JP2006229012A

JP2006229012A - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP2006229012A
Application number: JP2005041699A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Shiromizu; 達也白水; Junji Tanimura; 純二谷村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】素子特性を維持しつつ、高効率・高出力化が可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】Ｃ（炭素）を含有する化合物半導体からなる拡散防止層４を、ガイド層６から所定間隔離れた位置に配置する。炭素を含有する拡散防止層４により、高濃度ＩＩ族ドーパントのキャップ層１から活性層７への拡散を低減できる。また、拡散防止層４を活性層７から所定間隔離れた位置に設けたことにより、バンドギャップの狭い拡散防止層４を介しての電子のオーバーフローが低減される。そして、Ｈ，Ｏの拡散による活性層７の結晶性低下も低減できる。その結果、素子特性を維持しつつ、高濃度ＩＩ族ドーパントをキャップ層１にドーピングすることでコンタクト抵抗を低減し、半導体レーザ素子の高効率・高出力化を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に半導体レーザ素子の高出力化に関するものである。

近年、情報通信機器が取り扱う情報量は膨大であり、高速に動作する記録装置及び大容量の記録媒体の需要が高くなってきている。特に、記録媒体の一つであるＤＶＤ装置は、ＰＣ等に搭載される大容量記憶装置、及びポストＶＴＲとしてのＤＶＤレコーダなどに目覚しく普及しつつある。ＤＶＤ装置の一つであるＤＶＤドライブ装置では、高出力かつ高効率の半導体レーザ素子が使用されている。

上記のＤＶＤ装置のピックアップ光源には、波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子が用いられている。そして将来さらなる高速化・大容量化の要求が見込まれ、半導体レーザ素子の高出力化・高効率化は必須である。実際、既に２００〜４００ｍＷクラスの赤色半導体レーザ素子の開発が進められている。

以下、従来の半導体レーザ素子の構造を説明する。結晶成長直後のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、ｎ‐（ｎ型）ＧａＡｓ層基板から順に、バッファ層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）、ｎ‐クラッド層（ＡｌＧａＩｎＰ）、ウェル層（ＧａＩｎＰ）、バリア層（ＡｌＧａＩｎＰ）、ＭＱＷ活性層、ガイド層（ＡｌＧａＩｎＰ）、ｐ‐（ｐ型）クラッド層（ＡｌＧａＩｎＰ）、ｐ‐ＧａＡｓキャップ層（コンタクト層）が積層した構成とされる。

このような結晶積層構造は、ＭＯＣＶＤ（ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法などの結晶成長方法により作製される。ｐ型ドーパントにはＩＩ族元素の一つであるＺｎが一般によく用いられている。上述の結晶積層構造の上下に電極を設けることで半導体レーザ素子が得られる。

高出力・高効率の半導体レーザを得るには、半導体レーザ素子のコンタクト抵抗を下げる必要があり、ｐ型キャップ層（コンタクト層）のキャリア濃度を高く設定することで素子のコンタクト抵抗を低減している。

しかしながら、ｐ型ドーパントであるＺｎは一般的に拡散係数が大きく成長中や熱処理の過程あるいは動作中に拡散し易い性質を持っている。そのため、ｐ‐ＧａＡｓキャップ層をＺｎで高濃度にドーピングする従来の構造では、Ｚｎが本来アンドープである活性層にまで拡散してしまう問題があった。

本来アンドープである活性層がドーピングされると結晶品質の低下、素子寿命の低下、発光強度の減少、ｐｎ接合位置の移動（設計値からのずれ）等の問題が生じるため、良好な発光特性を持つ半導体レーザ素子は得られない。

そこで、従来の半導体レーザ素子では、活性層への不純物拡散を防止するために、ガイド層とｐ‐クラッド層の間に拡散防止層を設けている。

例えば、特許文献１には、赤色レーザに関する記載において、アンドープ層を拡散防止層（スペーサ層）としてガイド層と活性層との間に設けている。そして、不純物をスペーサ層で吸収させることで、活性層への不純物拡散を防止する技術が開示されている。

また、特許文献２には、炭素、ベリリウム、又はマグネシウムをドーピングしたｐ型ＡｌＧａＡｓ層を拡散防止層としてｐ‐クラッド層とガイド層との間に設ける技術が開示されている。

