(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下である半導体レーザ装置において、
第１導電型のＧａＡｓ基板と、
上記ＧａＡｓ基板上に形成された第１導電型の下クラッド層と、
上記下クラッド層上に形成された第１導電型の下ガイド層と、
上記下ガイド層上に形成され、量子井戸構造を持つ活性層と、
上記活性層上に形成された第２導電型の上ガイド層と、
上記上ガイド層上に形成された第２導電型の上クラッド層と
を備え、
上記活性層は、
井戸層と、
上記井戸層を挟むと共に、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むIII−Ｖ族化合物半導体バリア層と、
上記井戸層と、上記ＧａＡｓ基板側の上記バリア層との間に設けられていると共に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むIII−Ｖ族化合物半導体中間層と
を有し、
上記活性層はＡｌを含まないことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記III−Ｖ族化合物半導体中間層はＧａＡｓからなることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記III−Ｖ族化合物半導体中間層の厚さは０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層がＧａＩｎＡｓＰからなり、
上記井戸層がＧａＩｎＡｓからなり、
上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層のIII族元素におけるＩｎの割合が、上記井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合よりも大きく、
上記井戸層の井戸幅が６ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
上記井戸層の井戸幅が４ｎｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項４に記載の半導体レーザ装置において、
上記ガイド層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．３）からなることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層を形成した後、上記井戸層を形成する前に、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層をＭＯＣＶＤ法により形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体レーザ装置を備えたことを特徴とする空間光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置、半導体レーザ装置の製造方法および空間光伝送システム
に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｒＤＡ（Infrared Data Association；国際赤外線データ通信協会）に代表される赤外線を用いた空間光伝送は、現在広く用いられており、携帯端末とパーソナルコンピュータとの間で、住所録やスケジュール表、写真データなどのデータを、電気配線をつなげることなく、簡便に伝送することが出来るという利便性から、今後更に広く普及することが見込まれる。
【０００３】
近年、データ容量の増大により、伝送速度は、１Ｍｂｐｓから４Ｍｂｐｓ，１６Ｍｂｐｓへと増大の一途をたどっている。今後、伝送データが高品質写真データ、動画データになって、更にデータ容量が増大すると考えられているため、伝送速度を更に高速化することの要求が高まってきている。
【０００４】
また、一般に、伝送速度を速くすると、伝送距離が短くなってしまうが、長い伝送距離をより速い伝送速度で伝送する要求も高まっている。
【０００５】
現在、ＩｒＤＡなどの空間光伝送システムでは、伝送速度の高速化や、伝送距離の長距離化に伴い、使用する光源の光出力を高出力にする必要がある。
【０００６】
そして、ここ最近、ＬＤ（レーザダイオード）を空間光伝送システムの光源として用いる試みが行われ始めている。空間光伝送システムにおける伝送速度の高速化、伝送距離の長距離化のためには、ＬＤの高出力化が必要不可欠となる。
【０００７】
しかしながら、ＬＤの光を直接空間へ放射する場合、ＬＤの光は空間的なコヒーレンシが高いという特徴から、ＬＤの光が眼に入ると網膜に集光し、網膜上での光密度が非常に大きくなり、眼球が損傷する危険性がある。このため、ＬＤの光を空間へ放射する場合は、ＬＤの光を放射する箇所に拡散板を設置する、または、ＬＤを拡散剤の混入した樹脂でモールドするなどの措置を施し、ＬＤの光の空間的なコヒーレンシを低減させ、人の網膜上での光の結像を大きくして、網膜上での光密度を下げる必要がある。なお、上記措置は、「眼に安全な」と言う意味で「アイセーフ」と称される。
【０００８】
また、ＬＤのモールド径を大きくすると、より高出力のＬＤの光に対してもアイセーフ性が保たれる。
【０００９】
例えばサーバ用のＬＤモジュールでは、携帯端末用の小型ＬＤモジュールと比べて、より長距離でかつ高速の空間光伝送を行う必要があるため、大口径ＬＤモジュールを用い、ＬＤをより高出力化させる必要がある。
【００１０】
空間光伝送システムには発振波長８５０ｎｍ〜９００ｎｍのＬＤが用いられる。このＬＤは、ＧａＡｓを基板として用いて、活性層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓなどを用いることで製造できる。
【００１１】
ＬＤを構成する半導体材料においては、基本的に次の（１）〜（３）の条件が要求される。
【００１２】
（１）エネルギ的にキャリアを閉じ込めることができる。つまり、Ｅｇ（バンドギャップエネルギ）を自在に制御でき、また、量子井戸活性層の場合、井戸層とバリア層とで十分大きいΔＥｇ（バンドギャップエネルギの差）がある。
【００１３】
（２）光学的に光を閉じ込めることができる。つまり、屈折率を自在に制御できる。
【００１４】
（３）格子定数が基板のそれと大きく異ならない。
【００１５】
ＧａＡｓ基板を用いて、発振波長が８５０〜９００ｎｍ帯のＬＤを作製する場合、上記（１）〜（３）の条件を満足し、最も制御しやすい材料系としてはＡｌＧａＡｓ系材料が挙げられる。
【００１６】
しかしながら、上記半導体材料としてＡｌＧａＡｓを用いると、Ａｌは反応性が高く、特に酸素との結合が強いため、ＬＤの信頼性が低下し易くなる。
【００１７】
より詳しく説明すると、半導体を結晶成長する際、その半導体の結晶性が重要になってくるが、結晶欠陥や酸素などの不純物が半導体の結晶中に取込まれると、その不純物は非発光再結合中心となる。
【００１８】
上記非発光再結合中心が活性層中に多く存在すると、キャリアは発振に寄与する発光再結合以外に、非発光再結合として消費されてしまうため、ＬＤに注入したキャリアが光に変換される効率が低下し、高い光出力を出せなくなる。
【００１９】
また、上記結晶欠陥や酸素などの不純物はＬＤの光に対して吸収体となるため、その不純物が多いとＬＤ内に分布している光の吸収が大きくなってしまって、出射される光の出力が更に低下してしまう。
【００２０】
また、上記半導体の結晶において、発光再結合はキャリアのエネルギが光のエネルギに変換されるのに対し、非発光再結合では熱エネルギに変換されることから、非発光再結合によりＬＤの温度が上昇する。上記ＬＤの温度が上昇すると、更に結晶欠陥が増殖し、次々と非発光再結合中心が増大していき、ＬＤが劣化してしまうなどの問題が生じる。
【００２１】
このような非発光再結合中心や、光の吸収体となる結晶欠陥や酸素などの不純物などが、ＬＤの活性層中に存在すると、活性層自体が劣化していく。
【００２２】
また、ＬＤでは光を出射するレーザ端面をへき開により形成しており、そのレーザ端面がへき開時に空気に曝されることにより、レーザ端面が酸化され、レーザ端面に形成された酸化物もまた吸収体となる。このような吸収体がＬＤのレーザ端面に存在すると、レーザ発振した光は上記吸収体に吸収され、レーザ端面の温度が上昇する。そうすると、上記レーザ端面付近の活性層のバンドギャップが小さくなり、レーザ端面付近の活性層の光吸収量が更に増え、レーザ端面の温度が更に上昇するという正の帰還が働き、ついには、
レーザ端面にＣＯＤ（光学損傷）が生じてしまう。
【００２３】
以上のような問題の発生を防いでＬＤの信頼性を向上させる方法としては、活性なＡｌを含まない材料を用いることが考えられる。
【００２４】
ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長できてＡｌを含まない材料としてはＧａＩｎＡｓＰ系材料がある。このＧａＩｎＡｓＰ系材料では、適当な組成を選択することにより、格子定数、Ｅｇ、屈折率を制御することができる。
【００２５】
ＧａＡｓに対して格子整合可能な材料では、ＧａＩｎＰで最もＥｇが大きくなるが、このＧａＩｎＰのＥｇはＡｌ０．４Ｇａ０．６ＡｓのＥｇに相当し、ＧａＩｎＰのＥｇ以上のＥｇを有する材料はＡｌを含むことになる。
【００２６】
ＬＤ構造の中で特に信頼性への影響が大きいのは、光密度が最も高くなる量子井戸活性領域（井戸層、および、この井戸層を挟むバリア層）である。この量子井戸活性領域にＡｌを含む層がある場合、ＬＤの高出力化には限界がある。
【００２７】
空間光伝送システムの光源としてＬＤを使用して、より長距離でかつ高速の空間光伝送を行うには、ＬＤの更なる高出力化が必要となり、より信頼性の高いＬＤが必要となる。
【００２８】
上記量子井戸活性領域を、活性なＡｌを含まない材料で構成することにより、ＬＤの更なる信頼性の向上が期待できる。
【００２９】
以下、ＬＤの信頼性を向上させるために、Ａｌを含まない量子井戸活性領域（井戸層および井戸層を挟むバリア層）の材料を考えていく。
【００３０】
ＧａＡｓ基板を用いて形成され、量子井戸活性領域にＡｌを含まないＬＤとしては、９８０ｎｍ帯のＬＤがあり、一般に、井戸層としてＧａＩｎＡｓ（Ｉｎ組成０．２程度、井戸厚７０〜８０ｎｍ）が用いられ、バリア層としてＧａＡｓが用いられている（例えば、米国特許第６３２７２９３号明細書（特許文献１）参照。）。
【００３１】
従来の９８０ｎｍ帯のＬＤと同じ構成（井戸層にＧａＩｎＡｓ，バリア層にＧａＡｓを用いて）で、８５０〜９００ｎｍ帯のＬＤを作製すると、井戸層とバリア層とのΔＥｇが非常に小さくなってしまい、素子特性（しきい値電流、効率、Ｔｏ（温度特性）など）が著しく悪化してしまう。
【００３２】
したがって、従来の９８０ｎｍ帯のＬＤの構成では、８５０ｎｍ〜９００ｎｍ帯のＬＤを実現することは不可能である。
【００３３】
そこで、井戸層の材料としてＧａＩｎＡｓを用い、バリア層の材料としては、井戸層よりＥｇが十分大きく、かつ信頼性を確保するためにＡｌを含まない材料として、ＧａＩｎＡｓＰを用いることが考えられる。
【００３４】
井戸層がＧａＩｎＡｓからなり、バリア層がＧａＩｎＡｓＰからなって、空間光伝送システムに使用されるＬＤとしては、国際公開０３／０７７３８９号パンフレット（特許文献２）に記載されたものがある。
【００３５】
図５に、８９０ｎｍで発振するＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ活性層を持つ半導体レーザ装置の概略断面図を示す。
