JP2006229143A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窓構造を有するリッジストライプ型の半導体レーザ素子において、エッチングストップ層の抜けを確実に防止し、歩留まりが高く且つ信頼性が高い半導体レーザ素子を実現できるようにする。
【解決手段】ｎ−ＧａＡｓからなる半導体基板１１の上に、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下側クラッド層１２と、窓領域を有するノンドープの活性層１３と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる中間クラッド層１４と、エッチングストップ層１５と、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなるストライプ状の上側クラッド層１６とが順次形成されている。エッチングストップ層１５は、ｐ−ＧａＩｎＰからなる第１の薄膜１５Ａとｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる第２の薄膜１５Ｂとが周期的に積層された量子井戸構造を有しており、第２の薄膜１５Ｂのアルミニウムの組成比は中間クラッド層１４及び上側クラッド層１６と比べて小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体レーザ素子に関し、特に光ディスクシステムや情報処理あるいは光通信用の光源として用いる、活性層の近傍にエッチングストップ層を備えた半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。

ＤＶＤ−ＲＡＭ（Digital Versatile Disk−Random Access Memory）等の書き換え可能な高密度光ディスクを扱う高密度光ディスク装置の光源に用いられる波長が６５０ｎｍ帯域の可視光レーザ素子には５０ｍＷ以上の出力が必要とされている。光ディスク装置の書き込み速度の高速化に対応するために、今後さらなるレーザ出力の高出力化を必要とする。

以下に、従来の光ディスク装置等の光源に用いられる半導体レーザ素子について説明する。図７は従来の半導体レーザ素子の断面構造を示している。

図７に示すように、ｎ−ＧａＡｓからなる基板６０１の上には、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるｎ型の下側クラッド層６０２と、バリア層であるＡｌＧａＩｎＰ及びウェル層であるＧａＩｎＰが交互に積層された多重量子井戸構造を有する活性層６０３と、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる第１の上側クラッド層６０４と、エッチングストップ層６０５と、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる第２の上側クラッド層６０６と、ｐ−ＧａＩｎＰからなるキャップ層６０７とが順次積層されている。

第２の上側クラッド層６０６とキャップ層６０７とはリッジストライプ構造を形成しており、リッジストライプ構造を覆うように、ｎ−ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層６０８が形成され、電流ブロック層６０８の上にはｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層６０９が形成されている。コンタクト層６０９の上にはｐ側電極６１０が形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板６０１の裏面にはｎ側電極６１１が形成されている。

エッチングストップ層６０５は、第２の上側クラッド層６０６とキャップ層６０７とをエッチングしてリッジストライプ構造を形成する際に、第１の上側クラッド層６０４及びその下側の層がエッチングされて光学的特性が変化することを防止する役割を果たしている。従って、リッジストライプ構造を形成するための第２の上側クラッド層６０６のエッチングに対して、エッチングストップ層６０５は高い選択性を有していなければならない。

エッチングストップ層６０５の選択性を高くする方法として、エッチングストップ層６０５にＡｌを含まないＧａＩｎＰを用いる方法がある。しかし、活性層６０３において発生する光はエッチングストップ層６０５までしみ出してくるため、活性層６０３のウェル層と同じ材料であるＧａＩｎＰをエッチングストップ層６０５に用いると、発光の一部がエッチングストップ層６０５に吸収される。これにより、レーザ発光に損失が生じてしまうため、レーザ出力の高出力化には不利である。

このような問題を解決するため、第１の従来例（例えば、特許文献１を参照。）においては、エッチングストップ層６０５に、Ｇａ_aＩｎ_1-aＰ（０．５３≦ａ≦０．５７）からなりウェル層として機能する第１の薄膜と（Ａｌ_aＧａ_1-a）_bＩｎ_1-bＰ（０．７≦ａ≦１、０．５３≦ｂ≦０．５７）からなりバリア層として機能する第２の薄膜とが互いに複数積層された多重量子井戸構造を用いており、ＧａＩｎＰ系材料を用いてエッチングに対する高い選択性を実現すると共に、量子効果を用いてエッチングストップ層６０５への光吸収の増大を防止している。

また、第２の従来例（例えば、特許文献２を参照。）においては、第１の薄膜を（Ａｌ_aＧａ_1-a）_bＩｎ_1-bＰ（０≦ａ≦０．２、ｂ＝０．５）とし、第２の薄膜を（Ａｌ_aＧａ_1-a）_bＩｎ_1-bＰ（０．５≦ａ≦１、ｂ＝０．５）とすると共に、第１の薄膜及び第２の薄膜の膜厚を整数倍した値と可視光波長と一致させることにより干渉縞が観測できるようにして目視によるエッチング完了の確認を可能としている。

