JP2013034034A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化に適した半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２とを含む。半導体積層構造２は、ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１４およびｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７と、これらのクラッド層１４，１７に挟まれたｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１５およびｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１６と、これらのガイド層１５，１６に挟まれた活性層１０とを含む。活性層１０は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層からなる量子井戸層２２１とＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}Ａｓ層からなる障壁層２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体レーザ素子に関する。

ハードディスク装置（ＨＤＤ；Hard disc Drive）の記憶容量を増大させるためには、ディスクの微小領域に信号を書き込む必要がある。信号の熱安定性を確保しつつ微小領域に信号を記録するためには、熱的に安定した記録媒体が必要となるが、そうすると書き換えには強い磁場が必要となるというジレンマが生じる。現行のＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）方式では記録密度が飽和しつつある今、「熱アシスト記録」方式の実現が希求されている。「熱アシスト記録」方式は、レーザダイオード（半導体レーザ素子）を熱源とすることで、一時的に磁界を保持する力を弱めて書き込みを行う方式である。

特開２００６−２６９５８１号公報

H.C.Casey Jr.,D.D.Sell,and M.B.Panish, "Refractive index of AlxGa1-xAs between 1.2 and 1.8 eV", Applied Physics Letters, Vol.24,No.2,63-65 (1974) Hidenao Tanaka,Yuichi Kawamura,and Hajime Asahi, "Refractive indices of In0.49Ga0.51-xAlxP lattice matched to GaAs", Journal of Applied Physics 59(3),985-986 (1986)

現行のスライダ作成工程と親和性を持たせるためには、「熱アシスト記録」方式の記録装置に用いられる半導体レーザ素子は、従来の光ピックアップ用の半導体レーザ素子とは異なり、小さいチップサイズで高い出力を得る必要がある。
また、半導体レーザ素子の実装空間には制限があるため、光学系設計によっては従来の半導体レーザ素子での一般的なＴＥ（Tranverse Electric）偏光だけではなく、ＴＭ（Tranverse Magnetic）偏光を実現する必要が生じる場合もある。

この発明の目的は、高出力化に適した半導体レーザ素子を提供することにある。

この発明の半導体レーザ素子は、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層と、前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層に挟まれ、少なくとも1つの量子井戸層を含む活性層とを備えている。前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、それぞれ（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層（０≦ｘ１≦１）からなる。前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層は、それぞれＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）からなり、前記量子井戸層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ≦０．３）からなる。そして、前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／４以下を満たす組成を有している。

量子井戸層がＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層のように砒素系化合物半導体からなる半導体レーザ素子において、ガイド層をたとえば燐系化合物半導体であるＩｎＧａＡｌＰによって形成したとすると、量子井戸層の屈折率とガイド層の屈折率との差が大きくなりすぎるおそれがある。そうすると、光閉じ込め効果が過度に大きくなるから、レーザ共振器端面部分での光密度が大きくなる。この結果、端面光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）が起こりやすくなる。

端面光学損傷とは、半導体レーザを高出力で動作させるために、注入電流を増加させていった場合に、自らの光出力によってレーザ共振器端面が破壊される現象をいう。端面光学損傷は、高出力化を制限する要因となっている。
端面の光学損傷は、次のようにして生ずる。半導体レーザの端面（劈開面）には、多くの界面準位が存在している。電子と正孔がこの界面準位を介して非発光再結合すると、再結合に伴って放出されるエネルギーは熱となる。半導体では、温度が上がるにしたがってそのエネルギーギャップは狭くなるので、放出された熱で暖められた端面のエネルギーギャップが狭くなる。半導体レーザの内部で電子と正孔とが再結合してできた誘導放出光は、端面のエネルギーギャップが狭いため、そこで吸収されて再び熱となり、さらに端面のエネルギーギャップを狭くする。この繰り返しにより、急速に端面が高温になり、溶融して発振が停止する。

この発明の構成では、量子井戸層が砒素系化合物半導体であるＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層からなり、ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層はそれぞれ砒素系化合物半導体であるＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）からなる。このため、燐系化合物半導体であるＩｎＧａＡｌＰによってガイド層を形成する場合に比べて、ガイド層と量子井戸層との屈折率差を小さくすることができる。この結果、光閉じ込め効果が過度に大きくなるのを防止でき、レーザ共振器端面部分での光密度を低下させることができる。これにより、端面光学損傷を抑制できるので、高出力化が可能となる。

