JP2006286870A - 半導体レーザおよびそれを用いた光通信システム - Google Patents

半導体レーザおよびそれを用いた光通信システム Download PDF

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Abstract

【課題】 InAlGaP系半導体レーザにおいて良好な静特性を得るとともに、長寿命化も達成する。
【解決手段】 第一導電型GaAs基板上１に少なくとも第一導電型InAlGaPクラッド層3、InAlGaP下部光ガイド層4、InGaPもしくはInAlGaPからなる量子井戸活性層5、InAlGaP上部光ガイド層6、この上部光ガイド層6側に形成されたノンドープ領域7を含む第二導電型InAlGaP上部第一クラッド層7および8、第二導電型InGaPヘテロバッファ層11、第二導電型GaAsキャップ層12が順次積層されてなる赤色半導体レーザにおいて、上部第一クラッド層7および8と上部光ガイド層6との界面における第二導電型キャリア濃度を、4×1016ｃｍ-3以下の値とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザ、特に詳細にはInAlGaP混晶を含む半導体レーザ、およびそれを用いた光通信システムに関するものである。
従来、DVD（デジタル・バーサタイル・ディスク）等の光ディスク用ドライブ装置、レーザポインター、バーコードリーダ、ディスプレイなどの光源として、630〜680ｎｍで発振するInAlGaP系赤色半導体レーザが広く利用され、またその開発研究も盛んになされている。上述の光ディスクの中でも特にDVD-R/RW用のシステムは、大容量の情報を扱うことからデータ記録速度の向上が常に求められており、そのための開発が活発に行われている。また、書き込み速度の高速化に伴いピット形成に要する時間が短くなることから、光源である半導体レーザには更なる高光出力、高信頼性が要求されている。
また、ブロードバンド時代のホームネットワーク用途および産業用の各種信号伝達用にPOF（プラスチック光ファイバー）が注目されているが、赤色半導体レーザは、そのようなプラスチック光ファイバーを用いる光通信システムの信号光源としても注目されている。ただし、そのような用途に使用するためには数十万時間の寿命が必要となり、それが実用化への問題点となっている。
ここで、代表的なロスガイド型赤色半導体レーザの構成および製造方法について、簡単に説明する。基板の面方位を(100)面から(011)面方向に5〜15度傾斜させたｎ型GaAs基板上に、１回目の結晶成長により、ｎ型InAlGaP下部クラッド層、ノンドープ下部光ガイド層、多重量子井戸活性層、ノンドープ上部光ガイド層、ｐ型InAlGaP上部第一クラッド層、ｐ型InGaPエッチングストップ層、ｐ型InAlGaP上部第二クラッド層、ｐ型InGaPヘテロバッファ層およびｐ型GaAsキャップ層がこの順で積層される。上記ｐ型GaAsキャップ層、ｐ型InGaPヘテロバッファ層、ｐ型InAlGaPクラッド層はリッジ形状に成形され、２回目の結晶成長によりｎ型GaAs電流ブロック層が、リッジを埋め込むようにｐ型InGaPエッチングストップ層上に配置される。更に３回目の結晶成長により、ｐ型GaAsコンタクト層がｐ型GaAsキャップ層上、およびｎ型GaAs電流ブロック層上に形成される。そして基板裏面にｎ側電極が、またコンタクト層上にp側電極がそれぞれ形成される。ここで、ｎ型ドーパントには主にSiが、ｐ型ドーパントにはZnもしくはMgが用いられる。
このような上記従来の素子構造では次のような課題があった。すなわちInAlGaP材料では、赤外半導体レーザに用いられるAlGaAs材料などのAs系材料に比べてｐ型ドーパントであるZnあるいはMgの拡散係数が大きいため、結晶成長中もしくは熱処理中にZnあるいはMgが結晶中を拡散することは免れず、活性層に拡散したZnあるいはMgが非発光再結合中心を発生させ、それが素子特性の劣化原因となっていた。
この問題を解決するために、例えば特許文献１には、活性層近傍のクラッド層の一部分をノンドープ層またはキャリア濃度が少ない層とし、活性層へのZn拡散の防止を図ることが提案されている。
また上記問題を解決するために特許文献２には、厚さ5〜10ｎｍのノンドープのスペーサ層をｐ型上部クラッド層とノンドープ上部光ガイド層との間に設けることが提案されている。特許文献２は、その構成によれば、スペーサ層と上部光ガイド層との界面でのキャリア濃度が5×1017〜5×1018ｃｍ-3の範囲となって、導波路内の光が比較的大きな割合で分布する光ガイド層にｐ型ドーパントが拡散しなくなるため、拡散により形成された欠陥が光キャリアの再結合中心となって招来する特性劣化を防げるとしている。
