JP3645320B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の高出力化を目的として、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリアブロック層を設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このような構造において、キャリアブロック層は注入キャリアを活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するとともに、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現できる。
【０００３】
図７（ａ）はこうした半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布図である。図７に示す構造は、周知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、
Separate Confinement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（
Perfect ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】
図７（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成される。
【０００５】
図７（ｂ）に示すように、各キャリアブロック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成されているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャリア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】
またキャリアブロック層および活性層が十分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効的な屈折率分布は図７（ｃ）に示すように、第１ｎ型クラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成されているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力化が可能となる。
【０００７】
この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多重量子井戸）−ＤＣＨ（Decoupled Confinement Heterostructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum electronics,vol.29,No.6,
ＪＵＮＥ．１９９３、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子において高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリアを活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への光の洩れ出しを容易にするため通常、０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成される。禁制帯幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要がある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いられる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。
【００１０】
また、半導体レーザ素子の効率はフリーキャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きくなる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】
しかし、各層のドーピング濃度をあまり低く抑えてしまうと、素子の電気抵抗が大きくなって自己発熱量が増加し、低い出力での出力飽和や素子の劣化を早める等の問題を生じていた。
【００１２】
本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込めを確実にし、内部損失をより低く抑えるとともに、素子の電気抵抗の低減化を図って、高効率で高出力かつ高信頼性の半導体レーザ素子を提供することである。
【００１３】
さらに高出力化の障害となる出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザにおいて、
ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、
πを円周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリアブロック層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5
と定義したとき、
２π≧Ｖ＞π／３が成立するとともに、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度であって、
ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されていることを特徴する半導体レーザ素子である。
ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、下記の式で表わされる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングが施されていることを特徴とする。
また本発明は、ｐ型キャリアブロック層のドーパントが、炭素またはマグネシウムであることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【作用】
本発明に従えば、ｎ型およびｐ型クラッド層を第１および第２クラッド層という複数層のクラッド層で構成し、さらに活性層、キャリアブロック層および第１クラッド層から成る光導波層の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形成することによって、ほぼガウス型での導波モードのレーザ発振を実現できる。そして導波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能となる。なお、導波モードがマルチ化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００１８】
さらに、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ、低濃度である第１クラッド層でのフリーキャリア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
【００１９】
また、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、素子全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させることができる。
【００２０】
以下詳細に説明する。図１（ａ）は完全分離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフであり、図１（ｂ）は規格化周波数Ｖ＝πの場合の導波モードを示すグラフである。グラフに示すように、導波モードの大部分は、活性層１４、キャリアブロック層１３、１５および第１クラッド層１２、１６から成る光導波層を伝搬しており、裾の僅かな部分が第２クラッド層１１、１７に洩れ出ていることが判る。こうして導波モードが拡がり、そのピーク強度が減少するため、素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。