しかし、出力が５０ｍＷを超え、さらに１００ｍＷを超えるような高出力のレーザ素子を実現するためには、レーザ素子の出射端面における光吸収を抑制する必要がある。

一般に、光出力の増加に伴いレーザ出射端面においては光吸収が顕著になる。これは、出射端面において光密度が高くなるため、光が吸収されやすくなることによる。出射端面において一旦光の吸収が生じると、発熱によって半導体層のバンドギャップが小さくなるため、さらに光の吸収と発熱とが加速され、最後にはレーザ素子自身が溶融して破壊される。これは瞬時光学損傷（Catastrophic Optical Damage；以下、ＣＯＤという）と呼ばれ、半導体レーザ素子においては非常に大きな問題である。

ＣＯＤを抑えるため、現在は、亜鉛（Ｚｎ）等の不純物を活性層に拡散させることにより活性層の構造の無秩序化又は組成の平均化を行って発光波長に対して透明な領域である窓構造（領域）を出射端面に形成することが一般に行われている（例えば、特許文献３を参照。）。
特開平７−１６２０８９号公報 特開平１０−７５０１２号公報 特開平６−３０２９０６号公報

しかしながら、Ｚｎの固相拡散によって活性層に窓構造を形成すると活性層より上側の半導体層においても出射端面付近において無秩序化及び組成の平均化が生じるため、これによりエッチングストップ層の選択性が低下するという問題がある。

第１の従来例及び第２の従来例において、エッチングストップ層６０５の第２の薄膜にはＡｌ組成比が０．５以上のＡｌＧａＩｎＰが用いられている。一方、第２の上側クラッド層６０６にもＡｌＧａＩｎＰが用いられており、そのＡｌ組成比は通常０．７程度である。

窓構造を形成するためにＺｎ拡散を行うとエッチングストップ層６０５と第２の上側クラッド層６０６との間において組成の平均化が進みやすくなるため、エッチングストップ層６０５と第２の上側クラッド層６０６との間においてＡｌ組成比の差がほとんどなくなる。このため、エッチングストップ層６０５のエッチングに対する選択性が低下するので、リッジストライプ構造を形成するエッチング工程において、エッチングストップ層６０５の抜けが発生しやすくなり、レーザ素子の特性がばらつくという問題が生じる。

例えば、エッチングストップ層６０５の抜けによりその下層の第１の上側クラッド層６０４がエッチングされると、窓領域において光を閉じ込める効率が変化する。また、リッジ形状も変化するため、レーザ光の拡がり角や、動作電流等が変動する。

さらに、従来の半導体レーザ素子を製造する際には、リッジストライプ構造を形成するためのエッチングに硫酸系のエッチャントを使用している。硫酸系のエッチャントは、室温においてはＡｌＧａＩｎＰとＧａＩｎＰとの選択比が十分に取れないため、エッチングの際にエッチャントの温度が適正範囲となるように、微妙な温度の調整等を行わねばならないので、生産性が低いという問題もある。

本発明は前記従来の問題を解決し、窓構造を有するリッジストライプ型の半導体レーザ素子において、エッチングストップ層の抜けを確実に防止し、歩留まりが高く且つ信頼性が高い半導体レーザ素子及びその製造方法を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は半導体レーザ素子を、アルミニウムの組成比が小さい化合物を含む量子井戸構造のエッチングストップ層を備えた構成とする。

具体的に本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体基板の上に順次形成された、下側クラッド層と、出射光に対して透明な領域が出射端面近傍に形成された窓領域を有する活性層と、中間層と、第１の薄膜及び該第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい第２の薄膜が周期的に積層された量子井戸構造を有するエッチングストップ層と、中間層と同一の組成の化合物からなり且つ平面ストライプ状の上側クラッド層とを備えた半導体レーザ素子を対象とし、エッチングストップ層は、前記活性層から放出される光のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有し、第２の薄膜は、アルミニウムを含み且つ上側クラッド層と比べてアルミニウムの組成比が小さい化合物からなることを特徴とする。