特開平５−２９１６８６号公報 特開２０００−２８６５０７号公報
しかし、活性層近傍のクラッド層のキャリア濃度は、フェルミ準位をあげて実質的に活性層へのキャリアの閉じ込めを強くする効果があるため、特許文献１で提案されているようにキャリア濃度を下げる、もしくはクラッド層の一部をノンドープ層にすることは静特性、寿命特性を悪化させることになってしまう。すなわちノンドープ層の幅には最適値が存在すると考えられるが、特許文献１ではこれについて言及されていない。
また発明者は、特許文献２に示されている構成についても検討してみたが、高出力、高温動作化を考慮した場合、5×1017〜5×1018ｃｍ-3のレベルでの光ガイド層への不純物拡散を防止するだけでは、素子の特性劣化を防止できないことを確認した。具体的には、この構成において25℃、5ｍＷ程度の低出力動作では顕著な寿命特性の悪化は見られないものの、更なる高出力、高温動作時には、ｐ型ドーパントの拡散が原因と思われる寿命特性の悪化を招くことを確認した。また低出力動作においても、例えばDVD読み取り光源として使用できる１〜２万時間レベルでは問題ないものの、光通信システムの信号光源としての20〜30万時間の仕様を満たすものではなかった。
またこの特許文献２では、結晶成長時におけるスペーサ層の厚さを５〜10ｎｍと規定しているが、ｐ型ドーパントの拡散を抑制するのに必要なスペーサ層の厚さは成長温度、成長時間に依存するはずであり、レーザ素子化時点におけるｐ型ドーパントの濃度プロファイルを保証しない限り、所望の性能を安定的に得ることは難しい。
本発明は上記の事情に鑑みて、Zn、Mg等のｐ型ドーパントの拡散に起因する活性層の劣化を抑制して、動作電流などの静特性に優れ、かつ長寿命の半導体レーザを提供することを目的とする。
さらに本発明は、信号光源の寿命が前述の20〜30万時間程度確保されて、それにより信頼性が十分に高められた光通信システムを提供することを目的とする。
本発明による半導体レーザは、第一導電型GaAs基板上に少なくとも第一導電型InAlGaPクラッド層、InAlGaP下部光ガイド層、InGaPもしくはInAlGaPからなる量子井戸活性層、InAlGaP上部光ガイド層、この上部光ガイド層側に形成されたノンドープ領域を含む第二導電型InAlGaP上部クラッド層、第二導電型InGaPヘテロバッファ層、第二導電型GaAsキャップ層が順次積層されてなる赤色半導体レーザにおいて、前記上部クラッド層と上部光ガイド層との界面における第二導電型キャリア濃度が4×1016ｃｍ-3以下とされていることを特徴とするものである。なお上記の第一導電型、第二導電型は、一方がｎ型で他方がｐ型を示す。上記構成においては、導波路内の光が比較的大きな割合で分布する光ガイド層、多重量子井戸活性層における第二導電型キャリア濃度も4×1016ｃｍ-3以下となる。
ここで、上部クラッド層と上部光ガイド層との界面における第二導電型キャリア濃度を上述のような小さい値にするためには、例えば、素子作製に際してこの上部クラッド層の上部光ガイド層側に、他の第二導電型クラッド領域と組成が同じで、かつノンドープである層を設け、結晶成長後に第二導電型領域から該ノンドープ層側に第二導電型キャリアを拡散させればよい。
また、第二導電型上部クラッド層中におけるキャリア濃度低下による特性悪化を防止するため、第二導電型上部クラッド層内における第二導電型キャリア濃度が4×1016ｃｍ-3となる領域から上部クラッド層と光ガイド層との界面までの距離が70ｎｍ以内となっていることが望ましい。
また第二導電型キャリアは、ZnまたはMgであることが望ましい。
なお先に述べたようにｐ型クラッド層のキャリア濃度は、フェルミ準位を上げて実質的に活性層へのキャリアの閉じ込めを強くする効果がある。そのため、極端にｐ型キャリア濃度を低くすることは素子の特性上、好ましくない。また逆にｐ型キャリア濃度を高くし過ぎた場合は、結晶成長中にｐ型キャリアが大量に拡散してしまい、上で述べた適切な第二導電型（この場合はｐ型）キャリア濃度プロファイルを形成することが非常に難しくなる。そこで、第二導電型キャリアがｐ型キャリアのZnである場合は、第二導電型InAlGaP上部クラッド層においてZn濃度が9×1017〜2×1018ｃｍ-3となる領域が、層厚の半分以上を占めていることが望ましい。さらにその場合は、上記第二導電型GaAsキャップ層のZn濃度が7×1018〜2×1019ｃｍ-3の範囲にあることが望ましい。
また本発明の半導体レーザにおいては、
