JPH0794829A

JPH0794829A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JPH0794829A
Application number: JP6712894A
Authority: JP
Inventors: Isao Kidoguchi; 勲木戸口; Seiji Onaka; 清司大仲; Hideto Adachi; 秀人足立
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】可視光領域に発振波長を有する半導体レーザ
に関し、クラッド層と活性層の間に特殊な構造を作製す
ることで電子のオーバー・フローを抑制し、良好な特性
で、温度安定性の高い半導体レーザを提供する。【構成】ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッフ
ァ層２を介して（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活
性層４をｎ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッ
ド層３およびｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐク
ラッド層５で挟むダブルヘテロ構造を有し、（Ａｌ0.15
Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４とｐ−（Ａｌ0.6Ｇ
ａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５の間に、（Ａｌ0.6
Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０と（Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１から成る薄膜多層
構造６を有し、薄膜多層構造を構成する各層の一部の厚
さが活性層から離れるに従って減少している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザに関し、特
に、温度安定性に優れ、信頼性の高い半導体レーザに関
する。

【０００２】

【従来の技術】可視光領域に波長を有するレーザ光を発
生することのできる半導体レーザは、光情報処理用光源
や光計測用光源などの用途があり、最近その重要性を増
している。このような半導体レーザに適した各種半導体
材料の開発が活発に行われている。なかでも、（Ａｌx
Ｇａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ系の材料は、良質の基板である
ＧａＡｓに格子整合し、しかも、組成ｘを変化させるこ
とで波長０．６８μｍから０．５６μｍの範囲で発振す
るレーザ光を得ることができるため、注目されている。
発振波長を短くするためには、半導体レーザの活性層中
のＡｌの量を増やせばよい。なお、本明細書において
は、例えば、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐを（Ａｌx
Ｇａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐと表記することとする。

【０００３】以下、図１６を参照しながら、従来の横モ
ード制御型半導体レーザ（赤色発光用）を説明する。

【０００４】この半導体レーザは、図１６に示すよう
に、ｎ−ＧａＡｓ基板１と、基板１上に形成された多層
構造とを備えている。この多層構造は、基板１の上面に
形成されたｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−（Ａｌ0.6
Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層３、（Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４、ｐ− （Ａｌ0.6Ｇａ
0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５、ｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ
0.49Ｐ層７、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層８、及びｐ−
ＧａＡｓキャップ層９を含んでいる。基板１の裏面及び
キャップ層９の上面には、それぞれ、ｎ電極１０及びｐ
電極１１が設けられている。

【０００５】このような半導体レーザは、次のようにし
て製造される。まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ｇ
ａＡｓバッファ層２、ｎ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ
0.49Ｐクラッド層３、（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.
49Ｐ活性層４、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐ
クラッド層５、およびｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７を順
次エピタキシャル成長させる。これらの半導体層の成長
は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などの結晶成
長技術を用いて行われる。上記半導体層の成長の後、ホ
トリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、ｐ
−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７とｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.
51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５とをエッチングすることによ
り、共振器長方向に垂直な断面が台形となるメサストラ
イプを形成する。その後、ＭＯＶＰＥ法などを用いてｎ
−ＧａＡｓ電流ブロック層８を選択的に堆積し、さらに
その上にｐ−ＧａＡｓキャップ層９を堆積する。

【０００６】このような半導体レーザによれば、ｎ−Ｇ
ａＡｓ電流ブロック層８により電流の狭窄を行うことが
できる。また、製造工程中に、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）
0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５を台形上にエッチングする
際に、台形の高さ及び幅を最適化することにより、単一
横モード発振のための条件を満足するように実効的な屈
折率差を設けることが容易に行える。その結果、光を効
果的に台形下部の活性層付近に閉じこめることができ
る。

【０００７】ところが、半導体レーザの発振波長を短く
するために活性層に加えるＡｌの量、すなわちｘの大き
さ（Al mole fraction）を増していくと、（Ａｌ0.6Ｇ
ａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層と活性層との禁制帯
幅の差ΔＥｇが小さくなる。その結果、レーザ発振させ
るために活性層に注入したキャリアは、クラッド層と活
性層との間の障壁を容易に越えてクラッド層に達するこ
ととなる。この現象は、一般に、キャリアの「オーバー
・フロー」と呼ばれる。このキャリアの「オーバー・フ
ロー」のために、レーザ発振に寄与しないキャリアの数
が増し、半導体レーザの特性が悪化する。より具体的に
は、発振しきい値電流が上昇し、高い温度でのレーザ発
振が困難となる。キャリアの中でも、特に有効質量の小
さな電子に関して、そのオーバー・フローが著しい。

【０００８】このように、電子のオーバー・フローによ
る制約を受けるために、半導体レーザの短波長化には限
度があり、半導体レーザの連続発振での発振波長は約６
３０ｎｍに留まっている。６３０ｎｍに発振波長を持つ
半導体レーザの特性も十分ではなく、最高発振温度が約
４０℃と実用に耐えない。また、最高出力も約３ｍＷと
低い。

【０００９】上記の電子のオーバー・フローを抑制する
目的で、多重量子障壁（ＭＱＢ）という構造が提案され
ている（例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジクス２９（１９９０年）第Ｌ１９７７
頁から第Ｌ１９８０頁（Japanese Journal of Applied
Physics 29 （1990） pp.L1977-L1980））。また、特開
平3-3367号公報にも多重量子障壁をもつ半導体レーザが
示されており、しかもこのレーザは多重量子障壁の障壁
層に、引っ張り応力が加えられている。

【００１０】図１７及び図１８を参照しながら、この改
良された従来の半導体レーザ（Japanese Journal of Ap
plied Physics 29 （1990） pp.L1977-L1980））を説明
する。この半導体レーザは、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.
51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５と（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51
Ｉｎ0.49Ｐ活性層４との間に、６原子層の厚さ（１７オ
ングストローム）の禁制帯幅の広いｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ
0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０と４原子層の厚さ
（１１．５オングストローム）の禁制帯幅の狭い（Ａｌ
0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ層２１を１周期とする層
を１０周期繰り返した多層量子障壁１３を有している。

【００１１】このような多重量子障壁１３を作ること
で、活性層へ電子を反射させ、電子のオーバー・フロー
を抑えようとしている。この構造での電子のエネルギー
と反射率の関係を図１９に示す。電子は多層構造を持た
ない時に比べ、約２倍の障壁を感じることになる。電子
のオーバー・フローを抑制できるために、しきい値電流
の低い、温度安定性の高い半導体レーザが得ることがで
きる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この構造で
は、例えば多層量子障壁の１０個のｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ
0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０の中で、１個の層の
厚さが２原子層以上ずれると、電子のエネルギーの低い
所で反射率に低下する部分を生じる。第６番目のｐ−
（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０の厚さ
が２原子層の厚さ（５．６６オングストローム）だけ薄
くなった時の電子のエネルギーと反射率の関係を図２０
に示す。１０１meVの所に反射率が低下する部分があ
る。電子の感じる障壁は最も低いエネルギーで決まる。
そのために、２原子層ずれた場合には電子への障壁とし
ての効果が無くなることになる。その結果、良好な特性
を有する半導体レーザを得ることが困難となる。

