JP2008078255A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低動作電圧で、高出力動作が可能なＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置を提供することを主要な目的とする。
【解決手段】半導体レーザ装置は、第１導電型ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に順次形成された、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰよりなる第１クラッド層８、活性層および第２導電型ＡｌＧａＩｎＰよりなる第２クラッド層１０と、第２導電型第２クラッド層１０上に形成された第２導電型ＧａＡｓキャップ層１３とを備える。第２導電型第２クラッド層１０と第２導電型ＧａＡｓキャップ層１３の界面に、ＧａＡｓ層１６ａ，ｂ，ｃと（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）１７とからなる多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層１２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に半導体レーザ装置に関するものであり、より特定的には、低動作電圧で、高出力動作が可能になるように改良されたＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置に関する。

近年、情報化社会が浸透し、パーソナルコンピュータからビデオにいたるまで、これらのデータを光ディスクに記録するようになってきた。情報量は増大の一途をたどっており、ディスクもＣＤからＤＶＤ（Digital Versatile Disc）へと大容量化が図られている。光源として用いられる半導体レーザは、赤外（７８０ｎｍ帯）から赤色（６５０ｎｍ帯）へと短波長光源を用いることにより、大容量化を実現している。更に、記録速度の高速化も進んでおり、半導体レーザの高出力化への要求が高まっている。高出力半導体レーザは、高効率で動作電圧（Ｖｏｐ）が低く、温度特性や高出力時のモード安定性など、厳しいスペックが求められる。

その一つとして、動作電圧を下げることが挙げられる。動作電圧が上がると発熱量が増え、特性の低下、信頼性の低下を招く。Ｖｏｐが上がる要因として、ｐ側のＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層のヘテロ接合によるバレンスバンドのホールのバリアの影響が考えられる。

半導体レーザでは、このバンド不連続の影響として、動作電圧Ｖｏｐが大きくなってしまうことが問題になる。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の界面では、バンド不連続によるホールのバリアが形成され、ｐ−ＧａＡｓキャップ層より注入されたホールは、この大きなヘテロバリアによってＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ注入されにくくなる。そのため、より大きなバイアスを加えなければホールが注入されず、動作電圧が上昇してしまう。

ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層のバンド不連続の影響を緩和するために、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の中間のバンドギャップであるＧａＩｎＰ中間層が挿入されている。しかしながら、ＧａＩｎＰ中間層を挿入しても、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層のバンド不連続は依然大きく、特に半導体レーザを高出力駆動する際に動作電圧Ｖｏｐが問題になってくる。

非特許文献１に、格子整合系のＧａＩｎＰとＧａＡｓのバンド不連続は、ΔＥｃ／ΔＥｇ＝０．１８であることが開示されている。格子整合系のＧａＩｎＰとＧａＡｓのバンド不連続をΔＥｃ／ΔＥｇ＝０．１８、ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰのバンド不連続をΔＥｃ／ΔＥｇ＝０．５と仮定して、ＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰのエネルギーバンドを図６（ａ）に示す。縦軸はコンダクションバンドＥｃおよびバレンスバンドＥｖのエネルギーレベルで、横軸はＧａＡｓおよび（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49ＰのＡｌ組成ｘをそれぞれ示している。Ａｌ組成ｘは、中間層として用いられる０から、クラッド層として用いられる０．７まで変化させたときのエネルギーバンドの変化の様子を示している。図より、ＧａＡｓ層と（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐとの界面にＧａＩｎＰ層を挿入しても、ＧａＡｓとＧａＩｎＰ層との界面に依然大きなバレンスバンドのバリアが存在することが分かる。

バンド不連続の値は仮定としてこの値を用いているが、実際のところは分かっていない。しかしながら、この値が多少変わったとしても、ここで議論する内容が変わるものではない。

ＡｌＧａＩｎＰクラッド層／ＧａＩｎＰ中間層／ＧａＡｓキャップ層を接合したときの無バイアス時のバレンスバンドのバンドのつながりを図６（ｂ）に示す。複数の半導体層を接合すると、それぞれの層どうしのバンド不連続を保ちながら、フェルミーレベルが一致するように接合するため、接合界面ではバンドはスパイク形状に曲がり、エネルギーバリアとなる。本構造では、ＧａＡｓキャップ側から注入されるホールに対して、ＧａＡｓキャップ層とＧａＩｎＰ中間層との界面で大きなバリアが形成され、ホールの注入の妨げとなっている。

