JPH01214083A - 半導体レーザ装置、ダブルヘテロウエハおよびその製造方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は電流狭窄効果と光導波効果を有する可視光半導
体レーザに係わり、特に有機金属を用いた化学気相成長
法（以下ＭＯＣＶＤ法と酩記する）による製造に適した
半導体レーザ装置およびその製造方法に関する。

（従来の技術） 単結晶ＩｎＧａＡＩＰは■−■族化合物半導体の中でも
。

短波長半導体レーザを得るための重要な材料である。近
年、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法やＭＯＣＶＤ法
により成長したダブルヘテロウェハを使用した半導体レ
ーザの室温動作が報告されており、特にＭＯＣＶＤ法で
は１　、０００時間を超える素子寿命が報告されている
。

従来、ＭＯＣＶＤ法ではｎ型ドーパントとしてＳｅが使
用され、その原料としてセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）が使
用されていた。しかし、ＩｎＧａＡＩＰ材料にＳｓをド
ーピングした場合の制御性に関してはほとんど調査され
ていなかった。第３図に、Ｓｅのドーピング原料として
ｔｌ、Ｓｅを使用し、ＧａＡｓ、Ｉｎ、　−ｘ−ｙＧａ
ｘＡｌｙＰをＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法により成長
させた場合のドーピング効率を示す。また、第４図と第
５図に、ＩｎＧａＰとＩｎＡＩＰへのドーピング効率の
成長温度依存性を示す。

前記第３図、および第４図と第５図からＳｅドープＩｎ
ＧａＡＩＰをＭＯＣＶＤ法により成長させる場合、次に
あげる三つの問題があることがわかる。

（ｉ）　　ドーピング効率が組成により大きく変化し。

均一なドーピングが困難であり、特に組成の異なる層の
境界に顕著である。

（ｉ）　　ドーピング効率がＧａＡｓよりＩｎＧａＡＩ
Ｐが一桁程度大きいため、ＧａＡｓ層上へＩｎＧａＡＩ
Ｐを成長させると、ＧａＡｓへのＳｅ濃度をＩ　Ｘ　１
０”ｃｍ−’程度に設定した場合、メモリ効果、拡散等
によりＧａＡｓｆｆ１に近接するＩｎＧａＡＩＰ材料で
は、Ｓｅａ度がＩ　Ｘ　１０”ｃ＋ａ−’に近い非常に
大きな値となり、寿命の短縮化の大きな原因となってい
る。

（ｉ）さらに、ドーピング効率が基板温度により変化し
、特にＩｎＡＩＰでは基板温度の微小変化によりキャリ
ア濃度が大きく変化するので、安定なドーピングが困難
である。

（発明が解決しようとする課題） 斜上の如く、応用上不可欠なｎ型ＩｎＧａＡＩＰ／Ｇａ
Ａｓヘテロ接合を、ドーピング原料に！ｌ、Ｓｅを用い
てＭＯＣＶＤ法により成長させる場合、制御性、品質等
に重大な問題がある。

本発明は斜上の問題点に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、高品質のＩｎＧａＡＩＰ／ＧａＡｓ
ヘテロ接合を有し、短波長、かつ、長寿命の高性能半導
体レーザ装置とその製造方法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明はＭＯＣＶＤ法によりレーザ用ウェハを結晶成長
させる際に、ｎ型クラッド層のドーパントとしてＳｉを
用い、これによりｎ型クラッド層のキャリア濃度制御の
困難性を解決する。すなわち、第１の発明は、半導体レ
ーザ装置にかかり、第１導電型ＧａＡｓ基板上に形成さ
れた第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッ
ド層からなり、かつ前記ＧａＡｓ基板上にこれに略格子
整合したＩｎ、Ｇａ１−ｘ−ｙＡｌｙＰ　（１≦ｙ≦１
）からなるダブルヘテロ接合構造部を含む半導体レーザ
装置において、第１導電型クラッド層、または第２導電
型クラッド層はＳｉがドープされていることを特徴とす
る。

