JPH02288388A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JPH02288388A
JPH02288388A JP1110502A JP11050289A JPH02288388A JP H02288388 A JPH02288388 A JP H02288388A JP 1110502 A JP1110502 A JP 1110502A JP 11050289 A JP11050289 A JP 11050289A JP H02288388 A JPH02288388 A JP H02288388A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、新しい■−Ｖ族化合物半導体材料を用いた短
波長半導体レーザに関する。
（従来の技術） 高速度かつ高密度の情報処理システムの発展に伴い、短
波長の半導体レーザ（ＬＤ）の実現が望まれている。
緑色半導体レーザの実現に有望と思われる■−Ｖ族化合
物半導体材料を大きなバンドギャップという観点から見
ると、ＢＮ（４または１ｌｅＶ）。
Ａｌ１　Ｎ　（６ｅＶ）　、　ＧａＮ　（３，４ｅＶ）
　、　　Ｉ　ｎＰ（２，４ｅＶ）　、　　ＡＲＰ　（２
，５ｅＶ）　、　　ＧａＰ（２，３および２．８ｅＶ）
等の、軽めの■族元素の窒化物と燐化物が大きいバンド
ギャップを有する。
しかしながらこれらのうち、ＢＮは、バンドギャップが
大きいが４配位（ｓｐ３）結合を有する高圧相（ｃ−Ｂ
Ｎ）は合成しにくく、しかも３種の多形を有し、混合物
もでき易いので使用できない。
不純物ドーピングも難しい。ＩｎＮは、バンドギャップ
が小さめであり、熱的安定性に乏しく、また普通多結晶
しか得られない。Ａ、１７　Ｐ、ＧａＮは、いずれもバ
ンドギャップがやや足りない。残るＡＩＮ、ＧａＮは、
バンドギャップが大きく、また安定性にも優れており、
短波長発光用に適していると言える。ただ、Ａｊ？Ｎ、
ＧａＮは結晶構遭がウルツ鉱型（Ｗｕｒｚｅｌｔｅ型、
以下これをＷＺ型と略称する）であり、しかもイオン性
が大きいため格子欠陥が生じ易く、低抵抗のｐ型半導体
を得とことができない。
この様な問題を解決するため、ＢｘＮを含まない■−Ｖ
族系の化合物にＢｘＮを混合してバンドギャップを大き
くした材料を得る試みがなされている。しかし、従来用
いられている材料とＢ、　Ｎを含む材料とでは格子定数
が２０〜４０％と大きく異なり、また格子型も異なるた
め、安定な結晶は得られていない。例えば、ＧａＰにＮ
を混合した場合ｘＮはＧａＰの１％以下しか混合できず
、十分広いバンドギャップを得ることは不可能であった
。
本発明者らの研究によれば、ＧａＮやＡｇＮで低抵抗の
ｐ型結晶が得られないのは、イオン性が大きいことによ
る欠陥が生じ品いことの他に、これらが閃亜鉛鉱型（Ｚ
　ｉｎｃ　Ｂ　１ｅｎｄｅ型、以下ＺＢ型と略称する）
の結晶構遭ではなく、ＷＺ構造を持っていることが本質
的な原因である。
（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来、緑色半導体レーザを実現するために
必要である、バンドギャップが例えば２．７ｅＶ以上と
大きく、ｐｎ制御が可能で、結晶の質も良い、という条
件を満たす半導体材料は存在しなかった。ＡｇＮ、Ｇａ
Ｎなどの窒化物は大きいバンドギャップを得る上で有効
な材料であるが、低抵抗のｐ型層を得ることができなか
った。
本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、新しい■−
ｖ族系の化合物半導体材料を用いた緑色半導体レーザを
提供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る半導体レーザは、第１導電型クラッド層、
活性層および第２導電型クラッド層からなるダブルヘテ
ロ接合部を構成する半導体層として、ＢＰ層とＧａ、Ａ
、Ｑ　、−ｘＮ　（０≦ｘ≦１）層が積層されて、Ｇ　
ａ　−ＡＩ＋−Ｎ　（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型結晶
構遭を有する超格子層を用いたことを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザはまた、第１導電型クラッド
層、活性層および第２導電型クラッド層からなるダブル
ヘテロ接合部を構成する半導体層として、閃亜鉛鉱型の
結晶構遭を有するＧ　ａ　＊　Ａｊ！　ｙ　Ｂ　Ｉ−ｍ
−ｙ　Ｎｘ　Ｐ　１−　　（０≦ｘ、ｙ。
２≦１）混晶層を用いたことを特徴とする。
（作用） 本発明者らの研究によれば、本来Ｗｚ構造である結晶で
あっても、安定なＺＢ構造を有する結晶上に成長させれ
ば、ある程度の厚さまではＺＢ構造を保つことが判明し
た。従って本発明の半導体レーザは第１に、Ｇ　ａ　＊
　Ａ　ｆｌ　Ｉ−＊　Ｎ　（０≦ｘ≦１）層を、これと
ほぼ同一の結合長を有し、かつＺＢ構造であってイオン
性が小さくｐｎ制御が容易であるＢＰ層上と交互に積層
して多層膜（超格子）を構成することにより、窒化物の
直接遷移型の広バンドギヤツプ特性とＢＰの低イオン性
で欠陥の生じ難い性質を併せ持つＺＢ構造の化合物半導
体材料として、これを用いてダブルヘテロ接合部を構成
する。これにより緑色半導体レーザが実現できる。
また本発明者らの研究によれば、従来熱力学的に安定な
混晶が作製できないと考えられていたＢとＧａ、Ａｌｌ
、Ｉｎという■族元素の組合わせ、若しくはＮとＰ、Ａ
ｓの組合わせを含む■−ｖ族化合物半導体材料系におい
ても、ＢとＮを同時に比較的多量に混合することにより
