JP6158591B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザに関する。

半導体レーザにおいて、注入電流の増加や電流注入領域の狭小化に伴う注入電流密度の増大時、あるいは高温動作時に、発光層におけるキャリア、特に有効質量の小さい電子のオーバーフローの増加により光出力が低下する。特に、ＩｎＰ系材料はＧａＡｓ系材料に比べて伝導帯側のバンドオフセットが小さいため、その影響が顕著である。

この問題に対して、図５に示すように、ｎ型基板Ｐ１上に、ｎ型クラッド層Ｐ３、発光層Ｐ５、及びｐ型クラッド層Ｐ７を備える半導体レーザにおいて、発光層Ｐ５とｐ側クラッド層Ｐ７間にキャリアストップ層（キャリアストッパ層、電子ストッパ層、電子バリア層などとも呼ばれる）Ｐ９を設けることで、電子のオーバーフローを低減する構造が特開平５−１０２６００号公報（特許文献１）、特開平１０−２９４５２４号公報（特許文献２）等で提案されている。

特開平５−１０２６００号公報 特開平１０−２９４５２４号公報

一般に、発光層における電子のオーバーフローの抑制には、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーが大きいほど効果的であり、例えばＧａＡｓ系レーザでは、ＡｌＩｎＰ等の材料が有効であり、また、ＩｎＰ系レーザでは、ＡｌＩｎＡｓ等の材料が有効である。さらに、同じ材料でも、組成によりバンドギャップエネルギーを大きくする（例えばＡｌ_xＩｎ_1-xＰ、およびＡｌ_yＩｎ_1-yＡｓ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）においてＡｌの組成ｘ、およびｙを大きくする）ことで、より効果的となる。

ところが、キャリアストップ層の組成を変化させ、バンドギャップエネルギーを大きくすると、基板に対する結晶歪みが大きくなり、結晶内の欠陥が増大してしまう。欠陥が増大すると、結晶内でのレーザ光の吸収や散乱が生じ、半導体レーザの光出力が低下してしまう。

特に、高出力化を目的に、図６に示すように、基板Ｐ１１上に、ｎ型クラッド層Ｐ１３、発光層Ｐ１５、及びｐ型クラッド層Ｐ１７を積層して成るレーザ構造単位Ｐ２３、Ｐ２５（Ｐ２３は第１のレーザ構造単位、Ｐ２５は第２のレーザ構造単位）を、トンネル層Ｐ２１を介して複数積層した半導体レーザにおいて、第１のレーザ構造単位Ｐ２３、及び第２のレーザ構造単位Ｐ２５内にそれぞれキャリアストップ層Ｐ１９を設けた場合、第２のレーザ構造Ｐ２５の発光層Ｐ１５は第１のレーザ構造単位Ｐ２３に設けたキャリアストップ層Ｐ１９の上部に位置する。そのため、第１のレーザ構造単位Ｐ２３におけるキャリアストップ層Ｐ１９の結晶性の低下は、同時に、第２のレーザ構造単位Ｐ２５における発光層Ｐ１５の結晶性の低下をもたらすことになり、発光特性や長期動作させた場合の信頼性が低下してしまう。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、発光特性や長期動作させた場合の信頼性において優れる半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザは、ｎ型クラッド層、発光層、及びｐ型クラッド層を積層して成るレーザ構造単位を複数備え、最上位を除く少なくとも１つのレーザ構造において、発光層とｐ型クラッド層との間、又はｐ型クラッド層の中に、バンドギャップエネルギーがｐ型クラッド層より大きいキャリアストップ層を備える。そして、そのキャリアストップ層について、下記式１が成立する。
（式１）Ａ×Ｂ≦２２
ここで、Ａはキャリアストップ層のｎｍを単位とする層厚であり、Ｂはキャリアストップ層の％を単位とする基板に対する伸長歪量である。なお、歪量とは、基板の格子定数をｘとし、成長層の格子定数をｙとした場合に、（ｘ−ｙ）／ｘで表される量であり、ｘ＞ｙの場合は伸長歪量となる。

