JP2005353654A - 半導体レーザ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｐ型層に低拡散性の不純物を添加した場合でも、バンド不連続に起因した素子抵抗や微分抵抗成分の上昇を抑制して、所望のデバイス特性を達成でき、高出力で高効率の半導体レーザ素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板７の上方に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でそれぞれ形成されたｎ型クラッド層５、活性層４およびｐ型クラッド層３が設けられ、ｐ型クラッド層３の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型バンド不連続緩和層２を介して、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層１が設けられており、ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２およびｐ型キャップ層１には、Ｚｎより拡散性の低いｐ型不純物、例えば、Ｍｇが添加され、ｐ型バンド不連続緩和層２は、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光記録、光再生、光通信、光計測などの分野に好適に用いられ、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ_{１−ｘ−ｙ}（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）やＡｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＰ_{１−ｘ−ｙ−ｚ}（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。

近年、情報通信機器が取り扱う情報量は膨大なものとなり、高速で大容量な記録装置・記録媒体の需要が高まっている。その一つであるＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置には、高出力・高効率で、発光波長が６５０ｎｍ近辺の赤色の半導体レーザが使用されている。さらなる高速化処理のためには、高出力・高効率の半導体レーザが必要であり、現在、２００ｍＷ以上の光出力を有するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザの開発が進められている。

図９は、従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図である。ｎ型ＧａＡｓからなる基板５７の上に、順次、ｎ型バッファ層５６、ｎ型クラッド層５５、活性層５４、ｐ型クラッド層５３、ｐ型バンド不連続緩和(BDR: Band Discontinuity Reduction）層５２、ｐ型キャップ層５１が、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等によって形成されている。

ｐ型キャップ層５１の上面にはｐ側電極（不図示）が設けられ、基板５７の下面にはｎ側電極（不図示）が設けられる。

ｎ型バッファ層５６は、ＧａＡｓ半導体で形成され、ｎ型不純物としてＳｉ（シリコン）が添加されている。

ｎ型クラッド層５５は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｎ型不純物としてＳｉが添加されている。

活性層５４は、バリア層５４ａとウェル層５４ｂが交互に積層した多重量子井戸構造(MQW: Multiple Quantum Wells)を有し、両外側には光ガイド層５４ｃがそれぞれ設けられる。バリア層５４ａはＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、ウェル層５４ｂはＧａＩｎＰ半導体で形成され、光ガイド層５４ｃはＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、これらは不純物を添加しないノンドープ層で構成される。

ｐ型クラッド層５３は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＺｎ（亜鉛）が添加されている。

ｐ型バンド不連続緩和層５２は、ＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＺｎが添加されている。

ｐ型キャップ層５１は、ＧａＡｓ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＺｎが添加されている。

ｐ型バンド不連続緩和層５２での不純物濃度は、通常、ｐ型クラッド層５３の不純物濃度と同程度に設定される。例えば、ｐ型バンド不連続緩和層５２およびｐ型クラッド層５３の各キャリア濃度は１．５×１０^１８ｃｍ^−３に設定される。

ｐ型ＧａＡｓキャップ層５１は、ｐ側電極と良好なオーミック接合を得るために、通常、高い不純物濃度、例えば、２．０×１０^１９ｃｍ^−３に設定される。

特公平７−３２２８５号公報 特開平１１−８７８３２号公報 特開２０００−６８５９７号公報 F. Brunner, et al., Journal of Crystal Growth 221 (2000) pp. 53-58

ｐ型不純物として使用するＺｎは、結晶成長や熱処理の過程で拡散しやすい性質を有する。そのため、ｐ型キャップ層５１に添加されたＺｎは、不純物の濃度勾配に従って、ｐ型バンド不連続緩和層５２の内部に拡散し、さらにはｐ型クラッド層５３へも拡散していく。そのため、ｐ型バンド不連続緩和層５２の不純物濃度が高くなるだけでなく、ｐ型クラッド層５３の不純物濃度をも押し上げることがある。こうしたＺｎ拡散が、ｐ型クラッド層５３を通過し、ノンドープの活性層５４にまで進行してしまうと、活性層５４の内部に非発光再結合中心を形成し、レーザ特性の劣化を引き起こすことになる。

