JP2004079828A - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】電流狭窄層にドープされる不純物が活性層などに拡散して特性劣化を生じることのないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を簡便に低コストで提供する。
【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板と、その基板上に少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを含み、その電流狭窄層は基板の主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ基板の斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有している。
【選択図】 図３
【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板と、その基板上に少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを含み、その電流狭窄層は基板の主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ基板の斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有している。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子とその製造方法に関し、特にそのレーザ素子に含まれる電流狭窄層とその形成方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合が可能であることと、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の中で最も直接遷移バンドギャップが大きいことから、可視光領域の発光素子の開発に利用が進められている。特に、オーディオ／ビデオ光ディスク用光源としてより高密度な記録が可能な可視光領域の発光素子を作製するために、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料が用いられている。
【０００３】
最近では、レーザ素子の高出力動作での高信頼性だけでなくて低コスト性も求められており、このような要求を実現するレーザ構造が提案されている。例えば、図１０の模式的な断面図に示された従来例の半導体レーザ素子は、特開平７−２６３７９６号公報において開示されており、一連のエピタキシャル成長で作製することができる。
【０００４】
図１０のレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板８０１、ｎ型ＧａＡｓバッファ層８０２、ｎ型ＧａＩｎＰ中間層８０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰガイド層８０５、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層８０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰガイド層８０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０８、ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層８０９、ｐ型領域８０９ｂ、ｎ型領域８０９ａ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８１０、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層８１１、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層８１２を含んでいる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板８０１の裏面上にはｎ型用電極１０が形成され、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８１２上にはｐ型用電極１１が形成されている。
【０００５】
基板８０１において、その主面は（１００）面であって、斜面の面方位は（３１１）Ｂ面であり、この基板上に半導体多層構造がＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）法により堆積されている。ここで、電流狭窄層８０９を堆積する際にＺｎとＳｅを同時にドーピングすることにより、基板主面の上方における電流狭窄層の領域８０９ａをｎ型領域にしかつ基板斜面の上方における電流狭窄層の領域８０９ｂをｐ型領域にすることができる。
【０００６】
この理由は、ＺｎとＳｅは下地の面方位によって偏析係数が異なるからであると考えられている。すなわち、Ｚｎは下地面が（３１１）Ｂ面に近づくにつれて偏析係数が大きくなるが、Ｓｅは逆の関係になる。したがって、基板の主面の上方における電流狭窄層の領域８０９ａはｎ型領域となって、斜面上方における電流狭窄層の領域８０９ｂはｐ型領域となる。これによって、一連のＭＯＣＶＤによる結晶成長で電流狭窄型半導体レーザが作製できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示された従来のレーザ素子では、電流狭窄層８０９中の不純物としてＺｎとＳｅを使用しなければならないので、それらの不純物の拡散が問題となる。すなわち、拡散したＺｎやＳｅの不純物がｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０８内やＧａＩｎＰ／ ＡｌＧａＩｎＰ活性層８０６内に混入した場合、それらの不純物が非発光中心欠陥を形成するなどして、注入キャリヤが効率的に発光に寄与しなくなるので、レーザ特性の低下や信頼性の劣化を招くことになる。
【０００８】
また、図１０のレーザ素子では、ＭＯＣＶＤ法を用いていて他の結晶成長法に比べ一般に基板温度が高いので、さらにＺｎとＳｅの拡散がより起こりやすくなる。
【０００９】
