JP3659361B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク装置等に用いられる半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体レーザ装置は光ディスク装置等を中心として広く用いられており、用途に応じて様々なレーザ構造が提案され、また、実現されている。以下に、このような半導体レーザ装置の一般的な構造について説明する。
【０００３】
図４に、従来の半導体レーザ装置の断面図を示す。この半導体レーザ装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板４０１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層４０２、ＡｌＧａＡｓ活性層４０３、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層４０４およびｎ型ＧａＡｓ電流阻止層４０５が形成されている。このｎ型電流阻止層４０５には、ｐ型第２クラッド層４０４に達するようにストライプ状の溝部４０８が形成され、その溝４０８を埋め込むように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層４０６が形成されている。さらにその上には、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０７が形成されている。
【０００４】
この半導体レーザ装置において、ｎ型電流阻止層４０５は、電流狭窄機能および光閉じ込め機能を兼ね備えており、比較的単純な構造と少ない作製手順とにより良好な電気光学特性を得ることができる。
【０００５】
このような構造を得るために、結晶成長方法として有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法、液相成長（ＬＰＥ）法、または分子ビームエピタキシャル（ＭＢＥ）法等を用いることができる。これらの方法のうち、ＭＯＣＶＤ法では、原料ガスとして例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ、（ＣＨ3）3Ｇａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ、（ＣＨ3）3Ａｌ）、アルシン（ＡｓＨ3）等が用いられる。また、ｎ型ドーパントとしてはＳｅ、Ｓｉ等が用いられ、ｐ型ドーパントとしてはＺｎ、Ｍｇ等が用いられる。これらのドーパントの原料としては、各々の金属の水素化物や有機化合物等が用いられ、各々の導電型の半導体層を成長する際にキャリアガスにより希釈されて成長装置内に導入される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の半導体レーザ装置には、結晶成長またはその後の製造プロセスにおける熱履歴により、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層にドープされたＺｎやＭｇ等が活性層方向に向かって拡散してしまい、以下のような問題が生じることがあった。
【０００７】
第１の問題は、活性層中に拡散したＺｎやＭｇ等により結晶欠陥や深い準位が形成され、素子寿命や発光効率等が劣化することである。
【０００８】
第２の問題は、ｐｎ接合位置がヘテロ接合界面から離れてしまうので、電流閉じ込め効率の低下や立ち上がり電圧の増大が起こることである。
【０００９】
第３の問題は、ｐ型第２クラッド層において、活性層近傍のキャリア濃度が減少するため、活性層からｐ型第２クラッド層へのキャリア漏れが生じて閾値電流が増大し、素子の温度特性が劣化することである。
【００１０】
このようにｐ型第２クラッド層にドープされたＺｎやＭｇ等が拡散する原因としては、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓ結晶中におけるＺｎやＭｇ等の拡散係数が大きいということが考えられる。そこで、ＺｎやＭｇ等に比べて拡散係数が非常に小さく、かつ、良好な電気特性を有するｐ型ドーパントとして、炭素（Ｃ）を用いる方法が提案されている。例えば、特開平６−１６３９８５号公報には、ｎ型ドーパントとしてＳｉを用い、ｐ型ドーパントとしてＣを用いて急峻なｐｎ接合界面を形成する方法が開示されている。
【００１１】
しかし、ｐ型ドーパントとしてＣを用いる場合には、以下のような問題がある。半導体層にＣをドープする方法としては、その半導体層の原料であるトリメチルガリウムやトリメチルアルミニウム等の有機金属を熱分解することによって半導体層中にＣを取り込む方法が一般的である。この場合、これらの有機金属の構成基であるメチル基（（ＣＨ3）−）やエチル基（（Ｃ2Ｈ5）−）等のアルキル基は、通常の成長条件下では熱分解が促進されないため、ドーピング効率が低い。一方、Ｃがドープされるｐ型第２クラッド層は、活性層に対して高効率のキャリア注入を行うために、キャリア濃度を高くする必要がある。従って、上述のような原料を用いて熱分解によりＣを高濃度にドープするには、結晶成長条件を通常条件から大幅に変化させて、水素ラジカルによる不活性化を防ぐ必要がある。例えば、基板温度が通常条件で７００℃〜８００℃程度である場合には、Ｃドープ層の成長の際にはＶ／III（Ｖ族元素とIII族元素との供給量の比）を極端に下げると共に、５００℃〜６００℃の低温で成長させる必要がある。このような低温で結晶成長を行うと、結晶中に欠陥が生じ易くなり、特に、活性層近傍に結晶欠陥が生じると、素子特性の劣化を招く大きな原因となる。
【００１２】
従って、現状では、上述のｐ型第２クラッド層中のＺｎやＭｇ等の拡散により生じる問題を防ぐために、ｐ型ドーパントとしてのＺｎやＭｇ等をＣに完全に置き換えることは、結晶成長条件の制御性および半導体レーザ装置の素子特性の維持という観点からは困難であった。
【００１３】
本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、ｐ型クラッド層中のＺｎやＭｇ等の拡散に起因する素子特性の低下を防ぐことができ、素子寿命に優れ、歩留り良く、かつ制御性良く製造できる半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋭意検討した結果、ｐ型第２クラッド層中にドーピングされたＺｎやＭｇ等の異常拡散が生じるのは、その上に積層されたｎ型ＧａＡｓ電流阻止層で生成された格子間Ｇａがｐ型第２クラッド層に拡散することに起因しており、この格子間Ｇａの拡散を阻止することによりＺｎやＭｇ等の拡散を防止できるとの着想を得た。さらに、格子間Ｇａの拡散を阻止するためには、ｐ型第２クラッド層とｎ型電流阻止層との間に、不純物としてＣをドープした半導体層を形成することにより達成されることを見い出し、本発明に到達した。
【００１５】
本発明の半導体レーザ装置は、ｎ型半導体基板上に、ｎ型第１クラッド層と活性層とｐ型第２クラッド層とが基板側からこの順に形成され、該第２クラッド層上に、ストライプ状溝部を有するｎ型電流阻止層が形成され、該ストライプ状溝部上および該電流阻止層上に渡ってｐ型第３クラッド層が形成されている半導体レーザ装置において、該第２クラッド層は、炭素以外のｐ型不純物を有しており、該第２クラッド層と該電流阻止層との間に、不純物として少なくとも炭素を含有する半導体層が形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１６】
本発明の半導体レーザ装置は、ｎ型半導体基板上に、ｎ型第１クラッド層と活性層とｐ型第２クラッド層とが基板側からこの順に形成され、該第２クラッド層上に、少なくともｐ型第３クラッド層がメサストライプ状凸型に形成され、該第２クラッド層上における第３クラッド層の両外側に、ｎ型電流阻止層が形成されている半導体レーザ装置において、該第２クラッド層は、炭素以外のｐ型不純物を有しており、該第２クラッド層と該電流阻止層との間に、不純物として少なくとも炭素を含有する半導体層が形成されており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１７】
前記炭素を含有する半導体層と前記活性層とが、前記第２クラッド層を介して厚み方向に０．１μｍ以上離隔して形成されていることが好ましい。
【００１８】
前記半導体層中に含有される炭素のキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下であるのが望ましい。
【００１９】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、前記半導体レーザ装置を製造する方法であって、ｎ型半導体基板上に、ｎ型第１クラッド層と、活性層と、炭素以外のｐ型不純物を有するｐ型第２クラッド層とを基板側からこの順に形成する工程と、その後に、形成された前記第２クラッド層上に、アルキル基を有する有機金属化合物を原料ガスとして用いる気相成長法により、該アルキル基の熱分解過程で生じる炭素を不純物として含有する半導体層を成長させる工程と、を包含しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２０】
以下、本発明の作用につき説明する。
【００２１】
本発明にあっては、ｐ型第２クラッド層とｎ型電流阻止層との間に、Ｃドープ層が形成されているので、Ｚｎの異常拡散の原因となる格子間Ｇａの拡散が抑制される。従って、活性層近傍に形成されるｐ型第２クラッド層には、従来通りＺｎやＭｇ等のドーパントを用いることができる。
【００２２】
Ｃドープ層と活性層とは、厚み方向に０．１μｍ以上離隔して形成すると、Ｃドープ層成長時の組成比変更や成長温度変更に伴う結晶欠陥の影響が及ばない。Ｃドープ層中の炭素キャリア濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下であれば、Ｚｎの拡散を十分抑制でき、結晶性の劣化も生じない。
【００２３】
