(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
上記活性層が、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy井戸層（０．００３≦ｙ≦０．００８）を有する単一又は多重量子井戸構造として形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
発光波長が１．１８μｍ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３】
ＧａＡｓ基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
上記活性層が、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０２５）を有する単一又は多重量子井戸構造として形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
障壁層が、ＧａＮyＡｓ1-y（０＜ｙ＜０．０５）層として形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
ＧａＡｓ基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
上記活性層が、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、０＜ｙ１＜０．０３）を有する単一又は多重量子井戸構造として形成され、
障壁層が、ＧａＮyＡｓ1-y（０＜ｙ＜０．０５）層として形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項６】
発光波長が１．２４μｍ以上であることを特徴とする請求項３から５のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy井戸層（但し、０．００３≦ｙ≦０．００８）を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
各化合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項８】
III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０２５）を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
各化合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項９】
III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）及びＧａＡｓ障壁層を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のとき、積層構造に５７５℃以上６２５℃以下の範囲の温度で熱処理を施し、０．００７≦ｙ１＜０．０３のとき、積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の範囲の温度で熱処理を施すことを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項１０】
III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）及びＧａＮyＡｓ1-y（０＜ｙ＜０．０５）障壁層を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の範囲の温度で熱処理を施すことを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、低しきい値で、温度特性に優れた、主として発光波長０．９μｍから１．６５μｍの半導体レーザ素子、特に、波長１．２μｍから１．３μｍ帯の長波長帯の半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光波長１．２から１．３μｍ帯の半導体レーザ素子が、光通信加入者用のデバイスの光源として注目されている。
従来、発光波長１．３μｍ帯の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開発されているものの、この材料系は、しきい値の特性温度が５０Ｋ〜７０Ｋと低く、温度特性が悪いことが問題になっている。
半導体レーザをデバイスの光源として各家庭に配置するためには、レーザ送信モジュールの低価格化が必要であって、冷却素子を必要としない、温度特性に優れた長波長帯半導体レーザが強く求められている。
【０００３】
そこで、温度特性に優れた長波長帯半導体レーザの開発が鋭意進められていて、その一つとして、活性層として波長１．２５μｍから１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓを用いた共振器構造をＧａＡｓ基板上に形成することにより、特性温度を１８０Ｋ程度まで上げることができると報告されている〔１〕。そして、実験的にも、１３０Ｋ〜２７０Ｋ程度の高温度特性が確認されている。
〔１〕M.Kondow et al.,Jpn.J.Appl.Phys.,vol.35(1996)pp.1273-1275
【０００４】
また、発光波長１．２μｍ帯の高歪ＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子により、１４０Ｋ〜１７０Ｋ程度の高特性温度を実現したと報告されている〔２〕。尚、波長１．２μｍ帯半導体レーザは、市販のＳＭ光ファイバーのシングルモードに対するカットオフ波長が１．２μｍであることから、ＬＡＮ用光源としても注目されている。
〔２〕F.Koyama et al.,IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.12(2000)pp.125-127
【０００５】
ここで、図３を参照して、発光波長１．２μｍ帯の従来の高歪ＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子の構成を説明する。図３は発光波長１．２μｍ帯の従来の高歪ＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子のエピタキシャル構造の断面図である。
