JP2006093654A - 半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、光ディスク装置および光伝送システム - Google Patents

半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、光ディスク装置および光伝送システム Download PDF

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Abstract

【課題】 低コストで製造できて、かつ、リッジ部側に設けられた電極にまで発振レーザ光が漏れないようにすることによって高い発振効率を有し、低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子を提供することにある。
【解決手段】 この発明の半導体レーザ素子では、上記第２導電型の半導体層群１０８〜１１４に接するｐ側電極１１５は、上記第２導電型の半導体層群１０８〜１１４に接する側から順に、Ａｇ層１１５ａと、Ｐｄ層１１５ｂと、Ａｕ層１１５ｃとを有する。上記Ａｇ層１１５ａの屈折率は、上記半導体層群１０８〜１１４に用いられる半導体材料の屈折率よりも十分に小さいので、発振したレーザ光は、上記ｐ側電極１１５にまで漏れることなく、上記半導体層群１０８〜１１４内に閉じ込めることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体レーザ素子と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の光伝送モジュール部分などに好適に用いられる半導体レーザ素子とその製造方法に関する。
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。
半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムなどに幅広く使用されている。その中でも、リッジ埋め込み型と呼ばれる半導体レーザ素子は、高い信頼性を有し、しかも低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子として知られている。しかしながら上記リッジ埋め込み型半導体レーザ素子は、その製造工程において活性層やクラッド層を含む半導体層を形成するために行われる１回目の結晶成長工程に加えて、電流狭窄層を形成するための２回目の結晶成長工程と、コンタクト層を形成するための３回目の結晶成長工程を必要とし、複雑なプロセスを経て製造しなければならない。そのため、歩留まりが悪く、また製造コストが高いという問題があった。
そこで、より簡便かつ低コストで製造できる従来の半導体レーザ素子として、活性層上にリッジ部を有し、一回の結晶成長工程で製造できるリッジ導波型の半導体レーザ素子がある（特許文献１（特開平４−１１１３７５号公報）参照）。
図１１は、この従来の半導体レーザ素子の断面模式図である。この従来の半導体レーザ素子は次のようにして製造される。
まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板４０１上にｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層４０３、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４、ｐ型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型ＩｎＧａＰクラッド層４０４の途中までエッチングを行い、リッジ部となるメサを形成した後、ｐ電極４０６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、ｎ電極４０７としてＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ／Ａｕを順次蒸着する。
このようにして製造された素子に電流を流すと、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４とｐ電極４０６の間にはショットキー接合部４０８が形成され、ｐ電極４０６とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５の間にのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。
この従来のリッジ導波型の半導体レーザ素子は、リッジ埋め込み型の半導体レーザ素子が、前述のように合計３回の結晶成長工程と複雑な製造プロセスを必要とするのに対して、１回の結晶成長工程を行うだけでよい。加えて、この従来の半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザ素子の中でも、一般にエアリッジ型と呼ばれるような電流狭窄に無機絶縁膜を使用するタイプではなく、ショットキー接合を用いて電流狭窄を実現させる構成となっているため、構造がさらに簡単であり、より低コストで製造することができる。
しかしながら、特許文献１の従来の半導体レーザ素子には次のような問題があることが分かった。すなわち、前述したリッジ埋め込み型の半導体レーザ素子やエアリッジ型のリッジ導波型半導体レーザ素子とは異なり特許文献１に示される従来の半導体レーザ素子では、リッジ部の側面およびリッジ部から側方へ延在するクラッド層の表面に対して直接に電極が接している。この時、半導体レーザ素子を構成する半導体材料の屈折率と上記電極を構成する金属材料の屈折率によっては、発振したレーザ光の分布が、リッジ部側面およびリッジ部近傍のクラッド層表面に形成された電極にまで漏れやすくなることがあった。
上記特許文献１に示される従来の半導体レーザ素子で用いられたリッジ側の電極材料の屈折率は、半導体層と接するＴｉが、波長６５０ｎｍから１．５μｍの範囲でおよそ３．０から３．６であり、Ｔｉの上側に設けられているＰｔが同じく波長６６８ｎｍから１．５μｍの範囲で２．９から５．５である。一方、リッジ部の外方の基板に垂直な方向における実効屈折率も例えば３．２前後であり、上記ＴｉおよびＰｔの屈折率は無視し得なくなる。
このように、リッジ部外方の垂直方向における実効屈折率と、半導体層上に直接形成される電極材料の屈折率が近接していると、発振したレーザ光が電極側に漏れやすくなることがある。
前述したリッジ埋め込み型半導体レーザ素子では、リッジ部を除くｐ型クラッド層上には半導体材料からなり電流狭窄のために設けられる埋め込み層があり、さらにリッジ部および上記ｐ型クラッド層上には、コンタクト層となる半導体層を形成するため、このような問題は見られなかった。また、エアリッジ型のリッジ導波型半導体レーザ素子では、リッジ部の側面、およびリッジ部から外方へ延在するクラッド層の表面においては、電流狭窄のために設けられる無機絶縁膜の上に電極が形成されているために、このような問題は考慮する必要がなかった。
しかしながら、上述した特許文献１に示される従来の半導体レーザ素子においては、リッジ側に形成された電極側に光が漏れてしまうことがあり、そうなると電極を構成する金属材料は、半導体材料に比べて一般に光吸収係数が１０4倍から１０5倍程度も高いため、電極を構成する金属材料が光の非常に大きな吸収成分となって内部損失が大幅に増加してしまう。その結果、上述の従来の半導体レーザ素子においては、スロープ効率が低下したり、発振閾値電流値が上昇してしまうという問題が発生することが分かった。
特開平４−１１１３７５号公報（第１図）
そこで、この発明の課題は、低コストで製造できて、かつ、リッジ部に接する電極およびリッジ部近傍の電極にまで発振レーザ光が漏れないようにすることによって高い発振効率を有し、低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子とその製造方法を提供することにある。
さらに、この発明の課題は、上記半導体レーザ素子を備える光ディスク装置および光伝送システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、この発明の半導体レーザ素子は、
第１導電型の基板と、
この第１導電型の基板上に設けられた活性層と、
この活性層上に設けられると共に上部にストライプ状のリッジ部を有する第２導電型の半導体層群と、
上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の側面、および、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面、の少なくとも一方と、上記リッジ部の最上部とに接する電極と
を備え、
この電極は、上記第２導電型の半導体層群に接する側に、Ａｇからなる層を有することを特徴とする。
