JP3679010B2 - 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、セルフアラインドステップト基板(Self-aligned-stepped Substrate ;S3 ) 型半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1に従来のS3 型半導体レーザの構造を示す。
図1において、斜面を有するステップ(段)101aが形成されたn-GaAs基板101 上には、n-AlGaInP よりなるn型クラッド層102 、歪み量子井戸活性層103 、p-AlGaInP よりなる第1p型クラッド層104 、AlGaInP よりなるpn交互ドープ(電流)ブロック層105 、p-AlGaInP よりなる第2p型クラッド層106 及びp-GaAsよりなるコンタクト層107 が順に形成されている。n-GaAs基板101 の上の各層102 〜107 はそれぞれステップ101aの斜面にほぼ平行な斜面を有している。また、交互ドープブロック層105 は、その成長時にp型不純物とn型不純物が交互に供給されて平坦部分でn型不純物を取り込みやすいという性質により形成される。一方、交互ドープブロック層105 を構成するAlGaInP 層のうちステップ101aの斜面に平行な部分ではp型不純物を優先的に取り込んでp型クラッド層104 を構成する。
【0003】
図1においてn-AlGaInP クラッド層102 とp-AlGaInP クラッド層104,106 は、破線により第1〜第4の層領域111 〜114 により分けられている。第1〜第4の層領域111 〜114 は、それぞれIII 族原料ガス流量に対するV族原料ガス流量の比(以下に、V/III 比という。)を変化させた部分、若しくは成長温度を変化させた部分である。
【0004】
即ち、第1、第4の層領域111,114 は、高V/III 比もしくは低成長温度を形成した部分であり、第2、第3の層領域112,113 は、低V/III 比もしくは高成長温度で成長した部分である。以下、原料ガスのV/III 比を変化させる工程を例にとって説明するが、成長温度の変化を与えても同様な効果・構造が実現できる。
【0005】
V/III 比を異ならせることは、クラッド層105.104,106 の平坦部とステップ部を画定する線、即ち第1〜第4の層領域111 〜114 のそれぞれの平坦面と斜面との境界線の形状(以下に、成長形状という。)を変化させる働きがある。図1において一点鎖線は、成長形状の変化を示す成長形状線である。
ところで、クラッド層102,104,106 において、高V/III 比で成長された部分では平坦部と成長形状線のなす角度θが小さく、V/III 比を低下させるに従ってθが大きくなる傾向を示す。例えば、第1の層領域111 の成長形状線の角度θ01は第2の層領域112 の成長形状線の角度θ02よりも小さく、第3の層領域113 の成長形状線113 の角度θ03は第4の層領域114 の成長形状線θ04よりも大きくなっている。
【0006】
第1〜第4の層領域111 〜114 において平坦部と成長形状線のなす角θは、レーザ発振時のレーザ光の偏光面に影響を与え、偏光面はおおよそ成長線に垂直となることが分かっている。レーザ光のビーム形状と偏光面方向の関係については、他の構造のレーザとの互換性維持の要求より、偏光面が活性層103 の斜面に平行な方向であることが要求される。即ち、角度θは、活性層103 の斜面に対して約90度である必要がある。
【0007】
従来構造では、クラッド層102,104,106 において、偏光面への影響が大きい活性層103近傍部分の成長形状線を活性層103の斜面と略垂直にするために低V/III 比で成長し、また、偏光面への影響が小さい活性層103より遠い部分を高V/III で成長することにより、偏光面を活性層103 の斜面部分と平行にしていた。その活性層103 の斜面(ステップ部)を以下にストライプ部ともいう。
【0008】
クラッド層102,104,106 の全体を低V/III 比成長としない理由は、n-GaAs基板101 およびGaAsコンタクト層107 との界面部分で低V/III 比の層成長を行うと、それらの界面部分で結晶欠陥が発生しやすいので、そのような欠陥を防止するためである。
ところで、レーザ光の照射対象である光ディスクの高速化にともない、半導体レーザに要求される光出力も年々増加している。半導体レーザの高出力化を制限する要因の1つとして、半導体レーザの電流・光出力特性のキンクがある。
【0009】
キンクを発生させる要因の1つとして、通常、成長形状線がストライプ部の左右で完全に平行でないことがある。微妙に偏光面を異ならせる成分がストライプ部の左右に存在するとレーザの横モードが不安定化する。
そのような横モードを安定化させる方法として特開平11−26884号公報では、高V/III 比クラッド層の上に低V/III 比クラッド層を成長した際に現れる遷移領域を用いることが示されている。その遷移領域では、ストライプ部の左右の成長線を平行化してキンクレベルを向上させる性質を有する。
【0010】
図1において、第2及び第3の層領域112,113 はともに低V/III 比で成長されているが、第2の層領域112 は成長形状線を平行化する遷移領域であり、第3の層領域113 は遷移領域が終了した後に現れる安定領域に相当している。活性層103 は、遷移領域である第2の層領域112 内に形成されている。
キンクレベルをさらに向上させて100mWクラスの特性を得るためには更なる層構造の最適化が必要となる。
【0011】
その主な手法は、ストライプ部をさらに狭くすることと活性層103 両側の成長形状の対称化を強化することである。即ち、狭ストライプ化と活性層成長形状対称性強化を図ることである。
図2はこれまでの技術を用いて狭ストライプ化と活性層成長形状対称性強化を行った際の模式図を示すものである。図2では、活性層成長形状対称性強化のため、低V/III 比成長の遷移領域の中央部に活性層103 を存在させている。これにより、活性層103 のストライプ部の両側の2つの成長形状線は平行になる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図2に示した構造ではデバイス特性として次のような問題が発生する。