発光波長１．２μｍ帯の従来の高歪ＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子４０は、例えば、図３に示すように、ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板４２上に、順次、成膜された、膜厚０．２μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層４４、膜厚１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド層４６、膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層４８、ＧａＩｎＡｓ活性層５０、膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層５２、膜厚１．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰクラッド層５４、及び膜厚０．３５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層５６の積層構造を備えている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の波長１．２μｍ帯の高歪ＧａｌｎＡｓ半導体レーザ素子では、圧縮歪量２．８％程度という高歪系半導体層を活性層として用いる必要があり、３次元成長が始まる臨界膜厚が４ｎｍ程度と薄く、実用的なプロセス条件では、波長１．１２μｍ程度以上に長波長化することは難しい。特に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）成長では、マイグレーション長が大きいので難しい。ここで、「高歪」とは、歪み量が１．５％以上の場合を指す。
【０００７】
また、ＧａｌｎＮＡｓ半導体レーザ素子では、波長１．３μｍ帯で低しきい値化を実現するには、高歪ＧａｌｎＡｓ（Ｉｎ組成４０％程度）にＮをＶ族比で０．６％程度添加し、全体の歪量としては、２．７％程度の歪量が必要である。
大きな歪量の問題に加えて、ＧａｌｎＮＡｓ系は、原子半径の小さいＮを構成元素として含むために、他のＶ族元素とうまく混合しないという問題があって、成長温度を低くして非平衡状態に近い状態で成長しないと、３次元成長してしまうという問題がある。低温成長させると、結晶欠陥が多数発生し、光学的品質の悪い結晶になってしまう。
【０００８】
このような実情に鑑み、本発明の目的は、高歪ＧａｌｎＡｓ系、及びＧａｌｎＡｓＮ系の化合物半導体層の光学的及び結晶学的品質を向上させ、低しきい値で、且つ、特性温度の高い長波長帯半導体レーザを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ところで、高歪な材料層をエピタキシャル成長させるには、成長温度を低くする、Ｖ／ＩＩＩ比を高くする、成長速度を高くする、サーフアクタントを用いる等の方法がある。
サーフアクタント〔３〕とは、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｓｎ等の、表面に偏析し易い元素を用いて、表面エネルギーを下げ、表面拡散距離を小さくして３次元成長を抑制しようという方法である。成長方式はＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ法で行われる。
〔３〕 M.Copel et al.,Phys.Rev.Lett.vol.63(1989)pp.632-635
サーフアクタントを用いる通常の成長方式では、高歪層を成長させる前に成長中断を行い、サーフアクタントを１ＭＬ程度下地層上に積層する。続いて、高歪層を成長させる。高歪層の成長の際にはサーフアクタントを添加せず、高歪層のみの材料で成長させる。つまり、高歪層の成長の際、サーフアクタントは、最表面に偏析して、高歪層のエピタキシャル成長層には取り込まれない。
【００１０】
本発明者は、高歪層の成長前にサーフアクタントを下地層上に積層するのではなく、高歪層を成長する際に、ＩＩＩ族と共に、Ｖ族比０．２％〜２．５％程度の微小量のＳｂを添加すること、つまり、１．２μｍ帯のＧａｌｎＡｓ系半導体レーザ素子ではＧａｌｎＡｓＳｂ層を、１．３μｍ帯のＧａｌｎＮＡｓ系半導体レーザ素子ではＧａｌｎＮＡｓＳｂ層を成長させることを考え、以下に述べる実験により、この有効性を実証して、本発明を発明するに到った。
【００１１】
実験例１
先ず、実験例１として、発光波長１．２μｍ帯の半導体レーザ素子を作製するに当たり、高歪ＧａＩｎ0.39Ａｓ／ＧａＡｓ単一量子井戸（ＳＱＷ）活性層を形成するために、ＧａＩｎ0.39ＡｓにＳｂを添加する実験を行った。
本実験では、図４に示すように、ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板６２上に、ＭＢＥ法によって、順次、膜厚０．２μｍのｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝２×１０17ｃｍ-3）バッファ層６４、膜厚０．２５μｍのｎ−Ｉｎ0.484 Ｇａ0.516 Ｐ（ｎ＝３×１０17ｃｍ-3）クラッド層６６、膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層６８、ＧａＩｎ0.39ＡｓＳｂ／ＧａＡｓ単一量子井戸活性層７０、膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層７２、及び膜厚０．２５μｍのｐ−Ｉｎ0.484 Ｇａ0.516 Ｐ（ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）クラッド層７４を成膜し、テスト積層構造体６０を形成した。尚、ＭＢＥ法に代えて、ＭＯＣＶＤ法でも良い。
【００１２】
ＧａＩｎ0.39Ａｓ単一量子井戸層は、圧縮歪２．８％という非常に高歪の材料である。ここでは、長波長化を考慮して、量子井戸層の設計膜厚を７．３ｎｍとした。尚、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系について、J.W.Matthews及びA.E.Blakesleeの臨界膜厚とＩｎ組成との関係を計算したところ、臨界膜厚は４ｎｍであった。
本実験では、以下の条件でＧａＩｎ0.39Ａｓ単一量子井戸活性層にのみＳｂを添加してＧａＩｎＡｓＳｂ単一量子井戸層を形成した。そして、Ｓｂのフラックス（Torr）を種々変えて、Ｓｂのフラックス量のフォトルミネッセンス（ＰＬ）依存性を調べ、図５に示す結果を得た。尚、フラックス（Torr）は、基板に入射する分子線強度を基板位置での分圧で表示したものである。以下も、同様である。
ＧａＩｎＡｓＳｂ層の成長条件は、
成膜チャンバ内の圧力                ：９．０×１０-5Torr
成長温度                            ：４４０℃
クラッキング後のＡｓＨ3 のフラックス：８．５×１０-5Torr
ＧａＩｎＡｓＳｂ井戸層の成長速度    ：２．１μｍ／ｈｒ
ここで、ＡｓＨ3 及びＰＨ3 は、基板に到達する前に１０００℃で熱分解（クラッキング）して供給している。
【００１３】
図５は、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度及びＰＬ波長のＳｂフラックス量依存性を示している。図５から、Ｓｂは高歪ＧａＩｎＡｓ層の成長に有効であり、最も高いＰＬ強度を得るためには、２×１０-7Torr以上５×１０-7Torr以下程度のフラックスでＳｂを添加することが必要であると判った。
【００１４】
実験例２
実験例２として、ＳｂのＧａＩｎＡｓ井戸層への取り込み量を調べるために、Ｓｂのフラックスを種々に変えてＧａＡｓＳｂ層をエピタキシャル成長させ、ＧａＡｓＳｂ膜中のＳｂの含有率（％）を調べ、図６にその結果を示した。実験例２での成長速度、ＡｓＨ3 のフラックス、及び成長温度は、実験例１のＧａＩｎＡｓＳｂ井戸層のエピタキシャル成長条件とほぼ同一に設定した。
