JP4694342B2 - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体レーザ装置およびその製造方法に関し、特に、窓層におけるリーク電流の低減を図った半導体レーザ装置およびその製造方法に関するものである。
近年、光通信のブロードバンド化が進展し、光ファイバを用いた公衆通信網が普及している。これに伴い、大量の情報を安価に伝送することが求められている。このため、情報通信機器が取り扱う情報量も膨大となる。従って、情報通信機器には、高速で大容量の情報を扱えることと、安価で高信頼性であることが求められている。
情報通信機器の主要部品として、半導体レーザ装置が挙げられる。この装置には、高い出力で効率の高いレーザ装置発振が可能であることと、安価であることが求められる。また、高速で大容量の記憶装置として、近年はDVD-R/RW装置の需要が高くなっている。この装置には、高出力の半導体レーザ装置（発光波長が６５０ｎｍ近傍の赤色レーザ装置）が使用される。この装置には、情報の高速処理の出力が高く、効率の高いAlGaInP/GaAs系材料が用いられ、開発が進められている。
上記半導体レーザ装置の構造例について説明する。例えば、上記半導体レーザ装置は、ｎ型GaAs基板を用いて形成される。ｎ型GaAs基板の上に、ｎ型AlGaAsのバッファ層、ｎ型AlGaInPの第１クラッド層、ｉ型AlGaInPの第１光ガイド層、多重量子井戸構造の活性層、ｉ型AlGaInPの第２光ガイド層、ｐ型AlGaInPの第２クラッド層、ｐ型GaInPのエッチングストッパ層、ｐ型AlGaInPの第３クラッド層、ｐ型GaInPのバンド不連続緩和層（BDR層）、ｐ型GaAsのキャップ層が順次積層されている。第３クラッド層、BDR層、キャップ層により、ストライプ状のリッジが形成されている。ｎ型GaAs基板の裏面にはｎ型電極が設けられ、キャップ層の上にはｐ型電極が設けられている。活性層を含むように光導波路の前端面と後端面が設けられ、その近傍に、Znの拡散により活性層の一部を無秩序化した窓層が設けられている。
上記窓層が形成される際には、Znがｎ型GaAs基板側に向かって拡散し、活性層の一部がZnにより無秩序化される。ここで、バッファ層（AlGaAs）は、第１クラッド層（AlGaInP）と比較してZnの拡散速度が小さい。このため、Znはバッファ層で拡散が停止してｐ−ｎ接合を形成し、基板側には拡散しない。また、AlGaAsはバンドギャップエネルギーが大きいため、この層で形成された接合リークを小さく抑えることができる（例えば、特許文献１参照）。
上記従来の半導体レーザ装置において、窓層のリーク電流を小さく抑えるためには、Znの拡散をバッファ層（AlGaAs）で停止させる必要がある。そのため、バッファ層を厚く形成する必要があった。バッファ層（AlGaAs）を形成する際には、ｎ型AlGaInP系の成長用に最適化された結晶成長装置が用いられる。このとき、この装置にはAs系材料とP系材料が使用されるため、AlGaAsを厚く成長させると、排気フィルター詰まりが高い頻度で発生する。これは、特にAl組成の高い材料を使用したとき顕著である。また、AlGaAs材料はカーボンの取り込みが大きく、これを避けるため成長速度を低く設定する必要がある。このため成長速度を上げることが困難であり、結晶成長装置の稼働率が低下する。この問題も、Al組成の高いAlGaAsほどカーボンの取り込みが増えることから顕著となる。そうすると、結晶成長装置の稼働率が低下し、製造コストが増加する。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、GaAs基板上にAlGaInPのクラッド層を有する半導体レーザ装置において、結晶成長装置の稼働率の低下や、製造コストを増加させることなく、窓層のリーク電流を小さく抑えることを目的とする。
本発明に係る半導体レーザ装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、AlGaAsを含む第１導電型のバッファ層と、前記バッファ層の上に設けられ、GaAsか、又は前記バッファ層よりもAl組成比が小さいAlGaAsのいずれかを含む第１導電型の拡散抑制層と、前記拡散抑制層の上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に設けられ、量子井戸を含む活性層と、前記活性層の上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面近傍に設けられ、前記活性層の一部が不純物により無秩序化された層とを有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に、AlGaAsを含む第１導電型のバッファ層を形成する工程と、前記バッファ層の上