JP4927807B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザ素子に関する。

従来、発振波長が７８０ｎｍで１５０ｍＷ以上の高い出力を連続して出力する半導体レーザ素子としては、図７に示すような構造のものがある。図７は、半導体レーザ素子を端面から見たときの結晶の層構造を表わしたものであり、半導体レーザ素子はこのような層構造が紙面に垂直な方向に延伸している。

図７で、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第１クラッド層、４３は活性層、４はｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層、５はｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層、６はストライプ状ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第３クラッド層、７はストライプ状切り欠き部を形成するｎ型ＧａＡｓ電流阻止層、８はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１はｎ側電極、１２はｐ側電極である。

上記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８は、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第３クラッド層６、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層７を覆うように形成されている。上記ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第３クラッド層６は、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層７のストライプ状切り欠き部を満たしている。上記電流阻止層７は、エッチングストップ層５上に形成されたｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第一埋め込み層７ａと、この第一埋め込み層７ａ上に形成されたｎ型ＧａＡｓ第二埋め込み層７ｂとからなっている。上記ストライプ状とは、幅の狭い構造が紙面に垂直な方向に延伸していることを表わしている。なお、上記ｘの範囲は０＜ｘ＜１である。

上記活性層４３は、多重量子井戸構造と呼ばれるものが採用されている。この多重量子井戸構造の詳細を図８に示す。図８において、縦軸はＡｌの混晶比ｘに応じて変化する各層のＥｇ（バンドギャップエネルギー）を示し、横軸は基板１からの距離である。上記活性層４３は、量子井戸と呼ばれる井戸層４３ａを有している。この井戸層４３ａには、両側の障壁層４３ｂ及びガイド層４３ｃ，４３ｄに比べてＡｌの混晶比ｘが小さい結晶が用いている。これにより、上記井戸層４３ａのＥｇが障壁層４３ｂ及びガイド層４３ｃ，４３ｄのＥｇよりも小さくなるので、井戸層４３ａのＥｇが井戸のように見える。また、上記井戸層４３ａの厚さが電子のド・ブロイ波長に比して同等または充分薄い２００Å以下程度とされるので、井戸層４３ａは量子井戸と呼ばれる。また、多重というのは障壁層４３ｂで分離された井戸層４３ａを複数用いていることを意味している。

上記ガイド層４３ｃ，４３ｄは、図８の横軸方向へのレーザ光の閉じ込めの程度を調整する層である。製造工程を簡単化するために障壁層４３ｂと同じ混晶比の層を用いることが多い。

上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記電極１１，１２から注入されたキャリア（電子及びホール）はＥｇの小さい井戸層４３ａに閉じ込められるため、効率よく再結合する。また、上記井戸層４３ａでは量子効果により発光効率が高くなる。その結果、発振閾値電流Ｉｔｈの低減や、外部量子効率ηの向上等の効果が得られる。ここで、発振波長λは、井戸層４３ａのＥｇに対し略λ＝１．４／Ｅｇとなる関係を有する。なお、上記発振波長λの単位はμｍ、Ｅｇの単位はｅＶである。

上記発振閾値電流Ｉｔｈが低く、外部量子効率ηが高いと、駆動電流をＩｄとした場合、光出力Ｐ０は（Ｉｄ−Ｉｔｈ）×ηに等しいので、駆動電流Ｉｄをそれほど高くすることなく、大きい光出力Ｐ０が得られる。従って、駆動電流が同じであれば光出力Ｐ０を大きくすることができる。

特開平１１−２７４６４４号公報（段落００５３、図１）

ところが、上記従来の半導体レーザ素子では発光層がＧａＡｌＡｓであるため、半導体レーザ素子の周囲に酸素や水分が存在すると、井戸層４３ａの構成原子であるＡｌがレーザの光エネルギーにより酸素や水分と光化学反応を起こして酸化し、井戸層４３ａの結晶構造を破壊してレーザ素子の特性が劣化し易いという問題があった。

この問題を解決する方法として、井戸層４３ａにＡｌを含まない結晶を用いることが考えられる。一方、ＣＤ−Ｒ（書き込み可能なコンパクト・ディスク）やＣＤ−ＲＷ（複数回のデータの書き換えが可能なコンパクト・ディスク）等の光ディスクのシステム用光源として半導体レーザ素子を用いるには、その半導体レーザ素子のレーザ発振波長が略７８０ｎｍでなければならない。

図３は、そのような可能性のある材料として想定されるIII−Ｖ族四元混晶Ｉｎ_1-vＧａ_vＡｓ_1-wＰ_w（０＜ｖ＜１、０＜ｗ＜１）の組成を示す図である。

図３において、縦軸は混晶中のＶ族元素におけるＰの割合を示し、横軸は混晶中のIII族元素におけるＧａの割合を示す。四角形の四隅は右上隅から時計回りに２元混晶であるＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰを表している。また、四角形の四辺は右辺から時計回りに３元混晶であるＧａＡｓ_wＰ_1-w，Ｉｎ_1-vＧａ_vＡｓ，ＩｎＡｓ_1-wＰｗ，Ｉｎ_1-vＧａ_vＰを表す。そして、四角形の内部が４元混晶であるＩｎ_1-vＧａ_vＡｓ_1-wＰ_wを表している。

図３中の実線Ａは結晶の格子定数ａが等しくなる組成をつないだ線、即ち等格子定数線であり、実線Ａの場合は右下のＧａＡｓの点上を通っていることからＧａＡｓ基板に格子整合する組成の集合を表している。そして、図３中の破線Ｂ１及びＢ２は結晶のＥｇが等しくなる組成をつないだ線、即ち等Ｅｇ線であり、例えば線Ｂ１上の組成の結晶を井戸層として用いれば半導体レーザの発振波長が略７８０ｎｍとなることを表わしている。

図３において、結晶の格子定数ａは実線Ａから略垂直に右上に行くほど小さくなり、左下に行くほど大きくなる。一方、結晶のＥｇは破線Ｂ１またはＢ２に垂直に右上に行くほど大きくなり、左下に行くほど小さくなる。従って、発振波長は右上に行くほど短くなり、左下に行くほど長くなる。

