JP2006332623A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】閾値電流が小さく、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、基板（１００）上に形成されたＡｌＧａＡｓ層を含む活性層（１０３）と、活性層（１０３）の上方及び下方のうちの少なくとも一方に形成されたＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ（但し、０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ａ＋ｂ≦１である。）よりなる上部スペーサ層（１０４）とを備える。上部スペーサ層（１０４）は、活性層（１０３）に注入される電子の障壁層として機能する組成を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光記録や光通信などの光源として用いられる半導体レーザ装置に係り、特に面発光型半導体レーザ装置に関するものである。

近年、光記録や光通信などの光源として、半導体レーザの需要が高まっている。中でも面発光型半導体レーザは、閾値電流が低いこと、ビームスポットが円形であって光ファイバとの直接結合が容易であること、ウエハ状態での検査が可能であることといった特徴を有しており、低消費電力や低コストの発光素子として期待されている。また、面発光型半導体レーザにおける共振器のサイズが小さいため、高速変調動作が可能となることから、高速光通信に有利な光源である。

以下に、従来の面発光型半導体レーザの例として、特許文献１に開示された構造について図１０を参照しながら説明する。図１０は、従来の面発光型半導体レーザの構造を示す断面図である。

従来の面発光型半導体レーザでは、図１０に示すように、ＧａＡｓからなるｎ型半導体基板８０１の上には、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層とＡｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ層との積層が４０．５層重なった層からなるｎ型ミラー８０２が形成されている。ｎ型ミラー８０２の上には、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなるアンドープスペーサ層８０３ａ、三重量子井戸Ａｌ_0.11Ｇａ_0.89Ａｓ／Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓからなる活性層８０４、Ａｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓからなるアンドープスペーサ層８０３ｂ、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５、３０．５周期のＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ／Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓからなるｐ型ミラー８０６、及びｐ型ＧａＡｓ層８０７が下からこの順に積層されている。ここで、ｎ型ミラー８０２には、ＳｉがＮａ（アクセプタ濃度）＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3 となる濃度でＳｉがドープされており、ｐ型ミラー８０６にはＮａ＝７×１０¹⁷ｃｍ^-3 となる濃度でＺｎがドープされている。また、ｐ型ＧａＡｓ層８０７には、Ｎａ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3 となる濃度でＺｎがドープされている。

ｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、酸化領域８０５ａと、酸化領域８０５ａに両側方を挟まれる非酸化領域８０５ｂとからなり、非酸化領域８０５ｂに電流を狭窄する機能を有している。ｎ型ミラー８０２の上部と、その上に位置する各層はポスト構造８１３に加工されている。そして、ｐ型ＧａＡｓ層８０７の上には、レーザ出射のための開口部８１２を有するコンタクト電極８０９が形成されている。コンタクト電極８０９のうちの外縁部の上から、ポスト構造８１３の側面上及びｎ型ミラー８０２の露出面上にかけて、ＳｉＮ_x からなる層間絶縁膜８１０が形成されている。そして、層間絶縁膜８１０の上には配線電極８１１が形成されており、配線電極８１１は、層間絶縁膜８１０のうちコンタクト電極８０９の外縁部に接する部分も覆うことにより、コンタクト電極８０９に接している。一方、半導体基板８０１の下側にはｎ側電極８０８が設けられている。

以上のように構成された従来の面発光型半導体レーザのｎ側電極８０８と配線電極８１１との間にバイアス電圧が印加されると、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５の非酸化領域８０５ｂに電流が狭窄されて活性層８０４へキャリアが注入される。その結果、活性層８０４から生じた光が、ｎ型ミラー８０２及びｐ型ミラー８０６から構成される共振器内で発振し、開口部８１２から外部へ放射される。
特開２００３−１８８４７１号公報

しかしながら、上記従来の構成を有する面発光型半導体レーザでは、自動車用途など高温での動作が要求される環境下で用いる場合に、半導体レーザの持つ温度特性は必ずしも十分なものではなかった。周辺温度が高温である場合には、高エネルギーの電子が増加するため、注入された電子の多くがポテンシャル障壁を超えてスペーサ層にオーバーフローすることとなる。

