(57)【要約】     【課題】  埋め込み型へテロ構造レーザ(ＢＨ)の低閾値発振特性を生かした上で、高出力領域(たとえば１００ｍＷ以上)で高効率低消費電力(低動作電圧)の半導体レーザ装置を提供する。    【解決手段】  この半導体レーザ装置では、中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５がストライプ状の凸部３と第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６との間に形成されている。Ｎ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５は、ストライプ状の凸部３のＮ型ＧａＡｓバッファ層４のエネルギーバンドギャップＥｇ２とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６のエネルギーバンドギャップＥｇ３との中間のエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する。この中間のエネルギーバンドギャップＥｇ１を有するＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５の存在により、電流−電圧特性が著しく改善されて、動作電圧の低減を実現できる。【選択図】  図１
2007005375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストライプ状の凸部を有する化合物半導体基板と、
上記化合物半導体基板上に形成されると共に上記ストライプ状の凸部によって段差を生じた結晶成長層を備え、
上記結晶成長層は、
上記ストライプ状の凸部上に形成されたレーザ共振器を有し、
上記レーザ共振器は、
上記凸部上に形成された第１クラッド層と、
上記第１クラッド層上に形成された活性層と、
上記活性層上に形成された第２クラッド層とを有し、
さらに、上記結晶成長層は、
上記活性層を埋め込む埋め込み層を有し、
上記ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップと上記第１クラッド層のエネルギーバンドギャップとの中間のエネルギーバンドギャップを持つと共に上記ストライプ状の凸部と上記第１クラッド層との間に形成された中間層を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記中間層のエネルギーバンドギャップをＥｇ１(ｅＶ)とし、上記ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップをＥｇ２(ｅＶ)とし、上記第１クラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ３(ｅＶ)とすると、
｜Ｅｇ１−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (１)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (２)
上式(１)および(２)を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記中間層は、複数の層を有していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ装置において、
上記中間層が有する複数の層のうちの少なくとも１つの層は、この１つの層のエネルギーバンドギャップをＥｇ１０(ｅＶ)とし、上記ストライプ状の凸部のバンドギャップをＥｇ２(ｅＶ)とし、上記第１クラッド層のバンドギャップをＥｇ３(ｅＶ)とすると、
｜Ｅｇ１０−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (３)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (４)
上式(３)および(４)を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１または３に記載の半導体レーザ装置において、
上記中間層は、バンドギャップが連続的に変化するグレーディッド層であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体レーザ装置において、
上記中間層の少なくとも一部または全部のエネルギーバンドギャップをＥｇ２０とし、
上記ストライプ状の凸部のバンドギャップをＥｇ２(ｅＶ)とし、上記第１クラッド層のバンドギャップをＥｇ３(ｅＶ)とすると、
｜Ｅｇ２０−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (５)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (６)
上式(５)および(６)を満たすことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記中間層は、
上記第１クラッド層に比べて、高濃度ドーピングされていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
上記ストライプ状の凸部は、リッジ部をなすと共に＜０１１＞結晶軸方向に延在しており、
上記化合物半導体基板は、(１００)結晶面を主面としており、
上記活性層は量子井戸活性層であり、
上記第２クラッド層上に形成された電流ブロック層を備え、
上記第１クラッド層、上記量子井戸活性層、上記第２クラッド層および上記電流ブロック層はエピタキシャル成長で形成され、
上記量子井戸活性層は、
上記リッジ部上に位置する第１部分と、
上記第１部分から分断されていると共に上記リッジ部の両側方に位置する第２部分とを有し、
上記電流ブロック層は、上記リッジ部上の部分の少なくとも一部が電流ブロック機能を消失していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体レーザ装置において、
上記電流ブロック層は、
上記リッジ部上に位置する第１部分と、
上記第１部分から分断されていると共に上記リッジ部の両側方に位置する第２部分を埋め込み層として有し、
上記量子井戸活性層の上記第１部分の両側面が、上記電流ブロック層の上記第２部分で覆われていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の半導体レーザ装置において、
上記化合物半導体基板はＧａＡｓで作製され、
上記第１クラッド層、上記量子井戸活性層、上記第２クラッド層および上記電流ブロック層は、ＡｌＧａＡｓ系またはＡｌＧａＩｎＰ系またはＧａＡｓ系またはＧａＩｎＰ系またはＧａＩｎＰＡｓ系またはＧａＩｎＮＡｓ系の化合物半導体からなることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体レーザ装置において、
上記第２クラッド層の屈折率は、上記第１クラッド層の屈折率よりも高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１２】
請求項８または１１に記載の半導体レーザ装置において、
上記第１クラッド層、上記量子井戸活性層、上記第２クラッド層および上記電流ブロック層は、有機金属気相成長法によるのエピタキシャル成長で作製されたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の半導体レーザ装置において、
上記電流ブロック層上に形成されたＺｎＯ膜を有し、
上記電流ブロック層は、上記リッジ部上の部分の少なくとも一部に、上記ＺｎＯ膜のＺｎが拡散していることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の半導体レーザ装置において、
上記電流ブロック層上に形成されたＺｎＯ膜を有し、
上記電流ブロック層のうちの上記電流ブロック機能を消失している部分は、上記ＺｎＯ膜を高速熱処理法で熱処理することによって、上記ＺｎＯ膜のＺｎが拡散されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項１５】
請求項８に記載の半導体レーザ装置において、
上記第１クラッド層または上記第２クラッド層には、ＣＢｒ４をソースとしたＣが不純物としてドーピングされていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ装置に関し、例えば、光ディスク装置または光通信システム等の光源に用いられる低閾値電流半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスク装置または光通信システム等の光源に用いられる半導体レーザでは、近年、携帯用途の電子機器内にて使用される機会が増えたため、従来以上に消費電力の低いレーザが求められている。埋め込み型へテロ構造(ＢＨ)レーザは低閾値電流でレーザ発振が可能なことから、低消費電力レーザの有力な候補である。
【０００３】
