(57)【要約】【課題】井戸層中心近傍の原子結合力を抑制することにより、窓構造形成のための拡散が促進され、高出力化および波長安定性を両立する半導体レーザを提供する。【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎクラッド層１０２と量子井戸活性層１０３とｐクラッド層１０４を順次積層し、利得領域における量子井戸活性層１０３をガイド層２０１と井戸層２０２と障壁層２０３により構成し、井戸層２０２を第一層３０１と中心層（第二層）３０２と第三層３０３で構成し、前記中心層３０２は、井戸層２０２の中心の領域を含み、かつ前記第一層３０１および第三層３０３と組成が異なるものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、第一導電型のクラッド層と活性層と第二導電型のクラッド層とを有し、各層に垂直な共振器端面を有し、該共振器端面の少なくとも一方の端面付近における前記活性層のバンドギャップが該共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きい領域を有し、前記共振器内部の活性層は量子井戸層を含む層により構成されてなる半導体レーザであって、
前記量子井戸層は少なくとも第一層と第二層と第三層により構成され、前記第二層を中間層として該中間層は、前記量子井戸層の中心の領域を含み、かつ前記第一層および前記第三層とは組成が異なることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記中心層を構成する元素間の原子間結合力が、前記第一層および前記第三層を構成する元素間の原子間結合力よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記量子井戸層の少なくとも一部がＡｌおよびＧａを含む層からなり、前記中心層のＡｌ組成比が、前記第一層および前記第三層のＡｌ組成比よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記活性層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層がガイド層もしくはバリア層を含み、前記量子井戸活性層のエネルギが、前記バリア層もしくは前記ガイド層のバンドギャップエネルギよりも小さく、かつ前記第一層および前記第三層のバンドギャップエネルギよりも大きいことを特徴とする請求項１，２，３または４記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記ガイド層もしくは前記バリア層のバンドギャップエネルギと前記第一層もしくは前記第三層のバンドギャップエネルギとの差が、前記第一層もしくは前記第三層のバンドギャップエネルギと前記中心層のバンドギャップエネルギとの差よりも大きいことを特徴とする請求項１，２，３または５記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記第一層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、前記中心層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）からなり、前記第三層がＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０＜ｚ≦１）からなり、前記第一層と前記中心層の界面におけるＡｌの組成差ｘ−ｙおよび前記中心層と前記第三層の界面におけるＡｌの組成差ｚ−ｙが０．０３以上であることを特徴とする請求項１，２，３，５または６記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記共振器端面の少なくとも一方の端面付近における前記活性層のＺｎ濃度が、前記共振器内部の活性層に比して大きいことを特徴とする請求項１，４または５記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記活性層が、少なくとも２つ以上の活性層を有し、該活性層を有するそれぞれの二つの共振器が互いに平行に配置されており、かつ２つの該活性層より得られる発光波長がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１，４，５または８記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記第一層および前記中心層のＡｌ組成が前記第一層および前記中心層の界面においてステップ状に変化し、前記第中心層および前記第三層のＡｌ組成が前記中心層および前記第三層の界面においてステップ状に変化することを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置を構成する半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷの読み込みあるいは書き込みのためのピックアップ光源には波長７８０ｎｍ帯のＡｌＧａＡｓ系赤外レーザが用いられる。また近年、これらのレーザはＤＶＤ−ＲＡＭなどの読み込みあるいは書き込みピックアップ光源に用いられる波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザと同一基板上に集積される場合も多い。
