JP4804623B2

JP4804623B2 - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP4804623B2
Application number: JP2000373151A
Authority: JP
Inventors: 秋彦粕川; 弥樹博横関
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2020-12-07
Also published as: JP2001230496A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自己整合型の半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、高光出力での発振が可能であり、長期の動作信頼性も高い半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自己整合型の半導体レーザ素子は、注入電流と発振レーザ光を共振器内に同時に閉じ込めることができる高光出力のレーザ素子であって、通常、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いて製造されている。
そのような従来の半導体レーザ素子の層構造の１例Ａを図２に示す。
【０００３】
この素子では、ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ−ＧａＡｓから成る厚み０.５μｍのバッファ層２，ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る厚み２.０μｍの下部クラッド層３，ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓから成る厚み５０nmの下部光閉じ込め層４，Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓから成る厚み７nmの量子井戸層とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓから成る厚み１０nmの障壁層とで構成されている活性層５，ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓから成る厚み５０nmの上部光閉じ込め層６が積層されており、そして、前記上部光閉じ込め層６の上に、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る厚み５００nmの上部クラッド層７ａと、ｎ−Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓから成る厚み０.５μｍの電流狭窄層も兼ねる低屈折率層８が積層され、これらは厚み２．０μｍのｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る上部クラッド層７ｂで埋設されている。そして、この上部クラッド層７ｂの上にはｐ−ＧａＡｓから成る厚み０.５μｍのコンタクト層９が積層されている。なお、コンタクト層９には上部電極（図示しない）が形成され、基板１の裏面には下部電極（図示しない）が形成されている。
【０００４】
この素子の層構造Ａにおいて、電流狭窄層（低屈折率層）８には上部クラッド層７ａにまで至る所定幅のチャンネル１０が電流注入経路として形成され、光と電流の横（幅）方向へ閉じ込め構造が形成されている。
チャンネル１０の幅Ｗ、すなわち、チャンネル内で電界強度（光分布）が最も強い部分の幅は、発振レーザ光の横モード制御との関係で決められる。具体的には、上記した半導体レーザ素子において、上部クラッド層７ａがｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成り、その厚みが上記したような５００nm程度である場合、活性層５で発振したレーザ光の高次モードをカットオフして基本横モード動作させるために必要なカットオフ幅との関係で、上記チャンネル１０の幅Ｗを２．５μｍ程度に設計している。
【０００５】
この素子は次のようにして製造される。
まず、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法により、基板１の上に、前記したバッファ層２，下部クラッド層３，下部光閉じ込め層４，活性層５，上部光閉じ込め層６を順次成膜し、更にその上に厚み５００nm程度の上部クラッド層７ａを成膜したのち、その上に低屈折率層にすべき層８’を成膜して図３で示した層構造Ａ₀を形成する。
【０００６】
活性層５は、ＧａＡｓから成る厚み１０nmの障壁層で分離され、それぞれは厚み７nmであるＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓから成る２層の量子井戸、および、これら量子井戸の両側に配置された厚み２０nmのＧａＡｓから成る光閉じ込め層で形成されている。
