(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層の両面側の少なくとも一方に形成された光導波層、且つ活性層と光導波層を挟むように形成された両クラッド層、およびストライプ状の電流注入領域を画定する電流狭窄層を備えた半導体レーザ素子であって、膜厚が０．０５ｕｍ以下である前記電流狭窄層が、前記光導波層内もしくは光導波層とクラッド層の界面に形成され、またその導電型が活性層に対して電流狭窄層と同じ側にある前記光導波層やクラッド層の導電型とは異なり、かつ隣接する光導波層の禁制帯幅よりも０．２ｅＶ以上大きい禁制帯幅を有していることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
隣接する光導波層より大きなエネルギーギャップを有するキャリアブロック層が活性層とｎ型光導波層、ｐ型光導波層の両方または片側一方の間に設けられた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】
前記電流狭窄層がＡｌを含む化合物半導体混晶で構成されることを特徴とする請求項１及至請求項２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記電流狭窄層がＰを含む化合物半導体混晶で構成されることを特徴とする請求項１及至請求項２のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流狭窄層のドーピング量が５×１０１７（ｌ／ｃｍ３）以下であることを特徴とする請求項１及至請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高出力動作が可能な半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図1は、例えば特願平10−261943に示されるような完全分離閉じ込め構造による実屈折率導波型の半導体レーザ（以下、DCH-SAS型LDと称する）の構造を示している。DCH-SAS型LDの特徴は、活性層へのキャリアの閉じ込めと光の閉じ込めを分離して設計することができることである。これによって光閉じ込め係数Γを小さくでき、耐光学損傷レベル向上による高出力化が可能となる。図1のように従来の素子の構造は、ｎ型GaAs基板(1)上にｎ型AlGaAsクラッド層(2)、ｎ型AlGaAs光導波層(3)、ｎ型AlGaAsキャリアブロック層(4)、InGaAs / AlGaAs量子井戸活性層(5)、ｐ型AlGaAsキャリアブロック層(6)が順次結晶成長され、さらにその上に自己整合構造（以下、SAS構造と称する）となるようにｐ型AlGaAs光導波層(7)、及びストライプの外側にn型AlGaAs電流狭窄層(8)が結晶成長され、その後ｐ型AlGaAsクラッド層(9)、ｐ型GaAsコンタクト層(10)が順次結晶成長された構造となっている。従来の素子では、高電流領域において電流狭窄層での電流漏れが発生し、結果的に電圧降下が引き起こされ、光出力が低下するといった問題があった。さらにはSAS構造の電流狭窄層が厚いために、素子全体の平坦性が得られないといった問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般にSAS構造の半導体レーザは、光導波層に埋め込まれた電流狭窄層によってストライプ外部へのキャリアの注入を防ぐ。従来の電流狭窄層は、製造プロセスを容易にするAl低減化の観点から、光導波層の禁制帯幅と電流狭窄層の禁制帯幅の差（以下、ΔEgと称する）が小さいものが用いられてきた。このため高電流領域において、活性層から光導波層へのキャリアのオーバーフローにより光導波層と電流狭窄層との間でのバンドフラット化が進み電流狭窄層での電流漏れ出しが発生していた。その結果、電圧降下が引き起こされ光出力が低下するといった問題があった。
【０００４】
さらに従来の素子ではΔEgが0.1eV程度と小さいので、電流狭窄層での電流漏れを防ぐためや屈折率制御といった観点から厚い電流狭窄層を用いていた。そのため、素子全体の平坦性が得られないといった問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、電流狭窄層のバンドギャップを大きくすることで高電流領域での電流漏れ出しを防ぎ、さらには電流狭窄層の厚みを薄くすることで素子全体の平坦性を向上し、高出力化を可能とした半導体レーザ素子を提供することである。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両面側の少なくとも一方に形成された光導波層、且つ活性層と光導波層を挟むように形成された両クラッド層、およびストライプ状の電流注入領域を画定する電流狭窄層を備えた半導体レーザ素子であって、膜厚が０．０５ｕｍ以下である前記電流狭窄層が、前記光導波層内もしくは光導波層とクラッド層の界面に形成され、またその導電型が活性層に対して電流狭窄層と同じ側にある前記光導波層やクラッド層の導電型とは異なり、かつ隣接する光導波層の禁制帯幅よりも０．２ｅＶ以上大きい禁制帯幅を有していることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【０００７】
