(57)【要約】【課題】  ６５０ｎｍ波長帯で発振する、温度特性がよく信頼性の高い半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  活性層およびクラッド層がＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる半導体レーザ素子で、活性層４２のｐ側に配置された光導波層４３に、不純物の活性層への拡散を抑制するための引張歪層１５を設ける。不純物の拡散は引張歪層１５により抑制されるので、クラッド層５には、不純物の拡散を抑制するためのノンドープ層を設ける必要がない。このため、クラッド層５は、任意の濃度プロファイルが得られるように自由にドーピングすることができる。あるいは、拡散の抑制効果を強めるためにクラッド層５にノンドープ層を設けるとしてもノンドープ層は薄くてよいので、全体として素子に含まれるノンドープ層の総厚を小さくして素子抵抗を低減し、発熱を抑え、閾値電流の上昇を防ぐことができる。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層およびクラッド層がＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる半導体レーザ素子であって、
前記活性層の一方の側に配置された光導波層が歪層を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記歪層は引張歪層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】
前記歪層は、引張歪層と、圧縮歪層および／または無歪層とを組み合わせてなる多層構造を有すること特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記歪層が、前記光導波層のもっとも活性層よりに配置されていることを特徴とする請求項２または３記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記歪層が、前記光導波層のもっともクラッド層よりに配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか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、光通信への利用に適した半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザは、通常ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）などへの光記録用の光源として用いられている半導体レーザである。このＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの信頼性に関わる問題として、ｐ型不純物として導入される亜鉛が、結晶成長中あるいは通電中に拡散して活性層近傍にまで達し、素子の発光効率を低下させたり結晶欠陥を引き起こすという問題が知られている。亜鉛は、ＡｌＧａＩｎＰ系の材料で特に拡散しやすいため、亜鉛の拡散問題はＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザでは特に深刻である。
【０００３】
上記問題の解決策としては、活性層と不純物導入層の間に格子不整合層（歪層）を設ける方法が提案されている。この方法は、亜鉛が、無歪層から圧縮歪層へ、また引張歪層から無歪層へは移動しにくいという現象を利用したものである。
【０００４】
例えば特許文献１には、活性層の上にノンドープのガイド層、ノンドープのクラッド層、格子不整合層、ノンドープのクラッド層、ｐ型クラッド層を順次積層した構造が開示されている。この構造では、格子不整合層より下のクラッド層、ガイド層、活性層はノンドープの状態に保たれるため、亜鉛が活性層にまで到達することを防止できる。亜鉛の拡散防止という観点からは、ｐ型クラッド層より下のノンドープ層の厚みは、できるだけ厚いほうがよいと考えられている。
【特許文献１】特開平１０−２０９５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、光通信の分野で、低コストかつ実装が容易なプラスチックファイバが注目されている。しかし、プラスチックファイバは、石英系ファイバに比べると内部損失が大きいという問題がある。
【０００６】
プラスチックファイバを用いた光通信で石英系ファイバと同程度の伝送距離を確保するためには、ファイバの透過光強度の波長依存性を考慮して内部損失を抑える必要がある。このため、従来光通信に用いられてきた１．３μｍ以上の波長帯の半導体レーザに代えて、上記６５０ｎｍ波長帯のＡｌＧａＩｎＰ半導体レーザを利用することが検討されている。
【０００７】
しかし、ＡｌＧａＩｎＰ半導体レーザは、もともと室内での利用を想定して開発されたレーザであるため、既存の製品は、劣悪環境（特に高温環境下）で通信用光源として安定して動作できるだけの信頼性を備えていない。このため、さらに高い信頼性を得るための改良が必要とされている。
【０００８】
ところが、特許文献１に開示された構造で、亜鉛の拡散防止効果を高めようと格子不整合層や、その下のノンドープの層を厚くすると、素子抵抗が増大してしまう。素子抵抗の増大は、素子の温度上昇を招き、温度特性を悪化させる。また、しきい値電流も上昇し、素子の寿命は、かえって短くなる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みて、光通信用の光源として利用し得る、温度特性がよく寿命も長い６５０ｎｍ波長帯の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】
【００１０】
本発明の半導体レーザ素子は、活性層およびクラッド層がＡｌＧａＩｎＰ系材料からなる半導体レーザ素子であって、活性層の一方の側に配置された光導波層が歪層を備えていることを特徴とする。
【００１１】
ここでＡｌＧａＩｎＰ系材料とは、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ＜１）で表される材料である。すなわち、本発明の各半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上には、組成（ｘやｙの値）が異なるＡｌＧａＩｎＰ層が積層された構造をしている。なお、ＡｌＧａＩｎＰ系材料には、ＧａＩｎＰ（ｘ＝０の場合）も含まれる。
