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JP2914330B2 - Method for growing self-pulsating semiconductor laser device - Google Patents
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JP2914330B2 - Method for growing self-pulsating semiconductor laser device - Google Patents

Method for growing self-pulsating semiconductor laser device

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JP2914330B2
JP2914330B2 JP32163996A JP32163996A JP2914330B2 JP 2914330 B2 JP2914330 B2 JP 2914330B2 JP 32163996 A JP32163996 A JP 32163996A JP 32163996 A JP32163996 A JP 32163996A JP 2914330 B2 JP2914330 B2 JP 2914330B2
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growth temperature
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自励発振型半導体
レーザ素子の成長方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device.

【0002】[0002]

【従来の技術】光ディスク装置のピックアップ用光源と
して用いられる半導体レーザの戻り光雑音を低減するた
めに自励発振型半導体レーザダイオ−ド(LD)が研究
されている。既に、レーザのクラッド層内部に可飽和吸
収層を導入することによって、自励発振するレーザが実
現されている。
2. Description of the Related Art A self-oscillation type semiconductor laser diode (LD) has been studied to reduce return light noise of a semiconductor laser used as a light source for pickup of an optical disk device. A self-excited laser has already been realized by introducing a saturable absorption layer inside the cladding layer of the laser.

【0003】閾値の小さい安定した自励発振型レーザを
得るためには、可飽和吸収層の吸収波長がレーザの発振
波長とほぼ等しいこと、可飽和吸収層で発生するキャリ
アの寿命が小さいこと、可飽和吸収層の吸収波長が安定
していることが重要である。
In order to obtain a stable self-sustained pulsation laser having a small threshold, the absorption wavelength of the saturable absorption layer should be substantially equal to the oscillation wavelength of the laser, the lifetime of carriers generated in the saturable absorption layer should be short, It is important that the absorption wavelength of the saturable absorption layer is stable.

【0004】従来の技術では、可飽和吸収層のドーピン
グ濃度を2×1018cm-3以上に高くして発光再結合を
増大させる方法によりキャリア寿命を短くしている。例
えば、1995年春季応用物理学関係連合講演会の講演
予稿集1058ページの26p−ZA−5に、「可飽和
吸収層を用いた自励発振型赤色半導体レーザの設計」と
題する報告がある。そこでは、自励発振を持続させるた
めにはキャリア寿命が十分小さいことが必要であること
が示されている。
In the prior art, the carrier lifetime is shortened by increasing the doping concentration of the saturable absorbing layer to 2 × 10 18 cm −3 or more to increase radiative recombination. For example, there is a report entitled "Design of a self-pulsation type red semiconductor laser using a saturable absorption layer" in 26p-ZA-5 on page 1058 of the proceedings of the Joint Lecture Meeting on Applied Physics in the Spring of 1995. It shows that the carrier life must be sufficiently short to maintain the self-sustained pulsation.

【0005】一方、可飽和吸収層のドーピング濃度を高
くすると、ドーパントの拡散が生じやすくなる。特にA
lGaInP系材料を用いた半導体LDでは、pドーパ
ントにZnを用いる。GaInP可飽和吸収層のZnの
ドーピング濃度を高くすると、結晶成長中にGaInP
可飽和吸収層内や周辺のAlGaInP層へZnが拡散
する。多くの場合、GaInP層やAlGaInP層に
は、自然超格子なるIII族原子配列の秩序構造が自発的
に形成されており、これらの材料のバンドギャップエネ
ルギは無秩序構造のものより最大で60meV程小さく
なっている。Znの拡散は、この秩序構造を無秩序化す
るため、GaInP層やAlGaInP層のエネルギバ
ンドギャップが増大し、可飽和吸収層の吸収波長が変化
する。可飽和吸収層にGaInP/AlGaInP量子
井戸構造を用いた場合は、Znの拡散による吸収波長の
変化はより大きくなる。可飽和吸収層の遷移エネルギは
10meVのオ−ダで制御する必要があるので、安定し
た特性を得るためには、可飽和吸収層の無秩序化は重要
である。
On the other hand, when the doping concentration of the saturable absorbing layer is increased, the diffusion of the dopant tends to occur. Especially A
In a semiconductor LD using an lGaInP-based material, Zn is used as a p dopant. When the doping concentration of Zn in the GaInP saturable absorption layer is increased, GaInP
Zn diffuses into the AlGaInP layer in and around the saturable absorption layer. In many cases, a GaInP layer or an AlGaInP layer has a spontaneously formed ordered structure of a group III atom arrangement as a natural superlattice, and the band gap energy of these materials is at most about 60 meV smaller than that of a disordered structure. Has become. Since the diffusion of Zn makes this ordered structure disorder, the energy band gap of the GaInP layer or AlGaInP layer increases, and the absorption wavelength of the saturable absorption layer changes. When the GaInP / AlGaInP quantum well structure is used for the saturable absorption layer, the change in the absorption wavelength due to the diffusion of Zn becomes larger. Since the transition energy of the saturable absorbing layer must be controlled on the order of 10 meV, disordering of the saturable absorbing layer is important for obtaining stable characteristics.

【0006】可飽和吸収層の吸収波長を安定させるため
に、特開平7−263794号公報には、無秩序化した
可飽和吸収層が用いられた自励発振型半導体レーザ素子
の発明が提案されている。この発明で提案されているp
型GaInP可飽和吸収層を無秩序化する手段は、p型
GaInP可飽和吸収層のZnドーパント濃度を3×1
18〜1×1019cm-3にするものである。図9に、従
来技術におけるGaInPのフォトルミネセンス(P
L)ピーク波長(エネルギ表示)とドーパント濃度との
関係を表すグラフを示す。
In order to stabilize the absorption wavelength of the saturable absorption layer, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-263794 proposes a self-pulsation type semiconductor laser device using a disordered saturable absorption layer. I have. P proposed in the present invention
The means for disordering the GaInP saturable absorber layer is to set the Zn dopant concentration of the p-type GaInP saturable absorber layer to 3 × 1.
0 18 to 1 × 10 19 cm −3 . FIG. 9 shows the photoluminescence (P) of GaInP in the prior art.
L) A graph showing the relationship between the peak wavelength (expressed in energy) and the dopant concentration is shown.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
自励発振型半導体レーザ素子には、閾値が高い、動作寿
命が短い、温度特性が悪いといった問題がある。従来技
術では、可飽和吸収層のキャリア寿命を小さくするため
に、可飽和吸収層に高濃度のpドーピングを行ってい
る。これが、吸収波長の制御性や安定性を損なう原因に
なっている。
However, the conventional self-sustained pulsation type semiconductor laser device has problems such as a high threshold value, a short operating life, and poor temperature characteristics. In the prior art, high-concentration p-doping is performed on the saturable absorption layer in order to shorten the carrier lifetime of the saturable absorption layer. This causes the controllability and stability of the absorption wavelength to be impaired.

【0008】上記従来の発明においても、可飽和吸収層
のドーピング濃度は3×1018cm-3以上の非常に高い
値であり、それに隣接するpクラッド層のドーピング濃
度との差が大きいため、Znが拡散する。それによって
可飽和吸収層のドーピング濃度が変化したり、可飽和吸
収層とpクラッド層からなる量子井戸構造が変化したり
する。特に、可飽和吸収層が多重量子井戸構造の場合
は、Zn拡散により多重量子井戸構造自体が無秩序化し
てしまう虞がある。そのような現象は成長中だけでな
く、LD素子として動作している最中にも生じることが
報告されている。例えば素子の閾値が上昇したり、自励
発振が消滅したりする。これは、可飽和吸収層の吸収波
長が変化するためであると考えられている。また、可飽
和吸収層のドーピング濃度が高いため、発光層である活
性層にまでドーパントの拡散が生じ、発光層の結晶品質
が低下してしまい、上述の問題が生じることも考えられ
る。
Also in the above conventional invention, the doping concentration of the saturable absorbing layer is a very high value of 3 × 10 18 cm −3 or more, and the difference from the doping concentration of the p-cladding layer adjacent thereto is large. Zn diffuses. As a result, the doping concentration of the saturable absorption layer changes, and the quantum well structure composed of the saturable absorption layer and the p-cladding layer changes. In particular, when the saturable absorption layer has a multiple quantum well structure, the multiple quantum well structure itself may be disordered by Zn diffusion. It is reported that such a phenomenon occurs not only during growth but also during operation as an LD element. For example, the threshold value of the element increases or the self-sustained pulsation disappears. This is considered to be because the absorption wavelength of the saturable absorption layer changes. In addition, since the saturable absorption layer has a high doping concentration, the dopant diffuses into the active layer, which is the light emitting layer, and the crystal quality of the light emitting layer is deteriorated.

