JP2005340576A - Semiconductor laser element and its manufacturing method, optical disk device as well as light transmission system - Google Patents
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Description
この発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、典型的には、光ディスク装置や光伝送システム等に用いられる、高出力、低消費電力の半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device and a manufacturing method thereof, and typically relates to a semiconductor laser device with high output and low power consumption used for an optical disk device, an optical transmission system, and the like and a manufacturing method thereof.
また、この発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムに関する。 The present invention also relates to an optical disc apparatus and an optical transmission system provided with such a semiconductor laser element.
各種半導体レーザ素子の中で、リッジ埋め込み構造半導体レーザ素子は、その構造上レーザ発振に寄与しない無効電流を少なくでき、かつ、素子製造工程時の結晶再成長界面を活性層から離すことができるため、高い信頼性と低消費電力(低閾値電流)を両立しつつ、高温動作および横モード安定を実現できる構造として知られている。 Among various semiconductor laser elements, the ridge-embedded semiconductor laser element can reduce the reactive current that does not contribute to laser oscillation because of its structure, and can separate the crystal regrowth interface during the element manufacturing process from the active layer. It is known as a structure capable of realizing high temperature operation and transverse mode stability while achieving both high reliability and low power consumption (low threshold current).
リッジ埋め込み構造においては、製造工程中に大気にさらされる部分がレーザ発振時の活性領域から離れているために、余分な光吸収が低く抑えられ信頼性を確保できる。 In the ridge embedded structure, the portion exposed to the atmosphere during the manufacturing process is away from the active region during laser oscillation, so that excess light absorption is suppressed and reliability can be ensured.
また、リッジ部分の外側に屈折率の小さい電流ブロック層を設けることで、電流狭窄と実屈折率のみによる水平方向の光の閉じ込めを行うことができ、このいわゆる実屈折率ガイド型のレーザは水平方向の光閉じ込めに光吸収を用いていないため、レーザ発振時の導波路損失が小さく、消費電力を低く抑えることができる。 Further, by providing a current blocking layer having a small refractive index outside the ridge portion, it is possible to confine light in the horizontal direction only by the current confinement and the real refractive index. Since light absorption is not used for light confinement in the direction, waveguide loss during laser oscillation is small, and power consumption can be kept low.
このようなリッジ埋め込み構造半導体レーザ素子の作製においては、一般に、あらかじめ活性層等を積層した半導体基板に対し、さらに2回の結晶(再)成長が行われている。 In manufacturing such a ridge-embedded semiconductor laser device, generally, crystal (re) growth is further performed twice on a semiconductor substrate on which an active layer or the like is previously laminated.
しかし、2度の結晶再成長を行うことは、半導体レーザ素子を作成する上で非常に大きなコストアップ要因となる。そのため、クラッド層とショットキー接合しコンタクト層とオーミック接合する電極層を積層することにより製造工程を簡略化するアイデアがある(例えば、特許文献1(特開平4−111375号公報、特に第3頁、第1図)参照。)。 However, performing crystal regrowth twice is a significant cost increase factor in producing a semiconductor laser device. Therefore, there is an idea of simplifying the manufacturing process by laminating an electrode layer that is Schottky-bonded to the cladding layer and ohmic-bonded to the contact layer (for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 4-111375, particularly page 3). See FIG. 1).
図10は、特許文献1に記載の半導体レーザ素子の断面構造を示している。この半導体レーザ素子は次のようにして製造される。まず有機金属化学気相成長(MOCVD)法により、n−GaAs基板401上にn−InGaPクラッド層402、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層403、p−InGaPクラッド層404、p−InGaAsコンタクト層405を順次積層し、フォトリソグラフィなどの手法により、p−InGaPクラッド層404の一部(図10における両側の部分)を表面側から途中までエッチングして、順メサ形状のリッジ部408を形成した後、p側電極406としてTi/Pt/Auを、n側電極407としてAu−Ge−Ni/Auを順次蒸着する。これにより、p側電極406とp−InGaPクラッド層404との間にはショットキー接合部が形成され、p側電極406とp−InGaAsコンタクト層405との間にはオーミック接合部が形成される。このようにして製作された素子のp側電極406、n側電極407間に電流を流すと、上記オーミック接合部を通してのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。
FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the semiconductor laser element described in Patent Document 1. This semiconductor laser device is manufactured as follows. First, an n-
このような構造とすることで、一般的なリッジ埋め込み構造における合計3度の結晶成長工程を1度にすることができ、その結果、製造工程を大幅に削減することができる。 With such a structure, a total of three crystal growth steps in a general ridge embedding structure can be performed once, and as a result, the number of manufacturing steps can be greatly reduced.
しかしながら、特許文献1のショットキー接合を用いて電流狭窄を行う半導体レーザ素子では、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子で実現されているような低閾値電流(例えば30mA以下で、150mWを超えるような)、高出力動作を行うことができなかった。また、さまざまな用途に合わせて要求される光学特性仕様に合わせた素子設計をすることが困難であった。さらに、ショットキー接合部の信頼性に乏しく、長期信頼性を実現できていなかった。 However, in the semiconductor laser device that performs current confinement using the Schottky junction disclosed in Patent Document 1, it has a low threshold current (for example, 30 mA or less and exceeds 150 mW as realized in a semiconductor laser device having a general ridge buried structure). Like)), could not perform high power operation. Moreover, it has been difficult to design an element that meets the optical characteristic specifications required for various applications. Furthermore, the reliability of the Schottky junction is poor and long-term reliability has not been realized.
低閾値電流、高出力動作を実現できていなかった原因としては、ショットキー接合部分の電流狭窄性が不十分であり、特に微細ストライプ構造としたときの漏れ電流を十分に低減できなかったことが挙げられる。 The reason why the low threshold current and the high output operation could not be realized is that the current confinement property of the Schottky junction part is insufficient, and particularly the leakage current when the fine stripe structure is used cannot be sufficiently reduced. Can be mentioned.
また低素子抵抗と電流狭窄性を両立できる構成が開示されておらず、結果として素子抵抗が上昇し、このことも高出力動作を妨げる一因であった。 In addition, a configuration that can achieve both low element resistance and current confinement is not disclosed, and as a result, the element resistance increases, which is one factor that hinders high output operation.
また、電流狭窄性を確保するためには、価電子帯のエネルギ不連続(障壁)ΔEVの大きい(GaAsに格子整合するような)InGaPや高混晶のAlGaAsに材料系をクラッド層に使用せざるを得ず、クラッド層の屈折率を変更する余地が小さかった。そのため光学特性を設計する際の自由度が制限されていた。さらに、ブレークダウンに強いショットキー接合の構成が開示されておらず、長期信頼性に欠けたものしかなかった。 Further, in order to ensure the current confinement properties (such as lattice-matched to GaAs) large energy discontinuity (barrier) Delta] E V of the valence band using AlGaAs material system of InGaP or high mixed crystal cladding layer Inevitably, there was little room to change the refractive index of the cladding layer. For this reason, the degree of freedom in designing optical characteristics has been limited. Furthermore, the structure of the Schottky junction that is resistant to breakdown is not disclosed, and only a long-term reliability is lacking.
より具体的には、上述の特許文献1の半導体レーザ素子およびその製造方法では、p−InGaPクラッド層404のうち両側の部分(途中までエッチングされて残された部分)の層厚が変動することにより、レーザ素子の光学特性に大きく影響を与え、水平方向のファーフィールド・パターン(FFP)がばらついたり、横モードの安定性が悪くなったりするという問題があった。さらに、InGaP層厚が変動することにより、その上に作成したショットキー接合特性も変動し、電流狭窄が十分に行えない場合がある。また、格子整合条件のInGaP層の屈折率は一意に決定されるので、光学設計の際、InGaP膜厚を変更することでしか調整ができず、その自由度が小さい。さらに、InGaPをpクラッド側に用いることによりΔEvが大きくなり、活性層へのホールの注入効率が制限される等の問題がある。
そこで、この発明の課題は、低閾値電流・高出力動作が可能な上、長期の信頼性を有しており、さらに光学特性設計の自由度に富み、かつ安定した光学特性と製造工程の簡略化によるコスト低減とを両立した半導体レーザ素子を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to enable low threshold current and high output operation, and to have long-term reliability, and to have a high degree of freedom in designing optical characteristics, and stable optical characteristics and a simplified manufacturing process. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that achieves both cost reduction by making it easier.
上記課題を解決するため、この発明の半導体レーザ素子は、
第一導電型の半導体基板上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層され、第二導電型で実質的に均一なドーピング濃度を持つ第一半導体層と、
上記第一半導体層上に積層され、第二導電型で、かつ上方に形成されたストライプ状のリッジの直下に相当するリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度よりも高い第二半導体層と、
上記第二半導体層上に形成された上記ストライプ状のリッジをなす第二導電型の第三半導体層と、
上記リッジの頂部との間でオーミック接合をなす一方、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との間でショットキー接合をなす電極層を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a semiconductor laser device of the present invention is
An active layer laminated on a semiconductor substrate of the first conductivity type;
A first semiconductor layer stacked on the active layer and having a second conductivity type and a substantially uniform doping concentration;
The second conductivity type doping concentration of the portion immediately below the ridge, which is laminated on the first semiconductor layer, is of the second conductivity type, and is directly below the stripe-shaped ridge formed above, corresponds to the side of the ridge. A second semiconductor layer having a higher doping concentration of the second conductivity type in the side portion of the ridge
A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the second semiconductor layer and forming the stripe-shaped ridge;
An electrode layer is provided that forms an ohmic junction with the top of the ridge, and forms a Schottky junction with the ridge side portion of the second semiconductor layer.
