【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＰ光導波層、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層を備えた半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
７５０〜８５０ｎｍ帯の高出力半導体レーザ素子として、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓ第一クラッド層、ＩｎＧａＰ第一光導波層、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層、ＩｎＧａＰ第二光導波層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第二クラッド層およびｐ＋コンタクト層を積層してなるものが知られている。また、上記構造のうち光導波層をＩｎＧａＡｓＰとして、発振波長が７５０〜１１００ｎｍ帯のブロードエリア半導体レーザ素子は、短波長域のＳＨＧ固体励起レーザの励起光源として用いられており、固体結晶との高結合効率化、あるいはレーザ光の高品質化等の観点から低雑音であることが要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記構造の半導体レーザ素子は、活性領域にＡｌを含まないため、同一波長帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて、ＣＯＤレベルが高く、信頼性が高いという特徴がある。
【０００４】
しかし、ｐ型またはｎ型不純物濃度が高すぎる場合、または、量子井戸層からｐ型層またはｎ型層までの距離が近すぎる場合には、量子井戸層へのｐ型またはｎ型不純物の拡散により、素子の信頼性が低下する。特に、ブロードエリアレーザの場合には、素子のノイズレベルが悪化するという問題がある。一方、ｐ型またはｎ型不純物濃度が低すぎる場合、または、量子井戸層からｐ型層またはｎ型層までの距離が遠すぎる場合には、素子抵抗が高くなり、良好な特性を得ることができないという欠点がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて、信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、ｐ型およびｎ型の一方の導電性を示すＧａＡｓ基板上に、少なくとも、一方の導電性を示すＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（０．４５≦ｘ３＜１）クラッド層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ｘ２＝０．４８ｙ２、０．９≦ｙ２≦１．０）光導波層、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１（０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．４）量子井戸層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ｘ２＝０．４８ｙ２、０．９≦ｙ２≦１．０）光導波層、他方の導電性を示すＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（０．４５≦ｘ３＜１）クラッド層を備えた半導体レーザ素子において、素子の面抵抗が２×１０−４（Ω・ｃｍ２）以下、かつ光出力ノイズが１％以下となるように、ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度、前記量子井戸層からｎ型層までの距離、前記量子井戸層からｐ型層までの距離が設定されていることを特徴とするものである。
【０００７】
前記設定されるｎ型不純物濃度およびｐ型不純物濃度には、ＧａＡｓ基板とクラッド層との間に形成され得るＧａＡｓバッファ層およびコンタクト層は含まないこととする。
【０００８】
前記「量子井戸層からｎ型層までの距離」とは、量子井戸層のｎ型半導体層側の面からｎ型不純物がドーピングされている層の量子井戸層側の面までの距離を示す。すなわち、量子井戸層とｎ型不純物がドーピングされている層との間に在るアンドープ層の厚さを示す。また、前記「量子井戸層からｐ型層までの距離」とは、量子井戸層のｐ型半導体層側の面からｐ型不純物がドーピングされている層の量子井戸層側の面までの距離を示す。すなわち、量子井戸層とｐ型不純物がドーピングされている層との間に在るアンドープ層の厚さを示す。
【０００９】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子によれば、ｐ型およびｎ型の一方の導電性を示すＧａＡｓ基板上に、少なくとも、一方の導電性を示すＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（０．４５≦ｘ３＜１）クラッド層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ｘ２＝０．４８ｙ２、０．９≦ｙ２≦１．０）光導波層、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１（０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．４）量子井戸層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ｘ２＝０．４８ｙ２、０．９≦ｙ２≦１．０）光導波層、他方の導電性を示すＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（０．４５≦ｘ３＜１）クラッド層を備えた半導体レーザ素子において、素子の面抵抗が２×１０−４（Ω・ｃｍ２）以下、かつ光出力ノイズが１％以下となるように、ｎ型不純物濃度、ｐ型不純物濃度、前記量子井戸層からｎ型層までの距離、前記量子井戸層からｐ型層までの距離が設定されているものであるので、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。
【００１０】
特に、上記のような本発明の半導体レーザ素子であって、ストライプ幅を５μｍ以上としたブロードエリア半導体レーザ素子においては、この半導体レーザ素子を固体レーザの励起光源に用いた場合、光出力ノイズを１％以下にすることは、固体レーザの光出力ノイズを低くすることができ、高品質なレーザ光を得ることができるため効果的である。また、面抵抗を２×１０−４（Ω・ｃｍ２）以下とすることにより、素子の発熱を良好に抑制することができるので、高い実装精度を得ることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１２】
本発明の第１の実施例によるリッジ型の半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図１に示す。
【００１３】