第1の問題は、半導体レーザから出力されるレーザ光の偏光面が回転しやすくなることである。通常、高V/III 比成長層である第1の層領域111 上の低V/III 比の遷移領域(112) は約0.5μm程度の厚さ以上では現れないため、これを活性層103 の上下に割り振ったとすると、片側が約0.25μmの厚みしかとれない。一方、GaAs基板101 の光吸収による特性劣化を防止するためには、n型クラッド層102 は最低でも1.5μm程度の厚みが必要であるため、n型クラッド層102 中の高V/III 比の層領域111 の占める割合が多く、その結果として、レーザ光の偏光面を活性層103 のストライプ部と平行に維持できなくなる。
【0013】
第2の問題は、狭ストライプ化により、第1のp型クラッド層104 と第2のp型クラッド層106 の間の2つのブロック層105 の左右の間隔が狭くなり、素子抵抗が上昇することである。これまでのブロック層105 は、第3の層領域113 である低V/III 比成長の安定化領域の中に形成されている。この安定化領域では、膜厚が厚くなるにつれて成長形状線が「ハ」の字のようになってp型クラッド層104 の傾斜面の幅が減少する傾向が強く、この第3の層領域113 の上端に形成される電流ブロック層105 間のp型クラッド層104 の抵抗上昇効果は著しいものがあった。
【0014】
本発明の目的は、段差基板上に光出力特性のキンクレベルを改善する層構造が形成される半導体レーザとその製造方法を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面並びに(n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面を持つ第一導電型の段差基板と、前記段差基板上に順に形成された第1の第一導電型クラッド層、第2の第一導電型クラッド層、第3の第一導電型クラッド層及び第4の第一導電型クラッド層と、前記第4の第一導電型クラッド層上に形成され、且つ(100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面並びに(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層と、前記活性層に接して積層された第1の第二導電型クラッド層と、前記第1の第二導電型クラッド層に接して積層されて前記第2斜面に沿う部分で第2の第二導電型クラッド層となり、前記第2主面に沿う部分で第一導電型電流ブロック層となる層とを有し、前記第1の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第1成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ1 とし、前記第2の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第2成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ2 とし、前記第3の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第3成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ3 とし、前記第4の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第4成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ4 とする場合に、θ1 <θ2 、θ2 >θ3 、θ3 <θ4 の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザによって解決される。
【0016】
また、上記した課題は、(100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面並びに(n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面を持つ段差基板と、前記段差基板上に順に形成された第一導電型クラッド層と、前記第一導電型クラッド層上に形成され、且つ(100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面並びに(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層と、前記活性層に接して積層された第1の第二導電型クラッド層と、前記第1の第二導電型クラッド層に接して積層されて前記第2斜面に沿う部分で第2の第二導電型クラッド層となり、前記第2主面に沿う部分で第一導電型電流ブロック層となるpn交互ドープ層とを有し、前記第1の第二導電型クラッド層のうち前記第2斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第6成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ11とし、前記pn交互ドープ層の前記第2斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第7成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ12とした場合に、θ11>θ12であることを特徴とする半導体レーザによって解決される。
【0017】
また、上記した課題は(n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面と、該第1主面の両側に(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面とを有する段差基板の上に、III 族ソースに対するV族ソースの比であるV/III 比を第1の値に設定して第1の第一導電型クラッド層を形成する工程と、前記V/III 比を前記第1の値よりも低い第2の値に設定することにより第2の第一導電型クラッド層を前記第1の第一導電型クラッド層の上に形成する工程と、前記V/III 比を前記第2の値よりも高い第3の値に設定することにより第3の第一導電型クラッド層を前記第2の第一導電型クラッド層の上に形成する工程と、前記V/III 比を前記第3の値よりも低い第4の値に設定することにより第4の第一導電型クラッド層を前記第3の第一導電型クラッド層の上に形成する工程と、(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面と前記第1斜面に沿って形成されて(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層を前記第4の第一導電型クラッド層上に形成する工程と、前記活性層の上に第1の第二導電型クラッド層を形成する工程と、第二導電型ドーパントと第一導電型ドーパントを交互に導入して前記第1の第二導電型クラッド層の上に半導体層を成長することにより、前記第2斜面の上方に第2の第二導電型クラッド層を形成するとともに、前記活性層の前記第2主面の上方に第一導電型電流ブロック層を形成する工程と、第二導電型ドーパントを導入して前記半導体層をさらに成長することにより、前記第2の第二導電型クラッド層と前記第一導電型電流ブロック層の上に第3の第二導電型クラッド層を形成する工程とを有す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る。
