JPH0997945A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
半導体レーザ素子Info
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- JPH0997945A JPH0997945A JP33954395A JP33954395A JPH0997945A JP H0997945 A JPH0997945 A JP H0997945A JP 33954395 A JP33954395 A JP 33954395A JP 33954395 A JP33954395 A JP 33954395A JP H0997945 A JPH0997945 A JP H0997945A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 活性層へのキャリア閉じ込めを確実にしつ
つ、内部損失および電気抵抗を低く抑えて、高効率で高
出力の半導体レーザ素子を提供する。 【構成】 半導体基板２０上に、順次、第２ｎ型クラッ
ド層１１、第１ｎ型クラッド層１２、ｎ型キャリアブロ
ック層１３、活性層１４、ｐ型キャリアブロック層１
５、第１ｐ型クラッド層１６、第２ｐ型クラッド層１
７、電流狭窄層１８、ｐ型コンタクト層１９が形成され
る。キャリアブロック層１３、１５を１×１０18ｃｍ-3
以上の高ドーピング濃度に、第１クラッド層１２、１６
および第２クラッド層１１、１７を３×１０17ｃｍ-3以
下の低ドーピング濃度に形成している。ｐ型キャリアブ
ロック層１５のドーパントとして、拡散性の低い炭素ま
たはマグネシウムを用いる。
つ、内部損失および電気抵抗を低く抑えて、高効率で高
出力の半導体レーザ素子を提供する。 【構成】 半導体基板２０上に、順次、第２ｎ型クラッ
ド層１１、第１ｎ型クラッド層１２、ｎ型キャリアブロ
ック層１３、活性層１４、ｐ型キャリアブロック層１
５、第１ｐ型クラッド層１６、第２ｐ型クラッド層１
７、電流狭窄層１８、ｐ型コンタクト層１９が形成され
る。キャリアブロック層１３、１５を１×１０18ｃｍ-3
以上の高ドーピング濃度に、第１クラッド層１２、１６
および第２クラッド層１１、１７を３×１０17ｃｍ-3以
下の低ドーピング濃度に形成している。ｐ型キャリアブ
ロック層１５のドーパントとして、拡散性の低い炭素ま
たはマグネシウムを用いる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、通信、レーザプリン
タ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効
率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
タ、レーザ医療、レーザ加工等で好適に用いられ、高効
率で高出力の動作が可能な半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ素子の高出力化を目的とし
て、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリ
アブロック層を設けることによって、キャリアブロック
層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を
大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このよ
うな構造において、キャリアブロック層は注入キャリア
を活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するととも
に、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活
性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側
のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため
半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集
中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベ
ルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現でき
る。
て、活性層の両側に禁制帯幅が大きく厚みの薄いキャリ
アブロック層を設けることによって、キャリアブロック
層の外側に形成されるクラッド層の禁制帯幅の自由度を
大きくした半導体レーザ素子が提案されている。このよ
うな構造において、キャリアブロック層は注入キャリア
を活性層内へ効率的に閉じ込める機能を有するととも
に、キャリアブロック層が薄く形成されているため、活
性層で発生した光がキャリアブロック層を通過して外側
のクラッド層へ容易に漏れ出すことができる。そのため
半導体レーザ素子の出射端面においてレーザ光の局所集
中によって起こる瞬時光学損傷を防止し、端面破壊レベ
ルを高くすることが可能になり、高出力動作を実現でき
る。
【０００３】図８（ａ）はこうした半導体レーザ素子の
一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した
禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）はキャリアブロック層と
活性層が充分に導く導波モードへの影響が無視できる場
合の実効屈折率の分布図である。図８に示す構造は、周
知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、SeparateConfin
ement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め
構造（PerfectＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／
１６５１３）。
一例を示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した
禁制帯幅の分布図、図８（ｃ）はキャリアブロック層と
活性層が充分に導く導波モードへの影響が無視できる場
合の実効屈折率の分布図である。図８に示す構造は、周
知の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ、SeparateConfin
ement Heterostructure）に対して、完全分離閉じ込め
構造（PerfectＳＣＨ）と称する（国際公開ＷＯ９３／
１６５１３）。
【０００４】図８（ａ）においてｎ−ＧａＡｓから成る
半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−
ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重
量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）
６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成
される。
半導体基板（不図示）の上に、順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）１、第１ｎ型クラッド層（ｎ−
ＡｌＧａＡｓ）２、ｎ型キャリアブロック層（ｎ−Ａｌ
ＧａＡｓ）３、活性層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの多重
量子井戸層）４、ｐ型キャリアブロック層（ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓ）５、第１ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）
６、第２ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ）７が形成
される。
【０００５】図８（ｂ）に示すように、各キャリアブロ
ック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド
層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成さ
れているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４
に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャ
リア数が増加して、発振効率が向上する。
ック層３、５の禁制帯幅は、活性層４および各クラッド
層１、２、６、７の何れよりも大きくなるように形成さ
れているため、注入されたキャリアが効率良く活性層４
に閉じ込められる。そのためレーザ発振に寄与するキャ
リア数が増加して、発振効率が向上する。
【０００６】またキャリアブロック層および活性層が十
分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効
的な屈折率分布は図８（ｃ）に示すように、第１ｎ型ク
ラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈
折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッ
ド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成され
ているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広
がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減
少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力
化が可能となる。
分に薄く、導波モードへの影響が無視できるとき、実効
的な屈折率分布は図８（ｃ）に示すように、第１ｎ型ク
ラッド層２から第１ｐ型クラッド層６までの各層が高屈
折率部で、第２ｎ型クラッド層１および第２ｐ型クラッ
ド層７が低屈折率部となるスラブ導波路構造が形成され
ているため、活性層４で発生した光は高屈折率部内に広
がって伝搬する。そのため導波モードのピーク強度が減
少して出射端面での光学損傷が発生し難くなり、高出力
化が可能となる。
