１−ｎ２＞ｎ２−ｎ３＞ｎ３−ｎｂ＞ｎ３−ｎａ
ｔ１＜ｔ２＜ｔ３
となるように設定してもよい。
【００４９】
上記図５、図６のように屈折率特性を設定した場合でも、ＳＣＨ層１３、１５内における活性層１４の近傍領域の屈折率の高い領域においては屈折率が急激に低下し、両クラッド層の近傍領域の屈折率低い領域においては、屈折率が緩慢に低下する。
【００５０】
このため、光導波路内で光の集中度を緩和する、即ち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下する。
【００５１】
また、いずれの場合においても、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎｂより高いので、光の分布が前記図４で示したように、ｎ型クラッド層３２側に偏る。
【００５２】
このため、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層１８における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力なレーザ光を得ることができる。
【００５３】
次に、上記した図６の構成の半導体レーザの各部の屈折率、厚さについて具体的な数値例とその特性を示す。
【００５４】
共振器長２．３ｍｍ、端面の一方がＨＲ膜、他方がＬＲ膜、活性層幅４．０μｍとする。
【００５５】
また、各屈折率を組成波長で表し、以下のように設定した。なお、ｐ型クラッド層１８は組成が決まっているＩｎＰによって構成されているので、その組成波長ｎｂは一義的に０．９２５μｍとなる。
ｎｓ＝１．２μｍ
ｎ１＝１．１５μｍ
ｎ２＝１．０８μｍ
ｎ３＝０．９９μｍ
ｎａ＝０．９５μｍ
【００５６】
また、各層の厚さを以下のように設定した。
ｔ１＝３．０ｎｍ
ｔ２＝８．０ｎｍ
ｔ３＝２５ｎｍ
【００５７】
また、ｎ型クラッド層３２の厚さは約７．５μｍとしているが、４元素であるＩｎＧａＡｓＰを格子間間隔を合わせてこのような大きな厚さに形成することは通常は困難であり、特に組成波長０．９５μｍの場合、ＧａとＡｓの割合がＩｎやＰに対して微量となってさらに困難さが増すが、希釈原料の導入や各ガスの流量と成長速度の制御によってこれを実現している。
【００５８】
以下、その製造工程の一例を説明する。
先ず始めに、不純物濃度１〜２×１０１８／ｃｍ３のｎ型ＩｎＰの半導体基板１１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、層厚が７．５μｍで不純物濃度が１〜２×１０１８／ｃｍ３、組成波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２を形成する。
【００５９】
次いで、組成波長が０．９９μｍ、１．０８μｍ、１．１５μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ２５ｎｍ、８ｎｍ、３ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１３を形成する。
【００６０】
そして、ＳＣＨ層１３の上に、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１４ａとＩｎＧａＡｓＰの障壁層１４ｂを交互に成長し、井戸層数４の多重量子井戸構造の活性層１４を形成する。
【００６１】
次に、活性層１４の上に、組成波長が１．１５μｍ、１．０８μｍ、０．９９μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ３ｎｍ、８ｎｍ、２５ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１５を形成する。
【００６２】
そして、ＳＣＨ層１５の上に不純物濃度が５〜７×１０１７／ｃｍ３で厚さ０．５μｍのＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を成長する。
【００６３】
その後、プラズマＣＶＤ法等により全面にＳｉＮｘ膜を数１０ｎｍ程度堆積し、これをフォトリソグラフィ工程で幅７μｍ程度のストライプ状に形成したものをエッチングマスクとして、塩酸、過酸化水素水、水の混合液からなるエッチング溶液に浸し、メサ形状を形成する。これにより活性層部分の幅はおよそ４μｍとなる。
【００６４】
続いて、前記ＳｉＮｘ膜を成長阻害マスクに利用して、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＩｎＰの下部埋込層１６、ｎ型ＩｎＰの上部埋込層１７を積層して、メサ両側部を埋め込んだ後、ＳｉＮｘ膜を除去する。
【００６５】
その後全面に不純物濃度５〜７×１０１７／ｃｍ３のＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の上層部を２．５μｍ成長し、さらに、不純物濃度５×１０１８／ｃｍ３程度のＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層１９を０．３μｍ成長する。
【００６６】
そして、ｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極２０を形成し、半導体基板１１の下側にｎ電極２１を形成した後、長さ２．３ｍｍで切り出し、前端面にＬＲ膜、後端面にＨＲ膜を施し、レーザ構造とする。
【００６７】
上記のように構成された半導体レーザの電流対出力の特性を図７に示す。
図７において、特性Ｆは上記数値例の半導体レーザの特性であり、特性Ｆ′はｎ型クラッド層３２の代わりに屈折率がｐ型クラッド層１８と等しい従来のｎ型クラッド層１２を用いた活性層幅３．３μｍの半導体レーザの特性を示している。
【００６８】
この図７から明らかなように、特性Ｆの光出力は特性Ｆ′より大きくなっており、特に、低電流領域のスロープ効率（傾き）が格段に大きくなっており、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８より屈折率の高いＩｎＧａＡａＰからなるｎ型クラッド層３２を用いたことによる顕著な効果が現れている。また、活性層幅を広げることができたことにより、放熱効果が大となり、飽和出力の電流値が増加する。
【００６９】
また、この半導体レーザのｐ型クラッド層１８内における光閉じ込め係数は２１パーセントであり、従来構造の閉じ込め係数４２パーセントに対して大幅に低減していることが確認されている。