【００１３】本発明は上記事情を鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、しきい値電流が低く、
高い温度でのレーザ発振が可能で、しかも、信頼性の高
い半導体レーザを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、活性層、該活性層を挟む一対のクラッド層、及び、
該一対のクラッド層の一方と該活性層との間に設けられ
た薄膜多層構造、を備えた半導体レーザであって、該薄
膜多層構造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅より
も狭い禁制帯幅を有するウェル層とが交互に積層された
構造を含み、それによって、該活性層からオーバフロー
したキャリアを該活性層に反射する機能を有しており、
該薄膜多層構造において、該バリア層及び該ウェル層の
少なくとも一方の層の厚さが、該活性層からの距離に依
存して変化しており、そのことにより上記目的が達成さ
れる。

【００１５】ある実施態様においては、前記薄膜多層構
造の少なくとも一部分において、前記バリア層及び前記
ウェル層の少なくとも一方の層の厚さが、前記活性層か
らの距離に依存して単調に減少している。

【００１６】ある実施態様においては、前記薄膜多層構
造の少なくとも一部分において、前記バリア層及び前記
ウェル層の少なくとも一方の層の厚さが、前記活性層か
らの距離に依存して単調に増加している。

【００１７】本発明の他の半導体レーザは、活性層、該
活性層を挟む一対のクラッド層、及び、該一対のクラッ
ド層の一方と該活性層との間に設けられた薄膜多層構
造、を備えた半導体レーザであって、該薄膜多層構造
は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅よりも狭い禁制
帯幅を有するウェル層とが交互に積層された構造を含
み、それによって、該活性層からオーバフローしたキャ
リアを該活性層に反射する機能を有しており、該薄膜多
層構造において、該バリア層及び該ウェル層の少なくと
も一方の層の禁制帯幅が、該活性層からの距離に依存し
て変化しており、そのことにより上記目的が達成され
る。

【００１８】ある実施態様においては、前記薄膜多層構
造の少なくとも一部分において、前記バリア層及び前記
ウェル層の少なくとも一方の層の厚さが、前記活性層か
らの距離に依存して単調に減少している。

【００１９】ある実施態様においては、前記薄膜多層構
造の少なくとも一部分において、前記バリア層及び前記
ウェル層の少なくとも一方の層の厚さが、前記活性層か
らの距離に依存して単調に増加している。

【００２０】本発明の更に他の半導体レーザは、活性
層、該活性層を挟む一対のクラッド層、及び、該一対の
クラッド層の一方と該活性層との間に設けられた薄膜多
層構造、を備えた半導体レーザであって、該薄膜多層構
造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅よりも狭い禁
制帯幅を有するウェル層とが交互に積層された構造を含
み、該ウェル層と該バリア層の伝導帯のエネルギー差が
１００ｍｅＶ以上であり、それによって、該活性層から
オーバフローしたキャリアを該活性層に反射する機能を
有しており、該バリア層に水平な方向の引っ張り応力が
該バリア層に加わっており、そのことにより上記目的が
達成される。

【００２１】本発明の更に他の半導体レーザは、活性
層、該活性層を挟む一対のクラッド層、及び、該一対の
クラッド層の一方と該活性層との間に設けられた薄膜多
層構造、を備えた半導体レーザであって、該薄膜多層構
造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅よりも狭い禁
制帯幅を有するウェル層とが交互に積層された構造を含
み、該ウェル層と該バリア層の伝導帯のエネルギー差が
１００ｍｅＶ以上であり、それによって、該活性層から
オーバフローしたキャリアを該活性層に反射する機能を
有しており、該ウェル層に水平な方向の圧縮応力が該ウ
ェル層に加わってり、そのことにより上記目的が達成さ
れる。

【００２２】ある実施態様においては、前記ウェル層に
水平な方向の圧縮応力が該ウェル層に加わっている。

【００２３】ある実施態様においては、前記バリア層に
加わっている応力の絶対値ε1、該バリア層の厚さｄ1、
前記ウエル層に加わっている応力の絶対値ε2、及び該
ウェル層の厚さｄ2が以下の関係、 ε1×ｄ1＝ε2×ｄ2 を満足する。

【００２４】本発明の更に他の半導体レーザは、活性
層、該活性層を挟む一対のクラッド層、及び、該一対の
クラッド層の一方と該活性層との間に設けられた薄膜多
層構造、を備えた半導体レーザであって、該薄膜多層構
造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅よりも狭い禁
制帯幅を有するウェル層とが交互に積層された構造を含
み、それによって、該活性層からオーバフローしたキャ
リアを該活性層に反射する機能を有しており、該バリア
層のキャリア濃度が該ウェル層のキャリア濃度よりも高
く、そのことにより上記目的が達成される。

【００２５】前記ウェル層に不純物が実質的にドープさ
れていない。

【００２６】

【作用】本発明の半導体レーザによれば、薄膜多層構造
が、活性層から漏れた電子を活性層に方向に反射させ、
それによって、電子のオーバー・フローを抑える障壁と
して機能する。薄膜多層構造が請求項に記載された構成
を有することにより、例え薄膜多層構造を構成している
半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、活性層へ電子
を反射させ電子のオーバー・フローを抑える障壁として
の働きは変わらないことがわかった。電子のオーバー・
フローが抑制される結果、しきい値電流の低い、温度依
存性の少ない半導体レーザが提供される。

【００２７】本発明の半導体レーザによれば、薄膜多層
構造を構成するバリア層に、各層に水平な方向に引っ張
り応力が加わっている場合、バリア層の禁制帯幅とウエ
ル層の禁制帯幅の差を大きくすることができる。このた
め、例え薄膜多層構造を構成している半導体層の厚さが
２原子層以上ずれても、活性層へ電子を反射させ電子の
オーバー・フローを抑える障壁としての働きは変わらな
い。また、従来の多重量子障壁よりも高い障壁を得るこ
とができる。さらに、従来の多重量子障壁よりも活性層
への正孔の注入効率を高くすることができる。これらの
結果、特性の揃った、しきい値電流の低い、温度安定性
の高い半導体レーザを再現性良く提供することができ
る。

【００２８】特に、薄膜多層構造が構成するバリアの有
する応力の絶対値ε1と、バリア層のの厚さｄ1と、ウエ
ル層の有する応力の量ε2、ウェル層の厚さｄ2とが、次
の関係 ε1×ｄ1＝ε2×ｄ2 を満足する場合、薄膜多層構造中に転位等の欠陥の発生
を抑制できる。

【００２９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面を参照しなが
ら説明する。

【００３０】（実施例１）図１は、本発明による横モー
ド制御型の赤色半導体レーザの断面図を示す。

【００３１】この半導体レーザは、図１に示すように、
ｎ−ＧａＡｓ基板１と、基板１上に形成された多層構造
とを備えている。この多層構造は、基板１の上面に形成
されたｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−（Ａｌ0.6Ｇａ
0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層３、（Ａｌ0.15Ｇａ0.8
5）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４、薄膜多層構造６、ｐ−
（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５、ｐ−
Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
８、及びｐ−ＧａＡｓキャップ層９を含んでいる。基板
１の裏面及びキャップ層９の上面には、それぞれ、ｐ電
極１１及びｎ電極１０が設けられている。

