JP2003133646A

JP2003133646A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2003133646A
Application number: JP2001327571A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Momose; 正之百瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2003-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高温での閾値が低く、かつ効率が高い半導体
レーザ素子の提供。【解決手段】ｎ導電型のＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓ基
板の主面上に順次形成されるｎ導電型のＡｌＧａＩｎＰ
からなるｎ−クラッド層及びアンドープのＧａＩｎＰか
らなる活性層並びにＺｎを不純物とするｐ導電型のＡｌ
ＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層を有し、活性層とｐ
−クラッド層との間にＺｎが活性層に拡散するのを抑止
するＧａＩｎＡｓ系化合物半導体層からなる拡散抑制層
が設けられている。例えば、ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑
制層は、ｕ−Ｇａ_０．６３Ｉｎ_０． _３７Ｐ_０．９５Ａｓ
_０．０５となる。この組成では、バンドギャップは２．
０１ｅＶ（６１７ｎｍ）、歪み量は−０．６７％である
ので、ＧａＡｓ基板に略格子整合し、６５０ｎｍ台のレ
ーザ光は吸バンドギャップは２．０１ｅＶ（発振波長６
１７ｎｍ）、歪み量は−０．６７％であり、ＧａＡｓ基
板に格子整合する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ素子の
製造技術に関し、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体
レーザ素子の製造技術に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ等、
情報用半導体レーザの作製に際して、ＧａＡｓ基板を用
いるが、高性能化のために、結晶面が（００１）面から
所定角度傾斜した基板（高傾斜基板）が使われる。しか
し、そのような高傾斜基板を用いると、ｐ型クラッド層
のドーパントとして使われているＺｎが活性層に拡散
し、レーザ特性に悪影響を与えるという問題がある。

【０００３】高傾斜基板は、６５０ｎｍ帯、６３０ｎｍ
帯の波長域のレーザで用いられている。高傾斜基板につ
いては、例えば、ＪAPANESE ＪOURNAL OF ＡPPLIED Ｐ
HYSICS Vol.29,No.9，ＳEPTEMBER,1990,pp．Ｌ1669−Ｌ
1671に記載されている。この文献には、ｎ−ＧａＡｓ基
板の主面上にいずれもＡｌＧａＩｎＰからなるアウター
クラッド層（ｎ型），インナークラッド層（ｎ型），ア
ンドープ活性層（ｕ−活性層），インナークラッド層
（ｐ型），アウタークラッド層（ｐ型）を順次形成した
発振波長が６３２．７ｎｍとなる可視レーザダイオード
について記載されている。

【０００４】また、培風館発行、「３−５族化合物半導
体」、1994年５月20日発行、P311−P312には、ＧａＡｓ
やＡｌＧａＩｎＰへのＭｇ，Ｚｎなど２族原子やＳｅな
どの６族原子のドーピング効率は基板の面方位に依存す
ること、（１１１）Ａ面方向へ数度から十数度傾斜させ
た基板へのＡｌＧａＩｎＰ成長はＺｎのドーピング効率
が高い旨記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】高傾斜基板では、Ｚｎ
のドーピング効率が高い。このため、レーザダイオード
特性に悪影響を与えないように活性層にＺｎが拡散しな
いように、活性層近傍のクラッド層のキャリア濃度を少
なくしている。

【０００６】しかし、活性層近傍のクラッド層のキャリ
ア濃度が低いと、高温での特性が悪くなる。即ち、高温
でのレーザ発振の閾値が高くなるとともに、効率が低く
なる等の問題が発生する。

【０００７】本発明の目的は、高温でのレーザ発振の閾
値が低い半導体レーザ素子を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、高温でのレーザ発振
の閾値が低く、かつ効率が高い半導体レーザ素子を提供
することにある。

【０００９】本発明の前記ならびにそのほかの目的と新
規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきら
かになるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００１１】（１）ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板
の主面上に順次積層形成され、いずれもＧａＩｎＰ／Ａ
ｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなる第１導電型の
クラッド層及び活性層並びに第２導電型のクラッド層を
有し、Ｚｎを導電型決定不純物原子とする前記一方のク
ラッド層と前記活性層との間に前記Ｚｎの前記活性層へ
の拡散を抑制する層としてＡｓを含む拡散抑制層が設け
られている。

