JP3152900B2 - Semiconductor laser - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、新しい III-V族
化合物半導体材料を用いた短波長の半導体レーザに関す
る。The present invention relates to a short-wavelength semiconductor laser using a new III-V compound semiconductor material.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、高速度かつ高密度の情報処理シス
テムの発展に伴い、短波長の半導体レーザ(LD)の実
現が望まれている。2. Description of the Related Art In recent years, with the development of high-speed and high-density information processing systems, the realization of a semiconductor laser (LD) having a short wavelength has been desired.
【0003】緑色や青色等の短波長半導体レーザの実現
に有望と思われる III-V族化合物半導体材料を大きな
バンドギャップという観点から見ると、BN(4または
8eV),AlN(6eV),GaN(3.4eV),
InP(2.4eV),AlP(2.5eV),GaP
(2.3および2.8eV)等の、軽めの III族元素の
窒化物と燐化物が大きいバンドギャップを有する。From the viewpoint of a large band gap, a group III-V compound semiconductor material which is considered to be promising for the realization of a short wavelength semiconductor laser such as green or blue is considered to be BN (4 or 8 eV), AlN (6 eV), GaN ( 3.4 eV),
InP (2.4 eV), AlP (2.5 eV), GaP
Lighter Group III element nitrides and phosphides, such as (2.3 and 2.8 eV), have large band gaps.
【0004】しかしながらこれらのうち、BNは、バン
ドギャップが大きいが4配位(sp3)結合を有する高
圧相(c−BN)は合成しにくく、しかも3種の多形を
有し、混合物もでき易いので使用できない。不純物ドー
ピングも難しい。InNは、バンドギャップが小さめで
あり、熱的安定性に乏しく、また普通多結晶しか得られ
ない。AlP,GaNは、いずれもバンドギャップがや
や足りない。However, among these, BN has a large band gap, but it is difficult to synthesize a high-pressure phase (c-BN) having a four-coordinate (sp3) bond, and has three kinds of polymorphs. Not easy to use. Impurity doping is also difficult. InN has a small band gap, poor thermal stability, and can usually only obtain polycrystal. Both AlP and GaN have slightly insufficient band gaps.
【0005】残るAlN,GaNは、バンドギャップが
大きく、また安定性にも優れており、短波長発光用に適
していると言える。ただ、AlN,GaNは結晶構造が
ウルツ鉱型(Wurzeite型、以下これをWZ型と
略称する)であり、しかもイオン性が大きいため格子欠
陥が生じ易く、低抵抗のp型半導体を得ることができな
い。The remaining AlN and GaN have a large band gap and excellent stability, and can be said to be suitable for short-wavelength light emission. However, AlN and GaN have a wurtzite type (Wurzeite type, hereinafter abbreviated as WZ type) crystal structure, and have high ionicity, so that lattice defects are likely to occur and a low-resistance p-type semiconductor can be obtained. Can not.
【0006】この様な問題を解決するため、B,Nを含
まない III-V族系の化合物にB,Nを混合してバンド
ギャップを大きくした材料を得る試みがなされている。
しかし、従来用いられている材料とB,Nを含む材料と
では格子定数が20〜40%と大きく異なり、また格子
型も異なるため、安定な結晶は得られていない。例え
ば、GaPにNを混合した場合、NはGaPの1%以下
しか混合できず、十分広いバンドギャップを得ることは
不可能であった。In order to solve such a problem, attempts have been made to obtain a material having a wide band gap by mixing B and N with a III-V group compound containing no B and N.
However, since a conventionally used material and a material containing B and N have significantly different lattice constants of 20 to 40% and different lattice types, stable crystals have not been obtained. For example, when N is mixed with GaP, N can be mixed with only 1% or less of GaP, and it is impossible to obtain a sufficiently wide band gap.
【0007】本発明者らの研究によれば、GaNやAl
Nで低抵抗のp型結晶が得られないのは、イオン性が大
きいことによる欠陥が生じ易いことの他に、これらが閃
亜鉛鉱型(Zinc Blende型、以下ZB型と略
称する)の結晶構造ではなく、WZ構造を持っているこ
とが本質的な原因であることが判明している。According to the study of the present inventors, GaN and Al
The reason that a low-resistance p-type crystal cannot be obtained in N is that defects due to high ionicity are liable to occur, and these are zinc blende type (Zinc Blende type, hereinafter abbreviated as ZB type) crystals. It has been found that having a WZ structure rather than a structure is an essential cause.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来、緑
色や青色等の短波長半導体レーザを実現するために必要
である、バンドギャップが例えば2.7eV以上と大き
く、pn制御が可能で、結晶の質も良い、という条件を
満たす半導体材料は存在しなかった。AlN,GaNな
どの窒化物は大きいバンドギャップを得る上で有効な材
料であるが、低抵抗のp型層を得ることができなかっ
た。As described above, conventionally, the band gap required for realizing a short-wavelength semiconductor laser such as green or blue has a large band gap of, for example, 2.7 eV or more, and pn control is possible. There was no semiconductor material satisfying the condition that the crystal quality was good. Although nitrides such as AlN and GaN are effective materials for obtaining a large band gap, a low-resistance p-type layer cannot be obtained.
【0009】本発明はこの様な点に鑑みてなされたもの
で、新しい III-V族系の化合物半導体材料を用いた半
導体レーザを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a semiconductor laser using a new III-V group compound semiconductor material.
【0010】[0010]
(構成) 本発明に係る半導体レーザは、pn接合を有する半導体
レーザにおいて、単結晶基板上に、発光層をGa x Al
y B 1-x-y N z P 1-z からなるp型及びn型のクラッド層
で挟んだダブルへテロ構造部が形成され、このダブルヘ
テロ構造部のp型クラッド層は一部が凸型に突出したリ
ブ構造に形成され、該リブ構造の両側に電流阻止層が形
成されていることを特徴とする。(Structure) In a semiconductor laser according to the present invention, in a semiconductor laser having a pn junction, a light emitting layer is formed on a single crystal substrate by Ga x Al.
y B 1-xy N z P heterostructure section p-type consisting of 1-z and the n-type double sandwiched by cladding layers are formed, p-type cladding layer of the double heterostructure section for partially convex It is characterized in that it is formed in a protruding rib structure, and a current blocking layer is formed on both sides of the rib structure.
【0011】(作用) 本発明者らの研究によれば、GaAlN系材料であって
も、例えばBPとの多層構造に形成したり、或いはBP
との混晶を形成することにより、安定な結晶を作成でき
る場合のあることが判明した。そこで本発明では、Ga
AlN系材料からなるダブルへテロ構造部を用いて半導
体レーザを構成し、更にダブルへテロ構造部のp型クラ
ッド層側にリブ構造と電流阻止層を設ける。これによ
り、リブ構造部分に効果的に電流を狭窄することがで
き、短波長の半導体レーザを実現することが可能とな
る。(Action) According to the study of the present inventors, even if a GaAlN-based material is used, it may be formed into a multilayer structure with BP, for example.
It has been found that a stable crystal can sometimes be produced by forming a mixed crystal with. Therefore, in the present invention, Ga
A semiconductor laser is constructed using a double heterostructure part made of an AlN-based material, and a rib structure and a current blocking layer are provided on the p-type cladding layer side of the double heterostructure part. As a result, the current can be effectively confined in the rib structure portion, and a semiconductor laser with a short wavelength can be realized.
【0012】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によつて説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
【0013】図1は、本発明の一参考例の半導体レーザ
の断面図である。n型GaP基板11上には、n型Ga
Pバッファ層12,n型BPバッファ層13が積層形成
されている。[0013] Figure 1 is a cross-sectional view of a semiconductor laser of one exemplary embodiment of the present invention. On the n-type GaP substrate 11, n-type GaP
A P buffer layer 12 and an n-type BP buffer layer 13 are stacked.
