JP2007234747A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】レーザ素子に内在する活性層近傍の応力を小さくし、高出力かつ高信頼性なレーザ特性が得られる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１上に形成された第１のクラッド層３と、第１のクラッド層３上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層４ｗとバリア層４ｂ（障壁層４ｂ1 および光ガイド層４ｂ2 ）が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活性層４と、活性層４上に形成された第２のクラッド層５とを備える。井戸層４ｗおよびバリア層４ｂのそれぞれにつき格子定数に対応した歪量、膜厚および層数により決定される歪量膜厚積の総和である活性層４の歪量膜厚積総和ξact が負の値に設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、クラッド層間に互いに逆の歪を有する井戸層とバリア層が積層された歪多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置に関する。
半導体レーザ装置は多くの技術分野で需要が増加している。特に光ディスクにおける半導体レーザ装置では、記録、読み取りの高倍速化の競争が激しくなっている。ＣＤやＣＤ−Ｒなどに適用される赤外レーザ素子はＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）系の化合物半導体を用い、７８０ｎｍ帯の発振波長を有する。現在、赤外レーザ素子は、その高出力化の競争がほぼ終了し、代わって、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）に適用される赤色レーザ素子の高出力化が盛んに研究されている。赤色レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウムガリウムインジウム燐）系の化合物半導体を用い、６５０ｎｍ帯の発振波長を有する。また、赤外レーザ素子と赤色レーザ素子を集積化した二波長半導体レーザ装置の開発も進められている。
図８は高出力のダブルへテロ接合構造の赤色レーザ素子の構造を示す鳥瞰図である。図８において、１はｎ−ＧａＡｓ半導体基板、２は半導体基板１上に形成されたｎ−ＧａＡｓバッファ層、３はバッファ層２上に形成されたｎ型クラッド層、４はｎ型クラッド層３上に形成されたレーザ光を出射する活性層、５は活性層４上に形成された第１のｐ型クラッド層、６は第１のｐ型クラッド層５上に形成されたエッチングストップ層、７はエッチングストップ層６上に形成された第２のｐ型クラッド層、８は第２のｐ型クラッド層７上に形成されたキャップ層、９はキャップ層８上に形成されたコンタクト層、１０はコンタクト層９上に形成された電流阻止層、１１は赤色レーザ素子の出射端面で電流阻止層１０下に形成された端面窓領域、１２は電流阻止層１０上に形成されたｐ側電極、１３は半導体基板１の下面に形成されたｎ側電極である。
ダブルヘテロ接合のｎ型クラッド層３、活性層４、第１のｐ型クラッド層５、エッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７およびキャップ層８の格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板１とほぼ等しく、かつｎ型クラッド層３、第１のｐ型クラッド層５、エッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７、キャップ層８のバンドギャップエネルギーが活性層４のバンドギャップエネルギーより大きくなるようにＩｎ、Ｇａ、Ａｌの組成が決定されている。
近年、３００ｍＷ以上の赤色半導体レーザ装置において高出力での安定動作が要求されており、活性層や端面窓構造においてさらなる改善が必要となっている。ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置における高出力化の技術には次のようなものがある。
（１）活性層を多重量子井戸構造にすることによって発光効率を増大させる。多重量子井戸構造は、井戸層とバリア層が交互に積層されたものである。
（２）高出力動作やサージ電圧による端面光学損傷（ＣＯＤ）を抑制するために、活性層にバンドギャップを増大させる端面窓領域を形成する。
（３）ｐ型ドーパント層のキャリア濃度を増大させる。
ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置において、その活性層中の量子井戸層に圧縮歪を加えれば発光効率が上がり、閾値電流の低減および動作電流の低減等レーザ特性が改善されることがすでに知られている。両側に格子定数が小さい層があると圧縮歪を受ける。しかし、加える歪が大きすぎると、結晶欠陥が発生し、レーザ特性に悪影響を及ぼす。
井戸層に光を閉じ込めるためのバリア層（障壁層、光ガイド層）に引っ張り歪を加え、活性層における歪量膜厚積総和が０以上になるように設定することが知られている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。この歪量膜厚積総和とは、井戸層およびバリア層のそれぞれにつき歪量、膜厚および層数により決定される歪量膜厚積の総和である。