【００１２】具体的には、ｎ導電型のＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の主面上に順次形成されるｎ導電型の
ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層及びアンドープ
のＧａＩｎＰからなる活性層並びにＺｎを不純物とする
ｐ導電型のＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層を有
し、前記活性層と前記ｐ−クラッド層との間に前記Ｚｎ
が前記活性層に拡散するのを抑止するＧａＩｎＡｓ系化
合物半導体層からなる拡散抑制層が設けられている。前
記拡散抑制層はＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{１−ａ−ｂ}Ｐ_ｃＡ
ｓ_１−ｃで形成されている。この例ではＡｌの混晶比
ａは０であり、Ｇａの混晶比ｂは０．６３であり、Ａｓ
の混晶比１−ｃは０．０５である。この結果、この拡散
抑制層のバンドギャップは２．０１ｅＶ（ホトルミネッ
センス波長６１７ｎｍ）、歪み量は−０．６７％であ
り、前記ＧａＡｓ基板に略格子整合する状態にある。前
記ＧａＡｓ基板の主面は（００１）面より〈１１１〉Ａ
方向に６度〜７度傾斜した面になり高傾斜基板となって
いる。

【００１３】前記（１）の手段によれば、（ａ）高傾斜
基板であることからＺｎのドーピング効率は高い。しか
し、活性層上のＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層
（Ｚｎ含有）と活性層との間にはＧａＩｎＰＡｓからな
るＡｓ系の拡散抑制層が設けられていることから、Ｚｎ
の活性層への拡散は抑制されることになる。

【００１４】即ち、ＧａＩｎＡｓＰ混晶のようなＡｓ系
材料はＡｌＧａＩｎＰ混晶のようなＰ系材料に比べてＺ
ｎの拡散係数が小さい。そのため、ＡｌＧａＩｎＰ混晶
では活性層にＺｎが拡散してしまうキャリア濃度でも、
ＧａＩｎＡｓＰ混晶ではＺｎ拡散が抑制できる。その結
果、活性層近傍のｐ型キャリア濃度を高くできるので、
高温でのレーザ発振の閾値が低く効率が向上するため光
出力向上という高温特性の向上を実現できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を
説明するための全図において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００１６】（実施形態１）図１乃至図４は本発明の一
実施形態（実施形態１）である半導体レーザ素子に係わ
る図であり、図１は半導体レーザ素子の模式的斜視図で
ある。図２は半導体レーザ素子の製造における各工程で
の模式的断面図である。また、図３及び図４は製造され
た半導体レーザ素子の特性を示すグラフであり、図３
（ａ）は２５℃における電流−光出力特性を示すグラ
フ、図３（ｂ）は７０℃における電流−光出力特性を示
すグラフ、図４（ａ）は水平方向遠視野像、図４（ｂ）
は垂直方向遠視野像である。

【００１７】本実施形態１では、ｎ導電型のＧａＡｓ基
板の主面上にＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ系の化合物半
導体層を積層した発振波長が６５０ｎｍになる半導体レ
ーザ素子に本発明を適用した例について説明する。即
ち、半導体レーザ素子の製造において、アンドープのＧ
ａＩｎＰからなる活性層上に、Ａｓ系の拡散抑制層とし
てＧａＩｎＰＡｓ層を設け、その後ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ
クラッド層を形成する。そして、前記ＧａＩｎＰＡｓ拡
散抑制層によってｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層から活
性層へのＺｎの拡散を抑制する。

【００１８】図１に示すように、半導体レーザ素子１
は、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の主面上にｎ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ１２、アンドープＧａＩｎＰ活性層１３、ｕ−ＧａＩ
ｎＰＡｓ拡散抑制層１４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド
層１５を順次形成した構造になっている。

【００１９】前記ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５は
選択的にエッチングされ、半導体レーザ素子１の中央に
沿って帯状のリッジストライプ１９に加工されている。
また、リッジストライプ１９が設けられないｕ−ＧａＩ
ｎＰＡｓ拡散抑制層１４上にはリッジストライプ１９の
高さ域に亘ってｎ−ＧａＡｓ層２０が埋め込むように形
成されている。前記リッジストライプ１９およびｎ−Ｇ
ａＡｓ層２０上にはｐ−ＧａＡｓ層２１が形成されてい
る。

【００２０】また、ｐ−ＧａＡｓ層２１上にはｐ側電極
２２が設けられるとともに、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏
面にはｎ側電極２３が設けられている。レーザ光はリッ
ジストライプ１９に対応するアンドープＧａＩｎＰ活性
層１３の端から出射される。図示はしないが、このレー
ザ光を出射する出射面には保護膜（コーティング膜）が
形成されている。

【００２１】つぎに、このような半導体レーザ素子１の
製造について、図２（ａ）乃至（ｉ）を参照しながら説
明する。

【００２２】先ず最初に、図２（ａ）に示すように、化
合物半導体（ＧａＡｓ）の主面（上面）が（００１）面
より（１１１）Ａ方向に７°オフ（傾斜）した高傾斜基
板となるｎ−ＧａＡｓ基板１１を用意する。