【0014】このn型BPバッファ層13上に、n型G
axAl1-x N/BP超格子層からなるクラッド層1
4、アンドープのGax Al1-x N/BP超格子層から
なる活性層15およびp型Gax Al1-x N/BP超格
子層からなるクラッド層16が順次積層形成されて、ダ
ブルヘテロ接合部を構成している。例えば、クラッド層
14および16ではx=0.4とし、活性層15ではx
=0.5とする。これによりクラッド層14および16
はバンドギャップが3.0eV、活性層15はバンドギ
ャップが2.7eVとなり、ダブルヘテロ接合が形成さ
れる。On this n-type BP buffer layer 13, an n-type G
cladding layer 1 consisting of a x Al 1-x N / BP superlattice layer
4. An active layer 15 composed of an undoped Ga x Al 1-x N / BP superlattice layer and a clad layer 16 composed of a p-type Ga x Al 1-x N / BP superlattice layer are sequentially laminated to form a double heterostructure. It constitutes a joint. For example, x = 0.4 in the cladding layers 14 and 16 and x in the active layer 15.
= 0.5. Thereby, the cladding layers 14 and 16
Has a band gap of 3.0 eV, the active layer 15 has a band gap of 2.7 eV, and a double hetero junction is formed.
【0015】p型クラッド層16上には、中央部のスト
ライプ状の部分を残してn型BP電流阻止層17が形成
されている。この電流阻止層17上およびストライプ状
のp型クラッド層16上にp型BPコンタクト層18が
形成されている。コンタクト層18表面にはp側の金属
電極19が形成され、基板11にはn側の金属電極20
が形成されている。この半導体レーザでは、コンタクト
層18の下部凸部の周囲にn型BP電流阻止層17が形
成されて、電流狭窄構造と光導波路構造が自己整合的に
形成されている。An n-type BP current blocking layer 17 is formed on the p-type cladding layer 16 except for a central stripe portion. A p-type BP contact layer 18 is formed on the current blocking layer 17 and the striped p-type cladding layer 16. A p-side metal electrode 19 is formed on the surface of the contact layer 18, and an n-side metal electrode 20 is formed on the substrate 11.
Are formed. In this semiconductor laser, an n-type BP current blocking layer 17 is formed around a lower convex portion of a contact layer 18, and a current confinement structure and an optical waveguide structure are formed in a self-aligned manner.
【0016】この半導体レーザは、有機金属気相成長法
(MOCVD法)を用いて製造される。その製造方法に
付き以下に詳しく説明する。This semiconductor laser is manufactured by using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). The manufacturing method will be described in detail below.
【0017】図2は、その参考例に用いたマルチチャン
バ方式の有機金属気相成長(MOCVD)装置である。
図において、21,22および23は石英製の反応管で
ありそれぞれの上部に位置するガス導入口から必要な原
料ガスが取入れられる。これらの反応管21,22およ
び23は一つのチャンバ24にその上蓋を貫通して垂直
に取付けられている。基板25はグラファイト製サセプ
タ26上に設置され、各反応管21,22,23の開口
に対向するように配置されて外部の高周波コイル27に
より高温に加熱される。FIG. 2 shows a multi-chamber metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus used in the reference example .
In the figure, reference numerals 21, 22, and 23 denote reaction tubes made of quartz, and necessary raw material gases are taken in from gas introduction ports located above the respective reaction tubes. These reaction tubes 21, 22 and 23 are vertically mounted in one chamber 24 through its upper lid. The substrate 25 is placed on a graphite susceptor 26, arranged so as to face the openings of the respective reaction tubes 21, 22 and 23, and heated to a high temperature by an external high-frequency coil 27.
【0018】サセプタ26は、石英製ホルダ28に取付
けられ、磁性流体シールを介した駆動軸により各反応管
21,22,23の下を高速度で移動できるようになっ
ている。駆動は、外部に設置されたコンピュータ制御さ
れたモータにより行われる。サセプタ中央部には熱電対
30が置かれ、基板直下の温度をモニタして外部に取出
す。そのコード部分は回転によるよじれを防止するため
スリップリングが用いられる。反応ガスは、上部噴出口
31からの水素ガスのダウンフローの速い流れにより押
出され、互いの混合が極力抑制されながら、排気口32
からロータリーポンプにより排気される。The susceptor 26 is mounted on a quartz holder 28 and can be moved at a high speed below each of the reaction tubes 21, 22, 23 by a drive shaft via a magnetic fluid seal. Driving is performed by a computer-controlled motor installed outside. A thermocouple 30 is placed at the center of the susceptor, monitors the temperature immediately below the substrate, and takes it out. The cord portion uses a slip ring to prevent twisting due to rotation. The reaction gas is extruded by the rapid flow of hydrogen gas from the upper jet port 31 and the exhaust gas 32 is suppressed while the mutual mixing is suppressed as much as possible.
Exhausted by a rotary pump.
【0019】この様なMOCVD装置により、各反応管
21,22,23を通して所望の原料ガスを流し、基板
25をコンピュータ制御されたモータで移動させること
により、基板25上に任意の積層周期,任意組成を持っ
て多層構造を作製することができる。この方式では、ガ
ス切替え方式では得られない鋭い濃度変化が容易に実現
できる。またこの方式では、急峻なヘテロ界面を作製す
るためにガスを高速で切替える必要がないため、原料ガ
スであるNH3 やPH3 の分解速度が遅いという問題
を、ガス流速を低く設定することにより解決することが
できる。With such an MOCVD apparatus, a desired source gas is flowed through each of the reaction tubes 21, 22, and 23, and the substrate 25 is moved by a motor controlled by a computer. A multilayer structure can be produced with the composition. In this method, a sharp concentration change that cannot be obtained by the gas switching method can be easily realized. In addition, in this method, it is not necessary to switch the gas at a high speed in order to form a steep hetero interface. Therefore, the problem that the decomposition rate of NH 3 or PH 3 as a raw material gas is low is solved by setting a low gas flow rate. Can be solved.
【0020】このMOCVD装置を用いて図1の半導体
レーザを作製した。原料ガスは、トリメチルアルミニウ
ム(TMA),トリメチルガリウム(TMG),トリエ
チル硼素(TEB),アンモニア(NH3 ),フォスフ
ィン(PH3 )である。基板温度は850〜1150℃
程度、圧力は0.3気圧、原料ガスの総流量は1l/m
inであり、成長速度が1μm/hとなるようにガス流
量を設定した。The semiconductor laser shown in FIG. 1 was manufactured using this MOCVD apparatus. The source gas is trimethyl aluminum (TMA), trimethyl gallium (TMG), triethyl boron (TEB), ammonia (NH 3 ), and phosphine (PH 3 ). Substrate temperature is 850-1150 ° C
Degree, pressure is 0.3 atm, total flow rate of raw material gas is 1 l / m
and the gas flow rate was set such that the growth rate was 1 μm / h.
【0021】概略的な各ガス流量は、TMA:1×10
-6mol/min、TMG:1×10-6mol/mi
n、TEB:1×10-6mol/min、PH3 :5×
10-4mol/min、NH3 :1×10-3mol/m
inである。p,nのドーパントにはMgとSiを用い
た。これらの不純物ドーピングは、シラン(SiH4 )
およびシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2 M
g)を原料ガスに混合することにより行った。The approximate gas flow rates are as follows: TMA: 1 × 10
-6 mol / min, TMG: 1 × 10 -6 mol / mi
n, TEB: 1 × 10 −6 mol / min, PH 3 : 5 ×
10 -4 mol / min, NH 3 : 1 × 10 -3 mol / m
in. Mg and Si were used as p and n dopants. These impurity doping is performed using silane (SiH 4 ).
And cyclopentadienyl magnesium (CP 2 M
g) was mixed with the raw material gas.