【0018】
また、上記した課題は、(n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面と、該第1主面の両側に(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面とを有する段差基板の上に第一導電型クラッド層を形成する工程と、(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面と前記第1斜面に沿って形成されて(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層を前記第一導電型クラッド層上に形成する工程と、III 族ソースに対するV族ソースの比であるV/III 比を第1の値に設定して第1の第二導電型クラッド層を前記活性層の上に形成する工程と、前記V/III 比を前記第1の値よりも高い第2の値に設定し且つ第二導電型ドーパントと第一導電型ドーパントを交互に導入することにより、前記活性層の前記第2斜面の上方に第2の第二導電型クラッド層を形成するとともに前記活性層の前記第2主面の上方に第一導電型電流ブロック層を形成する工程と、前記V/III 比を前記第2の値に保持しながら、前記第2の第二導電型クラッド層と前記第一導電型電流ブロック層の上に第3の第二導電型クラッド層を形成する工程とを有す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る。
【0019】
なお、上記したV/III 比を高くしたり低くする代わりに成長温度を低くしたり高くしてもよい。
次に、本発明の作用について説明する。
本発明によれば、段差基板上に形成される第一導電型クラッド層を少なくとも4層構造とし、各第一導電型クラッド層の斜面の成長形状線の主面に対する角度を小、大、小、大と繰り返すように変化させて、最上の第一導電型クラッド層の斜面の成長形状線の主面に対する角度を大きくするようにした。
【0020】
これにより、活性層の下に接して形成される最終番目の第一導電型クラッド層の斜面の成長形状線の角度を活性層のストライプ状斜面に実質的に垂直にすることが可能になる。しかも、第一導電型クラッド層内には、活性層のストライプ状斜面に実質的に垂直な角度の成長形状線を持つ層領域を少なくとも2層存在させることができるので、第一導電型クラッド層内で活性層のストライプ状斜面に実質的に垂直とならない成長形状線を持つ層領域の総膜厚を従来よりも減らすことができ、レーザ光の偏光面の回転を抑制することが可能になり、キンク出力を高く保持することができる。
【0021】
また、本発明によれば、活性層の上方に形成される複数層構造の第二導電型クラッド層において、成長形状線の角度が小さい斜面を有する第二導電型クラッド層の初期領域でその斜面の両側に電流ブロック層を形成するようにしている。
これにより、活性層の斜面に沿って形成され且つ電流ブロック層に挟まれる第二導電型クラッド層の斜面の成長形状線の傾きは小さくなるが、そのような第二導電型クラッド層の斜面は膜厚が増加してもほぼ同じ幅を保持するので、活性層の斜面を狭ストライプ化しても第二導電型クラッド層が電流ブロック層によって狭まることはなくなり、素子抵抗が低下することはない。そのような素子抵抗の低下を防止することによりキンク出力の低下が防止される。
【0022】
そのように電流ブロック層の間に形成される第二導電型クラッド層の斜面の幅が狭くなることを防止するためには、電流ブロック層を低V/III 比の安定領域で成長するのをやめ、高V/III 比又は低成長温度の条件下で形成する方法が採用される。
高V/III 比又は低成長温度で成長した層は、斜面側部の成長形状線の角度が小さくなるものの、膜厚が厚くなるにつれてストライプ状斜面の幅が減少する傾向が低V/III 比又は高成長温度の安定成長領域に比較して小さい。そのため、低V/III 比の安定成長領域でのストライプ状斜面の幅の減少が顕著になる前の薄い厚さの段階で、高V/III 比条件に切り替え、この条件下で電流ブロック層をpn交互ドープにより形成することにより素子抵抗の上昇を防ぐことができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図3〜図6は、本発明の実施形態に係る半導体レーザの形成工程を示す断面図である。
図3は、段差のある基板上にn型クラッド層を形成した構造の断面を示し、その構造は次のような方法により形成される。
【0024】
まず、主面が(100)面から(111)A面方向に6゜オフした直径2インチのn-GaAs基板1を用意する。n-GaAs基板1には、n型不純物としてシリコンが約4×1018cm-3の濃度でドープされている。
そのようなn-GaAs基板1の主面上にストライプ状のレジスト(不図示)を形成した後に、レジストに覆われない部分をフッ酸含有液を用いて深さ約0.5μm程度エッチングすると、その主面には段差が形成される。レジストに覆われた主面を上側主面1aとしエッチングにより現れた主面を下側主面1bとすると、上側主面1aと下側主面1bの境界には約(411)A面の面方位を有する幅約1.15μmの斜面1cが形成される。その斜面1cは、例えば<011>方向に延びるストライプ状となっている。
【0025】
続いて、n-GaAs基板1上からレジストを除去した後に、n-GaAs基板1の上側主面1a、下側主面1b及び斜面1c上に厚さ1.0μmのn-GaAsよりなるバッファ層2を形成する。バッファ層2では、n-GaAs基板1の斜面1cの上に約(411)A面の面方位で斜面2aが現れる。
バッファ層2を構成するGaAs層は、ガリウム原料ガスとしてトリエチルガリウム(TEGa:Ga(CH3)3)を用い、砒素原料ガスとしてアルシン(AsH3) を用いてMOVPE法により形成される。この場合に、成長速度を1μm/時、V/III 比を100とする。そのGaAs層を成長する際には、n型ドーパント原料としてジシラン(Si2H6)を用いてn型不純物を導入する。バッファ層2中のn型不純物の濃度は約5×1017cm-3である。
【0026】
