(57)【要約】【課題】ＩＩＩ族窒化物系化合物の端面発光型半導体レーザにおいて、ＦＦＰ垂直の広がりを小さくすることとＬ−Ｉ曲線におけるしきい値電流とは二律背反の関係にあり、クラッド層と光ガイド層との屈折率の調整で前記しきい値電流を増加させずＦＦＰ垂直の広がりを小さくすることが困難であるという課題があった。本発明は前記課題を解決するためになされたもので、Ｌ−Ｉ曲線におけるしきい値電流を増加させずＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る半導体レーザは、活性層のｎ型側のクラッド層を二層構造とし、前記二層のうち活性層に近い第一半導体層の屈折率を活性層に遠い第二半導体層の屈折率より低くする構造とした。【選択図】図２
2007095857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子及び正孔が再結合して光を発生するＩＩＩ族窒化物系化合物の活性層と、
前記活性層に対して極性がｎ型の側に積層し、前記活性層に電子を供給するＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記第一半導体層を通じて前記活性層に電子を供給するＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、
を備える半導体レーザであって、
前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の平均の屈折率は前記第二半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の平均の屈折率より小さいことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第一半導体層はＩＩＩ族窒化物系化合物の第一超格子膜と前記第一超格子膜より屈折率の小さいＩＩＩ族窒化物系化合物の第二超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、
前記第二半導体層は前記第一半導体層の前記第一超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三超格子膜と前記第一半導体層の前記第二超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第四超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、
前記第一半導体層の前記第一超格子膜の厚さに対する前記第二超格子膜の厚さの比は前記第二半導体層の前記第三超格子膜の厚さに対する前記第四超格子膜の厚さの比より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第一半導体層はＩＩＩ族窒化物系化合物の第一超格子膜と前記第一超格子膜より屈折率の小さいＩＩＩ族窒化物系化合物の第二超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、
前記第二半導体層は前記第一半導体層の前記第一超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三超格子膜と前記第一半導体層の前記第二超格子膜の屈折率より大きく且つ前記第三超格子膜の屈折率より小さい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第五超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層、前記第一半導体層及び前記第二半導体層は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物であり、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第二半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層、前記第一半導体層の前記第一超格子膜及び前記第二超格子膜ならびに前記第二半導体層の前記第三超格子膜及び前記第四超格子膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物であり、
前記第二超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第一超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高く、
前記第四超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第三超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高いことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記活性層、前記第一半導体層の前記第一超格子膜及び前記第二超格子膜ならびに前記第二半導体層の前記第三超格子膜及び前記第五超格子膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物であり、
前記第二超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第一超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高く、
前記第五超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第三超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高いことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記第一半導体層の厚さが０．０１μｍ以上０．０３μｍ以下であることを特徴とする請求項１から６に記載のいずれかの半導体レーザ。
【請求項８】
前記第一半導体層の厚さと前記第二半導体層の厚さとの和が１μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする請求項１から７に記載のいずれかの半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子はキャリアの再結合により光を発生させる活性層と呼ばれる半導体層及び活性層を両側から挟み活性層にキャリアを供給するクラッド層と呼ばれる半導体層から構成されるダブルヘテロ接合構造を基本構造としている。活性層のバンドギャップにより発光する光の波長が定まるため、活性層は所望の波長の光が得られる材料や構成が選択される。クラッド層は活性層にキャリアを供給しやすくするために活性層よりバンドギャップが広くなるように設計され、キャリアの極性をコントロールする不純物が添加されている。従って、正負のキャリアは活性層で再結合して光を発生する。
【０００３】
さらに、半導体レーザの場合、活性層とクラッド層との間に光ガイド層と呼ばれる半導体層を配置する。光ガイド層の屈折率はクラッド層の屈折率より大きいため、活性層で発生した光のうち多くはｐ型側の光ガイド層とクラッド層との界面及びｎ型側の光ガイド層とクラッド層との界面の間（以下、「ｐ型側の光ガイド層とクラッド層との界面及びｎ型側の光ガイド層とクラッド層との界面の間」を「光閉じ込め領域」と略記する。）に閉じ込められ、クラッド層に伝搬する光は少ない。すなわち、半導体レーザの積層方向に対する光の強度分布は、前記光閉じ込め領域において強くなり、クラッド層において弱くなる（図７参照。）。従って、前記光閉じ込め領域の光で誘導放出が促進され、半導体レーザはレーザを発生させることができる。
