JP3152901B2

JP3152901B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP3152901B2
Application number: JP9371898A
Authority: JP
Inventors: 吾紅波多野; 敏英泉谷; 康夫大場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2001-04-03
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JPH10242568A

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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（ＺｉｎｃＢｌｅｎｄｅ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。

【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。

【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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（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、超格子構造の発光層
をＧａＡｌＢＮＰ又はＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子からなる
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
上にウルツ鉱型結晶構造を有する電流阻止層が形成され
ていることを特徴とする。ここで、電流阻止層はｎ型の
ＧａＮであることが望ましい。

【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、超格
子構造の発光層をＧａＡｌＮ系材料からなる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
ラッド層側にウルツ鉱型結晶構造を有する電流阻止層を
設ける。これにより、ダブルへテロ構造部の一部に効果
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。

【００１２】また、電流阻止層がＷＺ型でありバンドギ
ャップが広いため、電流阻止層における電流リークを極
めて小さくすることができる。さらに、電流阻止層がＷ
Ｚ型であることから、劈開時に端面を形成するのが容易
であり、しかも等方的に埋込むことが容易であり、スト
ライプの方向に依存されずに埋め込むことが可能とな
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００１４】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。

【００１５】このｎ型ＢＰバッファ層１３上に、ｎ型Ｇ
ａ_ｘＡｌ_1-xＮ／ＢＰ超格子層からなるクラッド層１
４、アンドープのＧａ_xＡｌ_1-xＮ／ＢＰ超格子層から
なる活性層１５およびｐ型Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ／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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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（ＣＰ₂Ｍ
ｇ）を原料ガスに混合することにより行った。

【００２３】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、以下の参考例及び実施形態
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。

【００２４】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Ｇａ_0.4Ａｌ_0.6Ｎ／ＢＰ超
格子層、活性層１５としてアンドープＧａ_0.5Ａｌ_0.5
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
ａ_0.4Ａｌ_0.6Ｎ／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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】図４は、ＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層に代っ
て、Ｇａ_xＡｌ_yＢ_1-x-yＮ_zＰ_1-z混晶層を用いてク
ラッド層および活性層を形成した参考例の半導体レーザ
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ＧａＡｌＢ
ＮＰ活性層４２およびｐ型ＧａＡｌＢＮＰクラッド層４
３によりダブルヘテロ接合を構成していることである。

【００３０】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。

【００３１】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
_0.2Ａｌ_0.3Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5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Ｇａ_0.25Ａｌ_0.3Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5混
晶層（厚さ０．１μｍ）、ｐ型クラッド層４３はＧａ
_0.2Ａｌ_0.3Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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Ｇａ_xＡｌ_yＢ_1-x-yＮ
_zＰ_1-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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】以上の参考例では、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、Ｂ
Ｐはｎ型の高濃度ドーピンク゜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Ｗ
Ｚ型結晶を用いることにより改善した実施形態を次に説
明する。

【００３９】図８はその様な実施形態の半導体レーザで
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ＡｌＢＮＰ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Ａ
ｌ_0.2Ｂ_0.8Ｎ_0.2Ｐ_0.8層を成長させた素子を作成し
た。

【００４０】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。

【００４１】図９の実施形態および図１０の参考例は同
様のＡｌＢＮＰ電流阻止層を、それぞれ図３および図４
の参考例のものに適用した場合である。これらの実施形
態および参考例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。

【００４２】さらに電流阻止層に、ＷＺ型Ｇａ_uＡｌ
_1-uＮ層（０≦ｕ≦１）を用いた実施形態を説明する。
ＷＺ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。

【００４３】図１１はその様な実施形態であり、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１×１
０¹⁸／ｃｍ³、１μｍのＧａＮ層を用いて、共振器長３
００μｍのレーザ素子を作成した。

【００４４】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。

【００４５】図１２の実施形態および図１３の参考例は
同様に、それぞれ図３および図４の参考例の構成に対し
てｎ型ＧａＮ電流阻止層を用いた場合である。これらの
実施形態および参考例によっても同様の効果が得られ
る。