【0009】そこで本発明の目的は、上記問題を解決
し、動作寿命が長く、閾値の小さい安定した良好な特性
を有する自励発振型半導体素子を提供することである。
また、光ディスク装置のピックアップ用光源として用い
た際、レーザの戻り光雑音を低減させ、高性能な光ディ
スク装置を低コストで実現可能とする自励発振型半導体
素子を提供することである。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a self-sustained pulsation type semiconductor device having a long operating life, a small threshold value, and stable and excellent characteristics.
Another object of the present invention is to provide a self-sustained pulsation type semiconductor element which reduces laser return light noise when used as a light source for pickup of an optical disk device and makes it possible to realize a high-performance optical disk device at low cost.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の目的
を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を完
成した。
Means for Solving the Problems The present inventor has made various studies in order to achieve the above object, and as a result, completed the present invention.

【0011】第1の発明は、可飽和吸収層と活性層を有
する自励発振型半導体レーザ素子の成長方法において、
欠陥の形成によって過飽和吸収層のキャリア寿命が活性
層のキャリア寿命より小さくなるように、少なくとも1
つの可飽和吸収層における可飽和吸収層を構成する半導
体層の内で最小の禁制帯幅を有する少なくとも1つの半
導体層1の成長温度と、活性層を構成する半導体層の内
で最小の禁制帯幅を有する少なくとも1つの半導体層2
の成長温度との差が30℃以上であり、且つ活性層の半
導体層2の成長温度が、過飽和吸収層の半導体層1の成
長温度より最適成長温度に近い温度にすることを特徴と
する自励発振型半導体レーザ素子の成長方法に関する。
A first invention has a saturable absorbing layer and an active layer.
In a method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device,
Defect formation activates carrier life of saturable absorber layer
At least one such that it is less than the carrier lifetime of the layer.
The growth temperature of at least one semiconductor layer 1 having the minimum forbidden band width among the semiconductor layers constituting the saturable absorbing layer in one of the saturable absorbing layers, and the minimum forbidden band among the semiconductor layers constituting the active layer. At least one semiconductor layer 2 having a width
The growth temperature of the active layer is 30 ° C. or more, and
The growth temperature of the conductor layer 2 depends on the growth of the semiconductor layer 1 of the saturable absorption layer.
The present invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device, wherein the temperature is set to a temperature closer to an optimum growth temperature than a long temperature .

【0012】第2の発明は、半導体層1と半導体層2
を、それぞれの成長時の表面再構成構造が互いに異なる
ように成長させる第1の発明の自励発振型半導体レーザ
素子の成長方法に関する。
The second invention relates to a semiconductor layer 1 and a semiconductor layer 2
The present invention relates to a method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to a first aspect of the present invention, in which the surface reconstruction structures at the time of each growth are different from each other.

【0013】第3の発明は、半導体層1を成長させる直
前および成長させた直後のそれぞれにおいて、V族原料
のみ供給し且つIII族原料の供給を中断した状態を1分
間以上保ち、その間に基板温度を変化させる第1又は第
2の発明の自励発振型半導体レーザ素子の成長方法に関
する。これにより、成長中断時において成長層表面に、
成長室に微量に存在する酸素や炭素などの不純物が吸着
し、取り込まれ、界面に不純物準位が形成される。その
結果、キャリア寿命が低減する。
A third aspect of the present invention is to maintain a state in which only the group V source is supplied and the supply of the group III source is interrupted for at least one minute immediately before and immediately after the growth of the semiconductor layer 1. The present invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the first or second aspect of the invention, in which the temperature is changed. As a result, when the growth is interrupted,
Small amounts of impurities such as oxygen and carbon existing in the growth chamber are adsorbed and taken in, and impurity levels are formed at the interface. As a result, the carrier life is reduced.

【0014】第4の発明は、反射高速電子線回折装置を
備えた分子線エピタキシャル成長装置を用いて成長させ
る第1、第2又は第3の発明の自励発振型半導体レーザ
素子の成長方法に関する。
The fourth invention relates to the method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the first, second or third invention, wherein the semiconductor laser device is grown by using a molecular beam epitaxial growth apparatus provided with a reflection high-speed electron beam diffraction apparatus.

【0015】第5の発明は、半導体層1の成長温度と半
導体層2の成長温度との差が40〜70℃である第4の
発明の自励発振型半導体レーザ素子の成長方法に関す
る。
The fifth invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the fourth invention, wherein a difference between a growth temperature of the semiconductor layer 1 and a growth temperature of the semiconductor layer 2 is 40 to 70 ° C.

【0016】第6の発明は、可飽和吸収層と活性層を有
する自励発振型半導体レーザ素子の成長方法において、
V族原料の供給流量(あるいはV族/III族原料比)と
成長温度からなる成長条件に関して、欠陥の形成によっ
て過飽和吸収層のキャリア寿命が活性層のキャリア寿命
より小さくなるように、高速電子線回折像の(1×1)
パターンに対応する表面再構成構造を形成する成長条件
領域と、その領域接し且つ(1×1)パターンとは異
なるパターンに対応する表面再構成構造を形成する成長
条件領域との境界線と、その境界線より成長温度が20
℃異なる成長条件の線とで挟まれた成長条件領域であっ
て且つ(1×1)パターンと異なるパターンに対応する
表面再構成構造を形成する成長条件領域における条件で
可飽和吸収層を成長させ、且つ活性層を、過飽和吸収層
より適した供給流量および成長温度の成長条件領域にお
ける条件で成長させることを特徴とする自励発振型半導
体レーザ素子の成長方法に関する。ここで、可飽和吸収
層の成長は、少なくとも1つの可飽和吸収層における可
飽和吸収層を構成する半導体層の内で最小の禁制帯幅を
有する少なくとも1つの半導体層を該条件で成長させれ
ばよい。
The sixth invention has a saturable absorbing layer and an active layer.
In a method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device,
With respect to the growth conditions including the supply flow rate of the group V source (or the ratio of the group V / group III source) and the growth temperature, the formation of defects may
The carrier life of the saturable absorbing layer is the carrier life of the active layer.
(1 × 1) of the high-speed electron beam diffraction image so as to be smaller
A growth condition region to form a surface reconstruction structure corresponding to the pattern, and the boundary line between the growth condition region to form a surface reconstruction structure corresponding to a different pattern than contact and (1 × 1) pattern in the region, The growth temperature is 20
A saturable absorption layer is grown under conditions in a growth condition region formed by a growth condition region sandwiched between lines having different growth conditions and forming a surface reconstruction structure corresponding to a pattern different from the (1 × 1) pattern. And the active layer is a saturable absorption layer
In the growth condition area with more suitable supply flow rate and growth temperature
The present invention relates to a method for growing a self-sustained pulsation type semiconductor laser device, characterized in that the semiconductor laser device is grown under the following conditions . Here, the growth of the saturable absorbing layer is performed by growing at least one semiconductor layer having a minimum forbidden band width among the semiconductor layers constituting the saturable absorbing layer in the at least one saturable absorbing layer under the condition. I just need.

【0017】第7の発明は、表面光子吸収装置を備えた
有機金属気相エピタキシャル成長装置を用いて成長する
第1、第2又は第3の発明の自励発振型半導体レーザ素
子の成長方法に関する。
The seventh invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the first, second or third invention, wherein the semiconductor laser device is grown by using a metal organic vapor phase epitaxial growth apparatus provided with a surface photon absorption device.

【0018】第8の発明は、半導体層1の成長温度と半
導体層2の成長温度との差が100℃以上である第7の
発明の自励発振型半導体レーザ素子の成長方法に関す
る。好ましくは温度差が100〜300℃である。
The eighth invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the seventh invention, wherein the difference between the growth temperature of the semiconductor layer 1 and the growth temperature of the semiconductor layer 2 is 100 ° C. or more. Preferably, the temperature difference is from 100 to 300 ° C.