【００３６】
図５において、１０１はｎ型ＧａＡｓ基板、１２１は厚さ２．３μｍのｎ型Ａｌ０．４２５Ｇａ０．５７５Ａｓ第２クラッド層、１２２は厚さ０．２μｍのｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層、１０３は厚さ０．１μｍのｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第３光ガイド層、１４１Ａ，１４１Ｂは厚さ３ｎｍのアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ第２光ガイド層、１４２Ａ，１４２Ｂは厚さ２０ｎｍのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ０．６５７Ｐ０．３４４第１光ガイド層、１０５Ａ，１０５Ｂは厚さ８ｎｍのアンドープＩｎ０．０７４Ｇａ０．９２６Ａｓ井戸層、１０４は厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ０．６５７Ｐ０．３４４バリア層、１０６は厚さ０．１μｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第３光ガイド層、１０７は厚さ０．１３５μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層、１０８は厚さ３ｎｍのアンドープＧａＡｓエッチングストップ層、１０９は厚さ１．２８μｍのｐ型Ａｌ０．４７８Ｇａ０．５２２Ａｓ第２クラッド層、１１０はｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓブロック層、１１２はｐ＋＋型ＧａＡｓキャップ層である。
【００３７】
上記バリア層１０４と井戸層１０５Ａ，１０５ＢとがＤＱＷ（Double Quantum Well；二重量子井戸）活性層を構成している。
【００３８】
上記半導体レーザ装置を作製したところ、しきい値電流、効率、発振波長などの素子特性の再現性が悪く、また、ウェハ面内で同時に作製した半導体レーザ装置であっても素子特性がばらつくなど均一性が悪化し、更に、ＬＤ動作が不安定になるという問題が生じた。
【特許文献１】米国特許第６３２７２９３号明細書
【特許文献２】国際公開０３／０７７３８９号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３９】
本発明は、上記問題を解決し、高出力時においても、信頼性が高く、均一性および再現性に優れ、安定動作が可能な、発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００４０】
更に本発明は、空間光伝送用の上記課題を解決した、数十ＭＨｚを越える高速伝送や、より長距離での高速な伝送が可能な、空間光伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、
発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下である半導体レーザ装置において、
第１導電型のＧａＡｓ基板と、
上記ＧａＡｓ基板上に形成された第１導電型の下クラッド層と、
上記下クラッド層上に形成された第１導電型の下ガイド層と、
上記下ガイド層上に形成され、量子井戸構造を持つ活性層と、
上記活性層上に形成された第２導電型の上ガイド層と、
上記上ガイド層上に形成された第２導電型の上クラッド層と
を備え、
上記活性層は、
井戸層と、
上記井戸層を挟むと共に、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むIII−Ｖ族化合物半導体バリア層と、
上記井戸層と、上記ＧａＡｓ基板側の上記バリア層との間に設けられていると共に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むIII−Ｖ族化合物半導体中間層と
を有し、
上記活性層はＡｌを含まないことを特徴としている。
【００４２】
ここで、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００４３】
上記構成の半導体レーザ装置によれば、上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むことによって、量子井戸構造をＡｌを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。
【００４４】
また、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。
【００４５】
更に、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。
【００４６】
以下、上記半導体レーザ装置の作用効果についてより詳しく説明する。
【００４７】
〔高信頼性〕
バリア層が、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むことによって、量子井戸構造をＡｌを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、光分布の最も大きくなる活性領域（井戸層、中間層およびバリア層）にＡｌを含まないことから、信頼性が向上し、高出力動作が可能となった。
【００４８】
〔界面の揺らぎの説明〕
異なる２つ以上のＶ族元素を含む混晶半導体のエピタキシャル成長は、組成を制御するのが難しい。更に、バリア層がＶ族元素としてＡｓおよびＰを含むと、バリア層のＶ族元素の組成を制御し難いのに加えて、バリア層がIII族元素としてＩｎを含むと、Ｉｎの偏析が発生する。このため、上記バリア層に接触する井戸層を形成した場合、バリア層と井戸層との界面においてはＡｓ，Ｐ，Ｉｎが不安定な状態になっており、その界面上に井戸層を成長すると、バリア層と井戸層との界面においてIII族元素およびＶ族元素に空間的な組成の揺らぎが生じ、井戸層に形成される量子準位にも揺らぎが生じ、複数のランダムな量子準位が形成されてしまう。このときの活性領域（井戸層およびバリア層）のエネルギバンドの様子を図８Ａに示す。また、図８Ａ〜図８Ｄでは、「揺らぎ」を複数の線のまとまりとして表現している。
【００４９】
このように、上記バリア層と井戸層との界面の制御が困難であるため、量子井戸構造を再現よく作製することが難しく、また、作製時のウェハ面内での分布も大きくなることが分かった。
【００５０】
一方、バリア層の成長後に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含む中間層を形成して、この中間層上に井戸層を形成することにより、量子準位が井戸層とバリア層との界面におけるＩｎ，Ａｓ，Ｐによる界面の揺らぎの影響を受けるのを回避することができ、良好な界面を、再現よく、ウェハ面内で均一に作製することができるようになった。
【００５１】
上記量子準位が上記影響を受けるのを回避することができたのは、Ｉｎを含まない層を中間層として用いることにより、井戸層と直接接する界面においてＩｎの偏析の影響を受けなくなり、更に、その中間層のＶ属元素を１元素で構成することにより、中間層と井戸層との界面における組成の揺らぎを抑えることができた結果だと考えられる。
【００５２】
〔ＰＬ（フォトルミネッセンス）による界面の評価〕
井戸層とバリア層との界面状態を調べるために、III族元素としてＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素としてＡｓおよびＰを含むバリア層で構成されている量子井戸構造のＰＬ発光を確認した。そうしたところ、上記ＰＬ発光スペクトルはスペクトル幅（半値幅）が広がっており、また、ウェハ面内でも、広いところと、比較的狭くなっているところが存在し、分布が大きくなることが分かった。これは、上記バリア層と井戸層との界面の組成が揺らぐことにより、量子準位に揺らぎが生じたためと考えられる。
【００５３】
一方、バリア層の成長後に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含む中間層を形成して、この中間層上に井戸層を形成すると、ＰＬ発光スペクトルは比較的狭くなり、半値幅のウェハ面内の分布もほとんど無くなり、良好な量子井戸界面を形成することができた。
【００５４】
例えば、井戸層としてＧａＩｎＡｓ層を用い、かつ、バリア層としてＧａＩｎＡｓＰ層を用いた量子井戸構造を作製し、井戸層としてＧａＩｎＡｓ層を用い、かつ、バリア層としてＡｌＧａＡｓ層を用いた量子井戸構造を作製し、これらの量子井戸構造のＰＬ発光を比較した。発光スペクトルは、ＡｌＧａＡｓバリア層を持つ量子井戸構造に比べて、ＧａＩｎＡｓＰバリア層を持つ量子井戸構造の方が広がり、また、スペクトルの幅（半値幅）の分布も、ＡｌＧａＡｓバリア層を持つ量子井戸構造に比べて、ＧａＩｎＡｓＰバリア層を持つ量子井戸構造の方が大きくなった。これは、ＧａＩｎＡｓＰバリア層を持つ量子井戸構造では、ＧａＩｎＡｓＰバリア層とＧａＩｎＡｓ井戸層との界面が揺らぐことにより、量子準位に揺らぎが生じたためと考えられる。
【００５５】
一方、例えば、ＧａＩｎＡｓＰバリア層の成長後にＧａＡｓ中間層を形成して、更に、このＧａＡｓ中間層上にＧａＩｎＡｓ井戸層を成長して量子井戸構造を作製したところ、量子井戸構造がＧａＩｎＡｓＰバリア層を有しているのにも関わらず、量子井戸構造の発光スペクトルは比較的狭く、半値幅のウェハ面内の分布もほとんど無くなり、良好な量子井戸構造が形成することができた。
【００５６】
〔ＬＤ素子への影響〕
次に、ＬＤ素子特性の量子井戸界面の影響を調べた。
【００５７】
III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むバリア層と、このバリア層に接触する井戸層と備え、そのバリア層と井戸層との間に他の層が存在しないＬＤを作製したところ、このＬＤの発振スペクトルは、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在しており、しきい値電流の上昇、効率低下を招き、ＬＤ動作が不安定になった。
【００５８】
これは、上記井戸層とバリア層との界面の組成の揺らぎが大きくなり、量子準位が揺らいでしまい、発振までのＥＬスペクトルの幅が広がり、また、複数のランダムな量子準位が形成されるため、井戸層に注入されたキャリアが一つの準位に収まらず、発振までにたくさんのキャリアを注入しないと発振にいたるゲインを稼ぐことができず、しきい値電流が上昇してしまったと考えられる。
【００５９】
また、上記複数のランダムな量子準位が形成されているため、キャリアを注入していったときに、発振しうる準位が複数存在することになり、発振波長を制御することができなくなり、時には設定波長よりも１０ｎｍ以上発振波長がずれたり、温度変化で発振波長が別の量子準位に飛んだり、また、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在するなど、ＬＤ動作が不安定になってしまった。
【００６０】
したがって、上記ＬＤは、波長の制御が非常に難しため、波長を厳密に合わせ込む必要がある空間光伝送用光源として使用するのには向かない。
【００６１】
また、上記ＬＤは動作が不安定になるため、そのＬＤを空間光伝送用光源として用いて高周波で駆動すると、動特性不良が生じてしまう。
