(57)【要約】【課題】動作温度の範囲内、特に室温近傍でのしきい値電流を低減できる半導体レーザ素子を実現できること。【解決手段】複数の量子井戸層６ｂ，６ｄを有し、量子井戸層６ｂ，６ｄとバリア層６ａ，６ｃ，６ｅとを交互に形成した活性層６を備える。活性層６内のバリア層６ａ，６ｃ，６ｄのうちの量子井戸層６ｂ，６ｄによって挟まれたバリア層６ｃと量子井戸層６ｂ，６ｄとの伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC1は、２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満に設定される。これによって、量子井戸層６ｂ，６ｄ間での熱励起によるキャリアのオーバーフローを意図的に行うようにし、量子井戸層６ｂ，６ｄ間でキャリア密度を均一化する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の量子井戸層を有し、該量子井戸層とバリア層とを交互に形成した活性層を備えた半導体レーザ素子であって、
１以上の前記バリア層のうちの前記量子井戸層によって挟まれたバリア層と前記量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量は、２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記活性層を層厚方向に挟むクラッド層を備え、
１以上の前記バリア層は、複数であって、前記クラッド層に隣接する最外のバリア層をさらに含み、
前記最外のバリア層と前記クラッド層との伝導帯側のバンド不連続量は、２５０ｍｅＶ以上、５００ｍｅＶ以下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素子。
【請求項３】
１以上の前記バリア層は、複数であって、前記活性層内の層厚方向の最外に形成した最外のバリア層をさらに含み、
前記最外のバリア層と前記量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量は、３００ｍｅＶ以上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素子。
【請求項４】
１以上の前記バリア層は、層材料にＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＮＡｓＳｂを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
複数の前記量子井戸層は、層材料にＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、または量子ドットを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記活性層内で発生したレーザ光の発振波長は、１２００ｎｍ以上、１３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
当該半導体レーザ素子は、面発光型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を発振する半導体レーザ素子に関し、特に、レーザ光の発振に必要な電流（しきい値電流）を低減した半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、III−Ｖ族化合物半導体によって形成された活性層にキャリアを注入し、かかる活性層内のキャリアの再結合によって発生した光を増幅してレーザ光を発振する半導体レーザ素子が提案されている。一般に、半導体レーザ素子は、規模が小型である点、エキシマレーザ等の気体レーザやＹＡＧレーザ等の固体励起レーザと比較して電力−光変換効率が高い点等の利点があるため、光通信の分野をはじめとする様々な産業分野において注目されている。
【０００３】
このような半導体レーザ素子には、光ファイバ内の光分散が最小となる波長１３００ｎｍ帯のレーザ光を発振し、例えば光通信用デバイスの光源に用いられるものがある。かかる波長１３００ｎｍ帯のレーザ光を発振する半導体レーザ素子として、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子が提案されている。しかし、このＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子は、しきい値電流の特性温度が５０Ｋ〜７０Ｋと低く、温度特性が悪い。このような温度特性を改善するために、活性層内の量子井戸層とバリア層との伝導帯側のバンドオフセット量（すなわちバンド不連続量）を３５０ｍｅＶ以上にし、しきい値電流の特性温度を１５０Ｋ以上に高めたＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザ素子がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７８１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光通信用デバイスの光源等に用いられる半導体レーザ素子では、レーザ光を発振する際の消費電力のさらなる低減化の要望が益々高まっており、このため、その動作温度の範囲内、特に室温近傍でのしきい値電流を従来の半導体レーザ素子に比して低減することが要望されている。
【０００６】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、動作温度の範囲内、特に室温近傍でのしきい値電流を低減でき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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる半導体レーザ素子は、複数の量子井戸層を有し、該量子井戸層とバリア層とを交互に形成した活性層を備えた半導体レーザ素子であって、１以上の前記バリア層のうちの前記量子井戸層によって挟まれたバリア層と前記量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量は、２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２にかかる半導体レーザ素子は、上記発明において、前記活性層を層厚方向に挟むクラッド層を備え、１以上の前記バリア層は、複数であって、前記クラッド層に隣接する最外のバリア層をさらに含み、前記最外のバリア層と前記クラッド層との伝導帯側のバンド不連続量は、２５０ｍｅＶ以上、５００ｍｅＶ以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３にかかる半導体レーザ素子は、上記発明において、１以上の前記バリア層は、複数であって、前記活性層内の層厚方向の最外に形成した最外のバリア層をさらに含み、前記最外のバリア層と前記量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量は、３００ｍｅＶ以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４にかかる半導体レーザ素子は、上記発明において、１以上の前記バリア層は、層材料にＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＮＡｓＳｂを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項５にかかる半導体レーザ素子は、上記発明において、複数の前記量子井戸層は、層材料にＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、または量子ドットを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項６にかかる半導体レーザ素子は、上記発明において、前記活性層内で発生したレーザ光の発振波長は、１２００ｎｍ以上、１３５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項７にかかる半導体レーザ素子は、上記発明において、当該半導体レーザ素子は、面発光型半導体レーザ素子であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、量子井戸層間での熱励起によるキャリアのオーバーフローを意図的に行うことによって、量子井戸層間でのキャリアの密度を均一化でき、１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流を低減できる半導体レーザ素子を実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザ素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各部分の厚み、長さ、および幅の関係、それぞれの部分の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザ素子の層構造を模式的に例示する断面模式図である。