【００２３】つぎに、図２（ｂ）に示すように、ｎ−Ｇ
ａＡｓ基板１１の主面に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）により、化合物半導体層を順次形成して多層構造
を作製する。即ち、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の主面に、ｎ
−ＡｌＧａＩｎＰからなるクラッド層（ｎ−ＡｌＧａＩ
ｎＰ）１２、アンドープ（ｕ）のＧａＩｎＰからなる活
性層１３、アンドープＧａＩｎＰＡｓからなる拡散抑制
層（ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ）１４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰか
らなるクラッド層（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ）１５、ｎ−Ｇ
ａＡｓキャップ層（ｎ−ＧａＡｓ）１６を形成する。

【００２４】ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ１２は、ｎ−Ａｌ_ｘ
Ｇａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ} Ｐで表記され、本実施形態１で
は、例えば、ｘ＝０．３７、ｙ＝０．１６となる。従っ
て、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ１２はｎ−Ａｌ_０．３７Ｇａ
_０．１６Ｉｎ_０．４７Ｐになる。このｎ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ１２は、厚さ１．２μｍ、キャリア濃度５Ｅ１７ｃｍ
^−３となる。

【００２５】アンドープＧａＩｎＰ活性層１３は、アン
ドープＧａ_ｚＩｎ_１−ｚＰと表記され、例えば、ｚ＝
０．４３（アンドープＧａ_０．４３Ｉｎ_０．５７Ｐ）と
なり、厚さ２０ｎｍとなる。

【００２６】ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１４は、ア
ンドープＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_１−ａ _−ｂＰ_ｃＡｓ
_１−ｃと表記され、本実施形態１ではＡｌ組成（混晶
比）は０、Ｇａ組成が０．６３、Ａｓ組成が０．０５で
ある。従って、ｕ−Ｇａ_０．６３Ｉｎ_０．３７Ｐ
_０．９５Ａｓ_０．０５となる。この組成では、バンドギ
ャップは２．０１ｅＶ（６１７ｎｍ）、歪み量は−０．
６７％であるので、ＧａＡｓ基板に略格子整合し、６５
０ｎｍ台のレーザ光は吸収しない。ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ
１４は厚さ３０ｎｍとなる。

【００２７】なお、Ａｌ組成を０とせず、０よりも大き
く０．４０程度までとしてもよい。この場合、混晶比が
大きくなる程、バンドギャップが大きくなり、発生する
レーザ光を吸収し難くなるので、レーザ特性が向上す
る。例えば、Ａｌ組成を０．２１とすることにより、Ａ
ｌ_０．２１Ｇａ_０．３１Ｉｎ_０．４８Ｐ_０．９５Ａｓ_０
_．０５を用いると、バンドギャップは上記ＧａＩｎＰＡ
ｓに比べて、０．０７ｅＶ大きくなるので、一層の特性
向上が見込まれる。

【００２８】ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５は、ｎ
−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２と同一組成となる。ｐ
−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５の厚さは１．２μｍで
あり、キャリア濃度は５Ｅ１７ｃｍ^−３になる。

【００２９】ｎ−ＧａＡｓキャップ層１６は厚さ０．２
μｍ、キャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ⁻ ^３となる。

【００３０】つぎに、図２（ｃ）に示すように、積層し
た化合物半導体層上、即ち、ｎ−ＧａＡｓキャップ層１
６上に絶縁膜１７を例えば、０．２μｍ積層するととも
に、ホトリソグラフィ技術とエッチング技術によってレ
ジストストライプ１８を所定間隔に平行に形成する。こ
の時、ホトレジストのストライプは幅が５μｍである。

【００３１】つぎに、図２（ｄ）に示すように、レジス
トストライプ１８をエッチング用マスクとしてエッチン
グ（ウェットエッチング）して絶縁膜１７を選択的にエ
ッチングする。その後レジストストライプ１８を除去す
る。

【００３２】つぎに、図２（ｅ）に示すように、残留す
るストライプ状の絶縁膜１７をエッチング用マスクとし
て塩酸系エッチング液でｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１５をエッチングして、リッジストライプ１９を作製す
る。この時、ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１４はエッ
チングストップ層としても機能する。ストライプの幅は
４．８μｍであった。

【００３３】つぎに、図２（ｆ）に示すように、ＭＯＣ
ＶＤ法によりｎ−ＧａＡｓ層２０を形成する。ｎ−Ｇａ
Ａｓ層２０は絶縁膜１７上には形成されず、露出したｕ
−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１４からｐ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐクラッド層１５に掛けて形成される。そこで、前記エ
ッチングによって窪んだ部分を埋め込むように形成す
る。例えば、ｎ−ＧａＡｓ層２０は厚さ１．４μｍ（キ
ャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ ^−３)に選択成長させる。

【００３４】つぎに、絶縁膜１７をウェットエッチング
で除去した後、図２（ｇ）に示すように、再びＭＯＣＶ
Ｄ法により、ｐ−ＧａＡｓ層２１（厚さ４．１μｍ、キ
ャリア濃度１Ｅ１８ｃｍ^−３)を成長させる。

