JP2006245341A

JP2006245341A - 半導体光素子

Info

Publication number: JP2006245341A
Application number: JP2005059595A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Hanamaki; 吉彦花巻; Kenichi Ono; 健一小野; Kimio Shigihara; 君男鴫原; Kazue Kawasaki; 和重川崎; Kimitaka Shibata; 公隆柴田; Naoyuki Shimada; 尚往島田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-03
Filing date: 2005-03-03
Publication date: 2006-09-14
Also published as: DE102006001842A1; US7259406B2; US20060220037A1; FR2882859A1

Abstract

【課題】活性層への不純物の混入を防いで、高出力化させ、動作の信頼性を向上させることができる半導体光素子を得る。
【解決手段】 n型GaAs基板上に、n型GaAsバッファー層、n型AlGaInPクラッド層、不純物を添加していない第１のInGaAsP（As組成ゼロも含む）ガイド層、InGaAsP（In組成ゼロも含む）活性層、不純物を添加していない第２のInGaAsP（As組成ゼロも含む）ガイド層、p型AlGaInPクラッド層、p型不連続緩和層、p型GaAsコンタクト層を順に積層した構造を有する半導体光素子であって、p型GaAsコンタクト層、p型不連続緩和層、及びp型AlGaInPクラッド層のp型不純物としてC又はMgを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、p型不純物としてC又はMgを用いることによって、高出力化させ、動作の信頼性を向上させることができる半導体光素子に関するものである。

従来、半導体光素子のp型ドーバントしてZnが広く用いられていた（例えば、特許文献１参照）。表１は、従来の半導体光素子の各層における、添加される不純物、キャリア濃度、膜厚を示している。ここでは例として808nm帯の固体レーザ励起用光源に用いられるGaAsP/InGaP系材料を用いた半導体光素子の積層構造を示す。

表１の構成は、n型GaAs基板上に、n型不純物としてSiが添加されたn型GaAsバッファー層（AlGaAsでもよい）、Siが添加されたn型AlGaInPクラッド層、不純物を添加しないInGaAsPガイド層、不純物を添加しないGaAsP活性層、不純物を添加しないInGaAsPガイド層、p型不純物としてZnが添加されたp型AlGaInPクラッド層、Znが添加されたp型InGaP-BDR（band discontinuity reduction:不連続緩和）層、Znが添加されたGaAsコンタクト層を順次積層したものである。

特開平１１−０５４８２８号公報

しかし、p型不純物として用いたZnは、成長中や半導体レーザ作製工程における熱処理により拡散しやすい。このため、p型AlGaInPクラッド層のZn濃度を高くして注入キャリア（この場合は電子）のオーバーフローを抑制しようとした場合、本来不純物が混入してはいけないGaAsP活性層へのZnの拡散が散見される。

特に、従来の構造において、p型GaAsコンタクト層に高濃度（例えば10¹⁹/cm³以上）にZnを添加すると、p型GaAsコンタクト層がZnの供給源となりGaAsP活性層へのZn拡散が更に進んでしまう。

活性層に不純物が混入すると非発光再結合中心が形成され、発光強度の低下、ＰＮ接合の位置の移動（設計値からのずれ）等の問題が発生するため、良好な特性を持つ半導体光素子を製造することができない。表１の構造を有する従来の半導体光素子の信頼性試験の結果を図４に示す。信頼性試験開始後４００時間付近に頓死が見られ、十分な信頼性を有しているとは言えない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、活性層への不純物の混入を防いで、高出力化させ、動作の信頼性を向上させることができる半導体光素子を得るものである。

本発明に係る半導体光素子は、n型GaAs基板上に、n型GaAsバッファー層、n型AlGaInPクラッド層、不純物を添加していない第１のInGaAsP（As組成ゼロも含む）ガイド層、InGaAsP（In組成ゼロも含む）活性層、不純物を添加していない第２のInGaAsP（As組成ゼロも含む）ガイド層、p型AlGaInPクラッド層、p型不連続緩和層、p型GaAsコンタクト層を順に積層した構造を有する半導体光素子であって、p型GaAsコンタクト層、p型不連続緩和層、及びp型AlGaInPクラッド層のp型不純物としてC又はMgを用いる。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、活性層への不純物の混入を防いで、高出力化させ、動作の信頼性を向上させることができる。

