JP3938976B2

JP3938976B2 - 半導体レーザ素子およびその製造方法

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Publication number: JP3938976B2
Application number: JP16988297A
Authority: JP
Inventors: 達也森岡; 健大林; 幸司高橋; 裕章池田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: JPH1117284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバー通信に使用される長波長帯半導体レーザ素子に関し、特に高温環境下での閾値電流、駆動電流特性に優れたものに関する。また、本発明は、そのような半導体レーザ素子を製造する半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバーを使用した光通信システムでは、光源の発光波長として１．３μｍ帯或いは１．５５μｍ帯が主に使用されている。この波長帯域で使用されている半導体レーザ素子として、従来よりＩｎＰ基板上に作製されたＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザ素子がある。しかしながらこの材料系を用いた半導体レーザ素子の欠点として活性層とクラッド層間の電子に対するバンド不連続量であるところのΔＥ_cが１００ｍｅＶと非常に小さく、この為高温動作時に活性層に十分に電子を閉じ込める事ができないことにより温度特性として約６０Ｋ程度のものしか得ることができていなかった。この為厳しい環境温度の下での使用においては冷却装置が必要となり、光通信装置の大型化，消費電力の増大等の問題があり、温度特性の良好な半導体レーザ素子の出現が望まれていた。
【０００３】
この問題を解決する半導体レーザ素子としてＧａＡｓ基板に格子整合し活性層としてＩｎＧａＡｓＮ系を使用したものが特開平８−１９５５２２号公報で公開されており温度特性として約１５０Ｋ程度のものが期待されている。この系でのＧａＡｓ基板における格子整合条件近傍でのバンド構造を図５に示す。この図よりＧａＡｓに対しインジウムを加えＩｎＧａＡｓとすることにより、ＧａＡｓ格子定数に対して格子定数が大きくなり且つバンドギャップが小さくなるという傾向を有することがわかる（図５右半分）。
【０００４】
同様にＧａＡｓに対して窒素を加えをＧａＡｓＮとすることで、ＧａＡｓ格子定数に対して格子定数が小さくなり且つバンドギャップが小さくなる傾向を有することがわかる（図５左半分）。即ちＩｎＧａＡｓに対して窒素を添加しＩｎＧａＡｓＮとすることでバンドギャップの伝導帯はＡ→Ｂ→Ｃへ、価電子帯はＤ→Ｅ→Ｆへと変化しＧａＡｓのバンドギャップである１．４２ｅＶより小さくなる即ち長波長帯で発光し、且つＧａＡｓに格子整合する混晶材料のものが得られることがわかる。さらにＧａＡｓ基板に格子整合することにより、ＡｌＧａＡｓ層を含んだ層構成による素子作製が可能となる。
【０００５】
この材料系を用いた場合の活性層内の量子井戸構造の量子井戸活性層（６０２）及び量子障壁層（６００）のバンド構造図を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）は量子障壁層としてＧａＡｓ層を用いた場合を示しており、バンド構造上十分なΔＥ_c（４００ｍｅＶ）を得ることができている。しかしながらＧａＡｓ障壁層の場合、量子井戸層と量子障壁層の正孔に対するバンド不連続量であるところの、ΔＥ_vが数十ｍｅＶ程度しか取れず正孔に対して十分な閉じ込め構造を構成する事ができないことが、竹内らにより第５６回秋期応用物理学会７Ｐ−ＫＨ−１４で報告されている。この問題を改善するために図６（ｂ）で示すように量子障壁層（６０１）としてＧａＡｓ層よりエネルギーギャップの大きいＡｌＧａＡｓ層、特にアルミニウムの混晶比を０．１程度とする又はＧａＡｓ基板に格
子整合したエネルギーギャップ１．４７ｅＶ程度のＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ａｓ_0.9Ｐ_0.1の層により量子井戸構造を作製していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら図６（ｂ）で示しているように活性領域内の量子井戸構造の量子障壁層としてＡｌＧａＡｓ層を用いて構成した場合、量子井戸構造内の量子障壁層の伝導帯の障壁高さが図６（ａ）で示しているようにＧａＡｓ層（６００）より大きくなり、結果として井戸幅１００ｎｍ程度の時、量子井戸構造内に量子準位が５程度形成されることにより注入された電子による利得が最大となる準位が順次変化する事で、発振波長が駆動電流により変化するという問題が有った。
【０００７】
又、伝導帯側は深い量子井戸構造で有るため、注入される電子が多重量子井戸に均一に注入せず、素子抵抗の増大或いは多重量子井戸構造による低閾値の効果が得られないと言う問題も有った。又、Ｋ．ＮａｋａｈａｒａらによりＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ１９９６，３２，ｐｐ．１５８５−１５８６で報告されている様にＩｎＧａＡｓＮ系に於ける素子作製において、結晶内への窒素の取り込みを増加させる為には成長温度として５００℃程度が最適とされる。
