JP2012256635A - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】結晶成長を中断してウェハを外部に出すことなく、電流狭窄層を形成でき、電流狭窄効果が高い半導体レーザ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】電流狭窄層を有する半導体レーザ１であって、前記電流狭窄層は、ｎ型不純物原子がドープされたn++接合層１９、絶縁層１７、及びｐ型不純物原子がドープされたp++接合層１５から構成され、前記p++接合層１５は、その周辺部１５ｂよりも厚い中央部１５ａを備え、前記n++接合層１９は、前記中央部１５ａにおいて前記p++接合層１５と接してトンネル接合を形成し、前記絶縁層１７は、前記周辺部１５ｂにおいて、前記n++接合層１９とp++接合層１５とを隔てることを特徴とする半導体レーザ１。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関する。

半導体レーザ、特に発光幅が広い半導体レーザにおいては、半導体レーザ内部で拡散する無効電流を低減するために、半導体レーザ内部を通過する電流を狭窄する構造（以下、電流狭窄構造とする）が必要になる。電流狭窄構造は、半導体レーザの中央部においては電流を容易に通過させるが、周辺部においては、電流を通過し難くするか、通過させないようにする。

電流狭窄構造としては、従来、以下のような構造が提案されている。特許文献１の技術は、発光層を２つ有する端面発光型レーザに関するものであり、活性層直上に、エッチング工程により、電流狭窄構造を形成する。

また、特許文献２の技術は、面発光レーザに関するものであり、トンネル層直下に、周辺部を酸化したアパーチャ構造（電流狭窄構造の１種）を設ける。
また、特許文献３の技術は、活性層直上に電流狭窄構造を設ける。この電流狭窄構造は、中心部をなすp、n型半導体からなるトンネル構造と、周辺部をなすp、n半導体との間に電流ブロック層を挟んだ構造である。

また、特許文献４の技術は、面発光レーザに関するものであり、電流狭窄構造を形成するために、トンネル構造の周辺部にイオンを注入して高抵抗化を図る。
また、特許文献５の技術は、面発光レーザに関するものであり、電流狭窄構造を形成するために、上下の電極から熱処理によって金属を拡散させ、トンネル層の周辺部を高抵抗化する。

特開２００１−２５１０１９号公報 特開２００６−２２２１９６号公報 特開２０１０−２１２６０６号公報 特開２００５−１２０００号公報 特開２０００−２７７８５３号公報

しかしながら、特許文献１〜４の技術では、半導体レーザ内部に電流狭窄構造を形成するために、半導体の結晶成長を途中で中断して、ウェハを一旦外部に出す必要がある。そのため、結晶表面の清浄度を保つ方策を講じる必要があり、また、工程数が多いことによってスループットが悪くなってしまう。

また、特許文献５の技術では、厚さ方向およびそれと直交する方向への金属の拡散距離を正確に制御することが難しく、また、金属は元々オーミック接触を得るための材料であることから、電流狭窄の効果が不十分となる。

本発明は以上に点に鑑みなされたものであり、上述した課題のうちの少なくとも１以上を解決できる半導体レーザ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザは、電流狭窄層を有する。その電流狭窄層は、ｎ型不純物原子がドープされたn++接合層、絶縁層、及びｐ型不純物原子がドープされたp++接合層から構成され、前記p++接合層は、その周辺部よりも厚い中央部を備え、前記n++接合層は、前記中央部において前記p++接合層と接してトンネル接合を形成し、前記絶縁層は、前記周辺部において、前記n++接合層とp++接合層とを隔てる。

本発明の半導体レーザにおいては、結晶成長の途中でウェハを外部に出さなくても、電流狭窄層を形成することができる。
また、本発明の半導体レーザが備える電流狭窄層のうち、周辺部では、p++接合層とn++接合層とが絶縁層で隔てられている。そのため、周辺部では、中央部に比べて顕著に電流が流れ難いため、電流狭窄の効果が高い。

前記周辺部における前記絶縁層の厚みは、電子のド・ブロイ波長以上であることが好ましい。絶縁層の厚みが電子のド・ブロイ波長以上であることにより、周辺部において一層電流が流れ難く、電流狭窄の効果が一層高くなる。