に、GaAsか、又は前記バッファ層よりもAl組成比が小さいAlGaAsのいずれかを含む第１導電型の拡散抑制層を形成する工程と、前記拡散抑制層の上に、第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層の上に、量子井戸を含む活性層を形成する工程と、前記活性層の上に、第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面を形成する工程と、前記端面に不純物を添加する工程と、前記不純物により前記活性層の一部を無秩序化する工程とを含むことを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
本発明によれば、GaAs基板上にAlGaInPのクラッド層を有する半導体レーザ装置において、結晶成長装置の稼働率の低下や、製造コストを増加させることなく、窓層のリーク電流を小さく抑えることができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図１に示す。この装置は６５０ｎｍ帯のリッジ導波路型の赤色レーザダイオード（以下、レーザダイオードを「ＬＤ」という）であり、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＡＭ／ＲＷ装置等に用いられるものである。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図１に示す。この装置は６５０ｎｍ帯のリッジ導波路型の赤色レーザダイオード（以下、レーザダイオードを「ＬＤ」という）であり、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＡＭ／ＲＷ装置等に用いられるものである。
図１に示すように、赤色ＬＤ１０は、ｎ型GaAs基板１２の上に形成されている。ｎ型GaAs基板１２の上に、下層から順に、ｎ型GaAsの第１バッファ層１４、ｎ型AlGaAsの第２バッファ層１６、ｎ型GaAs又はｎ型AlGaAsの拡散抑制層１８、ｎ型AlGaInPの第１クラッド層２０、積層構造（図示しない）を有する活性領域層２２、ｐ型AlGaInPの第２クラッド層２４、ｐ型GaInPのＥＳＬ（エッチングストッパ）層２６、ｐ型AlGaInPの第３クラッド層２８、ｐ型のGaInPのバンド不連続緩和層（Band Discontinuity Reduction；以下、「BDR層」という）３０、ｐ型GaAsのキャップ層３２が積層されている。基板１２の裏面側には、ｎ型の金属電極３６が設けられている。キャップ層３２の上には、ｐ型の金属電極３８が設けられている。
ＬＤ１０のｎ型不純物としてはSi（シリコン）が用いられ、ｐ型不純物としてはZn（亜鉛）が用いられている。ｎ型不純物として、Siの他にSe（セレン）などの不純物を用いても良い。また、ｐ型不純物として、Znの他にMg（マグネシウム）、Be（ベリリウム）などを用いても良い。これらの不純物については、以下においても同様とする。
ここで、拡散抑制層１８は、窓層を形成する際に、不純物（Zn）の拡散速度を低下させるための層である。このため、拡散抑制層１８の材料としては、第２バッファ層１６、第１クラッド層２０と比較して、Znの拡散定数の小さい材料が用いられている。AlGaAs系材料のZn拡散定数は、AlGaInP系の数分の１程度である。また、AlGaAsのAl組成比を小さくすると、Znの拡散定数はさらに小さくなる。従って、GaAsか、又は、Al組成比が第２バッファ層１６よりも小さいAlGaAsが用いられる。なお、上述した窓層を形成する際の不純物はZnに限られず、Mg、Be、Cdなどであっても良い。
ＬＤ１０の中央部上には、ストライプ状のリッジ２５が形成されている。リッジ２５は、第３クラッド層２８、BDR層３０、キャップ層３２により構成されている。リッジ２５は所定幅を有し、光の導波方向と平行に延在している。リッジ２５の両外側には、ｐ型のＥＳＬ層２６が露出している。この層は、第２クラッド層２４を覆っている。ＬＤ１０の長手方向の両端部は劈開され、前端面および後端面が形成されている。これらの端面近傍には、窓層４２が設けられている。窓層４２は、第１クラッド層２０、活性領域層２２、第２クラッド層２４を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面近傍に設けられている。窓層４２の活性領域層２２の一部は不純物（Zn）により無秩序化されている。
