WO2022137390A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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WO2022137390A1
WO2022137390A1 PCT/JP2020/048181 JP2020048181W WO2022137390A1 WO 2022137390 A1 WO2022137390 A1 WO 2022137390A1 JP 2020048181 W JP2020048181 W JP 2020048181W WO 2022137390 A1 WO2022137390 A1 WO 2022137390A1
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WO
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layer
lattice constant
well
semiconductor substrate
layers
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PCT/JP2020/048181
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English (en)
French (fr)
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啓資 松本
涼子 鈴木
直幹 中村
宏昭 前原
亮輔 宮越
Original Assignee
三菱電機株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser

Definitions

  • This application relates to a semiconductor laser device.
  • MQW Multi Quantum Well
  • This multiple quantum well structure is a structure in which a well layer (well layer) having a thickness of several nm is sandwiched between barrier layers (barrier layers), and the well layer and the barrier layer are laminated in multiple layers.
  • the multiple quantum well structure at the beginning of development was a structure using a well layer or barrier layer lattice-matched to the substrate.
  • strain MQW structure strain multiple quantum well structure
  • a multiple quantum well structure in which a well layer having a lattice constant of several percent larger than that of a substrate and having a thickness of several nm is sandwiched by a barrier layer having the same lattice constant as that of a substrate and having a larger bandgap than a well layer having a thickness of several nm. think.
  • the well layer is forced to match the lattice constant of the surrounding barrier layer, and a compressive strain that tries to reduce the lattice constant is added to the well layer.
  • the energy band of holes changes due to the action of strain, causing a large change in the density of states.
  • the energy band corresponding to light holes becomes the lowest energy level, and its density of states becomes large.
  • compressive strain is applied to the well layer, the energy band corresponding to heavy holes becomes low energy, and its density of states becomes small. Utilizing such changes in the energy band structure, the characteristics of semiconductor laser devices such as reduction of oscillation threshold value, narrowing of oscillation spectral line width, and speeding up of modulation frequency have been significantly improved. ..
  • the well layer having the desired lattice constant described above is sandwiched between the barrier layers having the same lattice constant as the substrate and the well layers and the barrier layers are alternately laminated in multiple layers to form a multiple quantum well structure, the well layer is formed.
  • critical thickness a predetermined constant critical value
  • misfit dislocations occur at the interface between the well layer and the barrier layer.
  • the greater the strain of the well layer the smaller the critical film thickness. That is, as the number of well layers increases, stress due to strain in the well layers accumulates and misfit dislocations occur.
  • This strain-compensated multiple quantum well structure is a combination of a well layer with compressive strain and a barrier layer with tensile strain, thereby canceling or reducing the stress that causes misfit dislocations and generating misfit dislocations. It suppresses. Therefore, if the strain-compensated multiple quantum well structure is used, it is possible to create a strain-compensated multiple quantum well structure having a large thickness even if a well layer having a large strain is used, and the characteristics of the semiconductor laser device can be improved.
  • Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 disclose a semiconductor laser device having a strain-compensated multiple quantum well structure.
  • Non-Patent Document 1 discloses a semiconductor laser device including an active layer having a strain-compensated multiple quantum well structure having five well layers having a compression strain of 1.43%.
  • Non-Patent Document 2 discloses a semiconductor laser device including an active layer having a strain-compensated multiple quantum well structure having five well layers having a compression strain of 1.44%.
  • Strain Compensation In a semiconductor laser device provided with an active layer having a multiple quantum well structure, the thickness, composition, and strain amount of each well layer are usually the same, and the thickness, composition, and strain amount of each barrier layer are the same. Is. Further, as described above, in general, the more the lattice constant of the well layer is larger than the lattice constant of the semiconductor substrate, that is, the so-called compression strain is applied, the larger the differential gain and the larger the optical output can be achieved.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 disclose a semiconductor laser device including an active layer having a strain-compensated multiple quantum well structure having five well layers and increasing the amount of compression strain of the well layer as much as possible.
  • the strain of the active layer is reduced as compared with the multiple quantum well structure using the barrier layer having the same lattice constant as the substrate.
  • the semiconductor laser apparatus disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2 is liable to cause misfit dislocations, that is, defects due to manufacturing variations and the like.
  • the technique disclosed in the present specification is aimed at providing a semiconductor laser device capable of reducing defects that are non-emission centers of an active layer while maintaining characteristics.
  • An example semiconductor laser device disclosed in the present specification includes a semiconductor substrate and an active layer having a multiple quantum well structure in which well layers and barrier layers are alternately laminated.
  • the barrier layer has a smaller lattice constant than the semiconductor substrate.
  • At least one well layer has a first lattice constant that is equal to or greater than the lattice constant of the semiconductor substrate, and the other well layers have a larger lattice constant than that of the semiconductor substrate and are larger than the first lattice constant. Also has a large lattice constant.
  • the well layer having the first lattice constant is arranged in the central portion of the active layer in the stacking direction.
  • the well layer having a first lattice constant smaller than that of other well layers is arranged in the central portion of the active layer in the stacking direction, the characteristics are maintained. It is possible to reduce the defects that are the non-emission center of the active layer.
  • FIG. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the semiconductor laser apparatus which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor laser apparatus of FIG. It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor laser apparatus of FIG. It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor laser apparatus of FIG. It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor laser apparatus of FIG. It is a figure which shows the manufacturing method of the semiconductor laser apparatus of FIG. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the active layer of FIG. It is a figure which shows the arrangement of the well layer of FIG. It is a figure which shows the energy band structure of the active layer of FIG. It is a figure which shows the lattice constant difference of the active layer of FIG.
  • FIG. It is a figure which shows the lattice constant of the active layer of FIG. It is a figure which shows the example of the lattice constant of the well layer in the active layer of FIG. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the main part of the 1st example of the semiconductor laser apparatus which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows the lattice constant difference of the active layer of FIG. It is a figure which shows the lattice constant of the active layer of FIG. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the main part of the 2nd example of the semiconductor laser apparatus which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows the lattice constant difference of the active layer of FIG.
  • FIG. It is a figure which shows the lattice constant of the active layer of FIG. It is a figure which shows the example of the lattice constant of the well layer in the active layer of FIG. It is a figure which shows the cross-sectional structure of the main part of the semiconductor laser apparatus which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a figure which shows the energy band structure of the active layer of FIG. It is a figure which shows the lattice constant of the active layer of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of the semiconductor laser device according to the first embodiment.
  • 2 to 5 are diagrams showing a method of manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1, respectively.
  • FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of the active layer of FIG. 1
  • FIG. 7 is a diagram showing the arrangement of the well layer of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing the energy band structure of the active layer of FIG. 1
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the lattice constant of the well layer in the active layer of FIG.
  • the semiconductor laser device 50 of the first embodiment includes a semiconductor substrate 1 and an active layer 3 having a multiple quantum well structure in which well layers 13 and barrier layers 14 are alternately laminated.
  • the active layer 3 of the multiple quantum well structure is strain-compensated, and the active layer 3 of the multiple quantum well structure is also the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure.
  • the semiconductor laser apparatus 50 is, for example, an n-type InP semiconductor substrate 1 having a plane orientation (110), a mesa stripe 5 formed on the surface of the semiconductor substrate 1 and extending in the [011] direction, and both sides of the mesa stripe 5.
  • the direction in which the mesa stripe 5 protrudes from the semiconductor substrate 1 is the y direction
  • the direction in which the mesa stripe 5 extends in the semiconductor substrate 1 is the z direction
  • the directions perpendicular to the y direction and the z direction are the x directions. be.
  • the front surface of the semiconductor substrate 1 is the surface on the positive side in the y direction
  • the back surface of the semiconductor substrate 1 is the surface on the negative side in the y direction.
  • the front surface side of each component in the semiconductor laser device 50 is the positive side in the y direction
  • the back surface side of each component in the semiconductor laser device 50 is the negative side in the y direction.
  • the mesa stripe 5 includes an n-type InP first clad layer 2, an active layer 3 having a strain-compensating multiple quantum well structure, and a p-type InP second clad layer 4.
  • the active layer 3 is a laminate 30 having a light confinement layer 12 of AlGaInAs formed on the surface of the first clad layer 2 and a plurality of well layers 13 and a barrier layer 14 formed on the surface of the light confinement layer 12. And an optical confinement layer 15 of AlGaInAs formed on the surface of the laminated body 30.
  • the laminate 30 includes a plurality of AlGaInAs well layers 13 and a plurality of AlGaInAs barrier layers 14 arranged between adjacent well layers 13. In the laminated body 30, well layers 13 and barrier layers 14 are alternately laminated.
  • the well layer 13 closest to the semiconductor substrate 1 is connected to the optical confinement layer 12, and the well layer 13 farthest from the semiconductor substrate 1 is connected to the optical confinement layer 15.
  • the first clad layer 2 has a thickness of 1000 to 2000 nm and a carrier concentration of 1.0 to 4.0 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the second clad layer 4 has a thickness of 50 to 400 nm and a carrier concentration of 0.5 to 3.0 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the semi-insulating layer 6 has a thickness of 1000 to 4000 nm and a carrier concentration of 1.0 to 10.0 ⁇ 10 16 cm -3 .
  • the block layer 7 has a thickness of 300 to 1000 nm and a carrier concentration of 2.0 to 9.0 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the clad layer 8 has a thickness of 100 to 4000 nm and a carrier concentration of 0.1 to 3.0 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the contact layer 9 has a thickness of 100 to 1000 nm and a carrier concentration of 1.0 to 10.0 ⁇ 10 18 cm -3 .
  • the embedded structure for filling the mesa stripe 5 is not limited to the semi-insulating layer 6, and the p-type InP clad layer, the Fe-doped InP semi-insulating layer, and the n-type InP block layer are laminated in this order. It may be a thing.
  • the ridge width which is the width of 5 in the x direction of the mesa stripe, is about 0.5 to 2.0 ⁇ m.
  • the film thickness of the well layer 13 is 4 to 6 nm, and the total number of well layers 13 is 10 to 13 layers.
  • the well layer 13 has, for example, two types of lattice constants, and can be distinguished into three types in consideration of the arrangement position.
  • the well layer 13 has a first well layer 13a having a lattice constant of 586.9 to 588.7 pm, and a second well layer 13b and a third well layer 13c having a lattice constant of 588.7 to 595.7 pm. Can be distinguished. As shown in FIG.
  • the second well layer 13b is a well layer arranged on the semiconductor substrate 1 side with respect to the first well layer 13a, and the third well layer 13c is more than the first well layer 13a. It is a well layer arranged on the side away from the semiconductor substrate 1.
  • the first well layer 13a is arranged in the central portion of the active layer 3, and can be said to be the well layer in the central portion. Since the second well layer 13b and the third well layer 13c are arranged around the first well layer 13a in the y direction, that is, in the stacking direction of the active layer 3, it can also be said to be a peripheral well layer.
  • 13 is used as a whole, and 13a, 13b, and 13c are used to distinguish them.
  • the film thickness of the barrier layer 14 is 6 to 10 nm, and the total number of barrier layers 14 is 9 to 12 layers.
  • the lattice constant of the barrier layer 14 is 579.9 to 589.3 pm, and the composition of the barrier layer 14 is 1.08 to 1.12 ⁇ m.
  • the film thickness of the light confinement layer 12 is 10 to 20 nm, the lattice constant of the light confinement layer 12 is 586.9 pm, and the composition of the light confinement layer 12 is 0.95 to 1.12 ⁇ m.
