JP4517437B2 - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ装置及びその製造方法に係り、特に光情報処理用として用いられる半導体レーザ装置とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで光情報処理用として用いられる半導体レーザ装置はＧａＡｓ電流ブロック層を用いた利得導波型構造が採用されてきた。しかしながら最近はＡｌＧａＡｓ層を電流ブロック層に用いた屈折率導波型構造を採用することにより、動作電流を下げた半導体レーザ装置が開発されている。
屈折率導波型構造では電流ブロック層での光の吸収損失が少ないので、閾値電流を下げることができるとともに発光効率を向上させることができ、動作電流を下げることができる。
【０００３】
図９は、従来のＳＡＳ（Self-Aligned Structure)型の半導体レーザ装置の断面図である。
図９において、１０１はｎ型ＧａＡｓ基板（以下、ｎ型を「ｎ−」と、また「ｐ型」を「ｐ−」と表記する）、１０２はｎ−ＧａＡｓバッファ層、１０３はｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層、１０４はＡｌＧａＡｓ活性層、１０５はｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１上クラッド層、１０６はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓエッチングストッパ層、１０７はｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ電流ブロック層、１０７ａは電流ブロック層１０７の電流チャネルとなるストライプ状の窓、１０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ保護層、１０９はｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２上クラッド層、１１０はｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１１１はｎ側電極、１１２はｐ側電極である。１１３は従来の半導体レーザ装置である。
【０００４】
次にこの半導体レーザ装置１１３の製造方法について説明する。
まずＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法による第１次のエピタキシャル成長でｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、 バッファ層１０２となるｎ−ＧａＡｓ層、ｎ型下クラッド層１０３となるｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、活性層１０４となるＡｌＧａＡｓ層、第１上クラッド層１０５となるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、エッチングストッパ層１０６となるｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層、電流ブロック層１０７となるｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層、および保護層１０８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層を順次形成する。このときのドーパントとしては、ｎ型ドーパントはシリコン、ｐ型ドーパントは亜鉛が使用される。
【０００５】
次に写真製版とウエットエッチングにより、保護層１０８と電流ブロック層１０７に電流経路となる帯状の開口である１０７ａを形成する。次いでＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法により、第２次のエピタキシャル成長で、開口１０７を介してエッチングストッパ層１０６であるｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層の上に、第２上クラッド層１０９となるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層を埋め込み成長し、更にコンタクト層１１０となるｐ型ＧａＡｓ層を形成する。
更にコンタクト層１１０となるｐ型ＧａＡｓ層の表面上にｐ側電極１１２を、またｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面側表面上にｎ側電極１１１を形成する。
【０００６】
次に半導体レーザ装置１１３の動作について説明する。
ｎ側電極１１１とｐ側電極１１２との間に順方向電圧を印加すると、電流ブロック層１０７と第２上クラッド層１０９との間のｐｎ接合により生じる空乏層により電流の流れが阻止されて電流が絞られ、開口１０７ａを介して活性層１０４に電流が流れる。
【０００７】
活性層１０４に所定の閾値以上の電流が流れると、活性層１０４において電子と正孔とが再結合し、これに基づいてレーザ光が発生する。
このときｎ型下クラッド層１０３、第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９は、活性層１０４よりも大きなバンドギャップを有しているので、ｎ型下クラッド層１０３、第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９の屈折率は活性層１０４よりも小さく、レーザ光はｎ型下クラッド層１０３と第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９との間に閉じ込められる。
【０００８】
また、電流ブロック層１０６のバンドギャップは第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９のそれよりも大きく、電流ブロック層１０６の屈折率は第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９のそれより小さく、レーザ光の水平横方向の拡がりは電流ブロック層１０６によって制限される。
このようにレーザ光の発光点の上下、左右とも屈折率差を持たせるように構成しているので、レーザ光は発光点近傍に効率よく閉じ込められ、窓１０７ａの下部の活性層１０４で７８０ｎｍ帯のレーザ発振が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置１１３は上記のように構成されているが、第１上クラッド層１０５、エッチングストッパ層１０６及び第２上クラッド層１０９などのｐ型ドーパントとして亜鉛が使用されており、第１次のエピタキシャル成長の、ＭＯＣＶＤ法での成長温度は、７００℃〜７５０℃であるので、活性層１０４となるＡｌＧａＡｓ層を形成した後、第１上クラッド層１０５となるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、エッチングストッパ層１０６となるｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層、電流ブロック層１０７となるｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層、および保護層１０８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層を順次形成するときに既に、第１上クラッド層１０５から活性層１０４に亜鉛が拡散する。更に第２次のエピタキシャル成長を行うときにも同様の温度の下で行われるので、第１上クラッド層１０５から活性層１０４に亜鉛が拡散する。
【００１０】
この結果、第１上クラッド層１０５のキャリア濃度が設計どおりに得られなくなり、第１上クラッド層１０５がＺｎの濃度低下による内部損失が増大し、動作時の発熱が増大する。このためにキャリア（電子、ホール）が熱励起され、ダブルへテロ構造で作り込んだバンドの障壁を乗り越えて行くものが多くなり、結果的に発振に寄与するキャリアが少なくなり、効率が低下する。つまり電流−光出力特性の温度特性を劣化させる場合があった。
【００１１】
さらに、第１上クラッド層１０５から活性層１０５にＺｎが拡散することにより、ｐｎ接合の位置が下クラッド層１０３内にずれ、その結果ビーム特性に悪影響を及ぼす場合があった。
また屈折率導波型構造を実現する場合、この従来例で記載したＳＡＳ型の他に埋め込みリッジ型でも実現できるが、最近の知見では、第１上クラッド層１０５から活性層１０４への亜鉛の拡散は埋め込みリッジ型よりも、特にＳＡＳ型の方が起きやすいことが分かってきた。
【００１２】
この亜鉛の拡散を抑制するためには、第１上クラッド層１０５のｐ型不純物である亜鉛のキャリア濃度を下げるという方法もあるが、活性層１０４からのキャリアのオーバーフローが大きくなり、しきい値電流密度が高くなるという問題が生じ根本的な解決にならない。
【００１３】
上述した従来技術と同様の構成の一例として、例えば特開平６−１９６８０１号公報に記載された従来のＳＡＳ型の半導体レーザ装置がある。
この構成では、活性層１０４はＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層、活性層１０４の上に第１上クラッド層１０５相当のｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１光ガイド層、エッチングストッパ層１０６相当のｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ第２光ガイド層が形成され、電流ブロック層１０７としてｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層、第２上クラッド層１０９相当のｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層が形成された発明が開示されている。
【００１４】
この構成においては、第１光ガイド層および第２光ガイド層のキャリア濃度の開示は無く、 ｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層の亜鉛のキャリア濃度は７×１０17ｃｍ-3（以下、７Ｅ１７ｃｍ-3のように、１０の累乗を表記する）とし、再成長界面におけるｐ型層のキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ-3以下にすることが必要であると開示されている。
【００１５】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、
第１の目的は、閾値電流が低く、電流−光出力特性の温度特性の劣化の少ない半導体レーザ装置を提供することであり、第２の目的は閾値電流が低く、電流−光出力特性の温度特性の劣化の少ない半導体レーザ装置を簡単な工程により製造する製造方法を提供することである。
【００１６】
なお、上述した先行技術の他に、特開昭６２−７３６８７号公報には、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いたＳＡＳ型の半導体レーザが開示されている。
また、特開平７−２５４７５０号公報には、キャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ-3のＳｉ添加のＮ−ＩｎＰ基板を下クラッド層としこの上に、ＧａＩｎＡｓＰの量子井戸構造の活性層、キャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ-3のＳｉ添加のＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層、キャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ-3のＺｎ添加のｐ−ＩｎＰクラッド層を順次積層してリッジ構造とし、このリッジの両側のｐ型の第１埋込層を２層に分けて、活性層側に位置した側の層をキャリア濃度３Ｅ１７ｃｍ-3のＺｎ添加とし、活性層から遠い側の層をキャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ-3のＺｎ添加とすることによりしきい値を小さくするとともに温度特性の向上を図っている。
【００１７】
また特開平９−１９９８０３号公報には、０．９８μｍ波長の光に対して、高次モードの発生を抑制し、安定的に基本モードのレーザ光を発振させるために、不純物濃度が（１〜３）Ｅ１８ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ基板を使用し、この上に、ｎ−クラッド層を介して、アンドープＩｎＧａＡｓの量子井戸活性層、不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ-3のｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１クラッド層、 ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓエッチングストッパ層、が形成され、この上にリッジ状のｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層が形成され、その両側にＳｉを１Ｅ１９ｃｍ-3以上ドーピングしたｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの電流ブロック層が形成されたロスガイド型の０．９８μｍ波長の半導体レーザが開示されている。また同様の材料構成でＳＡＳ型の半導体レーザが開示されている。