こうした現象を抑制する手法として、従来は、抵抗成分の大きなｐ型層、すなわちｐ型キャップ層５１、ｐ型バンド不連続緩和層５２、ｐ型クラッド層５３でのキャリア濃度を低減することによって、活性層５４へのＺｎ拡散およびレーザ特性の劣化を防止していた。

しかしながら、ｐ型層でのキャリア濃度を下げ過ぎると、素子抵抗が増加したり、活性層４の界面近傍での伝導帯のバンド不連続（ΔＥｃ）が下がることによって、高温時の動作電流の上昇を引き起こしてしまうという問題点がある。

これに対して、ｐ型不純物として働くＭｇ（マグネシウム）は、Ｚｎより低い拡散係数を有するが、ＧａＡｓ層への不純物添加において、表面異常を引き起こさずに鏡面で不純物添加を行える最大の添加量は１．５×１０^１９ｃｍ^−３程度であると言われている。この程度の不純物濃度では、ｐ型キャップ層５１とｐ側電極との接触抵抗を低く抑えることは困難であることから、ｐ型キャップ層５１のｐ型不純物としてＺｎを使用し、その他のｐ型層（ｐ型バンド不連続緩和層５２、ｐ型クラッド層５３）にはＭｇを使用した素子構造も採用されている。

この素子構造では、活性層５４の近傍に存在するｐ型不純物は拡散性の低いＭｇとなるため、活性層５４の近傍でのｐ型不純物濃度を高く設定しても、活性層５４への不純物拡散を抑制できると考えられる。ところが、ｐ型キャップ層５１に添加されたＺｎと、ｐ型バンド不連続緩和層５２およびｐ型クラッド層５３に添加されたＭｇは、同じＩＩ族元素に属しているため、結晶中への不純物として取り込まれるメカニズムが同じであり、その結果、ＺｎとＭｇが相互に結晶中で非常に早い速度で拡散現象を発生することが報告されている。

図４は、不純物濃度プロファイルの一例を示すグラフである。図４において、ｐ型キャップ層５１に添加されたＺｎは、活性層５４の近傍にまで拡散しており、熱履歴が繰り返されるほど、多量のＺｎが活性層５４に集中するようになる。こうなると、活性層５４の内部における非発光再結合中心が増加して、レーザ特性の劣化を引き起こすことになる。

このような背景から、Ｚｎフリー（Ｚｎを全く含まない）半導体レーザ素子構造の概念が提唱され、全てのｐ型層（図９でのｐ型キャップ層５１、ｐ型バンド不連続緩和層５２、ｐ型クラッド層５３）にＺｎの代わりに低拡散不純物を添加することが報告されている。例えば、ｐ型不純物としてＣ（炭素）をＧａＡｓ層に添加した場合、Ｃの拡散定数は非常に小さく、熱履歴によってもほとんど拡散が進まないと言われている。

ｐ型キャップ層５１にＣを添加し、ｐ型バンド不連続緩和層５２およびｐ型クラッド層５３にＭｇを添加した場合、Ｃ（炭素）はＩＶ族元素に属しているため、同族元素同士の相互拡散も生じない。

ところが、ｐ型バンド不連続緩和層５２でのＭｇ添加量が少ない場合、ＧａＡｓ層とＧａＩｎＰ層との界面において、キャリア濃度低下に伴う素子抵抗の上昇が発生してしまう。

このようにＺｎ添加のｐ型ＧａＡｓキャップ層とＺｎ添加のｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層の組合せや、Ｚｎ添加のｐ型ＧａＡｓキャップ層とＭｇ添加のｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層の組合せでは、キャップ層のＺｎがバンド不連続緩和層まで拡散したり、ＺｎとＭｇが相互拡散することにより、ＧａＡｓ層とＧａＩｎＰ層との界面付近において、予定した不純物濃度よりも非常に高濃度なｐ型不純物が分布する傾向がある。