かかる先行技術における状況に鑑み、本発明は、電流狭窄層にドープされる不純物が活性層などに拡散して特性劣化を生じることのないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を簡便に低コストで提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板と、その基板上に少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを含み、その電流狭窄層は基板の主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ基板の斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有することを特徴としている。
【００１１】
なお、基板の斜面の面方位は、（１００）面から［０１１］方向に２０°から７０°の範囲内の傾斜角を有することが好ましい。また、電流狭窄層に含まれるＩＶ族不純物は、Ｓｉであることが好ましい。電流狭窄層は活性層の上方に設けるられる場合もあるし、活性層と基板との間に設けられる場合もある。
【００１２】
電流狭窄層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかによって形成され得る。また、発光用積層部も、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかによって形成され得る。発光用積層部は、量子井戸活性層を含むことが好ましい。
【００１３】
基板の斜面は１つの半導体レーザ素子チップ中で少なくとも２つ以上含まれることが可能であり、１つの素子チップ中で互いに異なる波長の光を射出する複数の発光部が含まれ得る。
【００１４】
本発明によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の製造方法は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板上において、少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを分子線エピタキシ法で積層し、その電流狭窄層は基板の主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ基板の斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有することを特徴としている。
【００１５】
なお、分子線エピタキシ法による電流狭窄層の成長温度は４００℃以上に設定されることが好ましい。また、分子線エピタキシ法による電流狭窄層の成長の際に、Ｖ族元素の圧力は１Ｅ−５ｈＰａ以下に設定されることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１から図３において、本発明の実施形態１によるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の製造過程が模式的な断面図で示されている。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または類似部分を表わしている。
【００１７】
まず、図１に示されているように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上において、面方位が（１００）面である主面１−ａと、面方位が（１００）面から［０１１］方向に４０°傾斜している傾斜面１−ｂとをエッチングによて形成する。
【００１８】
次に、図２に示されているように、図１のｎ型ＧａＡｓ基板１上において、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層７をＭＢＥにて順次に積層する。なお、活性層４は単一または多重の量子井戸を含み得る。
【００１９】
ここで、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６のうちで、基板主面１−ａの上方の領域６−ａはｎ型導電性を示し、基板傾斜面１−ｂの上方の領域６−ｂはｐ型導電性を示す。この理由は、以下のように考えられる。
【００２０】
面方位が（１００）面から［０１１］方向に大きく傾斜している基板表面は一般的にＡ面と呼ばれ、１本の結合手を有するＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）がその基板表面に多く存在する。したがって、その表面のＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）に吸着したＶ族元素（この場合Ｐ）は付着係数が小さくて、安定に存在しにくい。そして、ＩＶ族元素の不純物ＳｉがＶ族元素（この場合Ｐ）の格子位置に入りやすくなり、ｐ型導電性を示しやすくなる。また、（１００）面に近い基板面方位の場合は、２本の結合手を有するＶ族元素（この場合Ｐ）がその表面に多く存在する。したがって、ＩＶ族元素の不純物ＳｉはＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）の格子位置に入りやすくなって、ｎ型導電性を示しやすくなる。
【００２１】
すなわち、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６のうちで、基板主面１−ａの上方の領域６ａはｎ型導電性を示し、基板傾斜面１−ｂの上方の領域６ｂはｐ型導電性を示す傾向になる。この傾向は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している角度が大きいほど顕著になる。
【００２２】
図４のグラフは、基板表面が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している角度とその基板表面に形成されたＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６中のキャリヤ濃度との関係を示している。このグラフにおいて、傾斜角度が２０°以下の基板表面の上方に成長させられたＳｉドープ電流狭窄層６はｎ型導電性を示し、傾斜角度が２０°以上の基板表面の上方に成長させられたＳｉドープ電流狭窄層６はｐ型導電性を示すことが分かる。これは、基板表面の傾斜角が大きくなるにつれて、１本の結合手を有するＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）がその表面に多く存在するからである。
【００２３】
このように面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している基板傾斜面の上方においてＳｉドープ電流狭窄層６をｐ型導電性にするためには、ＩＶ族元素の不純物ＳｉをＶ族元素の格子位置に入れる必要がある。そのためには、ＭＢＥの際の結晶成長温度（基板温度）を上げたり、Ｖ族元素の圧力を減少させることによって、不純物ＳｉをＶ族元素の格子位置に取り込む効果をさらに高めることができる。