本発明の半導体レーザ素子によれば、第２の薄膜は、アルミニウムを含み且つ上側クラッド層と比べてアルミニウムの組成比が小さい化合物からなるため、窓構造を形成する際に組成の平均化が生じたとしても、エッチングストップ層と上側クラッド層とのアルミニウム組成比を大きく保つことができるので、エッチングストップ層の選択比を大きく保つことが可能であり、その結果、エッチングストップ層の抜けを防止することができる。また、エッチングストップ層は、活性層から放出される光のエネルギーよりも大きなバンドギャップを有しているため、活性層から放出される光がエッチングストップ層に吸収されて発光効率が低下することはない。

本発明の半導体レーザ素子において、上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、第２の薄膜は、一般式が（Ａｌ_yＧａ_1-y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることが好ましい。このような構成とすることにより、エッチングストップ層と上側クラッド層とのエッチングに対する選択比を大きく保つことを確実に可能とすることができる。

また、上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることが好ましい。又は上側クラッド層は、一般式がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることが好ましい。

本発明のレーザ素子は、活性層とエッチングストップ層との間に上側クラッド層と同一組成の化合物からなる中間クラッド層をさらに備えていることが好ましい。このような構成とすることにより、レーザを効率よく発振することが可能となる。

本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板の上に、下側クラッド層と、活性層と、エッチングストップ層と、上側クラッド層とを順次積層して半導体膜積層構造を形成する工程と、半導体膜積層構造の所定の領域に不純物を導入することにより、活性層の出射端面近傍の領域に設けられた出射光に対して透明な領域である窓領域を形成する工程と、上側クラッド層のエッチングレートがエッチングストップ層のエッチングレートと比べて高くなるウエットエッチャントを用いて、上側クラッド層をエッチングストップ層に至るまで選択的にウエットエッチングすることによりリッジ形状を形成する工程とを備え、エッチングストップ層は、活性層から放出される光のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有するように、第１の薄膜と該第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい第２の薄膜とを周期的に積層することにより形成し、第２の薄膜はアルミニウムを含み且つ上側クラッド層と比べてアルミニウムの組成比が小さい化合物からなることを特徴とする。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第２の薄膜はアルミニウムを含み且つ上側クラッド層と比べてアルミニウムの組成比が小さい化合物からなるため、窓構造を形成する工程において組成の平均化が生じたとしても、リッジを形成する工程において、エッチングストップ層と上側クラッド層とのエッチングにおける選択比を大きく保つことができるので、エッチングストップ層の抜けを防止することが可能となる。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法において、上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、第２の薄膜は、一般式が（Ａｌ_yＧａ_1-y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることが好ましい。また、上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなっていてもよい。また、上側クラッド層は、一般式がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなっていてもよい。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、半導体膜積層構造を形成する工程において、活性層とエッチングストップ層との間に上側クラッド層と同一組成の化合物からなる中間クラッド層を堆積することが好ましい。このような構成とすることにより、レーザの発振効率を高めることが可能となる。

本発明の半導体レーザ素子の製造方法において、ウエットエッチャントは、塩酸と多官能性カルボン酸との混合溶液であることを特徴とする。このような構成とすることにより、エッチングストップ層と第１の上側クラッド層及び第２の上側クラッド層とのエッチングにおける選択比を大きくすることができるので、エッチングストップ層の抜けを確実に防止することが可能となり、製造工程の管理を簡略化することができる。

この場合において、多官能性カルボン酸は、ジカルボン酸又はオキシカルボン酸であることが好ましく、マロン酸、グリコール酸又は酒石酸であることが好ましい。

本発明によれば、窓構造を有するリッジストライプ型の半導体レーザ素子において、エッチングストップ層の抜けを確実に防止し、歩留まりが高く且つ信頼性が高い半導体レーザ素子及びその製造方法を実現できる。

（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子及びその製造方法について図面を参照して説明する。図１及び図２は本実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を工程順に示しており、左側の図は半導体レーザ素子を上側から見た平面構造を示しており、中央の図及び右側の図はそれぞれ、左側の図のＷ−Ｗ線及びＧ−Ｇ線における断面構造を示している。

