(57)【要約】【課題】  高濃度にドーピングしたp型GaAs層のp型ドーパントが活性層へ拡散することを防止しまたは抑制して、高キャリア濃度のコンタクト層を得る。その結果、素子抵抗を低減した、高出力・高効率の半導体レーザ素子を得る。【解決手段】  半導体レーザ素子は、活性層３と、ｐ型クラッド層２と、ｐ型キャップ層１とが順に積層されている。ｐ型キャップ層１ｂは、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの両方を含む。またはｐ型キャップ層は、第１のｐ型ドーパントで形成された、活性層から遠い第１の層１ａ、および、第１のｐ型ドーパントよりも拡散係数の小さい第２のｐ型ドーパントで形成された、活性層に近い第２の層１ｂを備えている。またはｐ型キャップ層１ｅは、ｐ型ドーパントとして炭素(C)が添加されている。これらの構成によれば、ｐ型ドーパントが活性層およびｐ型クラッド層側に拡散するのを防止できる。【選択図】        図１
2004207682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されている半導体レーザ素子であって、
前記ｐ型キャップ層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの両方を含む半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記ｐ型キャップ層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの両方をドーピングした混合ドーピング層と、前記ｐ型ドーパントを単独でドーピングした単独ドーピング層とを有する、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記ｐ型キャップ層は、前記活性層に近い側に前記混合ドーピング層を有し、前記活性層から遠い側に前記単独ドーピング層を有する、請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記混合ドーピング層では、前記ｐ型ドーパントの濃度が前記ｎ型ドーパントの濃度よりも高い、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記ｐ型ドーパントは亜鉛（Zn）、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)およびカドミウム(Cd)の１つであり、前記ｎ型ドーパントはケイ素(Si)、セレン(Se)、炭素(C)およびスズ(Sn)の１つである、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記混合ドーピング層は、前記単独ドーピング層を、前記活性層に近い第１の層と前記活性層から遠い第２の層とに分けるように設けられており、
前記第１の層のｐ型ドーパントは、前記混合ドーピング層にドーピングされたｎ型ドーパントとの間のクーロン引力により、前記混合ドーピング層に拡散する、請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記ｐ型ドーパントは亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、ベリリウム(Be)およびカドミウム(Cd)の１つであり、前記ｎ型ドーパントはセレン(Se)である、請求項６に記載の半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記ｐ型キャップ層は、
ｎ型ドーパントを単独でドーピングした、前記活性層に近い第１の単独ドーピング層と、
ｐ型ドーパントを単独でドーピングした、前記活性層から遠い第２の単独ドーピング層と
を有し、前記第１の単独ドーピング層は、第２の単独ドーピング層からの前記ｐ型ドーパントの拡散によりｐ型特性を有する、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項９】
活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されている半導体レーザ素子であって、
前記ｐ型キャップ層は、
第１のｐ型ドーパントで形成された、前記活性層から遠い第１の層、および、
第１のｐ型ドーパントよりも拡散係数の小さい第２のｐ型ドーパントで形成された、前記活性層に近い第２の層を備えている半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記第１のｐ型ドーパントは亜鉛(Zn)であり、前記第２のｐ型ドーパントはマグネシウム(Mg)である、請求項９に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されている半導体レーザ素子であって、