特許文献１に、このようなＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の障壁を緩和する、図７に示す半導体レーザ素子が開示されている。

図７を参照して、半導体レーザ素子１１０は、ｎ−ＧａＡｓ基板１２０の主面に、Ａｌの組成が０．７のｎ−Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐクラッド層（以下、ＩｎＧａＡｌＰクラッド層と記す）１３０と、Ａｌの組成が０．６のｎ−Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.4Ａｌ_0.6）_0.5Ｐガイド層（以下、ＩｎＧａＡｌＰガイド層と記す）１４０と、ｎ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ／Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）Ｐ_0.5のＭＱＷ（Multiple Quantum Well(重量子井戸)）活性層１５０と、ｐ−ＩｎＧａＡｌＰガイド層１６０と、第１ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１７０と、ｐ−ＩｎＧａＰエッチングストップ層（以下、ＩｎＧａＰエッチングストップ層と記す）１８０を挟んで第２ｐ−ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１９０を順次形成してなる。

続いて、ｐ−ＩｎＧａＰ第１中間層２００と、ＧａＡｓと格子整合するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ第２中間層２１０と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（キャップ層）２２０が順次設けられている。

フォトリソグラフィ法によりｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２０からｐ−ＩｎＧａＰエッチングストップ層１８０までを組成の異なるエッチング液を用いて順次選択エッチングにより除去し、ストライプ状のリッジ導波路２３０が形成されている。次に、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２２０の上面を除いて、電気的な短絡を防止するための絶縁膜、例えばシリコン酸化膜２４０を全面に形成している。最後に、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層（キャップ層）２２０の上面にｐ型電極２５０を、ｎ−ＧａＡｓ基板１２０の下面にｎ型電極２６０をそれぞれ形成して、半導体レーザ素子１１０としている。
Appl．Phys．Lett．66，ｐ.1785 (1995) 特開２００５−１５０５１１号公報

特許文献１の開示技術では、上述のように、ｐ−ＩｎＧａＰ第１中間層２００とｐ−ＧａＡｓコンタクト層（キャップ層）２２０との界面に、ＧａＡｓと格子整合するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ第２中間層２１０を挿入している。これによって、ｐ−ＩｎＧａＰ第１中間層２００とｐ−ＧａＡｓコンタクト層（キャップ層）２２０の障壁を緩和している。

しかしながら、ＧａＩｎＡｓＰはミシビリティギャップが存在し、ＧａＡｓに近い組成しか形成することができず、ＧａＡｓとＧａＩｎＰとのバレンスバンドのエネルギーバリアをさほど小さくはできない。また、ＧａＩｎＡｓＰは、組成の揺らぎが大きく、作製時の組成の制御も難しいため、あまり実用的ではない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、低動作電圧で、高出力動作が可能な、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

この発明に従う半導体レーザ装置は、第１導電型ＧａＡｓ基板を備える。上記ＧａＡｓ基板上に、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰよりなる第１クラッド層と、活性層と、第２導電型ＡｌＧａＩｎＰよりなる第２クラッド層とが順次形成されている。上記第２導電型第２クラッド層上に第２導電型ＧａＡｓキャップ層が形成されている。上記第２導電型第２クラッド層と上記第２導電型ＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ層と（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）とからなる多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層が設けられている。

上記の半導体レーザ装置によれば、低動作電圧で、高出力動作が可能な、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置を提供することができる。以下詳細に説明する。

ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層との間に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰより構成される量子井戸構造からなるヘテロバリア中間層を形成すると、ＧａＡｓが井戸層、ＡｌＧａＩｎＰ層がバリア層としてそれぞれ働く。このときＧａＡｓ層には井戸幅に応じた量子準位が形成される。

特に、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層のエネルギーレベル差が大きいほど、量子準位は複数でき易くなる。ＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層のエネルギーレベル差が大きいことは、この界面でのキャリアに対するバリアが大きいことを表しているが、逆に、ＧａＡｓキャップ層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層の界面など、エネルギー差の大きいすなわちキャリアに対するバリアが大きいもの同士の界面に、このようなＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層を挿入すると、複数の量子準位を形成することが可能となる。

