JP2004146573A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯＤを防止つつ共振器内部領域における活性層のバンドギャップの変動を抑制した半導体レーザを提供する。
【解決手段】ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７をストライプ形状に加工した部位からなるｐ型のリッジストライプ部１７００を両側面側から挟むように、ｎ型電流阻止層１２０１が形成されている。リッジストライプ部１７００の上部を構成するｐ型キャップ層１１０７には、共振器端面近傍領域を厚み方向に部分的に除去した開口部１１０７ｈが形成されている。量子井戸活性層１１０４は、開口部１１０７ｈ内にのみ誘電体膜１６０１を形成した状態でのアニール処理により形成された無秩序化領域１１０４ｂを備える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク装置用光源等に用いられる半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものであり、特に高出力動作の特性に優れた窓構造半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光ディスク装置用光源として、各種の半導体レーザが広汎に利用されている。とりわけ、高出力半導体レーザは、ＭＤプレーヤ、ＣＤ−Ｒドライブ等のディスクへの書き込み用光源として用いられており、さらなる高出力化が強く求められている。
【０００３】
半導体レーザの高出力化を制限している要因の一つは、共振器端面近傍の活性層領域での光出力密度の増加に伴って発生する光学損傷（ＣＯＤ；ＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌ　Ｄａｍａｇｅ）である。このＣＯＤの発生は、共振器端面近傍の活性層領域がレーザ光に対する吸収領域になっていることに起因する。共振器端面では、表面準位又は界面準位といわれる非発光再結合中心が多く存在する。共振器端面近傍の活性層に注入されたキャリアはこの非発光再結合によって失われるので、共振器端面近傍の活性層の注入キャリア密度は中央部に比べて低い。その結果、中央部の高い注入キャリア密度によって発生するレーザ光の波長に対して、共振器端面近傍の活性層領域は吸収領域になる。光出力密度が高くなると吸収領域での局所的発熱が大きくなり、温度が上昇してバンドギャップエネルギーが縮小する。その結果、更に吸収係数が大きくなって温度上昇するという正帰還がかかり、共振器端面近傍の吸収領域が温度はついに融点にまで達し、ＣＯＤが発生する。
【０００４】
前記ＣＯＤ発生レベルを向上して半導体レーザを高出力化する方法の一つとして、多重量子井戸構造活性層の無秩序化による窓構造を利用する手法がとられてきた。
【０００５】
この窓構造を有する半導体レーザの従来技術として、特許文献１に記載されている半導体レーザ素子の共振器端面を含む斜視構造図を図２３に示す。図中、１００はＧａＡｓ基板、２１０１はｎ型ＧａＡｓバッファ層、２１０２はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、２１０３は下ガイド層、２１０４は量子井戸活性層、２１０５は上ガイド層、２１０６はｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層、２２０１はｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層、２２０２はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、４１はｎ側電極、４２はｐ側電極、２１０４ａは量子井戸活性層２１０４のレーザ発振に寄与する領域である。
【０００６】
図２４に、図２３の半導体レーザ素子をその共振器長方向に直交して共振器長の中央部を通る平面ＸＸＩＶ−ＸＸＩＶで切断した概略断面図を示し、図２５に、図２３の半導体レーザ素子をその共振器長方向に平行であって共振器中央に鉛直に広がる平面ＸＸＶ−ＸＸＶで切断した概略断面図を示す。これら図２４及び図２５において、２１０４ｂは空孔拡散によって量子井戸活性層２１０４の一部が無秩序化された窓構造領域、２２０１ｂ及び２２０２ｂはプロトン注入領域によってｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２２０１及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２０２の電気抵抗を高めた高抵抗領域である。
【０００７】
前記図２３から図２５に示す半導体レーザ素子の製造方法を、図２６から図２９を参照して説明する。
【０００８】
まず、図２６に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１００上にｎ型ＧａＡｓバッファ層２１０１、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２１０２、下ガイド層２１０３、量子井戸活性層２１０４、上ガイド層２１０５、及びｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６を順次結晶成長させる。
【０００９】
次に、図２７に示すように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６表面上に誘電体膜２６０１を形成し、この誘電体膜２６０１に共振器端面に達しない長さで共振器長方向に伸びるストライプ状の開口部２６０１ａを形成する。このウエハをＡｓ雰囲気下、８００℃以上の温度でアニールすると、誘電体膜２６０１がそれと接するｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６界面からＧａ原子を吸い上げ、その結果生成されたＧａ空孔が量子井戸活性層２１０４に達するまで拡散することにより、量子井戸活性層２１０４の一部を無秩序化させる。無秩序化した活性層領域では実効的なバンドギャップが広がり、発振レーザ光の波長よりも短波長側となるので、レーザ光に対して透明な窓として機能する。