図４では、Ｚｎ添加のｐ型ＧａＡｓキャップ層とＭｇ添加のｐ型ＡｌＧａＩｎＰバンド不連続緩和層の組合せを示している。このとき予定したバンド不連続緩和層でのＭｇ添加量は１．５×１０^１８ｃｍ^−３であるが、実際には、キャップ層からのＺｎ拡散により１．５×１０^１８ｃｍ^−３より高い不純物濃度を示している。

一方、図３では、Ｃ添加のｐ型キャップ層とＭｇ添加のｐ型バンド不連続緩和層の組合せを示している。Ｃは拡散係数が小さく、Ｍｇと相互拡散しないことから、キャップ層とバンド不連続緩和層とのヘテロ界面付近において、ｐ型不純物の拡散はほとんど生じない。このためｐ型バンド不連続緩和層５２でのｐ型不純物の添加量が少ない場合、このヘテロ界面でのキャリア濃度が低下して、素子抵抗の上昇や微分抵抗成分の上昇（図５参照）が発生してしまう。

本発明の目的は、ｐ型層に低拡散性の不純物を添加した場合でも、バンド不連続に起因した素子抵抗や微分抵抗成分の上昇を抑制して、所望のデバイス特性を達成でき、高出力で高効率の半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。

本発明に係る半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板の上方に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でそれぞれ形成されたｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が設けられ、
ｐ型クラッド層の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型バンド不連続緩和層を介して、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層が設けられた半導体レーザ素子であって、
ｐ型クラッド層、ｐ型バンド不連続緩和層およびｐ型キャップ層には、Ｚｎより拡散性の低いｐ型不純物が添加され、
ｐ型バンド不連続緩和層は、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有することを特徴とする。

また本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ型ＧａＡｓからなる基板の上方に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をそれぞれ形成する工程と、
ｐ型クラッド層の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型バンド不連続緩和層を形成する工程と、
結晶成長プロセスを中断した状態で、ｐ型不純物をｐ型バンド不連続緩和層に添加する工程と、
ｐ型バンド不連続緩和層の上に、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、ｐ型バンド不連続緩和層が、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有することによって、素子抵抗および微分素子抵抗を低減化でき、その結果、高出力で高効率の半導体レーザ素子を実現することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す断面図である。ここでは、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷ装置などに好適な、波長６５０ｎｍ付近の発光を示すＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザ素子の例について説明するが、本発明は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザ素子にも適用可能である。

図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓからなる基板７の上に、順次、ｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層５、活性層４、ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和(BDR: Band Discontinuity Reduction）層２、ｐ型キャップ層１が、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長法）等を用いて形成されている。

ｐ型キャップ層１の上面にはｐ側電極（不図示）が設けられ、基板７の下面にはｎ側電極（不図示）が設けられる。

ｎ型バッファ層６は、ＧａＡｓ半導体で形成され、ｎ型不純物としてＳｉ（シリコン）が添加されている。ここでは、ｎ型バッファ層６を単一のＧａＡｓ層で構成した例を示すが、ＡｌＧａＡｓ層を含む複数の層で構成してもよい。

ｎ型クラッド層５は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｎ型不純物としてＳｉが添加されている。

活性層４は、バリア層４ａとウェル層４ｂが交互に積層した多重量子井戸構造(MQW: Multiple Quantum Wells)を有し、両外側には光ガイド層４ｃがそれぞれ設けられる。バリア層４ａはＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、ウェル層４ｂはＧａＩｎＰ半導体で形成され、光ガイド層４ｃはＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、これらは不純物を添加しないノンドープ層で構成される。活性層４での発光波長は、バリア層４ａおよびウェル層４ｂの組成調整によって変えることができ、例えば、約６５０ｎｍの赤色レーザ光が得られるように調整できる

ｐ型クラッド層３は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＭｇ（マグネシウム）が添加されている。

ｐ型バンド不連続緩和層２は、ＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＭｇが添加されている。

ｐ型キャップ層１は、ＧａＡｓ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＣ（炭素）が添加されている。

