(57)【要約】【課題】キャリアオーバーフローの発生が抑制されるとともに活性層へのｐ型不純物の拡散が抑制される半導体レーザ装置を提供すること。【解決手段】半導体レーザ装置は、活性領域層の上に設けられた第１ｐ型クラッド層と、第１ｐ型クラッド層の上に設けられ、ｐ型不純物濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上２．０×１０18ｃｍ-3以下である第２ｐ型クラッド層とを備える。ｐ型不純物の濃度は、活性領域層内であって量子井戸層側に位置する第２光ガイド層の面から第１ｐ型クラッド層側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において、５．０×１０17ｃｍ-3以下にまで急峻に低下する。好ましくは、活性領域層側に位置する第１ｐ型クラッド層の面におけるｐ型不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3以下である。また、好ましくは、第２ｐ型クラッド層側に位置する第１ｐ型クラッド層の面におけるｐ型不純物濃度が第２ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物濃度と同一である。【選択図】図６
2013131527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に設けられたｎ型クラッド層と、
前記ｎ型クラッド層の上に設けられ、量子井戸層を含む活性層と、前記活性層を挟む第１および第２の光ガイド層とを有する活性領域層と、
前記活性領域層の上に設けられた第１ｐ型クラッド層と、
前記第１ｐ型クラッド層の上に設けられ、ｐ型不純物濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上２．０×１０18ｃｍ-3以下である第２ｐ型クラッド層とを備え、
前記活性領域層内であって前記量子井戸層側に位置する前記第２光ガイド層の面から前記第１ｐ型クラッド層側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において、ｐ型不純物の濃度が５．０×１０17ｃｍ-3以下にまで急峻に低下する半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記活性領域層内であって前記量子井戸層側に位置する前記第２光ガイド層の面におけるｐ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以下である請求項１に記載の半導体レーザ装置。    
【請求項３】
前記第２ｐ型クラッド層側に位置する前記第１ｐ型クラッド層の面におけるｐ型不純物濃度は、前記第２ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物濃度と同一である請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記ｐ型不純物は、前記第２ｐ型クラッド層内において均一に存在している請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１ｐ型クラッド層と前記第２ｐ型クラッド層とでは組成が同じであり、前記第１ｐ型クラッド層と前記第２ｐ型クラッド層とは少なくとも（Ａ１xＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１ｐ型クラッド層は、前記活性領域層に接している請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第２ｐ型クラッド層は、エッチングストップ層を介して前記第１ｐ型クラッド層の上に設けられている請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記ｐ型不純物は、ＭｇまたはＺｎである請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピューターの処理能力の向上および通信のブロードバンド化が進展し、大量の情報量を記録媒体に高速かつ低消費電力で記録することが求められている。
【０００３】
情報通信機器の一部品である半導体レーザ装置として、高速であり、無効電力が少なく、効率が良く、且つ安価な半導体レーザ装置が求められている。高速で大容量の記録装置の一つであるＤＶＤ−Ｒ／Ｗ装置は当該ＤＶＤ−Ｒ／Ｗ装置よりも更に大容量であるＢＤに置き換わりつつあるが、ＤＶＤ−Ｒ／Ｗ装置には依然として一定量の需要がある。ＤＶＤ−Ｒ／Ｗ装置には発振波長６５０ｎｍ付近の赤色高出力半導体レーザ装置が使用され、低消費電力であり且つ高効率なＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系材料を用いた半導体レーザ装置の開発が進められている。
【０００４】
従来の半導体レーザ装置の構造について説明する。たとえば、半導体レーザ装置の高出力化のために、活性層としては井戸層に歪みを有する歪多重量子井戸が採用されている。しかし、高出力な半導体レーザ装置を動作させると、その半導体レーザ装置の温度が高くなるので、ＤＨ（ダブルへテロ）構造中に閉じ込められたキャリアが活性層の外にあふれる現象（キャリアオーバーフロー）が発生し、半導体レーザ装置の発光強度が減少するという問題がある。
【０００５】
一般的に、半導体レーザ装置において、活性層の伝導帯のエネルギーとｐ型クラッド層の伝導帯のエネルギーとの差δｐが小さければ、キャリアオーバーフローの発生を招く。このδｐは、下記式１により表される
δｐ＝（Ｅfv−φp-clad＋Ｅclad）−（Ｅfv−φp-act＋Ｅact＋φn）
