(57)【要約】【課題】  活性領域以外の全体の層全体を高屈折率化することにより酸化しやすい材料の混晶比を低減できるエピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザの提供。【解決手段】  基板上１１に、第１導電型第２クラッド領域１２と、第１導電型低屈折率化防止層２１と、第１導電型第１クラッド領域１３と、活性領域１４と、第２導電型第１クラッド領域１５と、第２導電型低屈折率化防止層２２と、ストライプ状の開口部１９を有する第１導電型電流ブロック層１６と、前記開口部１９内部及び少なくとも前記開口部両脇の第１導電型電流ブロック層１６と接している第２導電型第２クラッド領域１７と、第２導電型コンタクト層１８とをこの順に有するエピタキシャルウエハにおいて、第１導電型電流ブロック層１６の屈折率が第２導電型第２クラッド領域１７の屈折率より低く、低屈折率化防止層２１、２２の屈折率が全クラッド領域の屈折率より高く、かつ低屈折率化防止層２１、２２の厚みが第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５の厚みより薄くする。【選択図】                図１
2005064101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第１導電型第２クラッド領域と、第１導電型第１クラッド領域と、活性領域と、第２導電型第１クラッド領域と、ストライプ状の開口部を有する第１導電型電流ブロック層と、前記開口部内部及び少なくとも前記開口部両脇の第１導電型電流ブロック層と接している第２導電型第２クラッド領域と、第２導電型コンタクト層とをこの順に有するエピタキシャルウエハにおいて、
前記第１導電型第２クラッド領域と前記第１導電型第１クラッド領域との間に第１導電型低屈折率化防止層及び／又は前記第２導電型第１クラッド領域と第２導電型第２クラッド領域との間に第２導電型低屈折率化防止層を有し、
前記第１導電型電流ブロック層の屈折率が前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率より低く、前記低屈折率化防止層の屈折率が第１導電型第２クラッド領域、第１導電型第１クラッド領域、第２導電型第１クラッド領域及び第２導電型第２クラッド領域の屈折率より高く、かつ前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は第２導電型低屈折率化防止層の厚みが前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の厚みより薄いことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
前記第１導電型第１クラッド領域、第１導電型第２クラッド領域、第２導電型第１クラッド領域及び第２導電型第２クラッド領域から選ばれる少なくとも１つが、屈折率の異なる複数の層で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
前記第１導電型第１クラッド領域に対する前記第２導電型第１クラッド領域の厚みの比及び屈折率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする請求項１又は２に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
前記第１導電型第２クラッド領域に対する前記第２導電型第２クラッド領域の厚みの比及び屈折率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
前記第１導電型低屈折率化防止層に対する前記第２導電型低屈折率化防止層の厚み及び屈折率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項６】
前記第１導電型第１クラッド領域、前記第１導電型第２クラッド領域、前記第２導電型第１クラッド領域、及び前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が前記第１導電型電流ブロック層の屈折率より高く、前記第１導電型第１クラッド領域及び前記第１導電型第２クラッド領域の屈折率が前記第１導電型低屈折率化防止層の屈折率よりも低く、かつ前記第２導電型第１クラッド領域及び前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が第２導電型低屈折率化防止層の屈折率より低いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項７】
前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の屈折率が前記複数の層の他の層の屈折率より低いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項８】
前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が前記第１導電型第２クラッド領域の屈折率より低く、かつ前記複数の層のうち活性領域に最も近い層以外の層の屈折率より低いことを特徴とする請求項７に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項９】
前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記第１導電型低屈折率化防止層及び前記第２導電型低屈折率化防止層のいずれか一方の厚みが、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の厚みより薄いことを特徴とする請求項７又は８に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１０】
前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の厚みが前記複数の層の他の層の合計の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１１】
前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記第１導電型第２クラッド領域及び／又は前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の屈折率より高いことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１２】
前記第２導電型低屈折率化防止層がエッチング停止層として用いられることを特徴とする請求項1〜１１のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１３】
前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は前記第２導電型低屈折率化防止層のバルク状態におけるバンドギャップエネルギーが、前記活性領域より発振する光のエネルギー以下であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１４】
前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は前記第２導電型低屈折率化防止層の薄膜化により、前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は第２導電型低屈折率化防止層の実効的なバンドギャップエネルギーを前記活性領域から発振する光のエネルギーより大きくしたことを特徴とする請求項１３に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１５】
前記各層が、ヒ素系III−V族化合物半導体材料からなる請求項1〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１６】
前記各層が、リン系III−V族化合物半導体材料からなる請求項1〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１７】
前記各層が、ヒ素系及びリン系III−V族化合物半導体材料からなる請求項1〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１８】
前記各層が、窒化物系III−V族系化合物半導体材料からなることを特徴とする請求項1〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項１９】
