JP2007013100A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】InP基板を用いた半導体レーザにおいて、不純物拡散によるデバイス特性劣化を抑制する。
【解決手段】Znを含むｐ型InP基板１の上に、低濃度のZnを含むｐ型InPバッファ層２、キャリア濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以下となるアンドープInPバッファ層３を積層する。その上に、Mgをドープしたｐ型InPクラッド層４、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８を順次積層した構造とする。
上記構造とすることにより、ｐ型InP基板１からInGaAsP MQW活性層６へのZnの拡散を抑制することができる。また、上記活性層の近傍において急峻なドーピングプロファイルを形成することができる。これにより、デバイス特性の劣化を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザに関し、特に、ｐ型InP基板を用いた半導体レーザの構造に関するものである。

１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の通信用半導体レーザの材料として、InGaAsP系やAlGaInAs系などの半導体材料が用いられている。これらの材料は、上記波長帯に対応するバンドギャップエネルギーを有し、基板のInPに格子整合させることができる。また、上記半導体レーザの基板としては、ｐ型基板が広く用いられている。これは、高速動作が可能なNPN型バイポーラトランジスタを、駆動回路として用いることができるためである。

図７に、ｐ型基板を用いて形成した従来のInGaAsP系の半導体レーザ素子の断面図を示す。
この半導体レーザは、Znを含むｐ型基板１を用いて形成されている。ｐ型基板１の上に、Znドープｐ型InPクラッド層４、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW（Multiple Quantum Well；多重量子井戸）６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８が順次積層されている。この積層膜は、両側に傾斜面を有している。これらの傾斜面の外側に、ｐ型InP埋込層１０、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１２が設けられている。さらに、ｎ型InPクラッド層８およびｐ型電流ブロック層１２の上に、ｎ型InPコンタクト層１３が全面に形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−５３３８５号公報

上記従来の半導体レーザでは、ｐ型ドーパントとしてZnが広く用いられている。ZnはInP中の拡散定数が大きいため、ｐ型InP基板１やZnドープｐ型InPクラッド層４に含まれるZnは、InGaAsP MQW活性層６へ拡散しやすい。上記活性層に拡散したZnは非発光中心となって効率を低下させ、デバイス特性を劣化させる。これを抑制するため、Znドープｐ型InPクラッド層４の活性層近傍のキャリア濃度を下げて、Zn濃度プロファイルの制御を行っていた。しかし、この方法はZnの拡散に依存するものであるため、上記活性層近傍で急峻なドーピングプロファイルを得ることが困難であった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ｐ型InP基板を用いた半導体レーザにおいて、活性層に不純物が拡散することを抑制し、上記半導体レーザの特性を向上させることを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、亜鉛を含むｐ型InP基板と、前記基板の上に前記基板と電気的に接続されるように設けられ、キャリア濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以下となるアンドープInP層と、前記アンドープInP層の上に設けられたｐ型InPクラッド層と、前記ｐ型InPクラッド層の上に設けられ、レーザ光を発生させる活性層と、前記活性層の上に設けられ、ｎ型不純物を含むｎ型InPクラッド層と、前記ｎ型InPクラッド層の上に、前記ｎ型InPクラッド層と電気的に接続されるように設けられたｎ型コンタクト層とを含むことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、活性層に不純物が拡散することを抑制し、半導体レーザの特性を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１に、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図を示す。
この半導体レーザは、InP（インジウムリン）基板にZn（亜鉛）をドープした、Znドープｐ型InP基板１を用いて形成されている。Znドープｐ型InP基板１の上に、Znドープｐ型InPバッファ層２が設けられている。その上に、キャリア濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以下となるアンドープInPバッファ層３が積層されている。その上に、InPにｐ型不純物としてMg（マグネシウム）をドープした、Mgドープｐ型InPクラッド層４が積層されている。この層は、Znドープｐ型InPバッファ層２、アンドープInPバッファ層３を介して、Znドープｐ型InP基板１と電気的に接続されている。
Mgドープｐ型InPクラッド層４の上に、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW（Multiple Quantum Well；多重量子井戸）活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８が順次積層されている。この半導体レーザの通電時には、Mgドープｐ型InPクラッド層４側からInGaAsP MQW活性層６に正孔が注入され、ｎ型InPクラッド層８側からInGaAsP MQW活性層６に電子が注入される。これらの正孔と電子を結合させることにより、InGaAsP MQW活性層６からレーザ光が放出される。

