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JP2809691B2 - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JP2809691B2
JP2809691B2 JP11050289A JP11050289A JP2809691B2 JP 2809691 B2 JP2809691 B2 JP 2809691B2 JP 11050289 A JP11050289 A JP 11050289A JP 11050289 A JP11050289 A JP 11050289A JP 2809691 B2 JP2809691 B2 JP 2809691B2
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type
semiconductor laser
conductivity type
type cladding
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敏英 泉谷
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to DE69029340T priority patent/DE69029340T2/de
Priority to EP90304477A priority patent/EP0395392B1/en
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、新しいIII−Ｖ族化合物半導体材料を用い
た短波長半導体レーザに関する。
（従来の技術） 高速度かつ高密度の情報処理システムの発展に伴い、
短波長の半導体レーザ（LD）の実現が望まれている。
緑色半導体レーザの実現に有望と思われるIII−Ｖ族
化合物半導体材料を大きなバンドギャップという観点か
ら見ると、BN（４または8eV）,AlN（6eV）,GaN（3.4e
V）,InP（2.4eV）,AlP（2.5eV）,GaP（2.3および2.8e
V）等の、軽めのIII族元素の窒化物と燐化物が大きいバ
ンドギャップを有する。しかしながらこれらのうち、BN
は、バンドギャップが大きいが４配位（sp3）結合を有
する高圧相（ｃ−BN）は合成しにくく、しかも３種の多
形を有し、混合物もでき易いので使用できない。不純物
ドーピングも難しい。InNは、バンドギャップが小さめ
であり、熱的安定性に乏しく、また普通多結晶しか得ら
れない。AlP,GaNは、いずれもバンドギャップがやや足
りない。残るAlN,GaNは、バンドギャップが大きく、ま
た安定性にも優れており、短波長発光用に適していると
言える。ただ、AlN,GaNは結晶構造がウルツ鉱型（Wurze
ite型、以下これをWZ型と略称する）であり、しかもイ
オン性が大きいため格子欠陥が生じ易く、低抵抗のｐ型
半導体を得ることができない。
この様な問題を解決するため、B,Nを含まないIII−Ｖ
族系の化合物にB,Nを混合してバンドギャップを大きく
した材料を得る試みがなされている。しかし、従来用い
られている材料とB,Nを含む材料とでは格子定数が20〜4
0％と大きく異なり、また格子型も異なるため、安定な
結晶は得られていない。例えば、GaPにＮを混合した場
合、ＮはGaPの１％以下しか混合できず、十分広いバン
ドギャップを得ることは不可能であった。
本発明者らの研究によれば、GaNやAlNで低抵抗のｐ型
結晶が得られないのは、イオン性が大きいことによる欠
陥が生じ易いことの他に、これが閃亜鉛鉱型（Zinc Ble
nde型、以下ZB型と略称する）の結晶構造ではなく、WZ
構造を持っていることが本質的な原因である。
（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来、緑色半導体レーザを実現するため
に必要である、バンドギャップが例えば2.7eV以上と大
きく、pn制御が可能で、結晶の質も良い、という条件を
満たす半導体材料は存在しなかった。AlN,GaNなどの窒
化物は大きいバンドギャップを得る上で有効な材料であ
るが、低抵抗のｐ型層を得ることができなかった。
本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、新しいII
I−Ｖ族系の化合物半導体材料を用いた緑色半導体レー
ザを提供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る半導体レーザは、第１導電型クラッド
層、活性層および第２導電型クラッド層からなるダブル
ヘテロ接合部を構成する半導体層として、BP層とGaxAl
1-xN（０≦ｘ≦１）層が積層されて、GaxAl1-xN（０≦
ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層を用
いたことを特徴とする。
本発明に係る半導体レーザはまた、第１導電型クラッ
ド層，活性層および第２導電型クラッド層からなるダブ
ルヘテロ接合部を構成する半導体層として、閃亜鉛鉱型