前記各層が、II−VI族系化合物半導体材料からなる請求項１〜１４のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハを用いて作製されたことを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザに関し、特に第２導電型第２クラッド領域より低屈折率である第１導電型電流ブロック層を有する実屈折率型構造において、活性領域以外の層全体を高屈折率化するエピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザのビーム放射角は、ビーム放射光の利用効率向上の観点から、外部光学系の外部レンズや光ファイバに結合する際に、ある特定の角度に合わせることが望まれている。
【０００３】
半導体レーザのエピタキシャルウエハの積層方向に対する垂直ビーム放射角の低減化方法としては、活性領域と接しているクラッド領域の屈折率を低くする方法が知られている（例えば、特許文献１：特開平６−１０４５２５号公報参照）。しかし、この方法では、活性領域を除く層全体が低屈折率化してしまい、例えばIII−V族系化合物半導体材料からなる半導体レーザではAl、II−VI族系化合物半導体材料からなる半導体レーザではMgなどの酸化しやすい材料の混晶比の増加の原因となり、その結果、半導体レーザの寿命特性を悪化させるという問題があった。
【０００４】
また、第２導電型第２クラッド領域より低屈折率である第１導電型電流ブロック層を有する実屈折率型構造は、第２導電型第２クラッド領域の直下にある活性領域において光吸収を少なくし、光を有効に制御できることが知られている（例えば、特許文献２：特許第２８４２４６５号公報参照）。しかし、この構造では、前記電流ブロック層の屈折率が第２導電型第２クラッド領域よりもさらに低屈折率となるため、例えばIII−V族系化合物半導体材料からなる半導体レーザではAl、II−VI族系化合物半導体材料からなる半導体レーザではMgなどの酸化しやすい材料の混晶比が、前記電流ブロック層において高くなるという問題があった。
【０００５】
また、クラッド領域間にCOD（Catastrophic Optical Damage）改善のために導入された光しみ出し層やエッチング停止層による光場の偏りを矯正するための光場矯正層を有する半導体レーザも知られている（例えば、特許文献３：特開平８−４６３０１号公報、特許文献４：特開平１１−２６８６８号公報）。しかし、光しみ出し層や光場矯正層を導入するだけでは、層全体の低屈折率化を防ぐことはできず、更なる改善が必要とされた。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１０４５２５号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献２】特許第２８４２４６５号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献３】特開平８−４６３０１号公報（特許請求の範囲、図１）
【特許文献４】特開平１１−２６８６８号公報（特許請求の範囲、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、第２導電型第２クラッド領域より低屈折率である第１導電型電流ブロック層を有する実屈折率型構造において、活性領域以外の層及び領域全体を高屈折率化することにより酸化しやすい材料の混晶比を低減できるエピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意検討を進めた結果、第２導電型第２クラッド領域より低屈折率である第１導電型電流ブロック層を有する実屈折率型構造において、第１導電型第２クラッド領域と第１導電型第１クラッド領域の間及び／又は第２導電型第１クラッド領域と第２導電型第２クラッド領域の間に、それぞれのクラッド領域と同じ導電型の低屈折率化防止層を設け、かつ各層及び領域の屈折率と厚みを調整することにより、酸化しやすい材料の混晶比の増加を抑え、活性領域以外の層全体を高屈折率化できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のエピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザは、基板上に、第１導電型第２クラッド領域と、第１導電型第１クラッド領域と、活性領域と、第２導電型第１クラッド領域と、ストライプ状の開口部を有する第１導電型電流ブロック層と、前記開口部内部及び少なくとも前記開口部両脇の第１導電型電流ブロック層と接している第２導電型第２クラッド領域と、第２導電型コンタクト層とをこの順に有し、前記第１導電型第２クラッド領域と前記第１導電型第１クラッド領域との間に第１導電型低屈折率化防止層及び／又は前記第２導電型第１クラッド領域と第２導電型第２クラッド領域との間に第２導電型低屈折率化防止層を有し、前記第１導電型電流ブロック層の屈折率が前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率より低く、前記低屈折率化防止層の屈折率が第１導電型第２クラッド領域、第１導電型第１クラッド領域、第２導電型第１クラッド領域及び第２導電型第２クラッド領域の屈折率より高く、かつ前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は第２導電型低屈折率化防止層の厚みが前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の厚みより薄くすることにより上記目的を達成する。
【００１０】
本発明の好ましい態様としては、以下の態様を挙げることができる。
（１）前記第１導電型第１クラッド領域、第１導電型第２クラッド領域、第２導電型第１クラッド領域及び第２導電型第２クラッド領域から選ばれる少なくとも１つが、屈折率の異なる複数の層で構成されていることを特徴とするエピタキシャルウエハ。
（２）前記第１導電型第１クラッド領域に対する前記第２導電型第１クラッド領域の厚みの比及び屈折率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする（１）に記載のエピタキシャルウエハ。
（３）前記第１導電型第２クラッド領域に対する前記第２導電型第２クラッド領域の厚みの比及び屈折率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のエピタキシャルウエハ。
（４）前記第１導電型低屈折率化防止層に対する前記第２導電型低屈折率化防止層の厚み及び屈折率の比が０．９〜１．１であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか一項に記載のエピタキシャルウエハ。
（５）前記第１導電型第１クラッド領域、前記第１導電型第２クラッド領域、前記第２導電型第１クラッド領域、及び前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が前記第１導電型電流ブロック層の屈折率より高く、前記第１導電型第１クラッド領域及び前記第１導電型第２クラッド領域の屈折率が前記第１導電型低屈折率化防止層の屈折率よりも低く、かつ前記第２導電型第１クラッド領域及び前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が第２導電型低屈折率化防止層の屈折率より低いことを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（６）前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の屈折率が前記複数の層の他の層の屈折率より低いことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（７）前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が前記第１導電型第２クラッド領域の屈折率より低く、かつ前記複数の層のうち活性領域に最も近い層以外の層の屈折率より低いことを特徴とする（６）に記載のエピタキシャルウエハ。
（８）前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記第１導電型低屈折率化防止層及び前記第２導電型低屈折率化防止層のいずれか一方の厚みが、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の厚みより薄いことを特徴とする（６）又は（７）に記載のエピタキシャルウエハ。
