WO2006033237A1

WO2006033237A1 - 電流狭窄構造および半導体レーザ

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Publication number: WO2006033237A1
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Abstract

【課題】面発光レーザにおける、高い動作電圧、発熱による温度上昇、面内不均一注入、高速変調時の変調帯域の減少等の課題を解決するための技術を提供する。【解決手段】本発明による電流狭窄構造は、ｎ型半導体基板１０１の上にｎ型半導体層１０２、電流狭窄層１０６、電流広がり抑制層１０３、活性層１０４、ｐ型半導体層１０５が順次積層されている。電流狭窄層１０６は、電流通過層１０６ｂ、電流ブロック層１０６ａから構成されている。電流広がり抑制層１０３は、ｎ型またはアンドープで０．１％以上の窒素を含んだ希薄窒素系化合物半導体層を有している。

Description

明細書

電流狭窄構造および半導体レーザ

技術分野

[0001] 本発明は、電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザに関し、特に、 n型キヤリァによる電流を狭窄する電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザに関する。背景技術

[0002] 半導体レーザでは、活性層部のキャリア密度を上げるために、通常電流狭窄構造を用いる。端面発光型の半導体レーザでは、電流狭窄構造として埋め込みやイオン注入による電流ブロック構造や、メサ型のリッジ構造を採用している。一方、面発光レ一ザでは、電流狭窄構造として、イオン注入による電流ブロック構造のほか、 Al (Ga) As層の選択酸化を用いた酸化電流狭窄構造がよく知られている。この構造では、デノイスの層構造をすベて成長した後に、水蒸気酸化プロセスを用いてメサ側面から A l (Ga) As層の一部を選択的に酸化して絶縁性の高い酸化電流ブロック層にかえ、酸化しな力た領域にのみ電流が流れるようにする。

[0003] この技術では、平坦な基板の上に各半導体層をェピタキシャル成長するため、各層の組成や膜厚の制御が精密にできるため、歩留まりが良ぐまた、酸化電流ブロック層の屈折率が周りの半導体に比べて小さいため、横方向の光閉じこめ効果も有しており、レーザの低閾値化が可能である。このように、酸化電流狭窄構造は、特に Ga As系材料で構成される面発光レーザの電流狭窄構造として広く用いられている。

[0004] 図 6に、一般的な面発光レーザの酸化電流狭窄構造の断面模式図を示した。 n型半導体基板 201上に、 n型の半導体多層反射膜 202、 n型クラッド層 203、活性層 20 4、 p型クラッド層 205、電流狭窄層 206、 p型の半導体多層反射膜 207が順次積層されており、プロセスにより p側電極 208、 n側電極 209が形成される。電流狭窄層 206 は、電流ブロック層 206a、電流通過層 206bから構成される。

[0005] この面発光レーザに電流を通電すると、上部電極 208から注入された電流は p型の半導体多層反射膜 207を通ったあと、電流通過層 206bで狭窄される。狭窄された電流は、 p型クラッド層 205で少し広がりながら活性層 204に注入される。電流狭窄構造は、活性層 204でのキャリア密度を上げるのが目的であり、その観点から、電流狭窄層 206と p型クラッド層 205が、電流狭窄に大きな役割を果たす。すなわち、電流狭窄層 206で電流を狭窄し、できるだけその狭窄形状を維持したまま、活性層 204に電流を注入することが重要である。

[0006] そのためには、 p型クラッド層 205における電流広がりを極力小さくすることが必要となり、従来の電流狭窄構造は、 P型半導体層側に形成される。その理由は、通常 p型半導体層は、 n型半導体層に比べてキャリア移動度が 1Z10以下と低従って面内抵抗が高いので、電流狭窄後、活性層 204に電流が流れ込むまでの間の電流広がりを小さく抑えられるためである（例えば、非特許文献 1参照）。

[0007] これに対し、 p型半導体層側での電流狭窄ではなく、 n型導電層側での電流狭窄構造が知られている（特許文献 1)。特許文献 1において、 n型電流狭窄を有効にするために、電流広がり抑制層に A1組成が 0. 4以上の AlGaAs層を用いている。 A1組成が 0. 4以上の AlGaAs層の電子 (n型キャリア)移動度は、伝導帯下端の Γ—Χ交差や DXセンターの影響で、 GaAsの移動度の 1/10— 1/30以下になることが実験的に知られており、ほぼ正孔の移動度と同じであることから、 p型電流狭窄構造と同程度の電流狭窄効果を期待することができる。この n側電流狭窄構造を p型基板上の面発光レーザに用いた場合に、活性層への加工損傷の低減、発生した熱の放熱性の改善効果等が期待されている。

[0008] 非特許文献 1： Kent. D. Choquette等、 Applied Physics Letters 1995年 Vol.66、 3413 —3415頁