【0022】なお、GaAlN/BP超格子を作成する
際の代表的な積層周期は2nm、GaAlN層とBP層
の厚さの比は1:1であり、以下の参考例および実施形
態でも全てこの値に設定した。他の組成でも可能である
が、ダブルヘテロ接合部のBP層に対するGaAlN層
の膜厚比が1より小さくなると、バンド構造が直接遷移
型から間接遷移型に変化し、発光効率は低下する。また
積層周期についても、上記の値に限られないが、例えば
5nmを越えると電子、正孔の局在が顕著になり、導電
性の低下が生じるので、5nm以下の範囲で設定するこ
とが望ましい。[0022] Incidentally, typical lamination period in creating GaAlN / BP superlattice 2 nm, the ratio of the thickness of GaAlN layer and the BP layer is 1: 1, all in the following Reference Examples and embodiments this Set to a value. Although other compositions are possible, when the thickness ratio of the GaAlN layer to the BP layer at the double hetero junction becomes smaller than 1, the band structure changes from the direct transition type to the indirect transition type, and the luminous efficiency decreases. Also, the lamination period is not limited to the above value, but if it exceeds 5 nm, for example, the localization of electrons and holes becomes remarkable and the conductivity is lowered. .
【0023】具体的な図1の素子形成条件を説明する。
GaP基板11はSiドープ,キャリア濃度1×1018
cm3 であり、n型GaPバッファ層12はSiドー
プ,キャリア濃度1×1018/cm3 ,厚さ1μm、n
型BPバッファ層13はSiドープ,キャリア濃度1×
1017/cm3 ,厚さ1μmとする。この上にn型クラ
ッド層14として、Siドープ,キャリア濃度1×10
17/cm3 ,厚さ1μmのGa0.4 Al0.6 N/BP超
格子層、活性層15としてアンドープGa0.5 Al0.5
N/BP超格子層、p型クラッド層16としてMgドー
プ,キャリア濃度1×1017/cm3 ,厚さ1μmのG
a0.4 Al0.6 N/BP超格子層が順次形成されてダブ
ルヘテロ接合構造が得られる。Specific conditions for forming the device shown in FIG. 1 will be described.
The GaP substrate 11 is Si-doped and has a carrier concentration of 1 × 10 18
cm 3 , the n-type GaP buffer layer 12 is Si-doped, the carrier concentration is 1 × 10 18 / cm 3 , the thickness is 1 μm,
Type BP buffer layer 13 is Si-doped, carrier concentration 1 ×
10 17 / cm 3 and thickness 1 μm. On this, as an n-type cladding layer 14, Si doping, carrier concentration 1 × 10
Ga 0.4 Al 0.6 N / BP superlattice layer of 17 / cm 3 and 1 μm thickness, undoped Ga 0.5 Al 0.5 as active layer 15
As the N / BP superlattice layer and the p-type cladding layer 16, G-doped Mg having a carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 and a thickness of 1 μm is used.
a 0.4 Al 0.6 N / BP superlattice layers are sequentially formed to obtain a double heterojunction structure.
【0024】そして、p型クラッド層16上に、シラン
ガスの熱分解と写真蝕刻により幅5μmのストライプ状
にSiO2 膜を形成し、MOCVDによりクラッド層上
にのみ選択的にp型BP電流阻止層17(Siドープ、
キャリア濃度1×1017/cm3 、1μm)を成長させ
る。そしてSiO2 膜を除去して、p型BPコンタクト
層18(Mgドープ、キャリア濃度1×1017/c
m3 、1μm)を形成する。その後通常の電極付け工程
により、コンタクト層18上にAu/Znからなる電極
19を形成し、基板裏面にはAu/Geからなる電極2
0を形成する。On the p-type cladding layer 16, a SiO 2 film having a width of 5 μm is formed by thermal decomposition of silane gas and photo-etching, and the p-type BP current blocking layer is selectively formed only on the cladding layer by MOCVD. 17 (Si-doped,
A carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 , 1 μm) is grown. Then, the SiO 2 film is removed, and the p-type BP contact layer 18 (Mg doped, carrier concentration 1 × 10 17 / c)
m 3 , 1 μm). Thereafter, an electrode 19 made of Au / Zn is formed on the contact layer 18 by a normal electrode attaching process, and the electrode 2 made of Au / Ge is formed on the back surface of the substrate.
0 is formed.
【0025】こうして得られた半導体レーザ・ウェハを
へき開して共振器長300μmのレーザ素子を構成した
ところ、液体窒素温度でパルス幅100μsecのパル
ス動作で緑色光レーザ発振が確認された。しきい値電流
密度は約50kA/cm2 であった。When the thus obtained semiconductor laser wafer was cleaved to form a laser element having a cavity length of 300 μm, green light laser oscillation was confirmed by a pulse operation with a pulse width of 100 μsec at the temperature of liquid nitrogen. The threshold current density was about 50 kA / cm 2 .
【0026】図3は、図1の構成を変形した他の参考例
の緑色半導体レーザである。図1と異なる点は、p型ク
ラッド層16の中央部にストライプ状の凸部ができるよ
うに選択エッチングしてその凸部周囲にn型BP層から
なる電流阻止層17を形成していることである。その他
は図1と同様である。FIG. 3 shows a green semiconductor laser according to another reference example in which the configuration of FIG. 1 is modified. The difference from FIG. 1 is that the current blocking layer 17 composed of an n-type BP layer is formed by selective etching so that a stripe-shaped projection is formed at the center of the p-type cladding layer 16. It is. Others are the same as FIG.
【0027】この参考例では、n型クラッド層16が凸
型に加工されて等価的に横方向に屈折率差が形成され、
これにより良好な横モード制御が行われる。この参考例
の場合も、共振器長300μmのレーザ素子を構成して
略同様の特性が得られた。しきい値電流密度は約70k
A/cm2 であった。しきい値電流密度が若干高めであ
るが、単一峰の遠視野像が確認され、良好な横モード制
御が行われていることが確認された。In this reference example , the n-type cladding layer 16 is processed into a convex shape so that a refractive index difference is equivalently formed in the lateral direction.
Thereby, good transverse mode control is performed. Also in the case of this reference example , substantially the same characteristics were obtained by configuring a laser element having a cavity length of 300 μm. Threshold current density is about 70k
A / cm 2 . Although the threshold current density was slightly higher, a far-field image of a single peak was confirmed, and it was confirmed that excellent transverse mode control was performed.
【0028】図4は、GaAlN/BP超格子層に代っ
て、Gax Aly B1-x-y Nz P1-z 混晶層を用いてク
ラッド層および活性層を形成した実施形態の半導体レー
ザである。図3の参考例の構成に対して異なる点は、n
型GaAlBNPクラッド層41、アンドープGaAl
BNP活性層42およびp型GaAlBNPクラッド層
43によりダブルヘテロ接合を構成していることであ
る。FIG. 4 shows a semiconductor according to an embodiment in which a clad layer and an active layer are formed by using a Ga x Al y B 1-xy N z P 1-z mixed crystal layer instead of the GaAlN / BP superlattice layer. Laser. The difference from the configuration of the reference example of FIG.
GaAlBNP cladding layer 41, undoped GaAl
That is, a double hetero junction is constituted by the BNP active layer 42 and the p-type GaAlBNP cladding layer 43.
【0029】この半導体レーザの製造も図2のMOCV
D装置を用いて先の各参考例とほぼ同様に行われる。そ
の際、混晶層の形成に当たっては基板の移動は止めて、
一つの反応管から必要な全ての原料ガスを導入する。ま
たこのとき、反応ガスの相互反応を防止するため、混晶
成長を行う原料ガスの混合は反応管の直前で行い、低圧
条件下で成長を行う。原料ガス、その流量、基板温度な
どの成長条件は、先の参考例とほぼ同様である。The fabrication of this semiconductor laser is also the same as the MOCV shown in FIG.
The operation is performed in substantially the same manner as in each of the above Reference Examples using the D apparatus. At that time, stop the movement of the substrate when forming the mixed crystal layer,
All necessary source gases are introduced from one reaction tube. At this time, in order to prevent the mutual reaction of the reaction gases, the source gas for performing the mixed crystal growth is mixed immediately before the reaction tube, and the growth is performed under a low pressure condition. The growth conditions such as the source gas, its flow rate, and the substrate temperature are almost the same as those of the above-mentioned reference example .
