(57)【要約】【課題】ヘテロ界面近傍の領域におけるドーパントの偏析を抑制して素子抵抗の上昇を抑制し、高温での安定動作と高出力化を両立可能とする半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１にはｎ型半導体基板２上にｎ型クラッド層５、活性層６、第１のｐ型クラッド層７、及びリッジ１２が形成されている。リッジ１２は第２のｐ型クラッド層９、ｐ型バンド不連続緩和層１０、ｐ型キャップ層１１が積層されている。ｐ型キャップ層１１はｍ＋１層のｐ型ＧａＡｓ層とｍ層のｐ型ＧａＩｎＰ層とが交互に積層されている。ｐ型ＧａＡｓ層は１層目がｐ型バンド不連続緩和層１０に、ｍ＋１層目が第１電極１４に接している。第１，第２のｐ型クラッド層７，９及びｐ型バンド不連続緩和層１０にはそれぞれＭｇが、ｍ＋１層のｐ型ＧａＡｓ層及びｍ層のｐ型ＧａＩｎＰ層にはそれぞれＺｎがドープされている。各ｐ型ＧａＡｓ層の厚さはそれぞれ１０ｎｍ以下である。【選択図】図１
2012064634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体基板と、
前記ｎ型半導体基板の一方の面上に形成されたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第１のｐ型クラッド層と、
前記第１のｐ型クラッド層上に形成されたリッジと、
前記リッジの側面を覆う電流狭窄層と、
前記リッジの上面に接続する第１の電極と、
前記ｎ型半導体基板の他方の面に接続する第２の電極と、
を備え、
前記リッジは、
前記第１のｐ型クラッド層上に形成された第２のｐ型クラッド層と、
前記第２のｐ型クラッド層上に形成されたｐ型バンド不連続緩和層と、
前記ｐ型バンド不連続緩和層上に形成されたｐ型キャップ層と、
を備え、
前記ｐ型キャップ層は、｛ｍ＋１（ｍは自然数）｝層のｐ型ＧａＡｓ（ガリウム砒素）層とｍ層のｐ型ＧａＩｎＰ（ガリウム インジウム リン）層とが交互に積層され、１層目のｐ型ＧａＡｓ層が前記ｐ型バンド不連続緩和層に接し、（ｍ＋１）層目のｐ型ＧａＡｓ層が前記第１の電極に接する積層構造を有し、
前記第１のｐ型クラッド層、前記第２のｐ型クラッド層、及び前記ｐ型バンド不連続緩和層にはそれぞれＭｇ（マグネシウム）がドーピングされており、前記（ｍ＋１）層のｐ型ＧａＡｓ層及び前記ｍ層のｐ型ＧａＩｎＰ層にはそれぞれＺｎ（亜鉛）がドーピングされており、前記（ｍ＋１）層のｐ型ＧａＡｓ層の厚さがそれぞれ１０ｎｍ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ｎ型半導体基板はＧａＡｓを含み、
前記ｎ型クラッド層、前記第１のｐ型クラッド層、及び前記第２のｐ型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム ガリウム インジウム リン）を含み、
前記ｐ型バンド不連続緩和層はＧａＩｎＰを含む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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温での安定動作及び高出力化を目的とする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、光ピックアップ，レーザプリンタ，及び投射型ディスプレイ等の光源として広く用いられている。
このような半導体レーザ素子の１つとして、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子がある。
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、一般的に、発光層である活性層をｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とで挟んだダブルヘテロ構造を有している。
また、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）が用いられている。Ｚｎはドーパント濃度を広い範囲で設定できるという利点を有する反面、ＡｌＧａＩｎＰに対する拡散係数が大きいため、レーザ発振中に発生する熱によってｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層中のＺｎが活性層に拡散してしまい、光出力の低下等、発光特性を悪化させるという欠点を有する。
そのため、ｐ型ドーパントにＺｎを用いたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子では、高温での安定動作と高出力化が課題であった。
【０００３】
そこで、上記課題を解決するために、特許文献１には、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のｐ型ドーパントとして、Ｚｎよりも拡散係数の小さいＭｇ（マグネシウム）を用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３６２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ｐ側電極に接触するｐ型ＧａＡｓキャップ層には、ｐ側電極との良好なオーミックコンタクトをとるために、ｐ型ドーパントを高濃度にドーピングしておく必要がある。
しかしながら、ｐ型ＧａＡｓキャップ層にＭｇを高濃度にドーピングすることは困難である。そこで、特許文献１では、ｐ型ドーパントとして、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層にはＭｇを用い、ｐ型ＧａＡｓキャップ層にはＺｎを用いている。
【０００６】
しかしながら、上述の構成では、ＺｎがＭｇと相互拡散しやすいため、ｐ型ＧａＡｓキャップ層とその下地層であるｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層との界面でＭｇがＺｎを伴って偏析し、ｐ型ＧａＡｓキャップ層における上記界面近傍の領域のドーパント濃度（キャリア濃度）が低下する。
