JP2004103679A - Semiconductor light emitting element and semiconductor light emitting element module - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a proper bond of an optical system, etc. having an optical fiber and a lens to a semiconductor laser by effectively reducing an overall width of a half value of a flip-flop photovoltaic voltage without extremely deteriorating essential characteristics of the semiconductor laser, and to improve high output operation characteristics of the semiconductor laser itself. <P>SOLUTION: This semiconductor light emitting element includes a structure in which a first conductivity type first clad layer, a first conductivity type second clad layer, a first optical guide layer, an active layer structure, a second optical guide layer, a second conductivity type second clad layer, and a second conductivity type first clad layer sequentially provided in this order on a substrate of a first conductivity type (mean refractive indexes of the respective layers are sequentially n<SB>n1</SB>, n<SB>n2</SB>, n<SB>ng</SB>, n<SB>a</SB>, n<SB>pg</SB>, n<SB>p2</SB>and n<SB>p1</SB>). This element is designed to satisfy specific conditions, such as, n<SB>n2</SB><n<SB>n1</SB><n<SB>ng</SB><n<SB>a</SB>and n<SB>p2</SB><n<SB>p1</SB><n<SB>pg</SB><n<SB>a</SB>, etc. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【００１６】
また、本明細書では、図１下側に図示されるように、基板に垂直な方向を縦方向と定義し、基板に水平な方向を横方向と定義する。
【００１７】
本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、本明細書に添付する図面は、本発明の構造を把握しやすくするために、敢えて寸法を変えている部分があるが、実際の寸法は本明細書に記載されているとおりである。
【００１８】
本発明の半導体発光素子は、第一導電型である基板上に、第一導電型第一クラッド層、第一導電型第二クラッド層、第一光ガイド層、活性層構造、第二光ガイド層、第二導電型第二クラッド層、第二導電型第一クラッド層の順に積層された構造を有する。
【００１９】
以下において、本発明の半導体発光素子の好ましい構成例およびその製造法について具体的に説明する。
先ず、本発明の半導体発光素子の主たる特徴を、図１に示すＬＤを参照しながら説明する。図１左には各層構造により実現される屈折率の縦方向の空間分布を示し、また図１下には本図中で使用する方向の呼び方を示した。
【００２０】
図１は、ｎ型基板（１０１）上に、Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓからなる厚みｔ_ｎ１（ｎｍ）のｎ型第一クラッド層（１０２）、Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐからなる厚みｔ_ｎ２（ｎｍ）のｎ型第二クラッド層（１０３）、アンドープＧａＡｓからなる厚みｔ_ｎｇ（ｎｍ）の第一光ガイド層（１０４）、厚みｔ_ａ（ｎｍ）の活性層構造（１０５）、アンドープＧａＡｓからなる厚みｔ_ｐｇ（ｎｍ）の第二光ガイド層（１０６）、Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓからなる厚みｔ_ｐ２（ｎｍ）のｐ型第二クラッド層（１０７）、Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓからなる厚みｔ_ｐ１（ｎｍ）のｐ型第一クラッド層（１０８）を有しており、さらに電極（１１１）との接触抵抗を下げるためのコンタクト層（１０９）、また横方向に対して電流注入領域を限定するためのＳｉＮ層（１１０）と、さらに、ｐ側電極（１１１）、ｎ側電極（１１２）より構成されているブロードエリア型ＬＤである。本発明の半導体発光素子は、ｎ型第一クラッド層（１０２）とｐ型第一クラッド層（１０８）などの対をなす層が対称であってもかまわないが、ここでは非対称の場合について説明する。
【００２１】
また活性層構造（１０５）は、基板（１０１）側から、厚み５ｎｍのＧａＡｓ障壁（バリア）層（１２１）、厚み６ｎｍのＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２２）、厚み８ｎｍのＧａＡｓ障壁層（１２３）、厚み６ｎｍのＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２４）、厚み５ｎｍのＧａＡｓ障壁層（１２５）が積層された構造を有している歪み二重量子井戸構造であり、その発振波長はλ（ｎｍ）である。
【００２２】
本発明においては、半導体レーザの素子内の導波機構の基礎となる活性層構造（１０５）に対する縦方向の閉じ込めは、活性層構造（１０５）の上下に位置するＡｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓのｎ型第一クラッド層（１０２）、Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓのｐ型第一クラッド層（１０８）と、活性層構造（１０５）を含む２つのＧａＡｓ光ガイド層（１０４，１０６）との間の屈折率差によって実現するものである。ＧａＡｓの基板（１０１）を採用し、格子整合性の観点から第一クラッド層（１０２）をＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓで構成する場合には、Ａｌ組成ｘは０．４よりも小さいことが好ましく、０．３より小さいことがより好ましく、０．２よりも小さいことがさらに好ましい。このようにして、半導体レーザ全体を構成する層の中で基板（１０１）とコンタクト層（１０９）を除いて最も厚いクラッド層のＡｌ組成を下げることによって、素子全体の熱抵抗を下げることが可能であり、高出力動作に適した構造とすることができる。また、ＧａＡｓの基板（１０１）を採用する場合には、格子整合性の観点からは、ｎ型第一クラッド層（１０２）にＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐを適応することも可能である。さらに、第一クラッド層（１０２，１０８）は単一の材料から構成される必要はなく、光に対しては単一の層と等価に作用するような、複数の層から構成されてもかまわない。この場合、光はこれら複数の層の平均的な屈折率によって制御されることとなる。
【００２３】
第一クラッド層（１０２，１０８）の厚みｔ_ｎ１（ｎｍ），ｔ_ｐ１（ｎｍ）は、その層の活性層構造（１０５）側から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λ（ｎｍ）に対して以下の式を満たすことが好ましい。
【数１７】
λ　＜　ｔ_ｎ１　　　　　λ　＜　ｔ_ｐ１
特に９８０ｎｍ帯ＬＤなどの様に、基板（１０１）が発振波長に対して透明であり、かつｎ型第一クラッド層（１０２）およびｎ型第二クラッド層（１０３）よりも屈折率が大きい場合には、クラッド層（１０２，１０３）から基板（１０１）側にもれ出した光が基板中を伝播することから、基板モードがＬＤ本来のモードに重畳することが知られている。これを抑制するためには、ｎ型第一クラッド層（１０２）の厚みを波長に対して厚くしておくことが望ましい。
【００２４】
また、活性層構造（１０５）近傍において縦方向の導波構造を実現するためには、第二光ガイド層（１０６）、第一光ガイド層（１０４）とも第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率の大きな材料で構成される必要がある。基板（１０１）がＧａＡｓであって、クラッド層（１０２，１０３，１０７，１０８）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成する場合には、光ガイド層（１０４，１０６）もＡｌＧａＡｓ系材料で構成することが望ましい。また、そのＡｌ組成は０．４よりも小さいことが好ましく、０．２より小さいことがより好ましく、０．１よりも小さいことがさらに好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層（１０４，１０６）が望まれる。一方基板（１０１）がＧａＡｓである場合には、格子整合性の観点とＡｌを構成元素として含まない観点からＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐを選択することもできる。
【００２５】
本発明で言う活性層構造（１０５）とは、量子効果が顕著になるほどに薄い薄膜からなる量子井戸を含む活性層構造を指し、例えば、光ガイド層に障壁層としての役割を担わせた単層の量子井戸活性層（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　ＳＱＷ）である場合がある。また、多くの場合においては当該量子井戸層の両側には、量子井戸層よりも大きなバンドギャップを有する障壁層が具備されることから、同じＳＱＷ構造でも障壁層、量子井戸層、障壁層と積層された場合もあり得る。さらに、図１に示すように、活性層構造が、基板（１０１）側から障壁層（１２１）、量子井戸層（１２２）、障壁層（１２３）、量子井戸層（１２４）、障壁層（１２５）と積層されたいわゆる二重量子井戸構造（Ｓｔｒａｉｎｅｄ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　Ｓ−ＤＱＷ）であっても良い。さらに、量子井戸層を３層以上多重に用いた多重量子井戸構造が用いられる場合もある。また、量子井戸層には意図的に歪みが導入される場合もあり、例えば、しきい値を低下させるために圧縮性の応力を内在させることなどが広く行われている。また、本発明で好ましく応用される９００ｎｍ〜１３５０ｎｍ程度の波長を有する半導体レーザにあっては、ＧａＡｓ基板上にＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含むことで実現させるのが望ましい。
【００２６】
本発明においては第一クラッド層（１０２，１０８）と光ガイド層（１０４，１０６）、活性層構造（１０５）から計算される以下の２つの値が、所望の範囲となっていることが必須である。具体的には本説明の半導体発光素子においては、ｎ側第一クラッド層（１０２）が、実際に存在するｎ側にだけではなく、ｐ側第一クラッド層（１０８）に変わってｐ側においても存在するものとして計算されるＶ_ｎが、０．３５＜Ｖ_ｎ＜０．７５を満たし、かつ、これとは独立に、ｐ側第一クラッド層（１０８）が、実際に存在するｐ側にだけではなく、ｎ側第一クラッド層（１０２）に変わってｎ側においても存在すると仮定して計算されるＶ_ｐが０．３５＜Ｖ_ｎ＜０．７５を満たすことに特徴がある。ここで、Ｖ_ｎとＶ_ｐはそれぞれ以下の式により定義され（ｋは波数で２π／λ）、以下に説明する物理的な意味を持たせるものである。
【数１８】
Ｖ_ｎ＝ｋ／２　×（ｔ_ａ＋ｔ_ｎｇ＋ｔ_ｐｇ）×（ｎ_ｎｇ ^２−ｎ_ｎ１ ^２）^１／２
Ｖ_ｐ＝ｋ／２　×（ｔ_ａ＋ｔ_ｎｇ＋ｔ_ｐｇ）×（ｎ_ｐｇ ^２−ｎ_ｐ１ ^２）^１／２
【００２７】
活性層構造（１０５）と光ガイド層（１０４，１０６）などは、クラッド層（１０２，１０３，１０７，１０８）に対して屈折率が相対的に高いことから導波機能を発現する。ここで、Ｖ_ｎとＶ_ｐは、第一クラッド層（１０２，１０８）と光ガイド層（１０４，１０６）の屈折率差も考慮した上で、導波機能を有する層の全ての厚みを、素子の発振波長で一種規格化したものである。すなわち、Ｖ_ｎとＶ_ｐは活性層近傍における光の閉じ込めを規定する指標であるとも言える。ここで、前記のＶ_ｎとＶ_ｐの定義において、活性層構造の平均的屈折率が含まれていないのは、本発明の活性層構造（１０５）が基本的に量子井戸構造を有するためにその厚みが発振波長に対して十分に薄く、導波機能を記述する上では光ガイド層（１０４，１０６）と第一クラッド層（１０２，１０８）の屈折率の差が主たる要素となるからである。この観点で活性層構造を構成する障壁層、特に活性層構造の最外層となる障壁層（１２１、１２５）の厚みが極端に厚く設定され、導波機能が無視できない場合には、これを光ガイド層の厚みと考えるものとする。
【００２８】
発光素子の構造が縦方向に非対称である場合には、Ｖ_ｎとＶ_ｐはそれぞれ異なる値となるが、共に０．３５よりも大きく、かつ０．７５よりも小さいことが必須である。また縦方向に対称な構造である場合にはＶ_ｎ＝Ｖ_ｐであるが、この場合においてもＶ_ｎとＶ_ｐは共に０．３５よりも大きく、かつ０．７５よりも小さいことが必須である。
また、Ｖ_ｎは０．４＜Ｖ_ｎ＜０．６である場合がさらに望ましく、同様にＶ_ｐは０．４＜Ｖ_ｐ＜０．６である場合がさらに望ましい。これら範囲は、後述する第二クラッド層（１０３，１０７）による反導波的な要素とのバランスの上で、半導体発光素子の特性を悪化させることなく、素子のＦＦＰ_Ｖを狭めるため必要な要件である。
【００２９】
通常のＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ　Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造においては、前記第一クラッド層（１０２，１０８）と光ガイド層（１０４，１０６）は直接的に接しているが、本発明においてはこれらの層の間に第二クラッド層（１０３，１０７）を有しているという特徴がある。この層は光ガイド層（１０４，１０６）、さらには第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率が低く設定されなければならない。
この結果、図１左に示される通り、第二クラッド層（１０３，１０７）は、屈折率としては最も小さい値を有する層となる。図１左では、ｎの下に記載される矢印の向きは屈折率が大きくなる方向を意味する。また、伝導帯側の電子に対しては（またここには示されていないが荷電子帯のホールに対しても）、第二クラッド層（１０３，１０７）は障壁となる機能を有する。図１左のＥｇの上に記載される矢印の向きは電子に対してポテンシャルが大きくなる方向を意味する。
【００３０】
第二クラッド層（１０３，１０７）は、このため、次に述べる通り、縦方向の光閉じ込めに関して非常に重要な機能を有している。この第二クラッド層（１０３，１０７）は光ガイド層（１０４，１０６）よりも、また、第一クラッド層（１０２，１０８）よりも屈折率が低くなる様に選択されるため、この相対的な屈折率の関係から、第二クラッド層（１０３，１０７）は、その外側、すなわち第一クラッド層（１０２，１０８）側とまた光ガイド層（１０４，１０６）側の両側に光の分布を押しやる機能を発現する。このため、第一クラッド層（１０２，１０８）側に適度に分布が広げられたＮＦＰ_Ｖの成分は、比較的狭いＦＦＰ_Ｖを実現することに寄与する。すなわち、第二クラッド層（１０３，１０７）の反導波的な特性が適度に作用する場合には、半導体レーザの特性を悪化させることなく比較的狭いＦＦＰを実現することが可能となる。
【００３１】
ここで、本発明において重要な点は、活性層近傍における導波的な機能が０．３５＜Ｖ_ｎ＜０．７５と０．３５＜Ｖ_ｐ＜０．７５を満たす様に選択され、かつ、第二クラッド層（１０３，１０７）によって発現される反導波的な機能が次に示す２つの要件を満たすことである。１つは、ｎ側第二クラッド層（１０３）の第一ガイド層（１０４）に対する相対的な厚みｔ_ｎ２／ｔ_ｎｇが０．３＜Ｒ_ｎ＜０．７であることであり、もうひとつはｐ側第二クラッド層（１０７）の第二ガイド層（１０６）に対する相対的な厚みｔ_ｐ２／ｔ_ｐｇが０．３＜Ｒ_ｐ＜０．７であることである。すなわち、これら後者２つの要件の上限は半導体レーザ内に作り付けられる縦方向の導波構造が、全体として反導波とならないために必須であり、下限は実効的にＦＦＰ_Ｖの幅を狭くするために必要な厚みを示すものである。
さらに、これら第二クラッド層（１０３，１０７）の光ガイド層（１０４，１０６）に対する相対的な厚みは０．３５＜Ｒ_ｎ＜０．５５を満たし、また、０．３５＜Ｒ_ｐ＜０．５５を満たす様に選択することがより望ましい。
【００３２】
第二クラッド層（１０３，１０７）が有するもう一つの機能は、高温でＬＤ駆動を駆動している場合、あるいは高出力動作中でＬＤの自己発熱によって活性層の温度が相当に上がってしまう場合などにＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層（１２２，１２４）から第一クラッド層（１０２，１０８）中へキャリアが熱的な漏れ出し（オーバーフロー）をするのを抑制することである。本構造においては、図１に示される様に活性層構造（１０５）側から光ガイド層（１０４、１０６）を通って第一クラッド層（１０２，１０８）側にもれ出すキャリアから見て、光ガイド層（１０４，１０６）と第一クラッド層（１０２，１０８）の間の障壁の高さよりも第二クラッド層（１０３，１０７）の障壁が高いために、キャリアのオーバーフローを抑制する観点でも望ましい。しかし、極端に大きな障壁は第一クラッド層（１０２，１０８）側から活性層構造（１０５）側へ注入されるキャリアに対して、その注入を阻害してしまうことから第一クラッド層（１０２，１０８）と第二クラッド層（１０３，１０７）のバンドギャップの差は０．０５ｅＶ〜０．４５ｅＶ程度であることが望ましく、０．１ｅＶ〜０．３ｅＶ程度であることがより望ましい。
【００３３】
また、この観点ではｎ側第二クラッド層（１０３）、ｐ側第二クラッド層（１０７）を、屈折率は同程度である異種材料で構成することも望ましい。ここで例示した様にｎ側第二クラッド層（１０３）に用いたＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐと、ｐ側第二クラッド層（１０７）に用いたＡｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓは、９８０ｎｍにおいてほぼ同程度の屈折率（それぞれ、３．２５９と３．２６８）であるが、活性層構造（１０５）の最外層であるＧａＡｓ障壁層（１２１，１２５）または光ガイド層（１０４，１０６）であるＧａＡｓに対してバンドオフセットが形成される状態は大きく異なっている。Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３ＡｓにおいてはＧａＡｓに対して伝導帯側に障壁の７０〜８０％程度が配分されると考えられているが、Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐにおいては逆に荷電子帯側に６０％程度の障壁が配分されると考えられている。このため、キャリアのオーバーフローを抑制するためには、第二クラッド層（１０３，１０７）として、ｎ側にはＩｎＧａＰ系材料を、ｐ側にはＡｌＧａＡｓ系材料を用いることが望ましい。
【００３４】
さらに第二クラッド層（１０３，１０７）によってキャリアオーバーフローを抑制するためには、第二クラッド層（１０３，１０７）は活性層構造（１０５）から極端に離れて位置することは望ましくなく、この結果として光ガイド層（１０４，１０６）の厚みｔ_ｎｇとｔ_ｐｇは、その絶対値として４０ｎｍ＜ｔ_ｎｇ＜１００ｎｍ、４０ｎｍ＜ｔ_ｐｇ＜１００ｎｍであることが望ましい。
【００３５】
次に、本発明の半導体発光素子の一例である単一横モード動作可能な半導体レーザに関して図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の半導体レーザにおけるエピタキシャル構造の一例として埋め込みストライプ型の半導体レーザの構成を示した概略断面図である。
【００３６】
この半導体レーザは第一導電型基板（１）上に形成され、屈折率導波構造を有し、第二導電型第一クラッド層が第二導電型上側第一クラッド（１０）と第二導電型下側第一クラッド（９）の二層に分かれ、この第二導電型上側第一クラッド層（１０）と電流ブロック層（１１）／キャップ層（１２）とで電流閉じ込めと光閉じ込めを共に実現し、さらに電極（１４）との接触抵抗を下げるためのコンタクト層（１３）を有する半導体レーザである。この種のレーザは光通信に用いられる光ファイバー増幅器用の光源や、情報処理用の大規模光磁気メモリーのピックアップ光源、医療用高出力半導体レーザとして用いられ、層構成や使用材料等を適宜選択することによって、さらに様々な用途へ応用することもできる。
【００３７】
基板（１）としては、半導体基板であればＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＮ等、また誘電体基板であればＡｌＯｘ等を使用することができる。基板（１）はいわゆるジャスト基板だけではなく、エピタキシャル成長の際の結晶性を向上させる観点から、いわゆるオフ基板（ｍｉｓｓ　ｏｒｉｅｎｔｅｄ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の使用も可能である。オフ基板は、ステップフローモードでの良好な結晶成長を促進する効果を有しており、広く使用されている。オフ基板は０．５度から２度程度の傾斜を持つものが広く用いられるが、後述する量子井戸構造を構成する材料系によっては傾斜を１０度前後にすることもある。
【００３８】
基板（１）は、ＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤ等の結晶成長技術を利用して半導体レーザを製造するために、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施しておいてもよい。使用する基板（１）の厚みは通常３５０μｍ程度のものであり、素子作製のプロセス中の機械的強度が確保されるようにするのが普通であり、半導体発光素子の端面を形成するために、プロセス途中で１００μｍ程度に薄くポリッシングされるのが普通である。
【００３９】
