JPH04280493A - 半導体レ−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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＺｎをドープしたｐ型
ＩｎＰ基板の上に形成される半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】発光ダイオ−ド、半導体レーザなどの発
光素子は、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体基板の上にＩＩＩ　−Ｖ族混晶半導体を幾層にもエ
ピタキシャル成長することによって作られる。最も早く
に現れた半導体レーザはｎ型ＧａＡｓ基板の上へ、Ａｌ
ＧａＡｓの混晶、ＧａＡｓの薄膜をエピタキシャル成長
させてダブルヘテロ構造としたものである。ｎ型基板の
上にｎ型クラッド層、ノンドープ（或は低濃度のｐ型）
活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型コンタクト層などが積層
されていた。ｎ型の方がｐ型より比抵抗が小さく、基板
による抵抗を小さくするためにはｎ型基板の方が都合が
良かったのである。またｎ型基板の方がオ−ミック接合
電極を作りやすい。

【０００３】ＧａＡｓ系の発光素子は０．７〜０．８μ
ｍの波長の光を出すが、光通信に用いられる長波長の光
を生ずるためにはＩｎＰ系の発光素子を使う。もともと
ＧａＡｓ系発光素子の開発をしていた技術者がＩｎＰ系
発光素子の開発を進めることになったので、ｎ型ＩｎＰ
基板の上にＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰの薄膜を積層してｐ
ｎ接合を作るようにした。現在でもｎ型ＩｎＰ基板を用
いた半導体レーザ、発光ダイオ−ドが主流である。

【０００４】ところが近年ｐ型ＩｎＰ基板を用いた半導
体レーザが注目されている。より高温での動作が可能だ
という理由による。なぜ高温でｎ型ＩｎＰ基板のレーザ
が動作不良になるかということは、例えばＹ．ＮＡＫＡ
ＮＯ　　＆　　Ｙ．ＮＯＧＵＣＨＩ，”１．３μｍ　　
Ｂｕｒｉｅｄ−ＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬａｓ
ｅｒｓ　　ｏｎ　　ｐ−ｔｙｐｅ　　ＩｎＰＳｕｂｓｔ
ｒａｔｅｓ”，ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅ
ｃｔｏｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．ＱＥ２１，Ｎｏ．５，ｐ
．４５２−４５７（１９８５）に説明されている。埋め
込み型半導体レーザの場合、発光に寄与するｐｎ接合の
両側を埋め込み層で覆う。この部分はｐｎ接合だけに電
流と光を集中させるためのものでｐｎｐｎのサイリスタ
的な構造を持っている。つまりｎ型基板の場合は埋め込
み層はｐｎとなりｎ型の基板とｐ型コンタクト層と合わ
せて基板側からｎｐｎｐの構造になる。基板に接する層
はｐ型の薄膜である。これは中央の活性層より下になけ
ればならない。もしも埋め込み層の第１層が活性層より
上にあると、ｐ型クラッド層から埋め込み第１層のｐ型
へ電流が流れこれからｎ型基板へ電流が流れるからであ
る。この電流がゲート電流となりサイリスタをオン状態
にする。 この点はｐ型基板の場合も同様で両側に埋め込み層を設
けるが、これは当然ｎｐ層となる。基板に接する埋め込
み第１層はｎ型である。埋め込み第１層は薄いものでな
ければならない。いずれにしても、埋め込み層はｐｎｐ
ｎ、ｎｐｎｐのサイリスタ構造になるのである。この内
、最も薄いのは基板の直ぐ上の埋め込み第１層になる。 これは基板から少数キャリヤが注入されるが、埋め込み
第２層との間が逆バイアスされたｐｎ接合になるのでこ
こで電流が阻止されるのである。ｎ型基板の場合は、埋
め込み第１層がｐ型、第２層がｎ型であり、第１層第２
層のｐｎ接合が逆バイアスされる事になる。ｐ型基板の
場合は埋め込み第１層がｎ型、第２層がｐ型で、第１層
第２層のｎｐ接合が逆バイアスされる。このようなこと
は埋め込み型に限らず全ての半導体レーザに於いても共
通のことである。電流と光を活性層の狭い領域に集中す
る必要があるからである。

【０００５】さて基板から埋め込み第１層へ入った少数
キャリヤは多部分が多数キャリヤと再結合して消滅する
のであるが、一部分は濃度差ポテンシャルによって拡散
し埋め込み第２層の中へ入る。これは埋め込み層を伝わ
る漏れ電流である。半導体レーザは低温であるほど発光
パワーが大きい。これはよく知られていることである。 高温になると電流に対する発光パワー増加の勾配が少な
くなるし、閾値（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）電圧自体も高く
なる。これは高温になればなるほど活性層の両側を通る
漏れ電流が増加するためである。すると高温で漏れ電流
の少ない構造の半導体レーザが高温でも効率良く発振で
きるということである。

