JP4922619B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
本発明は、III-Ｖ族化合物半導体レーザ素子、特にGaAlAs系化合物半導体レーザ素子に関する。
オーディオ、ビデオ等の記録媒体である光ディスクへの記録、再生用光源として半導体レーザ素子が用いられており、特に、高密度な記録を可能とするものとしてGaAlAs系半導体レーザ素子が用いられている。近年では、記録速度を速めるために、GaAlAs系半導体レーザ素子の光出力の高出力化が求められている。このため、良好な信頼性を得るためには、動作電圧を低減し、発熱を低減する必要があった。
しかしながら、GaAlAs系半導体レーザ素子において、GaAs基板と、基板上に隣接して形成される高Al組成比のAlGaAsクラッド層とは、同じ導電型を有し、かつ、バンドギャップが異なるため、これらの半導体（基板とクラッド層）の界面にはバンドの不連続によりポテンシャルが形成される。このようなポテンシャルバリアの高さはバンドの不連続の大きなものほど大きく、バンドギャップの差が大きいほど２つの半導体のバンドの不連続は大きいため、大きなポテンシャルバリアが形成される。このため、AlGaAs系の半導体レーザ素子を形成した場合、動作電圧が増加するという問題点があった。
このような問題点を解決する方法として、GaAs基板と高Al組成比のAlGaAsクラッド層の間にバンドギャップエネルギーがこれら２つの半導体材料の間の値を有する層、例えば、GaAs層からGaAlAsクラッド層の間でAl組成比を徐々に変化させたバッファ層を設ける構造が提案されている（例えば、特許文献１）。図６はこの従来例の半導体レーザの断面図であり、図６を用いて以下にこの従来例のGaAlAs系半導体レーザ素子を説明する。
図６に示す従来例のGaAlAs系半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板1（Siドープ；２×１０18ｃｍ-3）上に順次形成されたｎ型GaAsバッファ層２（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型Ga1-xAlxAsグレーデッドバッファ層３（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層４（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）、Ga1-xAlxAs活性層５（アンドープ）、ｐ型Ga1-xAlxAsクラッド層６（Beドープ；５×１０17ｃｍ-3）、ｐ型GaAsキャップ層７（Beドープ；２×１０18ｃｍ-3）およびｐ型電極１１と、基板１の裏面に形成されたｎ型電極１０とからなる。この場合、ｎ型Ga1-xAlxAsグレーデッドバッファ層３は、ｎ型GaAsバッファ層２からｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層４に向かうにつれてAl組成比ｘを０からｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層４のAl組成比ｘの値まで徐々に変化させている。
この従来例では、バンドギャップの大きいｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層６とバンドギャップの小さいｎ型GaAsバッファ層２の間に、徐々にAl組成比ｘを変化させた、つまりバンドギャップをこの両者の値の間で変化させたｎ型Ga1-xAlxAsグレーデッドバッファ層３を設けることによって、両層の界面でのバンド不連続を低減することができる。
しかし、上記従来例のGaAlAs系半導体レーザ素子において、近年３００ｍＷ以上の光出力が要求されるリッジ型半導体レーザ素子では、電流経路が狭くなるため動作電圧の減少効果は、十分ではなかった。
さらに、従来例のGaAlAs系半導体レーザ素子の光出力を向上させる場合、ｎ型GaAsバッファ層２とｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層４の不純物濃度を減少させて、その上の活性層５の結晶性を改善しようとすると、リッジ型構造の場合、動作電圧の減少効果はさらに低下していた。
さらに、従来例のGaAlAs系半導体レーザ素子の光出力を向上させる場合、ｎ型GaAsバッファ層２とｎ型Ga1-xAlxAsクラッド層４の不純物濃度を減少させて、その上の活性層５の結晶性を改善しようとすると、リッジ型構造の場合、動作電圧の減少効果はさらに低下していた。
本発明は、上述の課題に鑑みなされたものであり、動作電圧の低減を図り、高出力な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
かくして、本発明によれば、第１導電型半導体基板上に順次形成された第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を備え、
第１導電型半導体基板がGaAsからなり、第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層および第２導電型クラッド層がGa 1-x Al x As（0＜ｘ＜1）からなり、
前記第１導電型クラッド層は前記第１導電型バッファ層上に接触して形成されており、
前記第１導電型バッファ層は１層からなり、
前記第１導電型バッファ層のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップより大きく、かつ、前記第１導電型クラッド層のバンドギャップより小さい値であり、