バッファ層（２）は、基板バルク結晶の不完全性を緩和し、結晶軸を同一にしたエピタキシャル薄膜の形成を容易にするために設けることが好ましい。バッファ層（２）は、基板（１）と同一の化合物で構成するのが好ましく、基板（１）がＧａＡｓの場合は通常、ＧａＡｓが使用され、基板（１）がＩｎＰである場合にはＩｎＰが使用される。しかし、超格子層をバッファ層（２）に使用することも広く行われており、同一の化合物で形成されずＧａＡｓ基板上では、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの超格子構造が使用される場合もある。またバッファ層（２）の組成を徐々に層内で変化させることもできる。一方、誘電体基板を用いた場合には必ずしも基板と同一の物質ではなく、その所望の発振波長、デバイス全体の構造から、適宜、基板と異なった材料が選ばれる場合もある。
【００４０】
第一導電型第一クラッド層（３）は各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板（１）上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００４１】
また、特にＡｌＧａＡｓ系材料を用いた場合には、素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成は０．４０未満であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましく、０．２以下であることがさらに好ましい。また、第一導電型第一クラッド層（３）の厚みｔ_ｎ１（ｎｍ）は、活性層構造（６）から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λ（ｎｍ）よりも大きくすることが好ましい。
【００４２】
また前記の様に、第一導電型第一クラッド層（３）にＡｌＧａＡｓを用い、かつＡｌ組成を低く設定した場合においてはドーパントの活性化率を高くできる効果も期待できる。特に第一導電型がｎ型でありＳｉをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、Ｎ．　Ｃｈａｎｄ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ　ｖｏｌ．３０　（１９８４）　Ｐ．４４８１にある通り、Ｓｉドナーのイオン化エネルギーはＡｌ組成に大きく依存することが知られており、低Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓにおいてはドーピングレベルを比較的少なめに設定しても十分に抵抗の小さい層を形成することができるために非常に望ましい。よって、第一導電型第一クラッド層（３）のドーピングレベルは１．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましい。また、より望ましくは３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることが望ましい。
さらにドーピングは第一導電型第一クラッド層（３）内で一様に行われる必要はなく、基板（１）側ほど高く、また活性層構造（６）に近い側ほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【００４３】
第一導電型第二クラッド層（４）は各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００４４】
また、第一導電型第二クラッド層（４）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成した場合は、そのＡｌ組成は０．５未満であることが好ましい。また、第一導電型第二クラッド層（４）のＡｌ組成は、隣接する第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成と第一光ガイド層（５）のＡｌ組成よりも大きくする。このような構成を採用することによって、第一導電型第二クラッド層（４）は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第一導電型第二クラッド層（４）のＡｌ組成と、第一導電型第一クラッド層（３）のＡｌ組成との差は、０．０８より大きくすることが望ましい。これによって、活性層構造（６）から第一導電型第一クラッド層（３）へキャリアがオーバーフローするのを第一導電型第二クラッド層（４）が十分に抑制することができる。ただし、第一導電型第一クラッド層（３）から活性層構造（６）へのキャリア注入を過度に阻害しないように、これら２つの層のＡｌ組成の差は０．４未満にしておくことが好ましい。
【００４５】
第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔ_ｎ２（ｎｍ）は、第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｎｇ（ｎｍ）よりも小さい。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。本発明ではｔ_ｎ２／ｔ_ｎｇを０．３より大きくするため、適度な縦方向のＮＦＰ拡大効果を得ることができる。また、第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔ_ｎ２は、１０ｎｍよりも厚く、１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。第一導電型第二クラッド層（４）の厚みｔ_ｎ２が１０ｎｍ以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に１００ｎｍ以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってＬＤが発振しなくなる場合がある。
【００４６】
また第一導電型第二クラッド層（４）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成した場合においては、本発明のＬＤ構造の中でＡｌ組成が比較的高くなるために、ドーパントのドーピングレベルは第一導電型第一クラッド層（３）と比較して高く設定することが望ましい。特に第一導電型がｎ型でありＳｉをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、４．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。第一導電型第一クラッド層（３）と第一導電型第二クラッド層（４）のバンドギャップの差は０．０５ｅＶ〜０．４５ｅＶ程度であることが望ましく、０．１ｅＶ〜０．３ｅＶ程度であることがより望ましい。
【００４７】
本発明においては、第一導電型第二クラッド層（４）と第二導電型第二クラッド層（８）とを、互いに屈折率が同程度である異種材料で構成することも好ましい。キャリアのオーバーフローを抑制するためには、第一導電型第二クラッド層（４）をＩｎＧａＰ系材料で構成し、第二導電型第二クラッド層（８）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成することが望ましい。例えば、前記のＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１ＰとＡｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓの組み合わせを例示することができる。
【００４８】
本発明では、上で定義されるＶ_ｎが、０．３５＜Ｖ_ｎ＜０．７５を満たすように選択される。また、第一導電型第二クラッド層（４）の第一ガイド層（５）に対する相対的な厚みｔ_ｎ２／ｔ_ｎｇであるＲ_ｎが０．３＜Ｒ_ｎ＜０．７を満たすように選択され、０．３５＜Ｒ_ｎ＜０．５５を満たすように選択されることが好ましい。上限は半導体レーザ内に作り付けられる縦方向の導波構造が、全体として反導波とならないために必須であり、下限は実効的にＦＦＰ_Ｖの幅を狭くするために必要な厚みを示すものである。
【００４９】
図２には示されていないが、第一導電型第一クラッド層（３）と第一導電型第二クラッド層（４）の間には、基板（１）との格子整合性等の観点、あるいは逆に意図的に導入する歪みの観点などから適宜選択されたＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＰ系等の材料からなり、そのバンドギャップが第一導電型第一クラッド層（３）側では、第一導電型第一クラッド層（３）に接近しており、また第一導電型第二クラッド層（４）側では第一導電型第二クラッド層（４）に接近している様な層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第一導電型第一クラッド層（３）側から第一導電型第二クラッド層（４）を通じて活性層構造（６）にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。
【００５０】
第一導電型第二クラッド層（４）上の第一光ガイド層（５）は、各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００５１】
第一光ガイド層（５）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成する場合、光閉じ込めを実現するために、第一光ガイド層（５）は第一導電型第一クラッド層（３）よりＡｌ組成の小さな材料で構成する必要がある。具体的には、第一光ガイド層（５）のＡｌ組成は０．４よりも小さいことが好ましく、０．２より小さいことがより好ましく、０．１よりも小さいことがさらに好ましい。また最も望ましいのはＡｌを含まないＧａＡｓを用いる場合である。特に信頼性の観点から、Ａｌを含まない光ガイド層が望まれる。
【００５２】
また第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｎｇ（ｎｍ）は、第一導電型第二クラッド層（４）にその機能を十分に発揮させるために、以下の式を満たすことが好ましい。
【数１９】
０．５×［λ／（４×ｎ_ｎｇ）］　ｎｍ　＜ｔ_ｎｇ＜　１．５×［λ／（４×ｎ_ｎｇ）］　ｎｍ
上式において、ｎ_ｎｇは第一光ガイド層（５）の屈折率である。第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｎｇを上式の上限未満にすることによって、特に第一導電型第二クラッド層（４）のキャリアのオーバーフロー抑制効果を十分に発揮させるとともに、キンクレベルの低下等を有効に回避することができる。また、第一光ガイド層（５）の厚みｔ_ｎｇを上式の下限より大きくすることによって、第一導電型第二クラッド層（４）の反導波的な特性が過度にならないようにすることができる。
【００５３】
特にＡｌＧａＡｓ系材料によって第一光ガイド層（５）を構成した場合においては、ＡｌＧａＡｓからなる厚みｔ_ｎｇの第一光ガイド層（５）はかならずしも単一のＡｌ組成を有する層である必要はなく、第一光ガイド層（５）の中でＡｌ組成を変化させることも可能である。このように第一光ガイド層（５）の中でＡｌ組成の異なる領域が存在する場合の屈折率は平均的な屈折率をもって第一光ガイド層（５）の屈折率と考えることができる。
【００５４】
第一光ガイド層（５）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらない。
【００５５】
上記の事情は活性層構造（６）の上に位置する第二光ガイド層（７）においても同様である。
【００５６】
本発明における活性層構造（６）とは、量子効果が顕著になるほどに薄い薄膜からなる量子井戸を含む構造を指し、例えば、単層の量子井戸活性層（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　ＳＱＷ）である場合、あるいは、２つの量子井戸間の分離、結合のために具備される障壁層を具備し、量子井戸層、障壁層、量子井戸層と積層された二重量子井戸構造（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：　ＤＱＷ）、さらに３つ以上の量子井戸層とそれぞれの量子井戸を適度に分離する障壁層からなる構造を有する多重量子井戸構造であっても良い。量子井戸層には意図的に歪みが導入される場合もあり、例えば、しきい値を低下させるために圧縮性の応力を内在させることなどが広く行われている。また、本発明で好ましく応用される９００ｎｍ〜１３５０ｎｍ程度の波長を有する半導体レーザにあっては、ＧａＡｓ基板上にＩｎ、ＧａおよびＡｓを含み基板に格子整合しない歪み量子井戸層を含むことで実現されるのが望ましい。
【００５７】
歪み量子井戸層の具体的な材料としては、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等を挙げることができる。歪みを有する量子井戸層は、その歪みの効果によって光学利得の増大等を期待することができる。このため第一クラッド層（３，９，１０）と活性層構造（６）の間が、適度に弱い縦方向の光閉じ込めであっても、十分なＬＤ特性を実現できる。このため、歪み量子井戸層は本発明においては望ましい。
【００５８】
障壁層（２１，２３，２５）の導電型はｐ型、ｎ型、あるいはアンドープであっても本発明の効果は変わらないが、障壁層（２１，２３，２５）はｎ型の導電型を示す部分を有することが望ましい。この様な状況においては、障壁層（２１，２３，２５）から電子が活性層構造（６）内の量子井戸層（２２，２４）に供給されることからＬＤの利得特性を効果的に広帯域化することができて望ましい。このような素子は後述する様にグレーティングファイバー等の外部共振器によって効果的に発振波長を固定化することができる。また、この際にｎ型のドーパントはＳｉであることが望ましい。さらに、Ｓｉの様なｎ型のドーパントが障壁層内に一様にドーピングされているのではなく、歪み量子井戸層（２２，２４）等の他の層との界面近傍にはドーピングが施されず、障壁層（２１，２３，２５）の中心付近に選択的にドーピングされていることが最も望ましい。
【００５９】
第二導電型第二クラッド層（８）は、各種材料によって構成することが可能であって、実現したい発振波長によって選択される活性層構造（６）、あるいは基板（１）等に合わせて適宜選択される。例えば本発明をＧａＡｓ基板上で実現した場合には、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料などを使用することが可能であって、また、例えばＩｎＰ基板上で実現した場合にはＩｎＧａＡｓＰ系材料などを使用することができる。
【００６０】
第二導電型第二クラッド層（８）をＡｌＧａＡｓ系材料を用いて構成する場合には、そのＡｌ組成は０．５未満であることが好ましい。第二導電型第二クラッド層（８）のＡｌ組成は、隣接する第二導電型下側第一クラッド層（９）のＡｌ組成と第二光ガイド層（７）のＡｌ組成よりも大きくなければならない。このような構成を採用することによって、第二導電型第二クラッド層（８）は最も屈折率が小さな層となり、伝導帯側の電子や荷電子帯のホールに対して障壁となる機能を持つことになる。また、第二導電型第二クラッド層（８）のＡｌ組成と、第二導電型下側第一クラッド層（９）のＡｌ組成との差は、０．０８より大きくすることが好ましい。これによって、活性層構造（６）から第二導電型下側第一クラッド層（９）へキャリアがオーバーフローするのを第二導電型第二クラッド層（８）が十分に抑制することができる。ただし、第二導電型下側第一クラッド層（９）から活性層構造（６）へのキャリア注入を過度に阻害しないように、Ａｌ組成の差は０．４未満にしておくことが好ましい。
【００６１】
第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔ_ｐ２（ｎｍ）は、第二光ガイド層（７）の厚みｔ_ｐｇ（ｎｍ）よりも薄くする。このような構成を採用することによって、極端な発振しきい値の増大、スロープ効率の低下、駆動電流の増大を回避することができる。本発明ではｔ_ｐ２／ｔ_ｐｇを０．３より大きく設定することによって、適度な縦方向のＮＦＰ拡大効果を得ることができる。また、第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔ_ｐ２は、１０ｎｍよりも厚く、１００ｎｍよりも薄いことが好ましい。第二導電型第二クラッド層（８）の厚みｔ_ｐ２が１０ｎｍ以下であると光学的な効果が薄れる場合があり、逆に１００ｎｍ以上であると光閉じ込めが極端に弱くなってＬＤが発振しなくなる場合がある。
【００６２】
第二導電型第二クラッド層（８）は、必ずしも第一導電型第二クラッド層（４）と同じ屈折率、同じ厚み、同じ材料で構成される必要はないが、縦方向のビームの対称性を確保するためには、光学的に等価である屈折率を有し、かつ同じ厚みであることが望ましい。ただし、前記のように、第一導電型第二クラッド層（４）と第二導電型第二クラッド層（８）とを、互いに屈折率が同程度である異種材料で構成することも好ましい。
【００６３】
特に第二導電型がｐ型でありＢｅをドーパントとする場合などにおいて、ＭＢＥ法によって結晶成長をすることを想定すると、そのドーピングレベルは３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、４．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。
【００６４】
本発明では、上で定義されるＶ_ｐが、０．３５＜Ｖ_ｐ＜０．７５を満たすように選択される。また、第二導電型第二クラッド層（８）の第二ガイド層（７）に対する相対的な厚みｔ_ｐ２／ｔ_ｐｇであるＲ_ｐが０．３＜Ｒ_ｐ＜０．７を満たすように選択され、０．３５＜Ｒ_ｐ＜０．５５を満たすように選択されることが好ましい。上限は半導体レーザ内に作り付けられる縦方向の導波構造が、全体として反導波とならないために必須であり、下限は実効的にＦＦＰ_Ｖの幅を狭くするために必要な厚みを示すものである。
【００６５】
図２には示されていないが、第二導電型第二クラッド層（８）と第二導電型下側第一クラッド層（９）の間には、基板との格子整合性等の観点、あるいは逆に意図的に導入する歪みの観点などから適宜選択されたＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＰ系等の材料からなり、そのバンドギャップが第二導電型第二クラッド層（８）側では、第二導電型第二クラッド層（８）に接近しており、また第二導電型下側第一クラッド層（９）側では第二導電型下側第一クラッド層（９）に接近している様な層を挿入することも可能である。この様な遷移層は第二導電型第一クラッド層（９，１０）側から第二導電型第二クラッド層（８）を通じて活性層構造（６）にキャリアを注入する際の電気抵抗を低減できるために非常に好ましい。
【００６６】
第二導電型第一クラッド層は、図２の態様では、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）の二層に別れている。この場合には素子作製を容易にするために、これら二層の間にエッチング停止層を有していてもかまわない。
【００６７】
第二導電型第一クラッド層（９，１０）の材料は、前記の第二導電型第二クラッド層（８）と同様に選択することができる。特に第二導電型第一クラッド層（９，１０）の材料としてＡｌＧａＡｓ系材料を用いた場合には、素子全体の熱抵抗を下げ、高出力動作に適した構造とするために、第二導電型第一クラッド層（９，１０）のＡｌ組成は０．４０未満であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましく、０．２以下であることがさらに好ましい。また、第二導電型下側第一クラッド層（９）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）の総厚みは、活性層構造（６）から離れる方向に対して光を十分に減衰させる必要があることから、発振波長λよりも大きくすることが好ましい。
【００６８】
第二導電型下側第一クラッド層（９）の厚みは、活性層構造（６）への電流注入経路が、電流の横方向への広がりによって極端に広くならないようにするために、１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度であることが望ましい。またより望ましくは２０ｎｍ〜７０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００６９】
また、第二導電型下側第一クラッド層（９）また第二導電型上側第一クラッド層（１０）のドーピングレベルは１．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜１．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３であることが望ましく、３．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３〜７．５ｘ１０^１７ｃｍ^−３であることがより望ましい。
さらにドーピングは第二導電型下側第一クラッド層（９）また第二導電型上側第一クラッド層（１０）内で一様に行われる必要はなく、活性層構造（６）から離れるほど高く、また活性層構造（６）に近づくほど低く設定されることが望ましい。これは光密度の高い部分において自由電子による吸収を抑制するために有効な方法である。
【００７０】
第二導電型上側第一クラッド層（１０）はその側面に形成されている電流ブロック層（１１）とともに、電流閉じ込めと横方向の光閉じ込めの２つの機能を実現する。これは本発明を単一横モード動作するＬＤに適応する時に望ましい構成である。このために、横方向に対する電流閉じ込めの観点では、電流ブロック層（１１）の導電型は第一導電型かあるいはアンドープとすることが好ましい。また、横方向の光閉じ込めの観点、特に屈折率導波を基礎とした導波路としての特性を満足するためには、電流ブロック層（１１）は第二導電型第一クラッド層（９，１０）よりも小さな屈折率を有する材料で形成される。また、横方向の光閉じ込めを、いわゆるロスガイド型にすることも可能であって、この場合には、電流ブロック層（１１）を構成する材料の実効的なバンドギャップが発振波長を吸収する様にすることで、横方向の光閉じ込めが実現可能である。
【００７１】
また、本発明では電流ブロック層を構成する材料は、基板（１）、活性層構造（６）、あるいはどのような横方向の導波構造とするかによって適宜選択することが可能である。例えば、第二導電型第一クラッド層（９，１０）とともに、電流ブロック層（１０）もＡｌＧａＡｓ系材料で形成し、それぞれＡｌ_ｘｐＧａ_１−ｘｐＡｓ、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓとした場合には、そのＡｌ組成をｚ＞ｘｐにすることで実屈折率導波構造が実現できる。実屈折率導波型であり、単一横モード動作する半導体レーザを作製する場合においては、電流ブロック層（１１）と第二導電型上側第一クラッド層（１０）との屈折率差によって主に規定される横方向の有効屈折率差は１０^−３のオーダであることが望ましい。さらには電流注入路の幅であって、かつ、導波路の幅に相当する、第二導電型上側第一クラッド層（１０）と第二導電型下側第一クラッド層（９）が接する部分の横方向の幅Ｗは、ＬＤを単一横モード動作させる観点では、紙面に垂直な共振器方向に誤差の範囲で一様であって、その幅は６μｍ以下であることが望ましく、より望ましくは３μｍ以下であることが望ましい。しかし、高出力動作と単一横モード動作の両立を目指すためには、必ずしも共振器方向に一様な導波路である必要はなく、半導体レーザの主たる光の出射方向である前端面側においては、その導波路の幅を相対的に広くして高出力動作に適する様にし、一方、後端面側においてはその導波路の幅を狭くして、単一横モード動作可能である様にすることが望ましい。また、この様な場合においては、一方の発光点近傍における電流注入路の幅をＷ_ｅｘｐ、素子中の最も狭い電流注入路の幅Ｗ_ｓｔｄとした場合に以下の式を満たすことが好ましい。
