JP3634564B2 - AlGaAs系半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、MOCVD法によって製造され、光ディスク用などに用いられるAlGaAs系半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザ用のAlGaAsなどの化合物半導体結晶の製造方法としては、主としてLPE(液相成長法)、MBE(分子線成長法)、MOCVD(有機金属気相成長法)のいずれかが用いられている。LPE法は比較的簡単な装置で良質の半導体結晶ができる反面、大面積に亙って均一な結晶を製造するのが難しい。それに対し、MBE法およびMOCVD法は、より量産に適した方法であり、今日広く用いられている。
【0003】
MBE法は、高真空中で、化合物半導体を構成する各固体元素を加熱して基板に照射する方法のため、純粋な結晶が得やすい。一方MOCVD法は、常圧あるいは1/10気圧程度の減圧条件で、化合物半導体を構成する元素を、有機化合物や水素化物としてガス状にして輸送し、基板上で化学反応を起こして化合物半導体を形成する。そのため、化学反応後に発生する有機物や水素が不純物として化合物半導体内に取り込まれやすい。特に有機物中のC(炭素)はp型ドーパントとして化合物半導体内に取り込まれる。
【0004】
MOCVD法で化合物半導体を作製する場合、n型ドーパント元素としてはSe、Siなどが、またp型ドーパント元素としてはZn、Mg、Cなどが一般に用いられる。これらのドーパントは単独では比較的制御よく用いることができるが、隣接する層にドープされた場合、組み合わせによっては複雑な相互拡散を起こす。
【0005】
従来のMOCVD法によって作製されたAlGaAs系半導体レーザの断面図を図6に示す。n型GaAs基板101上に、MOCVD法によって、Seドープn型GaAsバッファ層102、Seドープn型AlGaAsクラッド層103、アンドープAlGaAs活性層104、Znドープp型クラッド層105、Seドープn型AlGaAsブロック層106が形成されている。n型ブロック層106はストライプ状に除去されて電流通路120が形成され、さらにZnドープp型クラッド層108、Znドープp型コンタクト層109が形成されている。また下面にはn電極110、上面にはp電極111が形成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の半導体レーザは、以下に示す不良をきたし、歩留まり低下や信頼性低下の原因となっていた。第1の不良として、p型不純物であるZnとn型不純物であるSeの相互拡散により、p型となるべきZnドープp型クラッド層105が、必ずしもp型とならずに導電型が反転する場合があり、n型クラッド層103とn型ブロック層106が電気的にショートする場合がある。また、第2の不良として、ストライプ部120において、n型クラッド層103が活性層104近傍においてp型になってしまうため、加速劣化試験中に動作電流の上昇(信頼性の劣化)が起こるという場合がある。
【0007】
上記の相互拡散を抑えるため、n型不純物をSeからSiに置き換えることが一般に行われている。Siは不純物は拡散しにくいドーパントであると共に、pn界面でのp型不純物のn型層への拡散を抑制する効果もある。
【0008】
しかし、上記p型不純物のn型層への拡散抑制の効果が却って素子特性の低下を引き起こす場合がある。以下にその場合を示す。
【0009】
素子は図1のn型不純物をSeからSiに置き換えた場合を考える。この場合Siの拡散抑制効果のためn型不純物Siはnクラッド層、nブロック層にとどまり、またp型不純物は若干活性層に拡散する以外はpクラッド層にとどまる。このためpクラッド層のキャリア濃度は、電流ストライプ部及び電流ブロック下でほぼ同じになる。一方、Seドープ素子は拡散により電流ブロック下のキャリア濃度は、ストライプ部に比べ低くなる。このためSiドープレーザ素子は、Seドープレーザ素子に比べ、p型クラッド層の抵抗が低くなり、漏れ電流が多くなるため、動作電流が高くなる欠点があった。
【0010】
本発明は、上記の問題を解決することを目的とするものである。つまり、AlGaAs系半導体レーザ素子において、p型クラッド層がn反転することなく、動作電流を少なくすることのできる半導体レーザ素子の構造を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明(請求項1)に係るAlGaAs系半導体レーザ素子は、n型基板上に、少なくとも、Siドープn型クラッド層、活性層、第1のZnドープp型クラッド層、及び電流ブロック層をMOCVD法により成長させ、前記電流ブロック層にストライプ状の溝を形成した後、第2のp型クラッド層を再成長させた半導体レーザ素子であって、
