(57)【要約】【課題】ドーパントの活性層への拡散を抑制して、発光出力が低下したり通電時における温度が上昇したりすることを低減可能とする半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】第１導電型基板１上に、少なくとも、第１導電型クラッド層３と活性層４とアンドープクラッド層５と第２導電型クラッド層６とが順次積層された構造とし、アンドープクラッド層の厚さを１５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内とし、第２導電型クラッド層のドーパントをＭｇ（マグネシウム）とし、同層におけるＭｇ濃度を７Ｅ＋１６ｃｍ−３〜１Ｅ＋１８ｃｍ−３の範囲内とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子において、
第１導電型基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層と、活性層と、アンドープクラッド層と、第２導電型クラッド層とが順次積層されてなる積層構造を有し、
前記アンドープクラッド層は、その厚さが１５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内であり、
前記第２導電型クラッド層は、Ｍｇ（マグネシウム）を含み、前記第２導電型クラッド層における前記Ｍｇの濃度が７Ｅ＋１６ｃｍ−３〜１Ｅ＋１８ｃｍ−３の範囲内である構成としたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記第２導電型クラッド層上に少なくとも第２導電型キャップ層を有し、
該第２導電型キャップ層は、Ｃ（炭素）を含み、前記第２導電型キャップ層における前記Ｃの濃度が１Ｅ＋１８ｃｍ−３〜３Ｅ＋１９ｃｍ−３の範囲内である構成としたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子に係り、特に光ディスク装置等に用いられるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、高密度光ディスク装置，レーザプリンタ，バーコードリーダ，及び光計測機器の光源として広く用いられており、その中で、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）の記録／再生装置の光源としては、６５０ｎｍ帯のレーザ光が得られるＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子が使用されている。
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子の従来例が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平１０−３２１９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載されているようなＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、一般的に、ｐ型ドーパントとしてＺｎ（亜鉛）が用いられる。
しかしながら、Ｚｎは拡散係数が大きいため、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法等による結晶成長の際または作製した半導体レーザ素子に通電した際に生じる熱によって、活性層と隣接するｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に移動する場合がある。
活性層中にＺｎが移動すると、このＺｎによって非発光再結合が起こり、発光出力が低下する問題が発生する。また、所定の発光出力を得るために半導体レーザ素子に通電する電流値を大きくすると、通電時における半導体レーザ素子の温度が上昇して半導体レーザ素子の寿命を悪化させる原因となる。
【０００４】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、ドーパントの活性層への拡散を抑制して、発光出力が低下したり通電時における温度が上昇したりすることを低減可能とする半導体レーザ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本願各発明は次の手段を有する。
１）半導体レーザ素子において、第１導電型基板（１）上に、少なくとも、第１導電型クラッド層（３）と、活性層（４）と、アンドープクラッド層（５）と、第２導電型クラッド層（６）とが順次積層されてなる積層構造を有し、前記アンドープクラッド層は、その厚さが１５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内であり、前記第２導電型クラッド層は、Ｍｇ（マグネシウム）を含み、前記第２導電型クラッド層における前記Ｍｇの濃度が７Ｅ＋１６ｃｍ−３〜１Ｅ＋１８ｃｍ−３の範囲内である構成としたことを特徴とする半導体レーザ素子（２０）である。
