半导体激光器元件的制作方法

半导体激光器元件的制作方法
【专利摘要】一种具备由以As为主成分的III?V族半导体晶体形成的阱层和势垒层的半导体激光器元件，在所述阱层以及所述势垒层中的至少一个层的III?V族半导体晶体的V族位，以浓度0.02～5％导入所述As以外的V族元素，在所述阱层以及所述势垒层中的至少一个层的III?V族半导体晶体的III族位中包含Al。由此，提供一种抑制半导体晶体的块体内的缺陷的产生且特性变动少的半导体激光器元件。
【专利说明】
半导体激光器元件
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体激光器元件。
【背景技术】
[0002] 在半导体激光器元件中存在伴随通电而产生的特性的劣化。例如，在端面发光型 激光器元件中，已知会产生端面的光学灾变损伤(Catastrophic Optical Damage:C0D)。作 为用于防止COD的技术，已知用于抑制端面的激光吸收的窗结构(参照专利文献1)。
[0003] 在先技术文献 [0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :JP特开2012-146996号公报
[0006] 非专利文献
[0007] 非专利文献 1 :N.Chen，Y.Wang，H.He，and L.Lin，Japanese Journal of Applied Physics. 1996年 35 卷，L1238-L1240.

【发明内容】

[0008] 发明要解决的问题
[0009] 半导体激光器元件的特性劣化集中关注了因其端面的劣化引起的问题。因此，针 对半导体元件的特性劣化的对策以保护半导体激光器元件的端面的技术为中心发展了起 来。
[0010] 但是，根据本申请发明人的研究发现，伴随半导体激光器元件的高输出化或高耐 压化，除了半导体激光器元件的端面以外，有时在半导体晶体的块体内也会产生成为特性 劣化原因的缺陷。例如，在半导体激光器元件的活性层或其周边，在块体内产生并非起因于 端面的位错环，该位错环生长的情形通过本申请发明人得到了确认。特别是在光输出在1芯 片中约为数十瓦以上的高输出元件中，该倾向显著。
[0011] 本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，提供一种可抑制半导体晶体的块体内 的缺陷产生且特性变动少的半导体激光器元件。
[0012] 用于解决文题的手段
[0013] 为了解决上述课题而实现目的，本发明的一方式涉及的半导体激光器元件具备由 以As为V族的主成分的III-V族半导体晶体构成的阱层和势皇层的半导体激光器元件，该半 导体激光器元件的特征在于，在所述阱层以及所述势皇层当中的至少一个层的III-V族半 导体晶体的V族位，以浓度0.02~5%导入所述As以外的V族元素，在所述阱层以及所述势皇 层当中的至少一个层的III-V族半导体晶体的III族位中包含A1。
[0014] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述As以外的V族元素是 N、P、Sb中的任一种或者它们的组合。
[0015] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，以所述As为主成分的III-V族半导体晶体是AlGalnAs或者AlGalnNAs。
[0016] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，以所述As为主成分的III-V族半导体晶体是AlAs或者AlGaAs。
[0017] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，在所述阱层以及所述势皇 层当中的至少一个层的III-V族半导体晶体的III族位，以浓度0.1~1 %导入In。
[0018] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述活性层被添加了 η型 掺杂剂。
[0019] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述η型掺杂剂的浓度在1 X 1018cm-3 以下且 1 X 1015cm-3 以上。
[0020] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述As以外的V族元素被 导入到所述阱层中。
[0021] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述As以外的V族元素被 导入到所述势皇层中。
[0022] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述A1包含在所述势皇层 的组成当中。
[0023] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述A1包含在所述阱层的 组成当中。
[0024] 本发明的一方式涉及的半导体激光器元件的特征在于，所述活性层的η型掺杂剂 的浓度低于所述半导体激光器元件中的其他η型半导体层的η型掺杂剂的浓度。
[0025]发明效果
[0026] 本发明涉及的半导体装置具有抑制半导体晶体的块体内的缺陷产生的效果。
【附图说明】
[0027] 图1是表示形成在GsAs晶格间的〈110>哑铃型的示意图。
[0028] 图2是表示形成在AlAs晶格间的〈110>哑铃型的示意图。
[0029] 图3是表示使〈110>哑铃型稳定化的情况抑制了间隙式As的簇化的示意图。
[0030] 图4是表示使〈110>哑铃型稳定化的情况抑制了间隙式As的簇化的示意图。
[0031] 图5是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>哑铃型的中性状态下的形成能量的曲线图。
[0032] 图6是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>哑铃型的中性状态下的结合能量的曲线图。
[0033] 图7是表示III族位、V族位、哑铃型的最接近位置、哑铃型的第2接近位置的图。
[0034] 图8是表示中性状态下的Ino.6Gao.4As混晶中的〈110>哑铃型的形成能量的曲线图。
[0035] 图9是表示GaAs中的〈110>哑铃型的形成能量的曲线图。
[0036] 图10是表示间隙式As的扩散势皇的大小的曲线图。
[0037]图11是表示基于TEM的观察像的图。
[0038] 图12是表示第1实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。
[0039] 图13是表示改变了活性层中的P的浓度时的半导体激光器元件的斜率效率的曲线 图。
[0040] 图14是表示第2实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。
[0041 ]图15是表示第3实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。
[0042]图16是表示第4实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。
【具体实施方式】
[0043] 以下，参照【附图说明】本发明的实施方式。另外，在以下的实施方式的所有附图中， 对相同或者相应的部分附加同一符号。此外，本发明并不由以下说明的实施方式限定。进一 步地，需要注意，附图是示意性的，各要素的尺寸的关系等有时会与实际不同。在各附图之 间，也有时包含尺寸关系、比率互不相同的部分。
[0044] 首先，为了说明本发明的实施方式时使本发明容易理解，说明本申请发明人为解 决上述问题而进行的深入研究。