【００３５】つぎに、図２（ｈ）に示すように、ｐ−Ｇ
ａＡｓ層２１上にｐ側電極２２を蒸着形成するととも
に、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面側にｎ側電極２３を蒸
着形成しかつパターニングする。なお、必要に応じて、
ｎ側電極２３を形成する前にｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏
面側を所定厚さ除去して所定厚さとする。

【００３６】つぎに、図示しないが、リッジストライプ
１９に直交する方向に所定間隔に劈開して短冊体を形成
する。そして、この短冊体の共振器面となる劈開面にそ
れぞれ被膜（コーティング膜）を形成して所定の屈折率
の反射膜を形成する。その後、再び劈開により短冊体を
所定間隔毎に分割し図２（ｉ）及び図１に示すような半
導体レーザ素子１を製造する。半導体レーザ素子１は幅
２５０μｍ、厚さ１００μｍ、長さ６００μｍ（共振器
長）である。

【００３７】本実施形態１の半導体レーザ素子（レーザ
素子）の２５℃と７０℃での電流−光出力特性を図３に
示す。２５℃では、従来方法で作製されたレーザ素子
は、閾値４３ｍＡ、効率０．６Ｗ／Ａであり、本発明に
よる半導体レーザ素子１は、閾値４２ｍＡ、効率０．６
１Ｗ／Ａであるので、両者の間に大きな差は見られな
い。

【００３８】しかし、７０℃での特性に大きな差が見ら
れる。従来方法で作製した半導体レーザ素子では、閾値
が７３ｍＡと高く、効率が０．３Ｗ／Ａと低いうえ、光
出力が２０ｍＷを超えたレベルで飽和してしまう。これ
に対して、本発明で作製した半導体レーザ素子１では、
閾値は６２ｍＡで効率は０．５１Ｗ／Ａであり、従来に
比べて特性の向上が見られる。

【００３９】さらに、２０ｍＷを超えた光出力でも飽和
することが無く、高温でも非常に良好な特性を示してい
る。これは、ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１４を導入
したことにより、活性層直上までｐ型クラッド層の濃度
を従来よりも高く保つことができたためである。本実施
形態１ではｐ−クラッド層のキャリア濃度を１Ｅ１８ｃ
ｍ^−３としたにもかかわらず、Ｚｎが活性層に拡散する
ことなく、レーザダイオード構造を作製できた。

【００４０】つぎに、図４に２５℃で光出力５ｍＷで測
定した遠視野像を示す。水平方向の遠視野像角度は、従
来方法で作製した半導体レーザ素子は１２．２°で、本
発明による半導体レーザ素子は１２．９°であり、ほと
んど差が無いことがわかる。これに対して、垂直方向の
遠視野像は、従来方法で作製した半導体レーザ素子では
２３．２°であるのに対して、本発明による半導体レー
ザ素子では２４．５°となり、約１°大きくなる。これ
は、拡散抑制層に用いたＧａＩｎＰＡｓ層の屈折率はク
ラッド層であるＡｌＧａＩｎＰ層に対して大きいためで
あるが実用上支障はない。

【００４１】本実施形態１によれば以下の効果を有す
る。（１）本実施形態１の半導体レーザ素子１は、Ｚｎ
のドーピング効率が高い高傾斜基板を用いているが、活
性層１３上のＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層
（Ｚｎ含有）１５と活性層１３との間には、ＧａＩｎＰ
ＡｓからなるＡｓ系の拡散抑制層１４が設けられている
ことから、Ｚｎの活性層への拡散は抑制されることにな
り、活性層近傍のキャリア濃度を高くできる。この結
果、活性層近傍のｐ型キャリア濃度を高くなることか
ら、高温でもキャリアの注入を十分に行うことができ
る。そのため、高温でのレーザ発振の閾値が低く効率が
向上する。従って、光出力向上が図れ高温特性の向上が
実現できる。

【００４２】換言するならば、ＧａＩｎＡｓＰ混晶のよ
うなＡｓ系材料はＡｌＧａＩｎＰ混晶のようなＰ系材料
に比べてＺｎの拡散係数が小さい。そのため、ＡｌＧａ
ＩｎＰ混晶では活性層にＺｎが拡散してしまうキャリア
濃度でも、ＧａＩｎＡｓＰ混晶ではＺｎ拡散が抑制でき
る。その結果、活性層近傍のｐ型キャリア濃度を高くで
きるので、高温でのレーザ発振の閾値が低く効率が向上
するため光出力向上という高温特性の向上を実現でき
る。

【００４３】（２）本実施形態１の半導体レーザ素子１
は、Ｚｎが活性層１３に拡散させないように働く拡散抑
制層１４として格子定数もＧａＡｓに比較的近くできる
ＧａＩｎＡｓＰ混晶を使用していることから、レーザ光
の吸収も低く光出力の向上が図れる。