半導体レーザ素子の活性層としてはレーザ光の強度が高い部分にある層にはＡｌを含まないことが望ましい。即ち、井戸層だけでなく障壁層もＡｌを含まないことが望ましい。従って、発振波長７８０ｎｍの半導体レーザを作製するためには、井戸層として図３の破線Ｂ１上の組成のＩｎ_1-v1Ｇａ_v1Ａｓ_1-w1Ｐ_w1（０＜ｖ１＜１、０＜ｗ１＜１）結晶を用い、障壁層としてはそれよりバンドギャップの大きい図３の破線Ｂ２上の組成のＩｎ_1-v2Ｇａ_v2Ａｓ_1-w2Ｐ_w2（０＜ｖ２＜１、０＜ｗ２＜１）結晶を用いれば良い。

しかし、ｖ１，ｖ２，ｗ１，ｗ２をどのように組合わせれば良いか、明確な指針が無かったためこのような半導体レーザはこれまで実用に供せられていない。

そこで、本発明の課題は、活性層にＡｌを含んでいなくても、より高い光出力を実用的な動作時間出すことができる半導体レーザ素子を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ素子は、
第１導電型のＧａＡｓ基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層、活性層及び第２導電型の第２クラッド層がこの順序で形成され、上記活性層は、井戸層と、この井戸層よりエネルギーバンドギャップが大きくて上記井戸層を挟む障壁層と、上記井戸層および上記障壁層を挟むガイド層を有し、上記井戸層及び上記障壁層は、Ｖ族元素としてＰ（燐）及びＡｓ（砒素）を有し、III族元素としてＧａ（ガリウム）及びＩｎ（インジウム）を有し、上記障壁層は上記ＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有すると共に、上記ガイド層は上記ＧａＡｓ基板に対して略格子整合し、上記ガイド層の厚さは該ガイド層と隣接する障壁層の厚さよりも厚く、電流阻止層により埋め込まれたリッジ構造または内部ストライプ構造を有する半導体レーザ素子において、
上記障壁層のＶ族元素におけるＰの割合が、上記井戸層のＶ族元素におけるＰの割合より大きく、かつ、上記障壁層のIII族元素におけるＩｎの割合が、上記井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合より小さく、
上記井戸層は上記ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有し、
上記ガイド層はＡｌＧａＡｓ層より構成される一方、上記電流阻止層により埋め込まれたリッジ構造又は内部ストライプ構造はＧａＡｓからなる層を介して上記ＡｌＧａＡｓガイド層とは反対側に形成され、このＡｌＧａＡｓガイド層のＡｌ混晶比が０．３以上かつ０．５以下である
ことを特徴としている。

上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記障壁層のＶ族元素におけるＰの割合を、井戸層のＶ族元素におけるＰの割合より大きくすると共に、障壁層のIII族元素におけるＩｎの割合を、井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合より小さくする。この場合、上記障壁層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有し、井戸層は上記ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有しているので、活性層にＡｌ（アルミ）を含んでいなくても、より高い光出力を実用的な動作時間出すことができる。従って、上記半導体レーザ素子は、例えばＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷ等の光ディスクシステム用半導体レーザ光源として用いることができる。また、ＧａＡｓ基板に対して略格子整合し、隣接する障壁層よりも厚いガイド層の働きにより、高光出力高電流注入状態であっても、量子井戸層から漏れたキャリアがクラッド層の外側まで拡散するのを防ぐことができる。したがって、本発明の半導体レーザ素子は高温下で良好に動作することが可能となる。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記障壁層のIII族元素におけるＩｎ混晶比が０．１５以下である。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記障壁層の上記ＧａＡｓ基板に対する引っ張り歪の大きさの絶対値が、上記井戸層の上記ＧａＡｓ基板に対する圧縮歪の大きさの絶対値より大きい。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記井戸層を２つ以上有し、隣接する上記井戸層の間に上記障壁層が存在する。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記井戸層を２つ以上有し、隣接する井戸層間に障壁層を存在するので、レーザ光出力の遠視野像を光ディスクシステムに適したような形状とすることができる。

本発明の半導体レーザ素子においては、上記ガイド層はＡｌＧａＡｓ層より構成されており、上記ＡｌＧａＡｓガイド層のＡｌ混晶比が０．３以上である。この半導体レーザ素子は、７０℃以上の高温でも高出力で安定動作できる。

一実施形態の半導体レーザ素子においては、上記活性領域と第１，第２クラッド層との間に、上記ＡｌＧａＡｓガイド層を設けている。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ＡｌＧａＡｓガイド層と上記第２クラッド層との間にＡｌＧａＡｓキャリアブロック層を有し、上記ＡｌＧａＡｓキャリアブロック層のＡｌ混晶比が０．６以上０．８５未満であり、上記第１導電型がｎ型であり、上記第２導電型がｐ型である。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ＡｌＧａＡｓガイド層と第２クラッド層との間に、Ａｌ混晶比が０．６以上０．８５未満であるＡｌＧａＡｓキャリアブロック層を設けている。この場合、上記第１導電型がｎ型であり、上記第２導電型がｐ型であるので、７０℃以上の高温でも高出力で安定動作できる。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２クラッド層のＡｌ混晶比が０．５以上である。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２クラッド層のＡｌ混晶比を０．５以上にしているので、７０℃以上の高温でも高出力で安定動作できる。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２クラッド層上に形成された第２導電型のＧａＡｓエッチングストップ層と、上記ＧａＡｓエッチングストップ層上に形成され、ストライプ状の切り欠き部を形成する第１導電型の電流阻止層と、上記ストライプ状の切り欠き部を満たす第２導電型の第３クラッド層と、上記第３クラッド層及び上記電流阻止層を覆うように形成されたコンタクト層とを有する。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２クラッド層上に、第２導電型のＧａＡｓエッチングストップ層、第１導電型の電流阻止層、第２導電型の第３クラッド層及びコンタクト層を順次積層しているので、例えばＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷ等の光ディスクシステムの高速化を実現する半導体レーザ光源として用いることができる。

一実施形態の半導体レーザ素子は、上記活性層は、２つの端面のうち少なくとも一方の端面に隣接する部分において、上記井戸層及び障壁層が混晶化されている。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記活性層は、２つの端面のうち少なくとも一方の端面に隣接する部分において、井戸層及び障壁層が混晶化されているので、さらにより高い光出力を出すことができる。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子を端面から見たときの結晶の層構造を表したものを示す。また、図１においては、図７に示した従来例の構成部と同一構成部に、図７における構成部と同一参照番号を付している。