  • the lattice constant of the semiconductor substrate 1 is 586.9 pm.
  • FIG. 10 shows the lattice constants of the barrier layer 14, the semiconductor substrate 1, the well layer 13 in the central portion, and the well layer 13 in the peripheral portion.
  • the lattice constant SLb of the barrier layer 14 is shown in the first row, and the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1 is shown in the second row.
  • the lattice constant SLwc of the central well layer, that is, the first well layer 13a is shown in the third row, and the lattice constant SLww of the peripheral well layer, that is, the second well layer 13b and the third well layer 13c is shown in the fourth row. It was shown to.
  • the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1 have no range of variation, and the same values are described in the minimum value, median value, and maximum value columns.
  • the lattice constant of the well layer 13 when the first well layer 13a, the second well layer 13b, and the third well layer 13c are not distinguished is expressed as SLw.
  • the first well layer 13a, the second well layer 13b, and the third well layer 13c are appropriately referred to as the well layer 13a, the well layer 13b, and the well layer 13c.
  • the active layer 3 is an active layer having a strain-compensated multiple quantum well structure.
  • the relationship between the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1, the SLw of the well layer 13, and the lattice constant SLb of the barrier layer 14 is as shown in the equation (1).
  • the relationship between the lattice constant SLwc of the first well layer 13a and the lattice constant SLww of the second well layer 13b and the third well layer 13c is as shown in the equation (2).
  • the active layer 3 is an active layer having a strain-compensated multiple quantum well structure in which a well layer 13 having compressive strain or no strain and a barrier layer 14 having tensile strain are combined with respect to the semiconductor substrate 1. Note that FIG. 10 shows the setting range of the lattice constants of the well layer 13 and the barrier layer 14.
  • the maximum value of the lattice constant SLwc of the first well layer 13a is the same as the minimum value of the lattice constant SLwp of the second well layer 13b and the third well layer 13c, but the relationship of the equation (2) is established. As such, the well layer 13 is formed into a film. Further, the minimum value of the lattice constant SLwc of the first well layer 13a may be the same as the lattice constant of the semiconductor substrate 1.
  • Example 10 are the lattice constants SLwp at the time of film formation.
  • the film formation conditions are set so that the median value is taken into consideration.
  • Example 1 of FIG. 11 is an example in which the lattice constant SLb, the lattice constant SLwc, and the lattice constant SLwp have the median values. FIG. 11 will be described later.
  • a first clad layer 2 is provided on the surface of a semiconductor substrate 1 having a plane orientation (110), an active layer 3 having a strain-compensated multiple quantum well structure serving as a light emitting layer of laser light, and a second clad layer 4.
  • MOCVD Metal Organic Chemical Vapor Deposition
  • An insulating film 16 such as SiO 2 is formed on the surface of the second clad layer 4 and processed into an insulating film 16 having a set ridge width. The ridge width is about 0.5 to 2.0 ⁇ m.
  • the mesa stripe 5 is formed by dry etching from the second clad layer 4 to the middle of the first clad layer 2 or the semiconductor substrate 1. Although dry etching is performed here, the mesa stripe 5 may be formed by wet etching. The etching depth is about 1 to 4 ⁇ m. The mesa stripe 5 extends in the [011] direction.
  • the semi-insulating layer 6 and the block layer 7 are embedded and grown so as to fill both sides of the mesa stripe 5, that is, both sides in the y direction.
  • the embedded structure in this case is a laminated structure of the semi-insulating layer 6 and the block layer 7, but other embedded structures may be used.
  • the other embedded structure is a structure in which a clad layer of p-type InP, a semi-insulating layer of Fe-doped InP, and a block layer of n-type InP are laminated in order.
  • the insulating film 16 is removed using buffered hydrofluoric acid or hydrofluoric acid. After that, the clad layer 8 and the contact layer 9 are laminated in order.
  • the anode electrode 10 which is a front surface electrode is provided on the front surface of the contact layer 9, and the cathode electrode 11 which is a back surface electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate 1.
  • the active layer 3 is formed by light confinement of a light confinement layer 12, a laminate 30 having a plurality of well layers 13 and a barrier layer 14 on the surface of the first clad layer 2.
  • the layers 15 are laminated in order by MOCVD.
  • well layers 13 and barrier layers 14 are alternately laminated.
  • a plurality of well layers 13 and barrier layers 14 are alternately laminated so that the well layers 13 are arranged on the side closest to the semiconductor substrate 1 and the side farthest from the semiconductor substrate 1 in the laminate 30.
  • FIG. 8 shows the energy band structure of the active layer 3.
  • the vertical axis is energy
  • the horizontal axis is an approximate position in the y direction.
  • FIG. 8 shows the conduction band 43 and the valence band 44
  • the left side from the broken line 41a is the second clad layer 4 on the side away from the semiconductor substrate 1
  • the broken lines 41a to 42a are the active layer 3.
  • the right side from the broken line 42a is the first clad layer 2 on the semiconductor substrate 1 side.
  • the stacking order from the semiconductor substrate 1 in the mesa stripe 5 proceeds from the right to the left in FIG. The description will be given according to the stacking order from the semiconductor substrate 1.
  • the broken lines 42a to 42b are the optical confinement layer 12
  • the broken lines 42b to 42c are the well layer 13
  • the broken lines 42c to 42d are the barrier layer 14.
  • the well layer 13 and the barrier layer 14 of the laminated body 30 are alternately arranged from the broken line 42b to the broken line 41b.
  • the broken line 41b to the broken line 41a is the optical confinement layer 15.
  • the well layer 13 is in each range of broken line 42b to broken line 42c, broken line 42d to broken line 42e, broken line 42f to broken line 42g, broken line 41g to broken line 41f, broken line 41e to broken line 41d, and broken line 41c to broken line 41b.
  • the barrier layer 14 is in the range of the broken line 42c to the broken line 42d, the broken line 42e to the broken line 42f, the broken line 41f to the broken line 41e, and the broken line 41d to the broken line 41c.
  • the energy values of the conduction band 43 of the optical confinement layer 12 and the barrier layer 14 are the same and lower than those of the first clad layer 2 and the second clad layer 4, and the valence electrons of the optical confinement layer 12 and the barrier layer 14 are the same.
  • An example is shown in which the energy value of the band 44 is the same and higher than that of the first clad layer 2 and the second clad layer 4.
  • the operation of the semiconductor laser device 50 will be described.
  • a current is passed from the anode electrode 10 to the cathode electrode 11
  • holes are injected from the second clad layer 4 and electrons are injected from the first clad layer 2 in the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure.
  • holes and electrons are recombined in the active layer 3 and laser oscillation occurs.
  • the holes and electrons pass through the light confinement layer 12, the light confinement layer 15, and the barrier layer 14, are accumulated in the well layer 13, are recombined, and emit light.
  • FIGS. 6, 7, and 9 show an example in which the number of well layers 13 is 11 and the number of barrier layers 14 is 10.
  • the horizontal axis is the layer number of the laminated layer in the laminated body 30, and the vertical axis is the lattice constant difference based on the lattice constant of the semiconductor substrate 1.
  • the lattice constant SLm is the lattice constant of the target material.
  • SLm-SLs in the formula (3) is the lattice constant difference of the target material based on the lattice constant of the semiconductor substrate 1.
  • the median values shown in FIG. 10 are used for the lattice constants of the well layer 13a in the central portion, the well layers 13b and 13c in the peripheral portion, and the lattice constants of the barrier layer 14.
  • the even-numbered layer having a layer number of 2 to 20 is the barrier layer 14, and the lattice constant differences 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h, 20i, and 20j of the barrier layer 14 have the same value of -2. .3 pm.
  • the layer having the layer number 11 is the well layer 13a in the central portion, and the lattice constant difference 21 of the well layer 13a is 0.9 pm.
  • the odd-numbered layers having layer numbers 1 to 9 are peripheral well layers 13b arranged on the semiconductor substrate 1 side, and the lattice constant differences 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e of the well layers 13b are 5 having the same value. .3 pm.
  • the odd-numbered layers having layer numbers 13 to 21 are peripheral well layers 13c arranged on the side away from the semiconductor substrate 1, and the lattice constant differences 23a, 23b, 23c, 23d, and 23e of the well layer 13c are the same. The value is 5.3 pm.
  • the lattice constant of the well layer 13 is reduced to about 586.9 to 588.7 pm with respect to the lattice constant of 579.9 to 589.3 pm in the barrier layer 14, the space between the well layer 13a and the barrier layer 14 in the central portion is reduced. The occurrence of misfit dislocations due to lattice mismatch is reduced.
  • the semiconductor laser device 50 of the first embodiment can reduce defects that are non-emission centers in the central portion and the peripheral portion of the active layer 3, suppress light absorption, and deteriorate the device leading to crystal melting of the active layer and the like. Can be suppressed.
  • the semiconductor laser device 50 of the first embodiment is different from the comparative example 2 which is an example in which the compression strain amount of all the well layers of the active layer of the strain-compensated multiple quantum well structure described above is reduced, and the well layer 13b in the peripheral portion is different. , 13c has a sufficiently large amount of compression strain, so that the same characteristics as those of Comparative Example 1 can be obtained. Therefore, the semiconductor laser device 50 of the first embodiment can reduce defects that are non-emission centers of the active layer 3 while maintaining the characteristics.
  • the central portion of the active layer 3 in which the well layer 13a is arranged is also a portion where the light intensity of the laser beam is high, that is, a portion including the maximum value of the light intensity distribution.
  • the strain amount ⁇ of the active layer 3 having the lattice constant difference shown in FIG. 9 is 0.153 ⁇ 10-2 for the well layer 13a in the central portion and 0.903 ⁇ 10 for the well layers 13b and 13c in the peripheral portion. -2 .
  • the strain amount ⁇ is expressed in%
  • the strain amount ⁇ of the well layer 13a in the central portion is 0.153%
  • the strain amount ⁇ of the well layers 13b and 13c in the peripheral portion is 0.903%.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 it is expressed as A% compression strain without adding a sign-, so in the same expression as Non-Patent Documents 1 and 2, the well layer 13a in the central portion is compressed by 0.55%. It has a strain, and the well layers 13b and 13c in the peripheral portion have a compression strain of 1.30%.
  • the semiconductor laser device 50 of the first embodiment can reduce the compression strain in the peripheral well layers 13b and 13c together with the central well layer 13a as compared with the semiconductor laser devices of Non-Patent Documents 1 and 2, the active layer 3 While the number of well layers 13 is made larger than 5 to suppress deterioration of characteristics, misfit dislocations, that is, defects can be reduced as compared with the semiconductor laser devices of Patent Documents 1 and 2 due to manufacturing variations and the like.
  • FIG. 11 shows an example of the active layer 3 when the lattice constant varies.
  • the first row is the lattice constant SLb of the barrier layer 14
  • the second row is the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1
  • the third to thirteenth rows are the lattice constants of the well layer 13.
  • the lattice constant of the well layer 13 shows an example in which the arrangement position is finer than that in FIG.
  • the lattice constants SLwpl1 to SLwpl5 are shown according to the stacking direction from the semiconductor substrate 1.
  • the lattice constants SLwpu1 to SLwpu5 are shown according to the stacking direction from the semiconductor substrate 1.
  • the lattice constant SLwc is the lattice constant of the well layer 13a of layer number 11 in FIG.