Mgドープｐ型InPクラッド層４、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８からなる積層膜は、その両側に傾斜面（以下、「メサ９ａ、メサ９ｂ」という）を有している。メサ９ａ、９ｂは、Znドープｐ型InP基板１に近いほど幅が広くなった裾状の形状である。メサ９ａ、９ｂの外側に、ｐ型InP埋込層１０、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１２が所定の幅で順次積層されている。メサ９ａ、９ｂの底面には、Mgドープｐ型InPクラッド層４が露出している。ｐ型InP埋込層１０およびｐ型電流ブロック層１２には、ｐ型ドーパントとして、Znがドープされている。
ｎ型InPクラッド層８およびｐ型電流ブロック層１２の上には、全面にｎ型InPコンタクト層１３が形成されている。ｐ型InP埋込層１０、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１２、ｎ型InPコンタクト層１３の外側に分離溝１４ａ、１４ｂが形成されている。分離溝１４ａ、１４ｂの側面にはｐ型InP埋込層１０、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１２、ｎ型InPコンタクト層１３が露出している。分離溝１４ａ、１４ｂの底面には、Mgドープｐ型InPクラッド層４が露出している。
この半導体レーザでは、通電時に、Znドープｐ型InP基板１側に正電界が印加され、ｎ型InPコンタクト層１３側に負電界が印加され、電流が流れる。

図１に示した半導体レーザでは、Znドープｐ型InP基板１の上に、Znドープｐ型InPバッファ層２が設けられている。この層は、Znドープｐ型InP基板１よりもZn濃度を低くしたものである。その結果、この層の格子間位置に存在するZn量は、Znドープｐ型InP基板１よりも少なくなっている。
ここで、Znドープｐ型InP基板１の格子間位置には、不活性なZnが多く含まれている。このZnは、アンドープInPバッファ層３に向かって拡散しやすい。しかし、上記構造とすることにより、このZnがアンドープInPバッファ層３に至るまでの距離を長くすることができる。従ってZnドープｐ型InP基板１から拡散した不純物（Zn）が、アンドープInPバッファ層３に到達する量を小さく抑えることができる。

また、上記半導体レーザでは、アンドープInPバッファ層３の上に、Mgドープｐ型InPクラッド層４が積層されている。この層は、InPに、ｐ型のドーパントとしてMgがドーピングされたものである。すなわち、従来はｐ型ドーパントとしてZnが用いられていたが、これをMgに置き換えたものである。このとき、Mgの濃度は５×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３程度とした。
MgのInP中での拡散定数は、Znと比較して小さい。このため上記半導体レーザは、従来の半導体レーザと比較して、InGaAsP MQW活性層６への不純物拡散を抑制することができる。

また、上記半導体レーザでは、Znドープ型InPバッファ層２とMgドープｐ型InPクラッド層４との間に、アンドープInPバッファ層３が設けられている。この層には、不純物がドープされていない。
ここで、Znを含む膜とMgを含む膜とを接触させた場合、これらの元素が相互に入れ替わるように拡散（以下、「相互拡散」という）することが知られている。しかし、上記構造とすることにより、アンドープInPバッファ層３を上記相互拡散の障壁とすることができる。これにより、Znドープ型InPバッファ層２とMgドープｐ型InPクラッド層４との間の相互拡散を抑制することができる。なお、Znドープ型InPバッファ層２、アンドープInPバッファ層３の厚さは、これらの層を形成した後の結晶成長や、その後の熱処理工程で、相互拡散が発生しないように設定されている。