【数２０】
１．５　＜　Ｗ_ｅｘｐ／Ｗ_ｓｔｄ＜　５．０
さらに、以下の式を満たすことがより好ましい。
【数２１】
２．５　＜　Ｗ_ｅｘｐ／Ｗ_ｓｔｄ＜　３．５
【００７２】
本発明の半導体発光素子は、前記の（式２）で示した条件を満たすことを特徴とする。これら条件を逸脱した場合においては半導体レーザの各種特性を悪化させることなくＦＦＰ_Ｖの半値全幅を狭めることができなくなってしまう。例えば、Ｖ_ｎおよびＶ_ｐが０．３５以下であって、かつＲ_ｎおよびＲ_ｐが０．７以上である場合においては、半導体レーザ全体の縦方向の導波機能が弱くなりすぎるため、素子の発振しきい値電流の上昇、スロープ効率の低下等が発生する。また極端な場合においては導波機能そのものが失われてしまい、素子が発振しないこともある。一方、Ｖ_ｎおよびＶ_ｐが０．７５以上であって、かつ、Ｒ_ｎおよびＲ_ｐが０．３以下である場合には、素子の縦方向の導波機能そのものが過度になり、ＦＦＰ_Ｖが非常に広いものとなり、外部の光学系との良好な結合が実現できなくなってしまう。またこの様な状況においては、端面における光密度も過度に高くなるため、高出力動作にも適さないなどの弊害が発生することとなり、望ましくない。
【００７３】
キャップ層（１２）は、第１回目の成長において電流ブロック層（１１）の保護層として用いられると同時に第二導電型上側第一クラッド層（１０）の成長を容易にするために用いられ、素子構造を得る前に、一部または全て除去される。
【００７４】
第二導電型上側第一クラッド層（１０）の上には、電極（１４）との接触抵抗率を下げるため等の目的で、コンタクト層（１３）を設けるのが好ましい。コンタクト層（１３）は、通常、ＧａＡｓ材料にて構成される。この層は、通常電極（１４）との接触抵抗率を低くするためにキャリア濃度を他の層より高くする。また導電型は第二導電型である
【００７５】
半導体レーザを構成する各層の厚みは、それぞれの層の機能を効果的に奏する範囲内で適宜選択される。
【００７６】
また本発明の半導体発光素子においては、第一導電型はｎ型であることが望ましく、第二導電型はｐ型であることが望ましい。これはｎ型の基板の方が良質である場合が多いからである。
【００７７】
図５に示す半導体レーザは、さらに電極（１４）および（１５）を形成することにより作製される。エピタキシャル層側電極（１４）は、例えば第二導電型がｐ型の場合、コンタクト層（１２）表面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。一方、基板側電極（１５）は基板（１）表面に形成され、第一導電型がｎ型の場合、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを基板（１）表面に順に蒸着した後、合金化処理することによって形成される。
【００７８】
製造した半導体ウエハーには、光の出射面である端面を形成する。端面は共振器を構成する鏡となる。好ましくは、劈開により端面を形成する。劈開は広く用いられる方法であり、劈開によって形成される端面は使用する基板の方位によって異なる。例えば、好適に利用されるｎｏｍｉｎａｌｌｙ（１００）と結晶学的に等価な面をもつ基板を使用して端面発光型レーザ等の素子を形成する際には、（１１０）もしくはこれと結晶学的に等価な面が共振器を形成する面となる。一方、オフ基板を使用するときには、傾斜させた方向と共振器方向の関係によっては端面が共振器方向と９０度にならない場合もある。例えば（１００）基板から、（１−１０）方向に向けて角度を２度傾けた基板（１）を使用した場合には端面も２度傾くことになる。
【００７９】
劈開によって素子の共振器長も決定される。一般に共振器長は長い方が高出力動作に適するが、本発明が適応される半導体レーザにおいては、これは６００μｍ以上あることが望ましい。またさらに望ましくは９００μｍ〜３０００μｍであることが望ましい。このように共振器長の上限があるのは、極端に長い共振器長を有する半導体レーザは、逆に、しきい値電流の上昇、効率の低下等、特性劣化をきたす恐れがあるからである。
【００８０】
本発明では、露出した半導体端面上に、誘電体、または誘電体および半導体の組合せからなるコーティング層（１６，１７）を形成するのが好ましい。コーティング層（１６，１７）は、主に半導体レーザからの光の取り出し効率を上げる目的と、端面の保護という２つの目的のために形成される。また、素子からの光出力を片側の端面から効率良く取り出すためには、発振波長に対して反射率の低い（例えば反射率１０％以下）コーティング層（１６）を主たる光の出射方向である前端面に施し、また、発振波長に対して反射率の高い（例えば８０％以上）のコーティング層（１７）をもう一方の後端面に施す非対称コーティングを行うのが望ましい。これは、単に素子の高出力化を進めるだけでは無く、波長安定化のために使用されるグレーティングファイバーなどの外部共振器から戻ってくる光を積極的にレーザ内部に取り込み、波長の安定化を促進する点でも非常に重要である。また、これらの目的のためには前端面の反射率は５％、より望ましくは２．５％以下であることが好ましい。
【００８１】
コーティング層（１６，１７）には、さまざまな材料を用いることができる。例えば、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉおよびＺｎＳからなる群から選ばれる１種または２種以上の組合せを用いることが好ましい。低反射率のコーティング層としてはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等が、また高反射率のコーティング層としてはＡｌＯｘ／Ｓｉの多層膜、ＴｉＯｘ／ＳｉＯｘの多層膜等が用いられる。それぞれの膜厚を調節することによって、所望の反射率を実現することができる。しかし、一般に低反射率のコーティング層とするＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等の膜厚は、その波長λでの屈折率の実数部分をｎとしてλ／４ｎ近傍になるように調整するのが一般的である。また、高反射多層膜の場合も、膜を構成する各材料がλ／４ｎ近傍になるように調整するのが一般的である。
【００８２】
コーティングが終了したレーザバーを再度劈開することによって、各素子を分離し、半導体レーザとすることができる。
【００８３】
このようにして製造した半導体レーザを始めとする本発明の半導体発光素子の光の出射端側に光ファイバーを設置して、半導体発光素子モジュールを形成することができる。光ファイバーの先端は、集光効果を示し、かつ、半導体発光素子の前端面と直接光学的に結合するように加工されていることが好ましい。
【００８４】
半導体レーザを始めとする本発明の半導体発光素子に対して波長の安定化を図るために、外部に波長選択性のある鏡を準備し、外部共振器と本発明の半導体発光素子を結合させることが望ましい。特にファイバーグレーティングを用いて外部共振器を形成させること望ましい。またこの場合には、半導体レーザの他にファイバーグレーティング、温度安定化用のクーラ等を内臓した半導体発光素子モジュールを形成することも可能である。ファイバーグレーティングはその目的に応じて中心波長、反射あるいは透過帯域、ファイバーグレーティングが有する半導体発光素子側への光の反射率等を適宜選択可能である。特に前記ファイバーグレーティングの半導体発光素子側への光の反射率が半導体発光素子の発光波長において２〜１５％、好ましくは５〜１０％であり、かつ、その反射帯域が中心波長に対して０．１〜５．０ｎｍ、好ましくは０．５〜１．５ｎｍであることが望ましい。
【００８５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、濃度、厚み、操作手順等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下の実施例に示す具体例に制限されるものではない。
【００８６】
＜実施例１＞
図２にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＡｓ基板（１）の（１００）面上に、ＭＢＥ法にて、バッファ層（２）として厚み０．５μｍでキャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第一導電型第一クラッド層（３）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板側から１．３μｍは７．５×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上１μｍは３．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＳｉドープｎ型Ａｌ_０．１９Ｇａ_０．８１Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４２２）；第一導電型二クラッド層（４）として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が８．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３０７）；第一光ガイド層（５）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはＳｉのドーピングレベルが２．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上４０ｎｍはアンドープであるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；活性層構造（６）として、厚み５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み８ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し両量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み５ｎｍで、キャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）の５層からなる活性層構造；第二光ガイド層（７）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはアンドープで、その上４０ｎｍはＢｅのドーピングレベルが３．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第二導電型二クラッド層（８）として厚みが３５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３０７）；第二導電型下側第一クラッド層（９）として厚み２５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＢｅドープｐ型Ａｌ_０．１９Ｇａ_０．８１Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４２２）；電流ブロック層（１１）として厚み０．３μｍでキャリア濃度４．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_０．２３Ｇａ_０．７８Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４０１）；キャップ層（１２）として厚み１０ｎｍでキャリア濃度７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。
【００８７】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は１．５μｍとした。これをマスクとして２０℃で１０５秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層（１２）と電流ブロック層（１１）を除去した。エッチング剤は、リン酸（８５重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）および水を体積比１：１：３０で混合した混合液を使用した。
【００８８】
その後、ＭＯＣＶＤ法にて、第二導電型上側第一クラッド層（１０）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から１μｍは４．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上の１．３μｍは７．５×１０^１７ｃｍ^−３であるＺｎドープｐ型Ａｌ_０．１９Ｇａ_０．８１Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．４２２）；コンタクト層（１３）として厚み３．０μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から２．７μｍは１．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、その上の０．３μｍは７．０×１０^１８ｃｍ^−３であるＺｎドープＧａＡｓ層を再成長した。
【００８９】
この素子におけるＶ_ｎは０．５１５２２２であり、Ｖ_ｐは０．５１５２２２であった。また、Ｒ_ｎは０．４３７５であり、Ｒ_ｐも０．４３７５であった。
【００９０】
素子作製においては、さらに、エピタキシャル層側（ｐ側）電極（１４）としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、それぞれ７０ｎｍ／７０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、また、基板（１）をポリッシングした後には、基板側（ｎ側）電極（１５）としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕをそれぞれ１５０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、その後、４００℃で合金化を５分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Ｗは２．２μｍであった。
【００９１】
続いて、大気中で、共振器長１６００μｍのレーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて前端面の反射率が２．５％になるように１６５ｎｍ製膜し、コーティング層（１６）を形成した。さらに後端面側の処理を行うために、厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層の４層からなるコーティング層（１７）を形成し、反射率９２％の後端面を作製した。
【００９２】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２９．８ｍＡ、スロープ効率は０．９２Ｗ／Ａ、キンクレベルは６２２ｍＷであった。また素子の最大光出力７７３ｍＷであった。
また４５０ｍＷ光出力時におけるＦＦＰ_Ｖの半値全幅は２４．１度であり、ＦＦＰ_Ｈの半値全幅は８．５度であった。なお、４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８４ｎｍであった。
【００９３】
この素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は９８２ｎｍであり、その反射率は３％であった。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２５．３ｍＡ、スロープ効率０．７６ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８２．６％と良好であった。
【００９４】
＜実施例２＞
図２にその光の出射方向からの断面図が示されている半導体レーザを以下の手順で作製した。
先ず、キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型ＧａＡｓ基板（１）の（１００）面上に、ＭＯＣＶＤ法にて、バッファ層（２）として厚み０．５μｍでキャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第一導電型第一クラッド層（３）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板側から１．３μｍは７．５×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上１μｍは３．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＳｉドープｎ型Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３９０）；第一導電型二クラッド層（４）として厚みが４０ｎｍでキャリア濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．２７９）；第一光ガイド層（５）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはＳｉのドーピングレベルが２．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上４０ｎｍはアンドープであるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；活性層構造（６）として、厚み５ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み８ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し両量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）、厚み６ｎｍのアンドープＩｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ歪み量子井戸層、厚み５ｎｍで、キャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ障壁層（但し量子井戸層側１ｎｍはアンドープ）の５層からなる活性層構造；第二光ガイド層（７）として、厚みが８０ｎｍで、基板側から４０ｎｍはアンドープで、その上４０ｎｍはＢｅのドーピングレベルが３．０×１０^１７ｃｍ^−３であるＧａＡｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．５２５）；第二導電型二クラッド層（８）として厚みが４０ｎｍでキャリア濃度が７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＺｎドープｐ型Ａｌ_０．４５Ｇａ_０．５５Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．２７９）；第二導電型下側第一クラッド層（９）として厚み２５ｎｍで、キャリア濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＺｎドープｐ型Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３９０）；電流ブロック層（１１）として厚み０．３μｍでキャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型Ａｌ_{０．２７５}Ｇａ_{０．７２５}Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３７６）；キャップ層（１２）として厚み１０ｎｍでキャリア濃度７．５×１０^１７ｃｍ^−３のＳｉドープｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。
【００９５】
最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコンマスクの開口部の幅は１．５μｍとした。これをマスクとして２０℃で９７秒間エッチングを行い、電流注入領域部分のキャップ層と電流ブロック層を除去した。エッチング剤は、リン酸（８５重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）および水を体積比１：１：３０で混合した混合液を使用した。
【００９６】
その後、引き続きＭＯＣＶＤ法にて、第二導電型上側第一クラッド層（１０）として厚み２．３μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から１μｍは４．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、その上の１．３μｍは７．５×１０^１７ｃｍ^−３であるＺｎドープｐ型Ａｌ_０．２５Ｇａ_０．７５Ａｓ層（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３９０）；コンタクト層（１３）として厚み３．０μｍで、キャリア濃度が基板（１）側から２．７μｍは１．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、その上の０．３μｍは６．０×１０^１８ｃｍ^−３であるＺｎドープＧａＡｓ層を再成長した。
【００９７】
この素子におけるＶ_ｎは０．５８８４９２であり、Ｖ_ｐは０．５８８４９２であった。また、Ｒ_ｎは０．５であり、Ｒ_ｐも０．５であった。
【００９８】
さらに、エピタキシャル層側（ｐ側）電極（１４）としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、それぞれ７０ｎｍ／７０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、また、基板（１）をポリッシングした後には、基板側（ｎ側）電極（１５）としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕをそれぞれ１５０ｎｍ／８０ｎｍだけ蒸着し、その後、４００℃で合金化を５分間行って半導体レーザ用のウエハーを完成させた。
なお、完成した半導体レーザの電流注入領域の幅Ｗは２．３μｍであった。
【００９９】
続いて、大気中で、共振器長１６００μｍのレーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて前端面の反射率が２．５％になるように１６５ｎｍ製膜し、コーティング層（１６）を形成した。さらに後端面側の処理を行うために、厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚み１７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚み６０ｎｍのアモルファスＳｉ層の４層からなるコーティング層（１７）を形成し、反射率９２％の後端面を作製した。
【０１００】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２７．３ｍＡ、スロープ効率は０．９３Ｗ／Ａ、キンクレベルは６０３ｍＷであった。また素子の最大光出力は７２８ｍＷであった。
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２３．１度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は８．７度であった。なお、４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８３ｎｍであった。