図２に、上記第１実施形態の半導体レーザ素子の多重量子井戸活性層３の詳細を示す。図２において、縦軸は各層を構成する結晶のＥｇに対応し、横軸は基板からの距離を表わす。

上記多重量子井戸活性層３は、２層の量子井戸層３ａと、各量子井戸層３ａの両側に設けられた障壁層３ｂとを有している。上記量子井戸層３ａはＩｎ_1-v1Ｇａ_v1Ａｓ_1-w1Ｐ_w1結晶からなり、障壁層３ｂはＩｎ_1-v2Ｇａ_v2Ａｓ_1-w2Ｐ_w2結晶からなる。ここで、ｖ１，ｖ２はｖ１＜ｖ２を満たし、ｗ１，ｗ２はｗ１＜ｗ２を満たす。

以下、上記量子井戸層３ａの組成ｖ１，ｗ１の関係、及び、障壁層３ｂの組成ｖ２，ｗ２の関係について図３を用いてより詳しく説明する。

例えば、上記量子井戸層３ａと障壁層３ｂとの組成を一点鎖線の線分Ｄ１の両端の組成に対応させる場合、点Ｚａを量子井戸層３ａの組成とし、点Ｚｂを障壁層３ｂの組成とすることが望ましい。また、例えば、上記量子井戸層３ａと障壁層３ｂとの組成を一点鎖線の線分Ｄ２の両端の組成に対応させる場合、点Ｚｃを量子井戸層３ａの組成とし、点Ｚｄを障壁層３ｂの組成とすることが望ましい。

以下、点Ｚａと点Ｚｂとの関係または点Ｚｃと点Ｚｄとの関係について詳述する。

上記障壁層３ｂのＥｇが量子井戸層３ａのＥｇより大きくなければならないことは既に説明した通りである。基板がＧａＡｓ基板である場合、基板の結晶格子の大きさＡｓと等しい結晶の組成は実線Ａで表わされる。この実線Ａ上の組成の結晶は基板に格子整合し、歪が無い状態となる。一方、図３に示す範囲の組成の結晶では、図の中央付近の結晶が最も作り難いことが知られている。この領域は一般にミシビリティギャップの領域と呼ばれている。本発明者らは、量子井戸層３ａ及び障壁層３ｂも歪の無い結晶を用いるために、量子井戸層３ａの結晶の組成を点Ｚｅ、障壁層３ｂの結晶の組成は点Ｚｆとして半導体レーザ素子を試作したところ、閾値電流が７０ｍＡ以上と非常に高く、良好な素子は実現できなかった。点Ｚｆはミシビリティギャップの領域外であり、結晶成長の観点からは良好な表面が得られている。ところが、実際の素子特性は良好なものが得られないことが確認された。これは従来の結晶成長の考え方では理解できない現象である。

上記障壁層３ｂとしては、歪のある組成を考えることもできる。ここで、結晶における歪Ｄｉｓは、基板の格子定数をａ１、結晶の格子定数をａ２、Δａ＝ａ２−ａ１とすると、Ｄｉｓ＝Δａ／ａ１で定義され、通常は％で表示される。歪Ｄｉｓの絶対値が大きい組成を選ぶということは、図で実線Ａに対し垂直方向にできる限り遠くの点に対応する組成を選ぶことになる。歪Ｄｉｓの絶対値が大きくなりすぎると内部応力により結晶が破壊し、半導体レーザやＬＥＤのような光デバイスを作製したとき、光が結晶の破壊で生じた欠陥により吸収されたり、キャリアがやはり欠陥によりトラップされて発光に寄与しなくなり、光デバイスの性能が悪くなることが知られている。実線Ａから右上側がＥｇの大きくなる方向で、この方向では歪Ｄｉｓの大きさは負の値になるので引張り歪が加わることになる。反対に、実線Ａより左下側がＥｇの小さくなる方向で、この方向では歪Ｄｉｓの大きさは正の値になるので圧縮歪が加わることになる。

また、上記半導体レーザ素子を、１５０ｍＷ〜２００ｍＷという高速ＣＤ−Ｒ用途の高出力レーザとして安定に動作させるためには、結晶性のほか、温度特性も極めて重要となる。温度特性を向上させるには各種の方法があるが、量子井戸層３ａと障壁層３ｂとのエネルギーギャップ差が最も重要なパラメータである。しかし、従来は７８０ｎｍ帯すなわちＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰを量子井戸層、障壁層の両者に適用したレーザでは、先に述べた結晶性と、温度特性すなわちエネルギーギャップ差を大きくとることを両立させるＩｎＧａＡｓＰ組成の組み合わせの明確な指針が示されていなかった。

この現況を鑑み本発明者等が鋭意検討した結果、成長される結晶の欠陥が少なく、量子井戸層３ａと障壁層３ｂとのエネルギーギャップ差ができるだけ大きくなるようにするためには、障壁層３ｂのＶ族元素におけるＰの割合が、量子井戸層３ａのＶ族元素におけるＰの割合より大きくし、障壁層３ｂのIII族元素におけるＩｎの割合が、量子井戸層３ａのIII族元素におけるＩｎの割合より小さくし、そして、障壁層３ｂはＧａＡｓ基板１に対し引っ張り歪を有し、量子井戸層３ａはＧａＡｓ基板１に対し圧縮歪を有するという条件を満足すれば良いことが分かった。

また、より好ましくは、上記障壁層３ｂのIII族元素におけるＩｎ混晶比が０．１５以下となるように設定する。この場合は、格段に素子の特性が向上することを、本発明者等が確認した。

また、上記障壁層３ｂのＧａＡｓ基板１に対する引っ張り歪の大きさの絶対値が井戸層のＧａＡｓ基板に対する圧縮歪の大きさの絶対値より大きいという条件を満足すれば更に良いことが分かった。

例えば、上記量子井戸層３ａの組成を点Ｚａとすれば障壁層３ｂの組成を点Ｚｂとすれば良く、量子井戸層３ａの組成を点Ｚｃとすれば障壁層３ｂの組成を点Ｚｄとすれば良い。どの点が良いかは成長する装置により異なる。一般的には、結晶を成長するときの基板温度が高いほど、図の中心に近い組成まで良い結晶が成長できる。反対に、結晶を成長するときの基板温度が低いと、結晶の欠陥ができ始める組成が右下に下がってくる。上記基板温度はいくらでも高くするわけにはいかないが、できる限り高い温度が望ましい。その上で、上記障壁層３ｂの結晶のIII族元素におけるＩｎの割合を１５％以下となるように設定することが好ましい。理由については現在のところ明確にはなっていないが、これは７８０ｎｍ帯の半導体レーザに特有の現象と考えられる。