【0019】第9の発明は、有機金属気相エピタキシャ
ル成長装置を用い、半導体層1を、V族/III族原料比
と成長温度からなる成長条件に関して、活性層の成長温
度より低い温度領域に存在する無秩序成長条件領域で可
飽和吸収層を成長させる第1、第2又は第3の発明の自
励発振型半導体レーザ素子の成長方法に関する。
In a ninth aspect of the present invention, the semiconductor layer 1 exists in a temperature region lower than the growth temperature of the active layer with respect to the growth conditions including the group V / III raw material ratio and the growth temperature using the metal organic vapor phase epitaxial growth apparatus. The present invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the first, second or third invention for growing a saturable absorption layer in a disordered growth condition region.

【0020】第10の発明は、有機金属気相エピタキシ
ャル成長装置を用い、半導体層1を、V族/III族原料
比と成長温度からなる成長条件に関して、活性層の成長
温度より高い温度領域に存在する無秩序成長条件領域で
可飽和吸収層を成長させる第1、第2又は第3の発明の
自励発振型半導体レーザ素子の成長方法に関する。
According to a tenth aspect of the present invention, the semiconductor layer 1 exists in a temperature region higher than the growth temperature of the active layer with respect to the growth conditions consisting of the group V / III source ratio and the growth temperature using the metal organic vapor phase epitaxial growth apparatus. The present invention relates to a method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the first, second or third invention for growing a saturable absorption layer in a disordered growth condition region.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】半導体レーザ素子に安定した自励
発振動作をさせるためには、可飽和吸収層のキャリア寿
命を活性層より小さくすることが必要である。キャリア
寿命は、発光再結合によるキャリア寿命と非発光再結合
によるキャリア寿命で決まる。可飽和吸収層の発光再結
合によるキャリア寿命はドーピング濃度に依存し、非発
光再結合によるキャリア寿命は界面準位や不純物準位や
欠陥準位などの深いエネルギ準位の密度と捕獲断面積に
依存する。従来の技術は、可飽和吸収層のドーピング濃
度を制御して、発光再結合によるキャリア寿命を制御す
るものであった。これに対して本発明は、可飽和吸収層
のドーピング濃度の制御に加えて、欠陥準位と欠陥密度
を併せて制御して非発光再結合によるキャリア寿命を小
さくすることにより、全体のキャリア寿命を小さくする
ものである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order for a semiconductor laser device to perform a stable self-sustained pulsation operation, it is necessary to make the carrier life of the saturable absorbing layer shorter than that of the active layer. The carrier lifetime is determined by the carrier lifetime due to radiative recombination and the carrier lifetime due to non-radiative recombination. The carrier lifetime due to radiative recombination of the saturable absorbing layer depends on the doping concentration, and the carrier lifetime due to non-radiative recombination depends on the density of deep energy levels such as interface levels, impurity levels, and defect levels and the capture cross section. Dependent. In the prior art, the doping concentration of the saturable absorbing layer was controlled to control the carrier lifetime due to radiative recombination. On the other hand, in the present invention, in addition to controlling the doping concentration of the saturable absorbing layer, the carrier life due to non-radiative recombination is reduced by controlling both the defect level and the defect density, thereby reducing the overall carrier lifetime. Is to be reduced.

【0022】本発明は、可飽和吸収層とその界面の成長
条件を制御することで、可飽和吸収層に深い順位の欠陥
や不純物を導入すること特徴とする自励発振型半導体
レーザ素子の成長方法である。本発明の可飽和吸収層の
成長条件としては、成長温度や成長時の表面再構成構造
を、活性層とは異なる値や構造にすることを特徴とす
る。
The present invention, by controlling the saturable absorbing layer growth conditions for the interface, the self-pulsation type semiconductor laser device characterized by introducing a deep order of defects and impurities in the saturable absorbing layer It is a growth method. The growth condition of the saturable absorption layer according to the present invention is characterized in that the growth temperature and the surface reconstructed structure during the growth are set to values and structures different from those of the active layer.

【0023】本発明の成長方法は、可飽和吸収層のドー
パント濃度の制御に加えて欠陥準位と欠陥密度を併せて
制御し或いはそれに加えて自然超格子構造を無秩序化す
ることによって、可飽和吸収層のドーパントの拡散によ
り素子の性能を損なうことなしに、キャリア寿命を制御
することができる。
According to the growth method of the present invention, in addition to controlling the dopant concentration of the saturable absorbing layer, the defect level and the defect density are controlled together or , in addition, the natural superlattice structure is disordered, thereby achieving the saturable structure. The carrier lifetime can be controlled without impairing the performance of the device due to the diffusion of the dopant in the absorption layer.

【0024】本発明の成長方法では、欠陥準位と欠陥密
度を制御する。非発光再結合によるキャリア寿命は、界
面準位や不純物準位や欠陥準位などの深いエネルギ準位
の密度と捕獲断面積に依存する。これらの深いエネルギ
準位の密度が増加すると、キャリア寿命に比例してPL
強度も同様に減少する。したがって、キャリア寿命は、
可飽和吸収層のPL強度を目安に評価できる。
In the growth method of the present invention, the defect level and the defect density are controlled. The carrier lifetime due to non-radiative recombination depends on the density of deep energy levels such as interface levels, impurity levels, and defect levels and the capture cross section. As the density of these deep energy levels increases, PL increases in proportion to carrier lifetime.
The strength also decreases. Therefore, the carrier life is
The PL intensity of the saturable absorbing layer can be evaluated as a guide.

【0025】AlGaInP系の自励発振型半導体レー
ザ素子では、可飽和吸収層としてGaInPを用いるこ
とが多い。図6に、Ga0.5In0.5PバルクのPLピー
ク強度と反射高速電子回折(RHEED)パターンの成
長温度依存性を示す。PL測定は、室温(R.T.)で、励
起光源としてArイオンレーザを用い、5W/cm2
励起光密度で行った。GaInPはガスソースMBE法
でGaAs基板上に格子整合させて成長させた。成長し
たGaInPの層厚は1μm、成長速度は1μm/h、
成長時のPH3流量は4sccmとした。この時の、最大の
PLピーク強度が得られる成長温度は540℃であり、
その成長温度での成長時のRHEEDパターンは(2×
1)であった。成長温度460〜590℃の範囲では鏡
面のエピ層が得られた。この条件では、成長温度が47
0℃未満では(1×1)パターン、470〜530℃で
は(2×2)パターン、530〜580℃では(2×
1)パターン、580℃を超える温度で(1×1)パタ
ーンが観察された。RHEEDパターンは表面再構成構
造の周期性を反映する。よって成長温度が変わると表面
再構成構造が変化していることがわかる。
In an AlGaInP-based self-pulsation type semiconductor laser device, GaInP is often used as a saturable absorption layer. FIG. 6 shows the PL peak intensity of the Ga 0.5 In 0.5 P bulk and the growth temperature dependence of the reflection high-energy electron diffraction (RHEED) pattern. The PL measurement was performed at room temperature (RT) at an excitation light density of 5 W / cm 2 using an Ar ion laser as an excitation light source. GaInP was grown by lattice matching on a GaAs substrate by a gas source MBE method. The layer thickness of the grown GaInP is 1 μm, the growth rate is 1 μm / h,
The PH 3 flow rate during growth was 4 sccm. At this time, the growth temperature at which the maximum PL peak intensity is obtained is 540 ° C.,
The RHEED pattern at the growth temperature is (2 ×
1). When the growth temperature was in the range of 460 to 590 ° C., a specular epi layer was obtained. Under these conditions, the growth temperature is 47
If the temperature is lower than 0 ° C., the pattern is (1 × 1), if it is 470 to 530 ° C., it is (2 × 2), and if it is 530 to 580 ° C., it is (2 × 1).
1) A pattern (1 × 1) was observed at a temperature exceeding 580 ° C. The RHEED pattern reflects the periodicity of the surface reconstruction structure. Therefore, it is understood that the surface reconstruction structure changes when the growth temperature changes.