フリーキャリア吸収による光学的な内部損失を減らすためには、光導波層の部分、特に第１クラッド層１２、１６のキャリア濃度を低くすることが好ましいことになる。また、光の伝搬が少ない第２クラッド層１１、１７は、キャリア濃度を高くして、素子の電気抵抗を低減化する方が好ましいことになる。
【００２１】
図２は、スラブ導波路構造において規格化周波数Ｖに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。規格化周波数Ｖは、πを円周率、λを発振波長、活性層１４、キャリアブロック層１３、１５および第１クラッド層１２、１６の最大屈折率をＮ１、第２クラッド層１１、１７の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層１１、１７間の実効厚みをｄ１として、Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5で定義される。
【００２２】
規格化周波数Ｖが小さいと、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が大きくなり、光導波層での光伝搬率が低下する。逆に、規格化周波数Ｖが大きいと、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が小さくなり、光伝搬率は増大する。そこで、完全分離閉じ込め構造の半導体レーザにおいて、規格化周波数Ｖはπ／３より大きいことが好ましく、これによって光伝搬率を７０％以上確保できる。このようにＶがπ／３より大きくなって光伝搬率が大きくなると、第２クラッド層への光の伝搬が小さくなるので、第２クラッド層のドーピングを、電気抵抗の低減化のために高濃度にしても、これに起因するフリーキャリア吸収による内部損失は小さくなる。また、基本モード以外のマルチモードの発生を抑制するため規格化周波数Ｖは２πより小さいことが好ましく、活性層での利得導波作用と相俟って単一横モードを安定に維持できる。
【００２３】
また本発明に従えば、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングを施すことによって、キャリアブロック層を第１クラッド層よりもドーピング濃度が高くなるように構成して、キャリア閉じ込め機能を十分に発揮しつつ、第１クラッド層の低濃度化によって光の内部損失を充分低く抑えることができる。
【００２４】
なお、各キャリアブロック層および各第２クラッド層への過度のドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化を招くため、ドーピング量の上限は、１×１０19ｃｍ-3が好ましい。また、各第１クラッド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きくしないために、１×１０16ｃｍ-3が好ましい。
【００２５】
また本発明に従えば、ｐ型キャリアブロック層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いることによって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加することが可能となり、キャリアブロック層が極めて薄い場合であっても、製造プロセス中に発生するドーパントの拡散を事実上無視できる程に抑えることができる。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほど小さくなる。その結果、極薄のキャリアブロック層であっても高いドーピング濃度を形成することができる。
【００２６】
このように各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。
【００２７】
ところで従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。
【００２８】
また、ｐ型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによってキャリアブロック層のポテンシャル障壁をより高くすることができる。
【００２９】
図３は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。このグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック層１５のポテンシャル障壁を高くすることができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。したがって、活性領域へのドーパントの拡散を防ぎつつキャリアブロック層全体の空乏化を防ぐために必要な高いドーピング濃度を形成するとともに浅いアクセプター準位によってポテンシャル障壁を高く形成することができる。
【００３０】
特に、キャリアブロック層を例えば０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成した場合であっても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述のような変調ドーピングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
【００３１】
ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報告例がある。（文献１：
Journal Vacuum Science Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：Journal Appl. Phys.59(4),15(1986)1156)。したがって炭素がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００３２】
また、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００３３】
また、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ましく、その場合、図３に示すように、炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
図４（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
この半導体レーザにおいて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここで、ドナーとしてＳｅ（セレン）をドープし、アクセプターとしてｐ型コンタクト層以外はＣ（炭素）をドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎ（亜鉛）をドープしている。
【００３５】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。光共振器は紙面垂直方向に形成され、素子の両端面で反射することによってレーザ発振が起きる。
【００３６】
注目すべき点は、図４（ｂ）に示すように、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第１ｎ型クラッド層１２のドナー濃度および第１ｐ型クラッド層１６のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3またはそれ以下の低濃度に形成し、さらに第２ｎ型クラッド層１１のドナー濃度および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点である。
【００３７】
このようにｎ型キャリアブロック層１３およびｐ型キャリアブロック層１５のドーピング量は、第１ｎ型クラッド層１２および第１ｐ型クラッド層１６より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ第２ｎ型クラッド層１１および第２ｐ型クラッド層１７でのフリーキャリア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