さらに、ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）層は、バンドギャップの調整幅が大きいため、出射ビームの設計が容易である。たとえば、横断面の縦横比が１に近い光ビーム、すなわち、横断面が円に近い光ビームを出力させることが可能となる。
また、前記構成では、量子井戸層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ≦０．３）からなる。ＡｌｙＧａ（１−ｙ）Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３は、量子井戸層として用いられる他の材料、たとえば、ＩｎＧａＰに比べて、バンドギャップが小さい。このため、クラッド層と活性層との間のバンドギャップ差を大きくすることができる。これにより、温度特性の良い、すなわち、温度が変化したときにしきい値電流や動作電流の変動が少ない半導体レーザ素子を実現することができる。

また、この発明の構成では、前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／４以下を満たす組成を有している。この理由は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が１／４より大きくては、Ｐ組成の増大により、量子井戸層に生じる引っ張り歪が増大し、クラックやリーク電流が発生するおそれがあるからである。

量子井戸層がＡｌＧａＡｓＰ層からなる半導体レーザ素子においては、クラッド層はＡｌＧａＡｓ層で形成されるのが一般的である。この発明の構成では、量子井戸層が、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層で形成されているのに対し、クラッド層は（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層で形成されている。このため、クラッド層と活性層との間のバンドギャップ差を大きくすることができるから、温度特性を向上できる。また、次に詳しく説明するように、亜鉛を拡散させやすくなるため、端面窓構造を作製が容易となる。

端面光学損傷（ＣＯＤ）を抑制するために、レーザ共振器端面部分に亜鉛などの不純物を拡散して、活性層のバンドギャップを拡大する端面窓構造を作製することが考えられる。このような端面窓構造を作製するために、亜鉛等の不純物を拡散する場合、不純物を拡散すべき領域が燐を含んでいれば拡散速度が速くなる。
前述したように、この発明の構成では、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、それぞれ燐を含む（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層からなる。したがって、亜鉛等の不純物を拡散させやすいので、端面窓構造の作製が容易である。これにより、高出力化に適した半導体レーザ素子を実現することができる。また、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）の組成に対するＩｎの組成の比を、０．４９／０．５１としているので、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、ＧａＡｓ基板と格子整合するため、高品質の結晶を得ることができる。この結果、信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。

前記半導体レーザ素子は、具体的には、前記Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層が、ｘ２≧０．４を満たす組成を有していることが好ましい。この理由は、ｘ２が０．４より小さいと、レーザ共振器端面部分に端面窓構造を作製したとしても、端面部分での活性層のバンドギャップを十分に拡大することができなくなるからである。
この点について、より詳しく説明する。レーザ共振器端面部分に端面窓構造を作製すると、端面部分での活性層のバンドギャップは、ガイド層のバンドギャップと量子井戸層のバンドギャップとの平均値となる。したがって、端面窓構造を作製することによって端面部分での活性層のバンドギャップを十分に拡大するためには、ガイド層のバンドギャップが所定値（具体的には、１．８ｅＶ）以上であることが必要となる。一方、ガイド層を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層のバンドギャップは、Ａｌの組成Ｘ２が大きいほど、大きくなる。そして、Ａｌ組成ｘ２を０．４以上とすることにより、ガイド層のバンドギャップを前記所定値以上とすることができる。

半導体レーザ素子の実装空間に制限がある場合には、ＴＭモード発振が要求されることもある。このような場合、前記半導体レーザ素子は、具体的には、前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／９以上１／４以下を満たす組成を有していることが好ましい。この構成により、活性層に引っ張り歪が生じることになり、ＴＥモード（Transverse Electric）よりもＴＭ（Transverse Magnetic）モードの比率（強度比）を高くすることができる。量子井戸層の格子定数が小さいほど、量子井戸層に大きな引っ張り歪を生じさせることができる。量子井戸層を形成しているＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層の格子定数は、Ａｓの組成に対するＰの組成の比が大きいほど小さくなる。