次に、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層、ＧａＡｓキャップ層を接合すると、エネルギーバンドはＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層界面のヘテロバリアに量子井戸が形成される形になる。ＧａＡｓキャップ層側にバイアスを印加していくと、ＧａＡｓキャップ層より供給されたキャリアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層に形成された量子準位を経て、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ伝わる。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層では、複数の量子準位が形成されており、ＧａＡｓキャップ層でのキャリアのエネルギーが継承されるため、高次の量子準位にもキャリアが入りやすく、また、高次準位とＡｌＧａＩｎＰクラッド層とのエネルギー差は小さいため、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ容易にホールが注入されるようになる。

このように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、量子準位を介してキャリアが伝導するため、ＧａＡｓキャップ層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層のエネルギーのバリアをキャリアが通過しやすくなり、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の界面のキャリアに対するヘテロバリアの影響が緩和され、低電圧からキャリアを注入することが可能となり、半導体レーザの動作電圧を低下させることができる。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記第１導電型がｎ型であり、上記第２導電型がｐ型である。

ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＧａＡｓキャップ層の界面にＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層を挿入した場合、特に効果が大きい。これについて説明する。

ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系の界面では、コンダクションバンドに対してバレンスバンドの方がバンドの不連続が大きく、ｎ型の界面よりも、ｐ型の界面の方がバンドの不連続が大きくなり、動作電圧が大きくなる要因になる。ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ−ＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することで、バレンスバンドに複数の量子準位が形成される。

ＧａＡｓキャップ側にプラスのバイアスを印加していくと、ＧａＡｓキャップ層より供給されたホールは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層に形成された量子準位を経てＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ伝導する。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層では、複数の量子準位が形成されており、ホールはＧａＡｓキャップ層のエネルギーを継承しているため、高次の量子準位にも入りやすく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層の高次準位とＡｌＧａＩｎＰクラッド層とのエネルギー差は小さいため、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ容易にホールが注入されるようになる。

このように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ系では、バレンスバンドの方がバンド不連続によるエネルギーのバリアが大きくなるにもかかわらず、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、複数の量子準位を介してキャリアが伝導するため、ｐ−ＧａＡｓキャップ層とｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のバレンスバンドの大きなバリアをキャリアが通過しやすくなり、ヘテロバリアの影響を受けることなく、低電圧からホールを活性層へ注入することが可能となり、半導体レーザの動作電圧を低下させることが可能となる。

この発明のさらに好ましい実施態様によれば、上記量子井戸ヘテロバリア中間層において、上記ＧａＡｓ層および上記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層がそれぞれ２層以上存在する。

ＧａＡｓキャップ層へ注入されたキャリアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層の量子準位を介してＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ伝導する。井戸の数が２層以上存在すると、キャップ層からのキャリアがトラップされやすく、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層へキャリアが伝導しやすくなる。一方、井戸の数が多すぎるとキャリアがＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層内の量子準位に留まってしまいやすくなるため、ＧａＡｓ層は２〜５層が望ましい。

また、上記ＧａＡｓ層の厚みが７ｎｍ以下であり、上記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層の厚みが３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であるのが好ましい。

ＧａＡｓキャップ層へ注入されたキャリアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層の量子準位を介してＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ伝導する。量子井戸に形成される量子準位は、井戸幅が厚いほど基底準位が下がり、各準位の界面隔が狭くなり、準位の数は増加する。井戸幅を厚くしすぎると、ＧａＡｓキャップ層より注入されたキャリアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層の量子準位にキャリアがトラップされるが、量子井戸内の低い準位の方にキャリアが溜まり、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とのエネルギー差が大きくなり、ＧａＡｓキャップ層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との界面のエネルギーのバリアの影響を緩和できない。

ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層のＧａＡｓ層厚を７ｎｍ以下とすることにより、エネルギーのバリアを緩和すべく量子準位が形成され、ＧａＡｓキャップ層からＡｌＧａＩｎＰクラッド層へキャリアが伝導しやすくなる。

また、ＡｌＧａＩｎＰ層を厚くすると、キャリアがトンネルしにくくなり、ＧａＡｓ層へキャリアが注入されにくくなり、ＧａＡｓキャップ層からＡｌＧａＩｎＰクラッド層へキャリアが伝導しにくくなる。このため、ＡｌＧａＩｎＰ層は１０ｎｍ以下にする必要がある。一方、ＡｌＧａＩｎＰ層が薄すぎると、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層が中間の組成に混晶化してしまい、量子準位が形成されなくなる。ＡｌＧａＩｎＰ層は３ｎｍ以上必要である。

