(57)【要約】【課題】  InGaAlP系半導体レーザ素子の静特性を向上させ、かつ耐久性を向上させる。【解決手段】  GaAs基板１上に、GaAsに格子整合するｎ型In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）下部クラッド層３、GaAsに格子整合するIn0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）下部光ガイド層４、活性層５、GaAsに格子整合するIn0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）上部光ガイド層６、GaAsに格子整合するｐ型In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）上部クラッド層７、9がこの順に積層されてなる半導体レーザ素子において、下部光ガイド層４、活性層５および上部光ガイド層６の層厚の和ｔを0.30μｍ以上とする。【選択図】          図１
2005252153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
GaAs基板上に、GaAsに格子整合する第一導電型In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）下部クラッド層、GaAsに格子整合するIn0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）下部光ガイド層、活性層、GaAsに格子整合するIn0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）上部光ガイド層、GaAsに格子整合する第二導電型In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）上部クラッド層がこの順に積層されてなる半導体レーザ素子において、
前記下部光ガイド層、活性層および上部光ガイド層の層厚の和が0.30μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記層厚の和が0.35μm以上、0.6μm以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記下部クラッド層および／または上部クラッド層の層厚が0.8μm以下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−ザ素子。
【請求項４】
前記下部クラッド層および／または上部クラッド層の層厚が0.6μm以下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−ザ素子。
【請求項５】
前記活性層が、In0.49(Alx3Ga1-x3)0.51P(０≦x3＜x2）からなり、
発振波長が620〜680nmであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レ−ザ素子に関するものであり、特にInGaAlP系材料を有する0.6μm帯で発振する赤色半導体レ−ザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
630〜680nmで発振するInGaAlP系赤色半導体レーザはDVD（デジタル・バーサタイル・ディスク）、レーザポインター、バーコードリーダ、ディスプレイなどの光源として開発が盛んに行われている。なかでもDVD-R/RWシステムは大容量の情報を操作するためにデータ記録速度の向上が不可欠であり、記録速度の高速化開発が活発に行われている。書き込み速度の高速化に伴いピット形成に要する時間が短くなることから、光源である半導体レ−ザには更なる高光出力、高信頼性が要求されている。
【０００３】
InGaAlP系の代表的な赤色半導体レーザ素子は、(100)面から(111)面方向に5〜15度傾斜させたｎ型GaAs基板上に、ｎ型InGaAlPクラッド層、ノンド−プInGaAlP光ガイド層、多重量子井戸活性層、InGaAlP光ガイド層、ｐ型InGaAlPクラッド層、ｐ型InGaPヘテロバッファ層およびｐ型GaAsキャップ層を備え、ｐ型GaAsキャップ層、ｐ型InGaPヘテロバッファ層、ｐ型InGaAlPクラッド層はリッジ形状に成形され、このリッジ部の両側がｎ型GaAs電流ブロック層で埋め込まれ、さらにｐ型GaAsキャップ層上、およびｎ型GaAs電流ブロック層上にｐ型GaAsコンタクト層が形成され、基板裏面にｎ側電極は、コンタクト層上にｐ側電極が設けられた構成である。
【０００４】
従来の素子においては、活性層および光ガイド層の層厚の和は0.18〜0.28μmが一般的であり、活性層で生じた光のクラッド層へのしみ出しが大きいため、クラッド層は１〜1.2μｍ程度まで厚くして光のロスを防止していた。
【０００５】
