JP2008270588A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ型クラッド層を一部無秩序化してバンドギャップ、ひいては屈折率の変動を抑制し、安定した拡がり角が得られる半導体レーザを実現する。
【解決手段】基板１０１上に、ｎ型クラッド層１０２，１０３と活性層１０４とｐ型クラッド層１０５とを設け、ｎ型クラッド層１０２，１０３における第一ｎ型クラッド層１０２にドーパントとしてＳｉとＺｎとを含ませ、かつ第一ｎ型クラッド層１０２の厚さを０．１μｍ以上とし、かつ活性層１０４の中心から第一ｎ型クラッド層１０２までの最短距離を０．５μｍ以下とし、かつ基板１０１の基板傾斜角度を０°〜１５°とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種光源などに適用される半導体レーザに関するものである。

ＤＶＤ−ＲＡＭなどのピックアップ光源には波長６５０ｎｍ帯の赤色レーザが用いられる。この波長帯のレーザの材料には、ＧａＡｓ基板上に積層されたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体のダブルへテロ構造が採用されている。具体的には活性層がＡｌＧａＩｎＰ（ＧａＩｎＰを含む）からなる単一の層もしくは複数の層（多重量子井戸構造を含む）からなり、活性層を挟むようにして活性層より大きなバンドギャップを有するＡｌＧａＩｎＰからなる層で構成される。また、基板に水平な方向に対して光を閉じ込めるために、活性層上部のクラッド層はリッジ構造とするのが一般的である。

現在実用化されているこのような赤色レーザの一例として、非特許文献１に記載されたものが挙げられる。このレーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板上に活性層がＡｌＧａＩｎＰとＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造のものであり、基板に水平な方向に対して光を閉じ込め、かつ電流経路狭窄を図るため、ＡｌＩｎＰ埋込層を備えた実屈折率導波型リッジ構造を採用している。また、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とのドーパントに、それぞれＳｉ，Ｚｎが用いられている。

光ディスク用レーザの重要な特性の一つとして、出射光の拡がり角がある。半導体レーザの端面から出射される光は、回折効果のため空間的に拡がるが、ディスク上では所望のスポットサイズにする必要があるため、外部光学系のレンズにより集光される。この光の拡がる角度がばらつくと、集光レンズにおける光の利用効率が変動し、光量不足が生じるなどの弊害が生じる。

拡がり角を調節するパラメータとしては、リッジのストライプ幅，リッジ外部の活性層上部のクラッド層膜厚、あるいは各層を構成する材料の屈折率が挙げられる。

各層の屈折率は、主にそれぞれの元素構成比（組成比）で決定される。特にクラッド層の組成比は、リッジ内部と外部の実効屈折率差に大きく影響を与える。水平広がり角は、リッジ内外の実効屈折率差を反映した基板に平行方向の光分布により決まるため、クラッド層組成が重要なパラメータとなる。

赤色レーザや赤色・赤外二波長レーザは、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰクラッド層より構成され、このｘ，ｙが組成比である。この組成比を正確に制御することにより、所望の屈折率を持つクラッド層を形成することが可能となり、ひいては所望の水平広がり角を得ることが可能となる。
ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）、日本、応用物理学欧文誌刊行会、１９９７年５月１５日、Ｖｏｌ．３６、Ｎｏ．５Ａ、ｐ．２６６６−２６７０

赤色レーザや赤色・赤外二波長レーザのクラッド層を構成するＡｌＧａＩｎＰは、結晶成長の条件などにより秩序化が発生する。秩序化とはＩＩＩ族の構成原子が特定の方向に規則的に配列する現象であり、この周期性の存在によりバンドギャップの変動が発生する（Γ点におけるバンドギャップが小さくなる）。この秩序化は、成長温度，成長速度，Ｖ／ＩＩＩ比，基板主面の（１００）面から［０１１］方向への傾斜角度（基板傾斜角度という），Ｚｎドーピング量などにより決まる。

赤色レーザや赤色・赤外二波長レーザのｐ型クラッド層の多くにはドーパントとしてＺｎを用いているが、５×１０^１７ｃｍ^−３程度以上Ｚｎをドーピングした場合、結晶は無秩序化され、前記のようなバンドギャップ縮小が発生しない。一方、ｎ型クラッド層はＳｉをドーパントに用いているが、このドーパントは無秩序化には寄与しないので、成長条件に依存した秩序化が残存してバンドギャップの縮小が発生する。そのため、例えばｐ型クラッド層とｎ型クラッド層とにおいて組成比が同じになるように設定しても、結果的にバンドギャップが互いに異なる。バンドギャップの変化は屈折率にも影響を与えるため、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層で屈折率が互いに異なってしまうことになり、拡がり角を高精度に制御することができない。