＝Ｅclad−Ｅact＋φp-act−φp-clad−φn・・・式１
ここで、図１に示すように、式１におけるＥfvは活性層の価電子帯のフェルミレベルエネルギーであり、φp-cladはＥfvとｐ型クラッド層の価電子帯のエネルギーとの差であり、Ｅcladはｐ型クラッド層のバンドギャップエネルギーであり、φp-actはＥfvと活性層の価電子帯のエネルギーとの差であり、Ｅactは活性層のバンドギャップエネルギーであり、φnはＥfcと活性層の伝導帯のエネルギーとの差である。また、図１に示すＥfcは活性層の伝導帯のフェルミレベルエネルギーである。なお、図１は、半導体レーザ装置におけるｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層のエネルギーバンド図である。
【０００６】
式１より、高出力な半導体レーザ装置においてキャリアオーバーフローの発生を抑制するためには、ｐ型クラッド層と活性層とのバンドギャップエネルギーの差を増大させれば良いことが分かる。そのためには、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比を高くしても良いし、ｐ型クラッド層におけるｐ型ドーピング濃度を高くしても良い。
【０００７】
しかし、ｐ型クラッド層においてｐ型不純物の濃度を高くすると、ｐ型クラッド層自体の結晶性の低下を引き起こし、ｐ型クラッド層内においてキャリアとして活性化しないｐ型不純物の量が増える。よって、ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物濃度が実効的に高くならない可能性がある。
【０００８】
また、ｐ型クラッド層においてｐ型不純物の濃度を高くすると、活性層内へのｐ型不純物の拡散を促すことになる。特に、たとえばＭＯＣＶＤ法による高品質な結晶成長は高温（〜７６０℃程度）にて行われるため、ｐ型不純物が活性層内へ拡散するおそれがある。これにより、活性層における非発光再結合の発生が増加するので、閾値電流の増加を引き起こす。
【０００９】
閾値電流の増加は、室温での半導体レーザ装置の特性低下を招くだけでなく、高温かつ高出力動作での半導体レーザ装置の特性低下を招き、半導体レーザ装置の信頼性の低下につながる。このように、ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物の濃度を高くするという必要性はありながら、ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物の濃度を高くするとｐ型不純物が活性層へ拡散するおそれがあるのでｐ型クラッド層におけるｐ型不純物の濃度を高くすることは難しい。
【００１０】
活性層へのｐ型不純物の拡散防止を目的として、たとえば特許文献１〜３に記載の半導体レーザ装置が提案されている。特許文献１には、アンドープのオフセット層をｐ型クラッド層に隣接して設ける又はＺｎドープ層に圧縮ひずみを付与することにより、ｐ型クラッド層のＺｎが上部ガイド層およびＭＱＷ層へ拡散することを防止することが記載されている。
【００１１】
特許文献２には、複数のＧａＩｎＰ層および複数のＡｌＧａＩｎＰ層で構成された量子井戸からなる活性層とＡｌＧａＩｎＰからなるガイド層とＡｌＧａＡｓからなる拡散防止層とを備えた半導体レーザ装置が記載されている。
【００１２】
特許文献３には、ｐ型不純物の濃度プロファイルを所定のプロファイルとすることによりキャリアオーバーフローの発生を抑制する方法が記載されている。同特許文献では、ドーパント原料であるＣｐ2Ｍｇの流量を段階的に変化させることによりＭｇをｐ型クラッド層から２０ｎｍ程度ほど活性領域内へ拡散させるという技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−０４７９６２号公報
【特許文献２】特開２００３−１１０２００号公報
【特許文献３】特開２００６−１２８１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献３には、不純物の固溶度が大きく拡散定数の小さなＭｇをｐ型不純物として用いた場合が記載されているが、この特許文献に記されているＭｇ濃度プロファイルは次の通りである。Ｍｇ濃度は、ｐ型クラッド層の上に設けられたｐ−ＥＳＬ（ecthing  stop  layer）層とｐ型クラッド層との界面から１０ｎｍ程度ｐ型クラッド層内に入ったところでは１×１０18ｃｍ-3程度であり、その地点からｐ型クラッド層内では概ね単調に減少するが、活性層内であってｐ型クラッド層との界面から５０ｎｍ程度離れた地点において１．０×１０17ｃｍ-3程度までに減少する。しかし、特許文献３には、ｐ型クラッド層よりも上にバンド不連続緩和層およびキャップ層が設けられていることが記載されており、バンド不連続緩和層はバンド不連続をできるだけ小さくするためにｐ型不純物濃度をかなり高く設定する必要があり、キャップ層はｐ側電極との接触抵抗を下げるためにｐ型不純物濃度をかなり高く設定する必要がある。このため、ｐ型不純物がバンド不連続緩和層およびキャップ層の各層から活性層近傍まで拡散するおそれがある。
【００１５】
また、特許文献３には、Ｍｇがｐ型クラッド層から２０ｎｍ程度ほど活性層内へ拡散したＭｇ濃度プロファイルも示されている。しかし、ｐ型ドーパントが活性領域まで拡散すると、活性領域自体の非発光再結合が増加するため、閾値電流の増加をもたらす。
【００１６】