次に、第２の発明の半導体レーザ装置の製造方法は、結
晶成長に供される反応炉内にＧａＡｓ基板を配置し、反
応炉内に■族及びＶ族の原料ガスを導入するとともに基
板を加熱し、基板上に有機金属−化学気相成長法により
Ｉｎ、−、−ｙＧａｘＡｌｙＰ層（０≦ｘ≦１．０≦ｙ
≦１）からなる第１導電型クラッド層、活性層、第２導
電型クラッド層を順次成長する工程において、第１導電
型クラッド層のドーピングにシランガスを用いることを
特徴とする。

斜上において、ＧａＡｓ、　Ｉｎ、−ｘ−ｙＧａｘＡｌ
ｙＰへのドーピングにＭＯＣＶＤ法でシランをドーピン
グ原料として用いる。このシリコンをドーパントに用い
ることは、第２図にシリコンのドーピング効率を示すよ
うにほとんど一定に得られることを認め、また。

基板温度依存性も極めて低いことを認めて達成したもの
である。

（作　用） 本発明は、半導体レーザ素子の各層のキャリア濃度を均
一、かつ再現性よく設定することが可能で、短波長、か
つ、長寿命の半導体レーザの製造が可能になる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例につき第１図を参照して説明す
る。

第１図に本発明の一実施例にかかる半導体レーザ素子の
構成の概略を断面図で示す。第１図に示すように、ｎ−
ＧａＡｓ基板１１上にはＳｉドープｎ−ＧａＡｓバッフ
ァ層１２、およびＳｉドープｎ−ＩｎＧａＰバッファ層
１３が形成されている。このｎ−ＩｎＧａＰバッファ層
１３上にはＳｉドープｎ−ＩｎＡＩＰクラッド層１４、
Ｉｎ、　＠　５　Ｇａ、、　Ｉ　ｓ　Ｐ活性層１５、お
よびＭｇドープｐ−ＩｎＡＩＰりランド層１６．１７．
１８からなるダブルヘテロ接合構造部が形成されている
。ここで前記ｐ４ｎＧａＡＩＰクラッド層１７は低Ａ１
組成であり、後に述べるエツチング停止層として作用す
る。また、前記ｐ−ＩｎＧａＡＩＰクラッド層１８上の
狭窄部上に積層形成されたＰ−ＩｎＧａＡＩＰコンタク
トＮ１９、　ｐ−ＧａＡｓ層２０と、これらを囲むＳｅ
ドープｎ−ＧａＡｌＡｓ電流阻止層２１を備え、上部全
面にｐ−ＧａＡｓコンタクト、ｌ１２２が形成されてい
る。

さらに、前記ｐ−ＧａＡｓ　ｍ１２５９８層２２と前記
ｎ−ＧａＡｓ基板１１には夫々金属層で電極２３．２４
が設けられている。

この構造の特徴は、ダブルヘテロ接合部のｎ型りラッド
屡のドーパントにＳｉを用いたことである。

ダブルヘテロ接合部では、クラッド層と活性層のキャリ
ア濃度範囲がせまいのでキャリア濃度プロファイルの精
密制御が必要であるが、ドーパントとしてＳｉを用いた
場合、（＋）ドーピング効率の組成依存性（特にＧａＡ
ｓバッファとＩｎＧａＡＩＰクラッドの間の組成依存性
）が小さい、（ｉ）メモリ効果が小さい、（ｉ）成長温
度によるキャリア濃度変化が小さい、等の効果があり、
従来のＳｅに比べてキャリア濃度プロファイルの制御性
が良い、一方、メサ状に加工されたクラッド層１８上へ
ＭＯＣＶＤ法による再成長によって電流阻止層を形成す
る場合には、再成長界面での欠陥の導入と成長面が（１
１１）面に近づくため、Ｓｉをドーパントに使用した場
合（ＧａＡｓとＩｎＧａＡＩＰとの間の偏析係数の差が
小さいので拡散は小さく形成領域の制御性は良いが）、
ＳｉがＶ族原子位置に導入されるため再成長界面付近に
て電流阻止層がＰ型となり十分に機能しないという問題
が生じる場合がある。そこで、この実施例では、このよ
うな現象のないＳｅを電流阻止層のドーパントとして用
いている。ＳｅはＧａＡｓとＩｎＧａＡＩＰとの間の偏
析係数の差が大きく、拡散が大きいが、高出力化のため
には電流阻止層のキャリア濃度は３　Ｘ　１０”ｃｍ−
’以上必要であり、また、常に工１型とするために採用
している。

