JP2005123476A - 半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 リッジストライプ型高出力レーザを高出力で連続発振させた場合、活性層近傍での発熱により、駆動電流が上昇し、微分効率とレーザの寿命が低下する問題があった。発熱を抑制しつつ、活性層近傍の及び埋込み層の不純物プロファイルに実質上変更の無い素子及び素子製造工程の開発が必要であった。
【解決手段】 少なくともｐｎ接合を形成するための第１のｐ型ドーパントと、抵抗を低減するための第２のｐ型ドーパントを含むｐ型クラッド層のｐ型ドーパントを備えたリッジストライプ型の半導体レーザ素子により上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、光ディスク装置用光源のような用途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。

近年、光ディスク装置用光源として、各種の半導体レーザ素子（以下、単に素子ともいう）が広汎に利用されている。とりわけ、高出力半導体レーザ素子は、ＣＤ−Ｒドライブ、ＤＶＤプレーヤ、ＤＶＤ−Ｒドライブ、ＤＶＤ＋Ｒドライブ、ＤＶＤ−ＲＡＭドライブ等において使用される光ディスクへの書込み用光源として用いられている（例えば、特開昭６０−３０１９１号公報：特許文献１、特開昭６１−２２６９８７号公報：特許文献２、特開平１１−１５０３２６号公報：特許文献３）。半導体レーザ素子は、記録再生精度の向上のために、さらなる高出力化が求められている。

半導体レーザ素子を高出力で駆動させたとき、素子が発熱するという問題がある。更に、発熱に伴い、駆動電流Ｉｏｐが上昇するという問題がある。

室温（２５℃）における電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）が、微分効率ηで表して１．１Ｗ／Ａ、閾値電流Ｉｔｈが３０ｍＡのときの発振波長が、７８０ｎｍである典型的な赤外半導体レーザ素子を１００ｍＷの定光出力駆動させた場合、駆動電流は１２１ｍＡである。このような半導体レーザ素子の駆動電流は、温度特性がＴｏ１００Ｋの典型的な場合、雰囲気温度７５℃で１４０ｍＡである。

しかしながら、光出力を２００ｍＷと高出力にした場合、発熱を伴わない理想的な状態であっても、計算によれば雰囲気温度２５℃でＩｏｐが２１２ｍＡ、７５℃で２３１ｍＡになる。ところが、現実の半導体レーザ素子内部には、電気抵抗（Ｒｄ）と熱抵抗（Ｒｔｈ）が存在する。そのため、素子中の活性層近傍の温度は、雰囲気温度よりも高く、実効的には１００℃程度まで上昇することもある。この場合Ｉｏｐの実際値は２４５ｍＡになる場合も存在する。

図２０は、上記問題が起きる従来技術による代表的な半導体レーザ素子の概略断面図である。なお、本願には図が１〜２３まであるが、これら図面において、同一の参照符号は同一部分又は相当部分を表わしており、類似の説明は繰り返さない。

図２０の半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１００１、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００２、活性層１００３、第１のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ａ、ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ）１００５、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１００８、ｐ型ＧａＡｓ保護膜１００９、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０１０、ｎ側電極１０１１、及びｐ側電極１０１２を含んでいる。なお、活性層１００３は、図示しないが、第１のＡｌＧａＡｓ光ガイド層、ＡｌＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とを含むＭＱＷ（多重量子井戸）活性層、及び第２のＡｌＧａＡｓ光ガイド層を含んでいる。

図２１（ａ）〜図２２（ｃ）は、図２０の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。

図２１（ａ）に示されているように、ｎ型ＧａＡｓ基板（ウェハ）１００１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００２、活性層１００３、第１のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ａ、ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ）１００５、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６を順次エピタキシャル成長させる。

ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６上に図面に対して垂直にストライプ状レジストマスク（図示せず）を形成する。そして、ｐ型キャップ層１００６をエッチングして部分的に取り除き、ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ層）１００５までエッチングし、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂをリッジストライプ状に形成する。

ストライプ状レジストマスクを除去後（図２１（ｂ））、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１００８とｐ型ＧａＡｓ保護膜１００９を成長させ、エッチングによりｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６を露出させる（図２２（ｃ））
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０１０を形成する。ｐ型電極としてＡｕＺｎ／Ａｕ積層１０１２を形成して、ｎ型電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ積層１０１１を形成する。その後、ウェハを劈開して図２０の半導体レーザ素子を得る。