図１のII−II部の断面を図２に示す。第１バッファ層１４の厚さは、０．５〜１．５μｍ程度である。第２バッファ層１６の厚さは０．２〜０．６μｍ程度であり、この層の一般式AlxGa1-xAsにおけるAl組成比ｘは、０．３〜０．７の範囲である。拡散抑制層１８の厚さは、０．２〜０．４μｍ程度であり、この層の一般式AlxGa1-xAsにおけるAl組成比ｘは、０〜０．２の範囲である（拡散抑制層１８がｎ型GaAsである場合、Al組成比ｘは０である）。このとき、拡散抑制層１８のAl組成比は０〜０．２の範囲であり、第２バッファ層１６のAl組成比（０．３〜０．７）よりも小さくなっている。第１クラッド層２０の厚さは、１〜３μｍ程度であり、この層の一般式（AlxGa1-x）0.51In0.49PにおけるAl組成比ｘは、０．５〜１の範囲である。
第１クラッド層２０と第２クラッド層２４との間には、活性領域層２２（積層構造）が設けられている。この積層構造について説明する。第１クラッド層２０の上に、ｉ型（intrinsic型：不純物が添加されていない）のAlGaInPからなる第１光ガイド層２２０が設けられている。この層の厚さは、１０〜１００ｎｍ程度である。第１光ガイド層２２０の上に、ｉ型のGaInPからなるウェル層２２２ａ、ｉ型のAlGaInPからなるバリア層２２２ｂが交互に積層され、最上層にウェル層２２２ａ層が設けられている（以下、これらの積層膜を「活性層２２２」という）。つまり、活性層２２２はｉ型のGaInPのウェル層２２２ａを複数層有し、それらの間にバリア層２２２ｂを設けた多重量子井戸（Multiple Quantum Well；以下、「MQW」という）構造を有している。ウェル層２２２ａの厚さは５〜１０ｎｍ程度であり、この層の一般式GaxIn1-xPにおけるGa組成比ｘは、０．４〜０．５程度である。バリア層２２２ｂの厚さは３〜１０ｎｍ程度であり、この層の一般式（AlxGa1-x）0.51In0.49PにおけるAl組成比ｘは、０．４〜０．６程度である。活性層２２２の上には、第２光ガイド層２２４が設けられている。この層の厚さは１０〜１００ｎｍ程度である。
活性層２２２は、基板１２と格子整合し、フォトルミネッセンスの波長が、室温における測定で６３０〜６６０ｎｍの範囲となるように形成されている。なお、ここでは活性層２２２がMQW構造である例を示したが、単層の量子井戸構造であっても良い。
第２クラッド層２４の厚さは０．３〜０．５μｍ程度であり、この層の一般式（AlxGa1-x）0.51In0.49PにおけるAl組成比ｘは、０．５〜１程度である。ＥＳＬ層２６として、厚さ０．００３〜０．０５μｍ程度のGaInPが用いられている。この層は、リッジ２５を形成するエッチングを行う際に、選択性を有する材料であれば何でも良い。第３クラッド層２８の厚さは１〜３μｍ程度であり、この層の一般式（AlxGa1-x）0.51In0.49PにおけるAl組成比ｘは０．５〜１程度である。BDR層３０として、厚さ０．１μｍ程度のGaInPが用いられている。この層は、バンドギャップエネルギー（以下、「Eg」という）の値が第３クラッド層２８のEgとキャップ層３２のEgの間にある材料なら何でも良い。キャップ層３２の厚さは、０．１〜０．５μｍ程度である。この層は、コンタクト層としての機能を有している。
次に、図１、図２に示したＬＤ１０の製造方法について説明する。まず、ｎ型GaAs基板１２の上に、ｎ型GaAsの第１バッファ層１４、ｎ型AlGaAsの第２バッファ層１６、ｎ型GaAs又はｎ型AlGaAsの拡散抑制層１８、ｎ型AlGaInPの第１クラッド層２０、活性領域層２２、ｐ型AlGaInPの第２クラッド層２４、ｐ型GaInPのＥＳＬ層２６、ｐ型AlGaInPの第３クラッド層２８、ｐ型のGaInPのBDR層３０、ｐ型GaAsのキャップ層３２を順次積層する。これらの層は、例えば、有機金属化学気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；以下、「MOCVD」という）法や分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy；以下、「MBE」という）法により順次積層する。例えばMOCVDを用いて、成長温度を７００℃程度、圧力を１０ｋＰａ程度として行う。
これらの層を形成するための原料ガスとしては、例えば、トリメチルインジウム（Trimethyl Indium:TMI）、トリメチルガリウム（Trimethyl GalIium:TMG）、トリメチルアルミニウム（Trimethyl Alminum:TMA）、ホスフィン（Phosphine：PH3）、アルシン（Arsine：ArH3）、シラン（Silane：SiH4）、ジエチル亜鉛（DiethyleZinc：DEZ）等を用いる。これらの原料ガスをマスフローコントローラー（Mass Flow Controller：MFC）を用いて流量を制御することにより、所望の組成を得ることができる。
次に、第３クラッド層２８、BDR層３０、キャップ層３２を選択的にエッチングする。この結果、第３クラッド層２８、BDR層３０、キャップ層３２からなるストライプ状のリッジ２５が形成される。次に、基板１２の裏面にｎ型電極３６を形成し、キャップ層３２の上にｐ型の金属電極３８を形成する。