特開２０００−２８６５０７号公報特開２００３−１１０２００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子において、ｐ‐クラッド層とガイド層間にアンドープ層を設けるため、伝導帯の電子に対するバンド障壁を充分に確保できず、高温、高出力動作条件下では電子のオーバーフローが増大し、注入電流のうち発光に寄与しない成分（非発光成分）が増大する問題が生じる。

また、キャップ層もしくはｐ‐クラッド層のドーピング濃度を高くする場合、不純物拡散を抑制するためのスペーサ層を充分厚くする必要がある。そのため、スペーサ層の厚さが大きくなるにつれて直列抵抗が高くなり動作電流が増大する。さらに、スペーサ層の影響によって所望のビーム形状を得ることが困難になる。

特許文献２に記載の発明では、拡散防止層としてｐ型ＡｌＧａＡｓ層を用いているが、ＡｌＧａＡｓは、ＡｌＧａＩｎＰに比べてバンドギャップが狭いため、やはり伝導帯の電子に対するバンド障壁が不足し、電子のオーバーフローが生じる。

また、ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓとの成長温度の違いのために、拡散防止層を形成する前後で成長を中断し、成長炉温を変更する”待ち”が生じ、その間に酸素（Ｏ）や水素（Ｈ）等の不純物が混入して近接する活性層の結晶品質が低下し、半導体レーザ素子の信頼性が低下する。

以上説明したように、従来の半導体レーザ素子では、動作電流やビーム形状等の素子特性に影響を与えることなく、高効率・高出力化することが困難である。

そこで本発明の目的は、素子特性を維持しつつ、高効率・高出力化が可能な半導体レーザ素子を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたガイド層と、前記ガイド上に形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたキャップ層と、を備える半導体発光素子であって、前記クラッド層は、Ｃを含有する化合物半導体からなる拡散防止層を備え、前記拡散防止層は、前記ガイド層から所定間隔離れた位置に配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、Ｃ（炭素）を含有する拡散防止層により、アンドープの場合に比べて膜厚を厚くすることなく、高濃度ＩＩ族ドーパントのキャップ層から活性層への拡散を低減できる。また、炭素を含有するため、拡散防止層を設けることによる直列抵抗の増加を低減することができる。さらに、拡散防止層を活性層から所定間隔離れた位置に設けたことにより、バンドギャップが狭い拡散防止層を介する電子のオーバーフローが低減される。そして、拡散防止層が活性層から所定間隔離れているため、拡散防止層からのＨ，Ｏの拡散による活性層の結晶性低下も低減できる。

以上から、素子特性を維持しつつ、高濃度ＩＩ族ドーパントをキャップ層に注入することでコンタクト抵抗を低減し、半導体レーザ素子の高効率・高出力化を実現できる。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の概略を説明するための断面図である。
図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。
本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ型電流ブロック層１３を有するいわゆる電流狭窄構造の半導体レーザ素子である。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成について説明する。以下の説明では、ＡｌＧａＩｎＰは、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（０≦ｘ，ｙ≦１）を意味し、ＡｌＧａＡｓは、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｚ≦１）を意味する。

ｎ‐ＧａＡｓ基板１１上に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓからなるバッファ層１０が形成されている。バッファ層１０上にはＡｌＧａＩｎＰからなるｎ‐クラッド層９が形成されている。そして、ｎ‐クラッド層９上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるガイド層８が形成されている。

ガイド層８上には多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ；ＭＱＷ）活性層７が形成されている。そして、多重量子井戸活性層７上にはＡｌＧａＩｎＰからなるガイド層６が形成され、ガイド層６上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ‐クラッド層５が形成されている。そして、ｐ‐クラッド層５上には、ＡｌＧａＡｓからなる拡散防止層４が形成され、拡散防止層４上には、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ‐クラッド層３が形成されている。拡散防止層４は、Ｃを含有している。

つまり、ガイド層６上に形成されたｐ‐クラッド層３，５（クラッド層）は、Ｃを含有する化合物半導体からなる拡散防止層４を備えている。

そして、ｐ‐クラッド層３上にはｐ‐ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層２を介してｐ‐ＧａＡｓキャップ層１が形成されている。

