JP3206573B2 - 半導体レーザおよびその作製方法 - Google Patents
半導体レーザおよびその作製方法Info
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Description
高く、信頼性に優れた半導体レーザに関するものであ
る。
る半導体レーザは、光情報処理用光源や光計測用光源な
どの用途があり、最近その重要性を増している。中で
も、(AlxGa1-x)0.5In0.5P系の材料は、良質の
基板であるGaAsに格子整合し、組成xを変化させる
ことで波長0.68μmから0.56μmの範囲でレー
ザ発振を得ることができるため、注目されている。半導
体レーザにはダブルヘテロ構造が用いられる。
横モード制御型の赤色発光の半導体レーザについて説明
する。この半導体レーザは、図8に示すように、n−G
aAs基板1上にn−GaAsバッファ層2、n−(A
l0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層13、Ga0.5
In0.5P活性層4、p−(Al0.7Ga0.3)0.5In
0.5Pクラッド層14、p−Ga0.5In0.5P層7、n
−GaAs電流ブロック層8、p−GaAsコンタクト
層9が順次形成され、その後p電極10およびn電極1
1が形成される。p型の不純物には亜鉛(Zn)を、n
型の不純物にはセレン(Se)やシリコン(Si)を用
いる。
法(MOVPE法)や分子線エピタキシー法(MBE
法)などの結晶成長技術が用いられる。これらの結晶成
長技術を用いて、n−GaAs基板1上にn−GaAs
バッファ層2、n−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pク
ラッド層13、Ga0.5In0.5P活性層4、p−(Al
0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド層14およびp−G
a0.5In0.5P層7を順次堆積し、次にホトリソグラフ
ィー技術とエッチング技術により、p−Ga0.5In0.5
P層7とp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラッド
層14とを台形状にエッチングしてメサストライプを形
成し、その後MOVPE法などを用いてn−GaAs電
流ブロック層8を選択的に堆積し、さらにp−GaAs
コンタクト層9を堆積する。
GaAs電流ブロック層8により電流の狭窄を行うこと
ができ、またp−(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pクラ
ッド層14を台形上にエッチングする際に、台形の高さ
及び幅を最適化することにより、単一の横モードの条件
を満足する実効的な屈折率差をつけることができ、光を
効果的に台形下部の活性層付近に閉じこめることができ
た。
レーザの主な構成材料である(Al0.7Ga0.3)0.5I
n0.5Pは、材料の性質上、不純物であるZnやSeが
拡散しやすいという問題点がある。例えば、発振波長が
830nm帯である半導体レーザの主な構成材料である
AlGaAsの拡散速度と比較すると、(Al0.7Ga
0.3)0.5In0.5Pのそれは1桁大きく、したがって容
易に拡散が起こる。図8に示すような構造では、3回の
結晶成長(n−GaAsバッファ層2からp−Ga0.5
In0.5P層7までを成長させる第1の結晶成長工程
と、n−GaAs電流ブロック層8を形成させる第2の
結晶成長工程と、p−GaAsコンタクト層9を形成さ
せる第3の結晶成長工程)が必要であり、第2および第
3の結晶成長工程の昇温時にGa0.5In0.5P活性層4
への不純物であるZnやSeの異常拡散が生じ易い。そ
れを図9に示す。図9はSIMSによる図8の半導体レ
ーザの深さ方向の元素分布である。同図からクラッド層
14のp不純物であるZnが拡散によって活性層を通っ
てnクラッド層13にまで拡散していることがわかる。
その結果、図10のとおりGa0.5In0.5P活性層に抵
抗の低い部分30と抵抗の高い部分31が偏在し、電流
の注入にムラが生じてレーザ光のモードの不安定の原因
と成り易い。また、不純物であるZnやSeの拡散と同
時にGa0.5In0.5P活性層4への空孔等の固有欠陥の
拡散が誘起される。固有欠陥はGaInP活性層4中で
深い準位を形成する。深い準位は非発光中心をなり、発
光効率を低下させる。そのために所望の光出力を得るた
めに必要な半導体レーザの駆動電流が大きくなり、半導
体レーザの寿命が短くなる恐れが生じる。
定性が高く、長寿命の半導体レーザを提供することであ
る。
の手段は以下に示すとおりである。 (1)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp型クラ
ッド層を前記活性 層の上に形成する第3の工程とを有す
る半導体レ−ザの作製方法であって、前記第1の半導体
層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅より大き
いことを特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 (2)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp型クラ
ッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程とを有す
る半導体レ−ザの作製方法であって、前記p型クラッド
層の形成温度が、前記第1の半導体層から前記第2の半
導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度であるととも
に、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体
層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザ
の作製方法。 (3)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp型クラ
ッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程と、前記
第3の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の
半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度となる第4の