【００６２】
一方、バリア層の成長後に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含む中間層を形成して、この中間層上に井戸層を形成してＬＤを作製したところ、ＬＤの発振スペクトルは単峰となり、しきい値電流、効率などの素子特性は向上し、発振波長を厳密に制御することが可能となり、また、高温時や高周波駆動時においても、安定してＬＤを動作することが可能となった。
【００６３】
〔発振波長〕
ここで、８５０ｎｍよりも波長が短いＬＤ素子についても調べた。この８５０ｎｍよりも短い波長帯では、中間層のＥｇを井戸層とバリア層との中間のＥｇにすることができない。例えばＧａＡｓで中間層を形成すると、井戸層のＥｇよりも中間層のＥｇの方が小さくなってしまう。この場合、井戸層はバリア層と中間層との界面を量子井戸としてのバリアとして感じるため、中間層を形成する効果はほとんどでない。
【００６４】
また、例えばＧａＰで中間層を形成すると、バリア層のＥｇよりも中間層のＥｇの方が大きくなってしまい、また、中間層がＧａＡｓ基板と格子定数が大きく異なってしまうため、活性層近傍にこのような格子定数の大きく異なる層が存在すると、結晶性が低下し、ＬＤ素子としてはしきい値電流、効率などの素子特性が悪化するのに加え、信頼性も低下してしまう。この他にも、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含む中間層を用いても、発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下のときと同じ効果は得られなかった。
【００６５】
【００６６】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記III−Ｖ族化合物半導体中間層はＧａＡｓからなる。
【００６７】
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記ＧａＡｓは、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むから、中間層とバリア層との界面の組成揺らぎの影響を抑える効果がある。
【００６８】
それに加えて、上記半導体レーザ装置においては、中間層をＧａＡｓで形成することにより、中間層のＥｇを、井戸層のＥｇとバリア層のＥｇとの中間のＥｇとすることが可能となる。
【００６９】
もし、井戸層のＥｇよりも中間層のＥｇの方が小さくなってしまうと、井戸層はバリア層と中間層との界面を量子井戸としてのバリアとして感じるため、中間層を挿入する効果はほとんどでない。
【００７０】
また、もし、バリア層のＥｇよりも中間層のＥｇの方が大きくなってしまうと、井戸層へキャリアが注入され難くなり、しきい値電流、効率などの素子特性が低下する。
【００７１】
また、もし、上記中間層の格子定数が基板の格子定数と大きく異なると、基板とは格子定数が大きく異なる層が活性層近傍に存在することになって、活性層の結晶性が低下し、しきい値電流、効率などの素子特性が低下するのに加え信頼性も低下してしまう。
【００７２】
したがって、上記半導体レーザ装置においては、ＧａＡｓが中間層としては最も適しているといえる。
【００７３】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記III−Ｖ族化合物半導体中間層の厚さは０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。
【００７４】
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、中間層の厚さを変えて半導体レーザ装置を作製し、中間層の厚さの変更による効果を調べた。
【００７５】
その結果、上記中間層の厚さが０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下のときに、しきい値電流、効率、Ｔｏなどの素子特性が最も良くなることが分かった。
【００７６】
中間層厚が薄い場合、井戸層はバリア層と中間層との全体として量子井戸のバリアとして感じてしまい、中間層層厚が０．５ｎｍより薄いと、中間層を形成したにもかかわらず、バリア層による組成揺らぎの影響が出てしまい、量子準位に揺らぎが生じてしまうので、バリア層による組成揺らぎの影響を回避するには、中間層厚は０．５ｎｍ以上必要である。
【００７７】
また、上記半導体レーザ装置では、中間層のＥｇを井戸層のＥｇとバリア層のＥｇとの中間のＥｇとすることができる。この場合、上記井戸層と中間層とのΔＥｇが小さくなるため、中間層の厚みを厚くすると、中間層の量子準位が下がり、井戸層の量子準位に近づき、井戸層の量子準位に溜まったキャリアが、中間層のキャリアにオーバーフローし易くなるため、しきい値電流が上昇し、効率が低下し、温度特性が低下するなど、素子の特性が悪化してしまう。このため、中間層厚は２ｎｍ以下にする必要がある。ここで、図８Ｂに、中間層が薄い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図を示し、また、図８Ｃに、中間層が厚い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図を示す。
【００７８】
また、例えばＧａＡｓ中間層厚が厚くなると、バリア層を薄くするか、または、井戸層と井戸層との間隔を広げる必要があるが、ＭＱＷ（多重量子井戸）構造における井戸層と井戸層との間のバリア層が薄いと、薄いバリア層はバリア層として働かなくなり、また、ＭＱＷ構造における井戸層と井戸層との間隔を広くしすぎると、各井戸層にキャリアを均一に注入できなくなり、効率が低下してしまう。
【００７９】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層がＧａＩｎＡｓＰからなり、
上記井戸層がＧａＩｎＡｓからなり、
上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層のIII族元素におけるＩｎの割合が、上記井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合よりも大きく、
上記井戸層の井戸幅が６ｎｍ以下である。
【００８０】
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記井戸層の井戸幅が６ｎｍを越えたときに比べて、井戸層の井戸幅が６ｎｍ以下にしたときの方が、しきい値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となっている。
【００８１】
〔高出力化の説明〕
半導体レーザ装置において高出力を実現するには、少ないキャリアの注入でより光らせること、また、発振光の吸収を減らすことが重要となる。すなわち、しきい値電流が低く、効率が高いことが望まれる。また、キャリアの注入量や、発振光の吸収が増えると、ＬＤチップ温度が上昇し、劣化の原因となり、半導体レーザ装置を更に高出力化するのが難しくなる。このため、上記半導体レーザ装置の高出力化には高い信頼性が求められる。
【００８２】
高出力の半導体レーザ装置の活性層の構造としては量子井戸構造が適しており、井戸幅を薄くするほど、量子効果によって少ないキャリアで効率よく光に変換されるようになり、しきい値電流が下がり、効率が向上する。ただし、上記井戸幅を薄くしすぎると利得の飽和が生じてしまう。
【００８３】
また、同じ発振波長を考えると、井戸幅を薄くすると井戸層のＥｇを小さくする必要がある。８５０ｎｍ〜９００ｎｍ帯の半導体レーザ装置では、Ｉｎを有する井戸層を用い、Ｉｎの組成を増やしていくと、井戸層のＥｇを小さくできる。そして、上記井戸層のＩｎを増やすと歪量が増加し、キャリアの有効質量が低下し、しきい値電流が低下し、効率が上がるという効果もある。
【００８４】
したがって、高出力化という観点からは、井戸層のＩｎ組成を大きくし、井戸幅を薄くすることが望ましい。具体的には、上記井戸幅としては４ｎｍ以上６ｎｍ以下が好ましい。
【００８５】
〔信頼性の課題〕
高出力のため、量子井戸活性層の井戸幅を薄くすると、信頼性は低下する傾向にある。これは、井戸層の体積が減ることにより、単位体積当りの光強度（光密度）が大きくなるため、井戸層内や出射端面において、同じ密度で吸収体が存在していたとしてもその吸収体が感じる光の強度は大きくなり、吸収量が増加する結果、信頼性が低下すると考えられる。
【００８６】
〔信頼性の効果〕
８５０〜９００ｎｍ帯では、井戸層の材料としてＧａＩｎＡｓ、バリア層の材料としては、井戸層よりＥｇが十分大きく、かつ、Ａｌを含まない材料として、ＧａＩｎＡｓＰを用いることができる。
【００８７】
そして、井戸層としてＧａＩｎＡｓ層を、バリア層としてＧａＩｎＡｓＰ層を用いることで、井戸幅が薄い場合であっても、高出力において高い信頼性を保つことができた。これは、光密度が最も高くなる量子井戸活性領域に活性なＡｌを含まないため、ＣＯＤが起き難くなったためと考えられる。また、酸素などの不純物が井戸層中に取り込まれにくくなるのと共に、井戸層およびバリア層のＩｎにより、活性層中の結晶欠陥の伝播が抑えられることから、活性層自体の劣化も抑えられ、信頼性が向上していると考えられる。
【００８８】
したがって、上記半導体レーザ装置の高出力、高信頼性のためには、井戸層をＧａＩｎＡｓで構成し、かつ、バリア層をＧａＩｎＡｓＰで構成し、井戸幅を狭くするのが好ましいが、バリア層をＧａＩｎＡｓＰで構成すると、バリア層界面において、Ｉｎ，Ａｓ，Ｐによる組成の揺らぎが生じ、良好な量子井戸界面が得られなくなるのに加え、井戸幅を薄くすればするほど、この影響を大きく受けてしまい、良好な量子井戸構造が得られなくなる。
【００８９】
また、ＧａＩｎＡｓＰバリア層のＩｎ組成が小さい場合、バリア層と井戸層とのΔＥｇを大きくとるためには、バリア層のＰ組成を大きくする必要があるが、そのＰ組成を大きくすると、バリア層とＧａＡｓ基板との格子定数差が大きくなり、バリア層の結晶性が低下してしまう。
【００９０】
また、ＧａＩｎＡｓＰバリア層のＩｎ組成を、ＧａＩｎＡｓ井戸層のＩｎ組成よりも大きくすると、バリア層とＧａＡｓ基板との格子定数差が比較的小さくても、バリア層と井戸層とのΔＥｇを比較的大きくすることができる。
【００９１】
したがって、ＧａＩｎＡｓＰバリア層のＩｎ組成はＧａＩｎＡｓ井戸層のＩｎ組成よりも大きい方が望ましい。
【００９２】
しかしながら、バリア層のIII族元素におけるＩｎの割合を、井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合よりも大きくすると、特にバリア界面の組成の揺らぎが大きくなることが分かった。これは、井戸層の成長時に、バリア層の表面においてＩｎの偏析が起きているため、バリア層よりもＩｎの割合が小さい層を成長する際、バリア層の表面でのＩｎの偏析の影響を大きく受けていることが考えられる。
【００９３】
また、井戸層とバリア層との界面の組成揺らぎの影響は、半導体レーザ装置の発振波長やしきい値電流などの素子特性を大きく左右する。半導体レーザ装置の高出力、高信頼性のためには、井戸幅を狭くするのが望ましいが、従来のＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸構造では、井戸幅は狭くすればするほど界面の影響を大きく受けるようになり、素子特性は逆に悪くなってしまう。