前記電流ブロック層はSeドープn型第1電流ブロック層と、Siドープn型第2電流ブロック層とが順に形成されてなることにより上記の目的を達成する。
この発明(請求項2)に係るAlGaAs系半導体レーザ素子は、n型基板上に、少なくとも、Siドープn型クラッド層、活性層、第1のZnドープp型クラッド層、及び第2のZnドープ又はMgドープのp型クラッド層をMOCVD法により成長させ、前記第2のクラッド層にリッジを形成した後、電流ブロック層を再成長させた半導体レーザ素子であって、前記電流ブロック層は、Seドープn型第1電流ブロック層と、Siドープn型第2電流ブロック層とが順に形成されてなることにより上記の目的を達成する。
【0012】
この発明(請求項3)に係るAlGaAs系半導体レーザ素子は、前記第1のp型クラッド層のZn不純物量(設定不純物濃度×第1のp型クラッド層の膜厚)がn型第1電流ブロック層のSe不純物量(設定不純物濃度×n型第電流1ブロック層の膜厚)より大きいかもしくは等しくてなることによって上記の目的を達成する。
【0013】
この発明(請求項4)に係るAlGaAs系半導体レーザ素子は、前記再成長がMOCVD法又はLPE法のいずれかを用いてなされることによって上記の目的を達成する。
【0014】
すなわち、本発明では、MOCVD法で作製したAlGaAs系半導体レーザにおいて、クラッド層n型ドーパントをSiにし、またn型ブロック層をpn界面に近い側をSeドープに、その上にSiドープn型ブロック層の2重ブロックとするものである。
【0015】
以下、本発明の作用を説明する。
【0016】
従来の不良は、n型ドーパントであるSeとp型ドーパントとしてのZnあるいはMgが相互拡散を起こしやすいことに起因する。すなわち、p型第1クラッド層中にドープしたZnが熱履歴などの影響で、n型ブロック層および活性層105を越えてn型クラッド層に拡散する。そして、n型ブロック層およびn型クラッド層中のSeがp型第1クラッド層中に拡散する。
【0017】
本発明は、まずn型クラッドのドーパントであるSeをSiに置き換えることにより、p型クラッドのドーパントがn型クラッドに拡散することを防止する。またp型クラッド層上のn型第1ブロック層のドーパントにSeを、その上のn型第2ブロック層のドーパントにSiを用いることにより、ブロック層下ではまず、Znがn型ブロック側に拡散し、pn界面のn型ブロック層側に、p型、n型両方のドーパントが集中するパイルアップ現象が起こる。クラッド層のZnは更にnブロック層に拡散し、n型第1ブロック層のSe不純物量(Se不純物濃度×n型第1クラッド層厚)とZnの不純物量(設定Zn不純物濃度×p型クラッド層厚)が等しくなるまで拡散が起こる。またp型クラッド層中のZnの不純物量が、第1n型ブロック層中のSeの不純物量より多い場合、Seはpクラッド層には拡散しない。また電流ブロック機能は第2n型ブロック層で機能が保たれている。よってこの構造により、p型クラッドのキャリア濃度はストライプ部が高く、ブロック層下はキャリア濃度が低くなる。よって電流のストライプ部への閉じ込めが大きくなり、動作電流が低くなる。
【0018】
【本発明の実施の形態】
<実施例1>
図1は実施例1の半導体レーザ素子の断面図である。
これはセルフアライン型と呼ばれる構造で、MOCVD法でn型GaAs基板1(キャリア濃度2×1018/cm3)上にn型GaAsバッファ層2(1.5×1018/cm3、厚さ0.5μm設定)、Siドープn型Al0.5Ga0.5Asクラッド層3(キャリア濃度4×1017/cm3、厚さ1μm設定)、アンドープAl0.14Ga0.86As活性層4(厚み0.04μm)、Znドープp型Al0.5Ga0.5Asクラッド層5(キャリア濃度4×1017/cm3、厚さ0.3μm設定)、Seドープn型第1AlGaAsブロック層6(キャリア濃度2×1018/cm3、厚さ0.03μm設定)、Siドープn型第2AlGaAsブロック層7(キャリア濃度3×1018/cm3、厚さ0.8μm設定)を形成する。nブロック層6、7を4μm幅のストライプ状に除去して電流通路20を形成する。更にMOCVD法でZnドープp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層8(1.5×1018/cm3、厚さ1μm設定)、Znドープp型GaAsコンタクト層9(4×1018/cm3、厚さ1μm設定)を形成する。その後下面にはn電極10、上面にはp電極11を形成後、バー状に分割して、バーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して個別の素子にする。これにより、波長780nm、出力5mWの半導体レーザとなる。