【０００４】
活性層、クラッド層及び光ガイド層を備えた半導体レーザの構造は分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）と呼ばれる。ＩＩＩ族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップ及び屈折率を調整することができるため、ＩＩＩ族窒化物系化合物の半導体レーザはＩＩＩ族窒化物系化合物を積層したＳＣＨ構造のものが多い（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
ＳＣＨ構造の端面発光型半導体レーザは半導体層の積層方向に半導体層を切断した切断面である半導体層の端面から光を放射する（以下、「端面発光型半導体レーザの光を放射する端面」を「発光端面」と略記する。）。
【０００６】
なお、以下の説明において、「半導体層の積層方向」を半導体レーザの「垂直方向」、「半導体層の広がる方向」を半導体レーザの「水平方向」と定義する。
【特許文献１】特開平１１−１７７１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
端面発光型半導体レーザの前記光閉じ込め領域の垂直方向の厚さは活性層で発生する光の波長に近接している。一方、キャリアが注入される活性層の水平方向の幅は端面発光型半導体レーザのメサ又はリッジの幅で定まる。ゆえに、端面発光型半導体レーザの発光端面における光強度分布（以下、「発光端面における光強度分布」を「ＮＦＰ」と略記する。）は垂直方向に狭く、水平方向に広い形状となる。
【０００８】
また、光の多くが前記光閉じ込め領域に分布するため、ＮＦＰの垂直方向において光ガイド層からクラッド層にかけて光強度は急峻に変化するが、キャリアの拡散のため、ＮＦＰの水平方向の光強度はなだらかに変化する。ゆえに、端面発光型半導体レーザの発光端面から放射された光は垂直方向に回折し、端面発光型半導体レーザのファーフィールドパターン（以下、「ファーフィールドパターン」を「ＦＦＰ」と略記する。）は垂直方向に大きく広がった形状となる。
【０００９】
特に、光量対電流特性曲線（Ｌ−Ｉ曲線）におけるしきい値電流を下げるために、クラッド層の屈折率と光ガイド層の屈折率との差を大きくして、前記光閉じ込め領域に閉じ込められる光の量を増やし、前記光閉じ込め領域の光強度を強くした場合、光ガイド層とクラッド層との間の光強度変化がさらに急峻になり、放射される光が垂直方向に回折する角度が大きくなる。
【００１０】
一方、半導体レーザにおいて、レーザ出力を実効的に大きくするためにＦＦＰの広がりを小さくすることが求められている。例えば、ＦＦＰの広がりを小さくするために、クラッド層と光ガイド層との間の屈折率を近接させて発光端面における回折角度を小さくすることで垂直方向のＦＦＰ（以下、「垂直方向のＦＦＰ」を「ＦＦＰ垂直」と略記する。）の広がりを小さくすることができる（図８参照。）。しかし、前記閉じ込め領域の光強度が低下するため前記しきい値電流は大きくなる。
【００１１】
端面発光型半導体レーザにおいて、ＦＦＰ垂直の広がりを小さくすることと前記しきい値電流とは二律背反の関係にあり、クラッド層と光ガイド層との屈折率の調整で前記しきい値電流を増加させずＦＦＰ垂直の広がりを小さくすることは困難であるという課題があった。
【００１２】
本発明は前記課題を解決するためになされたもので、Ｌ−Ｉ曲線におけるしきい値電流を増加させずＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザ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】
前記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザは、活性層のｎ型側のクラッド層を二層構造とし、前記二層のうち活性層に近い第一半導体層の屈折率を活性層に遠い第二半導体層の屈折率より低くする構造とした。
【００１４】
具体的には、本発明は、電子及び正孔が再結合して光を発生するＩＩＩ族窒化物系化合物の活性層と、前記活性層に対して極性がｎ型の側に積層し、前記活性層に電子を供給するＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記第一半導体層を通じて前記活性層に電子を供給するＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体レーザであって、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の平均の屈折率は前記第二半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の平均の屈折率より小さいことを特徴とする半導体レーザである。
【００１５】
本発明に係る半導体レーザは活性層に対してｎ型の側に光ガイド層、前記第一半導体層及び前記第二半導体層を順に配置している。前記第一半導体層及び前記第二半導体層はｎ型クラッド層として機能する。
【００１６】
前記第一半導体層の屈折率を前記第二半導体層の屈折率より小さくすることで、光の多くが前記光閉じ込め領域に分布する。すなわち、前記光閉じ込め領域の光強度を一定に保つことができ、前記しきい値電流を低くすることができる。
【００１７】
また、前記第二半導体層の屈折率は前記第一半導体層の屈折率より小さいため、前記光閉じ込め領域に閉じ込められず、光ガイド層から前記第一半導体層へ伝搬した光は容易に前記第二半導体層へ伝搬するため、前記クラッド層全体の光強度が増加する。すなわち、前記光閉じ込め領域の光強度と前記ｎ型クラッド層の光強度との差を小さくでき、前記発光端面における光の回折角を小さくすることができる。
【００１８】
従って、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりが小さくなり、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００１９】
また、前記半導体レーザの電気抵抗を低減するために前記第一半導体層及び前記第二半導体層を超格子で構成してもよい。
【００２０】
具体的には、本発明に係る半導体レーザの前記第一半導体層はＩＩＩ族窒化物系化合物の第一超格子膜と前記第一超格子膜より屈折率の小さいＩＩＩ族窒化物系化合物の第二超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、前記第二半導体層は前記第一半導体層の前記第一超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三超格子膜と前記第一半導体層の前記第二超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第四超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、前記第一半導体層の前記第一超格子膜の厚さに対する前記第二超格子膜の厚さの比は前記第二半導体層の前記第三超格子膜の厚さに対する前記第四超格子膜の厚さの比より大きくすることができる。
【００２１】
前記第一超格子膜の屈折率と前記第三超格子膜の屈折率とが等しく且つ前記第二超格子膜の屈折率と前記第四超格子膜の屈折率とが等しい場合、前記第一超格子膜の積層方向の厚さ（以下、「積層方向の厚さ」を「膜厚」と略記する。）に対する前記第二超格子膜の膜厚の比を前記第三超格子膜の膜厚に対する前記第四超格子膜の膜厚の比より大きくすることで、前記第一半導体層の平均の屈折率を前記第二半導体層の平均の屈折率より小さくすることができる。
【００２２】
従って、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００２３】