ついで、結晶成長装置から層構造Ａ₀を取り出し、その層構造Ａ₀に対してホトリソグラフィーとウェットエッチング処理を行い、層８’にチャンネル幅Ｗが２．５μｍであるチャンネル１０を形成して電流狭窄層（低屈折率層）８を有する層構造Ａ₁にする（図４）。なお、上記ウェットエッチング処理で形成されるチャンネル１０の側面１０ａは、エッチングの異方性の影響を受けて上方に広がる傾斜面になっている。
【０００７】
ついで、層構造Ａ₁を再び結晶成長装置内に配置し、層構造Ａ₁の上に上部クラッド層７ｂとコンタクト層９を順次成膜し、図５で示した層構造Ａ₂を形成する。
そして、この層構造Ａ₂に上部電極と下部電極を形成したのち、共振器長が８００μｍとなるように劈開して図２で示した層構造Ａとし、一方の劈開面（前端面）Ｓ₁に反射率５％の膜を成膜し、他方の劈開面（後端面）Ｓ₂に反射率９２％の膜を成膜して目的とするレーザ素子が製造される。
【０００８】
上記した仕様で製造されたレーザ素子は、しきい値電流が１５mAであり、基本モードにおいて、キンクによって制限される最大光出力は３５０mW程度である。そして、発振波長はほぼ９８０nmである。
ところで、低屈折率層８におけるカットオフ幅が２．５μｍ程度である上記したレーザ素子には、次のような問題がある。
【０００９】
第１の問題は、近年のレーザ素子の高光出力化の要望に応えるべく、上記レーザ素子を更に高出力化させようとすると、キンク発生の問題に加えて新たな問題が発生してくる。具体的には、光出力５００mW程度で動作させると、前端面Ｓ₁における光密度は高くなり、数１０MW／cm²にまで達する。そのため、当該前端面Ｓ₁が光学損傷を受け、いわゆるＣＯＭＤ（Catastrophic Optical Mirror Damage）が発生して頓死するという問題である。
【００１０】
第２の問題は、低屈折率層８を上部クラッド層７ａおよび７ｂよりも屈折率が小さくなるようにするために、その低屈折率層８を構成する半導体材料がＡｌ組成比の高いＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓで形成していることに起因する。具体的には、層構造Ａ₁を形成したのち、上部クラッド層７ｂが積層される前に、当該低屈折率層８に形成したチャンネル１０の表面（側面）が露出するため、その表面が大気中の酸素によって酸化されることがあるという問題である。このようなチャンネル１０（低屈折率層８）の表面酸化、とりわけ活性層５に近いチャンネル１０の側面において酸化が起こっていると、製造したレーザ素子を連続動作させたときに短時間で光出力の低下が進み、その結果、素子としての長期信頼性の低下という問題が生ずる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、図５で示した層構造を有する自己整合型の半導体レーザ素子の上記問題を解決し、１０００mW以上という高光出力での発振時にあってもＣＯＭＤが発生しにくく、また長期信頼性も高い自己整合型の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、電流狭窄層も兼ねる低屈折率層が活性層の近傍に形成されている自己整合型の半導体レーザ素子において、前記低屈折率層はＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）から成る複数の化合物半導体層から成り、かつ、前記活性層から離隔している前記化合物半導体層ほど低屈折率になっており、チャンネル側の前記低屈折率層を構成する複数の層の側面が、連続的な面を形成し、前記活性層から離隔している前記化合物半導体層ほど、そのＡｌ組成比が高くなっていることを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１３】
また、前記複数の層は、５層以上であることを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ素子における層構造の１例Ｂを図１に示す。この層構造Ｂは、低屈折率層８が後述する態様になっていることを除いては、図２で示した層構造Ａの場合と同じになっている。
この低屈折率層８は、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰなどのＧａＡｓ系化合物半導体から成る複数の層８₁，８₂，……８_iで構成されている。そして、活性層５から離隔している箇所に位置している層ほど低屈折率の層になっている。すなわち、この低屈折率層８においては、上部クラッド層７ａの上に直接成膜されている層８₁の屈折率が最も高く、上にいくほど屈折率が順次低くなっているのである。
