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JP4833671B2 - Semiconductor laser device, semiconductor laser device manufacturing method, and spatial light transmission system - Google Patents
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Semiconductor laser device, semiconductor laser device manufacturing method, and spatial light transmission system Download PDF

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Description

本発明は、半導体レーザ装置、半導体レーザ装置の製造方法および空間光伝送システム
に関する。
The present invention relates to a semiconductor laser device, a semiconductor laser device manufacturing method, and a spatial light transmission system.

IrDA(Infrared Data Association;国際赤外線データ通信協会)に代表される赤外線を用いた空間光伝送は、現在広く用いられており、携帯端末とパーソナルコンピュータとの間で、住所録やスケジュール表、写真データなどのデータを、電気配線をつなげることなく、簡便に伝送することが出来るという利便性から、今後更に広く普及することが見込まれる。   Spatial light transmission using infrared rays, represented by the IrDA (Infrared Data Association), is now widely used. Address books, schedules, and photographic data between portable terminals and personal computers. From the convenience that data such as can be easily transmitted without connecting electrical wiring, it is expected to become more widespread in the future.

近年、データ容量の増大により、伝送速度は、1Mbpsから4Mbps,16Mbpsへと増大の一途をたどっている。今後、伝送データが高品質写真データ、動画データになって、更にデータ容量が増大すると考えられているため、伝送速度を更に高速化することの要求が高まってきている。   In recent years, with an increase in data capacity, the transmission rate has been increasing from 1 Mbps to 4 Mbps and 16 Mbps. In the future, transmission data will become high-quality photographic data and moving image data, and it is considered that the data capacity will further increase. Therefore, there is an increasing demand for further increasing the transmission speed.

また、一般に、伝送速度を速くすると、伝送距離が短くなってしまうが、長い伝送距離をより速い伝送速度で伝送する要求も高まっている。   In general, when the transmission speed is increased, the transmission distance is shortened. However, there is an increasing demand for transmitting a long transmission distance at a higher transmission speed.

現在、IrDAなどの空間光伝送システムでは、伝送速度の高速化や、伝送距離の長距離化に伴い、使用する光源の光出力を高出力にする必要がある。   Currently, in a spatial light transmission system such as IrDA, it is necessary to increase the light output of a light source to be used as the transmission speed increases and the transmission distance increases.

そして、ここ最近、LD(レーザダイオード)を空間光伝送システムの光源として用いる試みが行われ始めている。空間光伝送システムにおける伝送速度の高速化、伝送距離の長距離化のためには、LDの高出力化が必要不可欠となる。   Recently, an attempt to use an LD (laser diode) as a light source of a spatial light transmission system has begun. In order to increase the transmission speed and increase the transmission distance in the spatial light transmission system, it is essential to increase the output of the LD.

しかしながら、LDの光を直接空間へ放射する場合、LDの光は空間的なコヒーレンシが高いという特徴から、LDの光が眼に入ると網膜に集光し、網膜上での光密度が非常に大きくなり、眼球が損傷する危険性がある。このため、LDの光を空間へ放射する場合は、LDの光を放射する箇所に拡散板を設置する、または、LDを拡散剤の混入した樹脂でモールドするなどの措置を施し、LDの光の空間的なコヒーレンシを低減させ、人の網膜上での光の結像を大きくして、網膜上での光密度を下げる必要がある。なお、上記措置は、「眼に安全な」と言う意味で「アイセーフ」と称される。   However, when LD light is directly emitted into space, the LD light is highly coherent in spatial characteristics. Therefore, when the LD light enters the eye, it is collected on the retina and the light density on the retina is very high. There is a risk of enlargement and eye damage. For this reason, when emitting LD light to space, measures such as installing a diffusion plate at the location where LD light is emitted or molding the LD with a resin mixed with a diffusing agent are taken. Therefore, it is necessary to reduce the spatial density of light on the retina by reducing the spatial coherency of the image and increasing the imaging of light on the human retina. The above measure is referred to as “eye-safe” in the sense of “safe for eyes”.

また、LDのモールド径を大きくすると、より高出力のLDの光に対してもアイセーフ性が保たれる。   Further, when the mold diameter of the LD is increased, the eye-safe property is maintained even for light of higher output LD.

例えばサーバ用のLDモジュールでは、携帯端末用の小型LDモジュールと比べて、より長距離でかつ高速の空間光伝送を行う必要があるため、大口径LDモジュールを用い、LDをより高出力化させる必要がある。   For example, an LD module for a server needs to perform spatial light transmission over a longer distance and at a higher speed than a small LD module for a portable terminal. Therefore, a large-diameter LD module is used to increase the output of the LD. There is a need.

空間光伝送システムには発振波長850nm〜900nmのLDが用いられる。このLDは、GaAsを基板として用いて、活性層をGaAs,AlGaAs,GaInAsなどを用いることで製造できる。   An LD having an oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm is used for the spatial light transmission system. This LD can be manufactured by using GaAs as a substrate and using GaAs, AlGaAs, GaInAs or the like as an active layer.

LDを構成する半導体材料においては、基本的に次の(1)〜(3)の条件が要求される。   In the semiconductor material constituting the LD, the following conditions (1) to (3) are basically required.

(1)エネルギ的にキャリアを閉じ込めることができる。つまり、Eg(バンドギャップエネルギ)を自在に制御でき、また、量子井戸活性層の場合、井戸層とバリア層とで十分大きいΔEg(バンドギャップエネルギの差)がある。   (1) The carrier can be confined in terms of energy. That is, Eg (band gap energy) can be freely controlled, and in the case of the quantum well active layer, there is a sufficiently large ΔEg (difference in band gap energy) between the well layer and the barrier layer.

(2)光学的に光を閉じ込めることができる。つまり、屈折率を自在に制御できる。   (2) Light can be optically confined. That is, the refractive index can be freely controlled.

(3)格子定数が基板のそれと大きく異ならない。   (3) The lattice constant is not significantly different from that of the substrate.

GaAs基板を用いて、発振波長が850〜900nm帯のLDを作製する場合、上記(1)〜(3)の条件を満足し、最も制御しやすい材料系としてはAlGaAs系材料が挙げられる。   When an LD having an oscillation wavelength band of 850 to 900 nm is manufactured using a GaAs substrate, an AlGaAs-based material can be cited as a material system that satisfies the conditions (1) to (3) and is most easily controlled.

しかしながら、上記半導体材料としてAlGaAsを用いると、Alは反応性が高く、特に酸素との結合が強いため、LDの信頼性が低下し易くなる。   However, when AlGaAs is used as the semiconductor material, Al is highly reactive and particularly has a strong bond with oxygen, so that the reliability of the LD tends to decrease.

より詳しく説明すると、半導体を結晶成長する際、その半導体の結晶性が重要になってくるが、結晶欠陥や酸素などの不純物が半導体の結晶中に取込まれると、その不純物は非発光再結合中心となる。   More specifically, when crystal growth of a semiconductor, the crystallinity of the semiconductor becomes important, but when impurities such as crystal defects and oxygen are incorporated into the semiconductor crystal, the impurities are non-radiative recombination. Become the center.

上記非発光再結合中心が活性層中に多く存在すると、キャリアは発振に寄与する発光再結合以外に、非発光再結合として消費されてしまうため、LDに注入したキャリアが光に変換される効率が低下し、高い光出力を出せなくなる。   If many non-radiative recombination centers are present in the active layer, carriers are consumed as non-radiative recombination in addition to radiative recombination that contributes to oscillation. Therefore, the efficiency with which the carriers injected into the LD are converted into light. Decreases, and high light output cannot be produced.

また、上記結晶欠陥や酸素などの不純物はLDの光に対して吸収体となるため、その不純物が多いとLD内に分布している光の吸収が大きくなってしまって、出射される光の出力が更に低下してしまう。   In addition, since impurities such as crystal defects and oxygen serve as absorbers for LD light, absorption of light distributed in the LD increases when there are many impurities, and the emitted light The output further decreases.

また、上記半導体の結晶において、発光再結合はキャリアのエネルギが光のエネルギに変換されるのに対し、非発光再結合では熱エネルギに変換されることから、非発光再結合によりLDの温度が上昇する。上記LDの温度が上昇すると、更に結晶欠陥が増殖し、次々と非発光再結合中心が増大していき、LDが劣化してしまうなどの問題が生じる。   In the above semiconductor crystal, radiative recombination converts the energy of carriers into light energy, whereas non-radiative recombination converts it into thermal energy. To rise. When the temperature of the LD rises, crystal defects further grow, non-radiative recombination centers increase one after another, and problems such as deterioration of the LD occur.

このような非発光再結合中心や、光の吸収体となる結晶欠陥や酸素などの不純物などが、LDの活性層中に存在すると、活性層自体が劣化していく。   When such non-radiative recombination centers, crystal defects serving as light absorbers, impurities such as oxygen, and the like are present in the active layer of the LD, the active layer itself deteriorates.

また、LDでは光を出射するレーザ端面をへき開により形成しており、そのレーザ端面がへき開時に空気に曝されることにより、レーザ端面が酸化され、レーザ端面に形成された酸化物もまた吸収体となる。このような吸収体がLDのレーザ端面に存在すると、レーザ発振した光は上記吸収体に吸収され、レーザ端面の温度が上昇する。そうすると、上記レーザ端面付近の活性層のバンドギャップが小さくなり、レーザ端面付近の活性層の光吸収量が更に増え、レーザ端面の温度が更に上昇するという正の帰還が働き、ついには、
レーザ端面にCOD(光学損傷)が生じてしまう。
In LD, the laser end face that emits light is formed by cleaving, and the laser end face is exposed to air when cleaved, so that the laser end face is oxidized, and the oxide formed on the laser end face is also an absorber. It becomes. When such an absorber is present on the laser end face of the LD, the laser-oscillated light is absorbed by the absorber and the temperature of the laser end face rises. Then, the band gap of the active layer near the laser end face is reduced, the light absorption amount of the active layer near the laser end face is further increased, and the positive feedback that the temperature of the laser end face further rises works, finally,
COD (optical damage) occurs on the laser end face.

以上のような問題の発生を防いでLDの信頼性を向上させる方法としては、活性なAlを含まない材料を用いることが考えられる。   As a method for preventing the occurrence of the above problems and improving the reliability of the LD, it is conceivable to use a material containing no active Al.

GaAs基板上にエピタキシャル成長できてAlを含まない材料としてはGaInAsP系材料がある。このGaInAsP系材料では、適当な組成を選択することにより、格子定数、Eg、屈折率を制御することができる。   As a material that can be epitaxially grown on a GaAs substrate and does not contain Al, there is a GaInAsP-based material. In this GaInAsP-based material, the lattice constant, Eg, and refractive index can be controlled by selecting an appropriate composition.

GaAsに対して格子整合可能な材料では、GaInPで最もEgが大きくなるが、このGaInPのEgはAl0.4Ga0.6AsのEgに相当し、GaInPのEg以上のEgを有する材料はAlを含むことになる。 In a material capable of lattice matching with GaAs, GaInP has the largest Eg, but this GaInP Eg corresponds to Eg of Al 0.4 Ga 0.6 As, and a material having Eg higher than that of GaInP is Al will be included.

LD構造の中で特に信頼性への影響が大きいのは、光密度が最も高くなる量子井戸活性領域(井戸層、および、この井戸層を挟むバリア層)である。この量子井戸活性領域にAlを含む層がある場合、LDの高出力化には限界がある。   In the LD structure, the influence on reliability is particularly large in the quantum well active region (well layer and barrier layer sandwiching the well layer) having the highest light density. When there is a layer containing Al in the quantum well active region, there is a limit to increasing the output of the LD.

空間光伝送システムの光源としてLDを使用して、より長距離でかつ高速の空間光伝送を行うには、LDの更なる高出力化が必要となり、より信頼性の高いLDが必要となる。   In order to perform long-distance and high-speed spatial light transmission using an LD as a light source of the spatial light transmission system, it is necessary to further increase the output of the LD, and a more reliable LD is required.

上記量子井戸活性領域を、活性なAlを含まない材料で構成することにより、LDの更なる信頼性の向上が期待できる。   By configuring the quantum well active region with a material that does not contain active Al, further improvement in the reliability of the LD can be expected.

以下、LDの信頼性を向上させるために、Alを含まない量子井戸活性領域(井戸層および井戸層を挟むバリア層)の材料を考えていく。   Hereinafter, in order to improve the reliability of the LD, a material of a quantum well active region (a well layer and a barrier layer sandwiching the well layer) that does not contain Al will be considered.

GaAs基板を用いて形成され、量子井戸活性領域にAlを含まないLDとしては、980nm帯のLDがあり、一般に、井戸層としてGaInAs(In組成0.2程度、井戸厚70〜80nm)が用いられ、バリア層としてGaAsが用いられている(例えば、米国特許第6327293号明細書(特許文献1)参照。)。   As an LD that is formed using a GaAs substrate and does not contain Al in the quantum well active region, there is an LD of 980 nm band. Generally, GaInAs (In composition about 0.2, well thickness 70-80 nm) is used as the well layer. GaAs is used as the barrier layer (see, for example, US Pat. No. 6,327,293 (Patent Document 1)).

従来の980nm帯のLDと同じ構成(井戸層にGaInAs,バリア層にGaAsを用いて)で、850〜900nm帯のLDを作製すると、井戸層とバリア層とのΔEgが非常に小さくなってしまい、素子特性(しきい値電流、効率、To(温度特性)など)が著しく悪化してしまう。   When an LD of 850 to 900 nm band is manufactured with the same configuration as that of a conventional LD of 980 nm band (using GaInAs for the well layer and GaAs for the barrier layer), ΔEg between the well layer and the barrier layer becomes very small. The device characteristics (threshold current, efficiency, To (temperature characteristics), etc.) are significantly deteriorated.

したがって、従来の980nm帯のLDの構成では、850nm〜900nm帯のLDを実現することは不可能である。   Therefore, it is impossible to realize an LD in the 850 nm to 900 nm band with the conventional 980 nm band LD configuration.

そこで、井戸層の材料としてGaInAsを用い、バリア層の材料としては、井戸層よりEgが十分大きく、かつ信頼性を確保するためにAlを含まない材料として、GaInAsPを用いることが考えられる。   Therefore, it is conceivable to use GaInAs as the material for the well layer, and use GaInAsP as the material for the barrier layer as a material that has a sufficiently higher Eg than the well layer and does not contain Al in order to ensure reliability.

井戸層がGaInAsからなり、バリア層がGaInAsPからなって、空間光伝送システムに使用されるLDとしては、国際公開03/077389号パンフレット(特許文献2)に記載されたものがある。   As an LD used in a spatial light transmission system with a well layer made of GaInAs and a barrier layer made of GaInAsP, there is one described in WO 03/077389 (Patent Document 2).

図5に、890nmで発振するGaInAs/GaInAsP活性層を持つ半導体レーザ装置の概略断面図を示す。   FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser device having a GaInAs / GaInAsP active layer oscillating at 890 nm.

図5において、101はn型GaAs基板、121は厚さ2.3μmのn型Al0.425Ga0.575As第2クラッド層、122は厚さ0.2μmのn型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層、103は厚さ0.1μmのn型Al0.4Ga0.6As第3光ガイド層、141A,141Bは厚さ3nmのアンドープAl0.25Ga0.75As第2光ガイド層、142A,142Bは厚さ20nmのアンドープIn0.1Ga0.9As0.6570.344第1光ガイド層、105A,105Bは厚さ8nmのアンドープIn0.074Ga0.926As井戸層、104は厚さ5nmのアンドープIn0.1Ga0.9As0.6570.344バリア層、106は厚さ0.1μmのp型Al0.4Ga0.6As第3光ガイド層、107は厚さ0.135μmのp型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層、108は厚さ3nmのアンドープGaAsエッチングストップ層、109は厚さ1.28μmのp型Al0.478Ga0.522As第2クラッド層、110はn型Al0.7Ga0.3Asブロック層、112はp++型GaAsキャップ層である。 5, the n-type GaAs substrate 101, n-type Al 0.425 Ga 0.575 As second cladding layer having a thickness of 2.3μm is 121, 122 having a thickness of 0.2 [mu] m n-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer, 103 is a 0.1 μm thick n-type Al 0.4 Ga 0.6 As third light guide layer, 141 A and 141 B are 3 nm thick undoped Al 0.25 Ga 0. 75 As the second light guide layer, 142A, undoped in 0.1 Ga 0.9 As 0.657 P 0.344 first optical guiding layer 142B has a thickness 20 nm, 105A, 105B is a thick 8nm undoped in 0 .074 Ga 0.926 As well layer, 104 is an undoped in 0.1 Ga 0.9 As 0.657 P 0.344 barrier layer having a thickness of 5 nm, p-type Al 0 thickness 0.1μm is 106 .4 Ga 0.6 As third light guide layer, 107 is a p-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer having a thickness of 0.135 μm, 108 is an undoped GaAs etching stop layer having a thickness of 3 nm, 109 Is a p-type Al 0.478 Ga 0.522 As second cladding layer having a thickness of 1.28 μm, 110 is an n-type Al 0.7 Ga 0.3 As block layer, and 112 is a p ++ type GaAs cap layer.

