JP2006120668A - 半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 ＧａＡｓ基板から活性層へ拡散する原子の数を低減することによって、優れた特性を有する半導体レーザを提供する。
【解決手段】 Ｓｉ−ＧａＡｓ基板１の上には、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、活性層４、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層６およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層７が、この順に積層されている。Ｓｉ−ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下とすることによって、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板１から活性層４へと拡散する原子の数を低減して、活性層４の発光特性に優れた半導体レーザとすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体レーザに関し、より詳しくは、ＧａＡｓ基板を用いた半導体レーザに関する。
従来より、ＧａＡｓ基板を用いた種々の半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。
例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザでは、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板上に、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層、Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰ上クラッド層、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰバンド不連続緩和層およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層が、この順に積層された構造を有している。そして、活性層に効率よく電流を注入することによって、活性層の端面から赤色のレーザ光が出射する。
特開平７−１９３３３１号公報 特開２００２−３３５５３号公報 特開２００１−２３７４９６号公報
しかしながら、従来の半導体レーザでは、ＧａＡｓ結晶の格子間に存在するＧａ原子およびＡｓ原子並びに不純物が基板中に多く含まれていた。このため、これらがＳｉ−ＧａＡｓ基板から活性層に拡散することによって活性層が劣化し、半導体レーザの特性が低下するという問題があった。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、ＧａＡｓ基板から活性層へ拡散する原子の数を低減することによって、優れた特性を有する半導体レーザを提供することにある。
本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。
本願第１の発明は、第１導電型のＧａＡｓ基板の上に、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む積層構造が形成された半導体レーザであって、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層がＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成されており、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体レーザに関する。
また、本願第２の発明は、第１導電型のＧａＡｓ基板の上に、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む積層構造が形成された半導体レーザであって、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層がＡｌＧａＡｓ系材料で構成されており、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体レーザに関する。
さらに、本願第３の発明は、第１導電型のＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成された第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む１の積層構造と、ＡｌＧａＡｓ系材料で構成された第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む他の積層構造とが形成されていて、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体レーザに関する。
この発明は以上説明したように、ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であるので、ＧａＡｓ基板から活性層へと拡散する原子の数を低減して、活性層の発光特性に優れた半導体レーザとすることができる。
従来の半導体レーザでは、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は７×１０１７ｃｍ−３より高濃度であった。本発明者は、鋭意研究した結果、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を従来より低くすることによって、優れた特性を有する半導体レーザとすることができることを見出した。以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる半導体レーザの構造を示す図である。
図１において、第１導電型のＧａＡｓ基板としてのＳｉ−ＧａＡｓ基板１は、例えば、結晶の（１００）面からの基板表面の傾き（オフ角度）が１０度である３インチの基板とすることができる。
また、本発明においては、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７以下ｃｍ−３の範囲内にする。すなわち、本発明においては、基板のキャリア濃度を従来より低い値とすることを特徴としている。
本実施の形態においては、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板の上に、リッジ型のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザを形成する。
図１において、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板１の上には、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２、第１導電型のクラッド層としてのＳｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層４、第２導電型のクラッド層としてのＭｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰバンド不連続緩和（以下、ＢＤＲという。）層６およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層７が、この順に積層されている。また、図１で、８はＺｎ拡散窓層、９はＳｉＮ絶縁膜、１０はｎ型電極、そして１１はｐ型電極である。
Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、２．５μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このクラッド層の有するエネルギーが波長換算で５３０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
