JP4043758B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器構造をＧａＡｓ基板上に備える半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、低いしきい値で、かつ温度特性が高い半導体レーザ素子、特に光通信用の長波長帯半導体レーザ素子として最適な半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光加入者線システムで光源として使用される半導体レーザ素子は、光ファイバーの分散が最小となる波長１．３μｍ帯の半導体レーザ素子が主流になろうとしている。
波長１．３μｍ帯の半導体レーザ素子として、以前から、ＩｎＰ基板上に形成したＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子が開発されており、室温でのしきい値電流が１ｍＡ未満になる低しきい値電流の半導体レーザ素子が実現している。
【０００３】
ところで、ＧａＩｎＡｓＰ系の材料系は、しきい値の温度特性が５０〜７０Ｋと悪いので、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子に冷却素子を設けて素子温度を制御することが必要である。
光加入者線システムで各家庭に半導体レーザ装置を光源として配置するためには、レーザ送信モジュールの小型化と低消費電力化が要求されており、冷却素子を必要としない温度特性に優れた長波長帯半導体レーザ素子が強く求められている。
【０００４】
そこで、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた半導体レーザ素子により、特性温度を１８０Ｋ程度まで向上させることができると提案され、実験的にも、１３０〜２００Ｋ程度の高温度特性が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまで報告されているＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ素子は、一般のＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡｓＰ系レーザと比べて、室温でのしきい値電流密度が高いという問題があった。
そこで、本発明者らは、これを解決するための方策として、２つの方法を提案している。
一つは、室温でのしきい値電流密度を低下させるために、ＧａＩｎＮＡｓに微量のＳｂを組成として含ませ、ＧａＩｎＮＡｓの３次元成長を抑制して、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層とする方法である（特願２００１−１２４３００）。
【０００６】
他の一つは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層と、ＧａＮＡｓ障壁層とを組み合わせて用いることである（特願２００１−１２４３００）。
障壁層にＧａＮＡｓを用いる問題点として、しきい値電流密度は低くなるものの、井戸層とバリア層の間の電子に対するエネルギー障壁（以下、ΔＥｂとも言う）が低くなるために、特性温度が低下して８０〜１００Ｋ程度になってしまうということである。ここで、ΔＥｂは、量子井戸内の電子の第一量子準位とバリア層の間のエネルギー障壁を表す。
【０００７】
そこで、更に、本発明者らは、ＧａＡｓバリア層と同程度の電子に対するエネルギー障壁（ΔＥｂ）を有するＧａＮＡｓＰバリア層又はＡｌＧａＮＡｓバリア層を使い、かつその組成を限定することにより、特性温度の低下を抑制する方法を提案している（特願２００１−１２７４７６）。
【０００８】
しかし、バリア層をＧａＮＡｓＰ又はＡｌＧａＮＡｓで構成する方法にも更なる課題がある。ここで、図５を参照して、その課題を説明する。図５に、従来のＧａＮＡｓＰ又はＡｌＧａＮＡｓバリア層を用いた半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムを示す。
ＧａＮＡｓＰバリア層の場合、ＧａＡｓ（λｇ＝０．８７μｍ）バリア層と同程度にＧａＮＡｓＰバリア層のΔＥｂを大きくするためには、リン（Ｐ）組成を多くする必要があるものの、Ｐ組成を多くすると、引っ張り歪が大きくなり、井戸層との界面のせん断応力が大きくなって、結晶性の向上が難しくなるという問題がある。。
また、ＡｌＧａＮＡｓバリア層の場合、ＧａＡｓバリア層と同程度にＡｌＧａＮＡｓバリア層のΔＥｂを大きくするためには、Ａｌ組成を多くする必要があるものの、Ａｌ組成を多くすると、Ａｌと結合しやすい酸素に起因した非発光再結合センターが増加して、結晶性の向上が難しくなるという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、このような実情に鑑み、長波長帯ＧａＩｎＮＡｓ系レーザ素子において、特性温度が１５０〜２００Ｋ程度に高く、且つ、室温でのしきい値電流密度が低い半導体レーザ素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、量子井戸構造の少なくとも一方の側に多重量子障壁層を設けることにより、量子井戸構造のΔＥｂを大きくすることを着想し、実験を重ねて、本発明を発明するに到った。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造をＧａＡｓ基板上に備える半導体レーザ素子において、
活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造として構成され、