  • the lattice constants SLwpl1, SLwpl2, SLwpl3, SLwpl4, and SLwpl5 are the lattice constants of the well layers 13b of the layer numbers 1, 3, 5, 7, and 9 in FIG.
  • the lattice constants SLwpu1, SLwpu2, SLwpu3, SLwpu4, and SLwpu5 are the lattice constants of the well layers 13c of the layer numbers 13, 15, 17, 19, and 21 in FIG.
  • the lattice constant SLb is the median value
  • examples 2 to 4 show examples in which the lattice constant of the well layer 13 varies to the minimum value, the median value, and the maximum value.
  • the symbols a :, b :, c :, A :, B :, and C: are added to the left side so that the lattice constants of the well layer 13 can be easily distinguished.
  • Reference numerals a :, b :, and c indicate the minimum value, the median value, and the maximum value of the well layer 13 in the peripheral portion, respectively.
  • Reference numerals A :, B :, and C indicate the minimum value, the median value, and the maximum value of the well layer 13 in the central portion, respectively.
  • the active layer 3 having the lattice constant shown in Examples 2 to 4 also satisfies the relationship of the equations (1) and (2), the active layer 3 having the lattice constant shown in Examples 2 to 4 is provided.
  • the semiconductor laser device 50 can also reduce defects that are non-emission centers of the active layer 3 while maintaining the characteristics.
  • the number of well layers 13b arranged on the semiconductor substrate 1 side of the well layer 13a having the lattice constant SLwc is the wells arranged on the side away from the semiconductor substrate 1 from the well layer 13a having the lattice constant SLwc.
  • An example is shown which is the same as the number of layers 13c. Therefore, the number of barrier layers 14 (barrier layers 14 on the negative side in the y direction) arranged on the semiconductor substrate 1 side of the well layer 13a having the lattice constant SLwc is larger than that of the well layer 13a having the lattice constant SLwc. It is the same as the number of barrier layers 14 (barrier layers 14 on the positive side in the y direction) arranged on the side away from 1.
  • the number of well layers 13b and the number of well layers 13c are both 5, and the number of well layers 13a is in the y direction.
  • the number of the barrier layer 14 on the negative side and the barrier layer 14 on the positive side in the y direction from the well layer 13a is both 5.
  • the semiconductor laser device 50 of the first embodiment includes a semiconductor substrate 1 and an active layer 3 having a multiple quantum well structure in which well layers 13 and barrier layers 14 are alternately laminated.
  • the barrier layer 14 has a lattice constant SLb smaller than that of the semiconductor substrate 1.
  • At least one well layer 13a has a first lattice constant (lattice constant SLwc) which is a lattice constant equal to or higher than the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1, and the other well layers 13b and 13c have more than the semiconductor substrate 1. It is a large lattice constant and has a lattice constant SLwp larger than the first lattice constant (lattice constant SLwc).
  • the well layer 13a having the first lattice constant (lattice constant SLwc) is arranged in the central portion of the active layer 3 in the stacking direction.
  • the well layer 13a having the first lattice constant (lattice constant SLwc) smaller than the other well layers 13b and 13c is located at the center of the active layer 3 in the stacking direction. Since it is arranged, that is, the well layer 13a having the first lattice constant (lattice constant SLwc) is surrounded by the other well layers 13b and 13c, it becomes the non-emission center of the active layer 3 while maintaining the characteristics. Defects can be reduced.
  • FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a first example of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • 13 is a diagram showing the lattice constant difference of the active layer of FIG. 12
  • FIG. 14 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG.
  • FIG. 15 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a second example of the semiconductor laser device according to the second embodiment.
  • 16 is a diagram showing the lattice constant difference of the active layer of FIG. 15, and
  • FIG. 17 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of the lattice constant of the well layer in the active layer of FIG.
  • the semiconductor laser device 50 of the second embodiment is different from the semiconductor laser device 50 of the first embodiment in the other well layer 13, that is, the second well layer 13b and the third well layer 3 in the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure.
  • the difference is that the number of first well layers 13a smaller than the lattice constant SLwp of the well layer 13c is two or more. A portion different from the semiconductor laser device 50 of the first embodiment will be mainly described.
  • the total number of well layers 13 is 10 to 13 layers, and the total number of barrier layers 14 is 9 to 12 layers.
  • the total number of well layers 13 is 12, and the total number of barrier layers 14 is 11.
  • the total number of well layers 13 is 13, and the total number of barrier layers 14 is 12.
  • the first well layer 13a is an example of two, the number of well layers 13 is 12, and the number of barrier layers 14 is 11.
  • the well layer 13a and the barrier layer 14 are each increased by one from the active layer 3 shown in FIG. 7.
  • the first well layer 13a is an example of three, the number of well layers 13 is 13, and the number of barrier layers 14 is twelve.
  • the lattice constants of the barrier layer 14, the semiconductor substrate 1, the well layer 13 in the central portion, and the well layer 13 in the peripheral portion are shown in FIGS. 14 and 17.
  • FIG. 14 shows the lattice constants of each layer of the active layer 3 of the first example of the semiconductor laser device 50 according to the second embodiment.
  • the lattice constants in the two first well layers 13a in the central part are shown as SLwc1 and SLwc2.
  • the range of the lattice constant SLwc1 and the lattice constant SLwc2 is the same.
  • the lattice constant difference in the active layer 3 of the first example is shown in FIG.
  • the horizontal axis is the layer number of the laminated layer in the laminated body 30, and the vertical axis is the lattice constant difference based on the lattice constant of the semiconductor substrate 1.
  • the lattice constants of the well layer 13a in the central portion, the well layers 13b and 13c in the peripheral portion, and the lattice constants of the barrier layer 14 use the median values shown in FIG.
  • the even-numbered layers having layer numbers 2 to 22 are the barrier layer 14, and the lattice constant differences 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h, 20i, 20j, and 20k of the barrier layer 14 have the same value. -2.3 pm.
  • the layers having layer numbers 11 and 13 are the well layers 13a in the central portion, and the lattice constant differences 21a and 21b of the well layers 13a are 0.9 pm.
  • the odd-numbered layers having layer numbers 1 to 9 are peripheral well layers 13b arranged on the semiconductor substrate 1 side, and the lattice constant differences 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e of the well layers 13b are 5 having the same value. .3 pm.
  • the odd-numbered layers having layer numbers 15 to 23 are peripheral well layers 13c arranged on the side away from the semiconductor substrate 1, and the lattice constant differences 23a, 23b, 23c, 23d, and 23e of the well layer 13c are the same. The value is 5.3 pm.
  • the lattice constant of the well layer 13a of layer number 11 is SLwc1
  • the lattice constant of the well layer 13a of layer number 13 is SLwc2.
  • FIG. 17 shows the lattice constants of each layer of the active layer 3 of the second example of the semiconductor laser device 50 according to the second embodiment.
  • the lattice constants in the three first well layers 13a in the central portion are shown as SLwc1, SLwc2, and SLwc3.
  • the respective ranges of the lattice constants SLwc1, SLwc2, and SLwc3 are the same.
  • the lattice constant difference in the active layer 3 of the first example is shown in FIG.
  • the horizontal axis is the layer number of the laminated layer in the laminated body 30, and the vertical axis is the lattice constant difference based on the lattice constant of the semiconductor substrate 1.
  • the median values shown in FIG. 17 are used for the lattice constants of the well layer 13a in the central portion, the well layers 13b and 13c in the peripheral portion, and the lattice constants of the barrier layer 14.
  • the even-numbered layers having layer numbers 2 to 24 are the barrier layer 14, and the lattice constant differences 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, 20g, 20h, 20i, 20j, 20k, and 20l of the barrier layer 14 are the same.
  • the value is -2.3 pm.
  • the layers having layer numbers 11, 13 and 15 are the well layers 13a in the central portion, and the lattice constant differences 21a, 21b and 21c of the well layers 13a are 0.9 pm.
  • the odd-numbered layers having layer numbers 1 to 9 are peripheral well layers 13b arranged on the semiconductor substrate 1 side, and the lattice constant differences 22a, 22b, 22c, 22d, and 22e of the well layers 13b are 5 having the same value. .3 pm.
  • the odd-numbered layers having layer numbers 17 to 25 are peripheral well layers 13c arranged on the side away from the semiconductor substrate 1, and the lattice constant differences 23a, 23b, 23c, 23d, and 23e of the well layer 13c are the same. The value is 5.3 pm.
  • the lattice constant of the well layer 13a of layer number 11 is SLwc1
  • the lattice constant of the well layer 13a of number 13 is SLwc2
  • the lattice constant of the well layer 13a of number 15 is SLwc3.
  • the semiconductor laser apparatus 50 of the second embodiment has a first well smaller than the lattice constant SLwp of the other well layer 13, that is, the second well layer 13b and the third well layer 13c in the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure.
  • the number of well layers 13a is two or more, the other configurations are the same as those of the semiconductor laser apparatus 50 of the first embodiment, so that the same effect as that of the semiconductor laser apparatus 50 of the first embodiment is obtained.
  • FIG. 18 shows an example of the second active layer 3 when the lattice constant varies.
  • An example of the first active layer 3 in the case where the lattice constant varies is the case where the lattice constant SLwc3 in FIG. 18 does not exist.
  • the first row is the lattice constant SLb of the barrier layer 14
  • the second row is the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1
  • the third to fifteenth rows are the lattice constants of the well layer 13.
  • the lattice constants SLwpl1 to SLwpl5 are shown according to the stacking direction from the semiconductor substrate 1.
  • the lattice constants SLwpu1 to SLwpu5 are shown according to the stacking direction from the semiconductor substrate 1.
  • the lattice constants SLwc1, SLwc2, and SLwc3 are the lattice constants of the well layers 13a of the layer numbers 11, 13, and 15 in FIG.
  • the lattice constants SLwpl1, SLwpl2, SLwpl3, SLwpl4, and SLwpl5 are the lattice constants of the well layers 13b of the layer numbers 1, 3, 5, 7, and 9 in FIG.
  • the lattice constants SLwpu1, SLwpu2, SLwpu3, SLwpu4, and SLwpu5 are the lattice constants of the well layers 13c of the layer numbers 17, 19, 21, 23, and 25 in FIG.
  • Example 5 an example in which the lattice constant SLb is the median and the lattice constant of the well layer 13 is the median is shown in Example 5, the lattice constant SLb is the median, and the lattice constant of the well layer 13 is the minimum value.
  • Examples 6 to 8 show examples in which the median and maximum values vary.
  • the reference numerals a :, b :, c :, A :, B :, and C: attached to the left side of the lattice constant of the well layer 13 are the same as those in FIG.
  • the active layer 3 having the lattice constant shown in Examples 5 to 8 also satisfies the relationship of the formulas (1) and (2), the active layer 3 having the lattice constant shown in Examples 5 to 8 is provided.
  • the semiconductor laser device 50 can also reduce defects that are non-emission centers of the active layer 3 while maintaining the characteristics.
  • FIG. 19 is a diagram showing a cross-sectional structure of a main part of the semiconductor laser device according to the third embodiment.
  • 20 is a diagram showing the energy band structure of the active layer of FIG. 19, and
  • FIG. 21 is a diagram showing the lattice constant of the active layer of FIG.
  • the semiconductor laser device 50 of the third embodiment is different from the semiconductor laser device 50 of the first embodiment in that the active layer 3 does not have a well layer 13a in the central portion and the active layer 3 has a barrier layer having a film thickness of tb1 in the central portion. 14 is arranged, and the difference is that the film thickness tb2 of the other barrier layer 14 in the active layer 3 is thinner than the film thickness tb1.
