JP5272308B2 - 電流狭窄構造および半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザに関し、特に、ｎ型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザに関する。

半導体レーザでは、活性層部のキャリア密度を上げるために、通常電流狭窄構造を用いる。端面発光型の半導体レーザでは、電流狭窄構造として埋め込みやイオン注入による電流ブロック構造や、メサ型のリッジ構造を採用している。一方、面発光レーザでは、電流狭窄構造として、イオン注入による電流ブロック構造のほか、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ層の選択酸化を用いた酸化電流狭窄構造がよく知られている。この構造では、デバイスの層構造をすべて成長した後に、水蒸気酸化プロセスを用いてメサ側面からＡｌ（Ｇａ）Ａｓ層の一部を選択的に酸化して絶縁性の高い酸化電流ブロック層にかえ、酸化しなかった領域にのみ電流が流れるようにする。

この技術では、平坦な基板の上に各半導体層をエピタキシャル成長するため、各層の組成や膜厚の制御が精密にできるため、歩留まりが良く、また、酸化電流ブロック層の屈折率が周りの半導体に比べて小さいため、横方向の光閉じこめ効果も有しており、レーザの低閾値化が可能である。このように、酸化電流狭窄構造は、特にＧａＡｓ系材料で構成される面発光レーザの電流狭窄構造として広く用いられている。

図６に、一般的な面発光レーザの酸化電流狭窄構造の断面模式図を示した。ｎ型半導体基板２０１上に、ｎ型の半導体多層反射膜２０２、ｎ型クラッド層２０３、活性層２０４、ｐ型クラッド層２０５、電流狭窄層２０６、ｐ型の半導体多層反射膜２０７が順次積層されており、プロセスによりｐ側電極２０８、ｎ側電極２０９が形成される。電流狭窄層２０６は、電流ブロック層２０６ａ、電流通過層２０６ｂから構成される。

この面発光レーザに電流を通電すると、上部電極２０８から注入された電流はｐ型の半導体多層反射膜２０７を通ったあと、電流通過層２０６ｂで狭窄される。狭窄された電流は、ｐ型クラッド層２０５で少し広がりながら活性層２０４に注入される。電流狭窄構造は、活性層２０４でのキャリア密度を上げるのが目的であり、その観点から、電流狭窄層２０６とｐ型クラッド層２０５が、電流狭窄に大きな役割を果たす。すなわち、電流狭窄層２０６で電流を狭窄し、できるだけその狭窄形状を維持したまま、活性層２０４に電流を注入することが重要である。

そのためには、ｐ型クラッド層２０５における電流広がりを極力小さくすることが必要となり、従来の電流狭窄構造は、ｐ型半導体層側に形成される。その理由は、通常ｐ型半導体層は、ｎ型半導体層に比べてキャリア移動度が１／１０以下と低く、従って面内抵抗が高いので、電流狭窄後、活性層２０４に電流が流れ込むまでの間の電流広がりを小さく抑えられるためである（例えば、非特許文献１参照）。

これに対し、ｐ型半導体層側での電流狭窄ではなく、ｎ型導電層側での電流狭窄構造が知られている（特許文献１）。特許文献１において、ｎ型電流狭窄を有効にするために、電流広がり抑制層にＡｌ組成が０．４以上のＡｌＧａＡｓ層を用いている。Ａｌ組成が０．４以上のＡｌＧａＡｓ層の電子（ｎ型キャリア）移動度は、伝導帯下端のΓ−Ｘ交差やＤＸセンターの影響で、ＧａＡｓの移動度の１／１０−１／３０以下になることが実験的に知られており、ほぼ正孔の移動度と同じであることから、ｐ型電流狭窄構造と同程度の電流狭窄効果を期待することができる。このｎ側電流狭窄構造をｐ型基板上の面発光レーザに用いた場合に、活性層への加工損傷の低減、発生した熱の放熱性の改善効果等が期待されている。

Kent．D．Choquette等、Applied Physics Letters 1995年 Vol.66、3413−3415頁 特開２００４−１４６５１５号公報（第５−７頁、図１）

しかしながら、非特許文献１に報告された半導体レーザ構造にはいくつかの問題がある。第１の問題点は、電流狭窄径を狭くしていくと、素子全体の抵抗が大きくなってしまう点である。図７に従来のｐ型半導体層に電流狭窄構造を形成した場合のキャリアの移動経路を示した。電流狭窄層２０６により電流（正孔（ｐ型）キャリア）が狭窄されて、それにより、活性層２０４で、良好なキャリア密度の集中が実現されている。

電流狭窄層２０６の上部にあるｐ型の半導体多層反射膜２０７は、ｐ型半導体層で形成されているため移動度は小さく、電流狭窄層２０６の直上部２１０においても電流の広がりは抑制されている。ｐ型の半導体多層反射膜２０７は、屈折率差の大きな材料のヘテロ接合で形成されており、そのため有効質量の大きな正孔に対するヘテロ界面での単位面積あたりの抵抗が大きい。そのため、電流狭窄層２０６だけでなく、直上部２１０における抵抗も大きくなり、素子全体として大きな抵抗を有することになる。

