JP2006222187A - 半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 検査用ウェハを用いることなく、製品ウェハで活性層のＰＬ測定が実行可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】 ｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３を形成し、その上に発光波長が６００−８５０ｎｍである活性層５を形成する。活性層５上にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７を形成し、その上に活性層５よりも大きい光学バンドギャップを有するようにＡｌ組成が制御されたｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８を形成する。ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８上にｐ型ＧａＡｓキャップ層９を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、端面発光型の半導体レーザに関するものである。
従来、Ｚｎが添加されたＧａＡｓコンタクト層を有する半導体レーザが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
Ｚｎが添加されたＧａＡｓコンタクト層を有する半導体レーザの積層構造の一例について、図５を参照して説明する。
図５に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ型不純物としてＳｉが添加されたｎ型ＧａＡｓバッファー層２２が形成され、その上にＳｉが添加されたｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２３が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２３上には、ノンドープＩｎＧａＰガイド層２４と、ノンドープＧａＡｓＰ活性層２５と、ノンドープＩｎＧａＰガイド層２６とからなる量子井戸構造が形成されている。さらに、この量子井戸構造の上には、ｐ型不純物としてＺｎが添加されたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２７と、Ｚｎが添加されたｐ型ＩｎＧａＰ−ＢＤＲ（band discontinuity reduction）層２８と、Ｚｎが添加されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９とが順次形成されている。各層の膜厚及びキャリア濃度は、図中に示している。
ところで、半導体レーザの活性層の発光波長を測定する方法として、フォトルミネッセンス（以下「ＰＬ」という。）測定が知られている。
Jurgen Sebastian、外１３名、"High-Power 810-nm GaAsP-AlGaAs Diode Lasers With Narrow Beam Divergence"、 IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.7, NO.2, MARCH/APRIL 2001、 P. 334-339
しかしながら、通常、半導体レーザのコンタクト層の光学バンドギャップは、活性層の光学バンドギャップよりも小さい場合が多い。上述した半導体レーザにおいても、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２９の光学バンドギャップが、ＧａＡｓＰ活性層２５の光学バンドギャップよりも小さい。このため、そのままの状態でＰＬ測定を行うとすると、コンタクト層２９によって光が吸収されてしまい、活性層２５を光励起させることができない。よって、ＰＬ測定において活性層２５を光励起させるためには、コンタクト層２９を除去する必要があった。すなわち、活性層の発光波長を測定するには、破壊検査が必要であった。
このようにＰＬ測定は破壊検査であるため、製品の活性層に対してＰＬ測定を行うことができず、検査用ウェハに形成した活性層に対してＰＬ測定を行っていた。しかし、検査用ウェハの活性層のＰＬ測定結果が、製品の活性層のＰＬ波長と同じであるとは限らない。このため、製品の通電試験が完了するまでは、製品の発振波長に関する良否判定ができなかった。この影響により、製品の総合歩留まりが低下してしまう場合があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、検査用ウェハを用いることなく、活性層のＰＬ測定が実行可能な半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明に係る半導体レーザは、半導体基板上に形成された第１クラッド層と、
前記第１クラッド層上に形成され、発光波長が６００−８５０ｎｍである活性層と、
前記活性層上に形成された第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＡｓ層からなるコンタクト層であって、前記活性層よりも大きい光学バンドギャップを有するようにＡｌ組成が制御されたコンタクト層とを備えたことを特徴とするものである。
本発明は、以上説明したように、ＡｌＧａＡｓコンタクト層のＡｌ組成を制御して、ＡｌＧａＡｓコンタクト層の光学バンドギャップを活性層の光学バンドギャップよりも大きくすることにより、コンタクト層を除去せずとも活性層の光励起が可能である。よって、検査用ウェハを用いることなく、半導体レーザの活性層のＰＬ測定を実行することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