前記第１導電型バッファ層の不純物濃度が、前記第１導電型クラッド層の不純物濃度より大きく、
前記第１導電型バッファ層の厚みが、７０ｎｍ以下である半導体レーザ素子が提供される。
第１導電型半導体基板がGaAsからなり、第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層および第２導電型クラッド層がGa 1-x Al x As（0＜ｘ＜1）からなり、
前記第１導電型クラッド層は前記第１導電型バッファ層上に接触して形成されており、
前記第１導電型バッファ層は１層からなり、
前記第１導電型バッファ層のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップより大きく、かつ、前記第１導電型クラッド層のバンドギャップより小さい値であり、
前記第１導電型バッファ層の不純物濃度が、前記第１導電型クラッド層の不純物濃度より大きく、
前記第１導電型バッファ層の厚みが、７０ｎｍ以下である半導体レーザ素子が提供される。
本発明の半導体レーザ素子によれば、３００Ｗ以上の光出力が要求される従来のリッジ型半導体レーザ素子に比べ、バンド不連続が低減するため、レーザ素子の動作電圧を大幅に低減することができる。
本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型半導体基板上に形成された第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を備え、前記第１導電型バッファ層のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップより大きく、かつ、前記第１導電型クラッド層のバンドギャップより小さい値であり、前記第１導電型バッファ層の不純物濃度が、前記第１導電型クラッド層の不純物濃度より大きい。
本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板上に少なくとも上記の各半導体層を備えた積層構造を有し、かつ、リッジ構造を有するものが含まれ、その他にも、第１導電型クラッド層および第２導電型クラッド層の少なくとも一方が複数層からなるもの、第２導電型クラッド層が２層である場合に２層間にエッチングストップ層が形成されているもの、リッジ部の両側に絶縁性を有する誘電体層が形成されたもの、リッジ部より上層に絶縁膜や保護膜などが形成されたもの等も含まれる。
本発明において、第１導電型はｎ型またはｐ型を意味し、第２導電型は第１導電型とは逆のｐ型またはｎ型を意味する。
本発明において、第１導電型はｎ型またはｐ型を意味し、第２導電型は第１導電型とは逆のｐ型またはｎ型を意味する。
本発明の半導体レーザ素子は、特に、Ｇａ1-x ＡｌxＡｓ(０≦ｘ≦１)からなる半導体レーザ素子に適用され、具体的には、第１導電型半導体基板がＧａＡｓからなり、第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層がGa1-xAlxAs（0＜ｘ＜1）からなるＧａ ＡｌＡｓ系半導体レーザ素子に好適である。
さらに、基板および各半導体層の導電型はｎ型でもｐ型でもよいが、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であることが、ｎ型の界面のバンド不連続を低減してレーザ素子の動作電圧を低減することができる観点から好ましい。なお、ＧａＡｓに対しては、導電型をｎ型とする不純物元素はＳｉ、Ｓｅ 等が挙げられ、導電型をｐ型とする不純物元素はＺｎ、Ｃ、Ｍｇ等が挙げられ、これらの不純物元素を用いて本発明における半導体基板および各半導体層の導電型を決定することができる。
さらに、基板および各半導体層の導電型はｎ型でもｐ型でもよいが、第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型であることが、ｎ型の界面のバンド不連続を低減してレーザ素子の動作電圧を低減することができる観点から好ましい。なお、ＧａＡｓに対しては、導電型をｎ型とする不純物元素はＳｉ、Ｓｅ 等が挙げられ、導電型をｐ型とする不純物元素はＺｎ、Ｃ、Ｍｇ等が挙げられ、これらの不純物元素を用いて本発明における半導体基板および各半導体層の導電型を決定することができる。
（第１導電型バッファ層の説明）
本発明のＧａＡｌＡｓ系半導体レーザ素子は、第１導電型バッファ層中のＡｌの組成比が、第１導電型半導体基板から第１導電型クラッド層に向かうにしたがって段階的にあるいは連続的に大きくなるように構成することが好ましい。このようにすれば、さらに動作電圧を低減することができる。
本発明のＧａＡｌＡｓ系半導体レーザ素子は、第１導電型バッファ層中のＡｌの組成比が、第１導電型半導体基板から第１導電型クラッド層に向かうにしたがって段階的にあるいは連続的に大きくなるように構成することが好ましい。このようにすれば、さらに動作電圧を低減することができる。
また、本発明において、第１導電型バッファ層に含まれる導電型を決定する不純物元素の不純物濃度が５×１０17ｃｍ-3以上とするのが好ましく、５×１０17〜２×１０18ｃｍ-3がさらに好ましい。このようにすれば、基板−クラッド層間の界面のバンド不連続を低減させるのに有効である。特に、第１導電型Ga1-xAlxAsバッファ層の不純物濃度は、５×１０17より大きくすることが好ましく、それによってクラッド層の欠陥や転位が活性層に伝播するのを防止するのに有効である。なお、第１導電型バッファ層の不純物濃度が５×１０17ｃｍ-3よりも小さいと、動作電圧が２．５Ｖ以上と大きくなり発熱により信頼性が低下する問題が発生する。
