(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＡｓ（ｘ＞０．４）あるいはＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ＞０．４）をｎ型層とし、Ｓｂを含むＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙ＞０．４）をｐ型層として活性層を挟むとともに、前記ｎ型層と前記ｐ型層は、酸化狭窄されたＡｌＧａＡｓＳｂ層をさらに挟むことを特徴とした半導体レーザ。
【請求項２】
前記ｎ型層と前記ｐ型層はＤＢＲであることを特徴とした請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記ｐ型層はＣ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎのいずれか１つの元素を不純物として含むことを特徴とした請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記ｎ型層はＣ元素を不純物として含むことを特徴とした請求項１乃至３いずれか１項に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関し、より詳細には、電気的、光学的に効率の高いｐｉｎ構造の半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、１．５５μｍ帯の長波長半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に半導体層を成長させて構成されるもので、この半導体材料としては、ＧａＩｎＡｓＰ系、ＡｌＧａＩｎＡｓ系、ＡｌＧａＡｓＳｂ系、の四元系である。他に、これらにＩＩＩ  族（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ）か、Ｖ族（Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ）の元素を追加した系が考えられるが、このＩＩＩ  族又はＶ族を用いる場合は、活性層に限定されるか特別な場合である。また、元素の数が増えると、その分だけ成長が著しく難しくなる。
【０００３】
従来の連続成長されるレーザは、同じ系の四元材料を用いて基板の格子定数に近い条件の組成でｎ型層、活性層、ｐ型層を構成している。ＧａＩｎＡｓＰ系の材料では、Ｖ族元素が２種類であり、組成制御が難しいとう欠点があった。また、伝導帯の差（ΔＥｃ）が大きく取れないため、温度特性が小さいという欠点があった。さらに、ＡｌＧａＩｎＡｓ系では、Ｖ族元素は１種類であるものの、特に有機金属気相成長法ではＩＩＩ  族におけるＡｌ組成が９０％以上のＡｌＧａＩｎＡｓの場合は酸素や不純物の影響で良好な膜を形成することは難しいという欠点があった。また、ΔＥｃを大きくして、温度特性を良くするためには、Ａｌ組成を大きくして格子を歪ませる必要があった。
【０００４】
一般に、ｐ型のドーパントとしてＺｎが用いられるが、Ｚｎは、蒸気圧が高いためにＺｎ材料を多く必要とし、また、拡散定数が大きいため急峻なｐ層は得られにくいという欠点がある。拡散定数の小さい炭素によるドーピングでは、ＧａＩｎＡｓＰやＡｌＧａＩｎＡｓの材料系では結合の弱いＩｎを多く含むＩＩＩ  族サイトに入りやすくｐ型になりにくい欠点があった。一方、ＡｌＧａＡｓＳｂ系では、ドーパントが結合の弱いＳｂを多く含むＶ族サイトに入りやすいことからＩＶ族のドーパントではｐ型になりやすく、ｎ型のドーパントとして一般に用いられる拡散定数の小さいＳｉもＶ族に入りｎ型にはなりにくいという欠点があった。
【０００５】
また、Ｓ，Ｓｅ，ＴｅのＶＩ族のドーパントもｎ型ドーパントとして用いられるが、拡散定数が大きく急峻なドーピングが難しい点や、蒸気圧が高くメモリー効果が大きい点で問題がある。従って、同じ材料系でｐｉｎ型のレーザを連続的に成長するとどちらかの伝導型を成長する場合にメモリー効果など成長に問題があったり、ドーパントの活性化効率の低い膜が成長されるなどの要因で、電気的あるいは光学的に効率の低いレーザとなった。有機金属気相成長法では結晶性の良い膜が得られやすく、また、量産性に優れているが、上述したドーパントの性質は特に顕著に表れる傾向があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