[0045] 另外，在以下，虽然使用砷化镓(GaAs)或者砷化铝(AlAs)作为半导体晶体的例子， 但本发明的实施并不限于这些例子，在使用以砷(As)为主成分的III-V族半导体晶体的半 导体激光器元件中，能够适当地实施本发明。例如，以As为主成分的III-V族半导体晶体包 括AlGaAs、AlGaInAs、AlGaInNAs等。在此，As是V族的主成分的意思是，在III-V族半导体晶 体的组成元素之中，As相对于所有V族元素的比例是95%以上。同样，A1或者Ga是III族的主 成分的意思是，在ΠI-V族半导体晶体的组成元素之中，A1或者Ga相对于所有III族元素的 比例是95%以上。
[0046](抑制位错环生长的机制）
[0047]首先，考虑位错环的形成机制。此时，在假设均匀形核的情况下，用于在GaAs中形 成位错环的能量由位错的自身能量(线张力、位错芯、以及熵项之和）与化学势之间的平衡 决定，化学势是由层叠缺陷能量、点缺陷的过饱和度及系的温度确定的。但是，使用公知的 物理量来计算出形成能量后发现，均匀形核并不是位错环的形成机制。
[0048]因此，作为位错环形成的另一机制，研究伴随由As间隙式（interstitial)原子构 成的析出物(簇）的形成的位错环的形成。实际上，已经报告了伴随As间隙原子扩散的As析 出物的形成（参照非专利文献1)。在非专利文献1中，对利用低温分子束外延法生长出的 GaAs在生长后进行热处理，讲述了系的形变量与点缺陷复合体的结构的关系。即，对于晶体 生长时被导入的As间隙原子来说，随着加热温度的增大，As间隙原子对、间隙式As会发展成 4个集合体，间隙式As会发展成8个集合体。并且，随着As间隙原子的集合体变大，系的形变 减少。该结果表明，通过形成间隙式As簇，从而系整体的形变得到缓和。
[0049] 形变的缓和由来于:在存在于母体中的簇的周围存在纳米量级的微小的位错环。 这样的微小的位错环即使使用透射电子显微镜(TEM)等也无法观察到。但是，若该位错环吸 收存在于周围的过饱和的点缺陷而生长，则其存在就会明显。并且，若位错环的生长进一步 进展，则最终半导体激光器元件就会劣化而受损。特别是，在高输出的激光器驱动、高电场 施加等对半导体激光器元件施加高负荷的状况下，在半导体晶体中容易产生间隙原子，且 该间隙原子容易移动，因此会促进位错环的生长。这样的位错环在块体内生长，成为半导体 激光器元件的特性劣化的原因。因此，为了抑制位错环的形成，需要抑制As间隙原子的移 动，阻止簇的形成。以下，考虑在晶体内导入使间隙式As的簇的前一阶段、即As间隙原子对 稳定化的组成。即，使间隙式As的分布在块体内分散，抑制间隙式As局部分布不均匀。
[0050] 在GaAs以及AlAs的情况下，弹性常数Cn、C12以及C44的关系如式（1)所述，因而具有 各向异性。
[0051] C44>(Ch-Ci2)/2 (1)
[0052] 因此，As间隙原子对容易在(001)面上析出，在〈110>方向上成对的状态下稳定化。 将该状态的As间隙原子对称为〈110>哑铃型。图1是表示在GsAs晶格间形成的〈110>哑铃型 的示意图。图2是表示在AlAs晶格间形成的〈110>哑铃型的示意图。
[0053] 如图1所示，GaAs具有由镓原子(Ga)和砷原子(As)构成的闪锌矿型的晶体结构。如 图2所示，AlAs具有由铝原子(A1)和砷原子(As)构成的闪锌矿型的晶体结构。如图1以及图2 所示，〈110>哑铃型是As间隙原子在〈110>方向上成对的状态下稳定后的情况。
[0054] 如果可以将减低该〈110>哑铃型的形成能量且增加结合能量的组成导入到晶体 内，就能够抑制As间隙原子的扩散和与之相伴的As簇的形成。
[0055] 图3以及图4是表示在（1-10)面使〈110>哑铃型稳定化的情况抑制了间隙式As的簇 化的情况的示意图。图3以及图4与在后验证的将磷(P)导入到GaAs晶格或者AlAs晶格的V族 位的情况的例子对应，但〈11〇>哑铃型的稳定化与间隙式As的簇化的抑制的关系并不限于 将P导入到V族位的情况。
[0056] 如图3以及图4所不，在GaAs晶格或者AlAs晶格的间隙内存在As间隙原子。在图3以 及图4所示的例子中，若还存在形成了〈110>哑铃型的As间隙原子，则也存在未形成〈110>哑 铃型的As间隙原子。在这些As间隙原子如单点划线、双点划线所示那样进行移动而集合到 虚线内的区域的情况下，As间隙原子就会形成簇。
[0057]但是，如图3以及图4所示，在借助导入到V族位的P来使〈110>哑铃型稳定化的情况 下，很难分解已经形成的〈11〇>哑铃型，且未形成〈11〇>哑铃型的As间隙原子容易重新形成〈 110>哑铃型。其结果是，As间隙原子如单点划线所示的移动得到，因此在图中虚线圆内As间 隙原子形成簇的情况也得到抑制。
[0058] 如前所述，由于只要能抑制As间隙原子的簇的形成就能够抑制位错环的产生，所 以可知〈110>哑铃型的稳定化有助于抑制位错环的产生。具体来说，优选通过导入对元件的 电气特性、光学特性没有坏影响的特定的杂质，从而使形成能量和结合能量发生变化。例 如，从不会对电气特性造成坏影响的观点出发，期望导入的杂质是III族元素或者V族元素。
[0059] 以下，除了 P外，包括氮(N)、铟（In)、锑(Sb)等原子在内，验证〈110>哑铃型根据被 导入的原子的种类以及位置而稳定化的程度。
[0060] (基于第一原理电子状态计算的特性评价）
[0061 ] 在此，验证GaAs晶体以及AlAs晶体中的As间隙原子对(〈110>哑铃型）的形成能量 和结合能量。关于该验证，以下，说明进行了第一原理电子状态计算(仿真）的结果。
[0062] 另外，在以下的仿真中，使用Advance soft株式会社制的Advance/PHASE。此外，在 计算中，米用规范守恒赝势（norm-conserving pseudopotential)以及Vanderbilt型的超 软赝势。在一般化梯度近似的范围内计算交换相互作用。对形成能量的评价进行了考虑电 荷状态的仿真。即，在为了保持电中性而在背景中存在必要的电荷的状态下，调整电子数目 (余量附加、去除），评价系的总能量Et〇t。
[0063] 〈110>哑铃型的每晶胞的形成能量Ef_依赖于系的电荷状态q和费米能级Ef，如下 述式(2)所示。
[0064] Ef。rm(q，Ef)=Et。t[哑铃型](q)-Et。 t[块体]-Σμn+qEf (2)
[0065] 在此，μη是元素 η的化学势。在仅导入〈110>哑铃型时，仅考虑As原子。μη的值在生长 条件是ΠΙ族(Ga/Al)充足条件时和V族(As)充足条件时是不同的。
[0066]导入杂质时，Etclt为含有杂质的系的总能量Etclt[哑铃型+杂质](q)，在化学势的项 中考虑杂质原子的附加和Ga(Al)或As原子的去除。在此，杂质的意思是，为了抑制As间隙原 子的簇的形成，导入到GaAs晶体或者A1 As晶体的P、N、Sb或者In等元素。
[0067] 〈110>哑铃型的结合能量定义为形成〈110>哑铃型时的系的总能量与存在2个彼此 分离的As间隙原子时的系的总能量之差。
[0068]主要的计算条件如下。
[0069] ?原子模型：构成母体的64个原子(Ga或者A1:32个，As:32个），构成哑铃型的As原 子:2个，导入的杂质原子:1~3个
[0070] ?截止能量:按波函数以及电荷密度分布，分别是30Ry以及250Ry
[0071] .k 点样本：3X3X2
[0072] ?计算出的带数:200
[0073]另外，仿真使用独立行政法人海洋研究开发机构（JAMSTEC)的地球仿真器2来进 行。
[0074](计算结果1:杂质导入效果）
[0075] 图5是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>哑铃型的中性状态下的形成能量的曲线图 (III族充足条件）。另外，V族充足条件下也能得到相同的结果。在图5所示的曲线图中，纵轴 表示〈110>哑铃型的形成能量(eV)，横轴表示被导入的元素的种类。此外，用黑圆表示GaAs 中时的结果，用中空方形来表示AlAs中时的结果。
[0076] 图6是表示GaAs中以及AlAs中的〈110>哑铃型的中性状态下的结合能量的曲线图。 在图6所示的曲线图中，纵轴表示〈110>哑铃型的结合能量(eV)，横轴表示被导入的元素的 种类。此外，用黑圆表示GaAs中时的结果，用中空方形来AlAs中时的结果。