なお、バッファ層2から後述のコンタクト層14までの複数の層は全て、基板温度680℃、成長雰囲気圧力50Torr、成長効率80μm/mol 、ガス総流量8sim とした条件下でMOVPE法により連続して形成されるものとし、それらの層を成長するためのソースガスは水素をキャリアガスとして成長雰囲気中に供給される。
【0027】
次に、バッファ層2上に、膜厚0.1μmのGaInP よりなる下側中間層3を形成する。そのGaInP は、V/III 比500、成長速度1μm/時の条件で形成される。GaInP を成長するためのIII 族ソースガスとしてTEGaとトリメチルインジウム(TMIn:In(CH3)3)を用い、V族ソースガスとしてホスフィン(PH3)を用い、また、n型ドーパントとしてジシランを用いて下側中間層3内の不純物濃度を約1×1018cm-3とする。下側中間層3では、バッファ層2の斜面2aに平行な斜面3aが形成される。
【0028】
さらに、下側中間層3上に、n-AlGaInP よりなる第1〜第4のn型クラッド層4〜7を条件を変えて順に形成する。第1のn型クラッド層4の膜厚は0.3μm、第2のn型クラッド層5の膜厚は1.0μm、第3のクラッド層6の膜厚は0.3μm、第4のn型クラッド層7の膜厚は0.25μmである。
第1〜第4のn型クラッド層4〜7の成長の際には、III 族ソースガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl:Al(CH3)3)とTEGaとTMIn、V族ソースガスとしてホスフィンを用い、また、n型ドーパントとしてジシランを用いる。第1〜第4のn型クラッド層4〜7中のn型不純物濃度を5×1017cm-3とする。
【0029】
第1〜第4のn型クラッド層4〜7は、それぞれn-GaAs基板1の斜面1cにほぼ平行な上側の斜面4a〜7aを有し、それらの斜面4a〜7aの横にはn-GaAs基板1の主面1a,1bに平行な平坦面を有する。
第1のn型クラッド層4を成長する際にはV/III 比を270と高くし、第2のn型クラッド層5を成長する際にはV/III 比を110と低くし、第3のn型クラッド層6を成長する際にはV/III 比を270と高くし、第4のn型クラッド層7を成長する際にはV/III 比を110と低くする。
【0030】
そのようにV/III 比を変化させて第1〜第4のn型クラッド層4〜7を連続的に成長すると、第1〜第4のn型クラッド層4〜7のそれぞれにおける平坦面と斜面4a〜7aとの境界線の形状(成長形状)が変化する。
第1〜第4のn型クラッド層4〜7のそれぞれにおける下側の平坦面と斜面4a〜7aとの境界線の形状(下側成長形状)の変化を示すと図1の右側の一点鎖線で示した下側成長形状線のようになる。また、第1〜第4のn型クラッド層4〜7のそれぞれにおける上側の平坦面と斜面4a〜7aとの境界線の形状(上側成長形状)の変化を示すと図1の左側の一点鎖線で示した上側成長形状線のようになる。なお、下側の平坦面というのはn-GaAs基板1の下側の主面1bに平行な面を指し、上側の平坦面というのはn-GaAs基板1の上側の主面1aに平行な面を指している。
【0031】
なお、第1のn型クラッド層4の下側成長形状線は、言い換えれば、第1のn型クラッド層4の上側の斜面4aの下部側線と下側の斜面3aの下部側線とを結ぶ線であり、第2〜第4のn型クラッド層5〜7の下側成長形状線も同様に定義する。また、第1のn型クラッド層4の上側成長形状線は、言い換えれば、第1のn型クラッド層4の上側の斜面4aの上部側線と下側の斜面3aの上部側線とを結ぶ線であり、第2〜第4のn型クラッド層5〜7の上側成長形状線も同様に定義する。
【0032】
ここで、高いV/III 比(高V/III 比)で成長された第1及び第3のn型クラッド層4,6のそれぞれにおいて下側成長形状線と下側の平坦面のなす角度をθ1 、θ3 とし、また、低いV/III 比(低V/III 比)で成長された第2及び第4のn型クラッド層5,7のそれぞれにおいて下側成長形状線と下側の平坦面とのなす角度をθ2 、θ4 とすると、それらの角度θ1 、θ2 、θ3 及びθ4 の大小関係はθ1 <θ2 、θ2 >θ3 、θ3 <θ4 となる。
【0033】
また、低V/III 比で形成された第2のn型クラッド層5は、成長開始から約0.5μmの厚さまでが遷移領域となってその下側成長形状線と上側成長形状線は斜面5aにほぼ直角になり、その後の約0.5μmの厚さまでが安定領域となって斜面5aの両側の成長形状線の間隔は僅かに狭くなってくる。
第1のn型クラッド層4と第3のn型クラッド層6は高V/III 比で形成されていて、それらの斜面4a,6aの両側の成長形状線と斜面4a、6aとのなす角度は実質的に直角ではない。しかし、第1及び第3のn型クラッド層4,6の総膜厚は約0.6μmであってn型クラッド層4〜7全体の膜厚の約32%と従来よりも低くなっているので、そのような傾きの成長形状線を持つ第1及び第3のクラッド層4,6がレーザ光の偏光面を回転することがなくなる。
【0034】
高V/III 比で形成された第3のn型クラッド層6の上に、低V/III 比で形成された第4のn型クラッド層7の厚みは0.25μmであるので、第4のn型クラッド層7の下側成長形状線と上側成長形状線は、その斜面7aに対して実質的に直角(垂直)になっている。実質的に直角とは、90゜に対して±15゜、望ましくは±10゜以内の範囲の角度である。
【0035】
以上のようなn型クラッド層4〜7を形成した後に、図4に示すように、歪み量子井戸活性層8を第4のn型クラッド層7上に形成し、さらにその上に第1のp型クラッド層9と第2のp型クラッド層10を順に形成する。
歪み量子井戸活性層8は、第4のn型クラッド層7の斜面7aに平行な幅1.15μmのストライプ状の上側の斜面8aを有し、また、第1及び第2のp型クラッド層9,10はそれぞれ歪み量子井戸活性層8の斜面8aに平行な上側の斜面9a,10aを有している。
【0036】
歪み量子井戸活性層8は、例えば第4のn型クラッド層7上に順に形成された第1のバリア層8b、第1のウェル層8c、第2のバリア層8d、第2のウェル層8e、第3のバリア層8f、第3のウェル層8g及び第4のバリア層8hを有している。
第1〜第4のバリア層8b,8d,8f,8hは、V/III 比330、成長速度1μm/時の条件で形成された膜厚5nmの(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P 層から構成される。(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P 層を成長するためのIII 族ソースガスとしてTMAl、TEGa、TMInを使用し、V族ソースガスとしてホスフィンを用いる。
【0037】