Ｃドープ層は、アルキル基を有する有機金属化合物を原料ガスとして用いる気相成長法により成長させることにより、アルキル基の熱分解過程で生じる炭素を不純物として含有させて、所望の位置に制御性良く形成できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２５】
（実施形態１）
本実施形態１においては、自己整合型半導体レーザ装置に本発明を適用した例について示す。
【００２６】
図１に、実施形態１の半導体レーザ装置１１３の断面図を示す。
【００２７】
この半導体レーザ装置１１３は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、厚み０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２が形成され、その上に、厚み１．０μｍのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１クラッド層１０３、厚み０．０８μｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層１０４、厚み０．２５μｍのｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層１０５、厚み０．１μｍのｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ Ｃドープ層１０６、厚み０．００３μｍのｐ型ＧａＡｓ第１エッチングストップ層１０７、厚み０．０１μｍのｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ第２エッチングストップ層１０８および厚み０．６μｍのｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１０９が形成されている。
【００２８】
ｎ型電流阻止層１０９には、中央部にｐ型第１エッチングストップ層１０７に達するようにストライプ状溝部１１２が形成され、その溝部１１２を埋め込むように、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１０９上に厚み１．０μｍのｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３クラッド層１１０が形成されている。さらにその上には、厚み１．５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１１が形成されている。
【００２９】
この半導体レーザ装置１１３は、以下のようにして作製できる。
【００３０】
まず、ＭＯＣＶＤ法を用いた第１回目のエピタキシャル成長により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型バッファ層１０２、ｎ型第１クラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型第２クラッド層１０５、ｐ型Ｃドープ層１０６、ｐ型第１エッチングストップ層１０７、ｐ型第２エッチングストップ層１０８およびｎ型電流阻止層１０９を順次成長する。この時、原料ガスとしては、ＴＭＧ、ＴＭＡおよびアルシンを用いる。ドーピングは、ｎ型バッファ層１０２およびｎ型第１クラッド層１０３には水素化セレンを用いてＳｅを１×１０18ｃｍ-3ドープし、ｐ型第２クラッド層１０５、ｐ型第１エッチングストップ層１０７、ｐ型第２エッチングストップ層１０８にはジエチル亜鉛を用いてＺｎを１×１０18ｃｍ-3ドープする。ｐ型Ｃドープ層１０６にはＴＭＧおよびＴＭＡからの取り込みを利用してＣを１×１０18ｃｍ-3ドープし、ｎ型電流阻止層１０９には水素化セレンを用いてＳｅを３×１０18ｃｍ-3ドープする。成長条件としては、成長温度を、ｐ型Ｃドープ層１０６の成長時のみ６５０℃とし、他の層は全て７５０℃とする。
【００３１】
次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いてｎ型電流阻止層１０９およびｐ型第２エッチングストップ層１０８を順次エッチング除去してストライプ状溝部１１２を形成する。まず初めに、ＧａＡｓのエッチングレートがＡｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓのエッチングレートよりも十分大きなエッチング溶液、例えばアンモニア水溶液と過酸化水素水との混合液により、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１０９のみを選択的にエッチング除去する。次に、Ａｌ0.6Ｇａ0.4ＡｓのエッチングレートがＧａＡｓのエッチングレートよりも十分大きなエッチング溶液、例えばフッ化水素酸の水溶液により、ｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ第２エッチングストップ層１０８のみを選択的にエッチング除去する。
【００３２】
続いて、ＭＯＣＶＤ法を用いた第２回目のエピタキシャル成長により、ｎ型電流阻止層１０９上およびストライプ状溝部１０９上に、ｐ型第３クラッド層１１０およびｐ型コンタクト層１１１を順次成長する。この時の原料ガスとしてもＴＭＧ、ＴＭＡおよびアルシンを用い、ドーピングはジエチル亜鉛を用いてｐ型第３クラッド層１１０にはＺｎを１×１０18ｃｍ-3ドープし、ｐ型コンタクト層１１１にはＺｎを５×１０18ｃｍ-3ドープする。以上により半導体レーザ装置１１３が完成する。
【００３３】
上記実施形態１に対する比較例１−１として、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ Ｃドープ層１０６をＺｎドープ層とした以外は、実施形態１と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。また、比較例１−２として、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層１０５全体をＺｎドープする代わりにＣドープした以外は、実施形態１と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００３４】
図３に、本実施形態１および比較例１−１の半導体レーザ装置について、ｐ型第２クラッド層中１０５におけるＺｎの深さ方向のプロファイルをＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により測定した結果を示す。
【００３５】
Ｃドープ層１０６をＺｎ層とした比較例１−１の半導体レーザ装置においては、ｐ型第２クラッド層１０５中のＺｎが活性層１０４方向に拡散し、活性層１０４近傍におけるｐ型第２クラッド層１０５のキャリア濃度が大きく減少している。また、Ｚｎプロファイルは急峻ではなく、ｐｎ接合界面が不明瞭になっている。
【００３６】
これに対して、Ｃドープ層１０６を形成した実施形態１の半導体レーザ装置においては、活性層１０４近傍においてもｐ型第２クラッド層１０５のキャリア濃度が高く、また、Ｚｎプロファイルも急峻である。このようにｎ型電流阻止層１０９とｐ型第２クラッド層１０５との間にＣドープ層１０６を形成することにより、ｐ型第２クラッド層中のＺｎの拡散を抑止できる理由は、Ｃ原子がｎ型電流阻止層１０９から拡散してくる格子間Ｇａを捕獲して複合物を形成し、拡散速度の速い格子間Ｚｎの生成を阻止するためと考えられている。
【００３７】
本実施形態１、比較例１−１および１−２の半導体レーザ装置について、電極形成、劈開および端面コーティングの各プロセスを同一条件で行った後、発光素子用ステムに実装した。これらに対してＤＣ駆動による光出力５ｍＷでの特性評価、および８０℃で１０００時間の寿命試験とを行った結果を下記表１に示す。尚、以下の表において、エージング歩留りは、１０００時間の寿命試験後、駆動電流の上昇が初期値に対して２０％以内であったものの割合を表す。
【００３８】
【表１】

Figure 0003659361
【００３９】
この表１に示すように、ｐ型第２クラッド層のドーパントを完全にＺｎからＣに置き換えた比較例１−２の半導体レーザ装置は、ｐ型第２クラッド層のドーパントがＺｎでＣドープ層が無い比較例１−１の半導体レーザ装置に比べて、動作電圧、素子抵抗および特性温度等の素子特性は改善されている。しかし、比較例１−２の半導体レーザ装置では、Ｃドープ時に成長温度を下げる必要があるため活性層近傍に結晶欠陥生じ、これが駆動時間の経過と共に拡大するので、素子寿命は逆に低下している。一方、実施形態１の半導体レーザ装置は、ｐ型第２クラッド層とｎ型電流阻止層との間にのみＣドープ層を設けているので、活性層近傍には結晶欠陥が導入されにくく、素子特性および素子寿命の両方が大きく改善されている。
【００４０】
（実施形態２）
本実施形態２においては、図１に示した半導体レーザ装置におけるｐ型第１エッチングストップ層１０７およびｐ型第２エッチングストップ層１０８の形成を省略し、ｐ型Ｃドープ層１０６上にｎ型電流阻止層１０９をエピタキシャル成長したこと以外は、実施形態１と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００４１】
上記実施形態２に対する比較例２として、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ Ｃドープ層１０６をＺｎドープ層とした以外は、実施形態２と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００４２】
本実施形態２、比較例２の半導体レーザ装置について、電極形成、劈開および端面コーティングの各プロセスを同一条件で行った後、発光素子用ステムに実装した。これらに対してＤＣ駆動による光出力５ｍＷでの特性評価、および８０℃で１０００時間の寿命試験とを行った結果を下記表２に示す。
【００４３】
【表２】
Figure 0003659361
【００４４】
この表２に示すように、本実施形態２の半導体レーザ装置は、ｐ型第２クラッド層とｎ型電流阻止層との間にエッチングストップ層が形成されていないが、実施形態１の半導体レーザ装置と同様に、素子特性および素子寿命の改善の効果が十分発揮されている。
【００４５】
（実施形態３）