上記半導体レーザでは、アンドープInPバッファ層３は不純物を含まない層であるため、Mgドープｐ型InPクラッド層４よりも比抵抗が大きい。このため、Mgドープｐ型InPクラッド層４からZnドープｐ型InP基板１に至る電流経路の抵抗は、従来技術の構造（図７）よりも上昇する。ここで、アンドープInPバッファ層３は、メサ９ａ、９ｂの底面、分離溝１４ａ、１４ｂの底面よりも下側に設けられている。これにより、上記電流経路のアンドープInPバッファ層３の幅は、Mgドープｐ型InPクラッド層４の幅以上となっている。従って、電流経路の抵抗上昇を小さく抑えることができる。

上記半導体レーザにおいては、ドーパントとしてMgが用いられている。この場合の、Mgの活性層への拡散量について説明する。
図２（ａ）に、本実施の形態の半導体レーザ（図１）のMg濃度と、従来の半導体レーザ（図７）のZn濃度との、二次イオン質量分析（Secondary Ion Mass Spectroscopy；以下、「SIMS」という）の測定結果を示す。この測定に用いられた半導体レーザの膜構成を、それぞれ図２（ｂ）、（ｃ）に示す。図２（ｂ）は、図１の点線部分Ａを拡大したものであり、図２（ｃ）は、図７の点線部分Ａを拡大したものである。
図２（ａ）は、図２（ｂ）、（ｃ）のInGaAsP光閉込層５の下端部を原点とした深さ（図２（ｂ）、（ｃ）の矢印の方向をプラス側）を横軸としてMg、Znの濃度をプロットしたものである。これらの濃度は、左側の縦軸に示されている。また、図２（ａ）には、上記半導体レーザに含まれるGa（ガリウム）の測定強度がプロットされている。この測定強度は、右側の縦軸に示されている。測定強度の分布は、図２（ｂ）、（ｃ）に示した膜の位置に対応している。つまり、図２（ｂ）、（ｃ）の領域Ａ〜Ｅの位置が、それぞれ図２（ａ）の領域Ａ〜Ｅに対応している。

図２（ａ）に示すように、領域Ｄと領域Ｅの境界付近では、Mgの濃度プロファイルはZnの濃度プロファイルよりも急峻な形状となっている。これは、ｐ型ドーパントとしてMgを用いたことにより、Mgドープｐ型InPクラッド層４の活性層近傍で急峻なドーピングプロファイルが形成されていることを示している。また、領域Ｃにおいて、Mgの濃度はZnの濃度と比較して小さくなっている。これは、ｐ型ドーパントとしてMgを用いたことにより、活性層に拡散するドーパントの量が減少したことを示している。
これらのことから、ｐ型ドーパントとしてMgを用いたことにより、クラッド層の活性層近傍に急峻なドーピングプロファイルを形成できることと、ドーパントが活性層へ拡散することを抑制できることが確認された。従って、デバイス特性の劣化を抑制し、半導体レーザの特性を向上させることができる。

次に、図１に示した半導体レーザの製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、Znドープｐ型InP基板１の上に、Znドープ型InPバッファ層２、アンドープInPバッファ層３、Mgドープｐ型InPクラッド層４、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８を順次積層する。これらの層は、例えば、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;以下「MOVPE」という）により形成される。
次に、図３（ｂ）に示すように、ｎ型InPクラッド層８の上に、シリコン酸化膜１５を形成する。次に、その上にレジストパターン（図示しない）を形成する。これをマスクとして写真製版を行い、図３（ｃ）に示すように、マスク１５ａを形成する。次に、マスク１５ａをマスクとしてウェットエッチングを行う。この結果、図３（ｄ）に示すように、Mgドープｐ型InPクラッド層４、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８の側面にメサ９ａ、９ｂが形成される。

次に、図３（ｅ）に示すように、メサ９ａ、９ｂに沿ってｐ型InP埋込層１０、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１２をMOVPEなどにより順次積層する。さらに、図３（ｅ）に示したマスク１５ａを除去し、図３（ｆ）に示すように、全面にｎ型InPコンタクト層１３を形成する。さらに図示しないが、写真製版およびエッチングなどにより、Mgドープｐ型InPクラッド層４、ｐ型InP埋込層１０、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１２、ｎ型InPコンタクト層１３を選択的にエッチングする。この結果、図１に示した分離溝１４ａ、１４ｂが形成される。
以上のようにして、図１に示した半導体レーザを製造することができる。

