JP2002305355A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＣＯＭＤが起こりづらく、高光出力発振し、
また長期信頼性が高い自己整合型の半導体レーザ素子を
提供する。 【解決手段】 電流狭窄層も兼ねる低屈折率層８が活性
層５の近傍に形成されている自己整合型の半導体レーザ
素子において、低屈折率層８は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０
≦ｘ≦１）から成る複数の化合物半導体層８₁，８₂，…
…８_iから成り、かつ、活性層５から離隔している前記
化合物系半導体層ほど低屈折率になっている半導体レー
ザ素子、具体的には、低屈折率層８は複数のＡｌＧａＡ
ｓ層から成り、前記活性層から離隔しているＡｌＧａＡ
ｓ層ほど、そのＡｌ組成比が高くなっている半導体レー
ザ素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自己整合型の半導体
レーザ素子に関し、更に詳しくは、高光出力での発振が
可能であり、長期の動作信頼性も高い半導体レーザ素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自己整合型の半導体レーザ素子は、注入
電流と発振レーザ光を共振器内に同時に閉じ込めること
ができる高光出力のレーザ素子であって、通常、ＧａＡ
ｓ系化合物半導体を用いて製造されている。そのような
従来の半導体レーザ素子の層構造の１例Ａを図２に示
す。

【０００３】この素子では、ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ
−ＧａＡｓから成る厚み０.５μｍのバッファ層２，ｎ
−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る厚み２.０μｍの下部ク
ラッド層３，ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓから成る厚み５０
nmの下部光閉じ込め層４，Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓから成る
厚み７nmの量子井戸層とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓから成る厚
み１０nmの障壁層とで構成されている活性層５，ｉ−Ａ
ｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓから成る厚み５０nmの上部光閉じ込め
層６が積層されており、そして、前記上部光閉じ込め層
６の上に、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る厚み５００
nmの上部クラッド層７ａと、ｎ−Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ
から成る厚み０.５μｍの電流狭窄層も兼ねる低屈折率
層８が積層され、これらは厚み２.０μｍのｐ−Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ａｓから成る上部クラッド層７ｂで埋設されて
いる。そして、この上部クラッド層７ｂの上にはｐ−Ｇ
ａＡｓから成る厚み０.５μｍのコンタクト層９が積層
されている。なお、コンタクト層９には上部電極（図示
しない）が形成され、基板１の裏面には下部電極（図示
しない）が形成されている。

【０００４】この素子の層構造Ａにおいて、電流狭窄層
（低屈折率層）８には上部クラッド層７ａにまで至る所
定幅のチャンネル１０が電流注入経路として形成され、
光と電流の横（幅）方向へ閉じ込め構造が形成されてい
る。チャンネル１０の幅Ｗ、すなわち、チャンネル内で
電界強度（光分布）が最も強い部分の幅は、発振レーザ
光の横モード制御との関係で決められる。具体的には、
上記した半導体レーザ素子において、上部クラッド層７
ａがｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成り、その厚みが上記
したような５００nm程度である場合、活性層５で発振し
たレーザ光の高次モードをカットオフして基本横モード
動作させるために必要なカットオフ幅との関係で、上記
チャンネル１０の幅Ｗを２.５μｍ程度に設計してい
る。

【０００５】この素子は次のようにして製造される。ま
ず、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、基板１の上に、前
記したバッファ層２，下部クラッド層３，下部光閉じ込
め層４，活性層５，上部光閉じ込め層６を順次成膜し、
更にその上に厚み５００nm程度の上部クラッド層７ａを
成膜したのち、その上に低屈折率層にすべき層８’を成
膜して図３で示した層構造Ａ₀を形成する。

【０００６】活性層５は、ＧａＡｓから成る厚み１０nm
の障壁層で分離され、それぞれは厚み７nmであるＩｎ
_0.2Ｇａ0_0.8Ａｓから成る２層の量子井戸、および、こ
れら量子井戸の両側に配置された厚み２０nmのＧａＡｓ
から成る光閉じ込め層で形成されている。ついで、結晶
成長装置から層構造Ａ₀を取り出し、その層構造Ａ₀に対
してホトリソグラフィーとウェットエッチング処理を行
い、層８’にチャンネル幅Ｗが２.５μｍであるチャン
ネル１０を形成して電流狭窄層（低屈折率層）８を有す
る層構造Ａ₁にする（図４）。なお、上記ウェットエッ
チング処理で形成されるチャンネル１０の側面１０ａ
は、エッチングの異方性の影響を受けて上方に広がる傾
斜面になっている。