図１は、本実施の形態による半導体レーザの素子構造を示す図である。図２は、図１に示したＡｌＧａＡｓコンタクト層におけるＡｌ組成と、光学バンドギャップとの相関関係を示す図である。図３は、図１に示した素子構造を適用したリッジ導波型の半導体レーザを示す図である。図４は、図１に示した素子構造を適用した電流狭窄構造を有するリッジ埋め込み型の半導体レーザを示す図である。
図１、図３及び図４に示すように、半導体基板１としてのｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型バッファー層２が形成されている。ｎ型バッファー層２は、ｎ型ＧａＡｓ層からなり、例えば、２００−７００ｎｍの膜厚を有する。ｎ型バッファー層２上には、第１クラッド層としてのｎ型クラッド層３が形成されている。ｎ型クラッド層３は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層からなり、例えば、５００−１５００ｎｍの膜厚を有する。半導体基板１、ｎ型バッファー層２及びｎ型クラッド層３には、ｎ型不純物としてＳｉが添加されている。基板１のキャリア濃度は０．７−１．０×１０１８（／ｃｍ３）であり、ｎ型バッファー層２及びｎ型クラッド層３のキャリア濃度はそれぞれ０．５−１．５×１０１８（／ｃｍ３）である。
また、図３及び図４に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ型下部電極１１が形成されている。ｎ型下部電極１１は、例えば、ＡｕとＧｅの合金膜とＡｕ膜との積層膜によって構成される。
ｎ型クラッド層３上には、ノンドープガイド層４、ノンドープ活性層５及びノンドープガイド層６を積層してなる量子井戸構造が形成されている。量子井戸構造は、例えば、ガイド層４としてのＩｎＧａＡｓＰ層と、活性層５としてのＧａＡｓＰ層と、ガイド層６としてのＩｎＧａＡｓＰ層とによって構成されている。この量子井戸構造は、波長換算で７９０−８１０ｎｍの光学バンドギャップを有している。すなわち、この量子井戸構造の発光波長は、７９０−８１０ｎｍである。なお、活性層５はガイド層４，６よりも光学バンドギャップが小さいため、活性層５の発光波長が量子井戸構造の発光波長となる。活性層５の膜厚は、例えば、５−１２ｎｍであり、ガイド層４，６の膜厚は、例えば、５００−１５００ｎｍである。
量子井戸構造の上には、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層７が形成されている。ｐ型クラッド層７は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層からなり、例えば、５００−１５００ｎｍの膜厚を有する。ｐ型クラッド層７には、ｐ型不純物としてＺｎ又はＭｇが添加されている。ｐ型クラッド層７のキャリア濃度は、１．０−２．０×１０１８（／ｃｍ３）である。
ｐ型クラッド層７上には、ｐ型コンタクト層８が形成されている。ｐ型コンタクト層８は、ｐ型不純物としてＣが添加されたｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓｙ層からなる。ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８は、上記量子井戸構造よりも大きい光学バンドギャップを有するように、Ａｌ組成ｘが制御されている。図２に示すように、Ａｌ組成を制御することにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８の光学バンドギャップを制御することができる。上述したように、ＧａＡｓＰ活性層５の光学バンドギャップは波長換算で７９０−８１０ｎｍであるため、図２に示す関係よりＡｌ組成ｘは０．１２４以上に制御される。ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８は、例えば、１００−５００ｎｍの膜厚を有する。ｐ型コンタクト層８のキャリア濃度は、３０．０−５０．０×１０１８（／ｃｍ３）である。
ｐ型コンタクト層８上には、ｐ型キャップ層９が形成されている。ｐ型キャップ層９は、Ｃが添加されたｐ型ＧａＡｓ層からなる。ｐ型キャップ層９は、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８が酸化することにより電流の流れが悪くなるのを防止するための保護層である。ｐ型キャップ層９の膜厚は、例えば、１−３ｎｍであり、２ｎｍが好適である。これ以上の膜厚にすると、ＰＬ測定時に活性層５に入射させる励起光や、活性層５から発せられるＰＬ光を吸収してしまうという不具合が生じてしまう。
図３に示すリッジ導波型の半導体レーザでは、ｐ型キャップ層９上にｐ型上部電極１２が形成されている。
また、図４に示すリッジ埋め込み型の半導体レーザでは、ｐ型クラッド層７とｐ型コンタクト層８とｐ型キャップ層９とによって構成されるリッジ部の左右にｎ型電流ブロック層１０が形成されている。ｎ型電流ブロック層１０は、ｎ型ＡｌＩｎＰ層からなり、電流狭窄のために設けられるものである。そして、このｎ型電流ブロック層１０及びｐ型キャップ層９上にｐ型上部電極１２が形成されている。
ｐ型上部電極１２は、例えば、Ｔｉ膜とＡｕ膜の積層膜によって構成される。
次に、上記半導体レーザの製造方法について説明する。