有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）における成長材料として以下のものを用いた。ＩＩＩ族のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの原料として、それぞれトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族のＡｓ、Ｐの原料として、それぞれアルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）を用い、ｎ型、ｐ型のドーパントとしてそれぞれ、シラン（ＳｉＨ４）、ジエチルジンク（ＤＥＺ）を用いた。
【００１４】
図１に示すように、有機金属気相成長法により、（００１）面ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、温度７３０℃で、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（厚さ２００ｎｍ）、ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３（厚さ１９６０ｎｍ）、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層４、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層５（厚さ１１０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸層６（厚さ１０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層７（厚さ１１０ｎｍ）、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層８、ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層９（厚さ１０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層１０（厚さ１９００ｎｍ）およびｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１（厚さ２００ｎｍ）を成長した。
【００１５】
引き続き、ＣＶＤ装置で、コンタクト層上にＳｉＯ２膜（厚さ３００ｎｍ）を形成し、リソグラフィ法およびエッチングにより、＜１１０＞方向に、間隔５０μｍをあけて、幅１０μｍの２本のストライプ状にＳｉＯ２膜を除去し、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１を露出させた。引き続き、このＳｉＯ２膜をマスクにして酒石酸により、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０をｐ−エッチングストップ層９の表面までエッチングして溝１２を形成した。これにより５０μｍ幅のリッジストライプ１３が形成された。
【００１６】
ＳｉＯ２膜を除去した後、再度ＣＶＤ装置で全面にＳｉＯ２膜１４を形成し、リソグラフィおよびエッチングによりリッジストライプ１３の上部のみＳｉＯ２膜１４を除去し、コンタクト層１１を露出させた。次に、リフトオフ法を用いて、露出したコンタクト層１１上のみにＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなるｐ側電極１５を形成した。
【００１７】
次に、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面を研磨し、素子の総厚１００μｍとし、研磨面にＡｕ／ＡｕＧｅからなるｎ側電極１６を形成し、共振器長を１０００μｍとして、共振器の両端面の一方に低反射率コート膜、他方に高反射率コート膜を形成することにより、５０μｍ幅のリッジ型ブロードエリアレーザを完成させた。
【００１８】
上記構造を有する半導体レーザ素子であって、ｎ型不純物ドーピング層（ｎ−ＧａＡｓバッファ層２を除く）のＳｉ濃度（ｃｍ−３）が、１．４×１０１７、３．０×１０１７および７．０×１０１７の場合について、単一量子井戸層６からｎ型ドーピング層までの距離（ｎｍ）が、５０、１００、１５０、２００および２５０の素子を作製して面抵抗を測定した。このとき、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層５の厚さは１１０ｎｍであるので、単一量子井戸層６からｎ型ドーピング層までの距離を１００ｎｍ以下とする場合には、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層５の途中からと、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層４とにｎ型不純物のドーピングを行って距離を調整している。また、単一量子井戸層６からｎ型ドーピング層までの距離を１１０ｎｍ以上とする場合には、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層４の厚さを厚くして調整している。その結果を図２に示す。グラフに示す面抵抗とは、上記のようにして作製された半導体レーザ素子（すなわち、ストライプ幅が５０μｍで共振器長が１０００μｍの場合）における駆動電流が１００〜３００ｍＡの場合の平均素子抵抗値から求めたものである。
【００１９】
また、ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３のＳｉ濃度が、７．０×１０１７、１．０×１０１８および１．４×１０１８の場合について、単一量子井戸層６からｎ型不純物ドーピング層までの距離（ｎｍ）が、５０、１００、１５０および２００の素子を作製してノイズを測定した。その結果を図３に示す。グラフにはそれぞれの水準におけるメディアン値を示した。光出力ノイズは、３００ｍＡで一定時間ＡＣＣ（自動電流制御）駆動した場合の光出力における、（（最大光出力値−最小光出力値）／２）／平均光出力値×１００により求めた。
【００２０】
なお、ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層９およびｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層１０のＺｎ濃度は７×１０１７（ｃｍ−３）とし、量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離を２００ｎｍとした。
【００２１】
図２および図３から、面抵抗を約２×１０−４（Ω・ｃｍ２）以下とし、ノイズを１％以下とするためには、例えば、ｎ型不純物濃度（ｃｍ−３）が１．４×１０１７以上１．４×１０１８以下の範囲であって、量子井戸層からｎ型不純物ドーピング層までの距離（ｎｍ）が５０以上２５０以下の範囲で、これらを適宜調整することが望ましいことがわかる。
【００２２】
一方、ｐ型不純物ドーピング層（ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１を除く）のＺｎ濃度（ｃｍ−３）が、１．４×１０１７、３．０×１０１７および７．０×１０１７の場合について、単一量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離（ｎｍ）を、１００、２００、３００および３５０の素子を作製して面抵抗を測定した。この場合、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層７の厚さは１１０ｎｍであるので、単一量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離を１１０ｎｍ以下とする場合には、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層７の途中からとｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層８とにｐ型不純物のドーピングを行って調整している。また、単一量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離を１１０ｎｍ以上とする場合には、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層８の厚さを厚くして調整している。その結果を図４に示す。
