(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に活性層および高不純物濃度層を分子線エピタキシー法によって結晶成長して半導体積層体を形成する際に、上記活性層と高不純物濃度層との間に不純物がドープされない領域を形成する工程と、
上記半導体積層体を、上記分子線エピタキシー法による結晶成長温度より高温であって且つ上記半導体績層体の結晶構成原子が離脱しない温度で熱処理を行って、上記高不純物濃度層中の不純物原子と結合した水素を分離する工程
を備えて、
上記不純物がドープされない領域を、上記熱処理を行う際に、上記活性層側に拡散する上記高不純物濃度層中の不純物原子を取り込んで上記活性層に拡散させないようにする緩衝領域として機能させることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記半導体積層体はＧaＡs基板上にエピタキシャル成長された(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体積層体(０≦ｘ≦１,０＜ｙ＜１)であることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記結晶成長温度は４００℃以上且つ６００℃以下であり、
上記結晶構成原子が離脱しない熱処理温度は７００℃以上且つ７５０℃以下であることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ディスク等の記録再生光源に適した半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、特に高温で動作する半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡlＧaＩnＰ系材料の半導体レーザは高密度光ディスクシステム用光源として好適であり、実用に供せられている。さらに、書込み可能な光ディスクシステムに適用する場合や光ディスクシステムの高速化を図る場合には、光源の光出力を従来の数mＷから数十mＷまで大きくすることが必要である。
【０００３】
図６は、従来のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子１２の断面構造を示す。図６において、１はｎ型ＧaＡs基板、２はｎ型ＧaＡsバッファ層、３はｎ型（Ａlx2Ｇa1-x2)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層（ｘ２は通常０.７)、４はアンドープＭＱＷ(多重量子井戸構造)層、５はｐ型（Ａlx2Ｇa1-x2)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層、６はＩn0.5Ｇa0.5Ｐ中間層、７はｐ型ＧaＡsコンタクト層、８はｎ型ＧaＡs電流阻止層である。
【０００４】
また、上記ｎ型ＧaＡs基板１およびｐ型ＧaＡsコンタクト層７の外側には金属電極９あるいは金属電極１０が積層されている。
【０００５】
上記アンドープＭＱＷ層４は、通常は、活性層である１つまたは複数の(Ａlx1Ｇa1-x1)yＩn1-yＰ量子井戸層(図示せず)(ｘ１≦ｘ２≦１)および複数の(Ａlx3Ｇa1-x3)0.5Ｉｎ0.5Ｐ光ガイド層(ｘ１≦ｘ３≦ｘ２,ｘ３は通常０.３)(図示せず)から構成されている。ここで、「ｙ」は、量子井戸層を構成する結晶の格子定数が基板の格子定数と完全には一致せず、且つ、２％以上ずれない範囲であることが、発光効率および信頼性の点から望ましい。
【０００６】
図６に示すＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子１２は、以下のようにして作成される。
【０００７】
主面が(１００)面または(１００)面から[１１１]方向に５°〜２０°程度傾いているｎ型ＧaＡs基板１上に、通常のＭＯＣＶＤ(有機金属化学蒸着)法又はＭＢＥ(分子線エピタキシー)法を用いてｎ型ＧaＡsバッファ層２、ｎ型(Ａlx2Ｇa1-x2)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層３、アンドープＭＱＷ層４、ｐ型（Ａlx2Ｇa1-x2)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層５、Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐ中間層６、ｐ型ＧaＡsコンタクト層７の一部(ｎ型ＧaＡs電流阻止層８の上面の位置まで)を、順次成長する。