第1〜第3のウェル層8c,8e,8gは、V/III 比330、成長速度1μm/時の条件で形成された膜厚5nmのGa0.42In0.58P 層から構成される。Ga0.42In0.58P 層を成長するためのIII 族ソースガスとして、TEGaとTMInを使用し、V族ソースガスとしてホスフィンを用いる。
なお、歪み量子井戸活性層8は、膜厚が薄いため、高V/III 比層として成長形状を変化させる効果を持たない。
【0038】
また、第1のp型クラッド層9と第2のp型クラッド層10は、ともに、V/III 比110、成長速度2.2μm/時の条件で形成されたp-AlGaInP 層から構成される。p-AlGaInP 層を成長するためのIII 族ソースガスとしてTMAlとTEGaとTMInを使用し、V族ソースガスとしてホスフィンを用い、p型ドーパントとしてジエチル亜鉛(DEZ:(C2H5)Zn)を用いる。DEZガス流量は、III 族ソースガスの流量に対して0.1の割合で導入される。第1及び第2のp型クラッド層9,10内のそれぞれのp型不純物濃度は、斜面9a,10aの領域では7×1017cm-3、平坦面の領域では1.2×1017cm-3となっている。
【0039】
このように第1のp型クラッド層9と第2のp型クラッド層10は、同じ条件で形成されるが、第1のp型クラッド層9は、高V/III 比で形成された第3のn型クラッド層6の上方に低V/III 比で形成される遷移領域内にあり、その斜面9aの両側の成長形状線の角度は第4のn型クラッド層7の斜面7aの両側の成長形状線の角度θ4 と同じであって歪み量子井戸活性層8の斜面8aに対して実質的に直角となっている。これにより、歪み量子井戸活性層8は、低V/III 比で形成された遷移領域の中間に位置することになる。
【0040】
これに対して、第2のp型クラッド層10は、高V/III 比で形成された第3のn型クラッド層6から0.5μm以上離れた安定層であって、その斜面10aの両側の成長形状線の間隔は上の位置になるにつれて徐々に狭くなって歪み量子井戸活性層8の斜面8aに対して実質的に直角にはなっていない。しかし、第2のp型クラッド層10の膜厚は0.1μm程度であるので、その斜面10aの幅は第1のp型クラッド層9の斜面9aの幅より僅かに狭くなっているが、電流通過領域を実質的に狭めるほどではない。
【0041】
次に、図5に示すように、第2のp型クラッド層10の上に厚さ1.1μmのAlGaInP よりなる第3のp型クラッド層11を形成する。
第3のp型クラッド層11を形成する際には、III 族ソースガスとしてTMAlとTEGaとTMInを用い、V族ソースガスとしてホスフィンを用い、V/III 比を270と高くし、成長速度を2.2μm/時とするとともに、その膜厚が0.35μmになるまでp型ドーパントソースであるDEZとn型ドーパントソースであるH2Seを交互に供給する。これにより、第3のp型クラッド層11は、下から膜厚が0.35μmまでは第2のp型クラッド層10の斜面10aの上にのみ形成される。これに対して、第2のp型クラッド層10の平坦部の上に成長されたAlGaInP は、p型ドーパントよりもn型ドーパントを多く取り込んで実質的にn型となり、そのような膜厚0.35μmのn型のAlGaInP はn型電流ブロック層12a,12bとして適用される。
【0042】
そのようにn型ドーパントとp型ドーパントを交互に供給されて成長するAlGaInP が斜面でp型となり平坦面でn型となるのは、n型ドーパントとp型ドーパントの取り込み率の面方位依存性によるものである。
これにより、第2のp型クラッド層10の斜面10aの上には、その斜面10aに平行であって実質的なp型不純物濃度が7×1017cm-3の第3のp型クラッド層11が形成される一方、第2のp型クラッド層10の平坦面の上には実質的なn型不純物濃度が6×1017cm-3のn型電流ブロック層12a,12bが形成される。
【0043】
そのようなn型ドーパントとp型ドーパントを交互に切り替えてAlGaInP を0.35μmの厚さに形成した後に、ドーパントとしてDEZのみを連続して供給しながらAlGaInP をさらに0.75μmの厚さに形成すると、第3のp型クラッド層11は、第2のp型クラッド層10の斜面10a上で膜厚が増加するだけでなく、n型電流ブロック層12a、12bの上にも形成される。これにより、n型電流ブロック層12a,12bの上下にはp型の半導体層が存在することになって、歪み量子井戸活性層8の斜面8aの両側の上方にはpnp接合が存在することになる。
【0044】
なお、第3のp型クラッド層11において、電流ブロック層12a,12bの上の平坦領域のp型不純物濃度は1.2×1017cm-3となり、それらの平坦領域の間に形成される斜面11aの領域のp型不純物濃度は7×1017cm-3となる。第3のp型クラッド層11の斜面11aと下側平坦面との境界に現れる下側成長形状線と下側平坦面のなす角度をθ12とし、第2のp型クラッド層10の斜面10aと下側平坦面との境界に現れる下側成長形状線と下側平坦面のなす角度をθ11とすると、θ12はθ11より小さくなる。即ち、高V/III 比で形成した第3のp型クラッド層11の成長形状線の角度θ12は、低V/III 比で形成した第1及び第2のp型クラッド層9,10の成長形状線の角度θ11よりも小さくなるものの、そのような第3のp型クラッド層11では、膜厚が厚くなるにつれて斜面11aの幅が減少する傾向が第2のp型クラッド層10のそれに比べて小さい。このため、第2のp型クラッド層10の斜面10aのストライプ幅の減少が顕著になる前の薄い厚さの段階でV/III 比を上昇させて第3のp型クラッド層11を形成すると電流が流れる領域を狭くならずに素子抵抗の上昇が防止される。
【0045】
第2のp型クラッド層10の下側成長形状線は、言い換えれば、第2のp型クラッド層4の上側の斜面10aの下部側線と下側の斜面9aの下部測線とを結ぶ線であり、第3のp型クラッド層11の下側成長形状線も同様に定義する。また、第2のp型クラッド層10の上側成長形状線は、言い換えれば、第2のp型クラッド層10の上側の斜面10aの上部側線と下側の斜面9aの上部測線とを結ぶ線であり、第3のp型クラッド層11の上側成長形状線も同様に定義する。
【0046】
ところで、電流ブロック層12a,12bの厚さ方向の位置には最適点が存在する。第2のp型クラッド層10を省いて第1のp型クラッド層9の上に電流ブロック層12a,12bを形成することにより歪み量子井戸活性層8に近づける方法は、温度特性をかえって劣化させるために採用できない。
次に、図5に示すように、第3のp型クラッド層11の上に上側中間層13とコンタクト層14を順に形成する。
【0047】