  • a portion different from the semiconductor laser device 50 of the first embodiment will be mainly described.
  • the total number of well layers 13 is 10 to 13 layers, and the total number of barrier layers 14 is 9 to 12 layers.
  • the total number of well layers 13 is 10, and the total number of barrier layers 14 is 9.
  • the semiconductor laser apparatus 50 of the third embodiment has a central well layer 13a which is a portion of the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure in the semiconductor laser apparatus 50 of the first embodiment in which the light intensity of the laser beam is strong. It can also be considered as a structure in which the barrier layer 14 is replaced or a structure in which the well layer 13a in the central portion is deleted.
  • one of the barrier layers 14 in the central portion which is a portion where the light intensity of the laser beam is strong in the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure, is also a structure in which the film is thicker than the other barrier layers 14.
  • the barrier layer 14 has, for example, two types depending on the film thickness, and can be distinguished into three types in consideration of the arrangement position.
  • the film thicknesses tb1 and tb2 of the barrier layer 14 are the width in the stacking direction, that is, the width in the y direction in the active layer 3.
  • the first barrier layer 14a is a barrier layer having a film thickness tb1.
  • the second barrier layer 14b is a barrier layer having a film thickness tb2 smaller than the film thickness tb1, and is arranged on the semiconductor substrate 1 side with respect to the first barrier layer 14a.
  • the third barrier layer 14c is a barrier layer having a film thickness tb2 smaller than the film thickness tb1, and is arranged on the side away from the semiconductor substrate 1 with respect to the first barrier layer 14a.
  • the second barrier layer 14b is a barrier layer arranged on the semiconductor substrate 1 side with respect to the first barrier layer 14a, and the third barrier layer 14c is more than the first barrier layer 14a. It is a barrier layer arranged on the side away from the semiconductor substrate 1.
  • the first barrier layer 14a is arranged in the central portion of the active layer 3, and can be said to be the central barrier layer. Since the second barrier layer 14b and the third barrier layer 14c are arranged around the first barrier layer 14a in the y direction, that is, in the stacking direction of the active layer 3, it can also be said to be a peripheral barrier layer.
  • the reference numeral of the barrier layer 14 is used as a whole, and 14a, 14b, and 14c are used for distinction.
  • FIG. 21 shows the lattice constants of the barrier layer 14, the semiconductor substrate 1, and the well layer 13.
  • the lattice constant SLb of the barrier layer 14 is shown in the first row
  • the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1 is shown in the second row
  • the lattice constant SLw of the well layer 13 is shown in the third row.
  • the range of the lattice constant SLb in FIG. 21 is the same as the range of the lattice constant SLb in FIG.
  • the lattice constant SLw in FIG. 21 is the same as the range of the lattice constant SLwp in FIG.
  • the lattice constant SLs of the semiconductor substrate 1 have no range of variation, and the same values are described in the minimum value, median value, and maximum value columns.
  • FIG. 20 shows the energy band structure of the active layer 3.
  • the vertical axis is energy
  • the horizontal axis is an approximate position in the y direction.
  • FIG. 20 corresponds to a diagram in which a central barrier layer 14a and a well layer 13 adjacent to the barrier layer 14a are added between the broken line 42g and the broken line 41g in FIG. The parts different from FIG. 8 will be mainly described.
  • the well layer 13 has broken lines 42b to 42c, broken lines 42d to 42e, broken lines 42f to 42g, broken lines 42h to 42i, broken lines 41i to 41h, broken lines 41g to 41f, and broken lines 41e to 41d. , Each range from the broken line 41c to the broken line 41b.
  • FIG. 20 shows the energy band structure of the active layer 3.
  • the vertical axis is energy
  • the horizontal axis is an approximate position in the y direction.
  • FIG. 20 corresponds to a diagram in which a central barrier layer 14a and a well layer 13 adjacent to the barrier
  • the central barrier layer 14a is in the range of the broken line 42i to the broken line 41i.
  • the barrier layer 14b located on the negative side in the y direction with respect to the barrier layer 14a in the central portion is in each range of the broken line 42c to the broken line 42d and the broken line 42e to the broken line 42f.
  • the barrier layer 14c located on the positive side in the y direction with respect to the barrier layer 14a in the central portion is in each range of the broken line 41f to the broken line 41e and the broken line 41d to the broken line 41c.
  • the energy values of the conduction band 43 of the light confinement layer 12 and the barrier layer 14 are the same and lower than those of the first clad layer 2 and the second clad layer 4, and the light confinement layer 12
  • An example is shown in which the energy value of the valence band 44 of the barrier layer 14 is the same and higher than that of the first clad layer 2 and the second clad layer 4.
  • FIG. 7 An example of the film thickness tb1 of the barrier layer 14a in the central portion and the film thickness tb2 of the barrier layers 14b and 14c in the peripheral portion is shown.
  • the film thickness of the well layer 13 is 4 to 6 nm and the film thickness of the barrier layer 14 is 6 to 10 nm.
  • the film thickness tb2 of the barrier layers 14b and 14c is 6 to 10 nm.
  • the film thickness tb1 of the barrier layer 14a in the central portion is 16 to 26 nm because it is the film thickness of the well layer 13a in the central portion of FIG.
  • the film thickness tb1 of the barrier layer 14a in the central portion may be an example in which the well layer 13a in the central portion in FIG. 7 is deleted. In this case, the film thickness tb1 of the barrier layer 14a in the central portion is 2 ⁇ tb2. Further, the film thickness tb1 of the barrier layer 14a in the central portion may be any thickness as long as it includes the portion of the active layer 3 in which the light intensity of the laser beam is strong.
