JP2005191349A

JP2005191349A - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP2005191349A
Application number: JP2003432043A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Oki; 泰大木; Jiyunji Yoshida; 順自吉田; Naoki Tsukiji; 直樹築地
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP4570353B2

Abstract

【課題】活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制し、高出力で温度特性に優れた半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子において、半導体基板上に、量子井戸活性層（４）と、該量子井戸活性層の少なくとも片側に接する光閉じ込め層（３、５）と、前記量子井戸活性層および前記光閉じ込め層を挟んで設けられた一組のクラッド層（２、７）を有し、前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層（６ａ、６ｂ）が設けられており、前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

光通信システムの発展・高度化に伴って、励起用光源・信号光源などとして用いられる半導体レーザ素子に要求される特性は従来にも増して厳しくなっており、特に、高出力化・温度特性の向上が求められている。温度特性としては、光出力や閾値電流の温度依存性が小さく、高温動作時においても十分な光出力と低閾値が得られることが求められる。

ここで、高出力化のためには、光吸収の低減、キャリアのオーバーフローの抑制などが重要であり、温度特性を向上するためには、キャリアのオーバーフローを抑制することなどが重要である。

ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の半導体レーザ素子は、発振波長１．３μｍ以上の発光材料であるＧａＩｎＡｓＰを活性層として用いることが可能であるため、長波長帯の発光素子として、光ファイバ増幅器の励起用光源や光通信用の信号光源などに用いられており、上述したような特性向上が特に重要となっている。

半導体レーザ素子において、高出力化や良好な温度特性を阻む原因は、半導体レーザ素子に電流を注入したとき、活性層で発光に寄与すべきキャリアがクラッド層にオーバーフローしてしまうことが一因であった。特に、１．３μｍ帯など、ＩｎＰ系の中でも波長の短い半導体レーザにおいては、活性層のバンドギャップとクラッド層のバンドギャップが比較的近いため、光閉じ込め層などを採用してもキャリアの閉じ込め効果が弱く、オーバーフローが特に問題となっていた。

キャリアのオーバーフローを抑制するための方法としては、非特許文献１に示されているように、活性層と光閉じ込め層との間にキャリアブロック層を設けるＤＣＨ（Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造がある。この構造を持つ半導体レーザの組成波長プロファイルを図１１に示す。この半導体レーザは、組成波長１．３μｍのＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層と組成波長１．０３μｍの障壁層からなる多重量子井戸活性層４、組成波長１．１５μｍのｎ側ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２３、組成波長１．１０μｍのｐ側ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２５、ｎ型ＩｎＰクラッド層２２およびｐ型ＩｎＰクラッド層２７からなっており、多重量子井戸活性層２４とｎ側光閉じ込め層２３の間に、ｎ型ＩｎＰからなるキャリアブロック層３０が設けられている。なお、本明細書においては材料のバンドギャップエネルギーを特定するのに組成波長を用いることとする。
Ｓ．Ｈａｕｓｓｅｒ，Ｈ．Ｐ．Ｍｅｉｅｒ，Ｒ．ＧｅｒｍａｎｎａｎｄＣｈ．Ｓ．Ｈａｒｄｅｒ，"１．３ｕｍＭｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍＷｅｌｌＤｅｃｏｕｐｌｅｄＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＭＱＷ−ＤＣＨ）ＬａｓｅｒＤｉｄｅｓ"，ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ１９９３，Ｐ．１５９６−１６００

また、キャリアである電子のオーバーフローを抑制する別の方法として、ｐ型クラッドのドーピング濃度を高く設定するということが考えられる。ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系の材料では、ｐ型のドーパントとしてＺｎが用いられることが多いが、Ｚｎによる光吸収は光出力の低下の一因となる。つまり、キャリアのオーバーフローを抑制するためにＺｎの濃度を高くすると、Ｚｎによる光吸収が多くなってしまって高出力化の効果が充分に得られないという問題があった。