図１（ａ）に示すように結晶成長装置を用いてｎ−ＧａＡｓからなる基板１１の上に、厚さが２μｍのｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる下側クラッド層１２（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を堆積する。続いて、量子井戸構造を有するノンドープの活性層１３を堆積した後、厚さが０．２μｍのｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる中間クラッド層１４（キャリア濃度７×１０¹⁷ｃｍ^-3）と、ｐ型の多重量子井戸構造を有するエッチングストップ層１５と、厚さが１．２μｍのｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる上側クラッド層１６（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）とを堆積する。上側クラッド層１６の上には、厚さが０．０５μｍのｐ−ＧａＩｎＰからなる第１のキャップ層１７（キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さが０．２μｍのｐ−ＧａＡｓからなる第２のキャップ層１８（キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3）とを順次堆積成長させる。

ここで活性層１３は、ＧａＩｎＰからなる厚さが６ｎｍのウェル層、ＡｌＧａＩｎＰからなる厚さが４ｎｍのバリア層及びバリア層と同じ組成で厚さが３５ｎｍのガイド層が周期的に堆積された量子井戸構造を有する。また、エッチングストップ層１５の詳細な構造については後述する。

次に、図１（ｂ）に示すように第２のキャップ層１８の上に酸化亜鉛（ＺｎＯ）を堆積した後、共振器端面となる箇所にＺｎＯ膜１９が残るようにパターニングを行う。さらに、熱処理を行ってＺｎを半導体層中に拡散させることにより、活性層１３の組成を平均化する。これにより、共振器の端面となるとなる位置に窓領域３０が形成され、窓領域３０の内側に利得領域３１が形成される。このとき、ＺｎＯ膜１９の上にさらにキャップ用の絶縁膜を形成してもよい。

次に、図１（ｃ）に示すようにＺｎＯ膜１９を除去してからＳｉＯ₂を堆積した後、パターニングしてＳｉＯ₂からなるマスクパターン２１を形成し、これをマスクとして、第１のキャップ層１７及び第２のｐ型クラッド層１６をエッチングストップ層１５に到達するまでエッチングすることによりリッジ構造を形成する。さらに、通常のフォトリソグラフィーとエッチング技術を用いて、図２（ａ）に示すようにマスクパターン２１のうち窓領域３０の直上にある部分を除去する。次に、図２（ｂ）に示すようにｎ−ＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層２２をマスクパターン２１が形成されていない窓領域３０に選択的に成長させる。

次に、図２（ｃ）に示すようにｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト層２３を形成し、コンタクト層２３の上にｐ側オーミック電極２４を形成する。また、基板１１の裏面にｎ側オーミック電極２５を形成する。次に、各半導体層及び電極が形成されたＧａＡｓ基板１１を窓領域３０の箇所でへき開し、出射側端面には反射率が５％程度の、反対側端面には反射率が９０％程度のコーティング膜をそれぞれ形成する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は本実施形態の半導体レーザ装置の断面構造であり、（ａ）は全体を示し、（ｂ）はエッチングストップ層１５を拡大して示している。図３（ｂ）に示すようにエッチングストップ層１５の構造は、無歪み（基板に対して格子整合している）のＧａ_0.55Ｉｎ_0.45Ｐからなりウェル層として機能する第１の薄膜１５Ａと（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなりバリア層として機能する第２の薄膜１５Ｂとが順次繰り返し積層された多重量子井戸構造(ＭＱＷ)である。

この構造において、第１の薄膜１５Ａの厚さ及び第２の薄膜１５Ｂのアルミニウム組成比ｘを変化させた場合のエッチングストップ層１５のフォトルミネッセンス（ＰＬ）波長の変化に関する見積もり結果を図４に示す。

図４において横軸は第１の薄膜１５Ａの厚さであり、縦軸はＰＬ波長である。また、第２の薄膜１５Ｂの厚さは２ｎｍとした。第１の薄膜１５Ａの厚さが厚くなる、つまり井戸幅が広くなるに従い、ＰＬ波長が上昇している。また、第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比ｘを変化させると、ｘが大きくなるに従いＰＬ波長が低下している。

エッチングストップ層１５におけるレーザ光の吸収を抑制し、レーザ発光の効率化を図るためには、活性層１３の発振波長とエッチングストップ層１５のＰＬ波長との差を少なくとも３０ｎｍ以上とることが好ましい。従って、エッチングストップ層１５におけるレーザ光の吸収抑制という点からみれば第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比をできるだけ高くし且つ第１の薄膜１５Ａの厚さをできるだけ薄くすることが好ましい。