【００１０】
次に、誘電体膜２６０１を除去した後、図２８に示すように、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６上にｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２２０１、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２０２を順次結晶成長させる。さらに、図２９に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２０２上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィー技術によって前記誘電体膜２６０１に形成したストライプ状の開口部２６０１ａの上方にあたる領域にストライプ状のレジスト２５０１を形成後、このストライプ状のレジスト２５０１をマスクとしてｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２０２の表面側からプロトン注入を行い、電流ブロック層となる高抵抗領域２２０２ｂ、２２０１ｂを順次形成する。さらに、レジスト２５０１を除去し、ＧａＡｓ基板１００側にｎ側電極４１、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２００２上にｐ側電極４２をそれぞれ形成し、ウエハをへき開することにより図２３の半導体レーザ素子を得る。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−２３０３７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の窓構造半導体レーザ素子では、共振器端面近傍の領域を、レーザ発振波長よりも短波長側に相当するバンドギャップエネルギーとなるよう無秩序化させるために、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６表面上に誘電体膜２６０１を形成し、８００℃以上のアニールを行うことにより、前記誘電体膜２１０６が接するｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６中に生成されたＧａ空孔を量子井戸活性層２１０４へ拡散させるプロセスを採用している。前記誘電体膜２６０１は一般に数１００ｎｍ程度のｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６上に形成され、誘電体膜２６０１と量子井戸活性層２１０４の距離が近いため、アニール処理による無秩序化の制御は比較的容易である。
【００１３】
しかしながら、共振器内部領域となるｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６の開口部２６０１ａに対応する領域、すなわち誘電体膜２６０１で覆われていない領域の最表面においても、前記アニールの際にＧａ原子の再蒸発によるＧａ空孔が少量ではあるが生成されてしまう。当然のことながら、この領域も数１００ｎｍ程度のｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６を介して比較的近い距離に量子井戸活性層２１０４があるため、Ｇａ空孔生成の影響が顕著に現れ、共振器内部領域における量子井戸活性層のバンドギャップの変動や、量子井戸活性層の結晶性劣化による長期信頼性の低下の原因となる。
【００１４】
これに対して、アニール温度を低くするか、或いは、アニール時間を短くすれば、共振器内部領域における量子井戸活性層２１０４へのＧａ空孔の拡散を抑制できるが、誘電体膜２６０１で覆われた領域での空孔原子の生成が少なくなり、この領域での量子井戸活性層２１０４の無秩序化が不十分となる。その結果、共振器端面近傍における量子井戸活性層２１０４のＣＯＤを抑制することができず、十分な長期信頼性が得られない。
【００１５】
また、前記従来の窓構造半導体レーザ素子では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２１０６までを成長させた後、誘電体膜２６０１の形成、熱処理などのプロセスを経て、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２２０１及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２０２を成長させる構造となっている。しかしながら、一般的にプロセス処理を行った表面に良質な結晶を成長させることは困難である。ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層２２０１、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２２０２の２層は、将来的にリッジストライプを形成し、量子井戸活性層２１０４に選択的に電流注入を行う機能をもつ重要な層であり、特性の安定化や信頼性の向上には良質な結晶を形成するために何らかの対策が別途必要となる。
【００１６】
さらに、前記従来の窓構造半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ表面側からプロトン注入を行い、電流阻止層となる高抵抗領域２２０２ｂ及び２２０１ｂを形成することにより量子井戸活性層２１０４への電流導波路を形成しているが、電流導波部と電流阻止部の屈折率差が小さく、レーザの高出力駆動時には横モード制御が困難となる可能性がある。
【００１７】