ここで、「第一導電型」とはn型とp型のうち一方の導電型を指し、「第二導電型」とはn型とp型のうち他方の導電型を指す。 Here, “first conductivity type” refers to one conductivity type of n-type and p-type, and “second conductivity type” refers to the other conductivity type of n-type and p-type.
「活性層」とはレーザ発振を行う層を指す。 The “active layer” refers to a layer that performs laser oscillation.
第一半導体層の第二導電型のドーピング濃度が層方向に関して「実質的に均一」であるとは、製造ばらつきの範囲内で均一であることを意味する。 The “substantially uniform” doping concentration of the second conductivity type of the first semiconductor layer in the layer direction means that it is uniform within the range of manufacturing variation.
また、上記第二半導体層のうち第二導電型のドーピング濃度が高いのは、厳密な「リッジ直下部分」だけでなく、その近傍を含んでいても良い。ここで、「その近傍」とは、素子作成工程時の熱処理によって第二導電型のドーパントが「リッジ直下部分」を越えて「リッジ側方部分」に拡散する領域のことをさす。 In addition, the second semiconductor layer having a high doping concentration in the second semiconductor layer may include not only the strict “directly under the ridge” but also the vicinity thereof. Here, the “vicinity” refers to a region where the second conductivity type dopant diffuses into the “ridge side portion” beyond the “directly under the ridge” by the heat treatment in the element forming process.
この発明の半導体レーザ素子は、特許文献1の半導体レーザ素子と同様に、製造段階で結晶成長工程を1度で済ませることができる。したがって、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子に比して、大幅に製造工程が削減され、低コストで作製される。 In the semiconductor laser device of the present invention, like the semiconductor laser device of Patent Document 1, the crystal growth process can be completed once at the manufacturing stage. Therefore, as compared with a semiconductor laser device having a general ridge embedded structure, the manufacturing process is greatly reduced, and the semiconductor laser device is manufactured at a low cost.
この発明の半導体レーザ素子の電極層と基板との間に電流を流すと、上記第二半導体層のリッジ側方部分と上記電極層との界面では電流が遮断され、上記リッジの頂部と電極層との界面を通してのみ電流が流れる。これにより、電流狭窄が行われる。 When a current is passed between the electrode layer and the substrate of the semiconductor laser device of the present invention, the current is cut off at the interface between the ridge side portion of the second semiconductor layer and the electrode layer, and the top of the ridge and the electrode layer Current flows only through the interface. Thereby, current confinement is performed.
ここで、この発明の半導体レーザ素子では、上記第二半導体層のうち上記リッジの直下に相当するリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が、上記第二半導体層のうち上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度よりも高くなっている。つまり、上記第二半導体層のリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度は相対的に低くなっているため、上記第二半導体層のリッジ側方部分と上記電極層との界面で良好なショットキー接合が形成されて電流が遮断される。一方、上記第二半導体層のリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が高いため、電流注入経路となるリッジ直下の直列抵抗が低くなる。したがって、低閾値電流と高出力動作を両立した信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することが可能となる。さらに、第二導電型の第一半導体層を有しているため、光学特性をあわせこむための設計自由度が高く、安定した光学特性を実現することが可能となる。 Here, in the semiconductor laser device according to the present invention, the doping concentration of the second conductivity type in the portion immediately below the ridge corresponding to the portion immediately below the ridge in the second semiconductor layer is equal to the side of the ridge in the second semiconductor layer. Is higher than the doping concentration of the second conductivity type in the side portion of the ridge corresponding to. That is, since the second conductivity type doping concentration in the ridge side portion of the second semiconductor layer is relatively low, it is favorable at the interface between the ridge side portion of the second semiconductor layer and the electrode layer. A Schottky junction is formed and the current is cut off. On the other hand, since the doping concentration of the second conductivity type in the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer is high, the series resistance immediately below the ridge serving as the current injection path is low. Therefore, it is possible to provide a highly reliable semiconductor laser device that achieves both a low threshold current and a high output operation. Furthermore, since it has the first semiconductor layer of the second conductivity type, it is possible to realize a stable optical characteristic with a high degree of design freedom for matching the optical characteristic.
なお、上記半導体基板の、上記各層が積層された面とは反対側の面に、この面とオーミック接合をなす別の電極層が設けられるのが望ましい。これにより、上記二つの電極層間で上記活性層を通して容易に通電が行われ、レーザ発振が実現される。 In addition, it is desirable that another electrode layer that forms an ohmic junction with this surface is provided on the surface of the semiconductor substrate opposite to the surface on which the layers are stacked. As a result, energization is easily performed between the two electrode layers through the active layer, and laser oscillation is realized.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以上であり、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以下であることが好ましい。 In one embodiment, the second semiconductor layer has a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more in the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer, and the ridge side of the second semiconductor layer. It is preferable that the doping concentration of the second conductivity type in this part is 1 × 10 17 cm −3 or less.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第二半導体層のリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以下となっていることにより、リッジの側方において良好な電流狭窄性を信頼性よく発揮することができるため、低閾値電流発振が可能となる。また、第二半導体層のリッジ直下部分の第二導電型ドーピング濃度が1×1017cm-3以上であることにより、電流注入経路の直列抵抗が低く保たれ、低消費電力動作が実現できる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the second conductivity type doping concentration in the side portion of the ridge of the second semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or less. Since good current confinement can be exhibited with high reliability, low threshold current oscillation is possible. Further, since the second conductivity type doping concentration in the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or more, the series resistance of the current injection path is kept low, and the low power consumption operation can be realized.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーパントが亜鉛(Zn)であることが好ましい。 In one embodiment, it is preferable that the second conductivity type dopant in the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer is zinc (Zn).
亜鉛(Zn)は比較的拡散しやすい性質を有しているので、上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、第二半導体層のリッジ直下部分だけを選択的により高濃度の第二導電型にすることが可能となる。これにより、リッジ側方での電流狭窄性と、リッジ直下の低直列抵抗を両立できるようになる。 Since zinc (Zn) has the property of relatively easily diffusing, according to the semiconductor laser device of the above embodiment, only the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer is selectively made to have a second conductivity type with a higher concentration. It becomes possible to do. This makes it possible to achieve both current confinement on the side of the ridge and low series resistance directly below the ridge.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一半導体層の第二導電型のドーパントが炭素(C)であることが好ましい。 In one embodiment, the second conductivity type dopant of the first semiconductor layer is preferably carbon (C).
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、拡散しにくい炭素(C)をドーパントとすることによって、第一半導体層から第二半導体層への第二導電型のドーパント拡散を防止でき、リッジの側方における第二半導体層の第二導電型ドーピング濃度を低く保つことができる。その結果、別途、結晶再成長工程などを加えることなく、良好な電流狭窄性を示す半導体レーザ素子を制御性良く提供することが可能となる。さらに、第一半導体層を自在に変更することにより、様々な要求仕様に合わせた光学設計が容易になる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, the diffusion of the second conductivity type dopant from the first semiconductor layer to the second semiconductor layer can be prevented by using carbon (C), which is difficult to diffuse, as a dopant. The second conductivity type doping concentration of the second semiconductor layer can be kept low. As a result, it is possible to provide a semiconductor laser element exhibiting good current confinement with good controllability without adding a separate crystal regrowth step. Furthermore, by freely changing the first semiconductor layer, optical design that meets various required specifications becomes easy.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一半導体層の第二導電型のドーピング濃度が、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度以上であることが好ましい。 In the semiconductor laser device of one embodiment, the second conductivity type doping concentration of the first semiconductor layer is preferably equal to or higher than the second conductivity type doping concentration of the second semiconductor layer immediately below the ridge. .
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、第二導電型のドーパントとなる不純物の濃度が上記のような大小関係を有する時には、上記第二半導体層に含まれる第二導電型のドーパントは、上記第一半導体層側へは拡散することがなくなる。このことにより、活性層へのドーパント拡散による効率の低下や信頼性の低下のない良好な特性、信頼性を有する半導体レーザ素子を提供することが可能となる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, when the concentration of the impurity serving as the second conductivity type dopant has the above magnitude relationship, the second conductivity type dopant contained in the second semiconductor layer is It does not diffuse to the first semiconductor layer side. As a result, it is possible to provide a semiconductor laser device having good characteristics and reliability without degradation in efficiency and reliability due to dopant diffusion into the active layer.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層が、上記第一半導体層側に配置されたAlを含む半導体層と上記第三半導体層側に配置されたInGaAsPからなる半導体層との積層であることが好ましい。 In one embodiment, the second semiconductor layer includes an Al-containing semiconductor layer disposed on the first semiconductor layer side and an InGaAsP semiconductor layer disposed on the third semiconductor layer side. It is preferable to be a laminate of
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、第二半導体層の表面に酸化されやすいアルミニウム(Al)を含まないため、酸化に起因する深い準位の生成がなくなり、その深い準位による光吸収がないため内部損失が減るとともに、長期の素子動作時にも電流狭窄性を低下させない。さらに、InGaAsPはInGaPに比べてΔEvが小さく、ホールの注入効率を低下させることがない。その結果、良好な信頼性を有し、高効率動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができるようになる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, since the surface of the second semiconductor layer does not contain easily oxidized aluminum (Al), generation of deep levels due to oxidation is eliminated, and light absorption due to the deep levels is eliminated. Therefore, the internal loss is reduced and the current confinement is not deteriorated even during long-term device operation. Furthermore, InGaAsP has a smaller ΔEv than InGaP, and does not lower the hole injection efficiency. As a result, it is possible to provide a semiconductor laser element having good reliability and capable of high efficiency operation.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層の厚みが0.1μm以上、0.4μm以下であることが好ましい。 In one embodiment, the second semiconductor layer preferably has a thickness of 0.1 μm or more and 0.4 μm or less.