上記のような従来の素子構造にはクラッド層材料としてInGaAsPを用いていることから以下のような問題点があった。
【０００６】
（１）InGaAlPはAlGaAsと比べて抵抗率が高く、熱抵抗が大きい。熱抵抗が大きいと、クラッド層の膜厚が厚いほど素子の動作電圧が上がり、また駆動時の発熱が大きくなり素子の特性に悪影響を与える。
【０００７】
（２）InGaAlP材料はｐ型ドーパントであるZnの拡散係数が大きいため結晶成長中もしくは熱処理中にZnが結晶中を拡散し、この拡散によりZnが活性層に進入して該活性層中に非発光再結合中心を発生させ素子特性の劣化の原因となる。
【０００８】
問題点（１）を解決する方法として、特許文献１には、ｎ側の光ガイド層の膜厚をｐ側ガイド層よりも厚くするかもしくはｎ側のみに光ガイド層を設けた非対称の構造とし、さらに活性層および光ガイド層からなる導波層の平均の屈折率と同程度の屈折率を持つ高屈折率層をｎ型クラッド層内に設けた構造により効率よく光閉じ込めを行うことを提案している。これにより、クラッド層を薄くすることができるために素子抵抗および熱抵抗を抑制する効果もある。
【０００９】
一方、問題点（２）を解決する方法として、Zｎ拡散防止のため特許文献２では活性層近傍のクラッド層の一部分にノンド−プ層またはキャリア濃度を少ない層を形成したレーザ素子が提案されている。
【特許文献１】特開平5-243669号公報
【特許文献２】特開2000-286507号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のようにｐ側の光ガイド層を薄くまたは無くしてしまうと、問題点（２）によるZnの拡散の影響がより深刻なものとなる。また、特許文献２のように、活性層近傍のクラッド層の一部分をノンド−プ層またはキャリア濃度の少ない層を形成する場合、活性層近傍のクラッド層のキャリア濃度は、フェルミ準位をあげて実質的に活性層へのキャリアの閉じ込めを強くしている働きがあるため、キャリア濃度を下げることにより、素子の温度特性を低下させるという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、InGaAlP系材料を用いた半導体レ−ザ素子において静特性を向上させ、かつ長寿命の半導体レ−ザ素子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】
【００１２】
本発明の半導体レーザ素子は、GaAs基板上に、GaAsに格子整合する第一導電型In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）下部クラッド層、GaAsに格子整合するIn0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）下部光ガイド層、活性層、GaAsに格子整合するIn0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）上部光ガイド層、GaAsに格子整合する第二導電型In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）上部クラッド層がこの順に積層されてなる半導体レーザ素子において、
前記下部光ガイド層、活性層および上部光ガイド層の層厚の和が0.30μｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１３】
なお、前記層厚の和は、0.35μm以上、0.6μm以下であることがより好ましい。
【００１４】
また、前記下部クラッド層および／または上部クラッド層の層厚は0.8μm以下であることが好ましく、より好ましくは、0.6μm以下である。
【００１５】
前記活性層は、In0.49(Alx3Ga1-x3)0.51P(０≦x3＜x2）からなり、発振波長が620〜680nmであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体レーザ素子によれば、活性層および光ガイド層の層厚の和を30μｍ以上としたことにより、クラッド層への光のしみ出しを抑えることができるため、InGaAlPクラッド層の厚さを薄くすることができる。すなわち、電気抵抗および熱抵抗の大きいInGaAlPクラッド層の厚さを薄くすることができるので、駆動時の発熱を抑制し素子特性の悪化を抑制することができる。
【００１７】
また、活性層および光ガイド層の層厚の和を30μｍ以上とするとは、すなわち光ガイド層の層厚を従来よりも厚くすることとなるため、この光ガイド層をノンドープとすれば、実質的にクラッド層から活性層までのノンドープ層の距離を広げることとなり、Znの活性層への拡散を防止する効果があり、素子特性の劣化を抑制することができる。なお、このように光ガイド層がZn拡散防止層としての役割を担うため、上述の特許文献２のように、従来Ｚｎの拡散防止のためにｐ型側のクラッド層の一部に拡散防止層としてノンドープ層を挿入する必要は生じず、クラッド層内にノンドープ層を挿入するために生じていたキャリア閉じ込めが低下する問題を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態の半導体レーザ素子について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態にかかる半導体レーザ素子の共振器方向に垂直な断面図である。
