(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の上に設けられ、光の波長換算で０．９２μｍ以上１．６５μｍ以下のエネルギーバンドギャップを有し、前記ＧａＡｓよりも格子定数の大きなＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ａｓｐ１Ｎｐ１Ｐ１−ｐ１−ｑ１（０≦ｘ１≦１、０≦１−ｘ１−ｙ１≦１、０＜ｙ１≦１、０＜ｐ１≦１、０＜ｑ１≦１）よりなる発光層と、
を備え、
前記発光層は、炭素（Ｃ）とｎ型不純物とを含有し、前記ｎ型不純物の含有量が前記炭素（Ｃ）の含有量よりも大なることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記炭素（Ｃ）の前記含有量が２×１０１８ｃｍ−３以上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。
【請求項３】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の上に設けられ、II族元素がドープされたｐ型の半導体層と、
前記ＧａＡｓ基板の上に設けられ、光の波長換算で０．９２μｍ以上１．６５μｍ以下のエネルギーバンドギャップを有し、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓｐ２Ｎｐ２Ｐ１−ｐ２−ｑ２（０≦ｘ２≦１、０≦１−ｘ２−ｙ２≦１、０＜ｙ２≦１、０＜ｐ２≦１、０＜ｑ２≦１）よりなる発光層と、
前記ｐ型の半導体層と前記発光層との間に設けられたＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｉｎｙ３Ａｓｐ３Ｎｐ３Ｐ１−ｐ３−ｑ３（０≦ｘ３≦１、０≦１−ｘ３−ｙ３≦１、０＜ｙ３≦１、０＜ｐ３≦１、０＜ｑ３≦１）よりなる光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、炭素（Ｃ）及びこの炭素（Ｃ）よりも高濃度のｎ型不純物を含有し、
前記光ガイド層は、炭素（Ｃ）及びこの炭素（Ｃ）よりも高濃度のｎ型不純物を含有し、
前記発光層が含有する前記炭素（Ｃ）の含有量は、前記光ガイド層が含有する前記炭素（Ｃ）の含有量よりも小なることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記発光層が含有する前記炭素（Ｃ）の濃度と前記ｎ型不純物の濃度との合計値は、５×１０１５ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記ｎ型不純物は、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）及びセレン（Ｓｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
１．２μｍ以上１．６μｍ以下の波長を有するレーザ光を放出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特にＧａＡｓ基板上に形成されたＧａＡｓよりも格子定数が大きいＡｌＧａＩｎＡｓＮＰを活性層として備えた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、長波長光通信用の波長域において発振する半導体レーザ装置を形成するための新たな結晶として、ＧａＡｓ基板上に成長させたＧａＩｎＡｓＮ結晶が提案されている。しかし、ＧａＩｎＡｓＮ結晶に高濃度の窒素（Ｎ）を添加することは難しく、光通信に用いられる波長１．２〜１．６μｍの光に相当するバンドギャップを実現することは容易ではない。これに対して、低い成長温度を用いることにより、窒素濃度の高いＧａＩｎＡｓＮ結晶を成長することが行われている。
【０００３】
しかし、低温で形成された窒素濃度の高いＧａＩｎＡｓＮ結晶は、高温で成長された窒素組成の低いＧａＩｎＡｓＮ結晶と比べて発光効率等の特性が大幅に劣っている。そこで、低温成長の結晶の結晶性を改善するために、成長後に高温でアニールするプロセスが試みられている。しかし，このような試みを行っても、高温で成長した結晶ほどの品質を得ることは難しい。特に、窒素濃度が数パーセントを越える場合には良質な結晶を得ることが難しい。
【０００４】
そこで、窒素の添加量を増やす代わりに、インジウム（Ｉｎ）の添加量を増やしてバンドギャップを小さくすることも試みられている。しかし、インジウムの濃度を上げるとＧａＩｎＡｓＮ層の格子定数が増加することによりＧａＡｓ基板の格子定数との格子定数差が大きくなる。このため、例えば特開２０００−３３２３６３号公報に開示されているように、歪のために良質で厚いＧａＩｎＡｓＮ層を形成できなくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＩｎＡｓＮを用いた半導体レーザ装置においては、窒素（Ｎ）を高濃度に添加すると結晶の品質が低下してしまうという問題があった。一方、インジウム（Ｉｎ）添加量を多くするとＧａＡｓ基板との格子不整合が大きくなり、良質で厚いＧａＩｎＡｓＮ層を成長できないという問題があった。
【０００６】