の結晶構造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z（０≦x,y,z≦
１）混晶層を用いたことを特徴とする。
（作用） 本発明者らの研究によれば、本来WZ構造である結晶で
あっても、安定なZB構造を有する結晶上に成長させれ
ば、ある程度の厚さまではZB構造を保つことが判明し
た。従って本発明の半導体レーザは第１に、GaxAl1-xN
（０≦ｘ≦１）層を、これとほぼ同一の結合長を有し、
かつZB構造であってイオン性が小さくpn制御が容易であ
るBP層上と交互に積層して多層膜（超格子）を構成する
ことにより、窒化物の直接遷移型の広バンドギャップ特
性とBPの低イオン性で欠陥の生じ難い性質を併せ持つZB
構造の化合物半導体材料として、これを用いてダブルヘ
テロ接合部を構成する。これにより緑色半導体レーザが
実現できる。
また本発明者らの研究によれば、従来熱力学的に安定
な混晶が作製できないと考えられていたＢとGa,Al,Inと
いうIII族元素の組合わせ、若しくはＮとP,Asの組合わ
せを含むIII−Ｖ族化合物半導体材料系においても、Ｂ
とＮを同時に比較的多量に混合することにより、安定な
混晶を得ることができる場合のあることが判明した。そ
れは、GaxB1-xNzP1-z系の混晶において、その組成がｘ
＝ｚをほぼ満足する場合である。透過型電子顕微鏡によ
る観察を行うと、Ga−N,B−Ｐが選択的に結合して交互
に整列しているオーダリング現象が観測され、Ga−N,B
−Ｐの結合が生じることにより、全系のエネルギーが低
下して安定な混晶として存在することが明らかになっ
た。これらの事実から、安定な混晶を得るためには必ず
しも格子定数や格子型が同じであることは必要ではな
く、結合長が同じであることが重要であるといえる。そ
こで本発明による半導体レーザは、第２に、GaxAlyB
1-x-yNzP1-z系の混晶において、好ましくは組成を、ｘ
＋ｙ〜ｚとし、Ga−N,Al−ＮとＢ−Ｐのオーダリングを
構造的に生じさせた化合物半導体材料を用いてダブルヘ
テロ接合部を構成する。これによっても、緑色半導体レ
ーザが可能になる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は、本発明の一実施例の緑色半導体レーザの断
面図である。ｎ型GaP基板11上には、ｎ型GaPバッファ1
2,n型BPバッファ層13が積層形成されている。このｎ型B
Pバッファ層13上に、ｎ型GaxAl1-xN/BP超格子層からな
るクラッド層14,アンドープのGaxAl1-xN/BP超格子層か
らなる活性層15およびｐ型GaxAl1-xN/BP超格子層からな
るクラッド層16が順次積層形成されて、ダブルヘテロ接
合部を構成している。例えば、クラッド層14および16で
はＸ＝0.4とし、活性層15ではｘ＝0.5とする。これによ
りクラッド層14および16はバンドギャップが3.0eV、活
性層15はバンドギャップが2.7eVとなり、ダブルヘテロ
接合が形成される。ｐ型クラッド層16上には、中央部の
ストライプ状の部分を残してｎ型BP電流阻止層17が形成
されている。この電流阻止層17上およびストライプ状の
ｐ型クラッド層16上にｐ型BPコンタクト層18が形成され
ている。コンタクト層18表面にはｐ側の金属電極19が形
成され、基板11にはｎ側の金属電極20が形成されてい
る。この半導体レーザでは、コンタクト層18の下部凸部
の周囲にｎ型BP電流阻止層17が形成されて、電流狭窄構
造と光導波路構造が自己整合的に形成されている。
この半導体レーザは、有機金属気相成長法（MOCVD
法）を用いて製造される。その製造方法に付き以下に詳
しく説明する。
第２図は、その実施例に用いたマルチチャンバ方式の
有機金属気相成長（MOCVD）装置である。図において、2
1,22および23は石英製の反応管でありそれぞれの上部に
位置するガス導入口から必要な原料ガスが取入れられ
る。これらの反応管21,22および23は一つのチャンバ24
にその上蓋を貫通して垂直に取付けられている。基板25
はグラファイト製サセプタ26上に設置され、各反応管2
1,22,23の開口に対向するように配置されて外部の高周
波コイル27により高温に加熱される。サセプタ26は、石
英製ホルダ26に取付けられ、磁性流体シールを介した駆
動軸により各反応管21,22,23の下を高速度で移動できる
ようになっている。駆動は、外部に設置されたコンピュ
ータ制御されたモータにより行われる。サセプタ中央部
には熱電対30が置かれ、基板直下の温度をモニタして外
部に取出す。そのコード部分は回転によるよじれを防止
するためスリップリングが用いられる。反応ガスは、上
部噴出口31からの水素ガスのダウンフローの速い流れに
より押出され、互いの混合が極力抑制されながら、排気
口32からロータリーポンプにより排気される。
この様なMOCVD装置により、各反応管21,22,23を通し
て所望の原料ガスを流し、基板25をコンピュータ制御さ
れたモータで移動させることにより、基板25上に任意の
積層周期、任意組成を持って多層構造を作製することが
