JP2003347679A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

半導体レーザ素子

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JP2003347679A
JP2003347679A JP2002153467A JP2002153467A JP2003347679A JP 2003347679 A JP2003347679 A JP 2003347679A JP 2002153467 A JP2002153467 A JP 2002153467A JP 2002153467 A JP2002153467 A JP 2002153467A JP 2003347679 A JP2003347679 A JP 2003347679A
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JP
Japan
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layer
optical waveguide
conductive
type
semiconductor laser
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JP2002153467A
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English (en)
Inventor
Toshiaki Fukunaga
敏明 福永
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Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 GaAs基板上にInGaAsP系活性層を
備えた半導体レーザ素子において、活性層からの電子の
漏れを抑制して、素子の温度依存性を改善する。 【解決手段】 n−GaAs基板1上に、n−Alz1
1-z1As下部クラッド層2、nあるいはi−Inx2
1-x2As1-y2y2下部光導波層3、Inx1Ga1-x1
1-y1y1圧縮歪量子井戸活性層4、Inx2Ga1-x2
1-y2y2上部第一光導波層5、光導波層よりバンドギ
ャップが大きいAlz3Ga1-z3As電子障壁層6、pあ
るいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2y2上部第二光導波
層7、p−Alz1Ga1-z1As上部クラッド層8および
p−GaAsコンタクト層9を積層する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、GaAs基板上に
InGaAsP系の活性層を備えた半導体レーザ素子に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザ素子においては、その層構
成により、活性層と周辺の半導体層とのバンドオフセッ
トが不十分である場合がある。そこで、電子あるいはホ
ールの活性層からの漏れを防止するために、活性層より
バンドギャップが大きいキャリアブロック層を設けるこ
とが広くなされている。例えば、特開平8-330666号公報
において、GaAs基板上にAlGaAs系の半導体層
を備えてなる半導体レーザ素子において、n型キャリア
ブロック層として、クラッド層と価電子帯オフセットが
0.5以上であるInGaPあるいはAlGaAsを設
け、p型キャリアブロック層としてはクラッド層との伝
導体オフセットが0.5以上となるAlGaAs層を設け
ることが提案されている。これにより、ホールあるいは
電子に対するポテンシャル障壁が高くなり、発光効率の
向上およびしきい値電流の低減が可能であることが記載
されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一方、0.9μm〜1.2μ
m帯の半導体レーザ素子として、GaAs基板上に圧縮
歪InGaAs量子井戸活性層およびGaAs光導波層
を備えたものが、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,
VOL.12,No.1,January 2000 pp.13-15において紹介され
ている。しかし、この半導体レーザ素子では、しきい値
電流の温度依存性を示すグラフから得られる特性温度が
117Kと低い値となっている。これは、InGaAs活
性層とGaAs光導波層とでは、伝導体のバンドオフセ
ットが十分とれないため、電子が活性層から漏れ、無効
電流が増大したことによるものである。
【0004】本発明は上記事情に鑑みて、GaAs基板
上にInGaAsP系活性層を有する半導体レーザ素子
において、電子に対するポテンシャル障壁が高く、温度
特性が改善された、高出力化が可能で高い信頼性を有す
る半導体レーザ素子を提供することを目的とするもので
ある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ素
