JP2004179512A

JP2004179512A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2004179512A
Application number: JP2002345905A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Obuchi; 修三大渕
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-24
Also published as: US7046708B2; CN1260863C; CN1510804A; US20040105475A1

Abstract

【課題】本発明は、チャネル構造を形成するチャネル部と電流狭窄部を極めて容易に製造することができ、その製造にかかるコストを大幅に低減することができるとともに、電気的特性や光学的特性が良好で信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の半導体レーザ素子は、活性層を挟む一対のクラッド層を有する半導体レーザ素子であって、該クラッド層の内少なくとも一方のクラッド層において、該クラッド層内のドーパントを除く組成が該クラッド層の全領域で同一であり、かつストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分を有することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信や、光計測システム、あるいは光ディスクなどの光情報処理に必要とされる半導体レーザ素子に関するものであり、特にチャネル部と電流狭窄部（すなわちチャネル構造）に特徴がある半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、電流狭窄構造となるチャネル部を半導体内部に作りこむ必要がある。このような構造の１つにリッジ構造があるが、リッジ構造を作りこむ為にはウェハにストライプ状のパターンマスクを製作し、ドライエッチングかウェットエッチングによりリッジ構造部分の形成後、該エッチングのパターンマスクを除去する処理作業を行ない、その後電流狭窄部の結晶成長を行なう必要があった。しかも、この方法では、ウェットエッチングやドライエッチングを用いていたため、チャネル形成作業と再成長によるコスト上昇が避けられず、さらに各工程間での特性ばらつきや再成長による特性ばらつきが問題となっていた。
【０００３】
また、上記とは別の構造でチャネル埋め込み型の構造があるが、これは電流狭窄層をストライプ状にエッチング処理し、その後チャネル部の再成長を行なうものであった。この場合も作業自体の流れはリッジ構造と同様であるため、上記と同様の問題が存した。
【０００４】
また、他の構造としてイオン注入によりチャネルを作りこむ方法があるが、この構造においてもストライプ状のパターンマスクを製作し、イオンを注入する作業を行なうとともに、その後のパターンマスク除去処理作業が必要であった。しかも、この方法では、チャネル形成作業によるコスト上昇や、各工程でのばらつきによる特性ばらつきが生じるという問題があった。
【０００５】
さらに、一部に傾斜をもつ基板を用いてチャネル部を形成する方法があるが、この構造においてもウェハにストライプ状のパターンマスクを製作し、基板をエッチング後、そのパターンマスクを除去する処理作業が必要であった。しかも、この方法では、再成長の必要はないものの作業によるコスト上昇や各工程でのばらつきの増加は避けられなかった。さらに、この構造ではレーザチップの結晶成長面が平坦ではなく、実装の際、レーザ光の傾きを補正する必要があるため実装が難しくなるという問題があった（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２６３７９６号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−１０７３８３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであってその目的とするところは、チャネル構造を形成するチャネル部と電流狭窄部を極めて容易に製造することができ、その製造にかかるコストを大幅に低減することができるとともに、電気的特性や光学的特性が良好で信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、活性層を挟む一対のクラッド層を有する半導体レーザ素子であって、該クラッド層の内少なくとも一方のクラッド層において、該クラッド層内のドーパントを除く組成が該クラッド層の全領域で同一であり、かつストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分を有することを特徴としている。
【００１０】
また、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、チャネル部または電流狭窄部を形成することを特徴としている。
【００１１】
また、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、活性層を挟む両側で対向することを特徴としている。
【００１２】
また、上記クラッド層が内層と外層の２層に分けて形成される場合において、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、活性層及び内層のクラッド層の両層を挟む両側で対向することを特徴としている。
【００１３】
また、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、所定の温度におけるクラッド層への取込率および導伝型がそれぞれ異なる２以上のキャリア材料ガスを用い、かつクラッド層の結晶成長温度に温度分布を生じさせることにより形成されることを特徴としている。
【００１４】
一方、上記温度分布は、ストライプ状にレーザ照射することによって生じることを特徴としている。
【００１５】
また、上記温度分布は、レーザ光を走査することによって生じることを特徴としている。
【００１６】
さらに、本発明の半導体レーザ素子は、半導体レーザ素子中の全ての層が平坦であることを特徴としている。