また、電流狭窄層２０６およびその直上部２１０では、電流の集中が起こるが、そのキャリアが移動度の小さな正孔であるため、面内均一性が非常に悪くなる。すなわち、電流通過層２０６ｂの端の領域（電流ブロック層２０６ａに近い部分）の電流密度は大きく、中心部での電流密度はそれに比べて小さくなる。これが上記第２の問題点である。

このように、酸化電流狭窄構造がｐ型半導体層側に形成されると、電気抵抗が大きくなり動作電圧の上昇、発熱による接合温度の上昇が生じ、素子の高温動作や高出力動作の妨げになる。また電流通過層２０６ｂにおける電流密度の不均一性は、そのまま活性層２０４での面内不均一注入を生じさせ、それに伴って高次横モードの出現、さらに空間的ホールバーニングも生じやすくなり、高速変調時の変調帯域の減少等の多くの特性劣化を引き起こす。

一方、特許文献１で開示された、Ａｌ組成０．４以上のｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層を電流広がり抑制層に用いた半導体レーザ構造では、以下のような問題点がある。この半導体層の低いキャリア移動度は、伝導帯下端のΓ−Ｘ交差やＤＸセンターの影響によるため、他の材料系に適用することができない。すなわち、このｎ型電流狭窄構造を用いる場合は、電流狭窄層と活性層との間を、Ａｌ組成０．４以上のｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層材料系で構成することが必要となり、設計の自由度が大きく制限される。例えば、長波系の面発光レーザを考えた場合、活性層として量子井戸を用いた時、それに隣接するｎ側のバリア層をＡｌ組成０．４以上のｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体層で構成すると、伝導帯、価電子帯ともにバンド不連続値が大きくなり、量子準位エネルギーが大きくなるため長波長化が困難になる。

また、成長上の問題でも、一般にＡｌ組成の大きなＡｌＧａＡｓ半導体層の成長温度は比較的高温を必要とするが、例えば歪み量子井戸などは３次元化を抑制するために比較的低温成長が良いとされており、これらの層を連続で成長する場合、温度を変えるための非常に長い成長待機時間が必要となり、その待機界面における非発光中心の増大を引き起こし素子特性が劣化する。更にこの材料系を有機金属気相成長法で成長した時は、ＡｌはＮを含んだ層に容易に取り込まれるため、直前までＡｌを含んだ材料系を成長すると、例えば活性層がＧａＩｎＮＡｓ層である場合、活性層に多くのＡｌが混入しレーザ特性を大幅に劣化させることが知られている。このように、電流広がり抑制層をＡｌＧａＡｓ系材料で構成する場合、バンド構造の設計上の自由度が小さく、また、結晶成長上も多くの制限や困難を生じてしまう。

本発明は上記のような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、設計自由度に優れた電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザを提供することにある。

本発明の第１の態様はｎ型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄構造であって、ｎ型半導体層と、活性層と、前記活性層と前記ｎ型半導体層の間に形成され、前記ｎ型半導体層から前記活性層へのｎ型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄層と、前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した窒素系化合物半導体層を有する電流広がり抑制層と、を備える。この様な構成により、設計自由度に優れた電流狭窄構造を実現することができる。

前記窒素系化合物半導体層は、ｎ型またはアンドープであることができる。また、前記窒素系化合物半導体層は、ＧａＡｓＮ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＡｓＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓから構成される群から選択された材料によって形成されることができる。

前記窒素系化合物半導体層には０．０５％以上の窒素が含まれていることが好ましい。これによって、十分にｎ型キャリアの移動度を小さくすることができる。前記電流広がり抑制層は、前記窒素系化合物半導体層とＡｌ組成が０．４以上のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層によって、より設計の自由度を増すことが可能となる。また、前記活性層を挟んで前記ｎ型半導体層の反対側の位置に形成されたｐ型半導体層をさらに備え、ｐ型半導体層は、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を有することが好ましい。

前記電流狭窄層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体層（０．９５≦ｘ≦１）の選択酸化によって形成されてもよいし、ｎ型半導体で形成される電流通過層と、外電流通過層の周りに形成されたｐ型半導体電流ブロック層とによって構成されてもよい。

本発明の第２の態様にかかる半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板の面上に積層された、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層層と、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層の間に形成された活性層と、前記活性層と前記ｎ型半導体層の間に形成され、前記ｎ型半導体層から前記活性層へのｎ型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄層と、前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した窒素系化合物半導体層を有する電流広がり抑制層と、レーザ発振を誘起する光共振器構造と、を有する。この構成を有することによって、設計自由度に優れ、低動作電圧の半導体レーザを提供することができる。

前記窒素系化合物半導体層には０．０５％以上の窒素が含まれていることが好ましい。前記光共振器構造は前記活性層の上下に積層された半導体多層反射膜で構成され、レーザ光が前記半導体基板の面に対して垂直方向に出射することが好ましい。あるいは、前記電流拡散層が光の電界強度の節の部分になるように構成されていることが好ましい。

