半導(dǎo)體激光器元件的制作方法
【專利摘要】一種具備由以As為主成分的III?V族半導(dǎo)體晶體形成的阱層和勢(shì)壘層的半導(dǎo)體激光器元件，在所述阱層以及所述勢(shì)壘層中的至少一個(gè)層的III?V族半導(dǎo)體晶體的V族位，以濃度0.02～5％導(dǎo)入所述As以外的V族元素，在所述阱層以及所述勢(shì)壘層中的至少一個(gè)層的III?V族半導(dǎo)體晶體的III族位中包含Al。由此，提供一種抑制半導(dǎo)體晶體的塊體內(nèi)的缺陷的產(chǎn)生且特性變動(dòng)少的半導(dǎo)體激光器元件。
【專利說(shuō)明】
半導(dǎo)體激光器元件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體激光器元件中存在伴隨通電而產(chǎn)生的特性的劣化。例如，在端面發(fā)光型 激光器元件中，已知會(huì)產(chǎn)生端面的光學(xué)災(zāi)變損傷(Catastrophic Optical Damage:C0D)。作 為用于防止COD的技術(shù)，已知用于抑制端面的激光吸收的窗結(jié)構(gòu)(參照專利文獻(xiàn)1)。
[0003] 在先技術(shù)文獻(xiàn) [0004] 專利文獻(xiàn)
[0005] 專利文獻(xiàn)1 :JP特開2012-146996號(hào)公報(bào)
[0006] 非專利文獻(xiàn)
[0007] 非專利文獻(xiàn) 1 :N.Chen，Y.Wang，H.He，and L.Lin，Japanese Journal of Applied Physics. 1996年 35 卷，L1238-L1240.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明要解決的問題
[0009] 半導(dǎo)體激光器元件的特性劣化集中關(guān)注了因其端面的劣化引起的問題。因此，針 對(duì)半導(dǎo)體元件的特性劣化的對(duì)策以保護(hù)半導(dǎo)體激光器元件的端面的技術(shù)為中心發(fā)展了起 來(lái)。
[0010] 但是，根據(jù)本申請(qǐng)發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)，伴隨半導(dǎo)體激光器元件的高輸出化或高耐 壓化，除了半導(dǎo)體激光器元件的端面以外，有時(shí)在半導(dǎo)體晶體的塊體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生成為特性 劣化原因的缺陷。例如，在半導(dǎo)體激光器元件的活性層或其周邊，在塊體內(nèi)產(chǎn)生并非起因于 端面的位錯(cuò)環(huán)，該位錯(cuò)環(huán)生長(zhǎng)的情形通過本申請(qǐng)發(fā)明人得到了確認(rèn)。特別是在光輸出在1芯 片中約為數(shù)十瓦以上的高輸出元件中，該傾向顯著。
[0011] 本發(fā)明鑒于上述情況而完成，其目的在于，提供一種可抑制半導(dǎo)體晶體的塊體內(nèi) 的缺陷產(chǎn)生且特性變動(dòng)少的半導(dǎo)體激光器元件。
[0012] 用于解決文題的手段
[0013] 為了解決上述課題而實(shí)現(xiàn)目的，本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件具備由 以As為V族的主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的阱層和勢(shì)皇層的半導(dǎo)體激光器元件，該半 導(dǎo)體激光器元件的特征在于，在所述阱層以及所述勢(shì)皇層當(dāng)中的至少一個(gè)層的III-V族半 導(dǎo)體晶體的V族位，以濃度0.02~5%導(dǎo)入所述As以外的V族元素，在所述阱層以及所述勢(shì)皇 層當(dāng)中的至少一個(gè)層的III-V族半導(dǎo)體晶體的III族位中包含A1。
[0014] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述As以外的V族元素是 N、P、Sb中的任一種或者它們的組合。
[0015] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，以所述As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體是AlGalnAs或者AlGalnNAs。
[0016] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，以所述As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體是AlAs或者AlGaAs。
[0017] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，在所述阱層以及所述勢(shì)皇 層當(dāng)中的至少一個(gè)層的III-V族半導(dǎo)體晶體的III族位，以濃度0.1~1 %導(dǎo)入In。
[0018] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述活性層被添加了 η型 摻雜劑。
[0019] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述η型摻雜劑的濃度在1 X 1018cm-3 以下且 1 X 1015cm-3 以上。
[0020] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述As以外的V族元素被 導(dǎo)入到所述阱層中。
[0021] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述As以外的V族元素被 導(dǎo)入到所述勢(shì)皇層中。
[0022] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述A1包含在所述勢(shì)皇層 的組成當(dāng)中。
[0023] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述A1包含在所述阱層的 組成當(dāng)中。
[0024] 本發(fā)明的一方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的特征在于，所述活性層的η型摻雜劑 的濃度低于所述半導(dǎo)體激光器元件中的其他η型半導(dǎo)體層的η型摻雜劑的濃度。
[0025]發(fā)明效果
[0026] 本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體裝置具有抑制半導(dǎo)體晶體的塊體內(nèi)的缺陷產(chǎn)生的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1是表示形成在GsAs晶格間的〈110>啞鈴型的示意圖。
[0028] 圖2是表示形成在AlAs晶格間的〈110>啞鈴型的示意圖。
[0029] 圖3是表示使〈110>啞鈴型穩(wěn)定化的情況抑制了間隙式As的簇化的示意圖。
[0030] 圖4是表示使〈110>啞鈴型穩(wěn)定化的情況抑制了間隙式As的簇化的示意圖。
[0031] 圖5是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>啞鈴型的中性狀態(tài)下的形成能量的曲線圖。
[0032] 圖6是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>啞鈴型的中性狀態(tài)下的結(jié)合能量的曲線圖。
[0033] 圖7是表示III族位、V族位、啞鈴型的最接近位置、啞鈴型的第2接近位置的圖。
[0034] 圖8是表示中性狀態(tài)下的Ino.6Gao.4As混晶中的〈110>啞鈴型的形成能量的曲線圖。
[0035] 圖9是表示GaAs中的〈110>啞鈴型的形成能量的曲線圖。
[0036] 圖10是表示間隙式As的擴(kuò)散勢(shì)皇的大小的曲線圖。
[0037]圖11是表示基于TEM的觀察像的圖。
[0038] 圖12是表示第1實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。
[0039] 圖13是表示改變了活性層中的P的濃度時(shí)的半導(dǎo)體激光器元件的斜率效率的曲線 圖。
[0040] 圖14是表示第2實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。
[0041 ]圖15是表示第3實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。
[0042]圖16是表示第4實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 以下，參照【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，在以下的實(shí)施方式的所有附圖中， 對(duì)相同或者相應(yīng)的部分附加同一符號(hào)。此外，本發(fā)明并不由以下說(shuō)明的實(shí)施方式限定。進(jìn)一 步地，需要注意，附圖是示意性的，各要素的尺寸的關(guān)系等有時(shí)會(huì)與實(shí)際不同。在各附圖之 間，也有時(shí)包含尺寸關(guān)系、比率互不相同的部分。
[0044] 首先，為了說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式時(shí)使本發(fā)明容易理解，說(shuō)明本申請(qǐng)發(fā)明人為解 決上述問題而進(jìn)行的深入研究。
[0045] 另外，在以下，雖然使用砷化鎵(GaAs)或者砷化鋁(AlAs)作為半導(dǎo)體晶體的例子， 但本發(fā)明的實(shí)施并不限于這些例子，在使用以砷(As)為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體的半 導(dǎo)體激光器元件中，能夠適當(dāng)?shù)貙?shí)施本發(fā)明。例如，以As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體包 括AlGaAs、AlGaInAs、AlGaInNAs等。在此，As是V族的主成分的意思是，在III-V族半導(dǎo)體晶 體的組成元素之中，As相對(duì)于所有V族元素的比例是95%以上。同樣，A1或者Ga是III族的主 成分的意思是，在ΠI-V族半導(dǎo)體晶體的組成元素之中，A1或者Ga相對(duì)于所有III族元素的 比例是95%以上。
[0046](抑制位錯(cuò)環(huán)生長(zhǎng)的機(jī)制）