本実施形態３においては、Ｃドープ層をＺｎ拡散阻止層としての機能とｐ型クラッド層としての機能とを兼ね備えた層として形成した。即ち、図１に示した半導体レーザ装置におけるｐ型Ｃドープ層１０６のキャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3とすると共にＺｎを１×１０18ｃｍ-3ドープしたこと以外は、実施形態１と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００４６】
上記実施形態３に対する比較例３として、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ Ｃドープ層１０６にＺｎのみをドープした以外は、実施形態３と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００４７】
本実施形態３、比較例３の半導体レーザ装置について、電極形成、劈開および端面コーティングの各プロセスを同一条件で行った後、発光素子用ステムに実装した。これらに対してＤＣ駆動による光出力５ｍＷでの特性評価、および８０℃で１０００時間の寿命試験とを行った結果を下記表３に示す。
【００４８】
【表３】
Figure 0003659361
【００４９】
本実施形態３の半導体レーザ装置は、ｐ型Ｃドープ層１０６のキャリア濃度を低くすると共にＺｎがドーピングされているが、後述するように、ｎ型電流阻止層から拡散する格子間Ｇａの総量と同程度のＣ原子を含んでいれば、第２クラッド層からのＺｎの拡散を抑止できる。従って、本実施形態３の半導体レーザ装置のような低濃度のＣドープであっても、表３に示すように、素子特性および素子寿命の改善効果が十分発揮されている。
【００５０】
また、本実施形態３に示すように、Ｃドープ層は機能的に独立した層として形成する必要はなく、ｐ型クラッド層成長中にその一部をＣドープ層とすることにより、ｐ型クラッド層とＺｎ拡散阻止層との機能を兼ね備えた層とすることができる。
【００５１】
（実施形態４）
本実施形態４においては、ｐ型Ｃドープ層をＺｎ拡散阻止層としての機能と電流阻止層の機能とを兼ね備えた層として形成した。即ち、図１の半導体レーザ装置におけるｐ型Ｃドープ層１０６を省略してｐ型第２クラッド層１０５の層厚を０．３５μｍにすると共に、ｎ型ＧａＡｓ電流阻止層１０９の成長開始から層厚０．１μｍまでの領域に、Ｓｅを３×１０18ｃｍ-3ドープすると共にＣを１×１０17ｃｍ-3ドープしたこと以外は、実施形態１と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００５２】
上記実施形態４に対する比較例４として、ｎ型電流阻止層成長中にＣドープを行わなかった以外は、実施形態４と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００５３】
本実施形態４、比較例４の半導体レーザ装置について、電極形成、劈開および端面コーティングの各プロセスを同一条件で行った後、発光素子用ステムに実装した。これらに対してＤＣ駆動による光出力５ｍＷでの特性評価、および８０℃で１０００時間の寿命試験とを行った結果を下記表４に示す。
【００５４】
【表４】
Figure 0003659361
【００５５】
本実施形態４の半導体レーザ装置は、ｎ型電流阻止層の下側界面近傍にＣドープ層を形成したが、ｎ型電流阻止層のＳｅキャリア濃度は３×１０18ｃｍ-3と高いので、低濃度のＣドープを行っても導電型の反転は起こらない。従って、電流阻止機能には何等影響を及ぼすことはなく、素子特性および素子寿命の改善を行うことができる。
【００５６】
このように、ｎ型電流阻止層成長中にドープされるｎ型不純物のキャリア濃度とＣのキャリア濃度とを、
（ｎ型不純物のキャリア濃度）＞（Ｃのキャリア濃度）
となるように設定すれば、Ｃドープ層をｎ型電流阻止層とＺｎ拡散阻止層との機能を兼ね備えた層とすることができる。
【００５７】
また、本実施形態４の半導体レーザ装置は、実施形態１に示したようなストライプ溝部１１２形成プロセスにおいて溝部のＣドープ層が除去されるので、表４に示すように、実施形態１〜３に比べて更に特性が改善されている。
【００５８】
（実施形態５）
本実施形態５においては、ｐ型第２エッチングストップ層１０８をＣドープ層として形成した。即ち、図１の半導体レーザ装置におけるｐ型Ｃドープ層１０６を省略してｐ型第２クラッド層１０５の層厚を０．３５μｍにすると共に、ｐ型Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ第２エッチングストップ層１０８のドーパントとしてＺｎの代わりにＣを５×１０18ｃｍ-3ドープしたこと以外は、実施形態１と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００５９】
上記実施形態５に対する比較例５として、ｐ型第２エッチングストップ層１０８をＺｎドープとしたこと以外は、実施形態５と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００６０】
本実施形態５、比較例５の半導体レーザ装置について、電極形成、劈開および端面コーティングの各プロセスを同一条件で行った後、発光素子用ステムに実装した。これらに対してＤＣ駆動による光出力５ｍＷでの特性評価、および８０℃で１０００時間の寿命試験とを行った結果を下記表５に示す。
【００６１】
【表５】
Figure 0003659361
【００６２】
本実施形態５の半導体レーザ装置は、ｐ型第２クラッド層とｎ型電流阻止層との間に形成されたｐ型エッチングストップ層にＣをドープして、Ｚｎ拡散阻止層としての機能とエッチングストップ層としての機能とを併せ持つ層としたが、このように薄い層でも比較的高濃度にドーピングを行うことにより、素子特性と素子寿命の改善を十分に行うことができる。
【００６３】
また、本実施形態５の半導体レーザ装置は、実施形態１に示したようなストライプ溝部１１２形成プロセスにおいて溝部のＣドープ層が除去されるので、表５に示すように、実施形態１〜３に比べて更に特性が改善されている。
【００６４】
（実施形態６）
本実施形態６においては、リッジストライプ型半導体レーザ装置に本発明を適用した例について示す。
【００６５】
図２に、実施形態６の半導体レーザ装置２１１の断面図を示す。
【００６６】
この半導体レーザ素子２１１は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、厚み０．５μｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２が形成され、その上に、厚み１．０μｍのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１クラッド層２０３、厚み０．０８μｍのＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層２０４、厚み０．２５μｍのｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層２０５、厚み０．１μｍのｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ Ｃドープ層２０６および厚み１．０μｍのｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３クラッド層２０７が形成されている。
【００６７】
ｐ型第３クラッド層２０７は、基板中央部にリッジストライプ状に形成され、その両外側を埋め込むようにｐ型Ｃドープ層２０６上に厚み０．６μｍのｎ型ＧａＡｓ電流阻止層２０８が形成されている。さらにその上には、基板全面を覆うように厚み１．５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０９が形成されている。
【００６８】
この半導体レーザ装置２１１は、以下のようにして作製できる。
【００６９】
まず、ＭＯＣＶＤ法を用いた第１回目のエピタキシャル成長により、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ型バッファ層２０２、ｎ型第１クラッド層２０３、活性層２０４、ｐ型第２クラッド層２０５、ｐ型Ｃドープ層２０６、ｐ型第３クラッド層２０７を順次成長する。エピタキシャル成長における原料ガス、成長条件およびドーピング条件等は実施形態１の半導体レーザ装置の製造工程に準じて行うことができる。
【００７０】
次に、ｐ型第３クラッド層２０７上に、スパッタリング法等の公知の技術を用いてＳｉＮx膜を形成し、これをフォトリソグラフィー技術とエッチング技術とを用いてストライプ状にエッチングする。このストライプ状ＳｉＮx膜およびレジストをマスクとして、ｐ型第３クラッド層２０７をリッジストライプ状にエッチングする。この時、硫酸系水溶液またはフッ化水素酸水溶液等を用いて時間制御エッチングを行う。あるいは、ｐ型Ｃドープ層２０６とｐ型第３クラッド層２０７との間にｐ型ＧａＡｓ層を薄く成長させて、これをエッチングストップ層として用いてもよい。ここで、ストライプ状ＳｉＮx膜はレジストで保護されているのでエッチングされない。
【００７１】
続いて、ＳｉＮx膜上のレジストを除去し、ＭＯＣＶＤ法を用いた第２回目のエピタキシャル成長により、ｐ型Ｃドープ層２０６上にｎ型電流阻止層２０８を形成する。この時、所謂選択成長によりＳｉＮx膜上にはＧａＡｓが堆積せず、ｎ型電流阻止層２０８はリッジストライプ状のｐ型第３クラッド層２０７の両側面を埋めるように積層される。
【００７２】
その後、ＳｉＮ膜を除去して、ＭＯＣＶＤ法を用いた第３回目のエピタキシャル成長により、基板全面にｐ型コンタクト層２０８を積層形成する。以上により半導体レーザ装置２１１が完成する。
【００７３】
上記実施形態６に対する比較例６として、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ Ｃドープ層２０６をＺｎドープ層とした以外は、実施形態６と全く同様にして半導体レーザ装置を作製した。
【００７４】