上記半導体レーザの各層（すなわち、ｎ型バッファー層２、ｎ型クラッド層３、ガイド層４、活性層５、ガイド層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型コンタクト層８及びｐ型キャップ層９）の形成には、例えば、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition；有機金属気相成長）法を用いることができる。成長温度は、例えば、７２０℃とし、成長圧力は、例えば、１００ｍｂａｒとする。各層を形成するための原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、フォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、ジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる。これらの原料ガスを、マスフローコントローラを用いて流量制御して、各層において所望の組成を得る。上述したように、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８におけるＡｌ組成を制御することにより、活性層５の光学バンドギャップよりも該コンタクト層８の光学バンドギャップを大きくする。
通常、ＡｌＧａＡｓ層やＧａＡｓ層を成長する場合の成長温度は６００−７００℃程度とされ、トリメチルガリウムに対するアルシンの流量比（以下「V/III比」という。）は数１０から数１００程度とされる。これに対して、本実施の形態では、Ｃを不純物として添加するｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８及びｐ型ＧａＡｓキャップ層９の成長時の成長温度を、例えば、５４０℃とし、V/III比を１程度とする。これにより、不純物添加のための特別な原料ガスを加える必要がなく、トリメチルガリウムのメチル基から遊離したＣがｐ型コンタクト層８及びｐ型キャップ層９に取り込まれる。この手法は、Intrinsic不純物導入法として知られている。
なお、このIntrinsic不純物導入法以外に、四塩化炭素（ＣＣｌ４）や四塩化臭素（ＣＢｒ４）を原料ガスとして加えることにより、ｐ型コンタクト層８及びｐ型キャップ層９にＣに添加させてもよい。
次に、リソグラフィ技術を用いて、リッジ部となる部分を覆うレジストパターンを形成する。そして、このレジストパターンをマスクとして、ｐ型キャップ層９、ｐ型コンタクト層８及びｐ型クラッド層７をドライエッチングする。この際、ｐ型クラッド層７を所定膜厚だけ残すように、ドライエッチングの終点を設定しておく。ドライエッチング終了後、レジストパターンを除去する。これにより、ストライプ状のリッジ部が形成される（図３及び図４参照）。
その後、蒸着法又はスパッタリング法により、基板１裏面にｎ型下部電極１１を、ｐ型キャップ層９上にｐ型上部電極１２をそれぞれ形成する。これにより、図３に示すリッジ導波型の半導体レーザが得られる。
一方、リッジ部を覆うようにｎ型ＡｌＩｎＰ層を形成した後、エッチバックを行うことにより、リッジ部の左右に電流ブロック層１０が形成される。その後、上記と同様に、基板１裏面にｎ型下部電極１１を、ｎ型電流ブロック層１０及びｐ型キャップ層９上にｐ型上部電極１２をそれぞれ形成する。これにより、図４に示すリッジ埋め込み型の半導体レーザが得られる。
以上説明したように、本実施の形態では、７９０−８１０ｎｍ帯に発光波長を有する半導体レーザにおいて、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８のＡｌ組成を制御することにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８の光学バンドギャップを活性層５の光学バンドギャップよりも大きくなるようにした。このため、ＰＬ測定における活性層５の光励起時に、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８による光吸収を防ぐことができる。よって、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８を除去しなくても、活性層５を光励起することができる。すなわち、ＰＬ測定を非破壊検査で行うことができる。従って、検査用ウェハを用いることなく、製品ウェハで半導体レーザの活性層のＰＬ測定を実行することができる。これにより、製品の総合歩留まりを向上させることができる。
また、本実施の形態では、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８上にｐ型ＧａＡｓキャップ層９を形成した。これにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８の酸化を防止することができる。よって、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８において良好な電流の流れ特性を得ることができる。
なお、本実施の形態では、７９０−８１０ｎｍ帯に発光波長を有する半導体レーザについて説明したが、６００−８５０ｎｍ帯に発光波長を有する半導体レーザであれば本発明を適用することができる。すなわち、本実施の形態では、量子井戸構造をＩｎＧａＡｓＰガイド層４／ＧａＡｓＰ活性層５／ＩｎＧａＡｓＰガイド層６により構成したが、上記発光波長を有する量子井戸構造であれば、材料の組合せはこれに限られない。量子井戸構造を構成する材料の組合せとして、例えば、ＩｎＧａＰ層／ＧａＡｓＰ層／ＩｎＧａＰ層や、ＩｎＧａＡｓＰ層／ＩｎＧａＡｓＰ層／ＩｎＧａＡｓＰ層や、ＩｎＧａＰ層／ＩｎＧａＡｓＰ層／ＩｎＧａＰ層や、ＡｌＧａＡｓ層／ＡｌＧａＡｓ層／ＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。何れの組合せの量子井戸構造を用いても、ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層８のＡｌ組成を図２に示す関係に基づき制御して、活性層５よりもコンタクト層８の光学バンドギャップを大きくすることにより、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、ｐ型コンタクト層８とｐ型キャップ層９にｐ型不純物としてＣを添加したが、Ｃの代わりにＺｎやＭｇを添加した場合も上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、活性層５の数を１層としたが、複数層としてもよい。この場合も、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、クラッド層の材料としてＡｌＧａＩｎＰを用いたが、この代わりにＡｌＧａＡｓを用いた場合も上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