ＭＯＣＶＤを使用した場合、成膜条件として、例えば、成長温度７００℃、成長圧力１００ｍｂａｒ、等に設定される。各層を形成するための原料ガスとして、例えば、トリメチルインジウム(TMI: Trimethylindium)、トリメチルガリウム(TMG: Trimethylgallium)、トリメチルアルミニウム(TMA: Trimethylaluminum)、フォスフィン(PH₃: Phosphine)、アルシン(AsH₃: Arsine)、シラン(SiH₄: Silane)、シクロペンタジエニルマグネシウム(Cp₂Mg: Cyclopentadienylmagnesium）が用いられる。

ＭＯＣＶＤ反応炉に供給される各原料ガスの流量は、マスフローコントローラ(MFC: Mass Flow Controller)等を用いることにより所望のタイミングで制御可能であり、各層ごとに所望の組成に形成することができる。

なお、最後に積層するｐ型キャップ層１については、ｐ型不純物としてＣを添加するために、ドーパントガスとして四臭化炭素(CBr₄)等を用いる方法、あるいはドーパントガスを使用しないイントリンシック(intrinsic)不純物添加法を採用することができる。

一般に、典型的なＧａＡｓ層を成長する場合、成長温度は６００〜７５０℃程度、Ｖ／ＩＩＩ比（TMGに対するAsH₃の流量比）は数１０〜数１００程度に設定して、ドーパントガスの流量を制御しながら、成膜を実施している。これに対してイントリンシック不純物添加法は、不純物添加用のドーパントガスの代わりに多量のＴＭＧを供給することによって、ＴＭＧに元来含まれているメチル基から遊離した炭素をドーパントとして利用する方法であり（参考文献: F. Brunner, et al., Journal of Crystal Growth 221 (2000) pp. 53-58）、例えば、成長温度を５４２℃に、Ｖ／ＩＩＩ比を１にそれぞれ設定する。

図３は、不純物濃度のＳＩＭＳ(Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer)プロファイルの一例を示すグラフである。ｐ型キャップ層１のｐ型不純物としてＣを使用した場合、Ｚｎよりも拡散係数が小さいため、活性層４への拡散は見られない。さらに、ＣはＩＶ族元素に属しているため、従来のようなＺｎとＭｇの相互拡散現象も生じない。

ｐ型バンド不連続緩和層２での不純物濃度は、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上となるように、成膜時にドーパントガスCp₂Mgの流量を制御する。これによりｐ型バンド不連続緩和層２の抵抗成分を低減化できる。

図５は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の電気的特性を示すグラフであり、図５（ａ）は一般的なＩ−Ｖ特性を示し、図５（ｂ）は従来の半導体レーザ素子の微分抵抗特性を示し、図５（ｃ）は本実施形態による半導体レーザ素子の微分抵抗特性を示す。

まず図５（ａ）において、電圧Ｖ（縦軸）が増加して、ある閾値を超えた時点でレーザ発振が開始すると、電流Ｉ（横軸）はほぼリニアで増加している。

図５（ｂ）（ｃ）は、電圧Ｖを電流Ｉで微分した微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）を示している。図５（ｂ）の比較例では、ｐ型バンド不連続緩和層の不純物濃度が１．５×１０^１８ｃｍ^−３であることから、微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）が比較的高くなり、閾値電流から最大許容電流までの微分抵抗成分（ΔＲｄ）は１．０Ωとなる。

これに対して、図５（ｃ）ではｐ型バンド不連続緩和層２の不純物濃度を２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上に設定しているため、微分抵抗（ｄＶ／ｄＩ）が低くなり、閾値電流から最大許容電流までの微分抵抗成分（ΔＲｄ）は０．２Ωと著しく低減されている。

実施の形態２．
図２（ａ）は本発明の第２実施形態を示す断面図であり、図２（ｂ）はｐ型バンド不連続緩和層２付近の拡大図である。本実施形態では、図１に示した素子構造において、ｐ型バンド不連続緩和層２を複数の層で構成している。

全体構造に関して、図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓからなる基板７の上に、順次、ｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層５、活性層４、ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２、ｐ型キャップ層１が、ＭＯＣＶＤやＭＢＥ等を用いて形成されている。ｐ型キャップ層１の上面にはｐ側電極（不図示）が設けられ、基板７の下面にはｎ側電極（不図示）が設けられる。