  • one of the central barrier layers 14 which is a portion where the light intensity of the laser beam in the active layer 3 of the strain-compensated multiple quantum well structure is strong is thicker than the other barrier layers 14. Since it has a modified structure, it is possible to eliminate defects that are non-emission centers, suppress light absorption, and suppress device deterioration that leads to crystal melting of active layers and the like.
  • the number of the barrier layers 14b arranged on the semiconductor substrate 1 side of the barrier layer 14a of the film thickness tb1 is the same as the number of the barrier layers 14c arranged on the side away from the semiconductor substrate 1 from the barrier layer 14a.
  • An example is shown. Therefore, the number of well layers 13b arranged on the semiconductor substrate 1 side of the barrier layer 14a of the film thickness tb1 is the same as the number of well layers 13c arranged on the side away from the semiconductor substrate 1 from the barrier layer 14a. be. In the example shown in FIG.
  • the number of well layers 13 is 10 and the total number of barrier layers 14 is 9
  • the number of barrier layers 14b and the number of barrier layers 14c are both 4
  • the number of well layers 13b and the number of well layers 13b is 5 in both cases.
  • the semiconductor laser device 50 of the third embodiment includes a semiconductor substrate 1 and an active layer 3 having a multiple quantum well structure in which well layers 13 and barrier layers 14 are alternately laminated.
  • the well layer 13 has a lattice constant SLw larger than that of the semiconductor substrate 1.
  • One barrier layer 14a has a lattice constant SLb smaller than that of the semiconductor substrate 1, and the width of the active layer 3 in the stacking direction is the first width (film thickness tb1).
  • the other barrier layers 14b and 14c have a lattice constant SLb smaller than that of the semiconductor substrate 1, and the width (film thickness tb2) in the stacking direction of the active layer 3 is smaller than the first width (film thickness tb1). It has become.
  • the barrier layer 14a having the first width (thickness tb1) is arranged in the central portion of the active layer 3 in the stacking direction.
  • the semiconductor laser device 50 of the third embodiment has a characteristic that the barrier layer 14a in the central portion, which is a portion where the light intensity of the laser light is strong, has a thicker film than the other barrier layers 14b and 14c due to this configuration. It is possible to reduce the defects that become the non-emission center of the active layer 3 while maintaining the above.
  • lattice constant substrate lattice constant
  • SLwc substrate lattice constant
  • SLwc1 first lattice constant
  • SLwp lattice constant
  • tb1 film thickness (first width)
  • Tb2 Film thickness

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Abstract

半導体レーザ装置（５０）は、半導体基板（１）と、井戸層（１３）及び障壁層（１４）が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層（３）と、を備えている。障壁層（１４）は、半導体基板（１）よりも小さな格子定数（ＳＬｂ）を有している。少なくとも１つの井戸層（１３ａ）は、半導体基板（１）の格子定数（ＳＬｓ）以上の格子定数である第一格子定数（ＳＬｗｃ）を有しており、他の井戸層（１３ｂ、１３ｃ）は、半導体基板（１）よりも大きな格子定数であって、第一格子定数（ＳＬｗｃ）よりも大きい格子定数（ＳＬｗｐ）を有している。第一格子定数（ＳＬｗｃ）を有する井戸層（１３ａ）は、活性層（３）における積層方向の中央部に配置されている。

Description

半導体レーザ装置
　本願は、半導体レーザ装置に関するものである。
　現在、光通信システムなどに用いられている半導体レーザ装置の光を発光させる活性層には多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ）構造が広く使用されている。この多重量子井戸構造は、厚さが数ｎｍの井戸層（ウエル層）を障壁層（バリア層）で挟むようにして、井戸層と障壁層とが多層に積層された構造である。
　開発当初の多重量子井戸構造は、基板に格子整合した井戸層又は障壁層を用いた構造であった。しかし、その後、歪多重量子井戸構造（歪ＭＱＷ構造）を活性層に用いた半導体レーザ装置の優位性が多くの研究機関から報告されてきた。
　例えば、基板より数パーセント格子定数が大きく、数ｎｍの厚さの井戸層を、基板と同じ格子定数で、数ｎｍの厚さの井戸層よりバンドギャップの大きな障壁層で挟み込む多重量子井戸構造を考える。こうすると井戸層が周りの障壁層の格子定数にむりやり一致させられて格子定数を小さくしようとする圧縮歪が井戸層に加わった構造となる。歪多重量子井戸構造では、歪の作用で正孔のエネルギーバンドが変わり、状態密度に大きな変化を生じることが一般に知られている。また、井戸層に引張歪を加えると軽い正孔に対応したエネルギーバンドが最もエネルギーの低い準位となり、その状態密度が大きくなる。井戸層に圧縮歪を加えると重い正孔に対応したエネルギーバンドが低エネルギーとなり、その状態密度が小さくなる。このようなエネルギーバンド構造の変化を利用して、発振しきい値の低減、発振スペクトル線幅の狭線幅化、変調周波数の高速化など半導体レーザ装置の大幅な特性の改善が行われている。
　ところが、前述した所望の格子定数を持つ井戸層を基板と同じ格子定数の障壁層で挟むようにして、井戸層及び障壁層を交互に多層に積層して多重量子井戸構造を形成した場合、井戸層の全体の厚さ（膜厚）が所定の一定の臨界値（臨界膜厚）を超えると、井戸層と障壁層との界面にミスフィット転位が発生する。そして井戸層の歪が大きい程、臨界膜厚は小さくなる。すなわち、井戸層の数が増えるに従って、井戸層の歪による応力が蓄積され、ミスフィット転位が発生してしまう。半導体レーザ装置の特性を向上させるためには、井戸層の歪を大きくし、井戸層の数を増やす必要があるが、多重量子井戸の膜厚が臨界膜厚で制限されるというトレードオフの関係が存在する。この臨界膜厚の制限を緩和するため、いわゆる歪補償多重量子井戸構造が開発された。
　この歪補償多重量子井戸構造は圧縮歪を有する井戸層と引張歪を有する障壁層とを組み合わせたものであり、これによって、ミスフィット転位を発生させる応力を相殺又は低減し、ミスフィット転位の発生を抑制するものである。従って、歪補償多重量子井戸構造を用いれば、大きな歪を持つ井戸層を使用しても大きな厚みを持つ歪補償多重量子井戸構造を作成することができ、半導体レーザ装置の特性を向上できる。
　例えば、非特許文献１、非特許文献２には、歪補償多重量子井戸構造を備えた半導体レーザ装置が開示されている。非特許文献１には、１．４３％の圧縮歪を有する５つの井戸層を有する歪補償多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置が開示されている。非特許文献２には、１．４４％の圧縮歪を有する５つの井戸層を有する歪補償多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置が開示されている。歪補償多重量子井戸構造の活性層を備えた半導体レーザ装置において、通常の場合、各井戸層における厚さ、組成、歪量は同一であり、各障壁層における厚さ、組成、歪量は同一である。また、一般に井戸層の格子定数が半導体基板の格子定数より大きい状態、いわゆる圧縮歪を加えるほど、微分利得が大きく、光出力が大きくなるなどの特性向上が図れることは前述した通りである。
IEEE JORUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 30, NO.2, FEBRUARY 1994, pp.511-521 IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 7, NO.2, MARCH/APRIL 2001 pp.340-349
　歪補償多重量子井戸構造を備えた半導体レーザ装置であっても、歪補償多重量子井戸構造の活性層における井戸層の圧縮歪量を増加させた場合、歪応力の増大により井戸層と障壁層との間に格子不整合によるミスフィット転位すなわち欠陥が発生する。このようなミスフィット転位は理想的な結晶構造からのずれにより、エネルギーバンドの禁制帯内に局所準位を形成し、それらが発光ではなく、キャリア再結合過程により発熱をもたらす。このような局所準位は非発光再結合準位と呼ばれている。この欠陥は非発光中心となる。非発光中心では、発光しないのでレーザ光に対する吸収領域となる。
　多くの非発光中心がある場合は発生する熱が多くなり、活性層のバンドギャップの低下に伴ってさらに光吸収量が多くなり、温度が上昇して最後には活性層等の結晶が溶融するようなデバイス劣化が生じる問題がある。
　非特許文献１、２では、５つの井戸層を有する歪補償多重量子井戸構造の活性層を備え、可能な限り井戸層の圧縮歪量を大きくした半導体レーザ装置が開示されている。非特許文献１、２に開示された半導体レーザ装置は、基板と同じ格子定数の障壁層を用いた多重量子井戸構造にくらべて活性層の歪は低減されている。しかし、可能な限り井戸層の圧縮歪量を大きくしているため、非特許文献１、２に開示された半導体レーザ装置は、製造ばらつき等によりミスフィット転位すなわち欠陥が発生しやすくなっている。
　歪補償多重量子井戸構造の活性層の井戸層の圧縮歪量を低減させ、歪応力を小さくすることにより井戸層と障壁層間の格子不整合によるミスフィット転位の発生を防ぐことができる。しかし、歪補償多重量子井戸構造の活性層の全ての井戸層の圧縮歪量を低減させると微分利得が低下し、半導体レーザ装置の特性が悪化してしまう。
　本願明細書に開示される技術は、特性を維持しながら活性層の非発光中心となる欠陥を減少できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