このように構成された半導体レーザ素子では、高電流領域において活性層から光導波層へのキャリアのオーバーフローが発生し光導波層と電流狭窄層との間でのバンドフラット化が進んでも、電流狭窄層とそれと隣接する光導波層の禁制帯幅の差ΔＥｇが十分大きいため、電流狭窄層での電流漏れ出しを防ぐことができる。その結果、電圧降下を抑制することができ、高電流駆動下での高出力化が可能となる。また、ΔＥｇが０．２ｅＶ以上となるように電流狭窄層を構成するので、屈折率制御のために電流狭窄層を厚く設計する必要がない。したがって電流狭窄層の膜厚を０．０５ｕｍ以下に薄くすることが可能となり、素子全体の平坦性を向上することができる。その結果、歪などによる半導体レーザ素子の信頼性低下を低減することが可能となる。
【０００８】
さらに本発明は、隣接する光導波層より大きなエネルギーギャップを有するキャリアブロック層が活性層とn型導波層、p型導波層の両方または片側一方の間に設けられたことを特徴とする。
【０００９】
本発明ではΔEgが0.2eV以上と十分大きいので、このようにキャリアブロック層を設けた半導体レーザ素子において光導波層と電流狭窄層との間でのバンドフラット化が発生したとしても、電流狭窄層での電流漏れ出しを防ぐことができる。また一方、キャリアブロック層を設けることで、光導波層へのキャリアのオーバーフローを抑制でき、光導波層と電流狭窄層との間でのバンドフラット化を起こりにくくすることができる。これらの結果、さらに電圧降下を抑制することができ、高出力化が可能となる。
【００１１】
また本発明は、電流狭窄層がAlを含む化合物半導体混晶で構成されることを特徴とする。
【００１２】
これによって、光導波層と電流狭窄層との界面やクラッド層と電流狭窄層との界面などにおいて格子整合を得ることができ、よりいっそう歪などによる半導体レーザ素子の信頼性低下を低減することが可能となる。
【００１３】
また本発明は、電流狭窄層がPを含む化合物半導体混晶で構成されることを特徴とする。
【００１４】
これによってΔEgが0.2eV以上となるような電流狭窄層を設けることが可能となる上に、Al酸化などによる半導体レーザ素子の酸化劣化を防ぐことが可能となる。
【００１５】
さらに本発明は、電流狭窄層のドーピング量が5×1017(1/cm3)以下であることを特徴とする。
【００１６】
本発明ではΔEgが0.2eV以上となるように電流狭窄層を構成するので、電流狭窄層への高濃度ドーピングによる電流漏れ抑制の必要性がなくなり、5×1017 (1/cm3)以下の低濃度ドーピングが可能となり、フリーキャリア吸収を小さく抑えることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、半導体レーザ素子に高電流を加えると、活性層から光導波層へのキャリアのオーバーフローにより光導波層と電流狭窄層との間でのバンドフラット化が進み電流狭窄層での電流漏れ出しが発生し、ある電流値で電圧降下を起こすことを見出した。またこの電圧降下現象が半導体レーザ素子の光出力を制限していることも見出した。したがって、本発明では電流狭窄層のバンドギャップを大きくすることで電流の漏れ出しを防ぎ、高出力化を可能とする半導体レーザ素子を提供する。
【００１８】
本実施形態の半導体レーザ素子は図３に示すようなSAS型LD構造を有する。その構成は、ｎ型GaAs基板(21)上にｎ型AlGaAsクラッド層(22)、 ｎ型AlGaAs光導波層(23)、InGaAs / AlGaAs量子井戸活性層(24)が順次結晶成長され、さらにその上にSAS構造となるようにｐ型AlGaAs光導波層(25)、及びストライプの外側にn型AlGaAs電流狭窄層(26)が結晶成長され、その後ｐ型AlGaAsクラッド層(27)、ｐ型GaAsコンタクト層(28)が順次結晶成長されたものとなっている。また本実施形態の半導体レーザ素子では、ΔEgが0.2eV以上となるように電流狭窄層を構成する。
【００１９】
【実施例】
本発明の一実施例として、Al0.3Ga0.7Asを電流狭窄層に用いたDCH-SAS型LDを図2に示す。ｎ型GaAs基板(11)上にｎ型Al0.09Ga0.91Asクラッド層(12)2.6μm、 ｎ型GaAs光導波層(13)0.48μm、 ｎ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(14)0.03μm、In0.18Ga0.82As/ GaAs量子井戸活性層(15)、 ｐ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(16)0.03μm、ｐ型GaAs光導波層(17)0.48μm、ｐ型Al0.09Ga0.91Asクラッド層(19)0.83μm、ｐ型GaAsコンタクト層(20)が形成されている。この組成で、ΔＥgは0.38eVである。また、ｐ型GaAs光導波層(17)内には、ｐ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(16)から0.25um以上離した位置にｎ型Al0.3Ga0.7As電流狭窄層(18)0.05μmがストライプの外側に形成されている。電流狭窄層のドーピング量は５×1017(1/cm3)である。