上側中間層13は、V/III 比100で形成された膜厚0.1μmのp-GaInP 層から構成される。GaInP 層を成長するためのIII 族ソースガスとしてTEGaとTMInを使用し、V族ソースガスとしてホスフィンを用い、p型ドーパントソースとしてDEZを用いる。上側中間層13においても第3のp型クラッド層11の斜面11aに平行な斜面13aが形成され、その斜面13aの領域のp型不純物濃度を7×1017cm-3とする。
【0048】
また、上側中間層13の上に形成されるコンタクト層14は、V/III 比100で形成された膜厚1μmのp-GaAs層から構成される。GaAs層を成長するためのIII 族ソースガスとしてTEGaを使用し、V族ソースガスとしてアルシンを用い、p型ドーパントソースとしてDEZを用いる。このコンタクト層14においても上部中間層13の斜面13aに平行な斜面14aが形成され、その斜面14aの領域のp型不純物濃度を2×1018cm-3とする。
【0049】
なお、上記した工程は、V/III 比を変化させることにより成長形状線の角度を変えるようにしているが、V/III 比をほぼ一定に維持しながら成長温度を変化させることにより成長形状線の角度を変えるようにしてもよい。この成長温度制御は、例えばV/III 比を270と高くする代わりに成長温度を相対的に10℃下げるといったように、成長形状線の平坦面に対する角度を小さくする場合には成長温度を低くし、成長形状線の平坦面に対する角度を大きくする場合には成長温度を高くするように制御される。
【0050】
上記したMOVPE法による半導体層の形成を終了した後に、図6に示すように、n-GaAs基板1の下面にAu/AuGeよりなるn側電極15を形成し、さらにコンタクト層14の上にAu/Zn/Auよりなるp側電極16を形成する。
以上のように図6に示した半導体レーザによれば、n型クラッド層4〜7を形成する際のソースガスのV/III 比を、高くする工程と低くする工程、又は成長温度を低くする工程と高くする工程を少なくとも2周期で変化させたので、歪み量子井戸活性層8の斜面8aにおおよそ垂直な層が2層存在することになるので、n型クラッド層4〜7の全体の厚みを1.5μmとしても、歪み量子井戸活性層8から出力されるレーザ光の偏光面の回転が抑えらる。しかも、歪み量子井戸活性層8は低V/III 比で形成される半導体層の遷移領域A内に形成されているので、そのストライプ状の斜面8aの両側の成長形状線はその斜面8aに対して垂直方向となる。それらにより、キンク出力を従来よりも高く保持することが可能になる。
【0051】
また、上記した半導体レーザでは、高V/III 比の第3のp型クラッド層11の成長初期の段階で電流ブロック層12a,12bを形成するようにしている。高V/III 比で形成した半導体層では、斜面11aの両側の成長形状線の平坦面に対する角度θ12が小さくなるものの、斜面11aのストライプ幅の変化が少ない。従って、歪み量子井戸活性層8の発光領域となるストライプ状の斜面8aの幅を1.15μm程度に狭くしても素子抵抗が高くならず、キンクレベルを従来よりも高くすることが可能になる。
【0052】
例えば、図2に示した従来の構造において、共振器長を900μm、歪み量子井戸活性層103 のストライプ幅を1.15μmとした場合に、歪み量子井戸活性層103 のストライプ状の斜面からの偏光面のずれは12゜であり、素子抵抗は18Ωであった。
これに対して、本発明の実施形態に係る構造において、図6の紙面に対して垂直な方向の共振器長を900μm、歪み量子井戸活性層のストライプ幅を1.15μmとした場合に、歪み量子井戸活性層のストライプ状の斜面からの偏光面のずれは0゜であり、素子抵抗は10Ωであり、従来よりも特性が改善されることが確かめられた。
【0053】
ところで、上記したn-GaAs基板1の主面1a,1bは(100)面或いは(n11)A面(n<7、nは実数)であってもよい。また、n-GaAs基板1の主面に形成された斜面1cは(n1 11)面(2≦n1 <7、n1 は実数)であってもよい。これにより、n-GaAs基板1の上方に形成される歪み量子井戸活性層8の平坦面は(100)面或いは(n11)A面(n<7)となり、また、その斜面は(n2 11)面(2≦n2 <7、n2 は実数)となる。
【0054】
なお、半導体レーザの半導体層構造においては、図7に示すようにバッファ層2、下側中間層3及び上側中間層13を省いてもよい。また、上記した例では、n型クラッド層を形成する際のソースガスのV/III 比を、高くする工程と低くする工程、又は成長温度を低くする工程と高くする工程を少なくとも2周期で変化させたが、3周期以上で繰り返して6層以上でn型クラッド層を構成してもよい。
【0055】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、段差基板の上に形成されるn型クラッド層の斜面の成長形状線の角度を小、大、小、大と繰り返すように変化させているのでその成長形状線が活性層のストライプ状斜面に対して実質的に垂直にならない領域を薄くすることができ、これによりレーザ光の偏光面の回転を抑制することができ、キンク強度を高くすることができる。
【0056】
また、本発明によれば、活性層の上に形成されるp型クラッド層の斜面が狭くならない領域の初期の段階で、そのp型クラッド層の斜面の両側の平坦面上に電流ブロック層を形成するようにしたので、活性層の斜面を狭ストライプ化しても電流ブロック層がp型クラッド層を狭くすることがなくなり、これにより素子抵抗の低下を防止してキンク強度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来のS3 型半導体レーザの第1例を示す断面図である。
【図2】図2は、従来のS3 型半導体レーザの第2例を示す断面図である。
【図3】図3は、本発明の実施形態に係るS3 型半導体レーザの形成工程を示す断面図(その1)である。
【図4】図4は、本発明の実施形態に係るS3 型半導体レーザの形成工程を示す断面図(その2)である。
【図5】図5は、本発明の実施形態に係るS3 型半導体レーザの形成工程を示す断面図(その3)である。
【図6】図6は、本発明の実施形態に係るS3 型半導体レーザの形成工程を示す断面図(その4)である。
【図7】図7は、本発明の実施形態に係るS3 型半導体レーザの層構造の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
1…GaAs基板、2…バッファ層、3…下側中間層、4〜7…n型クラッド層、8…歪み量子井戸活性層、9〜11…p型クラッド層、12a,12b…電流ブロック層、13…上側中間層、14…コンタクト層、15…n側電極、16…p側電極。