本実施形態６、比較例６の半導体レーザ装置について、電極形成、劈開および端面コーティングの各プロセスを同一条件で行った後、発光素子用ステムに実装した。これらに対してＤＣ駆動による光出力５ｍＷでの特性評価、および８０℃で１０００時間の寿命試験とを行った結果を下記表６に示す。
【００７５】
【表６】
Figure 0003659361
【００７６】
この表６に示すように、本実施形態６の半導体レーザ装置は、半導体レーザ装置の構造および製造方法を変化させてもそれに左右されずに、素子特性および素子寿命の両方が大きく改善されている。
【００７７】
本実施形態において、リッジストライプ状の第３クラッド層２０７は、第２クラッド層とは別にエピタキシャル成長させたが、第２クラッド層のエッチングにより形成してもよい。
【００７８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００７９】
上記実施形態においては、原料ガスとしてＴＭＧ−ＴＭＡ−アルシンの組み合わせを用いたが、他の原料ガスを用いてもよい。例えば、アルキル基を有する有機金属化合物としてトリエチルガリウム、トリエチルアルミニウムを用いてもよく、Ａｓ源としてトリメチルアルシン（（ＣＨ3）3Ａｓ）等を用いてもよい。また、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｅの代わりにＳｉを用いてもよく、ｐ型ドーパントとしては、Ｚｎの代わりに、Ｚｎと同様の挙動を示すＭｇを用いてもよい。成長法については、ＭＯＣＶＤ法以外にＭＢＥ法、ＬＰＥ法、ＭＯＭＢＥ法、ＡＬＥ（原子線エピタキシャル）法等、他の方法を用いてもよい。
【００８０】
Ｃのドーピング方法については、上記実施形態に示したように、原料ガスに含まれる有機金属アルキル基の熱分解過程で生成されるＣを、結晶成長中に取り込む方法が最も適している。その他の方法、例えばイオン注入法や拡散法のように結晶成長後に不純物をドーピングする方法では界面にＣドープ層を形成することは困難である。それに対して、ＭＯＣＶＤ法では結晶成長中にドーピングを行うので、所望の位置にＣドープ層を形成することができ、ドーピングの制御性にも優れているからである。
【００８１】
ＭＯＣＶＤ法におけるＣ原料ガスとして、有機金属化合物以外に四塩化炭素（ＣＣｌ4）を用いる方法（Applied Physics Letters vol.56,No9,p836(1990)）も提案されているが、有機ハロゲン化物は環境に与える悪影響が深刻なため、実用的ではない。
【００８２】
各半導体層の層厚、Ａｌ組成比、キャリア濃度、成長条件は、実施形態に示した以外のものを用いてもよい。
【００８３】
Ｃドープ層のキャリア濃度については、ｎ型電流阻止層から拡散する格子間Ｇａの総量と同じ程度のＣ原子を含んでいれば、Ｚｎ拡散を抑止できる。一方、Ｃをあまり高濃度にドーピングすると、結晶性の劣化が顕著になる。従って、通常の結晶成長条件の範囲内で制御可能なキャリア濃度１×１０16ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下とするのが望ましい。このキャリア濃度の範囲であれば、Ｃドープ位置またはＣドープ層厚を最適化することにより、素子特性および素子寿命が改善された半導体レーザ装置を歩留りおよび制御性よく製造できる。
【００８４】
上記実施形態１、２、３および６では、ｐ型第２クラッド層の層厚を０．２５μｍとしてその上にＣドープ層を形成し、実施形態４、５ではｐ型第２クラッド層の層厚を０．３５μｍとしてその上にＣドープ層を形成したが、Ｃドープ層と活性層との間は、厚み方向に０．１μｍ以上離れているのが望ましい。これは、Ｃドープ時には成長温度を変更したり、Ｖ／IIIを変更したりする必要があるので、これに伴う結晶欠陥の影響が活性層に及ぶのを防ぐためである。
【００８５】
上記実施形態では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料に本発明を適用したが、それ以外の材料についても適用可能であり、例えば、ＩｎＧａＡｓやＧａＡｓＰ、更にこれらの４元混晶系材料にも適用することができる。
【００８６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、第１導電型の電流阻止層と第２導電型の第２クラッド層との間にＣドープ層が形成されているので、結晶成長中に電流阻止層で生成される格子間Ｇａのｐ型第２クラッド層への拡散を抑制でき、ｐ型第２クラッド層中のＺｎの異常拡散を抑止できる。従って、（１）活性層中にＺｎが拡散して素子寿命や発光効率等を劣化させたり、（２）ｐｎ接合位置がヘテロ接合界面から離れて電流閉じ込め効率の低下や立ち上がり電圧の増大が生じたり、（３）ｐ型第２クラッド層中で活性層近傍のキャリア濃度が減少して閾値電流の増大や素子の温度特性の劣化を引き起こしたり、という問題を防ぐことができる。よって、素子特性に優れた半導体レーザ装置を歩留り良く製造することができる。
【００８７】
また、活性層近傍に形成されるｐ型第２クラッド層には、従来通りＺｎやＭｇ等のドーパントを用いることができ、結晶成長条件を大幅に変化させる必要がない。従って、素子特性および素子寿命に優れた設計通りの半導体レーザ装置を制御性および歩留り良く製造できる。
【００８８】
特に、Ｃドープ層と活性層とは、厚み方向に０．１μｍ以上離隔して形成すると、Ｃドープ層成長時の組成比変更や成長温度変更に伴う結晶欠陥の影響が活性層近傍に及ばないので望ましい。
【００８９】
Ｃドープ層中の炭素キャリア濃度は、１×１０16ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下の範囲が望ましく、Ｃドープ位置またはＣドープ層の層厚を最適化することによりＺｎの拡散を十分抑制でき、結晶性の劣化も生じない。
【００９０】
Ｃドープ層は、アルキル基を有する有機金属化合物を原料ガスとして用いる気相成長法により成長させて、アルキル基の熱分解過程で生じる炭素を不純物として含有させることができるので、所望の位置に制御性良く形成でき、環境に悪影響を及ぼす心配もない。
【００９１】
このように優れた半導体レーザ装置は、光ディスク等を中心に広い分野に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図２】実施形態６の半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【図３】実施形態１および比較例１−１の半導体レーザ装置について、Ｚｎ拡散のＳＩＭＳ分析を行った結果を示す図である。
【図４】従来の半導体レーザ装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２、２０２ ｎ型バッファ層
１０３、２０３ ｎ型第１クラッド層
１０４、２０４ 活性層
１０５、２０５ ｐ型第２クラッド層
１０６、２０６ Ｃドープ層
１０７ ｐ型第１エッチングストップ層
１０８ ｐ型第２エッチングストップ層
１０９、２０８ ｎ型電流阻止層
１１０、２０７ ｐ型第３クラッド層
１１１、２０９ ｐ型コンタクト層
１１２ ストライプ状溝部
１１３、２１１ 半導体レーザ装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device used in an optical disk device or the like and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, semiconductor laser devices have been widely used mainly in optical disk devices and the like, and various laser structures have been proposed and realized depending on applications. The general structure of such a semiconductor laser device will be described below.
[0003]
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a conventional semiconductor laser device. In this semiconductor laser device, an n-type AlGaAs first cladding layer 402, an AlGaAs active layer 403, a p-type AlGaAs second cladding layer 404, and an n-type GaAs current blocking layer 405 are formed on an n-type GaAs substrate 401. The n-type current blocking layer 405 has a stripe-shaped groove 408 formed so as to reach the p-type second cladding layer 404, and a p-type AlGaAs third cladding layer 406 is formed so as to fill the groove 408. Yes. Further, a p-type GaAs contact layer 407 is formed thereon.
[0004]
In this semiconductor laser device, the n-type current blocking layer 405 has both a current confinement function and an optical confinement function, and good electro-optical characteristics can be obtained with a relatively simple structure and a small manufacturing procedure.
