JP3645343B2

JP3645343B2 - Semiconductor laser element

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Publication number: JP3645343B2
Application number: JP33954395A
Authority: JP
Inventors: 毅藤本; 由美内藤
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: JPH0997945A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、通信、レーザプリンタ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子の高出力化を目的として、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリアブロック層を設けることによって、キャリアブロック層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このような構造において、キャリアブロック層は注入キャリアを活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するとともに、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現できる。
【０００３】
図８（ａ）はこうした半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）はキャリアブロック層と活性層が充分に導く導波モードへの影響が無視できる場合の実効屈折率の分布図である。図８に示す構造は、周知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、Separate Confinement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め構造（Perfect ＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／１６５１３）。
【０００４】
図８（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成される。
【０００５】
図８（ｂ）に示すように、各キャリアブロック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成されているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャリア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】
またキャリアブロック層および活性層が十分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効的な屈折率分布は図８（ｃ）に示すように、第１ｎ型クラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成されているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力化が可能となる。
【０００７】
この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多重量子井戸）−ＤＣＨ（Decoupled Confinement Heterostructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ素子が報告されている。（IEEE journal of quantum electronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子において高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリアを活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド層への光の洩れ出しを容易にするため、０．０１〜０．０５μｍ程度に極めて薄く形成する必要がある。禁制帯幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層のドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要がある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用いられる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に活性層をノンドープに保ちかつ隣接する極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。また亜鉛が活性層まで拡散することにより、発光スペクトルのブロードニングが発生する問題もあった。
【００１０】
また、半導体レーザ素子の効率はフリーキャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きくなる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】
本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込めを確実にすること、次にこれに加えて内部損失をより低く抑えることによって高効率で高出力な半導体レーザ素子を提供することである。
【００１２】
さらに高出力化の障害となる出射端面での光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、
前記活性層に近接して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型およびｐ型キャリアブロック層を設け、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は、０．０１〜０．０３μｍの厚みを有し、
ｎ型およびｐ型クラッド層は、それぞれ活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層とを含み、
πを円周率、第１クラッド層の屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１、半導体レーザの発振波長をλとし、規格化周波数Ｖを
Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１ ² −Ｎ２ ² ） ^0.5
と定義したとき
２π≧Ｖ＞π／３
とし、
ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は、キャリアブロック層に隣接する各々の第１クラッド層よりも高濃度とする変調ドーピングが施され、
ｐ型キャリアブロック層のドーパントを、炭素またはマグネシウムとすることを特徴とする半導体レーザ素子である。
また本発明は、ｎ型キャリアブロック層、およびｐ型キャリアブロック層のドーピング量は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に、
キャリアブロック層へ隣接するクラッド層のドーピング量は３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下になるよう変調ドーピングを施したことを特徴とする。
ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は屈折率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、次の式で求められる。
【００１４】
【数１】

