JP3561676B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Description

【００３９】
図２は図１の半導体レーザ素子におけるｐ−クラッド層６、ｎ−キャリア蓄積防止層８および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のエネルギーバンド図を模式的に表したものである。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、図１の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位、すなわちドナー準位が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。
【００４１】
なお、この場合においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップと低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とのバンドギャップとは等しく、これらの層８，９のバンドギャップは、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さい。
【００４２】
図２（ｂ）に示すように、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００４３】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。このように、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８を形成することにより、容易に図１の半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００４４】
図３、図４および図５は図１に示した半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００４５】
図３に示すように、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相成長）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｎ−クラッド層２、（Ａｌ_０．５ Ｇａ_０．５ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるガイド層３、量子井戸活性層４、（Ａｌ_０．５ Ｇａ_０．５ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるガイド層５、（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｐ−クラッド層６およびｐ−Ｇａ_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｐ−コンタクト層７を順に成長させる。
【００４６】
図４に示すように、ｐ−コンタクト層７上にＳｉＯ_２ 膜を形成してパターニングし、ストライプ状のＳｉＯ_２ 膜１７を形成する。その後、ＳｉＯ_２ 膜１７をマスクとしてｐ−コンタクト層７およびｐ−クラッド層６の一部をエッチングにより除去し、リッジ部を形成する。
【００４７】
さらに、図５に示すように、ＳｉＯ_２ 膜１７を選択成長マスクとして、ＭＯＣＶＤ法によりｐ−クラッド層６上にｎ−ＧａＡｓからなる逆導電型のｐ−キャリア蓄積防止層８、アンドープのＧａＡｓからなる低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９およびｎ−ＧａＡｓからなる逆導電型の第２の電流ブロック層１０を順に成長させる。
【００４８】
ＳｉＯ_２ 膜１７を除去した後、図１に示したように、逆導電型の第２の電流ブロック層１０上およびｐ−コンタクト層７上にｐ−ＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層１１をＭＯＣＶＤ法により形成し、ｐ−コンタクト層１１の表面にＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１３を形成する。
【００４９】
ここで、図１の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが２０〜３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００５０】
なお、遮断周波数とは、測定対象の半導体レーザ素子から出力された正弦波を重畳したレーザ光の振幅が低周波重畳時（本例では重畳周波数が１０ＭＨｚ以下のとき）に比べて３ｄＢ低下する周波数である。
【００５１】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を３０ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度が３×１０^１７〜６×１０^１７ｃｍ^−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００５２】
次に、本発明の第２の参考例における半導体レーザ素子について説明する。
第２の参考例の半導体レーザ素子の構成は、図１に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本参考例の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表２に示す。
【００５３】
【表２】

【００５４】
表２に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００５５】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なく
なることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００５６】
ここで、本参考例においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップが、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さく、かつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップよりも大きくなるように設定されている。このような本参考例のｎ−キャリア蓄積防止層８は、第４の参考例において後述する中間バンドギャップ層としての機能も有する。
【００５７】
すなわち、この場合においては、ｐ−クラッド層６、ｎ−キャリア蓄積防止層８および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップがこの順で小さくなる。このため、ｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８とのエネルギー差が、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とのエネルギー差に比べて小さくなる。それにより、キャリアがｐ−クラッド層６からｎ−キャリア蓄積防止層８へ注入されにくくなり、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアがｎ−キャリア蓄積防止層８と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との両方に分かれて注入されるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９に注入されるキャリアが少なくなる。
【００５８】
以上のように、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との中間の大きさのバンドギャップを有するｎ−キャリア蓄積防止層８を形成することにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９に蓄積されるキャリアの量をより少なくすることが可能となる。
【００５９】
以上のことから、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との中間の大きさのバンドギャップを有するｎ−キャリア蓄積防止層８が形成された本参考例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量をより小さくできるので、半導体レーザ素子の高速動作化がより図られる。
【００６０】
本参考例の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが１０〜４０ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００６１】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を２５ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度が２．５×１０^１７〜８．５×１０^１７ｃｍ^−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００６２】
上記の結果に示すように、本参考例においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８がｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との中間の大きさのバンドギャップを有するため、ｎ−キャリア蓄積防止層８および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップの大きさが等しい第１の実施例に比べて、半導体レーザ素子の遮断周波数を顕著に向上させることが可能なｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の範囲が広くなる。したがって、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の設定を容易に行うことが可能となり、ｎ−キャリア蓄積防止層８の作製が容易となる。
【００６３】
なお、本参考例の半導体レーザ素子において、ｎ−キャリア蓄積防止層８とｐ−クラッド層６との間に、アンドープ層を形成してもよい。あるいは、ｎ−キャリア蓄積防止層８と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、アンドープ層を形成してもよい。この場合、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９よりもバンドギャップの大きい材料からなるアンドープ層を形成することが好ましい。加えて、アンドープ層の材料は、ｐ−クラッド層６よりも小さくかつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。
【００６４】
次に、本発明の第３の参考例における半導体レーザ素子について説明する。
第３の参考例の半導体レーザ素子の構成は、図１に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本実施の形態の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表３に示す。
【００６５】
【表３】

【００６６】
表３に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００６７】
なお、この場合においては、ｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップと低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とのバンドギャップとは等しく、これらの層８，９のバンドギャップは、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さい。
【００６８】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００６９】
本参考例の半導体レーザ素子において、ｎキャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００７０】
図６は本発明の第４の参考例における半導体レーザ素子を示す模式的断面図である。
【００７１】
図６に示す半導体レーザ素子の構成は、以下の点を除いて、図１に示した半導体レーザ素子の構成と同様である。
【００７２】
図６に示す半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８との間に、ｐ−クラッド層６よりもバンドギャップが小さくかつｎ−キャリア蓄積防止層８よりもバンドギャップが大きな中間バンドギャップ層８０が形成されている。このような図６の半導体レーザ素子の構成をまとめて表４に示す。
【００７３】
【表４】

【００７４】
表４に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層６と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９との間に、ｐ−クラッド層６と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層８が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層８に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層６から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００７５】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００７６】
ここで、本参考例においてｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップと低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９のバンドギャップとが等しく、これらの層８，９のバンドギャップは、ｐ−クラッド層６のバンドギャップよりも小さい。さらに、ｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８との間には、ｐ−クラッド層６およびｎ−キャリア蓄積防止層８の中間の大きさのバンドギャップを有する中間バンドギャップ層８０が形成されている。このような中間バンドギャップ８０が形成された本参考例においては、以下のような効果が得られる。
【００７７】
すなわち、この場合においては、ｐ−クラッド層６、中間バンドギャップ層８０およびｎ−キャリア蓄積防止層８のバンドギャップがこの順で小さくなるため、ｐ−クラッド層６と中間バンドギャップ層８０とのエネルギー差がｐ−クラッド層６とｎ−キャリア蓄積防止層８とのエネルギー差に比べて小さくなる。このため、キャリアがｐ−クラッド層６から中間バンドギャップ層８０へ注入されにくくなり、さらにｎ−キャリア蓄積防止層８へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアが中間バンドギャップ層８０とｎ−キャリア蓄積防止層８との両方に分かれて注入されるので、ｎ−キャリア蓄積防止層８に注入されるキャリアが少なくなる。
【００７８】
以上のことから、中間バンドギャップ層８０を形成することにより、ｎ−キャリア蓄積防止層８へ注入されるキャリアを少なくし、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９へ注入されるキャリアを少なくすることが可能になる。それにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９に蓄積されるキャリアの量をより少なくすることが可能になる。
【００７９】
以上のことから、中間バンドギャップ層８０が形成された本参考例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量をより小さくできるので、半導体レーザ素子の高速動作化がより図られる。
【００８０】
本参考例の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚ｔが１５〜３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００８１】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を３０ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度が２．５×１０^１７〜６×１０^１７ｃｍ^−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００８２】
上記の結果に示すように、中間バンドギャップ層８０が形成された本参考例においては、中間バンドギャップ層が形成されていない第１の参考例に比べて、半導体レーザ素子の遮断周波数を顕著に向上させることが可能なｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の範囲が広くなる。したがって、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚およびキャリア濃度の設定を容易に行うことが可能となり、ｎ−キャリア蓄積防止層８の作製が容易となる。
【００８３】
図７は本発明の第５の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【００８４】
図７に示す半導体レーザ素子においては、図１に示した半導体レーザ素子と同様、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に各層２〜５が形成されている。
【００８５】
ガイド層５上に、ｐ−（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなる厚さ２００ｎｍのｐ−クラッド層９１が形成されている。ｐ−クラッド層９１のキャリア濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３である。
【００８６】
ｐ−クラッド層９１上に、ｎ−Ｇａ_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｎ−キャリア蓄積防止層９２、アンドープのＧａＡｓからなる厚さ１０００ｎｍの低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３およびｎ−ＧａＡｓからなる厚さ５００ｎｍの逆導電型の第２の電流ブロック層９４が順に形成されている。
【００８７】
ｎ−キャリア蓄積防止層９２、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３および逆導電型の第２の電流ブロック層９４の中央部の領域が除去されてストライプ状開口部が形成されている。ｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３である。逆導電型の第２の電流ブロック層９４のキャリア濃度は８×１０^１７ｃｍ^−３である。
【００８８】
ストライプ状開口部を埋め込むようにｐ−クラッド層９１上および逆導電型の第２の電流ブロック層９４上にｐ−（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなる厚さ１３００ｎｍのｐ−クラッド層９５が形成されている。ｐ−クラッド層９５のキャリア濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３である。このように、図６の半導体レーザ素子はセルフアライン型構造を有する。
【００８９】
ｐ−Ｇａ_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなる厚さ２００ｎｍのｐ−コンタクト層９６がｐ−クラッド層９５上に形成されている。ｐ−ＧａＡｓからなる厚さ３０００ｎｍのｐ−コンタクト層９７がｐ−コンタクト層９６上に形成されている。ｐ−コンタクト層９６のキャリア濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３である。ｐ−コンタクト層９７のキャリア濃度は３×１０^１９ｃｍ^−３である。
【００９０】
上記の構成をまとめて表５に示す。
【００９１】
【表５】

