JP2005159196A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ共振器内部領域でのフォトルミネッセンスのピーク波長の変動を抑制し、且つ、長期信頼性に優れた半導体レーザ素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 半導体基板上方に、第一導電型の第一クラッド層、活性層、第二導電型の第二クラッド層を有し、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長が、レーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくされている、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ素子であって、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にはＰ原子が含まれていることを特徴とする半導体レーザ素子及びその製造方法。
【選択図】図１ａ

Description

本発明は、光ディスク用など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。

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、ＣＤ−Ｒ／ＲＷ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。

半導体レーザの高出力化を制限している要因の一つは、レーザ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い発生する光学損傷（ＣＯＤ；Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｍａｇｅ）である。

前記ＣＯＤの発生原因は、レーザ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ためである。レーザ共振器端面では、表面準位また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。レーザ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、レーザ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少ない。その結果、中央部の高い注入キャリア密度によって作られるレーザ光の波長に対して、レーザ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、温度が上がってバンドギャップエネルギー（禁制帯幅）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、レーザ共振器端面近傍の吸収領域の温度はついに融点にまで達し、ＣＯＤが発生する。

前記ＣＯＤレベルの向上のために、半導体レーザの高出力化の一つの方法として、特許文献１に記載されている、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。

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構造図を図６に示す。

図６において、図６ａはレーザ共振器端面を含む斜視図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＩａ−Ｉａ’線における導波路の断面図、図６ｃ は図６ａのＩｂ−Ｉｂ’線における層厚方向の断面図である。図６ａ〜ｃにおいて、１００１はｎ型ＧａＡｓ基板、１００２はn型ＡｌＧａＡｓ第1クラッド層、１００３はバリア層及びウェル層が交互に積層された多重量子井戸構造を光ガイド層で挟んでなる活性層（ＭＱＷ活性層）、１００４はｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層、１００５はｐ型エッチングストップ層、１００６は共振器方向にリッジストライプからなるｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層、１００７はp型ＧａＡｓ保護層、１００８はリッジストライプからなるｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層の側面を埋め込む様に形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層、１００９はｐ型ＧａＡｓ平坦化層、１０１０はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１０１１はp側電極、１０１２はｎ側電極である。また、１０１３はＳｉｘＯｙＮｚ（ｘ，ｙ，ｚは１以上；以下省略）膜直下のＭＱＷ活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長が共振器内部のＭＱＷ活性層１００３のフォトルミネッセンスのピーク波長よりも小さい領域（窓領域）、１０１４はp型ＧａＡｓ保護層１００７上に形成されたｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層とｐ型ＧａＡｓ平坦化層からなる電流非注入領域、１０１５はｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層１００６とｐ型ＧａＡｓ保護層１００７からなるストライプ状のリッジである。

次に従来の半導体レーザ素子の製造方法を図７に示す工程図を参照して説明する。
ｎ型ＧａＡｓ基板１００１上に順次、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にてｎ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層１００２、ＭＱＷ活性層１００３、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１００４、ｐ型エッチングストップ層１００５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層１００６、p型ＧａＡｓ保護層１００７をエピタキシャル成長させる。

光出射端面部近傍となるｐ型ＧａＡｓ保護層１００７の表面に、プラズマＣＶＤ法とフォトリソグラフィー法によって、リッジストライプと直交する方向に幅４０μｍストライプ状に、ＳｉｘＯｙＮｚ膜１０１６を形成する。なお、ストライプのピッチは共振器長と同じ８００μｍである（図７ａ）。

次に、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）法によるアニールによって、ＳｉｘＯｙＮｚ膜１０１６直下のＭＱＷ活性層（窓領域）１０１３のフォトルミネッセンスのピーク波長を共振器内部のＭＱＷ活性層（活性領域）１００３のフォトルミネッセンスのピーク波長よりも小さくさせる。この時のアニール条件は温度９５０℃、昇温速度１００℃／秒、保持時間２０秒で行っている。

光出射端面部近傍となるｐ型ＧａＡｓ保護層１００７の表面に形成されたＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ膜１０１６を除去し、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてp型ＧａＡｓ保護層１００７上にストライプ状のレジストマスク１０１７を形成し、公知のエッチング技術を用いて、ｐ型エッチングストップ層１００５に到達するようにｐ型ＧａＡｓ保護層１００７とｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層１００６を約３μｍ幅のストライプ状のリッジ１５に加工する（図７ｂ）。

ｐ型ＧａＡｓ保護層１００７上に形成されたストライプ状のレジストマスク１０１７を除去し、２回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓ保護層１００７とｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層１００６からなるリッジ１０１５の側面をｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１００８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１００９で埋め込む。

公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、リッジ１０１５の側面に形成されたｐ型ＧａＡｓ平坦化層１００９、及び、リッジ１０１５上に形成されたｐ型ＧａＡｓ平坦化層１００９の光出射端面部近傍にレジストマスク１０１８を形成し、公知のエッチング技術を用いて、レジストマスク１０１８開口部のｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１００８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１００９を選択的に除去する（図７ｃ）。