、安定な混晶を得ることができる場合のあることが判明
した。それは、Ｇ　ａ　ｘ　Ｂ　Ｉ−ｘ　Ｎ　ｚ　Ｐ　
ｌ−ｇ系の混晶において４その組成がｘ−ｚをほぼ満足
する場合である。透過型電子顕微鏡による観察を行うと
、Ｇａ−Ｎ。
Ｂ−Ｐが選択的に結合して交互に整列しているオーダリ
ング現象が観測され、Ｇａ−Ｎ、Ｂ−Ｐの結合が生じる
ことにより、全系のエネルギーが低下して安定な混晶と
して存在することが明らかになった。これらの事実から
、安定な混晶を得るためには必ずしも格子定数や格子型
が同じであることは必要ではなく、結合長が同じである
ことが重要であるといえる。そこで本発明による半導体
レーザは、第２に、Ｇ　ａ　ＨＡ　Ｉ　　Ｂ　＋−１−
Ｆ　Ｎ　ｒ　Ｐ　Ｉ−ｉ系の混晶において、好ましくは
組成を、ｘ＋ｙ−’ｚとし、Ｇａ−Ｎ、Ａｊｌ−ＮとＢ
−Ｐのオーダリングを構造的に生じさせた化合物半導体
材料を用いてダブルヘテロ接合部を構成する。これによ
っても、緑色半導体レーザが可能になる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は、本発明の一実施例の緑色半導体レーザの断面
図である。ｎ型ＧａＰ基板１１上には、ｎ　Ｉ２　Ｇ　
ａ　ｐ　ｔ＜ッファ層１２．ｎ型ＢＰバッファ層１３が
積層形成されている。このｎ型ＢＰバッファ層１３上に
、ｎ型Ｇ　ａ　！Ｉ　Ａ　ｆｌ　ｒ　−ｗ　Ｎ　／　Ｂ
　Ｐ超格子層からなるクラッド層１４．アンドープのＧ
　ａ　、　Ａｌ２　ｌ−Ｎ／　Ｂ　Ｐ超格子層からなる
活性層１５およびｐ型Ｇ　ａ　−Ａ　ｊ！　ｒ−Ｎ　／
　Ｂ　Ｐ超格子層からなるクラッド層１６が順次積層形
成されて、ダブルヘテロ接合部を構成している。例えば
、クラッド層１４および１６ではＸ−０，４とし、活性
層１５ではｘ−０，５とする。これによりクラッド層１
４および１６はバンドギャップが３、ＯｅＶ、活性層１
５はバンドギャップが２．７ｅＶとなり、ダブルヘテロ
接合が形成される。ｐ型クラッド層１６上には、中央部
のストライブ状の部分を残してｎ型ＢＰ電流阻止層１７
が形成されている。この電流阻止層１７上およびストラ
イプ状のｐ型クラッド層１６上にｐ型ＢＰコンタクト層
１８が形成されている。コンタクト層１８表面にはｐ側
の金属電極１９が形成され、基板１１にはｎ側の金属電
極２０が形成されている。
この半導体レーザでは、コンタクト層１８の下部凸部め
周囲にｎ型ＢＰ電流阻止層１７が形成されて、電流狭窄
構造と先導波路構造が自己整合的に形成されている。
この半導体レーザは、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ　
Ｄ法）を用いて製造される。その製造方法に付き以下に
詳しく説明する。
第２図は、その実施例に用いたマルチチャンバ方式の有
機金属気相成長（ＭＯＣＶ　Ｄ）装置である。図におい
て、２１．２２および２３は石英製の反応管でありそれ
ぞれの上部に位置するガス導入口から必要な原料ガスが
取入れられる。これらの反応管２１．２２および２３は
一つのチャンバ２４にその上蓋を貫通して垂直に取付け
られている。基板２５はグラファイト製サセプタ２６上
に設置され、各反応管２１．２２．２３の開口に対向す
るように配置されて外部の高周波コイル２７により高温
に加熱される。サセプタ２６は、石英製ホルダ２８に取
付けられ、磁性流体シールを介した駆動軸により各反応
管２１．２２．２３の下を高速度で移動できるようにな
っている。駆動は、外部に設置されたコンピュータ制御
されたモータにより行われる。サセプタ中央部には熱電
対３０が置かれ、基板直下の温度をモニタして外部に取
出す。そのコード部分は回転によるよじれを防止するた
めスリップリングが用いられる。反応ガスは、上部噴出
口３１からの水素ガスのダウンフローの速い流れにより
押出され、互いの混合が極力抑制されながら、排気口３
２からロータリーポンプにより排気される。
この様なＭＯＣＶＤ装置により、各反応管２１゜２２．
２３を通して所望の原料ガスを流し、基板２５をコンピ
ュータ制御されたモータで移動させることにより、基板
２５上に任意の積層周期、任意組成を持って多層構造を
作製することができる。
この方式では、ガス切替え方式では得られない鋭い濃度
変化が容易に実現できる。またこの方式では、急峻なヘ
テロ界面を作製するためにガスを高速で切替える必要が
ないため、原料ガスであるＮＨ，やＰＨ１の分解速度が
遅いという問題をガス流速を低く設定することにより解
決することができる。
このＭＯＣＶＤ装置を用いて第１図の半導体レーザを作
製した。原料ガスは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ
）、）リメチルガリウム（ＴＭＧ）トリエチル硼素（Ｔ
ＥＢ）、アンモニア（ＮＨｌ）、フォスフイン（ＰＨ３
）である。基板温度は８５０〜１１５０℃程度、圧力は
０．３気圧、原料ガスの総流量は１ｊ！／ｓｉｎであり
、成長速度が１μｍ／ｈとなるようにガス流量を設定し
た。
概略的な各ガス流量は、ＴＭＡ　：　Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｃｌ
”ｍｏｌ／ｍ１ｎ、ＴＭＧ：　ＩＸＩＯ−６ｍｏｌ　／
ｗｉｎ、ＴＥＢ　：Ｉ　　Ｘ　　１　０−’ｍｏｌ　　
／ｗｉｎ　　、　　　ＰＨｓ　　：　　５Ｘ　　１　０
−’ｓ＋ｏｌ／ｗｉｎ　、　ＮＨｌ：　Ｉ　Ｘ　１０−
３ｍｏｌ　／ｗｉｎである。
ｐ、ｎのドーパントにはＭｇとＳｔを用いた。これらの
不純物ドーピングは、シラン（ＳｉＨ２）およびシクロ
ペンタジェニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を原料ガス
に混合することにより行った。
なお、ＧａＡＩＩＮ／ＢＰ超格子を作成する際の代表的
な積層周期は２０人、ＧａＡＩＮ層とＢＰ層の厚さの比
は１：１であり、以下の実施例でも全てこの値に設定し
た。他の組成でも可能であるが、ダブルヘテロ接合部の
ＢＰ層に対するＧａＡｇＮ層の膜厚比が１より小さくな
ると、バンド構造が直接遷移型から間接遷移型に変化し
、発光効率は低下する。また積層周期についても、上記
の値に限られないが、例えば５０人を越えると電子、正
孔の局在が顕著になり、導電性の低下が生じるので、５
０Å以下の範囲で設定することが望ましい。
具体的な第１図の素子形成条件を説明する。
ＧａＰ基板１１は、Ｓｉドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　
１０　”／ｃｍ’であり、ｎ型ＧａＰバッファ層１２は
、Ｓｉドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０　”／国３　
厚さ１μｍＳｎ型ＢＰバッファ層１３は、Ｓｉドープ、
キャリアｉ農度Ｉ　Ｘ　１０　”／ａｎ３．厚さ１μｍ
とする。この上にｎ型クラッド層１４として、Ｓｉドー
プ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０　”１０１１１３、厚さ
１μｍのＧ　ａ　ｏ、４Ａｊｌｌ　ｏ、ｂ　Ｎ／　Ｂ　
Ｐ超格子層、活性層１５として、アンドープＧ　ａ　ｏ
、ｑ　ＡｆＩｏ、ｓ　Ｎ／　Ｂ　Ｐ超格子層、ｎ型クラ
ッド層１６として、Ｍｇドープ、キャリア濃度１×１０
　”／ｃｍ’　、厚さ１μｍのＧ　ａ　０．４　ＡＩＩ
　Ｏ，６Ｎ／ＢＰ超格子層が順次形成されてダブルヘテ
ロ接合構造が得られる。そしてｐ型クラッド層１６上に
、シランガスの熱分解と写真蝕刻により幅５μｍのスト
ライブ状にＳｉＯ２膜を形成し、ＭＯＣＶＤによりクラ
ッド層上にのみ選択的にｐ型ＢＰ電流阻止層１７（Ｓｉ
ドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０”／ａ＋＋’　、　
　１　μｍ）を成長させる。そしてＳｉＯ□膜を除去し
て、ｐ型ＢＰコンタクト層１８（Ｍｇドープ、キャリア
濃度ｌＸｌ０’）７ｃｍ３，１μｍ）を形成する。その
後通常の電極材は工程により、コンタクト層１８上にＡ
　ｕ　／　Ｚ　ｎからなる電極１９を形成し、基板裏面
にはＡｕ／Ｇｅかうなる電極２０を形成する。
こうして得られた半導体レーザ・ウェハをへき開して共
振器長３００μｍのレーザ素子を構成したところ、液体
窒素温度でパルス幅１００μｓｅｃのパルス動作で緑色
光レーザ発振が確認された。
しきい値電流密度は約５０　ｋ　Ａ　／　ａｍ　”であ
った。
第３図は、第１図の構成を変形した他の実施例の緑色半
導体レーザである。第１図と異なる点は、ｎ型クラッド
層１６の中央部にストライプ状の凸部ができるように選
択エツチングしてその凸部周囲にｎ型ＢＰ層からなる電
流阻止層１７を形成していることである。その他第１図
と同様である。
この実施例では、ｎ型クラッド層１６が凸型に加工され
て等何面に横方向に屈折率差が形成され、これにより良
好な横モード制御が行われる。この実施例の場合も、共
振器長３００μｍのレーザ素子を構成して略同様の特性
が得られた。しきい値電流密度は約７０　ｋ　Ａ　／　
ｃｍ　”であった。しきい値電流密度が若干高めである
が、単一峰の遠視野像が確認され、良好な横モード制御
が行われていることが確認された。
第４図は、ＧａＡＮＮ／ＢＰ超格子層に代ってＧ　ａ　
ｍ　Ａｌｌ　ｙ　Ｂ＋−５−ｖ　Ｎ　＊　Ｐ　１−を混
晶層を用いてクラッド層および活性層を形成した実施例
の半導体レーザである。第３図の実施例の構成に対して
異なる点は、ｎ型ＧａＡ、１７ＢＮＰクラッド層４１゜
アンドープＧａＡＩＢＮＰ活性層４２およびｐ型ＧａＡ
ｆＩＢＮＰクラッド層４３によりダブルヘテロ接合を構
成していることである。
この半導体レーザの製造も第２図のＭＯＣＶＤ装置を用
いて先の各実施例とほぼ同様に行われる。
その際、混晶層の形成に当たっては基板の移動は止めて
、一つの反応管から必要なすべての原料ガスを導入する
。またこのとき、反応ガスの相互反応を防止するため、
混晶成長を行う原料ガスの混合は反応管の直前で行い、
低圧条件下で成長を行う。原料ガス、その流量、基板温
度などの成長条件は、先の実施例とほぼ同様である。
具体的な素子形成条件は次の通りである。ｎ型Ｃ，ａＰ
基板１１は、Ｓｉドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０　
′８／ｃｍ３ｎ型ＧａＰバッファ層１２は、Ｓｉドープ
、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０　”／口３　厚さ１μｍ、
ｎ型ＢＰ層１３は、Ｓｉドープ、キャリア濃度１×１０
１フ／ｃＩＴ＋３．厚さ１μｍである。
ｎ型クラッド層４１は、Ｇ　ａ　Ｏ，２ＡＩ２　ｏ、ｓ
　Ｂｏ、ｓＮ。、、Ｐｏ、、混晶層（Ｓｉドープ、キャ
リア濃度ｌＸ１０１７／印３，１μｍ）、アンドープ活
性層４２は、Ｇ　ａ　ｏ、２ｑＡＤ　ｏ、１１３ｏ、ｘ
ＮＯ，５Ｐｏ、５混晶層（厚さ０．１μｍ）、ｎ型クラ
ッド層４３は、Ｇａ、、２Ａｆ１．３Ｂ、、５　Ｎ、、
５　ｐｏ、ｓ混晶層（Ｍｇドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ
　１０１７／ｃｍ３゜１μｍ）である。電流狭窄構造、
光導波構造および電極は第３図の実施例と同様である。