前記ｐ型キャップ層は、少なくとも一部にｐ型ドーパントである炭素（Ｃ）が添加されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記ｐ型キャップ層は、少なくとも一部にｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が添加濃度１×１０１９ｃｍ−３以上で添加されていることを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記ｐ型キャップ層は、前記活性層に近く、第１のｐ型ドーパントが添加されている第１層と、前記活性層から遠く、第２のｐ型ドーパントが添加されている第２層とを有し、
前記第２層に添加されている前記第２のｐ型ドーパントの添加濃度は、前記第１層に添加されている前記第１のｐ型ドーパント層の添加濃度より高いことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１４】
前記第１層は、少なくとも一部にｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が添加されているＧａＡｓ層であって、前記第２層は、ＩｎＧａＡｓ層であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項１５】
活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層とが順に積層されている半導体レーザ素子の製造方法であって、
活性層の上にｐ型クラッド層を積層する工程と、
ＭＯＣＶＤ法によって、原料ガスとしてトリメチルガリウムとアルシンとを用いて、成長温度を５４０℃以上とし、前記トリメチルガリウムに対する前記アルシンの流量比（Ｖ／ＩＩＩ）を０．６以上として、前記ｐ型クラッド層の上にｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を含むｐ型ＧａＡｓキャップ層を積層する工程と
を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１６】
前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層を積層する工程において、前記トリメチルガリウムに対する前記アルシンの流量比（Ｖ／ＩＩＩ）を略１．０とすることを特徴とする請求項１５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１７】
前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層を積層する工程において、前記ＧａＡｓキャップ層の少なくとも一部にｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）を添加濃度１×１０１９ｃｍ−３以上で添加することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗を低減させて発光特性を改善した半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信機器が取り扱わなければならない情報量は膨大である。よって高速に動作する記録装置および大容量の記録媒体の需要が高まっている。そのような記録装置の一つであるＤＶＤ−Ｒドライブ装置では、高出力かつ高効率の半導体レーザが使用されている。この装置は、半導体レーザを用いて大容量の記録媒体であるＤＶＤ−Ｒに情報を記録し、また記録した情報を読み出す。
【０００３】
将来の情報通信分野ではさらなる高速化・大容量化の要求が見込まれることから、高出力・高効率の半導体レーザは必須である。実際、既に１４０〜２００ｍＷクラスのAlGaInP系半導体レーザの開発が進められている。
【０００４】
以下、半導体レーザの構造を説明する。結晶成長直後のAlGaInP系レーザは、n-GaAs層基板から順に、バッファ層（GaAs/AlGaAs）、n-クラッド層（AlGaInP）、ウェル層（GaInP）、バリア層（AlGaInP）、ＭＱＷ活性層、p-クラッド層（AlGaInP）、そしてp-GaAsキャップ層（コンタクト層）が積層されて構成されている。このような構造はＭＯＣＶＤ（Metalorganic Camical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などの結晶成長法によって作製される。ｐ型ドーパントにはII族元素の一つであるZnが用いられている。そして、上述した構造の上下に電極を設けることで、半導体レーザ素子が得られる。
【０００５】
高出力・高効率の半導体レーザを得るには、半導体レーザのコンタクト抵抗を下げる必要があり、ｐ型GaAsキャップ層（コンタクト層）のキャリア濃度を高く設定することで素子のコンタクト抵抗を低減している。
【０００６】
例えば特許文献１には、キャップ層（コンタクト層）にＺｎやＳｉをそれぞれ単独でドーピングした化合物半導体で構成された半導体レーザ素子が記載されている。また特許文献２には、p型ZnSeキャップ層を有する半導体レーザ素子が記載されている。なおこのZnおよびSeはp型ドーパントとしては用いられていない。また特許文献３には、所定の濃度でCをドーピングする技術が開示されている。このCは、Zn等の他の不純物の拡散を抑制する障壁として作用する。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−５４８２８号公報