ｐ型ＧａＡｓ平坦化層１００９上に形成されたレジストマスク１０１８を除去し、３回目のＭＯＣＶＤ法でｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０１０を形成する。さらに、上面にはｐ電極１０１１、下面にはｎ電極１０１２を形成する。

４０μｍ幅の窓領域のほぼ中央にスクライブラインをいれて、共振器の長さにバー状に分割し、共振器を形成する。最後にバーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して、図６の半導体レーザ素子を得る。
特開２００１−２３０４９１号公報

従来の窓構造半導体レーザ素子では、Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ膜１０１６直下のＭＱＷ活性層（窓領域）１０１３のフォトルミネッセンスのピーク波長を共振器内部のＭＱＷ活性層（活性領域）１００３のフォトルミネッセンスのピーク波長よりも小さくなるように、光出射端面部近傍となるｐ型ＧａＡｓ保護層１００７の表面にＳｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ膜１０１６を形成し、前記Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ膜１０１６が接するｐ型ＧａＡｓ保護層１００７へのＧａ空孔の生成、及び、ＭＱＷ活性層（窓領域）１０１３へのＧａ空孔の拡散を行っている。

しかしながら、Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ膜を用いた上記従来方法では、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域でのフォトルミネッセンスのピーク波長よりも小さくなるようにするためには、高温でのアニール（ＲＴＡ）を実施する必要がある。

その結果、ｐ型導電性を有する各層に存在するＺｎ原子等の不純物が、ＭＱＷ活性層（活性領域）へ大量に拡散するので、高出力時の駆動電流の上昇と長期信頼性の低下を招いてしまう。

また、アニール温度を低くすれば、ＭＱＷ活性層（活性領域）へのＺｎ原子等の不純物拡散を抑制できるが、空孔原子の生成、及び、ＭＱＷ活性層（窓領域）１０１３への空孔原子の拡散が不十分となり、共振器端面近傍領域において、レーザ光を吸収してしまう。その結果、光出射端面近傍の活性層領域でＣＯＤが発生しやすくなり、高出力駆動時の最大光出力の低下を引き起こし、十分な長期信頼性が得られない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、レーザ共振器内部領域でのフォトルミネッセンスのピーク波長の変動を抑制し、且つ、長期信頼性に優れた半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザ素子では、
半導体基板上方に、第一導電型の第一クラッド層、活性層、第二導電型の第二クラッド層を有し、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長が、レーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくされている、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ素子であって、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にはＰ原子が含まれている構成としている。

上記構成とすることにより、レーザ共振器内部領域の第二導電性を有する不純物原子が活性層へ拡散しないように、ウエハへの加熱温度の低温化を行っても、レーザ共振器端面近傍領域において、第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を加速的に拡散させることができるので、レーザ共振器端面近傍領域の活性層の無秩序化が可能となり、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層（活性領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さく出来る。その結果、レーザ光の波長に対する吸収領域がレーザ共振器端面近傍には形成されないので、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子が得られる。
なお本発明においては、「ウエハ」は、基板を含めその上に形成される各層製造工程を経て形成された積層構成体全体を意味するものとして使用している。

本発明において、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ、ｙは０以上１以下）、Ｇａ_ｙＡｓ（ｙは０以上１以下）を意味するものである。そして本発明のクラッド層、活性層は、ＡｌＧａＡｓ系材料を適宜使用して構成されている。

本発明レーザー素子に使用される半導体基板は、ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板であり、ＡｌＧａＡｓ系材料との格子整合のし易さからＧａＡｓが好ましい。

また、本明細書において、第一導電型とは、上記基板と活性層との間に形成されるｎ型またはｐ型の導電型を意味している。第二導電型とは、活性層上基板とは反対側に形成されるｎ型またはｐ型の導電型を意味している。第一導電型がｎ型である場合は、第二導電型はｐ型となる。本発明においては、（活性層の上方での電流狭窄（電流ブロック））の観点から第一導電型がｎ型で、第二導電型がｐ型である構成の素子に好適に適用できる。

また、本発明においてレーザ共振器端面近傍領域とは、レーザ光が出射されるレーザ共振器端面の近傍の半導体基板及び半導体基板の上方に形成された各層を指し、レーザ共振器内部領域とは、レーザ共振器端面近傍領域以外の半導体基板及び半導体基板の上方に形成された各層を指しており、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長と、レーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長との大小はフォトルミネッセンス法（PL法）に基づいて比較される。

本発明の半導体レーザ素子では、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層でのＰ原子濃度が、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層でのＰ原子濃度より高濃度存在する構成とすることが好ましい。

上記構成とすることにより、レーザ共振器端面近傍領域の活性層を無秩序化する工程において、レーザ共振器端面近傍領域に比べて、レーザ共振器内部領域の活性層への第二導電性を有する不純物原子の拡散を抑制することができるので、高出力時の駆動電流が低減された半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子では、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層でのＰ原子濃度が、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下、好ましくは５×１０^１８ｃｍ^−３以上５×１０^１９ｃｍ^−３以下である構成とすることが好ましい。