工程とを有する半導体レ−ザの作製方法であって、前記
第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制
帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザの作製方
法。 (4)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp型クラ
ッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程と、前記
第3の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の
半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で任意の層を
前記p型クラッド層の上に形成する第4の工程とを有す
る半導体レ−ザの作製方法であって、前記第1の半導体
層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅より大き
いことを特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 (5)任意の層がコンタクト層であることを特徴とする
(4)に記載の半導体レ−ザの作製方法。 (6)任意の層が電流ブロック層であることを特徴とす
る(4)に記載の半導体 レ−ザの作製方法。 (7)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を前記活
性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド層を前
記多層構造体の上に形成する第4の工程とを有する半導
体レ−ザの作製方法であって、前記第1の半導体層の禁
制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅より大きいこと
を特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 (8)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を前記活
性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド層を前
記多層構造体の上に形成する第4の工程とを有する半導
体レ−ザの作製方法であって、前記p型クラッド層の形
成温度が、前記第1の半導体層から前記第2の半導体層
へ前記不純物の拡散が生じる温度であるとともに、前記
第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制
帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザの作製方
法。 (9)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工程
と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2の
工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物を
有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を前記活
性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド層を前
記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前記第4の
工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の半導体
層へ前記不純物の拡散が生じる温度となる第5の工程と
を有する半導体レ−ザの作製方法であって、前記第1の
半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅よ
り大きいことを特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 (10)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工
程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2
の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物
を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を前記
活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド層を
前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前記第4
の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の半導
体層へ前記 不純物の拡散が生じる温度で任意の層を形成
する第5の工程とを有する半導体レ−ザの作製方法であ
って、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導
体層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−
ザの作製方法。 (11)任意の層がコンタクト層であることを特徴とす
る(10)に記載の半導体レ−ザの作製方法。 (12)任意の層が電流ブロック層であることを特徴と
する(10)に記載の半導体レ−ザの作製方法。 (13)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工
程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2
の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物
を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を前記
活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド層を
前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前記第4
の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の半導