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第二半導体層の厚みが0.1μm以上、0.4μm以下であるから、リッジの側方において、良好なショットキー接合を示す。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, since the thickness of the second semiconductor layer is not less than 0.1 μm and not more than 0.4 μm, good Schottky junction is exhibited on the side of the ridge.
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記リッジの頂部の第二導電型のドーピング濃度が1×1018cm-3以上であり、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層が形成され、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分のドーピング濃度が1×1017cm-3以下であり、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層が形成されていることが好ましい。 In one embodiment, the second conductivity type doping concentration at the top of the ridge is 1 × 10 18 cm −3 or more, and the electrode is formed at the interface between the electrode layer and the top of the ridge. A high-concentration compound layer comprising the constituent elements of the layer and the constituent elements of the top of the ridge is formed, and the doping concentration of the side portion of the second ridge of the second semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or less, Preferably, a low-concentration compound layer composed of the constituent elements of the electrode layer and the constituent elements of the second semiconductor layer is formed at the interface between the electrode layer and the ridge side portion of the second semiconductor layer. .
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、ドーピング濃度が1×1018cm-3以上のリッジ頂部と電極層とのオーミック接合では、上記高濃度側の化合物層によってより低コンタクト抵抗が得られると共に、第二半導体層においてドーピング濃度が1×1017cm-3以下であるリッジ側方部分と電極層とのショットキー接合では、上記低濃度側の化合物層によって十分な電流狭窄が得られる。このようにオーミック接合性とショットキー接合性がともにより強化されるので、電流狭窄を行うための埋め込み層(電流ブロック層)の結晶再成長工程と、低コンタクト抵抗を得るためのコンタクト層の結晶再成長工程を別途行うことなく、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗を実現でき、熱的、電気的信頼性が向上する。したがって、低閾値電流でかつ高出力動作が可能で、長期信頼性が得られるとともに、製造工程に簡略化によりコストを低減でき、従来構造を有する半導体レーザ素子と同等以上の信頼性と高出力特性を低消費電力にて実現できる半導体レーザ素子を提供することができる。 According to the semiconductor laser device of the above embodiment, in the ohmic junction between the ridge top having a doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and the electrode layer, a lower contact resistance is obtained by the high concentration compound layer. In the Schottky junction between the ridge side portion having a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less and the electrode layer in the second semiconductor layer, sufficient current confinement is obtained by the low concentration compound layer. Since the ohmic junction and the Schottky junction are enhanced in this way, the crystal regrowth process of the buried layer (current blocking layer) for current confinement and the crystal of the contact layer for obtaining low contact resistance. Sufficient current constriction and low contact resistance can be realized without performing a separate regrowth process, and thermal and electrical reliability is improved. Therefore, low threshold current and high output operation are possible, long-term reliability can be obtained, cost can be reduced by simplifying the manufacturing process, and reliability and high output characteristics equivalent to or better than conventional semiconductor laser elements Can be realized with low power consumption.
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、
第一導電型の基板上に、活性層、第二導電型の第一半導体層、第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以下の第二半導体層、および第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以上の第三半導体層を順次形成する工程と、
上記第三半導体層の一部を除去して上記第三半導体層の材料からなるストライプ状のリッジを形成する工程と、
熱処理を行って、上記第三半導体層の第二導電型のドーパントを上記第二半導体層のうち上記リッジの直下に相当するリッジ直下部分に拡散させて、そのリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度を1×1017cm-3以上にする工程と、
上記リッジの表面および上記第二半導体層のうち上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分を覆う電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
In addition, the method for manufacturing the semiconductor laser device of the present invention includes:
On the first conductivity type substrate, an active layer, a second conductivity type first semiconductor layer, a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less, and a second conductivity type substrate Sequentially forming a third semiconductor layer having a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more;
Removing a part of the third semiconductor layer to form a striped ridge made of the material of the third semiconductor layer;
Heat treatment is performed to diffuse the second conductivity type dopant of the third semiconductor layer into a portion of the second semiconductor layer immediately below the ridge corresponding to the region immediately below the ridge, so that the second conductivity type of the portion immediately below the ridge is diffused. A step of increasing the doping concentration to 1 × 10 17 cm −3 or more;
Forming an electrode layer covering a ridge side portion corresponding to a side of the ridge among the surface of the ridge and the second semiconductor layer.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記第二半導体層のリッジ側方部分と上記電極層との界面ではショットキー接合をなし、電流が遮断され、上記リッジの頂部と電極層との界面ではオーミック接合をなす状態に仕上がる。第二半導体層のうちリッジ直下部分のドーピング濃度を選択的に高めることができるため、リッジ直下の半導体レーザ素子の直列抵抗を悪化させることなく、第二半導体層のリッジ側方部分と電極層との電流狭窄性を十分に大きくすることが可能となる。その結果、低コストで製造でき、かつ低閾値電流発振、高出力動作可能な半導体レーザ素子の製造方法が提供される。 According to the method of manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, a Schottky junction is formed at the interface between the ridge side portion of the second semiconductor layer and the electrode layer, current is cut off, and the top of the ridge and the electrode layer At the interface, it is finished in an ohmic contact state. Since the doping concentration of the portion immediately below the ridge in the second semiconductor layer can be selectively increased, the ridge side portion of the second semiconductor layer, the electrode layer, and the like can be obtained without deteriorating the series resistance of the semiconductor laser element immediately below the ridge. It becomes possible to sufficiently increase the current confinement property. As a result, a method of manufacturing a semiconductor laser device that can be manufactured at low cost and that can operate with low threshold current oscillation and high output is provided.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記リッジを形成する工程は、上記第三半導体層上に、無機絶縁膜からなるストライプ状のエッチングマスクを形成する工程と、上記無機絶縁膜をマスクにして上記第三半導体層のうち上記マスクの両側に相当する部分を除去する工程を含むことが好ましい。 In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor laser device, the step of forming the ridge includes a step of forming a striped etching mask made of an inorganic insulating film on the third semiconductor layer, and the inorganic insulating film. Preferably, the method includes a step of removing portions corresponding to both sides of the mask of the third semiconductor layer using the mask as a mask.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、無機絶縁膜は、熱処理に対して良好な表面保護膜となるため、電流注入におけるオーミック接合を形成するリッジの頂部を熱処理時に露出することがなくなり、上記リッジ頂部の半導体層の結晶性の低下や第二導電型のドーパントの再蒸発が発生することによる素子の高抵抗化の問題を抑制することが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, the inorganic insulating film becomes a surface protective film that is favorable to heat treatment, and therefore, the top of the ridge that forms an ohmic junction in current injection may be exposed during the heat treatment. Accordingly, it is possible to suppress the problem of increasing the resistance of the element due to the decrease in crystallinity of the semiconductor layer at the top of the ridge and the re-evaporation of the second conductivity type dopant.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記リッジを形成した後、上記熱処理を行う前に、上記リッジの表面および上記第二半導体層の上記リッジ側方部分を覆う無機絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。 Also, in one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor laser device, after forming the ridge and before performing the heat treatment, an inorganic insulating film that covers the surface of the ridge and the side portion of the second ridge of the second semiconductor layer is formed. It is preferable to include the process of forming.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、熱処理工程を実施する際に、上記リッジ側の半導体層の全ての表面が無機絶縁膜で被覆されているために、上述のリッジ頂部のみならず、他の半導体表面の結晶性低下やドーパントの再蒸発をも抑制することが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, when the heat treatment step is performed, all the surface of the semiconductor layer on the ridge side is covered with the inorganic insulating film. In addition, it is possible to suppress the crystallinity degradation of other semiconductor surfaces and the re-evaporation of the dopant.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第三半導体層を形成する時、上記第三半導体層のうち少なくとも最下層に上記第二導電型のドーパントとして亜鉛(Zn)をドーピングすることが好ましい。 In one embodiment, when the third semiconductor layer is formed, at least the lowest layer of the third semiconductor layer is doped with zinc (Zn) as the second conductivity type dopant. It is preferable.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第二半導体層の直上である第三半導体層を形成する時、上記第三半導体層のうち少なくとも最下層に上記第二導電型のドーパントとして亜鉛(Zn)をドーピングする。したがって、上記第三半導体層をパターン加工してリッジを形成した後、熱処理を加えることによって、第二半導体層のリッジ直下の領域だけに亜鉛を拡散させて、電流注入経路の抵抗を低減することが可能となる。 According to the method of manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, when forming the third semiconductor layer immediately above the second semiconductor layer, at least the lowest layer of the third semiconductor layer as the second conductivity type dopant. Doping with zinc (Zn). Therefore, after forming the ridge by patterning the third semiconductor layer, the heat treatment is performed to diffuse zinc only in the region immediately below the ridge of the second semiconductor layer, thereby reducing the resistance of the current injection path. Is possible.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第一半導体層を形成する時、上記第一半導体層に上記第二導電型のドーパントとして炭素(C)をドーピングすることが好ましい。 In one embodiment, when forming the first semiconductor layer, the first semiconductor layer is preferably doped with carbon (C) as a dopant of the second conductivity type.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、炭素(C)は、極めて拡散しにくいため、第一半導体層側から第二半導体層への第二導電型ドーパントの拡散を防止できる。