次に、リッジ２５の長手方向と直交するように、全体を劈開する。この結果、第１クラッド層２０、活性層２２、第２クラッド層２４を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面が形成される。つまり、リッジ２５の長手方向の両端部に、前端面および後端面が形成される。
次に、前端面および後端面の近傍で、第２バッファ層１６を含み、それよりも上層の部分にZnOを蒸着し、アニールする。この結果、キャップ層３２の表面からZnが拡散し、前端面および後端面の近傍のウェル層２２２ａが無秩序化される。このようにして、前端面および後端面の近傍に、図１に示した窓層４２が形成される。
前述したように、拡散抑制層１８は、第１クラッド層２０、第２バッファ層１６と比較して、Znの拡散定数が小さい材料により形成されている。このため、上述したアニールにおいて、Znの拡散速度は拡散抑制層１８で低下し、Znの拡散を第２バッファ層１６の内部で停止させることができる。これにより、不純物（Zn）の拡散を停止させるための第２バッファ層１６の厚さを、従来技術と比較して薄くすることができる。
また、拡散抑制層１８は、第２バッファ層１６と比較して結晶成長速度が２〜５倍程度大きく、さらに排気フィルター詰まりの頻度に対しても1/2〜1/3程度とすることができる。これにより、Al組成比が高いAlGaAsバッファ層のみで不純物拡散を制御する場合と比較して、結晶成長装置の稼働率を大きく向上させることができる。
図１のIII-III部の断面斜視図を図３に示す。ここでは、前端面の窓層４２の近傍を示している。ここで、共振器（リッジの長手方向）に対して垂直方向の幅をＷとする（通常は数１００μｍである。ここでは共振器に沿った方向で半分に分割した断面であるため、Ｗ/２と表記する）。また、上述した不純物（Zn）の拡散は、第２バッファ層１６の内部で、前端面から共振器の方向に沿ってＬ（通常は数１０μｍ）の位置で停止している。
従来技術においては、不純物（Zn）の拡散がｎ型GaAs基板１２に達し、ｐ−ｎ接合が形成される。この場合、基板１２のEgは小さく設定されているため、単位面積当たりの接合リークは大きい。一方、AlGaAsバッファ層内の共振器方向にもｐ−ｎ接合が存在するが、こちらはEgの大きいAlGaAs内での接合であり、単位面積当たりの接合リークは小さい。これに対し本実施の形態では、不純物（Zn）の殆んどが第２バッファ層１６の内部に存在する。この場合、この層の内部における接合リークはこの層のEgが大きいため殆んど問題にならないが、拡散抑制層１８の共振器方向にもｐ−ｎ接合が存在しており、これが主なリーク電流成分となる。
これらの接合リーク電流を比較すると、従来技術においては、Egの小さい層における接合面積はほぼLとWの積となる。一方、本実施の形態においては、Egの小さい層における接合面積は拡散抑制層１８の膜厚Ｄ（０．２〜０．６μｍ程度）とＷの積となる。ＬとＤを比較すると、上述のように数１０〜数１００倍の差があるため、本実施の形態においては、窓層４２における接合リーク電流を、従来技術と比較して数１０分の１〜１００分の１程度に抑えることができる。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置によれば、結晶成長装置の稼働率の低下や、製造コストを増加させることなく、窓層のリーク電流を小さく抑えることができる。
実施の形態２．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図４に示す。また、図４のVI−VI部の断面図を図５に示す。本実施の形態では、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図４に示す。また、図４のVI−VI部の断面図を図５に示す。本実施の形態では、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
図４、図５に示すように、ＬＤ５０は、第１バッファ層１４と第２バッファ層１６との間に、ｎ型AlGaAsからなるBDR層５２を有している。また、第２バッファ層１６と拡散抑制層１８との間に、ｎ型AlGaAsからなるBDR層５４を有している。また、拡散抑制層１８とクラッド層２０との間に、ｎ型AlGaAsからなるBDR層５６を有している。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