高出力駆動した場合の駆動電流の増加と活性層近傍の局所的な温度上昇は、特に素子の寿命に影響を与える。電流密度の増大、活性層近傍の温度増加は、ドーパントの拡散を促進し、初期のドーパントプロファイルを変化させ、最終的に活性層中への不純物の混入が発生する。これに伴い、微分効率ηが低下して、更にＩｏｐが上昇する悪循環に陥る。また、Ｉｏｐの上昇はレーザ共振器端面近傍の劣化を促進させ光学破壊（ＣＯＤ）発生の要因になる。特に、例えば２００ｍＷ赤外高出力レーザ素子の場合、端面での光密度が著しく高いため、Ｉｏｐの上昇及び温度上昇は可能な限り低減しなければならない。

Ｉｏｐの上昇を抑えるための方法の１つとして、リッジ部の直列抵抗を下げることが考えられる。典型的なリッジストライプ型の半導体レーザ素子では、リッジ部に電流経路の最も狭くなる部分が形成されるため、ここでの発熱が素子温度に最も影響を与える。この部分は活性層にも近いためレーザ特性への影響も大きい。そのため、この部分の不純物濃度を上げてキャリアを上昇させることで抵抗を下げることが最も簡便な解決策である。
特開昭６０−３０１９１号公報 特開昭６１−２２６９８７号公報 特開平１１−１５０３２６号公報

しかしながら、先に述べた通りリッジ部が活性層に近いため、リッジ部の不純物濃度を単純に増加させた場合、この部分から活性層に不純物拡散が起きる。その結果、光の内部吸収率が増加して微分効率が低下したり、光の内部吸収率の増加に伴いレーザ寿命が低下したりする。

上記のような現象は、次のような場合に起きると考えられる。以下実例を用いて説明する。

図２０に示した半導体レーザ素子のＡ−Ａ’に対するドーピング濃度プロファイルを図２３（ａ）に示す。

いま直列抵抗を下げる目的で、図２０に示す高抵抗領域１５０４での不純物濃度を例えば、第２のｐ型クラッド層１００４ｂで５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、ｐ型キャップ層１００６で２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上と高濃度になるよう、結晶成長中における不純物供給量を充分に高くする。

図２０におけるＡ−Ａ’断面での成長途中における供給段階での不純物濃度プロファイルを、図２３（ａ）の代わりに、図２３（ｂ）に設定する。上記第２のｐ型クラッド層１００４ｂ、ｐ型キャップ層１００６は、それぞれ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上の不純物濃度を有する。このような不純物濃度が非常に高い場合には、結晶成長時の基板温度が高温に保持されていることから、結晶成長中にＧａＡｓ基板方向に不純物拡散が生じる。これにより不純物は、活性層まで容易に到達してしまう。そのため、上記に述べた通り、内部吸収効率の増加で微分効率の低下とレーザ寿命の低下がおきる。

今仮に不純物の拡散を防ぐために上記基板温度を通常の最適温度から下げて半導体レーザを構成する各層の結晶成長を行った場合、各層の結晶性が低下する。

基板温度を下げて成長した場合に生じる結晶性低下理由の主なものとしては、１つは、格子間位置に存在する不純物の増加であり、もう１つは結晶中への酸素の取り込みである。特に、Ａｌを含有する結晶材料では、上記酸素の取り込みが問題となる。

上記基板温度を通常の最適温度に設定して成長する場合であっても、不純物濃度を高濃度にして結晶成長した場合には、前者の格子間位置に存在する不純物の増加が問題となる。

クラッド層中で結晶格子に取り込まれず格子間位置に残留した不純物は、キャリアの生成に寄与しないばかりか、レーザ素子駆動中に電界と熱の影響によって活性層まで到達する。その結果、上記に述べた通り、微分効率を低下させ、レーザ寿命を低下させる。更に、結晶中に取り込まれた酸素原子によっても、微分効率ηの低下、レーザ寿命の低下が起きることが分っている。

また、図２０に示す高抵抗領域１５０４での低抵抗化を意図し、不純物濃度を５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、あるいはｐ型キャップ層１００６を２×１０¹⁹ｃｍ^-3以上と非常に高濃度にして、上記第２のｐ型クラッド層１００４ｂを結晶成長させた場合は、格子間不純物の増加以外にも結晶欠陥が増加するという問題も新たに生じる。上記格子欠陥はレーザ素子駆動中に活性層まで伝搬し、レーザ寿命を短くする要因となる。

本発明の発明者等は、上述問題点について検討した結果、結晶成長中あるいは結晶成性長後におけるｐ型クラッド層あるいはキャップ層から活性層への不純物拡散及び格子欠陥の伝搬を極力抑制することにより、長期高出力動作に対して微分効率ηの低下が起きず、長寿命、高信頼性の半導体レーザ素子とその製造方法を提供できることを見い出し本発明に至った。