[0047]首先，考慮位錯(cuò)環(huán)的形成機(jī)制。此時(shí)，在假設(shè)均勻形核的情況下，用于在GaAs中形 成位錯(cuò)環(huán)的能量由位錯(cuò)的自身能量(線張力、位錯(cuò)芯、以及熵項(xiàng)之和）與化學(xué)勢(shì)之間的平衡 決定，化學(xué)勢(shì)是由層疊缺陷能量、點(diǎn)缺陷的過飽和度及系的溫度確定的。但是，使用公知的 物理量來(lái)計(jì)算出形成能量后發(fā)現(xiàn)，均勻形核并不是位錯(cuò)環(huán)的形成機(jī)制。
[0048]因此，作為位錯(cuò)環(huán)形成的另一機(jī)制，研究伴隨由As間隙式（interstitial)原子構(gòu) 成的析出物(簇）的形成的位錯(cuò)環(huán)的形成。實(shí)際上，已經(jīng)報(bào)告了伴隨As間隙原子擴(kuò)散的As析 出物的形成（參照非專利文獻(xiàn)1)。在非專利文獻(xiàn)1中，對(duì)利用低溫分子束外延法生長(zhǎng)出的 GaAs在生長(zhǎng)后進(jìn)行熱處理，講述了系的形變量與點(diǎn)缺陷復(fù)合體的結(jié)構(gòu)的關(guān)系。即，對(duì)于晶體 生長(zhǎng)時(shí)被導(dǎo)入的As間隙原子來(lái)說(shuō)，隨著加熱溫度的增大，As間隙原子對(duì)、間隙式As會(huì)發(fā)展成 4個(gè)集合體，間隙式As會(huì)發(fā)展成8個(gè)集合體。并且，隨著As間隙原子的集合體變大，系的形變 減少。該結(jié)果表明，通過形成間隙式As簇，從而系整體的形變得到緩和。
[0049] 形變的緩和由來(lái)于:在存在于母體中的簇的周圍存在納米量級(jí)的微小的位錯(cuò)環(huán)。 這樣的微小的位錯(cuò)環(huán)即使使用透射電子顯微鏡(TEM)等也無(wú)法觀察到。但是，若該位錯(cuò)環(huán)吸 收存在于周圍的過飽和的點(diǎn)缺陷而生長(zhǎng)，則其存在就會(huì)明顯。并且，若位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)進(jìn)一步 進(jìn)展，則最終半導(dǎo)體激光器元件就會(huì)劣化而受損。特別是，在高輸出的激光器驅(qū)動(dòng)、高電場(chǎng) 施加等對(duì)半導(dǎo)體激光器元件施加高負(fù)荷的狀況下，在半導(dǎo)體晶體中容易產(chǎn)生間隙原子，且 該間隙原子容易移動(dòng)，因此會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)。這樣的位錯(cuò)環(huán)在塊體內(nèi)生長(zhǎng)，成為半導(dǎo)體 激光器元件的特性劣化的原因。因此，為了抑制位錯(cuò)環(huán)的形成，需要抑制As間隙原子的移 動(dòng)，阻止簇的形成。以下，考慮在晶體內(nèi)導(dǎo)入使間隙式As的簇的前一階段、即As間隙原子對(duì) 穩(wěn)定化的組成。即，使間隙式As的分布在塊體內(nèi)分散，抑制間隙式As局部分布不均勻。
[0050] 在GaAs以及AlAs的情況下，彈性常數(shù)Cn、C12以及C44的關(guān)系如式（1)所述，因而具有 各向異性。
[0051] C44>(Ch-Ci2)/2 (1)
[0052] 因此，As間隙原子對(duì)容易在(001)面上析出，在〈110>方向上成對(duì)的狀態(tài)下穩(wěn)定化。 將該狀態(tài)的As間隙原子對(duì)稱為〈110>啞鈴型。圖1是表示在GsAs晶格間形成的〈110>啞鈴型 的示意圖。圖2是表示在AlAs晶格間形成的〈110>啞鈴型的示意圖。
[0053] 如圖1所示，GaAs具有由鎵原子(Ga)和砷原子(As)構(gòu)成的閃鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)。如 圖2所示，AlAs具有由鋁原子(A1)和砷原子(As)構(gòu)成的閃鋅礦型的晶體結(jié)構(gòu)。如圖1以及圖2 所示，〈110>啞鈴型是As間隙原子在〈110>方向上成對(duì)的狀態(tài)下穩(wěn)定后的情況。
[0054] 如果可以將減低該〈110>啞鈴型的形成能量且增加結(jié)合能量的組成導(dǎo)入到晶體 內(nèi)，就能夠抑制As間隙原子的擴(kuò)散和與之相伴的As簇的形成。
[0055] 圖3以及圖4是表示在（1-10)面使〈110>啞鈴型穩(wěn)定化的情況抑制了間隙式As的簇 化的情況的示意圖。圖3以及圖4與在后驗(yàn)證的將磷(P)導(dǎo)入到GaAs晶格或者AlAs晶格的V族 位的情況的例子對(duì)應(yīng)，但〈11〇>啞鈴型的穩(wěn)定化與間隙式As的簇化的抑制的關(guān)系并不限于 將P導(dǎo)入到V族位的情況。
[0056] 如圖3以及圖4所不，在GaAs晶格或者AlAs晶格的間隙內(nèi)存在As間隙原子。在圖3以 及圖4所示的例子中，若還存在形成了〈110>啞鈴型的As間隙原子，則也存在未形成〈110>啞 鈴型的As間隙原子。在這些As間隙原子如單點(diǎn)劃線、雙點(diǎn)劃線所示那樣進(jìn)行移動(dòng)而集合到 虛線內(nèi)的區(qū)域的情況下，As間隙原子就會(huì)形成簇。
[0057]但是，如圖3以及圖4所示，在借助導(dǎo)入到V族位的P來(lái)使〈110>啞鈴型穩(wěn)定化的情況 下，很難分解已經(jīng)形成的〈11〇>啞鈴型，且未形成〈11〇>啞鈴型的As間隙原子容易重新形成〈 110>啞鈴型。其結(jié)果是，As間隙原子如單點(diǎn)劃線所示的移動(dòng)得到，因此在圖中虛線圓內(nèi)As間 隙原子形成簇的情況也得到抑制。
[0058] 如前所述，由于只要能抑制As間隙原子的簇的形成就能夠抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生，所 以可知〈110>啞鈴型的穩(wěn)定化有助于抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生。具體來(lái)說(shuō)，優(yōu)選通過導(dǎo)入對(duì)元件的 電氣特性、光學(xué)特性沒有壞影響的特定的雜質(zhì)，從而使形成能量和結(jié)合能量發(fā)生變化。例 如，從不會(huì)對(duì)電氣特性造成壞影響的觀點(diǎn)出發(fā)，期望導(dǎo)入的雜質(zhì)是III族元素或者V族元素。
[0059] 以下，除了 P外，包括氮(N)、銦（In)、銻(Sb)等原子在內(nèi)，驗(yàn)證〈110>啞鈴型根據(jù)被 導(dǎo)入的原子的種類以及位置而穩(wěn)定化的程度。
[0060] (基于第一原理電子狀態(tài)計(jì)算的特性評(píng)價(jià)）
[0061 ] 在此，驗(yàn)證GaAs晶體以及AlAs晶體中的As間隙原子對(duì)(〈110>啞鈴型）的形成能量 和結(jié)合能量。關(guān)于該驗(yàn)證，以下，說(shuō)明進(jìn)行了第一原理電子狀態(tài)計(jì)算(仿真）的結(jié)果。
[0062] 另外，在以下的仿真中，使用Advance soft株式會(huì)社制的Advance/PHASE。此外，在 計(jì)算中，米用規(guī)范守恒贗勢(shì)（norm-conserving pseudopotential)以及Vanderbilt型的超 軟贗勢(shì)。在一般化梯度近似的范圍內(nèi)計(jì)算交換相互作用。對(duì)形成能量的評(píng)價(jià)進(jìn)行了考慮電 荷狀態(tài)的仿真。即，在為了保持電中性而在背景中存在必要的電荷的狀態(tài)下，調(diào)整電子數(shù)目 (余量附加、去除），評(píng)價(jià)系的總能量Et〇t。
[0063] 〈110>啞鈴型的每晶胞的形成能量Ef_依賴于系的電荷狀態(tài)q和費(fèi)米能級(jí)Ef，如下 述式(2)所示。
[0064] Ef。rm(q，Ef)=Et。t[啞鈴型](q)-Et。 t[塊體]-Σμn+qEf (2)
[0065] 在此，μη是元素 η的化學(xué)勢(shì)。在僅導(dǎo)入〈110>啞鈴型時(shí)，僅考慮As原子。μη的值在生長(zhǎng) 條件是ΠΙ族(Ga/Al)充足條件時(shí)和V族(As)充足條件時(shí)是不同的。
[0066]導(dǎo)入雜質(zhì)時(shí)，Etclt為含有雜質(zhì)的系的總能量Etclt[啞鈴型+雜質(zhì)](q)，在化學(xué)勢(shì)的項(xiàng) 中考慮雜質(zhì)原子的附加和Ga(Al)或As原子的去除。在此，雜質(zhì)的意思是，為了抑制As間隙原 子的簇的形成，導(dǎo)入到GaAs晶體或者A1 As晶體的P、N、Sb或者In等元素。
[0067] 〈110>啞鈴型的結(jié)合能量定義為形成〈110>啞鈴型時(shí)的系的總能量與存在2個(gè)彼此 分離的As間隙原子時(shí)的系的總能量之差。
[0068]主要的計(jì)算條件如下。
[0069] ?原子模型：構(gòu)成母體的64個(gè)原子(Ga或者A1:32個(gè)，As:32個(gè)），構(gòu)成啞鈴型的As原 子:2個(gè)，導(dǎo)入的雜質(zhì)原子:1~3個(gè)
[0070] ?截止能量:按波函數(shù)以及電荷密度分布，分別是30Ry以及250Ry
[0071] .k 點(diǎn)樣本：3X3X2
[0072] ?計(jì)算出的帶數(shù):200
[0073]另外，仿真使用獨(dú)立行政法人海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAMSTEC)的地球仿真器2來(lái)進(jìn) 行。
[0074](計(jì)算結(jié)果1:雜質(zhì)導(dǎo)入效果）
[0075] 圖5是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>啞鈴型的中性狀態(tài)下的形成能量的曲線圖 (III族充足條件）。另外，V族充足條件下也能得到相同的結(jié)果。在圖5所示的曲線圖中，縱軸 表示〈110>啞鈴型的形成能量(eV)，橫軸表示被導(dǎo)入的元素的種類。此外，用黑圓表示GaAs 中時(shí)的結(jié)果，用中空方形來(lái)表示AlAs中時(shí)的結(jié)果。
[0076] 圖6是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>啞鈴型的中性狀態(tài)下的結(jié)合能量的曲線圖。 在圖6所示的曲線圖中，縱軸表示〈110>啞鈴型的結(jié)合能量(eV)，橫軸表示被導(dǎo)入的元素的 種類。此外，用黑圓表示GaAs中時(shí)的結(jié)果，用中空方形來(lái)AlAs中時(shí)的結(jié)果。
[0077] 另外，圖5以及圖6的曲線圖中橫軸所示的省略記號(hào)的意思如下。另外，III族位、V 族位、啞鈴型的最接近位置、啞鈴型的第2接近位置如圖7所示。另外，由于晶體結(jié)構(gòu)的立體 性，最接近位置以及第2接近位置分別存在于紙面的跟前側(cè)和里側(cè)。
[0078] · A1或Ga:母體為GaAs的情況下導(dǎo)入A1，母體為AlAs的情況下導(dǎo)入Ga