得られたウェハをへき開して共振器長３００μｍのレー
ザ索子を作成したところ、液体窒素温度でパルス幅２０
μｓｅｃのパルス動作で緑色光レーザ発振が確認された
。
第５図は、第３図の実施例の構成において、基板１１と
ダブルヘテロ接合部の間のバッファ層１２．１３を省略
した実施例である。この様にバッファ層は本質的ではな
く、場合によっては省略することができる。
ただし本発明における半導体レーザのダブルヘテロ接合
部の半導体材料に対しては、格子定数が合致する適当な
基板がないのが一つの難点である。
このため成長条件によってはダブルヘテロ接合部に大き
い応力がかかり、或いは格子定数の違いに起因して転位
が発生するなど、信頼性上問題があるのでバッファは設
けた方が良い。この格子定数の問題にさらに考慮を払っ
た実施例を次に説明する。
第６図は、その様な実施例の半導体レーザである。これ
は第３図の実施例の構成を基本とし、そのｎ型ＢＰバッ
ファ層１３の部分を平均組成を変化させたＧａＡｊ７Ｎ
とＢＰの超格子層またはＧａ、ＡＩ　、Ｂｒ−ｘ−ｘＮ
ｚ　Ｐ＋−ｇ層が交互にｔａ層された多層構造からなる
ｎ型バッファ層５１に置換したものである。
第７図は同様に第３図の実施例のＧａＰ基板１１および
ＧａＰバッファ層１２の部分に、ダブルヘテロ接合部の
材料により格子定数が近いＳｉＣ基板６１を用いた実施
例である。
これらの実施例によって、ダブルヘテロ接合部への応力
集中、転位の発生などを抑制することができる。更に上
記各実施例に於いて、ＢＰバッファ層１２の成長に際し
て成長中に適当な温度サイクルを与えて応力を吸収する
ことも可能であり、有用である。
以上の実施例では、電流阻止層としてＢＰ層を用いたが
、ＢＰ層は発光波長に対して不透明であるため損失が大
きく、これによりしきい値電流密度が高いものとなる。
また高出力を必要とする際には、非点収差が大きくなる
。また電流阻止層はキャリア濃度が十分高いことが重要
であり、この点に関しても特にｎ型基板を用いる際には
電流阻止層もｎ型とすることが多いが、ＢＰはｎ型の高
濃度ドーピングが困難であり、キャリア濃度を十分高く
できない。これらの点を電流阻止層にＷｚ型結晶を用い
ることにより改善した実施例を次に説明する。
第８図はその様な実施例の半導体レーザである。
第１図の実施例の構成を基本とし、そのｎ型ＢＰ電流阻
止層１７の部分をｎ型ＡｇＢＮＰ電流阻止層８１に置換
している点が異なる。それ以外は第１図と同様である。
製造工程も第１図の実施例と基本的に変わらない。ｎ型
ＡｇＢＮＰ電流阻止層８１として具体的に、Ｓｉドープ
。
キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０１８／ｃｍ’。厚さ１μｍの
ＡＮ　ｏ、２Ｂｏ、ｓ　Ｎｏ、２　Ｐａ、ｓ層を成長さ
せた素子を作成した。
得られたレーザ素子は共振器長３００ｕｍの場合、液体
窒素温度でパルス幅１００μｓｅｃのパルス動作で緑色
レーザ発振が確認された。しきい値電流密度は約３０ｋ
Ａ／ω２であった。このとき動作電圧は５ｖ程度の低い
ものであった。
第９図および第１０図の実施例は同様の１！ＢＮＰ電流
阻止層を、それぞれ第３図および第４図の実施例のもの
に適用した場合である。これらの実施例によっても同様
の効果が得られる。
またＷＺ型のＡΩＢＮＰにＧａを混入しても同様の効果
を得ることができる。
さらに電流阻止層に、ＷＺ型Ｇａ、ＡΩ＋−Ｎ層（０≦
Ｕ≦１）を用いた実施例を説明する。
ＷＺ型ＧａＡΩＮは、透明度が高くかつ結晶成長が容易
で成長速度も速いため、本発明の半導体レーザでの電流
阻止層として非常に有効である。
第１１図はその様な実施例であり、第１図の実施例のｎ
型ＢＰ電流阻止層１７の部分にｎ型ＧａＮ電流阻止層９
１を設けたものである。製造工程はやはり第１図のそれ
と基本的に同じである。
具体的にｎ型ＧａＮ電流阻止層９１として、Ｓｉドープ
、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０１８／叩３．１μｍのＧａ
Ｎ層を用いて、共振器長３００μｍのレーザ素子を作成
した。得られたレーザ素子は、液体窒素温度でパルス幅
１００μＳｅｅのパルス動作で緑色レーザ発振が確認さ
れた。しきい値電流密度は約３０　ｋ　Ａ　／　ｃｍ　
２であった。また良好な横モード制御が行われているこ
とが確認され、動作電圧は約５Ｖと低い値が得られた。
また非点収差は１０μｍであり、この値はＢＰを電流阻
止層として用いた場合の３０μｍに比べて十分少さい。
第１２図および第１３図は同様に、それぞれ第３図およ
び第４図の実施例の構成に対してｎ型ＧａＮ電流阻止層
を用いた実施例である。これらの実施例によっても同様
の効果が得られる。
さらに電流阻止層として、ＧａＡｌ　ＢＮＰ混晶層やＧ
ａＡｊ）Ｎ／ＢＰ超格子層などを用いることも可能であ
る。
以上の実施例において、ＧａＡΩＮ／ＢＰ超格子層また
はＧａＡｊ７ＢＮＰ混晶層からなるクラッド層は、上部
クラッド層がＢＰコンタクト層と接し、下部クラッド層
がＢＰバッファ層に接する。ＢＰ層はＧａＡｊ！Ｎ／Ｂ
Ｐ超格子層またはＧａＡ、ＱＢＮＰ混晶層よりバンドギ
ャップが狭いから、これらの間には電位障壁が形成され
、これが素子のしきい値電流密度や動作電圧を高くする
原因となる。したがってこれらの間には更にバンドギャ
ップを滑らかに遷移させるような中間バッファ層を介在
させることが有効である。その様な実施例を以下に説明
する。
第１４図はその様な実施例の半導体レーザである。この
実施例は第１図の実施例の構成を基本とし、ｎ型ＢＰバ
ッファ層１３とｎ型ＧａＡＩＩＮ／ＢＰクラッド層１４