本発明の半導体レーザは、例えば、活性層を複数有する端面発光型とすることができる。また、本発明の半導体レーザは、活性層と、前記活性層の両側に位置する一対のｎ型ＤＢＲとを有する面発光型とすることができる。

前記ｐ型不純物原子はＺｎであることが好ましい。ｐ型不純物原子がＺｎであることにより、他の原子の場合に比べて、活性化率を容易に高くできる点で優れる。また、前記ｎ型不純物原子はＳｅであることが好ましい。ｎ型不純物原子がＳｅであることにより、他の原子の場合に比べて、Ｚｎの拡散を抑制できる点で優れる。

本発明の半導体レーザは、例えば、以下のように製造することができる。すなわち、前記n++接合層、前記p++接合層、前記n++接合層と前記p++接合層とを隔てる絶縁層、前記中央部に対応する大きさのｐ電極、及び前記中央部に対応する大きさのｎ電極を含む半導体レーザを形成し、アニールするとともに、前記ｐ電極及び前記ｎ電極を用いて電流注入を行い、前記p++接合層の前記中央部に含まれるp型不純物原子を熱拡散させ、前記中央部を、前記n++接合層に接するまで拡散させることで前記電流狭窄層を形成する。

上記の製造方法によれば、結晶成長の途中でウェハを外部に出すことなく、電流狭窄層を形成することができる。
また、上記の方法で製造した半導体レーザを駆動するときにおけるp++接合層、絶縁層、及びn++接合層の温度は、通常、電流注入及びアニールのときの温度より十分低い（例えば９０℃）ので、半導体レーザの駆動時に、トンネル接合が破壊してしまうことがない。

前記電流狭窄層とは、半導体レーザが有する層の１種であり、中央部に比べて、周辺部の抵抗が大きい層をいう。周辺部は絶縁層であってもよい。電流狭窄層は、半導体レーザの周辺部での電流を制限し、中央部において優先的に電流が流れるようにする。

前記中央部に対応する大きさとは、例えば、前記中央部と同じ大きさとすることができる。あるいは、前記中央部に対応する大きさとは、所定の大きさの中央部を形成できるように設定された大きさであってもよい。

半導体レーザ１の構成（電流注入及びアニール前）を表す側断面図である。 半導体レーザ１の構成（電流注入及びアニール後）を表す側断面図である。 半導体レーザ１０１の構成（電流注入及びアニール前）を表す側断面図である。 半導体レーザ１０１の構成（電流注入及びアニール後）を表す側断面図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
１．第１の実施形態
（１）半導体レーザ１の製造方法
図１及び図２に基づいて、半導体レーザ１の製造方法を説明する。図１は、後述するアニール及び電流注入を行う前の状態における半導体レーザ１の構成を表す側断面図である。図２は、完成した半導体レーザ１の構成を表す側断面図である。

まず、図１に示すように、n型InP基板３の片面に、ｎ型クラッド層５、ＳＣＨ（分離閉じ込めヘテロ構造）層７、活性層９、ＳＣＨ層１１、ｐ型クラッド層１３、ｐ型不純物原子（Zn）がドープされたp++接合層１５、アンドープ層（絶縁層）１７、ｎ型不純物原子（Se）がドープされたn++接合層１９、ｎ型クラッド層２１、ＳＣＨ層２３、活性層２５、ＳＣＨ層２７、ｐ型クラッド層２９、及びｐ型コンタクト層３１を順次積層する。積層は、ＭＯＣＶＤ法により行うことができる。各層の組成、膜厚、及びキャリア濃度は表１に示すとおりである。

この時点で、p++接合層１５、及びn++接合層１９の厚みは、それぞれ均一である。また、p++接合層１５、及びn++接合層１９は、その全面にわたって、アンドープ層１７により隔てられている。

また、ｐ型コンタクト層３１の上に、絶縁層３３及びｐ電極３５を形成する。ｐ電極３５は、その中央のコンタクト部３５ａのみにおいて、ｐ型コンタクト層３１に接している。ｐ電極３５のうち、コンタクト部３５ａ以外の周辺部は、絶縁層３３により、ｐ型コンタクト層３１と隔てられている。コンタクト部３５ａの大きさは、後述する中央部１５ａと同じである。コンタクト部３５ａの幅（すなわち中央部１５ａの幅）は、例えば、１００μｍとすることができる。