【特許文献２】特開平９−５１１４０号公報
【特許文献３】特開２００２−２６１３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
p型ドーパントであるZnは成長中や熱処理の過程で拡散しやすい性質を持っている。そのため、p型GaAsキャップ層をZnで高濃度にドーピングする従来の構造では、Znが本来アンドープである活性層にまで拡散してしまう問題があった。本来アンドープである活性層がドーピングされると結晶品質の低下、発光強度の減少、ｐｎ接合位置の移動（設計値からのずれ）等の問題が生じるため、良好な発光特性を持つ半導体レーザは得られない。なおZnの拡散が生じる原因として、例えばGaAs中では、格子間位置にあるZn+IがIII族元素であるGa位置の空孔と結びついて、またはGa原子を格子間位置に追い出し、Ga位置を占有しようとするからであると考えられている。
【０００９】
また、Znと同じくp型ドーパントとして使用されるMgは、Znより拡散の程度が小さいものの、ドーピング特性が1.0×1018cm-3程度で飽和するため、コンタクト抵抗の低減に必要な高濃度ドーピングが困難であるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、高濃度にドーピングしたp型GaAs層のp型ドーパントが活性層へ拡散することを防止しまたは抑制して、高キャリア濃度のコンタクト層を得ることであり、その結果として、素子抵抗を低減した、高出力・高効率の半導体レーザ素子を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による半導体レーザ素子は、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されている。前記ｐ型キャップ層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの両方を含む。これにより上記目的が達成される。
【００１２】
本発明による別の半導体レーザ素子は、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されている。前記ｐ型キャップ層は、第１のｐ型ドーパントで形成された、前記活性層から遠い第１の層、および、第１のｐ型ドーパントよりも拡散係数の小さい第２のｐ型ドーパントで形成された、前記活性層に近い第２の層を備えている。これにより上記目的が達成される。
【００１３】
本発明によるさらに別の半導体レーザ素子は、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されている。前記ｐ型キャップ層は、ｐ型ドーパントである炭素(C)で形成されている。これにより上記目的が達成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の半導体レーザ素子は、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されており、ｐ型キャップ層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの両方を含む。これによりｐ型ドーパントが活性層およびｐ型クラッド層側に拡散するのを防止して、高出力・高効率で発光させることができる。
【００１５】
また本発明の別の半導体レーザ素子は、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されており、ｐ型キャップ層は、第１のｐ型ドーパントで形成された、活性層から遠い第１の層、および、第１のｐ型ドーパントよりも拡散係数の小さい第２のｐ型ドーパントで形成された、活性層に近い第２の層を備えている。これによりｐ型ドーパントが活性層およびｐ型クラッド層側に拡散するのを防止して、高出力・高効率で発光させることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の半導体レーザ素子は、活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とが順に積層されており、ｐ型キャップ層はｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が添加されている。炭素（Ｃ）は拡散係数が小さく、高濃度にドーピングしても拡散しにくい。よってキャップ層を高キャリア濃度に保ちつつ、ｐ型ドーパントが活性層およびｐ型クラッド層側へ拡散することを減少できる。よって高出力・高効率で発光させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。同じ参照符号が付されている構成要素は、同じ機能の構成要素とする。
【００１８】
実施の形態１．
図１の（ａ）は、実施の形態１による半導体レーザ素子１０の断面図である。半導体レーザ素子１０は、いわゆるAlGaInP系レーザであり、高濃度にドーピングされたキャップ層の亜鉛（Zn）が活性層へ拡散することを防止・抑制するよう構成されている。
