JP3652454B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関し、より詳しくは、電流狭窄層を有する平坦化埋込みレーザ及びその製造方法に関する。
平坦化埋込みレーザは、その効率のよい電流狭窄構造から、低閾値，高効率のレーザ発振を達成でき、また寄生容量が小さいことから高速変調動作を期待できる。光通信用レーザとして重要である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の平坦化埋込みレーザの一例として用いられた半絶縁性電流狭窄層を有する平坦化埋込みレーザ（Semi Insulated Planar Buried Heterostructure Laser:SIPBHレーザ）の構造を図１１（ａ），（ｂ）に示す。ｐ側電極７２より注入された電流は、広いp-InGaAsP コンタクト層７０, p-InP クラッド層６９を透過した後、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂ、Fe-InP電流狭窄層６７ａ，６７ｂからなる電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂによって狭窄され、電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂの間の活性層６３を含む活性層メサ領域２０１を流れる。ここで電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂ上部に、広いクラッド層６９及びコンタクト層７０を有し、電流の通流面積が広いことから、直列抵抗を低減できる。このことは、レーザ駆動電力を低減するのに重要である。
【０００３】
このような構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で３回連続成長することにより作成される。
まず、（１００）面方位を有するn-InP 基板６１を用意する。（１００）面を用いるのは、へき開により垂直な出射端面を容易に得ることができること、再成長したエピ層の結晶性が良好なこと等の利点があるためである。
【０００４】
一回目成長で、n-InP 基板６１上にn-InP バッファ層６２、InGaAsP 活性層６３、p-InP クラッド層６４及びp-InGaAsP キャップ層６５を形成する。
次に、p-InGaAsP キャップ層６５の中央部に形成したSiO2膜９１をマスクとして、下の多層６５〜６２をメサエッチングし、活性層６３を含む活性層メサ領域２０１ａを形成する。
【０００５】
次いで、図１０（ａ）に示すように、メサエッチングに用いたSiO2膜９１を選択成長のマスクとして用い、２回目成長で、活性層メサ領域２０１ａの両側にFe-InP電流狭窄層６７ａ，６７ｂ及びn-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂを形成する。このとき、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂの活性層メサ領域２０１ａに面した側の側壁では、（１１１）Ｂ面が成長停止面となり、（１１１）Ｂ面が出ている、傾斜した側壁となる。
【０００６】
そして、最後に、図１０（ｂ）に示すように、SiO2膜９１のマスク及びp-InGaAsP キャップ層６５を除去した後、図１０（ｃ）に示すように、３回目成長で、p-InP クラッド層６９を形成し、さらに、図１１に示すように、p-InGaAsP コンタクト層７０を形成する。このとき、成長速度１．５μｍ／ｈ以上で良好な表面ホモロジを得るために、p-InP クラッド層６９の成長を通常成長温度６２０℃以上で行う。また、p-InP クラッド層６９を成長すると、２回目成長で生じた（１１１）Ｂ面上への成長となるために、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂに挟まれた活性層メサ領域２０１の直上部では（１１１）Ｂ面成長となる。一方、活性層メサ領域２０１から十分に離れたn-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂの直上部では（１００）面成長となる。
【０００７】
その後、p-InGaAsP コンタクト層７０上に絶縁膜７１のコンタクトホールを通してｐ側電極７２を形成し、さらにn-InP 基板６１の裏面にｎ側電極７３を形成すると、半導体レーザが完成する。
上記半導体レーザでは、注入電流を活性層に集中して流す電流狭窄構造の特徴を有効に生かすため、リーク電流を極力抑制する必要がある。例えば、通常使用される駆動電流３０ｍＡ以下の場合に、リーク電流を１５％以下に抑制することが望ましい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記半導体レーザでは、活性層の両脇の電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂを流れるリーク電流が増加するという問題がある。例えば、駆動電流３０ｍＡで２５％以上のリーク電流が生じる場合がある。
その原因調査によると、３回目成長のp-InP クラッド層６９は、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂに挟まれるＡ部では、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂの直上部（Ｂ部）に比べてｐドーパント濃度が低濃度になっていることが分かった。例えば、固溶限界となる濃度２×１０18ｃｍ-3でＺｎをp-InP クラッド層６９にドーピングしても、Ａ部ではＺｎ濃度が凡そ２×１０17ｃｍ-3となっている。
【０００９】
このように、活性層メサ領域２０１の直上部（Ａ部）が低濃度になると、その部分ではn-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂによって特に電流通流面積が小さいため、直列抵抗が増大し、活性層メサ領域２０１に加わる電圧が増加する。その結果、ｐ側電極７２から注入した電流は、活性層メサ領域２０１を流れるよりも電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂの方を流れ易くなり、活性層の両脇を流れるリーク電流となる。
【００１０】
さらに、ＳＩＰＢＨ構造で、かつスポットサイズ変換器を集積したレーザの場合、次のような問題が生じる。即ち、この構造は活性層を含む利得領域と導波路領域が共振器方向に隣接して設けられ、ｐ側電極は利得領域の上部にのみ形成される。活性層メサ領域直上部が低濃度になると、活性層メサ領域に加わる電圧が増加するため、注入電流は導波路領域に広がり、発光再結合に寄与しなくなる。
【００１１】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、活性層を含む活性層メサ領域直上部のｐ型クラッド層のＺｎ濃度の低下を抑制して電流狭窄領域及び導波路領域を流れるリーク電流を低減することができる半導体レーザ及びその製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第１の発明である、（１００）面を有する半導体基板と、該半導体基板上に形成された活性層を含む活性層メサ領域と、該活性層メサ領域を挟む電流狭窄領域と、前記両方の領域を被覆するクラッド層とを有する半導体レーザにおいて、前記電流狭窄領域の最上層のｎ型電流阻止層の側壁は（１１１）B面を有し、該側壁の間のクラッド層のＺｎ濃度は、前記電流阻止層上部のクラッド層のＺｎ濃度より低く、５×１０17ｃｍ-3以上を含有するＩｎＰ層からなることを特徴とする半導体レーザによって解決され、
第２の発明である、前記活性層から横方向に延びるスポットサイズ変換器を有することを特徴とする第１の発明に記載の半導体レーザによって解決され、
第３の発明である、（１００）面を有する半導体基板と、該半導体基板上の活性層を含む活性層メサ領域と、最上層のｎ型電流阻止層の側壁が（１１１）B面となっている、前記活性層メサ領域を挟む電流狭窄領域と、前記活性層メサ領域上であって前記側壁に挟まれた領域及び前記電流狭窄領域を被覆するクラッド層とを有する半導体レーザの製造方法において、前記クラッド層は、６００℃以下の成長温度でＺｎをドープしながらＩｎＰ層を成長させることを特徴とする半導体レーザの製造方法によって解決され、
第４の発明である、前記活性層から横方向に延びるスポットサイズ変換器を有することを特徴とする第３の発明に記載の半導体レーザの製造方法によって解決される。
【００１３】
従来例のSIPBH 構造の半導体レーザで活性層メサ領域２０１の直上部（Ａ部）が低濃度になる原因は以下のように説明することができる。即ち、ＩｎＰ結晶成長において、（１１１）Ｂ面と（１００）面とで、Ｚｎの取り込まれ量が異なること、特に成長温度が６２０℃以上では、（１１１）Ｂ面でのＺｎの取り込まれ率が（１００）面に比べて非常に低いことが挙げられる。例えば、成長温度６２０℃では、（１００）面でＺｎの固溶限界である２×１０18ｃｍ-3でドーピングしたとしても、（１１１）Ｂ面では凡そ２×１０17ｃｍ-3となる。