活性層４は、そのエネルギーが波長換算で６６０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、２．５μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このクラッド層の有するエネルギーが波長換算で５３０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層６は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．１μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このＢＤＲ層の有するエネルギーが波長換算で６５０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層７は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
活性層４に効率よく電流を注入することによって、活性層４の端面から赤色のレーザ光１２が出射する。ここで、Ｚｎ拡散窓層８は、レーザ光１２による端面劣化を防止する役割を果たす。
次に、図２（ａ）〜（ｄ）を用いて、図１に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する。尚、これらの図において、図１と同じ符号で示した部分は同じものであることを示している。
まず、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板１の上に、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２、Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、活性層４、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層６およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層７をこの順に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＯＣＶＤ）を用いて結晶成長させる（図２（ａ））。
次に、活性層４の端面となる領域にＺｎを拡散させて、Ｚｎ拡散窓層８を形成する（図２（ｂ））。
次いで、写真製版技術を用いて、光導波路１３となる領域の両側に開口部を設けたパターン（図示せず）を形成した後、この開口部に対して、活性層４の直上から０．５μｍ程度の深さまでエッチングを行う（図２（ｃ））。
次に、表面側の全面にＳｉＮ絶縁膜９を形成した後、リッジ状の光導波路１３部分にあるＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層７上のＳｉＮ絶縁膜９を除去する。次いで、裏面にｎ型電極１０を、表面にｐ型電極１１をそれぞれ形成する（図２（ｄ））。その後、劈開によって端面を形成し、この端面に反射防止膜（図示せず）を設けることによって、図１の構造とすることができる。
本発明においては、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を従来の値（例えば、７×１０１７ｃｍ−３〜２．５×１０１８ｃｍ−３）より低くしている。このようにすることによって、ＧａＡｓ結晶の格子間に存在するＧａ原子およびＡｓ原子並びに不純物としてのＳｉ原子の量を従来より少なくすることができる。
一般に、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板から活性層に拡散した原子は、欠陥となって結晶内での発光特性を低下させる。本発明によれば、上記のＧａ原子、Ａｓ原子およびＳｉ原子の濃度を低くすることによって、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板から活性層へと拡散する原子の数を従来より低減することが可能となる。したがって、活性層の発光特性が低下するのを防いで、優れた特性を有する半導体レーザとすることができる。
図３は、基板のキャリア濃度と半導体レーザの動作電流との関係を示している。図より、基板のキャリア濃度が小さくなるにしたがって、動作電流も小さくなることが分かる。
図４は、基板のキャリア濃度と、基板中に含まれるＳｉ原子の濃度との関係を示している。図より、キャリア濃度が低くなるとＳｉ原子の濃度も低くなることが分かる。ここで、Ｓｉ原子の活性化率は４０％程度であり、基板中には、キャリア濃度と同等以上の濃度の不活性なＳｉ原子が存在する。また、格子間に存在するＧａ原子およびＡｓ原子の数は不活性なＳｉ原子の数に相関し、不活性なＳｉ原子の濃度が低くなれば、これに付随してＧａ原子およびＡｓ原子の濃度も低くなる。したがって、基板中のキャリア濃度を低くすることによって、不活性なＳｉ原子の濃度を低くすることができるので、格子間に存在するＧａ原子およびＡｓ原子の濃度を低くすることが可能となる。このことは、図３に示す結果を裏付けるものである。
高出力の半導体レーザにおいては、高温下での動作電流を低くすることが必要不可欠な要件となる。具体的には、７５℃における動作電流が２２０ｍＡ以下となることが好ましい。このことと図３の結果とから、本発明においては、基板のキャリア濃度を７×１０１７ｃｍ−３以下とする。
一方、基板のキャリア濃度が低くなると、基板とｎ型電極との間の抵抗値が高くなる（図５）。このため、半導体レーザの素子抵抗が上昇して動作電圧が高くなる。また、基板のキャリア濃度が低くなると、基板内での転位が多くなって半導体レーザの信頼性が低下することも懸念される。さらに、Ｓｉ原子を故意にドーピングしない、いわゆるアンドープのＧａＡｓ基板では、通常、１０１６ｃｍ−３オーダーのキャリア濃度を有する。したがって、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板について、１×１０１７ｃｍ−３未満の値でそのキャリア濃度を制御することは困難である。以上より、本発明においては、基板のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上とする。
これらのことから、本発明においては、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７以下ｃｍ−３とする。特に、基板のキャリア濃度が、３×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１７以下ｃｍ−３の範囲にあることが好ましい。このようにすることによって、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板から活性層へと拡散する原子の数を低減して、活性層の発光特性に優れた半導体レーザとすることができる。
実施の形態２．
本実施の形態は、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板の上に、埋め込みリッジ型のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザを形成する点で実施の形態１と相違する。
図６は、本実施の形態にかかる半導体レーザの構造を示す図である。
図６において、２１は、第１導電型のＧａＡｓ基板としてのＳｉ−ＧａＡｓ基板である。Ｓｉ−ＧａＡｓ基板２１は、例えば、結晶の（１００）面からの基板表面の傾き（オフ角度）が１０度である３インチの基板とすることができる。
また、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板２１のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７以下ｃｍ−３とする。すなわち、実施の形態１と同様に、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を従来の値（７×１０１７ｃｍ−３より高濃度）より低くする。
本実施の形態においては、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板の上に埋め込みリッジ型のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザを形成する。
