JP3585817B2 - レーザダイオードおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にレーザダイオードに関し、特にＧａＡｓ基板上に形成された横モード制御型のレーザダイオードに関する。
【０００２】
ＡｌＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰをクラッド層に使うレーザダイオードは、可視赤色波長領域で発振し、ビームスポットを小さく絞り込むことができるので、ＤＶＤ装置などの高密度光ディスク記録装置の光源として使われる。
【０００３】
【従来の技術】
ＡｌＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰは、ＧａＡｓに格子整合するＩＩＩ−Ｖ族材料系としては最大のバンドギャップを有し、特に赤色波長域のレーザダイオードのクラッド層として必須の材料である。
【０００４】
図１は、従来の典型的な順メサ型の屈折率導波リッジ構造を有するリッジ型レーザダイオード１０の構造を示す図である。
【０００５】
図１を参照するに、レーザダイオードはｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されており、前記基板１１上に形成されたｎ型ＧａＡｓバッファ層１２と、前記バッファ層１２上に形成された、組成がＡｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３と、前記クラッド層１３上に形成された歪多重量子井戸構造を有する活性層１４とを含み、前記活性層１４は厚さが６ｎｍのＧａＩｎＰ量子井戸層と厚さが４ｎｍで組成が例えばＡｌ０．２Ｇａ０．３Ｉｎ０．５ＰのＡｌＧａＩｎＰ障壁層とを繰り返し積層し、さらにかかる積層構造を厚さが１０ｎｍで組成がＡｌ０．２Ｇａ０．３Ｉｎ０．５ＰのＡｌＧａＩｎＰの一対の光導波層で上下方向に挟持した構成を有する。
【０００６】
前記活性層１４上には、組成がＡｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５と、前記クラッド層１５上に形成されたｐ型ＧａＩｎＰエッチングストッパ層１６とが形成され、さらに前記エッチングストッパ層１６上には組成が、Ａｌ ０．３５ Ｇａ ０．１５ Ｉｎ ０．５ Ｐのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７とｐ型ＧａＩｎＰ中間層１８とが形成される。前記クラッド層１７と中間層１８とはフォトリソグラフィー工程によりパターニングされて順メサリッジ構造を形成し、さらにその両側にｎ型ＧａＡｓ層よりなる電流阻止領域１９が形成される。
さらに、前記電流阻止領域１９上には、前記メサ領域において前記中間層１８とコンタクトするように、ｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層２０が形成される。
【０００７】
さらに、前記電流阻止領域１９上には、前記メサ領域において前記中間層１８とコンタクトするように、ｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層２０が形成される。
【０００８】
かかる構成のリッジ型レーザダイオードでは、前記活性層１４にＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ構成の歪多重量子井戸構造を使うことにより、所望の可視波長でのレーザ発振を実現できる。また、レーザ中央部に軸方向に延在するリッジ構造を形成し、両側に電流阻止領域１９を配置することで、駆動電流を前記リッジ構造に集中させることが可能になる。また、前記リッジ構造およびＧａＡｓ電流阻止領域１９の組み合わせは、前記活性層１４で形成された光放射を前記リッジ構造に閉じ込めて導波するのに有効である。
【０００９】
しかし、かかる従来のリッジ型レーザダイオードでは、メサ構造を形成するためにフォトリソグラフィー工程が必要で、さらに前記電流阻止領域１９をＧａＡｓ層の再成長により形成する必要があるため、製造工程が複雑である問題を有していた。さらに図１のリッジ型レーザダイオードでは、前記ＧａＡｓ電流阻止領域１９が前記活性層１４で形成された光放射を吸収するためレーザ発振のしきい値が高くなり、発光効率が低い問題点を有していた。
【００１０】
図１のリッジ型レーザダイオードにおいて、前記メサ構造を逆メサ構造とし、素子抵抗を低減する構成も公知であるが、かかる構造のレーザダイオードにおいても、上記の問題は避けられない。
【００１１】
これに対し、本発明の発明者は、先に特開平０６−０４５７０８号公報において、図２に示す、いわゆるＳ３（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｓｔｅｐｐｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ：Ｓキューブ）構造のレーザダイオード３０を提案した。
【００１２】
図２を参照するに、前記レーザダイオード３０は（３１１）Ａあるいは（４１１）Ａ面よりなるストライプ状の傾斜面を画成されたｎ型ＧａＡｓ基板３１上に構成されており、前記基板３１上に前記傾斜面を覆うように前記基板３１の表面形状に沿って形成され、前記基板３１の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓバッファ層３２と、前記バッファ層３２上に前記バッファ層３２の表面形状に沿って形成され、前記バッファ層３２の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＧａＩｎＰ中間層３３と、前記中間層３３上に前記中間層３３の表面形状に沿って形成され、前記中間層３３の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるクラッド層３４と、前記クラッド層３４上に前記クラッド層３４の表面形状に沿って形成され、前記クラッド層３４の傾斜面に対応する傾斜面を有し、前記活性層１４と同様な歪多重量子井戸構造を有する活性層３５とを含み、さらに前記活性層３５上には前記活性層３５の表面形状に沿って形成され、前記活性層３５の傾斜面に対応する傾斜面を有するｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるクラッド層３６と、前記クラッド層３６上に前記クラッド層３６の表面形状に沿って形成され、前記クラッド層３６の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなる電流狭搾層３７と、前記電流狭搾層３７上に前記電流狭搾層３７の表面形状に沿って形成され、前記電流狭搾層３７の傾斜面に対応する傾斜面を有するｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３８と、前記クラッド層３８上に前記クラッド層３８の表面形状に沿って形成され、前記クラッド層３８の傾斜面に対応する傾斜面を有するＧａＩｎＰ中間層３９と、前記中間層３９上に前記中間層３９の表面形状に沿って形成され、前記中間層３９の傾斜面に対応する傾斜面を有するｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０とを含む。さらに前記ＧａＡｓ基板３１の下主面には図示は省略するがｎ型電極が、また前記コンタクト層４０上には図示を省略したｐ型電極が形成される。
【００１３】
前記半導体層３２〜４０は前記傾斜面を形成された基板３１上にＭＯＶＰＥ法により順次形成されるが、前記電流狭搾層３７を形成する際にはＭｇあるいはＺｎよりなるｐ型ドーパントとＳｅやＳなどよりなるｎ型ドーパントの両者を気相原料に添加しておくことにより、前記電流狭搾層３７の傾斜面部分３７Ａのみをｐ型に、水平部分３７Ｂをｎ型にドープさせることが可能である。
【００１４】
図３はＡｌＧａＩｎＰ層の様々な傾斜面へのＭｇおよびＺｎの取り込まれ効率を、また図４は同じＡｌＧａＩｎＰ層の様々な傾斜面へのＳｅの取り込まれ効率を示す。
【００１５】
図３，４を参照するに、Ａ方向への傾斜角が増大するにつれてＡｌＧａＩｎＰ層へのＭｇあるいはＺｎの取り込まれ効率は増大し、同時にＳｅの取り込まれ効率が減少するのがわかる。
【００１６】
図５は、このようなｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層における（１００）面からの傾斜角とキャリア濃度、すなわち電子濃度とホール濃度との関係を示す。
【００１７】
図５を参照するに、電子濃度はＡｌＧａＩｎＰ層の傾斜角がＡ面方向に増大するにつれて急激に減少し、一方ホール濃度は急激に増大する。このため、例えば前記ＡｌＧａＩｎＰ電流狭搾層３７は（１００）面あるいはこれに近い面方位を有する前記水平領域３７Ｂにおいてはｎ型にドープされ、一方（３１１）Ａ面あるいは（４１１）Ａ面に対応する方位を有する傾斜領域３７Ａではｐ型にドープされることがわかる。また、このような構造を実現する別の手段として、ｐ型ドープ層とｎ型ドープ層とを交互に薄く積層する方法、すなわち交互ドープ法がある。
【００１８】
このようなＳ３型レーザダイオード３０は、６８５ｎｍ帯域の高出力レーザ素子として実用化されている。かかるレーザダイオード３０は、最初に基板３１上に傾斜面を形成する工程以外はフォトリソグラフィー工程が必要なく、また電流狭搾層をマスクパターンを使った再成長工程により形成する必要もないため、製造工程が簡単で、歩留り良く製造することができる。かかる電流狭搾層３７により、キャリアは前記活性層３５の傾斜領域に選択的に注入され、かかる傾斜領域において発光が生じるが、前記活性層３５のうちの傾斜領域は上下および左右が屈折率の小さいＡｌＧａＩｎＰクラッド層３４および３６で囲まれているため実屈折率導波構造が形成され、光吸収を利用した複素屈折率導波構造におけるような光吸収およびこれに伴うレーザ発振しきい値の増大の問題が生じない。さらにレーザダイオード３０は非点収差が小さい好ましい特徴を有する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
一方、かかるＳ３型レーザダイオードにより、最近のＤＶＤ装置等の光ディスク装置で使われる６６５ｎｍ以下の波長の光源を実現しようとすると、６０〜７０°Ｃの動作温度において特性温度Ｔ０が劣化し、また光出力の、注入電流に対する微分効率が劣化してしまい、所望の大きな出力を得らない問題が生じていた。ただし特性温度Ｔ０は、レーザ発振の際のしきい値電流の温度変化を示す指標であり、特性温度Ｔ０が大きいほど動作特性の温度依存性が小さく、特別な温度制御を行わなくともレーザダイオードが安定に動作する。
【００２０】
図６は、かかるレーザダイオード３０の温度特性の劣化の機構を示すバンド構造図である。ただし図６はレーザ発振に必要なレベルまでバイアス電圧が印加されている状態を示す。
【００２１】
図６を参照するに、前記ｎ型電極から前記ｎ型ＧａＡｓ基板３１に注入された電子ｅは、前記ｎ型クラッド層３４の伝導帯Ｅｃから、前記活性層３５中に形成された量子井戸層中の量子準位Ｅに注入され、また前記ｐ型電極から前記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０に注入されたホールｈは前記ｐ型クラッド層３６の価電子帯Ｅｖから、前記量子井戸層中の量子準位Ｈに注入されるが、前記レーザダイオードの温度特性の劣化は、かかるキャリアの注入の際に熱的に励起された電子ｅが前記活性層３５中の量子準位Ｅとｐ型クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃとの間のポテンシャル障壁（ΔＥｃ＋Ｅｂｉｌｔ−ｐ）を乗り越えて前記ｐ型クラッド層３６にオーバーフローするのが原因と考えられる。ただしＥｂｉｌｔ−ｐは、ビルトイン電圧からレーザ発振実施例のバイアス電圧を差し引いた量のうちの、ｐ側成分を示す。
【００２２】
図７は、図２のＳ３型レーザダイオード３０中の電流路を示す。ただし図７中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２３】
図７を参照するに、前記電流狭搾層３７は前記斜面部３７Ａにおいて電流通路を形成し、その結果理想的には前記ｐ型電極から前記コンタクト層４０に注入された電流は電流路Ｉ１に沿って前記クラッド層３６の対応する斜面部３６Ａを通り、前記活性層３５のうちの斜面部３５Ａに注入される。一方、前記斜面部３７Ａを通った電流、すなわちホール流の一部は電流路Ｉ２に示すように側方に拡散し、図６で説明した電子のオーバーフローが活性層３５において生じていない場合には、前記クラッド層３６の水平部３６Ｂを通って前記活性層３５の水平部３５Ｂに注入される。
【００２４】
前記活性層３５中には、さらに前記活性層３５に沿って電流路Ｉ３がさらに存在し、前記斜面部３５Ａに注入されたホールの一部は前記電流路Ｉ３に沿って前記斜面部３５Ａから水平部３５Ｂへと脱出することが可能である。しかし、前記水平部３５Ｂには先に説明したように前記電流路Ｉ２に沿ってホールが注入されるため、かかる水平部３５Ｂにおいてホール濃度が上昇し、前記斜面部３５Ａからのホールの脱出は抑制される。また前記活性層３５の斜面部３５Ａでは誘導放出の結果キャリアの枯渇が生じ、このため前記ホール濃度の高い水平部３５Ｂから斜面部３５Ａへのホールの還流が生じる。このような事情で、前記活性層３５において電子のオーバーフローが生じていない場合には、前記電流路Ｉ２に沿った注入電流の拡散が生じても、図２のＳ３型レーザダイオード３０は高い効率でレーザ発振することが可能である。
【００２５】
これに対して、図６で説明した電子のオーバーフローが生じると、前記電流路Ｉ２に沿って流れるホールは前記クラッド層３６の水平領域３６Ｂにおいてオーバーフローした電子と再結合してしまい、その結果、前記電流路Ｉ３に沿って前記活性層３５の斜面領域３５Ａから脱出しようとするホールを抑制する機構が失われてしまう。このため、レーザダイオード３０の発振しきい値は増大し、また所望の大きな光出力を取り出すことが不可能になる。
【００２６】
かかる電子のオーバーフローは、レーザ発振波長が６６５ｎｍ帯域へと短波長側にシフトした場合に顕著に現れる。
【００２７】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用なレーザダイオードおよびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
【００２８】