なお、この半導体レーザ素子１は、面発光型半導体レーザ素子（ＶＥＣＳＥＬ）である。図１には、この半導体レーザ素子１の断面を斜めから見たものを示している。図１に示すように、半導体レーザ素子１は、ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３、下部多層膜反射鏡４、クラッド層５、活性層６、クラッド層７、電流注入経路８が形成された電流狭窄層９、上部多層膜反射鏡１０、コンタクト層１１が順次積層されている。また、半導体レーザ素子１は、ｎ−ＧａＡｓ基板２の下部にｎ型電極１２が形成され、コンタクト層１１の上部にリング状のｐ型電極１３とｐ型電極１３の電極引き出し用の電極パッド２０とが形成される。この場合、下部多層膜反射鏡４の上端層、クラッド層５，７、活性層６、電流狭窄層９、上部多層膜反射鏡１０、コンタクト層１１、およびｐ型電極１３を含む層領域は、メサ状に形成される。このようなメサ状の層領域（メサポスト）は、シリコン窒化膜１５によって覆われ、このシリコン窒化膜１５を覆うようにポリイミド層１６が形成される。
【００１７】
ｎ−ＧａＡｓバッファ層３は、ｎ−ＧａＡｓ基板２と下部多層膜反射鏡４との格子定数差を緩和するための緩衝層であり、例えばキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓを層材料に含む。
【００１８】
下部多層膜反射鏡４および上部多層膜反射鏡１０は、活性層６およびクラッド層５，７を間に挟み込んだ共振器構造を形成するためのものである。具体的には、下部多層膜反射鏡４は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＧａＡｓとを１ペアとするｎ型の多層膜を例えば３０ペア積層することによって実現される。上部多層膜反射鏡１０は、Ａｌ0.9Ｇａ0.1ＡｓとＧａＡｓとを１ペアとするｐ型の多層膜を例えば２５ペア積層することによって実現される。
【００１９】
クラッド層５，７は、層材料にＧａＡｓを含むＧａＡｓ層の一例であって、層厚方向に活性層６を挟み込む。このようなクラッド層５，７は、活性層６に注入されたキャリアを活性層６内に閉じ込めるよう機能する。活性層６は、注入されたキャリアの再結合によって所定の波長帯域（例えば１３００ｎｍ帯）のレーザ光を発振するためのものであり、複数の量子井戸層と複数のバリア層とを有し、かかる量子井戸層とバリア層とを交互に積層して実現される。
【００２０】
このような層構造を有する半導体レーザ素子１は、以下に示す製造方法によって製造される。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、例えばＭＯＣＶＤ法によって、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３、下部多層膜反射鏡４、クラッド層５、活性層６、クラッド層７、ＡｌＡｓによって形成された膜厚２０ｎｍ程度のＡｌＡｓ層、上部多層膜反射鏡１０、ＧａＡｓによって形成されるコンタクト層１１を順次積層する。
【００２１】
つぎに、プラズマＣＶＤ法によって、コンタクト層１１の成長表面にシリコン窒化膜を成膜し、フォトレジストによるフォトリソグラフィー技術を用いて直径約４０〜４５μｍの円形パターンを転写する。この転写された円形レジストマスクを用い、ＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によってこのシリコン窒化膜をエッチングする。さらに、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）法によって下部多層膜反射鏡４に到達するまでエッチングし、上述したメサポストを形成する。なお、このＲＩＢＥ法によるエッチングの深さは、下部多層膜反射鏡４内に達する程度に止めるようにする。
【００２２】
このような状態において、水蒸気雰囲気中で４００℃に加熱し、放置することによって、上述したクラッド層７と上部多層膜反射鏡１０との間のＡｌＡｓ層を選択的に酸化処理する。このように選択的に酸化したＡｌＡｓ層は、直径３〜１０μｍ程度の電流注入経路８が形成された電流狭窄層９になる。
【００２３】
つぎに、ＲＩＥ法によってこのシリコン窒化膜を完全に除去し、プラズマＣＶＤ法によって改めてシリコン窒化膜１５を形成する。このようなシリコン窒化膜１５は、上述したメサポストおよび下部多層膜反射鏡４の上端面を覆う。さらに、このメサポストの上部を除くシリコン窒化膜１５の上にポリイミド層１６を形成する。
【００２４】
その後、このメサポスト上部に形成された部分のシリコン窒化膜１５を円形に除去してコンタクト層１１を表出し、このコンタクト層１１が表出した領域にリング状のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極であるｐ型電極１３を形成する。さらに、このｐ型電極１３の上部に電極引き出し用のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ合金パッドである電極パッド１４を形成する。この電極パッド１４の面積は、例えば３０００μｍ2程度である。その後、ｎ−ＧａＡｓ基板２の下端部を２００μｍ程度研磨し、この研磨した下端部の表面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極であるｎ型電極１２を蒸着する。最後に、窒素雰囲気中で約４００℃にアニールし、半導体レーザ素子１を得る。
【００２５】
つぎに、上述した活性層６およびクラッド層５，７について説明する。図２は、半導体レーザ素子１の活性層６近傍の層構造を模式的に例示する模式図である。図２に示すように、半導体レーザ素子１は、活性層６近傍の層構造として、活性層６がクラッド層５，７によって層厚方向に挟み込まれた態様の層構造を有する。このような活性層６は、上述したように量子井戸層とバリア層とを交互に積層して実現され、例えば２つの量子井戸層６ｂ，６ｄと３つのバリア層６ａ，６ｃ，６ｅとを有し、クラッド層５側からクラッド層７側に向けて順次、バリア層６ａ、量子井戸層６ｂ、バリア層６ｃ、量子井戸層６ｄ、バリア層６ｅを積層して形成される。この場合、バリア層６ａ，６ｅは、活性層６の層厚方向の両端に形成された最外のバリア層であり、クラッド層５，７にそれぞれ隣接する。また、バリア層６ｃは、このような最外のバリア層６ａ，６ｅの間に挟まれた領域に形成されたバリア層であり、量子井戸層６ｂ，６ｄによって挟まれる。すなわち、量子井戸層６ｂはバリア層６ａ，６ｃによって挟まれ、量子井戸層６ｄはバリア層６ｃ，６ｅによって挟まれる。
【００２６】
図３は、クラッド層５，７および活性層６の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。なお、図３では、クラッド層５からクラッド層７に向かう層厚方向にＸ軸を取り（図２参照）、この層厚方向の位置に対する伝導帯側のエネルギー準位ＥCのプロファイルを示す。
【００２７】