これはＭｇがヘテロ界面に偏析しやすい性質によるものであり、上記理由により、ｐ型ＧａＡｓキャップ層における上記ヘテロ界面近傍の領域のドーパント濃度（キャリア濃度）を制御することは難しい。
そのため、上記ヘテロ界面近傍の領域の抵抗成分が増加して、素子抵抗が増加するため、半導体レーザ素子の温度特性が悪化する。
【０００７】
そこで、本発明は、ヘテロ界面近傍の領域におけるドーパントの偏析を抑制して素子抵抗の上昇を抑制し、高温での安定動作と高出力化を両立可能とする半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は次の半導体レーザ素子を提供する。
１）ｎ型半導体基板（２）と、前記ｎ型半導体基板（２）の一方の面上に形成されたｎ型クラッド層（５）と、前記ｎ型クラッド層（５）上に形成された活性層（６）と、前記活性層（６）上に形成された第１のｐ型クラッド層（７）と、前記第１のｐ型クラッド層（７）上に形成されたリッジ（１２）と、前記リッジ（１２）の側面を覆う電流狭窄層（１３）と、前記リッジ（１２）の上面に接続する第１の電極（１４）と、前記ｎ型半導体基板（２）の他方の面に接続する第２の電極（１５）と、を備え、前記リッジ（１２）は、前記第１のｐ型クラッド層（７）上に形成された第２のｐ型クラッド層（９）と、前記第２のｐ型クラッド層（９）上に形成されたｐ型バンド不連続緩和層（１０）と、前記ｐ型バンド不連続緩和層（１０）上に形成されたｐ型キャップ層（１１）と、を備え、前記ｐ型キャップ層（１１）は、｛ｍ＋１（ｍは自然数）｝層のｐ型ＧａＡｓ（ガリウム砒素）層（２１，２３，２５，２７）とｍ層のｐ型ＧａＩｎＰ（ガリウム インジウム リン）層（２２，２４，２６）とが交互に積層され、１層目のｐ型ＧａＡｓ層（２１）が前記ｐ型バンド不連続緩和層（１０）に接し、（ｍ＋１）層目のｐ型ＧａＡｓ層（２７）が前記第１の電極（１４）に接する積層構造を有し、前記第１のｐ型クラッド層（７）、前記第２のｐ型クラッド層（９）、及び前記ｐ型バンド不連続緩和層（１０）にはそれぞれＭｇ（マグネシウム）がドーピングされており、前記（ｍ＋１）層のｐ型ＧａＡｓ層（２１，２３，２５，２７）及び前記ｍ層のｐ型ＧａＩｎＰ層（２２，２４，２６）にはそれぞれＺｎ（亜鉛）がドーピングされており、前記（ｍ＋１）層のｐ型ＧａＡｓ層（２１，２３，２５，２７）の厚さがそれぞれ１０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子（１）。
２）前記ｎ型半導体基板（２）はＧａＡｓを含み、前記ｎ型クラッド層（５）、前記第１のｐ型クラッド層（７）、及び前記第２のｐ型クラッド層（９）はＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウム ガリウム インジウム リン）を含み、前記ｐ型バンド不連続緩和層（１１）はＧａＩｎＰを含むことを特徴とする１）記載の半導体レーザ素子。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ヘテロ界面近傍の領域におけるドーパントの偏析を抑制して素子抵抗の上昇を抑制し、高温での安定動作と高出力化の両立が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の実施例を説明するための模式的断面図である。
【図２】実施例の半導体レーザ素子におけるｐ型キャップ層を説明するための模式的断面図であり、図１の“Ａ”で示す領域を拡大した拡大図である。
【図３】従来の半導体レーザ素子におけるｐ型ドーパントの深さ方向の濃度プロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、好ましい実施例により図１〜図３を用いて説明する。
【００１２】
＜実施例＞
まず、実施例の半導体レーザ素子の構成について図１を用いて説明する。
【００１３】
図１に示すように、半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板２と、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に形成されたｎ型ＧａＡｓバッファ層３と、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３上に形成されたｎ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ（ガリウム インジウム リン）バッファ層４と、ｎ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバッファ層４上に形成されたｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（アルミニウム ガリウム インジウム リン）クラッド層５と、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層５上に形成され、ノンドープＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｐ層とノンドープ（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とが交互に積層された歪多重量子井戸構造を有する活性層６と、活性層６上に形成されたｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層７と、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層７上に形成されたｐ型（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層８と、ｐ型（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層８上に形成されたｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９と、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９上に形成されたｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０と、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０上に形成されたｐ型キャップ層１１と、を有している。
ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０、及びｐ型キャップ層１１によって、図１の紙面手前奥方向に延在するリッジ１２が構成されている。
【００１４】
また、半導体レーザ素子１は、ｐ型（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層８上にリッジ１２の側壁を覆うように形成された電流狭窄層１３と、リッジ１２及び電流狭窄層１３上に形成され、例えばＴｉ（チタン）膜、Ｐｔ（白金）膜、及びＡｕ（金）膜が順次成膜されたｐ側電極１４と、ｎ型ＧａＡｓ基板２のｐ側電極１４が形成されている側とは反対側の面にＡｕＧｅＮｉ（金 ゲルマニウム ニッケル）合金膜及びＡｕ膜が順次成膜されたｎ側電極１５と、を有している。
【００１５】
ｎ型ＧａＡｓバッファ層３、ｎ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバッファ層４、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層５、活性層６、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層７、ｐ型（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層８、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０、及びｐ型キャップ層１１は、例えばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いて連続的に形成することができる。
【００１６】
ｎ型ＧａＡｓ基板２、ｎ型ＧａＡｓバッファ層３、ｎ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバッファ層４、及びｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層５のｎ型ドーパントとしてＳｉ（シリコン）を用いた。
ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層７、ｐ型（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層８、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９、及びｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０のｐ型ドーパントはＭｇ（マグネシウム）である。
【００１７】
リッジ１２は、ｐ型キャップ層１１、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０、及びｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層９の所定の領域を、フォトリソグラフィ法を用いてｐ型（Ａｌ０．３Ｇａ０．７）０．５Ｉｎ０．５Ｐエッチングストップ層８が露出するまでエッチングすることにより形成することができる。
【００１８】
電流狭窄層１３は、例えばＳｉＮ（窒化シリコン）膜をプラズマＣＶＤ法を用いて成膜することにより形成することができる。
【００１９】
ｐ側電極１４は、例えばＴｉ膜、Ｐｔ膜、及びＡｕ膜を真空蒸着法を用いて順次成膜することにより形成することができる。
ｎ側電極１５は、例えばＡｕＧｅＮｉ合金膜及びＡｕ膜を真空蒸着法を用いて順次成膜することにより形成することができる。
【００２０】
ここで、ｐ型キャップ層１１の構成について図２及び図３を用いて説明する。
【００２１】
図２に示すように、ｐ型キャップ層１１は、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０上にｐ型ＧａＡｓ層２１、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層２２、ｐ型ＧａＡｓ層２３、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層２４、ｐ型ＧａＡｓ層２５、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層２６、及びｐ型ＧａＡｓ層２７が順次形成された積層構造を有している。
ｐ型ＧａＡｓ層２１，２３，２５，２７、及びｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層２２，２４，２６のｐ型ドーパントはＺｎ（亜鉛）である。
ｐ型ＧａＡｓ層２７上にはｐ側電極１４が形成されている。
【００２２】
上述したｐ型キャップ層１１は、４層のｐ型ＧａＡｓ層２１，２３，２５，２７と３層のｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層２２，２４，２６とが交互に積層された積層構造を有し、積層数はこれに限定されるものではなく、｛ｍ＋１（ｍは自然数）｝層のｐ型ＧａＡｓ層とｍ（ｍは自然数）層のｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とが交互に積層された積層構造であればよい。
また、ｐ型キャップ層１１は、１層目のｐ型ＧａＡｓ層（２１）がｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層１０に接触しており、ｍ＋１層目のｐ型ＧａＡｓ層（２７）がｐ側電極１４に接触している。
