JP2001077466A

JP2001077466A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2001077466A
Application number: JP24955099A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhiro Tanabe; 哲弘田辺; Hideaki Maruta; 秀昭丸田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】ｐ形化合物半導体基板を用いると共に、拡散
長の短いｐ形層内に電流狭窄領域を設けながら、ＭＯＣ
ＶＤ法やＭＢＥ法などにより精密な半導体層を積層する
ことができると共に、安定した特性の半導体レーザを提
供する。【解決手段】ｐ形化合物半導体基板１上またはｐ形半
導体層２上にストライプ状のコンタクト層３が設けら
れ、ストライプ状のコンタクト層３上にｐ形クラッド層
４が接するように発光層形成部１２が設けられている。
そして、ｐ形クラッド層４とそのｐ形クラッド層４と接
するｐ形半導体層２とが、それぞれ動作電圧に対してヘ
テロバリア狭窄（ＨＢＢ）構造を形成するバンドギャッ
プを有する材料からなっており、ストライプ状のコンタ
クト層３がその中間のバンドギャップを有する材料から
なると共に、薄く形成されている。さらに、電流狭窄構
造とは独立してストライプ状の凹溝が形成された光閉じ
込め層が設けられてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパーソナルコンピュ
ータの外部読取装置（ＣＤＲＯＭやＤＶＤＲＯＭ）、レ
ーザビームプリンタ（ＬＢＰ）などに用いられる赤外か
ら可視光赤色の波長域で発振する半導体レーザに関す
る。さらに詳しくは、ｐ形基板を用いてｐ形層内で電流
狭窄をしながら、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）
法やＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などにより活性層
などの半導体層を比較的平坦な積層構造でエピタキシャ
ル成長することができると共に、光閉じ込め効果ももた
せて安定なモード制御で光出力の安定した構造の半導体
レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえばレーザビームプリンタで用いら
れるツインビームの半導体レーザの場合、プリンタの設
計構造上、コモン電極となる基板がｐ形であることが好
ましいなど、用途に応じてｐ形基板を用いた半導体レー
ザが要求される。このようなｐ形基板を用いた半導体レ
ーザの構造としては、図６に示されるような構造が考え
られる。すなわち、図６において、ｐ形化合物半導体基
板４１上にｐ形クラッド層４２、活性層４３、ｎ形第１
クラッド層４４ａ、ストライプ溝４５ａが形成されたｐ
形電流狭窄層４５、ｎ形第２クラッド層４４ｂが順次積
層されて半導体基板４１の裏面および積層された半導体
層の表面にそれぞれｐ側電極４６、ｎ側電極４７が設け
られることにより、レーザチップが形成されている。

【０００３】この構造のように、ｎ形層内に電流狭窄層
４５が設けられると、ｎ形層はｐ形層よりキャリアの拡
散長が大きい、すなわち抵抗率が小さいため、電流の広
がりが大きく、図６に点線で誇張して示されるように、
電流注入領域が広がって、活性層の所望の範囲に電流を
注入させることができないという問題がある。そのた
め、ｐ形層内に電流狭窄層を形成するため、たとえば特
開昭６０−１７６２８７号公報に開示され、図７に示さ
れるようにな構造が実用化されている。

【０００４】図７に示される構造は、ｐ形半導体基板３
１上にｎ形電流狭窄層３２が設けられ、その電流狭窄層
３２にｐ形半導体基板３１に達するストライプ溝３２ａ
が０.３〜０.５μｍ程度の深さに形成され、その表面に
ｐ形クラッド層３３、活性層３４、ｎ形クラッド層３
５、ｎ形コンタクト層３６が順次液相エピタキシャル成
長法により成長され、半導体基板３１の裏面および積層
された半導体層の表面にそれぞれｐ側電極３７およびｎ
側電極３８が設けられることにより形成されている。こ
の構造にすることにより、ｐ形層内に電流狭窄層が設け
られているため、活性層に至るまでは電流狭窄層により
制限された幅からそれほど広がらないで電流注入領域が
画定され、活性層を通過した後には、ｎ形層内で電流は
拡散するが、発光に寄与する活性層内では所望の範囲に
画定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、ｐ形半
導体基板を用いた半導体レーザでは、活性層より下層に
電流狭窄をする層を形成する必要があるが、活性層より
下層に電流狭窄層が形成されると、その凹凸により活性
層に悪影響を及ぼす。この凹凸を平坦化するためには、
前述のように、液相成長法により半導体層を成長しなけ
ればならない。しかし、液相成長法では、たとえば活性
層の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造のように組成が微妙に
変化する薄い層の積層構造を形成するのには適しない。
その一方で、近年の半導体レーザへの高特性化の要求な
どから、ＭＱＷ構造など精細な多層の積層構造が不可欠
な状況になっている。一方、膜厚や組成などの制御を行
いやすいＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法では、０.３〜０.５μ
ｍ程度ある段差を平坦化することはできず、ｐ形化合物
半導体基板を用いながら高特性の半導体レーザを得るの
が困難であるという問題がある。