体層へ前記不純物の拡散が生じる温度となる第5の工程
とを有する半導体レ−ザの作製方法。 (14)n型クラッド層を基板の上に形成する第1の工
程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する第2
の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不純物
を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を前記
活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド層を
前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前記第4
の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の半導
体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で任意の層を形成
する第5の工程とを有する半導体レ−ザの作製方法。 (15)任意の層がコンタクト層であることを特徴とす
る(14)に記載の半導体レ−ザの作製方法。 (16)任意の層が電流ブロック層であることを特徴と
する(14)に記載の半導体レ−ザの作製方法。 (17)基板の上に形成されたn型クラッド層と、前記
n型クラッド層の上に形成された活性層と、前記活性層
の上に形成された、不純物を有する第1の半導体層と前
記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多層構造の
p型クラッド層とを有する半導体レ−ザであって、前記
第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半 導体層の禁制
帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザ。 (18)基板の上に形成されたn型クラッド層と、前記
n型クラッド層の上に形成された活性層と、前記活性層
の上に形成された、不純物を有する第1の半導体層と前
記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多層構造の
p型クラッド層と、前記p型クラッド層の上に前記第1
の半導体層から前記第2の半導体層へ前記不純物の拡散
が生じる温度で形成された任意の層とを有する半導体レ
−ザであって、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第
2の半導体層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半
導体レ−ザ。 (19)任意の層がコンタクト層であることを特徴とす
る(18)に記載の半導体レ−ザ。 (20)任意の層が電流ブロック層であることを特徴と
する(18)に記載の半導体レ−ザ。 (21)基板の上に形成されたn型クラッド層と、前記
n型クラッド層の上に形成された活性層と、前記活性層
の上に形成された、不純物を有する第1の半導体層と前
記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多層構造体
と、前記多層構造体の上に形成されたp型クラッド層と
を有する半導体レ−ザであって、前記第1の半導体層の
禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅より大きいこ
とを特徴とする半導体レ−ザ。 (22)基板の上に形成されたn型クラッド層と、前記
n型クラッド層の上に形成された活性層と、前記活性層
の上に形成された、不純物を有する第1の半導体層と前
記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多層構造体
と、前記多層構造体の上に形成されたp型クラッド層
と、前記p型クラッド層の上に前記第1の半導体層から
前記第2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で
形成された任意の層とを有する半導体レ−ザであって、
前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の
禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザ。 (23)任意の層がコンタクト層であることを特徴とす
る(22)に記載の半導体レ−ザ。 (24)任意の層が電流ブロック層であることを特徴と
する(22)に記載の半導体レ−ザ。 (25)基板の上に形成されたn型クラッド層と、前記
n型クラッド層の上に形成された活性層と、前記活性層
の上に形成された、不純物を有する第1の半導体層と前
記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多層構造体
と、前記多層構造体の上に形成されたp型クラッド層
と、前記p型クラッド層の上に前記第1の半導体層から
前記第2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で
形成された任意の層とを有する半導体レ−ザ。 (26)任意の層がコンタクト層であることを特徴とす
る(25)に記載の半導体レ−ザ。 (27)任意の層が電流ブロック層であることを特徴と
する(25)に記載の半導体レ−ザ。
ッド層と活性層との間に不純物添加の半導体層と不純物
無添加の半導体層から成る薄膜多層構造を有するため、
該クラッド層及び不純物添加の半導体層に添加してある
不純物の拡散は薄膜多層構造中の不純物無添加の半導体
層で止まることから、活性層への不純物や欠陥の拡散を
防ぐことができ、不純物や欠陥の拡散による半導体レー
ザの特性の劣化を防ぐことができ、信頼性の高いレーザ
を得ることができる。薄膜多層構造中の不純物無添加の
半導体層の膜厚が多数キャリアの拡散長より薄くしてい
るため、該クラッド層の多数キャリアの活性層への注入
を妨げること無く、良好な特性を得ることができる。
ば、複数回の結晶成長工程を有する半導体レーザの作製
で、第1の結晶成長工程にクラッド層と活性層との間に
不純物添加の半導体層と不純物無添加の半導体層から成
る薄膜多層構造を作製し、しかる後に2回目以降の結晶
成長を行うことにより、不純物や欠陥の結晶成長中の活
性層への拡散を防止できる。不純物無添加の半導体層の
膜厚を該クラッド層の多数キャリアの拡散長より薄くし