上記バリア層104と井戸層105A,105BとがDQW(Double Quantum Well;二重量子井戸)活性層を構成している。   The barrier layer 104 and the well layers 105A and 105B constitute a DQW (Double Quantum Well) active layer.

上記半導体レーザ装置を作製したところ、しきい値電流、効率、発振波長などの素子特性の再現性が悪く、また、ウェハ面内で同時に作製した半導体レーザ装置であっても素子特性がばらつくなど均一性が悪化し、更に、LD動作が不安定になるという問題が生じた。
米国特許第6327293号明細書 国際公開03/077389号パンフレット
When the above semiconductor laser device is manufactured, the reproducibility of element characteristics such as threshold current, efficiency, and oscillation wavelength is poor, and even the semiconductor laser device manufactured simultaneously on the wafer surface has uniform element characteristics. As a result, there was a problem that the LD operation became unstable and the LD operation became unstable.
US Pat. No. 6,327,293 International Publication No. 03/077389 Pamphlet

本発明は、上記問題を解決し、高出力時においても、信頼性が高く、均一性および再現性に優れ、安定動作が可能な、発振波長が850nm以上900nm以下の半導体レーザ装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above problems, and provides a semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm that has high reliability, excellent uniformity and reproducibility even at high output, and capable of stable operation. With the goal.

更に本発明は、空間光伝送用の上記課題を解決した、数十MHzを越える高速伝送や、より長距離での高速な伝送が可能な、空間光伝送システムを提供することを目的とする。   A further object of the present invention is to provide a spatial light transmission system that solves the above-mentioned problems for spatial light transmission and that enables high-speed transmission exceeding several tens of MHz and high-speed transmission over a longer distance.

上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、
発振波長が850nm以上900nm以下である半導体レーザ装置において、
第1導電型のGaAs基板と、
上記GaAs基板上に形成された第1導電型の下クラッド層と、
上記下クラッド層上に形成された第1導電型の下ガイド層と、
上記下ガイド層上に形成され、量子井戸構造を持つ活性層と、
上記活性層上に形成された第2導電型の上ガイド層と、
上記上ガイド層上に形成された第2導電型の上クラッド層と
を備え、
上記活性層は、
井戸層と、
上記井戸層を挟むと共に、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むIII−V族化合物半導体バリア層と、
上記井戸層と、上記GaAs基板側の上記バリア層との間に設けられていると共に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むIII−V族化合物半導体中間層と
を有し、
上記活性層はAlを含まないことを特徴としている。
In order to achieve the above object, a semiconductor laser device of the present invention comprises:
In a semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm,
A first conductivity type GaAs substrate;
A lower cladding layer of a first conductivity type formed on the GaAs substrate;
A lower guide layer of a first conductivity type formed on the lower cladding layer;
An active layer formed on the lower guide layer and having a quantum well structure;
An upper guide layer of a second conductivity type formed on the active layer;
An upper cladding layer of a second conductivity type formed on the upper guide layer,
The active layer is
Well layers,
A III-V group compound semiconductor barrier layer sandwiching the well layer and containing at least In as a group III element and at least As and P as a group V element;
It is provided between the well layer and the barrier layer on the GaAs substrate side, does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element III possess a -V compound semiconductor intermediate layer,
The active layer is characterized by not containing Al .

ここで、第1導電型とは、p型またはn型を意味する。また、第2導電型とは、第1導電型がp型の場合はn型、n型の場合はp型を意味する。   Here, the first conductivity type means p-type or n-type. The second conductivity type means n-type when the first conductivity type is p-type, and p-type when the first conductivity type is n-type.

上記構成の半導体レーザ装置によれば、上記III−V族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むことによって、量子井戸構造をAlを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。   According to the semiconductor laser device having the above-described configuration, the III-V compound semiconductor barrier layer includes at least In as a group III element and at least As and P as a group V element. The active layer has this quantum well structure, so that the reliability can be improved even at high output.

また、上記III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。   The III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a Group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a Group V element. Even if formed, it is possible to prevent the characteristics of a plurality of semiconductor laser devices from varying, and to manufacture the semiconductor laser devices with good reproducibility. That is, the uniformity and reproducibility of the semiconductor laser device can be improved.

更に、上記III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。   Further, the III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a Group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a Group V element, thereby stabilizing the operation of the semiconductor laser device. be able to.

以下、上記半導体レーザ装置の作用効果についてより詳しく説明する。   Hereinafter, the function and effect of the semiconductor laser device will be described in more detail.

〔高信頼性〕
バリア層が、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むことによって、量子井戸構造をAlを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、光分布の最も大きくなる活性領域(井戸層、中間層およびバリア層)にAlを含まないことから、信頼性が向上し、高出力動作が可能となった。
[High reliability]
When the barrier layer contains at least In as the group III element and at least As and P as the group V element, the quantum well structure can be configured without containing Al, and this quantum well structure is activated. Since the active region (well layer, intermediate layer, and barrier layer) having the largest light distribution does not contain Al due to the layer, reliability is improved and high output operation is possible.

〔界面の揺らぎの説明〕
異なる2つ以上のV族元素を含む混晶半導体のエピタキシャル成長は、組成を制御するのが難しい。更に、バリア層がV族元素としてAsおよびPを含むと、バリア層のV族元素の組成を制御し難いのに加えて、バリア層がIII族元素としてInを含むと、Inの偏析が発生する。このため、上記バリア層に接触する井戸層を形成した場合、バリア層と井戸層との界面においてはAs,P,Inが不安定な状態になっており、その界面上に井戸層を成長すると、バリア層と井戸層との界面においてIII族元素およびV族元素に空間的な組成の揺らぎが生じ、井戸層に形成される量子準位にも揺らぎが生じ、複数のランダムな量子準位が形成されてしまう。このときの活性領域(井戸層およびバリア層)のエネルギバンドの様子を図8Aに示す。また、図8A〜図8Dでは、「揺らぎ」を複数の線のまとまりとして表現している。
[Explanation of interface fluctuation]
In the epitaxial growth of mixed crystal semiconductors containing two or more different group V elements, it is difficult to control the composition. Furthermore, if the barrier layer contains As and P as group V elements, it is difficult to control the composition of the group V elements in the barrier layer, and if the barrier layer contains In as group III elements, In segregation occurs. To do. Therefore, when a well layer in contact with the barrier layer is formed, As, P, and In are in an unstable state at the interface between the barrier layer and the well layer, and the well layer is grown on the interface. In the interface between the barrier layer and the well layer, the group III element and the group V element fluctuate spatially, the quantum level formed in the well layer also fluctuates, and a plurality of random quantum levels are generated. Will be formed. FIG. 8A shows the energy band of the active region (well layer and barrier layer) at this time. 8A to 8D, “fluctuation” is expressed as a group of a plurality of lines.

このように、上記バリア層と井戸層との界面の制御が困難であるため、量子井戸構造を再現よく作製することが難しく、また、作製時のウェハ面内での分布も大きくなることが分かった。   As described above, since it is difficult to control the interface between the barrier layer and the well layer, it is difficult to produce the quantum well structure with good reproducibility, and the distribution in the wafer plane during the production becomes large. It was.

一方、バリア層の成長後に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含む中間層を形成して、この中間層上に井戸層を形成することにより、量子準位が井戸層とバリア層との界面におけるIn,As,Pによる界面の揺らぎの影響を受けるのを回避することができ、良好な界面を、再現よく、ウェハ面内で均一に作製することができるようになった。   On the other hand, after the growth of the barrier layer, an intermediate layer that does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element, and forms a well layer on the intermediate layer By doing so, it can be avoided that the quantum level is affected by the fluctuation of the interface due to In, As, and P at the interface between the well layer and the barrier layer, and a good interface can be reproduced within the wafer surface with good reproducibility. It became possible to produce uniformly.

上記量子準位が上記影響を受けるのを回避することができたのは、Inを含まない層を中間層として用いることにより、井戸層と直接接する界面においてInの偏析の影響を受けなくなり、更に、その中間層のV属元素を1元素で構成することにより、中間層と井戸層との界面における組成の揺らぎを抑えることができた結果だと考えられる。   The quantum level can be prevented from being affected by the use of an In-free layer as an intermediate layer, so that it is not affected by In segregation at the interface directly in contact with the well layer. It is considered that the composition fluctuation at the interface between the intermediate layer and the well layer could be suppressed by configuring the V group element of the intermediate layer with one element.

〔PL(フォトルミネッセンス)による界面の評価〕
井戸層とバリア層との界面状態を調べるために、III族元素としてInを含み、かつ、V族元素としてAsおよびPを含むバリア層で構成されている量子井戸構造のPL発光を確認した。そうしたところ、上記PL発光スペクトルはスペクトル幅(半値幅)が広がっており、また、ウェハ面内でも、広いところと、比較的狭くなっているところが存在し、分布が大きくなることが分かった。これは、上記バリア層と井戸層との界面の組成が揺らぐことにより、量子準位に揺らぎが生じたためと考えられる。
[Evaluation of interface by PL (photoluminescence)]
In order to investigate the interface state between the well layer and the barrier layer, PL emission of a quantum well structure composed of a barrier layer containing In as a group III element and As and P as a group V element was confirmed. As a result, it has been found that the PL emission spectrum has a broad spectrum width (half-value width), and there are broad and relatively narrow portions in the wafer surface, and the distribution becomes large. This is presumably because the quantum level fluctuates due to fluctuations in the composition of the interface between the barrier layer and the well layer.

一方、バリア層の成長後に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含む中間層を形成して、この中間層上に井戸層を形成すると、PL発光スペクトルは比較的狭くなり、半値幅のウェハ面内の分布もほとんど無くなり、良好な量子井戸界面を形成することができた。   On the other hand, after the growth of the barrier layer, an intermediate layer that does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element, and forms a well layer on the intermediate layer As a result, the PL emission spectrum became relatively narrow, and the distribution in the wafer plane with a half width was almost eliminated, and a good quantum well interface could be formed.

例えば、井戸層としてGaInAs層を用い、かつ、バリア層としてGaInAsP層を用いた量子井戸構造を作製し、井戸層としてGaInAs層を用い、かつ、バリア層としてAlGaAs層を用いた量子井戸構造を作製し、これらの量子井戸構造のPL発光を比較した。発光スペクトルは、AlGaAsバリア層を持つ量子井戸構造に比べて、GaInAsPバリア層を持つ量子井戸構造の方が広がり、また、スペクトルの幅(半値幅)の分布も、AlGaAsバリア層を持つ量子井戸構造に比べて、GaInAsPバリア層を持つ量子井戸構造の方が大きくなった。これは、GaInAsPバリア層を持つ量子井戸構造では、GaInAsPバリア層とGaInAs井戸層との界面が揺らぐことにより、量子準位に揺らぎが生じたためと考えられる。   For example, a quantum well structure using a GaInAs layer as a well layer and a GaInAsP layer as a barrier layer, a GaInAs layer as a well layer, and an AlGaAs layer as a barrier layer is prepared. Then, PL emission of these quantum well structures was compared. The emission spectrum is broader in the quantum well structure having the GaInAsP barrier layer than in the quantum well structure having the AlGaAs barrier layer, and the spectrum width (half-value width) is also distributed in the quantum well structure having the AlGaAs barrier layer. Compared with, the quantum well structure having the GaInAsP barrier layer was larger. This is presumably because in the quantum well structure having the GaInAsP barrier layer, the quantum level fluctuates due to the fluctuation of the interface between the GaInAsP barrier layer and the GaInAs well layer.

一方、例えば、GaInAsPバリア層の成長後にGaAs中間層を形成して、更に、このGaAs中間層上にGaInAs井戸層を成長して量子井戸構造を作製したところ、量子井戸構造がGaInAsPバリア層を有しているのにも関わらず、量子井戸構造の発光スペクトルは比較的狭く、半値幅のウェハ面内の分布もほとんど無くなり、良好な量子井戸構造が形成することができた。   On the other hand, for example, after a GaInAsP barrier layer is grown, a GaAs intermediate layer is formed, and a GaInAs well layer is grown on the GaAs intermediate layer to produce a quantum well structure. The quantum well structure has a GaInAsP barrier layer. In spite of this, the emission spectrum of the quantum well structure was relatively narrow, and the distribution in the wafer plane with a half width was almost eliminated, and a good quantum well structure could be formed.

〔LD素子への影響〕
次に、LD素子特性の量子井戸界面の影響を調べた。
[Influence on LD elements]
Next, the influence of the quantum well interface on the LD device characteristics was examined.

III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むバリア層と、このバリア層に接触する井戸層と備え、そのバリア層と井戸層との間に他の層が存在しないLDを作製したところ、このLDの発振スペクトルは、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在しており、しきい値電流の上昇、効率低下を招き、LD動作が不安定になった。   A barrier layer containing at least In as a group III element and at least As and P as a group V element, and a well layer in contact with the barrier layer, and there is another layer between the barrier layer and the well layer When a non-existing LD was produced, the LD's oscillation spectrum had a plurality of random spectra before and after the peak wavelength of the main oscillation spectrum, leading to an increase in threshold current and a decrease in efficiency. Became unstable.

これは、上記井戸層とバリア層との界面の組成の揺らぎが大きくなり、量子準位が揺らいでしまい、発振までのELスペクトルの幅が広がり、また、複数のランダムな量子準位が形成されるため、井戸層に注入されたキャリアが一つの準位に収まらず、発振までにたくさんのキャリアを注入しないと発振にいたるゲインを稼ぐことができず、しきい値電流が上昇してしまったと考えられる。   This is because the fluctuation of the composition of the interface between the well layer and the barrier layer becomes large, the quantum level fluctuates, the width of the EL spectrum until oscillation is widened, and a plurality of random quantum levels are formed. For this reason, carriers injected into the well layer do not fall within a single level, and if a large number of carriers are not injected before oscillation, gain for oscillation cannot be gained, and the threshold current increases. Conceivable.

また、上記複数のランダムな量子準位が形成されているため、キャリアを注入していったときに、発振しうる準位が複数存在することになり、発振波長を制御することができなくなり、時には設定波長よりも10nm以上発振波長がずれたり、温度変化で発振波長が別の量子準位に飛んだり、また、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在するなど、LD動作が不安定になってしまった。   In addition, since a plurality of random quantum levels are formed, there are a plurality of levels that can oscillate when carriers are injected, and the oscillation wavelength cannot be controlled. Sometimes the oscillation wavelength shifts 10 nm or more from the set wavelength, the oscillation wavelength jumps to another quantum level due to temperature change, and there are multiple random spectra around the peak wavelength of the main oscillation spectrum, etc. LD operation has become unstable.

したがって、上記LDは、波長の制御が非常に難しため、波長を厳密に合わせ込む必要がある空間光伝送用光源として使用するのには向かない。   Therefore, the above-mentioned LD is very difficult to control the wavelength, and is not suitable for use as a light source for spatial light transmission that requires the wavelength to be precisely matched.

また、上記LDは動作が不安定になるため、そのLDを空間光伝送用光源として用いて高周波で駆動すると、動特性不良が生じてしまう。   In addition, since the operation of the LD becomes unstable, if the LD is used as a spatial light transmission light source and driven at a high frequency, a dynamic characteristic defect occurs.

一方、バリア層の成長後に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含む中間層を形成して、この中間層上に井戸層を形成してLDを作製したところ、LDの発振スペクトルは単峰となり、しきい値電流、効率などの素子特性は向上し、発振波長を厳密に制御することが可能となり、また、高温時や高周波駆動時においても、安定してLDを動作することが可能となった。   On the other hand, after the growth of the barrier layer, an intermediate layer that does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element, and forms a well layer on the intermediate layer When the LD was manufactured, the oscillation spectrum of the LD became a single peak, device characteristics such as threshold current and efficiency were improved, the oscillation wavelength could be strictly controlled, and at high temperatures and high frequency driving Even at times, it became possible to operate the LD stably.