以上の層厚条件を満たすＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を用いた場合に、ＧａＡｓキャップ層からＡｌＧａＩｎＰクラッド層へキャリアが伝導しやすくなり、半導体レーザの動作電圧をより低下させることが可能となる。

上記ＧａＡｓ層が２層以上存在し、それぞれの層厚が異なり、上記第２クラッド層側で薄く、上記ＧａＡｓキャップ層側で厚いのが好ましい。

ＧａＡｓキャップ層へ注入されたキャリアは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層の量子準位を介してＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ伝導する。量子井戸に形成される量子準位は、井戸幅が厚いほど基底準位が下がり、各準位の界面隔が狭くなり、準位の数は増加する。一方、井戸幅が薄いほど基底準位が上がり、各準位の界面隔が広がり、準位の数は減少する。

ＧａＡｓキャップ層側のＧａＡｓ層厚が厚いと、基底準位が下がり量子井戸にキャリアが注入されやすくなる。また、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側のＧａＡｓ層厚が薄いと、低次の準位が上がり、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のエネルギーレベルに近づき、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層へキャリアが伝わりやすくなる。

従って、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層において、ＧａＡｓキャップ層側のＧａＡｓ層厚を厚くし、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側のＧａＡｓ層を薄くすることにより、ＧａＡｓキャップ層からＡｌＧａＩｎＰクラッド層へキャリアがより伝導しやすくなり、半導体レーザの動作電圧をより低下させることが可能となる。

上記第２クラッド層のドーパントがＭｇであり、上記ＧａＡｓキャップ層のドーパントがＺｎであり、上記ＧａＡｓ層のドーパントがＭｇまたはアンドープ、上記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層のドーパントがＭｇであることが好ましい。

活性層へドーパントが拡散すると、活性層の結晶の配列が乱され、活性層自体の結晶性が低下し発光効率が低下するばかりでなく、ドーパント自体が吸収体となってしまい、効率が低下し、また、信頼性も低下してしまう。また、活性層近傍は光の分布が大きくなっているため、たとえ活性層までドーパントが拡散していなくても、活性層直近に必要以上にドーパントが存在すると、特に活性化されていない状態で存在すると、これらのドーパントもまた吸収体となり、効率低下、信頼性低下の原因となってしまう。

効率が悪いと同じ光出力を出すのにたくさんの電流を必要とし、更に動作電圧が上昇し、ＬＤチップ温度が上昇し、劣化の原因となり、高出力化が難しくなる。また、効率低下の原因として、発振光に対する吸収が増えることが考えられるが、この場合、発振した光が吸収され熱に変換される。すなわち、光出力を上げていくとその一部は吸収され熱に変わり、これによってもＬＤチップ温度は上昇し、ＬＤを劣化させる原因となる。

そのため、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層は、拡散が少ないＭｇを用いることが望ましい。一方、ＧａＡｓキャップ層へのドーピングは、電極とのコンタクトを取るために、１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のドーピングが必要である。このドープ量を得るには、Ｍｇでは不可能であり、ドーパントとしてＺｎを用いることでドーピングレベルを確保している。しかしながら、ＺｎはＡｌＧａＩｎＰ結晶中を非常に拡散しやすい性質があり、ＧａＡｓキャップ層にドーピングしたＺｎが活性層まで拡散してしまうこともある。そのため、このＺｎの拡散を抑えることが必要となる。

ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層のＧａＡｓ層をＭｇドープ又はアンドープにすることにより、ＧａＡｓキャップ層中にドーピングしたＺｎが、ＺｎをドーピングしていないＧａＡｓ層中を拡散しにくいため、結果的にＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ拡散するのを防ぐことができる。

このように、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層を挿入し、ＧａＡｓ層をＭｇドープ又はアンドープとすることにより、動作電圧が抑えられるばかりでなく、Ｚｎの拡散も抑えられ、効率の低下、信頼性の劣化も防ぐことができるようになる。

本発明によれば、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層との間に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰより構成される量子井戸構造からなるヘテロバリア中間層を形成することにより、量子準位を介してキャリアが伝導するため、ＧａＡｓキャップ層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層のエネルギーのバリアをキャリアが通過しやすくなり、低電圧からキャリアを活性層へ注入することが可能となり、半導体レーザの動作電圧を低下させることができる。