【００２４】
図５は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に４０°傾斜している基板傾斜面を使用した場合において、ＭＢＥ成長温度とＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６中のキャリヤ濃度との関係を示している。このグラフにおいて、成長温度が４００℃以下ではＳｉドープ電流狭窄層６がｎ型導電性になるのに対し、成長温度が４００℃以上ではｐ型導電性になることが分かる。これは、ＭＢＥ成長温度を高めることによって、結晶成長表面に吸着したＶ族元素（この場合Ｐ）のマイグレーションが増大し、付着係数が減少するからであると考えられる。したがって、Ｓｉドープ電流狭窄層６をｐ型にするためには、ＭＢＥ成長温度は４００℃以上であることが望ましい。
【００２５】
図６は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に４０°傾斜している基板傾斜面を使用した場合において、ＭＢＥ成長時のＶ族元素の圧力とＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層中のキャリヤ濃度の関係を示している。図６において、ＭＢＥ成長時のＶ族元素（この場合Ｐ）の圧力が１Ｅ−５ｈＰａ（１Ｅ−５は１×１０−５を表わし、以下同様である）以上ではＳｉドープ電流狭窄層６がｎ型導電性になるのに対して、Ｖ族元素の圧力が１Ｅ−５ｈＰａ以下ではＳｉドープ電流狭窄層６がｐ型導電性になることが分かる。これは、ＭＢＥ成長時のＶ族元素の圧力が減少することによって、ＩＶ族元素の不純物ＳｉがＶ族元素の格子位置に入りやすくなるからであると考えられる。したがって、Ｓｉドープ電流狭窄層６がｐ型導電性になるためには、ＭＢＥ成長時のＶ族元素（この場合Ｐ）の成長圧力は１Ｅ−５ｈＰａ以下であることが望ましい。
【００２６】
図１のｎ型ＧａＡｓ基板１上において、図２に示されているようにｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までがＭＢＥにて順に積層された後に、図３に示されているようにｎ型用電極１０が基板１の裏面上に形成され、ｐ型用電極１１がｐ型ＧａＡｓキャップ層７上に形成される。これによって、実施形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子が完成する。
【００２７】
図３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層５とｐ型キャップ層７との間に挟まれた電流狭窄層６のうちで、ｐ型領域６−ｂは両電極１０、１１から注入された電流を通過させるが、ｎ型領域６−ａは電流を阻止するように作用する。すなわち、電流狭窄層６はそのｐ型領域６−ｂのみを介して電流を通過させるように狭窄し、そのｐ型領域６−ｂ下のみにおいて活性層４に電流が注入されることになる。そして、活性層４のうちで、電流が狭窄されて注入された狭い領域のみが発光する。
【００２８】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２によるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。本実施形態２では、活性層とクラッド層を含む発光部および電流狭窄層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）で形成されていることにおいて実施形態１と異なっている。
【００２９】
すなわち、図７のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に順次ＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ＡｌＧａＡｓ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層７を含んでいる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にはｎ型用電極１０が形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７上にはｐ型用電極１１が形成されている。
【００３０】
この実施形態２の場合においても、実施形態１の場合と同様に、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６のうちで領域６−ａはｎ型導電性を示し、領域６−ｂはｐ型導電性を示す。このようなＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子は、発振波長７８０ｎｍ付近の光を射出するものとして作製され得る。
【００３１】
（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。本実施形態３では、ｐ型ＧａＡｓ基板が用いられていて、それに伴って電流狭窄層が活性層と基板との間に形成されていることにおいて実施形態１と異なっている。
【００３２】
すなわち、図７のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板１上に順次ＭＢＥ成長させられたｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ活性層４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、およびｎ型ＧａＡｓキャップ層７を含んでいる。そして、ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にはｐ型用電極１１が形成され、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７上にはｎ型用電極１０が形成されている。
【００３３】
実施形態３のように、実施形態１に比べて逆の導電型の多層半導体構造を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子においても、Ｓｉドープ電流狭窄層６の挿入位置を適切に変更することによって、本発明の効果が同様に得られる。
【００３４】
（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。本実施形態４では、１つのレーザ素子チップ内に発光部が２つ形成されており、それら２つの発光部における発振波長が互いに異なることを特徴としている。