本発明に係る半導体レーザの前記第一半導体層はＩＩＩ族窒化物系化合物の第一超格子膜と前記第一超格子膜より屈折率の小さいＩＩＩ族窒化物系化合物の第二超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、前記第二半導体層は前記第一半導体層の前記第一超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三超格子膜と前記第一半導体層の前記第二超格子膜の屈折率より大きく且つ前記第三超格子膜の屈折率より小さい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第五超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であってもよい。
【００２４】
前記第一超格子膜の屈折率が前記第三超格子膜の屈折率と等しい且つ前記第一超格子膜の膜厚に対する前記第二超格子膜の膜厚の比と前記第三超格子膜の膜厚に対する前記第四超格子膜の膜厚の比とが等しい場合、前記第二超格子膜の屈折率を前記第五超格子膜の屈折率より小さくすることで、前記第一半導体層の平均の屈折率を前記第二半導体層の平均の屈折率より小さくすることができる。
【００２５】
従って、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００２６】
本発明に係る半導体レーザの前記活性層、前記第一半導体層及び前記第二半導体層は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物であり、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第二半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高いことが好ましい。
【００２７】
前記組成式のＩＩＩ族窒化物系化合物はＡｌの含有率で屈折率を変えることができる。Ａｌの含有率が高いほど屈折率が小さくなるため、前記第一半導体層におけるＩＩＩ族窒化物系化合物のＡｌの含有率を前記第二半導体層におけるＩＩＩ族窒化物系化合物のＡｌの含有率より高くすることで、前記第一半導体層の屈折率は前記第二半導体層の屈折率より小さくなる。
【００２８】
従って、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００２９】
本発明に係る半導体レーザの前記活性層、前記第一半導体層の前記第一超格子膜及び前記第二超格子膜ならびに前記第二半導体層の前記第三超格子膜及び前記第四超格子膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物であり、前記第二超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第一超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高く、前記第四超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第三超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高いことが好ましい。
【００３０】
前記第一超格子膜から前記第四超格子膜を前記組成式のＩＩＩ族窒化物系化合物で構成することで、Ａｌの含有率を調整して前記第一超格子膜から前記第四超格子膜の屈折率を調整することができる。具体的には、前記第一超格子膜と前記第三超格子膜との屈折率を等しくし、前記第二超格子膜と前記第四超格子膜との屈折率を等しくし、前記第一超格子膜の膜厚に対する前記第二超格子膜の膜厚の比を前記第三超格子膜の膜厚に対する前記第四超格子膜の膜厚の比より大きくすることで、前記第一半導体層の平均の屈折率を前記第二半導体層の平均の屈折率より小さくすることができる。
【００３１】
従って、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００３２】
本発明に係る半導体レーザの前記活性層、前記第一半導体層の前記第一超格子膜及び前記第二超格子膜ならびに前記第二半導体層の前記第三超格子膜及び前記第五超格子膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物であり、前記第二超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第一超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高く、前記第五超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物は前記第三超格子膜のＩＩＩ族窒化物系化合物よりＡｌの含有率が高いことが好ましい。
【００３３】
前記第一超格子膜から前記第三超格子膜及び前記第五超格子膜を前記組成式のＩＩＩ族窒化物系化合物で構成することで、Ａｌの含有率を調整して前記第一超格子膜から前記第三超格子膜及び前記第五超格子膜の屈折率を調整することができる。具体的には、前記第一超格子膜と前記第三超格子膜との屈折率を等しくし、前記第三超格子膜、前記第五超格子膜、前記第二超格子膜の順で屈折率を小さくすることで、前記第一超格子膜の膜厚に対する前記第二超格子膜の膜厚の比と前記第三超格子膜の膜厚に対する前記第四超格子膜の膜厚の比とが等しい場合であっても、前記第一半導体層の平均の屈折率を前記第二半導体層の平均の屈折率より小さくすることができる。
【００３４】
従って、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００３５】
本発明に係る半導体レーザの前記第一半導体層の厚さが０．０１μｍ以上０．０３μｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
前記第一半導体層の膜厚を前記範囲とすることで、前記第一半導体層においてクラックが発生することを防ぐことができる。
【００３７】
従って、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造であって、信頼性を向上させた端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【００３８】
本発明に係る半導体レーザの前記第一半導体層の厚さと前記第二半導体層の厚さとの和が１μｍ以上４μｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
前記半導体レーザの活性層、光ガイド層、前記第一半導体層及び前記第二半導体層は基板上に形成されたｎ型下地層の上に前記第二半導体層、前記第一半導体層、前記光ガイド層及び前記活性層の順で積層される。
【００４０】
前記第一半導体層の膜厚と前記第二半導体層の膜厚との和、すなわちクラッド層の膜厚が前記範囲より小さい場合、前記第二半導体層に伝搬した光がさらに前記ｎ型下地層へ伝搬し、前記第二半導体層から前記ｎ型下地層との間で伝搬モードを生じさせ、半導体レーザの発光効率を低下させる。一方、前記クラッド層の膜厚が前記範囲より大きい場合、前記下地層との結晶不整合起因のクラックが生じることになる。
【００４１】
従って、前記クラッド層の膜厚を前記範囲とすることで、本発明はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造であって、信頼性を向上させ、発光効率の高い端面発光型半導体レーザを提供することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明により、しきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくできる構造の端面発光型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】