上述したBDR層５２のEgは、第１バッファ層１４のEgと第２バッファ層１６のEgとの中間の値である。BDR層５４のEgは、第２バッファ層１６のEgと拡散抑制層１８のEgとの中間の値である。BDR層５６のEgは、Egと拡散抑制層１８のEgとクラッド層２０のEgとの中間の値である。このような構造とすることにより、第１バッファ層１４と第２バッファ層１６との界面のバンド不連続に起因する抵抗成分を小さく抑えることができる。同様に、第２バッファ層１６と拡散抑制層１８との界面、拡散抑制層１８と第１クラッド層２０との界面のバンド不連続に起因する抵抗成分を小さく抑えることができる。
本実施の形態では、BDR層５２、５４、５６を設けた構造とした。しかし、これらのBDR層のうち、いずれか一つを設けた構造であっても良い。これにより、BDR層の上層と下層との間の界面のバンド不連続に起因する抵抗成分を小さくすることができる。つまり、第１バッファ層１４−第２バッファ層１６間、第２バッファ層１６−拡散抑制層１８間、拡散抑制層１８−第１クラッド層２０間のいずれかに、上層のEgと下層のEgのうち、小さい方のEgより大きく、大きい方のEgより小さい中間のEgを有するBDR層を設けた構造とする。また、BDR層５２、５４、５６はAlGaAsで形成するようにしたが、GaInPやInGaAsPなどで形成してもよい。
ここで、BDR層５４、５６を用いない場合の拡散抑制層１８と第１クラッド層２０とのEg差、拡散抑制層１８と第２バッファ層１６とのEg差は、以下のようになる。例えば、拡散抑制層１８としてGaAsを用い、第１クラッド層２０として一般式（AlxGa1-x）0.51In0.49PのAl組成比ｘが０．６程度のAlGaInPを用い、第２バッファ層１６として一般式AlxGa1-xAsのAl組成比ｘが０．６程度のAlGaAsを用いた場合について説明する。この場合、拡散抑制層１８、第１クラッド層２０、第２バッファ層１６のEgは、それぞれ約１．４eV、約２．３eV、約２．２eVとなる。このとき、拡散抑制層１８と第１クラッド層２０との間のEg差は０．９eV、拡散抑制層１８と第２バッファ層１６との間のEg差は０．８eVとなり、非常に大きい。この場合、バンドダイアグラム上でヘテロ界面の接合状態を考えると、導電帯（Conduction Band）側においてスパイクやノッチが発生し、素子抵抗増大の原因となる。
これに対して、本実施の形態では、BDR層５４、５６が設けられている。例えば、BDR層５６として、一般式AlxGa1-xAsのAl組成比ｘが０．３のAlGaAsを用いる。この層のEgは１．８eVであり、拡散抑制層１８のEg１．４eVと、第１クラッド層２０のEg２．３eVとの中間の値となる。
または、BDR層５６として、一般式GaxIn1-xPのGa組成比ｘが０．４のGaInPを用いる。この層のEgも１．８eVであるため、拡散抑制層１８のEg１．４eVと、第１クラッド層２０のEg２．３eVとの中間の値となる。但し、この場合は、BDR層５６とGaAs基板１２との間に若干の格子不整合が生じるため、層の厚さを薄くするなどの配慮が必要である。このようにBDR層を設けることにより、導電帯のスパイクやノッチに起因した素子抵抗の増大を抑制することができる。
なお、ここではBDR層５２、５４、５６が単一の層により構成される構造の例を示した。しかし、これらの層は、複数の層であっても良い。例えば、BDR層５６として、段階的にAl組成比を変化させたAlGaAsや、Egが拡散抑制層１８よりも大きく、かつ、第１クラッド層２０のEgよりも小さいInGaAsPを用いても良い。このような構造であっても同様の効果を得ることができる。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置によれば、実施の形態１で得られる効果に加えて、素子抵抗の増大を抑制することができる。
実施の形態３．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図６に示す。また、図６のVIII−VIII部の断面図を図７に示す。本実施の形態では、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図６に示す。また、図６のVIII−VIII部の断面図を図７に示す。本実施の形態では、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
図６、図７に示すように、ＬＤ６０は、実施の形態１と同様に、第１バッファ層１４を有している。その上に、ｎ型AlGaAsからなる第２バッファ層６２が設けられている。この層の一般式AlxGa1-xAsにおけるAl組成比ｘは、０．２以上、かつ０．３未満の範囲である。第２バッファ層６２の上には、第１クラッド層２０が設けられている。本実施の形態では拡散抑制層１８を設けない構造とする。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