【００９２】
図８および図９は図７に示した半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【００９３】
図８に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｎ−クラッド層２、（Ａｌ_０．５ Ｇａ_０．５ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなる厚さ３０ｎｍのガイド層３、量子井戸活性層４、（Ａｌ_０．５ Ｇａ_０．５ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなる厚さ３０ｎｍのガイド層５、ｐ−（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなｐ−クラッド層９１、ｎ−Ｇａ_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｎ−キャリア蓄積防止層９２、アンドープのＧａＡｓからなる低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３、およびｎ−ＧａＡｓからなる逆導電型の第２の電流ブロック層９４を順に成長させる。
【００９４】
逆導電型の第２の電流ブロック層９４上にマスク（図示せず）を形成し、ストライプ状開口部を有するようにパターンニングする。その後、図９に示すように、逆導電型の第２の電流ブロック層９４、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３およびキャリア蓄積防止層９２の中央部をエッチングにより除去し、ストライプ状開口部を形成する。
【００９５】
さらに、図７に示したように、ＭＯＣＶＤ法により逆導電型の第２の電流ブロック層９４上およびストライプ状開口部内のｐ−クラッド層９１上にｐ−（Ａｌ_０．７ Ｇａ_０．３ ）_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｐ−クラッド層９５、ｐ−Ｇａ_０．５ Ｉｎ_０．５ Ｐからなるｐ−コンタクト層９６、およびｐ−ＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層９７を順に形成する。ｐ−コンタクト層９７の表面にＣｒ／Ａｕからなるｐ側電極１２を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１３を形成する。
【００９６】
図９の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、ｐ−クラッド層９１と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層９１から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【００９７】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層９１との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【００９８】
図７の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔが２０〜３５ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【００９９】
さらに、ｎ−キャリア蓄積防止層８の膜厚を３０ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層８のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層のキャリア濃度が３×１０^１７〜６×１０^１７ｃｍ^−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【０１００】
次に、本発明の第６の参考例における半導体レーザ素子について説明する。
第６の参考例の半導体レーザ素子の構成は、図７に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本実施の形態の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表６に示す。
【０１０１】
【表６】

【０１０２】
表６に示すように、本参考例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、ｐ−クラッド層９１と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成されている。このため、本参考例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層９１から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【０１０３】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層９１との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本参考例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【０１０４】
図１０は、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔを変化させたときの表８の半導体レーザ素子の遮断周波数の測定結果を示す図である。なお、この場合のｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３である。
【０１０５】
図１０に示すように、ｎ−キャリア蓄積防止層９２を形成しない場合には遮断周波数が２００ＭＨｚであったものが、ｎ−キャリア蓄積防止層９２を厚くすることにより遮断周波数が徐々に向上し、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の厚さｔが１５〜３５ｎｍの場合において遮断周波数が顕著に向上する。
【０１０６】
一方、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚を２５ｎｍとしてｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度を変化させ、各キャリア濃度における半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層９２のキャリア濃度が３．５×１０^１７〜８×１０^１７ｃｍ^−３の場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【０１０７】
次に、本発明の第１の実施例における半導体レーザ素子について説明する。
第１の実施例の半導体レーザ素子の構成は、図７に示した構成と同様であり、各層の材料、膜厚およびキャリア濃度が異なる。本実施の形態の半導体レーザ素子の各層の材料、膜厚およびキャリア濃度を表７に示す。
【０１０８】
【表７】