キャリアのオーバーフローが生じるとスペーサ層の屈折率が変化し、共振波長が設計より大きくずれるため、面発光型レーザの特性が悪化する。すなわち、面発光型半導体レーザにおける共振波長は、共振器の光学膜厚、つまり共振器を構成する層の屈折率と膜厚との積の総和によって決定されるところ、スペーサ層の屈折率が変化すると、面発光型レーザの共振波長が変化する。一方で、面発光型レーザにおける設計は、活性層の利得が最大となる波長に合わせてスペーサ層の屈折率及び膜厚が決定されている。このため、スペーサ層の屈折率の変化によって面発光型レーザの共振波長が変化すると、活性層の利得が最大となる波長に対してずれが生じ、共振波長での利得が低下してしまうので、発光効率の低下などが生じる。つまり、高温環境下では駆動電流を増加しても光出力が飽和するので、十分な光出力が得られないこととなる。また、発光効率の低下は、面発光型レーザの発熱の増加を招いて、屈折率の更なる変化をもたらすことになる。発熱の増加は、活性層の利得の低下をも招く。このようにして、面発光型レーザの特性が悪化するのである。

したがって、面発光型レーザでは、特に、キャリアのオーバーフローを抑制することが重要である。

前記に鑑み、本発明は、キャリアのオーバーフローを抑制し、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明の一側面の半導体レーザ装置は、以下に述べる構成を有している。すなわち、活性層の上方又は下方に活性層に注入される電子からみて障壁層となる組成を持つＡｌＧａＩｎＰ層を有する。この構成により、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制することができるので、温度特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。

具体的には、本発明の一側面の半導体レーザ装置は、基板上に形成されたＡｌＧａＡｓ層を含む活性層と、活性層の上方及び下方のうちの少なくとも一方に形成されたＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ（但し、０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ａ＋ｂ≦１である。）層とを備え、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、活性層に注入される電子の障壁層として機能する組成を有していることを特徴とする。この構成により、活性層からの電子のオーバーフローが抑制され、温度特性に優れた半導体レーザ装置を実現することが可能となる。

本発明の一側面の半導体レーザ装置において、基板は第１導電型であり、活性層の上方に形成された第２導電型の第１の反射鏡と、活性層の下方に形成された第１導電型の第２の反射鏡とをさらに備え、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、第１の反射鏡と活性層との間、及び第２の反射鏡と活性層との間のうちの少なくとも一方に介在している形態が好ましい。このようにすると、温度特性の優れた面発光型半導体レーザ装置を実現することが可能となる。

上記形態において、第１の反射鏡と活性層との間に形成された第１のスペーサ層と、第２の反射鏡と活性層との間に形成された第２のスペーサ層とをさらに備え、第１のスペーサ層及び第２のスペーサ層の各々の膜厚は、所望のレーザ発振波長が得られるような膜厚を有していることが好ましい。このような構成により、所望の発振波長の面発光型半導体レーザ装置を得ることができる。すなわち、上記の通り、活性層からスペーサ層への電子のオーバーフローが抑制されるので、スペーサ層の屈折率の変化が抑制され、面発光型レーザの共振波長が変化することがない。このため、本構成によると、活性層の利得が最大となる波長に対してずれを生じさせることがなく、共振波長での利得が低下しないので、高温環境下においても、十分な発光効率を得ることができる。また、発光効率の低下が原因となる面発光型レーザの発熱の増加が抑制され、活性層の利得の低下を防止して、面発光型レーザの特性を向上させることができる。

ここで、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層が、第１のスペーサ層及び第２のスペーサ層のうちの少なくとも一方における一部の層を構成していることさらに好ましい。このようにすると、電子のオーバーフローを効果的に抑制することができる。また、第１及び第２スペーサ層の双方の一部にＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層を構成させる場合には、光強度の分布の強い位置にＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層を対称的に配置することで、発光特性を向上させることができる。