図７に、従来の埋め込み型へテロ構造の半導体レーザ装置の概略を示す。図７において、１０１はＮ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板、１０２はＮ型ＧａＡｓバッファ層、１０４はＮ型ＡｌＧａＡｓ第１下部クラッド層である。また、１０５はＮ型ＡｌＧａＡｓ第２下部クラッド層、１０６は量子井戸活性層、１０７はＰ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層、１０８はＰ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層である。また、１０９はＧａＡｓキャップ層、１１１はＧａＡｓコンタクト層、１１２はＰ側電極、１１３はＮ側電極、１１５はＮ型ＡｌＧａＡｓ埋め込み層、１１８は光導波路である。
【０００４】
この従来の埋め込み型へテロ構造の半導体レーザ装置では、二重へテロ構造形成後、ストライプ状の活性層１０６をエッチングで作製した後、結晶成長を用いて活性層１０６の両脇を埋め込み層１１５で覆っていた。
【０００５】
しかしながら、上記従来の埋め込み型へテロ構造の半導体レーザ装置では、境界での欠陥、高温動作での欠陥増殖、光学吸収、信頼性に問題がある。
【０００６】
上述した問題の解決策として、例えば、非特許文献１(ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ,ＶＯＬ.ＱＥ−２３,ＮＯ６,ＪＵＮＥ  １９８７)に、１回成長型埋め込み型へテロ構造レーザが開示されている。
【０００７】
図８に、非特許文献１に記載されているような改良型の埋め込み型へテロ構造の半導体レーザ装置の概略を示す。
【０００８】
図８において、２０１はＮ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板、２０２Ａ,２０２Ｂは段差面、２０３はストライプ状の凸部、２０４,２０４’はＮ型ＧａＡｓバッファ層、２０６,２０６’はＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層である。また、図８において、２０７,２０７’は量子井戸活性層、２０８,２０８’はＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層、２０９はＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層である。また、２０９’はノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層、２１０,２１０’はＡｌＧａＡｓ上部クラッド層、２１１はＧａＡｓキャップ層である。また、２１２はＰ側電極、２１３はＮ側電極、２１４はＺｎ拡散領域、２１８は光導波路、２６２は開口部、２６３はＺｎＯ膜である。なお、このＺｎＯ膜２６３は製造工程の途中でのみ存在し、半導体レーザ装置の最終形態には残らない。
【０００９】
この改良型の埋め込み型へテロ構造レーザによれば、上述の境界での欠陥、高温動作での欠陥増殖、光学吸収、信頼性の問題は解決される。
【００１０】
しかしながら、上記１回成長型ＢＨ型半導体レーザでも、特に、高出力でスロープ効率ηが低いため、高出力で必ずしも低消費電力とならない。最大の原因は発熱による熱飽和である。
【特許文献１】特開２０００−１０１２００号公報
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ,ＶＯＬ.ＱＥ−２３,ＮＯ６,ＪＵＮＥ  １９８７
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ,ＶＯＬ.２８,ＮＯ１,ＪＡＮＵＡＲＹ  １９９２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、この発明の課題は、埋め込み型へテロ構造レーザ(ＢＨ)の低閾値発振特性を生かした上で、高出力領域(たとえば１００ｍＷ以上)で高効率低消費電力(低動作電圧)の半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、この発明の半導体レーザ装置は、ストライプ状の凸部を有する化合物半導体基板と、上記化合物半導体基板上に形成されると共に上記ストライプ状の凸部によって段差を生じた結晶成長層を備え、
上記結晶成長層は、
上記ストライプ状の凸部上に形成されたレーザ共振器を有し、
上記レーザ共振器は、
上記凸部上に形成された第１クラッド層と、
上記第１クラッド層上に形成された活性層と、
上記活性層上に形成された第２クラッド層とを有し、
上記活性層は、上記段差を生じた結晶成長層によって埋め込まれており、
上記ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップと上記第１クラッド層のエネルギーバンドギャップとの中間のエネルギーバンドギャップを持つと共に上記ストライプ状の凸部と上記第１クラッド層との間に形成された中間層を有することを特徴としている。
【００１３】
この発明の半導体レーザ装置によれば、上記中間層が上記ストライプ状の凸部と上記第１クラッド層との間に形成されている。この中間層が、上記ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップと上記第１クラッド層のエネルギーバンドギャップとの中間のエネルギーバンドギャップを持っていることによって、電流−電圧特性が著しく改善して、動作電圧の低減を実現できる。
【００１４】
すなわち、この発明の半導体レーザ装置によれば、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間に中間層を介在させることで、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間でのキャリアに対する障壁を下げることができる。この結果、半導体レーザ素子としての直列抵抗値が低減し、高出力領域(一例として１００ｍＷ以上)での動作電圧も下げることができる。
【００１５】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記中間層のエネルギーバンドギャップをＥｇ１(ｅＶ)とし、上記ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップをＥｇ２(ｅＶ)とし、上記第１クラッド層のエネルギーバンドギャップをＥｇ３(ｅＶ)とすると、
｜Ｅｇ１−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (１)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (２)
上式(１)および(２)を満たす。
【００１６】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップＥｇ２と第１クラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ３の平均値Ｅｇ４と中間層のエネルギーバンドギャップＥｇ１との差の絶対値を、第１クラッド層のエネルギーバンドギャップＥｇ３とストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップＥｇ２との差の絶対値の３分の１よりも小さくした。
【００１７】
このようなエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する中間層により、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間の電子伝導帯下端でのエネルギー障壁ΔＥｃ、荷電子帯上端でのエネルギー障壁ΔＥｖを下げることができ、その結果、半導体レーザ素子としての直列抵抗を低減でき、たとえば、１００ｍＷを超える高出力領域での動作電圧も下げることができる。
【００１８】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記中間層は、複数の層を有している。
【００１９】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記中間層が複数の層を有していることで、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間でのキャリアに対する障壁のさらなる低減を図れる。
【００２０】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記中間層が有する複数の層のうちの少なくとも１つの層は、この１つの層のエネルギーバンドギャップをＥｇ１０(ｅＶ)とし、上記ストライプ状の凸部のバンドギャップをＥｇ２(ｅＶ)とし、上記第１クラッド層のバンドギャップをＥｇ３(ｅＶ)とすると、
｜Ｅｇ１０−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (３)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (４)
上式(３)および(４)を満たす。