ここで、「第１導電型」とはｎ型とｐ型のうちの一方の導電型を指し、「第２導電型」とはｎ型とｐ型のうちの他方の導電型を指す。
この発明の半導体レーザ素子は、いわゆるリッジ導波型の半導体レーザ素子であり、特許文献１の半導体レーザ素子と同様に、製造段階での結晶成長工程を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べて、大幅に製造工程が削減され、低コストで作製される。
上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記電極の最下層（半導体層に接する側）に用いられるＡｇは、その屈折率が一般に半導体層群に用いられる半導体材料の屈折率よりも十分に小さく、半導体レーザ素子の実用波長域においておおよそ０．１以下である。これは他の金属材料と比較しても特に小さい値である。そのために、上記電極の最下層にＡｇを用いることによって、発振したレーザ光は、リッジ部に接する電極およびリッジ部近傍の電極にまで漏れることなく、半導体層内に閉じ込めることができるようになる。その結果、電極材料が発振レーザ光の吸収成分となることがなく、したがって内部損失を増加させることがない。
この結果、低い発振閾値電流と高いスロープ効率を有する半導体レーザ素子を低コストで提供することが可能となる。
なお、上記第１導電型の基板の、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が設けられるのが望ましい。これにより、上記二つの電極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。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記電極は、上記第２導電型の半導体層群に接する側から順に、Ａｇからなる層と、白金族元素または白金族元素化合物からなる層と、Ａｕからなる層とを有する。
ここで「白金族元素」とは、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）および白金（Ｐｔ）の総称であり、「白金族元素化合物」とは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、ＩｒおよびＰｔの内の少なくとも１つを含む化合物のことである。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記Ａｇからなる層の上に形成された白金族元素または白金族元素化合物は、電極最上層に設けたＡｕが最下層のＡｇと反応することを抑制し、高抵抗なＡｇＡｕ界面層の形成を防ぐ。その結果、電極内部での抵抗の上昇を防止することができる。
したがって、低素子抵抗であるため低消費電力動作が可能で、かつ高いスロープ効率を有し、安価に製造できる半導体レーザ素子を提供することが可能になる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記電極は、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の側面、および、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面、の両方に接する。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記電極は、上記リッジ部の側面および上記リッジ部近傍の表面の両方に接するので、発振したレーザ光を、確実に、半導体層内に閉じ込めることができて、発振レーザ光の内部損失の増加を一層防止することができる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記電極のＡｇからなる層の厚みは、５０ｎｍ以上である。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記電極のＡｇからなる層の厚みは、５０ｎｍ以上であるので、詳しくはデータを用いて後述するが、半導体材料よりも圧倒的に低屈折率なＡｇを電極として用いた効果が最大に発揮される。その結果、リッジ部側に設けられた電極材料に起因する内部損失の増加を最低限にまで抑制することができ、低い発振閾値電流と高いスロープ効率を両立した低消費電力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。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記電極の白金族元素または白金族元素化合物からなる層は、Ｐｄからなる層である。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記電極の白金族元素の層は、Ｐｄからなる層であることにより、電極最上層のＡｕがＡｇ層にまで拡散してＡｇＡｕ界面層ができることを抑制するとともに、ＡｇとＰｄが界面で反応して、硫化しやすいＡｇの耐硫化性を向上させるＡｇＰｄ合金層を形成することができる。さらに、このＡｇＰｄ合金層は、柔らかいＡｇの表面を覆ってその硬度を増し、上記電極に対するワイヤーボンディング工程などでの破損を防止し、歩留まりを向上させる効果もある。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記電極における上記Ａｇからなる層と上記Ｐｄからなる層との界面に、ＡｇＰｄ合金層を有する。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上述したように電極最下層のＡｇの表面にＡｇＰｄ合金層を有することで、硫化しやすいＡｇの耐硫化性を向上させ、かつ、その硬度を増すことができる。そのことによって、上記電極として一番重要なＡｇからなる層の変質・破損を防止し、また、Ａｇ層の上層に設けたＰｄ層およびＡｕ層の剥離を抑制することができる。従って、信頼性と製造歩留まりの両方を改善させる効果がある。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記Ｐｄからなる層の厚みは、１０ｎｍ以上である。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記Ｐｄからなる層の厚みは、１０ｎｍ以上とすることによって、電極最上層のＡｕが、最下層であるＡｇの層まで拡散することを十分に防止することができるとともに、前述の耐硫化性と硬度を向上させるＡｇＰｄ合金層が確実に形成できるようになる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間に、Ｐｄからなる層を有する。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間に、Ｐｄからなる層を有するので、上記Ｐｄ層が、上記第２導電型の半導体層群と上記Ａｇ層との反応を抑制して、信頼性が向上する。また、上記Ｐｄ層を介して上記第２導電型の半導体層群と上記Ａｇ層との密着性を向上できる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間の上記Ｐｄからなる層の厚みは、１０ｎｍ程度である。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記Ｐｄ層の厚みを１０ｎｍ程度形成することによって、上記Ａｇ層が上記第２導電型の半導体層群と反応することを防止することができ、かつ密着性を十分向上させることができるようになる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の最上部は、第２導電型の不純物のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度半導体層であり、
上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の最上部以外の少なくとも一部は、第２導電型の不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の低濃度半導体層であり、
上記電極は、上記高濃度半導体層および上記低濃度半導体層に連なって接する。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、リッジ構造の最上部に設けられた不純物のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度半導体層と上記電極とのオーミック接合では、低コンタクト抵抗を得ることが可能となる。
一方、少なくともリッジ構造の最上部以外の領域に設けられた不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の低濃度半導体層と電極とのショットキー接合では、良好な電流狭窄性を実現することが可能となる。