【０１０９】
表７に示すように、本実施例の半導体レーザ素子においては、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、ｐ−クラッド層９１と逆導電型の不純物準位（ドナー準位）が形成されたｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成されている。このため、本実施例においては、第１の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２に形成されたドナー準位から供給されるキャリアがｐ−クラッド層９１から供給されるキャリアを補償する。このため、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなる。
【０１１０】
低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へ蓄積されるキャリアの量が少なくなることにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３の空乏状態が保たれるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層９１との間に発生する電気容量を小さくでき、半導体レーザ素子の高速動作化が十分に図られる。したがって、本実施例においては、半導体レーザ素子の高周波特性が改善される。
【０１１１】
ここで、本実施例においては、第２の参考例と同様、ｎ−キャリア蓄積防止層９２のバンドギャップが、ｐ−クラッド層９１のバンドギャップよりも小さく、かつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３のバンドギャップよりも大きくなるように設定されている。このような本実施例のｎ−キャリア蓄積防止層９２は、第４の参考例の中間バンドギャップ層８０としての機能も有する。
【０１１２】
すなわち、この場合においては、ｐ−クラッド層９１、ｎ−キャリア蓄積防止層９２および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３のバンドギャップがこの順で小さくなる。このため、ｐ−クラッド層９１とｎ−キャリア蓄積防止層９２とのエネルギー差が、ｐ−クラッド層９１と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とのエネルギー差に比べて小さくなる。このため、キャリアがｐ−クラッド層９１からｎ−キャリア蓄積防止層９２へ注入されにくくなり、さらに低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３へも注入されにくくなる。また、この場合においては、キャリアがｎ−キャリア蓄積防止層９２と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との両方に分かれて注入されるので、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３に注入されるキャリアが少なくなる。
【０１１３】
以上のことから、中間バンドギャップ層としても作用するｎ−キャリア蓄積防止層９２を形成することにより、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３に蓄積されるキャリアの量をより少なくすることが可能となる。
【０１１４】
以上のように、中間バンドギャップ層としての機能も有するｎ−キャリア蓄積防止層９２が形成された本実施例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３とｐ−クラッド層６との間に発生する電気容量をより小さくできるので、半導体レーザ素子の高速動作化がより図られる。
【０１１５】
本実施例の半導体レーザ素子において、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔを変化させ、各膜厚ｔにおける半導体レーザ素子の遮断周波数を測定した。その結果、ｎ−キャリア蓄積防止層９２の膜厚ｔが４０ｎｍの場合に、遮断周波数が顕著に向上することが明らかとなった。
【０１１６】
なお、本実施例の半導体レーザ素子において、ｎ−キャリア蓄積防止層９２とｐ−クラッド層９１との間に、アンドープ層を形成してもよい。あるいは、ｎ−キャリア蓄積防止層９２と低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３との間に、アンドープ層を形成してもよい。この場合、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３よりもバンドギャップの大きい材料からなるアンドープ層を形成することが好ましい。加えて、アンドープ層の材料は、ｐ−クラッド層９１よりも小さくかつ低キャリア濃度の第１の電流ブロック層９３よりも大きなバンドギャップを有する材料であることが好ましい。
【０１１７】
上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、ｎ型の不純物をドーピングすることにより、キャリア蓄積防止層にドナー準位を形成している。この場合、キャリア蓄積防止層に形成するドナー準位の密度は、バイアスを印加しない状態でドナー準位がほとんどイオン化する密度とすることが好ましい。
【０１１８】
また、上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、ｐ型のクラッド層の電流注入領域を除く領域上に逆導電型のｎ−キャリア蓄積防止層を形成する場合について説明したが、ｐ型のクラッド層の電流注入領域上にｎ−キャリア蓄積防止層が形成されてもよい。ただし、この場合においては、ｎ−キャリア蓄積防止層が電流を阻害しないようにするため、ｎ−キャリア蓄積防止層の膜厚を小さくする。
【０１１９】
さらに、上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、低キャリア濃度の第１の電流ブロック層上に逆導電型の第２の電流ブロック層を有する構造について説明したが、逆導電型の第２の電流ブロック層は本発明において必ずしも必要な層ではなく、電流ブロック層として低キャリア濃度の第１の電流ブロック層のみを形成してもよい。
【０１２０】
加えて、上記の第１〜第６の参考例および第１の実施例においては、半導体として、III 族窒化物半導体、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体、ＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる半導体レーザ素子について説明した。
【０１２１】
次に、本発明の原理および作用の詳細について説明する。
以下においては、ｅを素電荷とし、ε_ｃ をクラッド層の誘電率とし、εをキャリア蓄積防止層の誘電率とし、Ｎ_ｃ をクラッド層のキャリア濃度とし、Ｎをキャリア蓄積防止層のキャリア濃度とし、Ｅ_ｇｃをクラッド層のバンドギャップとし、ΔＥ_ｖ をクラッド層およびキャリア蓄積防止層間の価電子帯のバンド不連続量とし、ΔＥ_ｃ をクラッド層およびキャリア蓄積防止層間の伝導帯のバンド不連続量とする。
【０１２２】
ここでは、図１１に示すように、クラッド層がｎ型であり、キャリア蓄積防止層にアクセプタ準位が形成されている場合について考える。キャリア蓄積防止層上には低キャリア濃度の電流ブロック層が形成されている。
【０１２３】
さらに、この場合においては、ε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｃ ／（εＮ）＜Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_ｃ −ΔＥ_ｖ の関係が成り立つとともに、次の条件（１）または（２）のいずれかを満たす場合について考える。
【０１２４】
（１）クラッド層およびキャリア蓄積防止層が歪みを有していない場合
（２）各層が閃亜鉛鉱構造の半導体からなり、各層の積層方向が一般式［０ＭＮ］方向（Ｍ、ＮはＭ＝Ｎ＝０を除く任意の数、例えば［００１］方向と［００１］方向）で表される場合、あるいは、各層がウルツ鉱構造の半導体からなり、各層の積層方向が一般式［ＨＫＬ０］方向、（Ｈ、Ｋ、ＬはＨ＋Ｋ＋Ｌ＝０であり、かつＨ＝Ｋ＝Ｌ＝０を除く任意の数、例えば［１−１００］方向と［１１−２０］方向）で表される場合
まず、キャリア蓄積防止層の厚さｔがおよそｔ_Ａ ＝（２ε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｃ ）^１／２ ／（ｅＮ）であるときには、クラッド層およびキャリア蓄積防止層のバンド構造は図１１（ａ）のようになる。
【０１２５】
すなわち、図１１（ａ）に示すように、キャリア蓄積防止層の伝導帯の最も低いところ（クラッド層との界面）のエネルギーが、クラッド層の伝導帯のエネルギーの最も低いところのエネルギーと等しくなる。したがって、キャリア蓄積防止層の伝導帯のクラッド層との界面にはキャリアが溜まらない。
【０１２６】
一方、キャリア蓄積防止層の厚さｔがおよそｔ_Ｂ ＝［２ε_ｃ εＮ_ｃ （Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_Ｖ ）／［Ｎ（ε_ｃ Ｎ_ｃ ＋εＮ）］］^１／２ ／ｅであるときには、クラッド層およびキャリア蓄積防止層のバンド構造は図１１（ｂ）のようになる。
【０１２７】
すなわち、図１１（ｂ）に示すように、キャリア蓄積防止層の価電子帯の最も高いところ（低キャリア濃度の第１の電流ブロック層との界面）のエネルギーが、クラッド層の伝導帯のエネルギーの最も低いところのエネルギーと等しくなる。したがって、キャリア蓄積防止層のアクセプタ準位は全てイオン化しており、低キャリア濃度の電流ブロック層にキャリアが供給されない。
【０１２８】
ところで、キャリア蓄積防止層の厚さｔがｔ_Ａ ≦ｔ≦ｔ_Ｂ の範囲では、クラッド層とキャリア蓄積防止層との界面にかかる電場の微小な変化に対して、界面に蓄積される電場の量は変化しない。つまり、クラッド層とキャリア蓄積防止層の界面の過渡的な電気容量を０に近くすることができる。このことから、キャリア蓄積防止層の厚さｔを上記の範囲に設定することが特に好ましい。
【０１２９】
ここで、ε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｃ ／（εＮ）＝Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_ｃ −ΔＥ_ｖ のときには、ｔ_Ａ ＝ｔ_Ｂ となる。このため、キャリア蓄積防止層の厚さｔとキャリア蓄積防止層のキャリア濃度Ｎを調整してｔ＝ｔ_Ａ ＝ｔ_Ｂ に設定することが困難になる。つまり、ε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｃ ／（εＮ）よりＥ_ｇｃ−ΔＥ_ｃ −ΔＥ_ｖ の値が大きければ大きい程、キャリア蓄積防止層の厚さｔとキャリア蓄積防止層のキャリア濃度Ｎの設定は容易になる。
【０１３０】
通常、半導体レーザ素子に使用されるクラッド層もしくはキャリア蓄積防止層の材料の組み合わせでは、ほぼε_ｃ ＝εであり、キャリア蓄積防止層のバンドギャップ（Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_ｃ −ΔＥ_ｖ ）よりΔＥ_ｃ の方が小さい。Ｎ_ｃ ＞＞Ｎの場合には、ε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｃ ／（εＮ）＞Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_ｖ −ΔＥ_ｃ となることがあるが、Ｎ＞＞Ｎ_ｃ あるいはほぼＮ＝Ｎ_ｃ とすれば、ε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｃ ／（εＮ）＜Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_ｃ −ΔＥ_ｖ の関係を満たすことは容易である。
【０１３１】
上記の議論では、クラッド層がｎ型でありキャリア蓄積防止層にアクセプタ準位が形成されている場合について考えたが、上記の実施例のようにクラッド層がｐ型でありかつキャリア蓄積防止層にドナー準位が形成されている場合においても、同様の効果がある。
【０１３２】
すなわち、ｐ型クラッド層およびドナー準位が形成されたキャリア蓄積防止層においてε_ｃ Ｎ_ｃ ΔＥ_ｖ ／（εＮ）＜Ｅ_ｇｃ−ΔＥ_ｃ −ΔＥ_ｖ の関係が成り立つ場合、キャリア蓄積防止層の厚さｔがｔ_Ａ ≦ｔ≦ｔ_Ｂ の範囲では、クラッド層とキャリア蓄積防止層との界面にかかる電場の微小な変化に対して、界面に蓄積される電荷の量が変化しない。つまり、クラッド層とキャリア蓄積防止層との界面の過渡的な電気容量を０に近くすることができる。したがって、ドナー準位が形成されたキャリア蓄積防止層の厚さｔを上記の範囲に設定することが特に好ましい。また、ｐ型のクラッド層のキャリア濃度Ｎ_ｃ およびドナー準位が形成されたキャリア蓄積防止層のキャリア濃度Ｎは、Ｎ_ｃ ≦Ｎであることがさらに好ましい。
【０１３３】
ここで、第４の実施例のようにクラッド層とキャリア蓄積防止層との間に中間バンドギャップ層を形成した場合においては、ｔ_Ａ 側の条件が広くなる。また、第２および第７の実施例のようにキャリア蓄積防止層が中間バンドギャップとしての機能を有する場合においては、ｔ_Ａ 側およびｔ_Ｂ 側の条件が広くなる。このことは、第２、第４および第７の実施例において前述したキャリア蓄積防止層８の最適な膜厚の範囲に現れている。
【０１３４】
なお、第７の実施例および第９の実施例の半導体レーザ素子においては、前述の条件（１）および（２）のどちらも当てはまらず、歪みによりクラッド層にピエゾ電場による電位勾配が発生する。このため、これらの実施例においては、上記のような関係を容易に導くことはできない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１〜第３の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子におけるｐ−クラッド層、ｎ−キャリア蓄積防止層および低キャリア濃度の第１の電流ブロック層のエネルギーバンド図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図４】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図５】図１の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図６】本発明の第４の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図７】本発明の第５の参考例における半導体レーザ素子の模式的断面図である。
【図８】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図９】図７の半導体レーザ素子の製造方法を示す模式的工程断面図である。
【図１０】第５の参考例の半導体レーザ素子の遮断周波数とキャリア蓄積防止層の厚さとの関係の測定結果を示す図である。
【図１１】本発明の原理および作用を説明するための図である。
【図１２】従来の半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図である。
【図１３】図１２の半導体レーザ素子におけるｐ型クラッド層および低キャリア濃度の電流ブロック層の価電子帯のエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
８，６２，９２ キャリア蓄積防止層
９，９３ 低キャリア濃度の第１の電流ブロック層
１０，９４ 逆導電型の第２の電流ブロック層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device having a current blocking layer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a semiconductor laser device having a refractive index waveguide structure in which a refractive index difference is given in a direction parallel to an active layer to form an optical waveguide has been developed. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a conventional semiconductor laser device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-222801.
[0003]
12, the n-type cladding layer 122, the active layer 123, the p-type cladding layer 124, and the p-type contact layer 127 are sequentially formed on the n-type substrate 121, and the p-type contact layer 127 and the p-type The cladding layer 124 is etched to form a ridge and flat portions on both sides of the ridge.
[0004]
Further, a first current blocking layer 125 having a low carrier concentration is formed on a flat portion on both sides of the ridge portion of the p-type cladding layer 124, and an n-type current blocking layer is formed on the first current blocking layer 125 having a low carrier concentration. 126 are formed. A p-type contact layer 128 is formed on p-type contact layer 127 and n-type current block layer 126.
[0005]
When the semiconductor laser device 120 is driven, a reverse bias is applied to a pn junction between the n-type current block layer 126 and the p-type cladding layer 124. Thus, the current is cut off by the n-type current block layer 126, and the current is constricted and injected into the ridge portion.
[0006]
In general, a pn junction formed between an n-type current blocking layer and a p-type cladding layer has a large electric capacity, which is a factor that hinders a high-speed operation of a semiconductor laser device. The electric capacity of the pn junction increases as the carrier concentration at the pn junction increases.
[0007]
Therefore, in the semiconductor laser device 120 of FIG. 12, a current blocking layer 125 having a low carrier concentration is provided in order to reduce the electric capacity at the pn junction between the n-type current blocking layer 126 and the p-type cladding layer 124. Have been.
[0008]
The low carrier concentration current blocking layer 125 has a lower carrier concentration than the n-type current blocking layer 126. Therefore, a depletion region is formed at the pn junction between the n-type current blocking layer 126 and the p-type cladding layer 124 by the low carrier concentration current blocking layer 125, and the electric capacity is reduced. Thereby, high-speed operation of the semiconductor laser device 120 becomes possible.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor laser device 120 including the low carrier concentration current blocking layer 125 having a band gap smaller than the band gap of the p-type cladding layer 124, the valence electrons of the p-type cladding layer 124 and the low carrier concentration current blocking layer 125 are reduced. The energy band structure of the band is as shown in FIG.
[0010]
FIG. 13 is a schematic diagram showing the energy band structure of the valence band of the p-type cladding layer and the current blocking layer having a low carrier concentration. As shown in FIG. 13, since the band gap of the current blocking layer 125 having a low carrier concentration is sufficiently smaller than the band gap of the p-type cladding layer 124, carriers are transferred from the p-type cladding layer 124 to the current blocking layer 125 having a low carrier concentration. It is easy to be injected and accumulated. As a result, a new electric capacitance is generated between the current blocking layer 125 having a low carrier concentration and the p-type cladding layer 124. Therefore, high-speed operation cannot be sufficiently achieved in the semiconductor laser device 120.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device capable of sufficiently operating at high speed.
[0012]
Means for Solving the Problems and Effects of the Invention
In the semiconductor laser device according to the present invention, a first conductive type first cladding layer is provided on an active layer, and a low carrier concentration first current blocking layer is formed on the first cladding layer except for a current injection region. Was establishedIII Made of group nitride semiconductorA semiconductor laser device,The first current blocking layer is made of GaN,Preventing accumulation of carriers in the first current blocking layer between the first cladding layer and the first current blocking layerConsists of AlGaNA carrier accumulation preventing layer is formed, and the carrier accumulation preventing layer is provided between the bands for supplying the second conductivity type carrier so as to compensate for the first conductivity type carrier supplied from the first cladding layer by a modulation doping effect. It has a position.
[0013]
Note that the first current blocking layer having a low carrier concentration is an undoped layer or a layer doped with a small amount of impurities in a range where current can be blocked.
[0014]
In the semiconductor laser device according to the present invention, a carrier accumulation preventing layer having an interband level for supplying carriers of the second conductivity type is formed between the first cladding layer and the first current blocking layer. Have been.
[0015]
In this case, the first conductivity type carrier supplied from the first cladding layer is compensated by the second conductivity type carrier supplied from the interband level of the carrier accumulation preventing layer. Therefore, accumulation of carriers in the first current blocking layer having a low carrier concentration can be prevented. Thereby, the depletion state of the first current block layer is maintained. Therefore, the electric capacitance generated between the first current blocking layer and the first cladding layer can be reduced, and the high speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved.
[0016]
Here, the first current blocking layer has a smaller band gap than the first cladding layer. When the first current blocking layer has a band gap smaller than that of the first cladding layer, carriers are easily injected from the first cladding layer to the first current blocking layer and accumulated. However, in this case, since the carrier accumulation preventing layer is formed between the first cladding layer and the first current blocking layer, accumulation of carriers in the first current blocking layer can be prevented. .
[0017]
The interband level preferably has a density at which substantially all of the interband levels are ionized under the condition that no bias is applied. In this case, the first conductivity type carriers supplied from the first cladding layer can be effectively compensated. Therefore, accumulation of carriers in the first current blocking layer having a low carrier concentration can be more effectively prevented.
[0018]
The inter-band level may be formed by doping a second conductivity type impurity. In this case, it is possible to easily form the carrier accumulation preventing layer in which the interband level is formed.
[0020]
Further, the first cladding layer has a larger band gap than the carrier accumulation preventing layer, and is smaller than the band gap of the first cladding layer and has a carrier accumulation between the first cladding layer and the carrier accumulation preventing layer. An intermediate band gap layer having a band gap larger than the band gap of the prevention layer may be further provided.
[0021]
In this case, since the intermediate band gap layer is provided between the first cladding layer and the carrier accumulation preventing layer, it is difficult for carriers to be injected from the first cladding layer to the n-carrier accumulation preventing layer, and further lowering is achieved. It becomes difficult to inject the carrier concentration into the first current blocking layer. Further, in this case, since the carriers are separately injected into both the carrier accumulation preventing layer and the intermediate band gap layer, it becomes difficult for the carriers to be injected into the first current blocking layer.
[0022]
From the above, accumulation of carriers in the first current blocking layer is further prevented.
[0023]
Further, by providing the intermediate band gap layer in this manner, the range of the film thickness and carrier concentration of the carrier accumulation preventing layer, which can achieve high-speed operation of the semiconductor laser device, is widened. Therefore, the thickness and carrier concentration of the carrier accumulation preventing layer can be easily set, and the carrier accumulation preventing layer can be easily manufactured.
[0024]
Further, the carrier accumulation preventing layer may have a band gap smaller than the band gap of the first cladding layer and larger than the band gap of the first current blocking layer. In this case, since the carrier accumulation preventing layer has a function as the intermediate band gap layer, accumulation of carriers in the first current blocking layer is further prevented.
[0025]
Also in this case, the range of the film thickness and carrier concentration of the carrier accumulation preventing layer that can achieve high-speed operation of the semiconductor laser element is widened. This facilitates setting of the thickness and carrier concentration of the carrier accumulation preventing layer, and facilitates the production of the carrier accumulation preventing layer.
[0026]
The first cladding layer has a flat portion formed on the active layer and a ridge portion formed on the flat portion in the current injection region. The carrier accumulation preventing layer has a flat portion on both sides of the ridge portion. The first current blocking layer formed on the side surface of the ridge portion may be formed on the carrier accumulation preventing layer. In this case, a semiconductor laser device having a ridge waveguide structure that achieves high-speed operation is realized.
[0027]
Further, the carrier accumulation preventing layer and the first current blocking layer are sequentially formed on the first cladding layer except for the current injection region, and the side surfaces of the carrier accumulation preventing layer and the first current blocking layer and the first current blocking layer are formed in the current injection region. A second cladding layer of the first conductivity type may be provided so as to fill a space surrounded by the upper surface of the one cladding layer. In this case, a semiconductor laser device having a self-aligned structure with a high-speed operation is realized.
[0028]
The carrier accumulation preventing layer may be formed in a region other than the current injection region. In this case, the current is quickly injected into the current injection region because the reverse conductivity type carrier accumulation preventing layer is not formed in the current injection region.
[0029]
Further, a second current blocking layer of the second conductivity type may be provided on the first current blocking layer.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.referenceIt is a typical sectional view of a semiconductor laser element in an example.
[0031]
In the semiconductor laser device shown in FIG. 1, n- (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5An n-cladding layer 2 of P having a thickness of 1500 nm and a light emitting layer 14 described later are formed in this order. On the light emitting layer 14, p- (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P-cladding layer 6 made of P and having a thickness of 1500 nm and p-Ga_0.5In_0.5A p-contact layer 7 made of P and having a thickness of 200 nm is formed in order. The p-cladding layer 6 and the p-contact layer 7 are etched to form a ridge.
[0032]
The carrier concentration of the n-GaAs substrate 1 is 1 × 10¹⁸cm^-3, N-cladding layer 2 has a carrier concentration of 3 × 10¹⁷cm^-3, The carrier concentration of the p-cladding layer 6 is 3 × 10¹⁷cm^-3, P-contact layer 7 has a carrier concentration of 2 × 10¹⁸cm^-3It is.
[0033]
Further, an n-carrier accumulation preventing layer 8 made of n-GaAs having a thickness t and having a stripe-shaped opening on the upper surface of the ridge portion is formed on the p-cladding layer 6. A first current blocking layer 9 having a low carrier concentration and having a thickness of 1000 nm and made of undoped GaAs having a stripe-shaped opening on the upper surface of the ridge is formed on the n-carrier accumulation preventing layer 8. A 500 nm-thick reverse conductivity type second current blocking layer 10 made of n-GaAs having a stripe-shaped opening on the upper surface of the ridge portion is formed on the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. The carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 is 5 × 10¹⁷cm^-3It is. The carrier concentration of the reverse conductivity type second current blocking layer 10 is 8 × 10¹⁷cm^-3It is.
[0034]
A 3000 nm-thick p-contact made of p-GaAs is formed on the p-contact layer 7 in the stripe-shaped opening of the second conductive current blocking layer 10 and on the second conductive current blocking layer 10. A layer 11 is formed. The carrier concentration of the p-contact layer 11 is 3 × 10¹⁹cm^-3It is. A p-side electrode 12 having a thickness of 300 nm is formed on p-contact layer 11. An n-side electrode 13 having a thickness of 300 nm is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 1. Thus, the semiconductor laser device of FIG. 1 has a ridge waveguide structure.
[0035]
The light emitting layer 14 was formed on the n-cladding layer 2 (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5A 30 nm-thick guide layer 3 made of P, a quantum well active layer 4 formed on the guide layer 3, and (Al) formed on the quantum well active layer 4._0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5A guide layer 5 made of P and having a thickness of 30 nm is included.
[0036]
The quantum well active layer 4 is made of Ga_0.5In_0.5A plurality of 5 nm-thick quantum well layers 15 made of P and (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5It has a superlattice structure in which a plurality of barrier layers 16 made of P and having a thickness of 5 nm are alternately stacked. For example, the number of barrier layers 16 is two and the number of quantum well layers 15 is three.
[0037]
Table 1 summarizes the above configuration.
[0038]
[Table 1]