【００２１】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、中間層が、上式(３)、(４)を満たすエネルギーバンドギャップＥｇ１０を有する層を含むことで、上記中間層が上述の式(１)、(２)を満たすエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する場合と同様に、高出力領域での動作電圧を下げることができる。
【００２２】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記中間層は、バンドギャップが連続的に変化するグレーディッド層である。
【００２３】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間でのキャリアに対する障壁のさらなる低減を図れる。
【００２４】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記中間層の少なくとも一部または全部のエネルギーバンドギャップをＥｇ２０とし、
上記ストライプ状の凸部のバンドギャップをＥｇ２(ｅＶ)とし、上記第１クラッド層のバンドギャップをＥｇ３(ｅＶ)とすると、
｜Ｅｇ２０−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (５)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (６)
上式(５)および(６)を満たす。
【００２５】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、中間層の少なくとも一部または全部が、上式(５)、(６)を満たすエネルギーバンドギャップＥｇ２０を有する。これにより、上記中間層が上述の式(１)、(２)を満たすエネルギーバンドギャップＥｇ１を有する場合と同様に、高出力領域での動作電圧を下げることができる。
【００２６】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記中間層は、上記第１クラッド層に比べて、高濃度ドーピングされている。
【００２７】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子としての直列抵抗値の低減を図れ、高出力領域での動作電圧の低減を図れる。
【００２８】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記ストライプ状の凸部は、リッジ部をなすと共に＜０１１＞結晶軸方向に延在しており、
上記化合物半導体基板は、(１００)結晶面を主面としており、
上記活性層は量子井戸活性層であり、
上記第２クラッド層上に形成された電流ブロック層を備え、
上記第１クラッド層、上記量子井戸活性層、上記第２クラッド層および上記電流ブロック層はエピタキシャル成長で形成され、
上記量子井戸活性層は、
上記リッジ部上に位置する第１部分と、
上記第１部分から分断されていると共に上記リッジ部の両側方に位置する第２部分とを有し、
上記電流ブロック層は、上記リッジ部上の部分の少なくとも一部が電流ブロック機能を消失している。
【００２９】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子としての直列抵抗値の低減を図れ、高出力領域での動作電圧の低減を図れる。
【００３０】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記電流ブロック層は、上記リッジ部上に位置する第１部分と、上記第１部分から分断されていると共に上記リッジ部の両側方に位置する第２部分とを有し、
上記量子井戸活性層の上記第１部分の両側面が、上記電流ブロック層の上記第２部分で覆われている。
【００３１】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記量子井戸活性層の上記第１部分の両側面から(埋め込み層)への電流リークを防ぐことができる。
【００３２】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記化合物半導体基板はＧａＡｓで作製され、
上記第１クラッド層、上記量子井戸活性層、上記第２クラッド層および上記電流ブロック層は、ＡｌＧａＡｓ系またはＡｌＧａＩｎＰ系またはＧａＡｓ系またはＧａＩｎＰ系またはＧａＩｎＰＡｓ系またはＧａＩｎＮＡｓ系の化合物半導体からなる。
【００３３】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、各種発光波長の半導体レーザ装置を実現できる。
【００３４】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記第２クラッド層の屈折率は、上記第１クラッド層の屈折率よりも高い。
【００３５】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、第１クラッド層よりも屈折率が高い第２クラッド層による光の閉じ込めにより発光の効率を向上できる。
【００３６】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記第１クラッド層、上記量子井戸活性層、上記第２クラッド層および上記電流ブロック層は、有機金属気相成長法によるエピタキシャル成長で作製された。
【００３７】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、精密な膜組成と膜厚を有する結晶成長層となる。
【００３８】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記電流ブロック層上に形成されたＺｎＯ膜を有し、上記電流ブロック層は、上記リッジ部上の部分の少なくとも一部に、上記ＺｎＯ膜のＺｎが拡散している。
【００３９】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、ＺｎＯ膜のＺｎが拡散していることで、上記電流ブロック層のうちの、リッジ部上の部分の少なくとも一部が電流ブロック機能を消失している。したがって、電流ブロック層のうちの、リッジ部上の部分の少なくとも一部は、活性層への電流経路となることができる。
【００４０】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記電流ブロック層上に形成されたＺｎＯ膜を有し、
上記電流ブロック層のうちの上記電流ブロック機能を消失している部分は、上記ＺｎＯ膜を高速熱処理法で熱処理することによって、上記ＺｎＯ膜のＺｎが拡散されている。
【００４１】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記ＺｎＯ膜のＺｎを短時間で電流ブロック層の上記部分に拡散させることができる。
【００４２】
また、一実施形態の半導体レーザ装置では、上記第１クラッド層または上記第２クラッド層には、ＣＢｒ４（四臭化炭素）をソースとしたＣが不純物としてドーピングされている。
【００４３】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、不純物としてのＣが成長プロセス中に他の層に拡散しない。
【発明の効果】
【００４４】
この発明の半導体レーザ装置によれば、中間層がストライプ状の凸部と第１クラッド層との間に形成されていて、この中間層が、上記ストライプ状の凸部のエネルギーバンドギャップと上記第１クラッド層のエネルギーバンドギャップとの中間のエネルギーバンドギャップを持っていることによって、電流−電圧特性が著しく改善されて、動作電圧の低減を実現できる。
【００４５】
すなわち、この発明の半導体レーザ装置によれば、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間に中間層を介在させることで、ストライプ状の凸部と第１クラッド層との間でのキャリアに対する障壁を下げることができる。この結果、半導体レーザ素子としての直列抵抗値が低減し、高出力領域(一例として１００ｍＷ以上)での動作電圧も下げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４７】
(第１の実施の形態)
図１に、この発明の第１実施形態としてのＡｌＧａＡｓ系の埋め込み型の半導体レーザ装置の横断面の概略を示す。この実施形態の半導体レーザ装置は、化合物半導体基板としてのＮ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板１を備える。この  Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板１は、ストライプ状の凸部３を有する。このストライプ状の凸部３は凸端をなすＮ型ＧａＡｓバッファ層４を有している。また、このストライプ状の凸部３は段差面３Ａ,３Ｂを有している。
【００４８】