本発明の半導体レーザでは、最上位を除く少なくとも１つのレーザ構造に、上記式１を充足するキャリアストップ層を備える。上記式１を充足するキャリアストップ層は、その層を起点とする結晶性の低下を抑制することができる。その結果、上記式１を充足するキャリアストップ層よりも上部に位置する発光層を、結晶性を低下させることなく成長させることができる。よって、本発明によれば、キャリアストップ層の効果を奏するとともに、発光特性や長期動作させた場合の信頼性の低下を防止できる。

キャリアストップ層の層厚は、２〜４０ｎｍの範囲内にあることが好ましく、４〜４０ｎｍの範囲内にあることがさらに好ましい。この範囲内であることにより、半導体レーザの光出力が一層大きくなる。

キャリアストップ層の％を単位とする伸長歪量は、０．５５％以上であることが好ましい。この範囲内であることにより、キャリアストップ層の効果が一層顕著になる。
前記キャリアストップ層は、Ａｌ、又はＰを含むことが好ましい。Ａｌ、又はＰを含むことにより、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。また、前記キャリアストップ層は、ＡｌＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＰから成ることが好ましい。ＡｌＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＰから成るものとすることで、キャリアストップ層のバンドギャップエネルギーを大きくすることができる。ＡｌＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓは、Ａｌ_xＩｎ_1-xＰ、Ａｌ_yＩｎ_1-yＡｓ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）と表すことができる。

本発明の半導体レーザは、例えば、基板上に、各層（ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層、キャリアストップ層等）を積層することで製造することができる。基板としては、ＩｎＰから成る基板が好ましい。ＩｎＰ基板では、従来、電子のオーバーフローが生じやすかったが、本発明により電子のオーバーフローを抑制できる。

本発明の半導体レーザは、最上位のレーザ構造単位にもキャリアストップ層を備えていてもよいし、備えていなくてもよい。最上位のレーザ構造単位にもキャリアストップ層を備える場合、そのキャリアストップ層は、上記式１を充足してもよいし、充足しなくてもよい。

半導体レーザ構造の構成を表す断面図である。 半導体レーザ構造の構成を表す断面図である。 第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚、及び伸長歪量と、表面モホロジの評価結果との関係を表すグラフである。 第１のｐ型キャリアストップ層６の伸長歪量が同一の条件において、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚と光出力との関係を示すグラフである。 従来の半導体レーザ構造の構成を表す断面図である。 従来の半導体レーザ構造の構成を表す断面図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施形態＞
（１）半導体レーザ１００の製造
図１に示すように、ｎ型InP基板１上に、MOCVD法により、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、第１のｐ型クラッド層７、InGaAsから成るｐ型層８ａ、InGaAsから成るｎ型層８ｂ、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５を順に積層し、半導体レーザ１００を製造した。各層の組成、層厚、及びキャリア濃度は表１に示すとおりである。

なお、第１のｐ型キャリアストップ層６の伸長歪量は２．０％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の伸長歪量は２．０％である。また、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４と第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１は、いずれも、厚さ１０ｎｍのAl_0.03Ga_0.3In_0.67Asからなる井戸層と、厚さ１５ｎｍのAl_0.25Ga_0.23In_0.52Asからなる障壁層との積層構造である。

第１のｐ型キャリアストップ層６のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第１のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、第２のｐ型キャリアストップ層１３のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第２のｐ型クラッド層１４のバンドギャップエネルギーよりも大きい。

また、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、及び第１のｐ型クラッド層７は、第１のレーザ構成単位１６であり、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、及び第２のｐ型クラッド層１４は第２のレーザ構造単位１７である。また、InGaAsから成るｐ型層８ａとInGaAsから成るｎ型層８ｂとは、トンネル接合層８を構成する。

半導体レーザ１００の製造において、n型層の成長にはドーパントとしてSeを用い、ｐ型層の成長にはドーパントとしてZnを用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。

各層の層厚は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面観察により算出した。また、伸長歪量は、（１）Ｘ線回折により、基板１及び伸長歪量を算出する層（第１のｐ型キャリアストップ層６又は第２のｐ型キャリアストップ層１３）の結晶軸（ｃ軸）の長さを求める、（２）求めた結晶軸の長さから、伸長歪量を算出する層の歪みが入っていない状態の結晶軸の長さを算出する、（３）基板１の結晶軸の長さ（格子定数）と、（２）で算出した伸長歪量を算出する層の結晶軸の長さ（格子定数）との比により、伸張歪量を算出する、という手順で求めた。なお、層厚及び伸長歪量の算出方法は、後述する第２の実施形態以降でも同様である。