【００１５】
また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
【作用】
本発明に従えば、ｐ型キャリアブロック層に対し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素またはマグネシウムをドーパントとして用いることによって、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加することが可能となる。キャリアブロック層を、クラッド層への光の漏れ出しを容易にするために、極めて薄く、０．０１〜０．０３μｍとし、しかも製造プロセス中に発生するドーパントの拡散を事実上無視できる程度に抑えることができる。すなわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほど小さくなる。その結果、ノンドープの活性層に隣接したキャリアブロック層が極薄であっても高いドーピング濃度を形成することができる。
炭素またはマグネシウムをドーピングすることによって、活性層に隣接したキャリアブロック層を導波モードに影響しない程度まで薄く形成することが初めて可能となる。
【００１７】
また、活性層領域をノンドープにして、それに隣接するｎ型、ｐ型各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるのが一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピング濃度を形成することができなかった。また活性層まで拡散した亜鉛により発光スペクトルのブロードニングが生じる問題もあった。
【００１８】
キャリアブロック層を前述のように０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形成しても、ドーパントとして拡散性の低い炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述のようなステップドーピングを容易に実現できる。したがって、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効率が向上する。
【００１９】
ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０^-15ｃｍ²／ｓｅｃ（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×１０^-13ｃｍ²／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）、亜鉛Ｚｎが３．２×１０^-8ｃｍ²／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）という報告例がある。（文献１：Journal Vacuum Science Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、文献２：JournalAppl. Phys.59(4),15(1986)1156)。このように亜鉛に比べて炭素は７桁、マグネシウムは５桁のオーダで拡散性が低い。したがって炭素がより好ましい。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００２０】
図２は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。このグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック層１５の電子に対するポテンシャル障壁を高くすることができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。
【００２１】
また、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のドーピングは、キャリアブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピングよりも高濃度になるような変調ドーピングを施すことによって、キャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われ、しかも光が伝搬するクラッド層のフリーキャリア濃度が低減化できるため内部損失を低く抑えることができる。その際、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層は１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に、キャリアブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層は３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の変調ドーピングであれば、キャリアブロック層によるキャリア閉じ込め機能を十分に発揮しながらクラッド層の低濃度化によって光学的な内部損失を低く抑えることができる。なお、各キャリアブロック層への過度なドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化を招くので、ドーピング量の上限は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3が好ましい。また、各クラッド層のドーピング量の下限は、電気抵抗をあまり大きくしないため１×１０¹⁶ｃｍ^-3が好ましい。
【００２３】
したがってｎ型およびｐ型クラッド層を活性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という複数層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層にはさまれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド層からなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大きく形成することによって導波モードを理想とするガウス型に近づけることが可能となる。また活性層領域での導波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能になる。またマルチモード化しないためには、規格化周波数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００２４】
また、キャリアブロック層およびクラッド層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることによって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２５】
また、キャリアブロック層およびクラッド層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ましく、その場合、図２に示すように、炭素およびマグネシウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャリアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しかも高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２６】
（比較例１）
図１（ａ）は比較例１の構成を示す断面図である。
【００２７】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ_0.31Ｇａ_0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.31Ｇａ_0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.31Ｇａ_0.69Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００２８】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。
【００２９】
図１（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【００３０】
注目すべき点は、ｐ型キャリアブロック層１５のドーパントとして炭素を用いている点である。
【００３１】
比較例２はアクセプターがすべて亜鉛をドープしたものであり、その他の点は比較例１と同じ構成である。
【００３２】
図３および図４は、ＭＯＣＶＤで作製した完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子の活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。図３は、比較例１に相当し、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図４は、比較例２に相当し、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図３と図４に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成したサンプルで図３は比較例１のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓである点が異なり、図４のサンプルは比較例２のサンプルと、ｐ型キャリアブロック層がＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓである点が異なっている。
【００３３】
これらのグラフは、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry)による測定結果を横軸に層厚方向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示したものである。ここで、深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応している。
【００３４】
まず、図３のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３となるようにそれぞれ形成されている。また、Ａｌ組成ｘは禁制帯幅の大きさに対応しており、活性層で禁制帯幅は極小になり、両側のキャリアブロック層で極大になっている。なお、活性層は二重量子井戸であるため複数の凹凸が現れるべきであるが、ＳＩＭＳの分解能によって鈍っている。
【００３５】
図３の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｃ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3、深さＤ２より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００３６】
図３のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深さＤ１より深い領域でｄｓ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるようにそれぞれ形成されている。
【００３７】
次に、図４のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度ｄｓに関して、図３と同様なグラフが得られ、両者はほぼ一致している。
【００３８】
しかし、図４の亜鉛の元素濃度ｄｚに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3となるが、深さＤ１に向かって深くなるにつれて徐々に減少し、深さＤ１では濃度ピークが半減している。このように亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃度を高く形成することが難しいことが判る。さらに活性層が亜鉛に汚染されていることも判る。
【００３９】
これに対し、炭素は拡散性の低い元素であるため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であっても、充分高いドーピング濃度を形成することができ、層全体の空乏化を防止できる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグラフが得られる。
【００４０】
なお、比較例１と比較例２とを比較するため、素子の特性温度、内部損失を測定した結果を下記（表１）に示す。両者とも層構成、Ａｌ組成ｘ、ドーピング濃度が同じで、比較例２はｐ型キャリアブロック層１５のドーパントとして亜鉛を用いている点だけが比較例１と異なる。なお、その他の条件として、半導体レーザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しについても同じである。その結果、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は１２０Ｋから１４０Ｋに改善されることが確認された。これはドーパントを亜鉛にくらべて拡散がはるかに小さい炭素にすることにより、キャリアブロック層を意図した濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができたためと考えられる。
【００４１】
【表１】

