JPH03276785A - 半導体レーザ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ、特にＧａＩｎＰ系活性層と＾
ＺＧａｌｎＰ系の各導電型のクラッド層によるダブルヘ
テロ接合型（以下ＤＨ型と記す）半導体レーザに係わる
。

〔発明の概要〕

本発明は、ＧａＩｎＰ系活性層と、それぞれＡＺＧａｌ
ｎＰ系のｎ型りラッド層！！：ｐ型クラッド層によるＤ
Ｈ型半導体レーザにおいて、ｐ型及びｐ型の各クラッド
層の、活性層に接する界面側とその近傍におけるキャリ
ア濃度を、それぞれｎ型キャリア濃度を２〜３×１０１
７ＣＩ１１−３、ｐ型キャリア濃度を３〜４ＸＩＯ”ｃ
ｍ−３に特定することにより、フォトルミネッセンス（
以下ＰＬと記す）発光強度を大として、これにより半導
体レーザにおいて低閾値化及び長寿命化をはかる。

〔従来の技術〕

近年、光ディスク、レーザプリンタ、バーコードリーグ
等の光源として、可視光半導体レーザの要求が高まって
いる。この種の半導体レーザとしてＧａＡｓ基板上に格
子整合するＡＺＧａｌｎＰ系半導体レーザが注目されて
いる。このＡＺＧａｌｎＰ系半導体レーザでは活性層に
（ＡｌｙＧａｒ−ｙ）ｏ、５ｌｎｏ、ｓＰ　（０≦ｙく
１）を用い、クラッド層に活性層よりバンドキー１’フ
プの大である（ＡｌｙＧａｒ−Ｘ）ｏ、５Ｔｎａ、５Ｐ
　（０＜　Ｘ≦１、χ＞ｙ）を用いて構成される。

第７図に従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの一例の
路線的拡大断面図を示す。この半導体レーザ（１０）は
、例えばｎ型のＧａＡｓ基板（１）ｌに、例えばＭＯＣ
ＶＤ　（有機金属気相成長）法により、順次例えば（八
ｌｏ、５Ｇａｏ、ｓ）ｏ、５１ｎｏ、ｓＰよりなるｎ型
クラッド層（２）、アンドープのＧａ６．５ｌｎｏ、　
ｓＰよりなる活性層（３）、例えばキャリア（正孔）濃
度がＩ　Ｘｌ０１８ｃｍ−３程度の（八Ｚｏ、５Ｇａｏ
、ｓ）ｏ、５Ｉｎｏ、ｓＰよりなるｐ型りラ・ンド層（
４）及び例えばｐ型のＧａＡｓよりなるキャップ層（６
）を成長させ、その後キャップ層（６）の中央部にスト
ライブ状のマスクを形成し、Ｐ型クラッド層（４）に達
するように所要のイオンを注入する等して、高抵抗化し
た電流狭窄層（１１）を形成して構成される。

そしてｎ型ＧａＡｓ基板（１）の裏面及びキャップ層（
６）表面に電極（力及び（８）を形成して、半導体レー
ザ（１０）を得る。

このような従来のＩＶＧａｌｎＰ系半導体レーザではＡ
ｌＧａＩｎＰよりなるＰ型クラッド層（４）は、そのキ
ャリア移動度を大とするために、キャリア濃度を例えば
１×１０１１′ｃｍ−３程度の高濃度としていた。

しかしながらこのような半導体レーザ（１０）では室温
連続発振は達成されるが、キャリア濃度が大であるため
にすなわち不純物原子が過剰となって結晶欠陥が発生す
るため、寿命が短く急速に劣化して実用に供することが
できなかった。

このような問題を解決する方法として、本出願人は先に
特開平１−１７５２７８号公報においてｎ型クラット層
（４）のキャリア濃度を低減化して上述したような過剰
な不純物原子による格子欠陥の発生を抑制して長寿命化
をはかるようにしている。