【００３８】
また、第２ｎ型クラッド層１１および第２ｐ型クラッド層１７のドーピング量は、第１ｎ型クラッド層１２および第１ｐ型クラッド層１６より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、素子全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少できる。
【００３９】
なお、実施例１の規格化周波数Ｖはπである。したがって光導波層内での光伝搬率が高くなり、さらには出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層容易になる。
【００４０】
（比較例１）
図５（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤでそれぞれ形成されている。
【００４１】
ここで、実施例１と比較して相違する点は、図５（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１３、１５、第１クラッド層１２、１６および第２クラッド層１１、１７を全て１×１０18ｃｍ-3という高濃度でドーピングしている点である。
【００４２】
（比較例２）
図６（ａ）は比較例２の構成を示す断面図であり、図６（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.43Ｇａ0.57Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで形成されている。
【００４３】
ここで、実施例１と比較して相違する点は、図６（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１３、１５を１×１０18ｃｍ-3という高濃度でドーピングし、第１クラッド層１２、１６および第２クラッド層１１、１７を３×１０17ｃｍ-3という低濃度でドーピングしている点である。
【００４４】
（比較例３）
比較例３の構成は、図５の比較例１と同じであるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ（亜鉛）を使用している点が相違する。
【００４５】
（比較例４）
比較例４の構成は、図６の比較例２と同様であるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ（亜鉛）使用している点が相違する。
ここで、実施例１と比較例１〜４とを比較するため、素子の特性温度、内部損失を測定した結果および活性層を除くｎ型第２クラッド層からｐ型クラッド層までの電気抵抗をシミュレーションした値を下記（表１）に示す。なお、半導体レーザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件はいずれも共通である。
【００４６】
【表１】
【００４７】
その結果、実施例１は比較例３、４と比べて、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１４０Ｋに改善されることが確認された。これはドーパントとして、亜鉛より拡散性が格段に小さい炭素を使用することによって、キャリアブロック層を所望の濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられる。
【００４８】
また、実施例１は比較例１と比べて、特性温度は同程度であるが、内部損失が５分の１と大幅に改善されていることが判る。これは、第１クラッド層のドーピング濃度が低くなって、フリーキャリア吸収が減ってためと考えられる。
【００４９】
また、実施例１は比較例２と比べて、第２クラッド層のドーピング濃度が高いためにその部分の電気伝導率が向上して、電気抵抗の低減化が可能になった。
【００５０】
このようにキャリアブロック層を高ドーピングにすることによって特性温度を改善でき、第１クラッド層を低ドーピングにすることによって、光学的な内部損失を改善でき、さらに第２クラッド層を高ドーピングにすることによって素子の電気抵抗を改善することができる。
【００５１】
なお以上の説明において、半導体レーザ素子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本発明が適用できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ内部損失を低減化できる。
【００５３】
また、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、素子全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させることができる。
【００５４】
そして出射端面での光学損傷を抑制できるので、上記の効果と相俟ってより高出力化できる。
【００５５】
さらに、ｐ型ドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによって、薄い層であっても充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われ、特性温度の向上に寄与する。
【００５６】
こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子において、高効率化および高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は完全分離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフであり、図１（ｂ）は規格化周波数Ｖ＝πの場合の導波モードを示すグラフである。
【図２】スラブ導波路構造において規格化周波数Ｖに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。
【図３】ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
【図５】図５（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
【図６】図６（ａ）は比較例２の構成を示す断面図であり、図６（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
【図７】図７（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布図である。
【符号の説明】
１１ 第２ｎ型クラッド層
１２ 第１ｎ型クラッド層
１３ ｎ型キャリアブロック層
１４ 活性層
１５ ｐ型キャリアブロック層
１６ 第１ｐ型クラッド層
１７ 第２ｐ型クラッド層
１８ 電流狭窄層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ 半導体基板
２１、２２ オーミック電極
【産業上の利用分野】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の高出力化を目的として、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリアブロック層を設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このような構造において、キャリアブロック層は注入キャリアを活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するとともに、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現できる。
【０００３】
図７（ａ）はこうした半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布図である。図７に示す構造は、周知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、
Separate Confinement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（
