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JP5877070B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いた半導体レーザ装置に適用して有効な技術に関するものである。
特許文献１（特開２００２−２１７４９５号公報）は、半導体基板上にｎ型クラッド層、下部光導波層、活性層、上部光導波層、およびｐ型クラッド層が少なくとも積層された半導体レーザにおいて、活性層への不純物拡散を抑制し、かつ、特性温度および変調周波数を高くする技術を開示している。
具体的には、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体のうち、ＧａＡｓ基板に格子整合して最もバンドギャップが大きいＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐをｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に用い、活性層とクラッド層とのバンドギャップ差を大きくとることで、活性層からｐ型クラッド層に電子がオーバーフローすることを抑制している。また、活性層とｐ型クラッド層との間、および活性層とｎ型クラッド層との間に、それぞれアンドープ層を設けることで、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に１×１０１８ｃｍ−３と高濃度にドープされたドーパント（Ｚｎ、Ｓｅ）が活性層に拡散することを抑制している。
特許文献２（特開２００６−１２０９６８号公報）は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に活性層を有する半導体レーザの高効率化と温度特性の向上を図る技術を開示している。具体的には、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層を格子整合系のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐで構成し、活性層とｐ型クラッド層との間に電子のオーバーフローを抑止する歪層を導入すると共に、歪層を臨界膜厚以下の膜厚とすることで、ミスフィット転位の発生を抑制している。
特許文献３（特開２０１１−０２３４９３号公報）は、水平共振器型で発振波長が６５０ｎｍ未満のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザにおいて、端面の破局的光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）を起こし難く、かつ、出力ビームの安定性を高くする技術を開示している。具体的には、井戸層を除く光導波路層を、ｘ＞０．６６の（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ＩｎＰとすることで、端面付近にＺｎなどの不純物拡散により窓構造を形成したときに、端面付近の光導波路構造が消失することを抑制している。また、この半導体レーザは、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層をＡｌ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐまたは（Ａｌ０．９Ｇａ０．１）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐで構成している。
なお、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体のバンドギャップは、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０．５Ｐとしたとき、ｘ＝０．７では２．３ｅＶであるが、ｘ＝１では２．３５ｅＶとなり、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体では最も大きくなることが報告されている（非特許文献１参照）。
特開２００２−２１７４９５号公報 特開２００６−１２０９６８号公報 特開２０１１−０２３４９３号公報
D.P.Bour, R.S.Geels, D.W.Treat, T.L.Paoli, F.Ponce, R.L.Thornton, B.S.Krusor, R.D.Bringans and D.F.Welch, EEE J.Quantum Electronics, 30 (2) 593-607 1994.
ＤＶＤ用光源などに利用されている赤色半導体レーザは、近年、小型プロジェクタ用赤色光源など、レーザディスプレイへの応用が進められている。
赤色半導体レーザをプロジェクタ用光源として用いる場合には、プロジェクタの高輝度化に対応した高温・高出力動作、あるいは短波長化による視感度の向上が要求される。また、赤色半導体レーザに対しては、従来より携帯機器用途や車載用途に向けた高温動作対応の要求もある。
しかしながら、半導体レーザは、高温・高出力動作時に活性層近傍の温度が上昇し、活性層からｐ型クラッド層への電子のオーバーフローの影響が顕著になることから、良好な高温・高出力特性を実現することが困難であるという課題がある。
従来のＤＶＤ用赤色半導体レーザの発振波長は６６０ｎｍ付近である。これに対し、ディスプレイ用赤色半導体レーザでは、６４０ｎｍ付近の発振波長が要求される。しかし、発振波長がより短くなると、活性層とｐ型クラッド層とのバンドキャップ差が小さくなり、高温動作時にキャリアのオーバーフローがより顕著になることから、高温特性の改善が課題となる。
一般に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、Ａｌ組成比が大きくなるほど、バンドギャップが大きくなり、屈折率が低くなるという特徴がある。そのため、高温特性の観点からは、クラッド層のＡｌ組成比をできるだけ大きくすることが望ましいが、Ａｌ組成比を大きくするほど結晶性が低下し、かつ、ドーパントの拡散が顕著になるといった信頼性の面での課題が生じる。そのため、発振波長が６６０ｎｍ付近の赤色半導体レーザでは、高温特性と信頼性とを踏まえ、クラッド層のＡｌ組成比は０．６〜０．７程度に設定されていた。