しかしながらこのような構成とした場合においても充分
な低閾値化がはかられない場合がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上述したような課題を解決する。すなわちＤＨ
型のＡｆＧａｌｎＰ系半導体レーザにおいて、ｎ型クラ
ッド層（２）のキャリア濃度や、また活性層（３）のＰ
Ｌ発光強度と各クラッド層（２）及び（４）のキャリア
濃度との関係等光学的特性については未だ検討されてい
ないが、本発明においてはｎ型及びｎ型クラット層（２
）及び（４）を最適なキャリア濃度をもって構成するこ
とにより、ＰＬ発光強度の向上をはかり、より低閾値化
及び長寿命化をはかることができることを究明し、これ
に基づいて低閾値、長寿命のこの種の半導体レーザを提
供するに至ったものである。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明による半導体レーザの路線的拡大断面図を第１図
に示す。

本発明は、ＧａＴｎＰ系活性層（３）と、それぞれへＺ
ＧａｌｎＰ系のｎ型クラッド層（２）とＰ型クラッド層
（４）によるＤ　Ｈ型半導体レーザ（１０）において、
ｎ型及びｐ型の各クラッド層（２）及び（４）の、活性
層（３）に接する界面側とその近傍におけるキャリア濃
度を、ｎ型クラット層（２）におけるｎ型キャリア濃度
を２〜３×１０１１０ｌ７”に、ｎ型クラット層におけ
るｐ型キャリア濃度を３〜４　Ｘｌ０１７ｃｍ−３にす
る。

〔作用〕

ＡＩＧａＩｎＰ系半導体レーザにおいて、各クラット層
のキャリア濃度とＰ　Ｌ発光強度との関係を調べるため
にまず、ＧａＡｓよりなる基板（１）上に形成したＤＨ
型の半導体レーザに対して一様にｎ型の不純物をドープ
、あるいは−様にｐ型の不純物をドープしてこれによる
キャリア濃度を変化させ、ＨｅＮｅガスレーザ（波長６
３３ｎｍ　）により直接励起し、積分強度（ピーク強度
×半値幅）として活性層のＰＬ発光強度を測定した。こ
の半導体レーザは、第２図に路線的拡大断面Ｖを示すよ
うにｎ型のＧａＡｓ基板（１）上に、（八ｌ　ｏ、　５
Ｇａｏ、　ｓ）　ｏ、　、■ｎｏ、５ｐよりなる第１の
クラッド層（１２）と、Ｇａｏ、　５ｌｎｏ、　Ｓｐよ
りなる活性層（３）と、さらに（八ｌｏ、　５Ｇａｏ、
　ｓ）ｏ、　５ｌｎｏ、　Ｓｐよりなる第２のクラッド
層（１４）とをＭＯＣＶＤ法等により形成した。この場
合、ｎ型不純物としてＳｅ　（セレン）を、またｐ型不
純物としてＺｎ　（亜鉛）を用いた。

このｎ型及びｐ型のキャリア濃度とＰ　Ｌ発光強度（積
分強度）との関係を第４図に示す。第４図中線ａはｎ型
不純物をドープした場合、線すはｎ型不純物をドープし
た場合を示す。第４図かられかるようにｎ型不純物を一
様にドープする場合は、これによるキャリア（電子）濃
度が２〜３Ｘ１０”ｃｍ−３のときにＰＬ発光強度が最
大となり、ｎ型不純物を一様にドープする場合は、これ
によるキャリア（正孔）濃度が３〜４　ＸＩＯ”ｃｍ−
３のときにＰＬ発光強度が最大となる。

次にこの現象が活性層（３）のキャリア濃度によるもの
か、クラッド層（１２）及び（１４）のキャリア濃度に
よるものかを調べるために、第３図に路線的拡大断面図
を示すように、基板上にクラッド層のみあるいは活性層
のみの単層よりなる材料層（１５）を形成し、キャリア
濃度を変化させて、Ａｒ＋ガスレーザ（波長４８８ｎｍ
　）により直接励起し、積分強度としてこの材料層（１
５）のＰＬ発光強度の変化を調べた。

この場合ｎ型のＧａＡｓ基板（１）上に、それぞれ（八
Ｚｏ、５Ｇａｏ、ｓ）ｏ、ｓｌｎ＋、ｓＰよりなるクラ
ッド層、またはＧａｏ、　５ｌｎｏ、　ｓＰよりなる活
性層をＭＯＣＶＤ法等により形成して行った。

第５図はこのようにして形成された材料層（１５）にお
けるｎ型キャリア濃度とＰＬ発光強度の関係を示す図で
、線Ｃはクラッド層の場合、線ｄは活性層の場合を示す
。また第６図は各単層におけるｎ型キャリア濃度とＰＬ
発光強度の関係を示す図で、線ｅはクラッド層の場合、
線ｆは活性層の場合を示す。