実施の形態１、２では、窓層におけるｐ−ｎ接合部のリーク電流を十分に低減させるため、第２バッファ層１６の一般式AlxGa1-xAsのAl組成比ｘを０．３以上とした。しかし、Al組成比ｘを高くすると、結晶成長装置の装置稼働率を著しく低下させる原因となり、望ましくない。また、製品規格によっては、ある程度のリーク電流が存在しても素子の動作に問題のない場合もある。
このため、製品のコスト低減を優先して装置の稼働率を上げるために、第２バッファ層６２のAl組成比を０．３未満に下げることを検討した。その結果、Al組成比が０．２以上（Eg＞１．６７eV）であれば、リーク電流の指標となる素子の立ち上がり電圧（Vf：１ｍＡのリーク電流が流れる際の電圧）の低下を１０％前後に抑えられることが分かった。この値は、素子の端面劣化率への影響を考慮すると、許容範囲限度内である。従って、第２バッファ層の一般式AlxGa1-xAsのAl組成比ｘを０．２以上、かつ０．３未満とすることにより、実用に堪えるバッファ層を形成することができる。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置によれば、実施の形態１で得られる効果に加えて、結晶成長装置の稼働率を低下させることなく、窓層のリーク電流を小さく抑えることができる。
実施の形態４．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図８に示す。また、図８のＸ−Ｘ部の断面図を図９に示す。本実施の形態では、実施の形態３と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の斜視図を図８に示す。また、図８のＸ−Ｘ部の断面図を図９に示す。本実施の形態では、実施の形態３と異なる点を中心に説明する。
図８、図９に示すように、第１バッファ層１４の上に、超格子層７２が設けられている。その上に、第１クラッド層２０が設けられている。
図９に示した超格子層７２近傍の拡大図を図１０に示す。超格子層７２は、第１バッファ層１４の上に、GaAs層またはAl組成比の小さいAlGaAs層と、それよりもAl組成比が相対的に高いAlGaAs層とを交互に積層したものである。その他の構成については、実施の形態３と同様である。
上述した超格子層７２は、GaAs層またはAlGaAs層からなる超格子ウェル層７２０ａと、超格子ウェル層７２０ａよりもAl組成比が相対的に高いAlGaAs層からなる超格子バリア層７２０ｂとを交互に多層積層した構造を有している。超格子ウェル層７２０ａは量子効果によってEgが増加し、フォトルミネッセンスの波長が、室温における測定にて６５０〜７１０ｎｍになるように形成される。
また、超格子ウェル層７２０ａおよび超格子バリア層７２０ｂを積層する際の積層数は、超格子層７２の全体の厚さが窓層での不純物拡散をその内部で停止させるのに十分な厚みになるよう設定されている。例えば、超格子ウェル層７２０ａ、超格子バリア層７２０ｂの厚みをそれぞれ１〜８ｎｍ、１〜３０ｎｍの範囲とし、超格子層７２全体の厚さが０．２〜０．６μｍになるように設定する。また、超格子層７２のEgは、１．７〜１．９eVの範囲とすることが好適である。このような構成とすることにより、所望の特性を得ることができるようになる。
また、本実施の形態に係るＬＤ７０の製造方法は、実施の形態１で示した第２バッファ層１６、拡散抑制層１８（図１、図２参照）を形成する工程に置き換えて、GaAs又はAlGaAsからなる超格子ウェル層７２０ａと、超格子ウェル層７２０ａよりもAl組成比が相対的に高いAlGaAs層からなる超格子バリア層７２０ｂとを交互に積層し、Egが１．７〜１．９eVの範囲である超格子層７２を形成するようにしたものである。その他の製造方法については、実施の形態１と同様である。
このような構造で作製された超格子層７２の超格子ウェル層７２０ａは、GaAsまたはAl組成比の十分小さいAlGaAsを用いているため、窓層を形成するための不純物の拡散速度が小さい。このため、Al組成比の高いAlGaAsのみでバッファ層を形成する従来構造と比較して、ＬＤ全体の厚さを薄くすることができる。
従って、Al組成比が低くできることと、ＬＤ全体の厚さを薄できることにより、結晶成長装置の稼働率を高く維持することができる。また、Al組成比が十分小さいAlGaAs層あるいはGaAs層を超格子構造とすることにより、量子効果によりEgを大きく取ることができる。これにより、窓層におけるリーク電流を小さく抑えることができる。
これは、以下の理由による。超格子層７２に不純物（Zn）が拡散すると、不純物の存在する部分の超格子は無秩序化され、超格子ウェル層７２０ａと超格子バリア層７２０ｂの中間のEgになる。しかし、主なリーク成分である横方向のｐ−ｎ接合はEgの大きな超格子ウェル層７２０ａと、無秩序化により中間のEgとなった超格子層７２の間で形成される。このため、単純にウェル層７２０ａとバリア層７２０ｂの中間のEgを持つ層のみでバッファ層を形成したときよりもEg差は大きくなる。従って、窓層におけるリーク電流成分を小さく抑えることができる。