[0005]
In order to obtain such a structure, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a liquid phase growth (LPE) method, a molecular beam epitaxial (MBE) method, or the like can be used as a crystal growth method. Among these methods, the MOCVD method uses, for example, trimethylgallium (TMG, (CH Three ) Three Ga), trimethylaluminum (TMA, (CH Three ) Three Al), arsine (AsH Three ) Etc. are used. Moreover, Se, Si, etc. are used as an n-type dopant, and Zn, Mg, etc. are used as a p-type dopant. As the dopant raw materials, hydrides of respective metals, organic compounds, or the like are used. When growing each conductive type semiconductor layer, the dopant is diluted with a carrier gas and introduced into the growth apparatus.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional semiconductor laser device, Zn or Mg doped in the p-type AlGaAs second cladding layer diffuses in the direction of the active layer due to crystal growth or thermal history in the subsequent manufacturing process. The following problems may occur.
[0007]
The first problem is that crystal defects and deep levels are formed by Zn, Mg, and the like diffused in the active layer, resulting in deterioration of element lifetime, light emission efficiency, and the like.
[0008]
The second problem is that the current confinement efficiency is lowered and the rising voltage is increased because the pn junction position is separated from the heterojunction interface.
[0009]
The third problem is that, in the p-type second cladding layer, the carrier concentration in the vicinity of the active layer decreases, so that carrier leakage from the active layer to the p-type second cladding layer occurs, the threshold current increases, and the temperature of the device The characteristic is deteriorated.
[0010]
The reason for the diffusion of Zn, Mg, etc. doped in the p-type second cladding layer in this way is considered to be due to the large diffusion coefficient of Zn, Mg, etc. in the GaAs and AlGaAs crystals. Therefore, a method has been proposed in which carbon (C) is used as a p-type dopant having a very small diffusion coefficient compared to Zn, Mg, and the like and having good electrical characteristics. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-163985 discloses a method of forming a steep pn junction interface using Si as an n-type dopant and C as a p-type dopant.
[0011]
However, when C is used as the p-type dopant, there are the following problems. As a method for doping C into the semiconductor layer, a method of incorporating C into the semiconductor layer by pyrolyzing an organic metal such as trimethylgallium or trimethylaluminum that is a raw material of the semiconductor layer is common. In this case, a methyl group ((CH Three )-) Or ethyl group ((C 2 H Five An alkyl group such as)-) has low doping efficiency because thermal decomposition is not promoted under normal growth conditions. On the other hand, the p-type second cladding layer doped with C needs to have a high carrier concentration in order to perform highly efficient carrier injection into the active layer. Therefore, in order to dope C at a high concentration by pyrolysis using the raw materials as described above, it is necessary to change the crystal growth conditions from the normal conditions to prevent inactivation by hydrogen radicals. For example, when the substrate temperature is about 700 ° C. to 800 ° C. under normal conditions, V / III (ratio of the supply amount of the group V element to the group III element) is extremely increased during the growth of the C-doped layer. In addition to lowering, it is necessary to grow at a low temperature of 500 ° C. to 600 ° C. When crystal growth is performed at such a low temperature, defects are likely to occur in the crystal. In particular, if a crystal defect occurs in the vicinity of the active layer, it is a major cause of deterioration of device characteristics.
[0012]
Therefore, at present, in order to prevent the problem caused by the diffusion of Zn, Mg, etc. in the p-type second cladding layer, it is necessary to completely replace Zn, Mg, etc. as the p-type dopant with C. It was difficult from the viewpoint of controllability and maintenance of element characteristics of the semiconductor laser device.
[0013]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and can prevent deterioration of device characteristics due to diffusion of Zn, Mg, etc. in the p-type cladding layer, and has excellent device life. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can be manufactured with good yield and good controllability, and a manufacturing method thereof.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the present inventors have found that anomalous diffusion such as Zn or Mg doped in the p-type second cladding layer occurs in the n-type GaAs current blocking layer laminated thereon. The idea is that interstitial Ga diffuses into the p-type second cladding layer, and that diffusion of Zn, Mg, etc. can be prevented by preventing the diffusion of interstitial Ga. Further, it has been found that in order to prevent the diffusion of interstitial Ga, a semiconductor layer doped with C as an impurity is formed between the p-type second cladding layer and the n-type current blocking layer. The present invention has been reached.
[0015]
In the semiconductor laser device of the present invention, an n-type first cladding layer, an active layer, and a p-type second cladding layer are formed in this order from the substrate side on an n-type semiconductor substrate, and stripes are formed on the second cladding layer. A semiconductor laser device in which an n-type current blocking layer having a groove-shaped groove is formed, and a p-type third cladding layer is formed on the stripe-shaped groove and over the current blocking layer; The second cladding layer has a p-type impurity other than carbon, A semiconductor layer containing at least carbon as an impurity is formed between the second cladding layer and the current blocking layer, thereby achieving the above object.
[0016]
In the semiconductor laser device of the present invention, an n-type first cladding layer, an active layer, and a p-type second cladding layer are formed in this order from the substrate side on an n-type semiconductor substrate, and at least on the second cladding layer, In a semiconductor laser device in which a p-type third cladding layer is formed in a mesa stripe-shaped convex shape, and an n-type current blocking layer is formed on both outer sides of the third cladding layer on the second cladding layer, The second cladding layer has a p-type impurity other than carbon, A semiconductor layer containing at least carbon as an impurity is formed between the second cladding layer and the current blocking layer, thereby achieving the above object.
[0017]
The semiconductor layer containing carbon and the active layer, Through the second cladding layer It is preferable to be formed with a distance of 0.1 μm or more in the thickness direction.
[0018]
The carrier concentration of carbon contained in the semiconductor layer is 1 × 10 16 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 The following is desirable.
[0019]
The manufacturing method of the semiconductor laser device of the present invention includes: In the method of manufacturing the semiconductor laser device, an n-type first cladding layer, an active layer, and a p-type second cladding layer having a p-type impurity other than carbon are formed on an n-type semiconductor substrate from the substrate side. The step of forming in this order, and then, on the formed second cladding layer, A semiconductor layer containing carbon as an impurity grown in the thermal decomposition process of the alkyl group is grown by a vapor deposition method using an organometallic compound having an alkyl group as a source gas. A process, This achieves the above object.
[0020]
The operation of the present invention will be described below.
[0021]
In the present invention, since the C-doped layer is formed between the p-type second cladding layer and the n-type current blocking layer, diffusion of interstitial Ga that causes abnormal diffusion of Zn is suppressed. The Therefore, dopants such as Zn and Mg can be used in the p-type second cladding layer formed in the vicinity of the active layer as usual.
[0022]
If the C-doped layer and the active layer are formed apart from each other by 0.1 μm or more in the thickness direction, the influence of crystal defects accompanying the change in the composition ratio and the growth temperature during the growth of the C-doped layer is not affected. The carbon carrier concentration in the C-doped layer is 1 × 10 16 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 If it is below, the diffusion of Zn can be sufficiently suppressed and the crystallinity does not deteriorate.
[0023]
The C-doped layer is grown by a vapor phase growth method using an organometallic compound having an alkyl group as a raw material gas, so that carbon generated during the pyrolysis process of the alkyl group is contained as an impurity, and controllable at a desired position. Can be formed.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiment.
[0025]
(Embodiment 1)
In the first embodiment, an example in which the present invention is applied to a self-aligned semiconductor laser device will be described.
[0026]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser device 113 of the first embodiment.
[0027]
In this semiconductor laser device 113, an n-type GaAs buffer layer 102 having a thickness of 0.5 μm is formed on an n-type GaAs substrate 101, and an Al film having a thickness of 1.0 μm is formed thereon. 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 103, 0.08 μm thick Al 0.14 Ga 0.86 As active layer 104, p-type Al with a thickness of 0.25 μm 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 105, p-type Al with a thickness of 0.1 μm 0.5 Ga 0.5 As C doped layer 106, p-type GaAs first etching stop layer 107 having a thickness of 0.003 μm, p-type Al having a thickness of 0.01 μm 0.6 Ga 0.4 An As second etching stop layer 108 and a 0.6 μm thick n-type GaAs current blocking layer 109 are formed.
[0028]
In the n-type current blocking layer 109, a stripe-shaped groove 112 is formed at the center so as to reach the p-type first etching stop layer 107, and the thickness is formed on the n-type GaAs current blocking layer 109 so as to fill the groove 112. 1.0 μm p-type Al 0.5 Ga 0.5 An As third cladding layer 110 is formed. Furthermore, a p-type GaAs contact layer 111 having a thickness of 1.5 μm is formed thereon.
[0029]
The semiconductor laser device 113 can be manufactured as follows.