特許文献 1 :特開 2004— 146515号公報（第 5— 7頁、図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] し力ながら、非特許文献 1に報告された半導体レーザ構造にはいくつかの問題がある。第 1の問題点は、電流狭窄径を狭くしてレ、くと、素子全体の抵抗が大きくなつてしまう点である。図 7に従来の p型半導体層に電流狭窄構造を形成した場合のキヤリァの移動経路を示した。電流狭窄層 206により電流（正孔 (p型）キャリア）が狭窄されて、それにより、活性層 204で、良好なキャリア密度の集中が実現されている。 [0010] 電流狭窄層 206の上部にある p型の半導体多層反射膜 207は、 p型半導体層で形成されているため移動度は小さ電流狭窄層 206の直上部 210においても電流の広がりは抑制されている。 p型の半導体多層反射膜 207は、屈折率差の大きな材料のへテロ接合で形成されており、そのため有効質量の大きな正孔に対するヘテロ界面での単位面積あたりの抵抗が大きレ、。そのため、電流狭窄層 206だけでな直上部 210における抵抗も大きくなり、素子全体として大きな抵抗を有することになる。

[0011] また、電流狭窄層 206およびその直上部 210では、電流の集中が起こるが、そのキャリアが移動度の小さな正孔であるため、面内均一性が非常に悪くなる。すなわち、電流通過層 206bの端の領域（電流ブロック層 206aに近い部分）の電流密度は大きく、中心部での電流密度はそれに比べて小さくなる。これが上記第 2の問題点である

[0012] このように、酸化電流狭窄構造が p型半導体層側に形成されると、電気抵抗が大きくなり動作電圧の上昇、発熱による接合温度の上昇が生じ、素子の高温動作や高出力動作の妨げになる。また電流通過層 206bにおける電流密度の不均一性は、そのまま活性層 204での面内不均一注入を生じさせ、それに伴って高次横モードの出現、さらに空間的ホールバーニングも生じやすくなり、高速変調時の変調帯域の減少等の多くの特性劣化を引き起こす。

[0013] 一方、特許文献 1で開示された、 A1組成 0. 4以上の n型 AlGaAs半導体層を電流広がり抑制層に用いた半導体レーザ構造では、以下のような問題点がある。この半導体層の低いキャリア移動度は、伝導帯下端の Γ _X交差や DXセンターの影響によるため、他の材料系に適用することができない。すなわち、この n型電流狭窄構造を用いる場合は、電流狭窄層と活性層との間を、 A1組成 0. 4以上の n型 AlGaAs半導体層材料系で構成することが必要となり、設計の自由度が大きく制限される。例えば、長波系の面発光レーザを考えた場合、活性層として量子井戸を用いた時、それに隣接する n側のバリア層を A1組成 0. 4以上の n型 AlGaAs半導体層で構成すると、伝導帯、価電子帯ともにバンド不連続値が大きくなり、量子準位エネルギーが大きくなるため長波長化が困難になる。

[0014] また、成長上の問題でも、一般に A1組成の大きな AlGaAs半導体層の成長温度は比較的高温を必要とするが、例えば歪み量子井戸などは 3次元化を抑制するために比較的低温成長が良いとされており、これらの層を連続で成長する場合、温度を変えるための非常に長い成長待機時間が必要となり、その待機界面における非発光中心の増大を引き起こし素子特性が劣化する。更にこの材料系を有機金属気相成長法で成長した時は、 A1は Nを含んだ層に容易に取り込まれるため、直前まで A1を含んだ材料系を成長すると、例えば活性層が GalnNAs層である場合、活性層に多くの A1が混入しレーザ特性を大幅に劣化させることが知られている。このように、電流広力 Sり抑制層を AlGaAs系材料で構成する場合、バンド構造の設計上の自由度が小さぐまた、結晶成長上も多くの制限や困難を生じてしまう。

[0015] 本発明は上記のような事情を背景としてなされたものであって、本発明の目的は、設計自由度に優れた電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザを提供することにめる。課題を解決するための手段

[0016] 本発明の第 1の態様は n型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄構造であって、 n型半導体層と、活性層と、前記活性層と前記 n型半導体層の間に形成され、前記 n 型半導体層から前記活性層への n型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄層と、前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した窒素系化合物半導体層を有する電流広力 Sり抑制層と、を備える。この様な構成により、設計自由度に優れた電流狭窄構造を実現することができる。

[0017] 前記窒素系化合物半導体層は、 n型またはアンドープであることができる。また、前記窒素系化合物半導体層は、 GaAsN、 AlGaNAs、 GaInNP、 GaAsNP、 GalnN Asから構成される群から選択された材料によって形成されることができる。

[0018] 前記窒素系化合物半導体層には 0. 05%以上の窒素が含まれていることが好ましレ、。これによつて、十分に n型キャリアの移動度を小さくすることができる。前記電流広力 Sり抑制層は、前記窒素系化合物半導体層と A1組成が 0. 4以上の Al Ga As層

1 によって、より設計の自由度を増すことが可能となる。また、前記活性層を挟んで前記 n型半導体層の反対側の位置に形成された p型半導体層をさらに備え、 p型半導体層は、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を有することが好ましい。 [0019] 前記電流狭窄層は、 Al_xG_&i— _xAs半導体層（0. 95≤x≤ 1)の選択酸化によって形成されてもよいし、 n型半導体で形成される電流通過層と、外電流通過層の周りに形成された p型半導体電流ブロック層とによって構成されてもよい。