ておけば、不純物添加の半導体層から不純物無添加の半
導体層への該不純物の拡散が少なくても半導体レーザの
特性に問題はない。
不純物の拡散が起こり、薄膜多層構造内の自然超格子の
一部が無秩序化した状態に変化し、薄膜多層構造中の半
導体結晶のバンドギャップが大きくなる。この結果、活
性層と薄膜多層構造のバンドギャップ差を大きくするこ
とができ、半導体レーザのしきい値電流の低減、温度安
定性の向上などの特性を向上させることができる。
参照しながら説明する。
型の赤色半導体レーザの断面図を示し、図2に図1の半
導体レーザの製造工程を表す工程順断面図を示す。
うに、例えばn−GaAs基板1上にn−GaAsバッ
ファ層2を介してGa0.5In0.5P活性層4をn−(A
l0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層3およびp−
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5で挟むダ
ブルヘテロ構造を有している。p−(Al0.6Ga0.4)
0.5In0.5Pクラッド層5とGa0.5In0.5P活性層4
との間には、薄膜多層構造6を有している。薄膜多層構
造6の詳細な構造を図1(b)に示す。薄膜多層構造6
は、5nmのp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層1
5と5nmの不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5P層16を交互にそれぞれ10回積層した構造に
なっている。薄膜多層構造6の活性層に近い第1層目は
5nmの不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5
P層16である。これにより、活性層に近接したクラッ
ド層中の欠陥を軽減でき、活性層とクラッド層の界面や
活性層近傍のクラッド層の結晶性を良くすることができ
る。p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5
および薄膜多層構造6のp型不純物にはZn等を、n−
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層3のn型不
純物にはSe等を用いる。p−(Al0.6Ga0.4)0.5
In0.5Pクラッド層5の多数キャリアである正孔の拡
散長は数μmであり、上記不純物無添加の(Al0.6G
a0.4)0.5In0.5P層16はこの拡散長より充分薄く
しなければならない。もし不純物無添加の(Al0.6G
a0.4)0.5In0.5P層16が厚く、正孔の拡散長に近
ければ、Ga0.5In0.5P活性層4への正孔の注入が円
滑に行われず、直列抵抗が高くなるなど半導体レーザの
特性の低下につながる。不純物無添加の(Al0.6Ga
0.4)0.5In0.5P層16は約5nm程度が良い。p−
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5の上部に
はp−Ga0.5In0.5P層7を有し、p−Ga0.5In
0.5P層7およびp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P
クラッド層5の一部は、台形状のメサストライプに加工
されている。台形の両脇はn−GaAs電流ブロック層
8を堆積してある。さらにp−Ga0.5In0.5P層7と
n−GaAs電流ブロック層8の上部にはp−GaAs
コンタクト層9を有している。上記台形は、Ga0.5I
n0.5P活性層4内に基本横モードが成立するような幅
5μmにする。n−GaAsコンタクト層9にはCr/
Pt/Auなどのp電極10を、n−GaAs基板1に
はAu/Ge/Niなどのn電極11を堆積してある。
Asコンタクト層9を作製する時に、高温になるため
に、p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5
及びp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層15から不
純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16へ
p型不純物であるZnが一部拡散することがあるが、Z
nの拡散が生じた場合でも、拡散は不純物無添加の(A
l0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16で止まるために、G
a0.5In0.5P活性層4へZnが拡散することはほとん
どないので、半導体レーザの特性には影響がない。なぜ
ならば、不純物であるZn等はp−(Al0.6Ga0.4)
0.5In0.5P層中では、空孔等の固有欠陥と対を成して
安定化する。一方、不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)
0.5In0.5P層16には固有欠陥は少なく、不純物や欠
陥の拡散は不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In
0.5P層16へ多少起こるものの、拡散をGa0.5In
0.5P活性層4まで及ぶことを防ぐことができる。もし
不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16
が無ければ、不純物の拡散を防止する物が無いため、G
a0.5In0.5P活性層4へ不純物のみならず、空孔等の
固有欠陥までも導入される。上記不純物無添加の(Al
0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16は、空孔等の固有欠陥
が少なければ、多少不純物を添加してあっても構わず、
例えばp-−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層でも構
わない。
層4に拡散すると以下の2つの問題点が生じる。すなわ
ち、(1)不純物がGa0.5In0.5P活性層4に部分的
に拡散するために、図10に示すように高抵抗の部分3
1と低抵抗の部分30が生じて活性層へのキャリアの注
入に分布ができ、半導体レーザのモードの不安定化の原
因となる。また、Znの拡散により不純物のZnだけで
なく空孔等の欠陥もGa0.5In0.5P活性層4に導入さ
れるため、空孔等の固有欠陥の拡散が誘起される。固有
欠陥はGaInP活性層4中で深い準位を形成する。深
い準位は非発光中心をなり、発光効率を低下させる。そ
