JP3645343B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の高出力化を目的として、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリアブロック層を設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このような構造において、キャリアブロック層は注入キャリアを活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するとともに、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現できる。
【０００３】
図８（ａ）はこうした半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）はキャリアブロック層と活性層が充分に導く導波モードへの影響が無視できる場合の実効屈折率の分布図である。図８に示す構造は、周知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】
図８（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成される。
【０００５】
図８（ｂ）に示すように、各キャリアブロック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成されているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャリア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】
またキャリアブロック層および活性層が十分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効的な屈折率分布は図８（ｃ）に示すように、第１ｎ型クラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成されているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力化が可能となる。
【０００７】
この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多重量子井戸）−ＤＣＨ（Decoupled Confinement Heterostructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum electronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子において高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリアを活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への光の洩れ出しを容易にするため、０．０１〜０．０５μｍ程度に極めて薄く形成する必要がある。禁制帯幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要がある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いられる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に活性層をノンドープに保ちかつ隣接する極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。また亜鉛が活性層まで拡散することにより、発光スペクトルのブロードニングが発生する問題もあった。
【００１０】
また、半導体レーザ素子の効率はフリーキャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きくなる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】
本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込めを確実にすること、次にこれに加えて内部損失をより低く抑えることによって高効率で高出力な半導体レーザ素子を提供することである。
【００１２】
さらに高出力化の障害となる出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、
前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型キャリアブロック層を設け、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は、０．０１〜０．０３μｍの厚みを有し、
ｎ型およびｐ型クラッド層は、それぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層とを含み、
πを円周率、第１クラッド層の屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１ 2 −Ｎ２ 2 ） 0.5
と定義したとき
２π≧Ｖ＞π／３
とし、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、キャリアブロック層に隣接する各々の第１クラッド層よりも高濃度とする変調ドーピングが施され、
ｐ型キャリアブロック層のドーパントを、炭素またはマグネシウムとすることを特徴とする半導体レーザ素子である。
また本発明は、ｎ型キャリアブロック層、およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、
キャリアブロック層へ隣接するクラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下になるよう変調ドーピングを施したことを特徴とする。
ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、次の式で求められる。
【００１４】
【数１】
【００１５】
また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明に従えば、ｐ型キャリアブロック層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いることによって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加することが可能となる。キャリアブロック層を、クラッド層への光の漏れ出しを容易にするために、極めて薄く、０．０１〜０．０３μｍとし、しかも製造プロセス中に発生するドーパントの拡散を事実上無視できる程度に抑えることができる。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほど小さくなる。その結果、ノンドープの活性層に隣接したキャリアブロック層が極薄であっても高いドーピング濃度を形成することができる。
炭素またはマグネシウムをドーピングすることによって、活性層に隣接したキャリアブロック層を導波モードに影響しない程度まで薄く形成することが初めて可能となる。
【００１７】
また、活性層領域をノンドープにして、それに隣接するｎ型、ｐ型各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。また活性層まで拡散した亜鉛により発光スペクトルのブロードニングが生じる問題もあった。
【００１８】
キャリアブロック層を前述のように０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成しても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述のようなステップドーピングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
【００１９】
ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）、亜鉛Ｚｎが３．２×１０-8ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：JournalAppl. Phys.59(4),15(1986)1156)。このように亜鉛に比べて炭素は７桁、マグネシウムは５桁のオーダで拡散性が低い。したがって炭素がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００２０】
図２は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。このグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック層１５の電子に対するポテンシャル障壁を高くすることができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。
【００２１】