子は、GaAs基板上に、活性層を挟むように該活性層
の上下にそれぞれ活性層側から光導波層およびクラッド
層をこの順に含む半導体層を備えた半導体レーザ素子に
おいて、活性層が、圧縮歪を有するInx1Ga1-x1As
1-y1y1(ただし、0.49y1<x1≦0.4、0≦y1≦0.1)か
らなり、光導波層が、Inx2Ga1-x2As1-y2y2(た
だし、x2=0.49y2、0.05≦x2≦0.15)からなり、半導体
層のp型導電性側に配置された光導波層中に、該光導波
層よりバンドギャップが大きいアンドープのAlz3Ga
1-z3As電子障壁層(ただし、0.1≦z3≦0.8)が設けら
れていることを特徴とするものである。
【0006】クラッド層は、光導波層よりバンドギャッ
プが大きいIn0.49(AlzGa1-z) 0.51P(ただし、0
≦z≦1)またはAlz1Ga1-z1As(ただし、0.2≦z1
≦0.8)からなることが望ましい。
【0007】本発明の半導体レーザ素子においては、活
性層の基板と反対側の光導波層上に、n型およびp型の
一方のAlz1Ga1-z1As(ただし、0.2≦z1≦0.8)か
らなるクラッド層、一方の導電性のInGaP第一エッ
チング阻止層、電流の通路となるストライプ領域に開口
を有するGaAs第二エッチング阻止層および他方の導
電性のIn0.49Ga0.51P電流阻止層、開口を埋め込む
ように形成された一方の導電性のAlz4Ga1-z4As
(ただし、0.3≦z4≦0.5)からなる第二のクラッド層、
および一方の導電性のGaAsコンタクト層をこの順に
備えてなる内部電流狭窄構造と屈折率導波機構を備えた
ものであってもよい。
【0008】また、活性層の基板と反対側の光導波層上
に、一方の導電性のInGaP第一エッチング阻止層、
電流の通路となるストライプ領域に開口を有するGaA
s第二エッチング阻止層および他方の導電性のIn0.49
Ga0.51P電流阻止層、開口を埋め込むように形成され
た一方の導電性のAlz4Ga1-z4As(ただし、0.3≦z
4≦0.5)からなるクラッド層、および一方の導電性のG
aAsコンタクト層をこの順に備えてなる、内部電流狭
窄構造と屈折率導波機構を備えたものであってもよい。
なお、GaAs第二エッチング阻止層の導電性は基板の
導電性に関わらず、n型およびp型のいずれであっても
よい。
【0009】また、活性層の基板と反対側の光導波層上
に、n型およびp型の一方のAlz1Ga1-z1As(ただ
し、0.2≦z1≦0.8)からなるクラッド層、電流の通路と
なるストライプ領域に開口を有するInGaPエッチン
グ阻止層および他方の導電性のAlz5Ga1-z5As電流
阻止層(ただし、0.2≦z5≦0.8)、開口を埋め込むよう
に形成された一方の導電性のAlz4Ga1-z4As(ただ
し、z4<z5)からなる第二のクラッド層、および一方の
導電性のGaAsコンタクト層をこの順に備えてなる内
部電流狭窄構造と屈折率導波機構を備えたものであって
もよい。
【0010】また、活性層の基板と反対側の光導波層上
に、電流の通路となるストライプ領域に開口を有するI
nGaPエッチング阻止層および他方の導電性のAlz5
Ga 1-z5As電流阻止層(ただし、0.2≦z5≦0.8)、開
口を埋め込むように形成された一方の導電性のAlz4
1-z4As(ただし、z4<z5)からなるクラッド層、お
よび一方の導電性のGaAsコンタクト層をこの順に備
えてなる内部電流狭窄構造と屈折率導波機構を備えたも
のであってもよい。なお、InGaPエッチング阻止層
の導電性は基板の導電性に関わらず、n型およびp型の
いずれであってもよい。
【0011】さらに、活性層の基板と反対側の光導波層
上に、n型およびp型の一方のIn 0.49(Alz
1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)からなるクラッド
層、電流の通路となるストライプ領域に開口を有するG
aAsエッチング阻止層および他方の導電性のIn0.49
Ga0.51P電流阻止層、開口を埋め込むように形成され
た、該電流阻止層より屈折率が大きい一方の導電性のA
z4Ga1-z4As(ただし、0.3≦z4≦0.5)からなる第
二のクラッド層、および一方の導電性のGaAsコンタ
クト層をこの順に備えてなる内部電流狭窄構造と屈折率
導波機構を備えたものであってもよい。
【0012】活性層の基板と反対側の光導波層上に、電
流の通路となるストライプ領域に開口を有するGaAs
エッチング阻止層および他方の導電性のIn0.49Ga
0.51P電流阻止層、開口を埋め込むように形成された、
該電流阻止層より屈折率が大きい一方の導電性のAlz4
Ga1-z4As(ただし、0.3≦z4≦0.5)からなるクラッ
ド層、および一方の導電性のGaAsコンタクト層をこ
の順に備えてなる内部電流狭窄構造と屈折率導波機構を
備えたものであってもよい。
【0013】またさらに、活性層の前記基板と反対側の
前記光導波層上に、n型およびp型の一方のIn