【０００６】また、前述のようなｐ形化合物半導体基板
としては、良好な結晶性を得るためＺｎ拡散のＧａＡｓ
などの化合物半導体基板が用いられるが、Ｚｎは拡散係
数が大きく、その上に半導体層を成長する際に成長する
半導体層に拡散しやすく、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体
などをクラッド層として使用する場合とくにＺｎが拡散
しやすく、積層する半導体層が薄くなると、活性層にま
で基板の不純物が拡散する危険性がある（新たに成長す
るｐ形半導体層は拡散係数の小さいＢｅなどが用いられ
るため、その影響は小さい）。活性層にＺｎが拡散する
と発光準位が変化し、発光特性が低下するという問題が
ある。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、基板として、ｐ形化合物半導体基板
を用いると共に、キャリアの拡散長が短いｐ形層内に電
流狭窄領域を設けながら、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法など
により精密な半導体層を積層することができる半導体レ
ーザを提供することを目的とする。

【０００８】本発明の他の目的は、ｐ形半導体基板を用
いて、その上に積層される半導体層がＭＯＣＶＤ法やＭ
ＢＥ法などにより薄い半導体層を成長することができ、
かつ基板の不純物が活性層に拡散しないような半導体レ
ーザを提供することにある。

【０００９】本発明のさらに他の目的は、前述の目的を
達成するため、薄いストライプ状のコンタクト層により
ヘテロバリアブロッキング構造（ＨＢＢ）を形成し、水
平横モードの制御が利得導波型に属する場合でも、自由
キャリアプラズマ効果などの反導波作用が働いてモード
制御が不安定になり、レーザ出力が注入電流の増加に伴
って突然低下する現象（キンク）が生じることのない、
安定した特性の半導体レーザを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
半導体レーザは、ｐ形化合物半導体基板と、該半導体基
板上に直接またはｐ形半導体層を介して設けられるスト
ライプ状のコンタクト層と、該ストライプ状のコンタク
ト層上にｐ形クラッド層が接するように設けられる、該
ｐ形クラッド層およびｎ形クラッド層により活性層が挟
持される発光層形成部とを有し、前記ｐ形クラッド層
と、該ｐ形クラッド層と接する前記半導体基板またはｐ
形半導体層とが、それぞれ動作電圧に対してヘテロバリ
アブロッキング（ＨＢＢ）構造を形成するバンドギャッ
プを有する材料からなり、前記ストライプ状のコンタク
ト層が前記ｐ形クラッド層のバンドギャップと該ｐ形ク
ラッド層と接する前記半導体基板またはｐ形半導体層の
バンドギャップとの間のバンドギャップを有する材料か
らなると共に、該ストライプ状のコンタクト層の厚さ
が、気相成長により前記発光層形成部が成長される場合
に該ストライプ状のコンタクト層の段差が前記活性層の
膜質に影響を及ぼさない程度に形成されている。

【００１１】ここにヘテロバリアブロッキング構造と
は、ｐ形クラッド層およびそのｐ形クラッド層と接する
ｐ形半導体層のバンドギャップの差が大きく、通常の動
作電圧では電流が流れにくくなるようなバンドギャップ
差を有する異種の半導体層の接合構造を意味する。この
電流が流れにくくなるバンドギャップ差には、コンタク
ト層のように電流が流れやすくなる部分が部分的に設け
られることにより、コンタクト層と比べて相対的に流れ
にくくなる場合を含み、そのバンドギャップ差のみで動
作電圧以上の差が必要というわけではない。なお、通常
の動作電圧とは、発光波長により定まる活性層のバンド
ギャップと電流狭窄などによる電圧降下分を考慮した電
圧を意味する。また、ストライプ状のコンタクト層の段
差が前記活性層の膜質に影響を及ぼさない程度に形成さ
れるとは、コンタクト層の厚さが、たとえば０.３μｍ
以下、さらに好ましくは０.０１〜０.１μｍ程度と非常
に薄く、ＭＯＣＶＤ法などの気相成長によっても活性層
の結晶構造が害されない程度の厚さに形成されることを
意味する。

【００１２】この構造にすることにより、ストライプ状
のコンタクト層が設けられていなくて、直接ｐ形クラッ
ド層と半導体基板またはその上に設けられるｐ形半導体
層との接する部分は、バンドギャップの差が大きく電流
がブロックされる。一方、ストライプ状のコンタクト層
が設けられる部分は、そのバンドギャップがｐ形クラッ
ド層と半導体基板またはその上に設けられるｐ形半導体
層との間のバンドギャップであるため、ヘテロ接合のバ
ンドギャップの差が小さくなり、通常の動作電圧で電流
が流れ、ストライプ状のコンタクト層の部分のみに電流
が狭窄されて流れる。しかも、このコンタクト層は、そ
の厚さが気相成長により発光層形成部が成長される場合
にその段差により活性層の膜質に影響を及ぼさない程度
に形成されているため、ＭＯＣＶＤ法などにより精密な
半導体層を積層することができ、発光特性には、あまり
影響が生じない。