前記第二導電型InAlGaP上部クラッド層を上部第一クラッド層として、その上に（間に何らかの層が入ってもよい）第二導電型InAlGaP上部第二クラッド層が設けられ、
この第二導電型InAlGaP上部第二クラッド層、前記第二導電型InGaPヘテロバッファ層、および前記第二導電型GaAsキャップ層がリッジ状に形成された上で、
このリッジ状部分の両側に、電流狭窄用の第一導電型GaAs埋め込み層が形成されていることが特に好ましい。
他方、本発明による光通信システムは、信号光伝送用にポリメタクリル酸系化合物を有するGraded Index型プラスチック光ファイバーが用いられた光通信システムにおいて、信号光源として上述した本発明による半導体レーザ用いられたことを特徴とするものである。
本発明者は、第二導電型キャリアの拡散にともなうｐｎ接合位置の変化や、活性層における非発光再結合中心の発生を防ぐために鋭意検討し、上部光ガイド層と上部クラッド層との界面における第二導電型キャリア濃度を4×1016ｃｍ-3以下とする必要があることを見出した。この点の構成の有無による半導体レーザの性能差は、特に高温、高出力動作を行う際に顕著となる。
以下、本発明の効果について詳細に述べる。本発明者は上部光ガイド層と上部クラッド層との界面におけるキャリア濃度と寿命特性との関連を調べるために、後述する第２の実施形態と同じ基本構成を有するブロードエリア構造の半導体レーザの評価を行った。なお、ブロードエリア構造はシングルモード構造と比べて駆動電流値が上昇するため、このブロードエリア構造の半導体レーザを用いることで、より厳しい条件での評価が可能となる。この際、発光幅を広げるほど駆動電流値を上昇させる効果を得ることができるが、70μｍ幅を超えると素子性能の悪化が顕著化することから、本評価では発光幅が50μｍの半導体レーザを用いた。また、シングルモードの半導体レーザを高出力動作させても同様の効果を得ることができるが、その場合は端面劣化の懸念が生じる。そこで本評価ではブロードエリア構造を用いつつ、光出力は端面劣化が生じない5ｍＷで一定とした。この場合、第一導電型、第二導電型はそれぞれｎ型、ｐ型であり、第二導電型（ｐ型）ドーパントにはZnを用いた。
作製したウェハに対して、SIMS (二次イオン質量分析法)を用いてZn濃度プロファイルの測定を行った。この測定には、フランスCAMECA社製の分析装置「IMS-4F」を用いた。この結果を元に様々な濃度プロファイルを有する半導体レーザを作製し、50℃、5ｍＷ、APC駆動の条件にて約5000時間の寿命試験を行い、駆動電流値が初期状態から1.2倍に達する時間を推定寿命として求めた。その結果を図４に示す。この図から、ｐ型上部クラッド層とそれに隣接する上部光ガイド層の界面におけるZn濃度を4×1016ｃｍ-3以下とすることで、寿命特性が著しく向上することが分かる。
上記界面におけるZn濃度を4×1016ｃｍ-3以下とするには、結晶成長時における前記ノンドープ層の膜厚ιを厚くして、Zn拡散を防止すれば良い。しかしｐ型上部クラッド層のキャリア濃度は、フェルミ準位を上げて実質的に活性層へのキャリア閉じ込めを強くしている働きがあることから、膜厚ιを必要以上に増やすことは望ましくない。そこで、ｐ型上部クラッド層においてZnキャリア濃度が4×1016ｃｍ-3となる領域から、該クラッド層と上部光ガイド層との界面までの距離と寿命特性との関係を調べた。
その結果を図５に示す。ここでは、ｐ型上部クラッド層と上部光ガイド層との界面の位置を基準位置（距離＝０）とし、そこからZnキャリア濃度が4×1016ｃｍ-3となる領域までの距離を、該領域がｐ型上部クラッド層内に有る場合はプラスの符号を付け、上部光ガイド層内に有る場合はマイナスの符号を付けて示してある。したがって、上記距離がプラスの大きい値を取るほど上部クラッド層内のノンドープ領域が大きくなり、マイナスの大きい値をとるほど上部光ガイド層内のZn濃度が増えることになる。この図５から、ｐ型上部クラッド層においてZnキャリア濃度が4×1016ｃｍ-3となる領域が、該クラッド層と上部光ガイド層との界面から70ｎｍ以内に存在する場合は、1000時間以上と長い素子寿命が得られることが分かる。なお、ここで作製した素子においては、ｐ型上部クラッド層中でZn濃度が9×1017〜2×1018ｃｍ-3となる領域が、層厚の半分以上を占めている。他方GaAsキャップ層のZn濃度は7×1018〜2×1019ｃｍ-3である。
なお、本実験におけるこれら上部クラッド層およびキャップ層の濃度は本発明の趣旨を限定するものではなく、本発明の技術思想内において種々の変形が可能である。しかし素子性能を加味した場合、ｐ型ドーパントにZnを用いる場合には、これらの値となっていることが望ましい。