【０００８】
次に、上述のようにして形成された積層体ウェハに対して、通常のホトリソグラフィ法を用いてｐ型(Ａlx2Ｇa1-x2)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層５の中間層まで部分的にエッチングを行い、エッチング領域間にリッヂ部１１を形成する。このリッヂ部１１は共振器方向に延在した構造を有する。
【０００９】
尚、(１００)面からずれているｎ型ＧaＡs基板１を用いた場合には、図６に示すようにリッヂ部１１の断面形状は非対称となるが、特性に影響は無い。また、エッチング深さを制御するために、ｐ型(Ａlx2Ｇa1-x2)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層５の深さ方向中間位置にエッチングストップ層を設けてもよい。
【００１０】
次に、選択成長技術によって、上記リッヂ部１１上に選択マスク(図示せず)を形成し、リッヂ部１１の両側にｎ型ＧaＡs電流阻止層８を成長する。そして、最後に、上記選択マスクを除去し、全体をｐ型ＧaＡsコンタクト層７で埋め込んでＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子１２が完成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子１２には、以下のような問題がある。すなわち、ＡlＧaＩnＰ系半導体レーザの出力を大きくするためには、アンドープＭＱＷ層４を構成する活性層((Ａlx1Ｇa1-x1)yＩn1-yＰ量子井戸層)内における電荷輸送体である電子およびホールの密度を高くすることが必要である。特に、質量の軽いホールの密度を高くすることが望ましい。そのために、クラッド層３,５のＡl混晶比、好ましくはｐ型クラッド層５のＡl混晶比を大きくして、上記活性層とクラッド層３,５とのエネルギーギャップ差を大きくすると共に、クラッド層３,５のキャリア濃度を高くして実効的なエネルギー障壁の高さを高くすることが重要であることが良く知られている。
【００１２】
上記クラッド層３,５のキャリア濃度を高くするには、不純物原子のドープ量を(例えば１×１０18cm-3以上まで)多くすればよい。ところが、クラッド層３,５はＡl混晶比が大きいため、キャリア濃度は飽和してある程度以上の値にならないのである。この理由は、例えば、特開平６‐２６８３２４号公報に記載されているように、不純物原子と成長雰囲気から取り込まれた水素とが結合して、上記不純物原子を電気的に不活性にしてしまうためである。
【００１３】
ところで、上述のような不純物原子と水素との結合を分離するためには、成長温度よりも十分高い温度で熱処理を行えばよい。光出力が７mＷ程度の通常の半導体レーザであれば、特に熱処理の必要は無い。ところが、書込み用等に用いられる光出力が１０mＷ以上の高出力半導体レーザを得るには、長時間の熱処理を行う必要があることが分っている。しかしながら、熱処理時間を長くすると上記クラッド層３,５に大量にドープされた不純物原子が上記活性層に拡散し、活性層内に非発光再結合中心を形成したり、ひどい場合には活性層の量子井戸構造を破壊して発光効率を低下させることになる。その結果、発振閾値電流が高くなったり、信頼性が低下するという問題が発生する。
【００１４】
従来、上記クラッド層３,５に大量にドープされた不純物原子の拡散を防止するために、上記活性層とクラッド層３,５との間にキャリア濃度の低い層を設ける方法が良く知られている(特開平５‐２４３６７４号公報、特開平６‐４５６９８号公報、特許第２８４７７０２号公報等)。即ち、通常のＭＯＣＶＤ法で成長されたｐ型クラッド層５の不純物がＺnである場合には、活性層とｐ型クラッド層５との間に形成する上記低キャリア濃度層の厚さを３０nm〜２００nmとすることが開示されている。さらに、ｎ型クラッド層３の不純物がＳeである場合には、活性層とｎ型クラッド層３との間に形成する上記低キャリア濃度層の厚さを１００nm〜５００nmとすることも開示されている。
【００１５】
しかしながら、上記不純物は一般に拡散し易く、しかも結晶成長法がＭＯＣＶＤ法であるために成長温度が６５０℃〜７５０℃と高い。したがって、結晶成長中に拡散が起こっているものと考えられる。つまり、上記低キャリア濃度層は、結晶成長中の拡散を防止するのには有効な手段なのである。