Ｓｂは、図６に示すように、５×１０-6Torrのフラックスまで線形関係でＧａＡｓ膜に取り込まれた。このＳｂ組成が、ＩｎＧａＡｓＳｂ中のＳｂ組成と同一であると仮定して、ＧａＩｎＡｓＳｂの量子準位を計算した結果を図５中に示す。この際、ΔＥｃ＝０．７ΔＥｇとして計算した。Ｓｂのフラックス量が２×１０-6Torrまでは、計算と比較的良い一致を示した。
ＰＬ強度が最も強くなる２×１０-7Torr（実験例１参照）では、ＧａＩｎＡｓＳｂ膜の組成はＧａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ0.9968Ｓｂ0.0032であって、微量のＳｂが膜に取り込まれることになる。従って、Ｓｂは、サーフアクタントして働くのではなく、ＧａＩｎＡｓ膜中に取り込まれ、サーフアクタントライク（ｌｉｋｅ）に振る舞うと言える。ＰＬ強度が強い領域は、３次元成長が抑制され、２次元成長が助長されていると推測される。つまり、Ｓｂは、表面エネルギーを下げ、拡散長の拡張を抑制し、３次元成長を抑制する効果があると考えられる。
図６から、Ｓｂのフラックスが２×１０-7Torrの時に、Ｓｂ組成はＶ族組成比で０．３２％であるので、高いＰＬ強度を得るためには、図５からＳｂフラックスが２×１０-7Ｔorr から５×１０-7Ｔorr 、すなわち、０．３％以上０．８％以下の範囲のＳｂの添加量が最適な量であると言える。
【００１５】
実験例３
実験例３として、以下の成長条件で、Ｓｂのフラックス（Torr）を種々変えて、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層の成長実験を行い、図７に示す結果を得た。テスト構造は、単一量子井戸層をＧａＩｎ0.39ＡｓＮ0.0044Ｓｂで構成することを除いて、実験例１の積層構造と同じである。
ＧａＩｎＡｓＮＳｂ層の成長条件は、
成膜チャンバ内の圧力                ：９．５×１０-5Torr
成長温度                            ：４６０℃
クラッキング後のＡｓＨ3 のフラックス：８．５×１０-5Torr
ＧａＩｎＡｓＮＳｂ井戸層の成長速度  ：２．１μｍ／ｈ
【００１６】
井戸層は、Ｓｂが含まれていないとき、圧縮歪が２．７％（ＧａＩｎ0.39ＡｓＮ0.0044）であり、設計膜厚は７．３ｎｍとした。また、ＲＦにより励起した窒素ラジカルを窒素原料とした。更に、結晶性を回復させるために、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層の成長後に、窒素雰囲気中で半絶縁性ＧａＡｓウエハをＰ抜け防止キャップとしてエピタキシャル成長層側に面接触（Face to Face）させて載せ、６５０℃で１０分間アニールしている。
【００１７】
図７はＰＬ強度及びＰＬ波長のＳｂフラックス量依存性を示す。図７から、５×１０-7Torr以上１×１０-6Torr以下程度のＳｂのフラックスが、高いＰＬ強度を得る上で最適量であることがわかる。
実験例２で述べた様に、同条件のＧａＡｓＳｂ層の成長から、Ｓｂのフラックスが１×１０-6Torrの時に、Ｓｂ組成はＶ族比１．６％であり、Ｎ添加によるａｓ−ｇｒｏｗｎエピタキシャル成長層の波長シフトから、Ｎ組成はＶ族比０．４４％と求まる。
実験例２と実験例３の結果から、組成に換算して、０．８％〜１．６％のＳｂを添加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ層の光学特性が向上する。
【００１８】
ＧａＩｎＮＡｓＳｂ・ＳＱＷレーザの特性を更に調べるために、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）でＳｂの量を変化させたサンプルを観察した。図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、２×１０-7Torr及び１×１０-6TorrのＳｂフラックス量で成長させたＧａＩｎＮＡｓＳｂのＴＥＭ像写真の写しである。
２×１０-7TorrのＳｂフラックスで成長したＳＱＷ層は、図８（ａ）に示すように、３次元成長し、１×１０-6TorrのＳｂフラックス量で成長したＳＱＷは、図８（ｂ）に示すように、綺麗に２次元成長している。
図８（ａ）と（ｂ）との比較から、Ｓｂは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系において、サーフアクタントに類似した効果を有し、２次元成長から３次元成長へ変化する臨界膜厚を大きくできることが判る。
【００１９】
また、発光波長を１．３μｍに長波長化するためには、更にＮを若干増加する必要があるが、その場合、Ｓｂ量を多少増加する必要が有る。組成によって最適なＳｂ量は異なるが、Ｎ組成が多いほど最適Ｓｂ量は多くなる。
実験例３では、Ｎ組成は０．４４％で熱処理後のＰＬ波長は、Ｓｂ＝１×１０-6Torrで１．２４μｍであったが、今後の１．３μｍ帯へのＷＤＭの展開を考えると、波長は１．３５μｍ程度まで長波長化する必要がある。その際には、Ｉｎ組成にもよるが、Ｎ組成を１．５％程度まで増加する必要がある。
【００２０】
必要なＳｂの上限としては、
１．６％（実験例３のＳｂ量の最適値の最大値）
×１．５％（波長１．３５μｍまでに必要なＮ量）／０．４４％（実験例３のＮ量）
≒６％
である。
【００２１】
Ｓｂの下限としては、Ｉｎ組成を増加して長波長化を狙う場合に、Ｎ組成は０．１％程度で良いので、
０．８％（実験例３のＳｂ量の最適値の最小値）
×０．１％（１．３μｍ帯を実現するのに必要な最小のＮ量）／０．４４％（実験例３のＮ量）
≒０．２％
である。
つまり、１．３μｍ帯をカバーする為には、Ｓｂは、０．２％〜６％必要となる。
【００２２】
実験例４
更に、本発明者らは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層を用いて波長を１．３μｍまで長くする研究を行い、次の実験例４を行った。
ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層とＧａＡｓ障壁層とを用いた場合は、図９のグラフ（１）から（５）に示すように、波長１．２μｍ近傍に比較して、波長１．３μｍ近傍では、ＰＬ強度が２０分の１に減少してしまうという問題があった。
図９では、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのＩｎ組成とＮ組成を変えて井戸層を構成し、実験を種々行った結果を示しているが、障壁層がＧａＡｓ層である限り、井戸層の組成を変化しても、ＰＬ強度はある一定の曲線に沿って減少する傾向があった。
【００２３】
図９のグラフ（１）から（５）の作製では、先ず、ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板上にｎ−ＧａＡｓバッファ層を０．２μｍ、ｎ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ｐクラッド層を０．２５μｍ、ＧａＡｓ光閉じ込め層を０．１μｍ、ＧａＡｓバリア層を０．０３μｍ、ＳＱＷ活性層を７．３ｎｍ、ＧａＡｓバリア層を０．０３μｍ、ＧａＡｓ光閉じ込め層を０．１μｍ、及びｐ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ｐクラッド層を０．２５μｍを、この順序で、順次、成長させ、共振器構造を構成する積層構造を形成した。