上記構成とすることにより、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子の拡散促進が可能となり、且つ、フォトルミネッセンスのピーク波長が非常に大きいＡｌＧａＡｓＰ系ＭＱＷ活性層への変質を阻止できるので、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層（活性領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さく出来る。その結果、レーザ光の波長に対する吸収領域がレーザ共振器端面近傍には形成されないので、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子では、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子が、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子である構成とすることが好ましい。第二導電性を有する不純物は、ｐ型の場合、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｇ等のＩＩ族原子、好ましくはＺｎ原子であり、ｎ型の場合、Ｓｉ、Ｓｅ原子が使用可能である。

上記構成とすることにより、活性層への拡散制御を行う必要がある第二導電性を有する不純物原子が、１種類だけとなるので、第二導電性を有する不純物原子のレーザ共振器内部領域の活性層への拡散抑制と、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長の制御を行いやすくすることができる。その結果、高出力駆動における長期信頼性の向上と駆動電流の低電流化を行いやすくなっている。

本発明の半導体レーザ素子では、
レーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子は、Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子である構成とすることが好ましい。

Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子の拡散定数は、ＡｌＧａＡｓ系材料にＰ原子を含ませることにより、飛躍的に拡散定数が大きくすることができるので、上記構成とすることにより、ウエハへの加熱温度の低温化を行っても、レーザ共振器端面近傍領域の活性層の無秩序化が可能となり、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層（活性領域）のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さく出来る。その結果、レーザ光の波長に対する吸収領域がレーザ共振器端面近傍には形成されないので、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子では、
Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子は、Ｚｎ原子である構成とすることが好ましい。

Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子が、ＡｌＧａＡｓ系材料での拡散定数が小さく、Ｐ原子が含まれるＡｌＧａＡｓ系材料での拡散定数が大きいＺｎ原子である構成としているので、レーザ共振器端面近傍領域の活性層の無秩序化と同時に、Ｚｎ原子のレーザ共振器内部領域の活性層への拡散抑制が可能となり、高出力時の駆動電流が低減され、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られる。

本発明の半導体レーザ素子では、
レーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子濃度が、５×１０^１７ｃｍ^−３以上２×１０^１８ｃｍ^−３以下である構成とすることが好ましい。

上記構成とすることにより、レーザ共振器端面近傍領域において、第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ十分拡散させることができ、且つ、レーザ共振器内部領域において、第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子の活性層への拡散を抑制することができるので、高出力時の駆動電流が低減され、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られる。

本発明の半導体レーザ素子は、
半導体基板上方に、第一導電型の第一クラッド層、活性層、第二導電型の第二クラッド層を含む、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる積層構造を成長させる工程、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にＰ原子を拡散させる工程と、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくする工程を経て製造される。

上記製法を採ることにより、レーザ共振器端面近傍領域の活性層に、第二導電性を有する不純物原子を加速的に拡散させることができ、ウエハへの加熱温度の低温化が可能となる。その結果、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さくでき、且つ、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に存在する、第二導電性を有する不純物原子の活性層への拡散を抑制できるので、高出力時の駆動電流が低減され、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得ることができる。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、
レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にＰ原子を拡散させる工程が、
該ウエハのレーザ共振器端面近傍領域にイオン化されたＰ原子を照射する工程と、
該ウエハを加熱する工程を含む構成とすることが好ましい。

上記製法を採ることにより、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にＰ原子を含有させることができ、ウエハへの加熱温度の低温化を行っても、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さくできるので、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られる。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、
ウエハを加熱する工程が、第一導電型の電流ブロック層を形成する工程を兼ねていることが好ましい。

上記製法とすることにより、半導体レーザ素子のリッジの側面を第一導電型の電流ブロック層で埋を採ることにより、同時に、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にＰ原子を含有させることができるので、製造工程の簡略化が可能である。また、レーザ共振器端面近傍領域の前記活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さくできるので、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、
ウエハのレーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくする工程が、
第二導電型のＧａＡｓコンタクト層を形成する工程を兼ねていることが好ましい。

上記製法を採ることにより、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子（例えば、Ｚｎ原子）を、レーザ共振器端面近傍領域の活性層に拡散することができ、レーザ共振器端面近傍領域の前記活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さくできるので、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子が得られる。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、
ウエハのレーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくする工程は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることが好ましい。

上記製法を採ることにより、第二導電型のＧａＡｓコンタクト層を形成する工程において、ウエハのレーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくすることが可能となり、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られる効果がある。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に関する半導体レーザ素子の構造の説明図である。図１において、図１ａは光出射端面を含む斜視図、図１ｂは図１ａのＩａ−Ｉａ'線における導波路の断面図、図１ｃは図１ａのＩｂ−Ｉｂ'線における層厚方向の断面図である。また、１０１はｎ型ＧａＡｓ基板、１０２はn型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ、ｙは０以上１以下；以下省略）第1クラッド層、１０３はバリア層及びウェル層が交互に積層された多重量子井戸構造を光ガイド層で挟んでなる活性層（ＭＱＷ活性層）、１０４はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層、１０５はｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層、１０６は共振器方向にリッジストライプからなるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層、１０７はp型ＧａＡｓ保護層、１０８はリッジストライプからなるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層の側面を埋め込む様に形成されたｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック（狭窄）層、１０９はｐ型ＧａＡｓ平坦化層、１１０はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１１はp側電極、１１２はｎ側電極である。

