JPH04199587A - 光半導体素子 - 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、半導体レーザ、半導体ダイオード。

あるいは吸収型光変調素子等の光半導体素子に係わり、
特に発光領域の周囲がそれよりも禁制帯幅の大きい半導
体層で囲まれたダブルへテロ接合を有する光半導体素子
に係わる。

（従来の技術） ダブルへテロ接合を有する半導体レーザ、半導体ダイオ
ードあるいは、吸収型光変調素子等の光半導体素子にお
いては、活性層を挟んで両側が異なる導伝型の半導体層
で形成されている。ところが結晶成長あるいは結晶成長
後に経るプロセスの熱履歴のためにｐ−型、ｎ−型の不
純物の相互拡散が生じ、ｐ−ｎ接合かへテロ接合界面か
ら遠く離れてしまい（以下リモートジャンクションと呼
ぶ）電流の閉じこめ効率が低下するといった問題が生じ
ていた。この問題を克服するための手段として、Ｐ−型
領域及びｎ−型領域の不純物濃度を活性層の近くで下げ
たり、活性層とＰ−型領域或いはｎ−型領域の間にアン
ドープスペーサー層を挿入することにより、不純物及び
キャリア濃度のプロファイルを制御することが試みられ
ている。

しかしこの方法は不純物の拡散プロファイルを利用する
ために、低濃度領域でキャリア濃度の制御が難しく、ま
た再現性も低かった。そこで活性層中に意図的に不純物
を添加する方法も試みられている。しかし活性層中へ添
加する不純物量が少ない場合にはへテロ接合外側からの
不純物の拡散により活性層中のキャリア濃度が変わって
しまうという問題があった。一方活性領域中に高濃度に
不純物の添加を行うと、ヘテロ接合外側からの不純物拡
散は抑えられるものの、活性層の結晶性が劣化し、発光
効率が低下するなど、光半導体素子としての特性が劣化
してしまうという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 上に述べたように、従来のダブルへテロ接合型の光半導
体素子においては、ヘテロ接合位置とｐ−ｎ接合位置が
遠く離れてしまう。或いは活性層でのキャリア濃度が制
御できない。或いは活性層中でのキャリア濃度が高すぎ
るために、光半導体素子としての特性が劣化してしまう
という問題があった。本発明は上記事情を考慮してなさ
れたもので、その目的とするところは不純物の拡散を抑
制することにより不純物が活性層中に侵入することを防
ぐこと、更に、活性層中の不純物濃度を高い精度で制御
することにある。高濃度の不純物添加にともなう発光効
率の低下を抑制しつつ活性層中に任意のキャリア濃度プ
ロファイルを形成できるので、高性能な光半導体素子を
提供することができる。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、光半導体素子において活性層の周辺に
、拡散係数の小さな不純物を添加した薄膜状の領域を設
けて、拡散係数の大きな不純物に対して拡散抑制層とし
て働かさせることにある６拡散係数の大きな不純物と電
気的に異種の不純物を添加することにより、従来のアン
ドープスペーサー層よりも効率の良い拡散抑制層が形成
できる。

特に■−■族化合物半導体で形成された本発明の光半導
体素子においては、拡散係数の大きなｐ　−型不純物源
である■族元素の拡散を抑制するために、ｎ−型不純物
源である■族元素を添加した領域を活性層とのｐ−型領
域の間に形成し不純物拡散抑制層とする。この時拡散抑
制層中の■族元素の最高濃度はｐ−型領域中の■族元素
の濃度よりも高くする必要がある。特にＩｎＰ基板上に
形成された本発明の光半導体素子においては■族元素と
してＳｉを用いると拡散係数が小さいので、急峻なｐ−
ｎ接合が得られる。このときＳｉ自身の拡散を抑えるた
めに、Ｓｉ濃度は２　Ｘ　１０”　ｒｘ−”以下とする
必要がある。