【００１７】
このような本発明の半導体レーザ素子は、結晶成長温度によるキャリア材料ガスの取込率の違いを利用し、１回の結晶成長で上記のような半導体レーザ素子構造を作り込むことができ、チャネル部や電流狭窄部を作り込むためのパターンマスクの作成やエッチングを全く必要としないため、コストや特性ばらつきの低減が可能となる。また、半導体レーザ素子を構成する各層が平坦であるため実装の際の取り扱いも容易である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜基本構造＞
本発明の半導体レーザ素子は、たとえば図１に示されているように基板１０１上に活性層１０３を挟む一対のクラッド層（ｎクラッド層１０２、ｐクラッド層１０４）を積層させた積層構造を基本構造とする。ここで、基板としては、半導体レーザ素子の基板として知られるものであればいずれのものも用いることができる。たとえば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ、サファイア基板等を挙げることができる。また、これらの基板は、各種のドーパントを含有することもできる。一方、活性層は、レーザ光を誘導放出し、かつ外部へ放射する導波路を形成する領域であって、多重量子井戸構造を有するものであっても良い。このような活性層としては、従来公知の活性層であれば特に限定なく採用することができ、後述の一対のクラッド層に挟まれた構造で積層されるものである。なお、本発明の半導体レーザ素子は、基板および上述の各層を基本構造とするものであるが、これ以外の層が積層されていても良く、本発明の範囲を逸脱するものではない。このような層としては、たとえばｎ半導体層、ｐ半導体層、コンタクト層、絶縁層、各種電極等が挙げられる。また、本発明の半導体レーザ素子は、該素子中の全ての層が平坦であることを特徴としている。ここで平坦とは、半導体レーザの結晶成長側の表面にて０．５μｍ以上の凹凸または段差がないことをいう。これにより、実装の際の取り扱いが極めて容易となる。
【００１９】
＜クラッド層＞
本発明のクラッド層は、上記活性層を挟み込み、キャリアおよび光を閉じ込める作用を有する一対の半導体層である。本発明においては、該クラッド層の内少なくとも一方のクラッド層において、該クラッド層内のドーパントを除く組成が該クラッド層の全領域で同一であり、かつストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分を有することを特徴としている。ドーパントを除く組成が該クラッド層の全領域で同一であることから、本発明のクラッド層は極めて簡易に形成することができるという特徴を有したものとなる。なお、該クラッド層は、所望により内層と外層に分けて形成することができる。
【００２０】
＜ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分＞
本発明のストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、上記のクラッド層内に形成される。このようなストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、所望により２以上の部分として形成することもできる。ここで、導伝型が隣接部と異なるとは、たとえばストライプ状の部分に隣接する部分がｎ型であれば、該ストライプ状の部分はｐ型であることをいい、逆にその隣接部分の導伝型がｐ型であれば該ストライプ状の部分はｎ型になることをいう。一方、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、チャネル部や電流狭窄部（いわゆるチャネル構造）を形成するものであるとともに、好ましくは活性層を挟む両側で対向したものとすることができる。また、上記のようにクラッド層が内層と外層に分けて形成される場合には、活性層及び内層のクラッド層の両層を挟む両側で対向するように形成することができる。このようなストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分をクラッド層内に形成することにより、電流狭窄部のキャリア濃度の許容範囲が広くなり製作し易いというメリットがあり、特に該部分を上述のように対向して形成させると電流狭窄部のキャリア濃度の許容範囲が狭くなり作成が難しくなるものの、レーザの動作電流値を低く抑えることができるというメリットがある。
【００２１】
一方、このようなストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分は、所定の温度におけるクラッド層への取込率および導伝型がそれぞれ異なる２以上のキャリア材料ガスを用い、かつクラッド層の結晶成長温度に温度分布を生じさせることにより形成することができる。そして、上記温度分布は、ストライプ状にレーザ照射することによって生じさせることができ、好ましくはレーザ光を走査することによって生じさせることができる。これにより、パターン形成工程を一切必要とせず、一回の結晶成長過程でチャネル部または電流狭窄部を形成することができることとなるので、製造コストを大幅に低廉化できるとともに半導体特性の製品間のばらつきを抑えることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
＜実施例１＞
本実施例を図１に基づいて説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、結晶成長時の半導体レーザ素子の積層構造を示す斜視図であり、基板１０１、ｎクラッド層１０２、活性層１０３、ｐクラッド層１０４（内側のクラッド層）、電流狭窄部１０５、ｐ半導体層１０６、チャネル部（電流通路）を構成するストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７をそれぞれ示している。
【００２４】