ＳＱＷ層は、Ｇａx Ｉｎ1-x Ｎ1-y-0.016 Ａｓy Ｓｂ0.016 で構成されている。
【００２４】
井戸層及び障壁層の成長温度を４６０℃とし、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層のＩｎ組成を３７％とし、Ｎ流量を０．０５ｃｃｍ、０．１０ｃｃｍ、及び０．１５ｃｃｍに変えて、また、Ｉｎ組成を３９％とし、Ｎ流量を０．０５ｃｃｍ、及び０．１０ｃｃｍに変えて、それぞれ、井戸層を形成し、積層構造の成長後、結晶性を向上させるために、Ｎ2 雰囲気中で５００〜７００℃で１０分間熱処理を施した。
そして、それら井戸層を有するレーザ構造のＰＬ波長及びＰＬ強度を測定し、測定結果を図９のグラフ（１）から（５）に示した。  図９は、横軸にＰＬ波長（μｍ）を取り、縦軸にＰＬ強度（％）を取っていて、ＰＬ強度の波長依存性を示している。尚、図９の縦軸のＰＬ強度は、相対強度比較で表されている。
図９のグラフ（１）から（５）の各点の数値は、それぞれ、表１から表５に示されている。
【表１】
0003735047.tif 000002
【表２】
0003735047.tif 000003
【表３】
0003735047.tif 000004
【表４】
0003735047.tif 000005
【表５】
0003735047.tif 000006
【００２５】
高温の熱処理を施すことにより、フォトルミネッセンス（ＰＬ）強度は、高温の熱処理を施さないエピタキシャル成長させたまま（as-grown）のエピタキシャル成長層に比べて、数倍増大する。但し、その際に、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層のバンドギャップは短波長化する。
例えば、Ｉｎ組成３７％、Ｎ＝０．０５ｃｃｍのときの量子井戸の波長と強度との関係は、グラフ（１）に示してある。グラフ（１）から判る通り、as-grownでの波長は、１．２２２μｍ、５５０℃の熱処理で１．２１μｍ、６５０℃の熱処理で１．１８μｍとなる。
【００２６】
図９に示すように、ＧａＡｓバリアレーザ構造は、井戸層の組成にかかわらず、波長１．３μｍのＰＬ波長のレーザ構造のＰＬ強度は、ＰＬ波長１．２μｍのＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層に比べて著しく低下し、特に井戸層のＩｎ組成が３７％、Ｎ流量が０．１５ｃｃｍの場合、グラフ（３）に示すように、ＰＬ強度は２０分の１に減少してしまう。
ＰＬ強度の減少は、これらの結晶性が悪いことに起因している。
【００２７】
そこで、ＧａＮＡｓをバリア層とした以下のような構造を採用することによって、ＰＬ強度減少問題を解決することを検討した。
ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板上にｎ−ＧａＡｓバッファ層を０．２μｍ、ｎ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ｐクラッド層を０．２５μｍ、ＧａＡｓ光閉じ込め層を０．１μｍ、ＧａＮ1-y Ａｓy バリア層を０．０３μｍ、ＳＱＷ活性層を７．３ｎｍ、ＧａＮ1-y Ａｓy バリア層を０．０３μｍ、ＧａＡｓ光閉じ込め層を０．１μｍ、及びｐ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ｐクラッド層を０．２５μｍを、この順序で、順次、成長させ、共振器構造を構成する積層構造を形成した。
【００２８】
ＳＱＷ層は、ＧａＡｓバリアレーザ構造と同様に、Ｇａx Ｉｎ1-x Ｎ1-y-0.016 Ａｓy Ｓｂ0.016 で構成されている。
Ｉｎ組成（１−ｘ）を３５％から３９％まで、変化させて、種々のＳＱＷ層を構成し、ＧａＮ1-y Ａｓy バリア層のＮ組成もそれに応じて０．６６％から１．８％まで（Ｎ2 流量で言うと０．０５ｃｃｍから０．１５ｃｃｍまで）変化させて、バリア層を構成している。
【００２９】
ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層のＩｎ組成を３７％とし、Ｎ組成を０．３３％から１．８％まで（Ｎ2 流量で言うとＮ流量を０．０５ｃｃｍ、０．１０ｃｃｍ、及び０．１５ｃｃｍ）に変えて、また、Ｉｎ組成を３９％としＮ流量を０．０５ｃｃｍで、井戸層を形成し、熱処理前後で、それぞれの試料レーザ構造のＰＬ波長とＰＬ強度を測定し、図９のグラフ（６）から（９）に示した。
図９のグラフ（６）から（９）の各点の数値は、それぞれ、表６から表９に示されている。
【表６】
0003735047.tif 000007
【表７】
0003735047.tif 000008
【表８】
0003735047.tif 000009
【表９】
0003735047.tif 000010
【００３０】
ＧａＮＡｓ障壁層の場合、as-grownのエピタキシャル成長層のＰＬ強度は低いが、６５０℃以上で熱処理を施すと、ＰＬ強度が大幅に増大する。
例えば、井戸層の組成がＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.009 Ａｓ0.975 Ｓｂ0.016 で、障壁層の組成がＧａＮ0.018 Ａｓ0.982 の量子井戸構造を成長させた後、６５０℃で熱処理することにより、図９のグラフ（８）に示すように、ＰＬ波長は１．３０μｍが得られ、ＰＬ強度も波長１．２０μｍ付近のＧａＡｓバリアレーザ構造とほぼ同程度のＰＬ強度が得られた。図９のグラフ（８）では、この組成の活性層において、右から、５５０℃、６００℃、６５０℃、及び７００℃の熱処理後のデータを順に示している。
【００３１】
繰り返すと、井戸層の組成をＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.009 Ａｓ0.975 Ｓｂ0.016 で構成し、バリア層の組成をＧａＮ0.018 Ａｓ0.982 （λｇ＝１．０８μｍ）で構成し、成長後６５０℃で熱処理するとこにより、図９のグラフ（８）に示すように、ＰＬ波長は１．３０μｍが得られ、波長１．３０μｍでのＰＬ強度も波長１．２０μｍ付近のＧａＡｓバリアレーザとほぼ、同程度のＰＬ強度が得られる。
【００３２】
ＧａＮＡｓバリアによってＰＬ強度が向上する理由は、障壁層及び井戸層の双方にＮが含まれていることにより、ホモエピタキシャルに近づくので、結晶性が向上しているからであると考えられる。
そして、Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.009 Ａｓ0.975 Ｓｂ0.016 ／ＧａＮ0.018 Ａｓ0.982 −ＳＱＷレーザにより、ブロードコンタクトレーザを作製したところ、共振器長９００μｍで５７０Ａ／ｃｍ2 という低しきい値電流密度が得られた。
【００３３】