【００３５】
すなわち、図９のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子チップは、ｎ型ＧａＡｓ基板１の左半分上において順にＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層７を含んでいる。図９のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子チップはまた、ｎ型ＧａＡｓ基板１の右半分上において順にＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＡｌＧａＡｓ活性層１４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層１６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１７をも含んでいる。
【００３６】
なお、図９におけるような半導体積層構造は、例えば次のようにして形成し得る。まず、基板１の全面上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までをＭＢＥ成長させる。基板１の右半分領域上において、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までをエッチング除去する。その後に、基板１の左半分領域上のｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までを例えばマスクで保護した状態で、基板１の右半分領域上においてｎ型ＧａＡｓバッファ層１２からｐ型ＧａＡｓキャップ層１７までをＭＥＢ成長させればよい。なお、ＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓバッファ層１２からｐ型ＧａＡｓキャップ層１７で不要な領域はエッチング除去し得ることは言うまでもない。
【００３７】
そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にはｎ型用電極１０が形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７、１７上にはｐ型用電極１１が形成されている。
【００３８】
なお、面方位（１００）から［０１１］方向に傾斜させられた基板面に比べて、その逆（負）方向に傾斜させられた基板面も同様な性質を有する。したがって、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６と１６内において、それらの領域６−ａと１６−ａはいずれもｎ型導電性を有し、領域６−ｂと１６−ｂはいずれもｐ型導電性を有し得る。
【００３９】
図９のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子チップにおいては、ＧａＩｎＰ活性層４とＡｌＧａＡｓ活性層１４の２種類の活性層を含むので、互いに異なる２つの発振波長の光を射出することができる。なお、これらの活性層４、１４のいずれもが単一または多重の量子井戸を含み得ることは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、（００１）面から［０１１］方向に所定角度だけ傾斜された斜面を含む基板を利用することによって、電流狭窄層にドープされる不純物が活性層などに拡散して特性劣化を生じることのないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を簡便に低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による半導体レーザ素子を作製するための半導体基板の模式的な断面図である。
【図２】図１の基板上に堆積された多層半導体構造を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態１による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図４】基板表面が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している角度とその基板表面上方に堆積されたＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層中のキャリヤ濃度との関係を示すグラフである。
【図５】ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層のＭＢＥ成長温度とその電流狭窄層中のキャリヤ濃度との関係を示すグラフである。
【図６】ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層のＭＢＥ成長時におけるＶ族元素の圧力とその電流狭窄層中のキャリヤ濃度の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態２によるの半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態３による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態４による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図１０】先行技術による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２、１２ バッファ層、３、１３ クラッド層、４、１４ 活性層、５、１５ クラッド層、６、１６ Ｓｉドープ電流狭窄層、６−ａ、１６−ａ電流狭窄層のｎ型導電性領域、６−ｂ、１６−ｂ 電流狭窄層のｐ型導電性領域、７、１７ キャップ層、１０ ｎ型用電極、１１ ｐ型用電極。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子とその製造方法に関し、特にそのレーザ素子に含まれる電流狭窄層とその形成方法の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合が可能であることと、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の中で最も直接遷移バンドギャップが大きいことから、可視光領域の発光素子の開発に利用が進められている。特に、オーディオ／ビデオ光ディスク用光源としてより高密度な記録が可能な可視光領域の発光素子を作製するために、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料が用いられている。
