(57)【要約】【課題】  赤色半導体レーザ素子において、長寿命を達成し高い信頼性を得る。【解決手段】  ｎ型GaAs基板上１に、ｎ型AlGaInPクラッド層２、下部光ガイド層３、AlGaInP量子井戸活性層４、上部光ガイド層５、ｐ型AlGaInPクラッド層６をこの順に積層してなる積層体からなる半導体レーザ素子において、ｐ型のクラッド層６中に、AlGaInAsP、AlInAs、AlAsP、AlGaInAsおよびAlGaAsPからなる群から選択された少なくとも１つからなる拡散防止層19を配置する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInPクラッド層、AlGaInP光ガイド層、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、第２導電型AlGaInPクラッド層をこの順に積層してなる積層体からなる半導体レーザ素子であって、
前記第１導電型および第２導電型AlGaInPクラッド層のうちｐ型のクラッド層中に、AlGaInAsP、AlInAs、AlAsP、AlGaInAs、およびAlGaAsPからなる群から選択された組成の拡散防止層が少なくとも１層設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記拡散防止層のバンドギャップエネルギーが前記AlGaInP光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも大きい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】
前記拡散防止層のバンドギャップエネルギーEgが
2.08eV≦Eg≦2.32eV
であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記拡散防止層が、AlGaInAsPから構成されており、Asの組成比が0.25以上であることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２導電型クラッド層の少なくとも活性層側の一部が電流狭窄のために第１導電型電流ブロック層に挟まれた埋込みストライプ構造を有し、
前記埋込みストライプの両脇に、該ストライプに沿って延びる、最深位置が少なくとも該電流ブロック層まで到達する溝を有してい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。
【請求項６】
前記積層体の前記基板側と反対側の上面に設けられている電極が、該積層体の上面側の表面積よりも小さい表面積を有するパッド電極であり、
前記積層体の前記基板側がヒートシンクに半田付けされていることを特徴とする請求項１から５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、半導体レーザ素子に関するものであり、特にAlGaInP系材料を有する0.6μm帯で発振する赤色半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバが一般家庭にまで敷設されるようになり、光ネットワークによる情報化が急激に進められている。光ファイバ通信の速度は、現在は100Mbps程度であるが、今後は、より多くの情報を、より高速に伝送することが求められるようになる。
【０００３】
さらに、上記状況の下では、光ファイバの敷設コストを抑えることも重要である。このため、現在主流の石英系ファイバより価格が安いプラスチックファイバが注目を浴びている。プラスチックファイバはファイバそのものの価格が安いだけでなく、コア径が太く半導体レーザとの結合が容易なため、実装コストを抑えることができる。
【０００４】
プラスチックファイバで使用される光源としては、現在入手できる半導体レーザの中で最も損失の小さい波長650nmの赤色半導体レーザが有望とされている。しかしながら、現在長距離の光通信で用いられている赤外半導体レーザが数十万時間の寿命を有しているのに対し、赤色半導体レーザはせいぜい数万時間の寿命しかなく、数十万時間の寿命に達する赤色半導体レーザが存在しないのが実状である。
【０００５】
赤色半導体レーザにおいて長寿命を達成できない原因の一つとして赤色半導体レーザではｐ型ドーピングに用いられる亜鉛（Zn)等のｐ型ドーパントが結晶中で固相拡散し、欠陥を増殖していることが指摘されている。
【０００６】
AlGaInP系の代表的な赤色半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板上に、ｎ型AlGaInPクラッド層、ノンド−プAlGaInP光ガイド層、多重量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、ｐ型AlGaInPクラッド層を備えた構成であり、クラッド層および光ガイド層を構成する材料として、Zn等のｐ型ドーパントの拡散係数が大きいAlGaInPを用いているために、ｐ型ドーパントが結晶中を拡散し、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、これが欠陥を増殖させる原因となっているのである。
【０００７】
この問題を解決する手段として、ｐ型ドーパントの活性層への拡散を防止する手法が特許文献１および２等において提案されている。
【０００８】