図１において、１０３Ａはレーザ共振器内部のＭＱＷ活性層（活性領域）、１０３Ｂはレーザ共振器端面近傍のＭＱＷ活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長がレーザ共振器内部のＭＱＷ活性層１０３Ａのフォトルミネッセンスのピーク波長よりも小さい領域（窓領域）、１１３はp型ＧａＡｓ保護層１０７上に形成されたｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック層１０８ からなる電流非注入領域、１１４はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とｐ型ＧａＡｓ保護層１０７からなるストライプ状のリッジである。

次に製造方法について図２に基づいて説明する。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１（キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３）上に順次、分有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にてｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第１クラッド層１０２（キャリア濃度５×１０^１７ｃｍ^−３)(X＝０．５、Y＝０．５)(膜厚約２μｍ）、ＭＱＷ活性層１０３、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４（キャリア濃度８×１０^１７ｃｍ^−３)(X＝０．５、Y＝０．５)(膜厚約０．１μｍ）、ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層１０５（キャリア濃度１×１０^１８ｃｍ^−３)(膜厚約０．０３μｍ）、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６（キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３)(X＝０．５、Y＝０．５)(膜厚約１μｍ）、p型ＧａＡｓ保護層１０７（キャリア濃度３×１０^１８ｃｍ^−３)(膜厚約０．７５μｍ）をエピタキシャル成長させる（図２ａ）。この時、１０１、１０２の各層にはＳｉ原子が、１０４〜１０７の各層にはｐ型導電性を有するＩＩ族原子であるＺｎ原子が含まれている。(なお、ＭＱＷ活性層１０３は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ井戸層（X＝０．１、Y＝０．９)(膜厚８０Å）及びＡｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ障壁層（ｘ＝０．３、Y＝０．７)(膜厚５０Å）が交互に積層された井戸層数２層、障壁層数１層の多重量子井戸構造をＡｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ光ガイド層（ｘ＝０．３、Y＝０．７)(膜厚５００Å）で挟まれた構成からなる。

公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、レーザ共振器内部領域のp型ＧａＡｓ保護層１０７の表面に、リッジストライプと直交する方向に幅７６０μｍのストライプ状のＳｉＯ_２マスク１１５を形成する（図２ｂ）。前記ＳｉＯ_２マスク１１５は、レーザ共振器内部領域に、イオン化されたＰ原子が照射されないために形成されたものである。

その後、レーザ共振器端面近傍領域となるp型ＧａＡｓ保護層１０７の表面に、イオン化されたＰ原子の照射を行う。これにより、レーザ共振器端面近傍領域のウエハ表面近傍にＰ原子の拡散源が形成される。

レーザ共振器内部領域のp型ＧａＡｓ保護層１０７の表面に形成された、ＳｉＯ_２マスク１１５（膜厚約２０００Å）を除去し、その後、公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、p型ＧａＡｓ保護層１０７の上に、レーザ共振器端面に垂直方向へ伸びたストライプ状のレジストマスク１１６を形成し、公知のエッチング技術を用いて、ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層１０５に到達するように、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７を約３μｍ幅のストライプ状のリッジ１１４に加工する（図２ｃ）。

p型ＧａＡｓ保護層１０７の上に形成されたストライプ状のレジストマスク１１６を除去し、その後、成長温度７００℃、成長時間１時間の条件下で、２回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７からなるリッジ１１４の側面を、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック層１０８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９で埋め込む。また、この時、Ｐ原子の拡散源が形成されたレーザ共振器端面近傍領域において、Ｐ原子をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４まで拡散させる。（図２ｄ）

上記ウエハのｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７からなるリッジ１１４内部のレーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域でのＰ原子の深さ方向分布を２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で測定した。その結果を図３に示す。図３の縦軸はＰ原子濃度（ｃｍ^−３）、横軸はp型ＧａＡｓ保護層１０７からの深さ（μｍ）である。また、図３において、破線がレーザ共振器内部領域、実線がレーザ共振器端面近傍領域におけるＰ原子の深さ方向分布を示している。

図３から判るように、レーザ共振器端面近傍領域の１０４〜１０７の各層にはＰ原子が存在しており、且つ、レーザ共振器端面近傍領域の１０４〜１０７の各層でのＰ原子濃度は、レーザ共振器内部領域の１０４〜１０７の各層に比べて高濃度になっている。

レーザ共振器端面近傍領域となるp型ＧａＡｓ保護層１０７の表面に、イオン化されたＰ原子の照射を行い、その後、リッジ１１４の側面をｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック層１０８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９で埋め込む、２回目のＭＯＣＶＤ成長を行う、上記製造方法を用いることにより、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４及びｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６にＰ原子を拡散させることが可能であることが明らかである。

上記製造方法を用いることにより、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４及びｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６でのＰ原子濃度を、レーザ共振器内部領域でのＰ原子濃度より高濃度にすることが可能であることが明らかである。

上記２回目のＭＯＣＶＤ成長後のウエハの一部を、ＰＬ法にてレーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂとレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのそれぞれの波長を測定した。その結果、この時点では、窓領域１０３Ｂからの発光スペクトルは、活性領域１０３Ａからの発光スペクトルに対して波長シフトしていなかった。