【０１０１】
この素子を用いて、その素子の前端面側に先端が楔型をしたファイバーレンズを有するグレーティング付の光ファイバーを実装し、バタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。このグレーティングファイバーの反射中心は９８２ｎｍであり、その反射率は３％であった。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２１．６ｍＡ、スロープ効率０．７８ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８３．８％と良好であった。
【０１０２】
＜実施例３＞
実施例２に記載の半導体レーザにおいて、第一導電型二クラッド層（４）を厚みが３０ｎｍであるＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．２５９）に変更した以外は、実施例１と同様に半導体レーザを作製した。
この素子におけるＶ_ｎは０．５８８４９２であり、Ｖ_ｐは０．５８８４９２であった。また、Ｒ_ｎは０．３７５であり、Ｒ_ｐは０．５であった。
【０１０３】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２６．５ｍＡ、スロープ効率は０．９４Ｗ／Ａ、キンクレベルは５８２ｍＷであった。また、素子の最大光出力は６９９ｍＷであった
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２３．８度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は８．８度であった。４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８３ｎｍであった。
【０１０４】
＜実施例４＞
第一導電型第一クラッド層（３）、第二導電型下側第一クラッド層（９）、第二導電型上側第一クラッド層（１０）をＩｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐに変更し、また、両光ガイド層（５，７）を厚み３４ｎｍのアンドープＧａＡｓに変更し、また、第一導電型二クラッド層（４）、第二導電型二クラッド層（８）を厚み２３ｎｍのＡｌ_０．５８Ｇａ_０．４２Ａｓ層に変更し、また、電流ブロック層（１１）をＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層に変更し、また、電流ブロック層（１１）のエッチング時間を１００秒に変更した以外は、実施例１と同様に半導体レーザを作製した。
この素子におけるＶ_ｎは０．４２２０８９であり、Ｖ_ｐは０．４２２０８９であった。また、Ｒ_ｎは０．６７６４７であり、Ｒ_ｐも０．６７６４７であった。
【０１０５】
作製した素子の２５℃における電流光出力特性においては、しきい値電流は２８．３ｍＡ、スロープ効率は０．９２Ｗ／Ａ、キンクレベルは５８０ｍＷであった。また、素子の最大光出力は６８５ｍＷであった
また４５０ｍＷ光出力時における縦方向ＦＦＰの半値全幅は２４．１度であり、横方向ＦＦＰの半値全幅は９．０度であった。なお、４５０ｍＷ出力時における素子の発振波長は９８５ｎｍであった。
【０１０６】
この素子を用いて、実施例１と同様のバタフライ型のパッケージを有する半導体レーザモジュールを作製した。２５℃において、ファイバー端から出射される光に対して、しきい値電流２３．９ｍＡ、スロープ効率０．７４　ｍＷ／ｍＡであった。結合効率は約８０．４％であった。
【０１０７】
＜比較例１＞
実施例１記載の半導体レーザにおいて、第一光ガイド層（５）、第二光ガイド層（７）ともその厚みを３２．５ｎｍとし、すべてアンドープとした以外は実施例１記載の半導体レーザと同様に素子を作製した。
この素子におけるＶ_ｎは０．２５７０１５であり、Ｖ_ｐも０．２５７０１５であった。また、Ｒ_ｎは１．０７７０であり、Ｒ_ｐも１．０７７０であった。
作製した素子のしきい値電流は４５．７ｍＡ、スロープ効率は０．６２Ｗ／Ａ、キンクレベルは４０３ｍＷと実施例１に及ばなかった。また素子の最大光出力も４９５ｍＷと実施例１と比較して低かった。４５０ｍＷで測定した縦方向ＦＦＰの半値全幅は１５．１度であり、活性層近傍における光閉じ込めが十分でないことが疑われた。横方向ＦＦＰの半値全幅は８．２度であった。また素子の発振波長は９８５．５ｎｍであった。
【０１０８】
＜比較例２＞
第一光ガイド層（５）、第二光ガイド層（７）ともその厚みを８５ｎｍとし、全てＳｉのドーピングレベルを１．０×１０^１７ｃｍ^−３とし、また第一導電型第一クラッド層（３）、第二導電型下側第一クラッド層（９）、第二導電型上側第一クラッド層（１０）ともＡｌ_０．４Ｇａ_０．６Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．３０７）とし、また、第一導電型第二クラッド層（４）、第二導電型第二クラッド層（８）ともその厚みが２５ｎｍであるＡｌ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓ（９８０ｎｍにおける屈折率は３．１６７）とした以外は、実施例１記載の半導体レーザと同様に素子を作製した。
【０１０９】
この素子におけるＶ_ｎは０．７８２４４９であり、Ｖ_ｐも０．７８２４４９であった。また、Ｒ_ｎは０．２９４１であり、Ｒ_ｐも０．２９４１であった。
作製した素子のしきい値電流は２３．６ｍＡ、スロープ効率は０．９８　Ｗ／Ａと良好であったが、素子は電流を注入していくと光出力が５８０ｍＷに達した時点で破壊し、活性層近傍における光閉じ込めが過度であったことが疑われた。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザの主要な特性を極端に悪化させることなくＦＦＰ_Ｖの半値全幅を実効的に低減させ、光ファイバー、レンズで構成された光学系などと半導体レーザの良好な結合を実現し、かつ、半導体レーザそのものの高出力動作特性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子の一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図２】本発明の半導体発光素子の別の一態様を光の出射方向から見た断面図である。
【図３】本発明の半導体発光素子の一態様を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０１　　ｎ型基板
１０２　　ｎ型第一クラッド層
１０３　　ｎ型第二クラッド層
１０４　　第一光ガイド層
１０５　　活性層構造
１０６　　第二光ガイド層
１０７　　ｐ型第二クラッド層
１０８　　ｐ型第一クラッド層
１０９　　コンタクト層
１１０　　ＳｉＮ層
１１１　　ｐ側電極
１１２　　ｎ側電極
１２１、１２３、１２５　　障壁層
１２２、１２４　　歪み量子井戸層
１　　第一導電型基板
２　　バッファ層
３　　第一導電型第一クラッド層
４　　第一導電型第二クラッド層
５　　第一光ガイド層
６　　活性層構造
７　　第二光ガイド層
８　　第二導電型第二クラッド層
９　　第二導電型下側第一クラッド層
１０　　第二導電型上側第一クラッド層
１１　　電流ブロック層
１２　　キャップ層
１３　　コンタクト層
１４　　エピタキシャル層側電極
１５　　基板側電極
１６、１７　　コーティング層
２１、２３、２５　　障壁層
２２、２４　　歪み量子井戸層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be suitably used when high coupling efficiency with an optical system is desired, such as a pump light source for an optical fiber amplifier, a light source for optical information processing, and a medical semiconductor laser.
[0002]
[Prior art]
There is no shortage of progress in optical information processing technology and optical communication technology in recent years.
For example, in the telecommunications field, Er as an amplifier for signal amplification having flexibility in the transmission system, as well as a large-capacity optical fiber transmission line corresponding to the future of the information communication (IT) era.³⁺Researches on optical fiber amplifiers (EDFAs) doped with rare earths such as those described above have been actively conducted in various fields. Development of a highly efficient semiconductor laser for an excitation light source, which is an indispensable element as an EDFA component, is awaited.
[0003]
In principle, there are three types of oscillation wavelengths of the excitation light source that can be used for EDFA application: 800 nm, 980 nm, and 1480 nm. From the viewpoint of the characteristics of the amplifier, it is known that pumping at 980 nm is most desirable in consideration of gain, noise, and the like. Such a semiconductor laser (LD) having an oscillation wavelength of 980 nm is required to satisfy the contradictory characteristics of a high output and a long life as an excitation light source. Furthermore, since it is also essential that the pumping light source for the optical amplifier realizes good coupling with the optical fiber, it is generally desired to oscillate in a single transverse mode, and a far-field image of light emitted from the semiconductor laser ( In the case of FAR (field @ pattern: FFP), it is desired that the aspect ratio in the direction perpendicular to the substrate (vertical direction) and the direction parallel to the substrate (horizontal direction) is close to 1, and the absolute value of the radiation angle is also narrow.
[0004]
On the other hand, besides the application to the communication field, the semiconductor laser has an application as an SHG light source, a heat source for a laser printer, and various applications in the medical field. In these fields, the light emitted from the semiconductor laser is often various. It is often coupled to an optical system, and it is very important that the absolute value of the FFP in the vertical and horizontal directions is narrow and that the aspect ratio is close to 1.
[0005]
In a semiconductor laser having a design in which only the fundamental mode is allowed to propagate in the vertical direction, the light confinement is extremely different between the vertical direction and the horizontal direction. In lateral light confinement, the width of the current injection region is several μm to several hundred μm, and the waveguide structure is of the same size and relatively wide compared to the oscillation wavelength. For the pattern (near-field image: near field pattern: $ NFP), the FFP (FFP) in the horizontal direction of the emitted light is_H) Generally has relatively little diffraction effect. On the other hand, since the vertical light confinement is realized by the active layer structure extremely thinner than the oscillation wavelength, the vertical FFP (FFP) of the emitted light is_V) Has an extreme diffraction effect, and its full width at half maximum is FFP._HIt is usually wider. Therefore, in order to improve the coupling characteristics with an external optical system, the FFP_VIt is desired to reduce the effective full width at half maximum of.
[0006]
Also, if such a semiconductor laser is realized, as a result, the vertical NFP (NFP)_VSince the size of ()) is increased, it is expected that the light density at the end face is reduced and the high-output operation characteristics of the semiconductor laser can be improved.
As discussed in Non-Patent Document 1, FFP_VIs known to depend on the thickness of the active layer or the light guide layer. However, by simply reducing these thicknesses, the FFP_VEven if a semiconductor laser having a small width is realized, there are problems such as deterioration of other element characteristics.
[Non-Patent Document 1] C. Casey, Jr. , {M. B. Chapter 2 of Heterostructural lasers (Academic press, 1978) by Panish
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the related art.
Specifically, the present invention provides an FFP without significantly deteriorating the main characteristics of a semiconductor laser._VThe problem to be solved is to effectively reduce the full width at half maximum of the semiconductor laser, achieve good coupling between the semiconductor laser and the optical system composed of optical fibers and lenses, and improve the high-power operation characteristics of the semiconductor laser itself. And
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, a semiconductor light emitting element satisfying specific conditions can realize coupling with an extremely excellent optical system, and is suitable for high output operation. The inventors have found that the present invention has been achieved.
[0009]
That is, according to the present invention, the average refractive index is n on the substrate of the first conductivity type._n1And the thickness is t_n1(Nm), the first cladding layer of the first conductivity type having an average refractive index of n_n2And the thickness is t_n2(Nm) of the first conductivity type second cladding layer, the average refractive index is n_ngAnd the thickness is t_ng(Nm), the first light guide layer has an average refractive index of n_aAnd the total thickness is t_a(Nm) active layer structure, average refractive index is n_pgAnd the thickness is t_pg(Nm), the second light guide layer having an average refractive index of n_p2And the thickness is t_p2(Nm), the second cladding layer of the second conductivity type having an average refractive index of n_p1And the thickness is t_p1In a semiconductor light emitting device having an emission wavelength λ (nm) having a structure in which the second conductivity type first cladding layer of (nm) is laminated in order, the wave numbers k and V_n, V_p, R_nAnd R_pIs defined as (Equation 1), a semiconductor light-emitting device characterized by satisfying each relationship of (Equation 2) is provided.
(Equation 12)
k = 2π / λ
V_n= {K / 2} × (t_a+ T_ng+ T_pg) × (n_ng ²-N_n1 ²)^1/2
V_p= {K / 2} × (t_a+ T_ng+ T_pg) × (n_pg ²-N_p1 ²)^1/2
R_n= T_n2/ T_ng
R_p= T_p2/ T_pg(Equation 1)
(Equation 13)
n_n2<N_n1<N_ng<N_a
n_p2<N_p1<N_pg<N_a
0.35 <V_n<$ 0.75
0.35 <V_p<$ 0.75
0.3 <R_n<0.7
0.3 <R_p<{0.7} (Equation 2)
[0010]
The semiconductor light emitting device of the present invention preferably satisfies at least one of the following expressions.
[Equation 14]
0.4 <V_n<0.6
0.4 <V_p<0.6
0.35 <R_n<$ 0.55
0.35 <R_p<$ 0.55
40 nm <t_ng<$ 100nm
40 nm <t_pg<$ 100nm
[0011]
Further, the semiconductor light emitting device of the present invention preferably satisfies all of the following expressions.
