JP2006196501A

JP2006196501A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2006196501A
Application number: JP2005003651A
Authority: JP
Inventors: Takashi Iwamoto; 岩本　　隆
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】
活性層を十分に混晶化させて窓構造を形成し、かつ素子特性の劣化が少ない高出力半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】
ｎ型化合物半導体基板２表面に、ｎ型クラッド層４と、活性層５と、第１のｐ型クラッド６と、ｐ型エッチング停止層７と、を順次積層する。このｐ型エッチング停止層７表面の一部に第２のｐ型クラッド８と、ｐ型キャップ層９と、を積層してなる台形状のリッジ部１０を形成し、このリッジ部１０を挟持するようｎ型電流狭窄層１１，１１を形成する。さらに、これらの上にｐ型コンタクト層１２を積層してなる半導体レーザ素子１であって、ｎ型クラッド層４の下に光学分離層１６と、ｎ型高濃度層１５とをそれぞれ設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光情報処理や光計測等の光源用に用いられる半導体レーザ素子に係り、高出力半導体レーザ素子に関する。

高出力半導体レーザ素子は、高密度ディスク装置、レーザプリンタ用光源、バーコードリーダ、及び光計測等の光源として期待されている。
以下に、従来の半導体レーザ素子についてＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの場合を、図２を用いて説明する。図２は、従来の半導体レーザ素子の断面模式図である。図２中、ｐ型層を斜線部で、ｎ型層を白抜き部で示す。

ｎ型ＧａＡｓ基板２表面に、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングしたｎ型ＧａＡｓバッファ層３と、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングしたｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４と、ノンドープＭＱＷ活性層５（以下、活性層５と略す）と、５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＣをドーピングした第１のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層６と、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣをドーピングしたｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７と、を順次積層している。

活性層５は、例えば、二重量子井戸構造であり、図示しないノンドープＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓウェル層とノンドープＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓバリア層により構成している。そして、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４と、活性層５と、第１のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層６とでダブルヘテロ構造を形成している。

さらに、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７表面の一部に、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣをドーピングした第２のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層８と、２×１０¹⁸ｃｍ^-3のＺｎをドーピングしたｐ型ＧａＡｓキャップ層９と、を順次積層してなるリッジ部１０を形成する。
このリッジ部１０は、フォトリソ法により形成されるが、エッチング方法やエッチング条件により、台形状になる場合もあるし、矩形状になる場合もある。
なお、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７は、リッジ部１０形成において、エッチングを停止するために設けた層である。

そして、リッジ部１０を挟持するよう、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングした一対のｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流狭窄層１１，１１をｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７表面に形成する。

リッジ部１０及びｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流狭窄層１１，１１表面に、２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＺｎをドーピングしたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２を形成する。
さらに、素子化したときの活性層５の一部である光出射部５ａ，５ｂにｐ型コンタクト層１２表面からＺｎを拡散させて、窓領域１７を形成する。

ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２表面には、Ａｕ系のｐ型オーミック電極１３を形成し、積層方向と反対側のｎ型ＧａＡｓ基板２面には、Ａｕ系のｎ型オーミック電極１４を形成する。

上述により作製した半導体レーザ素子２０は、ｐ型オーミック電極１３からｎ型オーミック電極１４に向かって順方向電流を注入し、この電流が発振しきい値以上になったとき、リッジ部１０に対応した下部の活性層５の光出射端面ａ，ｂからレーザ発振させて、レーザ光を出射させる半導体レーザ素子である。
なお、上記半導体レーザ素子の関連技術が特許文献１に示されている。
特開２００３−７８２０４号公報

ところで、高出力の半導体レーザ素子では、レーザ発振の際、光出射端面ａ，ｂが高い光密度になるため、ＣＯＤ（ＣａｔａｓｔｒｏｐｈｏｉｃＯｐｔｉｃａｌＤａｍａｇｅ）と呼ばれている損傷を引き起こし、レーザ光が瞬時に劣化する現象が起こることは周知である。その対策として、光出射部５ａ，５ｂにレーザ光に対して吸収の少ない窓領域１７を設けることが提案されている。

このような窓領域１７を設ける方法として、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２形成後にマスキングして光出射部５ａ，５ｂにＺｎを拡散すると光出射部５ａ，５ｂが混晶化してバンドギャップエネルギーが大きくなる現象（Appl．Phys．Lett．38(10) 776（1981））を利用することが行われている。

しかしながら、上述の方法では、拡散するＺｎの量が少ないと光出射部５ａ，５ｂの混晶化が不十分となるため、窓構造が形成されない。
一方、拡散するＺｎの量が多いと光出射部５ａ，５ｂの混晶化は十分に行われるが、高濃度のＺｎによる自由キャリア吸収の増加により、しきい値が大きくなり、レーザ特性が劣化するといった問題が発生する。