Claims (11)

  1. (100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面並びに(n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面を持つ第一導電型の段差基板と、
    前記段差基板上に順に形成された第1の第一導電型クラッド層、第2の第一導電型クラッド層、第3の第一導電型クラッド層及び第4の第一導電型クラッド層と、
    前記第4の第一導電型クラッド層上に形成され、且つ(100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面並びに(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層と、
    前記活性層に接して積層された第1の第二導電型クラッド層と、
    前記第1の第二導電型クラッド層に接して積層されて前記第2斜面に沿う部分で第2の第二導電型クラッド層となり、前記第2主面に沿う部分で第一導電型電流ブロック層となる層とを有し、
    前記第1の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第1成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ1 とし、前記第2の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第2成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ2 とし、前記第3の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第3成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ3 とし、前記第4の第一導電型クラッド層のうち前記第1斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第4成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ4 とする場合に、θ1 <θ2 、θ2 >θ3 、θ3 <θ4 の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記第4の第一導電型クラッド層での前記上側の斜面と前記下側の斜面のそれぞれの上部側線を結ぶ線を第5成長形状線として、該第5成長形状線と前記第4成長形状線は、それぞれ前記第2斜面に対して実質的に直角であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ。
  3. 前記第1の第二導電型クラッド層のうち前記第2斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第6成長形状線が前記第2主面に対してなす角度をθ11とし、前記第2の第二導電型クラッド層のうち前記第2斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第7成長形状線が前記第2主面に対してなす角度をθ12とした場合に、θ11>θ12であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体レーザ。
  4. 前記段差基板と前記活性層との間には、さらに別の第一導電型クラッド層が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体レーザ。
  5. (100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面並びに(n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面を持つ段差基板と、
    前記段差基板上に順に形成された第一導電型クラッド層と、
    前記第一導電型クラッド層上に形成され、且つ(100)面あるいは(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面並びに(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層と、
    前記活性層に接して積層された第1の第二導電型クラッド層と、
    前記第1の第二導電型クラッド層に接して積層されて前記第2斜面に沿う部分で第2の第二導電型クラッド層となり、前記第2主面に沿う部分で第一導電型電流ブロック層となるpn交互ドープ層とを有し、
    前記第1の第二導電型クラッド層のうち前記第2斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第6成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ11とし、前記pn交互ドープ層の前記第2斜面に沿って形成された上側の斜面と下側の斜面のそれぞれの下部側線を結ぶ第7成長形状線が前記第1主面に対してなす角度をθ12とした場合に、θ11>θ12であることを特徴とする半導体レーザ。
  6. (n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面と、該第1主面の両側に(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面とを有する段差基板の上に、III 族ソースに対するV族ソースの比であるV/III 比を第1の値に設定して第1の第一導電型クラッド層を形成する工程と、
    前記V/III 比を前記第1の値よりも低い第2の値に設定することにより第2の第一導電型クラッド層を前記第1の第一導電型クラッド層の上に形成する工程と、
    前記V/III 比を前記第2の値よりも高い第3の値に設定することにより第3の第一導電型クラッド層を前記第2の第一導電型クラッド層の上に形成する工程と、
    前記V/III 比を前記第3の値よりも低い第4の値に設定することにより第4の第一導電型クラッド層を前記第3の第一導電型クラッド層の上に形成する工程と、
    (100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面と前記第1斜面に沿って形成されて(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層を前記第4の第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    前記活性層の上に第1の第二導電型クラッド層を形成する工程と、