【００１６】
ところで、ｐ型不純物としてのＢeやｎ型不純物としてのＳiのごとく、拡散の少ない不純物を用いた場合には、成長中に拡散は生じない。しかしながら、成長中に生じた上記拡散係数の小さい不純物原子と水素との結合を分離するために、成長温度よりも十分に高い温度で熱処理を行うと拡散が生じてしまうのである。この様子を図７に示す。図７は、不純物Ｂeを１×１０18cm-3の濃度でドープした(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐ層とＩnＧaＰ層とを積層し、１気圧の窒素雰囲気中において７００℃で２時間熱処理した後に、ＳＩＭＳ法(二次イオン質量分析法)によって不純物濃度の深さ方向の分布を調べたものである。図７から、不純物ＢeがＩnＧaＰ層に５０nm程度拡散していることが分かる。
【００１７】
したがって、上記拡散係数の小さい不純物原子と水素との結合を分離して、不純物原子のドープ量を多くすることによってＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子１２の特性を良好に保つためには、ＭＯＣＶＤ法の成長温度６５０℃〜７５０℃よりも十分高温での熱処理による上記不純物の拡散を防止する必要がある。ところが、このような高温での熱処理時における不純物の拡散を防止することは、上述した従来の技術も含めてこれまで開示されてはいない。
【００１８】
そこで、この発明の目的は、クラッド層のキャリア濃度を高めると共に、クラッド層中の不純物の活性層への拡散を防止して、高温で大きな出力を得ることができる半導体レーザ素子を提供することにある。また、上記半導体レーザ素子の製造方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に活性層および高不純物濃度層をＭＢＥ法によって結晶成長して半導体積層体を形成する際に,上記活性層と高不純物濃度層との間に不純物がドープされない領域を形成する工程と、上記半導体積層体を,上記ＭＢＥ法による結晶成長温度より高温であって且つ上記半導体績層体の結晶構成原子が離脱しない温度で熱処理を行って,上記高不純物濃度層中の不純物原子と結合した水素を分離する工程を備えて、上記不純物がドープされない領域を、上記熱処理を行う際に、上記活性層側に拡散する上記高不純物濃度層中の不純物原子を取り込んで上記活性層に拡散させないようにする緩衝領域として機能させることを特徴としている。
【００２０】
上記構成によれば、基板上に活性層および高不純物濃度層を結晶成長した半導体積層体が結晶成長温度より高温で熱処理されるので、結晶成長時に成長雰囲気から取り込まれて上記高不純物濃度層中の不純物原子と結合した水素が分離される。その結果、上記不純物原子のドープ量を多くでき、上記高不純物濃度層中のキャリア濃度を高くして大きな出力が得られる。その際に、上記熱処理温度は、上記半導体績層体の結晶構成原子が離脱しない温度であるため、上記半導体績層体が破壊されることは無い。
【００２１】
さらに、上記高不純物濃度層中の不純物原子と結合した水素を分離するために上記熱処理を行う際に、上記活性層と高不純物濃度層との間に形成された不純物がドープされない領域が不純物拡散の緩衝領域となる。こうして、上記高不純物濃度層中の不純物原子が上記活性層まで拡散することが防止される。したがって、上記活性層内に非発光再結合中心が形成されたり、上記活性層の量子井戸構造が破壊されて発光効率が減少することはなく、発振閾値電流が低く、１０mＷ以上の高出力での使用に対して高信頼性が得られる。
【００２２】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記半導体積層体をＧaＡs基板上にエピタキシャル成長された(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体積層体(０≦ｘ≦１,０＜ｙ＜１)で成すことが望ましい。
【００２３】
上記構成によれば、上記不純物の活性化率が高く、したがって信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
【００２４】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記結晶成長温度を４００℃以上且つ６００℃以下とし、上記結晶構成原子が離脱しない熱処理温度を７００℃以上且つ７５０℃以下とすることが望ましい。
【００２５】