本第１実施形態の半導体レーザ素子では、障壁層３ｂの外側に障壁層よりエネルギーバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓガイド層３ｃ，３ｄを設けているがその理由を以下に説明する。

結晶の破壊が発生する歪の大きさの絶対値は結晶の厚さに反比例することが知られている。上記ガイド層３ｃ，３ｄのようにレーザ光の閉じ込めを制御するためには層厚を０．０１μｍ〜０．１μｍ程度まで厚くする必要があるので、基板１に対する歪は小さい方が望ましい。上述したように歪を小さくしてＥｇを大きくすることは実線Ｂ２上で左上の組成の結晶を作成することになるが、そのような組成で欠陥のない結晶は成長できないことは先に説明した通りである。そして、高出力動作を要求されるＣＤ−Ｒ用半導体レーザではキャリアの注入量が従来より非常に大きくなるため、その半導体レーザを高温下で良好に動作させるには、量子井戸層−障壁層間のエネルギーギャップ差を大きくするだけではなく、量子井戸層の外側の層のＥｇをも大きくし量子井戸層から漏れたキャリアがクラッドの外側まで拡散するのを防ぐ必要がある。そこで、ガイド層を導入し、Ｅｇが大きくＧａＡｓ基板と格子定数の等しいＡｌＧａＡｓ結晶をその材料に用いている。ところで、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓＰでは従来７８０ｎｍ帯に用いられてきたＡｌＧａＡｓ系結晶と異なり量子井戸層−障壁層間のエネルギーギャップ差を大きくとることができない。また、キャリア漏れと深い関係がある量子井戸層内の基底準位や高次の準位の分布がＡｌＧａＡｓ系結晶と異なる構造をとるため、Ｉｔｈの温度特性はもとより高光出力高電流注入状態でのキャリアの漏れの程度がＡｌＧａＡｓ系結晶とは異なっており、その漏れを防ぐ手段の最適化がなされていない。

これを受け、７８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系レーザである先のレーザ構造においてＡｌＧａＡｓガイド層３ｃ，３ｄの組成を変化させて素子の特性を調べたところ、Ａｌ混晶比が０．３未満では温度特性を示すＴ０値が２５℃〜８５℃間で７０Ｋ以下であったが、Ａｌ混晶比が０．３以上であると、温度特性が向上する。特に、ＡｌＧａＡｓガイド層３ｃ，３ｄにおけるＡｌ混晶比が０．４以上であれば、Ｔ０値は１３０Ｋ以上と良好となることが確認された。これらのＴ０値は、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層４のＡｌ組成を０．４８と固定したときのデータである。また、ＡｌＧａＡｓガイド層３ｃ，３ｄの一部のＡｌ組成を０．５程度まで上げた場合にも、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層４のＡｌ組成を０．４８と固定したときと同じ結果が得られた。

ＡｌＧａＡｓガイド層３ｃ，３ｄ以外の層のＥｇを高くした場合も、上述したデータと同様の温度特性改善効果が確認された。７８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系量子井戸活性層を持つ半導体レーザの温度特性向上に適した層条件を得るため、後に述べるが、第１実施形態の構造を元にクラッド層（ｐ側）、キャリアブロック層などガイド層以外の層の混晶比を様々に設定した素子を作製した。これらの素子の特性を調べたところ、ある特定の条件でガイド層の混晶比を大きくした場合と同様の温度特性値Ｔ０の増加が確認できた。

まず初めに、クラッド層の混晶比を変化させた時の実験結果を述べる。ＡｌＧａＡｓガイド層３ｃ，３ｄのＡｌ混晶比を０．４に固定し、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層４のＡｌ混晶比を変化させた素子を作製し、この素子の特性を調べた。その結果、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層４のＡｌ混晶比を０．５以上にすることでＴ０値は更に向上することが確認された。例えば、Ａｌ混晶比を０．６にするとＴ０値が１５０Ｋ、Ａｌ混晶比を０．７にするとＴ０値が２００Ｋと向上する。

次に、キャリアブロック層を導入した結果について述べる。ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層４のＡｌ混晶比を０．５に固定し、ｐ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ第２クラッド層４とＧａＡｌＡｓガイド層３ｄとの間に、７ｎｍの厚さのｐ型ＧａＡｌＡｓ（Ａｌ混晶比０．７）キャリアブロック層を挿入したところ、Ｔ０値は１８０Ｋと向上した。他のＡｌ混晶比キャリアブロック層では、Ａｌ混晶比を０．６〜０．８５程度の値としたとき、ｐ型ＧａＡｌＡｓキャリアブロック層のＡｌ混晶比が０．７のときと同様の温度特性改善効果が得られた。また、ＧａＡｌＡｓガイド層３ｃ，３ｄの組成をバリア層からクラッド層に向かって徐々に大きくなるよう連続的に変化させるＧＲＩＮ（GRaded INdex）構造、または、段階的に変化させた構造についても温度特性が改善されることを確認した。

これらの結果から、本発明の活性層にＡｌを有しない７８０ｎｍ帯半導体レーザにおいては、ｐ側のガイド層とクラッド層との材料にＡｌＧａＡｓを用い、Ａｌ混晶比を上述した通り適切に設定することが温度特性の確保には極めて重要であることが確認された。

また、量子井戸層における光の利得を決定する光閉じ込め係数を十分大きく取ることも素子の温度特性向上には極めて重要であるが、先に述べたように７８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系の量子井戸層を持つ半導体レーザではバンド構造がＡｌＧａＡｓ系とは異なるため、バンド構造及びフェルミレベルと閉じ込め係数の最適値もＡｌＧａＡｓ系と大きく異なっていることが見出された。実際に素子を試作して特性を確認したところ、全光強度分布のうちの４％以上が量子井戸層に存在するように光学設計を行うことで良好な温度特性、閾値電流特性が実現できることが見出された。実際の素子では光の形状自体を変化させる他に、量子井戸層の層厚を厚くしたり量子井戸層の層数を増やすことで、この最適な閉じ込め係数値を実現している。