【０００７】この他に正孔バリア層を設けたＭＱＷ（多
重量子井戸）−ＤＣＨ（DecoupledConfinement Heteros
tructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ
素子が報告されている。（IEEE journal of quantum el
ectronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
重量子井戸）−ＤＣＨ（DecoupledConfinement Heteros
tructure）構造のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザ
素子が報告されている。（IEEE journal of quantum el
ectronics,vol.29,No.6,JUNE.1993、p1596~1600）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ素子にお
いて高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリア
を活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリ
ア吸収による内部損失の低減が重要である。
いて高効率化および高出力化を図る場合、注入キャリア
を活性層へ効率的に閉じ込めるとともに、フリーキャリ
ア吸収による内部損失の低減が重要である。
【０００９】完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子
では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層
の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に
閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド
層への光の洩れ出しを容易にするため、０．０１〜０．
０５μｍ程度に極めて薄く形成する必要がある。禁制帯
幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層の
ドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全
体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十
分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性
を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャ
リアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要が
ある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用い
られる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素である
ため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリア
ブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に
活性層をノンドープに保ちかつ隣接する極薄のキャリア
ブロック層には高いドーピング濃度を形成することがで
きなかった。また亜鉛が活性層まで拡散することによ
り、発光スペクトルのブロードニングが発生する問題も
あった。
では、注入キャリアは活性層に近接し、禁制帯幅が各層
の中で最も大きいキャリアブロック層によって活性層に
閉じ込められる。このキャリアブロック層は、クラッド
層への光の洩れ出しを容易にするため、０．０１〜０．
０５μｍ程度に極めて薄く形成する必要がある。禁制帯
幅が大きく極めて薄く形成されるキャリアブロック層の
ドーピング濃度が不十分な場合、キャリアブロック層全
体の空乏化が起こり活性層へのキャリア閉じ込めが不十
分となる。したがって高いドーピング効率と低い拡散性
を有するドーピング元素（ドーパント）によって、キャ
リアブロック層のドーピング濃度を高く形成する必要が
ある。ところが従来ｐ型ドーパントとして一般的に用い
られる亜鉛は、バルク内で非常に拡散し易い元素である
ため、製造プロセス中における亜鉛の拡散長がキャリア
ブロック層の厚みよりも桁違いに大きくなり、結果的に
活性層をノンドープに保ちかつ隣接する極薄のキャリア
ブロック層には高いドーピング濃度を形成することがで
きなかった。また亜鉛が活性層まで拡散することによ
り、発光スペクトルのブロードニングが発生する問題も
あった。
【００１０】また、半導体レーザ素子の効率はフリーキ
ャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリ
ーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で
決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きく
なる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必
要最小限に低く形成する必要がある。
ャリア吸収による内部損失に大きく依存する。このフリ
ーキャリア吸収は光が伝搬する各層のドーピング濃度で
決定され、ドーピング濃度が高いほど内部損失が大きく
なる。そのため光が伝搬する各層のドーピング濃度は必
要最小限に低く形成する必要がある。
【００１１】本発明の目的は活性層へのキャリア閉じ込
めを確実にすること、次にこれに加えて内部損失をより
低く抑えることによって高効率で高出力な半導体レーザ
素子を提供することである。
めを確実にすること、次にこれに加えて内部損失をより
低く抑えることによって高効率で高出力な半導体レーザ
素子を提供することである。
【００１２】さらに高出力化の障害となる出射端面での
光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レ
ーザ素子を提供することを目的とする。
光学損傷を抑えて、高出力化を一層容易にする半導体レ
ーザ素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、活性層の両側
にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接
して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上
の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型
キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザ素子
において、ｐ型キャリアブロック層のドーパントが炭素
またはマグネシウムであることを特徴とする半導体レー
ザ素子である。 また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のド
ーピング量は、キャリアブロック層に隣接するｎ型およ
びｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピング
量よりも大きくなるような変調ドーピングを施したこと
を特徴とする。また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリア
ブロック層は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリアブロッ
ク層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層のうち、少な
くとも一方は３×１０17ｃｍ-3以下になるような変調ド
ーピングを施したことを特徴とする。 また本発明は、ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活
性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含
み、πを円周率とし、λを発振波長とし、第１クラッド
層の最大屈折率をＮ１および第２クラッド層間の実効厚
みをｄ１とし、第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、 Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5 と定義したとき Ｖ＞π／３ となることを特徴とする。 ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は最大屈折
率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈
折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実
効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置
（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラ
ッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型
クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、
次の式で求められる。
にｎ型およびｐ型クラッド層を設け、前記活性層に近接
して前記活性層および前記両クラッド層の禁制帯幅以上
の禁制帯幅を有するｎ型キャリアブロック層およびｐ型
キャリアブロック層をそれぞれ設けた半導体レーザ素子
において、ｐ型キャリアブロック層のドーパントが炭素
またはマグネシウムであることを特徴とする半導体レー
ザ素子である。 また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のド
ーピング量は、キャリアブロック層に隣接するｎ型およ
びｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピング
量よりも大きくなるような変調ドーピングを施したこと
を特徴とする。また本発明は、ｎ型およびｐ型キャリア