（作　用） 本発明はｐ−型、ｎ−型、異なる導伝型の不純物が同時
に存在するときに、不純物間の相互作用により不純物の
拡散が小さくなり拡散係数の大きな不純物が拡散係数の
小さな不純物と同程度に急峻な拡散プロファイルを持つ
ことを利用し、光半導体素子の活性層中への不純物の拡
散を抑制したものである。■−Ｖ族化合物半導体中でｐ
−型不純物として■族元素を用いた場合、拡散が激しく
、キャリア濃度のプロファイル制御が困難である。この
時■族元素をｎ−型不純物として用い、活性層とｐ−型
の領域の境界にｎ−型の薄膜を不純物拡散抑制層として
設ければ、ｐ−型不純物の活性層中への拡散を抑制する
ことができる。この時拡散抑制層中のｎ−型不純物濃度
は、ｐ−型不純物濃度を上回ることが必要である。この
ようにｎ−型不純物を高濃度に添加した拡散抑制層を設
けると不純物の拡散プロファイルは、ｎ−型不純物の拡
散プロファイルで決まるようになる。しかもｎ−型不純
物としてＳｉを用いるとＳｉ拡散係数は極めて小さく、
実効的に不純物の拡散を無視する事が出来る。このよう
にｐ−型不純物の拡散を抑制することで、活性層中へ外
部から不純物が侵入することを無視できるようになり、
活性層中で低濃度でも不純物の添加量が自由にコントロ
ールできるようになり、キャリア濃度設計が自由になる
。

そこで素子特性の優れた光半導体素子の実現が可能とな
る。拡散抑制層を活性層領域の外側に作ると厳密な意味
ではへテロ接合界面とｐ−ｎ接合界面の位置がずれてし
まいりモートジャンクションとなる。しかし本発明の光
半導体素子ではへテロ接合界面とｐ−ｎ接合界面の間の
位置ずれの関係を５０Å以下の精度で任意に制御８来る
。ペテロ接合面とｐ−ｎ接合界面の間の位置ずれが１０
００Å以下であれば、実効的にリモートジャンクション
は問題にならない。

光半導体素子で発光効率を上げるためには、ｐ−ｎ接合
の電位障壁を大きくする必要があり、Ｐ−型不純物濃度
、ｎ−型不純物濃度ともに高いほど良い。■−■族化合
物半導体のｐ−型領域にＩｎＰを用いた場合、Ｐ−型不
純物濃度が１．２〜１．５ＸＩＯ”（！１−’を越える
と不純物の拡散係数が急激に大きくなる。このため拡散
抑制層中のＳｉ濃度は１．５　Ｘ　１０”　Ｑｌ−’以
上であることが望ましい、一方発明者等の研究によれば
、ＩｎＰ及びＩｎＰに略格子整合するＧａｙＩｎ、　−
ｘＡｓｙＰｌ　−ｙ　（０≦Ｘ≦１．０≦ｙ≦１）にお
いてはＳｉ濃度が２　Ｘ　１０１ｓｃｓｉ−”を越える
と結晶のモフォロジーが急激に劣化することを見いだし
た。本発明は以上のような点に着目し、ＩｎＰ基板上に
形成した光半導体素子については拡散抑制層中のＳｉ濃
度を１．５　Ｘ　１０”■−３〜２Ｘ１０１″１″３と
するものである。この場合拡散抑制層中の結晶性を良好
に保持しつつリモートジャンクションと活性層中への不
純物の侵入を防ぐことができるので、活性層中のキャリ
ア濃度設計が自由に出来、素子特性の優れた光半導体素
子の実現が可能となる。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザ装
置の概略構造を示す断面図である。図中１１はＳｎ添加
の　ｎ−型ＩｎＰ　（ｎ　＝　２　ＸＩＯ”１−１）の
（００１）基板であり、このＩｎｐ基板１１上にバッフ
ァ層を兼ねた厚さ１．５−のＳｉ添加のｎ−型ＩｎＰク
ラッド層１２　（ｎ　＝　２　ＸＩＯ”ａｍ−３）が形
成され、さらにクラッド層１２上には１．５５．帯の発
光が可能である組成の厚さ０．１．のＧａＩｎＡｓＰ活
性層１３を形成した。この活性層１３にはＺｎを均一に
Ｉ　Ｘ　１０１７ｄｌｌ−’で添加した。その上には光
ガイド層を兼ねた厚さ０．１−の１．１−帯の発光が可
能である組成のＧａＩｎＡｓＰ拡散抑制層１４が形成さ
れている。拡散抑制層１４の上には回折格子が形成され
ている。拡散抑制層１４にはＳｉが６〜２０　Ｘ　１０
”　ａｍ−”添加されており、活性層１３及び拡散抑制
層１４及びクラッド層１２は、幅１〜１．５ｐのメサス
トライプを形成している。メサの両側はＦｅ添加の高抵
抗ＩｎＰ埋み込み層１５、Ｓｉ添加の電流阻止層１６　
（ｎ　＝　６　Ｘ　１０”　ａｍ−”　）で順次埋め込
まれている。メサ上部及び埋め込み層上部には厚さ２．
０．のＺｎ添加のＰ−型ＩｎＰクラッド層１７（ｐ　＝
　５　ＸＩＯ”（！１−３）　、　Ｚｎ添加のＧａＩｎ
ＡｓＰコンタクト層１８が形成されている。基板１１の
下面にｎ−型電源１９としてＡｕ／ＡｕＧｅが、コンタ
クト層１８上にはｐ−型電極１１０としてＡｕ　−Ａｕ
Ｚｎが設けられている。