また、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピングは、キャリアブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピングよりも高濃度になるような変調ドーピングを施すことによって、キャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われ、しかも光が伝搬するクラッド層のフリーキャリア濃度が低減化できるため内部損失を低く抑えることができる。その際、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリアブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層は３×１０17ｃｍ-3以下の変調ドーピングであれば、キャリアブロック層によるキャリア閉じ込め機能を十分に発揮しながらクラッド層の低濃度化によって光学的な内部損失を低く抑えることができる。なお、各キャリアブロック層への過度なドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化を招くので、ドーピング量の上限は、１×１０19ｃｍ-3が好ましい。また、各クラッド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きくしないため１×１０16ｃｍ-3が好ましい。
【００２３】
したがってｎ型およびｐ型クラッド層を活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という複数層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層にはさまれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド層からなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形成することによって導波モードを理想とするガウス型に近づけることが可能となる。また活性層領域での導波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。またマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００２４】
また、キャリアブロック層およびクラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２５】
また、キャリアブロック層およびクラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ましく、その場合、図２に示すように、炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２６】
（比較例１）
図１（ａ）は比較例１の構成を示す断面図である。
【００２７】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００２８】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。
【００２９】
図１（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【００３０】
注目すべき点は、ｐ型キャリアブロック層１５のドーパントとして炭素を用いている点である。
【００３１】
比較例２はアクセプターがすべて亜鉛をドープしたものであり、その他の点は比較例１と同じ構成である。
【００３２】
図３および図４は、ＭＯＣＶＤで作製した完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子の活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。図３は、比較例１に相当し、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図４は、比較例２に相当し、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図３と図４に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成したサンプルで図３は比較例１のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図４のサンプルは比較例２のサンプルと、ｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なっている。
【００３３】
これらのグラフは、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry)による測定結果を横軸に層厚方向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示したものである。ここで、深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応している。
【００３４】
まず、図３のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３となるようにそれぞれ形成されている。また、Ａｌ組成ｘは禁制帯幅の大きさに対応しており、活性層で禁制帯幅は極小になり、両側のキャリアブロック層で極大になっている。なお、活性層は二重量子井戸であるため複数の凹凸が現れるべきであるが、ＳＩＭＳの分解能によって鈍っている。
【００３５】
図３の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００３６】
図３のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深さＤ１より深い領域でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3となるようにそれぞれ形成されている。
【００３７】
次に、図４のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度ｄｓに関して、図３と同様なグラフが得られ、両者はほぼ一致している。
【００３８】
しかし、図４の亜鉛の元素濃度ｄｚに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝１×１０18ｃｍ-3となるが、深さＤ１に向かって深くなるにつれて徐々に減少し、深さＤ１では濃度ピークが半減している。このように亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃度を高く形成することが難しいことが判る。さらに活性層が亜鉛に汚染されていることも判る。
【００３９】
これに対し、炭素は拡散性の低い元素であるため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であっても、充分高いドーピング濃度を形成することができ、層全体の空乏化を防止できる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグラフが得られる。
【００４０】
なお、比較例１と比較例２とを比較するため、素子の特性温度、内部損失を測定した結果を下記（表１）に示す。両者とも層構成、Ａｌ組成ｘ、ドーピング濃度が同じで、比較例２はｐ型キャリアブロック層１５のドーパントとして亜鉛を用いている点だけが比較例１と異なる。なお、その他の条件として、半導体レーザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しについても同じである。その結果、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１２０Ｋから１４０Ｋに改善されることが確認された。これはドーパントを亜鉛にくらべて拡散がはるかに小さい炭素にすることにより、キャリアブロック層を意図した濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられる。
【００４１】
【表１】
【００４２】
（実施例１）
図５（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図である。
【００４３】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００４４】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。
【００４５】
図５（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の分布図である。注目すべき点は、図５（ｂ）に示すように、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第２ｎ型クラッド層１１および第１ｎ型クラッド層１２のドナー濃度ならびに第１ｐ型クラッド層１６および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3またはそれ以下の低濃度に形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点である。