Ａｓの組成に対するＰの組成の比が１／９以上が好ましい理由は、その比が１／９未満では、量子井戸層に生じる引っ張り歪が不十分であるために、ＴＥモードよりもＴＭモードの比率を大きくすることが困難であるからである。一方、Ａｓの組成に対するＰの組成の比が１／４以下が好ましい理由は、前述したように、その比が１／４より大きくては、Ｐ組成の増大により、量子井戸層に生じる引っ張り歪が増大し、クラックやリーク電流が発生するおそれがあるからである。

ＴＥモード発振が要求される場合には、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層のＰ組成を減らせばよい。その場合には、製造上はＰ組成を零にすることが好ましい。
また、寿命の観点からは量子井戸層はＡｌを含んでいない方が好ましい。つまり、寿命の観点からは、ｙ＝０であることが好ましい。
また、前記半導体レーザ素子は、具体的には、発振波長が７７０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下であり、かつ前記量子井戸層の膜厚が９ｎｍ以上１４ｎｍ以下であることが好ましい。半導体レーザ素子をＴＭモードで発振させるためには、活性層を厚くしてＴＥモードとＴＭモードの相対発振しきい値電流を小さくすればよいからである。前記量子井戸層のＡｌの組成（ｙ）が０のときには、発振波長が７７０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の範囲でＴＭモードとなる。

また、前記半導体レーザ素子は、具体的には、レーザ共振器の端面部分に、前記活性層のバンドギャップを拡大する端面窓構造が形成されていることが好ましい。レーザ共振器の端面部分に端面窓構造が形成されると、その端面部分において、活性層のバンドギャップを拡大させることができる。このため、内部で電子と正孔が再結合してできた誘導放出光がレーザ共振器の端面部分で吸収されにくくなるから、発熱を抑制できる。これにより、端面光学損傷を抑制できるので、高出力化が可能となる。

端面窓構造は、レーザ共振器の端面部分に例えばＺｎを選択的に拡散することによって形成することが、量産性の観点から好ましい。レーザ共振器の端面部分に別の材料（例えばクラッド層と同じ材料）を埋め込んだり、端面部分のみ活性層を薄くしたりする方法等を用いて、端面窓構造を形成してもよい。
この発明の半導体レーザ素子は、燐系化合物半導体からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれ、砒素系化合物半導体からなるｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層と、前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層に挟まれ、砒素系化合物半導体からなる量子井戸層を含む活性層とを備えている。

この発明の一実施形態では、前記半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板を含み、ＴＭモードで発振するものである。
この発明の一実施形態では、前記半導体レーザ素子の共振器長が、２００μｍ以上６００μｍ以下である。
この発明の一実施形態では、前記半導体レーザ素子のチップ幅が、５０μｍ以上２５０μｍ以下である。

この発明の一実施形態では、前記半導体レーザ素子のチップ厚が、３０μｍ以上１５０μｍ以下である。

この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための平面図である。 図１のII-II線に沿う断面図である。 図１のIII−III線に沿う断面図である。 前記半導体レーザダイオードの活性層の構成を説明するための図解的な断面図である。 クラッド層、ガイド層および活性層のバンドギャップを説明するためのエネルギーバンド図であって、図５Ａは本実施形態のバンドギャップを示すエネルギーバンド図であり、図５Ｂはガイド層がＩｎＧａＡｌＰからなる場合のバンドギャップを示すエネルギーバンド図である。 クラッド層、ガイド層および活性層のバンドギャップを説明するためのエネルギーバンド図であって、図６（ａ）は共振器端面部間の中央部の各層のバンドギャップを示すエネルギーバンド図であり、図６（ｂ）は共振器端面部に形成された端面窓構造における各層のバンドギャップを示すエネルギーバンド図である。 半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。

以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための平面図であり、図２は図１のII-II線に沿う断面図であり、図３は図１のIII-III線に沿う断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２と、基板の裏面（半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ型電極３と、半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ型電極４を備えたファブリぺロー型のものである。

基板１は、この実施形態では、ＧａＡｓ単結晶基板で構成されている。ＧａＡｓ基板１の表面の面方位は、（１００）面に対して、１０°のオフ角を有している。半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してエピタキシャル成長されている。エピタキシャル成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪によって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。