一方、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を高くすると、活性層内への不純物の拡散を促すだけでなく、次に示す不具合をも招く。すなわち、レーザ光は、活性層だけではなくｐ型クラッド層内まで拡がる。そのため、ｐ型クラッド層中のキャリア濃度が２．０×１０18ｃｍ-3を超えると、フリーキャリアによる光吸収を受け、よって、発光効率の低下を招く。これらのことから、従来の半導体レーザ装置におけるｐ型クラッド層中のキャリア濃度としては、ｐ型不純物としてＺｎを用いた場合には６×１０17ｃｍ-3〜１．０×１０18ｃｍ-3程度（たとえば７×１０17ｃｍ-3）とすることが通例であり、ｐ型不純物としてＭｇを用いた場合には０．９×１０18ｃｍ-3〜１．５×１０18ｃｍ-3程度（たとえば１×１０18ｃｍ-3）とすることが通例である。しかし、ｐ型クラッド層中のキャリア濃度を上記のように設定すると、ｐ型クラッド層内であって活性層から５０ｎｍ以上離れた領域ではｐ型キャリア濃度が低下することとなり、高温および高出力時における半導体レーザ装置の特性の低下を引き起こし、よって、半導体レーザ装置の信頼性の低下を引き起こすという不具合を招くことがある。
【００１７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャリアオーバーフローの発生が抑制されるとともに活性層へのｐ型不純物の拡散が抑制された半導体レーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体基板と、半導体基板の上に設けられたｎ型クラッド層と、ｎ型クラッド層の上に設けられ、量子井戸層を含む活性層と、活性層を挟む第１および第２の光ガイド層とを有する活性領域層と、活性領域層の上に設けられた第１ｐ型クラッド層と、第１ｐ型クラッド層の上に設けられ、ｐ型不純物濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上２．０×１０18ｃｍ-3以下である第２ｐ型クラッド層とを備える。活性領域層内であって量子井戸層側に位置する第２光ガイド層の面（以下では「第２光ガイド層の下面」と記す）から前記第１ｐ型クラッド層側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において、ｐ型不純物の濃度が５．０×１０17ｃｍ-3以下にまで急峻に低下する。
【００１９】
第２光ガイド層の下面におけるｐ型不純物濃度は、１×１０17ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２０】
第２ｐ型クラッド層側に位置する第１ｐ型クラッド層の面におけるｐ型不純物濃度は、第２ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物濃度と同一であることが好ましい。
【００２１】
ｐ型不純物は、第２ｐ型クラッド層内において均一に存在していることが好ましい。
第１ｐ型クラッド層と第２ｐ型クラッド層とでは組成が同じであることが好ましい。第１ｐ型クラッド層と第２ｐ型クラッド層とは少なくとも（Ａ１xＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含むことが好ましい。
【００２２】
第１ｐ型クラッド層は、活性領域層に接していることが好ましい。
第２ｐ型クラッド層は、エッチングストップ層を介して第１ｐ型クラッド層の上に設けられていることが好ましい。
【００２３】
ｐ型不純物は、ＭｇまたはＺｎであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、キャリアオーバーフローの発生が抑制されるとともに活性層へのｐ型不純物の拡散が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一般的な半導体レーザ装置におけるｎ型クラッド層、活性層、およびｐ型クラッド層のエネルギーバンド図である。
【図２】本発明に係る半導体レーザ装置の構成の一例を示す断面図である。
【図３】実施例および比較例における電流−光出力直線を示すグラフである。
【図４】図３に示す電流−光出力直線を微分して得られた電流−効率直線を示すグラフである。
【図５】第２光ガイド層の下面からｐドープフロントまでの距離とｐ−ｋiｎｋ（ｐuｌｓe−ｋiｎｋ）および閾値電流（Ｉｔｈ）との関係を示すグラフである。
【図６】本実施例および比較例の半導体レーザ装置におけるＭｇ不純物の濃度プロファイルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の半導体レーザ装置について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。
【００２７】
＜半導体レーザ装置の構成＞
図２は、本発明に係る半導体レーザ装置の構成の一例を示す断面図である。図２に示す半導体レーザ装置は、基板１の上に、バッファ層３とｎ型クラッド層５と活性領域層７と第１ｐ型クラッド層１５とエッチングストップ層１７と第２ｐ型クラッド層１９と中間層２１とｐ型コンタクト層２３とが順に積層されて構成されている。ｐ型コンタクト層２３の上面上にはｐ側電極２５が設けられており、基板１の下面上にはｎ側電極２７が設けられている。
【００２８】
第２ｐ型クラッド層１９と中間層２１とｐ型コンタクト層２３とは、光導波方向に対して垂直な方向における中央部において光導波方向に所定の幅で延在するリッヂ導波路を形成する。つまり図２に示す半導体レーザ装置はリッジ導波路型のレーザ装置である。このような半導体レーザ装置は、６５０ｎｍ帯の赤色レーザダイオードなどとして使用可能であり、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置などに使用可能である。以下、図２に示す半導体レーザ装置の構成要素を順に示す。
【００２９】
＜基板＞