できる。この方式では、ガス切替え方式では得られない
鋭い濃度変化が容易に実現できる。またこの方式では、
急峻なヘテロ界面を作製するためにガスを高速で切替え
る必要がないため、原料ガスであるNH3やPH3の分解速度
が遅いという問題をガス流速を低く設定することにより
解決することができる。
このMOCVD装置を用いて第１図の半導体レーザを作製
した。原料ガスは、トリメチルアルミニウム（TMA），
トリメチルガリウム（TMG），トリエチル硼素（TEB），
アンモニア（NH3），フォスフィン（PH3）である。基板
温度は850〜1150℃程度、圧力は0.3気圧、原料ガスの総
流量は１/minであり、成長速度が１μm/hとなるよう
にガス流量を設定した。概略的な各ガス流量は、TMA:1
×1016mol/min,TMG:1×10-6mol/min,TEB:1×10-6mol/mi
n,PH3:5×10-4mol/min,NH3:1×10-3mol/minである。p,n
のドーパントにはMgとSiを用いた。これらの不純物ドー
ピングは、シラン（SiH4）およびシクロペンタジエニル
マグネシウム（CP2Mg）を原料ガスに混合することによ
り行った。
なお、GaAlN/BP超格子層を作成する際の代表的な積層
周期は20Å、GaAlN層とBP層の厚さの比は1:1であり、以
下の実施例でも全てこの値に設定した。他の組成でも可
能であるが、ダブルヘテロ接合部のBP層に対するGaAlN
層の膜厚比が１より小さくなると、バンド構造が直接遷
移型から間接遷移型に変化し、発光効率は低下する。ま
た積層周期についても、上記の値に限られないが、例え
ば50Åを越えると電子，正孔の局在が顕著になり、導電
性の低下が生じるので、50Å以下の範囲で設定すること
が望ましい。
具体的な第１図の素子形成条件を説明する。GaP基板1
1は、Siドープ，キャリア濃度１×1018/cm3であり、ｎ
型GaPバッファ層12は、Siドープ，キャリア濃度１×10
18/cm3,厚さ１μｍ、ｎ型BPバッファ層13は、Siドー
プ，キャリア濃度１×1017/cm3,厚さ１μｍとする。こ
の上にｎ型クラッド層14として、Siドープ，キャリア濃
度１×1017/cm3,厚さ１μｍのGa0.4Al0.6N/BP超格子
層、活性層15として、アンドープGa0.5Al0.5N/BP超格子
層、ｐ型クラッド層16として、Mgドープ，キャリア濃度
１×1017/cm3,厚さ１μｍのGa0.4Al0.6N/BP超格子層が
順次形成されてダブルヘテロ接合構造が得られる。そし
てｐ型クラッド層16上に、シランガスの熱分解と写真蝕
刻により幅５μｍのストライプ状にSiO2膜を形成し、MO
CVDによりクラッド層上にのみ選択的にｐ型BP電流阻止
層17（Siドープ，キャリア濃度１×1017/cm3,1μｍ）を
成長させる。そしてSiO2膜を除去して、ｐ型BPコンタク
ト層18（Mgドープ，キャリア濃度１×1017/cm3,1μｍ）
を形成する。その後通常の電極付け工程により、コンタ
クト層18上にAu/Znからなる電極19を形成し、基板裏面
にはAu/Geからなる電極20を形成する。
こうして得られた半導体レーザ・ウェハをへき開して
共振器長300μｍのレーザ素子を構成したところ、液体
窒素温度でパルス幅100μsecのパルス動作で緑色光レー
ザ発振が確認された。しきい値電流密度は約50kA/cm2で
あった。
第３図は、第１図の構成を変形した他の実施例の緑色
半導体レーザである。第１図と異なる点は、ｐ型クラッ
ド層16の中央部にストライプ状の凸部ができるように選
択エッチングしてその凸部周囲にｎ型BP層からなる電流
阻止層17を形成していることにある。その他第１図と同
様である。
この実施例では、ｎ型クラッド層16が凸型に加工され
て等価的に横方向に屈折率差が形成され、これにより良
好な横モード制御が行われる。この実施例の場合も、共
振器長300μｍのレーザ素子を構成して略同様の特性が
得られた。しきい値電流密度は約70kA/cm2であった。し
きい値電流密度が若干高めであるが、単一峰の遠視野像
が確認され、良好な横モード制御が行われていることが
確認された。
第４図は、GaAlN/BP超格子層に代って、GaxAlyB1-x-y
NzP1-z混晶層を用いてクラッド層および活性層を形成し
た実施例の半導体レーザである。第３図の実施例の構成
に対して異なる点は、ｎ型GaAlBNPクラッド層41,アンド
ープGaAlBNP活性層42およびｐ型GaAlBNPクラッド層43に
よりダブルヘテロ接合を構成していることである。
この半導体レーザの製造も第２図のMOCVD装置を用い
て先の各実施例とほぼ同様に行われる。その際、混晶層
の形成に当たっては基板の移動は止めて、一つの反応管
から必要なすべての原料ガスを導入する。またこのと
き、反応ガスの相互反応を防止するため、混晶成長を行
う原料ガスの混合は反応管の直前で行い、低圧条件下で
成長を行う。原料ガス，その流量，基板温度などの成長
条件は、先の実施例とほぼ同様である。
具体的な素子形成条件は次の通りである。ｎ型GaP基