活性層が井戸層とバリア層の積層構造を有しているとする。ｉ番目（ｉ＝１…ｎ）の井戸層の歪量をεwi、膜厚をｔwi、ｊ番目（ｊ＝１…ｍ）のバリア層の歪量をεbj、膜厚をｔbjとして、活性層における歪量膜厚積総和ξact を定義する。これは、井戸層の歪量膜厚積の総和とバリア層の歪量膜厚積の総和との合計である。圧縮歪はプラス、引っ張り歪はマイナスで取り扱われる。歪量層厚積総和ξact は、
ξact＝Σ（εwi×ｔwi ）＋Σ（εbj×ｔbj ）
で定義される。総和は、全層数（１〜ｎ、１〜ｍ）にわたってのものである。
特許第２８３３３９６号公報 特許第３０２５７４７号公報
しかしながら、従来の半導体レーザ装置には、以下のような問題がある。
図９は従来の技術の半導体レーザ装置における光出射端面の断面図である。
リッジ領域の近傍において、コンタクト層９のＱ１点、第２のｐ型クラッド層７のＱ２点、第１のｐ型クラッド層５のＱ３，Ｑ４，Ｑ５の各点、ｎ型クラッド層３のＱ６点について、ラマン分光法により応力評価を行った。その結果を図１０に示す。これによれば、リッジ領域近傍のＱ１〜Ｑ５の各点には非常に大きな引っ張り歪が加わっていることが分かる。
従来の技術においては、活性層４における歪量層厚積総和ξact を０以上に設定している。そのため、活性層４とｐ型クラッド層５の歪量の差が大きく、素子に内在する応力が大きなものとなる。結果として、高出力動作時において、レーザ素子端面での端面光学損傷（ＣＯＤ）や内部劣化が発生し、信頼性に悪影響を及ぼしている。
このことは、特にＡｌＧａＩｎＰ系で３００ｍＷ以上の高出力の赤色レーザ素子において大きな課題であり、素子に内在する応力を低減させることが急務となっている。
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、素子に内在する活性層近傍の応力を小さくし、高出力かつ高信頼性なレーザ特性が得られる半導体レーザ装置を提供することを目的としている。
本発明による半導体レーザ装置は、
半導体基板上に形成された第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバリア層が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活性層と、
前記活性層上に形成された第２のクラッド層とを備え、
前記井戸層および前記バリア層のそれぞれにつき格子定数に対応した歪量、膜厚および層数により決定される歪量膜厚積の総和である活性層の歪量膜厚積総和が負の値に設定されていることを特徴とするものである。
すなわち、前記半導体基板の格子定数をａ、ｉ番目（ｉ＝１…ｎ）の前記井戸層の格子定数をａwi、膜厚をｔwi、ｊ番目（ｊ＝１…ｍ）の前記バリア層の格子定数をａbj、膜厚をｔbjとして、
ｉ番目の前記井戸層の歪量εwiを、
εwi＝（ａwi−ａ）／ａ、
ｊ番目の前記バリア層の歪量εbjを、
εbj＝（ａbj−ａ）／ａ
でそれぞれ定義し、前記井戸層の総数をｎ、前記バリア層の総数をｍとして、
前記活性層における歪量膜厚積総和（井戸層の歪量膜厚積の総和とバリア層の歪量膜厚積の総和との合計）ξact は、
ξact＝Σ（εwi×ｔwi ）＋Σ（εbj×ｔbj ）
で求められる。総和は、全層数（１〜ｎ、１〜ｍ）にわたってのものとする。この歪量膜厚積総和ξact が０よりも小さいことが特徴である。
上記において、前記第１のクラッド層はｎ型クラッド層であり、前記第２のクラッド層はｐ型クラッド層である。なお、この導電型は逆極性であってもよい。
また、上記において、前記バリア層は、互いに隣接する前記井戸層の間に介在される障壁層と、前記井戸層と前記クラッド層との間に介在される光ガイド層との組み合わせであるという態様がある。
上述したように、従来の技術においては、活性層における歪量膜厚積総和が０または正の値に設定されていたために、活性層とクラッド層の歪量の差に起因して素子に内在する応力が大きなものとなっており、高出力動作時において、レーザ素子端面での端面光学損傷（ＣＯＤ）や内部劣化が発生し、信頼性に悪影響を及ぼしていた。
これに対して本発明の場合には、上記のように活性層における歪量膜厚積総和を負の値に設定してあるので、レーザ素子の活性層近傍に内在する応力を低減することができ、高出力かつ高信頼性なレーザ特性を得ることができる。
また、活性層における歪量膜厚積総和を負の値にして活性層に引っ張り歪を入れることにより、障壁層、光ガイド層のＡｌ組成が高くなることから、端面窓領域を形成する際、活性層を混晶化させるためのアニール時間を短縮化することができる。
また、上記の構成において、前記井戸層の歪量εwi、膜厚ｔwi、前記バリア層の歪量εbj、膜厚ｔbj、および前記活性層における歪量膜厚積総和ξact の数値的範囲がそれぞれ、
０％＜εwi≦１．０％、
−１．４％≦εbj＜０％、
３ｎｍ＜ｔwi＜８ｎｍ、
３ｎｍ＜ｔbj＜８ｎｍ、
−１．９７×１０-10 ＜ξact ＜０
に設定されているものとする。この場合、井戸層が圧縮の応力を受け（歪量εwiがプラス）、バリア層（障壁層、光ガイド層）が引っ張りの応力を受けている（歪量εbjがマイナス）。この条件下では、臨界膜厚を超えることがなく、結晶欠陥は生じない。したがって、半導体レーザ装置の特性を高品質に保つことが可能となる。
