(57)【要約】【課題】作製プロセスが容易さと優れたレーザ特性及び高信頼性のすべてを兼ね備えた半導体レーザを提供する。【解決手段】GaInNAs量子井戸層4を活性層とするリッジ型レーザにおいてメサストライプ６の脇の10の領域にAlをイオン注入する。アニール後にAlとNが強く結合するために電気伝導率が低下し、さらにガイド層3,5と量子井戸層4との混晶効果によりバンドギャップが増大し、電流ブロック層となる。これにより、リッジ型レーザとほぼ同様の作製工程でしきい電流が小さく信頼性に優れる構造の半導体レーザを提供することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２組の反射鏡あるいは分布帰還型の共振器構造と、
半導体基板あるいは絶縁物基板上に、少なくとも第１のクラッド層、第１のガイド層、活性層、第２のガイド層、および第２のクラッド層がこの順に積層された多層膜とを有し、
前記活性層がGaInNAsの量子井戸層で構成されると共に、
前記第２のクラッド層がストライプ形状で構成されるリッジ構造を成し、
少なくとも前記活性層を含む領域であって、さらに前記活性層に注入される電流が通過する電流注入領域以外の領域にAlが導入された構造を有する半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記活性層のGaInNAs量子井戸層に、Sbが導入されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１、及び第２のクラッド層がGaInPで構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１、及び第２のクラッド層がAlGaAsで構成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
第１、及び第２のガイド層がGaAsで構成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
第１、及び第２のガイド層がGaAsで構成されていることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記ストライプ形状が逆メサ構造で構成されていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記ストライプ形状が垂直メサ構造で構成されていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記ストライプ形状が垂直メサ構造で構成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、光ファイバ通信の送信光源に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信や光記録等、各産業に幅広く使用されている半導体レーザは低コスト及び高性能化が求められている。GaAs基板上に結晶成長でき、光ファイバ通信に適合し1.3μｍ帯で発振するGaInNAs量子井戸レーザは、既に実用化されているInP基板上に形成したInGaAsPを用いたレーザに比べて理想的なバンド構造を有するため、高温でのレーザ特性が改善されることが期待されている（非特許文献１参照）。
さらに、Ｎが入らないGaInAs量子井戸レーザが高い緩和振動周波数を有することを反映して高速動作を実現できることから、Nがわずか数%導入されたGaInNAsも高速動作を期待することができる。
しかし、GaInNAsのようなGaAs基板上のレーザは一般的には活性層を切らずに上部のｐ型クラッド層の一部をストライプ形状にして電流狭窄化するリッジ型が用いられている。
【０００３】
図３に、従来技術によるGaInNAs量子井戸レーザを示す。同図はGaAs基板１上にＭＢＥ法により結晶成長されたGaInNAs長波長帯レーザであり、厚さ1.5μｍでキャリア濃度1×1018cm-3のn型GaInPクラッド層2、厚さ120nｍでキャリア濃度1×1018cm-3のｎ型GaAsガイド層3、GaInNAs-3重量子井戸活性層4、厚さ120nｍでキャリア濃度7×1017cm-3のｐ型GaAsガイド層5、厚さ1.5μｍでキャリア濃度1×1018cm-3のｐ型GaInPクラッド層6、厚さ200nｍでキャリア濃度5×1018cm-3のｐ型GaAsコンタクト層7が順に積層されている。
【０００４】