板11は、Siドープ，キャリア濃度１×1018/cm3、ｎ型Ga
Pバッファ層12は、Siドープ，キャリア濃度１×1018/cm
3,厚さ１μｍ、ｎ型BP層13は、Siドープ，キャリア濃度
１×1017/cm3,厚さ１μｍである。ｎ型クラッド層41
は、Ga0.2Al0.3Ｂ0.5Ｎ0.5Ｐ0.5混晶層（Siドープ，キ
ャリア濃度１×1017/cm3,1μｍ）、アンドープ活性層42
は、Ga0.25Al0.3Ｂ0.5Ｎ0.5Ｐ0.5混晶層（厚さ0.1μ
ｍ）、ｐ型クラッド層43は、Ga0.2Al0.3Ｂ0.5Ｎ0.5Ｐ
0.5混晶層（Mgドープ，キャリア濃度１×1017/cm3,1μ
ｍ）である。電流狭窄構造，光導波構造および電極は第
３図の実施例と同様である。
得られたウェハをへき開して共振器長300μｍのレー
ザ素子を作成したところ、液体窒素温度でパルス幅20μ
secのパルス動作で緑色光レーザ発振が確認された。
第５図は、第３図の実施例の構成において、基板11と
ダブルヘテロ接合部の間のバッファ層12,13を省略した
実施例である。この様にバッファ層は本質的ではなく、
場合によっては省略することができる。
ただし本発明における半導体レーザのダブルヘテロ接
合部の半導体材料に対しては、格子定数が合致する適当
な基板がないのが一つの難点である。このため成長条件
によってはダブルヘテロ接合部に大きい応力がかかり、
或いは格子定数の違いに起因して転位が発生するなど、
信頼性上問題があるのでバッファは設けた方が良い。こ
の格子定数の問題にさらに考慮を払った実施例を次に説
明する。
第６図は、その様な実施例の半導体レーザである。こ
れは第３図の実施例の構成を基本とし、そのｎ型BPバッ
ファ層13の部分を平均組成を変化させたGaAlNとBPの超
格子層またはGaxAlyB1-x-yNzP1-z層が交互に積層された
多層構造からなるｎ型バッファ層51に置換したものであ
る。
第７図は同様に第３図の実施例のGaP基板11およびGaP
バッファ層12の部分に、ダブルヘテロ接合部の材料によ
り格子定数が近いSiC基板61を用いた実施例である。
これらの実施例によって、ダブルヘテロ接合部への応
力集中、転位の発生などを抑制することができる。更に
上記各実施例に於いて、BPバッファ層12の成長に際して
成長中に適当な温度サイクルを与えて応力を吸収するこ
とも可能であり、有用である。
以上の実施例では、電流阻止層としてBP層を用いた
が、BP層は発光波長に対して不透明であるため損失が大
きく、これによりしきい値電流密度が高いものとなる。
また高出力を必要とする際には、非点収差が大きくな
る。また電流阻止層はキャリア濃度が十分高いことが重
要であり、この点に関しても特にｎ型基板を用いる際に
は電流阻止層もｎ型とすることが多いが、BPはｎ型の高
濃度トーピングが困難であり、キャリア濃度を十分高く
できない。これらの点を電流阻止層にWZ型結晶を用いる
ことにより改善した実施例を次に説明する。
第８図はその様な実施例の半導体レーザである。第１
図の実施例の構成を基本とし、そのｎ型BP電流阻止層17
の部分をｎ型AlBNP電流阻止層81に置換している点が異
なる。それ以外は第１図と同様である。製造工程も第１
図の実施例と基本的に変わらない。ｎ型AlBNP電流阻止
層81として具体的に、Siドープ，キャリア濃度１×1018
/cm3,厚さ１μｍのAl0.2Ｂ0.8Ｎ0.2Ｐ0.8層を成長させ
た素子を作成した。
得られたレーザ素子は共振器長300μｍの場合、液体
窒素温度でパルス幅100μsecのパルス動作で緑色レーザ
発振が確認された。しきい値電流密度は約30kA/cm2であ
った。このとき動作電圧は5V程度の低いものであった。
第９図および第10図の実施例は同様のAlBNP電流阻止
層を、それぞれ第３図および第４図の実施例のものに適
用した場合である。これらの実施例によっても同様の効
果が得られる。またWZ型のAlBNPにGaを混入しても同様
の効果を得ることができる。
さらに電流阻止層に、WZ型GauAl1-uN層（ｏ≦ｕ≦
１）を用いた実施例を説明する。WZ型GaAlNは、透明度
が高くかつ結晶成長が容易で成長速度も速いため、本発
明の半導体レーザでの電流阻止層として非常に有効であ
る。
第11図はその様な実施例であり、第１図の実施例のｎ
型BP電流阻止層17の部分にｎ型GaN電流阻止層91を設け
たものである。製造工程はやはり第１図のそれと基本的
に同じである。具体的にｎ型GaN電流阻止層91として、S
iドープ，キャリア濃度１×1018/cm3,1μｍのGaN層を用
いて、共振器長300μｍのレーザ素子を作成した。得ら
れたレーザ素子は、液体窒素温度でパルス幅100μsecの
パルス動作で緑色レーザ発振が確認された。しきい値電
密度は約30kA/cm2であった。また良好な横モード制御が
行われていることが確認され、動作電圧は約5Vと低い値
が得られた。また非点収差は10μｍであり、この値はBP
を電流阻止層として用いた場合の30μｍに比べて十分小
さい。
第12図および第13図は同様に、それぞれ第３図および
第４図の実施例の構成に対してｎ型GaN電流阻止層を用