【００４２】
（実施例１）
図５（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図である。
【００４３】
この半導体レーザ素子において、半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−Ａｌ_0.31Ｇａ_0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.31Ｇａ_0.69Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−Ａｌ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.31Ｇａ_0.69Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚み：０．４μｍ）１６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ_0.48Ｇａ_0.52Ａｓ、アクセプター濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚み：０．７μｍ）１７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶＤで形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００４４】
ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれぞれ形成される。
【００４５】
図５（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の分布図である。注目すべき点は、図５（ｂ）に示すように、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第２ｎ型クラッド層１１および第１ｎ型クラッド層１２のドナー濃度ならびに第１ｐ型クラッド層１６および第２ｐ型クラッド層１７のアクセプター濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3またはそれ以下の低濃度に形成して、いわゆる変調ドーピングを施している点である。
【００４６】
各キャリアブロック層１３、１５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。また、光が漏れだしている領域、すなわち各クラッド層１１、１２、１６、１７のドーピング濃度を低濃度に形成することによって、光のフリーキャリア吸収が減少して、レーザ発振効率が向上する。
【００４７】
実施例１の素子についても同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失を測定した結果を上記（表１）に示す。比較例１と比べて、特性温度は変化しないが、内部損失が１／５になり大幅に改善されていることが判る。
【００４８】
比較例３はアクセプターがすべて亜鉛をドープしたものであり、その他の点は実施例１と同じ構成である。
【００４９】
図６は、実施例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフであり、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図７は、比較例３に相当するサンプルのものであり、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図６と図７に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成したサンプルで図６は実施例１のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓである点が異なり、図７のサンプルは比較例３のサンプルとｐ型キャリアブロック層がＡｌ_0.60Ｇａ_0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓである点が異なっている。
【００５０】
これらのグラフは、図３および図４と同様に、ＳＩＭＳによる測定結果を横軸に層厚方向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示している。深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応している。
【００５１】
まず、図６のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３となるようにそれぞれ形成されている。
【００５２】
図６の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｃ＝３×１０¹⁷ｃｍ^-3、深さＤ２でｄｃ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3、深さＤ２より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００５３】
図６のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深さＤ２でｄｓ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3、深さＤ２より深い領域でｄｓ＝３×１０¹⁷ｃｍ^-3となるようにそれぞれ形成されている。
【００５４】
次に、図７のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度ｄｓに関して、図６と同様なグラフが得られ、両者はほぼ一致している。
【００５５】
しかし、図７の亜鉛の元素濃度ｄｚに関して、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝３×１０¹⁷ｃｍ^-3となるが、深さＤ１近傍から深くなるにつれて徐々に減少し、深さＤ１では濃度ピークが現れていない。このように亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃度を高く形成することが難しいことが判る。
【００５６】
これに対し、炭素は拡散性の低い元素であるため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であっても、ほぼ理想的な変調ドーピングを実現することができる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグラフが得られる。
【００５７】
実施例１および比較例３の各素子についても同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失および測定した結果を上記（表１）に示す。比較例３のサンプル構成は実施例１のサンプル構成で、アクセプターとして亜鉛をドープした点だけが異なる。実施例１は、比較例３と比べて、特性温度が９０Ｋから１４０Ｋに大幅に改善されていることが判る。
【００５８】
比較例１と実施例１の規格化周波数Ｖはπである。規格化周波数がπ／３より小さくても本発明の目的は達せられるが、規格化周波数がπ／３以上であれば、出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層容易になるので、π／３以上がより好ましい。
【００５９】
なお、実施例１は第１クラッド層と第２クラッド層ともに低濃度にしているが、活性層に近い第１クラッド層だけを低濃度にしてもよい。
【００６０】
以上の説明において、半導体レーザ素子の材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示したが、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能する材料であれば本発明を適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、ｐ型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマグネシウムを用いることによって、キャリアブロック層を、クラッド層への光の漏れ出しを容易にするために、薄く、０．０１〜０．０３μｍとし、しかも充分なドーピング濃度を実現できる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキャリア閉じ込めが確実に行われる。これは特性温度の向上に寄与する。また量子井戸層にドーパントが拡散することがないため、発光スペクトルのブロードニングを防ぐことができる。
【００６２】
また、光が伝搬するクラッド層のフリーキャリア濃度を低減化できるため、内部損失を低く抑えることができる。
【００６３】
さらに出射端面での光学損傷を抑制でき、より高出力化できる。
【００６４】
こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子において、高効率化および高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は比較例１の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【図２】ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。
【図３】ｐ型ドーパントとして炭素を用いた比較例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図４】ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例２に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図５】図５（ａ）は本発明の実施例１の構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図である。
【図６】ｐ型ドーパントとして炭素を用いた実施例１に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図７】ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例３に相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度分布グラフである。
【図８】図８（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）は実効屈折率の分布図である。
【符号の説明】
１１第２ｎ型クラッド層
１２第１ｎ型クラッド層
１３ｎ型キャリアブロック層
１４活性層
１５ｐ型キャリアブロック層
１６第１ｐ型クラッド層
１７第２ｐ型クラッド層
１８電流狭窄層
１９ｐ型コンタクト層
２０半導体基板
２１、２２オーミック電極[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a semiconductor laser element that is suitably used in communications, laser printers, laser medical treatment, laser processing, and the like and that can operate with high efficiency and high output.
[0002]
[Prior art]
For the purpose of increasing the output of the semiconductor laser device, by providing a thin carrier block layer with a large forbidden band width on both sides of the active layer, the degree of freedom of the forbidden band width of the cladding layer formed outside the carrier block layer There has been proposed a semiconductor laser device having a large height. In such a structure, the carrier block layer has a function of efficiently confining injected carriers in the active layer, and the carrier block layer is formed thin, so that light generated in the active layer passes through the carrier block layer. And can easily leak into the outer cladding layer. Therefore, it is possible to prevent instantaneous optical damage caused by local concentration of laser light at the emission end face of the semiconductor laser element, to increase the end face destruction level, and to realize high output operation.
[0003]
FIG. 8A is a cross-sectional view showing an example of such a semiconductor laser device, FIG. 8B is a distribution diagram of the forbidden band width corresponding to each layer, and FIG. 8C is a diagram showing sufficient carrier block layers and active layers. FIG. 6 is a distribution diagram of an effective refractive index when the influence on the waveguide mode leading to is negligible. The structure shown in FIG. 8 is referred to as a perfect separated confinement structure (Perfect SCH) as compared to the well-known separate confinement heterostructure (SCH) (International Publication WO93 / 16513).
[0004]
8A, a second n-type cladding layer (n-AlGaAs) 1, a first n-type cladding layer (n-AlGaAs) 2, and an n-type carrier are sequentially formed on a semiconductor substrate (not shown) made of n-GaAs. Block layer (n-AlGaAs) 3, active layer (GaAs / AlGaAs multiple quantum well layer) 4, p-type carrier block layer (p-AlGaAs) 5, first p-type cladding layer (p-AlGaAs) 6, second p-type A clad layer (p-AlGaAs) 7 is formed.
[0005]
As shown in FIG. 8B, the forbidden band width of each of the carrier block layers 3 and 5 is formed to be larger than any of the active layer 4 and each of the