【００３２】この半導体レーザと図１６に示す半導体レ
ーザとの主要な相違点は、本実施例の半導体レーザが、
ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５と
（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４との間
に、新規な構成の薄膜多層構造６を有している点にあ
る。

【００３３】薄膜多層構造６の詳細な構造を図２（ａ）
に、薄膜多層構造６を構成する各層の厚さを図２（ｂ）
に、薄膜多層構造のバンド構造図を図２（ｃ）に示す。
図２（ｃ）においては、伝導帯２３と価電子帯２４とが
示されている。

【００３４】薄膜多層構造６は、禁制帯幅の比較的に広
いｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０
と、禁制帯幅の比較的に狭い（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51
Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１とが交互に形成された構造を有
している（図２（ｃ））。

【００３５】基板１側から数えて第１層目のｐ−（Ａｌ
0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層の厚さは、５００
オングストロームと厚い。これは、電子がトンネリング
によって（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４
から漏れ出すのを防ぐためである。図２（ｂ）に示すよ
うに、薄膜多層構造６を形成するｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.
4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０とｐ−（Ａｌ0.15Ｇａ
0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１の厚さは、第２層目
以降３０オングストロームから２０オングストロームま
で、（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４から
離れるにしたがって薄くなっている。第４層目の（Ａｌ
0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１以降は、厚
さは同じである。

【００３６】この半導体レーザにおける、薄膜多層構造
６による電子に対する反射率と電子のエネルギーとの関
係を図３に示す。図３からわかるように、エネルギが２
２０meVまで反射率１が保たれている。薄膜多層構造６
を持たない半導体レーザでは、電子に対する障壁の高さ
は１２５meVであることから、薄膜多層構造６により約
１．８倍まで障壁の高さが増大したことになる。

【００３７】薄膜多層構造６を構成する各層の中で、例
えば第３層目のバリア層と４層目のバリア層の厚さが２
原子層分、すなわち５．６６オングストローム薄くなっ
たとする。その時の電子の反射率と電子のエネルギーと
の関係を図４に示す。図３と比較してわかるように、作
製する時に例え２原子層分、厚さが薄くなったとしても
電子に対する障壁の高さに変化はない。ここでは２つの
バリア層の厚さが変動した場合について説明したが、他
のバリア層やウエル層の厚さが変化したとしても、その
変化量が２原子層に相当する厚さの範囲内であれば、障
壁の高さに変わりはない。この結果、活性層へ電子を反
射させ、（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４
と薄膜多層構造６の間の障壁を大きい状態に保つことが
でき、発振波長の短い半導体レーザにおいても、しきい
値電流の低減、温度安定性の向上などの特性改善を行う
ことができる。

【００３８】図１に示されるように、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇ
ａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５の上部にはｐ−Ｇ
ａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７が形成されている。また、ｐ−Ｇ
ａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７およびｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.
51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５の一部は、台形状のメサスト
ライプに加工されている。台形の両脇はｎ−ＧａＡｓ電
流ブロック層８を堆積してある。さらにｐ−Ｇａ0.51Ｉ
ｎ0.49Ｐ層７とｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層８の上部に
はｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を有している。上記台形
は、（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４内に
基本横モードが成立するような幅５μｍにする。ｎ−Ｇ
ａＡｓコンタクト層９にはＣｒ／Ｐｔ／Ａｕなどのｐ電
極１１を、ｎ−ＧａＡｓ基板１にはＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉな
どのｎ電極１０を堆積してある。

【００３９】本実施例では、薄膜多層構造６を（Ａｌ0.
15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４とｐ−（Ａｌ0.6
Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５の間に配置した
が、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
５全体を薄膜多層構造６と同様にｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.
3）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０とｐ−（Ａｌ0.15Ｇａ
0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１の厚さが変化するよ
うな構造にしても、この発明の効果は大きい。

【００４０】本実施例では、薄膜多層構造６を構成する
バリア層とウエル層の厚さが活性層から離れるに従って
減少する構造について説明したが、増加する構造でもバ
リア層やウエル層の厚さが変動したとしても電子の反射
率は低下することなく、障壁を高く保持できることがわ
かっている。

【００４１】本実施例では、バリア層とウエル層の厚さ
が活性層から離れるに従って減少する構造を用いたが、
薄膜多層構造６を構成する２番目以降のバリア層あるい
はウエル層の少なくとも一方が、少なくとも２種類以上
の厚さの層から成れば、本発明の効果は大きい。

【００４２】本実施例では、半導体レーザを構成する材
料を指定したが、クラッド層が（ＡｌyＧａ1-y）0.51Ｉ
ｎ0.49Ｐ、活性層が（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.49Ｐ
（ここで、０≦ｚ≦ｙ≦１）の場合でも、しきい値電流
の低く、温度安定性の高い、良好な特性の半導体レーザ
を作製することができる。

【００４３】また、本実施例では材料にＡｌＧａＩｎＰ
を用いた半導体レーザについて説明したが、他の材料で
も本発明の効果が大きいことは言うまでもない。III-V
族の半導体レーザのみならず、II-VI族の材料から成る
半導体レーザでもこの発明の効果は大きい。

【００４４】（実施例２）図５は、本発明による他の横
モード制御型の赤色半導体レーザの断面図を示す。

【００４５】この半導体レーザは、図５に示すように、
例えばｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層
２を介して（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層
４をｎ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
３およびｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッ
ド層５で挟むダブルヘテロ構造を有している。ｐ−（Ａ
ｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５と（Ａｌ0.
15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４との間には、薄膜
多層構造１２を有している。

【００４６】薄膜多層構造１２の詳細な構造を図６
（ａ）に、薄膜多層構造１２を構成する各層の厚さを図
６（ｂ）に、薄膜多層構造１２のバンド構造図を図６
（ｃ）に示す。薄膜多層構造１２は禁制帯幅の広いｐ−
（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層３０と（Ａ
ｌ0.075Ｇａ0.925）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層３０、（Ａ
ｌ0.1Ｇａ0.9）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層３１、（Ａｌ0.
125Ｇａ0.875）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層３２、（Ａｌ0.
15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１から成る（図
６（ｃ））。