【0030】具体的な素子形成条件は次の通りである。
n型GaP基板11はSiドープ,キャリア濃度1×1
018/cm3 、n型GaPバッファ層12はSiドー
プ,キャリア濃度1×1018/cm3 ,厚さ1μm、n
型BP層13はSiドープ,キャリア濃度1×1017/
cm3 ,厚さ1μmである。n型クラッド層41はGa
0.2 Al0.3 B0.5 N0.5 P0.5 混晶層(Siドープ、
キャリア濃度1×1017/cm3 、1μm)、アンドー
プ活性層42はGa0.25Al0.3 B0.5 N0.5 P0.5 混
晶層(厚さ0.1μm)、p型クラッド層43はGa
0.2 Al0.3 B0.5N0.5 P0.5 混晶層(Mgドープ、
キャリア濃度1×1017/cm3 、1μm)である。電
流狭窄構造、光導波構造および電極は図3の参考例と同
様である。The specific element forming conditions are as follows.
The n-type GaP substrate 11 is Si-doped and has a carrier concentration of 1 × 1.
0 18 / cm 3 , n-type GaP buffer layer 12 is Si-doped, carrier concentration 1 × 10 18 / cm 3 , thickness 1 μm, n
Type BP layer 13 is Si-doped and has a carrier concentration of 1 × 10 17 /
cm 3 and a thickness of 1 μm. The n-type cladding layer 41 is Ga
0.2 Al 0.3 B 0.5 N 0.5 P 0.5 mixed crystal layer (Si-doped,
The carrier concentration is 1 × 10 17 / cm 3 , 1 μm), the undoped active layer 42 is a Ga 0.25 Al 0.3 B 0.5 N 0.5 P 0.5 mixed crystal layer (0.1 μm in thickness), and the p-type cladding layer 43 is Ga
0.2 Al 0.3 B 0.5 N 0.5 P 0.5 mixed crystal layer (Mg doped,
The carrier concentration is 1 × 10 17 / cm 3 , 1 μm). The current confinement structure, the optical waveguide structure, and the electrodes are the same as in the reference example of FIG.
【0031】得られたウェハをへき開して共振器長30
0μmのレーザ素子を作成したところ、液体窒素温度で
パルス幅20μsecのパルス動作で緑色光レーザ発振
が確認された。The obtained wafer is cleaved to have a resonator length of 30.
When a 0 μm laser element was fabricated, green light laser oscillation was confirmed by a pulse operation with a pulse width of 20 μsec at liquid nitrogen temperature.
【0032】図5は、図3の参考例の構成において、基
板11とダブルヘテロ接合部の間のバッファ層12,1
3を省略した参考例である。この様にバッファ層は本質
的ではなく、場合によっては省略することができる。FIG. 5 shows a buffer layer 12, 1 between the substrate 11 and the double hetero junction in the configuration of the reference example of FIG.
3 is a reference example in which 3 is omitted. Thus, the buffer layer is not essential and can be omitted in some cases.
【0033】ただし本発明における半導体レーザのダブ
ルヘテロ接合部の半導体材料に対しては、格子定数が合
致する適当な基板がないのが一つの難点である。このた
め成長条件によってはダブルヘテロ接合部に大きい応力
がかかり、或いは格子定数の違いに起因して転位が発生
するなど、信頼性上問題があるのでバッファは設けた方
が良い。この格子定数の問題にさらに考慮を払った参考
例を次に説明する。However, for the semiconductor material of the double heterojunction of the semiconductor laser according to the present invention, one of the drawbacks is that there is no suitable substrate whose lattice constant matches. For this reason, depending on the growth conditions, a large stress is applied to the double hetero junction, or dislocations occur due to a difference in lattice constant. Therefore, there is a problem in reliability. Therefore, it is better to provide a buffer. References with further consideration of this lattice parameter issue
An example is described next.
【0034】図6は、その様な参考例の半導体レーザで
ある。これは図3の参考例の構成を基本とし、そのn型
BPバッファ層13の部分を平均組成を変化させたGa
AlNとBPの超格子層またはGax Aly B1-x-y N
z P1-z 層が交互に積層された多層構造からなるn型バ
ッファ層51に置換したものである。FIG. 6 shows a semiconductor laser of such a reference example . This is based on the configuration of the reference example of FIG. 3, and the portion of the n-type BP buffer layer 13 is formed by changing the average composition of Ga.
A superlattice layer of AlN and BP or Ga x Al y B 1-xy N
This is one in which an n-type buffer layer 51 having a multilayer structure in which z P 1 -z layers are alternately stacked is substituted.
【0035】図7は同様に、図3の参考例のGaP基板
11およびGaPバッファ層12の部分に、ダブルヘテ
ロ接合部の材料により格子定数が近いSiC基板61を
用いた参考例である。[0035] Figure 7 Similarly, the portion of Example GaP substrate 11 and the GaP buffer layer 12 in FIG. 3, the lattice constant of a material of a double heterojunction portion is a reference example in which a near SiC substrate 61.
【0036】これらの参考例によって、ダブルヘテロ接
合部への応力集中、転位の発生などを抑制することがで
きる。更に上記各参考例に於いて、BPバッファ層12
の成長に際して成長中に適当な温度サイクルを与えて応
力を吸収することも可能であり、有用である。[0036] These reference example, stress concentration on the double heterojunction portion, it is possible to suppress the generation of dislocations. Further, in each of the above reference examples , the BP buffer layer 12
It is also possible and useful to give an appropriate temperature cycle during the growth of GaN to absorb the stress.
【0037】以上の実施形態及び参考例では、電流阻止
層としてBP層を用いたが、BP層は発光波長に対して
不透明であるため損失が大きく、これによりしきい値電
流密度が高いものとなる。また高出力を必要とする際に
は、非点収差が大きくなる。また電流阻止層はキャリア
濃度が十分高いことが重要であり、この点に関しても特
にn型基板を用いる際には電流阻止層もn型とすること
が多いが、BPはn型の高濃度ドーピングが困難であ
り、キャリア濃度を十分高くできない。これらの点を電
流阻止層にWZ型結晶を用いることにより改善した参考
例を次に説明する。In the above embodiment and the reference example , the BP layer is used as the current blocking layer. However, the BP layer is opaque to the emission wavelength, so that the loss is large and the threshold current density is high. Become. When a high output is required, astigmatism increases. In addition, it is important that the current blocking layer has a sufficiently high carrier concentration. In this regard, the current blocking layer is often also n-type, especially when an n-type substrate is used. And the carrier concentration cannot be sufficiently increased. Reference was improved by using WZ type crystal these points the current blocking layer
An example is described next.
【0038】図8はその様な参考例の半導体レーザであ
る。図1の参考例の構成を基本とし、そのn型BP電流
阻止層17の部分をn型AlBNP電流阻止層81に置
換している点が異なる。それ以外は図1と同様である。
製造工程も図1の参考例と基本的に変わらない。n型A
lBNP電流阻止層81として具体的に、Siドープ、
キャリア濃度1×1018/cm3 、厚さ1μmのAl
0.2 B0.8 N0.2 P0.8層を成長させた素子を作成し
た。FIG. 8 shows a semiconductor laser of such a reference example . 1 is different from the reference example in that the n-type BP current blocking layer 17 is replaced with an n-type AlBNP current blocking layer 81. Otherwise, it is the same as FIG.
The manufacturing process is basically the same as the reference example of FIG. n-type A
As the IBNP current blocking layer 81, specifically, Si-doped,
Al with a carrier concentration of 1 × 10 18 / cm 3 and a thickness of 1 μm
A device in which a 0.2 B 0.8 N 0.2 P 0.8 layer was grown was prepared.
【0039】得られたレーザ素子は共振器長300μm
の場合、液体窒素温度でパルス幅100μmsecのパ
ルス動作で緑色レーザ発振が確認された。しきい値電流
密度は約30kA/cm2 であった。このとき動作電圧
は5V程度の低いものであった。The obtained laser element has a cavity length of 300 μm.
In the case of, green laser oscillation was confirmed by a pulse operation with a pulse width of 100 μmsec at the temperature of liquid nitrogen. The threshold current density was about 30 kA / cm 2 . At this time, the operating voltage was as low as about 5V.