しかしながら、発振波長が６４０ｎｍ付近の赤色半導体レーザでは、高温でのキャリアのオーバーフローがより顕著になり、高温特性をより高める必要があることから、クラッド層のＡｌ組成比をできるだけ大きくすることが望まれる。そこで、クラッド層の材料に最もＡｌ組成比が大きいＡｌＩｎＰを用いると、活性層とクラッド層とのバンドギャップ差が最大になり、また、クラッド層の屈折率は最小になるために、活性層への光閉じ込めを大きくできるというメリットがある。
前述した特許文献１のように、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とにＡｌＩｎＰを用いることで温度特性を改善し、活性層とｐ型クラッド層との間、および活性層とｎ型クラッド層との間にアンドープ層を設けることでドーパント拡散を防ぐ技術が知られている。
しかし、後述するように、本発明者らが発振波長６４０ｎｍの赤色半導体レーザ装置において、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とにＡｌＩｎＰを用いた場合の信頼性を確認した結果、信頼性は千時間オーダーであった。これは、半導体レーザの一般的な用途としては実用レベルではあるものの、レーザディスプレイ用光源として要求される１万時間以上の高い信頼性要求に対しては、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とにＡｌＩｎＰを用いることでは十分な対応ができないことが見出された。
本発明の目的は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いた半導体レーザ装置において、高温特性の向上と信頼性の向上とを両立させることのできる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明の好ましい一態様である半導体レーザ装置は、（ＡｌｘｎＧａ１−ｘｎ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．９＜ｘｎ＜１）を組成とするｎ型クラッド層と、（ＡｌｘｐＧａ１−ｘｐ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．９＜ｘｐ≦１）を組成とするｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた活性層と、を有する半導体レーザを備え、前記ｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｎと前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｐは、ｘｎ＜ｘｐの関係を満たすものである。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を用いた半導体レーザ装置の高温特性の向上と信頼性の向上とを両立させることができる。
本発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の主要部の構成を示す断面図である。 ｐ型クラッド層の組成を固定し、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比を変えて活性層への光閉じ込めΓを計算した結果を示すグラフである。 ＦＦＰ水平半値幅の計算結果を示すグラフである。 実施の形態１および比較例の高温Ｉ−Ｌ形状を示すグラフである。 実施の形態１および比較例の寿命試験結果を示すグラフである。 実施の形態１および比較例の活性層からのホトルミネセンス波長の測定結果を示すグラフである。 ｎ型クラッド層のＡｌ組成比とＦＦＰ水平半値幅のばらつきとの関係、およびキンクレベルとの関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。 本発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。 本発明の実施の形態３である半導体レーザ装置の主要部の構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
（実施の形態１）
本実施の形態は、６４０ｎｍの発振波長を有する赤色半導体レーザに適用したものであり、図１は、本実施の形態の半導体レーザ装置の主要部（レーザチップ）の構成を示す断面図である。
図１に示すように、レーザチップ１０Ａは、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０を備えている。半導体基板１０の主面上には、下層から順にｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、ｐ型クラッド層１４、エッチングストップ層１５、およびｐ型コンタクト層１７が形成されている。
ｎ型バッファ層１１は、Ｓｉをドーパントとして含むＧａＡｓからなり、ｎ型クラッド層１２は、Ｓｉをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰからなる。ここで、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘ（（ＡｌｘＧａ１−ｘ）０．５Ｉｎ０.５Ｐで規定される化合物半導体におけるＡｌとＧａの組成比）をｘｎとすると、０．９＜ｘｎ＜１であり、本実施の形態では、ｘｎ＝０．９５、すなわち（Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５）０．５Ｉｎ０.５Ｐである。