【０００６】埋め込み第１層は薄くてこれを拡散によっ
て通る電流が埋め込み第２層に到達しこのポテンシャル
を越えれば漏れ電流になるわけである。ところが高温に
なれば活性層のオ−ジェ非発光再結合吸収の増加や活性
層からＩｎＰクラッドへのキャリアのオ−バ−フロ−に
より発光効率が低下するので光の強度を保つため順方向
に印加する電圧を大きくする必要がある。すると、埋め
込み第１層と２層の間のポテンシャル障壁を少数キャリ
ヤが乗り越えやすくなる。従って、拡散によって埋め込
み第１層を通過した少数キャリヤが多いと漏れ電流が多
くなり、さらに発光効率が低下する。

【０００７】図１３に示すように、ｎ基板では、ｎ基板
／埋め込み第１層（ｐ）／埋め込み第２層（ｎ）／ｐク
ラッド層からｎｐｎｐサイリスタ構造が形成され、埋め
込み第１層がゲ−トに相当する。この中で、ゲ−トを含
むｎｐｎトランジスタに着目すると、コレクタ電流Ｉｃ
　が電流リ−クＩＬ　に等しい。よく知られるように、
コレクタ電流Ｉｃ　とゲ−ト電流の比Ｉｃ　／ＩＧ　、
つまり電流増幅率は、ゲ−ト領域の少数キャリアの移動
度に比例する。ｎｐｎトランジスタでは、ゲ−ト領域で
ある第１埋め込み層（ｐ）の少数キャリアは電子である
。図１４に示すように、ｐ基板でも、同様にｐ基板／埋
め込み第１層（ｎ）／埋め込み第２層（ｐ）／ｎクラッ
ド層から、ｐｎｐｎサイリスタ構造が形成されるが、ゲ
−トは埋め込み第１層（ｎ）であり、ゲ−トを含むｐｎ
ｐトランジスタのゲ−トｎ層の少数キャリアはホ−ルで
ある。移動度は温度によるが、ＩｎＰの場合、正孔移動
度は電子移動度よりずっと小さく、１／２０〜１／３０
の程度であり、従ってｐ基板のｐｎｐトランジスタの電
流増幅率の方がｎ基板のｎｐｎトランジスタの電流増幅
率より１／２０〜１／３０小さくなることになり、コレ
クタ電流つまりリ−ク電流もｐ基板の方がｎ基板より１
／２０〜１／３０小さい事が分かる。

【０００８】こういう訳でｐ型基板の半導体レーザの方
が高温に於いて漏れ電流が少なく従って高温まで動作可
能だということになる。ｐ型基板ＩｎＰレーザが注目さ
れ始めたのは１９８４〜１９８５年頃であるが、これに
関する多くの提言がなされている。しかしこれは全て活
性層や埋め込み層についての改良であった。例えばＫ．
Ｉｍａｎａｋａ，Ｈ．Ｈｏｒｉｋａｗａ，Ａ．Ｍａｔｏ
ｂａ，Ｙ．Ｋａｗａｉ，＆　　Ｍ．Ｓａｋｕｔａ，”Ｈ
ｉｇｈ　　ｐｏｗｅｒ　　ｏｕｔｐｕｔ，ｌｏｗｔｈｒ
ｅｓｈｏｌｄ，ｉｎｎｅｒ　　ｓｔｒｉｐｅ　　ＧａＩ
ｎＡｓＰ　　ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ　　ｏｎ　　ａ　　
ｐ−ｔｙｐｅ　　ＩｎＰ　　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ”，Ａ
ｐｐｌ．Ｒｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．４５（３），ｐ
２８２（１９８４）は活性層ＩｎＧａＡｓＰの中へＺｎ
をドープしてｐ型にすることを提案している。埋め込み
型（ＢＨ）ではなくＶ溝型の半導体レーザである。液相
エピタキシーによって層成長するものであるが活性層Ｉ
ｎＧａＡｓＰ（０．２μｍ厚）のＺｎの最適ドープ量が
いくらであるかを求めている。液相エピタキシーである
からＧａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐの存在する液相にドーパント
であるＺｎを混ぜるのであるが。Ｚｎの原子比率が溶液
中で７×１０−６であるのが最適であるとしている。活
性層のＺｎ濃度がこれより低いと抵抗が増えて望ましく
ない。活性層のＺｎ濃度がこれより高いと光の吸収が大
きくなって好ましくないというわけである。これは活性
層のことであって基板のことではない。基板はＺｎドー
プでキャリヤ濃度が５×１０１８ｃｍ−３であるとして
いる。

【０００９】特願昭６０−０４４６４０号はｐ型基板Ｉ
ｎＰ埋め込み型半導体レーザの埋め込み層を伝わる漏れ
電流を減らすための工夫を提案している。埋め込み層を
ｐｎｐの３層構造（既述のものはｎｐ２層）にしｎ型埋
め込み層から、活性層の上にあるｎ型クラッド層（中央
）へ伝わる漏れ電流をなくすためｎ型埋め込み層を加え
これがｎ型埋め込み層とｎ型クラッド層の間に介在する
ようにしている。ｎ型埋め込み層は抵抗が低いのでもし
もｎ型クラッドに接触していると、この間で電流が流れ
てしまう。これを防ぐためｎ型埋め込み層とｎ型クラッ
ド層の間に抵抗の高いｐ型層を入れ３層の埋め込み層と
している。しかしこうすると新たに加えたｐ型埋め込み
層からｎ型クラッド層へ漏れ電流が流れる。特開平１−
３００５８１号はこれを防ぐためｐ＋　ｐｎｐの４層の
埋め込み層を提案している。ｐ＋　ｐ層がｎ型埋め込み
層とｎ型クラッド層とを離隔する。ｐ＋　がｎ型クラッ
ド層の両側をｐ型に反転させ、高抵抗のｐ型の領域を増
やしている。両方の効果で漏れ電流が少なくなると述べ
ている。これも埋め込み層の改良であって基板について
述べるところはない。