【００１８】
更に、特開平１１−５４８２８号公報には、活性層に隣接したｐクラッド層のキャリア濃度が５Ｅ１７ｃｍ-3〜３Ｅ１８ｃｍ-3と高濃度になるため、ドーピング不純物が活性層中へ拡散し、活性層の結晶品質を低下させ、信頼性を劣化させるという問題を解決するために、セルフアライン型及びリッジ型の半導体レーザにおいて、アンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層に隣接して低濃度Ｚｎドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１クラッド層（キャリア濃度８Ｅ１６ｃｍ-3）を設け、これに高濃度Ｚｎドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層（キャリア濃度５Ｅ１７ｃｍ-3）、低濃度Ｚｎドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３クラッド層（キャリア濃度８Ｅ１６ｃｍ-3）、低濃度Ｓｉドープｎ−第１ＡｌＧａＡｓブロック層（キャリア濃度１Ｅ１７ｃｍ-3）、高Ｓｉドープｎ−第２ＡｌＧａＡｓブロック層（キャリア濃度３Ｅ１８ｃｍ-3）ぞ順次積層し、第１，第２ＡｌＧａＡｓブロック層の中央にストライプ状の電流通路を形成し、Ｚnドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第４クラッド層（キャリア濃度１．５Ｅ１８ｃｍ-3）を設けた構成が開示されている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置においては、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板と、この半導体基板上に配設され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設され、第１クラッド層よりもバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、この活性層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層と、この第１の第２クラッド層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層と、この電流ブロック層の開口を介して第１の第２クラッド層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２の第２クラッド層と、を備え、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、第１の第２クラッド層から活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき、活性層へのキャリアの閉込が有効に行うことができる。
【００２０】
またさらに、第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層を備えたので、帯状開口を確実に形成することができ、結晶性のよい第２の第２クラッド層を構成できる。
【００２１】
またさらに第１クラッド層をＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層をＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層をＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層をＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層をＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成したので、赤外の半導体レーザ装置において、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき活性層へのキャリアの閉込を有効に行うことができる。
【００２２】
またさらに、第１の第２クラッド層の第２導電型のドーパントの不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3を越え２×１０18ｃｍ-3以下としたので、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制し、しきい値電流密度を低く保持できる。
【００２３】
またさらに、ＧａＡｓ半導体基板をＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）法またはＶＧＦ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ）法で製作したものとしたので、第２導電型のドーパントの活性層への拡散を効果的に少なくすることができる。
【００２６】
またこの発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板を準備する工程と、ＧａＡｓ半導体基板上に、 III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層の上に、第１クラッド層よりもバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、活性層の上に活性層よりバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層を形成する工程と、第１の第２クラッド層の上に、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する電流ブロック層を形成する工程と、電流ブロック層の開口を介して第１の第２クラッド層の上に活性層よりバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２の第２クラッド層を形成する工程と、を含み、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止できる。
【００２７】
またさらに、第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層をさらに形成する工程を含むとともに、電流ブロック層の開口を形成する工程においてこの第２導電型の半導体層によりエッチングを停止させるので、帯状開口を確実に形成することができ、第２の第２クラッド層を結晶性よく形成できる。
【００２８】
またさらに第１クラッド層がＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層がＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層がＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層がＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層がＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成されたので、赤外半導体レーザにおいて、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１はこの発明の一つの実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
ここでは一例として情報処理用として使用されるレーザ波長が７８０ｎｍのＳＡＳ型の半導体レーザ装置について説明する。
この実施の形態１においては、 ｎ型ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を０．１Ｅ１８ｃｍ-3以上１．５Ｅ１８ｃｍ-3以下とすることにより、このｎ型ドーパントに基づく第１クラッド層から活性層へのＺｎの拡散を少なくしたものである。
【００３０】
図１において、１は（１００）面を主面とするｎ型ＧａＡｓの基板で、ｎ型ドーパントはＳｉで、キャリア濃度は８Ｅ１７ｃｍ-3である。またこのＧａＡｓ基板１はＶＢ（Vertical Bridgeman)法で作成されたものである。
２は基板１上に設けられた層厚０．１μｍのｎ−ＧａＡｓのバッファ層でドーパントはＳｉ、キャリア濃度は３Ｅ１７ｃｍ-3、３はバッファ層２上に設けられた層厚２．０μｍのｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの下クラッド層でドーパントはＳｉである。ただし下クラッド層３のドーパントはＳｅなどの他のｎ型ドーパントであってもよい。キャリア濃度は３Ｅ１７ｃｍ-3である。
４は下クラッド層３の上に設けられた層厚０．０６μｍのアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの活性層、５は活性層４の上に設けられた層厚０．２μｍのｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの第１上クラッド層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は１．５Ｅ１８ｃｍ-3、６は第１上クラッド層５上に設けられた層厚０．０１μｍのｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのエッチングストッパー層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は２Ｅ１８ｃｍ-3である。
【００３１】
７は、このエッチングストッパー層６の上に設けられた層厚０．６μｍのｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓの電流ブロック層でドーパントはＳｉ、キャリア濃度は２．５Ｅ１７ｃｍ-3である。８は電流ブロック層７上に設けられた層厚０．０２μｍのｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの保護層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は３Ｅ１７ｃｍ-3、である。この保護層８と電流ブロック層７には、電流経路としてのストライプ状の窓７ａが形成されている。この窓７ａを介してエッチングストッパー層６と保護層８上に、層厚２μｍでキャリア濃度が１．５Ｅ１８ｃｍ-3のＺｎドーパントのｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの第２上クラッド層９が設けられている。１０は第２上クラッド層９上に設けられた層厚１．０μｍのｐ−ＧａＡｓのコンタクト層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は２Ｅ１９ｃｍ-3である。
１１はｎ側電極、１２はｐ側電極である。１３はこの発明に係る半導体レーザ装置である。
【００３２】
次にこの発明に係る半導体レーザ装置１３の製造方法について説明する。
図２及び図３はこの発明に係る半導体レーザ装置１３の製造工程の各工程の半導体レーザ装置を示す断面図である。
図２（ａ）を参照にして、まずＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法による第１次のエピタキシャル成長でｎ−ＧａＡｓ基板１上に、 バッファ層２となるｎ−ＧａＡｓ層７２、ｎ型下クラッド層３となるｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７３、活性層４となるアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層７４、第１上クラッド層５となるｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７５、エッチングストッパ層６となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６、電流ブロック層７となるｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７、および保護層８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８を順次形成する。このときのドーパントとしては、ｎ型ドーパントはシリコン、ｐ型ドーパントは亜鉛が使用される。この工程の結果を示したのが、図２（ａ）である。
【００３３】
次に保護層８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８上に、フォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状の開口を有するフォトレジストパターン８０を形成する。
この工程の結果を示したのが、図２（ｂ）である。
このフォトレジストパターン８０をマスクとして、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８とｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７を貫通し、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６に達するまで、選択エッチング液を用いてエッチングし、これにより電流チャネルとなる窓７ａを形成する。