いた実施例である。これらの実施例によっても同様の効
果が得られる。
さらに電流阻止層として、GaAlBNP混晶層やGaAlN/BP
超格子層などを用いることも可能である。
以上の実施例において、GaAlN/BP超格子層またはGaAl
BNP混晶層からなるクラッド層は、上部クラッド層がBP
コンタクト層と接し、下部クラッド層がBPバッファ層に
接する。BP層はGaAlN/BP超格子層またはGaAlBNP混晶層
よりバンドギャップが狭いから、これらの間には電位障
壁が形成され、これが素子のしきい値電流密度や動作電
圧を高くする原因となる。したがってこれらの間には更
にバンドギャップを滑らかに遷移させるような中間バッ
ファ層を介在させることが有効である。その様な実施例
を以下に説明する。
第14図はその様な実施例の半導体レーザである。この
実施例は第１図の実施例の構成を基本とし、ｎ型BPバッ
ファ層13とｎ型GaAlN/BPクラッド層14の間にｎ型GaxAl
1-xN/BP超格子層からなる第１の中間バッファ層101を介
在させ、またｐ型GaAlN/BPクラッド層16とｐ型BPコンタ
クト層18間に同様にｐ型GaxAl1-xN/BP超格子層からなる
第２の中間バッファ層102を介在させている。それ以外
は第１図の実施例と同様である。
素子製造方法および製造条件は基本的に第１図の実施
例と変わらない。具体的に、ｎ型クラッド層14がSiドー
プ，キャリア濃度１×1017/cm3のGa0.4Al0.6N/BP層に対
して第１の中間バッファ層101を、Siドープ，キャリア
濃度１×1017/cm3,厚さ0.1μｍのGa0.8Al0.2N/BP超格子
層とし、ｐ型クラッド層14がMgドープ，キャリア濃度１
×1017/cm3のGa0.4Al0.6N/BP層に対して第２の中間バッ
ファ層102を、Mgドープ，キャリア濃度１×1017/cm3,厚
さ0.1μｍのGa0.8Al0.2N/BP超格子層として素子形成し
た。
この実施例の素子でも液体窒素温度で緑色光レーザ発
振が確認され、低いしきい値で留密度と動作電圧が得ら
れた。
第15図は、第３図の実施例の素子に対して、第14図の
実施例と同様の超格子層からなる中間バッファ層101,10
2を設けた実施例である。この実施例でも同様の緑色光
レーザ発振が得られる。
以上の中間バッファ層を設ける方式は、クラッド層お
よび活性層にGaAlBNP混晶層を用いる場合にも有効であ
り、その場合中間バッファ層としてはGaAlN/BP超格子層
或いはGaAlBNP混晶層を用いればよい。
第16図は、その様な実施例の半導体レーザである。こ
れは、第４図の実施例の素子に対して、Ｎ型クラッド層
41の下にｎ型GaAlBNP混晶層からなる第１の中間バッフ
ァ層111を設け、ｐ型クラッド層43上にｐ型GaAlBNP混晶
層からなる第２の中間バッファ層112を設けたものであ
る。
具体的に例えば、ｎ型クラッド層41およびｎ型クラッ
ド層43がGa0.2Al0.3Ｂ0.5Ｎ0.5Ｐ0.5混晶層である場
合、第１の中間バッファ層111を、Siドープ，キャリア
濃度１×1017/cm3,厚さ0.1μｍのGa0.4Al0.1Ｂ0.5Ｎ0.5
Ｐ0.5混晶層とし、第２の中間バッファ層112を、Mgドー
プ，キャリア濃度１×1017/cm3,厚さ0.1μｍのGa0.4Al
0.1Ｂ0.5Ｎ0.5Ｐ0.5混晶層とする。素子の製造方法は第
４図の実施例のそれと基本的に同じである。
この実施例によっても、先の実施例と同様の効果が得
られる。
なお中間バッファ層を設ける上記各実施例に於いて、
コンタクト層側の第２の中間バッファ層は電流狭窄領域
のみに形成しているが、これはクラッド層上全面に設け
ることも可能である。
第17図はその様な実施例であり、第14図に対して上部
の中間バッファ層102′をｐ型クラッド層16上全面に設
けている。
また上記各実施例の中間バッファ層について、超格子
層を用いた場合、混晶層を用いた場合いずれも、その平
均組成を膜厚方向に変化させてバンドギャップが連続的
に変化するようにすれば、バンドギャップの遷移領域が
より滑らかになって効果的である。
本発明の半導体レーザにおいて、格子整合がとれる良
質の適当な基板のないことが一つの問題であることは既
に述べた。これに対して先に実施例を説明したように発
光層と同質のバッファ層を設けることの他に、結晶成長
に用いた基板をその後除去するという方法も有効であ
る。
第18図はその様な実施例の半導体レーザである。これ
は基本的に第１図の実施例の素子と同様に構成した後、
基板11およびGaPバッファ層12を除去したものである。G
aP基板11およびGaPバッファ層12の除去は例えば、機械
研磨の後、２％臭素メチルアルコール溶液でエッチング
することにより行われる。
この実施例によれば、基板およびバッファ層の除去に
よって発光層部分への応力集中が軽減され、安定動作が
得られる。具体的にこの実施例により共振器長300μｍ
の素子を構成し、液体窒素温度でパルス幅100μsecのパ
ルス動作で緑色光レーザ発振が確認された。しきい値電
流密度は約50kA/cm2であった。室温ではレーザ発振は確