一方、エッチングストップ層１５のエッチングに対する選択性を向上させ、エッチングストップ層の抜けを防止するためには、第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比をできるだけ低くし且つウェル層である第１の薄膜１５Ａの厚さをできるだけ厚くすることが好ましい。また、Ｚｎの熱拡散の際に生じる上側クラッド層１６とエッチングストップ層１５との間における組成の平均化の影響を小さくするためにも、第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比をできるだけ低くすることが好ましい。但し、エッチングストップ層１５を量子井戸構造とするためには、第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比の下限は０．３程度となる。

第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比の上限を求めるために、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yのＡｌ組成比と、硫酸系のエッチャントを用いた場合のエッチングレートとの関係について検討を行った。図５は（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yのＡｌ組成比ｘと、エッチングレートとの関係を示している。図５に示すようにＡｌ組成比ｘが０．４を越えるとエッチングレートが急激に上昇している。このデータから計算すると、Ａｌ組成比ｘが０．７の層と０．５の層との選択比は４程度とかなり小さくなる。従って、上側クラッド層１６のＡｌ組成比ｘが０．７とし、第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比ｘを０．５とした場合には、エッチングストップ層１５のうち、ウェル層である第１の薄膜１５Ａのみがエッチング選択性に寄与し、バリア層である第２の薄膜１５Ｂはエッチング選択性に寄与しない。このことから、ウェル層のみならず、バリア層にも選択性を持たせ、エッチングストップ層１５を十分に機能させるにはＡｌ組成比ｘを０．５未満とすることが望ましい。

以上の点を考慮すると、第２の薄膜１５ＢのＡｌ組成比は、０．３以上且つ０．５未満とすることが好ましい。また、上側クラッド層１６と第２の薄膜１５Ｂとのエッチング選択比を確保するために、上側クラッド層１６と第２の薄膜１５ＢとのＡｌ組成比の差は、０．１以上とすればよく、０．２以上あることが好ましい。さらに、この場合の第１の薄膜１５Ａの厚さはエピタキシャル成長の制御性と活性層からの光吸収を制御する効果を考慮に入れると１ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、エッチングストップ層１５における第１の薄膜１５Ａと第２の薄膜１５Ｂとの積層数は多いほど高いエッチング停止効果が期待できるが、成長シーケンスが複雑になることや窓構造を形成する際にＺｎを確実に活性層１３まで拡散させる必要があることを考慮すると３〜５層程度とすることが望ましい。

エッチングストップ層１５の積層数について検討した結果を図６に示す。図６は本実施形態のエッチングストップ層１５のエッチング選択比を示している。図６においてエッチングの対象は窓領域のｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるクラッド層１６であり、Ｚｎの拡散を行い中間クラッド層１４、上側クラッド層１６及びエッチングストップ層１５の組成の平均化及び結晶性の低下が生じた状態における選択比を測定している。なお、エッチング液には硫酸系の薬液を用いており、第１の薄膜１５Ａの厚さは２ｎｍとし、第２の薄膜１５Ｂの厚さは９ｎｍとしている。

硫酸系の薬液を用いた場合には２５℃における（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるクラッド層とＧａ_0.55Ｉｎ_0.45Ｐ層との選択比は１０程度であることが知られている。しかし、図６に示すようにＺｎの拡散処理の後においては、従来の厚さが９ｎｍのＧａＩｎＰからなる単層（ＳＱＷ）構造のエッチングストップ層の選択比は６以下である。これは、Ｚｎの拡散処理の際に上側クラッド層１６とエッチングストップ層１５との間に組成の平均化が生じることによると考えられる。

これに対して、エッチングストップ層１５の構造をＧａ_0.55Ｉｎ_0.45Ｐからなる第１の薄膜１５Ａと（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（ｘ＝０．５）からなる第２の薄膜１５Ｂとを積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造とした場合には、３周期積層した場合及び５周期積層した場合のいずれにおいても、選択比は１０程度の値を示している。

これは、エッチングストップ層１５を多重量子井戸構造とすることにより、Ｚｎの拡散による組成の平均化及び結晶性の低下の影響を受けにくくなることを示している。

さらに、本実施形態においては、リッジを形成するためにｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる第２のクラッド層１６を選択的にエッチングする際に、塩酸とカルボン酸系の薬液との混合溶液（例えば、塩酸と酒石酸又はマロン酸との混合溶液）を用いることができる。これにより硫酸系薬液を用いる場合と比較して、室温においてより高い選択比を得ることができ、より高いエッチング停止効果が得られる。硫酸系の薬液を用いた場合の２５℃における（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなるクラッド層とＧａＩｎＰ層との選択比は１０程度であるのに対し、塩酸とカルボン酸との混合溶液を用いた場合には、遙かに高く２００程度の値を示す。