このように良好なオーミック接合性とショットキー接合性を両立できるので、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わずとも、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗が実現でき、熱的、電気的信頼性が向上する。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも１×１０17ｃｍ-3以上の不純物のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層が形成されている。
この一実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記低濃度半導体層と上記活性層の間に、少なくとも不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上の第２導電型の半導体層をさらに形成することによって、この第２導電型の半導体層はショットキー接合特性を考慮した不純物のドーピング濃度・組成・層厚等の制限から開放されるので、素子に要求される光学特性仕様に応じた層厚・組成等の変更を自在に行うことができるようになる。しかも、この第２導電型の半導体層は、上記低濃度半導体層よりも高濃度にドーピングされているために、素子抵抗の上昇を抑えることができ、一層の低消費電力化を図ることができるようになる。
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、
第１導電型の基板上に活性層を形成する工程と、
上記活性層上に、少なくとも不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の低濃度半導体層と不純物のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度半導体層とを有する第２導電型の半導体層群を形成する工程と、
上記第２導電型の半導体層群の一部を除去してリッジ部を形成する工程と、
上記第２導電型の半導体層群上に、少なくともＡｇからなる層を堆積させて、電極を形成する工程と
を備えることを特徴としている。
この発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、発振レーザ光に対する屈折率が、上記半導体層群に用いられる半導体材料よりも十分小さいＡｇをリッジ部側の電極として形成する工程としているため、リッジ部に接する電極およびリッジ部近傍の電極への光漏れを抑制することができ、したがって内部損失の増加のない低閾値電流で発振可能な半導体レーザ素子を低コストで製造できる方法が提供される。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記リッジ部の最上部は、ＧａＡｓからなる層であり、上記電極を形成する工程の前に、上記リッジ部の最上部の表面をフッ酸で洗浄する工程を備える。
この一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、ＧａＡｓ層である上記リッジ部の最上部をフッ酸で洗浄することによって、その後の電極形成工程により形成されるＡｇ層とリッジ部の最上層であるＧａＡｓ層との間で極めて低いコンタクト抵抗を実現することができるようになる。その結果、消費電力をより低減できる半導体レーザ素子の製造方法を提供することができる。さらに、この低いコンタクト抵抗は、何らかのアニール工程等を追加せずとも実現でき、また、逆に加熱処理を行っても変化しないため、極めて信頼性がよい電極を形成することが可能になる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記フッ酸は、水またはフッ化アンモニウムで１０分の１以上に希釈されたフッ酸溶液である。
この一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記フッ酸による洗浄工程として、フッ酸を水またはフッ化アンモニウムで１０分の１以上（１０倍以上）に希釈したフッ酸溶液を用いることによって、半導体レーザ素子のクラッド層などに用いられるＡｌを含む化合物半導体層を上記洗浄工程においてエッチング作用により侵食してしまうことを防止できるようになる。その結果、リッジ部の形状やクラッド層の厚みを変化させることがなく半導体レーザ素子の諸特性に影響を与えることがない非常に使いやすい洗浄用溶液を提供することができる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記電極を形成する工程は、上記Ａｇからなる層に引き続いて、白金族元素または白金族元素化合物からなる層、および、Ａｕからなる層を、順に堆積させて、電極を形成する工程を含む。
この一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、半導体層と接するＡｇ上に、白金族元素または白金族元素化合物を介して、低抵抗かつ酸化することのないＡｕを積層した電極を形成しているために、半導体レーザ素子のリッジ部側の電極抵抗を低く保つことができる。このとき、ＡｇとＡｕとの間に拡散防止層として作用する白金族元素層または白金族元素化合物層を挿入する工程としたために、電極内でのＡｇＡｕ合金層の形成がなく、より低抵抗な電極を形成することができる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記電極を形成する工程は、上記電極となる上記層を大気中に暴露させずに堆積させる。
この一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記リッジ部側の電極を形成する際、Ａｇの堆積工程からＡｕの堆積工程までを大気中の暴露させずに実施することにより、上記第２導電型の半導体層群に対してオーミック接合およびショットキー接合を形成するために重要なＡｇを酸化させることなく白金族元素または白金族元素化合物とＡｕにて被覆することができる。Ａｇ表面が酸化すると、その上層となる別の金属層に対する密着性が著しく低下するとともに、上記金属層との界面に酸化銀層が形成されて電極が高抵抗化してしまうという問題があるが、上記実施形態の製造方法によれば、それらに起因する積層された金属層の剥離や高抵抗化を防止することが可能となる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記電極を形成する工程は、上記白金族元素または白金族元素化合物からなる層としてＰｄからなる層を上記Ａｇからなる層に堆積させて、上記Ａｇからなる層と上記Ｐｄからなる層との界面に、ＡｇＰｄ合金層を形成する工程を含む。
この一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、電極最下層のＡｇ層に引き続いて大気中に暴露させずにＰｄ層を堆積させることで、Ａｇ層の表面を酸化・硫化させることなく、その界面にＡｇＰｄ合金層を形成することができ、形成されたＡｇＰｄ合金層が硫化しやすいＡｇの耐硫化性を向上させ、かつ、その硬度を増すために、上記電極として一番重要なＡｇからなる層の変質・破損を防止し、Ａｇ層の上層に設けたＰｄ層およびＡｕ層の剥離をも抑制することのできる電極の製造方法が提供される。したがって、信頼性と製造歩留まりの両方を改善する半導体レーザ素子の製造方法を提供することができるようになる。
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２導電型の半導体層群を形成する工程は、上記低濃度半導体層と上記活性層の間に、少なくとも１×１０17ｃｍ-3以上の不純物のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層を形成する工程を含む。
この一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記低濃度半導体層と上記活性層の間に、少なくとも不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上の第２導電型の半導体層をさらに形成することによって、ショットキー接合特性を考慮した制限を受けることなく、この第２導電型の半導体層によって、素子に要求される光学特性仕様に応じた層厚・組成等の変更を自在に行うことができるとともに、素子抵抗の上昇を抑えることができ、一層の低消費電力化を図ることができる半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
また、この発明の光ディスク装置は、上記半導体レーザ素子を備えることを特徴とする。