量子井戸層６ｂ，６ｄは、注入されたキャリアを閉じ込めて再結合させるよう機能する。具体的には、量子井戸層６ｂ，６ｄは、例えばＧａＩｎＮＡｓＳｂを層材料に含む化合物半導体の均一層であり、図３に示すように、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］がＥ１値になるように歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。このＥ１値は、例えば１３００ｎｍ帯のレーザ光を発振可能なバンドギャップを得ることができる伝導帯側のエネルギー準位である。このようなＥ１値をエネルギー準位ＥCとして有する量子井戸層６ｂ，６ｄでは、注入されたキャリアの再結合によって例えば１２００ｎｍ以上、１３５０ｎｍ以下の範囲内である発振波長のレーザ光が発生する。なお、かかる量子井戸層６ｂ，６ｄは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂに限らず、ＧａＩｎＡｓＳｂ、またはＧａＩｎＡｓ等を層材料に含む化合物半導体の均一層であってもよい。
【００２８】
バリア層６ａ，６ｃ，６ｅは、量子井戸層６ｂ，６ｄにキャリア閉じ込め機能を発揮させるためのものである。具体的には、バリア層６ａ，６ｃ，６ｅは、例えばＧａＮＡｓを層材料に含む化合物半導体の均一層であり、図３に示すように、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］がＥ２値になるように、その歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。このＥ２値は、複数のバリア層６ａ，６ｃ，６ｅのうちの最外のバリア層６ａ，６ｅと量子井戸層６ｂ，６ｄとの伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC2を２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満にする値であり、且つ残りのバリア層６ｃと量子井戸層６ｂ，６ｄとの伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC1を２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満にする値である。この場合、バンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2は、図３に示すように、バリア層６ａ，６ｃ，６ｅと量子井戸層６ｂ，６ｄとのエネルギー準位ＥCの差（Ｅ２−Ｅ１）によって算出される。このようなバンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2の条件を満足するバリア層６ａ，６ｃ，６ｅは、上述したように量子井戸層６ｂ，６ｄをそれぞれ挟むことによって、所定の波長帯域（例えば１３００ｎｍ帯）のレーザ光を発振できるように量子井戸層６ｂ，６ｄに対してキャリア閉じ込め機能を発揮させることができる。なお、かかるバリア層６ａ，６ｃ，６ｅは、ＧａＮＡｓに限らず、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＮＡｓＳｂ等を層材料に含む化合物半導体の均一層であってもよい。
【００２９】
クラッド層５，７は、上述したように、層材料にＧａＡｓを含むＧａＡｓ層の一例であって、活性層６に注入されたキャリアを活性層６内に閉じ込めるよう機能する。この場合、クラッド層５，７は、図３に示すように、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］がＥ３値になるように、その歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。このＥ３値は、最外のバリア層６ａ，６ｅとクラッド層５，７との伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC3をそれぞれ２５０ｍｅＶ以上、５００ｍｅＶ以下にする値である。この場合、バンド不連続量ΔＥC3は、図３に示すように、クラッド層５，７と最外のバリア層６ａ，６ｅとのエネルギー準位ＥCの差（Ｅ３−Ｅ２）によって算出される。このようなバンド不連続量ΔＥC3の条件を満足するクラッド層５，７は、上述したように活性層６を挟むことによって、活性層６内にキャリアを確実に閉じ込めることができる。
【００３０】
このようなバンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2の条件を満足する活性層６とバンド不連続量ΔＥC3の条件を満足するクラッド層５，７とを有する半導体レーザ素子１は、活性層６内に注入されたキャリアの密度を量子井戸層６ｂ，６ｄ間でほぼ均一化できる。図４は、活性層６内に注入されたキャリアの密度を量子井戸層６ｂ，６ｄ間で均一化する作用を説明する模式図である。
【００３１】
図４において、活性層６に電流が注入されると、量子井戸層６ｂ，６ｄにキャリアが注入され、量子井戸層６ｂ，６ｄの各キャリア密度ｄ１，ｄ２が上昇する。量子井戸層６ｂ，６ｄに対してキャリアが均一に注入された場合、このキャリア密度ｄ１，ｄ２は、略同値であり、活性層６に注入された電流がしきい値電流Ｉthに達するまで上昇する。一方、量子井戸層６ｂ，６ｄに対してキャリアが均一に注入されなかった場合、このキャリア密度ｄ１，ｄ２の間に差が生じる。
【００３２】
ここで、かかる量子井戸層６ｂ，６ｄの間に形成されたバリア層６ｃは、上述したバンド不連続量ΔＥC1の条件（すなわち２６ｍｅＶ≦ΔＥC1＜３００ｍｅＶ）を満足するものである。
【００３３】
一般に、量子井戸層を層厚方向に挟む２つのバリア層は、この量子井戸層に対する伝導帯側のバンド不連続量（すなわち量子井戸層と両側のバリア層との伝導帯側のバンド不連続量）ΔＥCが３００ｍｅＶ以上である場合、この量子井戸層内に注入されたキャリアが熱励起によってバリア層にあふれ出ることを抑制し、量子井戸層内にキャリアを確実に閉じ込めることができる。これは、このバンド不連続量ΔＥCが３００ｍｅＶ以上であるため、しきい値電流Ｉthの特性温度Ｔ0が理想的な値（すなわち熱励起による量子井戸層からバリア層へのキャリアのあふれ出しを防止できる値）に飽和することに起因する。すなわち、量子井戸層の間に挟まれたバリア層は、これら両側の量子井戸層に対する伝導帯側のバンド不連続量ΔＥCが３００ｍｅＶ以上である場合、かかる量子井戸層間での熱励起によるキャリアのオーバーフローを阻害する。
【００３４】
したがって、上述したようにバンド不連続量ΔＥC1が３００ｍｅＶ未満であるバリア層６ｃを間に挟む量子井戸層６ｂ，６ｄでは、注入されたキャリアの密度が不均一である（すなわちキャリア密度ｄ１，ｄ２が異なる）場合、熱励起によるキャリアのオーバーフローが発生する。この場合、量子井戸層６ｂ，６ｄ内のキャリアは、熱エネルギーによって励起され、キャリア密度ｄ１，ｄ２の大きい量子井戸層から小さい量子井戸層に向かうようにバリア層６ｃを越えて量子井戸層６ｂ，６ｄ間を移動する。例えば図４に示すように、キャリア密度ｄ１がキャリア密度ｄ２に比して大きい場合、キャリア密度ｄ１，ｄ２の差分に相当する量子井戸層６ｂ内のキャリアが、熱励起によってバリア層６ｃを越え（すなわちオーバーフローし）、量子井戸層６ｄに移動する。このような熱励起によるキャリアのオーバーフローによって、キャリア密度ｄ１，ｄ２を略同値に調整でき、量子井戸層６ｂ，６ｄ間でのキャリアの密度をほぼ均一化できる。
【００３５】
また、バリア層６ａ，６ｃ，６ｅの各バンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2は、上述したように２６ｍｅＶを下限値に設定される。これは、半導体レーザ素子１の動作温度（すなわちレーザ光を発振する環境の温度）が室温以上であることに基づいている。一般に、室温（例えば２７℃）条件下で量子井戸層に注入されたキャリアの熱エネルギーは、２６ｍｅＶ程度である。このため、この量子井戸層とバリア層との伝導帯側のバンド不連続量ΔＥCを２６ｍｅＶ未満に設定した場合、この量子井戸層に注入されたキャリアは、室温以上の動作温度条件下で量子井戸層からバリア層側に容易にあふれ出る。このようにキャリアがあふれ出た量子井戸層は光学利得に寄与せず、これによって半導体レーザ素子のレーザ発振動作が正常に行われなくなる。したがって、バリア層６ａ，６ｃ，６ｅの各バンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2は、２６ｍｅＶを下限値に設定している。このようなバリア層６ａ，６ｃ，６ｅによって挟まれた量子井戸層６ｂ，６ｄは、注入されたキャリアの閉じ込め効果を発揮するものとして機能でき、例えば室温以上の動作温度条件下で注入されたキャリアを閉じ込めてレーザ光を発生できるようになる。