かくして本発明によれば、基板上に第１のクラッド層、活性層及びリッジストライプ型の第２のクラッド層をこの順で少なくとも備え、前記第１又は第２クラッド層の一方がｐ型クラッド層であり、該ｐ型クラッド層が、第１のｐ型ドーパントと第２のｐ型ドーパントを含み、少なくとも前記活性層近傍においては、前記第１のｐ型ドーパントが、前記第２のｐ型ドーパントより高濃度に存在することを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。

更に、本発明によれば、上記半導体レーザ素子の製造方法であって、前記第１のｐ型ドーパントを、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥを用いて前記ｐ型クラッド層を成長させる際に導入する工程と、前記第２のｐ型ドーパントを、前記ｐ型クラッド層を成長させる際に前記第１のｐ型ドーパントと共に導入するか、又は、前記ｐ型クラッド層形成後、熱拡散により前記ｐ型クラッド層に導入する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法が提供される。

以上のように、本発明によれば、長期高出力動作に対して微分効率ηの低下が起きず、長寿命、高信頼性の高い半導体レーザ素子とその製造方法を提供することができる。

従来、活性層近傍においてｐｎ接合を形成するためのｐ型ドーパントと、半導体レーザ素子の直列抵抗Ｒｄを下げるためにｐ型クラッド層及びｐ型キャップ層に添加されるｐ型ドーパントは、同一であった。同一であることが、結晶成長中にｐ型ドーパントが活性層まで拡散する原因となり、また、半導体レーザ素子を高温高出力で長期駆動させた場合にｐ型ドーパントが活性層まで拡散する原因となる。その結果、微分効率ηの低下、レーザ寿命の低下が発生する。

しかしながら、本発明では、主として活性層近傍においてｐｎ接合を形成する機能を持たせるためのｐ型ドーパントと、主として半導体レーザ素子の直列抵抗Ｒｄを下げる機能を持たせるためにｐ型クラッド層及びｐ型キャップ層に添加されるｐ型ドーパントを分けている。具体的には、前記活性層近傍においては、前者のｐ型ドーパントが、後者の第２のｐ型ドーパントより高濃度に存在している（好ましくは、後者のｐ型ドーパントに比べ拡散係数の小さいものを前者のｐ型ドーパントとして使用している）。これにより上記ｐ型不純物の活性層への拡散を著しく低減させることが可能となり、その結果、微分効率ηの長期安定化、レーザの信頼性向上、長寿命化が実現できる。

本発明は、基板上に第１のクラッド層、活性層及びリッジストライプ型の第２のクラッド層をこの順で少なくとも備え、前記第１又は第２クラッド層の一方がｐ型クラッド層であり、該ｐ型クラッド層が、第１のｐ型ドーパントと第２のｐ型ドーパントを含み、前記活性層近傍においては、前記第１のｐ型ドーパントが、前記第２のｐ型ドーパントより高濃度に存在することを特徴とする。

このように、第１のｐ型ドーパントと第２のｐ型ドーパントの濃度差をつけることで、活性層近傍のドーピングプロファイルが成長途中で熱拡散によって変化することを最小限に抑制しながら、クラッド層での低抵抗化を容易に実現できる。

更に、第２のｐ型ドーパントは、第１のｐ型ドーパントより拡散係数が大きいことが好ましい。第１のドーパントに拡散係数が小さい物質を、第２のドーパントに拡散係数の大きい物質を使用することで、ドーピングプロファイルの変化を抑制し、クラッド層での低抵抗化をより容易に実現できる。

なお、第２のｐ型ドーパントと比較して、キャリア活性化率が高いドーパントを、第１のｐ型ドーパントとして用いた場合にも、同様の効果が得られる。
キャリア活性化率が高い物質をドーパントとして用いた場合には、活性化率が低い物質よりも低ドーピング濃度で、同じ機能の半導体レーザ用ｐｎ接合が形成可能である。拡散は濃度勾配に依存して増大するため、拡散係数が同程度であっても、濃度を低くできれば拡散も小さく抑制できる。

従って、結晶成長終了後、第２のｐ型ドーパントの結晶への導入を熱拡散によって行い、これによりｐ型クラッド層を低抵抗化する場合、キャリア活性化率が高いドーパントを第１のｐ型ドーパントとして用いることで、活性層近傍のドーピングプロファイルの変化を最小限に抑制することが可能となる。

その結果、この方法で、微分効率ηの長期安定化、レーザの信頼性向上、長寿命化が実現できる。

また、上記の場合、第１のドーパントと第２のドーパントの拡散係数が同等であってもよい。

本発明の半導体レーザ素子には、ＩＩ−ＶＩ族系、ＩＩＩ−Ｖ族系等の公知の半導体レ
ーザ素子が含まれる。この内、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体レーザ素子が好ましい。以下、ＩＩ
Ｉ−Ｖ族系半導体レーザ素子の場合について、説明する。