これらの結晶を用いて半導体レーザ装置を作成すると、所望の発振波長のレーザが得られなかったり、光出力が上がらず、温度上昇とともに出力が急激に低下するなどという問題があった。
【０００７】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、良質のＧａＩｎＡｓＮ活性層を形成することにより、光通信用の波長１．２μｍ〜１．６μｍ帯において発光効率が高く、温度変化に対して出力変動の小さな半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の半導体レーザ装置は、
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の上に設けられ、光の波長換算で０．９２μｍ以上１．６５μｍ以下のエネルギーバンドギャップを有し、前記ＧａＡｓよりも格子定数の大きなＡｌｘ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｉｎｙ１Ａｓｐ１Ｎｐ１Ｐ１−ｐ１−ｑ１（０≦ｘ１≦１、０≦１−ｘ１−ｙ１≦１、０＜ｙ１≦１、０＜ｐ１≦１、０＜ｑ１≦１）（０≦ｘ１≦１、０≦１−ｘ１−ｙ１≦１、０．０７＜ｙ１＜０．５３、０＜ｐ１≦１、０＜ｑ１≦１）よりなる発光層と、
を備え、
前記発光層は、炭素（Ｃ）とｎ型不純物とを含有し、前記ｎ型不純物の含有量が前記炭素（Ｃ）の含有量よりも大なることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、ＧａＡｓ基板との格子不整合を緩和しつつ所定のバンドギャップを有し結晶性が良好な発光層を得ることができる。しかも、炭素（Ｃ）の深い準位による特性の低下も抑制できる。
【００１０】
ここで、前記炭素（Ｃ）の前記含有量が２×１０１８ｃｍ−３以上であるものとすれば、格子不整合を緩和しつつインジウム（Ｉｎ）の濃度を上げることができ、発光特性を良好に維持しつつ長波長の発光が得られる。
【００１１】
また、本発明の第２の半導体レーザ装置は、ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の上に設けられ、II族元素がドープされたｐ型の半導体層と、
前記ＧａＡｓ基板の上に設けられ、光の波長換算で０．９２μｍ以上１．６５μｍ以下のエネルギーバンドギャップを有し、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｉｎｙ２Ａｓｐ２Ｎｐ２Ｐ１−ｐ２−ｑ２（０≦ｘ２≦１、０≦１−ｘ２−ｙ２≦１、０＜ｙ２≦１、０＜ｐ２≦１、０＜ｑ２≦１）よりなる発光層と、
前記ｐ型の半導体層と前記発光層との間に設けられたＡｌｘ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｉｎｙ３Ａｓｐ３Ｎｐ３Ｐ１−ｐ３−ｑ３（０≦ｘ３≦１、０≦１−ｘ３−ｙ３≦１、０＜ｙ３≦１、０＜ｐ３≦１、０＜ｑ３≦１）よりなる光ガイド層と、
を備え、
前記発光層は、炭素（Ｃ）及びこの炭素（Ｃ）よりも高濃度のｎ型不純物を含有し、
前記光ガイド層は、炭素（Ｃ）及びこの炭素（Ｃ）よりも高濃度のｎ型不純物を含有し、
前記発光層が含有する前記炭素（Ｃ）の含有量は、前記光ガイド層が含有する前記炭素（Ｃ）の含有量よりも小なることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、ｐ型の半導体層からのII族元素の発光層への拡散を阻止することができ、発光特性を良好に維持できる。またさらに、光ガイド層側へのキャリアのオーバーフローも抑制し、発光効率を向上させることができる。
【００１３】
特に、前記発光層が含有する前記炭素（Ｃ）の濃度と前記ｎ型不純物の濃度との合計値は、５×１０１５ｃｍ−３以上であるものとすると、ｐ型の半導体層にドープされたII族元素による、いわゆる「キックオフ型」の拡散を効果的に阻止できる。
【００１４】
ここで、前記ｎ型不純物は、シリコン（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）及びセレン（Ｓｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかを用いることが望ましい。
【００１５】
また、これらの半導体レーザ装置は、特に、１．２μｍ以上１．６μｍ以下の波長を有するレーザ光を放出させるものとした時に、顕著な効果が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の半導体レーザの要部を表す概念図である。すなわち、同図は、半導体レーザ装置の共振器に対して平行方向の断面図である。
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置の第１の特徴は、ＧａＡｓ基板Ｓの上にＧａＡｓ基板よりも格子定数の大きなＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ，１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ、ｐ，ｑ≦１）よりなる発光層Ｅが設けられ、この発光層Ｅに、炭素（Ｃ）とそれよりも高濃度のｎ型不純物とが含有されていることにある。
