JP2010080757A - Semiconductor light emitting element - Google Patents

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Yoshinori Tanaka
良宜 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting element wherein the occurrence of crystal defects is prevented and TM mode oscillation within a range free from degradation in characteristics is possible. <P>SOLUTION: An n-type AlGaAs clad layer 2, an n-type AlGaAs beam diffusion layer 3, an n-type AlGaAs light guide layer 4, an MQW active layer 5, a p-type AlGaAs light guide layer 6, a p-type AlGaAs beam diffusion layer 7, a p-type AlGaAs first clad layer 8, an InGaP etching stop layer 9, a p-type AlGaAs second clad layer 10, and a p-type AlGaAs contact layer 11 are formed on a GaAs substrate 1. The MQW active layer 5 includes a multiple quantum well structure constituted of barrier layers and well layers having a tensile strain, and a layer thickness of each well layer is larger than that of each barrier layer, and the layer thickness of at least one well layer is made different from those of the other well layers. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、引っ張り歪を持つ井戸層を有する活性層を備えた半導体発光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device including an active layer having a well layer having tensile strain.

半導体発光素子の中で、半導体レーザは、例えば、DVDやレーザプリンタ等の光源として用いられている。例えば、赤外波長領域の波長780nmの半導体レーザには、従来活性層材料にAlGaAsが用いられており、偏光はTEモードで発振していた。TEモード発振では、伝搬方向と垂直方向に電界が存在するため、半導体レーザの放出光を絞るために放射窓を小さくすることができない。放射窓を小さくすると、電界成分が放射窓に遮られてしまい、レーザ光が十分伝搬されない。  Among semiconductor light emitting devices, semiconductor lasers are used as light sources for DVDs and laser printers, for example. For example, in a semiconductor laser having a wavelength of 780 nm in the infrared wavelength region, AlGaAs has been conventionally used as an active layer material, and polarized light oscillated in a TE mode. In TE mode oscillation, since an electric field exists in a direction perpendicular to the propagation direction, the radiation window cannot be reduced in order to narrow down the emitted light of the semiconductor laser. If the radiation window is made small, the electric field component is blocked by the radiation window, and the laser light is not sufficiently propagated.

放射窓を小さくしても、レーザ光の電界成分を十分伝搬させるために、TMモード発振によるレーザ光を生成し、光の伝搬方向に電界成分を持たせるようにしている。TMモードで発振するためには、活性層に引っ張り歪を持つ井戸層を用いる必要があり、そのために、井戸層とバリア層(障壁層)の組成を調整して、井戸層に引っ張り歪を加えるようにしている(例えば、特許文献1参照)。
特開平7−312465号公報
In order to sufficiently propagate the electric field component of the laser light even if the radiation window is made small, laser light by TM mode oscillation is generated and the electric field component is given in the light propagation direction. In order to oscillate in the TM mode, it is necessary to use a well layer having a tensile strain in the active layer. For this purpose, the well layer and the barrier layer (barrier layer) are adjusted to apply a tensile strain to the well layer. (For example, refer to Patent Document 1).
JP-A-7-31465

活性層中の井戸層に大きな引っ張り歪みを加えるほど、TMモード発振が大きくなる。そこで、歪量を大きくするためには、格子定数の大きく異なる材料を井戸層とバリア層に用いれば良い。しかし、あまり、大きな歪を加えすぎると、格子を維持できなくなり、リラックス(格子緩和)してしまう。このとき、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化する。結晶欠陥は、歪量が大きくなる程、また、膜厚が厚くなる程、発生しやすくなる。結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない条件でTMモード発振を行えるようにすることが必要である。  The greater the tensile strain applied to the well layer in the active layer, the greater the TM mode oscillation. Therefore, in order to increase the amount of strain, materials having greatly different lattice constants may be used for the well layer and the barrier layer. However, if too much strain is applied, the lattice cannot be maintained and relaxed (lattice relaxation). At this time, crystal defects occur, and the characteristics deteriorate. Crystal defects are more likely to occur as the amount of strain increases and the film thickness increases. It is necessary to prevent the occurrence of crystal defects and to enable TM mode oscillation under conditions where the characteristics do not deteriorate.

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、結晶欠陥の発生を防止し、特性が劣化しない範囲で、TMモード発振が行えるようにした半導体発光素子を提供することを目的としている。   The present invention was devised to solve the above-described problems, and provides a semiconductor light emitting device capable of preventing occurrence of crystal defects and performing TM mode oscillation within a range in which characteristics are not deteriorated. It is aimed.

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層を備え、前記井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、前記井戸層のうち、少なくとも1層の膜厚が他の井戸層と異なることを特徴とする半導体発光素子である。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is provided with an active layer having a multiple quantum well structure composed of a barrier layer and a well layer having tensile strain, and each film thickness of the well layer is a barrier layer. The semiconductor light emitting device is characterized in that the thickness of at least one of the well layers is different from those of the other well layers.

また、請求項2記載の発明は、前記井戸層の各膜厚は、6nmより大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子である。   The invention according to claim 2 is the semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein each film thickness of the well layer is larger than 6 nm.

また、請求項3記載の発明は、前記活性層は、半導体基板上に積層された積層体の一部を形成し、前記井戸層の格子定数が前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子である。   According to a third aspect of the present invention, the active layer forms part of a stacked body stacked on a semiconductor substrate, and the lattice constant of the well layer is smaller than the lattice constant of the semiconductor substrate. The semiconductor light-emitting device according to claim 1 or 2.

また、請求項4記載の発明は、前記井戸層と半導体基板の格子定数差は、0.18%以上に構成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子である。   The invention according to claim 4 is the semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein a difference in lattice constant between the well layer and the semiconductor substrate is 0.18% or more.

また、請求項5記載の発明は、前記積層体上に形成される電極が、ストライプ形状に構成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の半導体発光素子である。   The invention according to claim 5 is the semiconductor light-emitting element according to claim 3 or 4, wherein the electrode formed on the laminate is configured in a stripe shape.

また、請求項6記載の発明は、前記積層体の一部がリッジ構造に形成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の半導体発光素子である。   A sixth aspect of the present invention is the semiconductor light emitting element according to the third or fourth aspect, wherein a part of the laminate is formed in a ridge structure.

また、請求項7記載の発明は、前記活性層より上側のエッチングストップ層上に形成されたクラッド層の一部が、前記リッジ構造に含まれていることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子である。   The invention according to claim 7 is characterized in that a part of the cladding layer formed on the etching stop layer above the active layer is included in the ridge structure. It is a semiconductor light emitting device.

また、請求項8記載の発明は、前記クラッド層は、前記エッチングストップ層に近い側から積層方向に向けて、第1不純物濃度領域と第2不純物濃度領域に分けられており、前記第1不純物濃度領域の不純物濃度は第2不純物濃度領域よりも低いことを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子である。   According to an eighth aspect of the present invention, the cladding layer is divided into a first impurity concentration region and a second impurity concentration region from the side close to the etching stop layer toward the stacking direction. 8. The semiconductor light emitting element according to claim 7, wherein the impurity concentration of the concentration region is lower than that of the second impurity concentration region.