【００１９】
具体的な構成は以下のとおりである。半導体レーザ素子１０は、p-GaAsキャップ層１と、p-クラッド層２（AlGaInP）と、多重量子井戸（Multiple-Quantum-Well；ＭＱＷ）活性層３と、ｎ−クラッド層４（AlGaInP）と、バッファ層５（GaAs/AlGaAs）とn-GaAs基板６を含む。各層は、有機金属気相成長法（Metalorganic Chemical Vapor Deposition；ＭＯＣＶＤ）法、分子線成長法（Molecular Beam Epitaxy；ＭＢＥ）等の結晶成長法によって、n-GaAs基板６上にバッファ層５から逆の順序で積層して形成される。図は結晶成長直後の構造を示す。
【００２０】
p-GaAsキャップ層１には、Znが高濃度にドーピングされている。多重量子井戸活性層３は、多重量子井戸（Multiple-Quantum-Well）構造で形成された層である。多重量子井戸構造とは、バンドギャップの小さいウェル層３ｂ（井戸層；GaInP）をバンドギャップの大きいバリア層３ａ（AlGaInP）で挟んだ量子井戸構造を、何重にも積層した構造である。この構造により発光効率を向上させることができる。
【００２１】
基板６のバッファ層５と反対側の面、および、キャップ層１のp-クラッド層２と反対側の面には、それぞれ電極（図示せず）が設けられる。電極は、半導体レーザ素子を発光させるための正孔および電子を供給する。正孔および電子は、多重量子井戸活性層３において結合して光を放出する。最終的な半導体レーザ素子の例を図６に示す。図６は、本発明による半導体レーザ装置６０の構造の例を示す図である。レーザ素子６０の下端および上端には、ｎ電極７とｐ電極９が形成されていることが理解される。その他の構成は、図１の（ａ）における同じ符号の層に対応する。半導体レーザ装置６０は、ｎ型電流ブロック層８を有するいわゆる電流狭窄構造のレーザ装置である。ｎ型電流ブロック層８を設けるために、エッチング等の工程を経てp型クラッド層２をストライプ状に形成している。これの構成により発光効率を向上させたレーザ装置を得ることができる。なお以下に説明するように、本実施の形態が適用できる範囲は電流狭窄構造のレーザ装置に限られない。
【００２２】
図１の（ｂ）は、実施の形態１によるキャップ層１の構成を示す図である。本実施の形態ではキャップ層１は、２つの層で構成されている。すなわちキャップ層１の活性層３に近い側（p型クラッド層２に接する側）にはｐ型ドーパント（亜鉛Zn）とｎ型ドーパント（ケイ素(Si)）の両方をドーピングした混合ドーピング層（Zn+Si-GaAs層）１ｂが形成され、Zn+Si-GaAs層１ｂの上方（活性層３から遠い側）にはｐ型ドーパント（Zn）を単独でドーピングした単独ドーピング層（Zn-GaAs層）１ａが形成されている。留意すべきは、Zn+Si-GaAs層１ｂはｐ型に形成されていることである。ZnとSiはそれぞれｐ型ドーパントとｎ型ドーパントとして知られているが、本実施の形態では、Zn濃度をSi濃度より大きくなるように調整して、層１ｂ全体としてp型としている。一方、Znを高濃度にドーピングしたZn-GaAs層１ａを形成したことにより、p型GaAs層１の表面近くではZnが高濃度で存在している。よって半導体レーザの高出力化・高効率化に重要なコンタクト抵抗を低減できる。
【００２３】
p型ドーパントとして一般に用いられているZnは、拡散しやすい性質を持つ。その一方、高濃度にSiがドーピングされた領域へは拡散しにくいと考えられる。その理由は、（１）n型ドーパントとして用いられているSiも同じくGa位置を占有しSi+Gaとなること、（２）格子間位置にあるZn+IとGa位置にあるSi+Gaは両者とも正に帯電しているため、クーロン反発力（クーロン斥力）が両者間に生じると考えられるからである。すなわちp型ドーパントとｎ型ドーパントのイオン化極性が同じだからである。
【００２４】
上述の構成を持つキャップ層１では、Znを高濃度にドーピングしたキャップ層１の活性層３側に、ZnとSiがドーピングされたZn+Si-GaAs層１ｂを有するため、上述のクーロン反発力の効果により上部のZn-GaAs層１ａにドーピングしたZnが活性層３へ拡散することを抑制できる。
【００２５】
実施の形態２．
図２の（ａ）は、実施の形態２による半導体レーザ素子２０の断面図である。半導体レーザ素子２０もまた、高濃度にドーピングされたキャップ層のZnが活性層へ拡散することを防止・抑制するよう構成されている。半導体レーザ素子２０の層構造は、キャップ層１の構成を除いては半導体レーザ素子１０の層構造と同じである。また半導体レーザ素子２０は図６に示す半導体レーザ素子６０としても実現できる。それらの内容は下記に説明する点を除き実施の形態１でした説明と同じであるため、その説明は省略する。
【００２６】
半導体レーザ素子２０が半導体レーザ素子１０（図１）と異なるのは、キャップ層１が、Zn+Si-GaAs層１ｂ（図１の（ｂ））に代えてMg-GaAs層１ｃを有することにある。図２の（ｂ）は、実施の形態２によるキャップ層１の構成を示す図である。図から理解されるように、キャップ層１の活性層３側にはマグネシウム(Mg)をドーピングしたMg-GaAs層１ｃが形成され、その上部（活性層３と反対側）にはZn-GaAs層１ａが形成されている。