【００１９】
ここで、発光層Ｅに含有されるｎ型不純物としてはシリコン（Ｓｉ）が最も望ましいが、すず（Ｓｎ）、セレン（Ｓｅ）や硫黄（Ｓ）あるいはあるいは塩素（Ｃｌ）を用いることもできる。
【００２０】
このようにすると、波長０．９２μｍ〜１．６５μｍの波長帯、特に、長波長光通信用などの用途に用いられる波長１．２μｍ〜１．６μｍのレーザ光ＬをＧａＡｓ基板Ｓの上に形成した発光層Ｅにより実現することができる。
【００２１】
すなわち、ＡｌＧａＩｎＡｓＮＰ系の化合物半導体をＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させる場合、そのエネルギーバンドギャップを光の波長換算で０．９２μｍとするためには、インジウム（Ｉｎ）組成（III族元素の合計に占める割合）を０．０９以上に増やす必要がある。しかし、インジウム組成を０．０９以上とすると、ＡｌＧａＩｎＡｓＮＰの結晶性が急激に低下してＸ線回折によるピーク半値幅も急激に大きくなる。
【００２２】
図２は、ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＧａＩｎＡｓＮ結晶のインジウム濃度と、Ｘ線回折ピークの半値幅との関係を表すグラフ図である。
【００２３】
同図から分かるように、インジウム組成が０．０９を超えると、ＧａＩｎＡｓＮ結晶の半値幅が急激に増加する。
【００２４】
これに対して、本発明によれば、バンドギャップ０．９２μｍ以上とする場合に、窒素を添加することにより、インジウムの添加量を低減して結晶性の低下を緩和する。またこのとき、この窒素の添加による発光特性の低下をｎ型不純物により抑制する。またさらに、炭素を添加することより、格子不整合を緩和する効果も得られる。このようにして、所定のバンドギャップを有する良好な結晶を得ることが可能となる。
【００２５】
一方、ＡｌＧａＩｎＡｓＮＰのエネルギーバンドギャップが波長換算で１．６５μｍを超える場合には、基板としてＧａＡｓの代わりにＩｎＰを用い、インジウム組成が０．５３のＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させれば、格子整合させた良好な結晶が得られる。
【００２６】
従って、本発明においては、これらの間の範囲、すなわち、波長換算で０．９２μｍ以上１．６５μｍ以下となる範囲において特に顕著な効果が得られ、ＧａＡｓ基板の上に、良好な発光特性を有するＡｌＧａＩｎＡｓＮＰエピタキシャル成長層を得ることができる。
【００２７】
また、図２から、インジウム組成が０．２から０．３５までの間にあるときは、結晶の質の変化が比較的小さいことが分かる。従って、この範囲の組成を用いることにより、組成のばらつきなどに対して許容度が大きい半導体レーザ装置が得られる点で特に有利であるといえる。
【００２８】
換言すると、本発明においては、発光層Ｅに含有されるインジウムは、ＧａＡｓ基板Ｓとの格子不整合が致命的とならない範囲で、発光層Ｅのバンドギャップを、小さくする役割を有する。そして、さらに発光層Ｅのバンドギャップを小さくして所定の発振波長を得るために、窒素を添加する。ただし、窒素を添加すると、炭素が結晶中に取り込まれやすくなり、発光特性の低下が生ずる。そこで、Ｓｉ（シリコン）などのｎ型不純物を炭素よりも高い濃度で添加することにより、炭素の影響を抑制する。
【００２９】
発光層Ｅに含有される窒素と炭素との結合エネルギーは、窒素以外のＶ族元素と炭素との結合エネルギーと比べて極めて大きい。このため、窒素を含む系においては炭素と窒素との結合が優先的に起こる。炭素と窒素とが結合すると、炭素が置換型不純物としてＶ族元素のサイト入らなくなる。この場合、炭素は結晶中で深いレベルを形成する。このため、窒素を含む系では、他のIII−Ｖ族化合物半導体と異なり、炭素が深いレベルを形成する傾向が強くなる。その結果として、発光特性の低下が生ずることが判明した。
【００３０】
これに対して、本発明においては、発光層Ｅにおいて炭素よりも高濃度にｎ型の不純物を添加することにより、半導体がｎ型となる。このため、炭素による深いレベルがフェルミレベルよりも深い位置にきて活性化しにくくなり、影響が小さくなる。
【００３１】
本発明において用いるｎ型不純物としては、上記した各種のものを用いることができるが、これらのうちで、特に、シリコン（Ｓｉ）を用いることが望ましい。これらの元素は、炭素との結合エネルギーが大きいため、炭素よりも高濃度に添加することにより、炭素を高い効率で不活性化することができる。
【００３２】
また、シリコン（Ｓｉ）は、窒素（Ｎ）との結合エネルギーも大きく、窒素とも効率よく結合する。その結果として、これらのドーパントがIII族元素のサイトにおいてｎ型ドーパントとして作用し、同時に、窒素と炭素との結合を防ぐことにより、炭素の深い準位の形成を阻止する。
【００３３】
これらの作用により、炭素由来の深いレベルの発生を抑制して、良質のＧａＩｎＡｓＮＰ発光層を形成でき、発光効率の低下を低減して、発光効率が高く、温度変化に対して出力変動の小さな半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３４】