上記構成によれば、上記高不純物濃度層中の不純物原子と結合した水素を分離するために行われる上記熱処理が、ＭＢＥ法による結晶成長温度４００℃以上且つ６００℃以下よりも十分高く、上記結晶構成原子が離脱しない温度である７００℃以上且つ７５０℃以下で行われる。したがって、発振閾値電流が低く、１０mＷ以上の高い出力での使用に対して信頼性の高い半導体レーザが得られる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子における縦断面図である。
【００２７】
本実施の形態のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３は、図６に示す従来のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子１２と略同じ構成を有している。但し、クラッド層のＡl混晶比は０.７であり、活性層のＡl混晶比は０である。
【００２８】
すなわち、図１において、２１はｎ型ＧaＡs基板、２２はｎ型ＧaＡsバッファ層、２３はｎ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層、２４はアンドープＭＱＷ層、２５はｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層、２６はＩn0.5Ｇa0.5Ｐ中間層、２７はｐ型ＧaＡsコンタクト層、２８はｎ型のＧaＡs電流阻止層である。また、ｎ型ＧaＡs基板２１およびｐ型ＧaＡsコンタクト層２７の外側には、金属電極２９あるいは金属電極３０が積層されている。
【００２９】
尚、アンドープＭＱＷ層２４は、活性層である１つあるいは複数のＧayＩn1-yＰ量子井戸層(図示せず)から構成されている。
【００３０】
本実施の形態においては、上記ｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５におけるアンドープＭＱＷ層(活性層)２４との境界領域に、傾斜不純物濃度領域３２を形成している。図２は、クラッド層２３,２５および活性層２４等を構成する(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体結晶のＡl混晶比と、傾斜不純物濃度領域３２における不純物濃度分布とを示している。図２において、横軸はｎ型ＧaＡs基板２１からの距離であり、縦軸は上記Ａl混晶比ｘまたは不純物濃度である。また、上記不純物濃度分布は破線Ａで示し、上記Ａl混晶比は実線Ｂで示している。尚、上記不純物濃度分布に対する縦軸は対数表示である。簡単のため、図２においては、活性層２４である量子井戸層は１層であるとしているが、複数層であっても構わない。上記量子井戸層が複数層である場合には、図２に示す量子井戸層はｐ型クラッド層２５に最も近い量子井戸層であると考えればよい。
【００３１】
上述のごとく、本実施の形態におけるＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３においては、ｐ型クラッド層２５における活性層２４との境界領域に傾斜不純物濃度領域３２を設けている。その場合における傾斜不純物濃度領域３２の望ましい不純物分布を図２(a)に示す。図２(a)においては、ｐ型クラッド層２５内部から活性層２４に向って上記不純物濃度が滑らかに減少している。これに対して、図２(b)においては、上記不純物濃度が傾斜不純物濃度領域３２と活性層２４との界面で不連続に変化している。これは、傾斜不純物濃度領域３２に不純物を添加して成長した場合に良く発生する。また、図４(c)においては、上記不純物濃度が傾斜不純物濃度領域３２と活性層２４との界面で不連続に変化し、活性層２４内で再び増加している。このような場合には、発光効率の低下が見られる。
【００３２】
上記アンドープＭＱＷ層２４は、活性層である量子井戸層の両側に光ガイド層を設けて構成しても差し支えない。その場合におけるクラッド層２３,２５およびアンドープＭＱＷ層２４のＡl混晶比と傾斜不純物濃度領域３２における不純物濃度分布とは、図３に示すようになる。この場合における傾斜不純物濃度領域３５はｐ型クラッド層２５側の光ガイド層２４cからｐ型クラッド層２５に掛けて形成すればよい。尚、その場合に、上記量子井戸層は複数設けても差し支えない。
【００３３】