〔発振波長〕
ここで、850nmよりも波長が短いLD素子についても調べた。この850nmよりも短い波長帯では、中間層のEgを井戸層とバリア層との中間のEgにすることができない。例えばGaAsで中間層を形成すると、井戸層のEgよりも中間層のEgの方が小さくなってしまう。この場合、井戸層はバリア層と中間層との界面を量子井戸としてのバリアとして感じるため、中間層を形成する効果はほとんどでない。
[Oscillation wavelength]
Here, an LD element having a wavelength shorter than 850 nm was also examined. In the wavelength band shorter than 850 nm, the Eg of the intermediate layer cannot be an intermediate Eg between the well layer and the barrier layer. For example, when the intermediate layer is formed of GaAs, the Eg of the intermediate layer becomes smaller than the Eg of the well layer. In this case, since the well layer feels the interface between the barrier layer and the intermediate layer as a barrier as a quantum well, there is almost no effect of forming the intermediate layer.

また、例えばGaPで中間層を形成すると、バリア層のEgよりも中間層のEgの方が大きくなってしまい、また、中間層がGaAs基板と格子定数が大きく異なってしまうため、活性層近傍にこのような格子定数の大きく異なる層が存在すると、結晶性が低下し、LD素子としてはしきい値電流、効率などの素子特性が悪化するのに加え、信頼性も低下してしまう。この他にも、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含む中間層を用いても、発振波長が850nm以上900nm以下のときと同じ効果は得られなかった。   Further, for example, when the intermediate layer is formed of GaP, the Eg of the intermediate layer becomes larger than the Eg of the barrier layer, and the intermediate layer has a lattice constant greatly different from that of the GaAs substrate. When such a layer having greatly different lattice constants is present, the crystallinity is lowered, and the element characteristics such as threshold current and efficiency are deteriorated as well as the reliability of the LD element. In addition, the same effect as when the oscillation wavelength is not less than 850 nm and not more than 900 nm can be obtained by using an intermediate layer that does not contain In as a group III element but contains an element other than In and contains only one element as a group V element. Was not obtained.

一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記III−V族化合物半導体中間層はGaAsからなる。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The III-V compound semiconductor intermediate layer is made of GaAs.

上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記GaAsは、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むから、中間層とバリア層との界面の組成揺らぎの影響を抑える効果がある。   According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the GaAs does not include In as a group III element, includes an element other than In, and includes only one element as a group V element. There is an effect of suppressing the influence of the composition fluctuation of the interface.

それに加えて、上記半導体レーザ装置においては、中間層をGaAsで形成することにより、中間層のEgを、井戸層のEgとバリア層のEgとの中間のEgとすることが可能となる。   In addition, in the semiconductor laser device, by forming the intermediate layer from GaAs, the intermediate layer can be made to have an intermediate Eg between the Eg of the well layer and the Eg of the barrier layer.

もし、井戸層のEgよりも中間層のEgの方が小さくなってしまうと、井戸層はバリア層と中間層との界面を量子井戸としてのバリアとして感じるため、中間層を挿入する効果はほとんどでない。   If the Eg of the intermediate layer becomes smaller than the Eg of the well layer, the well layer feels the interface between the barrier layer and the intermediate layer as a barrier as a quantum well. Not.

また、もし、バリア層のEgよりも中間層のEgの方が大きくなってしまうと、井戸層へキャリアが注入され難くなり、しきい値電流、効率などの素子特性が低下する。   Further, if the Eg of the intermediate layer becomes larger than the Eg of the barrier layer, it becomes difficult for carriers to be injected into the well layer, and device characteristics such as threshold current and efficiency are deteriorated.

また、もし、上記中間層の格子定数が基板の格子定数と大きく異なると、基板とは格子定数が大きく異なる層が活性層近傍に存在することになって、活性層の結晶性が低下し、しきい値電流、効率などの素子特性が低下するのに加え信頼性も低下してしまう。   Also, if the lattice constant of the intermediate layer is significantly different from the lattice constant of the substrate, a layer having a lattice constant greatly different from that of the substrate is present in the vicinity of the active layer, and the crystallinity of the active layer is reduced. In addition to degradation of device characteristics such as threshold current and efficiency, reliability is also degraded.

したがって、上記半導体レーザ装置においては、GaAsが中間層としては最も適しているといえる。   Therefore, it can be said that GaAs is most suitable as the intermediate layer in the semiconductor laser device.

一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記III−V族化合物半導体中間層の厚さは0.5nm以上2nm以下である。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The thickness of the III-V compound semiconductor intermediate layer is 0.5 nm or more and 2 nm or less.

上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、中間層の厚さを変えて半導体レーザ装置を作製し、中間層の厚さの変更による効果を調べた。   According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the semiconductor laser device was manufactured by changing the thickness of the intermediate layer, and the effect of changing the thickness of the intermediate layer was investigated.

その結果、上記中間層の厚さが0.5nm以上2nm以下のときに、しきい値電流、効率、Toなどの素子特性が最も良くなることが分かった。   As a result, it was found that when the thickness of the intermediate layer was 0.5 nm or more and 2 nm or less, device characteristics such as threshold current, efficiency, and To were the best.

中間層厚が薄い場合、井戸層はバリア層と中間層との全体として量子井戸のバリアとして感じてしまい、中間層層厚が0.5nmより薄いと、中間層を形成したにもかかわらず、バリア層による組成揺らぎの影響が出てしまい、量子準位に揺らぎが生じてしまうので、バリア層による組成揺らぎの影響を回避するには、中間層厚は0.5nm以上必要である。   When the intermediate layer thickness is thin, the well layer feels as a barrier of the quantum well as a whole of the barrier layer and the intermediate layer, and when the intermediate layer layer thickness is less than 0.5 nm, the intermediate layer is formed, Since the influence of the composition fluctuation due to the barrier layer appears and the quantum level fluctuates, the thickness of the intermediate layer needs to be 0.5 nm or more in order to avoid the influence of the composition fluctuation due to the barrier layer.

また、上記半導体レーザ装置では、中間層のEgを井戸層のEgとバリア層のEgとの中間のEgとすることができる。この場合、上記井戸層と中間層とのΔEgが小さくなるため、中間層の厚みを厚くすると、中間層の量子準位が下がり、井戸層の量子準位に近づき、井戸層の量子準位に溜まったキャリアが、中間層のキャリアにオーバーフローし易くなるため、しきい値電流が上昇し、効率が低下し、温度特性が低下するなど、素子の特性が悪化してしまう。このため、中間層厚は2nm以下にする必要がある。ここで、図8Bに、中間層が薄い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図を示し、また、図8Cに、中間層が厚い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図を示す。   Further, in the semiconductor laser device, the Eg of the intermediate layer can be an intermediate Eg between the Eg of the well layer and the Eg of the barrier layer. In this case, since ΔEg between the well layer and the intermediate layer becomes small, if the thickness of the intermediate layer is increased, the quantum level of the intermediate layer decreases, approaches the quantum level of the well layer, and approaches the quantum level of the well layer. Since the accumulated carriers easily overflow into the carriers in the intermediate layer, the threshold current increases, the efficiency decreases, and the temperature characteristics deteriorate. For this reason, the intermediate layer thickness needs to be 2 nm or less. Here, FIG. 8B shows an energy band diagram of the quantum well structure when the intermediate layer is thin, and FIG. 8C shows an energy band diagram of the quantum well structure when the intermediate layer is thick.

また、例えばGaAs中間層厚が厚くなると、バリア層を薄くするか、または、井戸層と井戸層との間隔を広げる必要があるが、MQW(多重量子井戸)構造における井戸層と井戸層との間のバリア層が薄いと、薄いバリア層はバリア層として働かなくなり、また、MQW構造における井戸層と井戸層との間隔を広くしすぎると、各井戸層にキャリアを均一に注入できなくなり、効率が低下してしまう。   For example, when the thickness of the GaAs intermediate layer is increased, it is necessary to reduce the barrier layer or increase the interval between the well layer and the well layer. If the barrier layer is thin, the thin barrier layer will not function as a barrier layer. If the interval between the well layer and the well layer in the MQW structure is too wide, carriers cannot be uniformly injected into each well layer. Will fall.

一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記III−V族化合物半導体バリア層がGaInAsPからなり、
上記井戸層がGaInAsからなり、
上記III−V族化合物半導体バリア層のIII族元素におけるInの割合が、上記井戸層のIII族元素におけるInの割合よりも大きく、
上記井戸層の井戸幅が6nm以下である。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The III-V compound semiconductor barrier layer is made of GaInAsP,
The well layer is made of GaInAs;
The ratio of In in the group III element of the III-V compound semiconductor barrier layer is larger than the ratio of In in the group III element of the well layer,
The well width of the well layer is 6 nm or less.

上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記井戸層の井戸幅が6nmを越えたときに比べて、井戸層の井戸幅が6nm以下にしたときの方が、しきい値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となっている。   According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the threshold current decreases when the well width of the well layer is 6 nm or less compared to when the well width of the well layer exceeds 6 nm. Efficiency is increased and higher output is possible.

〔高出力化の説明〕
半導体レーザ装置において高出力を実現するには、少ないキャリアの注入でより光らせること、また、発振光の吸収を減らすことが重要となる。すなわち、しきい値電流が低く、効率が高いことが望まれる。また、キャリアの注入量や、発振光の吸収が増えると、LDチップ温度が上昇し、劣化の原因となり、半導体レーザ装置を更に高出力化するのが難しくなる。このため、上記半導体レーザ装置の高出力化には高い信頼性が求められる。
[Explanation of high output]
In order to achieve a high output in a semiconductor laser device, it is important to make the laser beam shine by injecting fewer carriers and to reduce the absorption of oscillation light. That is, it is desired that the threshold current is low and the efficiency is high. Further, when the amount of injected carriers and the absorption of oscillation light increase, the LD chip temperature rises, causing deterioration, and it becomes difficult to further increase the output of the semiconductor laser device. For this reason, high reliability is required to increase the output of the semiconductor laser device.

高出力の半導体レーザ装置の活性層の構造としては量子井戸構造が適しており、井戸幅を薄くするほど、量子効果によって少ないキャリアで効率よく光に変換されるようになり、しきい値電流が下がり、効率が向上する。ただし、上記井戸幅を薄くしすぎると利得の飽和が生じてしまう。   A quantum well structure is suitable as the structure of the active layer of a high-power semiconductor laser device. The thinner the well width, the more efficiently it is converted into light with fewer carriers due to the quantum effect, and the threshold current is reduced. Lowers and improves efficiency. However, if the well width is too thin, gain saturation will occur.

また、同じ発振波長を考えると、井戸幅を薄くすると井戸層のEgを小さくする必要がある。850nm〜900nm帯の半導体レーザ装置では、Inを有する井戸層を用い、Inの組成を増やしていくと、井戸層のEgを小さくできる。そして、上記井戸層のInを増やすと歪量が増加し、キャリアの有効質量が低下し、しきい値電流が低下し、効率が上がるという効果もある。   Considering the same oscillation wavelength, if the well width is reduced, the Eg of the well layer needs to be reduced. In a semiconductor laser device in the 850 nm to 900 nm band, if a well layer having In is used and the composition of In is increased, the Eg of the well layer can be reduced. When the In in the well layer is increased, the amount of strain increases, the effective mass of carriers decreases, the threshold current decreases, and the efficiency increases.

したがって、高出力化という観点からは、井戸層のIn組成を大きくし、井戸幅を薄くすることが望ましい。具体的には、上記井戸幅としては4nm以上6nm以下が好ましい。   Therefore, from the viewpoint of higher output, it is desirable to increase the In composition of the well layer and reduce the well width. Specifically, the well width is preferably 4 nm or more and 6 nm or less.

〔信頼性の課題〕
高出力のため、量子井戸活性層の井戸幅を薄くすると、信頼性は低下する傾向にある。これは、井戸層の体積が減ることにより、単位体積当りの光強度(光密度)が大きくなるため、井戸層内や出射端面において、同じ密度で吸収体が存在していたとしてもその吸収体が感じる光の強度は大きくなり、吸収量が増加する結果、信頼性が低下すると考えられる。
[Reliability issues]
Because of the high output, the reliability tends to decrease when the well width of the quantum well active layer is reduced. This is because the light intensity (light density) per unit volume increases as the volume of the well layer decreases, so even if absorbers exist at the same density in the well layer or at the emission end face, the absorber It is considered that the intensity of the light that is felt increases and the amount of absorption increases, resulting in a decrease in reliability.

〔信頼性の効果〕
850〜900nm帯では、井戸層の材料としてGaInAs、バリア層の材料としては、井戸層よりEgが十分大きく、かつ、Alを含まない材料として、GaInAsPを用いることができる。
[Effect of reliability]
In the 850 to 900 nm band, GaInAs can be used as a material for the well layer, and GaInAsP can be used as the material for the barrier layer as a material that has a sufficiently higher Eg than the well layer and does not contain Al.

そして、井戸層としてGaInAs層を、バリア層としてGaInAsP層を用いることで、井戸幅が薄い場合であっても、高出力において高い信頼性を保つことができた。これは、光密度が最も高くなる量子井戸活性領域に活性なAlを含まないため、CODが起き難くなったためと考えられる。また、酸素などの不純物が井戸層中に取り込まれにくくなるのと共に、井戸層およびバリア層のInにより、活性層中の結晶欠陥の伝播が抑えられることから、活性層自体の劣化も抑えられ、信頼性が向上していると考えられる。   By using a GaInAs layer as a well layer and a GaInAsP layer as a barrier layer, high reliability can be maintained at high output even when the well width is thin. This is presumably because COD is less likely to occur because the quantum well active region with the highest light density does not contain active Al. In addition, it becomes difficult for impurities such as oxygen to be taken into the well layer, and since the propagation of crystal defects in the active layer is suppressed by In of the well layer and the barrier layer, deterioration of the active layer itself is also suppressed, Reliability is considered to be improved.

したがって、上記半導体レーザ装置の高出力、高信頼性のためには、井戸層をGaInAsで構成し、かつ、バリア層をGaInAsPで構成し、井戸幅を狭くするのが好ましいが、バリア層をGaInAsPで構成すると、バリア層界面において、In,As,Pによる組成の揺らぎが生じ、良好な量子井戸界面が得られなくなるのに加え、井戸幅を薄くすればするほど、この影響を大きく受けてしまい、良好な量子井戸構造が得られなくなる。   Therefore, for the high output and high reliability of the semiconductor laser device, it is preferable that the well layer is made of GaInAs and the barrier layer is made of GaInAsP, and the well width is narrowed, but the barrier layer is made of GaInAsP. In this case, fluctuations in the composition due to In, As, and P occur at the barrier layer interface, and a good quantum well interface cannot be obtained. In addition, the thinner the well width, the greater the influence. As a result, a good quantum well structure cannot be obtained.

また、GaInAsPバリア層のIn組成が小さい場合、バリア層と井戸層とのΔEgを大きくとるためには、バリア層のP組成を大きくする必要があるが、そのP組成を大きくすると、バリア層とGaAs基板との格子定数差が大きくなり、バリア層の結晶性が低下してしまう。   Further, when the In composition of the GaInAsP barrier layer is small, in order to increase ΔEg between the barrier layer and the well layer, it is necessary to increase the P composition of the barrier layer. However, if the P composition is increased, The difference in lattice constant from the GaAs substrate increases, and the crystallinity of the barrier layer decreases.

また、GaInAsPバリア層のIn組成を、GaInAs井戸層のIn組成よりも大きくすると、バリア層とGaAs基板との格子定数差が比較的小さくても、バリア層と井戸層とのΔEgを比較的大きくすることができる。   Further, if the In composition of the GaInAsP barrier layer is made larger than the In composition of the GaInAs well layer, even if the lattice constant difference between the barrier layer and the GaAs substrate is relatively small, ΔEg between the barrier layer and the well layer is relatively large. can do.

したがって、GaInAsPバリア層のIn組成はGaInAs井戸層のIn組成よりも大きい方が望ましい。   Therefore, the In composition of the GaInAsP barrier layer is desirably larger than the In composition of the GaInAs well layer.

しかしながら、バリア層のIII族元素におけるInの割合を、井戸層のIII族元素におけるInの割合よりも大きくすると、特にバリア界面の組成の揺らぎが大きくなることが分かった。これは、井戸層の成長時に、バリア層の表面においてInの偏析が起きているため、バリア層よりもInの割合が小さい層を成長する際、バリア層の表面でのInの偏析の影響を大きく受けていることが考えられる。   However, it has been found that when the ratio of In in the group III element of the barrier layer is larger than the ratio of In in the group III element of the well layer, the fluctuation of the composition at the barrier interface is particularly increased. This is because the segregation of In occurs on the surface of the barrier layer during the growth of the well layer, so when growing a layer having a smaller In ratio than the barrier layer, the effect of the segregation of In on the surface of the barrier layer is affected. It can be considered that it has received a lot.