【０００３】
最近では、レーザ素子の高出力動作での高信頼性だけでなくて低コスト性も求められており、このような要求を実現するレーザ構造が提案されている。例えば、図１０の模式的な断面図に示された従来例の半導体レーザ素子は、特開平７−２６３７９６号公報において開示されており、一連のエピタキシャル成長で作製することができる。
【０００４】
図１０のレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板８０１、ｎ型ＧａＡｓバッファ層８０２、ｎ型ＧａＩｎＰ中間層８０３、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰガイド層８０５、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層８０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰガイド層８０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０８、ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層８０９、ｐ型領域８０９ｂ、ｎ型領域８０９ａ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８１０、ｐ型ＧａＩｎＰ中間層８１１、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層８１２を含んでいる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板８０１の裏面上にはｎ型用電極１０が形成され、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８１２上にはｐ型用電極１１が形成されている。
【０００５】
基板８０１において、その主面は（１００）面であって、斜面の面方位は（３１１）Ｂ面であり、この基板上に半導体多層構造がＭＯＣＶＤ（有機金属気相堆積）法により堆積されている。ここで、電流狭窄層８０９を堆積する際にＺｎとＳｅを同時にドーピングすることにより、基板主面の上方における電流狭窄層の領域８０９ａをｎ型領域にしかつ基板斜面の上方における電流狭窄層の領域８０９ｂをｐ型領域にすることができる。
【０００６】
この理由は、ＺｎとＳｅは下地の面方位によって偏析係数が異なるからであると考えられている。すなわち、Ｚｎは下地面が（３１１）Ｂ面に近づくにつれて偏析係数が大きくなるが、Ｓｅは逆の関係になる。したがって、基板の主面の上方における電流狭窄層の領域８０９ａはｎ型領域となって、斜面上方における電流狭窄層の領域８０９ｂはｐ型領域となる。これによって、一連のＭＯＣＶＤによる結晶成長で電流狭窄型半導体レーザが作製できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１０に示された従来のレーザ素子では、電流狭窄層８０９中の不純物としてＺｎとＳｅを使用しなければならないので、それらの不純物の拡散が問題となる。すなわち、拡散したＺｎやＳｅの不純物がｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８０８内やＧａＩｎＰ／ ＡｌＧａＩｎＰ活性層８０６内に混入した場合、それらの不純物が非発光中心欠陥を形成するなどして、注入キャリヤが効率的に発光に寄与しなくなるので、レーザ特性の低下や信頼性の劣化を招くことになる。
【０００８】
また、図１０のレーザ素子では、ＭＯＣＶＤ法を用いていて他の結晶成長法に比べ一般に基板温度が高いので、さらにＺｎとＳｅの拡散がより起こりやすくなる。
【０００９】
かかる先行技術における状況に鑑み、本発明は、電流狭窄層にドープされる不純物が活性層などに拡散して特性劣化を生じることのないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を簡便に低コストで提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板と、その基板上に少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを含み、その電流狭窄層は基板の主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ基板の斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有することを特徴としている。
【００１１】
なお、基板の斜面の面方位は、（１００）面から［０１１］方向に２０°から７０°の範囲内の傾斜角を有することが好ましい。また、電流狭窄層に含まれるＩＶ族不純物は、Ｓｉであることが好ましい。電流狭窄層は活性層の上方に設けるられる場合もあるし、活性層と基板との間に設けられる場合もある。
【００１２】
電流狭窄層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかによって形成され得る。また、発光用積層部も、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかによって形成され得る。発光用積層部は、量子井戸活性層を含むことが好ましい。
【００１３】
基板の斜面は１つの半導体レーザ素子チップ中で少なくとも２つ以上含まれることが可能であり、１つの素子チップ中で互いに異なる波長の光を射出する複数の発光部が含まれ得る。
【００１４】
本発明によれば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の製造方法は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板上において、少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを分子線エピタキシ法で積層し、その電流狭窄層は基板の主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ基板の斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有することを特徴としている。
【００１５】