【００１４】
本願発明者は、（１００）面方位の半導体基板を用いて電流狭窄領域を有する半導体レーザを作成することを前提条件として、活性層を含む活性層メサ領域の直上部（Ａ部）のＺｎ濃度を上げる方法を調査した。調査によれば、（１００）面でのＺｎの取り込まれ量に対する（１１１）Ｂ面でのＺｎの取り込まれ量の比率が成長温度に依存し、かつその比率は低温になるほど高くなることを見いだした。その結果を図３に示す。従って、活性層メサ領域の直上部（Ａ部）のＺｎの濃度を上げるためには、成長温度を低くすればよい。
【００１５】
一方、低閾値及び高効率とするために、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率１５％以下となるようなＡ部でのＺｎ濃度条件をシミュレーションにより求めると、図２に示すように、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3以上が必要であることが分かった。
ところで、（１００）面を有するＩｎＰでは、Ｚｎの固溶限界は２×１０18ｃｍ-3である。従って、（１１１）Ｂ面でのＺｎ濃度５×１０17ｃｍ-3以上とするためには、Ｚｎ取り込まれ量の面方位依存性が０．２５以上、即ち、図３により、成長温度６００℃以下とする必要がある。これにより、図２に示すように、Ａ部でのＺｎ濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合にリーク電流比率を１５％程度に、１×１０18ｃｍ-3の場合に８％程度に、２×１０18ｃｍ-3の場合に５％程度にそれぞれ低減することができる。
【００１６】
また、ＳＩＰＢＨ構造で、かつスポットサイズ変換器を集積したレーザに本発明を適用した場合に特に有効である。この構造では、活性層を含む利得領域と導波路領域とが共振器方向に隣接して設けられ、ｐ側電極は利得領域の上部にのみ形成される。これにより、注入電流は大部分活性層に集中して流れ、発光再結合が生じる。活性層を含む活性層メサ領域の直上部のｐ型クラッド層の抵抗が低く抑制されることにより、ｐ側電極から活性層メサ領域に注入される電流が導波路部及び電流狭窄領域に広がるのを抑制することができるため、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）本願発明者による調査及びシミュレーション
図２は、本願発明者がシミュレーションにより求めた、注入した全電流（ＩT ）に対するリーク電流比率（ＩL ／ＩT ）の変化の様子を示す特性図である。縦軸は線形目盛りで表されたリーク電流比率（ＩL ／ＩT ）を示し、横軸は線形目盛りで表された全注入電流（ＩT ）（ｍＡ）を示す。
【００１８】
図１及び図９の断面構造を持つ半導体レーザをモデルとしている。活性層を含む活性層メサ領域の直上部でのＺｎ濃度をパラメータとし、Ｚｎ濃度として１，２，５×１０17，１，２×１０18ｃｍ-3の５条件を採っている。また、電流狭窄領域の直上部でのＺｎ濃度を２×１０18ｃｍ-3としている。
低閾値及び高効率とするために、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率１５％以下となるようなＡ部でのＺｎ濃度条件は、図２より、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3以上であることが分かる。
【００１９】
これにより、図２に示すように、Ａ部でのＺｎ濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合にリーク電流比率を１５％程度に、１×１０18ｃｍ-3の場合に８％程度に、２×１０18ｃｍ-3の場合に５％程度にそれぞれ低減することができる。
図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法における、成長温度に対するｐ型ＩｎＰ層へのＺｎ取り込まれ量の面方位依存比率ＲZnについて示す特性図である。
【００２０】
図３に本願発明者が実験により取得した結果を示す。横軸は線形目盛りで表した成長温度（℃）を示し、縦軸は線形目盛りで表した、（１００）面の成長層へのＺｎの取り込まれ量に対する（１１１）Ｂ面の成長層へのＺｎの取り込まれ量の面方位依存比率ＲZnを示す。
結果によれば、図３に示すように、今まで用いられてきた成長温度６２０℃では、（１１１）Ｂ面の成長層へのＺｎの取り込まれ量は（１００）面の成長層へのＺｎの取り込まれ量の１０％程度と低い。この場合、ＩｎＰ層の格子点に入り得るＺｎの濃度限界、即ちＩｎＰ層へのＺｎの固溶限界は凡そ２×１０18ｃｍ-3であるため、（１１１）Ｂ面の成長層のＺｎ濃度は２×１０17ｃｍ-3程度と極めて低くなる。
【００２１】
これに対して、成長温度６００℃ではＺｎの取り込まれ面方位依存比率は２５％程度となり、成長温度が低下するにしたがって増加する。即ち、成長温度５９０℃では５０％となり、成長温度５８０℃では７５〜８０％となり、成長温度５７０℃では１．２倍程度となり、成長温度５６０℃では１．７倍程度になる。
実験によれば、図１の構造においては、閾値電流が増大せず、効率が大きく低下しないような、活性層メサ領域直上部における（１１１）Ｂ成長面のＩｎＰ層中のＺｎ濃度は５×１０17ｃｍ-3以上、好ましくは１×１０18ｃｍ-3以上がよい。従って、（１００）面を有するＩｎＰ層へのＺｎの固溶限界を凡そ２×１０18ｃｍ-3とすると、成長温度６００℃以下、好ましくは成長温度５９０℃以下が適切である。
【００２２】
なお、成長温度の低下により再成長エピ層の結晶性が悪化する心配があるが、成長速度を低下させることにより、それを改善することが可能である。例えば、成長温度６２０℃で成長速度２μｍ／ｈであったものを、ガス流量を低くすることにより成長温度５９０℃で成長速度１μｍ／ｈ程度とする。
（２）本発明の第１の実施の形態
図７（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る、電流狭窄構造を有するＳＩＰＢＨテーパレーザを示す斜視図である。図１は図７（ａ）のＩ−Ｉ線断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII-II 線断面図である。
【００２３】
図７（ａ）及び図１に示すように、注入電流の大部分が流れる活性層部分を含む活性層メサ領域１０１と、活性層メサ領域１０１の両側に形成された電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂとを有する。電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂへのキャリアのリークが抑制されるため、注入された電流は活性層メサ領域１０１に集中して流れる。
【００２４】
活性層メサ領域１０１では、（１００）面、又は（１００）面から±１０°以内、好ましくは±５°以内で傾けた結晶面を有するn-InP 基板１上に、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3，層厚約０．２μｍのn-InP バッファ層２と、アンドープ，層厚約０．３μｍの１．３μｍ組成のInGaAsP 活性層３と、Ｚｎ濃度７×１０17ｃｍ-3，層厚約０．７μｍのp-InP クラッド層４とが積層されている。
【００２５】
また、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂでは、n-InP 基板１上に、Ｆｅ濃度５×１０16ｃｍ-3，層厚約２μｍのFe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂと、Ｓｉ濃度３×１０18ｃｍ-3，層厚約０．３μｍのn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂとが積層されている。Fe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂではFe原子がディープレベルを形成しており、そこの抵抗を大きくしている。また、n-InP 電流阻止層８ａ，８ｂは、その上のクラッド層９からFe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂに正孔が注入されないようにするために設けられている。
【００２６】
さらに、活性層メサ領域１０１及び電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの上部全体に、Ｚｎ濃度２×１０18ｃｍ-3，層厚約１．５μｍのp-InP クラッド層９と、Ｚｎ濃度７×１０18ｃｍ-3，層厚約０．５μｍのp-InGaAsP コンタクト層１０とが積層されている。ここで、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０１の直上部（Ａ部）で１×１０18ｃｍ-3となっており、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの直上部（Ｂ部）で２×１０18ｃｍ-3となっている。