本発明によれば、設計自由度において優れたｎ型電流狭窄構造を実現することができる。

本発明の実施の形態にかかる電流狭窄構造を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態にかかる半導体レーザの構造を示す断面図である。 ｎ型ＧａＡｓＮｘのＮ組成ｘと電子移動度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例にかかる半導体レーザの構造を示す断面図である。 本発明の実施例にかかる半導体レーザの構造を示す断面図である。 従来技術にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。 従来技術にかかる面発光レーザ素子の電流狭窄を行った場合の模式図である。

符号の説明

１０１ ｎ型半導体基板
１０２ ｎ型半導体層
１０２ａ ｎ型の半導体多層反射膜
１０２ａ１ ＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
１０２ｂ１ ＳｉドープＧａＡｓ層
１０３ 電流広がり抑制層
１０３ａ ＳｉドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_{９９．９％}Ｎ_０．１％層
１０３ｂ アンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層
１０４ 活性層
１０４ａ アンドープＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_１％Ａｓ_９９％量子井戸層
１０４ｂ アンドープＧａＡｓ_{９８．６％}Ｎ_１．４％バリア層
１０５ ｐ型半導体層
１０５ａ 炭素（Ｃ）ドープＡｌＧａＡｓグレーデッド層
１０５ｂ ｐ型の半導体多層反射膜
１０５ｂ１ ＣドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層
１０５ｂ２ ＣドープＧａＡｓ層
１０５ｃ アンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層
１０５ｄ アンドープＧａＡｓ層
１０５ｅ アンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層
１０６ 電流狭窄層
１０６ａ 電流ブロック層
１０６ｂ 電流通過層
１０７ ｐ側電極
１０８ ｎ側電極
１０９ 中間層部
２０１ ｎ型半導体基板
２０２ ｎ型の半導体多層反射膜
２０３ ｎ型クラッド層
２０４ 活性層
２０５ ｐ型クラッド層
２０６ 電流狭窄層
２０６ａ 電流ブロック層
２０６ｂ 電流通過層
２０７ ｐ型の半導体多層反射膜
２０８ ｐ側電極
２０９ ｎ側電極
２１０ 電流狭窄層直上部

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。

本発明の実施の形態に係る電流狭窄構造の基本構造について、図１を参照して説明する。ｎ型半導体基板１０１の上にｎ型半導体層層１０２、電流狭窄層１０６、電流広がり抑制層１０３、活性層１０４、ｐ型半導体層１０５が順次積層されている。電流狭窄層１０６は、電流通過層１０６ｂ、電流ブロック層１０６ａから構成されている。ｐ型半導体層１０５上にはｐ型電極１０７が形成され、また、ｎ型半導体基板１０１のｎ型半導体層１０２と反対の面には、ｎ型電極１０８が形成されている。これら電極１０７、１０８によって、電流を外部から活性層１０４に注入できるようになっている。電流広がり抑制層１０３は、ｎ型またはアンドープの窒素系化合物半導体層を有している。ここで、窒素系化合物半導体層は母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した層である。本形態においてはわずかな窒素を含む希薄化合物半導体が使用される。

外部から注入された電流は、電流狭窄層１０６の電流通過層１０６ｂによって所望の大きさの径に狭窄され、活性層１０４で電子と正孔の発光再結合という形で光に変換される。本例において、電流狭窄層１０６はｎ型半導体層１０２に隣接しており、電子キャリア（ｎ型キャリア）の狭窄構造として機能している。狭窄された電子キャリアを、あまり広がらないように活性層１０４まで導くのが、電流広がり抑制層１０３の役割である。この役割を果たすために、電流広がり抑制層１０３は、希薄窒素系化合物半導体層を有している。希薄窒素系化合物半導体層の電子移動度は、通常の直接遷移型半導体の電子移動度に比べて大きく低下するため、電子キャリアの横方向の拡散が抑制される。これにより、電子キャリアを狭窄したｎ型電流狭窄構造においても十分な電流狭窄効果を発揮する。尚、希薄窒素系化合物半導体層については、後にさらに詳述する。

以上は、本形態に係るｎ型電流狭窄構造の基本的な構成、動作を説明したものであるが、実際のデバイスに適用するには、上述の基本構成を用いて、より具体的な層構造を形成する必要がある。図２は、本形態に係る電流狭窄構造を面発光レーザに適用した場合の層構造を示したものである。図１との主な相違点の一つは、ｎ型半導体層１０２が、ｎ型の半導体多層反射膜１０２ａとして形成されていことである。又、ｐ型半導体層１０５の一部は、ｐ型半導体多層反射膜１０５ｂとして形成されている。これにより、光を基板面に対して垂直方向に出射するための一対の反射膜が形成される。

また、ｐ型半導体層１０５の一部は、ｐ型半導体グレーデッド層１０５ａとして形成されている。電流広がり抑制層１０３、活性層１０４及びｐ型半導体グレーデッド層１０５ａによって、中間層１０９が形成されている。この中間層１０９のキャビティ長を、反射膜１０２ａ、１０５ｂの反射波長と同期させることで共振器構造が構成され、面発光レーザとして動作する。電流狭窄層１０６や電流広がり抑制層１０３の働きは、前述と同様である。