従来、ＩｎＰ基板上の半導体レーザにおいて、クラッド層や光閉じ込め層を構成する材料は、結晶構造を安定にするため、通常、基板を構成するＩｎＰと格子整合するような組成に限って用いられていた。すなわち、格子定数がＩｎＰに近い材料がクラッド層や光閉じ込め層の材料として用いられていた。ＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡｓＰ系の材料としては、ＩｎＰよりもバンドギャップの大きい材料がないため、特許文献１に示された技術のようにキャリアブロック層を導入しても、十分な効果を得ることができなかった。

上記の問題を解決するため、本発明は、半導体基板上に、量子井戸活性層と、該量子井戸活性層の少なくとも片側に接する光閉じ込め層と、前記量子井戸活性層および前記光閉じ込め層を挟んで設けられた一組のクラッド層を有し、前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層が設けられており、前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有することを特徴とする半導体レーザ素子である。

ワイドギャップ層は、半導体レーザ素子中のどの部分に設けられているものであってもよいが、クラッド層中であって光閉じ込め層に接した部分もしくは光閉じ込め層に近い部分に設けられていることが特に好ましい。

ここで、ワイドギャップ層を構成する材料のバンドギャップは大きい方がオーバーフロー抑制の効果は高くなる。しかしながら、ワイドギャップ層のバンドギャップを大きくすると歪量の絶対値も大きくなるので、結晶性が悪くなる。したがって、用途に応じて適宜バンドギャップの大きさを選択する必要がある。

また、ワイドギャップ層は、互いにバンドギャップの異なる二以上の層からなることとすると、キャリアのオーバーフローを抑制する効果が大きくなり、好ましい。

ワイドギャップ層の材料は、たとえば、クラッド層がＩｎＰからなる場合にはＧａＩｎＰまたはＧａＡｓで構成することが好ましい。また、クラッド層がＧａＩｎＡｓＰからなる場合にはＩｎＰとするとワイドギャップ層も格子整合系とすることができる。また、キャリアのオーバーフローを抑制する効果を大きくしたい場合にはＧａＩｎＰを用いることも可能である。

また、ワイドギャップ層は、ｐ側に設けられると、有効質量が小さく閉じ込めの点で不利な電子のオーバーフローを抑制することができるため、好ましい。

本発明によれば、クラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなる層を有することにより、キャリアのオーバーフローが抑制され、高出力で温度特性に優れた半導体レーザを得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。

［実施形態１］本発明の実施形態１に係る半導体レーザ素子を図１に示す。図１は、実施形態１に係る半導体レーザの共振器方向に垂直な断面図である。この半導体レーザ素子２０は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、１×１０^１８ｃｍ^−３にドーピングされたｎ型ＩｎＰからなる厚さ１μｍのｎ型クラッド層２、組成を階段状に変化させたノンドープＧａＩｎＡｓＰとＩｎＰからなる厚さ０．０４５μｍのｎ側光閉じこめ層３、組成波長１．６５μｍのＧａＩｎＡｓＰ量子井戸層と組成波長１．２μｍのＧａＩｎＡｓＰ障壁層からなる合計厚さ０．０６μｍの多重量子井戸活性層４、組成を階段状に変化させたノンドープＧａＩｎＡｓＰとＩｎＰからなる厚さ０．０４５μｍの上部光閉じこめ層５、７×１０^１７ｃｍ^−３にドーピングされたｐ型ＩｎＰからなる厚さ３．５μｍのｐ型クラッド層７、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなる厚さ０．５μｍのｐ型コンタクト層８が積層されている。多重量子井戸活性層４においては、量子井戸層が＋１％程度の圧縮歪を持ち、かつ障壁層が−０．０２〜−０．８％程度の引張り歪を持つような組成すると好適である。また、多重量子井戸活性層４には１×１０^１７〜５×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型ドーピングがされていると、素子抵抗が低減されるため、素子の熱抵抗を小さくすることができ、より優れた温度特性が得られる。また、この活性層へのドーピングは、ｎ型ドーピングの代わりにｐ型ドーピングであってもよい。