本発明は、上記の問題に鑑み、ＣＯＤを防止しつつ共振器内部領域における活性層のバンドギャップの変動を抑制し、且つ、長期信頼性に優れ、横モード制御が可能な半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを課題としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の第１の態様は、ｎ型半導体基板上に、ｎ型クラッド層と発光する量子井戸活性層とが形成され、その上にｐ型クラッド層とｐ型キャップ層の積層からなって所定のパターン幅で共振器長方向に延びるｐ型のリッジストライプ部が形成されると共に、前記リッジストライプ部を両側面側から挟むようにｎ型電流阻止層が形成されている半導体レーザ素子において、前記リッジストライプ部の上部を構成するｐ型キャップ層には、共振器端面近傍領域に厚み方向に部分的に除去した除去部が形成され前記量子井戸活性層は、前記除去部内にのみ誘電体膜を形成した状態での熱処理により形成された無秩序化領域を共振器端面近傍に備えることを特徴とする、半導体レーザ素子を提供する。
【００１９】
ｐ型キャップ層には共振器端面近傍領域に厚み方向に部分的に除去した除去部が形成され、量子井戸活性層の無秩序化領域はｐ型キャップ層の除去部内にのみ誘電体膜を形成した状態での熱処理により形成されているので、共振器端面近傍の量子井戸活性層は十分に無秩序化される。換言すれば、共振器端面近傍の量子井戸活性層に局所的に安定した無秩序化領域が形成される。一方、共振器中央部の量子井戸活性領域では熱処理時の影響によるバンドギャップの変動がなく結晶性劣化がない。また、ｐ型キャップ層の表面は誘電体膜形成した状態での熱処理がなされず良好な結晶性が維持されるので、その上に良質な結晶を成長させることができる。
【００２０】
前記ｐ型キャップ層に形成された除去部は、例えば、共振器長と直交する方向の断面が凹型形状である。
【００２１】
ウエットエッチングにより前記ｐ型キャップ層の除去部を形成する場合には、ｐ型キャップ層にエッチングストップ層を設けておくことにより、所定の厚さまで確実にエッチングして所定深さの除去部を形成することができる。
【００２２】
前記ｐ型キャップ層の除去部をｎ型電流阻止層により覆うことにより、共振器端面近傍領域はｐｎｐｎ構造となり電流が阻止される。従って、共振器端面近傍に設けられた量子井戸活性層の無秩序化領域は直接電流が注入されない電流非注入部分となり、共振器内部の量子井戸活性層で発生するレーザ光に対してＣＯＤの発生しない完全な窓領域となる。
【００２３】
前記リッジストライプ部の直下にある量子井戸活性層のうち、共振器端面近傍領域のフォトルミネッセンスのピーク波長が、共振器内部領域でのそれよりも短いことが好ましい。また、前記共振器端面近傍領域において、前記リッジストライプ部の直下にある量子井戸活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長が、リッジストライプ直下以外の量子井戸活性層のそれよりも短いことが好ましい。
【００２４】
例えば、前記ｎ型半導体基板はＧａＡｓよりなり、該ｎ型半導体基板上に積層される半導体層はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の材料からなる。
【００２５】
前記ｎ型電流阻止層のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比よりも大きいことが好ましい。Ａｌ高組成比のｎ型電流素子層からなるリッジガイド構造とすることにより、Ａｌ組成比の大小によってなる屈折率差を利用した実屈折率分布構造を適用し、横モード制御を達成することができる。
【００２６】
前記共振器端面近傍領域の量子井戸層を無秩序化するためのアニール処理の熱によって共振器内部にあたる量子井戸活性層へｐ型ドーパントが拡散し、フォトルミネッセンスのピーク波長のシフトなどの影響を引き起こし得る。原子半径が小さく拡散の小さいＢｅをｐ型ドーパントとして使用することにより、かかる影響を最小限に抑制することができる。
【００２７】
本発明の第２の態様は、ｎ型半導体基板上に、ｎ型クラッド層と、発光する量子井戸活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とを順に形成し、共振器端面近傍領域の前記ｐ型キャップ層の一部を除去し、前記キャップ層の除去部にのみ誘電体膜を形成し、熱プロセスにより無秩序化処理を行い、前記誘電体膜を除去し、前記ｐ型クラッド層及び前記ｐ型キャップ層とをエッチングして所定のパターン幅で共振器長方向に延びるｐ型のリッジストライプ部を形成し、前記リッジストライプ部を両側面側から挟むようにｎ型電流阻止層を形成することを特徴とする、半導体レーザ素子の製造方法を提供する。
【００２８】
共振器端面近傍領域においてｐ型キャップ層を厚み方向に部分的に除去した除去部を形成し、量子井戸活性層の無秩序化領域をｐ型キャップ層の除去部内に誘電体膜を形成した状態での熱処理により形成するので、共振器端面近傍の量子井戸活性層は十分に無秩序化され、ＣＯＤを抑制することができる。一方、誘電体膜はｐ型キャップ層の除去部内にのみ形成されるので、共振器中央部の量子井戸活性領域では熱処理時の影響によるバンドギャップの変動や結晶性劣化がない。
【００２９】
詳細には、最終的に共振器端面近傍にあたり、量子井戸活性層を無秩序化させるためのポイントとなる位置に、所定の開口広さを有し、ｐ型キャップ層の途中までの深さを有する断面形状が凹型の開口からなる除去部を、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて形成する。この時点での除去部の形状は、共振器方向長さでは共振器端面の目標無秩序化領域の２倍であり、幅はリッジストライプ部を形成する際にパターニングするためのマスク幅よりも小さくなるような楕円形状が望ましい。
【００３０】
前記ｎ型半導体基板上に積層される半導体層のうち、少なくとも前記ｎ型クラッド層、前記量子井戸活性層、前記ｐ型クラッド層、及び前記ｐ型キャップ層を結晶成長装置を使用して一貫して連続成長させ、その後に熱プロセスにより無秩序化処理を行うことにより、結晶性の良好なリッジストライプ領域を形成することができる。
【００３１】
前記ｎ型電流阻止層は例えば有機金属化学気相堆積法により形成する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の半導体レーザ素子及びその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３３】