本発明のより具体的な課題は、波長が６６５ｎｍ以下の帯域において効率的に発振するＳ３型レーザダイオード、およびその製造方法を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
主面上に斜面領域を含む基板と、
前記基板上に形成され、前記基板の斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応したｐ型の斜面領域と、前記ｐ型斜面領域に隣接した、前記基板主面に平行なｎ型領域とよりなる第２のクラッド層とよりなるレーザダイオードにおいて、
前記第１のクラッド層の前記斜面領域は、１×１０18ｃｍ-3以上のキャリア濃度を有し、
前記第１のクラッド層は、０．３５μｍ以上の厚さを有することを特徴とするレーザダイオードにより、または
請求項２に記載したように、
前記第１のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰ膜よりなり、前記第1のクラッド層中のＡｌ組成は、Ａｌ：Ｇａ比が０．７：０．３以上になるように設定されることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードにより、または
請求項３に記載したように、
前記第1のクラッド層の少なくとも一部分は、組成が（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐで表されるＡｌＧａＩｎＰ膜のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードにより、または
請求項４に記載したように、
前記第２のクラッド層は、０．４μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードにより、または
請求項５に記載したように、
前記第２のクラッド層のｎ型領域は、６×１０17ｃｍ-3以上の電子濃度を有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項６に記載したように、
前記活性層による室温でのレーザ発振波長は６６５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項７に記載したように、
前記活性層は、ＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＩｎＰから選ばれる量子井戸層を含み、前記クラッド層はＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓＰから選ばれることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項８に記載したように、
前記第２クラッド層の斜面は（４１１）Ａ面であることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項９に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを同時に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から５０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法により、または
請求項１０に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交互に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から５０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法により、または
請求項１１に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを同時に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記第１のクラッド層が１．５×１０ 18 ｃｍ -3 の濃度でドープされている場合、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から３０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０ 18 ｃｍ -3 以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法。
請求項１２に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交互に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記第１のクラッド層が１．５×１０ 18 ｃｍ -3 の濃度でドープされている場合、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から３０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０ 18 ｃｍ -3 以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法により、解決する。
【００３０】
図６のバンド構造図において、前記活性層３５中に注入された電子のオーバーフローを回避するには、前記ｐ型クラッド層３６中のＡｌ組成を増大させ、バンドギャップをｎ型クラッド層３４のバンドギャップに対して増大させることが考えられる。しかし、このようにすると確かにキャリアのオーバーフローは抑制されるが、レーザダイオード中の屈折率分布が前記活性層の上下あるいは左右において非対称になるため、光閉じ込め特性に好ましくない影響が生じてしまう。また前記ｐ型クラッド層３６のバンドギャップの増大に伴い、レーザダイオードの素子抵抗も増大してしまう。
【００３１】
一方、先にも説明したように、かかるキャリアのオーバーフローは主に伝導帯Ｅｃにおいて生じているため、前記ｐ型クラッド層３６の伝導帯Ｅｃを高エネルギ側にシフトさせても、所望のキャリアオーバーフローの抑制が可能である。このためには、ｐ型クラッド層３６中のフェルミレベルを伝導帯の底（Ｅｃ）に近づける必要がある。
【００３２】
そこで、本発明では、図８のＳ３型レーザダイオードにおいて、ｐ型クラッド層３６中のｐ型ドーパント濃度を増大させることにより、所望のキャリアオーバーフローの抑制を実現する。ｐ型クラッド層３６においてドーパント濃度を高めてキャリア濃度を高めることにより、フェルミレベルはＥｃに近接する。
【００３３】
図９は、前記ｐ型クラッド層３６中のｐ型ドーパント濃度と、前記クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃとの関係を示す。ただし、図９中、ｐ型ドーパントとしてはＺｎを使い、従って横軸は前記クラッド層３６中のＺｎ濃度を、また縦軸は、発振状態での前記量子井戸層中の電子の量子準位Ｅｆ、すなわち電子の擬ポテンシャルレベルから測った、前記クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃの値（Ｅｃ−Ｅｆ）を示す。
【００３４】
図９よりわかるように、前記クラッド層３６中のｐ型ドーパント濃度の増大とともに、前記クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃが増大するのがわかる。
【００３５】
図１０はＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６をＭＯＶＰＥ法により形成する際のｐ型ドーパントの膜中への取り込み効率を、様々なドーピングレベルについて調べた結果を示す。ただし図１０は、（４１１）Ａ面についてのものである。
【００３６】
図１０を参照するに、前記ｐ型クラッド層３６をＭＯＶＰＥ法により形成する際の原料ガス中に含まれるＺｎの気相原料（ＤＥＺｎ：（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）の割合をＩＩＩ族元素の気相原料に対して増加させると、前記クラッド層３６中に取り込まれるＺｎの濃度も両対数プロットで略直線的に増大するのがわかるが、図１０は、膜中のＺｎ濃度が１０１８ｃｍ−３を超えたあたりから前記Ｚｎ濃度が飽和を始めることを示している。
【００３７】
前記クラッド層３６中へのＺｎの供給自体は増大しているため、図１０の結果は、前記Ｚｎ濃度が１０１８ｃｍ−３以上に上昇した前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６の斜面部３６Ａから、よりＺｎ濃度が低い水平部３６Ｂへと、図８中に矢印で示したようなＺｎの拡散が生じていることを示唆している。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層においては、ｐ型不純物の拡散係数が濃度と共に増大することが知られている（Ｓ． Ｎ． Ｇ． Ｃｈｕ ａｎｄ Ｒ． Ａ． Ｌｏｇａｎ， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ．７８，ｐｐ．３００１−３００７）。
【００３８】
かかる前記クラッド層３６中におけるＺｎの斜面部３６Ａから水平部３６Ｂへの拡散の結果、図１１に示すように、前記Ｓ３型レーザダイオード中には、前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６の水平部３６Ｂ中に、前記斜面部３６Ａに隣接して、Ｚｎの高濃度領域３６ｂが形成される。かかる高濃度領域３６ｂは図６のバンド構造図においてクラッド層３６の伝導帯Ｅｃを高エネルギ側にシフトさせ、その結果かかる領域への電子のオーバーフローが抑制される。
【００３９】
これに伴い、前記コンタクト層４０に注入されたホール流は前記クラッド層３６において斜面部３６Ａに集中し、レーザダイオードの温度特性が向上する。
【００４０】
図１２は、かかるクラッド層３６の斜面部３６Ａに注入されたｐ型ドーパントの濃度とレーザダイオードの特性温度Ｔ０との関係を示す。
【００４１】
図１２よりわかるように、ｐ型ドーパント濃度が増大するにつれて、レーザダイオードの特性温度は向上しており、図１１で示したような高濃度領域３６ｂによる電子のオーバーフロー抑制効果が生じているのがわかる。
【００４２】
ところで、図１１のＳ３型レーザダイオードでは、前記ｐ型クラッド層３６は活性層３５に隣接しているため、Ｚｎ濃度を増大させると、ドーパントとしてクラッド層３６に導入されたＺｎが前記活性層３５にまで拡散して侵入してしまい、発光が生じる活性層３５の結晶品質を低下させるおそれがある。かかる望ましくないＺｎの活性層３５への侵入を抑制し、同時に前記クラッド層３６中における側方へのＺｎの拡散を促進するためには、前記クラッド層３６の厚さを最適化する必要がある。
【００４３】
図１３は図１１のレーザダイオードにおいて、１×１０１８ｃｍ−３の濃度にＺｎをドープしたクラッド層３６の厚さを様々に変化させた場合のレーザダイオードの特性温度Ｔ０を示す。
【００４４】
図１３を参照するに、前記レーザダイオードの特性温度Ｔ０は、クラッド層３６の厚さが０．２５μｍでは約６３Ｋと小さいが、クラッド層３６の厚さが０．３５μｍ以上では８０Ｋ以上に増大することがわかる。これは、前記クラッド層３６の厚さを増大させることで、前記斜面部３６Ａと水平部３６Ｂとの境界部の厚さ、すなわち拡散窓の大きさが増大したことによるものと考えられる。このように、前記クラッド層３６は０．３５μｍ以上の厚さに形成するのが好ましいと考えられる。
【００４５】
さらにＳＩＭＳ分析の結果から、前記クラッド層３６から活性層３５へのＺｎの拡散は、前記クラッド層３６が１．５×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされている場合、約３０ｎｍの深さにまで達することが確認された。このことは、かかる活性層３５中へのＺｎの侵入が、前記クラッド層３６を、最初に非ドープ状態で約５０ｎｍあるいはそれ以上の厚さに形成し、しかる後にＺｎドーピングを開始することで、効果的に回避できることを意味している。
【００４６】
図１１のレーザダイオードでは、さらに前記クラッド層３６中のＡｌ濃度を増大させることにより、前記電子のオーバーフローを抑制することも可能である。
【００４７】
図１４は、組成が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ＩｎＰで表されるＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６において、Ａｌの組成パラメータｘを０．７〜１．０の間で変化させた場合の、クラッド層３６のバンドギャップＥｇと伝導帯Ｅｃのシフトを示す。
【００４８】
そこで、前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６においては、図９に従ってＺｎ等のｐ型ドーパントの濃度を増大させ、また図１４に従ってＡｌ組成を増大させることにより、所望の電流閉じ込め効果を実現することができる。ただし、先に説明したように、前記クラッド層３６中のＡｌ組成を増大させると、光閉じ込めや素子抵抗に問題が生じ、このためキャリアのオーバーフローを生じるようなＳ３型レーザダイオードでは、図９および図１１に示すドーパント濃度の増大による電流閉じ込めは不可欠であると考えられる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１実施例によるレーザダイオードおよびその製造工程を、図１５（Ａ）〜図２０（Ｊ）を参照しながら説明する。このうち、図１６（Ｃ）〜図２０（Ｊ）は、形成したいレ−ザダイオ−ドダイオードの端面図を示す。
【００５０】
図１５（Ａ）を参照するに、最初にＳｉにより約２×１０１８ｃｍ−３の濃度でｎ型にドープされた３インチあるいは４インチ径のＧａＡｓ基板５１上にレジスト膜を塗布し、さらにこれをフォトリソグラフィー工程によりパターニングして幅が１００μｍのストライプ状のレジストパターンを１００μｍ間隔で形成する。ただし、前記ＧａＡｓ基板５１としては、（１００）面から＜１１１＞Ａ方向に６°傾斜した主面を有する傾斜基板を使う。
【００５１】
次に図１５（Ｂ）の工程において、このようにして前記レジストパターンを形成したＧａＡｓ基板５１をＨＦを含むエッチャント中においてウェットエッチングし、（１００）面に対して１４〜２０°の角度で傾斜した、（３１１）Ａ〜（４１１）Ａ面あるいはそれに近い斜面５１Ａにより画成される溝５１Ｂを、約０．５μｍの深さに形成する。