また、ｎ型クラッド層１２のＳｉ濃度は３×１０１７ｃｍ−３であり、膜厚は２．５μｍである。ｎ型クラッド層１２のドーパント濃度が低いと直列抵抗の増加を引き起こし、高いと内部損失の増加によるスロープ効率の低下を引き起こす。従って、これらを両立できるドーパント濃度としては、１×１０１７ｃｍ−３〜６×１０１７ｃｍ−３の範囲とすることが望ましい。
活性層１３は、ＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層１３ａと、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなる井戸層１３ｂと、ＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層１３ｃと、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなる井戸層１３ｄと、ＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層１３ｅとを積層した多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）構造で構成されている。活性層１３は、上記した各層（１３ａ〜１３ｅ）をアンドープとすることで、井戸層１３ｂ、１３ｄへのドーパントの拡散による信頼性の低下を防ぐことができる。
光ガイド層１３ａ、１３ｅは、井戸層１３ｂ、１３ｄへ効率よく光を閉じ込めるために、膜厚を２０〜１５０ｎｍ、Ａｌ組成比ｘを０．４〜０．８とする。例えば、活性層１３に垂直な方向の光拡がり角を１８度（半値全幅）とするためには、膜厚を２５ｎｍ、Ａｌ組成比ｘを０．７とすればよい。
井戸層１３ｂ、１３ｄは、臨界膜厚以下の範囲で、膜厚、組成、および歪を変えることにより、様々な発振波長および発振モードを得ることができ、無歪または圧縮歪みを入れる場合は、好ましくは、膜厚を３〜６ｎｍ、Ａｌ組成比ｘを０〜０．１５とする。例えば、発振波長を６４０ｎｍとするためには、膜厚を５ｎｍ、Ａｌ組成比ｘを０．１とし、圧縮歪を＋０．８％入れればよい。この場合には、レーザ光の電界成分が活性層１３と平行な方向に振動するＴＥモードで発振する。
障壁層１３ｃの膜厚は５〜１０ｎｍであり、その組成は光ガイド層１３ａ、１３ｅと同一である。なお、障壁層１３ｃを光ガイド層１３ａ、１３ｅと異なる組成とし、複数の障壁層１３ｃで井戸層１３ｂ、１３ｄを挟む構造としてもよい。
なお、ここでは、井戸層の数が２層のＭＱＷ構造としたが、井戸層の数が１層の単一量子井戸（Single Quantum Well：ＳＱＷ）構造としてもよい。単一量子井戸（ＳＱＷ）構造の場合には、井戸層の体積減少により、井戸層内部のキャリア密度が増加し易く、注入電流が小さくても閾利得を得られるため、レーザ発振するしきい値電流を大幅に下げることができる利点がある。
ｐ型クラッド層１４は、ＭｇまたはＺｎをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰからなる。ここで、ｐ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘをｘｐとすると、０．９＜ｘｐ≦１であり、本実施の形態では、ｘｐ＝１、すなわちＡｌ０．５Ｉｎ０.５Ｐである。
ｐ型クラッド層１４の好ましいドーパント濃度は１×１０１８ｃｍ−３である。また、好ましい膜厚は１.２５μｍであり、ｎ型クラッド層１２よりも薄くする。高温特性の向上および直列抵抗の低減のためには、ｐ型クラッド層１４のドーパント濃度をできるだけ高くするほうが望ましいが、Ａｌ組成比ｘが高い場合には、ドーパントが拡散し易い。従って、特性および信頼性の低下を防ぐためには、ドーパント濃度を６×１０１７〜１．３×１０１８ｃｍ−３の範囲とすることが望ましい。
本実施の形態のように、ｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比ｘｐがｎ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘｎよりも高い非対称構造の場合には、光分布がｎ型クラッド層１２側に片寄る。そのため、ｎ型クラッド層１２のドーパント濃度をｐ型クラッド層１４よりも低く設定すると、スロープ効率が向上する効果がある。また、ドーパントの種類としては、Ｚｎよりも拡散が生じ難いＭｇを用いることが望ましい。また、ｐ型クラッド層１４の膜厚は、直列抵抗低減のためには薄いほうがよいが、薄すぎるとスロープ効率の低下が顕著になる。
上記ｐ型クラッド層１４には、紙面に垂直な方向に沿ってストライプ状に延在するリッジ部（リッジ導波路）１６が形成されている。リッジ部１６の高さは１μｍ、幅は２μｍ程度であり、シングルモード（単一横モード）で発振する。リッジ部１６の上部には、Ｚｎをドーパントとして含むＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１７が形成されている。
また、ｐ型クラッド層１４には、活性層１３から０．２５μｍ程度高い位置にエッチングストップ層１５が設けられている。エッチングストップ層１５は、ｐ型クラッド層１４をエッチングしてリッジ部１６を形成する際にエッチングを途中で停止させるための層であり、ｐ型クラッド層１４に対してエッチング選択比を持たせるために、ｐ型クラッド層１４とはＡｌ組成比ｘが異なるＡｌＧａＩｎＰ層で構成されている。本実施の形態のエッチングストップ層１５は、例えば、Ａｌ組成比ｘが０であるＧａＩｎＰからなり、その膜厚は３ｎｍである。なお、ｐ型クラッド層１４のエッチング条件を良好に制御できる場合には、エッチングストップ層１５を省略してもよい。
リッジ部１６およびｐ型コンタクト層１７のそれぞれの側壁と、リッジ部１６の両側近傍の平坦部（エッチングストップ層１５の上面）には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜または酸化アルミニウム膜などの絶縁膜からなるパッシベーション膜１８が形成されている。