【0040】図9の参考例および図10の実施形態は同
様のAlBNP電流阻止層を、それぞれ図3の参考例お
よび図4の実施形態のものに適用した場合である。これ
らの参考例および実施形態によっても同様の効果が得ら
れる。またWZ型のAlBNPにGAを混入しても同様
の効果を得ることができる。 The reference example of FIG. 9 and the embodiment of FIG. 10 are cases where the same AlBNP current blocking layer is applied to the reference example of FIG. 3 and the embodiment of FIG. Similar effects can be obtained by these reference examples and embodiments. The same effect can be obtained by mixing GA in WZ-type AlBNP.
【0041】さらに電流阻止層に、WZ型Gau Al
1-u N層(o≦u≦1)を用いた参考例を説明する。W
Z型GaAlNは、透明度が高くかつ結晶成長が容易で
成長速度も速いため、本発明の半導体レーザでの電流阻
止層として非常に有効である。[0041] Furthermore the current blocking layer, WZ type Ga u Al
A reference example using a 1-u N layer (o ≦ u ≦ 1) will be described. W
Z-type GaAlN is very effective as a current blocking layer in the semiconductor laser of the present invention because of its high transparency, easy crystal growth, and high growth rate.
【0042】図11はその様な参考例であり、図1の参
考例のn型BP電流阻止層17の部分にn型GaN電流
阻止層91を設けたものである。製造工程はやはり図1
のそれと基本的に同じである。具体的にn型GaN電流
阻止層91として、Siドープ、キャリア濃度1×10
18/cm3 、1μmのGaN層を用いて、共振器長30
0μmのレーザ素子を作成した。[0042] FIG. 11 is a such a reference example, participation in FIG. 1
The n-type GaN current blocking layer 91 is provided in the portion of the n-type BP current blocking layer 17 of the present invention. The manufacturing process is still Fig. 1.
It is basically the same as that of. Specifically, as the n-type GaN current blocking layer 91, Si doping, carrier concentration of 1 × 10
Using a GaN layer of 18 / cm 3 and 1 μm, a resonator length of 30
A 0 μm laser element was prepared.
【0043】得られたレーザ素子は、液体窒素温度でパ
ルス幅100μsecのパルス動作で緑色レーザ発振が
確認された。しきい値電流密度は約30kA/cm2 で
あった。また良好な横モード制御が行われていることが
確認され、動作電圧は約5Vと低い値が得られた。また
非点収差は10μmであり、この値はBPを電流阻止層
として用いた場合の30μmに比べて十分小さい。In the obtained laser element, green laser oscillation was confirmed by a pulse operation at a liquid nitrogen temperature and a pulse width of 100 μsec. The threshold current density was about 30 kA / cm 2 . In addition, it was confirmed that good lateral mode control was performed, and a low operating voltage of about 5 V was obtained. The astigmatism is 10 μm, which is sufficiently smaller than 30 μm when BP is used as a current blocking layer.
【0044】図12および図13は同様に、それぞれ図
3の参考例および図4の実施形態の構成に対してn型G
aN電流阻止層を用いた参考例および実施形態である。
これらの参考例および実施形態によっても同様の効果が
得られる。FIGS. 12 and 13 similarly show n-type G layers for the configurations of the reference example of FIG. 3 and the embodiment of FIG. 4, respectively.
It is a reference example and the embodiment with aN current blocking layer.
Similar effects can be obtained by these reference examples and embodiments.
【0045】さらに電流阻止層として、GaAlBNP
混晶層やGaAlN/BP超格子層などを用いることも
可能である。As a current blocking layer, GaAlBNP
It is also possible to use a mixed crystal layer or a GaAlN / BP superlattice layer.
【0046】以上の実施形態および参考例において、G
aAlN/BP超格子層またはGaAlBNP混晶層か
らなるクラッド層は、上部クラッド層がBPコンタクト
層と接し、下部クラッド層がBPバッファ層に接する。
BP層はGAaAlN/BP超格子層またはGaAlB
NP混晶層よりバンドギャップが狭いから、これらの間
には電位障壁が形成され、これが素子のしきい値電流密
度や動作電圧を高くする原因となる。したがってこれら
の間には更にバンドギャップを滑らかに遷移させるよう
な中間バッファ層を介在させることが有効である。その
様な参考例を以下に説明する。In the above embodiment and reference example , G
In the cladding layer composed of the aAlN / BP superlattice layer or the GaAlBNP mixed crystal layer, the upper cladding layer contacts the BP contact layer, and the lower cladding layer contacts the BP buffer layer.
The BP layer is a GAaAlN / BP superlattice layer or GaAlB
Since the band gap is narrower than that of the NP mixed crystal layer, a potential barrier is formed between them, which causes the threshold current density and operating voltage of the device to increase. Therefore, it is effective to interpose an intermediate buffer layer between them so as to make the band gap transition smoothly. Such a reference example will be described below.
【0047】図14はその様な参考例の半導体レーザで
ある。この参考例は図1の参考例の構成を基本とし、n
型BPバッファ層13とn型GaAlN/BPクラッド
層14の間にn型Gax Al1-x N/BP超格子層から
なる第1の中間バッファ層101を介在させ、またp型
GaAlN/BPクラッド層16とp型BPコンタクト
層18間に同様にp型Gax Al1-x N/BP超格子層
からなる第2の中間バッファ層102を介在させてい
る。それ以外は図1の参考例と同様である。FIG. 14 shows a semiconductor laser of such a reference example . This reference example is based on the configuration of the reference example of FIG.
A first intermediate buffer layer 101 made of an n-type Ga x Al 1-x N / BP superlattice layer between the n-type BP buffer layer 13 and the n-type GaAlN / BP cladding layer 14, and a p-type GaAlN / BP Similarly, a second intermediate buffer layer 102 made of a p-type Ga x Al 1-x N / BP superlattice layer is interposed between the cladding layer 16 and the p-type BP contact layer 18. Otherwise, it is the same as the reference example of FIG.
【0048】素子製造方法および製造条件は基本的に図
1の参考例と変わらない。具体的に、n型クラッド層1
4がSiドープ,キャリア濃度1×1017/cm3 のG
a0.4 Al0.6 N/BP層に対して第1の中間バッファ
層101を、Siドープ,キャリア濃度1×1017/c
m3 ,厚さ0.1μmのGa0.5 Al0.2 N/BP超格
子層とし、p型クラッド層14がMgドープ、キャリア
濃度1×1017/cm3 のGa0.4 Al0.6 N/BP層
に対して第2の中間バッファ層102を、Mgドープ、
キャリア濃度1×1017/cm3 、厚さ0.1μmのG
a0.8 Al0.2N/BP超格子層として素子形成した。The element manufacturing method and manufacturing conditions are basically the same as those of the reference example shown in FIG. Specifically, the n-type cladding layer 1
4 is a Si-doped G having a carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3
For the a 0.4 Al 0.6 N / BP layer, the first intermediate buffer layer 101 is doped with Si and doped with a carrier concentration of 1 × 10 17 / c.
A Ga 0.5 Al 0.2 N / BP superlattice layer having an m 3 thickness of 0.1 μm and a p-type cladding layer 14 formed of a Mg-doped Ga 0.4 Al 0.6 N / BP layer having a carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3. The second intermediate buffer layer 102 is doped with Mg,
G having a carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 and a thickness of 0.1 μm
An element was formed as a 0.8 Al 0.2 N / BP superlattice layer.
【0049】この参考例の素子でも液体窒素温度で緑色
光レーザ発振が確認され、低いしきい値電流密度と動作
電圧が得られた。In the device of this reference example , green light laser oscillation was confirmed at the temperature of liquid nitrogen, and a low threshold current density and operating voltage were obtained.
【0050】図15は、図3の参考例の素子に対して、
図14の参考例と同様の超格子層からなる中間バッファ
層101,102を設けた参考例である。この参考例で
も同様の緑色光レーザ発振が得られる。FIG. 15 shows the device of the reference example of FIG.