【００７０】
また、実際に作成した半導体レーザから見積もった内部損失の値も、従来構造のものが５〜６ｃｍ−１であるのに対し、この半導体レーザでは、３．５ｃｍ−１まで改善されている。
【００７１】
また、上記した半導体レーザは埋め込み構造のものであったが、図８に示すリッジ構造の半導体レーザについても本発明は同様に適用できる。なお、図８において、符号２４はＳｉＯ２からなる絶縁層である。
【００７２】
このようなリッジ構造の半導体レーザの場合でも、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８に対して、それより屈折率が大きいＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２を用いているので、前記同様に、光の分布をｎ型クラッド層３２側に偏らせることができ、上記同様に高出力のレーザ光が得られる。
【００７３】
また、前記した半導体レーザでは、ｎ型の半導体基板１１上に各層を形成した例を示したが、図９に示すように、ｐ型の半導体基板１１′上に各層を形成した半導体レーザにおいても、そのｎ型クラッド層３２を、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８より屈折率が高いＩｎＧａＡｓＰによって構成することで、上記同様の効果を得ることができる。
【００７４】
なお、上記した各半導体レーザでは、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの組成波長を、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の組成波長より長くしていたが、図１０に示すように、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの組成波長をＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の組成波長より短くしてもよい。
【００７５】
また、上記した半導体レーザでは、ｎ型クラッド層３２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９５μｍとしていたが、これは本発明を限定するものではない。ただし、活性層への光閉じ込め係数にもよるが、一般的な高出力レーザにおいてＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９７μｍより大きくすると、導波光はこのｎ側クラッドの影響を強く受け過ぎて、導波モードが存在できなくなるので、ｎ型クラッド層３２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長は０．９７μｍ以下にするのが望ましい。
【００７６】
また、上記した各半導体レーザでは、活性層１４の両側にＳＣＨ層１３、１５が設けられていたが、図１１に示すように、ＳＣＨ層１３、１５が設けられておらず、活性層１４の両側に両クラッド１８、３２層が隣接している半導体レーザや、外部共振器型半導体レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の半導体発光素子についても本発明を同様に適用できる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、ｎ型クラッド層を、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層より屈折率が大きいＩｎＧａＡｓＰによって構成している。
【００７８】
このため、簡単な構成で、光の分布をｎ型クラッド層側に偏らせることができ、活性層の閉じ込め係数を低くした場合でも、ｐ型クラッド層における価電子帯間吸収による光出力の低下を防止でき、高出力の光を得ることができる。
【００７９】
また、活性層とｎ型クラッド層との屈折率差が従来のものより小さくなるので、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅も拡大することができ、高出力化にさらに有利となる。
【００８０】
また、ｐ型クラッド層の厚さを増加させる必要がなく、素子抵抗値の増加による光出力の低下を招く恐れもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の斜視図
【図２】実施形態の要部の断面図
【図３】実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図４】実施形態の光の分布特性を示す図
【図５】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図６】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図７】図６の実施形態の供給電流対出力の特性を示す図
【図８】リッジ構造の半導体レーザについての実施形態を説明するための図
【図９】ｐ型基板上に構成した例を示す図
【図１０】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図１１】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図１２】従来の半導体レーザの斜視図
【図１３】従来の半導体レーザの要部断面図
【図１４】従来の半導体レーザの要部の屈折率特性を示す図
【図１５】ｎ型クラッド層内に別の層を設けた構造を示す図
【符号の説明】
１１、１１′……半導体基板、１３、１５……ＳＣＨ層、１４……活性層、１６、１７……埋込層、１８……ｐ型クラッド層、１９……ｐ型コンタクト層、２０……ｐ電極、２１……ｎ電極、２２ａ、２２ｂ……端面、３０……半導体レーザ、３２……ｎ型クラッド層
【図１】
2004153212.tif 000003
【図２】
2004153212.tif 000004
【図３】
2004153212.tif 000005
【図４】
2004153212.tif 000006
【図５】
2004153212.tif 000007
【図６】
2004153212.tif 000008
【図７】
2004153212.tif 000009
【図８】
2004153212.tif 000010
【図９】
2004153212.tif 000011