半導体基板１０の主面上に形成された上記各半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属成長）法を用いて堆積される。また、パッシベーション膜１８は、ｐ型コンタクト層１７が形成された半導体基板１０上にＣＶＤ法で絶縁膜を堆積した後、ｐ型コンタクト層１７の上部の絶縁膜のみを選択的にエッチングし、ｐ型コンタクト層１７の上面を露出させることによって形成される。
パッシベーション膜１８の上部には、ｐ型コンタクト層１７に電気的に接続されるｐ側電極２０が形成されている。一方、半導体基板１０の裏面には、ｎ側電極２１が形成されている。ｐ側電極２０およびｎ側電極２１は、Ａｕ膜を含み、かつオーミックコンタクトが取れる金属膜で構成されている。
上記ｐ型クラッド層１４を構成するＡｌＩｎＰのＡｌ組成比ｘｐは、高温特性の点からできるだけ高いほうが望ましいので、本実施の形態では、最大の１としている。そして、その上で、ｎ型クラッド層１２を構成するＡｌＧａＩｎＰのＡｌ組成比ｘｎを０．９５としている。
このように、本実施の形態の半導体レーザ装置は、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比ｘが互いに異なる非対称構造となっており、ｐ型クラッド層１４はｎ型クラッド層１２よりもＡｌ組成比ｘが高い。そのため、光のしみ出しは、屈折率がより大きいｎ型クラッド層１４側へ片寄ることになるが、その利点として、次のことが挙げられる。
すなわち、ｐ型クラッド層１４への光のしみ出しが小さくなると、波長６４０ｎｍの光にとって吸収体となるＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１７での光吸収を低減することができるので、スロープ効率向上の効果がある。また、本実施の形態のように、ｎ型クラッド層１４のドーパント濃度をｐ型クラッド層１２よりも低くした場合は、ドーパント濃度の低いｎ型クラッド層１２に光が多く分布するため、クラッド層でのフリーキャリアロスによって生じる内部損失を低減できる。
ｐ型クラッド層１４への光のしみ出しが小さいことは、ｐ型クラッド層１４の薄膜化が可能となることを意味するが、ｐ型クラッド層１４を薄膜化することにより、直列抵抗の低減による発熱量減少の効果および排熱改善の効果が得られるため、高温特性が改善される。さらに、光分布がｎ型クラッド層１２側に片寄る場合は、活性層１３に対して水平な方向の屈折率差を確保（同等のＦＦＰ水平値を確保）するために、エッチストップ層１５よりも下側のｐ型クラッド層１４の膜厚を薄くして屈折率差を確保する必要があるが、リッジ部１６の下側のｐクラッド層１４を薄膜化することにより、レーザ発振に寄与しない無効電流が減少するため、しきい値電流を低減できる。
他方、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比ｘが異なる非対称構造において、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比差を大きくすると、組成ばらつきによって、導波モードが不安定になったり、特性ばらつきが大きくなったりする。さらに、Ａｌ組成比差が極端に大きくなり、最大光強度の位置が活性層１３とクラッド層との境界に位置するようになると、基本モードすらカットオフとなり、レーザ発振しなくなるので、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比差には上限がある。
そこで、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比差の上限を計算により検証した。図２は、上述した本実施の形態の構造をベースに、ｐ型クラッド層１４の組成をＡｌ０．５Ｉｎ０.５Ｐに固定し、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘｎを変えて活性層１３への光閉じ込めΓを計算した結果を示している。
ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘｎが小さくなるにつれて光閉じ込め係数Γは小さくなり、Ａｌ組成比ｘｎが０．９の場合、非リッジ部では光が活性層へ入らなくなり、レーザ発振しなくなる。そのため、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比差は０．１より小さいことが必要であることが分かる。ここで、Ａｌ組成比ｘ＝０．９２での光閉じ込め低下率は、しきい値電流に換算すると、２０％以上の低下に相当する。しきい値電流の増加は無効電流の増加となり、高温特性および信頼性を低下させるため、増加量を２０％以下、すなわちＡｌ組成比差を０．０８以下とすることが望ましいと言える。
上記の計算結果は、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘｎが小さくなるにつれて、急激にリッジ部１６へ光が入らなくなることを意味し、他の特性値では、ＦＦＰの水平方向に与える影響が大きい。そこで、Ａｌ組成比差がＦＦＰ水平方向のビーム拡がり角に与える影響について、さらなる検証を行った。図３に、ＦＦＰ水平半値幅の計算結果を示す。
本発明者らがウエハ間のＡｌ組成比ｘのばらつきを確認したところ、狙いに対して±０．０１程度ばらつくことが分かった。そこで、量産でのばらつきを±０．０１と仮定し、図３には、＋０．０１シフトしたものと−０．０１シフトをしたものとを合わせて図示している。
図３に示すように、ｎ型クラッド層１２のＡｌ組成比ｘｎが小さい、すなわちｐ型クラッド層１４とのＡｌ組成比差が大きいほど、Ａｌ組成比ｘがばらついた場合に、ＦＦＰ水平半値幅への影響が大きくなる。また、顧客要求、すなわち光学設計の制約から、ＦＦＰ水平半値幅は６〜１２度、つまり、範囲は６度以内に抑える必要がある。そのためには、量産でのＡｌ組成比ｘのばらつきを考慮すると、ｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１４のＡｌ組成比差は、０．０８以下が望ましいといえる。