ｐ型バンド不連続緩和層２以外の各層は、図１のものと同様であるため、重複説明を省略する。

ｐ型バンド不連続緩和層２は、ＧａＩｎＰ半導体で形成され、ｐ型不純物としてＭｇが添加されており、高いｐ型不純物濃度を有する高濃度層２ａと、高濃度層２ａより低いｐ型不純物濃度を有する低濃度層２ｂとを含む。ｐ型バンド不連続緩和層２の全体層厚Ｄは、一般に、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度に設定する。

高濃度層２ａは、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有し、ｐ型キャップ層１に隣接するように配置している。高濃度層２ａの層厚Ｄａは、全体層厚Ｄの２０％〜８０％となるように、１０ｎｍ〜１６０ｎｍの範囲に設定している。

低濃度層２ｂは、高濃度層２ａより低い不純物濃度、例えば１．５×１０^１８ｃｍ^−３程度の不純物濃度を有し、ｐ型クラッド層３に隣接するように配置している。低濃度層２ｂの層厚Ｄｂは、全体層厚Ｄから層厚Ｄａを引き算した値に相当する。

ｐ型バンド不連続緩和層２を、図１に示したように、単一の層全体を２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上の不純物濃度で形成した場合、ｐ型クラッド層３とのヘテロ界面近傍に分布するｐ型不純物が活性層４へ拡散する可能性がある。

本実施形態では、ｐ型クラッド層３とのヘテロ界面近傍での不純物濃度を低く設定し、活性層４から遠い領域での不純物濃度を高く設定することによって、微分抵抗成分を低く維持しながら、ｐ型不純物が活性層４へ拡散する現象を抑制して、レーザ特性劣化を防止している。

また、高濃度層２ａの層厚Ｄａをバンド不連続緩和層厚の全体厚Ｄの２０％〜８０％の範囲に設定すれば、微分抵抗成分の低減化に有効であることを確認している。
特開平１１−８７８３２号にあるように、バンド不連続緩和層を２層以上の段階的に変化した組成を持つ構造にすることでさらに微分素子抵抗を低減する効果があるが、このとき一般に、キャップ層に接する組成領域の不純物固溶度が一番高くなる（例えばクラッド層組成がＡｌ_0.35Ｇａ_0.15Ｉｎ_0.5Ｐでバンド不連続緩和層中のキャップ層に接する部分の組成がＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであるといったように）。このためこの部分を高濃度にするのが、正規の格子位置に入らない不活性な不純物を抑える効果的な方法である。この領域がバンド不連続緩和層全体に占める割合は、組成を変化させる方法により２０％〜８０％の間になるため、高濃度領域はこの範囲となる。
この例ではバンド不連続緩和層内に２種類以上の組成がある場合を示したが、単一の組成の場合であっても、クラッド層への不純物拡散を抑える目的でキャップ層に接する領域のみを高濃度にすることは、上記例と同様の目的で有効な手段である。

ここでは理解容易のため、ｐ型バンド不連続緩和層２を高濃度層２ａと低濃度層２ｂの二層で構成した例を説明したが、ｐ型不純物濃度が段階的に変化した三層以上の構成でもよく、あるいはｐ型バンド不連続緩和層２の内部で不純物濃度が活性層４に向かって単調減少した構成でも同様な効果が得られる。

図８は、本発明に係る半導体レーザ素子の製造プロセスの一例を示す説明図である。横軸は成長方向に対応した時間経過を示し、縦軸は各原料ガスの供給のオンオフを示している。

図２（ａ）に示す素子構造を製造する場合、ＭＯＣＶＤ反応炉にｎ型ＧａＡｓからなる基板７を設置し、所定の基板温度に維持した状態で、ＴＭＧ、アルシン、必要に応じてＴＭＡを供給し、ドーパントガスとしてシランを供給すると、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなるｎ型バッファ層６が成長する。

続いて、アルシンの供給を停止し、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、フォスフィンを供給し、ドーパントガスとしてシランを供給すると、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層５が成長する。