【図１０】
2004153212.tif 000012
【図１１】
2004153212.tif 000013
【図１２】
2004153212.tif 000014
【図１３】
2004153212.tif 000015
【図１４】
2004153212.tif 000016
【図１５】
2004153212.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成15年9月3日(2003.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】ＩｎＰからなる基板（１１）上に、活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成したことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９７μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】ＩｎＰからなる基板（１１）上に、活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層の屈折率が前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高いことを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子を高出力化するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムに用いられる光信号は、長距離にわたって敷設された光ファイバ内を伝送されるので、この光信号の光源として用いられる半導体発光素子である半導体レーザの特性としては、高出力、高安定度が要求される。
【０００３】
図１２は、高出力特性が配慮された半導体レーザ１０の斜視図であり、図１３は、要部の断面模式図である。
【０００４】
図１２において、半導体レーザ１０は、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなる半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型クラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  光閉込構造）層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５が順番に積層されている。
【０００５】
なお、ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されている。このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。
【０００６】
また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が設けられている。
【０００７】
良好な発振特性を得るために、活性層１４として、一つの均一物質で構成されたバルク構造の他に、図１３に示しているように、複数の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの両側に位置する複数の障壁層１４ｂとを積層したＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  多量子井戸）構造が採用されている。
【０００８】
さらに、このＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３を複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１４の上側に位置するＳＣＨ層１５を複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造としている。
【０００９】
そして、ｎ型クラッド層１２、複数の層からなるＳＣＨ層１３、ＭＱＷ構造を有した活性層１４、複数の層からなるＳＣＨ層１５、ｐ型クラッド層１８の各層についての、活性層１４で発光する光に対する屈折率ｎを、図１４に示す屈折率特性となるように設定している。
【００１０】
即ち、中央の活性層１４の屈折率が最も高く、両側の各クラッド層１２、１８の屈折率が等しく最も低くなるように設定し、ＳＣＨ層１３、１５の複数の層も段階的に変化させて、活性層１４を中心として上下対称の特性となるようにしている。
【００１１】
このような屈折率特性を有する半導体レーザ１０のｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電圧を印加すると、活性層１４で光Ｐが生起され、その生起された光Ｐが、図１２に示す半導体レーザ１０の端面２２ａ、２２ｂから外部へ出射される。
【００１２】
なお、活性層１４の屈折率が各クラッド層１２、１８の屈折率より高いことによって、活性層１４で生起した光Ｐの散逸を防ぐ光導波路が形成され、また、活性層１４と両側のクラッド層１２、１８との間にそれぞれ中間の屈折率を有するＳＣＨ層１３、１５を介在させたことにより、注入したキャリアを活性層１４の近傍に集中させることができ、キャリアと光が同時に同一領域に集中するので、発光効率が高くなる。
【００１３】
このような構造の半導体レーザ１０を高出力化するために、ＳＣＨ層１３、１５および活性層１４への光閉じ込め係数の低減が有効である。
【００１４】
ところが、ＳＣＨ層１３、１５および活性層１４への光閉じ込め係数を低減した場合、両クラッド層１２、１８内を通過する光の成分が多くなり、別の問題が発生する。
【００１５】
即ち、両クラッド層１２、１８内を通過する光の成分が多くなることに対応して両クラッド層１２、１８の厚さを増す必要があるが、ｐ型クラッド層１８は比較的電気抵抗が高いため、このｐ型クラッド層１８の厚さ増加によって素子全体の電気抵抗が増大して、高電流領域での素子の発熱量が大きくなって、光出力を低下させてしまう。
【００１６】
また、両クラッド層１２、１８のうち、ｐ型クラッド層１８内の光の分布が増加すると、価電子帯間光吸収による光損失量が増大してしまう。
【００１７】
この価電子帯間光吸収による光損失量は、ｐ型クラッド層１８のｐ型不純物濃度を小さくすることで低減することができるが、このようにｐ型不純物濃度を小さくすると、素子の電気抵抗がさらに増大してしまい、高出力が得られなくなってまう。