本実施の形態の効果を確認するために、半導体レーザを作製し、特性および信頼性の評価を行った。ウエハを共振器長２５００μｍの長さで劈開し、端面にはパッシベーション膜を形成した。特性および信頼性の評価を行うために、半導体レーザが形成されたチップ（レーザチップ）をジャンクションダウン方式でサブマウントに実装した後、サブマウントをステムに搭載し、キャップで気密封止をした。また、本実施の形態の比較例として、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層をそれぞれＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐで構成した半導体レーザを作製した。
図４に本実施の形態と比較例の高温Ｉ−Ｌ形状を示す。測定条件は５０℃、ＣＷである。本実施の形態は、比較例よりもしきい値電流が１割程度低減しており、１割以上高い光出力が得られた。また、比較例ではキンクが発生しているが、本実施の形態ではキンクが見られず、良好なＩ−Ｌ特性となっている。本実施の形態での高温特性の改善は、しきい値電流の低減による発熱量減少の効果やスロープ効率向上の効果の他に、次に詳述する活性層の結晶性向上の効果も加わっていると考えられる。
図５に本実施の形態と比較例の寿命試験結果を示す。試験条件は、５０℃、１５０ｍＷＣＷ−ＡＰＣである。比較例では、１５００時間後の動作電流の増加率が２．５〜４％であるのに対し、本実施の形態では、０〜１％と小さくなった。この理由は、次のように考えられる。
一般に、Ａｌは酸化し易い性質を持つため、Ａｌ組成比ｘが高いＡｌＩｎＰをＭＯＣＶＤ法で結晶成長させると、大気中の酸素や水分などが吸着し、結晶性が悪化し易くなる。そして、ｎ型クラッド層の結晶性の悪化は、その上に成長する活性層の品質を左右する。従って、比較例のように、ｎ型クラッド層にＡｌＩｎＰを用いた場合は、ｎ型クラッド層の結晶性の悪化により活性層を貫く転位が多くなり、レーザ素子を長時間動作させた際に転位の増殖が生じ易くなるため、信頼性の低下を引き起こしたと考えられる。一方、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｎが０．９５である本実施の形態では、ｎ型クラッド層の結晶性の向上により、活性層の転位の増殖が抑えられたと考えられる。
図６に活性層からのホトルミネセンス波長の測定結果を示す。上記の比較例では、半値全幅が１８．３ｎｍであったのに対し、本実施の形態では、１１．７ｎｍと小さくなった。半値全幅は、活性層の品質を表すものであり、直径２．５ｍｍ程度のホトルミネセンス観察領域で、組成比または膜厚の揺らぎが小さくなったことを意味する。結晶成長完了時のウエハ面内における膜厚は、本実施の形態、比較例共にばらつきが１％以下に抑えられていたことから、元素の組成比の揺らぎが原因であると推定される。
すなわち、比較例では、ウエハ面内の領域によって、III族元素であるＡｌとＩｎとが局所的にＡｌリッチ領域やＩｎリッチ領域を形成し、組成比の揺らぎを生じていると言えるが、本実施の形態では、Ｇａが入ることで組成比の揺らぎが平均化される効果が生じたと考えられる。すなわち、Ｇａは、原子半径がＡｌとＩｎとの中間であることから、局所的なＡｌリッチ領域やＩｎリッチ領域に混じり易く、その結果、局所的なＡｌリッチ領域やＩｎリッチ領域が解消され易くなるのではないかと推測される。局所的なＡｌリッチ領域の解消が生じると、酸素や水分などの吸着が局所的に多い領域が低減されるため、転位の集中による転位と転位のさらなる増殖とを抑えることができ、高い信頼性が得られたと推測される。すなわち、微量のＧａを添加したＡｌＧａＩｎＰをｎ型クラッド層に用いたことで、ｎ型クラッド層の結晶性が向上し、その上部に形成される活性層の結晶性の向上につながり、特性、信頼性の改善の効果になって現れたと言える。
本実施の形態の変形例として、ｎ型クラッド層を（Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８）０．５Ｉｎ０.５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｎ＝０．９２）で構成し、ｐ型クラッド層をＡｌ０．５Ｉｎ０.５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｐ＝１）で構成することもできる。この場合は、両者のＡｌ組成比差がより大きくなるために、量産時にはウエハ間でＦＦＰ水平値のばらつきが大きくなるが、前述した図３の計算例で示すように、本変形例がＦＦＰ水平値の規格の問題がない下限値である。
ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層のＡｌ組成比差が大きいと、前述したように、ｐ型クラッド層を薄くできる等の理由により高温特性改善の点でメリットがあるが、一方で、Ａｌ組成比差が大きくなり過ぎると、特性ばらつきが増大するデメリットがあるというトレードオフの関係がある。
図７は、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｎとＦＦＰ水平半値幅のばらつきとの関係、およびキンクレベル（キンクが発生する光出力値）との関係を示している。ここで、ＦＦＰ水平半値幅のばらつきは、図３の計算結果より算出した値であり、Ａｌ組成比（ｘｎ）のばらつき±０．０１の半値幅の差を中心の半値幅で割った値である。また、キンクレベルは、本実施の形態と比較例の実測値である。
キンクレベルの低下およびＦＦＰ水平値のばらつき増大は、歩留りの低下によるコストの上昇を引き起こすため、量産性を考慮すると、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比（ｘｐ）とｎ型クラッド層のＡｌ組成比（ｘｎ）との差（ｘｐ−ｘｎ）は、０．０８以下とすることが望ましい。