【００２３】
また、ｐ型不純物ドーピング層のＺｎ濃度（ｃｍ−３）が、７．０×１０１７、１．０×１０１８および１．４×１０１８の場合について、単一量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離（ｎｍ）が、１００、２００、３００および３５０の素子を作製してノイズを測定した。その結果を図５に示す。グラフにはそれぞれの水準におけるメディアン値を示した。なお、このとき、ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３のＳｉ濃度は５×１０１７（ｃｍ−３）とし、量子井戸層６からｎ型不純物ドーピング層までの距離を１５０ｎｍとした。
【００２４】
図４および図５から、面抵抗を約２×１０−４（Ω・ｃｍ２）以下とし、ノイズを１％以下とするためには、例えば、ｐ型不純物濃度（ｃｍ−３）が１．４×１０１７以上１．４×１０１８以下の範囲であって、量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離（ｎｍ）が１００以上３５０以下の範囲で、これらを適宜調整することが望ましいことがわかる。
【００２５】
具体的には、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層４の厚さを４０ｎｍとし、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層５の厚さ１１０ｎｍとして、量子井戸層６からｎ型不純物ドーピング層までの距離、すなわちｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３までの距離を１５０ｎｍとし、ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３のＳｉ濃度を５×１０１７（ｃｍ−３）とした。また、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層７の厚さを１１０ｎｍとし、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層８の厚さを１００ｎｍとして、量子井戸層６からｐ型不純物ドーピング層までの距離、すなわちｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層９までの距離を２１０ｎｍとし、ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層９およびｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層１０のＺｎ濃度を７×１０１７（ｃｍ−３）とした。これにより、面抵抗を約１．５×１０−４（Ω・ｃｍ２）とでき、光出力ノイズを約０．５５％とすることができた。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施例による半導体レーザ素子について説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図６に示す。
【００２７】
本実施例の半導体レーザ素子は、図６に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、温度７００℃で、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２（厚さ２００ｎｍ）、ｎ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓクラッド層２３（厚さ１６００ｎｍ）、ｎ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６下部第一光導波層２４（厚さ２５０ｎｍ）を成長する。このとき、ｎ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓクラッド層２３およびｎ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６下部第一光導波層２４のＳｉ濃度は、５×１０１７（ｃｍ−３）とする。引き続き、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６下部第二光導波層２５（厚さ１５０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ量子井戸層２６（厚さ７ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６バリア層２７（厚さ５ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ量子井戸層２８（厚さ７ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第一光導波層２９（厚さ２５０ｎｍ）を成長する。引き続き、ｐ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第二光導波層３０（厚さ１５０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓクラッド層３１（厚さ１６００ｎｍ）、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層３２（厚さ２００ｎｍ）を成長する。このとき、ｐ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第二光導波層３０およびｐ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓクラッド層３１のＺｎ濃度は７×１０１７（ｃｍ−３）とする。
【００２８】
次に、上記第１の実施例と同様、幅１０μｍ程度の溝３３を形成し、幅５０μｍ程度のリッジストライプ３４を形成する。次に、ＳｉＯ２膜３５を形成し、リッジストライプ３４上を開口し、ｐ側電極３６を形成する。その後、基板１の裏面にｎ側電極３７を形成する。
【００２９】
本実施例において、ｉ−Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ量子井戸層６からｎ型不純物であるＳｉがドーピングされたｎ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６下部第一光導波層４までの距離はｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６下部第二光導波層５の厚さ分１５０ｎｍであり、ｎ型不純物であるＳｉの濃度は５×１０１７（ｃｍ−３）である。