認されなかったが、LEDモードの動作では100時間以上安
定した発光が確認された。
第19図および第20図は、同様の基板除去をそれぞれ第
３図および第４図の実施例の素子に対して適用した場合
を示している。これらの実施例によっても同様の効果が
得られる。
以上の実施例では全て、pn接合を利用して電流狭窄を
行う電流阻止層を設けているが、この様な格別の電流阻
止層を設けなくても電流狭窄は可能である。以下にその
実施例を説明する。
第21図は、その様な実施例の半導体レーザである。こ
の構造は、第15図の実施例の構造を基本として、ｎ型BP
電流阻止層17を形成することなく、ｐ型BPコンタクト層
18を形成したものである。このような方法によれば、選
択成長の工程を必要としないため、工程が簡単化され、
コスト低下につながる。
この構造では、ｐ型クラッド層16とｐ型BPコンタクト
層18が直接接触する領域は、バンド不連続による大きい
電位障壁により電流が流れず、中央のストライプ状部分
のｐ型GaAlN/BP超格子層からなる中間バッファ層103が
介在している部分のみ滑らかなバンド遷移の結果電流が
流れる。したがって実質的に電流狭窄が行われる。ま
た、ｐ型クラッド層16がストライプ状に凸型に加工され
ているため、横方向に屈折率の差ができて光閉じ込めも
行われる。
この実施例により共振器長300μｍの素子を構成し
て、液体窒素温度でパルス幅100μsecのパルス動作で緑
色レーザ発振が確認された。しきい値電流密度は約70kA
/cm2であった。しきい値電流密度は高めであるが、良好
な横モード制御が行われていることが確認された。また
動作電圧は約5Vと低いものであった。
第22図は同様の電流狭窄構造を、第16図の実施例の素
子に適用した実施例である。この実施例によっても同様
のレーザ発振が可能である。
第23図は更に、ｐ型クラッド層16をストライプ状凸部
をもつように加工することをせず、ｐ型GaAlN/BP中間バ
ッファ層102を選択的にエッチングしてストライプ状に
パターニングし、ｐ型BPコンタクト層19を全面に形成し
た実施例である。この実施例によっても、光閉じ込めの
効果はないが電流狭窄は行われ、レーザ発振が可能であ
る。
本発明の半導体レーザにおける発光層に用いる化合物
半導体材料は、BPの低イオン正とZB構造、およびGaAlN
の広いバンドギャップの特性を併せ持つものであるが、
GaAlN層部分にアクセプタ不純物が入るとＮが抜けると
いう自己補償効果があり、高濃度のｐ型ドーピングが難
しい。この点を解決するために、GaAlN/BP超格子層を形
成する際に、ｐ型に関しては低イオン性のBP層にのみ選
択的に不純物をドープすることが有効であることが判明
した。GaAlN/BP超格子層全体にｐ型不純物をドープする
と、GaAlN層での自己補償効果の他、欠陥が多く発生し
て結局全体として高いキャリア濃度が得られないのに対
し、BP層にのみ選択的にｐ型不純物をドープすると、自
己補償効果の影響を受けず、また欠陥の発生もないた
め、結果的にドープした不純物の多くがキャリアとして
有効に活性化されるものと思われる。
第24図（ａ）（ｂ）は、その様なドーピング法を示す
概念図である。（ａ）はｐ型ドーピングの場合であり、
（ｂ）はｎ型ドーピングの場合である。いずれも、BP層
とGaAlN層が交互に所定周期で積層された超格子構造を
基本とするが、（ａ）ではBP層にのみMgがドープされ、
（ｂ）ではGaAlN層にのみSiがドープされている。
この様な超格子構造半導体層の成長と選択的な不純物
ドープは、第２図のMOCVD装置により可能である。すで
に説明した実施例における超格子層形成と同様の条件で
GaAlN/BP超格子層を形成し、ｎ型に関してはGaAlN層にS
iを、ｐ型に関してはBP層にMgをそれぞれドーピングし
た。ｎ型の場合はGaAlN層とBP層に同時にSiドープして
もよいが、BPは有効質量が非常に大きくｎ型ドーピング
には適さない。この選択ドーピングにより、ｐ型,n型共
に1018/cm3オーダーのキャリア濃度の超格子半導体膜が
得られることが確認された。したがってこの選択ドーピ
ングは本発明の半導体レーザを製造する際に有効であ
る。
なおｐ型ドーピングの際、GaAlN層に僅かのMgが混入
することは差支えない。
本発明は、上記した実施例に限られない。実施例では
GaAlN/BP超格子層を用いてダブルヘテロ接合を構成する
場合にその組成比を変化させ、またGaAlBNP混晶層を用
いた場合にもその平均組成を変化させたが、超格子層を
用いる場合GaAlNとBPの膜厚比を変化させることにより
バンドギャップを変化させることもできる。また上記実
施例では、超格子構造の場合を含めて平均組成をGaxAly
B1-x-yNzP1-zで表したとき、ｘ＋ｙ＝0.5としたが、他
の組成を用いることもできる。但し発光層の場合、ｘ＋
ｙが0.5より小さくなると、バンド構造が直接遷移型か
ら間接遷移型になってしまうので好ましくない。
さらに上述した各実施例において、GaAlN層とBP層間
の格子整合をより良好なものとするために、III族元素