cladding layers

1, 2, 6, and 7. The injected carriers are efficiently confined in the active layer 4. As a result, the number of carriers contributing to laser oscillation increases and the oscillation efficiency improves.
[0006]
Further, when the carrier block layer and the active layer are sufficiently thin and the influence on the waveguide mode can be ignored, the effective refractive index distribution is changed from the first n-type cladding layer 2 to the first p-type as shown in FIG. Occurred in the active layer 4 because a slab waveguide structure is formed in which each layer up to the cladding layer 6 is a high refractive index portion and the second n-type cladding layer 1 and the second p-type cladding layer 7 are low refractive index portions. Light propagates in the high refractive index portion. For this reason, the peak intensity of the waveguide mode is reduced, optical damage at the exit end face hardly occurs, and high output can be achieved.
[0007]
In addition, an InGaAsP / InP semiconductor laser device having a MQW (Multiple Quantum Well) -DCH (Decoupled Confinement Heterostructure) structure provided with a hole barrier layer has been reported. (IEEE journal of quantum electronics, vol.29, No.6, JUNE.1993, p1596 ~ 1600)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In order to increase the efficiency and output of a semiconductor laser device, it is important to efficiently confine injected carriers in the active layer and to reduce internal loss due to free carrier absorption.
[0009]
In a semiconductor laser device having a completely separated confinement structure, injected carriers are close to the active layer, and are confined in the active layer by a carrier block layer having the largest forbidden band width among the layers. This carrier block layer needs to be formed very thin to about 0.01 to 0.05 μm in order to facilitate light leakage to the cladding layer. When the doping concentration of the carrier block layer formed with a large forbidden band width and extremely thin is insufficient, the entire carrier block layer is depleted and carrier confinement in the active layer becomes insufficient. Therefore, it is necessary to form the carrier block layer with a high doping concentration by using a doping element (dopant) having high doping efficiency and low diffusibility. However, since zinc that is generally used as a conventional p-type dopant is an element that is very easily diffused in the bulk, the diffusion length of zinc during the manufacturing process becomes orders of magnitude larger than the thickness of the carrier block layer. In particular, the active layer was kept non-doped and a high doping concentration could not be formed in the adjacent ultra-thin carrier block layer. Further, there is a problem that broadening of the emission spectrum occurs due to diffusion of zinc to the active layer.
[0010]
The efficiency of the semiconductor laser element greatly depends on the internal loss due to free carrier absorption. This free carrier absorption is determined by the doping concentration of each layer through which light propagates, and the internal loss increases as the doping concentration increases. Therefore, it is necessary to form the doping concentration of each layer through which light propagates to a minimum necessary level.
[0011]
It is an object of the present invention to provide a semiconductor laser device with high efficiency and high output by ensuring carrier confinement in the active layer and then further suppressing internal loss.
[0012]
It is another object of the present invention to provide a semiconductor laser device that further suppresses optical damage on the emission end face, which is an obstacle to higher output, and makes it easier to increase output.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides n-type and p-type cladding layers on both sides of the active layer,
Providing n-type and p-type carrier block layers having a forbidden band width equal to or larger than the forbidden band widths of the active layer and both cladding layers in the vicinity of the active layer,
The n-type and p-type carrier block layers have a thickness of 0.01 to 0.03 μm,
Each of the n-type and p-type cladding layers includes a first cladding layer and a second cladding layer in order from the closest to the active layer,
π is the circumference, N1 is the refractive index of the first cladding layer, N2 is the refractive index of the second cladding layer, d1 is the effective thickness of the second cladding layer, λ is the oscillation wavelength of the semiconductor laser, and the normalized frequency V is
V = (π · d1 / λ) · (N1 ² -N2 ² ) ^0.5
When defined as
2π ≧ V> π / 3
age,
The doping amount of the n-type and p-type carrier block layers is subjected to modulation doping with a higher concentration than each first cladding layer adjacent to the carrier block layers,
The semiconductor laser device is characterized in that the dopant of the p-type carrier block layer is carbon or magnesium.
In the present invention, the doping amount of the n-type carrier block layer and the p-type carrier block layer is 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more,
The modulation doping is performed so that the doping amount of the cladding layer adjacent to the carrier block layer is 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less.
Here the refractive index of the first cladding layer is constant refractive Oriritsu N1 assumes its constant value, but when the refractive index in the first cladding layer has a distribution means the maximum value. The effective thickness d1 is that the refractive index at an arbitrary position (x) between the second clad layers is Nw (x), and the position of the interface near the active layer of the second n-type clad layer is x1 and the second p-type clad layer. Assuming that the position of the interface close to the active layer is x2, the following equation is obtained.
[0014]
[Expression 1]