ｐ側光閉じ込め層５とｐ型クラッド層７とに挟まれた部分に、組成波長０．８７μｍで３×１０^１８ｃｍ^−３にドーピングされたｐ型ＧａＩｎＰからなる厚さ８ｎｍのｐ側ワイドギャップ層６ｂが設けられている。また、ｎ側光閉じ込め層３において、ｎ型クラッド層２に接する部分に、組成波長０．８７μｍで１×１０^１８ｃｍ^−３にドーピングされたｎ型ＧａＩｎＰからなる厚さ８ｎｍのｎ側ワイドギャップ層６ａが設けられている。

なお、ワイドギャップ層６ａ、６ｂは活性層４の近くに設けた方がオーバーフロー抑制の効果は大きい。しかし、近すぎるとワイドギャップ層のドーパントが活性層に拡散したり、ワイドギャップ層のドーパントによる光吸収が起きるなどの問題がある。よって、活性層の端からワイドギャップ層までの距離、（図２において、５＋５ｂ＋６ｂ／２の長さ）は、２５０ｎｍ以下であることが好ましく、更に５０ｎｍ以下であればより好ましい。したがって、ワイドギャップ層の位置は、本実施形態１に示したようなクラッド層内に限られず、クラッド層と光閉じ込め層の境界または光閉じ込め層内部であってもよい。

ここで、量子井戸活性層の場合、活性層の端とは、最外側の障壁層と光閉じ込め層との境界（図２において、４と５の境界または４と３の境界）を指すものとする。また、ワイドギャップ層の位置とは、ワイドギャップ層の厚さ方向における中心位置を指すものとする。

ｎ側光閉じ込め層３およびｐ側光閉じ込め層５は、活性層へのキャリア注入の観点からは、活性層からクラッド層に近づくにつれて、バンドギャップが徐々に大きくなるように設計されていることが望ましい。よって、本実施形態１に示されているように、ｐ側ワイドギャップ層６ｂは、ｐ型クラッド層７中であってｐ側光閉じ込め層５に近接した部分に設けられていると好適である。同様に、ｎ側ワイドギャップ層６ａは、ｎ側光閉じ込め層３とｎ型クラッド層２の間に設けられていると好適である。しかし、ワイドギャップ層の位置は、上記の位置に限らなくても、キャリアのオーバーフロー抑制効果は発揮される。

ｐ型コンタクト層８の上面には上部電極９が、また、ｎ型ＩｎＰ基板１の下面には下部電極１０が形成されている。

この半導体レーザ素子２０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などのエピタキシャル成長法を利用して製造される。ｐ型の層に用いられるドーパントは亜鉛（Ｚｎ）、ｎ型の層に用いられるドーパントはセレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）などである。この他に、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、ｐ型ドーパントとしてＣやＭｇを用いてもよい。ＧａＩｎＰは、ＩｎＰに比べて格子定数が小さいため、ＩｎＰからなるクラッド層上において約−１％の引張り歪みを持つ。しかし、ワイドギャップ層の厚さを臨界膜厚以下の８ｎｍとしたため、歪みによる結晶欠陥の発生などの弊害は生じない。

ワイドギャップ層の厚さは、厚い方がキャリアのオーバーフローを抑制する効果は大きい。よって、ワイドギャップ層は、歪量に従って決まる臨界膜厚以下の厚さ、例えば３０ｎｍ程度以下でなるべく厚い方が好ましい。

図２に、この半導体レーザ素子の基板に垂直な方向における組成波長プロファイルを示す。ｐ型クラッド層７中に設けられたｐ側ワイドギャップ層６ｂが電子に対するキャリアブロックの役割を、また、ｎ型クラッド層２中に設けられたｎ側ワイドギャップ層６ａが正孔に対するキャリアブロックの役割を果たす。