第１のｐ型ドーパントと第２のｐ型ドーパントは、ＭｇとＺｎ、ＣとＺｎ、ＣとＭｇ、ＢｅとＺｎ、及びＢｅとＭｇの組み合わせのいずれかであることが好ましい。これら組み合わせは、上記拡散係数やキャリア活性化率の条件を満たす組み合わせである。

基板としては、特に限定されず、ＩＩＩ−Ｖ族系の基板をいずれも使用することができ
る。例えば、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板等が挙げられる。

ここで、基板が、ＧａＡｓ基板の場合、第１及び第２クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｌＰ層、又はＩｎＧａＡｓＰ層を含むことが好ましい。また、基板が、ＩｎＰ基板の場合、第１及び第２クラッド層は、ＩｎＧａＡｓＰ層を含むことが好ましい。

第１及び第２クラッド層は、単層でも、複数層であってもよい。また、第２クラッド層は、リッジストライプ型の構造を有しているが、この構造の形成を容易にするために、第２クラッド層間にエッチングストップ層を配置してもよい。

活性層は、単層でも、複数層であってもよい。更に、複数層の場合、ウェル層とバリア層が所定数積層された多重量子井戸構造を活性層が有していてもよい。更に、多重量子井戸構造の場合、活性層の最下面と最上面に光ガイド層を有していてもよい。

半導体レーザ素子は、上記基板、活性層、第１及び第２クラッド層以外は、当該分野で公知の層を有していてもよい。例えば、第２クラッド層上に、キャップ層、電流阻止層、保護膜等が形成されていてもよい。また、活性層形成側と反対の基板面、及び素子の最上層には、一対の電極を備えている。最上層の電極の下部には、コンタクト層を有していてもよい。

次に、本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、第１のｐ型ドーパントが、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥを用いてｐ型クラッド層を成長させる際に導入される工程を含んでいる。この工程によれば、第１のｐ型ドーパントをｐ型クラッド層に容易にドープすることができる。

なお、ＭＯＣＶＤを用いてｐ型クラッド層を成長させる際に導入される第１のｐ型ドーパントは、Ｍｇ又はＣであり、ＭＢＥを用いてｐ型クラッド層を成長させる際に導入される第１のｐ型ドーパントは、Ｂｅであることが好ましい。

一方、第２のｐ型ドーパントは、ｐ型クラッド層を成長させる際に前記第１のｐ型ドーパントと共に導入してもよく、熱拡散によりｐ型クラッド層に導入してもよい。熱拡散によって行うことにより、第２のｐ型ドーパントがｐ型クラッド層及びｐ型キャップ層に安定して存在可能となり、レーザ駆動中におけるｐ型ドーパントの活性層への拡散を著しく低減できる。その結果、微分効率ηの安定化、レーザの信頼性向上、長寿命化が実現できる。

後者の熱処理は、第１及び第２のｐ型クラッド層、任意にｐ型キャップ層を形成するのに必要な時間と比較して、充分短時間で行うことが好ましい。具体的には、急速熱拡散（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）が効果的である。ＲＴＡでは、素子成長温度より低い温度で長時間かけ拡散する場合に比べ、第１のｐ型ドーパントの濃度プロファイルは実質上変更を受けないため、素子の設計、製造上好都合である。更に、第２のドーパントであるＺｎの金属層又は酸化物層、あるいはＭｇの酸化物層を固相拡散源として熱拡散させることが好ましい。

また、上記第２のｐ型ドーパントの導入に加えて、ｐ型クラッド層形成後、熱拡散前に、第２のドーパントを、ｐ型クラッド層にイオン打ち込みしておいてもよい。この打ち込みにより、所望の不純物濃度により近づけることができる。

ここで、第２クラッド層が、ｐ型クラッド層の場合、ｐ型クラッド層をリッジストライプ状に形成する前に、第２のｐ型ドーパントをｐ型キャップ層あるいはｐ型クラッド層に導入することが好ましい。この場合、リッジ部のクラッド層にのみ第２のドーパントが導入され、後に所望により形成される電流阻止層のドーピングプロファイルは変更を受けない。したがって、上記レーザ特性改善方法に起因する、レーザ発振波長、レーザ光放射角等物理特性変化は生じず、リーク電流の発生等、寿命に悪影響を与える効果を防ぐことができる。

（実施の形態１）
実施の形態１の半導体レーザ素子の概略断面図を図１に示す。

図１の半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１００１、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００２、活性層１００３、第１のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ａ、ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ）１００５、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１００８、ｐ型ＧａＡｓ保護膜１００９、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０１０、ｎ側電極１０１１、及びｐ側電極１０１２を含んでいる。なお、活性層１００３は、図示しないが、第１のＡｌＧａＡｓ光ガイド層、ＡｌＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層とを含むＭＱＷ（多重量子井戸）活性層、及び第２のＡｌＧａＡｓ光ガイド層を含んでいる。