【０００７】ついで、層構造Ａ₁を再び結晶成長装置内
に配置し、層構造Ａ₁の上に上部クラッド層７ｂとコン
タクト層９を順次成膜し、図５で示した層構造Ａ₂を形
成する。そして、この層構造Ａ₂に上部電極と下部電極
を形成したのち、共振器長が８００μｍとなるように劈
開して図２で示した層構造Ａとし、一方の劈開面（前端
面）Ｓ₁に反射率５％の膜を成膜し、他方の劈開面（後
端面）Ｓ₂に反射率９２％の膜を成膜して目的とするレ
ーザ素子が製造される。

【０００８】上記した仕様で製造されたレーザ素子は、
しきい値電流が１５mAであり、基本モードにおいて、キ
ンクによって制限される最大光出力は３５０mW程度であ
る。そして、発振波長はほぼ９８０nmである。ところ
で、低屈折率層８におけるカットオフ幅が２.５μｍ程
度である上記したレーザ素子には、次のような問題があ
る。

【０００９】第１の問題は、近年のレーザ素子の高光出
力化の要望に応えるべく、上記レーザ素子を更に高出力
化させようとすると、キンク発生の問題に加えて新たな
問題が発生してくる。具体的には、光出力５００mW程度
で動作させると、前端面Ｓ₁における光密度は高くな
り、数１０MW／cm²にまで達する。そのため、当該前端
面Ｓ₁が光学損傷を受け、いわゆるＣＯＭＤ（Catastrop
hic Optical Mirror Damage）が発生して頓死するとい
う問題である。

【００１０】第２の問題は、低屈折率層８を上部クラッ
ド層７ａおよび７ｂよりも屈折率が小さくなるようにす
るために、その低屈折率層８を構成する半導体材料がＡ
ｌ組成比の高いＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓで形成しているこ
とに起因する。具体的には、層構造Ａ₁を形成したの
ち、上部クラッド層７ｂが積層される前に、当該低屈折
率層８に形成したチャンネル１０の表面（側面）が露出
するため、その表面が大気中の酸素によって酸化される
ことがあるという問題である。このようなチャンネル１
０（低屈折率層８）の表面酸化、とりわけ活性層５に近
いチャンネル１０の側面において酸化が起こっている
と、製造したレーザ素子を連続動作させたときに短時間
で光出力の低下が進み、その結果、素子としての長期信
頼性の低下という問題が生ずる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、図５で示し
た層構造を有する自己整合型の半導体レーザ素子の上記
問題を解決し、１０００mW以上という高光出力での発振
時にあってもＣＯＭＤが発生しにくく、また長期信頼性
も高い自己整合型の半導体レーザ素子を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明においては、電流狭窄層も兼ねる低屈折
率層が活性層の近傍に形成されている自己整合型の半導
体レーザ素子において、前記低屈折率層はＡｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（０≦ｘ≦１）から成る複数の化合物半導体層から
成り、かつ、前記活性層から離隔している前記化合物半
導体層ほど低屈折率になっていることを特徴とする半導
体レーザ素子が提供される。

【００１３】具体的には、前記活性層から離隔している
化合物半導体層ほど、そのＡｌ組成比が高くなっている
半導体レーザ素子が提供される。また、本発明において
は、電流狭窄層も兼ねる低屈折率層が活性層の近傍に形
成されている自己整合型の半導体レーザ素子において、
前記低屈折率層は、Ｇａ_1-yＩｎ_yＡｓ_zＰ_1-z（０≦ｙ≦
０.５，０≦ｚ≦１）から成る複数の化合物半導体層か
ら成り、かつ、前記活性層から離隔している前記化合物
半導体層ほど低屈折率になっていることを特徴とする半
導体レーザ素子が提供される。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のレーザ素子における層構
造の１例Ｂを図１に示す。この層構造Ｂは、低屈折率層
８が後述する態様になっていることを除いては、図２で
示した層構造Ａの場合と同じになっている。この低屈折
率層８は、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなどのＧａＡ
ｓ系化合物半導体から成る複数の層８₁，８₂，……８_i
で構成されている。そして、活性層５から離隔している
箇所に位置している層ほど低屈折率の層になっている。
すなわち、この低屈折率層８においては、上部クラッド
層７ａの上に直接成膜されている層８₁の屈折率が最も
高く、上にいくほど屈折率が順次低くなっているのであ
る。

【００１５】このような低屈折率層８は、図３で示した
層構造Ａ₀における層８’の形成時に、Ａｌ組成比が異
なるＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を順次成膜するこ
とにより、Ａｌに関する組成変化を有する層として形成
することができる。具体的には、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａ
ｓから成る上部クラッド層７ａの上に、少なくとも前記
上部クラッド層７ａとＡｌ組成が同じであるか、または
それより小さいＡｌ組成比のｎ−ＡｌＧａＡｓで層８₁
を成膜し、その層８₁の上にはＡｌ組成比が層８₁より大
きいＡｌＧａＡｓで次の層８₂を成膜し、更にその上に
は層８ ₂よりＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓで次の層を
成膜するという操作を反復し、上にいくほどＡｌ組成比
が階段状に高くなっていく層にする。