【００１０】特開平１−２８７９８５号も漏れ電流を少
なくするための改良である。活性層の上のｎ型クラッド
層の上にｐ型ＩｎＰセパレーション層を成長させ、埋め
込み層を成長させた後、セパレーション層の中央部まで
上からエッチングしここにｎ型クラッド層を成長させる
ものである。ｎ型クラッド層の側面にはｐ型セパレーシ
ョン層が存在しこれが埋め込み層のｎ型層との接触を遮
断している。このため埋め込みｎ型層からｎ型クラッド
層へ漏れ電流が流れない。これも埋め込み層の改良であ
って基板について述べるところはない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ｎ型ＩｎＰ基板の場合
と違ってｐ型ＩｎＰ基板は新たな問題を生ずる。既に述
べたように埋め込み層、活性層についての研究は盛んで
あるが基板自体については考慮が十分になされていない
。電子移動度が正孔移動度の２０〜３０倍であるのでｎ
型基板の場合低抵抗であってドーパントの量は少なくて
良い。しかしｐ型ＩｎＰ基板を使うとなるとこれを低抵
抗にするには多くのドーパントを入れる必要がある。 基板はエピタキシャル膜に比べ格段に厚いからことさら
低抵抗にしなければならない。

【００１２】基板から発光するわけではないので光の吸
収という問題もないはずで、基板は電気的特性だけが問
題になるものと考えられた。このため基板の特性評価は
もっぱらキャリヤ濃度によってなされていた。例えば前
述のＡｐｐｌ．Ｒｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４５（３），ｐ２
８２（１９８４）はＺｎドープでキャリヤ濃度が５×１
０１８ｃｍ−３のＩｎＰ基板を使ったと述べていた。キ
ャリヤ濃度はＨａｌｌ測定により簡単に測定することが
できる。しかしながら同じようにキャリヤ濃度を規定し
てもその基板の上に作った半導体レーザはその特性にバ
ラツキがある。あるものは良好に発光するが、他のもの
は発光効率が低い。従来は液相エピタキシーで作ってい
たが、これをＭＯＣＶＤ法で作ろうとすると特にバラツ
キの問題が顕著になる。

【００１３】これは未知の変数があってこれが制御され
ていないということである。本発明者は様々な実験を繰
り返したところ、ＩｎＰ基板からドーパントであるＺｎ
が、加熱によって動きやすくなって、活性層の方へ拡散
する現象を見出した。半導体レーザ（ＢＨ型）を作るた
めには３回エピタキシャル成長を行う。活性層を作るた
めの第１回目のエピタキシーの後に埋め込み層の形成の
ための第２回目のエピタキシー、さらにコンタクト層の
形成のための第３回目のエピタキシーを行う。図１は半
導体レーザの製造工程を略示する。（ａ）は活性層成長
を行った状態である。ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−Ｉｎ
Ｐ第１クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−Ｉ
ｎＰ第２クラッド層、ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層を
設けている。液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）、有機
金属気相成長法（ＯＭＶＰＥ）などを用いることができ
る。（ｂ）はメサ形成の状態である。エピタキシャル成
長層の両側をエッチングして除去している。（ｃ）は埋
め込み層とコンタクト層を成長させている。（ｄ）は電
極形成した状態を示す。基板にｐ側電極が、ｎ型コンタ
クト層にｎ側電極が形成される。以上に説明したものが
ＩｎＰウエハ上に多数製作されている。（ｅ）はこれを
示す。この後素子に組み立て評価する。

【００１４】このように活性層が形成された後、２回も
エピタキシーを行う。この時に基板が高温に加熱される
。例えば液相エピタキシーであれば６００℃程度で２時
間程度加熱状態が続く。このため図２に示すようにＺｎ
の拡散が起こる。基板のＺｎがｐ−ＩｎＰクラッド層を
通り抜けてＩｎＧａＡｓＰ活性層に入る。