の間にｎ型Ｇａ、Ａ１．Ｎ／ＢＰ超格子層からなる第１
の中間バッファ層１０１を介在させ、またｐ型ＧａＡ、
ＩＮＮ／ＢＰクラッド層１６とｐ型ＢＰコンタクト層１
８間に同様にｐ型Ｇａ、Ａ、９．−８Ｎ／ＢＰＮ層子層
からなる第２の中間バッファ層１０２を介在させている
。
それ以外は第１図の実施例と同様である。
素子製造方法および製造条件は基本的に第１図の実施例
と変わらない。具体的に、ｎ型りラッド！碩１４がＳｉ
ドープ、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０１７／ｃ１３のＧ　
ａ　ｏ４ＡＮ　ｕ、ｂ　Ｎ層　Ｂ　Ｐ層に対して第１の
中間バッファ層１０１を、Ｓｉドープ、キャリア濃度Ｉ
　Ｘ　１０　”／　ｃｍ’　　厚さ０．１μｍのＧ　ａ
ｏ、ｇ　Ａｌ７０．２　Ｎ層　Ｂ　Ｐ超格子層とし、ｐ
型クラッド層１４がＭｇドープ、キャリア濃度１×１０
１７／ｃＩＴ＋３のＧ　ａ　Ｏ，４Ａｎ　ｏ、ｂ　Ｎ層
　Ｂ　Ｐ層に対して第２の中間バッファ層１０２を、Ｍ
ｇドープ。
キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０　”／ｃｍ’　、厚さ０．１
μｍのＧ　ａ　ｏ、ｓ　ＡＮ　ｏ、　２　Ｎ層　Ｂ　Ｐ
超格子層として素子形成した。
この実施例の素子でも液体窒素温度で緑色光レーザ発振
が確認され、低いしきい値電流密度と動作電圧が得られ
た。
第１５図は、第３図の実施例の素子に対して、第１４図
の実施例と同様の超格子層からなる中間バッファ層１０
１，１０２を設けた実施例である。
この実施例でも同様の緑色光レーザ発振が得られる。
以上の中間バッファ層を設ける方式は、クラッド層およ
び活性層にＧａＡΩＢＮＰ混晶層を用いる場合にも有効
であり、その場合中間バッファ層としてはＧａＡΩＮ／
ＢＰ超格子層或いはＧａＡＩＩＢＮＰ混品層を用いれ混
炭層。
第１６図は、その様な実施例の半導体レーザである。こ
れは、第４図の実施例の素子に対して、ｎ型クラッド層
４１の下にｎ型ＧａＡΩＢＮＰ混晶層からなる第１の中
間バッファ層１１１を設け、ｐ型クラッド層４３上にｐ
型ＧａＡｊ）ＢＮＰ混晶層からなる第２の中間バッファ
層１１２を設けたものである。
具体的に例えば、ｎ型クラッド層４１およびｎ型クラッ
ド層４３がＧ　ａ　０．２　Ａ　ｌｌ　。、　３　Ｂ　
０．５Ｎ、、、Ｐｏ、、混晶層である場合、第１の中間
バッファ層１１１を、Ｓｉドープ、キャリア濃度ｌＸｌ
０”／ｃ＋ｎ’　　厚さ０．１μｍのＧａｏ、４Ａｆｆ
　ｏ、＋　Ｂｏ、ｓ　Ｎｏ、ｑ　Ｐｏ、、混晶層とし、
第２の中間バッファ層１１２を、Ｍｇドープ、キャリア
濃度Ｉ　Ｘ　１０１７／ａｍ’　、厚さ０．１μｍのＧ
　ａ　ｏ　ａ　ＡＮ　ｏ、＋　Ｂｏ、ｓ　Ｎｏ、５　Ｐ
ｏ、５混晶層とする。素子の製造方法は第４図の実施例
のそれと基本的に同じである。
この実施例によっても、先の実施例と同様の効果が得ら
れる。
なお中間バッファ層を設ける上記各実施例に於いて、コ
ンタクト層側の第２の中間バッファ層は電流狭窄領域の
みに形成しているが、これはクラッド層上全面に設ける
ことも可能である。
第１７図はその様な実施例であり、第１４図に対して上
部の中間バッファ層１０２′をｐ型クラッド層１６上全
面に設けている。
また上記各実施例の中間バッファ層について、超格子層
を用いた場合、混晶層を用いた場合いずれも、その平均
組成を膜厚方向に変化させてバンドギャップが連続的に
変化するようにすれば、バンドギャップの遷移領域がよ
り滑らかになって効果的である。
本発明の半導体レーザにおいて、格子整合がとれる良質
の適当な基板のないことが一つの問題であることは既に
述べた。これに対して先に実施例を説明したように発光
層と同質のバッファ層を設けることの他に、結晶成長に
用いた基板をその後除去するという方法もを効である。
第１８図はその様な実施例の半導体レーザである。これ
は基本的に第１図の実施例の素子と同様に構成した後、
基板１１およびＧａＰバッファ層１２を除去したもので
ある。ＧａＰＭ板１１板上１ＧａＰバッファ層１２の除
去は例えば、機械研磨の後、２％臭素メチルアルコール
溶液でエツチングすることにより行われる。
この実施例によれば、基板およびバッファ層の除去によ
って発光層部分への応力集中が軽減され、安定動作が得
られる。具体的にこの実施例により共振器長３００μｍ
の素子を構成し、液体窒素温度でパルス幅１００μＳｅ
ｅのパルス動作で緑色光レーザ発振が確認された。しき
い値電流密度は約５０　ｋ　Ａ　／　ａｍ　２であった
。室温ではレーザ発振は確認されなかったが、ＬＥＤモ
ードの動作では１００時間以上安定した発光が確認され
た。
第１９図および第２０図は、同様の基板除去をそれぞれ
第３図および第４図の実施例の素子に対して適用した場
合を示している。これらの実施例によっても同様の効果
が得られる。
以上の実施例では全て、ｐｎ接合を利用して電流狭窄を
行う電流阻止層を設けているが、この様な格別の電流阻
止層を設けなくても電流狭窄は可能である。以下にその
実施例を説明する。
第２１図は、その様な実施例の半導体レーザである。こ
の構造は、第１５図の実施例の構造を基本として、ｎ型
ＢＰ電流阻止層１７を形成することなく、ｐ型ＢＰコン
タクト層１８を形成したものである。このような方法に
よれば、選択成長の工程を必要としないため、工程が簡
単化され、コスト低下につながる。
この構造では、ｐ型クラッド層１６とｐ型ＢＰコンタク
ト層１８が直接接触する領域は、バンド不連続による大
きい電位障壁により電流が流れず、中央のストライブ状
部分のｐ型ＧａＡ１）Ｎ／ＢＰ超格子層からなる中間バ
ッファ層１０３が介在している部分のみ滑らかなバンド