0.49(AlzGa1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)から
なるクラッド層、電流の通路となるストライプ領域に開
口を有するGaAsエッチング阻止層および他方の導電
性のIn0.49(AlzGa1-z0.51P電流阻止層(ただ
し、0≦z≦1)、開口を埋め込むように形成された、該
電流阻止層より屈折率が大きい一方の導電性のAlz7
1-z7As(ただし、0.3≦z7≦0.8)あるいはIn0. 49
(Alz6Ga1-z60.51Pからなる第二のクラッド層
(ただし、z6<z)、および一方の導電性のGaAsコ
ンタクト層をこの順に備えてなる、内部電流狭窄構造と
屈折率導波機構を備えたものであってもよい。
【0014】活性層の前記基板と反対側の前記光導波層
上に、電流の通路となるストライプ領域に開口を有する
GaAsエッチング阻止層および他方の導電性のIn
0.49(AlzGa1-z0.51P電流阻止層(ただし、0≦z
≦1)、開口を埋め込むように形成された、該電流阻止
層より屈折率が大きい一方の導電性のAlz7Ga1-z7
s(ただし、0.3≦z7≦0.8)あるいはIn0.49(Alz6
Ga1-z60.51Pからなるクラッド層(ただし、z6<
z)、および一方の導電性のGaAsコンタクト層をこ
の順に備えてなる、内部電流狭窄構造と屈折率導波機構
を備えたものであってもよい。
【0015】なお、上記GaAsエッチング阻止層の導
電性は基板の導電性に関わらず、n型およびp型のいず
れであってもよい。
【0016】また、活性層の基板と反対側の光導波層上
に、n型およびp型の一方のAlz1Ga1-z1As(ただ
し、0.2≦z≦0.8)からなるクラッド層、一方の導電性
のInGaPエッチング阻止層、および電流の通路とな
るリッジ部が形成された一方の導電性のAlz1Ga1-z1
As(ただし、0.2≦z1≦0.8)からなる第二のクラッド
層をこの順に備えてなる、リッジ型の屈折率導波機構を
備えたものであってもよい。
【0017】また、活性層の基板と反対側の光導波層上
に、一方の導電性のInGaPエッチング阻止層、およ
び電流の通路となるリッジ部が形成された一方の導電性
のAlz1Ga1-z1As(ただし、0.2≦z1≦0.8)からな
るクラッド層をこの順に備えてなる、リッジ型の屈折率
導波機構を備えたものであってもよい。
【0018】また、活性層の前記基板と反対側の前記光
導波層上に、n型およびp型の一方のIn0.49(Alz
Ga1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)からなるクラッド
層、および電流の通路となるリッジ部が形成された前記
一方の導電性のAlz1Ga1- z1As(ただし、0.2≦z1
≦0.8)からなる第二のクラッド層をこの順に備えてな
る、リッジ型の屈折率導波機構を備えたものであっても
よい。
【0019】上記屈折率導波機構を備えた半導体レーザ
素子において、ストライプ幅、すなわち前記電流の通路
の導波方向に垂直な断面における幅を1.5μm〜4μm
とする場合は、等価屈折率段差は2×10-3〜7×10
-3の範囲であることが望ましい。
【0020】また、前記ストライプ幅を、4μmより大
きくする場合は、等価屈折率段差は2×10-3以上とす
ることが望ましい。
【0021】なお、等価屈折率段差とは、内部電流狭窄
構造の場合は、電流狭窄層が存在する領域の積層方向の
発振波長における等価屈折率をNbとし、電流狭窄層が
無い領域の積層方向の発振波長における等価屈折率をN
aとすると、等価屈折率差△nはNa−Nbで示される。
また、リッジ構造の場合は、リッジを有する領域の積層
方向の発振波長における等価屈折率をNAとし、リッジ
が無い領域の積層方向の発振波長における等価屈折率を
NBすると、等価屈折率差△NはNA−NBで示される。
【0022】また、Alz3Ga1-z3As電子障壁層が設
けられる、「p側に配置された前記光導波層中」とは、
アンドープのAlz3Ga1-z3As電子障壁層が、活性層
に隣接するように形成されていてもよいし、あるいは、
該電子障壁層の上下に光導波層が存在するように、すな
わち、光導波層中に電子障壁層が形成されていてもよい
ことを示す。
【0023】なお、p側に配置された光導波層の導電性
は、p型あるいはアンドープのいずれであってもよい。
上下に光導波層が存在するように電子障壁層を形成する
場合は、活性層に隣接する光導波層は、アンドープのも
のとすることが好ましい。
【0024】またInGaPエッチング阻止層の厚さ
は、少なくとも成膜可能な最小膜厚あればよく、さらに
膜厚が薄いため、InGaPの組成は必ずしもGaAs
に格子整合する必要は無いが、格子整合する方がより好
ましい。
【0025】
【発明の効果】本発明の半導体レーザ素子によれば、活
性層が圧縮歪を有するInx1Ga1-x1As1-y1y1(た
だし、0.49y1≦x1≦0.4、0≦y1≦0.1)からなり、光導
波層がInx2Ga1-x2As1-y2y2(ただし、x2=0.49
y2、0.05≦x2≦0.15)からなり、半導体層のp型導電性