【００１８】
この価電子帯間吸収による光損失の問題を解決する方法として、特許文献１の欄に示した特開２０００−１７４３９４号公報には、図１５に示すように、ｎ型クラッド層１２の内部に、そのｎ型クラッド層１２より屈折率が高く、活性層１４の屈折率に近い光フィールド制御層２３を設けて、光の分布をｎ型クラッド層１２側にシフトさせ、ｐ型クラッド層１８内に分布する光の量を減らす技術が開示されている。
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−１７４３９４号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにｎ型クラッド層１２内に活性層１４に近い屈折率の光フィールド制御層２３を設けることは、その構造が複雑化するだけでなく、新たな問題が発生する。
【００２１】
即ち、上記のような光フィールド制御層２３は、活性層１４と同様の構造であるからＳＣＨ層１３から遠い位置に設けた場合、別の光導波路が形成されて光の分布が双峰特性になってしまう。
【００２２】
したがって、この光フィールド制御層２３は、ＳＣＨ層１３の近く設けなけれならないが、このような屈折率が高い光フィールド制御層２３をＳＣＨ層１３の近くに設けると、導波路全体の等価屈折率が高くなり、シングルモードから横高次モードへ変移しやすくなってしまう。
【００２３】
また、この横高次モードへの変移は、活性層１４とＳＣＨ層１３、１５を含めた領域の幅を狭くすることで防止できるが、このように活性層１４とＳＣＨ層１３、１５を含めた領域の幅を狭くすることは、素子の電気抵抗および熱抵抗の増加を招き、発光効率を却って低下させてしまう。
【００２４】
本発明は、この問題を解決し、活性層への光閉じ込め係数を低くした場合でも、簡単な構成で高出力が得られ、モード変移が起こりにくい半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の半導体発光素子は、
ＩｎＰからなる基板（１１）上に、活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成したことを特徴としている。
【００２６】
また、本発明の請求項２の半導体発光素子は、請求項１の半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９７μｍ以下であることを特徴としている。
【００２７】
また、本発明の請求項３の半導体発光素子は、
ＩｎＰからなる基板（１１）上に、活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層の屈折率が前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高いことを特徴としている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明を適用した半導体レーザ３０の全体の構成を示し、図２は要部の断面の構造を示している。なお、この半導体レーザ３０の構成において、前記従来の半導体レーザ１０と同一部分には、同一符号を付して説明する。
【００２９】
この半導体レーザ３０では、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５が順番に積層されている。なお、ｎ型クラッド層３２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されており、このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。
【００３０】
また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が設けられている。
【００３１】
活性層１４として、図２に示すように、４層の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの両側に位置する５層の障壁層１４ｂとを積層した４層のＭＱＷ（多重量子井戸）構造が採用されている。この４層のＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３を複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１４の上側に位置するＳＣＨ層１５を複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造としている。
【００３２】
図２に示しているように、活性層１４における障壁層１４ｂの屈折率をｎｓ、ｎ型クラッド層３２の屈折率をｎａ、ｐ型クラッド層１８の屈折率をｎｂとする。また、ＳＣＨ層１３を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃの屈折率および厚さをそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｔ１、ｔ２、ｔ３とし、同様に、ＳＣＨ層１５を構成する各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの屈折率および厚さをそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、ｔ１、ｔ２、ｔ３とする。
【００３３】
そして、各屈折率の大小関係は、次のように、活性層１４から遠ざかる程小さくなるように設定され、且つ、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎｂより高い。
【００３４】
ｎｓ＞ｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎａ＞ｎｂ
【００３５】
さらに、この半導体レーザ３０においては、図３に示すように、各ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１４からクラッド層３２、１８へ向かう程小さくなるように設定されている。
【００３６】
即ち、
ｎｓ−ｎ１＞ｎ１−ｎ２＞ｎ２−ｎ３＞ｎ３−ｎｂ＞ｎ３−ｎａ
となるように設定されている。
【００３７】
また、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃの厚みｔ１、ｔ２、ｔ３は等しく設定されている。