なお、分子線エピタキシ法による電流狭窄層の成長温度は４００℃以上に設定されることが好ましい。また、分子線エピタキシ法による電流狭窄層の成長の際に、Ｖ族元素の圧力は１Ｅ−５ｈＰａ以下に設定されることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１から図３において、本発明の実施形態１によるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の製造過程が模式的な断面図で示されている。なお、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または類似部分を表わしている。
【００１７】
まず、図１に示されているように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上において、面方位が（１００）面である主面１−ａと、面方位が（１００）面から［０１１］方向に４０°傾斜している傾斜面１−ｂとをエッチングによて形成する。
【００１８】
次に、図２に示されているように、図１のｎ型ＧａＡｓ基板１上において、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層７をＭＢＥにて順次に積層する。なお、活性層４は単一または多重の量子井戸を含み得る。
【００１９】
ここで、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６のうちで、基板主面１−ａの上方の領域６−ａはｎ型導電性を示し、基板傾斜面１−ｂの上方の領域６−ｂはｐ型導電性を示す。この理由は、以下のように考えられる。
【００２０】
面方位が（１００）面から［０１１］方向に大きく傾斜している基板表面は一般的にＡ面と呼ばれ、１本の結合手を有するＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）がその基板表面に多く存在する。したがって、その表面のＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）に吸着したＶ族元素（この場合Ｐ）は付着係数が小さくて、安定に存在しにくい。そして、ＩＶ族元素の不純物ＳｉがＶ族元素（この場合Ｐ）の格子位置に入りやすくなり、ｐ型導電性を示しやすくなる。また、（１００）面に近い基板面方位の場合は、２本の結合手を有するＶ族元素（この場合Ｐ）がその表面に多く存在する。したがって、ＩＶ族元素の不純物ＳｉはＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）の格子位置に入りやすくなって、ｎ型導電性を示しやすくなる。
【００２１】
すなわち、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６のうちで、基板主面１−ａの上方の領域６ａはｎ型導電性を示し、基板傾斜面１−ｂの上方の領域６ｂはｐ型導電性を示す傾向になる。この傾向は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している角度が大きいほど顕著になる。
【００２２】
図４のグラフは、基板表面が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している角度とその基板表面に形成されたＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６中のキャリヤ濃度との関係を示している。このグラフにおいて、傾斜角度が２０°以下の基板表面の上方に成長させられたＳｉドープ電流狭窄層６はｎ型導電性を示し、傾斜角度が２０°以上の基板表面の上方に成長させられたＳｉドープ電流狭窄層６はｐ型導電性を示すことが分かる。これは、基板表面の傾斜角が大きくなるにつれて、１本の結合手を有するＩＩＩ族元素（この場合Ｇａ）がその表面に多く存在するからである。
【００２３】
このように面方位が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している基板傾斜面の上方においてＳｉドープ電流狭窄層６をｐ型導電性にするためには、ＩＶ族元素の不純物ＳｉをＶ族元素の格子位置に入れる必要がある。そのためには、ＭＢＥの際の結晶成長温度（基板温度）を上げたり、Ｖ族元素の圧力を減少させることによって、不純物ＳｉをＶ族元素の格子位置に取り込む効果をさらに高めることができる。
【００２４】
図５は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に４０°傾斜している基板傾斜面を使用した場合において、ＭＢＥ成長温度とＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６中のキャリヤ濃度との関係を示している。このグラフにおいて、成長温度が４００℃以下ではＳｉドープ電流狭窄層６がｎ型導電性になるのに対し、成長温度が４００℃以上ではｐ型導電性になることが分かる。これは、ＭＢＥ成長温度を高めることによって、結晶成長表面に吸着したＶ族元素（この場合Ｐ）のマイグレーションが増大し、付着係数が減少するからであると考えられる。したがって、Ｓｉドープ電流狭窄層６をｐ型にするためには、ＭＢＥ成長温度は４００℃以上であることが望ましい。
【００２５】
図６は、面方位が（１００）面から［０１１］方向に４０°傾斜している基板傾斜面を使用した場合において、ＭＢＥ成長時のＶ族元素の圧力とＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層中のキャリヤ濃度の関係を示している。図６において、ＭＢＥ成長時のＶ族元素（この場合Ｐ）の圧力が１Ｅ−５ｈＰａ（１Ｅ−５は１×１０−５を表わし、以下同様である）以上ではＳｉドープ電流狭窄層６がｎ型導電性になるのに対して、Ｖ族元素の圧力が１Ｅ−５ｈＰａ以下ではＳｉドープ電流狭窄層６がｐ型導電性になることが分かる。これは、ＭＢＥ成長時のＶ族元素の圧力が減少することによって、ＩＶ族元素の不純物ＳｉがＶ族元素の格子位置に入りやすくなるからであると考えられる。したがって、Ｓｉドープ電流狭窄層６がｐ型導電性になるためには、ＭＢＥ成長時のＶ族元素（この場合Ｐ）の成長圧力は１Ｅ−５ｈＰａ以下であることが望ましい。
【００２６】
図１のｎ型ＧａＡｓ基板１上において、図２に示されているようにｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までがＭＢＥにて順に積層された後に、図３に示されているようにｎ型用電極１０が基板１の裏面上に形成され、ｐ型用電極１１がｐ型ＧａＡｓキャップ層７上に形成される。これによって、実施形態１のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子が完成する。
【００２７】