このＮ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板１のストライプ状の凸部３の凸端をなすＮ型ＧａＡｓバッファ層４上には、順に、中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５、第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６、量子井戸活性層７、第２クラッド層としてのＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層８、電流ブロック層の第１部分としてのＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層９、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０が形成されている。
【００４９】
一方、Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板１の非凸部１Ａ上には、順に、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層４’、Ｎ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５’、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６’、量子井戸活性層７’、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層８’、電流ブロック層の第２部分であり埋め込み層をなすノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層９’、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０’が形成されている。
【００５０】
また、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０および１０’上に、ＧａＡｓキャップ層１１が形成されている。そして、このＧａＡｓキャップ層１１上にＰ側電極１２が形成され、上記Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板１の裏面にＮ側電極１３が形成されている。
【００５１】
上記Ｎ型ＧａＡｓバッファ層４と、第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６と、量子井戸活性層７と、第２クラッド層としてのＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層８と、ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層９とがレーザ共振器を構成している。
【００５２】
また、上記バッファ層４,４’と上記バッファ層５,５’と上記下部クラッド層６,６’と量子井戸活性層７,７’と上部クラッド層９,９’と上部クラッド層９,９’と上部クラッド層１０,１０’とが結晶成長層を構成している。この結晶成長層は、上記ストライプ状の凸部３によって、バッファ層４とバッファ層４’との間に段差を生じている。また、バッファ層５とバッファ層５’との間に段差を生じている。また、下部クラッド層６と下部クラッド層６’との間に段差を生じている。また、量子井戸活性層７と量子井戸活性層７’との間に段差を生じている。また、上部クラッド層９と上部クラッド層９’との間に段差を生じている。また、上部クラッド層１０と上部クラッド層１０’との間に段差を生じている。
【００５３】
上記量子井戸活性層７は、上記段差を生じた結晶成長層によって埋め込まれている。また、量子井戸活性層７は、両側面が電流ブロック層としてのノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層９’で覆われている。
【００５４】
なお、図１において、符号１８で示されると共に破線で囲まれている領域は、光導波路である。
【００５５】
また、図１において、符号１４で示されると共に破線で囲まれている領域は、Ｚｎ拡散領域である。このＺｎ拡散領域１４は、ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層１０,１０’上のＧａＡｓキャップ層１１に形成されたＺｎＯ膜６３を熱処理することによって、このＺｎＯ膜６３のＺｎが拡散されることで形成されている。なお、このＺｎＯ膜６３は製造工程の途中でのみ存在し、半導体レーザ装置の最終形態には残らない。
【００５６】
また、上記中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５は、ストライプ状の凸部３のＮ型ＧａＡｓバッファ層４のエネルギーバンドギャップＥｇ２(ｅＶ)と第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６のエネルギーバンドギャップＥｇ３(ｅＶ)との中間のエネルギーバンドギャップＥｇ１(ｅＶ)を有する。
【００５７】
上記エネルギーバンドギャップＥｇ１(ｅＶ)とＥｇ２(ｅＶ)とＥｇ３(ｅＶ)とは、一例として、次式(１)、(２)の関係を満たしている。
｜Ｅｇ１−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (１)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (２)
【００５８】
この実施形態の半導体レーザ装置によれば、ストライプ状の凸部３を構成するＮ型ＧａＡｓバッファ層４と第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６との間に、中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５を介在させている。この構成により、ストライプ状の凸部３を構成するＮ型ＧａＡｓバッファ層４と第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６との間でのキャリアに対する障壁を下げることができる。この結果、半導体レーザ素子としての直列抵抗値が低減し、高出力領域(一例として１００ｍＷ以上)での動作電圧も下げることができる。
【００５９】
すなわち、図８に示した従来例では、図１０に示すように、ストライプ状の凸部２０３のＮ型ＧａＡｓバッファ層２０４とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２０６との間では禁制帯幅(バンドギャップ)の差が存在する。これに起因して、上記Ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０４とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２０６との境界で、伝導帯下端および荷電子帯上端の接続が不連続となり、伝導帯下端および荷電子帯上端でのそれぞれのエネルギー差ΔＥｃ、ΔＥｖがエネルギー障壁を形成する。
【００６０】
これに対して、この実施形態では、ストライプ状の凸部３のＮ型ＧａＡｓバッファ層４と第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６との間に中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５を介在させている。この構成により、この実施形態では、図５に、破線で囲んだ領域Ｒ１に例示の如く、キャリアとしての電子に対するエネルギー障壁を２つのエネルギー障壁ΔＥｃ１とΔＥｃ２とに分割し、キャリア(電子)に対する障壁を下げる効果が得られる。この結果、半導体レーザ素子としての直列抵抗は従来例に比べて低減し、１００ｍＷを超える高出力領域での動作電圧も下がる。
【００６１】
より具体的に説明すると、例えば、広く半導体レーザに使用されているＡｌＧａＡｓ系の材料で作製された図８に示すような従来例では、化合物半導体基板をＧａＡｓ基板２０１とし、第１クラッド層としての下部クラッド層２０６をＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓで作製した。この従来例の場合、ＧａＡｓ基板２０１,下部クラッド層２０６のバンドギャップは、それぞれ、１.４ｅＶ,１.９５ｅＶである。このＧａＡｓ基板２０１と下部クラッド層２０６がヘテロ接合を形成した場合、境界に形成される障壁は、図１０に例示の如く、伝導帯下端でおよそΔＥｃ＝０.３５ｅＶ,荷電子帯上端でおよそΔＥｖ＝０.２ｅＶとなることが知られている。
【００６２】
これに対して、本実施形態では、Ｎ型のＧａＡｓ基板１と厚さ１.５μｍのＮ型のＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ下部クラッド層６(第１クラッド層)との間に、厚さ１０ｎｍのＮ型のＡｌ０.２２Ｇａ０.７８Ａｓバッファ層５(中間層)を形成している。このＮ型のＧａＡｓ基板１のドーピング濃度は１×１０１８／ｃｍ３とし、中間層としてのバッファ層５、Ｎ型のＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ下部クラッド層６(第１クラッド層)のＮ型ドーパント濃度は５×１０１７／ｃｍ３で共通とした。この場合のエネルギーギャップの分布を、図５に示す。なお、この中間層の無い場合のエネルギーギャップの分布は、前述の如く図１０に示されている。両者を比較すると、従来例の如く、中間層の無い場合には、図１０の如く、電子に対するエネルギー障壁ΔＥｃ＝０.３５ｅＶであったが、本実施形態の如く中間層５を介在させることで、図５に示すように、エネルギー障壁の分割とヘテロ接合界面近傍でのバンドの沈み込みとによって実質的なエネルギー障壁を０.１５ｅＶ程度まで下げることができる。