[0020] 本発明の第 2の態様にかかる半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板の面上に積層された、 p型半導体層及び n型半導体層層と、前記 p型半導体層と前記 n 型半導体層の間に形成された活性層と、前記活性層と前記 n型半導体層の間に形成され、前記 n型半導体層から前記活性層への n型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄層と、前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した窒素系化合物半導体層を有する電流広がり抑制層と、レーザ発振を誘起する光共振器構造と、を有する。この構成を有することによって、設計自由度に優れ、低動作電圧の半導体レーザを提供することができる。

[0021] 前記窒素系化合物半導体層には 0. 05%以上の窒素が含まれていることが好ましい。前記光共振器構造は前記活性層の上下に積層された半導体多層反射膜で構成され、レーザ光が前記半導体基板の面に対して垂直方向に出射することが好ましレ、。あるいは、前記電流拡散層が光の電界強度の節の部分になるように構成されていることが好ましい。

発明の効果

[0022] 本発明によれば、設計自由度において優れた n型電流狭窄構造を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0023] [図 1]本発明の実施の形態に力かる電流狭窄構造を示す断面図である。

[図 2]本発明の他の実施の形態に力かる半導体レーザの構造を示す断面図である。

[図 3]n型 GaAsNxの N組成 Xと電子移動度との関係を示すグラフである。

[図 4]本発明の実施例に力かる半導体レーザの構造を示す断面図である。

[図 5]本発明の実施例に力かる半導体レーザの構造を示す断面図である。

[図 6]従来技術にかかる面発光レーザ素子の構造を示す断面図である。

[図 7]従来技術に力かる面発光レーザ素子の電流狭窄を行った場合の模式図である符号の説明

101 n型半導体基板

102 n型半導体層

102a n型の半導体多層反射膜

102al Siドープ Al Ga As層

0. 9 0. 1

102bl Siドープ GaAs層

103 電流広がり抑制層

103a Siドープ Al Ga As N 層

0. 2 0. 8 99. 9% 0. 1%

103b アンドープ GaAs N 層

99. 8% 0. 2%

104 活性層

104a アンドープ Ga In N As 量子井戸層

0. 65 0. 35 1% 99%

104b アンドープ GaAs N バリア層

98. 6% 1. 4%

105 p型半導体層

105a 炭素（C)ドープ AlGaAsグレーデッド層 105b p型の半導体多層反射膜

105bl Cドープ Al Ga As層

0. 9 0. 1

105b2 Cドープ GaAs層

105c アンドープ GaAs N 層

99. 8% 0. 2%

105d アンドープ GaAs層

105e アンドープ In Ga As層

0. 2 0. 8

106 電流狭窄層

106a 電流ブロック層

106b 電流通過層

107 p側電極

108 n側電極

109 中間層部

201 n型半導体基板

202 n型の半導体多層反射膜 203 n型クラッド層

204 活性層

205 p型クラッド層

206 電流狭窄層

206a 電流ブロック層

206b 電流通過層

207 p型の半導体多層反射膜

208 p側電極

209 n側電極

210 電流狭窄層直上部

発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではなレ、。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。

[0026] 本発明の実施の形態に係る電流狭窄構造の基本構造について、図 1を参照して説明する。 n型半導体基板 101の上に n型半導体層層 102、電流狭窄層 106、電流広力 Sり抑制層 1₀₃、活性層 104、 p型半導体層 105が順次積層されている。電流狭窄層 106は、電流通過層 106b、電流ブロック層 106aから構成されている。 p型半導体層 105上には p型電極 107が形成され、また、 n型半導体基板 101の n型半導体層 1 02と反対の面には、 n型電極 108が形成されている。これら電極 107、 108によって、電流を外部から活性層 104に注入できるようになっている。電流広がり抑制層 103 は、 n型またはアンドープの窒素系化合物半導体層を有している。ここで、窒素系化合物半導体層は母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した層である。本形態においてはわずかな窒素を含む希薄化合物半導体が使用される。

[0027] 外部から注入された電流は、電流狭窄層 106の電流通過層 106bによって所望の大きさの径に狭窄され、活性層 104で電子と正孔の発光再結合という形で光に変換される。本例において、電流狭窄層 106は n型半導体層 102に隣接しており、電子キャリア (n型キャリア）の狭窄構造として機能している。狭窄された電子キャリアを、あまり広がらないように活性層 104まで導くの力電流広がり抑制層 103の役割である。この役割を果たすために、電流広がり抑制層 103は、希薄窒素系化合物半導体層を有している。希薄窒素系化合物半導体層の電子移動度は、通常の直接遷移型半導体の電子移動度に比べて大きく低下するため、電子キャリアの横方向の拡散が抑制される。これにより、電子キャリアを狭窄した n型電流狭窄構造においても十分な電流狭窄効果を発揮する。尚、希薄窒素系化合物半導体層については、後にさらに詳述する。