【0026】540℃を超える高い成長温度領域では、
成長温度が大きくなるにつれてPの再蒸発速度が増加す
るため、結晶からP原子が抜けたV族サイトの欠陥が増
加する。540℃より低い成長温度領域では、P原子が
過剰に供給されるため、III族原子の表面マイグレーシ
ョンが阻害されてIII族サイトの欠陥が増加する。これ
らの欠陥は、結晶中で深いエネルギ準位を形成し、結晶
中に励起されたキャリアを捕獲し非発光再結合させるた
め、PL強度は減少する。したがって、PLピーク強度
の成長温度依存性のグラフは、図6に示すように最適成
長温度をピークとする凸型のグラフになる。
In a high growth temperature region exceeding 540 ° C.,
Since the re-evaporation rate of P increases as the growth temperature increases, the number of defects at the group V site where P atoms have escaped from the crystal increases. In a growth temperature region lower than 540 ° C., P atoms are excessively supplied, so that surface migration of Group III atoms is inhibited and defects at Group III sites increase. These defects form a deep energy level in the crystal, capture carriers excited in the crystal, and cause non-radiative recombination, so that the PL intensity decreases. Therefore, the graph of the growth temperature dependence of the PL peak intensity becomes a convex graph having the peak at the optimum growth temperature as shown in FIG.

【0027】本発明の自励発振型半導体レーザ素子の成
長方法は、可飽和吸収層の成長温度と活性層の成長温度
との差が30℃以上である特徴を有する。例えば、活性
層を最適成長温度である540℃で成長させ、可飽和吸
収層を580℃あるいは480℃で成長させると、図6
から活性層に対する可飽和吸収層のPL強度は1桁低下
することがわかる。
The method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the present invention is characterized in that the difference between the growth temperature of the saturable absorption layer and the growth temperature of the active layer is 30 ° C. or more. For example, when the active layer is grown at 540 ° C., which is the optimum growth temperature, and the saturable absorbing layer is grown at 580 ° C. or 480 ° C., FIG.
From this, it can be seen that the PL intensity of the saturable absorption layer with respect to the active layer is reduced by one digit.

【0028】あるいは本発明の自励発振型半導体レーザ
素子の成長方法は、可飽和吸収層と活性層の成長時の表
面再構成構造が互いに異なる特徴を有する。例えば、成
長速度1μm/h、成長時のPH3流量4sccmで、活性
層を最適成長温度である540℃で成長させ、可飽和吸
収層を480℃で成長させる。このとき、活性層の成長
時のRHEEDパターンは(2×1)、可飽和吸収層の
成長時のRHEEDパターンは(2×2)であり、それ
ぞれ成長時の表面再構成構造が異なる。この場合、活性
層に対する可飽和吸収層のPL強度は1桁低下してい
る。
Alternatively, the method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to the present invention is characterized in that the surface reconstruction structures at the time of growing the saturable absorption layer and the active layer are different from each other. For example, at a growth rate of 1 μm / h and a PH 3 flow rate of 4 sccm during growth, the active layer is grown at 540 ° C., which is the optimum growth temperature, and the saturable absorption layer is grown at 480 ° C. At this time, the RHEED pattern at the time of growing the active layer is (2 × 1), and the RHEED pattern at the time of growing the saturable absorption layer is (2 × 2). In this case, the PL intensity of the saturable absorbing layer with respect to the active layer is reduced by one digit.

【0029】活性層に対する可飽和吸収層のPL強度が
1桁あるいは1桁以上低下する成長条件をV族流量も含
めて考える。図7は、Ga0.5In0.5P成長時のRHE
EDパターン相図と本発明の成長条件領域を示す図であ
る。Ga0.5In0.5Pの成長速度は1μm/hである。
この図7は、PH3流量と基板温度からなる成長条件に
対して、RHEED回折像のパターンとその分布領域を
示したものである。
The growth conditions under which the PL intensity of the saturable absorbing layer with respect to the active layer is reduced by one digit or by one digit or more are considered including the group V flow rate. FIG. 7 shows RHE during Ga 0.5 In 0.5 P growth.
FIG. 3 is a diagram showing an ED pattern phase diagram and a growth condition region of the present invention. The growth rate of Ga 0.5 In 0.5 P is 1 μm / h.
FIG. 7 shows a pattern of a RHEED diffraction image and a distribution area thereof under growth conditions including a PH 3 flow rate and a substrate temperature.

【0030】PLピーク強度が最大となる成長条件領域
は、図中において斜線で示される帯状の領域Bである。
The growth condition region where the PL peak intensity is maximum is a band-like region B indicated by oblique lines in the figure.

【0031】RHEED回折像の(1×1)パターンに
対応する表面状態は3次元化が進んでいるため、際立っ
た表面構造が見えない状態である。(1×1)のパター
ンが観測される成長条件領域は高温側と低温側に存在す
る。これらの(1×1)パターン領域のいずれかと、そ
の領域と接し且つ(1×1)パターンとは異なる(2×
2)あるいは(2×1)パターンに対応する表面再構成
構造を形成する成長条件領域との境界線と、その境界線
より成長温度が20℃異なる成長条件の線とで挟まれた
帯状の成長条件領域A及びCが、それぞれ低温側および
高温側にある。これらの領域A及び領域Cでは、領域B
に比べてPL強度が1桁あるいは1桁以上低下してい
る。
The surface state corresponding to the (1 × 1) pattern of the RHEED diffraction image is in a state in which a prominent surface structure cannot be seen because the three-dimensional structure is progressing. The growth condition region where the (1 × 1) pattern is observed exists on the high temperature side and the low temperature side. Any of these (1 × 1) pattern regions is in contact with the region and different from the (1 × 1) pattern (2 × 1).
2) Strip-shaped growth sandwiched between a boundary line with a growth condition region forming a surface reconstruction structure corresponding to the (2 × 1) pattern and a line under a growth condition having a growth temperature different from the boundary line by 20 ° C. Condition areas A and C are on the low temperature side and the high temperature side, respectively. In these areas A and C, the area B
, The PL intensity is reduced by one digit or one or more digits.

【0032】したがって、例えば、活性層を図7の領域
Bの成長条件で成長させ、可飽和吸収層を図7の領域A
あるいは領域Cの成長条件で成長させた場合、活性層に
対する可飽和吸収層のPL強度は1桁あるいは1桁以上
低下する。PLピーク強度が1桁低下する時、キャリア
寿命も1桁低下する。
Therefore, for example, the active layer is grown under the growth conditions of the region B in FIG. 7, and the saturable absorption layer is formed in the region A in FIG.
Alternatively, when the growth is performed under the growth condition of the region C, the PL intensity of the saturable absorption layer with respect to the active layer is reduced by one digit or one or more digits. When the PL peak intensity decreases by one digit, the carrier lifetime also decreases by one digit.

【0033】最適な成長条件は、基板と原料供給源であ
るセルとの距離やV族ガス濃度などの条件に依存する
が、表面再構成構造は成長条件に再現性よく対応するの
で、成長時のRHEEDパターンを目安にすることで、
制御性と再現性に優れた成長ができる。
Optimum growth conditions depend on conditions such as the distance between the substrate and the cell as the source material and the group V gas concentration. However, the surface reconstruction structure responds to the growth conditions with good reproducibility, By using the RHEED pattern as a guide,
Growth with excellent controllability and reproducibility can be achieved.

【0034】以上、ガスソースMBE法に関して述べた
が、有機金属気相エピタキシャル(MOVPE)成長法
においても可飽和吸収層の成長温度を、活性層の成長温
度と異なる温度に、好ましくは活性層の成長温度より1
00℃以上高くあるいは低くすることで、結晶内部の欠
陥を増やし、キャリア寿命を低減できる。
Although the gas source MBE method has been described above, also in the metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) growth method, the growth temperature of the saturable absorber layer is set to a temperature different from the growth temperature of the active layer, preferably the active layer is grown. 1 from the growth temperature
By increasing or decreasing the temperature by 00 ° C. or more, defects inside the crystal can be increased and the carrier lifetime can be reduced.

【0035】その際、表面光子吸収(SPA)装置によ
り表面再構成構造をモニタしながら、表面再構成構造が
変化する周辺の成長条件で可飽和吸収層を成長させる
と、目的にかなった制御性のよい成長ができる。
At this time, if the saturable absorption layer is grown under the growth conditions around the surface reconstructed structure while monitoring the surface reconstructed structure by the surface photon absorption (SPA) apparatus, the controllability suitable for the purpose is obtained. Good growth.