[Equation 15]
n_n1= N_p1
n_n2= N_p2
n_ng= N_pg
V_p= V_n
R_n= R_p
[0012]
As a preferred embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention, the substrate is made of GaAs, the first conductivity type first clad layer, the first conductivity type second clad layer, the second conductivity type second clad layer, the second conductivity type first clad layer. An embodiment in which at least a part of the clad layer contains Al, Ga and As; the substrate is made of GaAs, and the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, the second conductive type second clad layer, An embodiment in which at least a part of the first cladding layer of the second conductivity type contains In, Ga and P; both the first cladding layer of the first conductivity type and the first cladding layer of the second conductivity type are Al_xGa_1-xAn embodiment in which the Al composition x of the two layers satisfies 0.15 <x <0.25; the first conductive type second clad layer and the second conductive type second clad layer are both made of Al_sGa_1-sAn embodiment in which the Al composition s of the two layers satisfies 0.3 <s <0.45; a band gap between the first cladding layer and the second cladding layer showing at least one conductivity type; Having a transition layer approaching the first cladding layer on the first cladding layer side and approaching the second cladding layer on the second cladding layer side; the first light guide layer and the second light guide layer Is an active layer structure including a strained quantum well layer, and the quantum well layer includes In, Ga, and As; a portion in which a barrier layer in the active layer structure has the same first conductivity type as the substrate. An embodiment in which the dopant in the barrier layer is Si; and a doping level of at least one of the first conductive type first clad layer and the second conductive type first clad layer is not uniform in each layer. Aspect; first conductivity type an embodiment in which the second conductivity type is an n-type and the second conductivity type is a p-type; the second conductivity type first cladding layer is divided into two layers of a second conductivity type upper first cladding layer and a second conductivity type lower first cladding layer. A mode in which a current injection region is formed by the upper first cladding layer of the second conductivity type and the current blocking layer, and a contact layer is further provided; a mode in which the semiconductor light emitting device is a semiconductor laser; Certain embodiments can be mentioned.
[0013]
The present invention also provides a semiconductor light emitting device module comprising the above semiconductor light emitting device and an optical fiber on a light emitting end side of the semiconductor light emitting device. It is preferable that the tip of the optical fiber has a light-collecting effect and is processed so as to be directly optically coupled to the front end face of the semiconductor light emitting device.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, some notations used in this specification will be described.
In this specification, the expression “the B layer formed on the A layer” refers to the case where the B layer is formed such that the bottom surface of the B layer is in contact with the upper surface of the A layer, and the case where one or more layers are formed on the upper surface of the A layer. And the case where the layer B is formed on the layer. The above expression also includes the case where the upper surface of the A layer and the bottom surface of the B layer are partially in contact with each other and one or more layers exist between the A layer and the B layer in other portions. Specific aspects are apparent from the following description of each layer and specific examples of the examples.
[0015]
In addition, in the case where a single function is expressed in a plurality of layers, this may be indicated by a single name, but in this case, the refractive index and the like are defined by an average refractive index. . For example, the cladding layer is composed of m layers, and the refractive index of the n-th layer is n_n, Thickness t_n(Nm), the average refractive index n of this cladding layer_meanIs defined by the following equation.
(Equation 16)

[0016]
Further, in this specification, as shown in the lower part of FIG. 1, a direction perpendicular to the substrate is defined as a vertical direction, and a direction horizontal to the substrate is defined as a horizontal direction.
[0017]
In this specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit and an upper limit. Also, in the drawings attached to this specification, some parts are changed in size in order to make it easier to grasp the structure of the present invention, but actual dimensions are as described in this specification.
[0018]
The semiconductor light emitting device of the present invention comprises a first conductivity type first clad layer, a first conductivity type second clad layer, a first light guide layer, an active layer structure, and a second light guide on a substrate of a first conductivity type. It has a structure in which a layer, a second conductive type second clad layer, and a second conductive type first clad layer are stacked in this order.
[0019]
Hereinafter, a preferred configuration example of the semiconductor light emitting device of the present invention and a manufacturing method thereof will be specifically described.
First, main features of the semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the LD shown in FIG. The left side of FIG. 1 shows the spatial distribution of the refractive index realized by each layer structure in the vertical direction, and the lower part of FIG. 1 shows the designation of the direction used in this figure.
[0020]
FIG. 1 shows that an n-type substrate (101) has Al_0.25Ga_0.75Thickness t made of As_n1(Nm) n-type first cladding layer (102), In_0.49Ga_0.51Thickness t composed of P_n2(Nm) n-type second cladding layer (103), thickness t of undoped GaAs_ng(Nm) first light guide layer (104), thickness t_a(Nm) active layer structure (105), thickness t of undoped GaAs_pg(Nm) second light guide layer (106), Al_0.47Ga_0.53Thickness t made of As_p2(Nm) p-type second cladding layer (107), Al_0.23Ga_0.77Thickness t made of As_p1(Nm) p-type first cladding layer (108), a contact layer (109) for lowering contact resistance with the electrode (111), and a current injection region limited in the lateral direction. Area LD composed of a SiN layer (110) for forming the P-side electrode, a p-side electrode (111), and an n-side electrode (112). In the semiconductor light emitting device of the present invention, layers forming a pair, such as the n-type first cladding layer (102) and the p-type first cladding layer (108), may be symmetrical. I do.
[0021]
The active layer structure (105) includes a GaAs barrier (barrier) layer (121) having a thickness of 5 nm and an In layer having a thickness of 6 nm from the substrate (101) side._0.16Ga_0.84As strained quantum well layer (122), 8 nm thick GaAs barrier layer (123), 6 nm thick In_0.16Ga_0.84It has a strained double quantum well structure having a structure in which an As strained quantum well layer (124) and a GaAs barrier layer (125) having a thickness of 5 nm are stacked, and the oscillation wavelength is λ (nm).
[0022]
In the present invention, the vertical confinement of the active layer structure (105), which is the basis of the waveguide mechanism in the device of the semiconductor laser, is performed by using Al_0.25Ga_0.75As n-type first cladding layer (102), Al_0.23Ga_0.77This is realized by the refractive index difference between the p-type first cladding layer of As (108) and the two GaAs light guide layers (104, 106) including the active layer structure (105). A GaAs substrate (101) is employed, and the first cladding layer (102) is formed of Al from the viewpoint of lattice matching._xGa_1-xWhen composed of As, the Al composition x is preferably smaller than 0.4, more preferably smaller than 0.3, and even more preferably smaller than 0.2. In this manner, the thermal resistance of the entire device can be reduced by reducing the Al composition of the thickest cladding layer excluding the substrate (101) and the contact layer (109) among the layers constituting the entire semiconductor laser. Thus, a structure suitable for high-output operation can be obtained. When a GaAs substrate (101) is employed, from the viewpoint of lattice matching, the n-type first cladding layer (102) is formed of In._0.49Ga_0.51It is also possible to adapt P. Furthermore, the first cladding layer (102, 108) does not need to be composed of a single material, but may be composed of a plurality of layers that act equivalently to light as a single layer. Absent. In this case, light is controlled by the average refractive index of these layers.
[0023]
Thickness t of first cladding layer (102, 108)_n1(Nm), t_p1(Nm) preferably satisfies the following expression with respect to the oscillation wavelength λ (nm) since it is necessary to sufficiently attenuate the light in a direction away from the active layer structure (105) side of the layer. .
[Equation 17]
λ <t_n1Λ <t_p1
In particular, when the substrate (101) is transparent to the oscillation wavelength and has a higher refractive index than the n-type first cladding layer (102) and the n-type second cladding layer (103), such as a 980 nm LD. It is known that the light leaked from the cladding layers (102, 103) to the substrate (101) propagates through the substrate, so that the substrate mode is superimposed on the mode inherent to the LD. In order to suppress this, it is desirable to increase the thickness of the n-type first cladding layer (102) with respect to the wavelength.
[0024]
In order to realize a vertical waveguide structure in the vicinity of the active layer structure (105), both the second light guide layer (106) and the first light guide layer (104) have the first clad layers (102, 108). It is necessary to be made of a material having a larger refractive index than that of the material. When the substrate (101) is GaAs and the cladding layers (102, 103, 107, 108) are made of an AlGaAs-based material, it is preferable that the optical guide layers (104, 106) are also made of an AlGaAs-based material. . The Al composition is preferably smaller than 0.4, more preferably smaller than 0.2, and further preferably smaller than 0.1. Most preferably, GaAs containing no Al is used. In particular, from the viewpoint of reliability, a light guide layer (104, 106) containing no Al is desired. On the other hand, when the substrate (101) is made of GaAs, In is preferred from the viewpoint of lattice matching and not containing Al as a constituent element._0.49Ga_0.51P can also be selected.
[0025]
The active layer structure (105) referred to in the present invention refers to an active layer structure including a quantum well formed of a thin film so that a quantum effect becomes remarkable. For example, a single layer in which an optical guide layer serves as a barrier layer is used. It may be a single quantum well active layer (Single Quantum Well: SQW). In many cases, a barrier layer having a band gap larger than that of the quantum well layer is provided on both sides of the quantum well layer. Therefore, even with the same SQW structure, the barrier layer, the quantum well layer, and the barrier layer are stacked. It could have been done. Further, as shown in FIG. 1, the active layer structure includes a barrier layer (121), a quantum well layer (122), a barrier layer (123), a quantum well layer (124), and a barrier layer (125) from the substrate (101) side. ) And a so-called double quantum well structure (Strained Double Quantum Well: $ S-DQW). Further, a multiple quantum well structure using three or more quantum well layers may be used. In addition, strain may be intentionally introduced into the quantum well layer. For example, it is widely practiced to incorporate compressive stress in order to lower the threshold value. Further, a semiconductor laser having a wavelength of about 900 nm to 1350 nm which is preferably applied in the present invention is realized by including a strained quantum well layer containing In, Ga and As on a GaAs substrate and not lattice-matched to the substrate. It is desirable.
[0026]
In the present invention, it is essential that the following two values calculated from the first cladding layers (102, 108), the light guide layers (104, 106), and the active layer structure (105) fall within a desired range. It is. Specifically, in the semiconductor light emitting device of the present description, the n-side first cladding layer (102) is not only on the actually existing n-side but also on the p-side instead of the p-side first cladding layer (108). Is also calculated as existing_nBut 0.35 <V_n<0.75 and independently of this, the p-side first cladding layer (108) is not only on the actually existing p-side, but instead of the n-side first cladding layer (102). V calculated assuming that it also exists on the side_pIs 0.35 <V_nIt is characterized by satisfying <0.75. Where V_nAnd V_pAre defined by the following equations (k is a wave number of 2π / λ), and have the physical meaning described below.
(Equation 18)
V_n= K / 2 × (t_a+ T_ng+ T_pg) × (n_ng ²-N_n1 ²)^1/2
V_p= K / 2 × (t_a+ T_ng+ T_pg) × (n_pg ²-N_p1 ²)^1/2
[0027]
The active layer structure (105), the light guide layers (104, 106), and the like have a relatively high refractive index with respect to the cladding layers (102, 103, 107, 108), and thus exhibit a waveguide function. Where V_nAnd V_pIs to normalize all the thicknesses of the layers having a waveguide function by the oscillation wavelength of the element, taking into account the refractive index difference between the first cladding layers (102, 108) and the light guide layers (104, 106). It was done. That is, V_nAnd V_pCan be said to be an index for defining light confinement in the vicinity of the active layer. Where V_nAnd V_pIn the definition, the average refractive index of the active layer structure is not included because the active layer structure (105) of the present invention basically has a quantum well structure and its thickness is sufficiently small relative to the oscillation wavelength. This is because the difference in the refractive index between the light guide layer (104, 106) and the first cladding layer (102, 108) is a main factor in describing the waveguide function. From this viewpoint, the thickness of the barrier layer constituting the active layer structure, particularly the outermost barrier layers (121, 125) of the active layer structure is set to be extremely large. It is assumed to be the thickness of the guide layer.
[0028]
When the structure of the light emitting element is asymmetric in the vertical direction, V_nAnd V_pHave different values, but both must be larger than 0.35 and smaller than 0.75. In the case of a vertically symmetric structure, V_n= V_pHowever, also in this case, V_nAnd V_pAre both larger than 0.35 and smaller than 0.75.
Also, V_nIs 0.4 <V_n<0.6 is more desirable, and V_pIs 0.4 <V_pIt is more desirable that <0.6. These ranges are determined by the FFP of the device without deteriorating the characteristics of the semiconductor light-emitting device in balance with the anti-waveguiding element by the second cladding layers (103, 107) described later._VThis is a necessary requirement to narrow down.
[0029]
In a normal SCH (Separated Confinement Hetero-structure) structure, the first cladding layer (102, 108) and the light guide layer (104, 106) are in direct contact with each other. It is characterized in that it has a second cladding layer (103, 107) between them. This layer must be set to have a lower refractive index than the light guide layer (104, 106) and further the first cladding layer (102, 108).
As a result, as shown on the left side of FIG. 1, the second cladding layers (103, 107) are layers having the smallest values of the refractive index. On the left side of FIG. 1, the direction of the arrow described below n means the direction in which the refractive index increases. In addition, the second cladding layers (103, 107) function as barriers for electrons in the conduction band (and also for holes in the valence band, not shown here). The direction of the arrow described above Eg on the left side of FIG. 1 means the direction in which the potential increases with respect to the electrons.
[0030]
Therefore, the second cladding layers (103, 107) have a very important function with respect to vertical light confinement as described below. This second cladding layer (103, 107) is selected so as to have a lower refractive index than the light guide layer (104, 106) and the first cladding layer (102, 108). Due to the relationship between the refractive indices, the second cladding layer (103, 107) has a light distribution on its outer side, that is, on both sides of the first cladding layer (102, 108) side and the light guide layer (104, 106) side. Exhibits the pushing function. For this reason, the NFP whose distribution is appropriately expanded to the first cladding layer (102, 108) side_VIs relatively narrow FFP_VContributes to the realization of That is, when the anti-waveguide characteristics of the second cladding layers (103, 107) act appropriately, it is possible to realize a relatively narrow FFP without deteriorating the characteristics of the semiconductor laser.
[0031]
Here, an important point in the present invention is that the waveguide function near the active layer is 0.35 <V._n<0.75 and 0.35 <V_p<0.75 is selected, and the anti-waveguide function exhibited by the second cladding layers (103, 107) satisfies the following two requirements. One is the relative thickness t of the n-side second cladding layer (103) with respect to the first guide layer (104)._n2/ T_ngIs 0.3 <R_n<0.7, and the other is the relative thickness t of the p-side second cladding layer (107) with respect to the second guide layer (106)._p2/ T_pgIs 0.3 <R_p<0.7. That is, the upper limit of the latter two requirements is indispensable so that the vertical waveguide structure formed in the semiconductor laser does not become anti-guide as a whole, and the lower limit is effectively FFP._VIndicates the thickness necessary to reduce the width of the.
Furthermore, the relative thickness of these second cladding layers (103, 107) to the light guide layers (104, 106) is 0.35 <R._n<0.55 and 0.35 <R_pIt is more desirable to select so as to satisfy <0.55.
[0032]
Another function of the second cladding layer (103, 107) is that when the LD drive is driven at a high temperature, or when the temperature of the active layer rises considerably due to self-heating of the LD during high-power operation. Such as In_0.16Ga_0.84The purpose is to suppress thermal leakage (overflow) of carriers from the As strained quantum well layers (122, 124) into the first cladding layers (102, 108). In this structure, as shown in FIG. 1, the carrier leaks from the active layer structure (105) side through the light guide layers (104, 106) to the first clad layer (102, 108) side. Since the barrier of the second cladding layer (103, 107) is higher than the height of the barrier between the light guide layer (104, 106) and the first cladding layer (102, 108), the viewpoint of suppressing carrier overflow is also possible. desirable. However, an extremely large barrier hinders the injection of carriers injected from the first cladding layer (102, 108) side to the active layer structure (105) side, so that the first cladding layer (102, 108) is prevented. The difference between the band gap of the second cladding layer (108) and the second cladding layer (103, 107) is preferably about 0.05 eV to 0.45 eV, and more preferably about 0.1 eV to 0.3 eV.