のために所望の光出力を得るために必要な半導体レーザ
の駆動電流が大きくなり、半導体レーザの寿命が短くな
り、信頼性に支障を来す。本発明によると、Ga0.5I
n0.5P活性層4へのZnの拡散がほとんどないため、
モードが安定で、かつ長寿命の半導体レーザを得ること
ができる。
ると、p電極10側から正孔が、n電極11側から電子
が注入され、Ga0.5In0.5P活性層4内で正孔と電子
の再結合が起こり発光する。発光した光は端面で共振
し、レーザ発振する。p−(Al0.6Ga0.4)0.5In
0.5Pクラッド層5の下部には、p−(Al0.6G
a0.4)0.5In0.5P層15と不純物無添加の(Al0.6
Ga0.4)0.5In0.5P層16から成る薄膜多層構造6
を有するが、不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5P層16は充分薄いため、正孔のGa0.5In0.5
P活性層4への注入を妨げることはない。p−Ga0.5
In0.5P層7およびp−(Al0.6Ga0.4)0.5In
0.5Pクラッド層5に形成された台形状のストライプ
は、Ga0.5In0.5P活性層4内に基本横モードが成立
するような幅(5μm)にしてあるため、安定な単一横
モードの半導体レーザを得ることができる。
2を参照しながら説明する。まず、MOVPE法などの
結晶成長方法を用いて、n−GaAs基板1の上にn−
GaAsバッファ層2、n−(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5Pクラッド層3、Ga0.5In0.5P活性層4、5
nmのp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層15と5
nmの不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P
層16を1周期とする薄膜多層構造6、p−(Al0.6
Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5、p−Ga0.5In
0.5P層7をエピタキシャル成長する((a)図)。薄
膜多層構造6の活性層に近い第1層目は不純物無添加の
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16である。この薄
膜多層構造6は10周期から成る。ホトリソグラフィー
技術とエッチング技術を用いて、SiO212とp−G
a0.5In0.5P層7とp−(Al0.6Ga0.4)0.5In
0.5Pクラッド層5の一部を台形状のストライプに加工
する((b)図)。台形状に加工した後、MOVPE法
の選択成長技術を用いて、n−GaAs電流ブロック層
8をSiO212上に堆積させることなく、台形の両脇
に結晶成長させる((c)図)。その後、SiO212
を除去し、p−GaAsコンタクト層9を結晶成長させ
る((d)図)。n−GaAs電流ブロック層8若しく
はp−GaAsコンタクト層9を結晶成長する時に高温
状態になるために、p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5
Pクラッド層5及びp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5
P層15から不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5P層16へp型不純物であるZnが一部拡散する
ことがあるが、拡散は不純物無添加の(Al0.6G
a0.4)0.5In0.5P層16で止まるため、Ga0.5In
0.5P活性層4へZnが拡散することはほとんどない。
不純物であるZnはp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5
P層中では、空孔等の固有欠陥と対を成して安定化す
る。一方、不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In
0.5P層16には固有欠陥は少なく、不純物の拡散は不
純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16へ
多少起こるものの、拡散をGa0.5In0.5P活性層4ま
で及ぶことを防ぐことができる。もし不純物無添加の
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16が無ければ、不
純物の拡散を防止する層が無いため、Ga0.5In0.5P
活性層4へ不純物のみならず、空孔等の固有欠陥までも
導入される。p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層1
5と不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層
16から成る薄膜多層構造6を設けることで、Ga0.5
In0.5P活性層4へ欠陥の導入を防ぐことができる。
0.5In0.5P層16は、空孔等の固有欠陥が少なけれ
ば、多少不純物を添加してあっても構わず、例えばp−
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層でも構わない。
r/Pt/Auを堆積してp電極10とし、n−GaA
s基板1上にAu/Ge/Niを堆積してn電極11と
する((e)図)。
うな横モード制御型の赤色半導体レーザを作製すること
ができる。
PE法等で結晶成長すると、III族元素であるAlとG
aとInが規則正しく並ぶ自然超格子を形成しやすい。
この自然超格子を形成すると、(Al0.6Ga0.4)0.5
In0.5P結晶のバンドギャップが小さくなる。自然超
格子を形成した状態と形成しない状態では、バンドギャ
ップが約70meV異なる。1回目の結晶成長で、n−
GaAs基板1の上にn−GaAsバッファ層2、n−
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層3、Ga
0.5In0.5P活性層4、5nmのp−(Al0.6G
a0.4)0.5In0.5P層15と5nmの不純物無添加の
(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層16から成る薄膜多
層構造6、p−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッ
ド層5、p−Ga0.5In0.5P層7をエピタキシャル成
長する。2回目以降の結晶成長で、p−(Al0.6Ga
