(57)【要約】【課題】ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓクラッド層、ＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＰ光導波層、ＩｎＧａＡｓＰ活性層を有する半導体レーザ素子において、良好な素子抵抗と高い信頼性を得、特にブロードエリアレーザにおいて低雑音なものとする。【解決手段】（００１）面ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層４、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層５、ｉ−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸層６、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層７、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層８、ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層９、ｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層１０およびｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１（厚さ２００ｎｍ）を備えた半導体レーザ素子において、コンタクト層１１の不純物濃度を５×１０１８〜１×１０２０の範囲とする。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の電極を備えたｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）クラッド層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）下部光導波層、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１（ただし、０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．４）量子井戸層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）上部光導波層、ｐ型Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）クラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層および他方の電極をこの順に備えた半導体レーザ素子において、
前記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層のｐ型不純物濃度（ｃｍ−３）が、５×１０１８以上１×１０２０以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型ＧａＡｓコンタクト層のｐ型不純物がＺｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓクラッド層、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＰ光導波層、ＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層を備えた半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
７５０〜８５０ｎｍ帯の高出力半導体レーザ素子として、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓ第一クラッド層、ＩｎＧａＰ第一光導波層、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層、ＩｎＧａＰ第二光導波層、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第二クラッド層およびｐ＋コンタクト層を積層してなるものが知られている。また、上記構造のうち光導波層をＩｎＧａＡｓＰとして、発振波長が７５０〜１１００ｎｍ帯のブロードエリア半導体レーザ素子は、短波長域のＳＨＧ固体励起レーザの励起光源として用いられており、固体結晶との高結合効率化、あるいはレーザ光の高品質化等の観点から低雑音であることが要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記構造の半導体レーザ素子は、活性領域にＡｌを含まないため、同一波長帯のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて、ＣＯＤレベルが高く、信頼性が高いという特徴がある。
【０００４】
しかし、コンタクト層の不純物濃度が高すぎると、ｐ型コンタクト層の結晶性が悪化するばかりでなく、ｐ型コンタクト層からｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層へのｐ型不純物の拡散によりｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層の結晶性も悪化し、素子の信頼性が低下する。特に、ブロードエリアレーザの場合には、素子のノイズレベルが悪化するという問題がある。一方、ｐ型コンタクト層の不純物濃度が低すぎると素子抵抗が高くなり、良好な特性を得ることができないという欠点がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて、良好な素子抵抗を有し、信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、一方の電極を備えたｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）クラッド層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）下部光導波層、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１（ただし、０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．４）量子井戸層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）上部光導波層、ｐ型Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）クラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層および他方の電極をこの順に備えた半導体レーザ素子において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層のｐ型不純物濃度（ｃｍ−３）が、５×１０１８以上１×１０２０以下であることを特徴とするものである。
【０００７】
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層のｐ型不純物はＺｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくとも１つであることが望ましい。