（９）前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の厚みが前記複数の層の他の層の合計の厚みよりも薄いことを特徴とする（６）〜（８）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１０）前記第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の少なくとも一方が屈折率の異なる複数の層で構成され、前記第１導電型第２クラッド領域及び／又は前記第２導電型第２クラッド領域の屈折率が、前記複数の層のうち活性領域に最も近い層の屈折率より高いことを特徴とする（６）〜（９）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１１）前記第２導電型低屈折率化防止層がエッチング停止層として用いられることを特徴とする（１）〜（１０）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１２）前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は前記第２導電型低屈折率化防止層のバルク状態におけるバンドギャップエネルギーが、前記活性領域より発振する光のエネルギー以下であることを特徴とする（１）〜（１１）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１３）前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は前記第２導電型低屈折率化防止層の薄膜化により、前記第１導電型低屈折率化防止層及び／又は第２導電型低屈折率化防止層の実効的なバンドギャップエネルギーを前記活性領域から発振する光のエネルギーより大きくしたことを特徴とする（１２）に記載のエピタキシャルウエハ。
（１４）前記活性領域が少なくとも２つの量子井戸層、２つの光ガイド層及び１つのバリア層からなることを特徴とする（１）〜（１３）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１５）前記各層が、ヒ素系III−V族化合物半導体材料からなる（１）〜（１４）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１６）前記各層が、リン系III−V族化合物半導体材料からなる（１）〜（１４）のいずれかに前記エピタキシャルウエハ。
（１７）前記各層が、ヒ素系及びリン系III−V族化合物半導体材料からなる（１）〜（１４）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（１８）前記各層が、窒化物系III−V族系化合物半導体材料からなることを特徴とする（１）〜（１４）のいずれかに前記エピタキシャルウエハ。
（１９）前記各層が、II−VI族系化合物半導体材料からなる（１）〜（１４）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハ。
（２０）（１）〜（１９）のいずれかに記載のエピタキシャルウエハを用いた半導体レーザ。
【００１１】
本発明のエピタキシャルウエハにおける低屈折率化防止層の導入効果を示すために、同一の活性領域を有し、かつエピタキシャルウエハの積層方向に対する垂直ビーム放射角を１６°、水平ビーム放射角を９°となるように計算で求めた第２導電型第２クラッド領域よりも低屈折率である第１導電型電流ブロック層を有する実屈折率型構造の４種類のAlGaAs系化合物半導体エピタキシャルウエハを用いて以下に説明する。
【００１２】
なお、本発明のビーム放射角は、レーザ中の光導波の解析で一般的に用いられている実効屈折率近似法で行った（「半導体レーザ(基礎と応用)」、伊藤良一、中村道冶共編  培風館（1989)p98-100））。この際、エピタキシャル成長方向とエピタキシャル成長方向に対する垂直方向との光分布は互いに独立であると仮定して変数分離で行った。また、前記解折で用いる屈折率ｎは、本明細書において例として用いたAlGaAsの場合、Alの組成をｘとしたとき（Gaの組成を"1-x"）、レーザの発振波長が８００ｎｍ付近であるとして、以下の式に従って求めた。
【００１３】
【数１】
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【００１４】
上記４種類のエピタキシャルウエハの断面構造と、計算結果であるAlXGa1-XAsのAl混晶比及び屈折率を図４〜７に示す。図４は、低屈折率化防止層２１、２２を有する場合の断面構造、図５は、低屈折率化防止層２１、２２を有しない場合の断面構造、図６は、第１クラッド領域１３、１５を複数層化し、低屈折率化防止層２１、２２を有する場合の断面構造、図７は、第１クラッド領域１３、１５を複数層化し、低屈折率化防止層２１、２２を有しない場合の断面構造をそれぞれ表す。上記４種類の構造において、導電型低屈折率化防止層２１、２２を有する場合と有しない場合の屈折率の違いを明らかにするため、活性領域１４以外の層であるクラッド領域１２、１３、１５、１７及び第１導電型電流ブロック層１６の屈折率の比較を行った。
【００１５】
上記４種類の構造において、活性領域１４は２つの量子井戸を有するSCH（Separate Confinement Heterostructure）構造であって、２つの量子井戸層、２つの光ガイド層、１つのバリア層からなり、それぞれの層のAl組成や厚みは同一とした。また、活性領域１４以外の層においても、層の厚みがビームの放射角へ影響を及ぼすため、低屈折率化防止層２１、２２の導入による屈折率への影響をより正確に評価する目的で、第１導電型第２クラッド領域１２の厚み、第１導電型低屈折率化防止層２１の厚み（図４及び図６に示す構造のみ）、活性領域１４から第１導電型第２クラッド領域１２までの距離、活性領域１４から第１導電型電流ブロック層１６までの距離、第２導電型低屈折率化防止層２２の厚み（図４及び図６に示す構造のみ）、第１導電型電流ブロック層１６の厚み、第２導電型第２クラッド領域１７の厚み、第２導電型コンタクト層１８の厚みについても、上記４種類の構造について同一とした。
【００１６】
１つ目のエピタキシャルウエハの層構造は、導電型低屈折率化防止層２１、２２を有する構造であり、図４に断面構造が示される。第１導電型GaAs基板１１上に、AlXGa1-XAs（x=0.461）で厚み２．５０μmの第１導電型第２クラッド領域１２、AlXGa1-XAs（x=0.175）で厚み０．０１μmの第１導電型低屈折率化防止層２１、AlXGa1-XAs（x=0.461）で厚み０．１０μmの第１導電型第1クラッド領域１３、活性領域１４、AlXGa1-XAs As（x=0.461）で厚み０．１０μmの第２導電型第1クラッド領域１５、AlXGa1-XAs（x=0.175）で厚み０．０１μmの第２導電型低屈折率化防止層２２、電流が流れる領域を２．２５μm幅のストライプ状に制限したAlXGa1-XAs（x=0.496）で厚み１．００μmの第１導電型電流ブロック層１６、該電流ブロック層１６に接し、かつ電流ブロック層１６の下に設けられた第２導電型低屈折率化防止層２２に接したAlXGa1-XAs（x=0.461）で厚み２．５０μmの第２導電型第2クラッド領域１７、GaAsで厚み０．５０μmの第２導電型コンタクト層１８が順次積層した構造である。
【００１７】
２つ目のエピタキシャルウエハの層構造は、図４に示す１つ目の構造に対し、導電型低屈折率化防止層２１、２２を有しない構造であり、図５に断面構造が示される。第１導電型GaAs基板１１上に、AlXGa1-XAs（x=0.528）で厚み２．５μmの第１導電型第２クラッド領域１２、AlXGa1-XAs（x=0.528）で厚み０．１１μmの第１導電型第1クラッド領域１３、活性領域１４、AlXGa1-XAs（x=0.528）で厚み０．１１μmの第２導電型第１クラッド領域１５、電流が流れる領域を２．２５μm幅のストライプ状に制限したAlXGa1-XAs（x=0.567）で厚み１．００μmの第１導電型電流ブロック層１６、該電流ブロック層１６に接し、かつ電流ブロック層１６の下に設けられた第２導電型第1クラッド領域１５に接したAlXGa1-XAs（x=0.528）で厚み２．５０μｍの第２導電型第2クラッド領域１７、GaAsで厚み０．５０μmの第２導電型コンタクト層１８が順次積層された構造である。
【００１８】