[0028] 以上は、本形態に係る n型電流狭窄構造の基本的な構成、動作を説明したものである力実際のデバイスに適用するには、上述の基本構成を用いて、より具体的な層構造を形成する必要がある。図 2は、本形態に係る電流狭窄構造を面発光レーザに適用した場合の層構造を示したものである。図 1との主な相違点の一つは、 n型半導体層 102が、 n型の半導体多層反射膜 102aとして形成されていことである。又、 p型半導体層 105の一部は、 p型半導体多層反射膜 105bとして形成されている。これにより、光を基板面に対して垂直方向に出射するための一対の反射膜が形成される。

[0029] また、 p型半導体層 105の一部は、 p型半導体グレーデッド層 105aとして形成されている。電流広がり抑制層 103、活性層 104及び p型半導体グレーデッド層 105aによって、中間層 109が形成されている。この中間層 109のキヤビティ長を、反射膜 10 2a、 105bの反射波長と同期させることで共振器構造が構成され、面発光レーザとして動作する。電流狭窄層 106や電流広がり抑制層 103の働きは、前述と同様である

[0030] この面発光レーザ構造では、電流狭窄層 106が n型の半導体多層反射膜 102aに P 接しており、電流狭窄部付近が n型半導体で形成されているので、電流狭窄層直下の n型半導体多層反射膜 102aでの電流の広がりは大きその結果電気抵抗は低くなる。また n型半導体では、 n型キャリア（電子）による光吸収係数が小さいので、 n型の半導体多層反射膜 102aのドーピング量を比較的高濃度にすることができ、これも低抵抗化にさらに寄与する。又、 p型半導体層 105、特に、 p型半導体層 105における活性層 104近傍に電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を形成し、 p 側ではできるだけ電流が広がるようにすることで、さらに p側の電気抵抗を下げることができる。このように素子の電気抵抗が低減することで、動作電圧の低減、発熱による接合温度の上昇の抑制といった効果を有する。

[0031] さらに、上述の n型の半導体多層反射膜 102aでの電流広がり効果は、キャリアの不均一注入をも抑制することができるため、面内不均一注入に起因した高次モードの抑制、空間的ホールバーニングに起因する高速変調時の変調帯域の低下の問題を解決する効果も有する。このように、本形態の電流狭窄構造を用いて半導体レーザを構成することによって、動作電圧が低ぐ温特に優れ、横モード安定性の高い、変調帯域の広い半導体レーザを提供することができる。

[0032] 尚、上記 2つの態様において、 n型半導体基板 101上に本発明の電流狭窄構造を形成する場合を説明したが、 p型半導体基板上に電流狭窄構造を形成する場合、上記説明した構造の n型半導体基板 101から上の部分を逆にした構造となる。

[0033] 続いて、本形態の電流広がり抑制層 103について詳細に説明する。本形態の電流狭窄構造及びそれを使用した半導体レーザは、 n側の電流狭窄構造にぉレ、てキヤリァの狭窄を有効なものとするために、電子移動度の小さな希薄窒素系化合物半導体層を電流広がり抑制層 103に用いている。電流広がり抑制層 103における電流広がり量は、その層における抵抗率や層厚、電流値などにより決まり、抵抗率が高ぐ層厚が薄いほど横方向への電流拡散は抑制される。これらのパラメータの中で材料の物性が大きく関係するのは抵抗率である。抵抗率はさらにキャリア移動度とキャリア濃度の関数であり、キャリア移動度やキャリア濃度が小さいほど抵抗率は大き電流広力 Sりは抑制される。

[0034] 図 3は、 GaAsに少量の Nを添加した GaAsN希薄窒素系化合物半導体層の室温における電子移動度の N濃度依存性を示したものである。この図から、 Nを微量に導入することで急激に電子移動度が小さくなつていることがわかる。少量の Nで急速に移動度が下がる原因としては、 N導入によるポテンシャルの揺らぎが関係していると考えられている。このため、 N導入による移動度の低下は、電流広がり抑制層に使用される様々な材料の化合物半導体に適用することができる。このように、非常に微量の Nを添カ卩することで電子の移動度を大きく下げることができるため、 N添加前の母体半導体材料の他の多くの諸物性 (格子定数、バンドギャップ、熱抵抗等）はほぼ維持したままにできる。このため、電流広がり抑制層を構成する材料系としては N添カロによる物性変化を考慮せずに選択することが可能となる。これによつて、設計自由度に優れた n型電流狭窄構造及びそれを用いた半導体レーザを提供することができる

[0035] 電流広力り抑制層 103における電流の広がりが大きすぎる場合、有効な電流狭窄を行うことができなレ、。この点から、電流広がり抑制層 103における電子移動動は、 1 000cm²/V' sec以下であることが好ましぐさらに好ましくは、 700cm²/V' sec以下である。図 3を参照すると、特に Nの濃度が 0から 0. 05%までの間で大きく電子移動度が低下し、その後、徐々に電子移動度が低下していく。また、 Nの濃度 0. 05% における電子移動動は 1000cm²/V' sec以下の値になっている。 n型キャリアの電流広がり抑制層 103に使用される他の化合物半導体材料に対して、 GaAsは大きな電子移動度を示すため、移動度に対する Nの濃度は GaAsを基準として考えることができる。このため、希薄窒素系化合物半導体に含まれる Nの濃度は 0. 05%以上であることが好ましぐさらに好ましくは 0. 1 %以上である。