２）前記第２導電型クラッド層上に少なくとも第２導電型キャップ層（１０）を有し、該第２導電型キャップ層は、Ｃ（炭素）を含み、前記第２導電型キャップ層における前記Ｃの濃度が１Ｅ＋１８ｃｍ−３〜３Ｅ＋１９ｃｍ−３の範囲内である構成としたことを特徴とする半導体レーザ素子である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、特に、第１導電型基板上に、少なくとも、第１導電型クラッド層と活性層とアンドープクラッド層と第２導電型クラッド層とが順次積層された積層構造とし、アンドープクラッド層の厚さを１５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内とし、第２導電型クラッド層のドーパントをＭｇ（マグネシウム）とし、同層におけるＭｇ濃度を７Ｅ＋１６ｃｍ−３〜１Ｅ＋１８ｃｍ−３の範囲内とすることによって、ドーパントの活性層への拡散を抑制して、発光出力が低下したり通電時における温度が上昇したりすることを低減可能とするという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例である第１実施例及び第２実施例により図１〜図６を用いて説明する。
【０００８】
＜第１実施例＞
まず、本発明の半導体レーザ素子の第１実施例を、第１工程~第３工程として図１〜図５を用いて説明する。
図１〜図３は、本発明の半導体レーザ素子の第１実施例における第１工程〜第３工程をそれぞれ説明するための模式的断面図である。
図４は、アンドープクラッド層の層厚と半導体レーザ素子の導通抵抗との関係を示す図である。
図５は、第１のｐ型クラッド層のドーパント（Ｍｇ）濃度と半導体レーザ素子の導通抵抗との関係を示す図である。
【０００９】
第１実施例では、詳細は後述するが、特に、活性層４と第１のｐ型クラッド層６との間にアンドープクラッド層５を設ける点、及び、第１のｐ型クラッド層６のドーパントとしてＭｇ（マグネシウム）を用いる点を特徴としている。
【００１０】
（第１工程）［図１参照］
ｎ型基板１上に、ｎ型バッファ層２，ｎ型クラッド層３，活性層４，アンドープクラッド層５，第１のｐ型クラッド層６，ｐ型エッチング停止層７，第２のｐ型クラッド層８，ｐ型中間層９，及びｐ型コンタクト層１０を、ＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法により、順次積層する。
なお、ｎ型を第１導電型、ｐ型を第２導電型と称する場合がある。
【００１１】
ｐ型エッチング停止層７は、後述するｐ型リッジ１５を形成するためのエッチングを行う際に、このエッチングによって下層である第１のｐ型クラッド層６がエッチングされることを防止するために設けられている。
また、第２のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層１０とのバンドギャップの差が大きいために、バンド不連続によるポテンシャルバリアが形成される。このポテンシャルバリアは、半導体レーザ素子の導通抵抗を大きくするので、動作電圧が上昇するといった問題が発生する。そこで、第２のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層１０との間に、第２のｐ型クラッド層８とｐ型コンタクト層１０との中間のバンドギャップを有するｐ型中間層９を介在させることによって、このポテンシャルバリアの形成を抑制することができる。
【００１２】
上述の各層における、層厚，主の構成材料，ドーパント，及びドーパント濃度を表１に示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
表１に示すように、第１実施例では、アンドープクラッド層５の層厚を３０ｎｍとし、ｐ型第１クラッド層６のドーパント及びドーパント濃度をＭｇ（マグネシウム）及び７Ｅ＋１７ｃｍ−３としたが、その理由については後述することとする。
【００１５】
また、第１実施例では、上述の各層を成膜する際の原料ガスとして、構成元素Ｇａ（ガリウム）にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），構成元素Ａｌ（アルミニウム）にはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），構成元素Ｉｎ（インジウム）にはＴＭＩ（トリメチルインジウム），構成元素Ａｓ（砒素）にはＡｓＨ３（アルシン），構成元素Ｐ（リン）にはＰＨ３（ホスフィン）を用いた。
【００１６】