光出射部５ａ，５ｂのＺｎ濃度を最適化する方法として、Ｚｎの拡散源にＺｎＯを用い、これをｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２表面につけて、適切な温度と時間で１ｓｔステップのＺｎ拡散をｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２表面から活性層５に達しないところまで行い、その後ＺｎＯを除去し、今度は途中まで拡散させたＺｎを拡散源としてさらに活性層５までＺｎを拡散させて窓構造を形成する２ステップ法が提案されている。

しかしながら、この方法で、光出射部５ａ，５ｂが混晶化してバンドギャップエネルギーが十分大きくなる様にＺｎを拡散させると、Ｚｎ拡散領域がｎ型ＧａＡｓ基板２まで達してしまう場合がある。この場合、ｎ型ＧａＡｓ基板２内部でｐｎ接合を形成するため、リーク電流が発生してレーザ特性が劣化するといった問題が発生する。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、半導体レーザ素子の窓領域において、光出射部を十分に混晶化し、かつ自由キャリア吸収を抑え、レーザ特性劣化の少ない高出力半導体レーザ素子を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は手段として次の構成を有する。
即ち、請求項１に係る発明は、ｎ型化合物半導体基板（２）と、
前記ｎ型化合物半導体基板（２）表面に順次積層したｎ型クラッド層（４）と、活性層（５）と、第１のｐ型クラッド層（６）と、ｐ型エッチング停止層（７）と、前記ｐ型エッチング停止層（７）表面の一部に順次積層した第２のｐ型クラッド層（８）と、ｐ型キャップ層（９）と、からなる略台形状のリッジ部（１０）と、前記リッジ部（１０）を挟持するよう前記ｐ型エッチング停止層（７）表面に積層した、少なくとも前記第２のｐ型クラッド層（８）よりもバンドギャップが広い層を含む一対の電流狭窄層（１１，１１）と、前記リッジ部（１０）及び前記一対の電流狭窄層（１１，１１）表面に積層したｐ型コンタクト層（１２）と、を備え、前記活性層（５）の光出射部（５ａ，５ｂ）にＺｎを拡散することにより前記光出射部（５ａ，５ｂ）を混晶化してバンドギャップを広くした窓構造をもつ半導体レーザ素子（１）において、前記ｎ型クラッド層（４）を積層する前に前記ｎ型化合物半導体基板（２）表面に、前記ｎ型クラッド層（４）よりもドーパントが高濃度のｎ型高濃度層（１５）と、前記活性層（５）よりもバンドギャップの狭いｎ型光学分離層（１６）と、を順次積層してなることを特徴とする半導体レーザ素子（１）である。

本発明によれば、ｎ型クラッド層を積層する前にｎ型化合物半導体基板表面に、ｎ型クラッド層よりもＡｌ組成比率が大きく、ドーパントがｎ型クラッド層よりも高濃度のｎ型高濃度層と、レーザ発振光を吸収する組成、すなわち活性層よりもバンドギャップの狭いｎ型光学分離層と、を順次積層するとともに、Ｚｎを低濃度で長時間活性層に拡散させることにより、光出射部を十分に混晶化させて窓構造を形成し、かつ素子特性の劣化が少ない高出力半導体レーザ素子を得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１を用いて説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ素子の実施例における断面模式図である。図１中、ｐ型層を斜線部で、ｎ型層を白抜き部で示す。従来技術と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

ｎ型ＧａＡｓ基板２表面に、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングしたｎ型ＧａＡｓバッファ層３と、後述のｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４よりもＡｌ組成比が大きく、かつこのｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４よりもドーパントが高濃度である２×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のＳｉをドーピングしたｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ高濃度層１５と、後述の活性層５よりもバンドギャップが狭く１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングしたｎ型ＡｌＧａＡｓ光学分離層１６と、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングしたｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓクラッド層４と、ノンドープＭＱＷ活性層５（以下、活性層５と略す）と、５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＺｎをドーピングした第１のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層６と、５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＣをドーピングしたｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７と、を順次積層する。

なお、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７は、後述のリッジ部１０形成において、エッチングを停止するために設けた層である。
また、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３は、ｎ型ＧａＡｓ基板２とｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４との密着性を向上させるための層であり、設けない場合もある。

さらに、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７表面の一部には、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣをドーピングした第２のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層８と、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＣをドーピングしたｐ型ＧａＡｓキャップ層９と、が順次積層されてなるリッジ部１０を形成している。

また、ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層７表面には、リッジ部１０を挟持するよう１×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉをドーピングした一対のｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流狭窄層１１，１１を形成している。このｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流狭窄層１１，１１は、少なくとも第２のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層８よりもＡｌ組成比の大きいＡｌＧａＡｓ層を含んでいる。