したがって、上述の熱処理後も、第二半導体層のリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度を高めてしまうことがなく、第二半導体層のリッジ側方部分の表面において、良好なショットキー接合を形成することが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, carbon (C) is extremely difficult to diffuse, and thus the diffusion of the second conductivity type dopant from the first semiconductor layer side to the second semiconductor layer can be prevented. Therefore, even after the above-described heat treatment, the doping concentration of the second conductivity type in the ridge side portion of the second semiconductor layer is not increased, and a good Schottky is formed on the surface of the ridge side portion of the second semiconductor layer. A bond can be formed.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第一半導体層の上記炭素(C)をドーパントとして用いた第二導電型のドーピング濃度を、上記熱処理によって上記第二半導体層の上記リッジ直下部分が達する第二導電型のドーピング濃度以上にすることが好ましい。 Also, in one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor laser device, the doping concentration of the second conductivity type using the carbon (C) of the first semiconductor layer as a dopant is changed to the ridge of the second semiconductor layer by the heat treatment. It is preferable to set the doping concentration of the second conductivity type reached by the portion immediately below.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第二半導体層の上記リッジ直下部分が達する第二導電型ドーピング濃度が、第一半導体層の第二導電型ドーピング濃度よりも低くなっているため、第三半導体層最下層の半導体層から拡散してきた亜鉛(Zn)ドーパントは、第一半導体層側には拡散しない。よって、活性層への不純物(亜鉛)拡散が防止できる。亜鉛が活性層にまで拡散すると非発光再結合中心が増加し、信頼性や発振効率が低下するが、そのような活性層への不純物拡散現象を阻止できた結果、良好な信頼性を有し、高効率発振が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。 According to the method of manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, the second conductivity type doping concentration reached by the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer is lower than the second conductivity type doping concentration of the first semiconductor layer. Therefore, the zinc (Zn) dopant diffused from the lowermost semiconductor layer of the third semiconductor layer does not diffuse to the first semiconductor layer side. Therefore, impurity (zinc) diffusion into the active layer can be prevented. When zinc diffuses into the active layer, non-radiative recombination centers increase and the reliability and oscillation efficiency decrease, but it has good reliability as a result of preventing such impurity diffusion phenomenon into the active layer. Thus, it becomes possible to manufacture a semiconductor laser device capable of high-efficiency oscillation.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記熱処理を600℃から800℃の温度にて行うことが好ましい。 In one embodiment of the semiconductor laser device manufacturing method, the heat treatment is preferably performed at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第三半導体層の最下層に形成された亜鉛をドーピングした半導体層から、リッジ直下の領域に亜鉛を拡散させることができるようになり、電流注入領域における素子抵抗を低減することが可能となる。 According to the method of manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, zinc can be diffused from a semiconductor layer doped with zinc formed in the lowermost layer of the third semiconductor layer into a region immediately below the ridge, It becomes possible to reduce the element resistance in the implantation region.
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、
上記第三半導体層の最上層として第二導電型のドーピング濃度が1×1018cm-3以上の半導体層を形成し、
上記電極層形成後に熱処理を行って、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層を形成する一方、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層を形成することが好ましい。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor laser device according to one embodiment includes:
Forming a semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more as the uppermost layer of the third semiconductor layer;
Heat treatment is performed after the formation of the electrode layer to form a high-concentration compound layer composed of the constituent elements of the electrode layer and the constituent elements of the ridge top at the interface between the electrode layer and the top of the ridge. It is preferable to form a low-concentration compound layer comprising the constituent elements of the electrode layer and the constituent elements of the second semiconductor layer at the interface between the electrode layer and the ridge side portion of the second semiconductor layer.
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、ドーピング濃度が1×1017cm-3以下の第二半導体層のリッジ側方部分と電極層とのショットキー接合において上記低濃度側の化合物層によって十分な電流狭窄が得られるとともに、ドーピング濃度が1×1018cm-3以上のリッジ頂部と電極層とのオーミック接合において、上記高濃度側の化合物層によってより低コンタクト抵抗が得られる。このようにショットキー接合性とオーミック接合性がより強化されるので、電流ブロック層の埋め込み再成長工程や電極コンタクト層の結晶再成長工程を行うことなしに、低閾値電流でかつ高出力動作が可能で、長期信頼性が得られるとともに、製造工程の簡略化によりコストを低減できる。したがって、十分な電流狭窄性と優れた素子信頼性が得られ、かつ、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。 According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the above embodiment, the low concentration compound is used in the Schottky junction between the electrode layer and the ridge side portion of the second semiconductor layer having a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less. A sufficient current confinement can be obtained by the layer, and a lower contact resistance can be obtained by the high-concentration compound layer in the ohmic junction between the top of the ridge having a doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more and the electrode layer. Since the Schottky junction and the ohmic junction are further strengthened in this way, a low threshold current and a high output operation can be performed without performing a current block layer burying regrowth process and an electrode contact layer crystal regrowth process. It is possible and long-term reliability can be obtained, and the cost can be reduced by simplifying the manufacturing process. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor laser device that can obtain a sufficient current confinement property and excellent device reliability, and that can operate at high power with low power consumption.
この発明の光ディスク装置は、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする。 An optical disk apparatus according to the present invention includes the semiconductor laser element according to the present invention.
既述のように本発明の半導体レーザ素子は低閾値電流・高出力動作が可能であるから、この発明の光ディスク装置によれば、従来の光ディスク装置に比べて、低消費電力で高速なデータ書き込みが可能になる。また、この発明の光ディスク装置は、より安価に構成される。 As described above, since the semiconductor laser device of the present invention can operate with a low threshold current and a high output, according to the optical disk apparatus of the present invention, data writing can be performed at high speed with low power consumption compared with the conventional optical disk apparatus. Is possible. Further, the optical disk apparatus of the present invention is configured at a lower cost.
この発明の光伝送システムは、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする。 An optical transmission system according to the present invention includes the semiconductor laser device according to the present invention.
既述のように本発明の半導体レーザ素子は低閾値電流・高出力動作が可能であるから、この発明の光伝送システムによれば、従来の光伝送システムに比べて、低消費電力で高速なデータ伝送が可能となる。また、この発明の光伝送システムは、より安価に構成される。 As described above, since the semiconductor laser device of the present invention can operate with a low threshold current and a high output, according to the optical transmission system of the present invention, compared with the conventional optical transmission system, low power consumption and high speed. Data transmission is possible. Further, the optical transmission system of the present invention is configured at a lower cost.
以上より明らかなように、本発明の半導体レーザ素子は、低閾値電流・高出力動作が可能な上、長期の信頼性を有しており、さらに光学特性設計の自由度に富み、かつ安定した光学特性と製造工程の簡略化によるコスト低減とを両立できる。 As is clear from the above, the semiconductor laser device of the present invention is capable of low threshold current and high output operation, has long-term reliability, and has a high degree of freedom in designing optical characteristics and is stable. Both optical characteristics and cost reduction due to simplification of the manufacturing process can be achieved.
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、電流ブロック層の埋め込み再成長工程や電極コンタクト層の結晶再成長工程を行うことなしに、十分な電流狭窄性を有し、素子信頼性に優れ、かつ低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。 The method of manufacturing a semiconductor laser device of the present invention has sufficient current confinement, excellent device reliability, without performing a current block layer burying regrowth step and a crystal regrowth step of an electrode contact layer, and It becomes possible to manufacture a semiconductor laser device capable of high power operation with low power consumption.
本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光ディスク装置に比べて、低消費電力で高速なデータ書き込みができる上、より安価に構成される。 According to the optical disk apparatus of the present invention, by using the semiconductor laser element of the present invention, it is possible to write data at low power consumption and at a high speed as compared with the conventional optical disk apparatus, and to be configured at a lower cost.
また、本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子をその光伝送モジュールに用いることで、従来よりも圧倒的に安価でかつ信頼性を兼ね備えた光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化を図ることができる。 Further, according to the optical transmission system of the present invention, by using the semiconductor laser element of the present invention for the optical transmission module, it is possible to provide an optical transmission module that is overwhelmingly cheaper and more reliable than the conventional one. Therefore, the price of the optical transmission system can be reduced.
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
なお、以下の説明では、「n−」は第1導電型としてのn型を表し、「p−」は第2導電型としてのp型を表す。 In the following description, “n−” represents the n-type as the first conductivity type, and “p−” represents the p-type as the second conductivity type.
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものである。この半導体レーザ素子は、波長890nmで発振して赤外線通信に用いられるものである。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows the structure of the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention. This semiconductor laser element oscillates at a wavelength of 890 nm and is used for infrared communication.