本実施の形態におけるＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３は、以下のようにして作成される。主面が(１００)面あるいは(１００)面から[１１１]方向に５°〜２０°程度傾いているｎ型ＧaＡs基板２１上に、通常のＭＢＥ法を用いてｎ型ＧaＡsバッファ層２２、ｎ型（Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２３、アンドープＭＱＷ層２４、ｐ型（Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５、Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐ中間層２６、ｐ型ＧaＡsコンタクト層２７の一部(ｎ型ＧaＡs電流阻止層２８の上面の位置まで)を、順次成長する。
【００３４】
その場合に、上記アンドープＭＱＷ層２４の成長開始からｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５の成長の途中(傾斜不純物濃度領域３２終了位置)までｐ型不純物のドープを停止する。こうして、不純物のドープを停止した状態で傾斜不純物濃度領域３２の厚さ分だけｐ型クラッド層２５を成長する。その後、ｐ型不純物のドープを開始してｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５の成長を継続するのである。その場合のｐ型不純物はＢeであり、不純物濃度は１×１０18cm-3である。
【００３５】
次に、この積層体ウェハを熱処理して、結晶成長時に成長雰囲気から取り込まれて結晶中のｐ型不純物原子Ｂeと結合した水素を分離するために、加熱炉に入れる。その際に、上記加熱炉内を一旦真空引きして水分や水素を十分に排気した後、加熱炉内に窒素ガスを充填する。こうすることによって、上記加熱炉内部の水素の分圧を十分低くすることができ、ｐ型不純物原子Ｂeと水素との結合を回避するのに効果がある。次に、上記加熱炉を７００℃まで昇温して績層体ウェハを熱処理する。その際における熱処理時間は、昇温,降温時間を除いて１２０分である。
【００３６】
その場合に、上記ｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５におけるアンドープＭＱＷ層(活性層)２４との境界領域には、上述のようにｐ型不純物がドープされない領域３２が形成されている。そして、この領域３２は、上記７００℃での熱処理に際しては不純物拡散の緩衝領域となる。したがって、上記熱処理後における領域３２を含むｐ型クラッド層２５及び活性層２４の不純物濃度分布は、図２(a)に示すように、ｐ型クラッド層２５内部から活性層２４に向って滑らかに減少する分布になり(その結果、領域３２は傾斜不純物濃度領域となる)、ｐ型不純物原子は活性層２４まで拡散しないのである。
【００３７】
その結果、上記活性層２４内に非発光再結合中心が形成されたり、活性層２４の量子井戸構造が破壊されることによって、発光効率が減少することが防止される。したがって、発振閾値電流が低く、１０mＷ以上の高い出力で使用しても高信頼性が得られるのである。
【００３８】
最後に、上述のようにしてｐ型ＧaＡsコンタクト層２７の一部まで形成された積層体ウェハに対して、通常のホトリソグラフィ法を用いてｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５の中間層まで部分的にエッチングを行い、エッチング領域間にリッヂ部３１を形成する。このリッヂ部３１は共振器方向に延在した構造を有する。
【００３９】
尚、(１００)面からずれているｎ型ＧaＡs基板２１を用いた場合には、リッヂ部３１の断面形状は非対称となるが、特性に影響は無い。また、エッチング深さを制御するために、ｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５の深さ方向中間位置にエッチングストップ層を設けてもよい。
【００４０】
次に、選択成長技術によって、上記リッヂ部３１上に選択マスク(図示せず)を形成し、リッヂ部３１の両側にｎ型ＧaＡs電流阻止層２８を成長する。そして、最後に、上記選択マスクを除去し、全体をｐ型ＧaＡsコンタクト層２７で埋め込んでＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３が完成する。
【００４１】
ここで、本実施の形態におけるＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３の結晶成長にＭＢＥ法を用いる理由を説明する。