【００６３】
次に、上記中間層としてのバッファ層５の効果を、この発明で想定している埋め込み型へテロ構造(ＢＨ)レーザに適用した場合、つまり、本実施形態の半導体レーザ装置の電流−電圧特性の典型的な例を、図６Ａに実線の特性Ｚ１で示す。一方、図６Ｂには、上記中間層が存在しない図８の従来例の電流−電圧特性の典型的な例を実線の特性Ｚ２で示す。なお、図６Ｂの破線の特性Ｚ１は、図６Ａの実線の特性Ｚ１と同一である。図６Ａの実線の特性Ｚ１と図６Ｂの実線の特性Ｚ２とを比較すると、本実施形態によれば、上記従来例に比べて、動作電流３０ｍＡでの動作電圧が１.０(Ｖ)強低下していることが分かる。
【００６４】
(比較例(リッジストライプ型半導体レーザ装置))
ところで、このような中間層の挿入技術は、リッジストライプ型半導体レーザ装置においては、従来から用いられていたが、中間層による電流−電圧特性の改善効果はわずかであった。すなわち、図１５Ａ、図１５Ｂに一例を示すように、図１５Ａに示す中間層を有する半導体レーザ装置の電流−電圧特性Ｘ１は、図１５Ｂに示す中間層を有さない半導体レーザ装置の電流−電圧特性Ｘ２に比べて、動作電流３０ｍＡにおける動作電圧の改善効果は、高々０.１(Ｖ)である。
【００６５】
これに対し、この発明で想定している埋め込み型へテロ構造(ＢＨ)レーザ装置では、前述したように、リッジストライプ型半導体レーザ装置とは異なり、中間層の存在により、特に著しく動作電圧が低減するという改善効果が得られる。
【００６６】
ここで、図１１の断面図に中間層を有するリッジストライプ型半導体レーザ装置の一例の構造を示し、図１３の断面図に中間層を有さないリッジストライプ型半導体レーザ装置の一例の構造を示す。
【００６７】
図１１、図１３において、３０１はＮ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板、３０２はＮ型ＧａＡｓバッファ層、３０３はＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層、３０４はＮ型ＡｌＧａＡｓ第１下部クラッド層である。また、３０５はＮ型ＡｌＧａＡｓ第２下部クラッド層、３０６は量子井戸活性層、３０７はＰ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層、３０８はＰ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層である。また、３０９はＧａＡｓキャップ層、３１０はＮ型ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層、３１１はＧａＡｓコンタクト層、３１２はＰ側電極、３１３はＮ側電極、３１８は光導波路である。また、図１３において、３０３はＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層(中間層)である。
【００６８】
この図１１に示すリッジストライプ型半導体レーザ装置と、図１に示す埋め込み型半導体レーザ装置とを比較すれば、この埋め込み型半導体レーザ装置では、リッジストライプ型半導体レーザ装置に比べて、Ｎ型のＧａＡｓ基板１とＮ型のＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ下部クラッド層６(第１クラッド層)との接触面積が小さいことが分かる。この構造上の違いが、埋め込み型半導体レーザ装置では、リッジストライプ型半導体レーザ装置に比べて、上記中間層の存在による動作電圧の低減効果が大きくなる理由に関係している。
【００６９】
この理由について以下に説明する。前述したように、図８に示す従来の埋め込み型半導体レーザ装置においては、図１０に示す大きなエネルギー障壁ΔＥｃが存在するので、図１の本実施形態と同じ電流を流すにはより高い動作電圧が必要である。図８の従来例では、特に、図９の電流分布の模式図に示すように、Ｎ型のＧａＡｓ基板２０１とＮ型のＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ下部クラッド層２０６の界面に流れる電流は、中央部にある面積の狭いストライプ状の凸部２０３に集中する構造となっているので、動作電圧が容易に高くなってしまう。
【００７０】
これに対して、図１３に示すリッジストライプ型半導体レーザ装置(中間層なし)は、図１４の電流分布の模式図に示すように、Ｎ型のＧａＡｓ基板３０１とＮ型のＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ第１下部クラッド層３０４との間で電流分布が拡がり、電圧が上昇しにくい構造になっている。すなわち、リッジストライプ型の半導体レーザ装置では、図１０に示すような大きなエネルギー障壁ΔＥｃが存在する場合であっても、電流の流れる面積が容易に広がるので、動作電圧の上昇は少なくて済む。
【００７１】
上に説明してきた電流−電圧特性についてまとめると、図１の本実施形態の埋め込み型半導体レーザ装置においては、電流が中央のストライプ状の凸部３に集中する構造であることに起因して、中間層であるＮ型のＡｌ０.２２Ｇａ０.７８Ａｓバッファ層５の存在が、動作電圧の低減に本質的に作用する。
【００７２】
その結果、本実施形態の埋め込み型半導体レーザ装置によれば、中間層が無い従来例に比べて、図６Ｂの電流−電圧曲線(実線)Ｚ２から図６Ａの電流−電圧曲線(実線)Ｚ１へと劇的な改善が実現した。
【００７３】
一方、図１１に示す中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層３０３を有するリッジストライプ型半導体レーザ装置は、電流束３６４が図１２に示す電流分布となるのに対して、図１３に示す中間層３０３の無いリッジストライプ型半導体レーザ装置では、電流束３６４は図１４に示す電流分布となる。つまり、リッジストライプ型半導体レーザ装置においては、図１１の半導体レーザ装置から中間層を取り去ったとしても、電流分布は、図１２に示す状態から図１４に示す状態に容易に拡がる。つまり、Ｎ型のＧａＡｓ基板３０１とＮ型のＡｌ０.４５Ｇａ０.５５Ａｓ第１下部クラッド層３０４を横切る電流密度が低下する。このため、図１１に示す中間層を有するリッジストライプ型半導体レーザ装置による図１５Ａの電流−電圧曲線(実線)Ｘ１と、図１３に示す中間層を有さないリッジストライプ型半導体レーザ装置による図１５Ｂの電流−電圧曲線(実線)Ｘ２との差は小さく、中間層の効果は限定的なものとなっている。
【００７４】
以上の如く、図１に示す本発明の実施形態の埋め込み型半導体レーザ装置では、上記中間層としてのＮ型のＡｌ０.２２Ｇａ０.７８Ａｓバッファ層５が動作電圧の低減に本質的な役割を果たす。つまり、この実施形態の埋め込み型へテロ構造半導体レーザ装置においては、バンドギャップの差が大きなＮ型ＧａＡｓバッファ層４と  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６との境界に中間的な中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５を配したことにより、電流−電圧特性を著しく改善し、動作電圧の低減を実現した。
【００７５】
次に、上記中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５を配したことによる副次的な３つの効果を説明する。この副次的な３つの効果とは、(1) レーザ微分効率が改善すること、(2) 光出力熱飽和が改善すること、(3) 高周波駆動での立ち上りが改善されることである。
【００７６】
まず、(1)のレーザの微分効率の改善は、電流分布から説明できる。この発明の実施形態および図８の従来例のような埋め込み型ヘテロ構造半導体レーザ装置では、図２および図９に示すように、電流分布がストライプ状の凸部３および凸部２０３に集中する構造になっている。この構造では、ＧａＡｓ基板１,２０１とＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６,２０６との間に障壁が存在する場合には、電流分布がストライプ状の凸部３,２０３の外側に若干拡がることで直列抵抗が下がるように働く。
【００７７】
この図１,図８の埋め込み型ヘテロ構造半導体レーザ装置は、基板１,２０１に設けたストライプ状の凸部３,２０３の段差面３Ａ,３Ｂ,２０３Ａ,２０３Ｂで活性層を励起部となる活性層７,２０７と非励起部となる活性層７’,２０７’とに分離した構造になっている。
【００７８】
図８に示す中間層の無い従来の埋め込み型ヘテロ構造半導体レーザ装置では、図９に示すように、電流束２６４は、ストライプ状の凸部２０３の外側に電流が拡がり、非励起部にある活性層２０７’の端部２６５に流入する。この電流はレーザの発振には寄与しない無効な発光をして消費され無効電流となる。この無効電流がレーザの微分効率を低下させる。