図２（ａ）〜図４（ｆ）に、図１の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図を示す。

図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板（ウェハ）１００１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００２、活性層１００３、第１のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ａ、ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ）１００５、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６を順次エピタキシャル成長させた。第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６は、第１のｐ型ドーパントとしてＢｅを、それぞれ１×１０¹⁸ｃｍ^-3、４×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で含んでいる。上記各層の成長方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を使用した。

次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６上全面を電子線蒸着（ＥＢ蒸着）によって亜鉛酸化物膜１４０１で被覆した。さらに、ＧａＡｓ蒸発防止膜として酸化珪素膜１４０２で全面を被覆した。

その後、基板温度を８７０℃まで急速昇温させ、この温度で３分間保持した。このとき、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ途中までＺｎ原子は拡散することで、亜鉛原子拡散領域１４０３が形成された。この領域においてＺｎ原子は、Ｇａ原子と置換してキャリアを生成する（図３（ｃ））。

図３（ｄ）のＢ−Ｂ’断面において、熱拡散処理後の第１のｐ型ドーパントであるＢｅと第２のｐ型ドーパントであるＺｎの不純物密度を図５（ａ）に示した。すなわち、第２のｐ型ドーパントの濃度は、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂの中盤で１×１０¹⁸ｃｍ^-3、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ側のｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６端で１．３×１０¹⁹ｃｍ^-3、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６の表面で１．６×１０²⁰ｃｍ^-3になった。

一方、第１のｐ型ドーパントとしてのＢｅは、ＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ系物質中における拡散係数はＺｎに比して小さい。そのため、Ｚｎの熱拡散処理中も、図５（ｂ）から分るように、Ｂｅの活性層１００３領域への拡散も僅かである。その結果、Ｂｅは、半導体レーザ素子完成後の微分効率、長期寿命に悪影響を与えない。

次に、上記亜鉛酸化物膜１４０１、酸化珪素膜１４０２を弗化水素で全面除去した。この後、再度ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６表面を露出した上で（図３（ｄ））、ストライプ状フォトレジストマスクを形成した。そして、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６をエッチングして部分的に取り除き、ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ層）１００５までエッチングし、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂをリッジストライプ状に形成した。その後、ストライプ状フォトレジストマスクを剥離剤により取り除いた（図４（ｅ））。

図４（ｆ）に示すように、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１００８とｐ型ＧａＡｓ保護膜１００９を成長させた。その後に、フォトレジストマスクと化学エッチングを用いてｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６を露出させた上で、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０１０を形成した。

この後、ｐ型電極としてＡｕＺｎ／Ａｕ積層１０１２を、ｎ型電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ積層１０１１を形成した。その後にウェハを劈開して図１の半導体レーザ素子を得た。

上記半導体レーザ素子は、２５℃の場合、発振波長７８０ｎｍ、閾値電流３０ｍＡであり、光出力２００ｍＷまでキンクフリーであった。実施の形態１の半導体レーザ素子を、従来技術で作製した半導体レーザ素子であって、しかも２５℃における特性が同等品と光出力−駆動電流を比較する。その結果を図６に示す。図６によれば、７５℃雰囲気、光出力２００ｍＷで必要な駆動電流は、従来技術では２４３ｍＡであったものが、この実施の形態では２３２ｍＡまで低下している。これは、同じ光出力を得るとき、この実施の形態のほうが従来技術より、発熱を低減できることを意味する。

更に、実施の形態１と従来技術の半導体レーザ素子を、雰囲気温度７５℃、１００ｎｓｅｃ−１００ｎｓｅｃパルス駆動で、光出力２００ｍＷにて継続して発光させることによる信頼性試験を行った。エージング時間に対する駆動電流の変化を図７に示す。図７において、駆動電流が急激に上昇した際のエージング時間が、半導体レーザ素子の寿命を意味する。従来技術の半導体レーザ素子の寿命が４００時間程度であるのに対し、実施の形態１の半導体レーザ素子では、８００時間の発光時間に亘って安定に作動し、作動中に動作電流が増大するような特性劣化は見られなかった。このことは、実施の形態１の半導体レーザ素子が、特に１８０ｍＷ以上の高出力での信頼性に優れていることを意味する。

（実施の形態２）
第１のｐ型ドーパントをＣとし、図２（ａ）に示した積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法で形成すること以外は、実施の形態１と同様にして半導体レーザ素子を得た。この素子の特性は、実施の形態１と同等であった。