また、請求項9記載の発明は、前記リッジ構造の底面は前記第1不純物濃度領域側に形成され、かつ前記第1不純物濃度領域と第2不純物濃度領域の境界から前記第1不純物濃度領域側に100nmの深さまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子である。   According to a ninth aspect of the present invention, the bottom surface of the ridge structure is formed on the first impurity concentration region side, and the first impurity concentration region side from the boundary between the first impurity concentration region and the second impurity concentration region. 9. The semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the semiconductor light emitting device is formed in a range up to a depth of 100 nm.

また、請求項10記載の発明は、前記第1不純物濃度領域の不純物濃度が5×1017cm−3〜2×1018cm−3の範囲、又は、前記第2不純物濃度領域と第1不純物濃度領域との濃度差dが0<d≦1×10(cm−3)のいずれかを満たしていることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の半導体発光素子である。 According to a tenth aspect of the present invention, the impurity concentration of the first impurity concentration region ranges from 5 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 , or the second impurity concentration region and the first impurity. 10. The semiconductor light-emitting element according to claim 8, wherein a concentration difference d with respect to the concentration region satisfies any of 0 <d ≦ 1 × 10 2 (cm −3 ).

本発明の半導体発光素子では、量子井戸構造を有する活性層を備えており、この活性層はバリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成されている。また、井戸層膜厚がバリア層膜厚よりも大きく、複数の井戸層のうち、少なくとも1層の膜厚が他の井戸層とは異なるように構成されている。これにより、TMモード波の閾値電流がTEモード波の閾値電流よりも低くなるので、TMモード発振の大きな半導体発光素子が得られる。   The semiconductor light emitting device of the present invention includes an active layer having a quantum well structure, and this active layer is composed of a barrier layer and a well layer having tensile strain. Further, the well layer thickness is larger than the barrier layer thickness, and at least one of the plurality of well layers is configured to be different from other well layers. As a result, the threshold current of the TM mode wave becomes lower than the threshold current of the TE mode wave, so that a semiconductor light emitting device having a large TM mode oscillation can be obtained.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。本発明の半導体発光素子として半導体レーザの構成例を図1に示す。GaAs基板1上に、n型AlGaAsクラッド層2、n型AlGaAsビーム拡散層3、n型AlGaAs光ガイド層4、MQW活性層5、p型AlGaAs光ガイド層6、p型AlGaAsビーム拡散層7、p型AlGaAs第1クラッド層8、InGaPエッチングストップ層9、p型AlGaAs第2クラッド層10、p型GaAsコンタクト層11、p電極12が積層され、GaAs基板1の裏側にはn電極13が形成されている。GaAs基板1には、傾斜n型GaAs基板が用いられる。また、p電極12はTiとAuの多層金属膜等を、n電極1はAu、Ge、Niの合金層とTiとAuの多層金属膜等が用いられる。  Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. A configuration example of a semiconductor laser as a semiconductor light emitting device of the present invention is shown in FIG. On a GaAs substrate 1, an n-type AlGaAs cladding layer 2, an n-type AlGaAs beam diffusion layer 3, an n-type AlGaAs light guide layer 4, an MQW active layer 5, a p-type AlGaAs light guide layer 6, a p-type AlGaAs beam diffusion layer 7, A p-type AlGaAs first cladding layer 8, an InGaP etching stop layer 9, a p-type AlGaAs second cladding layer 10, a p-type GaAs contact layer 11, and a p-electrode 12 are laminated, and an n-electrode 13 is formed on the back side of the GaAs substrate 1. Has been. The GaAs substrate 1 is an inclined n-type GaAs substrate. Further, the p electrode 12 is made of a Ti / Au multilayer metal film or the like, and the n electrode 1 is made of an Au / Ge / Ni alloy layer, Ti / Au multilayer metal film or the like.

MQW活性層5は、図3に示すように、GaAsP井戸層5aとAlGaAsバリア層5bを交互に積層させた多重量子井戸(Multi Quantum Well)構造を有している。また、n型AlGaAs光ガイド層4上に、まずGaAsP井戸層5aが作製された後、AlGaAsバリア層5bが形成され、井戸層とバリア層とが交互に積層される。最後はGaAsP井戸層5aが形成され、その上にp型AlGaAs光ガイド層6が形成される。MQW活性層5のGaAsP井戸層5aには、図の矢印で示すように、横方向(積層方向とは垂直方向)に引っ張り歪が発生するように形成されている。  As shown in FIG. 3, the MQW active layer 5 has a multi quantum well structure in which GaAsP well layers 5a and AlGaAs barrier layers 5b are alternately stacked. On the n-type AlGaAs light guide layer 4, a GaAsP well layer 5a is first formed, and then an AlGaAs barrier layer 5b is formed, and the well layers and the barrier layers are alternately stacked. Finally, a GaAsP well layer 5a is formed, and a p-type AlGaAs light guide layer 6 is formed thereon. The GaAsP well layer 5a of the MQW active layer 5 is formed so as to generate tensile strain in the lateral direction (a direction perpendicular to the stacking direction) as indicated by arrows in the figure.

MQW活性層5における各GaAsP井戸層5aの膜厚は、どのAlGaAsバリア層5bの膜厚よりも厚く構成されている。さらに、各GaAsP井戸層5aは、すべて同一の膜厚で構成されているのではなく、少なくとも1層のGaAsP井戸層の膜厚は、他のGaAsP井戸層の膜厚と異なるように構成されている。  The thickness of each GaAsP well layer 5a in the MQW active layer 5 is larger than the thickness of any AlGaAs barrier layer 5b. Furthermore, the GaAsP well layers 5a are not all configured to have the same thickness, but the thickness of at least one GaAsP well layer is configured to be different from the thickness of other GaAsP well layers. Yes.

図1の半導体レーザは、p型AlGaAs第2クラッド層10とp型GaAsコンタクト層11とで、ストライプ状のリッジ部分を構成したリッジ構造を有している。電流は、ストライプ状のリッジ部と、リッジ部の下部を流れる。  The semiconductor laser of FIG. 1 has a ridge structure in which a p-type AlGaAs second cladding layer 10 and a p-type GaAs contact layer 11 constitute a striped ridge portion. The current flows through the striped ridge portion and the lower portion of the ridge portion.