長波長の面発光レーザにおいては、反射率の高いＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；分布ブラック反射器）をＧａＡｓ基板上に作製し、後にＩｎＰ基板上に作製した活性層を含む部分を貼り合せて作製する方法と、ＩｎＰ基板上にすべての構造を成長して作製する方法がある。前者の貼り合せ法は、ＧａＡｓ基板に炭素ドープしたｐ型ＤＢＲを作製できるが、貼り合せ界面が活性層に近いため不純物や欠陥の影響で素子寿命や信頼性に問題がある。後者の連続成長のものは、作製が容易であり、不純物、欠陥等が活性層付近に存在しないものであるが、未だに前者のものよりも劣った特性である。その要因として厚膜を成長しなければならず、良好な成長が難しいこと、ｐ型あるいはｎ型のいずれかのドーパントの効率が上述したように悪く、電気的、光学的に良い膜が得られていないこと、高いΔＥｃを有する構造ができていないこと、酸化狭窄構造がなされていないこと等が考えられる。
【０００７】
現在、ＡｌＧａＡｓＳｂの面発光レーザは、例えば、Ｆ．Ｇｅｎｔｙ  ｅｔ  ａｌ．Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ．Ｇｒｏｗｔｈ  ２０１／２０２（１９９９）ｐｐ．１０２４−１０２７．の論文で報告されているが、分子線エピタキシャル成長法による結晶性の劣った結果であり、低温の光励起でレーザ発振する程度である。また、ＡｌＧａＩｎＡｓでは、Ｊ．Ｐ．Ｄｅｂｒａｙ  ｅｔ  ａｌ．ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１１（１９９９）ｐｐ．７７０−７７２．で報告されており、ＭＯＶＰＥで成長し電流注入でパルスによりレーザ発振しているが、炭素ドーピングが不充分でＺｎを共有したものであり、特性は劣っている。
【０００８】
そこで、本発明は、如何に良好なｐ型かつｎ型膜を成長し、電気的、光学的に効率の高いｐｉｎ構造の半導体レーザ、特に、低コストで素子特性が良く、素子寿命、信頼性の高いＩｎＰ基板上の長波長系面発光レーザを作製するかが課題になっている。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電気的かつ光学的に効率の高いｐｉｎ構造の半導体レーザを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＡｓ（ｘ＞０．４）あるいはＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ＞０．４）をｎ型層とし、Ｓｂを含むＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙ＞０．４）をｐ型層として活性層を挟むとともに、前記ｎ型層と前記ｐ型層は、酸化狭窄されたＡｌＧａＡｓＳｂ層をさらに挟むことを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項１において、前記ｎ型層と前記ｐ型層はＤＢＲであることを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項１又は２において、前記ｐ型層はＣ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎのいずれか１つの元素を不純物として含むことを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項１乃至３いずれか１項において、前記ｎ型層はＣ元素を不純物として含むことを特徴とするものである。
【００１５】
つまり、本発明は、ＩｎＰ基板上に成長されるレーザ構造においてＩｎを含むＡｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＡｓ（ｘ＞０．４）あるいはＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ＞０．４）をｎ型層とし、Ｓｂを含むＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙ＞０．