【００９４】
このように、従来のＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸活性層では、信頼性の高い８５０〜９００ｎｍの半導体レーザ装置を実現することは可能になるが、井戸幅を薄くすることは難しかった。また、バリア層のIII族元素におけるＩｎの割合が、井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合よりも大きい場合に特に大きな問題となっていた。
【００９５】
ＧａＩｎＡｓＰバリア層を形成した後に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族として１元素のみ含む中間層を形成することにより、バリア層のIII族元素におけるＩｎの割合が、井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合よりも大きい場合であっても、また、井戸幅が薄いにもかかわらず、ＧａＩｎＡｓＰバリア界面におけるＩｎ、Ａｓ，Ｐによる界面の揺らぎの影響を回避することができ、良好な界面を得ることができるようになったことから、高出力時においても、信頼性が高く、安定動作が可能な半導体レーザが可能となる。
【００９６】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記井戸層の井戸幅が４ｎｍ以上である。
【００９７】
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記井戸層の井戸幅が４ｎｍ以上であることにより、特性が悪くなるのを防ぐことができる。
【００９８】
一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記ガイド層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．３）からなる。
【００９９】
上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記ガイド層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ≧０．３）からなることにより、高出力化、低消費電力化が可能となる。
【０１００】
〔高出力化および低消費電力化の説明〕
発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下の従来の半導体レーザ装置では、ＧａＩｎＡｓ井戸層とのΔＥｇを稼ぐために、引っ張り歪のＧａＩｎＡｓＰ組成領域をバリア層として用いている。このバリア層において、歪量と層厚との積が大きくなりすぎると、成長時に結晶欠陥が発生し、しきい値電流、効率、信頼性など素子特性が著しく低下してしまう。
【０１０１】
したがって、ＧａＩｎＡｓＰバリア層はあまり厚くすることができない。また、ＧａＩｎＡｓＰバリア層を用いると、バリア層と井戸層とのΔＥｃが取り難くなる。そのため、ＧａＩｎＡｓＰバリア層をあまり厚くすると、バリア層へのキャリアの漏れが大きくなり、Ｔｏが悪くなってしまう。このように、ＧａＩｎＡｓＰバリア層を用いる場合は、バリア層の層厚を厚くすることができないが、バリア層とは別に、量子井戸活性層の両側にガイド層を設けることにより、光学的に光の閉じ込めを制御することが可能となった。
【０１０２】
上記ガイド層の材料としてはＡｌを含まないＧａＩｎＰが考えられる。この場合、Ａｌを使用していないため、一見信頼性が向上するようにも思えるが、実際は高出力時の信頼性は逆に悪くなることが分かった。これは、ＧａＩｎＰガイド層を用いると、しきい値電流が上昇し、効率が低下し、素子抵抗も大きくなり、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大し、素子温度が上昇してしまい、バリア層と井戸層とのΔＥｃが小さくＴｏが悪いため、素子温度の上昇により更にしきい値電流が上昇してしまうという悪循環のためと推測される。
【０１０３】
このように、ＧａＩｎＰガイド層を用いると効率が低下し、動作電圧が増大した原因は、ガイド層と活性層とのバレンスバンドの不連続が大きくなり、ＧａＩｎＰガイド層がホールに対して大きな障壁となってしまい、ホールの注入効率が低下したためと考えられる。
【０１０４】
一方、ＡｌＧａＡｓガイド層を用いると、効率が高くなり、素子抵抗が下がり、高出力化、低消費電力化が可能となった。
【０１０５】
また、ＡｌＧａＡｓガイド層を用いることにより、Ｔｏが向上し高温で安定動作するようになった。これは、ＧａＩｎＰ層ガイド層を用いる場合に比べ、ＡｌＧａＡｓガイド層を用いた方が、ガイド層と活性層とのコンダクションバンドの差が大きくなり、クラッド層からバリア層に溢れたキャリアが、ガイド層に漏れることなく量子井戸内に留まったためと考えられる。このＡｌＧａＡｓガイド層は、Ａｌ組成０．３以上でＴｏを確保する効果があった。
【０１０６】
更に、ＡｌＧａＡｓガイド層により、信頼性も、ＧａＩｎＰガイドよりも向上した。ＡｌＧａＡｓガイド層は、Ａｌを含有しているため、酸素と結合し易くなるが、ガイド層においては、活性層と比べると光の分布が小さくなっているため、酸素との結合の影響は小さく、信頼性にはあまり影響しなかった。
【０１０７】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
上記半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層を形成した後、上記井戸層を形成する前に、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層をＭＯＣＶＤ法により形成することを特徴としている。
【０１０８】
上記構成の半導体レーザ装置の製造方法によれば、上記III−Ｖ族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むことによって、量子井戸構造をＡｌを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。
【０１０９】
また、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。
【０１１０】
更に、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。
【０１１１】
また、上記中間層をＭＯＣＶＤ法により形成するので、半導体レーザ装置の量産性を高めることができる。
【０１１２】
ＭＯＣＶＤ成長では、Ｖ族元素のＡｓおよびＰの原料の蒸気圧がそれぞれ異なるため、バリア層にＡｓおよびＰを含む場合、バリア層成長後の表面が特に不安定になりやすく、界面の制御が特に難しいが、上記中間層を形成することによって、界面の制御が容易になる。
【０１１３】
本発明の空間光伝送システムは、
上記半導体レーザ装置を備えたことを特徴としている。
【０１１４】
上記構成の空間光伝送システムによれば、上記半導体レーザ装置を用いることにより、数十から百Ｍｂｐｓを超える高速空間光伝送が実現できる。
【０１１５】
〔高速空間光伝送の説明〕
空間光伝送用の光源としてＬＤを使用する場合、波長を厳密に合わせ込む必要があり、従来のＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ活性層のＬＤでは、波長の制御が非常に難しかった。
【０１１６】
また、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ活性層のＬＤでは、界面の急峻性が悪いため、発振スペクトルが単峰にならず、空間光伝送用として用いる際、高周波で駆動するときの動特性不良の原因となる。
【０１１７】
一方、本発明の半導体レーザ装置を空間光伝送システムに用いることにより、高出力時においても、信頼性が高く、発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下でありながら、均一性，再現性に優れ、安定動作が可能となり、波長の厳密な制御が可能になり、また、高周波での駆動においても良好な動特性が得られ、空間光伝送用の光源として使用することが可能となった。
【発明の効果】
【０１１８】
本発明の半導体レーザ装置によれば、III−Ｖ族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むことによって、量子井戸構造をＡｌを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。
【０１１９】
また、III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。
【０１２０】
更に、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。
【０１２１】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、III−Ｖ族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともＩｎを含み、かつ、Ｖ族元素として少なくともＡｓおよびＰを含むことによって、量子井戸構造をＡｌを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。
【０１２２】
また、III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。
【０１２３】
更に、上記III−Ｖ族化合物半導体中間層が、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。
【０１２４】
また、上記中間層をＭＯＣＶＤ法により形成するので、半導体レーザ装置の量産性を高めることができる。
【０１２５】
本発明の空間光伝送システムによれば、上記半導体レーザ装置を用いるので、数十から百Ｍｂｐｓを超える高速空間光伝送が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１２６】
〔第１実施形態〕
図１に、本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図を示す。この半導体レーザ装置は、バリア層としてＧａＩｎＡｓＰ層を用いた空間光伝送用半導体レーザ装置の一例である。
【０１２７】