【００２７】
Znと同じｐ型ドーパントであるMgを用いたMg-GaAs層１ｃを設けた理由は、MgはZnよりも拡散係数が小さいため、Mgをドーピングすることによりp型ドーパント（Zn, Mg）が活性層３へ拡散するのを防止できるからである。一方半導体レーザ素子２０は、Znを高濃度にドーピングしたZn-GaAs層１ａを有することから、実施の形態１と同様にコンタクト抵抗を低減してレーザの高出力化・高効率化を実現できる。Mg単独ではコンタクト抵抗の低減に必要な高濃度ドーピングが困難であるが、キャップ層１にZn-GaAs層１ａとMg-GaAs層１ｃとを並存させることにより、活性層３へのp型ドーパントの拡散を低減できるとともにコンタクト抵抗も低減できる。
【００２８】
実施の形態３．
図３の（ａ）は、実施の形態３による半導体レーザ素子３０の断面図である。半導体レーザ素子３０もまた、高濃度にドーピングされたキャップ層のZnが活性層へ拡散することを防止・抑制するよう構成されている。半導体レーザ素子３０の層構造は、キャップ層１の構成を除いては半導体レーザ素子１０の層構造と同じである。また半導体レーザ素子３０は図６に示す半導体レーザ素子６０としても実現できる。それらの内容は下記に説明する点を除き実施の形態１でした説明と同じであるため、その説明は省略する。
【００２９】
半導体レーザ素子３０が半導体レーザ素子１０（図１）と異なるのは、キャップ層１が、キャップ層１の表面側から順にZn-GaAs層１ａ、Zn+Se-GaAs層１ｄ、Zn-GaAs層１ａ’により構成されていることである。図３の（ｂ）は、実施の形態３によるキャップ層１の構成を示す図である。図から理解されるように、Zn+Se-GaAs層１ｄはZn-GaAs層１ａおよび１ａ’の間に設けられている。換言すれば、Zn+Se-GaAs層１ｄは、Zn-GaAs層を分断するように設けられている。Znとセレン(Se)がドーピングされた領域１ｄはZn濃度がSe濃度よりも大きく、全体としてp型となっている。
【００３０】
Zn+Se-GaAs層１ｄを設けた理由は、活性層側の領域１ａ’にドーピングされたZnが活性層３側へ拡散するのを防止するためである。p型ドーパントであるZnは一般に拡散しやすい性質を持つが、活性層３側よりもSeがドーピングされたGaAs層１ｄに拡散し易い。その理由は以下のように考えられる。Seは一般にｎ型ドーパントとして用いられ、VI族元素であるため、GaAs中ではV族元素であるAsの位置を占めやすい。この場合は負の電荷をもつ。そしてZnとは異なる格子位置を占有すること（Zn は(Se-As)Ga位置を占有する）、および、Ga位置にあるSeは負に帯電し、Znは正に帯電しているためにSeとZnとの間にはクーロン引力が働くこと（すなわちp型ドーパントとｎ型ドーパントのイオン化極性が異なること）等から、ZnはSeがドーピングされた領域に拡散し易い性質を持つと考えられる。そこでZn+Se-GaAs層１ｄを設けることにより、活性層３側の領域１ａ’にドーピングされたZnが活性層３へ拡散するのを防止できる。
【００３１】
実施の形態４．
図４の（ａ）は、実施の形態４による半導体レーザ素子４０の断面図である。半導体レーザ素子４０もまた、高濃度にドーピングされたキャップ層のp型ドーパントが活性層へ拡散することを防止・抑制するよう構成されている。半導体レーザ素子４０の層構造は、キャップ層１の構成を除いては半導体レーザ素子１０の層構造と同じである。また半導体レーザ素子４０は図６に示す半導体レーザ素子６０としても実現できる。それらの内容は下記に説明する点を除き実施の形態１でした説明と同じであるため、その説明は省略する。
【００３２】
半導体レーザ素子６０が半導体レーザ素子１０（図１）と異なるのは、キャップ層１が、炭素(C)をドーピングした高キャリア濃度のp型GaAs層１ｅとして構成されていることにある。図４の（ｂ）は、実施の形態４によるキャップ層１の構成を示す図である。炭素（Ｃ）のドーピングは、V/III比を小さくする等、成長条件の最適化による、有機金属材料の分解過程における中間生成物の取り込みや、CBr4等の有機金属材料によって結晶成長中に行う。
【００３３】
C-GaAs層１ｅを採用した理由は、炭素（Ｃ）は拡散係数が小さく、高濃度にドーピングしても拡散しにくいからである。炭素（Ｃ）をドーピングすることで、p型GaAsキャップ層１を高キャリア濃度に保ちつつ、p型ドーパントが活性層３へ拡散することを減少できる。
【００３４】
実施の形態５．
図５の（ａ）は、実施の形態５による半導体レーザ素子５０の断面図である。半導体レーザ素子５０もまた、高濃度にドーピングされたキャップ層のp型ドーパントが活性層へ拡散することを防止・抑制するよう構成されている。半導体レーザ素子５０の層構造は、キャップ層１の構成を除いては半導体レーザ素子１０の層構造と同じである。また半導体レーザ素子５０は図６に示す半導体レーザ素子６０としても実現できる。それらの内容は下記に説明する点を除き実施の形態１でした説明と同じであるため、その説明は省略する。
【００３５】