この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板101上に、n−GaAsバッファ層102、n−Al0.5Ga0.5As第一下クラッド層103、n−Al0.422Ga0.578As第二下クラッド層104、Al0.25Ga0.75As下ガイド層105、多重歪量子井戸活性層106、Al0.25Ga0.75As第一上ガイド層107、Al0.4Ga0.6As第二上ガイド層108、第一半導体層の一例としてのp−Al0.456Ga0.544As第一上クラッド層109と、p−Al0.456Ga0.544As第二上クラッド層110、p−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111が順次積層されている。
This semiconductor laser device includes an n-
上記p−Al0.456Ga0.544As第二上クラッド層110とp−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111で第二半導体層群を構成している。詳しくは後述するが、第二半導体層群110,111のうちリッジ130の直下119aに相当する部分(以下、「リッジ直下部分」という。)110aおよび111aとその近傍だけ、第二半導体層群110,111のうちリッジ130の側方119bに相当する部分(以下、「リッジ側方部分」という。)110cおよび111cに比して、p型ドーピング濃度が高くなっている。なお、各半導体層は、特に断らない限り、層方向に関して均一なドーピング濃度になっている。
The p-Al 0.456 Ga 0.544 As second
この半導体層111上に、順メサ形状の断面を持ち、図1の紙面に対して垂直にストライプ状に延在するリッジ130をなすように、p−Al0.5Ga0.5As第三上クラッド層112、p−GaAsコンタクト層113およびp+−GaAsコンタクト層114が設けられている。
On this
上記p−Al0.5Ga0.5As第三上クラッド層112、p−GaAsコンタクト層113およびp+−GaAsコンタクト層114で第三半導体層群を構成している。
The p-Al 0.5 Ga 0.5 As third
さらに、リッジ130の頂部、側面部および第二上クラッド層109の上面を連なって被覆する態様で、電極層としてTi/Pt/Auの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるp側電極115が設けられている。なお、115a、115b、115cがそれぞれ、リッジ130の頂部、側面部、半導体層111のリッジ側方部分111cの上面を被覆する部分(これを適宜「電極部分」と呼ぶ。)を表している。電極部分115aとリッジ130の頂部(コンタクト層114)とはオーミック接合をなす一方、電極部分115cと半導体層111の上面とはショットキー接合をなしている。なお、詳しくは後述するが、120(120a,120b,120cを含む。)は、p側電極115とそれが接する半導体層とが合金化した化合物層を表している。また、基板101の裏面には、別の電極層として、AuGe/Ni/Auの多層金属薄膜からなるn側電極116が形成されている。さらに、p側電極115のうち半導体層111のリッジ側方部分111c上に形成された部分115cに対して、外部回路との電気的接続を行うためのAuワイヤ(図示せず)がボンディングされる。
Further, the p-side electrode made of a multilayer metal thin film formed by laminating Ti / Pt / Au in this order as an electrode layer in such a manner that the top portion, the side surface portion of the
次に図2〜図4を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor laser device will be described with reference to FIGS.
まず図2に示すように、n−GaAs基板101の(100)面上に、n−GaAsバッファ層102(層厚:0.5μm、Siドーピング濃度:7.2×1017cm-3)、n−Al0.5Ga0.5As第一下クラッド層103(層厚:2.0μm、Siドーピング濃度:5.4×1017cm-3)、n−Al0.422Ga0.578As第二下クラッド層104(層厚:0.1μm、Siドーピング濃度:5.4×1017cm-3)、Al0.25Ga0.75As下ガイド層105(層厚3.0nm)、多重歪量子井戸活性層106、Al0.25Ga0.75As第一上ガイド層107(層厚:3.0nm)、Al0.4Ga0.6As第二上ガイド層108(層厚:0.1μm)、第一半導体層の一例としてのp−Al0.456Ga0.544As第一上クラッド層109(層厚:0.2μm、Cドーピング濃度:1×1018cm-3)、Al0.456Ga0.544As第二上クラッド層110(層厚:0.1μm、p型キャリア濃度:2×1016cm-3以下)、In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111(層厚:15nm、p型キャリア濃度:5×1015cm-3以下)、p−Al0.5Ga0.5As第三上クラッド層112(層厚:1.28μm、Znドーピング濃度4×1018cm-3)、p−GaAsコンタクト層113(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:3×1018cm-3)、p+−GaAsコンタクト層114(層厚:0.3μm、Znドーピング濃度:1×1020cm-3)を順次、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)にて結晶成長させる。上記多重歪量子井戸活性層106は、In0.1001Ga0.8999As圧縮歪量子井戸層(歪0.7%、層厚:46Å、2層)とIn0.238Ga0.762As0.5463P0.4537引張歪障壁層(歪0.1%、バンドギャップEg≒1.60eV、基板側から層厚:215Å、79Å、215Åの3層であり、基板101に最も近いものが、n側障壁層、最も遠いものがp側障壁層となる)を交互に配置して形成されている。
First, as shown in FIG. 2, an n-GaAs buffer layer 102 (layer thickness: 0.5 μm, Si doping concentration: 7.2 × 10 17 cm −3 ) is formed on the (100) plane of the n-
続いて、プラズマ−CVD(化学気相成長)法を用いて、p+−GaAsコンタクト層114上に、窒化珪素(SiNx)膜118を300nm形成する。
Subsequently, a 300 nm silicon nitride (SiNx)
次に、リッジ130を形成すべき領域119a(図1参照)上に、図2中に示すようにレジストマスク119(マスク幅3.5μm)をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク119は、形成すべきリッジ130が延びる方向に対応して、<0−11>方向にストライプ状に延びるように形成される。
Next, on the
このレジストマスク119をマスクにバッファードフッ酸を使用して、窒化珪素膜118をストライプ状にエッチング加工する。窒化珪素膜118をストライプ状に加工した後、レジストマスク119は除去する。
Using this resist
次に図3に示すように、半導体層114、113、112のうち上記窒化珪素膜118の両側に相当する部分をエッチングにより除去して、窒化珪素膜118の直下に、順メサストライプ状のリッジ130を形成する。このエッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて、半導体層111のリッジ側方部分111cが露出するまで行う。続いて、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液で、GaAsコンタクト層113および114のオーバーハング部分をとる。エッチングの深さは1.78μm、リッジ130の最下部の幅は約3.2μmである。
Next, as shown in FIG. 3, portions of the semiconductor layers 114, 113, and 112 corresponding to both sides of the
この後、高温に加熱できる密閉されたベーク炉(本実施形態では、結晶成長に使用したMOCVD装置のチャンバーを使った)を使用して、AsH3を流すことで半導体層表面からの砒素の再蒸発を防止しながら、750℃で30分加熱した。ベーク炉から取り出した後、バッファードフッ酸を再び使用して、ストライプ状の窒化珪素膜118を除去した。
Thereafter, using a sealed bake furnace that can be heated to a high temperature (in this embodiment, the chamber of the MOCVD apparatus used for crystal growth was used), AsH 3 was allowed to flow to recycle arsenic from the semiconductor layer surface. Heating was performed at 750 ° C. for 30 minutes while preventing evaporation. After removal from the bake furnace, the buffered hydrofluoric acid was used again to remove the striped
上記の750℃における熱処理によって、リッジ130の最下層を構成するp−Al0.5Ga0.5As第三上クラッド層112のZnドーピング濃度は、半導体層111側において熱処理前の4×1018cm-3から1.5×1018cm-3に低下した。これと同時に、Al0.456Ga0.544As第二上クラッド層110のリッジ直下部分110aのドーピング濃度は、熱処理前に2×1016cm-3以下であったものが、熱処理後は、第一上クラッド層109側が1.0×1018cm-3であり、そこからほぼ直線的にドーピング濃度が増加しながら、In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111側で1.5×1018cm-3となった。また、In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111のリッジ直下部分111aのドーピング濃度は、熱処理前の5×1015cm-3以下の状態から1.5×1018cm-3まで上昇させることができた。
The Zn doping concentration of the p-Al 0.5 Ga 0.5 As third
図5は、上記熱処理工程による、リッジ130周辺のドーピング濃度の変化を説明するための図である。図5(a)は、リッジ130周辺を拡大して示している。また、図5(a)中において、断面A−A’およびB−B’の各断面での第二導電型濃度の模式的なプロファイルを図5(b)に示し、図5(a)中の断面C−C’の断面での第二導電型濃度の模式的なプロファイルを図5(c)に示した。
FIG. 5 is a diagram for explaining a change in doping concentration around the
図5(b)において、太実線は、熱処理工程後の断面A−A’における第二導電型濃度プロファイルを示し、一点破線からB−B’へと続く実線は、熱処理工程前の断面A−A’における第二導電型濃度プロファイルを示している。また、熱処理前後において、断面B−B’の第二導電型濃度プロファイルは変化しない。 In FIG.5 (b), a thick continuous line shows the 2nd conductivity type density | concentration profile in the cross section AA 'after a heat processing process, and the continuous line from BB' to a BB 'is the cross section A- before a heat processing process. The second conductivity type concentration profile in A ′ is shown. In addition, the second conductivity type concentration profile of the cross section B-B ′ does not change before and after the heat treatment.