0.4)0.5In0.5Pクラッド層5及びp−(Al0.6Ga
0.4)0.5In0.5P層15から不純物無添加の(Al0.6
Ga0.4)0.5In0.5P層16へp型不純物であるZn
等の拡散が起こる。この時の不純物の拡散により薄膜多
層構造6内の自然超格子の一部が無秩序化した状態に変
化し、薄膜多層構造6中の(Al0.6Ga0.4)0.5In
0.5P結晶のバンドギャップが大きくなる。それを図7
に示す。この結果、Ga0.5In0.5P活性層4と薄膜多
層構造6のバンドギャップ差を大きくすることができ、
活性層4内にキャリアが閉じこめられやすくなり、半導
体レーザのしきい値電流の低減、温度安定性の向上など
の特性を向上させることができる。
0.5P(0≦x≦1)中で拡散しやすい不純物としてZ
nを用いて説明した。しかし、その他の不純物、例えば
Se等の場合でも不純物添加の半導体層と不純物無添加
の半導体層から成る薄膜多層構造をクラッド層と活性層
の間に形成することにより、モードが安定で、信頼性の
高い、良好な特性の半導体レーザを作製するこができ
る。
a0.5In0.5P活性層4とp−(Al0.6Ga0.4)0.5
In0.5Pクラッド層5の間に配置したが、p−(Al
0.6Ga0.4)0.5In0.5Pクラッド層5全体を薄膜多層
構造6と同様の構造にすれば、p型不純物の拡散をより
防止できる。また、実施例中では薄膜多層構造6を5n
mのp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層15と5n
mの不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層
16を1周期とする周期的な構造としているが、薄膜多
層構造6内の不純物無添加の(Al0.6Ga0.4)0.5I
n0.5P層が多数キャリアの拡散長よりも薄ければ、周
期的な構造にする必要はなく、この発明の効果は大き
い。
する材料を指定したが、クラッド層が(AlyGa1-y)
0.5In0.5P、活性層が(AlzGa1-z)0.5In0.5P
(ここで、0≦z≦y≦1)の場合でも、モードが安定
で、信頼性の高い、良好な特性の半導体レーザを作製す
ることができる。また、薄膜多層構造6を構成する不純
物添加の半導体層と不純物無添加の半導体層の材料を同
一にしたが、この2つの半導体層の材料が異なってもよ
い。不純物添加の半導体層と不純物無添加の半導体層の
Alの割合(組成)を変えても良く、例えば、不純物添
加の半導体層にp−(Al0.6Ga0.4)0.5In0.5P層
を、不純物無添加の半導体層に不純物無添加の(Al
0.15Ga0.85)0.5In0.5P層を用いても、この発明の
効果は大きい。
て、クラッド層と活性層との間に不純物添加の半導体層
と不純物無添加の半導体層から成る薄膜多層構造を有
し、不純物無添加の半導体層が多数キャリアの拡散長よ
り充分薄いので、キャリアの活性層への注入を妨げるこ
となく、活性層への不純物や欠陥の拡散を防止でき、モ
ードが安定で、かつ長寿命の半導体レーザを得ることが
できる。 (2)薄膜多層構造の活性層に近い第1層目が不純物無
添加の半導体層とすることで、活性層に近接したクラッ
ド層中の欠陥を少なくでき、活性層とクラッド層の界面
や活性層近傍のクラッド層の結晶性を良くするこがで
き、また不純物と欠陥の活性層への導入を軽減できる。
ば、 (3)クラッド層と活性層の間に不純物添加の半導体層
と不純物無添加の半導体層から成る薄膜多層構造を有す
る半導体レーザが複数回の結晶成長を有し、かつ上記薄
膜多層構造を1回目の結晶成長で作製することにより、
不純物や欠陥の結晶成長中の活性層への拡散を防止で
き、モードが安定で、信頼性に優れた半導体レーザを作
製することができる。 (4)複数回の結晶成長を有する半導体レーザの作製方
法において、1回目の結晶成長でクラッド層と活性層と
の間に不純物添加の半導体層と不純物無添加の半導体層
からなる薄膜多層構造を作製し、2回目以降の結晶成長
で不純物添加の半導体層から不純物無添加の半導体層へ
不純物が拡散するが、不純物無添加の半導体層で拡散を
停止させることで、活性層への不純物や欠陥の拡散を防
ぐことができる。
によれば、 (5)クラッド層と活性層との間に不純物添加の半導体
層と不純物無添加の半導体層から成る薄膜多層構造を作
製した後、不純物添加の半導体層から不純物無添加の半
導体層へ不純物を拡散させることにより、上記薄膜多層
構造の自然超格子の一部が無秩序化した状態に変化する
ことで、活性層と薄膜多層構造のバンドギャップ差を大
きくすることができ、半導体レーザのしきい値電流の低
減、温度安定性の向上などの特性を向上させることがで
きる。
レーザの断面図
工程順断面図
工程順断面図
工程順断面図
工程順断面図
工程順断面図
ーバンド図
るための図
抵抗の分布を示す図
層
Claims (27)
- 【請求項1】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp
型クラッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程と
を有する半導体レ−ザの作製方法であって、前記第1の
半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅よ
り大きいことを特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項2】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp
型クラッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程と
を有する半導体レ−ザの作製方法であって、前記p型ク
ラッド層の形成温度が、前記第1の半導体層から前記第
2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度であると
ともに、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半
導体層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ
−ザの作製方法。 - 【請求項3】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp
型クラッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程
と、前記第3の工程の後に、前記第1の半導体層から前