多重量子障壁層が、量子井戸構造の少なくとも一方の側に隣接して装荷されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明では、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造の少なくともの一方の側に隣接して多重量子障壁構造（以下、ＭＱＢと言う）が配置されている。
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）は、ＧａＩｎＮＡｓ、又はＧａＩｎＮＡｓに微量のＳｂを添加したＧａＩｎＮＡｓＳｂを意味している。また、ＧａＮＡｓ（Ｓｂ）は、ＧａＮＡｓ、又はＧａＮＡｓに微量のＳｂを添加したＧａＮＡｓＳｂを意味している。
【００１２】
ＭＱＢは、数分子層（ＭＬ）の低バンドギャップ・エネルギー（Ｅｇ）層と、数分子層（ＭＬ）の高バンドギャップ・エネルギー（Ｅｇ）層との積層の繰り返しとして構成され、バルクのバリア層を用いた場合よりも、電子波の干渉により、実効的な電子障壁を高めることができるものである。
以上の構成により、量子井戸構造のΔＥｂが大きくなるので、量子井戸構造のバリア層としてＧａＮＡｓを用いる多重量子井戸または単一量子井戸により、低しきい値で温度特性の高い、長波長帯の半導体レーザ素子、例えば１．３μｍ帯半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１３】
ＭＱＢは、Ｅｇ（バンドギャップ・エネルギー、以下同様）の小さいＧａＮＡｓ（Ｓｂ）と、Ｅｇの大きいＡｌＧａＮＡｓ（Ｓｂ）とから構成されるＭＱＢや、Ｅｇの小さいＧａＮＡｓ（Ｓｂ）と、Ｅｇの大きいＧａＮＡｓＰ（Ｓｂ）とから構成されるＭＱＢ等が考えられる。
ＡｌＧａＮＡｓ（Ｓｂ）は、ＡｌＧａＮＡｓ、又はＡｌＧａＮＡｓに微量のＳｂを添加したＡｌＧａＮＡｓＳｂを意味する。
【００１４】
ここで、図２を参照して、一つの例を説明する。図２は、本発明に係る多重量子障壁構造（ＭＱＢ）を備えた半導体レーザ素子の一例の伝導体バンドダイアグラムである。また、図２は実施形態例１の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムでもある。
本例の半導体レーザ素子の多重量子障壁構造（ＭＱＢ）は、図２に示すように、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層と、ＧａＮy1Ａｓバリア層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）から構成される２重量子井戸、その両側にＧａＮy1Ａｓ低エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）５分子層とＡｌxＧａ1-xＮy1Ａｓ（ｘ＝０．１２、バルクのλｇ＝０．９６μｍ）高エネルギーギャップ層５分子層とから構成される５周期のＭＱＢである。
ＭＱＢのトータルの膜厚は、約１５ｎｍとなる。
【００１５】
図３には、量子井戸の電子のｎ＝１レベルから計算した、各バリア層のエネルギー障壁（ΔＥｂ）を示す。
図３に示すように、ＧａＮＡｓバルクバリア層は１３３ｍｅＶのエネルギー障壁、及びＡｌＧａＮＡｓバルクバリア層は２３３ｍｅＶのエネルギー障壁を構成する。一方、ＧａＮＡｓ／ＡｌＧａＮＡｓ系ＭＱＢは、エネルギー障壁が電子波の干渉により実効的エネルギー障壁として３３０ｍｅＶまで増加する。
【００１６】
ＧａＮＡｓ／ＡｌＧａＮＡｓ系ＭＱＢの利点は、第１には、ＭＱＢの各層がＮを含むので、結晶性が良くなるということ、第２には、バルクのＡｌＧａＮＡｓ（λｇ〜０．８７μｍ）よりも低Ａｌ組成で同じエネルギー障壁を実現することができるので、その結果、酸素に起因する非発光再結合センターを減少させることができることである。そして、これにより、しきい値電流密度を低下させることができる等のレーザ特性を向上させることができる。
第３には、ＭＱＢの成長工程で、窒素（Ｎ）流量を変えたり、切り替えたりする必要が無いので、特に、分子線エピタキシー法で成長する場合に、ラジカルが安定して成長し易いということである。
【００１７】
ここで、図４を参照して、別の例を説明する。図４は、本発明に係る多重量子障壁構造（ＭＱＢ）を備えた半導体レーザ素子の別の例の伝導体バンドダイアグラムである。また、図４は実施形態例２の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムでもある。
本例の半導体レーザ素子の多重量子障壁構造（ＭＱＢ）は、図４に示すように、ＭＱＢをＧａＮy1Ａｓ低エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）５分子層と、ＧａＮy1ＡｓＰ高エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝０．９６μｍ）５分子層とから構成される５周期のＭＱＢである。ＭＱＢのトータルも膜厚としては約１５ｎｍとなる。
【００１８】
ＧａＮＡｓ／ＧａＮＡｓＰ系ＭＱＢの利点は、第１には、ＭＱＢの各層がＮを含むので結晶性が良くなるということ、第２には、バルクのＧａＮＡｓＰ（λｇ＝０．８７μｍ）よりも低Ｐ組成で同じエネルギー障壁を実現することができるので、バリア層の引っ張り歪量が低減されて井戸層とバリア層界面のせん断応力が低減され、結晶性が向上することである。そして、それにより、しきい値電流密度の低減等のレーザ特性を向上させることができる。
第３には、ＭＱＢの成長工程で、窒素（Ｎ）流量を変えたり、切り替えたりする必要が無いので、特に、分子線エピタキシー法で成長する場合に、ラジカルが安定して成長し易いということである。
【００１９】
図２及び図４では、量子井戸構造のバリア層としてＧａＮＡｓを用いたが、ＧａＮＡｓＳｂでも良い。