図１は、本発明の実施の一形態である実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の構造を模式的に示す図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１００の上面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１０１、ｎ型ＧａＡｓクラッド層１１０２、下ガイド層１１０３、量子井戸活性層１１０４、上ガイド層１１０５、ｐ型ＧａＡｓクラッド層１１０６、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７、ｎ型の電流阻止層１２０１、及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３０１が順次積層されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１００にｎ型電極４１が設けられ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３０１にｐ型電極４２が設けられている。
【００３４】
図中で、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＡｓキャップ層はそれぞれ１１０６ｓ、１１０７ｓで示す所定のパターン幅を有し、共振器長方向にのびるストライプ形状に加工されており、これらストライプ形状に加工された部位はｐ型のリッジストライプ部１７００を構成している。このリッジストライプ部１７００を両側面側から挟むようにｎ型の電流阻止層１２０１が形成されている。
【００３５】
図２は、図１の半導体レーザ素子を共振器端面から見た概略図である。共振器端面近傍領域では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７のストライプ状に加工された部位１１０７ｓの上部はｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６の近くまで除去されている。そのため、リッジストライプ部１７００の上部を構成しているｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７のストライプ状に加工された部位１１０７ｓは、共振器端面から見て凹型形状である。共振器端面では上記ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０７上の凹部は電流阻止層１２０１によって完全に覆われ、電流は非注入となっている。共振器端面近傍領域の量子井戸活性層１１０４のうち１１０４ｂに示すようにリッジストライプ直下に相当する領域のみが無秩序化されており、レーザ発振時にはその波長に対して完全な窓領域となる。
【００３６】
図３は、図１で示される半導体レーザ素子を、その共振器長方向に直交し、共振器長の中央部を通る平面ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した場合の概略断面図である。共振器中央付近（共振器端面近傍ではない領域）においては、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７の層厚は最初に結晶成長した時と同等である。また、共振器中央付近では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７上の電流阻止層１２０１はフォトリソプロセスにより除去されており、電流を注入することにより、リッジストライプ部１７００の下側に位置する量子井戸活性層１１０４がレーザ発光する。
【００３７】
図４は、図１で示される半導体レーザを、その共振器長方向に平行であり、共振器中央に鉛直に広がる平面ＩＶ−ＩＶで切断した場合の概略断面図である。この図４に示すように、共振器端面近傍領域には窓領域として機能する量子井戸活性領域１０４の無秩序化領域１０４ｂが位置している。
【００３８】
図５から図２２は、図１の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の製造工程をプロセス順に示す模式図面である。以下、これら図５から図２２を参照して上記実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【００３９】
まず、図５に示すように、半導体基板の一例として面方位（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１００上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１０１（厚さ０．５μｍ）、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０２（厚さ２．５μｍ）、ＡｌＧａＡｓからなる下ガイド層１１０３、活性層の一例としてのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓからなる量子井戸活性層１１０４（厚さ０．０５μｍ）、ＡｌＧａＡｓからなる上ガイド層１１０５、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６（厚さ１．５μｍ）、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７（厚さ０．７μｍ）を、結晶成長装置を用いて順次連続して結晶成長する。
【００４０】
後述する無秩序化のプロセスの過程で行うアニールの熱により、共振器内部領域にあたる量子井戸活性層１１０４（活性領域）へｐ型ドーパントが拡散することがあり、それによって量子井戸活性層１１０４におけるフォトルミネッセンスのピーク波長のシフトなどの影響が引き起こされる。この影響を最小限に抑えるために、本発明では、原子半径が小さく、拡散の小さいＢｅをｐ型ドーパントとして使用した。ｎ型ドーパントには拡散などに特別考慮する必要はないため、本発明では一般的なｎ型ドーパントであるＳｉを用いた。
【００４１】