【００３０】
一方、ｉ−Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ量子井戸層８からｐ型の不純物であるＺｎがドーピングされたｐ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第二光導波層１０までの距離は、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第一光導波層９の厚さ分の２５０ｎｍであるあり、ｐ型不純物であるＺｎの濃度は７×１０１７（ｃｍ−３）である。
【００３１】
本実施例においても、面抵抗を２×１０−４（Ω・ｃｍ２）以下とし、ノイズを１％以下にすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による半導体レーザ素子を示す断面図
【図２】ｎ型不純物濃度、量子井戸層からｎ型不純物ドーピング層までの距離および抵抗値の関係を示すグラフ
【図３】ｎ型不純物濃度、量子井戸層からｎ型不純物ドーピング層までの距離およびノイズの関係を示すグラフ
【図４】ｐ型不純物濃度、量子井戸層からｐ型不純物ドーピング層までの距離および抵抗値の関係を示すグラフ
【図５】ｐ型不純物濃度、量子井戸層からｐ型不純物ドーピング層までの距離およびノイズの関係を示すグラフ
【図６】本発明の第２の実施例による半導体レーザ素子を示す断面図
【符号の説明】
１ （００１）面ｎ−ＧａＡｓ基板
２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３ ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
４ ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
５ ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層
６ ｉ−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸層
７ ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層
８ ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
９ ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層
１０ ｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
１１ ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層
１２ 溝
１３ リッジストライプ
１４ ＳｉＯ２膜
１５ ｐ側電極
１６ ｎ側電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device having an AlGaAs cladding layer, an InGaAsP or InGaP optical waveguide layer, and an InGaAs or InGaAsP quantum well layer on a GaAs substrate.
[0002]
[Prior art]
As a high-power semiconductor laser device of 750 to 850 nm band, an n-GaAs buffer layer, an n-AlGaAs first cladding layer, an InGaP first optical waveguide layer, an InGaAsP quantum well layer, an InGaP second optical waveguide are formed on an n-GaAs substrate. A layer formed by laminating a layer, a p-AlGaAs second cladding layer, and a p + contact layer is known. In the above structure, a broad area semiconductor laser element having an optical waveguide layer of InGaAsP and an oscillation wavelength of 750 to 1100 nm band is used as an excitation light source of an SHG solid excitation laser in a short wavelength region. Low noise is required from the standpoint of improving coupling efficiency or improving the quality of laser light.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Since the semiconductor laser device having the above structure does not contain Al in the active region, the semiconductor laser device is characterized in that it has a higher COD level and higher reliability than an AlGaAs semiconductor laser device of the same wavelength band.
[0004]
However, if the p-type or n-type impurity concentration is too high, or if the distance from the quantum well layer to the p-type layer or the n-type layer is too short, the diffusion of the p-type or n-type impurity into the quantum well layer As a result, the reliability of the element decreases. In particular, in the case of a broad area laser, there is a problem that the noise level of the element deteriorates. On the other hand, when the p-type or n-type impurity concentration is too low, or when the distance from the quantum well layer to the p-type layer or the n-type layer is too far, the device resistance increases and good characteristics can be obtained. There is a disadvantage that it can not.