なおここで、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ，１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ，ｐ，ｑ≦１）からなる発光層とは、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｐ≦１、０＜ｑ≦１）からなる単層の発光層に限定されず、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ≦１、０≦１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｐ≦１、０＜ｑ≦１）からなる井戸層を有するＳＣＨ（Single Confined Heterostructure）構造や、ＳＱＷ（Single Quantum Well）構造あるいはＭＱＷ（Multiple-Quantum Well）構造における井戸層も含むものとする。
【００３５】
また、本発明において、発光層Ｅに添加するｎ型不純物として硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）を用いた場合、シリコン（Ｓｉ）ほどは、窒素（Ｎ）や炭素（Ｃ）と強く結合する効果は得られないが、原子半径が砒素（Ａｓ）と窒素（Ｎ）との中間の値を取るので、結晶の内部でのローカルな歪を小さくする効果がある。このため、同じＡｌＧａＩｎＡｓＮＰでも良質な結晶が得られる。
【００３６】
一方、シリコン（Ｓｉ）に関しては、Ｇａよりも原子半径が小さいので平均格子定数を小さくする効果があり、同じＡｌＧａＩｎＡｓＮＰ組成でもＧａＡｓ基板との格子歪を小さくする効果がある。すず（Ｓｎ）の場合は、ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）の中間の原子半径を有するので、ローカルな歪を小さくする効果がある。
【００３７】
塩素（Ｃｌ）の場合はいわゆる「ダブルドナー」なので、炭素の深いレベルからｎ型のキャリアが出て活性化するのを抑制する。また、窒素（Ｎ）と砒素（Ａｓ）の中間の原子半径を有するので、結晶内のローカルな歪を緩和する効果がある。このため、同じＡｌＧａＩｎＡｓＮＰでも良質な結晶が得られる。
【００３８】
本発明の半導体レーザ装置の第２の特徴は、上述した第１の特徴を有する半導体レーザ装置であって、さらに、発光層Ｅの炭素（Ｃ）の濃度が２×１０１８ｃｍ−３を越えることにある。
【００３９】
本発明の第２の特徴によれば、発光層Ｅに高濃度に炭素（Ｃ）を添加することにより、発光層Ｅの格子定数を小さくして、ＧａＡｓ基板Ｓとの格子不整合を緩和できる。そして、この場合にも、この炭素（Ｃ）の濃度を上回るｎ型不純物を同時に添加することにより、深いレベルの形成を抑制し、発光特性の低下を防ぐことができる。
【００４０】
ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ，１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ，ｐ，ｑ≦１）からなる発光層Ｅの格子定数を決定する場合、Ｘ線回折による測定が最も正確である。しかし、この材料系においては、通常、Ｘ線回折の線幅は５秒以下にはならない。一方、炭素（Ｃ）の濃度を２×１０１８ｃｍ−３以上とすると、炭素が無添加の場合と比較してＸ線回折角度に換算して約４秒程度、発光層Ｅの格子定数が小さくなる。このため、歪量を増加させずに、格子定数の縮小分に相当するだけのインジウム（Ｉｎ）を添加できる。その結果として、窒素（Ｎ）の濃度を上げずに、発光層Ｅのバンドキャップを小さくして発光波長の長波長化をはかることができる。
【００４１】
図３は、本発明の第３の特徴を説明するための概念図である。すなわち、同図も、半導体レーザ装置の共振器に対して平行方向の断面図である。
【００４２】
本発明の第３の特徴は、ＧａＡｓ基板Ｓ上に形成された半導体レーザ装置であり、ｐ型クラッド層ＣにII族不純物が含まれており、活性層Ａが少なくともＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ，１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ、ｐ，ｑ≦１）含む発光層Ｅと、発光層Ｅよりもインジウム（Ｉｎ）組成の低いＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＡｓｐＮｐＰ１−ｐ−ｑ（０≦ｘ，１−ｘ−ｙ≦１、０＜ｙ、ｐ，ｑ≦１）からなる光ガイド層Ｇを有し、この光ガイド層Ｇは発光層Ｅよりもｐ型クラッド層Ｃの側に存在し、光ガイド層Ｇには、炭素（Ｃ）と、炭素よりも高濃度のシリコン（Ｓｉ）が添加されており、発光層Ｅには光ガイド層Ｇよりも低濃度の炭素（Ｃ）と炭素よりも高濃度のシリコン（Ｓｉ）が添加されている、ということである。
【００４３】
本発明の第３の特徴によれば、まず、ｐ型クラッド層Ｃに、亜鉛（Ｚｎ）などのII族不純物が含まれている。これらII族不純物は、本発明において用いるＡｌＧａＩｎＡｓＮＰ系の化合物半導体において、ｐ型ドーパントとして極めて有効に作用する。