（実施の形態３）
第１のｐ型ドーパントをＭｇとし、図２（ａ）に示した積層体を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法で形成すること以外は、実施の形態１と同様にして半導体レーザ素子を得た。この素子の特性は、実施の形態１と同等であった。なお、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６において第１のｐ型ドーパントＭｇの濃度を、それぞれ４×１０¹⁷ｃｍ^-3、２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。

（実施の形態４）
亜鉛酸化物膜１４０１に替えて、金属亜鉛膜を用いること以外は、実施の形態１と同様にして半導体レーザ素子を得た。この素子の特性は、実施の形態１と同等であった。なお、金属亜鉛膜は蒸着によってｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６に形成させた。

（実施の形態５）
実施の形態５の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図を図８（ａ）〜図１０（ｆ）に示す。

実施の形態１に示した手順と同様に積層体を形成した（図８（ａ））。

第２のｐ型ドーパントとしてのＺｎを、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６にイオン打ち込みによって注入した（図８（ｂ））。この注入により、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６の表面近傍に１×１０²¹ｃｍ^-3程度の高濃度でＺｎを含有するＺｎ打ち込みＧａＡｓ層１００６ｂが形成された。ＧａＡｓ蒸発防止膜として酸化珪素膜１４０２でＺｎ打ち込みＧａＡｓ層１００６ｂ全面を被覆した。

その上で、基板温度を８４０℃まで急速昇温させ、この温度で７分間保持した。このとき、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ途中までＺｎ原子は拡散して、亜鉛原子拡散領域１４０３が形成された。この領域においてＺｎ原子はＧａ原子と置換してｐ型キャリアを生成する（図９（ｃ））。

その後、酸化珪素膜１４０２を弗化水素で全面除去し、Ｚｎ打ち込みＧａＡｓ層１００６ｂ表面を露出させた。Ｚｎ打ち込みＧａＡｓ層１００６ｂはイオン打ち込みによって結晶が損傷を受けているため、エッチングにより除去した。エッチングにより露出したｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６ａ表面上に、ストライプ状フォトレジストマスクを形成した。

以降の工程は、実施の形態１と同様にして、図１０（ｅ）に示すリッジストライプを形成した。

更に、実施の形態１と同様にして、ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層１００８、ｐ型ＧａＡｓ保護膜１００９、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０１０をこの順で形成した。次いで、ｐ型電極としてＡｕＺｎ／Ａｕ積層１０１２、ｎ型電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ積層１０１１を形成した。その後、ウェハを劈開して図１０（ｆ）の半導体レーザ素子を得た。この素子の特性は、実施の形態１と同等であった。

（実施の形態６）
実施の形態６の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図を図１１（ａ）〜図１２（ｄ）に示す。

実施の形態２における図２（ａ）と同様にして積層体をＭＯＣＶＤにより形成した後、連続してｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６の表面に１×１０²¹ｃｍ^-3程度の高濃度Ｚｎ含有ＧａＡｓ薄層１００６ｃを形成した（図１１（ａ））。

ＧａＡｓ蒸発防止膜としての酸化珪素膜１４０２で高濃度Ｚｎ含有ＧａＡｓ薄層１００６ｃ全面を被覆した（図１１（ｂ））。

その後、基板温度を８７０℃まで急速昇温させ、この温度で３分間保持した。このとき、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１００４ｂ途中までＺｎ原子は拡散することで、亜鉛原子拡散領域１４０３が形成された。この領域においてＺｎ原子は、Ｇａ原子と置換してキャリアを生成する（図１２（ｃ））。

次いで、酸化珪素膜１４０２を弗化水素で全面除去し、更に高濃度Ｚｎ含有ＧａＡｓ薄層１００６ｃをエッチングにより除去した（図１２（ｄ））。

次に、エッチングにより露出したｐ型ＧａＡｓキャップ層１００６表面上に、ストライプ状フォトレジストマスクを形成した。以降、実施の形態１と同様にして、図１に示した半導体レーザ素子を形成した。この素子の特性は、実施の形態１と同等であった。

（実施の形態７）
第２のｐ型ドーパントとして亜鉛Ｚｎの代わりに、マグネシウムＭｇを用いること以外は実施の形態１と同様にして半導体レーザ素子を得た。この素子の特性は、実施の形態１と同等であった。

（実施の形態８）
実施の形態１においては、半導体レーザ素子の基体としてＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いたが、ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体であっても同様の効果が得られる。

図１３は、ＧａＡｓ基板上にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体層を備えたリッジストライプ型半導体レーザ素子の概略断面図である。このレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０１、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０２、活性層１１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０４、ｐ型ＧａＩｎＰ通電容易層１１０５、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流阻止層１１０８、ｐ型ＧａＡｓ保護膜１１０９、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１１０、ｎ側電極１１１１、及びｐ側電極１１１２を含んでいる。また、活性層１１０３は、図示しないが、第１ＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層、ＧａＩｎＰウェル層とＡｌＧａＩｎＰバリア層を含むＭＱＷ層、及び第２のＡｌＧａＩｎＰ光ガイド層を含んでいる。