【００２７】
また、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ＳＩＰＢＨテーパレーザは、活性層３に共振器方向で隣接するテーパ導波路（スポットサイズ変換器）６を設けた構造を有する。テーパ導波路６は、活性層３組成より短波の、即ちバンド端の広い組成を有し、レーザ光を吸収しないで出射端面に導く。導波路は出射端面に向けて層厚が薄くなり、光閉じ込め率が減少する。従って、出射端面に向けて光スポットサイズが大きくなり、光ファイバとの結合が良好となる。ｐ側電極１２は活性層３上方にのみ被着される。これにより、注入電流は活性層３にのみ集中して流れ、発光再結合が生じる。活性層３より出たレーザ光はテーパ導波路６で吸収されることなく出射端面に導かれ、そこから出射される。このとき、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度が高く、抵抗が低いと、ｐ側電極１２より活性層メサ領域１０１に注入された電流は、テーパ導波路６領域に広がらずに大部分が活性層３に流れる。これにより、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００２８】
次に、上記ＳＩＰＢＨテーパレーザの製造方法について図面を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｃ），図５（ａ）〜（ｃ）は図７（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。図６（ａ），（ｂ）は作成途中の半導体レーザを示す斜視図である。図７（ａ）は完成した半導体レーザを示す斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII-II 線断面図である。
【００２９】
全ての半導体層の成膜方法として有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる。
まず、図４（ａ）に示すように、（１００）面、又は（１００）面から±１０°以内、好ましくは±５°以内で傾けた面方位を有するＳｉドープのn-InP 基板１ａ上に間隔をおいて一対の選択成長マスク５１ａを形成したものを用意し、その上に、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3，層厚約０．２μｍのn-InP 層２ａと、アンドープ，層厚約０．３μｍで、１．３μｍ組成のInGaAsP 層３ａと、Ｚｎ濃度７×１０17ｃｍ-3，層厚約０．７μｍのp-InP 層４ａと、Ｚｎドープ，１．１μｍ組成のp-InGaAsP キャップ層５ａとを成長する。
【００３０】
このとき、図６（ａ）に示すように、各層はマスク５１ａに挟まれた領域では一定膜厚となり、その他の領域ではマスク５１ａが形成された側から徐々に膜厚が薄くなる。そして、InGaAsP 層３ａと隣接するInGaAsP 層６ａがテーパ導波路となる。
さらに、p-InGaAsP キャップ層５ａ上の中央部にパターニングにより幅約１．５μｍの帯状のＳｉＯ2 膜からなマスク５１ｂを形成する。このとき、p-InGaAsP キャップ層５ａはマスク５１ｂを除去する際のエッチャントから下部層を保護するために形成される。従って、キャップ層５ａはこの機能有するものであれば、材料を自由に選べる。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示すように、マスク５１ｂに従って、p-InGaAsP キャップ層５ａ、p-InP 層４ａ、InGaAsP 層３ａ、及びn-InP 層２ａをエッチングする。このとき、多少オーバエッチングを行い、n-InP 基板１ａの表層を少しエッチングする。これにより、p-InGaAsP キャップ層５、p-InP クラッド層４、InGaAsP 活性層３、及びn-InP バッファ層２からなるメサ部１０１ａが形成される。
【００３２】
次いで、図４（ｃ）に示すように、濃度５×１０16ｃｍ-3でＦｅをドープしながら、ＩｎＰを成長し、層厚約２μｍのFe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂを形成する。このとき、ＩｎＰはマスク５１ｂ上には成長せず、マスク５１ｂの両側部のn-InP 基板１上にのみ成長する。この場合、成長したＩｎＰ層７ａ，７ｂの面方位はn-InP 基板１の面方位に従って（１００）面、又は（１００）面から±１０°以内、好ましくは±５°以内で傾いた面方位を有する。続いて、濃度３×１０18ｃｍ-3でＳｉをドープしながら、ＩｎＰを成長し、層厚約０．３μｍのn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂを形成する。このとき、マスク５１ｂ側では、マスク５１ｂ上を原料ガスが濃度拡散により横方向に流れていくため、成長速度が増加する。そして、（１１１）Ｂ面が成長停止面となり、マスク５１ｂ側のn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂの側壁は（１１１）Ｂ面を有し、傾斜する。一方、マスク５１ｂと離れたn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂの平坦部では下層の結晶方位に従って（１００）面方位を有する。これにより、図６（ｂ）に示すように、マスク５１ｂの両側に電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂが形成される。幅Ｗの領域が活性層３及び活性層３に隣接するテーパ導波路６となる。
【００３３】
次に、図５（ａ）に示すように、マスク５１ｂとキャップ層５を除去し、p-InP クラッド層４を表出する。これにより、p-InP クラッド層４、InGaAsP 活性層３、及びn-InP バッファ層２からなる活性層メサ領域１０１が形成される。
続いて、図５（ｂ）に示すように、（１００）面を有するＩｎＰ層でのＺｎ濃度が２×１０18ｃｍ-3となるようにＺｎをドープしながら、ＩｎＰ層９ａ〜９ｄを成長し、層厚約１．５μｍのp-InP クラッド層９を形成する。このとき、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでＺｎ濃度に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下とする。これにより、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０１の直上部（Ａ部）で１×１０18ｃｍ-3となり、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの直上部（Ｂ部）で２×１０18ｃｍ-3となる。
【００３４】
次いで、図５（ｃ），図７（ａ），（ｂ）に示すように、p-InP クラッド層９の成長温度と同じ成長温度で、濃度７×１０18ｃｍ-3でＺｎをドープしながら、InGaAsP を成長し、層厚約０．５μｍのp-InGaAsP コンタクト層１０を形成する。
その後、n-InP 基板１の裏面にｎ側電極１３を形成する。続いて、p-InGaAsP コンタクト層１０表面に絶縁膜１１を形成し、続いてコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールを通してp-InGaAsP コンタクト層１０と接触するｐ側電極１２を形成する。
【００３５】
以上のように、図５（ｂ）の工程において、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでp-InP クラッド層９へのＺｎの取り込まれ面方位依存比率に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下としている。これにより、（１１１）Ｂ面を有するp-InP クラッド層９におけるＺｎの取り込まれ面方位依存比率が向上するため、主電流が通過する活性層メサ領域１０１の直上部（Ａ部）でp-InP クラッド層９のＺｎ濃度の低下を抑制することができる。
【００３６】
これにより、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂと比べて活性層メサ領域１０１の抵抗が低下するため、ｐ側電極１２とｎ側電極１３間に流れる電流は主電流として活性層メサ領域１０１の方により集中して流れるようになり、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの方に迂回するリーク電流が減少する。従って、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００３７】
（３）本発明の第２の実施の形態
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構造について示す断面図である。