【００５２】
次に図１６（Ｃ）の工程において前記基板５１をＭＯＶＰＥ装置中に導入し、基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＡｓＨ３を気相原料として１：１００の流量比で供給することにより、前記斜面５１Ａを覆うようにｎ型ＧａＡｓバッファ層５２を２μｍ／時の成長速度で約１．５μｍの厚さになるように形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記バッファ層５２中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。前記バッファ層５２は前記斜面５１Ａを形成された基板５１の表面形状に沿って成長し、前記斜面５１Ａに対応する（４１１）Ａ面付近の面方位を持つ成長ファセットが表れる斜面部５２Ａと、前記基板５１の主面に平行な水平部５２Ｂとよりなる。
【００５３】
次に図１６（Ｄ）の工程において、前記バッファ層５２上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｎ型ＧａＩｎＰ中間層５３を、６８０°Ｃの基板温度でＴＥＧ（トリエチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が５００：１になるように供給し、１μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記中間ｎ層５３中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成された中間層５３は前記バッファ層５２の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面で画成された斜面部を有する。
【００５４】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記中間層５３上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５４を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５４中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５４は前記中間層５３の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５５】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記第１のｎ型クラッド層５４上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５５を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１００：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で１．０μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５５中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５５は前記クラッド層５４の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５６】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記第２のｎ型クラッド層５５上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第３のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５６を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５６中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５６は前記クラッド層５５の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５７】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記第３のｎ型クラッド層５６上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第４のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５７を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１００：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．２５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５７中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５７は前記クラッド層５５の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５８】
次に図１７（Ｅ）の工程では、このようにして形成された前記第４のｎ型クラッド層５７上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１のＡｌＧａＩｎＰ光導波層５８を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１５０：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で３０ｎｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記光導波層５８中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成された光導波層５８は前記クラッド層５７の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５９】
さらに図１７（Ｅ）の工程では、このようにして形成された前記第１のｎ型光導波層５８上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２の非ドープＡｌＧａＩｎＰ光導波層５９を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が３００：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で２０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成された光導波層５９は前記光導波層５８の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６０】
さらに図１７（Ｅ）の工程では、このようにして形成された前記第２の非ドープ光導波層５９上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される非ドープＡｌＧａＩｎＰバリア層と組成がＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐで表される非ドープＧａＩｎＰ量子井戸層とを、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として供給し、交互に繰り返し形成する。前記ＧａＩｎＰ量子井戸層を形成する場合には前記Ｖ族原料に対する前記ＩＩＩ族原料の流量比を５００：１に設定し、前記量子井戸層は０．９μｍ／時の成長速度で５ｎｍの厚さに形成される。このようにして形成された量子井戸層は、０．７％の歪を蓄積する。前記ＡｌＧａＩｎＰバリア層を形成する場合には前記Ｖ族原料に対する前記ＩＩＩ族原料の流量比を３００：１に設定し、前記バリア層は１．６μｍ／時の成長速度で４．５ｎｍの厚さに形成する。
【００６１】
前記量子井戸層を３層形成し、間に２層のバリア層を介在させることにより、歪ＭＱＷ構造の活性層６０が形成される。このようにして形成された活性層６０は前記光導波層５９の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６２】
図１７（Ｅ）の工程では、さらにこのようにして形成された前記活性層６０上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１の非ドープＡｌＧａＩｎＰ光導波層６１を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料ととＩＩＩ族原料の流量比が３００：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で１０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成された光導波層６１は前記活性層６０の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６３】
図１７（Ｅ）の工程では、さらにこのようにして形成された第１の光導波層６１上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２の非ドープＡｌＧａＩｎＰ光導波層６２を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１５０：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で４０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成された光導波層６２は前記光導波層６１の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６４】
次に図１７（Ｆ）の工程において、このようにして形成された光導波層６２上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１１０：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．４５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎをドーパントガスとして加える。このようにして形成されたクラッド層６３は前記光導波層６２の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有するが、前記ＤＥＺｎをドーパントとして使うことにより、前記クラッド層６３中のホール濃度は前記斜面部６３Ａにおいて約１．５×１０１８ｃｍ−３の値に、またその両側の水平部６３Ｂにおいて約２．２×１０１７ｃｍ−３の値に設定される。
【００６５】
前記クラッド層６３ではホール濃度が前記斜面部６３Ａにおいて高いためｐ型ドーパントの拡散係数が大きく、このためドープされたＺｎ原子は前記斜面部６３Ａから隣接する水平部６３Ｂに拡散するが、前記水平部６３ＢではＺｎ濃度が低いため拡散速度は低下する。その結果、先に図１１で説明したように、前記水平部６３Ｂのうち、前記斜面部６３Ａに隣接した限られた領域にのみ、Ｚｎ原子の濃集が生じる
次に図１８（Ｇ）の工程において、このようにして形成された第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される電流狭搾層６４を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．４０μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎおよびＨ２Ｓｅをドーパントガスとして交互に加える。このようにして形成された電流狭搾層６４は前記クラッド層６３の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部６４Ａとその両側の水平部６４Ｂとよりなるが、前記ＤＥＺｎおよびＨ２Ｓｅをドーパントとして使うことにより、斜面部６４Ａではホール濃度が約７×１０１７ｃｍ−３，電子濃度が約２×１０１７ｃｍ−３となり、前記斜面部は全体としてｐ型にドープされる。これに対し、その両側の水平部６４Ｂではホール濃度が約２×１０１７ｃｍ−３，電子濃度が約６×１０１７ｃｍ−３となり、前記水平部６４Ｂは全体としてｎ型にドープされる。先に説明した図５を参照。前記ＤＥＺｎおよびＨ２Ｓｅを交互に供給して前記電流狭搾層６４をｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントにより交互にドープする工程は例えば２０回繰り返され、１サイクルごとに２０ｎｍの厚さのＡｌＧａＩｎＰ層を成長させるとすると、電流狭搾層６４は、全体で先に説明した０．４μｍの厚さに形成される。
【００６６】
さらに図１８（Ｈ）の工程で、このようにして形成された電流狭搾層６４上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．６５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎをドーパントガスとして加えることにより、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成されたクラッド層６５の斜面部６５Ａは、約１．５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度にドープされる。
【００６７】
次に図１９（Ｉ）の工程において、このようにして形成されたクラッド層６５上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐから（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐまで徐々に変化するＡｌＧａＩｎＰグレーデッド層６６を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．６５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎをドーパントガスとして加えることにより、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成されたグレーデッド層６６の斜面部６６Ａは、約１×１０１８ｃｍ−３のホール濃度にドープされる。前記グレーデッド層６６では、前記クラッド層６５に接する２０ｎｍの厚さの領域において、前記Ａｌ濃度の値は膜厚方向に直線的に減少する。