また、n型InP基板３の反対側の面には、絶縁層３７及びｎ電極３９を形成する。ｎ電極３９は、その中央のコンタクト部３９ａのみにおいて、n型InP基板３に接している。ｎ電極３９のうち、コンタクト部３９ａ以外の周辺部は、絶縁層３７により、n型InP基板３と隔てられている。コンタクト部３９ａの大きさは、後述する中央部１５ａと同じである。コンタクト部３９ａの幅（すなわち中央部１５ａの幅）は、例えば、１００μｍとすることができる。

次に、ｐ電極３５とｎ電極３９との間に電圧を印加して、電流注入を行うとともに、半導体レーザ１を、５００℃の温度でアニールする。電流注入は、半導体レーザ１が１００℃程度昇温する条件とする。アニールのとき、半導体レーザ１の左右両側面は、十分放熱できるように、かつ表面からAsが抜けないように、層流となるようAsH₃を十分流しておく。

上記の電流注入とアニールにより、図２に示すように、p++接合層１５のうち、上方向（図１における上方向）から見て、コンタクト部３５ａ及びコンタクト部３９ａと重複する部分（以下、中央部１５ａとする）に含まれるp型不純物原子が熱拡散する。熱拡散は、アンドープ層１７の方向と、ｐ型クラッド層１３の方向との両方に進行する。その結果、p++接合層１５のうち、中央部１５ａは、層の厚さ方向に拡大し、n++接合層１９に接する。中央部１５ａとn++接合層１９とは、トンネル接合層として機能する。

このとき、p++接合層１５のうち、中央部１５ａ以外の部分（以下、周辺部１５ｂとする）では、p型不純物原子の熱拡散が生じず、周辺部１５ｂの膜厚は変化しない。
（２）半導体レーザ１の構成
半導体レーザ１は、図２に示す構成を有する。すなわち、p++接合層１５のうち、中央部１５ａは、p型不純物原子の熱拡散の結果、周辺部１５ｂに比べて、膜の厚さ方向に突出し、n++接合層１９と接している。中央部１５ａとn++接合層１９とは、上述したように、トンネル接合層として機能する。また、中央部１５ａは、ｐ型クラッド層１３の方向にも突出している。中央部１５ａの断面形状は、図２に示すように、略両凸断面である。

また、p++接合層１５のうち、周辺部１５ｂは、中央部１５ａに比べて膜厚が薄く、周辺部１５ｂとn++接合層１９とは、アンドープ層１７により隔てられている。周辺部１５ｂとn++接合層１９との間におけるアンドープ層１７の厚みは２０ｎｍであり、電子のド・ブロイ波長（略１０ｎｍ）よりも大きい。

以上のように、p++接合層１５とn++接合層１９とは、中央部１５ａにおいては、トンネル結合層として機能して、電流を容易に通し、周辺部１５ｂでは電流を通し難いから、電流狭窄層として機能する。

なお、半導体レーザ１は、活性層を複数有する端面発光型１．５μｍ帯半導体レーザであり、p++接合層１５、アンドープ層１７、及びn++接合層１９以外の部分は、周知の構造である。

（３）半導体レーザ１が奏する効果
(i) p++接合層１５、アンドープ層１７、及びn++接合層１９から構成される電流狭窄層は、結晶成長の途中でウェハを外部に出さなくても、形成することができる。
（ii）p++接合層１５、アンドープ層１７、及びn++接合層１９から構成される電流狭窄層のうち、周辺部１５ｂの部分では、アンドープ層１７により、p++接合層１５とn++接合層１９とが隔てられている。そのため、周辺部１５ｂでは、中央部１５ａに比べて顕著に電流が流れ難いため、電流狭窄の効果が高い。
(iii) 半導体レーザ１を駆動するときにおけるp++接合層１５、アンドープ層１７、及びn++接合層１９の温度は、電流注入及びアニールのときの温度より十分低い（例えば９０℃）ので、半導体レーザ１の駆動時に、トンネル接合が破壊されてしまうことがない。

２．第２の実施形態
（１）半導体レーザ１０１の製造方法
図３及び図４に基づいて、半導体レーザ１０１の製造方法を説明する。図３は、後述するアニール及び電流注入を行う前の状態における半導体レーザ１０１の構成を表す側断面図である。図４は、完成した半導体レーザ１０１の構成を表す側断面図である。