ブロック層は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリアブロッ
ク層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層のうち、少な
くとも一方は３×１０17ｃｍ-3以下になるような変調ド
ーピングを施したことを特徴とする。 また本発明は、ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活
性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含
み、πを円周率とし、λを発振波長とし、第１クラッド
層の最大屈折率をＮ１および第２クラッド層間の実効厚
みをｄ１とし、第２クラッド層の屈折率をＮ２とし、 Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5 と定義したとき Ｖ＞π／３ となることを特徴とする。 ここで第１クラッド層の屈折率が一定の場合は最大屈折
率Ｎ１はその一定値をとるが、第１クラッド層の中で屈
折率が分布を持つ場合はその最大値を意味する。また実
効厚みｄ１は、前記両第２クラッド層間の任意の位置
（ｘ）における屈折率をＮｗ（ｘ）とし、第２ｎ型クラ
ッド層の活性層に近い界面の位置をｘ１および第２ｐ型
クラッド層の活性層に近い界面の位置をｘ２とすると、
次の式で求められる。
【００１４】
【数１】
【００１５】また本発明は、キャリアブロック層および
クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されて
いることを特徴とする。 また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層
は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とする。
クラッド層は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されて
いることを特徴とする。 また本発明は、キャリアブロック層およびクラッド層
は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とする。
【００１６】
【作用】本発明に従えば、ｐ型キャリアブロック層に対
し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素また
はマグネシウムをドーパントとして用いることによっ
て、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加す
ることが可能となり、キャリアブロック層が極めて薄い
場合であっても、製造プロセス中に発生するドーパント
の拡散を事実上無視できる程に抑えることができる。す
なわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元
素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長
はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほ
ど小さくなる。その結果、ノンドープの活性層に隣接し
たキャリアブロック層が極薄であっても高いドーピング
濃度を形成することができる。
し、高いドーピング効率と低い拡散性を有する炭素また
はマグネシウムをドーパントとして用いることによっ
て、製造プロセスにおいてドーパントを高濃度に添加す
ることが可能となり、キャリアブロック層が極めて薄い
場合であっても、製造プロセス中に発生するドーパント
の拡散を事実上無視できる程に抑えることができる。す
なわち炭素やマグネシウムはバルク内で拡散しにくい元
素であるため、製造プロセス中における各元素の拡散長
はキャリアブロック層の厚みよりも事実上無視できるほ
ど小さくなる。その結果、ノンドープの活性層に隣接し
たキャリアブロック層が極薄であっても高いドーピング
濃度を形成することができる。
【００１７】また、活性層領域をノンドープにして、そ
れに隣接するｎ型、ｐ型各キャリアブロック層１３、１
５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、
キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制さ
れ、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、
注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めること
ができる。従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるの
が一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易
い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散
長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくな
り、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピ
ング濃度を形成することができなかった。また活性層ま
で拡散した亜鉛により発光スペクトルのブロードニング
が生じる問題もあった。
れに隣接するｎ型、ｐ型各キャリアブロック層１３、１
５のドーピング濃度を高濃度に形成することによって、
キャリアブロック層１３、１５全体の空乏化が抑制さ
れ、充分なポテンシャル障壁の高さを維持できるため、
注入キャリアを活性層１４内に効率良く閉じ込めること
ができる。従来はｐ型ドーパントとして亜鉛を用いるの
が一般的であったが、亜鉛はバルク内で非常に拡散し易
い元素であるため、製造プロセス中における亜鉛の拡散
長がキャリアブロック層の厚みよりも桁違いに大きくな
り、結果的に極薄のキャリアブロック層には高いドーピ
ング濃度を形成することができなかった。また活性層ま
で拡散した亜鉛により発光スペクトルのブロードニング
が生じる問題もあった。
【００１８】本発明によれば、特に、キャリアブロック
層を例えば０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形
成した場合であっても、ドーパントとして拡散性の低い
炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述の
ようなステップドーピングを容易に実現できる。したが
って、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、
発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振
閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効
率が向上する。
層を例えば０．０１〜０．０３μｍ程度に極めて薄く形
成した場合であっても、ドーパントとして拡散性の低い
炭素またはマグネシウムを用いることによって、前述の
ようなステップドーピングを容易に実現できる。したが
って、キャリアブロックの効果が十分発揮されるため、
発光再結合に寄与しない無効電流が格段に減少し、発振
閾値の温度依存性（特性温度）が向上してレーザ発振効
率が向上する。
【００１９】ちなみに、ＧａＡｓ内での各元素の拡散定
数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ
（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×
１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）、亜鉛Ｚ
ｎが３．２×１０-8ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献
２）という報告例がある。（文献１：Journal VacuumSc
ience Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、
文献２：JournalAppl. Phys.59(4),15(1986)1156)。こ
のように亜鉛に比べて炭素は７桁、マグネシウムは５桁
のオーダで拡散性が低い。したがって炭素がより好まし
い。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
数は、ある条件下で炭素Ｃが１×１０-15ｃｍ2／ｓｅｃ
（９００℃）（文献１）、マグネシウムＭｇが１．４×
１０-13ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献２）、亜鉛Ｚ
ｎが３．２×１０-8ｃｍ2／ｓｅｃ（９００℃）（文献
２）という報告例がある。（文献１：Journal VacuumSc
ience Technology A. Vol8,No3,May/Jun 1990 p2980、
文献２：JournalAppl. Phys.59(4),15(1986)1156)。こ
のように亜鉛に比べて炭素は７桁、マグネシウムは５桁
のオーダで拡散性が低い。したがって炭素がより好まし
い。なお拡散長は、拡散定数の平方根に比例する。
【００２０】図２は、ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型
ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。こ
のグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛
はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる
傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組
成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター
準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック
層１５の電子に対するポテンシャル障壁を高くすること
ができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。
ドーパントのアクセプター準位を示すグラフである。こ