図１４（ａ）〜図１６（ｆ）は、図１３の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。

図１４（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板（ウェハ）１１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０２、活性層１１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０４、ｐ型ＧａＩｎＰ通電容易層１１０５、及びｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６を順次エピタキシャル成長させた。

このとき、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０４、ｐ型ＧａＩｎＰ通電容易層１１０５、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６は、第１のｐ型ドーパントであるＢｅを、それぞれ１×１０¹⁸ｃｍ^-3、４×１０¹⁸ｃｍ^-3、４×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で含んでいる。上記各層の成長方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法である。

次に、図１４（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６上全面を電子線蒸着（ＥＢ蒸着）によって亜鉛酸化物膜１４０１で被覆し、さらに保護膜として酸化珪素膜１４０２で全面を被覆した。

その上で、基板温度を６００℃まで昇温させ、この温度で２時間保持した。このとき、第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１０４途中までＺｎ原子は拡散することで、亜鉛原子拡散領域１４０３が形成された。この領域においてＺｎ原子は、Ｇａ原子と置換してキャリアを生成する（図１５（ｃ））。

図１５（ｄ）の断面Ｃ―Ｃ’に沿う不純物濃度プロファイルを図１７に示す。これによるとＺｎの不純物濃度は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０４の中盤で１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ型ＧａＩｎＰ通電容易層１１０５で３．５〜９．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６の表面で１．２×１０²⁰ｃｍ^-3となっていた。

上記亜鉛酸化物膜１４０１、酸化珪素膜１４０２を弗化水素で全面除去し、再度ｐ型ＧａＡｓキャップ層表面を露出させた（図１５（ｄ））。

次いで、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６上にストライプ状酸化珪素マスク１４０６を形成した。続いて、図１６（ｅ）に示すとおり、ｐ型キャップ層１１０６とｐ型ＧａＩｎＰ通電容易層１１０５をエッチングして部分的に取り除くことで、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１０４をリッジストライプ状に加工した。

図１６（ｆ）に示すように、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流阻止層１１０８とｐ型ＧａＡｓ保護層１１０９をリッジの両側に選択成長させた。その後、ストライプ状酸化珪素マスク１４０６をエッチングにより取り除いた。ｐ型ＧａＡｓキャップ層１１０６を露出させた上で、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１１０を形成した。

そして、ｐ側電極としてＡｕＺｎ／Ａｕ積層１１１２を形成し、ｎ側電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ積層１１１１を形成した。その後、ウェハを劈開して図１３の半導体レーザ素子を得た。

上記実施の形態８による半導体レーザ素子は、２５℃の場合、発振波長６６０ｎｍ、閾値電流４５ｍＡであり、光出力１００ｍＷまでキンクフリーであった。実施の形態８の半導体レーザ素子を、従来技術で作製した半導体レーザであって、しかも２５℃における特性が同等品と光出力−駆動電流を比較する。その結果を図１８に示す。図１８によれば、７５℃雰囲気、光出力１００ｍＷで必要な駆動電流は、従来１８０ｍＡであったものが、この実施の形態では１６２ｍＡまで低下している。これは、同じ光出力を得るとき、この実施例のほうが従来技術より、発熱を低減できることを意味する。

更に、実施の形態８と従来技術の半導体レーザ素子を、雰囲気温度７５℃、１００ｎｓｅｃ−１００ｎｓｅｃパルス駆動で、光出力１００ｍＷにて継続して発光させて信頼性試験を行い寿命を比較した。エージング時間に対する駆動電流の変化を図１９に示す。図１９において、駆動電流が急激に上昇した際のエージング時間が、半導体レーザ素子の寿命を意味する。従来技術で作成した半導体レーザ素子の寿命が３００時間程度であるのに対し、実施の形態８の半導体レーザ素子では、８００時間の発光時間に亘って安定に作動し、作動中に動作電流が増大するような特性劣化は見られなかった。実施の形態８の半導体レーザ素子は、特に５０ｍＷ以上の高出力での信頼性に優れている。

（実施の形態９）
実施の形態２〜７のＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体レーザ素子のかわりに、実施の形態８のＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる半導体レーザ素子であっても実施の形態２〜７と同様の効果が得られた。

（実施形態１０）
実施の形態１〜７のＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる半導体レーザ素子のかわりに、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる半導体レーザ素子であっても実施の形態１〜７と同様の効果が得られた。