【００３６】
一方、クラッド層５，７は、上述したバンド不連続量ΔＥC3の条件（すなわち２５０ｍｅＶ≦ΔＥC3≦５００ｍｅＶ）を満足するものである。ここで、最外のバリア層６ａ，６ｅは、上述したバリア層６ｃとほぼ同様に、量子井戸層６ｂ，６ｄに対して２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満であるバンド不連続量ΔＥC2の条件を満足する。したがって、量子井戸層６ｂ，６ｄ内のキャリアは、熱励起によってバリア層６ａ，６ｅ側にあふれ出る場合がある。しかし、クラッド層５，７のバンド不連続量ΔＥC3は２５０ｍｅＶ以上、５００ｍｅＶ以下の条件を満足する。このため、クラッド層５，７は、量子井戸層６ｂ，６ｄから最外のバリア層６ａ，６ｅにあふれ出たキャリアを量子井戸層６ｂ，６ｄに向けて反射できる。したがって、このようなバンド不連続量ΔＥC3の条件を満足するクラッド層５，７は、活性層６に注入されたキャリアを活性層６内に確実に閉じ込めることができる。
【００３７】
なお、半導体レーザ素子は、一般に、複数の量子井戸層が形成された多重量子井戸構造にすることによって、単一の量子井戸層を有する量子井戸構造のものに比してしきい値電流Ｉthを低減できる。しかし、複数の量子井戸層を有する半導体レーザ素子は、活性層内に注入されたキャリアの密度が量子井戸層間で均一でなければ、しきい値電流Ｉthの低減が困難である。これは、キャリアの密度が量子井戸層間で不均一であることに起因して、複数の量子井戸層の中に光学利得に寄与しないものが生じるからである。
【００３８】
これに対して、この発明の実施の形態１である半導体レーザ素子１は、上述したように、バンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2の条件を満足する量子井戸層６ｂ，６ｄとバリア層６ａ，６ｃ，６ｅとによって形成される活性層６と、バンド不連続量ΔＥC3の条件を満足するクラッド層５，７とを有するので、注入されたキャリアを活性層６内に確実に閉じ込めることができ、且つキャリア密度を量子井戸層６ｂ，６ｄ間で均一化でき、これによって、しきい値電流Ｉthを低減できる。
【００３９】
つぎに、半導体レーザ素子１のしきい値電流Ｉthの低減について具体的に説明する。ここでは、上述した量子井戸層６ｂ，６ｄとバリア層６ａ，６ｃ，６ｅとによって形成された活性層６とクラッド層５，７とを有する半導体レーザ素子１のサンプルを製造し、このサンプルを用いて２０℃以上、１００℃以下の温度条件下でのしきい値電流Ｉthのデータを得た。図５は、半導体レーザ素子がレーザ光を発振する環境の温度Ｔに対するしきい値電流Ｉthの変化を例示する模式図である。図５では、この半導体レーザ素子１の温度Ｔとしきい値電流Ｉthとの関係を線Ｌ１に示し、この半導体レーザ素子１の比較サンプルの温度Ｔとしきい値電流Ｉthとの関係を線Ｌ２に示す。なお、この半導体レーザ素子１の比較サンプルは、上述したバリア層６ａ，６ｃ，６ｅに代えてバンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2が３５０ｍｅＶ以上になるバリア層を形成したものであり、その他の構成は半導体レーザ素子１とほぼ同様である。
【００４０】
図５に示すように、２０℃以上、１００℃以下の範囲内の温度Ｔに対応するしきい値電流Ｉthを比較した結果、線Ｌ１によって示されるしきい値電流は、線Ｌ２によって示されるしきい値電流に比して低い値である。この比較結果に基づいて、半導体レーザ素子１は、１００℃以下の温度Ｔでのしきい値電流Ｉth、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流Ｉthをこの比較サンプルに比して低い値に低減できる。これによって、半導体レーザ素子１の量子効率を高めることができる。
【００４１】
このような半導体レーザ素子１の特性を調べた結果、２０℃での１量子井戸層あたりの透明しきい値電流密度［ｋＡ／ｃｍ／ｗｅｌｌ］は、０．１１〜０．１３程度という低い値が得られた。なお、この透明しきい値電流密度は、しきい値電流Ｉthを活性領域の有効電流断面積によって除した値（しきい値電流密度）から共振器長等の共振器に関するパラメータを取り除いたものである。このように、半導体レーザ素子１は、透明しきい値電流密度を低減でき、従来の半導体レーザ素子に比して量子効率を高めることができた。
【００４２】
また、２５℃から８５℃のしきい値電流Ｉthの特性温度Ｔ0［Ｋ］は、８０〜１００程度という高い値が得られた。この半導体レーザ素子１の特性温度Ｔ0は、図５に示す線Ｌ１，Ｌ２の傾きから判るように、この比較サンプルに比して低いものである。しかし、この特性温度Ｔ0［Ｋ］の絶対値（８０〜１００程度）は、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子（すなわち従来の半導体レーザ素子）の特性温度（５０〜７０Ｋ）に比して十分大きな値であり、温度特性上、特に問題にはならない。
【００４３】
以上、説明したように、この発明の実施の形態１では、複数の量子井戸層と１以上のバリア層と有し、この量子井戸層とバリア層とを交互に形成して実現される活性層を備え、この活性層を形成する１以上のバリア層のうちの量子井戸層によって挟まれたバリア層と量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量を２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満に設定した。このため、量子井戸層に注入されたキャリアの密度が量子井戸層間で不均一である場合に熱励起によるキャリアのオーバーフローを量子井戸層間で意図的に行わせることができ、これによって、量子井戸層間でのキャリアの密度を均一化できる。したがって、この活性層内の全量子井戸層が光学利得に寄与でき、１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流を低減できる半導体レーザ素子を実現することができる。
【００４４】
また、この活性層を層厚方向に挟むクラッド層をさらに備え、このクラッド層と最外のバリア層との伝導帯側のバンド不連続量を２５０ｍｅＶ以上、５００ｍｅＶ以下に設定した。このため、かかるクラッド層は、上述したキャリアのオーバーフローによって量子井戸層から最外のバリア層側にあふれ出たキャリアを量子井戸層に向けて反射でき、これによって、活性層に注入されたキャリアをこの活性層内に確実に閉じ込めることができる。
【００４５】
このような伝導帯側のバンド不連続量の条件を満足する量子井戸層とバリア層とを交互に形成した活性層をかかるクラッド層によって挟んだ層構造を採用することによって、例えば１３００ｎｍ帯の発振波長のレーザ光を出力でき、且つ１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流を低減できるＶＥＣＳＥＬを実現することができる。
【００４６】
（実施の形態１の変形例）
つぎに、この発明の実施の形態１の変形例について説明する。上述した実施の形態１である半導体レーザ素子１はＶＥＣＳＥＬであったが、これに限らず、この実施の形態１の変形例にかかる半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子にしている。
【００４７】
図６は、この発明の実施の形態１の変形例である半導体レーザ素子の光出射方向に対して垂直方向の断面構造を模式的に例示する断面模式図である。なお、この半導体レーザ素子２１は、ファブリ・ペロー共振器構造を有するリッジ導波路型のものであって、分離閉じ込め多重量子井戸構造（ＭＱＷ−ＳＣＨ）を有するものである。
【００４８】
図６に示すように、半導体レーザ素子２１は、ｎ−ＧａＡｓ基板２２の上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２３、クラッド層２４、光導波層２５、活性層２６、光導波層２７、クラッド層２８、コンタクト層２９が順次積層されている。また、半導体レーザ素子２１は、クラッド層２８の上側領域であってコンタクト層２９の積層領域以外の領域とコンタクト層２９の周縁とを覆うようにシリコン窒化膜３０が形成され、コンタクト層２９の上面にｐ型電極３２が形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板２２の下面にｎ型電極３１が形成される。