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、より低消費電力で書き込みができる上、より安価に構成される光ディスク装置を提供することができる。
また、この発明の光伝送システムは、上記半導体レーザ素子を備えることを特徴とする。
この発明の光伝送システムによれば、従来よりも安価でかつ低消費電力動作が可能な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と高性能化を図ることができる。
この発明の半導体レーザ素子によれば、リッジ部に接する電極およびリッジ部近傍の電極にまで、発振したレーザ光が漏れ出さないようにできるため、吸収損失の増加をなくすことが可能となる。さらに、積層された電極の高抵抗化や積層構造間の剥離を防止できるようになる。したがって、低閾値電流で発振でき、かつ高い発振効率を有するため低消費電力、高出力動作が可能で、さらに、圧倒的に安価で歩留まりよく製造できる半導体レーザ素子を提供することができる。
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、高い発振効率、低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子を、簡便に低コストで製造できる方法が提供される。
また、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、低消費電力でデータ書き込みができる上、より安価に構成される。
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、従来よりも安価でかつ低消費電力動作が可能な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と高性能化を図ることができる。
以下、この発明の半導体レーザ素子およびその製造方法および光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。
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。
（第１の実施形態）
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、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第１下クラッド層１０３、ｎ−Ａｌ0.422Ｇａ0.578Ａｓ第２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１上ガイド層１０７、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ第２上ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９、低濃度半導体層の一例としてのｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０とｐ−Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１が順次積層されている。
この半導体層１１１上に、順メサストライプ形状のリッジ部１３０をなすように、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３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。
そのリッジ部１３０の頂部と側面部および半導体層１１１上部にＡｇ層１１５ａとＰｄ層１１５ｂとＡｕ層１１５ｃと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を有する。
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。
上記ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ第２上ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９、ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０、ｐ−Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３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２導電型の半導体層群を構成している。
次に、図２から図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。また、図５に上記半導体レーザ素子のリッジ構造周辺の拡大模式図を示す。
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１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２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１上ガイド層１０７（層厚：３．０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ第２上ガイド層１０８（層厚：０．１μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０18ｃｍ-3）、ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０18ｃｍ-3）、ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3）、Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１（層厚：１５ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０17ｍ-3）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第３上クラッド層１１２（層厚：１．２８μｍ、Ｚｎドーピング濃度：２．４×１０18ｃｍ-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：１×１０19ｃｍ-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、Ｉｎ0.1Ｇａ0.9Ａｓ圧縮歪量子井戸層（歪０．７％、層厚：４．６ｎｍ、２層）とＩｎ0.24Ｇａ0.76Ａｓ0.55Ｐ0.45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：２１．５ｎｍ、７．９ｎｍ、２１．５ｎｍ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。
次に、リッジ部１３０を形成すべき領域１１７ａ（図１参照）上に、図２中に示すようにレジストマスク１１７（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１１７は、形成すべきリッジ部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。
次に、図３に示すように、このレジストマスク１１７をマスクにして、上記ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３上クラッド層１１２、上記ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３および上記ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１４のうち上記レジストマスク１１７の両側に相当するリッジ形成外領域１１７ｂ部分をエッチングにより除去して、レジストマスク１１７の直下に、順メサストライプ状のリッジ部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の直上まで行う。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、リッジ部１３０の最下部の幅は約３．２μｍである。エッチング終了後に、レジストマスク１１７は除去する。
次に、露出された半導体層１１１の表面、リッジ部１３０の側面、および、リッジ部１３０の最上部の表面を、バッファードフッ酸（フッ酸：フッ化アンモニウム＝１：１０）を用いて３０秒間洗浄した。
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Ａｇ層１１５ａ（層厚：５０ｎｍ）／Ｐｄ層１１５ｂ（層厚：３０ｎｍ）／Ａｕ層１１５ｃ（層厚：３００ｎｍ）の順に金属薄膜を積層形成する。