図１において、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２は厚さ１．８μｍのｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層、３は厚さ０．１μｍのｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層、４Ａ，４Ｃは厚さ２０ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層、４Ｂは厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層、５Ａ，５Ｂは厚さ４．６ｎｍのアンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ井戸層、６は厚さ０．１μｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層、７は厚さ０．１５μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層、８は厚さ４ｎｍのｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層、９は厚さ１．２８μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層、１０は厚さ０．６μｍのｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓブロック層、１１は厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＡｓブロック層、１２は厚さ約４μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層、１３ＡはＡｕＺｎ／Ａｕ電極、１３ＢはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極、１４Ａ，１４Ｂは厚さ１．５ｎｍのアンドープＧａＡｓ中間層である。
【０１２８】
ここで、上記ｎ型ＧａＡｓ基板１は第１導電型のＧａＡｓ基板の一例、ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層２は第１導電型の下クラッド層の一例、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層３は第１導電型の下ガイド層の一例、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層４Ａ，４Ｂ，４ＣはIII−Ｖ族化合物半導体バリア層の一例、アンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ井戸層５Ａ，５Ｂは井戸層の一例、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層６は第２導電型の上ガイド層の一例、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層７は第２導電型の上クラッド層の一例、アンドープＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４ＢはIII−Ｖ族化合物半導体中間層の一例である。
【０１２９】
上記バリア層４Ａ，４Ｂ，４Ｃと井戸層５Ａ，５Ｂと中間層１４Ａ，１４Ｂとが、ＤＱＷ構造を有する量子井戸活性層１６を構成している。この量子井戸活性層１６は活性層の一例である。
【０１３０】
上記中間層１４Ａはバリア層４Ａと井戸層５Ａとの間に配置されている。また、中間層１４Ｂはバリア層４Ｂと井戸層５Ｂとの間に配置されている。
【０１３１】
以下、図２Ａ〜図２Ｆを用いて本第１実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
【０１３２】
まず、図２Ａに示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、厚さ１．８μｍのｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層２、厚さ０．１μｍのｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層３、厚さ２０ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層４Ａ、厚さ１．５ｎｍのアンドープＧａＡｓ中間層１４Ａ、厚さ４．６ｎｍのアンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ井戸層５Ａ、厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層４Ｂ、厚さ１．５ｎｍのアンドープＧａＡｓ中間層１４Ｂ、厚さ４．６ｎｍのアンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ井戸層５Ｂ、厚さ２０ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層４Ｃ、厚さ０．１μｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層６、厚さ０．１５μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層７、４ｎｍのｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層８、厚さ１．２８μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９、厚さ０．７５μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法による第１の結晶成長で順次形成する。
【０１３３】
上記第１の結晶成長では、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐの原料は、それぞれＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン），ＰＨ３（ホスフィン）を用い、ドーパントガスはそれぞれｎ型がＳｉＨ４（モノシラン）、ｐ型がＤＥＺ（ヂエチルズィンク）を用いた。
【０１３４】
次に、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ａ上に、６μｍ幅のレジストマスク（図示せず）を通常のフォトリソグラフィ技術により形成し、マスクで覆われていないｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ａおよびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９をエッチング除去して、図２Ｂに示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ａおよびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９からなるストライプ状のリッジを形成する。
【０１３５】
上記リッジを形成するとき、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９とｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層８とで選択性の高いエッチャントを用いて、ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層８でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。本第１実施形態では、上記エッチングはリッジの底部の幅が２．７μｍになるように調整した。
【０１３６】
次に、上記リッジ上のレジストマスクを除去した後、図２Ｃに示すように、厚さ０．６μｍのｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓブロック層１０、厚さ０．３μｍのｎ型ＧａＡｓブロック層１１、厚さ１．０５μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ｂを、ＭＯＣＶＤ法による第２の結晶成長で順次形成する。
【０１３７】
上記第２の結晶成長を行うとき、上記リッジの両側の領域と上記リッジ上の領域とで結晶成長が進み、上記リッジ上では山形の突起状に成長膜が形成される。
【０１３８】
次に、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ｂ上にレジストを全面塗布し、全面露光し、現像時間を調整することにより、上記リッジ上の山形の突起部が現れるまでレジストを除去する。つまり、上記リッジ上のレジストは除去され、リッジ外のレジストは残った状態になっている。この状態でエッチングを行って、上記第２の結晶成長によってリッジ上に形成された成長層と、上記第１の結晶成長によって形成されたｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ａの一部（０．０５μｍ程度）を除去すると、図２Ｄに示すような状態となる。
【０１３９】
次に、上記レジストを除去し、図２Ｅに示すように、４μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ｃをＭＯＣＶＤ法による第３の結晶成長で形成する。このとき、最上層０．３μｍのみ電極とのコンタクトが取り易いように１×１０２０ｃｍ−３の密度で不純物をドーピングする。
【０１４０】
次に、図２Ｅの積層構造を持つウェハを１００μｍの厚さに研磨し、図２Ｆに示すように、ｐ側にＡｕＺｎ／Ａｕ電極１３Ａを蒸着により形成し、ｎ側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１３Ｂを蒸着により形成する。つまり、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２にＡｕＺｎ／Ａｕ電極１３Ａを電気的に接続し、ｎ型ＧａＡｓ基板１にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１３Ｂを電気的に接続する。なお、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１２は、第１の結晶成長で形成されたｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ａと、第２の結晶成長で形成されたｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ｂと、第３の結晶成長で形成されたｐ型ＧａＡｓキャップ層１２ｃとからなっている。
【０１４１】
次に、図２Ｆの構造を持つウェハを劈開して、幅５００μｍのレーザバーを複数形成した後、各レーザバーの一方の端面に、反射率が５％となるようにＳｉ膜およびＡｌ２Ｏ３膜を蒸着により形成すると共に、各レーザバーの他方の端面に、反射率が９０％となるようにＳｉ膜およびＡｌ２Ｏ３膜を蒸着により形成する。上記レーザバーの一方の端面、および、レーザバーの他方の端面は、リッジが延びる方向に垂直となるように形成されている。
【０１４２】
最後に、上記各レーザバーを分割してチップ状態の半導体レーザ装置を得る。
【０１４３】
このようにして作製した半導体レーザ装置をステムにマウントして、デューティー５０％のパルス電流を半導体レーザ装置に引加したところ、発振波長８６９ｎｍ（２５℃）で発振した。また、上記半導体レーザ装置において、発振しきい値電流は１８．４ｍＡ、効率１Ｗ／Ａであった。
【０１４４】
また、上記半導体レーザ装置に供給する電流を増加させていったところ、半導体レーザ装置は出力５００ｍＷまではＣＯＤを起こさず発振した。
【０１４５】
また、上記半導体レーザ装置では、Ｔｏ＝１５０Ｋ、ＲＩＮ＝−１２０ｄＢ／Ｈｚと、特性温度が高く、雑音が小さい良好な特性が得られた。
【０１４６】
また、上記半導体レーザ装置は高周波で駆動した場合でも良好な出力波形が得られた。
【０１４７】