また、井戸層とバリア層との界面の組成揺らぎの影響は、半導体レーザ装置の発振波長やしきい値電流などの素子特性を大きく左右する。半導体レーザ装置の高出力、高信頼性のためには、井戸幅を狭くするのが望ましいが、従来のGaInAs/GaInAsP量子井戸構造では、井戸幅は狭くすればするほど界面の影響を大きく受けるようになり、素子特性は逆に悪くなってしまう。   In addition, the influence of the composition fluctuation at the interface between the well layer and the barrier layer greatly affects element characteristics such as the oscillation wavelength and threshold current of the semiconductor laser device. In order to achieve high output and high reliability of the semiconductor laser device, it is desirable to narrow the well width. However, in the conventional GaInAs / GaInAsP quantum well structure, the smaller the well width, the greater the influence of the interface. On the contrary, the device characteristics are deteriorated.

このように、従来のGaInAs/GaInAsP量子井戸活性層では、信頼性の高い850〜900nmの半導体レーザ装置を実現することは可能になるが、井戸幅を薄くすることは難しかった。また、バリア層のIII族元素におけるInの割合が、井戸層のIII族元素におけるInの割合よりも大きい場合に特に大きな問題となっていた。   As described above, in the conventional GaInAs / GaInAsP quantum well active layer, it is possible to realize a highly reliable semiconductor laser device of 850 to 900 nm, but it is difficult to reduce the well width. In addition, it is a particularly serious problem when the proportion of In in the group III element of the barrier layer is larger than the proportion of In in the group III element of the well layer.

GaInAsPバリア層を形成した後に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族として1元素のみ含む中間層を形成することにより、バリア層のIII族元素におけるInの割合が、井戸層のIII族元素におけるInの割合よりも大きい場合であっても、また、井戸幅が薄いにもかかわらず、GaInAsPバリア界面におけるIn、As,Pによる界面の揺らぎの影響を回避することができ、良好な界面を得ることができるようになったことから、高出力時においても、信頼性が高く、安定動作が可能な半導体レーザが可能となる。   After forming the GaInAsP barrier layer, by forming an intermediate layer that does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V, the In of the group III element of the barrier layer Even when the ratio is larger than the ratio of In in the group III element of the well layer, the influence of interface fluctuation due to In, As, and P at the GaInAsP barrier interface is avoided despite the small well width. Since a good interface can be obtained, a semiconductor laser capable of high reliability and stable operation even at high output is possible.

一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記井戸層の井戸幅が4nm以上である。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The well width of the well layer is 4 nm or more.

上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記井戸層の井戸幅が4nm以上であることにより、特性が悪くなるのを防ぐことができる。   According to the semiconductor laser device of the above embodiment, it is possible to prevent the characteristics from being deteriorated because the well width of the well layer is 4 nm or more.

一実施形態の半導体レーザ装置では、
上記ガイド層はAlGa1−xAs(x≧0.3)からなる。
In the semiconductor laser device of one embodiment,
The guide layer is made of Al x Ga 1-x As (x ≧ 0.3).

上記実施形態の半導体レーザ装置によれば、上記ガイド層はAlGa1−xAs(x≧0.3)からなることにより、高出力化、低消費電力化が可能となる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the guide layer is made of Al x Ga 1-x As (x ≧ 0.3), so that high output and low power consumption can be achieved.

〔高出力化および低消費電力化の説明〕
発振波長が850nm以上900nm以下の従来の半導体レーザ装置では、GaInAs井戸層とのΔEgを稼ぐために、引っ張り歪のGaInAsP組成領域をバリア層として用いている。このバリア層において、歪量と層厚との積が大きくなりすぎると、成長時に結晶欠陥が発生し、しきい値電流、効率、信頼性など素子特性が著しく低下してしまう。
[Explanation of high output and low power consumption]
In a conventional semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 850 nm or more and 900 nm or less, a tensile strained GaInAsP composition region is used as a barrier layer in order to increase ΔEg with the GaInAs well layer. In this barrier layer, if the product of the strain amount and the layer thickness becomes too large, crystal defects are generated during growth, and device characteristics such as threshold current, efficiency, and reliability are significantly deteriorated.

したがって、GaInAsPバリア層はあまり厚くすることができない。また、GaInAsPバリア層を用いると、バリア層と井戸層とのΔEcが取り難くなる。そのため、GaInAsPバリア層をあまり厚くすると、バリア層へのキャリアの漏れが大きくなり、Toが悪くなってしまう。このように、GaInAsPバリア層を用いる場合は、バリア層の層厚を厚くすることができないが、バリア層とは別に、量子井戸活性層の両側にガイド層を設けることにより、光学的に光の閉じ込めを制御することが可能となった。   Therefore, the GaInAsP barrier layer cannot be made too thick. Further, when a GaInAsP barrier layer is used, it is difficult to obtain ΔEc between the barrier layer and the well layer. For this reason, if the GaInAsP barrier layer is made too thick, carrier leakage to the barrier layer increases and To deteriorates. Thus, when the GaInAsP barrier layer is used, the thickness of the barrier layer cannot be increased, but by providing guide layers on both sides of the quantum well active layer separately from the barrier layer, optical It became possible to control the confinement.

上記ガイド層の材料としてはAlを含まないGaInPが考えられる。この場合、Alを使用していないため、一見信頼性が向上するようにも思えるが、実際は高出力時の信頼性は逆に悪くなることが分かった。これは、GaInPガイド層を用いると、しきい値電流が上昇し、効率が低下し、素子抵抗も大きくなり、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大し、素子温度が上昇してしまい、バリア層と井戸層とのΔEcが小さくToが悪いため、素子温度の上昇により更にしきい値電流が上昇してしまうという悪循環のためと推測される。   As the material of the guide layer, GaInP containing no Al is conceivable. In this case, since Al is not used, it seems that the reliability is improved at first glance, but it has been found that the reliability at the time of high output is actually worse. This is because when the GaInP guide layer is used, the threshold current increases, the efficiency decreases, the device resistance increases, a large current and voltage are required to produce the same light output, and the power consumption increases. This is presumed to be due to a vicious circle in which the device temperature rises and ΔEc between the barrier layer and the well layer is small and To is bad, and the threshold current further rises due to the rise in device temperature.

このように、GaInPガイド層を用いると効率が低下し、動作電圧が増大した原因は、ガイド層と活性層とのバレンスバンドの不連続が大きくなり、GaInPガイド層がホールに対して大きな障壁となってしまい、ホールの注入効率が低下したためと考えられる。   As described above, when the GaInP guide layer is used, the efficiency is lowered and the operating voltage is increased because the valence band discontinuity between the guide layer and the active layer is large, and the GaInP guide layer is a large barrier against holes. This is probably because the hole injection efficiency has decreased.

一方、AlGaAsガイド層を用いると、効率が高くなり、素子抵抗が下がり、高出力化、低消費電力化が可能となった。   On the other hand, when an AlGaAs guide layer is used, the efficiency is increased, the element resistance is lowered, and high output and low power consumption are possible.

また、AlGaAsガイド層を用いることにより、Toが向上し高温で安定動作するようになった。これは、GaInP層ガイド層を用いる場合に比べ、AlGaAsガイド層を用いた方が、ガイド層と活性層とのコンダクションバンドの差が大きくなり、クラッド層からバリア層に溢れたキャリアが、ガイド層に漏れることなく量子井戸内に留まったためと考えられる。このAlGaAsガイド層は、Al組成0.3以上でToを確保する効果があった。   In addition, by using an AlGaAs guide layer, To is improved and stable operation is performed at a high temperature. This is because the difference in the conduction band between the guide layer and the active layer becomes larger when the AlGaAs guide layer is used than when the GaInP layer guide layer is used, and carriers overflowing from the cladding layer to the barrier layer are guided. It is thought that it stayed in the quantum well without leaking into the layer. This AlGaAs guide layer had an effect of ensuring To at an Al composition of 0.3 or more.

更に、AlGaAsガイド層により、信頼性も、GaInPガイドよりも向上した。AlGaAsガイド層は、Alを含有しているため、酸素と結合し易くなるが、ガイド層においては、活性層と比べると光の分布が小さくなっているため、酸素との結合の影響は小さく、信頼性にはあまり影響しなかった。   Furthermore, the AlGaAs guide layer also improves the reliability over the GaInP guide. Since the AlGaAs guide layer contains Al, it is easy to bond with oxygen. However, in the guide layer, since the light distribution is smaller than that of the active layer, the influence of the bond with oxygen is small. Reliability was not significantly affected.

本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、
上記半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記III−V族化合物半導体バリア層を形成した後、上記井戸層を形成する前に、上記III−V族化合物半導体中間層をMOCVD法により形成することを特徴としている。
The manufacturing method of the semiconductor laser device of the present invention includes:
A method of manufacturing a semiconductor laser device for manufacturing the semiconductor laser device,
After forming the III-V compound semiconductor barrier layer and before forming the well layer, the III-V compound semiconductor intermediate layer is formed by MOCVD.

上記構成の半導体レーザ装置の製造方法によれば、上記III−V族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むことによって、量子井戸構造をAlを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor laser device having the above-described structure, the III-V compound semiconductor barrier layer includes at least In as a group III element and at least As and P as a group V element. The structure can be configured without containing Al, and the active layer has this quantum well structure, so that the reliability can be improved even at high output.

また、上記III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。   The III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a Group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a Group V element. Even if formed, it is possible to prevent the characteristics of a plurality of semiconductor laser devices from varying, and to manufacture the semiconductor laser devices with good reproducibility. That is, the uniformity and reproducibility of the semiconductor laser device can be improved.

更に、上記III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。   Further, the III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a Group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a Group V element, thereby stabilizing the operation of the semiconductor laser device. be able to.

また、上記中間層をMOCVD法により形成するので、半導体レーザ装置の量産性を高めることができる。   Further, since the intermediate layer is formed by the MOCVD method, the mass productivity of the semiconductor laser device can be improved.

MOCVD成長では、V族元素のAsおよびPの原料の蒸気圧がそれぞれ異なるため、バリア層にAsおよびPを含む場合、バリア層成長後の表面が特に不安定になりやすく、界面の制御が特に難しいが、上記中間層を形成することによって、界面の制御が容易になる。   In MOCVD growth, the vapor pressures of the group V elements As and P are different from each other. Therefore, when the barrier layer contains As and P, the surface after the barrier layer growth is particularly unstable, and the interface is particularly controlled. Although difficult, the interface can be easily controlled by forming the intermediate layer.

本発明の空間光伝送システムは、
上記半導体レーザ装置を備えたことを特徴としている。
The spatial light transmission system of the present invention is
The semiconductor laser device is provided.

上記構成の空間光伝送システムによれば、上記半導体レーザ装置を用いることにより、数十から百Mbpsを超える高速空間光伝送が実現できる。   According to the spatial light transmission system having the above configuration, high-speed spatial light transmission exceeding several tens to a hundred Mbps can be realized by using the semiconductor laser device.

〔高速空間光伝送の説明〕
空間光伝送用の光源としてLDを使用する場合、波長を厳密に合わせ込む必要があり、従来のGaInAs/GaInAsP活性層のLDでは、波長の制御が非常に難しかった。
[Explanation of high-speed spatial light transmission]
When an LD is used as a light source for spatial light transmission, it is necessary to precisely match the wavelength. With a conventional GaInAs / GaInAsP active layer LD, it is very difficult to control the wavelength.

また、GaInAs/GaInAsP活性層のLDでは、界面の急峻性が悪いため、発振スペクトルが単峰にならず、空間光伝送用として用いる際、高周波で駆動するときの動特性不良の原因となる。   Further, in the LD of the GaInAs / GaInAsP active layer, since the steepness of the interface is poor, the oscillation spectrum does not have a single peak, and when used for spatial light transmission, it causes a dynamic characteristic failure when driving at a high frequency.

一方、本発明の半導体レーザ装置を空間光伝送システムに用いることにより、高出力時においても、信頼性が高く、発振波長が850nm以上900nm以下でありながら、均一性,再現性に優れ、安定動作が可能となり、波長の厳密な制御が可能になり、また、高周波での駆動においても良好な動特性が得られ、空間光伝送用の光源として使用することが可能となった。   On the other hand, by using the semiconductor laser device of the present invention for a spatial light transmission system, it is highly reliable even at high output, and the oscillation wavelength is not less than 850 nm and not more than 900 nm. Therefore, the wavelength can be strictly controlled, and good dynamic characteristics can be obtained even when driving at a high frequency, and it can be used as a light source for spatial light transmission.

本発明の半導体レーザ装置によれば、III−V族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むことによって、量子井戸構造をAlを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。   According to the semiconductor laser device of the present invention, the III-V compound semiconductor barrier layer includes at least In as the group III element and at least As and P as the group V element, thereby forming the quantum well structure from Al. It is possible to configure without including the quantum well structure, and by having the quantum well structure in the active layer, reliability can be improved even at high output.

また、III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。   Further, the group III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element. Even if formed, it is possible to prevent the characteristics of a plurality of semiconductor laser devices from varying, and to manufacture the semiconductor laser devices with good reproducibility. That is, the uniformity and reproducibility of the semiconductor laser device can be improved.

更に、上記III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。   Further, the III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a Group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a Group V element, thereby stabilizing the operation of the semiconductor laser device. be able to.

本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、III−V族化合物半導体バリア層が、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むことによって、量子井戸構造をAlを含まずに構成することが可能となり、この量子井戸構造を活性層が持つことにより、高出力時においても、信頼性を高めることができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, the III-V compound semiconductor barrier layer includes at least In as a group III element and at least As and P as a group V element, thereby providing a quantum well structure. Can be configured without containing Al, and the active layer has this quantum well structure, so that the reliability can be improved even at high output.

また、III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、例えばウェハに複数の半導体レーザ装置を形成しても、複数の半導体レーザ装置の特性がばらつくのを防ぐことができると共に、半導体レーザ装置を再現性よく作製することができる。つまり、上記半導体レーザ装置の均一性および再現性を高めることができる。   Further, the group III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element. Even if formed, it is possible to prevent the characteristics of a plurality of semiconductor laser devices from varying, and to manufacture the semiconductor laser devices with good reproducibility. That is, the uniformity and reproducibility of the semiconductor laser device can be improved.

更に、上記III−V族化合物半導体中間層が、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むことによって、半導体レーザ装置の動作を安定させることができる。   Further, the III-V compound semiconductor intermediate layer does not contain In as a Group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a Group V element, thereby stabilizing the operation of the semiconductor laser device. be able to.

また、上記中間層をMOCVD法により形成するので、半導体レーザ装置の量産性を高めることができる。   Further, since the intermediate layer is formed by the MOCVD method, the mass productivity of the semiconductor laser device can be improved.

本発明の空間光伝送システムによれば、上記半導体レーザ装置を用いるので、数十から百Mbpsを超える高速空間光伝送が実現できる。   According to the spatial light transmission system of the present invention, since the semiconductor laser device is used, high-speed spatial light transmission exceeding several tens to a hundred Mbps can be realized.

〔第1実施形態〕
図1に、本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図を示す。この半導体レーザ装置は、バリア層としてGaInAsP層を用いた空間光伝送用半導体レーザ装置の一例である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. This semiconductor laser device is an example of a semiconductor laser device for spatial light transmission using a GaInAsP layer as a barrier layer.

図1において、1はn型GaAs基板、2は厚さ1.8μmのn型Al0.5Ga0.5Asクラッド層、3は厚さ0.1μmのn型Al0.4Ga0.6Asガイド層、4A,4Cは厚さ20nmのアンドープIn0.2Ga0.8As0.450.55バリア層、4Bは厚さ5nmのアンドープIn0.2Ga0.8As0.450.55バリア層、5A,5Bは厚さ4.6nmのアンドープIn0.07Ga0.93As井戸層、6は厚さ0.1μmのp型Al0.4Ga0.6Asガイド層、7は厚さ0.15μmのp型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層、8は厚さ4nmのp型GaAsエッチングストップ層、9は厚さ1.28μmのp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層、10は厚さ0.6μmのn型Al0.7Ga0.3Asブロック層、11は厚さ0.3μmのn型GaAsブロック層、12は厚さ約4μmのp型GaAsキャップ層、13AはAuZn/Au電極、13BはAuGe/Ni/Au電極、14A,14Bは厚さ1.5nmのアンドープGaAs中間層である。 In FIG. 1, 1 is an n-type GaAs substrate, 2 is an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer having a thickness of 1.8 μm, and 3 is an n-type Al 0.4 Ga 0. 6 As guide layer, 4A, 4C are 20 nm thick undoped In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layer, 4B is 5 nm thick undoped In 0.2 Ga 0.8 As 0 .45 P 0.55 barrier layer, 5A, 5B are 4.6 nm thick undoped In 0.07 Ga 0.93 As well layer, 6 is 0.1 μm thick p-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer, 7 is a p-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer having a thickness of 0.15 μm, 8 is a p-type GaAs etching stop layer having a thickness of 4 nm, and 9 is a p-type having a thickness of 1.28 μm. type Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer, 10 thickness N-type Al 0.7 Ga 0.3 As blocking layer of 0.6 .mu.m, n-type GaAs block layer having a thickness of 0.3μm is 11, 12 p-type GaAs cap layer having a thickness of about 4 [mu] m, 13A is AuZn / Au Electrode, 13B is an AuGe / Ni / Au electrode, and 14A and 14B are undoped GaAs intermediate layers having a thickness of 1.5 nm.