図１の半導体レーザと異なるところは、図８に示すように、ＦｅをドープしたInP 電流狭窄層７ａ，７ｂの代わりに、Ｚｎをドープしたp-InP 電流狭窄層２１ａ，２１ｂを用いたことである。この場合、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂはｐｎｐｎのサイリスタ素子構造を有し、電流狭窄メカニズムは図１の場合と異なる。即ち、電子の流れと正孔の流れはそれぞれのｐｎ接合の電位障壁により抑制される。
【００３８】
この場合、半導体レーザを作成するため、図４（ｃ）の工程で、濃度５×１０16ｃｍ-3でＺｎをドープしながら、ＩｎＰを成長し、層厚約１μｍのZn-InP電流狭窄層２１ａ，２１ｂを形成する。これ以外の作成工程及び作成条件は、第１の実施の形態で説明した工程及び条件と同一である。
以上のように、第２の実施の形態でも、p-InP クラッド層９を形成する際、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでＺｎ濃度に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下とする。これにより、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０１の直上部で１×１０18ｃｍ-3となり、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂの直上部で２×１０18ｃｍ-3となる。
【００３９】
これにより、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂと比べて活性層メサ領域１０１の抵抗が低下するため、ｐ側電極１２とｎ側電極１３間に流れる電流は活性層メサ領域１０１の方により集中して流れるようになり、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂの方に迂回するリーク電流が減少する。従って、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、第２の実施の形態で説明した本発明の構成は、電流狭窄構造を有するＳＩＰＢＨテーパレーザのみならず、電流狭窄構造を有する他の構造の半導体レーザにも適用可能である。
（４）本発明の第３の実施の形態
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの構造について示す断面図である。
【００４１】
第１の実施の形態に係る半導体レーザ（図７（ｂ）参照）と異なるところは、図９に示すように、テーパ導波路６を形成せず、すべて活性層２２としていることである。コンタクト層２３及びｐ側電極２４は活性層２２上方共振方向全長にわたって形成されている。n-InP バッファ層２と活性層２２とp-InP クラッド層４とが活性層メサ領域１０４を構成する。なお、電流狭窄層は第１又は第２の実施の形態と同じ構造のものいずれでも用いることができる。
【００４２】
この場合、半導体レーザを作成するため、図６（ａ）の工程で、マスク５１ａを形成せずに、n-InP 基板全面にn-InP バッファ層２を成長し、層厚約０．３μｍ一定膜厚のInGaAsP 活性層２２を形成する。これ以外の作成工程及び作成条件は、第１の実施の形態で説明した工程と及び条件と同一である。
以上のように、第３の実施の形態でも、p-InP クラッド層９を形成する際、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでＺｎ濃度に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下とする。これにより、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０４の直上部で１×１０18ｃｍ-3となり、電流狭窄領域の直上部で２×１０18ｃｍ-3となる。
【００４３】
これにより、電流狭窄領域と比べて活性層メサ領域１０４の抵抗が低下するため、ｐ側電極２４とｎ側電極１３間に流れる電流は活性層メサ領域１０４の方により集中して流れるようになり、電流狭窄領域の方に迂回するリーク電流が減少する。従って、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る半導体レーザにおいては、電流狭窄領域に挟まれた活性層を含む活性層メサ領域の直上部でのクラッド層のＺｎ濃度を５×１０17ｃｍ-3としているので、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率１５％以下に低減することができる。これにより、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、本発明に係る半導体レーザの製造方法においては、活性層メサ領域と電流狭窄領域を被覆するクラッド層を、６００℃以下の成長温度でＺｎをドープしながらＩｎＰ層を成長することにより形成している。
従って、ＩｎＰ層のＺｎ取り込まれ量の面方位依存比率は０．２５以上となる。（１００）面を有するＩｎＰ混晶のＺｎの固溶限界２×１０18ｃｍ-3を考慮すると、電流狭窄領域の（１１１）Ｂ面の側壁に挟まれた活性層メサ領域の直上部でのクラッド層のＺｎ濃度は５×１０17ｃｍ-3以上となるため、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率を１５％以下に低減することができ、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【００４６】
また、ＳＩＰＢＨ構造で、かつスポットサイズ変換器を持つレーザに本発明を適用した場合に特に有効である。活性層を含む活性層メサ領域の直上部のp-InP クラッド層の抵抗が低く抑制されることにより、ｐ側電極から活性層部分に注入される電流が導波路部及び電流狭窄領域に広がるのを抑制することができるため、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザについて示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザのリーク電流のＺｎ濃度依存性について示す特性図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法における、成長温度に対するＩｎＰ混晶へのＺｎの取り込まれ量の面方位依存比率について示す特性図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その１）である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その２）である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す斜視図（その１）である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す斜視図（その２）であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII-II 線断面図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザについて示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザについて示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は、従来例に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その１）である。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、従来例に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その２）である。
【符号の説明】
１，１ａ n-InP 基板、
２ n-InP バッファ層、
２ａ n-InP 層、
３，２２ InGaAsP 活性層、
３ａ，６ａ InGaAsP 層、
４，９，９ａ〜９ｄ p-InP クラッド層、
４ａ p-InP 層、
５，５ａ p-InGaAsP キャップ層、
６ テーパ導波路、
７ａ，７ｂ Fe-InP電流狭窄層、
８ａ，８ｂ n-InP 電流阻止層、
１０，２３ p-InGaAsP コンタクト層、
１１ 絶縁膜、
１２，２４ ｐ側電極、
１３ ｎ側電極、
２１ａ，２１ｂ p-InP 電流狭窄層、
５１ａ，５１ｂ マスク、
１０１，１０４ 活性層メサ領域、
１０１ａ メサ部、
１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ 電流狭窄領域。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ及びその製造方法に関し、より詳しくは、電流狭窄層を有する平坦化埋込みレーザ及びその製造方法に関する。