[0077] 另外，图5以及图6的曲线图中横轴所示的省略记号的意思如下。另外，III族位、V 族位、哑铃型的最接近位置、哑铃型的第2接近位置如图7所示。另外，由于晶体结构的立体 性，最接近位置以及第2接近位置分别存在于纸面的跟前侧和里侧。
[0078] · A1或Ga:母体为GaAs的情况下导入A1，母体为AlAs的情况下导入Ga
[0079] · In:导入到III族位
[0080] ?哑铃型：未导入杂质
[0081 ] · P/N/Sb:导入到V族位
[0082] · P{As}:将哑铃型中的As置换成P
[0083] · In+P:在哑铃型的最接近位置导入P和In
[0084] · N+P:在哑铃型的最接近位置导入P和N
[0085] · 2P-1:在哑铃型的最接近位置和第2接近位置导入P
[0086] · 2P-2:在哑铃型的最接近位置导入2个P
[0087] · 3P:在哑铃型的最接近位置导入2个P，在第2接近位置导入1个P
[0088] 如图5所示，通过导入N、P或者Sb这样的V族元素，与不导入的情况相比，〈110>哑铃 型的形成能量会降低。特别是，导入了P时的效果显著，形成能量减少〇.2eV左右。在导入了 III族元素的情况下，在A1或者Ga的导入中，〈110>哑铃型的形成能量几乎无变化或者增加。
[0089] 如图5所示，在In的导入中，效果比P小，但形成能量降低。另一方面，在In和P同时 导入的情况下，形成能量的降低效果显著，得到相乘效果。此外，在N和P同时导入的情况下， 与N和P当中的任一者的导入相比，形成能量的降低效果变大，得到相乘效果。
[0090] 如图5所示，在多个P导入中，哑铃型的形成能量的降低效果显著。形成能量降低 0.3eV左右。特别是，在模型3P(在哑铃型的最接近位置导入2个P，在第2接近位置导入1个P) 下，效果大。
[0091] 另一方面，如图6所示，在GaAs中，通过导入P、N，从而结合能量增加。在导入了P的 情况下，结合能量增加〇. leV左右。若导入多个P则效果增大，结合能量增加〇.5eV左右。此 外，在AlAs中，除了P以外，在Ga的导入中结合能量增加。
[0092] 这些结果反映了 ：由于P、N的电负性高(价电子的贡献），In的有效核电荷高（内层 电子的贡献），所以周围的电子密度变高，具有应力张量小的稳定的结构。
[0093] 如以上这样，根据图5以及图6,通过将P、N、In等导入到晶体结构，存在于间隙间的 As容易形成〈110>哑铃型，且形成后的〈110>哑铃型很难被分解。具体来说，在〈110>哑铃型 的形成以及分解时需要0.3~0.5eV余量的能量。这种情况表示在半导体晶体内单独存在间 隙式As是困难的。即，As间隙原子的移动也得到了抑制。
[0094] 另外，在此示出了针对GaAs或者AlAs的计算结果，而两者的混晶也可得到相同的 结果。
[0095] 进一步地，在将母体的III族元素置换成In的情况下，也有P的导入带来的使〈110> 哑铃型的形成能量降低的效果。图8是表示中性状态下的Ino.6Gao.4As混晶中的〈110>哑铃型 的形成能量的曲线图。计算在III族充足条件下进行。另外，在晶格内的III族位，假定In原 子和Ga原子是随机的配置。
[0096] 在图8的曲线图中，纵轴表示〈110>哑铃型的形成能量(eV)，横轴表示被导入的元 素的种类。横轴所示的模型哑铃型-1以及模型哑铃型-2表示分别在〈110>哑铃型的最接近 位置配置了 In原子和Ga原子的实例。模型P-1以及模型P-2分别是在模型哑铃型-1以及模型 哑铃型-2中导入了P的情况。
[0097] 如图8所示，通过P的导入，〈110>哑铃型的形成能量降低20~30meV左右。在实际的 InGaAs混晶中，形成能量更低的模型哑铃型-1和模型P-1被形成的概率变高(哑铃型形成在 In原子的附近）。这是因为In原子的有效核电荷高。
[0098] P的导入带来的形成能量的降低量比GaAs、AlAs小是因为，构成母体的In原子的有 效核电荷的效果掩盖了P原子的电负性的效果。另外，与P同样，导入其他V族元素时也可得 到相同的效果。此外，即使是InGaAs混晶，通过V族元素的导入，〈110>哑铃型的结合能量也 会增加。
[00"] 在InGaAs混晶中，与GaAs、AlAs相比，如上所述那样，构成母体的In原子的有效核 电荷的贡献得到更大的反映，所以〈11〇>哑铃型的形成能量比GaAs、AlAs降低0.1~0.25eV 左右。这种情况表明：在AlGaAs系混晶中，与InGaAs混晶相比，单独As间隙原子的浓度容易 变高从而容易引发As簇的形成，并且导入上述杂质的效果更高。
[0100] 以上，如图5以及图6所示，即使在GaAs、AlAs或者GaAs与AlAs的混晶中导入P和In 的组合、P和N的组合的情况下，也能得到〈110>哑铃型的形成能量的降低以及结合能量的增 加的效果。此外，如图8所示，即使是InGaAs混晶，在导入了V族元素的情况下，也能得到〈110 >哑铃型的形成能量降低的效果。因此，上述计算结果也可对GaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAs、 AlGaInAs、GaInNAs等以As为主成分的III-V族半导体晶体进行一般化。
[0101] (计算结果2:母体导电性的效果）
[0102] 如前述的式（2)所示，〈110>哑铃型的形成能量依赖于系的费米能级。因此，以下， 研究母体导电性对于〈11〇>哑铃型的形成能量的影响。
[0103] 图9是表示GaAs中的〈110>哑铃型的形成能量的曲线图（Ga充足条件）。在图9所示 的曲线图中，倾斜度是电荷状态，正为施主，负为受主。
[0104] 图9中，为了进行比较，也一起示出了其他晶格缺陷、即As间隙原子(As{I})、Ga空 位(V{Ga})、As空位(V{As})、As反位缺陷(As{Ga})的曲线图。
[0105] 如图9所示，在费米能级高且接近于导带的情况下(η型导电性），〈110>哑铃型的形 成能量比As间隙原子的形成能量低。另一方面，在费米能级低且接近于价带的情况下(ρ型 导电性），〈110>哑铃型的形成能量与As间隙原子的形成能量几乎相同。
[0106] 该结果表示:在具有η型导电性的GaAs中，与单独As间隙原子相比，〈110>哑铃型更 稳定。即，表示:在具有η型导电性的GaAs中，在晶格中移动的单独的As间隙原子容易形成〈 110>哑铃型，抑制As间隙原子的扩散的效果更显著。
[0107] 具体来说，在费米能级大致为0.35eV的位置处，〈110>哑铃型的形成能量的曲线图 与As间隙原子的形成能量的曲线图相交。因此，在费米能级高于0.35eV的情况下，〈110>哑 铃型的形成能量比As间隙原子的形成能量低。
[0108] 通过仿真得到的GaAs的带隙约为leV，纯半导体中的费米能级约为0.5eV。在 0.35eV下As间隙原子的形成能量与〈110>哑铃型的形成能量交叉表示：只要不刻意添加 ρ型 杂质，〈110>哑铃型就是稳定的。但是，如图9所示，由于费米能级约为0.5eV时成为受主的Ga 空位、As空位的形成能量低，并且由于只要存在碳等残留杂质费米能级就会降低，所以有意 添加 η型掺杂剂时能够更可靠地实现〈110>哑铃型的形成能量比As间隙原子的形成能量低 的状态。η型掺杂剂浓度只要是能够消除空位、残留杂质引起的补偿效果的量即可。例如，期 望是IX 1015cnf3以上。另外，这样的带有η型导电性的混晶发挥以下效果：即使在例如半导 体激光器元件之中应作为Ρ型半导体起作用的区域的内部，形成为η型导电性区域，在该η型 导电性区域中由As间隙原子形成〈110>哑铃型也是稳定的。另外，作为η型掺杂剂的例子，可 列举娃(Si)、硒(Se)等。
[0109] 图10是表示间隙式As的扩散势皇的大小的曲线图。如图10所示，针对单独的As间 隙原子的扩散的势皇Ea依赖于电荷状态，当电荷状态为_1(具有η型导电性的GaAs中）时约 为0.8eV，当电荷状态为+1(具有ρ型导电性的GaAs中）时约为0.4eV。即，对于相对于单独的 As间隙原子的扩散的势皇来说，相比具有ρ型导电性的GaAs，具有η型导电性的GaAs中的势 皇大2倍以上。
[0110] 若合并图9和图10的结果，则能够得到以下结论:在具有ρ型导电性的GaAs中，存在 于间隙间的As容易单独存在而且扩散势皇低，相对于此，在具有η型导电性的GaAs中，存在 于间隙间的As容易形成〈110>哑铃型且扩散势皇高。结果是，在具有η型导电性的GaAs中，抑 制As的扩散的效果大。