【００４４】（３）本実施形態１の半導体レーザ素子１
は、Ｚｎが活性層１３に拡散させないように働く拡散抑
制層１４としてＡｓ系混晶層を使用している。Ａｓ系混
晶は、Ｐ系混晶に比べて、塩酸系エッチング液に対する
耐性が高い。そのため、メサストライプを形成するとき
のエッチングストップ層としても用いることができ、高
精度の加工が可能になる。

【００４５】（４）情報用の半導体レーザ、即ち、Ａｌ
ＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子は携帯用機器、自動
車搭載用機器に用いられるようになり、従来の６０℃で
の動作補償より、７０℃での動作補償が求められるよう
になってきた。本発明による半導体レーザ素子１を用い
ることにより、高温で高信頼の半導体レーザの提供がで
きるので、製品の性能向上に寄与できる。

【００４６】（５）本発明による半導体レーザ素子１は
高温での信頼性が高いことから、高温対応のシステムに
使用できる。即ち、ＤＶＤ−ＲＡＭシステムは、今後、
通常のデスクトップパソコンと同様に携帯用パソコンに
搭載されるようになると、高温での信頼性が今まで以上
に要求される。

【００４７】（６）半導体レーザを組み込んだポインタ
・マーカ等の測量機器も高温で安定して使用できる要求
が強い。従って、本発明による半導体レーザ素子１もこ
のようなポインタ・マーカ等の測量機器にも組み込みが
可能になる。

【００４８】（実施形態２）図５乃至図７は本発明の他
の実施形態（実施形態２）である半導体レーザ素子に係
わる図である。図５は半導体レーザ素子の模式的斜視図
である。

【００４９】図５に示すように、本実施形態２の半導体
レーザ素子１は、実施形態１の半導体レーザ素子１にお
いて、アンドープＧａＩｎＰ活性層１３の厚さを３０ｎ
ｍと厚くするとともに、アンドープＧａＩｎＰ活性層１
３とｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１４との間にｎ−Ａ
ｌＧａＩｎＰ１２と同一組成のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層２
５（厚さ２０ｎｍ）を設ける点が異なる。また、リッジ
ストライプ１９の幅は５．２μｍと広くなっている。他
の部分は実施形態１の半導体レーザ素子１と同じであ
る。

【００５０】このような本実施形態２の半導体レーザ素
子１は以下のような特性を有する。図６（ａ），（ｂ）
は半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示すグラフで
あり、図６（ａ）は２５℃における特性図、図６（ｂ）
は７０℃における特性図、図７（ａ），（ｂ）は半導体
レーザ素子の遠視野像を示すグラフである。

【００５１】図６に示すように、２５℃では、従来方法
で作製された半導体レーザ素子は、閾値４５ｍＡ、効率
０．５８Ｗ／Ａであり、本実施形態２の半導体レーザ素
子１は、閾値４４ｍＡ、効率０．５９Ｗ／Ａであるの
で、両者の間に大きな差は見られない。

【００５２】しかし、７０℃での特性に大きな差が見ら
れる。従来方法で作製した半導体レーザ素子では、閾値
が７８ｍＡと高く、効率が０．２９Ｗ／Ａと低いうえ、
光出力が２０ｍＷを超えたレベルで飽和してしまう。こ
れに対して、本実施形態２の半導体レーザ素子１では、
閾値は７２ｍＡで効率は０．４９Ｗ／Ａであり、従来に
比べて特性の向上が見られる。さらに、２０ｍＷを超え
た光出力でも飽和することが無く、高温でも非常に良好
な特性を示している。

【００５３】これは、ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１
４を導入したことにより、ｐ型クラッド層（ｐ−ＡｌＧ
ａＩｎＰ層２５：ｐ−クラッド層）の濃度を活性層１３
近傍まで高い濃度で保つことができたためである。

【００５４】つぎに、図７の２５℃で光出力５ｍＷで測
定した遠視野像を参照しながら説明する。図７（ａ）は
水平方向遠視野像、図７（ｂ）は垂直方向遠視野像であ
る。水平方向の遠視野像角度は、従来方法で作製した半
導体レーザ素子は８．８°で、本実施形態２で作製した
半導体レーザ素子１は９．２°であり、ほとんど差が無
いことがわかる。

【００５５】これに対して、垂直方向の遠視野像は、従
来方法で作製した半導体レーザ素子では２８．４°であ
るのに対して、本実施形態２で作製した半導体レーザ素
子１では３０．２°となり、約２°大きくなる。これ
は、ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層１４に用いたＧａＩ
ｎＰＡｓ層の屈折率はクラッド層であるｐ−ＡｌＧａＩ
ｎＰ層２５に対して大きいためであるが実用上支障はな
い。