３つ目のエピタキシャルウエハの層構造は、導電型低屈折率化防止層２１、２２を有する場合の構造であり、図４に示される1つ目の構造に対し、第１クラッド領域１３、１５をAl混晶比の差が０．０１０である２層とした場合の構造であり、図６にその断面構造が示される。第１導電型GaAs基板１１上に、AlXGa1-XAs（x=0.470）で厚み２．５０μmの第１導電型第２クラッド領域１２、AlXGa1-XAs（x=0.175）で厚み０．０１μmの第１導電型低屈折率化防止層２１、AlXGa1-XAs（x=0.470）で厚み０．０６μmとAlXGa1-XAs（x=0.480）で厚み０．０４μmの２層からなる第１導電型第１クラッド領域１３、活性領域１４、AlXGa1-XAs（x=0.480）で厚み０．０４μmとAlXGa1-XAs（x=0.470）で厚み０．０６μmの２層からなるの第２導電型第1クラッド領域１５、AlXGa1-XAs（x=0.175）で厚み０．０１μmの第２導電型低屈折率化防止層２２、電流が流れる領域を２．２５μm幅のストライプ状に制限したAlXGa1-XAs（x=0.505）で厚み１．１０μmの第１導電型電流ブロック層１６、該電流ブロック層１６に接していてかつ電流ブロック層16の下に設けられた第２導電型低屈折率化防止層２２に接したAlXGa1-XAs（x=0.470）で厚み２．５０μmの第２導電型第2クラッド領域１７、GaAsで厚み０．５０μmの第２導電型コンタクト層１８が順次積層された構造である。
【００１９】
４つ目のエピタキシャルウエハの層構造は、図６に示す３つ目の構造に対し、導電型低屈折率化防止層２１、２２を有しない場合の構造であり、３つ目の構造と同様に第1クラッド領域１３、１５をAl混晶比の差が０．０１である２層とした場合の構造であり、図７に断面構造が示される。第１導電型GaAs基板１１上に、AlXGa1-XAs（x=0.539）で厚み２．５０μmの第１導電型第２クラッド領域１２、AlXGa1-XAs（x=0.539）で厚み０．０７μmとAlXGa1-XAs（x=0.549）で厚み０．０４μmの２層からなる第１導電型第１クラッド領域１３、活性領域１４、AlXGa1-XAs（x=0.549）で厚み０．０４μmとAlXGa1-XAs（x=0.539）で厚み０．０７μmの２層からなる第２導電型第１クラッド領域１５、電流が流れる領域を２．２５μm幅のストライプ状に制限したAlXGa1-XAs（x=0.578）で厚み１．１０μmの第１導電型電流ブロック層１６、該電流ブロック層１６に接し、かつ電流ブロック層１６の下に設けられた第２導電型第１クラッド領域１５に接したAlXGa1-XAs（x=0.539）で厚み２．５０0μmの第２導電型第２クラッド領域１７、GaAsで厚み０．５０μmの第２導電型コンタクト層１８が順次積層した構造である。
【００２０】
以上の４種類の構造について、エピタキシャルウエハの積層方向に対する垂直ビーム放射角１６°、水平ビーム放射角９°となるようにＡｌ組成を調整して屈折率を変化させることにより計算して求めた屈折率における第１導電型電流ブロック層の屈折率と第２導電型第２クラッド領域の屈折率とを比較した結果をグラフ化したものを図８に示す。
【００２１】
なお、上記４種類の各構造において、活性領域１４の構造はすべて同一であり、かつ第１導電型第２クラッド領域１２と第２導電型第２クラッド領域１７とのAl混晶比もすべて同一である。また１つ目（図４）と２つ目（図５）の各構造では第２クラッド領域１２、１７と第１クラッド領域１３、１５のAl混晶比は同一である。また３つ目（図６）と４つ目（図７）の各構造において、第２クラッド領域１２、１７のAl混晶比と第１クラッド領域１３、１５を構成する２層のうち第２クラッド領域１２、１７側の層のAl混晶比は同一である。また、第１クラッド領域１３、１５の２層のうち第２クラッド領域１２、１７側の層と活性層１４側の層とのAl混晶比差は、活性層１４側の層を０．０１０高くした。さらに１つ目（図４）と３つ目（図６）の低屈折率化防止層２１、２２の厚みとAl混晶比は同一とした。これにより、各クラッド領域１２、１３、１５、１７の屈折率については、第１導電型第２クラッド領域１２のみを各構造に対して比較すればよく、図８には、４種類の各構造の第一導電型第２クラッド領域１２と電流ブロック層１６の屈折率を示した。
【００２２】
図８より、低屈折率化防止層２１、２２を有するエピタキシャルウエハである１つ目の構造（図４）及び３つ目の構造（図６）の方が、導電型低屈折率化防止層２１、２２を有しない２つ目の構造（図５）及び４つ目の構造（図７）と比べて、第１導電型第２クラッド領域１２及び第１導電型電流ブロック層１６のいずれも屈折率が高くなっており、活性領域１４以外の全体の層構成を高屈折率化できることが明らかである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のエピタキシャルウエハは、第１導電型第２クラッド領域と前記第１導電型第１クラッド領域の間に第１導電型低屈折率化防止層及び／又は第２導電型第１クラッド領域と第２導電型第２クラッド領域の間に第２導電型低屈折率化防止層を有し、第１導電型電流ブロック層の屈折率が第２導電型第２クラッド領域より低く、低屈折率化防止層の屈折率が全クラッド領域の屈折率より高く、かつ低屈折率化防止層の厚みが第１導電型第１クラッド領域及び第２導電型第１クラッド領域の厚みより薄い。この構成を有することにより、本発明であれば、酸化しやすい材料を用いた場合であっても酸化しやすい材料の混晶比を低減でき、活性領域以外の層全体を高屈折率化した所望のビーム放射角を有するエピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明のエピタキシャルウエハ及びそれを用いた半導体レーザについて詳細に説明する。なお、本明細書において「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。
【００２５】
図１〜図３に本発明のエピタキシャルウエハ及び半導体レーザの好適な実施態様を示す。以下、これらの図面に基づいて本発明のエピタキシャルウエハ及び半導体レーザを説明する。
【００２６】
図１に示されるエピタキシャルウエハは、基板１１上に、第１導電型第２クラッド領域１２、第１導電型低屈折率化防止層２１、第１導電型第１クラッド領域１３、活性領域１４、第２導電型第１クラッド領域１５、第２導電型低屈折率化防止層２２、ストライプ状の開口部１９を有する第１導電型電流ブロック層１６、開口部１９及び少なくとも開口部１９の両脇の第１導電型電流ブロック層１６と接している第２導電型第２クラッド領域１７、第２導電型コンタクト層１８がこの順に形成されている。
【００２７】
なお、本明細書において「領域」という表現は、単層と屈折率の異なる複数の層の両方を含む。また、「Ａ層（領域）、Ｂ層（領域）の順に形成された」という表現は、Ａ層（領域）の上面にＢ層（領域）の底面が接するようにＢ層（領域）が形成されている場合と、Ａ層（領域）の上面に１以上の層（領域）が形成され、さらにその層（領域）上にＢ層（領域）が形成されている場合の両方を含む。さらに、Ａ層（領域）の上面とＢ層（領域）の底面が部分的に接していて、その他の部分ではＡ層（領域）とＢ層（領域）の間に１以上の層（領域）が存在している場合も、上記表現に含まれる。
【００２８】
図１において、基板１１は、その上にダブルへテロ構造の結晶を成長可能なものであれば、その導電性や材料については特に限定はない。例えば、ヒ素系III−V族化合物半導体材料であるAlGaAs系及びAlGaInN系の材料、リン系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInP系の材料、ヒ素及びリン系III−V族化合物半導体材料であるGaInAsP系及びAlGaInAsP系の材料、窒化物系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInN系、AlGaInNAs系及びAlGaInNP系の材料、II-VI 族化合物半導体材料であるMgZnCdSSe系の材料を適用することができる。好ましくは、導電性のある基板である。具体的には、基板上への結晶薄膜成長に適したGaAs、GaP、InP、ZnSe、ZnO、Si、AlN、サファイアなどの結晶基板、閃亜鉛鉱型構造を有する結晶基板を用いることができる。また、基板１１は六方晶型の基板でもよく、例えばAl2O3、6H-SiC等からなる基板を用いることもできる。
【００２９】
基板１１上には、通常基板の欠陥をエピタキシャル成長に持ち込まないようにするため、厚さ０．２〜２μｍ程度のバッファー層を形成しておくこともできる。
【００３０】