なおこの素子は素子容量低減のために　ｎ−型Ｉｎｐク
ラッド層１２から上の素子全体をメサ幅８〜１０゜のメ
サ構造とした。

本実施例の半導体レーザ素子の閾値電流は、約１０＋＋
＋Ａであった。　　ＧａＩｎＡｓＰ拡散抑制層１４層中
にＳｉを添加しない場合の閾値電流約３０ｍＡよりはる
かに低かった。これはｐ−ＩｎＰクラッド層１７から活
性層１３へのＺｎの拡散を防ぐことが出来たためである
。

またｐ−ＩｎＰクラッド層１７のＺｎ濃度をＩ　Ｘ　１
０”　ｃｍ−”として拡散抑制層１４に不純物を添加し
なかった場合の閾値電流約２０厘Ａよりも低かった。こ
れは、拡散抑制層１４中にＳｉを添加しているので、ｐ
−型ＩｎＰクラッド層１７のＺｎ濃度を５　Ｘ　１０”
　ｃｍ−”と高濃度にすることが出来、ｐ−ｎ接合の電
位障壁を大きくできるからである０本発明の実施例の半
導体レーザ素子の遮断周波数は、出力１０ｍＷの条件で
、約１５ＧＨｚであった。活性層１３に不純物を添加し
ない半導体レーザ素子の遮断周波数は、出力１０腫Ｗの
条件で、約１０ＧＨｚであった。　また歩留まりが極め
て低かった。これは活性層１３中に均一にｐ−型不純物
を添加したことにより、キャリアのライフタイムを短く
でき、遮断周波数が向上したのである。また活性層１３
中の不純物濃度がコントロールされているために歩留ま
りが向上できたのである。