半導体積層構造２は、活性層１０と、ｎ型半導体層１１と、ｐ型半導体層１２と、ｎ側ガイド層１５と、ｐ側ガイド層１６とを備えている。ｎ型半導体層１１は活性層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１２は活性層１０に対してｐ型電極４側に配置されている。ｎ側ガイド層１５はｎ型半導体層１１と活性層１０との間に配置され、ｐ側ガイド層１６は活性層１０とｐ型半導体層１２との間に配置されている。こうして、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層１０には、ｎ型半導体層１１からｎ側ガイド層１５を介して電子が注入され、ｐ型半導体層１２からｐ側ガイド層１６を介して正孔が注入される。これらが活性層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。

ｎ型半導体層１１は、基板１側から順に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１３（たとえば１００ｎｍ厚）およびｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０≦ｘ１≦１）１４（たとえば３０００ｎｍ厚）を積層して構成されている。一方、ｐ型半導体層１２は、ｐ型ガイド層１６上に、ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０≦ｘ１≦１）１７（たとえば１６００ｎｍ厚）、ｐ型ＩｎＧａＰバンド不連続緩和層１８（たとえば５０ｎｍ厚）およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９（たとえば３００ｎｍ厚）を積層して構成されている。

ｎ型ＧａＡｓバッファ層１３は、ＧａＡｓ基板１とｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１４との接着性を高めるために設けられた層である。ｎ型ＧａＡｓバッファ層１３は、ＧａＡｓにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９は、ｐ型電極４とオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９は、ＧａＡｓにたとえばｐ型ドーパントとしてのＺｎをドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。

ｎ型クラッド層１４と、ｐ型クラッド層１７とは、活性層１０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果を生じるものである。ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１４は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐにたとえばｐ型ドーパントとしてのＺｎをドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１４は、ｎ側ガイド層１５よりもバンドギャップが広く、ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７は、ｐ側ガイド層１６よりもバンドギャップが広い。これにより、良好な光閉じ込めおよびキャリア閉じ込めを行うことができ、高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。

高出力化を可能とするためには、端面光学損傷を抑制することが重要である。そこで、後述するように、レーザ共振器端面部分に亜鉛などの不純物を拡散することにより、活性層１０のバンドギャップを拡大する端面窓構造４０を作製することが好ましい。端面窓構造４０を作製するために、亜鉛等の不純物を拡散する場合、不純物を拡散すべき領域が燐を含んでいれば拡散速度が速い。この実施形態では、ｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１７は、それぞれ燐を含む（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層からなる。したがって、亜鉛等の不純物を拡散させやすいので、端面窓構造４０の作製が容易である。これにより、高出力化に適した半導体レーザダイオードを実現できる。

また、この実施形態におけるｎ型クラッド層１４およびｐ型クラッド層１７は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）の組成に対するＩｎの組成の比を、０．４９／０．５１としているので、ＧａＡｓ基板１と格子整合するため、高品質の結晶を得ることができる。この結果、信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
ｎ側ガイド層１５は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）層（たとえば５０ｎｍ厚）からなり、ｎ型半導体層１１上に積層されることにより構成されている。ｐ側ガイド層１６は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）層（たとえば５０ｎｍ厚）からなり、活性層１０上に積層されることにより構成されている。

ｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１５およびｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１６は、活性層１０に光閉じ込め効果を生じる半導体層であり、かつ、クラッド層１４，１７とともに、活性層１０へのキャリア閉じ込め構造を形成している。これにより、活性層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。

Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓの屈折率は、Ａｌの組成ｘ２に応じて変化する。たとえば、入射光のエネルギー（フォトンエネルギー）が１．３８ｅＶであるとすると、ｘ２＝０の場合の屈折率（ＧａＡｓの屈折率）は、３．５９０となり、ｘ２＝１の場合の屈折率（ＡｌＡｓの屈折率）は、２．９７１となる（前記非特許文献１参照）。したがって、Ａｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓでは、屈折率の調整幅が広い。

ｎ側ガイド層１５およびｐ側ガイド層１７を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）は、前述したように、バンドギャップ（屈折率）の調整幅が大きいため、出射ビームの設計が容易である。たとえば、横断面の縦横比が１に近い光ビーム、すなわち、横断面が円に近い形状の光ビームを出力させることが可能となる。
ガイド層１５，１６を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層は、ｘ２≧０．４を満たす組成を有していることが好ましい。この理由は、ｘ２が０．４より小さいと、レーザ共振器端面部分に端面窓構造を作製したとしても、端面部分での活性層のバンドギャップを十分に拡大することができなくなるからである。これについての詳細は、後述する。