結晶を構成する各元素の原料としては、Gaには、トリメチルガリウム、Alにはトリメチルアルミニウム、Inにはトリメチルインジウム、 Znにはジメチルジンクを用いた。また、Asには、AsH₃（アルシン）、PにはPH₃（ホスフィン）、SeにはH₂Se（セレン化水素）を用いた。
（２）半導体レーザ素子の製造
半導体レーザ１００のｐ型コンタクト層１５上に、SiO₂から成る絶縁膜を所定のパターンで設け、その上にCr/Pt/Auから成る電極を形成した。次に、ｎ型InP基板１の厚さが１００μｍ程度となるように、 ｎ型InP基板１の片面（第１のｎ型クラッド層２を形成した面とは反対側の面）を研削し、研削面にAu-Ge/Ni/Auから成る電極を形成した。さらに、電極と半導体レーザ１００とのコンタクトを安定化させるために３６０℃で３０秒間の熱処理を実施した。

次に、共振器を形成するために劈開により幅５００μｍで短冊化し、 Al₂O₃、a-Si等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方の端面に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を製造した。
（３）半導体レーザ１００が奏する効果
本実施形態において、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚は１０ｎｍ（＝０．０１μｍ）、伸長歪量は２．０％であり、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（ｎｍ）をＡとし、伸長歪量（％）をＢとした場合の、Ａ×Ｂの値は２０（≦２２）となるため、第１のｐ型キャリアストップ層６の結晶性低下に伴う第１の発光層４における光出力の低下や第１のｐ型キャリアストップ層６上に成長する第２の発光層１１の結晶性の低下を抑制することができる。

また、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚は１０ｎｍ（＝０．０１μｍ）、伸長歪量は２．０％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚（ｎｍ）をＡ‘とし、伸長歪量（％）をＢ’とした場合の、Ａ‘×Ｂ’²の値は４０（≦５５）となるため、第２のｐ型キャリアストップ層１３の結晶性低下に伴う第２の発光層１１における光出力の低下をもたらすことなく、各結晶層（第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５）を形成することができる。

以上の構造とすることにより、各ｐ型キャリアストップ層６、１３をより効果的に機能させることができ、電流密度の増加時や高温下での動作時の光出力低下を抑制することが可能となる。

本実施形態では、基板にInPを用いているが、これらに限るものではなく、GaAsなどを用いてもよい。また、発光層を２層としている（発光層４、１１）が、３層以上としてもよい。その場合は、トンネル接合層８及び第２のレーザ構造単位１７と同様の層構成を、第２のｐ型クラッド層１４とｐ型コンタクト層１５との間に挿入すればよい 。
＜第２の実施形態＞
（１）半導体レーザ１００の製造
図２に示すように、ｎ型GaAs基板１上に、MOCVD法により、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、第１のｐ型クラッド層７、GaAsから成るｐ型層８ａ、GaAsから成るｎ型層８ｂ、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５を順に積層し、半導体レーザ１００を製造した。各層の組成、層厚、及びキャリア濃度は表２に示すとおりである。

なお、第１のｐ型キャリアストップ層６の伸長歪量は１．６％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の伸長歪量は１．６％である。また、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４と第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１は、いずれも、厚さ８ｎｍのIn_0.1Ga_0.9Asからなる井戸層と、厚さ１５ｎｍのAl_0.1Ga_0.9Asからなる障壁層との積層構造である。

第１のｐ型キャリアストップ層６のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第１のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きい。また、第２のｐ型キャリアストップ層１３のバンドギャップエネルギーは、その組成から明らかに、第２のｐ型クラッド層１４のバンドギャップエネルギーよりも大きい。

また、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、及び第１のｐ型クラッド層７は、第１のレーザ構成単位１６であり、第２のｎ型クラッド層９、第２のｎ型光ガイド層１０、第２の多重量子井戸活性層（発光層）１１、第２のｐ型光ガイド層１２、第２のｐ型キャリアストップ層１３、及び第２のｐ型クラッド層１４は第２のレーザ構造単位１７である。また、GaAsから成るｐ型層８ａとGaAsから成るｎ型層８ｂとは、トンネル接合層８を構成する。