【００１３】前記半導体基板と前記ｐ形クラッド層との
間に、前記基板の不純物が拡散し得る厚さより厚くなる
ように形成され、前記基板の不純物の拡散を防止するｐ
形緩衝層が設けられていることが、クラッド層などの厚
さが薄くなっても基板の不純物が活性層側に拡散するの
を防止することができるため好ましい。

【００１４】ここに基板の不純物が拡散し得る厚さより
厚いとは、緩衝層などの半導体層を成長する際の温度に
よりその拡散厚さが異なるが、緩衝層を成長する際にそ
の上面まで基板の不純物が拡散しないような厚さを意味
する。たとえばＺｎをｐ形不純物とするＧａＡｓ基板上
にＢｅをドープしたＧａＡｓを成長する場合、６７０℃
で成長すると、Ｚｎは０.３μｍ程度拡散し、７００℃
程度で成長すると０.８μｍ程度拡散するため、それら
より厚くなるように成長することを意味する。なお、一
旦Ｚｎなどの基板の不純物が拡散しない半導体層が成長
されることにより、その後にその上にクラッド層などの
半導体層を成長する際には、基板の不純物の拡散は相当
抑制され、拡散の問題はあまり生じない。

【００１５】前記発光層形成部の前記ｎ形クラッド層側
にストライプ状の凹溝が形成された光閉じ込め層が設け
られることにより、活性層より上層のｎ形層内に設けら
れる光閉じ込め層により水平横モードの制御も充分に行
うことができ、活性層への段差の影響を受けることなく
高特性の半導体レーザが得られる。

【００１６】本発明の請求項４記載の半導体レーザは、
活性層を該活性層よりバンドギャップの大きい材料から
なるｎ形およびｐ形のクラッド層によりサンドイッチす
るダブルへテロ構造の発光層形成部を有する半導体レー
ザであって、前記ｐ形クラッド層側に電流狭窄構造が形
成され、該電流狭窄構造とは独立してストライプ状の凹
溝が形成された光閉じ込め層が設けられている。

【００１７】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体レーザについて説明をする。本発明の半導体
レーザは、一実施形態のチップの断面構造が図１に示さ
れるように、ｐ形化合物半導体基板１上またはその半導
体基板１上に設けられるｐ形半導体層２上にストライプ
状のコンタクト層３が設けられている。そして、ストラ
イプ状のコンタクト層３上にｐ形クラッド層４が接する
ように設けられると共に、ｐ形クラッド層６およびｎ形
クラッド層８により、クラッド層よりバンドギャップの
小さい活性層７が挟持されるダブルヘテロ構造の発光層
形成部１２が形成されている。このｐ形クラッド層４と
そのｐ形クラッド層４が接するｐ形半導体層２とは、そ
れぞれ動作電圧に対してヘテロバリア狭窄（ＨＢＢ）構
造を形成するバンドギャップを有する材料からなってい
る。

【００１８】そして、ストライプ状のコンタクト層３
は、ｐ形クラッド層４のバンドギャップとｐ形半導体層
２のバンドギャップとの間のバンドギャップを有する材
料からなっていると共に、ストライプ状のコンタクト層
３の厚さが、気相成長により発光層形成部１２が成長さ
れる場合にストライプ状のコンタクト層３の段差が活性
層７の膜質に影響を及ぼさない程度に形成されているこ
とに特徴がある。

【００１９】図１に示される例では、ｐ形クラッド層が
第１クラッド層４と第２クラッド層６の２層構造からな
っていると共に、ＧａＡｓからなるｐ形半導体基板１上
にｐ形半導体層として緩衝層２が設けられている。そし
て、その緩衝層２とｐ形第１クラッド層４との間でヘテ
ロバリア狭窄（ＨＢＢ）構造が形成されるようにｐ形第
１クラッド層４と緩衝層２との材料が選定されている。
ＨＢＢ構造が形成されるとは、電流狭窄効果が得られる
程度にバンドギャップ差が大きいことを意味し、たとえ
ば５Ｖ程度の耐圧（バンドギャップ差で０.７ｅＶ程
度）が得られれば問題ないが、それより低くてもストラ
イプ状のコンタクト層３が設けられている部分と比較し
て電流が流れにくくリークの少ない状態になっておれば
よい。

【００２０】具体例としては、たとえば緩衝層２がＧａ
Ａｓ（バンドギャップは１.５ｅＶ）、ｐ形第１クラッ
ド層４がＩｎ_0.49（Ｇａ_1-zＡｌ_z）_0.51Ｐ（０≦ｚ≦
１、たとえばｚ＝０.７でバンドギャップは２.４ｅＶ）
によりそれぞれ形成されると、ヘテロバリアの耐圧は１
０Ｖ程度となり、動作電圧は数Ｖ程度（発光波長により
異なる）であるため、ｐ形第１クラッド層４と緩衝層２
との接触部には殆ど電流が流れない。