また、図９及び表１から表９に示すデータを整理して、Ｉｎ組成が３７％で、Ｎ組成が、それぞれ、０．３５％、０．６３％、及び０．９０％のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層とＧａＡｓバリア層との組み合わせについて、それぞれ、熱処理温度をパラメータにして、ＰＬ波長とＰＬ強度との関係を求めたところ、図１０を得た。
また、Ｉｎ組成３７％で、Ｎ組成が、それぞれ、０．３５％及び０．９０％のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層とＧａＮＡｓバリア層の組み合わせについて、それぞれ、熱処理温度をパラメータにして、ＰＬ波長とＰＬ強度との関係を求めたところ、図１１を得た。
【００３４】
ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層を用いたとき、高いＰＬ強度を得るための好適な熱処理温度は、図１０及び図１１から、以下の範囲であることが判る。
（１）ＧａＡｓバリア層のとき、井戸層のＮ組成が０．７％未満のとき、６００℃±２５℃で熱処理する。
（２）ＧａＡｓバリア層のとき、井戸層のＮ組成が０．７％以上３％以下のとき、７００℃±２５℃で熱処理する。
（３）ＧａＮＡｓバリア層のとき、井戸層のＮ組成に関係なく、７００℃±２５℃で熱処理する。
【００３５】
以上の実験及び実験結果の考察から、発光波長１．２μｍ帯のIII 族比Ｉｎ組成３０％以上のＧａＩｎＡｓ系では、Ｖ族組成比０．３％以上０．８％以下の範囲でＳｂを構成元素としてＧａＩｎＡｓ層の成長の際に添加し、ＧａＩｎＮＡｓ系では、Ｖ族組成比０．２％以上２．５％以下の範囲のＳｂを構成元素としてＧａＩｎＮＡｓ層の成長の際に添加することにより、光学的品質を大幅に改善できることが判った。
ここで、Ｎ組成を上げると、結晶性が悪くなるので、実用上の限界として、ＮのＶ族組成比は、３％未満である。
図９の実験で述べたように、障壁層をＧａＮＡｓとすることで、波長１．３μｍでの低しきい値発振が更に容易となる。この際、ＧａＮＡｓはＧａＮy Ａｓ1-y （ｙ＜０．０５）を用いる。
【００３６】
そこで、上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子（以下、第１の発明と言う）は、ＧａＡｓ基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
上記活性層が、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy井戸層（０．００３≦ｙ≦０．００８）を有する単一又は多重量子井戸構造として形成されていることを特徴としている。
本発明の好適な実施態様では、発光波長が１．１８μｍ以上である。
【００３７】
本発明に係る別の半導体レーザ素子（以下、第２の発明と言う）は、ＧａＡｓ基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
上記活性層が、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、０＜ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０２５）を有する単一又は多重量子井戸構造として形成されていることを特徴としている。
第２の発明では、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層と、ＧａＮy Ａｓ（ｙ＜０．０５）障壁層とを用いることにより、低しきい値で１．３μｍ以上のレーザ光を発振させることが可能となる。
【００３８】
本発明に係る更に別の半導体レーザ素子（以下、第３の発明と言う）は、ＧａＡｓ基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に平行な方向にレーザ光を放射する端面出射型半導体レーザ素子、又は基板上に、一対の半導体多層膜反射鏡と、一対の半導体多層膜反射鏡の間に配置され、光を発生する活性層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造を備えて、基板に直交する方向にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザ素子において、
上記活性層が、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、０＜ｙ１＜０．０３）を有する単一又は多重量子井戸構造として形成され、
障壁層が、ＧａＮyＡｓ1-y（０＜ｙ＜０．０５）層として形成されていることを特徴としている。
【００３９】
また、本発明に係る半導体レーザ素子の作製方法は、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-yＳｂy井戸層（但し、０．００３≦ｙ≦０．００８）を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
各化合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴としている。
【００４０】
更には、本発明に係る別の半導体レーザ素子の作製方法は、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０２５）を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
各化合物半導体層を分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長させて、共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成することを特徴としている。
【００４１】
また、本発明に係る更に別の半導体レーザ素子の作製方法は、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、ＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層のｙ１が、０＜ｙ１＜０．００７のとき、積層構造に５７５℃以上６２５℃以下の範囲の温度で熱処理を施し、０．００７≦ｙ１＜０．０３のとき、積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の範囲の温度で熱処理を施すことを特徴としている。
【００４２】
本発明に係る更に別の半導体レーザ素子の作製方法は、III 族中のＩｎ組成が３０％以上のＧａxＩｎ1-xＡｓ1-y1-y2Ｎy1Ｓｂy2井戸層（但し、ｙ１＜０．０３、０．００２≦ｙ２≦０．０６）及びＧａＮyＡｓ1-y（０＜ｙ＜０．０５）障壁層を有する単一又は多重量子井戸構造の活性層を備える半導体レーザ素子の作製方法であって、
共振器構造を構成する化合物半導体層の積層構造を形成した後、積層構造に６７５℃以上７２５℃以下の範囲の温度で熱処理を施すことを特徴としている。
【００４３】
熱処理を施すことにより、１．３μｍにおいて、ＰＬ強度が波長１．２μｍ付近のＧａＡｓバリアレーザ構造とほぼ同じ数値が得られる。
本発明に係る半導体レーザ素子の作製方法は、端面出射型半導体レーザ素子の作製にも、また面発光型半導体レーザ素子の作製にも適用できる。