第２図は本発明の他の実施例に係わる半導体レーザ素子
の概略構造を示す断面図である。図中２１はＳｎ添加の
　ｎ−型ＩｎＰ　（ｎ　＝　２　Ｘ　１０”　ａｍ−’
　）の（００１）基板であり、このＩｎＰ基板２１上に
λ／４シフトを含む回折格子が形成されている。回折格
子上にＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層２２が形成され、その
上には厚さ６０人のＧａＩｎ＾３量子井戸と厚さ６０人
のＧａＩｎＡｓＰ障壁が各々５層、４層積層されたＭＱ
Ｗ活性層２３が形成されている。　Ｇａ１ｎＡｓＰ障壁
中には５　Ｘ　１０”ｃｓ−２〜Ｉ　Ｘ　１０１７＞−
”のＺｎを添加した。ＭＱＷ活性層２３の上には、Ｇａ
ＩｎＡｓＰ上部光ガイド層２４，３００〜７００人が積
層されている。　さらにその上にはＳｉ濃度６　Ｘ　１
０”　ｃｍ−”、厚さ３００人のｎ−型ＩｎＰ拡散抑制
層２５が形成されている。その上にＺｎ濃度１．５〜５
Ｘ１０１１１■４の　ｐ−型ＩｎＰクラッド層２６が積
層されている。ＩｎＰ基板２１、ＧａＩｎＡｓＰ光ガイ
ド層２２、ＭＱＷ活性層２３．　ＧａＩｎＡｓＰ上部光
ガイド層２４、ｎ−型ＩｎＰ拡散抑制層２５、ｐ−型Ｉ
ｎＰクラッド層２６はメサ型状にエツチングされた後、
ｐ−型ＩｎＰ埋込み層２７、ｎ−型ＩｎＰ電流阻止層２
８、ｐ−型ＩｎＰ埋込み層２９により埋め込まれている
。さらにメサ部及び埋め込み層上部には、ｐ−型ＩｎＰ
クラッド層２１０、Ｐ−型ＧａＩｎＡｓコンタクト層２
１１が形成されているｓ　ＩｎＰ基板２１上面には、ｎ
−型電極２１２としてＡｕ／ＡｕＧｅが蒸着されており
、コンタクト層２１１上にはＰ−型電極２１３として、
Ａｕ／ＡｕＺｎが蒸着されている。なおこの素子は素子
容量低減のためにＩｎＰ基板２１から上の素子全体をメ
サ幅８〜１０−のメサ構造とした、レーザ長１．２ｇｍ
でへき関した後端面には反射防止膜を積層した。

本実施例の半導体レーザ素子においては、発振スペクト
ルの幅が、出力５ＩＩＷにおいて、１２０ｋ　Ｈｚであ
った。拡散抑制層２５含まない場合の２２０ｋＨｚと比
較して大幅な改善となった。これはＭＱＷ活性層２３の
ＧａＩｎＡｓＰ障壁中の不純物濃度が低濃度かつ均一に
制御されているので、ＭＱＷ活性層２３中のキャリアの
分布が均一に制御されているためである。

この半導体レーザ素子は、１４０℃まで発振が可能であ
り、拡散抑制層２５を含まない場合の１２０℃よりも優
れていた。これはｐ−ｎ接合位置がＭＱＷ活性層２３と
　ｐ−型領域でありｐ−型ＩｎＰクラッド層２６の境界
に一致しているために、ＭＱＷ活性層２３からの電子の
オーバーフローが抑制されているためである。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない０例えば上述した実施例では、■族元素としてＳｉ
を添加したが、■族元素をＳｎ、　Ｇｅでもよい、ｐ−
型不純物としてＺｎを用いたが、　ＣｄあるいはＭｇを
用いてもよい、また第１の実施例では、光ガイド層１４
に、Ｓｉを添加したが、ｐ−型１ｎＰクラッド層１７の
、活性層側数百オングストロームにも■族元素を添加し
て拡散抑制層としてもよい。また、上述した実施例では
、ＧａＩｎＡｓ（Ｐ）／ＩｎＰ系を例としたが、Ｇａ（
ＡＱ）ＩｎＰ／ＧａＡｓ系、１ＩｎＡｓ／　ＧａＩｎＡ
ｓ／ＩｎＰ系、１ＧａＡｓ　／　ＧａＡｓ系への適用も
可能である。