また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層により、ＧａＡｓキャップ層へドーピングしたＺｎがＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ拡散するのを防ぐことができる。
これにより、動作電圧が抑えられるばかりでなく、Ｚｎの拡散も抑えられ、効率の低下、信頼性の劣化も防ぐことができるようになる。

このように、ＧａＡｓキャップ層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間にＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、半導体レーザの動作電圧が低下し、効率が向上し、信頼性が向上し、高出力半導体レーザを実現することが可能になった。

低動作電圧で、高出力動作が可能な、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置を得るという目的を、第２導電型第２クラッド層と第２導電型ＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ層と（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）とからなる多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層を設けることによって実現した。以下この発明の実施例を図を用いて説明する。

図１は、本発明の第一の実施例を示す図である。本実施例は、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ−ＧａＡｓキャップ層の界面にＧａＩｎＰ中間層を挿入し、更にＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の界面にＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入した例である。

１はｎ―ＧａＡｓ（１５°ｏｆｆ）基板、２はｎ−Ｇａ_0.508Ｉｎ_0.492Ｐ中間層（０．２５μｍ）、３はｎ−（Ａｌ_0.684Ｇａ_0.316）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第１Ｎクラッド層（２．６μｍ）、４はｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第２Ｎクラッド層（０．２μｍ）、５は（Ａｌ_0.545Ｇａ_0.455）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐガイド層（３５ｎｍ）、６はＧａ_0.445Ｉｎ_0.555Ｐ井戸層（５ｎｍ）、７は（Ａｌ_0.545Ｇａ_0.455）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐバリア層（６．３ｎｍ）、８はｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第１Ｐクラッド層（０．２７２μｍ）、９はｐ−Ｇａ_0.623Ｉｎ_0.377Ｐエッチングストップ層（１３ｎｍ）、１０はｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第２Ｐクラッド層（１．２μｍ）、１１はｐ−Ｇａ_0.508Ｉｎ_0.492Ｐ中間層（３５ｎｍ）、１２はヘテロ界面中間層で、１６ａ，ｂ，ｃのＧａＡｓ層と１７のＧａＩｎＰ層（１０ｎｍ）で構成されている。ＧａＡｓ層は、厚さの異なる３層で構成され、この３層がそれぞれ１７ＧａＩｎＰ層で挟まれた構造となっている。１６ａのＧａＡｓ層は２．５ｎｍ、１６ｂのＧａＡｓ層は４ｎｍ、１６ｃのＧａＡｓ層は６ｎｍである。１３はｐ−ＧａＡｓキャップ層（０．５μｍ）である。活性層は４つの井戸層より構成される４ＭＱＷ構造である。

次に、図２を用いて、実施例１に係る半導体レーザ素子の製造方法について説明する。 図２（Ａ）を参照して、ＳｉドープＧａＡｓ（１５°ｏｆｆ）基板１上に、ＳｉドープＧａ_0.508Ｉｎ_0.492Ｐ層２（０．２５μｍ、１Ｅ１８ｃｍ^-3）、Ｓｉドープ（Ａｌ_0.684Ｇａ_0.316）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第１Ｎクラッド層３（２．６μｍ、３Ｅ１７ｃｍ^-3）、Ｓｉドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第２Ｎクラッド層４（０．２μｍ、３Ｅ１７ｃｍ^-3）、アンドープ（Ａｌ_0.545Ｇａ_0.455）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐガイド層５ａ（３５ｎｍ）、アンドープＧａ_0.445Ｉｎ_0.555Ｐ井戸層６（５ｎｍ）および、アンドープ（Ａｌ_0.545Ｇａ_0.455）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐバリア層７（６．３ｎｍ）より構成される４ＭＱＷ活性層、アンドープ（Ａｌ_0.545Ｇａ_0.455）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐガイド層５ｂ（３５ｎｍ）、Ｍｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第１Ｐクラッド層８（０．２７２μｍ、１．０７５Ｅ１８ｃｍ^-3）、ＭｇドープＧａ_0.623Ｉｎ_0.377Ｐエッチングストップ層９（１３ｎｍ）、Ｍｇドープ（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第２Ｐクラッド層１０（１．２μｍ、１．０７５Ｅ１８ｃｍ^-3）、ＭｇドープＧａ_0.508Ｉｎ_0.492Ｐ中間層１１（３５ｎｍ、２．５Ｅ１８ｃｍ^-3）、ＭｇドープＧａＡｓ層１６ａ（２．５ｎｍ）、ＭｇドープＧａＩｎＰ層１７（１０ｎｍ）、ＭｇドープＧａＡｓ層１６ｂ（４ｎｍ）、ＭｇドープＧａＩｎＰ層１７（１０ｎｍ）、ＭｇドープＧａＡｓ層１６ｃ（６ｎｍ）、ＭｇドープＧａＩｎＰ層１７（１０ｎｍ）、ＺｎドープＧａＡｓキャップ層１３（０．５μｍ、１Ｅ１９ｃｍ^-3）を順次ＭＯＣＶＤ(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法により形成する。