本発明において、第１導電型バッファ層が複数層から構成されてもよい。この場合、第１導電型GaAs半導体基板側の第１導電型GaAlAsバッファ層中のＡｌ組成比よりも第１導電型GaAlAsクラッド層側の第１導電型GaAlAsバッファ層中のＡｌ組成比を上述のように段階的に大きくすることが、さらにバンド不連続を低減し、レーザ素子の動作電圧をさらに低減できる上で好ましい。
また、このように第１導電型バッファ層が複数層からなる場合、基板側からクラッド層側へ向かうにつれて不純物濃度を段階的に大きくすることが好ましい。
また、このように第１導電型バッファ層が複数層からなる場合、基板側からクラッド層側へ向かうにつれて不純物濃度を段階的に大きくすることが好ましい。
また、第１導電型GaAs半導体基板と第１導電型Ga1-xAlxAsバッファ層との間に、Ａｌを含まない第１導電型GaAsバッファ層を設けてもよい。このようにすれば、半導体基板の欠陥や転位が活性層に伝播されず、良好な結晶性を有しながら、動作電圧を低減することができる。このとき、第１導電型GaAsバッファ層に含まれる導電型を決定する不純物元素の不純物濃度を１×１０18ｃｍ-3以下とするのが好ましく、５×１０17〜１×１０18ｃｍ-3がさらに好ましい。なお、第１導電型GaAsバッファ層の不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3よりも大きいと、動作電圧には影響しないが半導体基板の欠陥や転位が活性層に伝播しやすくなる。
さらに、１層以上の第１導電型バッファ層における第１導電型クラッド層と接触する第１導電型バッファ層の厚みが、７０ｎｍ以下であることが好ましく、７０〜３０ｎｍがさらに好ましい。このようにしても、クラッド層の欠陥や転位が活性層に伝播するのを防止するのに有効である。なお、第１導電型クラッド層と接触する第１導電型バッファ層の厚みが７０ｎｍより厚いと、動作電圧低減効果が減少し、やはり動作電圧が２．５Ｖ以上と大きくなり発熱により信頼性が低下する問題が発生する。
（第１導電型クラッド層の説明）
本発明において、第１導電型クラッド層に含まれる導電型を決定する不純物元素の不純物濃度は１×１０18ｃｍ-3以下とするのが好ましい。このようにすれば、クラッド層の欠陥や転位が活性層に伝播するのを防止するのに有効である。このとき、上述したように、１層以上の第１導電型バッファ層における第１導電型クラッド層と接触する第１導電型バッファ層の不純物濃度に比して、第１導電型クラッド層の不純物濃度は小さく設定される。なお、第１導電型クラッド層の不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3よりも大きいと、結晶中の欠陥が多くなり、非発光中心として作用するため動作電流が大きくなる。
本発明において、第１導電型クラッド層に含まれる導電型を決定する不純物元素の不純物濃度は１×１０18ｃｍ-3以下とするのが好ましい。このようにすれば、クラッド層の欠陥や転位が活性層に伝播するのを防止するのに有効である。このとき、上述したように、１層以上の第１導電型バッファ層における第１導電型クラッド層と接触する第１導電型バッファ層の不純物濃度に比して、第１導電型クラッド層の不純物濃度は小さく設定される。なお、第１導電型クラッド層の不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3よりも大きいと、結晶中の欠陥が多くなり、非発光中心として作用するため動作電流が大きくなる。
次に、図面に示した実施形態に基いて本発明をさらに詳しく説明する。なお、本発明は図示した実施形態に限定されるものではない。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１のＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
このＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子（以下、単に半導体レーザ素子と称する場合がある）は、ｎ型GaAs基板１０（Siドープ；1×１０18ｃｍ-3）上にｎ型Ga0.9Al0.1Asバッファ層１１、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２、Ga0.9Al0.1As活性層１３、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１４、ｐ型GaAsコンタクト層１５およびｐ型電極１８ａがこの順に形成され、基板１０の裏面にｎ型電極１８ｂが形成され、ｐ型Ga0.5 Al0.5 Asクラッド層１４およびｐ型GaAsコンタクト層１５にてリッジ部（リッジ幅３μｍ）が構成され、リッジ部の両側にGaAs電流ブロック層１９が形成された構造である。
図１は、本発明の実施形態１のＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
このＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子（以下、単に半導体レーザ素子と称する場合がある）は、ｎ型GaAs基板１０（Siドープ；1×１０18ｃｍ-3）上にｎ型Ga0.9Al0.1Asバッファ層１１、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２、Ga0.9Al0.1As活性層１３、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１４、ｐ型GaAsコンタクト層１５およびｐ型電極１８ａがこの順に形成され、基板１０の裏面にｎ型電極１８ｂが形成され、ｐ型Ga0.5 Al0.5 Asクラッド層１４およびｐ型GaAsコンタクト層１５にてリッジ部（リッジ幅３μｍ）が構成され、リッジ部の両側にGaAs電流ブロック層１９が形成された構造である。