【００４３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
（実施の形態１）
本実施形態は、電子及び正孔が再結合して光を発生するＩＩＩ族窒化物系化合物の活性層と、前記活性層に対して極性がｎ型の側に積層し、前記活性層に電子を供給するＩＩＩ族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記活性層の側と反対の側に隣接して積層し、前記第一半導体層を通じて前記活性層に電子を供給するＩＩＩ族窒化物系化合物の第二半導体層と、を備える半導体レーザであって、前記第一半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の平均の屈折率は前記第二半導体層のＩＩＩ族窒化物系化合物の平均の屈折率より小さいことを特徴とする半導体レーザである。
【００４５】
本実施形態の半導体レーザ１０１の断面の概念図を図１に示す。半導体レーザ１０１は電極１１、基板１２、ｎ型下地層１３、ｎ側光ガイド層２５、ｎ型第一半導体層２６、ｎ型第二半導体層２７、活性層１４、ｐ側光ガイド層１５、ｐ型クラッド層１７、ｐ型コンタクト層１８、電極１９及び絶縁膜２０を備える。半導体レーザ１０１はｎ型第一半導体層２６及びｎ型第二半導体層２７でｎ型クラッド層を構成する。また、ｎ側光ガイド層２５からｐ側光ガイド層１５の間が光閉じ込め領域となる。
【００４６】
半導体レーザ１０１は基板１２上に各半導体層を積層しており、活性層１４に対して電極１９の側の半導体層のうちｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１８をｐ型としている。
【００４７】
一方、活性層１４に対して基板１２の側の半導体層のうちｎ型第一半導体層２６、ｎ型第二半導体層２７及びｎ型下地層１３をｎ型としている。半導体レーザ１０１は陽電極と陰電極とが基板に対して同一の側にある表面電極型の半導体レーザである。
【００４８】
電極１１及び電極１９は半導体レーザ１０１に電圧を印加するために配置される。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体レーザとしての効率を損なうため、電極１１及び電極１９は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置との配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、ｎ型半導体と接触する電極１１の素材としては、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ／ＡｕやＡｌ／Ａｕが例示される。ｐ型半導体と接触する電極１９の素材としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ及びＰｔ／Ａｕが例示される。
【００４９】
基板１２は半導体薄膜で構成される半導体レーザ１０１を物理的に支えるために配置される。半導体レーザ１０１の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物（以下、「組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物」と略記する。）を積層させる場合はサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）が例示される。
【００５０】
なお、電極１１が基板１２に対して電極１９の側と反対の側にある裏面電極の場合、基板１２として窒化ガリウム（ＧａＮ）又は炭化珪素（ＳｉＣ）が例示される。
【００５１】
活性層１４は電子及び正孔の再結合により光を発光する層である。活性層１４に採用される素材のバンドギャップにより発光する光の波長が定まる。活性層１４に採用される素材は発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物は、Ａｌ及びＩｎの含有率を調整することで幅広いバンドギャップを作り出すことができるため、活性層１４にＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物を使用することで所望の波長の半導体レーザを製造することができる。
【００５２】
また、活性層１４はバンドギャップが互いに異なる少なくとも二種類の半導体薄膜を交互に配置させることで、バンドギャップの広い方の半導体薄膜を障壁層とし、バンドギャップの狭い方の半導体薄膜を井戸層とした多重量子井戸構造（ＭＱＷ）とすることもできる。活性層１４を前記ＭＱＷとすることで特定のエネルギー状態に電子が集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。ＭＱＷとした場合、前記井戸層のバンドギャップで発光する光の波長が定まる。
【００５３】
ＭＱＷは、障壁層として前記組成式においてｘ＝０、ｙ＝ｄ（０．９５≦ｄ≦１、好ましくは０．９７≦ｄ≦１）であるＧａＩｎＮ化合物と量子井戸として前記組成式においてｘ＝０、ｙ＝ｅ（ｅ＜ｄ且つ０．８０≦ｅ≦０．９５、好ましくはｅ＜ｄ且つ０．８５≦ｅ≦０．９）であるＧａＩｎＮ化合物との組み合わせが例示される。また、ＭＱＷの障壁層として５ｎｍ以上２０ｎｍ以下、ＭＱＷの井戸層として１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の膜厚が例示される。ＭＱＷを構成する前記障壁層と前記井戸層との組は２組以上３組以下であることが例示される。
【００５４】
半導体レーザにおいて、発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が量子井戸の障壁を越えてｐ型側の半導体層へ移動して、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体レーザの発光効率を低下させるキャリアオーバーフローという現象が生ずる。活性層１４において、キャリアオーバーフローを防止するＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の電子バリア層を前記ＭＱＷに対してｐ型側の前記ＭＱＷの端に配置してもよい。前記電子バリア層はバンドギャップが広く、伝送帯の底部準位が高いため、前記熱エネルギーを得た電子であっても前記電子バリア層を通過してｐ型側の半導体層へ移動することができない。活性層１４は前記電子バリア層を有することで無効キャリアを減少させることができ、半導体レーザの発光効率を高くすることができる。例えば、前記電子バリア層として前記組成式において０．１≦ｘ≦０．３、ｙ＝１−ｘであるＡｌＧａＮ化合物であることが例示される。また、前記電子バリア層の膜厚は１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが例示される。
【００５５】
ｎ型第一半導体層２６はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。活性層１４で説明したようにＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物はＡｌ及びＩｎの含有率でバンドギャップを調整できるとともに、Ａｌの含有率で屈折率を調整することができる。ｎ型第一半導体層２６は、前記組成式において０．０５≦ｘ≦０．１５、ｙ＝１−ｘ、好ましくはｘ＝０．１、ｙ＝０．９であるＡｌＧａＮ化合物が例示される。
【００５６】
ｎ型第一半導体層２６がＡｌＧａＮ化合物の場合、屈折率ｎ１は数１で算出できる。