【００１２】
歪層は、圧縮歪層あるいは引張歪層とする。あるいは、引張歪層、圧縮歪層または無歪層のうち少なくとも２種類の層からなる多層構造としてもよい。２種類以上の層からなる多層構造としては、例えば、引張歪層と無歪層を交互に重ねた多層構造、圧縮歪層と無歪層を交互に重ねた多層構造、引張歪層と圧縮歪層を交互に重ねた多層構造、３種類の層を交互に重ねた多層構造が考えられる。
【００１３】
歪層は、好ましくは引張歪層または引張歪層を含む多層構造とするのがよい。歪層が引張歪層または引張歪層を含む多層構造の場合には、歪層を光導波層のもっとも活性層よりに配置すると、キャリアのオーバーフロー抑制効果が強まる。また、歪層の構造に拘わらず歪層をもっともクラッド層よりに配置すると、亜鉛の拡散防止効果が強まる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子は、活性層のｐ側に配置された光導波層の中に歪層が配置された構造により、クラッド層に導入された不純物が活性層近傍にまで拡散することを防止している。この構造では、不純物の拡散を防止する目的でクラッド層の活性層よりの部分をノンドープにする必要がなくなるため、素子抵抗を低減することができる。これにより、亜鉛の拡散に起因する活性層の劣化を防止するとともに、素子抵抗に起因する発熱を抑え、良好な温度特性を得ることができる。なお、クラッド層の活性層よりの部分にノンドープの層を設けてもよく、その場合には不純物の拡散を、より確実に抑制することができる。
【００１５】
また、歪層を、引張歪層もしくは引張歪層を含む多層構造とすれば、歪層と活性層のバンドギャップが大きくなるため、通電時に発生するキャリアのオーバーフローが抑制され、良好な特性が得られる。さらに、光導波層中の歪層の配置位置によって、不純物の拡散抑制効果あるいはキャリアのオーバーフロー抑制効果を制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態における半導体レーザ素子の構造を示す概略図である。図に示すように、この半導体レーザ素子は、通常の結晶方位面（（１００）面）に対し（１１１）Ａ面方向に５〜１５度傾斜した面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１の上に、次の構造が形成された素子である。
【００１８】
ｎ型ＧａＡｓ基板１の上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ下部クラッド層３、発光層４、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５およびｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐエッチングストップ層６が積層されている。
【００１９】
エッチングストップ層６の上には、共振器方向と平行なメサストライプ状のリッジ構造部１４と、リッジ構造部１４を挟みこむように形成された電流ブロック層１０が配置されている。リッジ構造部１４は、図に示すように、ｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ上部第２クラッド層７、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐヘテロバッファ層８およびｐ型ＧａＡｓキャップ層９が積層された構造を有する。
【００２０】
また、リッジ構造部１４および電流ブロック層１０の上には、それらを覆うように形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１が配置されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極１３が、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１の上部にはｐ側電極１２が設けられている。
【００２１】
図１に示される各層のうち発光層４は、次に説明する層構造を有する。図２は、発光層４の層構造（図左）とエネルギー準位（図右）を示す図である。図左に示すように、発光層４は、詳細には（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ第１光導波層４１、活性層４２、（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ第２光導波層４３が順に積層された層である。活性層４２は、１００Å以下の極薄膜からなる量子井戸層と障壁層が交互に複数積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。また、第２光導波層４３の、活性層４２にもっとも近い領域には（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．６Ｉｎ０．４Ｐ引張歪層１５が設けられている。
【００２２】
また、図右に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ引張歪層１５は基板と格子整合がとれている層よりもエネルギー準位が高くなるため、この構造では、活性層と第２光導波層のバンドギャップは引張歪層がない構造よりも大きくなる。
【００２３】
図３のグラフは、ノンドープ層の層厚が素子抵抗に与える影響を示している。グラフが示すように、素子抵抗は、素子が備えるノンドープ層の層厚が１００ｎｍ増すごとに約０．１Ω上昇する。この関係から、亜鉛の拡散は光導波層の歪層により抑制し、クラッド層中にはノンドープ領域を設けない構造とすれば、特許文献１に開示された構造よりも素子抵抗を低減できることがわかる。
【００２４】
図４のグラフは、上記構造においてＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５の厚さを２００ｎｍとし、その層に含まれるドープ領域とノンドープ領域の比率を変化させた場合の温度特性の変化を表している。グラフの横軸はノンドープ領域とドープ領域のそれぞれの厚さを表している。２つの層の合計が２００ｎｍであることを示すため、横軸には２種類の目盛りが付されている。また、グラフの縦軸は、特性温度Ｔ０を表す。