本発明の実施の形態による半導体レーザの素子構造を示す図である。 図１に示したＡｌＧａＡｓコンタクト層におけるＡｌ組成と、光学バンドギャップとの相関関係を示す図である。 図１に示した素子構造を適用したリッジ導波型の半導体レーザを示す図である。 図１に示した素子構造を適用した電流狭窄構造を有するリッジ埋め込み型の半導体レーザを示す図である。 従来の半導体レーザの構造を示す図である。
符号の説明
１ 半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）、 ２ ｎ型ＧａＡｓバッファー層、 ３ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第１クラッド層）、 ４ ガイド層（第１ガイド層）、 ５ 活性層、 ６ ガイド層（第２ガイド層）、 ７ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（第２クラッド層）、 ８ ｐ型ＡｌＧａＡｓコンタクト層、 ９ ｐ型ＧａＡｓキャップ層、 １０ ｎ型電流ブロック層、 １１ ｎ型下部電極、 １２ ｐ型上部電極。

Claims (8)

  1. 半導体基板上に形成された第１クラッド層と、
    前記第１クラッド層上に形成され、発光波長が６００−８５０ｎｍである活性層と、
    前記活性層上に形成された第２クラッド層と、
    前記第２クラッド層上に形成され、ＡｌＧａＡｓ層からなるコンタクト層であって、前記活性層よりも大きい光学バンドギャップを有するようにＡｌ組成が制御されたコンタクト層とを備えたことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
    前記活性層の光学バンドギャップが７９０−８５０ｎｍであり、
    前記コンタクト層のＡｌ組成が０．１２４以上に制御されたことを特徴とする半導体レーザ。
  3. 請求項１又は２に記載の半導体レーザにおいて、
    前記コンタクト層上に形成され、ＧａＡｓ層からなるキャップ層を更に備えたことを特徴とする半導体レーザ。
  4. 請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザにおいて、
    前記活性層と前記第１クラッド層の間に形成された第１ガイド層と、
    前記活性層と前記第２クラッド層の間に形成された第２ガイド層とを更に備え、
    前記第１ガイド層、前記活性層及び前記第２ガイド層は、それぞれＩｎＧａＡｓＰ層、ＧａＡｓＰ層及びＩｎＧａＡｓＰ層からなり、量子井戸構造を構成することを特徴とする半導体レーザ。
  5. 請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザにおいて、
    前記活性層と前記第１クラッド層の間に形成された第１ガイド層と、
    前記活性層と前記第２クラッド層の間に形成された第２ガイド層とを更に備え、
    前記第１ガイド層、前記活性層及び前記第２ガイド層は、それぞれＩｎＧａＰ層、ＧａＡｓＰ層およびＩｎＧａＰ層からなり、量子井戸構造を構成することを特徴とする半導体レーザ。
  6. 請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザにおいて、
    前記活性層と前記第１クラッド層の間に形成された第１ガイド層と、
    前記活性層と前記第２クラッド層の間に形成された第２ガイド層とを更に備え、
    前記第１ガイド層、前記活性層及び前記第２ガイド層は、それぞれＩｎＧａＡｓＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＧａＡｓＰ層からなり、量子井戸構造を構成することを特徴とする半導体レーザ。
  7. 請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザにおいて、
    前記活性層と前記第１クラッド層の間に形成された第１ガイド層と、
    前記活性層と前記第２クラッド層の間に形成された第２ガイド層とを更に備え、
    前記第１ガイド層、前記活性層及び前記第２ガイド層は、それぞれＩｎＧａＰ層、ＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＧａＰ層からなり、量子井戸構造を構成することを特徴とする半導体レーザ。
  8. 請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザにおいて、
    前記活性層と前記第１クラッド層の間に形成された第１ガイド層と、
    前記活性層と前記第２クラッド層の間に形成された第２ガイド層とを更に備え、
    前記第１ガイド層、前記活性層及び前記第２ガイド層は、それぞれＡｌＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ層からなり、量子井戸構造を構成することを特徴とする半導体レーザ。
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