のグラフは横軸をＡｌ組成ｘの変化で示している。亜鉛
はＡｌ組成が多くなるほどアクセプター準位が深くなる
傾向があるのに対して、炭素やマグネシウムは、Ａｌ組
成ｘが変化しても全体として亜鉛より浅いアクセプター
準位を形成する元素であるため、ｐ型キャリアブロック
層１５の電子に対するポテンシャル障壁を高くすること
ができ、キャリア閉じ込め作用が大きくなる。
【００２１】また、ｎ型およびｐ型キャリアブロック層
のドーピングは、キャリアブロック層に隣接するｎ型お
よびｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピン
グよりも高濃度になるような変調ドーピングを施すこと
によって、キャリアブロック層による活性層へのキャリ
ア閉じ込めが確実に行われ、しかも光が伝搬するクラッ
ド層のフリーキャリア濃度が低減化できるため内部損失
を低く抑えることができる。その際、ｎ型およびｐ型キ
ャリアブロック層は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリア
ブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層は３×
１０17ｃｍ-3以下の変調ドーピングであればキャリア閉
じ込め機能を十分に発揮しながら内部損失を低く抑える
ことができる。なお、各キャリアブロック層への過度な
ドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化
を招くのでドーピング量の上限は、１×１０19ｃｍ-3が
好ましい。また、各クラッド層のドーピング量の下限
は、電気抵抗をあまり大きくしないため１×１０16ｃｍ
-3が好ましい。
のドーピングは、キャリアブロック層に隣接するｎ型お
よびｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピン
グよりも高濃度になるような変調ドーピングを施すこと
によって、キャリアブロック層による活性層へのキャリ
ア閉じ込めが確実に行われ、しかも光が伝搬するクラッ
ド層のフリーキャリア濃度が低減化できるため内部損失
を低く抑えることができる。その際、ｎ型およびｐ型キ
ャリアブロック層は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリア
ブロック層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層は３×
１０17ｃｍ-3以下の変調ドーピングであればキャリア閉
じ込め機能を十分に発揮しながら内部損失を低く抑える
ことができる。なお、各キャリアブロック層への過度な
ドーピングはフリーキャリア吸収の増大や結晶性の劣化
を招くのでドーピング量の上限は、１×１０19ｃｍ-3が
好ましい。また、各クラッド層のドーピング量の下限
は、電気抵抗をあまり大きくしないため１×１０16ｃｍ
-3が好ましい。
【００２２】炭素またはマグネシウムをドーピングする
ことによって、活性層に隣接したキャリアブロック層を
導波モードに影響しない程度まで薄く形成することが初
めて可能となる。
ことによって、活性層に隣接したキャリアブロック層を
導波モードに影響しない程度まで薄く形成することが初
めて可能となる。
【００２３】したがってｎ型およびｐ型クラッド層を活
性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という
複数層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層に
はさまれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド
層からなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大き
く形成することによって導波モードを理想とするガウス
型に近づけることが可能となる。また活性層領域での導
波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出
射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能に
なる。またマルチモード化しないためには、規格化周波
数Ｖは２π以下であることが好ましい。
性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層という
複数層のクラッド層で構成し、さらに第２クラッド層に
はさまれる活性層、キャリアブロック層、第１クラッド
層からなる光導波路の規格化周波数Ｖをπ／３より大き
く形成することによって導波モードを理想とするガウス
型に近づけることが可能となる。また活性層領域での導
波モードのピーク強度が減少し、半導体レーザ素子の出
射端面での光学損傷レベルをより高くすることが可能に
なる。またマルチモード化しないためには、規格化周波
数Ｖは２π以下であることが好ましい。
【００２４】また、キャリアブロック層およびクラッド
層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることに
よって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保
たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高
く形成できる。
層はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることに
よって、炭素またはマグネシウムの拡散性がより低く保
たれるため、キャリアブロック層のドーピング濃度を高
く形成できる。
【００２５】また、キャリアブロック層およびクラッド
層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ま
しく、その場合、図２に示すように、炭素およびマグネ
シウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャ
リアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しか
も高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブ
ロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成することが好ま
しく、その場合、図２に示すように、炭素およびマグネ
シウムが形成するアクセプタ準位が浅くなるため、キャ
リアブロック層のポテンシャル障壁を高くできる。しか
も高いドーピング効率と低い拡散性によってキャリアブ
ロック層のドーピング濃度を高く形成できる。
【００２６】
（実施例１）図１（ａ）は本発明の第１実施例の構成を
示す断面図である。
示す断面図である。
【００２７】この半導体レーザ素子において、半導体基
板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロ
ック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層
（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.6 9
Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層
（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型
クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第
２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセ
プター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１
７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層
（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3
〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶ
Ｄ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここでド
ナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層
以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープ
したものである。
板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロ
ック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層
（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.6 9
Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層
（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型
クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター
濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第
２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセ
プター濃度：１×１０18ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１
７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層
（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3
〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶ
Ｄ（有機金属気相成長法）で形成されている。ここでド
ナーはＳｅをドープ，アクセプターはｐ型コンタクト層
以外はＣをドープし、ｐ型コンタクト層はＺｎをドープ
したものである。