図1の半導体レーザの製造方法を簡単に説明すると、既知のMOCVD法やフォトリソグラフィ技術等により、以下のように行われる。GaAs基板1上に、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)を用いた結晶成長によって、n型AlGaAsクラッド層2、n型AlGaAsビーム拡散層3、n型AlGaAs光ガイド層4、MQW活性層5、p型AlGaAs光ガイド層6、p型AlGaAsビーム拡散層7、p型AlGaAs第1クラッド層8、InGaPエッチングストップ層9、p型AlGaAs第2クラッド層10、p型GaAsコンタクト層11を順に積層する。なお、MQW活性層5は、上述のように、GaAsP井戸層5aとAlGaAsバリア層5bとを交互に積層する。本実施例では、GaAsP井戸層5aを3層とAlGaAsバリア層5bを2層積層する。   The manufacturing method of the semiconductor laser shown in FIG. 1 will be briefly described as follows by a known MOCVD method, a photolithography technique or the like. An n-type AlGaAs cladding layer 2, an n-type AlGaAs beam diffusion layer 3, an n-type AlGaAs light guide layer 4 and an MQW active layer are formed on the GaAs substrate 1 by crystal growth using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). 5, p-type AlGaAs light guide layer 6, p-type AlGaAs beam diffusion layer 7, p-type AlGaAs first cladding layer 8, InGaP etching stop layer 9, p-type AlGaAs second cladding layer 10, and p-type GaAs contact layer 11 in this order. Laminate. As described above, the MQW active layer 5 is formed by alternately laminating the GaAsP well layers 5a and the AlGaAs barrier layers 5b. In this embodiment, three GaAsP well layers 5a and two AlGaAs barrier layers 5b are stacked.

次に、ストライプ状のSiOをマスクとし、ドライエッチングによりp型GaAsコンタクト層11及びp型AlGaAs第2クラッド層10をエッチングして、リッジ部を形成する。次に、塩酸若しくは希硫酸と過酸化水素水でウェットエッチングしてInGaPエッチングストップ層9に達するまでエッチングを行う。エッチングストップ層9によりリッジエッチングが自動的に停止し、制御良くリッジを形成できる。 Next, using the striped SiO 2 as a mask, the p-type GaAs contact layer 11 and the p-type AlGaAs second cladding layer 10 are etched by dry etching to form a ridge portion. Next, wet etching is performed with hydrochloric acid or dilute sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, and etching is performed until the InGaP etching stop layer 9 is reached. The ridge etching is automatically stopped by the etching stop layer 9, and the ridge can be formed with good control.

その後、SiOのマスクをHF処理によって除去する。最後に、ラッピング、ポリッシュによってウエハを所定の厚さまで薄くし、蒸着又はスパッタによってp電極12及びn電極13を形成する。 Thereafter, the SiO 2 mask is removed by HF treatment. Finally, the wafer is thinned to a predetermined thickness by lapping and polishing, and the p electrode 12 and the n electrode 13 are formed by vapor deposition or sputtering.

図1では、リッジ構造を有する半導体レーザの例を示したが、図2のように、ストライプ状のリッジ構造を用いずに、p電極をストライプ形状にした半導体レーザとすることもできる。図1と同じ符号を付したものは、図1と同様の構成を示す。GaAs基板1上に、n型AlGaAsクラッド層2、n型AlGaAsビーム拡散層3、n型AlGaAs光ガイド層4、MQW活性層5、p型AlGaAs光ガイド層6、p型AlGaAsビーム拡散層7が積層されているところまでは、図1と同様である。図1と異なるのは、エッチングストップ層がなく、p型AlGaAsビーム拡散層7上にはp型AlGaAsクラッド層18、p型GaAsコンタクト層19が順に積層されている。また、素子の中央部に電流を流すようにするために、図1のリッジ構造を形成せずに、p電極20をストライプ形状に作製している。   Although FIG. 1 shows an example of a semiconductor laser having a ridge structure, as shown in FIG. 2, a semiconductor laser having a p-electrode in a stripe shape can be used without using a stripe ridge structure. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same configurations as those in FIG. An n-type AlGaAs cladding layer 2, an n-type AlGaAs beam diffusion layer 3, an n-type AlGaAs light guide layer 4, an MQW active layer 5, a p-type AlGaAs light guide layer 6 and a p-type AlGaAs beam diffusion layer 7 are formed on a GaAs substrate 1. The process up to the point of lamination is the same as in FIG. The difference from FIG. 1 is that there is no etching stop layer, and a p-type AlGaAs cladding layer 18 and a p-type GaAs contact layer 19 are sequentially laminated on the p-type AlGaAs beam diffusion layer 7. Further, the p-electrode 20 is formed in a stripe shape without forming the ridge structure of FIG. 1 so that a current flows through the central portion of the element.

ここで、MQW活性層5のGaAsP井戸層5aとAlGaAsバリア層5bとでは、後述する図8に示すように、構成材料の格子定数が大きく異なるので、井戸層5aには引っ張り歪が発生するのであるが、単に引っ張り歪が発生しただけでは、TMモード発振を十分引き出すことができない。これは、井戸層に引っ張り歪を加えたとしても、レーザ光にはTMモードとTEモードの両波が混在するためである。TMモード発振を優位にするためには、TMモード波の方の閾値電流が十分低くなるように構成することが必要である。  Here, the GaAsP well layer 5a of the MQW active layer 5 and the AlGaAs barrier layer 5b have different lattice constants of the constituent materials as shown in FIG. 8 to be described later. Therefore, tensile strain is generated in the well layer 5a. However, TM mode oscillation cannot be sufficiently obtained simply by generating tensile strain. This is because even if tensile strain is applied to the well layer, both TM mode and TE mode waves are mixed in the laser light. In order to make the TM mode oscillation superior, it is necessary to configure the TM mode wave so that the threshold current is sufficiently low.

そこで、活性層の組成等は一定にして、TMモード発振条件は満たすようにし、井戸層の膜厚構成を変化させて、TMモード発振が優位になるような条件をシミュレーションにより考察した。シミュレーションには、図1、3の構造を有する半導体レーザを用い、具体的には以下のようにした。   Therefore, the conditions such that the TM mode oscillation becomes dominant by changing the composition of the well layer so as to satisfy the TM mode oscillation condition while keeping the composition of the active layer constant, and the like were examined by simulation. For the simulation, a semiconductor laser having the structure of FIGS. 1 and 3 was used, and specifically, as follows.

n型AlGaAsクラッド層2は膜厚3.5μmのn型Al0.53GaAs、n型AlGaAsビーム拡散層3は膜厚0.05μmのn型Al0.53GaAs、n型AlGaAs光ガイド層4は膜厚0.08μmのn型Al0.6GaAs、p型AlGaAs光ガイド層6は膜厚0.08μmのp型Al0.6GaAs、p型AlGaAsビーム拡散層7は膜厚0.05μmのp型Al0.53GaAs、p型AlGaAs第1クラッド層8は膜厚0.03μmのp型Al0.53GaAs、InGaPエッチングストップ層9は膜厚0.015μmのInGaP、p型AlGaAs第2クラッド層10は膜厚1.6μmのp型Al0.53GaAs、p型GaAsコンタクト層11は、膜厚0.4μmのp型GaAsで構成した。なお、いずれの半導体層においても、n型不純物にはSiを、p型不純物にはMgを用いた。また、リッジ構造のリッジ幅(リッジ形状の底面の幅)は、1.5μmとした。 The n-type AlGaAs cladding layer 2 has an n-type Al 0.53 GaAs thickness of 3.5 μm, the n-type AlGaAs beam diffusion layer 3 has an n-type Al 0.53 GaAs thickness of 0.05 μm, and an n-type AlGaAs light guide layer 4. Is 0.08 μm thick n-type Al 0.6 GaAs, p-type AlGaAs optical guide layer 6 is 0.08 μm thick p-type Al 0.6 GaAs, and p-type AlGaAs beam diffusion layer 7 is 0.05 μm thick. P-type Al 0.53 GaAs, p-type AlGaAs first cladding layer 8 is 0.03 μm thick p-type Al 0.53 GaAs, and InGaP etching stop layer 9 is 0.015 μm thick InGaP, p-type AlGaAs first. The 2 clad layer 10 was made of p-type Al 0.53 GaAs having a thickness of 1.6 μm, and the p-type GaAs contact layer 11 was made of p-type GaAs having a thickness of 0.4 μm. In any semiconductor layer, Si was used for n-type impurities and Mg for p-type impurities. The ridge width of the ridge structure (the width of the bottom surface of the ridge shape) was 1.5 μm.