【0019】
ここで、III族原料はTMG(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)、V族原料はAsH3(アルシン)、n型ドーパント原料はSiH4(シラン)及びH2Se(セレン化水素)、p型ドーパントはDEZ(ジエチルジンク)を用いた。成長温度は750℃、成長圧力は76Torr、V/III=120である。
【0020】
ストライプ内でのドーピング濃度を調べるために、幅1000μmとした試料を作製した。またストライプ外でのドーピング濃度を調べるために、上記工程で、Siドープn型AlGaAsブロック層7までを成長した試料を作製した。ドーピング濃度はSIMS(2次イオン質量分析)分析により測定した。図2にストライプ内のSIMSのZnとSiのプロファイルを示す。Znは活性層に拡散しているが、nクラッド層3には拡散していない。図3にストライプ外のZnとSiとSeのプロファイルを、図4に図3におけるSeとZnのプロファイルの第1nブロック付近の拡大図を示す。n型第1ブロック層6の部分にZnが拡散を起こしているが、n型第2ブロック層7には拡散せず、Se、Siの拡散もない。ブロック層下のp型クラッド層のZnの不純部濃度は、4×1016/cm3であり、ストライプ下pクラッドより不純物濃度が低くなっているのがわかる。
【0021】
本条件で作製したレーザの動作電流を測定したところ、32mAであり、n型ブロック層をSiドープのみで作製した素子(38mA)より特性が向上した。また出力5mW・70℃で200時間動作させた時の動作電流増加量は0.1mAであり、これもSiのみのブロック層の素子(0.8mA)に比べ特性が良かった。
【0022】
なお、図1の説明を簡単にするため幾つかの層を省略している。実際にはp型第1クラッド層とn型第1ブロック層の間に2層よりなるエッチングストップ層群があるほか、n型第2ブロック層は4層程度の混晶比の異なるSiドープ層群であるが、薄い層については図示・説明を省略している。
【0023】
各層のAl混晶比は実施例に示した値に限定されるものでなく、例えば活性層をAl混晶比がゼロのGaAsとしてもよい。
【0024】
ここでは5mWのレーザとしたが、若干活性層厚さを薄くすることにより40mWクラスの高出力レーザとすることができ、最適キャリア濃度はほとんど同一であった。
【0025】
<実施例2>
実施例2においては、実施例1における第2の成長をMOCVD法でなくLPE法によって行った。n型GaAs基板2上にMOCVD法によってSiドープn型AlGaAsブロック層7までの各層を形成・ストライプ形成するまでは同じである。さらにLPE法で、Mgドープp型第2クラッド層8’(1.5×1018/cm3、1μm)、Mgドープp型コンタクト層9’(4×1018/cm3、1μm)を形成する。
【0026】
実施例1と同様に、n型クラッド層およびp型第1クラッド層のキャリア濃度を変更した実験を行い、ほぼ同じ結果が得られ、第2の成長がMOCVD法かLPE法かによる最適値の変動は僅かであることが分かった。
【0027】
<実施例3>
実施例3のMOCVD法によって作製されたAlGaAs系半導体レーザの断面図を図5に示す。これはリッジ型と呼ばれる構造で、n型GaAs基板51(キャリア濃度2×1018/cm3)上に、MOCVD法によってSiドープn型GaAsバッファ層52(1×1018/cm3、厚さ0.5μm設定)、Siドープn型Al0.5Ga0.5Asクラッド層53(4×1017/cm3、厚さ1μm設定)、アンドープAl0.14Ga0.86As活性層54(厚み0.04μm)、Znドープp型Al0.5Ga0.5As第1クラッド層55(3×1017/cm3、厚さ0.3μm設定)、Znドープp型GaAsエッチングストップ層56(1×1018/cm3、厚さ0.003μm設定)、Znドープp型Al0.5Ga0.5As第2クラッド層58(1.5×1018/cm3、厚さ1μm設定)、Znドープp型GaAsキャップ層59(3×1018/cm3、厚さ1μm設定)を形成する。キャップ層59、第2クラッド層58をストライプ状のリッジ部が残るように除去する。次にMOCVD法で、Seドープn型第1AlGaAsブロック層60(1×1018/cm3設定、厚さ0.03μm設定)、Siドープn型第2AlGaAsブロック層65(3×1018/cm3設定)を形成し、キャップ層59の上に形成されたものについては除去する。さらにMOCVD法で、Znドープp型コンタクト層61(3×1018/cm3設定)を形成する。その後下面にはn電極63、上面にはp電極64を形成した後、バー状に分割して、バーの両端の光出射面に反射膜をコーティングし、更にチップに分割する。