【0036】図8は(001)GaAs基板上にMOV
PE法で成長したGa0.5In0.5Pの秩序相と無秩序相
の成長温度とV/III比依存性を示す図である。図8中
のEgは、Ga0.5In0.5Pのバンドギャップエネルギ
を示し、300Kで測定したものである。秩序層のGa
0.5In0.5Pのバンドギャップエネルギは、無秩序層の
場合より小さくなる。図8で示した範囲では成長温度が
550℃以下(図中の領域I)あるいは750℃以上
(図中の領域IV)の領域は無秩序相である。
FIG. 8 shows an MOV on a (001) GaAs substrate.
It is a diagram showing the growth temperature and the V / III ratio dependent grown Ga 0.5 In 0.5 P of ordered phase and disordered phase PE method. Eg in FIG. 8 indicates the band gap energy of Ga 0.5 In 0.5 P and was measured at 300K. Ga in the ordered layer
The band gap energy of 0.5 In 0.5 P is smaller than that of the disordered layer. In the range shown in FIG. 8, the region where the growth temperature is 550 ° C. or lower (region I in the diagram) or 750 ° C. or higher (region IV in the diagram) is a disordered phase.

【0037】領域IIあるいは領域IIIの成長条件で成長
したGaInP層には自然超格子なるIII族原子配列の
秩序構造が自発的に形成されており、これらの材料のバ
ンドギャップエネルギは無秩序構造のものより小さくな
っている。領域IIと領域IIIの境界線は、GaInP層
のバンドギャップエネルギが最小となる成長条件を表し
ており、この付近の結晶性は優れているので活性層の成
長に用いられる。
The GaInP layer grown under the growth conditions of the region II or III has spontaneously formed an ordered structure of a group III atom arrangement as a natural superlattice, and the band gap energy of these materials has a disordered structure. It is smaller. The boundary line between the region II and the region III indicates a growth condition under which the band gap energy of the GaInP layer is minimized, and since the crystallinity in the vicinity is excellent, it is used for growing the active layer.

【0038】上記本発明の自励発振型半導体レーザ素子
の成長方法は、活性層の成長温度より低い温度領域ある
いは高い温度領域に存在する無秩序成長条件領域の条件
で可飽和吸収層を成長させため、可飽和吸収層が無秩序
化されている。この条件で成長したGaInP可飽和吸
収層は成長温度が低い或いは高いので活性層に比べて欠
陥密度が増し、キャリア寿命が低下する。
According to the method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device of the present invention, a saturable absorbing layer is grown under a disordered growth condition in a temperature region lower than or higher than a growth temperature of an active layer. In addition, the saturable absorbing layer is disordered. Since the GaInP saturable absorption layer grown under these conditions has a low or high growth temperature, the defect density increases as compared with the active layer, and the carrier lifetime decreases.

【0039】本発明の自励発振型半導体レーザ素子の成
長方法は、半導体レーザ素子の活性層、クラッド層、可
飽和吸収層の構造や、半導体レーザ素子全体の構造に依
らず、適用可能である。さらに本発明の成長方法は、A
lGaInP系材料に限らず、AlGaInN系材料
や、II−VI族化合物半導体材料から成る自励発振型半導
体レーザ素子にも適用できる。
The method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device of the present invention can be applied irrespective of the structure of the active layer, the cladding layer, and the saturable absorption layer of the semiconductor laser device, and the structure of the entire semiconductor laser device. . The growth method of the present invention further comprises
The invention can be applied not only to the lGaInP-based material but also to a self-pulsation type semiconductor laser device made of an AlGaInN-based material or a II-VI group compound semiconductor material.

【0040】[0040]

【実施例】以下、本発明を実施例によりさらに説明する
が、本発明はこれらに限定するものではない。
EXAMPLES The present invention will be further described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0041】実施例1 図1に、本発明の方法によるAlGaInP系の自励発
振型半導体レーザ素子の断面構成図を示す。この素子
は、n電極(101)、n−GaAs基板(102)、層厚100
nmのn−GaInPバッファ層(103)、層厚800n
mの(Al0.7Ga 0.30.5In0.5Pなる組成を有する
n−AlGaInPクラッド層(104)、層厚50nmの
(Al0.5Ga0.50.5In0.5Pなる組成を有するn−
AlGaInP光閉じ込め層(105)、層厚10nmのG
0.58In0.42Pウエル層と層厚4nmの(Al0.7
0.30.48In0.52Pバリア層から成る4つの量子井
戸を有するGaInP/AlGaInP多重量子井戸活
性層(106)、層厚50nmの(Al0.5Ga0.50.5In
0.5Pなる組成を有するp−AlGaInP光閉じ込め
層(107)、層厚100nmの(Al0.7Ga0.30.5In
0.5Pなる組成を有するp−AlGaInPクラッド層
(108)、層厚10nmのGa0.58In0.42Pウエル層と
層厚4nmの(Al0.7Ga0.30.48In0.52Pバリア
層から成る2つの量子井戸を有するGaInP/AlG
aInP多重量子井戸層構造を有する可飽和吸収層(10
9)、層厚1000nm(内メサ脇クラッド層厚300n
m)の(Al0 .7Ga0.30.5In0.5Pなる組成を有す
るp−AlGaInPクラッド層(110)(メサ幅約5μ
m)、層厚700nmのn−GaAsブロック層(11
1)、層厚100nmのGa0.5In0.5Pなる組成を有す
るp−GaInPコンタクト層(112)、層厚200nm
のp−GaAsコンタクト層(113)及びp電極(114)から
成り、GaInP可飽和吸収層(109)の格子欠陥密度
が、GaInP/AlGaInP多重量子井戸活性層(1
06)のGaInPウエル層の格子欠陥密度の10倍以上
であることを特徴とする自励発振型半導体レーザ素子で
ある。n−GaInPバッファ層(103)、n−AlGa
InPクラッド層(104)、n−AlGaInP光閉じ込
め層(105)及びn−GaAsブロック層(111)のドーピン
グ濃度は5×1017cm-3である。p−AlGaInP
光閉じ込め層(107)のドーピング濃度は5×1017cm
-3、pクラッド層と可飽和吸収層のドーピング濃度は8
×1017cm -3である。p−GaInPコンタクト層(1
12)のドーピング濃度は1×1018cm-3、p−GaA
sコンタクト層(113)のドーピング濃度は5×1018
-3である。
Embodiment 1 FIG. 1 shows a self-excited AlGaInP system according to the method of the present invention.
1 shows a cross-sectional configuration diagram of a vibration type semiconductor laser device. This element
Represents an n-electrode (101), an n-GaAs substrate (102), and a layer thickness of 100.
nm-GaInP buffer layer (103), layer thickness 800n
m (Al0.7Ga 0.3)0.5In0.5Has the composition P
n-AlGaInP cladding layer (104), 50 nm thick
(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5N- having a composition of P
AlGaInP optical confinement layer (105), 10 nm thick G
a0.58In0.42P well layer and 4 nm thick (Al0.7G
a0.3)0.48In0.52Four quantum wells composed of P barrier layers
GaInP / AlGaInP multiple quantum well active with door
Layer (106), 50 nm thick (Al0.5Ga0.5)0.5In
0.5P-AlGaInP light confinement with composition P
Layer (107), 100 nm thick (Al0.7Ga0.3)0.5In
0.5P-AlGaInP cladding layer having composition P
(108), Ga having a thickness of 10 nm0.58In0.42With the P-well layer
4 nm thick (Al0.7Ga0.3)0.48In0.52P barrier
GaInP / AlG with two quantum wells consisting of layers
a saturable absorption layer (10
9), layer thickness 1000 nm (inner mesa side cladding layer thickness 300 n
m) (Al0 .7Ga0.3)0.5In0.5Has the composition P
P-AlGaInP cladding layer (110) (mesa width of about 5 μm)
m), a 700 nm-thick n-GaAs block layer (11
1), 100-nm-thick Ga0.5In0.5Has the composition P
P-GaInP contact layer (112), layer thickness 200 nm
From the p-GaAs contact layer (113) and the p-electrode (114)
The lattice defect density of the GaInP saturable absorption layer (109)
Is the GaInP / AlGaInP multiple quantum well active layer (1
06) 10 times or more the lattice defect density of the GaInP well layer
A self-pulsating semiconductor laser device characterized by
is there. n-GaInP buffer layer (103), n-AlGa
InP cladding layer (104), n-AlGaInP optical confinement
Layer (105) and n-GaAs blocking layer (111)
5 × 1017cm-3It is. p-AlGaInP
The doping concentration of the light confinement layer (107) is 5 × 1017cm
-3, The doping concentration of the p-cladding layer and the saturable absorbing layer is 8
× 1017cm -3It is. p-GaInP contact layer (1
12) Doping concentration is 1 × 1018cm-3, P-GaAs
The doping concentration of the s-contact layer (113) is 5 × 1018c
m-3It is.