次に、図６に示すようにｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７上にレジスト膜１５０１を約０．２μｍの厚さに塗布し、フォトリソグラフィにより、最終的に共振器端面近傍にあたり、量子井戸活性層１１０４を無秩序化させるためのポイントとなる位置に所定の開口広さを持つ開口部１５０１ｈを形成する。この時点での開口部１５０１ｈの形状は、共振器長方向の長さＬ１が共振器端面部の目標無秩序化領域（３０μｍ以下）の２倍であり、幅Ｌ２がリッジストライプ部１７００を形成する際にパターニングするためのマスク幅（６μｍ以下）よりも小さい楕円形状が好ましい。開口部１５０１の形成パターンは、共振器方向では共振器長である約８００μｍピッチであり、チップ幅方向には約２５０μｍピッチとした。
【００４２】
図７は、レジスト膜１５０１の開口部１５０１ｈを含む共振器長と直交する方向での図６の断面図であり、以下、主としてかかる断面を参照して説明する。
【００４３】
図８に示すようにレジスト膜１５０１の開口部１５０１ｈからｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７を、その層厚の途中までエッチングし、ＧａＡｓ開口部（除去部）１１０７ｈを形成する。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６に到達するまですべてエッチング除去すると、後工程で誘電体膜１６０１を選択エッチングする際にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６もエッチングされてしまう。この問題を解決するため、エッチング時間を正確に管理する事により、エッチング深さがｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７の層厚範囲内に収めることにしている。
【００４４】
なお、より確実に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７を所定の残し厚さになるようエッチングするためには、図９に示すように予めｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７の途中にエッチングストップ層１１０８を挟むことが有効である。このエッチングストップ層１１０８の上部のＧａＡｓのみを選択除去することにより、図１０に示すように、所定の厚さまで確実にｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７をエッチングすることができる。ここでエッチングストップ層１１０８の材質の一例として、本発明では、アンモニア系のエッチング液に対してＧａＡｓと選択エッチング性をもつＡｌＧａＡｓ薄膜を用いた。
【００４５】
次に、図１１に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７に所定深さの開口部１１０７ｈの形成後、Ｐ−ＣＶＤ法などを用いてシリコン酸化膜に代表される誘電体膜１６０１（数１００ｎｍ厚）を形成する。
【００４６】
さらに、図１２に示すようにリフトオフ工程を用いて、レジスト膜１５０１と、その上に形成された誘電体膜１６０１を同時に除去することにより、ＧａＡｓ開口部１１０７ｈ内の誘電体膜１６０１のみを残す。この後、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）法によりアニール処理を行うことにより、誘電体膜１６０１はそれと接するｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７との界面からＧａ原子を吸い上げ、その結果誘電体膜１６０１直下に生成されたＧａ空孔を量子井戸活性層１１０４に達するまで拡散させることにより、量子井戸活性層１１０４を無秩序化させ、無秩序化領域１１０４ｂを形成する。この時のアニール条件は温度９５０℃、昇温速度１００℃／秒、保持時間６０秒で行った。
【００４７】
前記アニール処理による無秩序化領域１１０４ｂの形成はｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７のうちＧａＡｓ開口部１１０７ｈにのみ誘電体膜１６０１を形成した状態でなされるので、共振器端面近傍の量子井戸活性層１１０４は十分に無秩序化される。換言すれば、共振器端面近傍の量子井戸活性層に局所的に安定した無秩序化領域が形成される。
【００４８】
誘電体膜１６０１から量子井戸活性層１１０４までの層厚は、上記図２３から図２９を参照して説明した従来の窓構造半導体レーザ素子の場合よりも厚くなるが、上記アニール処理による無秩序化の制御において影響は生じない。また、誘電体膜１１０６の乗っていない場所においては厚いｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７とｐ型ＡｌＧａＡＳクラッド層１１０６があり、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７表面で、Ｇａ原子の再蒸発が多少起きても、生成されるＧａ空孔は無視できる量となり、上記従来の窓構造半導体レーザ素子の場合に比較して、特性への影響を大幅に低減できる。さらに、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７の表面は誘電体膜を形成した状態での熱処理がなされず良好な結晶性が維持されるので、その上に良質な結晶を成長させることができる。さらにまた、ｐ型ドーパントとして拡散の少ないＢｅを使用することにより、ｐ型ドーパンの拡散に起因する、共振器内部領域にあたる量子井戸活性層１１０４（活性領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長シフトを抑制している。
【００４９】
リッジストライプ部１７００の直下にある量子井戸活性層１１０４のうち、共振器端面近傍領域の無秩序化領域１１０４ｂにおけるフォトルミネッセンスのピーク波長は、共振器内部領域でのそれよりも短い。また、共振器端面近傍領域においてリッジストライプ部１７００の直下にある無秩序化領域１１０４ｂのフォトルミネッセンスのピーク波長は、リッジストライプ部１７００直下以外の量子井戸活性層１１０４のそれよりも短い