半導体レーザ１００の製造において、n型層の成長にはドーパントとしてSeを用い、ｐ型層の成長にはドーパントとしてZnを用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。

結晶を構成する各元素の原料としては、Gaには、トリメチルガリウム、Alにはトリメチルアルミニウム、Inにはトリメチルインジウム、 Znにはジメチルジンクを用いた。また、Asには、AsH₃（アルシン）、PにはPH₃（ホスフィン）、SeにはH₂Se（セレン化水素）を用いた。
（２）半導体レーザ素子の製造
半導体レーザ１００のｐ型コンタクト層１５上に、SiO₂から成る絶縁膜を所定のパターンで設け、その上にCr/Pt/Auから成る電極を形成した。次に、ｎ型GaAs基板１の厚さが１００μｍ程度となるように、ｎ型GaAs基板１の片面（第１のｎ型クラッド層２を形成した面とは反対側の面）を研削し、研削面にAu-Ge/Ni/Auから成る電極を形成した。さらに、電極と半導体レーザ１００とのコンタクトを安定化させるために３６０℃で３０秒間の熱処理を実施した。

次に、共振器を形成するために劈開により幅５００μｍで短冊化し、 Al₂O₃、a-Si等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方の端面に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を製造した。
（３）半導体レーザ１００が奏する効果
本実施形態において、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚は８ｎｍ（＝０．００８μｍ）、伸長歪量は１．６％であり、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（ｎｍ）をＡとし、伸長歪量（％）をＢとした場合の、Ａ×Ｂの値は１３（≦２２）となるため、第１のｐ型キャリアストップ層６の結晶性低下に伴う第１の発光層４における光出力の低下や第１のｐ型キャリアストップ層６上に成長する第２の発光層１１の結晶性の低下を抑制することができる。

また、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚は８ｎｍ（＝０．００８μｍ）、伸長歪量は１．６％であり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の層厚（ｎｍ）をＡ‘とし、伸長歪量（％）をＢ’とした場合の、Ａ‘×Ｂ’²の値は２０（≦５５）となり、第２のｐ型キャリアストップ層１３の結晶性低下に伴う第２の発光層１１における光出力の低下をもたらすことなく、各結晶層（第２のｐ型キャリアストップ層１３、第２のｐ型クラッド層１４、及びｐ型コンタクト層１５）を形成することができる。

以上の構造とすることにより、各ｐ型キャリアストップ層６、１３をより効果的に機能させることができ、電流密度の増加時や高温下での動作時の光出力低下を抑制することが可能となる。

本実施形態では、基板にGaAsを用いているが、これらに限るものではなく、InPなどを用いてもよい。また、発光層を２層としている（発光層４、１１）が、３層以上としてもよい。その場合は、トンネル接合層８及び第２のレーザ構造単位１７と同様の層構成を、第２のｐ型クラッド層１４とｐ型コンタクト層１５との間に挿入すればよい 。
＜第３の実施形態＞
基本的には前記第１の実施形態と同様にして、半導体レーザ及び半導体レーザ素子を製造した。ただし、本実施形態では、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚及び伸長歪量を、表３に示すように、様々に変え、各条件の下でそれぞれ半導体レーザ及び半導体レーザ素子を製造した。

なお、伸長歪量は、第１のｐ型キャリアストップ層６の組成を変化させること（例えば、Ａｌ_yＩｎ_1-yＡｓ（０＜ｙ＜１）においてＡｌの組成ｙを大きくすること）により、大きくすることができる。また、第１のｐ型キャリアストップ層６がＡｌ_xＩｎ_1-xＰである場合は、Ａｌの組成ｘを大きくすることにより、伸長歪量を大きくすることができる。

本実施形態でも、第１のｐ型キャリアストップ層６のバンドギャップエネルギーは、第１のｐ型クラッド層７のバンドギャップエネルギーよりも大きく、第２のｐ型キャリアストップ層１３のバンドギャップエネルギーは、第２のｐ型クラッド層１４のバンドギャップエネルギーよりも大きい。