【００４９】
ｎ−ＧａＡｓバッファ層２３は、ｎ−ＧａＡｓ基板２２とクラッド層２４との格子定数差を緩和するための緩衝層であり、例えばキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓを層材料に含む。
【００５０】
クラッド層２４，２８は、活性層２６でのキャリア再結合によって発生したレーザ光を活性層２６側に閉じ込める。このようなクラッド層２４，２８は、光導波層２５，２７および活性層２６に比して低い屈折率を有する材料、例えばＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰ等の化合物半導体を層材料に含む。
【００５１】
光導波層２５，２７は、層材料にＧａＡｓを含むＧａＡｓ層の一例であって、層厚方向に活性層２６を挟み込む。このような光導波層２５，２７は、活性層２６にキャリアを閉じ込めることができ、且つ活性層２６でのキャリア再結合によって発生したレーザ光を導波する機能を有する。
【００５２】
活性層２６は、注入されたキャリアの再結合によって所定の波長帯域（例えば１３００ｎｍ帯）のレーザ光を発振するためのものであり、複数の量子井戸層と複数のバリア層とを有し、かかる量子井戸層とバリア層とを交互に積層して実現される。具体的には、活性層２６は、例えば図６に示すように、２つの量子井戸層２６ｂ，２６ｄと３つのバリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅとを有し、光導波層２５側から光導波層２７側に向けて順次、バリア層２６ａ、量子井戸層２６ｂ、バリア層２６ｃ、量子井戸層２６ｄ、バリア層２６ｅを積層して形成される。この場合、バリア層２６ａ，２６ｅは、活性層６の層厚方向の両端に形成された最外のバリア層であり、光導波層２５，２７にそれぞれ隣接する。また、バリア層２６ｃは、このような最外のバリア層２６ａ，２６ｅの間に挟まれた領域に形成されたバリア層であり、量子井戸層２６ｂ，２６ｄによって挟まれる。すなわち、量子井戸層２６ｂはバリア層２６ａ，２６ｃによって挟まれ、量子井戸層２６ｄはバリア層２６ｃ，２６ｅによって挟まれる。
【００５３】
このような層構造を有する半導体レーザ素子２１は、以下に示す製造方法によって製造される。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２２上に、例えばＭＯＣＶＤ法によって、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２３、クラッド層２４、光導波層２５、活性層２６、光導波層２７、クラッド層２８、亜鉛等のｐ型不純物をドープしたコンタクト層２９を順次積層する。さらに、このコンタクト層２９が形成されたクラッド層２８に対し、周知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いることによってクラッド層２８およびコンタクト層２９の一部領域をエッチング除去し、上部にコンタクト層２９を有するリッジ構造のクラッド層２８を形成した。その後、このようなリッジ構造のクラッド層２８およびコンタクト層２９の上部に、例えばプラズマＣＶＤ法によって絶縁材料であるシリコン窒化膜３０を成膜し、このシリコン窒化膜３０の一部領域であってコンタクト層２９の周縁の内側領域をエッチング除去してコンタクト層２９を表出する。
【００５４】
つぎに、かかるシリコン窒化膜３０の開口部を介して表出したコンタクト層２９の上部に、例えば蒸着法によってＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極であるｐ型電極３２を形成する。また、ｎ−ＧａＡｓ基板２２の下端部を研磨し、この研磨した下端部の表面にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ電極であるｎ型電極３１を蒸着する。
【００５５】
その後、上述した活性層５等の各層を積層したものを所望の共振器長（例えば１０００μｍ程度）に劈開し、これによって表出した劈開面（レーザ光の出射側端面）に端面保護膜、低反射膜を順次形成し、この劈開面に対向する端面に高反射膜を形成する。このようにして、半導体レーザ素子２１を得る。
【００５６】
つぎに、この発明の実施の形態１の変形例である半導体レーザ素子２１の活性層２６および光導波層２５，２７について詳細に説明する。図７は、光導波層２５，２７および活性層２６の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。なお、図７では、光導波層２５から光導波層２７に向かう層厚方向にＸ軸を取り（図６参照）、この層厚方向の位置に対する伝導帯側のエネルギー準位ＥCのプロファイルを示す。
【００５７】
量子井戸層２６ｂ，２６ｄは、注入されたキャリアを閉じ込めて再結合させるよう機能する。具体的には、量子井戸層２６ｂ，２６ｄは、例えばＧａＩｎＮＡｓＳｂを層材料に含む化合物半導体の均一層であり、図７に示すように、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］が上述したＥ１値になるように歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。このＥ１値をエネルギー準位ＥCとして有する量子井戸層２６ｂ，２６ｄでは、注入されたキャリアの再結合によって例えば１２００ｎｍ以上、１３５０ｎｍ以下の範囲内である発振波長のレーザ光が発生する。なお、かかる量子井戸層２６ｂ，２６ｄは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂに限らず、ＧａＩｎＡｓＳｂ、またはＧａＩｎＡｓ等を層材料に含む化合物半導体の均一層であってもよい。
【００５８】
バリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅは、量子井戸層２６ｂ，２６ｄにキャリア閉じ込め機能を発揮させるためのものである。具体的には、バリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅは、例えばＧａＮＡｓを層材料に含む化合物半導体の均一層であり、図７に示すように、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］が上述したＥ２値になるように、その歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。この場合、最外のバリア層２６ａ，２６ｅと量子井戸層２６ｂ，２６ｄとの伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC2は２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満に設定され、且つ残りのバリア層２６ｃと量子井戸層２６ｂ，２６ｄとの伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC1は２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満に設定される。このようなバンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2の条件を満足するバリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅは、上述したように量子井戸層２６ｂ，２６ｄをそれぞれ挟むことによって、所定の波長帯域（例えば１３００ｎｍ帯）のレーザ光を発振できるように量子井戸層２６ｂ，２６ｄに対してキャリア閉じ込め機能を発揮させることができる。なお、かかるバリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅは、ＧａＮＡｓに限らず、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＮＡｓＳｂ等を層材料に含む化合物半導体の均一層であってもよい。
【００５９】