[0039]
FIG. 2 schematically shows an energy band diagram of the p-clad layer 6, the n-carrier accumulation preventing layer 8, and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration in the semiconductor laser device of FIG.
[0040]
As shown in FIG. 2A, in the semiconductor laser device of FIG. 1, between the p-cladding layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, the p-cladding layer 6 and the opposite conductivity type are provided. , That is, the n-carrier accumulation preventing layer 8 in which the donor level is formed.
[0041]
In this case, the band gap of the n-carrier accumulation preventing layer 8 is equal to the band gap of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, and the band gap of these layers 8 and 9 is p-type. It is smaller than the band gap of the cladding layer 6.
[0042]
As shown in FIG. 2B, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 8 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 6. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced.
[0043]
Since the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced, the depletion state of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is maintained. The electric capacitance generated between the current blocking layer 9 and the p-cladding layer 6 can be reduced, and the high-speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. As described above, between the p-clad layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, the n-carrier accumulation preventing layer 8 having the impurity level of the opposite conductivity type to the p-clad layer 6 is formed. , The high-frequency characteristics of the semiconductor laser device of FIG. 1 are easily improved.
[0044]
3, 4 and 5 are schematic sectional views showing a method for manufacturing the semiconductor laser device shown in FIG.
[0045]
As shown in FIG. 3, n- (Al) is deposited on an n-GaAs substrate 1 by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)._0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5N-cladding layer 2 made of P, (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P guide layer 3, quantum well active layer 4, (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P guide layer 5, (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P-cladding layer 6 made of P and p-Ga_0.5In_0.5A p-contact layer 7 made of P is grown in order.
[0046]
As shown in FIG.₂A film is formed and patterned, and striped SiO₂A film 17 is formed. After that, the SiO₂Using the film 17 as a mask, a part of the p-contact layer 7 and the p-cladding layer 6 is removed by etching to form a ridge.
[0047]
Further, as shown in FIG.₂Using the film 17 as a selective growth mask, a reverse conductivity type p-carrier accumulation preventing layer 8 made of n-GaAs and a low carrier concentration first current blocking layer made of undoped GaAs on the p-cladding layer 6 by MOCVD. 9 and a second current blocking layer 10 of the opposite conductivity type made of n-GaAs are sequentially grown.
[0048]
SiO₂After removing the film 17, as shown in FIG. 1, a p-contact layer 11 made of p-GaAs is formed on the second current blocking layer 10 and the p-contact layer 7 of the opposite conductivity type by MOCVD. Then, a p-side electrode 12 made of Cr / Au is formed on the surface of the p-contact layer 11, and an n-side electrode 13 made of AuGe / Ni / Au is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 1.
[0049]
Here, in the semiconductor laser device of FIG.¹⁷cm^-3The thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each thickness t was measured. As a result, when the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was 20 to 35 nm, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0050]
The cutoff frequency is a frequency at which the amplitude of the laser light on which the sine wave output from the semiconductor laser element to be measured is superimposed is lower by 3 dB than when the frequency is superimposed at a low frequency (in this example, when the superimposed frequency is 10 MHz or less). It is.
[0051]
Further, the thickness of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was set to 30 nm, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each carrier concentration was measured. As a result, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 becomes 3 × 10¹⁷~ 6 × 10¹⁷cm^-3In this case, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0052]
Next, the second aspect of the present inventionreferenceThe semiconductor laser device in the example will be described.
SecondreferenceThe configuration of the semiconductor laser device of the example is the same as the configuration shown in FIG. 1, and the material, thickness and carrier concentration of each layer are different. BookreferenceTable 2 shows the material, film thickness, and carrier concentration of each layer of the semiconductor laser device of the example.
[0053]
[Table 2]