以上、量子井戸層，障壁層のＩｎＧａＡｓＰ材料の組み合わせと、量子井戸層，障壁層以外の層の温度特性向上対策で得られた実験結果を適用した第１実施形態の半導体レーザ素子は、高速ＣＤ−Ｒ用途の１５０ｍＷ〜２００ｍＷ級の７８０ｎｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザ素子として安定に動作できる。

以下に、図１，２を用いて第１実施形態の実際の層構造の一例を述べておく。

図１において、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１クラッド層（３．０μｍ厚）、３は多重量子井戸活性層（発振波長０．７８μｍ）、４はｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第２クラッド層（０．１９６７μｍ厚）、５はｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層（３ｎｍ厚）、６はｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第３クラッド層（１．２８μｍ厚）である。この第３クラッド層６はリッジストライプ構造を成している。そして、上記第３クラッド層６は、高さが約２μｍ、幅が最も広いところで約２．５μｍである。つまり、上記第３クラッド層６においてエッチングストップ層５と接する部分の幅は約２．５μｍに設定されている。また、上記第３クラッド層６の両側には電流阻止層７を設けていて、この電流阻止層７により第３クラッド層６の側面が埋め込まれている。上記電流阻止層７は、ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ第１埋め込み層７ａ（０．７μｍ厚）、ｎ型ＧａＡｓ第２埋め込み層７ｂ（０．３μｍ厚）が順次積層されてなっており、主に第３クラッド層６の直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに、上記第３クラッド層６および電流阻止層７の上全面にｐ型ＧａＡｓコンタクト層８（２．０μｍ厚）が積層されている。

上記多重量子井戸活性層３は、図２に示すように、ｉ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓガイド層３ｃ（６８．５ｎｍ厚）、２層のＩｎ_0.17Ｇａ_0.83Ａｓ_0.717Ｐ_0.283量子井戸層３ａ（８ｎｍ厚）、３層のＩｎ_0.09Ｇａ_0.91Ａｓ_0.42Ｐ_0.58障壁層３ｂ及びｉ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓガイド層３ｄ（６８．５ｎｍ厚）からなっている。上記障壁層３ｂはＧａＡｓ基板１に対して１．４１７％の引っ張り歪を有している。また、上記障壁層３ｂの３層のうちＧａＡｓ基板１側から数えて１番目、３番目の層における層厚を１０ｎｍ、２番目の層における層厚を５ｎｍとしている。そして、上記量子井戸層３ａは、障壁層３ｂ間に設けられ、ＧａＡｓ基板１に対して０．２１７％の圧縮歪を有している。ここでは、上記量子井戸層３ａと障壁層３ｂのバンドエネルギー差が約０．４ｅＶ弱となっている。

また、図示しないが、上記ガイド層３ｄと第２クラッド層４との間にＡｌＧａＡｓキャリアブロック層を設ける場合は、ガイド層３ｄと第２クラッド層４との間に、例えば、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓキャリアブロック層を設ける。また、望ましくは、第２クラッド層４のＡｌ混晶比を０．５以上にする。

本第１実施形態の半導体レーザ素子はリッジガイド構造と呼ばれるもので、エッチングストップ層５は、リッジと呼ばれる断面が台形のストライプ状の第３クラッド層６を通常のホトリソグラフィー法で形成する場合、第２クラッド層４がエッチングされないようにするために設けられている。そして、上記エッチングストップ層５は、厚さを０．０１μｍ以下として量子井戸層３ａで発生したレーザ光を吸収しないように十分薄くしている。

また、上記電流阻止層７は０．３μｍ以上と厚いので、光を吸収しないＡｌＧａＡｓで形成することが望ましい。しかし、上記電流阻止層上にコンタクト層を成長するためには、酸化され難いＧａＡｓで電流阻止層を覆っておくことが望ましい。このため、上記電流阻止層７は、ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ第１埋め込み層７ａと、ｎ型ＧａＡｓ第２埋め込み層７ｂとで構成している。

また、上記第１埋め込み層７ａを第３クラッド層６よりＡｌ組成の大きな結晶とすることにより、レーザ光をＧａＡｓ基板１に平行な方向についてはリッジ部分に閉じ込めることができる。本構成の場合、上記電流阻止層７での光吸収が無いので外部量子効率が高くなる。従って、高い光出力で使用する場合に駆動電流が少なくなる。

上記コンタクト層８はｐ型不純物を高濃度に添加した層であり、ｐ側電極１２とオーミックコンタクトを取るために設けている。また、上記ｐ側電極１２がステム（図示せず）にダイボンドされたとき、多重量子井戸活性層３で発生した熱を速やかに逃すことができるよう、電極面積を広くするためにストライプ状リッジ部６の上だけでなく電流阻止層７も覆うように設けている。

本第１実施形態の半導体レーザ素子は、ステムやダイボンド方法に特別な工夫を行うことなく、発振波長が７８０ｎｍ、連続発振で１５０ｍＷ以上の光出力を実用に十分な動作時間出すことができる。

また、上記半導体レーザ素子をステムにマウントした半導体レーザ装置を光源に用いることにより、ＣＤ−ＲやＣＤ−ＲＷ規格の光ディスクへの書込みを高速に行うことができるようになる。即ち、基準とされる書込み速度に対し、従来は１２倍の速さまでしか書き込め無かったものが１６倍以上の速さで書き込むことができるようになった。

（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子を端面から見たときの結晶の層構造を表わしたものを示す。また、図４においては、図１に示した第１実施形態の構成部と同一構成部に、図１における構成部と同一参照番号を付している。

図４において、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１クラッド層（３．０μｍ厚）、２３は多重量子井戸活性層（発振波長０．７８μｍ）、４はｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第２クラッド層（０．１９６７μｍ厚）、５はｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層（３ｎｍ厚）、２６はｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第３クラッド層（１．２８μｍ厚）、２７はｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流阻止層（０．７μｍ厚）、２８はｐ型ＧａＡｓコンタクト層（２．０μｍ厚）である。上記電流阻止層２７はストライプ開口部を有し、主にストライプ開口部直下のみに電流が流れる電流狭窄構造をなしている。また、上記第３クラッド層２６は、エッチングストップ層５の一部と電流阻止層２７を覆うように形成されている。