図６において、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板２１の上には、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２２、第１導電型のクラッド層としてのＳｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２３、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層２４、第２導電型のクラッド層としてのＭｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２５、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰバンド不連続緩和（以下、ＢＤＲという。）層２６およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層２７が、この順に積層されている。また、図６で、２８はＳｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層、２９はＳｉＮ絶縁膜、３０はｎ型電極、そして３１はｐ型電極である。
Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２２は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２３は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、２．５μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このクラッド層の有するエネルギーが波長換算で５３０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
活性層２４は、そのエネルギーが波長換算で６６０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２５は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、２．５μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このクラッド層の有するエネルギーが波長換算で５３０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層２６は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．１μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このＢＤＲ層の有するエネルギーが波長換算で５６０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層２７は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
Ｓｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２８は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
Ｓｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２８の存在によって、活性層２４に効率よく電流が注入されて活性層２４の端面から赤色のレーザ光（図示せず）が出射する。すなわち、Ｓｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２８は、活性層２４に流れる電流を狭窄する役割を果たす。また、Ｓｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２８を設けることによって、図６で横方向に屈折率の異なる材料（すなわち、ＡｌＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰ）を活性層２４上に形成して光を閉じ込めるという効果も得られる。
次に、図７（ａ）〜（ｃ）を用いて、図６に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する。尚、これらの図において、図６と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
まず、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板２１上に、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２２、Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２３、活性層２４、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２５、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層２６およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層２７をこの順に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＯＣＶＤ）を用いて結晶成長させる（図７（ａ））。
次に、活性層２４の端面となる領域にＺｎを拡散させて、Ｚｎ拡散窓層３４を形成する（図７（ｂ））。
次いで、表面側の全面にＳｉＮ絶縁膜３２を形成した後、写真製版技術を用いて、光導波路３３となる領域以外のＳｉＮ絶縁膜３２を除去する。これにより、ＳｉＮＯ絶縁膜３２が、幅方向の長さが１μｍ程度のストライプ状に加工される。
次に、Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層２７、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層２６およびＭｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２５をエッチングする。このエッチングは、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２５を２μｍ程度の深さまでエッチングしたところで終了させる。これにより、リッジ状の導波路３３が形成される。
その後、ＭＯＣＶＤ法を用いてＳｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２８を形成する。このとき、Ｓｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層２８は、ＳｉＮ絶縁膜３２上には結晶成長せず、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２５上に選択的に結晶成長する（図７（ｃ））。
次に、ＳｉＮ絶縁膜３２を除去した後、表面側の全面にＳｉＮ絶縁膜２９を形成してから、光導波路３３部分のＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層２７上にあるＳｉＮ絶縁膜２９を除去する。そして、裏面にｎ型電極３１を、表面にｐ型電極３０をそれぞれ形成する。その後、劈開によって端面を形成し、この端面に反射防止膜（図示せず）を設けることによって、図６の構造とすることができる。
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７以下ｃｍ−３とする。特に、基板のキャリア濃度が、３×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１７以下ｃｍ−３の範囲にあることが好ましい。このようにすることによって、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板から活性層へと拡散する原子の数を低減して、活性層の発光特性に優れた半導体レーザとすることができる。
本実施の形態における基板のキャリア濃度と半導体レーザの動作電流との関係は、実施の形態１で説明した図３と同様の結果を示す。但し、結晶の成長回数は、実施の形態１が１回であるのに対して、本実施の形態では２回である。このため、基板から拡散する原子の数が実施の形態１よりも多くなるので、動作電流値は実施の形態１に比較して全体に増加する。
実施の形態３．
本実施の形態は、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板上に、リッジ型のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを形成する点で実施の形態１と異なる。
