JP3634564B2 - ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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
【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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