[0030]
First, the n-type buffer layer 102, the n-type first cladding layer 103, the active layer 104, the p-type second cladding layer 105, and the p-type are formed on the n-type GaAs substrate 101 by the first epitaxial growth using the MOCVD method. A C-doped layer 106, a p-type first etching stop layer 107, a p-type second etching stop layer 108, and an n-type current blocking layer 109 are sequentially grown. At this time, TMG, TMA, and arsine are used as source gases. Doping is performed using selenium hydride for the n-type buffer layer 102 and the n-type first cladding layer 103 with 1 × 10 Se. 18 cm -3 The doped p-type second cladding layer 105, p-type first etching stop layer 107, and p-type second etching stop layer 108 are made of 1 × 10 Zn using diethyl zinc. 18 cm -3 Dope. The p-type C doped layer 106 uses C from 1 × 10 by taking in from TMG and TMA. 18 cm -3 Doped, and the n-type current blocking layer 109 is made of 3 × 10 Se using selenium hydride. 18 cm -3 Dope. As growth conditions, the growth temperature is set to 650 ° C. only during the growth of the p-type C doped layer 106, and all other layers are set to 750 ° C.
[0031]
Next, the n-type current blocking layer 109 and the p-type second etching stop layer 108 are sequentially removed by etching using a photolithography technique and an etching technique to form a stripe-shaped groove 112. First of all, the etching rate of GaAs is Al. 0.6 Ga 0.4 Only the n-type GaAs current blocking layer 109 is selectively removed by etching with an etching solution sufficiently larger than the etching rate of As, for example, a mixed solution of aqueous ammonia and hydrogen peroxide. Next, Al 0.6 Ga 0.4 An etching solution in which the etching rate of As is sufficiently larger than that of GaAs, for example, an aqueous solution of hydrofluoric acid, is used to form p-type Al. 0.6 Ga 0.4 Only the As second etching stop layer 108 is selectively removed by etching.
[0032]
Subsequently, the p-type third cladding layer 110 and the p-type contact layer 111 are sequentially grown on the n-type current blocking layer 109 and the stripe-shaped groove 109 by the second epitaxial growth using the MOCVD method. TMG, TMA, and arsine are also used as source gases at this time, diethyl zinc is used for doping, and Zn is 1 × 10 3 in the p-type third cladding layer 110. 18 cm -3 Doped, and the p-type contact layer 111 contains 5 × 10 Zn. 18 cm -3 Dope. Thus, the semiconductor laser device 113 is completed.
[0033]
As Comparative Example 1-1 with respect to Embodiment 1 above, p-type Al 0.5 Ga 0.5 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 1 except that the As C doped layer 106 was changed to a Zn doped layer. Further, as Comparative Example 1-2, p-type Al 0.5 Ga 0.5 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 1 except that the entire As second cladding layer 105 was C-doped instead of Zn-doped.
[0034]
FIG. 3 shows the result of measuring the profile in the depth direction of Zn in the p-type second cladding layer 105 by SIMS (secondary ion mass spectrometry) for the semiconductor laser devices of the first embodiment and the comparative example 1-1. Indicates.
[0035]
In the semiconductor laser device of Comparative Example 1-1 in which the C-doped layer 106 is a Zn layer, Zn in the p-type second cladding layer 105 diffuses in the direction of the active layer 104, and the p-type second cladding in the vicinity of the active layer 104. The carrier concentration of the layer 105 is greatly reduced. Further, the Zn profile is not steep and the pn junction interface is unclear.
[0036]
In contrast, in the semiconductor laser device of the first embodiment in which the C-doped layer 106 is formed, the carrier concentration of the p-type second cladding layer 105 is high even in the vicinity of the active layer 104, and the Zn profile is steep. The reason why the diffusion of Zn in the p-type second cladding layer can be suppressed by forming the C-doped layer 106 between the n-type current blocking layer 109 and the p-type second cladding layer 105 in this manner is that C atoms Is considered to trap the interstitial Ga diffused from the n-type current blocking layer 109 to form a composite and prevent the formation of interstitial Zn having a high diffusion rate.
[0037]
About the semiconductor laser device of this Embodiment 1, Comparative Example 1-1, and 1-2, after performing each process of electrode formation, cleavage, and end surface coating on the same conditions, it mounted in the stem for light emitting elements. Table 1 below shows the results of performing a characteristic evaluation with an optical output of 5 mW by DC driving and a life test of 1000 hours at 80 ° C. In the table below, the aging yield represents the ratio of the increase in drive current within 20% of the initial value after a 1000 hour life test.
[0038]
[Table 1]
Figure 0003659361
[0039]
As shown in Table 1, in the semiconductor laser device of Comparative Example 1-2 in which the dopant of the p-type second cladding layer is completely replaced by Zn, the dopant of the p-type second cladding layer is Zn and the C-doped layer Compared with the semiconductor laser device of Comparative Example 1-1 in which there is no element, element characteristics such as operating voltage, element resistance, and characteristic temperature are improved. However, in the semiconductor laser device of Comparative Example 1-2, since it is necessary to lower the growth temperature at the time of C doping, crystal defects are generated in the vicinity of the active layer, which expands with the lapse of the driving time. Yes. On the other hand, in the semiconductor laser device of Embodiment 1, since the C-doped layer is provided only between the p-type second cladding layer and the n-type current blocking layer, crystal defects are not easily introduced in the vicinity of the active layer. Both characteristics and device lifetime are greatly improved.
[0040]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, the formation of the p-type first etching stop layer 107 and the p-type second etching stop layer 108 in the semiconductor laser device shown in FIG. 1 is omitted, and an n-type current is formed on the p-type C-doped layer 106. A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 1 except that the blocking layer 109 was epitaxially grown.
[0041]
As Comparative Example 2 with respect to Embodiment 2 above, p-type Al 0.5 Ga 0.5 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 2 except that the As C doped layer 106 was changed to a Zn doped layer.
[0042]
In the semiconductor laser device of the second embodiment and comparative example 2, the electrode formation, cleavage, and end face coating processes were performed under the same conditions, and then mounted on the light emitting element stem. Table 2 below shows the results of a characteristic evaluation with a light output of 5 mW by DC drive and a life test of 1000 hours at 80 ° C.
[0043]
[Table 2]
Figure 0003659361
[0044]
As shown in Table 2, the semiconductor laser device according to the second embodiment has no etching stop layer formed between the p-type second cladding layer and the n-type current blocking layer, but the semiconductor laser according to the first embodiment. Similar to the apparatus, the effect of improving the element characteristics and the element life is sufficiently exhibited.
[0045]
(Embodiment 3)
In the third embodiment, the C-doped layer is formed as a layer having both a function as a Zn diffusion blocking layer and a function as a p-type cladding layer. That is, the carrier concentration of the p-type C doped layer 106 in the semiconductor laser device shown in FIG. 17 cm -3 And Zn of 1 × 10 18 cm -3 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 1 except that the doping was performed.
[0046]
As Comparative Example 3 with respect to Embodiment 3 above, p-type Al 0.5 Ga 0.5 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 3 except that the As C doped layer 106 was doped only with Zn.
[0047]
In the semiconductor laser device of Embodiment 3 and Comparative Example 3, electrode formation, cleavage, and end face coating processes were performed under the same conditions, and then mounted on a light emitting element stem. Table 3 below shows the results of a characteristic evaluation with a light output of 5 mW by DC drive and a life test of 1000 hours at 80 ° C.
[0048]
[Table 3]
Figure 0003659361
[0049]
In the semiconductor laser device of the third embodiment, the carrier concentration of the p-type C doped layer 106 is lowered and Zn is doped. As will be described later, the total amount of interstitial Ga diffused from the n-type current blocking layer and If the same amount of C atoms is contained, the diffusion of Zn from the second cladding layer can be suppressed. Therefore, even with a low concentration of C-doped as in the semiconductor laser device of the third embodiment, as shown in Table 3, the effect of improving the element characteristics and the element lifetime is sufficiently exhibited.
[0050]
Further, as shown in the third embodiment, the C-doped layer does not need to be formed as a functionally independent layer, and a part of the C-doped layer becomes a C-doped layer during the growth of the p-type cladding layer. It can be set as the layer which has the function of a layer and a Zn diffusion prevention layer.