【００４７】基板１側から数えて第１層目のｐ−（Ａｌ
0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層の厚さは５００オ
ングストロームと厚い。これは電子がトンネリングによ
って（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４から
漏れ出すのを防ぐためである。図６（ｂ）に示すよう
に、薄膜多層構造１２を形成するｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.
4）0.51Ｉｎ0.49Ｐバリア層２０と各ウエル層の厚さ
は、それぞれ１７オングストローム、１１．５オングス
トロームである。図６（Ｃ）に示すように、薄膜多層構
造１２を形成するウエル層の禁制帯幅は、１番目のウエ
ル層以降１．９１１ｅＶから１．９５ｅＶまで、（Ａｌ
0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４から離れるにし
たがって大きくなっている。４番目以降のウエル層は
（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐウエル層２１で、
同じ禁制帯幅を持つ。このようにして作製した半導体レ
ーザの、薄膜多層構造１２による電子に対する反射率
は、半導体レーザを作製する時に例え２原子層分、いず
れかの層の厚さが設定の値からずれても、電子に対する
障壁の高さに変化はない。ここでは２つのバリア層の厚
さが変動した場合について説明したが、他のバリア層や
ウエル層の厚さが変化したとしても、その変化量が２原
子層に相当する厚さの範囲内であれば、障壁の高さに変
わりはない。この結果、活性層へ電子を反射させ、（Ａ
ｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４と薄膜多層構
造１２の間の障壁を大きい状態に保つことができ、発振
波長の短い半導体レーザにおいても、しきい値電流の低
減、温度安定性の向上などの特性改善を行うことができ
る。

【００４８】図５に示されるように、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇ
ａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５の上部にはｐ−Ｇ
ａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７を有し、ｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ
層７およびｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラ
ッド層５の一部は、台形状のメサストライプに加工され
ている。台形の両脇はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層８を
堆積してある。さらにｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層７とｎ
−ＧａＡｓ電流ブロック層８の上部にはｐ−ＧａＡｓコ
ンタクト層９を有している。上記台形は、（Ａｌ0.15Ｇ
ａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４内に基本横モードが成
立するような幅５μｍにする。ｎ−ＧａＡｓコンタクト
層９にはＣｒ／Ｐｔ／Ａｕなどのｐ電極１１を、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１にはＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉなどのｎ電極１０を
堆積してある。

【００４９】本実施例では、薄膜多層構造１２を（Ａｌ
0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４とｐ−（Ａｌ0.
6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層５の間に配置した
が、ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層
５全体を薄膜多層構造１２と同様にバリア層またはウエ
ル層の禁制帯幅が変化する構造にしても、この発明の効
果は大きい。ただし、ウエル層によって生じる量子準位
が、（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層４の禁
制帯幅よりも大きくなるようにすることが望ましい。

【００５０】本実施例ではウエル層のみを禁制帯幅を変
化させたが、バリア層、若しくはウエル層とバリア層の
両方を変化させても本発明の効果は大きい。

【００５１】また、ウエル層の禁制帯幅が活性層から離
れるに従って増加する構造を用いたが、薄膜多層構造１
２を構成する２番目以降のバリア層あるいはウエル層の
少なくとも一方が、少なくとも２種類以上の禁制帯幅の
層から成れば、本発明の効果は大きい。

【００５２】また、本実施例ではウエル層の禁制帯幅が
増加する構造について説明したが、減少する構造につい
ても検討を行った結果、薄膜多層構造１２を構成するバ
リア層やウエル層の厚さが変動しても電子に対する反射
率の低下はなく、障壁は高い状態に保てることがわかっ
た。

【００５３】上記実施例では、ダブルヘテロ構造を構成
する材料を指定したが、クラッド層が（ＡｌyＧａ1-y）
0.51Ｉｎ0.49Ｐ、活性層が（ＡｌzＧａ1-z）0.51Ｉｎ0.
49Ｐ（ここで、０≦ｚ≦ｙ≦１）の場合でも、しきい値
電流が低く、温度安定性の高い、良好な特性の半導体レ
ーザを作製することができる。

【００５４】また、本実施例では材料にＡｌＧａＩｎＰ
を用いた半導体レーザについて説明したが、他の材料で
も本発明の効果が大きいことは言うまでもない。III-V
族の半導体レーザのみならず、II-VI族の材料から成る
半導体レーザでもこの発明の効果は大きい。

【００５５】本実施例ではバリア層とウエル層は基板に
格子整合する材料で説明したが、バリア層とウエル層の
禁制帯幅を変化させるために、各層に歪を加えても構わ
ない。例えば、ウエル層のＩｎの量を増して圧縮歪を加
えたり、バリア層のＩｎを減らして引っ張り歪を加えた
りしてもよい。

【００５６】以上、述べた（実施例１）の構造と（実施
例２）の構造は個々に用いてもその効果は大きいが、
（実施例１）と（実施例２）を併せ持つような構造でも
効果は大きいことは言うまでもない。

【００５７】（実施例３）図７は、本発明による更に他
の横モード制御型の赤色半導体レーザの断面図を示す。
前述の実施例の各構成要素に対応する本実施例の各構成
要素には、前述の実施例の各構成要素に付与された参照
番号と同じ参照番号が付与されている。

【００５８】この半導体レーザは、図７に示すように、
例えばｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッファ層
２を介して（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４を
ｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３およ
びｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５で
挟むダブルヘテロ構造を有している。ｐ−（Ａｌ0.7Ｇ
ａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５とｐ−（Ａｌ0.2Ｇａ
0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４との間には、薄膜多層構造
６を有している。

【００５９】薄膜多層構造６の詳細な構造を図８（ａ）
に、薄膜多層構造６を構成する各層の厚さを図８（ｂ）
に、バンド構造図を図８（ｃ）に示す。薄膜多層構造６
は禁制帯幅の広いｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.57Ｉｎ0.43
Ｐバリア層２０と（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.45Ｉｎ0.55Ｐウ
エル層２１から成る。第１層目のｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.
3）0.57Ｉｎ0.43Ｐバリア層は２２６．４オングストロ
ームと厚い。これは電子がトンネリングによって（Ａｌ
0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４から漏れ出すのを防
ぐためである。

【００６０】ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.57Ｉｎ0.43Ｐバ
リア層２０には引っ張り応力が加わっており、その応力
の量εは−０．５％である。（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.45Ｉ
ｎ0.55Ｐウエル層２１には圧縮応力が加わっており、そ
の応力の量εは＋０．５％である。歪み量εの符号は−
が引っ張り応力を表し、＋が圧縮応力を示している。半
導体に応力が加わっているときの半導体の禁制帯幅Ｅ
ｇ'は次式で表される。Ｅｇ'＝Ｅｇ＋（２ａ（１−Ｃ12／Ｃ11）±ｂ（１＋２
Ｃ12／Ｃ11））ε・・式１（式１）で、複合の−は重
い正孔帯の場合で、＋は軽い正孔帯の場合である。ま
た、Ｅｇは応力が無いときの禁制帯幅、ａとｂは変形ポ
テンシャル、Ｃ11とＣ12は弾性定数である。

【００６１】（式１）によりｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.
57Ｉｎ0.43Ｐバリア層２０および（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.
45Ｉｎ0.55Ｐウエル層２１の禁制帯幅を求めると、それ
ぞれ２．２６４ｅＶおよび１．９０９ｅＶとなり、禁制
帯幅の差ΔＥｇは０．３５５ｅＶと従来例の多重量子障
壁を構成するｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリ
ア層２０とｐ−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル
層２１の禁制帯幅の差ΔＥｇ＝０．２６１ｅＶに比べ、
９４ｍｅＶ大きい。