【００５０】
次に、誘電体膜１６０１をすべて除去した後、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、図１３及び図１４に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７上に開口部１１０７ｈを完全に覆い、共振器を形成する方向に平行であるストライプ状のレジスト膜１５０２（マスク幅〜６μｍ）を形成する。
【００５１】
続いて、このレジスト膜１５０２をマスクとして、図１５に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６をｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６が所定の厚さだけ残るようエッチング除去する。この際、ストライプ状のレジスト膜１５０２がｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７の開口部１１０７ｈを完全に覆うように形成されていることにより、エッチングするｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７及びｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６はどの領域でも同じ層厚であり、側面ではすべて同じ高さのリッジストライプ部１７００が形成される。
【００５２】
エッチング後、図１６に示すように、ストライプ状のレジスト膜１５０２を除去する。この時、共振器中央部に相当する部分では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７は、最初の結晶成長時の厚さを保ち、図１７に示すような形状となる。
【００５３】
次に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６ｓよりもＡｌ組成比が高いｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１を、例えばＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相堆積法）を用いて１．５μｍ結晶成長する。図１８は共振器端面から見たｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１形成後の略図面であり、図１９は共振器中央部に相当する部分での略断面図である。これら図１８及び図１９に示すように、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１は、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０６ｓ及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７ｓの両側面を隙間なく覆う。この構造により、電流狭窄をｐｎｐｎ構造によって行う一方、実屈折率分布構造を用いて横モード制御を行っている。
【００５４】
さらに、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、図２０に示すように、リッジストライプ部１７００を形成するｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７のストライプ状の部位１１１０７ｓ上に形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１のうち、共振器中央部に相当するストライプ状の部分のみをエッチング除去後、図示しないレジスト膜を除去する。
【００５５】
この後、図２１及び図２２に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３０１を、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７のストライプ状の部位１１０７ｓ及びｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１上に約４０μｍ結晶成長する。図２１に示すように、共振器端面近傍ではリッジストライプ上にｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１が残っているためｐｎｐｎ積層となり、電圧を印加しても、この部位に電流は流れない。これに対して、図２２に示すように、共振器中央部に相当する部分では、リッジストライプ部１７００上のｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１が除去されることで、単なるｐｎ接合となるので、電流注入が可能な領域が共振器中央部に形成される。
【００５６】
次に、ｎ型ＧａＡｓ基板１００の下面を研磨し、これまでの工程で形成した積層構造を有するウエハ全体の厚さを１２０μｍ程度にし、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３０１上にｐ側電極４２を形成する一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１００下にｎ側電極４１を形成する。
【００５７】
さらに、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７に形成されたＧａＡｓ開口部１１０７ｈの中心を通り、リッジストライプ部１７００に垂直になるようにウェハを劈開・分割すると（図６の二点鎖線ａ１参照）、幅が共振器となり横方向に素子が連なったレーザバーとなる。両端の端面近傍領域の量子井戸活性層１１０４は、それぞれ無秩序化された領域の半分ずつを有する。また、共振器端面ではｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０７のストライプ状の部位１１０７ｓが凹形状をなし、その上方にはｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１２０１が設けられているため、電流非注入領域となる。