また、ＭＱＢの低Ｅｇ層をＧａＮＡｓとしたが、ＧａＮＡｓＳｂ層でも良く、ＭＱＢの高Ｅｇ層をＡｌＧａＮＡｓ、又はＧａＮＡｓＰとしたが、Ｓｂを含んだＡｌＧａＮＡｓＳｂ、又はＧａＮＡｓＰＳｂでも良い。
ＭＱＢを構成する材料は、ここで述べた以外の材料、例えば低Ｅｇ層としてＩｎＧａＮＡｓＳｂ、或いは高Ｅｇ層としてＡｌＩｎＧａＮＡｓＳｂＰ等を用いても良い。
【００２０】
このように、ΔＥｂが大きく取れるため高い特性温度を有することができ、尚且つ、バリア層にＮを含むので結晶性の向上した、しきい値電流密度の低いレーザを提供できる。
本発明は、端面出射型半導体レーザ素子にも、また、面発光型半導体レーザ素子にも適用できる。更には、発光波長が、０．８５μｍよりも長波長帯の半導体レーザ素子、例えば１．３μｍ帯、及び１．５５μｍ帯の半導体レーザ素子に好適に適用できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の層構造を示す模式図、図２は本実施形態例の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、リッジ導波路型の１３００ｎｍ帯半導体レーザ素子であって、図１に示すように、ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板１２上に、膜厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）バッファ層１４、膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層１６、膜厚０．０８μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層１８、ＭＱＢ構造層２０、活性層２２、ＭＱＢ構造層２４、膜厚０．０８μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層２６、膜厚２μｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層２８、及び膜厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ（ｐ＝３×１０19ｃｍ-3）コンタクト層３０を、順次、積層してなる積層構造を備えている。
【００２２】
ＭＱＢ構造層２０、２４をそれぞれ上下に有する活性層２２は、Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.011Ａｓ0.973Ｓｂ0.016井戸層２２ａと、ＧａＮy1Ａｓ（ｙ１＝０．０１８）バリア層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）２２ｂとを有する２重量子井戸として構成されている。
ＭＱＢ構造層２０は、ＧａＮy1Ａｓ低エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）の５分子層２０ａと、ＡｌXＧａ1-XＮy1Ａｓ（Ｘ＝０．１２、λｇ＝０．９６μｍ）高エネルギーギャップ層の５分子層２０ｂとの５周期のＭＱＢ構造層として構成されている。ここで、Ｎ組成は、厚膜のＧａＮＡｓ層のＸ線回折により求めたものである。
また、ＭＱＢ構造層２４は、ＭＱＢ構造層２０と同じ構成である。ＭＱＢ構造層２０、２４のそれぞれのトータルの膜厚は、約１５ｎｍである。
【００２３】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０及びｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層２８の上部は、エッチングされ、活性層幅３μｍのリッジ導波路型として形成されている。
リッジ側面及びｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層２８の残り層上には、ｐ側電極３４を設けた窓領域を除いて、絶縁膜３２が成膜されている。
ｐ側電極３４は、Ａｕ−ＺｎまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等のｐ型オーミック性金属膜として形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して板厚を１００μｍ程度に調整した後、ｎ側電極３６として、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属膜が設けてある。
共振器長は３００μｍ、前端面（出射端面）は劈開面であり、後端面には反射率８０％の反射膜（図示せず）がＨＲコーティングにより設けられている。
【００２４】
半導体レーザ素子１０の作製では、通常の成長プロセスを適用することによって、容易に作製することができる。また、ＭＱＢ構造層２０、２４は、ガスソースＭＢＥ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかにより容易に形成することができる。
【００２５】
本実施形態例の半導体レーザ素子１０を試作し、ボンディングして、光出力−注入電流特性を調べた結果、２５℃のしきい値電流密度（Ｊth）は０．５ｋＡ／ｃｍ2と低く、２５℃から８５℃のしきい値温度特性は、１６０Ｋという高い特性温度が得られた。
【００２６】
実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図４は本実施形態例の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、リッジ導波路型の１３００ｎｍ帯半導体レーザ素子であって、ＭＱＢ構造層の構成を除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