【００４４】
以上の発明では、ＳＣＨ構造、及びＡｌX Ｇａ1-X Ａｓを用いたＧＲＩＮ（Graded Refactive Index）−ＳＣＨ構造のいずれの光閉じ込め構造にも適用でき、また、導波路構造では、リッジ導波路型半導体レーザ素子、及び埋め込み型ヘテロ構造（ＢＨ）半導体レーザ素子のいずれにも適用できる。
また、Ｎ、Ｓｂの量を調整することにより、波長９８０ｎｍ帯、１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯の半導体レーザ素子にも適用できる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
半導体レーザ素子の実施形態例１
本実施形態例は、第１の発明に係る半導体レーザ素子を発光波長１．２μｍ帯ＧａＩｎＡｓＳｂ半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、図１に示すように、板厚１００μｍ程度のｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板１２上に、順次、成膜された、膜厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）バッファ層１４、膜厚１．５μｍのｎ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層１６、膜厚０．１μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層１８、ＧａＩｎＡｓＳｂ単一量子井戸層を有するＳＱＷ活性層２０、膜厚０．１μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層２２、及び膜厚１．５μｍのｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層２４、膜厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ（ｐ＝３×１０19ｃｍ-3）コンタクト層２６の積層構造を有する。
【００４６】
ＳＱＷ活性層２０は、圧縮歪２．８２％のＧａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ0.9968Ｓｂ0.0032量子井戸層一層から構成され、井戸膜厚は７．３ｎｍである。
ＧａＩｎＡｓＳｂの条件
チャンバー圧力                      ：９．０×１０-5Torr
成長温度                            ：４６０℃
クラッキング後のＡｓＨ3 のフラックス：８．５×１０-5Torr
ＧａＩｎＡｓＳｂの成長速度          ：２．１μｍ／ｈ
Ｓｂのフラックス                    ：２．０×１０-7Torr
各層は、ガスソースＭＢＥ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかによってエピタキシャル成長する。
【００４７】
図示しないが、本実施形態例の半導体レーザ素子は、上述の積層構造をフォトリソグラフィ処理及びメサエッチング加工によって、活性層幅３μｍのリッジ導波路型半導体レーザ素子として形成されている。
そして、コンタクト層２６上には、ｐ側電極としてＡｕ−ＺｎまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等の積層金属膜からなるオーミック性電極が形成され、またｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ｎ側電極としてＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕの積層金属膜からなるオーミック性電極が形成されている。
本実施形態例では、共振器長を２００μｍとし、前端面反射率７８％、後端面反射率９５％のＨＲコーティングが施されている。
【００４８】
そして、半導体レーザ素子試作品をボンデイングして、光出力−注入電流特性を調べたところ、２０℃の電流しきい値は６ｍＡ、２０℃から７０℃のしきい値の特性温度は２５６Ｋ、また、ＣＷ発振波長は室温で１．２０μｍであった。
即ち、試作品の電流しきい値は、現在までに報告されている高歪ＧａＩｎＡｓ系半導体レーザの報告例中で最も低く、かつ、特性温度も従来のものに比べて著しく高いことが確認された。
【００４９】
半導体レーザ素子の実施形態例２
本実施形態例は、第２の発明に係る半導体レーザ素子を発光波長１．２５〜１．３μｍ帯ＧａＩｎＡｓＮ半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図２は本実施形態例の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子３０は、図２に示すように、実施形態例１の半導体レーザ素子１０のＧａＩｎＡｓＳｂ単一量子井戸層を有するＳＱＷ活性層２０に代えて、ＧａＩｎＡｓＮＳｂ単一量子井戸層を有するＳＱＷ活性層３２を備えていることを除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
ＳＱＷ活性層３２は、圧縮歪２．７５％のＧａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ0.9796Ｎ0.0044Ｓｂ0.016 量子井戸層一層から構成され、井戸膜厚は７．３ｎｍである。
【００５０】
ＧａＩｎＮＡｓＳｂ層のエピタキシャル成長条件
チャンバー圧力                      ：９．５×１０-5Torr
成長温度                            ：４６０℃
クラッキング後のＡｓＨ3 のフラックス：８．５×１０-5Torr
ＧａＩｎＡｓＮＳｂの成長速度        ：２．１μｍ／ｈ
Ｎ2 のフラックス                    ：２．０×１０-6Torr
また、熱処理温度６００℃でエピタキシャル成長させた積層構造に熱処理を１０分間施した。
【００５１】
実施形態例２の半導体レーザ素子３０と同じ構成の試作品を作製した。
そして、半導体レーザ素子試作品をボンデイングして、光出力−注入電流特性を調べたところ、２０℃の電流しきい値は１０ｍＡ、２０℃から８５℃のしきい値の特性温度は１５７Ｋ、また、ＣＷ発振波長は室温で１．２６μｍであった。即ち、試作品の電流しきい値は、現在までに報告されているＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザの報告例中で最も低く、かつ、特性温度も著しく高いことが確認された。
【００５２】
実施形態例２では、ＣＷ発振波長が１．２６μｍであったが、実施形態例で、Ｎ組成及びＳｂ組成を微調整し、更にＧａＮy Ａｓ1-y （Ｎ＜０．０５）バリアを用いることで、波長１．３μｍの半導体レーザ素子を作製することができる。実施形態例１、２では、単一量子井戸構造を例として本発明を説明しているが、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造でも良い。