[0079] · In:導(dǎo)入到III族位
[0080] ?啞鈴型：未導(dǎo)入雜質(zhì)
[0081 ] · P/N/Sb:導(dǎo)入到V族位
[0082] · P{As}:將啞鈴型中的As置換成P
[0083] · In+P:在啞鈴型的最接近位置導(dǎo)入P和In
[0084] · N+P:在啞鈴型的最接近位置導(dǎo)入P和N
[0085] · 2P-1:在啞鈴型的最接近位置和第2接近位置導(dǎo)入P
[0086] · 2P-2:在啞鈴型的最接近位置導(dǎo)入2個(gè)P
[0087] · 3P:在啞鈴型的最接近位置導(dǎo)入2個(gè)P，在第2接近位置導(dǎo)入1個(gè)P
[0088] 如圖5所示，通過導(dǎo)入N、P或者Sb這樣的V族元素，與不導(dǎo)入的情況相比，〈110>啞鈴 型的形成能量會(huì)降低。特別是，導(dǎo)入了P時(shí)的效果顯著，形成能量減少〇.2eV左右。在導(dǎo)入了 III族元素的情況下，在A1或者Ga的導(dǎo)入中，〈110>啞鈴型的形成能量幾乎無(wú)變化或者增加。
[0089] 如圖5所示，在In的導(dǎo)入中，效果比P小，但形成能量降低。另一方面，在In和P同時(shí) 導(dǎo)入的情況下，形成能量的降低效果顯著，得到相乘效果。此外，在N和P同時(shí)導(dǎo)入的情況下， 與N和P當(dāng)中的任一者的導(dǎo)入相比，形成能量的降低效果變大，得到相乘效果。
[0090] 如圖5所示，在多個(gè)P導(dǎo)入中，啞鈴型的形成能量的降低效果顯著。形成能量降低 0.3eV左右。特別是，在模型3P(在啞鈴型的最接近位置導(dǎo)入2個(gè)P，在第2接近位置導(dǎo)入1個(gè)P) 下，效果大。
[0091] 另一方面，如圖6所示，在GaAs中，通過導(dǎo)入P、N，從而結(jié)合能量增加。在導(dǎo)入了P的 情況下，結(jié)合能量增加〇. leV左右。若導(dǎo)入多個(gè)P則效果增大，結(jié)合能量增加〇.5eV左右。此 外，在AlAs中，除了P以外，在Ga的導(dǎo)入中結(jié)合能量增加。
[0092] 這些結(jié)果反映了 ：由于P、N的電負(fù)性高(價(jià)電子的貢獻(xiàn)），In的有效核電荷高（內(nèi)層 電子的貢獻(xiàn)），所以周圍的電子密度變高，具有應(yīng)力張量小的穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
[0093] 如以上這樣，根據(jù)圖5以及圖6,通過將P、N、In等導(dǎo)入到晶體結(jié)構(gòu)，存在于間隙間的 As容易形成〈110>啞鈴型，且形成后的〈110>啞鈴型很難被分解。具體來(lái)說(shuō)，在〈110>啞鈴型 的形成以及分解時(shí)需要0.3~0.5eV余量的能量。這種情況表示在半導(dǎo)體晶體內(nèi)單獨(dú)存在間 隙式As是困難的。即，As間隙原子的移動(dòng)也得到了抑制。
[0094] 另外，在此示出了針對(duì)GaAs或者AlAs的計(jì)算結(jié)果，而兩者的混晶也可得到相同的 結(jié)果。
[0095] 進(jìn)一步地，在將母體的III族元素置換成In的情況下，也有P的導(dǎo)入帶來(lái)的使〈110> 啞鈴型的形成能量降低的效果。圖8是表示中性狀態(tài)下的Ino.6Gao.4As混晶中的〈110>啞鈴型 的形成能量的曲線圖。計(jì)算在III族充足條件下進(jìn)行。另外，在晶格內(nèi)的III族位，假定In原 子和Ga原子是隨機(jī)的配置。
[0096] 在圖8的曲線圖中，縱軸表示〈110>啞鈴型的形成能量(eV)，橫軸表示被導(dǎo)入的元 素的種類。橫軸所示的模型啞鈴型-1以及模型啞鈴型-2表示分別在〈110>啞鈴型的最接近 位置配置了 In原子和Ga原子的實(shí)例。模型P-1以及模型P-2分別是在模型啞鈴型-1以及模型 啞鈴型-2中導(dǎo)入了P的情況。
[0097] 如圖8所示，通過P的導(dǎo)入，〈110>啞鈴型的形成能量降低20~30meV左右。在實(shí)際的 InGaAs混晶中，形成能量更低的模型啞鈴型-1和模型P-1被形成的概率變高(啞鈴型形成在 In原子的附近）。這是因?yàn)镮n原子的有效核電荷高。
[0098] P的導(dǎo)入帶來(lái)的形成能量的降低量比GaAs、AlAs小是因?yàn)?，?gòu)成母體的In原子的有 效核電荷的效果掩蓋了P原子的電負(fù)性的效果。另外，與P同樣，導(dǎo)入其他V族元素時(shí)也可得 到相同的效果。此外，即使是InGaAs混晶，通過V族元素的導(dǎo)入，〈110>啞鈴型的結(jié)合能量也 會(huì)增加。
[00"] 在InGaAs混晶中，與GaAs、AlAs相比，如上所述那樣，構(gòu)成母體的In原子的有效核 電荷的貢獻(xiàn)得到更大的反映，所以〈11〇>啞鈴型的形成能量比GaAs、AlAs降低0.1~0.25eV 左右。這種情況表明：在AlGaAs系混晶中，與InGaAs混晶相比，單獨(dú)As間隙原子的濃度容易 變高從而容易引發(fā)As簇的形成，并且導(dǎo)入上述雜質(zhì)的效果更高。
[0100] 以上，如圖5以及圖6所示，即使在GaAs、AlAs或者GaAs與AlAs的混晶中導(dǎo)入P和In 的組合、P和N的組合的情況下，也能得到〈110>啞鈴型的形成能量的降低以及結(jié)合能量的增 加的效果。此外，如圖8所示，即使是InGaAs混晶，在導(dǎo)入了V族元素的情況下，也能得到〈110 >啞鈴型的形成能量降低的效果。因此，上述計(jì)算結(jié)果也可對(duì)GaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAs、 AlGaInAs、GaInNAs等以As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體進(jìn)行一般化。
[0101] (計(jì)算結(jié)果2:母體導(dǎo)電性的效果）
[0102] 如前述的式（2)所示，〈110>啞鈴型的形成能量依賴于系的費(fèi)米能級(jí)。因此，以下， 研究母體導(dǎo)電性對(duì)于〈11〇>啞鈴型的形成能量的影響。
[0103] 圖9是表示GaAs中的〈110>啞鈴型的形成能量的曲線圖（Ga充足條件）。在圖9所示 的曲線圖中，傾斜度是電荷狀態(tài)，正為施主，負(fù)為受主。
[0104] 圖9中，為了進(jìn)行比較，也一起示出了其他晶格缺陷、即As間隙原子(As{I})、Ga空 位(V{Ga})、As空位(V{As})、As反位缺陷(As{Ga})的曲線圖。
[0105] 如圖9所示，在費(fèi)米能級(jí)高且接近于導(dǎo)帶的情況下(η型導(dǎo)電性），〈110>啞鈴型的形 成能量比As間隙原子的形成能量低。另一方面，在費(fèi)米能級(jí)低且接近于價(jià)帶的情況下(ρ型 導(dǎo)電性），〈110>啞鈴型的形成能量與As間隙原子的形成能量幾乎相同。
[0106] 該結(jié)果表示:在具有η型導(dǎo)電性的GaAs中，與單獨(dú)As間隙原子相比，〈110>啞鈴型更 穩(wěn)定。即，表示:在具有η型導(dǎo)電性的GaAs中，在晶格中移動(dòng)的單獨(dú)的As間隙原子容易形成〈 110>啞鈴型，抑制As間隙原子的擴(kuò)散的效果更顯著。
[0107] 具體來(lái)說(shuō)，在費(fèi)米能級(jí)大致為0.35eV的位置處，〈110>啞鈴型的形成能量的曲線圖 與As間隙原子的形成能量的曲線圖相交。因此，在費(fèi)米能級(jí)高于0.35eV的情況下，〈110>啞 鈴型的形成能量比As間隙原子的形成能量低。
[0108] 通過仿真得到的GaAs的帶隙約為leV，純半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)約為0.5eV。在 0.35eV下As間隙原子的形成能量與〈110>啞鈴型的形成能量交叉表示：只要不刻意添加 ρ型 雜質(zhì)，〈110>啞鈴型就是穩(wěn)定的。但是，如圖9所示，由于費(fèi)米能級(jí)約為0.5eV時(shí)成為受主的Ga 空位、As空位的形成能量低，并且由于只要存在碳等殘留雜質(zhì)費(fèi)米能級(jí)就會(huì)降低，所以有意 添加 η型摻雜劑時(shí)能夠更可靠地實(shí)現(xiàn)〈110>啞鈴型的形成能量比As間隙原子的形成能量低 的狀態(tài)。η型摻雜劑濃度只要是能夠消除空位、殘留雜質(zhì)引起的補(bǔ)償效果的量即可。例如，期 望是IX 1015cnf3以上。另外，這樣的帶有η型導(dǎo)電性的混晶發(fā)揮以下效果：即使在例如半導(dǎo) 體激光器元件之中應(yīng)作為Ρ型半導(dǎo)體起作用的區(qū)域的內(nèi)部，形成為η型導(dǎo)電性區(qū)域，在該η型 導(dǎo)電性區(qū)域中由As間隙原子形成〈110>啞鈴型也是穩(wěn)定的。另外，作為η型摻雜劑的例子，可 列舉娃(Si)、硒(Se)等。
[0109] 圖10是表示間隙式As的擴(kuò)散勢(shì)皇的大小的曲線圖。如圖10所示，針對(duì)單獨(dú)的As間 隙原子的擴(kuò)散的勢(shì)皇Ea依賴于電荷狀態(tài)，當(dāng)電荷狀態(tài)為_1(具有η型導(dǎo)電性的GaAs中）時(shí)約 為0.8eV，當(dāng)電荷狀態(tài)為+1(具有ρ型導(dǎo)電性的GaAs中）時(shí)約為0.4eV。即，對(duì)于相對(duì)于單獨(dú)的 As間隙原子的擴(kuò)散的勢(shì)皇來(lái)說(shuō)，相比具有ρ型導(dǎo)電性的GaAs，具有η型導(dǎo)電性的GaAs中的勢(shì) 皇大2倍以上。
[0110] 若合并圖9和圖10的結(jié)果，則能夠得到以下結(jié)論:在具有ρ型導(dǎo)電性的GaAs中，存在 于間隙間的As容易單獨(dú)存在而且擴(kuò)散勢(shì)皇低，相對(duì)于此，在具有η型導(dǎo)電性的GaAs中，存在 于間隙間的As容易形成〈110>啞鈴型且擴(kuò)散勢(shì)皇高。結(jié)果是，在具有η型導(dǎo)電性的GaAs中，抑 制As的擴(kuò)散的效果大。
[0111] 針對(duì)上述母體導(dǎo)電性的影響，講述了未導(dǎo)入雜質(zhì)的GaAs的例子，但是即使在導(dǎo)入 了雜質(zhì)的情況下，也具有相同的效果。例如，在將P導(dǎo)入到GaAs的情況下，As間隙原子的擴(kuò)散 勢(shì)皇增加10%左右(在中性狀態(tài)下增加50meV)。即，通過將P導(dǎo)入到GaAs中，且將母體的導(dǎo)電 性設(shè)為η型，從而As間隙原子的擴(kuò)散抑制效果就會(huì)更加顯著。
[0112]此外，在此示出了針對(duì)GaAs的計(jì)算結(jié)果，但是針對(duì)AlAs、InAs、它們的混晶也能得 到相同的結(jié)果。
[0113](仿真的總結(jié)）
