JP5091177B2 - 半導体レーザ構造 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ構造に関する。
半導体レーザを、例えば、レーザレーダ等、パルス大電流によって高出力を発生させる装置に利用する場合、図７に示すように、複数のレーザ構造単位１０１、１０３を基板１０５の成長面に対して垂直方向に積層する構造が有効である。ここで、レーザ構造単位１０１は、ｎ型クラッド層１０７、発光層１０９、及びｐ型クラッド層１１１を積層したものであり、レーザ構造単位１０３は、ｎ型クラッド層１１３、発光層１１５、及びｐ型クラッド層１１７を積層したものである。
上記の構造では、レーザ構造単位１０１におけるｐ型クラッド層１１１と、レーザ構造単位１０３におけるｎ型クラッド層１１３とが隣接するため、駆動時にレーザ構造単位１０１とレーザ構造単位１０３との界面において逆バイアスがかかり、高抵抗となる。
そこで、図８に示すように、レーザ構造単位１０１とレーザ構造単位１０３との界面にトンネル接合層１１９を設け、低抵抗化を図る技術が開示されている。トンネル接合層１１９は、ｐ型導電型層１２１とｎ型導電型層１２３とから構成され、各層の厚さは、それぞれ、数十ｎｍ程度である。
トンネル接合層１１９による低抵抗化を効果的にするためには、
（１）ｐ型導電型層１２１及びｎ型導電型層１２３に高濃度ドープする
（２）ｐ型導電型層１２１及びｎ型導電型層１２３のドーパントが他の層へ拡散することを抑える
ということが要求される。
（１）ｐ型導電型層１２１及びｎ型導電型層１２３に高濃度ドープする
（２）ｐ型導電型層１２１及びｎ型導電型層１２３のドーパントが他の層へ拡散することを抑える
ということが要求される。
ＧａＡｓやＩｎＰを基板とした半導体レーザで用いられるドーパントは、一般的に拡散が大きいため、前記（２）の項目の実現が困難である。前記（２）の項目が実現できないと、高抵抗化し、その結果として、駆動電圧の増大や、発熱による発光効率及び信頼性の低下を招く。そこで、例えば、ＧａＡｓ系材料で半導体レーザを作製する場合、トンネル接合層におけるｐ型ドーパントとして、拡散の小さいＣ（炭素）を用いることが多数報告されている。
また、これ以外にも、ドーパントの拡散を抑制する方法として、導電型の異なる基板にそれぞれ半導体レーザ構造を成長させ、それら２枚の基板をボンディングさせるという方法が報告されている（特許文献１参照）。
しかしながら、トンネル接合層におけるｐ型ドーパントとして、Ｃを用いると、半導体レーザ構造を構成する層の結晶性が低下してしまう。すなわち、半導体レーザ構造を構成する結晶を、広く用いられる有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で成長させる場合、Ｃの原料として、ＣＣｌ4やＣＢｒ4等のハロゲン化炭素が使用されるが、このハロゲン化炭素は、分解後にエッチング作用のある材料（ハロゲン化水素）を生じさせるため、結晶性の低下が生じてしまう。また、ＩｎＰ基板を用いた材料系の場合は、そもそも、トンネル接合層にＣを高濃度にドープすることができない。さらに、特許文献１の方法では、半導体レーザ構造の製造工程が煩雑になってしまう。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、結晶性の低下や製造工程の煩雑さを生じさせることなく、低抵抗を実現できる半導体レーザ構造を提供することを目的とする。
本発明の半導体レーザ構造１４は、図１に示すように、（ａ）ｎ型クラッド層２、（ｂ）発光層１７、及び（ｃ）ｐ型クラッド層６を積層して成るレーザ構造単位１５を複数備えるとともに、前記レーザ構造単位１５の間に設けられたトンネル接合層７を備える。さらに、本発明の半導体レーザ構造において、前記トンネル接合層７は、Ｚｎをドーパントとして含むｐ型導電型層７ａ、及び６族元素のＳｅをドーパントとして含むｎ型導電型層７ｂから構成される。さらに、ｐ型導電型層におけるキャリア濃度と、前記ｎ型導電型層におけるキャリア濃度との積は、１×１０36ｃｍ-6以上であり、ｎ型導電型層におけるドーパント濃度は、２×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3未満である。
本発明の半導体レーザ構造は、トンネル接合層を構成するｐ型導電型層のドーパントをＺｎとするとともに、トンネル接合層を構成するｎ型導電型層におけるドーパントを６族元素とすることにより、ｐ型導電型層及びｎ型導電型層のドーパントが他の層に拡散することを防止できる。特に、Ｚｎは、ドープ効率や活性化率は高いが、従来、拡散しやすいと考えられていたが、本発明の構成をとることにより、Ｚｎのｎ型導電型層への拡散を防止することができる。
本発明の半導体レーザ構造は、上記のように、ｐ型導電型層及びｎ型導電型層のドーパントの拡散を防止できるので、ｐ型導電型層及びｎ型導電型層が高濃度にドープされた状態を維持することができ、結果として、トンネル接合層による半導体レーザ構造の低抵抗化を実現できる。