【００２１】また、ストライプ状のコンタクト層３は、
たとえばＩｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ（バンドギャップは１.９
ｅＶ、以下単にＩｎＧａＰともいう）からなっており、
緩衝層２とストライプ状のコンタクト層３の間はバンド
ギャップの差（ヘテロバリア）が小さくなり、また、コ
ンタクト層３とｐ形第１クラッド層４との間もヘテロバ
リアが小さくなり、このストライプ状のコンタクト層３
の部分のみに電流が狭窄される。

【００２２】前述のストライプ状のコンタクト層３およ
びｐ形クラッド層４は、半導体基板１上に直接設けられ
てもよいが、図１に示される例では、前述のように緩衝
層２を介して設けられている。この緩衝層２は、半導体
基板１の不純物が活性層７側に拡散するのを防止するた
めのもので、このような緩衝層２の他に、活性層７で発
光する光を吸収しないようにバンドギャップの大きい半
導体層を設けるなど、他の所望の半導体層を介在させる
ことができる。

【００２３】緩衝層２は、Ｂｅが、たとえば２×１０¹⁸
ｃｍ^-3程度の不純物濃度になるようにドーピングされた
ＧａＡｓ層が１μｍ程度の厚さ設けられることにより形
成されている。この緩衝層２は、ｐ形半導体基板１のＺ
ｎ不純物の拡散長が大きく、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導
体層に達すると一層拡散しやすくなって、活性層７まで
拡散しやすい。活性層７に不純物が拡散すると、非発光
再結合中心が形成されて発光効率が低下するため、その
拡散を防止すべく緩衝層２が設けられている。

【００２４】すなわち、この緩衝層２の上にストライプ
状コンタクト層３やクラッド層４など他の半導体層が成
長されるが、一旦Ｚｎの拡散していない層が成長されれ
ば、その後の温度上昇によってはそのＺｎの拡散してい
ない層への拡散は非常に遅くなることを本発明者らは見
出した。そのため、この緩衝層２を成長する際に半導体
基板１のｐ形不純物Ｚｎが表面まで拡散しないような厚
さに形成されればその後のＺｎの拡散を防止することが
できる。なお、この緩衝層２を成長する際のＺｎの拡散
する距離は、緩衝層２の成長温度により異なり、たとえ
ば６７０℃で成長すると０.３μｍ程度拡散し、７００
℃で成長すると、０.８μｍ程度拡散する。したがっ
て、できるだけ低い温度で成長することが望ましく、た
とえば６５０℃で１μｍ程度の厚さに成長すれば、充分
にＺｎの拡散しない層を確保することができる。

【００２５】ストライプ状のコンタクト層３は、たとえ
ばＢｅドープで２×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の不純物濃度にな
るように、ＩｎＧａＰにより０.０３μｍ程度の厚さに
形成されている。この程度の厚さがあれば、バンドギャ
ップの中間層を構成することができ、厚くしすぎるとス
トライプ状のコンタクト層３のある部分とない部分とで
段差が生じて、ＭＯＣＶＤ法などにより薄い半導体層が
積層される場合には、その段差を吸収することができ
ず、活性層７が結晶性よく成長せず、内部量子効率が低
下する。そのため、０.３μｍ以下、好ましくは０.０１
〜０.１μｍ程度、さらに好ましくは０.０１〜０.０３
μｍ程度に形成される。この厚さは、従来の０.５μｍ
程度の段差と比べて遥かに小さくすることができる。こ
のコンタクト層３は、全面にエピタキシャル成長した
後、ホトレジスト膜をパターニングしてマスクを形成
し、ＩｎＧａＰ層をエッチングすることによりストライ
プ状に形成されている。

【００２６】発光層形成部１２は、活性層７が、活性層
よりバンドギャップの大きい材料からなるｐ形第１およ
び第２クラッド層４、６とｎ形クラッド層８とによりサ
ンドイッチされるダブルヘテロ構造からなっている。図
１に示される例では、ｐ形クラッド層が第１クラッド層
４および第２クラッド層６からなり、その間に第２のコ
ンタクト層５が介在されている。これは、赤色（７８０
ｎｍ帯）の発光をする発光層形成部のクラッド層に最適
な、たとえばＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０.４≦ｘ≦０.７、た
とえばｘ＝０.６で、バンドギャップは２.０３ｅＶ）と
ＨＢＢ構造を得るための第１クラッド層４のＩｎ
_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.51Ｐとの間でバンドギャップ
の差が大きく電圧降下が生じやすいため、その中間のバ
ンドギャップを有する第２のコンタクト層５が介在され
ている。しかし、第２のコンタクト層５を挟持するｐ形
クラッド層４、６間のバンドギャップの差が小さけれ
ば、ｐ形クラッド層４、６の間で形成されるヘテロバリ
アが小さくなり、第２のコンタクト層５を設ける必要は
ない。