また、第１実施例では、ｎ型ドーパントＳｉ（シリコン）の原料ガスとしてＳｉＨ４（シラン），ｐ型ドーパントＺｎ（亜鉛）の原料ガスとしてＤＭＺ（ジメチル亜鉛），及びｐ型ドーパントＭｇの原料ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いた。
【００１７】
また、第１実施例では、各層を積層する際の基板加熱温度を５３０℃とした。
【００１８】
（第２工程）［図２参照］
フォトリソ法によって、ｐ型コンタクト層１０，ｐ型中間層９，及び第２のｐ型クラッド層８を選択的に順次エッチング除去し、幅ｗ１５が１〜２μｍであるｐ型リッジ１５をストライプ状に形成する。
【００１９】
（第３工程）［図３参照］
ｐ型リッジ１５及び第２工程により露出したｐ型エッチング停止層７の各表面上にｐ側電極１７を形成し、ｎ型基板１の積層方向とは反対側の面にｎ側電極１８を形成する。
ｐ型エッチング停止層７は、そのドーパント濃度がｐ型コンタクト層１０に対して低いので、ｐ側電極１７とｐ型エッチング停止層７とはショットキー接合となり、ｐ側電極１７とｐ型コンタクト層１０とはオーミック接合となる。
【００２０】
上述した第１工程〜第３工程により、第１実施例における半導体レーザ素子２０を得る。
【００２１】
この半導体レーザ素子２０は、ｐ型電極１７側からｎ型電極１８側に向かって順方向電流を注入した際、この電流はｐ側電極１７とオーミック接合しているｐ型コンタクト層１０を通って半導体レーザ素子２０内部に流れ、この電流が発振しきい値以上になったとき、ｐ型リッジ１５の下部に対応した活性層４部からレーザ光を出射させるものである。
【００２２】
ここで、第１実施例において、アンドープクラッド層５の層厚を３０ｎｍとし、ｐ型第１クラッド層６のドーパント及びドーパント濃度をＭｇ（マグネシウム）及び７Ｅ＋１７ｃｍ−３とした理由について説明する。
【００２３】
上述したように、結晶成長の際、または、作製した半導体レーザ素子に通電した際に生じる熱によって、活性層と隣接する第１のｐ型クラッド層中のＺｎが活性層中に移動する場合がある。
活性層中にＺｎが移動すると、このＺｎによって非発光再結合が起こり、発光出力が低下する問題が発生する。また、所定の発光出力を得るために半導体レーザ素子に通電する電流値を大きくすると、通電時における半導体レーザ素子の温度が上昇して半導体レーザ素子の寿命を悪化させる原因となる。
【００２４】
そこで、第１実施例では、活性層４とｐ型第１クラッド層６との間にアンドープクラッド層５を設けることにより、加熱によってｐ型第１クラッド層６中のＺｎはこのｐ型第１クラッド層６と隣接するアンドープクラッド層５に移動するが、このアンドープクラッド層５がバッファとして機能するので、活性層４へのＺｎの移動量を低減することができる。
【００２５】
また、アンドープクラッド層５の層厚が厚いほど、活性層４へのＺｎの移動量をより低減できるが、このアンドープクラッド層５の導通抵抗が大きくなるため、作成された半導体レーザ素子の導通抵抗も大きくなる。そのため、この半導体レーザ素子に通電した際の消費電力が大きくなってしまう。
そこで、発明者が鋭意実験した結果、半導体レーザ素子の導通抵抗を１２Ω以下にすることが望ましく、半導体レーザ素子の導通抵抗を１２Ω以下にするためには、図４に示すように、アンドープクラッド層５の層厚を４５ｎｍ以下にすればよいことを見出した。
【００２６】
一方、アンドープクラッド層５の層厚が薄いと、加熱によって第１のｐ型クラッド層６中のドーパントであるＺｎがこのアンドープクラッド層５を通過して活性層４に移動してしまう。
【００２７】
そこで、発明者は、アンドープクラッド層５の層厚が薄い場合、例えば４５ｎｍ以下の場合においても、第１のｐ型クラッド層６中のドーパントが活性層４に移動することを抑制するために、ｐ型第１クラッド層６のドーパント及びドーパント濃度に着目した。
そして、発明者が鋭意実験した結果、図５に示すように、第１のｐ型クラッド層６のドーパントをＺｎよりも拡散しにくいＭｇとし、ドーパント（Ｍｇ）濃度を７Ｅ＋１６ｃｍ−３以上とすることによって半導体レーザ素子の導通抵抗を１２Ω以下にでき、また、ドーパント（Ｍｇ）濃度を１Ｅ＋１８ｃｍ−３以下とすることによって活性層４へのドーパント（Ｍｇ）の移動を抑制できることを見出した。
従って、上述の結果から、第１のｐ型クラッド層６のドーパント（Ｍｇ）濃度を７Ｅ＋１６ｃｍ−３〜１Ｅ＋１８ｃｍ−３の範囲内とすることが必要である。
【００２８】
また、発明者が鋭意実験した結果、第１のｐ型クラッド層６のドーパント（Ｍｇ）濃度を７Ｅ＋１６ｃｍ−３〜１Ｅ＋１８ｃｍ−３の範囲内とした際に、このＭｇの活性層４への移動を抑制するためには、アンドープクラッド層５の層厚は１５ｎｍ以上が必要であることを見出した。
【００２９】
従って、上述の結果から、アンドープクラッド層５の層厚を１５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内とすることが必要である。
【００３０】