【００１５】
このような低屈折率層８は、図３で示した層構造Ａ₀における層８’の形成時に、Ａｌ組成比が異なるＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を順次成膜することにより、Ａｌに関する組成変化を有する層として形成することができる。
具体的には、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓから成る上部クラッド層７ａの上に、少なくとも前記上部クラッド層７ａとＡｌ組成が同じであるか、またはそれより小さいＡｌ組成比のｎ−ＡｌＧａＡｓで層８₁を成膜し、その層８₁の上にはＡｌ組成比が層８₁より大きいＡｌＧａＡｓで次の層８₂を成膜し、更にその上には層８₂よりＡｌ組成比が高いＡｌＧａＡｓで次の層を成膜するという操作を反復し、上にいくほどＡｌ組成比が階段状に高くなっていく層にする。
【００１６】
なお、低屈折率層８におけるＡｌの組成変化は、上記したように順次Ａｌ組成比が高くなっていく階段状の変化であってもよいが、Ａｌ組成比が直線的に変化するようにしてもよく、また放物線状に変化するようにしてもよい。
低屈折率層８における上記したようなＡｌの組成変化は、上部クラッド層７ａおよび７ｂの屈折率に対して低屈折率層８全体の等価屈折率（Σdini／Σdiによって近似される；diは各化合物半導体層の厚み、niは各化合物半導体層の屈折率）が小さくなるように設計する必要がある。
【００１７】
また、チャンネル１０の部分と低屈折率層８の部分の等価屈折率比が、図５で示した単一の低屈折率層８の場合に比べて小さくなるように設計するとチャンネル１０の底部の幅Ｗを広くしても基本横モード動作を実現できるようになる。
したがって、このレーザ素子の場合、図５で示した従来構造の半導体レーザ素子よりもカットオフ幅を広くすることができるので、高光出力発振時における前端面の光密度は小さくなり、ＣＯＭＤの発生が起こりづらくなる。逆にいえば、ＣＯＭＤを起こすことなく高光出力発振を実現することができる。
【００１８】
また、チャンネル１０の底部近辺における層のＡｌ組成比が従来よりも小さくなっているので、図５で示した従来構造の層構造Ａの場合に比べてチャンネル１０の底部近辺、すなわち、活性層近傍の酸化が抑制される。換言すれば、電界強度が最も強くなる底部の側面の酸化は抑制される。したがって、このレーザ素子の長期信頼性は従来構造よりも高くなる。
【００１９】
なお、低屈折率層８のチャンネル１０底部近辺における酸化を防止するために、ＧａＡｓにより低屈折率層８の最下層を成膜してもよい。加えて、低屈折率層８の等価屈折率を上部クラッド層７ａおよび７ｂよりも小さくなるように選択すれば、前記低屈折率層８を、ＡｌＧａＡｓの代わりに、Ｇａ _1-y Ｉｎ _yＡｓ_zＰ_1-z（０≦ｙ≦０．５，０≦ｚ≦１）で形成することもできる。この場合には、Ｇａ _1-y Ｉｎ _yＡｓ_zＰ_1-zはＡｌを含まないので、酸化抑制にはより顕著な効果を得ることができる。
【００２０】
なお、この場合においても、チャンネル１０の部分と低屈折率層８のチャンネル１０以外の部分の等価屈折率比が、図５で示した単一の低屈折率層８の場合に比べて小さくなるように設計すると、チャンネル１０の底部の幅Ｗを広くしても基本横モード動作を実現できるようになる。したがって、このレーザ素子の場合も、図５で示した従来構造の半導体レーザ素子よりもカットオフ幅を広くすることができるので、高光出力発振時における前端面の光密度は小さくなり、ＣＯＭＤの発生が起こりづらくなる。逆にいえば、ＣＯＭＤを起こすことなく高光出力発振を実現することができる。
【００２１】
【実施例】
チャンネル１０の幅Ｗが５μｍであったこと、低屈折率層８が、最下層８₁の成膜に際しては厚み０．０５μｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ（屈折率３．５３６）を用い、順次Ａｌ組成比を、層８₂は０．２５（厚み：０．０５μｍ、屈折率３．５１４）、層８₃は０．３（厚み：０．１μｍ、屈折率３．４９３）、層８₄は０．３５（厚み：０．１５μｍ、屈折率３．４７１）とリニアに高めていき、最上層８₅では厚み０．１５μｍのＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ（屈折率３．４５０）となる５層から成膜されていることを除いては、図５で示した層構造Ａ₂と同じ層構造ＢをＧａＡｓ基板の上に形成した。
【００２２】
なお、この場合の低屈折率層８の等価屈折率は、Σdini／Σdi（但し、diは各層の厚み、niは各化合物半導体層の屈折率）によって近似すると３．４８になる。
そして、この層構造に電極を形成したのち共振器長８００μｍに劈開し、その前端面Ｓ₁と後端面Ｓ₂に反射率５％，９２％の膜をそれぞれ成膜してレーザ素子にした。
【００２３】