光導波層２５，２７は、上述したように、層材料にＧａＡｓを含むＧａＡｓ層の一例であって、活性層２６に注入されたキャリアを活性層２６内に閉じ込めるよう機能する。この場合、光導波層２５，２７は、図７に示すように、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］が上述したＥ３値になるように、その歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。この場合、最外のバリア層２６ａ，２６ｅと光導波層２５，２７との伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC3は、２５０ｍｅＶ以上、５００ｍｅＶ以下に設定される。このようなバンド不連続量ΔＥC3の条件を満足する光導波層２５，２７は、上述したように活性層２６を挟むことによって、活性層２６内にキャリアを確実に閉じ込めることができる。
【００６０】
ここで、半導体レーザ素子２１の活性層２６近傍のエネルギー準位ＥCのプロファイル、すなわち図７に例示した光導波層２５，２７および活性層２６のエネルギー準位ＥCのプロファイルは、図３と図７とを比較して判るように、上述した実施の形態１の半導体レーザ素子１の活性層６近傍のものとほぼ同様である。具体的には、この活性層２６近傍のエネルギー準位ＥCのプロファイルは、図３のクラッド層５，７を光導波層２５，２７にそれぞれ置き換え、図３のバリア層６ａ，６ｃ，６ｅをバリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅにそれぞれ置き換え、図３の量子井戸層６ｂ，６ｄを量子井戸層２６ｂ，２６ｄにそれぞれ置き換えたものである。
【００６１】
したがって、このようなエネルギー準位ＥCのプロファイルを活性層２６近傍に有する半導体レーザ素子２１は、上述した実施の形態１の半導体レーザ素子１と同様に、バンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2の条件を満足する量子井戸層２６ｂ，２６ｄとバリア層２６ａ，２６ｃ，２６ｅとによって形成される活性層２６と、バンド不連続量ΔＥC3の条件を満足する光導波層２５，２７とを有する。このため、注入されたキャリアを活性層２６内に確実に閉じ込めることができ、且つキャリア密度を量子井戸層２６ｂ，２６ｄ間で均一化でき、これによって、１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流Ｉthを低減できる。
【００６２】
このような半導体レーザ素子２１の特性を調べた結果、２０℃での１量子井戸層あたりの透明しきい値電流密度［ｋＡ／ｃｍ／ｗｅｌｌ］は、０．１１〜０．１３程度という低い値が得られた。このように、半導体レーザ素子２１は、透明しきい値電流密度を低減でき、従来の半導体レーザ素子に比して量子効率を高めることができた。
【００６３】
また、２５℃から８５℃のしきい値電流Ｉthの特性温度Ｔ0［Ｋ］は、８０〜１００程度という高い値が得られた。この半導体レーザ素子２１の特性温度Ｔ0［Ｋ］の絶対値（８０〜１００程度）は、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子（すなわち従来の半導体レーザ素子）の特性温度（５０〜７０Ｋ）に比して十分大きな値であり、温度特性上、特に問題にはならない。
【００６４】
以上、説明したように、この発明の実施の形態１の変形例では、活性層近傍の領域すなわち２つの光導波層によって活性層が挟まれた層領域での伝導帯側のエネルギー準位のプロファイルを上述した実施の形態１の活性層近傍のものとほぼ同様に設定したので、上述した実施の形態１の作用効果を享受した端面発光型の半導体レーザ素子を実現できる。
【００６５】
具体的には、このような伝導帯側のバンド不連続量の条件を満足する量子井戸層とバリア層とを交互に形成した活性層をかかる光導波層によって挟んだ層構造を採用することによって、例えば１３００ｎｍ帯の発振波長のレーザ光を出力でき、且つ１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流を低減できる端面発光型の半導体レーザ素子を実現できる。
【００６６】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、最外のバリア層６ａ，６ｅと量子井戸層６ｂ，６ｄとのバンド不連続量ΔＥC2をバリア層６ｃと量子井戸層６ｂ，６ｄとのバンド不連続量ΔＥC1と略同値に設定していたが、この実施の形態２では、最外のバリア層と量子井戸層とのバンド不連続量ΔＥC2を３００ｍｅＶ以上に設定し、かかる最外のバリア層へのキャリアのあふれ出しを抑制している。
【００６７】
図８は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ素子の層構造を模式的に例示する断面模式図である。なお、図８では、この半導体レーザ素子５１の断面を斜めから見たものを示している。図８に示すように、半導体レーザ素子５１は、上述した実施の形態１である半導体レーザ素子１の活性層６に代えて活性層５６が形成される。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００６８】
図９は、半導体レーザ素子５１の活性層５６近傍の層構造を模式的に例示する模式図である。図９に示すように、活性層５６は、上述した実施の形態１の活性層６の最外のバリア層６ａ，６ｅに代えて最外のバリア層５６ａ，５６ｅを有する。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００６９】
バリア層５６ａ，５６ｅは、活性層５６に注入されたキャリアを量子井戸層６ｂ，６ｄに閉じ込め、且つ量子井戸層６ｂ，６ｄからバリア層５６ａ，５６ｅ側へのキャリアのオーバーフローを抑制するよう機能する。具体的には、バリア層５６ａ，５６ｅは、活性層５６の層厚方向の両端に形成された最外のバリア層であり、クラッド層５，７にそれぞれ隣接する。かかるバリア層５６ａ，５６ｅは、例えばＧａＮＡｓを層材料に含む化合物半導体の均一層によって実現される。なお、バリア層５６ａ，５６ｃ，６ｅは、ＧａＮＡｓに限らず、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＮＡｓＳｂ等を層材料に含む化合物半導体の均一層によって形成されてもよい。
【００７０】
図１０は、クラッド層５，７および活性層５６の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。なお、図１０では、クラッド層５からクラッド層７に向かう層厚方向にＸ軸を取り（図９参照）、この層厚方向の位置に対する伝導帯側のエネルギー準位ＥCのプロファイルを示す。
【００７１】
図１０に示すように、バリア層５６ａ，５６ｅは、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］がＥ４値になるように、その歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。このＥ４値は、複数のバリア層５６ａ，５６ｃ，５６ｅのうちの最外のバリア層５６ａ，５６ｅと量子井戸層６ｂ，６ｄとの伝導帯側のバンド不連続量ΔＥC2を３００ｍｅＶ以上にする値である。このバンド不連続量ΔＥC2は、図１０に示すように、バリア層５６ａ，５６ｅと量子井戸層６ｂ，６ｄとのエネルギー準位ＥCの差（Ｅ４−Ｅ１）によって算出される。このようなバンド不連続量ΔＥC2の条件を満足するバリア層５６ａ，５６ｅは、上述したように、量子井戸層６ｂ，６ｄに対してキャリア閉じ込め機能を発揮させることができ、且つ量子井戸層６ｂ，６ｄからバリア層５６ａ，５６ｅ側へのキャリアのオーバーフローを抑制できる。
【００７２】
図１１は、活性層５６内に注入されたキャリアの密度を量子井戸層５６ｂ，５６ｄ間で均一化する作用を説明する模式図である。図１１において、活性層５６に電流が注入されると、量子井戸層６ｂ，６ｄにキャリアが注入され、量子井戸層６ｂ，６ｄの各キャリア密度ｄ１，ｄ２が上昇する。量子井戸層６ｂ，６ｄに対してキャリアが均一に注入された場合、このキャリア密度ｄ１，ｄ２は、略同値であり、活性層５６に注入された電流がしきい値電流Ｉthに達するまで上昇する。一方、量子井戸層６ｂ，６ｄに対してキャリアが均一に注入されなかった場合、このキャリア密度ｄ１，ｄ２の間に差が生じる。