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。
その後、Ｎ2雰囲気中で、３９０℃１分間加熱し、ｎ側電極１１６のアロイ処理を行う。
この基板１０１を、所望の共振器長（ここでは、８００μｍ）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（８００μｍ×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上に、外部回路との電気的接続を行うためのＡｕワイヤ（不図示）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。
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、リッジ部１３０の側方の低濃度半導体層とｐ側電極１１５間でのショットキー接合では電流が遮断され、リッジ部１３０の最上部に設けられた高濃度半導体層であるｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１４とｐ側電極１１５間で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。
上述したように、この第１実施形態の半導体レーザ素子は、製造段階での結晶成長工程を１度で済ませることができたため、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子に比べて、大幅に製造工程が削減され、低コストで作製することが可能となった。
上記実施形態の半導体レーザ素子において、リッジ頂部の１×１０19ｃｍ-3にドーピングされたｐ+−ＧａＡｓコンタクト層に対して、上述のｐ側電極は低いコンタクト抵抗を有する良好なオーミック接合を実現できた。上記のようにＡｇを用いたオーミック接合の場合、ｐ+−ＧａＡｓのドーピング濃度は、１×１０18ｃｍ-3以上とすることによって実用上十分なコンタクト抵抗を得ることができる。また、さらにドーピング濃度を高めることによって、より低いコンタクト抵抗のオーミック接合が実現可能となる。
このとき、上述のように、ｐ+−ＧａＡｓ層の表面をフッ酸溶液で洗浄してから、Ａｇからなる層を蒸着することで、蒸着直後（アズデポ）の状態から、１０-7Ωｃｍ2台の極めて低いコンタクト抵抗を実現することができた。さらに、このコンタクト抵抗は、上述したｎ側電極のために実施されるアロイ処理や、それ以上の長時間に渡る加熱処理に際しても変化することがないため、信頼性面でも非常に優れている。なお、ｐ+−ＧａＡｓ層の表面洗浄に用いるフッ酸溶液としては、上述のバッファードフッ酸の他、水で希釈したフッ酸水溶液でもよい。フッ化アンモニウムや水を用いた希釈は、その倍率が１０倍以上であれば、コンタクト層の下側に形成されるｐ−ＡｌＧａＡｓ第３上クラッド層をエッチングにより溶かしてしまうことがないため、より好ましい。ただし、１００倍を超えて希釈するとフッ酸による洗浄の効果が十分に現れないため、希釈倍率は１００倍以下が好ましい。
上述のフッ酸を用いた洗浄工程は、Ａｇからなる電極とオーミック接合を形成するコンタクト層の材質がＧａＡｓであるときに特に効果がある。また、上記洗浄工程を実施しない場合、十分に低いコンタクト抵抗を実現するためには、適当なアニール工程を必要とする場合がある。
一方、リッジ部の側方にある１×１０17ｃｍ-3にドーピングされた低濃度半導体層であるｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第２上クラッド層とｐ−Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層に対しては、十分な電流狭窄性を有し、長期の熱的・電気的ストレスにも安定なショットキー接合を得ることができた。
さらに、この第１実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ側電極としてＡｇ層を最下層とし白金族元素の１つであるＰｄを介してＡｕ層を最上層とする電極構成を有することを特徴とし、このことによって高い発振効率を実現し、かつ低閾値電流で発振できる半導体レーザ素子を作製することができた。
一般に、Ａｇ材料は硫化・酸化を起こしやすく、また、柔らかいためワイヤーボンディング工程などで破損しやすい。さらに、硫化・酸化されると抵抗値の増大やＡｇ層の上部に形成した金属層の剥離等の問題が生じてしまうのであるが、本発明の第１実施形態においては、耐硫化性と機械的強度の両方を向上させる効果があり、かつ、Ａｕ層の拡散防止効果を有するＰｄ層と、非常に酸化しにくいＡｕ層との２層構造で上記硫化・酸化しやすいＡｇ層の表面を被覆したことによって、ｐ側電極の特性（抵抗値・信頼性・機械的強度等）を向上させることができた。
その結果、上述のような第１実施形態におけるｐ側電極の構成を用いることにより、信頼性も含めて良好な電気的特性を有する半導体レーザ素子を実現することができた。なお、ｐ側電極を、少なくともＡｇ層にて構成するようにしてもよい。
加えて、本第１実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ側に設けられたｐ側電極の最下層にＡｇを使用することで、良好な光学的特性をも有する半導体レーザ素子を実現することに成功した。以下、この点について詳細に説明する。
一般に、リッジ導波型の半導体レーザ素子においては、リッジ部側に形成される電極材料として、合金化が不要で電極材料の半導体層中への深い拡散を考慮せずにすむＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順に積層した電極構成が用いられることが多い。
これは、リッジ埋め込み型の半導体レーザ素子において多用されるＡｕＺｎ合金を使用した場合、アロイ（合金化）処理を行うことによって良好なオーミック接合を得ることができる反面、電極を構成する金属原子の拡散が急速、かつスパイク状に進行し、拡散した金属原子に起因する内部散乱や吸収損失の増加、加えて拡散の進行に伴う結晶性の悪化に起因する信頼性の低下を引き起こすことが懸念され、電極位置が活性層に近いリッジ導波型半導体レーザ素子では、特に顕著にその影響が発現する可能性が高く、それを避けるためである。
しかしながら、合金化が不要なＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極を、本第１実施形態に示したようなショットキー接合を用いた電流狭窄を行う半導体レーザ素子に適用した場合、別の問題が発生することが分かってきた。すなわち、ＴｉやＰｔの屈折率の値が、半導体レーザ素子を構成する半導体層の屈折率の値と極めて近しいため、半導体層内に発振レーザ光を閉じ込める効果が小さくなってしまうのである。
例えば、Ｔｉの屈折率は、波長６５０ｎｍから１．５μｍの範囲でおよそ３．０から３．６であり、Ｐｔが同じく波長６６８ｎｍから１．５μｍの範囲で２．９から５．５である。一方で、リッジ部の外方の基板に垂直な方向における半導体積層構造の実効的な屈折率も例えば３から３．５程度であり、特にリッジ脇近傍に形成された電極材料の屈折率は、発振するレーザ光の光分布に大きな影響を与え、その屈折率が半導体積層構造の実効屈折率と近接していると、電極にまで光が漏れるような光分布形状になりがちになる。
一般に、電極材料として使用される金属の吸収係数は半導体の吸収係数に比べて１０4倍から１０5倍も大きいため、このように電極にまで光が漏れてしまうと非常に大きな吸収損失が発生してしまう。そのことによって半導体レーザ素子のスロープ効率を大きく低下させてしまうことが分かった。
それに対して、本第１実施の形態でｐ側電極の最下層に使用したＡｇは、波長４００ｎｍから１μｍ超程度までの範囲でおおよそ０．１以下の屈折率を有する。下の［表１］に、ＡＭＥＲＩＣＡＮ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ ＯＦ ＰＨＹＳＩＣＳ ＨＡＮＤＢＯＯＫ ＴＨＩＲＤ ＥＤＩＴＩＯＮの第６章、１４９〜１５０頁から抜粋した蒸着形成されたＡｇ膜の屈折率の値を示す。

［表１］ 蒸着Ａｇ膜の屈折率
Figure 2006093654
半導体レーザ素子を構成する半導体材料の屈折率がおよそ３から３．５程度であるため、半導体レーザとして実用化されている、あるいは実用化されつつある波長４００ｎｍから１．５μｍで発振する光に対して、Ａｇ材料は上表から分かるように十分に大きな屈折率差（Δｎ≧２〜３）を有する。この屈折率差は、他の金属材料と比べて際立って大きい値である。このことから、Ａｇ材料をリッジ部側に形成する電極として使用すれば、発振したレーザ光を半導体層内に閉じ込める作用を非常に大きくすることが可能となる。よって光が電極にまで漏れ出すことを抑制でき、その結果、吸収損失のない高いスロープ効率を有する半導体レーザ素子を実現することができた。