[0114] 上述（計(jì)算結(jié)果1)以及（計(jì)算結(jié)果2)啟示了 ：對(duì)于GaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAs、 AlGaInAs、GaInNAs等以As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體，為了抑制As間隙原子的擴(kuò)散，以 下對(duì)策是有效的。
[0115] (1)將P、N、Sb、In等元素導(dǎo)入到晶體結(jié)構(gòu)中，使〈110>啞鈴型穩(wěn)定化。
[0116] (2)將母體的導(dǎo)電性設(shè)為η型，設(shè)為比起單獨(dú)As間隙原子〈110>啞鈴型更穩(wěn)定的狀 ??τ 〇
[0117] (驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)）
[0118] 在此，作為上述仿真結(jié)果的驗(yàn)證，示出在以As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體的晶 體結(jié)構(gòu)中導(dǎo)入了 P時(shí)的效果的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
[0119] 在后示出的表1是對(duì)驗(yàn)證了置換成V族元素位的P的濃度、啞鈴型的形成、As的析出 物的檢出之間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)后得到的表。表1所示的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是如下進(jìn)行的。
[0120] 在P的濃度測(cè)定中，使用二次離子質(zhì)譜法(SIMS) AIMS是指，向固體的表面照射束 狀的離子(稱為一次離子），用質(zhì)譜儀檢測(cè)因該離子與固體表面的分子/原子級(jí)的沖突而產(chǎn) 生的離子(稱為二次離子）的表面測(cè)量法。SIMS的空間分辨率為ΙΟμπι左右，但能夠進(jìn)行濃度 0.01%左右的Ρ的定量。SIMS適于用在例如GaAs系的長(zhǎng)腔激光器元件中。另外，作為采用了 該S頂S的測(cè)定裝置的例子，可列舉Cameca社的扇型S MS (MS系列）。
[0121]此外，在P的濃度測(cè)定中使用原子探針法。在原子探針法中，首先，作為試料的準(zhǔn) 備，使用聚焦離子束(FIB)加工裝置，將包含測(cè)定對(duì)象的區(qū)域加工成針狀(探針形狀）。之后， 通過在超高真空化下施加電壓脈沖，從而從加工成探針形狀的試料的前端使組分原子場(chǎng)蒸 發(fā)，通過測(cè)定場(chǎng)蒸發(fā)后的原子的飛行時(shí)間來(lái)對(duì)原子的質(zhì)量進(jìn)行分析。另外，在半導(dǎo)體中利用 原子探針法的情況下，為了防止充電（charge up)，優(yōu)選借助激光來(lái)輔助原子的蒸發(fā)。
[0122] 該測(cè)定方法例如適于對(duì)InP系的BH型激光器元件中的活性層內(nèi)的P濃度進(jìn)行測(cè)定。 原因在于，與通常的SMS相比，能夠縮小解析范圍（例如Ιμπι以下）。另外，作為采用該原子探 針法的測(cè)定裝置的例子，可列舉Cameca社的LEAP系列。
[0123] 進(jìn)一步地，P的濃度測(cè)定使用掃描型隧道顯微鏡(STM)來(lái)測(cè)定。使用了STM的測(cè)定方 法對(duì)于InP系的BH型激光器元件以及GaAs系的脊形激光器元件當(dāng)中的任一個(gè)都是適合的。 在使用了STM的測(cè)定方法中，在超高真空中劈開試料來(lái)使活性層的剖面露出，用STM觀察原 子像，從而進(jìn)行P的濃度測(cè)定。
[0124] STM是如下的顯微鏡:通過在前端曲率為納米級(jí)的探針與試料表面之間施加數(shù)伏 的偏置電壓，使流過的微小的隧道電流(約在InA以下)反饋，從而得到原子的凹凸像。此時(shí)， 由于對(duì)于母體的Ga、As等和P來(lái)說(shuō)，電子狀態(tài)不同，所以在通過STM得到的像的對(duì)比度中會(huì)產(chǎn) 生差。因此，能夠從通過STM得到的像中對(duì)P的原子數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而進(jìn)行濃度的評(píng)價(jià)。作為 可用于該測(cè)定方法中的STM的例子，列舉Omi cron社的STM-1、LT-STM。
[0125] 進(jìn)一步地，對(duì)于P的濃度來(lái)說(shuō)，也能夠通過基于光致發(fā)光測(cè)定的光學(xué)帶隙的測(cè)定或 者基于X射線衍射的晶格常數(shù)的測(cè)定，來(lái)決定P的濃度。
[0126] 〈110>啞鈴型的形成例如可根據(jù)拉曼光譜測(cè)定來(lái)確認(rèn)。原因在于，在形成了〈110> 啞鈴型的晶體中，會(huì)產(chǎn)生因〈11〇>啞鈴型引起的拉曼活性的振動(dòng)模式。例如，通過使用波長(zhǎng) 為488nm的Ar離子激光器或者波長(zhǎng)為355nm的YAG激光器的3倍高次諧波，對(duì)構(gòu)成活性層的混 晶的L0模式在50~150CHT 1的位置處對(duì)局域振動(dòng)模式進(jìn)行測(cè)定，從而能夠確認(rèn)〈110>啞鈴型 的形成。在此，該拉曼散射測(cè)定中的偏振光配置為Z (X，x+y )_z(Z=[001]，x=[100]，y = [010])。并且，當(dāng)對(duì)相對(duì)于LO模式的強(qiáng)度比在1/1000以上的局域振動(dòng)模式進(jìn)行了測(cè)定的情 況下，判定為形成了〈11〇>啞鈴型。
[0127] 另外，在表1中的P的濃度為5%以上的情況下，由于因〈110>啞鈴型引起的局域振 動(dòng)模式與因置換到V族位的P引起的振動(dòng)模式疊加，所以無(wú)法確認(rèn)〈110>啞鈴型的形成。因 此，表1中記載為不能評(píng)價(jià)。
[0128] 除此以外，作為直接觀測(cè)〈110>啞鈴型的形成的方法，有基于X射線衍射的形變的 各向異性測(cè)定。該方法通過使用波長(zhǎng)可變的輻射光就能進(jìn)行精度高的測(cè)定。在通過蝕刻將 活性層上的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)清除后，對(duì)多個(gè)衍射面進(jìn)行測(cè)定，從而測(cè)定晶格常數(shù)的深度方向依賴 性。
[0129] 具體來(lái)說(shuō)，若將與晶體面垂直的（006)面、相對(duì)于晶體面傾斜的（044)面以及（113) 面選擇為衍射面，則在〈11〇>啞鈴型所存在的P摻雜試料中，存在面間形變和面內(nèi)形變(P濃 度1 %左右時(shí)0.1 %的形變），但在未形成〈110>啞鈴型的參照試料中，存在面間形變，不存在 面內(nèi)形變。根據(jù)該區(qū)別，能夠檢測(cè)〈11〇>啞鈴型的形成。
[0130]關(guān)于As的析出物，進(jìn)行基于透射型電子顯微鏡(TEM)的觀察。與As的析出物相關(guān)的 定量化設(shè)為以寬25μπι的諧振器的諧振器長(zhǎng)為100μπι為基準(zhǔn)的觀察個(gè)數(shù)。例如，如圖11所示， 在進(jìn)行基于ΤΕΜ的觀察的情況下，如虛線圓中所是那樣，認(rèn)為存在As的析出物。通過按每個(gè) 諧振器長(zhǎng)100μπι來(lái)對(duì)這樣檢測(cè)出的As的析出物進(jìn)行總計(jì)，從而進(jìn)行與As的析出物相關(guān)的定 量化。另外，圖11所示的基于TEM的觀察像是分別將P的濃度設(shè)為0.01%以下(實(shí)質(zhì)上意思是 未添加 P，以下相同）和將P的濃度設(shè)為0.02%時(shí)的測(cè)定范圍的一部分切取后得到的。
[0131] 【表1】
[0132]
[0133] 若根據(jù)以上說(shuō)明的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，則在拉曼光譜測(cè)定中，在晶體內(nèi)的P的濃度為0.01% 的情況下和0.02%的情況下，沒有觀察到因〈110>啞鈴型引起的局域振動(dòng)模式。另一方面， 在晶體內(nèi)的P的濃度為〇. 1%以上且比5%低的范圍內(nèi)，觀察到因〈110>啞鈴型引起的局域振 動(dòng)模式。因此，認(rèn)為在晶體內(nèi)的P的濃度為0.1 %以上的情況下，因〈11〇>啞鈴型引起的間隙 式As的穩(wěn)定化充分起作用。
[0134] 此外，在TEM觀察中，在晶體內(nèi)的P的濃度為0.01 %的情況下，每諧振器長(zhǎng)100μπι觀 察到7個(gè)As析出物。另一方面，在晶體內(nèi)的P的濃度為0.02%的情況下，每諧振器長(zhǎng)100μπι觀 察到1個(gè)As析出物。另外，在晶體內(nèi)的Ρ的濃度為0.1 %以上的情況下，未觀察到As析出物。因 此，若比較晶體內(nèi)的P的濃度為0.01%的情況和0.02%的情況，則在兩者之間，在As析出物 的量上有顯著的差異。即，在晶體內(nèi)的P的濃度為0.02%以上的情況下，As析出物被充分抑 制少到不能對(duì)性能造成影響的程度。
[0135] 以上的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)僅提示了P作為置換到V族元素位的雜質(zhì)，但即使是N或者Sb等置 換到V族元素位的雜質(zhì)，根據(jù)同一原理也可帶來(lái)相同的作用。
[0136] 因此，優(yōu)選置換到V族元素位的P、N、或者Sb的濃度相對(duì)于處于V族元素位的V族元 素的整體量是0.02%以上的范圍，更優(yōu)選0.1 %以上的范圍。
[0137] 此外，在將In導(dǎo)入到以A1或者Ga為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體的情況下，置換到 III族元素位的In的濃度也優(yōu)選相對(duì)于處于III族元素位的III族元素的整體量是0.1%以 上的范圍。原因在于，在該范圍內(nèi)，導(dǎo)入的雜質(zhì)原子與其他P雜質(zhì)原子接近的概率增加，圖5 以及圖6的橫軸中記載的模型2P-1(P配置在〈110>啞鈴型的最接近位置和第2接近位置）的 狀態(tài)容易實(shí)現(xiàn)。結(jié)果是，如根據(jù)圖5以及圖6的曲線圖讀出的那樣，在雜質(zhì)原子的V族元素中 的濃度為0.1~5%的范圍內(nèi)，〈110>啞鈴型的形成能量變低，且結(jié)合能量變高。
[0138] 另外，雜質(zhì)原子的濃度越高，則模型3P(在〈110>啞鈴型的最接近位置配置2個(gè)P和 在第2接近位置配置P)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的概率越高，從形成能量和結(jié)合能量的觀點(diǎn)出發(fā)是優(yōu)選 的。