【００７３】
ここで、バンド不連続量ΔＥC1が２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満であるバリア層６ｃを間に挟む量子井戸層６ｂ，６ｄでは、上述したように、注入されたキャリアの密度が不均一である（すなわちキャリア密度ｄ１，ｄ２が異なる）場合、熱励起によるキャリアのオーバーフローが発生する。このような熱励起によるキャリアのオーバーフローによって、キャリア密度ｄ１，ｄ２を略同値に調整でき、量子井戸層６ｂ，６ｄ間でのキャリアの密度をほぼ均一化できる。
【００７４】
一方、最外のバリア層５６ａ，５６ｅは、バンド不連続量ΔＥC2が３００ｍｅＶ以上であるという条件を満足するものである。このため、最外のバリア層５６ａ，５６ｅは、量子井戸層６ｂ，６ｄから最外のバリア層５６ａ，５６ｅ側へのキャリアのあふれ出しを抑制でき、活性層５６に注入されたキャリアを量子井戸層６ｂ，６ｄ内に確実に閉じ込めることができる。
【００７５】
なお、この実施の形態２である半導体レーザ素子５１のクラッド層５，７とバリア層５６ａ，５６ｅとのバンド不連続量ΔＥC3は、活性層５６内にキャリアを注入できる程度の大きさであればよく、例えば２６ｍｅＶ以上であることが望ましい。この場合、バリア層５６ａ，５６ｅと量子井戸層６ｂ，６ｄとのバンド不連続量ΔＥC2およびバリア層５６ａ，５６ｅとクラッド層５，７とのバンド不連続量ΔＥC3は、その和（ΔＥC2＋ΔＥC3）が８００ｍｅＶ未満であるという条件を満足することが望ましい。これによって、量子井戸層６ｂ，６ｄとクラッド層５，７とのエネルギー準位ＥCの差を上述した実施の形態１の場合と略同値に設定することができる。
【００７６】
このような構成を採用した半導体レーザ素子５１は、上述した実施の形態１である半導体レーザ素子１とほぼ同様に、活性層５６に注入されたキャリアの密度を量子井戸層６ｂ，６ｄ間で均一化でき、且つキャリアを量子井戸層６ｂ，６ｄ内に確実に閉じ込めることができ、これによって、１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流Ｉthを低減できる。
【００７７】
この半導体レーザ素子５１の特性を調べた結果、２０℃での１量子井戸層あたりの透明しきい値電流密度［ｋＡ／ｃｍ／ｗｅｌｌ］は、０．１１〜０．１３程度という低い値が得られた。このように、半導体レーザ素子５１は、透明しきい値電流密度を低減でき、従来の半導体レーザ素子に比して量子効率を高めることができた。
【００７８】
また、２５℃から８５℃のしきい値電流Ｉthの特性温度Ｔ0［Ｋ］は、８０〜１００程度という高い値が得られた。この半導体レーザ素子５１の特性温度Ｔ0［Ｋ］の絶対値（８０〜１００程度）は、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子（すなわち従来の半導体レーザ素子）の特性温度（５０〜７０Ｋ）に比して十分大きな値であり、温度特性上、特に問題にはならない。
【００７９】
以上、説明したように、この発明の実施の形態２では、上述した実施の形態１の場合とほぼ同様に、量子井戸層によって挟まれたバリア層と量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量を２６ｍｅＶ以上、３００ｍｅＶ未満に設定し、且つ最外のバリア層と量子井戸層との伝導帯側のバンド不連続量を３００ｍｅＶ以上に設定したので、上述した実施の形態１と同様の作用効果を享受できるとともに、活性層に注入されたキャリアを量子井戸層内に確実に閉じ込めることができる半導体レーザ素子を実現できる。
【００８０】
（実施の形態２の変形例）
つぎに、この発明の実施の形態２の変形例について説明する。上述した実施の形態２である半導体レーザ素子５１はＶＥＣＳＥＬであったが、これに限らず、この実施の形態２の変形例にかかる半導体レーザ素子は、端面発光型の半導体レーザ素子にしている。すなわち、この実施の形態２の変形例にかかる半導体レーザ素子は、上述した実施の形態１の変形例である半導体レーザ素子２１の最外のバリア層と量子井戸層とのバンド不連続量ΔＥC2を３００ｍｅＶ以上に設定した構成を有し、かかる最外のバリア層へのキャリアのあふれ出しを抑制している。
【００８１】
図１２は、この発明の実施の形態２の変形例である半導体レーザ素子の光出射方向に対して垂直方向の断面構造を模式的に例示する断面模式図である。図１２に示すように、この半導体レーザ素子６１は、上述した実施の形態１の変形例である半導体レーザ素子２１の活性層２６に代えて活性層６６が形成される。この活性層６６は、上述した半導体レーザ素子２１の活性層２６の最外のバリア層２６ａ，２６ｅに代えて最外のバリア層６６ａ，６６ｅを有する。その他の構成は実施の形態１の変形例と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００８２】
バリア層６６ａ，６６ｅは、活性層６６に注入されたキャリアを量子井戸層２６ｂ，２６ｄに閉じ込め、且つ量子井戸層２６ｂ，２６ｄからバリア層６６ａ，６６ｅ側へのキャリアのオーバーフローを抑制するよう機能する。具体的には、バリア層６６ａ，６６ｅは、活性層６６の層厚方向の両端に形成された最外のバリア層であり、光導波層２５，２７にそれぞれ隣接する。かかるバリア層６６ａ，６６ｅは、例えばＧａＮＡｓを層材料に含む化合物半導体の均一層によって実現される。なお、バリア層６６ａ，２６ｃ，６６ｅは、ＧａＮＡｓに限らず、ＧａＮＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、またはＧａＮＡｓＳｂ等を層材料に含む化合物半導体の均一層によって形成されてもよい。
【００８３】
図１３は、光導波層２５，２７および活性層６６の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。なお、図１３では、光導波層２５から光導波層２７に向かう層厚方向にＸ軸を取り（図１２参照）、この層厚方向の位置に対する伝導帯側のエネルギー準位ＥCのプロファイルを示す。
【００８４】
図１３に示すように、バリア層６６ａ，６６ｅは、伝導帯側のエネルギー準位ＥC［ｍｅＶ］が上述したＥ４値になるように、その歪み量、層厚、および層材料の組成が設定される。この場合、最外のバリア層６６ａ，６６ｅと量子井戸層２６ｂ，２６ｄとのバンド不連続量ΔＥC2は、３００ｍｅＶ以上に設定される。このようなバンド不連続量ΔＥC2の条件を満足するバリア層６６ａ，６６ｅは、上述した実施の形態２の場合とほぼ同様に、量子井戸層２６ｂ，２６ｄに対してキャリア閉じ込め機能を発揮させることができ、且つ量子井戸層２６ｂ，２６ｄからバリア層６６ａ，６６ｅ側へのキャリアのオーバーフローを抑制できる。
【００８５】
ここで、半導体レーザ素子６１の活性層６６近傍のエネルギー準位ＥCのプロファイル、すなわち図１３に例示した光導波層２５，２７および活性層６６のエネルギー準位ＥCのプロファイルは、図１０と図１３とを比較して判るように、上述した実施の形態２の半導体レーザ素子５１の活性層５６近傍のものとほぼ同様である。具体的には、この活性層６６近傍のエネルギー準位ＥCのプロファイルは、図１０のクラッド層５，７を光導波層２５，２７にそれぞれ置き換え、図１０のバリア層５６ａ，６ｃ，５６ｅをバリア層６６ａ，２６ｃ，６６ｅにそれぞれ置き換え、図１０の量子井戸層６ｂ，６ｄを量子井戸層２６ｂ，２６ｄにそれぞれ置き換えたものである。
【００８６】
したがって、このようなエネルギー準位ＥCのプロファイルを活性層６６近傍に有する半導体レーザ素子６１は、上述した実施の形態２の半導体レーザ素子５１と同様に、バンド不連続量ΔＥC1，ΔＥC2の条件を満足する量子井戸層２６ｂ，２６ｄとバリア層６６ａ，２６ｃ，６６ｅとによって形成される活性層６６と、バンド不連続量ΔＥC3の条件を満足する光導波層２５，２７とを有する。このため、活性層６６に注入されたキャリアを量子井戸層２６ｂ，２６ｄ内に確実に閉じ込めることができ、且つキャリア密度を量子井戸層２６ｂ，２６ｄ間で均一化できる。
【００８７】