Perfect ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】
図７（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成される。
【０００５】
図７（ｂ）に示すように、各キャリアブロック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成されているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャリア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】
またキャリアブロック層および活性層が十分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効的な屈折率分布は図７（ｃ）に示すように、第１ｎ型クラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成されているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力化が可能となる。
【０００７】
この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多重量子井戸）−ＤＣＨ（Decoupled Confinement Heterostructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum electronics,vol.29,No.6,
ＪＵＮＥ．１９９３、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子において高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリアを活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への光の洩れ出しを容易にするため通常、０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成される。禁制帯幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要がある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いられる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。
【００１０】
また、半導体レーザ素子の効率はフリーキャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きくなる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】
しかし、各層のドーピング濃度をあまり低く抑えてしまうと、素子の電気抵抗が大きくなって自己発熱量が増加し、低い出力での出力飽和や素子の劣化を早める等の問題を生じていた。
【００１２】
本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込めを確実にし、内部損失をより低く抑えるとともに、素子の電気抵抗の低減化を図って、高効率で高出力かつ高信頼性の半導体レーザ素子を提供することである。
【００１３】
さらに高出力化の障害となる出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザにおいて、
ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、
πを円周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリアブロック層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5
と定義したとき、
２π≧Ｖ＞π／３が成立するとともに、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度であって、
ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されていることを特徴する半導体レーザ素子である。
ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は最大屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、下記の式で表わされる。
【００１５】
【数１】
また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングが施されていることを特徴とする。
また本発明は、ｐ型キャリアブロック層のドーパントが、炭素またはマグネシウムであることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１７】
【作用】
本発明に従えば、ｎ型およびｐ型クラッド層を第１および第２クラッド層という複数層のクラッド層で構成し、さらに活性層、キャリアブロック層および第１クラッド層から成る光導波層の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形成することによって、ほぼガウス型での導波モードのレーザ発振を実現できる。そして導波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能となる。なお、導波モードがマルチ化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００１８】
さらに、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ、低濃度である第１クラッド層でのフリーキャリア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
【００１９】
また、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、素子全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させることができる。
【００２０】
以下詳細に説明する。図１（ａ）は完全分離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフであり、図１（ｂ）は規格化周波数Ｖ＝πの場合の導波モードを示すグラフである。グラフに示すように、導波モードの大部分は、活性層１４、キャリアブロック層１３、１５および第１クラッド層１２、１６から成る光導波層を伝搬しており、裾の僅かな部分が第２クラッド層１１、１７に洩れ出ていることが判る。こうして導波モードが拡がり、そのピーク強度が減少するため、素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。
フリーキャリア吸収による光学的な内部損失を減らすためには、光導波層の部分、特に第１クラッド層１２、１６のキャリア濃度を低くすることが好ましいことになる。また、光の伝搬が少ない第２クラッド層１１、１７は、キャリア濃度を高くして、素子の電気抵抗を低減化する方が好ましいことになる。
【００２１】
図２は、スラブ導波路構造において規格化周波数Ｖに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。規格化周波数Ｖは、πを円周率、λを発振波長、活性層１４、キャリアブロック層１３、１５および第１クラッド層１２、１６の最大屈折率をＮ１、第２クラッド層１１、１７の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層１１、１７間の実効厚みをｄ１として、Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5で定義される。