実施の形態２．
図４に、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図を示す。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
メサ９ａ、９ｂに沿って、Mgドープｐ型InPクラッド層４、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７、ｎ型InPクラッド層８に接するように、ｐ型InP埋込層１６、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層１７が順次積層されている。ｐ型InP埋込層１６およびｐ型電流ブロック層１７には、ｐ型ドーパントとして、Mgがドープされている。
その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

本実施の形態ではｐ型InP埋込層１６およびｐ型電流ブロック層１７のドーパントとしてMgを用いたので、Znを用いた場合と比較して、ドーパントがInGaAsP MQW活性層６に拡散することを抑制できる。従って、デバイス特性の劣化をさらに効果的に抑制し、半導体レーザの特性を向上させることができる。

また、本実施の形態ではｐ型InP埋込層１６およびｐ型電流ブロック層１７のドーパントとしてMgを用いたので、ｐ型InP埋込層１６（またはｐ型電流ブロック層１７）とMgドープｐ型InPクラッド層４との間に相互拡散は生じない。これにより、実施の形態１の効果に加えて、InGaAsP MQW活性層６にドーパントが拡散することを、さらに効果的に抑制することができる。従って、デバイス特性の劣化をさらに効果的に抑制し、半導体レーザの特性を向上させることができる。

次に、上記実施の形態２の変形例について説明する。
上記実施の形態２では、ｐ型InP埋込層１０、ｐ型電流ブロック層１２のドーパントとして、Mgを用いるようにした。これらの層のうち、いずれか一方の層のドーパントとしてMgを用いるようにしても良い。つまり、一方の層のドーパントとしてMgを用い、他方の層のドーパントとしてZnを用いるようにしても良い。
このような構造とした場合は、Znをドーパントとして用いた層と、Mgドープｐ型InPクラッド層４との間に相互拡散が生じ得る。しかし、InGaAsP MQW活性層６に拡散するZnの量は、実施の形態１よりも小さく抑えられる。これにより、実施の形態１の効果に加えて、InGaAsP MQW活性層６にZnが拡散することを、さらに効果的に抑制することができる。従って、デバイス特性の劣化をさらに効果的に抑制し、半導体レーザの特性を向上させることができる。

実施の形態３．
図５に、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図を示す。ここでは、実施の形態１、２と異なる点を中心に説明する。
Mgドープｐ型InPクラッド層４の上に、AlGaInAs光閉込層１８、AlGaInAs MQW活性層１９、ｎ型AlGaInAs光閉込層２０が順次積層されている。その他の構成については、実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

この構造は、実施の形態２で示した半導体レーザ（図４）のInGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７の各層に含まれるInGaAsPを、AlGaInAsに置き換えたものである。AlGaInAsは、InGaAsPとほぼ同範囲のエネルギーバンドギャップを有し、InPに格子整合する材料である。このため、上記の置き換えが可能である。
さらにこの場合、InGaAsPを用いた場合よりも、ヘテロ界面での伝導帯のバンドギャップエネルギー差が大きくなる。このため、通電時の電子のオーバーフローが抑制される。これにより、実施の形態１、２よりも高温動作に適した半導体レーザを得ることができる。

実施の形態４．
図６に、本実施の形態に係る半導体レーザの断面図を示す。ここでは、実施の形態１〜３と異なる点を中心に説明する。
アンドープInPバッファ層３の上に、InPにBe（ベリリウム）をドープした、Beドープｐ型InPクラッド層２１が積層されている。メサ９ａ、９ｂに沿って、ｐ型InP埋込層２２、ｎ型InP電流ブロック層１１、ｐ型電流ブロック層２３が順次積層されている。ｐ型InP埋込層２２およびｐ型電流ブロック層２３には、ｐ型ドーパントとして、Beがドープされている。
その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