そして、リッジ部１０表面及び一対のｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流狭窄層１１，１１表面に、２×１０¹⁹ｃｍ^-3のＺｎをドーピングしたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２を形成している。

さらに、素子化したときの活性層５の一部である光出射部５ａ，５ｂにｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２表面からＺｎを拡散させて、窓領域１７を形成する。
次に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２表面には、Ａｕ系のｐ型オーミック電極１３を形成し、積層方向と反対側のｎ型ＧａＡｓ基板２面にはＡｕ系のｎ型オーミック電極１４を形成する。

上述により、半導体レーザ素子１を作製する。この半導体レーザ素子１は、ｐ型オーミック電極１３からｎ型オーミック電極１４に向かって順方向電流を注入し、この電流が発振しきい値以上になったとき、リッジ部１０に対応した下部の活性層５の光出射面ａ，ｂからレーザ発振させて、レーザ光を出射させる半導体レーザ素子である。

ところで、光出射部５ａ，５ｂが混晶化してバンドギャップエネルギーが十分大きくなる様にＺｎ拡散を進行させると、Ｚｎはｎ型ＧａＡｓ基板２に達してしまうため、窓領域１７ではｎ型ＧａＡｓ基板２内部でｐｎ接合を形成する。
Ｚｎ拡散において、Ａｌ組成比の大きいＡｌＧａＡｓ層にはＺｎは拡散し易く濃度が低くなるが、Ａｌ組成比の小さいＡｌＧａＡｓ層には拡散しにくいが濃度が高くなる性質がある。例えば、図３に示すように、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層にＺｎを２×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で拡散させると、隣接するＧａＡｓ層には、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の濃度のＺｎが拡散してしまう。
したがって、従来の構造の素子では、電流を流したときに、窓領域１７以外の活性層５付近にｐｎ接合がある領域より、窓領域１７のｎ型ＧａＡｓ基板２内部のｐｎ接合部に電流が流れやすくなり、素子特性が劣化する。

上述の現象を防ぐため、本発明では、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４の下にｎ型ＡｌＧａＡｓ光学分離層１６を介して、ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４よりもＡｌ組成比が大きく、かつｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層４よりもドーパントが高濃度のｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ高濃度層１５が形成されている。この層はドーパントが高濃度であるため、窓領域１７形成におけるＺｎ拡散によっても、ｐ型に反転せずｎ型のままである。
従って、窓領域１７ではｐｎｐ構造となっているため電流が流れず、素子特性の劣化を防ぐ。
また、ｎ型ＡｌＧａＡｓ光学分離層１６は、発光分布が変化しないために設けており、活性層５よりもバンドギャップを狭くしていることが特徴である。

なお、本実施例ではＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子について説明したが、半導体レーザ素子の組成やドーパントの濃度は一例であり、同様の機能をもつ組成、ドーパントの濃度であれば、特に限定はしない。

また、本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

本発明の半導体レーザ素子の実施例における断面模式図である。従来の半導体レーザ素子における断面模式図である。拡散深さとＺｎ濃度の関係を示す図である。

符号の説明

１半導体レーザ素子
２ｎ型ＧａＡｓ基板
３ｎ型ＧａＡｓバッファ層
４ｎ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層
５活性層
５ａ，５ｂ光出射部
６第１のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層
７ｐ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓエッチング停止層
８第２のｐ型Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層
９ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１０リッジ部
１１ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流狭窄層
１２ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１３ｐ型オーミック電極
１４ｎ型オーミック電極
１５ｎ型Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ高濃度層
１６ｎ型ＡｌＧａＡｓ光学分離層
１７窓領域
２０半導体レーザ素子
ａ，ｂ光出射端面

Claims

ｎ型化合物半導体基板と、
前記ｎ型化合物半導体基板表面に順次積層したｎ型クラッド層と、活性層と、第１のｐ型クラッド層と、ｐ型エッチング停止層と、
前記ｐ型エッチング停止層表面の一部に順次積層した第２のｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層と、からなる略台形状のリッジ部と、
前記リッジ部を挟持するよう前記ｐ型エッチング停止層表面に積層した、少なくとも前記第２のｐ型クラッド層よりもバンドギャップが広い層を含む一対の電流狭窄層と、
前記リッジ部及び前記一対の電流狭窄層表面に積層したｐ型コンタクト層と、を備え、
前記活性層の光出射部にＺｎを拡散することにより前記光出射部を混晶化してバンドギャップを広くした窓構造をもつ半導体レーザ素子において、
前記ｎ型クラッド層を積層する前に前記ｎ型化合物半導体基板表面に、前記ｎ型クラッド層よりもドーパントが高濃度のｎ型高濃度層と、
前記活性層よりもバンドギャップの狭いｎ型光学分離層と、
を順次積層してなることを特徴とする半導体レーザ素子。