以上のように、本実施形態の半導体レーザ素子は、エッチングストップ層１５を第１の薄膜１５Ａと第２の薄膜１５Ｂとが積層された多重量子井戸構造とすると共に、第１の薄膜１５ＡにＧａ_0.55Ｉｎ_0.45Ｐを用い、第２の薄膜１５Ｂに中間クラッド層１４及び上側クラッド層１６と比べてＡｌ組成比が小さい（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．３≦ｘ＜０．５）を用いている。これにより、窓領域３０においてＺｎの拡散による組成の平均化現象が生じた場合においても、エッチングストップ層１５と上側クラッド層１６とのＡｌ含有率の差を十分保つことができる。従って、リッジを形成する際にエッチングストップ層１５の抜けが発生して、中間クラッド層１４等がエッチングされることを防止できる。

また、エッチングストップ層１５中の第１の薄膜１５Ａと第２の薄膜１５Ｂとは、それぞれ活性層１３から放出される光エネルギーよりも大きなバンドギャップを有している。従って、エッチングストップ層１５において活性層１３からの発光が吸収されず、発光効率を高くすることができるので、安定した高出力レーザを実現できる。

さらに、本実施形態の半導体レーザ素子を形成する際に、塩酸とカルボン酸系薬液との混合溶液を用いることにより、上側クラッド層１６とエッチングストップ層１５とのエッチング選択比を格段に向上させることができるため、リッジ加工の際に下地層がエッチングされる等の問題が発生することをほぼ完全に防止できる。

なお、本実施の形態において、電流ブロック層２２をｎ−ＡｌＩｎＰとしたが、ｎ−ＧａＡｓでもかまわない。また、電流ブロック層２２をＳｉＮ等の誘電体膜としてもよいが、その場合は、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２３は主にリッジ上面にのみ形成される構造となる。

また、活性層１３は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなるウェル層、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．３≦ｘ≦０．５）からなるバリア層及びバリア層と同じ組成のガイド層からなる多重量子井戸構造であっても、同様の効果が期待できる。

この場合には中間クラッド層１４及び上側クラッド層１６には、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）を用い、エッチングストップ層１５の構造は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０≦ｘ＜０．３）からなる第１の薄膜１５ＡとＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．３≦ｘ＜０．５）からなる第２の薄膜１５Ｂとで構成される多重量子井戸構造とすればよい。

但し、エッチングストップ層１５が、活性層１３から放出される光エネルギーより大きいバンドギャップを有するように第１の薄膜１５Ａと第２の薄膜１５Ｂとを選定する必要がある。例えば、一般的な赤外半導体レーザの場合、発光波長は７７０ｎｍ程度であるので、エッチングストップ層１５の構造を、厚さが２ｎｍのＧａＡｓからなる第１の薄膜１５Ａ及び厚さが２ｎｍのＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる第２の薄膜１５Ｂが積層された多重量子井戸構造とすればよい。

このように、活性層１３及びエッチングストップ層１５の双方をＡｌＧａＡｓ系材料からなる構成とした場合は、上側クラッド層１６とエッチングストップ層１５とのエッチングは、リン系材料とヒ素系材料との選択エッチングになるため、従来の硫酸系又は塩酸系の薬液を用いても十分な選択比を得ることができる。また、塩酸とカルボン酸系薬液との混合溶液を用いればさらに大きな選択比を得ることができる。

さらに、上側クラッド層１６をＡｌＧａＡｓ系材料、例えばＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）としてもよく、この際には、リッジ形成に使用するエッチング液として、例えばフッ酸系薬液を用いれば、選択比を高くすることができる。

また、本実施形態においては、窓領域３０はＺｎを熱拡散することにより形成したが、Ｓｉ等をイオン注入等により導入することにより形成してもよい。

また、ｎ−ＧａＡｓ基板１１の上に厚さが２μｍ程度のｎ−ＧａＡｓからなるバッファ層を形成した後、各半導体層を成長させることにより、各半導体層の結晶性を向上させることができるので、半導体レーザ素子の信頼性を向上させることができる。