[0139] 另一方面，被添加到以As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體中的雜質(zhì)原子的濃度優(yōu) 選在5%以下。原因在于，若雜質(zhì)原子的濃度在5%以下，則初始特性出色。在此，初始特性以 使溫度發(fā)生變化時(shí)的斜率效率的最大值來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。所謂斜率效率是指，由電流-光輸出特 性的傾斜度來(lái)定義的，單位是[mW/mA]。
[0140] 以下所示的表2總結(jié)了初始特性的驗(yàn)證結(jié)果。如表2所示，可知只要雜質(zhì)原子的濃 度在5%以下，初始特性就出色。特別是，若雜質(zhì)原子的濃度在3%以下，則在初始特性中就 測(cè)定不到惡化。
[0141] 【表2】
[0142]
[0143] 進(jìn)一步地，重復(fù)進(jìn)行通電和電流-光輸出特性測(cè)定，由此測(cè)定閾值的增加率。若在 120 °C /150mA的加速條件下測(cè)定閾值的增加率，則在P的濃度為0.02 %、3 %以及5 %的情況 下，逐漸劣化得到了抑制。此外，在155°C/125mA的加速條件下測(cè)定閾值的增加率的情況下， 在P的濃度為0.02%以及3%的情況下，逐漸劣化得到了抑制。因此，只要雜質(zhì)原子的濃度在 5%以下，逐漸劣化就得到抑制，因而是優(yōu)選的，若雜質(zhì)原子的濃度在3%以下，則更是優(yōu)選 的。
[0144] 此外，若雜質(zhì)原子的濃度在5%以下，則該混晶與基板之間的晶格常數(shù)差、帶隙差 不會(huì)變大，所以通過因失配位錯(cuò)形成、合金散射而引起的移動(dòng)度的降低、或者因使用二維電 子氣體的元件的情況下二維電子氣體感知的電勢(shì)與設(shè)計(jì)值不同而引起的電子濃度降低等， 元件的初始特性惡化這一情況就可得到抑制。但是，在將作為III族元素的In用作雜質(zhì)原子 的情況下，期望濃度在1%以下。原因在于，在大于1%的濃度下，由于In發(fā)生簇化，所以阻止 了〈110>啞鈴型的形成。
[0145] 總結(jié)以上的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，置換到V族元素位的P、N、或者Sb的濃度優(yōu)選相對(duì)于處 于V族元素位的V族元素的整體量是在0.02%以上且5%以下的范圍，更優(yōu)選是在0.1%以上 且3%以下的范圍。
[0146] 以下，說(shuō)明實(shí)施了上述對(duì)策的半導(dǎo)體激光器元件的實(shí)施方式。
[0147] (第丨實(shí)施方式）
[0148] 圖12是表示第1實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。圖12所示的半導(dǎo)體 激光器元件是在電流限制結(jié)構(gòu)中采用了掩埋異質(zhì)結(jié)(BH:Buried Heterostructure)結(jié)構(gòu)的 半導(dǎo)體激光器元件。圖12是該半導(dǎo)體激光器元件的與出射面平行的剖面圖。
[0149] 如圖12所示，第1實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件10在基板11上依次層疊了 η型 半導(dǎo)體層12和活性層13。11型半導(dǎo)體層12的上部以及活性層13成為在出射方向上具有長(zhǎng)邊 方向的臺(tái)面結(jié)構(gòu)(mesa structure)?；钚詫?3具有具備講層和勢(shì)皇層的多量子講（MQW: Multi QuantumWell)結(jié)構(gòu)。
[0150] 在由η型半導(dǎo)體層12的上部以及活性層13形成的臺(tái)面結(jié)構(gòu)上，層疊了 p型半導(dǎo)體層 14。與臺(tái)面結(jié)構(gòu)的寬度方向兩側(cè)相鄰地，在ρ型半導(dǎo)體層14的內(nèi)部形成有作為電流限制結(jié)構(gòu) 的η型半導(dǎo)體層15。進(jìn)一步地，在基板11的背面形成有η側(cè)電極16,在ρ型半導(dǎo)體層14的表面 形成有Ρ側(cè)電極17。
[0151] 作為電流限制結(jié)構(gòu)的η型半導(dǎo)體層15起到以下作用:在內(nèi)部限制從ρ側(cè)電極17注入 的電流，并且將從活性層13產(chǎn)生的光限制在橫（寬）向上，實(shí)現(xiàn)抑制了高次的水平橫模的單 一橫模動(dòng)作。
[0152] 活性層13的阱層是由將Ρ導(dǎo)入到InGaAs后得到的InGaAsP形成的層。另一方面，活 性層13的勢(shì)皇層由AlGaAs形成，是起到將載流子限制在阱層的勢(shì)皇的作用的層。另外，并不 限于上述例子，活性層13也可以由GaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs、GaInNAs等以As為 主成分的ΠI-V族半導(dǎo)體形成。
[0153] 此外，在本實(shí)施方式中，雖然將P僅導(dǎo)入到活性層13的阱層，但也可以構(gòu)成為向勢(shì) 皇層的AlGaAs導(dǎo)入P，在活性層13整體中導(dǎo)入P?；钚詫?3的構(gòu)成也不限于多阱結(jié)構(gòu)，在所有 活性層13的結(jié)構(gòu)中，都能得到因?qū)隤所帶來(lái)的抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生的效果。此外，導(dǎo)入的雜 質(zhì)不限于P，可以是N、Sb、或者In。
[0154] 活性層13在驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器元件10的情況下處于活性狀態(tài)，所以容易形成As間 隙原子，且該As間隙原子容易移動(dòng)，因此在活性層13中導(dǎo)入P、N、Sb、或者In的效果大。特別 是，在活性層13具有多量子阱結(jié)構(gòu)的情況下，驅(qū)動(dòng)了半導(dǎo)體激光器元件10時(shí)變成活性狀態(tài) 的是阱層，所以即使有選擇地僅在阱層導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，效果也會(huì)較大。
[0155] 進(jìn)一步地，優(yōu)選活性層13具有η型的導(dǎo)電性。因此，優(yōu)選在活性層13中添加 η型摻雜 劑。例如，作為η型摻雜劑，有硒(Se)、硫磺(S)、或者硅(Si)。另外，優(yōu)選活性層13的η型摻雜 劑的濃度比其他η型半導(dǎo)體層中的η型摻雜劑的濃度低。例如，優(yōu)選活性層13的η型摻雜劑的 濃度在lX10 18cnf3以下。原因在于，在大于lX1018cnf3的濃度下，半導(dǎo)體中的Ga空位、As空位 的濃度變高，所以相鄰的〈11〇>啞鈴型的結(jié)合能量減少，As間隙原子的擴(kuò)散抑制效果降低。 此外，期望是對(duì)消除空位、殘留雜質(zhì)的補(bǔ)償效果來(lái)說(shuō)足夠的量，例如在IX l〇15cnf3以上。
[0156] 其他半導(dǎo)體層由帶隙能量比活性層13的阱層的帶隙能量高且折射率比活性層13 的阱層的折射率低的半導(dǎo)體形成。相應(yīng)其他半導(dǎo)體層雖然優(yōu)選由以As為主成分的III-V族 半導(dǎo)體形成，但例如也可以由InP形成。
[0157] 也可以在半導(dǎo)體激光器元件10的所有半導(dǎo)體層中導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，但除了活 性層13以外，也可以有選擇地在容易產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)的地方導(dǎo)入P、N、Sb、或者In。例如，有選擇 地在成為P側(cè)電極17下方的p型半導(dǎo)體層14的部分、或者成為與外延基板之間的界面附近的 η型半導(dǎo)體層12的部分等導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，在抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生方面也是有效果的。此 外，有選擇地將容易產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)的地方設(shè)為η型傳導(dǎo)性，在抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生方面也是有效 果的。如前所述，即使比純半導(dǎo)體少但也具有η型導(dǎo)電性的情況下，也能得到抑制位錯(cuò)環(huán)的 產(chǎn)生的效果，所以即使是半導(dǎo)體激光器元件10的Ρ型半導(dǎo)體層，通過作成不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體激光 器元件10的功能造成影響的程度的弱η型導(dǎo)電性的區(qū)域，能夠得到抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生的效 果。
[0158] (實(shí)施例1)
[0159]實(shí)施例1是將第1實(shí)施方式具體化的構(gòu)成。因此，在實(shí)施例1的說(shuō)明中，參照與第1實(shí) 施方式相同的圖12。此外，對(duì)于與第1實(shí)施方式的說(shuō)明重復(fù)的部分，省略其說(shuō)明。
[0160] 實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器元件10是所謂的InP基板上的A1 InGaAsP-BH激光器 元件。因此，在由InP形成的基板11上層疊例如由η型InP形成的η型半導(dǎo)體層12、活性層13、 例如由Ρ型InP形成的ρ型半導(dǎo)體層14，η型半導(dǎo)體層12的上部以及活性層13成為臺(tái)面結(jié)構(gòu)。
[0161] 活性層13具有將阱層與勢(shì)皇層的對(duì)重復(fù)層疊6次而得到的MQW結(jié)構(gòu)。例如，在將諧 振器寬(活性層13的條紋寬)設(shè)為2μπι、將諧振器長(zhǎng)(活性層13的條紋長(zhǎng))設(shè)為0.3_來(lái)作成半 導(dǎo)體激光器元件10的情況下，1個(gè)芯片就能夠進(jìn)行超500mW的光輸出。
[0162] 將阱層以及勢(shì)皇層的厚度分別設(shè)為6nm以及10nm，將阱層以及勢(shì)皇層相對(duì)于InP基 板的形變分別設(shè)為1%以及-0.3%。另外，將相比基板的晶格常數(shù)，該層較大的情況設(shè)為正 的形變，較小的情況設(shè)為負(fù)的形變。