さらに、成長温度などの成長条件が変動した際、無秩序化されたｐ型クラッド層は、その変動による影響を受けないが、ｎ型クラッド層は秩序度が変動するため、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の屈折率差の変動、すなわち拡がり角の変動に帰結する。

このような課題の解決方法の一つとして基板傾斜角度を大きくすることが挙げられる。基板傾斜角度を１５°よりも大きくすれば、秩序化が生じなくなるためである。しかし、このような傾斜角度の大きい基板では、リッジ形成時に形状を対称に保ちにくいなど、プロセス上の困難性が伴うため、一般的に用いられることはあまりなく、傾斜角度が１５°以下の基板が通常用いられる。

そこで、本発明に係る半導体レーザは、前記従来の課題に鑑み、ｎ型クラッド層を一部無秩序化してバンドギャップ、ひいては屈折率の変動を抑制し、安定した拡がり角が得られる半導体レーザを実現することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る半導体レーザは、基板上に、少なくとも第一導電型のクラッド層と活性層と第二導電型のクラッド層とを有し、前記第一導電型のクラッド層における少なくとも一部の領域に第一導電型のドーパントと第二導電型のドーパントとを含ませ、かつ前記一部の領域の厚さを０．１μｍ以上とし、かつ前記活性層中心から前記一部の領域までの最短距離を０．５μｍ以下とし、かつ前記基板の傾斜角度を０°〜１５°としたことを特徴とする。

また、前記第一導電型のクラッド層の少なくとも一部、および前記第二導電型のクラッド層の少なくとも一部が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなることが好ましい。

また、前記第一導電型と前記第二導電型がそれぞれｎ型とｐ型であり、前記第二導電型のドーパントとして前記第一導電型のクラッド層および第二導電型のクラッド層の双方にＺｎが含まれていることが好ましい。

また、前記第一導電型のクラッド層における前記一部の領域に含まれる前記第二導電型のドーパントの濃度が、５×１０^１７ｃｍ^−３以上であることが好ましい。

本発明の構造を用いることにより、例えばｎ型クラッドに対してｐ型クラッドと同等の無秩序化を図ることが可能となり、成長条件が変動してもｐ型クラッドとｎ型クラッドの屈折率の変動が抑えられ、所望の拡がり角を得ることが容易となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態である半導体レーザの構成を示す断面模式図、図２は本実施の形態である半導体レーザの製造工程を示す断面構造図である。

図１において、本実施の形態における半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ１０１上にＭＯＣＶＤにより、第一ｎ型クラッド層１０２，第二ｎ型クラッド層１０３，活性層１０４，ｐ型クラッド層１０５，コンタクト層１０６が順に積層されており、ｐ型クラッド層１０５の一部およびコンタクト層１０６がリッジストライプ形状に加工されている。

前記ｐ型クラッド層１０５のリッジ部の側面およびリッジ部以外の表面を覆うように電流狭窄層１０８が形成されている。また、コンタクト層１０６の上面および電流狭窄層１０８の表面にはＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉなどのｐ側電極１０９が形成され、ｎ型基板１０１の裏面にはＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉなどのｎ側電極１１０が形成されている。

この場合、リッジ加工の形状制御性を確保するため、ｎ型ＧａＡｓ１０１の基板傾斜角度は０°〜１５°の範囲であることが望ましい。

なお、各層の材料，伝導型，膜厚，キャリア濃度は以下の（表１）のとおりである。

（表１）に示したように、本実施の形態における半導体レーザの特徴は、第一ｎ型クラッド層１０２にｎ型ドーパントであるＳｉとともにｐ型ドーパントであるＺｎが添加されている点にある。さらに、第一ｎクラッド層１０２およびｐ型クラッド層の双方にＺｎが５×１０^１７ｃｍ^−３以上ドーピングされている。つまり、これらの層は無秩序化されている。また、第一ｎクラッド層１０２にはＳｉがＺｎより多くドーピングされているため、全体としてｎ型を維持している。

一方、第二ｎクラッド層１０３にはＺｎが添加されていない。活性層１０４直下までＺｎをドーピングすると、活性層形成後の結晶成長、あるいはその他の加熱工程により第二ｎクラッド層１０３中の活性層近傍のＺｎが活性層１０４に拡散し、非発光再結合中心の原因となり、動作電流の上昇などの素子特性悪化の原因となる可能性があるためである。