また、表３に示す各条件で半導体レーザを製造するとき、第１のｐ型クラッド層７までのみ成膜した試料を作製した。すなわち、この試料は、ｎ型InP基板１上に、MOCVD法により、第１のｎ型クラッド層２、第１のｎ型光ガイド層３、第１の多重量子井戸活性層（発光層）４、第１のｐ型光ガイド層５、第１のｐ型キャリアストップ層６、及び第１のｐ型クラッド層７を形成したものである。この試料について、表面モホロジを評価した。具体的には、微分干渉顕微鏡を用いて試料を観察し、結晶面に沿った干渉縞がなければ表面モホロジを○と判断し、干渉縞があれば表面モホロジを×と判断した。表面モホロジの評価結果を上記表３に示す。

また、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚、及び伸長歪量と、表面モホロジの評価結果との関係を図３に示す。
表３及び図３から明らかなように、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（ｎｍ）をＡとし、伸長歪量（％）をＢとした場合に、Ａ×Ｂ≦２２の式が成立している領域では、表面モホロジの評価結果が○であり、それ以外の領域では、表面モホロジの評価結果が×であった。

このことから、Ａ×Ｂ≦２２の式が成立していれば、第１のｐ型キャリアストップ層６の結晶性低下を防止し、その結果として、第１の発光層４における光出力の低下や、第１のｐ型キャリアストップ層６上に成長する第２の発光層１１の結晶性の低下を抑制できることが確認できた。

また、図４に、表３に示す各条件のうち、伸長歪量が０．５５％であるものについて、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚（横軸）と、光出力（縦軸）との関係を示す。なお、図４における光出力は、第１のｐ型キャリアストップ層６がない場合の光出力を１とする。

表３及び図４から明らかなように、第１のｐ型キャリアストップ層６の層厚が２ｎｍ以上であれば光出力が１を超え、層厚が４ｎｍ以上であれば、光出力が顕著に大きくなった。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、各実施形態において、第１のｐ型キャリアストップ層６は、第１のｐ型クラッド層７の中に位置していてもよい。

１・・・基板、２・・・第１のｎ型クラッド層、３・・・第１のｎ型光ガイド層、
４・・・第１の発光層、５・・・第１のｐ型光ガイド層、
６・・・第１のｐ型キャリアストップ層、７・・・第１のｐ型クラッド層、
８・・・トンネル接合層、８ａ・・・ｐ型層、８ｂ・・・ｎ型層、
９・・・第２のｎ型クラッド層、１０・・・第２のｎ型光ガイド層、
１１・・・第２の発光層、１２・・・第２のｐ型光ガイド層、
１３・・・第２のｐ型キャリアストップ層、１４・・・第２のｐ型クラッド層、
１５・・・ｐ型コンタクト層、１６・・・第１のレーザ構成単位、
１７・・・第２のレーザ構造単位、１００・・・半導体レーザ

Claims (5)

1. ｎ型クラッド層、発光層、及びｐ型クラッド層を積層して成るレーザ構造単位を複数備え、
   最上位を除く少なくとも１つの前記レーザ構造単位と、最上位の前記レーザ構造単位とにおいて、それぞれ、前記発光層と前記ｐ型クラッド層との間、又は前記ｐ型クラッド層の中に、バンドギャップエネルギーが前記ｐ型クラッド層より大きいキャリアストップ層を備え、
   最上位を除く少なくとも１つの前記レーザ構造単位に備えられた前記キャリアストップ層では、下記式１が成立し、最上位の前記レーザ構造単位に備えられた前記キャリアストップ層では、下記式１が成立しないことを特徴とする半導体レーザ。
   （式１）Ａ×Ｂ≦２２
   （Ａは前記キャリアストップ層のｎｍを単位とする層厚であり、Ｂは前記キャリアストップ層の％を単位とする基板に対する伸長歪量である。）
2. 最上位を除く少なくとも１つの前記レーザ構造単位に備えられた前記キャリアストップ層の層厚が２〜４０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 最上位を除く少なくとも１つの前記レーザ構造単位に備えられた前記キャリアストップ層に、Ａｌ、又はＰを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ。
4. 最上位を除く少なくとも１つの前記レーザ構造単位に備えられた前記キャリアストップ層が、ＡｌＩｎＡｓ、又はＡｌＩｎＰから成ることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
5. ＩｎＰから成る基板を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。