基板１は、半導体基板であり、ｎ−ＧａＡｓまたはｎ−ＧａＩｎＰなどからなることが好ましく、ＧａＡｓ半導体基板であることがより好ましい。これにより、基板１上に積層される活性層１１などは、基板１に格子整合可能となる。基板１の厚みは特に限定されないが、５０μｍ以上１２０μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
＜バッファ層＞
バッファ層３は、基板１とｎ型クラッド層５との格子定数、および基板１とｎ型クラッド層５とのバンドギャップの差などを緩衝させるために設けられ、たとえばｎ−ＧａＩｎＰまたはｎ−ＡｌＧａＡｓなどからなることが好ましい。バッファ層３がｎ型不純物を含むときには、ｎ型不純物は特に限定されないがＳｉ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどであることが好ましく、バッファ層３におけるｎ型不純物濃度はたとえば５×１０17ｃｍ-3以上２×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。なお、ｎ型不純物の具体例については下記＜ｎ型クラッド層＞などにおいても同様である。バッファ層３の厚みは特に限定されないが、０．１μｍ以上０．３μｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
＜ｎ型クラッド層＞
ｎ型クラッド層５は第１ｐ型クラッド層１５とともに活性領域層７を挟んでおり、活性領域層７よりも屈折率が低く且つバンドギャップエネルギーが高い層である。たとえば、ｎ型クラッド層５はｎ−ＡｌＧａＩｎＰまたはｎ−ＡｌＧａＡｓなどからなることが好ましい。ｎ型クラッド層５におけるｎ型不純物濃度は特に限定されないが、たとえば５×１０17ｃｍ-3以上１×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。ｎ型クラッド層５の厚みは特に限定されないが、２μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。
【００３２】
＜活性領域層＞
活性領域層７は、第１光ガイド層９と活性層１１と第２光ガイド層１３とが順に積層されて構成されている。第１光ガイド層９は、活性層１１で発光された光が活性層１１から漏れることを防止し、ｎ型クラッド層５よりも高屈折率である。たとえば、第１光ガイド層９はｉ−ＡｌＧａＩｎＰまたはｉ−ＡｌＧａＡｓなどからなることが好ましい。第１光ガイド層９の厚みは特に限定されないが、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
同様に、第２光ガイド層１３は、活性層１１で発光された光が活性層１１から漏れることを防止し、第１ｐ型クラッド層１５よりも高屈折率である。たとえば、第２光ガイド層１３はｉ−ＡｌＧａＩｎＰまたはｉ−ＡｌＧａＡｓなどからなることが好ましく、第１光ガイド層９と同一の材料からなっても良いし、第１光ガイド層９とは異なる材料からなっても良い。第２光ガイド層１３の厚みは特に限定されないが、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
活性層１１は、量子井戸層１１Ａとバリア層１１Ｂとが交互に積層されて構成されている。量子井戸層１１Ａは、電子と正孔とを誘導放出させる層であり、バリア層１１Ｂよりもバンドギャップエネルギーが小さい層である。量子井戸層１１Ａは、基板１に格子接合されていることが好ましく、より好ましくは当該量子井戸層１１Ａからのフォトルミネッセンスの波長が室温下での測定において６３０ｎｍ〜６６０ｎｍとなるように構成されていることである。たとえば、量子井戸層１１Ａはｉ−ＧａＩｎＰからなることが好ましい。バリア層１１Ｂは、電子と正孔とを量子井戸層１１Ａに閉じ込める層であり、たとえばｉ−ＡｌＧａＩｎＰまたはｉ−ＡｌＧａＡｓなどからなることが好ましい。なお、量子井戸層１１Ａおよびバリア層１１Ｂは導電型不純物を含んでいても良いが、導電型不純物を含んでいない方が好ましい。
【００３５】
量子井戸層１１Ａおよびバリア層１１Ｂの各厚みは特に限定されない。たとえば、量子井戸層１１Ａの厚みは５ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましく、バリア層１１Ｂの厚みは３ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
なお、本発明では、量子井戸層１１Ａおよびバリア層１１Ｂの各層数は特に限定されない。また、活性層１１は、多重量子井戸構造に限定されず、単一量子井戸構造であっても良い。
【００３７】
＜第１ｐ型クラッド層＞
第１ｐ型クラッド層１５は、ｎ型クラッド層５と同じく活性領域層７よりも屈折率が低く且つバンドギャップエネルギーが高い層である。第１ｐ型クラッド層１５には、ＭｇまたはＺｎなどのｐ型不純物が含まれている。ｐ型不純物の具体例については下記＜第２ｐ型クラッド層＞などにおいても同様である。
【００３８】
第１ｐ型クラッド層１５は、（Ａ１xＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含むことが好ましく、たとえばＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓなどからなることがより好ましい。第１ｐ型クラッド層１５の膜厚は特に限定されないが、０．１μｍ以上０．４μｍ以下であることが好ましい。
【００３９】
＜エッチングストップ層＞