活性層１０は、たとえば、ＡｌＧａＡｓＰを含む多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。
活性層１０は、この実施形態では、図４に示すように、アンドープのＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ≦０．３）からなる量子井戸（well）層（たとえば１３ｎｍ厚）２２１とアンドープのＡｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}Ａｓ層（０≦ｘ４≦１）層からなる障壁(barrier）層（たとえば７ｎｍ厚）２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸構造を有している。無歪の状態でのＡｌＧａＡｓＰ層の格子定数はＧａＡｓ基板１の格子定数より小さいので、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_ｘ３Ｐ_{（１−ｘ３）}層からなる量子井戸層２２１には引っ張り応力（引っ張り歪）が生じている。これにより、半導体レーザダイオード７０は、ＴＭモードで発振することが可能となる。なお、ＴＭモードの出力光は、光伝搬方向に対して磁界方向が垂直（光伝搬方向に対して電界方向が平行）となるＴＭ波となる。

量子井戸層２２１の膜厚は、９ｎｍ以上１４ｎｍ以下であることが好ましい。ＴＭモードで発振させるためには、活性層を厚くしてＴＥモードとＴＭモードの相対発振しきい値電流を小さくすればよいからである。
半導体レーザダイオード７０をＴＥモード発振させる場合には、量子井戸層２２１のＰ組成を小さくすればよい。その場合には、製造上は、Ｐ組成を零にすることが好ましい。

量子井戸層２２１を形成しているＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３は、量子井戸層として用いられる他の材料、たとえば、ＩｎＧａＰに比べて、バンドギャップが小さい。このため、クラッド層１４，１７と活性層１０との間のバンドギャップ差を大きくすることができる。これにより、温度特性の良い、すなわち、温度が変化したときにしきい値電流や動作電流の変動が少ない半導体レーザダイオードを実現できる。

量子井戸層２２１を形成しているＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／４以下を満たす組成を有していることが好ましい。この理由は、その比が１／４より大きくては、Ｐ組成の増大により、量子井戸層２２１に生じる引っ張り歪が増大し、クラックやリーク電流が発生するおそれがあるからである。

さらに、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／９以上を満たす組成を有していることが好ましい。この理由は、ＴＥモードよりもＴＭモードの比率（強度比）を高くするためである。半導体レーザ素子７０をＴＭモードで発振させるためには、量子井戸層２２１に引っ張り歪が生じることが必要である。量子井戸層２２１の格子定数が小さいほど、量子井戸層２２１に大きな引っ張り歪を生じさせることができる。量子井戸層２２１を形成しているＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層の格子定数は、Ａｓの組成に対するＰの組成の比が大きいほど小さくなる。

図３に示すように、ｐ型半導体層１２内の、ｐ型クラッド層１７、ｐ型バンド不連続緩和層１８およびｐ型コンタクト層１９は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ３０を形成している。より具体的には、ｐ型クラッド層１７、ｐ型バンド不連続緩和層１８およびｐ型コンタクト層１９の一部がエッチング除去され、横断面視がほぼ矩形のリッジストライプ３０が形成されている。

ｐ型コンタクト層１９の側面、ｐ型バンド不連続緩和層１８の露出面および（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７の露出面は、電流ブロック層６によって覆われている。
半導体積層構造２は、リッジストライプ３０の長手方向両端における劈開面により形成された一対の端面（劈開面）３１，３２を有している。この一対の端面３１，３２は、互いに平行である。こうして、ｎ側ガイド層１５、活性層１０およびｐ側ガイド層１６によって、前記一対の端面３１，３２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、活性層１０で発生した光は、共振器端面３１，３２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面３１，３２からレーザ光として素子外に取り出される。

共振器長は、たとえば、２００μｍ以上６００μｍ以下であり、この実施形態では３００μｍである。また、この半導体レーザダイオード７０のチップ幅は、たとえば、５０μｍ以上２５０μｍ以下であり、この実施形態では、１２０μｍである。また、チップ厚は、たとえば、３０μｍ以上１５０μｍ以下であり、この実施形態では、５０μｍである。
ｎ型電極３は、たとえばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ合金からなり、そのＡｕＧｅ側が基板１側に配されるように、基板１にオーミック接合されている。ｐ型電極４は、ｐ型コンタクト層１９および電流ブロック層６の露出面を覆うように、形成されている。ｐ型電極４は、たとえばＴｉ／Ａｕ合金からなり、そのＴｉ側がｐ型コンタクト層１９に配されるように、ｐ型コンタクト層１９にオーミック接合されている。 図１および図２に示すように、共振器の端面部分には、活性層１０のバンドギャップを拡大する端面窓構造４０が形成されている。この端面窓構造４０は、たとえば、共振器の端面部分に亜鉛（Ｚｎ）を拡散することによって形成される。