【数１】
2007095857.tif 000003
ただし、ＤＡｌはＡｌの含有率であって、前記組成式のｘの値である。ＤＡｌは０以上０．２以下の範囲である。
【００５７】
例えば、ｎ型第一半導体層２６が前記組成式においてｘ＝０．１、ｙ＝０．９の場合、屈折率ｎ１は２．４５４となる。なお、ｎ型第一半導体層２６は層全体のＡｌの含有率の平均が前記範囲内であればよい。
【００５８】
ｎ型第一半導体層２６はキャリア密度を高めるためｎ型不純物、例えばＳｉ又はＯが添加される。ｎ型第一半導体層２６の平均のｎ型不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下であることが例示される。
【００５９】
ｎ型第一半導体層２６の膜厚は０．０１μｍ以上０．０３μｍ以下であることが例示される。半導体レーザ１０１の電気抵抗を下げ、ｎ型第一半導体層２６の効果を得るため、ｎ型第一半導体層２６の膜厚は０．０１５μｍ以上０．０２５μｍ以下であることが好ましい。
【００６０】
ｎ型第二半導体層２７はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。ｎ型第二半導体層２７は前記組成式において０．０５≦ｘ≦０．１５、ｙ＝１−ｘ、好ましくはｘ＝０．０７５、ｙ＝０．０２５のＡｌＧａＮ化合物が例示される。なお、ｎ型第二半導体層２７のＡｌの含有率はｎ型第一半導体層２６のＡｌの含有率より低くする必要がある。
【００６１】
例えば、ｎ型第二半導体層２７が前記組成式においてｘ＝０．０７５、ｙ＝０．０２５の場合、屈折率ｎ２は２．４７２となる。なお、ｎ型第二半導体層２７は層全体のＡｌの含有率の平均が前記範囲内であればよい。
【００６２】
ｎ型第二半導体層２７はキャリア密度を高めるため、ｎ型第一半導体層２６で例示した濃度範囲で同種の不純物が添加される。
【００６３】
ｎ型第二半導体層２７の膜厚はｎ型第一半導体層２６との合計で１μｍ以上４μｍ以下であることが例示できる。半導体レーザの発光効率と低抵抗化との両立を図るため、ｎ型第二半導体層２７の膜厚はｎ型第一半導体層２６との合計で２μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。
【００６４】
ｎ側光ガイド層２５はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。ｎ側光ガイド層２５のバンドギャップは活性層１４のバンドギャップより広くかつｎ型第二半導体層２７のバンドギャップより狭く設計される。活性層１４が前記ＭＱＷである場合、ｎ側光ガイド層２５のバンドギャップは前記ＭＱＷを構成する障壁層のバンドギャップより広く、ｎ型第二半導体層２７のバンドギャップより狭く設計される。
【００６５】
具体的には、ｎ側光ガイド層２５は前記組成式においてｘ＝０、ｙ＝１の関係のＧａＮ化合物が例示される。なお、ｎ側光ガイド層２５の組成を前記組成式においてｘ＝０及び０．９５≦ｙ≦１としてもよい。
【００６６】
ｎ側光ガイド層２５には、活性層１４に不純物が拡散しないように不純物を添加しない、又はｎ型第一半導体層２６及びｎ型第二半導体層２７の不純物濃度より低い濃度になるようにｎ型不純物、例えばＳｉ又はＯが添加される。例えば、ｎ側光ガイド層２５の平均のｎ型不純物濃度は０ｃｍ−３以上１×１０１８ｃｍ−３以下であることが例示される。
【００６７】
ｎ側光ガイド層２５の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が例示される。ｎ側光ガイド層２５とｎ型第一半導体層２６との界面で光を閉じ込める効果を高め、半導体レーザの低抵抗化を測るため、ｎ側光ガイド層２５の膜厚は５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下が好ましい。
【００６８】
ｐ型クラッド層１７はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。ｐ型クラッド層１７はｎ型第二半導体層２７と同様の組成のＩＩＩ族窒化物系化合物が例示される。
【００６９】
ｐ型クラッド層１７はキャリア密度を高めるためｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。ｐ型クラッド層１７の平均のｐ型不純物濃度は５×１０１８ｃｍ−３以上１×１０２０ｃｍ−３以下が例示される。
【００７０】
ｐ型クラッド層１７の膜厚は１００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下が例示される。
ｐ側光ガイド層１５はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。ｐ側光ガイド層１５のバンドギャップは、ｎ側光ガイド層２５のバンドギャップと同様であり、ｐ側光ガイド層１５の組成はｎ側光ガイド層２５と同様の組成が例示される。
【００７１】
ｐ側光ガイド層１５には、活性層１４に不純物が拡散しないように不純物を添加しない、又はｐ型クラッド１７の不純物濃度より低い濃度になるようにｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。例えば、ｐ側光ガイド層１５の平均のｐ型不純物濃度は０ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下であることが例示される。
【００７２】
ｐ側光ガイド層１５の膜厚はｎ側光ガイド層２５と等しい膜厚が例示できる。
【００７３】
ｐ型コンタクト層１８は電極１９とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下のＧａＮ化合物が例示できる。ｐ型コンタクト層１８がＧａＮ化合物の場合、添加する不純物としてＭｇが例示される。
【００７４】
ｎ型下地層１３はｎ型下地層１３上に積層する半導体の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚１μｍ以上５μｍ以下のＳｉを不純物としてｎ型としたＧａＮ化合物が例示できる。不純物濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下であることが例示される。
【００７５】
絶縁膜２０は電極１９と各半導体層とを電気的に分離する。例えば、ＺｒＯ２が例示できる。
【００７６】
半導体レーザ１０１は以下に説明するように製造する。
【００７７】
（半導体層積層工程）
半導体レーザ１０１の各半導体層は有機金属気相成長法（以下、「有機金属気相成長法」を「ＭＯＣＶＤ法」と略記する。）を利用して積層される。ＭＯＣＶＤ法は原料ガスを反応炉（チャンバ）に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏６００度から摂氏１１００度に維持された基板上で原料ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。原料ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。
【００７８】
ｎ型下地層１３、ｎ型第二半導体層２７、ｎ型第一半導体層２６、ｎ側光ガイド層２５、活性層１４、ｐ側光ガイド層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１８がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物薄膜の場合、ＭＯＣＶＤ法はＩＩＩ属元素としてＧａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリウム、以下「ＴＭＧ」と略記する。）、Ｉｎ（Ｃ２Ｈ５）３（トリエチルインジウム、以下「ＴＭＩ」と略記する。）及びＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム、以下「ＴＭＡ」と略記する。）をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニア蒸気を使用する。原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。