【００４４】
しかし、II族不純物は、III−Ｖ族化合物半導体の中で拡散係数が大きいという問題がある。特に、拡散領域の先端付近の濃度分布はいわゆる「２段構造」を有し、低濃度側の拡散フロントは拡散係数が大きい。このため、クラッド層Ｃに導入されたII族不純物は、活性層Ａに対して拡散して発光特性を低下させる場合がある。
【００４５】
これに対して、本発明の第３の特徴によれば、ｐ型クラッド層Ｃ側の光ガイド層Ｇに、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを添加する。炭素（Ｃ）は、一部がｎ型であり、一部がｐ型として作用する。しかし、シリコン（Ｓｉ）が炭素（Ｃ）より高濃度に添加されているので、光ガイド層Ｇはｎ型となる。光ガイド層Ｇにおいて、ｎ型のキャリアを発生させている炭素（Ｃ）あるいはシリコン（Ｓｉ）があると、ｐ型クラッド層Ｃ側から拡散してきた亜鉛（Ｚｎ）などのII族元素の拡散速度を大幅に下げる。このため、ｐ型不純物の拡散を抑制して活性層Ａ内への不純物の侵入を防ぐことができる。
【００４６】
ここで、ｐ型クラッドＣ側の光ガイド層Ｇに関しては、本来ｐ型となることが望ましく、ｎ型の場合にもキャリア濃度が低いことが望ましい。これに対して、本発明においては、II族不純物の侵入を防ぐために炭素（Ｃ）も添加することにより、シリコン（Ｓｉ）のみでII族不純物の侵入を防ぐ場合と比べて、ｎ型のキャリア量を下げることができる。
【００４７】
また一方、発光層Ｅの発光効率を上げるためには、非発光センターを形成する恐れの有る炭素（Ｃ）の濃度は発光層Ｅでは低くし、光ガイド層ＧではII族元素の拡散を抑制するために炭素（Ｃ）の濃度を高くする。こうすることで、炭素（Ｃ）の深いレベルによる発光層Ｅの発光効率の低下を防ぎつつ、ｐ型不純物の発光層Ｅへの侵入を防ぎ、さらにｐ型クラッド側の光ガイド層Ｇでｎ型のキャリア濃度を下げることができる。
【００４８】
またさらに、発光層Ｅのシリコン（Ｓｉ）濃度を光ガイド層Ｇのシリコン（Ｓｉ）濃度よりも高濃度とすると、発光層Ｅからｐ側光ガイド層Ｃに向けてあふれ出るｎ型キャリアに対してフェルミレベルの差に相当するバリアを形成でき、ｐ型クラッドＣの側の光ガイド層Ｇにｎ型のキャリアがオーバーフローするという問題を抑制できる。その結果として、半導体レーザ装置の発光効率を向上させることができる。
【００４９】
以上説明したように、本発明の第３の特徴によれば、レーザの光出力を向上させ、周囲の動作温度変化に対する光出力の変動も小さくできる。
【００５０】
【実施例】
以下、実施例を参照しつつ、本発明の本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００５１】
（実施例１）
図４は、本発明の第１の実施例にかかる半導体レーザ装置を表す概略断面図である。すなわち、このレーザ装置は、ＧａＡｓ基板１の上に半導体層を積層させた構造を有する。ＧａＡｓ基板１の側から順に各層の材料及び層厚を列挙すると、以下の如くである。
【００５２】
ＧａＡｓ基板１
ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０００ｎｍ）２
ｎ型ＧａＡｓスペーサー層（２５ｎｍ）３
ｎ側Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２光ガイド層（１０ｎｍ）４
Ｇａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ０．９９Ｎ０．０１量子井戸層（７ｎｍ）５
Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２バリア層（１０ｎｍ）６
Ｇａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ０．９９Ｎ０．０１量子井戸層（７ｎｍ）７
ｐ側Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２光ガイド層（１０ｎｍ）８
ｐ型ＧａＡ層（１０ｎｍ）９
ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化層１０
ｐ型ＧａＡｓ層１１
ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２
ｐ型ＧａＡｓヘテロバリア低減層１３
ｐ型ＧａＩｎＡｓＮコンタクト層１４
【００５３】
すなわち、この半導体レーザにおいては、光ガイド層４乃至８が活性層として作用し、量子井戸層５及び７を発光層とした多重量子井戸構造が形成されている。この活性層に対する電流狭窄は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化層１０により行われる。
【００５４】
