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半導体レーザ素子 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 半導体レーザ素子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−53602
公開日 平成6年(1994)2月25日
出願番号 特願平4−204768
出願日 平成4年(1992)7月31日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 田中 俊明
要約 目的
III−V 族半導体材料を用いて最も短波長である600nm以下の発振波長を有するレーザ素子を室温連続動作下で得る。

構成
n型GaP基板1の上にSiドープn型AlyGa1-yP光導波層2,窒素ドープGax1In1-x1P量子障壁層及び窒素ドープGax2In1-x2P量子井戸層の繰り返しからなる多重量子井戸層13,Znドープp型AlyGa1-yP光導波層6,ZnドープGax3In1-x3P薄膜層7,Znドープp型AlyGa1-yP光導波層8を順次分子線エピタキシー法によってエピタキシャル成長し、この後、SiO2 マスクを形成し、ケミカルエッチングにより層8を層7に到るまで除去してリッジストライプを形成する。次に、マスクを残したまま、n型GaP電流狭窄層9を選択成長する。さらに、マスクを除去した後p型GaAsコンタクト層10を埋め込み成長し、p電極11及びn電極12を蒸着する。
特許請求の範囲
【請求項1】GaP半導体基板上に設けられたダブルヘテロ接合構造において、有機金属気相成長(MOCVD)法又は分子線エピタキシー(MBE)法により成長された禁制帯幅の大きな光導波層はAlyGa1-yP(0≦y≦1)材料により形成され禁制帯幅の小さい活性層は直接遷移型のGaxIn1-xP(0<x<1)材料により形成されており、かつ該光導波層或いは少なくとも該活性層には導電型を示す不純物とは別に窒素が不純物としてドープされており、さらに該GaxIn1-xP活性層は半導体基板に対して組成xにおける臨界膜厚以下の範囲の膜厚で設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項2】請求項1記載の半導体レーザ素子において、該活性層はGax1In1-x1P(0<x1<1)量子障壁層及びGax2In1-x2P(0<x2<x1<1)量子井戸層からなる単一または多重量子井戸構造により形成され、少なくとも該量子井戸層は直接遷移型の組成からなり、かつ該量子井戸構造全体或いは少なくとも該量子障壁層には窒素が不純物としてドープされていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項3】請求項1又は2記載の半導体レーザ素子において、該Gax1In1-x1P量子障壁層の組成x1は0.65<x1<1の範囲でその膜厚LBは0.2nm<LB<25nmの範囲であり、該Gax2In1-x2P量子井戸層の組成x2 は0.60<x2<0.75の範囲でその膜厚LZは0.2nm<LZ<15nmの範囲であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項4】請求項1,2又は3記載の半導体レーザ素子において、該活性層が単原子層または数原子層のGax1In1-x1P薄膜障壁層と単原子層または数原子層のGax2In1-x2P薄膜井戸層の周期的繰り返しからなる超格子層によって形成されることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項5】請求項2,3又は4記載の半導体レーザ素子において、該量子障壁層が単原子層または数原子層のGax1In1-x1P薄膜障壁層と単原子層または数原子層のGax2In1-x2P薄膜井戸層の周期的繰り返しからなる超格子層によって形成されることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項6】請求項1,2,3,4又は5記載の半導体レーザ素子において、該光導波層或いは少なくとも該活性層に不純物としてドープする窒素はNH3またはN2ラジカルを原料として導入され、その濃度を1×1017〜1×1020cm-3の範囲に設定されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項7】請求項1,2,3,4,5又は6記載の半導体レーザ素子において、該光導波層において該活性層に隣接する両側の0.1から0.2μmまでの領域には不純物として窒素が高濃度にドープされており、その濃度を5×1018〜1×1020cm-3の範囲に設定されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項8】請求項1,2,3,4,5,6又は7記載の半導体レーザ素子において、光分離閉じ込め層として該量子障壁層のAl組成を0からy1 まで徐々に変化させたGRIN(Graded