上記構成の半導体レーザ装置では、井戸層５Ａ，５Ｂの井戸幅を６ｎｍ以下とすることにより、しきい値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となっている。ただし、上記井戸幅が４ｎｍより薄くなると逆に特性が悪くなってしまう。
【０１４８】
また、上記バリア層４Ａ，４Ｂ，４ＣをＧａＩｎＡｓＰで構成することにより、井戸幅を狭くし、量子井戸活性層１６の光密度を高くしたにもかかわらず、高い信頼性を確保することができた。これは、上記量子井戸活性層１６が持つ量子井戸構造中に活性なＡｌを含まないため、量子井戸活性層１６中および端面で、非発光再結合中心や吸収体となる酸素が減少した結果、信頼性が向上したと考えられる。
【０１４９】
従来の技術では、ＧａＩｎＡｓＰは組成の制御が非常に難しく、面内均一性や再現性に難があった。そして、井戸層にＧａＩｎＡｓを用い、バリア層にＧａＩｎＡｓＰ層を用いた活性層では、ＧａＩｎＡｓＰ層とＧａＩｎＡｓ層との界面の制御も非常に難しかった。特に、井戸幅を薄くしていくと界面の影響を受けやすく、良好な界面が得られない場合、その影響を大きく受けてしまう。
【０１５０】
また、面内分布が大きくなったり、再現性が悪くなったりすると、作製歩留まりが低下し、コストの上昇に繋がる。
【０１５１】
また、上記井戸層とバリア層との界面は、その急峻性によって、発振波長やしきい値電流などの素子特性に大きく影響を及ぼす。従来のＧａＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ活性層のＬＤでは、しきい値電流などの素子特性が悪化したり、しきい値電流や発振波長などの素子特性の分布、再現性が悪くなり、素子特性が揃うように制御することが非常に難しくなるばかりでなく、動作状況（温度や高周波駆動など）によってもＬＤ動作が不安定になってしまうことが分かった。
【０１５２】
これに対して、本第１実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰバリア層４ＡとＩｎＧａＡｓ井戸層５Ａとの間にＧａＡｓ中間層１４Ａを形成すると共に、ＩｎＧａＡｓＰバリア層４ＢとＩｎＧａＡｓ井戸層５Ｂとの間にアンドープＧａＡｓ中間層１４Ｂを形成している。つまり、ＧａＩｎＡｓＰ層とＧａＩｎＡｓ層との界面を無くしている。
【０１５３】
そして、上記ＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂのエピタキシャル成長は、組成を制御するのが容易である。このＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂの代わりに、Ｖ族が２つ以上の元素より構成されている混晶半導体をエピタキシャル成長させようとすると、そのエピタキシャル成長における組成制御は困難である。
【０１５４】
更に、Ｖ族元素としてＡｓおよびＰを含み、かつ、III族元素としてＩｎを含むバリア層４Ａ，４Ｂの成長後に、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含む中間層１４Ａ，１４Ｂを成長して、この中間層１４Ａ，１４Ｂ上に井戸層５Ａ，５Ｂを成長することにより、バリア層４Ａ，４Ｂの界面での揺らぎの影響を回避することができ、良好な界面を、再現よく、ウェハ面内で均一に作製することができるようになった。これは、Ｉｎを含まない層を中間層１４Ａ，１４Ｂとして用いることにより、井戸層５Ａ，５Ｂと直接接する界面においてＩｎの偏析の影響が無くなり、更に、Ｖ族元素として１元素のみ含む中間層１４Ａ，１４Ｂとすることにより、井戸層５Ａ，５Ｂと接する界面でのＡｓ，Ｐによる組成の揺らぎを抑えることができたためと考えられる。
【０１５５】
また、上記井戸層５Ａ，５Ｂの量子準位の揺らぎが抑えられたことにより、半導体レーザ装置の発振スペクトルは単峰となり、しきい値電流、効率などの素子特性は向上し、発振波長を厳密に制御することが可能となり、また、高温時や高周波駆動時においても、半導体レーザ装置の動作を安定させることが可能となった。
【０１５６】
上述したように、本第１実施形態は、バリア層としてＧａＩｎＡｓＰ層を、井戸層としてＧａＩｎＡｓ層を、中間層としてＧａＡｓ層を用いた例であって、ＧａＩｎＡｓＰバリア層４Ａ，４ＢとＧａＩｎＡｓ井戸層５Ａ，５Ｂとの間にＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂを形成することにより、ＧａＩｎＡｓＰバリア層４Ａ，４ＢとＧａＩｎＡｓ井戸層５Ａ，５Ｂとの界面において、井戸層５Ａ，５Ｂの量子準位がＧａＩｎＡｓＰバリア層４Ａ，４Ｂによる界面揺らぎの影響を受けなくなり、ＧａＩｎＡｓ井戸層５Ａ，５Ｂの井戸幅を狭くしても、ＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂを入れない場合に比べて、特性の面内分布、再現性を著しく向上させることができる。
【０１５７】
比較のため、本第１実施形態においてバリア層４Ａ，４Ｂ，４ＣをＡｌＧａＡｓバリア層に変更した比較例１のＬＤと、本第１実施形態においてＧａＡｓ中間層を形成しなかった比較例２のＬＤとをそれぞれ作製した。上記比較例１，２に関してＬＤの発振スペクトルを比較したところ、比較例１のＬＤでは単峰なスペクトルになったが、比較例２のＬＤでは、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在し、閾値電流の上昇、効率低下を招き、ＬＤ動作が不安定になった。
【０１５８】
上記比較例２のＬＤでは、井戸層とバリア層との界面の揺らぎが大きくなり、井戸層の量子準位が揺らいでしまい、発振までのＥＬスペクトルの幅が広がり、また、井戸層の量子準位が揺らいでいるため、注入されたキャリアが一つの準位に収まらず、発振までにたくさんのキャリアを注入しないと発振にいたるゲインを稼ぐことができず、しきい値電流が上昇してしまう。
【０１５９】
また、上記比較例２のＬＤでは、井戸層の量子準位が揺らいでいるため、キャリアを注入していったときに、発振する準位を特定できず、発振波長を制御することができなくなり、時には設定波長よりも１０ｎｍ以上発振波長がずれたり、温度変化で発振波長が飛んだり、また、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在するなど、ＬＤ動作が不安定になった。
【０１６０】
このように、発振波長を制御することができない比較例２のＬＤは、発振波長を厳密に合わせ込む必要がある空間光伝送用光源として用いることはできない。
【０１６１】
また、上記比較例２のＬＤは動作が不安定なため、発振スペクトルが単峰にならない。これは、比較例２のＬＤを空間光伝送用光源として用いたとき、高周波駆動での動特性不良の原因となる。
【０１６２】
これに対して、本第１実施形態の半導体レーザ装置では、ＧａＩｎＡｓＰバリア層４Ａ，４Ｂの成長後にＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂを形成して、このＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂ上にＧａＩｎＡｓ井戸層５Ａ，５Ｂを成長しているので、発振スペクトルは単峰となり、しきい値電流、効率などの素子特性は向上し、発振波長を厳密に制御することが可能となり、また、高温時や高周波駆動時においても、安定して動作することが可能となった。
【０１６３】
図７に、ＧａＩｎＡｓ井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層との間に形成したＧａＡｓ中間層の厚さを変えたＬＤ素子を作製し、ＧａＡｓ中間層に対するしきい値電流とスロープ効率をプロットした図を示す。
【０１６４】
図７より、上記ＧａＡｓ中間層を形成することにより、しきい値電流が下がり、効率が向上することが分かる。これは、ＧａＩｎＡｓ井戸層とＧａＩｎＡｓＰバリア層との間にＧａＡｓ中間層が存在することにより、ＧａＩｎＡｓＰバリア層の界面における、ＧａＩｎＡｓＰバリア層のＩｎ，Ａｓ，Ｐの相互作用による界面の揺らぎの影響を受けなくなったためと考えられる。
【０１６５】
また、上記ＧａＡｓ中間層の層厚が２ｎｍを超えると、しきい値電流が上昇し、効率が低下してしまった。ＧａＩｎＡｓ井戸層とＧａＡｓ中間層とのΔＥｇが比較的小さいため、ＧａＡｓ中間層を厚くするとＧａＡｓ中間層にできる準位が下がって、キャリアがＧａＩｎＡｓ井戸層からＧａＡｓ中間層へ容易に漏れてしまうため、ＧａＩｎＡｓ井戸層内にキャリアが効率よく閉じ込められず、Ｉｔｈ（しきい値電流）が上昇し、効率が低下したものと考えられる（図８Ｃ）。
【０１６６】
本第１実施形態は発振波長が略８７０ｎｍであるが、８５０ｎｍ〜９００ｎｍの発振波長となるＧａＩｎＡｓ井戸層／ＧａＩｎＡｓＰバリア層の量子井戸活性層において、ＧａＡｓ中間層厚０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下で同様にＩｔｈが低下し、効率が向上した。
【０１６７】
図６に、ＧａＡｓ中間層の層厚を変えてＬＤを作製した時のその層厚とＴｏとの関係を示す。また、図６の曲線Ａは、井戸層とこの井戸層よりも基板側に位置するバリア層との間にＧａＡｓ中間層を形成している場合の上記関係を示す。また、図６の曲線Ｂは、井戸層とこの井戸層よりも基板側に位置するバリア層との間にＧａＡｓ中間層を形成し、かつ、上記井戸層とこの井戸層より基板から離れたバリア層との間にＧａＡｓ中間層を形成している場合の上記関係を示すものである。
【０１６８】
図６を見て判るように、上記ＧａＡｓ中間層を厚くしていくとＴｏが低下してしまうことが分かった。十分なＴｏを得るにはＧａＡｓ中間層は２ｎｍ以下にする必要がある。上記ＧａＡｓ中間層を厚くするとＴｏが低下する原因は、ＧａＡｓ中間層を厚くしていくとＧａＡｓ中間層に形成される量子準位が下がり、井戸層からキャリアが漏れやすくなるためと考えられる（図８Ｂと図８Ｃとの比較）。
【０１６９】
上記ＧａＡｓ層を片側にのみ入れた方が両側に入れるよりもＴｏの低下を抑えることができた。これは、基板側から注入された電子が、ＧａＡｓ層に形成された量子準位への漏れるのが抑えられるためと考えられる（図８Ｂと図８Ｄとの比較）。
【０１７０】
ここでは、井戸層とバリア層との間に形成する中間層としてＧａＡｓ層を用いたが、上記中間層として用いることができる層はＧａＡｓ層に限られず、III族元素としてＩｎを含まなくてＩｎ以外の元素を含み、かつ、Ｖ族元素として１元素のみ含む層であれば良い。
【０１７１】
また、本第１実施形態では、バリア層としてＧａＩｎＡｓＰ層を用いているが、バリア層はＧａＩｎＡｓＰ層に限るものではなく、III族に少なくともＩｎを含み、Ｖ族として少なくともＡｓおよびＰを含むバリア層であれば、ＧａＩｎＡｓＰ層をバリア層として用いる場合と同様の効果が得られる。
【０１７２】
本第１実施形態では、発振波長は略８７０ｎｍであり、井戸層に対するΔＥｇを稼ぐために、引っ張り歪のＧａＩｎＡｓＰ組成領域をバリア層として用いている。歪量と層厚の積が大きくなりすぎると、成長時に結晶欠陥が発生し、閾値電流、効率、信頼性など素子特性が著しく低下してしまう。
【０１７３】
したがって、上記バリア層として用いるＧａＩｎＡｓＰ層はあまり厚くすることができない。また、上記ＧａＩｎＡｓＰ層をバリア層として用いると、ＧａＩｎＡｓＰ層と井戸層とのΔＥｃが取り難くなる。そのため、上記ＧａＩｎＡｓＰ層をあまり厚くすると、井戸層からＧａＩｎＡｓＰ層へのキャリアの漏れが大きくなり、Ｔｏが悪くなってしまう。このように、上記ＧａＩｎＡｓＰ層をバリア層として用いる場合は、ＧａＩｎＡｓＰ層の層厚を厚くすることができず、ＧａＩｎＡｓＰ層とは別に、量子井戸活性層の両側にガイド層を設けるのが効果的である。