[0054]
As shown in Table 2, the bookreferenceIn the example semiconductor laser device, an impurity level (donor level) of the opposite conductivity type to the p-clad layer 6 is formed between the p-clad layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. The formed n-carrier accumulation preventing layer 8 is formed. For this reason, booksreferenceIn the example, the firstreferenceAs in the example, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 8 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 6. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced.
[0055]
The amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is small.
As a result, the depletion state of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is maintained, so that the electric capacity generated between the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration and the p-cladding layer 6 is reduced. The size can be reduced, and the high speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. Therefore, the bookreferenceIn the example, the high-frequency characteristics of the semiconductor laser device are improved.
[0056]
Where the bookreferenceIn the example, the band gap of the n-carrier accumulation preventing layer 8 is set to be smaller than the band gap of the p-cladding layer 6 and larger than the band gap of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. Have been. Such a bookreferenceThe example n-carrier accumulation preventing layer 8 has a fourthreferenceIt also has a function as an intermediate band gap layer described later in the example.
[0057]
That is, in this case, the band gaps of the p-cladding layer 6, the n-carrier accumulation preventing layer 8, and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration become smaller in this order. For this reason, the energy difference between the p-clad layer 6 and the n-carrier accumulation preventing layer 8 is smaller than the energy difference between the p-clad layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. This makes it difficult for carriers to be injected from the p-cladding layer 6 to the n-carrier accumulation preventing layer 8 and also to the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. Further, in this case, the carriers are separately injected into both the n-carrier accumulation preventing layer 8 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, so that the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is injected. Carriers injected into the substrate are reduced.
[0058]
As described above, by forming the n-carrier accumulation preventing layer 8 having a band gap of an intermediate size between the p-cladding layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, the low carrier concentration can be reduced. It is possible to further reduce the amount of carriers accumulated in the first current block layer 9.
[0059]
From the above, the present invention in which the n-carrier accumulation preventing layer 8 having a band gap of an intermediate size between the p-cladding layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is formed.referenceIn the example, since the electric capacity generated between the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration and the p-clad layer 6 can be further reduced, the operation speed of the semiconductor laser device can be further increased.
[0060]
BookreferenceIn the example semiconductor laser device, the carrier concentration is 5 × 10¹⁷cm^-3The thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each thickness t was measured. As a result, it was found that when the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was 10 to 40 nm, the cutoff frequency was significantly improved.
[0061]
Further, the thickness of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was set to 25 nm, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each carrier concentration was measured. As a result, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 becomes 2.5 × 10¹⁷~ 8.5 × 10¹⁷cm^-3In this case, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0062]
As shown in the above results, the bookreferenceIn the example, since the n-carrier accumulation preventing layer 8 has a band gap of a middle size between the p-cladding layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, the n-carrier accumulation preventing layer 8 and The n-carrier accumulation preventing layer 8 capable of significantly improving the cutoff frequency of the semiconductor laser device as compared with the first embodiment in which the band gap of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is equal. The range of the film thickness and the carrier concentration becomes wide. Therefore, it is possible to easily set the film thickness and the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8, and the n-carrier accumulation preventing layer 8 is easily manufactured.
[0063]
The bookreferenceIn the example semiconductor laser device, an undoped layer may be formed between the n-carrier accumulation preventing layer 8 and the p-cladding layer 6. Alternatively, an undoped layer may be formed between the n-carrier accumulation preventing layer 8 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. In this case, it is preferable to form an undoped layer made of a material having a larger band gap than the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. In addition, the material of the undoped layer is preferably a material having a band gap smaller than that of the p-clad layer 6 and larger than that of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration.
[0064]
Next, the third embodiment of the present inventionreferenceThe semiconductor laser device in the example will be described.
ThirdreferenceThe configuration of the semiconductor laser device of the example is the same as the configuration shown in FIG. 1 except that the material, the film thickness, and the carrier concentration of each layer are different. Table 3 shows the material, film thickness, and carrier concentration of each layer of the semiconductor laser device of the present embodiment.
[0065]
[Table 3]