[0111] 针对上述母体导电性的影响，讲述了未导入杂质的GaAs的例子，但是即使在导入 了杂质的情况下，也具有相同的效果。例如，在将P导入到GaAs的情况下，As间隙原子的扩散 势皇增加10%左右(在中性状态下增加50meV)。即，通过将P导入到GaAs中，且将母体的导电 性设为η型，从而As间隙原子的扩散抑制效果就会更加显著。
[0112]此外，在此示出了针对GaAs的计算结果，但是针对AlAs、InAs、它们的混晶也能得 到相同的结果。
[0113](仿真的总结）
[0114] 上述（计算结果1)以及（计算结果2)启示了 ：对于GaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAs、 AlGaInAs、GaInNAs等以As为主成分的III-V族半导体晶体，为了抑制As间隙原子的扩散，以 下对策是有效的。
[0115] (1)将P、N、Sb、In等元素导入到晶体结构中，使〈110>哑铃型稳定化。
[0116] (2)将母体的导电性设为η型，设为比起单独As间隙原子〈110>哑铃型更稳定的状 ??τ 〇
[0117] (验证实验）
[0118] 在此，作为上述仿真结果的验证，示出在以As为主成分的III-V族半导体晶体的晶 体结构中导入了 P时的效果的验证实验。
[0119] 在后示出的表1是对验证了置换成V族元素位的P的浓度、哑铃型的形成、As的析出 物的检出之间的关系的实验结果进行总结后得到的表。表1所示的验证实验是如下进行的。
[0120] 在P的浓度测定中，使用二次离子质谱法(SIMS) AIMS是指，向固体的表面照射束 状的离子(称为一次离子），用质谱仪检测因该离子与固体表面的分子/原子级的冲突而产 生的离子(称为二次离子）的表面测量法。SIMS的空间分辨率为ΙΟμπι左右，但能够进行浓度 0.01%左右的Ρ的定量。SIMS适于用在例如GaAs系的长腔激光器元件中。另外，作为采用了 该S頂S的测定装置的例子，可列举Cameca社的扇型S MS (MS系列）。
[0121]此外，在P的浓度测定中使用原子探针法。在原子探针法中，首先，作为试料的准 备，使用聚焦离子束(FIB)加工装置，将包含测定对象的区域加工成针状(探针形状）。之后， 通过在超高真空化下施加电压脉冲，从而从加工成探针形状的试料的前端使组分原子场蒸 发，通过测定场蒸发后的原子的飞行时间来对原子的质量进行分析。另外，在半导体中利用 原子探针法的情况下，为了防止充电（charge up)，优选借助激光来辅助原子的蒸发。
[0122] 该测定方法例如适于对InP系的BH型激光器元件中的活性层内的P浓度进行测定。 原因在于，与通常的SMS相比，能够缩小解析范围（例如Ιμπι以下）。另外，作为采用该原子探 针法的测定装置的例子，可列举Cameca社的LEAP系列。
[0123] 进一步地，P的浓度测定使用扫描型隧道显微镜(STM)来测定。使用了STM的测定方 法对于InP系的BH型激光器元件以及GaAs系的脊形激光器元件当中的任一个都是适合的。 在使用了STM的测定方法中，在超高真空中劈开试料来使活性层的剖面露出，用STM观察原 子像，从而进行P的浓度测定。
[0124] STM是如下的显微镜:通过在前端曲率为纳米级的探针与试料表面之间施加数伏 的偏置电压，使流过的微小的隧道电流(约在InA以下)反馈，从而得到原子的凹凸像。此时， 由于对于母体的Ga、As等和P来说，电子状态不同，所以在通过STM得到的像的对比度中会产 生差。因此，能够从通过STM得到的像中对P的原子数进行计数，从而进行浓度的评价。作为 可用于该测定方法中的STM的例子，列举Omi cron社的STM-1、LT-STM。
[0125] 进一步地，对于P的浓度来说，也能够通过基于光致发光测定的光学带隙的测定或 者基于X射线衍射的晶格常数的测定，来决定P的浓度。
[0126] 〈110>哑铃型的形成例如可根据拉曼光谱测定来确认。原因在于，在形成了〈110> 哑铃型的晶体中，会产生因〈11〇>哑铃型引起的拉曼活性的振动模式。例如，通过使用波长 为488nm的Ar离子激光器或者波长为355nm的YAG激光器的3倍高次谐波，对构成活性层的混 晶的L0模式在50~150CHT 1的位置处对局域振动模式进行测定，从而能够确认〈110>哑铃型 的形成。在此，该拉曼散射测定中的偏振光配置为Z (X，x+y )_z(Z=[001]，x=[100]，y = [010])。并且，当对相对于LO模式的强度比在1/1000以上的局域振动模式进行了测定的情 况下，判定为形成了〈11〇>哑铃型。
[0127] 另外，在表1中的P的浓度为5%以上的情况下，由于因〈110>哑铃型引起的局域振 动模式与因置换到V族位的P引起的振动模式叠加，所以无法确认〈110>哑铃型的形成。因 此，表1中记载为不能评价。
[0128] 除此以外，作为直接观测〈110>哑铃型的形成的方法，有基于X射线衍射的形变的 各向异性测定。该方法通过使用波长可变的辐射光就能进行精度高的测定。在通过蚀刻将 活性层上的波导结构清除后，对多个衍射面进行测定，从而测定晶格常数的深度方向依赖 性。
[0129] 具体来说，若将与晶体面垂直的（006)面、相对于晶体面倾斜的（044)面以及（113) 面选择为衍射面，则在〈11〇>哑铃型所存在的P掺杂试料中，存在面间形变和面内形变(P浓 度1 %左右时0.1 %的形变），但在未形成〈110>哑铃型的参照试料中，存在面间形变，不存在 面内形变。根据该区别，能够检测〈11〇>哑铃型的形成。
[0130]关于As的析出物，进行基于透射型电子显微镜(TEM)的观察。与As的析出物相关的 定量化设为以宽25μπι的谐振器的谐振器长为100μπι为基准的观察个数。例如，如图11所示， 在进行基于ΤΕΜ的观察的情况下，如虚线圆中所是那样，认为存在As的析出物。通过按每个 谐振器长100μπι来对这样检测出的As的析出物进行总计，从而进行与As的析出物相关的定 量化。另外，图11所示的基于TEM的观察像是分别将P的浓度设为0.01%以下(实质上意思是 未添加 P，以下相同）和将P的浓度设为0.02%时的测定范围的一部分切取后得到的。
[0131] 【表1】
[0132]
[0133] 若根据以上说明的验证实验，则在拉曼光谱测定中，在晶体内的P的浓度为0.01% 的情况下和0.02%的情况下，没有观察到因〈110>哑铃型引起的局域振动模式。另一方面， 在晶体内的P的浓度为〇. 1%以上且比5%低的范围内，观察到因〈110>哑铃型引起的局域振 动模式。因此，认为在晶体内的P的浓度为0.1 %以上的情况下，因〈11〇>哑铃型引起的间隙 式As的稳定化充分起作用。
[0134] 此外，在TEM观察中，在晶体内的P的浓度为0.01 %的情况下，每谐振器长100μπι观 察到7个As析出物。另一方面，在晶体内的P的浓度为0.02%的情况下，每谐振器长100μπι观 察到1个As析出物。另外，在晶体内的Ρ的浓度为0.1 %以上的情况下，未观察到As析出物。因 此，若比较晶体内的P的浓度为0.01%的情况和0.02%的情况，则在两者之间，在As析出物 的量上有显著的差异。即，在晶体内的P的浓度为0.02%以上的情况下，As析出物被充分抑 制少到不能对性能造成影响的程度。
[0135] 以上的验证实验仅提示了P作为置换到V族元素位的杂质，但即使是N或者Sb等置 换到V族元素位的杂质，根据同一原理也可带来相同的作用。
[0136] 因此，优选置换到V族元素位的P、N、或者Sb的浓度相对于处于V族元素位的V族元 素的整体量是0.02%以上的范围，更优选0.1 %以上的范围。
[0137] 此外，在将In导入到以A1或者Ga为主成分的III-V族半导体晶体的情况下，置换到 III族元素位的In的浓度也优选相对于处于III族元素位的III族元素的整体量是0.1%以 上的范围。原因在于，在该范围内，导入的杂质原子与其他P杂质原子接近的概率增加，图5 以及图6的横轴中记载的模型2P-1(P配置在〈110>哑铃型的最接近位置和第2接近位置）的 状态容易实现。结果是，如根据图5以及图6的曲线图读出的那样，在杂质原子的V族元素中 的浓度为0.1~5%的范围内，〈110>哑铃型的形成能量变低，且结合能量变高。
