JP2005251821A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents

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正宏 湯田
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Abstract

【課題】 長期信頼性を有する高出力の半導体レーザ及びその製造方法を提供する
【解決手段】
ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２と、レーザ活性層１０３と、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０５とを積層させ、クラッド層１０４を、エッチングにより、中央のリッジ部１０４ａと平面部１０４ｂとからなるリッジストライプ形状に形成した半導体レーザ１００において、注入された電流の広がりを抑えるために、ｎ型ドーパントの選択拡散により、リッジ部１０４ａの側壁の一部及び平面部１０４ｂの一部に領域１０４ｃを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リッジ導波路を持つ半導体レーザおよびその製造方法に関するものである。
図３は、従来の半導体レーザの概略斜視外観図である（下記、特許文献１を参照。）。同図に示すように、従来の半導体レーザ２００は、ｎ型のＧａＡｓ基板２０１上に、順次、第１の半導体層であるｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０２と、第２の半導体層であるレーザ活性層２０３と、第３の半導体層であるｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０４と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０５とを積層させた積層構造からなる。
クラッド層２０２は、エネルギーギャップが１．６７ｅＶであるＡｌ組成２０％のＡｌＧａＡｓ結晶（ｎ型）で形成され、クラッド層２０４は、エネルギーギャップが１．６７ｅＶであるＡｌ組成２０％のＡｌＧａＡｓ結晶（Ｐ型）で形成されている。また、レーザ活性層２０３は、エネルギーギャップが１．２７ｅＶであるＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓの歪量子井戸層とＡｌＧａＡｓ結晶のガイド層とからなる。
さらに、レーザ発振にあたって、注入電流を幅の狭いストライプ状領域に限定するため、クラッド層２０４は、エッチングにより、中央のリッジ部２０４ａと当該リッジ部２０４ａの両側の平面部２０４ｂとからなるリッジストライプ形状に形成されている。
ここで、注入された電流が、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２０４の層に沿った方向へ広がること（電流広がり）を抑えるために、高抵抗領域２０４ｃがクラッド層２０４内に設けられている。
なお、注入電流Ｉの層に沿った方向への広がりとは、図３で説明すれば、注入電流Ｉがコンタクト層２０５からクラッド層２０４の中を積層方向へ流れる際に、クラッド層２０４において、層に平行な方向（平面部２０４ｂに向かって流れる方向）へ向かって広がることをいう。
この高抵抗領域２０４ｃは、水素によるｐ型ドーパントのキャリア補償の効果により実現されている。高抵抗領域２０４ｃを設けて電流広がりを抑えることにより、光強度分布の広い高次モードのゲインが抑えられ、高次モードが発振閾値に達する電流値を高めることができる。
これにより、基本横モードと高次横モードとの相互作用で発生すると考えられるキンクが生じる出力（単峰性の光出射パタン：基本横モードで発振する最大光出力）を高めることが可能となっている。また、上述する効果により、シングルモードファイバを通して大きな光出力を取り出すことが可能となる。
特開２００３−１５２２６８号公報 S.J.Pearton et. al.,"Dopant-type effects on the diffusion of deuterium in GaAs",Phys.Rev.B,36(8),pp.4260-4264,1987 P.Collot et. al.,"Electrical damage in n-GaAs due to methane-hydrogen RIE",Semicond.Soc.Technol.5,pp.237-241,1990
一方、上記高抵抗領域の形成に用いる水素は、３００℃程度の比較的低い温度で再分布が起こることが報告されている（上記、非特許文献１，２を参照。）。