【００７９】
逆に、この実施形態では、上述したように、中間層であるＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５の効果でもって障壁を下げているので、図２に示すように、電流束６４はストライプ状の凸部３の内側に流れ易くなる。これにより、電流はストライプ状の凸部３に集中し、上記無効電流の発生が事実上起こらない。その結果、レーザ微分効率が改善される。
【００８０】
次に、(2)の光出力熱飽和が改善するのは、発熱が低減するからである。すなわち、図８に示す従来の埋め込み型ヘテロ構造半導体レーザ装置においては、ＧａＡｓ基板２０１とＡｌＧａＡｓ下部クラッド層２０６との間での発熱が、ストライプ状の凸部２０３近傍に集中する。このため、特に、１００ｍＷを超えるような高出力レーザ発振では、このストライプ状の凸部２０３近傍での発熱の影響を受けて、光出力が熱飽和を起こす。
【００８１】
これに対し、この実施形態の如く、中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５の効果でもって、ＧａＡｓ基板１とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層６の間にあるエネルギー障壁を下げると、電流−電圧特性が図６Ｂの実線の特性Ｚ２から図６Ａの実線の特性Ｚ１へ改善し、発熱も減少し、光出力熱飽和は大いに改善される。一例として、パルス駆動であれば３００ｍＷまでの光出力が容易に得られる。
【００８２】
また、中間層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓバッファ層５によるエネルギー障壁の低減によって、上記(3)の高周波駆動でのレーザ発振の立ち上りの応答が改善する。なお、この中間層は、バンドギャップが連続的に変化するグレーディッド層であってもよい。また、上記中間層は、複数の層で構成されていてもよい。
【００８３】
以上に説明した如く、この実施形態によれば、電流−電圧特性の改善、微分効率の改善、光出力熱飽和の改善、高周波応答の改善、という４つの改善を実現した。
【００８４】
(第２の実施の形態)
次に、図３に、この発明の半導体レーザ装置の第２実施形態であるＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ装置の横断面を示す。
【００８５】
この第２実施形態は、狭ビーム半導体レーザ装置であり、Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板３１を備えている。このＮ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板３１には、段差面３３Ａ,３３Ｂで挟まれて＜０１１＞結晶軸方向に延存する逆メサリッジ３３が形成されている。
【００８６】
上記逆メサリッジ３３上には、断面三角形状部７０が形成されている。この断面三角形状部７０は、逆メサリッジ３３上に順に形成されたＮ型ＧａＡｓバッファ層３４、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５、第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６、第１部分としてのノンドープの量子井戸活性層３７、第２クラッド層としてのＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８、電流ブロック層としてのＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９を有する。
【００８７】
上記第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６は、第２クラッド層としてのＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８に対して屈折率が非対称になっている。つまり、上記第１クラッド層としてのＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６の屈折率は上記第２クラッド層としてのＰ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８の屈折率と異なっている。
【００８８】
また、上記逆メサリッジ３３および断面三角形状部７０の両側の基板３１上には、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層３４’、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５’、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６’、第２部分としてのノンドープの量子井戸活性層３７’、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８’、ノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９’およびＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０が順次形成されている。
【００８９】
上記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０上には、ＧａＡｓキャップ層４１およびＰ側電極４２が順次形成されている。一方、上記Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板３１下にはＮ側電極４３が形成されている。
【００９０】
図３に、点線で四角に囲んだ領域はＺｎ拡散領域４４を示している。すなわち、図４Ｅに示すように、点線で四角に囲んだ領域４４には、ＺｎＯ膜９３からのＺｎが拡散している。このため、上記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０およびＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３９,３９’およびＧａＡｓキャップ層４１に関して、Ｚｎ拡散領域４４と重なっている部分はＰ型を示す。なお、このＺｎＯ膜９３は製造工程の途中でのみ存在し、半導体レーザ装置の最終形態には残らない。
【００９１】
一方、上記ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９に関して、Ｚｎ拡散領域４４と重なっていない部分はＮ−型を示す。また、上記ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０およびＧａＡｓキャップ層４１に関して、Ｚｎ拡散領域４４と重なっていない部分はＮ型を示す。
【００９２】
なお、図３において、円形の破線で囲まれた領域は、半導体レーザ装置内に形成される光導波路４８である。
【００９３】
この第２実施形態では、上記Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板３１が化合物半導体基板の一例であり、逆メサリッジ３３がストライプ状の凸部の一例であり、断面三角形状部７０がレーザ共振器の一例である。また、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５が中間層の一例である。また、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６が第１クラッド層の一例をなし、量子井戸活性層３７が活性層の一例をなす。また、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８が第２クラッド層の一例を構成し、ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９’が電流ブロック層の一例を構成する。
【００９４】
したがって、この第２実施形態では、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５は、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層３４のエネルギーバンドギャップＥｇ２(ｅＶ)とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６のエネルギーバンドギャップＥｇ３(ｅＶ)との中間のエネルギーバンドギャップＥｇ１(ｅＶ)を有している。
【００９５】
上記エネルギーバンドギャップＥｇ１(ｅＶ)とＥｇ２(ｅＶ)とＥｇ３(ｅＶ)とは、一例として、次式(１)および(２)の関係を満たしている。
｜Ｅｇ１−Ｅｇ４｜＜｜Ｅｇ３−Ｅｇ２｜／３        …  (１)
Ｅｇ４＝(Ｅｇ２＋Ｅｇ３)／２          …  (２)
【００９６】
なお、この中間層３５は、バンドギャップが連続的に変化するグレーディッド層であってもよい。また、上記中間層３５は複数の層で構成されていてもよい。