基板１１の厚みは、設計により適宜決定することができる。例えば、エピタキシャルウエハでは基板１１の厚みは１００〜７００μｍの範囲であることが適当であり、２００〜６５０μｍの範囲であることが好ましく、２５０〜５００μｍの範囲であることがさらに好ましい。また、半導体レーザでは基板１１の厚みは５０〜３００μｍであることが適当であり、６０〜２００μｍであることが好ましく、７０〜１５０μｍであることがさらに好ましい。
【００３１】
基板１１上には活性領域１４を含む化合物半導体層を形成する。化合物半導体層は、活性領域１４の上下側に活性領域１４のうち最も低屈折率の層よりも低い屈折率を有するクラッド領域を含んでおり、そのうち基板側の領域は第１導電型クラッド領域、他方のエピタキシャル側の領域は第２導電型クラッド領域として機能する。
【００３２】
本発明のエピタキシャルウエハは、基板側に第１導電型第２クラッド領域１２、第１導電型第１クラッド領域１３、他方のエピタキシャル側に第２導電型第１クラッド領域１５、第２導電型第２クラッド領域１７をそれぞれ形成する。各クラッド領域は、単層であってもよく、また複数の層で構成されていてもよい。クラッド領域が複数層からなる場合、屈折率の異なる複数の層で構成されていることが好ましい。
【００３３】
本発明において、クラッド領域を複数層化し、さらに後述する低屈折率化防止層２１、２２を導入することにより、半導体レーザのビーム放射角又はエピタキシャルウエハ各層の屈折率を制御できる。これにより半導体レーザから発振されるビーム放射角の設計を自由に行うことができると同時に、選択性エッチングなどの採用のため材料組成が規制されている場合であっても光学的設計を比較的自由に行うことができる。
【００３４】
第１導電型第２クラッド領域１２、第１導電型第１クラッド領域１３、第２導電型第１クラッド領域１５及び第２導電型第２クラッド領域１７を形成するために用いられる材料は、実屈折率型構造を作製することが可能な材料であれば特に制限はなく、設計により適宜決定することができる。例えば、ヒ素系III−V族化合物半導体材料であるAlGaAs系及びAlGaInAs系の材料、リン系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInP系の材料、ヒ素及びリン系III−V族化合物半導体材料であるGaInAsP系及びAlGaInAsP系の材料、窒化物系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInN系、AlGaInNAs系及びAlGaInNP系の材料、II-VI 族化合物半導体材料であるMgZnCdSSe系の材料などを適用することができ、活性領域１４と同一の半導体材料を用いることが好まく、特に実用化で注目されているAlGaAs系、AlGaIn系、GaInAsP系、AlGaInN系の半導体材料を用いることが好ましい。
【００３５】
各クラッド領域の厚みは、設計により適宜決定することができるが、低屈折率化防止層２１、２２の低屈折率化の効果が効率よく得られるようにするため、第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５の場合、０．０５〜０．５μｍの範囲であることが適当であり、０．１〜０．４μｍの範囲であることが好ましく、０．１５〜０．３μｍの範囲であることがさらに好ましい。また、第１導電型第２クラッド領域１２及び第２導電型第２クラッド領域１７の場合、０．５〜５μｍの範囲であることが適当であり、０．７〜４μｍの範囲であることが好ましく、１〜３μｍの範囲がさらに好ましい。
【００３６】
各クラッド領域のキャリア濃度は、第１導電型第２クラッド領域１２の場合、１．０×１０17〜１．０×１０19ｃｍ-3であることが好ましく、５．０×１０17〜５．０×１０18ｃｍ-3であることがさらに好ましい。また、第１導電型第１クラッド領域１３の場合、５×１０16〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、１．０×１０17〜１．０×１０18ｃｍ-3であることがさらに好ましい。また、第２導電型第１クラッド領域１５の場合、５×１０16〜５×１０18ｃｍ-3であることが好ましく、１．０×１０17〜１．０×１０18ｃｍ-3ｃｍ-3であることがさらに好ましい。第２導電型第２クラッド領域１７の場合、１．０×１０17〜１．０×１０19ｃｍ-3であることが好ましく、５．０×１０17〜５．０×１０18ｃｍ-3であることがさらに好ましい。
【００３７】
活性領域１４の構造は、特に限定されず、AlGaAs系セルフパルセーション型化合物半導体レーザに一般的に用いられる第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５より屈折率が高いバルク活性層であってもよい。また、高出力半導体レーザや半導体レーザの低しきい値化によく用いられる活性層と光ガイド層とからなる構造であってもよい。活性層は、単一量子井戸又は量子井戸の間をバリア層で仕切られた多重量子井戸で構成される量子井戸構造であることが好ましい。この量子井戸構造は、少なくとも一方に光ガイド層を有し、該光ガイド層の屈折率は第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５の屈折率より高く、かつ量子井戸層の屈折率より低いSCH（Separate Confinement Heterostructure）構造や、光ガイド層の屈折率を連続的に変化させた部分を持つGRIN-SCH（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure）構造であってもよい。
【００３８】
活性領域１４が量子井戸構造を有する場合、AlGaInP系化合物半導体レーザでよく用いられるGaInP量子井戸層、AlGaInPバリア層及びAlGaInP光ガイド層のような、量子井戸層、バリア層、光ガイド層の少なくとも一つがひずみを有する層であってもよい。また、光ガイド層及びバリア層の一部又は全部が第一導電型又は第二導電型であってもよい。
【００３９】
活性領域１４の厚みは、設計により適宜決定することができる。例えば、バルク活性層である場合、厚みは０．０２〜０．２μｍであることが適当であり、０．０３〜０．１μｍであることがより好ましく、０．０４〜０．０８μｍであることがさらに好ましい。また、単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の活性層である場合、厚みは通常１０ｎｍ以下であり、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層である場合、厚みは０．０２〜０．３μｍであることが適当であり、０．０３〜０．２μｍであることが好ましく、０．０５〜０．１５μｍであることがさらに好ましい。
【００４０】
活性領域１４で用いられる材料は、設計により適宜決定され、例えば、ヒ素系III−V族化合物半導体材料であるAlGaAs系及びAlGaInAs系の材料、リン系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInP系の材料、ヒ素及びリン系III−V族化合物半導体材料であるGaInAsP系及びAlGaInAsP系の材料、窒化物系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInN系、AlGaInNAs系及びAlGaInNP系の材料、II-VI 族化合物半導体材料であるMgZnCdSSe系の材料などを例示することができ、特に実用の面で注目されているAlGaAs系、AlGaInP系、GaInAsP系、AlGaInN系を適用することが好ましい。
【００４１】
活性領域１４の上には第２導電型第１クラッド領域１５、第２導電型低屈折率化防止層２２、第１導電型電流ブロック層１６、及び第２導電型第２クラッド領域１７の順に形成される。第１導電型電流ブロック層１６は、レーザ発振を行わせるため、電流を開口部１９に狭窄するとともに、エピタキシャルウエハの積層方向に対する水平方向の光を電流狭窄を行った領域に集中させるための層であり、その材料は第１導電型の半導体となるものであれば特に制限されない。第１導電型電流ブロック層１６は、例えば、ヒ素系III−V族化合物半導体材料であるAlGaAs系及びAlGaInN系の材料、リン系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInP系の材料、ヒ素及びリン系III−V族化合物半導体材料であるGaInAsP系及びAlGaInAsP系の材料、窒化物系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInN系、AlGaInNAs系及びAlGaInNP系の材料、II-VI 族化合物半導体材料であるMgZnCdSSe系の材料などを例示することができ、特にクラッド領域や活性領域と同じ半導体材料を適用することが好ましい。また、格子定数を合わせることにより異種の半導体材料を用いることもできる。