半導体レーザ素子５０が半導体レーザ素子１０（図１）と異なるのは、キャップ層１が、Zn+Si-GaAs層１ｂ（図１の（ｂ））に代えてｎ型GaAs層１ｆを有することにある。図５の（ｂ）は、実施の形態５によるキャップ層１の構成を示す図である。キャップ層１の活性層３側には、Si、Se等のｎ型ドーパントがドーピングされた、当初はｎ型のGaAs層１ｆが形成され、その上部（活性層３と反対側）にはZn-GaAs層１ａが形成されている。このようなGaAs層１ｆはｐ-クラッド層２の形成後に結晶成長させることにより得られる。このGaAs層１ｆは、Zn-GaAs層１ａから拡散するZnによって補償されp型に変わることが可能な厚さ及びキャリア濃度とする。すなわちGaAs層１ｆは、Zn-GaAs層１ａから拡散するZnによって特性が補償され当初のｎ型からp型に変化する。
【００３６】
キャップ層上部（活性層３と反対側）のZn-GaAs層１ａにドーピングされたZnは、下部（活性層３側）にあるn型GaAs層１ｆに拡散すると、キャリアを補償する間はそれより下側（ｐ-クラッド層２側）への拡散速度が減少する。よってn型GaAs層１ｆの厚さおよびｎ型ドーパントの濃度を調整することにより、キャップ層上部のZn-GaAs層１ａに高濃度にドーピングしたZnが活性層３へ拡散することを防止・抑制できる。
【００３７】
以上、本発明の実施の形態１から５までを説明した。上述の実施の形態１（図１）および実施の形態３（図３）では、ｐ型ドーパントとしてZnを用いた例を説明した。しかし各実施の形態で説明した構造を採用する場合には、異なる元素をp型ドーパントとして用いてもそのドーパントが活性層３へ拡散することを防止・抑制できる。例えばZnに代えて、同じくII族元素であり、Ga位置を占有する元素（Mg、ベリリウム(Be)、カドミウム(Cd)等）を用いることができる。このような元素をSiやSeと同時にキャップ層１内にドーピングすれば、上述の効果を得ることができる。また実施の形態１のZn+Si-GaAs層１ｂ（図１）におけるSiに代えて、同じくIV族元素でありGa位置を占有すると正の電荷を持つC、スズ(Sn)等を用いてもよい。このような元素をZn等のp型ドーパントと同時にドーピングすることにより、同様の効果が得られる。
【００３８】
実施の形態６．
図７は、本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板の上に、ｎ型ＧａＡＳバッファ層５、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、多重量子井戸（Multiple Quantum Wells：ＭＱＷ）活性層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（コンタクト層）１ａが順に積層されている。ｎ型ＧａＡＳバッファ層５は、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されており、ＡｌＧａＡｓ層を含んでいてもよい。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４は、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が添加されている。多重量子井戸層３は、不純物添加していないＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、ＡｌＧａＩｎＰバリア層３ａ、ＧａＩｎＰウエル層３ｂとが何重にも積層されている。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２は、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が添加されており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１ｅにはｐ型不純物として炭素（Ｃ）が添加されている。なお、この半導体レーザ素子としては、図６に示す電流狭窄構造を有する埋込型レーザや、あるいはリッジ導波型レーザであってもよい。
【００３９】
次に、ＧａＡｓキャップ層５に炭素（Ｃ）を添加することによる効果について図８及び図９を用いて説明する。図８は、この半導体レーザ素子の表面から深さ方向に向っての相対的な元素濃度を示す図である。半導体レーザ素子の表面からスパッタリングしながら、スパッタされた物質を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）によって各元素ごとの濃度を検出している。図中の横軸は半導体レーザ素子の表面からの深さであり、縦軸は元素濃度に対応する強度（任意単位）である。表面からの深さはスパッタリング時間から算出される。なお、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の途中にはエッチングストッパ層（ＥＳＬ）が設けられている。このエッチングストッパ層は、例えば、図６のリッジ導波型構造を形成する場合にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の途中でエッチングを止めるために設けられる。