【００５８】
端面部にスパッタなどを用いて誘電体膜を形成することで端面反射率を所定の値にした後、上記リッジストライプ部１７００を中央付近に含む個別のチップに分割することにより（図６の二点鎖線ａ２参照）、図１に示す実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子が完成する。
【００５９】
上記実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子では、発振波長７８５ｎｍ、閾値電流３５ｍＡであり、ＣＯＤフリーが達成できた。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体レーザ素子では、ｐ型キャップ層には共振器端面近傍領域に厚み方向に部分的に除去した除去部が形成され、量子井戸活性層の無秩序化領域はｐ型キャップ層の除去部内にのみ誘電体膜を形成した状態での熱処理により形成されているので、共振器端面近傍の量子井戸活性層は十分に無秩序化される一方、共振器中央部の量子井戸活性領域では熱処理時の影響によるバンドギャップが変動や結晶性劣化がない。また、また、ｐ型キャップ層の表面は誘電体膜を形成した状態での熱処理がなされず良好な結晶性が維持されるので、その上に良質な結晶を成長させることができる。よって、本発明により、ＣＯＤ発生を抑制しつつ安定した特性を有する長期信頼性に優れた半導体レーザ素子が得られる。
【００６１】
また、ｐ型キャップ層の除去部をｎ型電流阻止層により覆うことにより、共振器端面近傍に設けられた量子井戸活性層の無秩序化領域は直線電流が注入されない電流非注入部分となるので、無秩序化領域を共振器内部の量子井戸活性層で発生するレーザ光に対して完全な窓領域とすることができ、それによってＣＯＤの発生を防止することができる。
【００６２】
さらに、ｎ型電流阻止層のＡｌ組成比を、ｐ型クラッド層のＡｌ組成比よりも大きく、ｎ型電流素子層をＡｌ高組成比のるリッジガイド構造とすることにより、Ａｌ組成比の大小によってなる屈折率差を利用した実屈折率分布構造を適用して横モード制御を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子を示す模式構造図である。
【図２】本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子を共振器端面から見た概略図である。
【図３】本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子を、その共振器長方向に直交し、共振器中央部を通る図１の平面ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した概略断面図である。
【図４】本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子を、その共振器長方向に平行であり、共振器中央部を通る図１の平面ＩＶ−ＩＶで切断した概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式斜視図である。
【図６】図５に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図７】レジスト膜の開口部を含む共振器長と直交する方向での図６の概略断面図である。
【図８】図６及び図７に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図９】エッチングストップ層を設けた場合の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式斜視図である。
【図１０】図９に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図１１】図１０に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図１２】図１１に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図１３】図１２に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図１４】図１２に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図１５】図１３及び図１４に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図１６】図１５に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図１７】図１５に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図１８】図１６及び図１７に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図１９】図１６及び図１７に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図２０】図１８及び図１９に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図２１】図２０に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図２２】図２０に続く製造工程を示す、本発明の実施形態の実屈折率型リッジストライプ半導体レーザ素子の概略断面である。
【図２３】従来の半導体レーザ素子を示す模式斜視図である。
【図２４】図２３の半導体レーザ素子を、その共振器長方向に直交し、共振器長中央部を通る平面ＸＸＩＶ−ＸＸＩＶで切断した略断面図である。
【図２５】図２３の半導体レーザ素子を、その共振器長方向に平行であり、共振器中央を通る平面ＸＸＶ−ＸＸＶで切断した略断面図である。
【図２６】図２３の半導体レーザ素子の製造工程のうちの１つを示す模式斜視図である。