【００１６】なお、低屈折率層８におけるＡｌの組成変
化は、上記したように順次Ａｌ組成比が高くなっていく
階段状の変化であってもよいが、Ａｌ組成比が直線的に
変化するようにしてもよく、また放物線状に変化するよ
うにしてもよい。低屈折率層８における上記したような
Ａｌの組成変化は、上部クラッド層７ａおよび７ｂの屈
折率に対して低屈折率層８全体の等価屈折率（Σdini／
Σdiによって近似される；diは各化合物半導体層の厚
み、niは各化合物半導体層の屈折率）が小さくなるよう
に設計する必要がある。

【００１７】また、チャンネル１０の部分と低屈折率層
８の部分の等価屈折率比が、図５で示した単一の低屈折
率層８の場合に比べて小さくなるように設計するとチャ
ンネル１０の底部の幅Ｗを広くしても基本横モード動作
を実現できるようになる。したがって、このレーザ素子
の場合、図５で示した従来構造の半導体レーザ素子より
もカットオフ幅を広くすることができるので、高光出力
発振時における前端面の光密度は小さくなり、ＣＯＭＤ
の発生が起こりづらくなる。逆にいえば、ＣＯＭＤを起
こすことなく高光出力発振を実現することができる。

【００１８】また、チャンネル１０の底部近辺における
層のＡｌ組成比が従来よりも小さくなっているので、図
５で示した従来構造の層構造Ａの場合に比べてチャンネ
ル１０の底部近辺、すなわち、活性層近傍の酸化が抑制
される。換言すれば、電界強度が最も強くなる底部の側
面の酸化は抑制される。したがって、このレーザ素子の
長期信頼性は従来構造よりも高くなる。

【００１９】なお、低屈折率層８のチャンネル１０底部
近辺における酸化を防止するために、ＧａＡｓにより低
屈折率層８の最下層を成膜してもよい。加えて、低屈折
率層８の等価屈折率を上部クラッド層７ａおよび７ｂよ
りも小さくなるように選択すれば、前記低屈折率層８
を、ＡｌＧａＡｓの代わりに、Ｇａ_1-yＩｎ_yＡｓ_zＰ_1-z
（０≦ｙ≦０.５，０≦ｚ≦１）で形成することもでき
る。この場合には、Ｇａ_1-yＩｎ_yＡｓ_zＰ_1-zはＡｌを含
まないので、酸化抑制にはより顕著な効果を得ることが
できる。

【００２０】ここで、ｙ値を０≦ｙ≦０.５と規定した
理由は、ｙ値が０.５より大きくなると、ＧａＡｓ基板
との間で格子整合せず、良好な結晶性が得られなくなる
からである。なお、この場合においても、チャンネル１
０の部分と低屈折率層８のチャンネル１０以外の部分の
等価屈折率比が、図５で示した単一の低屈折率層８の場
合に比べて小さくなるように設計すると、チャンネル１
０の底部の幅Ｗを広くしても基本横モード動作を実現で
きるようになる。したがって、このレーザ素子の場合
も、図５で示した従来構造の半導体レーザ素子よりもカ
ットオフ幅を広くすることができるので、高光出力発振
時における前端面の光密度は小さくなり、ＣＯＭＤの発
生が起こりづらくなる。逆にいえば、ＣＯＭＤを起こす
ことなく高光出力発振を実現することができる。

【００２１】

【実施例】チャンネル１０の幅Ｗが５μｍであったこ
と、低屈折率層８が、最下層８₁の成膜に際しては厚み
０.０５μｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ（屈折率３.５３６）
を用い、順次Ａｌ組成比を、層８₂は０.２５（厚み：
０.０５μｍ、屈折率３.５１４）、層８₃は０.３（厚
み：０.１μｍ、屈折率３.４９３）、層８₄は０.３５
（厚み：０.１５μｍ、屈折率３.４７１）とリニアに高
めていき、最上層８₅では厚み０.１５μｍのＡｌ_0.4Ｇ
ａ_0.6Ａｓ（屈折率３.４５０）となる５層から成膜され
ていることを除いては、図５で示した層構造Ａ₂と同じ
層構造ＢをＧａＡｓ基板の上に形成した。

【００２２】なお、この場合の低屈折率層８の等価屈折
率は、Σdini／Σdi（但し、diは各層の厚み、niは各化
合物半導体層の屈折率）によって近似すると３.４８に
なる。そして、この層構造に電極を形成したのち共振器
長８００μｍに劈開し、その前端面Ｓ₁と後端面Ｓ₂に反
射率５％，９２％の膜をそれぞれ成膜してレーザ素子に
した。