さらに、上記のいずれかの半導体レーザ装置の構成で、発振波長を互いに異にする複数種類の半導体レーザ装置がモノリシックに構成されている多波長の半導体レーザ装置も有用である。これは、赤色レーザ素子と赤外レーザ素子の組み合わせに好適である。
なお、上記において好ましい態様として、前記半導体基板がＧａＡｓ、前記第１のクラッド層がＡｌＧａＩｎＰ、前記活性層がＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ、前記第２のクラッド層がＡｌＧａＩｎＰであるという態様がある。
また、前記井戸層がＧａＩｎＰ、前記バリア層がＡｌＧａＩｎＰであるのは好ましい態様である。
また、前記障壁層と前記光ガイド層がともにＡｌＧａＩｎＰであり、ＡｌＧａに対するＩｎの組成比が前記障壁層の方が大きく設定されているのも好ましい態様である。
本発明によれば、活性層における歪量膜厚積総和を負の値とすることで、レーザ素子の活性層近傍に内在する応力を低減することができ、高出力かつ高信頼性なレーザ特性を得ることができる。
また、窓構造を短時間で形成することが可能で、活性層への不純物の拡散が起きにくくなることから高出力性能をさらに向上させることができる。
特に、活性層が歪補償型多重量子井戸構造である赤色半導体レーザ装置において、有効である。
以下、本発明にかかわる半導体レーザ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、赤色半導体レーザ装置の構造にかかわるものである。図１は本発明の実施の形態１におけるダブルへテロ接合構造の赤色レーザ素子の構造を示す鳥瞰図である。図１において、１はｎ−ＧａＡｓ半導体基板、２は半導体基板１上に形成されたｎ−ＧａＡｓバッファ層、３はバッファ層２上に形成されたｎ型クラッド層、４はｎ型クラッド層３上に形成されたレーザ光を出射する活性層、５は活性層４上に形成された第１のｐ型クラッド層、６は第１のｐ型クラッド層５上に形成されたエッチングストップ層、７はエッチングストップ層６上に形成された第２のｐ型クラッド層、８は第２のｐ型クラッド層７上に形成されたキャップ層、９はキャップ層８上に形成されたコンタクト層、１０はコンタクト層９上に形成された電流阻止層、１１は赤色レーザ素子の出射端面で電流阻止層１０下に形成された端面窓領域、１２は電流阻止層１０上に形成されたｐ側電極、１３は半導体基板１の下面に形成されたｎ側電極である。バッファ層２は、ｎ型クラッド層３、第１のｐ型クラッド層５、第２のｐ型クラッド層７や活性層４などの結晶性を良好にするために必要である。コンタクト層９、キャップ層８および第２のｐ型クラッド層７にリッジが形成され、リッジにｐ側電極１２が形成されている。
ダブルヘテロ接合のｎ型クラッド層３、活性層４、第１のｐ型クラッド層５、エッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７およびキャップ層８の格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板１とほぼ等しく、かつｎ型クラッド層３、第１のｐ型クラッド層５、エッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７、キャップ層８のバンドギャップエネルギーが活性層４のバンドギャップエネルギーより大きくなるようにＩｎ、Ｇａ、Ａｌの組成が決定されている。
より詳しい組成は次のとおりである
ｎ−ＧａＡｓ基板１は、ドーパント濃度１．０×１０18ｃｍ-3 でＳｉがドープされている。
ｎ−ＧａＡｓバッファ層２は、１．０×１０18ｃｍ-3 でＳｉがドープされ、その膜厚は０．５μｍである。
ｎ型クラッド層３は、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、５．５×１０17ｃｍ-3 でＳｉがドープされ、その膜厚は２．０μｍである。
活性層４は、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐまたは（Ａｌ0.5Ｇａ0.5 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
第１のｐ型クラッド層５は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．０×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は１５０ｎｍである。
エッチングストップ層６は、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．２×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は８ｎｍである。
第２のｐ型クラッド層７は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．２×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は１．２μｍである。
キャップ層８は、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．２×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は５０ｎｍである。
コンタクト層９は、ｐ−ＧａＡｓであり、６．０×１０19ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は３００ｎｍである。