【００２５】
このグラフが示すように、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５全体がノンドープである場合には、半導体レーザ素子の特性温度は６０Ｋを下回る。これに対し、ノンドープ領域の厚さとドープ領域の厚さが等しく１００ｎｍの場合、すなわち２種類の層の比率が１：１の場合の特性温度は約９５Ｋとなる。ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５全体をドープ層とした場合には、特性温度は１１０Ｋとなる。
【００２６】
以上に説明したように、上記構造では、亜鉛の拡散は、第２光導波層中４３に設けられた引張歪層１５によって抑制されるため、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５に導入され、拡散した亜鉛が、発光層４近傍にまで到達する可能性は低くなる。この場合、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５の濃度プロファイルは、拡散層の劣化を懸念することなく自由に設定することができる。したがって、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５内にノンドープ領域を設けないこととすれば、素子抵抗を低減して温度特性を得ることができ、高温環境下でも低しきい値電流で安定して動作する半導体レーザ素子を提供することができる。
【００２７】
また、一般に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザは、活性層とクラッド層のバンドギャップが他の材料系のレーザよりも小さいため、高温環境下で動作させたときにキャリアのオーバーフローが生じやすいと言われているが、本実施の形態の半導体レーザ素子では、引張歪層１５を設けることにより、活性層と第２光導波層のバンドギャップを広げているため、キャリアのオーバーフローが抑制され、高温環境下でも低い駆動電流で動作することができる。
【００２８】
以下、図１の半導体レーザ素子の作製プロセスを、順を追って説明する。まず、通常の結晶方位面(（１００）面)に対し（１１１）Ａ面方向に５〜１５度傾斜した面を主面とするｎ型ＧａＡｓウエハ基板を、結晶成長装置にセットし、その主面上に有機金属化学気相成長法により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２となるＧａＡｓ膜、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層３となるｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、ＡｌＧａＩｎＰ第１光導波層４１となる（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、多重量子井戸活性層４２を構成する薄膜積層構造を形成する。さらにその上に、ＡｌＧａＩｎＰ第２光導波層４３の最下部に配置される引張歪層１５となる（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．６Ｉｎ０．４Ｐ膜と、ＡｌＧａＩｎＰ第２光導波層４３の引張歪層１５以外の領域を構成する（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜とを形成する。
【００２９】
続いて、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５を形成する。前述のとおり本実施の形態の半導体レーザ素子では、亜鉛の拡散を防止する目的でＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５中にノンドープ領域を設ける必要はないので、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５を形成する際には、任意の濃度プロファイルとなるように亜鉛のドーピングを行えばよい。
【００３０】
但し、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５中にノンドープの領域を多少残しておいてもよい。ノンドープの層がある場合、導入された亜鉛は、そのノンドープの層と第１光導波層の引張歪層とで２段階に抑制されることになるため、亜鉛の拡散防止という観点からすれば、素子抵抗が大きくならない範囲で、ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層５にノンドープ層を少し残しておくことが好ましい。
【００３１】
次に、後述する工程においてエッチングストップ層６として機能するｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜を形成し、その上に、ＡｌＧａＩｎＰ上部第２クラッド層７となる（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、ヘテロバッファ層８となるｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜およびキャップ層９となるｐ型ＧａＡｓ膜を形成する。
【００３２】
次に、そのｐ型ＧａＡｓ膜の上に、リッジ構造部１４が形成される部分のみを覆うようにＳｉＯ２膜を形成し、そのＳｉＯ２膜をマスクとして、ｐ型ＧａＡｓ膜、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜をエッチングする。この際、エッチングストップ層６の機能により、エッチングストップ層６より下の層がエッチングされることはない。これにより、エッチングストップ層６の上に、メサストライプ状のリッジ構造、すなわち前述のリッジ構造部１４が形成される。
【００３３】
その後、ＳｉＯ２マスクを用いて、選択成長法によりエッチングストップ層６上のリッジ構造部１４がない部分に、電流ブロック層１０となるｎ型ＧａＡｓ膜を結晶成長により形成する。さらに、ＳｉＯ２マスクを除去した後に、リッジ構造部１４と電流ブロック層１０の両方を覆うように、コンタクト層１１となるｐ型ＧａＡｓ膜を形成する。