図８は、本実施の形態にかかる半導体レーザの構造を示す図である。
図８において、４１は、第１導電型のＧａＡｓ基板としてのＳｉ−ＧａＡｓ基板である。Ｓｉ−ＧａＡｓ基板４１としては、例えば、（１００）基板（ジャスト基板）を用いることができる。
また、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板４１のキャリア濃度は、１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下とする。すなわち、実施の形態１と同様に、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を従来の値（７×１０１７ｃｍ−３より高濃度）より低くする。
本実施の形態においては、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板の上に、リッジ型のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを形成する。
図８において、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板４１の上には、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層４２、第１導電型のクラッド層としてのＳｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４３、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層４４、第２導電型のクラッド層としてのＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層４６が、この順に積層されている。また、図８で、４７はＳｉＮ絶縁膜、４８はｎ型電極、そして４９はｐ型電極である。
Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層４２は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
Ｓｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４３は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、２．５μｍ程度の膜厚とすることができる。また、このクラッド層の有するエネルギーが波長換算で６１０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
活性層４４は、そのエネルギーが波長換算で７８０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｚｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３程度のキャリア濃度とすることができる。また、このクラッド層の有するエネルギーが波長換算で６１０ｎｍ程度になるように組成比を調整する。
Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層４６は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３程度のキャリア濃度で、０．５μｍ程度の膜厚とすることができる。
次に、図９（ａ）〜（ｃ）を用いて、図８に示す半導体レーザの製造方法の一例を説明する。尚、これらの図において、図８と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
まず、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板４１の上に、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層４２、Ｓｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４３、活性層４４および第１のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ａをこの順に有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＯＣＶＤ）を用いて結晶成長させる（図９（ａ））。このとき、第１のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ａの膜厚は０．４μｍ程度とする。
次に、活性層４４の端面となる領域にＳｉを拡散させて、Ｓｉ拡散窓層５０を形成する（図９（ｂ））。尚、Ｓｉ拡散窓層５０は、半導体レーザの端面部分にのみ形成するので、図８並びに図９（ａ）および（ｃ）では示されない。
次いで、第１のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ａの上に、第２のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ｂおよびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層４６を、この順にＭＯＣＶＤ法を用いて形成する（図９（ｃ））。このとき、第２のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ｂの膜厚は２．０μｍ程度とする。
写真製版技術を用いて、光導波路５１となる領域の両側に開口部を設けたパターン（図示せず）を形成した後、この開口部に対して、活性層４４の直上から０．５μｍの深さまでエッチングを行う。これにより、開口部から露出した第２のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ｂの大部分がエッチング除去される。一方、第１のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ａはエッチングされない。そして、残った第２のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ｂと、第１のＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５ａとで、図８におけるＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層４５を構成する。
次に、表面側の全面にＳｉＮ絶縁膜４７を形成した後、リッジ状の光導波路５１部分のＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層４６上にあるＳｉＮ絶縁膜４７を除去する。次いで、裏面にｎ型電極４８を、表面にｐ型電極４９をそれぞれ形成する。その後、劈開によって端面を形成し、この端面に反射防止膜（図示せず）を設けることによって、図８の構造とすることができる。
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７以下ｃｍ−３とする。特に、基板のキャリア濃度が、５×１０１７ｃｍ−３以上６×１０１７ｃｍ−３以下の範囲にあることが好ましい。このようにすることによって、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板から活性層へと拡散する原子の数を低減して、活性層の発光特性に優れた半導体レーザとすることができる。
図１０は、本実施の形態における基板のキャリア濃度と半導体レーザの動作電流との関係を示したものである。図から分かるように、基板のキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３〜６×１０１７ｃｍ−３程度で動作電流は最小値をとり、これよりキャリア濃度が大きくなると動作電流も上昇する。一方、実施の形態１で述べたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザでは、動作電流が最小となるキャリア濃度はこの範囲よりさらに小さい値をとる（図３）。この結果について、以下に詳述する。