【００１９】
本実施の形態の半導体レーザ素子は、(100)面から(111)面方向に5〜15度傾斜させたｎ型GaAs基板１上に、ｎ型GaAsバッファ層２、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51Pクラッド層３、ノンド−プIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層４、多重量子井戸活性層５、ノンド−プIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層６、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P第一クラッド層７、ｐ型In0.49Ga0.51Pエッチングストップ層８、メサストライプ状のリッジ構造状に形成されたｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P第二クラッド層９、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層10およびｐ型GaAsキャップ層11が積層されてなり、リッジ構造の両脇に電流ブロック層12が埋め込まれており、リッジ部および電流ブロック層12上にｐ型GaAsコンタクト層13が設けられている。さらに、GaAs基板１の裏面にｎ側電極14、ｐ側電極15がそれぞれ形成されている。
【００２０】
本実施形態の半導体レーザ素子は、活性層５と１対の光ガイド層４、６との層厚の和ｔが0.30μｍ以上である。この層厚の和は、0.35μm以上、0.6μm以下であることがより好ましい。またｎ型クラッド層３の厚みｔncもしくはｐ型クラッド層の厚みtpcのうち少なくとも一方の厚みが0.8μm以下、好ましくは0.6μｍ以下となるように構成されている。本実施形態の場合、ｐ型クラッド層の厚みｔpcとは第一クラッド層７から第二クラッド層９までの層厚の和である。
【００２１】
多重量子井戸活性層５の量子井戸層はIn0.49(Alx3Ga1-x3)0.51P(０≦x3＜0.5）、障壁層はIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51Pであり、量子井戸数は３あるいは４である。量子井戸層、障壁層はそれぞれ6ｎｍ程度であり、量子井戸層が３の場合、活性層５の厚みは30ｎｍ程度となる。一般に活性層５の厚さは50ｎｍ以下程度である。
【００２２】
次に本半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
【００２３】
まず、有機金属気相成長法により(100)面から(111)面方向に５〜15度傾斜させたｎ型GaAs基板１上に、ｎ型GaAsバッファ層２、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51Pクラッド層３、ノンド−プIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層４、多重量子井戸活性層５、ノンド−プIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層６、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P第一クラッド層７、ｐ型In0.49Ga0.51Pエッチングストップ層８、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P第二クラッド層９、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層10およびｐ型GaAsキャップ層11をこの順に１回目の成長により積層配置する。
【００２４】
