JP3703927B2

JP3703927B2 - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3703927B2
Application number: JP32434596A
Authority: JP
Inventors: 剛徳森田; 和典田中; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2016-12-04
Also published as: JPH10163569A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に、スクイーズド光の光源などに用いられるＴＪＳ型半導体レーザ素子に好適である。
【０００２】
【従来の技術】
スクイーズド光を発生させる半導体レーザとしてＴＪＳ（Transverse Junction Stripe）型半導体レーザが知られている。図１は代表的なＴＪＳ型半導体レーザの構造斜視図である。
【０００３】
ＴＪＳ型半導体レーザは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１に低濃度Ｓｉドープｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ下部クラッド層２、高濃度Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ活性層３と、高濃度Ｓｉドープｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ上部クラッド層４と、高濃度Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓキャップ層５をＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により順次成長させる事により形成する。ここで、ＭＯＣＶＤ法は、各成長層及びドーピング源の原料ガスを基板を納めた反応炉内に導入して、基板表面で熱分解させることにより、所望の成長層を形成させる方法である。
【０００４】
次に、ｐ型不純物であるＺｎを選択熱拡散することにより、各層の一部にｐ⁺領域１０を形成する。Ｚｎが拡散されなかった領域はｎ領域１１として残る。さらに、９００℃程度の高温で２時間程度熱処理することにより、ｐ⁺領域１０とｎ領域１１との間に幅約２μｍのｐ領域９を形成する。この結果、各層の面方向にはｐ⁺−ｐ−ｎ接合が形成される。
【０００５】
キャップ層５のｐ領域９部分はエッチングにより除去されて、キャップ層５はｐ⁺領域１０とｎ領域１１部分に分離される。このｎ領域１１上にｎ電極６、ｐ⁺領域１０上にｐ電極７がそれぞれ設けられる。
【０００６】
ｎ電極６−ｐ電極７間に電圧を印加すると、活性層３内のｐ領域９にあたるｐ型活性領域８よりスクイーズド・レーザ光が出射される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
スクイーズド光を発生させる半導体レーザには、低いしきい値電流と高い発光効率が要求される。しかし、従来のＴＪＳ型半導体レーザでは、しきい値電流を低くすると同時に発光効率を高めることが困難だった。これは、以下の理由による。
【０００８】
ＴＪＳ型半導体レーザでは、ｐ領域９を形成するために前述したような高温熱処理を行っている。この熱処理中に上下の各クラッド層２、４内に含まれるＡｌと活性層３内のＧａが互いに相手側の層に混ざり合うＧａ−Ａｌの相互拡散が生じていた。この相互拡散はキャリア濃度を高くする必要がある上部クラッド層４と活性層３間で特に顕著である。活性層３と上下の各クラッド層２、４界面部分での組成分布は、本来急峻であることが望ましいが、この相互拡散によって分布がなだらかになるため、活性層でのキャリア及び光の閉じ込め効果が弱くなり、しきい値電流の上昇、発光効率の低下、発光波長の短波長化などが起こって、レーザ特性が悪化していた。
【０００９】
本発明は、しきい値電流が低く、発光効率の高いＴＪＳ型半導体レーザ素子を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ダブルヘテロ構造の活性層を有する半導体レーザ素子において、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ下部クラッド層と、ＧａＡｓ活性層と、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ上部クラッド層と、ＧａＡｓキャップ層とを有しており、ｎ型キャリアとしてＳｉ、ｐ型キャリアとしてＺｎが用いられており、前記基板上の各層はＭＯＣＶＤ法により形成され、上部クラッド層は供給ガス中のＶ／III比が７８を越える条件下で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、上部クラッド層内のＳｉ濃度が低下して、上部クラッド層と活性層間のＡｌ−Ｇａの相互拡散が低下する。