また、実施形態例１及び２では、活性層として、Ｉｎ組成が３９％のものを用いたが、このＩｎ組成は１５％から４５％程度であることが好ましい。
【００５３】
実施形態例１及び２の量子井戸構造では、バリア層としてＧａＡｓ又ＧａＮＡｓは層を用いているが、歪系も含めたＧａＩｎＡｓＰでも良い。
また、光閉じ込め層としてＧａＡｓ層を用いているが、ＳＣＨ構造の代わりにＡｌX Ｇａ1-X Ａｓを用いたＧＲＩＮ（Graded Refactive Index）−ＳＣＨ構造でも良い。クラッド層はＡｌＧａＡｓでも良い。
実施形態例１及び２では、ストライプ半導体レーザ素子の構造として、リッジ導波路型半導体レーザ素子を例に示したが、埋め込み型ヘテロ構造（ＢＨ）ストライプ型半導体レーザ素子等でも構わない。
【００５４】
実施形態例３
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子を面発光型半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１２は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視図、及び図１３は本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子の要部の層構造図である。
本実施形態例の面発光型半導体レーザ素子８０は、１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＮＡｓを活性層とする面発光型半導体レーザ素子であって、図１２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板８２の（１００）面基板面上に、膜厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）８４、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｎ−ＧａＡｓ／ｎ−Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓの３０ペアからなる下部ＤＢＲミラー８６、膜厚１５０ｎｍのノンドープＧａＡｓ下部クラッド層８８、量子井戸活性層９０、膜厚１５０ｎｍのノンドープＧａＡｓ上部クラッド層９２、それぞれの層の厚さがλ／４ｎ（λは発振波長、ｎは屈折率）のｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1 Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー９４、及び膜厚１０ｎｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層９６の積層構造を備えている。
【００５５】
更に、詳しくは、図１３に示すように、下部ＤＢＲミラー８６の一ペアは、膜厚９４ｎｍのｎ−ＧａＡｓと、膜厚１１０ｎｍのｎ−Ａｌ0.9 Ｇａ0.1 Ａｓで構成されている。
【００５６】
量子井戸活性層９０の井戸層及び障壁層は、それぞれ、膜厚７ｎｍのＧａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.009 Ａｓ0.975 Ｓｂ0.016 層、及び膜厚２０ｎｍのＧａＮ0.018 Ａｓ0.982 層で構成され、井戸数は２である。
ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層のエピタキシャル成長条件
チャンバー圧力                      ：９．５×１０-5Torr
成長温度                            ：４６０℃
クラッキング後のＡｓＨ3 のフラックス：８．５×１０-5Torr
ＧａＩｎＡｓＮＳｂの成長速度        ：２．１μｍ／ｈ
Ｎ2 のフラックス                    ：６×１０-6Torr
また、熱処理温度７００℃でエピタキシャル成長させた積層構造に熱処理を１０分間施した。
【００５７】
ｐ−上部ＤＢＲミラー９４の一ペアは、膜厚１１０ｎｍのＡｌ0.9Ｇａ0.1 Ａｓと膜厚９４ｎｍのｐ−ＧａＡｓで構成されている。
そして、ｐ−上部ＤＢＲミラー９４の最下層は、膜厚１１０ｎｍのＡｌ0.9Ｇａ0.1 Ａｓに代えて、２０ｎｍのＡｌＡｓ層９８と、膜厚９０ｎｍのＡｌ0.9Ｇａ0.1 Ａｓ層とで構成されていて、後述するように、非酸化のＡｌＡｓ層９８からなる電流注入領域と、電流注入領域以外の領域のＡｌＡｓ層９８のＡｌが選択的に酸化されて転化したＡｌ酸化層１００からなる電流狭窄領域とを構成している。
【００５８】
積層構造のうち、上部ＤＢＲミラー９４は、ＡｌＡｓ層９８を露出させるように、フォトリソグラフィー処理及びエッチング加工により、溝幅が例えば５０μｍの円形溝１０２が形成され、これにより、中央部が例えば直径２０μｍの円形のメサポストに加工されている。
メサポストの外側からＡｌＡｓ層９８のＡｌを選択的に酸化させることにより、直径８μｍの未酸化のＡｌＡｓ層９８からなる電流注入領域と、Ａｌ酸化層１００からなる電流狭窄層とが形成されている。
【００５９】
メサポスト上を除き、溝１０２の壁を含む積層構造上面全面に、ＳｉＮX 膜１０４が保護膜として成膜されている。また、メサポスト上を除きＳｉＮX 膜１０４上には、ｐ−ＧａＡｓキャップ層９６に接触するリング状電極がｐ側電極１０６として設けられ、更に、電極引き出し用にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕパッド１０８がｐ側電極１０６に接続するように形成されている。
基板裏面を研磨して基板厚さを例えば１００μｍ厚に調整した後、ｎ−ＧａＡｓ基板８２の裏面にｎ側電極１１０が形成されている。
【００６０】
この構造で、ＡｌＡｓ層選択酸化を用いることにより、しきい値電流２ｍＡ、１００℃以上でのＣＷ発振が得られた。
【００６１】
また、実施形態例１〜３では、波長１２００ｎｍ、波長１２５０〜１３００ｎｍ帯の半導体レーザ素子を例として示したが、Ｎ、Ｓｂの量を調整することにより、波長９８０ｎｍ帯、１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯の半導体レーザ素子及びＶＣＳＥＬにも適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、高歪ＧａＩｎＡｓ井戸層や高歪ＧａＩｎＮＡｓ井戸層にＳｂを少量構成元素として添加することにより３次元成長を開始する膜厚を大きくできるので、井戸層の光学特性を向上させることができる。
また、ＧａＮＡｓを障壁層とすることにより、１．３μｍ以上での低しきい値発振も可能となる。
これにより、発光波長０．９μｍ〜１．６５μｍ帯の半導体レーザ素子であって、低しきい値電流密度で、且つ、高温度特性を有するペルチエフリーのアクセス向け半導体レーザ素子及び面発光レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造を示す断面図である。
【図２】実施形態例２の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造を示す断面図である。