【００９７】
上記構成の半導体レーザ装置によれば、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５を、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層３４とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６との間に介在させた。このことで、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層３４とＮ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６のバンドギャップ差に起因して生じるエネルギー障壁ΔＥｃ(電子伝道帯のエネルギー障壁)、ΔＥｖ(価電子帯のエネルギー障壁)を下げる効果が得られ、その結果、半導体レーザ素子としての直列抵抗が低減することが計算および実験により判明した。つまり、上記特許文献１(特開２０００−１０１２００号公報)の半導体レーザの動作電圧よりも低い動作電圧でレーザが駆動できる。
【００９８】
また、上記逆メサリッジ３３は、特許文献１に示されているような順メサリッジに比べて、リッジ表面および側面におけるストライプ方向への均一性と平坦性が優れている。
【００９９】
次に、図４Ａ〜図４Ｅの断面図を参照して、この第２実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明する。
【０１００】
まず、図４Ａに示すように、Ｎ型のＧａＡｓ(１００)ジャスト基板３１を使用し、＜０１１＞結晶軸方向に延在するストライプ状の段差面３３Ａ,３３Ｂによって挟まれた逆メサリッジ３３を形成する。この段差面３３Ａ,３３Ｂおよび逆メサリッジ３３は、フォトリソグラフィによるウェットエッチによって形成する。このウエットエッチングでは、硫酸と過酸化水素と水の混合液をエッチング液として用いる。また、上記逆メサリッジ３３の幅Ｗ３は、例えば、５.５μｍとする。
【０１０１】
次に、図４Ｂに示すように、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型ＧａＡｓバッファ層３４,３４’(層厚０.１μｍ)、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５,３５’(ｘ＝０.２５、層厚０.０５μｍ)、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６,３６’(ｘ＝０.５、層厚１.５μｍ)、ノンドープの量子井戸活性層３７,３７’、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８,３８’(ｘ＝０.４８、０.８μｍ)、ノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９,３９’(ｘ＝０.４８、層厚０.４μｍ)、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０(ｘ＝０.４８、１５μｍ)、Ｎ型ＧａＡｓキャップ層４１(０.３μｍ)を一回で成長する。なお、ノンドープの量子井戸活性層３７,３７’は、２層の層厚８ｎｍのＡｌＧａＡｓ井戸層と、層厚５ｎｍのＡｌＧａＡｓバリア層と、２層の層厚３０ｎｍのＡｌＧａＡｓガイド層とを有する。
【０１０２】
なお、上記ｘは、上記Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層３５,３５’、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６,３６’、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８,３８’、Ｎ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９,３９’およびＮ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０における、Ａｌ組成比を現している。例えば、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８,３８’(ｘ＝０.４８、０.８μｍ)とは、Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓからなる厚さ０.８μｍのＰ型上部クラッド層を意味する。上記ｘの値から分かるように、この実施の形態では、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８,３８’、Ｎ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９,３９’およびＮ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０のＡｌ組成比は、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６,３６’のＡｌ組成比よりも０.０２だけ小さくしている。すなわち、この実施の形態では、上部クラッド層４０の屈折率を下部クラッド層３６,３６’の屈折率よりも大きくしている。
【０１０３】
上記成長により、上記逆メサリッジ３３上に、断面三角形状部７０が形成される。この断面三角形状部７０は、逆メサリッジ３３のリッジ面３３Ｃに対して例えば５４.７度の角度をなす(１１１)Ｂ面を側面７０ａ,７０ｂとして有する。この(１１１)Ｂ面上へは結晶成長が起こり難いので、図４Ｂに示すように、成長層が分断された構造が形成される。
【０１０４】
より詳しくは、上記逆メサリッジ３３上の断面三角形状部７０内では、量子井戸活性層３７の幅Ｗ１を２.５μｍにしている。また、量子井戸活性層３７の両側部が、Ｎ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９’の断面三角形状部７０側の側部で衝合するように、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８,３８’の層厚を調整している。これにより、上記量子井戸活性層３７の両側部から埋め込み層(Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８’、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６’)への電流リークを極力減らすようにしている。すなわち、図４Ｂに示すように、上記Ｎ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９’が量子井戸活性層３７の両側面を覆うように、Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層３８,３８’の層厚を調整している。
【０１０５】
また、上記の成長層の形成には、Ｎ型ドーパントの一例としてＳｉを用いると共に、Ｐ型ドーパントの一例としてＣ(カーボン)を用いている。また、上記ＳｉのソースとしてはＳｉ２Ｈ６を用い、上記ＣのソースとしてはＣＢｒ４を用いている。これらのＳｉおよびＣは成長プロセス中に他の層に拡散しないという特徴がある。
【０１０６】
次に、上記Ｎ型ＧａＡｓキャップ層４１の表面に、図４Ｃに示すように、プラズマＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜９１を約４００ｎｍの厚さに形成する。上記ＳｉＯ２膜９１においては、断面三角形状部７０の直上の平坦部部分のＳｉＯ２膜を除去し、非励起部をなす活性層３７’,上部クラッド層３８’上のみＳｉＯ２膜９１を残す。次に、全表面にスパッタ法により、ＺｎＯ膜を数ｎｍの厚さに形成し、ＳｉＯ２膜９１の上のＺｎＯ膜を除去する。これにより、図４Ｄに示すように、ＳｉＯ２膜９１の開口部９２内にのみＺｎＯ膜９３が残る。
【０１０７】
次に、図４Ｅに示すように、上記基板３１をＲＴＡ(高速熱処理)炉内に入れて、９３０℃で４０秒間熱処理する。上記ＲＴＡ炉とは昇温と降温を急速に行う装置である。この高速熱処理中に、開口部６２内のＺｎＯ膜６３からＺｎ原子が矢印Ｄの方向に結晶中を拡散する。これにより、上記Ｎ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０およびＮ型ＧａＡｓキャップ層１１の一部の導電型がＰ型に変換される。
【０１０８】
これにより、図３に示すように、ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９’はＮ−型の部分となり、ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層３９はＰ型の部分となる。また、Ｎ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層４０は、Ｚｎ拡散領域４４内のＰ型の部分と、Ｚｎ拡散領域４４の外のＮ型の部分とを有する。また、Ｎ型ＧａＡｓキャップ層４１は、Ｚｎ拡散領域４４内のＰ型の部分と、Ｚｎ拡散領域４４の外のＮ型の部分とを有する。したがって、上記量子井戸活性層３７は電流が注入される励起部となる。