そして、本実施例においては、ＧａＩｎＡｓＮ量子井戸層５、７には、シリコン（Ｓｉ）を５×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を５×１０１５ｃｍ−３添加している。また、ｐ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層８には、シリコン（Ｓｉ）を１×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３添加し、ＧａＩｎＡｓＮバリア層６には、シリコン（Ｓｉ）を３×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３、ｎ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層４には、シリコン（Ｓｉ）を５×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３添加している。
【００５５】
これら３つの層は、いずれも波長換算で０．９８μｍのバンドギャップを有している。レーザの活性層は、前述したように、ＧａＩｎＡｓＮ量子井戸層５、７、ｐ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層８、ＧａＩｎＡｓＮバリア層６、ｎ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層４からなり、活性層は全体で波長１．３μｍの光を発光する。
【００５６】
また、ｐ型ＧａＡｓ層９には、亜鉛（Ｚｎ）を５×１０１７ｃｍ−３ドープしている。また、ＡｌＧａＡｓ酸化層１０のＡｌ組成は０．９８であり、亜鉛（Ｚｎ）を１×１０１８ｃｍ−３ドープしており、ｐ型ＧａＡｓ層１１の亜鉛（Ｚｎ）濃度は２×１０１８ｃｍ−３であり、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２の亜鉛（Ｚｎ）濃度は１×１０１８ｃｍ−３、ｐ型ＧａＡｓへテロバリア低減層の亜鉛（Ｚｎ）濃度は５×１０１８ｃｍ−３、ｐ型ＧａＩｎＡｓＮコンタクト層１４の亜鉛（Ｚｎ）濃度は７×１０１８ｃｍ−３である。
【００５７】
ここで、ＧａＩｎＡｓＮ量子井戸層５及び７には、シリコン（Ｓｉ）を５×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を５×１０１５ｃｍ−３、ｐ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層８には、シリコン（Ｓｉ）を１×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３、ＧａＩｎＡｓＮバリア層６にはシリコン（Ｓｉ）を３×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３、ｎ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層４にはシリコン（Ｓｉ）を５×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３添加しており、いずれの場合も炭素（Ｃ）濃度よりもシリコン（Ｓｉ）濃度が高いためにｎ型の導電性を示す。
【００５８】
また、炭素（Ｃ）が深いレベルを形成する場合にも、フェルミレベルがシリコン（Ｓｉ）の不純物レベル付近にあり、かつシリコン（Ｓｉ）の濃度が高いために炭素（Ｃ）の深いレベルを介した遷移の確率は極めて低くなる。このため、この半導体レーザ装置をレーザ発振させた場合、炭素（Ｃ）による特性の低下は実質的に表れなくなる。
【００５９】
ｐ型クラッド側の各層には、亜鉛（Ｚｎ）が添加されており、そのドープ量は、ｐ型ＧａＡｓ層９には５×１０１７ｃｍ−３、ＡｌＧａＡｓ酸化層１０には１×１０１８ｃｍ−３、ｐ型ＧａＡｓ層１１は２×１０１８ｃｍ−３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２には１×１０１８ｃｍ−３である。
【００６０】
亜鉛（Ｚｎ）の拡散は２段拡散であり、濃度の高い部分は通常の置換型不純物の拡散であり、濃度の低い部分は、いわゆる「キックオフ型」の拡散と考えられる。キックオフオフ型の拡散の場合、亜鉛（Ｚｎ）濃度は通常略５×１０１５ｃｍ−３よりも低い。このため、活性層を構成する各層内で炭素（Ｃ）の濃度とシリコン（Ｓｉ）の濃度との合計値が、この値以上であれば、亜鉛（Ｚｎ）の拡散を実質的に阻止できる。
【００６１】
実際、本実施例においては、ＧａＩｎＡｓＮ量子井戸層５及び７には、シリコン（Ｓｉ）を５×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を５×１０１５ｃｍ−３、ｐ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層８にはシリコン（Ｓｉ）を１×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３、ＧａＩｎＡｓＮバリア層６にはシリコン（Ｓｉ）を３×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３、ｎ側ＧａＩｎＡｓＮ光ガイド層４にはシリコン（Ｓｉ）を５×１０１７ｃｍ−３、炭素（Ｃ）を１×１０１６ｃｍ−３添加することにより、ｐ型クラッド層側からの亜鉛（Ｚｎ）の拡散を防ぐことができた。
【００６２】
以下、本実施例の半導体レーザ装置の作成手順について説明する。
【００６３】