すなわち、連続してレーザ発振をさせた場合、ストライプ部の温度が上昇するため、長期間の使用においては水素が再分布により当初設けた高抵抗領域から徐々に移動し、高抵抗領域が解消されてしまうおそれがある。この結果、キンクレベルが低下するという長期信頼性の問題が生ずる。
図４は、従来の半導体レーザについてエージング試験を行った場合のキンクフリー出力の変化を示す図である。試験は、水素を用いて作製した高抵抗領域を有する半導体レーザについて、５０℃の環境下において一定の光出力（３００ｍＷ）でのエージング試験を行い、３つの半導体レーザについて試験した。なお、同図では、キンクフリー出力を初期値（エージング０時間）に対する割合で示してある。同図から分かるように、キンクフリー出力は１００時間以内で大きく変化しており、長期信頼性において問題を有する。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、長期信頼性を有する高出力の半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明に係る半導体レーザは、
少なくとも、第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率の大きい第２の半導体層と、第２の導電型を有し、かつ前記第２の半導体層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率の小さい第３の半導体層とが積層された構造を持ち、
前記第３の半導体層がリッジ部と当該リッジ部の両側の平面部とから構成されるリッジストライプ形状であり、
前記第３の半導体層を積層方向に電流が流れる半導体レーザであって、層に沿った方向への前記電流の広がりを抑えるために、前記第３の半導体層内に前記第２の導電型と反対の導電型の領域を設けたことを特徴とする半導体レーザである。
第３の半導体層内に、p-n-p接合あるいはn-p-n接合を形成して、p-n接合ダイオードの逆方向特性を反映させることにより、層に沿った方向（半導体の積層方向と垂直な方向）への電流広がりを抑える。第３の半導体層内に設けられる第２の導電型と反対の導電型の領域を形成するためには、通常の半導体層の成長に用いられる温度（約７５０℃）に対して安定なドーパントを使用することができる。当該ドーパントを使用して、レーザの連続発振による温度上昇に対しても、長期信頼性を確保する。
また、上記半導体レーザにおいて、
前記リッジ部の少なくとも一方の側壁の少なくとも一部の領域、または、少なくとも一方の前記平面部における少なくとも一部の領域、の少なくとも一方に、前記反対の導電型の領域を設けたことを特徴とする半導体レーザである。
反対の導電型は、中央のリッジ部における両側の側壁部と、当該リッジ部の両側に位置する平面部とからなる領域の少なくとも一部に設ければよい。当該領域は、電流広がりが生じる領域であり、例えば、一方の側壁や一方の平面部に設けることでも、設けた方向への電流広がりを防ぐことができる。
また、上記半導体レーザにおいて、
前記反対の導電型の領域は、ドーパントの拡散により形成されることを特徴とする半導体レーザである。
また、上記半導体レーザにおいて、
前記反対の導電型の領域は、ドーパントのイオン打ち込みにより形成されることを特徴とする半導体レーザである。
上記課題を解決する本発明に係る半導体レーザの製造方法は、
少なくとも、第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率の大きい第２の半導体層と、第２の導電型を有し、かつ前記第２の半導体層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率の小さいリッジストライプ状の第３の半導体層とが積層された構造を持ち、前記第３の半導体層を積層方向に電流が流れる際に、層に沿った方向への前記電流の広がりを抑えるための、前記第２の導電型と反対の導電型の領域を、前記第３の半導体層内に有する半導体レーザの製造方法であって、
前記第３の半導体層をリッジストライプ形状に形成した後、前記反対の導電型の領域を形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法である。
上記課題を解決する本発明に係る半導体レーザの製造方法は、
少なくとも、第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率の大きい第２の半導体層と、第２の導電型を有し、かつ前記第２の半導体層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率の小さいリッジストライプ状の第３の半導体層とが積層された構造を持ち、前記第３の半導体層を積層方向に電流が流れる際に、層に沿った方向への前記電流の広がりを抑えるための、前記第２の導電型と反対の導電型の領域を、前記第３の半導体層内に有する半導体レーザの製造方法であって、