【０００３】
ＡｌＧａＡｓ系赤外レーザに対しては高出力化の要望が高まっている。この要望理由としては、書き込み速度を早く行うために高い光出力が必要であること、レーザの集積化により光学系の配置上、赤外レーザの光利用効率が減じられる分を補償するためなどが挙げられる。
【０００４】
レーザの高出力化は、レーザ端面における結晶破壊による特性劣化で制限されている。その解決手段としてレーザ端面に窓構造を形成する方法が有効である。これは量子井戸構造を活性層としたダブルへテロ構造において、Ｚｎなどの不純物を拡散させてウェハを加熱すると量子井戸構造を形成する原子が固相拡散し、無秩序化する現象を利用した手法である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
赤外レーザの量子井戸構造では、井戸層と障壁層とのそれぞれにＡｌＧａＡｓが用いられる。所望の発振波長を得るためには井戸層と障壁層とのそれぞれにおけるＡｌのIII族原子に占める組成比（以下、Ａｌ組成という）、および膜厚を調整することにより、量子井戸活性層のエネルギを調整する。ここで量子井戸活性層のエネルギとは、井戸層と障壁層とガイド層によって構成される活性層構造により決定される実効的なエネルギを指す。Ａｌ組成が大きいほどバンドギャップエネルギが大きくなるので、井戸層のＡｌ組成は障壁層より小さくしている。すなわち、井戸層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、障壁層がＡｌｔＧａ１−ｔＡｓからなるとしたとき、ｘ＜ｔである。
【０００６】
ｔを一定としたとき、ｘが小さいほど井戸層と障壁層のバンドギャップ差が大きくなる。そのため、膜厚の変動に対する量子井戸活性層のエネルギの変動は、ｘが小さいほど敏感に反映されるようになる。結晶成長における膜厚の意図しないバラツキ（ウェハ内での膜厚分布発生や、ウェハ間の装置起因による膜厚変動など）による量子井戸活性層のエネルギの変動が発振波長の変動に反映され、歩留に影響を与える場合がある。これを抑えるためには、ｘをなるべく大きくして、膜厚変動による量子井戸活性層のエネルギの変動の影響を小さくすることが有効である。
【非特許文献１】ＪＪＡＰ（応用物理学会）論文誌．Vol.36(1997) pp.2666-2670 Part1, No.5A, May 1997
【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、レーザ端面の窓構造は、不純物を拡散させて量子井戸活性層の構成元素を相互拡散させて無秩序化させることにより、端面近傍の所望の領域（以下、窓領域という）のバンドギャップエネルギを、電子を注入して発光再結合させる領域（以下、利得領域という）よりも大きくすることにより形成される。
【０００８】
窓構造の効果の大きさを表す、窓領域と利得領域とのバンドギャップエネルギの差（ΔＥｇ）は、拡散を促すためにウェハを加熱する時間に依存する。
【０００９】
図８はΔＥｇの加熱時間依存性を示す図である。井戸層がＧａＡｓの場合、発明者らが行った実験の範囲内では加熱時間に応じてΔＥｇが単調増加する。これは加熱時間を長くするほど熱拡散により無秩序化が促進されていることを表している。
【００１０】
一方、Ａｌ組成０．１のＡｌＧａＡｓ井戸層の場合、加熱時間４０分〜６０分の範囲では加熱時間に従ってΔＥｇが増加するが、６０分に近づくにつれて飽和し、６０分を超えると逆にΔＥｇは減少している。また、各時間においてＧａＡｓ井戸層よりもΔＥｇが小さい。
【００１１】
この原因は次のように推測される。無秩序化は不純物を触媒として熱拡散により促進される。しかし井戸層にＡｌ原子が多く含まれるほど、井戸層内での原子間結合力が強くなり、固相拡散が起こりにくくなるため、図８に示すように、ＡｌＧａＡｓ井戸層はＧａＡｓ井戸層に比べ同条件下でのΔＥｇが小さいものと考えられる。
【００１２】
さらに加熱時間を増加させてΔＥｇが減少する現象については、無秩序化によるバンドギャップエネルギ拡大の効果よりも、加熱工程によりバンドギャップエネルギを縮小させる効果（ＡｌＧａＩｎＰクラッド層からのＩｎの拡散など）の影響が上回ってしまうためと推測されている。
【００１３】
このように井戸層のＡｌ組成を大きくすると、波長の安定に寄与する一方で、窓構造の形成が困難となり、例えば、出力３００ｍＷまで端面破壊もしくは劣化を起こすことなく発振動作するために必要なΔＥｇ＝１２５ｍｅＶに到達することができず、波長安定性確保による歩留改善と、高出力化との両立が困難となっている。
【００１４】
本発明は、従来技術の課題を解消し、井戸層中心近傍の原子結合力を抑制することにより、窓構造形成のための拡散が促進され、高出力化および波長安定性を両立する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】
【００１５】