図９は、従来の半導体レーザ素子の表面から深さ方向に向っての元素濃度を示す図である。図中の横軸、縦軸は図８と同様である。従来の半導体レーザ素子では、図９に示すように、ＧａＡｓキャップ層１に添加された亜鉛（Ｚｎ）とＡｌＧａＩｎＰクラッド層に添加されたマグネシウム（Ｍｇ）が活性層３にまで拡散していることがわかる。これに対して、本実施の形態では、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２に隣接するＧａＡｓキャップ層１ｅのｐ型ドーパントの炭素（Ｃ）は、クラッド層２のマグネシウム（Ｍｇ）と相互拡散することはない。また、従来の亜鉛（Ｚｎ）及びマグネシウム（Ｍｇ）を添加した場合と比べて、図８に示すように、ＧａＡｓキャップ層１ｅにｐ型ドーパントとして添加した炭素（Ｃ）は、活性層３まで拡散していないことが分かる。
【００４０】
さらに、ＧａＡｓキャップ層に添加する炭素の濃度について説明する。ＧａＡｓキャップ層は、高キャリア濃度を達成してコンタクト抵抗を減少させるためにｐ型ドーパントである炭素の濃度が１０１９ｃｍ−３以上であることが好ましい。このように高濃度であっても上述のようにＧａＡｓキャップ層１ｅにｐ型ドーパントとして添加した炭素（Ｃ）はキャップ層１ｅを高キャリア濃度に保ちつつ、活性層３へほとんど拡散しないので、高出力、高効率の半導体レーザ素子を提供できる。
【００４１】
次に、この半導体レーザ素子の製造方法について説明する。この半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層５、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、多重量子井戸層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ｐ型ＧａＡｓキャップ層（コンタクト層）１ａをＭＯＣＶＤ法等の薄膜形成法を用いて順に積層することによって作製される。
【００４２】
ＭＯＣＶＤ法を用いる場合の製造条件について説明する。ＭＯＣＶＤ法における成長温度は、例えば７００℃、成長圧力は、例えば１００ｍｂａｒ（１００ｈＰａ）である。また、ＭＯＣＶＤ法で用いる原料ガスとしては、例えば、トリメチルインジウム（Trimethylindium：ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（Trimethylgalium：ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（Trimethylaluminum：ＴＭＡ）、フォスフィン（Phosphine：ＰＨ３）、アルシン（Arsine：ＡｓＨ３）、シラン（Silane：ＳｉＨ４）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Cyclopentadienylmagnesium：Ｃｐ２Ｍｇ）等を用いることができる。これらの原料をマスフローコントローラ（Mass Flow Controller：ＭＦＣ）等を用いて流量を制御して所望の各層の組成を得る。
【００４３】
ここで、ｎ型ドーパントとして炭素を添加したｎ型ＧａＡｓキャップ層１ａの作製方法について説明する。この場合の製造条件としては、ＭＯＣＶＤ法における成長温度を例えば５４２℃以上とし、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）に対するアルシンの流量比（Ｖ／ＩＩＩ）を０．６以上、例えば１程度とする。通常、ＧａＡｓ層を成長させる場合の成長温度は６００〜７５０℃程度、流量比Ｖ／ＩＩＩは数１０〜数１００程度としている。これに対して、上記の成長条件で成長させることにより、図１０に示すように、不純物添加のための特別な原料を導入することなく、トリメチルガリウムに元来含まれるメチル基に由来する炭素（Ｃ）がｐ型ドーパントとしてＧａＡｓキャップ層に取り込まれる。このような特別の不純物原料を有しないイントリンシック（intrinsic）不純物添加法（F. Brunner, J. Crystal Growth 221 (2000), pp53-58）を用いて、炭素をｐ型ドーパントとして添加することができる。なお、炭素をＧａＡｓキャップ層に添加する方法として、上記のイントリンシック不純物添加法に代えて四臭化炭素（ＣＢｒ４）等の不純物原料を用いて炭素を添加する通常の不純物添加方法を用いてもよい。
【００４４】
実施の形態７．