【００４６】
各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。また、光が漏れだしている領域、すなわち各クラッド層１１、１２、１６、１７のドーピング濃度を低濃度に形成することによって、光のフリーキャリア吸収が減少して、レーザ発振効率が向上する。
【００４７】
実施例１の素子についても同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失を測定した結果を上記（表１）に示す。比較例１と比べて、特性温度は変化しないが、内部損失が１／５になり大幅に改善されていることが判る。
【００４８】
比較例３はアクセプターがすべて亜鉛をドープしたものであり、その他の点は実施例１と同じ構成である。
【００４９】
図６は、実施例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフであり、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図７は、比較例３に相当するサンプルのものであり、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図６と図７に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成したサンプルで図６は実施例１のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図７のサンプルは比較例３のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なっている。
【００５０】
これらのグラフは、図３および図４と同様に、ＳＩＭＳによる測定結果を横軸に層厚方向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示している。深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応している。
【００５１】
まず、図６のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３となるようにそれぞれ形成されている。
【００５２】
図６の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｃ＝３×１０17ｃｍ-3、深さＤ２でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００５３】
図６のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深さＤ２でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域でｄｓ＝３×１０17ｃｍ-3となるようにそれぞれ形成されている。
【００５４】
次に、図７のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度ｄｓに関して、図６と同様なグラフが得られ、両者はほぼ一致している。
【００５５】
しかし、図７の亜鉛の元素濃度ｄｚに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝３×１０17ｃｍ-3となるが、深さＤ１近傍から深くなるにつれて徐々に減少し、深さＤ１では濃度ピークが現れていない。このように亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃度を高く形成することが難しいことが判る。
【００５６】
これに対し、炭素は拡散性の低い元素であるため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であっても、ほぼ理想的な変調ドーピングを実現することができる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグラフが得られる。
【００５７】
実施例１および比較例３の各素子についても同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失および測定した結果を上記（表１）に示す。比較例３のサンプル構成は実施例１のサンプル構成で、アクセプターとして亜鉛をドープした点だけが異なる。実施例１は、比較例３と比べて、特性温度が９０Ｋから１４０Ｋに大幅に改善されていることが判る。
【００５８】
比較例１と実施例１の規格化周波数Ｖはπである。規格化周波数がπ／３より小さくても本発明の目的は達せられるが、規格化周波数がπ／３以上であれば、出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層容易になるので、π／３以上がより好ましい。
【００５９】
なお、実施例１は第１クラッド層と第２クラッド層ともに低濃度にしているが、活性層に近い第１クラッド層だけを低濃度にしてもよい。
【００６０】
以上の説明において、半導体レーザ素子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本発明を適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、ｐ型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによって、キャリアブロック層を、クラッド層への光の漏れ出しを容易にするために、薄く、０．０１〜０．０３μｍとし、しかも充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われる。これは特性温度の向上に寄与する。また量子井戸層にドーパントが拡散することがないため、発光スペクトルのブロードニングを防ぐことができる。
【００６２】
また、光が伝搬するクラッド層のフリーキャリア濃度を低減化できるため、内部損失を低く抑えることができる。
【００６３】
さらに出射端面での光学損傷を抑制でき、より高出力化できる。
【００６４】
こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子において、高効率化および高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【図２】 ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。
【図３】 ｐ型ドーパントとして炭素を用いた比較例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図４】 ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例２に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図５】 図５（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【図６】 ｐ型ドーパントとして炭素を用いた実施例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図７】 ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例３に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図８】 図８（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）は実効屈折率の分布図である。
【符号の説明】
１１ 第２ｎ型クラッド層
１２ 第１ｎ型クラッド層
１３ ｎ型キャリアブロック層
１４ 活性層
１５ ｐ型キャリアブロック層
１６ 第１ｐ型クラッド層
１７ 第２ｐ型クラッド層
１８ 電流狭窄層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ 半導体基板
２１、２２ オーミック電極
【産業上の利用分野】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の高出力化を目的として、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリアブロック層を設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このような構造において、キャリアブロック層は注入キャリアを活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するとともに、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現できる。
【０００３】
図８（ａ）はこうした半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）はキャリアブロック層と活性層が充分に導く導波モードへの影響が無視できる場合の実効屈折率の分布図である。図８に示す構造は、周知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】