活性層２２を上下に挟む本実施形態例のＭＱＢ構造層４２、４６は、図４に示すように、ＧａＮＡｓＰ／ＧａＮＡｓからなるＭＱＢ構造層である。
ＭＱＢ構造層４２、４６は、それぞれ、ＧａＮy1Ａｓ（ｙ１＝０．０１８、λｇ＝１．０８μｍ）低エネルギーギャップ層の５分子層と、ＧａＮy1ＡｓＰy2（ｙ１＝０．０１８、ｙ２＝０．１２、λｇ＝０．９６μｍ）高エネルギーギャップ層の５分子層とから構成される５周期のＭＱＢである。
以上の構成により、本実施形態例の半導体レーザ素子は、実施形態例１と同様の効果を奏することができる。
【００２７】
実施形態例１及び２で２重量子井戸として構成されている活性層２２のＧａＮy1Ａｓバリア層２２ｂは、Ｓｂを含んだＧａＮy1ＡｓＳｂバリア層でも良い。
また、ＭＱＢの低Ｅｇ層をＧａＮＡｓとしたが、ＧａＮＡｓＳｂでも良く、ＭＱＢの高Ｅｇ層をＡｌＧａＮＡｓ又はＧａＮＡｓＰとしたが、Ｓｂを含んだＡｌＧａＮＡｓＳｂ又はＧａＮＡｓＰＳｂでも良い。ＭＱＢを構成する材料は、ここで述べた以外の材料を用いても良い。
【００２８】
実施形態例１及び２では、活性層の上下両側にＭＱＢ構造層を設けているが、活性層の上下少なくとも一方にＭＱＢ構造層を設けても、バルク層のみの障壁層を有する構造よりも、しきい値電流密度が低く、特性温度が高くなるという効果を奏することを確認することができた。
また、クラッド層はＡｌＧａＡｓを用いたが、ＩｎＧａＰでも良い。更には、２重量子井戸を用いたが、単一量子井戸でも３重量子井戸以上の多重量子井戸でも良い。
また、実施形態例１及び２では、波長１３００ｎｍ帯の半導体レーザ素子を例として示したが、波長１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯の半導体レーザ素子にも同様に適用することができる。
【００２９】
光閉じ込め層は、ＧａＡｓを用いたＳＣＨ構造の代わりに、ＡｌXＧａ1-XＡｓを用いたＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造でも良い。
本実施形態例は、ストライプ型半導体レーザ素子の構造として、リッジ導波路型半導体レーザ素子を例として示したが、本発明は、埋め込み型ヘテロ構造（ＢＨ）ストライプレーザでも、ＴＪＳレーザ等にも適用できる。
更には、面発光レーザの活性層としても、本発明を適用することができる。
また、活性層の少なくとも一方の側にＭＱＢを設けることにより、面発光型半導体レーザ素子にも本発明を適用することができる。更には、フォトダイオード等の受発光素子にも適用できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造として構成されているとき、量子井戸構造の少なくとも一方の側に隣接して多重量子障壁層を装荷することにより、しきい値電流密度が低く、特性温度が高く、活性層を含む層を含む層の結晶性が良好な半導体レーザ素子を実現することができる。
例えば、ＧａＡｓ基板上に形成された１３００ｎｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）量子井戸構造の半導体レーザ素子では、活性層の少なくとも一方の側に多重量子障壁層（ＭＱＢ）を設けることにより、結晶性が向上して、しきい値電流密度が低減し、かつΔＥｂが大きくなることにより１５０Ｋ以上の特性温度を実現することができる。
これにより、低しきい値電流密度で、かつ高温度特性を有するペルチェ素子フリーのアクセス向けの１．３μｍ帯の半導体レーザ素子を提供できる。また、本発明を適用することにより、ＧａＡｓ基板上に形成された１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）面発光型半導体レーザ素子の特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図２】実施形態例１の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
【図３】量子井戸の電子のｎ＝１レベルから計算した、バリア層のエネルギー障壁（ΔＥｂ）を示す。
【図４】実施形態例２の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
【図５】従来のＧａＮＡｓＰ又はＡｌＧａＮＡｓバリア層を用いた半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムを示す。
【符号の説明】
１０ 実施形態例１の半導体レーザ素子
１２ ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板
１４ ｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）バッファ層
１６ ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層
１８ ＧａＡｓ光閉じ込め層
２０ ＭＱＢ構造層
２２ 活性層
２４ ＭＱＢ構造層
２６ ＧａＡｓ光閉じ込め層
２８ ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層
３０ ｐ−ＧａＡｓ（ｐ＝３×１０19ｃｍ-3）コンタクト層
３２ 絶縁膜
３４ ｐ側電極
３６ ｎ側電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器構造をＧａＡｓ基板上に備える半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、低いしきい値で、かつ温度特性が高い半導体レーザ素子、特に光通信用の長波長帯半導体レーザ素子として最適な半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光加入者線システムで光源として使用される半導体レーザ素子は、光ファイバーの分散が最小となる波長１．３μｍ帯の半導体レーザ素子が主流になろうとしている。