次に、実施の形態１における半導体レーザ装置の製造方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、ｎ−ＧａＡｓ半導体基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２を形成し、バッファ層２上にｎ型クラッド層３を形成し、ｎ型クラッド層３上にレーザ光を出射する活性層４を形成する。さらに、活性層４上に第１のｐ型クラッド層を形成し、第１のｐ型クラッド層５上にエッチングストップ層６を形成する。
さらに、図２（ｂ）に示すように、エッチングストップ層６上に第２のｐ型クラッド層７を形成し、第２のｐ型クラッド層７上にキャップ層８を形成し、キャップ層８上にコンタクト層９を形成する。
上記の各層を積層したのち、光出射端面およびその付近に相当する成長層表面に、ＺｎＯストライプ膜を選択的に形成し、それ以外の表面にはＳｉＮ膜を形成する。Ｎ2 雰囲気、６００℃で９０分の熱アニールを行うと、拡散源であるＺｎＯからＺｎが結晶中に拡散し、活性層４のバンドギャップが増大する。このように活性層４に対して、バンドギャップを増大させる端面窓領域１１を形成する。これにより、高出力動作やサージ電圧による端面光学損傷（ＣＯＤ）を抑制することが可能となる。
次いで、図２（ｃ）に示すように、コンタクト層９、キャップ層８および第２のｐ型クラッド層７において、ＺｎＯ膜、ＳｉＮ膜を除去し、ＺｎＯストライプ方向に対する垂直方向にリッジストライプを形成し、そのリッジストライプの側面に対して選択的な埋め込みにより電流阻止層１０の成長を行う。電流阻止層１０は、ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、７．５×１０17ｃｍ-3 でＳｉがドープされている。
そして最後に、図２（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓのコンタクト層９の表面にｐ側電極１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓの基板１の裏面にｎ側電極１３を形成する。
上記の各層の組成等は一例であって、ダブルヘテロ接合の各層３〜７およびキャップ層８の格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板１とほぼ等しく、かつｎ型クラッド層３、第１のｐ型クラッド層５、エッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７およびキャップ層８のバンドギャップエネルギーが活性層４のバンドギャップエネルギーより大きくなるようにＩｎ、Ｇａ、Ａｌの組成が決定されている。なお、各層はすべて有機金属気相成長層法（ＭＯＣＶＤ法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）による結晶成長で形成されており、各層の不純物は、それぞれの層が結晶成長する際に同時に添加される。
図３は本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の要部であるクラッド層と活性層の拡大断面図である。
図３において、３はｎ型クラッド層、４は歪補償型多重量子井戸構造の活性層、５はｐ型クラッド層、４ｗは井戸層、４ｂ1 は障壁層、４ｂ2 は光ガイド層である。
活性層４は、下側から順次積層された、光ガイド層４ｂ2 、井戸層４ｗ、障壁層４ｂ1 、井戸層４ｗ、障壁層４ｂ1 、井戸層４ｗ、光ガイド層４ｂ2 の積層による歪補償型多重量子井戸構造に形成されている。
障壁層４ｂ1 および光ガイド層４ｂ2 はアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）で構成され、井戸層４ｗはＧａＩｎＰ（ガリウムインジウム燐）で構成されている。
より詳しい組成は次のとおりである。
光ガイド層４ｂ2 は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐで、ノンドープである。その膜厚は４ｎｍである。
障壁層４ｂ1 は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.64Ｉｎ0.36Ｐで、ノンドープである。その膜厚は４ｎｍである。
井戸層４ｗは、Ｇａ0.45Ｉｎ0.55Ｐで、ノンドープである。その膜厚は６ｎｍである。
この場合、ＧａＡｓ基板１との格子整合によって、障壁層４ｂ1 、光ガイド層４ｂ2 はそれぞれ引っ張り歪（−０．９％）を伴っている。また、井戸層４ｗは圧縮歪（＋０．４％）を伴っている。
障壁層４ｂ1 と光ガイド層４ｂ2 を総称して、バリア層といい、このバリア層を符号４ｂで表すこととする。バリア層４ｂは、障壁層４ｂ1 と光ガイド層４ｂ2 の組み合わせとなっている。
以下に、活性層４における歪量層厚積総和ξact について検討する。
基板の格子定数をａ、ｉ番目（ｉ＝１，２…ｎ）の井戸層４ｗの格子定数をａwi、その膜厚をｔwi、ｊ番目（ｊ＝１，２…ｍ）のバリア層４ｂの格子定数をａbj、その膜厚をｔbjとする。
ｉ番目の井戸層４ｗの歪量εwiは、
εwi＝（ａwi−ａ）／ａ
で定義する。
ｉ番目のバリア層４ｂの歪量εbjは、
εbj＝（ａbj−ａ）／ａ
で定義する。