公知のフォトリソグラフィー技術を用いて、リッジ１１４の側面に形成されたｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９、及び、リッジ１１４上に形成されたｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９の幅６０μｍのストライプ状のレーザ共振器端面近傍領域にレジストマスク１１７を形成し、公知のエッチング技術を用いて、レジストマスク１１７開口部のｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１０８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９を選択的に除去する（図２ｅ）。これにより、電流非注入領域１１３が形成される。また、前記プロセスによって形成された電流非注入領域１１３が、窓領域１０３Ｂの直上になっているので、窓領域への電流注入を防ぎ、発光に寄与しない無効電流が低減される。

レーザ共振器内部領域に形成されたレジストマスク１１７を除去し、成長温度６００℃、成長時間２時間の条件下で、３回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０を形成する（図２ｆ）。

上記製造方法によって得られた本実施の形態の半導体レーザ素子のリッジ１１４内部のレーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域でのＺｎ原子の深さ方向分布を図４に示す。

図４に示されたＺｎ原子の深さ方向分布は、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）で測定した結果であり、図４の縦軸はＺｎ原子濃度（ｃｍ^−３）、横軸はp型ＧａＡｓ保護層１０７からの深さ（μｍ）である。また、図４において、実線がレーザ共振器内部領域、破線がレーザ共振器端面近傍領域におけるＺｎ原子の深さ方向分布を示している。

図４から判るように、レーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）へのＺｎ原子の拡散は見られない。また、レーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂには、１０４〜１０７の各層から拡散させたＺｎ原子が存在している。

次に、上記の本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法を用いた、３回目のＭＯＣＶＤ成長後のウエハの一部を、ＰＬ法にてレーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂとレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのそれぞれの波長を測定した。

その結果、本実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法を用いた場合、窓領域１０３Ｂからの発光スペクトルは、活性領域１０３Ａからの発光スペクトルよりも３０ｎｍ短波長側に波長シフトしていた。

これは、レーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４及びｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６に含まれる第二導電性を有する不純物原子が、Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子であるので、第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４及びｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６にＰ原子を含ませることにより、Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子の拡散定数を飛躍的に大きくすることができ、３回目のＭＯＣＶＤ成長時のウエハ加熱により、レーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂのフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さく出来るのである。

その後、上面にはｐ電極１１１、下面にはｎ電極１１２を形成する。
次に、４０μｍ幅のレーザ共振器端面近傍領域のほぼ中央にスクライブラインを入れて、共振器の長さにバー状に分割し、最後にバーの両側の光出射に反射膜をコーティングし、さらにチップに分割して、長さ８００μｍの共振器のレーザ共振器端面部に約２０μｍの窓領域及び電流非注入領域を有した半導体レーザ素子が作製される。

上記の本実施の形態の製造方法によって得られた半導体レーザ素子の特性測定を行った。比較のために、上記の本実施の形態の製造方法において、レーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂのフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのフォトルミネッセンスのピーク波長よりも小さくなるように、p型ＧａＡｓ保護層１０７表面上にＳｉ_ｘＯ_ｙＮｚ膜を形成し、その後、ラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）法によるアニールによって、ＭＱＷ活性層（窓領域）１０３ＢへＧａ空孔の拡散を行った、従来技術の半導体レーザ素子も同時に特性測定も同時に行った。

その結果、本実施の形態の半導体レーザ素子及び従来技術の半導体レーザ素子のＣＷ１００ｍＷでの発振波長（λ）は７８５ｎｍ、本実施の形態の半導体レーザ素子のＣＷ１００ｍＷでの駆動電流（Ｉｏｐ）は１１０ｍＡ、従来技術の半導体レーザ素子のＣＷ１００ｍＷでの駆動電流（Ｉｏｐ）は１４０ｍＡであった。

また、最大光出力試験の結果は、本実施の形態及び従来技術の半導体レーザ素子は３００ｍＷ以上の光出力においてもＣＯＤフリーであった。これらを７０℃１００ｍＷの信頼性試験を行ったところ、従来技術の半導体レーザ素子の平均寿命は２０００時間であるのに対し、本実施の形態の半導体レーザ素子では約５０００時間と平均寿命が向上した。

本実施の形態の半導体レーザ素子では、駆動電流の低電流化と長期信頼性の向上が実現されていることが明らかである。

レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層（ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６）にＰ原子が含まれている、本実施の形態の半導体レーザ素子では、レーザ共振器内部領域の第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）が活性層へ拡散しないように、ウエハへの加熱温度（アニール温度）の低温化を行っても、レーザ共振器端面近傍領域において、第二導電型の第二クラッド層（ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６）に含まれる第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）を加速的に拡散させることができるので、レーザ共振器端面近傍領域の活性層の無秩序化が可能となり、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域１０３Ｂ）のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層（活性領域１０３Ａ）のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さく出来る。その結果、レーザ光の波長に対する吸収領域がレーザ共振器端面近傍には形成されないので、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られ、高出力駆動における長期信頼性の向上が可能となっている。

レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層（ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６）でのＰ原子濃度が、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層１０５，１０７でのＰ原子濃度より高濃度存在する、本実施の形態の半導体レーザ素子では、レーザ共振器端面近傍領域の活性層を無秩序化する工程において、レーザ共振器端面近傍領域に比べて、レーザ共振器内部領域の活性層（活性領域１０３Ａ）への第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）の拡散を抑制することができるので、高出力時の駆動電流の低電流化が可能となっている。

レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層（ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６）に含まれる第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）が、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層（ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６）に含まれる第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）である、本実施の形態の半導体レーザ素子では、活性層１０３Ａ、１０３Ｂへの拡散制御を行う必要がある第二導電性を有する不純物原子が、１種類だけとなるので、第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）のレーザ共振器内部領域の活性層１０３Ａへの拡散抑制と、前記レーザ共振器端面近傍領域の前記活性層１０３Ｂのフォトルミネッセンスのピーク波長の制御を行いやすくすることができる。その結果、高出力駆動における長期信頼性の向上と駆動電流の低電流化を行いやすくなっている。

本実施の形態の半導体レーザ素子では、レーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層（ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６）に含まれる第二導電性を有する不純物原子として、ＡｌＧａＡｓ系材料での拡散定数が小さく、Ｐ原子が含まれるＡｌＧａＡｓ系材料での拡散定数が大きい、Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子であるＺｎ原子を用いているので、レーザ共振器端面近傍領域の活性層の無秩序化と同時に、Ｚｎ原子のレーザ共振器内部領域の活性層への拡散抑制が可能となり、その結果、高出力時の駆動電流の低電流化が可能となっている。

本実施の形態では、レーザ共振器内部領域に、イオン化されたＰ原子が照射されないように、ＳｉＯ_２マスク１１５を形成しているが、Ｓｉ_ｘＮ_ｙ、Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ（ｘ、ｙ、ｚは１以上）等の誘電体膜であれば、上記と同様の効果が得られる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態に記載の本発明の半導体レーザ素子における、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度と活性領域の波長に対する窓領域の波長シフト量の関係について検討する。

第１の実施の形態に記載の製造方法において、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が、１×１０^１７ｃｍ^−３、５×１０^１７ｃｍ^−３、１×１０^１８ｃｍ^−３、５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３、５×１０^１９ｃｍ^−３、１×１０^２０ｃｍ^−３、５×１０^２０ｃｍ^−３、１×１０^２１ｃｍ^−３となるように、イオン化されたＰ原子の照射量（ドーズ量）を変化させて、９枚のウエハのレーザ共振器端面近傍領域となるp型ＧａＡｓ保護層１０７の表面に、前記９条件でのイオン化されたＰ原子の照射を行った。

公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、９枚のウエハのｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７を約３μｍ幅のストライプ状のリッジ１１４に加工する。

前記９枚のウエハを、成長温度７００℃、成長時間１時間の条件下で、２回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７からなるリッジ１１４の側面を、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック層１０８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９で埋めむ。また、この時、Ｐ原子の拡散源が形成されたレーザ共振器端面近傍領域において、Ｐ原子をｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＰ第２クラッド層１０５まで拡散させる。

上記２回目のＭＯＣＶＤ成長後の９枚のウエハの一部を、ＰＬ法にてレーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂとレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのそれぞれの波長を測定した。その結果、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下の範囲では、活性領域１０３Ａからの発光スペクトルに対して波長シフトしていなかったが、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型ＡｌｘＧａｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が５×１０^２０ｃｍ^−３、１×１０^２１ｃｍ^−３となっているウエハでは、窓領域１０３Ｂからの発光スペクトルは、活性領域１０３Ａからの発光スペクトルに対して、短波長側に波長シフトしていた。

成長温度６００℃、成長時間２時間の条件下で、３回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０を形成した。

上記３回目のＭＯＣＶＤ成長後の９枚のウエハの一部を用いて、ＰＬ法にてレーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂとレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのそれぞれの波長を測定した。

前記レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度と活性領域の波長に対する窓領域の波長シフト量の関係を図５に示す。この時の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６に含まれる第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度をそれぞれ８×１０^１７ｃｍ^−３、２×１０^１８ｃｍ^−３としており、また、活性領域の波長に対して窓領域の波長は全て短波長側へシフトしていた。図５の縦軸は活性領域の波長に対する窓領域の波長シフト量（ｎｍ）、横軸はｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度（ｃｍ^−３）である。

図５から判るように、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上では、活性領域の波長に対して窓領域の波長が２０ｎｍ以上短波長側へシフトしていた。

ＡｌＧａＡｓ系材料で形成されている半導体膜へのＰ原子の混入量の増加に伴い、Ｐ原子より質量数が大きいＩＩ族原子であるＺｎ原子の拡散速度も速くなるのだが、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下である場合、急激にＩＩ族原子であるＺｎ原子の拡散速度が低下することにより、ＩＩ族原子であるＺｎ原子の拡散が促進されないので、Ｚｎ原子がレーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）１０３Ｂまで到達していないのである。