次に、多重量子井戸活性層７の構成について説明する。
多重量子井戸活性層７は、多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ‐Ｑｕａｎｔｕｍ‐Ｗｅｌｌ）構造で形成された層である。多重量子井戸構造とは、バンドギャップの小さい、例えばＧａＩｎＰからなるウェル層（井戸層）７ｂを、例えばＡｌＧａＩｎＰからなるバンドギャップの大きなバリア層７ａで挟んだ量子井戸構造を、何重にも積層した構造である。この構造により発光効率を向上させることができる。

図２に示すように、ＧａＡｓ基板１１のバッファ層１０と反対側の面、及び、キャップ層１のｐ‐クラッド層３と反対側の面には、それぞれｎ電極１２、ｐ電極１４が設けられる。ｎ電極１２及びｐ電極１４は、半導体レーザ素子を発光させるための正孔及び電子を供給する。ｎ電極１２及びｐ電極１４から供給された正孔及び電子は、多重量子井戸活性層７において結合して光を放出する。

図３は、本実施形態に係る半導体レーザ素子が備える各層の具体的な組成、厚さ及び不純物濃度を示す図である。
図３に示すように、本実施の形態に係る半導体レーザ素子では、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_1-yＩｎ_yＰ（０≦ｘ，ｙ≦１）で表される材料からなるｎ型クラッド層９、ガイド層８、活性層７、ガイド層６、ｐ型クラッド層５、ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２、及び電流ブロック層１３では、Ｉｎの組成比を表すｙの値が約０．５となっている。ｎ型ＧａＡｓ基板１０に格子整合させるためには、ｙの値が０．４５≦ｙ≦０．５５の範囲内であることが好ましいが、この範囲内に限られない。

次に本実施の形態に係る半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
まず、有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長法（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ；ＭＢＥ）等の結晶性長法によって、ｎ‐ＧａＡｓ基板１１上にバッファ層１０から順に積層して図１に示すような構造を得る。

上記工程で、ｐ‐ＧａＡｓからなるキャップ層１、ｐ‐ＧａＩｎＰからなるバンド不連続緩和層２、ｐ‐ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ‐クラッド層３、５を形成する際には、ｐ型不純物としてＺｎを導入する。

Ｚｎの導入方法としては、原料ガス中にジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）やジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を混在させてＡｌＧａＩｎＰ層を結晶成長させる方法、アンドープのＡｌＧａＩｎＰ層を結晶成長させた後にイオン注入によってＺｎを導入する方法、アンドープのＡｌＧａＩｎＰ層を結晶成長させた後に固相拡散源として酸化亜鉛（ＺｎＯ）を用い、固相拡散させることによって導入する方法などの当業者に公知の方法が用いられる。

次に、ｎ型電流ブロック層１３を設けるために、エッチング等の工程を経てｐ‐クラッド層３等をストライプ状に形成する。この構成により発光効率を向上させたレーザ素子を得ることができる。

次に、ｎ型電流ブロック層１３を形成後、ｎ電極１２、及びｐ電極１４を形成することで図１に示す半導体レーザ素子を得る。

本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、ｐ‐クラッド層３とｐ‐クラッド層５との間に炭素（Ｃ）を含有する拡散防止層４が設けられている。一般的に、Ｃは拡散係数が低く、他の層に拡散しない。また、Ｃ等のＩＶ族元素をドーピングした層は、Ｚｎ等のＩＩ族ドーパントの拡散を抑制することが知られている。

拡散防止層４により、ｐ‐クラッド層３、ｐ‐バンド不連続緩和層２、及びｐ‐キャップ層１の堆積時、及び、後のウエハプロセス時に、ｐ‐キャップ層１やｐ‐バンド不連続緩和層２やｐ‐クラッド層３から活性層７へのｐ型不純物（本実施形態の例ではＺｎ）の拡散を抑制・防止することができる。

また、拡散防止層４は炭素を含有するため、拡散防止層４を設けることによる直列抵抗の増加を低減することができる。

さらに、拡散防止層を活性層から所定間隔離れた位置に設けたことにより、バンドギャップの狭い拡散防止層を介しての電子のオーバーフローが低減される。

また、ＡｌＧａＡｓの成長温度は、一般にＡｌＧａＩｎＰの成長温度より２００℃程度低く、拡散防止層４を成長する前後に成長を停止し温度を変更する必要があり、成長待ちが生ずる。

この成長待ちのため、拡散防止層４とｐ‐クラッド層３、５それぞれとの界面には若干のＨやＯが混入し易く、混入したＨやＯがその後の工程熱や動作時の熱により拡散し活性層７へ到達すると、デバイスの品質低下を招く。