【００１２】
また、半導体レーザ素子は、活性層の面方向にｐ⁺−ｐ−ｎ接合を有し、活性層内のｐ領域から発光するＴＪＳ型であってもよい。他の半導体レーザ素子に比べて特に発生しやすいＴＪＳ型のＡｌ−Ｇａの相互拡散が低下する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態について説明する。ここでは、ｘ＝０．４２の場合について説明する。
【００１４】
本実施形態のＴＪＳ型半導体レーザ素子の構造は、図１に示す構造とほぼ同一である。すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ基板１に低濃度Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓ下部クラッド層２、高濃度Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ活性層３と、高濃度Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓ上部クラッド層４と、高濃度Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓキャップ層５がＭＯＣＶＤ法により順次成長させる事により形成されている。上部クラッド層４を形成する際には７８を超えるＶ／III比が用いられる（Ｖ／III比については後述する）。各層の一部には、ｐ型不純物であるＺｎが選択熱拡散されて、ｐ⁺領域１０が形成されている。ｐ⁺領域１０とｎ領域１１との間には、幅約２μｍのｐ領域９が前述の高温熱処理により形成されている。したがって、各層の面方向にはｐ⁺−ｐ−ｎ接合が形成されている。
【００１５】
キャップ層５のｐ領域９部分はエッチングにより除去されて、キャップ層５はｐ⁺領域１０とｎ領域１１部分に分離されており、このｎ領域１１上にｎ電極６、ｐ⁺領域１０上にｐ電極７がそれぞれ設けられている。
【００１６】
ここで、Ｖ／III比とは、ＭＯＣＶＤ法において成長層の原料ガスとして供給するガス中のＡｓなどのＶ族元素とＧａ、ＡｌなどのIII族元素の供給比であり、次式で示される。
【００１７】
Ｖ／III比＝Ｆ_AsH3／（Ｆ_TMG＋Ｆ_TMA）
ここで、Ｆ_AsH3、Ｆ_TMG、Ｆ_TMAはそれぞれＡｓ、Ｇａ、Ａｌのそれぞれの原料ガスであるＡｓＨ₃（アルシン）、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）の体積流量を示している。
【００１８】
一般に、成長層形成時のＶ／III比を変化させると、成長層内部のノンドープ時の不純物濃度が変化する。ノンドープのＧａＡｓ及びＡｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓの場合は、Ｖ／III比増加により、ｐ型キャリア濃度が減少する。図２は、このノンドープのＧａＡｓ及びＡｌ_0.42Ｇａ_0.58ＡｓのＶ／III比とｐ型キャリア濃度の関係を示している。レーザ素子の場合は、ノンドープのキャリア濃度はできるだけ小さいことが望ましい。従来は、ＧａＡｓを成長する場合に４×１０¹⁴cm^-3という低いキャリア濃度が得られるＶ／III比として７８が用いられていた。一方、Ａｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓの場合は、このＶ／III比ではキャリア濃度が２×１０¹⁷cm^-3に達するが、Ｖ／III比を大きくするためには、ＡｓＨ₃の流量を増加させるか、ＴＭＧ、ＴＭＡの流量を減らす必要がある。前者は流量増大によりコストが増加し、後者は成長時間が増加する。このため、従来はＡｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓを成長させる際も、ＧａＡｓを成長させる時と同様のＶ／III比である７８が用いられてきた。
【００１９】
本実施形態では、上部クラッド層４形成時のＶ／III比を従来の７８より大きくしている。上部クラッド層４は、ｎ型領域のキャリア濃度が高濃度（例えば、１×１０¹⁷cm^-3）となるように、Ｓｉをドーピングする必要がある。Ｖ／III比を高くすると、前述のようにノンドープのｐ型キャリア濃度が低下するため、ｎ型キャリア濃度を確保するために注入するＳｉの絶対量が少なくてすみ、Ｓｉ濃度が低くなる。図３は、各Ｖ／III比に対してｎ型キャリア濃度を１×１０¹⁷cm^-3とするのに必要なＳｉ濃度を示したものである。Ｖ／III比を増加させると必要なＳｉ濃度が低くなる事が分かる。