GaInNAs量子井戸活性層のGaInNAsの量子井戸層の幅は5nmであり、障壁層のGaAsの幅は30nmであり、量子井戸層と障壁層が交互に積層されている。この例ではGaAs基板はn型の導電型であり、ｎ型の電極9が基板にオーミック接続されており、ｐ型の電極8がGaAsコンタクト層7にオーミック接続されている。ｐ型GaInPクラッド層は塩酸系のエッチング溶液により逆メサの台形上にエッチングされており、ストライプを形成している。このエッチング液はGaInPのみエッチングしてGaAsガイド層5はエッチングされない。
【０００５】
図１においてメサ幅と呼ばれる幅、すなわちGaAsガイド層6と接しており、逆メサ上の台形の下の辺の長さは2μｍである。メサ幅下のGaInNAs量子井戸活性層4の領域が実効的な活性層領域となる。しかし、リッジ型レーザは埋め込み型レーザに比較してしきい電流が大きいという欠点があった。
【０００６】
【非特許文献１】中原  宏治他、「不純物を抑制したＭＢＥ成長ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓレーザの特性」、電子情報通信学会技術研究報告Vol.104,ED2004-142,P.41-44,2004年10月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、GaInNAsのようなGaAs基板上のレーザは一般的には活性層を切らずに上部のｐ型クラッド層の一部をストライプ形状にして電流狭窄化するリッジ型が用いられている。このようなリッジ型レーザは、図３に示す上部電極8から注入される電流が、リッジ構造の直下の電流注入領域以外の活性層4にまで拡がるために、埋め込み型レーザに比較して、しきい電流が大きくなるという欠点があった。
【０００８】
本発明の目的は、GaInNAs量子井戸レ−ザにおいてしきい電流を小さくできる半導体レーザを提供することにある。さらに、製造コスト低減が可能な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】
【０００９】
本発明によれば、少なくとも２組の反射鏡あるいは分布帰還型の共振器構造を有し、半導体基板あるいは絶縁物基板上に、少なくとも第１のクラッド層、第１のガイド層、活性層、第２のガイド層、第２のクラッド層が順次積層される半導体レーザにおいて、該活性層がGaInNAsの量子井戸層で構成され、上部の第２のクラッド層がストライプ形状で構成されるリッジ構造を成し、該リッジ構造の直下の電流注入領域以外の該活性層、第１のガイド層、第１のクラッド層、第２のガイド層、第２のクラッド層で構成される多層膜の少なくとも１部の領域に、Alが導入された構造を有する半導体レーザ装置によって達成される。
【００１０】
このようなイオン注入により、AlをGaInNAs量子井戸層に導入することで、フォトルミネッセンス強度が減少し電気伝導率が低減する。さらに、Alのイオン注入によりGaInNAs量子井戸層と障壁層が混晶化して井戸層のバンドギャップが増大する。以上の効果によりイオン注入した領域10には電流が流れにくくなり、イオン注入されていないメサストライプ下のみに電流を狭窄化することができる（非特許文献１を参照）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、GaInNAs量子井戸レ−ザにおいてしきい電流を小さくでき、製造コスト低減が可能な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】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１に、本発明を光通信用送信光源として用いる1.3μｍ帯半導体レーザに適用した実施例の断面構造を示す。同図は、GaAs基板１上にＭＢＥ法により結晶成長された1.3μm帯GaInNAs長波長帯レーザであり、厚さ1.5μmでキャリア濃度1×1018cm-3のｎ型GaInPクラッド層2、厚さ120nｍでキャリア濃度1×1018cm-3のｎ型GaAsガイド層3、GaInNAs-3重量子井戸活性層4、厚さ120nｍでキャリア濃度7×1017cm-3のｐ型GaAsガイド層5、厚さ1.5μｍでキャリア濃度1×1018cm-3のｐ型GaInPクラッド層6が積層されており、GaInPクラッド層6の上には厚さ200nｍでキャリア濃度5×1018cm-3のｐ型GaAsコンタクト層7が積層されている。
【００１４】
GaInNAs量子井戸活性層のGaInNAsの量子井戸層の幅は、5nmで障壁層のGaAsの幅は30nmであり、量子井戸層と障壁層が交互に積層されている。ｐ型GaInPクラッド層6を塩酸系のエッチング溶液により逆メサの台形上にエッチングしメサ幅2μｍのメサストライプ構造を形成する。さらにメサ脇のGaAsガイド層3,5とGaInNAs量子井戸活性層4にはAlをイオン注入した領域10が在る。Alのイオン注入は図２のようにメサストライプの斜面（(111)A面）に平行に注入する。左右２回注入する必要がある。