各層について、歪量と膜厚の積を歪量膜厚積と呼ぶ。この歪量膜厚積を記号ξで表すことにする。
ｉ番目の井戸層４ｗの歪量膜厚積ξwiは、
ξwi＝εwi×ｔwi
である。井戸層４ｗについての歪量膜厚積総和Σξwiは、井戸層４ｗの全数をｎとして、
Σξwi＝Σεwi×ｔwi （ｉ＝１，２…ｎ）
となる。
また、ｊ番目のバリア層４ｂの歪量膜厚積ξbjは、
ξbj＝εbj×ｔbj
である。バリア層４ｂについての歪量膜厚積総和Σξbjは、バリア層４ｂの全数をｍとして、
Σξbj＝Σεbj×ｔbj （ｊ＝１，２…ｍ）
となる。バリア層４ｂの総数ｍは、障壁層４ｂ1 の総数と光ガイド層４ｂ2 の総数の和である。
したがって、井戸層４ｗとバリア層４ｂからなる活性層４全体についての歪量膜厚積総和ξact は、
ξact ＝Σξwi＋Σξbj
＝Σ（εwi×ｔwi ）＋Σ（εbj×ｔbj ）
となる。総和は、全層数（１〜ｎ、１〜ｍ）にわたってのものとする。この歪量膜厚積総和ξact を負の値に設定することが本発明の特徴である。
図４（ａ）は歪量とバンドギャップの関係を示している。本実施の形態では、井戸層４ｗに圧縮歪、障壁層４ｂ1 および光ガイド層４ｂ2 に引っ張り歪を加えるように、（Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐの組成におけるアルミニウムガリウム（Ａｌx Ｇａ1-x ）とインジウムＩｎとの組成比ｙを調整している。すなわち、組成比ｙが０．５のとき、格子整合がとられ無歪な状態であり、組成比ｙが０．５より小さい場合に圧縮歪が加えられ、組成比ｙが０．５より大きい場合に引っ張り歪が加えられる。
上記においては、光ガイド層４ｂ2 で組成比ｙ＝０．５であり、障壁層４ｂ1 で組成比ｙ＝０．６４＞０．５である。これにより、活性層４に引っ張り歪が導入されている。
本実施の形態の場合、ｎ＝３、ｍ＝４、εwi＝＋０．４％、εbj＝−０．９％、ｔwi＝６ｎｍ、ｔbj＝４ｎｍであり、歪量膜厚積総和ξact は、ξact ＝−０．７２×１０-10 ｍである。歪量膜厚積総和ξact は負の値となっている。
歪量膜厚積総和ξact は、歪量のグラフにおいて、マイナス側の面積総和がプラス側の面積総和より大きい（ハッチング参照）。
従来の技術の場合には、歪量膜厚積総和ξact が０または正の値であって、活性層４に圧縮歪が印加されていた。これに対して、本実施の形態では、歪量膜厚積総和ξact が負の値であって、活性層４に引っ張り歪が印加された状態となっている。
なお、バリエーションとして図４（ｂ）、図４（ｃ）に示すような活性層の構成でもよい。図４（ｂ）の場合は、光ガイド層４ｂ2 において、組成比ｙが０．５とされ、無歪の状態となっている。光ガイド層４ｂ2 の膜厚は相対的に大きくされている。図４（ｃ）の場合は、障壁層４ｂ1 の数が４となっている。
図５は、半導体レーザ装置の光出力３００ｍＷ、８０℃パルス動作時の寿命特性を示す。
横軸に活性層４における歪量膜厚積総和ξact をとり、縦軸に寿命をとってある。条件は次のとおりである。井戸層４ｗにおいては、加える歪量εwi＝＋０．４％、その膜厚ｔwi＝６ｎｍ、井戸層数ｎ＝３である。したがって、井戸層４ｗについての歪量膜厚積総和Σξwiは、０．７２×１０-10 である。一方、バリア層４ｂ（障壁層４ｂ1 および光ガイド層４ｂ2 ）においては、その膜厚ｔbj＝４ｎｍ、バリア層数ｍ＝４とし、加える歪量εbjを、−０．２％、−０．３６％、−０．９％と変化させた。歪量膜厚積総和ξact はそれぞれ、−７．２×１０-11 、−１．４４×１０-11 、＋４×１０-11となる。
活性層４における歪量膜厚積総和ξact が０以上の場合、８００時間以下でレーザ特性の劣化が見られた。一方、歪量膜厚積総和ξact が０より小さい場合は、８００時間を超えて安定動作が得られた。それは、リッジ内部に引っ張り歪が加わっているため、活性層４に加わる応力が増大するためと思われる。すなわち、活性層４に引っ張り歪を加えないと、高出力で高信頼性な赤色半導体レーザ装置特性を得ることができず、逆に、活性層４に引っ張り歪を加えると、高出力で高信頼性な赤色半導体レーザ装置特性を得ることができることが分かった。
また、引っ張り歪を入れることで障壁層４ｂ1 、光ガイド層４ｂ2 のＡｌ組成が高くなることから、端面窓領域１１を形成する際、従来と同じ手法であれば、活性層４を混晶化させるためのアニール時間を短縮化することができる。
ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置の高出力化には、ｐ型ドーパント層のキャリア濃度を増大させることが必須である。しかし、よく知られている課題として、ＡｌＧａＩｎＰ型のｐ型ドーパントは、アニール等の熱履歴により活性層に拡散し、信頼性に悪影響を及ぼす。この課題に対しても、活性層に引っ張り歪を入れることで、活性層でのｐ型ドーパントの拡散を抑制することができ、高出力化には非常に有利である。
それらの効果も含め、図５に示すように、光出力３００ｍＷ、８０℃パルス動作時において、８００時間を経過しても劣化しないものと思われる。
本実施の形態では、井戸層の歪量εwi、膜厚ｔwi、バリア層（障壁層および光ガイド層）の歪量εbj、膜厚ｔbjを上述に示すような構造を用いて検討し、良好なレーザ特性を得ることができた。
ところで、膜厚を厚くしすぎたり、歪量を大きくしすぎると、臨界膜厚を超え、結晶欠陥が入る。そのため、活性層４のパラメータを適切に決定する必要がある。