この面発光レーザ構造では、電流狭窄層１０６がｎ型の半導体多層反射膜１０２ａに隣接しており、電流狭窄部付近がｎ型半導体で形成されているので、電流狭窄層直下のｎ型半導体多層反射膜１０２ａでの電流の広がりは大きく、その結果電気抵抗は低くなる。またｎ型半導体では、ｎ型キャリア（電子）による光吸収係数が小さいので、ｎ型の半導体多層反射膜１０２ａのドーピング量を比較的高濃度にすることができ、これも低抵抗化にさらに寄与する。又、ｐ型半導体層１０５、特に、ｐ型半導体層１０５における活性層１０４近傍に電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を形成し、ｐ側ではできるだけ電流が広がるようにすることで、さらにｐ側の電気抵抗を下げることができる。このように素子の電気抵抗が低減することで、動作電圧の低減、発熱による接合温度の上昇の抑制といった効果を有する。

さらに、上述のｎ型の半導体多層反射膜１０２ａでの電流広がり効果は、キャリアの不均一注入をも抑制することができるため、面内不均一注入に起因した高次モードの抑制、空間的ホールバーニングに起因する高速変調時の変調帯域の低下の問題を解決する効果も有する。このように、本形態の電流狭窄構造を用いて半導体レーザを構成することによって、動作電圧が低く、温特に優れ、横モード安定性の高い、変調帯域の広い半導体レーザを提供することができる。

尚、上記２つの態様において、ｎ型半導体基板１０１上に本発明の電流狭窄構造を形成する場合を説明したが、ｐ型半導体基板上に電流狭窄構造を形成する場合、上記説明した構造のｎ型半導体基板１０１から上の部分を逆にした構造となる。

続いて、本形態の電流広がり抑制層１０３について詳細に説明する。本形態の電流狭窄構造及びそれを使用した半導体レーザは、ｎ側の電流狭窄構造においてキャリアの狭窄を有効なものとするために、電子移動度の小さな希薄窒素系化合物半導体層を電流広がり抑制層１０３に用いている。電流広がり抑制層１０３における電流広がり量は、その層における抵抗率や層厚、電流値などにより決まり、抵抗率が高く、層厚が薄いほど横方向への電流拡散は抑制される。これらのパラメータの中で材料の物性が大きく関係するのは抵抗率である。抵抗率はさらにキャリア移動度とキャリア濃度の関数であり、キャリア移動度やキャリア濃度が小さいほど抵抗率は大きく、電流広がりは抑制される。

図３は、ＧａＡｓに少量のＮを添加したＧａＡｓＮ希薄窒素系化合物半導体層の室温における電子移動度のＮ濃度依存性を示したものである。この図から、Ｎを微量に導入することで急激に電子移動度が小さくなっていることがわかる。少量のＮで急速に移動度が下がる原因としては、Ｎ導入によるポテンシャルの揺らぎが関係していると考えられている。このため、Ｎ導入による移動度の低下は、電流広がり抑制層に使用される様々な材料の化合物半導体に適用することができる。このように、非常に微量のＮを添加することで電子の移動度を大きく下げることができるため、Ｎ添加前の母体半導体材料の他の多くの諸物性（格子定数、バンドギャップ、熱抵抗等）はほぼ維持したままにできる。このため、電流広がり抑制層を構成する材料系としてはＮ添加による物性変化を考慮せずに選択することが可能となる。これによって、設計自由度に優れたｎ型電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザを提供することができる。

電流広がり抑制層１０３における電流の広がりが大きすぎる場合、有効な電流狭窄を行うことができない。この点から、電流広がり抑制層１０３における電子移動動は、１０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ以下であることが好ましく、さらに好ましくは、７００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ以下である。図３を参照すると、特にＮの濃度が０から０．０５％までの間で大きく電子移動度が低下し、その後、徐々に電子移動度が低下していく。また、Ｎの濃度０．０５％における電子移動動は１０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ以下の値になっている。ｎ型キャリアの電流広がり抑制層１０３に使用される他の化合物半導体材料に対して、ＧａＡｓは大きな電子移動度を示すため、移動度に対するＮの濃度はＧａＡｓを基準として考えることができる。このため、希薄窒素系化合物半導体に含まれるＮの濃度は０．０５％以上であることが好ましく、さらに好ましくは０．１％以上である。

ｎ型電流狭窄構造において、電流広がり抑制層１０３がｐ型電流狭窄構造におけるキャリア移動度以下のキャリア移動度を示すようにＮ添加濃度を決定することは、好ましい態様の一つである。例えば、ｐ型ＧａＡｓ電流狭窄構造は、典型的には、約４００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃのキャリア移動度を示す。従って、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄構造における電子移動度が４００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃを示すように、電流広がり抑制層１０３に濃度０．３％以上のＮを添加する。一方、母体化合物半導体の原子を窒素によって置換できる量は結晶成長の点から限られている。この点から、母体化合物半導体に添加するＮ濃度は５％以下が好ましく、さらに好ましくは、３％以下である。