[0138] 另外，杂质原子的浓度越高，则模型3P(在〈110>哑铃型的最接近位置配置2个P和 在第2接近位置配置P)的状态实现的概率越高，从形成能量和结合能量的观点出发是优选 的。
[0139] 另一方面，被添加到以As为主成分的III-V族半导体晶体中的杂质原子的浓度优 选在5%以下。原因在于，若杂质原子的浓度在5%以下，则初始特性出色。在此，初始特性以 使温度发生变化时的斜率效率的最大值来进行评价。所谓斜率效率是指，由电流-光输出特 性的倾斜度来定义的，单位是[mW/mA]。
[0140] 以下所示的表2总结了初始特性的验证结果。如表2所示，可知只要杂质原子的浓 度在5%以下，初始特性就出色。特别是，若杂质原子的浓度在3%以下，则在初始特性中就 测定不到恶化。
[0141] 【表2】
[0142]
[0143] 进一步地，重复进行通电和电流-光输出特性测定，由此测定阈值的增加率。若在 120 °C /150mA的加速条件下测定阈值的增加率，则在P的浓度为0.02 %、3 %以及5 %的情况 下，逐渐劣化得到了抑制。此外，在155°C/125mA的加速条件下测定阈值的增加率的情况下， 在P的浓度为0.02%以及3%的情况下，逐渐劣化得到了抑制。因此，只要杂质原子的浓度在 5%以下，逐渐劣化就得到抑制，因而是优选的，若杂质原子的浓度在3%以下，则更是优选 的。
[0144] 此外，若杂质原子的浓度在5%以下，则该混晶与基板之间的晶格常数差、带隙差 不会变大，所以通过因失配位错形成、合金散射而引起的移动度的降低、或者因使用二维电 子气体的元件的情况下二维电子气体感知的电势与设计值不同而引起的电子浓度降低等， 元件的初始特性恶化这一情况就可得到抑制。但是，在将作为III族元素的In用作杂质原子 的情况下，期望浓度在1%以下。原因在于，在大于1%的浓度下，由于In发生簇化，所以阻止 了〈110>哑铃型的形成。
[0145] 总结以上的验证实验可知，置换到V族元素位的P、N、或者Sb的浓度优选相对于处 于V族元素位的V族元素的整体量是在0.02%以上且5%以下的范围，更优选是在0.1%以上 且3%以下的范围。
[0146] 以下，说明实施了上述对策的半导体激光器元件的实施方式。
[0147] (第丨实施方式）
[0148] 图12是表示第1实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。图12所示的半导体 激光器元件是在电流限制结构中采用了掩埋异质结(BH:Buried Heterostructure)结构的 半导体激光器元件。图12是该半导体激光器元件的与出射面平行的剖面图。
[0149] 如图12所示，第1实施方式涉及的半导体激光器元件10在基板11上依次层叠了 η型 半导体层12和活性层13。11型半导体层12的上部以及活性层13成为在出射方向上具有长边 方向的台面结构(mesa structure)。活性层13具有具备讲层和势皇层的多量子讲（MQW: Multi QuantumWell)结构。
[0150] 在由η型半导体层12的上部以及活性层13形成的台面结构上，层叠了 p型半导体层 14。与台面结构的宽度方向两侧相邻地，在ρ型半导体层14的内部形成有作为电流限制结构 的η型半导体层15。进一步地，在基板11的背面形成有η侧电极16,在ρ型半导体层14的表面 形成有Ρ侧电极17。
[0151] 作为电流限制结构的η型半导体层15起到以下作用:在内部限制从ρ侧电极17注入 的电流，并且将从活性层13产生的光限制在横（宽）向上，实现抑制了高次的水平横模的单 一横模动作。
[0152] 活性层13的阱层是由将Ρ导入到InGaAs后得到的InGaAsP形成的层。另一方面，活 性层13的势皇层由AlGaAs形成，是起到将载流子限制在阱层的势皇的作用的层。另外，并不 限于上述例子，活性层13也可以由GaAs、AlAs、AlGaAs、InGaAs、AlGaInAs、GaInNAs等以As为 主成分的ΠI-V族半导体形成。
[0153] 此外，在本实施方式中，虽然将P仅导入到活性层13的阱层，但也可以构成为向势 皇层的AlGaAs导入P，在活性层13整体中导入P。活性层13的构成也不限于多阱结构，在所有 活性层13的结构中，都能得到因导入P所带来的抑制位错环的产生的效果。此外，导入的杂 质不限于P，可以是N、Sb、或者In。
[0154] 活性层13在驱动半导体激光器元件10的情况下处于活性状态，所以容易形成As间 隙原子，且该As间隙原子容易移动，因此在活性层13中导入P、N、Sb、或者In的效果大。特别 是，在活性层13具有多量子阱结构的情况下，驱动了半导体激光器元件10时变成活性状态 的是阱层，所以即使有选择地仅在阱层导入P、N、Sb、或者In，效果也会较大。
[0155] 进一步地，优选活性层13具有η型的导电性。因此，优选在活性层13中添加 η型掺杂 剂。例如，作为η型掺杂剂，有硒(Se)、硫磺(S)、或者硅(Si)。另外，优选活性层13的η型掺杂 剂的浓度比其他η型半导体层中的η型掺杂剂的浓度低。例如，优选活性层13的η型掺杂剂的 浓度在lX10 18cnf3以下。原因在于，在大于lX1018cnf3的浓度下，半导体中的Ga空位、As空位 的浓度变高，所以相邻的〈11〇>哑铃型的结合能量减少，As间隙原子的扩散抑制效果降低。 此外，期望是对消除空位、残留杂质的补偿效果来说足够的量，例如在IX l〇15cnf3以上。
[0156] 其他半导体层由带隙能量比活性层13的阱层的带隙能量高且折射率比活性层13 的阱层的折射率低的半导体形成。相应其他半导体层虽然优选由以As为主成分的III-V族 半导体形成，但例如也可以由InP形成。
[0157] 也可以在半导体激光器元件10的所有半导体层中导入P、N、Sb、或者In，但除了活 性层13以外，也可以有选择地在容易产生位错环的地方导入P、N、Sb、或者In。例如，有选择 地在成为P侧电极17下方的p型半导体层14的部分、或者成为与外延基板之间的界面附近的 η型半导体层12的部分等导入P、N、Sb、或者In，在抑制位错环的产生方面也是有效果的。此 外，有选择地将容易产生位错环的地方设为η型传导性，在抑制位错环的产生方面也是有效 果的。如前所述，即使比纯半导体少但也具有η型导电性的情况下，也能得到抑制位错环的 产生的效果，所以即使是半导体激光器元件10的Ρ型半导体层，通过作成不会对半导体激光 器元件10的功能造成影响的程度的弱η型导电性的区域，能够得到抑制位错环的产生的效 果。
[0158] (实施例1)
[0159]实施例1是将第1实施方式具体化的构成。因此，在实施例1的说明中，参照与第1实 施方式相同的图12。此外，对于与第1实施方式的说明重复的部分，省略其说明。
[0160] 实施例1涉及的半导体激光器元件10是所谓的InP基板上的A1 InGaAsP-BH激光器 元件。因此，在由InP形成的基板11上层叠例如由η型InP形成的η型半导体层12、活性层13、 例如由Ρ型InP形成的ρ型半导体层14，η型半导体层12的上部以及活性层13成为台面结构。
[0161] 活性层13具有将阱层与势皇层的对重复层叠6次而得到的MQW结构。例如，在将谐 振器宽(活性层13的条纹宽)设为2μπι、将谐振器长(活性层13的条纹长)设为0.3_来作成半 导体激光器元件10的情况下，1个芯片就能够进行超500mW的光输出。
[0162] 将阱层以及势皇层的厚度分别设为6nm以及10nm，将阱层以及势皇层相对于InP基 板的形变分别设为1%以及-0.3%。另外，将相比基板的晶格常数，该层较大的情况设为正 的形变，较小的情况设为负的形变。