上部クラッド層およびGaAsキャップ層のｐ型キャリア濃度はｐ型キャリアの拡散量を左右することから、これらのｐ型キャリア濃度量を大きく変更する場合には、素子作製時に上部クラッド層において上部光ガイド層側に配置するノンドープ層の厚さを調整する必要がある。
なお、以上はブロードエリア構造の半導体レーザの検討結果について述べたが、同じZn濃度プロファイルを有するウェハに対して、ｐ型ドーパントの拡散を誘発しない低温プロセスによりシングルモード化した半導体レーザに対しても同様の検討を行った。その結果、推定寿命時間が10倍以上に増えるものの、ほぼ上記の傾向を反映する結果を得ることができた。具体的には、本発明で定義したようにｐ型キャリア濃度を規定することで、推定寿命が１万時間を超え、ほぼ駆動電流の変動がない十分実用的で、かつ信頼性が高い、発振波長660ｎｍ帯の半導体レーザを得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態によるInAlGaP系赤色半導体レーザを示す概略立断面図である。図示の通り本実施形態の半導体レーザは、ｎ型GaAs基板１と、その上に順次積層されたｎ型GaAsバッファ層(厚さ0.2μｍ)2、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層(厚さ1.2μｍ)3、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層(厚さ0.08ｎｍ)4、GaInP多重量子井戸活性層5、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層(厚さ0.08ｎｍ)6、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層(厚さι＜0.2μｍ)7、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層(厚さ0.2μｍ−ι)8、ｐ型In0.43Ga0.57Pエッチングストップ層(厚さ10〜15ｎｍ)9、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層(厚さ1.0μｍ)10、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層(厚さ0.5μｍ)11、ｐ型GaAsキャップ層(厚さ0.2μｍ)12、およびｐ型GaAsコンタクト層(2.0μｍ)14を有している。
上記ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層10、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層11およびｐ型GaAsキャップ層12はリッジ状に形成され、このリッジ状部分の両側には電流狭窄用のｎ型GaAs電流ブロック層(厚さ1.3μｍ)13が形成されている。そして、ｐ型GaAsコンタクト層14の上にはｐ電極15が、ｎ型GaAs基板１の裏側にはｎ電極16がそれぞれ形成されている。
なお本実施形態では、上記ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層7とｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層8とから、上部第一クラッド層が構成されている。この上部第一クラッド層およびその両側の層において、ｐ型キャリアであるZnの濃度プロファイルは概略図６に示す形となっている。ここに示されるように上部第一クラッド層は、全体では、一部にノンドープ領域（上部クラッド層7）を含むｐ型クラッド層となっている。
本実施形態の半導体レーザを作製する際には、一例として有機金属気相成長（MOCVD）法により結晶成長を行う。原料ガスとしてTEG(トリエチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMI(トリメチルインジウム)、AsH3(アルシン)、PH3(ホスフィン)、ｎ型ドーパントにはSiH4(シラン)、ｐ型ドーパントとしてDEZ(ジエチル亜鉛)またはCp2Mg(ビスシクロペンタディエニルマグネシウム)を用いる。次に具体的な半導体レーザの形成方法について説明する。