実施の形態１で説明したように、基板のキャリア濃度が低くなるとＳｉ原子の濃度も低くなる（図４）。Ｓｉ原子の活性化率は４０％程度であるから、基板中には、キャリア濃度と同等以上の濃度の不活性なＳｉ原子が存在する。図より、基板中のキャリア濃度を低くすることによって不活性なＳｉ原子の濃度を低くすることができるので、格子間に存在するＧａ原子およびＡｓ原子の濃度も低くすることが可能となる。一方、ＡｌＧａＡｓ系結晶内での格子間のＧａ原子、Ａｓ原子およびＳｉ原子の拡散速度は、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶内におけるこれらの原子の拡散速度に比較して数倍以上遅いことが知られている。このため、原子の拡散が活性層の劣化に与える影響は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザに比べてＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの方が小さくなる。
ところで、基板のキャリア濃度が低くなると、基板内で転位が多く起こるようになる。このため、図１０で、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜２×１０１７ｃｍ−３の範囲では転位が多くなると考えられる。一方、結晶内におけるキャリアの表面再結合速度は、ＡｌＧａＡｓ系結晶の方がＡｌＧａＩｎＰ系結晶より速い。したがって、キャリア濃度が小さい領域においては、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの方がＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザよりも活性層が速く劣化する。
以上の理由によって、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザとＡｌＧａＡｓ系半導体レーザとでは、キャリア濃度に対する動作電流の最小値が異なる値となる。
尚、本実施の形態は図８の構造に限られるものではなく、例えば、第２導電型のクラッド層のリッジ形状の両側に第１導電型の電流ブロック層が埋め込まれた埋め込みリッジ型の構造であってもよい。
実施の形態４．
本実施の形態の半導体レーザは、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザおよびＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを有するモノシリック型の半導体レーザである点で実施の形態１〜３と相違する。
図１１は、本実施の形態にかかる半導体レーザの構造を示す図である。
図１１において、６１は、第１導電型のＧａＡｓ基板としてのＳｉ−ＧａＡｓ基板である。Ｓｉ−ＧａＡｓ基板６１のキャリア濃度は、実施の形態１〜３と同様に、従来値より低い１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下の範囲の値とする。特に、基板のキャリア濃度が、３×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１７ｃｍ−３以下の範囲にあることが好ましい。
また、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板６１の上には、実施の形態１と同様のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ６２と、実施の形態３と同様のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３とが設けられている。
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ６２は、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層６４、第１導電型のクラッド層としてのＳｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層６６、第２導電型のクラッド層としてのＭｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６７、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰバンド不連続緩和（以下、ＢＤＲという。）層６８、Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層６９およびＳｉＮ絶縁膜７０が、この順に積層された構造を有している。
一方、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３は、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層７１、第１導電型のクラッド層としてのＳｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７２、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を含む活性層７３、第２導電型のクラッド層としてのＺｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７４、Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層７５およびＳｉＮ絶縁膜７０が、この順に積層された構造を有している。
また、図１１において、７７はｎ型電極であり、７８はｐ型電極である。
本実施の形態における半導体レーザは、例えば次のようにして製造することができる。
まず、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板６１の上に、実施の形態３で説明した方法にしたがってＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３を形成する。
次に、所定領域を残してＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３のＳｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７２より上層の構造を除去し、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層７１の表面を露出させる。
次いで、表面の全面に、実施の形態１で説明した図２（ａ）の構造を形成する。ここで、図２（ａ）の構造とは、図１１に示すＳｉ−ＧａＡｓバッファ層６４、Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５、活性層６６、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６７、Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層６８およびＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層６９からなる積層構造に対応する。
その後、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３の上とその両側の所定領域にある図２（ａ）の構造を除去する。
次に、実施の形態１と同様にしてＺｎ拡散窓層（図示せず）を形成した後、写真製版技術を用いて、光導波路７９，８０となる領域の両側に開口部を設けたパターン（図示せず）を形成する。その後、この開口部に対して、活性層６６，７３の直上から０．５μｍ程度の深さまでエッチングを行う。これにより、リッジ状の光導波路７９，８０が形成される。
次いで、表面側の全面にＳｉＮ絶縁膜７０を形成した後、光導波路７９，８０部分にあるＺｎ−ＧａＡｓコンタクト層上のＳｉＮ絶縁膜７０を除去する。これにより、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ６２を形成することができる。
その後、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３とＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ６２の上にｐ型電極７８を、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板６１の裏面にｎ型電極７７をそれぞれ形成する。そして、劈開によって端面を形成し、この端面に反射防止膜（図示せず）を設けることによって、図１１の構造とすることができる。尚、図１１において、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ６３とＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ６２との発光点間隔は１１０μｍ程度とすることができる。