【００５６】本実施形態２による半導体レーザ素子は、
実施形態１の半導体レーザ素子１と同様に携帯用機器、
自動車搭載用機器等高温での信頼性が要求される情報用
機器に組み込む半導体レーザとして使用することができ
る。また、本実施形態２の半導体レーザ素子は、今後、
高温対応のシステムである携帯用パソコンに搭載される
可能性のあるＤＶＤ−ＲＡＭシステムの光源としても使
用できる。さらに、本実施形態２の半導体レーザ素子
は、ポインタ・マーカ等の測量機器にも組み込みが可能
になる。

【００５７】（実施形態３）図８乃至図１０は本発明の
他の実施形態（実施形態３）である半導体レーザ素子に
係わる図である。図８は半導体レーザ素子の模式的斜視
図、図９（ａ），（ｂ）は半導体レーザ素子の電流−光
出力特性を示すグラフであり、図６（ａ）は２５℃にお
ける特性図、図６（ｂ）は７０℃における特性図、図１
０（ａ），（ｂ）は半導体レーザ素子の遠視野像を示す
グラフであり、図１０（ａ）は水平方向遠視野像、図１
０（ｂ）は垂直方向遠視野像である。

【００５８】本実施形態３の半導体レーザ素子１は、図
８に示すように、素子の中央線に沿って傾斜角度が、例
えば１２．５度と傾斜した傾斜面３１をｎ−ＧａＡｓ基
板１１の主面に形成し、この傾斜面部分にも活性層やこ
の活性層を挟むように形成されるクラッド層および本発
明による拡散抑制層等の化合物半導体層を多層に形成し
た構成になっている。

【００５９】製造工程断面図は省略するが、半導体レー
ザ素子の製造方法を説明することによって半導体レーザ
素子１の構造を説明することにする。

【００６０】最初に、ｎ−ＧａＡｓ基板１１を用意す
る。このｎ−ＧａＡｓ基板１１はその主面（上面）が、
（００１）面より（１１１）Ａ方向に７°オフ（傾斜）
した高傾斜基板となる。

【００６１】ｎ−ＧａＡｓ基板１１の主面に活性層とな
る傾斜面を作製するためホトレジストマスクを素子形成
領域の略左側半分に形成し、フッ酸系のエッチング液で
エッチングして結晶面の違いによるエッチング特性を利
用して共振器方向に沿って延在する傾斜面３１を作製す
る。傾斜面３１は、ＧａＡｓ基板の主面に対してθ（例
えば、θ＝１２．５度）の角度をなしている。これは、
（４１１）Ａ面に相当する。また、その幅ｂは例えば、
１．１μｍである。

【００６２】ホトレジストマスクを除去した後、ＭＯＣ
ＶＤ法により、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の主面にｎ型クラ
ッド層３２、アンドープの活性層３３、ＧａＩｎＰＡｓ
拡散抑制層３４、ｐ型クラッド層３５、ＺｎやＳｅをド
ープしたドープ層３６、ｐ型クラッド層３７、ｐ型コン
タクト層３８を順次積層形成して多層構造を形成する。

【００６３】前記ｎ型クラッド層３２は、ｎ−Ａｌ_ｘ
Ｇａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ} Ｐ（ｘ＝０．３７、ｙ＝０．１
６）層からなり、厚さ１．２μｍ、キャリア濃度５Ｅ１
７ｃｍ^−３となる。即ち、ｎ型クラッド層３２はｎ−Ａ
ｌ_０．３７Ｇａ_０．１６Ｉｎ _０．４７Ｐとなる。

【００６４】前記活性層３３は、アンドープＧａ_ｚＩ
ｎ_１−ｚＰ（ｚ＝０．４３）となり、厚さ２０ｎｍと
なる。即ち、アンドープＧａ_０．４３Ｉｎ_０．５７Ｐと
なる。

【００６５】前記ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層３４は、Ａ
ｌ_ａＧａ_ｂＩｎ_{１−ａ−ｂ} Ｐ_ｃＡｓ_１−ｃ層で表記
され、本実施形態３ではＡｌ組成（混晶比）は０、Ｇａ
組成が０．６３、Ａｓ組成が０．０５である。即ち、ｕ
−Ｇａ_０．６３Ｉｎ_０．３ _７Ｐ_０．９５Ａｓ_０．０５と
なる。また、ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層３４は厚さ２５
μｍとなる。この組成では、バンドギャップは２．０１
ｅＶ（６１７ｎｍ）、歪み量は−０．６７％であるの
で、ＧａＡｓ基板に略格子整合し、６５０ｎｍ台のレー
ザ光は吸収しない。