前記反対の導電型の領域を形成した後、前記第３の半導体層をリッジストライプ形状に形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法である。
また、上記半導体レーザの製造方法において、
前記反対の導電型の領域は、ドーパントの拡散により形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法である。
また、上記半導体レーザの製造方法において、
前記反対の導電型の領域は、ドーパントのイオン打ち込みにより形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法である。
上記本発明に係る半導体レーザによれば、温度に対して安定なドーパントの拡散やイオン注入を用いてリッジ型ストライプ構造にp-n-p接合構造又はn-p-n接合構造を導入することにより、注入キャリアをリッジストライプのリッジ部に集中させ、長期間に亘って安定に層に沿った方向への電流の広がりを抑えることができる。
この結果、高次モードの発振を高い電流領域まで抑えることが可能となり、高いキンクレベル、かつ高信頼性の半導体レーザを実現することができる。また、本発明に係る半導体レ−ザにシングルモードファイバを結合させた場合には、当該ファイバから得られる安定なファイバ出力領域を高めることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて例示的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザの概略外観図である。
同図に示すように、半導体レーザ１００は、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上に、順次、第１の半導体層であるｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２と、第２の半導体層であるレーザ活性層１０３と、第３の半導体層であるｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０５とを積層させた積層構造からなる。なお、符号１０８は両端の光共振器反射面であり（図１では一方のみ図示）、ここで光を反射させレ−ザを発振させる。
クラッド層１０２は、エネルギーギャップが１．６７ｅＶであるＡｌ組成２０％のＡｌＧａＡｓ結晶（ｎ型）で形成され、クラッド層１０４は、エネルギーギャップが１．６７ｅＶであるＡｌ組成２０％のＡｌＧａＡｓ結晶（Ｐ型）で形成されている。また、レーザ活性層１０３は、エネルギーギャップが１．２７ｅＶであるＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓの歪量子井戸層とＡｌＧａＡｓ結晶のガイド層とからなる。
さらに、レーザ発振にあたって、注入電流を幅の狭いストライプ状領域に限定するため、クラッド層１０４は、エッチングにより、中央のリッジ部１０４ａと当該リッジ部１０４ａの両側の平面部１０４ｂとからなるリッジストライプ形状に形成されている。本実施形態では、リッジ部１０４ａの両側壁部がテーパ状となっている。
ここで、レーザ光を得る方法としては、コンタクト層１０５に電流を注入し、レーザ活性層１０３で発生する光をクラッド層１０２及びクラッド層１０４との屈折率の差によりリッジストライプに沿った方向に導波させ、両端の光共振器反射面１０８で光を反射させることによりレーザを発振し、前記反射面１０８からレーザ光を放射させる。この放射されたレ−ザ光は図１に示していないシングルモードファイバと結合させてファイバ出力のかたちで取り出され、実用に供する。
ここで、注入された電流が、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４の層に沿った方向へ広がること（電流広がり）を抑えるために、ｎ型ドーパントの選択拡散により形成された領域１０４ｃが、クラッド層１０４におけるリッジ部１０４ａの側壁（テーパ状となった領域）の一部及び平面部１０４ｂの一部に設けられている。
なお、領域１０４ｃは、リッジ側壁のすべて（すなわち、テーパ状領域すべて）に形成してもよい。また、領域１０４ｃの幅（図面における左右方向の長さ）は、通常のパタン形成精度以上の幅でよい。すなわち、好ましくは１μｍ以上であり、より好ましくは２μｍ以上である。領域１０４ｃを所定の幅に形成することにより、電流広がりの抑制力を高める。
ｎ型ドーパントの拡散の深さについては、拡散フロントがレーザ活性層１０３に限りなく近いことが望ましいが、平面部１０４ｂの厚さの７割以上の深さであれば有効である。