上記多重量子井戸活性層２３は、図示しないが、ｉ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓガイド層（３５ｎｍ厚）、２層のＩｎ_0.20Ｇａ_0.80Ａｓ_0.71Ｐ_0.29量子井戸層（１５ｎｍ厚）、３層のＩｎ_0.07Ｇａ_0.93Ａｓ_0.52Ｐ_0.48障壁層及びｉ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓガイド層（３５ｎｍ厚）からなっている。上記障壁層はＧａＡｓ基板１に対して１．２０７％の引っ張り歪を有している。また、上記障壁層の３層のうちＧａＡｓ基板１側から数えて１番目、３番目の層における層厚を１０ｎｍ、２番目の層における層厚を５ｎｍとしている。そして、上記量子井戸層は、障壁層間に設けられ、ＧａＡｓ基板１に対して０．４０９％の圧縮歪を有している。ここでは、上記量子井戸層と障壁層のバンドエネルギー差が約０．３ｅＶ弱となっている。

上記構成の第２実施形態の半導体レーザ素子では、第１実施形態と同様、量子井戸層と障壁層の組成比を、先に述べた図３中での適当な組み合わせとなるよう設定している。また、先述したように、量子井戸構造外での温度特性改善構造を取り入れている。つまり、上記第１実施形態では温度特性改善のためキャリアブロック層を導入したが、第２実施形態ではキャリアブロック層を用いず、量子井戸活性層２３の層厚を厚くし、またガイド層のＡｌ混晶比も大きく設定している。その結果、本第２実施形態の半導体レーザ素子は、上記第１実施形態と同じようにＣＤ−Ｒ用半導体レーザの仕様を満たした高出力動作を行うことができる。

また、本第２実施形態では、リッジストライプ構造ではなく内部ストライプ構造を用いてＧａＡｓ基板１と平行方向にレーザ光を閉じ込めている。即ち、ストライプ状の切欠き部を有する電流阻止層２７の全体を覆うように第３クラッド層２６が形成されている。

上記第１実施形態の半導体レーザ素子では、リッジ形成工程と電流阻止層形成工程の間にフォトリソグラフィー工程を挟む必要があるため、結晶成長装置から素子を取出す必要がある。これに対して、本第２実施形態の半導体レーザ素子では、電流阻止層２７を厚くすることが難しいので、高い出力を得るために駆動電圧を高くすることが困難ではあるが、内部ストライプ形成工程において電流阻止層が同時に形成されるので素子の作成が容易になるという特徴がある。

（第３実施形態）
図５（ａ）に、本発明の第３実施形態の半導体レーザ素子を端面から見たときの結晶の層構造を表したものを示し、図５（ｂ）に、図５（ａ）のｂ−ｂ線から見た断面を表したものを示している。また、図５（ａ），（ｂ）においては、図１に示した第１実施形態の構成部と同一構成部に、図１における構成部と同一参照番号を付している。

図５（ａ）において、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型Ａｌ_0.4３Ｇａ_0.57Ａｓ第１クラッド層（３．０μｍ厚）、３３は多重量子井戸活性層（発振波長０．７８μｍ）、４はｐ型Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ第２クラッド層（０．１９６７μｍ厚）、５はｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層（３ｎｍ厚）、６はｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第３クラッド層（１．２８μｍ厚）である。この第３クラッド層６はリッジストライプ構造を成している。そして、上記第３クラッド層６は、高さが約２．５μｍ、幅が最も広いところで約４．０μｍである。つまり、上記第３クラッド層６においてエッチングストップ層５と接する部分の幅は約４．０μｍに設定されている。また、上記第３クラッド層６の両側には電流阻止層７を設けていて、この電流阻止層７により第３クラッド層６の側面が埋め込まれている。上記電流阻止層７は、ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ第１埋め込み層７ａ（０．７μｍ厚）、ｎ型ＧａＡｓ第２埋め込み層７ｂ（０．３μｍ厚）が順次積層されてなっており、主に第３クラッド層６の直下にのみ電流が流れる電流狭窄構造をなしている。さらに、上記第３クラッド層６および電流阻止層７の上全面にｐ型ＧａＡｓコンタクト層８（２．０μｍ厚）が積層されている。

上記構成の第３実施形態の半導体レーザ素子では、第１、２実施形態と同様、量子井戸層と障壁層の組成比を、先に述べた図３中での適当な組み合わせとなるよう設定している。また、先述したように量子井戸構造外での温度特性改善構造を取り入れている。つまり、本第３実施形態では、量子井戸層数を増やし、ｉ型ＡｌＧａＡｓガイド層を設け、また第２ｐ−クラッド層４のＡｌ混晶比も大きく設定している。その結果、本第３実施形態の半導体レーザ素子は、上記第１，２実施形態と同じようにＣＤ−Ｒ用半導体レーザの仕様を満たした高出力動作を行うことができる。

また、図５（ｂ）に示すように、本第３実施形態の半導体レーザ素子の端面９，１０はレーザ光に対し部分反射鏡となって内部で発生した光の一部を再度内部に戻すことによりレーザ発振を発生させる。上記端面９，１０は結晶構造が途切れており、各層のエネルギーバンドギャップが小さくなっている。そのため内部で発生した光のうち、端面９，１０を透過する光の一部は多重量子井戸活性層３３の結晶そのものに吸収され、この吸収された光の一部が熱となって端面９，１０の温度を上昇させる。このような光吸収や温度上昇は多重量子井戸活性層３３の端面が最も大きいが、光は第１，第２クラッド層２，４迄広がっているので第１，第２クラッド層２，４でも温度上昇が生じる。上記第１実施形態の半導体レーザ素子ではガイド層３ｃ、３ｄや第１，第２クラッド層２，４には酸化されやすいＡｌが大量に含まれているので光出力を更に大きくするためには端面での光吸収を更に低減することが必要である。