【００３４】
このエッチング方法は、酒石酸または硫酸などのＡｌＡｓに対してあまり選択性を有しないエッチャントで、ｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７の途中までエッチングを行い、次いでＡｌＡｓ混晶比の高い層を選択的にエッチングできるフッ酸系のエッチャントを用いて、残りのｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７を選択的にエッチングを行うものである。つまりフッ酸系のエッチャントはｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６をエッチングせず、この部分でエッチングは停止する。
この工程の結果を示したのが、図３（ａ）である。
【００３５】
フッ酸系のエッチャントを用いて、選択的にエッチングを行う際に、フォトレジストパターン８０を除去し、ストライプ状の開口を有するｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をマスクとしてエッチングを行ってもよい。
【００３６】
続いて、フォトレジストパターン８０を除去した後、２回目のエピタキシャル成長を行い、窓７ａを介してｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６とｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７とｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８との上に第２上クラッド層９としてｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７９の埋め込み成長を行い、このｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７９の上にコンタクト層１０としてのｐ−ＧａＡｓ層８２を形成する。
この工程の結果を示したのが、図３（ｂ）である。
次いで、ｐ−ＧａＡｓ層８２の表面上にｐ側電極１２、基板１の裏面側にｎ側電極１１を形成し、図１に示された半導体レーザ装置１３を完成する。
【００３７】
次に半導体レーザ装置１３の動作について説明する。
ｎ側電極１１とｐ側電極１２との間に順方向電圧を印加すると、電流ブロック層７はｎ型半導体層で、保護層８及び第２上クラッド層９はｐ型層でありこのｐｎ接合により生じた空乏層により電流ブロック効果を有するので、電流ブロック層７により電流の流れが阻止されて電流が絞られ、開口７ａを介して効率よく活性層４に電流が流れる。活性層４に所定の閾値以上の電流が流れると、活性層４において電子と正孔とが再結合し、これに基づいてレーザ光が発生する。
【００３８】
このときｎ型下クラッド層３、第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９は、活性層４よりも大きなバンドギャップを有しているので、 ｎ型下クラッド層３、第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９の屈折率は活性層４よりも小さく、レーザ光はｎ型下クラッド層３と第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９との間に閉じ込められる。
【００３９】
また、電流ブロック層７のバンドギャップは第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９のそれよりも大きいので、電流ブロック層７の屈折率は第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層８のそれより小さく、レーザ光の水平横方向の拡がりは電流ブロック層７によって制限される。
【００４０】
このようにレーザ光の発光点の上下、左右とも屈折率差を持たせるように構成しているので、レーザ光は発光点近傍に効率よく閉じ込められることになる。
【００４１】
この半導体レーザ装置１３においては、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度を１．５Ｅ１８ｃｍ-3としているが、 ＧａＡｓ基板１のＳｉのキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としているので、活性層４へのＺｎの拡散が抑制されている。
活性層へのＺｎの拡散を調べるために、第１回目の結晶成長後ＺｎのＳＩＭＳ分析（２次イオン質量分析）を行ったところ、Ｚｎが活性層４にほとんど拡散していないことを確認できた。
【００４２】
これは次のように説明できると考える。
Journal of Crystal growth vol.145 (1994) p808-812 にＳｉ−ＧａＡｓ／Ｚｎ−ＡｌＧａＡｓにおけるＺｎの拡散について説明がなされている。
この亜鉛（Ｚｎ）の拡散モデルは、ｎ型ＧａＡｓ／ＺｎドープＡｌＧａＡｓ／ＳｅドープＡｌＧａＡｓの積層構造を基に説明されているものである。それによると、ＳｉドープＧａＡｓ中の格子間ＧａがＳｉのキャリア濃度の増加に伴って増加し、Ｇａはこの系の母体元素であるために、格子間Ｇａは大きい拡散速度を持ち、 ＺｎドープＡｌＧａＡｓ中に容易に拡散する。
【００４３】
ＺｎドープＡｌＧａＡｓ中に拡散してきたこの格子間Ｇａにより、 ＺｎドープＡｌＧａＡｓ中のＧａサイトのＺｎがはじき出されて格子間Ｚｎとなり、この格子間Ｚｎが近接する層に拡散すると説明されている。
【００４４】
また、従来構造と同様のレーザ装置において、ＳｉドープＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度を増加すると、上クラッド層１０５のＺｎの拡散が促進され、温度特性が悪くなることを見いだしている。特に、ＧａＡｓ基板１がＶＢ法またはＶＧＦ法で作製された場合には、結晶中に不活性なＳｉ原子が多数残留しており、Ｓｉ原子が活性化する際に格子間Ｇａ原子が生成されて、Ｚｎの活性層への拡散が更に促進されることを見いだしている。
【００４５】
これらのことから、半導体レーザ装置１３においては、 ＧａＡｓ基板１のＳｉのキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3と、低くしているので、基板１中の格子間Ｇａの生成が抑制されるために、第１上クラッド層５への格子間Ｇａの拡散が少なくなり、このため第１上クラッド層５のＺｎの拡散が抑制され、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度の低下が防止されるとともに、活性層４へのＺｎの拡散も少なくなり、活性層４のＺｎのキャリア濃度の増大も防止することができる。
【００４６】
特にＧａＡｓ基板１がＶＢ法のみならずＶＧＦ法で作製された場合には、結晶中に不活性なＳｉ原子が多数残留しているので、 ＧａＡｓ基板１のＳｉのキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3と低くすることによる、基板１中の格子間Ｇａの生成が抑制効果が大きく、第１上クラッド層５から活性層４へのＺｎの拡散が抑制される。
【００４７】
従って、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度の低下による内部損失の増大、さらには電流−光出力特性の温度特性の劣化を防止することができる。
また、活性層４のＺｎのキャリア濃度の増大にともなうビーム特性の劣化を防止することができる。
【００４８】
そして、この半導体レーザ装置１３の基板はＳｉのキャリア濃度を基板１のキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としているのでコンタクト抵抗も比較的低く設定できる。
この実施の形態においては、基板１のキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としたが、０．１Ｅ１８ｃｍ-3以上１．５Ｅ１８ｃｍ-3以下の範囲であればよく、好ましいのは０．５Ｅ１８ｃｍ-3以上１．０Ｅ１８ｃｍ-3未満、であり更に好ましいのは０．７Ｅ１８ｃｍ-3以上１．０Ｅ１８ｃｍ-3未満、である。
【００４９】
また各層のＡｌ混晶比は、この実施の形態に示した値に限られるものではなく、活性層４が下クラッド層３、第１の上クラッド層５、電流ブロック層７および第２の上クラッド層９よりもバンドギャップが小さく、さらに、第２の上クラッド層９よりバンドギャップの小さいく活性層４よりバンドギャップの大きいエッチングストッパー層６を備えた構成であればよい。
【００５０】
また、実施の形態１ではＡｌＧａＡｓ系材料で構成したが、ＡｌＧａＩｎＰ系などの他のIII−Ｖ族化合物半導体材料においても同様の効果が有る。
【００５１】
変形例
次に半導体レーザ装置１３と基本的には同じ構造であるが、製造工程の差異により、実施の形態１の半導体レーザ装置１３の構成から、保護層８を除去した、変形例について説明する。
図４はこの変形例の半導体レーザ装置の断面図である。
図４において図１と同じ符号は同じかまたは相当の部分である。２０はこの構成の半導体レーザ装置である。
【００５２】
次に半導体レーザ装置２０の製造方法について説明する。
図５及び図６はこの変形例の半導体レーザ装置２０の製造工程の各工程の半導体レーザ装置を示す断面図である。
実施の形態１の図２（ａ）と同様に、まずＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法による第１次のエピタキシャル成長でｎ−ＧａＡｓ基板１上に、 バッファ層２となるｎ−ＧａＡｓ層７２、ｎ型下クラッド層３となるｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７３、活性層４となるアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層７４、第１上クラッド層５となるｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７５、エッチングストッパ層６となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６、電流ブロック層７となるｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７、および保護層８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８を順次形成する。このときのドーパントとしては、ｎ型ドーパントはシリコン、ｐ型ドーパントは亜鉛が使用される。
【００５３】
次にｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８上に、フォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状の開口を有するフォトレジストパターン８０を形成する。
この工程の結果を示したのが、図５（ａ）である。
【００５４】
次いで、フォトレジストパターン８０をマスクとして、ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７に達するまでエッチングする。このときのエッチャントは酒石酸等のＧａＡｓを選択的にエッチングするものを使用する。
この工程の結果を示したのが、図５（ｂ）である。
【００５５】
次に、レジストパターン８０を除去した後、ＡｌＡｓ混晶比の高い材料を選択的にエッチングできる層をフッ酸系のエッチャントを用いて、 ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をマスクとして用いて、 ｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７をｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６に達するまでエッチングする。
【００５６】
ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６層はｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７よりもＡｌＡｓ混晶比が低いのでエッチング進まずエッチングストパー層として働く。
このためにｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７を完全に除去でき、電気的に抵抗の少ない窓７ａが形成される。
エッチングマスクとして使用したｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８は当然フッ酸系のエッチャントにはエッチングされないために窓７ａ上に張り出したひさし状に残される。
この工程の結果を示したのが、図６（ａ）である。
【００５７】
次いでＡｌＡｓ混晶比の低い材料をエッチングできるエッチャントである、ＮＨ３系または酒石酸系のエッチャントを用いて、 ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をエッチングする。 このｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８を除去した後、２回目の結晶成長工程にて、窓７ａを介してｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６とｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７との上に第２上クラッド層９としてのｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層７９を埋め込み成長を行い、このｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７９の上にコンタクト層１０としてのｐ−ＧａＡｓ層８２を形成する。