また、MQW活性層5は3層のGaAsP井戸層5aと2層のAlGaAsバリア層5bを交互に積層させた多重量子井戸構造とした。AlGaAsバリア層5bは、膜厚5nmのアンドープAl0.3GaAsで構成した。一方、GaAsP井戸層5aはアンドープGaAs1−X(0<X<1)で構成し、本実施例ではX=0.1のGaAs0.90.1として、その膜厚を色々と変化させ、TMモード発振の状態を調べた。 The MQW active layer 5 has a multiple quantum well structure in which three GaAsP well layers 5a and two AlGaAs barrier layers 5b are alternately stacked. The AlGaAs barrier layer 5b was made of undoped Al 0.3 GaAs having a thickness of 5 nm. On the other hand, the GaAsP well layer 5a is composed of undoped GaAs 1-X P X (0 <X <1). In this embodiment, GaAs 0.9 P 0.1 with X = 0.1 is used, and the film thickness varies. The state of TM mode oscillation was examined.

図4は、3層のGaAsP井戸層5aの各膜厚を変化させた場合のシミュレーション結果を示す。図の横軸は、3層の井戸層の膜厚構成(nm)を示し、縦軸は、相対閾値電流(任意単位)を示す。ここで、相対閾値電流とは、(TMモード発振の閾値電流)/(TEモード発振の閾値電流)で計算された数値を示す。井戸層に引っ張り歪が加えられた場合でも、レーザ光には、TMモードとTEモードの両波が混在するため、相対閾値電流で示している。すなわち、相対閾値電流が小さいほど、TMモード発振が顕著になることがわかる。   FIG. 4 shows simulation results when the thicknesses of the three GaAsP well layers 5a are changed. The horizontal axis of the figure indicates the film thickness configuration (nm) of the three well layers, and the vertical axis indicates the relative threshold current (arbitrary unit). Here, the relative threshold current indicates a numerical value calculated by (TM mode oscillation threshold current) / (TE mode oscillation threshold current). Even when tensile strain is applied to the well layer, both the TM mode and the TE mode waves are mixed in the laser light, and therefore the relative threshold current is indicated. That is, it can be seen that TM mode oscillation becomes more remarkable as the relative threshold current is smaller.

また、図の横軸で、例えば、8/9/10nmと記載されている場合は、左側の数字8nmがp型AlGaAs光ガイド層6に最も近いGaAsP井戸層5aの膜厚を示し、それから順にn型層側に近くなる井戸層5aの膜厚に対応する。したがって、n型AlGaAs光ガイド層4に最も近い井戸層5aが、膜厚10nmとなる。  For example, when 8/9/10 nm is written on the horizontal axis of the figure, the numeral 8 nm on the left side indicates the film thickness of the GaAsP well layer 5a closest to the p-type AlGaAs light guide layer 6, and then in order. This corresponds to the thickness of the well layer 5a close to the n-type layer side. Therefore, the well layer 5a closest to the n-type AlGaAs optical guide layer 4 has a thickness of 10 nm.

従来技術では、3つの井戸層の膜厚をすべて同一にしているので、図4の9/9/9nmの場合を基準に考える。3つの井戸層のうち、1層でも膜厚を変化させると、相対閾値電流は変化する。8/8/11nm、8/11/8nm、7/9/11nm、11/9/7nmの膜厚構成では、相対閾値電流は9/9/9nmの場合よりも大きくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、2nm又は3nmである。一方、8/9/10nm、10/9/8nmの膜厚構成では、相対閾値電流は9/9/9nmの場合よりも小さくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、1nmである。また、8.5/9/9.5nm、9.5/9/8.5nmの膜厚構成では、相対閾値電流は9/9/9nmの場合よりも、かなり小さくなる。この場合、井戸層の膜厚の差は、0.5nmである。  In the prior art, since the thicknesses of the three well layers are all the same, the case of 9/9/9 nm in FIG. 4 is considered as a reference. When the film thickness is changed even in one of the three well layers, the relative threshold current changes. In the film thickness configurations of 8/8/11 nm, 8/11/8 nm, 7/9/11 nm, and 11/9/7 nm, the relative threshold current is larger than that in the case of 9/9/9 nm. In this case, the difference in film thickness of the well layers is 2 nm or 3 nm. On the other hand, in the film thickness configuration of 8/9/10 nm and 10/9/8 nm, the relative threshold current is smaller than that in the case of 9/9/9 nm. In this case, the difference in film thickness of the well layers is 1 nm. Further, in the film thickness configuration of 8.5 / 9 / 9.5 nm and 9.5 / 9 / 8.5 nm, the relative threshold current is considerably smaller than that in the case of 9/9/9 nm. In this case, the difference in film thickness of the well layers is 0.5 nm.

以上より、活性層を構成する井戸層のうち、少なくとも1層の膜厚が他の井戸層とは異なった場合、その膜厚が異なる井戸層と他の井戸層との膜厚差が2nm未満であれば、相対閾値電流は3つの井戸層の膜厚がすべて同一の場合よりも小さくなることがわかる。より具体的には、最も近い位置に配置された2つの井戸層の間の変化の幅が、すべて2nmや3nmとなっている構造については、相対閾値電流は9/9/9nmの場合よりも大きくなる。一方、最も近い位置に配置された2つの井戸層の間の変化の幅が、すべて2nm未満の場合には、相対閾値電流は3つの井戸層の膜厚がすべて同一の場合よりも小さくなることがわかる。  From the above, when the thickness of at least one of the well layers constituting the active layer is different from the other well layers, the difference in thickness between the well layers having different thicknesses and the other well layers is less than 2 nm. If so, it can be seen that the relative threshold current is smaller than when all three well layers have the same thickness. More specifically, the relative threshold current is 9/9/9 nm in the structure in which the width of change between the two well layers arranged at the closest positions is 2 nm or 3 nm. growing. On the other hand, when the width of change between the two well layers arranged at the closest position is less than 2 nm, the relative threshold current is smaller than when the thicknesses of the three well layers are all the same. I understand.