そこで、第１実施例では、上述の結果に基づいて、アンドープクラッド層５の層厚を３０ｎｍとし、ｐ型第１クラッド層６のドーパント及びドーパント濃度をＭｇ（マグネシウム）及び７Ｅ＋１７ｃｍ−３とした。
【００３１】
＜第２実施例＞
次に、本発明の半導体レーザ素子の第２実施例について説明する。
第２実施例は、上述した第１実施例に対して、特に、ｐ型コンタクト層１０のドーパントとしてＣ(炭素)を用いる点を特徴としており、ｐ型コンタクト層１０におけるドーパント及びドーパント濃度以外は、第１実施例と同じである。
【００３２】
上述した表１に示すように、各ｐ型層の中で最もドーパント濃度が高い層は、ｐ型コンタクト層１０である。
そのため、結晶成長の際の基板加熱温度によっては、ｐ型コンタクト層１０中のＺｎが活性層４中に移動する場合がある。
【００３３】
そこで、発明者は、ｐ型コンタクト層１０のドーパント及びドーパント濃度に着目した。
そして、発明者が鋭意実験した結果、図６に示すように、ｐ型コンタクト層１０のドーパントをＺｎよりも拡散しにくいＣ（炭素）とし、ドーパント（Ｃ）濃度を１Ｅ＋１８ｃｍ−３以上とすることによって半導体レーザ素子の導通抵抗を１２Ω以下にでき、また、ドーパント（Ｃ）濃度を３Ｅ＋１９ｃｍ−３以下とすることによって活性層４へのドーパント（Ｃ）の移動を抑制できることを見出した。
図６は、ｐ型コンタクト層のドーパント（Ｃ）濃度と半導体レーザ素子の導通抵抗との関係を示す図である。
従って、上述の結果から、ｐ型コンタクト層１０のドーパント（Ｃ）濃度を１Ｅ＋１８ｃｍ−３〜３Ｅ＋１９ｃｍ−３の範囲内とすることが必要である。
【００３４】
なお、ｐ型コンタクト層１０を成膜する際のｐ型ドーパントＣの原料ガスとしてＣＢｒ４（カーボンテトラブロマイド）を用いた。
【００３５】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【００３６】
例えば、第１実施例及び第２実施例における各層は、表１に示す各値に限定されるものではなく、上述した条件を満たしていれば、任意の値にすることができる。
【００３７】
また、第１実施例及び第２実施例では、基板加熱温度を５３０℃としたが、これに限定されるものではない。発明者が鋭意実験した結果、基板加熱温度、特にｐ型コンタクト層１０を成膜する際の基板加熱温度を４８０℃〜５８０℃の範囲内にすることにより、第１実施例及び第２実施例と同様の効果が得られることを見出した。
【００３８】
また、第１実施例及び第２実施例では、ｐ型第１クラッド層６のドーパントとしてＭｇを用いたがこれに限定されるものではなく、例えば、Ｚｎよりも拡散しにくいＣ(炭素)を用いることができる。
【００３９】
また、第１実施例及び第２実施例では、ｐ型コンタクト層１０のドーパントとしてＺｎ及びＣを用いたがこれに限定されるものではなく、例えば、Ｚｎよりも拡散しにくいＭｇを用いることができる。
ただし、ｐ型コンタクト層１０はｎ型基板１上に最後に積層される層であり、Ｍｇは成膜装置の内面や基板ホルダーに残留しやすい物質なので、成膜後に成膜装置の内面や基板ホルダーに残留したＭｇが、次の成膜の際に、活性層等の他の層にドーピングされる虞がある。
従って、第１実施例及び第２実施例のように、ｐ型コンタクト層１０のドーパントとしてＭｇ以外のＺｎやＣを用いることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の第１実施例における第１工程を説明するための模式的断面図である。
【図２】本発明の半導体レーザ素子の第１実施例における第２工程を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子の第１実施例における第３工程を説明するための模式的断面図である。
【図４】アンドープクラッド層の層厚と半導体レーザ素子の導通抵抗との関係を説明するための図である。
【図５】第１のｐ型クラッド層のドーパント（Ｍｇ）濃度と半導体レーザ素子の導通抵抗との関係を説明するための図である。
【図６】ｐ型コンタクト層のドーパント（Ｃ）濃度と半導体レーザ素子の導通抵抗との関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ｎ型基板、  ２  ｎ型バッファ層、  ３  ｎ型クラッド層、  ４  活性層、  ５  アンドープクラッド層、  ６  第１のｐ型クラッド層、  ７  ｐ型エッチング停止層、  ８  第２のｐ型クラッド層、  ９  ｐ型中間層、  １０  ｐ型コンタクト層、  １５  ｐ型リッジ、  １７  ｐ側電極、  １８  ｎ側電極、  ２０  半導体レーザ素子、  ｗ１５  幅
【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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