第１の実施の形態に記載の製造方法を用い、レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が、１×１０^１７ｃｍ^−３、５×１０^１７ｃｍ^−３、１×１０^１８ｃｍ^−３、５×１０^１８ｃｍ^−３、１×１０^１９ｃｍ^−３、５×１０^１９ｃｍ^−３、１×１０^２０ｃｍ^−３、５×１０^２０ｃｍ^−３、１×１０^２１ｃｍ^−３となるように製造された、９種類の半導体レーザ素子の最大光出力試験を行った。

その結果、活性領域の波長に対して窓領域の波長が２０ｎｍ以上短波長側へシフトしていた、１×１０^１８ｃｍ^−３以上の範囲で製造された７種類の半導体レーザ素子では、３００ｍＷ以上の光出力においてもＣＯＤフリーであったが、５×１０^１７ｃｍ^−３以下となるように製造された、２種類の半導体レーザ素子では１５０ｍＷ以下の光出力において、共振器端面にてＣＯＤが発生した。

７０℃１００ｍＷの信頼性試験を行ったところ、５×１０^１７ｃｍ^−３以下及び５×１０^２０ｃｍ^−３以上となるように製造された、４種類の半導体レーザ素子の平均寿命は２０００時間以下であるのに対し、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下の範囲で製造された５種類の半導体レーザ素子では約５０００時間以であった。

ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以下である場合、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域１０３Ｂ）での波長シフト量が小さいので、共振器端面近傍においてレーザ光の吸収が発生し、ＣＯＤが発生しやすいためである。また、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が５×１０^２０ｃｍ^−３以上である場合、レーザ共振器端面近傍のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３ＢへのＰ原子の混入量が急激に増加するために、窓領域から活性領域への結晶欠陥の増殖が発生しているためである。

レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度が、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下の範囲である、上記半導体レーザ素子にすることにより、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域１０３Ｂ）のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層（活性領域１０３Ａ）のフォトルミネッセンスのピーク波長より十分小さくでき、長期信頼性に優れたＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られることが明らかである。

（第３の実施の形態）
本実施の形態では、第１の実施の形態に記載の本発明の半導体レーザ素子における、第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４に含まれる第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度について検討する。

第１の実施の形態に記載の製造方法において、第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が、２．０×１０^１７ｃｍ^−３、５．０×１０^１７ｃｍ^−３、８．０×１０^１７ｃｍ^−３、１×１０^１８ｃｍ^−３、２．０×１０^１８ｃｍ^−３、５×１０^１８ｃｍ^−３、８×１０^１８ｃｍ^−３となるように、７枚のｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に順次、ＭＯＣＶＤ法にて１０２〜１０７の各層を前記７条件でのエピタキシャル成長を行った。

前記７枚のウエハのレーザ共振器内部領域に、イオン化されたＰ原子が照射されないように、ストライプ状のＳｉＯ_２マスク１１５を形成し、その後、レーザ共振器端面近傍領域にイオン化されたＰ原子の照射を行う。

公知のフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いて、７枚のウエハのｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７を約３μｍ幅のストライプ状のリッジ１１４に加工する。

前記７枚のウエハを、成長温度７００℃、成長時間１時間の条件下で、２回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６とp型ＧａＡｓ保護層１０７からなるリッジ１１４の側面をｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック層１０８とｐ型ＧａＡｓ平坦化層１０９で埋めむ。また、この時、Ｐ原子の拡散源が形成されたレーザ共振器端面近傍領域において、Ｐ原子をｐ型ＡｌｘＧａｙＡｓ第２クラッド層１０４まで拡散させる。

上記７枚のウエハの一部を、ＰＬ法にてレーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂとレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのそれぞれの波長を測定した。その結果、この時点では、窓領域１０３Ｂからの発光スペクトルは、活性領域１０３Ａからの発光スペクトルに対して波長シフトしていなかった。

上記７枚のウエハに、成長温度６００℃、成長時間２時間の条件下で、３回目のＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０を形成する。

上記３回目のＭＯＣＶＤ成長後の７枚のウエハの一部を用いて、ＰＬ法にてレーザ共振器端面近傍領域のＭＱＷ活性層（窓領域）１０３Ｂとレーザ共振器内部領域のＭＱＷ活性層（活性領域）１０３Ａのそれぞれの波長を測定した。

その結果、第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以上である５種類のウエハにおいて、活性領域の波長に対して窓領域の波長が２０ｎｍ以上短波長側へシフトしていた。

第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が、５×１０^１７ｃｍ^−３以上である場合、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）１０３ＢにＺｎ原子が十分に拡散して、前記活性層を無秩序化するので、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）１０３Ｂのフォトルミネッセンスのピーク波長はレーザ共振器内部領域の活性層（活性領域）１０３Ａのフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくなるのである。

第１の実施の形態に記載の製造方法を用いて、第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が、２．０×１０^１７ｃｍ^−３、５．０×１０^１７ｃｍ^−３、８．０×１０^１７ｃｍ^−３、１×１０^１８ｃｍ^−３、２．０×１０^１８ｃｍ^−３、５×１０^１８ｃｍ^−３、８×１０^１８ｃｍ^−３となっている、７種類の半導体レーザ素子の特性測定を行った。