図5(c)において、断面C−C’の第二導電型濃度プロファイルから分かるように、半導体層111のリッジ直下部分111aの第二導電型濃度は領域111aに対応して高くなっている。なお、半導体層111のうち厳密な「リッジ直下部分111aだけでなく、その近傍部分111bも第二導電型のドーピング濃度が高くなっている。上記熱処理によって第二導電型のドーパントがリッジ直下部分111aを越えてリッジ側方部分111cに拡散するからである。本実施形態においては、その近傍部分111bは、リッジ端部から外方に向かって、およそ0.15μm程度の幅の領域が相当する。
In FIG. 5C, as can be seen from the second conductivity type concentration profile of the cross section C-C ', the second conductivity type concentration of the
続いて図4に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、p側電極115としてTi(層厚:50nm)/Pt(層厚:50nm)/Au(層厚:400nm)の順に金属薄膜を積層形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4, a metal thin film is formed in the order of Ti (layer thickness: 50 nm) / Pt (layer thickness: 50 nm) / Au (layer thickness: 400 nm) as the p-
その後、図1に示したように、基板101を裏面側から所望の厚み(ここでは、約100μm)にまで、ラッピング法により研削する。そして、裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、n側電極116としてAuGe合金(Au88%とGe12%との合金、層厚:100nm)、Ni(層厚:15nm)、Au(層厚:300nm)を積層形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 1, the
その後、N2雰囲気中で、400℃1分間加熱し、アロイ処理を行う。その結果、p側電極115と、p側電極115に接する各々の半導体層との界面には、Tiと各々の半導体層材料とが合金化した化合物層120が形成される。120a,120b,120cは、それぞれ化合物層120のうちリッジ頂部、リッジ側面、半導体層111のリッジ側方部分111cに対応する部分を表している。
Thereafter, an alloy process is performed by heating at 400 ° C. for 1 minute in an N 2 atmosphere. As a result, a
この基板101を、所望の共振器長(ここでは、500μm)を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーをチップ(500μm×250μm)に分割する。分割後のチップを、In糊剤を用いてステム(図示せず)上に固着する。そして、p側電極115のうち半導体層111のリッジ側方部分111cに対応する部分120c上に、外部回路との電気的接続を行うためのAuワイヤ(図示せず)をボンディングする。これで、半導体レーザ素子が完成する。
After dividing the
このようにして作製された半導体レーザ素子のp側電極115、n側電極116間に電流を流すと、リッジ130の側方のショットキー接合では電流が遮断され、リッジ130の頂部のオーミック接合を通してのみ電流が流れる。これにより、電流狭窄が行われる。そして、活性層106のうちリッジ130のほぼ直下に相当する部分が通電されて、レーザ発振を行う。
When a current is passed between the p-
本実施形態の半導体レーザ素子では、活性層106上に設けられた第二半導体層群110,111のリッジ直下部分110aおよび111aのp型ドーピング濃度が1×1018cm-3以上であり、第二半導体層群110,111のリッジ側方部分110cおよび111cではp型ドーピング濃度が1×1017cm-3以下(この例では、リッジ側方部分110c,111cのp型ドーピング濃度はそれぞれ2×1016cm-3、1×1015cm-3である)となっているため、第二半導体層群110,111のリッジ直下部分110aおよび111aの電気抵抗を低く保ちながら、リッジの外側に設けられた電極部分120cと半導体層111のリッジ側方部分111cとの間のショットキー接合による電流狭窄性を非常に大きくすることができるようになった。よって、漏れ電流が少ないことによる低閾値電流での発振動作と、低直列抵抗による低消費電力、高出力動作を両立させることができた。
In the semiconductor laser device of the present embodiment, the p-type doping concentration of the
上述のような構成を実現するために本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、リッジ130をエッチングにより形成した後に、一旦熱処理を加えることによって、リッジ130直下の低ドーピングな半導体層だけを選択的に高ドーピング化している。上述のリッジエッチングの工程では、リッジ頂部のコンタクト層を確実に被覆・保護し、高温にも耐えうる窒化珪素(SiNx)膜をエッチングマスクとして使用した。
In order to realize the above-described configuration, in the method of manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, after the
リッジ130を構成する半導体層のうちの最下層112(半導体層111と接している層)から、加熱によって亜鉛(Zn)を第二半導体層群111,110に拡散させ、第二半導体層群のリッジ直下部分のp型ドーピング濃度を選択的に高めているため、リッジ形成工程によって露出した領域、つまり第二半導体層群のリッジ側方部分のp型ドーピング濃度は、低いままである。本工程において、亜鉛ドーパントは濃度勾配を有する場合、加熱により容易に拡散させることができるので特に好ましい。また、その熱処理工程は、本実施形態では750℃にて実施した。このとき、温度が高い程深く拡散する傾向にあるが、600〜800℃程度が本拡散工程には好ましい。600℃未満では、十分な拡散が起こらず、また800℃以上では、拡散は進むが半導体層表面からのAsの再蒸発等による荒れがひどくなってくる。前述のAsの再蒸発を防ぐため、本実施形態では、AsH3雰囲気中での加熱処理を行った。
Zinc (Zn) is diffused into the second
本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法においては、熱処理を行うに際して、リッジ130を形成する時にエッチングマスクとして使用した窒化珪素膜をリッジ頂部に残した状態で行った。このことにより、コンタクト層となるリッジ頂部の半導体層114のAsの再蒸発による結晶性の低下や第二導電型ドーパントである亜鉛の再蒸発を抑制することができた。リッジ130の頂部のみならず、リッジ130の側面や第二半導体層群の表面のAsの再蒸発による結晶性の低下やドーパントの再蒸発を抑制するためには、熱処理工程を実施する前に、例えば窒化珪素膜のような無機絶縁膜を再度形成する工程を追加すればよい。しかしながら、本実施形態では、そのような工程を追加することはコストアップにつながることと、AsH3雰囲気にて熱処理を行っているので、Asの再蒸発は防止できており、リッジ130の頂部以外のショットキー接合による電流狭窄領域については、ドーパントの再蒸発が発生して、そのキャリア濃度が低下しても構わないことから、リッジ130の頂部のみを窒化珪素膜で被覆する工程を採用している。
In the manufacturing method of the semiconductor laser device of this embodiment, the heat treatment is performed in a state where the silicon nitride film used as an etching mask when forming the
本実施形態の半導体レーザ素子においては、既述のように、第二半導体層群110,111のリッジ側方部分110cおよび111cではp型ドーピング濃度が1×1017cm-3以下(この例では、リッジ側方部分110c,111cのp型ドーピング濃度はそれぞれ2×1016cm-3、1×1015cm-3である)となっているので、リッジ外領域においてショットキー接合を形成した際の電流狭窄性は非常に大きい。この部分の電流狭窄性は、1×1017cm-3以下のドーピング濃度になると急激に大きくなり、ドーピング濃度が低いほどさらに良好になる。また、通電時の安定性も良くなることが分かった。一方、第二上クラッド層110のリッジ直下部分はp型ドーピング濃度が1×1018cm-3にドーピングされているが、この領域は、少なくとも1×1017cm-3以上にドーピングされていることが望ましい。より大きなドーピング濃度のほうが、素子の直列抵抗は減少するが、クラッド層として1×1019cm-3以上ドーピングすると結晶性低下による素子の諸特性の悪化が懸念されるようになる。
In the semiconductor laser device of this embodiment, as described above, the p-type doping concentration in the
従来の半導体レーザ素子では、第二半導体層群111,110に相当する半導体層において、活性層106に平行な方向でのドーピング濃度分布が均一であったため、上述のような低直列抵抗と高電流狭窄性を両立することが困難であった。
In the conventional semiconductor laser device, since the doping concentration distribution in the direction parallel to the
また、本実施形態の半導体レーザ素子のように第二半導体層群の最表面(リッジ形成工程において露出される半導体層111)は、Alを含まないInGaAsPが好ましい。このようにInGaAsPを第二半導体層群の表面に用いることで、Alを含む半導体層を用いた場合に比べて、Znの熱拡散工程によっても顕著な酸化反応が起こらず、素子信頼性を向上させる効果がある。また、酸化に起因する深い非発光準位の発生もないため、発振効率も悪化しないという効果がある。同様にAlを含まないInGaPは、ΔEvが大きくなるためホール注入効率が低下することと、成長条件によっては、自然超格子化しやすく、その際に屈折率が大きく変動してしまうため、発振効率の面や、光学特性の安定性の面からInGaAsPに比べると好ましくない。
In addition, like the semiconductor laser device of this embodiment, the outermost surface of the second semiconductor layer group (
またAlを含まないInGaAsPは、MOCVD法を用いた結晶成長時に、自然にp型化するレベルがAlを含む半導体層に比べて小さく、容易に5×1015cm-3以下のノンドープ状態を実現することができる。このように低キャリア濃度状態を容易に得ることができる点でも、InGaAsPを用いることが好ましい。一方、AlGaAsは、そのAl混晶比や成長条件にも依存するが、ノンドープ状態では、2×1016cm-3以下程度に形成される。すなわち、上述の半導体レーザ素子の製造工程においては、第二半導体層群110,111は、MOCVD法によるノンドープ(ドーパントを加えない状態)での結晶成長を行った。第二半導体層群110,111の結晶成長時のp型キャリア濃度は、上述のように、小さいほど素子完成後の電流狭窄性が増すために好ましい。したがって、そのような低キャリア濃度の結晶成長が実現できるようなMOCVD法における成長条件設定を行うことが望ましい。
InGaAsP that does not contain Al has a lower level of p-type spontaneously when compared to a semiconductor layer containing Al during crystal growth using the MOCVD method, and easily realizes a non-doped state of 5 × 10 15 cm −3 or less. can do. It is preferable to use InGaAsP from the viewpoint that a low carrier concentration state can be easily obtained. On the other hand, AlGaAs is formed to about 2 × 10 16 cm −3 or less in the non-doped state, although it depends on the Al mixed crystal ratio and growth conditions. That is, in the manufacturing process of the semiconductor laser device described above, the second
本実施形態の半導体レーザ素子において、第二半導体層群110,111の厚みは、0.115μmである。十分な電流狭窄性を得るために、低ドーピング濃度の第二半導体層群110,111の厚みは、少なくとも0.1μm以上必要である。またその最大値は、リッジ直下の抵抗増大の観点からは上限がないが、0.4μmより厚くても電流狭窄性をそれ以上向上させることはないことが分かった。
In the semiconductor laser device of this embodiment, the thickness of the second
また、本実施形態の半導体レーザ素子のように、第一半導体層109は、炭素(C)がドーピングされていることが好ましい。炭素は加熱工程によっても拡散されにくいので、上述の加熱工程の際に、第二半導体層群110,111に対して下側からのドーパント拡散がなく、リッジ直下だけp型ドーピング濃度が高まった所望の構造を容易に得ることができる。また、リッジ直下におけるZn拡散後のドーピング濃度よりも第一半導体層109の炭素のドーピング濃度を高くなるようにしておくことによって、ドーパントの濃度勾配の関係から、第二半導体層群110,111へ拡散してきたZnがさらに第一半導体層109へ拡散することを防止できるようになる。炭素は、本実施形態のようにMOCVD法にて結晶成長を行う際には、成長条件を適切に設定することによって、新たにドーパントガス供給ラインを追加することなく結晶原料となるMO(有機金属)材料からドーピングすることが可能となる。したがって、装置製造コストや原料コストをさらに削減することができるため、特に好ましい。もちろん、新たなドーパントガス供給ラインを追加し、炭化臭素(CBr4)などの材料を用いて炭素をドーピングしてもよい。また、ガス供給ラインを追加する場合、炭素と同様に熱拡散しにくいマグネシウム(Mg)をドーパントとして使用することもできる。
Further, like the semiconductor laser device of the present embodiment, the
また、本実施形態の半導体レーザ素子は、上述のようにショットキー接合を用いて電流狭窄を行う場合、電極を形成した後、熱処理を行うことによって、図5に示したように、電極層115を構成する最下層の電極材料と、それが接する半導体層との界面に化合物層120を形成しているため、リッジ130の側方の電流狭窄領域におけるショットキー接合性とコンタクト層114におけるオーミック接合性がより強化され、リッジ130のみにさらに低抵抗で電流注入できるようになった。
Further, in the semiconductor laser device of this embodiment, when current confinement is performed using a Schottky junction as described above, an
これらの結果、本実施形態の半導体レーザ素子とその製造方法では、低い発振閾値電流を有し、高出力動作可能な半導体レーザ素子を非常に低コストで提供することができるようになった。 As a result, the semiconductor laser device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment can provide a semiconductor laser device having a low oscillation threshold current and capable of high output operation at a very low cost.