（実施例１）
上記実施形態１のリッジ構造の半導体レーザ素子を以下のように作製した。
先ず、厚み３５０μｍのｎ型GaAs基板 １０ 上にGa0.9Al0.1As層をＭＯＣＶＤ法により成長させた。このとき、原材料ガスとして、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＳｉＨ4ガスを流量比（容量比）５０：５：１：１０に調整して、Ａｌ組成比ｘが０．１、ｎ導電型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3および膜厚７０ｎｍのｎ型Ga0.9Al0.1Asバッファ層１１を形成した。
上記実施形態１のリッジ構造の半導体レーザ素子を以下のように作製した。
先ず、厚み３５０μｍのｎ型GaAs基板 １０ 上にGa0.9Al0.1As層をＭＯＣＶＤ法により成長させた。このとき、原材料ガスとして、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＳｉＨ4ガスを流量比（容量比）５０：５：１：１０に調整して、Ａｌ組成比ｘが０．１、ｎ導電型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3および膜厚７０ｎｍのｎ型Ga0.9Al0.1Asバッファ層１１を形成した。
次に、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＳｉＨ4ガスを流量比（容量比）１０：１：１：１に調整してＭＯＣＶＤ法を行なうことにより、Ａｌ組成比ｘが０．５の膜厚１μｍで、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3のｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２を形成した。
次に、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガスおよびＴＭＡガスを流量比（容量比）５０：５：１に調整してＭＯＣＶＤ法を行なうことにより、Ａｌ組成比ｘが０．１のGa0.9Al0.1As活性層１３を膜厚５００ｎｍで形成した。
続いて、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＤＥＺｎガスを流量比（容量比）１０：１：１：０．５に調整してＭＯＣＶＤ法を行なうことにより、Ａｌ組成比ｘが
の０．５、ｐ導電型不純物濃度１×１０18ｃｍ-3および膜厚１μｍのｐ型Ga0.5 Al0.5 Asクラッド層１４を形成した。
次いで、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガスおよびＤＥＺｎガスを流量比（容量比）１０：１：０．５に調整してＭＯＣＶＤ法を行なうことにより、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3および膜厚１μｍのｐ型GaAsコンタクト層１５を形成した。
続いて、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＤＥＺｎガスを流量比（容量比）１０：１：１：０．５に調整してＭＯＣＶＤ法を行なうことにより、Ａｌ組成比ｘが
の０．５、ｐ導電型不純物濃度１×１０18ｃｍ-3および膜厚１μｍのｐ型Ga0.5 Al0.5 Asクラッド層１４を形成した。
次いで、ＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガスおよびＤＥＺｎガスを流量比（容量比）１０：１：０．５に調整してＭＯＣＶＤ法を行なうことにより、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3および膜厚１μｍのｐ型GaAsコンタクト層１５を形成した。
その後は、ｐ型GaAsコンタクト層１５上にリッジ（電流通路）形成のための帯状のマスクを幅３μｍで形成し、ウェットエッチングの手法により、ｐ型GaAsコンタクト層１５およびｐ型Ga 0.5 Al 0.5 Asクラッド層１４をGaAs活性層１３の近傍までエッチングして、所望なレーザ特性を得られるようなリッジ形状（リッジ幅）を形成し、リッジ両サイド表面に電流が流れるのを防ぐために、GaAs電流ブロック層１９を形成し、p型GaAsコンタクト層１５およびGaAs電流ブロック層１９上に、膜厚３００ｎｍのAuZn/Auからなるｐ型電極１８ａを形成し、ｎ型GaAs基板１０の裏面にAuSn/Auからなる膜厚３００ｎｍのｎ型電極１８ｂを形成し、チップ単位に分割して、半導体レーザ素子（試作品１ａ）を得た。
試作品１ａにおけるｎ型Ga0.9Al0.1Asバッファ層１１のＳｉ不純物濃度を１×１０17ｃｍ-3、６×１０17ｃｍ-3、３×１０18ｃｍ-3、７×１０18ｃｍ-3、２×１０19ｃｍ-3に変更する以外は、試作品１ａと同様にして、実施例１としての試作品１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅおよび比較例１としての試作品１ｆの半導体レーザ素子を作製した。
作製した試作品１ａ〜１e（実施例１）および試作品１ｆ（比較例１）の各半導体レーザ素子が１００ｍＷの光出力で動作するときの動作電圧を測定し、各半導体レーザにおけるｎ型GaAlAsバッファ層１１のＳｉ不純物濃度と動作電圧との関係を図２に示した。なお、図２の横軸はＳｉ不純物濃度を対数表示しており、試作品１ａ〜１ｆのＳｉ不純物濃度は、１ａ：１×１０18ｃｍ-3、１ｂ：３×１０18ｃｍ-3、１ｃ：７×１０18ｃｍ-3、１ｄ：２×１０19ｃｍ-3、１ｅ：６×１０17ｃｍ-3および１ｆ：１×１０17ｃｍ-3である。
