半導体レーザ装置
【課題】半導体レーザ装置の高温特性を向上させる。
【解決手段】活性層３の上部には、光を活性層３に閉じ込めるための光ガイド層４が形成されており、光ガイド層４の上部には、ＭｇやＺｎをドーパントとして含むｐ型クラッド層５が形成されている。光ガイド層４は、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第１光ガイド層４ａと、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂと、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第２光ガイド層４ｃとをこの順に積層した３層構造で構成されている。Ｓｉドープ層４ｂは、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３に拡散するのを抑える拡散防止層であり、その膜厚は２ｎｍ〜２０ｎｍ、Ｓｉ濃度は２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３である。
【解決手段】活性層３の上部には、光を活性層３に閉じ込めるための光ガイド層４が形成されており、光ガイド層４の上部には、ＭｇやＺｎをドーパントとして含むｐ型クラッド層５が形成されている。光ガイド層４は、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第１光ガイド層４ａと、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂと、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第２光ガイド層４ｃとをこの順に積層した３層構造で構成されている。Ｓｉドープ層４ｂは、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３に拡散するのを抑える拡散防止層であり、その膜厚は２ｎｍ〜２０ｎｍ、Ｓｉ濃度は２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３である。
【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し、特に、半導体レーザ装置の高温特性の向上に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、活性層を挟んで導電型が互いに異なるクラッド層を設けるダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ装置においては、クラッド層内のドーパントが活性層へ拡散することに起因する閾値電流の上昇や信頼性の低下が問題視されていた。
【０００３】
その対策として、特許文献１（特許第３１４６５０１号）は、活性層の上部に形成されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層内のｐ型ドーパント（Ｚｎ）が活性層に拡散するのを抑えるために、ｐ型クラッド層と活性層との間にＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ拡散防止層（膜厚＝３０ｎｍ）を設ける技術を開示している。
【０００４】
特許文献２（特開平０４−１００２８８号公報）は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層と活性層との間にＳｉドープＡｌＧａＩｎＰバリア層（Ｓｉ濃度＝５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３、膜厚＝１０ｎｍ〜３００ｎｍ）を設けると共に、ｐ型クラッド層のドーパントをＺｎからＭｇに置き換える技術を開示している。
【０００５】
特許文献３（特開平０４−１９９５８７号公報）は、ｐ型ＩｎＰクラッド層から活性層へのｐ型ドーパント（Ｚｎ）の拡散を抑えるために、活性層の上部にＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層を介してＳｉドープＩｎＰ拡散抑制層（Ｓｉ濃度＝６×１０１８ｃｍ−３、膜厚＝３００ｎｍ）を設ける技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１４６５０１号
【特許文献２】特開平０４−１００２８８号公報
【特許文献３】特開平０４−１９９５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザープリンター用光源などに利用されている赤色半導体レーザは、近年、小型プロジェクタ用赤色光源などへの応用が進められている。
【０００８】
赤色半導体レーザをプロジェクタ用光源として用いる場合には、プロジェクタの高輝度化に対応した高温・高出力動作、あるいは短波長化による視感度の向上が要求される。また、赤色半導体レーザに対しては、従来より携帯機器用途や車載用途に向けた高温動作対応の要求もある。
【０００９】
半導体レーザの高温特性は、活性層の上部に形成されるｐ型クラッド層内のｐ型ドーパントプロファイルによって左右され、ｐ型ドーパントの濃度を活性層直上まで高くすることで特性が向上することが知られている。しかし、このようにした場合は、ｐ型クラッド層内のｐ型ドーパントが熱履歴によって活性層に拡散し易くなるので、閾値電流が上昇して消費電流が増加したり、信頼性が低下したりする。