なお、この実施の形態２の変形例である半導体レーザ素子６１の光導波層２５，２７とバリア層６６ａ，６６ｅとのバンド不連続量ΔＥC3は、活性層６６内にキャリアを注入できる程度の大きさであればよく、例えば２６ｍｅＶ以上であることが望ましい。この場合、バリア層６６ａ，６６ｅと量子井戸層２６ｂ，２６ｄとのバンド不連続量ΔＥC2およびバリア層６６ａ，６６ｅと光導波層２５，２７とのバンド不連続量ΔＥC3は、その和（ΔＥC2＋ΔＥC3）が８００ｍｅＶ未満であるという条件を満足することが望ましい。これによって、量子井戸層２６ｂ，２６ｄと光導波層２５，２７とのエネルギー準位ＥCの差を上述した実施の形態１の変形例の場合と略同値に設定することができる。
【００８８】
このような構成を採用した半導体レーザ素子６１は、上述した実施の形態２である半導体レーザ素子５１とほぼ同様に、活性層６６に注入されたキャリアの密度を量子井戸層２６ｂ，２６ｄ間で均一化でき、且つキャリアを量子井戸層２６ｂ，２６ｄ内に確実に閉じ込めることができ、これによって、１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流Ｉthを低減できる。
【００８９】
この半導体レーザ素子６１の特性を調べた結果、２０℃での１量子井戸層あたりの透明しきい値電流密度［ｋＡ／ｃｍ／ｗｅｌｌ］は、０．１１〜０．１３程度という低い値が得られた。このように、半導体レーザ素子６１は、透明しきい値電流密度を低減でき、従来の半導体レーザ素子に比して量子効率を高めることができた。
【００９０】
また、２５℃から８５℃のしきい値電流Ｉthの特性温度Ｔ0［Ｋ］は、８０〜１００程度という高い値が得られた。この半導体レーザ素子６１の特性温度Ｔ0［Ｋ］の絶対値（８０〜１００程度）は、ＩｎＰ基板上に形成されたＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子（すなわち従来の半導体レーザ素子）の特性温度（５０〜７０Ｋ）に比して十分大きな値であり、温度特性上、特に問題にはならない。
【００９１】
以上、説明したように、この発明の実施の形態２の変形例では、上述した実施の形態１の変形例とほぼ同様の層構造を有し、且つ活性層近傍の領域すなわち２つの光導波層によって活性層が挟まれた層領域での伝導帯側のエネルギー準位のプロファイルを上述した実施の形態２の活性層近傍のものとほぼ同様に設定したので、上述した実施の形態２の作用効果を享受した端面発光型の半導体レーザ素子を実現できる。
【００９２】
具体的には、このような伝導帯側のバンド不連続量の条件を満足する量子井戸層とバリア層とを交互に形成した活性層をかかる光導波層によって挟んだ層構造を採用することによって、例えば１３００ｎｍ帯の発振波長のレーザ光を出力でき、且つ１００℃以下の温度範囲、特に室温近傍の動作温度でのしきい値電流を低減できる端面発光型の半導体レーザ素子を実現できる。
【００９３】
なお、この発明の実施の形態１，２および各変形例では、活性層内に２層の量子井戸層が形成されていたが、この発明はこれに限定されるものではなく、活性層内に複数層の量子井戸層が形成されていればよく、例えば３層以上の量子井戸層が活性層内に形成されていてもよい。この場合、活性層内に量子井戸層とバリア層とが交互に形成される。
【００９４】
また、この発明の実施の形態１，２および各変形例では、層材料である化合物半導体の均一層によって量子井戸層が形成されていたが、この発明はこれに限定されるものではなく、活性層内の量子井戸層は、層材料に量子ドットを含み、かかる量子ドットを格子状に配列した層（量子ドット層）であってもよい。
【００９５】
さらに、この発明の実施の形態１，２および各変形例では、活性層でのキャリアの再結合によって発生するレーザ光の発振波長を１２００ｎｍ以上、１３５０ｎｍ以下に設定していたが、この発明はこれに限定されるものではなく、このレーザ光の発振波長は、例えば９００ｎｍ〜１６５０ｎｍの範囲内の波長帯域のものであってもよい。
【００９６】
また、この発明の実施の形態１，２の各変形例では、ＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有するリッジ導波路型の端面発光型半導体レーザ素子を例示したが、この発明はこれに限定されるものではなく、複数の量子井戸層のそれぞれとバリア層とを交互に形成した活性層を有する半導体レーザ素子であればよく、例えばＢＨ（Buried Heterostructure）型の半導体レーザ素子やＳＡＳ（Self Alignment Structure）型の半導体レーザ素子であってもよいし、完全分離閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructure）を有する半導体レーザ素子であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】この発明の実施の形態１である半導体レーザ素子の層構造を模式的に例示する断面模式図である。
【図２】実施の形態１である半導体レーザ素子の活性層近傍の層構造を模式的に例示する模式図である。
【図３】実施の形態１のクラッド層および活性層の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。
【図４】実施の形態１の活性層内に注入されたキャリアの密度を量子井戸層間で均一化する作用を説明する模式図である。
【図５】レーザ光を発振する環境の温度に対するしきい値電流の変化を例示する模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１の変形例である半導体レーザ素子の光出射方向に対して垂直方向の断面構造を模式的に例示する断面模式図である。
【図７】実施の形態１の変形例の光導波層および活性層の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。
【図８】この発明の実施の形態２である半導体レーザ素子の層構造を模式的に例示する断面模式図である。
【図９】実施の形態２である半導体レーザ素子の活性層近傍の層構造を模式的に例示する模式図である。
【図１０】実施の形態２のクラッド層および活性層の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。
【図１１】実施の形態２の活性層内に注入されたキャリアの密度を量子井戸層間で均一化する作用を説明する模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態２の変形例である半導体レーザ素子の光出射方向に対して垂直方向の断面構造を模式的に例示する断面模式図である。
【図１３】実施の形態２の光導波層および活性層の伝導帯側のエネルギー準位プロファイルを例示する模式図である。
【符号の説明】
【００９８】
１  半導体レーザ素子
２  ｎ−ＧａＡｓ基板
３  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
４  下部多層膜反射鏡
５，７  クラッド層
６  活性層
６ａ，６ｃ，６ｅ  バリア層
６ｂ，６ｄ  量子井戸層
８  電流注入経路
９  電流狭窄層
１０  上部多層膜反射鏡
１１  コンタクト層
１２  ｎ型電極
１３  ｐ型電極
１４  電極パッド
１５  シリコン窒化膜
１６  ポリイミド層
２１  半導体レーザ素子
２２  ｎ−ＧａＡｓ基板
２３  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
２４，２８  クラッド層
２５，２７  光導波層
２６  活性層
２６ａ，２６ｃ，２６ｅ  バリア層
２６ｂ，２６ｄ  量子井戸層
２９  コンタクト層
３０  シリコン窒化膜
３１  ｎ型電極
３２  ｐ型電極
５１  半導体レーザ素子
５６  活性層
５６ａ，５６ｅ  バリア層
６１  半導体レーザ素子
６６  活性層
６６ａ，６６ｅ  バリア層
【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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【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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