【図３】発光波長１．２μｍ帯の従来の高歪ＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子のエピタキシャル構造の断面図である。
【図４】テスト積層構造体のエピタキシャル構造を示す断面図である。
【図５】実験例１の結果を示すＧａＩｎＡｓＳｂ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ−ＳＱＷのＰＬ特性のＳｂフラックス量依存性を示すグラフである。
【図６】実験例１の結果を示すＧａＡｓＳｂのＳｂ組成とＳｂフラックス量の関係を示すグラフである。
【図７】実験例３の結果を示すＧａＩｎＡｓＮＳｂ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ−ＳＱＷのＰＬ特性のＳｂフラックス量依存性を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、２×１０-7TorrのＳｂフラックス量及び１×１０-6TorrのＳｂフラックス量で成長させたＧａＩｎＮＡｓＳｂのＴＥＭ像写真の写しである。
【図９】横軸にＰＬ波長（μｍ）を取り、縦軸にＰＬ強度（％）を取っていて、ＰＬ強度の波長依存性を示している。
【図１０】熱処理温度をパラメータとし、横軸にＰＬ波長（μｍ）を取り、縦軸にＰＬ強度（％）を取っていて、障壁層をＧａＡｓとしたときのＰＬ強度の波長及び熱処理温度依存性を示している。
【図１１】熱処理温度をパラメータとし、横軸にＰＬ波長（μｍ）を取り、縦軸にＰＬ強度（％）を取っていて、障壁層をＧａＮＡｓとしたときのＰＬ強度の波長及び熱処理温度依存性を示している。
【図１２】実施形態例３の面発光型半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
【図１３】実施形態例３の面発光型半導体レーザ素子の要部の層構造図である。
【符号の説明】
１０  実施形態例１の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造
１２  ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板
１４  膜厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）バッファ層
１６  膜厚１．５μｍのｎ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層
１８  膜厚０．１μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層
２０  圧縮歪２．８２％のＧａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ0.9968Ｓｂ0.0032単一量子井戸層を有するＳＱＷ活性層
２２  膜厚０．１μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層
２４  膜厚１．５μｍのｐ−Ｉｎ0.49Ｇａ0.51Ｐ（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層
２６  膜厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ（ｐ＝３×１０19ｃｍ-3）コンタクト層
３０  実施形態例２の半導体レーザ素子のエピタキシャル構造
３２  圧縮歪２．８１％の圧縮歪２．８１％のＧａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ0.9796Ｎ0.0044Ｓｂ0.016 単一量子井戸層を有するＳＱＷ活性層
４０  発光波長１．２μｍの従来の高歪ＧａＩｎＡｓ半導体レーザ素子のエピタキシャル構造
４２  ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板
４４  膜厚０．２μｍのｎ−ＧａＡｓバッファ層
４６  膜厚１．５μｍのｎ−ＩｎＧａＰクラッド層
４８  膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層
５０  ＧａＩｎＡｓ活性層
５２  膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層
５４  膜厚１．５μｍのｐ−ＩｎＧａＰクラッド層
５６  膜厚０．３５μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層
６０  テスト積層構造体
６２  ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板
６４  膜厚０．２μｍのｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝２×１０17ｃｍ-3）バッファ層
６６  膜厚０．２５μｍのｎ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ｐ（ｎ＝３×１０17ｃｍ-3）クラッド層
６８  膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層
７０  ＧａＩｎ0.39ＡｓＳｂ／ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ単一量子井戸活性層
７２  膜厚０．１３μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層
７４  膜厚０．２５μｍのｐ−Ｉｎ0.47Ｇａ0.53Ｐ（ｐ＝５×１０17ｃｍ-3）クラッド層
８０  実施形態例３の面発光型半導体レーザ素子
８２  ｎ−ＧａＡｓ基板
８４  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
８６  ｎ−Ａｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓ／ｎ−Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 Ａｓの３０ペアからなる下部ＤＢＲミラー
８８  ＧａＡｓ下部クラッド層
９０  量子井戸活性層（Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.009 Ａｓ0.975 Ｓｂ0.016 井戸層、ＧａＮ0.018 Ａｓ0.982 障壁層）
９２  ＧａＡｓ上部クラッド層
９４  ｐ−Ａｌ0.9Ｇａ0.1 Ａｓ／ｐ−ＧａＡｓの２５ペアからなる上部ＤＢＲミラー
９６  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
９８  ＡｌＡｓ層
１００  Ａｌ酸化層
１０２  円形溝
１０４  保護膜
１０６  ｐ側電極
１０８  電極パッド
１１０  ｎ側電極
【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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