エッチングストップ層１７は、第２ｐ型クラッド層１９と中間層２１とｐ型コンタクト層２３とをエッチングすることによりリッヂ導波路を形成する際に第１ｐ型クラッド層１５および活性領域層７などがエッチングされることを防止するための層であり、たとえばＧａＩｎＰまたはＧａＡｓなどからなることが好ましい。エッチングストップ層１７がｐ型不純物を含む場合には、エッチングストップ層１７におけるｐ型不純物濃度はたとえば１×１０18ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。エッチングストップ層１７の厚みは特に限定されないが、たとえば１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４０】
＜第２のｐ型クラッド層＞
第２ｐ型クラッド層１９は、第１ｐ型クラッド層１５と同じく活性領域層７よりも屈折率が低く且つバンドギャップエネルギーが高い層である。第２ｐ型クラッド層１９は、第１ｐ型クラッド層１５と同一の材料からなっても良いし、第１ｐ型クラッド層１５とは異なる材料からなっても良く、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰまたはｐ−ＡｌＧａＡｓなどからなることが好ましい。
【００４１】
第２ｐ型クラッド層１９におけるｐ型不純物濃度は特に限定されないが、１×１０18ｃｍ-3以上２×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。第２ｐ型クラッド層１９の厚みは特に限定されないが、たとえば１μｍ以上３μｍ以下であることが好ましい。第２ｐ型クラッド層１９におけるｐ型不純物の分布は特に限定されないが、ｐ型不純物が第２ｐ型クラッド層１９内において均一に分布していることが好ましい。
【００４２】
＜中間層＞
中間層２１は、第２ｐ型クラッド層１９とｐ型コンタクト層２３とのバンドギャップエネルギーの差を緩和させるために設けられ、たとえばｐ−ＧａＩｎＰまたはｐ−ＡｌＧａｓなどからなることが好ましい。中間層２１がｐ型不純物を含む場合には、中間層２１におけるｐ型不純物濃度はたとえば１×１０17ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。中間層２１の厚みは特に限定されず、たとえば０．１μｍ以下であることが好ましい。
【００４３】
＜ｐ型コンタクト層＞
ｐ型コンタクト層２３は、ｐ側電極２５がオーミック接合される層であり、たとえばｐ−ＧａＡｓ、Ｐ−ＧａＩｎＰからなることが好ましい。ｐ型コンタクト層２３におけるｐ型不純物濃度は特に限定されないが、２×１０18ｃｍ-3以上３×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。ｐ型コンタクト層２３の厚みは特に限定されず、たとえば０．３μｍ以上０．７μｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
＜ｎ側電極、ｐ側電極＞
ｎ側電極２７およびｐ側電極２５は、半導体レーザ装置に駆動電力を供給するための電極である。ｎ側電極２７は、たとえば、ＡｕとＧｅとＮｉとの混合層、チタン層および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましく、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。ｐ側電極２５は、たとえばチタン層、および金層がこの順序で積層されて構成されていることが好ましく、２００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の厚みを有することが好ましい。
【００４５】
＜ｐ型不純物の分布＞
ｐ型不純物濃度は、活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において５．０×１０17ｃｍ-3以下にまで急峻に低下し、好ましくは当該領域内において５×１０16ｃｍ3以下にまで急峻に低下する。ここで、「ｐ型不純物濃度が５×１０17ｃｍ3以下にまで急峻に低下する」は、ｐ型不純物濃度が層厚１ｎｍあたり５×１０16ｃｍ3以上低下することを意味する。
【００４６】
このように、図２に示す半導体レーザ装置では、ｐ型不純物濃度が活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において５．０×１０17ｃｍ-3以下にまで急峻に低下するので、活性層１１と第２光ガイド層１３とが直接接する構成であっても活性層１１へのｐ型不純物の拡散を防止できる。よって、活性領域層７（特に量子井戸層１１Ａ）における非発光再結合の発生を防止できるので、閾値電流の増加を防止できる。したがって、半導体レーザ装置の性能低下を防止できる。それだけでなく、閾値電流の増加を防止できるので、高温かつ高出力動作での半導体レーザ装置の性能低下を防止でき、その結果、半導体レーザ装置の信頼性を確保することができる。この効果を有効に得るためには、第２光ガイド層１３の下面におけるｐ型不純物濃度が１×１０17ｃｍ3以下であることが好ましく、より好ましくは５×１０16ｃｍ3以下である。
【００４７】
また、ｐ型不純物濃度が活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において５．０×１０17ｃｍ-3以下にまで急峻に低下するので、レーザ光が第１ｐ型クラッド層１５内まで拡がっても第１ｐ型クラッド層１５内におけるフリーキャリアによる光吸収が抑制される。よって、発光効率の低下が防止される。
【００４８】
なお、ｐ型不純物濃度が活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において低下した結果、その濃度が５×１０17ｃｍ3よりも高いときには、ｐ型不純物が第２光ガイド層１３から活性層１１へ拡散するおそれがある。一方、ｐ型不純物濃度が活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって所定の距離（＞４０ｎｍ）離れた領域内において低下した結果、その濃度が１．０×１０16ｍ3未満であれば、第１ｐ型クラッド層１５がｐ型層として機能し得ないことがある。