　本願明細書に開示される一例の半導体レーザ装置は、半導体基板と、井戸層及び障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、を備えている。障壁層は、半導体基板よりも小さな格子定数を有している。少なくとも１つの井戸層は、半導体基板の格子定数以上の格子定数である第一格子定数を有しており、他の井戸層は、半導体基板よりも大きな格子定数であって、第一格子定数よりも大きい格子定数を有している。第一格子定数を有する井戸層は、活性層における積層方向の中央部に配置されている。
　本願明細書に開示される一例の半導体レーザ装置は、他の井戸層よりも小さい第一格子定数を有する井戸層が活性層における積層方向の中央部に配置されているので、特性を維持しながら活性層の非発光中心となる欠陥を減少できる。
実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面構造を示す図である。 図１の半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。 図１の半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。 図１の半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。 図１の半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。 図１の活性層の断面構造を示す図である。 図６の井戸層の配置を示す図である。 図１の活性層のエネルギーバンド構造を示す図である。 図１の活性層の格子定数差を示す図である。 図１の活性層の格子定数を示す図である。 図１の活性層における井戸層の格子定数の例を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の第一例の要部の断面構造を示す図である。 図１２の活性層の格子定数差を示す図である。 図１２の活性層の格子定数を示す図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の第二例の要部の断面構造を示す図である。 図１５の活性層の格子定数差を示す図である。 図１５の活性層の格子定数を示す図である。 図１５の活性層における井戸層の格子定数の例を示す図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置の要部の断面構造を示す図である。 図１９の活性層のエネルギーバンド構造を示す図である。 図１９の活性層の格子定数を示す図である。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１に係る半導体レーザ装置の断面構造を示す図である。図２～図５は、それぞれ図１の半導体レーザ装置の製造方法を示す図である。図６は図１の活性層の断面構造を示す図であり、図７は図６の井戸層の配置を示す図である。図８は図１の活性層のエネルギーバンド構造を示す図であり、図９は図１の活性層の格子定数差を示す図である。図１０は図１の活性層の格子定数を示す図であり、図１１は図１の活性層における井戸層の格子定数の例を示す図である。実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、半導体基板１と、井戸層１３及び障壁層１４が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層３と、を備えている。多重量子井戸構造の活性層３は歪が補償されており、多重量子井戸構造の活性層３は歪補償多重量子井戸構造の活性層３でもある。
　半導体レーザ装置５０の断面構造を説明する。半導体レーザ装置５０は、例えば面方位（１１０）のｎ型ＩｎＰの半導体基板１と、半導体基板１の表面に形成され、［０１１］方向に延伸しているメサストライプ５と、メサストライプ５の両側に形成されたＦｅドープＩｎＰの半絶縁性層６と、半絶縁性層６の表面に形成されたｎ型ＩｎＰのブロック層７と、メサストライプ５及びブロック層７の表面に形成されたｐ型ＩｎＰのクラッド層８と、クラッド層８の表面に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓのコンタクト層９と、コンタクト層９の表面に形成されたアノード電極１０と、半導体基板１の裏面に形成されたカソード電極１１と、を備えている。メサストライプ５が半導体基板１から突出している方向はｙ方向であり、メサストライプ５が半導体基板１において延伸している方向はｚ方向であり、ｙ方向及びｚ方向に垂直な方向はｘ方向である。半導体基板１の表面はｙ方向正側の面であり、半導体基板１の裏面はｙ方向負側の面である。半導体レーザ装置５０における各構成物の表面側はｙ方向正側であり、半導体レーザ装置５０における各構成物の裏面側はｙ方向負側である。
　メサストライプ５は、ｎ型ＩｎＰの第一クラッド層２と、歪補償多重量子井戸構造の活性層３と、ｐ型ＩｎＰの第二クラッド層４と、を備えている。活性層３は、第一クラッド層２の表面に形成されたＡｌＧａＩｎＡｓの光閉込層１２と、光閉込層１２の表面に形成された複数の井戸層１３及び障壁層１４を有する積層体３０と、積層体３０の表面に形成されたＡｌＧａＩｎＡｓの光閉込層１５と、を備えている。積層体３０は、複数のＡｌＧａＩｎＡｓの井戸層１３と、隣接する井戸層１３の間に配置された複数のＡｌＧａＩｎＡｓの障壁層１４と、を備えている。積層体３０は、井戸層１３及び障壁層１４が交互に積層されている。半導体基板１に最も近い井戸層１３は光閉込層１２に接続されており、半導体基板１にから最も離れている井戸層１３は光閉込層１５に接続されている。
　第一クラッド層２は、厚さが１０００～２０００ｎｍであり、キャリア濃度が１．０～４．０×１０１８ｃｍ－３である。第二クラッド層４は、厚さが５０～４００ｎｍであり、キャリア濃度が０．５～３．０×１０１８ｃｍ－３である。半絶縁性層６は、厚さが１０００～４０００ｎｍであり、キャリア濃度が１．０～１０．０×１０１６ｃｍ－３である。ブロック層７は、厚さが３００～１０００ｎｍであり、キャリア濃度が２．０～９．０×１０１８ｃｍ－３である。クラッド層８は、厚さが１００～４０００ｎｍであり、キャリア濃度が０．１～３．０×１０１８ｃｍ－３である。コンタクト層９は、厚さが１００～１０００ｎｍであり、キャリア濃度が１．０～１０．０×１０１８ｃｍ－３である。なお、メサストライプ５を埋める埋込構造は、半絶縁性層６のみに限らず、ｐ型ＩｎＰのクラッド層と、ＦｅドープＩｎＰの半絶縁性層と、ｎ型ＩｎＰのブロック層を順に積層したものでもよい。
　メサストライプ５の一例を説明する。メサストライプの５のｘ方向の幅であるリッジ幅は０．５～２．０μｍ程度である。井戸層１３の膜厚は４～６ｎｍであり、井戸層１３の総数は１０～１３層である。井戸層１３は、例えば格子定数で２種類あり、配置位置を考慮して３種類に区別できる。井戸層１３は、格子定数が５８６．９～５８８．７ｐｍの第一の井戸層１３ａ、格子定数が格子定数は５８８．７～５９５．７ｐｍの第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃに区別できる。図７に示すように、第二の井戸層１３ｂは第一の井戸層１３ａよりも半導体基板１側に配置された井戸層であり、第三の井戸層１３ｃは第一の井戸層１３ａよりも半導体基板１から離れた側に配置された井戸層である。第一の井戸層１３ａは、活性層３の中央部に配置されており、中央部の井戸層ということもできる。第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃは、ｙ方向すなわち活性層３の積層方向における第一の井戸層１３ａの周辺に配置されているので、周辺部の井戸層ということもできる。なお、井戸層の符号は、総括的に１３を用い、区別する場合に１３ａ、１３ｂ、１３ｃを用いる。
　障壁層１４の膜厚は６～１０ｎｍであり、障壁層１４の総数は９～１２層である。障壁層１４の格子定数は５７９．９～５８９．３ｐｍであり、障壁層１４の組成は１．０８～１．１２μｍである。光閉込層１２の膜厚は１０～２０ｎｍであり、光閉込層１２の格子定数は５８６．９ｐｍであり、光閉込層１２の組成は０．９５～１．１２μｍである。半導体基板１の格子定数は５８６．９ｐｍである。障壁層１４、半導体基板１、中央部の井戸層１３、周辺部の井戸層１３における格子定数を図１０に示した。障壁層１４の格子定数ＳＬｂを第一行に示し、半導体基板１の格子定数ＳＬｓを第二行に示した。中央部の井戸層すなわち第一の井戸層１３ａの格子定数ＳＬｗｃを第三行に示し、周辺部の井戸層すなわち第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃの格子定数ＳＬｗｐを第四行に示した。なお、半導体基板１の格子定数ＳＬｓは、ばらつきの範囲はなく、最小値、中央値、最大値の各欄に同じ数値が記載されている。なお、第一の井戸層１３ａ、第二の井戸層１３ｂ、第三の井戸層１３ｃを区別しない場合の井戸層１３の格子定数は、ＳＬｗと表記する。なお、適宜、第一の井戸層１３ａ、第二の井戸層１３ｂ、第三の井戸層１３ｃを、井戸層１３ａ、井戸層１３ｂ、井戸層１３ｃと表記する。
　活性層３は、歪補償多重量子井戸構造の活性層である。半導体基板１の格子定数ＳＬｓ、井戸層１３のＳＬｗ、障壁層１４の格子定数ＳＬｂの関係は、式（１）のようになっている。また、第一の井戸層１３ａの格子定数ＳＬｗｃと第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃの格子定数ＳＬｗｐとの関係は、式（２）のようになっている。
　ＳＬｂ＜ＳＬｓ≦ＳＬｗ　　　・・・（１）
　ＳＬｗｃ＜ＳＬｗｐ　　　・・・（２）
　多数の井戸層１３は半導体基板１を基準にして圧縮歪を有しており、少なくとも１つの井戸層１３は半導体基板１を基準にして圧縮歪又は無歪を有しており、障壁層１４は半導体基板１を基準にして引張歪を有している。活性層３は、半導体基板１を基準にして圧縮歪を有する又は無歪の井戸層１３と引張歪を有する障壁層１４とを組み合わせた歪補償多重量子井戸構造の活性層である。なお、図１０では、井戸層１３、障壁層１４の格子定数の設定範囲を示している。第一の井戸層１３ａの格子定数ＳＬｗｃの最大値は第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃの格子定数ＳＬｗｐの最小値と同じ値を記載したが、式（２）の関係が成立するように、井戸層１３は成膜されている。また、第一の井戸層１３ａの格子定数ＳＬｗｃの最小値は、半導体基板１の格子定数と同じあってもよい。なお、図１０に示した、障壁層１４の格子定数ＳＬｂ、第一の井戸層１３ａの格子定数ＳＬｗｃ、第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃの格子定数ＳＬｗｐは、成膜の際のばらつきを考慮したものであり、中央値になるように成膜条件を設定している。図１１の例１が格子定数ＳＬｂ、格子定数ＳＬｗｃ、格子定数ＳＬｗｐが中央値になっている例である。図１１については、後述する。
　半導体レーザ装置５０の製造方法を説明する。図２に示すように、面方位（１１０）の半導体基板１の表面に第一クラッド層２と、レーザ光の発光層となる歪補償多重量子井戸構造の活性層３と、第二クラッド層４をＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により順に積層する。第二クラッド層４の表面にＳｉＯ２等の絶縁膜１６を成膜し、設定されたリッジ幅の絶縁膜１６に加工する。リッジ幅は０．５～２．０μｍ程度である。次に、図３に示すように、絶縁膜１６をマスクとして用いて、第二クラッド層４から第一クラッド層２又は半導体基板１の途中までドライエッチングしてメサストライプ５を形成する。ここではドライエッチングを行ったが、ウエットエッチングでメサストライプ５を形成してもよい。エッチング深さは１～４μｍ程度である。メサストライプ５は［０１１］方向に延伸している。
　次に、図４に示すように、メサストライプ５の両側すなわちｙ方向の両側面を埋めるように、半絶縁性層６と、ブロック層７で埋込成長を行う。この場合の埋込構造は半絶縁性層６と、ブロック層７との積層構造であるが、他の埋込構造でも構わない。他の埋込構造は、ｐ型ＩｎＰのクラッド層と、ＦｅドープＩｎＰの半絶縁性層と、ｎ型ＩｎＰのブロック層とを順に積層した構造である。次に、図５に示すように、絶縁膜１６をバッファードフッ酸、又はフッ酸を用いて除去する。その後、クラッド層８と、コンタクト層９とを順に積層する。次に、図１に示すように、コンタクト層９の表面に表面電極であるアノード電極１０を設け、半導体基板１の裏面に裏面電極であるカソード電極１１を設ける。
　活性層３の成膜は、図６に示すように、第一クラッド層２の表面に、光閉込層１２と、複数の井戸層１３及び障壁層１４を有する積層体３０と、光閉込層１５とをＭＯＣＶＤにより順に積層する。積層体３０は、井戸層１３及び障壁層１４が交互に積層されている。積層体３０における半導体基板１に最も近い側及び半導体基板１から最も離れる側に井戸層１３が配置されるように、複数の井戸層１３及び障壁層１４が交互に積層される。
　図８に、活性層３のエネルギーバンド構造を示した。図８において縦軸はエネルギーであり、横軸はｙ方向の概略位置である。図８に伝導帯４３、価電子帯４４が記載されており、破線４１ａから左側は半導体基板１から離れた側の第二クラッド層４であり、破線４１ａから破線４２ａまでが活性層３であり、破線４２ａから右側は半導体基板１側の第一クラッド層２である。メサストライプ５における半導体基板１からの積層順番は、図８の右から左への方向に進むことになる。半導体基板１からの積層順番に従って説明する。破線４２ａ～破線４２ｂは光閉込層１２であり、破線４２ｂ～破線４２ｃは井戸層１３であり、破線４２ｃ～破線４２ｄは障壁層１４である。破線４２ｂ～破線４１ｂまで積層体３０の井戸層１３、障壁層１４が交互に並んでいる。破線４１ｂから破線４１ａは光閉込層１５である。図８において、井戸層１３は、破線４２ｂ～破線４２ｃ、破線４２ｄ～破線４２ｅ、破線４２ｆ～破線４２ｇ、破線４１ｇ～破線４１ｆ、破線４１ｅ～破線４１ｄ、破線４１ｃ～破線４１ｂの各範囲である。図８において、障壁層１４は、破線４２ｃ～破線４２ｄ、破線４２ｅ～破線４２ｆ、破線４１ｆ～破線４１ｅ、破線４１ｄ～破線４１ｃの各範囲である。
　図８では、光閉込層１２、障壁層１４の伝導帯４３のエネルギー値が同じで第一クラッド層２及び第二クラッド層４よりも低く、光閉込層１２、障壁層１４の価電子帯４４のエネルギー値が同じで第一クラッド層２及び第二クラッド層４よりも高い例を示した。