遷移の結果電流が流れる。したがって実質的に電流狭窄
が行われる。
また、ｐ型クラッド層１６がストライブ状に凸型に加工
されているため、横方向に屈折率の差かできて光閉じ込
めも行われる。
この実施例により共振器長３００μｍの素子を構成して
、液体窒素温度でパルス幅１００μＳｅｅのパルス動作
で緑色レーザ発振が確認された。しきい値電流密度は約
７０　ｋ　Ａ　／　ｃ＋ｎ　２であった。しきい値電流
密度は高めであるが、良好な横モード制御が行われてい
ることが確認された。また動作電圧は約５ｖと低いもの
であった。
第２２図は同様の電流狭窄構造を、第１６図の実施例の
素子に適用した実施例である。この実施例によっても同
様のレーザ発振が可能である。
第２３図は更に、ｐ型りラッド層１６をストライブ状凸
部をもつように加工することをせず、ｐ型ＧａＡΩＮ／
ＢＰ中間バッファ層１０２を選択的にエツチングしてス
トライプ状にパターニングし、ｐ型ＢＰコンタクト層１
９を全面に形成した実施例である。この実施例によって
も、光閉じ込めの効果はないが電流狭窄は行われ、レー
ザ発振が可能である。
本発明の半導体レーザにおける発光層に用いる化合物半
導体材料は、ＢＰの低イオン性とＺＢ溝構造およびＧａ
ＡＩＮの広いバンドギャップの特性を併せ持つものであ
るが、ＧａＡｆＩＮ層部分にアクセプタ不純物が入ると
Ｎが抜けるという自己補償効果があり、高濃度のｐ型ド
ーピングが難しい。この点を解決するために、ＧａＡρ
Ｎ／ＢＰ超格子層を形成する際に、ｐ型に関しては低イ
オン性のＢＰ層にのみ選択的に不純物をドープすること
が有効であることが判明した。ＧａＡｊ！Ｎ／ＢＰ超格
子層全体にｐ型不純物をドープすると、ＧａＡｊｌＮ層
での自己補償効果の他、欠陥が多く発生して結局全体と
して高いキャリア濃度が得られないのに対し、ＢＰ層に
のみ選択的にｐ型不純物をドープすると、自己補償効果
の影響を受けず、また欠陥の発生もないため、結果的に
ドープした不純物の多くがキャリアとして有効に活性化
されるものと思われる。
第２４図（ａ）　（ｂ）は、その様なドーピング法を示
す概念図である。（ａ）はｐ型ドーピングの場合であり
、（ｂ）はｎ型ドーピングの場合である。いずれも、Ｂ
Ｐ層とＧａＡｊｌＮ層が交互に所定周期で積層された超
格子構造を基本とするが、（ａ）ではＢＰ層にのみＭｇ
がドープされ、（ｂ）ではＧａＡＪＮ層にのみＳｉがド
ープされている。
この様な超格子構造半導体層の成長と選択的な不純物ド
ープは、第２図のＭＯＣＶＤ装置により可能である。す
でに説明した実施例における超格子層形成と同様の条件
でＧａＡＮＮ／ＢＰ超格子層を形成し、ｎ型に関しては
ＧａＡｇＮ層にＳｔを、ｐ型に関してはＢＰ層にＭｇを
それぞれドーピングした。ｎ型の場合はＧａＡｇＮ層と
ＢＰ層に同時にＳｉをドープしてもよいが、ＢＰは有効
質量が非常に大きくｎ型ドーピングには適さない。この
選択ドーピングにより、ｐ型、ｎ型共に１０”／ａｍ’
オーダーのキャリア濃度の超格子半導体膜が得られるこ
とが確認された。したがってこの選択ドーピングは本発
明の半導体レーザを製造する際に有効である。
なおｐ型ドーピングの際、ＧａＡｊｌＮ層に僅かのＭｇ
が混入することは差支えない。
本発明は、上記した実施例に限られない。実施例ではＧ
ａＡｆｆＮ／ＢＰ超格子層を用いてダブルヘテロ接合を
構成する場合にその組成比を変化させ、またＧａＡｊ７
ＢＮＰ混晶層を用いた場合にもその平均組成を、変化さ
せたが、超格子層を用いる場合ＧａＡｆＩＮとＢＰの膜
厚比を変化させることによりバンドギャップを変化させ
ることもできる。
また上記各実施例では、超格子構造の場合を含めて平均
組成をＧ　ａ　ｍ　ＡＲＦ　Ｂ　１−ｘ−ｙ　Ｎ　ｍ　
Ｐ　ｒ−ｍで表したとき、ｘ＋ｙ−Ｑ、５としたが、他
の組成を用いることもできる。但し発光層の場合、Ｘ＋
ｙが０．５より小さくなると、バンド構造が直接遷移型
から間接遷移型になってしまうので好ましくない。
さらに上述した各実施例において、ＧａＡ、９Ｎ層とＢ
Ｐ層間の格子整合をより良好なものとするために、■族
元素としてＢ、Ｇａ、ＡＮの他にＩｎなどを少量混合し
てもよい。同様にＶ族元素としてＡｓ、Ｓｂを混合する
ことができる。また原料ガスとしては、Ｇａ原料として
トリエチルガリウム（ＴＥＧ）　、Ａ、Ｑ原料としてト
リエチルアルミニウム（ＴＥＡ）　、Ｂ原料としてトル
メチルボロン（ＴＭＢ）などを使用することができ、さ
らにＮ原料としてヒドラジン（Ｎ２　Ｈ４）のほか、Ｇ
ａ　　（Ｃ２Ｈ５）　　３　　”ＮＨ３、Ｇａ　　（Ｃ
Ｈ３）　　３・Ｎ・　（ＣＨ３）３などの、アダクトと
呼ばれる有機金属化合物を用いることができる。さらに
上述の実施例では第１導電型をｎ型、第２導電型をｐ型
とした場合を説明したが、これらを逆にしてもよい。電
極の材料も他のものを選択することができる。
その池水発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。
［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、広いバンドギャップ
を持ちかっＺＢ型構造が付与された５元系の新しい化合
物半導体材料を用いて、実用的な緑色光半導体レーザを
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例に係るＧａＡｊ７Ｎ／ＢＰ超
格子層を用いた半導体レーザを示す断面図、第２図はそ
の製造にも用いたＭＯＣＶＤ装置の構成を示す図、 第３図はＧａＡｊ！Ｎ／ＢＰ超格子層を用いた他の実施
例の半導体レーザを示す断面図、第４図はＧａＡ、ＱＢ