側に配置された光導波層中に、該光導波層よりバンドギ
ャップが大きいアンドープのAlz3Ga1-z3As電子障
壁層(ただし、0.1≦z3≦0.8)が設けられている構造と
することにより、Inx1Ga1-x1As1-y1y1活性層に
注入された電子に対するポテンシャル障壁を高くするこ
とができるので、電子がp側のクラッド層等に漏れるの
を防ぐことができる。このため、高い効率で電子が活性
層に注入されるため、しきい値電流およびそのしきい値
電流の温度依存性を小さくすることができる。よって高
出力化が可能であり、高い信頼性を有する半導体レーザ
素子を得ることができる。
【0026】クラッド層を、光導波層よりバンドギャッ
プが大きいIn0.49(AlzGa1-z) 0.51P(ただし、0
≦z≦1)またはAlz1Ga1-z1As(ただし、0.2≦z1
≦0.8)とすることにより、キャリアの閉じ込めを良好
に行うことができる。
【0027】また、上記のような内部電流狭窄構造と屈
折率導波機構を備えた半導体レーザ素子においては、光
閉じ込めが良好に行われるので高品位なレーザ光を得る
ことができる。また、内部電流狭窄構造であるので、電
極とコンタクト層の接触面積が大きいため、コンタクト
抵抗を低減させることができ、特性を向上させることが
できる。
【0028】また、リッジ型の屈折率導波機構を備えた
半導体レーザ素子においても同様に、光閉じ込めが良好
に行われるので高品位なレーザ光を得ることができる。
【0029】ストライプ幅を1.5μm〜4μmとし、等
価屈折率段差を2×10-3〜7×10-3の範囲にするこ
とにより、高出力まで基本横モード発振が可能な半導体
レーザ素子を得ることができる。
【0030】また、ストライプ幅を4μmより大きく
し、等価屈折率段差を2×10-3以上とすることによ
り、マルチモードであっても低雑音なレーザ光を得るこ
とができる。
【0031】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
【0032】本発明の第1の実施の形態による半導体レ
ーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その
半導体レーザ素子の断面図を図1に示す。
【0033】図1に示すように、有機金属気相成長法に
より、n−GaAs基板1上に、n−Alz1Ga1-z1
s下部クラッド層2(0.2≦z1≦0.8)、nあるいはi−
In x2Ga1-x2As1-y2y2下部光導波層3(x2=0.49y
2、0.05≦x2≦0.15)、Inx 1Ga1-x1As1-y1y1
縮歪量子井戸活性層4(0.4≧x1>0.49y1、0≦y1≦0.
1、厚さ3〜20nm程度)、Inx2Ga1-x2As1-y2y2
上部第一光導波層5、光導波層よりバンドギャップが大
きいAlz3Ga1-z3As電子障壁層6(ただし、0.1≦z
3≦0.8)、pあるいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2y2
上部第二光導波層7、p−Alz1Ga1-z1As上部クラ
ッド層8およびp−GaAsコンタクト層9を積層す
る。
【0034】次に、SiO2膜10を形成し、通常のリソ
グラフィにより<011>方向に50μm程度の幅のスト
ライプ領域のSiO2膜10を除去し、p側電極11を形成
する。基板を研磨しn側電極12を形成する。その後、上
記のようにして作製した試料をへき開して形成した共振
器面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを
施し、チップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【0035】上記のようにして作製された半導体レーザ
素子は、活性層、アンドープの上部第一光導波層、電子
障壁層、p型あるいはアンドープの上部第二光導波層が
積層された構造となっている。
【0036】本実施の形態による半導体レーザ素子にお
いては、電子障壁層は、光導波層の間に形成されている
が、活性層に隣接するように形成してもよい。
【0037】なお、本実施の形態において、下部クラッ
ド層2とGaAs基板1との間、および上部クラッド層
8とコンタクト層9との間にそれぞれ、バンドギャップ
が連続的につながるように、Al組成を徐々に変化させ
たAlGaAs組成傾斜層を設けることが、素子抵抗低
減のためにより好ましい。
【0038】次に、本発明の第2の実施の形態による半
導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明す
る。その半導体レーザ素子の断面図を図2に示す。
【0039】図2に示すように、有機金属気相成長法に
より、n−GaAs基板21上に、n−Alz1Ga1-z1
s下部クラッド層22(0.2≦z1≦0.8)、nあるいはi−
In x2Ga1-x2As1-y2y2下部光導波層23(x2=0.49y
2、0.05≦x2≦0.15)、Inx 1Ga1-x1As1-y1y1
縮歪量子井戸活性層24(0.4≧x1>0.49y1、0≦y1≦0.