【0042】本実施例および以後の実施例では、可飽和
吸収層(109)の厳密な組成と層厚は、アンドープでの吸
収波長がLDの発振波長にほぼ等しくなるように設定さ
れている。また、p−AlGaInPクラッド層(108)
の層厚と可飽和吸収層(109)の組成と層厚は、可飽和吸
収層の光閉じ込め係数が自励発振に必要な値を満たすよ
うに設定した。
In this embodiment and the following embodiments, the strict composition and thickness of the saturable absorbing layer (109) are set so that the undoped absorption wavelength becomes substantially equal to the LD oscillation wavelength. Further, a p-AlGaInP cladding layer (108)
And the composition and thickness of the saturable absorbing layer (109) were set so that the light confinement coefficient of the saturable absorbing layer satisfied the value required for self-pulsation.

【0043】成長は、ガスソースMBE法で行い、クラ
ッド層はGaAs基板上に格子整合させて成長させた。
なお、GaAsコンタクト層は600℃で成長させた。
The growth was performed by a gas source MBE method, and the cladding layer was grown on a GaAs substrate by lattice matching.
The GaAs contact layer was grown at 600 ° C.

【0044】図2は、AlGaInP系自励発振型半導
体レーザ素子の活性層付近の伝導帯のバンド構造と成長
温度プロファイルを示す図である。本実施例の自励発振
型半導体レーザ素子の成長方法の特徴は、ガスソースM
BE法を用いること、成長速度が約1μm/h、成長時
のPH3流量が4sccmの条件で、GaInP/AlGa
InP多重量子井戸活性層(106)を最大のPLピーク強
度が得られる540℃の成長温度で成長させ且つ可飽和
吸収層(109)のGaInPウエル層を480℃の低い成
長温度で成長させること、GaInPウエル層を成長す
る直前に基板表面にPのみ供給し且つGa、Inの供給
を中断した状態を3分間保ち、その間に基板温度を60
℃だけ低下させ、GaInPウエル層の成長直後には基
板表面にPのみ供給し且つGa、Inの供給を中断した
状態を3分間保ち、その間に基板温度を60℃上げて、
540℃で可飽和吸収層(109)のAlGaInPバリア
層あるいはpクラッド層(110)を成長させることであ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a band structure and a growth temperature profile of a conduction band near an active layer of an AlGaInP-based self-pulsation type semiconductor laser device. The feature of the growth method of the self-pulsation type semiconductor laser device of this embodiment is that the gas source M
Using the BE method, a growth rate of about 1 μm / h, and a PH 3 flow rate during growth of 4 sccm, GaInP / AlGa was used.
Growing the InP multiple quantum well active layer (106) at a growth temperature of 540 ° C. where the maximum PL peak intensity is obtained and growing the GaInP well layer of the saturable absorber layer (109) at a low growth temperature of 480 ° C .; Immediately before the growth of the GaInP well layer, only P was supplied to the substrate surface, and the supply of Ga and In was interrupted for 3 minutes.
° C, and immediately after the growth of the GaInP well layer, the state where only P was supplied to the substrate surface and the supply of Ga and In was suspended for 3 minutes, during which the substrate temperature was raised by 60 ° C,
To grow an AlGaInP barrier layer or a p-cladding layer (110) of the saturable absorbing layer (109) at 540 ° C.

【0045】また、本実施例では、活性層の成長時のR
HEEDパターンは(2×1)、可飽和吸収層のGaI
nPウエル層の成長時のRHEEDパターンは(2×
2)であり、それぞれ成長時の表面再構成構造が異なる
特徴を有する。
Further, in this embodiment, R
HEED pattern is (2 × 1), GaI of saturable absorption layer
The RHEED pattern during the growth of the nP well layer is (2 ×
2), each having a feature that the surface reconstruction structure at the time of growth is different.

【0046】実施例2 図3は、実施例1と同様な構成のAlGaInP系自励
発振型半導体レーザ素子の活性層付近の伝導帯のバンド
構造と成長温度プロファイルを示す図である。本実施例
の自励発振型半導体レーザ素子の成長方法の特徴は、ガ
スソースMBE法を用いること、成長速度が約1μm/
h、成長時のPH3流量が4sccmの条件で、GaInP
/AlGaInP多重量子井戸活性層(106)を最大のP
Lピーク強度が得られる540℃の成長温度で成長させ
且つ可飽和吸収層(109)のGaInPウエル層を580
℃の高い成長温度で成長させること、GaInPウエル
層を成長する直前に基板表面にPのみ供給し且つGa、
Inの供給を中断した状態を3分間保ち、その間に基板
温度を40℃だけ上昇させ、GaInPウエル層の成長
直後には基板表面にPのみ供給し且つGa、Inの供給
を中断した状態を3分間保ち、その間に基板温度を40
℃下げて、540℃で可飽和吸収層(109)のAlGaI
nPバリア層あるいはpクラッド層(110)を成長させる
ことである。
Embodiment 2 FIG. 3 is a diagram showing a band structure and a growth temperature profile of a conduction band near an active layer of an AlGaInP-based self-pulsation type semiconductor laser device having the same configuration as that of Embodiment 1. The feature of the growth method of the self-pulsation type semiconductor laser device of the present embodiment is that the gas source MBE method is used and the growth rate is about 1 μm /
h, under the condition that the PH 3 flow rate during growth is 4 sccm, GaInP
/ AlGaInP multiple quantum well active layer (106)
The GaInP well layer of the saturable absorbing layer (109) was grown at a growth temperature of 540 ° C. where L peak intensity was obtained.
C., only P is supplied to the substrate surface just before growing the GaInP well layer, and Ga,
The state in which the supply of In was interrupted was maintained for 3 minutes, during which the substrate temperature was increased by 40 ° C., and immediately after the growth of the GaInP well layer, the state in which only P was supplied to the substrate surface and the supply of Ga and In was interrupted was changed to 3. Hold the substrate temperature for 40 minutes
At 540 ° C, the AlGaI of the saturable absorbing layer (109)
This is to grow an nP barrier layer or a p-cladding layer (110).

【0047】実施例3 本実施例の自励発振型半導体レーザ素子の可飽和吸収層
には、実施例1の二重量子井戸構造を有する可飽和吸収
層(109)の代わりに、層厚10nmのGa0.58In0.42
P単一層であるGaInP可飽和吸収層(201)を形成し
た。
Embodiment 3 The saturable absorption layer of the self-pulsation type semiconductor laser device of the present embodiment is replaced with the saturable absorption layer (109) having the double quantum well structure of Example 1 except that the layer thickness is 10 nm. Ga 0.58 In 0.42
A GaInP saturable absorption layer (201) as a P single layer was formed.

【0048】図4は、このAlGaInP系自励発振型
半導体レーザ素子の活性層付近の伝導帯のバンド構造と
成長温度とV/III比のプロファイルを示す図である。
本実施例の自励発振型半導体レーザ素子の成長方法の特
徴は、MOVPE法を用いること、成長時の圧力を70
torr、成長速度を約1μm/hとし、GaInP/Al
GaInP多重量子井戸活性層(106)をV/III比60
0、基板温度650℃の条件で成長させ且つGaInP
可飽和吸収層(201)をV/III比100、基板温度500
℃の条件で成長させ、pクラッド層(110)をV/III比6
00、基板温度650℃の条件で成長させることであ
る。この条件で成長したGaInP可飽和吸収層(201)
は無秩序構造になり、成長温度が低いので活性層に比べ
て欠陥密度が増し、キャリア寿命が低下する。
FIG. 4 is a diagram showing the band structure of the conduction band near the active layer of this AlGaInP-based self-pulsation type semiconductor laser device, and the profile of the growth temperature and the V / III ratio.
The feature of the growth method of the self-pulsation type semiconductor laser device of this embodiment is that the MOVPE method is used and the pressure during the growth is 70%.
torr, the growth rate was about 1 μm / h, and GaInP / Al
The GaInP multiple quantum well active layer (106) has a V / III ratio of 60.
0, grown at a substrate temperature of 650 ° C. and GaInP
The saturable absorption layer (201) is V / III ratio 100, substrate temperature 500
The p-cladding layer (110) is grown at a V / III ratio of 6
That is, the growth is performed at a substrate temperature of 650 ° C. GaInP saturable absorption layer grown under these conditions (201)
Has a disordered structure and a low growth temperature, so that the defect density increases as compared with the active layer, and the carrier lifetime decreases.