また、ｐ側ワイドギャップ層６ｂは本実施形態のようにｐ型にドーピングされていることが望ましい。また、同様に、ｎ側ワイドギャップ層６ａはｎ型にドーピングされていることが望ましい。これらのドーピング量としては、１×１０^１７〜５×１０^１８ｃｍ^−３が適当である。

キャリアのオーバーフロー抑制効果に対するワイドギャップ層へのドーピング量の影響を評価するため、キャリアのオーバーフローの程度を反映するリーク電流のシミュレーションを、ＣｒｏｓｓｌｉｇｈｔＳｏｆｔｗａｒｅＩｎｃ．社の汎用シミュレーションソフト「ＰＩＣＳ３Ｄ」を用いて行った。半導体レーザ構造は図１に示すものとし、ＧａＩｎＰからなるｐ側ワイドギャップ層６ｂへのドーピング量をパラメータとした。なお、温度は３００Ｋとした。シミュレーション結果を図３に示す。図３の縦軸は電子電流である。但し、該電子電流はｎ型領域での電子電流の値で規格化されている。横軸は基板に対して垂直な方向における位置であり、１．６〜１．７μｍの位置が活性層に相当するように軸を取っている。図３よりわかるように、ｐ側ワイドギャップ層へのドーピングを行わない（ノンドープ）場合には、ｐ型領域における規格化された電子電流は０．２６程度と大きいのに対し、７×１０^１７ｃｍ^−３のドーピングを行った場合には０．０５以下となり、５×１０^１８ｃｍ^−３のドーピングを行った場合にはほぼゼロとなっている。以上のように、ｐ側ワイドギャップ層へのドーピング濃度を高くするほど、ｐ型クラッド層中での電子電流は小さくなる、つまり、ｐ型クラッド層へのキャリアオーバーフローが小さくなることが示された。

これまで述べてきたように、ワイドギャップ層を設けることや、ワイドギャップ層へのドーピングでキャリアのオーバーフローを抑制することができる。この方法は、たとえばクラッド層のドーピング濃度を高くしてキャリアのオーバーフローを抑制する場合に比べ、以下の理由により有利である。本発明では、キャリアのオーバーフロー抑制の効果をワイドギャップ層で担うことができ、光吸収の原因となるpクラッド層のドーピング濃度を下げても、キャリアのオーバーフローが起こりにくい。つまり、ワイドギャップ層のない従来の構造に比べて、ｐ型クラッド層のドーピング濃度を下げることができるため好適である。但し、この点に関して、ｐ型クラッド層のドーピング濃度を下げすぎると、素子抵抗の上昇などの問題が出てくるので、ｐ型クラッド層のドーピング濃度は、おおよそ７×１０^１６ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３、更に好ましくは、１×１０^１７ｃｍ^−３〜５×１０^１７ｃｍ^−３程度であることが望ましい。また、ワイドギャップ層のドーピング濃度は高い方がオーバーフロー抑制の効果は高いが、高すぎるとワイドギャップ層での光吸収が問題になったり、イオン化されないＺｎが活性層に拡散したりするなどの問題が起きるため、あまりに高すぎることもかえって好ましくない。

また、本実施形態１の半導体レーザ素子においては、ｐ型クラッド層７へのｐ型ドーパントは、通常よく用いられるＺｎとしている。このＺｎは、エピタキシャル成長中にｐ型クラッド層７から拡散しやすく、多重量子井戸活性層４中にＺｎが取り込まれてしまう。そして、Ｚｎはレーザの動作中に光を吸収しやすい性質を持つため、高出力化にとっては不利であった。ここで、本実施形態１に示したようにｐ側光閉じ込め層５中にＧａＩｎＰからなるｐ側ワイドギャップ層６ｂを設けることによって、ｐ側ワイドギャップ層６ｂが、Ｚｎのｐ型クラッド層７から多重量子井戸活性層４への移動をブロックする役割も兼ねることができる。この効果をより明確にするためには、ｐ型クラッド層７を構成する層のうち、ＧａＩｎＰからなるｐ側ワイドギャップ層６ｂに隣接する層５ｂをＩｎＰで構成することが重要である。