また、レーザ発振の波長は890nmとしたが、これに限るものではないことは当然である。本発明は、例えば、CD用に用いられる波長780nmのAlGaAs/GaAs系半導体レーザ素子や、DVD用に用いられる波長650nmのInGaAlP/GaAs系半導体レーザ素子、および405nm帯の材料であるInGaN/GaN系材料を用いた半導体レーザ素子にも適用しうる。また、材料系の異なる半導体層間の界面、すなわち上ガイド層−障壁層の間、下ガイド層−障壁層の間に、たとえばGaAsからなる界面保護層を設けてもよい。 Although the laser oscillation wavelength is 890 nm, it is naturally not limited to this. The present invention is, for example, an AlGaAs / GaAs semiconductor laser device having a wavelength of 780 nm used for CD, an InGaAlP / GaAs semiconductor laser device having a wavelength of 650 nm used for DVD, and an InGaN / GaN system which is a material of 405 nm band. The present invention can also be applied to a semiconductor laser element using a material. Further, an interface protective layer made of, for example, GaAs may be provided at the interface between semiconductor layers having different material systems, that is, between the upper guide layer and the barrier layer, and between the lower guide layer and the barrier layer.
〔第2実施形態〕
図6は、本発明にかかる光ディスク装置200の構造の一例を示したものである。これは光ディスク201にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際用いられる発光素子として、先に説明した第1実施形態の構成を使用した波長780nm帯で発振する半導体レーザ素子202を備えている。
[Second Embodiment]
FIG. 6 shows an example of the structure of the
この光ディスク装置200についてさらに詳しく説明する。書き込みの際は、半導体レーザ素子202から出射された信号光がコリメートレンズ203により平行光とされ、ビームスプリッタ204を透過しλ/4偏光板205で偏光状態が調節された後、対物レンズ206で集光されて光ディスク201に照射される。読み出し時には、データ信号がのっていないレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク201に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク201の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ206、λ/4偏光板205を経た後、ビームスプリッタ204で反射されて90°角度を変えた後、受光素子用対物レンズ207で集光され、信号検出用受光素子208に入射する。信号検出用受光素子208内で入射したレーザ光の強弱によって記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路209において元の信号に再生される。
The
この第2実施形態の光ディスク装置200では、従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子202を用いているため、ディスクの回転数を従来より高速化してもデータの読み書きが可能となった。従って特に書き込み時に問題となっていたディスク201へのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなった。また、半導体レーザ素子202が従来よりも低いコストで作製可能であるから、より快適に操作できる光ディスク装置を安価に提供することができた。
Since the
なお、ここでは第1実施形態の構成を使用した半導体レーザ素子202を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長780nm帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置や、他の波長帯(例えば650nm帯)の光ディスク装置にも適用可能であることはいうまでもない。
Here, an example in which the
〔第3実施形態〕
図7は、本発明の第3実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール300を示す断面図である。また、図8は光伝送モジュール300の光源の部分を示す斜視図である。この第3実施形態では、光源として第1実施形態で説明した発振波長890nmのInGaAs系半導体レーザ素子(レーザチップ)301を、また受光素子302としてシリコン(Si)のpinフォトダイオードを用いている。詳しくは後述するが、通信を行う双方の側(例えば、端末とサーバ)にそれぞれ同じ光伝送モジュール300を備えることにより、双方の光伝送モジュール300間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。
[Third Embodiment]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an
図7において、回路基板306上には、半導体レーザ駆動用の正負両電極のパターンが形成され、図示のとおり、レーザチップを搭載する部分には深さ300μmの凹部306aが設けられている。この凹部306aに、レーザチップ301を搭載したレーザマウント(マウント材)310をはんだで固定する。レーザマウント310の正電極312の平坦部313は、回路基板306上のレーザ駆動用正電極部(図示せず)とワイヤ307aによって電気的に接続される。凹部306aはレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっており、また、面の粗さが放射角に影響を与えないようにされている。
In FIG. 7, a pattern of both positive and negative electrodes for driving a semiconductor laser is formed on a
受光素子302は、やはり回路基板306に実装され、ワイヤ307bにより電気信号が取り出される。この他に、回路基板306上にレーザ駆動用/受信信号処理用のIC回路308が実装されている。
The
次いで、はんだで凹部に固定されたレーザマウント310を搭載した部分に液状のシリコン樹脂309を適量滴下する。シリコン樹脂309中には、光を拡散させるフィラーが混入されている。シリコン樹脂309は表面張力のために凹部内に留まり、レーザマウント310を覆い凹部306aに固定する。この第3実施形態では、回路基板306上に凹部306aを設け、レーザマウント310を実装したが、上述のように、シリコン樹脂309は表面張力のためにレーザチップ表面およびその近傍に留まるので、凹部306aは必ずしも設ける必要はない。
Next, an appropriate amount of a
この後、80℃で約5分間加熱して、ゼリー状になるまで硬化させる。次いで、透明なエポキシ樹脂モールド303により被覆する。レーザチップ301の上方には、放射角制御のためのレンズ部304が、また、受光素子302の上方には信号光を集光するためのレンズ部305がそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。
Thereafter, it is heated at 80 ° C. for about 5 minutes to be cured until it forms a jelly. Next, it is covered with a transparent
次に、レーザマウント310について、図8を用いて説明する。図8に示すように、L字型のヒートシンク311にレーザ素子301がIn糊剤を用いてダイボンドされている。レーザチップ301は、第1実施形態で説明したInGaAs系の半導体レーザ素子であり、そのチップ下面301bには高反射膜がコーティングされており、一方、レーザチップ上面301aには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜は、レーザチップ端面の保護も兼ねている。
Next, the
ヒートシンク311の基部311bには正電極312が、ヒートシンク311と導通しないように絶縁物により固着されている。この正電極312とレーザチップ301の表面のショットキー接合部上に設けられた電極領域301cとは、金ワイヤ307cによって接続されている。上述のように、このレーザマウント310を、図7の回路基板306の負電極(図示せず)にはんだ固定して、正電極312の上部の平坦部313と回路基板306の正電極部(図示せず)とをワイヤ307aで接続する。このような配線の形成により、レーザビーム314を発振により得ることができる光伝送モジュール300が完成する。
A
この第3実施形態の光伝送モジュール300は、前述の低コストで製造できる1回成長タイプの半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュール単価を従来に比べて大幅に低く抑えることができる。
Since the
上述したように、通信を行う双方の側にそれぞれ同じ光伝送モジュール300を備えることにより、双方の光伝送モジュール300間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。図9は、この光伝送モジュール300を用いた光伝送システムの構成例を示している。この光伝送システムは、部屋の天井に設置された基地局316に上記光伝送モジュール300を備えるとともに、パーソナルコンピュータ315に上記と同じ光伝送モジュール(区別のために符号300’で表す。)を備えている。パーソナルコンピュータ315側の光伝送モジュール300’の光源から情報を持って発した光信号は、基地局316側の光伝送モジュール300の受光素子によって受信される。また、基地局316側の光伝送モジュール300の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ315側の光伝送モジュール300’の受光素子によって受信される。このようにして、光(赤外線)によるデータ通信を実現することができる。
As described above, by providing the same
尚、本発明の半導体レーザ装置、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではない。たとえば井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the semiconductor laser device, the optical disk device, and the optical transmission system of the present invention are not limited to the above illustrated examples. For example, various changes can be made without departing from the gist of the present invention, such as the layer thickness and the number of layers of the well layers and barrier layers.