波長１．３μｍ帯の半導体レーザ素子として、以前から、ＩｎＰ基板上に形成したＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子が開発されており、室温でのしきい値電流が１ｍＡ未満になる低しきい値電流の半導体レーザ素子が実現している。
【０００３】
ところで、ＧａＩｎＡｓＰ系の材料系は、しきい値の温度特性が５０〜７０Ｋと悪いので、ＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子に冷却素子を設けて素子温度を制御することが必要である。
光加入者線システムで各家庭に半導体レーザ装置を光源として配置するためには、レーザ送信モジュールの小型化と低消費電力化が要求されており、冷却素子を必要としない温度特性に優れた長波長帯半導体レーザ素子が強く求められている。
【０００４】
そこで、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた半導体レーザ素子により、特性温度を１８０Ｋ程度まで向上させることができると提案され、実験的にも、１３０〜２００Ｋ程度の高温度特性が報告されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまで報告されているＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ素子は、一般のＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡｓＰ系レーザと比べて、室温でのしきい値電流密度が高いという問題があった。
そこで、本発明者らは、これを解決するための方策として、２つの方法を提案している。
一つは、室温でのしきい値電流密度を低下させるために、ＧａＩｎＮＡｓに微量のＳｂを組成として含ませ、ＧａＩｎＮＡｓの３次元成長を抑制して、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層とする方法である（特願２００１−１２４３００）。
【０００６】
他の一つは、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層と、ＧａＮＡｓ障壁層とを組み合わせて用いることである（特願２００１−１２４３００）。
障壁層にＧａＮＡｓを用いる問題点として、しきい値電流密度は低くなるものの、井戸層とバリア層の間の電子に対するエネルギー障壁（以下、ΔＥｂとも言う）が低くなるために、特性温度が低下して８０〜１００Ｋ程度になってしまうということである。ここで、ΔＥｂは、量子井戸内の電子の第一量子準位とバリア層の間のエネルギー障壁を表す。
【０００７】
そこで、更に、本発明者らは、ＧａＡｓバリア層と同程度の電子に対するエネルギー障壁（ΔＥｂ）を有するＧａＮＡｓＰバリア層又はＡｌＧａＮＡｓバリア層を使い、かつその組成を限定することにより、特性温度の低下を抑制する方法を提案している（特願２００１−１２７４７６）。
【０００８】
しかし、バリア層をＧａＮＡｓＰ又はＡｌＧａＮＡｓで構成する方法にも更なる課題がある。ここで、図５を参照して、その課題を説明する。図５に、従来のＧａＮＡｓＰ又はＡｌＧａＮＡｓバリア層を用いた半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムを示す。
ＧａＮＡｓＰバリア層の場合、ＧａＡｓ（λｇ＝０．８７μｍ）バリア層と同程度にＧａＮＡｓＰバリア層のΔＥｂを大きくするためには、リン（Ｐ）組成を多くする必要があるものの、Ｐ組成を多くすると、引っ張り歪が大きくなり、井戸層との界面のせん断応力が大きくなって、結晶性の向上が難しくなるという問題がある。。
また、ＡｌＧａＮＡｓバリア層の場合、ＧａＡｓバリア層と同程度にＡｌＧａＮＡｓバリア層のΔＥｂを大きくするためには、Ａｌ組成を多くする必要があるものの、Ａｌ組成を多くすると、Ａｌと結合しやすい酸素に起因した非発光再結合センターが増加して、結晶性の向上が難しくなるという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、このような実情に鑑み、長波長帯ＧａＩｎＮＡｓ系レーザ素子において、特性温度が１５０〜２００Ｋ程度に高く、且つ、室温でのしきい値電流密度が低い半導体レーザ素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、量子井戸構造の少なくとも一方の側に多重量子障壁層を設けることにより、量子井戸構造のΔＥｂを大きくすることを着想し、実験を重ねて、本発明を発明するに到った。
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造をＧａＡｓ基板上に備える半導体レーザ素子において、
活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造として構成され、
多重量子障壁層が、量子井戸構造の少なくとも一方の側に隣接して装荷されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明では、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造の少なくともの一方の側に隣接して多重量子障壁構造（以下、ＭＱＢと言う）が配置されている。
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）は、ＧａＩｎＮＡｓ、又はＧａＩｎＮＡｓに微量のＳｂを添加したＧａＩｎＮＡｓＳｂを意味している。また、ＧａＮＡｓ（Ｓｂ）は、ＧａＮＡｓ、又はＧａＮＡｓに微量のＳｂを添加したＧａＮＡｓＳｂを意味している。