まず、ＧａＡｓ基板１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２をＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法により６７０℃で成長した後、成長温度を６２０℃まで下げてｎ型ＧａＡｓスペーサー層３を成長し、更に成長温度を５２０℃まで下げて、ｎ側Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２光ガイド層４、Ｇａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ０．９９Ｎ０．０１量子井戸層５、Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２バリア層６、Ｇａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ０．９９Ｎ０．０１量子井戸層７、ｐ側Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２光ガイド層８、ｐ型ＧａＡｓ層９を順次積層した。
【００６４】
この後、成長温度を６４０℃まで上げてｐ型ＡｌＧａＡｓ層１７、ｐ型ＧａＡｓ層１１、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２を形成した。その後、成長温度を再度５２０℃まで下げてｐ型ＧａＡｓヘテロバリア低減層１３とｐ型ＧａＩｎＡｓＮコンタクト層１４を形成した。
【００６５】
ここで、成長温度を上げるのは結晶性を上げるためであり、温度を下げるのはＧａＩｎＡｓＮの相分離を防ぐためである。なお、ｐ型ＧａＡｓヘテロバリア低減層１３とｐ型ＧａＩｎＡｓＮコンタクト層１４に関しては成長温度を下げることで亜鉛（Ｚｎ）の添加効率を上げられるとともに、亜鉛（Ｚｎ）の活性層への拡散を防ぐこともできる。
【００６６】
ＭＯＣＶＤの原料としては、ＴＭＧ（トリメチル・ガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチル・アルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチル・インジウム）、ＳｉＨ４（シラン）、ＡｓＨ３（アルシン）、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。
【００６７】
III族有機金属としては、エチル系、クロライド系等をもちいてもよい。窒素（Ｎ）の原料としては、ジメチルヒドラジンを用いてもよく、アンモニア、ヒドラジンあるいはモノメチルヒドラジンを用いてもよい。炭素（Ｃ）の原料としてはＴＭＧ、ＴＭＡｌ、ＤＭＨｙ等を用いてもよく、ＣＢｒ４（４臭化炭素）を用いてもよい。硫黄（Ｓ），セレン（Ｓｅ）を用いる場合には、原料としてこれらの水素化物を用いてもよく、または有機金属系原料を用いてもよい。
【００６８】
結晶成長が終わった後、メサ構造を形成し、酸化プロセスによって未酸化導通領域１７を残してｐ型ＡｌＧａＡｓ層を酸化させることにより、ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化層１０を形成した。
【００６９】
ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化層１０を形成後にパッシベーション膜１５を形成し、ポリイミド埋め込み１６を行った。この後、電極メタルを蒸着したのち劈開してレーザを作成し、評価を行った。
【００７０】
本実施例の半導体レーザは、共振器の端面に（波長／２）のコーティングを施した状態で、室温で波長１．３μｍ、しきい電流値３ｍＡ、効率０．３５Ｗ／Ａが得られた。また、最大発振温度は１５０℃を超え、温度特性も良好であることが分かった。
【００７１】
これに対して、活性層に炭素（Ｃ）及びシリコン（Ｓｉ）の添加をおこなわなかった比較例においてはレーザの光出力が周囲温度とともに急激に低下し、最大発振温度は８０℃以下に低下した。これは、活性層内にｐ型の各層から亜鉛（Ｚｎ）が拡散したためであると考えられる。
【００７２】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例においては、前述した第１実施例と同様の積層構造を有する半導体レーザ装置を形成した。ただし、ＧａＩｎＡｓＮ量子井戸層５およびＧａＩｎＡｓＮ量子井戸層７のシリコン（Ｓｉ）の濃度は２×１０２０ｃｍ−３とし、炭素（Ｃ）の濃度は１．５×１０１９ｃｍ−３とした。
【００７３】
この構造でシリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）の添加を行わない場合、ＧａＩｎＡｓＮの組成をＧａ０．６７Ｉｎ０．３３Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５とすると１．３μｍで発振する。この時、格子不整合は２．３％である。
【００７４】