としてB,Ga,Alの他にInなどを少量混合してもよい。同
様にＶ族元素としてAs,Sbを混合することができる。ま
た原料ガスとしては、Ga原料としてトリエチルガリウム
（TEG）、Al原料としてトリエチルアルミニウム（TE
A）、Ｂ原料としてトリメチルボロン（TMB）などを使用
することができ、さらにＮ原料としてヒドラジン（N
2H4）のほか、Ga（C2H5）３・NH3,Ga（CH3）３・Ｎ・
（CH3）３などの、アダクトと呼ばれる有機金属化合物
を用いることができる。さらに上述の実施例では第１導
電型をｎ型，第２導電型をｐ型とした場合を説明した
が、これらを逆にしてもよい。電極の材料も他のものを
選択することができる。
その他本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。
［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、広いバンドギャッ
プを持ちかつZB型構造が付与された５元系の新しい化合
物半導体材料を用いて、実用的な緑色半導体レーザを提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例に係るGaAlN/BP超格子層を用
いた半導体レーザを示す断面図、 第２図はその製造にも用いたMOCVD装置の構成を示す
図、 第３図はGaAlN/BP超格子層を用いた他の実施例の半導体
レーザを示す断面図、 第４図はGaAlBNP混晶層を用いた実施例の半導体レーザ
を示す断面図、 第５図はバッファ層を省略した実施例の半導体レーザを
示す断面図、 第６図はGaAlN/BP超格子層をバッファ層として用いた実
施例の半導体レーザを示す断面図、 第７図はSiC基板を用いた実施例の半導体レーザを示す
断面図、 第８図〜第10図は電流阻止層にAlBNP層を用いた実施例
の半導体レーザを示す断面図、 第11図〜第13図は電流阻止層にGaN層を用いた実施例の
半導体レーザを示す断面図、 第14図〜第17図はクラッド層の上下に中間バッファ層を
介在させた実施例の半導体レーザを示す断面図、 第18図〜第20図は基板を除去した実施例の半導体レーザ
を示す断面図、 第21図〜第23図はｎ型電流阻止層を省略した実施例の半
導体レーザを示す断面図、 第24図（ａ）（ｂ）は本発明に有用な選択ドーピングを
説明するための図である。 11……GaP基板、12……ｎ型GaPバッファ層、13……ｎ型
BPバッファ層、14……ｎ型GaAlN/BP超格子クラッド層、
15……アンドープGaAlN/BP超格子活性層、16……ｐ型Ga
AlN/BP超格子クラッド層、17……ｎ型BP電流阻止層、18
……ｐ型BPコンタクト層、19,20……電極、41……ｎ型G
aAlBNP混晶クラッド層、42……アンドープGaAlBNP混晶
活性層、43……ｐ型GaAlBNP混晶クラッド層、51……ｎ
型GaAlN/BP超格子バッファ層、61……SiC基板、81……
ｎ型AlBNP電流阻止層、91……GaN電流阻止層、101……
ｎ型GaAlN/BP超格子中間バッファ層、102……ｐ型GaAlN
/BP超格子中間バッファ層、111……ｎ型GaAlBNP混晶中
間バッファ層、112……ｐ型GaAlBNP混晶中間バッファ
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に、第１導電型クラッド層，活性層
    および第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合
    構造を有する半導体レーザにおいて、 前記第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型ク
    ラッド層は、BP層とGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が交互
    に積層されてGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型
    結晶構造を有する超格子層により構成されていることを
    特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項２】基板上に、第１導電型クラッド層，活性層
    および第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合
    構造を有する半導体レーザにおいて、 前記第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型ク
    ラッド層は、閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するGaxAlyB
    1-x-yNzP1-z（０≦x,y,z≦１）混晶層により構成されて
    いることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 【請求項３】基板上に、第１導電型クラッド層，活性層