[0015]
In the invention, it is preferable that the carrier block layer and the clad layer are formed of a III-V compound semiconductor.
According to the present invention, the carrier block layer and the cladding layer are formed of an AlGaAs compound semiconductor.
[0016]
[Action]
According to the present invention, by using carbon or magnesium having high doping efficiency and low diffusibility as a dopant for the p-type carrier block layer, the dopant can be added at a high concentration in the manufacturing process. The carrier block layer is extremely thin to facilitate light leakage to the clad layer, and is 0.01 to 0.03 μm. Further, the diffusion of the dopant generated during the manufacturing process is suppressed to a level that can be ignored. be able to. That is, since carbon and magnesium are elements that are difficult to diffuse in the bulk, the diffusion length of each element during the manufacturing process is practically negligible compared to the thickness of the carrier block layer. As a result, even when the carrier block layer adjacent to the non-doped active layer is extremely thin, a high doping concentration can be formed.
By doping with carbon or magnesium, it becomes possible for the first time to form the carrier block layer adjacent to the active layer as thin as not to affect the waveguide mode.
[0017]
Further, depletion of the entire carrier block layers 13 and 15 is suppressed by making the active layer region non-doped and forming the n-type and p-type carrier block layers 13 and 15 adjacent to the active layer region at a high concentration. Since a sufficient potential barrier height can be maintained, injected carriers can be efficiently confined in the active layer 14. Conventionally, zinc was generally used as the p-type dopant, but since zinc is an element that is very diffusible in the bulk, the diffusion length of zinc during the manufacturing process is orders of magnitude larger than the thickness of the carrier block layer. As a result, a high doping concentration could not be formed in the extremely thin carrier block layer. There is also a problem that broadening of the emission spectrum occurs due to zinc diffused to the active layer.
[0018]
Even if the carrier block layer is formed as thin as about 0.01 to 0.03 μm as described above, the step doping as described above can be easily realized by using carbon or magnesium having low diffusibility as a dopant. Therefore, since the effect of the carrier block is sufficiently exerted, the reactive current that does not contribute to the light emission recombination is remarkably reduced, the temperature dependency (characteristic temperature) of the oscillation threshold is improved, and the laser oscillation efficiency is improved.
[0019]
By the way, the diffusion constant of each element in GaAs is that carbon C is 1 × 10 ⁻¹⁵ cm ² / sec (900 ° C.) (Reference 1) and magnesium Mg is 1.4 × 10 ⁻¹³ cm ² under certain conditions. / Sec (900 ° C.) (Reference 2) and zinc Zn is 3.2 × 10 ⁻⁸ cm ² / sec (900 ° C.) (Reference 2). (Reference 1: Journal Vacuum Science Technology A. Vol8, No3, May / Jun 1990 p2980, Reference 2: JournalAppl. Phys. 59 (4), 15 (1986) 1156). Thus, compared with zinc, carbon is on the order of 7 digits and magnesium is on the order of 5 digits and is less diffusible. Therefore, carbon is more preferable. The diffusion length is proportional to the square root of the diffusion constant.
[0020]
FIG. 2 is a graph showing acceptor levels of various p-type dopants in AlGaAs. In this graph, the horizontal axis indicates the change in the Al composition x. Zinc tends to have a deeper acceptor level as the Al composition increases, whereas carbon and magnesium are elements that form an acceptor level shallower than zinc as a whole even if the Al composition x changes. The potential barrier against electrons of the p-type carrier block layer 15 can be increased, and the carrier confinement action is increased.
[0021]
In addition, the doping of the n-type and p-type carrier block layers is performed by applying modulation doping so that the concentration is higher than at least one of the n-type and p-type cladding layers adjacent to the carrier block layer. Carrier confinement to the active layer is surely performed by the block layer, and the free carrier concentration of the clad layer through which light propagates can be reduced, so that the internal loss can be kept low. At that time, if n-type and p-type carrier block layers are modulation doping of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more, and n-type and p-type cladding layers adjacent to the carrier block layers are modulation doping of 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less. In addition, the optical internal loss can be suppressed to a low level by reducing the concentration of the cladding layer while sufficiently exhibiting the carrier confinement function by the carrier block layer. In addition, since excessive doping to each carrier block layer causes increase in free carrier absorption and deterioration of crystallinity, the upper limit of the doping amount is preferably 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . In addition, the lower limit of the doping amount of each cladding layer is preferably 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ so as not to increase the electrical resistance.
[0023]
Therefore, the n-type and p-type clad layers are composed of a plurality of clad layers of the first clad layer and the second clad layer in order from the active layer, and the active layer, the carrier block layer, the first clad layer sandwiched between the second clad layers. By forming the standardized frequency V of the optical waveguide composed of one clad layer to be larger than π / 3, it becomes possible to make the waveguide mode closer to an ideal Gaussian type. Further, the peak intensity of the waveguide mode in the active layer region is reduced, and the optical damage level at the emission end face of the semiconductor laser element can be further increased. In order to avoid the multimode, the normalized frequency V is preferably 2π or less.
[0024]
Further, since the carrier block layer and the clad layer are formed of a III-V group compound semiconductor, the diffusibility of carbon or magnesium is kept lower, so that the doping concentration of the carrier block layer can be increased.
[0025]
Further, the carrier block layer and the clad layer are preferably formed of an AlGaAs compound semiconductor. In this case, as shown in FIG. 2, the acceptor level formed by carbon and magnesium becomes shallow, so that the potential barrier of the carrier block layer is formed. Can be high. In addition, the doping concentration of the carrier block layer can be increased due to high doping efficiency and low diffusibility.
[0026]
( Comparative Example 1)
FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration of Comparative Example 1 .
[0027]
In this semiconductor laser device, a second n-type cladding layer (n-Al _0.48 Ga _0.52 As, donor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.7 μm) is sequentially formed on the semiconductor substrate (n-GaAs) 20. 11. First n-type cladding layer (n-Al _0.31 Ga _0.69 As, donor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.4 μm) 12, n-type carrier block layer (n-Al _0.60 Ga _0.40 As, donor) Concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.014 μm) 13, active layer (DQW: double quantum well, GaAs / Al _0.31 Ga _0.69 As, undoped) 14, p-type carrier block layer (p-Al _0.50 Ga _0.50 As, acceptor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.021 μm, first p-type cladding layer (p-Al _0.31 Ga _0.69 As, acceptor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness) : 0.4 μm) 16, second p-type cladding layer (p-Al _0.48 Ga _0.52 As, acceptor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.7 μm) 17, current confinement layer (n-GaAs, donor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.3 μm) 18, p-type contact layer (p-GaAs, acceptor concentration: 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , thickness: 2 μm) 19 , MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Here, the donor is doped with Se, the acceptor is doped with C except for the p-type contact layer, and the p-type contact layer is doped with Zn.
[0028]