【００２２】
規格化周波数Ｖが小さいと、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が大きくなり、光導波層での光伝搬率が低下する。逆に、規格化周波数Ｖが大きいと、光導波層の厚みに比べて導波モードの幅が小さくなり、光伝搬率は増大する。そこで、完全分離閉じ込め構造の半導体レーザにおいて、規格化周波数Ｖはπ／３より大きいことが好ましく、これによって光伝搬率を７０％以上確保できる。このようにＶがπ／３より大きくなって光伝搬率が大きくなると、第２クラッド層への光の伝搬が小さくなるので、第２クラッド層のドーピングを、電気抵抗の低減化のために高濃度にしても、これに起因するフリーキャリア吸収による内部損失は小さくなる。また、基本モード以外のマルチモードの発生を抑制するため規格化周波数Ｖは２πより小さいことが好ましく、活性層での利得導波作用と相俟って単一横モードを安定に維持できる。
【００２３】
また本発明に従えば、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングを施すことによって、キャリアブロック層を第１クラッド層よりもドーピング濃度が高くなるように構成して、キャリア閉じ込め機能を十分に発揮しつつ、第１クラッド層の低濃度化によって光の内部損失を充分低く抑えることができる。
【００２４】
なお、各キャリアブロック層および各第２クラッド層への過度のドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化を招くため、ドーピング量の上限は、１×１０19ｃｍ-3が好ましい。また、各第１クラッド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きくしないために、１×１０16ｃｍ-3が好ましい。
【００２５】
また本発明に従えば、ｐ型キャリアブロック層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いることによって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加することが可能となり、キャリアブロック層が極めて薄い場合であっても、製造プロセス中に発生するドーパントの拡散を事実上無視できる程に抑えることができる。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほど小さくなる。その結果、極薄のキャリアブロック層であっても高いドーピング濃度を形成することができる。
【００２６】
このように各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。
【００２７】
ところで従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。
【００２８】
また、ｐ型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによってキャリアブロック層のポテンシャル障壁をより高くすることができる。
【００２９】
図３は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。このグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック層１５のポテンシャル障壁を高くすることができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。したがって、活性領域へのドーパントの拡散を防ぎつつキャリアブロック層全体の空乏化を防ぐために必要な高いドーピング濃度を形成するとともに浅いアクセプター準位によってポテンシャル障壁を高く形成することができる。
【００３０】
特に、キャリアブロック層を例えば０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成した場合であっても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述のような変調ドーピングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
【００３１】
ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報告例がある。（文献１：
Journal Vacuum Science Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：Journal Appl. Phys.59(4),15(1986)1156)。したがって炭素がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００３２】
また、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００３３】
また、キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ましく、その場合、図３に示すように、炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００３４】
【実施例】
（実施例１）
図４（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
この半導体レーザにおいて、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここで、ドナーとしてＳｅ（セレン）をドープし、アクセプターとしてｐ型コンタクト層以外はＣ（炭素）をドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎ（亜鉛）をドープしている。
【００３５】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。光共振器は紙面垂直方向に形成され、素子の両端面で反射することによってレーザ発振が起きる。
【００３６】
注目すべき点は、図４（ｂ）に示すように、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第１ｎ型クラッド層１２のドナー濃度および第１ｐ型クラッド層１６のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3またはそれ以下の低濃度に形成し、さらに第２ｎ型クラッド層１１のドナー濃度および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点である。
【００３７】
このようにｎ型キャリアブロック層１３およびｐ型キャリアブロック層１５のドーピング量は、第１ｎ型クラッド層１２および第１ｐ型クラッド層１６より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ第２ｎ型クラッド層１１および第２ｐ型クラッド層１７でのフリーキャリア吸収を低減化できる。したがって、導波モードを乱さずかつ低損失のスラブ導波路を形成できる。
【００３８】
また、第２ｎ型クラッド層１１および第２ｐ型クラッド層１７のドーピング量は、第１ｎ型クラッド層１２および第１ｐ型クラッド層１６より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、素子全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少できる。
【００３９】
なお、実施例１の規格化周波数Ｖはπである。したがって光導波層内での光伝搬率が高くなり、さらには出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層容易になる。
【００４０】
（比較例１）
図５（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤでそれぞれ形成されている。
【００４１】