【０００８】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子によれば、一方の電極を備えたｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）クラッド層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）下部光導波層、Ｉｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１（ただし、０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．４）量子井戸層、ＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）上部光導波層、ｐ型Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）クラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層および他方の電極をこの順に備えた半導体レーザ素子において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層のｐ型不純物濃度（ｃｍ−３）を、５×１０１８以上１×１０２０以下とすることにより、素子抵抗を低くすることができ、高い経時信頼性を得ることができる。特にストライプ幅が５μｍ以上のブロードエリア半導体レーザ素子においては、低雑音なレーザ光を得ることができる。
【０００９】
また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層のｐ型不純物をＺｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくとも１つとすることにより、良好な特性および信頼性を得ることができる。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
本発明の第１の実施例によるリッジ型の半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図１に示す。
【００１２】
有機金属気相成長法における成長材料として以下のものを用いた。ＩＩＩ族のＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの原料として、それぞれトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族のＡｓ、Ｐの原料として、それぞれアルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）を用い、ｎ型、ｐ型のドーパントとしてそれぞれ、シラン（ＳｉＨ４）、ジエチルジンク（ＤＥＺ）を用いた。
【００１３】
図１に示すように、有機金属気相成長法により、（００１）面ｎ−ＧａＡｓ
基板１上に、温度７３０℃で、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（厚さ２００ｎｍ）、ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層３（厚さ１９６０ｎｍ）、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層４（厚さ４０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層５（厚さ１１０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸層６（厚さ１０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層７（厚さ１１０ｎｍ）、ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層８（厚さ１００ｎｍ）、ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層９（厚さ１０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層１０（厚さ１９００ｎｍ）およびｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１（厚さ２００ｎｍ）を成長した。
【００１４】
引き続き、ＣＶＤ装置で、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１上にＳｉＯ２膜（厚さ３００ｎｍ）を形成し、リソグラフィ法およびエッチングにより、＜１１０＞方向に、間隔５０μｍを空けて、幅１０μｍの２本のストライプ状にＳｉＯ２膜を除去し、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１を露出させた。このＳｉＯ２膜をマスクにして酒石酸により、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１、ｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層１０をｐ−エッチングストップ層９の表面までエッチングして溝１２を形成した。これにより５０μｍ幅のリッジストライプ１３が形成された。
【００１５】
ＳｉＯ２膜を除去した後、再度ＣＶＤ装置で全面にＳｉＯ２膜１４を形成し、リソグラフィおよびエッチングによりリッジストライプ１３の上部のみＳｉＯ２膜１４を除去し、コンタクト層１１を露出させた。次に、リフトオフ法を用いて、露出したｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１上のみにＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなるｐ側電極１５を形成した。
【００１６】
次に、ｎ−ＧａＡｓ基板１の裏面を研磨し、素子の総厚１００μｍとし、研磨面にＡｕ／ＡｕＧｅからなるｎ側電極１６を形成し、共振器長を１０００μｍとして、共振器の両端面の一方に低反射率コート膜、他方に高反射率コート膜を形成することにより、５０μｍ幅のリッジ型ブロードエリアレーザを完成させた。
【００１７】
上記構造を有する半導体レーザ素子であって、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１のｐ型不純物であるＺｎの濃度が、２×１０１８、５×１０１８、１×１０１９、２×１０１９、５×１０１９、１×１０２０および２×１０２０である素子を複数作製し、それぞれの水準での平均抵抗値と、素子の劣化率について評価した。図２のＺｎ濃度と平均抵抗値との関係を示し、図３にＺｎ濃度と劣化率との関係を示す。
【００１８】
なお、ここでいう平均抵抗値とは、上記第１の実施例による半導体レーザ素子（ストライプ幅が５０μｍで共振器長が１０００μｍの場合）における駆動電流が１００〜３００ｍＡの場合の素子抵抗値の平均を示す。
【００１９】
また、劣化率とは、駆動電流の１時間当たりの増加割合を示し、劣化率（／ｈ）＝（駆動電流増加分（ｍＡ）／初期駆動電流（ｍＡ））／駆動時間（ｈ）と表すことができる。グラフ縦軸にはそのメディアン値を示した。
【００２０】
なお、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１のｐ型不純物であるＺｎの濃度は、ホール測定法を用いて測定した値である。
【００２１】
図２に示すように、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１のＺｎの濃度を５×１０１８〜１×１０２０（ｃｍ−３）とすることにより、平均抵抗値を約０．４８（Ω）以下とすることができた。また、図３に示すように、劣化率を２×１０−５以下とすることができた。