[0051]
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, the p-type C-doped layer is formed as a layer having both a function as a Zn diffusion blocking layer and a function as a current blocking layer. That is, the p-type C doped layer 106 in the semiconductor laser device of FIG. 1 is omitted to make the p-type second cladding layer 105 have a layer thickness of 0.35 μm, and the n-type GaAs current blocking layer 109 is grown from the start of growth. Se in the region up to 0.1 μm is 3 × 10 18 cm -3 Doping and 1 × 10 C 17 cm -3 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 1 except that the doping was performed.
[0052]
As Comparative Example 4 with respect to Embodiment 4, a semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as Embodiment 4 except that C doping was not performed during the growth of the n-type current blocking layer.
[0053]
In the semiconductor laser device of Embodiment 4 and Comparative Example 4, the electrode formation, cleavage, and end surface coating processes were performed under the same conditions, and then mounted on the light emitting element stem. Table 4 below shows the results of a characteristic evaluation with a light output of 5 mW by DC drive and a life test of 1000 hours at 80 ° C.
[0054]
[Table 4]
Figure 0003659361
[0055]
In the semiconductor laser device of the fourth embodiment, the C-doped layer is formed in the vicinity of the lower interface of the n-type current blocking layer, but the Se carrier concentration of the n-type current blocking layer is 3 × 10. 18 cm -3 Therefore, the conductivity type inversion does not occur even when C doping is performed at a low concentration. Therefore, the current blocking function is not affected at all, and the device characteristics and the device life can be improved.
[0056]
Thus, the carrier concentration of the n-type impurity doped during the growth of the n-type current blocking layer and the carrier concentration of C are expressed as follows:
(Carrier concentration of n-type impurity)> (carrier concentration of C)
If so, the C-doped layer can be a layer having the functions of an n-type current blocking layer and a Zn diffusion blocking layer.
[0057]
Further, in the semiconductor laser device of the fourth embodiment, since the C-doped layer in the groove is removed in the stripe groove 112 forming process as shown in the first embodiment, as shown in Table 4, the first to third embodiments are used. Compared with the characteristics, the characteristics are further improved.
[0058]
(Embodiment 5)
In the fifth embodiment, the p-type second etching stop layer 108 is formed as a C-doped layer. That is, the p-type C doped layer 106 in the semiconductor laser device of FIG. 1 is omitted to make the thickness of the p-type second cladding layer 105 0.35 μm, and the p-type Al 0.6 Ga 0.4 As a dopant for the As second etching stop layer 108, C is used instead of Zn in an amount of 5 × 10 18 cm -3 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 1 except that the doping was performed.
[0059]
As Comparative Example 5 with respect to Embodiment 5, a semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as Embodiment 5 except that the p-type second etching stop layer 108 was made of Zn.
[0060]
In the semiconductor laser device of Embodiment 5 and Comparative Example 5, the electrode formation, cleavage, and end face coating processes were performed under the same conditions, and then mounted on the light emitting element stem. Table 5 below shows the results of a characteristic evaluation with an optical output of 5 mW by DC driving and a life test of 1000 hours at 80 ° C.
[0061]
[Table 5]
Figure 0003659361
[0062]
In the semiconductor laser device of the fifth embodiment, the p-type etching stop layer formed between the p-type second cladding layer and the n-type current blocking layer is doped with C to function and etch as a Zn diffusion blocking layer. Although the layer has a function as a stop layer, even a thin layer as described above can sufficiently improve the device characteristics and the device life by doping at a relatively high concentration.
[0063]
Further, in the semiconductor laser device of the fifth embodiment, the C-doped layer in the groove is removed in the process of forming the stripe groove 112 as shown in the first embodiment. Compared with the characteristics, the characteristics are further improved.
[0064]
(Embodiment 6)
In the sixth embodiment, an example in which the present invention is applied to a ridge stripe type semiconductor laser device will be described.
[0065]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the semiconductor laser device 211 of the sixth embodiment.
[0066]
In this semiconductor laser device 211, an n-type GaAs buffer layer 202 having a thickness of 0.5 μm is formed on an n-type GaAs substrate 201, and an Al film having a thickness of 1.0 μm is formed thereon. 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 203, 0.08 μm thick Al 0.14 Ga 0.86 As active layer 204, p-type Al with a thickness of 0.25 μm 0.5 Ga 0.5 As second cladding layer 205, p-type Al with a thickness of 0.1 μm 0.5 Ga 0.5 As C doped layer 206 and p-type Al with a thickness of 1.0 μm 0.5 Ga 0.5 An As third cladding layer 207 is formed.
[0067]
The p-type third cladding layer 207 is formed in a ridge stripe shape at the center of the substrate, and an n-type GaAs current blocking layer 208 having a thickness of 0.6 μm is formed on the p-type C doped layer 206 so as to embed both outer sides thereof. ing. Further thereon, a p-type GaAs contact layer 209 having a thickness of 1.5 μm is formed so as to cover the entire surface of the substrate.
[0068]
The semiconductor laser device 211 can be manufactured as follows.
[0069]
First, the n-type buffer layer 202, the n-type first cladding layer 203, the active layer 204, the p-type second cladding layer 205, the p-type are formed on the n-type GaAs substrate 201 by the first epitaxial growth using the MOCVD method. A C-doped layer 206 and a p-type third cladding layer 207 are grown sequentially. The source gas, growth conditions, doping conditions, and the like in the epitaxial growth can be performed in accordance with the manufacturing process of the semiconductor laser device of the first embodiment.
[0070]
Next, a SiN film is formed on the p-type third cladding layer 207 using a known technique such as sputtering. x A film is formed, and this is etched into a stripe shape using a photolithography technique and an etching technique. This striped SiN x The p-type third cladding layer 207 is etched into a ridge stripe using the film and resist as a mask. At this time, time-controlled etching is performed using a sulfuric acid aqueous solution or a hydrofluoric acid aqueous solution. Alternatively, a p-type GaAs layer may be grown thinly between the p-type C doped layer 206 and the p-type third cladding layer 207 and used as an etching stop layer. Here, striped SiN x The film is not etched because it is protected by a resist.
[0071]
Next, SiN x The resist on the film is removed, and an n-type current blocking layer 208 is formed on the p-type C doped layer 206 by the second epitaxial growth using the MOCVD method. At this time, SiN is formed by so-called selective growth. x GaAs is not deposited on the film, and the n-type current blocking layer 208 is laminated so as to fill both side surfaces of the ridge stripe-shaped p-type third cladding layer 207.
[0072]
Thereafter, the SiN film is removed, and a p-type contact layer 208 is formed on the entire surface of the substrate by the third epitaxial growth using the MOCVD method. Thus, the semiconductor laser device 211 is completed.
[0073]
As Comparative Example 6 with respect to Embodiment 6 above, p-type Al 0.5 Ga 0.5 A semiconductor laser device was fabricated in exactly the same manner as in Embodiment 6 except that the As C doped layer 206 was changed to a Zn doped layer.
[0074]
In the semiconductor laser device of Embodiment 6 and Comparative Example 6, the electrode formation, cleavage, and end surface coating processes were performed under the same conditions, and then mounted on the light emitting element stem. Table 6 below shows the results of a characteristic evaluation with a light output of 5 mW by DC drive and a life test of 1000 hours at 80 ° C.
[0075]
[Table 6]
Figure 0003659361
[0076]
As shown in Table 6, in the semiconductor laser device of the sixth embodiment, both the device characteristics and the device life are greatly improved regardless of changes in the structure and manufacturing method of the semiconductor laser device. .
[0077]
In this embodiment, the ridge stripe-shaped third cladding layer 207 is epitaxially grown separately from the second cladding layer, but may be formed by etching the second cladding layer.
[0078]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment.
[0079]
In the above embodiment, the combination of TMG-TMA-arsine is used as the source gas, but other source gases may be used. For example, triethylgallium or triethylaluminum may be used as the organometallic compound having an alkyl group, and trimethylarsine ((CH Three ) Three As) or the like may be used. As the n-type dopant, Si may be used instead of Se, and as the p-type dopant, Mg exhibiting the same behavior as Zn may be used instead of Zn. As for the growth method, other methods such as the MBE method, the LPE method, the MOMBE method, the ALE (atomic beam epitaxial) method may be used in addition to the MOCVD method.
[0080]
As for the doping method of C, as shown in the above embodiment, a method of incorporating C generated during the thermal decomposition process of the organometallic alkyl group contained in the source gas during crystal growth is most suitable. In other methods, for example, a method of doping impurities after crystal growth, such as an ion implantation method or a diffusion method, it is difficult to form a C-doped layer at the interface. On the other hand, in the MOCVD method, since doping is performed during crystal growth, a C-doped layer can be formed at a desired position and the doping controllability is excellent.