第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４、ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層１０６での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３以下である５種類の半導体レーザ素子において、ＣＷ１００ｍＷでの駆動電流（Ｉｏｐ）が１２０ｍＡ以下であった。また、最大光出力試験を行ったところ、活性領域の波長に対して窓領域の波長が２０ｎｍ以上短波長側へシフトしていた、第二導電型の第二クラッド層１０４、１０６での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以上である５種類の半導体レーザ素子では、３００ｍＷ以上の光出力においてもＣＯＤフリーであった。

第二導電型の第二クラッド層であるｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４での第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３以上２×１０^１８ｃｍ^−３以下である、上記半導体レーザ素子にすることにより、レーザ共振器端面近傍領域の活性層（窓領域）１０３Ｂへの第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）拡散による無秩序化と、レーザ共振器内部領域の活性層（活性領域）１０３Ａへの第二導電性を有する不純物原子（Ｚｎ原子）の拡散抑制が両立することができるので、高出力時の駆動電流が低減され、長期信頼性に優れたＣＯＤフリーである半導体レーザ素子を得られる。
（発明の効果）

本発明によれば、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくすることができ、高出力駆動における長期信頼性に優れた、ＣＯＤフリーである半導体レーザ素子（ＡｌＧａＡｓ系）とすることができる。

本発明の第１の実施の形態に関する半導体レーザ素子構造の光出射端面を含む斜視図。 図１ａのＩａ−Ｉａ'線における導波路の断面図。 図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ'線における層厚方向の断面図。 〜［図２ｆ］ 本発明の第１の実施の形態に関する半導体レーザ素子の製造方法の説明図。 本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子のレーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域でのＰ原子の深さ方向の分布を示す図。 本発明の第１の実施の形態の半導体レーザ素子のリッジ内部のレーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域でのＺｎ原子の深さ方向の分布を示す図。 本発明の第２の実施の形態の半導体レーザ素子の製造方法における、レーザ共振器端面近傍領域のｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層１０４でのＰ原子濃度と活性領域の波長に対する窓領域の波長シフト量の関係を示す図。 従来の半導体レーザ素子構造のレーザ共振器端面を含む斜視図。 図６ａのＩａ−Ｉａ’線における導波路の断面図。 図６ａのＩｂ−Ｉｂ’線における層厚方向の断面図。 〜［図７ｃ］ 従来技術の半導体レーザ素子の製造方法の説明図。

符号の説明

１０１，１００１…ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２，１００２…n型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第1クラッド層
１０３，１００３…ＭＱＷ活性層
１０３Ａ…活性領域
１０３Ｂ，１０１３…窓領域
１０４，１００４…ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第２クラッド層
１０５，１００５…ｐ型ＧａＡｓエッチングストップ層
１０６，１００６…ｐ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ第３クラッド層
１０７，１００７…p型ＧａＡｓ保護層
１０８，１００８…ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ電流ブロック層
１０９，１００９…ｐ型ＧａＡｓ平坦化層
１１０，１０１０…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１１，１０１１…ｐ側電極
１１２，１０１２…ｎ側電極
１１３，１０１４…電流非注入領域
１１４，１０１５…ストライプ状のリッジ
１１５…ＳｉＯ_２マスク
１１６，１１７，１０１７，１０１８…レジストマスク
１０１６…Ｓｉ_ｘＯ_ｙＮ_ｚ膜

Claims (12)

1. 半導体基板上方に、第一導電型の第一クラッド層、活性層、第二導電型の第二クラッド層を有し、レーザ共振器端面近傍領域の前記活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長が、レーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくされている、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる半導体レーザ素子であって、
   該レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にはＰ原子が含まれていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層でのＰ原子濃度が、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層でのＰ原子濃度より高濃度存在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。
3. レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層でのＰ原子濃度が、１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子が、レーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
5. レーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子が、Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
6. Ｐ原子の質量数より大きい質量数となるＩＩ族原子が、Ｚｎ原子であ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。
7. レーザ共振器端面近傍領域及びレーザ共振器内部領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子濃度が、５×１０^１７ｃｍ^−３以上２×１０^１８ｃｍ^−３以下であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
8. 半導体基板上方に、第一導電型の第一クラッド層、活性層、第二導電型の第二クラッド層を含む、ＡｌＧａＡｓ系材料からなる積層構造を成長させる工程、
   レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にＰ原子を拡散させる工程、および
   レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくする工程とを備えたことを特徴とする、半導体レーザ素子の製造方法。
9. レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層にＰ原子を拡散させる工程が、レーザ共振器端面近傍領域にイオン化されたＰ原子を照射する工程とウエハを加熱する工程を含むことを特徴とする、請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
10. 該ウエハを加熱する工程が、第一導電型の電流ブロック層を形成する工程を兼ねていることを特徴とする、請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
11. レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくする工程が、
    第二導電型のＧａＡｓコンタクト層を形成する工程を兼ねてい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の製造方法。
12. レーザ共振器端面近傍領域の第二導電型の第二クラッド層に含まれる第二導電性を有する不純物原子を活性層へ拡散させ、レーザ共振器端面近傍領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長をレーザ共振器内部領域の活性層のフォトルミネッセンスのピーク波長より小さくする工程が、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることを特徴とする、請求項８又は請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
    
    
    

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