【００６８】
次に、基板温度を７１０°Ｃから６８０°Ｃに降下させ、前記グレーデッド層６６上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｐ型ＧａＩｎＰ中間層６７を、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として使い、０．１μｍの厚さに形成する。前記中間層６７を形成する際には、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として使い、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比を５００：１に設定し、１μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、ｐ型ドーパントガスとしてＤＥＺｎを前記原料ガスに添加し、前記中間層６７は約１．０×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度にドープされる。
【００６９】
さらに前記中間層６７上にｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層６８を、６８０°Ｃの基板温度でＡｓＨ３とＴＭＧを１００：１の流量比で供給することにより、２μｍ／時の成長速度で１μｍの厚さに形成する。その際、ＤＥＺｎをドーパントガスとして使い、前記コンタクト層６８は斜面部において約１．５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度にドープされる。
【００７０】
さらに基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３をＶ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が５００：１になるように供給し、前記コンタクト層６８上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐのｐ型ＧａＩｎＰよりなる第１のキャップ層６９を、１μｍ／時の成長速度で０．０３μｍの厚さに形成する。その際、ＤＥＺｎをドーパントガスとして使い、前記キャップ層６９は１．０×１０１８ｃｍ−３のホール濃度にドープされる。
【００７１】
前記キャップ層６９の形成の後、基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３をＶ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が５００：１になるように供給し、前記第１のキャップ層６９上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐのｎ型ＧａＩｎＰよりなる第２のキャップ層７０を、１μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、Ｓｉ２Ｈ６をドーパントガスとして使い、前記キャップ層７０は約２×１０１８ｃｍ−３の電子濃度にドープされる。
【００７２】
さらに前記第２のキャップ層７０の形成の後、基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＭＧおよびＡｓＨ３をＡｓＨ３とＴＭＧの流量比が１００：１になるように供給することにより、前記第２のキャップ層７０上に２μｍ／時の成長速度で非ドープＧａＡｓカバー層７１を１μｍの厚さに形成する。
【００７３】
さらに、図２０（Ｊ）の工程において、前記カバー層７１およびキャップ層７０，６９を所定の電極形成領域において前記コンタクト層６８が露出するまでウェットエッチング法により除去し、さらにＡｕＺｎ／Ａｕ構造のｐ型コンタクト電極層７２を前記コンタクト層６８上に形成する。また前記基板５１の裏面に、Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕ構造のｎ型コンタクト電極層７３を形成する。
【００７４】
さらに、このようにして形成された構造は図示しないへき開工程においてへき開され、一方のへき開面Ｍ１に反射防止膜を、また他方のへき開面Ｍ２に反射膜を形成することにより、長さＬを有する光共振器が形成される。
【００７５】
なお、図１６（Ｃ）〜図１９（Ｉ）の工程は、同一のＭＯＶＰＥ装置中において、連続して、すなわち途中で外部に取り出したりすることなく行うことができる。
【００７６】
このようにして得られた、図２０（Ｊ）のレーザダイオードは、先にも説明したように前記ｐ型クラッド層６３中の水平部６３Ｂにおいて、斜面部６３Ａと接する領域にＺｎの高濃度領域が形成され、その結果、かかる高濃度領域において電子のオーバーフローが効果的に抑制され、前記ｐ型電極７２から注入されたホール流は前記活性層６０の斜面部に集中的に注入される。これにより、６６５ｎｍ以下の発振波長においてもレ−ザダイオ−ドのしきい値電流は減少し、動作環境温度が６０〜７０°Ｃであっても５０〜７０ｍＷの高光出力を得ることが可能になる。さらに、前記活性層６０は前記高濃度ｐ型クラッド層６３から厚さが１０ｎｍおよび４０ｎｍの光ガイド層６１，６２で隔てられているため、レ−ザダイオ−ドを長期間通電動作させても前記クラッド層６３中のＺｎが前記活性層６０中に侵入してレ−ザ発振効率を劣化させる問題は生じない。前記電流狭搾層６４は０．４０μｍの厚さに形成されているため、レ−ザダイオ−ドが高温条件下で高出力動作した場合にも、前記電流狭搾層６４は所望の電流狭搾作用を生じ、効率的なレーザ発振が実現される。
【００７７】
なお、図２０（Ｊ）のレーザダイオードにおいて、前記ｎ型クラッド層５７を組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．２３μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層と組成が（Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．０２μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層の積層構造としてもよい。同様に、前記ｐ型クラッド層６３を組成が（Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層と組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層の積層構造としてもよい。
【００７８】
また、前記活性層６０としては、組成がＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐで厚さが５ｎｍの量子井戸層を４層積層し、間に組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐのバリア層を介在させた構成としてもよい。
【００７９】
また前記レ−ザダイオ−ドにおいて、前記活性層６０は、ＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＩｎＰから選ばれる量子井戸層よりなり、前記クラッド層はＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓＰから構成してもよい。
【００８０】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、いわゆるＳ３型のレーザダイオードにおいて、活性層と電流狭搾層との間に配設されるｐ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上に設定し、前記ｐ型クラッド層の厚さを０．３５μｍよりも大に設定することにより、前記ｐ型クラッド層の斜面部に隣接した領域のバンド不連続が増大し、電子のオーバーフローが抑制される。このためレ−ザダイオ−ドの温度特性が向上し、動作環境温度が６０〜７０°Ｃであっても、６６０ｎｍ以下の波長帯域で５０〜７０ｍＷの大きな光出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリッジ型レ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図２】従来のＳ３型レ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図３】図２のレーザダイオードで使われる、ｐ型ドーパントのクラッド層への取り込み効率の結晶面依存性を説明する図である。
【図４】図２のレーザダイオードで使われる、ｎ型ドーパントのクラッド層への取り込み効率の結晶面依存性を説明する図である。
【図５】図２のレーザダイオードで使われる、クラッド層中に形成された電流狭搾構造を示す図である。
【図６】図２のレーザダイオードにおいて生じるキャリアオーバーフローを説明するバンド構造図である。
【図７】図２のレーザダイオードにおける、注入電流の経路を示す図である。
【図８】本発明の原理を説明する図（その１）である。
【図９】本発明の原理を説明する図（その２）である。
【図１０】本発明の原理を説明する図（その３）である。
【図１１】本発明の原理を説明する図（その４）である。
【図１２】本発明の原理を説明する図（その５）である。
【図１３】本発明の原理を説明する図（その６）である。
【図１４】本発明の原理を説明する図（その７）である。
【図１５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その１）である。
【図１６】（Ｃ），（Ｄ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その２）である。
【図１７】（Ｅ），（Ｆ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その３）である。
【図１８】（Ｇ），（Ｈ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その４）である。
【図１９】（Ｉ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その５）である。
【図２０】（Ｊ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その６）である。
【符号の説明】
１０ リッジ型レ−ザダイオ−ド
１１，３１，５１ 基板
１２，３２，５２ バッファ層
１３，１５，３４，３６、３８，５４〜５７，６３，６５ クラッド層
１４，３５，６０ 活性層
１６ エッチングストッパ層
１７ リッジストライプ
１８，３３，３９，５３，６７ 中間層
１９ 電流阻止領域
２０，４０，６８ コンタクト層
３０ Ｓ３型レ−ザダイオ−ド
３６Ａ，６３Ａ コンタクト層斜面領域
３６Ｂ，６３Ｂ コンタクト層水平領域
３７，６４ 電流狭搾層
３７Ａ ｐ型斜面領域
３７Ｂ ｎ型水平領域
５１Ａ 斜面
５１Ｂ 溝
５８，５９，６１，６２ 光導波層
６６ グレーデッド層
６９，７０ キャップ層
７１ カバー層
７２ ｐ型電極
７３ ｎ型電極
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にレーザダイオードに関し、特にＧａＡｓ基板上に形成された横モード制御型のレーザダイオードに関する。
【０００２】
ＡｌＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰをクラッド層に使うレーザダイオードは、可視赤色波長領域で発振し、ビームスポットを小さく絞り込むことができるので、ＤＶＤ装置などの高密度光ディスク記録装置の光源として使われる。
【０００３】
【従来の技術】
ＡｌＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰは、ＧａＡｓに格子整合するＩＩＩ−Ｖ族材料系としては最大のバンドギャップを有し、特に赤色波長域のレーザダイオードのクラッド層として必須の材料である。
【０００４】
図１は、従来の典型的な順メサ型の屈折率導波リッジ構造を有するリッジ型レーザダイオード１０の構造を示す図である。
【０００５】
図１を参照するに、レーザダイオードはｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されており、前記基板１１上に形成されたｎ型ＧａＡｓバッファ層１２と、前記バッファ層１２上に形成された、組成がＡｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１３と、前記クラッド層１３上に形成された歪多重量子井戸構造を有する活性層１４とを含み、前記活性層１４は厚さが６ｎｍのＧａＩｎＰ量子井戸層と厚さが４ｎｍで組成が例えばＡｌ０．２Ｇａ０．３Ｉｎ０．５ＰのＡｌＧａＩｎＰ障壁層とを繰り返し積層し、さらにかかる積層構造を厚さが１０ｎｍで組成がＡｌ０．２Ｇａ０．３Ｉｎ０．５ＰのＡｌＧａＩｎＰの一対の光導波層で上下方向に挟持した構成を有する。
【０００６】
前記活性層１４上には、組成がＡｌ０．３５Ｇａ０．１５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５と、前記クラッド層１５上に形成されたｐ型ＧａＩｎＰエッチングストッパ層１６とが形成され、さらに前記エッチングストッパ層１６上には組成が、Ａｌ ０．３５ Ｇａ ０．１５ Ｉｎ ０．５ Ｐのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７とｐ型ＧａＩｎＰ中間層１８とが形成される。前記クラッド層１７と中間層１８とはフォトリソグラフィー工程によりパターニングされて順メサリッジ構造を形成し、さらにその両側にｎ型ＧａＡｓ層よりなる電流阻止領域１９が形成される。
さらに、前記電流阻止領域１９上には、前記メサ領域において前記中間層１８とコンタクトするように、ｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層２０が形成される。
【０００７】