【００２７】第１クラッド層４は、前述のように緩衝層
２との間でへテロバリアブロッキング構造を形成するよ
うに、緩衝層２の材料よりバンドギャップの大きい材
料、たとえばＩｎ_0.49（Ｇａ_1-zＡｌ_z）_0.51Ｐ（０≦ｚ
≦１、たとえばｚ＝０.７）にｐ形ドーパントとしてＢ
ｅが、５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物濃度になるように
ドーピングされ、０.５μｍ程度の厚さに形成される。
また、第２クラッド層６は、発光波長で定まる活性層に
キャリアを有効に閉じ込められるバンドギャップを有す
る材料、たとえばＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０.４≦ｘ≦０.
７、たとえばｘ＝０.６）にｐ形ドーパントとしてＢｅ
が、５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物濃度になるようにド
ーピングされ、１μｍ程度の厚さに形成される。なお、
活性層７より上に形成されるｎ形クラッド層８もｐ形第
２クラッド層６と同じ組成で、４×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の
不純物濃度になるようにＳｉがドープされ、１.５μｍ
程度の厚さに形成される。

【００２８】第２のコンタクト層５は、第１および第２
のクラッド層４、６の中間のバンドギャップを有する材
料、たとえば前述のストライプ状のコンタクト層３と同
様に、Ｂｅが２×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の不純物濃度になる
ようにドーピングされたＩｎＧａＰが、０.０３μｍ程
度の厚さ成長されることにより形成されている。なお、
この第２のコンタクト層５は、ストライプ状にパターニ
ングをする必要はなく、全面に設けられていてもよい。

【００２９】活性層７は、たとえば図１（ｂ）に活性層
部の拡大図が示されるように、２５ｎｍ程度の厚さでＡ
ｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓガイド層７ｃ、７ｄが両端側に設けら
れ、その間に、６ｎｍ程度のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓウェル
層７ａと、５ｎｍ程度のＡｌ _0.3Ｇａ_0.7Ａｓバリア層７
ｂが交互にウェル層が３層程度形成されるように積層さ
れている。この活性層７は、非発光再結合中心を避ける
ため、ノンドープであることが好ましい。なお、ガイド
層７ｃ、７ｄは、それぞれが接するクラッド層６、８と
同じ導電形になっていても構わない。

【００３０】ｎ形クラッド層８上には、Ｓｉがドーピン
グされ、不純物濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のＧａＡｓ
からなるコンタクト層９が１μｍ程度の厚さに形成され
ている。そして、その表面にＡｕ-Ｇｅ／ＮｉおよびＴ
ｉ-Ａｕからなるｎ側電極１１が、ｐ形半導体基板１の
裏面にＴｉ-Ａｕからなるｐ側電極１０がそれぞれ設け
られている。

【００３１】この半導体レーザを製造するには、たとえ
ばＺｎがドープされたｐ形ＧａＡｓ基板１上に、基板温
度を６５０℃程度にして、ＭＯＣＶＤ法により、Ｂｅド
ープのｐ形ＧａＡｓからなる緩衝層２を１μｍ程度成長
し、ストライプ状のコンタクト層３を形成するためのｐ
形ＩｎＧａＰ層を０.０３μｍ程度成長する。その後、
図示しないＧａＡｓからなるキャップ層をノンドープで
０.０５μｍ程度成長し、ＭＯＣＶＤ装置から半導体ウ
ェハを取り出す。そして、キャップ層を硫酸系エッチャ
ントにより除去し、ホトレジストプロセスにより２μｍ
程度の幅でストライプ状のレジストパターンを形成す
る。ＧａＡｓからなるキャップ層は、リン（Ｐ）を含む
層で成長を終了させると、ホスフィン（ＰＨ₃）を供給
しつづけても温度を下げる過程でＰが抜けてしまうた
め、これを防止するため設けられている。そして、この
レジストパターンをマスクとして、塩酸系エッチャント
によりｐ形ＩｎＧａＰ層の一部をエッチングし、ストラ
イプ状にＩｎＧａＰ層を残存させて、ストライプ状のコ
ンタクト層３とする。

【００３２】その後、レジスト膜を除去し、再度ＭＯＣ
ＶＤ装置などの結晶成長装置に入れ、ＢｅドープのＩｎ
（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）Ｐからなるｐ形第１クラッド層４、
ＢｅドープのＩｎＧａＰからなる第２のコンタクト層
５、Ｂｅドープのｐ形Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4 Ａｓからなるｐ
形クラッド層６を１μｍ程度成長する。さらに、Ｂｅド
ープのＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓからなるｐ形光ガイド層７
ｃを２５ｎｍ程度、ノンドープで６ｎｍ程度のＡｌ_0.1
Ｇａ_0.9 Ａｓウエル層７ａと５ｎｍ程度のＡｌ_0. ₃ Ｇａ
_0.7 Ａｓバリア層７ｂとをそれぞれ交互に積層し、さら
にＳｉドープのＡｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓからなるｎ形ガイ
ド層７ｄよりなる多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層
７、Ｓｉドープのｎ形クラッド層８を１.５μｍ程度、
ＳｉドープのＧａＡｓからなるｎ形コンタクト層９を１
μｍ程度、それぞれ順次エピタキシャル成長する。