引き続いて、ドーパントガスを停止し、ＴＭＡの供給と停止を繰り返すことによって、ＡｌＧａＩｎＰからなる光ガイド層４ｃ、ＧａＩｎＰからなるウェル層４ｂ、ＡｌＧａＩｎＰからなるバリア層４ａがそれぞれ成長して、ＭＱＷ活性層４が形成される。

続いて、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、フォスフィンを供給し、ドーパントガスとしてＣｐ_２Ｍｇを供給すると、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層３が成長する。

続いて、ＴＭＡの供給を停止すると、ＧａＩｎＰからなるｐ型バンド不連続緩和層２が成長する。

続いて、層の原料ガスの供給を全て停止した状態で、ドーパントガスとしてＣｐ_２Ｍｇを供給すると、図２（ａ）に示すように、ｐ型バンド不連続緩和層２のキャップ層側に、高いｐ型不純物濃度を有する高濃度層２ａが形成される。このとき図８に示すように、アルシンの供給を開始しても構わない。

続いて、ＴＭＧ、アルシンの供給を開始し、イントリンシック不純物添加法を採用した場合、多量のＴＭＧを供給すると、ドーパントとしてＣ（炭素）が添加されたＧａＡｓからなるｐ型キャップ層１が成長する。

こうしてｐ型バンド不連続緩和層２とｐ型キャップ層１との界面付近に、不純物濃度の高い高濃度層２ａを容易に形成することができる。

ここでは、ＭＯＣＶＤを用いた例を示したが、ＭＢＥを用いた場合も同様に、各層およびドーパントの原料供給をシャッタなどでオンオフすることによって、所望の層厚および所望のドーパント濃度を有する積層構造を形成することができる。特に、ｐ型バンド不連続緩和層２を成膜する工程において、ドーパントの原料供給量を変化させることによってｐ型キャップ層１との界面付近に、不純物濃度の高い高濃度層２ａを容易に形成することができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の第３実施形態を示す斜視図である。ここでは、図１または図２に示した層構造をリッジ導波型半導体レーザ素子に応用した例を示す。

ｎ型ＧａＡｓからなる基板７の上に、順次、ｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層５、活性層４、ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２、ｐ型キャップ層１が形成されている。

ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２、ｐ型キャップ層１は、エッチングなどによってリッジ状に形成される。ｐ型キャップ層１の上面にはｐ側電極１２が設けられ、基板７の下面にはｎ側電極１１が設けられる。

ｐ型バンド不連続緩和層２は、図１に示したように、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有する単一層で構成したり、あるいは、図２に示したように、ｐ型キャップ層１に隣接した２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有する高濃度層２ａを形成している。これによって素子の微分抵抗成分を低く維持しながら、ｐ型不純物が活性層４へ拡散する現象を抑制し、レーザ特性劣化を防止することができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の第４実施形態を示す斜視図である。ここでは、図１または図２に示した層構造を電流狭窄型半導体レーザ素子に応用した例を示す。

ｎ型ＧａＡｓからなる基板７の上に、順次、ｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層５、活性層４、ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２、ｐ型キャップ層１が形成されている。

ｐ型クラッド層３、ｐ型バンド不連続緩和層２、ｐ型キャップ層１は、エッチングなどによってリッジ状に形成され、リッジ両側にはキャリア電流をリッジに集中させるためのｎ型電流ブロック層８がそれぞれ形成される。ｐ型キャップ層１およびｎ型電流ブロック層８の上面にはｐ側電極１２が設けられ、基板７の下面にはｎ側電極１１が設けられる。

ｐ型バンド不連続緩和層２は、図１に示したように、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有する単一層で構成したり、あるいは、図２に示したように、ｐ型キャップ層１に隣接した２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有する高濃度層２ａを形成する。これによって素子の微分抵抗成分を低く維持しながら、ｐ型不純物が活性層４へ拡散する現象を抑制し、レーザ特性劣化を防止することができる。