図２の結果から、ｎ型GaAlAsバッファ層１１の不純物濃度が、ｎ型GaAlAs クラッド層１２より低い１×１０17ｃｍ-3の試作品１ｆ（比較例１）は１００ｍＷ出力時の室温での動作電圧は３．５Ｖ以上であったが、試作品１ａ〜１e（実施例１）のようにｎ型GaAlAsバッファ層１１の不純物濃度をｎ型GaAlAs クラッド層１２の不純物濃度より大きくしていくと動作電圧が急激に低下していき、試作品１ｅのように６×１０17ｃｍ-3以上とすると動作電圧の低下が顕著となり、安定的に２．７Ｖ程度以下の低い動作電圧が得られることがわかった。
図２の結果から、ｎ型GaAlAsバッファ層１１の不純物濃度が、ｎ型GaAlAs クラッド層１２より低い１×１０17ｃｍ-3の試作品１ｆ（比較例１）は１００ｍＷ出力時の室温での動作電圧は３．５Ｖ以上であったが、試作品１ａ〜１e（実施例１）のようにｎ型GaAlAsバッファ層１１の不純物濃度をｎ型GaAlAs クラッド層１２の不純物濃度より大きくしていくと動作電圧が急激に低下していき、試作品１ｅのように６×１０17ｃｍ-3以上とすると動作電圧の低下が顕著となり、安定的に２．７Ｖ程度以下の低い動作電圧が得られることがわかった。
つまり、実施例１では、上述のようにｎ型Ga1-xAlxAsバッファ層１１のＡｌ組成比ｘを、ｎ型GaAs基板１０とｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２の間のバンドギャップ値になるように０．１に設定していることに加えて、Ｓｉ不純物濃度をｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２のＳｉ不純物濃度より大きくすることにより、比較例１に比べ、ｎ型GaAs基板１０とｎ型ｎ型Ga0.5Al0.5As クラッド層１２の間のバンド不連続によるポテンシャルバリアが減少するため、動作電圧が大幅に減少したと考えられる。
なお、実施例１では、ｎ型Ga1-xAlxAsバッファ層１２のＡｌ組成比ｘを０．１としたが、Ａｌ組成比を変化させた場合であっても、ｎ型Ga1-xAlxAsバッファ層１１のＳｉ不純物濃度をｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２のＳｉ不純物濃度より大きくすれば、動作電圧が大幅に低減することを確認した。
なお、実施例１では、ｎ型Ga1-xAlxAsバッファ層１２のＡｌ組成比ｘを０．１としたが、Ａｌ組成比を変化させた場合であっても、ｎ型Ga1-xAlxAsバッファ層１１のＳｉ不純物濃度をｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層１２のＳｉ不純物濃度より大きくすれば、動作電圧が大幅に低減することを確認した。
＜実施形態２＞
図３は、本発明の実施形態２のＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
この半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板２０（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）上にｎ型GaAsバッファ層２６、ｎ型Ga0.75Al0.25Asバッファ層２１、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層２２（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、Ga0.9Al0.1As多重量子井戸活性層２３（ドープなし）、ｐ型Ga 0.5 Al 0.5 Asクラッド層２４（Znドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｐ型GaAsコンタクト層２５（Znドープ；５×１０18ｃｍ-3）およびｐ型電極２８ａがこの順に形成され、基板２０の裏面にｎ型電極２８ｂが形成され、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層２４およびｐ型GaAsコンタクト層２５にてリッジ部（リッジ幅３μｍ）が構成され、リッジ部の両側にGaAs電流ブロック層２９が形成された構造である。
図３は、本発明の実施形態２のＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
この半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板２０（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）上にｎ型GaAsバッファ層２６、ｎ型Ga0.75Al0.25Asバッファ層２１、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層２２（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、Ga0.9Al0.1As多重量子井戸活性層２３（ドープなし）、ｐ型Ga 0.5 Al 0.5 Asクラッド層２４（Znドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｐ型GaAsコンタクト層２５（Znドープ；５×１０18ｃｍ-3）およびｐ型電極２８ａがこの順に形成され、基板２０の裏面にｎ型電極２８ｂが形成され、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層２４およびｐ型GaAsコンタクト層２５にてリッジ部（リッジ幅３μｍ）が構成され、リッジ部の両側にGaAs電流ブロック層２９が形成された構造である。