このような構成によって、ｎ型電極３およびｐ型電極４を電源に接続し、ｎ型半導体層１１およびｐ型半導体層１２から電子および正孔を活性層１０に注入することによって、この活性層１０内での電子および正孔の再結合を生じさせ、たとえば、発振波長が７７０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の光を発生させることができる。この光は、共振器端面３１，３２の間をガイド層１５，１６に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面３１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。

図５Ａは、クラッド層１４，１７、ガイド層１５，１６ならびに活性層１０の各層のバンドギャップを説明するためのエネルギーバンド図である。図５Ｂは、ガイド層を燐系化合物半導体であるＩｎＧａＡｌＰで形成した場合の、各層のバンドギャップを説明するためのエネルギーバンド図である。
この実施形態の半導体レーザダイオード７０では、活性層１０内の量子井戸層２２１は、砒素系化合物半導体であるＡｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ≦０．３）からなる。この実施形態の半導体レーザダイオード７０では、クラッド層１４，１７は、燐系化合物半導体（（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ（０．５≦ｘ１≦１））で形成されている一方、ガイド層１５，１６は、燐系化合物半導体ではなく、砒素系化合物半導体（Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１））で形成されている。

図５Ａおよび図５Ｂに対比して示すように、砒素系化合物半導体であるＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓによってガイド層１５，１６を形成した場合（図５Ａ）には、燐系化合物半導体であるＩｎＧａＡｌＰによってガイド層を形成した場合（図５Ｂ）に比べて、ガイド層１５，１６のバンドギャップＥｕを小さくすることができる。したがって、本実施形態による半導体レーザダイオード７０では、ガイド層１５，１６のバンドギャップＥｕと量子井戸層２２１のバンドギャップＥｇとの差（Ｅｕ−Ｅｇ）を小さくすることができる。

一般的に、半導体の場合、バンドギャップ差が小さくなるほど屈折率差が小さくなるので、光閉じ込め効果が過度に大きくなるのを防止でき、レーザ共振器端面部分での光密度を緩和することができる。これにより、端面光学損傷を抑制できるので、高出力化が可能となる。また、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１５，１６は、ＩｎＧａＡｌＰからなるガイド層よりも熱伝導率が高いので、熱を効率よく逃がすことができるという利点もある。これによっても、半導体レーザダイオード７０の制御を安定化できる上、端面光学損傷の抑制に寄与できる。

図６（ａ）は、共振器端面部間の中央部の各層のバンドギャップを示すエネルギーバンド図である。図６（ｂ）は共振器端面部に形成された端面窓構造におけるバンドギャップを示すエネルギーバンド図である。
前記実施形態では、共振器の端面部分には、活性層１０のバンドギャップを拡大する端面窓構造４０が形成されている。したがって、図６（ｂ）に示すように、共振器の端面部分では、活性層１０のバンドギャップＥｇは、共振器中央部の活性層１０のバンドギャップＥｇ（図６（ａ）参照）とガイド層１５，１６（障壁層２２２）のバンドギャップＥｕ（図６（ａ）参照）との平均値となる。つまり、共振器の端面部分では、それらの中間部分に比べて、活性層１０のバンドキャップＥｇが大きくなる。このため、内部で電子と正孔が再結合してできた誘導放出光が共振器の端面部分で吸収されにくくなるから、発熱が抑制される。これにより、端面光学損傷の発生を抑制できるので、高出力化が可能となる。