また、Ａｌ組成比ｘのばらつきを±０．０１とすると、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層のＡｌ組成比差（ｘｐ−ｘｎ）が０．０２未満の場合は、ワーストケースで、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比（ｘｎ）がｐ型クラッド層のＡｌ組成比（ｘｐ）を上回るため、光分布がｐ型クラッド層側に片寄ることになり、スロープ効率が低下し高温特性が悪化する。従って、量産でのばらつきを考慮すると、Ａｌ組成比差（ｘｐ−ｘｎ）は、０．０２以上とすることが望ましい。
また、本実施の形態の変形例として、活性層にＡｓを含む構成とすることもできる。例えば光ガイド層をＡｌＧａＡｓで構成し、井戸層はＧａＡｓで構成し、その膜厚を６ｎｍとする。この場合は、発振波長が０.８３μｍ付近の近赤外光を得ることができる。一般に、発振波長が０.７ｎｍ〜１μｍの近赤外、赤外の半導体レーザは、クラッド層をＡｌＧａＡｓで構成するが、本実施の形態のように、クラッド層をＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成した場合は、クラッド層と活性層とのバンドギャップ差をより大きくとることができるため、高温特性の改善が可能である。
図８は、本実施の形態の半導体レーザ装置の全体構成を示す要部破断斜視図である。半導体レーザ装置は、例えば直径が５．６ｍｍ程度、厚さが１．２ｍｍ程度のＦｅ合金からなる円盤状のステム３０と、このステム３０の上面を覆うキャップ３１とを備えたパッケージ（封止容器）を有している。キャップ３１の底部の外周は、ステム３０の上面に固定されている。また、キャップ３１の上面の中央部分には、レーザビームを透過するガラス板３２が接合された丸穴３３が設けられている。
キャップ３１で覆われたステム３０の上面の中央部近傍には、例えばＣｕのような熱伝導性が良好な金属からなるヒートシンク３４が搭載されている。ヒートシンク３４は、ロウ材（図示せず）を介してステム３０の上面に接合されており、その一面には、サブマウント３５が半田（図示せず）を介して固定されている。一方、ステム３０の下面には３本のリード４０、４１、４２が取り付けられている。
サブマウント３５のチップ実装面には、図１に示したレーザチップ１０Ａがジャンクションダウン方式によって実装されている。サブマウント３５は、レーザビームの発光時に発生する熱をレーザチップ１０Ａの外部に放散するための放熱板と、レーザチップ１０Ａを支持するための支持基板とを兼ねている。
サブマウント３５のチップ実装面には、レーザチップ１０Ａのｐ側電極２０（図１参照）に電気的に接続されたサブマウント電極（図示せず）が形成されており、サブマウント電極の表面にはＡｕワイヤ３６の一端がボンディングされている。一方、レーザチップ１０Ａのｎ型電極２１の表面には、Ａｕワイヤ３７の一端がボンディングされている。
サブマウント３５に実装されたレーザチップ１０Ａは、その両端面（図８の上端面および下端面）からレーザビームを出射する。そのため、レーザチップ１０Ａを支持するサブマウント３５は、そのチップ実装面がステム３０の上面に対して垂直な方向を向くようにヒートシンク３４に固定されている。レーザチップ１０Ａの上端面から出射されたレーザビーム（前方光）は、キャップ３１の丸穴３３を通じて外部に出射される。
（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１で説明した高温特性の改善、結晶性の改善に加え、高温高湿試験による耐湿性改善の効果について説明する。
本実施の形態の半導体レーザは、ｎ型クラッド層が（Ａｌ０．９１Ｇａ０．０９）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｎ＝０．９１）で構成されており、ｐ型クラッド層が（Ａｌ０．９６Ｇａ０．０４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｐ＝０．９６）で構成されている点を除き、実施の形態１と同一の構成を有している。
通常、半導体レーザは、キャップで気密封止したパッケージに収納され、キャップの内部もドライエアー等の水分を出来るだけ排除した雰囲気に維持される。しかし、半導体レーザのオープンパッケージ化が可能となれば、小型化、低価格化の点でメリットが大きい。
そこで、図９に示すように、上記した構成の半導体レーザが形成されたレーザチップ１０Ａをジャンクションダウン方式でサブマウント３５に実装し、キャップによる気密封止をせずに高温高湿試験（８５℃、８５％ＲＨ）を行った。また、実施の形態１で用いた比較例のチップをジャンクションダウン方式でサブマウントに実装し、キャップによる気密封止をせずに高温高湿試験（８５℃、８５％ＲＨ）を行った。
その結果、比較例では、１０００時間までは問題がなかったが、１５００時間では特性が低下するレーザ素子が発生した（試験数２２個中２個）。一方、本実施の形態では、１５００時間でも特性が低下するレーザ素子は発生しなかった（試験数２２個中０個）。
信頼性が低下した比較例のレーザ素子の外観確認を行ったところ、端面部のｐ型クラッド層で変色が確認された。つまり、高温高湿試験での特性の低下は、半導体結晶のＡｌが水分と反応して腐食することが原因と考えられる。一方、本実施の形態では、半導体結晶に微量のＧａが入ることで、腐食反応に対する耐性が高くなったと考えられる。
前述したように、ｐ型クラッド層の上面は、パッシベーション膜とｐ側電極とで覆われているため、水分は半導体基板の上面からは浸入し難いと考えられるが、端面部はパッシベーション膜のみで覆われているため、上面と比較すると水分が浸入し易い。端面のパッシベーション膜を窒化シリコン等の耐湿性の高い膜で形成する対策も考えられるが、半導体レーザの特性、信頼性の点から端面のパッシベーション膜の選択には制約があり、パッシベーション膜種を限定してしまうと、所望の特性、信頼性が得られない場合がある。そのため、半導体結晶自体の耐性を高めておくことは、特性と信頼の両立のために有効である。
（実施の形態３）
本実施の形態は、ブロードエリア型の赤色半導体レーザに適用したものであり、図１０は、本実施の形態の半導体レーザ装置の主要部（レーザチップ）の構成を示す断面図である。