さらに、前記電流阻止領域１９上には、前記メサ領域において前記中間層１８とコンタクトするように、ｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層２０が形成される。
【０００８】
かかる構成のリッジ型レーザダイオードでは、前記活性層１４にＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ構成の歪多重量子井戸構造を使うことにより、所望の可視波長でのレーザ発振を実現できる。また、レーザ中央部に軸方向に延在するリッジ構造を形成し、両側に電流阻止領域１９を配置することで、駆動電流を前記リッジ構造に集中させることが可能になる。また、前記リッジ構造およびＧａＡｓ電流阻止領域１９の組み合わせは、前記活性層１４で形成された光放射を前記リッジ構造に閉じ込めて導波するのに有効である。
【０００９】
しかし、かかる従来のリッジ型レーザダイオードでは、メサ構造を形成するためにフォトリソグラフィー工程が必要で、さらに前記電流阻止領域１９をＧａＡｓ層の再成長により形成する必要があるため、製造工程が複雑である問題を有していた。さらに図１のリッジ型レーザダイオードでは、前記ＧａＡｓ電流阻止領域１９が前記活性層１４で形成された光放射を吸収するためレーザ発振のしきい値が高くなり、発光効率が低い問題点を有していた。
【００１０】
図１のリッジ型レーザダイオードにおいて、前記メサ構造を逆メサ構造とし、素子抵抗を低減する構成も公知であるが、かかる構造のレーザダイオードにおいても、上記の問題は避けられない。
【００１１】
これに対し、本発明の発明者は、先に特開平０６−０４５７０８号公報において、図２に示す、いわゆるＳ３（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｓｔｅｐｐｅｄ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ：Ｓキューブ）構造のレーザダイオード３０を提案した。
【００１２】
図２を参照するに、前記レーザダイオード３０は（３１１）Ａあるいは（４１１）Ａ面よりなるストライプ状の傾斜面を画成されたｎ型ＧａＡｓ基板３１上に構成されており、前記基板３１上に前記傾斜面を覆うように前記基板３１の表面形状に沿って形成され、前記基板３１の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＧａＡｓバッファ層３２と、前記バッファ層３２上に前記バッファ層３２の表面形状に沿って形成され、前記バッファ層３２の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＧａＩｎＰ中間層３３と、前記中間層３３上に前記中間層３３の表面形状に沿って形成され、前記中間層３３の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるクラッド層３４と、前記クラッド層３４上に前記クラッド層３４の表面形状に沿って形成され、前記クラッド層３４の傾斜面に対応する傾斜面を有し、前記活性層１４と同様な歪多重量子井戸構造を有する活性層３５とを含み、さらに前記活性層３５上には前記活性層３５の表面形状に沿って形成され、前記活性層３５の傾斜面に対応する傾斜面を有するｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるクラッド層３６と、前記クラッド層３６上に前記クラッド層３６の表面形状に沿って形成され、前記クラッド層３６の傾斜面に対応する傾斜面を有するｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなる電流狭搾層３７と、前記電流狭搾層３７上に前記電流狭搾層３７の表面形状に沿って形成され、前記電流狭搾層３７の傾斜面に対応する傾斜面を有するｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３８と、前記クラッド層３８上に前記クラッド層３８の表面形状に沿って形成され、前記クラッド層３８の傾斜面に対応する傾斜面を有するＧａＩｎＰ中間層３９と、前記中間層３９上に前記中間層３９の表面形状に沿って形成され、前記中間層３９の傾斜面に対応する傾斜面を有するｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０とを含む。さらに前記ＧａＡｓ基板３１の下主面には図示は省略するがｎ型電極が、また前記コンタクト層４０上には図示を省略したｐ型電極が形成される。
【００１３】
前記半導体層３２〜４０は前記傾斜面を形成された基板３１上にＭＯＶＰＥ法により順次形成されるが、前記電流狭搾層３７を形成する際にはＭｇあるいはＺｎよりなるｐ型ドーパントとＳｅやＳなどよりなるｎ型ドーパントの両者を気相原料に添加しておくことにより、前記電流狭搾層３７の傾斜面部分３７Ａのみをｐ型に、水平部分３７Ｂをｎ型にドープさせることが可能である。
【００１４】
図３はＡｌＧａＩｎＰ層の様々な傾斜面へのＭｇおよびＺｎの取り込まれ効率を、また図４は同じＡｌＧａＩｎＰ層の様々な傾斜面へのＳｅの取り込まれ効率を示す。
【００１５】
図３，４を参照するに、Ａ方向への傾斜角が増大するにつれてＡｌＧａＩｎＰ層へのＭｇあるいはＺｎの取り込まれ効率は増大し、同時にＳｅの取り込まれ効率が減少するのがわかる。
【００１６】
図５は、このようなｐ型ドーパントとｎ型ドーパントを同時にドープされたＡｌＧａＩｎＰ層における（１００）面からの傾斜角とキャリア濃度、すなわち電子濃度とホール濃度との関係を示す。
【００１７】
図５を参照するに、電子濃度はＡｌＧａＩｎＰ層の傾斜角がＡ面方向に増大するにつれて急激に減少し、一方ホール濃度は急激に増大する。このため、例えば前記ＡｌＧａＩｎＰ電流狭搾層３７は（１００）面あるいはこれに近い面方位を有する前記水平領域３７Ｂにおいてはｎ型にドープされ、一方（３１１）Ａ面あるいは（４１１）Ａ面に対応する方位を有する傾斜領域３７Ａではｐ型にドープされることがわかる。また、このような構造を実現する別の手段として、ｐ型ドープ層とｎ型ドープ層とを交互に薄く積層する方法、すなわち交互ドープ法がある。
【００１８】
このようなＳ３型レーザダイオード３０は、６８５ｎｍ帯域の高出力レーザ素子として実用化されている。かかるレーザダイオード３０は、最初に基板３１上に傾斜面を形成する工程以外はフォトリソグラフィー工程が必要なく、また電流狭搾層をマスクパターンを使った再成長工程により形成する必要もないため、製造工程が簡単で、歩留り良く製造することができる。かかる電流狭搾層３７により、キャリアは前記活性層３５の傾斜領域に選択的に注入され、かかる傾斜領域において発光が生じるが、前記活性層３５のうちの傾斜領域は上下および左右が屈折率の小さいＡｌＧａＩｎＰクラッド層３４および３６で囲まれているため実屈折率導波構造が形成され、光吸収を利用した複素屈折率導波構造におけるような光吸収およびこれに伴うレーザ発振しきい値の増大の問題が生じない。さらにレーザダイオード３０は非点収差が小さい好ましい特徴を有する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
一方、かかるＳ３型レーザダイオードにより、最近のＤＶＤ装置等の光ディスク装置で使われる６６５ｎｍ以下の波長の光源を実現しようとすると、６０〜７０°Ｃの動作温度において特性温度Ｔ０が劣化し、また光出力の、注入電流に対する微分効率が劣化してしまい、所望の大きな出力を得らない問題が生じていた。ただし特性温度Ｔ０は、レーザ発振の際のしきい値電流の温度変化を示す指標であり、特性温度Ｔ０が大きいほど動作特性の温度依存性が小さく、特別な温度制御を行わなくともレーザダイオードが安定に動作する。
【００２０】
図６は、かかるレーザダイオード３０の温度特性の劣化の機構を示すバンド構造図である。ただし図６はレーザ発振に必要なレベルまでバイアス電圧が印加されている状態を示す。
【００２１】
図６を参照するに、前記ｎ型電極から前記ｎ型ＧａＡｓ基板３１に注入された電子ｅは、前記ｎ型クラッド層３４の伝導帯Ｅｃから、前記活性層３５中に形成された量子井戸層中の量子準位Ｅに注入され、また前記ｐ型電極から前記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０に注入されたホールｈは前記ｐ型クラッド層３６の価電子帯Ｅｖから、前記量子井戸層中の量子準位Ｈに注入されるが、前記レーザダイオードの温度特性の劣化は、かかるキャリアの注入の際に熱的に励起された電子ｅが前記活性層３５中の量子準位Ｅとｐ型クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃとの間のポテンシャル障壁（ΔＥｃ＋Ｅｂｉｌｔ−ｐ）を乗り越えて前記ｐ型クラッド層３６にオーバーフローするのが原因と考えられる。ただしＥｂｉｌｔ−ｐは、ビルトイン電圧からレーザ発振実施例のバイアス電圧を差し引いた量のうちの、ｐ側成分を示す。
【００２２】
図７は、図２のＳ３型レーザダイオード３０中の電流路を示す。ただし図７中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２３】
図７を参照するに、前記電流狭搾層３７は前記斜面部３７Ａにおいて電流通路を形成し、その結果理想的には前記ｐ型電極から前記コンタクト層４０に注入された電流は電流路Ｉ１に沿って前記クラッド層３６の対応する斜面部３６Ａを通り、前記活性層３５のうちの斜面部３５Ａに注入される。一方、前記斜面部３７Ａを通った電流、すなわちホール流の一部は電流路Ｉ２に示すように側方に拡散し、図６で説明した電子のオーバーフローが活性層３５において生じていない場合には、前記クラッド層３６の水平部３６Ｂを通って前記活性層３５の水平部３５Ｂに注入される。
【００２４】
前記活性層３５中には、さらに前記活性層３５に沿って電流路Ｉ３がさらに存在し、前記斜面部３５Ａに注入されたホールの一部は前記電流路Ｉ３に沿って前記斜面部３５Ａから水平部３５Ｂへと脱出することが可能である。しかし、前記水平部３５Ｂには先に説明したように前記電流路Ｉ２に沿ってホールが注入されるため、かかる水平部３５Ｂにおいてホール濃度が上昇し、前記斜面部３５Ａからのホールの脱出は抑制される。また前記活性層３５の斜面部３５Ａでは誘導放出の結果キャリアの枯渇が生じ、このため前記ホール濃度の高い水平部３５Ｂから斜面部３５Ａへのホールの還流が生じる。このような事情で、前記活性層３５において電子のオーバーフローが生じていない場合には、前記電流路Ｉ２に沿った注入電流の拡散が生じても、図２のＳ３型レーザダイオード３０は高い効率でレーザ発振することが可能である。
【００２５】
これに対して、図６で説明した電子のオーバーフローが生じると、前記電流路Ｉ２に沿って流れるホールは前記クラッド層３６の水平領域３６Ｂにおいてオーバーフローした電子と再結合してしまい、その結果、前記電流路Ｉ３に沿って前記活性層３５の斜面領域３５Ａから脱出しようとするホールを抑制する機構が失われてしまう。このため、レーザダイオード３０の発振しきい値は増大し、また所望の大きな光出力を取り出すことが不可能になる。
【００２６】
かかる電子のオーバーフローは、レーザ発振波長が６６５ｎｍ帯域へと短波長側にシフトした場合に顕著に現れる。
【００２７】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用なレーザダイオードおよびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
【００２８】
本発明のより具体的な課題は、波長が６６５ｎｍ以下の帯域において効率的に発振するＳ３型レーザダイオード、およびその製造方法を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
請求項１に記載したように、
主面上に斜面領域を含む基板と、
前記基板上に形成され、前記基板の斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応したｐ型の斜面領域と、前記ｐ型斜面領域に隣接した、前記基板主面に平行なｎ型領域とよりなる第２のクラッド層とよりなるレーザダイオードにおいて、
前記第１のクラッド層の前記斜面領域は、１×１０18ｃｍ-3以上のキャリア濃度を有し、
前記第１のクラッド層は、０．３５μｍ以上の厚さを有することを特徴とするレーザダイオードにより、または
請求項２に記載したように、
前記第１のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰ膜よりなり、前記第1のクラッド層中のＡｌ組成は、Ａｌ：Ｇａ比が０．７：０．３以上になるように設定されることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードにより、または
請求項３に記載したように、
前記第1のクラッド層の少なくとも一部分は、組成が（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐで表されるＡｌＧａＩｎＰ膜のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードにより、または
請求項４に記載したように、
前記第２のクラッド層は、０．４μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオードにより、または
請求項５に記載したように、
前記第２のクラッド層のｎ型領域は、６×１０17ｃｍ-3以上の電子濃度を有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項６に記載したように、
前記活性層による室温でのレーザ発振波長は６６５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項７に記載したように、
前記活性層は、ＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＩｎＰから選ばれる量子井戸層を含み、前記クラッド層はＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓＰから選ばれることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項８に記載したように、
前記第２クラッド層の斜面は（４１１）Ａ面であることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載のレーザダイオードにより、または