【００２３】
ここで、従来の半導体レーザ素子におけるｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層，ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層，及びｐ型ＧａＡｓキャップ層のｐ型ドーパントの濃度プロファイルの一例を図３に示す。
図３において、“ＧａＡｓ”で示す領域は上記のｐ型ＧａＡｓキャップ層に対応する領域であり、“ＧａＩｎＰ”で示す領域は上記のｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層に対応する領域であり、“ＡｌＧａＩｎＰ”で示す領域は上記のｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層に対応する領域である。
また、図３において、横軸はｐ型ＧａＡｓキャップ層の表面からの深さを示し、縦軸はｐ型ドーパント（Ｍｇ，Ｚｎ）濃度を示す。
ｐ型ドーパントとして、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐクラッド層及びｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層にはＭｇを用い、ｐ型ＧａＡｓキャップ層にはＺｎを用いている。
【００２４】
図３に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層のｐ型ドーパントにはＭｇを用いていないにも関わらず、Ｍｇがドーピングされている。
これは、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層上にｐ型ＧａＡｓキャップ層を成膜している過程の熱によるドーパントの相互拡散の影響と、Ｍｇのメモリ効果によるものである。メモリ効果とは、反応管内の未反応Ｍｇ材料や堆積物からのＭｇの再蒸発に起因するものであり、ｐ型ドーパントにＭｇを用いた場合に顕著に見られる。
ｐ型ＧａＡｓキャップ層とｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐバンド不連続緩和層とのヘテロ界面では、ＭｇとＺｎの濃度が大きくなっている。これは、ＭｇとＺｎの相互拡散により、ＭｇがＺｎを伴って偏析しているためと考えられる。この偏析の影響で、ｐ型ＧａＡｓキャップ層中のヘテロ界面近傍では、ＭｇとＺｎの濃度が小さくなっており、抵抗成分が大きくなってしまう。
【００２５】
そこで、実施例の半導体レーザ素子１では、ｐ型キャップ層１１におけるｐ型ＧａＡｓ層２１，２３，２５，２７の厚さをそれぞれ１０ｎｍ以下とした。ｐ型ＧａＡｓ層２１，２３，２５，２７の厚さをそれぞれ１０ｎｍ以下とすることにより、各ｐ型ＧａＡｓ層２１，２３，２５，２７において薄いヘテロ界面を複数形成することができる。このため、ｐ型ＧａＡｓ層とｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とのヘテロ界面におけるドーパントの偏析が、複数形成されたヘテロ界面にそれぞれ分散される。これにより、ｐ型ＧａＡｓ層中のヘテロ界面近傍におけるドーパント濃度の減少を抑制することができる。
【００２６】
ｐ型キャップ層１１とｐ側電極１４との良好なオーミックコンタクトをとるためにはｐ型キャップ層１１のｐ型ドーパント濃度を高濃度にする必要がある。
しかしながら、厚さが１０ｎｍ以下で単層のｐ型ＧａＡｓ層だけではＺｎの絶対量が不足である。
そこで、ｐ型ＧａＡｓ層２１，２３，２５，２７とｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層２２，２４，２６とを交互に積層した積層構造とすることにより、ｐ型キャップ層１１としてのＺｎの絶対量を確保することができ、またＺｎが高濃度にドーピングされたｐ型ＧａＡｓ層２７がｐ側電極１４と接触するため、ｐ型キャップ層１１とｐ側電極１４との良好なオーミックコンタクトをとることができる。
【００２７】
上述した半導体レーザ素子１によれば、特にｐ型キャップ層を｛ｍ＋１（ｍは自然数）｝層のｐ型ＧａＡｓ層とｍ（ｍは自然数）層のｐ型ＧａＩｎＰ層とが交互に積層された積層構造とし、各ｐ型ＧａＡｓ層の厚さをそれぞれ１０ｎｍ以下とすることにより、ＺｎとＭｇとの偏析による高抵抗層の形成が抑制されるため、従来よりもヘテロ界面近傍の領域におけるドーパントの偏析を抑制して素子抵抗の上昇を抑制し、高温での安定動作と高出力化の両立が可能になる。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、各半導体元素の組成比は、実施例に限定されるものではなく設計仕様に応じて適宜設定されるものである。
【符号の説明】
【００３０】
１＿半導体レーザ素子、  ２＿ｎ型ＧａＡｓ基板、  ３＿ｎ型ＧａＡｓバッファ層、  ４＿ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層、  ５＿ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、  ６＿活性層、  ７＿ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、  ８＿ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層、  ９＿ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、  １０＿ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層、  １１＿ｐ型キャップ層、  １２＿リッジ、  １３＿電流狭窄層、  １４＿ｐ側電極、  １５＿ｎ側電極、  ２１，２３，２５，２７＿ｐ型ＧａＡｓ層、  ２２，２４，２６＿ＧａＩｎＰ層
【図１】
2012064634.tif 000003
【図２】
2012064634.tif 000004
【図３】
2012064634.tif 000005