【００７９】
また、不純物はｐ型ドーパントとしてＣＰ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）又はｎ型ドーパントとしてＳｉＨ４（シラン）も同様に蒸気としてチャンバに導き入れることができる。
【００８０】
ＭＯＣＶＤ法はＣＰ２Ｍｇ又はＳｉＨ４、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアを所定の混合比で混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望の組成のＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の膜を成長させることができ、反応時間で膜厚を制御することができる。従って、ＭＯＣＶＤ法で、基板１２上にｎ型下地層１３、ｎ型第二半導体層２７、ｎ型第一半導体層２６、ｎ側光ガイド層２５、活性層１４、ｐ側光ガイド層１５、ｐ型クラッド層１７及びｐ型コンタクト層１８を連続して積層することができる。
【００８１】
（リッジ構造部エッチング工程）
次にリッジ構造部の半導体層を以下のように形成する。まず、ｐ型コンタクト層１８の上面にエッチングマスク層を積層する。前記エッチングマスク層はスパッタリングで形成するＳｉＯ２層や回転塗布後に加熱固化若しくは紫外線硬化して形成するＳｉＯ２層が例示できる。前記エッチングマスク層形成後、前記エッチングマスク層の上面にリソグラフィ技術でリッジ構造を形成する部分にレジストパターンを形成する。前記レジストパターン形成後、形成したレジストパターンをマスクとして、前記エッチングマスク層をエッチングする。その後、エッチングされなかった前記エッチングマスク層上のレジストパターンを剥離することでエッチングマスクパターンが形成される。
【００８２】
次いで、上記エッチングマスクパターンをマスクとしてｐ型コンタクト層１８からｐ型クラッド層１７まで、又はｐ型コンタクト層１８からｐ型クラッド層１７の一部までエッチングする。エッチングとしてＣｌ系プラズマを利用したドライエッチングが例示できる。本工程でｐ型コンタクト層１８からｐ型クラッド層１７まで、又はｐ型コンタクト層１８からｐ型クラッド層１７の一部までのリッジ構造が形成される。
【００８３】
（絶縁膜形成工程）
前記エッチングマスクパターン、前記リッジ構造部エッチング工程で露出したｐ側光ガイド層１５、前記リッジ構造の側面を覆うように絶縁膜２０を形成する。絶縁膜２０を形成する手段としてはスパッタリングが例示できる。
【００８４】
（エッチングマスクパターン除去工程）
前記絶縁膜形成工程後、ｐ型コンタクト層１８上の前記エッチングマスクパターンを除去する。前記エッチングマスクパターンを除去する手段として、１−水素２−フッ化アンモニウム溶液であるバッファドフッ酸に所定の時間浸してウェットエッチングすることが例示できる。前記エッチングマスクパターンを除去することで、前記エッチングマスクパターン上に積層している絶縁膜２０もリフトオフされ、ｐ型コンタクト層１８が露出する。
【００８５】
（電極１９形成工程）
前記エッチングマスクパターン除去工程後、露出したｐ型コンタクト層１８及びリフトオフされなかった絶縁膜２０の全面を覆うように電極１９を形成する。電極１９の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
【００８６】
（電極１１形成工程）
電極１９形成工程後、電極１１を形成する箇所の陰電極部Ｍを形成するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Ｐの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Ｍの電極１９、絶縁膜２０及びｐ型半導体層１５からｎ型下地層１３の一部までの半導体層を除去する。前記ドライエッチングで露出したｎ型下地層１３の上面に電極１１を形成する。電極１１の形成手段としてスパッタリングや真空蒸着が例示できる。
【００８７】
前記半導体層積層工程から前記電極１１形成工程までを経て半導体レーザ１０１が得られる。
【００８８】
電極１９を陽極、電極１１を陰極として電圧を印加することで電極１１から電子が、電極１９から正孔が半導体レーザ１０１に注入される。注入された電子はｎ型下地層１３、ｎ型第二半導体層２７、ｎ型第一半導体層２６及びｎ側光ガイド層２５を順に移動して活性層１４に、注入された正孔はｐ型コンタクト層１８、ｐ型クラッド層１７及びｐ側光ガイド層１５を順に移動して活性層１４に注入される。活性層１４において各井戸層の前記電子及び前記正孔が再結合することで量子井戸の価電子帯のトップ準位と伝導帯の底部準位との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。
【００８９】
ｎ型第一半導体層２６の屈折率はｎ側光ガイド層２５の屈折率より小さく且つｐ型クラッド層１７の屈折率はｐ側光ガイド層１５の屈折率より小さいため、活性層１４で発生した光の多くは前記光閉じ込め領域を伝搬して半導体レーザ１０１の発光端面から外部に放射される。ｎ型第一半導体層２６の屈折率とｎ側光ガイド層２５の屈折率との差が大きいため、ｎ側光ガイド層２５からｎ型第一半導体層２６にかけて光強度の変化は急峻になる。
【００９０】
一方、活性層１４で発生した光のうち、前記光閉じ込め領域に閉じ込められず、ｎ型第一半導体層２６及びｐ型クラッド層１７へ伝搬する光もある。
【００９１】
ｐ型クラッド層１７へ伝搬した光は、従来の半導体レーザと同様にｐ型クラッド層１７内でｐ側光ガイド層１５から離れるに従い減衰する。
【００９２】
ｎ型第一半導体層２６へ伝搬した光は、ｎ型第二半導体層２７の屈折率がｎ型第一半導体層２６の屈折率より大きいため、容易にｎ型第二半導体層２７へ伝搬する。
【００９３】
従って、半導体レーザ１０１のＮＦＰのうち垂直方向の光強度分布（以下、「ＮＦＰのうち垂直方向の光強度分布」を「ＮＦＰ垂直」と略記する。）は図２の曲線２２のようになる。
【００９４】
また、各半導体層の屈折率２１も重ねて図２に示す。図２において、横軸は各半導体層の積層方向、左の縦軸は光強度分布、右の縦軸は屈折率、１３ａはｎ型下地層１３の領域、２５ａはｎ側光ガイド層２５の領域、２６ａはｎ型第一半導体層２６、２７ａはｎ型第二半導体層２７の領域、１４ａは活性層１４の領域、１５ａはｐ側光ガイド層１５の領域及び１７ａはｐ型クラッド層１７の領域を示している。図２の半導体レーザ１０１の活性層１４はＭＱＷ構造であり、前記ＭＱＷに対してｐ型側の前記ＭＱＷの端に電子バリア層を有している。活性層１４の領域１４ａにおいて１４ｂは井戸層の領域、１４ｃは障壁層の領域、１４ｄは電子バリア層の領域を示している。
【００９５】
曲線２２が示すように、半導体レーザ１０１は前記光閉じ込め領域の光強度を強く維持することができ、活性層１４での誘導放出が促進されるため、前記しきい値電流を小さくすることができる。
【００９６】
一方、ｎ型第一半導体層２６からｎ型第二半導体層２７へ光が伝搬するため、前記ｎ型クラッド層の光強度も強くなり、光ガイド層２５と前記ｎ型クラッド層との光強度が近接する。
【００９７】