[0036] n型電流狭窄構造において、電流広がり抑制層 103が p型電流狭窄構造におけるキャリア移動度以下のキャリア移動度を示すように N添加濃度を決定することは、好ましい態様の一つである。例えば、 p型 GaAs電流狭窄構造は、典型的には、約 400c m²/V' secのキャリア移動度を示す。従って、 n型 GaAs電流狭窄構造における電子移動度が 400cm²ZV' secを示すように、電流広がり抑制層 103に濃度 0. 3%以上の Nを添加する。一方、母体化合物半導体の原子を窒素によって置換できる量は結晶成長の点から限られている。この点から、母体化合物半導体に添加する N濃度は 5。/₀以下が好ましぐさらに好ましくは、 3。/₀以下である。

[0037] ここで、 GaAsの電子キャリアでの電流広がりを見積もる。具体的な値として、例えば、電流通過層 106bの幅 Lが L = 5 z m、電流広がり抑制層 103の層厚 dが d= 200η m、電流通過層 106b直下の電流値 Iが 1= 10mAとする。キャリア濃度 nが η= 3x1ο¹ ⁷cm_³のとき、 N濃度が 0%における移動度 μが μ = 6000cm²/V' secであるので、抵抗率 pは p = 3. 5χ10^_3 Ω ' cmとなる。電流広がり幅 1 = 29 μ mとなり、電流通過幅 5 x mに対して片側の電流広がり幅は約 29 z mにもなり、有効な電流狭窄が行われない。これに対して、例えば、移動度 μが μ = 200cm²/V- sec,キャリア濃度 n 力 ¾= 3xl0¹⁷cm_³とすると、抵抗率 pは p =0. 1 Ω ' cmとなる。この場合、電流通過層 106bの幅に対して片側の電流広がり幅 1は 1= 1 μ mとなり、十分な電流狭窄を行うことができる。

[0038] ここで、 GaAs基板上に積層可能な電流広がり抑制層としては、先出の GaAs N の他、 Al Ga N As 、 Ga In N P 、 GaAs N P 、 Ga In As Nなどが好ましい材料として挙げられる。

[0039] GaAs N層は、 GaAsとほぼ同じ物性をもつので、 GaIn (N) As量子井戸層に隣接した電流広がり抑制層として用いることで、電流狭窄効果と発光波長の長波化を実現することが出来る。しかし、 GaAsN系材料では、 Al Ga As半導体層（0· 95 ≤x≤ 1)の選択酸化電流狭窄層との間に大きな伝導帯バンド不連続値（〜200me V)があるため、直接この両者を接合すると大きなヘテロスパイクが生じる。

[0040] Al Ga N As 系材料は、そのギャップを埋める材料系として有効である。 A1G

丄一

aAs混晶は伝導帯最下端のバンドが交差（ Γ X交差)するので、 AlAsの X点と A1

0.

Ga Asの Γ点とではエネルギーレベル的に障壁は無レ、。しかし、 Al Ga Asの

3 0. 7 0. 3 0. 7

Γ点と GaAsNの Γ点では、 200meV程度のエネルギー差があるので、 A1組成 yがグレーデッドに変化する Al Ga N As 系材料（0<y≤0. 3、 x≥0. 1%)を A1G aAs層と GaAsN層の間に揷入することで、ヘテロスパイクの影響を抑制することができる。

[0041] 例えば、 GaAsN層の直下に Al Ga N As を形成し、その下層に Al Ga N

0.1 0.9 x 1 -x 0.2 0.8 x

As を形成し、さらにその下層に Al Ga N As を形成する。このように、 AlGa

As層力 GaAsN層に向けて、段階的に Alの組成量が減少する複数の Al Ga N

0.2 0.8 x

As を形成することで、ヘテロスパイクの影響を抑制することができる。

[0042] また、 Ga— In N P 系では、 In組成 yを約 0. 49にすると GaAs基板に格子整合することが可能である。具体的には、 Ga In N P 組成の電流広がり抑制層 10

0.51 0.49 0.02 0.98

3を形成することができる。この材料系では、 As系混晶半導体のエッチングストップ層として機能するだけでは無ぐ前述のように、 A1を組成に持たないため、 N系発光層と組み合わせることで非発光中心の少ない結晶を得ることができる。

[0043] GaAs N P系材料では、 Pの存在によって GaAsに対して引っ張り歪みを生じ

1

させるので、 GaAs基板に対して圧縮性の歪みを有する活性層の歪補償構造としても用いることができる。具体的には、 GaAs N P によって電流広がり抑制層 103