特許文献１においては、活性層とｐ型クラッド層との間にノンドープのInGaP層またはAlGaInP層を設け、活性層にZnが拡散しないようにする手法が提案されている。
【０００９】
また、特許文献２においては、ｐ型クラッド層内にAlGaAsからなる層を設け、ドーパント（この場合はBe)の拡散を抑制する手法が提案されている。
【特許文献１】特開平5-291686号公報
【特許文献２】特開平4-42986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において、活性層とｐ型クラッド層との間に設けられたノンドープ層を構成するInGaP、AlGaInPのようなリン系材料はZnの拡散係数が大きいために、活性層への拡散を十分に抑制するためには、ノンドープ層の厚みを相当に厚くする必要があり、ノンドープ層を厚くすることによる電気抵抗の上昇により発熱が大きくなるため、この発熱により却って素子劣化が早まり信頼性を損なうものとなる。
【００１１】
また、特許文献２のように、ｐ型クラッド層内にAlGaAsからなる層を設けることは、ｐ型ドーパントの拡散を抑制するためには有効であるが、AlGaAsのバンドギャップエネルギーが小さいことから光の吸収損失が大きくなり、駆動に伴う発熱量が大きいために信頼性を損なうという欠点を有していた。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、従来の赤色半導体レーザ素子と比較して長寿命を達成する高い信頼性を有する半導体レー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】
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInPクラッド層、AlGaInP光ガイド層、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層、AlGaInP光ガイド層、第２導電型AlGaInPクラッド層をこの順に積層してなる積層体からなる半導体レーザ素子であって、
前記第１導電型および第２導電型AlGaInPクラッド層のうちｐ型のクラッド層中に、AlGaInAsP、AlInAs、AlAsP、AlGaInAs、およびAlGaAsPからなる群から選択された組成の拡散防止層が少なくとも１層設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、AlGaInP、AlInAsP等の表記は、Al、Ga、In、P等のそれぞれの元素を含む組成であることを意味するものであって、それらの比について特定するものではない。以下において、組成比を特定する場合には、組成比が１である場合を除きそれぞれ元素記号の右下付で示すものとする。なお、一般にGaAs基板上に積層される層はいずれもGaAsに格子整合する組成比で構成される。ここで、格子整合する組成比とは、圧縮歪、引張り歪として許容できる範囲の格子不整合度を有する組成比を含むものとする。
【００１５】
AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層とは、少なくともAlGaInPまたはGaInPからなる量子井戸層を一層備えてなる活性層であり、複数の量子井戸層と該井戸層間に設けられる障壁層とから構成されていてもよい。
【００１６】
本発明の半導体レーザ素子においては、拡散防止層のバンドギャップエネルギーがAlGaInP光ガイド層のバンドギャップエネルギーよりも大きいことが望ましい。
【００１７】
また、拡散防止層のバンドギャップエネルギーEgが2.08eV≦Eg≦2.32eV  であることが望ましい。
【００１８】
なお、拡散防止層がAlGaInAsPから構成される場合、Asの組成比が0.25以上であることが望ましい。
【００１９】
さらに、本発明の半導体レーザ素子としては、第２導電型クラッド層の少なくとも活性層側の一部が電流狭窄のために第１導電型電流ブロック層に挟まれた埋込みストライプ構造を有し、埋込みストライプの両脇に、該ストライプに沿って延びる、最深位置が少なくとも該電流ブロック層まで到達する溝を有していることが望ましい。
【００２０】
また、本発明の半導体レーザ素子としては、前記積層体の前記基板側と反対側の上面に設けられている電極が、該積層体の上面側の表面積よりも小さい表面積を有するパッド電極であり、積層体の基板側がヒートシンクに半田付けされていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体レーザ素子によれば、ｐ型のクラッド層中に、AlGaInAsP、AlAs、AlInAs、AlAsP、AlGaInAsおよびAlGaAsPのいずれかからなるとしたことにより、Zn等のｐ型ドーパントの活性層への拡散を抑制することができ、素子特性の劣化を抑制して長寿命を達成し、信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子の概略構成を示す斜視図、図２は、図１の半導体レーザ素子の活性層近傍のバンドダイアグラムを示す図である。
【００２３】