【００４２】
通常、半導体レーザや発光ダイオード等に用いられる良質のＩnＧaＡlＰ系化合物半導体結晶薄膜はＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法によって作成される。上記ＭＯＣＶＤ法においては、有機金属を運ぶキャリアガスとして水素を用いることが一般的である。また、上記有機金属自体がトリメチルガリウム(Ｇa(ＣＨ3)3)やジメチルジンク(Ｚn(ＣＨ3)3)等の水素化合物である。したがって、有機金属分子を分離するために、成長温度を６５０℃〜７５０℃とＭＢＥ法の場合に比べて高くする必要がある。これに対して、上記ＭＢＥ法の場合には、成長温度は４００℃〜６００℃、より好ましくは４５０℃〜５５０℃である。
【００４３】
この成長温度は非常に重要である。すなわち、上述したごとく、結晶中に取り込まれて不純物原子と結合した水素を分離するために成長温度より高温で熱処理を行う必要がある。ところが、熱処理温度を高くし過ぎると、結晶構成原子であるリン(Ｐ)原子が結晶から抜けてしまう。このような条件から熱処理温度は１気圧の窒素中では７５０℃が上限と考えられる。即ち、上記ＭＯＣＶＤ法で成長した結晶では、十分な温度で水素を分離することができないことになる。
【００４４】
ところで、上記ＭＢＥ法でも結晶中に水素が入る現象が見られる。この原因は以下のように考えられる。 すなわち、ＭＢＥ法においては分子線が発生する１０-9Ｐa程度の真空雰囲気中で成長を行う。そして、このような高真空を生成するために用いられるイオンポンプ,ターボポンプ,ターボ分子ポンプ,クライオポンプといった排気ポンプは、その特性上水素が最も排気し難い。一方、材料原子も１０-7Ｐa程度しか用いないので、結晶成長雰囲気における水素原子の割合はそれ程低くはならない。その結果、ＭＢＥ法によって成長した半導体結晶にはかなりの量の水素が含まれるのである。
【００４５】
尚、上記熱処理をより高い圧力で、特にリン雰囲気中で実施すれば、結晶成長温度も高くすることができることは言うまでもない。
【００４６】
上述のように形成されたＡlＧaＩnＰ系半導体積層体ウェハをチップに分割して個々の半導体レーザ素子３３とし、その特性を測定した結果を図４に示す。縦軸は８０℃で光出力１０mＷを得るための発振閾値電流の値であり、横軸は傾斜不純物濃度領域３２の厚さである。図中１つの点が１つの半導体レーザ素子３３に対応している。尚、上記電流値が低い程特性が良いことを表している。また、上記電流値が低い方が概ね信頼性も良く、長時間の使用に対して光出力の低下は少ない。但し、図４は、ｐ型クラッド層２５にのみ傾斜不純物領域３２を設けた場合の結果であり、傾斜不純物領域３２の厚さが５nmよりも薄くなると電流値が増加することが分かる。したがって、傾斜不純物領域３２の厚さとしては５nm以上が必要である。
【００４７】
上述のように、本実施の形態においては、主面が(１００)面あるいは(１００)面から[１１１]方向に５°〜２０°程度傾いているｎ型ＧaＡs基板２１上に、上記ｎ型ＧaＡsバッファ層２２、ｎ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２３、アンドープＭＱＷ層２４、ｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５、Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐ中間層２６、ｐ型ＧaＡsコンタクト層２７の一部(ｎ型ＧaＡs電流阻止層２８の上面の位置まで)を、ＭＢＥ法で順次成長する。
【００４８】
そして、この積層体ウェハを、水分や水素を窒素ガスで置換した加熱炉内で７００℃で１２０分間熱処理して、結晶成長時に成長雰囲気からで取り込まれて結晶中のｐ型不純物原子と結合した水素を分離する。
【００４９】
次に、ホトリソグラフィ法を用いてｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５の中間層まで部分的にエッチングを行って、エッチング領域間にリッヂ部３１を形成する。さらに、リッヂ部３１の両側にｎ型ＧaＡs電流阻止層２８を成長し、全体をｐ型ＧaＡsコンタクト層２７で埋め込んでＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３を形成するようにしている。
【００５０】