ここで、実施例１と比較して相違する点は、図５（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１３、１５、第１クラッド層１２、１６および第２クラッド層１１、１７を全て１×１０18ｃｍ-3という高濃度でドーピングしている点である。
【００４２】
（比較例２）
図６（ａ）は比較例２の構成を示す断面図であり、図６（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.43Ｇａ0.57Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで形成されている。
【００４３】
ここで、実施例１と比較して相違する点は、図６（ｂ）に示すように、キャリアブロック層１３、１５を１×１０18ｃｍ-3という高濃度でドーピングし、第１クラッド層１２、１６および第２クラッド層１１、１７を３×１０17ｃｍ-3という低濃度でドーピングしている点である。
【００４４】
（比較例３）
比較例３の構成は、図５の比較例１と同じであるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ（亜鉛）を使用している点が相違する。
【００４５】
（比較例４）
比較例４の構成は、図６の比較例２と同様であるが、ｐ型ドーパントとして全てＺｎ（亜鉛）使用している点が相違する。
ここで、実施例１と比較例１〜４とを比較するため、素子の特性温度、内部損失を測定した結果および活性層を除くｎ型第２クラッド層からｐ型クラッド層までの電気抵抗をシミュレーションした値を下記（表１）に示す。なお、半導体レーザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件はいずれも共通である。
【００４６】
【表１】
その結果、実施例１は比較例３、４と比べて、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１４０Ｋに改善されることが確認された。これはドーパントとして、亜鉛より拡散性が格段に小さい炭素を使用することによって、キャリアブロック層を所望の濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられる。
【００４８】
また、実施例１は比較例１と比べて、特性温度は同程度であるが、内部損失が５分の１と大幅に改善されていることが判る。これは、第１クラッド層のドーピング濃度が低くなって、フリーキャリア吸収が減ってためと考えられる。
【００４９】
また、実施例１は比較例２と比べて、第２クラッド層のドーピング濃度が高いためにその部分の電気伝導率が向上して、電気抵抗の低減化が可能になった。
【００５０】
このようにキャリアブロック層を高ドーピングにすることによって特性温度を改善でき、第１クラッド層を低ドーピングにすることによって、光学的な内部損失を改善でき、さらに第２クラッド層を高ドーピングにすることによって素子の電気抵抗を改善することができる。
【００５１】
なお以上の説明において、半導体レーザ素子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本発明が適用できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、キャリアブロック機能を維持しつつ内部損失を低減化できる。
【００５３】
また、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されているため、素子全体の電気抵抗を低減化でき、自己発熱を減少させることができる。
【００５４】
そして出射端面での光学損傷を抑制できるので、上記の効果と相俟ってより高出力化できる。
【００５５】
さらに、ｐ型ドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによって、薄い層であっても充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われ、特性温度の向上に寄与する。
【００５６】
こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子において、高効率化および高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は完全分離閉じ込め構造における各層の禁制帯幅を示すグラフであり、図１（ｂ）は規格化周波数Ｖ＝πの場合の導波モードを示すグラフである。
【図２】スラブ導波路構造において規格化周波数Ｖに対する光導波層の光伝搬率の変化を示すグラフである。
【図３】ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。
【図４】図４（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図４（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
【図５】図５（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
【図６】図６（ａ）は比較例２の構成を示す断面図であり、図６（ｂ）は各層に対応するドーピング濃度の分布図である。
【図７】図７（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図７（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図７（ｃ）は各層に対応した屈折率の分布図である。
【符号の説明】
１１ 第２ｎ型クラッド層
１２ 第１ｎ型クラッド層
１３ ｎ型キャリアブロック層
１４ 活性層
１５ ｐ型キャリアブロック層
１６ 第１ｐ型クラッド層
１７ 第２ｐ型クラッド層
１８ 電流狭窄層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ 半導体基板
２１、２２ オーミック電極
Claims (5)
- 活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザにおいて、
ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含み、
πを円周率とし、λを発振波長とし、活性層、キャリアブロック層および第１クラッド層の最大屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2−Ｎ２2）0.5
と定義したとき、
２π≧Ｖ＞π／３が成立するとともに、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層より高濃度であって、
ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は、第１クラッド層より高濃度となるように変調ドーピングが施されていることを特徴する半導体レーザ素子。 - ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第１クラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下に、ｎ型およびｐ型クラッド層の第２クラッド層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上になるように変調ドーピングが施されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
- ｐ型キャリアブロック層のドーパントが、炭素またはマグネシウム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素子。
- キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の半導体レーザ素子。
- キャリアブロック層ならびに第１および第２クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
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