平坦化埋込みレーザは、その効率のよい電流狭窄構造から、低閾値，高効率のレーザ発振を達成でき、また寄生容量が小さいことから高速変調動作を期待できる。光通信用レーザとして重要である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の平坦化埋込みレーザの一例として用いられた半絶縁性電流狭窄層を有する平坦化埋込みレーザ（Semi Insulated Planar Buried Heterostructure Laser:SIPBHレーザ）の構造を図１１（ａ），（ｂ）に示す。ｐ側電極７２より注入された電流は、広いp-InGaAsP コンタクト層７０, p-InP クラッド層６９を透過した後、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂ、Fe-InP電流狭窄層６７ａ，６７ｂからなる電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂによって狭窄され、電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂの間の活性層６３を含む活性層メサ領域２０１を流れる。ここで電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂ上部に、広いクラッド層６９及びコンタクト層７０を有し、電流の通流面積が広いことから、直列抵抗を低減できる。このことは、レーザ駆動電力を低減するのに重要である。
【０００３】
このような構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）で３回連続成長することにより作成される。
まず、（１００）面方位を有するn-InP 基板６１を用意する。（１００）面を用いるのは、へき開により垂直な出射端面を容易に得ることができること、再成長したエピ層の結晶性が良好なこと等の利点があるためである。
【０００４】
一回目成長で、n-InP 基板６１上にn-InP バッファ層６２、InGaAsP 活性層６３、p-InP クラッド層６４及びp-InGaAsP キャップ層６５を形成する。
次に、p-InGaAsP キャップ層６５の中央部に形成したSiO2膜９１をマスクとして、下の多層６５〜６２をメサエッチングし、活性層６３を含む活性層メサ領域２０１ａを形成する。
【０００５】
次いで、図１０（ａ）に示すように、メサエッチングに用いたSiO2膜９１を選択成長のマスクとして用い、２回目成長で、活性層メサ領域２０１ａの両側にFe-InP電流狭窄層６７ａ，６７ｂ及びn-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂを形成する。このとき、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂの活性層メサ領域２０１ａに面した側の側壁では、（１１１）Ｂ面が成長停止面となり、（１１１）Ｂ面が出ている、傾斜した側壁となる。
【０００６】
そして、最後に、図１０（ｂ）に示すように、SiO2膜９１のマスク及びp-InGaAsP キャップ層６５を除去した後、図１０（ｃ）に示すように、３回目成長で、p-InP クラッド層６９を形成し、さらに、図１１に示すように、p-InGaAsP コンタクト層７０を形成する。このとき、成長速度１．５μｍ／ｈ以上で良好な表面ホモロジを得るために、p-InP クラッド層６９の成長を通常成長温度６２０℃以上で行う。また、p-InP クラッド層６９を成長すると、２回目成長で生じた（１１１）Ｂ面上への成長となるために、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂに挟まれた活性層メサ領域２０１の直上部では（１１１）Ｂ面成長となる。一方、活性層メサ領域２０１から十分に離れたn-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂの直上部では（１００）面成長となる。
【０００７】
その後、p-InGaAsP コンタクト層７０上に絶縁膜７１のコンタクトホールを通してｐ側電極７２を形成し、さらにn-InP 基板６１の裏面にｎ側電極７３を形成すると、半導体レーザが完成する。
上記半導体レーザでは、注入電流を活性層に集中して流す電流狭窄構造の特徴を有効に生かすため、リーク電流を極力抑制する必要がある。例えば、通常使用される駆動電流３０ｍＡ以下の場合に、リーク電流を１５％以下に抑制することが望ましい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記半導体レーザでは、活性層の両脇の電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂを流れるリーク電流が増加するという問題がある。例えば、駆動電流３０ｍＡで２５％以上のリーク電流が生じる場合がある。
その原因調査によると、３回目成長のp-InP クラッド層６９は、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂに挟まれるＡ部では、n-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂの直上部（Ｂ部）に比べてｐドーパント濃度が低濃度になっていることが分かった。例えば、固溶限界となる濃度２×１０18ｃｍ-3でＺｎをp-InP クラッド層６９にドーピングしても、Ａ部ではＺｎ濃度が凡そ２×１０17ｃｍ-3となっている。
【０００９】
このように、活性層メサ領域２０１の直上部（Ａ部）が低濃度になると、その部分ではn-InP 電流阻止層６８ａ，６８ｂによって特に電流通流面積が小さいため、直列抵抗が増大し、活性層メサ領域２０１に加わる電圧が増加する。その結果、ｐ側電極７２から注入した電流は、活性層メサ領域２０１を流れるよりも電流狭窄領域２０２ａ，２０２ｂの方を流れ易くなり、活性層の両脇を流れるリーク電流となる。
【００１０】
さらに、ＳＩＰＢＨ構造で、かつスポットサイズ変換器を集積したレーザの場合、次のような問題が生じる。即ち、この構造は活性層を含む利得領域と導波路領域が共振器方向に隣接して設けられ、ｐ側電極は利得領域の上部にのみ形成される。活性層メサ領域直上部が低濃度になると、活性層メサ領域に加わる電圧が増加するため、注入電流は導波路領域に広がり、発光再結合に寄与しなくなる。
【００１１】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、活性層を含む活性層メサ領域直上部のｐ型クラッド層のＺｎ濃度の低下を抑制して電流狭窄領域及び導波路領域を流れるリーク電流を低減することができる半導体レーザ及びその製造方法を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第１の発明である、（１００）面を有する半導体基板と、該半導体基板上に形成された活性層を含む活性層メサ領域と、該活性層メサ領域を挟む電流狭窄領域と、前記両方の領域を被覆するクラッド層とを有する半導体レーザにおいて、前記電流狭窄領域の最上層のｎ型電流阻止層の側壁は（１１１）B面を有し、該側壁の間のクラッド層のＺｎ濃度は、前記電流阻止層上部のクラッド層のＺｎ濃度より低く、５×１０17ｃｍ-3以上を含有するＩｎＰ層からなることを特徴とする半導体レーザによって解決され、
第２の発明である、前記活性層から横方向に延びるスポットサイズ変換器を有することを特徴とする第１の発明に記載の半導体レーザによって解決され、
第３の発明である、（１００）面を有する半導体基板と、該半導体基板上の活性層を含む活性層メサ領域と、最上層のｎ型電流阻止層の側壁が（１１１）B面となっている、前記活性層メサ領域を挟む電流狭窄領域と、前記活性層メサ領域上であって前記側壁に挟まれた領域及び前記電流狭窄領域を被覆するクラッド層とを有する半導体レーザの製造方法において、前記クラッド層は、６００℃以下の成長温度でＺｎをドープしながらＩｎＰ層を成長させることを特徴とする半導体レーザの製造方法によって解決され、
第４の発明である、前記活性層から横方向に延びるスポットサイズ変換器を有することを特徴とする第３の発明に記載の半導体レーザの製造方法によって解決される。
【００１３】
従来例のSIPBH 構造の半導体レーザで活性層メサ領域２０１の直上部（Ａ部）が低濃度になる原因は以下のように説明することができる。即ち、ＩｎＰ結晶成長において、（１１１）Ｂ面と（１００）面とで、Ｚｎの取り込まれ量が異なること、特に成長温度が６２０℃以上では、（１１１）Ｂ面でのＺｎの取り込まれ率が（１００）面に比べて非常に低いことが挙げられる。例えば、成長温度６２０℃では、（１００）面でＺｎの固溶限界である２×１０18ｃｍ-3でドーピングしたとしても、（１１１）Ｂ面では凡そ２×１０17ｃｍ-3となる。
【００１４】