請求項９に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを同時に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から５０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法により、または
請求項１０に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交互に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から５０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法により、または
請求項１１に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを同時に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記第１のクラッド層が１．５×１０ 18 ｃｍ -3 の濃度でドープされている場合、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から３０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０ 18 ｃｍ -3 以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法。
請求項１２に記載したように、
主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交互に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記第１のクラッド層が１．５×１０ 18 ｃｍ -3 の濃度でドープされている場合、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から３０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０ 18 ｃｍ -3 以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法により、解決する。
【００３０】
図６のバンド構造図において、前記活性層３５中に注入された電子のオーバーフローを回避するには、前記ｐ型クラッド層３６中のＡｌ組成を増大させ、バンドギャップをｎ型クラッド層３４のバンドギャップに対して増大させることが考えられる。しかし、このようにすると確かにキャリアのオーバーフローは抑制されるが、レーザダイオード中の屈折率分布が前記活性層の上下あるいは左右において非対称になるため、光閉じ込め特性に好ましくない影響が生じてしまう。また前記ｐ型クラッド層３６のバンドギャップの増大に伴い、レーザダイオードの素子抵抗も増大してしまう。
【００３１】
一方、先にも説明したように、かかるキャリアのオーバーフローは主に伝導帯Ｅｃにおいて生じているため、前記ｐ型クラッド層３６の伝導帯Ｅｃを高エネルギ側にシフトさせても、所望のキャリアオーバーフローの抑制が可能である。このためには、ｐ型クラッド層３６中のフェルミレベルを伝導帯の底（Ｅｃ）に近づける必要がある。
【００３２】
そこで、本発明では、図８のＳ３型レーザダイオードにおいて、ｐ型クラッド層３６中のｐ型ドーパント濃度を増大させることにより、所望のキャリアオーバーフローの抑制を実現する。ｐ型クラッド層３６においてドーパント濃度を高めてキャリア濃度を高めることにより、フェルミレベルはＥｃに近接する。
【００３３】
図９は、前記ｐ型クラッド層３６中のｐ型ドーパント濃度と、前記クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃとの関係を示す。ただし、図９中、ｐ型ドーパントとしてはＺｎを使い、従って横軸は前記クラッド層３６中のＺｎ濃度を、また縦軸は、発振状態での前記量子井戸層中の電子の量子準位Ｅｆ、すなわち電子の擬ポテンシャルレベルから測った、前記クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃの値（Ｅｃ−Ｅｆ）を示す。
【００３４】
図９よりわかるように、前記クラッド層３６中のｐ型ドーパント濃度の増大とともに、前記クラッド層３６の伝導帯エネルギＥｃが増大するのがわかる。
【００３５】
図１０はＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６をＭＯＶＰＥ法により形成する際のｐ型ドーパントの膜中への取り込み効率を、様々なドーピングレベルについて調べた結果を示す。ただし図１０は、（４１１）Ａ面についてのものである。
【００３６】
図１０を参照するに、前記ｐ型クラッド層３６をＭＯＶＰＥ法により形成する際の原料ガス中に含まれるＺｎの気相原料（ＤＥＺｎ：（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）の割合をＩＩＩ族元素の気相原料に対して増加させると、前記クラッド層３６中に取り込まれるＺｎの濃度も両対数プロットで略直線的に増大するのがわかるが、図１０は、膜中のＺｎ濃度が１０１８ｃｍ−３を超えたあたりから前記Ｚｎ濃度が飽和を始めることを示している。
【００３７】
前記クラッド層３６中へのＺｎの供給自体は増大しているため、図１０の結果は、前記Ｚｎ濃度が１０１８ｃｍ−３以上に上昇した前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６の斜面部３６Ａから、よりＺｎ濃度が低い水平部３６Ｂへと、図８中に矢印で示したようなＺｎの拡散が生じていることを示唆している。ＩＩＩ−Ｖ族半導体層においては、ｐ型不純物の拡散係数が濃度と共に増大することが知られている（Ｓ． Ｎ． Ｇ． Ｃｈｕ ａｎｄ Ｒ． Ａ． Ｌｏｇａｎ， Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ｖｏｌ．７８，ｐｐ．３００１−３００７）。
【００３８】
かかる前記クラッド層３６中におけるＺｎの斜面部３６Ａから水平部３６Ｂへの拡散の結果、図１１に示すように、前記Ｓ３型レーザダイオード中には、前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６の水平部３６Ｂ中に、前記斜面部３６Ａに隣接して、Ｚｎの高濃度領域３６ｂが形成される。かかる高濃度領域３６ｂは図６のバンド構造図においてクラッド層３６の伝導帯Ｅｃを高エネルギ側にシフトさせ、その結果かかる領域への電子のオーバーフローが抑制される。
【００３９】
これに伴い、前記コンタクト層４０に注入されたホール流は前記クラッド層３６において斜面部３６Ａに集中し、レーザダイオードの温度特性が向上する。
【００４０】
図１２は、かかるクラッド層３６の斜面部３６Ａに注入されたｐ型ドーパントの濃度とレーザダイオードの特性温度Ｔ０との関係を示す。
【００４１】
図１２よりわかるように、ｐ型ドーパント濃度が増大するにつれて、レーザダイオードの特性温度は向上しており、図１１で示したような高濃度領域３６ｂによる電子のオーバーフロー抑制効果が生じているのがわかる。
【００４２】
ところで、図１１のＳ３型レーザダイオードでは、前記ｐ型クラッド層３６は活性層３５に隣接しているため、Ｚｎ濃度を増大させると、ドーパントとしてクラッド層３６に導入されたＺｎが前記活性層３５にまで拡散して侵入してしまい、発光が生じる活性層３５の結晶品質を低下させるおそれがある。かかる望ましくないＺｎの活性層３５への侵入を抑制し、同時に前記クラッド層３６中における側方へのＺｎの拡散を促進するためには、前記クラッド層３６の厚さを最適化する必要がある。
【００４３】
図１３は図１１のレーザダイオードにおいて、１×１０１８ｃｍ−３の濃度にＺｎをドープしたクラッド層３６の厚さを様々に変化させた場合のレーザダイオードの特性温度Ｔ０を示す。
【００４４】
図１３を参照するに、前記レーザダイオードの特性温度Ｔ０は、クラッド層３６の厚さが０．２５μｍでは約６３Ｋと小さいが、クラッド層３６の厚さが０．３５μｍ以上では８０Ｋ以上に増大することがわかる。これは、前記クラッド層３６の厚さを増大させることで、前記斜面部３６Ａと水平部３６Ｂとの境界部の厚さ、すなわち拡散窓の大きさが増大したことによるものと考えられる。このように、前記クラッド層３６は０．３５μｍ以上の厚さに形成するのが好ましいと考えられる。
【００４５】
さらにＳＩＭＳ分析の結果から、前記クラッド層３６から活性層３５へのＺｎの拡散は、前記クラッド層３６が１．５×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされている場合、約３０ｎｍの深さにまで達することが確認された。このことは、かかる活性層３５中へのＺｎの侵入が、前記クラッド層３６を、最初に非ドープ状態で約５０ｎｍあるいはそれ以上の厚さに形成し、しかる後にＺｎドーピングを開始することで、効果的に回避できることを意味している。
【００４６】
図１１のレーザダイオードでは、さらに前記クラッド層３６中のＡｌ濃度を増大させることにより、前記電子のオーバーフローを抑制することも可能である。
【００４７】
図１４は、組成が（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ＩｎＰで表されるＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６において、Ａｌの組成パラメータｘを０．７〜１．０の間で変化させた場合の、クラッド層３６のバンドギャップＥｇと伝導帯Ｅｃのシフトを示す。
【００４８】
そこで、前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３６においては、図９に従ってＺｎ等のｐ型ドーパントの濃度を増大させ、また図１４に従ってＡｌ組成を増大させることにより、所望の電流閉じ込め効果を実現することができる。ただし、先に説明したように、前記クラッド層３６中のＡｌ組成を増大させると、光閉じ込めや素子抵抗に問題が生じ、このためキャリアのオーバーフローを生じるようなＳ３型レーザダイオードでは、図９および図１１に示すドーパント濃度の増大による電流閉じ込めは不可欠であると考えられる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１実施例によるレーザダイオードおよびその製造工程を、図１５（Ａ）〜図２０（Ｊ）を参照しながら説明する。このうち、図１６（Ｃ）〜図２０（Ｊ）は、形成したいレ−ザダイオ−ドダイオードの端面図を示す。
【００５０】
図１５（Ａ）を参照するに、最初にＳｉにより約２×１０１８ｃｍ−３の濃度でｎ型にドープされた３インチあるいは４インチ径のＧａＡｓ基板５１上にレジスト膜を塗布し、さらにこれをフォトリソグラフィー工程によりパターニングして幅が１００μｍのストライプ状のレジストパターンを１００μｍ間隔で形成する。ただし、前記ＧａＡｓ基板５１としては、（１００）面から＜１１１＞Ａ方向に６°傾斜した主面を有する傾斜基板を使う。
【００５１】
次に図１５（Ｂ）の工程において、このようにして前記レジストパターンを形成したＧａＡｓ基板５１をＨＦを含むエッチャント中においてウェットエッチングし、（１００）面に対して１４〜２０°の角度で傾斜した、（３１１）Ａ〜（４１１）Ａ面あるいはそれに近い斜面５１Ａにより画成される溝５１Ｂを、約０．５μｍの深さに形成する。
【００５２】
次に図１６（Ｃ）の工程において前記基板５１をＭＯＶＰＥ装置中に導入し、基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＡｓＨ３を気相原料として１：１００の流量比で供給することにより、前記斜面５１Ａを覆うようにｎ型ＧａＡｓバッファ層５２を２μｍ／時の成長速度で約１．５μｍの厚さになるように形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記バッファ層５２中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。前記バッファ層５２は前記斜面５１Ａを形成された基板５１の表面形状に沿って成長し、前記斜面５１Ａに対応する（４１１）Ａ面付近の面方位を持つ成長ファセットが表れる斜面部５２Ａと、前記基板５１の主面に平行な水平部５２Ｂとよりなる。
【００５３】
次に図１６（Ｄ）の工程において、前記バッファ層５２上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｎ型ＧａＩｎＰ中間層５３を、６８０°Ｃの基板温度でＴＥＧ（トリエチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム）およびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が５００：１になるように供給し、１μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記中間ｎ層５３中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成された中間層５３は前記バッファ層５２の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面で画成された斜面部を有する。