    および第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合
    構造を有し、前記第２導電型クラッド層の一部を除いて
    第１導電型の電流阻止層が形成された半導体レーザにお
    いて、 前記第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型ク
    ラッド層は、BP層とGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が交互
    に積層されてGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型
    結晶構造を有する超格子層、または閃亜鉛鉱型の結晶構
    造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z（０≦x,y,z≦１）混晶
    層により構成され、前記電流阻止層がウルツ鉱型のGauA
    l1-uN層により構成されていることを特徴とする半導体
    レーザ。
  4. 【請求項４】基板上に、第１導電型クラッド層，活性層
    および第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合
    構造を有し、前記第２導電型クラッド層の一部を除いて
    第１導電型の電流阻止層が形成され、かつ電流阻止層お
    よび第２導電型クラッド層上に第２導電型のコンタクト
    層が形成された半導体レーザにおいて、 前記第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型ク
    ラッド層は、BP層とGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が交互
    に積層されてGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型
    結晶構造を有する超格子層、または閃亜鉛鉱型の結晶構
    造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z（０≦x,y,z≦１）混晶
    層により構成され、前記電流阻止層およびコンタクト層
    がBP層により構成されていることを特徴とする半導体レ
    ーザ。
  5. 【請求項５】基板上に、第１導電型クラッド層，活性層
    および第２導電型クラッド層からなるダブルヘテロ接合
    構造を有し、前記第２導電型クラッド層の一部を除いて
    第１導電型の電流阻止層が形成され、かつ電流阻止層お
    よび第２導電型クラッド層上に第２導電型のコンタクト
    層が形成された半導体レーザにおいて、 前記第１導電型クラッド層，活性層および第２導電型ク
    ラッド層は、BP層とGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が交互
    に積層されてGaxAl1-xN（０≦ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型
    結晶構造を有する超格子層、または閃亜鉛鉱型の結晶構
    造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z（０≦x,y,z≦１）混晶
    層により構成され、前記基板と第１導電型クラッド層の
    間または前記第２導電型クラッド層とコンタクト層の間
    の少なくとも一方に中間バッファ層を有することを特徴
    とする半導体レーザ。
  6. 【請求項６】前記中間バッファ層は、BP層とGaxAl1-xN
    （０≦ｘ≦１）層が交互に積層されてGaxAl1-xN（０≦
    ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層、ま
    たは閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z
    （０≦x,y,z≦１）混晶層の多層構造により構成され、
    かつそのバンドギャップが連続的に変化するように膜厚
    または平均組成比が設定されていることを特徴とする請
    求項５記載の半導体レーザ。
  7. 【請求項７】前記中間バッファ層は、BP層とGaxAl1-xN
    （０≦ｘ≦１）層が交互に積層されてGaxAl1-xN（０≦
    ｘ≦１）層が閃亜鉛鉱型結晶構造を有する超格子層、ま
    たは閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するGaxAlyB1-x-yNzP1-z
    （０≦x,y,z≦１）混晶層の多層構造により構成されて
    いることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ。
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