ＭＯＣＶＤ成長のＧａ，Ａｌ，Ｉｎ，Ａｓ，Ｐの原料は、それぞれＴＭＧ（トリメチルガリウム）（２０℃），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）（２０℃），ＴＭＩ（トリメチルインヂウム）（２５℃），ＡｓＨ₃（アルシン），ＰＨ₃（ホスフィン）を用い、ドーパントガスはそれぞれｎ型がＳｉＨ₄（モノシラン）、ｐ型がＣｐ２Ｍｇ（２０℃）およびＤＥＺ（ジエチルジンク）（２０℃）を用いた。成長温度は、Ｚｎ−ＧａＡｓキャップ層を除き、７００℃で行った。

ＧａＡｓキャップ層１３の上に、３μｍ幅のマスクを通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図２（Ｂ）を参照して、マスク以外のｐ−ＧａＡｓキャップ層１３およびｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第２Ｐクラッド層１１をドライエッチングにより除去し、ストライプ状のリッジを形成する。

リッジ上のマスクを除去した後、図２（Ｃ）を参照して、ＳｉＮｘ膜（以下ＳｉＮ膜という）１４を蒸着する。その上にレジストを全面塗布し、全面露光し、現像時間を調整することにより、上記リッジ上部の山形の突起部が現れるまでレジストを除去する。リッジ上のレジストは除去され、リッジ外のレジストは残った状態になっている。この状態でバッファードフッ酸によりエッチングすることにより、リッジ上に形成されたＳｉＮ膜１４を除去する。

その後、レジストを除去し、ウェハを１００μｍの厚さに研磨し、ｐ側にＡｕＺｎ／Ａｕ電極１５ａ、ｎ側にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１５ｂを蒸着により形成する。共振器となるストライプと垂直な方向に１．５ｍｍの長さでへき開し、その両端面に反射率がそれぞれ５％／９０％となるようにＳｉ膜およびＡｌ₂Ｏ₃膜を蒸着により形成する。
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザを完成させた。

このようにして作製した半導体レーザにデューティー５０％のパルス電流を印加したところ、発振波長６５８ｎｍ（２５℃）で発振した。発振しきい値電流は４２ｍＡ、効率１．１Ｗ／Ａであった。電流を増加していった所、出力５００ｍＷまではＣＯＤを起こさず発振した。Ｔｏ＝１４０Ｋ、特性温度が高い、良好な特性が得られた。
また、出力１００ｍＷ時の動作電圧Ｖｏｐは２．３Ｖであった。比較のため、ヘテロ界面中間層を挿入しないものは、Ｖｏｐ＝２．７Ｖであった。

このように、上記構成の半導体製造方法によれば、低動作電圧で、高出力動作が可能な、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ装置を提供することができる。

〔バンドの説明〕

次に、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層との間に、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰより構成される量子井戸構造からなるヘテロバリア中間層を形成した場合の作用効果について、バンドを用いて説明する。

ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸のバンド構造を図３（ａ）に示す。

ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸のバレンスバンドに形成される量子準位を図３（ｂ）に従って説明する。図３（ｂ）は、横軸に井戸幅をとり、縦軸に各井戸幅に対する量子準位をとっており、第１量子準位（基底準位）から第６量子準位まで表した。