【0049】実施例4 図5は、実施例3と同様な構成のAlGaInP系自励
発振型半導体レーザ素子の活性層付近の伝導帯のバンド
構造と成長温度とV/III比のプロファイルを示す図で
ある。本実施例の自励発振型半導体レーザ素子の成長方
法の特徴は、MOVPE法を用いること、成長時の圧力
を70torr、成長速度を約1μm/hとし、GaInP
/AlGaInP多重量子井戸活性層(106)をV/III比
600、基板温度650℃の条件で成長させ且つGaI
nP可飽和吸収層(201)をV/III比100、基板温度7
60℃の条件で成長させ、pクラッド層(110)をV/III
比600、基板温度650℃の条件で成長させることで
ある。この条件で成長したGaInP可飽和吸収層(20
1)は無秩序構造になり、成長温度が高いので活性層に比
べて欠陥密度が増し、キャリア寿命が低下する。
Embodiment 4 FIG. 5 is a diagram showing a band structure of a conduction band near an active layer of an AlGaInP-based self-pulsation type semiconductor laser device having the same structure as in Embodiment 3, and a profile of a growth temperature and a V / III ratio. It is. The feature of the growth method of the self-pulsation type semiconductor laser device of this embodiment is that the MOVPE method is used, the pressure during the growth is 70 torr, the growth rate is about 1 μm / h, and the GaInP
/ AlGaInP multiple quantum well active layer (106) is grown under conditions of V / III ratio of 600, substrate temperature of 650 ° C.
The nP saturable absorption layer (201) has a V / III ratio of 100 and a substrate temperature of 7
The p-cladding layer (110) was grown at 60 ° C.
The growth is performed under the conditions of a ratio of 600 and a substrate temperature of 650 ° C. The GaInP saturable absorption layer (20
1) has a disordered structure and has a high growth temperature, so that the defect density increases compared to the active layer, and the carrier lifetime decreases.

【0050】上記MOVPE法による成長方法におい
て、SPAを用いて成長時の半導体表面の再構成構造を
観察し、活性層と可飽和吸収層の成長条件を制御して、
異なる表面再構成構造で成長させた。両者の結晶品質を
制御する上で一層効果的であった。
In the MOVPE growth method, the reconstructed structure of the semiconductor surface during growth is observed using SPA, and the growth conditions of the active layer and the saturable absorption layer are controlled.
Growed with different surface reconstructions. It was more effective in controlling the crystal quality of both.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明
は、成長条件を制御して可飽和吸収層の欠陥密度を増加
させ、あるいはそれに加えて可飽和吸収層の自然超格子
構造を無秩序化することによって、可飽和吸収層に高濃
度ドーピングを施さずに、可飽和吸収層のキャリア寿命
を短くし、その遷移エネルギを安定化させることができ
る。その結果、可飽和吸収層からのドーパントの拡散に
よりレーザ素子の特性を劣化させることがないので、動
作寿命が長く、閾値の小さい安定した良好な特性の自励
発振型レーザ素子を得ることができる。
As is apparent from the above description, the present invention controls the growth conditions to increase the defect density of the saturable absorbing layer, or additionally, to disorder the natural superlattice structure of the saturable absorbing layer. By doing so, the carrier life of the saturable absorption layer can be shortened and the transition energy can be stabilized without doping the saturable absorption layer with high concentration. As a result, the characteristics of the laser element are not degraded by the diffusion of the dopant from the saturable absorption layer, so that a self-pulsation type laser element having a long operating life, a small threshold value, and stable and excellent characteristics can be obtained. .

【0052】また、この自励発振型レーザ素子を光ディ
スク装置のピックアップ用光源として用いることによ
り、半導体レーザの戻り光雑音を低減した高性能の光デ
ィスク装置が低コストで実現できる。
Further, by using the self-pulsation type laser element as a light source for pickup of an optical disk device, a high-performance optical disk device with reduced return light noise of a semiconductor laser can be realized at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の方法によるAlGaInP系の自励発
振型半導体レーザ素子の断面構成図である。
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of an AlGaInP-based self-pulsation type semiconductor laser device according to a method of the present invention.

【図2】実施例1における自励発振型半導体レーザ素子
の活性層付近の伝導帯のバンド構造と成長温度プロファ
イルを示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a band structure and a growth temperature profile of a conduction band near an active layer of the self-pulsation type semiconductor laser device in Example 1.

【図3】実施例2における自励発振型半導体レーザ素子
の活性層付近の伝導帯のバンド構造と成長温度プロファ
イルを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a band structure and a growth temperature profile of a conduction band near an active layer of a self-pulsation type semiconductor laser device in Example 2.

【図4】実施例3における自励発振型半導体レーザ素子
の活性層付近の伝導帯のバンド構造と成長温度とV/II
I比のプロファイルを示す図である。
FIG. 4 shows a band structure of a conduction band near an active layer, a growth temperature, and V / II of a self-pulsation type semiconductor laser device in Example 3.
It is a figure which shows the profile of an I ratio.

【図5】実施例4における自励発振型半導体レーザ素子
の活性層付近の伝導帯のバンド構造と成長温度とV/II
I比のプロファイルを示す図である。
FIG. 5 shows a band structure, a growth temperature, and V / II of a conduction band near an active layer of a self-pulsation type semiconductor laser device in Example 4.
It is a figure which shows the profile of an I ratio.

【図6】Ga0.5In0.5PバルクのPLピーク強度とR
HEEDパターンの成長温度体存性を示すグラフであ
る。
FIG. 6 shows PL peak intensity and R of Ga 0.5 In 0.5 P bulk.
It is a graph which shows the growth temperature persistence of a HEED pattern.

【図7】Ga0.5In0.5P成長時のRHEEDパターン
相図と本発明の成長条件領域を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a RHEED pattern phase diagram during Ga 0.5 In 0.5 P growth and a growth condition region of the present invention.

【図8】(001)GaAs基板上にMOVPE法で成
長したGa0.5In0.5Pの秩序相と無秩序相の成長温度
とV族/III族原料比依存性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing the growth temperature of an ordered phase and a disordered phase of Ga 0.5 In 0.5 P grown on a (001) GaAs substrate by the MOVPE method and the dependence on the group V / III group material ratio.

【図9】従来技術におけるGaInPのPLピーク波長
(エネルギ表示)とドーパント濃度との関係を示すグラ
フである。
FIG. 9 is a graph showing a relationship between a PL peak wavelength (energy display) of GaInP and a dopant concentration in the conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 n電極 102 n−GaAs基板 103 n−GaInPバッファ層 104 n−AlGaInPクラッド層 105 n−AlGaInP光閉じ込め層 106 GaInP/AGaInP多重量子井戸活性層 107 p−AlGaInP光閉じ込め層 108 p−AlGaInPクラッド層 109、201 可飽和吸収層 110 p−AlGaInPクラッド層 111 n−GaAsブロック層 112 p−GaInPコンタクト層 113 p−GaAsコンタクト層 114 p電極 Reference Signs List 101 n electrode 102 n-GaAs substrate 103 n-GaInP buffer layer 104 n-AlGaInP cladding layer 105 n-AlGaInP light confinement layer 106 GaInP / AGaInP multiple quantum well active layer 107 p-AlGaInP light confinement layer 108 p-AlGaInP cladding layer 109 , 201 Saturable absorption layer 110 p-AlGaInP cladding layer 111 n-GaAs block layer 112 p-GaInP contact layer 113 p-GaAs contact layer 114 p electrode