【００２３】このレーザ素子のしきい値電流は２０mAで
あり、また基本横モードでのキンクによって制限される
最大光出力は５００mWであった。また、更に光出力を大
きくしていくと、１２００mWでＣＯＭＤが発生した。一
方、図５で示した層構造Ａ₂から製造した従来のレーザ
素子（チャンネル底部における幅は２.５μｍ、低屈折
率層は単一の層）の場合は５００mWでＣＯＭＤが発生し
た。したがって、本発明のレーザ素子は従来のレーザ素
子に比べると、性能は大きく向上している。

【００２４】また、温度６０℃、光出力２５０mWの条件
下で連続動作させ、１０００時間経過後における光出力
の減少率を測定したところ、本発明のレーザ素子の場合
は０.１〜０.５％であった。一方、従来のレーザ素子の
場合は、１〜５％であった。このことから明らかなよう
に、本発明のレーザ素子は従来のレーザ素子に比べて高
い長期信頼性を備えている。

【００２５】また、ＧａＡｓ基板を用いた図１の層構造
Ｂにおいて、低屈折率層８を次のような層構造にしたこ
とを除いては、上記実施例と同じ仕様の半導体レーザ素
子を製造した。すなわち、低屈折率層８における最下層
８₁をＧａＡｓ（屈折率３.５４）で成膜し、順次エネル
ギーギャップを増大させて最上層をＧａ_0.89Ｉｎ_0.11Ａ
ｓ_0.78Ｐ_0.22（屈折率３.４５）で成膜した。

【００２６】この半導体レーザ素子の場合も、低屈折率
層をＡｌＧａＡｓで形成した上記半導体レーザ素子と同
じような性能を発揮した。更に、この半導体レーザ素子
の場合、低屈折率層８が全てＡｌを含まないＡｌフリー
層で構成されているため、材料の酸化に起因する素子の
劣化は生じない。なお、本発明は上記した実施例に限定
されるものではなく、低屈折率層８の等価屈折率を上述
したように適切に選択すれば、どのような組み合わせに
してもよい。

【００２７】また、低屈折率層８のエッチング制御のた
め上部クラッド層７ａと低屈折率層８の間にエッチング
停止層を設けてもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
自己整合型レーザ素子は、高光出力で発振し、しかもＣ
ＯＭＤの発生が起こりづらく、更には高い長期信頼性を
備えている。これは、低屈折率層を活性層から遠ざかる
ほど屈折率が低くなるような傾斜組成の半導体材料で形
成したことによってもたらされた効果である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ素子の層構造Ｂを示す断面図で
ある。

【図２】従来の自己整合型レーザ素子の層構造Ａを示す
斜視図である。

【図３】図２の層構造Ａを製造する際の従来の層構造Ａ
₀を示す断面図である。

【図４】従来の層構造Ａ₁を示す断面図である。

【図５】従来の層構造Ａ₂を示す断面図である。

【符号の説明】

１ ＧａＡｓ基板 ２ バッファ層（ｎ−ＧａＡｓ） ３ 下部クラッド層（ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａ
ｓ） ４ 下部光閉じ込め層（ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ａｓ） ５ 活性層（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ａｓ） ６ 上部光閉じ込め層（ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ａｓ） ７ａ，７ｂ 上部クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａ
ｓ） ８ 低屈折率層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ） ８₁，８₂，……８_i Ａｌ組成比が異なるｎ−ＡｌＧ
ａＡｓ層（屈折率が異なる層） ９ コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ） １０ チャンネル １０ａ チャンネル１０の側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F073 AA20 AA74 CA07 CB02 DA05 DA22 DA32 EA24 EA28

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電流狭窄層も兼ねる低屈折率層が活性層
   の近傍に形成されている自己整合型の半導体レーザ素子
   において、 前記低屈折率層は、組成式：Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ
   ≦１）で示される化合物半導体の複数の層から成り、か
   つ、前記活性層から離隔している化合物半導体層ほど低
   屈折率になっていることを特徴とする半導体レーザ素
   子。
2. 【請求項２】 前記活性層から離隔している前記化合物
   半導体層ほど、そのＡｌ組成比が高くなっている請求項
   １の半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 電流狭窄層も兼ねる低屈折率層が活性層
   の近傍に形成されている自己整合型の半導体レーザ素子
   において、 前記低屈折率層は、組成式：Ｇａ_1-yＩｎ_yＡｓ_zＰ
   _1-z（０≦ｙ≦０.５，０≦ｚ≦１）で示される化合物半
   導体の複数の層から成り、かつ、前記活性層から離隔し
   ている化合物半導体層ほど低屈折率になっていることを
   特徴とする半導体レーザ素子。