【００２８】ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体
基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれ
ぞれ形成される。
基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれ
ぞれ形成される。
【００２９】図１（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から
第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の
分布図である。
第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の
分布図である。
【００３０】注目すべき点は、ｐ型キャリアブロック層
１５のドーパントとして炭素を用いている点である。
１５のドーパントとして炭素を用いている点である。
【００３１】比較例１はアクセプターがすべて亜鉛をド
ープしたものであり、その他の点は実施例１と同じ構成
である。
ープしたものであり、その他の点は実施例１と同じ構成
である。
【００３２】図３および図４は、ＭＯＣＶＤで作製した
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子の活性層近傍
における各種元素の濃度分布グラフである。図３は、実
施例１に相当し、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用
いている。図４は、比較例１に相当し、ｐ型ドーパント
として亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型
ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図
３と図４に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成した
サンプルで図３は実施例１のサンプルとｐ型キャリアブ
ロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡ
ｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図４のサンプル
は比較例１のサンプルと、ｐ型キャリアブロック層がＡ
ｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ
0.70Ａｓである点が異なっている。
完全分離閉じ込め構造の半導体レーザ素子の活性層近傍
における各種元素の濃度分布グラフである。図３は、実
施例１に相当し、ｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用
いている。図４は、比較例１に相当し、ｐ型ドーパント
として亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらもｎ型
ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。なお、図
３と図４に用いたサンプルは濃度分布測定用に作成した
サンプルで図３は実施例１のサンプルとｐ型キャリアブ
ロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡ
ｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図４のサンプル
は比較例１のサンプルと、ｐ型キャリアブロック層がＡ
ｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇａ
0.70Ａｓである点が異なっている。
【００３３】これらのグラフは、ＳＩＭＳ（Secondary
Ion Mass Spectrometry)による測定結果を横軸に層厚方
向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって
示したものである。ここで、深さＤ１はｐ型キャリアブ
ロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロ
ック層の位置に対応している。
Ion Mass Spectrometry)による測定結果を横軸に層厚方
向の深さ、縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって
示したものである。ここで、深さＤ１はｐ型キャリアブ
ロック層の位置に対応し、深さＤ２はｎ型キャリアブロ
ック層の位置に対応している。
【００３４】まず、図３のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ
１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．
３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．
６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ
２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ
２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３
となるようにそれぞれ形成されている。また、Ａｌ組成
ｘは禁制帯幅の大きさに対応しており、活性層で禁制帯
幅は極小になり、両側のキャリアブロック層で極大にな
っている。なお、活性層は二重量子井戸であるため複数
の凹凸が現れるべきであるが、ＳＩＭＳの分解能によっ
て鈍っている。
１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．
３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．
６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ
２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ
２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３
となるようにそれぞれ形成されている。また、Ａｌ組成
ｘは禁制帯幅の大きさに対応しており、活性層で禁制帯
幅は極小になり、両側のキャリアブロック層で極大にな
っている。なお、活性層は二重量子井戸であるため複数
の凹凸が現れるべきであるが、ＳＩＭＳの分解能によっ
て鈍っている。
【００３５】図３の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さ
Ｄ１より浅い領域でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２
より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成
されている。
Ｄ１より浅い領域でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２
より深い領域で炭素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成
されている。
【００３６】図３のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深
さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深
さＤ１より深い領域でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3となるよ
うにそれぞれ形成されている。
さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深
さＤ１より深い領域でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3となるよ
うにそれぞれ形成されている。
【００３７】次に、図４のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度
ｄｓに関して、図３と同様なグラフが得られ、両者はほ
ぼ一致している。
ｄｓに関して、図３と同様なグラフが得られ、両者はほ
ぼ一致している。
【００３８】しかし、図４の亜鉛の元素濃度ｄｚに関し
て、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝１×１０18ｃｍ-3と
なるが、深さＤ１に向かって深くなるにつれて徐々に減
少し、深さＤ１では濃度ピークが半減している。このよ
うに亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場
合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング
濃度を高く形成することが難しいことが判る。さらに活
性層が亜鉛に汚染されていることも判る。
て、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝１×１０18ｃｍ-3と
なるが、深さＤ１に向かって深くなるにつれて徐々に減
少し、深さＤ１では濃度ピークが半減している。このよ
うに亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場
合には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング
濃度を高く形成することが難しいことが判る。さらに活
性層が亜鉛に汚染されていることも判る。
【００３９】これに対し、炭素は拡散性の低い元素であ
るため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であ
っても、充分高いドーピング濃度を形成することがで
き、層全体の空乏化を防止できる。また、マグネシウム
についても炭素と同様なグラフが得られる。
るため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であ
っても、充分高いドーピング濃度を形成することがで
き、層全体の空乏化を防止できる。また、マグネシウム
についても炭素と同様なグラフが得られる。
【００４０】なお、実施例１と比較例１とを比較するた