【００２２】
０．４８（Ω）以下の平均抵抗値は、特に、幅広の半導体レーザ素子において、ノイズレベルが小さく良好なレーザ品質を得ることができる値であり、また２×１０−５以下の劣化率は製品として出荷するのに十分な長期信頼性を得ることができる値であることから、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層１１のＺｎ濃度は、５×１０１８〜１×１０２０（ｃｍ−３）が好ましいことがわかる。
【００２３】
なお、不純物濃度の最適化にあたって、上記第１の実施例による半導体レーザ素子を用いたが、上記第１の実施例の組成に限らず、クラッド層に関しては、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ（ただし、０．５≦ｘ３＜１）、光導波層に関してはＧａＡｓに格子整合するＩｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓ１−ｙ２Ｐｙ２（ただし、ｘ２＝０．４８ｙ２、０．８≦ｙ２≦１．０）、量子井戸層に関してはＩｎｘ１Ｇａ１−ｘ１Ａｓ１−ｙ１Ｐｙ１（ただし、０≦ｘ１≦０．３、０≦ｙ１≦０．４）からなる組成の場合にも、同等の範囲の不純物濃度を最適な不純物濃度とすることができる。
【００２４】
次に、量子井戸にＩｎＧａＡｓからなる二重量子井戸構造、光導波層にＩｎＧａＡｓＰを用いた第２の実施例による半導体レーザ素子について製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図４に示す。
【００２５】
図４に示すように、（００１）面ｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、温度７００℃で、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２（厚さ２００ｎｍ）、ｎ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓクラッド層２３（厚さ１６００ｎｍ）、ｎ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６光導波層２４（厚さ２５０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６下部第二光導波層２５（厚さ１５０ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ量子井戸層２６（厚さ７ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６バリア層２７（厚さ５ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓ量子井戸層２８（厚さ７ｎｍ）、ｉ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第一光導波層２９（厚さ２５０ｎｍ）、ｐ−Ｉｎ０．４６Ｇａ０．５４Ａｓ０．０４Ｐ０．９６上部第二光導波層３０（厚さ１５０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０Ａｓクラッド層３１（厚さ１６００ｎｍ）、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層３２（厚さ２００ｎｍ）を成長した。このｐ＋ＧａＡｓコンタクト層３２のｐ型不純物としてＺｎを用い、Ｚｎ濃度を５×１０１９（ｃｍ−３）とした。
【００２６】
次に、上記第１の実施例と同様の方法で、幅１０μｍ程度の溝３３を形成し、幅５０μｍ程度のリッジストライプ３４を形成した。次に、ＳｉＯ２膜３５を形成し、リッジストライプ３４上を開口し、その上にｐ側電極３６を形成した。その後、基板２１の裏面を研磨し、素子の総厚を１００μｍとし、研磨面にＡｕ／ＡｕＧｅからなるｎ側電極３７を形成した。共振器長を１０００μｍとして、共振器の両端面の一方に低反射率コート膜、他方に高反射率コート膜を形成することにより、５０μｍ幅のリッジ型ブロードエリアレーザを完成させた。
【００２７】
本実施例による半導体レーザ素子において、ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層３２のｐ型不純物としてＺｎを用い、Ｚｎ濃度を５×１０１９（ｃｍ−３）としたので、図３および図４に示すように、平均抵抗値が約０．３（Ω）となり、劣化率が約１×１０−５となり、高い経時信頼性が得られた。
【００２８】
本実施の形態においては、ｐ型不純物はＺｎの場合について説明したが、ｐ型不純物をＺｎ、Ｃｄ、ＭｇおよびＢｅの少なくとも１つとした場合についても濃度を５×１０１８以上１×１０２０以下とすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００２９】
本発明による半導体レーザ素子は、抵抗値が低く、製品として十分な経時信頼性を有するものである。特に、ストライプ幅を５μｍ以上にしてブロードエリアの半導体レーザ素子とした場合にはノイズレベルを小さいものとすることができるので、このブロードエリア半導体レーザ素子を短波長域の第二高調波を発生させる固体励起レーザの基本波光源として用いれば、良好な特性および信頼性を有する第二高調波発生装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による半導体レーザ素子を示す断面図
【図２】コンタクト層の不純物濃度と平均抵抗値との関係を示すグラフ
【図３】コンタクト層の不純物濃度と劣化率との関係を示すグラフ
【図４】本発明の第２の実施例による半導体レーザ素子を示す断面図
【符号の説明】
１　　ｎ−ＧａＡｓ（００１）面基板
２　　ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３　　ｎ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
４　　ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
５　　ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ下部光導波層
６　　ｉ−Ｉｎ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ０．７５Ｐ０．２５単一量子井戸層
７　　ｉ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐ上部光導波層
８　　ｉ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
９　　ｐ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐエッチングストップ層
１０　　ｐ−Ａｌ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓクラッド層
１１　　ｐ＋ＧａＡｓコンタクト層
１２　　溝
１３　　リッジストライプ
１４　　ＳｉＯ２膜
１５　　ｐ側電極１５
１６　　ｎ側電極１６
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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