本実施例では、ＧａＡｓ井戸幅を、２．５ｎｍ、４ｎｍ、６ｎｍの３つの量子井戸を形成しており、井戸幅２．５ｎｍでは２つの量子準位が、井戸幅４ｎｍでは３つの量子準位が、井戸幅６ｎｍでは、４つの量子準位がそれぞれ形成されて、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層内には合計９つの量子準位が形成される。

〔バンドの効果〕

次に、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＰ中間層、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層、ＧａＡｓキャップ層を接合したときのゼロバイアス時のバレンスバンドのつながりを図３（ｃ）に示す。ＧａＡｓキャップ側にプラスのバイアスを印加していくと、ＧａＡｓキャップ層より供給されたホールは、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層に形成された量子準位を経てＧａＩｎＰ中間層へ伝わる。ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層では、複数の量子準位が形成されており、ＧａＡｓキャップ層でのホールのエネルギーが継承されるため、比較的高次の量子準位にもホールが入りやすく、高次準位とＧａＩｎＰ中間層とのエネルギー差が小さいため、ＧａＩｎＰ中間層へ容易にホールが注入されるようになる。

〔動作電圧〕

このように、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の界面のホールに対するヘテロバリアの影響が緩和され、低電圧からホールを注入することが可能となり、半導体レーザの動作電圧が低下した。

〔Ｚｎ拡散防止の効果〕

また、ＧａＩｎＰ中間層とＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、ＧａＡｓキャップ層中にドーピングしたＺｎがＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ拡散するのも抑えられ、動作電圧が抑えられるばかりでなく、効率の低下、信頼性の劣化も防ぐことができるようになった。

本実施例では、基板をｎ型、キャップ層をｐ型としたが、この場合、すなわち、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＧａＡｓキャップ層の界面にＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰへテロバリア中間層を適用する場合に特に有効的になる。これと逆の場合、すなわち基板をｐ型、キャップ層をｎ型とした場合は、効果は小さくなるが、動作電圧を下げる効果はある。

また、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層のＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰの各層厚および層数は、上記値に限定するものではない。
層数は、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＩｎＰ層がそれぞれ２〜５層で特に効果が大きかった。
ＧａＡｓ層厚は７ｎｍ以下で特に効果が大きく、また、ＡｌＧａＩｎＰ層厚は、３ｎｍ以下１０ｎｍ以上で特に効果が大きかった。

その他の層も、層構成、組成、層厚、キャリア濃度など、上記の実施例の値に限るものではない。

成長条件も上記条件に限るものではない。成長方法はＭＯＣＶＤ法に限るものではなく、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などでも良い。

図４は、実施例２に係る半導体レーザ装置の断面図である。本実施例は、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の間に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰで構成されるＭＱＷへテロバリア中間層を採用した例である。実施例１に係る半導体レーザ装置と異なる点は、ＧａＩｎＰ中間層を用いず、かつヘテロ界面中間層２２の構造を変更した点である。実施例１に係る半導体レーザ装置で用いた層と同じ層には同じ番号を付し、その説明を繰り返さない。

図４を参照して、２２はヘテロ界面中間層で、ＧａＡｓ層２６（３．５ｎｍ）と（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ層２７（６ｎｍ）で構成されている。ＧａＡｓ層２６は、厚さの同じ３層で構成され、この３層がそれぞれＡｌＧａＩｎＰ層２７で挟まれた構造となっている。ＡｌＧａＩｎＰ層２７はｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.511Ｉｎ_0.489Ｐ第２Ｐクラッド層１０と同じ組成とした。

〔バンドの説明〕

本実施例は、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層との界面に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰより構成される量子井戸構造からなるヘテロバリア中間層を用いた。

ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸のバンド構造を図５（ａ）に示す。

ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸のバレンスバンドに形成される量子準位を図５（ｂ）に従って説明する。図５（ｂ）は、横軸に井戸幅をとり、縦軸に各井戸幅に対する量子準位をとっており、第１量子準位（基底準位）から第６量子準位まで表している。

本実施例では、ＧａＡｓ井戸幅が３．５ｎｍの３つの量子井戸で形成されており、井戸幅３．５ｎｍでは、３つの量子準位が形成される。

〔バンドの効果〕

次に、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層、ＧａＡｓキャップ層を接合したときのゼロバイアス時のバレンスバンドのつながりを図５（ｃ）に示す。