図６に、本第３実施形態の半導体レーザの光を取出す端面９近傍の活性層３３ｅを構成する各層の厚さとバンドギャップエネルギーを示す。

上記多重量子井戸活性層３３は、図６に示すように、ｉ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.55Ａｓガイド層３３ｃ（４５ｎｍ厚）、３層のＩｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ_0.50Ｐ_0.50量子井戸層３３ａ（１０ｎｍ厚）、４層のＩｎ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ_0.37Ｐ_0.63障壁層３３ｂ及びｉ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓガイド層３３ｄ（３５ｎｍ厚）からなっている。上記障壁層３３ｂはＧａＡｓ基板１に対して１．３０２％の引っ張り歪を有している。また、上記障壁層３３ｂの３層のうちＧａＡｓ基板１側から数えて１番目、４番目の層における層厚を１０ｎｍ、２番目、３番目の層における層厚を５ｎｍとしている。そして、上記量子井戸層３３ａは、障壁層３ｂ間に設けられ、ＧａＡｓ基板１に対して０．５４１％の圧縮歪を有している。ここでは、上記量子井戸層３ａと障壁層３ｂのバンドエネルギー差が約０．４０ｅＶとなっている。

このように、本第３実施形態の半導体レーザ素子では量子井戸層３３ａを３層としている。そして、上記多重量子井戸活性層３３の端面９近傍の部分３３ｅでは、量子井戸層３３ａと障壁層３３ｂとの周期構造が無くなり、バンドギャップエネルギーは量子井戸層３３ａと障壁層３３ｂとの平均的な値となっている。このような構造は、光を取出す端面９の部分に、例えば、エッチングストップ層５の表面から亜鉛（Ｚｎ）を拡散することにより形成することができる。拡散されたＺｎは、量子井戸層３３ａと障壁層３３ｂとの周期構造を破壊し全体として均一な組成の結晶に変換する。即ち、量子井戸構造を破壊するので端面９近傍のバンドギャップエネルギーは図６のようになるのである。

また、上記半導体レーザ素子の共振器長Ｌ＝６００μｍに対し、量子井戸構造を破壊する部分３３ｅは端面９から略２０μｍの長さとした。これは、上記量子井戸構造が破壊された部分ではレーザ発振のための利得が無くなるのであまり長くすると発振閾値Ｉｔｈが高くなってしまうためである。

上記量子井戸層３３ａの組成を図３の点Ｚｃの組成にし、障壁層３３ｂの組成が図３の点Ｚｄの組成にした場合、多重量子井戸活性層３３の端面９近傍の部分３３ｅの組成は平均的な組成、即ち、点Ｚｇの歪の無い組成に近くなる。従って、上記端面９近傍の部分３３ｅの厚さが例えば０．０５μｍにしても、結晶が破壊して欠陥が発生することが無い。その結果、結晶を劣化させること無く、多重量子井戸活性層３３の端面９近傍の部分３３ｅによる光吸収を無くす、いわゆる窓構造を実現できるため、より高い光出力の半導体レーザ素子を実現できる。

上記第３実施形態では、多重量子井戸活性層３３において、端面９近傍の部分３３ｅにおいて量子井戸層３３ａと障壁層３３ｂとの周期構造を無くしていたが、多重量子井戸活性層３３において端面９近傍の部分３３ｅと、多重量子井戸活性層３３において端面１０近傍の部分との両方において、量子井戸層３３ａと障壁層３３ｂの周期構造を無くしてもよい。また、ガイド層３３ｄと第２クラッド層４との間に、第１実施形態において説明したようなキャリアブロック層を設けてもよい。

本第３実施形態の半導体レーザ素子を光ディスクシステムに用いることにより、より書込み速度の速いＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷシステムを実現することができる。

（第４実施形態）
図９に、本発明の第４実施形態の半導体レーザ素子を端面から見たときの結晶の層構造を表したものを示す。この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_{０．４５２}Ｇａ_{０．５４８}Ａｓ第一下クラッド層１０３（層厚３．０μｍ）、ｎ−Ａｌ_{０．５３２}Ｇａ_{０．４６８}Ａｓ第二下クラッド層１０４（層厚０．１２μｍ）、多重歪量子井戸活性層１０７、ｐ−Ａｌ_{０．４８８５}Ｇａ_{０．５１１５}Ａｓ第一上クラッド層１１０（層厚０．１３μｍ）およびｐ−ＧａＡｓエッチングストップ層１１１（層厚３０Å）を順次積層している。上記ｎ型の第一下クラッド層１０３と第二下クラッド層１０４とが第１導電型の第１クラッド層を構成しており、上記ｐ型の第一上クラッド層１１０が第２導電型の第２クラッド層を構成している。また、エッチングストップ層１１１上に、第２導電型の第３クラッド層としてのメサストライプ形状のｐ−Ａｌ_{０．４８８５}Ｇａ_{０．５１１５}Ａｓ第二上クラッド層１１２（層厚１．２８μｍ）および庇形状のＧａＡｓキャップ層１１３（層厚０．７５μｍ）を設けると共に、上記第二上クラッド層１１２およびＧａＡｓキャップ層１１３の両側を、ｎ−Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３Ａｓ第一電流阻止層１１５（層厚１．０μｍ）、ｎ−ＧａＡｓ第二電流阻止層１１６（層厚０．３μｍ）およびｐ−ＧａＡｓ平坦化層１１７（層厚０．６５μｍ）からなる光・電流狭窄領域で埋め込み、さらに、全面にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１９を設けている。また、図示していないが、コンタクト層１１９の上にはｐ型電極を、そして基板１０１の裏面にはｎ型電極を設けている。この半導体レーザ素子は、メサストライプ部１２１ａと、そのメサストライプ部１２１ａの両側方のメサストライプ部側方部１２１ｂとを有し、該メサストライプ部１２１ａの最下部の幅は約２．５μｍである。

上記多重歪量子井戸活性層１０７は、図示していないが、基板側からＡｌ_{０．４２７８}Ｇａ_{０．５７２２}Ａｓ下ガイド層（層厚２２００Å）、Ｉｎ_{０．２６５５}Ｇａ_{０．７３４５}Ａｓ_{０．５９１４}Ｐ_{０．４０８６}圧縮歪量子井戸層（歪０．４６６％、層厚５０Å、２層）とＩｎ_{０．１２６０}Ｇａ_{０．８７４０}Ａｓ_{０．４０７１}Ｐ_{０．５９２９}障壁層（歪−１．２００％、層厚９０Å・５０Å・９０Åの３層）を交互に配置してなる多重歪量子井戸活性領域、Ａｌ_{０．４２７８}Ｇａ_{０．５７２２}Ａｓ上ガイド層（層厚１５００Å）という層構造からなっている。