[0081]
In addition to organometallic compounds, carbon tetrachloride (CCl) is used as the C source gas in MOCVD. Four ) (Applied Physics Letters vol.56, No9, p836 (1990)) has also been proposed, but organic halides are not practical because they have serious adverse effects on the environment.
[0082]
The layer thickness, Al composition ratio, carrier concentration, and growth conditions of each semiconductor layer may be other than those shown in the embodiment.
[0083]
Regarding the carrier concentration of the C-doped layer, Zn diffusion can be suppressed if it contains C atoms of the same amount as the total amount of interstitial Ga diffusing from the n-type current blocking layer. On the other hand, when C is doped at a very high concentration, the deterioration of crystallinity becomes remarkable. Accordingly, a carrier concentration of 1 × 10 6 that can be controlled within the range of normal crystal growth conditions. 16 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 The following is desirable. Within this carrier concentration range, by optimizing the C doping position or the C doped layer thickness, a semiconductor laser device with improved element characteristics and element lifetime can be manufactured with good yield and controllability.
[0084]
In the first, second, third, and sixth embodiments, the p-type second cladding layer has a thickness of 0.25 μm, and a C-doped layer is formed thereon. In the fourth and fifth embodiments, the p-type second cladding layer is formed. A C-doped layer was formed thereon with a thickness of 0.35 μm, but it is desirable that the C-doped layer and the active layer be separated by 0.1 μm or more in the thickness direction. This is because it is necessary to change the growth temperature or V / III at the time of C doping, so that the effect of crystal defects accompanying this does not reach the active layer.
[0085]
In the above embodiment, the present invention is applied to a GaAs / AlGaAs-based material. However, the present invention can also be applied to other materials, for example, InGaAs, GaAsP, and these quaternary mixed crystal materials. it can.
[0086]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, the C-doped layer is formed between the first conductivity type current blocking layer and the second conductivity type second cladding layer. In addition, diffusion of interstitial Ga generated in the current blocking layer into the p-type second cladding layer can be suppressed, and abnormal diffusion of Zn in the p-type second cladding layer can be suppressed. Therefore, (1) Zn diffuses into the active layer and deteriorates the device life, light emission efficiency, etc., or (2) the pn junction position moves away from the heterojunction interface, resulting in a decrease in current confinement efficiency and an increase in rising voltage. Or (3) a problem that the carrier concentration in the vicinity of the active layer in the p-type second cladding layer is decreased to cause an increase in threshold current and a deterioration in temperature characteristics of the device. Therefore, a semiconductor laser device having excellent element characteristics can be manufactured with a high yield.
[0087]
In addition, a dopant such as Zn or Mg can be used for the p-type second cladding layer formed in the vicinity of the active layer as usual, and it is not necessary to change the crystal growth conditions significantly. Therefore, a semiconductor laser device as designed with excellent device characteristics and device life can be manufactured with good controllability and yield.
[0088]
In particular, when the C doped layer and the active layer are formed to be separated by 0.1 μm or more in the thickness direction, the influence of crystal defects accompanying the change in the composition ratio and the growth temperature during the growth of the C doped layer does not reach the vicinity of the active layer. So desirable.
[0089]
The carbon carrier concentration in the C-doped layer is 1 × 10 16 cm -3 1 × 10 or more 19 cm -3 The following range is desirable, and by optimizing the C doping position or the thickness of the C doped layer, the diffusion of Zn can be sufficiently suppressed, and the crystallinity does not deteriorate.
[0090]
The C-doped layer can be grown by a vapor phase growth method using an organometallic compound having an alkyl group as a raw material gas, and can contain carbon generated as a result of thermal decomposition of the alkyl group as an impurity, so that it can be controlled at a desired position. It can be formed well and there is no worry about adverse effects on the environment.
[0091]
Such an excellent semiconductor laser device can be used in a wide range of fields such as an optical disk.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor laser device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor laser device according to a sixth embodiment.
3 is a diagram showing the results of SIMS analysis of Zn diffusion for the semiconductor laser devices of Embodiment 1 and Comparative Example 1-1. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional semiconductor laser device.
[Explanation of symbols]
101, 201 n-type GaAs substrate
102, 202 n-type buffer layer
103, 203 n-type first cladding layer
104, 204 active layer
105, 205 p-type second cladding layer
106,206 C doped layer
107 p-type first etching stop layer
108 p-type second etching stop layer
109, 208 n-type current blocking layer
110, 207 p-type third cladding layer
111, 209 p-type contact layer
112 Striped groove
113, 211 Semiconductor laser device

Claims (5)

ｎ型半導体基板上に、ｎ型第１クラッド層と活性層とｐ型第２クラッド層とが基板側からこの順に形成され、該第２クラッド層上に、ストライプ状溝部を有するｎ型電流阻止層が形成され、該ストライプ状溝部上および該電流阻止層上に渡ってｐ型第３クラッド層が形成されている半導体レーザ装置において、
該第２クラッド層は、炭素以外のｐ型不純物を有しており、
該第２クラッド層と該電流阻止層との間に、不純物として少なくとも炭素を含有する半導体層が形成されている半導体レーザ装置。An n-type first clad layer, an active layer, and a p-type second clad layer are formed in this order from the substrate side on an n-type semiconductor substrate, and an n-type current block having a stripe-shaped groove on the second clad layer. A semiconductor laser device in which a p-type third cladding layer is formed over the stripe-shaped groove and the current blocking layer,
The second cladding layer has a p-type impurity other than carbon,
A semiconductor laser device, wherein a semiconductor layer containing at least carbon as an impurity is formed between the second cladding layer and the current blocking layer. ｎ型半導体基板上に、ｎ型第１クラッド層と活性層とｐ型第２クラッド層とが基板側からこの順に形成され、該第２クラッド層上に、少なくともｐ型第３クラッド層がメサストライプ状凸型に形成され、該第２クラッド層上における第３クラッド層の両外側に、ｎ型電流阻止層が形成されている半導体レーザ装置において、
該第２クラッド層は、炭素以外のｐ型不純物を有しており、
該第２クラッド層と該電流阻止層との間に、不純物として少なくとも炭素を含有する半導体層が形成されている半導体レーザ装置。An n-type first cladding layer, an active layer, and a p-type second cladding layer are formed in this order from the substrate side on the n-type semiconductor substrate, and at least the p-type third cladding layer is a mesa on the second cladding layer. In a semiconductor laser device formed in a striped convex shape and having an n-type current blocking layer formed on both outer sides of the third cladding layer on the second cladding layer,
The second cladding layer has a p-type impurity other than carbon,
A semiconductor laser device, wherein a semiconductor layer containing at least carbon as an impurity is formed between the second cladding layer and the current blocking layer. 前記炭素を含有する半導体層と前記活性層とが、前記第２クラッド層を介して厚み方向に０．１μｍ以上離隔して形成されている請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor layer containing carbon and the active layer are formed to be separated from each other by 0.1 μm or more in the thickness direction with the second cladding layer interposed therebetween. 前記半導体層中に含有される炭素のキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3以下である請求項１、２または３に記載の半導体レーザ装置。4. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein a carrier concentration of carbon contained in the semiconductor layer is 1 × 10 16 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置を製造する方法であって、
ｎ型半導体基板上に、ｎ型第１クラッド層と、活性層と、炭素以外のｐ型不純物を有するｐ型第２クラッド層とを基板側からこの順に形成する工程と、
その後に、形成された前記第２クラッド層上に、アルキル基を有する有機金属化合物を原料ガスとして用いる気相成長法により、該アルキル基の熱分解過程で生じる炭素を不純物として含有する半導体層を成長させる工程と、
を包含する半導体レーザ装置の製造方法。A method of manufacturing the semiconductor laser device according to claim 1,
forming an n-type first cladding layer, an active layer, and a p-type second cladding layer having a p-type impurity other than carbon on the n-type semiconductor substrate in this order from the substrate side;
Thereafter, a semiconductor layer containing carbon generated as an impurity in the pyrolysis process of the alkyl group as an impurity is formed on the formed second cladding layer by a vapor phase growth method using an organometallic compound having an alkyl group as a source gas. A growing process;
For manufacturing a semiconductor laser device.
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