記第2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度とな
る第4の工程とを有する半導体レ−ザの作製方法であっ
て、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体
層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザ
の作製方法。 - 【請求項4】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造のp
型クラッド層を前記活性層の上に形成する第3の工程
と、前記第3の工程の後に、前記第1の半導体層から前
記第2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で任
意の層を前記p型クラッド層の上に形成する第4の工程
とを有する半導体レ−ザの作製方法であって、前記第1
の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅
より大きいことを特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項5】任意の層がコンタクト層であることを特徴
とする請求項4に記載の半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項6】任意の層が電流ブロック層であることを特
徴とする請求項4に記載の半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項7】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を
前記活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド
層を前記多層構造体の上に形成する第4の工程とを有す
る半導体レ−ザの作製方法であって、前記第1の半導体
層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅より大き
いことを特徴とする半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項8】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を
前記活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド
層を前記多層構造体の上に形成する第4の工程とを有す
る半導体レ−ザの作製方法であって、前記p型クラッド
層の形成温度が、前記第1の半導体層から前記第2の半
導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度であるととも
に、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体
層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザ
の作製方法。 - 【請求項9】n型クラッド層を基板の上に形成する第1
の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成する
第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記不
純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体を
前記活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッド
層を前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前記
第4の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2の
半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度となる第5の
工程とを有する半導体レ−ザの作製方法であって、前記
第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制
帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−ザの作製方
法。 - 【請求項10】n型クラッド層を基板の上に形成する第
1の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成す
る第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記
不純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体
を前記活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッ
ド層を前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前
記第4の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2
の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で任意の層
を形成する第5の工程とを有する半導体レ−ザの作製方
法であって、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2
の半導体層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導
体レ−ザの作製方法。 - 【請求項11】任意の層がコンタクト層であることを特
徴とする請求項10に記載の半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項12】任意の層が電流ブロック層であることを
特徴とする請求項10に記載の半導体レ−ザの作製方
法。 - 【請求項13】n型クラッド層を基板の上に形成する第
1の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成す
る第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記
不純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体