0.898 0.02 0.1

を形成することができる。

[0044] さらに、 Ga In As N系材料では、 In組成と N組成をうまく変化させることで引

1 1— χ χ

つ張り歪みでも圧縮性の歪みにすることも可能となり、材料による自由度を大幅に増大させるが出来る。具体的には、 Ga In As N によって電流広がり抑制層 10

0.95 0.05 0.98 0.02

3を形成することができる。

[0045] 電流広がり抑制層を構成する層は、異なる構成元素からなる多層構造でも機能する。各層は前述の希薄窒素系化合物半導体層の組み合わせでも良いし、従来例にある A1組成が 0. 4以上の Al Ga _ As層との組み合わせで形成してもよレ、。これにより、電流広がり抑制層の設計に対する自由度がさらに大きくなる。このとき、 A1組成が 0. 4以上の Al Ga _ As層と GaAsN層の間に、上記のように、 A1組成 yがグレーデッドに変化する Al Ga N As 系材料（0<y≤0. 3、 χ≥0· 1 %)を挿入することが

丄 1

好ましい。

[0046] このように、電流広がり抑制層 103に対するいくつかの好ましい材料を挙げたが、電流広がり抑制層 103以外の他の層については、 GaAs系で電流広がり抑制層 103 を形成した場合とほぼ同様の構成とすることができる。例えば、活性層 104近傍の p 型半導体層 105に、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を形成することで、 p側ではできるだけ電流が広がるようにすることで、 p側の電気抵抗を下げることができる。

実施例 1

[0047] 次に、図 4を用いて本発明による電流狭窄構造および半導体レーザの第 1の実施例を説明する。ここでは 1300nm帯の面発光レーザを例にとって説明する。面発光レーザの構造は、 _n型の半導体多層反射膜 102aと p型の半導体多層反射膜 105bとそれに挟まれた形で中間層部 109がある。以下、各部について詳細に説明する。

[0048] まず、 Siドープ GaAs基板 101上に、低屈折率層として Siドープ Al Ga As層 1 02alと高屈折率層として Siドープ GaAs層 102a2との一対を基本単位にして、 35ぺァの半導体多層反射膜 102aを有機金属気相成長（MOCVD)法にて順次積層する。もちろん、分子線エピタキシー成長（MBE)法を用いてもよレ、。尚、図 4においては、数ペアのみ半導体多層反射膜 102aが示されている。低屈折率層 102alと高屈折率層 102a2の間は、電気抵抗低減のために Siドープ AlGaAsグレーデッド層（不図示）が揷入される。その上に、適切な層厚の Siドープの AlGaAsスぺーサ層（不図示 )と Siドープの Al Ga Asの選択酸化層 106を 40nm積層する。ここまでで、半

0. 97 0. 03

導体多層反射膜 102aと選択酸化層 106とによって、 n型多層反射膜 35. 5ペア分が積層されたことになる。

[0049] 次に中間層部 109である力 Al Ga Asの選択酸化層 106の上に Siドープ A1

0. 97 0. 03

Ga As N 層 103aを積層し、続いてアンドープ GaAs N 層 103

0. 2 0. 8 99. 9% 0. 1% 99. 8% 0. 2% bを積層し電流広がり抑制層 103を形成する。 Siドープ Al Ga As N 層 1

0. 2 0. 8 99. 9% 0. 1%

03aは、アンドープ GaAs N 層 103bと Al Ga Asの選択酸化層 106の

99. 8% 0. 2% 0. 97 0. 03

との間における伝導帯バンド不連続値によるへテロスパイクの影響を抑制する。

[0050] さらに、電流広がり抑制層 103の上に 2重量子井戸活性層を形成する。 2重量子井戸活性層は、 2層の 6nm厚のアンドープ Ga In N As 量子井戸層 104aと

0. 65 0. 35 1% 99%

、 2つの量子井戸層 104aの間及び 2つの量子井戸層 104aを挟む位置に形成された 3層の 30nm厚のアンドープ GaAs N バリア層 104bと力らなる。

98. 6% 1. 4%

[0051] 引き続き、アンドープ GaAs N 層 105cと炭素（C)ドープ AlGaAsグレーデ

99. 8% 0. 2%

ッド層 105aを積層する。これら 103aから 105aまでで中間層部 109が構成される。中間層部 109は、光学長として、一波長分の共振構造になるように層厚が設計されている。

[0052] 続いて、 p型の半導体多層反射膜 105bを形成する。これは低屈折率層として Cドープ Al Ga As層 105blと高屈折率層として Cドープ GaAs層 105b2との一対を

0. 9 0. 1

基本単位にして、 25ペアの基本単位を順次積層することによって半導体多層反射膜 105bを形成する。尚、図 4においては、数ペアの基本単位が示されている。最後の層の一部は、 p側ォーミックコンタクトが取りやすいように高濃度の Cドープが施されている。また p型の半導体多層反射膜でも抵抗低減のため、低屈折率層と高屈折率層の間は、 Cドープ AlGaAsグレーデッド層が挿入される。