このように、本実施の形態においては、ＭＢＥ法で結晶成長を行っている。したがって、その場合の成長温度は４５０℃〜６００℃であればよく、成長温度よりも十分高い温度が必要である上記熱処理温度を、結晶からリン原子が抜けない温度７００℃に設定できるのである。こうして、効果的にｐ型不純物原子と結合した水素を分離することができ、ｐ型クラッド層２５の不純物原子のドープ量を多くしてキャリア濃度を高くして、高温で大きな出力を得ることができるのである。
【００５１】
また、本実施の形態においては、上記ｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層２５の成長に際して、アンドープＭＱＷ層２４の成長開始からｐ型クラッド層２５の成長の途中までｐ型不純物のドープを停止し、その後ｐ型不純物のドープを開始してｐ型クラッド層２５の成長を継続するようにしている。こうして、ｐ型クラッド層２５における活性層２４側に不純物がドープされない領域３２を形成するのである。したがって、上記７００℃での熱処理に際して、領域３２は不純物拡散の緩衝領域となり、上記熱処理によってｐ型不純物原子は活性層２４まで拡散しないのである。
【００５２】
したがって、上記活性層２４内に非発光再結合中心が形成されたり、活性層２４の量子井戸構造が破壊されることによって、発光効率が減少することを防止できる。その結果、発振閾値電流が低く、１０mＷ以上の高い出力での使用が可能になる。
【００５３】
＜第２実施の形態＞
本実施の形態のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子は、図１に示す第１実施の形態におけるＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子３３と略同じ構成を有している。但し、本実施の形態においては、傾斜不純物濃度領域をｎ型クラッド層におけるアンドープＭＱＷ層(活性層)との境界領域に形成している。尚、縦断面構造は、特に図示してはいない。
【００５４】
図５は、本実施の形態におけるＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子によって８０℃で光出力１０mＷを得るための電流(発振閾値電流)値と上記傾斜不純物濃度領域の厚さとの関係を示す。図４の場合と同様に、１つの点が１つの半導体レーザ素子に対応している。
【００５５】
図５によれば、上記傾斜不純物濃度領域の厚さが１００nmまでは、発振閾値電流の顕著な増加は見られない。しかしながら、上記ｎ型クラッド層に不純物をドープしない領域を設けるものの熱処理を行わず、上記傾斜不純物濃度領域が形成されないようにした場合(図示せず)には、上記不純物をドープしない領域の厚さが１００nmを越えると発振閾値電流の増加が見られた。これはｎ型クラッド層と活性層との間に１００nmより広い不純物をドープしない領域が存在するためにｎ型クラッド層と活性層とが遠くなり過ぎたことによって、電荷を運ぶ電子あるいはホールの活性層への閉じ込めが悪くなるためであると考えられる。
【００５６】
すなわち、第１実施の形態も含めてこの発明の半導体レーザ素子においては、不純物原子と結合した水素を分離するための熱処理による不純物の活性層内への拡散を防ぐためには、上記傾斜不純物領域を厚くすることが望ましい。しかしながら、第１実施の形態のごとく上記ｐ型クラッド層２５における傾斜不純物領域３２は厚さが５nmよりも薄くなると発振閾値電流値が増加すること、第２実施の形態のごとく上記ｎ型クラッド層における傾斜不純物領域は厚さが１００nmを超えると電荷を運ぶ電子またはホールの活性層への閉じ込めができないことから、上記傾斜不純物領域の厚さは、５nm以上且つ１００nm以下である必要がある。
【００５７】
そうすることによって、上記活性層とｐ型クラッド層とのエネルギー障壁を実質的に低下させないので電荷を運ぶ電子やホールを活性層内に効率よく閉じ込めることができ、より発振閾値電流が低く、信頼性の高い半導体レーザ素子を実現できるのである。
【００５８】
尚、上記実施の形態においては、結晶成長時に不純物原子と結合した水素を分離するための熱処理温度を７００℃としているが、上記ＭＢＥ法による成長温度４００℃〜６００℃より十分に高い温度であって、且つ、半導体積層体の結晶構成原子が抜けない温度であればよく、７００℃〜７５０℃であれば特に限定するものではない。