なお、ここで、Alをイオン注入する注入角度は、図２のA面に平行な角度から、注入する基板に対して垂直な角度の間までの任意な角度で行なっても構わない。
また、Alの注入量は、1016cm-2オーダーの濃度であって、GaInNAs量子井戸活性層4に高抵抗層が形成される程度の量である。
【００１５】
ここで、AlをGaInNAs量子井戸活性層4に注入することによって生じる効果を述べる。GaInNAsは成長時に雰囲気中にAlが存在するとフォトルミネッセンス強度が劣化することが、T. TakeuchiらによりIEEE LEOS 2003, MD1の35から36ページに開示されている。これはAlとNが結合しやすいからと考えられる。イオン注入によりAlをGaInNAs量子井戸層に導入した場合も同様であり、フォトルミネッセンス強度が減少し電気伝導率が低減する。さらに、Alのイオン注入によりGaInNAs量子井戸層と障壁層が混晶化して井戸層のバンドギャップが増大する。以上の効果によりイオン注入した領域10には電流が流れにくくなり、イオン注入されていないメサストライプ下のみに電流を狭窄化することができる。
【００１６】
イオン注入後は400℃、30分のアニールを行う。活性層にプロトン、即ちHを注入することにより高抵抗化する手法もあるが、この場合には半導体レーザの特性が急速に劣化するため実用化には適さない。Alのイオン注入ではアニール後にAlとNの結合が強く安定するため長期信頼性を有する。
【００１７】
本実施例により作製されたGaInNAs半導体レーザは共振器長200μｍで前面70%, 後面90％の反射鏡を施したＦＰレーザにおいて、25℃にて1.8mAの埋め込みレーザと同等の低しきい電流を得ることができた。また、85℃の高温においても3.9mAの低しきい電流であった。スロープ効率は25℃,85℃においてそれぞれ0.23W/A, 0.19 W/Aと良好であった。85℃, 10mW一定の光出力における信頼性試験を行ったところ180時間での動作電流劣化率は0.2%以下と良好な結果を得た。
【００１８】
尚、本実施例では活性層はGaInNAs量子井戸層であったが、GaInNAsにSbが導入されていても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【実施例２】
【００１９】
図4に、本発明を光通信用送信光源として用いる1.3μｍ帯半導体レーザに適用した実施例の断面構造を示す。半導体の多層構造は実施例１と同じである。メサストライプの形成はｐ型GaInPクラッド層6を、塩素ガス（Cl2）を用いたドライエッチングにより形成し、ｐ型GaInPクラッド層6の残し厚を100nmとした。メサ幅は1.8μｍである。メサ脇のGaAsガイド層3,5とGaInNAs量子井戸活性層4にはAlをイオン注入した領域10が在る。本実施例ではメサストライプの側壁が基板に対して垂直なので１回のイオン注入で良い。 実施例１と同様にイオン注入後は400℃,30分のアニールを行う。
【００２０】
本実施例により作製されたGaInNAs半導体レーザは共振器長300μｍで前面50%、 後面90％の反射鏡を施したＦＰレーザにおいて、25℃にて2.5mAの埋め込みレーザと同等の低しきい電流を得ることができた。また、85℃の高温においても5.3mAの低しきい電流であった。スロープ効率は25℃,85℃においてそれぞれ0.42W/A, 0.33 W/Aと良好であった。85℃, 10mW一定の光出力における信頼性試験を行ったところ360時間での動作電流劣化率は0.15%以下と良好な結果を得た。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例を表す構造図である。
【図２】本発明の実施例の一部の工程の説明図である。
【図３】従来例を示す構造図である。
【図４】本発明の実施例を示す構造図である。
【符号の説明】
【００２２】
1…GaAs基板、
2…n型GaInPクラッド層、
3…n型GaAsガイド層、
4…GaInNAs 3重量子井戸活性層、
5…p型GaAsガイド層、
6…p型GaInPクラッド層、
7…p型GaAsコンタクト層、
8…上部電極、
9…下部電極、
10…Alイオン注入領域。
【図１】
2007149939.tif 000003
【図２】
2007149939.tif 000004
【図３】
2007149939.tif 000005
【図４】
2007149939.tif 000006