[0163] 根据添加的P的浓度，调整活性层13的活性层以及势皇层的组成，使得振荡波长为 1.55μπι。在此，例示不同的P的浓度的情况下的活性层13的组成。在未添加 P的活性层的例子 中，讲层为Alo. Q58ln〇. 676Ga〇. 267As，势皇层为Alt). 2Q6ln〇. 488Ga〇. 3Q6As。此外，在以浓度 1 % 添加了 P的活性层的例子中，讲层为Al〇.Q54ln().68Ga().265As().99P().()l，势皇层为 八1〇.203111().4963().3()748().99?().()1。在以浓度3%添加了？的活性层的例子中，活性层13的结构是， 讲层为厶1〇.048111().696&().262厶8().97?().()3，势皇层为厶1().2111().66&().2厶8().97?().()3。这样，在形成以其他 浓度添加了P的活性层时，能够调整III族(Al、Ga以及In)的组成，使得振荡波长和形变相 同。
[0164] 在此，对改变了活性层中的P的浓度时的半导体激光器元件的初始特性以及逐渐 劣化进行比较研究。图13是表示改变了活性层中的P的浓度时的半导体激光器元件的斜率 效率的曲线图。图13中用实线以及虚线记载了相同结构以及组成的两个半导体激光器元件 的数据。
[0165]如图13所示，活性层中的P的浓度直到3 %为止，斜率效率的最大值都没有变化。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，若活性层中的P的浓度 超过5%，则斜率效率降低，例如，当活性层中的P的浓度为6.6%时，25°C的斜率效率的最大 值变为〇. 22~0.23mW/mA。此外，若活性层中的P的浓度超过10%，则25°C的斜率效率的降低 变得显著，变为0.2mW/mA。因此，实施例1涉及的半导体激光器元件10的初始特性出色。
[0166] 进一步地，调查因长期通电引起的激光器特性的变动。即，重复进行通电和电流-光输出特性测定，测定阈值的增加率。在此，按照120 °C下150mA以及155 °C下125mA这两个条 件的通电来调查激光器特性的变动。
[0167] 在120°C下150mA的加速条件下，对于未添加 P的活性层的半导体激光器元件来说， 还存在以下元件:若超过1000小时，则阈值递增，若超过2000小时，则增加10%以上。此外， 也存在阈值急速增大而被破坏的元件。
[0168] 另一方面，在活性层中的P的浓度为0.02%、2.9%以及6.6%的情况下，半导体激 光器元件的逐渐劣化得到抑制。2000小时下的阈值的增加率也在8%以下。
[0169] 此外，在15 5 °C下12 5 m A的通电条件下，阈值增加的倾向也没有改变，在浓度为 0.02%以及2.9%的情况下，阈值的增加被抑制，而另一方面，在未添加 P的例子中，在1000 小时的通电下，测定出阈值增大10 %~2 0 %。
[0170] -般，若将A1加到活性层的组成当中，则半导体激光器元件的逐渐劣化有变大的 倾向。但是，在按照0.02%以上且5%以下的范围，将P添加到活性层中的情况下，半导体激 光器元件的逐渐劣化被抑制，进一步地，如果是0.1%以上且3%以下的范围，则逐渐劣化进 一步被抑制。这种情况下，若将A1加到活性层的组成当中，则对半导体激光器元件的振荡波 长以及形变进行调整的参数就会增加，所以半导体激光器元件的设计自由度得到提高。
[0171] 此外，通过TEM观察通电中使用的半导体激光器元件的内部状态发现，在未添加 P 的例子中，在沿谐振器的方向上每谐振器长100μπι观察到7个As的析出物，相对于此，在P的 浓度为〇. 02%的情况下，每谐振器长lOOwii观察到1个As的析出物。另外，P的浓度在0.1 %以 上的半导体激光器元件中，没有观察到As的析出物。该结果表明，通过将P添加到活性层，活 性层内的As间隙原子的分散性得到了提高。
[0172](第2实施方式）
[0173] 图14是表示第2实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。图14所示的半导体 激光器元件是采用了SI-BH(Semi_Insulating BuriedHeterostructure)结构的半导体激 光器元件。图14是该半导体激光器元件的与出射面平行的剖面图。
[0174] 如图14所示，第2实施方式涉及的半导体激光器元件20在基板21上依次层叠了 η型 半导体层22、活性层23和ρ型半导体层24。11型半导体层22的上部、活性层23、ρ型半导体层24 成为在出射方向上具有长边方向的台面结构。活性层23具有具备阱层和势皇层的多量子阱 结构。
[0175] 在由η型半导体层22的上部、活性层23和ρ型半导体层24构成的台面结构的两侧， 形成有由Fe-InP等高电阻材料形成的埋入层25。进一步地，在基板21的背面形成有η侧电极 26,在ρ型半导体层24的表面形成有ρ侧电极27。埋入层25起到以下作用：抑制从ρ侧电极27 流向η侧电极26的电流的广度，并且将从活性层23产生的光限制在横(宽）向上。埋入层25由 例如掺杂了铁(Fe)的半绝缘性的III-V族半导体形成。埋入层25不限于掺杂了铁(Fe)的半 绝缘性的III-V族半导体，也可以是掺杂了钌(Ru)的半绝缘性的III-V族半导体。
[0176] 活性层23的阱层是由在InGaAs中导入了 P后得到的InGaAsQ.99Po.Qi形成的层。另一 方面，活性层13的势皇层由AlGaAs形成，是起到将载流子限制在阱层的势皇的作用的层。另 外，不限于上述例子，活性层23也可以由以As为主成分的其他III-V族半导体形成。此外，与 第1实施方式相同，在本实施方式中，活性层23的构成也不限于多阱结构，可在活性层整体 中导入P，导入的杂质也不限于P。
[0177] 进一步地，优选活性层23具有η型的导电性。因此，优选在活性层23中导入η型掺杂 剂。另外，优选活性层23的η型掺杂剂的浓度比其他η型半导体层中的η型掺杂剂的浓度低。 例如，活性层23的η型掺杂剂的浓度优选在1 X 1018cnf3以下，期望在1 X 1015cnf3以上。原因在 于，在大于1 X 1018cnT3的浓度下，半导体中的Ga空位、As空位的浓度会变高，所以相邻的〈 110>哑铃型的结合能量减少，As间隙原子的扩散抑制效果会降低。此外，期望在IX 1015cnf3 以上是因为，对于消除空位、残留杂质的补偿效果来说这是足够的量。
[0178]其他半导体层由带隙能量比活性层23的阱层的带隙能量高且折射率比活性层23 的阱层的折射率低的半导体形成。相应其他半导体层优选由以As为主成分的III-V族半导 体形成，但例如也可以由InP形成。
[0179] 可在半导体激光器元件20的所有半导体层中导入P、N、Sb、或者In，但也可以有选 择地在容易产生位错环的地方导入P、N、Sb、或者In。例如，即使有选择地在成为p侧电极27 下方的P型半导体层24的部分、或者成为与埋入层25之间的界面附近的p型半导体层24的部 分等导入P、N、Sb、或者In，对抑制位错环的产生来说也是有效果的。此外，有选择地将容易 产生位错环的地方设为η型传导性，对抑制位错环的产生来说也是有效果的。如前所述，在 即使比纯半导体少但也具有η型导电性的情况下，也能得到抑制位错环的产生的效果，所以 即使是半导体激光器元件20的ρ型半导体层，通过作成对半导体激光器元件20的功能不会 造成影响的程度的弱η型导电性的区域，也能够得到抑制位错环的产生的效果。
[0180] (第3实施方式）
[0181] 图15是表示第3实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。图15所示的半导体 激光器元件是采用了脊形结构的半导体激光器元件。图15是该半导体激光器元件的与出射 面平行的剖面图。
[0182] 如图15所示，第3实施方式涉及的半导体激光器元件30在基板31上依次层叠了 η型 半导体层32、活性层33和ρ型半导体层34。？型半导体层34的上部成为在出射方向上具有长 边方向的脊形结构。活性层33具有具备阱层和势皇层的多量子阱结构。此外，在半导体激光 器元件30中，对于活性层33,例如应用专利文献1记载的端面保护结构、即IFVD(Impurity Free Vacancy Disordering)法。
[0183]脊形结构通过对起到限制层(Cladding Layer)作用的p型半导体层34的厚度给出 差，从而起到将从活性层33产生的光限制在横(宽）向上的作用。此外，在基板31的背面形成 有η侧电极36,在ρ型半导体层34的表面形成有ρ侧电极37。