【０００８】
これに対してＡｌＧａＡｓ系では最適結晶成長温度が７００℃程度であるため、ＡｌＧａＡｓ系で量子障壁層を構成した場合量子井戸層と量子障壁層界面で最適結晶成長温度への降温、昇温の為の待ち時間を設ける必要が生じていた。
【０００９】
さらに同様の問題が活性領域とクラッド層界面や光導波路層、例えばＧＲＩＮ−ＳＣＨ（ＧＲａｄｅｄＩＮｄｅｘ−ＳｅｐａｒａｔｅＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｅｒ）構造を作製する場合、図７で示すようにＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造界面で基板温度降温、昇温の為の待ち時間を設ける必要が生じており、これに起因した結晶性の低下により閾値の増大や信頼性の十分なものが得られていなかった。
【００１０】
同様に量子障壁層、光導波路層にＩｎＧａＡｓＰ系やＩｎＧａＰ系を用いた場合、図８で示すようにＧａＩｎＮＡｓ活性層に対してバンド構造上滑らかにつなぐ材料系が無いため量子障壁層、光導波路層に対して設計の自由度が少ないと言う問題や最適結晶成長温度の為の降温、昇温のための待ち時間を設ける必要があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の半導体レーザ素子は、半導体基板上に少なくとも第１の導電型のクラッド層と、量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を含む活性領域と、第２の導電型のクラッド層とをこの順に有し、前記量子井戸層がＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_{1- α}Ｎ_α（０＜ｘ，α＜１）からなり、前記量子障壁層が前記Ｉｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _y' Ａｓ _{1- α '} Ｎ _{α '} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）からなり、ｘ＝ｘ ' 、かつα＝α ' であることを特徴とする。これにより、ＩｎＧａＡｓＮの量子井戸層を有する半導体レーザ素子に対してバンド構造の設計の範囲が増し素子設計に於いて自由度を増すことができた。更に量子井戸障壁層の高さを最適化することが可能となり、各量子井戸内への不均一な電子の注入により生じる素子抵抗の増大等の問題も抑えることができた。さらに組成制御性において、ＡｌＧａＡｓ系ではガリウム組成の変動１％に対してエネルギーギャップで０．０１２ｍｅＶ程度しか変動しないが、本材料系では窒素組成の変動１％に対してエネルギーギャップで０．１５ｍｅＶも変動することにより良好な量子障壁層を形成できなかったというような問題も、Ｖ族組成比を一定に保ちつつＩＩＩ族組成のみを変化させることにより形成することで防ぐことができるという効果も得られた。
【００１２】
また、前記量子障壁層が前記Ｉｎ_x'Ｇａ_1-x'-y'Ａｌ_y'Ａｓ_{1- α '}Ｎ_{α '}（０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）からなる層であることにより、量子井戸構造の設計の自由度を増すことができ、且つ成長層毎に結晶成長温度を変える必要が無く界面の結晶性の良好なものを得ることができた。
【００１３】
一実施形態の半導体レーザ素子は、Ｉｎ _ｘ” Ｇａ _{1- ｘ” - ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1- α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）からなる光導波路層が、前記第１の導電型のクラッド層と前記活性領域との間、及び前記第２の導電型のクラッド層と前記活性領域との間にそれぞれ介挿され、ｘ＝ｘ ' ＝ｘ”、かつα＝α ' ＝α”であり、前記各光導波路層内では、前記第１又は第２の導電型のクラッド層に近い側の部分のＡｌ混晶比ｙ”が、前記活性領域に近い側の部分のＡｌ混晶比よりも高いことを特徴とする。これにより、バンド構造の設定の範囲が増し、光導波路層の設計の自由度を増すことが可能となった。
【００１４】
この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上述の半導体レーザ素子を製造する半導体レーザ素子の製造方法であって、前記量子井戸層をなすＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−αＮ_α（０＜ｘ，α＜１）と、前記Ｉｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _y' Ａｓ _{1- α '} Ｎ _{α '} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）または前記Ｉｎ _ｘ” Ｇａ _{1- ｘ” - ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1- α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）からなる層とを、同じ温度で結晶成長することを特徴とする。