[0066]
As shown in Table 3, the bookreferenceIn the example semiconductor laser device, an impurity level (donor level) of the opposite conductivity type to the p-clad layer 6 is formed between the p-clad layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. The formed n-carrier accumulation preventing layer 8 is formed. For this reason, booksreferenceIn the example, the firstreferenceAs in the example, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 8 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 6. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced.
[0067]
In this case, the band gap of the n-carrier accumulation preventing layer 8 is equal to the band gap of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, and the band gap of these layers 8 and 9 is p-type. It is smaller than the band gap of the cladding layer 6.
[0068]
Since the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced, the depletion state of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is maintained. The electric capacitance generated between the current blocking layer 9 and the p-cladding layer 6 can be reduced, and the high-speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. Therefore, the bookreferenceIn the example, the high-frequency characteristics of the semiconductor laser device are improved.
[0069]
BookreferenceIn the example semiconductor laser device, the n carrier concentration is 5 × 10¹⁷cm^-3The thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each thickness t was measured. As a result, when the film thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was 35 nm, it became clear that the cutoff frequency was significantly improved.
[0070]
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention.referenceFIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a semiconductor laser device in an example.
[0071]
The configuration of the semiconductor laser device shown in FIG. 6 is the same as the configuration of the semiconductor laser device shown in FIG. 1 except for the following points.
[0072]
In the semiconductor laser device shown in FIG. 6, the band gap between p-cladding layer 6 and n-carrier accumulation preventing layer 8 is smaller than that of p-cladding layer 6 and lower than that of n-carrier accumulation preventing layer 8. An intermediate band gap layer 80 having a large gap is formed. Table 4 summarizes the configuration of such a semiconductor laser device of FIG.
[0073]
[Table 4]

[0074]
As shown in Table 4, the bookreferenceIn the example semiconductor laser device, an impurity level (donor level) of the opposite conductivity type to the p-clad layer 6 is formed between the p-clad layer 6 and the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration. The formed n-carrier accumulation preventing layer 8 is formed. For this reason, booksreferenceIn the example, the firstreferenceAs in the example, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 8 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 6. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced.
[0075]
Since the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is reduced, the depletion state of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration is maintained. The electric capacitance generated between the current blocking layer 9 and the p-cladding layer 6 can be reduced, and the high-speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. Therefore, the bookreferenceIn the example, the high-frequency characteristics of the semiconductor laser device are improved.
[0076]
Where the bookreferenceIn the example, the band gap of the n-carrier accumulation preventing layer 8 is equal to the band gap of the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration, and the band gap of these layers 8 and 9 is the band gap of the p-cladding layer 6. Less than. Further, between the p-cladding layer 6 and the n-carrier accumulation preventing layer 8, an intermediate band gap layer 80 having a band gap of an intermediate size between the p-cladding layer 6 and the n-carrier accumulation preventing layer 8 is provided. Is formed. Book in which such an intermediate band gap 80 is formedreferenceIn the example, the following effects can be obtained.
[0077]
That is, in this case, since the band gaps of the p-clad layer 6, the intermediate band gap layer 80 and the n-carrier accumulation preventing layer 8 become smaller in this order, the p-clad layer 6 and the intermediate band gap layer 80 The energy difference is smaller than the energy difference between the p-cladding layer 6 and the n-carrier accumulation preventing layer 8. This makes it difficult for carriers to be injected from the p-cladding layer 6 into the intermediate band gap layer 80 and also hardly to be injected into the n-carrier accumulation preventing layer 8. Further, in this case, since the carriers are separately injected into both the intermediate band gap layer 80 and the n-carrier accumulation preventing layer 8, the number of carriers injected into the n-carrier accumulation preventing layer 8 is reduced.
[0078]
From the above, by forming the intermediate band gap layer 80, the number of carriers injected into the n-carrier accumulation preventing layer 8 is reduced, and the carriers injected into the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration are further reduced. It is possible to reduce it. This makes it possible to further reduce the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration.
[0079]
From the above, the book on which the intermediate band gap layer 80 is formedreferenceIn the example, since the electric capacity generated between the first current blocking layer 9 having a low carrier concentration and the p-clad layer 6 can be further reduced, the operation speed of the semiconductor laser device can be further increased.
[0080]
BookreferenceIn the example semiconductor laser device, the carrier concentration is 5 × 10¹⁷cm^-3The thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each thickness t was measured. As a result, when the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was 15 to 35 nm, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0081]
Further, the thickness of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was set to 30 nm, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each carrier concentration was measured. As a result, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 becomes 2.5 × 10¹⁷~ 6 × 10¹⁷cm^-3In this case, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0082]
As shown in the above results, the book having the intermediate bandgap layer 80 formed thereonreferenceIn the example, the first without the intermediate bandgap layer is formed.referenceAs compared with the example, the range of the film thickness and the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 capable of remarkably improving the cutoff frequency of the semiconductor laser device is widened. Therefore, it is possible to easily set the film thickness and the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8, and the n-carrier accumulation preventing layer 8 is easily manufactured.
[0083]
FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention.referenceIt is a typical sectional view of a semiconductor laser element in an example.
[0084]
In the semiconductor laser device shown in FIG. 7, layers 2 to 5 are formed on an n-GaAs substrate 1 as in the semiconductor laser device shown in FIG.
[0085]
On the guide layer 5, p- (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5A 200 nm-thick p-cladding layer 91 made of P is formed. The carrier concentration of the p-cladding layer 91 is 3 × 10¹⁷cm^-3It is.
[0086]
On the p-cladding layer 91, n-Ga_0.5In_0.5P-type n-carrier accumulation preventing layer 92; 1000 nm-thick first current blocking layer 93 made of undoped GaAs; and 500 nm-thick reverse-conductive second current block made of n-GaAs. Layers 94 are sequentially formed.
[0087]
Striped openings are formed by removing the central regions of the n-carrier accumulation preventing layer 92, the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration, and the second current blocking layer 94 having the opposite conductivity type. The carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 92 is 5 × 10¹⁷cm^-3It is. The carrier concentration of the second current blocking layer 94 of the reverse conductivity type is 8 × 10¹⁷cm^-3It is.
[0088]
P- (Al) is formed on the p-cladding layer 91 and the second current blocking layer 94 of the opposite conductivity type so as to fill the stripe-shaped opening._0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5A 1300 nm-thick p-cladding layer 95 made of P is formed. The carrier concentration of the p-cladding layer 95 is 3 × 10¹⁷cm^-3It is. Thus, the semiconductor laser device of FIG. 6 has a self-aligned structure.
[0089]
p-Ga_0.5In_0.5A p-contact layer 96 made of P and having a thickness of 200 nm is formed on the p-cladding layer 95. A 3000 nm thick p-contact layer 97 made of p-GaAs is formed on the p-contact layer 96. The carrier concentration of the p-contact layer 96 is 2 × 10¹⁸cm^-3It is. The carrier concentration of the p-contact layer 97 is 3 × 10¹⁹cm^-3It is.
[0090]
Table 5 summarizes the above configuration.
[0091]
[Table 5]