一般に、ブロードエリア型の半導体レーザは、リッジ型の半導体レーザよりも高出力、高発熱であるため、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層のＡｌ組成比ｘが異なる非対称構造とするのがより効果的である。
本実施の形態では、ｎ型クラッド層１２は、（Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５）０．５Ｉｎ０.５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｎ＝０．９５）で構成されており、ｐ型クラッド層１４は、Ａｌ０．５Ｉｎ０.５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｐ＝１）で構成されている。活性層１３は、ＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層１３ａと、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなる井戸層１３ｂと、ＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層１３ｅとからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造で構成されている。
井戸層１３ｂは、臨界膜厚以下の範囲で、膜厚、組成、および歪を変えることにより、様々な発振波長および発振モードを得ることができ、引張り歪を入れる場合は、好ましくは、膜厚を６〜１８ｎｍ、Ａｌ組成比ｘを０〜０．１５とする。例えば発振波長６４０ｎｍを得るためには、井戸層１３ｂの膜厚を１５ｎｍ、Ａｌ組成比ｘをｘ＝０のＧａＩｎＰとし、引張り歪を−０．８％入れる。この場合は、レーザ光の電界成分が活性層１３と垂直な方向に振動するＴＭモードで発振する。
また、発光部Ｅの幅は、３〜２００μｍとすることができる。発光部Ｅの幅をこのようにした場合は、マルチモードで発振する。発光部Ｅの幅を大きくするほど、大きな光出力が得られるが、しきい値電流が増加するため、発熱量が増加し、高温特性が低下する。例えば５００ｍＷの光出力を得るためには、発光部Ｅの幅を５０μｍとする。発光部Ｅの形成は、リッジを形成する方法で行ってもよいし、電流注入のためのコンタクト窓を開ける方法で行ってもよい。
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した耐湿性の改善に加え、量産性の改善効果について説明する。
本実施の形態の半導体レーザは、ｎ型クラッド層が（Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｎ＝０．９５）で構成されており、ｐ型クラッド層が（Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｐ＝０．９５）で構成されている点を除き、実施の形態１と同一の構成を有している。すなわち、本実施の形態の半導体レーザは、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｐとｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｎが同一（ｘｐ＝ｘｎ）である。
クラッド層をＭＯＣＶＤ法で成膜する場合、ＡｌとＧａとの組成比は、有機金属ガスの流量比で調整をするが、本実施の形態のような高Ａｌ組成比の場合、Ｇａ流量がごく微量となり、流量計の精度の限界に近づくため、ウエハ間（成長バッチが異なるもの）での組成ばらつきが大きくなってしまう。本発明者らが、ウエハ間でのＡｌとＧａの組成比（Ａｌ組成比ｘ）のばらつきを確認したところ、狙いに対し、±０．０１程度ばらつくことがわかった。
これは、例えば実施の形態２の場合、ｎ型クラッド層の狙いはＡｌ組成比ｘｎ＝０．９１であるが、成膜したものは０．９〜０．９２、ｐ型クラッド層の狙いはＡｌ組成比ｘｐ＝０．９６であるが、成膜したものは０．９５から０．９７を取り得ることを意味する。そのため、実施の形態２のように、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘが異なる場合、ウエハ間でのばらつきのみならず、それぞれのクラッド層で組成ばらつきが生じるため、半導体レーザの特性ばらつきは大きなものとなり、歩留りの低下を引き起こす。
一方、本実施の形態の場合、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層は、ＡｌとＧａの流量比を同一にして一連の成膜ができるため、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とでＡｌ組成比ｘの違いは殆どなく、ウエハ間でのばらつきのみを考慮すればよい。そのため、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘが異なる半導体レーザに比べて、特性のばらつきが抑えられ、歩留りの改善と量産性の改善とを図ることができる。
また、本実施の形態の変形例として、ｎ型クラッド層を（Ａｌ０．９１Ｇａ０．０９）０．５Ｉｎ０.５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｎ＝０．９１）で構成し、ｐ型クラッド層を（Ａｌ０．９１Ｇａ０．０９）０．５Ｉｎ０.５Ｐ（Ａｌ組成比ｘｐ＝０．９１）で構成することもできる。ｐ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｐを小さくすると、高温特性が低下する一方で、耐湿性は向上する。これは、使用環境が厳しい場合を想定したものであり、要求される用途に合わせてクラッド層のＡｌ組成比ｘを本発明の範囲内で設定すればよい。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態１〜４に基づき具体的に説明したが、高温特性、信頼性、および量産性の観点より本発明の効果を得るためには、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比（ｘｐ）が、０．９＜ｘｐ≦１で、ｎ型クラッド層のＡｌ組成比（ｘｎ）が０．９＜ｘｎ＜１の範囲で、かつ０≦ｘｐ−ｘｎ≦０．０８であることが望ましい。