本発明の請求項１に係る発明は、基板上に、第一導電型のクラッド層と活性層と第二導電型のクラッド層とを有し、各層に垂直な共振器端面を有し、該共振器端面の少なくとも一方の端面付近における前記活性層のバンドギャップが該共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きい領域を有し、前記共振器内部の活性層は量子井戸層を含む層により構成されてなる半導体レーザであって、前記量子井戸層は少なくとも第一層と第二層と第三層により構成され、前記第二層を中間層として該中間層は、前記量子井戸層の中心の領域を含み、かつ前記第一層および前記第三層とは組成が異なることを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体レーザにおいて、中心層を構成する元素間の原子間結合力が、第一層および第三層を構成する元素間の原子間結合力よりも小さいことを特徴とする。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の半導体レーザにおいて、量子井戸層の少なくとも一部がＡｌおよびＧａを含む層からなり、中心層のＡｌ組成比が、第一層および第三層のＡｌ組成比よりも小さいことを特徴とする。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項１記載の半導体レーザにおいて、活性層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項５に係る発明は、請求項１，２，３または４記載の半導体レーザにおいて、活性層がガイド層もしくはバリア層を含み、量子井戸活性層のエネルギが、バリア層もしくはガイド層のバンドギャップエネルギよりも小さく、かつ第一層および第三層のバンドギャップエネルギよりも大きいことを特徴とする。
【００２０】
請求項６に係る発明は、請求項１，２，３または５記載の半導体レーザにおいて、ガイド層もしくはバリア層のバンドギャップエネルギと第一層もしくは第三層のバンドギャップエネルギとの差が、第一層もしくは第三層のバンドギャップエネルギと中心層のバンドギャップエネルギとの差よりも大きいことを特徴とする。
【００２１】
請求項７に係る発明は、請求項１，２，３，５または６記載の半導体レーザにおいて、第一層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、中心層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）からなり、第三層がＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０＜ｚ≦１）からなり、第一層と中心層の界面におけるＡｌの組成差ｘ−ｙおよび中心層と第三層の界面におけるＡｌの組成差ｚ−ｙが、０．０３以上であることを特徴とする。
【００２２】
請求項８に係る発明は、請求項１，４または５記載の半導体レーザにおいて、共振器端面の少なくとも一方の端面付近における活性層のＺｎ濃度が、共振器内部の活性層に比して大きいことを特徴とする。
【００２３】
請求項９に係る発明は、請求項１，４，５または８記載の半導体レーザにおいて、活性層が、少なくとも２つ以上の活性層を有し、該活性層を有するそれぞれの二つの共振器が互いに平行に配置されており、かつ２つの該活性層より得られる発光波長がそれぞれ異なることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に係る発明は、請求項７記載の半導体レーザにおいて、第一層および中心層のＡｌ組成が第一層および中心層の界面においてステップ状に変化し、第中心層および第三層のＡｌ組成が中心層および第三層の界面においてステップ状に変化することを特徴とする。
【００２５】
前記構成により、波長の安定に寄与するＡｌＧａＡｓ層を量子井戸とし、かつ窓構造形成による高出力化を達成することが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、半導体レーザにおける高出力化および波長安定性の両立が容易に実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２８】
図１（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態の半導体レーザ装置について模式的断面を示す構成図である。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎクラッド層１０２、量子井戸活性層１０３、ｐクラッド層１０４が順次積層されている。利得領域における量子井戸活性層１０３は、図１（ｂ）に示すように、ガイド層２０１、井戸層２０２、障壁層２０３により構成される。井戸層２０２は、図１（ｃ）に示すように、第一層３０１、中心層（第二層）３０２、第三層３０３で構成されている。
【００３０】
窓領域における量子井戸活性層は、窓構造が形成されているため無秩序化されており、利得領域における量子井戸活性層のエネルギよりも１３０ｍｅＶ大きいバンドギャップを有している。また、ｐクラッド層１０４は、基板に平行な方向の導波のためにリッジ構造が形成されている。