【００１５】基板に高濃度のＺｎが入ると最初の設計値
から異なってくる。Ｚｎの量が多すぎると活性層の中を
伝搬する光の吸収が増加する。このため発振特性が劣化
する。つまり閾値電流が増加し、量子効率が低下するの
である。甚だしい時はｐｎ接合が上方にずれてｎ−Ｉｎ
Ｐクラッド層で弱い発光をするということもある。基板
から活性層へのＺｎの拡散がこれまで問題にされたこと
は本発明者の知る限りない。ｐ−ＩｎＰクラッド層はも
ちろんＺｎをドープしたｐ型であるが基板よりＺｎ濃度
が低くＺｎ原子の総量も少ないのであまり問題ではない
。しかし基板からのＺｎの拡散により活性層の特性が所
期のものから外れ光の吸収が増えて発振特性が低下する
というのは本発明者が発見した事実である。ｐ−ＩｎＰ
クラッド層が厚ければ良いのであるが、液相エピタキシ
ーの場合は成長速度が速いので２〜３μｍのｐ−ＩｎＰ
クラッド層を積層することができても、ＭＯＣＶＤにす
ると成長速度が遅いから、０．５〜１μｍ程度にしかで
きない。ｐ−ＩｎＰクラッド層はますます薄くなる傾向
にあり、Ｚｎの拡散を防ぐ上ではあまり役に立たない。

【００１６】基板のＺｎが２回のエピタキシーに於いて
活性層へ熱拡散するので活性層のＺｎが増えて光吸収が
増加しレーザとしての特性が低下するのは分かった。し
かしそうであれば、なぜに同じキャリヤ濃度（例えばｐ
＝５×１０１８ｃｍ−３）の基板を使っているのにある
ものは良品であるものは不良品であるのか？これが問題
である。従来は〔Ｚｎの濃度〕＝〔正孔の濃度〕と考え
られていた。従ってキャリヤ（正孔）濃度が５×１０１
８ｃｍ−３であればＺｎの濃度も５×１０１８ｃｍ−３
と考えられていた。ＺｎはＩｎＰ格子のうちＩｎを置換
しひとつの正孔を生ずるから、上の等式が成り立つはず
である。Ｓｉ半導体の場合なら、Ｂをドープしｐ型、Ａ
ａ、Ｐ、Ｓｂをドープしてｎ型とするが、この場合はキ
ャリヤ濃度とドーパント濃度はｐｎ接合の近傍を除いて
殆ど一致する。ＩｎＰの場合も、よほど高濃度でない限
りＺｎ濃度と正孔とは一致すると考えられた。キャリヤ
濃度はホール（Ｈａｌｌ）測定ですぐに測れるが、Ｚｎ
原子の測定は原子発光分析あるいはＳＩＭＳになり破壊
検査であるから実行し難いということもあった。本発明
者は実際には上の等式が成立せず、Ｚｎのかなりの部分
が正孔を放出しないということを発見した。ＩｎＰ基板
にＺｎを入れると３×１０１８ｃｍ−３程度まではＺｎ
濃度と正孔濃度が等しくなる。しかしそれ以上にＺｎの
ドープ量を増やしても正孔濃度はあまり増えない。つま
り正孔濃度が飽和するのである。正孔の飽和濃度が５×
１０１８ｃｍ−３程度であることも本発明者が初めて見
出した。すると、正孔の濃度が５×１０１８ｃｍ−３と
いうふうに規定した場合、Ｚｎ濃度が一義的に決まらず
、Ｚｎは少ないときも多いときもあるということになる
。

【００１７】これの理由は次のように考えられる。Ｚｎ
濃度が低くなると、ＺｎがＩｎＰ格子の中でＩｎサイト
を置換せず原子間の位置を占めるようになる。この場合
はＺｎが電子を引き付けるという作用がなく、ひとつの
正孔を発生しないものと考えられる。つまりキャリヤを
生じない眠ったＺｎになるのである。しかし安定な状態
ではないから、加熱されると濃度勾配に従って拡散する
のである。キャリヤを生じないのでＨａｌｌ測定にはか
からない。原子発光分析によって始めて分かる。またＳ
ＩＭＳによっても測定することができる。ｐ＝５×１０
１８ｃｍ−３と規定して基板を選別しても、Ｚｎ濃度の
高いものがあり、この上に２度のエピタキシーを行うと
、Ｚｎの活性層への拡散が著しく起こるということにな
るのである。このような事から分かることは、Ｚｎドー
プｐ型ＩｎＰ基板の品質を指定するためにキャリヤ濃度
（ｐ）を使ってはならず、かわりにＺｎ濃度を使わなけ
ればならないということである。もうひとつはＺｎ濃度
が多き過ぎてはならないということである。活性層に至
るＺｎの拡散が起こらないためＺｎ濃度を適当な範囲に
限定しなければならない。Ｚｎをド−パントとするｐ−
ＩｎＰ基板の上に形成された半導体レ−ザであって、Ｚ
ｎによる光の吸収が少なく高温でも良好に動作する半導
体レーザを提供することが本発明の目的である。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レ−ザは
、ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層、
ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層
、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層と、その両側に
埋め込み層を有する埋め込み型半導体レ−ザにおいて、
ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである亜鉛の原子濃度
を３〜７×１０１８ｃｍ−３とした事を特徴とする。さ
らに望ましくは、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントであ
る亜鉛の原子濃度を４〜５×１０１８ｃｍ−３とする。 より詳しくその他の構造も定義すると本発明の半導体レ
−ザは、　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第１ク
ラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ第２
クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層と、
その両側に埋め込み層を有し、ｐ−ＩｎＰ基板とｎ−Ｇ
ａＩｎＡｓコンタクト層に電極を有する埋め込み型半導
体レ−ザにおいて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントで
ある亜鉛の原子濃度を３〜７×１０１８ｃｍ−３とし、
ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層の厚みが１．５μｍ以下でｐ
型キャリヤ濃度が２×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３
であり、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層の厚みが０．０２〜
０．２μｍでｐ型キャリヤ濃度が２×１０１７〜１×１
０１８ｃｍ−３であり、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層のｎ
型キャリヤ濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下であり、か
つｐｎ接合の位置がｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層とｎ−Ｉ
ｎＰ第２クラッド層との界面にあることを特徴とする。