ここで、図６に、ｐ側電極におけるＡｇ層の厚さと０次モードの内部損失との関係を示す。このグラフは、波長８００ｎｍ（屈折率０．０９０）の光を想定し、本実施形態のｐ側電極構成におけるＡｇ層の厚みを変化させた時の内部損失量を計算によりシミュレーションしたものである。また、図６中には、従来のＴｉ（５０ｎｍ）／Ｐｔ（５０ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）電極を用いた時の内部損失量も明示した。図６からわかるように、Ａｇ層の厚みを０から増やしていくと内部損失が減少し始める。さらに、Ａｇ層の厚さが約３０ｎｍとなるまでは、Ａｇ層厚を厚くするに従って急激に内部損失が低下し、Ａｇの厚さを３０ｎｍとすると、Ａｇを挿入しない時に比べて内部損失を１０分の１以下にまで減少させることができる。Ａｇ層の厚みをさらに増加させれば、内部損失はさらに減少するがその程度は緩やかになっていき、５０ｎｍ以上の厚みにすることにより内部損失を減少させる効果を最大にすることができる。
この結果を元に、本第１実施形態ではＡｇ層の厚みを５０ｎｍとして半導体レーザ素子を作製した。併せて従来の電極構成を有する半導体レーザ素子を作製し比較してみると、本実施形態における半導体レーザ素子の異なる共振器長の実素子から算定した内部損失は２ｃｍ-1と、従来のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極を使用した場合の実測値である１８ｃｍ-1に比べて、大きく低減させることができた。その結果、本第１実施形態の半導体レーザ素子のスロープ効率は、ショットキー接合を電流狭窄に使用するリッジ導波型であるにもかかわらず１．０Ｗ／Ａ超を実現した。
既に述べたが、本第１実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部側に形成する電極の最下層にＡｇを適用するだけでなく、白金族元素の１つであるＰｄ層を介して最上層であるＡｕ層を形成する電極構成を大きな特徴としている。
一般に、電極表面に用いられるＡｕは、低抵抗であることに加えて、酸化しないことにより、圧接を用いて容易に金属間接合を形成することができるというメリットがあり多用されている。しかしながら、本発明のようにＡｇを下層に有するときに直接Ａｕ層を形成すると、Ａｇ・Ａｕ界面にＡｇＡｕ合金層が形成されやすい。このＡｇＡｕ合金層は高抵抗な界面層となり、半導体レーザ素子の直列抵抗を大幅に上昇させてしまうことがある。
したがって、本第１実施形態における電極においては、Ａｇ層の上に、Ａｕの拡散を防止する効果を有する白金族元素または白金族元素化合物を形成する構成とした。さらに、白金族元素のなかでもＰｄは、その界面でＡｇと反応して耐硫化性を向上させるとともに機械的強度を増すことができ、本実施形態においてはそのようなＰｄをＡｇ層の上に形成する構成とした。その結果、抵抗値の増大と、ワイヤーボンディング工程など、後工程における電極破損を防止でき、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を良好な歩留まりで製造することが可能となった。
本第１実施形態においては、Ｐｄ層の厚みは３０ｎｍとした。Ｐｄ層は少なくとも１０ｎｍ以上の厚みに形成すればＡｕの良好な拡散防止効果を有することが、電極部の抵抗評価から分かっている。また機械的強度についても、Ｐｄ層を少なくとも１０ｎｍ以上、Ａｇ層上に形成することによって増加することが、ワイヤーボンディングテストから判明している。
本実施形態においては、形成させるＰｄ層の膜厚ばらつきも考慮して３０ｎｍ形成させることとした。このようにＡｇ層の特性を改善するＰｄ層と非常に酸化しにくいＡｕ層の２層を、Ａｇ層の上部に形成することでｐ側電極の抵抗値の低減とワイヤーボンディングに対する強さを向上することができた。
このｐ側電極の形成工程においては、本第１実施形態の製造方法のように、電子ビーム蒸着法などの真空蒸着法や、スパッタ法などが適用できる。このとき、最下層のＡｇ層の堆積から、最上層のＡｕ層の堆積までを、途中で大気中に暴露させることなく、一貫して実施することにより、電極最下層として形成されるＡｇ層を電極形成工程中に硫化・酸化させてしまうことがなくなり、電極抵抗の低減が可能となる。
なお、本実施形態においては、Ａｇ層とＡｕ層との間にＰｄ層を介する構成を示したがもちろんそれに限られるものではない。Ｐｔなどの白金族元素または白金族元素化合物からなる層を介することで、Ｐｄ層を用いた場合同様、高抵抗なＡｇＡｕ合金層の形成を防止した良好な電極構成を提供することができる。
さらに、白金族元素または白金族元素化合物以外にも、ＴｉやＣｒ、Ｍｏなどからなる層をＡｇ層とＡｕ層の間に介する構造としても、高抵抗なＡｇＡｕ合金層の形成を防止するために効果がある。
また、この第１の実施形態の半導体レーザ素子は、前述したようにｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０とＩｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１のＺｎドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3とすることによって、十分な電流狭窄性を得ることができた。これらのトータルの厚みは０．２１５μｍである。上述の１×１０17ｃｍ-3以下の半導体層のトータルの厚みは、十分な電流狭窄性を実現するために０．２μｍ以上である必要がある。
なお、本実施形態では、１×１０17ｃｍ-3以下の半導体層を２層構造としたが、もちろん１層であっても、あるいは３層以上であっても良い。しかしながら、その最上層は、本実施形態のようにＩｎＧａＡｓＰであることが好ましい。ＩｎＧａＡｓＰ半導体層は、Ａｌを含まないため酸化されにくく、長期の電流狭窄性の維持（信頼性）に大きな効果がある。さらに、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓなどの半導体材料に対してエッチング特性が異なるため、選択エッチングを利用した高精度なリッジ形成が可能となると言うメリットもある。
なお、Ａｌを含まないと言う点では、ＩｎＧａＰを用いることもできるが、特に本実施形態のようにｐ型半導体層に適用する場合、ＩｎＧａＰよりもＩｎＧａＡｓＰの方が、ホールに対するバリアが低く、ホール注入効率を向上させることができると言う効果がある。
この第１の実施形態の半導体レーザ素子では、第２上クラッド層と組成は同一であるが、不純物のドーピング濃度を高めたｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０18ｃｍ-3）を第２上クラッド層と活性層の間に設けており、この層の厚みを変更することによって、所望の光学特性が得られるように調整している。もちろん、厚みだけでなく組成について変更しても良い。
本実施形態のように、良好な電流狭窄のために設けた１×１０17ｃｍ-3以下の半導体層に対して、より活性層側に、不純物のドーピング濃度を高めた半導体層を形成する構成を採用することによって、必要以上の素子抵抗の抑制し、素子特性の悪化を防ぐことができた。
前述の説明においては、本発明の電極構成をｐ型半導体層に対するオーミック接合およびショットキー接合に適用した例を示してきたが、ｎ型半導体層に対して用いた場合であっても同様の効果が得られることはもちろんである。
これまで説明してきた通り、本実施形態の半導体レーザ素子は、半導体層に対して２から３もの大きな屈折率差を有するＡｇを最下層とし、最上層として用いた低抵抗な上に酸化しにくく圧着などが容易なＡｕが、最下層のＡｇと反応して高抵抗な界面層が形成されることを防止し、Ａｇの硫化を防ぎ、機械的強度を向上させる作用のあるＰｄ層を間に有する電極をリッジ側に有することが特徴である。
上記電極構造は、１×１０18ｃｍ-3以上にドーピングされたコンタクト層に対して、低いコンタクト抵抗を有するオーミック接合を得ることができるとともに、１×１０17ｃｍ-3以下にドーピングされた半導体層に対しては、十分な電流狭窄性が実現できる。さらに、上記電極構成によれば、発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める作用が大きく、光が電極にまで漏れてしまうことに起因する内部損失の増加がない。
上述した電極構造においては、特にｐ型にドーピングされたコンタクト層に対して良好なオーミック接合が得られることがある。これは、Ａｇの仕事関数が他の金属材料に比べて大きいことに起因すると考えられる。
これらのことから、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わずとも、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗をもつ半導体レーザ素子とその製造方法を提供することが可能となった。