【００３１】
図２に本実施形態における前記各層の組成、膜厚、キャリア濃度などについて表にして示す。
【００３２】
図３（ａ）〜（ｅ）は本実施形態の半導体レーザにおける製造工程を模式的断面として示す説明図である。
【００３３】
図３（ａ）において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎクラッド層１０２、量子井戸活性層１０３、ｐクラッド層１０４を順次積層する。ここで量子井戸活性層１０３を含む各層は図１，図２に示す構造で積層する。
【００３４】
図３（ｂ）において、ＳｉＯ２膜４０１を上部に堆積し、該ＳｉＯ２膜４０１における窓領域を形成する領域を除去する。続いて不純物拡散に用いるＺｎの供給源となるＺｎＯ膜４０２を堆積する。
【００３５】
図３（ｃ）において、加熱することによりＺｎを拡散させ、量子井戸活性層が無秩序化された窓構造４０３を形成する。図４に加熱時間とΔＥｇの関係を示す。従来のＡｌＧａＡｓ井戸層では、加熱時間４０分〜６０分の範囲では加熱時間に従ってΔＥｇが増加するが、６０分に近づくほど飽和し、６０分を超えると逆にΔＥｇは減少し、所望の高出力化に必要なΔＥｇ≧１２５ｍｅＶを満たすことができない。しかし、本実施形態において井戸層では加熱時間に対して単調増加傾向を示し、ΔＥｇ≧１２５ｍｅＶを超えることが可能となる。本実施形態においては加熱を水素雰囲気で６０分行う。このときのΔＥｇは１３０ｍｅＶとなる。
【００３６】
図３（ｄ）において、ＺｎＯ膜４０２およびＳｉＯ２膜４０１を除去する。さらにｐクラッド層の一部を除去してリッジ構造を形成し、リッジ外部にＳｉＮ膜１０５を堆積し、ｐ側電極１０６、ｎ側電極１０７を形成する。
【００３７】
図３（ｅ）において、端面近傍に窓構造４０３が設けられるように、両端面の劈開を行い、素子を完成させる。
【００３８】
本実施形態におけるＡｌＧａＡｓ井戸層が、従来のＡｌＧａＡｓ井戸層より無秩序化が促進される理由は以下のように考えられる。
【００３９】
ＡｌＧａＡｓ井戸層は、Ａｌ原子が添加されていることにより、原子間の結合力がＡｌ原子を含まない場合より大きくなるため、ＡｌとＧａの相互拡散が起きにくくなる。特に、ＡｌとＧａの相互拡散は等方的なものと考えられるので、井戸層中心が最も無秩序化しにくいと考えられる。そこで本実施形態のように、井戸層中心近傍のＡｌ組成を減らすことによって、相互拡散が起きやすくなる。その結果、図４に示すように、無秩序化がより促進されると考えられる。
【００４０】
なお、本実施形態で示す井戸層構造以外でも同様の効果を得ることは可能であるが、次の点を満たす必要がある。
【００４１】
量子井戸活性層のエネルギが、バリア層もしくはガイド層のバンドギャップエネルギよりも小さく、かつ第一層および第三層のバンドギャップエネルギより大きい必要がある。これは井戸層内に中心層を設けることによって、中心層が無いときに比べて量子井戸活性層のエネルギが大きく変わらないことを要求している。もし中心層を入れることにより量子井戸活性層のエネルギが第一層および第三層より小さくなるほど変化すれば、所望の発振波長を得るためには、それに応じて井戸層全体の膜厚を薄くする必要があるため、本来のＡｌＧａＡｓ井戸層における膜厚変動に対し、波長変動の影響を減じる効果が小さくなってしまうためである。
【００４２】
また発明者らは、本発明の効果が得られる量子井戸構造の範囲についての検証実験を行った。図５に各種の井戸層構造に対する検討結果を示す。
【００４３】
検討（１）は、第一層，第三層のＡｌ組成が０．１、中心層のＡｌ組成が０．０７、すなわち第一層および第三層より中心層の組成が０．０３小さい構造である。本実施形態における中心層の組成が０．１小さい場合と比べると、同条件下でのΔＥｇが小さくなっているが、加熱時間に対する単調増加傾向を示し、本発明の効果が得られていることが確認できた。
【００４４】
検討（２）は、第一層，第三層のＡｌ組成が０．１、中心層のＡｌ組成が０．０９、すなわち第一層および第三層より中心層の組成が０．０１小さい構造である。この程度までＡｌ組成差が小さくなると、原子間結合力を弱くして拡散を促進させる効果が小さいため、従来のＡｌＧａＡｓ量子井戸とほぼ変わらないΔＥｇとなることがわかった。
【００４５】
検討（３）は、第一層、第三層のＡｌ組成を連続的に変化させて、それぞれの中心層との界面における組成差を０とした構造である。この場合も、ほとんど従来のＡｌＧａＡｓ量子井戸と変わらないΔＥｇとなる。
【００４６】
この現象については以下のように考察される。図６はウェハ表面から基板に向かっての方向を正とした位置ｓ軸に対する井戸層付近の組成ｘ、および窓構造形成のための加熱工程において、ｔ１を井戸層手前にＺｎが到達した時間とし、以後、時間経過にしたがってｔ２〜ｔ５までの各時間でのＺｎドーズ量ｐを模式的に示す。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、本実施形態の構造は第一層と中心層および中心層と第三層の界面でＡｌ組成がステップ状に変化している（Ａｌ組成の変化割合が不連続に変化している）。界面前後でのＺｎ拡散定数の急峻な違いの影響により、Ｚｎの界面近傍でのパイルアップが発生する。このためＺｎ拡散は一次的に停滞するが、界面近傍での濃度ピークがある量に達すると急激に拡散が進む。