【００６６】なお、Ａｌ組成を０とせず、０よりも大き
く０．４０程度までとしてもよい。この場合、混晶比が
大きくなる程、前述したとおり、バンドギャップが大き
くなるので、発生するレーザ光を吸収し難くなり、レー
ザ特性の向上が見込まれる。

【００６７】前記ｐ型クラッド層３５は、ｎ型クラッド
層３２と同一組成のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層となり、厚さ
０．２μｍ、キャリア濃度６Ｅ１７ｃｍ^−３となる。

【００６８】前記ドープ層３６はＺｎやＳｅをドープし
た前記ｐ型クラッド層３５と同じ組成になっている。ド
ープ層３６は傾斜面３１ではｐ型伝導性を示し、７度Ｏ
ＦＦ面ではｎ型伝導性を示すので電流ブロック層の効果
を持つ。

【００６９】前記ｐ型クラッド層３７は、前記ドープ層
３６と同じ組成のｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層となり、厚さは
０．８μｍになっている。

【００７０】前記ｐ型コンタクト層３８は厚さが３μ
ｍ、キャリア濃度が２Ｅ１８ｃｍ^−３となるｐ−ＧａＡ
ｓ層からなっている。

【００７１】つぎに、ｐ型コンタクト層３８上にｐ側電
極２２を蒸着形成するとともに、ｎ−ＧａＡｓ基板１１
の裏面側にｎ側電極２３を蒸着形成しかつパターニング
する。なお、必要に応じて、ｎ側電極２３を形成する前
にｎ−ＧａＡｓ基板１１の裏面側を所定厚さ除去して所
定厚さとする。

【００７２】つぎに、傾斜面３１の延在方向に直交する
方向に所定間隔に劈開して短冊体を形成する。そして、
この短冊体の共振器面となる劈開面にそれぞれ被膜（コ
ーティング膜）を形成して所定の屈折率の反射膜を形成
する。その後、再び劈開により短冊体を所定間隔毎に分
割し図８に示すような半導体レーザ素子１を製造する。
半導体レーザ素子１は幅３００μｍ、厚さ１００μｍ、
長さ６００μｍ（共振器長）である。

【００７３】このような半導体レーザ素子１は以下のレ
ーザ特性を有する。図９に本実施形態３による半導体レ
ーザ素子１（レーザ素子）の２５℃と７０℃での電流−
光出力特性を示す。２５℃では、従来方法で作製したレ
ーザ素子の閾値は３４ｍＡ、効率は０．９２Ｗ／Ａであ
り、本実施形態３により作製したレーザ素子の閾値は３
３ｍＡ、効率は１．０３Ｗ／Ａであるので、ほとんど差
はない。

【００７４】しかし、７０℃では、従来方法で作製した
レーザ素子の閾値は５８ｍＡ、効率は０．６２Ｗ／Ａで
あり、本実施形態３により作製したレーザ素子では閾値
は５２ｍＡ、効率は０．８１Ｗ／Ａであるので、明らか
に従来素子よりも特性が優れている。

【００７５】光が発生する領域は、傾斜面３１である
が、この面は（４１１）Ａ面である。（４１１）Ａ面は
（１００）面から１９．５度傾いた面である。ｐ型不純
物であるＺｎのドーピング条件が同じ場合、面の角度が
大きくなるほどＺｎが高い濃度でドーピングされること
が知られている。従って、同じ結晶成長条件では、面の
角度が大きい程Ｚｎが拡散しやすくなる。

【００７６】本実施形態３の場合、基板である７度ＯＦ
Ｆ面よりも光りが放射される傾斜面３１の方が面の角度
が大きいので、Ｚｎの拡散が起きやすい。そのため、従
来素子では、レーザ特性を悪化させないために、活性層
直上のｐ型キャリア濃度を低い濃度に抑えなければなら
なかったが、本発明による拡散抑制層を導入したことに
より、活性層近傍のｐ型キャリア濃度を高濃度に維持す
ることができるようになった。これにより、高温での特
性が大きく向上した。

【００７７】本実施形態３による本素子の遠視野像を図
１０に示す。水平方向遠視野像では、従来方法で作製し
たレーザ素子は１７．４°であり、本発明によるレーザ
素子は１８．１°であるので、ほとんど差はない。垂直
方向遠視野像では、従来法で作製したものは２０．２度
であり、本発明によるものは２２．３度であり、約２度
本発明による素子の方が大きくなっているが、実用上の
問題はない。

【００７８】また、本レーザ素子のアスペクト比は１．
２であり、レーザ光のビーム形状はほぼ円形である。よ
って、本発明により、円形レーザの高温での動作特性を
向上できることがわかった。