【００４９】
ｐ型不純物濃度は、活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって所定の距離（＞４０ｎｍ）離れた領域では、５×１０17ｃｍ3よりも高いことが好ましく、さらに好ましくは第２ｐ型クラッド層１９におけるｐ型不純物濃度以下である。これにより、活性領域層７から第１ｐ型クラッド層１５への電子のオーバーフローの発生が抑制される。この効果を有効に得るためには、第１ｐ型クラッド層１５の上面（図２に示す場合には第１ｐ型クラッド層１５とエッチングストップ層１７との界面）におけるｐ型不純物濃度が第２ｐ型クラッド層１９におけるｐ型不純物濃度と同一であることが好ましい。
【００５０】
なお、活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって所定の距離（＞４０ｎｍ）離れた領域におけるｐ型不純物の分布は特に限定されない。ｐ型不純物はこの領域において均一に分布していても良いし、ｐ型不純物濃度が第１ｐ型クラッド層１５側から活性領域層７側へ向かって低くなるように分布していても良い。
【００５１】
このようなｐ型不純物濃度分布を得るためには、たとえば下記＜半導体レーザ装置の製造方法＞に示すように活性領域層７上にノンドープ層１５Ａとドープ層１５Ｂとを順に積層することが好ましい。積層後にエピタキシャル成長または半導体レーザ装置の形成プロセスにおける熱履歴を経れば、上記ｐ型不純物濃度分布を実現することができる。
【００５２】
なお、図２には、説明の都合上、ノンドープ層１５Ａとドープ層１５Ｂとの境界を図示しているに過ぎない。本発明に係る半導体レーザ装置では、ノンドープ層１５Ａとドープ層１５Ｂとの境界が存在しない方が好ましい。
【００５３】
以上説明したように、図２に示す半導体レーザ装置では、ｐ型不純物濃度は、活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において、５×１０17ｃｍ3以下にまで急峻に低下する。よって、活性領域層７から第１ｐ型クラッド層１５への電子のオーバーフローの発生の抑制と閾値電流の増加の防止および発光効率の低下の防止という相反する効果を同時に得ることができる。
【００５４】
なお、本発明に係る半導体レーザ装置は図２に示す半導体レーザ装置に限定されない。たとえばエッチングストップ層１７は設けられていなくても良い。また、中間層２１も設けられていなくても良い。
【００５５】
＜半導体レーザ装置の製造方法＞
まず、たとえばＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法などにより、基板１上にバッファ層３とｎ型クラッド層５と活性領域層７と第１ｐ型クラッド層１５とエッチングストップ層１７と第２ｐ型クラッド層１９と中間層２１とｐ型コンタクト層２３とを順に積層する。次に、第２ｐ型クラッド層１９と中間層２１とｐ型コンタクト層２３との一部分をエッチングにより除去して、光導波方向に延在するリッヂ導波路を形成する。その後、ｐ型コンタクト層２３の上面上にｐ側電極２５を設け、基板１の下面上にｎ側電極２７を設ける。このようにして、図２に示す半導体レーザ装置が得られる。
【００５６】
第１ｐ型クラッド層１５を作製するさい、まずｐ型不純物の濃度プロファイルを設定することが好ましい。この濃度プロファイルは、ｐ型不純物濃度が第１ｐ型クラッド層１５内であって第１ｐ型クラッド層１５の下面から２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において５×１０17ｃｍ3以下にまで急峻に低下するように計算された濃度プロファイルであることが好ましく、より好ましくは高温および高出力動作時における半導体レーザ装置の特性が最も良好となるように計算された濃度プロファイルである。そして、第１ｐ型クラッド層１５および第２ｐ型クラッド層１９を成長させる際の原料ガス（ｐ型不純物の原料となるガスも含む）の流量を調整して、第１ｐ型クラッド層１５および第２ｐ型クラッド層１９におけるｐ型不純物の濃度分布が設定した濃度プロファイルとなるようにシミュレーションを行う。チャンバ内において原料ガスなどが拡散することを考慮して、シミュレーションを行うことが好ましい。
【００５７】
具体的には、活性領域層７上にノンドープ層１５Ａおよびドープ層１５Ｂを順に形成してから、エピタキシャル成長または半導体レーザ装置の形成プロセスにおける熱履歴を経れば、第１ｐ型クラッド層１５を得ることができる。以下、ノンドープ層１５Ａおよびドープ層１５Ｂについて示す。
【００５８】
ノンドープ層１５Ａは（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含むことが好ましく、たとえばＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＡｓなどからなることがより好ましい。また、ドープ層１５Ｂはｐ−（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰを含むことが好ましく、たとえばｐ−ＡｌＧａＩｎＰまたはｐ−ＡｌＧａＡｓなどからなることがより好ましい。ドープ層１５Ｂは、ノンドープ層１５Ａを構成する半導体材料とは異なる半導体材料からなる層にｐ型不純物がドープされて構成されていても良いが、ノンドープ層１５Ａにｐ型不純物がドープされて構成されていることが好ましい。これにより、ノンドープ層１５Ａを構成する窒化物半導体材料の原料ガスの組成を変更することなくｐ型不純物の原料となるガス（たとえばＣｐ2Ｍｇ）を添加することにより、ドープ層１５Ｂを作製することができる。