実施の形態１の半導体レーザ素子の概略断面図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子の熱拡散前後でのキャリア不純物濃度分布を示す図である。 実施の形態１の半導体レーザ素子の光出力−駆動電流曲線である。 実施の形態１の半導体レーザ素子の信頼性試験結果である。 実施の形態５の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態５の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態５の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態６の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態６の半導体レーザ素子の製造方法を図解する模式図である。 実施の形態８による半導体レーザ素子の概略断面図である。 実施の形態８の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態８の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態８の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 実施の形態８の半導体レーザ素子の熱拡散前後でのキャリア不純物濃度分布を示す図である。 実施の形態８の半導体レーザ素子の光出力−駆動電流曲線である。 実施の形態８の半導体レーザ素子の信頼性試験結果である。 従来の半導体レーザ素子の概略断面図である。 従来の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 従来の半導体レーザ素子の製造方法の概略工程断面図である。 従来の半導体レーザ素子のキャリア不純物濃度分布を示す図である。

符号の説明

１００１ ＧａＡｓ基板、１００２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１００３ 活性層、１００４ａ 第１のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１００４ｂ 第２のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、１００５ ＧａＡｓエッチングストップ層（ＧＥＳ層）、１００６ ｐ型ＧａＡｓキャップ層、１００６ａ ｐ型ＧａＡｓキャップ層、１００６ｂ Ｚｎ打ち込みＧａＡｓ層、１００６ｃ 高濃度Ｚｎ含有ＧａＡｓ薄層、１００８ ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流阻止層、１００９ ｐ型ＧａＡｓ保護膜、１０１０ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１０１１ ｎ側電極、１０１２ ｐ側電極、１１０１ ＧａＡｓ基板、１１０２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１１０３ 活性層、１１０４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１１０５ ｐ型ＧａＩｎＰ通電容易層、１１０６ ｐ型ＧａＡｓキャップ層、１１０８ ｎ型ＡｌＩｎＰ電流阻止層、１１０９ ｐ型ＧａＡｓ保護膜、１１１０ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１１１ ｎ側電極、１１１２ ｐ側電極、
１４０１ 酸化亜鉛膜、１４０２ 酸化シリコン膜、１４０３ 亜鉛原子拡散領域、１４０６ ストライプ状酸化珪素マスク

Claims (11)

1. 基板上に第１のクラッド層、活性層及びリッジストライプ型の第２のクラッド層をこの順で少なくとも備え、前記第１又は第２クラッド層の一方がｐ型クラッド層であり、該ｐ型クラッド層が、第１のｐ型ドーパントと第２のｐ型ドーパントを含み、少なくとも前記活性層近傍においては、前記第１のｐ型ドーパントが、前記第２のｐ型ドーパントより高濃度に存在することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記第１のｐ型ドーパントが、前記第２のｐ型ドーパントより小さい拡散定数を有する請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記半導体素子が、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体レーザ素子であり、前記第
   １のｐ型ドーパントと第２のｐ型ドーパントが、ＭｇとＺｎ、ＣとＺｎ、ＣとＭｇ、ＢｅとＺｎ、及びＢｅとＭｇの組み合わせのいずれかから選択される請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記基板が、ＧａＡｓ基板であり、前記第１及び第２クラッド層が、ＡｌＧａＡｓ層、又はＩｎＧａＡｌＰ層、又はＩｎＧａＡｓＰ層を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
5. 前記基板が、ＩｎＰ基板であり、前記第１及び第２クラッド層が、ＩｎＧａＡｓＰ層を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子の製造方法であって、前記第１のｐ型ドーパントを、ＭＯＣＶＤ又はＭＢＥを用いて前記ｐ型クラッド層を成長させる際に導入する工程と、前記第２のｐ型ドーパントを、前記ｐ型クラッド層を成長させる際に前記第１のｐ型ドーパントと共に導入するか、又は、前記ｐ型クラッド層形成後、熱拡散により前記ｐ型クラッド層に導入する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
7. ＭＯＣＶＤを用いて前記ｐ型クラッド層を成長させる際に導入された前記第１のｐ型ドーパントが、Ｍｇ又はＣである請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
8. ＭＢＥを用いて前記ｐ型クラッド層を成長させる際に導入された前記第１のｐ型ドーパントが、Ｂｅである請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
9. 前記熱拡散が、前記第２のドーパントであるＺｎの金属層又は酸化物層、あるいはＭｇの酸化物層を固相拡散源として行われる請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
10. 前記ｐ型クラッド層形成後、前記熱拡散前に、前記第２のドーパントが、前記ｐ型クラッド層にイオン打ち込みされる請求項６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
11. 前記第２クラッド層が、ｐ型クラッド層であり、前記第２のｐ型ドーパントが、前記ｐ型クラッド層をリッジストライプ状に形成する前に、前記ｐ型クラッド層に導入される請求項６〜１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。

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