基板１０１は、Ｓｉドープ（２×１０^１８ｃｍ^−３）したｎ型のＧａＡｓであり、この基板上に半導体レーザ素子の各層の結晶成長を行なった。結晶成長の温度は６００〜８００℃程度とした。ｎクラッド層１０２は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシンおよびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、さらにキャリア材料ガスとしてＨ_２Ｓｅを用いてキャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型としたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．５）層を１μｍ程度の厚さに積層させた。活性層１０３は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシンおよびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ノンドープのＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．１４）層として８０ｎｍ程度の厚さ（多重量子井戸構造でも可）に積層させた。ｐクラッド層１０４は、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシンおよびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、Ｖ／ＩＩＩ比＝３０としてＣ（カーボン）ドープを行ない、キャリア濃度７×１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型としたＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．５）層を０．３μｍ程度の厚さに成長させた（図１（ａ））。
【００２５】
一方、電流狭窄部１０５は、ｐクラッド層１０４と同様にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシンおよびトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ｐクラッド層１０４と同一組成のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ（Ｘ＝０．５）層で１．２μｍ程度の厚さとなるように、ｐクラッド層１０４と同じＶ／ＩＩＩ比＝３０の成長条件にキャリア材料ガスＨ_２Ｓｅを供給しながら結晶成長を行なった。この時、チャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７）状にレーザ光を走査しながら照射することによって、部分的に基板（ｐクラッド層１０４）を加熱してｐ型部分を形成させた（図１（ｂ））。
【００２６】
ここで、電流狭窄部１０５の成長条件についてさらに詳しく説明する。まず、Ｖ／ＩＩＩ比を３０としてエピタキシャル成長を行うことで低温成長部分のキャリア濃度はｐ型とすることができるが、このときのｐ型として働くキャリアは上記ＴＭＧに由来するＣ（カーボン）である。図３に示したようにＣドープでは成長温度が上がるに従いｐ型のキャリア濃度が高くなる特性がある（なお、図３は縦軸をキャリア濃度、横軸を結晶成長温度とし、両者の関係を表わしたグラフである。）。また、電流狭窄部成長時に供給するキャリア材料ガスＨ_２Ｓｅは、図５に示したように成長温度が高くなるに従いｎ型のキャリア濃度が低くなる特性を有する（なお、図５は縦軸をキャリア濃度、横軸を結晶成長温度とし、両者の関係を表わしたグラフである。）。これらの性質から、チャネル部と電流狭窄部に温度差、すなわち温度分布をつけて結晶成長を行うことでｐ型とｎ型を作り分けることができるのである。したがって、電流狭窄部１０５ではキャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型となる温度で結晶成長を行ないながら、レーザ照射によりチャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７）の温度を１０〜１００℃上げることで、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３程度のｐ型部分を作り込むことができた。これにより、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７を同時につくることができた。
【００２７】
そして、続いてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびアルシンを用い、ｐ半導体層１０６としてｐＧａＡｓ層を成長させた後、一連の結晶成長を全て終了することによって、図１（ｃ）に示した本発明の半導体レーザ素子を製造した。
【００２８】
＜実施例２＞
実施例１では、レーザ照射部分がｐ型となる例を説明したが、ｐ型のキャリア材料ガスとして図４に示したＤＭＺ（ジメチルジンク）、ｎ型のキャリア材料ガスとして図６に示したＳｉＨ_４または図７に示したＧｅＨ_４を用いることにより、レーザ照射部をｎ型とすることができた。なお、図４、図６および図７は、それぞれ縦軸をキャリア濃度、横軸を結晶成長温度とし、両者の関係を表わしたグラフである。
【００２９】
＜実施例３＞
本実施例を図２に基づいて説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は、結晶成長時の半導体レーザ素子の積層構造を示す斜視図であり、基板１０１、ｎクラッド層１０２、活性層１０３、ｐクラッド層１０４（内側のクラッド層）、電流狭窄部１０５、２０５、ｐ半導体層１０６、チャネル部（電流通路）を構成するストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７、２０７をそれぞれ示している。
【００３０】