【００１０】
ｐ型ドーパントが活性層に拡散するのを防止する技術として、前述した特許文献１〜３のように、活性層の上部にｎ型ドーパントであるＳｉを含んだ半導体層（Ｓｉドープ層）を設ける技術が知られているが、これらの特許文献に開示されたＳｉドープ層は、Ｓｉ濃度が比較的高く、膜厚も大きいという特徴がある。
【００１１】
そのため、この技術を適用した場合は、ｐ型クラッド層内におけるｐ型ドーパントの効果がｎ型ドーパント（Ｓｉ）によって打ち消され、ｐ型クラッド層内のキャリア濃度が低下してしまうので、高温特性の改善効果が得られなくなってしまう。
【００１２】
本発明の目的は、消費電流の増加や信頼性の低下を引き起こすことなく、半導体レーザ装置の高温特性を向上させる技術を提供することにある。
【００１３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１５】
本願発明の好ましい一態様は、半導体基板の主面上に少なくともｎ型クラッド層、活性層、光ガイド層、およびｐ型クラッド層がこの順に積層された半導体レーザ装置であって、前記光ガイド層は、アンドープの半導体層からなる第１光ガイド層と、Ｓｉをドーパントとして含むＳｉドープ層と、アンドープの半導体層からなる第２光ガイド層とをこの順に積層した３層構造で構成されているものである。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１７】
活性層直上のｐ型ドーパントの濃度を高くしても、ｐ型ドーパントが活性層に拡散するのを防止することが可能となるので、半導体レーザ装置の高温・高出力特性の改善と高い信頼性とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態である半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】ＳＩＭＳ分析法による本発明の半導体レーザ装置の活性層と第１光ガイド層との界面近傍におけるｐ型ドーパントのプロファイルを示すグラフである。
【図３】ＳＩＭＳ分析法による比較例の半導体レーザ装置の活性層と第１光ガイド層との界面近傍におけるｐ型ドーパントの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】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００２０】
本実施の形態は、６４０ｎｍの発振波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置に適用したものであり、図１は、この半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。
【００２１】
例えばｎ型ＧａＡｓからなる基板１の主面上には、ｎ型クラッド層２が形成されており、ｎ型クラッド層２の上部には、活性層３が形成されている。ｎ型クラッド層２は、Ｓｉをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰ層（またはＡｌＩｎＰ層）で構成されており、活性層３は、例えばアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層とアンドープＧａＩｎＰ（またはＡｌＧａＩｎＰ）からなる井戸層とを交互に５層程度積層した多重量子井戸(Multi Quantum Well：ＭＱＷ)構造で構成されている。
【００２２】
上記活性層３の上部には、光を活性層３に閉じ込めるための光ガイド層４が形成されており、光ガイド層４の上部には、ＭｇまたはＺｎをドーパントとして含むｐ型クラッド層５が形成されている。
【００２３】
上記光ガイド層４は、主としてアンドープＡｌＧａＩｎＰで構成されているが、中間層として、Ｓｉをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂを有している。言い換えると、光ガイド層４は、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第１光ガイド層４ａと、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂと、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第２光ガイド層４ｃとをこの順に積層した３層構造で構成されている。
【００２４】
光ガイド層４の中間層である上記Ｓｉドープ層４ｂは、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３に拡散するのを抑える拡散防止層であり、その膜厚は、２ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍであり、Ｓｉ濃度は、２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３である。
【００２５】