第４図と、第５図及び第６図とを比較照合すると材料層
（１５）がクラッド層単層の場合は第５図中線Ｃで示す
ようにｎ型キャリア濃度が約２〜３×１０”ｃｍ−３程
度でＰＬ発光強度が最大となり、また第６図中線ｅで示
すようにｎ型キャリア濃度が約３〜４　ＸＩＯ”ｃｍ−
３程度でＰＬ発光強度が最大となり、第４図に示すＤＨ
型構造における活性層のＰＬ発光強度と強い相関関係が
あることがわかる。

一方、材料層（１５）が活性層単層の場合は第５図中線
ｄで示すようにｎ型キャリア濃度が約５×１０”ｃｍ−
３程度までＰＬ発光強度が上昇し続ける。

また第６図中線ｆで示すようにｎ型キャリア濃度が約８
　ＸＩＯ”ｃｍ−３程度でＰＬ発光強度が最大となって
いる。このことから第４図に示すＤＨ型構造における活
性層のＰＬ発光強度とは相関性がないことがわかる。

従って、第１図に示すようなりＨ型のＡＺＧａｌｎＰ系
半導体レーザ（１０）においては、各クラッド層（２）
及び（４）のキャリア濃度を、ｎ型クラッド層（２）に
おいてはそのｎ型キャリア濃度を２〜３　ＸＩＯ”ｃｎ
＋−３２型クラッド層（４）におい？（ヨそのｎ型キャ
リア濃度を３〜４　Ｘｌ０１７ｃｍ−３とすると最適な
キャリア濃度となり、ＰＬ発光強度が最大となる。また
このとき半導体レーザの活性層（３）の近傍数百人の部
分のみを上述の最適キャリア濃度とし、活性層（３）近
傍以外の部分のキャリア濃度を従来通りの比較的大であ
るキャリア濃度とすることにより、キャリア移動度の低
下等の素子特性の低下を伴うことなくＰＬ発光強度の向
上をはかって、これにより低閾値化、長寿命化等の特性
の向上をはかることができる。

〔実施例〕

以下、第１図の断面図を参照して本発明による半導体レ
ーザの詳細な説明をする。

第１図に示すように、例えばｎ型のＧａＡｓよりなる基
板（１）上に、例えば連続的にＭＯＣＶＤ法により、順
次ｎ型のＧａＡｓ等よりなるバッファ層（９）、　（＾
ｈＧａ＋−ｘ）ｏ、５ｌｎｏ、ｓＰ　（０＜　Ｘ≦１）
、例えば（八１．．５Ｇａｏ、　ｓ）　ｏ、　５Ｉｎｏ
、　５Ｐよりなるｎ型クラッド層（２）、これと同組成
のｎ型の低キヤリア濃度クラッド層（２八）、　　（Ａ
ＺｙＧａ＋−ｙ）ｏ、５ｌｎｏ、ｓＰ　　（０≦　ｙ＜
１　　、　ｙ　〈ｘ）、例えばＧａ、）、　５１ｎｏ、
　Ｓｐよりなるアンドープの活性層（３）、（ＡＺｘＧ
ａ＋−ｘ）ｏ、５ｌｎｏ、ｓＰ　（０＜　ｘ≦１）、例
えば（八ｌ　ｏ、　５Ｇａ６．　ｓ）　ｏ、　５ｌｎｏ
、　ｓＰよりなるｎ型の低キヤリア濃度クラッド層（４
＾）、これと同組成のｎ型クラッド層（４）、例えばｎ
型のＧａＩｎＰよりなるキャップ層（５）及びｎ型のＧ
ａＡｓよりなるキャップ層（６）を成長させる。

このときｎ型クラッド層（２）の厚さを例えば１．５μ
ｍ、またＳｉ等のｎ型不純物例えばＳｅの濃度、を４×
１０Ｉ７ｃ１１１−３程度とし、ｎ型低キャリア濃度ク
ラット層（２八）の厚さを例えば５００人、ｎ型不純物
例えばＳｓの濃度を２〜３×１０１７ｃｍ弓例えば２×
１０１７ｃｍとした。