まず、基板の面方位を(100)面から(011)面方向に10〜15度傾斜させたｎ型GaAs基板１上に、MOCVD法による１回目の結晶成長により、成長温度685〜735℃、成長圧力10.3kPaの条件下にてｎ型GaAsバッファ層2、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層3、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層4、GaInP多重量子井戸活性層5、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層6、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層7、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層8、ｐ型In0.43Ga0.57Pエッチングストップ層9、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層10、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層11およびｐ型GaAsキャップ層12をこの順に積層する。
その上に誘電体マスクとなるSiO2選択成長マスクを形成し、該マスクを用いてｐ型GaAsキャップ層12、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層11、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P第3クラッド層10をエッチングし、メサストライプ状のリッジ構造を形成する。
その後SiO2マスクを用いた選択成長法による２回目の結晶成長で、ｐ型InGaPエッチングストップ層9の上の前記リッジ構造を除く領域に、ｎ型GaAs電流ブロック層13を形成する。さらに、前記SiO2マスクを除去した後に、前記メサストライプおよび電流ブロック層13の全面に、ｐ型GaAsコンタクト層14を３回目の結晶成長により形成する。
次いで、全体の厚みが100μｍ程度になるまで基板の研磨を行い、最後にｎ電極16を基板裏面に、ｐ電極15をコンタクト層14上に、それぞれ蒸着および熱処理により形成する。この試料から共振器長0.5〜1.5ｍｍ程度のレーザバーを劈開により切り出し、共振器面へ低反射率および高反射率の光学膜をコーティングする。その後劈開によりチップ化して半導体レーザを形成する。
ここでノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層7の厚さιは、結晶成長終了後に上部光ガイド層6と上部第一クラッド層との（具体的にはノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層7との）界面におけるｐ型キャリア濃度が、4×1016ｃｍ-3以下となる厚さとする。この厚さは成長温度、基板方位、III族原料である有機金属とＶ族原料ガスとのモル比、ｐ型上部第一および第二クラッド層のｐ型キャリア濃度に依存するため、成長条件に対して適切な厚さを選択する必要がある。
本発明者は、10度傾斜基板、成長温度＝700℃、ｐ型クラッド層のｐ型キャリア濃度＝1×1018ｃｍ-3、III族原料である有機金属とＶ族原料ガスとのモル比＝150〜600の成長条件で本実施形態の半導体レーザを作製し、それについてSIMS分析を行った。その結果、ｐ型ドーパントがZnの場合には、厚さιの設計値を75〜125ｎｍとすることで、上記界面におけるｐ型キャリア濃度を4×1016ｃｍ-3以下とし、前述した通りの効果が得られることを見出した。
ｐ型ドーパントがMgの場合にはZnに比べて拡散距離が短くなるため、厚さιをより小さくする必要がある。厳密には、１回目の結晶成長後における再成長プロセスおよび電極形成プロセスでの熱処理工程にて、ｐ型ドーパントが拡散する可能性がある。そのため、最終的な素子状態における上部光ガイド層と上部第一クラッド層との界面におけるキャリア濃度を4×1016ｃｍ-3以下とするためには、上部第一クラッド層のノンドープ層厚さιを、再成長プロセスおよび電極形成プロセスでの熱処理工程での拡散距離をも考慮した値とする必要がある。ただし熱処理工程における温度、時間を適切に選択することで、１回目の結晶成長後におけるｐ型ドーパントの拡散を防止することは可能であり、この場合には先に示した成長条件が適用されてもよい。
次に、本発明の第２実施形態による半導体レーザについて説明する。図２は、本発明の第２実施形態によるInAlGaP系赤色半導体レーザを示す概略立断面図である。第１の実施形態の半導体レーザはシングルモード構造であるのに対し、この第２実施形態の半導体レーザはブロードエリア構造のものである。