【0028】
該レーザの動作電流を測定したところ34mAであり、構造がセルフアライン型、リッジ構造型で特性に大きな差は無かった。
【0029】
【発明の効果】
本発明は、発光部をMOCVD法によって作製したAlGaAs系半導体レーザにおいて、n型ブロック層をp型クラッド層に近い方から順にSeドープ、Siドープの2重クラッド層にすることにより、p型クラッド層のn型反転のなくかつ良好な特性の半導体レーザを歩留まりよく作製することを可能とした。これにより、半導体レーザのコストダウンおよび材料資源の有効活用を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1・2の半導体レーザの構造断面図である。
【図2】実施例1における半導体レーザのストライプ内構造でのSIMSプロファイルである。
【図3】実施例1における半導体レーザのストライプ外構造でのSIMSプロファイルである。
【図4】図3のSIMSプロファイルのn型第1電流ブロック層付近の拡大図である。
【図5】実施例3の半導体レーザの構造断面図である。
【図6】従来の半導体レーザの構造断面図である。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板
2 n型GaAsバッファ層
3 Siドープn型クラッド層
4 活性層
5 p型第1クラッド層
6 Seドープn型第1ブロック層
7 Siドープn型第2ブロック層
8 p型第2クラッド層
9 p型コンタクト層
10 n電極
11 p電極
20 電流通路
51 n型GaAs基板
52 n型GaAsバッファ層
53 Siドープn型クラッド層
54 活性層
55 p型第1クラッド層
56 p型GaAsエッチングストップ層
58 p型第2クラッド層
59 p型GaAsキャップ層
60 Seドープn型第1ブロック層
61 p型コンタクト層
63 n電極
64 p電極
65 Siドープn型第2ブロック層
101 n型GaAs基板
102 n型GaAsバッファ層
103 Siドープn型クラッド層
104 活性層
105 p型第1クラッド層
106 Seドープn型第ブロック層
108 p型第2クラッド層
109 p型コンタクト層
110 n電極
111 p電極
120 電流通路
Claims (4)
- n型基板上に、少なくとも、Siドープn型クラッド層、活性層、第1のZnドープp型クラッド層、及び電流ブロック層をMOCVD法により成長させ、前記電流ブロック層にストライプ状の溝を形成した後、第2のp型クラッド層を再成長させた半導体レーザ素子であって、
前記電流ブロック層はSeドープn型第1電流ブロック層と、Siドープn型第2電流ブロック層とが順に形成されてなることを特徴とするAlGaAs系半導体レーザ素子。 - n型基板上に、少なくとも、Siドープn型クラッド層、活性層、第1のZnドープp型クラッド層、及び第2のZnドープ又はMgドープのp型クラッド層をMOCVD法により成長させ、前記第2のクラッド層にリッジを形成した後、電流ブロック層を再成長させた半導体レーザ素子であって、
前記電流ブロック層は、Seドープn型第1電流ブロック層と、Siドープn型第2電流ブロック層とが順に形成されてなることを特徴とするAlGaAs系半導体レーザ素子。 - 前記第1のp型クラッド層のZn不純物量(設定不純物濃度×第1のp型クラッド層の膜厚)がn型第1電流ブロック層のSe不純物量(設定不純物濃度×n型第電流1ブロック層の膜厚)より大きいかもしくは等しくてなることを特徴とする請求項1、又は請求項2のいずれかに記載のAlGaAs系半導体レーザ素子。
- 前記再成長はMOCVD法又はLPE法のいずれかを用いてなされることを特徴とする請求項1、又は請求項2のいずれかに記載のAlGaAs系半導体レーザ素子。
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