[0184]活性层33的阱层是由在InGaAs中导入了 Ρ后得到的InGaAsP形成的层。另一方面， 活性层33的势皇层由AlGaAs形成，是起到将载流子限制在阱层的势皇的作用的层。另外，不 限于上述例子，活性层33也可以由以As为主成分的其他III-V族半导体形成。此外，与第1实 施方式相同，在本实施方式中，活性层33的构成也不限于多阱结构，而是能够在活性层整体 中导入P，导入的杂质也不限于P。
[0185] 进一步地，优选活性层33具有η型的导电性。因此，优选在活性层33中导入η型掺杂 剂。另外，优选活性层33的η型掺杂剂的浓度比其他η型半导体层中的η型掺杂剂的浓度低。 例如，优选活性层33的η型掺杂剂的浓度在1 X 1018cnf3以下，期望在1 X 1015cnf3以上。原因在 于，在大于1 X 1018cnT3的浓度下，半导体中的Ga空位、As空位的浓度会变高，所以相邻的〈 110>哑铃型的结合能量减少，As间隙原子的扩散抑制效果降低。此外，期望在IX 1015cnf3以 上是因为，对消除空位、残留杂质的补偿效果来说是这是足够的量。
[0186] 其他半导体层由带隙能量比活性层33的阱层的带隙能量高且折射率比活性层33 的阱层的折射率低的半导体形成。相应其他半导体层虽然优选由以As为主成分的III-V族 半导体形成，但也可以例如由InP形成。
[0187] 可在半导体激光器元件30的所有半导体层中导入P、N、Sb、或者In，但也可考虑除 了活性层33以外，还有选择地在容易产生位错环的地方导入P、N、Sb、或者In的方法。例如， 有选择地在成为P侧电极37下方的p型半导体层34的部分、或者成为脊形结构的竖起部分的 P型半导体层34的部分等导入P、N、Sb、或者In，对抑制位错环的产生来说也是有效果的。此 外，有选择地将容易产生位错环的地方设为η型传导性，对抑制位错环的产生来说也是有效 果的。如前所述，在即使比纯半导体少但也具有η型导电性的情况下，也能够得到抑制位错 环的产生的效果，所以即使是半导体激光器元件30的ρ型半导体层，通过作成对半导体激光 器元件30的功能不会造成影响的程度的弱η型导电性的区域，也能够得到抑制位错环的产 生的效果。此外，在半导体激光器元件中，在应用了 IFVD法的情况下，当激光器输出在1W程 度以下时，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，在制作成脊形结 构部分的宽度(条纹宽）在100μπι以上且光输出在1芯片中大致为数十瓦以上(CW驱动条件） 的高输出激光器元件的情况下，在端面以外的部位产生位错环，会发生特性劣化。
[0188] 相对于此，在半导体激光器元件30中，由于除了应用IFVD法以外，还在活性层33等 中导入了 Ρ、或者N、Sb等，所以在光输出为数十瓦以上的CW驱动条件下，不仅是端面，块体内 的位错环产生也得到了抑制。
[0189] 另外，本实施方式使用采用了脊形结构的半导体激光器元件的例子进行了说明， 但在采用了埋入脊形结构的半导体激光器元件、采用了高台面脊形结构的半导体激光器元 件、采用了SAS(Self Aligned Structure)结构的半导体激光器元件中，也容易构成本实施 方式的适当的变形例。
[0190] (实施例2)
[0191] 实施例2是将第3实施方式具体化的构成。因此，在实施例2的说明中，参照与第3实 施方式相同的图15。此外，对与第1实施方式的说明重复的部分，省略其说明。
[0192] 实施例2涉及的半导体激光器元件30是所谓的GaAs基板上的脊形激光器元件。因 此，在由GaAs形成的基板31上，层叠例如由η型AlGaAs形成的η型半导体层32、活性层33、例 如由Ρ型AlGaAs形成的ρ型半导体层34，ρ型半导体层34的上部成为在出射方向上具有长边 方向的脊形结构。
[0193] 活性层33具有以势皇层来相夹讲层而层叠的SQW(Single Quantum Well)结构。例 如，在将谐振器宽设为100M1、谐振器长设为4mm来作成半导体激光器元件30的情况下，将驱 动(额定)电流设为12A时，1个芯片就能够进行12W程度的光输出。
[0194]将阱层以及势皇层的厚度分别设为10nm以及30nm，在调整阱层以及势皇层的组成 以使振荡波长成为910nm的同时，将P添加到活性层中。
[0195] 在此，例示不同的P的浓度的情况下的活性层33的组成。在未添加 P的例子中，通过 将讲层设为111().()7363().92548、将势皇层设为41().3263().6848，从而能够实现91〇111]1的振荡波长。 此外，在以浓度3%添加了P的活性层的例子中，通过将阱层设为Ino.iGao.gAso.wPo.ra，将势皇 层设为41〇.3168().6948().97?().()3，从而能够实现91〇111]1的振荡波长。这样，调整111族组成，使添 加的P的浓度在0.02~10%的范围内发生变化，以使波长恒定。
[0196] 利用如以上那样使添加的P的浓度在0.02~10%的范围内发生变化的半导体激光 器元件，进行初始特性的评价。在此，以用室温(25°C)下的斜率效率的最大值来评价初始特 性。
[0197] 在添加的P的浓度为3%以下的半导体激光器元件的情况下，在包含未添加 P的情 况的任意半导体激光器元件中，斜率效率也是1.01~1.02W/A的范围，得到良好的初始特 性。另一方面，在活性层中的P的浓度为5%的半导体激光器元件的情况下，斜率效率降低至 大约1W/A。在添加的P的浓度为10%的半导体激光器元件的情况下，斜率效率降低至0.9W/A 以下。
[0198] 因此，从初始特性不劣化的观点来看，期望构成添加到活性层中的P的浓度在3% 以下这样的半导体激光器元件。
[0199] 进一步地，在通电了半导体激光器元件的额定电流以上的20A的情况下（环境温度 25°C)，在活性层中未添加 P的半导体激光器元件有10%被破坏。另一方面，在活性层中以浓 度0.02%添加 P的半导体激光器元件有8%左右被破坏。在活性层中以浓度0.1 %添加 P的半 导体激光器元件有5%左右被破坏。另外，半导体激光器元件的破坏是从激光器端面发生 的。
[0200] 其结果是，通过将P添加到活性层中，从而As间隙原子的分散性提高，流过额定值 以上的电流时，在端面附近产生的位错的进展被阻止。
[0201] 此外，在环境温度为25°C的状态下，通电12A的恒定电流的同时监控半导体激光器 元件的光输出发现，在未将P添加到活性层中的半导体激光器元件中，超过1000小时时，观 察到了光输出的降低。另一方面，在以浓度0.02%将P添加到活性层中的半导体激光器元件 中，直至超过2000小时为止，都未观察到光输出的降低。另一方面，在以0.1 %以上的浓度将 P添加到活性层中的半导体激光器元件中，即使超过了2000小时，也没有观察到光输出的降 低。
[0202] 该结果表明，通过在半导体激光器元件的活性层中添加 P，从而As间隙原子的分散 性提高，能够得到不会在活性层内、端面附近形成位错环这样的效果。
[0203](实施例3)
[0204] 实施例3是在实施例2的构成中变更活性层的组成而得到的。因此，在此，仅说明活 性层的组成，关于其他构成要素省略说明。
[0205] 实施例3的活性层在阱层中含有A1，在势皇层中含有In。在以浓度3%添加了P的活 性层的例子中，通过将讲层设为Al〇.Q5ln().15Ga().8As().97P().()3、将势皇层设为 Al〇.35ln〇.Q5Ga().6As().97P().()3，从而实现910nm的振荡波长。同样地，调整III族组成，使添加的P 的浓度在〇 .02~10%的范围内发生变化，使得波长恒定。
[0206] 在实施例3中也同样进行室温（25°C )下的初始特性的评价。在添加的P的浓度为 3%以下的半导体激光器元件的情况下，包括未添加 P的情况在内的任意半导体激光器元件 中，斜率效率也是1.01~1.02W/A的范围，能够得到良好的初始特性。即，对于25°C下的初始 特性的值来说，在实施例2与实施例3之间，没有观察到有意义的差。