（実施例２）
上記実施形態２のリッジ構造の半導体レーザ素子を、以下のようにして作製した。
先ず、厚み３５０μｍのｎ型GaAs基板 ２０ 上に、ＭＯＣＶＤ法により５×１０17ｃｍ-3の濃度および膜厚５０ｎｍのｎ型GaAsバッファ層２６を形成した。
上記実施形態２のリッジ構造の半導体レーザ素子を、以下のようにして作製した。
先ず、厚み３５０μｍのｎ型GaAs基板 ２０ 上に、ＭＯＣＶＤ法により５×１０17ｃｍ-3の濃度および膜厚５０ｎｍのｎ型GaAsバッファ層２６を形成した。
次に、ｎ型GaAsバッファ層２６ 上にＡｓＨ3ガス、ＴＭＧガス、ＴＭＡガスおよびＳｉＨ4ガスを流量比（容量比）１０：１：１：２に調整して、Ａｌ組成比ｘが０．２５、ｎ導電型不純物が１×１０18ｃｍ-3濃度の、膜厚５０ｎｍのｎ型Ga0.75Al0.25Asバッファ層２１を形成した。
その後は、図３で説明した上記の不純物濃度およびＡｌ組成比に設定すること以外は、上記実施例１とほぼ同様の方法を用いて、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層２２（膜厚１μｍ）、Ga0.9Al0.1As多重量子井戸活性層２３（総膜厚１００ｎｍ）、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層２４（膜厚１μｍ）、ｐ型GaAsコンタクト層２５（膜厚１μｍ）、GaAs電流ブロック層２９、ｐ型電極２８ａおよびｎ型電極２８ｂを形成して、試作品２ａの半導体レーザ素子を得た。
試作品２ａにおけるｎ型Ga0.75Al0.25Asバッファ層２１のＳｉ不純物濃度を２×１０17ｃｍ-3、６×１０17ｃｍ-3、２×１０18ｃｍ-3、５×１０18ｃｍ-3および２×１０19ｃｍ-3に変更する以外は、試作品２ａと同様にして、実施例２としての試作品２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅおよび比較例２としての試作品２ｆを作製した。
作製した試作品２ａ〜２ｅ（実施例２）および試作品２ｆ（比較例２）の各半導体レーザ素子が１００ｍＷの光出力で動作するときの動作電圧を測定し、各半導体レーザにおけるｎ型GaAlAsバッファ層２１のＳｉ不純物濃度と動作電圧との関係を図４に示した。なお、図４の横軸はＳｉ不純物濃度を対数表示しており、試作品２ａ〜２ｆのＳｉ不純物濃度は、２ａ：１×１０18ｃｍ-3、２ｂ：２×１０18ｃｍ-3、２ｃ：５×１０18ｃｍ-3、２ｄ：２×１０19ｃｍ-3、２ｅ：６×１０17ｃｍ-3および２ｆ：２×１０17ｃｍ-3である。
図４の結果から、ｎ型GaAlAsバッファ層２１の不純物濃度が、ｎ型GaAlAs クラッド層２２の不純物濃度５×１０17ｃｍ-3よりも小さい試作品２ｆ（比較例２）は１００ｍＷ出力時の室温での動作電圧は３．２Ｖ以上であったが、試作品２ａ〜２ｅ（実施例２）のようにｎ型GaAlAsバッファ層２１の不純物濃度をｎ型GaAlAs クラッド層２２の不純物濃度より大きくしていくと動作電圧が低下していき、試作品２ｅのように６×１０17ｃｍ-3以上とすると動作電圧の低下が顕著となり、安定的に２．４Ｖ程度以下の低い動作電圧が得られることがわかった。
図４の結果から、ｎ型GaAlAsバッファ層２１の不純物濃度が、ｎ型GaAlAs クラッド層２２の不純物濃度５×１０17ｃｍ-3よりも小さい試作品２ｆ（比較例２）は１００ｍＷ出力時の室温での動作電圧は３．２Ｖ以上であったが、試作品２ａ〜２ｅ（実施例２）のようにｎ型GaAlAsバッファ層２１の不純物濃度をｎ型GaAlAs クラッド層２２の不純物濃度より大きくしていくと動作電圧が低下していき、試作品２ｅのように６×１０17ｃｍ-3以上とすると動作電圧の低下が顕著となり、安定的に２．４Ｖ程度以下の低い動作電圧が得られることがわかった。
実施例２では、上述のようにｎ型GaAlAsバッファ層２１とｎ型GaAs基板２０の間に、ｎ型GaAsバッファ層２６を設け、ｎ型GaAsバッファ層２６とｎ型GaAlAsクラッド層２２の不純物濃度（５×１０17ｃｍ-3）よりもその間に位置するｎ型GaAlAsバッファ層２１の不純物濃度（１×１０18ｃｍ-3）を大きく設定している。このことにより、実施例２においても、実施例１で得られたバンド不連続によるポテンシャルバリアの低減効果とほぼ同等の効果が得られると考えられる。加えて、ｎ型GaAsバッファ層２６、ｎ型GaAlAsクラッド層２２およびｎ型GaAlAsバッファ層２１の不純物濃度を全体に低減しているため、GaAlAs多重量子井戸活性層２３の結晶性が向上し、発光効率が増加するため動作電流値が減少し、その結果、実施例１よりも動作電圧がさらに減少したと考えられる。
＜実施形態３（参考例）＞
図５は、本発明の実施形態３のＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