[0033]
From this viewpoint, it is also desirable that the n-side second cladding layer (103) and the p-side second cladding layer (107) are made of different materials having the same refractive index. As illustrated here, the In used in the n-side second cladding layer (103) was used._0.49Ga_0.51P and Al used for the p-side second cladding layer (107)_0.47Ga_0.53As has substantially the same refractive index at 980 nm (3.259 and 3.268, respectively), but GaAs barrier layers (121, 125) or light guide layers (121, 125) which are the outermost layers of the active layer structure (105). The state in which a band offset is formed for GaAs which is 104, 106) is greatly different. Al_0.47Ga_0.53In As, it is considered that about 70 to 80% of the barrier is distributed on the conduction band side with respect to GaAs._0.49Ga_0.51On the contrary, it is considered that about 60% of the barrier is distributed to the valence band side in P. Therefore, in order to suppress carrier overflow, it is desirable to use an InGaP-based material on the n-side and an AlGaAs-based material on the p-side as the second cladding layers (103, 107).
[0034]
Further, in order to suppress the carrier overflow by the second cladding layers (103, 107), it is not desirable that the second cladding layers (103, 107) are located extremely far from the active layer structure (105). As the thickness t of the light guide layer (104, 106)_ngAnd t_pgIs 40 nm <t as its absolute value._ng<100 nm, 40 nm <t_pgPreferably, it is <100 nm.
[0035]
Next, a semiconductor laser capable of operating in a single transverse mode, which is an example of the semiconductor light emitting device of the present invention, will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic sectional view showing a configuration of a buried stripe type semiconductor laser as an example of an epitaxial structure in the semiconductor laser of the present invention.
[0036]
This semiconductor laser is formed on a first conductivity type substrate (1), has a refractive index waveguide structure, and has a second conductivity type first cladding layer and a second conductivity type upper first cladding (10). The second lower conductive type upper first cladding layer (10) and the current blocking layer (11) / cap layer (12) are used for both current confinement and light confinement. A semiconductor laser having a contact layer (13) for realizing and further reducing the contact resistance with the electrode (14). This type of laser is used as a light source for an optical fiber amplifier used for optical communication, a pickup light source for a large-scale magneto-optical memory for information processing, and a high-power semiconductor laser for medical use. Thereby, it can be further applied to various uses.
[0037]
As the substrate (1), GaAs, InP, GaP, GaN or the like can be used for a semiconductor substrate, and AlOx or the like can be used for a dielectric substrate. As the substrate (1), not only a so-called just substrate, but also a so-called off-substrate (missoriented substrate) can be used from the viewpoint of improving crystallinity during epitaxial growth. Off-substrates have the effect of promoting good crystal growth in the step flow mode and are widely used. The off-substrate having an inclination of about 0.5 to 2 degrees is widely used, but the inclination may be about 10 degrees depending on a material system constituting a quantum well structure described later.
[0038]
The substrate (1) may be previously subjected to chemical etching, heat treatment, or the like in order to manufacture a semiconductor laser using a crystal growth technique such as MBE or MOCVD. The thickness of the substrate (1) to be used is usually about 350 μm, and it is normal to ensure mechanical strength during the process of manufacturing the device. In order to form an end face of the semiconductor light emitting device, Usually, polishing is performed as thin as about 100 μm during the process.
[0039]
The buffer layer (2) is preferably provided to alleviate incompleteness of the substrate bulk crystal and facilitate the formation of an epitaxial thin film having the same crystal axis. The buffer layer (2) is preferably composed of the same compound as the substrate (1). When the substrate (1) is GaAs, GaAs is usually used, and when the substrate (1) is InP, InP is used. Is used. However, the use of a superlattice layer for the buffer layer (2) is also widely practiced. For example, an AlGaAs / GaAs superlattice structure may be used on a GaAs substrate instead of the same compound. . Further, the composition of the buffer layer (2) can be gradually changed in the layer. On the other hand, when a dielectric substrate is used, a material different from that of the substrate may be appropriately selected depending on the desired oscillation wavelength and the structure of the entire device, instead of the same material as the substrate.
[0040]
The first conductive type first cladding layer (3) can be made of various materials, and is appropriately selected according to the active layer structure (6) selected according to the oscillation wavelength to be realized or the substrate (1). Is done. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate (1), an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Can be made of InGaAsP-based material.
[0041]
In particular, when an AlGaAs-based material is used, the Al composition of the first conductive type first cladding layer (3) is set to 0.1 in order to reduce the thermal resistance of the entire device and to obtain a structure suitable for high-output operation. It is preferably less than 40, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.2 or less. Also, the thickness t of the first conductivity type first cladding layer (3)_n1(Nm) is preferably larger than the oscillation wavelength λ (nm) because it is necessary to sufficiently attenuate the light in a direction away from the active layer structure (6).
[0042]
Also, as described above, when AlGaAs is used for the first cladding layer (3) of the first conductivity type and the Al composition is set low, the effect of increasing the dopant activation rate can be expected. In particular, when it is assumed that crystal growth is performed by the MBE method when the first conductivity type is n-type and Si is used as a dopant, N.I. {Chand} et al. , {Physical} review {B} vol. 30 (1984) P. It is known that the ionization energy of the Si donor largely depends on the Al composition as shown in 4481. In AlGaAs having a low Al composition, a layer having sufficiently small resistance can be formed even if the doping level is set relatively low. Very desirable for being able to. Therefore, the doping level of the first conductive type first cladding layer (3) is 1.0 × 10¹⁷cm^-3~ 1.0x10¹⁸cm^-3It is desirable that More preferably, 3.0 × 10¹⁷cm^-3~ 7.5x10¹⁷cm^-3It is desirable that
Furthermore, the doping does not need to be performed uniformly in the first conductivity type first cladding layer (3), but may be set higher on the substrate (1) side and lower on the side closer to the active layer structure (6). desirable. This is an effective method for suppressing absorption by free electrons in a portion having a high light density.
[0043]
The first conductive type second cladding layer (4) can be made of various materials, and is appropriately selected according to the active layer structure (6) selected according to the oscillation wavelength to be realized or the substrate (1). Is done. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0044]
When the first conductivity type second cladding layer (4) is made of an AlGaAs-based material, its Al composition is preferably less than 0.5. The Al composition of the first conductive type second clad layer (4) is made larger than the Al composition of the adjacent first conductive type first clad layer (3) and the Al composition of the first optical guide layer (5). . By adopting such a configuration, the first conductive type second clad layer (4) becomes a layer having the smallest refractive index, and has a function as a barrier to electrons in the conduction band and holes in the valence band. Will be. Further, it is desirable that the difference between the Al composition of the first conductive type second clad layer (4) and the Al composition of the first conductive type first clad layer (3) is larger than 0.08. This allows the first conductivity type second cladding layer (4) to sufficiently suppress the carrier overflow from the active layer structure (6) to the first conductivity type first cladding layer (3). However, the difference in Al composition between these two layers should be less than 0.4 so that the carrier injection from the first conductivity type first cladding layer (3) to the active layer structure (6) is not excessively inhibited. Is preferred.
[0045]
Thickness t of first conductivity type second cladding layer (4)_n2(Nm) is the thickness t of the first light guide layer (5)._ng(Nm). By employing such a configuration, it is possible to avoid an extreme increase in the oscillation threshold, a decrease in the slope efficiency, and an increase in the drive current. In the present invention, t_n2/ T_ngIs larger than 0.3, it is possible to obtain an appropriate longitudinal NFP enlargement effect. Further, the thickness t of the first conductive type second cladding layer (4)_n2Is preferably thicker than 10 nm and thinner than 100 nm. Thickness t of first conductivity type second cladding layer (4)_n2If it is less than 10 nm, the optical effect may be weakened, while if it is more than 100 nm, the light confinement becomes extremely weak and the LD may not oscillate.
[0046]
When the first conductivity type second cladding layer (4) is made of an AlGaAs-based material, the doping level of the dopant is the first conductivity type because the Al composition is relatively high in the LD structure of the present invention. It is desirable to set higher than the first cladding layer (3). Particularly, in the case where the first conductivity type is n-type and Si is used as a dopant, assuming that crystal growth is performed by MBE, the doping level is 3.0 × 10 3¹⁷cm^-3~ 1.0x10¹⁸cm^-3And preferably 4.0 × 10¹⁷cm^-3~ 7.5x10¹⁷cm^-3Is more desirable. The difference in band gap between the first conductive type first clad layer (3) and the first conductive type second clad layer (4) is desirably about 0.05 eV to 0.45 eV, preferably 0.1 eV to 0.3 eV. More desirably.
[0047]
In the present invention, it is also preferable that the first conductive type second clad layer (4) and the second conductive type second clad layer (8) are made of different materials having the same refractive index. In order to suppress carrier overflow, it is desirable that the first conductivity type second clad layer (4) be made of an InGaP-based material and the second conductivity type second clad layer (8) be made of an AlGaAs-based material. . For example, the above In_0.49Ga_0.51P and Al_0.47Ga_0.53Examples of combinations of As can be given.
[0048]
In the present invention, V_nBut 0.35 <V_n<0.75 is selected. Further, the relative thickness t of the first conductivity type second clad layer (4) with respect to the first guide layer (5)._n2/ T_ngR which is_nIs 0.3 <R_n<0.7, 0.35 <R_nPreferably, it is selected so as to satisfy <0.55. The upper limit is indispensable so that the vertical waveguide structure built in the semiconductor laser does not become anti-guided as a whole, and the lower limit is effectively FFP._VIndicates the thickness necessary to reduce the width of the.
[0049]
Although not shown in FIG. 2, between the first cladding layer (3) of the first conductivity type and the second cladding layer (4) of the first conductivity type, viewpoints such as lattice matching with the substrate (1) are made. Or, conversely, it is made of a material such as an AlGaAs-based material or an InGaP-based material which is appropriately selected from the viewpoint of intentionally introduced strain and the like. The first conductive type second clad layer (3) is inserted near the first conductive type second clad layer (4), and a layer close to the first conductive type second clad layer (4) is inserted on the first conductive type second clad layer (4) side. It is also possible. Such a transition layer can reduce the electric resistance when carriers are injected from the first conductive type first clad layer (3) side into the active layer structure (6) through the first conductive type second clad layer (4). Very preferred.
[0050]
The first light guide layer (5) on the first conductivity type second clad layer (4) can be made of various materials, and has an active layer structure (6) selected according to an oscillation wavelength to be realized. Alternatively, it is appropriately selected according to the substrate (1) and the like. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0051]
When the first light guide layer (5) is made of an AlGaAs-based material, the first light guide layer (5) has a smaller Al composition than the first conductivity type first clad layer (3) in order to realize light confinement. It must be made of material. Specifically, the Al composition of the first light guide layer (5) is preferably smaller than 0.4, more preferably smaller than 0.2, and further preferably smaller than 0.1. Most preferably, GaAs containing no Al is used. Particularly, from the viewpoint of reliability, a light guide layer containing no Al is desired.
[0052]
Also, the thickness t of the first light guide layer (5)_ng(Nm) preferably satisfies the following expression in order to allow the first conductivity type second cladding layer (4) to exhibit its function sufficiently.
[Equation 19]
0.5 × [λ / (4 × n_ng)] {Nm} <t_ng<1.5 × [λ / (4 × n_ng)] Nm
In the above equation, n_ngIs the refractive index of the first light guide layer (5). Thickness t of first light guide layer (5)_ngIs less than the upper limit of the above formula, in particular, the effect of suppressing the carrier overflow of the first conductivity type second cladding layer (4) can be sufficiently exhibited, and the reduction of the kink level can be effectively avoided. Also, the thickness t of the first light guide layer (5)_ngIs set to be larger than the lower limit of the above expression, it is possible to prevent the anti-waveguiding property of the first conductive type second cladding layer (4) from becoming excessive.
[0053]
In particular, when the first optical guide layer (5) is made of an AlGaAs-based material, the thickness t of AlGaAs is used._ngThe first light guide layer (5) need not necessarily be a layer having a single Al composition, and the Al composition can be changed in the first light guide layer (5). As described above, the refractive index in the case where regions having different Al compositions exist in the first light guide layer (5) can be considered as the refractive index of the first light guide layer (5) with an average refractive index.
[0054]
The effect of the present invention does not change even if the conductivity type of the first light guide layer (5) is p-type, n-type, or undoped.
[0055]
The same applies to the second light guide layer (7) located on the active layer structure (6).
[0056]
The active layer structure (6) in the present invention refers to a structure including a quantum well formed of a thin film so that the quantum effect becomes remarkable. For example, a single quantum well active layer (Single Quantum Well: SQW) Or a double quantum well structure (Double Quantum Well: DQW) having a barrier layer provided for separation and coupling between two quantum wells, and stacked with the quantum well layer, the barrier layer, and the quantum well layer. Alternatively, a multiple quantum well structure having a structure including three or more quantum well layers and a barrier layer that appropriately separates each quantum well may be used. In some cases, strain is intentionally introduced into the quantum well layer. For example, it is widely practiced to incorporate a compressive stress in order to lower the threshold value. Further, a semiconductor laser having a wavelength of about 900 nm to 1350 nm which is preferably applied in the present invention is realized by including a strained quantum well layer containing In, Ga and As on a GaAs substrate and not lattice-matched to the substrate. Is desirable.
[0057]
Specific materials for the strain quantum well layer include InGaAs, GaInNAs, and the like. The strained quantum well layer can be expected to increase the optical gain and the like due to the effect of the strain. For this reason, sufficient LD characteristics can be realized even if the light between the first cladding layers (3, 9, 10) and the active layer structure (6) is moderately weak in the vertical direction. For this reason, a strained quantum well layer is desirable in the present invention.
[0058]
Even if the conductivity type of the barrier layers (21, 23, 25) is p-type, n-type, or undoped, the effect of the present invention does not change, but the barrier layers (21, 23, 25) have n-type conductivity types. It is desirable to have the parts shown. In such a situation, since electrons are supplied from the barrier layers (21, 23, 25) to the quantum well layers (22, 24) in the active layer structure (6), the gain characteristics of the LD can be effectively broadened. Is desirable. Such an element can effectively fix the oscillation wavelength by an external resonator such as a grating fiber as described later. At this time, the n-type dopant is preferably Si. Further, an n-type dopant such as Si is not uniformly doped in the barrier layer, but is doped near the interface with other layers such as the strained quantum well layers (22, 24). It is most preferable that the doping is selectively performed near the center of the barrier layer (21, 23, 25).
[0059]
The second conductivity type second cladding layer (8) can be made of various materials, and is appropriately formed according to the active layer structure (6) selected according to the oscillation wavelength to be realized or the substrate (1). Selected. For example, when the present invention is realized on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material, an InGaP-based material, an AlGaInP-based material, or the like can be used. Materials and the like can be used.
[0060]
When the second conductivity type second cladding layer (8) is formed using an AlGaAs-based material, the Al composition is preferably less than 0.5. The Al composition of the second cladding layer (8) of the second conductivity type must be larger than the Al composition of the lower first cladding layer (9) of the adjacent second conductivity type and the Al composition of the second optical guide layer (7). Must. By adopting such a configuration, the second conductivity type second cladding layer (8) becomes a layer having the smallest refractive index, and has a function as a barrier to electrons in the conduction band and holes in the valence band. Will be. The difference between the Al composition of the second cladding layer (8) of the second conductivity type and the Al composition of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type is preferably larger than 0.08. Thereby, the second conductive type second clad layer (8) can sufficiently suppress the carrier overflow from the active layer structure (6) to the second conductive type lower first clad layer (9). However, it is preferable that the difference in Al composition be less than 0.4 so as not to excessively hinder the carrier injection from the lower second cladding layer (9) into the active layer structure (6).
[0061]
Thickness t of the second conductivity type second cladding layer (8)_p2(Nm) is the thickness t of the second light guide layer (7)._pg(Nm). By employing such a configuration, it is possible to avoid an extreme increase in the oscillation threshold, a decrease in the slope efficiency, and an increase in the drive current. In the present invention, t_p2/ T_pgIs set to be larger than 0.3, an appropriate NFP enlargement effect in the vertical direction can be obtained. Further, the thickness t of the second conductive type second cladding layer (8)_p2Is preferably thicker than 10 nm and thinner than 100 nm. Thickness t of the second conductivity type second cladding layer (8)_p2If it is less than 10 nm, the optical effect may be weakened, while if it is more than 100 nm, the light confinement becomes extremely weak and the LD may not oscillate.
[0062]
The second cladding layer (8) of the second conductivity type does not necessarily have to have the same refractive index, the same thickness, and the same material as the second cladding layer (4) of the first conductivity type. In order to ensure the properties, it is desirable that the layers have the same refractive index and have the same thickness. However, as described above, it is also preferable that the first conductive type second clad layer (4) and the second conductive type second clad layer (8) are made of different materials having the same refractive index.