上記Ｓｉドープ層４ｂの膜厚が２ｎｍ未満である場合は、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３に拡散するのを抑えることが困難となり、素子の閾値電流が上昇して消費電流が増加したり、信頼性が低下したりする恐れがある。一方、Ｓｉドープ層４ｂの膜厚が２０ｎｍを超えた場合は、ｐ型クラッド層５から活性層３の直上に拡散するｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）の効果がＳｉドープ層４ｂ内のｎ型ドーパント（Ｓｉ）によって打ち消され、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまうので、高温特性の改善効果を得ることが困難となる。
【００２６】
また、上記Ｓｉドープ層４ｂの膜厚が２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲であっても、Ｓｉドープ層４ｂのＳｉ濃度が２×１０１７ｃｍ−３未満の場合は、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパントが活性層３に拡散するのを抑えることが困難となる。一方、Ｓｉ濃度が１×１０１８ｃｍ−３を超えた場合は、活性層３の直上におけるｐ型ドーパントの効果がＳｉドープ層４ｂ内のｎ型ドーパントによって打ち消され、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまう。
【００２７】
上記Ｓｉドープ層４ｂと活性層３との間に介在するアンドープの第１光ガイド層４ａは、活性層３の直上にＳｉをできるだけ含まない領域を設け、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度を確保するために形成される。
【００２８】
従って、第１光ガイド層４ａの膜厚は、少なくとも５ｎｍ以上必要であり、Ｓｉは拡散係数の小さい材料であるが、５ｎｍ未満ではＳｉドープ層４ｂから第１光ガイド層４ａに拡散するＳｉの影響によってｐ型ドーパントの効果が打ち消され、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまう。一方、第１光ガイド層４ａの膜厚が１５ｎｍを超えると、ｐ型クラッド層５から第１光ガイド層４ａに拡散するｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３の直上まで到達するのが困難となり、この場合も活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまう。従って、第１光ガイド層４ａの膜厚は、５ｎｍ〜１５ｎｍとするのが好ましい。
【００２９】
上記Ｓｉドープ層４ｂの上部の第２光ガイド層４ｃの膜厚は、第１光ガイド層４ａ、Ｓｉドープ層４ｂおよび第２光ガイド層４ｃの３層を合計した膜厚が光ガイド層４として必要な条件を満たし、かつ、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３の直上まで到達し得る膜厚とする。具体的には、第１光ガイド層４ａおよびＳｉドープ層４ｂのそれぞれの膜厚が前述の範囲内である場合、第２光ガイド層４ｃの膜厚は、５ｎｍ〜１００ｎｍ程度とするのが好ましい。
【００３０】
光ガイド層４の上部に形成されたｐ型クラッド層５は、ＭｇやＺｎをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰからなり、Ｍｇ濃度は５×１０１７ｃｍ−３〜１．５×１０１８ｃｍ−３である。
【００３１】
ｐ型クラッド層５の上部には、エッチングストッパ層６が形成されており、エッチングストッパ層６の上部には、凸形の断面形状を有し、図１の紙面に垂直な方向に沿ってストライプ状に延在するリッジ部（リッジ導波路）７が形成されている。
【００３２】
上記エッチングストッパ層６およびリッジ部７は、ＭｇやＺｎをドーパントとして含むｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（またはｐ型ＡｌＩｎＰ層）で構成されているが、エッチングストッパ層６は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（またはｐ型ＡｌＩｎＰ層）をエッチングしてリッジ部７を形成する際にエッチングストッパとして機能できるよう、リッジ部７とは異なる組成のＡｌＧａＩｎＰ層で構成されている。
【００３３】
なお、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（またはｐ型ＡｌＩｎＰ層）のエッチング条件を良好に制御できる場合は、エッチングストッパ層６を省略してもよい。すなわち、この場合は、ｐ型クラッド層５をエッチングしてその一部にリッジ部７を形成する。
【００３４】
上記リッジ部７の上面には、１×１０１９ｃｍ−３以上の不純物濃度が比較的容易に得られ、より良好なコンタクト抵抗を得ることができるＺｎをドーパントとして含むＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層８が形成されており、リッジ部７およびｐ型コンタクト層８のそれぞれの側壁と、リッジ部７の両側の平坦部（エッチングストッパ層６の上面）とには、酸化シリコンからなるパッシベーション膜９が形成されている。
【００３５】