この工程の結果を示したのが、図６（ｂ）である。
【００５８】
次いで、ｐ−ＧａＡｓ層８２の表面上にｐ側電極１２、基板１の裏面側にｎ側電極１１を形成し、図４に示された半導体レーザ装置２０を完成する。
この構成においても半導体レーザ装置１３と同様の効果を奏することができる。
【００５９】
実施の形態２
この実施の形態２においては、実施の形態１のアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの活性層４をダブルカンタムウエル（以下ＤＱＷという）構造の活性層としたものである。
図７は実施の形態２に係る半導体レーザ装置のＤＱＷ構造の活性層３０の断面図である。
【００６０】
図７において、３２は層厚１５ｎｍでアンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓの光ガイド層、３４は層厚８ｎｍでアンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ａｓのウエル層、３６は層厚８ｎｍでアンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓのバリア層である。
図８は活性層３０のＤＱＷ構造のエネルギーバンドを示す模式図である。
その他の構成は、実施の形態１と同じである。
従って、 ｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの第１上クラッド層５はドーパントはＺｎ、キャリア濃度は１．５Ｅ１８ｃｍ-3、であり、 ｎ型ＧａＡｓの基板１はｎ型ドーパントはＳｉで、キャリア濃度は８Ｅ１７ｃｍ-3である。またこのＧａＡｓ基板１はＶＢ（Vertical Bridgeman)法で作成されたものである。
【００６１】
この実施の形態による半導体レーザ装置においても、第１上クラッド層５のＺｎの拡散は少なく、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度が維持されている。このため、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度の低下による内部損失の増大さらには電流−光出力特性の温度特性の劣化を防止することができる。
また、活性層２０のＺｎのキャリア濃度の増大にともなうビーム特性の劣化を防止することができる。さらに、活性層２０へのＺｎの拡散によるＤＱＷ構造の無秩序化が回避できるので、設計通りのＤＱＷ構造が実現でき、一層キャリアの閉込が効率よく行われる。
【００６２】
そして、この半導体レーザ装置の基板はＳｉのキャリア濃度を基板１のキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としているのでコンタクト抵抗も比較的低く設定できる。
この実施の形態の半導体レーザ装置において、共振器長が８００μｍとしたとき、動作温度６０℃でのしきい値電流は４５ｍＡであり、実施の形態１に比べてさらに低く実現できる。
【００６３】
またこの実施の形態においては、活性層をＤＱＷ構造としたが、他の量子井戸構造すなわち、シングルカンタムウエル（ＳＱＷ）構造、トリプルカンタムウエル（ＴＱＷ）構造、などのマルチカンタムウエル（ＭＱＷ）構造、やグリン（ＧＲＩＮ）構造、セパレートコンファインメントヘテロストラクチャー（ＳＣＨ）構造などでも、同様の効果を奏する。
【００６４】
また実施の形態１及び２において説明した半導体レーザ装置はＳＡＳ型であるが、活性層の上にＺｎドープクラッド層とアンドープまたはｎ型電流ブロック層を続けて形成する他の形式の半導体レーザでも同様の効果を奏する。
【００６５】
【発明の効果】
この発明に係る半導体レーザ装置は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る半導体レーザ装置においては、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板と、この半導体基板上に配設されたIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、この活性層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層と、この第１の第２クラッド層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層を備え、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、第１の第２クラッド層から活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき、活性層へのキャリアの閉込を有効に行うことができる。延いては、電流−光出力特性の温度特性が良好で、ビーム特性も良く、コンタクト抵抗も比較的低い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６６】
さらに第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層を備えたので、帯状開口を確実に形成することができ、結晶性のよい第２の第２クラッド層を構成できるから、内部損失が少なく、電流−光出力特性の温度特性をさらに高めた半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６７】
またさらに第１クラッド層をＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層をＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層をＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層をＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層をＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成したので、電流−光出力特性の温度特性が良好で、ビーム特性も良く、コンタクト抵抗も比較的低い赤外の半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６８】
またさらに、第１の第２クラッド層の第２導電型のドーパントの不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3を越え２×１０18ｃｍ-3以下としたので、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制し、しきい値電流密度を低く保持できるから、電流−光出力特性の温度特性がさらに良好で、ビーム特性も良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６９】
またさらに、ＧａＡｓ半導体基板をＶＢ法またはＶＧＦ法で製作したものとしたので、第２導電型のドーパントの活性層への拡散を効果的に少なくすることができ、電流−光出力特性の温度特性がさらに良好で、ビーム特性も良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００７２】
またこの発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板を準備する工程と、ＧａＡｓ半導体基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、活性層の上に活性層よりバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層を形成する工程と、第１の第２クラッド層の上に、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層を形成する工程と、を含み、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき、電流−光出力特性の温度特性が良好で、ビーム特性も良い半導体レーザ装置を簡単な工程で製造することができる。
【００７３】
またさらに、第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層をさらに形成する工程を含むとともに、電流ブロック層の開口を形成する工程においてこの第２導電型の半導体層によりエッチングを停止させるので、帯状開口を確実に形成することができ、第２の第２クラッド層を結晶性よく形成でき、内部損失が少なく、電流−光出力特性の温度特性をさらに高めた半導体レーザ装置を簡単な工程で製造することができる。
【００７４】
またさらに第１クラッド層がＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層がＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層がＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層がＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層がＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で形成するので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止できる赤外半導体レーザを簡単な工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図４】 この発明に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図５】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図６】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図７】 この発明に係る半導体レーザ装置のＤＱＷ構造の活性層の断面図である。
【図８】 この発明に係る半導体レーザ装置のＤＱＷ構造の活性層のバンドギャップをしめす模式図である。
【図９】 従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板、 ３ 下クラッド層、 ４ 活性層、 ３０ ＤＱＷ構造の活性層、 ５ 第１の上クラッド層、 ７ａ 開口、 ７ 電流ブロック層、 ８ 第２の上クラッド層、 ６ エッチングストッパー層
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体レーザ装置及びその製造方法に係り、特に光情報処理用として用いられる半導体レーザ装置とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで光情報処理用として用いられる半導体レーザ装置はＧａＡｓ電流ブロック層を用いた利得導波型構造が採用されてきた。しかしながら最近はＡｌＧａＡｓ層を電流ブロック層に用いた屈折率導波型構造を採用することにより、動作電流を下げた半導体レーザ装置が開発されている。
屈折率導波型構造では電流ブロック層での光の吸収損失が少ないので、閾値電流を下げることができるとともに発光効率を向上させることができ、動作電流を下げることができる。
【０００３】
図９は、従来のＳＡＳ（Self-Aligned Structure)型の半導体レーザ装置の断面図である。
図９において、１０１はｎ型ＧａＡｓ基板（以下、ｎ型を「ｎ−」と、また「ｐ型」を「ｐ−」と表記する）、１０２はｎ−ＧａＡｓバッファ層、１０３はｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ下クラッド層、１０４はＡｌＧａＡｓ活性層、１０５はｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１上クラッド層、１０６はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓエッチングストッパ層、１０７はｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ電流ブロック層、１０７ａは電流ブロック層１０７の電流チャネルとなるストライプ状の窓、１０８はｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ保護層、１０９はｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２上クラッド層、１１０はｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１１１はｎ側電極、１１２はｐ側電極である。１１３は従来の半導体レーザ装置である。
【０００４】
次にこの半導体レーザ装置１１３の製造方法について説明する。
まずＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法による第１次のエピタキシャル成長でｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、 バッファ層１０２となるｎ−ＧａＡｓ層、ｎ型下クラッド層１０３となるｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、活性層１０４となるＡｌＧａＡｓ層、第１上クラッド層１０５となるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、エッチングストッパ層１０６となるｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層、電流ブロック層１０７となるｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層、および保護層１０８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層を順次形成する。このときのドーパントとしては、ｎ型ドーパントはシリコン、ｐ型ドーパントは亜鉛が使用される。
【０００５】
次に写真製版とウエットエッチングにより、保護層１０８と電流ブロック層１０７に電流経路となる帯状の開口である１０７ａを形成する。次いでＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法により、第２次のエピタキシャル成長で、開口１０７を介してエッチングストッパ層１０６であるｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層の上に、第２上クラッド層１０９となるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層を埋め込み成長し、更にコンタクト層１１０となるｐ型ＧａＡｓ層を形成する。
更にコンタクト層１１０となるｐ型ＧａＡｓ層の表面上にｐ側電極１１２を、またｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面側表面上にｎ側電極１１１を形成する。
【０００６】
次に半導体レーザ装置１１３の動作について説明する。
ｎ側電極１１１とｐ側電極１１２との間に順方向電圧を印加すると、電流ブロック層１０７と第２上クラッド層１０９との間のｐｎ接合により生じる空乏層により電流の流れが阻止されて電流が絞られ、開口１０７ａを介して活性層１０４に電流が流れる。
【０００７】
活性層１０４に所定の閾値以上の電流が流れると、活性層１０４において電子と正孔とが再結合し、これに基づいてレーザ光が発生する。
このときｎ型下クラッド層１０３、第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９は、活性層１０４よりも大きなバンドギャップを有しているので、ｎ型下クラッド層１０３、第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９の屈折率は活性層１０４よりも小さく、レーザ光はｎ型下クラッド層１０３と第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９との間に閉じ込められる。
【０００８】
また、電流ブロック層１０６のバンドギャップは第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９のそれよりも大きく、電流ブロック層１０６の屈折率は第１上クラッド層１０５及び第２上クラッド層１０９のそれより小さく、レーザ光の水平横方向の拡がりは電流ブロック層１０６によって制限される。
このようにレーザ光の発光点の上下、左右とも屈折率差を持たせるように構成しているので、レーザ光は発光点近傍に効率よく閉じ込められ、窓１０７ａの下部の活性層１０４で７８０ｎｍ帯のレーザ発振が生じる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の半導体レーザ装置１１３は上記のように構成されているが、第１上クラッド層１０５、エッチングストッパ層１０６及び第２上クラッド層１０９などのｐ型ドーパントとして亜鉛が使用されており、第１次のエピタキシャル成長の、ＭＯＣＶＤ法での成長温度は、７００℃〜７５０℃であるので、活性層１０４となるＡｌＧａＡｓ層を形成した後、第１上クラッド層１０５となるｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層、エッチングストッパ層１０６となるｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層、電流ブロック層１０７となるｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層、および保護層１０８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層を順次形成するときに既に、第１上クラッド層１０５から活性層１０４に亜鉛が拡散する。更に第２次のエピタキシャル成長を行うときにも同様の温度の下で行われるので、第１上クラッド層１０５から活性層１０４に亜鉛が拡散する。
【００１０】
この結果、第１上クラッド層１０５のキャリア濃度が設計どおりに得られなくなり、第１上クラッド層１０５がＺｎの濃度低下による内部損失が増大し、動作時の発熱が増大する。このためにキャリア（電子、ホール）が熱励起され、ダブルへテロ構造で作り込んだバンドの障壁を乗り越えて行くものが多くなり、結果的に発振に寄与するキャリアが少なくなり、効率が低下する。つまり電流−光出力特性の温度特性を劣化させる場合があった。
【００１１】
さらに、第１上クラッド層１０５から活性層１０５にＺｎが拡散することにより、ｐｎ接合の位置が下クラッド層１０３内にずれ、その結果ビーム特性に悪影響を及ぼす場合があった。
また屈折率導波型構造を実現する場合、この従来例で記載したＳＡＳ型の他に埋め込みリッジ型でも実現できるが、最近の知見では、第１上クラッド層１０５から活性層１０４への亜鉛の拡散は埋め込みリッジ型よりも、特にＳＡＳ型の方が起きやすいことが分かってきた。
【００１２】
この亜鉛の拡散を抑制するためには、第１上クラッド層１０５のｐ型不純物である亜鉛のキャリア濃度を下げるという方法もあるが、活性層１０４からのキャリアのオーバーフローが大きくなり、しきい値電流密度が高くなるという問題が生じ根本的な解決にならない。
【００１３】
上述した従来技術と同様の構成の一例として、例えば特開平６−１９６８０１号公報に記載された従来のＳＡＳ型の半導体レーザ装置がある。
この構成では、活性層１０４はＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層、活性層１０４の上に第１上クラッド層１０５相当のｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１光ガイド層、エッチングストッパ層１０６相当のｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ第２光ガイド層が形成され、電流ブロック層１０７としてｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓ層、第２上クラッド層１０９相当のｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層が形成された発明が開示されている。
【００１４】
この構成においては、第１光ガイド層および第２光ガイド層のキャリア濃度の開示は無く、 ｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層の亜鉛のキャリア濃度は７×１０17ｃｍ-3（以下、７Ｅ１７ｃｍ-3のように、１０の累乗を表記する）とし、再成長界面におけるｐ型層のキャリア濃度は１Ｅ１８ｃｍ-3以下にすることが必要であると開示されている。
【００１５】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、
第１の目的は、閾値電流が低く、電流−光出力特性の温度特性の劣化の少ない半導体レーザ装置を提供することであり、第２の目的は閾値電流が低く、電流−光出力特性の温度特性の劣化の少ない半導体レーザ装置を簡単な工程により製造する製造方法を提供することである。
【００１６】
なお、上述した先行技術の他に、特開昭６２−７３６８７号公報には、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いたＳＡＳ型の半導体レーザが開示されている。
また、特開平７−２５４７５０号公報には、キャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ-3のＳｉ添加のＮ−ＩｎＰ基板を下クラッド層としこの上に、ＧａＩｎＡｓＰの量子井戸構造の活性層、キャリア濃度１Ｅ１６ｃｍ-3のＳｉ添加のＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層、キャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ-3のＺｎ添加のｐ−ＩｎＰクラッド層を順次積層してリッジ構造とし、このリッジの両側のｐ型の第１埋込層を２層に分けて、活性層側に位置した側の層をキャリア濃度３Ｅ１７ｃｍ-3のＺｎ添加とし、活性層から遠い側の層をキャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ-3のＺｎ添加とすることによりしきい値を小さくするとともに温度特性の向上を図っている。
【００１７】
また特開平９−１９９８０３号公報には、０．９８μｍ波長の光に対して、高次モードの発生を抑制し、安定的に基本モードのレーザ光を発振させるために、不純物濃度が（１〜３）Ｅ１８ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ基板を使用し、この上に、ｎ−クラッド層を介して、アンドープＩｎＧａＡｓの量子井戸活性層、不純物濃度が２Ｅ１８ｃｍ-3のｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１クラッド層、 ｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓエッチングストッパ層、が形成され、この上にリッジ状のｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層が形成され、その両側にＳｉを１Ｅ１９ｃｍ-3以上ドーピングしたｎ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの電流ブロック層が形成されたロスガイド型の０．９８μｍ波長の半導体レーザが開示されている。また同様の材料構成でＳＡＳ型の半導体レーザが開示されている。
【００１８】
更に、特開平１１−５４８２８号公報には、活性層に隣接したｐクラッド層のキャリア濃度が５Ｅ１７ｃｍ-3〜３Ｅ１８ｃｍ-3と高濃度になるため、ドーピング不純物が活性層中へ拡散し、活性層の結晶品質を低下させ、信頼性を劣化させるという問題を解決するために、セルフアライン型及びリッジ型の半導体レーザにおいて、アンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ａｓ活性層に隣接して低濃度Ｚｎドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１クラッド層（キャリア濃度８Ｅ１６ｃｍ-3）を設け、これに高濃度Ｚｎドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第２クラッド層（キャリア濃度５Ｅ１７ｃｍ-3）、低濃度Ｚｎドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３クラッド層（キャリア濃度８Ｅ１６ｃｍ-3）、低濃度Ｓｉドープｎ−第１ＡｌＧａＡｓブロック層（キャリア濃度１Ｅ１７ｃｍ-3）、高Ｓｉドープｎ−第２ＡｌＧａＡｓブロック層（キャリア濃度３Ｅ１８ｃｍ-3）ぞ順次積層し、第１，第２ＡｌＧａＡｓブロック層の中央にストライプ状の電流通路を形成し、Ｚnドープｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第４クラッド層（キャリア濃度１．５Ｅ１８ｃｍ-3）を設けた構成が開示されている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体レーザ装置においては、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板と、この半導体基板上に配設され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層と、この第１クラッド層の上に配設され、第１クラッド層よりもバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、この活性層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層と、この第１の第２クラッド層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層と、この電流ブロック層の開口を介して第１の第２クラッド層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２の第２クラッド層と、を備え、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、第１の第２クラッド層から活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき、活性層へのキャリアの閉込が有効に行うことができる。