Is a reference example in which the intermediate buffer layers 101 and 102 made of the same superlattice layers in the reference example of FIG. 14. In this reference example , the same green light laser oscillation can be obtained.
【0051】以上の中間バッファ層を設ける方式は、ク
ラッド層および活性層にGaAlBNP混晶層を用いる
場合にも有効であり、その場合中間バッファ層としては
GaAlN/BP超格子層或いはGaAlBNP混晶層
を用いればよい。The above method of providing an intermediate buffer layer is also effective when a GaAlBNP mixed crystal layer is used for the cladding layer and the active layer. In this case, the GaAlN / BP superlattice layer or GaAlBNP mixed crystal layer is used as the intermediate buffer layer. May be used.
【0052】図16は、その様な実施形態の半導体レー
ザである。これは、図4の実施形態の素子に対して、n
型クラッド層41の下にn型GaAlBNP混晶層から
なる第1の中間バッファ層111を設け、p型クラッド
層43上にp型GaAlBNP混晶層からなる第2の中
間バッファ層112を設けたものである。FIG. 16 shows a semiconductor laser of such an embodiment. This is n n for the device of the embodiment of FIG.
A first intermediate buffer layer 111 made of an n-type GaAlBNP mixed crystal layer was provided below the type cladding layer 41, and a second intermediate buffer layer 112 made of a p-type GaAlBNP mixed crystal layer was provided above the p-type cladding layer 43. Things.
【0053】具体的に例えば、n型クラッド層41およ
びn型クラッド層43がGa0.2 Al0.3 B0.5 N0.5
P0.5 混晶層である場合、第1の中間バッファ層111
を、Siドープ、キャリア濃度1×1017/cm3 、厚
さ0.1μmのGa0.4 Al0.1 B0.5 N0.5 P0.5 混
晶層とし、第2の中間バッファ層112を、Mgドー
プ、キャリア濃度1×1017/cm3 、厚さ0.1μ
mのGa0.4 Al0.1 B0.5 N0.5 P0.5 混晶層とす
る。素子の製造方法は図4の実施形態のそれと基本的に
同じである。Specifically, for example, the n-type cladding layer 41 and the n-type cladding layer 43 are made of Ga 0.2 Al 0.3 B 0.5 N 0.5
If a P 0.5 mixed crystal layer, the first intermediate buffer layer 111
Is a Ga 0.4 Al 0.1 B 0.5 N 0.5 P 0.5 mixed crystal layer having a Si concentration of 1 × 10 17 / cm 3 and a thickness of 0.1 μm. 1 × 10 17 / cm 3 , thickness 0.1μ
m of Ga 0.4 Al 0.1 B 0.5 N 0.5 P 0.5 mixed crystal layer. The device manufacturing method is basically the same as that of the embodiment of FIG.
【0054】この実施形態によっても、先の実施形態と
同様の効果が得られる。According to this embodiment, the same effect as in the previous embodiment can be obtained.
【0055】なお、中間バッファ層を設ける上記各実施
形態および参考例に於いて、コンタクト層側の第2の中
間バッファ層は電流狭窄領域のみに形成しているが、こ
れはクラッド層上全面に設けることも可能である。In each of the above embodiments and the reference example in which the intermediate buffer layer is provided, the second intermediate buffer layer on the contact layer side is formed only in the current confinement region. It is also possible to provide.
【0056】図17はその様な参考例であり、図14に
対して上部の中間バッファ層102′をp型クラッド層
16上全面に設けている。FIG. 17 shows such a reference example , in which an upper intermediate buffer layer 102 ′ is provided on the entire surface of the p-type cladding layer 16 with respect to FIG.
【0057】また上記各実施形態および参考例の中間バ
ッファ層について、超格子層を用いた場合、混晶層を用
いた場合いずれも、その平均組成を膜厚方向に変化させ
てバンドギャップが連続的に変化するようにすれば、バ
ンドギャップの遷移領域がより滑らかになって効果的で
ある。Regarding the intermediate buffer layer of each of the above embodiments and the reference example , when the superlattice layer was used and when the mixed crystal layer was used, the average composition was changed in the film thickness direction to make the band gap continuous. In this case, the transition region of the band gap becomes smoother and more effective.
【0058】本発明の半導体レーザにおいて、格子整合
がとれる良質の適当な基板のないことが一つの問題であ
ることは既に述べた。これに対して先に説明したように
発光層と同質のバッファ層を設けることの他に、結晶成
長に用いた基板をその後除去するという方法も有効であ
る。It has already been mentioned that one problem with the semiconductor laser of the present invention is that there is no suitable substrate of good quality that can achieve lattice matching. On the other hand, in addition to providing a buffer layer of the same quality as the light emitting layer as described above, a method of subsequently removing the substrate used for crystal growth is also effective.
【0059】図18はその様な参考例の半導体レーザで
ある。これは基本的に図1の参考例の素子と同様に構成
した後、基板11およびGaPバッファ層12を除去し
たものである。GaP基板11およびGaPバッファ層
12の除去は例えば、機械研磨の後、2%臭素メチルア
ルコール溶液でエッチングすることにより行われる。FIG. 18 shows a semiconductor laser of such a reference example . This is basically the same as the device of the reference example shown in FIG. 1, and then the substrate 11 and the GaP buffer layer 12 are removed. The removal of the GaP substrate 11 and the GaP buffer layer 12 is performed, for example, by etching with a 2% bromine methyl alcohol solution after mechanical polishing.
【0060】この参考例によれば、基板およびバッファ
層の除去によって発光層部分への応力集中が軽減され、
安定動作が得られる。具体的にこの参考例により共振器
長300μmの素子を構成し、液体窒素温度でパルス幅
100μsecのパルス動作で緑色光レーザ発振が確認
された。しきい値電流密度は約50kA/cm2であっ
た。室温ではレーザ発振は確認されなかったが、LED
モードの動作では100時間以上安定した発光が確認さ
れた。According to this embodiment , the stress concentration on the light emitting layer portion is reduced by removing the substrate and the buffer layer.
Stable operation is obtained. Specifically, an element having a resonator length of 300 μm was formed according to this reference example , and green light laser oscillation was confirmed by a pulse operation at a liquid nitrogen temperature and a pulse width of 100 μsec. The threshold current density was about 50 kA / cm 2 . No laser oscillation was observed at room temperature, but LED
In the mode operation, stable light emission was confirmed for 100 hours or more.
【0061】図19および図20は、同様の基板除去を
それぞれ図3の参考例および図4の実施形態の素子に対
して適用した場合を示している。これらの参考例および
実施形態によっても同様の効果が得られる。FIGS. 19 and 20 show a case where the same substrate removal is applied to the elements of the reference example of FIG. 3 and the embodiment of FIG. 4, respectively. Similar effects can be obtained by these reference examples and embodiments.
【0062】以上の実施形態および参考例では全て、p
n接合を利用して電流狭窄を行う電流阻止層を設けてい
るが、この様な格別の電流阻止層を設けなくても電流狭
窄は可能である。以下にその参考例を説明する。In the above embodiments and reference examples , p
Although a current blocking layer that performs current blocking using an n-junction is provided, current blocking is possible without providing such a special current blocking layer. Hereinafter, a reference example will be described.
【0063】図21は、その様な参考例の半導体レーザ
である。この構造は、図15の参考例の構造を基本とし
て、n型BP電流阻止層17を形成することなく、p型
BPコンタクト層18を形成したものである。このよう
な方法によれば、選択成長の工程を必要としないため、
工程が簡単化され、コスト低下につながる。FIG. 21 shows a semiconductor laser of such a reference example . In this structure, a p-type BP contact layer 18 is formed without forming the n-type BP current blocking layer 17 based on the structure of the reference example of FIG. According to such a method, since a selective growth step is not required,
The process is simplified, leading to cost reduction.