さらに、上述のような構造および製造方法とすることによって、この第１の実施形態における半導体レーザ素子は、リッジ部に接する電極およびリッジ部近傍の電極にまで、発振レーザ光が漏れ出さないようにできたため、内部散乱や吸収損失の増加をなくすことが可能となった。したがって、高いスロープ効率を有し、低閾値電流で発振できるため低消費電力、高出力動作が可能な半導体レーザ素子を、従来に比べて圧倒的に安価に製造できるようになった。
なお、本実施形態においては、活性層とクラッド層の間にガイド層を有するＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造を用いたが、もちろん本発明は上述した構造に限られるものではない。例えば、結晶成長を円滑に行うための中間層を追加するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での、各々の層厚、材料の変更等を加え得ることは当然である。
また、上記電極は、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の側面、および、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面、の両方に接するようにしてもよい。このように、上記電極は、上記リッジ部の側面および上記リッジ部近傍の表面の両方に接するので、発振したレーザ光を、確実に、半導体層内に閉じ込めることができて、発振レーザ光の内部損失の増加を一層防止することができる。
また、上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間に、Ｐｄからなる層を有するようにしてもよい。このように、上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間に、Ｐｄからなる層を有するので、上記Ｐｄ層が、上記第２導電型の半導体層群と上記Ａｇ層との反応を抑制して、信頼性が向上する。また、上記Ｐｄ層を介して上記第２導電型の半導体層群と上記Ａｇ層との密着性を向上できる。
また、上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間の上記Ｐｄからなる層の厚みは、１０ｎｍ程度であり、上記Ｐｄ層の厚みを１０ｎｍ程度と薄くできる。
（第２の実施形態）
図７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、波長７８０ｎｍ帯で発振するように活性層の組成・層厚を調整した半導体レーザ素子２０２を備えている。
この光ディスク装置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。
この第２実施形態の光ディスク装置では、低コストで製造でき、かつ高い発振効率で動作し、しかも低い素子抵抗を有する半導体レーザ素子２０２を用いているため、消費電力を大幅に削減することが可能となった。従って、より環境に対する負荷の少ない光ディスク装置を安価に提供することができた。
なお、ここでは第１実施形態の構成を有する半導体レーザ素子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。
（第３の実施形態）
図８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９は光源の部分を示す斜視図であり、図１０は、光伝送システムの概略図である。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。
図８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。
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。
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。
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。
次に、レーザマウント３１０について、図９を用いて説明する。図９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。
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８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。
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、高効率、低素子抵抗な半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュールの消費電力を従来に比べて大幅に低く抑えることができるとともに、モジュール単価を下げることができる。この光伝送モジュール３００を用いた光伝送システムは、低消費電力で動作するため、環境に対する負荷を小さくでき、また低価格で構成できる。また、携帯機器にこの光伝送システムを搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯機器を使用することができるようになる。
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１０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３００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。
尚、本発明の半導体レーザ素子、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。
本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の断面模式図である。 本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、結晶成長後に、リッジ形成用のフォトマスクを設けた状態を表す。 本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、リッジ形成のためのエッチング工程後の状態を表す。 本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、ｐ側電極の蒸着工程後の状態を表す。 本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子のリッジ構造周辺の拡大模式図である。 ｐ側電極のＡｇの厚さと内部損失の関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の光ディスク装置の概略図である。 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の概略図である。 本発明の第３実施形態の光伝送システムにかかる光源の斜視図である。 本発明の第３実施形態の光伝送システムの構成例を示す斜視図である。 従来の半導体レーザ素子とその製造方法を説明するための断面模式図である。
符号の説明
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１下クラッド層
１０４ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第２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１上ガイド層
１０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層
１０９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層
１１０ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層
１１１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
１１２ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３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
１１５ａ Ａｇ層
１１５ｂ Ｐｄ層
１１５ｂ Ａｕ層
１１６ ｎ側電極
１１７ フォトレジスト
１１７ａ リッジ形成領域
１１７ｂ リッジ形成外領域
１３０ リッジ部