【００１５】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上述の半導体レーザ素子を製造する半導体レーザ素子の製造方法であって、前記量子井戸層をなすＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−αＮ_α（０＜ｘ，α＜１）と、前記Ｉｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _y' Ａｓ _{1- α '} Ｎ _{α '} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）または前記Ｉｎ _ｘ” Ｇａ _{1- ｘ” - ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1- α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）からなる層とを、連続的に結晶成長することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第１の実施例を示す。図１（ａ）、図１（ｂ）に本実施例における素子構造図及び活性領域の構造図を示す。ｎ型のＧａＡｓ基板上（１００）に、例えばＩＩＩ族原料としてＧａ、Ａｌ、Ｉｎの固体原料を、Ｖ族原料としてＡｓ、プラズマセルによるＮ₂源を使用したＭＢＥ（分子線エピタキシー）法により、基板温度７００℃にて０．３μｍ層厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層（１０１）、１．０μｍ層厚のｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下クラッド層（１０２）、続いて基板温度を５００℃に下げ、図１（ｂ）に示す様に６周期の基板に格子整合した７０ｎｍ層厚の量子井戸活性層ｕｎ−Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ａｓ_0.975Ｎ_0.025（１０９）／１２０ｎｍ層厚の量子障壁層ｕｎ−Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.74Ａｌ_0.2Ａｓ_0.975Ｎ_0.025（１１０）、その後再び基板温度を７００℃に上げ、１．０μｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上クラッド層（１０４）、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（１０６）を形成する。ここで、量子井戸層としての量子井戸活性層（１０９）の組成をＩｎ _x Ｇａ _1-x Ａｓ _{1- α} Ｎ _α （０＜ｘ，α＜１）と表すと、ｘ＝０．０６、α＝０．０２５である。また、量子障壁層（１１０）の組成をＩｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _{y ’} Ａｓ _{1- α '} Ｎ _{α '} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）と表すと、ｘ ' ＝０．０６、ｙ’＝０．２、α ' ＝０．０２５である。つまり、ｘ＝ｘ ' 、かつα＝α ' になっている。
【００１７】
続いてレジスト膜をストライプ状に形成後、これをマスク材として塩素のＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）によりリッジ形状を作製する。その後ストライプ領域を除きＳｉＯ₂膜（１０５）を形成、素子両面に通常の蒸着手段によりｎ，ｐ側の電極（１０７）、（１０８）をそれぞれ形成する。
【００１８】
ここでＩｎＧａＡｌＡｓＮ混晶系のバンド構造は、図２で示すようにＩｎＧａＡｌＡｓに窒素を加えることで、伝導帯はＡ'→Ｂ'→Ｃ'へ、価電子帯はＤ'→Ｅ'→Ｆ'へと変化する。これによりＧａＡｓ基板に格子整合しつつ、且つ価電子帯のΔＥ_vが同程度で伝導帯のΔＥ_cが小さい構造を有するＡｌＧａＡｓよりもバンドギャップの小さいものを得ることができる（図中△はＡｌＧａＡｓのエネルギーギャップ）。
【００１９】
例えばＩｎ_0.06Ｇａ_0.74Ａｌ_0.2Ａｓ_0.975Ｎ_0.025層等の本混晶系を量子障壁層に使用することにより、従来のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層の量子障壁層（図１（ｂ）の点線）に比べて伝導帯のΔＥ_cを小さくすることが可能となり（図１（ｂ）の実線）、従来構造で問題となっていた井戸内の量子障壁層のエネルギーギャップが大きいことにより生じていた多数の量子準位を基底準位のみとなるように調整することができた。この効果により半導体レーザ素子の駆動電流に対して順次高次の量子準位で発振していくことによる、発振波長の変化を防ぐことができた。
【００２０】