上記した各半導体層（ｎ型クラッド層２、活性層３、第１光ガイド層４ａ、Ｓｉドープ層４ｂ、第２光ガイド層４ｃ、ｐ型クラッド層５、エッチングストッパ層６、リッジ部７、ｐ型コンタクト層８）は、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属成長法）を用いて基板１の主面上に順次堆積される。また、パッシベーション膜９は、ｐ型コンタクト層８が形成された基板１上にＣＶＤ法で酸化シリコン膜を堆積した後、ｐ型コンタクト層８の上部の酸化シリコン膜を選択的にエッチングし、ｐ型コンタクト層８の上面を露出させることによって形成される。なお、プロセス中の熱履歴により、ＭｇやＺｎが拡散して来るため、最終構造の第１光ガイド層４ａ、Ｓｉドープ層４ｂ、第２光ガイド層４ｃは、ＭｇやＺｎが含まれた層となる。
【００３６】
パッシベーション膜９の上部には、ｐ型コンタクト層８に電気的に接続されるｐ側電極１０が形成されており、基板１の裏面にはｎ側電極１１が形成されている。ｐ側電極１０およびｎ側電極１１は、例えばＴｉ膜の上部にＰｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した金属膜からなる。
【００３７】
図２は、ＳＩＭＳ分析法(二次イオン質量分析法：Secondary Ion Mass Spectrometry)による活性層３と第１光ガイド層４ａとの界面近傍におけるｐ型ドーパント（Ｍｇ）のプロファイルを示すグラフであり、Ｍｇ−１は、光ガイド層４の中間にＳｉドープ層４ｂを設けた本実施の形態のプロファイルを示し、Ｍｇ−２は、光ガイド層４をアンドープＡｌＧａＩｎＰのみで構成した比較例のプロファイルを示している。なお、本実施の構造について、第１光ガイド層４ａの膜厚は１０ｎｍであり、Ｓｉドープ層４ｂの膜厚は２ｎｍ、Ｓｉ濃度は３×１０１７ｃｍ−３であり、第２光ガイド層４ｃの膜厚は１３ｎｍである。
【００３８】
図２に示すように、本実施の形態によれば、活性層３内のｐ型ドーパント（Ｍｇ）の拡散深さが比較例に比べて２０ｎｍ程度浅くなることが判る。これは、光ガイド層４の中間にＳｉドープ層４ｂを設けることにより、活性層３へのｐ型ドーパントの拡散が抑制されるので、閾値電流の上昇（＝消費電流の増加）や信頼性の低下が抑制されることを意味している。
【００３９】
図３は、ＳＩＭＳ分析法による活性層３と第１光ガイド層４ａとの界面近傍におけるｐ型ドーパント（Ｍｇ）のプロファイルを示すグラフであり、Ｍｇ−３は、実施の形態であるＭｇ−１とｐ型ドーパント（Ｍｇ）の拡散深さが同等になるように、ｐ型ドーパント（Ｍｇ）のドーピングの深さを調整した比較例である。
【００４０】
図３に示すように、本実施例の形態によれば、活性層直上（活性層への入り口から１０ｎｍ手前）のｐ型ドーパント（Ｍｇ）の濃度が８×１０１７ｃｍ−３であり、比較例の５×１０１７ｃｍ−３に比べて高いことが判る。これは、光ガイド層４の中間にＳｉドープ層４ｂを設けることにより、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度がより高濃度になるので、高温特性が向上することを意味している。
【００４１】
このように、活性層３とその上部のｐ型クラッド層５との間に、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第１光ガイド層４ａと、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂと、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第２光ガイド層４ｃとをこの順に積層した３層構造の光ガイド層４を設けることにより、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパントが活性層３に拡散するのを抑制しつつ、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度を高くすることができる。
【００４２】
これにより、ｐ型ドーパントが活性層３に拡散することに起因する閾値電流の上昇（消費電流の増加）や信頼性の低下を引き起こすことなく、半導体レーザ装置の高温特性を向上させることが可能となる。
【００４３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４４】
例えば前記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置に適用したが、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＰ系のより長波長の発振波長を有するダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ装置、あるいはＧａＮ系のより短波長の発振波長を有するダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ装置に適用することもできる。
【００４５】
また、前記実施の形態では、凸状のリッジ部を有するシングルモード（単一横モード）の半導体レーザ装置に適用したが、マルチモード（多重横モード）の半導体レーザ装置に適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、半導体レーザ装置の高温特性の向上に適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 基板（半導体基板）