1、厚さ3〜20nm程度)、Inx2Ga1-x2As1-y2y2
上部第一光導波層25、光導波層25よりバンドギャップが
大きいAlz3Ga1-z3As電子障壁層26(ただし、0.1
≦z3≦0.8)、pあるいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2
y2上部第二光導波層27、p−Alz1Ga1-z1As上部
第一クラッド層28、p−In0.49Ga0.51P第一エッチ
ング阻止層29、p−GaAs第二エッチング阻止層30、
n−In0.49Ga0.51P電流狭窄層31(厚さ1μm程
度)、および不図示のn−GaAsキャップ層32(厚さ
10nm程度)を積層する。その上に、不図示のSiO2膜3
3を形成し、<011>方向に通常のリソグラフィによ
り1.5〜4μm程度の幅のストライプ状にSiO2膜33を
除去する。次にSiO2膜33をマスクにして、硫酸系の
エッチャントでn−GaAsキャップ層32をエッチング
した後、SiO2膜33を除去する。次に、n−GaAs
キャップ層32をマスクとして、塩酸系のエッチャントで
n−In0.49Ga0.51P電流狭窄層31をエッチングし、
p−GaAs第二エッチング阻止層30を露出させる。硫
酸系エッチャントでn−GaAsキャップ層32および露
出しているp−GaAs第二エッチング阻止層30をエッ
チングすることによりp−In0.49Ga0.51P第一エッ
チング阻止層29を露出させる。
【0040】次に、p−Alz4Ga1-z4As上部第二ク
ラッド層34(ただし、0.3≦z4≦0.5)およびp−GaA
sコンタクト層35、p側電極36を形成する。基板を研磨
してn側電極37を形成する。
【0041】その後、上記のようにして作製された試料
をへき開して形成した共振器面の一方の高反射率コー
ト、他方に低反射率コートを施し、チップ化して半導体
レーザ素子を完成させる。
【0042】p−Alz4Ga1-z4As上部第二クラッド
層34の組成、上部第一クラッド層28の組成および厚さは
基本横モード発振が高出力まで可能な値に制御する。す
なわち、等価屈折率段差を2×10-3〜7×10-3の範
囲にすることが望ましい。
【0043】p−Alz4Ga1-z4As上部第二クラッド
層34を積層する前に、p−In0.49Ga0.51P層を50nm
程度積層してもよい。
【0044】本実施の形態による半導体レーザ素子にお
いても、下部クラッド層22とGaAs基板21との間、お
よび上部第二クラッド層34とコンタクト層35との間にそ
れぞれ、バンドギャップが連続的につながるように、A
l組成を徐々に変化させたAlGaAs組成傾斜層を設
けることが、素子抵抗低減のためにより好ましい。
【0045】本実施の形態のように、エッチング阻止層
をp−In0.49Ga0.51P第一エッチング阻止層29とp
−GaAs第二エッチング阻止層30との2層構造にすれ
ば、n−In0.49Ga0.51P電流狭窄層をエッチングす
るエッチャントではGaAsエッチング阻止層はエッチ
ングできないので、一旦GaAs第二エッチング阻止層
30上でエッチングが停止し、その後、GaAs第二エッ
チング阻止層30をエッチングする際、GaAsのエッチ
ャントではp−In0.49Ga0.51P第一エッチング阻止
層29はエッチングされないので、p−In0.49Ga0.51
P第一エッチング阻止層29の表面でエッチングを停止さ
せることができる。よって所望のストライプ幅に高精度
に制御できる。
【0046】下部クラッド層22、上部第一クラッド層28
および上部第二クラッド層34は、AlGaAsの代わり
に、In0.49(AlzGa1-z)0.51P(ただし、0≦z≦
1)からなるものとしてもよい。
【0047】特に、上部第一クラッド層28をIn
0.49(AlzGa1-z)0.51P(ただし、0≦z≦1)からな
るものとした場合、エッチング層はGaAs層1層のみ
とし、上部第二クラッド層は上記実施の形態同様p−A
z4Ga1-z4As(ただし、0.3≦z4≦0.5)とすること
が望ましい。上記同様に、ストライプ領域の電流狭窄層
をエッチングした後、硫酸系のエッチャントでこのエッ
チング阻止層をエッチングすれば、上部第一クラッド層
28の表面で自動的にエッチングが停止する。
【0048】また、電流狭窄層31をAlz5Ga1-z5As
(ただし、0.2≦z5≦0.8)からなるものとしてもよく、
その場合、エッチング阻止層はInGaP層1層のみと
することが望ましく、上部第二クラッド層34は、Alz4
Ga1-z4As(ただし、z4<z5)からなるものとするこ
とが望ましい。InGaPエッチング阻止層はストライ
プ領域の電流狭窄層をエッチングした後、塩酸系のエッ
チャントでストライプ領域をエッチングすれば、p−A
z1Ga1-z1As上部第一クラッド層28上で自動的にエ
ッチングを停止させることができる。
【0049】また、電流狭窄層31は、n−In0.49(A
zGa1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)からなるもの