【００３３】なお、成長に使用するガスとしては、たと
えばＧａとして、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｓ
としてアルシン（ＡｓＨ₃）、Ｉｎとしてトリメチルイ
ンジウム（ＴＭＩｎ）、Ａｌとしてトリメチルアルミニ
ウム（ＴＭＡ）、Ｂｅとしてビスメチルシクロジエニル
ベリリウム（（ＭｅＣｐ）₂Ｂｅ）、Ｓｉとしてシラン
（ＳｉＨ₄）などを使用することができ、成長する組成
に応じてこれらのガスを導入すればよい。そして、Ｇａ
Ａｓ基板１の裏面を研削およびポリッシュして７０μｍ
程度の厚さにし、積層した半導体層の表面側にＡｕ-Ｇ
ｅ／Ｎｉを真空蒸着により成膜し、３００〜４００℃程
度でシンターした後、Ｔｉ／Ａｕの積層膜を設けてｎ側
電極１１を、さらにＧａＡｓ基板１の裏面にＴｉ／Ａｕ
の積層膜からなるｐ側電極１０をそれぞれ形成し、たと
えば共振器長が２５０μｍ程度になるように劈開により
チップ化することにより図１（ａ）に示される構造のＬ
Ｄチップが得られる。

【００３４】前述の例は、ＭＯＣＶＤ法による例であっ
たが、この例に限らず、ＭＢＥ法によっても、同様に電
流狭窄部の段差の影響を受けることなく、各半導体層を
成長することができる。この場合、必要な元素のソース
源を有するＭＢＥ装置で必要な元素のソース源のみのシ
ャッターを開けることにより、同様に所望の元素の化合
物を成長することができる。

【００３５】本発明によれば、ｐ形半導体基板を用いな
がら、ＨＢＢ構造により電流狭窄を行っているため、そ
の段差を非常に小さくすることができ、ｐ形層内で電流
狭窄を行うことができる。その結果、図２に電流の広が
り状態が破線で示されるように、ｐ形層内での電流拡散
が小さく、活性層の所望の範囲（発光領域）のみに電流
を効率よく注入することができる。ｎ形層では、図２に
示されるように、キャリアの拡散長が大きいことによ
り、電流領域が非常に広がるが、発光に寄与する活性層
での電流注入領域が発光領域を支配するため、ｎ形層で
の電流の広がりは影響しない。

【００３６】一方、電流狭窄を行うための段差はＨＢＢ
構造により、３０ｎｍ程度と非常に小さくすることがで
きるため、活性層の下に電流狭窄部が設けられていて
も、活性層への電流狭窄による段差の影響を殆ど及ぼす
ことなく、ＭＯＣＶＤ法や、ＭＢＥ法により半導体層を
成長することができる。その結果、多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）構造の活性層でも精度よく形成することができ、最
近の要望が厳しくなる高性能の半導体レーザでも実現す
ることができる。

【００３７】前述のように、ＨＢＢ構造によりｐ形半導
体層内に電流狭窄構造を設けることにより、殆ど段差が
形成されることなく正確に電流狭窄をすることができ
る。しかし、このようなへテロバリア狭窄（ＨＢＢ）構
造を構成すると、コンタクト層の膜厚は、０.１μｍ以
下、通常は０.０３μｍ程度であるため、水平横モード
の制御は、いわゆる利得導波型に属している。そのた
め、自由キャリアプラズマ効果などの反導波作用が働い
たときには、モード制御が不安定になり、レーザ出力が
注入電流の増加に伴って増加していく過程で、突然光出
力が低下する現象（キンク）が現れる。図３はこのよう
な問題を解決し、水平横モードを安定にし、注入電流の
増加に伴うキンク現象が現れないで安定した特性が得ら
れる半導体レーザの構造例である。

【００３８】すなわち、図３に示される半導体レーザ
は、活性層７を、活性層７よりバンドギャップの大きい
材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層８、６、４に
よりサンドイッチするダブルへテロ構造の発光層形成部
１２が形成されている。そして、ｐ形クラッド層６、４
側に電流狭窄構造が形成され、その電流狭窄構造とは独
立してストライプ状の凹溝１４ａが形成された光閉じ込
め層１４が、たとえばｎ形クラッド層８側に設けられて
いる。この電流狭窄構造および発光層形成部１２など
は、前述の例と同様で、図１と同じ符号を付してその説
明を省略する。