図１１は、本発明の実施の形態７に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子８０は、実施の形態６に係る半導体レーザ素子と比較すると、キャップ層として、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１ｅとｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層１ｇとがｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の上に順に積層されている点で相違する。この半導体レーザ素子８０においても、実施の形態６に係る半導体レーザ素子の場合と同様に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２に隣接するＧａＡｓキャップ層１ｅのｐ型ドーパントの炭素（Ｃ）は、クラッド層２のマグネシウム（Ｍｇ）と相互拡散することはなく、活性層３まで拡散することもない。また、このＩｎＧａＡｓ層１ｇは、ＧａＡｓ層に比べて禁制帯幅が狭く、同じ不純物添加量であってもＧａＡｓ層よりも電極とのコンタクトがとりやすいので、最上層にＩｎＧａＡｓキャップ層１ｇを設けることによって、素子抵抗をより低減できる。また、ＩｎＧａＡｓ層１ｇはキャリア濃度を上げやすいので、さらにコンタクトがとりやすい。また、このｐ型ＧａＡｓ層１ｅとｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層１ｇとには、それぞれｐ型ドーパントとして炭素（Ｃ）が添加されている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層１ｇは、より詳細な組成式ではＩｎｘＧａ１−ｘＡｓであり、好ましくはｘが０．５程度である。このＩｎＧａＡｓ層１ｇは、その下層のＧａＡｓ層１ｅとは本来の格子定数が異なり、ｘが１の場合（ＩｎＡｓ）にはＧａＡｓより格子定数が７％大きく、ＧａＡｓ層１ｅと積層することによって格子不整合による圧縮歪が生じる。そこで、ｘの値としては０．５程度が好ましい。また、このＩｎＧａＡｓ層１ｇの層厚を数１０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）は、実施の形態１による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態１によるキャップ層の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は、実施の形態２による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態２によるキャップ層の構成を示す図である。
【図３】（ａ）は、実施の形態３による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態３によるキャップ層の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、実施の形態４による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態４によるキャップ層の構成を示す図である。
【図５】（ａ）は、実施の形態５による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態５によるキャップ層の構成を示す図である。
【図６】本発明による半導体レーザ素子の構造の例を示す図である。
【図７】（ａ）は、実施の形態６による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態６によるキャップ層の構成を示す図である。
【図８】実施の形態６に係る半導体レーザ素子の表面から深さ方向にわたる元素濃度を示す図である。
【図９】キャップ層に亜鉛を添加した従来の半導体レーザ素子の表面から深さ方向にわたる元素濃度を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態６に係る半導体レーザ素子の製造過程におけるトリメチルガリウムとアルシンとの流量比Ｖ／ＩＩＩと、キャップ層の炭素濃度との関係を示す図である。
【図１１】（ａ）は、実施の形態７による半導体レーザ素子の断面図であり、（ｂ）は、実施の形態７によるキャップ層の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  p-GaAsキャップ層、  ２  p-クラッド層、  ３  多重量子井戸活性層、  ３ａ  バリア層、  ３ｂ  ウェル層、  ４  ｎ−クラッド層、  ５  バッファ層、  ６  n-GaAs基板、  ７  ｎ電極、  ８  ｎ型電流ブロック層、  ９  ｐ電極、  １０、２０、３０、４０、５０、７０、８０  半導体レーザ素子、  ６０  半導体レーザ装置、  １ａ  Zn-GaAs層、  １ｂ  Zn+Si-GaAs層、  １ｃ  Mg-GaAs層、  １ｄ  Zn+Se-GaAs層、  １ｅ  C-GaAs層、  １ｆ  ｎ型GaAs層、  １ｇ  C-InGaAs層
【図１】
2004207682.tif 000003
【図２】
2004207682.tif 000004
【図３】
2004207682.tif 000005
【図４】
2004207682.tif 000006
【図５】
2004207682.tif 000007
【図６】
2004207682.tif 000008
【図７】
2004207682.tif 000009
【図８】
2004207682.tif 000010
【図９】
2004207682.tif 000011
【図１０】
2004207682.tif 000012
【図１１】
2004207682.tif 000013