Index)層、または階段状に大きくしていったステップ層を設けたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項9】請求項1,2,3,4,5,6,7又は8記載の半導体レーザ素子において、該半導体基板に用いる基板面方位が(001)面から[110][110]方向又は[110][110]方向に0°から54.7° の範囲で傾いた面を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光情報端末或いは光応用計測用の光源に適する短波長可視半導体レーザ素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の技術では、GaAs基板上に設けられたAlGaInPLDにおいてAl組成の大きな活性層を用いることによりバンドギャップエネルギーを増大させ、室温連続発振できるものでは現在最も短波長領域である630nm帯の発振波長が得られていることが例えば公知例1)エレクトロニクス・レタース1990年,26巻,211頁(Electron.Lett.,26(1990)211)において述べられている。
【0003】しかしながら、III−V 半導体材料では、これまで室温動作下で600nm以下の発振波長を得るための具体的な半導体材料やレーザ構造について言及されていない。また、II−VI半導体材料で作製されるレーザ素子においても、550〜590nm範囲の発振波長を実現できる材料の選択やレーザ構造についても検討はなされていない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、III−V 族半導体材料のうちGaAs基板に格子整合するAlGaInP材料しか考慮されておらず、発振波長が室温連続動作下では630nm以下の短波長レーザが得られていなかった。
【0005】本発明の目的は、III−V 族半導体材料を用いて最も短波長である600nm以下の発振波長を有するレーザ素子を室温連続動作下で得ることにある。さらに、ワイドギャップのII−VI族半導体材料を用いても達成し難い発振波長域550〜590nmを有する緑から黄色のレーザを提供することにある。本発明では、GaP半導体基板を用いて活性層にはGaInP歪量子井戸又は超格子層を導入して材料やレーザ構造の設計を述べる。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するための手段を以下に説明する。
【0007】本発明では、活性層にキャリアを閉じ込めるために光導波層のバンドギャップエネルギーをできるだけ大きく設定できるようにAlGaP半導体材料を光導波層とし、半導体基板にはこれと格子整合系であるGaP基板を用いた。活性層にはIII−V 族半導体材料の中では窒化物を除いて最もバンドギャップエネルギーの大きいGaInP半導体材料を用いた。GaxIn1-xP層はGaの組成xが0.73 まで直接遷移型の材料であり、この組成までのGaxIn1-xP層を発光活性層に用いることができる。しかし、一方GaInP層はGaP基板に対して圧縮歪が加わる歪系となり、臨界膜厚以下で設ける必要があり、本発明ではこれを規定する。
【0008】さらに、活性層に用いるGaxIn1-xP層のGa組成xに関しては、直接遷移のΓ点と間接遷移のX点がバンド交差する付近の組成を用いることになるので、直接遷移の組成範囲であっても遷移確率が小さくなってくる。この遷移確率を向上させるため、例えば公知例2)においてGaAsP材料に対しては既に試みられているが、本発明のAlGaP光導波層或いはGaxIn1-xP活性層に対して窒素をIsoelectronic trapの不純物中心として導電型を示す不純物とは別にドープした。これにより、間接遷移付近又は間接遷移のX点が直接遷移のΓ点より低くなった領域でも直接遷移発光確率を増大させることが出来る。
【0009】
【作用】目的を達成するため、上記手段について説明する。
【0010】本発明では、GaP半導体基板を用い、活性層には基板に比べて格子定数が大きくなり歪系となるGaInP材料を導入する。GaxIn1-xP層は組成xが0.73まで直接遷移であり、バンドギャップエネルギーは2.239eVであるため波長で約553nmまで短波長化の可能性がある。しかし、組成xを大きくしていくと、GaInP層には圧縮歪が加わり、成長する膜厚に対して歪量が緩和される臨界膜厚以下である制限が生じる。図1では、GaP基板に対するGaxIn1-xP層の臨界膜厚と組成xとの関係を求めた結果を示す。組成0.73では臨界膜厚は約5nmであり、これ以下に活性領域の膜厚を設定する必要がある。直接遷移型である組成0.73 以下の領域では、上記臨界膜厚の制限が加わるため、活性層は必然的に量子サイズ効果の生じる量子井戸構造になる。量子井戸構造における各層の組成と膜厚は全体で臨界膜厚を超えないように設定しなければならない。