井戸層４ｗの歪量εwi、膜厚ｔwi、バリア層４ｂの歪量εbj、膜厚ｔbj、活性層４における歪量膜厚積総和ξact は、条件として、
０％＜εwi≦１．０％
−１．４％≦εbj＜０％
３ｎｍ＜ｔwi＜８ｎｍ
３ｎｍ＜ｔbj＜８ｎｍ
−１．９７×１０-10 ＜ξact ＜０
であることが望ましい。この条件下では、臨界膜厚を超えることがなく、結晶欠陥は生じない。したがって、半導体レーザ装置の特性を高品質に保つことができる。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における高出力のモノリシック型の二波長半導体レーザ装置の構造を示す鳥瞰図である。
ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、赤色レーザ素子ａと赤外レーザ素子ｂを備えており、各素子の構成は以下の通りである。
赤色レーザ素子ａは、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２が形成され、バッファ層２上には、ｎ型クラッド層３、活性層４、第１のｐ型クラッド層５、ｐ型のエッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７、ｐ型のキャップ層８およびｐ型のコンタクト層９を備えている。
より詳しい性状、組成は次のとおりである（表２参照）。
ｎ−ＧａＡｓ基板１は、ドーパント濃度１．０×１０18ｃｍ-3 でＳｉがドープされている。
ｎ−ＧａＡｓバッファ層２は、５．０×１０17ｃｍ-3 でＳｉがドープされ、その膜厚は０．５μｍである。
ｎ型クラッド層３は、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、５．０×１０17ｃｍ-3 でＳｉがドープされ、その膜厚は２．０μｍである。
活性層４は、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ系または（Ａｌ0.5Ｇａ0.5 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐ系である。
第１のｐ型クラッド層５は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、９．０×１０17ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は２００ｎｍである。
エッチングストップ層６は、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．５×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は６ｎｍである。
第２のｐ型クラッド層７は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．２×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は１．２μｍである。
キャップ層８は、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．５×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は５０ｎｍである。
コンタクト層９は、ｐ−ＧａＡｓであり、３．０×１０19ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は２００ｎｍである。
また、赤外レーザ素子ｂは、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層３２が形成され、バッファ層３２上には、ｎ型クラッド層３３、活性層３４、第１のｐ型クラッド層３５、ｐ型のエッチングストップ層３６、第２のｐ型クラッド層３７、ｐ型のキャップ層３８およびｐ型のコンタクト層３９を備えている。この形態は、赤色レーザ素子ａと同じである。
より詳しい組成は次のとおりである。
ｎ−ＧａＡｓバッファ層３２は、１．０×１０18ｃｍ-3 でＳｉがドープされ、その膜厚は０．５μｍである。
ｎ型クラッド層３３は、ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、５．０×１０17ｃｍ-3 でＳｉがドープされており、その膜厚は２．５μｍである。
活性層３４は、ＧａＡｓ系またはＡｌＧａＡｓ系である。
第１のｐ型クラッド層３５は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、４．０×１０17ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は１９０ｎｍである。
エッチングストップ層３６は、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．１×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は６ｎｍである。
第２のｐ型クラッド層３７は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．０×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は１．２μｍである。