【００１９】

【作用】ｐ型ＩｎＰ基板中の正孔濃度を５×１０１８ｃ
ｍ−３と規定するのではなく、Ｚｎ濃度を３〜７×１０
１８ｃｍ−３と規定している。既に述べたようにＺｎド
ープＩｎＰ基板の中では、漠然と信じられていた〔Ｚｎ
濃度〕＝〔正孔濃度〕という等式が成立しない。正孔濃
度で規定しても正しくＺｎの濃度を規定したことにはな
らない。

【００２０】図３に本発明者がＬＥＣ法で引き上げたＺ
ｎドープＩｎＰ単結晶中のＺｎ原子濃度とキャリヤ（正
孔）濃度の測定結果を示す。横軸はＺｎ原子濃度で原子
発光分析によって測定している。縦軸は同じ単結晶の正
孔濃度でＨａｌｌ測定によっている。Ｚｎ原子濃度が２
．４×１０１８ｃｍ−３、３．８×１０１８ｃｍ−３の
場合は、正孔濃度は２．４×１０１８ｃｍ−３、３．７
×１０１８ｃｍ−３である。ところがＺｎ濃度が４×１
０１８ｃｍ−３を越えると、正孔濃度がＺｎ濃度から大
きくずれてくる。

【００２１】Ｚｎ濃度が４．８×１０１８ｃｍ−３のと
き、正孔濃度（キャリヤ濃度）が４．４×１０１８ｃｍ
−３であり、後者が０．４×１０１８ｃｍ−３低くなっ
ている。Ｚｎ濃度が５．４×１０１８ｃｍ−３の場合、
正孔濃度は４．８×１０１８ｃｍ−３である。この場合
０．６×１０１８ｃｍ−３の差がある。Ｚｎ濃度が７．
４×１０１８ｃｍ−３の場合は、キャリヤ濃度が５．１
×１０１８ｃｍ−３であり、２．３×１０１８ｃｍ−３
の差がある。キャリヤ濃度だけからこれを見ていると、
ｐ＝４．４×１０１８ｃｍ−３、ｐ＝５．１×１０１８
ｃｍ−３の場合、キャリヤ濃度は０．７×１０１８ｃｍ
−３しか違わないのに、Ｚｎ原子濃度は４．８×１０１
８ｃｍ−３、７．４×１０１８ｃｍ−３であって、後者
は前者の１．５倍ものＺｎが添加されているということ
になる。そこで本発明者は〔キャリヤ濃度〕／〔Ｚｎ濃
度〕を活性化率と名付け、図３と同じデータについてＺ
ｎ原子濃度の函数として活性化率を図４に示した。Ｚｎ
濃度が３×１０１８ｃｍ−３以下では活性化率は１００
％である。Ｚｎ濃度が３〜５×１０１８ｃｍ−３で活性
化率は９７〜９５％程度である。ところがＺｎ濃度が５
×１０１８ｃｍ−３を越えると活性化率は急激に低下す
る。〔Ｚｎ〕＝５．４×１０１８ｃｍ−３のとき活性化
率は８５％、〔Ｚｎ〕＝６．２×１０１８ｃｍ−３のと
き活性化率は７７％、〔Ｚｎ〕＝７．４×１０１８ｃｍ
−３のとき活性化率は６７％である。

【００２２】本発明が規定するようにＺｎ濃度が３〜７
×１０１８ｃｍ−３であると活性化率は７０％以上であ
る。 またキャリヤ濃度は４．９×１０１８ｃｍ−３以下であ
る。 ７×１０１８ｃｍ−３というのはＺｎの熱拡散によって
活性層の光吸収が過度に増加しない上限である。３×１
０１８ｃｍ−３というのはｐ型基板の電気抵抗が高くな
り過ぎないための下限である。従来ｐ型（Ｚｎドープ）
ＩｎＰ基板は、正孔移動度が低く（電子の１／２０〜１
／３０）高抵抗になりやすいのでできるだけＺｎを多く
ドープして低抵抗化を企っていた。前述のＡｐｐｌ．Ｒ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４５（３），ｐ２８２（１９８４）
もｐ＝５．０×１０１８ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰ基板を使
っていた。 本発明者の方法と同じ製造方法であるとすればＺｎ濃度
に直すと７．２×１０１８ｃｍ−３以上に当たる。これ
以上で正孔濃度が飽和するので、Ｚｎ濃度は８〜１０×
１０１８ｃｍ−３であるのかも知れない。このようにＺ
ｎ濃度が高いと熱拡散によりＺｎが活性層に至り発光特
性を低下させる。