【0011】量子井戸層では、例えば図2に示すようにGa組成xを直接遷移領域でできるだけ小さく設定し、量子サイズ効果と歪量効果の両方を大きく利用して状態密度が高くなるようにした方が望ましい。このとき、量子井戸層における直接遷移の発光効率も高くできる。これらのことを考慮して、量子井戸層の組成は0.60から0.73 の範囲で膜厚は1原子層から10nmの範囲が望ましい。これに対して、量子障壁層については多重量子井戸構造の井戸数にも依存するが、組成0.65から1.0の範囲で膜厚は1原子層から25nmの範囲が望ましい。また、例えば図8に示すように障壁層を形成する各層の平均の圧縮歪量が大きくなるようにした方が伝導帯と価電子帯の間のバンドギャップエネルギーを大きく設定でき、量子井戸層とのヘテロ障壁を増大させることができる。このため、単純な量子障壁層よりも組成xを十分小さくした圧縮歪層を周期的に設けた歪超格子層とすることがキャリア閉じ込めには有効である。
【0012】一方、本発明では間接遷移領域に近いGaxIn1-xP層の組成を活性層に用いているので直接遷移の発光効率が低減してくる。これを改善するため、本発明のGaP/GaInP系に対して従来公知例2)で示されるようにGaAsP層において窒素をIsoelectronic trapの不純物としてドープして間接遷移領域においても直接遷移確率を高めて発光強度を増大させる手法を適用した。GaInP活性層全体或いは変調して窒素をドープすることによって、間接遷移領域或いはその近傍の直接遷移の発光効率を高めることができた。
【0013】また、間接遷移領域或いはその近傍においては、例えば図6に示すような単原子或いは数原子層のオーダで障壁層と井戸層を繰り返した超格子層とすることによっても、バンド構造の折り返し即ちゾーンフォールディングにより直接遷移発光効率を高めることができた。
【0014】以上のことを考慮して本発明の実施例を試みた結果、GaP/GaInP系において600nm以下の発振波長550〜590nm範囲の緑から黄色のレーザ素子を室温連続動作で得た。
【0015】
【実施例】実施例1本発明の一実施例を図2,図3により説明する。図3において、(001)面から[110][110]方向に15.8° 傾いた面を有するn型GaP基板1(d=100μm,nD =2×1018cm-3)を用いて、その上にSiドープn型AlyGa1-yP光導波層2(y=0,d=0.5μm,nD =1×1018cm-3),窒素ドープGax1In1-x1Pグレーデッド障壁層3(x1は1.0から0.9まで図2に示すように徐々に変化、d=30nm)及び窒素ドープGax2In1-x2P量子井戸層4(x2=0.65,d=5nm)及び窒素ドープGax1In1-x1P グレーデッド障壁層5(x1は0.9から1.0まで図2に示すように徐々に変化、d=30nm),Znドープp型AlyGa1-yP光導波層6(y=0,d=0.2μm,nA =7×1017cm-3),Znドープp型Gax3In1-x3P薄膜層7(x1=0.9,d=3nm),Znドープp型AlyGa1-yP光導波層8(y=0,d=1.0μm,nA =1×1018cm-3)を順次分子線エピタキシー(MBE)法によってエピタキシャル成長した。窒素ドープはN2ラジカルを原料にして行い、不純物濃度としては1×1018〜1×1019cm-3の範囲で導入した。この後、ホトリソグラフィーによりSiO2マスク(膜厚d=0.2μm,ストライプ幅5μm)を形成し、ケミカルエッチングにより層8を層7に到るまで除去してリッジストライプを形成する。次に、SiO2 マスクを残したまま、n型GaP電流狭窄層9(d=1.0μm,nD =3×1018cm-3)を選択成長する。さらに、SiO2マスクを除去した後p型GaPコンタクト層10(d=1〜2μm,nA =5×1018〜1×1019cm-3)を埋め込み成長し、p電極11及びn電極12を蒸着する。さらに、劈開スクライブして素子の形に切り出し、図3の断面を有する素子を得る。
【0016】本実施例によって、室温連続動作下において閾値電流が150〜200mAであり、基本横モードに制御された580〜590nmの発振波長を有する黄色レーザ素子を得た。共振器長600μmの素子において、動作温度70℃においても光出力10mWを安定に動作させることができた。
【0017】実施例2本発明の他実施例を図4,図5により説明する。図5において、(001)面から[110][110]方向に15.8° 傾いた面を有するn型GaP基板1(d=100μm,nD =2×1018cm-3)を用いて、その上にSiドープn型AlyGa1-yP光導波層2(y=0,d=0.5μm,nD =1×1018cm-3),窒素ドープGax1In1-x1P量子障壁層(x1=0.9,d=15nm)4層及び窒素ドープGax2In1-x2P量子井戸層(x2=0.70,d=3nm)3層繰り返しからなる図4に示すような多重量子井戸層13,Znドープp型AlyGa1-yP光導波層6(y=0,d=0.2μm,nA =7×1017cm-3),Znドープp型Gax3In1-x3P薄膜層7(x1=0.9,d=3nm),Znドープp型AlyGa1-yP光導波層8(y=0,d=1.0μm,nA =1×1018cm-3)を順次分子線エピタキシー(MBE)法によってエピタキシャル成長した。窒素ドープはN2 ラジカルを原料にして行い、不純物濃度としては1×1018〜1×1019cm-3の範囲で導入した。この後、実施例1と同様にして素子の形に切り出し、図5の断面を有する素子を得る。