２ ｎ型クラッド層
３ 活性層
４ 光ガイド層
４ａ 第１光ガイド層
４ｂ Ｓｉドープ層
４ｃ 第２光ガイド層
５ ｐ型クラッド層
６ エッチングストッパ層
７ リッジ部（リッジ導波路）
８ ｐ型コンタクト層
９ パッシベーション膜
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に、半導体レーザ装置の高温特性の向上に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、活性層を挟んで導電型が互いに異なるクラッド層を設けるダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ装置においては、クラッド層内のドーパントが活性層へ拡散することに起因する閾値電流の上昇や信頼性の低下が問題視されていた。
【０００３】
その対策として、特許文献１（特許第３１４６５０１号）は、活性層の上部に形成されるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層内のｐ型ドーパント（Ｚｎ）が活性層に拡散するのを抑えるために、ｐ型クラッド層と活性層との間にＳｉドープＡｌＧａＩｎＰ拡散防止層（膜厚＝３０ｎｍ）を設ける技術を開示している。
【０００４】
特許文献２（特開平０４−１００２８８号公報）は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層と活性層との間にＳｉドープＡｌＧａＩｎＰバリア層（Ｓｉ濃度＝５×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３、膜厚＝１０ｎｍ〜３００ｎｍ）を設けると共に、ｐ型クラッド層のドーパントをＺｎからＭｇに置き換える技術を開示している。
【０００５】
特許文献３（特開平０４−１９９５８７号公報）は、ｐ型ＩｎＰクラッド層から活性層へのｐ型ドーパント（Ｚｎ）の拡散を抑えるために、活性層の上部にＧａＩｎＡｓＰ光ガイド層を介してＳｉドープＩｎＰ拡散抑制層（Ｓｉ濃度＝６×１０１８ｃｍ−３、膜厚＝３００ｎｍ）を設ける技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３１４６５０１号
【特許文献２】特開平０４−１００２８８号公報
【特許文献３】特開平０４−１９９５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザープリンター用光源などに利用されている赤色半導体レーザは、近年、小型プロジェクタ用赤色光源などへの応用が進められている。
【０００８】
赤色半導体レーザをプロジェクタ用光源として用いる場合には、プロジェクタの高輝度化に対応した高温・高出力動作、あるいは短波長化による視感度の向上が要求される。また、赤色半導体レーザに対しては、従来より携帯機器用途や車載用途に向けた高温動作対応の要求もある。
【０００９】
半導体レーザの高温特性は、活性層の上部に形成されるｐ型クラッド層内のｐ型ドーパントプロファイルによって左右され、ｐ型ドーパントの濃度を活性層直上まで高くすることで特性が向上することが知られている。しかし、このようにした場合は、ｐ型クラッド層内のｐ型ドーパントが熱履歴によって活性層に拡散し易くなるので、閾値電流が上昇して消費電流が増加したり、信頼性が低下したりする。
【００１０】
ｐ型ドーパントが活性層に拡散するのを防止する技術として、前述した特許文献１〜３のように、活性層の上部にｎ型ドーパントであるＳｉを含んだ半導体層（Ｓｉドープ層）を設ける技術が知られているが、これらの特許文献に開示されたＳｉドープ層は、Ｓｉ濃度が比較的高く、膜厚も大きいという特徴がある。
【００１１】
そのため、この技術を適用した場合は、ｐ型クラッド層内におけるｐ型ドーパントの効果がｎ型ドーパント（Ｓｉ）によって打ち消され、ｐ型クラッド層内のキャリア濃度が低下してしまうので、高温特性の改善効果が得られなくなってしまう。
【００１２】
本発明の目的は、消費電流の増加や信頼性の低下を引き起こすことなく、半導体レーザ装置の高温特性を向上させる技術を提供することにある。
【００１３】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１５】
本願発明の好ましい一態様は、半導体基板の主面上に少なくともｎ型クラッド層、活性層、光ガイド層、およびｐ型クラッド層がこの順に積層された半導体レーザ装置であって、前記光ガイド層は、アンドープの半導体層からなる第１光ガイド層と、Ｓｉをドーパントとして含むＳｉドープ層と、アンドープの半導体層からなる第２光ガイド層とをこの順に積層した３層構造で構成されているものである。
【発明の効果】
【００１６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１７】
活性層直上のｐ型ドーパントの濃度を高くしても、ｐ型ドーパントが活性層に拡散するのを防止することが可能となるので、半導体レーザ装置の高温・高出力特性の改善と高い信頼性とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態である半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】ＳＩＭＳ分析法による本発明の半導体レーザ装置の活性層と第１光ガイド層との界面近傍におけるｐ型ドーパントのプロファイルを示すグラフである。