図4では、最も近い位置に配置された2つの井戸層間の膜厚の変化の幅が等間隔であったが、これを不揃いにした例を含む結果を図5に示す。図の枠で囲んだ領域に示されるように、8.5/8.8/9.7nm、9.7/8.8/8.5nm、8.3/9.2/9.5nm、9.5/9.2/8.3nmの膜厚構成では、相対閾値電流は9/9/9nmの場合よりも小さくなる。最も近い位置に配置された2つの井戸層の膜厚差は、各々、0.3/0.9nm、0.9/0.3nm、0.9/0.3nm、0.3/0.9nmとなっている。すなわち、最も近い位置に形成された2つの井戸層間の膜厚の変化幅が、すべて2nm未満、厳しく条件を取ると1nm以下の場合が、TMモード発振が顕著になることがわかり、図4と同様の結論が導き出せる。    In FIG. 4, the width of the change in film thickness between the two well layers arranged at the closest position is equal. FIG. 5 shows the result including an example in which these are irregular. As shown in the region surrounded by the frame of the figure, 8.5 / 8.8 / 9.7 nm, 9.7 / 8.8 / 8.5 nm, 8.3 / 9.2 / 9.5 nm, 9 In the film thickness configuration of .5 / 9.2 / 8.3 nm, the relative threshold current is smaller than that in the case of 9/9/9 nm. The film thickness differences between the two well layers arranged at the closest positions are 0.3 / 0.9 nm, 0.9 / 0.3 nm, 0.9 / 0.3 nm, and 0.3 / 0.9 nm, respectively. It has become. That is, it can be seen that the TM mode oscillation becomes remarkable when the change width of the film thickness between the two well layers formed at the closest positions is less than 2 nm and under severe conditions is 1 nm or less. Similar conclusions can be drawn.

次に、活性層5を上記と同様の構成して、3つのGaAsP井戸層5aの各膜厚を同一に保ちながら、その膜厚を変化させた。すなわち、AlGaAsバリア層5bは膜厚5nmのアンドープAl0.3GaAsで、GaAsP井戸層5aはアンドープGaAs0.90.1(X=0.1)で構成した。井戸層の膜厚と閾値電流の関係を図6に示す。図に示す黒菱形(◆)のデータがTEモードを、黒四角がTMモードを示す。また、図7は、図6のTMモード、TEモードに関する閾値電流の比を取って、上述した相対閾値電流としたものである。 Next, the active layer 5 was configured in the same manner as described above, and the thicknesses of the three GaAsP well layers 5a were changed while keeping the same thickness. That is, the AlGaAs barrier layer 5b is made of undoped Al 0.3 GaAs having a thickness of 5 nm, and the GaAsP well layer 5a is made of undoped GaAs 0.9 P 0.1 (X = 0.1). The relationship between the thickness of the well layer and the threshold current is shown in FIG. The black rhombus (♦) data shown in the figure indicates the TE mode, and the black square indicates the TM mode. FIG. 7 shows the above-described relative threshold current by taking the ratio of the threshold currents related to the TM mode and the TE mode of FIG.

図7からわかるように、井戸層の膜厚が6nm以下の場合、相対閾値電流が大きくなり、TEモードとTMモードの混在波となる可能性がある。一方、井戸層の膜厚が6nmを越える場合、図6に示されるように、TEモードの閾値電流が非常に高くなっていき、TEモードの発振が妨げられる。その結果、図7に示されるように、相対閾値電流が小さくなり、TMモード発振が顕著になることがわかる。  As can be seen from FIG. 7, when the thickness of the well layer is 6 nm or less, the relative threshold current becomes large, and there is a possibility that a mixed wave of the TE mode and the TM mode is generated. On the other hand, when the film thickness of the well layer exceeds 6 nm, as shown in FIG. 6, the TE mode threshold current becomes very high, and the TE mode oscillation is prevented. As a result, as shown in FIG. 7, it can be seen that the relative threshold current becomes small and TM mode oscillation becomes remarkable.

また、GaAs1−YとAl1−YGaAsとで、組成Yを変化させた場合の格子定数差を計算した。GaAsP井戸層5aを膜厚9nmのGaAs1−Yで形成し、GaAs基板1をAl1−YGaAs基板として組成Yを変化させた。図8(a)は、GaAs1−Yで組成Yを変化させたときの格子定数の変化をL1(実線)で表わし、Al1−YGaAsの組成Yを変化させたときの格子定数をL2(点線)で表わしたものである。ここで、GaAsの格子定数は5.65325、AlAsの格子定数は5.6611、GaPの格子定数は5.4505である。その間は、線形変化として計算した。 Further, the lattice constant difference was calculated when the composition Y was changed between GaAs YP 1-Y and Al 1-Y Ga Y As. The GaAsP well layer 5a was formed of GaAs Y P 1-Y having a thickness of 9 nm, and the composition Y was changed using the GaAs substrate 1 as the Al 1 -Y Ga Y As substrate. FIG. 8A shows the change in the lattice constant when the composition Y is changed in GaAs YP 1-Y by L1 (solid line), and the change in the composition Y of Al 1-Y Ga Y As is shown. The lattice constant is represented by L2 (dotted line). Here, the lattice constant of GaAs is 5.65325, the lattice constant of AlAs is 5.6611, and the lattice constant of GaP is 5.4505. In the meantime, it was calculated as a linear change.

組成Yが増加するにしたがって、GaAs1−Yの格子定数は直線的に上昇しているが、Al1−YGaAsの格子定数の変化はほとんどない。このときの、100×(L1−L2)/L1の数値(格子定数差)とGaAs1−Xの組成Xとの関係を示すのが図8(b)である。縦軸は格子定数差(%)を、横軸はGaAs1−Xの組成Xを示す。ここで、組成Xは、組成Yとの間に、X=Y−1の関係がある。組成Xが大きくなるほどに、GaAs基板又はAlGaAs半導体層との格子定数差は大きくなる。格子定数差が大きくなるということは、引っ張り歪量が増大することを意味する。 As the composition Y increases, the lattice constant of GaAs YP 1-Y increases linearly, but there is almost no change in the lattice constant of Al 1-Y Ga Y As. FIG. 8B shows the relationship between the value of 100 × (L1−L2) / L1 (lattice constant difference) and the composition X of GaAs 1−X P X at this time. The vertical axis represents the lattice constant difference (%), and the horizontal axis represents the composition X of GaAs 1-X P X. Here, the composition X and the composition Y have a relationship of X = Y−1. As the composition X increases, the lattice constant difference from the GaAs substrate or AlGaAs semiconductor layer increases. An increase in the lattice constant difference means that the amount of tensile strain increases.