Ohmic electrodes

21 and 22 are formed on the upper surface of the p-type contact layer 19 and the lower surface of the semiconductor substrate 20, respectively.
[0029]
FIG. 1B is a distribution diagram of the doping concentration of each layer from the second n-type cladding layer 11 to the second p-type cladding layer 17.
[0030]
What should be noted is that carbon is used as the dopant of the p-type carrier block layer 15.
[0031]
In Comparative Example 2, all acceptors are doped with zinc, and the other points are the same as those in Comparative Example 1.
[0032]
FIG. 3 and FIG. 4 are concentration distribution graphs of various elements in the vicinity of the active layer of a semiconductor laser device having a completely separated confinement structure manufactured by MOCVD. FIG. 3 corresponds to Comparative Example 1 and uses carbon (C) as a p-type dopant. FIG. 4 corresponds to Comparative Example 2 and uses zinc (Zn) as a p-type dopant. In both cases, selenium (Se) is used as the n-type dopant. 3 and 4 are samples prepared for concentration distribution measurement. FIG. 3 shows the sample of Comparative Example 1, the p-type carrier block layer is Al _0.60 Ga _0.40 As, and the first cladding layer is Al _0.30 Ga. except a _0.70 as, samples of FIG. 4 differs in the sample of Comparative example 2, p-type carrier blocking layer is Al _0.60 Ga _0.40 as, the first cladding layer is Al _0.30 Ga _0.70 as.
[0033]
These graphs show the results of measurement by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) with the horizontal axis representing the depth in the layer thickness direction and the vertical axis representing the signal intensity corresponding to the element concentration. Here, the depth D1 corresponds to the position of the p-type carrier block layer, and the depth D2 corresponds to the position of the n-type carrier block layer.
[0034]
First, with respect to the Al composition x in FIG. 3, x = 0.3 for the first p-type cladding layer which is a region shallower than the depth D1, x = 0.6 for the p-type carrier block layer having the depth D1, and the depth D1. X <0.3 in the active layer between D2 and D2, x = 0.6 in the n-type carrier block layer having the depth D2, and x = 0.3 in the first n-type cladding layer that is deeper than the depth D2. Each is formed to be. Further, the Al composition x corresponds to the size of the forbidden band, and the forbidden band is minimized in the active layer and maximized in the carrier block layers on both sides. Since the active layer is a double quantum well, a plurality of irregularities should appear, but it is dull due to the SIMS resolution.
[0035]
The carbon element concentration dc in FIG. 3 is formed such that dc = 1 × 10 ¹⁸ cm ^{−3 in} a region shallower than the depth D1 and almost no carbon concentration in a region deeper than the depth D2.
[0036]
The element concentration ds of selenium in FIG. 3 is formed so that ds = 1 × 10 ¹⁸ cm ^{−3 in the} region deeper than the depth D1, so that there is almost no selenium concentration in the region shallower than the depth D2. .
[0037]
Next, regarding the Al composition x and the selenium concentration ds in FIG. 4, a graph similar to that in FIG. 3 is obtained, and the two are almost the same.
[0038]
However, regarding the element concentration dz of zinc in FIG. 4, dz = 1 × 10 ¹⁸ cm ^{−3 in a} region shallower than the depth D1, but gradually decreases toward the depth D1, and at the depth D1 The concentration peak is halved. Thus, zinc has high diffusivity, and when the carrier block layer is thin, zinc diffuses to other layers, and it is difficult to form a high doping concentration. It can also be seen that the active layer is contaminated with zinc.
[0039]
On the other hand, since carbon is an element having low diffusibility, even when the carrier block layer 15 is extremely thin, a sufficiently high doping concentration can be formed, and depletion of the entire layer can be prevented. Moreover, the same graph as carbon is obtained also about magnesium.
[0040]
In addition, in order to compare the comparative example 1 and the comparative example 2 , the result of having measured the element characteristic temperature and the internal loss is shown in the following (Table 1). Both have the same layer configuration, Al composition x, and doping concentration, and Comparative Example 2 differs from Comparative Example 1 only in that zinc is used as the dopant of the p-type carrier block layer 15. The other conditions are the same for the cavity length of the semiconductor laser element of 700 μm, the current injection stripe width of 50 μm, and no optical coating. As a result, it was confirmed that the characteristic temperature indicating the temperature dependence of the oscillation threshold was improved from 120K to 140K. This allows the carrier blocking layer to be maintained at the intended concentration by making the dopant carbon that is much less diffused than zinc, thus ensuring that the carriers are trapped in the active layer compared to zinc. This is thought to be due to this.
[0041]
[Table 1]