【図３】ＳＩＭＳ分析法による比較例の半導体レーザ装置の活性層と第１光ガイド層との界面近傍におけるｐ型ドーパントの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】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
【００２０】
本実施の形態は、６４０ｎｍの発振波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置に適用したものであり、図１は、この半導体レーザ装置の概略構成を示す断面図である。
【００２１】
例えばｎ型ＧａＡｓからなる基板１の主面上には、ｎ型クラッド層２が形成されており、ｎ型クラッド層２の上部には、活性層３が形成されている。ｎ型クラッド層２は、Ｓｉをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰ層（またはＡｌＩｎＰ層）で構成されており、活性層３は、例えばアンドープＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層とアンドープＧａＩｎＰ（またはＡｌＧａＩｎＰ）からなる井戸層とを交互に５層程度積層した多重量子井戸(Multi Quantum Well：ＭＱＷ)構造で構成されている。
【００２２】
上記活性層３の上部には、光を活性層３に閉じ込めるための光ガイド層４が形成されており、光ガイド層４の上部には、ＭｇまたはＺｎをドーパントとして含むｐ型クラッド層５が形成されている。
【００２３】
上記光ガイド層４は、主としてアンドープＡｌＧａＩｎＰで構成されているが、中間層として、Ｓｉをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂを有している。言い換えると、光ガイド層４は、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第１光ガイド層４ａと、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂと、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第２光ガイド層４ｃとをこの順に積層した３層構造で構成されている。
【００２４】
光ガイド層４の中間層である上記Ｓｉドープ層４ｂは、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３に拡散するのを抑える拡散防止層であり、その膜厚は、２ｎｍ〜２０ｎｍ、好ましくは２ｎｍ〜１０ｎｍであり、Ｓｉ濃度は、２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３である。
【００２５】
上記Ｓｉドープ層４ｂの膜厚が２ｎｍ未満である場合は、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３に拡散するのを抑えることが困難となり、素子の閾値電流が上昇して消費電流が増加したり、信頼性が低下したりする恐れがある。一方、Ｓｉドープ層４ｂの膜厚が２０ｎｍを超えた場合は、ｐ型クラッド層５から活性層３の直上に拡散するｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）の効果がＳｉドープ層４ｂ内のｎ型ドーパント（Ｓｉ）によって打ち消され、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまうので、高温特性の改善効果を得ることが困難となる。
【００２６】
また、上記Ｓｉドープ層４ｂの膜厚が２ｎｍ〜２０ｎｍの範囲であっても、Ｓｉドープ層４ｂのＳｉ濃度が２×１０１７ｃｍ−３未満の場合は、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパントが活性層３に拡散するのを抑えることが困難となる。一方、Ｓｉ濃度が１×１０１８ｃｍ−３を超えた場合は、活性層３の直上におけるｐ型ドーパントの効果がＳｉドープ層４ｂ内のｎ型ドーパントによって打ち消され、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまう。
【００２７】
上記Ｓｉドープ層４ｂと活性層３との間に介在するアンドープの第１光ガイド層４ａは、活性層３の直上にＳｉをできるだけ含まない領域を設け、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度を確保するために形成される。
【００２８】
従って、第１光ガイド層４ａの膜厚は、少なくとも５ｎｍ以上必要であり、Ｓｉは拡散係数の小さい材料であるが、５ｎｍ未満ではＳｉドープ層４ｂから第１光ガイド層４ａに拡散するＳｉの影響によってｐ型ドーパントの効果が打ち消され、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまう。一方、第１光ガイド層４ａの膜厚が１５ｎｍを超えると、ｐ型クラッド層５から第１光ガイド層４ａに拡散するｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３の直上まで到達するのが困難となり、この場合も活性層３の直上のｐ型キャリア濃度が低下してしまう。従って、第１光ガイド層４ａの膜厚は、５ｎｍ〜１５ｎｍとするのが好ましい。