本発明の半導体レーザ構造は、上記のように、トンネル接合層により抵抗を小さくできるため、駆動電圧の増大及び発熱に伴う発光効率や信頼性の低下等を防止することができる。
また、本発明の半導体レーザ構造では、ｐ型ドーパントとしてＣを用いる場合のように、分解後にエッチング作用のあるドーパント源を用いる必要がないので、結晶性の低下が生じない。
また、本発明の半導体レーザ構造を構成する各層は、例えば、有機金属気相成長法のみを用いて成長させることができる。すなわち、本発明では、トンネル接合層におけるドーパント濃度を高くすることができ、且つ、拡散を抑制するために別の手段（他の結晶成長法やイオン注入等）を組み合わる必要がない。また、特許文献１のような煩雑な製造工程を要しない。
Ｓｅは、取り扱いが容易であり、ドープ効率や活性化率を大きくできるため、好ましい。
前記ｐ型導電型層におけるキャリア濃度と、前記ｎ型導電型層におけるキャリア濃度との積が、１×１０36ｃｍ-6以上であることにより、トンネル接合層における抵抗を一層低減することができる。なお、ここでいうキャリア濃度とは、ホール測定、またはＣＶ測定で評価した値である。
前記ｐ型導電型層におけるキャリア濃度と、前記ｎ型導電型層におけるキャリア濃度との積が、１×１０36ｃｍ-6以上であることにより、トンネル接合層における抵抗を一層低減することができる。なお、ここでいうキャリア濃度とは、ホール測定、またはＣＶ測定で評価した値である。
前記ｎ型導電型層におけるドーパント濃度が、２×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3未満である場合、ｎ型導電型層におけるドーパント濃度が２×１０17ｃｍ-3以上であることにより、ｐ型導電型層のドーパント（Ｚｎ）がｎ型導電型層に拡散することを一層効果的に防止できる。また、ｎ型導電型層におけるドーパント濃度が１×１０19ｃｍ-3未満であることにより、ｎ型導電型層及びそれよりも上層に成長される層の結晶性の低下を抑制することができる。なお、ここでいうドーパント濃度とは、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）分析で測定した値である。
本発明の半導体レーザ構造では、前記トンネル接合層を構成する結晶として、インジウムを含むものが挙げられる。インジウムを含む結晶では、ｐ型導電型層のドーパントとして、Ｃを用いることが困難であり、Ｚｎのような、従来は拡散しやすいと考えられてきたドーパントを使用する必要があるが、本発明によれば、Ｚｎの拡散を防止することができる。
本発明の半導体レーザ構造では、例えば、ＩｎＰから成る基板を備えることができる。この場合、格子定数の関係から、トンネル接合層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等、Ｉｎを含む結晶が好ましい。
前記ｎ型導電型層及び前記ｐ型導電型層の膜厚は、それぞれ、２０ｎｍ以上であることが好ましい。発明者は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）分析により、Ｚｎ、６族元素の拡散長が、２０ｎｍ以下であることを発見した（特に、前記ｐ型導電型層におけるキャリア濃度と、前記ｎ型導電型層におけるキャリア濃度との積が、１×１０36ｃｍ-6以上の場合）。よって、ｎ型導電型層及びｐ型導電型層の膜厚を、それぞれ、２０ｎｍ以上とすることにより、ｎ型導電型層からｐ型導電型層への６族元素の拡散、及びｐ型導電型層からｎ型導電型層へＺｎの拡散を十分防止できるため、トンネル接合層による低抵抗化が一層効果的となる。
本発明の半導体レーザ構造において積層されるレーザ構造単位の数は、２以上の任意の数（例えば、２、３、４、５、６・・・）とすることができる。
本発明の実施形態を説明する。
１．半導体レーザ構造１４の製造方法
図２に示すように、ｎ型ＩｎＰから成る基板１上に、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、ｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型導電型層７ａ、ｎ型導電型層７ｂ、ｎ型クラッド層８、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、ｐ型光ガイド層１１、ｐ型クラッド層１２、及びｐ型コンタクト層１３を順に積層して、半導体レーザ構造１４を製造した。各層の成長（結晶成長）には、公知のＭＯＣＶＤ法を用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。