実施の形態１．
表２は、本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の各層における、添加される不純物、キャリア濃度、膜厚を示している。ここでは例として808nm帯の固体レーザ励起用光源に用いられるGaAsP/InGaP系材料を用いた半導体光素子の積層構造を示す。

表２の半導体光素子は、n型GaAs基板上に、n型不純物としてSiが添加されたn型GaAsバッファー層（AlGaAsでもよい）、Siが添加されたn型AlGaInPクラッド層、不純物を添加しないInGaAsPガイド層、不純物を添加しないGaAsP活性層、不純物を添加しないInGaAsPガイド層、p型不純物としてMgが添加されたp型AlGaInPクラッド層、Mgが添加されたp型InGaP-BDR（band discontinuity reduction:不連続緩和）層、Cが添加されたGaAsコンタクト層を順次積層したものである。

積層の方法としては、例えばMOCVD法などの結晶成長技術を用いる。MOCVD成長の場合、成長温度は７２０℃、成長圧力は例えば１００mbarなどで行い、各層を形成するための原材料として、例えば、トリメチルインジウム（TMI），トリメチルガリウム（TMG），トリメチルアルミニウム（TMA），フォスフィン（PH₃），アルシン（AsH₃），シラン（SiH₄），ジエチルジンク（DEZn）などを用いる。マスフローコントローラなどを用いて、これら原料ガスの流量を調整し所望の組成を得る。

また、p型GaAsコンタクト層の成長においては、成長温度を例えば５４０℃とし、Ｖ/III比（TMGに対するAsH₃の流量比）を１程度とする。通常は、GaAs層を成長する場合の成長温度は６００−７５０℃程度、Ｖ/III比は数１０から数１００程度である。これを上記成長条件で成長することにより、不純物添加のための特別な原料を導入することなく、TMGに元来含まれるメチル基から遊離したCが取り込まれる。このようなIntrinsic不純物導入法を用いても良いし、また、GaAsコンタクト層へCを添加するための原料として四塩化炭素（CCl₄），四塩化臭素(CBr₄)などを用いてもよい。

上記のように実施の形態１では、p型GaAsコンタクト層に添加するp型不純物をCとし、p型InGaP-BDR層及びp型AlGaInPクラッド層に添加するp型不純物をMgとする。Mg、Cは、Znより拡散係数が小さい。そして、原理上、p型GaAsコンタクト層中のCとp型AlGaInPクラッド層中のMgは相互拡散を生じない。従って、Znを用いた場合に見られた活性層への不純物拡散を抑制することができる。

また、このことから、p型GaAsコンタクト層のC濃度、p型InGaP-BDR層、活性層近傍のp型AlGaInPクラッド層のMg濃度を、従来のZnの場合に比べて高濃度にすることができる。

よって、本実施の形態１によれば、p型GaAsコンタクト層のキャリア濃度を4.0×10¹⁹/cm³以上、p型AlGaInPクラッド層の正孔濃度を2×10¹⁸/cm³以上に保ったまま、GaAsP活性層へのp型不純物の拡散を抑制することができるため、高出力・高効率の半導体光素子を、高信頼性を保ちつつ実現することができる。

表２の構造を有する半導体光素子の信頼性試験の結果を図１に示す。信頼性試験開始後１０００時間を経過しても頓死は発生しておらず、十分な信頼性を有している。

また、p型InGaP-BDR層及びp型AlGaInPクラッド層に添加するp型不純物をMgとすることで、p型不純物を全てCとした場合に比べて、p型InGaP-BDR層及びp型AlGaInPクラッド層の成膜温度を高くすることができ、p型InGaP-BDR層及びp型AlGaInPクラッド層の結晶性を高めることができるため、効率の高い半導体光素子を得ることができる。

上記の半導体光素子は、図２に示すリッジ導波型レーザ、及び図３に示す電流狭窄構造を有する埋め込み型レーザの何れにも適用することができる。図２に示すレーザは、下から順に、ｎ型電極１１、n型GaA基板１２、ｎ型GaAsバッファー層１３、ｎ型クラッド層１４、GaAsP/InGaP量子井戸構造１５、ｐ型クラッド層１６、ｐ型コンタクト層１７、ｐ型電極１８を積層したものである。また、図３に示すレーザは更にｎ型電流ブロック層１９を設けたものである。