【００２９】
上記Ｓｉドープ層４ｂの上部の第２光ガイド層４ｃの膜厚は、第１光ガイド層４ａ、Ｓｉドープ層４ｂおよび第２光ガイド層４ｃの３層を合計した膜厚が光ガイド層４として必要な条件を満たし、かつ、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパント（Ｍｇ、Ｚｎ）が活性層３の直上まで到達し得る膜厚とする。具体的には、第１光ガイド層４ａおよびＳｉドープ層４ｂのそれぞれの膜厚が前述の範囲内である場合、第２光ガイド層４ｃの膜厚は、５ｎｍ〜１００ｎｍ程度とするのが好ましい。
【００３０】
光ガイド層４の上部に形成されたｐ型クラッド層５は、ＭｇやＺｎをドーパントとして含むＡｌＧａＩｎＰからなり、Ｍｇ濃度は５×１０１７ｃｍ−３〜１．５×１０１８ｃｍ−３である。
【００３１】
ｐ型クラッド層５の上部には、エッチングストッパ層６が形成されており、エッチングストッパ層６の上部には、凸形の断面形状を有し、図１の紙面に垂直な方向に沿ってストライプ状に延在するリッジ部（リッジ導波路）７が形成されている。
【００３２】
上記エッチングストッパ層６およびリッジ部７は、ＭｇやＺｎをドーパントとして含むｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（またはｐ型ＡｌＩｎＰ層）で構成されているが、エッチングストッパ層６は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（またはｐ型ＡｌＩｎＰ層）をエッチングしてリッジ部７を形成する際にエッチングストッパとして機能できるよう、リッジ部７とは異なる組成のＡｌＧａＩｎＰ層で構成されている。
【００３３】
なお、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層（またはｐ型ＡｌＩｎＰ層）のエッチング条件を良好に制御できる場合は、エッチングストッパ層６を省略してもよい。すなわち、この場合は、ｐ型クラッド層５をエッチングしてその一部にリッジ部７を形成する。
【００３４】
上記リッジ部７の上面には、１×１０１９ｃｍ−３以上の不純物濃度が比較的容易に得られ、より良好なコンタクト抵抗を得ることができるＺｎをドーパントとして含むＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層８が形成されており、リッジ部７およびｐ型コンタクト層８のそれぞれの側壁と、リッジ部７の両側の平坦部（エッチングストッパ層６の上面）とには、酸化シリコンからなるパッシベーション膜９が形成されている。
【００３５】
上記した各半導体層（ｎ型クラッド層２、活性層３、第１光ガイド層４ａ、Ｓｉドープ層４ｂ、第２光ガイド層４ｃ、ｐ型クラッド層５、エッチングストッパ層６、リッジ部７、ｐ型コンタクト層８）は、ＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属成長法）を用いて基板１の主面上に順次堆積される。また、パッシベーション膜９は、ｐ型コンタクト層８が形成された基板１上にＣＶＤ法で酸化シリコン膜を堆積した後、ｐ型コンタクト層８の上部の酸化シリコン膜を選択的にエッチングし、ｐ型コンタクト層８の上面を露出させることによって形成される。なお、プロセス中の熱履歴により、ＭｇやＺｎが拡散して来るため、最終構造の第１光ガイド層４ａ、Ｓｉドープ層４ｂ、第２光ガイド層４ｃは、ＭｇやＺｎが含まれた層となる。
【００３６】
パッシベーション膜９の上部には、ｐ型コンタクト層８に電気的に接続されるｐ側電極１０が形成されており、基板１の裏面にはｎ側電極１１が形成されている。ｐ側電極１０およびｎ側電極１１は、例えばＴｉ膜の上部にＰｔ膜およびＡｕ膜を順次積層した金属膜からなる。
【００３７】
図２は、ＳＩＭＳ分析法(二次イオン質量分析法：Secondary Ion Mass Spectrometry)による活性層３と第１光ガイド層４ａとの界面近傍におけるｐ型ドーパント（Ｍｇ）のプロファイルを示すグラフであり、Ｍｇ−１は、光ガイド層４の中間にＳｉドープ層４ｂを設けた本実施の形態のプロファイルを示し、Ｍｇ−２は、光ガイド層４をアンドープＡｌＧａＩｎＰのみで構成した比較例のプロファイルを示している。なお、本実施の構造について、第１光ガイド層４ａの膜厚は１０ｎｍであり、Ｓｉドープ層４ｂの膜厚は２ｎｍ、Ｓｉ濃度は３×１０１７ｃｍ−３であり、第２光ガイド層４ｃの膜厚は１３ｎｍである。
【００３８】
図２に示すように、本実施の形態によれば、活性層３内のｐ型ドーパント（Ｍｇ）の拡散深さが比較例に比べて２０ｎｍ程度浅くなることが判る。これは、光ガイド層４の中間にＳｉドープ層４ｂを設けることにより、活性層３へのｐ型ドーパントの拡散が抑制されるので、閾値電流の上昇（＝消費電流の増加）や信頼性の低下が抑制されることを意味している。
【００３９】
図３は、ＳＩＭＳ分析法による活性層３と第１光ガイド層４ａとの界面近傍におけるｐ型ドーパント（Ｍｇ）のプロファイルを示すグラフであり、Ｍｇ−３は、実施の形態であるＭｇ−１とｐ型ドーパント（Ｍｇ）の拡散深さが同等になるように、ｐ型ドーパント（Ｍｇ）のドーピングの深さを調整した比較例である。
【００４０】