ＧａＡｓキャップ側にプラスのバイアスを印加していくと、ＧａＡｓキャップ層より供給されたホールは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層に形成された量子準位を経てＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ伝導する。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層では、複数の量子準位が形成されており、ホールはＧａＡｓキャップ層のエネルギーを継承しているため、比較的高次の量子準位にも入りやすく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層の高次準位とＡｌＧａＩｎＰクラッド層とのエネルギー差が小さいため、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ容易にホールが注入されるようになる。

〔動作電圧〕

このように、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の界面のホールに対するヘテロバリアの影響が緩和され、低電圧からホールを注入することが可能となり、半導体レーザの動作電圧が低下した。

〔Ｚｎ拡散防止の効果〕

また、本実施例においても、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、ＧａＡｓキャップ層中にドーピングしたＺｎがＡｌＧａＩｎＰクラッド層へ拡散するのを抑制し、動作電圧が抑えられるばかりでなく、効率の低下、信頼性の劣化も防ぐことができるようになった。

今回開示された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。

ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザにおいて、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ−ＧａＡｓキャップ層の界面にＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸ヘテロバリア中間層を挿入することにより、半導体レーザの動作電圧が低下し、効率が向上し、信頼性が向上し、高出力半導体レーザを実現することが可能になった。

実施例１に係る半導体レーザ装置の断面図である。 実施例１に係る半導体レーザ装置の製造工程を説明するための模式図である。 実施例１に係る、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＩｎＰのエネルギーバンドを示す図である。 実施例２に係る半導体レーザ装置の断面図である。 実施例２に係る半導体レーザ装置における、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＩｎＰ量子井戸へテロバリア中間層に形成されるエネルギー準位を示す図である。 （ａ）ＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰのエネルギーバンドである。 （ｂ） ＡｌＧａＩｎＰクラッド層／ＧａＩｎＰ中間層／ＧａＡｓキャップ層を接合したときの無バイアス時のバレンスバンドのバンドのつながりを示す図である。 従来の半導体レーザ装置の断面図である。

符号の説明

１ ｎ−ＧａＡｓ基板
２ ｎ−ＧａＩｎＰ中間層
３ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第１Ｎクラッド層
４ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第２Ｎクラッド層
５ ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰガイド層
６ ｕｎ−ＧａＩｎＰ井戸層
７ ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰバリア層
８ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１Ｐクラッド層
９ ｐ−ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２Ｐクラッド層
１１ ｐ−ＧａＩｎＰ中間層
１２ ヘテロ界面中間層
１３ ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１４ ＳｉＮ膜
１５ａ ｐ側電極
１５ｂ ｎ側電極
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ ヘテロ界面中間層を構成するＧａＡｓ層
１７ ヘテロ界面中間層を構成するＧａＩｎＰ層
２２ ヘテロ界面中間層
２６ ヘテロ界面中間層を構成するＧａＡｓ層
２７ ヘテロ界面中間層を構成するＡｌＧａＩｎＰ層

Claims (6)

1. 第１導電型ＧａＡｓ基板と、
   前記ＧａＡｓ基板上に順次形成された、第１導電型ＡｌＧａＩｎＰよりなる第１クラッド層と、活性層と、第２導電型ＡｌＧａＩｎＰよりなる第２クラッド層と、
   前記第２導電型第２クラッド層上に形成された第２導電型ＧａＡｓキャップ層とを備え、
   前記第２導電型第２クラッド層と前記第２導電型ＧａＡｓキャップ層の界面に、ＧａＡｓ層と（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層（０≦ｘ≦１，０＜ｙ＜１）とからなる多層構造の量子井戸ヘテロバリア中間層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記第１導電型がｎ型であり、前記第２導電型がｐ型であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記量子井戸ヘテロバリア中間層において、前記ＧａＡｓ層および前記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層がそれぞれ２層以上存在することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記ＧａＡｓ層の厚みが７ｎｍ以下であり、前記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層の厚みが３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記ＧａＡｓ層が２層以上存在し、それぞれの層厚が異なり、前記第２クラッド層側で薄く、前記ＧａＡｓキャップ層側で厚いことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記第２クラッド層のドーパントがＭｇであり、前記ＧａＡｓキャップ層のドーパントがＺｎであり、
   前記ＧａＡｓ層のドーパントがＭｇまたはアンドープ、前記（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＰ層のドーパントがＭｇであることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
   
   

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