[0163] 根據(jù)添加的P的濃度，調(diào)整活性層13的活性層以及勢(shì)皇層的組成，使得振蕩波長(zhǎng)為 1.55μπι。在此，例示不同的P的濃度的情況下的活性層13的組成。在未添加 P的活性層的例子 中，講層為Alo. Q58ln〇. 676Ga〇. 267As，勢(shì)皇層為Alt). 2Q6ln〇. 488Ga〇. 3Q6As。此外，在以濃度 1 % 添加了 P的活性層的例子中，講層為Al〇.Q54ln().68Ga().265As().99P().()l，勢(shì)皇層為 八1〇.203111().4963().3()748().99?().()1。在以濃度3%添加了？的活性層的例子中，活性層13的結(jié)構(gòu)是， 講層為厶1〇.048111().696&().262厶8().97?().()3，勢(shì)皇層為厶1().2111().66&().2厶8().97?().()3。這樣，在形成以其他 濃度添加了P的活性層時(shí)，能夠調(diào)整III族(Al、Ga以及In)的組成，使得振蕩波長(zhǎng)和形變相 同。
[0164] 在此，對(duì)改變了活性層中的P的濃度時(shí)的半導(dǎo)體激光器元件的初始特性以及逐漸 劣化進(jìn)行比較研究。圖13是表示改變了活性層中的P的濃度時(shí)的半導(dǎo)體激光器元件的斜率 效率的曲線圖。圖13中用實(shí)線以及虛線記載了相同結(jié)構(gòu)以及組成的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器元件 的數(shù)據(jù)。
[0165]如圖13所示，活性層中的P的濃度直到3 %為止，斜率效率的最大值都沒有變化。例 如，25°C下的斜率效率的最大值的值是0.28~0.29mW/mA。另一方面，若活性層中的P的濃度 超過5%，則斜率效率降低，例如，當(dāng)活性層中的P的濃度為6.6%時(shí)，25°C的斜率效率的最大 值變?yōu)椹? 22~0.23mW/mA。此外，若活性層中的P的濃度超過10%，則25°C的斜率效率的降低 變得顯著，變?yōu)?.2mW/mA。因此，實(shí)施例1涉及的半導(dǎo)體激光器元件10的初始特性出色。
[0166] 進(jìn)一步地，調(diào)查因長(zhǎng)期通電引起的激光器特性的變動(dòng)。即，重復(fù)進(jìn)行通電和電流-光輸出特性測(cè)定，測(cè)定閾值的增加率。在此，按照120 °C下150mA以及155 °C下125mA這兩個(gè)條 件的通電來(lái)調(diào)查激光器特性的變動(dòng)。
[0167] 在120°C下150mA的加速條件下，對(duì)于未添加 P的活性層的半導(dǎo)體激光器元件來(lái)說(shuō)， 還存在以下元件:若超過1000小時(shí)，則閾值遞增，若超過2000小時(shí)，則增加10%以上。此外， 也存在閾值急速增大而被破壞的元件。
[0168] 另一方面，在活性層中的P的濃度為0.02%、2.9%以及6.6%的情況下，半導(dǎo)體激 光器元件的逐漸劣化得到抑制。2000小時(shí)下的閾值的增加率也在8%以下。
[0169] 此外，在15 5 °C下12 5 m A的通電條件下，閾值增加的傾向也沒有改變，在濃度為 0.02%以及2.9%的情況下，閾值的增加被抑制，而另一方面，在未添加 P的例子中，在1000 小時(shí)的通電下，測(cè)定出閾值增大10 %~2 0 %。
[0170] -般，若將A1加到活性層的組成當(dāng)中，則半導(dǎo)體激光器元件的逐漸劣化有變大的 傾向。但是，在按照0.02%以上且5%以下的范圍，將P添加到活性層中的情況下，半導(dǎo)體激 光器元件的逐漸劣化被抑制，進(jìn)一步地，如果是0.1%以上且3%以下的范圍，則逐漸劣化進(jìn) 一步被抑制。這種情況下，若將A1加到活性層的組成當(dāng)中，則對(duì)半導(dǎo)體激光器元件的振蕩波 長(zhǎng)以及形變進(jìn)行調(diào)整的參數(shù)就會(huì)增加，所以半導(dǎo)體激光器元件的設(shè)計(jì)自由度得到提高。
[0171] 此外，通過TEM觀察通電中使用的半導(dǎo)體激光器元件的內(nèi)部狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在未添加 P 的例子中，在沿諧振器的方向上每諧振器長(zhǎng)100μπι觀察到7個(gè)As的析出物，相對(duì)于此，在P的 濃度為〇. 02%的情況下，每諧振器長(zhǎng)lOOwii觀察到1個(gè)As的析出物。另外，P的濃度在0.1 %以 上的半導(dǎo)體激光器元件中，沒有觀察到As的析出物。該結(jié)果表明，通過將P添加到活性層，活 性層內(nèi)的As間隙原子的分散性得到了提高。
[0172](第2實(shí)施方式）
[0173] 圖14是表示第2實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。圖14所示的半導(dǎo)體 激光器元件是采用了SI-BH(Semi_Insulating BuriedHeterostructure)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激 光器元件。圖14是該半導(dǎo)體激光器元件的與出射面平行的剖面圖。
[0174] 如圖14所示，第2實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件20在基板21上依次層疊了 η型 半導(dǎo)體層22、活性層23和ρ型半導(dǎo)體層24。11型半導(dǎo)體層22的上部、活性層23、ρ型半導(dǎo)體層24 成為在出射方向上具有長(zhǎng)邊方向的臺(tái)面結(jié)構(gòu)?；钚詫?3具有具備阱層和勢(shì)皇層的多量子阱 結(jié)構(gòu)。
[0175] 在由η型半導(dǎo)體層22的上部、活性層23和ρ型半導(dǎo)體層24構(gòu)成的臺(tái)面結(jié)構(gòu)的兩側(cè)， 形成有由Fe-InP等高電阻材料形成的埋入層25。進(jìn)一步地，在基板21的背面形成有η側(cè)電極 26,在ρ型半導(dǎo)體層24的表面形成有ρ側(cè)電極27。埋入層25起到以下作用：抑制從ρ側(cè)電極27 流向η側(cè)電極26的電流的廣度，并且將從活性層23產(chǎn)生的光限制在橫(寬）向上。埋入層25由 例如摻雜了鐵(Fe)的半絕緣性的III-V族半導(dǎo)體形成。埋入層25不限于摻雜了鐵(Fe)的半 絕緣性的III-V族半導(dǎo)體，也可以是摻雜了釕(Ru)的半絕緣性的III-V族半導(dǎo)體。
[0176] 活性層23的阱層是由在InGaAs中導(dǎo)入了 P后得到的InGaAsQ.99Po.Qi形成的層。另一 方面，活性層13的勢(shì)皇層由AlGaAs形成，是起到將載流子限制在阱層的勢(shì)皇的作用的層。另 外，不限于上述例子，活性層23也可以由以As為主成分的其他III-V族半導(dǎo)體形成。此外，與 第1實(shí)施方式相同，在本實(shí)施方式中，活性層23的構(gòu)成也不限于多阱結(jié)構(gòu)，可在活性層整體 中導(dǎo)入P，導(dǎo)入的雜質(zhì)也不限于P。
[0177] 進(jìn)一步地，優(yōu)選活性層23具有η型的導(dǎo)電性。因此，優(yōu)選在活性層23中導(dǎo)入η型摻雜 劑。另外，優(yōu)選活性層23的η型摻雜劑的濃度比其他η型半導(dǎo)體層中的η型摻雜劑的濃度低。 例如，活性層23的η型摻雜劑的濃度優(yōu)選在1 X 1018cnf3以下，期望在1 X 1015cnf3以上。原因在 于，在大于1 X 1018cnT3的濃度下，半導(dǎo)體中的Ga空位、As空位的濃度會(huì)變高，所以相鄰的〈 110>啞鈴型的結(jié)合能量減少，As間隙原子的擴(kuò)散抑制效果會(huì)降低。此外，期望在IX 1015cnf3 以上是因?yàn)?，?duì)于消除空位、殘留雜質(zhì)的補(bǔ)償效果來(lái)說(shuō)這是足夠的量。
[0178]其他半導(dǎo)體層由帶隙能量比活性層23的阱層的帶隙能量高且折射率比活性層23 的阱層的折射率低的半導(dǎo)體形成。相應(yīng)其他半導(dǎo)體層優(yōu)選由以As為主成分的III-V族半導(dǎo) 體形成，但例如也可以由InP形成。
[0179] 可在半導(dǎo)體激光器元件20的所有半導(dǎo)體層中導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，但也可以有選 擇地在容易產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)的地方導(dǎo)入P、N、Sb、或者In。例如，即使有選擇地在成為p側(cè)電極27 下方的P型半導(dǎo)體層24的部分、或者成為與埋入層25之間的界面附近的p型半導(dǎo)體層24的部 分等導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，對(duì)抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)也是有效果的。此外，有選擇地將容易 產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)的地方設(shè)為η型傳導(dǎo)性，對(duì)抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)也是有效果的。如前所述，在 即使比純半導(dǎo)體少但也具有η型導(dǎo)電性的情況下，也能得到抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生的效果，所以 即使是半導(dǎo)體激光器元件20的ρ型半導(dǎo)體層，通過作成對(duì)半導(dǎo)體激光器元件20的功能不會(huì) 造成影響的程度的弱η型導(dǎo)電性的區(qū)域，也能夠得到抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生的效果。
[0180] (第3實(shí)施方式）
[0181] 圖15是表示第3實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。圖15所示的半導(dǎo)體 激光器元件是采用了脊形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器元件。圖15是該半導(dǎo)體激光器元件的與出射 面平行的剖面圖。
[0182] 如圖15所示，第3實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件30在基板31上依次層疊了 η型 半導(dǎo)體層32、活性層33和ρ型半導(dǎo)體層34。？型半導(dǎo)體層34的上部成為在出射方向上具有長(zhǎng) 邊方向的脊形結(jié)構(gòu)?；钚詫?3具有具備阱層和勢(shì)皇層的多量子阱結(jié)構(gòu)。此外，在半導(dǎo)體激光 器元件30中，對(duì)于活性層33,例如應(yīng)用專利文獻(xiàn)1記載的端面保護(hù)結(jié)構(gòu)、即IFVD(Impurity Free Vacancy Disordering)法。