[0053] 電流広がり抑制層 103のバンド設計である力 Al Ga Asの選択酸化層 106

0. 97 0. 03

の伝導帯最下端は X点になっており、一方、それに隣接する Al Ga As N

0. 2 0. 8 99. 9% 0. 1 層 103aの伝導帯最下端は Γ点であり、そのエネルギー準位は Al Ga As

% 0. 2 0. 8 99. 9%

N 層 103aの方力約 40meV低くなつており、スムーズに次の GaAs N 層

0. 1% 99. 8% 0. 2% に繋げること力 Sできる。この部分を電子移動度の小さな A1組成 0. 4以上の AlGaAs 層で形成すると lOOmeV程度のポテンシャルバリアが生じてしまう。このように、希薄窒素系化合物層を電流広がり抑制層 103に用いることで、バンド設計の自由度が向上する。

[0054] 以上のようにして、形成された積層構造を、通常のデバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。まず、フォトレジストをェピタキシャル成長膜上へ塗布し、円形のレジストマスクを形成する。つぎに、ドライエッチングにより、下部 n型多層反射膜 102aが露出するまでエッチングを行い、直径約 30 μ ΐηの円柱状構造を形成する。この工程により、電流狭窄層 106の側面が露出する。

[0055] そして、水蒸気雰囲気中の炉内において温度約 400度で約 10分間加熱を行う。選択酸化層 106の A1組成は 0. 97と大きぐ ρ型の半導体多層膜の中の A1組成 0. 9と差があるため、選択酸化層の酸化速度が速ぐ ρ型の半導体多層膜では酸化があまり進まず、選択酸化層 106で選択的に酸化が進む。これにより、電流ブロック層 106a が電流狭窄層 106の外周部に形成され、中心部には直径が約 8 z mの電流通過層 1 06bが形成される。

[0056] 次に、メサ上にチタン (Ti)Z金 (Au)のリング状の p型電極 107を形成する。また n側電極として、 n型多層反射膜 102aの一部である GaAs層 102bを露出させて、その部分に AuGe合金の n型電極 108を形成する。

[0057] このようにして作製した面発光レーザは、 n型キャリアの電流狭窄が有効に機能しているため、従来の p型キャリアによる電流狭窄と同程度の低閾値特性となる。さらに、 p 型の半導体多層反射膜 105bでの電流狭窄がないために、その部分の電気抵抗が低減され、素子全体として低抵抗になる。このため、動作時の発熱が抑制され、最高動作温度が高くなると共に、発熱により抑制されていた光出力を大きくすることができる。さらに、電流狭窄層に隣接した n型の半導体多層反射膜 102aでは、従来の p型の半導体多層反射膜 105bでの電流広がりに比べて大きいので、電流通過層 106b の中のキャリアの不均一性をも抑制することができる。このため、面内不均一注入に起因した高次モードの抑制、空間的ホールバーニングに起因する高速変調時の変調帯域の低下の問題を解決する。

実施例 2

[0058] 次に、図 5を用いて本発明による電流狭窄構造および半導体レーザの第 2の実施例を説明する。ここでも 1300nm帯の面発光レーザを例にとって説明する。第 1の実施例との相違点は、本実施例では p型半導体層 105に電流拡散層 105dを光の電界強度の節となる場所に挿入した点である。 n型の半導体多層反射膜 102aと p型の半導体多層反射膜 105bは実施例 1と同じなので、ここでは中間層部 109について詳細に説明する。

[0059] 中間層部 109は、 Al Ga Asの選択酸化層 106の上に Siドープ Al Ga A

0. 97 0. 03 0. 2 0. 8 s N 層 103aを積層し、続いてアンドープ GaAs N 層を積層し電流広

99. 9% 0. 1% 99. 8% 0. 2%

力 Sり抑制層を形成する。さらに、電流広がり抑制層 103の上に 2重量子井戸活性層を形成する。 2重量子井戸活性層は、 2層の 6nm厚のアンドープ Ga In N As

0. 65 0. 35 1% 99 量子井戸層 104aと、 2つの量子井戸層 104aの間及び 2つの量子井戸層 104aを

%

挟む位置に形成された 3層の 30nm厚のアンドープ GaAs N バリア層 104b

98. 6% 1. 4%

とからなる。

[0060] 引き続き、アンドープ GaAs N 層 105cとアンドープ GaAs層 105dを積層す

99. 8% 0. 2%

る。その上に、アンドープ 10nm層厚の In Ga As電流拡散層 105eを積層し、さ

0. 2 0. 8

らに炭素（C)ドープ AlGaAsグレーデッド層 105aを積層する。これら 103a力 105a までで中間層部 109が構成される。中間層部 109は、光学長として 1波長分の共振構造になるように、層厚が設計されている。

[0061] 電流拡散層 105eは、圧縮性歪みを有するアンドープ In Ga As層で形成され

0. 2 0. 8

ており、隣接した炭素（C)ドープ AlGaAsグレーデッド層 105aからの正孔が電流拡散層 105eに蓄積し、いわゆる 2次元正孔ガスを形成する。電流拡散層 105eは、アンドープ層であるためイオンィ匕不純物散乱の影響を直接受けないため、正孔移動度が大きレ、。さらに、電流拡散層 105eは、圧縮性歪みを有するため、歪みの影響により重い正孔の面内有効質量が GaAsなどに比べて小さぐ正孔移動度が GaAsに比べて 3倍程度大きい。