【図２７】図２６に続く製造工程を示す、図２３の半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図２８】図２７に続く製造工程を示す、図２３の半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【図２９】図２８に続く製造工程を示す、図２３の半導体レーザ素子の模式斜視図である。
【符号の説明】
１００　ｎ型ＧａＡＳ基板
１１０１，２１０１　ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１１０２，２１０２　ｎ型ＡｌＧａＡＳクラッド層
１１０３，２１０３　下ガイド層
１１０４，２１０４　　量子井戸活性層
１１０４ｂ　無秩序化領域
２１０４ｂ　窓構造領域
１１０５，２１０５　上ガイド層
１１０６　ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１１０６ｓ　ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層をストライプ状に加工した部位
１１０７　ｐ型ＧａＡＳキャップ層
１１０７ｈ　ｐ型ＧａＡＳキャップ層に設けた開口部
１１０７ｓ　ｐ型ＧａＡＳキャップ層をストライプ状に加工した部位
１１０８　エッチングストップ層
２１０６　ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
２２０１　ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
２２０１ｂ　高抵抗領域
１２０１　電流阻止層
１３０１，２２０２　ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２２０２ｂ　高抵抗領域
１５０１，１５０２，２５０１　レジスト膜
１５０１ｈ　レジスト膜に開けられた開口部
１６０１，２６０１　誘電体膜
１７００　リッジストライプ部
２６０１ａ　誘電体膜に開けられた開口部
４１　ｎ側電極
４２　ｐ側電極

Claims (12)

1. ｎ型半導体基板上に、ｎ型クラッド層と発光する量子井戸活性層とが形成され、その上にｐ型クラッド層とｐ型キャップ層の積層からなって所定のパターン幅で共振器長方向に延びるｐ型のリッジストライプ部が形成されると共に、前記リッジストライプ部を両側面側から挟むようにｎ型電流阻止層が形成されている半導体レーザ素子において、
   前記リッジストライプ部の上部を構成するｐ型キャップ層には、共振器端面近傍領域に厚み方向に部分的に除去した除去部が形成され
   前記量子井戸活性層は、前記除去部内にのみ誘電体膜を形成した状態での熱処理により形成された無秩序化領域を共振器端面近傍に備えることを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記ｐ型キャップ層に形成された除去部は、共振器長と直交する方向の断面が凹型形状であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記キャップ層の内部にはエッチングストップ層を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記ｎ型電流阻止層が前記ｐ型キャップ層の除去部を覆うように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記リッジストライプ部の直下にある量子井戸活性層のうち、共振器端面近傍領域のフォトルミネッセンスのピーク波長が、共振器内部領域でのそれよりも短いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記共振器端面近傍領域において、前記リッジストライプ部の直下にある量子井戸活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長が、リッジストライプ直下以外の量子井戸活性層のそれよりも短いことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記ｎ型半導体基板はＧａＡｓよりなり、該ｎ型半導体基板上に積層される半導体層はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の材料からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記ｎ型電流素子層と前記ｐ型クラッド層は構成原子としてＡｌを含有し、
   前記ｎ型電流阻止層のＡｌ組成比は、前記ｐ型クラッド層のＡｌ組成比よりも大きいことを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記ｎ型半導体基板上に積層される半導体層にｐ型を形成するためドープされる不純物がＢｅであることを特徴とする、請求項８に記載の半導体レーザ素子。
10. ｎ型半導体基板上に、ｎ型クラッド層と、発光する量子井戸活性層と、ｐ型クラッド層と、ｐ型キャップ層とを順に形成し、
    共振器端面近傍領域の前記ｐ型キャップ層の一部を除去し、
    前記キャップ層の除去部にのみ誘電体膜を形成し、
    熱プロセスにより無秩序化処理を行い、
    前記誘電体膜を除去し、
    前記ｐ型クラッド層及び前記ｐ型キャップ層とをエッチングして所定のパターン幅で共振器長方向に延びるｐ型のリッジストライプ部を形成し、
    前記リッジストライプ部を両側面側から挟むようにｎ型電流阻止層を形成することを特徴とする、半導体レーザ素子の製造方法。
11. 前記ｎ型半導体基板上に積層される半導体層のうち、少なくとも前記ｎ型クラッド層、前記量子井戸活性層、前記ｐ型クラッド層、及び前記ｐ型キャップ層を一貫して連続成長させることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
12. 前記ｎ型電流阻止層を有機金属化学気相堆積法により形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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