　次に、半導体レーザ装置５０の動作について説明する。アノード電極１０からカソード電極１１に電流を流すと、歪補償多重量子井戸構造の活性層３内では第二クラッド層４からホールが注入され、第一クラッド層２から電子が注入される。その結果、活性層３内でホールと電子が再結合し、レーザ発振する。具体的には、ホール及び電子は、光閉込層１２、光閉込層１５及び障壁層１４を通過して、井戸層１３に蓄積され、再結合して発光する。
　活性層３の格子定数差、歪量を説明する。図６、図７、図９には、井戸層１３の数が１１で障壁層１４の数が１０の例を示した。図９において、横軸は積層体３０における積層された層の層番号であり、縦軸は半導体基板１の格子定数を基準にした格子定数差である。歪量εは式（３）で表される。
　ε＝（ＳＬｍ－ＳＬｓ）／ＳＬｓ　　　・・・（３）
ここで、格子定数ＳＬｍは、対象材料の格子定数である。
　式（３）のＳＬｍ－ＳＬｓは、半導体基板１の格子定数を基準にした対象材料の格子定数差である。図９では、中央部の井戸層１３ａ、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃの格子定数、障壁層１４の格子定数は図１０に示した中央値を用いている。層番号が２～２０の偶数の層は障壁層１４であり、障壁層１４の格子定数差２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊは、同じ値の－２．３ｐｍである。層番号が１１の層は中央部の井戸層１３ａであり、井戸層１３ａの格子定数差２１は０．９ｐｍである。層番号が１～９の奇数の層は半導体基板１側に配置された周辺部の井戸層１３ｂであり、井戸層１３ｂの格子定数差２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅは、同じ値の５．３ｐｍである。層番号が１３～２１の奇数の層は半導体基板１から離れた側に配置された周辺部の井戸層１３ｃであり、井戸層１３ｃの格子定数差２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、同じ値の５．３ｐｍである。中央部の井戸層１３ａの格子定数ＳＬｗｃと半導体基板１の格子定数ＳＬｓである基板格子定数との差は、基板格子定数と障壁層１４の格子定数ＳＬｂとの差よりも小さい例を示している。
　障壁層１４における５７９．９～５８９．３ｐｍの格子定数に対して、井戸層１３の格子定数が５８６．９～５８８．７ｐｍ程度まで小さくすると、中央部の井戸層１３ａと障壁層１４と間の格子不整合によるミスフィット転位の発生は減少する。
　これに伴い、歪補償多重量子井戸構造の活性層３で、非発光中心となる欠陥の発生も減少する。このことにより、活性層３に注入されたキャリアが非発光再結合で失われることが減少し、非発光中心となる欠陥で吸収される光の量も減少する。結果的に半導体レーザ装置の温度が上昇して活性層等の結晶が溶融するデバイス劣化を抑制できる。したがって、実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、活性層３の中央部及び周辺部の非発光中心となる欠陥を減少でき、光吸収を抑制して、活性層等の結晶溶融に繋がるデバイス劣化を抑制することができる。
　実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、前述した歪補償多重量子井戸構造の活性層の全ての井戸層の圧縮歪量を低減させた例である比較例２と異なり、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃは十分大きな圧縮歪量を有しているので、比較例１と同等の特性が得られる。したがって、実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、特性を維持しながら活性層３の非発光中心となる欠陥を減少できる。井戸層１３ａが配置されている活性層３の中央部は、レーザ光の光強度が大きい部分、すなわち光強度分布の最大値を含む部分でもある。
　図９に示した格子定数差を有する活性層３の歪量εは、中央部の井戸層１３ａが０．１５３×１０－２であり、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃが０．９０３×１０－２である。歪量εを％で表現すれば、中央部の井戸層１３ａの歪量εは０．１５３％であり、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃの歪量εは０．９０３％である。
　非特許文献１の活性層における１．４３％の圧縮歪、非特許文献２の活性層における１．４４％の圧縮歪は、式（４）の関係に基づいたε１を％表記したものである。
　ε１＝（ＳＬｂ－ＳＬｗ）／ＳＬｂ　　　・・・（４）
　式（４）に基づいて、図９に示した格子定数差を有する活性層３の歪量ε１を計算すると次のようになる。中央部の井戸層１３ａの歪量ε１は－０．５５％であり、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃの歪量εは－１．３０％である。非特許文献１、２では符号の－を付けずにＡ％の圧縮歪と表現しているので、非特許文献１、２と同じ表現では、中央部の井戸層１３ａは０．５５％の圧縮歪を有し、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃは１．３０％の圧縮歪を有しているということになる。実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、中央部の井戸層１３ａと共に周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃにおいても非特許文献１、２の半導体レーザ装置よりも圧縮歪を低減できるので、活性層３の井戸層１３の数を５より大きくして特性の低下を抑制しながら、製造ばらつき等によりミスフィット転位すなわち欠陥を特許文献１、２の半導体レーザ装置よりも低減することができる。
　図１１に格子定数がばらついた場合の活性層３の例を示した。図１１において、第一行は障壁層１４の格子定数ＳＬｂであり、第二行は半導体基板１の格子定数ＳＬｓであり、第三行～第十三行は井戸層１３の格子定数である。井戸層１３の格子定数は、図１０よりも配置位置を細かくした例を示した。井戸層１３ａよりも半導体基板１側の周辺部の井戸層１３ｂについて、半導体基板１からの積層方向にしたがって、格子定数ＳＬｗｐｌ１～ＳＬｗｐｌ５を示した。同様に、井戸層１３ａよりも半導体基板１から離れた側の周辺部の井戸層１３ｃについて、半導体基板１からの積層方向にしたがって、格子定数ＳＬｗｐｕ１～ＳＬｗｐｕ５を示した。格子定数ＳＬｗｃは、図９の層番号１１の井戸層１３ａの格子定数である。格子定数ＳＬｗｐｌ１、ＳＬｗｐｌ２、ＳＬｗｐｌ３、ＳＬｗｐｌ４、ＳＬｗｐｌ５は、図９の層番号１、３、５、７、９の各井戸層１３ｂの格子定数である。格子定数ＳＬｗｐｕ１、ＳＬｗｐｕ２、ＳＬｗｐｕ３、ＳＬｗｐｕ４、ＳＬｗｐｕ５は、図９の層番号１３、１５、１７、１９、２１の各井戸層１３ｃの格子定数である。
　図１１において、格子定数ＳＬｂは中央値であり、井戸層１３の格子定数が最小値、中央値、最大値にばらついている例を例２～例４に示した。井戸層１３の格子定数が区別しやすいように、左側に符号ａ：、ｂ：、ｃ：、Ａ：、Ｂ：、Ｃ：を付した。符号ａ：、ｂ：、ｃ：は、それぞれ周辺部の井戸層１３の最小値、中央値、最大値を示している。符号Ａ：、Ｂ：、Ｃ：は、それぞれ中央部の井戸層１３の最小値、中央値、最大値を示している。例２～例４に示した格子定数を有する活性層３も式（１）、式（２）の関係を満たしいているので、例２～例４に示した格子定数を有する活性層３を備えた半導体レーザ装置５０も、特性を維持しながら活性層３の非発光中心となる欠陥を減少できる。
　図７では、格子定数ＳＬｗｃを有する井戸層１３ａよりも半導体基板１側に配置された井戸層１３ｂの数は、格子定数ＳＬｗｃを有する井戸層１３ａよりも半導体基板１から離れる側に配置された井戸層１３ｃの数と同じである例を示した。このため、格子定数ＳＬｗｃを有する井戸層１３ａよりも半導体基板１側に配置された障壁層１４（ｙ方向負側の障壁層１４）の数は、格子定数ＳＬｗｃを有する井戸層１３ａよりも半導体基板１から離れる側に配置された障壁層１４（ｙ方向正側の障壁層１４）の数と同じである。図７に示した井戸層１３の総数が１１であり、障壁層１４の総数が１０である例では、井戸層１３ｂの数と井戸層１３ｃの数は共に５であり、井戸層１３ａからｙ方向負側の障壁層１４と井戸層１３ａからｙ方向正側の障壁層１４の数は共に５である。
　以上のように、実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、半導体基板１と、井戸層１３及び障壁層１４が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層３と、を備えている。障壁層１４は、半導体基板１よりも小さな格子定数ＳＬｂを有している。少なくとも１つの井戸層１３ａは、半導体基板１の格子定数ＳＬｓ以上の格子定数である第一格子定数（格子定数ＳＬｗｃ）を有しており、他の井戸層１３ｂ、１３ｃは、半導体基板１よりも大きな格子定数であって、第一格子定数（格子定数ＳＬｗｃ）よりも大きい格子定数ＳＬｗｐを有している。第一格子定数（格子定数ＳＬｗｃ）を有する井戸層１３ａは、活性層３における積層方向の中央部に配置されている。実施の形態１の半導体レーザ装置５０は、この構成により、他の井戸層１３ｂ、１３ｃよりも小さい第一格子定数（格子定数ＳＬｗｃ）を有する井戸層１３ａが活性層３における積層方向の中央部に配置されているので、すなわち第一格子定数（格子定数ＳＬｗｃ）を有する井戸層１３ａが他の井戸層１３ｂ、１３ｃに囲まれているので、特性を維持しながら活性層３の非発光中心となる欠陥を減少できる。
実施の形態２．
　図１２は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の第一例の要部の断面構造を示す図である。図１３は図１２の活性層の格子定数差を示す図であり、図１４は図１２の活性層の格子定数を示す図である。図１５は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の第二例の要部の断面構造を示す図である。図１６は図１５の活性層の格子定数差を示す図であり、図１７は図１５の活性層の格子定数を示す図である。図１８は、図１５の活性層における井戸層の格子定数の例を示す図である。実施の形態２の半導体レーザ装置５０は、実施の形態１の半導体レーザ装置５０とは、歪補償多重量子井戸構造の活性層３における他の井戸層１３すなわち第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃの格子定数ＳＬｗｐよりも小さい第一の井戸層１３ａが２つ以上である点で異なる。実施の形態１の半導体レーザ装置５０と異なる部分を主に説明する。
　実施の形態２の半導体レーザ装置５０の活性層３は、井戸層１３の総数は１０～１３層であり、障壁層１４の総数は９～１２層である。図１２に示した第一例の活性層３は、井戸層１３の総数が１２であり、障壁層１４の総数が１１である例を示した。図１５に示した第二例の活性層３は、井戸層１３の総数が１３であり、障壁層１４の総数が１２である例を示した。図１２に示した第一例の活性層３は、第一の井戸層１３ａが２つの例であり、井戸層１３の数が１２で障壁層１４の数が１１の例である。図１２に示した第一例の活性層３は、図７に示した活性層３から、井戸層１３ａ及び障壁層１４がそれぞれ１個増加している。図１５に示した活性層３は第一の井戸層１３ａが３つの例であり、井戸層１３の数が１３で障壁層１４の数が１２の例である。障壁層１４、半導体基板１、中央部の井戸層１３、周辺部の井戸層１３における格子定数を図１４、図１７に示した。
　図１４に、実施の形態２に係る半導体レーザ装置５０の第一例の活性層３の各層の格子定数を示した。中央部の２つの第一の井戸層１３ａにおける格子定数をＳＬｗｃ１、ＳＬｗｃ２として示した。格子定数ＳＬｗｃ１と格子定数ＳＬｗｃ２の範囲は同じである。第一例の活性層３における格子定数差を図１３に示した。図１３において、横軸は積層体３０における積層された層の層番号であり、縦軸は半導体基板１の格子定数を基準にした格子定数差である。
　図１３では、中央部の井戸層１３ａ、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃの格子定数、障壁層１４の格子定数は図１４に示した中央値を用いている。層番号が２～２２の偶数の層は障壁層１４であり、障壁層１４の格子定数差２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋは、同じ値の－２．３ｐｍである。層番号が１１、１３の層は中央部の井戸層１３ａであり、それぞれの井戸層１３ａの格子定数差２１ａ、２１ｂは０．９ｐｍである。層番号が１～９の奇数の層は半導体基板１側に配置された周辺部の井戸層１３ｂであり、井戸層１３ｂの格子定数差２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅは、同じ値の５．３ｐｍである。層番号が１５～２３の奇数の層は半導体基板１から離れた側に配置された周辺部の井戸層１３ｃであり、井戸層１３ｃの格子定数差２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、同じ値の５．３ｐｍである。層番号１１の井戸層１３ａの格子定数はＳＬｗｃ１であり、番号１３の井戸層１３ａの格子定数はＳＬｗｃ２である。
　図１７に、実施の形態２に係る半導体レーザ装置５０の第二例の活性層３の各層の格子定数を示した。中央部の３つの第一の井戸層１３ａにおける格子定数をＳＬｗｃ１、ＳＬｗｃ２、ＳＬｗｃ３として示した。格子定数ＳＬｗｃ１、ＳＬｗｃ２、ＳＬｗｃ３におけるそれぞれの範囲は同じである。第一例の活性層３における格子定数差を図１６に示した。図１６において、横軸は積層体３０における積層された層の層番号であり、縦軸は半導体基板１の格子定数を基準にした格子定数差である。