ここで、ＧａＡｓの電子キャリアでの電流広がりを見積もる。具体的な値として、例えば、電流通過層１０６ｂの幅ＬがＬ＝５μｍ、電流広がり抑制層１０３の層厚ｄがｄ＝２００ｎｍ、電流通過層１０６ｂ直下の電流値ＩがＩ＝１０ｍＡとする。キャリア濃度ｎがｎ＝３ｘ１０^１７ｃｍ^−３のとき、Ｎ濃度が０％における移動度μがμ＝６０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃであるので、抵抗率ρはρ＝３．５ｘ１０^−３Ω・ｃｍとなる。電流広がり幅ｌ＝２９μｍとなり、電流通過幅５μｍに対して片側の電流広がり幅は約２９μｍにもなり、有効な電流狭窄が行われない。これに対して、例えば、移動度μがμ＝２００ｃｍ^２／Ｖ・ｓｅｃ、キャリア濃度ｎがｎ＝３ｘ１０^１７ｃｍ^−３とすると、抵抗率ρはρ＝０．１Ω・ｃｍとなる。この場合、電流通過層１０６ｂの幅に対して片側の電流広がり幅ｌはｌ＝１μｍとなり、十分な電流狭窄を行うことができる。

ここで、ＧａＡｓ基板上に積層可能な電流広がり抑制層としては、先出のＧａＡｓ_１−ｘＮ_ｘの他、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ_ｘＡｓ_１−ｘ、Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ_ｘＰ_１−ｘ、ＧａＡｓ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＰ_ｙ、Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＡｓ_１−ｘＮ_ｘなどが好ましい材料として挙げられる。

ＧａＡｓ_１−ｘＮ_ｘ層は、ＧａＡｓとほぼ同じ物性をもつので、ＧａＩｎ（Ｎ）Ａｓ量子井戸層に隣接した電流広がり抑制層として用いることで、電流狭窄効果と発光波長の長波化を実現することが出来る。しかし、ＧａＡｓＮ系材料では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体層（０．９５≦ｘ≦１）の選択酸化電流狭窄層との間に大きな伝導帯バンド不連続値（〜２００ｍｅＶ）があるため、直接この両者を接合すると大きなヘテロスパイクが生じる。

Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ_ｘＡｓ_１−ｘ系材料は、そのギャップを埋める材料系として有効である。ＡｌＧａＡｓ混晶は伝導帯最下端のバンドが交差（Γ―Ｘ交差）するので、ＡｌＡｓのＸ点とＡｌ_０．３Ｇａ_０．７ＡｓのΓ点とではエネルギーレベル的に障壁は無い。しかし、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７ＡｓのΓ点とＧａＡｓＮのΓ点では、２００ｍｅＶ程度のエネルギー差があるので、Ａｌ組成ｙがグレーデッドに変化するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ_ｘＡｓ_１−ｘ系材料（０＜ｙ≦０．３、ｘ≧０．１％）をＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓＮ層の間に挿入することで、ヘテロスパイクの影響を抑制することができる。

例えば、ＧａＡｓＮ層の直下にＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ_ｘＡｓ_１−ｘを形成し、その下層にＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ_ｘＡｓ_１−ｘを形成し、さらにその下層にＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎ_ｘＡｓ_１−ｘを形成する。このように、ＡｌＧａＡｓ層からＧａＡｓＮ層に向けて、段階的にＡｌの組成量が減少する複数のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ_ｘＡｓ_１−ｘを形成することで、ヘテロスパイクの影響を抑制することができる。

また、Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＮ_ｘＰ_１−ｘ系では、Ｉｎ組成ｙを約０．４９にするとＧａＡｓ基板に格子整合することが可能である。具体的には、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｎ_0.02Ｐ_0.98組成の電流広がり抑制層１０３を形成することができる。この材料系では、Ａｓ系混晶半導体のエッチングストップ層として機能するだけでは無く、前述のように、Ａｌを組成に持たないため、Ｎ系発光層と組み合わせることで非発光中心の少ない結晶を得ることができる。

ＧａＡｓ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ_ｘＰ_ｙ系材料では、Ｐの存在によってＧａＡｓに対して引っ張り歪みを生じさせるので、ＧａＡｓ基板に対して圧縮性の歪みを有する活性層の歪補償構造としても用いることができる。具体的には、ＧａＡｓ_0.898Ｎ_0.02Ｐ_0.1によって電流広がり抑制層１０３を形成することができる。

さらに、Ｇａ_１−ｙＩｎ_ｙＡｓ_１−ｘＮ_ｘ系材料では、Ｉｎ組成とＮ組成をうまく変化させることで引っ張り歪みでも圧縮性の歪みにすることも可能となり、材料による自由度を大幅に増大させるが出来る。具体的には、Ｇａ_0.95Ｉｎ_0.05Ａｓ_0.98Ｎ_0.02によって電流広がり抑制層１０３を形成することができる。