【００３９】この構造では、ｎ形クラッド層８が、ｎ形
第１クラッド層８ａと第２クラッド層８ｂとからなって
おり、いずれもｐ形クラッド層４と同じＡｌ_0.6Ｇａ
_0.4 Ａｓからなっており、Ｓｉがドープされて４×１０
¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物濃度で、ｎ形第１クラッド層８ａ
が０.１μｍ程度、ｎ形第２クラッド層８ｂが１μｍ程
度の厚さに形成されている。この第１と第２のｎ形クラ
ッド層８ａ、８ｂの間には、たとえばＳｉがドープされ
て４×１０¹⁷ｃｍ^-3程度の不純物濃度で０.０３μｍ程
度に形成されたｎ形Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2）_0.51Ｐ
からなるエッチングストップ層１３を介して、ストライ
プ溝１４ａが形成された光閉じ込め層１４が、たとえば
Ｓｉが同じ不純物濃度にドープされたｎ形Ａｌ_0.7Ｇａ
_0.3 Ａｓにより、０.６μｍ程度の厚さに形成されてい
る。光閉じ込め層１４上には、ノンドープでＧａＡｓか
らなるキャップ層１５が０.０３μｍ程度の厚さに形成
されている。

【００４０】光閉じ込め層１４は、ｎ形クラッド層８よ
り屈折率の小さい材料により形成されている。そして、
電流狭窄構造を形成するストライプ状コンタクト層３の
ストライプの中心線と合せて、４μｍ程度の幅でストラ
イプ状の凹溝１４ａが形成されている。その結果、活性
層７で発光した光は、屈折率の小さい光閉じ込め層１４
を貫通することができず、ストライプ状の凹溝１４ａが
形成された部分に光が集中する。この例では、ｎ形クラ
ッド層８内にｎ形で形成されているが、導電形は周囲の
導電形と同じにする必要はなく、逆の導電形にしてもよ
い。逆の導電形にすれば、厳密な電流注入領域を画定す
るものではないが、電流のブロッキングにも寄与する。

【００４１】この凹溝１４ａは、光閉じ込め層１４とす
るＡｌＧａＡｓ層およびキャップ層１５とするＧａＡｓ
層を成長した後、成長装置からウェハを取り出して、レ
ジスト膜を表面に設け、ホトレジスト工程によりパター
ニングをし、そのレジスト膜をマスクとして、硫酸系エ
ッチャントによりエッチングすることにより、形成され
る。この際、エッチングストップ層１３が設けられてい
ることにより、光閉じ込め層１４がエッチングされてエ
ッチングストップ層１３が露出すると、硫酸系エッチャ
ントによってはエッチングストップ層１３はエッチング
されないため、ｎ形クラッド層８ａをエッチングするこ
となく、光閉じ込め層１４のみをエッチングすることが
できる。キャップ層１５は、ウェハを成長装置から取り
出した際に、Ａｌを含んで酸化しやすいＡｌＧａＡｓ層
が酸化などにより汚染されるのを防止するため設けられ
ている。

【００４２】この構造の半導体レーザによれば、ｐ形層
内で、たとえばＨＢＢ構造により電流狭窄が行われ、ｎ
形層内で光の閉じ込めが行われている。図４に示される
ように、ストライプ状コンタクト層３のストライプ幅を
Ｓ₁、ｐ形クラッド層４、６の厚さをｔ₁、光閉じ込め層
１４の開口幅（ストライプ幅）をＳ₂、活性層７と光り
閉じ込め層１４との距離をｔ₂とすると、各層のバンド
ギャップおよび屈折率を固定した場合、電流の広がり
は、Ｓ₁およびｔ₁により独立に設計することができ、ま
た、光の閉じ込めは、Ｓ₂およびｔ₂により独立に設計す
ることができる。すなわち、電流の広がりと光の閉じ込
めを別々に設計することができ、各半導体層のバンドギ
ャップなどを特性に応じた材料で自由に設計することが
できる。

【００４３】さらに、電流の広がりを独立して制御する
ことができるため、前述の例のように、ｐ形半導体基板
を使用しなければならない場合でも、段差を小さくした
ＨＢＢ構造で電流狭窄を行うことができ、その上に積層
される活性層などに段差の影響を受けなくして、ＭＯＣ
ＶＤ法などにより精細な積層膜を形成することができ、
しかもｎ形層内でストライプ溝が形成された光閉じ込め
層が設けられているため、安定な横方向の光の閉じ込め
を行うことができる。その結果、キンク現象も現れず、
注入電流の増加に伴って出力を増大させることができ、
安定した高特性の半導体レーザが得られる。

【００４４】前述の例は、ｐ形半導体基板を用い活性層
より下側に電流狭窄構造を形成する例であったが、たと
えば図５に示されるように、プロトンの打込みにより電
流狭窄を行いながら、電流狭窄とは別に光閉じ込め層を
設けることもできる。図５において、２１はｎ形ＧａＡ
ｓ基板、２２はたとえばｎ形Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4 Ａｓから
なるｎ形クラッド層、２３は、たとえばＡｌ_0.3Ｇａ_0.7
Ａｓガイド層が両端側に設けられ、その間に、Ａｌ_0.1
Ｇａ_0.9Ａｓウェル層と、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓバリア層
とが交互に積層されたＭＱＷ構造になっている活性層で
ある。２４ａ、２４ｂは、たとえばＡｌ_0.6Ｇａ_0.4 Ａ
ｓからなるｐ形クラッド層で、その間にｐ形Ａｌ_0.7Ｇ
ａ_0.3 Ａｓからなる光閉じ込め層２５が設けられてい
る。そして、その上に設けられるｐ形ＧａＡｓからなる
コンタクト層の両側にプロトンなどの打込みにより、絶
縁領域Ｑが形成され、電流狭窄が行われている。