ＮＰ混晶層を用いた実施例の半導体レーザを示す断面図
、 第５図はバッファ層を省略した実施例の半導体レーザを
示す断面図、 第６図はＧａＡΩＮ／ＢＰ超格子層をバッファ層として
用いた実施例の半導体レーザを示す断面図、 第７図はＳｉＣ基板を用いた実施例の半導体レーザを示
す断面図、 第８図〜第１０図は電流阻止層にＡｇＢＮＰ層を用いた
実施例の半導体レーザを示す断面図、第１１図〜第１３
図は電流阻止層にＧａＮ層を用いた実施例の半導体レー
ザを示す断面図、第１４図〜第１７図はクラッド層の上
下に中間バッファ層を介在させた実施例の半導体レーザ
を示“す断面図、 第１８図〜第２０図は基板を除去した実施例の半導体レ
ーザを示す断面図、 第２１図〜第２３図はｎ型電流阻止層を省略した実施例
の半導体レーザを示す断面図、第２４図（ａ）　（ｂ）
は本発明に有用な選択ドーピングを説明するための図で
アル。 １１・・・ＧａＰ基板、１２・・・ｎ型ＧａＰバッファ
層、１３・・・ｎ型ＢＰバッファ層、１４・・・ｎ型Ｇ
ａＡｊ７Ｎ／ＢＰ超格子りラッド層、１５・・・アンド
ープＧａＡ、ＱＮ／ＢＰ超格子活性層、１６・・・ｐ型
ＧａＡＩＮ／ＢＰ超格子クラッド層、１７・・・ｎ型Ｂ
Ｐ＠流阻止層、１８・・・ｐ型ＢＰコンタクト層、１９
．２０−・・電極、４１−ｎ型ＱａＡｊｌＢＮＰ混晶ク
ラッド層、４２・・・アンドープＧａＡｊ７ＢＮＰ混晶
活性層、４３・・・ｐ型ＧａＡｌ　ＢＮＰ混晶クラッド
層、５１−ｎ型ＧａＡｆＩＮ／ＢＰ超格子バッファ層、
６１・・・ＳｉＣ基板、８１・・・ｎ型ＡＩＢＮＰ電流
阻止層、９１・・・ＧａＮ電流阻止層、１０１・・・ｎ
型ＧａＡ、ＯＮ／ＢＰ超格子中間バッファ層、１０２−
ｐ型ＧａＡｊ７Ｎ／ＢＰ超格子中間バッファ層、１１１
−・・ｎ型ＧａＡ１１ＢＮＰ混晶中間バッファ層、１１
２・・・ｐ型ＧａＡｐＢＮＰ混晶中間バッファ層。 第２図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ヤｉ 図 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 １０２　：　ｐ−ＧａＡ！Ｎ／ＢＰ 第 図 第 図 第 図 第 ４　　ｒ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板上に、第１導電型クラッド層，活性層および
    第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合構造を
    有する半導体レーザにおいて、前記第１導電型クラッド
    層，活性層および第２導電型クラッド層は、ＢＰ層とＧ
    ａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が交互に積
    層されて Ｇａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛
    鉱型結晶構造を有する超格子層により構成されているこ
    とを特徴とする半導体レーザ。
  2. （２）基板上に、第１導電型クラッド層，活性層および
    第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合構造を
    有する半導体レーザにおいて、前記第１導電型クラッド
    層，活性層および第２導電型クラッド層は、閃亜鉛鉱型
    の結晶構造を有するＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−＿ｘ＿
    −＿ｙＮ＿ｚＰ＿１＿−＿ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）混
    晶層により構成されていることを特徴とする半導体レー
    ザ。
  3. （３）基板上に、第１導電型クラッド層，活性層および
    第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合構造を
    有し、前記第２導電型クラッド層の一部を除いて第１導
    電型の電流阻止層が形成された半導体レーザにおいて、
    前記第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型ク
    ラッド層は、ＢＰ層とＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０
    ≦ｘ≦１）層が交互に積層されてＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−
    ＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する
    超格子層 または、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有する Ｇａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｚＰ＿１
    ＿−＿ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）混晶層により構成され
    、前記電流阻止層がウルツ鉱型のＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−
    ＿ｘＮ層により構成されていることを特徴とする半導体
    レーザ。
  4. （４）基板上に、第１導電型クラッド層，活性層および
    第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合構造を