図３のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子において、ｐ型クラッド層５とｐ型キャップ層７との間に挟まれた電流狭窄層６のうちで、ｐ型領域６−ｂは両電極１０、１１から注入された電流を通過させるが、ｎ型領域６−ａは電流を阻止するように作用する。すなわち、電流狭窄層６はそのｐ型領域６−ｂのみを介して電流を通過させるように狭窄し、そのｐ型領域６−ｂ下のみにおいて活性層４に電流が注入されることになる。そして、活性層４のうちで、電流が狭窄されて注入された狭い領域のみが発光する。
【００２８】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２によるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。本実施形態２では、活性層とクラッド層を含む発光部および電流狭窄層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）で形成されていることにおいて実施形態１と異なっている。
【００２９】
すなわち、図７のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に順次ＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ＡｌＧａＡｓ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層７を含んでいる。そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にはｎ型用電極１０が形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７上にはｐ型用電極１１が形成されている。
【００３０】
この実施形態２の場合においても、実施形態１の場合と同様に、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６のうちで領域６−ａはｎ型導電性を示し、領域６−ｂはｐ型導電性を示す。このようなＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子は、発振波長７８０ｎｍ付近の光を射出するものとして作製され得る。
【００３１】
（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。本実施形態３では、ｐ型ＧａＡｓ基板が用いられていて、それに伴って電流狭窄層が活性層と基板との間に形成されていることにおいて実施形態１と異なっている。
【００３２】
すなわち、図７のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板１上に順次ＭＢＥ成長させられたｐ型ＧａＡｓバッファ層２、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ活性層４、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、およびｎ型ＧａＡｓキャップ層７を含んでいる。そして、ｐ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にはｐ型用電極１１が形成され、ｎ型ＧａＡｓキャップ層７上にはｎ型用電極１０が形成されている。
【００３３】
実施形態３のように、実施形態１に比べて逆の導電型の多層半導体構造を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子においても、Ｓｉドープ電流狭窄層６の挿入位置を適切に変更することによって、本発明の効果が同様に得られる。
【００３４】
（実施形態４）
図９は、本発明の実施形態４によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を模式的な断面図で示している。本実施形態４では、１つのレーザ素子チップ内に発光部が２つ形成されており、それら２つの発光部における発振波長が互いに異なることを特徴としている。
【００３５】
すなわち、図９のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子チップは、ｎ型ＧａＡｓ基板１の左半分上において順にＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層７を含んでいる。図９のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子チップはまた、ｎ型ＧａＡｓ基板１の右半分上において順にＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓ基板１１、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＡｌＧａＡｓ活性層１４、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層１６、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１７をも含んでいる。
【００３６】
なお、図９におけるような半導体積層構造は、例えば次のようにして形成し得る。まず、基板１の全面上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までをＭＢＥ成長させる。基板１の右半分領域上において、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までをエッチング除去する。その後に、基板１の左半分領域上のｎ型ＧａＡｓバッファ層２からｐ型ＧａＡｓキャップ層７までを例えばマスクで保護した状態で、基板１の右半分領域上においてｎ型ＧａＡｓバッファ層１２からｐ型ＧａＡｓキャップ層１７までをＭＥＢ成長させればよい。なお、ＭＢＥ成長させられたｎ型ＧａＡｓバッファ層１２からｐ型ＧａＡｓキャップ層１７で不要な領域はエッチング除去し得ることは言うまでもない。
【００３７】
そして、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にはｎ型用電極１０が形成され、ｐ型ＧａＡｓキャップ層７、１７上にはｐ型用電極１１が形成されている。
【００３８】
なお、面方位（１００）から［０１１］方向に傾斜させられた基板面に比べて、その逆（負）方向に傾斜させられた基板面も同様な性質を有する。したがって、ＳｉドープＡｌＧａＡｓ電流狭窄層６と１６内において、それらの領域６−ａと１６−ａはいずれもｎ型導電性を有し、領域６−ｂと１６−ｂはいずれもｐ型導電性を有し得る。