図示の通り本実施形態の半導体レーザは、ｎ型GaAs基板21と、その上に順次積層されたｎ型GaAsバッファ層(厚さ0.2μｍ)22、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層(厚さ1.2μｍ)23、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層(厚さ0.08ｎｍ)24、GaInP多重量子井戸活性層25、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層(厚さ0.08ｎｍ)26、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層(厚さι＜0.2μｍ)27、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層(厚さ0.2μｍ−ι)28、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層(0.5μｍ)29およびｐ型GaAsコンタクト層(0.2μｍ)30を有している。
上記ｐ型GaAsコンタクト層30の一部はストライプ状に残され、その両側にはSiO2絶縁膜31が形成されている。そしてｐ型GaAsコンタクト層30の上にはｐ電極32が、ｎ型GaAs基板21の裏側にはｎ電極33がそれぞれ形成されている。
なお本実施形態では、上記ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層27とｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層28とから、上部第一クラッド層が構成されている。この上部第一クラッド層におけるｐ型キャリアであるZnの濃度プロファイルは、図６に示したものと同様となっている。
本実施形態の半導体レーザを作製する際には、一例としてMOCVD法により結晶成長を行う。すなわち、まずｎ型GaAs基板21上に、MOCVD法による１回目の結晶成長により、成長温度700℃、成長圧力10.3kPaの条件下にてｎ型GaAsバッファ層22、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層23、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層24、GaInP多重量子井戸活性層25、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層26、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層27、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層28、ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層29およびｐ型GaAsコンタクト層30をこの順で積層する。第１の実施形態と同様に、ノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層27の厚さιは、成長終了後に上部光ガイド層26と上部第一クラッド層との（具体的にはノンドープIn0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層27との）界面におけるキャリア濃度が4×1016ｃｍ-3以下となる厚さとする。
次にフォトリソグラフィーを用いて、50μｍ幅程度のストライプ領域外におけるｐ型GaAsコンタクト層30を硫酸系エッチャントにてエッチング除去する。エッチングは自動的にｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層29にて停止する。その後SiO2絶縁膜31を表面に形成し、フォトリソグラフィーにてストライプ領域上のSiO2膜31をストライプ状に除去する。その後全体の厚みが100μｍ程度になるまで基板の研磨を行い、最後にｐ電極32をｐ型GaAsコンタクト層30上に、またｎ電極33をｎ型GaAs基板21の裏面に、それぞれ蒸着および熱処理により形成する。
この試料から、共振器長0.50〜1.5ｍｍ程度のレーザバーを劈開により切り出し、共振器面へ低反射率および高反射率の光学膜をコーティングする。その後劈開によりチップ化して半導体レーザを形成する。
本実施形態においても、上部光ガイド層26と上部第一クラッド層との界面におけるキャリア濃度が4×1016ｃｍ-3以下とされていることにより、第１の実施形態におけるのと同様の効果が得られる。