更に量子井戸障壁層の高さを最適化することが可能となり、各量子井戸内への不均一な電子の注入により生じる素子抵抗の増大等の問題も抑えることができた。さらに組成制御性において、ＡｌＧａＡｓ系ではガリウム組成の変動１％に対してエネルギーギャップで０．０１２ｍｅＶ程度しか変動しないが、本材料系では窒素組成の変動１％に対してエネルギーギャップで０．１５ｍｅＶも変動することにより良好な量子障壁層を形成できなかったというような問題も、Ｖ族組成比を一定に保ちつつＩＩＩ族組成のみを変化させることにより形成することで防ぐことができるという効果も得られた。
【００２１】
以上の効果により、従来のＡｌＧａＡｓ量子障壁層による素子の室温時における閾値電流を２０ｍＡから１５ｍＡ程度へと低減することができたと共に、素子抵抗としても１０Ωから５Ωへと低減することができ、特性の良好な半導体レーザ素子を得ることができた。本実施例では、ＧａＡｓ基板に格子整合した量子障壁層についての記載のみであるが、歪み量子井戸層に対してそれを補償するような歪みＩｎＧａＡｌＡｓＮ量子障壁層で構成しても良く、又素子作製方法としてＭＯＣＶＤ法，素子構造としてリッジ構造素子としているが、他の成長方法や埋め込み構造でも同様の効果が得られることは明らかである。
【００２２】
（実施例２）
本発明の第２の実施例の素子構造及び活性領域の構造を図３（ａ）、（ｂ）に示す。ｐ型ＧａＡｓ基板（３００）上に、例えばＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルインジウム、Ｖ族原料としてアルシン、フォスフィン、ジメチルヒドラジンを用いたＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により基板温度７００℃で０．３μｍ層厚のｐ型ＧａＡｓバッファ層（３０１）、１．０μｍ層厚のｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下クラッド層（３０２）、基板温度を５００℃に下げ、光導波路層となる構造を有するＡｌ混晶比ｙが０．４から０．２に変化するように形成された０．１５μｍ層厚のｐ型Ｉｎ_0.06Ｇａ_1-yＡｌ_yＡｓ_0.975Ｎ_0.025光導波路層（３０８）、続いて３周期の基板に格子整合した７０ｎｍ層厚の量子井戸活性層Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ａｓ_0.975Ｎ_0.025（３０６）／１２０ｎｍ層厚の量子障壁層にＩｎ_0.06Ｇａ_0.74Ａｌ_0.2Ａｓ_0.975Ｎ_0.025（３０７）、その後Ａｌ混晶比ｙが０．２から０．４へと変化する０．１５μｍ層厚のｎ型Ｉｎ_0.06Ｇａ_1-yＡｌ_yＡｓ_0.975Ｎ_0.025光導波路層（３０８）、その後再び基板温度を７００℃に上げ、１．０μｍ層厚のｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上クラッド層（３０４）、ｎ型ＧａＡｓキャップ層（３０５）を形成する。ここで、量子井戸層としての量子井戸活性層（３０６）の組成をＩｎ _x Ｇａ _1-x Ａｓ _{1- α} Ｎ _α （０＜ｘ，α＜１）と表すと、ｘ＝０．０６、α＝０．０２５である。また、量子障壁層（３０７）の組成をＩｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _{y ’} Ａｓ _{1- α '} Ｎ _{α '} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）と表すと、ｘ ' ＝０．０６、ｙ’＝０．２、α ' ＝０．０２５である。さらに、二つの光導波路層（３０８）の組成をそれぞれＩｎ _ｘ” Ｇａ _{1- ｘ” - ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1- α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）と表すと、ｘ”＝０．０６、ｙ”＝０．２〜０．４、α”＝０．０２５である。つまり、ｘ＝ｘ ' ＝ｘ”、かつα＝α ' ＝α”になっている。
【００２３】
続いてレジスト膜をストライプ状に形成後、これをマスク材としてウエットエッチングによりリッジ形状を作製する。その後ストライプ領域を除きＳｉＯ₂膜（１０５）を形成、素子両面に通常の蒸着手段によりｎ，ｐ側の電極（１０７）、（１０８）をそれぞれ形成する。
【００２４】
図３（ｂ）に本構造の活性領域（３０３）の詳細図を示す。光導波路層から活性領域となる量子障壁層をＩｎＧａＡｌＡｓＮ混晶比で構成することにより、従来の場合と比べて図中の点線で示している箇所即ち、活性層近傍である量子井戸構造と光導波路成長界面での最適結晶成長温度にするための基板温度の昇温，降温が無くなり、これにより界面での結晶性の不良に起因した閾値電流の増加を防ぐことができ、従来のＡｌＧａＡｓ光導波路構造を有した半導体レーザ素子の閾値電流１５ｍＡから１０ｍＡへと低減することができた。
【００２５】