【0064】この構造では、p型クラッド層16とp型
BPコンタクト層18が直接接触する領域は、バンド不
連続による大きい電位障壁により電流が流れず、中央の
ストライプ状部分のp型GaAlN/BP超格子層から
なる中間バッファ層103が介在している部分のみ滑ら
かなバンド遷移の結果電流が流れる。したがって実質的
に電流狭窄が行われる。また、p型クラッド層16がス
トライプ状に凸型に加工されているため、横方向に屈折
率の差ができて光閉じ込めも行われる。In this structure, in the region where the p-type cladding layer 16 and the p-type BP contact layer 18 are in direct contact, no current flows due to a large potential barrier due to band discontinuity, and the p-type GaAlN / BP Current flows as a result of smooth band transition only in the portion where the intermediate buffer layer 103 made of a superlattice layer is interposed. Therefore, the current is substantially constricted. In addition, since the p-type cladding layer 16 is processed into a stripe-like convex shape, a difference in refractive index occurs in the lateral direction, and light is confined.
【0065】この参考例により共振器長300μmの素
子を構成して、液体窒素温度でパルス幅100μmse
cのパルス動作で緑色レーザ発振が確認された。しきい
値電流密度は約70kA/cm2 であった。しきい値電
流密度は高めであるが、良好な横モード制御が行われて
いることが確認された。また動作電圧は約5Vと低いも
のであった。 An element having a resonator length of 300 μm was constructed according to this reference example , and a pulse width of 100 μm
Green laser oscillation was confirmed by the pulse operation of c. The threshold current density was about 70 kA / cm 2 . Although the threshold current density was high, it was confirmed that good transverse mode control was performed. The operating voltage was as low as about 5V.
【0066】図22は同様の電流狭窄構造を、図16の
実施形態の素子に適用した参考例である。この参考例に
よっても同様のレーザ発振が可能である。FIG. 22 is a reference example in which a similar current confinement structure is applied to the device of the embodiment of FIG. According to this reference example , similar laser oscillation is possible.
【0067】図23は更に、p型クラッド層16をスト
ライプ状凸部をもつように加工することをせず、p型G
aAlN/BP中間バッファ層102を選択的にエッチ
ングしてストライプ状にパターニングし、p型BPコン
タクト層19を全面に形成した参考例である。この参考
例によっても、光閉じ込めの効果はないが、電流狭窄は
行われ、レーザ発振が可能である。FIG. 23 further shows that the p-type cladding layer 16 is not processed so as to have
This is a reference example in which the aAlN / BP intermediate buffer layer 102 is selectively etched and patterned into stripes, and a p-type BP contact layer 19 is formed on the entire surface. This reference
By example, and not effect of light confinement, current confinement is performed, it is possible to laser oscillation.
【0068】本発明の半導体レーザにおける発光層に用
いる化合物半導体材料は、BPの低イオン性とZB構
造、およびGaAlNの広いバンドギャップの特性を併
せ持つものであるが、GaAlN層部分にアクセプタ不
純物が入るとNが抜けるという自己補償効果があり、高
濃度のp型ドーピングが難しい。その点を解決するため
に、GaAlN/BP超格子層を形成する際に、p型に
関しては低イオン性のBP層にのみ選択的に不純物をド
ープすることが有効であることが判明した。GaAlN
/BP超格子層全体にp型不純物をドープすると、Ga
AlN層での自己補償効果の他、欠陥が多く発生して結
局全体として高いキャリア濃度が得られないのに対し、
BP層にのみ選択的にp型不純物をドープすると、自己
補償効果の影響を受けず、また欠陥の発生もないため、
結果的にドープした不純物の多くがキャリアとして有効
に活性化されるものと思われる。The compound semiconductor material used for the light emitting layer in the semiconductor laser of the present invention has both the low ionicity of BP, the ZB structure, and the wide band gap of GaAlN, but acceptor impurities enter the GaAlN layer. And N escapes, and high concentration p-type doping is difficult. In order to solve this problem, it has been found that it is effective to selectively dope impurities into only the low ionic BP layer with respect to the p-type when forming the GaAlN / BP superlattice layer. GaAlN
When the entire / BP superlattice layer is doped with a p-type impurity, Ga
In addition to the self-compensation effect in the AlN layer, many defects are generated and eventually a high carrier concentration cannot be obtained as a whole.
If only the BP layer is selectively doped with a p-type impurity, the BP layer is not affected by the self-compensation effect and has no defects.
As a result, it is considered that many of the doped impurities are effectively activated as carriers.
【0069】図24(a)(b)は、その様なドーピン
グ法を示す概念図である。(a)はp型ドーピングの場
合であり、(b)はn型ドーピングの場合である。いず
れも、BP層とGaAlN層が交互に所定周期で積層さ
れた超格子構造を基本とするが、(a)ではBP層にの
みMgがドープされ、(b)ではGaAlN層にのみS
iがドープされている。FIGS. 24A and 24B are conceptual views showing such a doping method. (A) shows the case of p-type doping, and (b) shows the case of n-type doping. Each of them has a superlattice structure in which BP layers and GaAlN layers are alternately stacked at a predetermined period. In (a), only the BP layer is doped with Mg, and in (b), only the GaAlN layer is doped with Mg.
i is doped.
【0070】この様な超格子構造半導体層の成長と選択
的な不純物ドープは、図2のMOCVD装置により可能
である。すでに説明した参考例における超格子層形成と
同様の条件でGaAlN/BP超格子層を形成し、n型
に関してはGaAlN層にSiを、p型に関してはBP
層にMgをそれぞれドーピングした。n型の場合はGa
AlN層とBP層に同時にSiをドープしてもよいが、
BPは有効質量が非常に大きくn型ドーピングには適さ
ない。この選択ドーピングにより、p型、n型共に10
18/cm3 オーダーのキャリア濃度の超格子半導体膜が
得られることが確認された。したがってこの選択ドーピ
ングは本発明の半導体レーザを製造する際に有効であ
る。Such growth of the superlattice structure semiconductor layer and selective doping of impurities can be performed by the MOCVD apparatus shown in FIG. A GaAlN / BP superlattice layer is formed under the same conditions as the superlattice layer formation in the reference example already described. Si is used for the GaAlN layer for the n-type and BP for the p-type.
The layers were each doped with Mg. Ga for n-type
Although the AlN layer and the BP layer may be doped with Si at the same time,
BP has a very large effective mass and is not suitable for n-type doping. With this selective doping, both p-type and n-type
It was confirmed that a superlattice semiconductor film having a carrier concentration on the order of 18 / cm 3 was obtained. Therefore, this selective doping is effective when manufacturing the semiconductor laser of the present invention.
【0071】なおp型ドーピングの際、GaAlN層に
僅かのMgが混入することは差支えない。At the time of p-type doping, a slight amount of Mg may be mixed in the GaAlN layer.
【0072】本発明は、上記した実施形態に限られな
い。実施形態では、平均組成をGaxAly B1-x-y N
z P1-z で表したとき、x+y=0.5としたが、他の
組成を用いることもできる。但し発光層の場合、x+y
が0.5より小さくなると、バンド構造が直接遷移型か
ら間接遷移型になってしまうので好ましくない。The present invention is not limited to the above embodiment. In embodiments, the average composition Ga x Al y B 1-xy N
When expressed in z P 1-z, but the x + y = 0.5, it is also possible to use other compositions. However, in the case of the light emitting layer, x + y
Is smaller than 0.5, the band structure is changed from a direct transition type to an indirect transition type, which is not preferable.
【0073】さらに上述した各実施形態において、原料
ガスとしては、Ga原料としてトリエチルガリウム(T
EG)、Al原料としてトリエチルアルミニウム(TE
A)、B原料としてトルメチルボロン(TMB)などを
使用することができ、さらにN原料としてヒドラジン
(N2 H4 )のほか、Ga(C2 H5 )3 ・NH3 、G
a(CH3 )3 ・N・(CH3 )3 などの、アダクトと
呼ばれる有機金属化合物を用いることができる。さらに
上述の実施形態では第1導電型をn型、第2導電型をp
型とした場合を説明したが、これらを逆にしてもよい。
電極の材料も他のものを選択することができる。[0073] Further Te embodiments odor mentioned above, as the raw material gas, triethyl gallium (T as the Ga raw material
EG), triethyl aluminum (TE)
A) and B raw materials such as tolmethylboron (TMB) can be used, and N raw materials other than hydrazine (N 2 H 4 ), Ga (C 2 H 5 ) 3 .NH 3 , G
a (CH 3) 3 · N · (CH 3) , such as 3, can be used organic metal compound called an adduct. Further, in the above embodiment, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type.