本実施の形態の半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板１（(100)面から(011)面方向に15度傾けたオフ基板）上に厚さ１μｍのｎ型(AlxGa1-x)0.5In0.5Pクラッド層２(x=0.7)、厚さ100ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P光ガイド層３(x=0.5)、厚さ６ｎｍのInGaP歪量子井戸層４ａと厚さ５ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P障壁層４ｂ(x=0.5)とで構成される多重量子井戸活性層４、厚さ100ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P光ガイド層５(x=0.5)、厚さ10ｎｍの(AlxGa1-x)0.5In0.5P第１クラッド層６ａ(x=0.7)、厚さ10ｎｍのAlGaInAs0.25P0.75拡散防止層19、厚さ0.1μｍのｐ型(AlxGa1-x)0.5In0.5P第２クラッド層６ｂ(x=0.7)、厚さ10ｎｍのｐ型InGaPエッチングストップ層７が積層されており、該エッチングストップ層７上の素子幅方向中央部に厚さ0.8μｍのｐ型(AlxGa1-x)0.5In0.5P第３クラッド層６ｃ(x=0.7)、厚さ20ｎｍのｐ型InGaPヘテロバリヤ層９、ｐ型GaAsキャップ層10が積層されてメサリッジ状ストライプ部が構成され、このリッジ状ストライプ部の両脇に0.8μｍのｎ型AlInP電流ブロック層11が埋め込まれてなる埋込みストライプ構造を有し、さらにリッジ状ストライプ部および電流ブロック層11上に厚さ１μｍのｐ型GaAsコンタクト層12が積層されてなる積層体から構成されている。
【００２４】
図２に活性層４近傍のバンドダイアグラムを示すように、活性層４は、交互に配されたInGaP歪量子井戸層４ａと(AlxGa1-x)0.5In0.5P障壁層４ｂとから構成されている。量子井戸層４ａの層数は３である。この歪量子井戸層４ａは、GaAs基板との格子不整合度がΔａ／ａ＝0.5%となるような組成比とされている。ここで、格子不整合度はGaAs基板の格子定数をａ、量子井戸層の格子定数を（ａ＋Δａ）とした場合に、Δａ／ａで表される値を％表記したものであり、圧縮歪みの場合には正の値、引張歪の場合には負の値となる。すなわち本実施形態において量子井戸層４ａは圧縮歪を有するものである。
【００２５】
本半導体レーザ素子においては、リッジ状ストライプ部の両側に、該ストライプ部と平行に２本の溝17が形成されている。溝17は、電流ブロック層11のｐｎ接合面における寄生容量を電気的に分離し、低減するためのものであり、ここでは、積層体の上面からGaAs基板１に到達する深さを有している。本実施形態において溝17と溝17の間隔は約30μｍである。なお、溝は、積層体の上面から少なくとも電流ブロック層11に到達する深さを有するものであれば上述の寄生容量を低減する効果を奏する。
【００２６】
リッジ状ストライプ部の上方を除くｐ型GaAsコンタクト層12表面および２本の溝17の側壁は、絶縁膜13で覆われており、絶縁膜13が形成されず露出されているｐ型GaAsコンタクト層12上および絶縁膜13の一部にｐ側電極15が形成されている。このようにｐ側電極15は、積層体の基板１と反対側の上面の表面積より小さい面積を有するものとされており、絶縁膜13上に形成される面積を小さくしたことにより、ｐ型GaAsコンタクト層12−絶縁膜13−ｐ側電極15における寄生容量を低減する構造となっている。ここで、積層体の基板１と反対側の上面の表面積は、ここでは絶縁膜13の表面積と、ｐ型コンタクト層12の上面のうち絶縁膜13が形成されず露出されている領域とを合わせた領域である。
【００２７】
一方、ｎ側電極16は、基板１の裏面に形成されている。
【００２８】
本実施形態の素子の共振器長は300μｍであり、共振器の前方端面20、後方端面21には、それぞれ反射率が50％、80％となるようにコーティングが施されている。
【００２９】
さらに、本実施形態の半導体レーザ素子は、ｎ側電極16側がCuWからなるヒートシンク24上に半田22付けされてジャンクションアップ実装され、ｐ型電極15がパッド電極とされて該ｐ型電極15上にワイヤ25がボンディングされている。
【００３０】
本実施形態の半導体レーザ素子は、ｐ型クラッド層６を構成する第１クラッド層６ａ、第２クラッド層６ｂおよび第３クラッド層６ｃのうち、第１クラッド層６ａと第２クラッド層６ｂとの間、すなわちｐ型クラッド層６中にAlGaInAs0.25P0.75拡散防止層19を備えているので、ｐ型ドーパントであるZnの活性層４への侵入を抑制することができると共に、光の吸収損失を低減でき、長寿命を達成することができる。
【００３１】
なお、上記構造の半導体レーザ素子について、その特性を評価した結果、しきい値電流37mA、スロープ効率0.8W/Aという良好な特性が得られた。また、プラスチックファイバを用いた光通信に必要な光出力は約１ｍＷであるが、室温（25℃）で光出力１ｍＷにおける動作電流を測定したところ、約39ｍＡという測定結果が得られた。この時の発振波長は660ｎｍであった。さらに、環境温度50℃で光出力１ｍＷにおける通電試験を行なったどころ、約30万時間の推定寿命が得られた。なお、推定寿命は、素子の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までの時間で表したものである。
【００３２】