としてもよい。この場合、エッチング阻止層はGaAs
層1層のみとすることが望ましく、上部第一クラッド層
28はp−In0.49(AlzGa 1-z)0.51P(ただし、0≦z
≦1)からなるもの、さらに上部第二クラッド層34はA
z7Ga1-z7As(ただし、0.3≦z7≦0.8)あるいはI
0.49(Alz6Ga1- z60.51P(ただし、z6<z)か
らなるものとすることが望ましい。GaAsエッチング
阻止層のストライプ領域は硫酸系のエッチャントでエッ
チングすることによりp−In0.49(AlzGa1-z)0.51
P上部第一クラッド層28上で自動的に停止させることが
できる。
【0050】本実施の形態による半導体レーザ素子は、
素子内部に電流狭窄層を備えており、コンタクト層と電
極の接触面積が広くとれるため、コンタクト抵抗を低減
させることができるので、しきい値電流の低減等特性の
向上を図ることができる。
【0051】なお、上記層構成において、上部第一クラ
ッド層は設けない構造としてもよく、光導波層の厚さと
組成を制御することにより、同様に高品質なレーザ光を
得ることができる。
【0052】次に、本発明の第3の実施の形態による半
導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明す
る。その半導体レーザ素子の断面図を図3に示す。
【0053】図3に示すように、有機金属気相成長法に
より、n−GaAs基板41上に、n−Alz1Ga1-z1
s下部クラッド層42(0.2≦z1≦0.8)、nあるいはi−
In x2Ga1-x2As1-y2y2下部光導波層43(x2=0.49y
2、0.05≦x2≦0.15)、Inx 1Ga1-x1As1-y1y1
縮歪量子井戸活性層44(0.4≧x1>0.49y1、0≦y1≦0.
1、厚さ3〜20nm程度)、Inx2Ga1-x2As1-y2y2
上部第一光導波層45、光導波層45よりバンドギャップが
大きいAlz3Ga1-z3As電子障壁層46(ただし、0.1
≦z3≦0.8)、pあるいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2
y2上部第二光導波層47、p−Alz1Ga1-z1As上部
第一クラッド層48、p−In0.49Ga0.51P第一エッチ
ング阻止層49、p−Alz1Ga1-z1As上部第二クラッ
ド層50およびp−GaAsコンタクト層51を形成する。
引き続き、レジストを塗布して通常のリソグラフィによ
り、1.5〜4μm程度の幅のストライプ領域以外のレジ
ストを除去し、レジストをマスクにして硫酸系のエッチ
ング液でp−Alz1Ga1-z1As上部第二クラッド層50
をエッチングする。このとき自動的にエッチング阻止層
49でエッチングが停止する。次に、レジストを除去後、
絶縁膜52を形成し、通常のリソグラフィで、リッジ上部
の絶縁膜52を除去した後、p側電極53を形成する。さら
に基板の研磨を行いn側電極54を形成する。その後、試
料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射率コー
ト、他方に低反射率コートを施す。その後チップ化して
半導体レーザ素子を完成させる。
【0054】pあるいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2
y2上部第二光導波層47およびp−Alz1Ga1-z1As上
部第一クラッド層48の合計膜厚は、基本横モード発振が
高出力まで維持できる値とする。すなわち、等価屈折率
段差が2×10-3〜7×10 -3の範囲にすることが望ま
しい。
【0055】また、本実施の形態による半導体レーザ素
子においても、下部クラッド層42とGaAs基板41との
間、および上部第二クラッド層50とコンタクト層51との
間にそれぞれ、バンドギャップが連続的につながるよう
に、Al組成を徐々に変化させたAlGaAs組成傾斜
層を設けることが、素子抵抗低減のためにより好まし
い。
【0056】なお、上部第一クラッド層48を設けず、上
部第二光導波層47上にInGaPエッチング阻止層49を
設けてもよい。
【0057】また、下部クラッド層42、上部第一クラッ
ド層48および上部第二クラッド層50は、AlGaAsの
代わりに、In0.49(AlzGa1-z)0.51P(ただし、0
≦z≦1)からなるものとしてもよい。例えば、上部第一
クラッド層48をIn0.49(Al zGa1-z)0.51P(ただ
し、0≦z≦1)とした場合、エッチング阻止層を設けな
くてもよい。すなわち、p−Alz1Ga1-z1As上部第
二クラッド層をエッチングするエッチャントでは、In
0.49(AlzGa1-z)0.51Pはエッチングされないので、
エッチングを自動的に上部第一クラッド層48上で停止さ
せることができるためである。
【0058】また、上記全ての実施の形態においては、
n型GaAs基板を用いたが、p型のGaAs基板を用