【００３８】
このように構成された半導体レーザ３０では、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電圧を印加すると、活性層１４で光Ｐが生起され、その光Ｐが図１に示した半導体レーザ３０の端面２２ａ、２２ｂから外部へ出射される。
【００３９】
この場合、図３の屈折率特性に示したように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１４から各クラッド層３２、１８へ向かう程小さくなるように設定されているので、ＳＣＨ層１３、１５内における活性層１４の近傍領域の屈折率の高い領域においては屈折率が急激に低下し、両クラッド層の近傍領域の屈折率低い領域においては、屈折率が緩慢に低下する。
【００４０】
このため、光導波路内で光の集中度を緩和する、即ち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下する。
【００４１】
また、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎｂより高いので、図４に示しているように、光の分布が、両クラッド層を同一屈折率にしたときの対称な特性Ａ′に対して、特性Ａのようにｎ型クラッド層３２側に偏って分布する。
【００４２】
このため、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層１８における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力なレーザ光を得ることができる。
【００４３】
また、活性層１４とｎ型クラッド層３２との屈折率差が従来のものより小さくなるので、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅も拡大することができ、レーザの高出力化にさらに有利となる。
【００４４】
また、前記したようにｎ型クラッド層内に屈折率の高い光フィールド層を設けたものより、構造が簡単で、活性層１３の幅を拡大でき、それにより、素子抵抗値の増加による光出力の低下も防止できる。
【００４５】
また、ｐ型クラッド層１８の厚さを増加させる必要がなく、素子抵抗値の増加による光出力の低下を招く恐れもない。
【００４６】
なお、ここでは、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光の閉じ込め係数を低減するための一つの方法として、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が活性層１４から遠くなる程小さくなるように設定し、各層の厚さを等しくしていたが、図５に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差を等しくし、各層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃの厚みｔ１、ｔ２、ｔ３を活性層１４から遠いものほど大きくなるように設定してもよい。
【００４７】
即ち、
ｎｓ−ｎ１＝ｎ１−ｎ２＝ｎ２−ｎ３＝ｎ３−ｎｂ  ＞ｎ３−ｎａ
ｔ１＜ｔ２＜ｔ３
となるように設定してもよい。
【００４８】
また、図６に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が活性層１４から遠くなる程小さくなり、しかも、各層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃの厚みｔ１、ｔ２、ｔ３を活性層１４から遠いものほど大きくなるように設定してもよい。
【００４９】
即ち、
ｎｓ−ｎ１＞ｎ１−ｎ２＞ｎ２−ｎ３＞ｎ３−ｎｂ＞ｎ３−ｎａ
ｔ１＜ｔ２＜ｔ３
となるように設定してもよい。
【００５０】
上記図５、図６のように屈折率特性を設定した場合でも、ＳＣＨ層１３、１５内における活性層１４の近傍領域の屈折率の高い領域においては屈折率が急激に低下し、両クラッド層の近傍領域の屈折率低い領域においては、屈折率が緩慢に低下する。
【００５１】
このため、光導波路内で光の集中度を緩和する、即ち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下する。
【００５２】
また、いずれの場合においても、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の屈折率ｎａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎｂより高いので、光の分布が前記図４で示したように、ｎ型クラッド層３２側に偏る。
【００５３】
このため、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層１８における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力なレーザ光を得ることができる。
【００５４】
次に、上記した図６の構成の半導体レーザの各部の屈折率、厚さについて具体的な数値例とその特性を示す。
【００５５】
共振器長２．３ｍｍ、端面の一方がＨＲ膜、他方がＬＲ膜、活性層幅４．０μｍとする。
【００５６】
また、各屈折率を組成波長で表し、以下のように設定した。なお、ｐ型クラッド層１８は組成が決まっているＩｎＰによって構成されているので、その組成波長ｎｂは一義的に０．９２５μｍとなる。
ｎｓ＝１．２μｍ
ｎ１＝１．１５μｍ
ｎ２＝１．０８μｍ
ｎ３＝０．９９μｍ
ｎａ＝０．９５μｍ
【００５７】
また、各層の厚さを以下のように設定した。
ｔ１＝３．０ｎｍ
ｔ２＝８．０ｎｍ
ｔ３＝２５ｎｍ
【００５８】
また、ｎ型クラッド層３２の厚さは約７．５μｍとしているが、４元素であるＩｎＧａＡｓＰを格子間間隔を合わせてこのような大きな厚さに形成することは通常は困難であり、特に組成波長０．９５μｍの場合、ＧａとＡｓの割合がＩｎやＰに対して微量となってさらに困難さが増すが、希釈原料の導入や各ガスの流量と成長速度の制御によってこれを実現している。
【００５９】
以下、その製造工程の一例を説明する。
先ず始めに、不純物濃度１〜２×１０１８／ｃｍ３のｎ型ＩｎＰの半導体基板１１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、層厚が７．５μｍで不純物濃度が１〜２×１０１８／ｃｍ３、組成波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２を形成する。