    第二導電型ドーパントと第一導電型ドーパントを交互に導入して前記第1の第二導電型クラッド層の上に半導体層を成長することにより、前記第2斜面の上方に第2の第二導電型クラッド層を形成するとともに、前記活性層の前記第2主面の上方に第一導電型電流ブロック層を形成する工程と、
    第二導電型ドーパントを導入して前記半導体層をさらに成長することにより、前記第2の第二導電型クラッド層と前記第一導電型電流ブロック層の上に第3の第二導電型クラッド層を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  7. 前記第2の第二導電型クラッド層、前記第一導電型電流ブロック層及び第3の第二導電型クラッド層を形成する際のV/III 比は、前記第1の第二導電型クラッド層を形成する際のV/III 比よりも高いことを特徴とする請求項6に記載の半導体レーザの製造方法。
  8. (n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面と、該第1主面の両側に(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面とを有する段差基板の上に第一導電型クラッド層を形成する工程と、
    (100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面と前記第1斜面に沿って形成されて(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層を前記第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    III 族ソースに対するV族ソースの比であるV/III 比を第1の値に設定して第1の第二導電型クラッド層を前記活性層の上に形成する工程と、
    前記V/III 比を前記第1の値よりも高い第2の値に設定し且つ第二導電型ドーパントと第一導電型ドーパントを交互に導入することにより、前記活性層の前記第2斜面の上方に第2の第二導電型クラッド層を形成するとともに前記活性層の前記第2主面の上方に第一導電型電流ブロック層を形成する工程と、
    前記V/III 比を前記第2の値に保持しながら、前記第2の第二導電型クラッド層と前記第一導電型電流ブロック層の上に第3の第二導電型クラッド層を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  9. (n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面と、該第1主面の両側に(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面とを有する段差基板の上に、成長温度を第1の値に設定して第1の第一導電型クラッド層を形成する工程と、
    成長温度を前記第1の値よりも高い第2の値に設定することにより第2の第一導電型クラッド層を前記第1の第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    成長温度を前記第2の値よりも低い第3の値に設定することにより第3の第一導電型クラッド層を前記第2の第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    成長温度を前記第3の値よりも高い第4の値に設定することにより第4の第一導電型クラッド層を前記第3の第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    (100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面と前記第1斜面に沿って形成されて(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層を前記第4の第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    前記活性層の上に第1の第二導電型クラッド層を形成する工程と、
    第二導電型ドーパントと第一導電型ドーパントを交互に導入して前記第1の第二導電型クラッド層の上に半導体層を成長することにより、前記第2斜面の上方に第2の第二導電型クラッド層を形成するとともに、前記活性層の前記第2主面の上方に第一導電型電流ブロック層を形成する工程と、
    第二導電型ドーパントを導入して前記半導体層をさらに成長することにより、前記第2の第二導電型クラッド層と前記第一導電型電流ブロック層の上に第3の第二導電型クラッド層を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  10. (n1 11)(2≦n1 <7、n1 は実数)が表出した第1斜面と、該第1主面の両側に(100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第1主面とを有する段差基板の上に第一導電型クラッド層を形成する工程と、
    (100)面又は(n11)A面(n<7、nは実数)が表出した第2主面と前記第1斜面に沿って形成されて(n2 11)A面(2≦n2 <7、n2 は実数)が表出した第2斜面を持つ活性層を前記第一導電型クラッド層上に形成する工程と、
    成長温度を第1の値に設定して第1の第二導電型クラッド層を前記活性層の上に形成する工程と、
    成長温度を前記第1の値よりも低い第2の値に設定し且つ第二導電型ドーパントと第一導電型ドーパントを交互に導入することにより、前記活性層の前記第2斜面の上方に第2の第二導電型クラッド層を形成するとともに前記活性層の前記第2主面の上方に第一導電型電流ブロック層を形成する工程と、
    成長温度を前記第2の値に保持しながら、前記第2の第二導電型クラッド層と前記第一導電型電流ブロック層の上に第3の第二導電型クラッド層を形成する工程と
    を有することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  11. 前記第1の第一導電型クラッド層又は前記第一導電型クラッド層から前記第3の第二導電型クラッド層までは連続してMOVPE法により成長されることをことを特徴とする請求項6乃至請求項10のいずれかに記載の半導体レーザの製造方法。
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