ここで、図9に示すように、引っ張り歪と圧縮歪と閾値電流密度との関係を見ると、引っ張り歪の方が、圧縮歪に比べて、低閾値電流密度で動作する範囲が小さいことがわかる。あまり大きな歪を加えると、結晶欠陥が発生し、逆に特性が劣化するためである。したがって、引っ張歪量に大きく関係するGaAs1−XのP(燐)成分の組成Xにより、どのようにTMモードの閾値電流が変化するのかを調べることが必要である。図10にGaAs1−XのP組成Xと閾値電流との関係を示す。図6と同様、黒菱形(◆)のデータがTEモードを、黒四角がTMモードを示す。また、図11は、図10のTMモード、TEモードに関する閾値電流の比を取って、上述した相対閾値電流としたものである。なお、X1で示されたデータは、図から判別しにくいが、TEモードとTMモードの閾値電流が同じで、重なっているデータを示す。 Here, as shown in FIG. 9, when looking at the relationship between tensile strain, compression strain, and threshold current density, it is found that tensile strain has a smaller operating range at a lower threshold current density than compression strain. Recognize. This is because, if too much strain is applied, crystal defects are generated and the characteristics deteriorate. Therefore, it is necessary to examine how the threshold current of the TM mode changes depending on the composition X of the P (phosphorus) component of GaAs 1-X P X that is greatly related to the amount of tensile strain. Figure 10 shows the relationship between the GaAs 1-X P X of P composition X and the threshold current. As in FIG. 6, the black diamond (♦) data indicates the TE mode, and the black square indicates the TM mode. FIG. 11 shows the above-described relative threshold current by taking the ratio of the threshold currents related to the TM mode and the TE mode of FIG. Note that the data indicated by X1 is difficult to discriminate from the figure, but the TE mode and TM mode threshold currents are the same and indicate overlapping data.

図10からわかるように、P組成Xが0.04以下であると、TEモードとTMモードとは閾値電流がほとんど同じであり、TEモード波とTMモード波が混在している。しかし、P組成Xが0.04を越えると、TMモードの閾値電流のほうが小さくなり、図11からもわかるように、相対閾値電流が1よりも小さくなる。図10、11のデータからは、特にP組成Xが0.05以上になるとTMモードが顕著になる。ここで、図8(b)と対比すると、P組成Xが0.05のときの格子定数差は、0.18%となる。一方、引っ張り歪量には、格子緩和するまでの臨界点があり、そのときの臨界格子定数差は0.4程度に相当するので、これからP組成Xの大きさは13%程度が限界であると考えられる。なお、P組成Xが異なれば、引っ張り歪み量も変化し、臨界膜厚も変化する。  As can be seen from FIG. 10, when the P composition X is 0.04 or less, the TE mode and the TM mode have almost the same threshold current, and the TE mode wave and the TM mode wave are mixed. However, when the P composition X exceeds 0.04, the threshold current in the TM mode becomes smaller, and the relative threshold current becomes smaller than 1 as can be seen from FIG. From the data shown in FIGS. 10 and 11, the TM mode becomes prominent particularly when the P composition X is 0.05 or more. Here, when compared with FIG. 8B, the lattice constant difference when the P composition X is 0.05 is 0.18%. On the other hand, the amount of tensile strain has a critical point until lattice relaxation, and the critical lattice constant difference at that time corresponds to about 0.4, so that the size of P composition X is limited to about 13%. it is conceivable that. Note that if the P composition X is different, the tensile strain also changes and the critical film thickness also changes.

次に、図1のリッジ構造で、TMモード発振とするための条件を、膜厚や格子定数等以外の観点から考える。図12は、図1と半導体層の構成はほぼ同じである。図1と同じ符号は同一の構成を示す。  Next, conditions for achieving TM mode oscillation in the ridge structure of FIG. 1 will be considered from a viewpoint other than the film thickness, lattice constant, and the like. In FIG. 12, the configuration of the semiconductor layer is almost the same as that in FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same configurations.

GaAs基板1上に、n型AlGaAsクラッド層2、n型AlGaAsビーム拡散層3、n型AlGaAs光ガイド層4、MQW活性層5、p型AlGaAs光ガイド層6、p型AlGaAsビーム拡散層7、p型AlGaAs第1クラッド層8、InGaPエッチングストップ層9、p型AlGaAs第2クラッド層100、p型GaAsコンタクト層11、p電極12が積層され、GaAs基板1の裏側にはn電極13が形成されている。図12の半導体レーザは、p型AlGaAs第2クラッド層100の一部とp型GaAsコンタクト層11とで、ストライプ状のリッジ部分を形成したリッジ構造を形成している。図1と異なるのは、p型AlGaAs第2クラッド層100がストライプ状のリッジ形状部100Aと平板形状部100Bとから構成されている点にある。図の破線で示されたD2は、リッジ形状部100Aと平板形状部100Bとの境界、すなわちリッジ構造の底面を示す。  On a GaAs substrate 1, an n-type AlGaAs cladding layer 2, an n-type AlGaAs beam diffusion layer 3, an n-type AlGaAs light guide layer 4, an MQW active layer 5, a p-type AlGaAs light guide layer 6, a p-type AlGaAs beam diffusion layer 7, A p-type AlGaAs first cladding layer 8, an InGaP etching stop layer 9, a p-type AlGaAs second cladding layer 100, a p-type GaAs contact layer 11, and a p-electrode 12 are stacked, and an n-electrode 13 is formed on the back side of the GaAs substrate 1. Has been. The semiconductor laser of FIG. 12 forms a ridge structure in which a part of the p-type AlGaAs second cladding layer 100 and the p-type GaAs contact layer 11 form a striped ridge portion. The difference from FIG. 1 is that the p-type AlGaAs second cladding layer 100 is composed of a striped ridge-shaped portion 100A and a flat plate-shaped portion 100B. D2 indicated by a broken line in the figure indicates the boundary between the ridge-shaped portion 100A and the flat plate-shaped portion 100B, that is, the bottom surface of the ridge structure.

これは、エッチングストップを行う位置を、InGaPエッチングストップ層9よりもp型GaAsコンタクト層11側のp型AlGaAs第2クラッド層100の途中で止めることで構成できる。これにより、活性層へのリッジからの歪の影響と光の漏れ出しの影響を低減させることができる。ここで、MQW活性層5は、前記の例と同様、3層のGaAsP井戸層5aと2層のAlGaAsバリア層5bを交互に積層させた多重量子井戸構造とした。また、AlGaAsバリア層5bは、膜厚5nmのアンドープAl0.3GaAsで構成した。一方、GaAsP井戸層5aはアンドープGaAs0.90.1(X=0.1)とした。井戸層5aにGaAs0.90.1を用いることで、井戸層5aには引っ張り歪が発生している。また、その他の半導体層の材料組成や膜厚は、図1で説明した内容と同じである。なお、図12のように、D2の位置でエッチングを止めるには、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等を用いれば良い。 This can be configured by stopping the etching stop position in the middle of the p-type AlGaAs second cladding layer 100 closer to the p-type GaAs contact layer 11 than the InGaP etching stop layer 9. Thereby, the influence of the distortion from the ridge on the active layer and the influence of light leakage can be reduced. Here, the MQW active layer 5 has a multi-quantum well structure in which three GaAsP well layers 5a and two AlGaAs barrier layers 5b are alternately stacked as in the above example. The AlGaAs barrier layer 5b was made of undoped Al 0.3 GaAs having a thickness of 5 nm. On the other hand, the GaAsP well layer 5a is made of undoped GaAs 0.9 P 0.1 (X = 0.1). By using GaAs 0.9 P 0.1 for the well layer 5a, tensile strain is generated in the well layer 5a. Further, the material composition and film thickness of the other semiconductor layers are the same as those described in FIG. As shown in FIG. 12, in order to stop the etching at the position D2, reactive ion etching (RIE) or the like may be used.