[0042]
(Example 1 )
5 (a) is a sectional view showing the structure of the actual Example 1 of the present invention.
[0043]
In this semiconductor laser device, a second n-type cladding layer (n-Al _0.48 Ga _0.52 As, donor concentration: 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness: 0.7 μm) is sequentially formed on the semiconductor substrate (n-GaAs) 20. 11. First n-type cladding layer (n-Al _0.31 Ga _0.69 As, donor concentration: 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness: 0.4 μm) 12, n-type carrier block layer (n-Al _0.60 Ga _0.40 As, donor) Concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.014 μm) 13, active layer (DQW: double quantum well, GaAs / Al _0.31 Ga _0.69 As, undoped) 14, p-type carrier block layer (p-Al _0.50 Ga _0.50 As, acceptor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.021 μm, first p-type cladding layer (p-Al _0.31 Ga _0.69 As, acceptor concentration: 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness) : 0.4 μm) 16, second p-type cladding layer (p-Al _0.48 Ga _0.52 As, acceptor concentration: 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ , thickness: 0.7 μm) 17, current confinement layer (n-GaAs, donor concentration: 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , thickness: 0.3 μm) 18, p-type contact layer (p-GaAs, acceptor concentration: 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ to 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , thickness: 2 μm) 19 , Formed by MOCVD. Here, the donor is doped with Se, the acceptor is doped with C except for the p-type contact layer, and the p-type contact layer is doped with Zn.
[0044]

Ohmic electrodes

21 and 22 are formed on the upper surface of the p-type contact layer 19 and the lower surface of the semiconductor substrate 20, respectively.
[0045]
FIG. 5B is a distribution diagram of the doping concentration of each layer from the second n-type cladding layer 11 to the second p-type cladding layer 17. It should be noted that, as shown in FIG. 5B, the donor concentration of the n-type carrier block layer 13 and the acceptor concentration of the p-type carrier block layer 15 are set to a high concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more. The donor concentration of the second n-type cladding layer 11 and the first n-type cladding layer 12 and the acceptor concentration of the first p-type cladding layer 16 and the second p-type cladding layer 17 are low concentrations of 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or lower. In other words, so-called modulation doping is performed.
[0046]
By forming the doping concentration of each of the carrier block layers 13 and 15 at a high concentration, depletion of the entire carrier block layers 13 and 15 can be suppressed, and a sufficient potential barrier height can be maintained. 14 can be confined efficiently. Further, by forming the light leakage region, that is, the doping concentration of each of the cladding layers 11, 12, 16, and 17, the free carrier absorption of the light is reduced, and the laser oscillation efficiency is improved.
[0047]
Similarly, for the element of Example 1 , the results of measuring the characteristic temperature and the internal loss under the conditions of cavity length 700 μm, current injection stripe width 50 μm, and no optical coating are shown in the above (Table 1). Compared with Comparative Example 1, the characteristic temperature does not change, but it can be seen that the internal loss is reduced to 1/5, which is greatly improved.
[0048]
In Comparative Example 3, all acceptors are doped with zinc, and the other points are the same as in Example 1 .
[0049]
FIG. 6 is a concentration distribution graph of various elements in the vicinity of the active layer of a sample corresponding to Example 1 , and carbon (C) is used as a p-type dopant. FIG. 7 shows a sample corresponding to Comparative Example 3 , and zinc (Zn) is used as a p-type dopant. In both cases, selenium (Se) is used as the n-type dopant. The samples used in FIGS. 6 and 7 are samples prepared for concentration distribution measurement. FIG. 6 shows the sample of Example 1 , the p-type carrier block layer is Al _0.60 Ga _0.40 As, and the first cladding layer is Al _0.30 Ga. except a _0.70 as, samples of Figure 7 differs in samples and p-type carrier block layer of Comparative example 3 is Al _0.60 Ga _0.40 as, first cladding layer is Al _0.30 Ga _0.70 as.
[0050]
Similar to FIGS. 3 and 4, these graphs show the results of SIMS measurement with the horizontal axis representing the depth in the layer thickness direction and the vertical axis representing the signal intensity corresponding to the element concentration. The depth D1 corresponds to the position of the p-type carrier block layer, and the depth D2 corresponds to the position of the n-type carrier block layer.
[0051]
First, for the Al composition x in FIG. 6, x = 0.3 for the first p-type cladding layer, which is a region shallower than the depth D1, x = 0.6 for the p-type carrier block layer having the depth D1, and depth D1. X <0.3 in the active layer between D2 and D2, x = 0.6 in the n-type carrier block layer having the depth D2, and x = 0.3 in the first n-type cladding layer that is deeper than the depth D2. Each is formed to be.
[0052]
Regarding the carbon element concentration dc in FIG. 6, dc = 3 × 10 ¹⁷ cm ^{−3 in} the region shallower than the depth D1, dc = 1 × 10 ¹⁸ cm ^{−3 in} the depth D2, and the carbon concentration in the region deeper than the depth D2. Each is formed so that there is almost no.
[0053]
Regarding the elemental concentration ds of selenium in FIG. 6, ds = 1 × 10 ¹⁸ cm ^{−3 at} the depth D2 and ds = 3 × at the region deeper than the depth D2, so that there is almost no selenium concentration in the region shallower than the depth D2. Each is formed so as to be 10 ¹⁷ cm ⁻³ .
[0054]
Next, with respect to the Al composition x and the selenium concentration ds in FIG. 7, a graph similar to that in FIG.
[0055]
However, the element concentration dz of FIG. 7 is dz = 3 × 10 ¹⁷ cm ^{−3 in a} region shallower than the depth D1, but gradually decreases from the vicinity of the depth D1, and at the depth D1, the concentration is reduced. There is no peak. Thus, zinc has high diffusivity, and when the carrier block layer is thin, zinc diffuses to other layers, and it is difficult to form a high doping concentration.
[0056]
On the other hand, since carbon is an element having low diffusibility, almost ideal modulation doping can be realized even when the carrier block layer 15 is extremely thin. Moreover, the same graph as carbon is obtained also about magnesium.
[0057]
Similarly, for each element of Example 1 and Comparative Example 3 , the characteristic temperature, internal loss, and measurement results are shown in the above (Table 1) under the conditions of a cavity length of 700 μm, a current injection stripe width of 50 μm, and no optical coating. The sample configuration of Comparative Example 3 differs from the sample configuration of Example 1 only in that zinc is doped as an acceptor. It can be seen that the characteristic temperature of Example 1 is significantly improved from 90K to 140K as compared with Comparative Example 3 .
[0058]
The normalized frequency V of Comparative Example 1 and Example 1 is π. The object of the present invention can be achieved even if the normalized frequency is smaller than π / 3, but if the normalized frequency is π / 3 or more, optical damage at the emission end face is suppressed and higher output is further facilitated. Therefore, π / 3 or more is more preferable.
[0059]
In Example 1, both the first cladding layer and the second cladding layer have a low concentration, but only the first cladding layer close to the active layer may have a low concentration.
[0060]
In the above description, an example in which an AlGaAs-based semiconductor is used as the material of the semiconductor laser element has been described. However, the present invention can be applied as long as carbon or magnesium functions as a p-type dopant.
[0061]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, by using carbon or magnesium as a dopant for the p-type carrier block layer, the carrier block layer is thinned to make it easy to leak light into the cladding layer. 0.01 to 0.03 μm, and a sufficient doping concentration can be realized. Therefore, carrier confinement in the active layer by the carrier block layer is surely performed. This contributes to the improvement of the characteristic temperature. In addition, since the dopant does not diffuse into the quantum well layer, broadening of the emission spectrum can be prevented.
[0062]
Moreover, since the free carrier concentration of the clad layer through which light propagates can be reduced, the internal loss can be kept low.
[0063]
Furthermore, optical damage at the exit end face can be suppressed, and higher output can be achieved.
[0064]
In this way, high efficiency and high output can be achieved in the semiconductor laser device having a completely separated confinement structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a cross-sectional view showing the configuration of Comparative Example 1 , and FIG. 1 (b) is a distribution diagram of doping concentrations of each layer from a first n-type cladding layer to a second p-type cladding layer. .
FIG. 2 is a graph showing acceptor levels of various p-type dopants in AlGaAs.
FIG. 3 is a concentration distribution graph of various elements in the vicinity of an active layer of a sample corresponding to Comparative Example 1 using carbon as a p-type dopant.
FIG. 4 is a concentration distribution graph of various elements in the vicinity of an active layer of a sample corresponding to Comparative Example 2 using zinc as a p-type dopant.
[5] 5 (a) is a sectional view showing the configuration of the actual Example 1 of the present invention, FIG. 5 (b) of the doping concentration of each layer from the second 1n-type cladding layer to the 2p-type clad layer It is a distribution map.
FIG. 6 is a concentration distribution graph of various elements in the vicinity of an active layer of a sample corresponding to Example 1 using carbon as a p-type dopant.
FIG. 7 is a concentration distribution graph of various elements in the vicinity of an active layer of a sample corresponding to Comparative Example 3 using zinc as a p-type dopant.
8A is a cross-sectional view showing an example of a conventional semiconductor laser device, FIG. 8B is a distribution diagram of the forbidden band width corresponding to each layer, and FIG. 8C is an effective refractive index. FIG.
[Explanation of symbols]
11 second n-type cladding layer 12 first n-type cladding layer 13 n-type carrier block layer 14 active layer 15 p-type carrier block layer 16 first p-type cladding layer 17 second p-type cladding layer 18 current confinement layer 19 p-type contact layer 20