ここで、上記n型GaAs基板1は第1導電型のGaAs基板の一例、n型Al0.5Ga0.5Asクラッド層2は第1導電型の下クラッド層の一例、n型Al0.4Ga0.6Asガイド層3は第1導電型の下ガイド層の一例、In0.2Ga0.8As0.450.55バリア層4A,4B,4CはIII−V族化合物半導体バリア層の一例、アンドープIn0.07Ga0.93As井戸層5A,5Bは井戸層の一例、p型Al0.4Ga0.6Asガイド層6は第2導電型の上ガイド層の一例、p型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層7は第2導電型の上クラッド層の一例、アンドープGaAs中間層14A,14BはIII−V族化合物半導体中間層の一例である。 The n-type GaAs substrate 1 is an example of a first conductivity type GaAs substrate, the n-type Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer 2 is an example of a first conductivity type lower cladding layer, and an n-type Al 0 layer. .4 Ga 0.6 As guide layer 3 is an example of the lower guide layer of the first conductivity type, and In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layers 4A, 4B, and 4C are III-V groups. An example of a compound semiconductor barrier layer, undoped In 0.07 Ga 0.93 As well layers 5A and 5B are examples of well layers, and p-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 6 is an upper guide of the second conductivity type. An example of the layer, the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 7 is an example of the second conductivity type upper cladding layer, and the undoped GaAs intermediate layers 14A and 14B are examples of the III-V group compound semiconductor intermediate layer. It is.

上記バリア層4A,4B,4Cと井戸層5A,5Bと中間層14A,14Bとが、DQW構造を有する量子井戸活性層16を構成している。この量子井戸活性層16は活性層の一例である。   The barrier layers 4A, 4B, 4C, the well layers 5A, 5B, and the intermediate layers 14A, 14B constitute a quantum well active layer 16 having a DQW structure. The quantum well active layer 16 is an example of an active layer.

上記中間層14Aはバリア層4Aと井戸層5Aとの間に配置されている。また、中間層14Bはバリア層4Bと井戸層5Bとの間に配置されている。   The intermediate layer 14A is disposed between the barrier layer 4A and the well layer 5A. The intermediate layer 14B is disposed between the barrier layer 4B and the well layer 5B.

以下、図2A〜図2Fを用いて本第1実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the semiconductor laser device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2A to 2F.

まず、図2Aに示すように、n型GaAs基板1上に、厚さ1.8μmのn型Al0.5Ga0.5Asクラッド層2、厚さ0.1μmのn型Al0.4Ga0.6Asガイド層3、厚さ20nmのアンドープIn0.2Ga0.8As0.450.55バリア層4A、厚さ1.5nmのアンドープGaAs中間層14A、厚さ4.6nmのアンドープIn0.07Ga0.93As井戸層5A、厚さ5nmのアンドープIn0.2Ga0.8As0.450.55バリア層4B、厚さ1.5nmのアンドープGaAs中間層14B、厚さ4.6nmのアンドープIn0.07Ga0.93As井戸層5B、厚さ20nmのアンドープIn0.2Ga0.8As0.450.55バリア層4C、厚さ0.1μmのp型Al0.4Ga0.6Asガイド層6、厚さ0.15μmのp型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層7、4nmのp型GaAsエッチングストップ層8、厚さ1.28μmのp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9、厚さ0.75μmのp型GaAsキャップ層12aを、MOCVD(有機金属気相成長)法による第1の結晶成長で順次形成する。 First, as shown in FIG. 2A, an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer 2 having a thickness of 1.8 μm and an n-type Al 0.4 layer having a thickness of 0.1 μm are formed on an n-type GaAs substrate 1. 3. Ga 0.6 As guide layer 3, undoped In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layer 4 A having a thickness of 20 nm, undoped GaAs intermediate layer 14 A having a thickness of 1.5 nm, thickness 4. 6 nm undoped In 0.07 Ga 0.93 As well layer 5 A, 5 nm thick undoped In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layer 4 B, 1.5 nm thick undoped GaAs intermediate Layer 14B, 4.6 nm thick undoped In 0.07 Ga 0.93 As well layer 5B, 20 nm thick undoped In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layer 4C, thickness 0.1 μm P-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 6, p-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 7 having a thickness of 0.15 μm, 4 nm p-type GaAs etching stop layer 8, thickness A p-type Al 0.5 Ga 0.5 As second clad layer 9 having a thickness of 1.28 μm and a p-type GaAs cap layer 12a having a thickness of 0.75 μm are first crystallized by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Sequentially formed with growth.

上記第1の結晶成長では、Ga,Al,In,As,Pの原料は、それぞれTMG(トリメチルガリウム),TMA(トリメチルアルミニウム),TMI(トリメチルインジウム),AsH(アルシン),PH(ホスフィン)を用い、ドーパントガスはそれぞれn型がSiH(モノシラン)、p型がDEZ(ヂエチルズィンク)を用いた。 In the first crystal growth, the raw materials of Ga, Al, In, As, and P are TMG (trimethyl gallium), TMA (trimethyl aluminum), TMI (trimethyl indium), AsH 3 (arsine), and PH 3 (phosphine), respectively. And n-type SiH 4 (monosilane) and p-type DEZ (diethylzinc).

次に、上記p型GaAsキャップ層12a上に、6μm幅のレジストマスク(図示せず)を通常のフォトリソグラフィ技術により形成し、マスクで覆われていないp型GaAsキャップ層12aおよびp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9をエッチング除去して、図2Bに示すように、p型GaAsキャップ層12aおよびp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9からなるストライプ状のリッジを形成する。 Next, a 6 μm wide resist mask (not shown) is formed on the p-type GaAs cap layer 12a by a normal photolithography technique, and the p-type GaAs cap layer 12a and p-type Al 0 not covered with the mask are formed. .5 Ga 0.5 As second clad layer 9 is removed by etching to form p-type GaAs cap layer 12a and p-type Al 0.5 Ga 0.5 As second clad layer 9 as shown in FIG. 2B. A striped ridge is formed.

上記リッジを形成するとき、p型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9とp型GaAsエッチングストップ層8とで選択性の高いエッチャントを用いて、p型GaAsエッチングストップ層8でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。本第1実施形態では、上記エッチングはリッジの底部の幅が2.7μmになるように調整した。 When the ridge is formed, an etchant having high selectivity is used for the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 9 and the p-type GaAs etching stop layer 8. Etching is stopped and the ridge width is controlled. In the first embodiment, the etching is adjusted so that the width of the bottom of the ridge is 2.7 μm.

次に、上記リッジ上のレジストマスクを除去した後、図2Cに示すように、厚さ0.6μmのn型Al0.7Ga0.3Asブロック層10、厚さ0.3μmのn型GaAsブロック層11、厚さ1.05μmのp型GaAsキャップ層12bを、MOCVD法による第2の結晶成長で順次形成する。 Next, after removing the resist mask on the ridge, as shown in FIG. 2C, an n-type Al 0.7 Ga 0.3 As block layer 10 having a thickness of 0.6 μm and an n-type having a thickness of 0.3 μm. A GaAs block layer 11 and a p-type GaAs cap layer 12b having a thickness of 1.05 μm are sequentially formed by second crystal growth by MOCVD.

上記第2の結晶成長を行うとき、上記リッジの両側の領域と上記リッジ上の領域とで結晶成長が進み、上記リッジ上では山形の突起状に成長膜が形成される。   When the second crystal growth is performed, the crystal growth proceeds in a region on both sides of the ridge and a region on the ridge, and a growth film is formed in the shape of a mountain-shaped protrusion on the ridge.

次に、上記p型GaAsキャップ層12b上にレジストを全面塗布し、全面露光し、現像時間を調整することにより、上記リッジ上の山形の突起部が現れるまでレジストを除去する。つまり、上記リッジ上のレジストは除去され、リッジ外のレジストは残った状態になっている。この状態でエッチングを行って、上記第2の結晶成長によってリッジ上に形成された成長層と、上記第1の結晶成長によって形成されたp型GaAsキャップ層12aの一部(0.05μm程度)を除去すると、図2Dに示すような状態となる。   Next, a resist is applied on the entire surface of the p-type GaAs cap layer 12b, exposed on the entire surface, and adjusted for development time, thereby removing the resist until the chevron-shaped protrusion on the ridge appears. That is, the resist on the ridge is removed, and the resist outside the ridge remains. Etching is performed in this state, and a growth layer formed on the ridge by the second crystal growth and a part (about 0.05 μm) of the p-type GaAs cap layer 12a formed by the first crystal growth. When is removed, the state shown in FIG. 2D is obtained.

次に、上記レジストを除去し、図2Eに示すように、4μmのp型GaAsキャップ層12cをMOCVD法による第3の結晶成長で形成する。このとき、最上層0.3μmのみ電極とのコンタクトが取り易いように1×1020cm−3の密度で不純物をドーピングする。 Next, the resist is removed, and as shown in FIG. 2E, a 4 μm p-type GaAs cap layer 12c is formed by third crystal growth by MOCVD. At this time, the impurity is doped at a density of 1 × 10 20 cm −3 so that only the uppermost layer of 0.3 μm can easily make contact with the electrode.

次に、図2Eの積層構造を持つウェハを100μmの厚さに研磨し、図2Fに示すように、p側にAuZn/Au電極13Aを蒸着により形成し、n側にAuGe/Ni/Au電極13Bを蒸着により形成する。つまり、p型GaAsキャップ層12にAuZn/Au電極13Aを電気的に接続し、n型GaAs基板1にAuGe/Ni/Au電極13Bを電気的に接続する。なお、p型GaAsキャップ層12は、第1の結晶成長で形成されたp型GaAsキャップ層12aと、第2の結晶成長で形成されたp型GaAsキャップ層12bと、第3の結晶成長で形成されたp型GaAsキャップ層12cとからなっている。   Next, the wafer having the laminated structure of FIG. 2E is polished to a thickness of 100 μm, and as shown in FIG. 2F, an AuZn / Au electrode 13A is formed by vapor deposition on the p side, and an AuGe / Ni / Au electrode is formed on the n side. 13B is formed by vapor deposition. That is, the AuZn / Au electrode 13A is electrically connected to the p-type GaAs cap layer 12, and the AuGe / Ni / Au electrode 13B is electrically connected to the n-type GaAs substrate 1. The p-type GaAs cap layer 12 includes a p-type GaAs cap layer 12a formed by the first crystal growth, a p-type GaAs cap layer 12b formed by the second crystal growth, and a third crystal growth. The p-type GaAs cap layer 12c is formed.

次に、図2Fの構造を持つウェハを劈開して、幅500μmのレーザバーを複数形成した後、各レーザバーの一方の端面に、反射率が5%となるようにSi膜およびAl膜を蒸着により形成すると共に、各レーザバーの他方の端面に、反射率が90%となるようにSi膜およびAl膜を蒸着により形成する。上記レーザバーの一方の端面、および、レーザバーの他方の端面は、リッジが延びる方向に垂直となるように形成されている。 Next, the wafer having the structure of FIG. 2F is cleaved to form a plurality of laser bars having a width of 500 μm, and then an Si film and an Al 2 O 3 film are formed on one end face of each laser bar so that the reflectance is 5%. Is formed by vapor deposition, and an Si film and an Al 2 O 3 film are formed on the other end face of each laser bar by vapor deposition so that the reflectance is 90%. One end surface of the laser bar and the other end surface of the laser bar are formed to be perpendicular to the extending direction of the ridge.

最後に、上記各レーザバーを分割してチップ状態の半導体レーザ装置を得る。   Finally, each laser bar is divided to obtain a semiconductor laser device in a chip state.

このようにして作製した半導体レーザ装置をステムにマウントして、デューティー50%のパルス電流を半導体レーザ装置に引加したところ、発振波長869nm(25℃)で発振した。また、上記半導体レーザ装置において、発振しきい値電流は18.4mA、効率1W/Aであった。   When the semiconductor laser device thus fabricated was mounted on a stem and a pulse current having a duty of 50% was applied to the semiconductor laser device, the semiconductor laser device oscillated at an oscillation wavelength of 869 nm (25 ° C.). In the semiconductor laser device, the oscillation threshold current was 18.4 mA and the efficiency was 1 W / A.

また、上記半導体レーザ装置に供給する電流を増加させていったところ、半導体レーザ装置は出力500mWまではCODを起こさず発振した。   When the current supplied to the semiconductor laser device was increased, the semiconductor laser device oscillated without causing COD up to an output of 500 mW.

また、上記半導体レーザ装置では、To=150K、RIN=−120dB/Hzと、特性温度が高く、雑音が小さい良好な特性が得られた。   In the semiconductor laser device, To = 150K and RIN = −120 dB / Hz, good characteristics such as high characteristic temperature and low noise were obtained.

また、上記半導体レーザ装置は高周波で駆動した場合でも良好な出力波形が得られた。   Further, the semiconductor laser device obtained a good output waveform even when driven at a high frequency.

上記構成の半導体レーザ装置では、井戸層5A,5Bの井戸幅を6nm以下とすることにより、しきい値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となっている。ただし、上記井戸幅が4nmより薄くなると逆に特性が悪くなってしまう。   In the semiconductor laser device having the above configuration, by setting the well width of the well layers 5A and 5B to 6 nm or less, the threshold current is reduced, the efficiency is increased, and the output can be increased. However, when the well width is thinner than 4 nm, the characteristics are worsened.

また、上記バリア層4A,4B,4CをGaInAsPで構成することにより、井戸幅を狭くし、量子井戸活性層16の光密度を高くしたにもかかわらず、高い信頼性を確保することができた。これは、上記量子井戸活性層16が持つ量子井戸構造中に活性なAlを含まないため、量子井戸活性層16中および端面で、非発光再結合中心や吸収体となる酸素が減少した結果、信頼性が向上したと考えられる。   Further, by configuring the barrier layers 4A, 4B, and 4C with GaInAsP, it was possible to secure high reliability even though the well width was narrowed and the optical density of the quantum well active layer 16 was increased. . This is because the quantum well structure of the quantum well active layer 16 does not contain active Al, and as a result, the non-radiative recombination centers and the oxygen as the absorber are reduced in the quantum well active layer 16 and at the end face. The reliability is considered to have improved.

従来の技術では、GaInAsPは組成の制御が非常に難しく、面内均一性や再現性に難があった。そして、井戸層にGaInAsを用い、バリア層にGaInAsP層を用いた活性層では、GaInAsP層とGaInAs層との界面の制御も非常に難しかった。特に、井戸幅を薄くしていくと界面の影響を受けやすく、良好な界面が得られない場合、その影響を大きく受けてしまう。   In the conventional technique, it is very difficult to control the composition of GaInAsP, and in-plane uniformity and reproducibility are difficult. In the active layer using GaInAs for the well layer and using the GaInAsP layer for the barrier layer, it is very difficult to control the interface between the GaInAsP layer and the GaInAs layer. In particular, if the well width is reduced, the interface is easily affected, and if a good interface cannot be obtained, it is greatly affected.

また、面内分布が大きくなったり、再現性が悪くなったりすると、作製歩留まりが低下し、コストの上昇に繋がる。   In addition, when the in-plane distribution becomes large or the reproducibility becomes poor, the production yield decreases and the cost increases.

また、上記井戸層とバリア層との界面は、その急峻性によって、発振波長やしきい値電流などの素子特性に大きく影響を及ぼす。従来のGaInAs/GaInAsP活性層のLDでは、しきい値電流などの素子特性が悪化したり、しきい値電流や発振波長などの素子特性の分布、再現性が悪くなり、素子特性が揃うように制御することが非常に難しくなるばかりでなく、動作状況(温度や高周波駆動など)によってもLD動作が不安定になってしまうことが分かった。   Further, the interface between the well layer and the barrier layer greatly affects device characteristics such as an oscillation wavelength and a threshold current due to its steepness. In a conventional GaInAs / GaInAsP active layer LD, device characteristics such as threshold current are deteriorated, and device characteristics such as threshold current and oscillation wavelength are deteriorated in distribution and reproducibility so that the device characteristics are uniform. It has been found that not only is it very difficult to control, but also the LD operation becomes unstable depending on the operating conditions (temperature, high frequency driving, etc.).