キャップ層３８は、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、１．１×１０18ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は５０ｎｍである。
コンタクト層３９は、ｐ−ＧａＡｓであり、３．０×１０19ｃｍ-3 でＺｎがドープされており、その膜厚は２００ｎｍである。
赤色レーザ素子ａと赤外レーザ素子ｂとの相違は次のとおりである。
バッファ層２，３２については、Ｓｉドープ量は、赤色レーザ素子ａの方が少ない。
ｎ型クラッド層３，３３については、膜厚は、赤色レーザ素子ａの方が小さい。
活性層４，３４については、その組成は、赤色レーザ素子ａではＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ系または（Ａｌ0.5Ｇａ0.5 ）0.5Ｉｎ0.5Ｐ系であり、赤外レーザ素子ｂではＧａＡｓ系またはＡｌＧａＡｓ系である。
第１のｐ型クラッド層５，３５については、Ｚｎドープ量は、赤色レーザ素子ａの方が多く、膜厚は、赤色レーザ素子ａの方が大きい。
エッチングストップ層６，３６については、Ｚｎドープ量は、赤色レーザ素子ａの方が多い。
第２のｐ型クラッド層７，３７については、Ｚｎドープ量は、赤色レーザ素子ａの方が多い。
キャップ層８，３８については、Ｚｎドープ量は、赤色レーザ素子ａの方が多い。
次に、実施の形態２における半導体レーザ装置の製造方法を説明する。
図７（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法等を用いて、ｎ−ＧａＡｓ半導体基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層２，３２をドープ量を互いに異にして形成する。次いで、バッファ層２，３２上にそれぞれｎ型クラッド層３，３３を形成する。次いで、ｎ型クラッド層３，３３上にそれぞれレーザ光を出射する活性層４，３４を形成する。さらに、活性層４，３４上にそれぞれ第１のｐ型クラッド層５，３５をドープ量を互いに異にして形成する。さらに、第１のｐ型クラッド層５，３５上にそれぞれエッチングストップ層６，３６をドープ量を互いに異にして形成する。
さらに、図７（ｂ）に示すように、エッチングストップ層６，３６上にそれぞれ第２のｐ型クラッド層７，３７を形成し、第２のｐ型クラッド層７，３７上にそれぞれキャップ層８，３８を形成し、キャップ層８，３８上にそれぞれコンタクト層９，３９を形成する。
上記の各層を積層したのち、光出射端面およびその付近に相当する成長層表面に、ＺｎＯストライプ膜を選択的に形成し、それ以外の表面にはＳｉＮ膜を形成する。Ｎ2 雰囲気、６００℃で９０分の熱アニールを行うと、拡散源であるＺｎＯからＺｎが結晶中に拡散し、活性層４，３４のバンドギャップが増大する。このように活性層４，３４に対して同時に、バンドギャップを増大させる端面窓領域１１を形成する。これにより、高出力動作やサージ電圧による端面光学損傷（ＣＯＤ）を抑制することが可能となる。
次いで、図７（ｃ）に示すように、コンタクト層９，３９、キャップ層８，３８および第２のｐ型クラッド層７，３７において、ＺｎＯ膜、ＳｉＮ膜を除去し、ＺｎＯストライプ方向に対する垂直方向にリッジストライプを形成し、そのリッジストライプの側面に対して選択的な埋め込みにより電流阻止層１０の成長を行う。電流阻止層１０は、ｎ−Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、７．５×１０17ｃｍ-3 でＳｉがドープされている。
そして最後に、図７（ｄ）に示すように、ｐ−ＧａＡｓのコンタクト層９，３９の表面にｐ側電極１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓの基板１の裏面にｎ側電極１３を形成する。
上記の各層の組成等は一例であって、ダブルヘテロ接合の各ｎ型クラッド層３，３３、第１のｐ型クラッド層５，３５、エッチングストップ層６，３６、第２のｐ型クラッド層７，３７およびキャップ層８，３８の格子定数はｎ−ＧａＡｓ基板１とほぼ等しい。
そして、赤色レーザ素子ａに関しては、ｎ型クラッド層３、第１のｐ型クラッド層５、エッチングストップ層６、第２のｐ型クラッド層７およびキャップ層８のバンドギャップエネルギーが活性層４のバンドギャップエネルギーより大きくなるようにＩｎ、Ｇａ、Ａｌの組成が決定されている。
また、赤外レーザ素子ｂに関しては、ｎ型クラッド層３３、第１のｐ型クラッド層３５、エッチングストップ層３６、第２のｐ型クラッド層３７およびキャップ層３８のバンドギャップエネルギーが活性層３４のバンドギャップエネルギーより大きくなるようにＩｎ、Ｇａ、Ａｌの組成が決定されている。
なお、各層はすべてＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長層法）による結晶成長で形成されており、各層の不純物は、それぞれの層が結晶成長する際に同時に添加される。
ここで、本実施の形態２における赤色レーザ素子ａの活性層構造および歪補償型多重量子井戸構造の効果は実施の形態１と同様であり省略する。
実施の形態１との差異は、光出射端面に端面窓領域１１を赤色レーザ素子と、赤外レーザ素子を同時に形成作製する際、短時間でより赤色活性層のバンドギャップエネルギーを増大させることができることから、端面光学損傷（ＣＯＤ）に対して非常に有利である。その結果、従来の多重量子井戸構造よりも高出力化が可能で、かつ実施の形態１と同様な信頼性の高いモノリシック二波長半導体レーザ装置素子の形成作製が可能である。