【００２０】
またさらに、第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層を備えたので、帯状開口を確実に形成することができ、結晶性のよい第２の第２クラッド層を構成できる。
【００２１】
またさらに第１クラッド層をＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層をＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層をＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層をＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層をＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成したので、赤外の半導体レーザ装置において、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき活性層へのキャリアの閉込を有効に行うことができる。
【００２２】
またさらに、第１の第２クラッド層の第２導電型のドーパントの不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3を越え２×１０18ｃｍ-3以下としたので、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制し、しきい値電流密度を低く保持できる。
【００２３】
またさらに、ＧａＡｓ半導体基板をＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）法またはＶＧＦ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ）法で製作したものとしたので、第２導電型のドーパントの活性層への拡散を効果的に少なくすることができる。
【００２６】
またこの発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板を準備する工程と、ＧａＡｓ半導体基板上に、 III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、第１クラッド層の上に、第１クラッド層よりもバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、活性層の上に活性層よりバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層を形成する工程と、第１の第２クラッド層の上に、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する電流ブロック層を形成する工程と、電流ブロック層の開口を介して第１の第２クラッド層の上に活性層よりバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２の第２クラッド層を形成する工程と、を含み、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止できる。
【００２７】
またさらに、第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層をさらに形成する工程を含むとともに、電流ブロック層の開口を形成する工程においてこの第２導電型の半導体層によりエッチングを停止させるので、帯状開口を確実に形成することができ、第２の第２クラッド層を結晶性よく形成できる。
【００２８】
またさらに第１クラッド層がＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層がＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層がＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層がＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層がＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成されたので、赤外半導体レーザにおいて、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１はこの発明の一つの実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。
ここでは一例として情報処理用として使用されるレーザ波長が７８０ｎｍのＳＡＳ型の半導体レーザ装置について説明する。
この実施の形態１においては、 ｎ型ＧａＡｓ基板のキャリア濃度を０．１Ｅ１８ｃｍ-3以上１．５Ｅ１８ｃｍ-3以下とすることにより、このｎ型ドーパントに基づく第１クラッド層から活性層へのＺｎの拡散を少なくしたものである。
【００３０】
図１において、１は（１００）面を主面とするｎ型ＧａＡｓの基板で、ｎ型ドーパントはＳｉで、キャリア濃度は８Ｅ１７ｃｍ-3である。またこのＧａＡｓ基板１はＶＢ（Vertical Bridgeman)法で作成されたものである。
２は基板１上に設けられた層厚０．１μｍのｎ−ＧａＡｓのバッファ層でドーパントはＳｉ、キャリア濃度は３Ｅ１７ｃｍ-3、３はバッファ層２上に設けられた層厚２．０μｍのｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの下クラッド層でドーパントはＳｉである。ただし下クラッド層３のドーパントはＳｅなどの他のｎ型ドーパントであってもよい。キャリア濃度は３Ｅ１７ｃｍ-3である。
４は下クラッド層３の上に設けられた層厚０．０６μｍのアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの活性層、５は活性層４の上に設けられた層厚０．２μｍのｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの第１上クラッド層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は１．５Ｅ１８ｃｍ-3、６は第１上クラッド層５上に設けられた層厚０．０１μｍのｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓのエッチングストッパー層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は２Ｅ１８ｃｍ-3である。
【００３１】
７は、このエッチングストッパー層６の上に設けられた層厚０．６μｍのｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓの電流ブロック層でドーパントはＳｉ、キャリア濃度は２．５Ｅ１７ｃｍ-3である。８は電流ブロック層７上に設けられた層厚０．０２μｍのｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓの保護層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は３Ｅ１７ｃｍ-3、である。この保護層８と電流ブロック層７には、電流経路としてのストライプ状の窓７ａが形成されている。この窓７ａを介してエッチングストッパー層６と保護層８上に、層厚２μｍでキャリア濃度が１．５Ｅ１８ｃｍ-3のＺｎドーパントのｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの第２上クラッド層９が設けられている。１０は第２上クラッド層９上に設けられた層厚１．０μｍのｐ−ＧａＡｓのコンタクト層でドーパントはＺｎ、キャリア濃度は２Ｅ１９ｃｍ-3である。
１１はｎ側電極、１２はｐ側電極である。１３はこの発明に係る半導体レーザ装置である。
【００３２】
次にこの発明に係る半導体レーザ装置１３の製造方法について説明する。
図２及び図３はこの発明に係る半導体レーザ装置１３の製造工程の各工程の半導体レーザ装置を示す断面図である。
図２（ａ）を参照にして、まずＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法による第１次のエピタキシャル成長でｎ−ＧａＡｓ基板１上に、 バッファ層２となるｎ−ＧａＡｓ層７２、ｎ型下クラッド層３となるｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７３、活性層４となるアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層７４、第１上クラッド層５となるｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７５、エッチングストッパ層６となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６、電流ブロック層７となるｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７、および保護層８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８を順次形成する。このときのドーパントとしては、ｎ型ドーパントはシリコン、ｐ型ドーパントは亜鉛が使用される。この工程の結果を示したのが、図２（ａ）である。
【００３３】
次に保護層８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８上に、フォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状の開口を有するフォトレジストパターン８０を形成する。
この工程の結果を示したのが、図２（ｂ）である。
このフォトレジストパターン８０をマスクとして、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８とｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７を貫通し、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６に達するまで、選択エッチング液を用いてエッチングし、これにより電流チャネルとなる窓７ａを形成する。
【００３４】
このエッチング方法は、酒石酸または硫酸などのＡｌＡｓに対してあまり選択性を有しないエッチャントで、ｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７の途中までエッチングを行い、次いでＡｌＡｓ混晶比の高い層を選択的にエッチングできるフッ酸系のエッチャントを用いて、残りのｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７を選択的にエッチングを行うものである。つまりフッ酸系のエッチャントはｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６をエッチングせず、この部分でエッチングは停止する。
この工程の結果を示したのが、図３（ａ）である。
【００３５】
フッ酸系のエッチャントを用いて、選択的にエッチングを行う際に、フォトレジストパターン８０を除去し、ストライプ状の開口を有するｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をマスクとしてエッチングを行ってもよい。
【００３６】
続いて、フォトレジストパターン８０を除去した後、２回目のエピタキシャル成長を行い、窓７ａを介してｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６とｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７とｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８との上に第２上クラッド層９としてｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７９の埋め込み成長を行い、このｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７９の上にコンタクト層１０としてのｐ−ＧａＡｓ層８２を形成する。
この工程の結果を示したのが、図３（ｂ）である。
次いで、ｐ−ＧａＡｓ層８２の表面上にｐ側電極１２、基板１の裏面側にｎ側電極１１を形成し、図１に示された半導体レーザ装置１３を完成する。
【００３７】
次に半導体レーザ装置１３の動作について説明する。
ｎ側電極１１とｐ側電極１２との間に順方向電圧を印加すると、電流ブロック層７はｎ型半導体層で、保護層８及び第２上クラッド層９はｐ型層でありこのｐｎ接合により生じた空乏層により電流ブロック効果を有するので、電流ブロック層７により電流の流れが阻止されて電流が絞られ、開口７ａを介して効率よく活性層４に電流が流れる。活性層４に所定の閾値以上の電流が流れると、活性層４において電子と正孔とが再結合し、これに基づいてレーザ光が発生する。
【００３８】