[0005]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor laser device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor laser device of the present invention has an Al x3 Ga 1-x3 As (0.45 ≦ x3 <1) clad exhibiting at least one conductivity on a GaAs substrate exhibiting one conductivity of p-type and n-type. Layer, In x2 Ga 1-x2 As 1-y2 P y2 (x2 = 0.48y2, 0.9 ≦ y2 ≦ 1.0) optical waveguide layer lattice-matched to GaAs, In x1 Ga 1-x1 As 1-y1 P y1 (0 ≦ x1 ≦ 0.3, 0 ≦ y1 ≦ 0.4) quantum well layer, In x2 Ga 1-x2 As 1-y2 P y2 (x2 = 0.48y2, 0.9) lattice-matched to GaAs ≦ y2 ≦ 1.0) In a semiconductor laser device including an optical waveguide layer and an Al x3 Ga 1-x3 As (0.45 ≦ x3 <1) cladding layer exhibiting the other conductivity, the surface resistance of the device is 2 × 10 −4 (Ω · cm 2 ) or less and light The n-type impurity concentration, the p-type impurity concentration, the distance from the quantum well layer to the n-type layer, and the distance from the quantum well layer to the p-type layer are set so that the output noise is 1% or less. It is characterized by.
[0007]
The set n-type impurity concentration and p-type impurity concentration do not include the GaAs buffer layer and the contact layer that can be formed between the GaAs substrate and the cladding layer.
[0008]
The “distance from the quantum well layer to the n-type layer” refers to the distance from the surface on the n-type semiconductor layer side of the quantum well layer to the surface on the quantum well layer side of the layer doped with n-type impurities. That is, the thickness of the undoped layer present between the quantum well layer and the layer doped with the n-type impurity is shown. The “distance from the quantum well layer to the p-type layer” is the distance from the surface on the p-type semiconductor layer side of the quantum well layer to the surface on the quantum well layer side of the layer doped with p-type impurities. Show. That is, the thickness of the undoped layer present between the quantum well layer and the layer doped with the p-type impurity is shown.
[0009]
【The invention's effect】
According to the semiconductor laser device of the present invention, at least Al x3 Ga 1-x3 As (0.45 ≦ x3 <1) showing one conductivity is formed on a GaAs substrate showing one conductivity of p-type and n-type. ) cladding layer, in x2 Ga 1-x2 As 1-y2 P y2 (x2 = 0.48y2,0.9 ≦ y2 ≦ 1.0 lattice-matched to GaAs) optical waveguide layer, in x1 Ga 1-x1 As 1 -Y1 P y1 (0 ≦ x1 ≦ 0.3, 0 ≦ y1 ≦ 0.4) quantum well layer, In x2 Ga 1-x2 As 1-y2 P y2 (x2 = 0.48y2, 0) lattice-matched to GaAs .9 ≦ y2 ≦ 1.0) In the semiconductor laser device including the optical waveguide layer and the other conductivity Al x3 Ga 1-x3 As (0.45 ≦ x3 <1) cladding layer, the surface resistance of the device is 2 × 10 −4 (Ω · cm 2 ) or less, The n-type impurity concentration, the p-type impurity concentration, the distance from the quantum well layer to the n-type layer, and the distance from the quantum well layer to the p-type layer are set so that the optical output noise is 1% or less. Therefore, a highly reliable semiconductor laser device can be obtained.
[0010]
In particular, in the semiconductor laser device of the present invention as described above, in a broad area semiconductor laser device having a stripe width of 5 μm or more, when this semiconductor laser device is used as an excitation light source of a solid-state laser, the light output noise is reduced. Setting it to 1% or less is effective because the light output noise of the solid-state laser can be lowered and high-quality laser light can be obtained. Further, by setting the sheet resistance to 2 × 10 −4 (Ω · cm 2 ) or less, heat generation of the element can be suppressed satisfactorily, and high mounting accuracy can be obtained.
[0011]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
A ridge type semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention will be described along with a manufacturing method thereof. A sectional view of the semiconductor laser element is shown in FIG.