【００２０】
上部クラッド層４と拡散層３間のＡｌ−Ｇａの相互拡散は、上部クラッド層４中のＳｉ濃度と関係し、特にＡｌの拡散係数はＳｉ濃度の３乗に比例する。本実施形態では、上部クラッド層４の形成時に大きなＶ／III比を採用しているため、Ｓｉ濃度を低く抑える事ができ、結果として、Ａｌ−Ｇａの相互拡散も起こりにくくなる。したがって、しきい値電流の上昇や発光効率の低下を防ぐことができる。
【００２１】
本発明者は、活性層厚さとクラッド層成長時のＶ／III比が異なる複数のＴＪＳ型半導体レーザ素子を作成し、レーザ特性の違いを調べた。以下、この調査結果について述べる。
【００２２】
レーザ素子の構造は図１と同様であり、その詳細を図４に示す。それぞれのレーザ素子は、活性層厚さとクラッド層成長時のＶ／III比を除いて同じように形成されている。これらのレーザ素子は、下部クラッド層２が厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3、活性層３が厚さ０．０５〜０．２μｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸cm^-3、上部クラッド層４が厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁷cm^-3、キャップ層５が厚さ１．０μｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸cm^-3となっている。共振器長はいずれも２５０μｍである。上部クラッド層４形成時のＶ／III比としては、従来例の７８と、この２倍に当たる１５６、約６倍にあたる４７２の３種類を用い、活性層の厚さの異なる計９種類の試料について調べた。９種類の試料のＶ／III比と活性層厚さの組み合わせを表２に示す。
【００２３】
図６は、それぞれの試料のしきい値電流を比較したものである。理想的な状態では、ＴＪＳ型半導体レーザのしきい値電流は活性層が薄くなるのに従って減少する。しかし、図６に示すように実際には活性層が薄くなると、しきい値電流は再び増加している。これは、活性層が薄くなるほど、Ｇａ−Ａｌ相互拡散による影響が大きく現れるためである。Ｖ／III比が７８の時は、しきい値電流が最小となるのは、活性層厚さ０．１５μｍのときであり、しきい値電流は１９．４ｍＡである。これに対して、Ｖ／III比を１５６にすると、最小しきい値電流を与える活性層厚さは０．１０μｍに減少し、しきい値電流も１４．５ｍＡに低下する。Ｖ／III比増加によってＡｌ−Ｇａ相互拡散が抑制されたためと考えられる。Ｖ／III比を４７２にした場合、最小しきい値電流を与える活性層厚さ、しきい値電流ともさらに低下すると見込まれる。
【００２４】
また、それぞれの試料のスロープ効率（光出力変化／注入電流変化）を比較した結果を図７に示す。Ｖ／III比を増加させると、スロープ効率は増加し、最大スロープ効率を与える活性層厚さは減少することが分かる。最大スロープ効率を与える活性層厚さと最少しきい値電流を与える活性層厚さは接近しており、しきい値電流低下とスロープ効率の上昇を同時に実現できることが分かる。
【００２５】
一方、それぞれの試料の発振波長を比較した結果を図８に示す。Ｖ／III比が小さいと、Ａｌ拡散によるバンドギャップの変化により、発光波長が短波長側にシフトすることが分かる。活性層厚さが同じであれば、Ｖ／III比が大きいほど、短波長シフトが少ない。
【００２６】
Ｖ／III比７８の試料ＡとＶ／III比１５６の試料Ｅについて、共振器長と外部量子効率の関係を図９に示す。横軸が共振器長、縦軸が外部量子効率の逆数を現している。図中の直線は測定結果を最小二乗法により回帰したものである。内部量子効率η_iは、この直線上の共振器長０の時の値から求めることができる。また、内部損失α_iはこの直線の傾きに相当する。したがって、図９より、試料Ａは内部量子効率η_iが６１．７％、内部損失α_iが２７．６cm^-1であることがわかる。一方、試料Ｅは内部量子効率η_iが９５．５％、内部損失α_iが１２．２cm^-1であることがわかる。Ｖ／III比の大きい試料Ｅのほうが試料Ａよりも内部量子効率η_iが高く、内部損失α_iも小さくなっており、優れた特性を有している。
【００２７】