まず、図３に示すように、n型GaAs基板１０３の片面に、ｎ型ＤＢＲ層１０５、ｎ型不純物原子（Se）がドープされたn++接合層１０７、アンドープ層（絶縁層）１０９、ｐ型不純物原子（Zn）がドープされたp++接合層１１１、クラッド層１１３、活性層１１５、クラッド層１１７、ｎ型ＤＢＲ層１１９、及びｎ型コンタクト層１２１を順次積層する。積層は、ＭＯＣＶＤ法により行うことができる。各層の組成、膜厚、及びキャリア濃度は表２に示すとおりである。

この時点で、n++接合層１０７、及びp++接合層１１１の厚みは、それぞれ均一である。また、 n++接合層１０７、及びp++接合層１１１は、その全面にわたって、アンドープ層１０９により隔てられている。

また、ｎ型コンタクト層１２１の上に、ｎ電極１２３を形成する。ｎ電極１２３は、ｎ型コンタクト層１２１の中央部のみに形成されている。ｎ電極１２３の大きさは、後述する中央部１１１ａと同じである。ｎ電極１２３の幅（すなわち中央部１１１ａの幅）は、例えば、１００μｍとすることができる。

また、n型GaAs基板１０３の反対側の面には、透明導電膜１２５、絶縁層１２７、及びｐ電極１２９を形成する。透明導電膜１２５は、n型GaAs基板１０３の中央部のみに形成されている。透明導電膜１２５の大きさは、後述する中央部１１１ａと同じである。n型GaAs基板１０３のうち、透明導電膜１２５が形成されていない周辺部には絶縁層１２７が形成されている。ｐ電極１２９は、透明導電膜１２５及び絶縁層１２７よりも上層に形成されており、透明導電膜１２５と電気的に接触している。透明導電膜１２５の幅（すなわち中央部１１１ａの幅）は、例えば、１００μｍとすることができる。

次に、ｎ電極１２３とｎ電極１２９との間に電圧を印加して、電流注入を行うとともに、半導体レーザ１０１を、５００℃の温度でアニールする。電流注入は、半導体レーザ１０１が１００℃程度昇温する条件とする。アニールのとき、半導体レーザ１０１の左右両側面は、十分放熱できるように、かつ表面からAsが抜けないように、層流となるようAsH₃を十分流しておく。

上記の電流注入とアニールにより、図４に示すように、p++接合層１１１のうち、上方向（図４における上方向）から見て、ｎ電極１２３及び透明導電膜１２５と重複する部分（以下、中央部１１１ａとする）に含まれるp型不純物原子が熱拡散する。熱拡散は、アンドープ層１０９の方向と、クラッド層１１３の方向との両方に進行する。その結果、p++接合層１１１のうち、中央部１１１ａは、層の厚さ方向に拡大し、n++接合層１０７に接する。中央部１１１ａとn++接合層１０７とは、トンネル接合層として機能する。

このとき、p++接合層１１１のうち、中央部１１１ａ以外の部分（以下、周辺部１１１ｂとする）では、p型不純物原子の熱拡散が生じず、周辺部１１１ｂの膜厚は変化しない。

（２）半導体レーザ１０１の構成
半導体レーザ１は、図４に示す構成を有する。すなわち、p++接合層１１１のうち、中央部１１１ａは、p型不純物原子の熱拡散の結果、周辺部１１１ｂに比べて、膜の厚さ方向に突出し、n++接合層１０７と接している。中央部１１１ａとn++接合層１０７とは、上述したように、トンネル接合層として機能する。また、中央部１１１ａは、クラッド層１１３の方向にも、突出している。中央部１１１ａの断面形状は、図４に示すように、略両凸断面である。

また、p++接合層１１１のうち、周辺部１１１ｂは、中央部１１１ａに比べて膜厚が薄く、周辺部１１１ｂとn++接合層１０７とは、アンドープ層１０９により隔てられている。周辺部１１１ｂとn++接合層１０７との間におけるアンドープ層１０９の厚みは２０ｎｍであり、電子のド・ブロイ波長（略１０ｎｍ）よりも大きい。

以上のように、p++接合層１１１とn++接合層１０７とは、中央部１１１ａにおいては、トンネル結合層として機能して、電流を容易に通し、周辺部１１１ｂでは電流を通し難いから、電流狭窄層として機能する。