また、p型AlGaAs第2クラッド層100は、p型不純物の濃度が異なる低濃度領域(第1不純物濃度領域)と高濃度領域(第2不純物濃度領域)の2つの領域から形成されている。図12に示すNは、不純物濃度の低濃度領域と高濃度領域の境界を表す。不純物濃度の境界Nよりも上側(コンタクト層11側)が高濃度領域となり、境界Nよりも下側(MQW活性層5側)が低濃度領域となる。また、リッジ構造の底面となるD2は不純物濃度の境界Nよりも低濃度領域側に形成される。  The p-type AlGaAs second cladding layer 100 is formed of two regions, a low-concentration region (first impurity concentration region) and a high-concentration region (second impurity concentration region) having different p-type impurity concentrations. N shown in FIG. 12 represents a boundary between a low concentration region with high impurity concentration and a high concentration region. The upper side (contact layer 11 side) of the impurity concentration boundary N is the high concentration region, and the lower side of the boundary N (MQW active layer 5 side) is the low concentration region. Further, D2 which is the bottom surface of the ridge structure is formed on the lower concentration region side than the boundary N of the impurity concentration.

InGaPエッチングストップ層9とp型AlGaAs第2クラッド層100との界面位置をD1、p型AlGaAs第2クラッド層100とp型GaAsコンタクト層11との界面位置をD3とする。高濃度領域(第2不純物濃度領域)のp型不純物濃度は、4×1019cm−3とし、低濃度領域(第1不純物濃度領域)のp型不純物濃度は、1×1018cm−3とした。図12のリッジ幅(D2位置の幅)は1.5μmに形成した。そして、境界Nの位置を所定の位置に固定して、エッチング深さを変え、境界Nと境界D2との関係をシミュレーションしたのが図13である。 The interface position between the InGaP etching stop layer 9 and the p-type AlGaAs second cladding layer 100 is D1, and the interface position between the p-type AlGaAs second cladding layer 100 and the p-type GaAs contact layer 11 is D3. The p-type impurity concentration in the high concentration region (second impurity concentration region) is 4 × 10 19 cm −3, and the p-type impurity concentration in the low concentration region (first impurity concentration region) is 1 × 10 18 cm −3. It was. The ridge width (width at the D2 position) in FIG. 12 was 1.5 μm. FIG. 13 shows a simulation of the relationship between the boundary N and the boundary D2 by fixing the position of the boundary N at a predetermined position and changing the etching depth.

図13の縦軸は閾値電流(mA)を、横軸は活性層からの距離(μm)を示す。活性層からの距離とは、MQW活性層5とp型AlGaAs光ガイド層6との界面からの距離を表わす。境界Nは、図に示すように、活性層から約0.7μmのところに形成されている。ここで、エッチングにより、境界D2を変化させると、境界D2がMQW活性層5に近づくほど、TEモードとTMモードの閾値電流は低下する。  The vertical axis in FIG. 13 represents the threshold current (mA), and the horizontal axis represents the distance (μm) from the active layer. The distance from the active layer represents the distance from the interface between the MQW active layer 5 and the p-type AlGaAs light guide layer 6. As shown in the figure, the boundary N is formed at about 0.7 μm from the active layer. Here, when the boundary D2 is changed by etching, the threshold current in the TE mode and the TM mode decreases as the boundary D2 approaches the MQW active layer 5.

しかし、TEモードとTMモードの閾値電流に差がなくなってくるので、TEモード波とTMモード波との混在波となる可能性が大きくなる。一方、図より、境界Nから活性層側に100nm以内では、TEモードの閾値電流よりも、TMモードの閾値電流の方が十分小さくなっている。したがって、不純物濃度の境界Nよりも、リッジ構造の底面位置D2の方が低濃度領域側に形成されるようにし、NとD1との深さ方向の距離差は、100nm以内に構成することで、TEモード発振を顕著にすることができる。  However, since there is no difference between the threshold currents of the TE mode and the TM mode, the possibility that a mixed wave of the TE mode wave and the TM mode wave will be increased. On the other hand, from the figure, within 100 nm from the boundary N to the active layer side, the TM mode threshold current is sufficiently smaller than the TE mode threshold current. Therefore, the bottom surface position D2 of the ridge structure is formed on the low concentration region side rather than the boundary N of the impurity concentration, and the distance difference in the depth direction between N and D1 is set within 100 nm. TE mode oscillation can be made remarkable.

次に、境界D2を境界Nと同じ位置にして、低濃度領域の不純物濃度を1×1019cm−3から変化させた場合のシミュレーション結果を図14に示す。高濃度領域は、上記の4×1019cm−3に固定した。図14の縦軸は閾値電流(mA)を、横軸はp型AlGaAs第2クラッド層100の低濃度領域の濃度(cm−3)を示す。図14に示すように、低濃度領域の不純物濃度が2×1018cm−3を越えると、TEモードとTMモードの閾値電流の差が小さくなってくる。したがってTMモード波をより顕著にするためには、2×1018cm−3以下とすることが望ましい。下限は、図より、5×1017cm−3となる。上記より、低濃度領域の好ましい範囲は、5×1017cm−3以上、2×1018cm−3以下となる。 Next, FIG. 14 shows a simulation result in the case where the boundary D2 is set to the same position as the boundary N and the impurity concentration in the low concentration region is changed from 1 × 10 19 cm −3 . The high concentration region was fixed at 4 × 10 19 cm −3 described above. The vertical axis in FIG. 14 represents the threshold current (mA), and the horizontal axis represents the concentration (cm −3 ) in the low concentration region of the p-type AlGaAs second cladding layer 100. As shown in FIG. 14, when the impurity concentration in the low-concentration region exceeds 2 × 10 18 cm −3 , the difference in threshold current between the TE mode and the TM mode becomes small. Therefore, in order to make the TM mode wave more prominent, it is desirable to set it to 2 × 10 18 cm −3 or less. The lower limit is 5 × 10 17 cm −3 from the figure. From the above, the preferable range of the low concentration region is 5 × 10 17 cm −3 or more and 2 × 10 18 cm −3 or less.