め、素子の特性温度、内部損失を測定した結果を下記
（表１）に示す。両者とも層構成、Ａｌ組成ｘ、ドーピ
ング濃度が同じで、比較例１はｐ型キャリアブロック層
１５のドーパントとして亜鉛を用いている点だけが実施
例１と異なる。なお、その他の条件として、半導体レー
ザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ
幅５０μｍ、光学コーティング無しについても同じであ
る。その結果、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は
１２０Ｋから１４０Ｋに改善されることが確認された。
これはドーパントを亜鉛にくらべて拡散がはるかに小さ
い炭素にすることにより、キャリアブロック層を意図し
た濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に
比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができ
たためと考えられる。
め、素子の特性温度、内部損失を測定した結果を下記
（表１）に示す。両者とも層構成、Ａｌ組成ｘ、ドーピ
ング濃度が同じで、比較例１はｐ型キャリアブロック層
１５のドーパントとして亜鉛を用いている点だけが実施
例１と異なる。なお、その他の条件として、半導体レー
ザ素子のキャビティ長７００μｍ、電流注入ストライプ
幅５０μｍ、光学コーティング無しについても同じであ
る。その結果、発振閾値の温度依存性を示す特性温度は
１２０Ｋから１４０Ｋに改善されることが確認された。
これはドーパントを亜鉛にくらべて拡散がはるかに小さ
い炭素にすることにより、キャリアブロック層を意図し
た濃度に維持することができ、そのために亜鉛の場合に
比べてキャリアを活性層に確実に閉じ込めることができ
たためと考えられる。
【００４１】
【表１】
【００４２】（実施例２）図５（ａ）は本発明の第２実
施例の構成を示す断面図である。
施例の構成を示す断面図である。
【００４３】この半導体レーザ素子において、半導体基
板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０
17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０
17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロ
ック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層
（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69
Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層
（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型
クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター
濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第
２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセ
プター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１
７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層
（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3
〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶ
Ｄで形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，ア
クセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ
型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
板（ｎ−ＧａＡｓ）２０の上に順次、第２ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、ドナー濃度：３×１０
17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１１、第１ｎ型クラッド
層（ｎ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、ドナー濃度：３×１０
17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１２、ｎ型キャリアブロ
ック層（ｎ−Ａｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、ドナー濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０１４μｍ）１３、活性層
（ＤＱＷ：二重量子井戸、ＧａＡｓ／Ａｌ0.31Ｇａ0.69
Ａｓ、ドーピング無し）１４、ｐ型キャリアブロック層
（ｐ−Ａｌ0.50Ｇａ0.50Ａｓ、アクセプター濃度：１×
１０18ｃｍ-3、厚み：０．０２１μｍ）１５、第１ｐ型
クラッド層（ｐ−Ａｌ0.31Ｇａ0.69Ａｓ、アクセプター
濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．４μｍ）１６、第
２ｐ型クラッド層（ｐ−Ａｌ0.48Ｇａ0.52Ａｓ、アクセ
プター濃度：３×１０17ｃｍ-3、厚み：０．７μｍ）１
７、電流狭窄層（ｎ−ＧａＡｓ、ドナー濃度：１×１０
18ｃｍ-3、厚み：０．３μｍ）１８、ｐ型コンタクト層
（ｐ−ＧａＡｓ、アクセプター濃度：３×１０17ｃｍ-3
〜１×１０19ｃｍ-3、厚み：２μｍ）１９が、ＭＯＣＶ
Ｄで形成されている。ここでドナーはＳｅをドープ，ア
クセプターはｐ型コンタクト層以外はＣをドープし、ｐ
型コンタクト層はＺｎをドープしたものである。
【００４４】ｐ型コンタクト層１９の上面および半導体
基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれ
ぞれ形成される。
基板２０の下面には、オーミック電極２１、２２がそれ
ぞれ形成される。
【００４５】図５（ｂ）は第２ｎ型クラッド層１１から
第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の
分布図である。注目すべき点は、図５（ｂ）に示すよう
に、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ
型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１
０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第２ｎ型
クラッド層１１および第１ｎ型クラッド層１２のドナー
濃度ならびに第１ｐ型クラッド層１６および第２ｐ型ク
ラッド層１７のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3ま
たはそれ以下の低濃度に形成して、いわゆる変調ドーピ
ングを施している点である。
第２ｐ型クラッド層１７までの各層のドーピング濃度の
分布図である。注目すべき点は、図５（ｂ）に示すよう
に、ｎ型キャリアブロック層１３のドナー濃度およびｐ
型キャリアブロック層１５のアクセプター濃度を１×１
０18ｃｍ-3またはそれ以上の高濃度に形成し、第２ｎ型
クラッド層１１および第１ｎ型クラッド層１２のドナー
濃度ならびに第１ｐ型クラッド層１６および第２ｐ型ク
ラッド層１７のアクセプター濃度を３×１０17ｃｍ-3ま
たはそれ以下の低濃度に形成して、いわゆる変調ドーピ
ングを施している点である。
【００４６】各キャリアブロック層１３、１５のドーピ
ング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブ
ロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポ
テンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリア
を活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。ま
た、光が漏れだしている領域、すなわち各クラッド層１
１、１２、１６、１７のドーピング濃度を低濃度に形成
することによって、光のフリーキャリア吸収が減少し
て、レーザ発振効率が向上する。
ング濃度を高濃度に形成することによって、キャリアブ
ロック層１３、１５全体の空乏化が抑制され、充分なポ
テンシャル障壁の高さを維持できるため、注入キャリア
を活性層１４内に効率良く閉じ込めることができる。ま
た、光が漏れだしている領域、すなわち各クラッド層１
１、１２、１６、１７のドーピング濃度を低濃度に形成
することによって、光のフリーキャリア吸収が減少し
て、レーザ発振効率が向上する。
【００４７】実施例２の素子についても同様に、キャビ
ティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光
学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失
を測定した結果を上記（表１）に示す。実施例１と比べ
て、特性温度は変化しないが、内部損失が１／５になり
大幅に改善されていることが判る。
ティ長７００μｍ、電流注入ストライプ幅５０μｍ、光
学コーティング無しという条件で、特性温度、内部損失
を測定した結果を上記（表１）に示す。実施例１と比べ
て、特性温度は変化しないが、内部損失が１／５になり
大幅に改善されていることが判る。
【００４８】比較例２はアクセプターがすべて亜鉛をド
ープしたものであり、その他の点は実施例２と同じ構成
である。
ープしたものであり、その他の点は実施例２と同じ構成
である。
【００４９】図６は、実施例２に相当するサンプルの活
性層近傍における各種元素の濃度分布グラフであり、ｐ
型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図７は、
比較例２に相当するサンプルのものであり、ｐ型ドーパ
ントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらも
ｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。な
お、図６と図７に用いたサンプルは濃度分布測定用に作
成したサンプルで図６は実施例２のサンプルとｐ型キャ
リアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド
層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図７のサ
ンプルは比較例２のサンプルとｐ型キャリアブロック層
がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇ
ａ0.70Ａｓである点が異なっている。
性層近傍における各種元素の濃度分布グラフであり、ｐ
型ドーパントとして炭素（Ｃ）を用いている。図７は、
比較例２に相当するサンプルのものであり、ｐ型ドーパ
ントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いている。また、どちらも
ｎ型ドーパントにはセレン（Ｓｅ）を用いている。な
お、図６と図７に用いたサンプルは濃度分布測定用に作
成したサンプルで図６は実施例２のサンプルとｐ型キャ
リアブロック層がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド
層がＡｌ0.30Ｇａ0.70Ａｓである点が異なり、図７のサ
ンプルは比較例２のサンプルとｐ型キャリアブロック層
がＡｌ0.60Ｇａ0.40Ａｓ、第１クラッド層がＡｌ0.30Ｇ
ａ0.70Ａｓである点が異なっている。
【００５０】これらのグラフは、図３および図４と同様
に、ＳＩＭＳによる測定結果を横軸に層厚方向の深さ、
縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示してい
る。深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応
し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応し
ている。
に、ＳＩＭＳによる測定結果を横軸に層厚方向の深さ、
縦軸に元素濃度に対応する信号強度をとって示してい
る。深さＤ１はｐ型キャリアブロック層の位置に対応
し、深さＤ２はｎ型キャリアブロック層の位置に対応し
ている。
【００５１】まず、図６のＡｌ組成ｘに関して、深さＤ
１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．
３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．
６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ
２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ
２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３
となるようにそれぞれ形成されている。
１より浅い領域である第１ｐ型クラッド層でｘ＝０．
３、深さＤ１であるｐ型キャリアブロック層でｘ＝０．
６、深さＤ１とＤ２の間の活性層でｘ＜０．３、深さＤ
２であるｎ型キャリアブロック層でｘ＝０．６、深さＤ
２より深い領域である第１ｎ型クラッド層でｘ＝０．３
となるようにそれぞれ形成されている。
【００５２】図６の炭素の元素濃度ｄｃに関して、深さ
Ｄ１より浅い領域でｄｃ＝３×１０17ｃｍ-3、深さＤ２
でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域で炭
素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
Ｄ１より浅い領域でｄｃ＝３×１０17ｃｍ-3、深さＤ２
でｄｃ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領域で炭
素濃度が殆ど無いようにそれぞれ形成されている。
【００５３】図６のセレンの元素濃度ｄｓに関して、深
さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深
さＤ２でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領
域でｄｓ＝３×１０17ｃｍ-3となるようにそれぞれ形成
されている。
さＤ２より浅い領域でセレン濃度が殆ど無いように、深
さＤ２でｄｓ＝１×１０18ｃｍ-3、深さＤ２より深い領
域でｄｓ＝３×１０17ｃｍ-3となるようにそれぞれ形成
されている。
【００５４】次に、図７のＡｌ組成ｘおよびセレン濃度
ｄｓに関して、図６と同様なグラフが得られ、両者はほ
ぼ一致している。
ｄｓに関して、図６と同様なグラフが得られ、両者はほ
ぼ一致している。
【００５５】しかし、図７の亜鉛の元素濃度ｄｚに関し
て、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝３×１０17ｃｍ-3と
なるが、深さＤ１近傍から深くなるにつれて徐々に減少
し、深さＤ１では濃度ピークが現れていない。このよう
に亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合
には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃
度を高く形成することが難しいことが判る。
て、深さＤ１より浅い領域でｄｚ＝３×１０17ｃｍ-3と
なるが、深さＤ１近傍から深くなるにつれて徐々に減少
し、深さＤ１では濃度ピークが現れていない。このよう
に亜鉛は拡散性が高く、キャリアブロック層が薄い場合
には亜鉛が他の層へ拡散してしまうため、ドーピング濃
度を高く形成することが難しいことが判る。
【００５６】これに対し、炭素は拡散性の低い元素であ
るため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であ
っても、ほぼ理想的な変調ドーピングを実現することが
できる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグ
ラフが得られる。
るため、キャリアブロック層１５が極めて薄い場合であ
っても、ほぼ理想的な変調ドーピングを実現することが
できる。また、マグネシウムについても炭素と同様なグ
ラフが得られる。
【００５７】実施例２および比較例２の各素子について
も同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライ
プ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特
性温度、内部損失および測定した結果を上記（表１）に
示す。比較例２のサンプル構成は実施例２のサンプル構
成で、アクセプターとして亜鉛をドープした点だけが異
なる。実施例２は、比較例２と比べて、特性温度が９０
Ｋから１４０Ｋに大幅に改善されていることが判る。
も同様に、キャビティ長７００μｍ、電流注入ストライ
プ幅５０μｍ、光学コーティング無しという条件で、特
性温度、内部損失および測定した結果を上記（表１）に
示す。比較例２のサンプル構成は実施例２のサンプル構
成で、アクセプターとして亜鉛をドープした点だけが異
なる。実施例２は、比較例２と比べて、特性温度が９０
Ｋから１４０Ｋに大幅に改善されていることが判る。
【００５８】実施例１と実施例２の規格化周波数Ｖはπ
である。規格化周波数がπ／３より小さくても本発明の
目的は達せられるが、規格化周波数がπ／３以上であれ
ば、出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層
容易になるので、π／３以上がより好ましい。
である。規格化周波数がπ／３より小さくても本発明の
目的は達せられるが、規格化周波数がπ／３以上であれ
ば、出射端面での光学損傷が抑制されて高出力化が一層
容易になるので、π／３以上がより好ましい。
【００５９】なお、実施例２は第１クラッド層と第２ク
ラッド層ともに低濃度にしているが、活性層に近い第１
クラッド層だけを低濃度にしてもよい。
ラッド層ともに低濃度にしているが、活性層に近い第１
クラッド層だけを低濃度にしてもよい。
【００６０】以上の説明において、半導体レーザ素子の
材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示した
が、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能す
る材料であれば本発明を適用することができる。
材料としてＡｌＧａＡｓ系半導体を用いる例を示した
が、炭素やマグネシウムがｐ型ドーパントとして機能す
る材料であれば本発明を適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、ｐ
型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマ
グネシウムを用いることによって、キャリアブロック層
が薄い場合であっても、充分なドーピング濃度を実現で
きる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキ
ャリア閉じ込めが確実に行われる。これは特性温度の向
上に寄与する。また量子井戸層にドーパントが拡散する
ことがないため、発光スペクトルのブロードニングを防
ぐことができる。
型キャリアブロック層のドーパントとして炭素またはマ
グネシウムを用いることによって、キャリアブロック層
が薄い場合であっても、充分なドーピング濃度を実現で
きる。そのためキャリアブロック層による活性層へのキ
ャリア閉じ込めが確実に行われる。これは特性温度の向
上に寄与する。また量子井戸層にドーパントが拡散する
ことがないため、発光スペクトルのブロードニングを防
ぐことができる。
【００６２】また、光が伝搬するクラッド層のフリーキ
ャリア濃度を低減化できるため、内部損失を低く抑える
ことができる。
ャリア濃度を低減化できるため、内部損失を低く抑える
ことができる。
【００６３】さらに出射端面での光学損傷を抑制でき、
より高出力化できる。
より高出力化できる。
【００６４】こうして完全分離閉じ込め構造の半導体レ
ーザ素子において、高効率化および高出力化を図ること
ができる。
ーザ素子において、高効率化および高出力化を図ること
ができる。