Although the case of the type has been described, these may be reversed.
Other materials can be selected for the electrode material.
【0074】その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範
囲で種々変形して実施することができる。In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the spirit thereof.
【0075】[0075]
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、広い
バンドギャップを持つ化合物半導体材料を用いて、実用
的な短波長光半導体レーザを実現することができる。As described above, according to the present invention, a practical short-wavelength optical semiconductor laser can be realized by using a compound semiconductor material having a wide band gap.
【図1】本発明の参考例に係るGaAlN/BP超格子
層を用いた半導体レーザを示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser using a GaAlN / BP superlattice layer according to a reference example of the present invention.
【図2】図1のレーザの製造に用いたMOCVD装置の
構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an MOCVD apparatus used for manufacturing the laser shown in FIG.
【図3】GaAlN/BP超格子層を用いた他の参考例
の半導体レーザを示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser according to another reference example using a GaAlN / BP superlattice layer.
【図4】GaAlBNP混晶層を用いた実施形態の半導
体レーザを示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing a semiconductor laser according to an embodiment using a GaAlBNP mixed crystal layer.
【図5】バッファ層を省略した参考例の半導体レーザを
示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example from which a buffer layer is omitted.
【図6】GaAlN/BP超格子層をバッファ層として
用いた参考例の半導体レーザを示す断面図。FIG. 6 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example using a GaAlN / BP superlattice layer as a buffer layer.
【図7】SiC基板を用いた参考例の半導体レーザを示
す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example using an SiC substrate.
【図8】電流阻止層にAlBNP層を用いた参考例の半
導体レーザを示す断面図。FIG. 8 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example using an AlBNP layer as a current blocking layer.
【図9】電流阻止層にAlBNP層を用いた参考例の半
導体レーザを示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example using an AlBNP layer as a current blocking layer.
【図10】電流阻止層にAlBNP層を用いた実施形態
の半導体レーザを示す断面図。FIG. 10 is a sectional view showing a semiconductor laser according to an embodiment using an AlBNP layer as a current blocking layer.
【図11】電流阻止層にGaN層を用いた参考例の半導
体レーザを示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example using a GaN layer as a current blocking layer.
【図12】電流阻止層にGaN層を用いた参考例の半導
体レーザを示す断面図。FIG. 12 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example using a GaN layer as a current blocking layer.
【図13】電流阻止層にGaN層を用いた実施形態の半
導体レーザを示す断面図。FIG. 13 is a sectional view showing a semiconductor laser according to an embodiment using a GaN layer as a current blocking layer.
【図14】クラッド層の上下に中間バッファ層を介在さ
せた参考例の半導体レーザを示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view showing a semiconductor laser of a reference example in which an intermediate buffer layer is interposed above and below a cladding layer.
【図15】クラッド層の上下に中間バッファ層を介在さ
せた参考例の半導体レーザを示す断面図。FIG. 15 is a sectional view showing a semiconductor laser according to a reference example in which an intermediate buffer layer is interposed above and below a cladding layer.
【図16】クラッド層の上下に中間バッファ層を介在さ
せた実施形態の半導体レーザを示す断面図。FIG. 16 is a sectional view showing a semiconductor laser according to an embodiment in which an intermediate buffer layer is interposed above and below a cladding layer.
【図17】クラッド層の上下に中間バッファ層を介在さ
せた参考例の半導体レーザを示す断面図。FIG. 17 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example in which an intermediate buffer layer is interposed above and below a cladding layer.
【図18】基板を除去した参考例の半導体レーザを示す
断面図。FIG. 18 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example from which a substrate is removed.
【図19】基板を除去した参考例の半導体レーザを示す
断面図。FIG. 19 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example from which a substrate is removed.
【図20】基板を除去した実施形態の半導体レーザを示
す断面図。FIG. 20 is a sectional view showing the semiconductor laser of the embodiment from which the substrate has been removed;
【図21】n型電流阻止層を省略した参考例の半導体レ
ーザを示す断面図。FIG. 21 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example in which an n-type current blocking layer is omitted.
【図22】n型電流阻止層を省略した参考例の半導体レ
ーザを示す断面図。FIG. 22 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example from which an n-type current blocking layer is omitted.
【図23】n型電流阻止層を省略した参考例の半導体レ
ーザを示す断面図。FIG. 23 is a sectional view showing a semiconductor laser of a reference example in which an n-type current blocking layer is omitted.
【図24】本発明に有用な選択ドーピングを説明するた
めの図。FIG. 24 is a diagram for explaining selective doping useful in the present invention.
11…GaP基板 12…n型GaPバッファ層 13…n型BPバッファ層 14…n型GaAlN/BP超格子クラッド層 15…アンドープGaAlN/BP超格子活性層 16…p型GaAlN/BP超格子クラッド層 17…n型BP電流阻止層 18…p型BPコンタクト層 19,20…電極 41…n型GaAlNP混晶クラッド層 42…アンドープGaAlBNP混晶活性層 43…p型GaAlBNP混晶クラッド層 51…n型GaAlN/BP超格子バッファ層 61…SiC基板 81…n型AlBNP電流阻止層 91…GaN電流阻止層 101…n型GaAlN/BP超格子中間バッファ層 102…p型GaAlN/BP超格子中間バッファ層 111…n型GaAlBNP混晶中間バッファ層 112…p型GaAlBNP混晶中間バッファ層 Reference Signs List 11 GaP substrate 12 n-type GaP buffer layer 13 n-type BP buffer layer 14 n-type GaAlN / BP superlattice clad layer 15 undoped GaAlN / BP superlattice active layer 16 p-type GaAlN / BP superlattice clad layer Reference Signs List 17 ... n-type BP current blocking layer 18 ... p-type BP contact layer 19, 20 ... electrode 41 ... n-type GaAlNP mixed crystal cladding layer 42 ... undoped GaAlBNP mixed crystal active layer 43 ... p-type GaAlBNP mixed crystal cladding layer 51 ... n-type GaAlN / BP superlattice buffer layer 61 ... SiC substrate 81 ... n-type AlBNP current blocking layer 91 ... GaN current blocking layer 101 ... n-type GaAlN / BP superlattice intermediate buffer layer 102 ... p-type GaAlN / BP superlattice intermediate buffer layer 111 ... n-type GaAlBNP mixed crystal intermediate buffer layer 112 ... p-type GaAlBNP mixed crystal Intermediate buffer layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−21991(JP,A) 特開 昭53−20882(JP,A) 特開 昭63−202083(JP,A) 特開 昭63−43387(JP,A) 特開 昭56−59699(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-64-21991 (JP, A) JP-A-53-20882 (JP, A) JP-A-63-202083 (JP, A) JP-A-63-202083 43387 (JP, A) JP-A-56-59699 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 33/00
Claims (2)
1-z からなるp型及びn型のクラッド層で挟んだダブル
へテロ構造部が形成され、このダブルヘテロ構造部のp
型クラッド層は一部が凸型に突出したリブ構造に形成さ
れ、該リブ構造の両側に電流阻止層が形成されているこ
とを特徴とする半導体レーザ。1. A semiconductor laser having a pn junction, wherein a light emitting layer is formed on a single crystal substrate by using Ga x Al y B 1 -xy N z P
A double heterostructure portion is formed between the p-type and n-type cladding layers of 1-z, and the p-type
A semiconductor laser characterized in that a part of a mold cladding layer is formed in a rib structure protruding in a convex shape, and a current blocking layer is formed on both sides of the rib structure.
る請求項1記載の半導体レーザ。2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said substrate is made of SiC.
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