一方、高濃度領域の範囲は、低濃度領域よりも濃度が高いことが必要なので、少なくとも2×1018cm−3を越える濃度で、上限は5×1019cm−3と考えられる。以上より、高濃度領域と低濃度領域との濃度差で考えると、濃度差dの許容範囲は、0<d≦1×10(cm−3)となる。したがって、低濃度領域については、不純物濃度が5×1017cm−3〜2×1018cm−3であるか、又は、上記濃度差dが0<d≦1×10(cm−3)であるかのいずれかを満たすことが好ましい。 On the other hand, the range of the high concentration region needs to be higher than that of the low concentration region, and therefore the upper limit is considered to be 5 × 10 19 cm −3 at a concentration exceeding at least 2 × 10 18 cm −3 . From the above, considering the density difference between the high density region and the low density region, the allowable range of the density difference d is 0 <d ≦ 1 × 10 2 (cm −3 ). Therefore, for the low concentration region, the impurity concentration is 5 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 , or the concentration difference d is 0 <d ≦ 1 × 10 2 (cm −3 ). It is preferable to satisfy any of the following.

本発明の半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device of this invention. 本発明の半導体発光素子の断面構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device of this invention. 本発明の半導体発光素子の活性層の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the active layer of the semiconductor light-emitting device of this invention. 活性層における井戸層の膜厚構成と相対閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness structure of the well layer in an active layer, and a relative threshold current. 活性層における井戸層の膜厚構成と相対閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness structure of the well layer in an active layer, and a relative threshold current. 井戸層膜厚と閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a well layer film thickness and a threshold current. 井戸層膜厚と相対閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a well layer film thickness and a relative threshold current. 格子定数とAlGaAs及びGaAsPの組成との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a lattice constant and a composition of AlGaAs and GaAsP. 引っ張り歪及び圧縮歪と閾値電流密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between tensile strain and compression strain, and a threshold current density. GaAsPのP組成Xと閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between P composition X of GaAsP and a threshold current. GaAsPのP組成Xと相対閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between P composition X of GaAsP and a relative threshold current. リッジ構造を有する半導体発光素子の断面構造の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the cross-sectional structure of the semiconductor light-emitting device which has a ridge structure. 図12の構成において、第2クラッド層で不純物濃度変化がある場合、不純物濃度変化位置の活性層からの距離と閾値電流との関係を示す図である。In the configuration of FIG. 12, when there is a change in impurity concentration in the second cladding layer, it is a diagram showing the relationship between the distance from the active layer at the impurity concentration change position and the threshold current. 第2クラッド層の低濃度領域における不純物濃度と閾値電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the impurity concentration and threshold current in the low concentration area | region of a 2nd clad layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 GaAs基板
2 n型AlGaAsクラッド層
3 n型AlGaAsビーム拡散層
4 n型AlGaAs光ガイド層
5 MQW活性層
5a GaAsP井戸層
5b AlGaAsバリア層
6 p型AlGaAs光ガイド層
7 p型AlGaAsビーム拡散層
8 p型AlGaAs第1クラッド層
9 InGaPエッチングストップ層
10 p型AlGaAs第2クラッド層
11 p型GaAsコンタクト層
12 p電極
13 n電極
18 p型AlGaAsクラッド層
19 p型GaAsコンタクト層
20 p電極
21 n電極
100 p型AlGaAs第2クラッド層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GaAs substrate 2 n-type AlGaAs cladding layer 3 n-type AlGaAs beam diffusion layer 4 n-type AlGaAs light guide layer 5 MQW active layer 5a GaAsP well layer 5b AlGaAs barrier layer 6 p-type AlGaAs light guide layer 7 p-type AlGaAs beam diffusion layer 8 p-type AlGaAs first cladding layer 9 InGaP etching stop layer 10 p-type AlGaAs second cladding layer 11 p-type GaAs contact layer 12 p-electrode 13 n-electrode 18 p-type AlGaAs cladding layer 19 p-type GaAs contact layer 20 p-electrode 21 n-electrode 100 p-type AlGaAs second cladding layer

Claims (10)

バリア層と引っ張り歪を持つ井戸層で構成された多重量子井戸構造を有する活性層を備え、前記井戸層の各膜厚がバリア層の各膜厚よりも大きく、前記井戸層のうち、少なくとも1層の膜厚が他の井戸層と異なることを特徴とする半導体発光素子。   An active layer having a multiple quantum well structure composed of a barrier layer and a well layer having a tensile strain, wherein each film thickness of the well layer is larger than each film thickness of the barrier layer, and at least one of the well layers A semiconductor light-emitting element, wherein the thickness of the layer is different from that of other well layers. 前記井戸層の各膜厚は、6nmより大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。   2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein each thickness of the well layer is larger than 6 nm. 前記活性層は、半導体基板上に積層された積層体の一部を形成し、前記井戸層の格子定数が前記半導体基板の格子定数よりも小さいことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体発光素子。   The active layer forms part of a stacked body stacked on a semiconductor substrate, and the lattice constant of the well layer is smaller than the lattice constant of the semiconductor substrate. The semiconductor light emitting element as described. 前記井戸層と半導体基板の格子定数差は、0.18%以上に構成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体発光素子。   4. The semiconductor light emitting element according to claim 3, wherein a difference in lattice constant between the well layer and the semiconductor substrate is 0.18% or more. 前記積層体上に形成される電極が、ストライプ形状に構成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の半導体発光素子。   5. The semiconductor light emitting element according to claim 3, wherein the electrode formed on the laminate is configured in a stripe shape. 6. 前記積層体の一部がリッジ構造に形成されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の半導体発光素子。   5. The semiconductor light emitting element according to claim 3, wherein a part of the stacked body is formed in a ridge structure. 前記活性層より上側のエッチングストップ層上に形成されたクラッド層の一部が、前記リッジ構造に含まれていることを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。  The semiconductor light emitting device according to claim 6, wherein a part of the cladding layer formed on the etching stop layer above the active layer is included in the ridge structure. 前記クラッド層は、前記エッチングストップ層に近い側から積層方向に向けて、第1不純物濃度領域と第2不純物濃度領域に分けられており、前記第1不純物濃度領域の不純物濃度は第2不純物濃度領域よりも低いことを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子。   The cladding layer is divided into a first impurity concentration region and a second impurity concentration region from the side close to the etching stop layer toward the stacking direction, and the impurity concentration of the first impurity concentration region is the second impurity concentration. The semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein the semiconductor light emitting device is lower than the region. 前記リッジ構造の底面は前記第1不純物濃度領域側に形成され、かつ前記第1不純物濃度領域と第2不純物濃度領域の境界から前記第1不純物濃度領域側に100nmの深さまでの範囲に形成されていることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子。   The bottom surface of the ridge structure is formed on the first impurity concentration region side and in a range from the boundary between the first impurity concentration region and the second impurity concentration region to a depth of 100 nm on the first impurity concentration region side. The semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein 前記第1不純物濃度領域の不純物濃度が5×1017cm−3〜2×1018cm−3の範囲、又は、前記第2不純物濃度領域と第1不純物濃度領域との濃度差dが0<d≦1×10(cm−3)のいずれかを満たしていることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の半導体発光素子。 The impurity concentration of the first impurity concentration region is in the range of 5 × 10 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 , or the concentration difference d between the second impurity concentration region and the first impurity concentration region is 0 < The semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein any one of d ≦ 1 × 10 2 (cm −3 ) is satisfied.
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