電流広がり抑制層を構成する層は、異なる構成元素からなる多層構造でも機能する。各層は前述の希薄窒素系化合物半導体層の組み合わせでも良いし、従来例にあるＡｌ組成が０．４以上のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層との組み合わせで形成してもよい。これにより、電流広がり抑制層の設計に対する自由度がさらに大きくなる。このとき、Ａｌ組成が０．４以上のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層とＧａＡｓＮ層の間に、上記のように、Ａｌ組成ｙがグレーデッドに変化するＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＮ_ｘＡｓ_１−ｘ系材料（０＜ｙ≦０．３、ｘ≧０．１％）を挿入することが好ましい。

このように、電流広がり抑制層１０３に対するいくつかの好ましい材料を挙げたが、電流広がり抑制層１０３以外の他の層については、ＧａＡｓ系で電流広がり抑制層１０３を形成した場合とほぼ同様の構成とすることができる。例えば、活性層１０４近傍のｐ型半導体層１０５に、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を形成することで、ｐ側ではできるだけ電流が広がるようにすることで、ｐ側の電気抵抗を下げることができる。

次に、図４を用いて本発明による電流狭窄構造および半導体レーザの第１の実施例を説明する。ここでは１３００ｎｍ帯の面発光レーザを例にとって説明する。面発光レーザの構造は、ｎ型の半導体多層反射膜１０２ａとｐ型の半導体多層反射膜１０５ｂとそれに挟まれた形で中間層部１０９がある。以下、各部について詳細に説明する。

まず、ＳｉドープＧａＡｓ基板１０１上に、低屈折率層としてＳｉドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１０２ａ１と高屈折率層としてＳｉドープＧａＡｓ層１０２ａ２との一対を基本単位にして、３５ペアの半導体多層反射膜１０２ａを有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて順次積層する。もちろん、分子線エピタキシー成長（ＭＢＥ）法を用いてもよい。尚、図４においては、数ペアのみ半導体多層反射膜１０２ａが示されている。低屈折率層１０２ａ１と高屈折率層１０２ａ２の間は、電気抵抗低減のためにＳｉドープＡｌＧａＡｓグレーデッド層（不図示）が挿入される。その上に、適切な層厚のＳｉドープのＡｌＧａＡｓスペーサ層（不図示）とＳｉドープのＡｌ_０．９７Ｇａ_０．０３Ａｓの選択酸化層１０６を４０ｎｍ積層する。ここまでで、半導体多層反射膜１０２ａと選択酸化層１０６とによって、ｎ型多層反射膜３５．５ペア分が積層されたことになる。

次に中間層部１０９であるが、Ａｌ_０．９７Ｇａ_０．０３Ａｓの選択酸化層１０６の上にＳｉドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_{９９．９％}Ｎ_０．１％層１０３ａを積層し、続いてアンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層１０３ｂを積層し電流広がり抑制層１０３を形成する。ＳｉドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_{９９．９％}Ｎ_０．１％層１０３ａは、アンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層１０３ｂとＡｌ_０．９７Ｇａ_０．０３Ａｓの選択酸化層１０６のとの間における伝導帯バンド不連続値によるヘテロスパイクの影響を抑制する。

さらに、電流広がり抑制層１０３の上に２重量子井戸活性層を形成する。２重量子井戸活性層は、２層の６ｎｍ厚のアンドープＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_１％Ａｓ_９９％量子井戸層１０４ａと、２つの量子井戸層１０４ａの間及び２つの量子井戸層１０４ａを挟む位置に形成された３層の３０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓ_{９８．６％}Ｎ_１．４％バリア層１０４ｂとからなる。

引き続き、アンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層１０５ｃと炭素（Ｃ）ドープＡｌＧａＡｓグレーデッド層１０５ａを積層する。これら１０３ａから１０５ａまでで中間層部１０９が構成される。中間層部１０９は、光学長として、一波長分の共振構造になるように層厚が設計されている。

続いて、ｐ型の半導体多層反射膜１０５ｂを形成する。これは低屈折率層としてＣドープＡｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ層１０５ｂ１と高屈折率層としてＣドープＧａＡｓ層１０５ｂ２との一対を基本単位にして、２５ペアの基本単位を順次積層することによって半導体多層反射膜１０５ｂを形成する。尚、図４においては、数ペアの基本単位が示されている。最後の層の一部は、ｐ側オーミックコンタクトが取りやすいように高濃度のＣドープが施されている。またｐ型の半導体多層反射膜でも抵抗低減のため、低屈折率層と高屈折率層の間は、ＣドープＡｌＧａＡｓグレーデッド層が挿入される。

電流広がり抑制層１０３のバンド設計であるが、Ａｌ_０．９７Ｇａ_０．０３Ａｓの選択酸化層１０６の伝導帯最下端はＸ点になっており、一方、それに隣接するＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_{９９．９％}Ｎ_０．１％層１０３ａの伝導帯最下端はΓ点であり、そのエネルギー準位はＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_{９９．９％}Ｎ_０．１％層１０３ａの方が約４０ｍｅＶ低くなっており、スムーズに次のＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層に繋げることができる。この部分を電子移動度の小さなＡｌ組成０．４以上のＡｌＧａＡｓ層で形成すると１００ｍｅＶ程度のポテンシャルバリアが生じてしまう。このように、希薄窒素系化合物層を電流広がり抑制層１０３に用いることで、バンド設計の自由度が向上する。