また、ＧａＩｎＰからなるワイドギャップ層は、既に説明したように、ＩｎＰ上において引張り歪を持つため、オージェ吸収を抑制する働きを持ち、半導体レーザの高出力化に有利である。

このように、本実施形態１においては、光閉じ込め層において、隣接するクラッド層よりもバンドギャップの大きいワイドギャップ層を設けたため、高出力で温度特性に優れた半導体レーザを得ることができる。

本実施形態１に係る半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子について測定された光出力−電流特性を図４に示す。これらの半導体レーザ素子は、共に共振器長が１５００μｍであり、出射側端面に低反射膜が、また、反射側端面に光反射膜がコーティングされている。また、電流閉じ込め構造として埋込みへテロ構造を採用している。光出力−電流特性の測定は、チップ状態での半導体レーザ素子を用い、パルス電流での測定とした。測定時のステージ温度は２０℃とした。

図４よりわかるように、本実施形態１に係る半導体レーザ素子は、従来の半導体レーザ素子に比べて高出力となり、５００ｍＷ以上の光出力を達成できた。

なお、本実施形態１においては、ワイドギャップ層をｐ側とｎ側の両方に設けたが、ｐ側のみに設けることとしても、キャリアのオーバーフロー抑制効果は得られる。これは、以下の理由による。すなわち、電子は正孔に比べて有効質量が小さいため、半導体レーザ素子に電流を注入した場合におけるキャリアのオーバーフローは、電子の方が正孔よりも問題となる。特にＩｎＰ系の材料では、価電子帯よりも伝導帯の方が活性層における量子井戸層と障壁層とのエネルギー差が小さいことから、電子のオーバーフローが正孔のオーバーフローよりも起こりやすい。そのため、ワイドギャップ層は少なくともｐ側に設ければ、キャリアのオーバーフロー効果を抑制する一定の効果が得られる。

しかし、ＧａＩｎＰからなるワイドギャップ層をｐ側のみに設けたとすると、以下のような不都合が生じうる。すなわち、ＧａＩｎＰはクラッド層を構成するＩｎＰよりも屈折率が高いため、ｐ側のみにＧａＩｎＰからなるワイドギャップ層を設けると、光強度分布のｐ側への偏りが生じる。すると、ドーパントとしてｐ型クラッド層に添加されているＺｎによる光吸収が大きくなり、高出力化の妨げとなる。したがって、ワイドギャップ層は、本実施形態１で示したように、ｐ側とｎ側の両方の光閉じ込め層に設けることが好ましい。これに対し、ワイドギャップ層をｐ側のみに設ける場合には、ｎ型クラッド層に接する光閉じ込め層の厚さを厚くするなどして、屈折率分布を対称にする、あるいはｎ側への偏りを生じさせることが有効である。

なお、本実施形態１では、ワイドギャップ層をＧａＩｎＰにより構成したが、更にバンドギャップの大きいＧａＡｓで構成してもよい。この場合、キャリアのオーバーフロー抑制効果が一段と優れたものになる。

［実施形態２］実施形態１では、光閉じ込め層に単層のワイドギャップ層を設けた半導体レーザ素子を示したが、実施形態２では、ワイドギャップ層を互いにバンドギャップの異なる複数の層で構成した半導体レーザ素子を示す。

実施形態２に係る半導体レーザ素子を図５に示す。図５は、本実施形態２に係る半導体レーザの共振器方向に垂直な断面図である。本実施形態２に係る半導体レーザ素子の構造は、ｐ側ワイドギャップ層以外については実施形態１に示したものと同様である。ｐ側ワイドギャップ層６ｂは、組成波長がそれぞれ０．８９μｍ、０．８７μｍ、０．８５μｍのＧａＩｎＰからなるワイドギャップ層６ｂ１、６ｂ２，６ｂ３からなっている。また、この近傍の組成波長プロファイルを図６に示す。このように、ワイドギャップ層６ｂを活性層４から遠いほどバンドギャップが大きくなるような複数の層で構成することによって、ワイドギャップ層６ｂ１、６ｂ２、６ｂ３およびｐ側光閉じ込め層５の全体のバンドプロファイルをなだらかな状態に近くすることができ、活性層４へのキャリアの注入がスムーズとなる。