その積層体上にSiO2膜を形成し、リソグラフィー等を用いて所定幅のストライプ状の部分を有するSiO2選択成長マスクとし、ｐ型GaAsキャップ層11、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層10、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P第二クラッド層９をエッチングする。これによりマスクのストライプ状の部分に応じた幅を有するメサストライプ状のリッジ部が形成され、そのリッジ部の両端にはｐ型In0.49Ga0.51Pエッチングストップ層８が露出される。その後SiO2選択成長マスクを用いた選択成長法により、リッジ部以外の、先に露出されたｐ型In0.49Ga0.51Pエッチングストップ層８の上にn-GaAs電流ブロック層12を２回目の結晶成長により形成する。さらに、前記SiO2選択成長マスクを除去した後に、リッジ部上及び電流ブロック層上の全面に対してp-GaAsコンタクト層13を３回目の結晶成長により形成する。その後全体の厚みが100μm程度になるまでGaAs基板１の研磨を行い、最後にｎ側電極14を基板１の裏面に、ｐ側電極15をコンタクト層13上に蒸着および熱処理により形成する。この積層体から共振器長0.30〜1.0mm程度のレ−ザバ−を劈開により切り出し、共振器面へ低反射率および高反射率光学膜のコ−ティングを行う。その後劈開によりチップ化して共振器面に平行な断面として図１に示す断面を有する半導体レ−ザ素子を形成する。
【００２５】
なお上記実施形態において活性層は圧縮歪み、もしくは引張り歪みを有する歪活性層としても良い。なお、上述の各層を構成するIn0.49Ga0.51PおよびIn0.49(Alz4Ga1-z4)0.51Pの組成比率は、GaAs基板に格子整合するものであり、GaAsに格子整合する組成比であればこの数値に限定されるものではなく、クラッド層は、In0.49(Alx1Ga1-x1)0.51P（x2<x1<1）、光ガイド層は、In0.49(Alx2Ga1-x2)0.51P（0<x2<x1）、活性層はIn0.49(Alx3Ga1-x3)0.51P(０≦x3＜x2）の範囲で設計可能である。なお、活性層の組成比により発振波長は620〜680nmの範囲に設計可能である。
【００２６】
また上記実施の形態では光ガイド層をノンド−プ層としたが、Zn拡散が生じない範囲で光ガイド層の一部をド−ピングすることも可能である。
【００２７】
なお本発明は上記に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいた変形が可能である。例えば上記実施形態ではロスガイド型半導体レーザ素子のみを記載しているが、実屈折率導波型半導体レーザ素子や利得導波型半導体レーザ素子、回折格子付き半導体レーザ素子などに応用が可能である。また上記実施形態では基本横モードで発振する半導体レーザ素子について述べたが、多モード発振する幅広ストライプ半導体レーザ素子への応用や、一次元バーレーザや二次元アレイレーザへの応用も可能である。また上記実施形態ではGaAs基板をｎ型の導電性のもので記述しているがｐ型の導電性の基板を用いてもよく、この場合上記すべての導電性を反対にすれば良い。
【００２８】
活性層とその両脇に設けられる光ガイド層との層厚の和を30μｍ以上とすることにより、抵抗率、熱抵抗が大きいInGaAlPクラッド層の厚みを従来より薄くすることができるため、駆動時の発熱を抑制し、素子特性の劣化を抑制することができる。
【００２９】
この具体的な効果を図面を参照して説明する。図２は活性層における光パワー密度が同じで活性層と光ガイド層の層厚の和が異なる半導体レーザ素子から発振したレーザ光の近視野像（NFP）を示したものである。図１に示した半導体レーザ素子と略同一の層構成であるが、図２（ａ）は、活性層と光ガイド層の層厚の和が0.184μｍである素子、図２（ｂ）は活性層と光ガイド層の層厚の和が0.424μｍである素子についてのものである。図２中斜線で示す幅がそれぞれの素子についての活性層と光ガイド層の厚みに相当する。参考のために、図４に、図１に示した層構成と略同一の構成の発振波長が660ｎｍの半導体レーザ素子における活性層と光ガイド層の層厚の和とｄ／Γ（活性層厚さ／光閉じ込め係数）との関係を示す。活性層と光ガイド層の層厚の和がゼロから徐々に増えていくと、光の閉じ込めが強まっていき、活性層と光ガイド層の層厚の和が0.28μｍで最大となる。図２にＮＦＰを示す２つの素子は、ｄ／Γの逆数で表される活性層における光パワー密度が同じで活性層と光ガイド層の層厚が異なる半導体レーザ素子として、具体的には図４中のｄ／Γが0.43程度となる層厚の和0.184μｍ、0.424μｍを有する素子を用いた。なお、層厚の和が大きくなると、すなわち光ガイド層の厚みが厚くなると閾値電流が大きくなるために、従来は、同一の光パワー密度を得ることができる層厚の和が２点ある場合には、層厚の和が小さいものが選択されていた。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、光ガイド層厚が小さい場合には活性層で生じたレーザ光がクラッド層の深くまで浸透しており、この状態でクラッド層の厚さを薄くするとクラッド層脇のGaAs層（基板もしくはコンタクト層）にまでレ−ザ光が浸透するため光のロスが生じる。従来の半導体レーザ素子においては、光のロスによるレーザ光の出力低下を防ぐため、クラッド層を１μm以上の厚さとしていた。一方、図２（ｂ）のように活性層と光ガイド層の層厚の和が大きい場合には、レーザ光を光ガイド層近傍に閉じ込め、クラッド層への染み出しを少なくすることができるため、図２（ａ）の場合と比較してクラッド層厚を薄くすることができる。