図２に示すように、ｎ型ＩｎＰから成る基板１上に、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、ｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型導電型層７ａ、ｎ型導電型層７ｂ、ｎ型クラッド層８、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、ｐ型光ガイド層１１、ｐ型クラッド層１２、及びｐ型コンタクト層１３を順に積層して、半導体レーザ構造１４を製造した。各層の成長（結晶成長）には、公知のＭＯＣＶＤ法を用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。
各層の組成、膜厚、キャリア濃度、ドーパントの種類は表１に示すとおりとした。
ここで、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、ｐ型光ガイド層５、及びｐ型クラッド層６は、レーザ構造単位１５を構成する。また、ｎ型クラッド層８、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、ｐ型光ガイド層１１、及びｐ型クラッド層１２は、レーザ構造単位１６を構成する。また、ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂは、トンネル接合層７を構成する。また、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、及びｐ型光ガイド層５は、発光層１７を構成する。また、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、及びｐ型光ガイド層１１は、発光層１８を構成する。半導体レーザ構造１４は、２つのレーザ構造単位を、基板に直交する方向に積層した、スタック型半導体レーザ構造である。
半導体レーザ構造１４は、次のようにして、半導体レーザ素子とすることができる。まず、ｐ型コンタクト層１３上に、ＳｉＯ2から成る酸化膜を所定のパターンで形成し、その上にＣｒ／Ｐｔ／Ａｕから成る電極を形成した。さらに、厚さが１２０μｍ程度となるように、基板１の裏面を研削し、研削面にＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕから成る電極を形成した。また、電極と半導体レーザ構造１４とのコンタクトを安定化させるために３６０℃で１分間の熱処理を実施した。
次に、共振器を形成するために壁開により幅５００μｍで短冊化し、Ａｌ2Ｏ3、a-Ｓｉ等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を完成した。
なお、上記では、ｎ型ＩｎＰから成る基板１上にＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓを成長層とする構成であるが、これらに限るものではなく、基板にｎ型ＧａＡｓを用いたり、また成長層をＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰとしてもよい。また、本実施例では、レーザ構造単位を２層としているが、３層以上としてもよい（その場合は、レーザ構造単位１６とｐ型コンタクト層１３との間に、トンネル接合層７及びレーザ構造単位１６と同様の層を必要な数だけ挿入すればよい。
なお、結晶を構成する各元素の原料としては、例えばＧａに対しては、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等が挙げられ、Ａｌに対しては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム等が挙げられ、Ｉｎに対しては、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム等が挙げられ、Ｚｎに対しては、ジメチルジンク、ジエチルジンク等が挙げられる。また、Ａｓの原料としては、例えば、ＡｓＨ3（アルシン）等が挙げられ、Ｐの原料としては、例えば、ＰＨ3（ホスフィン）等が挙げられ、Ｓｅの原料としては、例えば、Ｈ2Ｓｅ（セレン化水素）等が挙げられる。
２．半導体レーザ構造１４が奏する効果
（１）ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂにおけるＺｎ（ｐ型導電型層７ａのドーパント）の深さ方向での濃度プロファイルを、ＳＩＭＳにより測定した。また、比較例として、基本的には、上述した半導体レーザ構造１４と同様であるが、ｎ型導電型層７ｂにおけるドーパントの種類を、Ｓｅではなく、Ｓｉとした場合についても、ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂにおけるＺｎの深さ方向での濃度プロファイルを測定した。なお、比較例におけるＳｉのドープ濃度は５×１０17ｃｍ-3とした。測定結果を図３に示す。
（１）ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂにおけるＺｎ（ｐ型導電型層７ａのドーパント）の深さ方向での濃度プロファイルを、ＳＩＭＳにより測定した。また、比較例として、基本的には、上述した半導体レーザ構造１４と同様であるが、ｎ型導電型層７ｂにおけるドーパントの種類を、Ｓｅではなく、Ｓｉとした場合についても、ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂにおけるＺｎの深さ方向での濃度プロファイルを測定した。なお、比較例におけるＳｉのドープ濃度は５×１０17ｃｍ-3とした。測定結果を図３に示す。