ワイドギャップ層６ｂを構成する複数の層は、上述したように、活性層から遠いほどバンドギャップを大きくすることが好ましいが、これに限られるものではなく、たとえば図７に示すように中心の層６ｂ２のバンドギャップを最大としたり、図８に示すように多重量子井戸活性層４に近い層６ｂ１のバンドギャップを最大とするものであってもよい。

また、図９に示すように、ｐ側ワイドギャップ層６ｂをｐ側光閉じ込め層５とｐ型クラッド層７の間に設けた構造とし、ｐ側光閉じ込め層５とｐ側ワイドギャップ層６ｂが全体として直線的な組成波長プロファイルを示すようにすると更に好ましい。

なお、本実施形態２では、ｐ側ワイドギャップ層を互いにバンドギャップの異なる複数の層で構成した場合について説明したが、ｎ側ワイドギャップ層についてこれを適用してもよいことは言うまでもない。
［実施形態３］実施形態１および実施形態２では、クラッド層がＩｎＰである半導体レーザにおいて、ＧａＩｎＰからなるワイドギャップ層を導入した場合について説明したが、実施形態３では、クラッド層をＧａＩｎＡｓＰとし、ＩｎＰからなるワイドギャップ層を導入した場合について説明する。このクラッド層とワイドギャップ層の材料の組合せは、特に、Ｚｎのドーピングされたｐ型クラッド層での光吸収を抑制するために屈折率非対称型のクラッド層を用いる場合に特に有効である。ｎ型クラッド層としてＩｎＰよりも屈折率の高い組成波長０．９５μｍ程度のＧａＩｎＡｓＰを使用した場合、ｎ型クラッド層のバンドギャップがＩｎＰを使用した場合よりも小さくなり、キャリアの閉じ込めの上で不利となるため、ｎ側光閉じ込め層にｎ側ワイドギャップ層を設けることが効果的である。この場合、ｎ側ワイドギャップ層の材料としてＩｎＰを用いることができる。

実施形態３に係る半導体レーザは、ｎ型クラッド層とｎ側光閉じ込め層を除いては、実施形態１に示したものと同様である。

図１０に、本実施形態３に係る半導体レーザのｎ側光閉じ込め層近傍の組成波長プロファイルを示す。組成波長０．９５μｍのＧａＩｎＡｓＰからなるｎ型クラッド層２’とｎ側光閉じ込め層３との間に、ＩｎＰからなるｎ側ワイドギャップ層６ａが設けられている。この実施形態３に係る半導体レーザは、光強度のｎ側への偏りを生じさせると共に、格子整合系の材料のみを用いながら、クラッド層よりもバンドギャップの大きな材料でキャリアのオーバーフローを抑制でき、高出力で温度特性に優れた半導体レーザとなる。

なお、本実施形態３において、ワイドギャップ層をＧａＩｎＰで構成してもよい。

以上の実施形態１乃至３で説明した半導体レーザ素子の構造に回折格子層を設けて、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）などとすることも可能である。その場合、回折格子層とワイドギャップ層の位置関係は問わない。

また、実施形態１および実施形態２で示した例では、ワイドギャップ層であるＧａＩｎＰの屈折率がクラッド層であるＩｎＰより高いが、このような場合、ワイドギャップ層自体に回折格子を形成することにより、ワイドギャップ層を回折格子層としてもよい。このような構造は、以下の点から有利である。一般に、回折格子層を設けて回折格子を形成する場合、回折格子層はクラッド層よりも屈折率が高いことが求められる。ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系のレーザでは、屈折率が高い組成の材料ほどバンドギャップが小さくなるため、回折格子層がキャリアのブロッキング効果を阻害し、キャリアのオーバーフローに対しては弱い構造となっていた。したがって、ワイドギャップ層を設けることや、回折格子層自体をワイドギャップ層で形成することによって、ＤＦＢレーザで特に問題となっていたキャリアのオーバーフローに対して優れた効果を発揮する。