なお、実施の形態１ではGaAsP活性層が１個の場合について説明したが、活性層の個数を限定する意図はなく、活性層が２個以上の場合でも同様の効果を得ることができる。また、表２に示した各層の層厚について限定するものでもない。

実施の形態２．
表３は、本発明の実施の形態２に係る半導体光素子の各層における、添加される不純物、キャリア濃度、膜厚を示している。

実施の形態２では、p型GaAsコンタクト層、p型InGaP-BDR層、p型AlGaInPクラッド層に添加するp型不純物をCとする。その他の構成は実施の形態１と同様である。これにより、実施の形態１と同様に活性層への不純物の混入を防いで、高出力化させ、動作の信頼性を向上させることができる。

また、p型GaAsコンタクト層、p型InGaP-BDR層、p型AlGaInPクラッド層に添加するp型不純物を全てCとすることで、P型ドーパント材料が不要となるため、作製コストを低減することができる。

また、作製方法も実施の形態１とほぼ同じである。ただし、AlGaInP層へのC添加は四塩化炭素（CCl₄）,塩化臭素（CBr₄）を用いる必要があり、実施の形態１に記載のIntrinsic不純物導入法を用いることはできない。

実施の形態３．
表４は、本発明の実施の形態３に係る半導体光素子の各層における、添加される不純物、キャリア濃度、膜厚を示している。

実施の形態３では、p型GaAsコンタクト層、p型InGaP-BDR層、p型AlGaInPクラッド層に添加するp型不純物をMgとする。その他の構成は実施の形態１と同様である。作製方法は実施の形態１で述べたMgの添加方法と同じである。これにより、実施の形態１と同様に活性層への不純物の混入を防いで、高出力化させ、動作の信頼性を向上させることができる。

また、p型GaAsコンタクト層、p型InGaP-BDR層、p型AlGaInPクラッド層に添加するp型不純物を全てMgとすることで、Cドーピングを実施する温度より成長温度を高く設定することができるため、半導体光素子の結晶性を高めることができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体光素子は、表２〜４に記載のGaAsP活性層をInGaAsP活性層に置き換えたものである。ただしInGaAsP/InGaP量子井戸構造のＰＬ発光波長が790-810nmとなるInGaAsPの組成とする。その他の素子構造、添加するp型不純物の組み合わせ、作製方法は、実施の形態１〜３と同様である。これにより、実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体光素子の信頼性試験の結果を示す図である。本発明の半導体光素子を適用することができるリッジ導波型レーザを示す断面図である。本発明の半導体光素子を適用することができる電流狭窄構造を有する埋め込み型レーザを示す断面図である。従来の半導体光素子の信頼性試験の結果を示す図である。

符号の説明

１２ n型GaA基板
１３ｎ型GaAsバッファー層
１４ｎ型クラッド層
１５ GaAsP/InGaP量子井戸構造
１６ｐ型クラッド層
１７ｐ型コンタクト層

Claims

n型GaAs基板上に、n型GaAsバッファー層、n型AlGaInPクラッド層、不純物を添加していない第１のInGaAsP（As組成ゼロも含む）ガイド層、InGaAsP（In組成ゼロも含む）活性層、不純物を添加していない第２のInGaAsP（As組成ゼロも含む）ガイド層、p型AlGaInPクラッド層、p型不連続緩和層、p型GaAsコンタクト層を順に積層した構造を有する半導体光素子であって、
前記p型GaAsコンタクト層、前記p型不連続緩和層、及び前記p型AlGaInPクラッド層のp型不純物としてC又はMgを用いたことを特徴とする半導体光素子。
前記p型GaAsコンタクト層のp型不純物としてCを用い、
前記p型不連続緩和層及び前記p型AlGaInPクラッド層のp型不純物としてMgを用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
前記p型GaAsコンタクト層、前記p型不連続緩和層、及び前記p型AlGaInPクラッド層のp型不純物としてCを用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
前記p型GaAsコンタクト層、前記p型不連続緩和層、及び前記p型AlGaInPクラッド層のp型不純物としてMgを用いたことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。