を前記活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッ
ド層を前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前
記第4の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2
の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度となる第5
の工程とを有する半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項14】n型クラッド層を基板の上に形成する第
1の工程と、活性層を前記n型クラッド層の上に形成す
る第2の工程と、不純物を有する第1の半導体層と前記
不純物を有さない第2の半導体層とを備えた多層構造体
を前記活性層の上に形成する第3の工程と、p型クラッ
ド層を前記多層構造体の上に形成する第4の工程と、前
記第4の工程の後に、前記第1の半導体層から前記第2
の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる温度で任意の層
を形成する第5の工程とを有する半導体レ−ザの作製方
法。 - 【請求項15】任意の層がコンタクト層であることを特
徴とする請求項14に記載の半導体レ−ザの作製方法。 - 【請求項16】任意の層が電流ブロック層であることを
特徴とする請求項14に記載の半導体レ−ザの作製方
法。 - 【請求項17】基板の上に形成されたn型クラッド層
と、前記n型クラッド層の上に形成された活性層と、前
記活性層の上に形成された、不純物を有する第1の半導
体層と前記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多
層構造のp型クラッド層とを有する半導体レ−ザであっ
て、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体
層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−
ザ。 - 【請求項18】基板の上に形成されたn型クラッド層
と、前記n型クラッド層の上に形成された活性層と、前
記活性層の上に形成された、不純物を有する第1の半導
体層と前記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多
層構造のp型クラッド層と、前記p型クラッド層の上に
前記第1の半導体層から前記第2の半導体層へ前記不純
物の拡散が生じる温度で形成された任意の層とを有する
半導体レ−ザであって、前記第1の半導体層の禁制帯幅
が前記第2の半導体層の禁制帯幅より大きいことを特徴
とする半導体レ−ザ。 - 【請求項19】任意の層がコンタクト層であることを特
徴とする請求項18に記載の半導体レ−ザ。 - 【請求項20】任意の層が電流ブロック層であることを
特徴とする請求項18に記載の半導体レ−ザ。 - 【請求項21】基板の上に形成されたn型クラッド層
と、前記n型クラッド層の上に形成された活性層と、前
記活性層の上に形成された、不純物を有する第1の半導
体層と前記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多
層構造体と、前記多層構造体の上に形成されたp型クラ
ッド層とを有する半導体レ−ザであって、前記第1の半
導体層の禁制帯幅が前記第2の半導体層の禁制帯幅より
大きいことを特徴とする半導体レ−ザ。 - 【請求項22】基板の上に形成されたn型クラッド層
と、前記n型クラッド層の上に形成された活性層と、前
記活性層の上に形成された、不純物を有する第1の半導
体層と前記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多
層構造体と、前記多層構造体の上に形成されたp型クラ
ッド層と、前記p型クラッド層の上に前記第1の半導体
層から前記第2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる
温度で形成された任意の層とを有する半導体レ−ザであ
って、前記第1の半導体層の禁制帯幅が前記第2の半導
体層の禁制帯幅より大きいことを特徴とする半導体レ−
ザ。 - 【請求項23】任意の層がコンタクト層であることを特
徴とする請求項22に記載の半導体レ−ザ。 - 【請求項24】任意の層が電流ブロック層であることを
特徴とする請求項22に記載の半導体レ−ザ。 - 【請求項25】基板の上に形成されたn型クラッド層
と、前記n型クラッド層の上に形成された活性層と、前
記活性層の上に形成された、不純物を有する第1の半導
体層と前記不純物を有さない第2の半導体層を備えた多
層構造体と、前記多層構造体の上に形成されたp型クラ
ッド層と、前記p型クラッド層の上に前記第1の半導体
層から前記第2の半導体層へ前記不純物の拡散が生じる
温度で形成された任意の層とを有する半導体レ−ザ。 - 【請求項26】任意の層がコンタクト層であることを特
徴とする請求項25に記載の半導体レ−ザ。 - 【請求項27】任意の層が電流ブロック層であることを
特徴とする請求項25に記載の半導体レ−ザ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP32902498A JP3206573B2 (ja) | 1991-04-08 | 1998-11-19 | 半導体レーザおよびその作製方法 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP3074977A Division JP2893990B2 (ja) | 1991-04-08 | 1991-04-08 | 半導体レーザおよびその作製方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH11220221A JPH11220221A (ja) | 1999-08-10 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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-
1998
- 1998-11-19 JP JP32902498A patent/JP3206573B2/ja not_active Expired - Lifetime
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