４）をｐ型層として構成されることを特徴とし、また、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＡｓＰからなるＤＢＲとｐ型のＡｌＧａＡｓＳｂからなるＤＢＲを含む面発光レーザ構造を特徴とし、また、活性層近傍に酸化狭窄されたＡｌＧａＡｓＳｂ層を含むことを特徴とし、また、ｐ型あるいはｎ型のドーパントとして拡散の小さいＩＶ族のＣ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎを用いることを特徴とし、さらに、有機金属気相成長法で連続成長が可能なことを特徴とした半導体レーザである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明の第１実施形態について説明するための半導体レーザの構成図で、この半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ（１００）基板上１にＳｉドープｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．３２Ｉｎ０．５３Ａｓ（バンドギャップ波長：λｇ＝１．３μｍ）バッファ層２を０．２μｍ、Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層３を１μｍ成長し、ノンドープＡｌ０．２７−０．３４Ｇａ０．２０−０．１３Ｉｎ０．５３Ａｓ傾斜層（λｇ＝１．０−１．１μｍ）を５０ｎｍを成長した後、１％圧縮歪みＡｌ０．０７Ｇａ０．２５Ｉｎ０．６８Ａｓ層（λｇ＝１．５５μｍ）８ｎｍ／Ａｌ０．２７Ｇａ０．２０Ｉｎ０．５３Ａｓ層（λｇ＝１．１μｍ）１０ｎｍ５ペアからなる量子井戸活性層４、ノンドープＡｌ０．２７−０．３４Ｇａ０．２０−０．１３Ｉｎ０．５３Ａｓ傾斜層（λｇ＝１．１−１．０μｍ）を５０ｎｍを成長し、引き続き炭素ドープｐ型ＡｌＡｓ０．５６Ｓｂ０．４４層５を１μｍ、炭素ドープｐ型ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９層６を５０ｎｍを成長した構成になっている。
【００１８】
つまり、Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＡｓ（ｘ＞０．４）あるいはＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ＞０．４）をｎ型層３とし、Ｓｂを含むＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙ＞０．４）をｐ型層５として活性層４を挟む構成になっている。
【００１９】
図２は、活性層近傍の発振時のエネルギーバンドを示す図で、ノンドープのＡｌＧａＩｎＡｓとｐ−ＡｌＡｓＳｂ間の材料系の電子親和力の違いに起因した高いΔＥｃによりキャリアが効率良く活性層に閉じ込められる構成である。成長されたエピ層はｐ型電極としてＡｕＺｎＮｉ／Ａｕを蒸着し、過酸化水素／硫酸水溶液によりストライプ状にエッチングした後、表面をＳｉＯ２  で保護し、裏面にｎ型電極としてＡｕＧｅＮｉ／Ａｕを蒸着した。端面をへき開して反射鏡を作製し、測定を行った。
【００２０】
図３は、電流−光出力曲線を示す図である。ＡｌＧａＡｓＳｂのΔＥｃが高いためキャリアが効率良く閉じ込められることと、炭素ドーパントが結晶成長中に活性層まで拡散されないためＺｎドーピングしたものよりも活性層の特性が良いこと、また、ｐ型，ｎ型共にドーパントの活性化率が高いため、不純物による吸収の影響が小さいこと等により、従来のＧａＩｎＡｓＰ系レーザと比較して閾値電流、微分効率共に改善されていることがわかる。また、高いΔＥｃのため温度特性もＡｌＧａＡｓレーザ並に高いことを確認した。また、ｐ基板上にＡｌＧａＡｓＳｂから成長してレーザを作製しても同様の効果が得られた。また、ｎ型層及び活性層をＧａＩｎＡｓＰ系としても同様の効果が得られた。
【００２１】
（実施形態２）
図４は、本発明の第２実施形態を説明するための面発光レーザの構成図で、この面発光レーザは、ｎ型のＩｎＰ（３１１）Ｂ基板上１１に中間に傾斜組成のＡｌ０．１５−０．３４Ｇａ０．３２−０．１３Ｉｎ０．５３Ａｓ中間層１０ｎｍを挟んだ低屈折率の光学長λ／４（λ＝１５５０ｎｍ）のｎ−Ａｌ０．１５Ｇａ０．３２Ｉｎ０．５３Ａｓと高屈折率の光学長λ／４のｎ−Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓの５０．５ペアのｎ型ＤＢＲ１２を成長後、光学長λの活性層１３ａを含むＡｌＧａＩｎＡｓのスペーサ層１３を成長し、引き続き中間に傾斜組成のＡｌ０．１６−０．９Ｇａ０．８４−０．１Ａｓ０．５２−０．５６Ｓｂ０．４８−０．４４中間層１０ｎｍを挟んだ低屈折率の光学長λ／４のｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ０．５６Ｓｂ０．４４と高屈折率の光学長λ／４のｐ−Ａｌ０．１６Ｇａ０．８４Ａｓ０．５２Ｓｂ０．４８の２５ペアのｐ型ＤＢＲ１４を成長した構成になっている。なお、１４ａは酸化狭窄層である。