いてもよく、その場合、半導体層の導電性は逆にして積
層すればよい。
【0059】また、上記すべての実施の形態による半導
体レーザ素子の発振する波長帯λ(nm)は、Inx1Ga
1-x1As1-y1y1圧縮歪量子井戸活性層(0.4≧x1>0.4
9y1、0≦y1≦0.1)より、900<λ<1200の範囲で制御が
可能である。
【0060】また、上記すべての実施の形態において
は、ストライプ幅が1.5〜4μmの狭ストライプ幅の半
導体レーザ素子について説明したが、ストライプ幅を4
μmより大きくして多モード発振する半導体レーザ素子
としてもよい。特に屈折率導波機構を備えた幅広の半導
体レーザ素子は、マルチモードであっても低雑音なレー
ザ光を出射することができるので、高い出力が必要な固
体レーザの励起光源として最適である。
【0061】上記実施の形態では、絶縁膜による電流狭
窄構造を備えた素子、内部電流狭窄と屈折率導波機構と
を備えた素子、あるいはリッジ型の屈折率導波機構を備
えた素子について説明したが、本発明は、回折格子を素
子内部に備えた半導体レーザ素子についても適用するこ
とが可能である。
【0062】(実施例)上記第2の実施の形態による半
導体レーザ素子の層構成において、下部クラッド層22、
上部第一クラッド層28、上部第二クラッド層34をAl
0.35Ga0.65Asとし、活性層24をIn0.2Ga0.8As
とし、すべての光導波層をIn0.3Ga0.8 7As0.2
0.75とし、すべての光導波層の合計膜厚を100nmとし、
電子障壁層26をAl0.25Ga0.75Asとし、電子障壁層
26の厚さを15nmとし、電流狭窄層31をAl0.4Ga0.6
sとし、発振波長を980nmとした素子と、層構成は同様
で電子障壁層26を設けない素子とを作製し、それぞれの
しきい値電流の温度依存性を調べた。その結果、本発明
の電子障壁層を設けた半導体レーザ素子の特性温度は16
0Kであり、電子障壁層を設けない半導体レーザ素子の
特性温度は130Kであった。電子障壁層を設けることに
より、特性温度が高くなり、素子特性の温度依存性を小
さくすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ
素子を示す断面図
【図2】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ
素子を示す断面図
【図3】本発明の第3の実施の形態による半導体レーザ
素子を示す断面図
【符号の説明】
1 n−GaAs基板 2 n−Alz1Ga1-z1As下部クラッド層 3 nあるいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2y2下部
光導波層 4 Inx1Ga1-x1As1-y1y1圧縮歪量子井戸活性
層 5 Inx2Ga1-x2As1-y2y2上部第一光導波層 6 Alz3Ga1-z3As電子障壁層 7 pあるいはi−Inx2Ga1-x2As1-y2y2上部
第二光導波層 8 p−Alz1Ga1-z1As上部クラッド層 9 p−GaAsコンタクト層 10 SiO2膜 11 p側電極 12 n側電極

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 GaAs基板上に、活性層を挟むように
    該活性層の上下にそれぞれ該活性層側から光導波層およ
    びクラッド層をこの順に含む半導体層を備えた半導体レ
    ーザ素子において、 前記活性層が、圧縮歪を有するInx1Ga1-x1As1-y1
    y1(ただし、0.49y1<x1≦0.4、0≦y1≦0.1)からな
    り、前記光導波層が、Inx2Ga1-x2As1-y2y2(た
    だし、x2=0.49y2、0.05≦x2≦0.15)からなり、 前記半導体層のp型導電性側に配置された前記光導波層
    中に、該光導波層よりバンドギャップが大きいアンドー
    プのAlz3Ga1-z3As電子障壁層(ただし、0.1≦z3
    ≦0.8)が設けられていることを特徴とする半導体レー
    ザ素子。
  2. 【請求項2】 前記クラッド層が、前記光導波層よりバ
    ンドギャップが大きいIn0.49(AlzGa1-z)0.51
    (ただし、0≦z≦1)またはAlz1Ga1-z1As(ただ
    し、0.2≦z1≦0.8)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素子。
  3. 【請求項3】 前記活性層の前記基板と反対側の前記光
    導波層上に、n型およびp型の一方のAlz1Ga1-z1
    s(ただし、0.2≦z1≦0.8)からなるクラッド層、前記
    一方の導電性のInGaP第一エッチング阻止層、電流
    の通路となるストライプ領域に開口を有するGaAs第
    二エッチング阻止層および他方の導電性のIn0.49Ga
    0.51P電流阻止層、前記開口を埋め込むように形成され
    た前記一方の導電性のAlz4Ga1-z4As(ただし、0.