以上の調査結果から、Ｖ／III比を従来用いられてきた７８より大きくすることにより、しきい値電流の低下とスロープ効率向上、発振波長の短波長シフト化の抑制、内部量子効率の向上といったレーザ特性の向上が実現できることが確認された。
【００２８】
下部クラッド層２についてもＶ／III比を大きくすれば、下部クラッド層２−活性層３間のＧａ−Ａｌ相互拡散を低減でき、さらに効果的である。
【００２９】
一方、本実施形態のように上部クラッド層４形成時のみにＶ／III比を大きくする場合は、ＡｓＨ₃の流量増加によるコスト増や、ＴＧＡ、ＴＭＡの流量減少による加工時間増加などの影響を最小限に抑えながら、従来特に顕著であった上部クラッド層−活性層間のＧａ−Ａｌの相互拡散を低減することができる。
【００３０】
本発明は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのｘの範囲が０．２５以上の場合に適用することが好ましい。Ａｌが０．２５以上となると、Ｓｉの活性率が低下して、所望のキャリア濃度を得るために高いＳｉ濃度が要求され、Ａｌ−Ｇａの相互拡散が起こりやすくなるからである。
【００３１】
活性層の厚さは、実験結果より、Ｖ／III比が１５６の時は、０．０７〜０．１３μｍ、Ｖ／III比が４７２の時は、０．０２〜０．０８μｍ程度にすることが好ましい。
【００３２】
本発明は、製造工程に高温の熱処理工程を有するＴＪＳ型半導体レーザ素子において特に好適であるが、その他の半導体レーザ素子においても、層間のＧａ−Ａｌ相互拡散を抑制する効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体レーザ素子の上部クラッド層形成時に７８を越えるＶ／III比の供給ガスを用いることにより、上部クラッド層内のキャリア濃度を保ったままＳｉ濃度を低くすることができるため、上部クラッド層内のＡｌの拡散係数が低下して、上部クラッド層と活性層間のＧａ−Ａｌの相互拡散が減少する。このため、しきい値電流が低下して、スロープ効率が増加する。さらに、短波長シフトも少なく、内部量子効率が高く、内部損失が小さい等、レーザ特性の向上が実現できる。また、上部クラッド層を形成するときのＶ／III比のみを変えれば、Ｖ／III比増加によるコストや成長層の形成時間増加などの影響を最小限に抑えることができる。
【００３４】
本発明は、特に製造工程に高温の熱処理工程を有するため、上部クラッド層と活性層間のＧａ−Ａｌの相互拡散が起こりやすいＴＪＳ型半導体素子において相互拡散を抑制するのに特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態及び従来例のＴＪＳ型半導体レーザ素子の構造斜視図である。
【図２】ノンドープＧａＡｓ及びＡｌ_0.42Ｇａ_0.58Ａｓのｐ型キャリア濃度のＶ／III比依存性を示す図である。
【図３】ＳｉドープＡｌ_0.42Ｇａ_0.58ＡｓにおいてＶ／III比により所定のキャリア濃度を得るために必要なＳｉ濃度を示す図である。
【図４】比較調査に用いた結晶構造の詳細を示す図表である。
【図５】比較調査に用いた試料のＶ／III比と活性層厚さの組み合わせを示す図である。
【図６】Ｖ／III比の違いによる活性層厚さとしきい値電流の比較調査結果を示す図である。
【図７】Ｖ／III比の違いによる活性層厚さとスロープ効率の比較調査結果を示す図である。
【図８】Ｖ／III比の違いによる活性層厚さと発振波長の比較調査結果を示す図である。
【図９】Ｖ／III比の違いによる共振器長と外部量子効率の比較調査結果を示す図である。
【符号の説明】
１…半絶縁性基板、２…下部クラッド層、３…活性層、４…上部クラッド層、５…キャップ層、６…ｎ電極、７…ｐ電極、８…活性領域、９…ｐ領域、１０…ｐ＋領域、１１…ｎ領域。

Claims

ダブルヘテロ構造の活性層を有する半導体レーザ素子であって、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ下部クラッド層と、ＧａＡｓ活性層と、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ上部クラッド層と、ＧａＡｓキャップ層とを有しており、ｎ型キャリアとしてＳｉ、ｐ型キャリアとしてＺｎが用いられており、前記基板上の各層は有機金属気相成長法により形成され、前記上部クラッド層は供給ガス中のＶ／III比が７８を超える条件下で形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
前記半導体レーザ素子は、活性層の面方向にｐ⁺−ｐ−ｎ接合を有し、活性層内のｐ領域から発光するＴＪＳ型であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。