実施の形態１においては、窓層におけるリーク電流を小さく抑えるためには、不純物拡散が第２バッファ層１６の内部で停止するように、拡散抑制層１８と第２バッファ層１６の厚みの両方を、不純物拡散速度に応じて制御する必要があった。しかし、本実施の形態４においては、そうした微細な制御を必要とせず、不純物が突き抜けないように、超格子層７２の厚さを設定すれば良い。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置によれば、実施の形態１の効果に加えて、ＬＤ全体の厚さを薄くでき、不純物拡散を防止する層の厚さ制御を容易に行うことができる。
実施の形態５．
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図を図１１に示す。本実施の形態では、実施の形態４と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置の断面図を図１１に示す。本実施の形態では、実施の形態４と異なる点を中心に説明する。
図１１に示すように、本実施の形態では、実施の形態４で示した超格子ウェル層７２０ａと超格子バリア層７２０ｂとの間に、それらの層の中間のEgを有するBDR層７２０ｃを設けた構造とする。つまり、超格子ウェル層７２０ａと超格子バリア層７２０ｂとの間に、これらの層のEgのうち、小さい方のEgより大きく、大きい方のEgより小さい中間のEgを有するBDR層を設けた構造とする。このような構造とすることにより、超格子ウェル層７２０ａと超格子バリア層７２０ｂとの間のEg差が大きいことに起因する素子抵抗の増大を抑えることができる。
上記BDR層７２０ｃは、AlGaAs、GaInP、InGaAsPなどを用いて形成することができる。また、上記BDR層は、単一の層であっても、複数の層を積層した構造であっても、同様の効果を得ることができる。
本実施の形態５に係る半導体レーザ装置によれば、実施の形態４の効果に加えて、素子抵抗の増大を抑制することができる。
次に、実施の形態１〜５の変形例について説明する。この変形例に係る半導体レーザ装置の斜視図を図１２に示す。実施の形態１〜５では、ＬＤの中央部上にストライプ状のリッジを設けた構造を示した。これに対して、ＬＤ８０は、リッジ２５の両外側がｎ型半導体層や絶縁体層などからなる電流狭窄層６２により埋め込まれた電流狭窄構造を有している。
図１２のXIV−XIVの断面を図１３に示す。リッジ２５の両外側がｎ型半導体層や絶縁体層などからなる電流狭窄層６２により埋め込まれている。このような電流狭窄型構造であっても、リッジ導波路型のＬＤと同様の効果を有する。その他の構成については、実施の形態１（図１、図２参照）と同様である。
また、実施の形態１〜５では、ｎ型基板１２を用いた例を示した。しかし、ｐ型基板を用いて、その他のｐ、ｎの極性を全て逆としても、同様の効果を得ることができる。
１２ ｎ型GaAs基板、１４ 第１バッファ層、１６ 第２バッファ層、１８ 拡散抑制層、２０ 第１クラッド層、２２ 活性領域層、２４ 第２クラッド層、２５ リッジ、 ２８ 第３クラッド層、３０ BDR層、３２ キャップ層、４２ 窓層、５２、５４、５６ BDR層、６２ 第２バッファ層、７２ 超格子層。
Claims (10)
- 第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、AlGaAsを含む第１導電型のバッファ層と、
前記バッファ層の上に設けられ、GaAsか、又は前記バッファ層よりもAl組成比が小さいAlGaAsのいずれかを含む第１導電型の拡散抑制層と、
前記拡散抑制層の上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に設けられ、量子井戸を含む活性層と、
前記活性層の上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、
前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面近傍に設けられ、前記活性層の一部が不純物により無秩序化された層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記バッファ層と前記拡散抑制層との間、または、前記拡散抑制層と前記第１クラッド層との間に、
上層のバンドギャップエネルギーと下層のバンドギャップエネルギーのうち、小さい方のバンドギャップエネルギーより大きく、大きい方のバンドギャップエネルギーより小さい中間のバンドギャップエネルギーを有する層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 前記バッファ層の厚さは０．２〜０．６μｍの範囲であり、前記拡散抑制層の厚さは０．２〜０．４μｍの範囲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装置。