【００２２】
ここで、活性層から数ペア目の低屈折率層のＡｌＧａＡｓＳｂのＡｌ組成を他の層よりも高くすることにより、選択酸化が可能であるが、ここでは活性層から３層目をＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ０．５６Ｓｂ０．４４層とした。ＳｉＮｘの円形パターン２０μｍφを作製した後、活性層までドライエッチングし、さらに過酸化水素、硫酸水溶液でエッチングを行い、水蒸気により４００℃でＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ０．５６Ｓｂ０．４４層を選択酸化した。選択酸化により形成された電流狭窄径は５μｍφであった。
【００２３】
次に、ウエハ表面にＡｕＺｎＮｉ／Ａｕからなる１５μｍφの径のリング状のｐ−電極２３を作製した後、ＳｉＮｘ２２で表面を保護し、上側にＣｒ／Ａｕよりなる配線電極、下側にＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなるｎ−電極２１を形成した。
【００２４】
図５は、作製された面発光レーザを示す図で、図６は、図５に示した面発光レーザの電流−光出力特性を示す図である。室温で１ｍＷ以上の光出力で、低閾値電流で高効率な面発光レーザが作製された。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ａｌ１−ｘ−ｙＧａｙＩｎｘＡｓ（ｘ＞０．４）あるいはＧａ１−ｘＩｎｘＡｓｙＰ１−ｙ（ｘ＞０．４）をｎ型層とし、Ｓｂを含むＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＳｂｙ（ｙ＞０．４）をｐ型層として活性層を挟むとともに、前記ｎ型層と前記ｐ型層は、酸化狭窄されたＡｌＧａＡｓＳｂ層をさらに挟むように構成したので、拡散定数の小さいＣやＳｉのドーパントを効率良く用いることができ、また、ＡｌＧａＡｓＳｂと活性層の伝導帯の差を大きく取れるため、電気的、光学的に効率の高い半導体レーザが実現される。
【００２６】
特に、ＡｌＧａＡｓＳｂはＡｌ組成を高くすることができ、酸化狭窄構造により更に高効率化が可能となる。また、有機金属気相成長法により連続的に特性の良い面発光レーザ構造が成長可能となるため、低コストで、素子寿命、信頼性の高いレーザ素子の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザの構成図である。
【図２】活性層近傍のエネルギーバンドを示す図である。
【図３】電流−光出力特性を示す図である。
【図４】本発明の面発光レーザの構成図である。
【図５】作製された面発光レーザを示す図である。
【図６】図５に示した面発光レーザの電流−光出力特性を示す図である。
【符号の説明】
１  ｎ型のＩｎＰ基板
２  Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．３２Ｉｎ０．５３Ａｓバッファ層
３  Ｓｉドープｎ型Ａｌ０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓ層
４  Ａｌ０．０７Ｇａ０．２５Ｉｎ０．６８Ａｓ層／Ａｌ０．２７Ｇａ０．２０Ｉｎ０．５３Ａｓ層からなる量子井戸活性層
５  炭素ドープｐ型ＡｌＡｓ０．５６Ｓｂ０．４４層
６  炭素ドープｐ型ＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９層
１１  ｎ型のＩｎＰＢ基板
１２  ｎ型ＤＢＲ
１３  ＡｌＧａＩｎＡｓのスペーサ層
１３ａ  活性層
１４  ｐ型ＤＢＲ
１４ａ  酸化狭窄層
２１  ｎ−電極
２２  ＳｉＮｘ
２３  ｐ−電極
【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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