図３に示すように、本実施例の場合（ｎ型導電型層７ｂはＳｅドープの場合）は、Ｚｎのｎ型導電型層７ｂへの拡散が顕著に抑えられていた。それに対し、比較例の場合（ｎ型導電型層７ｂはＳｉドープの場合）は、Ｚｎのｎ型導電型層７ｂへの拡散が著しかった。
このことから、本実施例の半導体レーザ構造１４は、ｐ型導電型層７ａのドーパントが他の層へ拡散することを防止し、結果として、低抵抗化を実現できることが確認できた。
このことから、本実施例の半導体レーザ構造１４は、ｐ型導電型層７ａのドーパントが他の層へ拡散することを防止し、結果として、低抵抗化を実現できることが確認できた。
（２）基本的には、上述した半導体レーザ構造１４と同様であるが、ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂにおけるキャリア濃度を種々に変化させて、半導体レーザ構造を製造した。ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂにおけるキャリア濃度の組み合わせは、図４において、○又は×で表示されるものである。そして、それぞれの半導体レーザ構造について、抵抗を測定した。抵抗が、図４におけるＡと同等のものを、○で表示し、抵抗がＡの１０倍以上であるものを×で表示した。図４から明らかなとおり、ｐ型導電型層７ａにおけるキャリア濃度と、ｎ型導電型層７ｂにおけるキャリア濃度との積が、１×１０36ｃｍ-6以上であれば、半導体レーザ構造の抵抗が一層低かった。
（３）基本的には、上述した半導体レーザ構造１４と同様であるが、ｎ型導電型層７ｂにおけるＳｅドープ濃度を、図５に示すように、種々に変化させ、半導体レーザ構造を製造した。そして、ｎ型導電型層７ｂまで成長した段階において、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて表面粗さを測定した。その結果を図５に示す。図５から明らかなとおり、ｎ型導電型層７ｂにおけるＳｅドーパント濃度が１×１０19ｃｍ-3未満であれば、表面粗さが特に小さかった。一般に、結晶性が良好であるほど、表面粗さは小さくなる。よって、図５に示す結果は、ｎ型導電型層７ｂにおけるＳｅドーパント濃度が１×１０19ｃｍ-3未満であれば、ｎ型導電型層７ｂ及びその上層に成長する層の結晶性が特に良好であることを示している。
１．半導体レーザ構造１４の製造方法
図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓから成る基板１上に、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、ｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型導電型層７ａ、ｎ型導電型層７ｂ、ｎ型クラッド層８、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、ｐ型光ガイド層１１、ｐ型クラッド層１２、及びｐ型コンタクト層１３を順に積層して、半導体レーザ構造１４を製造した。各層の成長（結晶成長）には、公知のＭＯＣＶＤ法を用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。
図６に示すように、ｎ型ＧａＡｓから成る基板１上に、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、ｐ型光ガイド層５、ｐ型クラッド層６、ｐ型導電型層７ａ、ｎ型導電型層７ｂ、ｎ型クラッド層８、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、ｐ型光ガイド層１１、ｐ型クラッド層１２、及びｐ型コンタクト層１３を順に積層して、半導体レーザ構造１４を製造した。各層の成長（結晶成長）には、公知のＭＯＣＶＤ法を用いた。また、成長時の基板温度は５５０〜８００℃とした。
各層の組成、膜厚、キャリア濃度、ドーパントの種類は表２に示すとおりとした。
ここで、ｎ型クラッド層２、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、ｐ型光ガイド層５、及びｐ型クラッド層６は、レーザ構造単位１５を構成する。また、ｎ型クラッド層８、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、ｐ型光ガイド層１１、及びｐ型クラッド層１２は、レーザ構造単位１６を構成する。また、ｐ型導電型層７ａ及びｎ型導電型層７ｂは、トンネル接合層７を構成する。また、ｎ型光ガイド層３、多重量子井戸活性層４、及びｐ型光ガイド層５は、発光層１７を構成する。また、ｎ型光ガイド層９、多重量子井戸活性層１０、及びｐ型光ガイド層１１は、発光層１８を構成する。半導体レーザ構造１４は、２つのレーザ構造単位を、基板に直交する方向に積層した、スタック型半導体レーザ構造である。