本発明は、上記実施形態例で説明した構造に限定されるものではない。たとえば半導体基板としてＩｎＰ以外のＧａＡｓなどの材料を用いた半導体レーザ素子にも適用できる。さらに、本発明は、基板に平行な共振器を有する構造であれば、半導体レーザの導波構造によらず適用可能である。たとえば、埋込みへテロ構造、リッジ構造、セルフアライン構造などであってもよい。また、レーザの光出射端面には、低反射膜／高反射膜コーティングを施すと好適である。

本発明の実施形態１に係る半導体レーザ素子の断面図である。本発明の実施形態１に係る半導体レーザ素子の組成波長プロファイルである。本発明の実施形態１に係る半導体レーザ素子におけるリーク電流のシミュレーション結果を表すグラフである。本発明の実施形態１に係る半導体レーザ素子における光出力−電流特性を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る半導体レーザ素子の断面図である。本発明の実施形態２に係る半導体レーザ素子の組成波長プロファイルである。本発明の実施形態２に係る他の形態例を示す組成波長プロファイルである。本発明の実施形態２に係る他の形態例を示す組成波長プロファイルである。本発明の実施形態２に係る他の形態例を示す組成波長プロファイルである。本発明の実施形態３に係る半導体レーザ素子の組成波長プロファイルである。従来のＤＣＨ構造の半導体レーザ素子の組成波長プロファイルである。

符号の説明

１ｎ型ＩｎＰ基板
２ｎ型クラッド層
３ｎ側光閉じ込め層
４多重量子井戸活性層
５ｐ側光閉じ込め層
６ａｎ側ワイドギャップ層
６ｂｐ側ワイドギャップ層
７ｐ型クラッド層
８ｐ型コンタクト層
９上部電極
１０下部電極
２０半導体レーザ素子

Claims

半導体基板上に、量子井戸活性層と、該量子井戸活性層の少なくとも片側に接する光閉じ込め層と、前記量子井戸活性層および前記光閉じ込め層を挟んで設けられた一組のクラッド層を有し、前記半導体基板に対して平行に形成された共振器を有する半導体レーザ素子において、前記半導体レーザ素子には、前記一組のクラッド層よりもバンドギャップの大きい材料からなるワイドギャップ層が設けられており、前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち前記ワイドギャップ層に近い方のクラッド層と同じ導電型となるようにドーピングされている層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層のドーピング濃度は、前記近い方のクラッド層におけるドーピング濃度よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層の少なくとも一方の中に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、前記光閉じ込め層に近接して設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、前記量子井戸活性層の端から２５０ｎｍ以下の位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、前記量子井戸活性層の端から５０ｎｍ以下の位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、互いにバンドギャップの異なる二以上の層からなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記半導体基板はＩｎＰからなり、前記ワイドギャップ層はＧａＩｎＰからなり、前記近い方のクラッド層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記半導体基板はＩｎＰからなり、前記ワイドギャップ層はＩｎＰまたはＧａＩｎＰからなり、前記近い方のクラッド層はＧａＩｎＡｓＰからなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記半導体基板はＩｎＰからなり、前記ワイドギャップ層はＧａＡｓからなり、近い方のクラッド層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち少なくともｐ型クラッド層中に、またはｐ型クラッド層に接して設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層は、前記一組のクラッド層のうち少なくともｐ型クラッド層に接している光閉じ込め層中に設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記半導体レーザ素子は、回折格子を備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記ワイドギャップ層が回折格子として形成されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
前記半導体レーザの発振波長は１．３μｍ以上、１．６４μｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。