【００４２】
第１導電型電流ブロック層１６の屈折率は、前記第２導電型第２クラッド領域１７の屈折率より低いことが好ましい（実屈折率ガイド構造）。このような屈折率の制御を行うことによって、従来のロスガイド構造に比べて動作電流を低減することが可能になる。第1導電型電流ブロック層１６の屈折率は、第２導電型第２クラッド領域１７の屈折率より低く、かつ第２導電型第１クラッド領域１５の屈折率より低いことが好ましく、全てのクラッド領域１２、１３、１５、１７の屈折率より低いことがさらに好ましい。
【００４３】
第１導電型電流ブロック層１６は、光分布（特に横方向の光分布）を制御したり電流阻止の機能を向上させるために、屈折率、キャリア濃度又は導電型が異なる２つ以上の層から形成してもよい。また、第１導電型電流ブロック層１６の上に表面保護層（図示せず）を形成して、表面酸化の抑制あるいはプロセス上の表面保護を図ることもできる。表面保護層の導電型は特に規定されないが、第２導電型とすることにより、電流阻止機能の向上を図ることができる。
【００４４】
第１導電型電流ブロック層１６は、あまり薄いと電流阻止に支障を生じる可能性があるため、厚さは０．１〜３μｍの範囲であることが好ましく、０．２〜２．０μｍであることがより好ましく、０．３〜１．２μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００４５】
第１導電型電流ブロック層１６は、例えば、図１の断面構造に示されるように、第２導電型低屈折率化防止層２２の上に形成され、その一部がストライプ状に開口されるとともに、このストライプ状の開口部１９が第２導電型第2クラッド領域１７により埋め込まれた内部ストライプ構造をとることができる。また、第１導電型電流ブロック層１６は、図２の断面構造に示されるように、第２導電型低屈折率化防止層２２上にリッジ型ストライプ形状を有する第２導電型第2クラッド領域１７が設けられ、この第２導電型第２クラッド領域１７の両側の部分に埋め込まれた埋め込みリッジ型構造をとることもできる。
【００４６】
第１導電型電流ブロック層１６を埋め込んだ形となるリッジ型構造をとる場合、第２導電型第２クラッド領域１７の酸化を防止するため、第２導電型第２クラッド領域１７上にキャップ層３１を設けることが好ましい。キャップ層３１は、酸化せず、かつ電気抵抗が低い材料を適宜選択して形成することができ、その厚みは０．０１〜０．５μｍの範囲であり、０．０１〜０．３μｍの範囲であることが好ましく、０．０２〜０．２μｍの範囲であることがさらに好ましい。
【００４７】
電流ブロック層１６と第２導電型第２クラッド層１７を形成した後にさらに電極を形成するに先立ち、電極材料との接触抵抗を低減するために、低抵抗（高キャリア濃度）のコンタクト層１８を形成することが好ましい。特に本発明のエピタキシャルウエハを半導体レーザとして用いる場合には、電極を形成しようとする最上層表面の全体にコンタクト層１８を形成したうえで電極を形成することが好ましい。
【００４８】
このとき、コンタクト層１８の材料は、通常はクラッド層よりバンドギャップが小さい材料から選択され、金属電極とのオーミック性を取るため低抵抗で適当なキャリア密度を有するのが好ましい。キャリア密度は、１．０×１０18〜１．０×１０20ｃｍ-3であることが好ましく、１．０×１０18〜５．０×１０19ｃｍ-3であるがより好ましく、２．０×１０18〜３．０×１０19ｃｍ-3であることが最も好ましい。
【００４９】
次に、低屈折率化防止層２１、２２について説明する。本発明のエピタキシャルウエハは、第１導電型第２クラッド領域１２と第１導電型第１クラッド領域１３の間に第１導電型低屈折率化防止層２１及び第２導電型第１クラッド領域１５と第２導電型第２クラッド領域１７の間に第２導電型低屈折率化防止層２２の少なくとも一方を有する。図１に示されるエピタキシャルウエハは、第１導電型低屈折率化防止層２１と第２導電型低屈折率化防止層２２の両方を有する実施態様である。
【００５０】
本発明において低屈折率化防止層２１、２２の屈折率は、全クラッド領域、すなわち第１導電型第２クラッド領域１２、第１導電型第１クラッド領域１３、第２導電型第１クラッド領域１５及び第２導電型第２クラッド領域１７のいずれの領域の屈折率よりも高い。より具体的には、低屈折率化防止層２１、２２と全クラッド領域との屈折率差は、０．０５以上であることが好ましく、０．１以上であることがさらに好ましく、０．１５以上であることが最も好ましい。両層の屈折率の差が０．０５以上あれば、層全体を高屈折率にすることができる。
【００５１】
低屈折率化防止層２１、２２の厚みは、第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５の厚み（クラッド領域が複数の層からなる場合には活性領域に最も近い層の厚み）より薄ければ特に制限はなく、設計により適宜決定できる。具体的には、低屈折率化防止層２１、２２の厚みは０．５ｎｍ〜０．０５μｍの範囲であることが好ましく、１ｎｍ〜０．０３μｍの範囲であることがさらに好ましく、１ｎｍ〜０．０２μｍの範囲であることが最も好ましい。
【００５２】
低屈折率化防止層２１、２２に適用可能な材料は特に限定されず、例えば、ヒ素系III−V族化合物半導体材料であるAlGaAs系及びAlGaInN系の材料、リン系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInP系の材料、ヒ素及びリン系III−V族化合物半導体材料であるGaInAsP系及びAlGaInAsP系の材料、窒化物系III−V族化合物半導体材料であるAlGaInN系、AlGaInNAs系及びAlGaInNP系の材料、II-VI 族化合物半導体材料であるMgZnCdSSe系の材料などを適用することができ、特にクラッド領域１２、１３、１５、１７と同じ半導体材料を適用することが好ましい。
【００５３】
低屈折率化防止層２１、２２は、クラッド領域及び電流ブロック層とは屈折率が異なるため、半導体の混晶比においてもクラッド領域及び電流ブロック層の混晶比が異なる。このため、組成選択性のあるウエット又はドライなどのエッチングを行った際に、エッチング防止層としての役割を果たすことが可能である。
【００５４】
低屈折率化防止層２１、２２は、活性領域１４から発振する光のエネルギーを吸収する材料が用いられた場合であっても、クラッド領域１２、１３、１５、１７の屈折率と導電型低屈折率化防止層２１、２２との間の屈折率の差を大きくすることができる。このため、導電型低屈折率化防止層２１、２２は、低屈折率化を防ぐのに有効な層として機能させることができる。
【００５５】
低屈折率化防止層２１、２２は、非常に厚みが薄い場合であっても効果を発揮する。このため、本発明において低屈折率化防止層２１、２２は、バルク状態において活性領域から発振する光のエネルギーを吸収する材料が用いられた場合であっても、その厚みを薄くすることで量子効果を用いて活性領域から発振する光の吸収を防ぐことができる。この場合においても、低屈折率化防止層２１、２２は、低屈折率化を防ぐのに有効な層として機能させることが可能である。
【００５６】
低屈折率化防止層２１、２２のバルク状態におけるバンドギャップエネルギーは、活性領域１４より発振する光のエネルギー以下とすることができる。一般的に用いられる半導体材料は、バンドギャップエネルギーが小さくなることに対応して屈折率が小さくなるため、活性領域１４より発振する光のエネルギー以下とすれば、実効的にクラッド領域の屈折率の差を大きくすることができる。また、低屈折率化防止層２１、２２の実効的なバンドキャップエネルギーを活性領域１４から発振する光のエネルギーよりも大きくすることにより発振した光の吸収を抑え、光を有効に用い、かつ、しきい値電流や動作電流を低下させることができる観点から好ましい。
【００５７】
次に、低屈折率化防止層と各層（又は領域）の屈折率及び厚さの関係について説明する。
本発明のエピタキシャルウエハにおいて、低屈折率化防止層２１、２２による高屈折率化の効果は、クラッド領域と低屈折率化防止層との屈折率差、及び低屈折率化防止層の厚みに関係する。すなわち、本発明のエピタキシャルウエハは、クラッド領域の屈折率が同一の導電型の低屈折率化防止層の屈折率よりも低い場合に有効な高屈折率化の効果が得られる。
【００５８】