尚、本実施の形態は図１１の構造に限られるものではなく、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザおよびＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの少なくとも一方が、第２導電型のクラッド層のリッジ形状の両側に第１導電型の電流ブロック層が埋め込まれた埋め込みリッジ型の構造であってもよい。
以上述べたように、本実施の形態によれば、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を従来の値（例えば、７×１０１７ｃｍ−３より高濃度）より低くすることによって、ＧａＡｓ結晶の格子間に存在するＧａ原子およびＡｓ原子並びに不純物としてのＳｉ原子の量を従来より少なくすることができる。これにより、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板から活性層へと拡散する原子の数を低減して、活性層の発光特性に優れた半導体レーザとすることができる。
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
例えば、本発明は、実施の形態１〜３で述べた構造のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザまたはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザに限られるものではない。キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７以下ｃｍ−３であるＳｉ−ＧａＡｓ基板上であれば、他の構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザまたはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを形成した場合であっても同様の効果を得ることができる。
また、実施の形態４においては、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザおよびＡｌＧａＡｓ系半導体レーザを有するモノシリック型の半導体レーザについて述べたが、本発明はこれに限られるものではない。キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３〜７×１０１７ｃｍ−３であるＳｉ−ＧａＡｓ基板上であれば、他の種類の半導体レーザを用いたモノシリック型の半導体レーザであっても同様の効果を得ることができる。さらに、本発明は、Ｓｉ−ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザまたはＡｌＧａＡｓ系半導体レーザなどの同種類の半導体レーザを複数個形成した場合にも同様の効果を得ることができる。
実施の形態１における半導体レーザの構造図である。 （ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１における半導体レーザの製造方法の説明図である。 実施の形態１における基板のキャリア濃度と半導体レーザの動作電流との関係を示す図である。 実施の形態１における基板のキャリア濃度とＳｉ原子の濃度との関係を示す図である。 実施の形態１における基板のキャリア濃度と抵抗値との関係を示す図である。 実施の形態２における半導体レーザの断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２における半導体レーザの製造方法の説明図である。 実施の形態３における半導体レーザの断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、実施の形態３における半導体レーザの製造方法の説明図である。 実施の形態３における基板のキャリア濃度と半導体レーザの動作電流との関係を示す図である。 実施の形態４における半導体レーザの断面図である。
符号の説明
１，２１，４１，６１ Ｓｉ‐ＧａＡｓ基板
２，２２，４２，６４，７１ Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層
３，２３，６５ Ｓｉ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４，２４，４４，６６，７３ 活性層
５，２５，６７ Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
６，２６，６８ Ｍｇ−ＡｌＧａＩｎＰＢＤＲ層
７，２７，４６，６９，７５ Ｚｎ−ＧａＡｓコンタクト層
８，３４ Ｚｎ拡散窓層
９，２９，４７，７０ ＳｉＮ絶縁膜
１０，３０，４８，７７ ｎ型電極
１１，３１，４９，７８ ｐ型電極
１２ レーザ光
１３，３３，５１，７９，８０ 光導波路
２８ Ｓｉ−ＡｌＩｎＰ電流ブロック層
４３，７２ Ｓｉ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
４５，７４ Ｚｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
６２ ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ
６３ ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ

Claims (7)

  1. 第１導電型のＧａＡｓ基板の上に、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む積層構造が形成された半導体レーザであって、
    前記第１導電型のクラッド層、前記活性層および前記第２導電型のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成されており、
    前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 第１導電型のＧａＡｓ基板の上に、第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む積層構造が形成された半導体レーザであって、
    前記第１導電型のクラッド層、前記活性層および前記第２導電型のクラッド層はＡｌＧａＡｓ系材料で構成されており、
    前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が３×１０１７ｃｍ−３以上５×１０１７ｃｍ−３以下である請求項１または２に記載の半導体レーザ。
  4. 第１導電型のＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成された第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む１の積層構造と、
    ＡｌＧａＡｓ系材料で構成された第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を含む他の積層構造とが形成されていて、
    前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上７×１０１７ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体レーザ。
  5. 前記ＧａＡｓ基板のキャリア濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上６×１０１７ｃｍ−３以下である請求項４に記載の半導体レーザ。
  6. 前記第２導電型のクラッド層がリッジ形状を有する請求項１〜５に記載の半導体レーザ。
  7. 前記リッジ形状の両側に第１導電型の電流ブロック層が埋め込まれている請求項６に記載の半導体レーザ。
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