この半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板３０（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）上にｎ型GaAsバッファ層３６（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ga0.8Al0.2As第１バッファ層３１（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ga0.65Al0.35As第２バッファ層３７（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３２（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、Ga0.9Al0.1As活性層３３（ドープなし）、ｐ型Ga0. Al0. Asクラッド層３４（Znドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｐ型GaAsコンタクト層３５（Znドープ；５×１０18ｃｍ-3）およびｐ型電極３８ａがこの順に形成され、基板３０の裏面にｎ型電極３８ｂが形成され、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３４およびｐ型GaAsコンタクト層３５にてリッジ部（リッジ幅３μｍ）が構成され、リッジ部の両側にGaAs電流ブロック層３９が形成された構造である。
図５は、本発明の実施形態３のＧａＡｌＡｓ系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
この半導体レーザ素子は、ｎ型GaAs基板３０（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）上にｎ型GaAsバッファ層３６（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ga0.8Al0.2As第１バッファ層３１（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、ｎ型Ga0.65Al0.35As第２バッファ層３７（Siドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３２（Siドープ；５×１０17ｃｍ-3）、Ga0.9Al0.1As活性層３３（ドープなし）、ｐ型Ga0. Al0. Asクラッド層３４（Znドープ；１×１０18ｃｍ-3）、ｐ型GaAsコンタクト層３５（Znドープ；５×１０18ｃｍ-3）およびｐ型電極３８ａがこの順に形成され、基板３０の裏面にｎ型電極３８ｂが形成され、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３４およびｐ型GaAsコンタクト層３５にてリッジ部（リッジ幅３μｍ）が構成され、リッジ部の両側にGaAs電流ブロック層３９が形成された構造である。
（実施例３）
上記実施形態３（参考例）のリッジ構造の半導体レーザ素子を、上記実施例２と同様のＭＯＣＶＤ法を用いて図５で説明した不純物濃度およびＡｌ組成比に設定して作製した。このとき、ｎ型GaAs基板３０の厚みを１００μｍ、ｎ型GaAsバッファ層３６の膜厚を５００ｎｍ、ｎ型Ga0.8Al0.2As第１バッファ層３１の膜厚を７０ｎｍ、ｎ型Ga0.65Al0.35As第２バッファ層３７の膜厚を７０ｎｍ、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３２の膜厚を１μｍ、Ga0.9Al0.1As活性層３３の膜厚を７００ｎｍ、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３４の膜厚を１μｍ、ｐ型GaAsコンタクト層３５の膜厚を１μｍ、ｐ型電極３８ａの膜厚を３００ｎｍ、ｎ型電極３８ｂの膜厚を３００ｎｍとした。
上記実施形態３（参考例）のリッジ構造の半導体レーザ素子を、上記実施例２と同様のＭＯＣＶＤ法を用いて図５で説明した不純物濃度およびＡｌ組成比に設定して作製した。このとき、ｎ型GaAs基板３０の厚みを１００μｍ、ｎ型GaAsバッファ層３６の膜厚を５００ｎｍ、ｎ型Ga0.8Al0.2As第１バッファ層３１の膜厚を７０ｎｍ、ｎ型Ga0.65Al0.35As第２バッファ層３７の膜厚を７０ｎｍ、ｎ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３２の膜厚を１μｍ、Ga0.9Al0.1As活性層３３の膜厚を７００ｎｍ、ｐ型Ga0.5Al0.5Asクラッド層３４の膜厚を１μｍ、ｐ型GaAsコンタクト層３５の膜厚を１μｍ、ｐ型電極３８ａの膜厚を３００ｎｍ、ｎ型電極３８ｂの膜厚を３００ｎｍとした。
作製した実施例３の半導体レーザ素子が１００ｍＷの光出力で動作するときの動作電圧を測定したところ、２．３Ｖであった。
実施例３の構造の半導体レーザ素子が実施例１の構造と異なる点は、バッファ層が３層からなる点およびｎ型GaAs基板と接するバッファ層がｎ型GaAsバッファ層である点であり、さらに言えば、他の２層のバッファ層は不純物濃度、Ａｌ組成比および膜厚が異なる第１と第２のｎ型GaAlAsバッファ層からなる点である。そのため、実施例３は実施例1に比べ、ｎ型GaAs基板とｎ型GaAlAsクラッド層とのバンドギャップの差を複数のｎ型バッファ層にて徐々に（段階的に）小さくすることができ、それによりバンド不連続によるポテンシャルバリアの低減効果が増加し、動作電圧がさらに減少したと考えられる。このとき、実施例３において、ｎ型GaAlAsクラッド層と接するｎ型GaAlAs第２バッファ層の膜厚が７０ｎｍと薄いため、バッファ層に欠陥や転移が生じたとしても活性層に伝播されず、良好な結晶性を維持することができる利点がある。
なお、実施例３では、ｎ型GaAlAs第２バッファ層の膜厚が７０ｎｍであるが、より薄い３０ｎｍにした場合でも２．３Ｖ程度の低い動作電圧が得られることを確認した。