【００１２】
ＭＱＢは、数分子層（ＭＬ）の低バンドギャップ・エネルギー（Ｅｇ）層と、数分子層（ＭＬ）の高バンドギャップ・エネルギー（Ｅｇ）層との積層の繰り返しとして構成され、バルクのバリア層を用いた場合よりも、電子波の干渉により、実効的な電子障壁を高めることができるものである。
以上の構成により、量子井戸構造のΔＥｂが大きくなるので、量子井戸構造のバリア層としてＧａＮＡｓを用いる多重量子井戸または単一量子井戸により、低しきい値で温度特性の高い、長波長帯の半導体レーザ素子、例えば１．３μｍ帯半導体レーザ素子を実現することができる。
【００１３】
ＭＱＢは、Ｅｇ（バンドギャップ・エネルギー、以下同様）の小さいＧａＮＡｓ（Ｓｂ）と、Ｅｇの大きいＡｌＧａＮＡｓ（Ｓｂ）とから構成されるＭＱＢや、Ｅｇの小さいＧａＮＡｓ（Ｓｂ）と、Ｅｇの大きいＧａＮＡｓＰ（Ｓｂ）とから構成されるＭＱＢ等が考えられる。
ＡｌＧａＮＡｓ（Ｓｂ）は、ＡｌＧａＮＡｓ、又はＡｌＧａＮＡｓに微量のＳｂを添加したＡｌＧａＮＡｓＳｂを意味する。
【００１４】
ここで、図２を参照して、一つの例を説明する。図２は、本発明に係る多重量子障壁構造（ＭＱＢ）を備えた半導体レーザ素子の一例の伝導体バンドダイアグラムである。また、図２は実施形態例１の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムでもある。
本例の半導体レーザ素子の多重量子障壁構造（ＭＱＢ）は、図２に示すように、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層と、ＧａＮy1Ａｓバリア層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）から構成される２重量子井戸、その両側にＧａＮy1Ａｓ低エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）５分子層とＡｌxＧａ1-xＮy1Ａｓ（ｘ＝０．１２、バルクのλｇ＝０．９６μｍ）高エネルギーギャップ層５分子層とから構成される５周期のＭＱＢである。
ＭＱＢのトータルの膜厚は、約１５ｎｍとなる。
【００１５】
図３には、量子井戸の電子のｎ＝１レベルから計算した、各バリア層のエネルギー障壁（ΔＥｂ）を示す。
図３に示すように、ＧａＮＡｓバルクバリア層は１３３ｍｅＶのエネルギー障壁、及びＡｌＧａＮＡｓバルクバリア層は２３３ｍｅＶのエネルギー障壁を構成する。一方、ＧａＮＡｓ／ＡｌＧａＮＡｓ系ＭＱＢは、エネルギー障壁が電子波の干渉により実効的エネルギー障壁として３３０ｍｅＶまで増加する。
【００１６】
ＧａＮＡｓ／ＡｌＧａＮＡｓ系ＭＱＢの利点は、第１には、ＭＱＢの各層がＮを含むので、結晶性が良くなるということ、第２には、バルクのＡｌＧａＮＡｓ（λｇ〜０．８７μｍ）よりも低Ａｌ組成で同じエネルギー障壁を実現することができるので、その結果、酸素に起因する非発光再結合センターを減少させることができることである。そして、これにより、しきい値電流密度を低下させることができる等のレーザ特性を向上させることができる。
第３には、ＭＱＢの成長工程で、窒素（Ｎ）流量を変えたり、切り替えたりする必要が無いので、特に、分子線エピタキシー法で成長する場合に、ラジカルが安定して成長し易いということである。
【００１７】
ここで、図４を参照して、別の例を説明する。図４は、本発明に係る多重量子障壁構造（ＭＱＢ）を備えた半導体レーザ素子の別の例の伝導体バンドダイアグラムである。また、図４は実施形態例２の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムでもある。
本例の半導体レーザ素子の多重量子障壁構造（ＭＱＢ）は、図４に示すように、ＭＱＢをＧａＮy1Ａｓ低エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）５分子層と、ＧａＮy1ＡｓＰ高エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝０．９６μｍ）５分子層とから構成される５周期のＭＱＢである。ＭＱＢのトータルも膜厚としては約１５ｎｍとなる。
【００１８】
ＧａＮＡｓ／ＧａＮＡｓＰ系ＭＱＢの利点は、第１には、ＭＱＢの各層がＮを含むので結晶性が良くなるということ、第２には、バルクのＧａＮＡｓＰ（λｇ＝０．８７μｍ）よりも低Ｐ組成で同じエネルギー障壁を実現することができるので、バリア層の引っ張り歪量が低減されて井戸層とバリア層界面のせん断応力が低減され、結晶性が向上することである。そして、それにより、しきい値電流密度の低減等のレーザ特性を向上させることができる。
第３には、ＭＱＢの成長工程で、窒素（Ｎ）流量を変えたり、切り替えたりする必要が無いので、特に、分子線エピタキシー法で成長する場合に、ラジカルが安定して成長し易いということである。
【００１９】
図２及び図４では、量子井戸構造のバリア層としてＧａＮＡｓを用いたが、ＧａＮＡｓＳｂでも良い。
また、ＭＱＢの低Ｅｇ層をＧａＮＡｓとしたが、ＧａＮＡｓＳｂ層でも良く、ＭＱＢの高Ｅｇ層をＡｌＧａＮＡｓ、又はＧａＮＡｓＰとしたが、Ｓｂを含んだＡｌＧａＮＡｓＳｂ、又はＧａＮＡｓＰＳｂでも良い。
ＭＱＢを構成する材料は、ここで述べた以外の材料、例えば低Ｅｇ層としてＩｎＧａＮＡｓＳｂ、或いは高Ｅｇ層としてＡｌＩｎＧａＮＡｓＳｂＰ等を用いても良い。
【００２０】
このように、ΔＥｂが大きく取れるため高い特性温度を有することができ、尚且つ、バリア層にＮを含むので結晶性の向上した、しきい値電流密度の低いレーザを提供できる。