[0013]
The following materials were used as growth materials in metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Trimethylaluminum (TMA), triethylgallium (TEG), and trimethylindium (TMI) are used as raw materials for Group III Al, Ga, and In, respectively, and arsine (AsH 3 ) is used as raw materials for Group V As and P, respectively. Phosphine (PH 3 ) was used, and silane (SiH 4 ) and diethyl zinc (DEZ) were used as n-type and p-type dopants, respectively.
[0014]
As shown in FIG. 1, an n-GaAs buffer layer 2 (thickness 200 nm), n-Al 0.63 on a (001) plane n-GaAs substrate 1 at a temperature of 730 ° C. by metal organic chemical vapor deposition. Ga 0.37 As cladding layer 3 (thickness 1960 nm), i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 4, i-In 0.48 Ga 0.52 P lower optical waveguide layer 5 (thickness 110 nm) , I-In 0.12 Ga 0.88 As 0.75 P 0.25 single quantum well layer 6 (thickness 10 nm), i-In 0.48 Ga 0.52 P upper optical waveguide layer 7 (thickness) 110 nm), i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 8, p-In 0.48 Ga 0.52 P etching stop layer 9 (thickness 10 nm), p-Al 0.63 Ga 0.37 As Cladding layer 10 (thickness 1900n ) And p + of GaAs contact layer 11 (thickness 200 nm) grows.
[0015]
Subsequently, a SiO 2 film (thickness: 300 nm) is formed on the contact layer by a CVD apparatus, and the SiO 2 film is formed in two stripes having a width of 10 μm with a spacing of 50 μm in the <110> direction by lithography and etching. The two films were removed to expose the p + GaAs contact layer 11. Subsequently, with the SiO 2 film as a mask, the p + GaAs contact layer 11 and the p-AlGaAs cladding layer 10 were etched to the surface of the p-etching stop layer 9 with tartaric acid to form a groove 12. As a result, a ridge stripe 13 having a width of 50 μm was formed.
[0016]
After removing the SiO 2 film, the SiO 2 film 14 was again formed on the entire surface by a CVD apparatus, and the SiO 2 film 14 was removed only on the ridge stripe 13 by lithography and etching to expose the contact layer 11. Next, the p-side electrode 15 made of Au / Pt / Ti was formed only on the exposed contact layer 11 using a lift-off method.
[0017]
Next, the back surface of the n-GaAs substrate 1 is polished so that the total thickness of the element is 100 μm, the n-side electrode 16 made of Au / AuGe is formed on the polished surface, the resonator length is 1000 μm, and both end faces of the resonator are formed. A ridge type broad area laser having a width of 50 μm was completed by forming a low reflectance coating film on one side and a high reflectance coating film on the other side.
[0018]
In the semiconductor laser device having the above structure, the Si concentration (cm −3 ) of the n-type impurity doping layer (excluding the n-GaAs buffer layer 2) is 1.4 × 10 17 , 3.0 × 10 17 and In the case of 7.0 × 10 17 , devices having distances (nm) from the single quantum well layer 6 to the n-type doping layer of 50, 100, 150, 200, and 250 were manufactured, and the sheet resistance was measured. At this time, since the thickness of the i-In 0.48 Ga 0.52 P lower optical waveguide layer 5 is 110 nm, when the distance from the single quantum well layer 6 to the n-type doping layer is 100 nm or less, The n-type impurity is doped into the i-In 0.48 Ga 0.52 P lower optical waveguide layer 5 and the i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 4 to adjust the distance. ing. When the distance from the single quantum well layer 6 to the n-type doping layer is 110 nm or more, the thickness of the i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 4 is increased and adjusted. . The result is shown in FIG. The sheet resistance shown in the graph is based on the average element resistance value when the driving current is 100 to 300 mA in the semiconductor laser device manufactured as described above (that is, when the stripe width is 50 μm and the resonator length is 1000 μm). It is what I have sought.