クラッド領域１２、１３、１５、１７が複数の層で構成される場合（以下「複数層化」ともいう）、特に第１導電型第１クラッド領域１３及び／又は第２導電型第１クラッド領域１５（以下「第１クラッド領域」ともいう）が複数の層で構成される場合、その中で活性領域１４に最も近い層の屈折率を低くすること（低屈折率化）により、バンドギャップエネルギーを大きくし、活性領域１４にキャリアを有効に閉じ込めることができる。
【００５９】
なお、第１クラッド領域１３、１５の複数層化及び低屈折率化は、オーバーフローしやすいキャリアに対してはこれを抑制するのに効果的なクラッド領域だけで行ってもよい。複数層化した第１クラッド領域１３、１５に最も近い層の屈折率と、活性領域１４に最も近い層の次に屈折率が低い層との屈折率の差は、通常０．０３以下でよく、０．０１以下でも活性領域１４へのキャリアの閉じ込めを効果的に行うことができる。
【００６０】
また上記のように第１導電型第１クラッド領域１３又は第２導電型第１クラッド領域１５を複数層化し、活性領域１４に最も近い層の屈折率を低屈折率化した場合、エピタキシャルウエハの積層方向に対する垂直ビーム放射角をコントロールしやすくするために、さらに第２導電型第２クラッド領域１７の屈折率を、他のクラッド領域（すなわち、第１導電型第２クラッド領域１２、第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５）、好ましくは第１導電型第２クラッド領域の屈折率よりも低くすることが有効である。クラッド層が複数の層から構成される場合、第２導電型第２クラッド領域１７を構成する複数の層のうち最も高い屈折率を示す層の屈折率が、他のクラッド領域（好ましくは、第１導電型第１クラッド領域１３又は第２導電型第１クラッド領域１５）を構成する複数の層のうち最も高い屈折率を示す層（好ましくは活性領域１４に最も近い層以外の層）の屈折率よりも低くすることがさらに有効であると考えられる。これらの屈折率差は０．０５以下であることが好ましいが、０．０３以下、さらには０．０１以下の場合であっても有効に用いることができる。
【００６１】
クラッド領域を複数層化した場合、ヘテロ界面の増加により電気抵抗が高くなる可能性がある。この電気抵抗を増加を防ぐ手段として、低屈折率化防止層２１、２２の厚みを薄くすることが効果的である。低屈折率化防止層の薄層化により、積層方向に対して横方向に流れる無駄な電流を少なくし、電気抵抗を低くすることができる。この場合、第１導電型低屈折率化防止層２１及び第２導電型低屈折率化防止層２２のいずれか一方の厚みを、複数層化した第１導電型第１クラッド領域１３及び／又は第２導電型第１クラッド領域１５の層のうち活性領域１４に最も近い層の厚みより薄くすることが有効であり、第１クラッド領域の活性領域１４に最も近い層の厚みの５０％以下の厚みにすることがさらに好ましい。
【００６２】
上記のように第１クラッド領域１３、１５を複数層化し、活性領域１４に最も近い層の屈折率を低屈折率化した場合、一般的に用いられている半導体発光材料では、屈折率を低くすることによりバンドギャップエネルギーが大きくなるため、これが電流阻止（電気抵抗の増加）の要因になるとも考えられる。しかしながら、活性領域１４へのキャリアの閉じ込め効果を有するため、活性領域１４に最も近い層の厚みを薄くすることは、電気抵抗の増加を低減させる手段として有効である。この場合、第１クラッド領域１３、１５の活性領域１４のうち最も近い層の厚みが第１クラッド領域１３、１５を構成する複数の層のうち他の層の合計の厚みよりも薄いことが有効であり、第１クラッド領域１３、１５の各領域を構成する複数の層の全体の厚みに対して、第１クラッド領域１３、１５の活性領域１４のうち最も近い層の厚みを５０％以下とすることが好ましく、３０％以下とすることがさらに好ましい。
【００６３】
また、上記のとおり、第１クラッド領域を複数層化及び低屈折率化した場合、エピタキシャルウエハの積層方向に対する垂直ビーム放射角をコントロールしやすくするため、第２導電型第２クラッド領域１７の屈折率を他のクラッド領域（第１導電型第２クラッド領域１２、第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５）より低屈折率化する。この場合、一般的に用いられる半導体発光材料では、バンドギャップエネルギーが大きくなり、電流の阻止（電気抵抗の増加）の要因の一つになるため、この屈折率を制限することも効果的である。この場合、第１導電型第２クラッド領域１２又は第２導電型第２クラッド領域１７の屈折率を、第１導電型第１クラッド領域１３又は第２導電型第１クラッド領域１５を構成する複数の層のうち活性領域に最も近い層の屈折率よりも高くするとよい。
【００６４】
本発明のエピタキシャルウエハにおいて、光分布を活性領域１４に対して対称にする場合、活性領域１４を中心として第１導電型電流ブロック層１６を除いた部分の層構成、すなわち、第１クラッド領域１３、１５、第２クラッド領域１２、１７及び低活性化防止層２１、２２を上下方向に対称に配置することによって実現することができる。特に、活性領域１４に近い第１導電型第１クラッド領域１３及び第２導電型第１クラッド領域１５の厚みと屈折率の調整が光分布に効果的に作用するため、第１導電型第１クラッド領域１３の厚み及び屈折率に対する第２導電型第１クラッド領域１５の厚みの比及び屈折率の比を０．９〜１．１にすることが好ましく、０．９５〜１．０５にすることがさらに好ましく、０．９８〜１．０２にすることが最も好ましい。
【００６５】
また低屈折率化防止層２１、２２の厚みの比と屈折率の比も光の分布に対して効果的に作用するため、第１導電型低屈折率化防止層２１に対する第２導電型低屈折率化防止層２２の厚みの比及び屈折率の比が０．９〜１．１、好ましくは０．９５〜１．０５、さらに好ましくは０．９８〜１．０２にすることも効果的である。
【００６６】
また、第２クラッド領域１２、１７の厚み及び屈折率の比も光の分布に対して効果的に作用するため、第１導電型第２クラッド領域１２に対する第２導電型第２クラッド領域１７の厚みの比及び屈折率の比を０．９〜１．１、好ましくは０．９５〜１．０５、さらに好ましくは０．９８〜１．０２にすることも効果的である。
【００６７】
光の分布を活性領域１４に対してより理想的に対称にしたい場合には、第１導電型第１クラッド領域１３に対する第２導電型第１クラッド領域１５の厚みの比と屈折率の比、第１導電型低屈折率化防止層２１に対する第２導電型低屈折率化防止層２２の厚みの比と屈折率の比、及び第１導電型第２クラッド領域１２に対する第２導電型第２クラッド領域１７の厚みの比と屈折率の比の全てにおいて０．９〜１．１にすることが好ましく、０．９５〜１．０５にすることがより好ましく、０．９８〜１．０２にすることが最も好ましい。
【００６８】
一方、光の分布を活性領域１４に対して非対称にする場合、活性領域１４を中心として第１導電型電流ブロック層１６を除いた部分の層構成を非対称にすることによって実現することができる。特に活性領域１４に近い第１クラッド領域１３、１５の厚みと屈折率の調整が光の分布に対して効果的に作用するため、第１導電型第１クラッド領域１３に対する第２導電型第１クラッド領域１５の厚みの比と屈折率の比を０．９未満又は１．１より大きくすることが好ましい。
【００６９】
また、低屈折率化防止層２１、２２の厚みの比と屈折率の比も光の分布に対して効果的に作用するため、光の分布を活性領域に対して非対称にする場合には、第１導電型低屈折率化防止層２１に対する第２導電型低屈折率化防止層２２の厚みの比と屈折率の比を０．９未満又は１．１より大きくすることが好ましい。
【００７０】
なお、光の分布を活性領域に対して理想的に非対称にしたい場合には、第１導電型第１クラッド領域１３に対する第２導電型第１クラッド領域１５の厚みの比と屈折率の比、第１導電型低屈折率化防止層２１に対する第２導電型低屈折率化防止層２２の厚みの比と屈折率の比、及び第１導電型第２クラッド領域１２に対する第２導電型第２クラッド領域１７の厚み及び屈折率の比の全てにおいて０．９未満又は１．１より大きくすることが好ましい。
【００７１】
本発明のエピタキシャルウエハを製造する方法は特に制限されない。エピタキシャル成長法としては結晶欠陥が少ない良質な結晶が得られることからハロゲン輸送法や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）などの気相成長法を用いることが好ましい。中でもＭＯＣＶＤやＭＢＥは、結晶の膜厚や組成を精密に制御できる方法であるため、これらの方法を用いることが好ましい。ＭＯＣＶＤ法では、III族原料としてトリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、トリメチルインジウム（TMI）等を用い、Ｖ族原料としては、アルシン（AsH3）、ホスフィン（PH3）、アンモニア（NH3）等を用いて反応容器内で結晶を成長させる。また、ＭＢＥは、通常、金属原料を加熱することで得られる金属蒸気を利用する方法であるが、有機金属やＮ2などの気体プラズマやハイドライドガスの導入により高真空中での成長を可能とする。