本発明は、端面出射型半導体レーザ素子にも、また、面発光型半導体レーザ素子にも適用できる。更には、発光波長が、０．８５μｍよりも長波長帯の半導体レーザ素子、例えば１．３μｍ帯、及び１．５５μｍ帯の半導体レーザ素子に好適に適用できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の層構造を示す模式図、図２は本実施形態例の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、リッジ導波路型の１３００ｎｍ帯半導体レーザ素子であって、図１に示すように、ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板１２上に、膜厚０．５μｍのｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）バッファ層１４、膜厚２μｍのｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層１６、膜厚０．０８μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層１８、ＭＱＢ構造層２０、活性層２２、ＭＱＢ構造層２４、膜厚０．０８μｍのＧａＡｓ光閉じ込め層２６、膜厚２μｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層２８、及び膜厚０．３μｍのｐ−ＧａＡｓ（ｐ＝３×１０19ｃｍ-3）コンタクト層３０を、順次、積層してなる積層構造を備えている。
【００２２】
ＭＱＢ構造層２０、２４をそれぞれ上下に有する活性層２２は、Ｇａ0.63Ｉｎ0.37Ｎ0.011Ａｓ0.973Ｓｂ0.016井戸層２２ａと、ＧａＮy1Ａｓ（ｙ１＝０．０１８）バリア層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）２２ｂとを有する２重量子井戸として構成されている。
ＭＱＢ構造層２０は、ＧａＮy1Ａｓ低エネルギーギャップ層（バルクのλｇ＝１．０８μｍ）の５分子層２０ａと、ＡｌXＧａ1-XＮy1Ａｓ（Ｘ＝０．１２、λｇ＝０．９６μｍ）高エネルギーギャップ層の５分子層２０ｂとの５周期のＭＱＢ構造層として構成されている。ここで、Ｎ組成は、厚膜のＧａＮＡｓ層のＸ線回折により求めたものである。
また、ＭＱＢ構造層２４は、ＭＱＢ構造層２０と同じ構成である。ＭＱＢ構造層２０、２４のそれぞれのトータルの膜厚は、約１５ｎｍである。
【００２３】
積層構造のうち、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０及びｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層２８の上部は、エッチングされ、活性層幅３μｍのリッジ導波路型として形成されている。
リッジ側面及びｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓクラッド層２８の残り層上には、ｐ側電極３４を設けた窓領域を除いて、絶縁膜３２が成膜されている。
ｐ側電極３４は、Ａｕ−ＺｎまたはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等のｐ型オーミック性金属膜として形成されている。また、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面を研磨して板厚を１００μｍ程度に調整した後、ｎ側電極３６として、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属膜が設けてある。
共振器長は３００μｍ、前端面（出射端面）は劈開面であり、後端面には反射率８０％の反射膜（図示せず）がＨＲコーティングにより設けられている。
【００２４】
半導体レーザ素子１０の作製では、通常の成長プロセスを適用することによって、容易に作製することができる。また、ＭＱＢ構造層２０、２４は、ガスソースＭＢＥ法、ＭＢＥ法、ＣＢＥ法、ＭＯＣＶＤ法のいずれかにより容易に形成することができる。
【００２５】
本実施形態例の半導体レーザ素子１０を試作し、ボンディングして、光出力−注入電流特性を調べた結果、２５℃のしきい値電流密度（Ｊth）は０．５ｋＡ／ｃｍ2と低く、２５℃から８５℃のしきい値温度特性は、１６０Ｋという高い特性温度が得られた。
【００２６】
実施形態例２
本実施形態例は本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、図４は本実施形態例の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、リッジ導波路型の１３００ｎｍ帯半導体レーザ素子であって、ＭＱＢ構造層の構成を除いて、実施形態例１の半導体レーザ素子１０と同じ構成を備えている。
活性層２２を上下に挟む本実施形態例のＭＱＢ構造層４２、４６は、図４に示すように、ＧａＮＡｓＰ／ＧａＮＡｓからなるＭＱＢ構造層である。
ＭＱＢ構造層４２、４６は、それぞれ、ＧａＮy1Ａｓ（ｙ１＝０．０１８、λｇ＝１．０８μｍ）低エネルギーギャップ層の５分子層と、ＧａＮy1ＡｓＰy2（ｙ１＝０．０１８、ｙ２＝０．１２、λｇ＝０．９６μｍ）高エネルギーギャップ層の５分子層とから構成される５周期のＭＱＢである。
以上の構成により、本実施形態例の半導体レーザ素子は、実施形態例１と同様の効果を奏することができる。
【００２７】
実施形態例１及び２で２重量子井戸として構成されている活性層２２のＧａＮy1Ａｓバリア層２２ｂは、Ｓｂを含んだＧａＮy1ＡｓＳｂバリア層でも良い。
また、ＭＱＢの低Ｅｇ層をＧａＮＡｓとしたが、ＧａＮＡｓＳｂでも良く、ＭＱＢの高Ｅｇ層をＡｌＧａＮＡｓ又はＧａＮＡｓＰとしたが、Ｓｂを含んだＡｌＧａＮＡｓＳｂ又はＧａＮＡｓＰＳｂでも良い。ＭＱＢを構成する材料は、ここで述べた以外の材料を用いても良い。