[0207] 另一方面，对于50 °C下的初始特性的值来说，实施例3的半导体激光器元件比实施 例2出色。即，与实施例2相比，实施例3的半导体激光器元件其斜率效率改善了5%左右。认 为这是因为以下原因：在实施例2和实施例3中，虽然阱层和势皇层的带隙被设计成相同，但 因两者的III族组成之差，在电子亲和力方面产生了差。另外，该差在阱层中是15meV，在势 皇层中是19meV。结果，在实施例3中，温度高的状态下的来自阱层的载流子的泄露被抑制， 斜率效率得到改善。
[0208] 另外，在实施例2以及实施例3中，虽然示出了振荡波长为910nm的半导体激光器元 件的例子，但在改变振荡波长的情况下，只要适当变更III族元素的组成即可。例如，在构成 振荡波长为9 7 5 n m的半导体激光器元件时，只要将活性层的阱层设为 八1〇.。5111。.256&。.7厶8。.97?。.。3，将势皇层设为厶1。.35111。.。56&。.6厶8。.97?。.。3即可。
[0209] (第4实施方式）
[0210]图16是表示第4实施方式涉及的半导体激光器元件的示意图。图16所示的半导体 激光器元件是垂直谐振腔面发射激光器（VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)型的半导体激光器元件（以下，称为面发光激光器元件）。图16是该半导体激光器元 件的关于出射方向的剖面图。
[0211]如图16所示，在面发光激光器元件40中，在基板41上依次层叠了被层叠的下部DBR 反射镜49a、n型半导体层42、活性层43、电流限制层45、p型半导体层44、相位调整层48和上 部DBR反射镜49b。此外，如图16所示，η型半导体层42的上端部、活性层43、电流限制层45以 及ρ型半导体层44通过蚀刻处理等形成为被成型为柱状的台形柱。η侧电极46设置在因形成 为台形柱而露出的η型半导体层42的表面，ρ侧电极47在作为台形柱的上端的ρ型半导体层 44的表面被设置成环状以包围相位调整层48。
[0212]下部DBR反射镜49a形成为将例如由AlAs/GaAs形成的多个复合半导体层层叠而成 的半导体多层膜反射镜。构成该复合半导体层的各层的厚度被设为λ/4η(λ:振荡波长，n:折 射率）。另一方面，上部DBR反射镜49b形成为将例如由SiN/Si0 2形成的多个复合电介质层层 叠而成的电介质多层膜反射镜，与下部DBR反射镜49a相同，各层的厚度被设为λ/4η。
[0213]电限制层45由开口部和氧化限制部构成。电??Ε限制层45通过例如由AlAs形成的 含A1层形成，通过将含A1层从外周部起氧化规定范围，从而形成氧化限制部。氧化限制部具 有绝缘性，通过限制从P侧电极47注入的电流使其集中到开口部内，从而提高活性层43内的 电流密度。
[0214]活性层43具有具备阱层和势皇层的多量子阱结构，基于从ρ侧电极47注入并借助 电流限制层45被限制的电流，发出放出光。关于该放出光，在作为谐振器的下部DBR反射镜 49a与上部DBR反射镜49b之间，在与包括活性层43在内的各层垂直的方向上使该放出光谐 振并将其放大后，从上部DBR反射镜49b的上表面作为激光来射出。另外，设置在ρ型半导体 层44与上部DBR反射镜49b之间的相位调整层48用于调整在谐振器中形成的激光的驻波的 波腹和波节的位置。
[0215] 活性层43的阱层是由在InGaAs中导入了 P后得到的InGaAsQ.99Po.Qi形成的层。另一 方面，活性层43的势皇层由AlGaAs形成，是起到将载流子限制在阱层的势皇的作用的层。另 外，并不限于上述例子，活性层43也可以由以As为主成分的其他III-V族半导体形成。此外， 与第1实施方式相同，在本实施方式中，活性层43的构成也不限于多阱结构，而是能够在活 性层整体中导入P，导入的杂质也不限于P。
[0216] 进一步地，优选活性层43具有η型的导电性。因此，优选在活性层43中导入η型掺杂 剂。例如，作为η型掺杂剂，是Se、S、或者Si。另外，优选活性层43的η型掺杂剂的浓度比其他η 型半导体层中的η型掺杂剂的浓度低。例如，优选活性层43的η型掺杂剂的浓度在IX 1018cm 4以下，如果在IX l〇15cnf3以上，贝_制位错环的产生的效果会比较显著。原因在于，由于在 大于lX10 18cnf3的浓度下，半导体中的Ga空位、As空位的浓度会变高，所以相邻的〈110>哑 铃型的结合能量减少，As间隙原子的扩散抑制效果降低。此外，设为在IX 1015cnf3以上是因 为，对消除空位、残留杂质的补偿效果来说这是足够的量。
[0217] 以上，具体说明了本发明的实施方式，本发明并不限于上述的实施方式，而是能够 基于本发明的技术思想来进行各种变形。例如，在上述的实施方式中列举的数值只不过是 例子，也可以根据需要而使用与其不同的数值。
[0218] 工业上的可利用性
[0219] 如以上所述，本发明涉及的半导体激光器元件作为特性变动少的半导体激光器元 件是有用的。
[0220] 符号说明
[0221] 11，21，31，41 基板
[0222] 12，15,22,32,42 η型半导体层
[0223] 13,23,33,43 活性层
[0224] 14,24,34,44 ρ型半导体层
[0225] 16,26,36,46 η侧电极
[0226] 17,27,37,47 ρ侧电极
[0227] 25埋入层
[0228] 40面发光激光器元件
[0229] 45电流限制层
[0230] 48相位调整层
【主权项】
1. 一种半导体激光器元件，其具备活性层，该活性层具有由以As为V族的主成分的III-V族半导体晶体形成的阱层和势皇层，该半导体激光器元件的特征在于， 在所述阱层以及所述势皇层中的至少一个层的III-V族半导体晶体的V族位，以浓度 0.02~5 %导入所述As以外的V族元素， 在所述阱层以及所述势皇层中的至少一个层的III-V族半导体晶体的III族位中包含 Al〇2. 根据权利要求1所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述As以外的V族元素是N、P、Sb中的任一种或者它们的组合。3. 根据权利要求1或2所述的半导体激光器元件，其特征在于， 以所述As为主成分的III-V族半导体晶体是AlGalnAs或者AlGalnNAs。4. 根据权利要求1或2所述的半导体激光器元件，其特征在于， 以所述As为主成分的III-V族半导体晶体是AlAs或者AlGaAs。5. 根据权利要求4所述的半导体激光器元件，其特征在于， 在所述阱层以及所述势皇层中的至少一个层的III-V族半导体晶体的III族位，以浓度 0 · 1~1 %导入In〇6. 根据权利要求1~5中任一项所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述活性层被添加了 η型掺杂剂。7. 根据权利要求6所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述η型掺杂剂的浓度在1 X 1018cnf3以下且1 X 1015cnf3以上。8. 根据权利要求1~7中任一项所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述As以外的V族元素被导入到所述阱层中。9. 根据权利要求8所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述As以外的V族元素被导入到所述势皇层中。10. 根据权利要求1~9中任一项所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述A1包含在所述势皇层的组成当中。11. 根据权利要求10所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述A1包含在所述阱层的组成当中。12. 根据权利要求7所述的半导体激光器元件，其特征在于， 所述活性层的η型掺杂剂的浓度低于所述半导体激光器元件中的其他η型半导体层的η 型掺杂剂的浓度。
【文档编号】H01S5/343GK106030939SQ201580008004
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年3月11日
【发明人】岩见正之, 石井宏辰, 岩井则广, 松田竹善, 粕川秋彦, 石川卓哉, 川北泰雅, 锻治荣作
【申请人】古河电气工业株式会社