【００５４】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記中間層５３上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５４を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５４中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５４は前記中間層５３の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５５】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記第１のｎ型クラッド層５４上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５５を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１００：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で１．０μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５５中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５５は前記クラッド層５４の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５６】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記第２のｎ型クラッド層５５上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第３のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５６を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５６中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５６は前記クラッド層５５の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５７】
さらに図１６（Ｄ）の工程では、このようにして形成された前記第３のｎ型クラッド層５６上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第４のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層５７を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１００：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．２５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記クラッド層５７中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成されたクラッド層５７は前記クラッド層５５の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５８】
次に図１７（Ｅ）の工程では、このようにして形成された前記第４のｎ型クラッド層５７上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１のＡｌＧａＩｎＰ光導波層５８を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１５０：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で３０ｎｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＳｉ２Ｈ６をドーパントガスとして加え、前記光導波層５８中の電子濃度を約５×１０１７ｃｍ−３に設定する。このようにして形成された光導波層５８は前記クラッド層５７の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００５９】
さらに図１７（Ｅ）の工程では、このようにして形成された前記第１のｎ型光導波層５８上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２の非ドープＡｌＧａＩｎＰ光導波層５９を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が３００：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で２０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成された光導波層５９は前記光導波層５８の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６０】
さらに図１７（Ｅ）の工程では、このようにして形成された前記第２の非ドープ光導波層５９上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される非ドープＡｌＧａＩｎＰバリア層と組成がＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐで表される非ドープＧａＩｎＰ量子井戸層とを、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として供給し、交互に繰り返し形成する。前記ＧａＩｎＰ量子井戸層を形成する場合には前記Ｖ族原料に対する前記ＩＩＩ族原料の流量比を５００：１に設定し、前記量子井戸層は０．９μｍ／時の成長速度で５ｎｍの厚さに形成される。このようにして形成された量子井戸層は、０．７％の歪を蓄積する。前記ＡｌＧａＩｎＰバリア層を形成する場合には前記Ｖ族原料に対する前記ＩＩＩ族原料の流量比を３００：１に設定し、前記バリア層は１．６μｍ／時の成長速度で４．５ｎｍの厚さに形成する。
【００６１】
前記量子井戸層を３層形成し、間に２層のバリア層を介在させることにより、歪ＭＱＷ構造の活性層６０が形成される。このようにして形成された活性層６０は前記光導波層５９の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６２】
図１７（Ｅ）の工程では、さらにこのようにして形成された前記活性層６０上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１の非ドープＡｌＧａＩｎＰ光導波層６１を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料ととＩＩＩ族原料の流量比が３００：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で１０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成された光導波層６１は前記活性層６０の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６３】
図１７（Ｅ）の工程では、さらにこのようにして形成された第１の光導波層６１上に、組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２の非ドープＡｌＧａＩｎＰ光導波層６２を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１５０：１になるように供給し、１．６μｍ／時の成長速度で４０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成された光導波層６２は前記光導波層６１の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有する。
【００６４】
次に図１７（Ｆ）の工程において、このようにして形成された光導波層６２上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が１１０：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．４５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎをドーパントガスとして加える。このようにして形成されたクラッド層６３は前記光導波層６２の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部を有するが、前記ＤＥＺｎをドーパントとして使うことにより、前記クラッド層６３中のホール濃度は前記斜面部６３Ａにおいて約１．５×１０１８ｃｍ−３の値に、またその両側の水平部６３Ｂにおいて約２．２×１０１７ｃｍ−３の値に設定される。
【００６５】
前記クラッド層６３ではホール濃度が前記斜面部６３Ａにおいて高いためｐ型ドーパントの拡散係数が大きく、このためドープされたＺｎ原子は前記斜面部６３Ａから隣接する水平部６３Ｂに拡散するが、前記水平部６３ＢではＺｎ濃度が低いため拡散速度は低下する。その結果、先に図１１で説明したように、前記水平部６３Ｂのうち、前記斜面部６３Ａに隣接した限られた領域にのみ、Ｚｎ原子の濃集が生じる
次に図１８（Ｇ）の工程において、このようにして形成された第１のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６３上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０． ３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される電流狭搾層６４を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．４０μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎおよびＨ２Ｓｅをドーパントガスとして交互に加える。このようにして形成された電流狭搾層６４は前記クラッド層６３の表面形状に対応した表面形状を有し、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成された斜面部６４Ａとその両側の水平部６４Ｂとよりなるが、前記ＤＥＺｎおよびＨ２Ｓｅをドーパントとして使うことにより、斜面部６４Ａではホール濃度が約７×１０１７ｃｍ−３，電子濃度が約２×１０１７ｃｍ−３となり、前記斜面部は全体としてｐ型にドープされる。これに対し、その両側の水平部６４Ｂではホール濃度が約２×１０１７ｃｍ−３，電子濃度が約６×１０１７ｃｍ−３となり、前記水平部６４Ｂは全体としてｎ型にドープされる。先に説明した図５を参照。前記ＤＥＺｎおよびＨ２Ｓｅを交互に供給して前記電流狭搾層６４をｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントにより交互にドープする工程は例えば２０回繰り返され、１サイクルごとに２０ｎｍの厚さのＡｌＧａＩｎＰ層を成長させるとすると、電流狭搾層６４は、全体で先に説明した０．４μｍの厚さに形成される。
【００６６】
さらに図１８（Ｈ）の工程で、このようにして形成された電流狭搾層６４上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで表される第２のｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６５を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．６５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎをドーパントガスとして加えることにより、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成されたクラッド層６５の斜面部６５Ａは、約１．５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度にドープされる。
【００６７】
次に図１９（Ｉ）の工程において、このようにして形成されたクラッド層６５上に、組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐから（Ａｌ０．２Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐまで徐々に変化するＡｌＧａＩｎＰグレーデッド層６６を、７１０°Ｃの基板温度でＴＭＡ，ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が２２５：１になるように供給し、２．２μｍ／時の成長速度で０．６５μｍの厚さに形成する。その際、前記気相原料にＤＥＺｎをドーパントガスとして加えることにより、（４１１）Ａ面あるいはこれに近い結晶面により画成されたグレーデッド層６６の斜面部６６Ａは、約１×１０１８ｃｍ−３のホール濃度にドープされる。前記グレーデッド層６６では、前記クラッド層６５に接する２０ｎｍの厚さの領域において、前記Ａｌ濃度の値は膜厚方向に直線的に減少する。
【００６８】
次に、基板温度を７１０°Ｃから６８０°Ｃに降下させ、前記グレーデッド層６６上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐで表されるｐ型ＧａＩｎＰ中間層６７を、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として使い、０．１μｍの厚さに形成する。前記中間層６７を形成する際には、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３を気相原料として使い、Ｖ族原料とＩＩＩ族原料の流量比を５００：１に設定し、１μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、ｐ型ドーパントガスとしてＤＥＺｎを前記原料ガスに添加し、前記中間層６７は約１．０×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度にドープされる。
【００６９】
さらに前記中間層６７上にｐ型ＧａＡｓよりなるコンタクト層６８を、６８０°Ｃの基板温度でＡｓＨ３とＴＭＧを１００：１の流量比で供給することにより、２μｍ／時の成長速度で１μｍの厚さに形成する。その際、ＤＥＺｎをドーパントガスとして使い、前記コンタクト層６８は斜面部において約１．５×１０１８ｃｍ−３のキャリア濃度にドープされる。
【００７０】
さらに基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３をＶ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が５００：１になるように供給し、前記コンタクト層６８上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐのｐ型ＧａＩｎＰよりなる第１のキャップ層６９を、１μｍ／時の成長速度で０．０３μｍの厚さに形成する。その際、ＤＥＺｎをドーパントガスとして使い、前記キャップ層６９は１．０×１０１８ｃｍ−３のホール濃度にドープされる。