さらに本混晶系を用いた場合Ｇａ_0.7Ａｌ_0.3Ａｓにインジウムと窒素を適宜加えることでＧａ_0.8Ａｌ_0.2Ａｓと同じバンドギャップを有する層が構成できることから、光導波路層とＧａＡｌＡｓクラッド層をなめらかにつなぐバンド構造のものが得られる。さらに他の組成を一定に保ちつつ、ガリウムとアルミニウムの組成比のみを変化させることで基板に格子整合させつつ且つＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層の中間程度のバンドギャップを持った層を容易に形成することができる為、図３（ｂ）で示す様な光導波路層を形成することができた。同様にしてＩｎＧａＰクラッド層の場合はＩｎＧａＡｓＰＮ混晶系により中間のバンドギャップを有した構造を形成することができる。
【００２６】
（参考例）
本発明の参考例を図４に示す。ｐ型ＧａＡｓ基板上（３００）に例えばＭＯＭＢＥ（有機金属分子線エピタキシー）法により基板温度５００℃で０．３μｍ層厚のｐ型ＩｎＧａＰバッファ層（４００）、１．０μｍ層厚のｐ型ＩｎＧａＡｓＰＮ下クラッド層（４０１）、続いて活性領域として基板に対して圧縮歪みを有する７０ｎｍ層厚の単一量子井戸活性層Ｉｎ_0.06Ｇａ_0.94Ａｓ_0.98Ｎ_0.02／量子障壁層ＩｎＧａＡｓＰＮ（４０２）、１．０μｍ層厚のｎ型ＩｎＧａＡｓＰＮ上クラッド層（４０３）を形成し、ストライプ上の誘電体マスクを形成し、通常のエッチングプロセスにてメサ構造を形成後、この誘電体マスクを利用した選択成長により電流狭窄を有するｎ型ＩｎＧａＰ層（４０４）、ｐ型ＩｎＧａＰ層（４０５）、ｎ型ＩｎＧａＰ層（４０６）を形成した後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰＮ上クラッド層（４０７）、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層（４０８）を形成後、両面にｎ、ｐ型電極（１０７）、（１０８）をそれぞれ形成する。
【００２７】
本参考例の様にクラッド層からＩｎＧａＡｓＰＮ層により構成することで第１の導電型のクラッド層から活性領域及び第２の導電型のクラッド層まで５元の材料の混晶比を適宜調整することにより素子構造を作製することが可能となり、従来の様に各層において最適成長温度の為の昇温或いは降温に伴う待ち時間を設ける必要が無くなり、これに起因した界面での結晶欠陥を低減することが可能となり、従来のクラッド層と活性領域界面で待ち時間を設けた素子構造に比べて寿命（駆動電流が初期電流の２０％上昇する時間）を１００００時間から２００００時間へと改善することができた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明により、活性層に少なくともＩｎＧａＡｓＮ層を含んだ半導体レーザ素子において、量子障壁層にＩｎＧａＡｌＡｓＮ層を使用することで正孔のバンド不連続差であるΔＥ_vを保持しつつ電子のバンド不連続量であるΔＥ_cを調節する事が可能となった。これにより量子井戸内の量子準位を基底準位のみに設計する或いは注入された電子が均一になるように量子障壁層の障壁の高さを調整することが可能となり、駆動電流による発振波長の変動の低減及び閾値の低減が実現でき素子特性の向上が図れた。
【００２９】
また量子井戸層と量子障壁層界面で成長温度最適化の為の待ち時間を設ける必要が無くなった為、結晶性の向上が図れ低閾値化及び信頼性の改善が図れた。
【００３０】
さらに光導波路層をＩｎＧａＡｌＡｓＮ層で構成することにより量子井戸構造と光導波路層の界面で成長温度最適化の為の待ち時間を設ける必要が無く結晶性の向上により低閾値化が図れると共に、光導波路層の層構造の設計の自由度が増した。ＩｎＧａＡｌＡｓＮ層で構成した場合、界面でＶ族組成を変えることなくバンドギャップの異なる光導波路層を形成することができ、組成制御性が向上した。
【００３１】
さらにクラッド層をＩｎＧａＡｌＡｓＮ層で構成することにより成長温度を各層毎に最適温度に変える必要がなく、混晶比を変化させるだけで素子が構成でき、この為従来の構造ものに比べ界面での結晶性が向上でき素子寿命を改善することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施例を示した図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施例における量子井戸構造の構成図である。
【図２】ＧａＡｌＡｓ系への窒素，インジウム添加におけるバンドギャップの関係を示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施例を示した図であり、（ｂ）は本発明の第２の実施例における量子井戸構造の構成図である。
【図４】本発明の参考例を示した図である。
【図５】ＩｎＧａＡｓＮ系の窒素、インジウム濃度によるバンドギャップの関係を示す図である。
【図６】（ａ）は従来のＩｎＧａＡｓＮ系半導体レーザ素子における量子井戸構造において、ＧａＡｓ層を量子障壁層に使用した場合のバンド構造図であり、（ｂ）は従来のＩｎＧａＡｓＮ系半導体レーザ素子においる量子井戸構造において、ＡｌＧａＡｓ層を量子障壁層に使用した場合のバンド構造図である。
【図７】ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造作製における基板温度のシーケンスである。
【図８】ＧａＩｎＮＡｓ層に対するＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ層のバンド構造図である。