【００６０】
次いで、組成波長が０．９９μｍ、１．０８μｍ、１．１５μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ２５ｎｍ、８ｎｍ、３ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１３を形成する。
【００６１】
そして、ＳＣＨ層１３の上に、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１４ａとＩｎＧａＡｓＰの障壁層１４ｂを交互に成長し、井戸層数４の多重量子井戸構造の活性層１４を形成する。
【００６２】
次に、活性層１４の上に、組成波長が１．１５μｍ、１．０８μｍ、０．９９μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ３ｎｍ、８ｎｍ、２５ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１５を形成する。
【００６３】
そして、ＳＣＨ層１５の上に不純物濃度が５〜７×１０１７／ｃｍ３で厚さ０．５μｍのＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を成長する。
【００６４】
その後、プラズマＣＶＤ法等により全面にＳｉＮｘ膜を数１０ｎｍ程度堆積し、これをフォトリソグラフィ工程で幅７μｍ程度のストライプ状に形成したものをエッチングマスクとして、塩酸、過酸化水素水、水の混合液からなるエッチング溶液に浸し、メサ形状を形成する。これにより活性層部分の幅はおよそ４μｍとなる。
【００６５】
続いて、前記ＳｉＮｘ膜を成長阻害マスクに利用して、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＩｎＰの下部埋込層１６、ｎ型ＩｎＰの上部埋込層１７を積層して、メサ両側部を埋め込んだ後、ＳｉＮｘ膜を除去する。
【００６６】
その後全面に不純物濃度５〜７×１０１７／ｃｍ３のＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の上層部を２．５μｍ成長し、さらに、不純物濃度５×１０１８／ｃｍ３程度のＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層１９を０．３μｍ成長する。
【００６７】
そして、ｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極２０を形成し、半導体基板１１の下側にｎ電極２１を形成した後、長さ２．３ｍｍで切り出し、前端面にＬＲ膜、後端面にＨＲ膜を施し、レーザ構造とする。
【００６８】
上記のように構成された半導体レーザの電流対出力の特性を図７に示す。
図７において、特性Ｆは上記数値例の半導体レーザの特性であり、特性Ｆ′はｎ型クラッド層３２の代わりに屈折率がｐ型クラッド層１８と等しい従来のｎ型クラッド層１２を用いた活性層幅３．３μｍの半導体レーザの特性を示している。
【００６９】
この図７から明らかなように、特性Ｆの光出力は特性Ｆ′より大きくなっており、特に、低電流領域のスロープ効率（傾き）が格段に大きくなっており、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８より屈折率の高いＩｎＧａＡａＰからなるｎ型クラッド層３２を用いたことによる顕著な効果が現れている。また、活性層幅を広げることができたことにより、放熱効果が大となり、飽和出力の電流値が増加する。
【００７０】
また、この半導体レーザのｐ型クラッド層１８内における光閉じ込め係数は２１パーセントであり、従来構造の閉じ込め係数４２パーセントに対して大幅に低減していることが確認されている。
【００７１】
また、実際に作成した半導体レーザから見積もった内部損失の値も、従来構造のものが５〜６ｃｍ−１であるのに対し、この半導体レーザでは、３．５ｃｍ−１まで改善されている。
【００７２】
また、上記した半導体レーザは埋め込み構造のものであったが、図８に示すリッジ構造の半導体レーザについても本発明は同様に適用できる。なお、図８において、符号２４はＳｉＯ２からなる絶縁層である。
【００７３】
このようなリッジ構造の半導体レーザの場合でも、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８に対して、それより屈折率が大きいＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２を用いているので、前記同様に、光の分布をｎ型クラッド層３２側に偏らせることができ、上記同様に高出力のレーザ光が得られる。
【００７４】
また、前記した半導体レーザでは、ｎ型の半導体基板１１上に各層を形成した例を示したが、図９に示すように、ｐ型の半導体基板１１′上に各層を形成した半導体レーザにおいても、そのｎ型クラッド層３２を、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８より屈折率が高いＩｎＧａＡｓＰによって構成することで、上記同様の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、上記した各半導体レーザでは、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの組成波長を、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の組成波長より長くしていたが、図１０に示すように、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの組成波長をＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層３２の組成波長より短くしてもよい。
【００７６】