【００４５】すなわち、電流狭窄はプロトンの打込みに
よる絶縁化により、また、光の閉じ込めはストライプ状
の開口部が形成された光閉じ込め層により行われている
ため、両者を独立して制御することができ、光閉じ込め
層２５の位置、材料などを任意に設定することができ
る。なお、光閉じ込め層２５の導電形は、周囲の半導体
の導電形と逆の導電形で形成されてもよい。

【００４６】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ｐ形半導
体基板を用いなければならない半導体レーザでも、電流
拡散の小さいｐ型層内で電流狭窄を行いながら、その段
差の影響なく気相成長法により活性層などの半導体層を
順次成長することができる。その結果、ｐ形半導体基板
を用いた高性能な半導体レーザを得ることができる。

【００４７】また、請求項２記載の発明によれば、ｐ形
基板を用いる半導体レーザにおいても、基板の不純物の
活性層側への拡散を有効に防止することができ、高特性
の半導体レーザが得られる。

【００４８】さらに、請求項３および４記載の発明によ
れば、電流狭窄構造と光閉じ込め層とが独立して形成さ
れているため、電流の広がりと光の閉じ込めを、それぞ
れ所望の特性が得られるように独立して別々に調整する
ことができる。その結果、所望の特性の半導体レーザを
容易に得ることができる。したがって、ｐ形半導体基板
を用いなければならない半導体レーザでも、電流拡散の
小さいｐ型層内で電流狭窄を行いながら、その段差の影
響なく活性層などの半導体層を順次成長することができ
ると共に、安定な横方向の光の閉じ込めを行うことがで
き、高性能な半導体レーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザの一実施形態であるＬＤ
チップの断面説明図である。

【図２】図１の構造のＬＤチップにおける電流拡散の説
明図である。

【図３】本発明の半導体レーザにおける他の実施形態で
あるＬＤチップの断面説明図である。

【図４】図３の構造のＬＤチップにおける電流狭窄と光
の閉じ込めに影響する部分を説明する図である。

【図５】本発明の半導体レーザにおけるさらに他の実施
形態であるＬＤチップの断面説明図である。

【図６】従来のｐ形半導体基板を用いたＬＤチップの構
造例の説明図である。

【図７】従来のｐ形半導体基板を用いたＬＤチップの構
造例の説明図である。

【符号の説明】

１ｐ形半導体基板２緩衝層３ストライプ状のコンタクト層４ｐ形第１クラッド層６ｐ形第２クラッド層７活性層８ｎ形クラッド層１２発光層形成部１４光閉じ込め層１４ａ凹溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ形化合物半導体基板と、該半導体基板
上に直接またはｐ形半導体層を介して設けられるストラ
イプ状のコンタクト層と、該ストライプ状のコンタクト
層上にｐ形クラッド層が接するように設けられる、該ｐ
形クラッド層およびｎ形クラッド層により活性層が挟持
される発光層形成部とを有し、前記ｐ形クラッド層と、
該ｐ形クラッド層と接する前記半導体基板またはｐ形半
導体層とが、それぞれ動作電圧に対してヘテロバリアブ
ロッキング構造を形成するバンドギャップを有する材料
からなり、前記ストライプ状のコンタクト層が前記ｐ形
クラッド層のバンドギャップと該ｐ形クラッド層と接す
る前記半導体基板またはｐ形半導体層のバンドギャップ
との間のバンドギャップを有する材料からなると共に、
該ストライプ状のコンタクト層の厚さが、気相成長によ
り前記発光層形成部が成長される場合に該ストライプ状
のコンタクト層の段差が前記活性層の膜質に影響を及ぼ
さない程度に形成されてなる半導体レーザ。
【請求項２】前記半導体基板と前記ｐ形クラッド層と
の間に、前記基板の不純物が拡散し得る厚さより厚くな
るように形成され、前記基板の不純物の拡散を防止する
ｐ形緩衝層が設けられてなる請求項１記載の半導体レー
ザ。
【請求項３】前記発光層形成部の前記ｎ形クラッド層
側にストライプ状の凹溝が形成された光閉じ込め層が設
けられてなる請求項１または２記載の半導体レーザ。
【請求項４】活性層を該活性層よりバンドギャップの
大きい材料からなるｎ形およびｐ形のクラッド層により
サンドイッチするダブルへテロ構造の発光層形成部を有
する半導体レーザであって、前記ｐ形クラッド層側に電
流狭窄構造が形成され、該電流狭窄構造とは独立してス
トライプ状の凹溝が形成された光閉じ込め層が設けられ
てなる半導体レーザ。