【００３４】
次に、コンタクト層１１の上にｐ側電極１２の材料（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。さらに、全体の厚みが１００μｍ程度になるまで、ＧａＡｓ基板１の研磨を行った後に、その研磨された面にｎ側電極１３の材料（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。
【００３５】
最後に、上記のように処理されたウエハから、共振器長０．７５〜１．５ｍｍ程度のレーザバーを劈開により切り出し、劈開面の一方には低反射率光学膜を、他方には高反射率光学膜をコーティングする。さらに、各レーザバーを劈開によりチップに分離する。これにより図１に示したような半導体レーザ素子が完成する。
【００３６】
以上、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明したが、以下、他の実施の形態を例示する。図５は、本発明の第２の実施の形態における半導体レーザ素子の発光層４の構造を表す図である。図２との比較から明らかであるように、第２の実施の形態の半導体レーザ素子では、引張歪層１５は、第１光導波層４３の、もっともクラッド層よりに配置されている。言い換えれば、第１の実施の形態では、活性層の直前で拡散する亜鉛をブロックしていたのに対し、第２の実施の形態では、活性層から離れた位置で亜鉛をブロックしている。
【００３７】
この場合、万一引張歪層１５を超えて亜鉛が拡散してしまった場合でも、第１光導波層４３のノンドープの領域により亜鉛の拡散が抑制されるため、亜鉛が活性層にまで達する可能性を低減することができる。
【００３８】
なお、引張歪層１５は、第１光導波層４３中に埋め込まれるように配置されていてもよい。第１の実施の形態および第２の実施の形態の効果として説明したように、キャリアのオーバーフロー抑制効果は引張歪層１５の位置が活性層４２に近いほうが強く、一方亜鉛の拡散防止効果は引張歪層１５がクラッド層５に近いほうが強くなる。したがって、引張歪層１５を設ける位置を調整すれば、半導体レーザの特性をある程度制御することも可能である。
【００３９】
次に、図６は、本発明の第３の実施の形態における半導体レーザ素子の発光層４の構造を表す図である。第３の実施の形態の半導体レーザ素子は、第１の実施の形態の半導体レーザ素子の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．６Ｉｎ０．４Ｐ引張歪層１５に代えて（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．４Ｉｎ０．６Ｐ圧縮歪層１６を設けた形態である。
【００４０】
圧縮歪層も亜鉛の拡散を抑制することができるので、クラッド層のノンドープ層の割合を少なくすれば、従来よりも良好な特性を得ることができる。但し、圧縮歪の場合には、図６に示すようにＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層と活性層とのバンドギャップは広がらない。このため、通電時のキャリアのオーバーフローを抑制するためには、歪層を引張歪層とするほうが好ましい。
【００４１】
歪層の構造としては、この他、圧縮歪層と無歪層（（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５層）を交互に積層した構造、引張歪層と無歪層を交互に積層した構造、圧縮歪層と引張歪層を交互に積層した構造、さらには圧縮歪層、引張歪層、無歪層の３種類の層を組み合わせた構造なども考えられる。多層構造の場合も、引張歪層を含む構造のほうが、キャリアのオーバーフロー抑制効果が得られるので好ましい。
【００４２】
なお、歪層に引張歪層が含まれている構造では、引張歪層が含まれていない構造よりも素子の特性温度が１０Ｋ程度高くなることが確認されている。
【００４３】
また、歪層の歪量は、亜鉛の拡散を抑制できる程度の歪量であればよく、上記各実施の形態に限定されない。上記実施の形態は歪層の歪量は約０．７％の場合を例示しているが、亜鉛の拡散防止効果は、例えば歪量が０．２％程度でも得られる。なお、亜鉛の拡散防止効果は、歪層の歪量が大きいほど高まるが、歪量が大きいと結晶欠陥の発生率が高まるという問題もある。結晶欠陥の発生率は結晶成長条件などによっても左右されるので、歪層の歪量は、好ましくは、そのような要因も考慮した上で決めるのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態における半導体レーザ素子の全体構造を示す概略図
【図２】本発明の一実施の形態における半導体レーザ素子の発光層の詳細構造（図左）とエネルギー準位（図右）を示す図
【図３】ノンドープ層の層厚と、素子抵抗の関係を表すグラフ
【図４】ドープ層、ノンドープ層の比率と特性温度の関係を表すグラフ
【図５】本発明の他の実施の形態における半導体レーザ素子の発光層の詳細構造を示す図
【図６】本発明のさらに他の実施の形態における半導体レーザ素子の発光層の詳細構造（図左）とエネルギー準位（図右）を示す図
【符号の説明】
【００４５】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層
４  発光層                  
４１  第１光導波層
４２  多重量子井戸活性層
４３  第２光導波層
５  ＡｌＧａＩｎＰ上部第１クラッド層
６  エッチングストップ層
７  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ上部第２クラッド層
８  ｐ型ＧａＩｎＰヘテロバッファ層
９  ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１０  電流ブロック層
１１  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１２  ｐ側電極
１３  ｎ側電極
１４  リッジ構造部
１５  引張歪層
１６  圧縮歪層
【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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