さらに、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば前記実施の形態では、発振波長６４０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザに適用したが、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体では、活性層の設計のみを変えることで０．６μｍ〜０．７μｍの発振波長が実現できるため、本発明は、発振波長０．６μｍ〜０．７μｍで発振するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザに適用することもできる。
また、活性層にＡｓを含む場合には、０．７μｍ〜１μｍの発振波長が実現できるため、本発明は、クラッド層にＡｌＧａＩｎＰ系材料を用い、かつ、活性層にＡｓを含む発振波長０．７μｍ〜１μｍで発振する近赤外、赤外の半導体レーザに適用することもできる。
また、本発明は、複数の半導体レーザをアレイ化したアレイレーザや、マルチビームレーザに適用することもできる。
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置に適用することができる。
１０ 半導体基板
１０Ａ レーザチップ
１１ ｎ型バッファ層
１２ ｎ型クラッド層
１３ 活性層
１３ａ 光ガイド層
１３ｂ 井戸層
１３ｃ 障壁層
１３ｄ 井戸層
１３ｅ 光ガイド層
１４ ｐ型クラッド層
１５ エッチングストップ層
１６ リッジ部（リッジ導波路）
１７ ｐ型コンタクト層
１８ パッシベーション膜
２０ ｐ側電極
２１ ｎ側電極
３０ ステム
３１ キャップ
３２ ガラス板
３３ 丸孔
３４ ヒートシンク
３５ サブマウント
３６、３７ Ａｕワイヤ
４０、４１、４２ リード
Ｅ 発光部

Claims (9)

  1. （ＡｌｘｎＧａ１−ｘｎ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．９＜ｘｎ＜０．９８）を組成とするｎ型クラッド層と、
    （ＡｌｘｐＧａ１−ｘｐ）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（０．９２＜ｘｐ≦１）を組成とするｐ型クラッド層と、
    前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられた活性層と、
    を有する半導体レーザを備え、
    前記ｎ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｎと前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比ｘｐとは、ｘｎ＜ｘｐの関係を満たし、
    ０．０２≦ｘｐ−ｘｎ≦０．０８であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記ｐ型クラッド層のドーパント濃度は、６×１０１７ｃｍ−３以上、１．３×１０１８ｃｍ−３以下の範囲であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記ｎ型クラッド層のドーパント濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上、６×１０１７ｃｍ−３以下の範囲であることを特徴とする半導体レーザ装置。
  4. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記ｐ型クラッド層のドーパント濃度は、前記ｎ型クラッド層のドーパント濃度よりも高いことを特徴とする半導体レーザ装置。
  5. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記ｐ型クラッド層の膜厚は、前記ｎ型クラッド層の膜厚よりも小さいことを特徴とする半導体レーザ装置。
  6. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記活性層は、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、かつ、３ｎｍ以上、６ｎｍ以下の膜厚を有する１層または２層の井戸層を含み、ＴＥモードで発振することを特徴とする半導体レーザ装置。
  7. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記活性層は、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰからなり、かつ、６ｎｍ以上、１８ｎｍ以下の膜厚を有する１層の井戸層を含み、ＴＭモードで発振することを特徴とする半導体レーザ装置。
  8. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記半導体レーザが形成された半導体チップがジャンクションダウン方式で実装されたサブマウントと、
    前記サブマウントが搭載されたステムと、
    前記ステムと接し、前記半導体チップがキャップで気密封止されたパッケージと、
    をさらに備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
  9. 請求項１に記載の半導体レーザ装置であって、
    前記半導体レーザが形成された半導体チップがジャンクションダウン方式で実装されたサブマウントと、
    前記半導体チップが大気中に露出したパッケージと、
    をさらに備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
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