これに対して、本第1実施形態では、InGaAsPバリア層4AとInGaAs井戸層5Aとの間にGaAs中間層14Aを形成すると共に、InGaAsPバリア層4BとInGaAs井戸層5Bとの間にアンドープGaAs中間層14Bを形成している。つまり、GaInAsP層とGaInAs層との界面を無くしている。   In contrast, in the first embodiment, a GaAs intermediate layer 14A is formed between the InGaAsP barrier layer 4A and the InGaAs well layer 5A, and an undoped GaAs intermediate is formed between the InGaAsP barrier layer 4B and the InGaAs well layer 5B. Layer 14B is formed. That is, the interface between the GaInAsP layer and the GaInAs layer is eliminated.

そして、上記GaAs中間層14A,14Bのエピタキシャル成長は、組成を制御するのが容易である。このGaAs中間層14A,14Bの代わりに、V族が2つ以上の元素より構成されている混晶半導体をエピタキシャル成長させようとすると、そのエピタキシャル成長における組成制御は困難である。   The composition of the epitaxial growth of the GaAs intermediate layers 14A and 14B can be easily controlled. Instead of the GaAs intermediate layers 14A and 14B, if a mixed crystal semiconductor in which the group V is composed of two or more elements is to be epitaxially grown, it is difficult to control the composition in the epitaxial growth.

更に、V族元素としてAsおよびPを含み、かつ、III族元素としてInを含むバリア層4A,4Bの成長後に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含む中間層14A,14Bを成長して、この中間層14A,14B上に井戸層5A,5Bを成長することにより、バリア層4A,4Bの界面での揺らぎの影響を回避することができ、良好な界面を、再現よく、ウェハ面内で均一に作製することができるようになった。これは、Inを含まない層を中間層14A,14Bとして用いることにより、井戸層5A,5Bと直接接する界面においてInの偏析の影響が無くなり、更に、V族元素として1元素のみ含む中間層14A,14Bとすることにより、井戸層5A,5Bと接する界面でのAs,Pによる組成の揺らぎを抑えることができたためと考えられる。   Further, after the growth of the barrier layers 4A and 4B containing As and P as a group V element and In as a group III element, the group III element does not contain In but contains an element other than In, and a group V By growing the intermediate layers 14A and 14B containing only one element as an element and growing the well layers 5A and 5B on the intermediate layers 14A and 14B, the influence of fluctuation at the interface between the barrier layers 4A and 4B is avoided. As a result, a good interface can be produced uniformly with good reproducibility within the wafer surface. This is because the use of a layer containing no In as the intermediate layers 14A and 14B eliminates the influence of In segregation at the interface directly in contact with the well layers 5A and 5B, and further includes an intermediate layer 14A containing only one element as a group V element. , 14B, it is considered that the fluctuation of the composition due to As, P at the interface in contact with the well layers 5A, 5B could be suppressed.

また、上記井戸層5A,5Bの量子準位の揺らぎが抑えられたことにより、半導体レーザ装置の発振スペクトルは単峰となり、しきい値電流、効率などの素子特性は向上し、発振波長を厳密に制御することが可能となり、また、高温時や高周波駆動時においても、半導体レーザ装置の動作を安定させることが可能となった。   Further, since the fluctuation of the quantum level of the well layers 5A and 5B is suppressed, the oscillation spectrum of the semiconductor laser device becomes a single peak, the device characteristics such as threshold current and efficiency are improved, and the oscillation wavelength is strictly set. In addition, it is possible to stabilize the operation of the semiconductor laser device even at high temperatures and high frequency driving.

上述したように、本第1実施形態は、バリア層としてGaInAsP層を、井戸層としてGaInAs層を、中間層としてGaAs層を用いた例であって、GaInAsPバリア層4A,4BとGaInAs井戸層5A,5Bとの間にGaAs中間層14A,14Bを形成することにより、GaInAsPバリア層4A,4BとGaInAs井戸層5A,5Bとの界面において、井戸層5A,5Bの量子準位がGaInAsPバリア層4A,4Bによる界面揺らぎの影響を受けなくなり、GaInAs井戸層5A,5Bの井戸幅を狭くしても、GaAs中間層14A,14Bを入れない場合に比べて、特性の面内分布、再現性を著しく向上させることができる。   As described above, the first embodiment is an example using a GaInAsP layer as a barrier layer, a GaInAs layer as a well layer, and a GaAs layer as an intermediate layer. GaInAsP barrier layers 4A and 4B and a GaInAs well layer 5A are used. , 5B are formed between the GaInAsP barrier layers 4A, 4B and the GaInAs well layers 5A, 5B so that the quantum levels of the well layers 5A, 5B are GaInAsP barrier layers 4A. , 4B is not affected by interface fluctuations, and even if the well width of the GaInAs well layers 5A, 5B is narrowed, the in-plane distribution and reproducibility of the characteristics are remarkably higher than when the GaAs intermediate layers 14A, 14B are not included. Can be improved.

比較のため、本第1実施形態においてバリア層4A,4B,4CをAlGaAsバリア層に変更した比較例1のLDと、本第1実施形態においてGaAs中間層を形成しなかった比較例2のLDとをそれぞれ作製した。上記比較例1,2に関してLDの発振スペクトルを比較したところ、比較例1のLDでは単峰なスペクトルになったが、比較例2のLDでは、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在し、閾値電流の上昇、効率低下を招き、LD動作が不安定になった。   For comparison, the LD of Comparative Example 1 in which the barrier layers 4A, 4B, and 4C are changed to AlGaAs barrier layers in the first embodiment and the LD of Comparative Example 2 in which no GaAs intermediate layer is formed in the first embodiment. And were produced respectively. When comparing the oscillation spectrum of the LD with respect to the comparative examples 1 and 2, the LD of the comparative example 1 has a unimodal spectrum, but the LD of the comparative example 2 has a plurality of peaks before and after the peak wavelength of the main oscillation spectrum. There was a random spectrum, leading to an increase in threshold current and a decrease in efficiency, and the LD operation became unstable.

上記比較例2のLDでは、井戸層とバリア層との界面の揺らぎが大きくなり、井戸層の量子準位が揺らいでしまい、発振までのELスペクトルの幅が広がり、また、井戸層の量子準位が揺らいでいるため、注入されたキャリアが一つの準位に収まらず、発振までにたくさんのキャリアを注入しないと発振にいたるゲインを稼ぐことができず、しきい値電流が上昇してしまう。   In the LD of Comparative Example 2 described above, the fluctuation of the interface between the well layer and the barrier layer becomes large, the quantum level of the well layer fluctuates, the width of the EL spectrum until oscillation increases, and the quantum level of the well layer also increases. Because the position is fluctuating, the injected carriers do not fit in one level, and unless many carriers are injected before oscillation, gain for oscillation cannot be gained, and the threshold current increases. .

また、上記比較例2のLDでは、井戸層の量子準位が揺らいでいるため、キャリアを注入していったときに、発振する準位を特定できず、発振波長を制御することができなくなり、時には設定波長よりも10nm以上発振波長がずれたり、温度変化で発振波長が飛んだり、また、メインの発振スペクトルのピーク波長の前後に複数のランダムなスペクトルが存在するなど、LD動作が不安定になった。   Further, in the LD of Comparative Example 2, since the quantum level of the well layer is fluctuating, the oscillation level cannot be specified when carriers are injected, and the oscillation wavelength cannot be controlled. In some cases, the LD operation is unstable, for example, the oscillation wavelength shifts by more than 10 nm from the set wavelength, the oscillation wavelength jumps due to temperature changes, and there are multiple random spectra around the peak wavelength of the main oscillation spectrum. Became.

このように、発振波長を制御することができない比較例2のLDは、発振波長を厳密に合わせ込む必要がある空間光伝送用光源として用いることはできない。   Thus, the LD of Comparative Example 2 in which the oscillation wavelength cannot be controlled cannot be used as a spatial light transmission light source that requires the oscillation wavelength to be strictly adjusted.

また、上記比較例2のLDは動作が不安定なため、発振スペクトルが単峰にならない。これは、比較例2のLDを空間光伝送用光源として用いたとき、高周波駆動での動特性不良の原因となる。   Further, since the LD of Comparative Example 2 is unstable in operation, the oscillation spectrum does not become unimodal. This is a cause of poor dynamic characteristics in high-frequency driving when the LD of Comparative Example 2 is used as a spatial light transmission light source.

これに対して、本第1実施形態の半導体レーザ装置では、GaInAsPバリア層4A,4Bの成長後にGaAs中間層14A,14Bを形成して、このGaAs中間層14A,14B上にGaInAs井戸層5A,5Bを成長しているので、発振スペクトルは単峰となり、しきい値電流、効率などの素子特性は向上し、発振波長を厳密に制御することが可能となり、また、高温時や高周波駆動時においても、安定して動作することが可能となった。   On the other hand, in the semiconductor laser device of the first embodiment, the GaAs intermediate layers 14A and 14B are formed after the growth of the GaInAsP barrier layers 4A and 4B, and the GaInAs well layers 5A and 5B are formed on the GaAs intermediate layers 14A and 14B. Since 5B is grown, the oscillation spectrum is unimodal, device characteristics such as threshold current and efficiency are improved, and the oscillation wavelength can be strictly controlled. Even became able to operate stably.

図7に、GaInAs井戸層とGaInAsPバリア層との間に形成したGaAs中間層の厚さを変えたLD素子を作製し、GaAs中間層に対するしきい値電流とスロープ効率をプロットした図を示す。   FIG. 7 shows a plot of the threshold current and the slope efficiency for the GaAs intermediate layer by fabricating an LD element with a different thickness of the GaAs intermediate layer formed between the GaInAs well layer and the GaInAsP barrier layer.

図7より、上記GaAs中間層を形成することにより、しきい値電流が下がり、効率が向上することが分かる。これは、GaInAs井戸層とGaInAsPバリア層との間にGaAs中間層が存在することにより、GaInAsPバリア層の界面における、GaInAsPバリア層のIn,As,Pの相互作用による界面の揺らぎの影響を受けなくなったためと考えられる。   FIG. 7 shows that the formation of the GaAs intermediate layer reduces the threshold current and improves the efficiency. This is because the presence of the GaAs intermediate layer between the GaInAs well layer and the GaInAsP barrier layer is affected by the fluctuation of the interface due to the interaction of In, As, and P of the GaInAsP barrier layer at the interface of the GaInAsP barrier layer. It is thought that it was gone.

また、上記GaAs中間層の層厚が2nmを超えると、しきい値電流が上昇し、効率が低下してしまった。GaInAs井戸層とGaAs中間層とのΔEgが比較的小さいため、GaAs中間層を厚くするとGaAs中間層にできる準位が下がって、キャリアがGaInAs井戸層からGaAs中間層へ容易に漏れてしまうため、GaInAs井戸層内にキャリアが効率よく閉じ込められず、Ith(しきい値電流)が上昇し、効率が低下したものと考えられる(図8C)。   Further, when the thickness of the GaAs intermediate layer exceeded 2 nm, the threshold current increased and the efficiency decreased. Since ΔEg between the GaInAs well layer and the GaAs intermediate layer is relatively small, when the GaAs intermediate layer is thickened, the level that can be formed in the GaAs intermediate layer is lowered, and carriers easily leak from the GaInAs well layer to the GaAs intermediate layer. It is considered that carriers are not efficiently confined in the GaInAs well layer, Ith (threshold current) is increased, and efficiency is lowered (FIG. 8C).

本第1実施形態は発振波長が略870nmであるが、850nm〜900nmの発振波長となるGaInAs井戸層/GaInAsPバリア層の量子井戸活性層において、GaAs中間層厚0.5nm以上2nm以下で同様にIthが低下し、効率が向上した。   In the first embodiment, the oscillation wavelength is approximately 870 nm. In the GaInAs well layer / GaInAsP barrier quantum well active layer having an oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm, the thickness of the GaAs intermediate layer is 0.5 nm to 2 nm. Ith decreased and efficiency improved.

図6に、GaAs中間層の層厚を変えてLDを作製した時のその層厚とToとの関係を示す。また、図6の曲線Aは、井戸層とこの井戸層よりも基板側に位置するバリア層との間にGaAs中間層を形成している場合の上記関係を示す。また、図6の曲線Bは、井戸層とこの井戸層よりも基板側に位置するバリア層との間にGaAs中間層を形成し、かつ、上記井戸層とこの井戸層より基板から離れたバリア層との間にGaAs中間層を形成している場合の上記関係を示すものである。   FIG. 6 shows the relationship between the layer thickness and To when the LD is manufactured by changing the layer thickness of the GaAs intermediate layer. A curve A in FIG. 6 shows the above relationship when a GaAs intermediate layer is formed between the well layer and the barrier layer located closer to the substrate than the well layer. A curve B in FIG. 6 indicates that a GaAs intermediate layer is formed between the well layer and the barrier layer located on the substrate side of the well layer, and the barrier layer is separated from the well layer and the substrate from the well layer. The above relationship is shown when a GaAs intermediate layer is formed between the layers.

図6を見て判るように、上記GaAs中間層を厚くしていくとToが低下してしまうことが分かった。十分なToを得るにはGaAs中間層は2nm以下にする必要がある。上記GaAs中間層を厚くするとToが低下する原因は、GaAs中間層を厚くしていくとGaAs中間層に形成される量子準位が下がり、井戸層からキャリアが漏れやすくなるためと考えられる(図8Bと図8Cとの比較)。   As can be seen from FIG. 6, it has been found that the To decreases as the thickness of the GaAs intermediate layer increases. In order to obtain sufficient To, the GaAs intermediate layer needs to be 2 nm or less. The reason why To decreases when the GaAs intermediate layer is thickened is that the quantum level formed in the GaAs intermediate layer decreases as the GaAs intermediate layer is thickened, and carriers are more likely to leak from the well layer (see FIG. Comparison between 8B and FIG. 8C).

上記GaAs層を片側にのみ入れた方が両側に入れるよりもToの低下を抑えることができた。これは、基板側から注入された電子が、GaAs層に形成された量子準位への漏れるのが抑えられるためと考えられる(図8Bと図8Dとの比較)。   It was possible to suppress the decrease in To when the GaAs layer was put on only one side than on both sides. This is presumably because electrons injected from the substrate side are prevented from leaking to the quantum level formed in the GaAs layer (comparison between FIG. 8B and FIG. 8D).

ここでは、井戸層とバリア層との間に形成する中間層としてGaAs層を用いたが、上記中間層として用いることができる層はGaAs層に限られず、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含む層であれば良い。   Here, a GaAs layer is used as an intermediate layer formed between the well layer and the barrier layer. However, the layer that can be used as the intermediate layer is not limited to the GaAs layer, and does not include In as a group III element. Any other layer may be used as long as it includes other elements and includes only one element as a group V element.

また、本第1実施形態では、バリア層としてGaInAsP層を用いているが、バリア層はGaInAsP層に限るものではなく、III族に少なくともInを含み、V族として少なくともAsおよびPを含むバリア層であれば、GaInAsP層をバリア層として用いる場合と同様の効果が得られる。   In the first embodiment, the GaInAsP layer is used as the barrier layer. However, the barrier layer is not limited to the GaInAsP layer, and the barrier layer includes at least In in group III and at least As and P as group V. Then, the same effect as the case where the GaInAsP layer is used as the barrier layer can be obtained.

本第1実施形態では、発振波長は略870nmであり、井戸層に対するΔEgを稼ぐために、引っ張り歪のGaInAsP組成領域をバリア層として用いている。歪量と層厚の積が大きくなりすぎると、成長時に結晶欠陥が発生し、閾値電流、効率、信頼性など素子特性が著しく低下してしまう。   In the first embodiment, the oscillation wavelength is approximately 870 nm, and a tensile strained GaInAsP composition region is used as a barrier layer in order to obtain ΔEg for the well layer. If the product of the strain amount and the layer thickness becomes too large, crystal defects are generated during growth, and device characteristics such as threshold current, efficiency, and reliability are significantly deteriorated.

したがって、上記バリア層として用いるGaInAsP層はあまり厚くすることができない。また、上記GaInAsP層をバリア層として用いると、GaInAsP層と井戸層とのΔEcが取り難くなる。そのため、上記GaInAsP層をあまり厚くすると、井戸層からGaInAsP層へのキャリアの漏れが大きくなり、Toが悪くなってしまう。このように、上記GaInAsP層をバリア層として用いる場合は、GaInAsP層の層厚を厚くすることができず、GaInAsP層とは別に、量子井戸活性層の両側にガイド層を設けるのが効果的である。   Therefore, the GaInAsP layer used as the barrier layer cannot be made too thick. Further, when the GaInAsP layer is used as a barrier layer, it is difficult to obtain ΔEc between the GaInAsP layer and the well layer. Therefore, if the GaInAsP layer is made too thick, carrier leakage from the well layer to the GaInAsP layer increases, and To deteriorates. Thus, when the GaInAsP layer is used as a barrier layer, the thickness of the GaInAsP layer cannot be increased, and it is effective to provide guide layers on both sides of the quantum well active layer separately from the GaInAsP layer. is there.