本発明では、ガイド層６と離した位置に拡散防止層４を配置しているので、ＡｌＧａＩｎＰ系のデバイス中にＡｌＧａＡｓを成膜する際のこうしたデメリットを低減できる。

その結果、素子特性を維持しつつ、高濃度ＩＩ族ドーパントをキャップ層に注入することでコンタクト抵抗を低減し、半導体レーザ素子の高効率・高出力化を実現できる。

拡散防止層４の組成は、Ａｌの組成比を表すｚの値が約０．５となっているが、この値に限定されず、０．４≦ｚ≦０．８の範囲内で変えてよい。この範囲内の構成によって、素子特性を損なわず、効果的に活性層７への不純物拡散を抑制・防止することが可能である。拡散防止層４のバンドギャップがＥ_stopが、ウェル層７ｂのバンドギャップＥ_act未満である場合、拡散防止層４が光を吸収し、発光効率が低下する問題が生じる。この問題を回避するために、Ｅ_act≦Ｅ_stopにする必要があり、０．４≦ｚ≦０．８の範囲内にする必要がある。

拡散防止層３中のＣドーピング濃度は、少なすぎると素子抵抗が増加する。そのため、Ｃのドーピング濃度を３×１０¹⁷ｃｍ^-3以上にすることで素子抵抗をさらに低減することができる。具体的なドーピング濃度は、素子全体の設計と合わせて調整する必要がある。

ｐ‐クラッド層５の厚さは、５０ｎｍ以上であることが好ましい。すなわち、ガイド層６から５０ｎｍ以上離れて配置されていることが好ましい。拡散防止層４は、このことによって、より効果的に活性層７への不純物拡散を抑制・防止することが可能である。

また、前述した成長待ち時間におけるＨ、Ｏ等の活性層７への拡散もｐ‐クラッド層５を５０ｎｍ以上に設計することで回避される。

拡散防止層４の厚さは、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることが好ましい。このことによって、効果的に活性層７への不純物拡散を効果的に抑制・防止することが可能である。

拡散防止層４の厚さが１０ｎｍ未満になると、Ｚｎが拡散防止層４を突き抜け、活性層７へ到達する恐れがある。また、拡散防止層４の厚さが１００ｎｍより大きくなると、基板に垂直な方向の光の分布が大きな影響を受ける。このため、所望のビーム形状を得るための設計マージンが小さくなる。実際にはデバイス全体の設計と合わせ調整する必要がある。

この構成により、クラッド層に屈折率の異なる拡散防止層を挿入することにより生じる基板に垂直方向の光の分布（ビーム形状）の変化を最小にとどめることができ、良好な素子を得ることができる。

なお、本実施形態において、ｐ‐キャップ層１、ｐ‐クラッド層２、４のドーパントがＺｎの場合について説明したが、ＢｅやＭｇであっても同様の拡散防止効果が得られる。

また、本実施の形態では、電流狭窄構造の半導体レーザ素子について説明したが、他の構造の半導体レーザ素子についても適用することができる。

実施の形態１に係る半導体レーザ素子の概略を示す断面図である。実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る半導体レーザ素子を構成する各層の組成、厚さ、及び不純物濃度を示す図である。

符号の説明

１ｐ‐キャップ層、２ｐ‐バンド不連続緩和層、３，５ｐ‐クラッド層、４拡散防止層、６，８ガイド層、７活性層、７ａバリア層、７ｂウェル層、９ｎ‐クラッド層、１０バッファ層、１１ｎ‐ＧａＡｓ基板、１２ｎ電極、１３電流ブロック層、１４ｐ電極。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたガイド層と、
前記ガイド層上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたキャップ層と、
を備える半導体発光素子であって、
前記クラッド層は、Ｃを含有する化合物半導体からなる拡散防止層を備え、
前記拡散防止層は、前記ガイド層から所定間隔離れた位置に配置されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
前記活性層は、量子井戸構造であり、
前記拡散防止層のバンドギャップは、前記量子井戸構造の井戸層のバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
前記Ｃの濃度は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
前記拡散防止層は、前記ガイド層から５０ｎｍ以上離れて配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の半導体レーザ素子。
前記拡散防止層の厚みは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の半導体レーザ素子。