ガイド層１５，１６を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層が、ｘ２≧０．４を満たす組成を有していることが好ましい理由について詳しく説明する。レーザ共振器端面部分に端面窓構造４０を作製すると、端面部分での活性層１０のバンドギャップは、ガイド層１５，１６のバンドギャップと量子井戸層２２１のバンドギャップとの平均値となる。したがって、端面窓構造４０を作製することによって端面部分での活性層１０のバンドギャップを十分に拡大するためには、ガイド層１５，１６のバンドギャップが所定値（具体的には、１．８ｅＶ程度）以上であることが必要となる。一方、ガイド層１５，１６を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層のバンドギャップは、それに含まれるＡｌの組成が多いほど、すなち、Ｘ２が大きいほど、大きくなる。そして、ｘ２を０．４以上とすることによって、ガイド層１５，１６のバンドギャップを前記所定値以上とすることができる。

図７〜図１０は、図１〜図３に示す半導体レーザダイオード７０の製造方法を示す横断面図である。
まず、図７に示すように、ＧａＡｓ基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１３、ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１４、ｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１５、活性層１０、ｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１６、ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７、ｐ型ＩｎＧａＰバンド不連続緩和層１８およびＰ型ＧａＡｓコンタクト層１９を順に成長させる。なお、活性層１０は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層からなる量子井戸層２２１と、Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}Ａｓ層からなる障壁層２２２とを交互に複数周期繰り返し成長させることによって形成される。

次に、図１を参照して、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域に、ＺｎＯ（酸化亜鉛）をパターニングする。そして、たとえば、５００〜６５０°Ｃで約８時間、アニール処理を行うことにより、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域にＺｎを拡散させる。この際、Ｚｎの拡散が活性層１０およびｎ側ガイド層１５を通り越して、ｎ型クラッド層１４まで達するように、アニール処理を行なう。これにより、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域に、端面窓構造４０が形成される。

次に、ＺｎＯ層除去する。それから、図８に示すように、ストライプ状の絶縁膜をマスク５４として、エッチングにより、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９、ＩｎＧａＰバンド不連続緩和層１８およびｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７の一部を除去する。そうすると、図９に示すように、頂面にマスク層５４が積層されたリッジストライプ３０が形成される。

次に、図１０に示すように、表面に電流ブロック層６を成膜させる。このとき、マスク層５４がマスクとして機能する。そのため、リッジストライプ３０の頂面は電流ブロック層６によって覆われない。
この後、マスク層５４を除去する。そして、電流ブロック層６およびＰ型ＧａＡｓコンタクト層１９の露出面を覆うように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９にオーミック接触するｐ型電極４が形成される。また、ＧａＡｓ基板１にオーミック接触するｎ型電極３が形成される。

以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することができる。たとえば、量子井戸層にＰを添加せずに、ＴＥモードで発振する半導体レーザダイオードとしてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 基板
２ 半導体積層構造
３ ｎ型電極
４ ｐ型電極
１０ 活性層
１１ ｎ型半導体層
１２ ｐ型半導体層
１３ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１４ ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
１５ ｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層
１６ ｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層
１７ ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
１８ ｐ型ＩｎＧａＰバンド不連続緩和層
１９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
４０ 端面窓構造
７０ 半導体レーザダイオード
２２１ 量子井戸層
２２２ 障壁層

Claims (10)

1. ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層と、
   前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層に挟まれ、少なくとも1つの量子井戸層を含む活性層とを備え、
   前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、それぞれ（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層（０≦ｘ１≦１）からなり、
   前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層は、それぞれＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）からなり、
   前記量子井戸層は、Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ≦０．３）からなり、
   前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／４以下を満たす組成を有している、半導体レーザ素子。
2. 前記Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層は、ｘ２≧０．４を満たす組成を有している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記Ａｌ_ｙＧａ_{（１−ｙ）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／９以上１／４以下を満たす組成を有している、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 発振波長が７７０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下であり、かつ前記量子井戸層の膜厚が９ｎｍ以上１４ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
5. レーザ共振器の端面部分に、前記活性層のバンドギャップを拡大する端面窓構造が形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
6. 燐系化合物半導体からなるｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれ、砒素系化合物半導体からなるｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層と、
   前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層に挟まれ、砒素系化合物半導体からなる量子井戸層を含む活性層とを備えている、半導体レーザ素子。
7. ＧａＡｓ基板を含み、ＴＭモードで発振する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
8. 共振器長が、２００μｍ以上６００μｍ以下である請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
9. チップ幅が、５０μｍ以上２５０μｍ以下である請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
10. チップ厚が、３０μｍ以上１５０μｍ以下である請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。

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