一方、シリコン（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を添加すると、この組成の結晶の格子不整合は２．１％となる。格子不整合が２．３％であると臨界膜厚（ミスフィット欠陥が生じない上限の膜厚）はおよそ８ｎｍとなる。本実施例においては２重量子井戸構造を用いているので、量子井戸によるエネルギーの上昇はおよそ１８０ｍｅＶとなる。
【００７５】
一方、格子不整合が２．１％の場合は、臨界膜厚はおよそ１０ｎｍとなる。この時の量子井戸によるエネルギーの上昇はおよそ１２０ｍｅＶとなる。そこで同じ発振波長を選るためにはこのエネルギーに相当するだけインジウム（Ｉｎ）を減らすことができ、格子不整合は０．２％小さくなる。格子不整合の減少により臨界膜厚が厚くなるので、量子井戸の幅を広くすることができる。このため遷移波長が長くなり更にインジウム（Ｉｎ）組成を減らすことができる。
【００７６】
このような相乗効果により、最終的な組成は、Ｇａ０．７２Ｉｎ０．２８Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５となり格子不整が１．９％となり臨界膜厚は１３ｎｍとなる。
【００７７】
図５は、本実施例における発光層の格子不整合（ミスマッチ）と臨界膜厚との関係を表すグラフ図である。
【００７８】
このように、シリコン（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）とを添加することにより、臨界膜厚を厚くすることができる。その結果として、レーザの活性層体積が５０％以上大きくできるので光出力を大きくすることができる。実際には、不純物の添加により転位などの結晶欠陥の増殖効果も押さえられるので、同じ臨界膜厚の場合でも結晶欠陥の広がりが少なく、発光効率が高く信頼性の高い半導体レーザ装置が実現できた。
【００７９】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
【００８０】
例えば、本発明は、端面発光型の半導体レーザ装置に限らず、面発光型の半導体レーザ装置、あるいは発光ダイオード、ベース層およびコレクター層に歪みＧａＩｎＡｓＮを用いたＨＢＴ（Hetero-Bipolar Transistor）、歪みＧａＩｎＡｓＮをチャンネル層に用いたＨＥＭＴ（High-Electron Mobility Transistor）、歪みＧａＩｎＡｓＮを吸収層に用いた光電圧変換装置、光電流変換装置などについても同様に適用して、同様の作用効果を得ることができる。
【００８１】
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができ、これらの実施例も本発明の範囲に包含される。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、長波長光通信に用いて好適な波長１．２〜１．６μｍ帯において、炭素（Ｃ）に基づく深いレベルの影響を抑制し、同じＧａＩｎＡｓＮ組成であるのにもかかわらず格子歪が少なく、ｐ型クラッド層から活性層にｐ型不純物の拡散の起こりにくい温度の上昇に対して光出力の変動の小さな半導体レーザ装置を実現することができ、産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体レーザの要部を表す概念図である。
【図２】ＧａＡｓ基板の上にエピタキシャル成長させたＧａＩｎＡｓＮ結晶のインジウム濃度と、Ｘ線回折ピークの半値幅との関係を表すグラフ図である。
【図３】本発明の第３の特徴を説明するための概念図である。
【図４】本発明の第１の実施例にかかる半導体レーザ装置を表す概略断面図である。
【図５】本発明の第２実施例における発光層の格子不整合（ミスマッチ）と臨界膜厚との関係を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層（１０００ｎｍ）
３  ｎ型ＧａＡｓスペーサー層（２５ｎｍ）
４  ｎ側Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２光ガイド層（１０ｎｍ）
５  Ｇａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ０．９９Ｎ０．０１量子井戸層（７ｎｍ）
６  Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２バリア層（１０ｎｍ）
７  Ｇａ０．７５Ｉｎ０．２５Ａｓ０．９９Ｎ０．０１量子井戸層（７ｎｍ）
８  ｐ側Ｇａ０．９５Ｉｎ０．０５Ａｓ０．９８Ｎ０．０２光ガイド層（１０ｎｍ）
９  ｐ型ＧａＡ層（１０ｎｍ）
１０  ｐ型ＡｌＧａＡｓ酸化層
１１  ｐ型ＧａＡｓ層
１２  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１３  ｐ型ＧａＡｓヘテロバリア低減層
１４  ｐ型ＧａＩｎＡｓＮコンタクト層
１５  パッシベーション膜
１６  ポリイミド
１７  未酸化導通領域
Ａ 活性層
Ｃ クラッド層
Ｅ 発光層
Ｇ 光ガイド層
Ｌ レーザ光
Ｓ 基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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