また、ｎ型低キャリア濃度クラ・ンド層（４八）の厚さ
を例えば５００人、Ｍｇ等のｎ型不純物例えばＺｎの濃
度を３〜４×１０Ｉ７１０ｌ７、例えば３　Ｘｌ０１７
ｃｍ−３とし、ｎ型クラッド層（４）の厚さを１．５μ
ｍ、ｎ型不純物例えばＺｎの濃度を５　Ｘｌ０１７ｃｍ
−３程度とした。

そして次に通常のＡ７ＧａｌｎＰ系半導体レーザと同様
に、例えばキャップ層（６）上の中央部にストライプ状
のマスクを形成し、Ｐ型のクラッド層（４）に達するよ
うに所要のイオンを注入する等して高抵抗化された電流
狭窄層（１１）を形成し、この後ｎ型ＧａＡｓ基板（１
）の裏面及びキャップ層（６）表面に電極（７）及び（
８）を形成して、半導体レーザ（１０）を得る。

このように、活性層（３）の近傍数百人例えば５００人
の部分の各クラッド層（２）及び（４）の一部のみをＰ
Ｌ発光強度が最大となるような最適キャリア濃度とした
ことにより、キャリア移動度の低下等の特性の劣化を招
くことなく、ＰＬ発光強度の向上をはかることができ、
上述の構成による半導体レーザにおいて長寿命化がはか
られ、１万時間程度の実用に耐え得ることが確認された
。

なお上述した例においては、各クラッド層（２）及び（
４）の活性層（３）近傍以外のキャリア濃度を、それぞ
れｎ型キャリア濃度を４　Ｘｌ０１７ｃｍ−３、ｎ型キ
ャリア濃度を５　Ｘ１０１７ｃｍ−’としたが、ｎ型キ
ャリア濃度は４×１０１７ｃｍ″３〜１×１０１８ｃｍ
−３程度でよく、ｎ型キャリア濃度は５　ＸＩＯ”ｃｍ
−”〜ｌ　Ｘｌ０１０ｃｍ−３程度でよい。

また上述した例においては、例えば高抵抗層よりなる電
流狭窄層（１１）を設けた場合であるが、Ｐｎ接合、リ
ッジ型構成として電流狭窄効果を得るようにした構成と
する等、種々の態様を採る半導体レーザに本発明を適用
し得る。

Ｃ発明の効果〕 上述したように本発明によるＡｌＧａＴｎＰ系の半導体
レーザ（１０）は、ｎ型及びｎ型の各クラッド層（２）
及び（４）の、活性層（３）に接する界面側とその近傍
における不純物濃度を、それぞれｎ型キャリア濃度を２
〜３　Ｘ１０１７ｃｍ司、ｎ型キャリア濃度を３〜４×
１０１７ｃｍ″３としたことにより、キャリア移動度の
低下等の特性の劣化を招来することなくＰＬ発光強度の
向上をはかって、低閾値及び長寿命の半導体レーザを得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体レーザの路線的拡大断面図
、第２図はＤ）（型半導体レーザの路線的拡大断面図、
第３図は単層構造の路線的拡大断面図、第４図〜第６図
はキャリア濃度とＰＬ発光強度の関係を示す図、第７図
は従来の半導体レーザの路線的拡大断面図である。 （１）は基板、（２）はｎ型クラッド層、（２Ａ）はｎ
型の低キヤリア濃度クラッド層、（３）は活性層、（４
）はＰ型りラッド層、（４Ａ）はｎ型低キャリア濃度０
５７１層、（５）及び（６）ばキャンプ層、（７）及び
（８）は電極、（９）はバッファ層、（１０）は半導体
レーザ、（１１）は電流狭窄層、（１２）及び（１４）
は第１及び第２のクラット層、（１５）は材料層である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＧａＩｎＰ系活性層と、それぞれＡｌＧａＩｎＰ系のｎ
   型クラッド層とｐ型クラッド層によるダブルヘテロ接合
   型半導体レーザにおいて、 上記ｎ型及びｐ型の各クラッド層の、上記活性層に接す
   る界面側とその近傍におけるキャリア濃度を、それぞれ
   ｎ型キャリア濃度を２〜３×１０＾１＾７ｃｍ＾−＾３
   、ｐ型キャリア濃度を３〜４×１０＾１＾７ｃｍ＾−＾
   ３としたこと を特徴とする半導体レーザ。