従って、半導体レーザ１０１の発光端面から放射される光が垂直方向へ回折する角度は小さくなるため、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、半導体レーザ１０１はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくすることができる。
【００９８】
（実施の形態２）
本実施形態の半導体レーザの前記第一半導体層はＩＩＩ族窒化物系化合物の第一超格子膜と前記第一超格子膜より屈折率の小さいＩＩＩ族窒化物系化合物の第二超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、前記第二半導体層は前記第一半導体層の前記第一超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三超格子膜と前記第一半導体層の前記第二超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第四超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、前記第一半導体層の前記第一超格子膜の厚さに対する前記第二超格子膜の厚さの比は前記第二半導体層の前記第三超格子膜の厚さに対する前記第四超格子膜の厚さの比より大きい。
【００９９】
本実施形態の半導体レーザ１０２の断面の概念図を図３に示す。図３の半導体レーザ１０２において、図１で使用した符号と同じ符号は同じ半導体層を示している。半導体レーザ１０２と半導体レーザ１０１との違いは、半導体レーザ１０１のｎ型第一半導体層２６及びｎ型第二半導体層２７の代替として、それぞれｎ型第一半導体層４６及びｎ型第二半導体層４７が積層されていることである。半導体レーザ１０２はｎ型第一半導体層４６及びｎ型第二半導体層４７でｎ型クラッド層を構成する。
【０１００】
ｎ型第一半導体層４６は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の第一超格子膜４６ｐとＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の第二超格子膜４６ｑとを交互に繰り返し積層する超格子構造の半導体層である。第一超格子膜４６ｐの屈折率ｎ１１と第二超格子膜４６ｑの屈折率ｎ１２とは数２の関係がある。
【数２】
2007095857.tif 000004
【０１０１】
ｎ型第二半導体層４７は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の第三超格子膜４７ｐとＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の第四超格子膜４７ｑとを交互に繰り返し積層する超格子構造の半導体層である。第一超格子膜４６ｐの屈折率ｎ１１、第二超格子膜４６ｑの屈折率ｎ１２、第三超格子膜４７ｐの屈折率ｎ２３及び第四超格子膜４７ｑの屈折率ｎ２４は数３の関係がある。
【数３】
2007095857.tif 000005
【０１０２】
第一超格子膜４６ｐ及び第三超格子膜４７ｐは数２及び数３を満たすため、前記組成式においてｘ＝０、ｙ＝１のＧａＮ化合物が例示できる。ＧａＮ化合物の場合、ｎ２３＝ｎ１１＝２．５２７である。なお、第一超格子膜４６ｐと第三超格子膜４７ｐとは同じ屈折率であれば、同じ組成式のＩＩＩ族窒化物系化合物でなくてもよい。
【０１０３】
第二超格子膜４６ｑ及び第四超格子膜４７ｑは数２及び数３を満たすため、前記組成式においてｍ＝０．２、ｎ＝０．８のＡｌＧａＮ化合物が例示できる。前記組成のＡｌＧａＮ化合物の場合、ｎ２４＝ｎ１２＝２．３８である。なお、第二超格子膜４６ｑと第四超格子膜４７ｑとは同じ屈折率であれば、同じ組成式のＩＩＩ族窒化物系化合物でなくてもよい。
【０１０４】
ｎ型第一半導体層４６の平均のＡｌの含有率が図１で説明したｎ型第一半導体層２６のＡｌ含有率の範囲になるように第一超格子膜４６ｐの膜厚と第二超格子膜４６ｑの膜厚との比率を調整する。例えば、第一超格子膜４６ｐが例示したＧａＮ化合物、第二超格子膜４６ｑが例示したＡｌＧａＮ化合物の場合、第一超格子膜４６ｐの膜厚と第二超格子膜４６ｑの膜厚とをそれぞれ３ｎｍづつ積層すれば、ｎ型第一半導体層４６の平均のＡｌの含有率は１０％となる。
【０１０５】
ｎ型第一半導体層４６の膜厚及び不純物濃度は図１の半導体レーザ１０１のｎ型第一半導体層２６と同じ膜厚及び不純物濃度が例示できる。
【０１０６】
ｎ型第二半導体層４７の平均のＡｌの含有率が図１で説明したｎ型第二半導体層２７のＡｌ含有率の範囲になるように第三超格子膜４７ｐの膜厚と第四超格子膜４７ｑの膜厚との比率を調整する。例えば、第三超格子膜４７ｐが例示したＧａＮ化合物、第四超格子膜４７ｑが例示したＡｌＧａＮ化合物の場合、第三超格子膜４７ｐを５ｎｍ、第四超格子膜４７ｑを３ｎｍづつ積層すれば、ｎ型第二半導体層４７の平均のＡｌの含有率は７．５％となる。
【０１０７】
ｎ型第二半導体層４７の膜厚及び不純物濃度は図１の半導体レーザ１０１のｎ型第二半導体層２７と同じ膜厚及び不純物濃度が例示できる。
【０１０８】
半導体レーザ１０２は図１で説明した半導体レーザ１０１と同様に製造できる。
【０１０９】
半導体レーザ１０２の活性層１４は図１で説明した半導体レーザ１０１の活性層１４と同様に光を発生する。
【０１１０】
活性層１４で発生した光は、ｎ側光ガイド層２５、ｎ型第一半導体層４６及びｎ型第二半導体層４７において、図１の半導体レーザ１０１で説明したｎ側光ガイド層２５、ｎ型第一半導体層２６及びｎ型第二半導体層２７と同様に各半導体層を伝搬する。
【０１１１】
従って、半導体レーザ１０２のＮＦＰ垂直は、図２の半導体レーザ１０１のＮＦＰ垂直と同様な光強度分布の図４に示す曲線４２のようになる。
【０１１２】
また、各半導体層の屈折率４１も重ねて図４に示す。図４において、図２で使用した符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。４６ｐａは第一超格子膜４６ｐの領域、４６ｑａは第二超格子膜４６ｑの領域、４７ｐａは第三超格子膜４７ｐの領域及び４７ｑａは第四超格子膜４７ｑの領域を示している。なお、４６ｊはｎ型第一半導体層４６の平均屈折率、４７ｊはｎ型第二半導体層４７の平均屈折率を示している。
【０１１３】
従って、図１の半導体レーザ１０１の効果で説明したように、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、半導体レーザ１０２はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくすることができる。
【０１１４】
（実施の形態３）
本実施形態の半導体レーザの前記第一半導体層はＩＩＩ族窒化物系化合物の第一超格子膜と前記第一超格子膜より屈折率の小さいＩＩＩ族窒化物系化合物の第二超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造であり、前記第二半導体層は前記第一半導体層の前記第一超格子膜の屈折率と等しい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第三超格子膜と前記第一半導体層の前記第二超格子膜の屈折率より大きく且つ前記第三超格子膜の屈折率より小さい屈折率のＩＩＩ族窒化物系化合物の第五超格子膜とを交互に繰り返し積層する超格子構造である。
【０１１５】
本実施形態の半導体レーザ１０３の断面の概念図を図５に示す。図５の半導体レーザ１０３において、図１及び図３で使用した符号と同じ符号は同じ半導体層を示している。半導体レーザ１０３と半導体レーザ１０２との違いは、半導体レーザ１０２のｎ型第二半導体層４７の代替として、ｎ型第二半導体層５７が積層されていることである。半導体レーザ１０３はｎ型第一半導体層４６及びｎ型第二半導体層５７でｎ型クラッド層を構成する。
【０１１６】