このときｎ型下クラッド層３、第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９は、活性層４よりも大きなバンドギャップを有しているので、 ｎ型下クラッド層３、第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９の屈折率は活性層４よりも小さく、レーザ光はｎ型下クラッド層３と第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９との間に閉じ込められる。
【００３９】
また、電流ブロック層７のバンドギャップは第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層９のそれよりも大きいので、電流ブロック層７の屈折率は第１の上クラッド層５及び第２の上クラッド層８のそれより小さく、レーザ光の水平横方向の拡がりは電流ブロック層７によって制限される。
【００４０】
このようにレーザ光の発光点の上下、左右とも屈折率差を持たせるように構成しているので、レーザ光は発光点近傍に効率よく閉じ込められることになる。
【００４１】
この半導体レーザ装置１３においては、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度を１．５Ｅ１８ｃｍ-3としているが、 ＧａＡｓ基板１のＳｉのキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としているので、活性層４へのＺｎの拡散が抑制されている。
活性層へのＺｎの拡散を調べるために、第１回目の結晶成長後ＺｎのＳＩＭＳ分析（２次イオン質量分析）を行ったところ、Ｚｎが活性層４にほとんど拡散していないことを確認できた。
【００４２】
これは次のように説明できると考える。
Journal of Crystal growth vol.145 (1994) p808-812 にＳｉ−ＧａＡｓ／Ｚｎ−ＡｌＧａＡｓにおけるＺｎの拡散について説明がなされている。
この亜鉛（Ｚｎ）の拡散モデルは、ｎ型ＧａＡｓ／ＺｎドープＡｌＧａＡｓ／ＳｅドープＡｌＧａＡｓの積層構造を基に説明されているものである。それによると、ＳｉドープＧａＡｓ中の格子間ＧａがＳｉのキャリア濃度の増加に伴って増加し、Ｇａはこの系の母体元素であるために、格子間Ｇａは大きい拡散速度を持ち、 ＺｎドープＡｌＧａＡｓ中に容易に拡散する。
【００４３】
ＺｎドープＡｌＧａＡｓ中に拡散してきたこの格子間Ｇａにより、 ＺｎドープＡｌＧａＡｓ中のＧａサイトのＺｎがはじき出されて格子間Ｚｎとなり、この格子間Ｚｎが近接する層に拡散すると説明されている。
【００４４】
また、従来構造と同様のレーザ装置において、ＳｉドープＧａＡｓ基板１０１のキャリア濃度を増加すると、上クラッド層１０５のＺｎの拡散が促進され、温度特性が悪くなることを見いだしている。特に、ＧａＡｓ基板１がＶＢ法またはＶＧＦ法で作製された場合には、結晶中に不活性なＳｉ原子が多数残留しており、Ｓｉ原子が活性化する際に格子間Ｇａ原子が生成されて、Ｚｎの活性層への拡散が更に促進されることを見いだしている。
【００４５】
これらのことから、半導体レーザ装置１３においては、 ＧａＡｓ基板１のＳｉのキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3と、低くしているので、基板１中の格子間Ｇａの生成が抑制されるために、第１上クラッド層５への格子間Ｇａの拡散が少なくなり、このため第１上クラッド層５のＺｎの拡散が抑制され、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度の低下が防止されるとともに、活性層４へのＺｎの拡散も少なくなり、活性層４のＺｎのキャリア濃度の増大も防止することができる。
【００４６】
特にＧａＡｓ基板１がＶＢ法のみならずＶＧＦ法で作製された場合には、結晶中に不活性なＳｉ原子が多数残留しているので、 ＧａＡｓ基板１のＳｉのキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3と低くすることによる、基板１中の格子間Ｇａの生成が抑制効果が大きく、第１上クラッド層５から活性層４へのＺｎの拡散が抑制される。
【００４７】
従って、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度の低下による内部損失の増大、さらには電流−光出力特性の温度特性の劣化を防止することができる。
また、活性層４のＺｎのキャリア濃度の増大にともなうビーム特性の劣化を防止することができる。
【００４８】
そして、この半導体レーザ装置１３の基板はＳｉのキャリア濃度を基板１のキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としているのでコンタクト抵抗も比較的低く設定できる。
この実施の形態においては、基板１のキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としたが、０．１Ｅ１８ｃｍ-3以上１．５Ｅ１８ｃｍ-3以下の範囲であればよく、好ましいのは０．５Ｅ１８ｃｍ-3以上１．０Ｅ１８ｃｍ-3未満、であり更に好ましいのは０．７Ｅ１８ｃｍ-3以上１．０Ｅ１８ｃｍ-3未満、である。
【００４９】
また各層のＡｌ混晶比は、この実施の形態に示した値に限られるものではなく、活性層４が下クラッド層３、第１の上クラッド層５、電流ブロック層７および第２の上クラッド層９よりもバンドギャップが小さく、さらに、第２の上クラッド層９よりバンドギャップの小さいく活性層４よりバンドギャップの大きいエッチングストッパー層６を備えた構成であればよい。
【００５０】
また、実施の形態１ではＡｌＧａＡｓ系材料で構成したが、ＡｌＧａＩｎＰ系などの他のIII−Ｖ族化合物半導体材料においても同様の効果が有る。
【００５１】
変形例
次に半導体レーザ装置１３と基本的には同じ構造であるが、製造工程の差異により、実施の形態１の半導体レーザ装置１３の構成から、保護層８を除去した、変形例について説明する。
図４はこの変形例の半導体レーザ装置の断面図である。
図４において図１と同じ符号は同じかまたは相当の部分である。２０はこの構成の半導体レーザ装置である。
【００５２】
次に半導体レーザ装置２０の製造方法について説明する。
図５及び図６はこの変形例の半導体レーザ装置２０の製造工程の各工程の半導体レーザ装置を示す断面図である。
実施の形態１の図２（ａ）と同様に、まずＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法による第１次のエピタキシャル成長でｎ−ＧａＡｓ基板１上に、 バッファ層２となるｎ−ＧａＡｓ層７２、ｎ型下クラッド層３となるｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７３、活性層４となるアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ層７４、第１上クラッド層５となるｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７５、エッチングストッパ層６となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６、電流ブロック層７となるｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７、および保護層８となるｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８を順次形成する。このときのドーパントとしては、ｎ型ドーパントはシリコン、ｐ型ドーパントは亜鉛が使用される。
【００５３】
次にｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８上に、フォトレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によってストライプ状の開口を有するフォトレジストパターン８０を形成する。
この工程の結果を示したのが、図５（ａ）である。
【００５４】
次いで、フォトレジストパターン８０をマスクとして、ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７に達するまでエッチングする。このときのエッチャントは酒石酸等のＧａＡｓを選択的にエッチングするものを使用する。
この工程の結果を示したのが、図５（ｂ）である。
【００５５】
次に、レジストパターン８０を除去した後、ＡｌＡｓ混晶比の高い材料を選択的にエッチングできる層をフッ酸系のエッチャントを用いて、 ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をマスクとして用いて、 ｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７をｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６に達するまでエッチングする。
【００５６】
ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６層はｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７よりもＡｌＡｓ混晶比が低いのでエッチング進まずエッチングストパー層として働く。
このためにｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７を完全に除去でき、電気的に抵抗の少ない窓７ａが形成される。
エッチングマスクとして使用したｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８は当然フッ酸系のエッチャントにはエッチングされないために窓７ａ上に張り出したひさし状に残される。
この工程の結果を示したのが、図６（ａ）である。
【００５７】
次いでＡｌＡｓ混晶比の低い材料をエッチングできるエッチャントである、ＮＨ３系または酒石酸系のエッチャントを用いて、 ｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８をエッチングする。 このｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７８を除去した後、２回目の結晶成長工程にて、窓７ａを介してｐ− Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７６とｎ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓ層７７との上に第２上クラッド層９としてのｐ− Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層７９を埋め込み成長を行い、このｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ層７９の上にコンタクト層１０としてのｐ−ＧａＡｓ層８２を形成する。
この工程の結果を示したのが、図６（ｂ）である。
【００５８】
次いで、ｐ−ＧａＡｓ層８２の表面上にｐ側電極１２、基板１の裏面側にｎ側電極１１を形成し、図４に示された半導体レーザ装置２０を完成する。
この構成においても半導体レーザ装置１３と同様の効果を奏することができる。
【００５９】
実施の形態２
この実施の形態２においては、実施の形態１のアンドープＡｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓの活性層４をダブルカンタムウエル（以下ＤＱＷという）構造の活性層としたものである。
図７は実施の形態２に係る半導体レーザ装置のＤＱＷ構造の活性層３０の断面図である。
【００６０】
図７において、３２は層厚１５ｎｍでアンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓの光ガイド層、３４は層厚８ｎｍでアンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ａｓのウエル層、３６は層厚８ｎｍでアンドープＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓのバリア層である。
図８は活性層３０のＤＱＷ構造のエネルギーバンドを示す模式図である。
その他の構成は、実施の形態１と同じである。
従って、 ｐ− Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓの第１上クラッド層５はドーパントはＺｎ、キャリア濃度は１．５Ｅ１８ｃｍ-3、であり、 ｎ型ＧａＡｓの基板１はｎ型ドーパントはＳｉで、キャリア濃度は８Ｅ１７ｃｍ-3である。またこのＧａＡｓ基板１はＶＢ（Vertical Bridgeman)法で作成されたものである。
【００６１】
この実施の形態による半導体レーザ装置においても、第１上クラッド層５のＺｎの拡散は少なく、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度が維持されている。このため、第１上クラッド層５のＺｎのキャリア濃度の低下による内部損失の増大さらには電流−光出力特性の温度特性の劣化を防止することができる。
また、活性層２０のＺｎのキャリア濃度の増大にともなうビーム特性の劣化を防止することができる。さらに、活性層２０へのＺｎの拡散によるＤＱＷ構造の無秩序化が回避できるので、設計通りのＤＱＷ構造が実現でき、一層キャリアの閉込が効率よく行われる。
【００６２】
そして、この半導体レーザ装置の基板はＳｉのキャリア濃度を基板１のキャリア濃度を８Ｅ１７ｃｍ-3としているのでコンタクト抵抗も比較的低く設定できる。