又、コンタクト層（中間コンタクトＭ）１９は、クラッ
ド層１８とコンタクト層２０との間の電気抵抗の低減を
目的とするものであり、コンタクト層２０よりもバンド
ギャップが大きく、かつ、クラッド層１８よりもバンド
ギャップの小さい結晶、もしくは、等価なバンドギャッ
プを有する超格子であればよい。

さらに、中間コンタクト層１９のバンドキャップをクラ
ッド層１８及びコンタクト層２０に接する部分でこれら
と同様にして、クラッド層１８からコンタクト層２０ま
で徐々に変化させるようにしてもよい。

ここで第６図に本実施例による半導体レーザでｎ−クラ
ッド層のキャリア濃度を変化させた場合の４０℃、３ｍ
Ｗの通電試験における通電時間と動作電流の関係を示す
。尚、Ｐ−クラッド層のキャリア濃度は２　Ｘ　１０”
ｃ＋＊−’、活性層のキャリア濃度は１×１０１６以下
であり、レーザのストライプ幅は７μｍ、共振器長は３
００μｍとした。その結果、ｎ−クラッド層のキャリア
濃度が５　Ｘ　１０１０１７ａ’を越えると、初期の通
電によって急激に動作電流が上昇し、安定な連続発振は
不可能となった。しかし、ｎ−クラッド層のキャリア濃
度が５　Ｘ　１０”ａｍ−３未満であれば動作電流はほ
ぼ７０ｍＡで安定しており、これらの半導体レーザは１
０００時間以上にわたり安定に動作した。従って、ｎ−
クラッド層側の不純物としてＳｉを用いキャリア濃度を
５　Ｘ　１０”ｃ＋ｓ−’未満とすれば、低しきい値で
高信頼の半導体レーザを得ることができる。

次に上記構成の半導体レーザ素子の製造方法について説
明する。

成長方法は原料にメチル系■族有機金属のトリメチルイ
ンジウム（ＴＭＩｎ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ
）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡＩ）と、■放水素
化物のアルシン（Ａｓｔｌ、）、フォスフイン（ＰＨ，
）の各々から選択し用い、減圧下でＭＯＣＶＤ（有機金
属気相成長）法が用いられる。そして実施は、圧力１５
〜３５Ｔｏｒｒ、　ＧａＡｓ基板温度７４５−７５５℃
、成長速度２μｍ／ｈ以上で行なった。また、ドーピン
グ原料には、シラン（ＳｉＨ，）、セレン化水素（Ｈ２
Ｓｅ）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、シクロペンタジ
ェニルマグネシウム（ＣｐＪｇ）を用いた。

まず、（１００）ｎ−ＧａＡｓ基板１１　（Ｓｉドープ
、３　Ｘ　１０”ｃｍ−３）上に厚さ０．５　ｐ　ｗｒ
のｎ−ＧａＡｓ第１バッファ層１２（Ｓｉドープ、５Ｘ
１０”ｃｍ−３）、厚さ０．５μのｎ−ＩｎＧａＰ第２
バッファ層１３　（Ｓｉドープ、　５Ｘ１０”ｃ＋ｍ−
’）、厚さ１．０　μｒａのｎ−Ｉｎ、、、Ａｌ、、、
Ｐ第１クラッド層１４（Ｓｉドープ、５Ｘ１０１７ｃｍ
−”）、厚さ０．０６　μｔａのＩｎ、、５Ａｌｌ１．
、Ｐ活性層１５、厚さ０．２μｌのｐ−ＩｎＡＩＰ第２
クラッド層１６　（Ｍｇドープ、Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ″
′３）、エツチング停止層として作用する厚さ０．０１
μ戴のｐ−ＩｎＧａＰ第３クラツド暦１７（Ｍｇドープ
、Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−３）、厚さ１μｍのｐ−Ｉｎｏ
、ｓＡｌ。、、Ｐ第４クラッド層１８（Ｍｇドープ、Ｉ
　Ｘ　１０”ｃ「３）、中間コンタクト層としての厚さ
０．０１μｌのｐ−Ｉｎ０．５Ａｌｏ、、Ｐ第１コンタ
クト層１９、および厚さ０．５μ＋ｍのｐ−ＧａＡｓ第
２コンタクト層２０　（Ｍｇドープ、ＩＸ　１０”ｃｍ
−３）を順次成長してダブルヘテロウェハを形成した。