　図１６では、中央部の井戸層１３ａ、周辺部の井戸層１３ｂ、１３ｃの格子定数、障壁層１４の格子定数は図１７に示した中央値を用いている。層番号が２～２４の偶数の層は障壁層１４であり、障壁層１４の格子定数差２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋ、２０ｌは、同じ値の－２．３ｐｍである。層番号が１１、１３、１５の層は中央部の井戸層１３ａであり、それぞれの井戸層１３ａの格子定数差２１ａ、２１ｂ、２１ｃは０．９ｐｍである。層番号が１～９の奇数の層は半導体基板１側に配置された周辺部の井戸層１３ｂであり、井戸層１３ｂの格子定数差２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅは、同じ値の５．３ｐｍである。層番号が１７～２５の奇数の層は半導体基板１から離れた側に配置された周辺部の井戸層１３ｃであり、井戸層１３ｃの格子定数差２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅは、同じ値の５．３ｐｍである。層番号１１の井戸層１３ａの格子定数はＳＬｗｃ１であり、番号１３の井戸層１３ａの格子定数はＳＬｗｃ２であり、番号１５の井戸層１３ａの格子定数はＳＬｗｃ３である。
　実施の形態２の半導体レーザ装置５０は、歪補償多重量子井戸構造の活性層３における他の井戸層１３すなわち第二の井戸層１３ｂ及び第三の井戸層１３ｃの格子定数ＳＬｗｐよりも小さい第一の井戸層１３ａが２つ以上であるが、他の構成は実施の形態１の半導体レーザ装置５０と同様なので、実施の形態１の半導体レーザ装置５０と同様の効果を奏する。
　図１８に格子定数がばらついた場合における第二の活性層３の例を示した。なお、格子定数がばらついた場合における第一の活性層３の例は、図１８の格子定数ＳＬｗｃ３がない場合である。図１８において、第一行は障壁層１４の格子定数ＳＬｂであり、第二行は半導体基板１の格子定数ＳＬｓであり、第三行～第十五行は井戸層１３の格子定数である。井戸層１３ａよりも半導体基板１側の周辺部の井戸層１３ｂについて、半導体基板１からの積層方向にしたがって、格子定数ＳＬｗｐｌ１～ＳＬｗｐｌ５を示した。同様に、井戸層１３ａよりも半導体基板１から離れた側の周辺部の井戸層１３ｃについて、半導体基板１からの積層方向にしたがって、格子定数ＳＬｗｐｕ１～ＳＬｗｐｕ５を示した。格子定数ＳＬｗｃ１、ＳＬｗｃ２、ＳＬｗｃ３は、図１６の層番号１１、１３、１５の井戸層１３ａの格子定数である。格子定数ＳＬｗｐｌ１、ＳＬｗｐｌ２、ＳＬｗｐｌ３、ＳＬｗｐｌ４、ＳＬｗｐｌ５は、図１６の層番号１、３、５、７、９の各井戸層１３ｂの格子定数である。格子定数ＳＬｗｐｕ１、ＳＬｗｐｕ２、ＳＬｗｐｕ３、ＳＬｗｐｕ４、ＳＬｗｐｕ５は、図１６の層番号１７、１９、２１、２３、２５の各井戸層１３ｃの格子定数である。
　図１８において、格子定数ＳＬｂは中央値であり、井戸層１３の格子定数が中央値である例を例５に示し、格子定数ＳＬｂは中央値であり、井戸層１３の格子定数が最小値、中央値、最大値にばらついている例を例６～例８に示した。井戸層１３の格子定数において左側に付した符号ａ：、ｂ：、ｃ：、Ａ：、Ｂ：、Ｃ：は図１１と同じである。例５～例８に示した格子定数を有する活性層３も式（１）、式（２）の関係を満たしいているので、例５～例８に示した格子定数を有する活性層３を備えた半導体レーザ装置５０も、特性を維持しながら活性層３の非発光中心となる欠陥を減少できる。
実施の形態３．
　図１９は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置の要部の断面構造を示す図である。図２０は図１９の活性層のエネルギーバンド構造を示す図であり、図２１は図１９の活性層の格子定数を示す図である。実施の形態３の半導体レーザ装置５０は、実施の形態１の半導体レーザ装置５０とは、活性層３において中央部の井戸層１３ａが無く、活性層３において中央部に膜厚がｔｂ１の障壁層１４が配置され、活性層３における他の障壁層１４の膜厚ｔｂ２が膜厚ｔｂ１より薄くなっている点で異なる。実施の形態１の半導体レーザ装置５０と異なる部分を主に説明する。
　実施の形態３の半導体レーザ装置５０の活性層３は、井戸層１３の総数は１０～１３層であり、障壁層１４の総数は９～１２層である。図１９に示した活性層３は、井戸層１３の総数が１０であり、障壁層１４の総数が９である例を示した。実施の形態３の半導体レーザ装置５０は、実施の形態１の半導体レーザ装置５０における、歪補償多重量子井戸構造の活性層３におけるレーザ光の光強度が強い部分である中央部の井戸層１３ａを障壁層１４に置き換えた構造又は中央部の井戸層１３ａを削除した構造と考えることもできる。また、歪補償多重量子井戸構造の活性層３におけるレーザ光の光強度が強い部分である中央部の障壁層１４の一つが他の障壁層１４よりも厚膜化された構造でもある。障壁層１４は、例えば膜厚で２種類あり、配置位置を考慮して３種類に区別できる。障壁層１４の膜厚ｔｂ１、ｔｂ２は、活性層３における積層方向の幅すなわちｙ方向の幅である。第一の障壁層１４ａは、膜厚ｔｂ１を有する障壁層である。第二の障壁層１４ｂは、膜厚ｔｂ１よりも小さい膜厚ｔｂ２を有する障壁層であり、第一の障壁層１４ａよりも半導体基板１側に配置されている。第三の障壁層１４ｃは、膜厚ｔｂ１よりも小さい膜厚ｔｂ２を有する障壁層であり、第一の障壁層１４ａよりも半導体基板１から離れる側に配置されている。
　図１９に示すように、第二の障壁層１４ｂは第一の障壁層１４ａよりも半導体基板１側に配置された障壁層であり、第三の障壁層１４ｃは第一の障壁層１４ａよりも半導体基板１から離れた側に配置された障壁層である。第一の障壁層１４ａは、活性層３の中央部に配置されており、中央部の障壁層ということもできる。第二の障壁層１４ｂ及び第三の障壁層１４ｃは、ｙ方向すなわち活性層３の積層方向における第一の障壁層１４ａの周辺に配置されているので、周辺部の障壁層ということもできる。なお、障壁層の符号は、総括的に１４を用い、区別する場合に１４ａ、１４ｂ、１４ｃを用いる。
　障壁層１４、半導体基板１、井戸層１３における格子定数を図２１に示した。障壁層１４の格子定数ＳＬｂを第一行に示し、半導体基板１の格子定数ＳＬｓを第二行に示し、井戸層１３の格子定数ＳＬｗを第三行に示した。図２１の格子定数ＳＬｂの範囲は、図１０の格子定数ＳＬｂの範囲と同じである。図２１の格子定数ＳＬｗは、図１０の格子定数ＳＬｗｐの範囲と同じである。なお、半導体基板１の格子定数ＳＬｓは、ばらつきの範囲はなく、最小値、中央値、最大値の各欄に同じ数値が記載されている。
　図２０に、活性層３のエネルギーバンド構造を示した。図２０において縦軸はエネルギーであり、横軸はｙ方向の概略位置である。図２０は、図８の破線４２ｇと破線４１ｇとの間に中央部の障壁層１４ａと障壁層１４ａに隣接する井戸層１３が追加された図に相当する。図８と異なる部分を主に説明する。図２０において、井戸層１３は、破線４２ｂ～破線４２ｃ、破線４２ｄ～破線４２ｅ、破線４２ｆ～破線４２ｇ、破線４２ｈ～破線４２ｉ、破線４１ｉ～破線４１ｈ、破線４１ｇ～破線４１ｆ、破線４１ｅ～破線４１ｄ、破線４１ｃ～破線４１ｂの各範囲である。図２０において、中央部の障壁層１４ａは破線４２ｉ～破線４１ｉの範囲である。中央部の障壁層１４ａよりもｙ方向負側に位置する障壁層１４ｂは、破線４２ｃ～破線４２ｄ、破線４２ｅ～破線４２ｆの各範囲である。中央部の障壁層１４ａよりもｙ方向正側に位置する障壁層１４ｃは、破線４１ｆ～破線４１ｅ、破線４１ｄ～破線４１ｃの各範囲である。
　図２０では、図８と同様に、光閉込層１２、障壁層１４の伝導帯４３のエネルギー値が同じで第一クラッド層２及び第二クラッド層４よりも低く、光閉込層１２、障壁層１４の価電子帯４４のエネルギー値が同じで第一クラッド層２及び第二クラッド層４よりも高い例を示した。
　中央部の障壁層１４ａの膜厚ｔｂ１と周辺部の障壁層１４ｂ、１４ｃの膜厚ｔｂ２の例を示す。実施の形態１では、井戸層１３の膜厚は４～６ｎｍであり、障壁層１４の膜厚は６～１０ｎｍである例を示した。図７の中央部の井戸層１３ａを障壁層１４に置き換えて、中央部の障壁層１４ａとする場合を考える。障壁層１４ｂ、１４ｃの膜厚ｔｂ２は、６～１０ｎｍである。中央部の障壁層１４ａの膜厚ｔｂ１は、図７の中央部の井戸層１３ａとこれに隣接する２つの障壁層１４の膜厚になるので、１６～２６ｎｍになる。また、中央部の障壁層１４ａの膜厚ｔｂ１は、図７の中央部の井戸層１３ａを削除した例でも構わない。この場合は、中央部の障壁層１４ａの膜厚ｔｂ１は２×ｔｂ２になる。また、中央部の障壁層１４ａの膜厚ｔｂ１は、活性層３におけるレーザ光の光強度が強い部分を包含する厚さであればよい。
　実施の形態３の半導体レーザ装置５０は、歪補償多重量子井戸構造の活性層３におけるレーザ光の光強度が強い部分である中央部の障壁層１４の一つが他の障壁層１４よりも厚膜化された構造なので、非発光中心となる欠陥を無くし、光吸収を抑制して、活性層等の結晶溶融に繋がるデバイス劣化を抑制することができる。
　図１９では、膜厚ｔｂ１の障壁層１４ａよりも半導体基板１側に配置された障壁層１４ｂの数は、障壁層１４ａよりも半導体基板１から離れる側に配置された障壁層１４ｃの数と同じである例を示した。このため、膜厚ｔｂ１の障壁層１４ａよりも半導体基板１側に配置された井戸層１３ｂの数は、障壁層１４ａよりも半導体基板１から離れる側に配置された井戸層１３ｃの数と同じである。図１９に示した井戸層１３の総数が１０であり、障壁層１４の総数が９である例では、障壁層１４ｂの数と障壁層１４ｃの数は共に４であり、井戸層１３ｂの数と井戸層１３ｃの数は共に５である。
　以上のように、実施の形態３の半導体レーザ装置５０は、半導体基板１と、井戸層１３及び障壁層１４が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層３と、を備えている。井戸層１３は、半導体基板１よりも大きな格子定数ＳＬｗを有している。１つの障壁層１４ａは、半導体基板１よりも小さな格子定数ＳＬｂを有しており、かつ活性層３における積層方向の幅が第一幅（膜厚ｔｂ１）である。他の障壁層１４ｂ、１４ｃは、半導体基板１よりも小さな格子定数ＳＬｂを有しており、かつ活性層３における積層方向の幅（膜厚ｔｂ２）が第一幅（膜厚ｔｂ１）よりも小さくなっている。第一幅（膜厚ｔｂ１）を有する障壁層１４ａは、活性層３における積層方向の中央部に配置されている。実施の形態３の半導体レーザ装置５０は、この構成により、レーザ光の光強度が強い部分である中央部の障壁層１４ａが他の障壁層１４ｂ、１４ｃよりも厚膜化された構造なので、特性を維持しながら活性層３の非発光中心となる欠陥を減少できる。
　なお、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
　１…半導体基板、３…活性層、１２…光閉込層、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…井戸層、１４…障壁層、１４ａ…障壁層（第一障壁層）、１４ｂ、１４ｃ…障壁層、１５…光閉込層、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋ、２０ｌ…格子定数差、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…格子定数差、５０…半導体レーザ装置、ＳＬｂ…格子定数、ＳＬｓ…格子定数（基板格子定数）、ＳＬｗｃ、ＳＬｗｃ１、ＳＬｗｃ２、ＳＬｗｃ３…格子定数（第一格子定数）、ＳＬｗｐ…格子定数、ｔｂ１…膜厚（第一幅）、ｔｂ２…膜厚

Claims (8)

  1. 　半導体基板と、井戸層及び障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、を備えた半導体レーザ装置であって、
    前記障壁層は、前記半導体基板よりも小さな格子定数を有しており、
    少なくとも１つの前記井戸層は、前記半導体基板の格子定数以上の格子定数である第一格子定数を有しており、
    他の前記井戸層は、前記半導体基板よりも大きな格子定数であって、前記第一格子定数よりも大きい格子定数を有しており、
    前記第一格子定数を有する前記井戸層は、前記活性層における積層方向の中央部に配置されている、
    半導体レーザ装置。
  2. 　前記第一格子定数を有する前記井戸層よりも前記半導体基板側に配置された前記井戸層の数は、前記第一格子定数を有する前記井戸層よりも前記半導体基板から離れる側に配置された前記井戸層の数と同じである、請求項１記載の半導体レーザ装置。
  3. 　前記第一格子定数と前記半導体基板の格子定数である基板格子定数との差は、前記基板格子定数と前記障壁層の格子定数との差よりも小さい、請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 　前記第一格子定数を有する前記井戸層は１つである、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 　前記第一格子定数を有する前記井戸層は２つ以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 　半導体基板と、井戸層及び障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の活性層と、を備えた半導体レーザ装置であって、
    前記井戸層は、前記半導体基板よりも大きな格子定数を有しており、
    １つの前記障壁層は、前記半導体基板よりも小さな格子定数を有しており、かつ前記活性層における積層方向の幅が第一幅であり、
    他の前記障壁層は、前記半導体基板よりも小さな格子定数を有しており、かつ前記活性層における積層方向の幅が前記第一幅よりも小さくなっており、
    前記第一幅を有する前記障壁層は、前記活性層における積層方向の中央部に配置されている、
    半導体レーザ装置。
  7. 　前記第一幅を有する前記障壁層である第一障壁層よりも前記半導体基板側に配置された前記障壁層の数は、前記第一障壁層よりも前記半導体基板から離れる側に配置された前記障壁層の数と同じである、請求項６記載の半導体レーザ装置。
  8. 　前記活性層は、前記半導体基板側及び前記活性層の前記半導体基板から離れる側に光閉込層を備えており、
    前記半導体基板に最も近い前記井戸層及び前記半導体基板から最も離れている前記井戸層は、前記光閉込層に接続されている、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
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