[0019]
In addition, when the Si concentration of the n-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 3 is 7.0 × 10 17 , 1.0 × 10 18, and 1.4 × 10 18 , a single quantum well layer Noise was measured by fabricating elements having a distance (nm) from 6 to the n-type impurity doping layer of 50, 100, 150 and 200. The result is shown in FIG. The graph shows the median value at each level. The light output noise was obtained by ((maximum light output value−minimum light output value) / 2) / average light output value × 100 in the light output when driving at ACC (automatic current control) for a certain time at 300 mA.
[0020]
The p-In 0.48 Ga 0.52 P etching stop layer 9 and the p-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 10 have a Zn concentration of 7 × 10 17 (cm −3 ) and a quantum well layer. The distance from 6 to the p-type impurity doping layer was 200 nm.
[0021]
2 and 3, in order to set the sheet resistance to about 2 × 10 −4 (Ω · cm 2 ) or less and the noise to 1% or less, for example, the n-type impurity concentration (cm −3 ) is 1. It is desirable to appropriately adjust these in the range of 4 × 10 17 to 1.4 × 10 18 and the distance (nm) from the quantum well layer to the n-type impurity doping layer is in the range of 50 to 250. I understand that.
[0022]
On the other hand, when the Zn concentration (cm −3 ) of the p-type impurity doped layer (excluding the p + GaAs contact layer 11) is 1.4 × 10 17 , 3.0 × 10 17 and 7.0 × 10 17 The elements having 100, 200, 300, and 350 distances (nm) from the single quantum well layer 6 to the p-type impurity doping layer were fabricated, and the sheet resistance was measured. In this case, since the thickness of the i-In 0.48 Ga 0.52 P upper optical waveguide layer 7 is 110 nm, when the distance from the single quantum well layer 6 to the p-type impurity doping layer is 110 nm or less. Is adjusted by doping a p-type impurity from the middle of the i-In 0.48 Ga 0.52 P upper optical waveguide layer 7 and the i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 8. . When the distance from the single quantum well layer 6 to the p-type impurity doping layer is 110 nm or more, the thickness of the i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 8 is adjusted to be thick. Yes. The result is shown in FIG.
[0023]
In addition, when the Zn concentration (cm −3 ) of the p-type impurity doped layer is 7.0 × 10 17 , 1.0 × 10 18 and 1.4 × 10 18 , the single quantum well layer 6 is changed to the p-type. Elements having distances (nm) to the impurity doping layer of 100, 200, 300, and 350 were manufactured, and noise was measured. The result is shown in FIG. The graph shows the median value at each level. At this time, the Si concentration of the n-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 3 is 5 × 10 17 (cm −3 ), and the distance from the quantum well layer 6 to the n-type impurity doping layer is 150 nm. did.
[0024]
4 and 5, in order to set the sheet resistance to about 2 × 10 −4 (Ω · cm 2 ) or less and the noise to 1% or less, for example, the p-type impurity concentration (cm −3 ) is 1. These may be adjusted as appropriate in the range of 4 × 10 17 to 1.4 × 10 18 and the distance (nm) from the quantum well layer 6 to the p-type impurity doping layer is in the range of 100 to 350. It turns out to be desirable.
[0025]
Specifically, the thickness of the i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 4 is 40 nm, and the thickness of the i-In 0.48 Ga 0.52 P lower optical waveguide layer 5 is 110 nm. The distance from the layer 6 to the n-type impurity doped layer, that is, the distance from the n-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 3 is 150 nm, and the Si of the n-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 3 The concentration was 5 × 10 17 (cm −3 ). Further, the thickness of the i-In 0.48 Ga 0.52 P upper optical waveguide layer 7 is 110 nm, the thickness of the i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 8 is 100 nm, and the quantum well layer 6 And the distance from the p-type impurity doped layer, that is, the distance from the p-In 0.48 Ga 0.52 P etching stop layer 9 to 210 nm, and the p-In 0.48 Ga 0.52 P etching stop layer 9 and p The Zn concentration of the Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 10 was set to 7 × 10 17 (cm −3 ). As a result, the sheet resistance could be about 1.5 × 10 −4 (Ω · cm 2 ), and the light output noise could be about 0.55%.