【０１７４】
また、本第１実施形態において量子井戸活性層１６を挟むｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層３及びｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層６の組成を変えて比較例３のＬＤを作製し、この比較例３のＬＤと本第１実施形態の半導体レーザ装置との比較を行った。また、本第１実施形態において、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層３をｎ型ＧａＩｎＰ層に変更し、かつ、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層６をｐ型ＧａＩｎＰ層に変更した比較例４のＬＤを作成し、この比較例４のＬＤと本第１実施形態の半導体レーザ装置と比較も行った。
【０１７５】
上記比較例４のように、ＧａＩｎＰ層をガイド層として用いると、効率が低下し、抵抗も大きくなり、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大し、また、ＬＤの温度が上昇し、信頼性が低下した。
【０１７６】
一方、本第１実施形態や比較例３のように、ＡｌＧａＡｓ層をガイド層として用いると、効率が高くなり、素子抵抗が下がり、高出力化、低消費電力化が可能となった。これは、ＧａＩｎＰを用いると効率が低下し、動作電圧が増大した原因は、活性層とのバレンスバンドの不連続が大きくなり、ホールに対して大きな障壁となってしまい、ホールの注入効率が低下したためと考えられる。
【０１７７】
また、上記ＡｌＧａＡｓ層をガイド層として用いることにより、Ｔｏが向上し高温で安定動作するようになった。これは、ＧａＩｎＰ層をガイド層として用いる場合と比べ、ＡｌＧａＡｓ層をガイド層として用いることにより、ＡｌＧａＡｓ層と活性層とのコンダクションバンドの差が大きくなり、井戸層からバリア層に溢れたキャリアが、ガイド層に漏れることなく量子井戸内に留まったためと考えられる。
【０１７８】
上記ＧａＩｎＰ層をガイド層として用いると、ＧａＩｎＰ層がＡｌを含まないから、一見信頼性が向上するようにも思えるが、実際は高出力時の信頼性は逆に悪くなることが分かった。これは、しきい値電流が上昇し、効率が低下し、同じ光出力を出すのに大きな電圧を必要とし、素子温度が上昇してしまい、ΔＥｃが小さくＴｏが悪いため、素子温度の上昇により更にしきい値電流が上昇してしまうという悪循環のためと推測される。
【０１７９】
上記ＡｌＧａＡｓ層をガイド層として用いる場合、Ａｌ組成０．３以上でＴｏを確保する効果があった。上記ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成を大きくすると、酸素が結合しやすくなるが、ガイド層として用いるＡｌＧａＡｓ層では、活性層と比べると光の分布が小さくなっているため、Ａｌの影響は小さく、信頼性にはあまり影響しなかった。
【０１８０】
本第１実施形態では、基板としてｎ型ＧａＡｓ基板を用いたが、ｐ型ＧａＡｓ基板を用い、上記構成のｎ型とｐ型とを入れ替えてＬＤを作製したところ、Ｔｏが悪くなってしまった。これは、井戸層とこの井戸層に対してｐ側に位置するバリア層との間に中間層を形成しているため、井戸層に注入された電子が、中間層の準位に漏れやすくなったためと考えられる。
【０１８１】
一方、ｎ型基板を用いた場合は、井戸層とこの井戸層に対してｎ側に位置するバリア層との間に中間層を形成しているため、電子は中間層の準位を介して井戸層に注入され、注入された電子はバリア層への漏れにくくなるためＴｏが低下し難くなったと考えられる。
【０１８２】
本第１実施形態では、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層４Ａ，４ＢとＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ井戸層５Ａ，５Ｂとの間に、ＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂを配置していたが、ＧａＡｓ中間層１４Ａ，１４Ｂ以外の層であっても、III族にＩｎを含まず、Ｖ族が１元素より構成される層であれば配置してもよい。
【０１８３】
〔第２実施形態〕
図３に、本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図を示す。また、図３において、図１に示した第１実施形態の半導体レーザ装置と同一の構成部は、図１における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【０１８４】
図３において、４Ｃは厚さ５ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層、４Ｄは厚さ２０ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層、１５は厚さ１５ｎｍのｐ型Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．４Ｐ０．６バリア形成層、２２は厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ，２４Ｆは厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層、２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃは厚さ４．２ｎｍのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ井戸層である。
【０１８５】
ここで、上記アンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層４ＤはIII−Ｖ族化合物半導体バリア層の一例、ＧａＡｓ中間層２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ，２４ＦはIII−Ｖ族化合物半導体中間層の一例、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ井戸層２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃは井戸層の一例である。
【０１８６】
以下、図４Ａ〜図４Ｃを用いて本第２実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。
【０１８７】
まず、図４Ａに示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、厚さ１．８μｍのｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層２、厚さ０．１μｍのｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層３、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層４Ａ、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層２４Ａ、厚さ４．２ｎｍのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ井戸層２５Ａ、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層２４Ｂ、厚さ５ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層４Ｂ、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層２４Ｃ、厚さ４．２ｎｍのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ井戸層２５Ｂ、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層２４Ｄ、厚さ５ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層４Ｃ、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層２４Ｅ、厚さ４．２ｎｍのＧａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ井戸層２５Ｃ、厚さ１ｎｍのＧａＡｓ中間層２４Ｆ、厚さ２０ｎｍのアンドープＧａ０．８５Ｉｎ０．１５Ａｓ０．５Ｐ０．５バリア層４Ｄ、厚さ０．１μｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層６、厚さ０．１５μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層７、厚さ１５ｎｍのｐ型Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．４Ｐ０．６バリア形成層１５、厚さ１．２８μｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９、厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層２２をＭＯＣＶＤ法により結晶成長して順次形成する。
【０１８８】
上記結晶成長を行うとき、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２２は、最上層０．３μｍのみ電極とのコンタクトが取り易いように１×１０２０ｃｍ−３の不純物密度でドーピングする。
【０１８９】
上記バリア層４Ａからｎ型ＧａＡｓ基板１とは反対側へ進んでバリア層４Ｄまでの層、つまり、ｎ型ＡｌＧａＡｓガイド層３とｐ型ＡｌＧａＡｓガイド層６との間の層が、ＴＱＷ（Triple Quantum Well；三重量子井戸）構造を有する量子井戸活性層２６を構成している。
【０１９０】
なお、上記バリア層４Ａ〜４Ｄは、本第２実施形態の組成に限るものではない。
【０１９１】
次に、上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層２２上に、６μｍ幅のレジストマスク（図示せず）を通常のフォトリソグラフィ技術により形成し、レジストマスク以外のｐ型ＧａＡｓキャップ層２２およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９をエッチング除去して、図４Ｂに示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２２およびｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９からなるストライプ状のリッジを形成する。
【０１９２】