また、本第1実施形態において量子井戸活性層16を挟むn型Al0.4Ga0.6Asガイド層3及びp型Al0.4Ga0.6Asガイド層6の組成を変えて比較例3のLDを作製し、この比較例3のLDと本第1実施形態の半導体レーザ装置との比較を行った。また、本第1実施形態において、n型Al0.4Ga0.6Asガイド層3をn型GaInP層に変更し、かつ、p型Al0.4Ga0.6Asガイド層6をp型GaInP層に変更した比較例4のLDを作成し、この比較例4のLDと本第1実施形態の半導体レーザ装置と比較も行った。 In the first embodiment, the composition of the n-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 3 and the p-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 6 sandwiching the quantum well active layer 16 is changed for comparison. The LD of Example 3 was manufactured, and the LD of Comparative Example 3 was compared with the semiconductor laser device of the first embodiment. In the first embodiment, the n-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 3 is changed to an n-type GaInP layer, and the p-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 6 is changed to p. The LD of Comparative Example 4 was changed to a type GaInP layer, and the LD of Comparative Example 4 was compared with the semiconductor laser device of the first embodiment.

上記比較例4のように、GaInP層をガイド層として用いると、効率が低下し、抵抗も大きくなり、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大し、また、LDの温度が上昇し、信頼性が低下した。   When the GaInP layer is used as the guide layer as in the comparative example 4, the efficiency is lowered, the resistance is increased, a large current and voltage are required to produce the same light output, the power consumption is increased, and The temperature of the LD increased and the reliability decreased.

一方、本第1実施形態や比較例3のように、AlGaAs層をガイド層として用いると、効率が高くなり、素子抵抗が下がり、高出力化、低消費電力化が可能となった。これは、GaInPを用いると効率が低下し、動作電圧が増大した原因は、活性層とのバレンスバンドの不連続が大きくなり、ホールに対して大きな障壁となってしまい、ホールの注入効率が低下したためと考えられる。   On the other hand, when the AlGaAs layer is used as the guide layer as in the first embodiment and the comparative example 3, the efficiency is increased, the element resistance is lowered, and high output and low power consumption are possible. This is because when GaInP is used, the efficiency decreases and the operating voltage increases because the valence band discontinuity with the active layer becomes large, which becomes a large barrier against holes, and the hole injection efficiency decreases. It is thought that it was because.

また、上記AlGaAs層をガイド層として用いることにより、Toが向上し高温で安定動作するようになった。これは、GaInP層をガイド層として用いる場合と比べ、AlGaAs層をガイド層として用いることにより、AlGaAs層と活性層とのコンダクションバンドの差が大きくなり、井戸層からバリア層に溢れたキャリアが、ガイド層に漏れることなく量子井戸内に留まったためと考えられる。   Further, by using the AlGaAs layer as a guide layer, To is improved and stable operation is performed at a high temperature. Compared to the case where the GaInP layer is used as the guide layer, the use of the AlGaAs layer as the guide layer increases the difference in the conduction band between the AlGaAs layer and the active layer, and carriers overflow from the well layer to the barrier layer. This is thought to be due to staying in the quantum well without leaking into the guide layer.

上記GaInP層をガイド層として用いると、GaInP層がAlを含まないから、一見信頼性が向上するようにも思えるが、実際は高出力時の信頼性は逆に悪くなることが分かった。これは、しきい値電流が上昇し、効率が低下し、同じ光出力を出すのに大きな電圧を必要とし、素子温度が上昇してしまい、ΔEcが小さくToが悪いため、素子温度の上昇により更にしきい値電流が上昇してしまうという悪循環のためと推測される。   When the GaInP layer is used as a guide layer, the GaInP layer does not contain Al. Therefore, it seems that the reliability is improved at first glance, but it has been found that the reliability at high output is actually worse. This is because the threshold current increases, the efficiency decreases, a large voltage is required to produce the same light output, the device temperature rises, ΔEc is small, and To is bad. It is presumed that this is due to a vicious circle in which the threshold current further increases.

上記AlGaAs層をガイド層として用いる場合、Al組成0.3以上でToを確保する効果があった。上記AlGaAs層のAl組成を大きくすると、酸素が結合しやすくなるが、ガイド層として用いるAlGaAs層では、活性層と比べると光の分布が小さくなっているため、Alの影響は小さく、信頼性にはあまり影響しなかった。   When the AlGaAs layer is used as a guide layer, there was an effect of securing To with an Al composition of 0.3 or more. Increasing the Al composition of the AlGaAs layer facilitates oxygen bonding, but the AlGaAs layer used as the guide layer has a smaller light distribution than the active layer. Did not affect much.

本第1実施形態では、基板としてn型GaAs基板を用いたが、p型GaAs基板を用い、上記構成のn型とp型とを入れ替えてLDを作製したところ、Toが悪くなってしまった。これは、井戸層とこの井戸層に対してp側に位置するバリア層との間に中間層を形成しているため、井戸層に注入された電子が、中間層の準位に漏れやすくなったためと考えられる。   In the first embodiment, an n-type GaAs substrate is used as a substrate, but when a p-type GaAs substrate is used and an n-type and a p-type having the above-described configuration are interchanged to produce an LD, To deteriorates. . This is because an intermediate layer is formed between the well layer and the barrier layer located on the p side with respect to the well layer, so that electrons injected into the well layer easily leak into the level of the intermediate layer. It is thought that it was because of.

一方、n型基板を用いた場合は、井戸層とこの井戸層に対してn側に位置するバリア層との間に中間層を形成しているため、電子は中間層の準位を介して井戸層に注入され、注入された電子はバリア層への漏れにくくなるためToが低下し難くなったと考えられる。   On the other hand, when an n-type substrate is used, since an intermediate layer is formed between the well layer and the barrier layer located on the n side with respect to the well layer, electrons pass through the level of the intermediate layer. It is considered that To is hard to decrease because electrons injected into the well layer are less likely to leak into the barrier layer.

本第1実施形態では、In0.2Ga0.8As0.450.55バリア層4A,4BとIn0.07Ga0.93As井戸層5A,5Bとの間に、GaAs中間層14A,14Bを配置していたが、GaAs中間層14A,14B以外の層であっても、III族にInを含まず、V族が1元素より構成される層であれば配置してもよい。 In the first embodiment, a GaAs intermediate layer is provided between the In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layers 4A and 4B and the In 0.07 Ga 0.93 As well layers 5A and 5B. The layers 14A and 14B are arranged. However, even if the layers are other than the GaAs intermediate layers 14A and 14B, they may be arranged as long as the group III does not contain In and the group V is composed of one element. Good.

〔第2実施形態〕
図3に、本発明の第2実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図を示す。また、図3において、図1に示した第1実施形態の半導体レーザ装置と同一の構成部は、図1における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a schematic sectional view of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. 3, the same components as those of the semiconductor laser device according to the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those of the components in FIG.

図3において、4Cは厚さ5nmのアンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層、4Dは厚さ20nmのアンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層、15は厚さ15nmのp型Ga0.84In0.16As0.40.6バリア形成層、22は厚さ0.5μmのp型GaAsキャップ層、24A,24B,24C,24D,24E,24Fは厚さ1nmのGaAs中間層、25A,25B,25Cは厚さ4.2nmのGa0.95In0.05As井戸層である。 In FIG. 3, 4C is an undoped Ga 0.85 In 0.15 As 0.5 P 0.5 barrier layer having a thickness of 5 nm, and 4D is an undoped Ga 0.85 In 0.15 As 0.5 P having a thickness of 20 nm. 0.5 barrier layer, 15 is a p-type Ga 0.84 In 0.16 As 0.4 P 0.6 barrier forming layer having a thickness of 15 nm, 22 is a p-type GaAs cap layer having a thickness of 0.5 μm, 24A, 24B, 24C, 24D, 24E, and 24F are GaAs intermediate layers having a thickness of 1 nm, and 25A, 25B, and 25C are Ga 0.95 In 0.05 As well layers having a thickness of 4.2 nm.

ここで、上記アンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層4DはIII−V族化合物半導体バリア層の一例、GaAs中間層24A,24B,24C,24D,24E,24FはIII−V族化合物半導体中間層の一例、Ga0.95In0.05As井戸層25A,25B,25Cは井戸層の一例である。 Here, the undoped Ga 0.85 In 0.15 As 0.5 P 0.5 barrier layer 4D is an example of a III-V compound semiconductor barrier layer, GaAs intermediate layers 24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F. Is an example of a III-V compound semiconductor intermediate layer, and Ga 0.95 In 0.05 As well layers 25A, 25B, and 25C are examples of well layers.

以下、図4A〜図4Cを用いて本第2実施形態の半導体レーザ装置の製造方法について説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the semiconductor laser device of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4A to 4C.

まず、図4Aに示すように、n型GaAs基板1上に、厚さ1.8μmのn型Al0.5Ga0.5Asクラッド層2、厚さ0.1μmのn型Al0.4Ga0.6Asガイド層3、厚さ20nmのアンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層4A、厚さ1nmのGaAs中間層24A、厚さ4.2nmのGa0.95In0.05As井戸層25A、厚さ1nmのGaAs中間層24B、厚さ5nmのアンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層4B、厚さ1nmのGaAs中間層24C、厚さ4.2nmのGa0.95In0.05As井戸層25B、厚さ1nmのGaAs中間層24D、厚さ5nmのアンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層4C、厚さ1nmのGaAs中間層24E、厚さ4.2nmのGa0.95In0.05As井戸層25C、厚さ1nmのGaAs中間層24F、厚さ20nmのアンドープGa0.85In0.15As0.50.5バリア層4D、厚さ0.1μmのp型Al0.4Ga0.6Asガイド層6、厚さ0.15μmのp型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層7、厚さ15nmのp型Ga0.84In0.16As0.40.6バリア形成層15、厚さ1.28μmのp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9、厚さ0.5μmのp型GaAsキャップ層22をMOCVD法により結晶成長して順次形成する。 First, as shown in FIG. 4A, an n-type Al 0.5 Ga 0.5 As clad layer 2 having a thickness of 1.8 μm and an n-type Al 0.4 layer having a thickness of 0.1 μm are formed on an n-type GaAs substrate 1. Ga 0.6 As guide layer 3, undoped Ga 0.85 In 0.15 As 0.5 P 0.5 barrier layer 4A with a thickness of 20 nm, GaAs intermediate layer 24A with a thickness of 1 nm, Ga with a thickness of 4.2 nm 0.95 In 0.05 As well layer 25A, 1 nm thick GaAs intermediate layer 24B, 5 nm thick undoped Ga 0.85 In 0.15 As 0.5 P 0.5 barrier layer 4B, 1 nm thick GaAs intermediate layer 24C, 4.2 nm thick Ga 0.95 In 0.05 As well layer 25B, 1 nm thick GaAs intermediate layer 24D, 5 nm thick undoped Ga 0.85 In 0.15 As 0.5 P 0.5 Bali Layer 4C, GaAs intermediate layer 24E having a thickness of 1nm, Ga 0.95 In 0.05 As well layer 25C having a thickness of 4.2 nm, GaAs intermediate layer 24F with a thickness of 1 nm, a thickness of 20nm undoped Ga 0.85 an In 0.15 As 0.5 P 0.5 barrier layer 4D, p-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 6 having a thickness of 0.1 μm, p-type Al 0.5 Ga 0 having a thickness of 0.15 μm .5 As first cladding layer 7, p-type Ga 0.84 In 0.16 As 0.4 P 0.6 barrier formation layer 15 with a thickness of 15 nm, p-type Al 0.5 Ga 0 with a thickness of 1.28 μm .5 As second cladding layer 9 and p-type GaAs cap layer 22 having a thickness of 0.5 μm are sequentially formed by crystal growth by MOCVD.

上記結晶成長を行うとき、p型GaAsキャップ層22は、最上層0.3μmのみ電極とのコンタクトが取り易いように1×1020cm−3の不純物密度でドーピングする。 When the crystal growth is performed, the p-type GaAs cap layer 22 is doped with an impurity density of 1 × 10 20 cm −3 so that only the uppermost layer of 0.3 μm can easily contact the electrode.

上記バリア層4Aからn型GaAs基板1とは反対側へ進んでバリア層4Dまでの層、つまり、n型AlGaAsガイド層3とp型AlGaAsガイド層6との間の層が、TQW(Triple Quantum Well;三重量子井戸)構造を有する量子井戸活性層26を構成している。   A layer extending from the barrier layer 4A to the opposite side of the n-type GaAs substrate 1 to the barrier layer 4D, that is, a layer between the n-type AlGaAs guide layer 3 and the p-type AlGaAs guide layer 6 is a TQW (Triple Quantum). A quantum well active layer 26 having a well (triple quantum well) structure is formed.

なお、上記バリア層4A〜4Dは、本第2実施形態の組成に限るものではない。   The barrier layers 4A to 4D are not limited to the composition of the second embodiment.

次に、上記p型GaAsキャップ層22上に、6μm幅のレジストマスク(図示せず)を通常のフォトリソグラフィ技術により形成し、レジストマスク以外のp型GaAsキャップ層22およびp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9をエッチング除去して、図4Bに示すように、p型GaAsキャップ層22およびp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9からなるストライプ状のリッジを形成する。 Next, a resist mask (not shown) having a width of 6 μm is formed on the p-type GaAs cap layer 22 by a normal photolithography technique, and the p-type GaAs cap layer 22 and the p-type Al 0.5 other than the resist mask are formed. The Ga 0.5 As second cladding layer 9 is removed by etching, and as shown in FIG. 4B, a stripe shape comprising a p-type GaAs cap layer 22 and a p-type Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 9 is formed. Forming a ridge.

上記リッジを形成するとき、p型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層9とp型Ga0.84In0.16As0.40.6層14とで選択性の高いエッチャントを用いて、p型Ga0.84In0.16As0.40.6バリア形成層15でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。本第2実施形態では、上記エッチングはリッジの底部の幅が2.7μmになるように調整した。 When the ridge is formed, the p-type Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 9 and the p-type Ga 0.84 In 0.16 As 0.4 P 0.6 layer 14 have high selectivity. Using an etchant, the etching is stopped at the p-type Ga 0.84 In 0.16 As 0.4 P 0.6 barrier formation layer 15 to control the ridge width. In the second embodiment, the etching is adjusted so that the width of the bottom of the ridge is 2.7 μm.

次に、上記リッジ上のレジストマスクを除去した後、図4Bの積層構造を持つウェハを100μmの厚さに研磨し、図4Cに示すように、p側にTi/Pt/Au電極23を蒸着により形成し、n側にAuGe/Ni/Au電極13Bを蒸着により形成する。つまり、p型GaAsキャップ層22にTi/Pt/Au電極23を電気的に接続し、n型GaAs基板1にAuGe/Ni/Au電極13Bを電気的に接続する。   Next, after removing the resist mask on the ridge, the wafer having the laminated structure of FIG. 4B is polished to a thickness of 100 μm, and a Ti / Pt / Au electrode 23 is deposited on the p side as shown in FIG. 4C. The AuGe / Ni / Au electrode 13B is formed on the n side by vapor deposition. That is, the Ti / Pt / Au electrode 23 is electrically connected to the p-type GaAs cap layer 22, and the AuGe / Ni / Au electrode 13B is electrically connected to the n-type GaAs substrate 1.

次に、図4Cの構造を持つウェハを劈開して、幅500μmのレーザバーを複数形成した後、各レーザバーの一方の端面に、反射率が5%となるようにSi膜およびAl膜を蒸着により形成すると共に、各レーザバーの他方の端面に、反射率が90%となるようにSi膜およびAl膜を蒸着により形成する。上記レーザバーの一方の端面、および、レーザバーの他方の端面は、リッジが延びる方向に垂直となるように形成されている。 Next, the wafer having the structure of FIG. 4C is cleaved to form a plurality of laser bars having a width of 500 μm, and then a Si film and an Al 2 O 3 film are formed on one end face of each laser bar so that the reflectance is 5%. Is formed by vapor deposition, and an Si film and an Al 2 O 3 film are formed on the other end face of each laser bar by vapor deposition so that the reflectance is 90%. One end surface of the laser bar and the other end surface of the laser bar are formed to be perpendicular to the extending direction of the ridge.