ｎ型クラッド層中においては、光が分布する領域の一部は無秩序化されなくても、すなわち、屈折率変動があっても、その領域が限定されていれば、拡がり角への影響は軽微であるため、必ずしも活性層１０４直下のｎ型クラッド層（本例では第二ｎクラッド層１０３）までＺｎを添加して無秩序化させる必要はない。

ただし、活性層１０４から無秩序化されたｎ型クラッド層（本例では第一ｎ型クラッド層１０２）までの距離が遠すぎたり、無秩序化されているｎ型クラッド層の厚さが薄すぎると、拡がり角への影響が無視できなくなるため、ｎ型クラッド層におけるＺｎが添加されている領域（本例では第一ｎ型クラッド層１０２）と活性層１０４の中心の最短距離が０．５μｍ以下であることが望ましく、また、該ｎ型クラッド層におけるＺｎが添加されている領域の厚さが０．１μｍ以上であることが望ましい。

次に、本実施の形態における半導体レーザの製造工程について、図２を参照しながら説明する。

ｎ型ＧａＡｓ１０１上に化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、第一ｎ型クラッド層１０２，第二ｎ型クラッド層１０３，活性層１０４，ｐ型クラッド層１０５，コンタクト層１０６を順次積層する（図２（ａ））。

なお、第一ｎクラッド層１０２の成長時には、ＳｉＨ_４ガスおよびＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）ガスを同時に供給してＳｉおよびＺｎを添加する。

次に、ＳｉＯ_２膜をコンタクト層１０６上面に堆積し、フォトリソグラフィおよびエッチングによりＳｉＯ_２膜をストライプ状にパターニングし、ＳｉＯ_２マスクパターン１０７を形成する。ＳｉＯ_２マスクパターン１０７をエッチングマスクとして、コンタクト層１０５およびｐクラッド層１０６の一部を除去してリッジを形成する。リッジの幅はトップ幅２μｍ，ボトム幅３μｍとする（図２（ｂ））。

さらに、ＳｉＯ_２マスクパターン１０７を残したまま、電流狭窄層１０８の選択的成長を行う（図２（ｃ））。

次に、ＳｉＯ_２マスクパターン１０７を除去し、ｐ側電極１０９およびｎ側電極１１０を蒸着してレーザ素子を形成する（図２（ｄ））。

なお、本実施の形態では、Ｚｎをｐ型ドーパントとして用いたが、Ｍｇ，ＢｅなどＺｎとは異なる原子を、それぞれのｐ型ドーパントとして用いた場合でも、同様な効果を得ることができる。

また、半導体レーザの構造は、本実施の形態に限られるものではなく、例えばｐ型クラッド層はエッチングストップ層を挟んで２層となっていてもよい。その場合、エッチングストップ層の上に形成された部分がリッジ形状に加工される。また、電流狭窄層が誘電体膜などであってもよい。

本発明に係る半導体レーザは、拡がり角のばらつきが抑えられた安定したレーザ特性を有し、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋Ｒ、ＤＶＤ＋ＲＷ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｖｉｄｅｏ、ＣＤ−ＤＡ、ＶＣＤなどの光ディスク装置のピックアップ用光源、およびその他の光情報処理、光通信、光計測の光源として有用である。

本発明の実施の形態である半導体レーザの構成を示す断面模式図 本発明の実施の形態である半導体レーザの製造工程を示す断面構造図

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 第一ｎ型クラッド層
１０３ 第二ｎ型クラッド層
１０４ 活性層
１０５ ｐ型クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ ＳｉＯ_２マスクパターン
１０８ 電流狭窄層
１０９ ｐ側電極
１１０ ｎ側電極

Claims (4)

1. 基板上に、少なくとも第一導電型のクラッド層と活性層と第二導電型のクラッド層とを有し、前記第一導電型のクラッド層における少なくとも一部の領域に第一導電型のドーパントと第二導電型のドーパントとを含ませ、かつ前記一部の領域の厚さを０．１μｍ以上とし、かつ前記活性層中心から前記一部の領域までの最短距離を０．５μｍ以下とし、かつ前記基板の基板傾斜角度を０°〜１５°としたことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記第一導電型のクラッド層の少なくとも一部、および前記第二導電型のクラッド層の少なくとも一部が（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記第一導電型と前記第二導電型がそれぞれｎ型とｐ型であり、前記第二導電型のドーパントとして前記第一導電型のクラッド層および第二導電型のクラッド層の双方にＺｎが含まれていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
4. 前記第一導電型のクラッド層における前記一部の領域に含まれる前記第二導電型のドーパントの濃度が、５×１０^１７ｃｍ^−３以上であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体レーザ。

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