[0062] このため、電流拡散層 105eに形成された 2次元正孔ガスは面内方向の移動度が大きく、正孔を面内で拡散することができる。また、本実施例では、活性層 104が電界強度の腹にあたる所に作られ、それより 4分の 1波長分離れた電界強度の節にあたる所に電流拡散層 105eが形成されてレ、るので、電流拡散層 105eに蓄積された正孔は、大きな光吸収損失を与えない。

[0063] 以上のようにして、形成された積層構造を、実施例 1と同様にデバイスプロセス工程で面発光レーザ素子に加工する。その結果、実施例 2では p側の電流拡散層が挿入されている効果で、電気抵抗が実施例に比べて大幅に低減した。また、発振閾値も、電流拡散層が電界強度の節にあたる所に作られているため、光吸収損失は最小に抑えられ、実施例 1とほぼ同じで良好な値であつた。

[0064] 本実施例では、面発光レーザを例にとって説明した力端面発光型レーザであつても良い。また、本実施例の電子広がり層では、 2層の組成の異なる希薄窒素系化合物材料で構成したが、これが更に多層であっても良いし、 A1組成が 0. 4以上の A1 GaAs層との組み合わせであっても良い。また本実施例では結晶成長法に MOCVD 法を用いたが、 MBE法であっても良い。ここでは面発光レーザの発振波長として 13 OOnm帯の例をあげたが、他の波長帯であっても良レ、。また、本実施例では、 n型基板上で例示したが、 p型基板を用いても良い。

[0065] 本形態の電流狭窄構造は、 n側で有効に電流狭窄を行ってレ、るので、低抵抗化が可能で、かつキャリアの不均一注入を抑制するが可能となり、動作電圧の上昇、発熱による接合温度の上昇といった問題を解決する効果や、面内不均一注入による高次モードの出現、高速変調時の変調帯域の減少といった問題を解決する効果を有する産業上の利用可能性

[0066] 本発明の電流狭窄構造は、例えば、半導体レーザに適用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] n型半導体層と、

活性層と、

前記活性層と前記 n型半導体層の間に形成され、前記 n型半導体層から前記活性層への n型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄層と、

前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した窒素系化合物半導体層を有する電流広がり抑制層と、

を備える、電流狭窄構造。

[2] 前記窒素系化合物半導体層は、 n型またはアンドープであることを特徴とする、請求項 1に記載の電流狭窄構造。

[3] 前記窒素系化合物半導体層は、 GaAsN、 AlGaNAs, GaInNP、 GaAsNP、 Gal nNAsから構成される群から選択された材料によって形成されることを特徴とする、請求項 1又は 2に記載の電流狭窄構造。

[4] 前記窒素系化合物半導体層には 0. 05。 /。以上の窒素が含まれている、請求項 1、

2又は 3に記載の電流狭窄構造。

[5] 前記電流広がり抑制は、前記窒素系化合物半導体層と A1組成が 0. 4以上の Al G a As層を備えることを特徴とする、請求項 1、 2、 3又は 4に記載の電流狭窄構造。

[6] 前記電流狭窄構造は、前記活性層を挟んで前記 n型半導体層の反対側の位置に形成された p型半導体層をさらに備え、

前記 P型半導体層は、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を有する、請求項：!〜 5のいずれか一項に記載の電流狭窄構造。

[7] 前記電流狭窄層は、 Al Ga As半導体層（0. 95≤x≤l)の選択酸化によって形成されることを特徴とする、請求項 1〜6のいずれか一項に記載の電流狭窄構造。

[8] 前記電流狭窄層は、 n型半導体で形成される電流通過層と、該電流通過層の周りに形成された P型半導体電流ブロック層とによって構成されることを特徴とする、請求項:!〜 6のいずれか一項に記載の電流狭窄構造。

[9] 半導体基板と、

前記半導体基板の面上に積層された、 p型半導体層及び _n型半導体層と、前記 p型半導体層と前記 n型半導体層の間に形成された活性層と、前記活性層と前記 n型半導体層の間に形成され、前記 n型半導体層から前記活性層への n型キャリアによる電流を狭窄する電流狭窄層と、

前記電流狭窄層と前記活性層との間に形成され、母体化合物半導体の原子の一部を窒素で置換した窒素系化合物半導体層を有する電流広がり抑制と、

レーザ発振を誘起する光共振器構造と、

を有する半導体レーザ。

[10] 前記窒素系化合物半導体層は 0. 05%以上の窒素を含んでいる、請求項 9に記載の半導体レーザ。

[11] 前記光共振器構造は前記活性層の上下に積層された半導体多層反射膜で構成され、

レーザ光が前記半導体基板の面に対して垂直方向に出射することを特徴とする、請求項 9又は 10に記載の半導体レーザ。

[12] 前記 p型半導体層は、電流の面内方向拡散を増強する電流拡散層を有し、

前記電流拡散層が光の電界強度の節の部分になるように構成されている、請求項 9、 10又は 11に記載の半導体レーザ。