【００２３】さてＺｎドープｐ型ＩｎＰ基板の上に、Ｉ
ｎＧａＡｓＰを活性層とする埋め込み型半導体レーザを
作る場合、基板の亜鉛Ｚｎ濃度によりどのようにＺｎが
拡散してゆくのかを説明する。図５は本発明で規定する
ように基板のＺｎ濃度が３〜７×１０１８ｃｍ−３の場
合の、２回の液相エピタキシーの後のＺｎ分布を示す。 横軸は基板の底から上方に向けて取った高さを示す。縦
軸はＺｎ原子濃度である。下から順にｐ−ＩｎＰ基板、
ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰ活性層、ｎ
−ＩｎＰ第２クラッド層、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタク
ト層である。埋め込み層へのＺｎの拡散はここでは問題
にしないのでここには示していない。レーザの中心線に
沿う分布である。打点で示したものは第１回目の活性層
までを形成したときのＺｎ濃度である。ここでは基板で
のＺｎ濃度を４×１０１８ｃｍ−３だとしている。ｐ−
ＩｎＰクラッド層では０．８×１０１８ｃｍ−３、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ活性層ではもっと低い濃度で０．５〜０．６
×１０１８ｃｍ−３程度である。ところがその後、埋め
込み層を形成し、コンタクト層を形成するためのエピタ
キシーを行うと、Ｚｎが基板の方から活性層の方へ拡散
し太い実線で示すようになる。しかしもともとｐ−Ｉｎ
Ｐ基板のＺｎ濃度があまり高くないから、ｐ−ＩｎＰ第
１クラッド層の基板に接する側のＺｎ濃度が少し高くな
るだけであって、ＩｎＧａＡｓＰ活性層のＺｎ濃度は殆
ど増えない。 活性層のＺｎ濃度は設計値のままで０．５〜０．６×１
０１８ｃｍ−３程度である。活性層の直上ｎ−ＩｎＰ第
２クラッド層との境界がｐｎ接合になっている。

【００２４】図６は基板のＺｎ濃度が７×１０１８ｃｍ
−３を越える場合（この例では７×１０１８ｃｍ−３）
のＺｎの拡散を説明する。活性層までを作る第１回目の
エピタキシーでは、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層が０．８
×１０１８ｃｍ−３、ＩｎＧａＡｓＰ活性層が０．５〜
０．６×１０１８ｃｍ−３のＺｎの濃度でこれは図５の
場合と同じである（打点で示す）。ところが２回のエピ
タキシーを行うと太い実線で示すように高濃度のＺｎが
基板から拡散しｐ−ＩｎＰ第１クラッド層全体のＺｎ濃
度が２×１０１８〜４．５×１０１８ｃｍ−３まで上昇
してしまう。活性層の濃度も１．６〜２×１０１８ｃｍ
−３程度に増加する。それだけでなくｎ−ＩｎＰ第２ク
ラッド層へもＺｎが拡散するので、これの一部がｐ型に
反転しｐｎ接合がＩｎＰクラッド層の中へ入ってしまう
。こうなるとＩｎＧａＡｓＰで発光するのでなくＩｎＰ
で発光するので発光波長が変わってしまう。また高濃度
のＺｎがあるので光の吸収が大きくなる。このため高温
での発振が難しくなるし、低温であっても発光パワーが
小さくなるのである。

【００２５】

【実施例】Ｚｎをドープして液体封止チョクラルスキー
法（ＬＥＣ）で引き上げたｐ型ＩｎＰ単結晶を薄くスラ
イスしエッチング、研磨等の加工をしたウエハを基板と
する。基板の中のＺｎ濃度が異なるものを用意した。