このレーザ素子のしきい値電流は２０mAであり、また基本横モードでのキンクによって制限される最大光出力は５００mWであった。
また、更に光出力を大きくしていくと、１２００mWでＣＯＭＤが発生した。一方、図５で示した層構造Ａ₂から製造した従来のレーザ素子（チャンネル底部における幅は２．５μｍ、低屈折率層は単一の層）の場合は５００mWでＣＯＭＤが発生した。したがって、本発明のレーザ素子は従来のレーザ素子に比べると、性能は大きく向上している。
【００２４】
また、温度６０℃、光出力２５０mWの条件下で連続動作させ、１０００時間経過後における光出力の減少率を測定したところ、本発明のレーザ素子の場合は０.１〜０.５％であった。一方、従来のレーザ素子の場合は、１〜５％であった。このことから明らかなように、本発明のレーザ素子は従来のレーザ素子に比べて高い長期信頼性を備えている。
【００２５】
また、ＧａＡｓ基板を用いた図１の層構造Ｂにおいて、低屈折率層８を次のような層構造にしたことを除いては、上記実施例と同じ仕様の半導体レーザ素子を製造した。すなわち、低屈折率層８における最下層８₁をＧａＡｓ（屈折率３．５４）で成膜し、順次エネルギーギャップを増大させて最上層をＧａ_0.89 Ｉｎ _0.11Ａｓ_0.78Ｐ_0.22（屈折率３．４５）で成膜した。
【００２６】
この半導体レーザ素子の場合も、低屈折率層をＡｌＧａＡｓで形成した上記半導体レーザ素子と同じような性能を発揮した。
更に、この半導体レーザ素子の場合、低屈折率層８が全てＡｌを含まないＡｌフリー層で構成されているため、材料の酸化に起因する素子の劣化は生じない。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、低屈折率層８の等価屈折率を上述したように適切に選択すれば、どのような組み合わせにしてもよい。
【００２７】
また、低屈折率層８のエッチング制御のため上部クラッド層７ａと低屈折率層８の間にエッチング停止層を設けてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の自己整合型レーザ素子は、高光出力で発振し、しかもＣＯＭＤの発生が起こりづらく、更には高い長期信頼性を備えている。これは、低屈折率層を活性層から遠ざかるほど屈折率が低くなるような傾斜組成の半導体材料で形成したことによってもたらされた効果である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ素子の層構造Ｂを示す断面図である。
【図２】従来の自己整合型レーザ素子の層構造Ａを示す斜視図である。
【図３】図２の層構造Ａを製造する際の従来の層構造Ａ₀を示す断面図である。
【図４】従来の層構造Ａ₁を示す断面図である。
【図５】従来の層構造Ａ₂を示す断面図である。
【符号の説明】
１ＧａＡｓ基板
２バッファ層（ｎ−ＧａＡｓ）
３下部クラッド層（ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ）
４下部光閉じ込め層（ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ）
５活性層（Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ）
６上部光閉じ込め層（ｉ−Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ）
７ａ，７ｂ上部クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ）
８低屈折率層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）
８₁，８₂，……８_i Ａｌ組成比が異なるｎ−ＡｌＧａＡｓ層（屈折率が異なる層）
９コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ）
１０チャンネル
１０ａチャンネル１０の側面

Claims

電流狭窄層も兼ねる低屈折率層が活性層の近傍に形成されている自己整合型の半導体レーザ素子において、
前記低屈折率層は、組成式：Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）で示される化合物半導体の複数の層から成り、かつ、前記活性層から離隔している化合物半導体層ほど低屈折率になっており、
チャンネル側の前記低屈折率層を構成する複数の層の側面が、連続的な面を形成し、
前記活性層から離隔している前記化合物半導体層ほど、そのＡｌ組成比が高くなっている
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
前記複数の層は、５層以上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。