半導体レーザ構造１４は、次のようにして、半導体レーザ素子とすることができる。まず、ｐ型コンタクト層１３上に、ＳｉＯ2から成る酸化膜を所定のパターンで形成し、その上にＣｒ／Ｐｔ／Ａｕから成る電極を形成した。さらに、厚さが１２０μｍ程度となるように、基板１の裏面を研削し、研削面にＡｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕから成る電極を形成した。また、電極と半導体レーザ構造１４とのコンタクトを安定化させるために３６０℃で２分間の熱処理を実施した。
次に、共振器を形成するために壁開により幅５００μｍで短冊化し、Ａｌ2Ｏ3、a-Ｓｉ等の材料を用い、一方の端面にレーザ光の波長に対して低反射率、もう一方に高反射率な反射層を形成し、所定の大きさに素子化することで半導体レーザ素子を完成した。
なお、上記では、ｎ型ＧａＡｓから成る基板１上にＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓを成長層とする構成であるが、これらに限るものではなく、基板にＩｎＰを用いたり、また成長層をＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰとしてもよい。また、本実施例では、レーザ構造単位を２層としているが、３層以上としてもよい（その場合は、レーザ構造単位１６とｐ型コンタクト層１３との間に、トンネル接合層７及びレーザ構造単位１６と同様の層を必要な数だけ挿入すればよい。
なお、結晶を構成する各元素の原料としては、例えばＧａに対しては、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等が挙げられ、Ａｌに対しては、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム等が挙げられ、Ｚｎに対しては、ジメチルジンク、ジエチルジンク等が挙げられる。また、Ａｓの原料としては、例えば、ＡｓＨ3（アルシン）等が挙げられ、Ｓｅの原料としては、例えば、Ｈ2Ｓｅ（セレン化水素）等が挙げられる。
２．半導体レーザ素子が奏する効果
本実施例の半導体レーザ素子も、前記実施例１と略同様の効果を奏する。
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
本実施例の半導体レーザ素子も、前記実施例１と略同様の効果を奏する。
尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
１・・・基板、２、８・・・ｎ型クラッド層、３、９・・・ｎ型光ガイド層、
４、１０・・・多重量子井戸活性層、５、１１・・・ｐ型光ガイド層、
６、１２・・・ｐ型クラッド層、７・・・トンネル接合層、７ａ・・・ｐ型導電型層、
７ｂ・・・ｎ型導電型層、１３・・・ｐ型コンタクト層、１４・・・半導体レーザ構造、
１５、１６・・・レーザ構造単位、１７、１８・・・発光層
４、１０・・・多重量子井戸活性層、５、１１・・・ｐ型光ガイド層、
６、１２・・・ｐ型クラッド層、７・・・トンネル接合層、７ａ・・・ｐ型導電型層、
７ｂ・・・ｎ型導電型層、１３・・・ｐ型コンタクト層、１４・・・半導体レーザ構造、
１５、１６・・・レーザ構造単位、１７、１８・・・発光層
Claims (5)
- （ａ）ｎ型クラッド層、（ｂ）発光層、及び（ｃ）ｐ型クラッド層を積層して成るレーザ構造単位を複数備えるとともに、
前記レーザ構造単位の間に設けられたトンネル接合層を備え、
前記トンネル接合層は、Ｚｎをドーパントとして含むｐ型導電型層、及びＳｅをドーパントとして含むｎ型導電型層から構成され、
前記ｐ型導電型層におけるキャリア濃度と、前記ｎ型導電型層におけるキャリア濃度との積が、１×１０36ｃｍ-6以上であり、
前記ｎ型導電型層におけるドーパント濃度が、２×１０17ｃｍ-3以上１×１０19ｃｍ-3未満であることを特徴とする半導体レーザ構造。 - 前記トンネル接合層を構成する結晶にインジウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ構造。
- ＩｎＰから成る基板を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ構造。
- 前記ｎ型導電型層及び前記ｐ型導電型層の膜厚が、それぞれ、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ構造。
- 前記半導体レーザ構造を構成する各層は、有機金属気相成長法を用いて成長した層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ構造。
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