【００２６】次にＺｎ濃度の違う５種類のｐ型ＩｎＰ基
板の上へ埋め込み型半導体レーザを液相エピタキシーに
よって作製した。図１１に半導体レ−ザの構造を示す。 これは良く知られた最も単純なファブリ−ペロ−型のも
ので両端の劈開面が鏡面になっていてこれが共振器を構
成する。基板がＺｎをド−プしたｐ−ＩｎＰである。中
央の部分が、これまで何回も述べた構成である。これに
ついては図１２に図示する。埋め込み層は基板の直上か
らｐ−ＩｎＰ層、ｎ−ＩｎＰ層、ｐ−ＩｎＰ層、ｎ−Ｉ
ｎＰ層となっている。またストライプを構成する中央部
を両側の部分から電気的に切り離すために両側に溝があ
る。このような構造は公知である。さて素子の中央部は
、最初に形成された部分であるが、図１２に示すように
なっている。 ■　　ｐ−ＩｎＰクラッド層　　　　（第１クラッド層
）Ｚｎ濃度　　　　６〜７×１０１７ｃｍ−３，厚さ０
．５μｍ■　　ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層 （Ｉｎ０．７３Ｇａ０．２７Ａｓ０．５７Ｐ０．４３）
Ｚｎ濃度　　　　４〜５×１０１７ｃｍ−３，厚さ０．
１２μｍ■　　ｎ−ＩｎＧａＡｓＰガイド層 （Ｉｎ０．９３Ｇａ０．０７Ａｓ０．１４Ｐ０．８６）
Ｓｉ濃度　　　　６〜７×１０１７ｃｍ−３，厚さ０．
１４μｍ■　　ｎ−ＩｎＰクラッド層　　　　（第２ク
ラッド層）Ｓｉ濃度　　　　８〜１０×１０１７ｃｍ−
３，厚さ０．５μｍ■　　ノンドープＩｎＧａＡｓＰキ
ャップ層，厚さ０．０５μｍ （Ｉｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．４４Ｐ０．５６）
である。最も簡単なファブリ−ペロー型の半導体（ＢＨ
）レーザで、長さは３００μｍ、両端面の反射率は０．
３１と０．９としている。０．３１の方から光を出すよ
うにしている。■のｐ−ＩｎＰ第１クラッド層は一般に
厚みが１．５μｍ以下であることが望ましい。キャリヤ
濃度は２×１０１７ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３
であるようにする。■のｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層はｐ
型キャリヤ濃度が２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８
ｃｍ−３とし、厚みは０．０５〜０．２μｍとする。■
のｎ−ＩｎＰ第２クラッド層はｎ型キャリヤ濃度が７×
１０１７ｃｍ−３以上であるようにする。ｐ型ＩｎＰ基
板のＺｎ濃度は（ａ）２×１０１８ｃｍ−３　　（ｂ）
３×１０１８ｃｍ−３　　（ｃ）４．５×１０１８ｃｍ
−３　　（ｄ）６．５×１０１８ｃｍ−３　　（ｅ）７
．５×１０１８ｃｍ−３である。周囲温度を２０℃〜８
０℃に変えてそれぞれの温度に於ける電流、光出力特性
を測定しグラフに表わした。図７は（ａ）〔Ｚｎ〕＝２
×１０１８ｃｍ−３の例を示す。図８、９、１０、はそ
れぞれ（ｂ）〔Ｚｎ〕＝３×１０１８ｃｍ−３、（ｃ）
〔Ｚｎ〕＝４．５×１０１８ｃｍ−３、（ｄ）〔Ｚｎ〕
＝６．５×１０１８ｃｍ−３の場合である。この中で最
も特性の優れているのは（ｃ）〔Ｚｎ〕＝４．５×１０
１８ｃｍ−３の基板を使ったレーザである。曲線の勾配
が発光効率を表わすが勾配が極めて大きい。２０℃で６
０ｍＡの注入電流で光のパワーが２０ｍＷである。また
閾値電圧も低い。さらに８０℃でも発振し、閾値電流は
４０ｍＡである。１００ｍＡの注入電流に対して８．３
ｍＷの発光出力がある。次に良いのは（ｄ）〔Ｚｎ〕＝
６．５×１０１８ｃｍ−３の基板を使ったレーザである
。（ｃ）の例より発光効率も低く、閾値も高いが８０℃
でも発振する。２０℃で１１０ｍＡの注入電流で光のパ
ワーが２０ｍＡになる。８０℃の閾値電流は５５ｍＡで
、１００ｍＡの電流に対し、４ｍＡの発光出力がある。 ３番目に良いのは（ｂ）〔Ｚｎ〕＝３×１０１８ｃｍ−
３の基板を使ったものである。２０℃で１３０ｍＡの注
入電流で光のパワーが２０ｍＷになる。８０℃の閾値電
流は４５ｍＡで、１００ｍＡの電流に対する発光出力は
４ｍＷである。４番目のものは（Ａ）〔Ｚｎ〕＝２×１
０１８ｃｍ−３の基板の上に作ったレーザである。２５
℃の閾値が３０ｍＡで１００ｍＡの注入電流でも１０ｍ
Ｗの出力しかない。８０℃での閾値は８０ｍＡで発振す
ることはするが電流１００ｍＡに対して１ｍＷ程度の光
出力である。これは基板のＺｎが少なく抵抗が高すぎる
為であると考えられる。（ｅ）〔Ｚｎ〕＝７．５×１０
１８ｃｍ−３のものはレーザ発振しなかった。レ−ザ発
振しないので電流光出力特性のグラフは図示しない。僅
かな発光は認められるが波長がＩｎＰのハンドギャップ
に対応しｐｎ接合がｎ−ＩｎＰクラッド層の方へずれて
いるということが分かる。

【００２７】このような結果からｐ型ＩｎＰ基板のＺｎ
濃度は４〜５×１０１８ｃｍ−３であるのが最良であり
、３〜７×１０１８ｃｍ−３であれば８０℃でも十分な
レーザ発振をするとういう事が分かる。これらを外れる
と閾値電流が高くなるし発光効率も低い。