ｎ型第二半導体層５７は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の第三超格子膜４７ｐとＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の第五超格子膜５７ｑとを交互に繰り返し積層する超格子構造の半導体層である。第一超格子膜４６ｐの屈折率ｎ１１、第二超格子膜４６ｑの屈折率ｎ１２、第三超格子膜４７ｐの屈折率ｎ２３及び第五超格子膜５７ｑの屈折率ｎ２５は数４の関係がある。
【数４】
2007095857.tif 000006
【０１１７】
第一超格子膜４６ｐ、第二超格子膜４６ｑ及び第三超格子膜４７ｐは図３の半導体レーザ１０２で示したＩＩＩ族窒化物系化合物が例示できる。
【０１１８】
第五超格子膜５７ｑは数４を満たすため、前記組成式においてｍ＝０．１５、ｎ＝０．８５のＡｌＧａＮ化合物が例示できる。前記組成のＡｌＧａＮ化合物の場合、ｎ２５＝２．４１７である。
【０１１９】
半導体レーザ１０３は、ｎ型第一半導体層４６の第一超格子膜４６ｐの膜厚に対する第二超格子膜４６ｑの膜厚の比とｎ型第二半導体層４７の第三超格子膜４７ｐの膜厚に対する第四超格子膜４７ｑの膜厚の比とが等しい場合であっても、第五超格子膜５７ｑのＡｌの含有率を調整して、ｎ型第二半導体層５７の平均のＡｌの含有率が図１で説明したｎ型第二半導体層２７のＡｌ含有率の範囲になるようにすることができる。
【０１２０】
例えば、第三超格子膜４７ｐが図３で例示したＧａＮ化合物、第五超格子膜５７ｑが例示したＡｌＧａＮ化合物の場合、第三超格子膜４７ｐ及び第五超格子膜５７ｑを５ｎｍづつ積層すれば、ｎ型第二半導体層５７の平均のＡｌの含有率は７．５％となる。
【０１２１】
ｎ型第二半導体層５７の膜厚及び不純物濃度は図１の半導体レーザ１０１のｎ型第二半導体層２７と同じ膜厚及び不純物濃度が例示できる。  
【０１２２】
半導体レーザ１０３は図１で説明した半導体レーザ１０１と同様に製造できる。
【０１２３】
半導体レーザ１０３の活性層１４は図１で説明した半導体レーザ１０１の活性層１４と同様に光を発生する。
【０１２４】
活性層１４で発生した光は、ｎ側光ガイド層２５、ｎ型第一半導体層４６及びｎ型第二半導体層５７において、図１の半導体レーザ１０１で説明したｎ側光ガイド層２５、ｎ型第一半導体層２６及びｎ型第二半導体層２７と同様に各半導体層を伝搬する。
【０１２５】
従って、半導体レーザ１０３のＮＦＰ垂直は、図２の半導体レーザ１０１のＮＦＰ垂直と同様な光強度分布の図６に示す曲線６２のようになる。
【０１２６】
また、各半導体層の屈折率６１も重ねて図６に示す。図６において、図２及び図４で使用した符号と同じ符号は同じ半導体層の領域を示す。５７ｑａは第五超格子膜５７ｑの領域を示している。なお、５７ｊはｎ型第二半導体層５７の平均屈折率を示している。
【０１２７】
従って、図１の半導体レーザ１０１の効果で説明したように、放射される光のＦＦＰ垂直の広がりは小さくなり、半導体レーザ１０３はしきい値電流を増加させず、ＦＦＰの広がりを小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明の半導体レーザの構成は受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、ＨＥＭＴに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明に係る一の実施の形態である半導体レーザ１０１の断面の概念図である。
【図２】半導体レーザ１０１のＮＦＰ垂直と各半導体層のＡｌ含有率との相間を示した図である。活性層１４は井戸層、障壁層及び電子バリア層から構成されている。なお、図中において白丸で示した領域は活性層１４の井戸層の領域１４ｂを示し、黒丸で示した領域は活性層１４の障壁層の領域１４ｃを示し、活性層１４の領域１４ａは井戸層の領域１４ｂ、障壁層の領域１４ｃ及び電子バリア層の領域１４ｄから構成される。
【図３】本発明に係る他の実施の形態である半導体レーザ１０２の断面の概念図である。
【図４】半導体レーザ１０２のＮＦＰ垂直と各半導体層のＡｌ含有率との相間を示した図である。活性層１４の領域１４ａの説明は図２と同様である。さらに、図中において白三角で示した領域は第一超格子膜４６ｐの領域４６ｐａ、黒三角で示した領域は第二超格子膜４６ｑの領域４６ｑａ、白四角で示した領域は第三超格子膜４７ｐの領域４７ｐａ、黒四角で示した領域は第四超格子膜４７ｑの領域４７ｑａである。ｎ型第一半導体層４６の領域４６ａは第一超格子膜４６ｐの領域４６ｐａ及び第二超格子膜４６ｑの領域４６ｑａから構成され、ｎ型第二半導体層４７の領域４７ａは第三超格子膜４７ｐの領域４７ｐａ及び第四超格子膜４７ｑの領域４７ｑａから構成される。
【図５】本発明に係る他の実施の形態である半導体レーザ１０３の断面の概念図である。
【図６】半導体レーザ１０３のＮＦＰ垂直と各半導体層のＡｌ含有率との相間を示した図である。活性層１４の領域１４ａの説明は図２と同様である。ｎ型第一半導体層４６の領域４６ａの説明は図４と同様である。第三超格子膜４７ｐの領域４７ｐａの説明も図４と同様である。図中において黒菱形で示した領域は第五超格子膜５７ｑの領域５７ｑａである。ｎ型第二半導体層５７の領域５７ａは第三超格子膜４７ｐの領域４７ｐａ及び第五超格子膜５７ｑの領域５７ｑａから構成される。
【図７】従来の半導体レーザのＮＦＰ垂直と各半導体層のＡｌ含有率との相間を示した図である。曲線７２の光強度分布が示すように、ｎ型クラッド層７７の領域７７ａにおいて光強度が弱くなっている。なお、活性層１４の領域１４ａの説明は図２と同様である。
【図８】従来の半導体レーザにおいて、光ガイド層とクラッド層との屈折率差を小さくした場合のＮＦＰ垂直と各半導体層のＡｌ含有率との相間を示した図である。曲線８２の光強度分布が示すように、ｐ型側の光ガイド層とクラッド層との界面及びｎ型側の光ガイド層とクラッド層との界面で光を閉じ込める効果が弱くなり、前記光閉じ込め領域における光強度が弱くなっている。なお、活性層１４の領域１４ａの説明は図２と同様である。
【符号の説明】
【０１３０】
１０１、１０２、１０３  半導体レーザ
１１  電極
１２  基板
１３  ｎ型下地層
２５  ｎ側光ガイド層
２６、４６  ｎ型第一半導体層
２７、４７、５７  ｎ型第二半導体層
１４  活性層
１５  ｐ側光ガイド層
１７  ｐ型クラッド層
１８  ｐ型コンタクト層
１９  電極
２０  絶縁膜
７７  ｎ型クラッド層
４６ｐ  第一超格子膜
４６ｑ  第二超格子膜
４７ｐ  第三超格子膜
４７ｑ  第四超格子膜
５７ｑ  第五超格子膜
１３ａ  ｎ型下地層１３の領域
１４ａ  活性層１４の領域
１４ｂ  井戸層の領域
１４ｃ  障壁層の領域
１４ｄ  電子バリア層の領域
１５ａ  ｐ側光ガイド層１５の領域
１７ａ  ｐ型クラッド層１７の領域
２５ａ  ｎ側光ガイド層２５の領域
２６ａ  ｎ型第一半導体層２６の領域
２７ａ  ｎ型第二半導体層２７の領域
４６ａ  ｎ型第一半導体層４６の領域
４６ｐａ  第一超格子膜４６ｐの領域
４６ｑａ  第二超格子膜４６ｑの領域
４７ａ  ｎ型第二半導体層４７の領域
４７ｐａ  第三超格子膜４７ｐの領域
４７ｑａ  第四超格子膜４７ｑの領域
５７ａ  ｎ型第二半導体層５７の領域
５７ｑａ  第五超格子膜５７ｑの領域
７７ａ  ｎ型クラッド層７７の領域
２１、４１、６１、７１、８１  屈折率
２２、４２、６２、７２、８２  曲線（光強度分布）
４６ｊ  ｎ型第一半導体層４６の平均屈折率
４７ｊ  ｎ型第二半導体層４７の平均屈折率
５７ｊ  ｎ型第二半導体層５７の平均屈折率
【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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