[0063]
In particular, in the case where the second conductivity type is p-type and Be is used as a dopant, assuming that crystal growth is performed by MBE, the doping level is 3.0 × 10 3¹⁷cm^-3~ 1.0x10¹⁸cm^-3And preferably 4.0 × 10¹⁷cm^-3~ 7.5x10¹⁷cm^-3Is more desirable.
[0064]
In the present invention, V_pBut 0.35 <V_p<0.75 is selected. Further, the relative thickness t of the second conductive type second cladding layer (8) with respect to the second guide layer (7)._p2/ T_pgR which is_pIs 0.3 <R_p<0.7, 0.35 <R_pPreferably, it is selected so as to satisfy <0.55. The upper limit is indispensable so that the vertical waveguide structure built in the semiconductor laser does not become anti-guided as a whole, and the lower limit is effectively FFP._VIndicates the thickness necessary to reduce the width of the.
[0065]
Although not shown in FIG. 2, between the second conductive type second clad layer (8) and the second conductive type lower first clad layer (9), viewpoints such as lattice matching with the substrate, Alternatively, the band gap is made of a material such as an AlGaAs-based material or an InGaP-based material which is appropriately selected from the viewpoint of intentionally introduced distortion and the like. A layer close to the second cladding layer (8) and close to the second conductivity type lower first cladding layer (9) on the second conductivity type lower first cladding layer (9) side. Can also be inserted. Such a transition layer reduces the electrical resistance when carriers are injected from the second conductive type first clad layer (9, 10) side into the active layer structure (6) through the second conductive type second clad layer (8). Very preferred because it can.
[0066]
In the embodiment of FIG. 2, the first cladding layer of the second conductivity type is divided into two layers, a lower first cladding layer (9) of the second conductivity type and an upper first cladding layer (10) of the second conductivity type. In this case, an etching stop layer may be provided between these two layers in order to facilitate the production of the device.
[0067]
The material of the second conductive type first cladding layer (9, 10) can be selected in the same manner as the second conductive type second cladding layer (8). In particular, when an AlGaAs-based material is used as the material of the second conductive type first cladding layers (9, 10), the second conductive type first clad layer (9, 10) is formed by using the second conductive type first clad layer (9, 10) in order to reduce the thermal resistance of the entire device and to obtain a structure suitable for high-output operation. The Al composition of the mold first cladding layer (9, 10) is preferably less than 0.40, more preferably 0.3 or less, and even more preferably 0.2 or less. The total thickness of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type and the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type is sufficient to attenuate light in a direction away from the active layer structure (6). Therefore, it is preferable to make the wavelength larger than the oscillation wavelength λ.
[0068]
The thickness of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type is set to 10 nm to prevent the current injection path to the active layer structure (6) from becoming extremely wide due to the current spreading in the lateral direction. Desirably, it is about 200 nm. More desirably, it is desirably about 20 nm to 70 nm.
[0069]
The doping level of the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type and the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type is 1.0 × 10 4¹⁷cm^-3~ 1.0x10¹⁸cm^-33.0 × 10¹⁷cm^-3~ 7.5x10¹⁷cm^-3Is more desirable.
Further, the doping does not need to be performed uniformly in the lower first cladding layer (9) of the second conductivity type or the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type, and becomes higher as the distance from the active layer structure (6) increases. It is desirable that the distance be set lower as approaching the active layer structure (6). This is an effective method for suppressing absorption by free electrons in a portion having a high light density.
[0070]
The upper first cladding layer (10) of the second conductivity type, together with the current blocking layer (11) formed on the side surface thereof, realizes two functions of current confinement and lateral light confinement. This is a desirable configuration when the present invention is applied to an LD operating in a single transverse mode. For this reason, from the viewpoint of confining the current in the lateral direction, the conductivity type of the current blocking layer (11) is preferably the first conductivity type or undoped. Further, in order to satisfy the viewpoint of light confinement in the lateral direction, particularly, the characteristics as a waveguide based on refractive index guiding, the current blocking layer (11) is formed of the second conductivity type first cladding layer (9, 10). ) Is formed of a material having a smaller refractive index than that of the above. In addition, it is also possible to make the lateral light confinement a so-called loss guide type. In this case, the effective band gap of the material forming the current blocking layer (11) absorbs the oscillation wavelength. By doing so, lateral light confinement can be realized.
[0071]
In the present invention, the material constituting the current blocking layer can be appropriately selected depending on the substrate (1), the active layer structure (6), or what kind of lateral waveguide structure. For example, the current blocking layer (10) is formed of an AlGaAs-based material together with the second-conductivity-type first cladding layers (9, 10)._xpGa_1-xpAs, Al_zGa_1-zIn the case of As, the real refractive index waveguide structure can be realized by setting the Al composition to z> xp. In the case of fabricating a semiconductor laser that is a real refractive index guided type and operates in a single transverse mode, the difference is mainly caused by the refractive index difference between the current blocking layer (11) and the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type. The effective refractive index difference in the lateral direction defined by^-3It is desirable that the order be Further, a portion where the second conductive type upper first clad layer (10) and the second conductive type lower first clad layer (9) are in contact with each other, which is the width of the current injection path and corresponds to the width of the waveguide. From the viewpoint of operating the LD in the single transverse mode, the width W is uniform in the range of the error in the resonator direction perpendicular to the plane of the drawing, and the width is preferably 6 μm or less, and more preferably. Is preferably 3 μm or less. However, in order to achieve high output operation and single transverse mode operation at the same time, it is not always necessary that the waveguide is uniform in the cavity direction, and the front end face side, which is the main light emission direction of the semiconductor laser, , The width of the waveguide is relatively widened to be suitable for high-power operation, while the width of the waveguide is narrowed at the rear end face so that single transverse mode operation is possible. Is desirable. In such a case, the width of the current injection path near one light emitting point is set to W._expThe width W of the narrowest current injection path in the device_stdIn this case, it is preferable to satisfy the following expression.
(Equation 20)
1.5 <W_exp/ W_std<$ 5.0
Further, it is more preferable to satisfy the following expression.
(Equation 21)
2.5 <W_exp/ W_std<$ 3.5
[0072]
The semiconductor light emitting device of the present invention is characterized by satisfying the condition shown in the above (Equation 2). If these conditions are deviated, the FFP can be performed without deteriorating various characteristics of the semiconductor laser._VCannot be reduced in full width at half maximum. For example, V_nAnd V_pIs not more than 0.35 and R_nAnd R_pIs 0.7 or more, the longitudinal waveguide function of the entire semiconductor laser becomes too weak, so that the oscillation threshold current of the element increases, the slope efficiency decreases, and the like. In an extreme case, the waveguide function itself is lost, and the element may not oscillate. On the other hand, V_nAnd V_pIs not less than 0.75 and R_nAnd R_pIs 0.3 or less, the waveguide function itself in the vertical direction of the device becomes excessive, and FFP_VBecomes very wide, and good coupling with an external optical system cannot be realized. Further, in such a situation, the light density at the end face also becomes excessively high, which causes undesirable effects such as being unsuitable for high-output operation, which is not desirable.
[0073]
The cap layer (12) is used as a protective layer for the current blocking layer (11) in the first growth and at the same time to facilitate the growth of the second conductivity type upper first cladding layer (10), Before obtaining the device structure, some or all are removed.
[0074]
It is preferable to provide a contact layer (13) on the second conductivity type upper first cladding layer (10) for the purpose of lowering the contact resistivity with the electrode (14). The contact layer (13) is usually made of a GaAs material. This layer usually has a higher carrier concentration than the other layers in order to lower the contact resistivity with the electrode (14). The conductivity type is the second conductivity type
[0075]
The thickness of each layer constituting the semiconductor laser is appropriately selected within a range in which the function of each layer is effectively exhibited.
[0076]
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the first conductivity type is desirably n-type, and the second conductivity type is desirably p-type. This is because an n-type substrate is often of better quality.
[0077]
The semiconductor laser shown in FIG. 5 is manufactured by further forming electrodes (14) and (15). For example, when the second conductivity type is p-type, the epitaxial layer side electrode (14) is formed by sequentially depositing Ti / Pt / Au on the surface of the contact layer (12) and then performing an alloying treatment. On the other hand, the substrate-side electrode (15) is formed on the surface of the substrate (1), and when the first conductivity type is n-type, for example, AuGe / Ni / Au is sequentially vapor-deposited on the surface of the substrate (1) and then subjected to alloying treatment. Formed by
[0078]
On the manufactured semiconductor wafer, an end surface which is a light emission surface is formed. The end face becomes a mirror constituting the resonator. Preferably, the end face is formed by cleavage. Cleavage is a widely used method, and the end face formed by cleavage varies depending on the orientation of the substrate used. For example, when an element such as an edge-emitting laser is formed using a substrate having a plane which is crystallographically equivalent to the preferably used normally (100), (110) or crystallographically The equivalent surface is the surface that forms the resonator. On the other hand, when an off-substrate is used, the end face may not be at 90 degrees to the resonator direction depending on the relationship between the inclined direction and the resonator direction. For example, when the substrate (1) whose angle is inclined by 2 degrees from the (100) substrate toward the (1-10) direction is used, the end face also inclines by 2 degrees.
[0079]
The cleavage also determines the resonator length of the element. In general, a longer resonator length is more suitable for high-output operation, but in a semiconductor laser to which the present invention is applied, it is desirable that this length is 600 μm or more. More desirably, the thickness is preferably 900 μm to 3000 μm. The reason for the upper limit of the cavity length is that a semiconductor laser having an extremely long cavity length may cause characteristic deterioration such as an increase in threshold current and a decrease in efficiency. .
[0080]
In the present invention, it is preferable to form a coating layer (16, 17) made of a dielectric or a combination of a dielectric and a semiconductor on the exposed semiconductor end face. The coating layers (16, 17) are formed mainly for the purpose of increasing the light extraction efficiency from the semiconductor laser and for the purpose of protecting the end faces. In order to efficiently extract the light output from the element from one end face, the front end of the coating layer (16) having a low reflectance (for example, a reflectance of 10% or less) with respect to the oscillation wavelength, which is a main light emitting direction, is used. It is preferable to perform asymmetric coating in which a coating layer (17) having a high reflectance (for example, 80% or more) with respect to the oscillation wavelength is applied to the other rear end face. This is not only to increase the output of the device, but also to stabilize the wavelength by actively taking in the light returning from an external resonator such as a grating fiber used for wavelength stabilization. It is also very important in promoting. For these purposes, the reflectance of the front end face is preferably 5%, more preferably 2.5% or less.
[0081]
Various materials can be used for the coating layers (16, 17). For example, it is preferable to use one or a combination of two or more selected from the group consisting of AlOx, TiOx, SiOx, SiN, Si and ZnS. AlOx, TiOx, SiOx or the like is used as the coating layer having a low reflectance, and a multilayer film of AlOx / Si or TiOx / SiOx is used as the coating layer having a high reflectance. By adjusting the thickness of each layer, a desired reflectance can be realized. However, in general, the film thickness of AlOx, TiOx, SiOx or the like as a coating layer having a low reflectance is generally adjusted so that the real part of the refractive index at the wavelength λ is near λ / 4n. is there. Also in the case of a highly reflective multilayer film, it is general to adjust each material constituting the film so as to be in the vicinity of λ / 4n.
[0082]
By cleaving the coated laser bar again, each element can be separated to obtain a semiconductor laser.
[0083]
By installing an optical fiber on the light emitting end side of the semiconductor light emitting device of the present invention including the semiconductor laser manufactured in this way, a semiconductor light emitting device module can be formed. It is preferable that the tip of the optical fiber is processed so as to exhibit a light-collecting effect and to be directly optically coupled to the front end face of the semiconductor light emitting device.
[0084]
In order to stabilize the wavelength of the semiconductor light emitting device of the present invention including the semiconductor laser, a mirror having wavelength selectivity is prepared outside, and the external resonator is coupled to the semiconductor light emitting device of the present invention. Is desirable. In particular, it is desirable to form an external resonator using a fiber grating. In this case, it is also possible to form a semiconductor light emitting element module including a fiber grating, a cooler for stabilizing temperature, and the like in addition to the semiconductor laser. For the fiber grating, the center wavelength, the reflection or transmission band, the reflectance of the fiber grating toward the semiconductor light emitting element, and the like can be appropriately selected according to the purpose. In particular, the reflectance of the fiber grating toward the semiconductor light-emitting element side is 2 to 15%, preferably 5 to 10%, at the emission wavelength of the semiconductor light-emitting element, and the reflection band is 0.1 to 10% with respect to the center wavelength. It is desirably 1 to 5.0 nm, preferably 0.5 to 1.5 nm.
[0085]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The materials, concentrations, thicknesses, operating procedures, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the specific examples shown in the following examples.
[0086]
<Example 1>
A semiconductor laser whose sectional view from the light emission direction is shown in FIG. 2 was manufactured by the following procedure.
First, a carrier concentration of 1.0 × 10¹⁸cm^-3On the (100) plane of the n-type GaAs substrate (1), a buffer layer (2) having a thickness of 0.5 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 was formed by MBE.¹⁸cm^-3Si-doped n-type GaAs layer (refractive index at 980 nm is 3.525); thickness is 2.3 μm as first conductivity type first cladding layer (3), and carrier density is 1.3 × 1.3 μm from the substrate side. 10¹⁷cm^-3And 1 μm is 3.0 × 10¹⁷cm^-3Si-doped n-type Al_0.19Ga_0.81As layer (refractive index at 980 nm is 3.422); as first conductive type clad layer (4), thickness is 35 nm and carrier concentration is 8.0 × 10 4¹⁷cm^-3Si-doped n-type Al_0.4Ga_0.6As layer (refractive index at 980 nm is 3.307); as first optical guide layer (5), 80 nm in thickness, 40 nm from substrate side, Si doping level is 2.0 × 10¹⁷cm^-3In addition, 40 nm is an undoped GaAs layer (refractive index at 980 nm is 3.525); the active layer structure (6) has a thickness of 5 nm and a carrier concentration of 7.5 × 10 5¹⁷cm^-3Undoped Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped)_0.16Ga_0.84As strained quantum well layer with a thickness of 8 nm and a carrier concentration of 7.5 × 10¹⁷cm^-3Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on both quantum well layer sides is undoped), undoped In_0.16Ga_0.84As strained quantum well layer, thickness 5 nm, carrier concentration 7.5 × 10¹⁷cm^-3An active layer structure comprising five layers of a Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped); In addition, 40 nm has a Be doping level of 3.0 × 10¹⁷cm^-3GaAs layer (refractive index at 980 nm is 3.525); thickness of 35 nm and carrier concentration of 7.5 × 10 2 as the second conductive type cladding layer (8).¹⁷cm^-3Be-doped p-type Al_0.4Ga_0.6As layer (refractive index at 980 nm is 3.307); second conductive type lower first cladding layer (9) having a thickness of 25 nm and a carrier concentration of 5.0 × 10¹⁷cm^-3Be-doped p-type Al_0.19Ga_0.81As layer (refractive index at 980 nm is 3.422); current blocking layer (11) having a thickness of 0.3 μm and a carrier concentration of 4.0 × 10 4¹⁷cm^-3Si-doped n-type Al_0.23Ga_0.78As layer (refractive index at 980 nm is 3.401); 10 nm thick as carrier layer (7.5 × 10 3) as cap layer (12)¹⁷cm^-3Of Si-doped n-type GaAs layers were sequentially laminated.
[0087]
A mask of silicon nitride was provided in a portion other than the current injection region in the uppermost layer. At this time, the width of the opening of the silicon nitride mask was 1.5 μm. Using this as a mask, etching was performed at 20 ° C. for 105 seconds to remove the cap layer (12) and the current block layer (11) in the current injection region. As the etching agent, a mixed solution obtained by mixing phosphoric acid (85% by weight), hydrogen peroxide (30% by weight aqueous solution) and water at a volume ratio of 1: 1: 30 was used.
[0088]
Thereafter, by MOCVD, the upper first cladding layer (10) of the second conductivity type has a thickness of 2.3 μm and a carrier concentration of 4.0 × 10 μm from the substrate (1) side.¹⁷cm^-3And 1.3 μm thereon is 7.5 × 10¹⁷cm^-3Zn-doped p-type Al_0.19Ga_0.81As layer (refractive index at 980 nm is 3.422); thickness is 3.0 μm as contact layer (13), and carrier concentration is 2.7 × 1.0 μm from substrate (1) side.¹⁸cm^-3And 0.3 μm thereon is 7.0 × 10¹⁸cm^-3Was re-grown.
[0089]
V in this element_nIs 0.515222 and V_pWas 0.515222. Also, R_nIs 0.4375, and R_pWas also 0.4375.