【００７１】
前記キャップ層６９の形成の後、基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＥＧ，ＴＭＩおよびＰＨ３をＶ族原料とＩＩＩ族原料の流量比が５００：１になるように供給し、前記第１のキャップ層６９上に組成がＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐのｎ型ＧａＩｎＰよりなる第２のキャップ層７０を、１μｍ／時の成長速度で０．１μｍの厚さに形成する。その際、Ｓｉ２Ｈ６をドーパントガスとして使い、前記キャップ層７０は約２×１０１８ｃｍ−３の電子濃度にドープされる。
【００７２】
さらに前記第２のキャップ層７０の形成の後、基板温度を６８０°Ｃに設定し、ＴＭＧおよびＡｓＨ３をＡｓＨ３とＴＭＧの流量比が１００：１になるように供給することにより、前記第２のキャップ層７０上に２μｍ／時の成長速度で非ドープＧａＡｓカバー層７１を１μｍの厚さに形成する。
【００７３】
さらに、図２０（Ｊ）の工程において、前記カバー層７１およびキャップ層７０，６９を所定の電極形成領域において前記コンタクト層６８が露出するまでウェットエッチング法により除去し、さらにＡｕＺｎ／Ａｕ構造のｐ型コンタクト電極層７２を前記コンタクト層６８上に形成する。また前記基板５１の裏面に、Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕ構造のｎ型コンタクト電極層７３を形成する。
【００７４】
さらに、このようにして形成された構造は図示しないへき開工程においてへき開され、一方のへき開面Ｍ１に反射防止膜を、また他方のへき開面Ｍ２に反射膜を形成することにより、長さＬを有する光共振器が形成される。
【００７５】
なお、図１６（Ｃ）〜図１９（Ｉ）の工程は、同一のＭＯＶＰＥ装置中において、連続して、すなわち途中で外部に取り出したりすることなく行うことができる。
【００７６】
このようにして得られた、図２０（Ｊ）のレーザダイオードは、先にも説明したように前記ｐ型クラッド層６３中の水平部６３Ｂにおいて、斜面部６３Ａと接する領域にＺｎの高濃度領域が形成され、その結果、かかる高濃度領域において電子のオーバーフローが効果的に抑制され、前記ｐ型電極７２から注入されたホール流は前記活性層６０の斜面部に集中的に注入される。これにより、６６５ｎｍ以下の発振波長においてもレ−ザダイオ−ドのしきい値電流は減少し、動作環境温度が６０〜７０°Ｃであっても５０〜７０ｍＷの高光出力を得ることが可能になる。さらに、前記活性層６０は前記高濃度ｐ型クラッド層６３から厚さが１０ｎｍおよび４０ｎｍの光ガイド層６１，６２で隔てられているため、レ−ザダイオ−ドを長期間通電動作させても前記クラッド層６３中のＺｎが前記活性層６０中に侵入してレ−ザ発振効率を劣化させる問題は生じない。前記電流狭搾層６４は０．４０μｍの厚さに形成されているため、レ−ザダイオ−ドが高温条件下で高出力動作した場合にも、前記電流狭搾層６４は所望の電流狭搾作用を生じ、効率的なレーザ発振が実現される。
【００７７】
なお、図２０（Ｊ）のレーザダイオードにおいて、前記ｎ型クラッド層５７を組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．２３μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層と組成が（Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．０２μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層の積層構造としてもよい。同様に、前記ｐ型クラッド層６３を組成が（Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層と組成が（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐで厚さが０．０２μｍのｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層の積層構造としてもよい。
【００７８】
また、前記活性層６０としては、組成がＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐで厚さが５ｎｍの量子井戸層を４層積層し、間に組成が（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐのバリア層を介在させた構成としてもよい。
【００７９】
また前記レ−ザダイオ−ドにおいて、前記活性層６０は、ＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＩｎＰから選ばれる量子井戸層よりなり、前記クラッド層はＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓＰから構成してもよい。
【００８０】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８１】
【発明の効果】
本発明によれば、いわゆるＳ３型のレーザダイオードにおいて、活性層と電流狭搾層との間に配設されるｐ型クラッド層のキャリア濃度を１×１０１８ｃｍ−３以上に設定し、前記ｐ型クラッド層の厚さを０．３５μｍよりも大に設定することにより、前記ｐ型クラッド層の斜面部に隣接した領域のバンド不連続が増大し、電子のオーバーフローが抑制される。このためレ−ザダイオ−ドの温度特性が向上し、動作環境温度が６０〜７０°Ｃであっても、６６０ｎｍ以下の波長帯域で５０〜７０ｍＷの大きな光出力が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリッジ型レ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図２】従来のＳ３型レ−ザダイオ−ドの構成を示す図である。
【図３】図２のレーザダイオードで使われる、ｐ型ドーパントのクラッド層への取り込み効率の結晶面依存性を説明する図である。
【図４】図２のレーザダイオードで使われる、ｎ型ドーパントのクラッド層への取り込み効率の結晶面依存性を説明する図である。
【図５】図２のレーザダイオードで使われる、クラッド層中に形成された電流狭搾構造を示す図である。
【図６】図２のレーザダイオードにおいて生じるキャリアオーバーフローを説明するバンド構造図である。
【図７】図２のレーザダイオードにおける、注入電流の経路を示す図である。
【図８】本発明の原理を説明する図（その１）である。
【図９】本発明の原理を説明する図（その２）である。
【図１０】本発明の原理を説明する図（その３）である。
【図１１】本発明の原理を説明する図（その４）である。
【図１２】本発明の原理を説明する図（その５）である。
【図１３】本発明の原理を説明する図（その６）である。
【図１４】本発明の原理を説明する図（その７）である。
【図１５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その１）である。
【図１６】（Ｃ），（Ｄ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その２）である。
【図１７】（Ｅ），（Ｆ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その３）である。
【図１８】（Ｇ），（Ｈ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その４）である。
【図１９】（Ｉ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その５）である。
【図２０】（Ｊ）は、本発明の実施例によるＳ３レ−ザダイオ−ドの製造工程を説明する図（その６）である。
【符号の説明】
１０ リッジ型レ−ザダイオ−ド
１１，３１，５１ 基板
１２，３２，５２ バッファ層
１３，１５，３４，３６、３８，５４〜５７，６３，６５ クラッド層
１４，３５，６０ 活性層
１６ エッチングストッパ層
１７ リッジストライプ
１８，３３，３９，５３，６７ 中間層
１９ 電流阻止領域
２０，４０，６８ コンタクト層
３０ Ｓ３型レ−ザダイオ−ド
３６Ａ，６３Ａ コンタクト層斜面領域
３６Ｂ，６３Ｂ コンタクト層水平領域
３７，６４ 電流狭搾層
３７Ａ ｐ型斜面領域
３７Ｂ ｎ型水平領域
５１Ａ 斜面
５１Ｂ 溝
５８，５９，６１，６２ 光導波層
６６ グレーデッド層
６９，７０ キャップ層
７１ カバー層
７２ ｐ型電極
７３ ｎ型電極
Claims (12)
- 主面上に斜面領域を含む基板と、
前記基板上に形成され、前記基板の斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層と、
前記活性層上に形成され、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応したｐ型の斜面領域と、前記ｐ型斜面領域に隣接した、前記基板主面に平行なｎ型領域とよりなる第２のクラッド層とよりなるレーザダイオードにおいて、
前記第１のクラッド層の前記斜面領域は、１×１０18ｃｍ-3以上のキャリア濃度を有し、
前記第１のクラッド層は、０．３５μｍ以上の厚さを有することを特徴とするレーザダイオード。 - 前記第１のクラッド層はＡｌＧａＩｎＰ膜よりなり、前記第1のクラッド層中のＡｌ組成は、Ａｌ：Ｇａ比が０．７：０．３以上になるように設定されることを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
- 前記第1のクラッド層の少なくとも一部分は、組成が（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐで表されるＡｌＧａＩｎＰ膜のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
- 前記第２のクラッド層は、０．４μｍ以上の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のレーザダイオード。
- 前記第２のクラッド層のｎ型領域は、６×１０17ｃｍ-3以上の電子濃度を有することを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
- 前記活性層による室温でのレーザ発振波長は６６５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
- 前記活性層は、ＧａＩｎＡｓＰまたはＧａＩｎＰから選ばれる量子井戸層を含み、前記クラッド層はＡｌＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓＰから選ばれることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
- 前記第２クラッド層の斜面は（４１１）Ａ面であることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載のレーザダイオード。
- 主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを同時に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から５０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法。 - 主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交互に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から５０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法。 - 主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを同時に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記第１のクラッド層の斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記第１のクラッド層が１．５×１０ 18 ｃｍ -3 の濃度でドープされている場合、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から３０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第 1 のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０ 18 ｃｍ -3 以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法。 - 主面の一部に斜面領域を有する基板上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記斜面領域に対応した斜面領域を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層上に、ＭＯＶＰＥ法により、前記活性層の斜面領域に対応した斜面領域を含むｐ型の第１のクラッド層を形成する工程と、
前記第１のクラッド層上に、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントとを交互に供給しながら、ＭＯＶＰＥ法により、前記前記第 1 のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域に対応する斜面部分においてｐ型で、前記主面に平行な水平部分においてｎ型の第２のクラッド層を形成する工程とを含むレーザダイオードの製造方法であって、
前記第１のクラッド層を形成する工程は、前記第１のクラッド層が１．５×１０ 18 ｃｍ -3 の濃度でドープされている場合、前記ｐ型ドーパントの供給を、前記活性層から３０ｎｍ以上離れた位置において開始するとともに、前記第 1 のクラッド層の斜面領域に対応する斜面領域におけるキャリア濃度が１×１０ 18 ｃｍ -3 以上となるようにドーピングすることを特徴とするレーザダイオードの製造方法。
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