続いて、ＳｉＯ□をマスク（図示省略）としてエツチン
グおよび選択成長により前記第２コンタクト層２０上を
除きＳｅドープＧａＡｓ電流阻止層２１（Ｓｅドープ、
５Ｘ１０”ｃ＋＊−’）を厚さ０．５μ脂成長した。つ
いでマスクを除きｐ−ＧａＡｓ第３コンタクト層２２（
Ｚｎドープ。

Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−’）を成長形成したのち１通常の
工程により共振器長２５０μｌ、ストライプ幅５μｍの
レーザ素子を形成してしきい値電流４０！ＩＡの低いし
きい値が得られた。光出力は駆動電流に従って３０ｍＷ
以上まで直線的に増大し、キングのない良好な電流−光
出力特性を示した。また、しきい値電流のウェハ内、ウ
ェハ間の分布も±１０％以内であり、極めて良好な再現
性が達成されていることが確認された。

〔発明の効果〕

本発明によれば、可視光半導体レーザ用高品質ダブルヘ
テロウェハを再現性よく成長形成でき、素子特性の向上
、および信頼性、再現性の向上をはかることができる顕
著な利点を備える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体レーザ素子の断
面図、第２図は本発明にかかるシリコンのドーピング効
率を示す図、第３図はＨ２ＳｅによるＭＯＣＶＤのドー
ピング効率を示す図、第４図および第５図はいずれもＩ
ｎＧａＰとＩｎＡＩＰへのドーピングにおける成長温度
依存性を示す図、第６図はｎ−クラッド層のキャリア濃
度を変化させた場合の通電時間を示す図である。 １１−−−−−　ｎ７ＧａＡｓ基板 １２−−−−−　ｎ−ＧａＡｓバッファ層１３−−−一
−ｎ−ＩｎＧａＰバッファ層１４−−−−−　ｎ−Ｉｎ
ＡＩＰクラッド層（第１導電型クラッド層）１５−−−
−−　ＩｎＧａＰ活性層 １６、１８−−−−−　ｐ−ＩｎＡＩＰクラッド層（第
２導電型クラッドＭ）１７−−−−−　ｐ−ＩｎＧａＰ
エツチング停止層１９−−−−−　ｐ−ＩｎＧａＰコン
タクト層２０、２２−−−−−　ｐ−ＧａＡｓコンタク
ト層２１−−−−−　ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層２３、２
４−−−−一電極

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型ＧａＡｓ基板上にＩｎ＿ｘＧａ＿１＿
   −＿ｘ＿−＿ｙＡｌ＿ｙＰ（０≦ｙ≦１）からなるダブ
   ルヘテロ接合構造部を含む半導体レーザ装置において、
   第１導電型クラッド層、または第２導電型クラッド層は
   Ｓｉがドープされていることを特徴とする半導体レーザ
   装置。
2. （２）Ｓｉがドープされた第１導電型クラッド層、また
   は第２導電型クラッド層のキャリア濃度は５×１０＾１
   ＾７ｃｍ＾−＾３未満であることを特徴とする請求項１
   記載の半導体レーザ装置。
3. （３）結晶成長に供される反応炉内にＧａＡｓ基板を配
   置し、反応炉内にIII族及びＶ族の原料ガスを導入する
   とともに基板を加熱し、基板上に有機金属化学気相成長
   法によりＩｎ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＰ
   層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）からなる第１導電型クラ
   ッド層、活性層、第２導電型クラッド層を形成する工程
   において、第１導電型クラッド層のドーピングにシラン
   ガスを用いることを特徴とする半導体レーザ装置の製造
   方法。