[0092]
8 and 9 are schematic process sectional views showing a method for manufacturing the semiconductor laser device shown in FIG.
[0093]
As shown in FIG. 8, n- (Al) is formed on the n-GaAs substrate 1 by MOCVD._0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5N-cladding layer 2 made of P, (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5P, a 30 nm-thick guide layer 3, a quantum well active layer 4, (Al_0.5Ga_0.5)_0.5In_0.5A guide layer 5 made of P and having a thickness of 30 nm, p- (Al_0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P-clad layer 91 made of P, n-Ga_0.5In_0.5An n-carrier accumulation preventing layer 92 made of P, a first current blocking layer 93 made of undoped GaAs having a low carrier concentration, and a second current blocking layer 94 made of n-GaAs and having the opposite conductivity type are sequentially grown.
[0094]
A mask (not shown) is formed on the reverse conductivity type second current block layer 94, and is patterned to have a stripe-shaped opening. Thereafter, as shown in FIG. 9, the central portions of the second current blocking layer 94 of the opposite conductivity type, the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration, and the carrier accumulation preventing layer 92 are removed by etching to form a stripe-shaped opening. Form a part.
[0095]
Further, as shown in FIG. 7, p- (Al) is formed on the second current blocking layer 94 of the opposite conductivity type and on the p-cladding layer 91 in the stripe-shaped opening by MOCVD._0.7Ga_0.3)_0.5In_0.5P-cladding layer 95 made of P, p-Ga_0.5In_0.5A p-contact layer 96 made of P and a p-contact layer 97 made of p-GaAs are sequentially formed. A p-side electrode 12 made of Cr / Au is formed on the surface of the p-contact layer 97, and an n-side electrode 13 made of AuGe / Ni / Au is formed on the back surface of the n-GaAs substrate 1.
[0096]
In the semiconductor laser device of FIG. 9, between the p-clad layer 91 and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration, an impurity level (donor level) of the opposite conductivity type to the p-clad layer 91 is present. The formed n-carrier accumulation preventing layer 92 is formed. For this reason, booksreferenceIn the example, the firstreferenceAs in the example, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 92 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 91. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is reduced.
[0097]
Since the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is reduced, the depletion state of the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is maintained. The electric capacitance generated between the current blocking layer 93 and the p-clad layer 91 can be reduced, and the high-speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. Therefore, the bookreferenceIn the example, the high-frequency characteristics of the semiconductor laser device are improved.
[0098]
In the semiconductor laser device of FIG. 7, the carrier concentration is 5 × 10¹⁷cm^-3The thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 92 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each thickness t was measured. As a result, when the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 92 was 20 to 35 nm, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0099]
Further, the thickness of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was set to 30 nm, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 8 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each carrier concentration was measured. As a result, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer is 3 × 10¹⁷~ 6 × 10¹⁷cm^-3In this case, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0100]
Next, the sixth embodiment of the present inventionreferenceThe semiconductor laser device in the example will be described.
SixthreferenceThe configuration of the semiconductor laser element of the example is the same as the configuration shown in FIG. 7, except that the material, thickness and carrier concentration of each layer are different. Table 6 shows the material, film thickness, and carrier concentration of each layer of the semiconductor laser device of the present embodiment.
[0101]
[Table 6]

[0102]
As shown in Table 6, the bookreferenceIn the example semiconductor laser device, an impurity level (donor level) of the opposite conductivity type to the p-clad layer 91 is formed between the p-clad layer 91 and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration. The formed n-carrier accumulation preventing layer 92 is formed. For this reason, booksreferenceIn the example, the firstreferenceAs in the example, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 92 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 91. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is reduced.
[0103]
Since the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is reduced, the depletion state of the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is maintained. The electric capacitance generated between the current blocking layer 93 and the p-clad layer 91 can be reduced, and the high-speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. Therefore, the bookreferenceIn the example, the high-frequency characteristics of the semiconductor laser device are improved.
[0104]
FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the cutoff frequency of the semiconductor laser device of Table 8 when the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 92 is changed. In this case, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 92 is 5 × 10¹⁷cm^-3It is.
[0105]
As shown in FIG. 10, the cutoff frequency was 200 MHz when the n-carrier accumulation preventing layer 92 was not formed, but the cutoff frequency gradually increased by increasing the thickness of the n-carrier accumulation preventing layer 92, When the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 92 is 15 to 35 nm, the cutoff frequency is significantly improved.
[0106]
On the other hand, the film thickness of the n-carrier accumulation preventing layer 92 was 25 nm, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 92 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each carrier concentration was measured. As a result, the carrier concentration of the n-carrier accumulation preventing layer 92 becomes 3.5 × 10¹⁷~ 8 × 10¹⁷cm^-3In this case, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0107]
Next, the second embodiment of the present invention1The semiconductor laser device according to the embodiment will be described.
No.1The configuration of the semiconductor laser device of the third embodiment is the same as the configuration shown in FIG. 7, except that the material, thickness and carrier concentration of each layer are different. Table 7 shows the material, film thickness, and carrier concentration of each layer of the semiconductor laser device of the present embodiment.
[0108]
[Table 7]