特に量子井戸構造を含むＡＱＧａＡｓｌＧａＡＳ系に適
用した場合、不純物拡散にともなう量子井戸構造の乱れ
を防ぐことができる。上述した実施例では半導体レーザ
素子について述べたが、発光ダイオード、吸収型光変り
ｔ素子等への適用も可能である。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で１種々の変形をして実施することが
できる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、不純物の拡散にと
もなうｐ−ｎ接合位置とへテロ接合位置の不一致あるい
は、不純物の活性層中への侵入を防ぐことができる。こ
のため活性層中の不純物濃度、ひいてはキャリア濃度と
電位分布を自由に設計できるようになり、良好な特性を
有する光半導体素子を実現することができる。特に半導
体レーザ素子に用いた場合、高速変調特性の改善１発振
スペクトルの高純度化につながり、その有用性は絶大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係わる半導体レーザ素
子の概略構造を示す断面図、第２図は本発明の第２の実
施例に係わる半導体レーザ素子の概略構造を示す断面図
である。 １ｌ−ｎ−型ＩｎＰ基板、 １２・・・ｎ−型ＩｎＰクラッド層、 １３＝−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、 １４−−−ＧａＩｎＡｓＰ拡散抑制層、１５・・・高抵
抗ＩｎＰ埋め込み層、 １６・・・電流阻止層、 １７・・・ｐ−型ＩｎＰクラッド層、 １８・・・ＧａＩｎＡｓコンタクト層。 １９・・・ｎ−型電極 １１０・・・Ｐ−型電極 ２ｌ−ｎ−型ＩｎＰ基板、 ２２−ＧａＩｎＡ５Ｐ光ガイド層。 ２３・・・ＭＱＷ活性層、 ２４・・・ＧａＩｎＡｓＰ上部光ガイド層、２５・・・
ｎ−型ＩｎＰ拡散抑制層、 ２６・・・ｐ−型ＩｎＰクラッド層、 ２７・・・ｐ−型ＩｎＰ埋め込み層、 ２８・・・ｎ−型ＩｎＰ電流阻止層。 ２９・・・Ｐ−型ＩｎＰ埋め込み層。 ２１０・・・ｐ−型ＩｎＰクラッド層、２１１、−ｐ−
型ＧａＩｎＡｓコンタクト層、２１２・・・ｎ−型電極
、 ２１３・・・ｐ−型電極。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）III−Ｖ族化合物半導体基板上に第１の導伝型の
   半導体層と、第１の半導体層よりも禁制帯幅の狭い第２
   の半導体層と、第２の半導体層よりも禁制帯幅の広い第
   ２の導伝型の第３の半導体層とを順次積層してなり、且
   つ第１の半導体層と第２の半導体層の間に第２の導伝型
   の第４の半導体層または、第２の半導体層と第３の半導
   体層の間に第１の導伝型の第４の半導体層を挿入してな
   る光半導体素子において、上記第４の半導体層中に最も
   高濃度に含まれる不純物がIV族元素であり、且つ第４の
   半導体層に対して第２の半導体層と反対側の半導体層中
   に、最も高濃度に含まれる不純物がII族元素であること
   を特徴とする光半導体素子。（２）前記第４の半導体層
   中に含まれるIV族元素濃度が、前記第４の半導体層に対
   して第２の半導体層と反対側の半導体層中に含まれるI
   I族元素濃度よりも高濃度であることを特徴とする請求
   項１記載の光半導体素子。 （３）前記半導体基板がＩｎＰであり、第４の半導体層
   中に含まれるIV族元素がＳｉであり、Ｓｉの濃度が１．
   ５×１０＾１＾８ｃｍ＾−＾３〜２×１０＾１＾９ｃｍ
   ＾−＾３であることを特徴とする請求項２記載の光半導
   体素子。