この構造では、実施の形態１で示した半導体レーザ（図１）のMgドープｐ型InPクラッド層４が、Beドープｐ型InPクラッド層２１に置き換えられている。BeのInP膜中での拡散定数は、Znと比較して小さいため、実施の形態１と同様に、Beドープｐ型InPクラッド層２１のInGaAsP MQW活性層６近傍に急峻なドーピングプロファイルを形成できる。また、Znが上記活性層へ拡散することを抑制できる。従って、実施の形態１と同様に、デバイス特性の劣化を抑制し、半導体レーザの特性を向上させることができる。

なお、図６に示したｐ型InP埋込層２２およびｐ型電流ブロック層２３には、ｐ型ドーパントとしてZnを用いても良い。この場合、実施の形態１と同様の効果を有する。また、InGaAsP光閉込層５、InGaAsP MQW活性層６、ｎ型InGaAsP光閉込層７の各層のInGaAsPを、AlGaInAsに置き換えるようにしても良い。この場合、実施の形態３と同様の効果を有する。

また、以上説明した実施の形態１〜４においては、アンドープInPバッファ層３の上に、MgまたはBeをドープしたｐ型InPクラッド層を積層するようにした。しかし、このｐ型InPクラッド層にドープされた不純物は、MgやBe以外のものであっても良い。例えば、Znを用いても良い。
この場合、アンドープInPバッファ層３の存在により、従来技術と比較して、Znドープｐ型InP基板１からInGaAsP MQW活性層６へ拡散するZnの量を小さく抑えることができる。

実施の形態１に係る半導体レーザの断面図。 半導体レーザのドーパント濃度を示す図。 実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法を示す断面図。 実施の形態２に係る半導体レーザの断面図。 実施の形態３に係る半導体レーザの断面図。 実施の形態４に係る半導体レーザの断面図。 従来の半導体レーザの断面図。

符号の説明

１ Znドープｐ型InP基板、２ Znドープｐ型InPバッファ層、３ アンドープInPバッファ層、４ Mgドープｐ型InPクラッド層、５ InGaAsP光閉込層、６ InGaAsP MQW活性層、７ ｎ型InGaAsP光閉込層、８ ｎ型InPクラッド層、９ａ、９ｂ メサ、１０ ｐ型InP埋込層、１１ ｎ型InP電流ブロック層、１２ ｐ型電流ブロック層、１３ ｎ型InPコンタクト層、１４ａ、１４ｂ 分離溝、１６ ｐ型InP埋込層、１７ ｐ型電流ブロック層、１８ AlGaInAs光閉込層、１９ AlGaInAs MQW活性層、２０ ｎ型AlGaInAs光閉込層、２１ Beドープｐ型InPクラッド層、２２ ｐ型InP埋込層、２３ ｐ型電流ブロック層。

Claims (7)

1. 亜鉛を含むｐ型InP基板と、
   前記基板の上に前記基板と電気的に接続されるように設けられ、キャリア濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３以下となるアンドープInP層と、
   前記アンドープInP層の上に設けられたｐ型InPクラッド層と、
   前記ｐ型InPクラッド層の上に設けられ、レーザ光を発生させる活性層と、
   前記活性層の上に設けられ、ｎ型不純物を含むｎ型InPクラッド層と、
   前記ｎ型InPクラッド層の上に、前記ｎ型InPクラッド層と電気的に接続されるように設けられたｎ型コンタクト層と、
   を含むことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記ｐ型InPクラッド層は、マグネシウム又はベリリウムを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記基板と前記アンドープInP層との間に、前記基板より低濃度の亜鉛を含むInP層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
4. 前記アンドープInP層は、前記ｐ型InPクラッド層の幅以上の幅を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
5. 前記ｐ型InPクラッド層に接するように、マグネシウム又はベリリウムを含むｐ型半導体層が設けられてい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。
6. 前記活性層の側面に接するように、マグネシウム又はベリリウムを含むｐ型半導体層が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ。
7. 前記活性層と前記ｐ型InPクラッド層との間に第１の半導体層を有し、前記活性層と前記ｎ型InPクラッド層との間に第２の半導体層を有し、前記活性層、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層のいずれかの層は、AlGaInAs層であること特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ。

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