なお上記第１および第２の実施形態において、量子井戸活性層は無歪み層のほか、圧縮歪みもしくは引っ張り歪みを有する歪活性層としてもよい。多重量子井戸層は活性層としてInGaPまたはInAlGaPを用い、バリア層には光ガイド層と同じ組成のInAlGaPを用いればよい。実施形態において記載したIn0.49Ga0.51PおよびIn0.49(Alz4Ga1-z4)0.51Pの組成比率は、GaAs基板に格子整合することを示したものであり、GaAsに格子整合すればこの数値に限定されるものではない。
なお本発明は上に示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいた変形が可能である。実施形態で示したロスガイド型半導体レーザ、利得導波型半導体レーザの他、実屈折率導波型半導体レーザや回折格子付き半導体レーザなどにも本発明を適用することが可能である。
また上記実施形態では１つの発光領域からなる単一エミッタ構造となっているが、これをモノリシックに１次元アレイ化したバーレーザや、さらにバーレーザを積層した２次元アレイレーザに本発明を適用することも可能である。また上記各実施形態ではGaAs基板をｎ型の導電性のもので記述しているが、ｐ型の導電性の基板を用いてもよく、この場合は上記すべての導電性を反対にすればよい。
次に本発明の光通信システムの実施形態について、図３を参照して説明する。この光通信システムは、信号光伝送用にGraded Index型プラスチック光ファイバー（GI-POF）を用いたものである。GI-POFは、中心部が高く外側が低いなだらかな屈折率分布を有するマルチモード光ファイバーであり、Ｇｂｐｓ（ギガビット／秒）オーダの大容量伝送が可能である。また石英などをコア材料に用いた無機系光ファイバーに比べて屈曲や振動に強く、ファイバー径が200μｍ以上と太いのが特徴である。
本実施形態の光通信システムは、送信部41と受信部42とに加えて、それらを接続するGI-POF43を設けて構成されている。送信部41の信号光源として設けられた発光素子44は光信号Ｌを発し、この光信号ＬはGI-POF43および収束レンズ46を経て、例えばMSM型フォトダイオードなどの受光素子45に受光される。
ここで用いられているGI-POF43は、コアを構成する重合組成物がポリメタクリル酸系化合物を含むものであって、波長640〜660ｎｍ近辺に伝送損失が低い領域を持っている。そこで発光素子44としては、発振波長が640〜660ｎｍの範囲にあるものが向いているので、先に説明した第１あるいは第２実施形態の赤色半導体レーザが好適に用いられる。この場合、赤色半導体レーザの光出力は５ｍＷ程度の低出力で構わないが、通信用光源として20〜30万時間の寿命が要求される。本発明による半導体レーザは、先に説明した通り長寿命を実現したものであるので、このような要求に十分応えられるものとなる。
以上、本発明の半導体レーザが信号光源として用いられた光通信システムの実施形態について説明したが、本発明の半導体レーザはこのような用途に限らず、その他例えば、高速な情報・画像処理や、通信、計測、医療、印刷等の分野での光源としても勿論適用可能である。
本発明の第１の実施形態による半導体レーザを示す概略側断面図 本発明の第２の実施形態による半導体レーザを示す概略側断面図 本発明による半導体レーザを用いた光通信システムの実施形態を示す概念図 上部第一クラッド層と上部光ガイド層との界面におけるZn濃度と推定素子寿命との関係を示す説明図 上部第一クラッド層と光ガイド層との界面と、上部第一クラッド層内でキャリア濃度が4×1016ｃｍ-3となる領域との間の距離と、推定素子寿命との関係を示す説明図 本発明の半導体レーザにおけるｐ型キャリア濃度のプロファイル例を示す概略図
符号の説明
1 ｎ型GaAs基板
2 ｎ型GaAsバッファ層
3 ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層
4 ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層
5 GaInP多重量子井戸活性層
6 ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層
7 ノンドープまたはｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層
8 ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層