この実施の形態の半導体レーザ装置において、共振器長が８００μｍとしたとき、動作温度６０℃でのしきい値電流は４５ｍＡであり、実施の形態１に比べてさらに低く実現できる。
【００６３】
またこの実施の形態においては、活性層をＤＱＷ構造としたが、他の量子井戸構造すなわち、シングルカンタムウエル（ＳＱＷ）構造、トリプルカンタムウエル（ＴＱＷ）構造、などのマルチカンタムウエル（ＭＱＷ）構造、やグリン（ＧＲＩＮ）構造、セパレートコンファインメントヘテロストラクチャー（ＳＣＨ）構造などでも、同様の効果を奏する。
【００６４】
また実施の形態１及び２において説明した半導体レーザ装置はＳＡＳ型であるが、活性層の上にＺｎドープクラッド層とアンドープまたはｎ型電流ブロック層を続けて形成する他の形式の半導体レーザでも同様の効果を奏する。
【００６５】
【発明の効果】
この発明に係る半導体レーザ装置は以上に説明したような構成を備えているので、以下のような効果を有する。
この発明に係る半導体レーザ装置においては、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板と、この半導体基板上に配設されたIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、この活性層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層と、この第１の第２クラッド層の上に配設され、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層を備え、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、第１の第２クラッド層から活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき、活性層へのキャリアの閉込を有効に行うことができる。延いては、電流−光出力特性の温度特性が良好で、ビーム特性も良く、コンタクト抵抗も比較的低い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６６】
さらに第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層を備えたので、帯状開口を確実に形成することができ、結晶性のよい第２の第２クラッド層を構成できるから、内部損失が少なく、電流−光出力特性の温度特性をさらに高めた半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６７】
またさらに第１クラッド層をＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層をＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層をＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層をＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層をＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成したので、電流−光出力特性の温度特性が良好で、ビーム特性も良く、コンタクト抵抗も比較的低い赤外の半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６８】
またさらに、第１の第２クラッド層の第２導電型のドーパントの不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3を越え２×１０18ｃｍ-3以下としたので、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制し、しきい値電流密度を低く保持できるから、電流−光出力特性の温度特性がさらに良好で、ビーム特性も良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００６９】
またさらに、ＧａＡｓ半導体基板をＶＢ法またはＶＧＦ法で製作したものとしたので、第２導電型のドーパントの活性層への拡散を効果的に少なくすることができ、電流−光出力特性の温度特性がさらに良好で、ビーム特性も良い半導体レーザ装置を構成することができる。
【００７２】
またこの発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板を準備する工程と、ＧａＡｓ半導体基板上に、III−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、活性層の上に活性層よりバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層を形成する工程と、第１の第２クラッド層の上に、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層を形成する工程と、を含み、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛であるので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止でき、電流−光出力特性の温度特性が良好で、ビーム特性も良い半導体レーザ装置を簡単な工程で製造することができる。
【００７３】
またさらに、第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層をさらに形成する工程を含むとともに、電流ブロック層の開口を形成する工程においてこの第２導電型の半導体層によりエッチングを停止させるので、帯状開口を確実に形成することができ、第２の第２クラッド層を結晶性よく形成でき、内部損失が少なく、電流−光出力特性の温度特性をさらに高めた半導体レーザ装置を簡単な工程で製造することができる。
【００７４】
またさらに第１クラッド層がＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層がＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層がＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層がＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層がＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で形成するので、基板と電極のコンタクト抵抗を低く抑制しつつ、活性層への第２導電型ドーパントの拡散を防止できる赤外半導体レーザを簡単な工程で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図２】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図３】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図４】 この発明に係る半導体レーザ装置の断面図である。
【図５】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図６】 この発明に係る半導体レーザ装置の製造工程を示す半導体レーザ装置の断面図である。
【図７】 この発明に係る半導体レーザ装置のＤＱＷ構造の活性層の断面図である。
【図８】 この発明に係る半導体レーザ装置のＤＱＷ構造の活性層のバンドギャップをしめす模式図である。
【図９】 従来の半導体レーザ装置の断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板、 ３ 下クラッド層、 ４ 活性層、 ３０ ＤＱＷ構造の活性層、 ５ 第１の上クラッド層、 ７ａ 開口、 ７ 電流ブロック層、 ８ 第２の上クラッド層、 ６ エッチングストッパー層
Claims (8)
- ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板と、
この半導体基板上に配設され、III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層と、
この第１クラッド層の上に配設され、上記第１クラッド層よりもバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、
この活性層の上に配設され、上記活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層と、
この第１の第２クラッド層の上に配設され、上記活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する第１導電型の電流ブロック層と、
この電流ブロック層の上記開口を介して上記第１の第２クラッド層の上に配設され、上記活性層よりもバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２の第２クラッド層と、を備え、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛である半導体レーザ装置。 - 第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップの大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップの小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
- 第１クラッド層がＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層がＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層がＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層がＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層がＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成されたことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
- 第１の第２クラッド層の第２導電型のドーパントの不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3を越え２×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
- ＧａＡｓ半導体基板がＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）法またはＶＧＦ（ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ）法で製作したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
- ドーパントの不純物濃度が０．５×１０ 18 ｃｍ -3 以上１．０×１０ 18 ｃｍ -3 未満である第１導電型のＧａＡｓ半導体基板を準備する工程と、
ＧａＡｓ半導体基板上に、 III−Ｖ族化合物半導体からなる第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、
第１クラッド層の上に、第１クラッド層よりもバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる活性層を形成する工程と、
活性層の上に活性層よりバンドギャップの大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第１の第２クラッド層を形成する工程と、
第１の第２クラッド層の上に、活性層よりもバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなり、電流経路となる帯状の開口を有する電流ブロック層を形成する工程と、
電流ブロック層の開口を介して第１の第２クラッド層の上に活性層よりバンドギャップが大きいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の第２の第２クラッド層を形成する工程と、を含み、上記第１導電型のドーパントがシリコン、上記第２導電型のドーパントが亜鉛である半導体レーザ装置の製造方法。 - 第１の第２クラッド層と第２の第２クラッド層との間に、活性層よりもバンドギャップが大きく、第２の第２クラッド層よりバンドギャップが小さいIII−Ｖ族化合物半導体からなる第２導電型の半導体層をさらに形成する工程を含むとともに、電流ブロック層の開口を形成する工程においてこの第２導電型の半導体層によりエッチングを停止させることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ装置の製造方法。
- 第１クラッド層がＡｌxＧａ1-xＡｓ （０＜ｘ＜１）、活性層がＡｌＧａＡｓ系材料、第１の第２クラッド層がＡｌuＧａ1-uＡｓ （０＜ｕ＜１）、電流ブロック層がＡｌzＧａ1-zＡｓ （０＜ｚ＜１）、そして第２の第２クラッド層がＡｌvＧａ1-vＡｓ （０＜ｖ＜１）で構成されたことを特徴とする請求項６または７記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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