以上のようにして、形成された積層構造を、通常のデバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。まず、フォトレジストをエピタキシャル成長膜上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する。つぎに、ドライエッチングにより、下部ｎ型多層反射膜１０２ａが露出するまでエッチングを行い、直径約３０μｍの円柱状構造を形成する。この工程により、電流狭窄層１０６の側面が露出する。

そして、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約４００度で約１０分間加熱を行う。選択酸化層１０６のＡｌ組成は０．９７と大きく、ｐ型の半導体多層膜の中のＡｌ組成０．９と差があるため、選択酸化層の酸化速度が速く、ｐ型の半導体多層膜では酸化があまり進まず、選択酸化層１０６で選択的に酸化が進む。これにより、電流ブロック層１０６ａが電流狭窄層１０６の外周部に形成され、中心部には直径が約8μｍの電流通過層１０６ｂが形成される。

次に、メサ上にチタン(Ti)／金（Ａu）のリング状のｐ型電極１０７を形成する。またｎ側電極として、ｎ型多層反射膜１０２ａの一部であるＧａＡｓ層１０２ｂを露出させて、その部分にＡｕＧｅ合金のｎ型電極１０８を形成する。

このようにして作製した面発光レーザは、ｎ型キャリアの電流狭窄が有効に機能しているため、従来のｐ型キャリアによる電流狭窄と同程度の低閾値特性となる。さらに、ｐ型の半導体多層反射膜１０５ｂでの電流狭窄がないために、その部分の電気抵抗が低減され、素子全体として低抵抗になる。このため、動作時の発熱が抑制され、最高動作温度が高くなると共に、発熱により抑制されていた光出力を大きくすることができる。さらに、電流狭窄層に隣接したｎ型の半導体多層反射膜１０２ａでは、従来のｐ型の半導体多層反射膜１０５ｂでの電流広がりに比べて大きいので、電流通過層１０６ｂの中のキャリアの不均一性をも抑制することができる。このため、面内不均一注入に起因した高次モードの抑制、空間的ホールバーニングに起因する高速変調時の変調帯域の低下の問題を解決する。

次に、図５を用いて本発明による電流狭窄構造および半導体レーザの第２の実施例を説明する。ここでも１３００ｎｍ帯の面発光レーザを例にとって説明する。第１の実施例との相違点は、本実施例ではｐ型半導体層１０５に電流拡散層１０５ｄを光の電界強度の節となる場所に挿入した点である。ｎ型の半導体多層反射膜１０２ａとｐ型の半導体多層反射膜１０５ｂは実施例１と同じなので、ここでは中間層部１０９について詳細に説明する。

中間層部１０９は、Ａｌ_０．９７Ｇａ_０．０３Ａｓの選択酸化層１０６の上にＳｉドープＡｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ_{９９．９％}Ｎ_０．１％層１０３ａを積層し、続いてアンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層を積層し電流広がり抑制層を形成する。さらに、電流広がり抑制層１０３の上に２重量子井戸活性層を形成する。２重量子井戸活性層は、２層の６ｎｍ厚のアンドープＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_１％Ａｓ_９９％量子井戸層１０４ａと、２つの量子井戸層１０４ａの間及び２つの量子井戸層１０４ａを挟む位置に形成された３層の３０ｎｍ厚のアンドープＧａＡｓ_{９８．６％}Ｎ_１．４％バリア層１０４ｂとからなる。

引き続き、アンドープＧａＡｓ_{９９．８％}Ｎ_０．２％層１０５ｃとアンドープＧａＡｓ層１０５ｄを積層する。その上に、アンドープ１０ｎｍ層厚のＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ電流拡散層１０５ｅを積層し、さらに炭素（Ｃ）ドープＡｌＧａＡｓグレーデッド層１０５ａを積層する。これら１０３ａから１０５ａまでで中間層部１０９が構成される。中間層部１０９は、光学長として１波長分の共振構造になるように、層厚が設計されている。

電流拡散層１０５ｅは、圧縮性歪みを有するアンドープＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ層で形成されており、隣接した炭素（Ｃ）ドープＡｌＧａＡｓグレーデッド層１０５ａからの正孔が電流拡散層１０５ｅに蓄積し、いわゆる２次元正孔ガスを形成する。電流拡散層１０５ｅは、アンドープ層であるためイオン化不純物散乱の影響を直接受けないため、正孔移動度が大きい。さらに、電流拡散層１０５ｅは、圧縮性歪みを有するため、歪みの影響により重い正孔の面内有効質量がＧａＡｓなどに比べて小さく、正孔移動度がＧａＡｓに比べて３倍程度大きい。

このため、電流拡散層１０５ｅに形成された２次元正孔ガスは面内方向の移動度が大きく、正孔を面内で拡散することができる。また、本実施例では、活性層１０４が電界強度の腹にあたる所に作られ、それより４分の１波長分離れた電界強度の節にあたる所に電流拡散層１０５ｅが形成されているので、電流拡散層１０５ｅに蓄積された正孔は、大きな光吸収損失を与えない。