なお、以上の各実施形態において、ｐ型クラッド層３およびｐ型バンド不連続緩和層２にＭｇを添加し、ｐ型キャップ層１にＣを添加した例を示したが、ｐ型クラッド層３にＭｇと同様に拡散性の低いＢｅを添加してもよく、ｐ型バンド不連続緩和層２にＭｇと同様に拡散性の低いＢｅを添加してもよく、ｐ型キャップ層１にＣと同様に拡散性の低いＭｇあるいはＢｅを添加してもよく、いずれの場合も本発明と同様な効果が得られる。

本発明の第１実施形態を示す断面図である。 図２（ａ）は本発明の第２実施形態を示す断面図であり、図２（ｂ）はｐ型バンド不連続緩和層２付近の拡大図である。 不純物濃度のＳＩＭＳプロファイルの一例を示すグラフである。 不純物濃度プロファイルの一例を示すグラフである。 ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の電気的特性を示すグラフであり、図５（ａ）は一般的なＩ−Ｖ特性を示し、図５（ｂ）は従来の半導体レーザ素子の微分抵抗特性を示し、図５（ｃ）は本実施形態による半導体レーザ素子の微分抵抗特性を示す。 本発明の第３実施形態を示す斜視図である。 本発明の第４実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の製造プロセスの一例を示す説明図である。 従来の半導体レーザ素子の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ ｐ型キャップ層、 ２ ｐ型バンド不連続緩和層、 ３ ｐ型クラッド層、 ４ 活性層、 ４ａ バリア層、 ４ｂ ウェル層、 ４ｃ 光ガイド層、 ５ ｎ型クラッド層、 ６ ｎ型バッファ層、 ７ 基板、 ８ ｎ型電流ブロック層、 １１ ｎ側電極、 １２ ｐ側電極。

Claims (8)

1. ｎ型ＧａＡｓからなる基板の上方に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でそれぞれ形成されたｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が設けられ、
   ｐ型クラッド層の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型バンド不連続緩和層を介して、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層が設けられた半導体レーザ素子であって、
   ｐ型クラッド層、ｐ型バンド不連続緩和層およびｐ型キャップ層には、Ｚｎより拡散性の低いｐ型不純物が添加され、
   ｐ型バンド不連続緩和層は、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. ｐ型クラッド層には、ｐ型不純物としてＢｅまたはＭｇが添加され、
   ｐ型バンド不連続緩和層には、ｐ型不純物としてＢｅまたはＭｇが添加され、
   ｐ型キャップ層には、ｐ型不純物としてＣ，ＢｅまたはＭｇが添加されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. ｎ型ＧａＡｓからなる基板の上方に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体でそれぞれ形成されたｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層が設けられ、
   ｐ型クラッド層の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型バンド不連続緩和層を介して、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層が設けられた半導体レーザ素子であって、
   ｐ型クラッド層、ｐ型バンド不連続緩和層およびｐ型キャップ層には、Ｚｎより拡散性の低いｐ型不純物が添加され、
   ｐ型バンド不連続緩和層は、ｐ型キャップ層に隣接し、２．５×１０^１８ｃｍ^−３以上のｐ型不純物濃度を有する高濃度層と、高濃度層より低いｐ型不純物濃度を有する低濃度層とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
4. ｐ型バンド不連続緩和層での高濃度層が、バンド不連続緩和層厚の全体厚の２０％〜８０％であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
5. ｐ型クラッド層には、ｐ型不純物としてＢｅまたはＭｇが添加され、
   ｐ型バンド不連続緩和層には、ｐ型不純物としてＢｅまたはＭｇが添加され、
   ｐ型キャップ層には、ｐ型不純物としてＣ，ＢｅまたはＭｇが添加されていることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
6. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰが用いられることを特徴とする請求項１または３記載の半導体レーザ素子。
7. ｎ型ＧａＡｓからなる基板の上方に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をそれぞれ形成する工程と、
   ｐ型クラッド層の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型バンド不連続緩和層を形成する工程と、
   結晶成長プロセスを中断した状態で、ｐ型不純物をｐ型バンド不連続緩和層に添加する工程と、
   ｐ型バンド不連続緩和層の上に、ｐ型ＧａＡｓからなるキャップ層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
8. ｐ型クラッド層、ｐ型バンド不連続緩和層およびｐ型キャップ層に、Ｚｎより拡散性の低いｐ型不純物を添加することを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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