最後に、上記各レーザバーを分割してチップ状態の半導体レーザ装置を得る。   Finally, each laser bar is divided to obtain a semiconductor laser device in a chip state.

このように作製した半導体レーザ装置の発振波長は25℃で868nmであった。   The oscillation wavelength of the semiconductor laser device thus fabricated was 868 nm at 25 ° C.

本第2実施形態では、p型GaInAsPバリア形成層15に対するp側の電極23のショットキー接合を用いて、上記リッジへの電流狭窄を実現している。   In the second embodiment, current confinement to the ridge is realized by using a Schottky junction of the p-side electrode 23 with respect to the p-type GaInAsP barrier formation layer 15.

したがって、本第2実施形態の半導体レーザ装置は、上記第1実施形態の半導体レーザ装置と比べて、製造工程が簡略化され、製造コストを大幅に低減することが出来た。   Therefore, in the semiconductor laser device of the second embodiment, the manufacturing process is simplified and the manufacturing cost can be greatly reduced as compared with the semiconductor laser device of the first embodiment.

その結果、低コストで、高出力で低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用光源を提供することが可能となった。   As a result, it has become possible to provide a light source for spatial light transmission capable of high-speed modulation with high output, low power consumption, and low cost.

本第2実施形態においても、上記第1実施形態と同様、GaAs中間層24A〜24Fを形成することにより、GaInAsPバリア層4A,4B,4Cの界面の組成揺らぎの影響を避けることができ、素子特性の再現性、面内分布が向上し、安定したLD動作が可能となった。   Also in the second embodiment, as in the first embodiment, by forming the GaAs intermediate layers 24A to 24F, it is possible to avoid the influence of the composition fluctuation at the interface of the GaInAsP barrier layers 4A, 4B, and 4C. The reproducibility of characteristics and the in-plane distribution were improved, and stable LD operation became possible.

本第2実施形態では、各井戸層25A〜25Cの上下両側(n型GaAs基板1側、および、n型GaAs基板1側とは反対側)にGaAs中間層24A〜24Fを形成したため、井戸層の上下両側のGaInAsPバリア層4A〜4Dの影響を避けることができるようになった。   In the second embodiment, since the GaAs intermediate layers 24A to 24F are formed on the upper and lower sides (the n-type GaAs substrate 1 side and the side opposite to the n-type GaAs substrate 1 side) of the well layers 25A to 25C, the well layers The influence of the GaInAsP barrier layers 4A to 4D on both upper and lower sides can be avoided.

本第2実施形態のように、上記リッジが空間的に突出していると、リッジの底部が歪の影響を受けやすくなり、この歪の影響で素子の信頼性が低下してしまうことがある。特に活性領域に歪が入る材料系では、素子はその歪みの影響を受けやすくなる。   If the ridge protrudes spatially as in the second embodiment, the bottom of the ridge is likely to be affected by strain, and the reliability of the device may be lowered due to the strain. In particular, in a material system in which an active region is strained, the element is easily affected by the strain.

そこで、本第2実施形態では、井戸層25A〜25Cを圧縮歪、バリア層4A〜4Dを引っ張り歪にして、リッジの底部が歪の影響を受け難くし、信頼性の低下を防いでいる。   Therefore, in the second embodiment, the well layers 25A to 25C are made compressive strain and the barrier layers 4A to 4D are made tensile strain, so that the bottom portion of the ridge is hardly affected by the strain, and the reliability is prevented from being lowered.

また、本第2実施形態では、圧縮歪を有する井戸層25A〜25Cと、引っ張り歪を有するバリア層4A〜4Dとの間に、無歪のGaAs中間層24A〜24Fを形成することによって、井戸層25A〜25Cとバリア層4A〜4Dとの相対的な歪が緩和され、上記リッジの底部が歪の影響を受け難くなり、良好な信頼性が得られた。   In the second embodiment, the well-free GaAs intermediate layers 24A to 24F are formed between the well layers 25A to 25C having compressive strain and the barrier layers 4A to 4D having tensile strain. The relative strain between the layers 25A to 25C and the barrier layers 4A to 4D was alleviated, and the bottom portion of the ridge was not easily affected by the strain, and good reliability was obtained.

〔第3実施形態〕
図9に、本発明の第3実施形態の空間伝送システムの概略構成図を示す。この空間伝送システムは、100Mbpsの空間光伝送を行うものである。
[Third Embodiment]
In FIG. 9, the schematic block diagram of the spatial transmission system of 3rd Embodiment of this invention is shown. This spatial transmission system performs spatial optical transmission of 100 Mbps.

上記空間伝送システムは携帯端末301および情報サーバ302を備えている。この携帯端末301および情報サーバ302のそれぞれにはLDモジュールが搭載されている。   The spatial transmission system includes a mobile terminal 301 and an information server 302. Each of the portable terminal 301 and the information server 302 is equipped with an LD module.

上記LDモジュールは、上記第1半導体レーザ装置または第2実施形態の半導体レーザ装置と、この半導体レーザ装置を封止して拡散剤を含む樹脂とを有する。   The LD module includes the first semiconductor laser device or the semiconductor laser device according to the second embodiment, and a resin containing a diffusing agent by sealing the semiconductor laser device.

上記構成の空間システムによれば、上記LDモジュールを携帯端末301および情報サーバ302のそれぞれに搭載していることによって、高出力で高信頼性の半導体レーザ装置が光源となるので、100Mbpsという高速空間光伝送が実現できた。   According to the spatial system having the above configuration, since the LD module is mounted on each of the portable terminal 301 and the information server 302, a high-power and high-reliability semiconductor laser device serves as a light source. Therefore, a high-speed space of 100 Mbps Optical transmission was realized.

本第3実施形態では、電子手帳や携帯電話などの携帯端末301と情報サーバ302との間において、ワイヤレスによる双方向の高速データ伝送が行える。この携帯端末301に搭載されたLDモジュールは、1.85mmの小口径のLDモジュールである。また、上記情報サーバ302に搭載されたLDモジュールは、5mmの大口径のLDモジュールである。   In the third embodiment, bidirectional high-speed data transmission can be performed wirelessly between a portable terminal 301 such as an electronic notebook or a cellular phone and the information server 302. The LD module mounted on the portable terminal 301 is an LD module having a small diameter of 1.85 mm. The LD module mounted on the information server 302 is a 5 mm large-diameter LD module.

上記情報サーバ302には、動画データや高画質の画像データ、高音質の音楽データなどが収められている。これらのデータを携帯端末101へダウンロードすることができる。これらのデータは容量が大きくなるため、従来のIrDAで伝送を行うと、十秒〜数十秒以上の時間がかかってしまうので、必ずしも使い勝手は良いものではなかった。   The information server 302 stores moving image data, high-quality image data, high-quality music data, and the like. These data can be downloaded to the mobile terminal 101. Since these data have large capacities, when they are transmitted using conventional IrDA, it takes 10 seconds to several tens of seconds or more, so the usability is not necessarily good.

これに対して、本第3実施形態では、第1,第2実施形態の半導体レーザ装置を持つLDモジュールを使用することにより、高速でデータ伝送を行うことができため、瞬時にデータをダウンロードすることが可能となり、高い頻度で手軽にデータを伝送することができるようになり、その利便性が飛躍的に向上した。   On the other hand, in the third embodiment, data can be downloaded at high speed because data transmission can be performed at high speed by using the LD module having the semiconductor laser device of the first and second embodiments. This makes it possible to transmit data frequently and easily, and the convenience has improved dramatically.

特に、情報サーバ302に大口径のLDモジュールを用いたことで、第1,第2実施形態の半導体レーザ装置のように高いLD出力に対してもアイセーフティを確保することが出来、より高出力で信頼性が高く、安定したLDを用いることができ、高速でかつ長い伝送距離での空間光伝送を実現できた。   In particular, by using a large-diameter LD module for the information server 302, eye safety can be ensured even for high LD output as in the semiconductor laser devices of the first and second embodiments, and higher output can be achieved. In addition, a reliable and stable LD can be used, and high-speed spatial light transmission over a long transmission distance can be realized.

なお、本発明の空間光伝送システムは、上記第3実施形態の図示例にのみ限定されるものではない。   The spatial light transmission system of the present invention is not limited to the illustrated example of the third embodiment.

また、上記第1〜第3実施形態において、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加えてもよいことは言うまでもない。   In the first to third embodiments, it goes without saying that various changes may be made without departing from the scope of the invention.

図1は本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. 図2Aは本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 2A is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 図2Bは本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 2B is a schematic diagram for explaining a manufacturing process for the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 図2Cは本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 2C is a schematic diagram for explaining a manufacturing process for the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 図2Dは本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 2D is a schematic diagram for explaining a manufacturing process for the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 図2Eは本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 2E is a schematic diagram for explaining the manufacturing process for the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 図2Fは本発明の第1実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 2F is a schematic view for explaining the manufacturing process for the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. 図3は本発明の第2実施形態の半導体レーザ装置の概略断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. 図4は本発明の第2実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. 図4Bは本発明の第2実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 4B is a schematic view for explaining a manufacturing process of the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. 図4Cは本発明の第2実施形態の半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。FIG. 4C is a schematic diagram for explaining a manufacturing process for the semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. 図5は従来の半導体レーザ装置の概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a conventional semiconductor laser device. 図6はGaAs中間層厚と温度特性Toとの関係を示す図である。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the thickness of the GaAs intermediate layer and the temperature characteristic To. 図7はGaAs中間層厚としきい値電流,効率との関係を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the thickness of the GaAs intermediate layer, the threshold current, and the efficiency. 図8AはGaAs中間層が無い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。FIG. 8A is an energy band diagram of a quantum well structure without a GaAs intermediate layer. 図8BはGaAs中間層が薄い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。FIG. 8B is an energy band diagram of the quantum well structure when the GaAs intermediate layer is thin. 図8CはGaAs中間層が厚い場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。FIG. 8C is an energy band diagram of the quantum well structure when the GaAs intermediate layer is thick. 図8DGaAs中間層が両側にある場合の量子井戸構造のエネルギバンド図である。8 is an energy band diagram of the quantum well structure when the DGaAs intermediate layer is on both sides. 図9は本発明の第3実施形態の空間光伝送システムの概略構成図である。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a spatial light transmission system according to the third embodiment of the present invention.

1 n型GaAs基板
2 n型Al0.5Ga0.5Asクラッド層
3 n型Al0.4Ga0.6Asガイド層
4A,4B,4C,4D アンドープIn0.2Ga0.8As0.450.55バリア層、
5A,5B アンドープIn0.07Ga0.93As井戸層
6 p型Al0.4Ga0.6Asガイド層
7 p型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層
8 p型GaAsエッチングストップ層
9 p型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層
10 n型Al0.7Ga0.3Asブロック層
11 n型GaAsブロック層
12 p型GaAsキャップ層
12a 第1の結晶成長により形成したp型GaAsキャップ層
12b 第2の結晶成長により形成したp型GaAsキャップ層
12c 第3の結晶成長により形成したp型GaAsキャップ層
13A p側のAuZn/Au電極
13B n側のAuGe/Ni/Au電極
14A,14B アンドープGaAs中間層
15 p型Ga0.84In0.16As0.40.6バリア形成層
16 量子井戸活性層
24A,24B,24C,24D,24E,24F GaAs中間層
25A,25B,25C Ga0.95In0.05As井戸層
26 量子井戸活性層
301 携帯端末
302 情報サーバ
1 n-type GaAs substrate 2 n-type Al 0.5 Ga 0.5 As cladding layer 3 n-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layers 4A, 4B, 4C, 4D Undoped In 0.2 Ga 0.8 As 0.45 P 0.55 barrier layer,
5A, 5B Undoped In 0.07 Ga 0.93 As well layer 6 p-type Al 0.4 Ga 0.6 As guide layer 7 p-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 8 p-type GaAs etching Stop layer 9 p-type Al 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 10 n-type Al 0.7 Ga 0.3 As block layer 11 n-type GaAs block layer 12 p-type GaAs cap layer 12a First crystal growth P-type GaAs cap layer 12b formed by the second crystal growth p-type GaAs cap layer 12c formed by the third crystal growth p-type GaAs cap layer 13A p-side AuZn / Au electrode 13B n-side AuGe / Ni / Au electrodes 14A, 14B undoped GaAs intermediate layer 15 p-type Ga 0.84 In 0.16 As 0.4 P 0.6 barrier type Layer 16 quantum well active layer 24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F GaAs intermediate layer 25A, 25B, 25C Ga 0.95 In 0.05 As well layer 26 quantum well active layer 301 portable terminal 302 the information server

Claims (8)

発振波長が850nm以上900nm以下である半導体レーザ装置において、
第1導電型のGaAs基板と、
上記GaAs基板上に形成された第1導電型の下クラッド層と、
上記下クラッド層上に形成された第1導電型の下ガイド層と、
上記下ガイド層上に形成され、量子井戸構造を持つ活性層と、
上記活性層上に形成された第2導電型の上ガイド層と、
上記上ガイド層上に形成された第2導電型の上クラッド層と
を備え、
上記活性層は、
井戸層と、
上記井戸層を挟むと共に、III族元素として少なくともInを含み、かつ、V族元素として少なくともAsおよびPを含むIII−V族化合物半導体バリア層と、
上記井戸層と、上記GaAs基板側の上記バリア層との間に設けられていると共に、III族元素としてInを含まなくてIn以外の元素を含み、かつ、V族元素として1元素のみ含むIII−V族化合物半導体中間層と
を有し、
上記活性層はAlを含まないことを特徴とする半導体レーザ装置。
In a semiconductor laser device having an oscillation wavelength of 850 nm to 900 nm,
A first conductivity type GaAs substrate;
A lower cladding layer of a first conductivity type formed on the GaAs substrate;
A lower guide layer of a first conductivity type formed on the lower cladding layer;
An active layer formed on the lower guide layer and having a quantum well structure;
An upper guide layer of a second conductivity type formed on the active layer;
An upper cladding layer of a second conductivity type formed on the upper guide layer,
The active layer is
Well layers,
A III-V group compound semiconductor barrier layer sandwiching the well layer and containing at least In as a group III element and at least As and P as a group V element;
It is provided between the well layer and the barrier layer on the GaAs substrate side, does not contain In as a group III element, contains an element other than In, and contains only one element as a group V element III possess a -V compound semiconductor intermediate layer,
A semiconductor laser device, wherein the active layer does not contain Al .
請求項1に記載の半導体レーザ装置において、
上記III−V族化合物半導体中間層はGaAsからなることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser device, wherein the III-V compound semiconductor intermediate layer is made of GaAs.
請求項1に記載の半導体レーザ装置において、
上記III−V族化合物半導体中間層の厚さは0.5nm以上2nm以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser device, wherein the thickness of the III-V compound semiconductor intermediate layer is 0.5 nm or more and 2 nm or less.
請求項1に記載の半導体レーザ装置において、
上記III−V族化合物半導体バリア層がGaInAsPからなり、
上記井戸層がGaInAsからなり、
上記III−V族化合物半導体バリア層のIII族元素におけるInの割合が、上記井戸層のIII族元素におけるInの割合よりも大きく、
上記井戸層の井戸幅が6nm以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 1,
The III-V compound semiconductor barrier layer is made of GaInAsP,
The well layer is made of GaInAs;
The ratio of In in the group III element of the III-V compound semiconductor barrier layer is larger than the ratio of In in the group III element of the well layer,
A semiconductor laser device, wherein a well width of the well layer is 6 nm or less.
請求項に記載の半導体レーザ装置において、
上記井戸層の井戸幅が4nm以上であることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 4 ,
A semiconductor laser device, wherein a well width of the well layer is 4 nm or more.
請求項に記載の半導体レーザ装置において、
上記ガイド層はAlGa1−xAs(x≧0.3)からなることを特徴とする半導体レーザ装置。
The semiconductor laser device according to claim 4 ,
The semiconductor laser device, wherein the guide layer is made of Al x Ga 1-x As (x ≧ 0.3).
請求項1に記載の半導体レーザ装置を製造する半導体レーザ装置の製造方法であって、
上記III−V族化合物半導体バリア層を形成した後、上記井戸層を形成する前に、上記III−V族化合物半導体中間層をMOCVD法により形成することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
A semiconductor laser device manufacturing method for manufacturing the semiconductor laser device according to claim 1, comprising:
A method of manufacturing a semiconductor laser device, comprising: forming the III-V compound semiconductor intermediate layer by MOCVD after forming the III-V compound semiconductor barrier layer and before forming the well layer.
請求項1に記載の半導体レーザ装置を備えたことを特徴とする空間光伝送システム。   A spatial light transmission system comprising the semiconductor laser device according to claim 1.
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