【００７２】
ｎ型ドーパントとしては、III-Ｖ族系ではSi、Se、S等が用いられ、II-VI族系ではCl等が用いられる。ＭＯＣＶＤでは有機金属やハイドライドガスにより、またＭＢＥでは金属蒸気や硫化物によりそれぞれ供給される。一方、ｐ型ドーパントとしては、III-Ｖ族系ではZn、Mg、Cd、Be等が用いられ、ＭＯＣＶＤでは有機金属により、またＭＢＥでは金属蒸気によりそれぞれ供給される。また、II-VI族系ではNが一般的に用いられ、通常、ＭＢＥではプラズマ状態でNが供給される。
【００７３】
次に本発明の半導体レーザについて説明する。本発明の半導体レーザは、本発明のエピタキシャルウエハを用いて製造することができる。本発明の半導体レーザの構成や製造方法は特に制限されるものではなく、エピタキシャルウエハから半導体レーザを製造する際に用いられる通常の方法を利用して製造することができる。
【００７４】
本発明の半導体レーザの好ましい一実施態様として、図３に断面図を示す半導体レーザを挙げることができる。 図３に示される半導体レーザは、本発明のエピタキシャルウエハのエピタキシャル層２０側と基板１１側にそれぞれ電極２３、２３を設けることにより製造される。導電型低屈折率化防止層を有しない従来のエピタキシャルウエハを用いて同型の半導体レーザを製造した場合、所望のビーム放射角を得ようとすると、エピタキシャル層の屈折率を低くする必要があり、そのためには酸化しやすい材料の混晶比を高くせざるを得ず、その結果、酸化等の原因となり、素子の劣化の問題が起こる。
【実施例】
【００７５】
以下に具体例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、割合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例に制限されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
エピタキシャルウエハの製造は、ＭＯＣＶＤを用いて行った。原料ガスとして、トリメチルガリウム（TMG）、トリメチルアルミニウム（TMA）、アルシン（AsH3）を用いて、ｎ型GaAs基板１０１上に、ｎ型Al0.52Ga0.48As第２クラッド領域１０２、ｎ型GaAs低屈折率化防止層２０１、AlX0.52Ga0.48AsとAl0.55Ga0.45Asの２層からなるｎ型第１クラッド領域１０３、活性領域１０４、Al0.55Ga0.45AsとAl0.52Ga0.48Asの２層からなるｐ型第１クラッド領域１０５、ｐ型GaAs低屈折率化防止層２０２、ｎ型AlX0.65Ga0.35As電流ブロック層１０６を順次結晶成長させた。次いで、ｎ型AlX0.65Ga0.35As電流ブロック層１０６上にレジストを用いてパターニングを行い、所定幅のストライプ状に孔の設けたマスクを形成した。次いで、このマスクをエッチングマスクとし、かつｐ型GaAs低屈折率化防止層２０２を開口部１０９のエッチングストップ層としてｎ型AlX0.65Ga0.35As電流ブロック層１０６をエッチングした後、ｐ型Al0.52Ga0.48As第２クラッド領域１０７、ｐ型GaAsコンタクト層１０８を成長させた。次いで、ｎ型GaAs基板１０１を１００μｍ程度まで薄くした後、蒸着法によりｎ型GaAs基板１０１側にｎ側電極、ｐ型GaAsコンタクト層１０８側にｐ側電極を形成し、得られたウエハを電極に垂直な方向に劈開してチップ状にした。さらに端面に屈折率をコントロールするためのコーティングを行うことで、半導体レーザを作製した。
【００７７】
上記製法により得られた電極を作製する前のエピタキシャルウエハの断面構造と、各層のAlXGa1-XAsのAl混晶比、屈折率、膜厚、導電型を図９に示す。実施例１のエピタキシャルウエハは、厚み３５０μｍのｎ型GaAs基板１０１上に、厚み３．００μmのｎ型Al0.52Ga0.48As第２クラッド領域１０２、厚み０．００３μmのｎ型GaAs低屈折率化防止層２０１、厚み０．１１５μmの Al0.52Ga0.48Asと厚み０．０７５μmのAl0.55Ga0.45Asの２層からなるｎ型第１クラッド領域１０３、厚み０．０７μｍの活性領域１０４、厚み０．０７５μm のAl0.55Ga0.45Asと厚み０．１１５μmのAl0.52Ga0.48Asの２層からなるｐ型第１クラッド領域１０５、厚み０．００３μmのｐ型GaAs低屈折率化防止層２０２、電流が流れる領域を２．２５μm幅のストライプ状に制限した、厚み１．００μmのｎ型Al0.65Ga0.35As電流ブロック層１０６、ｎ型電流ブロック層１０６に接し、かつｎ型電流ブロック層１０６の下に設けられたｐ型低屈折率化防止層２０２に接している厚み３．００μmのｐ型Al0.52Ga0.48As第２クラッド領域１０７、厚み１．５０μmのｐ型GaAsコンタクト層１０８が順次積層された構造である。
【００７８】
上記エピタキシャルウエハの層構造において、実効屈折率近似法を用いて計算した結果、積層方向に対する垂直ビーム放射角は１３°、水平ビーム放射角は９°となった。また、実際にこの構造において半導体レーザを作製してビーム放射角を測定した結果、垂直ビーム放射角は１３°、水平ビーム放射角は８°となり、計算で得られたものとほぼ同じ値を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明のエピタキシャルウエハは、各種の半導体レーザに利用することができ、特に特定の角度に合わせることが要求される外部光学系の外部レンズや光ファイバに、適合するビーム放射角を合わせて好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の内部ストライプ型構造を有するエピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の埋め込みリッジ型構造のエピタキシャルウエハの構造を示す断面図である。
【図３】本発明のエピタキシャルウエハ用いた半導体レーザの一実施態様である。
【図４】本発明のAlGaAs系化合物半導体材料を用いたエピタキシャルウエハにおいて、低屈折率化防止層を設けた場合の構造を示す断面図である。
【図５】従来型のAlGaAs系化合物半導体材料を用いたエピタキシャルウエハにおいて、低屈折率化防止層を設けなかった場合の構造を示す断面図である。
【図６】本発明のAlGaAs系化合物半導体材料を用いたエピタキシャルウエハにおいて、第１クラッド領域が複数層であり、かつ低屈折率化防止層を設けた場合の構造の断面図である。
【図７】従来型のAlGaAs系化合物半導体材料を用いたエピタキシャルウエハにおいて、第１クラッド領域が複数層でありかつ低屈折率化防止層を設けなかった場合の構造の断面図である。
【図８】図４〜図７に示す各構造の第１導電型第２クラッド領域及び第１導電型電流ブロック層の屈折率を比較したグラフである。
【図９】本発明の好適な実施例における内部ストライプ型構造を有するエピタキシャルウエハの断面図である。
【符号の説明】
【００８１】
１１  基板
１２  第１導電型第２クラッド領域
１３  第１導電型第１クラッド領域
１４  活性領域
１５  第２導電型第１クラッド領域
１６  第１導電型電流ブロック層
１７  第２導電型第１クラッド領域
１８  第２導電型コンタクト層
１９  開口部
２０  エピタキシャル層
２１  第１導電型低屈折率化防止層
２２  第２導電型低屈折率化防止層
２３  電極
３１  第２導電型キャップ層
１０１  ｎ型GaAs基板
１０２  ｎ型Al0.52Ga0.48As第２クラッド領域
１０３  AlX0.52Ga0.48AsとAl0.55Ga0.45Asの２層からなるｎ型第１クラッド領域
１０４  活性領域
１０５  Al0.55Ga0.45AsとAl0.52Ga0.48Asの２層からなるｐ型第１クラッド領域
１０６  ｎ型AlX0.65Ga0.35As電流ブロック層
１０７  ｐ型Al0.52Ga0.48As第２クラッド領域
１０８  ｐ型GaAsコンタクト層
１０９  開口部
２０１  ｎ型GaAs低屈折率化防止層
２０２  ｐ型GaAs低屈折率化防止層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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