なお、半導体レーザ１０１は、活性層と、その活性層の両側に位置する一対のｎ型ＤＢＲとを有する面発光型０．８μｍ帯半導体レーザであり、p++接合層１１１、アンドープ層１０９、及びn++接合層１０７以外の部分は、周知の構造である。

（３）半導体レーザ１０１が奏する効果
(i) p++接合層１１１、アンドープ層１０９、及びn++接合層１０７から構成される電流狭窄層は、結晶成長の途中でウェハを外部に出さなくても、形成することができる。
（ii）p++接合層１１１、アンドープ層１０９、及びn++接合層１０７から構成される電流狭窄層のうち、周辺部１１１ｂの部分では、アンドープ層１０９により、p++接合層１１１とn++接合層１０７とが隔てられている。そのため、周辺部１１１ｂでは、中央部１１１ａに比べて顕著に電流が流れ難いため、電流狭窄の効果が高い。
(iii) 半導体レーザ１０１を駆動するときにおけるp++接合層１１１、アンドープ層１０９、及びn++接合層１０７の温度は、電流注入及びアニールのときの温度より十分低い（例えば９０℃）であるので、半導体レーザ１０１の駆動時に、トンネル接合が破壊されてしまうことがない。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１又は第２の実施形態において、ｐ型とｎ型とを入れ替えてもよい。

また、前記第２の実施形態において、p++接合層１１１、アンドープ層１０９、及びn++接合層１０７の位置は、他の位置であってもよい。例えば、n型GaAs基板１０３とｎ型ＤＢＲ層１０５との間、クラッド層１１７とｎ型ＤＢＲ層１１９との間、ｎ型ＤＢＲ層１１９とｎ型コンタクト層１２１との間等に配置することができる。

１、１０１・・・半導体レーザ、３・・・n型InP基板、２１・・・ｎ型クラッド層、
７、１１、２３、２７・・・ＳＣＨ層、９、２５・・・活性層、
１３、２９・・・ｐ型クラッド層、１５・・・p++接合層、１５ａ・・・中央部、
１５ｂ・・・周辺部、１７・・・アンドープ層、１９・・・n++接合層、
３１・・・ｐ型コンタクト層、３３・・・絶縁層、３５・・・ｐ電極、
３５ａ・・・コンタクト部、３７・・・絶縁層、３９・・・ｎ電極、
３９ａ・・・コンタクト部、１０３・・・n型GaAs基板、
１０５、１１９・・・ｎ型ＤＢＲ層、１０７・・・n++接合層、
１０９・・・アンドープ層、１１１・・・p++接合層、１１１ａ・・・中央部、
１１１ｂ・・・周辺部、１１３、１１７・・・クラッド層、１１５・・・活性層、
１２１・・・ｎ型コンタクト層、１２３・・・ｎ電極、１２５・・・透明導電膜、
１２７・・・絶縁層、１２９・・・ｐ電極

Claims (7)

1. 電流狭窄層を有する半導体レーザであって、
   前記電流狭窄層は、ｎ型不純物原子がドープされたn++接合層、絶縁層、及びｐ型不純物原子がドープされたp++接合層から構成され、
   前記p++接合層は、その周辺部よりも厚い中央部を備え、
   前記n++接合層は、前記中央部において前記p++接合層と接してトンネル接合を形成し、
   前記絶縁層は、前記周辺部において、前記n++接合層とp++接合層とを隔てることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記周辺部における前記絶縁層の厚みは、電子のド・ブロイ波長以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 活性層を複数有する端面発光型であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ。
4. 活性層と、前記活性層の両側に位置する一対のｎ型ＤＢＲとを有する面発光型であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ。
5. 前記ｐ型不純物原子はＺｎであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
6. 前記ｎ型不純物原子はＳｅであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
7. 前記n++接合層、前記p++接合層、前記n++接合層と前記p++接合層とを隔てる絶縁層、前記中央部に対応する大きさのｐ電極、及び前記中央部に対応する大きさのｎ電極を含む半導体レーザを形成し、
   アニールするとともに、前記ｐ電極及び前記ｎ電極を用いて電流注入を行い、前記p++接合層の前記中央部に含まれるp型不純物原子を熱拡散させ、前記中央部を、前記n++接合層に接するまで拡散させることで前記電流狭窄層を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。