【００６２】ＡｌＧａＩｎＰを材料とする半導体では、
ヘテロ接合を形成した時、伝導帯２３のエネルギー差Δ
Ｅｃと禁制帯幅の差ΔＥｇの間に次の関係がある。

【００６３】ΔＥｃ＝０．４３ΔＥｇ・・式２（式２）より、本発明の薄膜多層構造を構成するバリア
層とウエル層の伝導帯２３のエネルギー差は従来構造の
多重量子井戸を構成するバリア層とウエル層の伝導帯２
３のエネルギー差より大きい。

【００６４】この半導体レーザにおける、薄膜多層構造
６による電子に対する反射率と電子のエネルギーとの関
係を図９に示す。２６０ｍｅＶまで反射率１が保たれて
いる。薄膜多層構造６を持たない構造では電子に対する
障壁の高さは１５３ｍｅＶであることから、薄膜多層構
造６により約１．７倍まで障壁が増大したことになる。
障壁の高さは従来例の多重量子障壁よりも約３２ｍｅＶ
高くすることができる。これは、薄膜多層構造６を構成
するバリア層とウエル層の伝導帯２３のエネルギー差
が、従来の多重量子障壁のそれよりも大きいことに起因
する。

【００６５】このバリア層とウエル層の伝導帯のエネル
ギー差（ΔＥc）は、１００ｍｅＶ以上にするのが好ま
しい。一般にΔＥcが大きいほど、電子に対する障壁の
高さを大きくすることができるが、１００ｍｅＶ以上と
れば電子のオーバーフローを抑えるのに効果があるとい
える。また薄膜多層構造の周期（ウエル層とバリア層と
のペアで１周期）も６周期以上であることが好ましい。
これ以下であれば、電子に対する障壁の高さが低下す
る。

【００６６】また、薄膜多層構造６を構成するバリア層
とウエル層の伝導帯２３のエネルギー差が大きいことは
他の効果も生み出す。即ち、薄膜多層構造６を構成する
層の厚さが３原子層程度ずれたり、各層の面内に厚さの
バラツキがあったとしても、電子に対する反射率に変化
が無いという効果である。例えば、従来例の多重量子障
壁の場合と同様に、薄膜多層構造６の１０個のｐ−（Ａ
ｌ0.7Ｇａ0.3）0.57Ｉｎ0.43Ｐバリア層２０のうち４個
の層の厚さが３原子層の厚さだけ厚くなったする。しか
し、この場合でも図１０に示すように、図９と比較して
わかるように、電子に対する障壁の高さに変化はない。

【００６７】ここでは４個のバリア層の厚さが変動した
場合について説明したが、他のバリア層やウエル層の厚
さが変化したとしても、その変化量が３原子層に相当す
る厚さの範囲内であれば、障壁の高さに変わりはない。
この結果、活性層へ電子を反射させ、（Ａｌ0.2Ｇａ0.
8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４と薄膜多層構造６の間の障壁
を大きい状態に保つことができ、発振波長の短い半導体
レーザにおいても、しきい値電流の低減、温度安定性の
向上などの特性改善を行うことができる。

【００６８】図７で、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ
0.5Ｐクラッド層５の上部にはｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層
７を有し、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層７およびｐ−（Ａｌ
0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５の一部は、台形
状のメサストライプに加工されている。台形の両脇はｎ
−ＧａＡｓ電流ブロック層８を堆積してある。さらにｐ
−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層７とｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
８の上部にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を有してい
る。上記台形は、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性
層４内に基本横モードが成立するような幅５μｍにす
る。ｎ−ＧａＡｓコンタクト層９にはＣｒ／Ｐｔ／Ａｕ
などのｐ側電極１１を、ｎ−ＧａＡｓ基板１にはＡｕ／
Ｇｅ／Ｎｉなどのｎ側電極１０を堆積してある。

【００６９】以上述べたように、薄膜多層構造６を構成
するバリア層に引っ張り応力、ウエル層に圧縮応力が加
わっているような構成とし、伝導帯２３のエネルギー差
ΔＥｃを大きくすることにより、電子に対する障壁の高
さを高くできる効果と、薄膜多層構造６を構成する各層
の厚さが変化しても薄膜多層構造６の電子に対する障壁
としての効果に変化はない。

【００７０】さらに、以下で述べる効果もある。従来の
多重量子障壁では多数のヘテロ界面が存在するために、
正孔の活性層への注入の妨げとなる。ところが、薄膜多
層構造６を構成するバリア層に引っ張り応力が加わって
いることにより、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性
層４への正孔の注入効率の低下を生じさせないという効
果が出てくる。その理由を以下に示す。

【００７１】図１１は、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.57Ｉ
ｎ0.43Ｐバリア層２０の正孔に対する波数ｋ空間での等
エネルギー面を示した図である。ｋx，ｋyは各層に水平
な方向であり、ｋzは各層に垂直な方向である。正孔は
ｋz方向から（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４
へ注入される。有効質量が小さいほどエネルギーは大き
く、波数ｋが大きいほどエネルギーは大きくなる。図５
からｋz方向は小さい波数ｋで、ｋxおよびｋy方向と同
じエネルギーが得られる。したがって、ｋz方向の有効
質量は小さくなる。有効質量が小さいために容易にｐ−
（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.57Ｉｎ0.43Ｐバリア層２０を通過
でき、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４への正
孔の注入効率は低下しない。

【００７２】さらに、従来の多重量子障壁で見られるよ
うなバンド構造のベンディングを抑制できる。正孔の活
性層への注入効率が低下すると、図１２のバンド構造に
示すようなｐ−クラッド層のベンディングが生じる。そ
の結果、ｎ−クラッド層から活性層に注入された電子が
比較的容易にｐ−クラッド層側にオーバーフローしやす
くなり、活性層での発光効率が低下する恐れが生じる。
しかしながら、本発明の薄膜多層構造では、正孔の活性
層への注入効率が低下しないことから、バンド構造にベ
ンディングが生じず、電子のオーバーフローが発生しな
い。

【００７３】本実施例では、薄膜多層構造６を構成する
バリア層に引っ張り応力、ウエル層に圧縮応力が加わっ
ている場合について説明したが、少なくともバリア層に
引っ張り応力が加わっているような構成であれば、従来
の多重量子障壁よりも電子に対する障壁の高さを高くす
ることができ、また、軽い正孔を利用するために、活性
層への正孔の注入効率を高くできて、温度安定性に優れ
た、しきい値電流の低い半導体レーザを得ることができ
る。

【００７４】また、薄膜多層構造６を構成するバリア層
に引っ張り応力、ウエル層に圧縮応力が加わっている場
合、バリア層に加わっている応力の量をε1、バリア層
の厚さの総和をｄ1とし、ウエル層に加わっている応力
の量をε2、バリア層の厚さの総和をｄ2とするとき、 ε1×ｄ1＝ε2×ｄ2・・式３を満足するような構成にすれば、歪みの蓄積による転位
等の発生を起こすことなく、良好な特性の半導体レーザ
を得ることができる。（式３）において、応力の量εは
半導体基板の格子定数をａ、バリア層あるいはウエル層
の格子定数をａ//とするとき、次式で表される。