- 前記バッファ層のAlGaAsのAl組成比は０．３〜０．７の範囲であり、前記拡散抑制層のAlGaAsのAl組成比は、０．２以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
- 第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、Al組成比が０．２以上かつ０．３未満のAlGaAsを含む第１導電型のバッファ層と、
前記バッファ層の上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に設けられ、量子井戸を含む活性層と、
前記活性層の上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、
前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面近傍に設けられ、不純物により無秩序化された層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上で、GaAs又はAlGaAsからなる第１の層と、この層よりもAl組成比が大きいAlGaAsからなる第２の層とを交互に積層して設けられ、バンドギャップエネルギーが１．７〜１．９eVの範囲である超格子層と、
前記超格子層の上に設けられた第１導電型の第１クラッド層と、
前記第１クラッド層の上に設けられ、量子井戸を含む活性層と、
前記活性層の上に設けられた第２導電型の第２クラッド層と、
前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面近傍に設けられ、不純物により無秩序化された層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記第１の層の厚さは１〜８ｎｍの範囲であり、前記第２の層の厚さは１〜３０ｎｍの範囲であり、前記超格子層の厚さは０．２〜０．６μｍの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
- 前記第１の層と前記第２の層との間に、これらの層のバンドギャップエネルギーのうち、小さい方のバンドギャップエネルギーより大きく、大きい方のバンドギャップエネルギーより小さい中間のバンドギャップエネルギーを有する層を設けたことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体レーザ装置。
- 第１導電型の半導体基板上に、AlGaAsを含む第１導電型のバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層の上に、GaAsか、又は前記バッファ層よりもAl組成比が小さいAlGaAsのいずれかを含む第１導電型の拡散抑制層を形成する工程と、
前記拡散抑制層の上に、第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層の上に、量子井戸を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面を形成する工程と、
前記端面に不純物を添加する工程と、
前記不純物により前記活性層の一部を無秩序化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。 - 第１導電型の半導体基板上に、GaAs又はAlGaAsからなる第１の層と、この層よりもAl組成比が大きいAlGaAsからなる第２の層とを交互に積層し、バンドギャップエネルギーが１．７〜１．９eVの範囲である超格子層を形成する工程と、
前記超格子層の上に、第１導電型の第１クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層の上に、量子井戸を含む活性層を形成する工程と、
前記活性層の上に、第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、
前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層を含むレーザ共振器の光導波路方向の端面を形成する工程と、
前記端面に不純物を添加する工程と、
前記不純物により前記活性層の一部を無秩序化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
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