    有し、前記第２導電型クラッド層の一部を除いて第１導
    電型の電流阻止層が形成され、かつ電流阻止層および第
    ２導電型クラッド層上に第２導電型のコンタクト層が形
    成された半導体レーザにおいて、前記第１導電型クラッ
    ド層，活性層および第２導電型クラッド層は、ＢＰ層と
    Ｇａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が交互に
    積層されてＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）
    層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層または、閃亜
    鉛鉱型の結晶構造を有する Ｇａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−ｘ＿−＿ｙＮ＿ｚＰ＿１＿
    −＿ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）混晶層により構成され、
    前記電流阻止層およびコンタクト層がＢＰ層により構成
    されていることを特徴とする半導体レーザ。
  5. （５）基板上に、第１導電型クラッド層，活性層および
    第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合構造を
    有し、前記第２導電型クラッド層の一部を除いて第１導
    電型の電流阻止層が形成され、かつ電流阻止層および第
    ２導電型クラッド層上に第２導電型のコンタクト層が形
    成された半導体レーザにおいて、前記第１導電型クラッ
    ド層，活性層および第２導電型クラッド層は、ＢＰ層と
    Ｇａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が交互に
    積層されてＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）
    層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層または、閃亜
    鉛鉱型の結晶構遭を有するＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−
    ＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｚＰ＿１＿−＿ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦
    １）混晶層により構成され、前記基板と第１導電型クラ
    ッド層の間または前記第２導電電型クラッド層とコンタ
    クト層の間の少くとも一方に中間バッファ層を有するこ
    とを特徴とする半導体レーザ。
  6. （６）前記中間バッファ層は、ＢＰ層と Ｇａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が交互に
    積層されてＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）
    層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層または、閃亜
    鉛鉱型の結晶構造を有する Ｇａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｚＰ＿１
    ＿−＿ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１）混晶層の多層構造によ
    り構成されていることを特徴とする請求項５記載の半導
    体レーザ。
  7. （７）前記中間バッファ層は、ＢＰ層と Ｇａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が交互に
    積層されてＧａ＿ｘＡｌ＿１＿−＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）
    層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層または、閃亜
    鉛鉱型の結晶構造を有するＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−
    ＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｚＰ＿１＿−＿ｚ（０≦ｘ，ｙ，ｚ≦
    １）混晶層の多層構造により構成され、かつそのバンド
    ギャップが連続的に変化するように膜厚または平均組成
    比が設定されていることを特徴とする請求項５記載の半
    導体レーザ。
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GB2529594B (en) * 2013-06-05 2018-09-05 Nitto Optical Co Ltd Light emittng device including an active region containing nanodots in a zinc-blende type crystal

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