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施例の構成を示す
断面図であり、図１（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第
２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図
である。
断面図であり、図１（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第
２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図
である。
【図２】ＡｌＧａＡｓ中における各種ｐ型ドーパントの
アクセプター準位を示すグラフである。
アクセプター準位を示すグラフである。
【図３】ｐ型ドーパントとして炭素を用いた実施例１に
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
【図４】ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例１に
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
【図５】図５（ａ）は本発明の第２実施例の構成を示す
断面図であり、図５（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第
２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図
である。
断面図であり、図５（ｂ）は第１ｎ型クラッド層から第
２ｐ型クラッド層までの各層のドーピング濃度の分布図
である。
【図６】ｐ型ドーパントとして炭素を用いた実施例２に
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
【図７】ｐ型ドーパントとして亜鉛を用いた比較例２に
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
相当するサンプルの活性層近傍における各種元素の濃度
分布グラフである。
【図８】図８（ａ）は従来の半導体レーザ素子の一例を
示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯
幅の分布図、図８（ｃ）は実効屈折率の分布図である。
示す断面図であり、図８（ｂ）は各層に対応した禁制帯
幅の分布図、図８（ｃ）は実効屈折率の分布図である。
１１ 第２ｎ型クラッド層 １２ 第１ｎ型クラッド層 １３ ｎ型キャリアブロック層 １４ 活性層 １５ ｐ型キャリアブロック層 １６ 第１ｐ型クラッド層 １７ 第２ｐ型クラッド層 １８ 電流狭窄層 １９ ｐ型コンタクト層 ２０ 半導体基板 ２１、２２ オーミック電極
Claims (6)
- 【請求項１】 活性層の両側にｎ型およびｐ型クラッド
層を設け、前記活性層に近接して前記活性層および前記
両クラッド層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するｎ型キ
ャリアブロック層およびｐ型キャリアブロック層をそれ
ぞれ設けた半導体レーザ素子において、ｐ型キャリアブ
ロック層のドーパントが炭素またはマグネシウムである
ことを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項２】 ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のド
ーピング量は、キャリアブロック層に隣接するｎ型およ
びｐ型クラッド層のうち、少なくとも一方のドーピング
量より大きくなるような変調ドーピングを施したことを
特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】 ｎ型およびｐ型キャリアブロック層のド
ーピング量は１×１０18ｃｍ-3以上に、キャリアブロッ
ク層に隣接するｎ型およびｐ型クラッド層のうち、少な
くとも一方のドーピング量は３×１０17ｃｍ-3以下にな
るような変調ドーピングを施したことを特徴とする請求
項２記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】 ｎ型およびｐ型クラッド層はそれぞれ活
性層に近い順に第１クラッド層と第２クラッド層を含
み、 πを円周率とし、λを発振波長とし、第１クラッド層の
最大屈折率をＮ１、第２クラッド層の屈折率をＮ２と
し、第２クラッド層間の実効厚みをｄ１とし、規格化周
波数Ｖを Ｖ＝（π・ｄ１／λ）・（Ｎ１2 −Ｎ２2 ）0.5 と定義したとき Ｖ＞π／３ となることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の
半導体レーザ素子。 - 【請求項５】 キャリアブロック層およびクラッド層
は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されていることを
特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の半導体レーザ
素子。 - 【請求項６】 キャリアブロック層およびクラッド層
は、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体で形成されていること
を特徴とする請求項５記載の半導体レーザ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33954395A JP3645343B2 (ja) | 1994-12-28 | 1995-12-26 | 半導体レーザ素子 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6-329031 | 1994-12-28 | ||
| JP32903194 | 1994-12-28 | ||
| JP7-186072 | 1995-07-21 | ||
| JP18607295 | 1995-07-21 | ||
| JP33954395A JP3645343B2 (ja) | 1994-12-28 | 1995-12-26 | 半導体レーザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0997945A true JPH0997945A (ja) | 1997-04-08 |
| JP3645343B2 JP3645343B2 (ja) | 2005-05-11 |
Family
ID=27325678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33954395A Expired - Lifetime JP3645343B2 (ja) | 1994-12-28 | 1995-12-26 | 半導体レーザ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3645343B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6301281B1 (en) * | 1998-08-31 | 2001-10-09 | Agilent Technologies, Inc. | Semiconductor laser having co-doped distributed bragg reflectors |
| US9502863B2 (en) | 2014-08-26 | 2016-11-22 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Surface-emitting semiconductor laser, surface-emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device |
| JP2020501355A (ja) * | 2016-12-01 | 2020-01-16 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＯｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ | 放射線放出半導体ボディ、および半導体積層体の製造方法 |
-
1995
- 1995-12-26 JP JP33954395A patent/JP3645343B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6301281B1 (en) * | 1998-08-31 | 2001-10-09 | Agilent Technologies, Inc. | Semiconductor laser having co-doped distributed bragg reflectors |
| US9502863B2 (en) | 2014-08-26 | 2016-11-22 | Fuji Xerox Co., Ltd. | Surface-emitting semiconductor laser, surface-emitting semiconductor laser device, optical transmission device, and information processing device |
| JP2020501355A (ja) * | 2016-12-01 | 2020-01-16 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＯｓｒａｍ Ｏｐｔｏ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ＧｍｂＨ | 放射線放出半導体ボディ、および半導体積層体の製造方法 |
| US10971653B2 (en) | 2016-12-01 | 2021-04-06 | Osram Oled Gmbh | Radiation-emitting semiconductor body and method of producing a semiconductor layer sequence |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3645343B2 (ja) | 2005-05-11 |
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