【００４６】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。

【００４７】以上の参考例および実施形態において、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
様な実施形態を以下に説明する。

【００４８】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Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ／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Ｇａ_xＡｌ_1-xＮ／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。

【００４９】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
ａ_0.4Ａｌ_0.6Ｎ／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Ｇａ_0.5Ａｌ_0.2Ｎ／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Ｇａ_0.4Ａｌ_0.6Ｎ／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
ａ_0.8Ａｌ_0.2Ｎ／ＢＰ超格子層として素子形成した。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】図１６は、その様な参考例の半導体レーザ
である。これは、図４の参考例の素子に対して、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４
３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。

【００５４】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Ｇａ_0.2Ａｌ_0.3Ｂ_0.5Ｎ_0.5
Ｐ_0.5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Ｇａ_0.4Ａｌ_0.1Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5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１×１０^１７／ｃｍ³、厚さ０．１μ
ｍのＧａ_0.4Ａｌ_0.1Ｂ_0.5Ｎ_0.5Ｐ_0.5混晶層とす
る。素子の製造方法は図４の参考例のそれと基本的に同
じである。

【００５５】この参考例によっても、先の参考例と同様
の効果が得られる。

【００５６】なお、中間バッファ層を設ける上記各参考
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。

【００５７】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。

【００５８】また上記各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。

【００５９】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。これに対して先に参考例を説明し
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。

【００６０】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。

【００６１】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／ｃｍ^２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。

【００６２】図１９および図２０は、同様の基板除去を
それぞれ図３および図４の参考例の素子に対して適用し
た場合を示している。これらの参考例によっても同様の
効果が得られる。

【００６３】以上の参考例および実施形態では全て、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。以下にその例を説明する。

【００６４】図２１は、その様な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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】図２２は同様の電流狭窄構造を、図１６の
参考例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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】本発明は、上記した実施形態に限られな
い。実施形態ではＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子層を用いてダ
ブルヘテロ接合を構成する場合にその組成比を変化さ
せ、またＧａＡｌＢＮＰ混晶層を用いた場合にもその平
均組成を変化させたが、超格子層を用いる場合ＧａＡｌ
ＮとＢＰの膜厚比を変化させることによりバンドギャッ
プを変化させることもできる。また上記各実施形態で
は、超格子構造の場合を含めて平均組成をＧａ_xＡｌ_y
Ｂ_1-x-yＮ_zＰ_1-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。

【００７４】さらに上述した各実施形態において、Ｇａ
ＡｌＮ層とＢＰ層間の格子整合をより良好なものとする
ために、III 族元素としてＢ，Ｇａ，Ａｌの他にＩｎな
どを少量混合してもよい。同様にＶ族元素としてＡｓ、
Ｓｂを混合することができる。また原料ガスとしては、
Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ａｌ原
料としてトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、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（Ｎ₂Ｈ₄）のほ
か、Ｇａ（Ｃ₂Ｈ₅）₃・ＮＨ₃、Ｇａ（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。

【００７５】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。

【００７６】

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【図４】ＧａＡｌＢＮＰ混晶層を用いた参考例の半導体
レーザを示す断面図。

【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。

【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。

【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。

【図８】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。

【図９】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。

【図１０】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。

【図１１】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。

【図１２】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。

【図１３】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。

【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。

【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。

【図１６】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。

【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。

【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。

【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。

【図２０】基板を除去した参考例の半導体レーザを示す
断面図。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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63−196088（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−35979（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−202083（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−43387（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐｎ接合を有する半導体レーザにおいて、単結晶基板上に、超格子構造の発光層をＧａＡｌＢＮＰ
混晶又はＧａＡｌＮ／ＢＰ超格子からなる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型クラッド層上にウルツ鉱
型結晶構造を有する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。
【請求項２】前記電流阻止層は、ｎ型のＧａＮであるこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。