[0183]脊形結(jié)構(gòu)通過對(duì)起到限制層(Cladding Layer)作用的p型半導(dǎo)體層34的厚度給出 差，從而起到將從活性層33產(chǎn)生的光限制在橫(寬）向上的作用。此外，在基板31的背面形成 有η側(cè)電極36,在ρ型半導(dǎo)體層34的表面形成有ρ側(cè)電極37。
[0184]活性層33的阱層是由在InGaAs中導(dǎo)入了 Ρ后得到的InGaAsP形成的層。另一方面， 活性層33的勢(shì)皇層由AlGaAs形成，是起到將載流子限制在阱層的勢(shì)皇的作用的層。另外，不 限于上述例子，活性層33也可以由以As為主成分的其他III-V族半導(dǎo)體形成。此外，與第1實(shí) 施方式相同，在本實(shí)施方式中，活性層33的構(gòu)成也不限于多阱結(jié)構(gòu)，而是能夠在活性層整體 中導(dǎo)入P，導(dǎo)入的雜質(zhì)也不限于P。
[0185] 進(jìn)一步地，優(yōu)選活性層33具有η型的導(dǎo)電性。因此，優(yōu)選在活性層33中導(dǎo)入η型摻雜 劑。另外，優(yōu)選活性層33的η型摻雜劑的濃度比其他η型半導(dǎo)體層中的η型摻雜劑的濃度低。 例如，優(yōu)選活性層33的η型摻雜劑的濃度在1 X 1018cnf3以下，期望在1 X 1015cnf3以上。原因在 于，在大于1 X 1018cnT3的濃度下，半導(dǎo)體中的Ga空位、As空位的濃度會(huì)變高，所以相鄰的〈 110>啞鈴型的結(jié)合能量減少，As間隙原子的擴(kuò)散抑制效果降低。此外，期望在IX 1015cnf3以 上是因?yàn)椋瑢?duì)消除空位、殘留雜質(zhì)的補(bǔ)償效果來(lái)說(shuō)是這是足夠的量。
[0186] 其他半導(dǎo)體層由帶隙能量比活性層33的阱層的帶隙能量高且折射率比活性層33 的阱層的折射率低的半導(dǎo)體形成。相應(yīng)其他半導(dǎo)體層雖然優(yōu)選由以As為主成分的III-V族 半導(dǎo)體形成，但也可以例如由InP形成。
[0187] 可在半導(dǎo)體激光器元件30的所有半導(dǎo)體層中導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，但也可考慮除 了活性層33以外，還有選擇地在容易產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)的地方導(dǎo)入P、N、Sb、或者In的方法。例如， 有選擇地在成為P側(cè)電極37下方的p型半導(dǎo)體層34的部分、或者成為脊形結(jié)構(gòu)的豎起部分的 P型半導(dǎo)體層34的部分等導(dǎo)入P、N、Sb、或者In，對(duì)抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)也是有效果的。此 外，有選擇地將容易產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)的地方設(shè)為η型傳導(dǎo)性，對(duì)抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)也是有效 果的。如前所述，在即使比純半導(dǎo)體少但也具有η型導(dǎo)電性的情況下，也能夠得到抑制位錯(cuò) 環(huán)的產(chǎn)生的效果，所以即使是半導(dǎo)體激光器元件30的ρ型半導(dǎo)體層，通過作成對(duì)半導(dǎo)體激光 器元件30的功能不會(huì)造成影響的程度的弱η型導(dǎo)電性的區(qū)域，也能夠得到抑制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn) 生的效果。此外，在半導(dǎo)體激光器元件中，在應(yīng)用了 IFVD法的情況下，當(dāng)激光器輸出在1W程 度以下時(shí)，即使不添加 P、N、Sb等，端面引起的劣化模式也得到抑制。但是，在制作成脊形結(jié) 構(gòu)部分的寬度(條紋寬）在100μπι以上且光輸出在1芯片中大致為數(shù)十瓦以上(CW驅(qū)動(dòng)條件） 的高輸出激光器元件的情況下，在端面以外的部位產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán)，會(huì)發(fā)生特性劣化。
[0188] 相對(duì)于此，在半導(dǎo)體激光器元件30中，由于除了應(yīng)用IFVD法以外，還在活性層33等 中導(dǎo)入了 Ρ、或者N、Sb等，所以在光輸出為數(shù)十瓦以上的CW驅(qū)動(dòng)條件下，不僅是端面，塊體內(nèi) 的位錯(cuò)環(huán)產(chǎn)生也得到了抑制。
[0189] 另外，本實(shí)施方式使用采用了脊形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器元件的例子進(jìn)行了說(shuō)明， 但在采用了埋入脊形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器元件、采用了高臺(tái)面脊形結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器元 件、采用了SAS(Self Aligned Structure)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器元件中，也容易構(gòu)成本實(shí)施 方式的適當(dāng)?shù)淖冃卫?br>[0190] (實(shí)施例2)
[0191] 實(shí)施例2是將第3實(shí)施方式具體化的構(gòu)成。因此，在實(shí)施例2的說(shuō)明中，參照與第3實(shí) 施方式相同的圖15。此外，對(duì)與第1實(shí)施方式的說(shuō)明重復(fù)的部分，省略其說(shuō)明。
[0192] 實(shí)施例2涉及的半導(dǎo)體激光器元件30是所謂的GaAs基板上的脊形激光器元件。因 此，在由GaAs形成的基板31上，層疊例如由η型AlGaAs形成的η型半導(dǎo)體層32、活性層33、例 如由Ρ型AlGaAs形成的ρ型半導(dǎo)體層34，ρ型半導(dǎo)體層34的上部成為在出射方向上具有長(zhǎng)邊 方向的脊形結(jié)構(gòu)。
[0193] 活性層33具有以勢(shì)皇層來(lái)相夾講層而層疊的SQW(Single Quantum Well)結(jié)構(gòu)。例 如，在將諧振器寬設(shè)為100M1、諧振器長(zhǎng)設(shè)為4mm來(lái)作成半導(dǎo)體激光器元件30的情況下，將驅(qū) 動(dòng)(額定)電流設(shè)為12A時(shí)，1個(gè)芯片就能夠進(jìn)行12W程度的光輸出。
[0194]將阱層以及勢(shì)皇層的厚度分別設(shè)為10nm以及30nm，在調(diào)整阱層以及勢(shì)皇層的組成 以使振蕩波長(zhǎng)成為910nm的同時(shí)，將P添加到活性層中。
[0195] 在此，例示不同的P的濃度的情況下的活性層33的組成。在未添加 P的例子中，通過 將講層設(shè)為111().()7363().92548、將勢(shì)皇層設(shè)為41().3263().6848，從而能夠?qū)崿F(xiàn)91〇111]1的振蕩波長(zhǎng)。 此外，在以濃度3%添加了P的活性層的例子中，通過將阱層設(shè)為Ino.iGao.gAso.wPo.ra，將勢(shì)皇 層設(shè)為41〇.3168().6948().97?().()3，從而能夠?qū)崿F(xiàn)91〇111]1的振蕩波長(zhǎng)。這樣，調(diào)整111族組成，使添 加的P的濃度在0.02~10%的范圍內(nèi)發(fā)生變化，以使波長(zhǎng)恒定。
[0196] 利用如以上那樣使添加的P的濃度在0.02~10%的范圍內(nèi)發(fā)生變化的半導(dǎo)體激光 器元件，進(jìn)行初始特性的評(píng)價(jià)。在此，以用室溫(25°C)下的斜率效率的最大值來(lái)評(píng)價(jià)初始特 性。
[0197] 在添加的P的濃度為3%以下的半導(dǎo)體激光器元件的情況下，在包含未添加 P的情 況的任意半導(dǎo)體激光器元件中，斜率效率也是1.01~1.02W/A的范圍，得到良好的初始特 性。另一方面，在活性層中的P的濃度為5%的半導(dǎo)體激光器元件的情況下，斜率效率降低至 大約1W/A。在添加的P的濃度為10%的半導(dǎo)體激光器元件的情況下，斜率效率降低至0.9W/A 以下。
[0198] 因此，從初始特性不劣化的觀點(diǎn)來(lái)看，期望構(gòu)成添加到活性層中的P的濃度在3% 以下這樣的半導(dǎo)體激光器元件。
[0199] 進(jìn)一步地，在通電了半導(dǎo)體激光器元件的額定電流以上的20A的情況下（環(huán)境溫度 25°C)，在活性層中未添加 P的半導(dǎo)體激光器元件有10%被破壞。另一方面，在活性層中以濃 度0.02%添加 P的半導(dǎo)體激光器元件有8%左右被破壞。在活性層中以濃度0.1 %添加 P的半 導(dǎo)體激光器元件有5%左右被破壞。另外，半導(dǎo)體激光器元件的破壞是從激光器端面發(fā)生 的。
[0200] 其結(jié)果是，通過將P添加到活性層中，從而As間隙原子的分散性提高，流過額定值 以上的電流時(shí)，在端面附近產(chǎn)生的位錯(cuò)的進(jìn)展被阻止。
[0201] 此外，在環(huán)境溫度為25°C的狀態(tài)下，通電12A的恒定電流的同時(shí)監(jiān)控半導(dǎo)體激光器 元件的光輸出發(fā)現(xiàn)，在未將P添加到活性層中的半導(dǎo)體激光器元件中，超過1000小時(shí)時(shí)，觀 察到了光輸出的降低。另一方面，在以濃度0.02%將P添加到活性層中的半導(dǎo)體激光器元件 中，直至超過2000小時(shí)為止，都未觀察到光輸出的降低。另一方面，在以0.1 %以上的濃度將 P添加到活性層中的半導(dǎo)體激光器元件中，即使超過了2000小時(shí)，也沒有觀察到光輸出的降 低。
[0202] 該結(jié)果表明，通過在半導(dǎo)體激光器元件的活性層中添加 P，從而As間隙原子的分散 性提高，能夠得到不會(huì)在活性層內(nèi)、端面附近形成位錯(cuò)環(huán)這樣的效果。
[0203](實(shí)施例3)
[0204] 實(shí)施例3是在實(shí)施例2的構(gòu)成中變更活性層的組成而得到的。因此，在此，僅說(shuō)明活 性層的組成，關(guān)于其他構(gòu)成要素省略說(shuō)明。
[0205] 實(shí)施例3的活性層在阱層中含有A1，在勢(shì)皇層中含有In。在以濃度3%添加了P的活 性層的例子中，通過將講層設(shè)為Al〇.Q5ln().15Ga().8As().97P().()3、將勢(shì)皇層設(shè)為 Al〇.35ln〇.Q5Ga().6As().97P().()3，從而實(shí)現(xiàn)910nm的振蕩波長(zhǎng)。同樣地，調(diào)整III族組成，使添加的P 的濃度在〇 .02~10%的范圍內(nèi)發(fā)生變化，使得波長(zhǎng)恒定。