【００２８】

【発明の効果】ｐ型ＩｎＰ基板を用いて半導体レーザが
作られるが従来は品質評価をキャリヤ濃度で行っていた
ので隠れたパラメータを見落とすことになり一定の特性
のものを再現性良く作るということが難しかった。本発
明はＩｎＰ基板中にＺｎをある程度以上にド−ピングす
ると、Ｚｎ濃度に対してキャリヤ濃度が飽和し、飽和濃
度の近傍に於いてキャリヤ濃度を指定してもＺｎ原子の
濃度は一義的に規定されないことを明らかにしている。 またＺｎ濃度が３〜７×１０１８ｃｍ−３としているの
でＺｎが２度のエピタキシーによっても活性層まで拡散
しないし基板の抵抗も小さく極めて発光効率のよい閾値
電流の低い、高温でも発振できる半導体レーザを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体レ−ザの製造工程図

【図２】その後のエピタキシャル成長によってＺｎが基
板から活性層へ拡散する様子を示す図。

【図３】ＩｎＰ基板にド−プしたＺｎ原子濃度とキャリ
ヤ濃度の測定値を示すグラフ。

【図４】ＩｎＰ基板にＺｎをド−プした時のＺｎ原子濃
度と活性化率の測定値を示すグラフ。

【図５】本発明のＩｎＰ基板からのＺｎの拡散を説明す
るための図。

【図６】従来例におけるＩｎＰ基板からのＺｎの拡散を
説明するための図。

【図７】ＩｎＰ基板のＺｎ濃度を２×１０１８ｃｍ−３
とし、これを基板として半導体レ−ザを作製した場合の
半導体レ−ザの温度による電流光出力特性図。

【図８】ＩｎＰ基板のＺｎ濃度を３×１０１８ｃｍ−３
とし、これを基板として半導体レ−ザを作製した場合の
半導体レ−ザの温度による電流光出力特性図。

【図９】ＩｎＰ基板のＺｎ濃度を４．５×１０１８ｃｍ
−３とし、これを基板として半導体レ−ザを作製した場
合の半導体レ−ザの温度による電流光出力特性図。

【図１０】ＩｎＰ基板のＺｎ濃度を６．５×１０１８ｃ
ｍ−３とし、これを基板として半導体レ−ザを作製した
場合の半導体レ−ザの温度による電流光出力特性図。

【図１１】本発明の実施例に係る半導体レ−ザの概略斜
視図。

【図１２】本発明の実施例の半導体レ−ザの中央部の膜
構造を示す概略図。

【図１３】ｎ基板の場合の埋め込み層の構造と、埋め込
み層の電流リ−クについてサイリスタ等価回路を用いて
説明した図。

【図１４】ｐ基板の場合の埋め込み層の構造と、埋め込
み層の電流リ−クについてサイリスタ等価回路を用いて
説明した図。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   と、その両側に埋め込み層を有する埋め込み型半導体レ
   −ザにおいて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである
   亜鉛の原子濃度を３〜７×１０１８ｃｍ−３とした事を
   特徴とする半導体レ−ザ。
2. 【請求項２】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   と、その両側に埋め込み層を有する埋め込み型半導体レ
   −ザにおいて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パントである
   亜鉛の原子濃度を４〜５×１０１８ｃｍ−３とした事を
   特徴とする半導体レ−ザ。
3. 【請求項３】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   と、その両側に埋め込み層を有し、ｐ−ＩｎＰ基板とｎ
   −ＧａＩｎＡｓコンタクト層に電極を有する埋め込み型
   半導体レ−ザにおいて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パン
   トである亜鉛の原子濃度を３〜７×１０１８ｃｍ−３と
   し、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層の厚みが１．５μｍ以下
   でｐ型キャリア濃度が２×１０１７〜１×１０１８ｃｍ
   −３であり、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層の厚みが０．０
   ２〜０．２μｍでｐ型キャリア濃度が２×１０１７〜１
   ×１０１８ｃｍ−３であり、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層
   のｎ型キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下であり
   、かつｐｎ接合の位置がｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層とｎ
   −ＩｎＰ第２クラッド層との界面にあることを特徴とす
   る半導体レ−ザ。
4. 【請求項４】　　ｐ−ＩｎＰ基板の上に、ｐ−ＩｎＰ第
   １クラッド層、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層、ｎ−ＩｎＰ
   第２クラッド層、及びｎ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
   と、その両側に埋め込み層を有し、ｐ−ＩｎＰ基板とｎ
   −ＧａＩｎＡｓコンタクト層に電極を有する埋め込み型
   半導体レ−ザにおいて、ｐ−ＩｎＰ基板のｐ型ド−パン
   トである亜鉛の原子濃度を３〜７×１０１８ｃｍ−３と
   し、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層の厚みが１．５μｍ以下
   で亜鉛の原子濃度が２×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−
   ３であり、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層の厚みが０．０２
   〜０．２μｍで亜鉛の原子濃度が２×１０１７〜１×１
   ０１８ｃｍ−３であり、ｎ−ＩｎＰ第２クラッド層のｎ
   型キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３以下であり、か
   つｐｎ接合の位置がｐ−ＧａＩｎＡｓＰ活性層とｎ−Ｉ
   ｎＰ第２クラッド層との界面にあることを特徴とする半
   導体レ−ザ。