【００５９】
ドープ層１５Ｂにおけるｐ型不純物濃度は特に限定されないが、１．０×１０17ｃｍ-3以上２．０×１０18ｃｍ-3以下であることが好ましい。なお、ノンドープ層１５Ａとは、ｐ型不純物が全くドープされていない層だけでなく、ｐ型不純物がｐ型層として機能しない程度に低濃度含まれている場合（たとえばｐ型不純物濃度が１．０×１０12ｃｍ-3以下）も含まれる。
【００６０】
ノンドープ層１５Ａおよびドープ層１５Ｂの各厚みは特に限定されないが、第１ｐ型クラッド層１５の厚みが０．１μｍ以上０．４μｍ以下となるようにノンドープ層１５Ａおよびドープ層１５Ｂの各厚みを設定することが好ましい。たとえば、ノンドープ層１５Ａの厚みは５０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることが好ましく、ドープ層１５Ｂの厚みは２００ｎｍ以上２３０ｍ以下であることが好ましい。
【００６１】
このように活性領域層７上にノンドープ層１５Ａおよびドープ層１５Ｂを順に形成すれば、エピタキシャル成長または半導体レーザ装置の形成プロセスにおける熱履歴を経ることによりｐ型不純物濃度は活性領域層７内であって第２光ガイド層１３の下面から第１ｐ型クラッド層１５側へ向かって２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において５×１０17ｃｍ3以下にまで急峻に低下することとなる。
【００６２】
なお、第１ｐ型クラッド層１５の作製方法は上記方法に限定されず、たとえば第１ｐ型クラッドのノンドープ層を成長した後に、ノンドープ層よりも上の層を形成するという手法であっても良い。
【００６３】
以下、図２に示す半導体レーザ装置を作製する際の条件を列挙する。成長温度は特に限定されないが、たとえば７００℃以上９００℃以下であることが好ましい。成長圧力は特に限定されないが、たとえば５ｋＰａ以上１０ｋＰａ以下であることが好ましい。半導体材料の原料ガスとしては、たとえばトリメチルインジウム（Trimethylindium：ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（Trimethylgallium：ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（Trimethylaluminum：ＴＭＡ）、フォスフィン（Phosphine：ＰＨ3）、またはアルシン（Arsine：ＡｓＨ3）などを用いることができる。ｎ型不純物の原料ガスとしては、たとえばシラン（Silane：ＳｉＨ4）などを用いることができる。ｐ型不純物の原料ガスとしては、シクロペンタジエニルマグネシウム（CyclopentadienyltMg：Ｃｐ2Ｍｇ）などを用いることができる。マスフローコントローラー（Mass  Flow  Controller：MFC）を用いてこれらの原料ガスの流量を制御すれば、所望の組成からなる各層を得ることができる。
【実施例】
【００６４】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６５】
＜実施例＞
本実施例では、以下に示す方法にしたがって半導体レーザ装置を作製し、得られた半導体レーザ装置に対して以下に示す評価を行なった。
【００６６】
まず、第２光ガイド層の下面から２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下（具体的には第２光ガイド層の下面から１８ｎｍ離れた地点）においてｐ型不純物濃度が５×１０17ｃｍ3以下（具体的には１×１０17ｍ3）にまで急峻に低下するように、第１ｐ型クラッド層におけるｐ型不純物の濃度プロファイルを決定した。具体的には、第１ｐ型クラッド層のドープ層における不純物濃度を１×１０18ｃｍ3以上２×１０18ｃｍ3以下の値（具体的には１．３×１０18ｃｍ3）に設定し、第１ｐ型クラッド層のノンドープ層の厚みを５０ｎｍに設定し、第１ｐ型クラッド層のドープ層の厚みを２３０ｎｍに設定した。
【００６７】
次に、ＭＯＣＶＤ法にしたがって、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＩｎＰ層（バッファ層）、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層（ｎ型クラッド層）、ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（第１光ガイド層）、ｉ−ＧａＩｎＰ層（量子井戸層）とｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（バリア層）とを含むＭＱＷ活性層（活性層）、ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（第２光ガイド層）、ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（ノンドープ層）とｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層（ドープ層）とからなる第１ｐ型クラッド層、ｉ−ＧａＩｎＰ層（エッチングストップ層）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層（第２ｐ型クラッド層）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（中間層）、およびｐ−ＧａＡｓ層（ｐ型コンタクト層）を順に積層させた。
【００６８】