また、上記した半導体レーザでは、ｎ型クラッド層３２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９５μｍとしていたが、これは本発明を限定するものではない。ただし、活性層への光閉じ込め係数にもよるが、一般的な高出力レーザにおいてＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９７μｍより大きくすると、導波光はこのｎ側クラッドの影響を強く受け過ぎて、導波モードが存在できなくなるので、ｎ型クラッド層３２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長は０．９７μｍ以下にするのが望ましい。
【００７７】
また、上記した各半導体レーザでは、活性層１４の両側にＳＣＨ層１３、１５が設けられていたが、図１１に示すように、ＳＣＨ層１３、１５が設けられておらず、活性層１４の両側に両クラッド１８、３２層が隣接している半導体レーザや、外部共振器型半導体レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の半導体発光素子についても本発明を同様に適用できる。
【００７８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体発光素子は、ｎ型クラッド層を、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層より屈折率が大きいＩｎＧａＡｓＰによって構成している。
【００７９】
このため、簡単な構成で、光の分布をｎ型クラッド層側に偏らせることができ、活性層の閉じ込め係数を低くした場合でも、ｐ型クラッド層における価電子帯間吸収による光出力の低下を防止でき、高出力の光を得ることができる。
【００８０】
また、活性層とｎ型クラッド層との屈折率差が従来のものより小さくなるので、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅も拡大することができ、高出力化にさらに有利となる。
【００８１】
また、ｐ型クラッド層の厚さを増加させる必要がなく、素子抵抗値の増加による光出力の低下を招く恐れもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の斜視図
【図２】実施形態の要部の断面図
【図３】実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図４】実施形態の光の分布特性を示す図
【図５】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図６】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図７】図６の実施形態の供給電流対出力の特性を示す図
【図８】リッジ構造の半導体レーザについての実施形態を説明するための図
【図９】ｐ型基板上に構成した例を示す図
【図１０】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図１１】他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図
【図１２】従来の半導体レーザの斜視図
【図１３】従来の半導体レーザの要部断面図
【図１４】従来の半導体レーザの要部の屈折率特性を示す図
【図１５】ｎ型クラッド層内に別の層を設けた構造を示す図
【符号の説明】
１１、１１′……半導体基板、１３、１５……ＳＣＨ層、１４……活性層、１６、１７……埋込層、１８……ｐ型クラッド層、１９……ｐ型コンタクト層、２０……ｐ電極、２１……ｎ電極、２２ａ、２２ｂ……端面、３０……半導体レーザ、３２……ｎ型クラッド層


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2004153212.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成15年12月15日(2003.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰからなる基板（１１）上に、活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、且つ前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くしたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９７μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層とｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の間に、屈折率が各クラッド層に近づく程段階的に小さくなる多層構造の光閉込層（１３、１５）が設けられ、
前記光閉込層の各層の屈折率と厚さによって決まる階段状の特性の変化が、前記活性層に近い程ほど急で、前記両クラッド層に近い程緩慢となるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体発光素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の半導体発光素子は、
ＩｎＰからなる基板（１１）上に、活性層（１４）と、該活性層を挟むｎ型クラッド層（３２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１８）を設けた半導体発光素子において、
前記ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成し、且つ前記活性層で生起された光を前記ｎ型クラッド層側に偏って分布させ、前記ｐ型クラッド層内における価電子帯間吸収を低減させるように、前記ｎ型クラッド層の屈折率を前記ｐ型クラッド層の屈折率よりも高くしたことを特徴としている。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
また、本発明の請求項３の半導体発光素子は、請求項１または請求項２の半導体発光素子において、
前記活性層とｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層の間に、屈折率が各クラッド層に近づく程段階的に小さくなる多層構造の光閉込層（１３、１５）が設けられ、
前記光閉込層の各層の屈折率と厚さによって決まる階段状の特性の変化が、前記活性層に近い程ほど急で、前記両クラッド層に近い程緩慢となるように形成されていることを特徴としている。