本願発明者は、（１００）面方位の半導体基板を用いて電流狭窄領域を有する半導体レーザを作成することを前提条件として、活性層を含む活性層メサ領域の直上部（Ａ部）のＺｎ濃度を上げる方法を調査した。調査によれば、（１００）面でのＺｎの取り込まれ量に対する（１１１）Ｂ面でのＺｎの取り込まれ量の比率が成長温度に依存し、かつその比率は低温になるほど高くなることを見いだした。その結果を図３に示す。従って、活性層メサ領域の直上部（Ａ部）のＺｎの濃度を上げるためには、成長温度を低くすればよい。
【００１５】
一方、低閾値及び高効率とするために、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率１５％以下となるようなＡ部でのＺｎ濃度条件をシミュレーションにより求めると、図２に示すように、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3以上が必要であることが分かった。
ところで、（１００）面を有するＩｎＰでは、Ｚｎの固溶限界は２×１０18ｃｍ-3である。従って、（１１１）Ｂ面でのＺｎ濃度５×１０17ｃｍ-3以上とするためには、Ｚｎ取り込まれ量の面方位依存性が０．２５以上、即ち、図３により、成長温度６００℃以下とする必要がある。これにより、図２に示すように、Ａ部でのＺｎ濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合にリーク電流比率を１５％程度に、１×１０18ｃｍ-3の場合に８％程度に、２×１０18ｃｍ-3の場合に５％程度にそれぞれ低減することができる。
【００１６】
また、ＳＩＰＢＨ構造で、かつスポットサイズ変換器を集積したレーザに本発明を適用した場合に特に有効である。この構造では、活性層を含む利得領域と導波路領域とが共振器方向に隣接して設けられ、ｐ側電極は利得領域の上部にのみ形成される。これにより、注入電流は大部分活性層に集中して流れ、発光再結合が生じる。活性層を含む活性層メサ領域の直上部のｐ型クラッド層の抵抗が低く抑制されることにより、ｐ側電極から活性層メサ領域に注入される電流が導波路部及び電流狭窄領域に広がるのを抑制することができるため、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（１）本願発明者による調査及びシミュレーション
図２は、本願発明者がシミュレーションにより求めた、注入した全電流（ＩT ）に対するリーク電流比率（ＩL ／ＩT ）の変化の様子を示す特性図である。縦軸は線形目盛りで表されたリーク電流比率（ＩL ／ＩT ）を示し、横軸は線形目盛りで表された全注入電流（ＩT ）（ｍＡ）を示す。
【００１８】
図１及び図９の断面構造を持つ半導体レーザをモデルとしている。活性層を含む活性層メサ領域の直上部でのＺｎ濃度をパラメータとし、Ｚｎ濃度として１，２，５×１０17，１，２×１０18ｃｍ-3の５条件を採っている。また、電流狭窄領域の直上部でのＺｎ濃度を２×１０18ｃｍ-3としている。
低閾値及び高効率とするために、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率１５％以下となるようなＡ部でのＺｎ濃度条件は、図２より、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3以上であることが分かる。
【００１９】
これにより、図２に示すように、Ａ部でのＺｎ濃度が５×１０17ｃｍ-3の場合にリーク電流比率を１５％程度に、１×１０18ｃｍ-3の場合に８％程度に、２×１０18ｃｍ-3の場合に５％程度にそれぞれ低減することができる。
図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法における、成長温度に対するｐ型ＩｎＰ層へのＺｎ取り込まれ量の面方位依存比率ＲZnについて示す特性図である。
【００２０】
図３に本願発明者が実験により取得した結果を示す。横軸は線形目盛りで表した成長温度（℃）を示し、縦軸は線形目盛りで表した、（１００）面の成長層へのＺｎの取り込まれ量に対する（１１１）Ｂ面の成長層へのＺｎの取り込まれ量の面方位依存比率ＲZnを示す。
結果によれば、図３に示すように、今まで用いられてきた成長温度６２０℃では、（１１１）Ｂ面の成長層へのＺｎの取り込まれ量は（１００）面の成長層へのＺｎの取り込まれ量の１０％程度と低い。この場合、ＩｎＰ層の格子点に入り得るＺｎの濃度限界、即ちＩｎＰ層へのＺｎの固溶限界は凡そ２×１０18ｃｍ-3であるため、（１１１）Ｂ面の成長層のＺｎ濃度は２×１０17ｃｍ-3程度と極めて低くなる。
【００２１】
これに対して、成長温度６００℃ではＺｎの取り込まれ面方位依存比率は２５％程度となり、成長温度が低下するにしたがって増加する。即ち、成長温度５９０℃では５０％となり、成長温度５８０℃では７５〜８０％となり、成長温度５７０℃では１．２倍程度となり、成長温度５６０℃では１．７倍程度になる。
実験によれば、図１の構造においては、閾値電流が増大せず、効率が大きく低下しないような、活性層メサ領域直上部における（１１１）Ｂ成長面のＩｎＰ層中のＺｎ濃度は５×１０17ｃｍ-3以上、好ましくは１×１０18ｃｍ-3以上がよい。従って、（１００）面を有するＩｎＰ層へのＺｎの固溶限界を凡そ２×１０18ｃｍ-3とすると、成長温度６００℃以下、好ましくは成長温度５９０℃以下が適切である。
【００２２】
なお、成長温度の低下により再成長エピ層の結晶性が悪化する心配があるが、成長速度を低下させることにより、それを改善することが可能である。例えば、成長温度６２０℃で成長速度２μｍ／ｈであったものを、ガス流量を低くすることにより成長温度５９０℃で成長速度１μｍ／ｈ程度とする。
（２）本発明の第１の実施の形態
図７（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る、電流狭窄構造を有するＳＩＰＢＨテーパレーザを示す斜視図である。図１は図７（ａ）のＩ−Ｉ線断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII-II 線断面図である。
【００２３】
図７（ａ）及び図１に示すように、注入電流の大部分が流れる活性層部分を含む活性層メサ領域１０１と、活性層メサ領域１０１の両側に形成された電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂとを有する。電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂへのキャリアのリークが抑制されるため、注入された電流は活性層メサ領域１０１に集中して流れる。
【００２４】
活性層メサ領域１０１では、（１００）面、又は（１００）面から±１０°以内、好ましくは±５°以内で傾けた結晶面を有するn-InP 基板１上に、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3，層厚約０．２μｍのn-InP バッファ層２と、アンドープ，層厚約０．３μｍの１．３μｍ組成のInGaAsP 活性層３と、Ｚｎ濃度７×１０17ｃｍ-3，層厚約０．７μｍのp-InP クラッド層４とが積層されている。
【００２５】
また、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂでは、n-InP 基板１上に、Ｆｅ濃度５×１０16ｃｍ-3，層厚約２μｍのFe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂと、Ｓｉ濃度３×１０18ｃｍ-3，層厚約０．３μｍのn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂとが積層されている。Fe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂではFe原子がディープレベルを形成しており、そこの抵抗を大きくしている。また、n-InP 電流阻止層８ａ，８ｂは、その上のクラッド層９からFe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂに正孔が注入されないようにするために設けられている。
【００２６】
さらに、活性層メサ領域１０１及び電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの上部全体に、Ｚｎ濃度２×１０18ｃｍ-3，層厚約１．５μｍのp-InP クラッド層９と、Ｚｎ濃度７×１０18ｃｍ-3，層厚約０．５μｍのp-InGaAsP コンタクト層１０とが積層されている。ここで、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０１の直上部（Ａ部）で１×１０18ｃｍ-3となっており、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの直上部（Ｂ部）で２×１０18ｃｍ-3となっている。
【００２７】