9 ｐ型GaInPエッチングストップ層
10 ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層
11 ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層
12 ｐ型GaAsキャップ層
13 ｎ側GaAs電流ブロック層
14 ｐ型GaAsコンタクト層
15 ｐ電極
16 ｎ電極
21 ｎ型GaAs基板
22 ｎ型GaAsバッファ層
23 ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層
24 ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層
25 GaInP多重量子井戸活性層
26 ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層
27 ノンドープまたはｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層
28 ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部クラッド層
29 ｐ型In0.49Ga0.51Pヘテロバッファ層
30 ｐ型GaAsコンタクト層
31 SiO2絶縁膜
32 ｐ電極
33 ｎ電極
41 送信部
42 受信部
43 GI-POF
44 発光素子
45 受光素子
46 収束レンズ

Claims (9)

  1. 第一導電型GaAs基板上に少なくとも第一導電型InAlGaPクラッド層、InAlGaP下部光ガイド層、InGaPもしくはInAlGaPからなる量子井戸活性層、InAlGaP上部光ガイド層、この上部光ガイド層側に形成されたノンドープ領域を含む第二導電型InAlGaP上部クラッド層、第二導電型InGaPヘテロバッファ層、第二導電型GaAsキャップ層が順次積層されてなる赤色半導体レーザにおいて、前記上部クラッド層と上部光ガイド層との界面における第二導電型キャリア濃度が4×1016ｃｍ-3以下であることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記第二導電型上部クラッド層内において第二導電型キャリア濃度が4×1016ｃｍ-3となっている領域から、該上部クラッド層と上部光ガイド層との界面までの距離が70ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 前記第二導電型キャリアがZnであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
  4. 前記第二導電型InAlGaP上部クラッド層においてZn濃度が9×1017〜2×1018ｃｍ-3となる領域が、層厚の半分以上を占めていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
  5. 前記第二導電型GaAsキャップ層のZn濃度が、7×1018〜2×1019ｃｍ-3であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ。
  6. 前記第二導電型キャリアがMgであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
  7. 前記第二導電型InAlGaP上部クラッド層を上部第一クラッド層として、その上に第二導電型InAlGaP上部第二クラッド層が設けられ、
    この第二導電型InAlGaP上部第二クラッド層、前記第二導電型InGaPヘテロバッファ層、および前記第二導電型GaAsキャップ層がリッジ状に形成された上で、
    このリッジ状部分の両側に、電流狭窄用の第一導電型GaAs埋め込み層が形成されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の半導体レーザ。
  8. 発光幅が70μｍ以下で、かつマルチモード発振する構成を有することを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の半導体レーザ。
  9. 信号光伝送用にポリメタクリル酸系化合物を含むGraded Index型プラスチック光ファイバーが用いられた光通信システムにおいて、信号光源として請求項１から８いずれか１項記載の半導体レーザが用いられたことを特徴とする光通信システム。
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