なお、カルボン酸系薬液には、ジカルボン酸又はオキシカルボン酸を用いることが好ましく、例えばマロン酸、グリコール酸又は酒石酸等を用いることができる。

その他、各層の組成及び構造等は、形成する半導体レーザ素子の発振波長、出力等の特性に応じて適宜変更することができる。

本発明の半導体レーザ素子及びその製造方法は、窓構造を有するリッジストライプ型の半導体レーザ素子において、エッチングストップ層の抜けを確実に防止し、歩留まりが高く且つ信頼性が高い半導体レーザ素子及びその製造方法を実現できるため、光ディスクシステムや情報処理あるいは光通信用の光源として用いる、活性層の近傍にエッチングストップ層を備えた半導体レーザ素子及びその製造方法等として有用である。

本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を工程順に示し、左側図は上から見た平面図であり、中央図は左側図のＷ−Ｗ線における断面図でり、右側図は左側図のＧ−Ｇ線における断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を工程順に示し、左側図は上から見た平面図であり、中央図は左側図のＷ−Ｗ線における断面図でり、右側図は左側図のＧ−Ｇ線における断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子を示し、（ａ）は全体の断面図であり、（ｂ）はエッチングストッパ層の拡大図である。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子のエッチングストップ層のＰＬ波長の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子のエッチングストップ層のアルミニウム組成比とエッチングレートとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法におけるエッチングストップ層の構造とエッチング選択比との相関を示すグラフである。 従来例に係る半導体レーザ素子を示す断面図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 下側クラッド層
１３ 活性層
１４ 中間クラッド層
１５ エッチングストップ層
１５Ａ 第１の薄膜
１５Ｂ 第２の薄膜
１６ 上側クラッド層
１７ キャップ層
１８ 第２のキャップ層
１９ 酸化亜鉛膜
２１ マスクパターン
２２ 電流ブロック層
２３ コンタクト層
２４ ｐ側オーミック電極
２５ ｎ側オーミック電極
３０ 窓領域
３１ 利得領域

Claims (11)

1. 半導体基板の上に順次形成された、下側クラッド層と、出射光に対して透明な領域が出射端面近傍に形成された窓領域を有する活性層と、中間クラッド層と、第１の薄膜及び該第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい第２の薄膜が周期的に積層された量子井戸構造を有するエッチングストップ層と、前記中間クラッド層と同一の組成の化合物からなり且つ平面ストライプ状の上側クラッド層とを備えた半導体レーザ素子であって、
   前記エッチングストップ層は、前記活性層から放出される光のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有し、
   前記第２の薄膜は、アルミニウムを含み且つ前記上側クラッド層と比べてアルミニウムの組成比が小さい化合物からなることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、
   前記第２の薄膜は、一般式が（Ａｌ_yＧａ_1-y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、
   前記第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記上側クラッド層は、一般式がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、
   前記第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
5. 半導体基板の上に、下側クラッド層と、活性層と、中間クラッド層と、エッチングストップ層と、上側クラッド層とを順次積層して半導体膜積層構造を形成する工程と、
   前記半導体膜積層構造の所定の領域に不純物を導入することにより、前記活性層の出射端面近傍に設けられた出射光に対して透明な領域である窓領域を形成する工程と、
   前記第２の上側クラッド層のエッチングレートが前記エッチングストップ層のエッチングレートと比べて高くなるウエットエッチャントを用いて、前記上側クラッド層を前記エッチングストップ層に至るまで選択的にウエットエッチングしてリッジ形状を形成する工程とを備え、
   前記エッチングストップ層は、前記活性層から放出される光のエネルギーよりも大きいバンドギャップを有するように、第１の薄膜と該第１の薄膜と比べてバンドギャップが大きい第２の薄膜とを周期的に積層することにより形成し、
   前記第２の薄膜は、アルミニウムを含み且つ前記上側クラッド層と比べてアルミニウムの組成比が小さい化合物からなることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
6. 前記上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、
   前記第２の薄膜は、一般式が（Ａｌ_yＧａ_1-y）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
7. 前記上側クラッド層は、一般式が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、
   前記第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
8. 前記上側クラッド層は、一般式がＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．５≦ｘ≦１）で表される化合物からなり、
   前記第２の薄膜は、一般式がＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０．３≦ｙ＜０．５）で表される化合物からなることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
9. 前記ウエットエッチャントは、塩酸と多官能性カルボン酸との混合溶液であることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
10. 前記多官能性カルボン酸は、ジカルボン酸又はオキシカルボン酸であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
11. 前記多官能性カルボン酸は、マロン酸、グリコール酸又は酒石酸であることを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
    

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