    3≦z4≦0.5)からなる第二のクラッド層、および前記一
    方の導電性のGaAsコンタクト層をこの順に備えたこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ素子。
  4. 【請求項4】 前記活性層の前記基板と反対側の光導波
    層上に、n型およびp型の一方のAlz1Ga1-z1As
    (ただし、0.2≦z1≦0.8)からなるクラッド層、電流の
    通路となるストライプ領域に開口を有するInGaPエ
    ッチング阻止層および他方の導電性のAlz5Ga1-z5
    s電流阻止層(ただし、0.2≦z5≦0.8)、前記開口を埋
    め込むように形成された一方の導電性のAlz4Ga1-z4
    As(ただし、z4<z5)からなる第二のクラッド層、お
    よび前記一方の導電性のGaAsコンタクト層をこの順
    に備えたことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ
    素子。
  5. 【請求項5】 前記活性層の前記基板と反対側の光導波
    層上に、n型およびp型の一方のIn0.49(AlzGa
    1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)からなるクラッド層、
    電流の通路となるストライプ領域に開口を有するGaA
    sエッチング阻止層および他方の導電性のIn0.49Ga
    0.51P電流阻止層、前記開口を埋め込むように形成され
    た、該電流阻止層より屈折率が大きい前記一方の導電性
    のAl z4Ga1-z4As(ただし、0.3≦z4≦0.5)からな
    る第二のクラッド層、および前記一方の導電性のGaA
    sコンタクト層をこの順に備えたことを特徴とする請求
    項1記載の半導体レーザ素子。
  6. 【請求項6】 前記活性層の前記基板と反対側の光導波
    層上に、n型およびp型の一方のIn0.49(AlzGa
    1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)からなるクラッド層、
    電流の通路となるストライプ領域に開口を有するGaA
    sエッチング阻止層および他方の導電性のIn0.49(A
    zGa1-z0.51P電流阻止層(ただし、0≦z≦1)、
    前記開口を埋め込むように形成された、該電流阻止層よ
    り屈折率が大きい前記一方の導電性のAlz7Ga1-z7
    s(ただし、0.3≦z7≦0.8)あるいはIn0.49(Alz6
    Ga1-z60.51Pからなる第二のクラッド層(ただし、
    z6<z)、および前記一方の導電性のGaAsコンタク
    ト層をこの順に備えたことを特徴とする請求項1記載の
    半導体レーザ素子。
  7. 【請求項7】 前記活性層の前記基板と反対側の光導波
    層上に、n型およびp型の一方のAlz1Ga1-z1As
    (ただし、0.2≦z1≦0.8)からなるクラッド層、前記一
    方の導電性のInGaPエッチング阻止層、および電流
    の通路となるリッジ部が形成された前記一方の導電性の
    Alz1Ga1-z1As(ただし、0.2≦z1≦0.8)からなる
    第二のクラッド層をこの順に備えたことを特徴とする請
    求項1記載の半導体レーザ素子。
  8. 【請求項8】 前記活性層の前記基板と反対側の前記光
    導波層上に、n型およびp型の一方のIn0.49(Alz
    Ga1-z0.51P(ただし、0≦z≦1)からなるクラッド
    層、および電流の通路となるリッジ部が形成された前記
    一方の導電性のAlz1Ga1-z1As(ただし、0.2≦z1
    ≦0.8)からなる第二のクラッド層をこの順に備えたこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ素子。
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US7428256B2 (en) * 2006-12-28 2008-09-23 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor laser device
JP2017139255A (ja) * 2016-02-01 2017-08-10 株式会社リコー 面発光レーザ素子及び原子発振器

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