101 n−GaAs基板
102 n−GaAsバッファ層
103 n−AlGaAs第一下クラッド層
104 n−AlGaAs第二下クラッド層
105 AlGaAs下ガイド層
106 多重歪量子井戸活性層
107 AlGaAs第一上ガイド層
108 p−AlGaAs第二上ガイド層
109 p−AlGaAs第一上クラッド層
110 p−AlGaAs第二上クラッド層
111 p−InGaAsP半導体層
112 p−AlGaAs第三上クラッド層
113 p−GaAsコンタクト層
114 p+−GaAsコンタクト層
115 p側電極
116 n側電極
118 窒化珪素膜
119 レジストマスク
119a メサストライプ
119b メサストライプ外領域
120 化合物層
110a、111a リッジ直下部分
110c、111c リッジ側方部分
130 リッジ
200 光ディスク装置
201 光ディスク
202 半導体レーザ素子
203 コリメートレンズ
204 ビームスプリッタ
205 λ/4偏光板
206 対物レンズ
207 受光素子用対物レンズ
208 信号検出用受光素子
209 信号光再生回路
300、300’ 光伝送モジュール
301 半導体レーザ素子(レーザチップ)
301a 低反射膜
301b 高反射膜
301c ショットキー接合している電極領域
302 受光素子
303 エポキシ樹脂モールド
304、305 レンズ部
306 回路基板
306a 凹部
307a、307b、307c ワイヤ
308 IC回路
309 シリコン樹脂
310 レーザマウント
311 ヒートシンク
311b 基部
312 正電極
313 平坦部
314 レーザビーム
315 パーソナルコンピュータ
316 基地局
101 n-GaAs substrate 102 n-GaAs buffer layer 103 n-AlGaAs first lower cladding layer 104 n-AlGaAs second
301a Low reflection film 301b
Claims (18)
上記活性層上に積層され、第二導電型で実質的に均一なドーピング濃度を持つ第一半導体層と、
上記第一半導体層上に積層され、第二導電型で、かつ上方に形成されたストライプ状のリッジの直下に相当するリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度よりも高い第二半導体層と、
上記第二半導体層上に形成された上記ストライプ状のリッジをなす第二導電型の第三半導体層と、
上記リッジの頂部との間でオーミック接合をなす一方、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との間でショットキー接合をなす電極層を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。 An active layer laminated on a semiconductor substrate of the first conductivity type;
A first semiconductor layer stacked on the active layer and having a second conductivity type and a substantially uniform doping concentration;
The second conductivity type doping concentration of the portion immediately below the ridge, which is laminated on the first semiconductor layer, is of the second conductivity type, and is directly below the stripe-shaped ridge formed above, corresponds to the side of the ridge. A second semiconductor layer having a higher doping concentration of the second conductivity type in the side portion of the ridge
A third semiconductor layer of a second conductivity type formed on the second semiconductor layer and forming the stripe-shaped ridge;
A semiconductor laser device comprising: an electrode layer that forms an ohmic junction with the top of the ridge, and forms a Schottky junction with the ridge side portion of the second semiconductor layer.
上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以上であり、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度が1×1017cm-3以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
The second conductivity type doping concentration in the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or more, and the second conductivity type doping concentration in the side portion of the ridge of the second semiconductor layer is 1. A semiconductor laser device having a size of 1 × 10 17 cm −3 or less.
上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーパントが亜鉛(Zn)であることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser element, wherein the second conductivity type dopant immediately below the ridge of the second semiconductor layer is zinc (Zn).
上記第一半導体層の第二導電型のドーパントが炭素(C)であることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser element, wherein the second conductivity type dopant of the first semiconductor layer is carbon (C).
上記第一半導体層の第二導電型のドーピング濃度が、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
2. A semiconductor laser device according to claim 1, wherein a doping concentration of the second conductivity type of the first semiconductor layer is equal to or higher than a doping concentration of the second conductivity type in a portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer.
上記第二半導体層が、上記第一半導体層側に配置されたAlを含む半導体層と上記第三半導体層側に配置されたInGaAsPからなる半導体層との積層であることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
The semiconductor laser, wherein the second semiconductor layer is a stack of a semiconductor layer containing Al disposed on the first semiconductor layer side and a semiconductor layer made of InGaAsP disposed on the third semiconductor layer side. element.
上記第二半導体層の厚みが0.1μm以上、0.4μm以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
A semiconductor laser element having a thickness of the second semiconductor layer of 0.1 μm or more and 0.4 μm or less.
上記リッジの頂部の第二導電型のドーピング濃度が1×1018cm-3以上であり、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層が形成され、
上記第二半導体層の上記リッジ側方部分のドーピング濃度が1×1017cm-3以下であり、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 The semiconductor laser device according to claim 1,
The doping concentration of the second conductivity type at the top of the ridge is 1 × 10 18 cm −3 or more, and the constituent element of the electrode layer and the constituent element of the top of the ridge are formed at the interface between the electrode layer and the top of the ridge. A high-concentration compound layer consisting of
The doping concentration of the second ridge side portion of the second semiconductor layer is 1 × 10 17 cm −3 or less, and the electrode layer has an interface between the electrode layer and the second ridge side portion of the second semiconductor layer. A semiconductor laser device, characterized in that a low concentration compound layer comprising a constituent element and a constituent element of the second semiconductor layer is formed.
上記第三半導体層の一部を除去して上記第三半導体層の材料からなるストライプ状のリッジを形成する工程と、
熱処理を行って、上記第三半導体層の第二導電型のドーパントを上記第二半導体層のうち上記リッジの直下に相当するリッジ直下部分に拡散させて、そのリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度を1×1017cm-3以上にする工程と、
上記リッジの表面および上記第二半導体層のうち上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分を覆う電極層を形成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。 On the first conductivity type substrate, an active layer, a second conductivity type first semiconductor layer, a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or less, and a second conductivity type substrate Sequentially forming a third semiconductor layer having a doping concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more;
Removing a part of the third semiconductor layer to form a striped ridge made of the material of the third semiconductor layer;
Heat treatment is performed to diffuse the second conductivity type dopant of the third semiconductor layer into a portion of the second semiconductor layer immediately below the ridge corresponding to the region immediately below the ridge, so that the second conductivity type of the portion immediately below the ridge is diffused. A step of increasing the doping concentration to 1 × 10 17 cm −3 or more;
Forming a surface of the ridge and an electrode layer covering a side portion of the ridge corresponding to the side of the ridge among the second semiconductor layer.
上記リッジを形成する工程は、上記第三半導体層上に、無機絶縁膜からなるストライプ状のエッチングマスクを形成する工程と、上記無機絶縁膜をマスクにして上記第三半導体層のうち上記マスクの両側に相当する部分を除去する工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 9,
The step of forming the ridge includes a step of forming a striped etching mask made of an inorganic insulating film on the third semiconductor layer, and a step of forming the mask of the third semiconductor layer using the inorganic insulating film as a mask. A method of manufacturing a semiconductor laser device, comprising a step of removing portions corresponding to both sides.
上記リッジを形成した後、上記熱処理を行う前に、上記リッジの表面および上記第二半導体層の上記リッジ側方部分を覆う無機絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 9,
A step of forming an inorganic insulating film covering the surface of the ridge and the side portion of the ridge of the second semiconductor layer after the ridge is formed and before the heat treatment is performed. Production method.
上記第三半導体層を形成する時、上記第三半導体層のうち少なくとも最下層に上記第二導電型のドーパントとして亜鉛(Zn)をドーピングすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 9,
A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein when forming the third semiconductor layer, at least a lowermost layer of the third semiconductor layer is doped with zinc (Zn) as the dopant of the second conductivity type.
上記第一半導体層を形成する時、上記第一半導体層に上記第二導電型のドーパントとして炭素(C)をドーピングすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 9,
A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein when forming the first semiconductor layer, the first semiconductor layer is doped with carbon (C) as a dopant of the second conductivity type.
上記第一半導体層の上記炭素(C)をドーパントとして用いた第二導電型のドーピング濃度を、上記熱処理によって上記第二半導体層の上記リッジ直下部分が達する第二導電型のドーピング濃度以上にすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 13,
The doping concentration of the second conductivity type using the carbon (C) as a dopant in the first semiconductor layer is set to be equal to or higher than the doping concentration of the second conductivity type reached by the heat treatment and the portion immediately below the ridge of the second semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor laser device.
上記熱処理を600℃から800℃の温度にて行うことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 9,
A method of manufacturing a semiconductor laser device, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 600 to 800 ° C.
上記第三半導体層の最上層として第二導電型のドーピング濃度が1×1018cm-3以上の半導体層を形成し、
上記電極層形成後に熱処理を行って、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層を形成する一方、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物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。 In the manufacturing method of the semiconductor laser device according to claim 9,
Forming a semiconductor layer having a second conductivity type doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more as the uppermost layer of the third semiconductor layer;
Heat treatment is performed after the formation of the electrode layer to form a high-concentration compound layer composed of the constituent elements of the electrode layer and the constituent elements of the ridge top at the interface between the electrode layer and the top of the ridge. A low-concentration compound layer comprising a constituent element of the electrode layer and a constituent element of the second semiconductor layer is formed at an interface between the electrode layer and the ridge side portion of the second semiconductor layer. Manufacturing method of semiconductor laser device.
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