【００７５】ε＝（ａ−ａ//）／ａ・・式４本実施例では、薄膜多層構造６を（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.
5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４とｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ
0.5Ｐクラッド層５の間に配置したが、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇ
ａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５全体を薄膜多層構造
６と同様にｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.57Ｉｎ0.43Ｐバリ
ア層２０とｐ−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.45Ｉｎ0.55Ｐウエ
ル層２１から成る構造にしても、この発明の効果は大き
い。

【００７６】実施例では、半導体レーザを構成する材料
を指定したが、クラッド層が（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ
0.5Ｐ、活性層が（ＡｌzＧａ1-z）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ここ
で、０≦ｚ≦ｙ≦１）の場合でも、しきい値電流の低
く、温度安定性の高い、良好な特性の半導体レーザを作
製することができる。

【００７７】また、本実施例では材料にＡｌＧａＩｎＰ
を用いた半導体レーザについて説明したが、他の材料で
も本発明の効果が大きいことは言うまでもない。III-V
族の半導体レーザのみならず、II-VI族の材料から成る
半導体レーザでもこの発明の効果は大きい。例えば、図
１３は、ｎ−ＧａＡｓ基板３３０と、ｎ−ＧａＡｓ基板
３３０上に形成されたｎ−ＺｎＳｅクラッド層３３１
と、クラッド層３３１上に形成されたＣｄ0.3Ｚｎ0.7Ｓ
ｅ活性層３３２と、活性層３３２上に形成された薄膜多
層構造３３３と、薄膜多層構造３３３上に形成されたｐ
−ＺｎＳｅクラッド層３３６と、クラッド層３３６上に
形成されたＳｉＯ₂３３７とを備え、更に、両面にｐ側
電極３３８及びｎ側電極３３９を備えた半導体レーザを
示している。この半導体レーザにおいて、薄膜多層構造
３３３をＺｎＳバリア３３５とＣｄ0.3Ｚｎ0.7Ｓｅウエ
ル３３４とから形成しても良い。こうすることにより、
ＺｎＳバリア３３５に引っ張り応力、Ｃｄ0.3Ｚｎ0.7Ｓ
ｅウエル３３４に圧縮応力が加わり、それによって、本
発明の効果を生じさせることができる。

【００７８】（実施例４）図１４は、本発明による更に
他の横モード制御型の赤色半導体レーザの断面図を示
す。

【００７９】この半導体レーザは、図１４に示すよう
に、例えばｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓバッフ
ァ層２を介して（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
４をｎ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層３
およびｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層
５で挟むダブルヘテロ構造を有している。ｐ−（Ａｌ0.
7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５と（Ａｌ0.2Ｇａ
0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４との間には、薄膜多層構造
１２を有している。薄膜多層構造１２の詳細な構造を図
１５（ａ）に、薄膜多層構造１２を構成する各層の厚さ
を図１５（ｂ）に、バンド構造図を図１５（ｃ）に示
す。薄膜多層構造１２は禁制帯幅の広いｐ−（Ａｌ0.7
Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層４０とｐ^-−（Ａｌ0.2
Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層４１から成る。第１層
目のｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層は２
２６．４オングストロームと厚い。これは電子がトンネ
リングによって（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層
４から漏れ出すのを防ぐためである。

【００８０】ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリ
ア層４０のキャリア濃度は高く、７×１０¹⁷ｃｍ^-3であ
る。一方、ｐ^-−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐウエ
ル層４１のキャリア濃度は低く、１×１０¹⁷ｃｍ^-3程度
である。

【００８１】ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリ
ア層４０の禁制帯幅は２．２３７ｅＶ、ｐ^-−（Ａｌ0.2
Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層４１の禁制帯幅は１．
９７６ｅＶである。

【００８２】ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリ
ア層４０のキャリア濃度は高く、ｐ ^-−（Ａｌ0.2Ｇａ0.
8）0.5Ｉｎ0.5Ｐウエル層４１のキャリア濃度は低いた
めに、図９（ｃ）に示すように、バリア層とウエル層の
伝導帯２３のエネルギー差を大きくすることができる。

【００８３】薄膜多層構造１２を構成するバリア層とウ
エル層の伝導帯２３のエネルギー差を大きくできると、
薄膜多層構造１２による電子に対する障壁の高さを従来
の多重量子障壁よりも大きくすることができる。

【００８４】また、薄膜多層構造１２を構成するバリア
層とウエル層の伝導帯２３のエネルギー差が大きいこと
は他の効果も生み出す。即ち、薄膜多層構造１２を構成
する層の厚さが３原子層程度ずれたり、各層の面内に厚
さのバラツキがあったとしても、電子に対する反射率に
変化が無いという効果である。例えば、従来例の多重量
子障壁の場合と同様に、薄膜多層構造１２の１０個のｐ
−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層４０のうち
４個の層の厚さが３原子層の厚さだけ厚くなったする。
しかし、この場合でも、従来の多重量子障壁とは異な
り、電子に対する障壁の高さに変化はない。

【００８５】ここでは４個のバリア層の厚さが変動した
場合について説明したが、他のバリア層やウエル層の厚
さが変化したとしても、その変化量が３原子層に相当す
る厚さの範囲内であれば、障壁の高さに変わりはない。
この結果、活性層へ電子を反射させ、（Ａｌ0.2Ｇａ0.
8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４と薄膜多層構造１２の間の障
壁を大きい状態に保つことができ、発振波長の短い半導
体レーザにおいても、しきい値電流の低減、温度安定性
の向上などの特性改善を行うことができる。

【００８６】図１４で、ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉ
ｎ0.5Ｐクラッド層５の上部にはｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ
層７を有し、ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層７およびｐ−（Ａ
ｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５の一部は、台
形状のメサストライプに加工されている。台形の両脇は
ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層８を堆積してある。さらに
ｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層７とｎ−ＧａＡｓ電流ブロック
層８の上部にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を有してい
る。上記台形は、（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性
層４内に基本横モードが成立するような幅５μｍにす
る。ｎ−ＧａＡｓコンタクト層９にはＣｒ／Ｐｔ／Ａｕ
などのｐ側電極１１を、ｎ−ＧａＡｓ基板１にはＡｕ／
Ｇｅ／Ｎｉなどのｎ側電極１０を堆積してある。

【００８７】本実施例では、薄膜多層構造１２を（Ａｌ
0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層４とｐ−（Ａｌ0.7Ｇ
ａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５の間に配置したが、
ｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層５全体
を薄膜多層構造１２と同様にｐ−（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.
5Ｉｎ0.5Ｐバリア層４０とｐ^-−（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5
Ｉｎ0.5Ｐウエル層４１から成る構造にしても、この発
明の効果は大きい。

【００８８】実施例では、半導体レーザを構成する材料
を指定したが、クラッド層が（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ
0.5Ｐ、活性層が（ＡｌzＧａ1-z）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ここ
で、０≦ｚ≦ｙ≦１）の場合でも、しきい値電流の低
く、温度安定性の高い、良好な特性の半導体レーザを作
製することができる。