第１ｐ型クラッド層を形成するとき、膜厚が５０ｎｍに至るまではｐ型不純物の原料ガスを添加せずに成膜を行った。これにより、ｉ−ＡｌＧａＩｎＰ層（ノンドープ層）が形成された。その後、半導体材料の原料ガスの流量を一定に保ったままｐ型不純物の原料ガス（具体的にはＣｐ2Ｍｇ）を添加して、膜厚が２３０ｎｍのｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層（ドープ層）を作製した。ｐ型不純物の原料ガスの流量を一定としてドープ層を作製した。
【００６９】
ここで、成長温度を７６０℃とし成長圧力を６．６６ＫＰａとして、ＭＯＣＶＤ法による成膜を行なった。また、成膜する層の組成に応じて、ＴＭＩ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＰＨ3およびＡｓＨ3の流量を適宜設定した。ｎ型不純物の原料ガスとしてはＳｉＨ4を用い、ｐ型不純物の原料ガスとしてはＣｐ2Ｍｇを用いた。
【００７０】
ｐ型ＧａＡｓ層（ｐ型コンタクト層）を形成してから、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層（第２ｐ型クラッド層）、ｐ−ＧａＩｎＰ層（中間層）、およびｐ−ＧａＡｓ層（ｐ型コンタクト層）の一部分をエッチングしてリッジ導波路を作製した。そののち、ｐ型ＧａＡｓ層（ｐ型コンタクト層）上にｐ側電極を作製し、ｎ−ＧａＡｓ基板の下面上にｎ側電極を作製した。このようにして本実施例の半導体レーザ装置が得られた。
【００７１】
＜比較例＞
ｐ型不純物濃度をＭＱＷ活性層（活性層）内において１×１０17ｃｍ-3に低下させたことを除いては上記実施例に記載の方法にしたがって、比較例の半導体レーザ装置を作製した。
【００７２】
＜評価＞
得られた半導体レーザ装置に対して電流と光出力との関係を調べた。図３には電流ＩＦと光出力Ｐｏとの関係を示す電流−光出力直線の測定結果を示し、図４には図３に示す電流−光出力直線を微分して得られた電流−効率直線を示す。
【００７３】
図３および図４に示すように、本実施例では、比較例に比べて、光出力値が増加し、効率が向上した。
【００７４】
一般に、キャリアオーバーフローの発生の有無を調べる指針の一つとして、図４に示す電流−効率直線の線形性からのズレであるｐuｌｓe−ｋiｎｋ（以下「ｐ−ｋiｎｋ」と記す）を調べるという方法が知られている。キャリアオーバーフローの発生の少ない半導体レーザ装置としては光出力が３５０ｍＷ以上であるときにおいてｐ−ｋiｎｋが２５％以下であることが望まれる。そこで、第２光ガイド層の下面からｐドープフロントまでの距離を変更して、第２光ガイド層の下面からｐドープフロントまでの距離とｐ−ｋiｎｋおよび閾値電流Ｉｔｈとの関係を調べた。その結果を図５に示す。ここで、ｐドープフロントとは、ｐ型不純物濃度が５×１０17ｃｍ-3である領域のうち最も活性領域層側に位置する部分である。
【００７５】
図５に示すように、ｐドープフロントが活性領域層側へ近づくにつれて（図５の横軸の値が「０」に近づくにつれて）ｐ−ｋiｎｋの値が減少したが、ｐドープフロントが活性領域層側へ近づきすぎると量子活性層での非発光再結合が発生して閾値電流Ｉｔｈが増大した。この結果から、ｐ型不純物濃度が第１ｐ型クラッド層内であって第１ｐ型クラッド層の下面から２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下離れた領域内において５×１０17ｃｍ3以下にまで急峻に低下するようにｐ型不純物の濃度プロファイルを設定すれば、キャリアオーバーフローの発生を防止できるとともに量子活性層での非発光再結合の発生を防止できることが分かった。
【００７６】
さらに、本実施例では、ノンドープ層とドープ層とを積層してエピタキシャル成長または半導体レーザ装置の形成プロセスにおける熱履歴を経ることにより第１ｐ型クラッド層を形成した。よって、比較的簡便な方法でキャリアオーバーフローの発生および量子活性層での非発光再結合の発生を防止可能な半導体レーザ装置を提供できることが分かった。
【００７７】
ＳＩＭＳ（Secondary  Ion-microprobe  Mass  Spectrometry）により、本実施例および比較例の半導体レーザ装置におけるＭｇ不純物の濃度プロファイルを調べた。その結果を図６に示す。ここで、図６に示す「p-AlGaInP  clad1」は第１ｐ型クラッド層を意味し、「p-AlGaInP  clad2」は第２ｐ型クラッド層を意味する。図６の右側の縦軸に記載の「１６４ＣｓＰ」は半導体内に含まれるＰの信号強度を意味する。
【００７８】
図６に示すように、本実施例では、第１ｐ型クラッド層および第２ｐ型クラッドにおけるＭｇ濃度プロファイルが設計どおりであることが分かった。
【００７９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８０】
１  基板、３  バッファ層、５  ｎ型クラッド層、７  活性領域層、９  第１光ガイド層、１１  活性層、１１Ａ  量子井戸層、１１Ｂ  バリア層、１３  第２光ガイド層、１５  第１ｐ型クラッド層、１５Ａ  ノンドープ層、１５Ｂ  ドープ層、１７  エッチングストップ層、１９  第２ｐ型クラッド層、２１  中間層、２３  ｐ型コンタクト層、２５  ｐ側電極、２７  ｎ側電極。
【図１】
2013131527.tif 000003
【図２】
2013131527.tif 000004
【図３】
2013131527.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013131527.tif 000007
【図６】
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