ここで、ｎ型拡散領域の深さが、活性層１０３に達した場合、ｎ型拡散領域での光の吸収損失が大きくなり、閾値電流の増大やスロープ効率の低下など、レーザ特性に対して悪影響がでるおそれがある。このおそれをなくすためには、拡散の深さをクラッド層１０４内に留めることが必要である。
拡散により導入されるｎ型ドーパントの量としては、ｐ型のキャリア濃度を補償してｎ型に反転させる必要があるため、少なくともｐ型キャリア濃度を超えるｎ型キャリア濃度の得られるドーピング量が必要である。
一方、ｎ型ドーパントの量が多すぎた場合、ｎ型拡散領域での光の吸収損失が大きくなり、上述するのと同様に、閾値電流の増大やスロープ効率の低下など、レーザ特性に対して悪影響がでるおそれがある。このおそれをなくすためには、ｎ型ドーパント量の上限を５×１０18／ｃｍ3、より好ましくは２×１０18／ｃｍ3程度にする必要がある。
ｎ型のドーパントとしては、例えばシリコン、イオウ、セレン、スズ等が挙げられる。
このｎ型ドーパントの拡散領域１０４ｃを設けることにより、ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４の中にp-n-pの接合（電流広がりに沿って、リッジ部104aのｐ型−ｎ型拡散領域104c−平面部104bにおける残されたｐ型）が形成され、ｐ−ｎ接合の逆方向電流−電圧特性（ｎ型拡散領域104cから平面部104bにおける残されたｐ型へは電流は流れにくい）のために、Ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０５からの電流がｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０４の層に沿った方向へ広がること（電流広がり）を抑えることができる。
この結果、光強度分布の横広がりの大きい高次モードのゲインが低く抑えられるために、高注入電流域まで高次モードの発生を抑えることができ、基本横モードで発振する光出力の高い（キンク出力の高い）半導体レーザとすることができる。
図２は、本実施形態に係る半導体レーザについてエージング試験を行った場合のキンクフリー出力の変化を示す図である。試験は、ｎ型ドーパントの拡散領域１０４ｃを有する半導体レーザについて、５０℃の環境下において一定の光出力（３００ｍＷ）のエージング試験を行い、３つの半導体レーザについて試験した。なお、同図では、キンクフリー出力を初期値（エージング０時間）に対する割合で示してある。
本実施形態に係る半導体レーザにおいて用いられるｎ型のドーパントは、約７５０℃の通常のエピ成長で用いられているシリコン、イオウ、セレン、スズ等であるため、約１００℃以下の光出力一定のエージング試験で再分布がおこることはない。
したがって、エージング試験に対するキンクフリー出力の変化については、図２に示すように長時間に亘って変化することはなく、長期信頼性に優れた半導体レーザを実現することができる。
本実施形態では、ｎ型ドーパントの拡散によりｎ型領域を形成したが、ｎ型ドーパントのイオン打ち込みによりｎ型領域を形成する方法を用いることもできる。
この場合のｎ型領域の配置、キャリア濃度等は拡散の場合と同様であるが、イオン打ち込み層が活性層１０３に達した場合、活性層１０３が劣化しＬＤ特性が劣化する。このように、イオン打ち込みによる方法では、活性層１０３へのダメージのおそれがあるため、ｎ型領域はクラッド層１０４内に限られることが重要である。
イオン打ち込みのために有用なドーパントとしては、原子サイズが小さく、深いｎ型領域を形成できるという観点から、シリコンが有効であるが、イオウ、セレン等も使用することができる。
また、本実施形態では、エッチングによりリッジストライプを形成した後、ｎ型領域の形成を行ったが、ｎ型領域を形成した後、エッチングでリッジストライプを形成しても同様の効果が得られる。
さらに、本実施形態では、ＧａＡｓ材料系の半導体について説明したが、他にＩｎＰ系、ＧａＮ系等の材料系についても同様の効果が得られる。
また、本実施形態ではテーパ状のリッジ部を有する半導体レーザについて説明したが、リッジ部の両側壁部が積層面に対してほぼ垂直となる形状を有する半導体レーザにも適用することができる。
本発明の実施形態に係る半導体レーザの概略斜視外観図である。 本発明の実施形態に係る半導体レーザにおけるキンクフリー出力の変化を示す図である。 従来の半導体レーザの概略斜視外観図である。 従来の半導体レーザにおけるキンクフリー出力の変化を示す図である。
符号の説明
１００ 半導体レーザ
１０１ ｎ型のＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層
１０３ レーザ活性層
１０４ ｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層