【００８９】また、本実施例では材料にＡｌＧａＩｎＰ
を用いた半導体レーザについて説明したが、他の材料で
も本発明の効果が大きいことは言うまでもない。III-V
族の半導体レーザのみならず、II-VI族の材料から成る
半導体レーザでもこの発明の効果は大きい。例えば、図
１３に示すような構造で、薄膜多層構造をＺｎＳバリア
とＣｄ0.3Ｚｎ0.7Ｓｅウエルから成る構造とし、バリア
層のキャリア濃度を高くし、ウエル層のキャリア濃度を
低くすることにより、本発明のような効果を生じさせる
ことができる。

【００９０】以上、述べた（実施例３）の構造と（実施
例４）の構造は個々に用いてもその効果は大きいが、
（実施例３）と（実施例４）を併せ持つような構造でも
効果は大きいことは言うまでもない。

【００９１】

【発明の効果】本発明の半導体レーザによれば、（１）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、上記薄膜多層構造を構成する第１の
半導体層が少なくとも３種類以上、あるいは第２の半導
体層が少なくとも２種類以上の厚さの層から成ることか
ら、例え薄膜多層構造を構成している半導体層の厚さが
２原子層以上ずれても、活性層へ電子を反射させ電子の
オーバー・フローを抑える障壁としての働きは変わら
ず、しきい値電流の低い、温度依存性の少ない半導体レ
ーザを得ることができる。

【００９２】本発明の半導体レーザによれば、（２）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、上記薄膜多層構造を構成する第１の
半導体層あるいは第２の半導体層の一部または全ての厚
さが、活性層から離れるに従って減少若しくは増加して
いるため、例え薄膜多層構造を構成している半導体層の
厚さが２原子層以上ずれても、活性層へ電子を反射させ
電子のオーバー・フローを抑える障壁としての働きは変
わらず、特性の揃った、しきい値電流の低い半導体レー
ザを再現性良く得ることができる。

【００９３】本発明の半導体レーザによれば、（３）半導体レーザのクラッド層と活性層との間に禁制
帯幅の広い半導体層と禁制帯幅の狭い半導体層から成る
薄膜多層構造を有し、上記薄膜多層構造を構成する禁制
帯幅の広い半導体層あるいは禁制帯幅の狭い半導体層の
少なくとも一方が、少なくとも２種類以上の禁制帯幅の
層から成ることから、例え薄膜多層構造を構成している
半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、活性層へ電子
を反射させ、活性層と薄膜多層構造の間の障壁を大きい
状態に保つことができ、しきい値電流の低く、また温度
安定性の高い半導体レーザを得ることができる。

【００９４】本発明の半導体レーザによれば、（４）半導体レーザのクラッド層と活性層との間に禁制
帯幅の広い半導体層と禁制帯幅の狭い半導体層から成る
薄膜多層構造を有し、上記薄膜多層構造を構成する禁制
帯幅の広い半導体層あるいは禁制帯幅の狭い半導体層の
一部または全ての禁制帯幅が、活性層から離れるに従っ
て減少若しくは増加しているため、例え薄膜多層構造を
構成している半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、
活性層へ電子を反射させ電子のオーバー・フローを抑え
る障壁としての働きは変わらず、特性の揃った、しきい
値電流の低い半導体レーザを再現性良く得ることができ
る。

【００９５】本発明の半導体レーザによれば、（５）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、該薄膜多層構造を構成する第１の半
導体層に、各層に水平な方向に引っ張り応力が加わって
いることから、第１の半導体層の禁制帯幅と第２の禁制
帯幅の差を大きくすることができ、例え薄膜多層構造を
構成している半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、
活性層へ電子を反射させ電子のオーバー・フローを抑え
る障壁としての働きは変わらず、また、従来の多重量子
障壁よりも高い障壁を得ることができ、さらに、従来の
多重量子障壁よりも活性層への正孔の注入効率を高くす
ることができ、その結果、特性の揃った、しきい値電流
の低い、温度安定性の高い半導体レーザを再現性良く得
ることができる。

【００９６】本発明の半導体レーザによれば、（６）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、該薄膜多層構造を構成する第１の半
導体層に、各層に水平な方向に引っ張り応力が加わり、
かつ第２の半導体層に、各層に水平方向に圧縮応力が加
わっているいることから、例え薄膜多層構造を構成して
いる半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、活性層へ
電子を反射させ電子のオーバー・フローを抑える障壁と
しての働きは変わらず、また、従来の多重量子障壁より
も高い障壁を得ることができ、さらに、従来の多重量子
障壁よりも活性層への正孔の注入効率を高くすることが
でき、その結果、特性の揃った、しきい値電流の低い、
温度安定性の高い半導体レーザを再現性良く得ることが
できる。

【００９７】本発明の半導体レーザによれば、（７）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、該薄膜多層構造が構成する第１の半
導体層の有する応力の量をε1、第１の半導体層の厚さ
をｄ1とし、第２の半導体層の有する応力の量をε2、第
２の半導体層の厚さをｄ2とするとき、ε1×ｄ1＝ε2×
ｄ2を満足することから、薄膜多層構造を構成している
半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、活性層へ電子
を反射させ電子のオーバー・フローを抑える障壁として
の働きは変わらず、また、従来の多重量子障壁よりも高
い障壁を得ることができ、また、従来の多重量子障壁よ
りも活性層への正孔の注入効率を高くすることができ、
さらに、薄膜多層構造中に転位等の欠陥の発生を抑制で
き、その結果、しきい値電流が低く、高い温度安定性を
持つ、信頼性の高い半導体レーザを再現性良く得ること
ができる。

【００９８】本発明の半導体レーザによれば、（８）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、該薄膜多層構造を構成する第１の半
導体層のキャリア濃度が第２の半導体層のキャリア濃度
よりも高いことから、例え薄膜多層構造を構成している
半導体層の厚さが２原子層以上ずれても、活性層へ電子
を反射させ電子のオーバー・フローを抑える障壁として
の働きは変わらず、また、従来の多重量子障壁よりも高
い障壁を得ることができ、その結果、特性の揃った、し
きい値電流の低い、温度安定性の高い半導体レーザを再
現性良く得ることができる。

【００９９】本発明の半導体レーザによれば、（９）クラッド層と活性層との間に禁制帯幅の広い第１
の半導体層と禁制帯幅の狭い第２の半導体層から成る薄
膜多層構造を有し、該薄膜多層構造を構成する第２の半
導体層に不純物が添加されていないことから、例え薄膜
多層構造を構成している半導体層の厚さが２原子層以上
ずれても、活性層へ電子を反射させ電子のオーバー・フ
ローを抑える障壁としての働きは変わらず、また、従来
の多重量子障壁よりも高い障壁を得ることができ、その
結果、特性の揃った、しきい値電流の低い、温度安定性
の高い半導体レーザを再現性良く得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の薄膜多層構造を有する
横モード制御型の赤色半導体レーザの断面図