上記実施形態においてはｎ型GaAs基板として、（100）面から(011)面方向へ15度傾けたオフ基板、すなわち、(100)面を基準として(011)面方向に15度傾いた面を主面とする基板を用いたが、（100）から（011）方向に、５度、７度、９度、11度、13度、15度、20度傾けた基板を用いて同様な半導体レーザ素子を作製したところ、この範囲において同様の評価結果が得られることが確認されている。
【００３３】
なお、エッチングストップ層として使用するInGaP層としては、導波損失を低減する目的から引張歪を有する組成比のものを用いることがより望ましい。
【００３４】
上記実施の形態においては、リッジ状ストライプ部の両脇をｎ型AlInP電流ブロック層で埋め込んだ構造を有するものとしたが、横モードの制御を行うための方法はこれに限定されるものではなく、電流ブロック層として別の材料を使用してもよいし、埋め込み型でないリッジ構造を備えた素子とするなど、他の層構成、形状とすることにより横モードの制御を行ってもよい。例えば、電流ブロック層としてｎ型AlInP層に換えてｎ型GaAs層を用いてもよい。
【００３５】
上記実施の形態では、(AlxGa1-x)0.5In0.5P光ガイド層としてｘ＝0.5となる例を示したが、ｘ組成比を0.4、0.45、0.55、0.6として半導体レーザ素子を構成した場合にも、量子井戸活性層の厚さを微調整することにより上記と同様の長い推定寿命が得られることが確認されている。
【００３６】
上記実施の形態においては、AlGaInAsP拡散防止層のAs組成が0.25である例を示したが、このAs組成比を0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9とした半導体レーザ素子についても同様に良好な初期特性と長寿命を達成する高い信頼性が得られることを確認した。
【００３７】
図２のバンドダイアグラムに示すように、拡散防止層のバンドギャップエネルギーは、発振波長である660ｎｍ（Eg=1.88eV)よりも高く、(AlxGa1-x)0.5In0.5Pクラッド層(x=0.7)のバンドギャップエネルギー（Eg＝2.32eV)を超えない大きさである。なお、拡散防止層のバンドギャップエネルギーEgと発振波長のバンドギャップエネルギーとのエネルギー差が0.2eV以上であることが素子特性上有利である。したがって、拡散防止層としては、そのバンドギャップエネルギーEgが2.08eV≦Eg≦2.32eVとなるような組成および組成比とすることがより望ましい。
【００３８】
上記実施の形態の半導体レーザ素子として、ｐ型クラッド層６中に配置される拡散防止層がAlGaInAsPである例を示したが、拡散防止層としては、AlAsP、AlInAs、AlGaInAs、AlGaAsPを用いてもよく、これらの層を用いても上記実施の形態と同様に長寿命を達成する良好な特性が得られる。ｐ型クラッド層中に２層以上の拡散防止層を配置してもよい。２層の拡散防止層を構成する材料は、上記材料から選択すればよく、２種類以上を組み合わせ、例えば、AlAsP層とAlGaInAs層の異なる組成からなる２層の拡散防止層を備えるようにしてもよい。
【００３９】
なお、拡散防止層をｐ型クラッド層中に設ける場合には、該拡散防止層はｐ型クラッド層中のｐ型ドーパントの活性層への侵入を抑制する目的で設けられるものであるため、該目的を達成できる程度において、ｐ型クラッド層中において光ガイド層５側よりに設けられていることを要する。
【００４０】
なお、拡散防止層としてAlGaInAsあるいはAlGaAsPを用いる場合にはIII族組成におけるAl組成比が0.6以上であることが望ましい。該Al組成比とすることにより、拡散防止層を発振波長に対して透明とすること、すなわち拡散防止層のバンドギャップエネルギーを発振波長のバンドギャップエネルギーより十分大きくすることができるので、低いしきい値電流を得ることができる。拡散防止層としてAlGaInAsあるいはAlGaAsPを用いた場合について、それぞれIII族組成におけるAl組成比を0.6、0.7、0.8、0.9とした半導体レーザ素子を試作評価した結果、Al組成比が高くなるに従い、しきい値電流が低くなることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態の半導体レ−ザ素子の概略構成を示す斜視図
【図２】実施形態の半導体レーザ素子の活性層近傍のバンドダイアグラム
【符号の説明】
【００４２】
１    ｎ型GaAs基板
２    ｎ型(AlxGa1-x)0.5In0.5Pクラッド層
３    光ガイド層
４    量子井戸活性層
４ａ    量子井戸層
４ｂ    障壁層
５    光ガイド層
６    ｐ型(AlxGa1-x)0.5In0.5Pクラッド層
６ａ    ｐ型(AlxGa1-x)0.5In0.5P第１クラッド層
６ｂ    ｐ型(AlxGa1-x)0.5In0.5P第２クラッド層
６ｃ    ｐ型(AlxGa1-x)0.5In0.5P第３クラッド層
７    ｐ型InGaPエッチングストップ層
９    ｐ型InGaPヘテロバリヤ層
10    ｐ型GaAsキャップ層
11    ｎ型GaAsブロック層
12    ｐ型GaAsコンタクト層
13    絶縁膜
15    ｐ側電極（パッド電極）
16    ｎ側電極
19    拡散防止層
22    半田
24    ヒートシンク
25    ワイヤ
【図１】
2005277267.tif 000003
【図２】
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