上記リッジを形成するとき、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層９とｐ型Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．４Ｐ０．６層１４とで選択性の高いエッチャントを用いて、ｐ型Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．４Ｐ０．６バリア形成層１５でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。本第２実施形態では、上記エッチングはリッジの底部の幅が２．７μｍになるように調整した。
【０１９３】
次に、上記リッジ上のレジストマスクを除去した後、図４Ｂの積層構造を持つウェハを１００μｍの厚さに研磨し、図４Ｃに示すように、ｐ側にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極２３を蒸着により形成し、ｎ側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１３Ｂを蒸着により形成する。つまり、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２２にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極２３を電気的に接続し、ｎ型ＧａＡｓ基板１にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１３Ｂを電気的に接続する。
【０１９４】
次に、図４Ｃの構造を持つウェハを劈開して、幅５００μｍのレーザバーを複数形成した後、各レーザバーの一方の端面に、反射率が５％となるようにＳｉ膜およびＡｌ２Ｏ３膜を蒸着により形成すると共に、各レーザバーの他方の端面に、反射率が９０％となるようにＳｉ膜およびＡｌ２Ｏ３膜を蒸着により形成する。上記レーザバーの一方の端面、および、レーザバーの他方の端面は、リッジが延びる方向に垂直となるように形成されている。
【０１９５】
最後に、上記各レーザバーを分割してチップ状態の半導体レーザ装置を得る。
【０１９６】
このように作製した半導体レーザ装置の発振波長は２５℃で８６８ｎｍであった。
【０１９７】
本第２実施形態では、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰバリア形成層１５に対するｐ側の電極２３のショットキー接合を用いて、上記リッジへの電流狭窄を実現している。
【０１９８】
したがって、本第２実施形態の半導体レーザ装置は、上記第１実施形態の半導体レーザ装置と比べて、製造工程が簡略化され、製造コストを大幅に低減することが出来た。
【０１９９】
その結果、低コストで、高出力で低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用光源を提供することが可能となった。
【０２００】
本第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様、ＧａＡｓ中間層２４Ａ〜２４Ｆを形成することにより、ＧａＩｎＡｓＰバリア層４Ａ，４Ｂ，４Ｃの界面の組成揺らぎの影響を避けることができ、素子特性の再現性、面内分布が向上し、安定したＬＤ動作が可能となった。
【０２０１】
本第２実施形態では、各井戸層２５Ａ〜２５Ｃの上下両側（ｎ型ＧａＡｓ基板１側、および、ｎ型ＧａＡｓ基板１側とは反対側）にＧａＡｓ中間層２４Ａ〜２４Ｆを形成したため、井戸層の上下両側のＧａＩｎＡｓＰバリア層４Ａ〜４Ｄの影響を避けることができるようになった。
【０２０２】
本第２実施形態のように、上記リッジが空間的に突出していると、リッジの底部が歪の影響を受けやすくなり、この歪の影響で素子の信頼性が低下してしまうことがある。特に活性領域に歪が入る材料系では、素子はその歪みの影響を受けやすくなる。
【０２０３】
そこで、本第２実施形態では、井戸層２５Ａ〜２５Ｃを圧縮歪、バリア層４Ａ〜４Ｄを引っ張り歪にして、リッジの底部が歪の影響を受け難くし、信頼性の低下を防いでいる。
【０２０４】
また、本第２実施形態では、圧縮歪を有する井戸層２５Ａ〜２５Ｃと、引っ張り歪を有するバリア層４Ａ〜４Ｄとの間に、無歪のＧａＡｓ中間層２４Ａ〜２４Ｆを形成することによって、井戸層２５Ａ〜２５Ｃとバリア層４Ａ〜４Ｄとの相対的な歪が緩和され、上記リッジの底部が歪の影響を受け難くなり、良好な信頼性が得られた。
【０２０５】
〔第３実施形態〕
図９に、本発明の第３実施形態の空間伝送システムの概略構成図を示す。この空間伝送システムは、１００Ｍｂｐｓの空間光伝送を行うものである。
【０２０６】
上記空間伝送システムは携帯端末３０１および情報サーバ３０２を備えている。この携帯端末３０１および情報サーバ３０２のそれぞれにはＬＤモジュールが搭載されている。
【０２０７】
上記ＬＤモジュールは、上記第１半導体レーザ装置または第２実施形態の半導体レーザ装置と、この半導体レーザ装置を封止して拡散剤を含む樹脂とを有する。
【０２０８】
上記構成の空間システムによれば、上記ＬＤモジュールを携帯端末３０１および情報サーバ３０２のそれぞれに搭載していることによって、高出力で高信頼性の半導体レーザ装置が光源となるので、１００Ｍｂｐｓという高速空間光伝送が実現できた。
【０２０９】
本第３実施形態では、電子手帳や携帯電話などの携帯端末３０１と情報サーバ３０２との間において、ワイヤレスによる双方向の高速データ伝送が行える。この携帯端末３０１に搭載されたＬＤモジュールは、１．８５ｍｍの小口径のＬＤモジュールである。また、上記情報サーバ３０２に搭載されたＬＤモジュールは、５ｍｍの大口径のＬＤモジュールである。
【０２１０】
上記情報サーバ３０２には、動画データや高画質の画像データ、高音質の音楽データなどが収められている。これらのデータを携帯端末１０１へダウンロードすることができる。これらのデータは容量が大きくなるため、従来のＩｒＤＡで伝送を行うと、十秒〜数十秒以上の時間がかかってしまうので、必ずしも使い勝手は良いものではなかった。
【０２１１】
これに対して、本第３実施形態では、第１，第２実施形態の半導体レーザ装置を持つＬＤモジュールを使用することにより、高速でデータ伝送を行うことができため、瞬時にデータをダウンロードすることが可能となり、高い頻度で手軽にデータを伝送することができるようになり、その利便性が飛躍的に向上した。
【０２１２】
特に、情報サーバ３０２に大口径のＬＤモジュールを用いたことで、第１，第２実施形態の半導体レーザ装置のように高いＬＤ出力に対してもアイセーフティを確保することが出来、より高出力で信頼性が高く、安定したＬＤを用いることができ、高速でかつ長い伝送距離での空間光伝送を実現できた。
【０２１３】
なお、本発明の空間光伝送システムは、上記第３実施形態の図示例にのみ限定されるものではない。
【０２１４】
また、上記第１〜第３実施形態において、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加えてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０２１５】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは本発明の第１実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図３】図３は本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図４Ａ】図４は本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは本発明の第２実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。
【図５】図５は従来の半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図６】図６はＧａＡｓ中間層厚と温度特性Ｔｏとの関係を示す図である。
【図７】図７はＧａＡｓ中間層厚としきい値電流，効率との関係を示す図である。
【図８Ａ】図８ＡはＧａＡｓ中間層が無い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図８Ｂ】図８ＢはＧａＡｓ中間層が薄い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図８Ｃ】図８ＣはＧａＡｓ中間層が厚い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図８Ｄ】図８ＤＧａＡｓ中間層が両側にある場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。
【図９】図９は本発明の第３実施形態の空間光伝送システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【０２１６】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓクラッド層
３  ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ  アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ０．４５Ｐ０．５５バリア層、
５Ａ，５Ｂ  アンドープＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ａｓ井戸層
６  ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓガイド層
７  ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第１クラッド層
８  ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層
９  ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第２クラッド層
１０  ｎ型Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓブロック層
１１  ｎ型ＧａＡｓブロック層
１２  ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１２ａ  第１の結晶成長により形成したｐ型ＧａＡｓキャップ層
１２ｂ  第２の結晶成長により形成したｐ型ＧａＡｓキャップ層
１２ｃ  第３の結晶成長により形成したｐ型ＧａＡｓキャップ層
１３Ａ  ｐ側のＡｕＺｎ／Ａｕ電極
１３Ｂ  ｎ側のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極
１４Ａ，１４Ｂ  アンドープＧａＡｓ中間層
１５  ｐ型Ｇａ０．８４Ｉｎ０．１６Ａｓ０．４Ｐ０．６バリア形成層
１６  量子井戸活性層
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅ，２４Ｆ  ＧａＡｓ中間層
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ  Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ井戸層
２６  量子井戸活性層
３０１  携帯端末
３０２  情報サーバ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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