【図２】本発明の同実施例の半導体レーザの薄膜多層構
造部の詳細な構造、厚さ、およびバンド構造を表す図

【図３】本発明の同実施例の薄膜多層構造を用いた半導
体レーザでの、薄膜多層構造による電子に対する反射率
と電子のエネルギーとの関係を示す図

【図４】従来例の多重量子障壁を用いた半導体レーザで
の、多重量子障壁による電子に対する反射率と電子のエ
ネルギーとの関係を示す図

【図５】本発明の第２の実施例の薄膜多層構造を有する
横モード制御型の赤色半導体レーザの断面図

【図６】本発明の同実施例の半導体レーザの薄膜多層構
造部の詳細な構造、厚さ、およびバンド構造を表す図

【図７】本発明の第１の実施例の薄膜多層構造を有する
横モード制御型の赤色半導体レーザの断面図

【図８】本発明の同実施例の半導体レーザの薄膜多層構
造の詳細な構造、厚さ、およびバンド構造を表す図

【図９】本発明の同実施例の薄膜多層構造を用いた半導
体レーザでの、薄膜多層構造による電子に対する反射率
と電子のエネルギーとの関係を示す図

【図１０】本発明の同実施例の薄膜多層構造の効果を説
明するための図で、電子に対する反射率と電子のエネル
ギーとの関係を示す図

【図１１】本発明の同実施例の薄膜多層構造の効果を説
明するための図で、波数ｋ空間での正孔の等エネルギー
面のｘｙｚ方向依存性を示す図

【図１２】本発明の同実施例の薄膜多層構造の効果を説
明するための図で、従来の多重量子障壁のバンド構造に
見られるベンディングを示すための図

【図１３】本発明をII-VI族化合物の半導体レーザに用
いた時の一例で、青色半導体レーザの断面図

【図１４】本発明の第２の実施例の薄膜多層構造を有す
る横モード制御型の赤色半導体レーザの断面図

【図１５】本発明の同実施例の半導体レーザの薄膜多層
構造部の詳細な構造、厚さ、およびバンド構造を表す図

【図１６】従来例の半導体レーザの構造断面図

【図１７】従来例の多重量子障壁を用いた横モード制御
型の赤色半導体レーザの断面図

【図１８】従来例の図７の半導体レーザの多重量子障壁
の詳細な構造、厚さ、およびバンド構造を表す図

【図１９】従来例の多重量子障壁を用いた半導体レーザ
での、多重量子障壁による電子に対する反射率と電子の
エネルギーとの関係を示す図

【図２０】従来例の課題を説明するための図で、電子に
対する反射率と電子のエネルギーとの関係を示す図

【符号の説明】

１ｎ−ＧａＡｓ基板２ｎ−ＧａＡｓバッファ層３ｎ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層４（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.51Ｉｎ0.49Ｐ活性層５ｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.51Ｉｎ0.49Ｐクラッド層６薄膜多層構造７ｐ−Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ層８ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層９ｐ−ＧａＡｓキャップ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性層、該活性層を挟む一対のクラッド
層、及び、該一対のクラッド層の一方と該活性層との間
に設けられた薄膜多層構造、を備えた半導体レーザであ
って、該薄膜多層構造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅
よりも狭い禁制帯幅を有するウェル層とが交互に積層さ
れた構造を含み、それによって、該活性層からオーバフ
ローしたキャリアを該活性層に反射する機能を有してお
り、該薄膜多層構造において、該バリア層及び該ウェル層の
少なくとも一方の層の厚さが、該活性層からの距離に依
存して変化している、半導体レーザ。
【請求項２】薄膜多層構造の少なくとも一部分におい
て、前記バリア層及び前記ウェル層の少なくとも一方の
層の厚さが、前記活性層からの距離に依存して単調に減
少している、請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】薄膜多層構造の少なくとも一部分におい
て、前記バリア層及び前記ウェル層の少なくとも一方の
層の厚さが、前記活性層からの距離に依存して単調に増
加している、請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】活性層、該活性層を挟む一対のクラッド
層、及び、該一対のクラッド層の一方と該活性層との間
に設けられた薄膜多層構造、を備えた半導体レーザであ
って、該薄膜多層構造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅
よりも狭い禁制帯幅を有するウェル層とが交互に積層さ
れた構造を含み、それによって、該活性層からオーバフ
ローしたキャリアを該活性層に反射する機能を有してお
り、該薄膜多層構造において、該バリア層及び該ウェル層の
少なくとも一方の層の禁制帯幅が、該活性層からの距離
に依存して変化している、半導体レーザ。
【請求項５】薄膜多層構造の少なくとも一部分におい
て、前記バリア層及び前記ウェル層の少なくとも一方の
層の厚さが、前記活性層からの距離に依存して単調に減
少している、請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】薄膜多層構造の少なくとも一部分におい
て、前記バリア層及び前記ウェル層の少なくとも一方の
層の厚さが、前記活性層からの距離に依存して単調に増
加している、請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項７】活性層、該活性層を挟む一対のクラッド
層、及び、該一対のクラッド層の一方と該活性層との間
に設けられた薄膜多層構造、を備えた半導体レーザであ
って、該薄膜多層構造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅
よりも狭い禁制帯幅を有するウェル層とが交互に積層さ
れた構造を含み、該バリア層と該ウェル層の伝導帯のエ
ネルギーの差が１００meＶ以上であり、それによって、
該活性層からオーバフローしたキャリアを該活性層に反
射する機能を有しており、該バリア層に水平な方向の引っ張り応力が該バリア層に
加わっている半導体レーザ。
【請求項８】活性層、該活性層を挟む一対のクラッド
層、及び、該一対のクラッド層の一方と該活性層との間
に設けられた薄膜多層構造、を備えた半導体レーザであ
って、該薄膜多層構造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅
よりも狭い禁制帯幅を有するウェル層とが交互に積層さ
れた構造を含み、該バリア層と該ウェル層の伝導帯のエ
ネルギーの差が１００meＶ以上であり、それによって、
該活性層からオーバフローしたキャリアを該活性層に反
射する機能を有しており、該ウェル層に水平な方向の圧縮応力が該ウェル層に加わ
っている半導体レーザ。
【請求項９】ウェル層に水平な方向の圧縮応力が該ウェ
ル層に加わっている、請求項７に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】バリア層に加わっている応力の絶対値ε
1、該バリア層の厚さｄ1、前記ウエル層に加わっている
応力の絶対値ε2、及び該ウェル層の厚さｄ2が以下の関
係、 ε1×ｄ1＝ε2×ｄ2 を満足する、請求項９に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】活性層、該活性層を挟む一対のクラッド
層、及び、該一対のクラッド層の一方と該活性層との間
に設けられた薄膜多層構造、を備えた半導体レーザであ
って、該薄膜多層構造は、バリア層と、該バリア層の禁制帯幅
よりも狭い禁制帯幅を有するウェル層とが交互に積層さ
れた構造を含み、それによって、該活性層からオーバフ
ローしたキャリアを該活性層に反射する機能を有してお
り、該バリア層のキャリア濃度が該ウェル層のキャリア濃度
よりも高い、半導体レーザ。
【請求項１２】ウェル層に不純物が実質的にドープされ
ていない、請求項１０に記載の半導体レーザ。