図８（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成される。
【０００５】
図８（ｂ）に示すように、各キャリアブロック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成されているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャリア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】
またキャリアブロック層および活性層が十分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効的な屈折率分布は図８（ｃ）に示すように、第１ｎ型クラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成されているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力化が可能となる。
【０００７】
この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多重量子井戸）−ＤＣＨ（Decoupled Confinement Heterostructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum electronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子において高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリアを活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への光の洩れ出しを容易にするため、０．０１〜０．０５μｍ程度に極めて薄く形成する必要がある。禁制帯幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要がある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いられる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に活性層をノンドープに保ちかつ隣接する極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。また亜鉛が活性層まで拡散することにより、発光スペクトルのブロードニングが発生する問題もあった。
【００１０】
また、半導体レーザ素子の効率はフリーキャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きくなる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】
本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込めを確実にすること、次にこれに加えて内部損失をより低く抑えることによって高効率で高出力な半導体レーザ素子を提供することである。
【００１２】
さらに高出力化の障害となる出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、
前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型キャリアブロック層を設け、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は、０．０１〜０．０３μｍの厚みを有し、
ｎ型およびｐ型クラッド層は、それぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層とを含み、
πを円周率、第１クラッド層の屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１ 2 −Ｎ２ 2 ） 0.5
と定義したとき
２π≧Ｖ＞π／３
とし、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、キャリアブロック層に隣接する各々の第１クラッド層よりも高濃度とする変調ドーピングが施され、
ｐ型キャリアブロック層のドーパントを、炭素またはマグネシウムとすることを特徴とする半導体レーザ素子である。
また本発明は、ｎ型キャリアブロック層、およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、
キャリアブロック層へ隣接するクラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下になるよう変調ドーピングを施したことを特徴とする。
ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、次の式で求められる。
【００１４】
【数１】
また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明に従えば、ｐ型キャリアブロック層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いることによって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加することが可能となる。キャリアブロック層を、クラッド層への光の漏れ出しを容易にするために、極めて薄く、０．０１〜０．０３μｍとし、しかも製造プロセス中に発生するドーパントの拡散を事実上無視できる程度に抑えることができる。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほど小さくなる。その結果、ノンドープの活性層に隣接したキャリアブロック層が極薄であっても高いドーピング濃度を形成することができる。
炭素またはマグネシウムをドーピングすることによって、活性層に隣接したキャリアブロック層を導波モードに影響しない程度まで薄く形成することが初めて可能となる。
【００１７】
また、活性層領域をノンドープにして、それに隣接するｎ型、ｐ型各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。また活性層まで拡散した亜鉛により発光スペクトルのブロードニングが生じる問題もあった。
【００１８】
キャリアブロック層を前述のように０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成しても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述のようなステップドーピングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
【００１９】
ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）、亜鉛Ｚｎが３．２×１０-8ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：JournalAppl. Phys.59(4),15(1986)1156)。このように亜鉛に比べて炭素は７桁、マグネシウムは５桁のオーダで拡散性が低い。したがって炭素がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００２０】
図２は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。このグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック層１５の電子に対するポテンシャル障壁を高くすることができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。
【００２１】
また、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピングは、キャリアブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピングよりも高濃度になるような変調ドーピングを施すことによって、キャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われ、しかも光が伝搬するクラッド層のフリーキャリア濃度が低減化できるため内部損失を低く抑えることができる。その際、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリアブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層は３×１０17ｃｍ-3以下の変調ドーピングであれば、キャリアブロック層によるキャリア閉じ込め機能を十分に発揮しながらクラッド層の低濃度化によって光学的な内部損失を低く抑えることができる。なお、各キャリアブロック層への過度なドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化を招くので、ドーピング量の上限は、１×１０19ｃｍ-3が好ましい。また、各クラッド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きくしないため１×１０16ｃｍ-3が好ましい。