【００５９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に活性層および高不純物濃度層をＭＢＥ法によって結晶成長して形成した半導体積層体を、ＭＢＥ法による結晶成長温度より高温であって且つ結晶構成原子が離脱しない温度で熱処理するので、結晶成長時に上記高不純物濃度層中の不純物原子と結合した水素を分離させることができる。したがって、上記不純物原子のドープ量を多くして上記高不純物濃度層中のキャリア濃度を高め、大きな出力を得ることができる。その際に、上記熱処理温度は、上記半導体績層体の結晶構成原子が離脱しない温度であるため、上記半導体績層体が破壊されることはない。
【００６０】
さらに、上記活性層と高不純物濃度層との間に不純物がドープされない領域を形成するので、上記熱処理を行う際に、上記不純物がドープされない領域を不純物拡散の緩衝領域として、上記高不純物濃度層中の不純物原子が上記活性層まで拡散するのを防止できる。したがって、上記活性層内に非発光再結合中心が形成されたり、上記活性層の量子井戸構造が破壊されて発光効率が減少することを防止して、発振閾値電流を低くし、１０mＷ以上の高出力での使用に対して高信頼性を得ることができる。
【００６１】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記半導体積層体をＧaＡs基板上にエピタキシャル成長された(ＡlxＧa1-x)yＩn1-yＰ系半導体積層体(０≦ｘ≦１,０＜ｙ＜１)で成せば、上記不純物の活性化率が高く、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができる。
【００６２】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記結晶成長温度を４００℃以上且つ６００℃以下とし、上記結晶構成原子が離脱しない熱処理温度を７００℃以上且つ７５０℃以下とすれば、上記熱処理を、ＭＢＥ法による結晶成長温度(４００℃以上且つ６００℃以下)よりも十分高く、上記結晶構成原子が離脱しない温度(７００℃以上且つ７５０℃以下)で行うことができる。したがって、発振閾値電流が低く、１０mＷ以上の高い出力での使用に対して信頼性の高い半導体レーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子における縦断面図である。
【図２】図におけるクラッド層および活性層のＡl混晶比と傾斜不純物濃度領域の不純物濃度分布とを示す図である。
【図３】図１におけるアンドープＭＱＷ層に光ガイド層を設けた場合のクラッド層および活性層のＡl混晶比と傾斜不純物濃度領域の不純物濃度分布とを示す図である。
【図４】図１に示すＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子の発振閾値電流値とｐ型クラッド層に形成した傾斜不純物濃度領域の厚さとの関係を示す図である。
【図５】ＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子の発振閾値電流値とｎ型クラッド層に形成した傾斜不純物濃度領域の厚さとの関係を示す図である。
【図６】従来のＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子の縦断面図である。
【図７】熱処理によって不純物が拡散した状態を示す不純物濃度の深さ方向の分布を示す図である。
【符号の説明】
２１…ｎ型ＧaＡs基板、
２２…ｎ型ＧaＡsバッファ層、
２３…ｎ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層、
２４…アンドープＭＱＷ層、
２５…ｐ型(Ａl0.7Ｇa0.3)0.5Ｉn0.5Ｐクラッド層、
２６…Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐ中間層、
２７…ｐ型ＧaＡsコンタクト層、
２８…ｎ型ＧaＡs電流阻止層、
２９,３０…金属電極、
３１…リッヂ部、
３２,３５…傾斜不純物濃度領域、
３３…ＡlＧaＩnＰ系半導体レーザ素子。
【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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【図６】
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【図７】
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