本発明の半導体レーザ装置は、高出力で高信頼性なレーザ特性が要求される記録用光ディスク装置等に適用する上で有用である。
本発明の実施の形態１おける半導体レーザ装置の構造を示す鳥瞰図 本発明の実施の形態１おける半導体レーザ装置の製造過程を示す断面図 本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の要部であるクラッド層と活性層の拡大断面図 本発明の実施の形態１における歪量とバンドギャップの関係を示す図 本発明の実施の形態１における半導体レーザ装置の歪量膜厚積総和に対する寿命特性図 本発明の実施の形態２おけるモノリシック型の二波長半導体レーザ装置の構造を示す鳥瞰図 本発明の実施の形態２おける半導体レーザ装置の製造過程を示す断面図 従来の技術および本発明の実施の形態１に共通なダブルへテロ接合構造の赤色レーザ素子の構造を示す鳥瞰図 従来の技術の半導体レーザ装置における光出射端面の断面構造図 従来技術におけるラマン分光法による応力評価図
符号の説明
ａ 赤色レーザ素子
ｂ 赤外レーザ素子
１ ｎ−ＧａＡｓ基板（半導体基板）
２，３２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３，３３ ｎ型クラッド層
４，３４ 活性層（歪多重量子井戸構造）
４ｂ バリア層
４ｂ1 障壁層
４ｂ2 光ガイド層
４ｗ 井戸層
５，３５ 第１のｐ型クラッド層
６，３６ ｐ型のエッチングストップ層
７，３７ 第２のｐ型クラッド層
８，３８ ｐ型のキャップ層
９，３９ ｐ型のコンタクト層
１０ 電流阻止層
１１ 端面窓領域
１２ ｐ側電極
１３ ｎ側電極

Claims (9)

  1. 半導体基板上に形成された第１のクラッド層と、
    前記第１のクラッド層上に形成され、互いに逆の歪を有する井戸層とバリア層が交互に積層された歪多重量子井戸構造をもつ活性層と、
    前記活性層上に形成された第２のクラッド層とを備え、
    前記井戸層および前記バリア層のそれぞれにつき格子定数に対応した歪量、膜厚および層数により決定される歪量膜厚積の総和である活性層の歪量膜厚積総和が負の値に設定されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記半導体基板の格子定数をａ、ｉ番目（ｉ＝１…ｎ）の前記井戸層の格子定数をａwi、膜厚をｔwi、ｊ番目（ｊ＝１…ｍ）の前記バリア層の格子定数をａbj、膜厚をｔbjとして、
    ｉ番目の前記井戸層の歪量εwiを、
    εwi＝（ａwi−ａ）／ａ、
    ｊ番目の前記バリア層の歪量εbjを、
    εbj＝（ａbj−ａ）／ａ
    でそれぞれ定義し、前記井戸層の総数をｎ、前記バリア層の総数をｍとして、
    前記活性層における歪量膜厚積総和ξact は、
    ξact＝Σ（εwi×ｔwi ）＋Σ（εbj×ｔbj ）
    で求められる請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第１のクラッド層はｎ型クラッド層であり、前記第２のクラッド層はｐ型クラッド層である請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記バリア層は、互いに隣接する前記井戸層の間に介在される障壁層と、前記井戸層と前記クラッド層との間に介在される光ガイド層との組み合わせである請求項１から請求項３までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記井戸層の歪量εwi、膜厚ｔwi、前記バリア層の歪量εbj、膜厚ｔbj、および前記活性層における歪量膜厚積総和ξact の数値的範囲がそれぞれ、
    ０％＜εwi≦１．０％、
    −１．４％≦εbj＜０％、
    ３ｎｍ＜ｔwi＜８ｎｍ、
    ３ｎｍ＜ｔbj＜８ｎｍ、
    −１．９７×１０-10 ＜ξact ＜０
    に設定されている請求項１から請求項４までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
  6. 請求項１から請求項５までのいずれかに記載の半導体レーザ装置の構成で、発振波長を互いに異にする複数種類の半導体レーザ装置がモノリシックに構成されている多波長の半導体レーザ装置。
  7. 前記半導体基板がＧａＡｓ、前記第１のクラッド層がＡｌＧａＩｎＰ、前記活性層がＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ、前記第２のクラッド層がＡｌＧａＩｎＰである請求項１から請求項６までのいずれかに記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記井戸層がＧａＩｎＰ、前記バリア層がＡｌＧａＩｎＰである請求項７に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記障壁層と前記光ガイド層がともにＡｌＧａＩｎＰであり、ＡｌＧａに対するＩｎの組成比が前記障壁層の方が大きく設定されている請求項８に記載の半導体レーザ装置。
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