[0109]
As shown in Table 7, in the semiconductor laser device of this embodiment, the p-cladding layer 91 is located between the p-cladding layer 91 and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration.91And an n-carrier accumulation preventing layer 92 in which impurity levels of the opposite conductivity type (donor levels) are formed. For this reason, in the present embodiment, the firstreferenceAs in the example, the carrier supplied from the donor level formed in the n-carrier accumulation preventing layer 92 compensates for the carrier supplied from the p-cladding layer 91. Therefore, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is reduced.
[0110]
Since the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is reduced, the depletion state of the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is maintained. The electric capacitance generated between the current blocking layer 93 and the p-clad layer 91 can be reduced, and the high-speed operation of the semiconductor laser device can be sufficiently achieved. Therefore, in this embodiment, the high-frequency characteristics of the semiconductor laser device are improved.
[0111]
Here, in the present embodiment, the secondreferenceAs in the example, the band gap of the n-carrier accumulation preventing layer 92 is91, And is set to be larger than the band gap of the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration. The n-carrier accumulation preventing layer 92 of the present embodiment has a fourth structure.referenceIt also has a function as the intermediate band gap layer 80 of the example.
[0112]
That is, in this case, the band gaps of the p-cladding layer 91, the n-carrier accumulation preventing layer 92, and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration become smaller in this order. Therefore, the energy difference between the p-clad layer 91 and the n-carrier accumulation preventing layer 92 is smaller than the energy difference between the p-clad layer 91 and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration. This makes it difficult for carriers to be injected from the p-cladding layer 91 to the n-carrier accumulation preventing layer 92 and also to the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration. In this case, since the carriers are separately injected into both the n-carrier accumulation preventing layer 92 and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration, the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration is injected. Carriers injected into the substrate are reduced.
[0113]
As described above, by forming the n-carrier accumulation preventing layer 92 which also functions as an intermediate band gap layer, the amount of carriers accumulated in the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration can be further reduced. It becomes possible.
[0114]
As described above, in the present embodiment in which the n-carrier accumulation preventing layer 92 also serving as an intermediate band gap layer is formed, the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration and the p-cladding layer 6 Since the electric capacitance generated therebetween can be further reduced, the operation speed of the semiconductor laser device can be further increased.
[0115]
In the semiconductor laser device of this embodiment, the carrier concentration is 5 × 10¹⁷cm^-3The thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 92 was changed, and the cutoff frequency of the semiconductor laser device at each thickness t was measured. As a result, when the thickness t of the n-carrier accumulation preventing layer 92 was 40 nm, it was found that the cutoff frequency was significantly improved.
[0116]
In the semiconductor laser device of this embodiment, an undoped layer may be formed between the n-carrier accumulation preventing layer 92 and the p-clad layer 91. Alternatively, an undoped layer may be formed between the n-carrier accumulation preventing layer 92 and the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration. In this case, it is preferable to form an undoped layer made of a material having a larger band gap than the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration. In addition, the material of the undoped layer is preferably a material having a band gap smaller than that of the p-clad layer 91 and larger than that of the first current blocking layer 93 having a low carrier concentration.
[0117]
The above first to firstReference Example 6 and 1In this embodiment, the donor level is formed in the carrier accumulation preventing layer by doping an n-type impurity. In this case, it is preferable that the density of the donor level formed in the carrier accumulation preventing layer be a density at which the donor level is almost ionized without applying a bias.
[0118]
In addition, the first to the firstReference Example 6 and 1In the embodiment, the case where the n-carrier accumulation preventing layer of the opposite conductivity type is formed on the region excluding the current injection region of the p-type cladding layer has been described. An n-carrier accumulation preventing layer may be formed. However, in this case, the film thickness of the n-carrier accumulation preventing layer is reduced so that the n-carrier accumulation preventing layer does not hinder the current.
[0119]
In addition, the first to the aboveReference Example 6 and 1In the embodiment, the structure in which the second current blocking layer having the opposite conductivity type is provided on the first current blocking layer having the low carrier concentration has been described. The layer is not always necessary, and only the first current blocking layer having a low carrier concentration may be formed as the current blocking layer.
[0120]
In addition, the first to the firstReference Example 6 and 1In the embodiment, a semiconductor laser device using a group III nitride semiconductor, an AlGaInP semiconductor, or an AlGaAs semiconductor as a semiconductor will be described.Was.
[0121]
Next, the principle and operation of the present invention will be described in detail.
In the following, e is an elementary charge and ε_cIs the dielectric constant of the cladding layer, ε is the dielectric constant of the carrier accumulation preventing layer,_cIs the carrier concentration of the cladding layer, N is the carrier concentration of the carrier accumulation preventing layer,_gcIs the band gap of the cladding layer, ΔE_vIs the discontinuity of the valence band between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer, and ΔE_cIs the band discontinuity of the conduction band between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer.
[0122]
Here, as shown in FIG. 11, the case where the cladding layer is n-type and the acceptor level is formed in the carrier accumulation preventing layer is considered. A current blocking layer having a low carrier concentration is formed on the carrier accumulation preventing layer.
[0123]
Further, in this case, ε_cN_cΔE_c/ (ΕN) <E_gc−ΔE_c−ΔE_vLet us consider a case where the following relationship is satisfied and either of the following conditions (1) or (2) is satisfied.
[0124]
(1) When the clad layer and the carrier accumulation preventing layer have no distortion
(2) Each layer is made of a zinc-blende semiconductor, and the lamination direction of each layer is a general formula [0MN] direction (M and N are arbitrary numbers except M = N = 0, for example, [001] direction and [001] direction). Or, each layer is made of a semiconductor having a wurtzite structure, the lamination direction of each layer is a general formula [HKL0] direction, (H, K, and L are H + K + L = 0, and H = K = When represented by any number except L = 0, for example, [1-100] direction and [11-20] direction)
First, the thickness t of the carrier accumulation preventing layer is about t._A= (2ε_cN_cΔE_c)^1/2/ (EN), the band structures of the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer are as shown in FIG.
[0125]
That is, as shown in FIG. 11A, the energy at the lowest point of the conduction band of the carrier accumulation preventing layer (the interface with the cladding layer) is equal to the energy at the lowest point of the conduction band of the cladding layer. . Therefore, carriers do not accumulate at the interface between the conduction band of the carrier accumulation preventing layer and the cladding layer.
[0126]
On the other hand, the thickness t of the carrier accumulation preventing layer is approximately t_B= [2ε_cεN_c(E_gc−ΔE_V) / [N (ε_cN_c+ ΕN)]]^1/2/ E, the band structures of the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer are as shown in FIG.
[0127]
That is, as shown in FIG. 11B, the energy of the highest part of the valence band of the carrier accumulation preventing layer (the interface with the first current blocking layer having a low carrier concentration) is the energy of the conduction band of the cladding layer. Equal to the lowest energy of Therefore, all of the acceptor levels of the carrier accumulation preventing layer are ionized, and no carrier is supplied to the current blocking layer having a low carrier concentration.
[0128]
By the way, the thickness t of the carrier accumulation preventing layer is t_A≦ t ≦ t_BIn the range, the amount of the electric field accumulated at the interface does not change even when the electric field applied to the interface between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer changes slightly. That is, the transient electric capacitance at the interface between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer can be made close to zero. For this reason, it is particularly preferable to set the thickness t of the carrier accumulation preventing layer in the above range.
[0129]
Where ε_cN_cΔE_c/ (ΕN) = E_gc−ΔE_c−ΔE_vWhen, t_A= T_BIt becomes. Therefore, by adjusting the thickness t of the carrier accumulation preventing layer and the carrier concentration N of the carrier accumulation preventing layer, t = t_A= T_BIt becomes difficult to set. That is, ε_cN_cΔE_c/ E from (εN)_gc−ΔE_c−ΔE_vIs larger, the setting of the thickness t of the carrier accumulation preventing layer and the carrier concentration N of the carrier accumulation preventing layer becomes easier.
[0130]
Usually, the combination of the materials of the cladding layer or the carrier accumulation preventing layer used in the semiconductor laser element is almost equal to ε._c= Ε, and the band gap (E_gc−ΔE_c−ΔE_v) Than ΔE_cIs smaller. N_c>> In the case of N, ε_cN_cΔE_c/ (ΕN)> E_gc−ΔE_v−ΔE_cN >> N_cOr almost N = N_cThen ε_cN_cΔE_c/ (ΕN) <E_gc−ΔE_c−ΔE_vIt is easy to satisfy the relationship.
[0131]
In the above discussion, the case where the cladding layer is n-type and the acceptor level is formed in the carrier accumulation preventing layer is considered. However, as in the above embodiment, the cladding layer is p-type and the carrier accumulation preventing layer is formed. A similar effect can be obtained even when the donor level is formed in the first region.
[0132]
That is, in the p-type cladding layer and the carrier accumulation preventing layer in which the donor level is formed, ε_cN_cΔE_v/ (ΕN) <E_gc−ΔE_c−ΔE_vIs satisfied, the thickness t of the carrier accumulation preventing layer is t_A≦ t ≦ t_BIn the range, the amount of electric charge accumulated at the interface does not change even when the electric field applied to the interface between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer is minutely changed. That is, the transient electric capacitance at the interface between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer can be made close to zero. Therefore, it is particularly preferable to set the thickness t of the carrier accumulation preventing layer in which the donor level is formed in the above range. Also, the carrier concentration N of the p-type cladding layer_cAnd the carrier concentration N of the carrier accumulation preventing layer in which the donor level is formed is N_cIt is more preferable that ≦ N.
[0133]
Here, when the intermediate band gap layer is formed between the cladding layer and the carrier accumulation preventing layer as in the fourth embodiment, t_ASide conditions become wider. When the carrier accumulation preventing layer has a function as an intermediate band gap as in the second and seventh embodiments, t_ASide and t_BSide conditions become wider. This appears in the optimum thickness range of the carrier accumulation preventing layer 8 described above in the second, fourth, and seventh embodiments.
[0134]
In the semiconductor laser devices of the seventh and ninth embodiments, neither of the above conditions (1) and (2) is applied, and a potential gradient is generated in the cladding layer by the piezoelectric field due to the strain. Therefore, in these embodiments, the above relation cannot be easily derived.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows first to third embodiments of the present invention.referenceIt is a typical sectional view of a semiconductor laser element in an example.
FIG. 2 is an energy band diagram of a p-clad layer, an n-carrier accumulation preventing layer, and a first current blocking layer having a low carrier concentration in the semiconductor laser device of FIG.
FIG. 3 is a schematic process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1;
FIG. 5 is a schematic process sectional view showing the method of manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 1;
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention.referenceIt is a typical sectional view of a semiconductor laser element in an example.
FIG. 7 shows a fifth embodiment of the present invention.referenceIt is a typical sectional view of a semiconductor laser element in an example.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a step of the method for manufacturing the semiconductor laser device of FIG.
9 is a schematic process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor laser device of FIG. 7;
FIG. 10referenceFIG. 9 is a diagram illustrating a measurement result of a relationship between a cutoff frequency of an example semiconductor laser device and a thickness of a carrier accumulation preventing layer.
FIG. 11 is a diagram for explaining the principle and operation of the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor laser device.
FIG. 13 is an energy band diagram of a valence band of a p-type cladding layer and a current blocking layer having a low carrier concentration in the semiconductor laser device of FIG. 12;
[Explanation of symbols]
8,62,92 Carrier accumulation prevention layer
9,931 Low current carrier first current blocking layer
10,94 Second current blocking layer of reverse conductivity type

Claims (10)

Group III nitride having a first conductivity type first cladding layer provided on an active layer and a low carrier concentration first current blocking layer provided on the first cladding layer except for a current injection region In a semiconductor laser device made of a semiconductor, the first current blocking layer is made of GaN , and carriers are accumulated in the first current blocking layer between the first cladding layer and the first current blocking layer. A carrier accumulation preventing layer made of AlGaN for preventing the first conductivity type carrier supplied from the first cladding layer by a modulation doping effect. A semiconductor laser device having an interband level for supplying carriers. 2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the first current blocking layer has a smaller band gap than the first cladding layer. 3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the interband level has a density at which substantially all of the interband levels are ionized under the condition that no bias is applied. 4. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the interband level is formed by doping a second conductivity type impurity. 5. The first cladding layer has a larger band gap than the carrier accumulation preventing layer, and is smaller than the band gap of the first cladding layer between the first cladding layer and the carrier accumulation preventing layer. 5. The semiconductor laser device according to claim 1, further comprising an intermediate band gap layer having a band gap larger than a band gap of the carrier accumulation preventing layer. The carrier accumulation preventing layer has a band gap smaller than a band gap of the first cladding layer and larger than a band gap of the first current blocking layer. 3. The semiconductor laser device according to item 1. The first cladding layer has a flat portion formed on the active layer, and a ridge portion formed on the flat portion in the current injection region, and the carrier accumulation preventing layer has a ridge portion. 7. The device according to claim 1, wherein the first current blocking layer is formed on the flat portion and the side surface of the ridge portion on both sides, and the first current blocking layer is formed on the carrier accumulation preventing layer. 14. The semiconductor laser device according to claim 1. The carrier accumulation preventing layer and the first current blocking layer are sequentially formed on the first cladding layer except for the current injection region, and in the current injection region, the carrier accumulation preventing layer and the first current blocking layer are formed. The second cladding layer of the first conductivity type is provided so as to fill a space surrounded by a side surface of the block layer and an upper surface of the first cladding layer. 3. The semiconductor laser device according to item 1. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the carrier accumulation preventing layer is formed in a region other than the current injection region. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a second current blocking layer of a second conductivity type is provided on the first current blocking layer.

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