以上のようにして、形成された積層構造を、実施例１と同様にデバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。その結果、実施例２ではｐ側の電流拡散層が挿入されている効果で、電気抵抗が実施例に比べて大幅に低減した。また、発振閾値も、電流拡散層が電界強度の節にあたる所に作られているため、光吸収損失は最小に抑えられ、実施例１とほぼ同じで良好な値であった。

本実施例では、面発光レーザを例にとって説明したが、端面発光型レーザであっても良い。また、本実施例の電子広がり層では、２層の組成の異なる希薄窒素系化合物材料で構成したが、これが更に多層であっても良いし、Ａｌ組成が０．４以上のＡｌＧａＡｓ層との組み合わせであっても良い。また本実施例では結晶成長法にＭＯＣＶＤ法を用いたが、ＭＢＥ法であっても良い。ここでは面発光レーザの発振波長として１３００ｎｍ帯の例をあげたが、他の波長帯であっても良い。また、本実施例では、ｎ型基板上で例示したが、ｐ型基板を用いても良い。

本形態の電流狭窄構造は、ｎ側で有効に電流狭窄を行っているので、低抵抗化が可能で、かつキャリアの不均一注入を抑制するが可能となり、動作電圧の上昇、発熱による接合温度の上昇といった問題を解決する効果や、面内不均一注入による高次モードの出現、高速変調時の変調帯域の減少といった問題を解決する効果を有する。

本発明の電流狭窄構造は、例えば、半導体レーザに適用することができる。

Claims (11)

1. ｎ型半導体層と、
   活性層と、
   前記活性層と前記ｎ型半導体層の間に形成され、前記ｎ型半導体層から前記活性層へのｎ型キャリアによる電流を狭窄する、ＡｌＧａＡｓからなる電流狭窄層と、
   前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、ＧａＡｓＮまたはＧａＩｎＡｓＮからなる第１の電流広がり抑制層と、
   前記電流狭窄層と前記第１の電流広がり抑制層との間に形成され、ＡｌＧａＡｓＮからなる第２の電流広がり抑制層と、
   を備え、
   前記第２の電流広がり抑制層は、Ａｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ａｓ _１−ｘ Ｎ _ｘ （０＜ｙ≦０．３、ｘ≧０．１％）からなることを特徴とする、
   電流狭窄構造。
2. 前記第２の電流広がり抑制層は、前記電流狭窄層から前記第１の電流広がり抑制層へ向けて、Ａｌの組成量が減少することを特徴とする、
   請求項１に記載の電流狭窄構造。
3. 前記第１の電流広がり抑制層は、ｎ型またはアンドープのＧａＡｓＮまたはＧａＩｎＡｓＮからなり、
   前記第２の電流広がり抑制層は、ｎ型またはアンドープのＡｌＧａＡｓＮからなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電流狭窄構造。
4. 前記第１の電流広がり抑制層には０．０５％以上の窒素が含まれている、請求項１、２又は３に記載の電流狭窄構造。
5. 前記電流狭窄構造は、前記活性層を挟んで前記ｎ型半導体層の反対側の位置に形成されたｐ型半導体層をさらに備え、
   前記ｐ型半導体層は、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を有する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の電流狭窄構造。
6. 前記電流狭窄層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ半導体層（０．９５≦ｘ≦１）の選択酸化によって形成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電流狭窄構造。
7. 半導体基板と、
   前記半導体基板の面上に積層された、ｐ型半導体層及びｎ型半導体層と、
   前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層の間に形成された活性層と、
   前記活性層と前記ｎ型半導体層の間に形成され、前記ｎ型半導体層から前記活性層へのｎ型キャリアによる電流を狭窄する、ＡｌＧａＡｓからなる電流狭窄層と、
   前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、ＧａＡｓＮまたはＧａＩｎＡｓＮからなる第１の電流広がり抑制層と、
   前記電流狭窄層と前記第１の電流広がり抑制層との間に形成され、ＡｌＧａＡｓＮからなる第２の電流広がり抑制層と、
   レーザ発振を誘起する光共振器構造と、
   を有し、
   前記第２の電流広がり抑制層は、Ａｌ _ｙ Ｇａ _１−ｙ Ａｓ _１−ｘ Ｎ _ｘ （０＜ｙ≦０．３、ｘ≧０．１％）からなることを特徴とする、
   半導体レーザ。
8. 前記第２の電流広がり抑制層は、前記電流狭窄層から前記第１の電流広がり抑制層へ向けて、Ａｌの組成量が減少することを特徴とする、
   請求項７に記載の半導体レーザ。
9. 前記第１の電流広がり抑制層は０．０５％以上の窒素を含んでいる、請求項７又は８に記載の半導体レーザ。
10. 前記光共振器構造は前記活性層の上下に積層された半導体多層反射膜で構成され、
    レーザ光が前記半導体基板の面に対して垂直方向に出射することを特徴とする、
    請求項７〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
11. 前記ｐ型半導体層は、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を有し、
    前記電流拡散層が光の電界強度の節の部分になるように構成されている、
    請求項１０に記載の半導体レーザ。

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