【００７９】本実施形態３による半導体レーザ素子は、
実施形態１の半導体レーザ素子１と同様に携帯用機器、
自動車搭載用機器等高温での信頼性が要求される情報用
機器に組み込む半導体レーザとして使用することができ
る。また、本実施形態３の半導体レーザ素子は、今後、
高温対応のシステムである携帯用パソコンに搭載される
可能性のあるＤＶＤ−ＲＡＭシステムの光源としても使
用できる。さらに、本実施形態３の半導体レーザ素子
は、ポインタ・マーカ等の測量機器にも組み込みが可能
になる。

【００８０】以上本発明者によってなされた発明を実施
形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形
態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることはいうまでもない。本発明
は少なくともＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子の
製造技術には適用できる。

【００８１】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００８２】（１）高温でのレーザ発振の閾値が低く、
かつ効率が高い半導体レーザ素子を提供することができ
る。

【００８３】（２）高温域においても光出力の大きな半
導体レーザ素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態（実施形態１）である半導
体レーザ素子の模式的斜視図である。

【図２】本実施形態１の半導体レーザ素子の製造におけ
る各工程での模式的断面図である。

【図３】本実施形態１の製法で製造した半導体レーザ素
子の電流−光出力特性を示すグラフである。

【図４】本実施形態１の製法で製造した半導体レーザ素
子の遠視野像を示すグラフである。

【図５】本発明の他の実施形態（実施形態２）である半
導体レーザ素子の模式的斜視図である。

【図６】本実施形態２の製法で製造した半導体レーザ素
子の電流−光出力特性を示すグラフである。

【図７】本実施形態２の製法で製造した半導体レーザ素
子の遠視野像を示すグラフである。

【図８】本発明の他の実施形態（実施形態３）である半
導体レーザ素子の模式的斜視図である。

【図９】本実施形態３の製法で製造した半導体レーザ素
子の電流−光出力特性を示すグラフである。

【図１０】本実施形態３の製法で製造した半導体レーザ
素子の遠視野像を示すグラフである。

【符号の説明】１…半導体レーザ素子，１１…ｎ−ＧａＡｓ基板、１２
…ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ（ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド
層）、１３…活性層（アンドープＧａＩｎＰ活性層）、
１４…拡散抑制層（ｕ−ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑制層）、
１５…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ（ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッ
ド層）、１６…ｎ−ＧａＡｓ（ｎ−ＧａＡｓキャップ
層）、１７…絶縁膜、１８…レジストストライプ、１９
…リッジストライプ、２０…ｎ−ＧａＡｓ層、２１…ｐ
−ＧａＡｓ層、２２…ｐ側電極、２３…ｎ側電極、２５
…ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層、３１…傾斜面、３２…ｎ型ク
ラッド層、３３…活性層、３４…ＧａＩｎＰＡｓ拡散抑
制層、３５…ｐ型クラッド層、３６…ドープ層、３７…
ｐ型クラッド層、３８…ｐ型コンタクト層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板の主面上に順次積層形成され、いずれ
もＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体層から
なる第１導電型のクラッド層及び活性層並びに第２導電
型のクラッド層を有し、Ｚｎを導電型決定不純物原子とする前記一方のクラッド
層と前記活性層との間に前記Ｚｎの前記活性層への拡散
を抑制する層としてＡｓを含む拡散抑制層が設けられて
いることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】ｎ導電型のＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板の主面上に順次形成されるｎ導電型の
ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層及びアンドープ
のＧａＩｎＰ層乃至アンドープのＡｌＧａＩｎＰ層を含
む活性層並びにＺｎを不純物とするｐ導電型のＡｌＧａ
ＩｎＰからなるｐ−クラッド層を有し、前記活性層と前記ｐ−クラッド層との間に前記Ｚｎが前
記活性層に拡散するのを抑止するＧａＩｎＡｓ系化合物
半導体層からなる拡散抑制層が設けられていることを特
徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】前記拡散抑制層はＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ
_{１−ａ−ｂ} Ｐ_ｃＡｓ_１−ｃで形成され、前記Ａｌの
混晶比ａは０または０より多く０．４までのいずれかの
数値となっていることを特徴とする請求項２に記載の半
導体レーザ素子。
【請求項４】前記拡散抑制層はＡｌ_ａＧａ_ｂＩｎ
_{１−ａ−ｂ} Ｐ_ｃＡｓ_１−ｃで形成されるとともに、
前記Ａｌの混晶比ａは０、Ｇａの混晶比ｂは０．６３、
Ａｓの混晶比１−ｃは０．０５であり、バンドギャップ
は２．０１ｅＶ（ホトルミネッセンス波長６１７ｎ
ｍ）、歪み量は−０．６７％であり、前記ＧａＡｓ基板
に略格子整合する状態にあることを特徴とする請求項２
に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】前記ＧａＡｓ基板の主面は（００１）面よ
り〈１１１〉Ａ方向に６度〜７度傾斜した面になってい
ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半
導体レーザ素子。