【００２３】
したがってｎ型およびｐ型クラッド層を活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という複数層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層にはさまれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド層からなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形成することによって導波モードを理想とするガウス型に近づけることが可能となる。また活性層領域での導波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。またマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００２４】
また、キャリアブロック層およびクラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２５】
また、キャリアブロック層およびクラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ましく、その場合、図２に示すように、炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２６】
（比較例１）
図１（ａ）は比較例１の構成を示す断面図である。
【００２７】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００２８】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。
【００２９】
図１（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【００３０】
注目すべき点は、ｐ型キャリアブロック層１５のドーパントとして炭素を用いている点である。
【００３１】
比較例２はアクセプターがすべて亜鉛をドープしたものであり、その他の点は比較例１と同じ構成である。
【００３２】
図３および図４は、ＭＯＣＶＤで作製した完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子の活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。図３は、比較例１に相当し、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図４は、比較例２に相当し、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図３と図４に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成したサンプルで図３は比較例１のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図４のサンプルは比較例２のサンプルと、ｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なっている。
【００３３】
これらのグラフは、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry)による測定結果を横軸に層厚方向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示したものである。ここで、深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応している。
【００３４】
まず、図３のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３となるようにそれぞれ形成されている。また、Ａｌ組成ｘは禁制帯幅の大きさに対応しており、活性層で禁制帯幅は極小になり、両側のキャリアブロック層で極大になっている。なお、活性層は二重量子井戸であるため複数の凹凸が現れるべきであるが、ＳＩＭＳの分解能によって鈍っている。
【００３５】
図３の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００３６】
図３のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深さＤ１より深い領域でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3となるようにそれぞれ形成されている。
【００３７】
次に、図４のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度ｄｓに関して、図３と同様なグラフが得られ、両者はほぼ一致している。
【００３８】
しかし、図４の亜鉛の元素濃度ｄｚに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝１×１０18ｃｍ-3となるが、深さＤ１に向かって深くなるにつれて徐々に減少し、深さＤ１では濃度ピークが半減している。このように亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃度を高く形成することが難しいことが判る。さらに活性層が亜鉛に汚染されていることも判る。
【００３９】
これに対し、炭素は拡散性の低い元素であるため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であっても、充分高いドーピング濃度を形成することができ、層全体の空乏化を防止できる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグラフが得られる。
【００４０】
なお、比較例１と比較例２とを比較するため、素子の特性温度、内部損失を測定した結果を下記（表１）に示す。両者とも層構成、Ａｌ組成ｘ、ドーピング濃度が同じで、比較例２はｐ型キャリアブロック層１５のドーパントとして亜鉛を用いている点だけが比較例１と異なる。なお、その他の条件として、半導体レーザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しについても同じである。その結果、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１２０Ｋから１４０Ｋに改善されることが確認された。これはドーパントを亜鉛にくらべて拡散がはるかに小さい炭素にすることにより、キャリアブロック層を意図した濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられる。
【００４１】
【表１】
（実施例１）
図５（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図である。
【００４３】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００４４】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。
【００４５】
図５（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の分布図である。注目すべき点は、図５（ｂ）に示すように、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第２ｎ型クラッド層１１および第１ｎ型クラッド層１２のドナー濃度ならびに第１ｐ型クラッド層１６および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3またはそれ以下の低濃度に形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点である。
【００４６】
各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。また、光が漏れだしている領域、すなわち各クラッド層１１、１２、１６、１７のドーピング濃度を低濃度に形成することによって、光のフリーキャリア吸収が減少して、レーザ発振効率が向上する。
【００４７】
実施例１の素子についても同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失を測定した結果を上記（表１）に示す。比較例１と比べて、特性温度は変化しないが、内部損失が１／５になり大幅に改善されていることが判る。
【００４８】
比較例３はアクセプターがすべて亜鉛をドープしたものであり、その他の点は実施例１と同じ構成である。
【００４９】