[0206] 在實(shí)施例3中也同樣進(jìn)行室溫（25°C )下的初始特性的評(píng)價(jià)。在添加的P的濃度為 3%以下的半導(dǎo)體激光器元件的情況下，包括未添加 P的情況在內(nèi)的任意半導(dǎo)體激光器元件 中，斜率效率也是1.01~1.02W/A的范圍，能夠得到良好的初始特性。即，對(duì)于25°C下的初始 特性的值來(lái)說(shuō)，在實(shí)施例2與實(shí)施例3之間，沒有觀察到有意義的差。
[0207] 另一方面，對(duì)于50 °C下的初始特性的值來(lái)說(shuō)，實(shí)施例3的半導(dǎo)體激光器元件比實(shí)施 例2出色。即，與實(shí)施例2相比，實(shí)施例3的半導(dǎo)體激光器元件其斜率效率改善了5%左右。認(rèn) 為這是因?yàn)橐韵略颍涸趯?shí)施例2和實(shí)施例3中，雖然阱層和勢(shì)皇層的帶隙被設(shè)計(jì)成相同，但 因兩者的III族組成之差，在電子親和力方面產(chǎn)生了差。另外，該差在阱層中是15meV，在勢(shì) 皇層中是19meV。結(jié)果，在實(shí)施例3中，溫度高的狀態(tài)下的來(lái)自阱層的載流子的泄露被抑制， 斜率效率得到改善。
[0208] 另外，在實(shí)施例2以及實(shí)施例3中，雖然示出了振蕩波長(zhǎng)為910nm的半導(dǎo)體激光器元 件的例子，但在改變振蕩波長(zhǎng)的情況下，只要適當(dāng)變更III族元素的組成即可。例如，在構(gòu)成 振蕩波長(zhǎng)為9 7 5 n m的半導(dǎo)體激光器元件時(shí)，只要將活性層的阱層設(shè)為 八1〇.。5111。.256&。.7厶8。.97?。.。3，將勢(shì)皇層設(shè)為厶1。.35111。.。56&。.6厶8。.97?。.。3即可。
[0209] (第4實(shí)施方式）
[0210]圖16是表示第4實(shí)施方式涉及的半導(dǎo)體激光器元件的示意圖。圖16所示的半導(dǎo)體 激光器元件是垂直諧振腔面發(fā)射激光器（VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)型的半導(dǎo)體激光器元件（以下，稱為面發(fā)光激光器元件）。圖16是該半導(dǎo)體激光器元 件的關(guān)于出射方向的剖面圖。
[0211]如圖16所示，在面發(fā)光激光器元件40中，在基板41上依次層疊了被層疊的下部DBR 反射鏡49a、n型半導(dǎo)體層42、活性層43、電流限制層45、p型半導(dǎo)體層44、相位調(diào)整層48和上 部DBR反射鏡49b。此外，如圖16所示，η型半導(dǎo)體層42的上端部、活性層43、電流限制層45以 及ρ型半導(dǎo)體層44通過蝕刻處理等形成為被成型為柱狀的臺(tái)形柱。η側(cè)電極46設(shè)置在因形成 為臺(tái)形柱而露出的η型半導(dǎo)體層42的表面，ρ側(cè)電極47在作為臺(tái)形柱的上端的ρ型半導(dǎo)體層 44的表面被設(shè)置成環(huán)狀以包圍相位調(diào)整層48。
[0212]下部DBR反射鏡49a形成為將例如由AlAs/GaAs形成的多個(gè)復(fù)合半導(dǎo)體層層疊而成 的半導(dǎo)體多層膜反射鏡。構(gòu)成該復(fù)合半導(dǎo)體層的各層的厚度被設(shè)為λ/4η(λ:振蕩波長(zhǎng)，n:折 射率）。另一方面，上部DBR反射鏡49b形成為將例如由SiN/Si0 2形成的多個(gè)復(fù)合電介質(zhì)層層 疊而成的電介質(zhì)多層膜反射鏡，與下部DBR反射鏡49a相同，各層的厚度被設(shè)為λ/4η。
[0213]電限制層45由開口部和氧化限制部構(gòu)成。電??Ε限制層45通過例如由AlAs形成的 含A1層形成，通過將含A1層從外周部起氧化規(guī)定范圍，從而形成氧化限制部。氧化限制部具 有絕緣性，通過限制從P側(cè)電極47注入的電流使其集中到開口部?jī)?nèi)，從而提高活性層43內(nèi)的 電流密度。
[0214]活性層43具有具備阱層和勢(shì)皇層的多量子阱結(jié)構(gòu)，基于從ρ側(cè)電極47注入并借助 電流限制層45被限制的電流，發(fā)出放出光。關(guān)于該放出光，在作為諧振器的下部DBR反射鏡 49a與上部DBR反射鏡49b之間，在與包括活性層43在內(nèi)的各層垂直的方向上使該放出光諧 振并將其放大后，從上部DBR反射鏡49b的上表面作為激光來(lái)射出。另外，設(shè)置在ρ型半導(dǎo)體 層44與上部DBR反射鏡49b之間的相位調(diào)整層48用于調(diào)整在諧振器中形成的激光的駐波的 波腹和波節(jié)的位置。
[0215] 活性層43的阱層是由在InGaAs中導(dǎo)入了 P后得到的InGaAsQ.99Po.Qi形成的層。另一 方面，活性層43的勢(shì)皇層由AlGaAs形成，是起到將載流子限制在阱層的勢(shì)皇的作用的層。另 外，并不限于上述例子，活性層43也可以由以As為主成分的其他III-V族半導(dǎo)體形成。此外， 與第1實(shí)施方式相同，在本實(shí)施方式中，活性層43的構(gòu)成也不限于多阱結(jié)構(gòu)，而是能夠在活 性層整體中導(dǎo)入P，導(dǎo)入的雜質(zhì)也不限于P。
[0216] 進(jìn)一步地，優(yōu)選活性層43具有η型的導(dǎo)電性。因此，優(yōu)選在活性層43中導(dǎo)入η型摻雜 劑。例如，作為η型摻雜劑，是Se、S、或者Si。另外，優(yōu)選活性層43的η型摻雜劑的濃度比其他η 型半導(dǎo)體層中的η型摻雜劑的濃度低。例如，優(yōu)選活性層43的η型摻雜劑的濃度在IX 1018cm 4以下，如果在IX l〇15cnf3以上，貝_制位錯(cuò)環(huán)的產(chǎn)生的效果會(huì)比較顯著。原因在于，由于在 大于lX10 18cnf3的濃度下，半導(dǎo)體中的Ga空位、As空位的濃度會(huì)變高，所以相鄰的〈110>啞 鈴型的結(jié)合能量減少，As間隙原子的擴(kuò)散抑制效果降低。此外，設(shè)為在IX 1015cnf3以上是因 為，對(duì)消除空位、殘留雜質(zhì)的補(bǔ)償效果來(lái)說(shuō)這是足夠的量。
[0217] 以上，具體說(shuō)明了本發(fā)明的實(shí)施方式，本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施方式，而是能夠 基于本發(fā)明的技術(shù)思想來(lái)進(jìn)行各種變形。例如，在上述的實(shí)施方式中列舉的數(shù)值只不過是 例子，也可以根據(jù)需要而使用與其不同的數(shù)值。
[0218] 工業(yè)上的可利用性
[0219] 如以上所述，本發(fā)明涉及的半導(dǎo)體激光器元件作為特性變動(dòng)少的半導(dǎo)體激光器元 件是有用的。
[0220] 符號(hào)說(shuō)明
[0221] 11，21，31，41 基板
[0222] 12，15,22,32,42 η型半導(dǎo)體層
[0223] 13,23,33,43 活性層
[0224] 14,24,34,44 ρ型半導(dǎo)體層
[0225] 16,26,36,46 η側(cè)電極
[0226] 17,27,37,47 ρ側(cè)電極
[0227] 25埋入層
[0228] 40面發(fā)光激光器元件
[0229] 45電流限制層
[0230] 48相位調(diào)整層
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種半導(dǎo)體激光器元件，其具備活性層，該活性層具有由以As為V族的主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體形成的阱層和勢(shì)皇層，該半導(dǎo)體激光器元件的特征在于， 在所述阱層以及所述勢(shì)皇層中的至少一個(gè)層的III-V族半導(dǎo)體晶體的V族位，以濃度 0.02~5 %導(dǎo)入所述As以外的V族元素， 在所述阱層以及所述勢(shì)皇層中的至少一個(gè)層的III-V族半導(dǎo)體晶體的III族位中包含 Al〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述As以外的V族元素是N、P、Sb中的任一種或者它們的組合。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 以所述As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體是AlGalnAs或者AlGalnNAs。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 以所述As為主成分的III-V族半導(dǎo)體晶體是AlAs或者AlGaAs。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 在所述阱層以及所述勢(shì)皇層中的至少一個(gè)層的III-V族半導(dǎo)體晶體的III族位，以濃度 0 · 1~1 %導(dǎo)入In〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述活性層被添加了 η型摻雜劑。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述η型摻雜劑的濃度在1 X 1018cnf3以下且1 X 1015cnf3以上。8. 根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述As以外的V族元素被導(dǎo)入到所述阱層中。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述As以外的V族元素被導(dǎo)入到所述勢(shì)皇層中。10. 根據(jù)權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述A1包含在所述勢(shì)皇層的組成當(dāng)中。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述A1包含在所述阱層的組成當(dāng)中。12. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體激光器元件，其特征在于， 所述活性層的η型摻雜劑的濃度低于所述半導(dǎo)體激光器元件中的其他η型半導(dǎo)體層的η 型摻雜劑的濃度。
【文檔編號(hào)】H01S5/343GK106030939SQ201580008004
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日
【發(fā)明人】巖見正之, 石井宏辰, 巖井則廣, 松田竹善, 粕川秋彥, 石川卓哉, 川北泰雅, 鍛治榮作
【申請(qǐng)人】古河電氣工業(yè)株式會(huì)社