semiconductor Substrate

21, 22 Ohmic electrode

Claims

N-type and p-type cladding layers are provided on both sides of the active layer,
Providing n-type and p-type carrier block layers having a forbidden band width equal to or greater than the forbidden band widths of the active layer and both cladding layers in the vicinity of the active layer,
The n-type and p-type carrier block layers have a thickness of 0.01 to 0.03 μm,
Each of the n-type and p-type cladding layers includes a first cladding layer and a second cladding layer in order from the closest to the active layer,
π is the circumference, N1 is the refractive index of the first cladding layer, N2 is the refractive index of the second cladding layer, d1 is the effective thickness of the second cladding layer, λ is the oscillation wavelength of the semiconductor laser, and the normalized frequency V is
V = (π · d1 / λ) · (N1 ² -N2 ² ) ^0.5
When defined as
2π ≧ V> π / 3
age,
The doping amount of the n-type and p-type carrier block layers is subjected to modulation doping with a higher concentration than each of the first cladding layers adjacent to the carrier block layers,
A semiconductor laser device, wherein the dopant of the p-type carrier block layer is carbon or magnesium.

The doping amount of the n-type carrier block layer and the p-type carrier block layer is 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more,
2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein modulation doping is performed so that a doping amount of a clad layer adjacent to the carrier block layer is 3 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or less.

3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the carrier block layer and the cladding layer are made of a III-V group compound semiconductor.

Carrier blocking layer and the cladding layer, a semiconductor laser device according to one of claims 1 to 3, characterized in that it is formed of AlGaAs-based compound semiconductor.