【００３９】
図９のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子チップにおいては、ＧａＩｎＰ活性層４とＡｌＧａＡｓ活性層１４の２種類の活性層を含むので、互いに異なる２つの発振波長の光を射出することができる。なお、これらの活性層４、１４のいずれもが単一または多重の量子井戸を含み得ることは言うまでもない。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、（００１）面から［０１１］方向に所定角度だけ傾斜された斜面を含む基板を利用することによって、電流狭窄層にドープされる不純物が活性層などに拡散して特性劣化を生じることのないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子を簡便に低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１による半導体レーザ素子を作製するための半導体基板の模式的な断面図である。
【図２】図１の基板上に堆積された多層半導体構造を示す模式的な断面図である。
【図３】本発明の実施形態１による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図４】基板表面が（１００）面から［０１１］方向に傾斜している角度とその基板表面上方に堆積されたＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層中のキャリヤ濃度との関係を示すグラフである。
【図５】ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層のＭＢＥ成長温度とその電流狭窄層中のキャリヤ濃度との関係を示すグラフである。
【図６】ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層のＭＢＥ成長時におけるＶ族元素の圧力とその電流狭窄層中のキャリヤ濃度の関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態２によるの半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施形態３による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施形態４による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【図１０】先行技術による半導体レーザ素子の模式的な断面図である。
【符号の説明】
１ 基板、２、１２ バッファ層、３、１３ クラッド層、４、１４ 活性層、５、１５ クラッド層、６、１６ Ｓｉドープ電流狭窄層、６−ａ、１６−ａ電流狭窄層のｎ型導電性領域、６−ｂ、１６−ｂ 電流狭窄層のｐ型導電性領域、７、１７ キャップ層、１０ ｎ型用電極、１１ ｐ型用電極。
Claims (13)
- 面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板と、
前記基板上に少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、
ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを含み、
前記電流狭窄層は前記主面の上方の領域ではｎ型導電性を有しかつ前記斜面の上方の領域ではｐ型導電性を有することを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。 - 前記斜面の面方位は（１００）面から［０１１］方向に２０°から７０°の範囲内の傾斜角を有することを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記ＩＶ族不純物がＳｉであることを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記電流狭窄層は前記活性層の上方に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記電流狭窄層は前記活性層と前記基板との間に設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記電流狭窄層は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記発光用積層部は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）のいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記発光用積層部は量子井戸活性層を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記斜面は１つの半導体レーザ素子チップ中で少なくとも２つ以上含まれていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 前記少なくとも２つ以上の斜面の上方において発光用積層部の発光波長が互いに異なっていることを特徴とする請求項９に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子。
- 面方位が（１００）面から［０１１］方向に２０°以内の傾斜角にある主面を有するとともにその主面からさらに［０１１］方向に傾斜した斜面を含む基板上において、少なくとも活性層とクラッド層を含む発光用積層部と、ＩＶ族不純物を含む電流狭窄層とを分子線エピタキシ法で積層し、前記電流狭窄層は前記主面の上方の領域ではｎ型の導電型を有しかつ前記斜面の上方の領域ではｐ型の導電型を有することを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記分子線エピタキシ法による前記電流狭窄層の成長温度は４００℃以上に設定されることを特徴とする請求項１１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の製造方法。
- 前記分子線エピタキシ法による前記電流狭窄層の成長の際に、Ｖ族元素の圧力は１Ｅ−５ｈＰａ以下に設定されることを特徴とする請求項１１または１２に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体レーザ素子の製造方法。
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