また、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ＳＩＰＢＨテーパレーザは、活性層３に共振器方向で隣接するテーパ導波路（スポットサイズ変換器）６を設けた構造を有する。テーパ導波路６は、活性層３組成より短波の、即ちバンド端の広い組成を有し、レーザ光を吸収しないで出射端面に導く。導波路は出射端面に向けて層厚が薄くなり、光閉じ込め率が減少する。従って、出射端面に向けて光スポットサイズが大きくなり、光ファイバとの結合が良好となる。ｐ側電極１２は活性層３上方にのみ被着される。これにより、注入電流は活性層３にのみ集中して流れ、発光再結合が生じる。活性層３より出たレーザ光はテーパ導波路６で吸収されることなく出射端面に導かれ、そこから出射される。このとき、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度が高く、抵抗が低いと、ｐ側電極１２より活性層メサ領域１０１に注入された電流は、テーパ導波路６領域に広がらずに大部分が活性層３に流れる。これにより、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００２８】
次に、上記ＳＩＰＢＨテーパレーザの製造方法について図面を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｃ），図５（ａ）〜（ｃ）は図７（ａ）のＩ−Ｉ線断面図である。図６（ａ），（ｂ）は作成途中の半導体レーザを示す斜視図である。図７（ａ）は完成した半導体レーザを示す斜視図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII-II 線断面図である。
【００２９】
全ての半導体層の成膜方法として有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる。
まず、図４（ａ）に示すように、（１００）面、又は（１００）面から±１０°以内、好ましくは±５°以内で傾けた面方位を有するＳｉドープのn-InP 基板１ａ上に間隔をおいて一対の選択成長マスク５１ａを形成したものを用意し、その上に、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3，層厚約０．２μｍのn-InP 層２ａと、アンドープ，層厚約０．３μｍで、１．３μｍ組成のInGaAsP 層３ａと、Ｚｎ濃度７×１０17ｃｍ-3，層厚約０．７μｍのp-InP 層４ａと、Ｚｎドープ，１．１μｍ組成のp-InGaAsP キャップ層５ａとを成長する。
【００３０】
このとき、図６（ａ）に示すように、各層はマスク５１ａに挟まれた領域では一定膜厚となり、その他の領域ではマスク５１ａが形成された側から徐々に膜厚が薄くなる。そして、InGaAsP 層３ａと隣接するInGaAsP 層６ａがテーパ導波路となる。
さらに、p-InGaAsP キャップ層５ａ上の中央部にパターニングにより幅約１．５μｍの帯状のＳｉＯ2 膜からなマスク５１ｂを形成する。このとき、p-InGaAsP キャップ層５ａはマスク５１ｂを除去する際のエッチャントから下部層を保護するために形成される。従って、キャップ層５ａはこの機能有するものであれば、材料を自由に選べる。
【００３１】
次に、図４（ｂ）に示すように、マスク５１ｂに従って、p-InGaAsP キャップ層５ａ、p-InP 層４ａ、InGaAsP 層３ａ、及びn-InP 層２ａをエッチングする。このとき、多少オーバエッチングを行い、n-InP 基板１ａの表層を少しエッチングする。これにより、p-InGaAsP キャップ層５、p-InP クラッド層４、InGaAsP 活性層３、及びn-InP バッファ層２からなるメサ部１０１ａが形成される。
【００３２】
次いで、図４（ｃ）に示すように、濃度５×１０16ｃｍ-3でＦｅをドープしながら、ＩｎＰを成長し、層厚約２μｍのFe-InP電流狭窄層７ａ，７ｂを形成する。このとき、ＩｎＰはマスク５１ｂ上には成長せず、マスク５１ｂの両側部のn-InP 基板１上にのみ成長する。この場合、成長したＩｎＰ層７ａ，７ｂの面方位はn-InP 基板１の面方位に従って（１００）面、又は（１００）面から±１０°以内、好ましくは±５°以内で傾いた面方位を有する。続いて、濃度３×１０18ｃｍ-3でＳｉをドープしながら、ＩｎＰを成長し、層厚約０．３μｍのn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂを形成する。このとき、マスク５１ｂ側では、マスク５１ｂ上を原料ガスが濃度拡散により横方向に流れていくため、成長速度が増加する。そして、（１１１）Ｂ面が成長停止面となり、マスク５１ｂ側のn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂの側壁は（１１１）Ｂ面を有し、傾斜する。一方、マスク５１ｂと離れたn-InP 電流阻止層８ａ，８ｂの平坦部では下層の結晶方位に従って（１００）面方位を有する。これにより、図６（ｂ）に示すように、マスク５１ｂの両側に電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂが形成される。幅Ｗの領域が活性層３及び活性層３に隣接するテーパ導波路６となる。
【００３３】
次に、図５（ａ）に示すように、マスク５１ｂとキャップ層５を除去し、p-InP クラッド層４を表出する。これにより、p-InP クラッド層４、InGaAsP 活性層３、及びn-InP バッファ層２からなる活性層メサ領域１０１が形成される。
続いて、図５（ｂ）に示すように、（１００）面を有するＩｎＰ層でのＺｎ濃度が２×１０18ｃｍ-3となるようにＺｎをドープしながら、ＩｎＰ層９ａ〜９ｄを成長し、層厚約１．５μｍのp-InP クラッド層９を形成する。このとき、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでＺｎ濃度に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下とする。これにより、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０１の直上部（Ａ部）で１×１０18ｃｍ-3となり、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの直上部（Ｂ部）で２×１０18ｃｍ-3となる。
【００３４】
次いで、図５（ｃ），図７（ａ），（ｂ）に示すように、p-InP クラッド層９の成長温度と同じ成長温度で、濃度７×１０18ｃｍ-3でＺｎをドープしながら、InGaAsP を成長し、層厚約０．５μｍのp-InGaAsP コンタクト層１０を形成する。
その後、n-InP 基板１の裏面にｎ側電極１３を形成する。続いて、p-InGaAsP コンタクト層１０表面に絶縁膜１１を形成し、続いてコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールを通してp-InGaAsP コンタクト層１０と接触するｐ側電極１２を形成する。
【００３５】
以上のように、図５（ｂ）の工程において、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでp-InP クラッド層９へのＺｎの取り込まれ面方位依存比率に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下としている。これにより、（１１１）Ｂ面を有するp-InP クラッド層９におけるＺｎの取り込まれ面方位依存比率が向上するため、主電流が通過する活性層メサ領域１０１の直上部（Ａ部）でp-InP クラッド層９のＺｎ濃度の低下を抑制することができる。
【００３６】
これにより、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂと比べて活性層メサ領域１０１の抵抗が低下するため、ｐ側電極１２とｎ側電極１３間に流れる電流は主電流として活性層メサ領域１０１の方により集中して流れるようになり、電流狭窄領域１０２ａ，１０２ｂの方に迂回するリーク電流が減少する。従って、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００３７】
（３）本発明の第２の実施の形態
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構造について示す断面図である。
図１の半導体レーザと異なるところは、図８に示すように、ＦｅをドープしたInP 電流狭窄層７ａ，７ｂの代わりに、Ｚｎをドープしたp-InP 電流狭窄層２１ａ，２１ｂを用いたことである。この場合、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂはｐｎｐｎのサイリスタ素子構造を有し、電流狭窄メカニズムは図１の場合と異なる。即ち、電子の流れと正孔の流れはそれぞれのｐｎ接合の電位障壁により抑制される。
【００３８】
この場合、半導体レーザを作成するため、図４（ｃ）の工程で、濃度５×１０16ｃｍ-3でＺｎをドープしながら、ＩｎＰを成長し、層厚約１μｍのZn-InP電流狭窄層２１ａ，２１ｂを形成する。これ以外の作成工程及び作成条件は、第１の実施の形態で説明した工程及び条件と同一である。