本実施例では、原材料としてＳｉドープ（２×１０^１８ｃｍ^−３）したｎ型のＧａＡｓ基板１０１、アルシン、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、ｎクラッド層１０２の結晶成長時に実施例１のチャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７）の成長に用いた方法を応用し、チャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７）に対向する以外の部分（すなわち電流狭窄部２０５）にレーザ光を照射し、キャリア濃度をｎ型もしくはｐ型の１×１０^１７ｃｍ^−３以下にした。この時、チャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７）に対向する部分（すなわちチャネル部を構成するストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分２０７）は、レーザ照射せず温度が低い状態とし、キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３程度のｎ型となるような温度設定とし、ｎクラッド層１０２の成長を行なった。また、ｎクラッド層１０２内の電流狭窄層部２０５は実施例１と同じ条件で成長させた（図２（ａ））。なお、キャリア材料ガスとしては、Ｈ_２Ｓｅを用いた。
【００３１】
その後、このｎクラッド層１０２上に、活性層１０３、ｐクラッド層１０４、電流狭窄部１０５、チャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分１０７）およびｐ半導体層１０６を実施例１と同じ方法で積層させることにより（図２（ｂ））、図２（ｃ）に示した半導体レーザ素子を製造した。このようにして得られた半導体レーザ素子は、低キャリア濃度部分の抵抗が高くなるためチャネル部として設定した幅程度にしか電流広がりは起こらず効率の高いレーザを作成することができた。
【００３２】
なお、上記のｎクラッド層１０２の結晶成長時のチャネル部（ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分２０７）にレーザ光を照射することも可能であった。また、レーザ光の照射や結晶成長温度を調節することにより、活性層１０３の下側にキャリア濃度が均一なクラッド層（活性層の上側の１０４層（内側のクラッド層）に相当）を設けることも可能であった。
【００３３】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子は、結晶成長温度によるキャリア材料ガスのクラッド層への取込率の違いを利用し、結晶成長中のクラッド層内においてキャリア濃度を変えることにより、パターン形成工程（パターンマスク形成やエッチング処理およびパターンマスク除去処理等）を必要とせずチャネル部と電流狭窄部とを簡易に形成することができる。また、かかるチャネル部と電流狭窄部の形成は、１回の結晶成長過程において行なうことができるため、製造効率を大幅に向上できるとともに電気的特性や光学的特性等の種々の半導体特性を向上させることができ、また製品間の特性ばらつきを抑止することができる。また、ｐクラッド層およびｎクラッド層の両層に電流狭窄部を形成させることにより、高い効率が得られ、低電流化、高出力化にも対応できる。さらに、本発明の半導体レーザ素子は、光集積回路にも応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶成長時の半導体レーザ素子の積層構造を示す斜視図である。（ａ）はｐクラッド層までを積層させた状態、（ｂ）はレーザ光を照射してチャネル部および電流狭窄部を形成している状態、（ｃ）は完成した状態をそれぞれ示す。
【図２】結晶成長時の半導体レーザ素子の別の積層構造を示す斜視図である。（ａ）はｎクラッド層にレーザ光を照射してチャネル部および電流狭窄部を形成している状態、（ｂ）はｐクラッド層にレーザ光を照射してチャネル部および電流狭窄部を形成している状態、（ｃ）は完成した状態をそれぞれ示す。
【図３】Ｃ（カーボン）ドープのキャリア濃度と結晶成長温度との関係を示したグラフである。
【図４】Ｚｎドープのキャリア濃度と結晶成長温度との関係を示したグラフである。
【図５】Ｈ_２Ｓｅドープのキャリア濃度と結晶成長温度との関係を示したグラフである。
【図６】ＳｉＨ_４ドープのキャリア濃度と結晶成長温度との関係を示したグラフである。
【図７】ＧｅＨ_４ドープのキャリア濃度と結晶成長温度との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０１基板、１０２ｎクラッド層、１０３活性層、１０４ｐクラッド層、１０５，２０５電流狭窄部、１０６ｐ半導体層、１０７，２０７ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分。

Claims

活性層を挟む一対のクラッド層を有する半導体レーザ素子であって、該クラッド層の内少なくとも一方のクラッド層において、該クラッド層内のドーパントを除く組成が該クラッド層の全領域で同一であり、かつストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分が、チャネル部または電流狭窄部を形成することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分が、活性層を挟む両側で対向することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
クラッド層が内層と外層の２層に分けて形成される場合において、ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分が、活性層及び内層のクラッド層の両層を挟む両側で対向することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
ストライプ状に導伝型が隣接部と異なる部分が、所定の温度におけるクラッド層への取込率および導伝型がそれぞれ異なる２以上のキャリア材料ガスを用い、かつクラッド層の結晶成長温度に温度分布を生じさせることにより形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
温度分布が、ストライプ状にレーザ照射することによって生じることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
温度分布が、レーザ光を走査することによって生じることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ素子。
半導体レーザ素子中の全ての層が平坦であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ素子。