【００３１】
具体的には、図２において、光のロスを防止するためには、活性層と光ガイド層との層厚の和が0.184μmの素子の場合にはクラッド層厚が片側約0.9μm必要となるが、活性層と光ガイド層との層厚の和が0.424μmの素子の場合にはクラッド層厚が片側約0.5μmで十分であることが分かる。ただし実際には製造毎のばらつきに対して性能を保証するため、クラッド層厚は上記値よりそれぞれ0.1〜0.3μｍ程度大きくするのが一般的である。したがって、活性層と光ガイド層との層厚の和が0.184μmの素子では1.0〜1.2μmのクラッド層厚となる。一方、このような製造毎のばらつきを考慮しても活性層と光ガイド層との層厚の和が0.424μmの素子の場合では0.6〜0.8μmのクラッド層厚を実現することが可能である。
【００３２】
InGaAsPクラッド層厚を薄くすることによるさらなる効果を明らかにするため、活性層における光パワー密度が同じでｐ型およびｎ型のInGaAlPクラッド層のそれぞれの厚みが1.2μｍである素子およびそれぞれの厚みが0.6μｍである素子を作製し、評価を行った。評価はそれぞれ10素子を50℃、5mW、APC駆動条件にて信頼性試験を行い、そのデ−タから推定寿命（駆動電流値が初期の1.2倍に到達すると推定される時点）を算出し、その値のメディアン値を比較することにより行った。その結果、ｐ型、ｎ型クラッド層の厚みを共に1.2μmとした素子の寿命が約10000時間であったのに対して、それぞれのクラッド層の厚みを0.6μｍとした素子の寿命は約13000時間であった。この結果はクラッド層の厚みを薄くすることで、寿命を延ばすことができ、信頼性を向上させることができることを示している。
【００３３】
さらに、活性層と光ガイド層の層厚の和が、赤色半導体レ−ザに与える影響を調べるために光ガイド層の厚みが（すなわち活性層と光ガイド層の層厚の和が）異なる複数の素子を作製し、層厚の和に対する寿命特性の変化を調べた。ここで、活性層は、6ｎｍ程度の厚さの量子井戸層が３層と同程度の厚さの障壁層とから構成するものとし、活性層全体の厚さは30ｎｍ程度とした。ここで各素子の構成は、光ガイド層の厚み以外は同様であり、クラッド層の厚みはｐ型、ｎ型ともに1.2μmとし、ドーピングをクラッド層全域に行ったものである。活性層と光ガイド層の層厚の和と推定寿命との関係を図３に示す。横軸は活性層と光ガイド層の層厚の和であり、縦軸は推定寿命のメディアン値である。この結果から活性層と光ガイド層の層厚の和は0.3μｍ以上、0.65μｍ以下であることが好ましいことが分かる。活性層と光ガイド層の層厚の和が0.30μm以下ではクラッド層中からのZn拡散により寿命特性が低下し、また層厚の和が0.65μm以上では光閉じ込め効果の低下により寿命特性が低下するものと考えられる。なお、図３に示すように、活性層と光ガイド層の層厚の和は、0.35μm以上かつ0.6μm以下であることがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態の半導体レ−ザ素子の断面図
【図２】光ガイド層厚が異なる半導体レ−ザ素子から発振されるレーザ光の近視野像を示す図
【図３】活性層と光ガイド層の層厚の和と推定寿命との関係を示すグラフ
【図４】活性層と光ガイド層の層厚の和と光パワー密度との関係を示すグラフ
【符号の説明】
【００３５】
１      ｎ型GaAs基板
２      ｎ型GaAsバッファ層
３      ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層
４      ノンド−プIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層
５      多重量子井戸活性層
６      ノンド−プIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層
７      ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層
８      ｐ型In0.49Ga0.51Pエッチングストップ層
９      ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層
10      ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層
11      ｐ型GaAsキャップ層
12      ｎ型GaAs電流ブロック層
13      ｐ型GaAsコンタクト層
14      ｎ側電極
15      ｐ側電極
【図１】
2005252153.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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