【0018】本実施例によって、室温連続動作下において閾値電流が100〜150mAであり、基本横モードに制御された565〜580nmの発振波長を有する黄緑色レーザ素子を得た。共振器長600μmの素子において、動作温度70℃においても光出力10mWを安定に動作させることができた。
【0019】実施例3本発明の他実施例を図6,図7により説明する。図7において、(001)面から[110][110]方向に15.8° 傾いた面を有するn型GaP基板1(d=100μm,nD =2×1018cm-3)を用いて、その上にSiドープn型AlyGa1-yP光導波層2(y=0,d=0.5μm,nD =1×1018cm-3),窒素ドープGax1In1-x1P単原子層(x1=0.9,d=0.27nm1原子層相当)及び窒素ドープGax4In1-x4P単原子層(x4=0.73,d=0.27nm1原子層相当)100対繰り返しからなる図6に示すような超格子層14,Znドープp型AlyGa1-yP光導波層6(y=0,d=0.2μm,nA =7×1017cm-3),Znドープp型Gax3In1-x3P薄膜層7(x1=0.9,d=3nm),Znドープp型AlyGa1-yP光導波層8(y=0,d=1.0μm,nA =1×1018cm-3)を順次分子線エピタキシー(MBE)法によってエピタキシャル成長した。窒素ドープはN2 ラジカルを原料にして行い、不純物濃度としては1×1018〜1×1019cm-3の範囲で導入した。この後、実施例1と同様にして素子の形に切り出し、図7の断面を有する素子を得る。
【0020】本実施例によって、間接遷移のGax1In1-x1P単原子層におけるX点の折り返し(ゾーンフォールディング)により直接遷移発光確率を高めることが出来た。その結果、室温連続動作下において閾値電流を100〜150mAに低減でき、基本横モードに制御された550〜565nmの発振波長を有する緑色レーザ素子を得た。共振器長600μmの素子において、動作温度50℃においても光出力10mWを安定に動作させることができた。
【0021】実施例4本発明の他実施例を図8,図9により説明する。図9において、(001)面から[110][110]方向に15.8° 傾いた面を有するn型GaP基板1(d=100μm,nD =2×1018cm-3)を用いて、その上にSiドープn型AlyGa1-yP光導波層2(y=0,d=0.5μm,nD =1×1018cm-3),図8に示すような窒素ドープGax1In1-x1P薄膜障壁層(x1=0.9,d=1.0nm)及び窒素ドープGax4In1-x4P薄膜井戸層(x4=0.60,d=1.0nm)10対繰り返した超格子ガイド層15及び窒素ドープGax2In1-x2P量子井戸層16(x2=0.73,d=5nm)及び窒素ドープGax1In1-x1P薄膜障壁層(x1=0.9,d=1.0nm)及び窒素ドープGax4In1-x4P 薄膜井戸層(x4=0.60,d=1.0nm)10対繰り返した超格子ガイド層17,Znドープp型AlyGa1-yP光導波層6(y=0,d=0.2μm,nA =7×1017cm-3),Znドープp型Gax3In1-x3P薄膜層7(x1=0.9,d=3nm),Znドープp型AlyGa1-yP光導波層8(y=0,d=1.0μm,nA =1×118cm-3)を順次分子線エピタキシー(MBE)法によってエピタキシャル成長した。窒素ドープはN2 ラジカルを原料にして行い、不純物濃度としては1×1018〜1×1019cm-3の範囲で導入した。この後、実施例1と同様にして素子の形に切り出し、図9の断面を有する素子を得る。
【0022】本実施例によって、Gax1In1-x1P薄膜障壁層及びGax4In1-x4P薄膜井戸層で繰り返された超格子ガイド層の平均的な圧縮歪量は、Gax2In1-x2P量子井戸層よりも大きくさせることが可能となる。この効果により超格子ガイド層における伝導帯と価電子帯のバンドギャップエネルギーが増大することになり、Gax2In1-x2P量子井戸層とのヘテロ障壁をより大きく設定できキャリアの閉じ込めを向上できる。その結果、室温連続動作下において閾値電流を100〜150mAに低減でき、基本横モードに制御された550〜565nmの発振波長を有する緑色レーザ素子を得た。共振器長600μmの素子において、動作温度70℃においても光出力10mWを安定に動作させることができた。
【0023】
【発明の効果】本発明により、GaP半導体基板を用いてGaP/GaInP歪量子井戸構造における材料の組成及び膜厚を臨界量の範囲内で設け、さらにレーザ構造の作製を検討して、発振波長600nm以下の短波長領域における半導体レーザの室温連続動作を可能にした。本発明の実施例によれば、室温において閾値電流が100〜150mAで直流動作し550〜590nmの発振波長を有するレーザ素子を得た。共振器長600μmの素子において、動作温度70℃における光出力10mWの定出力動作が達成された。




 

 


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