１０４ａ リッジ部
１０４ｂ 平面部
１０４ｃ ｎ型ドーパントの拡散領域
１０５ ｐ型のＧａＡｓコンタクト層
１０８ 光共振器反射面
Ｉ 注入電流の層に沿った方向への広がり（横広がり）

２００ 半導体レーザ
２０１ ｎ型のＧａＡｓ基板
２０２ ｎ型のＡｌＧａＡｓクラッド層
２０３ レーザ活性層
２０４ ｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド層
２０４ａ リッジ部
２０４ｂ 平面部
２０４ｃ 高抵抗領域
２０５ ｐ型のＧａＡｓコンタクト層
２０８ 光共振器反射面

Claims (8)

  1. 少なくとも、第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率の大きい第２の半導体層と、第２の導電型を有し、かつ前記第２の半導体層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率の小さい第３の半導体層とが積層された構造を持ち、
    前記第３の半導体層がリッジ部と当該リッジ部の両側の平面部とから構成されるリッジストライプ形状であり、
    前記第３の半導体層を積層方向に電流が流れる半導体レーザであって、層に沿った方向への前記電流の広がりを抑えるために、前記第３の半導体層内に前記第２の導電型と反対の導電型の領域を設けたことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 請求項１に記載する半導体レーザにおいて、
    前記リッジ部の少なくとも一方の側壁の少なくとも一部の領域、または、少なくとも一方の前記平面部における少なくとも一部の領域、の少なくとも一方に、前記反対の導電型の領域を設けたことを特徴とする半導体レーザ。
  3. 請求項１又は２に記載する半導体レーザにおいて、
    前記反対の導電型の領域は、ドーパントの拡散により形成されることを特徴とする半導体レーザ。
  4. 請求項１又は２に記載する半導体レーザにおいて、
    前記反対の導電型の領域は、ドーパントのイオン打ち込みにより形成されることを特徴とする半導体レーザ。
  5. 少なくとも、第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率の大きい第２の半導体層と、第２の導電型を有し、かつ前記第２の半導体層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率の小さいリッジストライプ状の第３の半導体層とが積層された構造を持ち、前記第３の半導体層を積層方向に電流が流れる際に、層に沿った方向への前記電流の広がりを抑えるための、前記第２の導電型と反対の導電型の領域を、前記第３の半導体層内に有する半導体レーザの製造方法であって、
    前記第３の半導体層をリッジストライプ形状に形成した後、前記反対の導電型の領域を形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  6. 少なくとも、第１の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層よりもエネルギーギャップが小さく屈折率の大きい第２の半導体層と、第２の導電型を有し、かつ前記第２の半導体層よりもエネルギーギャップが大きく屈折率の小さいリッジストライプ状の第３の半導体層とが積層された構造を持ち、前記第３の半導体層を積層方向に電流が流れる際に、層に沿った方向への前記電流の広がりを抑えるための、前記第２の導電型と反対の導電型の領域を、前記第３の半導体層内に有する半導体レーザの製造方法であって、
    前記反対の導電型の領域を形成した後、前記第３の半導体層をリッジストライプ形状に形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  7. 請求項５又は６に記載する半導体レーザの製造方法において、
    前記反対の導電型の領域は、ドーパントの拡散により形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  8. 請求項５又は６に記載する半導体レーザの製造方法において、
    前記反対の導電型の領域は、ドーパントのイオン打ち込みにより形成することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101413956B1 (ko) * 2007-12-24 2014-07-01 엘지전자 주식회사 반도체 레이저 다이오드 및 그의 제조 방법

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