【符号の説明】
１００ｎ型ＧａＡｓ基板
１０１ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０２ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
１０３量子井戸活性層
１０４ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
１０５ＳｉＯ₂膜
１０６ｐ型ＧａＡｓ層
１０７ｎ型電極
１０８ｐ型電極
１０９量子井戸層
１１０量子障壁層
３００ｐ型ＧａＡｓ基板
３０１ｐ型ＧａＡｓバッファ層
３０２ｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
３０３量子井戸活性層
３０４ｎ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層
３０５ｎ型ＧａＡｓ層
３０６量子井戸層
３０７量子障壁層
３０８光導波路層
４００ｐ型ＩｎＧａＰバッファ層
４０１ｐ型ＩｎＧａＡｓＰＮ下クラッド層
４０２量子井戸構造活性層
４０３ｎ型ＩｎＧａＡｓＰＮ上クラッド層
４０４ｎ型ＩｎＧａＰ電流光閉じ込め層
４０５ｐ型ＩｎＧａＰ電流光閉じ込め層
４０６ｎ型ＩｎＧａＰ電流光閉じ込め層
４０７ｎ型ＩｎＧａＡｓＰＮ上クラッド層
４０８ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
６００ＧａＡｓ量子障壁層
６０１ＡｌＧａＡｓ量子障壁層
６０２ＩｎＧａＡｓＮ活性層

Claims

半導体基板上に少なくとも第１の導電型のクラッド層と、量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層された量子井戸構造を含む活性領域と、第２の導電型のクラッド層とをこの順に有し、
前記量子井戸層がＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_{1- α}Ｎ_α（０＜ｘ，α＜１）からなり、
前記量子障壁層が前記Ｉｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _y' Ａｓ _{1- α '} Ｎ _{α '} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）からなり、
ｘ＝ｘ ' 、かつα＝α '
であることを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
Ｉｎ _ｘ” Ｇａ _{1-
ｘ”
-
ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1-
α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）からなる光導波路層が、前記第１の導電型のクラッド層と前記活性領域との間、及び前記第２の導電型のクラッド層と前記活性領域との間にそれぞれ介挿され、
ｘ＝ｘ ' ＝ｘ”、かつα＝α ' ＝α”
であり、
前記各光導波路層内では、前記第１又は第２の導電型のクラッド層に近い側の部分のＡｌ混晶比ｙ”が、前記活性領域に近い側の部分のＡｌ混晶比よりも高いことを特徴とする半導体レーザ素子。
請求項１または２に記載の半導体レーザ素子を製造する半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記量子井戸層をなすＩｎ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ _１−α Ｎ _α （０＜ｘ，α＜１）と、前記Ｉｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _y' Ａｓ _{1-
α
'} Ｎ _{α
'} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）または前記Ｉｎ _ｘ” Ｇａ _{1-
ｘ”
-
ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1-
α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）からなる層とを、同じ温度で結晶成長することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
請求項１または２に記載の半導体レーザ素子を製造する半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記量子井戸層をなすＩｎ _ｘＧａ _１−ｘＡｓ _１−α Ｎ _α （０＜ｘ，α＜１）と、前記Ｉｎ _x' Ｇａ _1-x'-y' Ａｌ _y' Ａｓ _{1-
α
'} Ｎ _{α
'} （０＜ｘ’，ｙ’，α’＜１）または前記Ｉｎ _ｘ” Ｇａ _{1-
ｘ”
-
ｙ”} Ａｌ _ｙ” Ａｓ _{1-
α”} Ｎ _α” （０＜ｘ”，ｙ”，α”＜１）からなる層とを、連続的に結晶成長することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。