[0090]
In device fabrication, Ti / Pt / Au is further deposited as an epitaxial layer side (p-side) electrode (14) by 70 nm / 70 nm / 80 nm, respectively, and after polishing the substrate (1), the substrate side is removed. (N side) AuGeNi / Au was deposited as an electrode (15) by 150 nm / 80 nm, respectively, and then alloyed at 400 ° C. for 5 minutes to complete a semiconductor laser wafer.
The width W of the current injection region of the completed semiconductor laser was 2.2 μm.
[0091]
Subsequently, in the atmosphere, the substrate is cleaved into a laser bar having a cavity length of 1600 μm to expose the (110) plane. The film was formed to form a coating layer (16). Further, in order to perform the processing on the rear end face side, a coating layer (17) consisting of four layers of an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm / an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm was formed. A rear end face with a reflectivity of 92% was produced.
[0092]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the fabricated device, the threshold current was 29.8 mA, the slope efficiency was 0.92 W / A, and the kink level was 622 mW. The maximum light output of the device was 773 mW.
FFP at 450mW light output_VHas a full width at half maximum of 24.1 degrees and FFP_HWas 8.5 degrees. Note that the oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 984 nm.
[0093]
Using this element, an optical fiber with a grating having a wedge-shaped fiber lens was mounted on the front end face side of the element, and a semiconductor laser module having a butterfly type package was manufactured. The reflection center of this grating fiber was 982 nm, and the reflectance was 3%. At 25 ° C., the threshold current was 25.3 mA and the slope efficiency was 0.76 mW / mA with respect to the light emitted from the fiber end. The coupling efficiency was as good as about 82.6%.
[0094]
<Example 2>
A semiconductor laser whose sectional view from the light emission direction is shown in FIG. 2 was manufactured by the following procedure.
First, a carrier concentration of 1.0 × 10¹⁸cm^-3On the (100) plane of the n-type GaAs substrate (1), a buffer layer (2) having a thickness of 0.5 μm and a carrier concentration of 1.0 × 10 was formed by MOCVD.¹⁸cm^-3Si-doped n-type GaAs layer (refractive index at 980 nm is 3.525); thickness is 2.3 μm as first conductivity type first cladding layer (3), and carrier density is 1.3 × 1.3 μm from the substrate side. 10¹⁷cm^-3And 1 μm is 3.0 × 10¹⁷cm^-3Si-doped n-type Al_0.25Ga_0.75As layer (refractive index at 980 nm is 3.390); thickness of 40 nm and carrier concentration of 1.0 × 10 2 as first conductive type cladding layer (4)¹⁸cm^-3Si-doped n-type Al_0.45Ga_0.55As (the refractive index at 980 nm is 3.279); as the first optical guide layer (5), the thickness is 80 nm, and the doping level of Si is 2.0 × 10 at 40 nm from the substrate side.¹⁷cm^-3In addition, 40 nm is an undoped GaAs layer (refractive index at 980 nm is 3.525); the active layer structure (6) has a thickness of 5 nm and a carrier concentration of 7.5 × 10 5¹⁷cm^-3Undoped Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped)_0.16Ga_0.84As strained quantum well layer with a thickness of 8 nm and a carrier concentration of 7.5 × 10¹⁷cm^-3Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on both quantum well layer sides is undoped), undoped In_0.16Ga_0.84As strained quantum well layer, thickness 5 nm, carrier concentration 7.5 × 10¹⁷cm^-3An active layer structure comprising five layers of a Si-doped n-type GaAs barrier layer (1 nm on the quantum well layer side is undoped); In addition, 40 nm has a Be doping level of 3.0 × 10¹⁷cm^-3GaAs layer (refractive index at 980 nm is 3.525); thickness of 40 nm and carrier concentration of 7.5 × 10 2 as the second conductivity type cladding layer (8).¹⁷cm^-3Zn-doped p-type Al_0.45Ga_0.55As (refractive index at 980 nm is 3.279); as second lower conductive type lower first cladding layer (9), thickness is 25 nm, and carrier concentration is 5.0 × 10 5¹⁷cm^-3Zn-doped p-type Al_0.25Ga_0.75As layer (refractive index at 980 nm is 3.390); current blocking layer (11) having a thickness of 0.3 μm and a carrier concentration of 5.0 × 10¹⁷cm^-3Si-doped n-type Al_0.275Ga_0.725As layer (refractive index at 980 nm is 3.376); carrier layer is 7.5 × 10 at a thickness of 10 nm as a cap layer (12).¹⁷cm^-3Of Si-doped n-type GaAs layers were sequentially laminated.
[0095]
A mask of silicon nitride was provided in a portion other than the current injection region in the uppermost layer. At this time, the width of the opening of the silicon nitride mask was 1.5 μm. Using this as a mask, etching was performed at 20 ° C. for 97 seconds to remove the cap layer and the current block layer in the current injection region. As the etching agent, a mixed solution obtained by mixing phosphoric acid (85% by weight), hydrogen peroxide (30% by weight aqueous solution) and water at a volume ratio of 1: 1: 30 was used.
[0096]
Thereafter, the second conductive type upper first cladding layer (10) was 2.3 μm thick and the carrier concentration was 4.0 × 10 μm from the substrate (1) side by MOCVD.¹⁷cm^-3And 1.3 μm thereon is 7.5 × 10¹⁷cm^-3Zn-doped p-type Al_0.25Ga_0.75As layer (refractive index at 980 nm is 3.390); contact layer (13) has a thickness of 3.0 μm and carrier concentration of 2.7 μm from substrate (1) side is 1.0 × 10¹⁸cm^-3And 0.3 μm above it is 6.0 × 10¹⁸cm^-3Was re-grown.
[0097]
V in this element_nIs 0.588492 and V_pWas 0.588492. Also, R_nIs 0.5 and R_pWas also 0.5.
[0098]
Further, Ti / Pt / Au is deposited as an epitaxial layer side (p-side) electrode (14) by 70 nm / 70 nm / 80 nm, respectively, and after polishing the substrate (1), the substrate side (n-side) electrode is formed. As (15), AuGeNi / Au was deposited by 150 nm / 80 nm, respectively, and then alloyed at 400 ° C. for 5 minutes to complete a semiconductor laser wafer.
The width W of the current injection region of the completed semiconductor laser was 2.3 μm.
[0099]
Subsequently, in the atmosphere, the substrate is cleaved into a laser bar having a cavity length of 1600 μm to expose the (110) plane. The film was formed to form a coating layer (16). Further, in order to perform the processing on the rear end face side, a coating layer (17) consisting of four layers of an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm / an AlOx layer having a thickness of 170 nm / an amorphous Si layer having a thickness of 60 nm was formed. A rear end face with a reflectivity of 92% was produced.
[0100]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the manufactured device, the threshold current was 27.3 mA, the slope efficiency was 0.93 W / A, and the kink level was 603 mW. The maximum light output of the device was 728 mW.
At the time of 450 mW light output, the full width at half maximum of the vertical FFP was 23.1 degrees, and the full width at half maximum of the horizontal FFP was 8.7 degrees. Note that the oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 983 nm.
[0101]
Using this element, an optical fiber with a grating having a wedge-shaped fiber lens was mounted on the front end face side of the element, and a semiconductor laser module having a butterfly type package was manufactured. The reflection center of this grating fiber was 982 nm, and the reflectance was 3%. At 25 ° C., the threshold current was 21.6 mA and the slope efficiency was 0.78 mW / mA with respect to the light emitted from the fiber end. The coupling efficiency was as good as about 83.8%.
[0102]
<Example 3>
In the semiconductor laser described in the second embodiment, the first conductivity type two-cladding layer (4) is made of In with a thickness of 30 nm._0.49Ga_0.51A semiconductor laser was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the refractive index was changed to P (the refractive index at 980 nm was 3.259).
V in this element_nIs 0.588492 and V_pWas 0.588492. Also, R_nIs 0.375 and R_pWas 0.5.
[0103]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the fabricated device, the threshold current was 26.5 mA, the slope efficiency was 0.94 W / A, and the kink level was 582 mW. The maximum light output of the device was 699 mW.
The full width at half maximum of the vertical FFP at the time of 450 mW light output was 23.8 degrees, and the full width at half maximum of the horizontal FFP was 8.8 degrees. The oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 983 nm.
[0104]
<Example 4>
The first conductive type first clad layer (3), the second conductive type lower first clad layer (9), and the second conductive type upper first clad layer (10) are formed of In._0.49Ga_0.51P, both light guide layers (5, 7) are changed to undoped GaAs having a thickness of 34 nm, and the first conductivity type two-cladding layer (4) and the second conductivity type two-cladding layer (8) are changed. 23nm thick Al_0.58Ga_0.42Was changed to an As layer, and the current block layer (11) was changed to Al_0.5Ga_0.5A semiconductor laser was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the current blocking layer (11) was changed to an As layer and the etching time of the current blocking layer (11) was changed to 100 seconds.
V in this element_nIs 0.422089 and V_pWas 0.422089. Also, R_nIs 0.67674, and R_pWas 0.67674.
[0105]
With respect to the current light output characteristics at 25 ° C. of the fabricated device, the threshold current was 28.3 mA, the slope efficiency was 0.92 W / A, and the kink level was 580 mW. The maximum light output of the device was 685 mW.
At the time of 450 mW light output, the full width at half maximum of the vertical FFP was 24.1 degrees, and the full width at half maximum of the horizontal FFP was 9.0 degrees. Note that the oscillation wavelength of the device at 450 mW output was 985 nm.
[0106]
Using this device, a semiconductor laser module having a butterfly-type package similar to that of Example 1 was manufactured. At 25 ° C., the threshold current was 23.9 mA and the slope efficiency was 0.74 mW / mA with respect to the light emitted from the fiber end. The coupling efficiency was about 80.4%.
[0107]
<Comparative Example 1>
The semiconductor laser described in the first embodiment is the same as the semiconductor laser described in the first embodiment except that the thicknesses of the first light guide layer (5) and the second light guide layer (7) are both 32.5 nm and all are undoped. An element was produced.
V in this element_nIs 0.257015 and V_pWas 0.257015. Also, R_nIs 1.0770, and R_pWas also 1.0770.
The threshold current of the fabricated device was 45.7 mA, the slope efficiency was 0.62 W / A, and the kink level was 403 mW, which was lower than that of Example 1. The maximum light output of the device was 495 mW, which was lower than that of Example 1. The full width at half maximum of the vertical FFP measured at 450 mW was 15.1 degrees, and it was suspected that light confinement near the active layer was not sufficient. The full width at half maximum of the lateral FFP was 8.2 degrees. The oscillation wavelength of the device was 985.5 nm.
[0108]
<Comparative Example 2>
Both the first light guide layer (5) and the second light guide layer (7) have a thickness of 85 nm, and the doping level of Si is 1.0 × 10¹⁷cm^-3The first conductive type first clad layer (3), the second conductive type lower first clad layer (9), and the second conductive type upper first clad layer (10) are also Al._0.4Ga_0.6As (the refractive index at 980 nm is 3.307), and the first conductive type second clad layer (4) and the second conductive type second clad layer (8) each have a thickness of 25 nm._0.65Ga_0.35An element was fabricated in the same manner as the semiconductor laser described in Example 1, except that As (the refractive index at 980 nm was 3.167).
[0109]
V in this element_nIs 0.782449 and V_pWas 0.782249. Also, R_nIs 0.2941, and R_pWas also 0.2941.
Although the threshold current of the fabricated device was as good as 23.6 mA and the slope efficiency was 0.98 良好 W / A, the device was destroyed when the light output reached 580 mW as current was injected. It was suspected that the light confinement near the active layer was excessive.
[0110]
【The invention's effect】
According to the present invention, FFP can be performed without significantly deteriorating the main characteristics of a semiconductor laser._VOf the semiconductor laser can be effectively reduced, good coupling between the semiconductor laser and an optical system including an optical fiber and a lens can be realized, and the high output operation characteristics of the semiconductor laser itself can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of one embodiment of a semiconductor light emitting device of the present invention as viewed from a light emission direction.
FIG. 2 is a cross-sectional view of another embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention as viewed from a light emitting direction.
FIG. 3 is a perspective view showing one embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 n-type substrate
102 n-type first cladding layer
103 n-type second cladding layer
104 first light guide layer
105 active layer structure
106 ° second light guide layer
107 p-type second cladding layer
108 p-type first cladding layer
109 contact layer
110 SiN layer
111 p side electrode
112 n side electrode
121, 123, 125 barrier layer
122, 124 strained quantum well layer
1 1st conductivity type substrate
2 Buffer layer
3 First conductivity type first cladding layer
4} First conductivity type second cladding layer
5 First light guide layer
6 Active layer structure
7 Second light guide layer
8 Second conductive type second cladding layer
9 Lower second cladding layer of second conductivity type
10 Second conductivity type upper first cladding layer
11 Current block layer
12mm cap layer
13 Contact layer
14 Epitaxial layer side electrode
15mm substrate side electrode
16, 17 coating layer
21, 23, 25 ° barrier layer
22,24 ° strained quantum well layer

Claims (24)

A first conductivity type first cladding layer having an average refractive index of n _n1 and a thickness of t _n1 (nm) on a substrate of the first conductivity type, an average refractive index of n _n2 and a thickness of t _n2 (nm) there first conductive type second clad layer, a first optical guide layer thickness average refractive index in the n _ng is t _{ng (nm),} total thickness average refractive index at n _a is t _{a (nm)} activity A layer structure, a second optical guide layer having an average refractive index of n _pg and a thickness of t _pg (nm), a second conductive type second cladding layer having an average refractive index of n _p2 and a thickness of tp ₂ (nm), In a semiconductor light emitting device having an emission wavelength λ (nm) having a structure in which a second conductivity type first cladding layer having an average refractive index of n _p1 and a thickness of t _p1 (nm) is laminated in this order,
When defined as wavenumber _k, V _n, V p, the _{R n} and _{R p} (Equation 1), the semiconductor light-emitting device which satisfies the respective relationship (Equation 2).

The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 4, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 5, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 7, wherein the following expression is satisfied.

The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the substrate is made of GaAs, and the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, and the second conductive type second clad layer. A semiconductor light emitting device, wherein at least a part of the cladding layer and the second conductivity type first cladding layer contain Al, Ga and As. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the substrate is made of GaAs, and the first conductive type first clad layer, the first conductive type second clad layer, and the second conductive type second clad layer. A semiconductor light emitting device wherein at least a part of the cladding layer and the second conductivity type first cladding layer contain In, Ga and P. A semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 10, the first cladding layer and the second conductive type first clad layer a first conductivity type is made of both Al x _Ga 1-x _As material A semiconductor light-emitting device, wherein the Al composition x of the two layers satisfies the following equation:

A semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 11, the second clad layer and the second conductive type second clad layer a first conductivity type are both, Al s _Ga 1-s _As materials Wherein the Al composition s of the two layers satisfies the following expression.

The semiconductor light-emitting device according to any one of claims 1 to 12, wherein a band gap between the first clad layer and the second clad layer showing at least one conductivity type is on the first clad layer side. A semiconductor light emitting device having a transition layer approaching a first cladding layer and a second cladding layer on a second cladding layer side. 14. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein both the first light guide layer and the second light guide layer are made of GaAs. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the active layer structure includes a strained quantum well layer, and the quantum well layer includes In, Ga, and As. element. The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 15, wherein the barrier layer in the active layer structure includes a portion of the same first conductivity type as the substrate. 17. The semiconductor light emitting device according to claim 16, wherein the dopant in the barrier layer is Si. The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 17, wherein at least one of the first conductive type first cladding layer and the second conductive type first cladding layer has a doping level of each layer. A semiconductor light emitting device characterized in that it is not uniform within the semiconductor light emitting device. The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 18, wherein the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 19, wherein the second conductivity type first cladding layer is a second conductivity type upper first cladding layer and a second conductivity type lower first cladding layer. A semiconductor light-emitting device comprising two layers, a current injection region formed by a second conductivity type upper first cladding layer and a current blocking layer, and further comprising a contact layer. 21. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is a semiconductor laser. 22. A semiconductor light emitting device, wherein the semiconductor laser according to claim 21 is a semiconductor laser that oscillates in a single transverse mode. A semiconductor light emitting device module, comprising: the semiconductor light emitting device according to claim 1; and an optical fiber on a light emitting end side of the semiconductor light emitting device. 24. The semiconductor light emitting device module according to claim 23, wherein the tip of the optical fiber has a light-collecting effect and is processed so as to be directly optically coupled to the front end surface of the semiconductor fermentation device. Semiconductor light emitting element module.

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