【００４８】
一方、図６（ｂ）に示すように、検討（３）の構造では、界面近傍を含め井戸層内で組成はゆるやかに変化しているため、拡散が時間に対してほぼ線形に進む。結果的に本実施形態の材料の場合では、前者の方が同じ加熱工程に対してより拡散が進むため、結果的に無秩序化が促進されるものと考えられる。
【００４９】
検討（４）は、検討（３）の中心層膜厚を０とし、第一層と第三層を連続してつないだ構造であるが、これもほとんど従来のＡｌＧａＡｓ量子井戸と変わらないΔＥｇとなる。これは検討（３）と同じ理由によるものと考えられる。
【００５０】
以上より、本発明者らは、第一層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、中心層がＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜１）からなり、第三層がＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０＜ｚ≦１）からなるとしたとき、第一層と中心層の界面における組成差ｘ−ｙおよび中心層と第三層の界面における組成差ｚ−ｙが０．０３以上である必要があるという知見を得た。さらに井戸層を三層構造とすることは、井戸層中心近傍の原子結合力を抑制する効果の他に、ヘテロ界面を適切に具備することによって拡散を促進することが可能となることを見出した。
【００５１】
図７に示す表は本実施形態におけるレーザの端面光学破壊（ＣＯＤ）レベルおよびウェハ内発振波長の分散を示す。従来のＡｌＧａＡｓ井戸層は窓構造形成が不十分であったため、所望の光出力レベル３００ｍＷより小さい２５０ｍＷでＣＯＤが発生しているが、本実施形態においては、ＧａＡｓ井戸層と遜色のないＣＯＤレベルを達成している。一方、ウェハ内発振波長分布は、膜厚分布に起因する波長分布がＧａＡｓ井戸層より小さく、従来のＡｌＧａＡｓと同等の分散値を達成している。以上より、ＡｌＧａＡｓ量子井戸の波長安定性効果を享受しつつ高出力化が可能となる技術が、本発明により提供されていることを示している。
【００５２】
なお、本発明は赤色レーザをモノリシックに集積した二波長レーザに実施しても有用である。
【００５３】
また、本実施形態では、ＡｌＧａＡｓを井戸層として用いるケースについて示したが、中心層を構成する元素間の原子間結合力が、第一層および第三層を構成する元素間の原子間結合力より小さい材料で構成される量井戸活性層について、同様の効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、ＤＶＤ−ＲＡＭ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ，ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ＋ＲＷ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ，ＤＶＤ−ＲＯＭ，ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ，ＣＤ−ＤＡなどの光ディスク装置、あるいは光情報処理，光通信，光計測などに使用する半導体レーザ装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施形態の半導体レーザ装置について模式的断面を示す構成図
【図２】本実施形態における各層の組成、膜厚、キャリア濃度などについて示す図
【図３】本実施形態の半導体レーザにおける製造工程を模式的断面として示す説明図
【図４】本実施形態と従来例のＡｌＧａＡｓ井戸層を具備した量子井戸活性層におけるΔＥｇの加熱時間依存性についての説明図
【図５】本実施形態と比較検討例の各種の井戸層構造におけるΔＥｇの加熱時間依存性についての説明図
【図６】本実施形態と検討実験の拡散の違いに関する説明図
【図７】本実施形態におけるレーザの端面光学破壊（ＣＯＤ）レベルおよびウェハ内発振波長の分散について示す図
【図８】ＧａＡｓ井戸層および従来のＡｌＧａＡｓ井戸層を具備した量子井戸活性層におけるΔＥｇの加熱時間依存性についての説明図
【符号の説明】
【００５６】
１０１  ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２  ｎクラッド層
１０３  量子井戸活性層
１０４  ｐクラッド層
１０５  ＳｉＮ膜
１０６  ｐ側電極
１０７  ｎ側電極
２０１  ガイド層
２０２  井戸層
２０３  障壁層
３０１  第一層
３０２  中心層（第二層）
３０３  第三層
４０１  ＳｉＯ２膜
４０２  ＺｎＯ膜
４０３  窓構造形成領域
【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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