図６は、実施例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフであり、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図７は、比較例３に相当するサンプルのものであり、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図６と図７に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成したサンプルで図６は実施例１のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図７のサンプルは比較例３のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なっている。
【００５０】
これらのグラフは、図３および図４と同様に、ＳＩＭＳによる測定結果を横軸に層厚方向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示している。深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応している。
【００５１】
まず、図６のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３となるようにそれぞれ形成されている。
【００５２】
図６の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｃ＝３×１０17ｃｍ-3、深さＤ２でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００５３】
図６のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深さＤ２でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域でｄｓ＝３×１０17ｃｍ-3となるようにそれぞれ形成されている。
【００５４】
次に、図７のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度ｄｓに関して、図６と同様なグラフが得られ、両者はほぼ一致している。
【００５５】
しかし、図７の亜鉛の元素濃度ｄｚに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝３×１０17ｃｍ-3となるが、深さＤ１近傍から深くなるにつれて徐々に減少し、深さＤ１では濃度ピークが現れていない。このように亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃度を高く形成することが難しいことが判る。
【００５６】
これに対し、炭素は拡散性の低い元素であるため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であっても、ほぼ理想的な変調ドーピングを実現することができる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグラフが得られる。
【００５７】
実施例１および比較例３の各素子についても同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失および測定した結果を上記（表１）に示す。比較例３のサンプル構成は実施例１のサンプル構成で、アクセプターとして亜鉛をドープした点だけが異なる。実施例１は、比較例３と比べて、特性温度が９０Ｋから１４０Ｋに大幅に改善されていることが判る。
【００５８】
比較例１と実施例１の規格化周波数Ｖはπである。規格化周波数がπ／３より小さくても本発明の目的は達せられるが、規格化周波数がπ／３以上であれば、出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層容易になるので、π／３以上がより好ましい。
【００５９】
なお、実施例１は第１クラッド層と第２クラッド層ともに低濃度にしているが、活性層に近い第１クラッド層だけを低濃度にしてもよい。
【００６０】
以上の説明において、半導体レーザ素子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本発明を適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、ｐ型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによって、キャリアブロック層を、クラッド層への光の漏れ出しを容易にするために、薄く、０．０１〜０．０３μｍとし、しかも充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われる。これは特性温度の向上に寄与する。また量子井戸層にドーパントが拡散することがないため、発光スペクトルのブロードニングを防ぐことができる。
【００６２】
また、光が伝搬するクラッド層のフリーキャリア濃度を低減化できるため、内部損失を低く抑えることができる。
【００６３】
さらに出射端面での光学損傷を抑制でき、より高出力化できる。
【００６４】
こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子において、高効率化および高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【図２】 ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。
【図３】 ｐ型ドーパントとして炭素を用いた比較例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図４】 ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例２に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図５】 図５（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【図６】 ｐ型ドーパントとして炭素を用いた実施例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図７】 ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例３に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図８】 図８（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）は実効屈折率の分布図である。
【符号の説明】
１１ 第２ｎ型クラッド層
１２ 第１ｎ型クラッド層
１３ ｎ型キャリアブロック層
１４ 活性層
１５ ｐ型キャリアブロック層
１６ 第１ｐ型クラッド層
１７ 第２ｐ型クラッド層
１８ 電流狭窄層
１９ ｐ型コンタクト層
２０ 半導体基板
２１、２２ オーミック電極
Claims (4)
- 活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、
前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型キャリアブロック層を設け、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は、０．０１〜０．０３μｍの厚みを有し、
ｎ型およびｐ型クラッド層は、それぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層とを含み、
πを円周率、第１クラッド層の屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１ 2 −Ｎ２ 2 ） 0.5
と定義したとき
２π≧Ｖ＞π／３
とし、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、キャリアブロック層に隣接する各々の第１クラッド層よりも高濃度とする変調ドーピングが施され、
ｐ型キャリアブロック層のドーパントを、炭素またはマグネシウムとすることを特徴とする半導体レーザ素子。 - ｎ型キャリアブロック層、およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、
キャリアブロック層へ隣接するクラッド層のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下になるよう変調ドーピングを施したことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。 - キャリアブロック層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
- キャリアブロック層およびクラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の半導体レーザ素子。
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