以上のように、第２の実施の形態でも、p-InP クラッド層９を形成する際、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでＺｎ濃度に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下とする。これにより、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０１の直上部で１×１０18ｃｍ-3となり、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂの直上部で２×１０18ｃｍ-3となる。
【００３９】
これにより、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂと比べて活性層メサ領域１０１の抵抗が低下するため、ｐ側電極１２とｎ側電極１３間に流れる電流は活性層メサ領域１０１の方により集中して流れるようになり、電流狭窄領域１０３ａ，１０３ｂの方に迂回するリーク電流が減少する。従って、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００４０】
なお、第２の実施の形態で説明した本発明の構成は、電流狭窄構造を有するＳＩＰＢＨテーパレーザのみならず、電流狭窄構造を有する他の構造の半導体レーザにも適用可能である。
（４）本発明の第３の実施の形態
図９は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの構造について示す断面図である。
【００４１】
第１の実施の形態に係る半導体レーザ（図７（ｂ）参照）と異なるところは、図９に示すように、テーパ導波路６を形成せず、すべて活性層２２としていることである。コンタクト層２３及びｐ側電極２４は活性層２２上方共振方向全長にわたって形成されている。n-InP バッファ層２と活性層２２とp-InP クラッド層４とが活性層メサ領域１０４を構成する。なお、電流狭窄層は第１又は第２の実施の形態と同じ構造のものいずれでも用いることができる。
【００４２】
この場合、半導体レーザを作成するため、図６（ａ）の工程で、マスク５１ａを形成せずに、n-InP 基板全面にn-InP バッファ層２を成長し、層厚約０．３μｍ一定膜厚のInGaAsP 活性層２２を形成する。これ以外の作成工程及び作成条件は、第１の実施の形態で説明した工程と及び条件と同一である。
以上のように、第３の実施の形態でも、p-InP クラッド層９を形成する際、（１００）面と（１１１）Ｂ面とでＺｎ濃度に大きな差が生じないように、成長温度を６００℃以下、好ましくは５９０℃以下とする。これにより、p-InP クラッド層９のＺｎ濃度は、活性層メサ領域１０４の直上部で１×１０18ｃｍ-3となり、電流狭窄領域の直上部で２×１０18ｃｍ-3となる。
【００４３】
これにより、電流狭窄領域と比べて活性層メサ領域１０４の抵抗が低下するため、ｐ側電極２４とｎ側電極１３間に流れる電流は活性層メサ領域１０４の方により集中して流れるようになり、電流狭窄領域の方に迂回するリーク電流が減少する。従って、閾値電流の低減及び効率の向上を図ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る半導体レーザにおいては、電流狭窄領域に挟まれた活性層を含む活性層メサ領域の直上部でのクラッド層のＺｎ濃度を５×１０17ｃｍ-3としているので、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率１５％以下に低減することができる。これにより、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【００４５】
また、本発明に係る半導体レーザの製造方法においては、活性層メサ領域と電流狭窄領域を被覆するクラッド層を、６００℃以下の成長温度でＺｎをドープしながらＩｎＰ層を成長することにより形成している。
従って、ＩｎＰ層のＺｎ取り込まれ量の面方位依存比率は０．２５以上となる。（１００）面を有するＩｎＰ混晶のＺｎの固溶限界２×１０18ｃｍ-3を考慮すると、電流狭窄領域の（１１１）Ｂ面の側壁に挟まれた活性層メサ領域の直上部でのクラッド層のＺｎ濃度は５×１０17ｃｍ-3以上となるため、動作電流３０ｍＡ以下で、リーク電流比率を１５％以下に低減することができ、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【００４６】
また、ＳＩＰＢＨ構造で、かつスポットサイズ変換器を持つレーザに本発明を適用した場合に特に有効である。活性層を含む活性層メサ領域の直上部のp-InP クラッド層の抵抗が低く抑制されることにより、ｐ側電極から活性層部分に注入される電流が導波路部及び電流狭窄領域に広がるのを抑制することができるため、閾値電流の低減、効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザについて示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザのリーク電流のＺｎ濃度依存性について示す特性図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法における、成長温度に対するＩｎＰ混晶へのＺｎの取り込まれ量の面方位依存比率について示す特性図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その１）である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その２）である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す斜視図（その１）である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの作成方法について示す斜視図（その２）であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のII-II 線断面図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザについて示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザについて示す断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜（ｃ）は、従来例に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その１）である。
【図１１】図１１（ａ），（ｂ）は、従来例に係る半導体レーザの作成方法について示す断面図（その２）である。
【符号の説明】
１，１ａ n-InP 基板、
２ n-InP バッファ層、
２ａ n-InP 層、
３，２２ InGaAsP 活性層、
３ａ，６ａ InGaAsP 層、
４，９，９ａ〜９ｄ p-InP クラッド層、
４ａ p-InP 層、
５，５ａ p-InGaAsP キャップ層、
６ テーパ導波路、
７ａ，７ｂ Fe-InP電流狭窄層、
８ａ，８ｂ n-InP 電流阻止層、
１０，２３ p-InGaAsP コンタクト層、
１１ 絶縁膜、
１２，２４ ｐ側電極、
１３ ｎ側電極、
２１ａ，２１ｂ p-InP 電流狭窄層、
５１ａ，５１ｂ マスク、
１０１，１０４ 活性層メサ領域、
１０１ａ メサ部、
１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ 電流狭窄領域。
Claims (4)
- （１００）面を有する半導体基板と、該半導体基板上に形成された活性層を含む活性層メサ領域と、該活性層メサ領域を挟む電流狭窄領域と、前記両方の領域を被覆するクラッド層とを有する半導体レーザにおいて、
前記電流狭窄領域の最上層のｎ型電流阻止層の側壁は（１１１）B面を有し、該側壁の間のクラッド層のＺｎ濃度は、前記電流阻止層上部のクラッド層のＺｎ濃度より低く、５×１０17ｃｍ-3以上を含有するＩｎＰ層からなることを特徴とする半導体レーザ。 - 前記活性層から横方向に延びるスポットサイズ変換器を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
- （１００）面を有する半導体基板と、該半導体基板上の活性層を含む活性層メサ領域と、最上層のｎ型電流阻止層の側壁が（１１１）B面となっている、前記活性層メサ領域を挟む電流狭窄領域と、前記活性層メサ領域上であって前記側壁に挟まれた領域及び前記電流狭窄領域を被覆するクラッド層とを有する半導体レーザの製造方法において、
前記クラッド層は、６００℃以下の成長温度でＺｎをドープしながらＩｎＰ層を成長させることを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 前記活性層から横方向に延びるスポットサイズ変換器を有することを特徴とする請求項３記載の半導体レーザの製造方法。
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