【００２８】
実施形態例１及び２では、活性層の上下両側にＭＱＢ構造層を設けているが、活性層の上下少なくとも一方にＭＱＢ構造層を設けても、バルク層のみの障壁層を有する構造よりも、しきい値電流密度が低く、特性温度が高くなるという効果を奏することを確認することができた。
また、クラッド層はＡｌＧａＡｓを用いたが、ＩｎＧａＰでも良い。更には、２重量子井戸を用いたが、単一量子井戸でも３重量子井戸以上の多重量子井戸でも良い。
また、実施形態例１及び２では、波長１３００ｎｍ帯の半導体レーザ素子を例として示したが、波長１４８０ｎｍ帯、１５５０ｎｍ帯、１６５０ｎｍ帯の半導体レーザ素子にも同様に適用することができる。
【００２９】
光閉じ込め層は、ＧａＡｓを用いたＳＣＨ構造の代わりに、ＡｌXＧａ1-XＡｓを用いたＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造でも良い。
本実施形態例は、ストライプ型半導体レーザ素子の構造として、リッジ導波路型半導体レーザ素子を例として示したが、本発明は、埋め込み型ヘテロ構造（ＢＨ）ストライプレーザでも、ＴＪＳレーザ等にも適用できる。
更には、面発光レーザの活性層としても、本発明を適用することができる。
また、活性層の少なくとも一方の側にＭＱＢを設けることにより、面発光型半導体レーザ素子にも本発明を適用することができる。更には、フォトダイオード等の受発光素子にも適用できる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造として構成されているとき、量子井戸構造の少なくとも一方の側に隣接して多重量子障壁層を装荷することにより、しきい値電流密度が低く、特性温度が高く、活性層を含む層を含む層の結晶性が良好な半導体レーザ素子を実現することができる。
例えば、ＧａＡｓ基板上に形成された１３００ｎｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）量子井戸構造の半導体レーザ素子では、活性層の少なくとも一方の側に多重量子障壁層（ＭＱＢ）を設けることにより、結晶性が向上して、しきい値電流密度が低減し、かつΔＥｂが大きくなることにより１５０Ｋ以上の特性温度を実現することができる。
これにより、低しきい値電流密度で、かつ高温度特性を有するペルチェ素子フリーのアクセス向けの１．３μｍ帯の半導体レーザ素子を提供できる。また、本発明を適用することにより、ＧａＡｓ基板上に形成された１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）面発光型半導体レーザ素子の特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の層構造を示す模式図である。
【図２】実施形態例１の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
【図３】量子井戸の電子のｎ＝１レベルから計算した、バリア層のエネルギー障壁（ΔＥｂ）を示す。
【図４】実施形態例２の半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムである。
【図５】従来のＧａＮＡｓＰ又はＡｌＧａＮＡｓバリア層を用いた半導体レーザ素子の伝導体バンドダイアグラムを示す。
【符号の説明】
１０ 実施形態例１の半導体レーザ素子
１２ ｎ−ＧａＡｓ（１００）面基板
１４ ｎ−ＧａＡｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）バッファ層
１６ ｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層
１８ ＧａＡｓ光閉じ込め層
２０ ＭＱＢ構造層
２２ 活性層
２４ ＭＱＢ構造層
２６ ＧａＡｓ光閉じ込め層
２８ ｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3）クラッド層
３０ ｐ−ＧａＡｓ（ｐ＝３×１０19ｃｍ-3）コンタクト層
３２ 絶縁膜
３４ ｐ側電極
３６ ｎ側電極
Claims (5)
- 活性層と、クラッド層とを有し、発生した光からレーザ光を得る共振器構造をＧａＡｓ基板上に備える半導体レーザ素子において、
活性層が、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｓｂ）井戸層とＧａＮＡｓ（Ｓｂ）障壁層とを有する量子井戸構造として構成され、
ＧａＮＡｓ（Ｓｂ）からなる低バンドギャップ・エネルギー層と、ＧａＮＡｓＰ（Ｓｂ）又はＡｌＧａＮＡｓ（Ｓｂ）からなる高バンドギャップ・エネルギー層とを有する多重量子障壁層が、量子井戸構造の少なくとも一方の側に隣接して装荷されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 発光波長が、０．８５μｍよりも長波長帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 発光波長が、１．３μｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 発光波長が、１．５５μｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 面発光型半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１から４の何れか一に記載の半導体レーザ素子。
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