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 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
４０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
４０２ ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層
４０３ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層
４０４ ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層
４０５ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０６ ｐ電極
４０７ ｎ電極
４０８ ショットキー接合部

Claims (19)

  1. 第１導電型の基板と、
    この第１導電型の基板上に設けられた活性層と、
    この活性層上に設けられると共に上部にストライプ状のリッジ部を有する第２導電型の半導体層群と、
    上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の側面、および、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面、の少なくとも一方と、上記リッジ部の最上部とに接する電極と
    を備え、
    この電極は、上記第２導電型の半導体層群に接する側に、Ａｇからなる層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
    上記電極は、上記第２導電型の半導体層群に接する側から順に、Ａｇからなる層と、白金族元素または白金族元素化合物からなる層と、Ａｕからなる層とを有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  3. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記電極は、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の側面、および、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面、の両方に接することを特徴とする半導体レーザ素子。
  4. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記電極のＡｇからなる層の厚みは、５０ｎｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
  5. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記電極の白金族元素または白金族元素化合物からなる層は、Ｐｄからなる層であることを特徴とする半導体レーザ素子。
  6. 請求項５に記載の半導体レーザ素子において、
    上記電極における上記Ａｇからなる層と上記Ｐｄからなる層との界面に、ＡｇＰｄ合金層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  7. 請求項５に記載の半導体レーザ素子において、
    上記Ｐｄからなる層の厚みは、１０ｎｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
  8. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記第２導電型の半導体層群と上記電極のＡｇからなる層との間に、Ｐｄからなる層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  9. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の最上部は、第２導電型の不純物のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度半導体層であり、
    上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部の最上部以外の少なくとも一部は、第２導電型の不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の低濃度半導体層であり、
    上記電極は、上記高濃度半導体層および上記低濃度半導体層に連なって接することを特徴とする半導体レーザ素子。
  10. 請求項９に記載の半導体レーザ素子において、
    上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも１×１０17ｃｍ-３以上の不純物のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体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。
  11. 第１導電型の基板上に活性層を形成する工程と、
    上記活性層上に、少なくとも不純物のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の低濃度半導体層と不純物のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の高濃度半導体層とを有する第２導電型の半導体層群を形成する工程と、
    上記第２導電型の半導体層群の一部を除去してリッジ部を形成する工程と、
    上記第２導電型の半導体層群上に、少なくともＡｇからなる層を堆積させて、電極を形成する工程と
    を備えることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  12. 請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記リッジ部の最上部は、ＧａＡｓからなる層であり、
    上記電極を形成する工程の前に、上記リッジ部の最上部の表面をフッ酸で洗浄する工程を備えることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  13. 請求項１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記フッ酸は、水またはフッ化アンモニウムで１０分の１以上に希釈されたフッ酸溶液であることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  14. 請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記電極を形成する工程は、上記Ａｇからなる層に引き続いて、白金族元素または白金族元素化合物からなる層、および、Ａｕからなる層を、順に堆積させて、電極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。
  15. 請求項１４に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記電極を形成する工程は、上記電極となる上記層を大気中に暴露させずに堆積させることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  16. 請求項１５に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記電極を形成する工程は、上記白金族元素または白金族元素化合物からなる層としてＰｄからなる層を上記Ａｇからなる層に堆積させて、上記Ａｇからなる層と上記Ｐｄからなる層との界面に、ＡｇＰｄ合金層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。
  17. 請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記第２導電型の半導体層群を形成する工程は、上記低濃度半導体層と上記活性層の間に、少なくとも１×１０17ｃｍ-3以上の不純物のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層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。
  18. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子を備えることを特徴とする光ディスク装置。
  19. 請求項１または２に記載の半導体レーザ素子を備えることを特徴とする光伝送システム。
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