本実施形態において、発振波長は７８０ｎｍであり、７０℃、２３０ｍＷパルスの信頼性試験において５０００時間以上の安定な動作を確認した。これは、第１、２および３実施形態と同様、量子井戸層と障壁層の組成比を、先に述べた図３中での適当な組合せとなるように設定しているためである。その結果、本第４実施形態の半導体レーザ素子は、上記第１、２および３実施形態と同様にＣＤ−Ｒ用半導体レーザの仕様を満たした高出力動作を行うことができ、本第４実施形態の半導体レーザ素子を光ディスクシステムに用いることにより、より書込み速度の速いＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷシステムを実現することができる。

また、本実施形態では、埋込リッジ構造としたが、これに限るものではない。リッジ構造、内部ストライプ構造、埋込ヘテロ構造など、あらゆる構造に対して同様の効果が得られる。

また、活性層１０７と第一上クラッド層１１０との間にキャリアブロック層を設けてもよい。

また、本実施形態では、ｎ型基板を用いたが、ｐ型基板を用い、上記実施の形態のｎ型、ｐ型を入れ替えても、同様の効果は得られる。

上記第１〜４実施形態の半導体レーザ素子は、発振波長が７８０ｎｍで１５０ｍＷ以上の高い出力を連続して出力しても劣化が少なく、従って、高速で書き込み、書き換えが可能なＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ等の光ディスクシステム用光源として好適である。

尚、本発明の半導体レーザ素子は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、たとえば井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

以上より明らかなように、本発明の半導体レーザ素子は、障壁層のＶ族元素におけるＰの割合を、井戸層のＶ族元素におけるＰの割合より大きくすると共に、障壁層のIII族元素におけるＩｎの割合を、井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合より小さくして、障壁層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有し、井戸層は上記ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有しているので、活性層にＡｌを含んでいなくても、より高い光出力を実用的な動作時間出すことができる。また、ＧａＡｓ基板に対して略格子整合し、隣接する障壁層よりも厚いガイド層により、量子井戸層から漏れたキャリアがクラッド層の外側まで拡散するのを防ぐことができるので、本発明の半導体レーザ素子は高温下で良好に動作することが可能となる。

図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の端面から見た層構造を表わす図である。 図２は上記第１実施形態の半導体レーザ素子の活性層を構成する各層の厚さとバンドギャップエネルギー、各層の位置関係を表わす図である。 図３はIII−Ｖ族四元混晶Ｉｎ_1-vＧａ_vＡｓ_1-wＰ_w（０＜ｖ＜１、０＜ｗ＜１）の組成を示す図である。 図４は本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子の端面から見た層構造を表わす図である。 図５（ａ）は本発明の第３実施形態の半導体レーザ素子の端面から見た層構造を表わす図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。 図６は上記第３実施形態半導体レーザ素子の端面における活性層を構成する各層の厚さとバンドギャップエネルギー、各層の位置関係を表わす図である。 図７は従来の半導体レーザ素子の端面から見た層構造を表わす図である。 図８は従来の半導体レーザ素子の活性層を構成する各層の厚さとバンドギャップエネルギー、各層の位置関係を表わす図である。 図９は本発明の第４実施形態の半導体レーザ素子の端面から見た層構造を表す図である。

１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ第１クラッド層
３，２３，３３ 多重量子井戸活性層
４ ｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第２クラッド層
６，２６ ｐ型Ａｌ_0.49Ｇａ_0.51Ａｓ第３クラッド層
３ａ Ｉｎ_0.17Ｇａ_0.83Ａｓ_0.717Ｐ_0.283量子井戸層
３３ａ Ｉｎ_0.32Ｇａ_0.68Ａｓ_0.50Ｐ_0.50量子井戸層
３ｂ Ｉｎ_0.09Ｇａ_0.91Ａｓ_0.42Ｐ_0.58障壁層
３３ｂ Ｉｎ_0.13Ｇａ_0.87Ａｓ_0.37Ｐ_0.63障壁層
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０３ ｎ型第一下クラッド層（第１クラッド層）
１０４ ｎ型第二下クラッド層（第１クラッド層）
１０７ 多重歪量子井戸活性層
１１０ ｐ型第一上クラッド層（第２クラッド層）
１１２ ｐ型第二上クラッド層（第３クラッド層）

Claims (5)

1. 第１導電型のＧａＡｓ基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層、活性層及び第２導電型の第２クラッド層がこの順序で形成され、上記活性層は、井戸層と、この井戸層よりエネルギーバンドギャップが大きくて上記井戸層を挟む障壁層と、上記井戸層および上記障壁層を挟むガイド層を有し、上記井戸層及び上記障壁層は、Ｖ族元素としてＰ及びＡｓを有し、III族元素としてＧａ及びＩｎを有し、上記障壁層は上記ＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有すると共に、上記ガイド層は上記ＧａＡｓ基板に対して略格子整合し、上記ガイド層の厚さは該ガイド層と隣接する障壁層の厚さよりも厚く、電流阻止層により埋め込まれたリッジ構造または内部ストライプ構造を有する半導体レーザ素子において、
   上記障壁層のＶ族元素におけるＰの割合が、上記井戸層のＶ族元素におけるＰの割合より大きく、かつ、上記障壁層のIII族元素におけるＩｎの割合が、上記井戸層のIII族元素におけるＩｎの割合より小さく、
   上記井戸層は上記ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有し、
   上記ガイド層はＡｌＧａＡｓ層より構成される一方、上記電流阻止層により埋め込まれたリッジ構造又は内部ストライプ構造はＧａＡｓからなる層を介して上記ＡｌＧａＡｓガイド層とは反対側に形成され、このＡｌＧａＡｓガイド層のＡｌ混晶比が０．３以上かつ０．５以下である
   ことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
   上記障壁層のIII族元素におけるＩｎ混晶比が０．１５以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
   上記障壁層の上記ＧａＡｓ基板に対する引っ張り歪の大きさの絶対値が、上記井戸層の上記ＧａＡｓ基板に対する圧縮歪の大きさの絶対値より大きいことを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子において、
   上記ＡｌＧａＡｓガイド層のＡｌ混晶比は０．４以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子において、
   上記活性層は、２つの端面のうち少なくとも一方の端面に隣接する部分において、上記井戸層及び障壁層が混晶化されていることを特徴とする半導体レーザ素子。

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