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−263794(JP,A) 特開 平5−259079(JP,A) 特開 平4−229685(JP,A) 特開 平3−50181(JP,A) 特開 平7−6967(JP,A) 特開 平3−174739(JP,A) 特開 平7−153805(JP,A) 特開 昭63−42114(JP,A) 特開 平4−283980(JP,A) 応用物理、第56巻、第8号、 (1987)、p.990−999 Jpn.J.Appl.Phys.34 [4B](1995)p.L469−L472 Semicon.Sci.Techn ol.8[1S](1993)p.S9−S 15 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18 H01L 21/203 H01L 21/205 JICSTファイル(JOIS)Continuation of front page (56) References JP-A-7-263794 (JP, A) JP-A-5-259079 (JP, A) JP-A-4-229685 (JP, A) JP-A-3-50181 (JP) JP-A-7-6967 (JP, A) JP-A-3-174739 (JP, A) JP-A-7-153805 (JP, A) JP-A-63-42114 (JP, A) 4-283980 (JP, A) Applied Physics, Vol. 56, No. 8, (1987), p. 990-999 Jpn. J. Appl. Phys. 34 [4B] (1995) p. L469-L472 Semicon. Sci. Technology. 8 [1S] (1993) p. S9-S15 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01S 3/18 H01L 21/203 H01L 21/205 JICST file (JOIS)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 可飽和吸収層と活性層を有する自励発振
型半導体レーザ素子の成長方法において、欠陥の形成によって過飽和吸収層のキャリア寿命が活性
層のキャリア寿命より小さくなるように 、 少なくとも1つの可飽和吸収層における可飽和吸収層を
構成する半導体層の内で最小の禁制帯幅を有する少なく
とも1つの半導体層1の成長温度と、活性層を構成する
半導体層の内で最小の禁制帯幅を有する少なくとも1つ
の半導体層2の成長温度との差が30℃以上であり、且
活性層の半導体層2の成長温度を、過飽和吸収層の半
導体層1の成長温度より最適成長温度に近い温度にする
ことを特徴とする自励発振型半導体レーザ素子の成長方
法。
In a method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device having a saturable absorption layer and an active layer, the carrier lifetime of the saturable absorption layer is activated by the formation of defects.
A growth temperature of at least one semiconductor layer 1 having a minimum forbidden band width among semiconductor layers constituting the saturable absorption layer in the at least one saturable absorption layer so as to be shorter than a carrier lifetime of the active layer; The difference from the growth temperature of at least one semiconductor layer 2 having the smallest forbidden band width in the semiconductor layers constituting the semiconductor layer is 30 ° C. or more, and
One the growth temperature of the semiconductor layer 2 of the active layer, a half of the saturable absorber layer
A method of growing a self-pulsation type semiconductor laser device, wherein the temperature is set closer to the optimum growth temperature than the growth temperature of the conductor layer 1 .
【請求項2】 半導体層1と半導体層2を、それぞれの
成長時の表面再構成構造が互いに異なるように成長させ
る請求項1記載の自励発振型半導体レーザ素子の成長方
法。
2. The method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor layer 1 and the semiconductor layer 2 are grown so that their surface reconstruction structures are different from each other.
【請求項3】 半導体層1を成長させる直前および成長
させた直後のそれぞれにおいて、V族原料のみ供給し且
つIII族原料の供給を中断した状態を1分間以上保ち、
その間に基板温度を変化させる請求項1又は2記載の自
励発振型半導体レーザ素子の成長方法。
3. A state in which only the group V raw material is supplied and the supply of the group III raw material is interrupted for 1 minute or more immediately before and immediately after the growth of the semiconductor layer 1, respectively.
3. The method according to claim 1, wherein the substrate temperature is changed during the period.
【請求項4】 反射高速電子線回折装置を備えた分子線
エピタキシャル成長装置を用いて成長させる請求項1、
2又は3記載の自励発振型半導体レーザ素子の成長方
法。
4. The method according to claim 1, wherein the growth is performed using a molecular beam epitaxial growth apparatus equipped with a reflection high-speed electron diffraction apparatus.
4. The method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to 2 or 3.
【請求項5】 半導体層1の成長温度と半導体層2の成
長温度との差が40〜70℃である請求項4記載の自励
発振型半導体レーザ素子の成長方法。
5. The method according to claim 4, wherein the difference between the growth temperature of the semiconductor layer 1 and the growth temperature of the semiconductor layer 2 is 40 to 70 ° C.
【請求項6】 可飽和吸収層と活性層を有する自励発振
型半導体レーザ素子の成長方法において、 V族原料の供給流量(あるいはV族/III族原料比)と
成長温度からなる成長条件に関して、欠陥の形成によっ
て過飽和吸収層のキャリア寿命が活性層のキャリア寿命
より小さくなるように、 高速電子線回折像の(1×1)パターンに対応する表面
再構成構造を形成する成長条件領域と、その領域接し
且つ(1×1)パターンとは異なるパターンに対応する
表面再構成構造を形成する成長条件領域との境界線と、
その境界線より成長温度が20℃異なる成長条件の線と
で挟まれた成長条件領域であって且つ(1×1)パター
ンと異なるパターンに対応する表面再構成構造を形成す
る成長条件領域における条件で可飽和吸収層を成長さ
、且つ 活性層を、過飽和吸収層より適した供給流量お
よび成長温度の成長条件領域における条件で成長させる
ことを特徴とする自励発振型半導体レーザ素子の成長方
法。
6. A method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device having a saturable absorbing layer and an active layer, wherein a growth condition comprising a supply flow rate of a group V source (or a ratio of a group V / group III source) and a growth temperature. Due to the formation of defects
The carrier life of the saturable absorbing layer is the carrier life of the active layer.
As becomes smaller, corresponding to different patterns and growth condition region to form a (1 × 1) corresponding surface reconstruction structure in a pattern of high energy electron diffraction image, a contact and (1 × 1) pattern in the area A boundary with a growth condition region forming a surface reconstruction structure
A condition in a growth condition region which is a growth condition region sandwiched between lines having different growth conditions by a growth temperature of 20 ° C. from the boundary line and forms a surface reconstruction structure corresponding to a pattern different from the (1 × 1) pattern. To grow a saturable absorber layer and to make the active layer a more suitable supply flow rate than the saturable absorber layer.
A method for growing a self-sustained pulsation type semiconductor laser device, wherein the semiconductor laser is grown under conditions in a growth condition region of a growth temperature .
【請求項7】 表面光子吸収装置を備えた有機金属気相
エピタキシャル成長装置を用いて成長する請求項1、2
又は3記載の自励発振型半導体レーザ素子の成長方法。
7. A growth method using a metal organic vapor phase epitaxy apparatus having a surface photon absorption apparatus.
4. A method for growing a self-pulsation type semiconductor laser device according to item 3.
【請求項8】 半導体層1の成長温度と半導体層2の成
長温度との差が100℃以上である請求項7記載の自励
発振型半導体レーザ素子の成長方法。
8. The method according to claim 7, wherein a difference between a growth temperature of the semiconductor layer 1 and a growth temperature of the semiconductor layer 2 is 100 ° C. or more.
【請求項9】 有機金属気相エピタキシャル成長装置を
用い、半導体層1を、V族/III族原料比と成長温度か
らなる成長条件に関して、活性層の成長温度より低い温
度領域に存在する無秩序成長条件領域で可飽和吸収層を
成長させる請求項1、2又は3記載の自励発振型半導体
レーザ素子の成長方法。
9. Using a metal-organic vapor phase epitaxial growth apparatus, the semiconductor layer 1 is grown under a disordered growth condition in a temperature range lower than the growth temperature of the active layer with respect to the growth conditions comprising the group V / III source ratio and the growth temperature. 4. The method according to claim 1, wherein the saturable absorption layer is grown in the region.
【請求項10】 有機金属気相エピタキシャル成長装置
を用い、半導体層1を、V族/III族原料比と成長温度
からなる成長条件に関して、活性層の成長温度より高い
温度領域に存在する無秩序成長条件領域で可飽和吸収層
を成長させる請求項1、2又は3記載の自励発振型半導
体レーザ素子の成長方法。
10. Using a metal-organic vapor phase epitaxial growth apparatus, a semiconductor layer 1 is grown in a disordered growth condition in a temperature range higher than the growth temperature of an active layer with respect to a growth condition comprising a group V / III source ratio and a growth temperature. 4. The method according to claim 1, wherein the saturable absorption layer is grown in the region.
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