【００２０】
【比較例１】
ΔEgが0.07eVとなるような電流狭窄層を用いた構造について、図1を用いて説明する。ｎ型GaAs基板(1)上にｎ型Al0.09Ga0.91Asクラッド層(2)2.6μm、 ｎ型GaAs光導波層(3)0.48μm、ｎ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(4)0.03μm、In0.18Ga0.82As/ GaAs量子井戸活性層(5)、ｐ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(6)0.03μm、ｐ型GaAs光導波層(7)0.48μm、ｐ型Al0.09Ga0.91Asクラッド層(9)0.83μm、ｐ型GaAsコンタクト層(10)が形成されている。また、ｐ型GaAs光導波層(7)内には、ｐ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(6)から0.1um以上離した位置にｎ型Al0.06Ga0.94As電流狭窄層(8)0.18μmがストライプの外側に形成されている。電流狭窄層のドーピング量は1×1018(1/cm3)である。
【００２１】
【比較例２】
ΔEgが0.13eVとなるような電流狭窄層を用いた構造について、図1を用いて説明する。ｎ型GaAs基板(1)上にｎ型Al0.09Ga0.91Asクラッド層(2)2.6μm、ｎ型GaAs光導波層(3)0.48μm、ｎ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(4)0.03μm、In0.18Ga0.82As/ GaAs量子井戸活性層(5)、 ｐ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(6)0.03μm、ｐ型GaAs光導波層(7)0.48μm、ｐ型Al0.09Ga0.91Asクラッド層(9)0.83μm、ｐ型GaAsコンタクト層(10)が形成されている。また、ｐ型GaAs光導波層(7)内には、ｐ型Al0.40Ga0.60Asキャリアブロック層(6)から0.25um以上離した位置にｎ型Al0.11Ga0.94As電流狭窄層(8)0.15μmがストライプの外側に形成されている。電流狭窄層のドーピング量は1×1018(1/cm3)である。
【００２２】
これらの素子を用いていくつかの特性を測定した結果を図４から図６に示す。図４は注入電流と光出力の関係を示すもので、実施例では、ΔEgが0.38eVある電流狭窄層を用いることで、図4に示すようにΔEgが0.13eVの電流狭窄層を有する従来の半導体レーザ素子と比較して、3A以上の高電流領域まで電圧降下に対して耐えられ、合わせて最大光出力が従来の半導体レーザ素子の約1.5倍に向上していることがわかる。さらに電流狭窄層の膜厚を0.05umと薄くしたことで、0.1umより厚い膜厚の電流狭窄層を有する従来の半導体レーザ素子と比較して、より良い平坦性が得られることがわかる。
【００２３】
また図5にΔEgと、電圧降下時の電流値との相関を示し、図6にΔEgと最大光出力との相関を示す。図5、図6に示されるように、20℃で3A以上の高電流領域まで電圧降下に耐えられ、500mW以上の高出力を達成するにはΔEg≧0.2eVとする必要があることがわかる。
【００２４】
本実施例においては電流狭窄層にn型Al0.3Ga0.7Asを用いる例を示したが、Pを含む化合物半導体混晶で電流狭窄層を構成する場合には、n型In0.49Ga0.51Pを用いれば同様の結果が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体レーザ素子構造を用いれば、素子の平坦性を保ちながらまた低いドーピング量で高電流領域における電流狭窄層での電流漏れを防ぎ、しいては電圧降下現象を抑制することができ、レーザ素子の高出力化及び高電流駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の半導体レーザの断面構造を示す図。
【図２】実施例の半導体レーザの断面構造を示す図。
【図３】本発明の半導体レーザを説明するための断面構造の図。
【図４】注入電流と光出力の関係を示す図。
【図５】ΔＥgと電圧降下電流値との関係を示す図。
【図６】ΔＥgと最大光出力を示す図。
【符号の説明】
１，１１，２１：     ｎ型ＧａＡｓ基板
４，６，１４，１６：  キャリアブロック層
３、13、17：          光導波層
２、12、１９：        クラッド層
５、15：              量子井戸活性層
20：                  コンタクト層
８、18：              電流狭窄層
【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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