実施例３の構造の半導体レーザ素子が実施例１の構造と異なる点は、バッファ層が３層からなる点およびｎ型GaAs基板と接するバッファ層がｎ型GaAsバッファ層である点であり、さらに言えば、他の２層のバッファ層は不純物濃度、Ａｌ組成比および膜厚が異なる第１と第２のｎ型GaAlAsバッファ層からなる点である。そのため、実施例３は実施例1に比べ、ｎ型GaAs基板とｎ型GaAlAsクラッド層とのバンドギャップの差を複数のｎ型バッファ層にて徐々に（段階的に）小さくすることができ、それによりバンド不連続によるポテンシャルバリアの低減効果が増加し、動作電圧がさらに減少したと考えられる。このとき、実施例３において、ｎ型GaAlAsクラッド層と接するｎ型GaAlAs第２バッファ層の膜厚が７０ｎｍと薄いため、バッファ層に欠陥や転移が生じたとしても活性層に伝播されず、良好な結晶性を維持することができる利点がある。
なお、実施例３では、ｎ型GaAlAs第２バッファ層の膜厚が７０ｎｍであるが、より薄い３０ｎｍにした場合でも２．３Ｖ程度の低い動作電圧が得られることを確認した。
＜他の実施形態＞
１．上記実施形態１〜３では、ｐ型GaAlAsクラッド層が１層からなる場合を例示したが、ｐ型GaAlAsクラッド層を２層から構成し、その２層間にGaAsエッチングストップ層を形成してもよい。
２．上記実施形態１〜３では、リッジ構造の半導体レーザ素子の場合を例示したが、本発明はリッジ構造以外の構造（例えばオキサイドストライプ型）の半導体レーザ素子にも適用可能である。
３．上記実施形態１〜３では、ｎ導電型不純物元素としてＳｉを用いた場合を例示したが、Ｓｉ以外にもＳｅを用いることができ、ｐ導電型不純物元素としてＺｎ以外にもＭｇ，Ｃを用いることができる。
４．上記実施例では半導体レーザ素子を構成する各半導体層をＭＯＣＶＤ法にて成膜する場合を例示したが、これに限定されず、例えばＭＢＥ法を用いてもよい。
１．上記実施形態１〜３では、ｐ型GaAlAsクラッド層が１層からなる場合を例示したが、ｐ型GaAlAsクラッド層を２層から構成し、その２層間にGaAsエッチングストップ層を形成してもよい。
２．上記実施形態１〜３では、リッジ構造の半導体レーザ素子の場合を例示したが、本発明はリッジ構造以外の構造（例えばオキサイドストライプ型）の半導体レーザ素子にも適用可能である。
３．上記実施形態１〜３では、ｎ導電型不純物元素としてＳｉを用いた場合を例示したが、Ｓｉ以外にもＳｅを用いることができ、ｐ導電型不純物元素としてＺｎ以外にもＭｇ，Ｃを用いることができる。
４．上記実施例では半導体レーザ素子を構成する各半導体層をＭＯＣＶＤ法にて成膜する場合を例示したが、これに限定されず、例えばＭＢＥ法を用いてもよい。
本発明は、ＣＤ−Ｒ／ＲＷおよびＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ等の読み出し、書き込みおよび消去に用いられる高出力な半導体レーザ素子に適用可能であり、特に、ＧａＡｌＡｓ系半導体レーザ素子に好適である。
１０、２０、３０ ｎ型GaAs基板
１１、２１ ｎ型GaAlAsバッファ層
１２、２２、３２ ｎ型GaAlAsクラッド層
１３、３３ GaAlAs活性層
１４、２４、３４ ｐ型GaAlAsクラッド層
１５、２５、３５ ｐ型GaAsコンタクト層
１９、２９、３９ GaAs電流ブロック層
２２ ｎ型GaAlAs多重量子井戸活性層
２６ ｎ型GaAsバッファ層
３１ ｎ型GaAlAs第１バッファ層
３７ ｎ型GaAlAs第２バッファ層
１８ａ、２８ａ、３８ａ ｐ型電極
１８ｂ、２８ｂ、３８ｂ ｎ型電極
１１、２１ ｎ型GaAlAsバッファ層
１２、２２、３２ ｎ型GaAlAsクラッド層
１３、３３ GaAlAs活性層
１４、２４、３４ ｐ型GaAlAsクラッド層
１５、２５、３５ ｐ型GaAsコンタクト層
１９、２９、３９ GaAs電流ブロック層
２２ ｎ型GaAlAs多重量子井戸活性層
２６ ｎ型GaAsバッファ層
３１ ｎ型GaAlAs第１バッファ層
３７ ｎ型GaAlAs第２バッファ層
１８ａ、２８ａ、３８ａ ｐ型電極
１８ｂ、２８ｂ、３８ｂ ｎ型電極
Claims (5)
- 第１導電型半導体基板上に順次形成された第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を備え、
第１導電型半導体基板がGaAsからなり、第１導電型バッファ層、第１導電型クラッド層および第２導電型クラッド層がGa1-xAlxAs（0＜ｘ＜1）からなり、
前記第１導電型クラッド層は前記第１導電型バッファ層上に接触して形成されており、
前記第１導電型バッファ層は１層からなり、
前記第１導電型バッファ層のバンドギャップが、前記半導体基板のバンドギャップより大きく、かつ、前記第１導電型クラッド層のバンドギャップより小さい値であり、
前記第１導電型バッファ層の不純物濃度が、前記第１導電型クラッド層の不純物濃度より大きく、
前記第１導電型バッファ層の厚みが、７０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第１導電型がｎ型であり、第２導電型がｐ型である請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第１導電型バッファ層中のＡｌの組成比が、第１導電型半導体基板から第１導電型クラッド層に向かうにしたがって大きくなる請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
- 前記第１導電型バッファ層の不純物濃度が５×１０17ｃｍ-3以上である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第１導電型クラッド層の不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
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