【０１０９】
次に、上記ＳｉＯ２膜９１をフッ酸により除去して、図３に示すように、Ａｕ層とＺｎ層とからなるＰ型電極４２を形成し、チップ化しやすいような電極パターンを形成する。その後、ウェハ厚さが約８０μｍになるように、ＧａＡｓ基板３１の裏面を研磨する。そして、ＧａＡｓ基板３１の裏面に、Ａｕ層、Ｇｅ層およびＮｉ層からなるＮ側電極４３を形成する。
【０１１０】
次に、へき開によりレーザバーを作製して、光出射端面には光透過膜を、後端面には光反射膜を形成した後、ダイシングによりチップ化する。
【０１１１】
以上のようにして完成したレーザチップ(半導体レーザ装置)をパッケージにマウントして、レーザ特性を測定した。その結果、閾値電流の平均値は１８ｍＡであり、スロープ効率の平均値は１.１Ａ／Ｗであった。また、レーザ波長は７８４ｎｍであった。そして、光出力１００ｍＷでの遠視野像(半値全幅)を測定したところ、θｈ(活性層の表面に平行な発散角)＝９度、θｖ(活性層の表面に垂直な方向の発散角)＝１６度のレーザ光が出射されていた。よって、低閾値電流と狭ビームを両立させた高出力な半導体レーザ装置を実現できた。
【０１１２】
なお、上記実施形態では、ＧａＡｓ基板３１の逆メサリッジ３３は、リッジ形状として完全な逆メサ断面を有したが、リッジ側面と基板主面とがなす角度が９０度以下であれば、レーザ共振器をなす断面三角形状部７０を形成可能である。また、上記実施形態では、ＡｌＧａＡｓ系の赤外半導体レーザにこの発明を適用したが、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＮＡｓ系の赤外半導体レーザおよびＩｎＧａＮ系の青色半導体レーザ等にもこの発明を適用してもよい。また、この発明が上記実施の形態に限定されないのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】この発明の半導体レーザ装置の第１実施形態であるＡｌＧａＡｓ系の埋め込み型の半導体レーザ装置の横断面を示す断面図である。
【図２】上記第１実施形態における電流分布の模式図である。
【図３】この発明の半導体レーザ装置の第２実施形態であるＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ装置の横断面を示す断面図である。
【図４Ａ】上記第２実施形態の半導体レーザ装置の一製造プロセスでの概略断面図である。
【図４Ｂ】上記第２実施形態の半導体レーザ装置の一製造プロセスでの概略断面図である。
【図４Ｃ】上記第２実施形態の半導体レーザ装置の一製造プロセスでの概略断面図である。
【図４Ｄ】上記第２実施形態の半導体レーザ装置の一製造プロセスでの概略断面図である。
【図４Ｅ】上記第２実施形態の半導体レーザ装置の一製造プロセスでの概略断面図である。
【図５】上記第１実施形態の半導体レーザ装置の基板垂直方向のエネルギーギャップの分布を示す図である。
【図６Ａ】上記第１実施形態の半導体レーザ装置における電流−電圧特性を示す特性図である。
【図６Ｂ】従来の半導体レーザ装置における電流−電圧特性を示す特性図である。
【図７】従来の埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図８】従来の埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置(改良型)の概略断面図である。
【図９】上記従来の埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置(改良型)における電流分布を示す模式図である。
【図１０】上記従来の埋め込みヘテロ型半導体レーザ装置(改良型)におけるエネルギーギャップの分布を示す図である。
【図１１】中間層を有する比較例としてのリッジストライプ型半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図１２】上記中間層を有する比較例としてのリッジストライプ型半導体レーザ装置の電流分布の模式図である。
【図１３】中間層の存在しない比較例としてのリッジストライプ型半導体レーザ装置の概略断面図である。
【図１４】上記中間層の介在しない比較例としてのリッジストライプ型半導体レーザ装置の電流分布の模式図である。
【図１５Ａ】上記中間層を有する比較例としてのリッジストライプ型半導体レーザ装置における電流−電圧特性を示す図である。
【図１５Ｂ】上記中間層を有さないリッジストライプ型半導体レーザ装置における電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１  Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板
３Ａ,３Ｂ  段差面
３  ストライプ状の凸部
４,４’  Ｎ型ＧａＡｓバッファ層
５,５’  Ｎ型ＡｌＧａＡｓバッファ層
６,６’  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
７,７’  量子井戸活性層
８,８’  Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
９  ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層
９’  ノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層
１０,１０’  ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
１１、４１  ＧａＡｓキャップ層
１２、４２  Ｐ側電極
１３、４３  Ｎ側電極
１４、４４  Ｚｎ拡散領域
１８  光導波路
３１  Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板
３３  逆メサリッジ
３３Ａ,３３Ｂ  段差面
３３Ｃ  リッジ面
３４,３４’  Ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３５,３５’  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ中間層
３６,３６’  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３６
３７,３７’  ノンドープの量子井戸活性層
３８,３８’  ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
７０  断面三角形状部
９１  ＳｉＯ２膜
９２  開口部
９３  ＺｎＯ膜
１０１、２０１、３０１  Ｎ型ＧａＡｓ(１００)ジャスト基板
１０２、２０４、２０４’、３０２  Ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３０３  Ｎ型ＡｌＧａＡｓバッファ層
１０４、３０４  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ第１下部クラッド層
１０５、３０５  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ第２下部クラッド層
１０６、３０６  量子井戸活性層
１０７、３０７  Ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層
１０８、３０８  Ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層
１０９、３０９  ＧａＡｓキャップ層
１１１、３１１  ＧａＡｓコンタクト層
１１２、３１２  Ｐ側電極
１１３、３１３  Ｎ側電極
１１５  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ埋め込み層
１１８、３１８  光導波路
２０２Ａ,２０２Ｂ  段差面
２０３  ストライプ状の凸部
２０６,２０６’  Ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
２０７,２０７’  量子井戸活性層、
２０８,２０８’  Ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
２０９  ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層
２０９’  ノンドープのＮ−型ＡｌＧａＡｓ高抵抗上部クラッド層
２１０,２１０’  ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
２１１  ＧａＡｓキャップ層
２１２  Ｐ側電極
２１３  Ｎ側電極
２１４  Ｚｎ拡散領域
２１８  光導波路
２６２  開口部
２６３  ＺｎＯ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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