図３に示すように、本実施例の形態によれば、活性層直上（活性層への入り口から１０ｎｍ手前）のｐ型ドーパント（Ｍｇ）の濃度が８×１０１７ｃｍ−３であり、比較例の５×１０１７ｃｍ−３に比べて高いことが判る。これは、光ガイド層４の中間にＳｉドープ層４ｂを設けることにより、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度がより高濃度になるので、高温特性が向上することを意味している。
【００４１】
このように、活性層３とその上部のｐ型クラッド層５との間に、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第１光ガイド層４ａと、ＳｉドープＡｌＧａＩｎＰからなるＳｉドープ層４ｂと、アンドープＡｌＧａＩｎＰからなる第２光ガイド層４ｃとをこの順に積層した３層構造の光ガイド層４を設けることにより、ｐ型クラッド層５内のｐ型ドーパントが活性層３に拡散するのを抑制しつつ、活性層３の直上のｐ型キャリア濃度を高くすることができる。
【００４２】
これにより、ｐ型ドーパントが活性層３に拡散することに起因する閾値電流の上昇（消費電流の増加）や信頼性の低下を引き起こすことなく、半導体レーザ装置の高温特性を向上させることが可能となる。
【００４３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４４】
例えば前記実施の形態では、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ装置に適用したが、ＡｌＧａＡｓ系やＩｎＰ系のより長波長の発振波長を有するダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ装置、あるいはＧａＮ系のより短波長の発振波長を有するダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ装置に適用することもできる。
【００４５】
また、前記実施の形態では、凸状のリッジ部を有するシングルモード（単一横モード）の半導体レーザ装置に適用したが、マルチモード（多重横モード）の半導体レーザ装置に適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、半導体レーザ装置の高温特性の向上に適用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 基板（半導体基板）
２ ｎ型クラッド層
３ 活性層
４ 光ガイド層
４ａ 第１光ガイド層
４ｂ Ｓｉドープ層
４ｃ 第２光ガイド層
５ ｐ型クラッド層
６ エッチングストッパ層
７ リッジ部（リッジ導波路）
８ ｐ型コンタクト層
９ パッシベーション膜
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に少なくともｎ型クラッド層、活性層、光ガイド層、およびｐ型クラッド層がこの順に積層された半導体レーザ装置であって、
前記光ガイド層は、アンドープの半導体層からなる第１光ガイド層と、Ｓｉをドーパントとして含むＳｉドープ層と、アンドープの半導体層からなる第２光ガイド層とをこの順に積層した３層構造で構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記Ｓｉドープ層の膜厚は、２ｎｍ〜２０ｎｍであり、Ｓｉ濃度は、２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１光ガイド層の膜厚は、５ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項１】
半導体基板の主面上に少なくともｎ型クラッド層、活性層、光ガイド層、およびｐ型クラッド層がこの順に積層された半導体レーザ装置であって、
前記光ガイド層は、アンドープの半導体層からなる第１光ガイド層と、Ｓｉをドーパントとして含むＳｉドープ層と、アンドープの半導体層からなる第２光ガイド層とをこの順に積層した３層構造で構成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記Ｓｉドープ層の膜厚は、２ｎｍ〜２０ｎｍであり、Ｓｉ濃度は、２×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１光ガイド層の膜厚は、５ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−４１９６０（Ｐ２０１３−４１９６０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７７５０５（Ｐ２０１１−１７７５０５）
【出願日】平成２３年８月１５日（２０１１．８．１５）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オクラロ株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１５日（２０１１．８．１５）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オクラロ株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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