[0026]
Next explained is a semiconductor laser device according to the second embodiment of the invention. A cross-sectional view of the semiconductor laser element is shown in FIG.
[0027]
As shown in FIG. 6, the semiconductor laser device of this example has an n-GaAs buffer layer 22 (thickness 200 nm), n-Al 0.60 Ga 0. A 40 As cladding layer 23 (thickness 1600 nm) and an n-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 lower first optical waveguide layer 24 (thickness 250 nm) are grown. At this time, the Si concentration of the n-Al 0.60 Ga 0.40 As cladding layer 23 and the n-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 lower first optical waveguide layer 24 is 5 ×. 10 17 (cm −3 ). Subsequently, i-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 lower second optical waveguide layer 25 (thickness 150 nm), i-In 0.20 Ga 0.80 As quantum well layer 26 (thickness) 7 nm), i-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 barrier layer 27 (thickness 5 nm), i-In 0.20 Ga 0.80 As quantum well layer 28 (thickness 7 nm) ), I-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 upper first optical waveguide layer 29 (thickness 250 nm) is grown. Subsequently, p-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 upper second optical waveguide layer 30 (thickness 150 nm), p-Al 0.60 Ga 0.40 As cladding layer 31 (thickness) 1600 nm), a p + GaAs contact layer 32 (thickness 200 nm) is grown. At this time, the Zn concentration of the p-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 upper second optical waveguide layer 30 and the p-Al 0.60 Ga 0.40 As cladding layer 31 is 7 × 10 7. 17 (cm −3 ).
[0028]
Next, as in the first embodiment, a groove 33 having a width of about 10 μm is formed, and a ridge stripe 34 having a width of about 50 μm is formed. Next, the SiO 2 film 35 is formed, the ridge stripe 34 is opened, and the p-side electrode 36 is formed. Thereafter, an n-side electrode 37 is formed on the back surface of the substrate 1.
[0029]
In this example, the lower part of n-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 doped with Si as an n-type impurity from the i-In 0.20 Ga 0.80 As quantum well layer 6. The distance to the first optical waveguide layer 4 is 150 nm corresponding to the thickness of the lower second optical waveguide layer 5 of i-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 , and the n-type impurity Si. The concentration is 5 × 10 17 (cm −3 ).
[0030]
On the other hand, the second upper p-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 doped with Zn, which is a p-type impurity, from the i-In 0.20 Ga 0.80 As quantum well layer 8. The distance to the optical waveguide layer 10 is 250 nm corresponding to the thickness of the upper first optical waveguide layer 9 of i-In 0.46 Ga 0.54 As 0.04 P 0.96 , and is a p-type impurity Zn The concentration of is 7 × 10 17 (cm −3 ).
[0031]
Also in this example, the sheet resistance was 2 × 10 −4 (Ω · cm 2 ) or less, and the noise was 1% or less.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing a relationship between an n-type impurity concentration, a distance from a quantum well layer to an n-type impurity doped layer, and a resistance value. FIG. 3 is a graph showing the relationship between n-type impurity concentration, distance from the quantum well layer to the n-type impurity doping layer, and noise. FIG. 4 shows p-type impurity concentration, distance from the quantum well layer to the p-type impurity doping layer, and resistance. FIG. 5 is a graph showing the relationship between values, FIG. 5 is a graph showing the relationship between p-type impurity concentration, distance from the quantum well layer to the p-type impurity doping layer, and noise. FIG. 6 is a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. Sectional view showing [signs]
1 (001) plane n-GaAs substrate 2 n-GaAs buffer layer 3 n-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 4 i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 5 i-In 0.48 Ga 0.52 P lower optical waveguide layer 6 i-In 0.12 Ga 0.88 As 0.75 P 0.25 single quantum well layer 7 i-In 0.48 Ga 0.52 P upper optical waveguide layer 8 i-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 9 p-In 0.48 Ga 0.52 P etching stop layer 10 p-Al 0.63 Ga 0.37 As cladding layer 11 p + GaAs contact layer 12 groove 13 ridge Stripe 14 SiO 2 film 15 p-side electrode 16 n-side electrode