上記のさらに好ましい形態において、第１の反射鏡における少なくとも一部の層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層におけるアルミニウムの組成比ａは、０．１５よりも大きい。このようにすると、ＡｌＧａＡｓ層の結晶欠陥を低減することができる。

上記のさらに好ましい形態において、第１の反射鏡における少なくとも一部の層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層とＡｌＧａＡｓ層との間に形成されたＡｌ_cＧａ_dＩｎ_1-c-dＰ（但し、０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，０≦ｃ＋ｄ≦１である。）層よりなる緩衝層をさらに備えている。このようにすると、キャリアのオーバーフローを効果的に抑制しながら、ＡｌＧａＡｓ層の結晶欠陥を低減することができる。

本発明の一側面に係る半導体レーザ装置において、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層におけるインジウムの組成比ａは、０．４９以下であることを特徴とする。このようにすると、ＡｌＧａＩｎＰ層の格子定数がＧａＡｓよりも小さくなり、格子定数がＧａＡｓよりも大きいＡｌＧａＡｓで構成された層の歪みを補償することができるので、半導体レーザ装置の全体に内包される結晶歪みを低減することができる。

本発明の一側面に係る半導体レーザ装置において、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、Ｍｇがドーピングされていることを特徴とする。このようにすると、ＡｌＧａＩｎＰ層がｐ型伝導となり、半導体レーザ装置の直列抵抗を低減することができる。

本発明の一側面に係る半導体レーザ装置において、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、Ｓｉ又はＳｅがドーピングされていることを特徴とする。このようにすると、ＡｌＧａＩｎＰ層がｎ型伝導となり、半導体レーザ装置の直列抵抗を低減することができる。

Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層のドーピング濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3 以上であって且つ２×１０¹⁸ｃｍ^-3 以下であることを特徴とする。このようにすると、活性層へドーパントを拡散させることなくＡｌＧａＩｎＰ層を低抵抗化することができる。

上記のさらに好ましい形態において、第１のスペーサ層及び第２のスペーサ層の各々は、少なくとも２層よりなり、第１のスペーサ層及び第２のスペーサ層の各々における活性層側の一方の層が、ＡｌＧａＡｓ層であり、第１のスペーサ層及び第２のスペーサ層の各々における他方の層が、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層である。このようにすると、ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとのヘテロ界面から活性層までの距離を大きく設定することができる。ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとのヘテロ界面ではＶ族の組成が大きく異なるため、構成元素の相互拡散が生じやすく、このことは活性層での発光効率を低下させる要因となるが、ヘテロ界面から活性層までの距離を大きく取ることで、このような相互拡散による活性層への悪影響を抑制することができる。

上記のさらに好ましい形態において、第１の反射鏡の少なくとも一部、第１のスペーサ層、活性層、第２のスペーサ層、及び第２の反射鏡によって構成されるメサ状構造を有している。

上記のさらに好ましい形態において、第１の反射鏡における少なくとも一部の層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層よりも上に存在する層によって構成されるメサ状構造を有しており、メサ状構造における底部の縁部近傍には、Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層の表面が露出している。このようにすると、メサ状構造を作製するためのドライエッチング工程において、ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの選択的エッチングが可能となるため、表面の平坦性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。

この場合のメサ状構造には、電流狭窄領域として機能する、選択的に酸化された領域又はプロトンが注入された領域が含まれている。このようにすると、所望の部分に効率的に電流を流すことが可能な半導体レーザ装置を実現することができる。

また、メサ状構造の側面に接して形成された第１の保護層と、第２の保護層に接して形成された樹脂膜と、樹脂膜の上に接して形成された第２の保護層と、メサ状構造の上部の一部を覆うと共にメサ状構造の表面の一部を露出する開口部を有する電極とをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、半導体レーザ装置の表面が平坦化され、電極の断線が生じにくく、信頼性の高い半導体レーザ装置を実現することが可能となる。

本発明によると、活性層の上方及び下方の少なくとも一方に形成された、活性層に注入される電子からみて障壁層となる組成のＡｌＧａＩｎＰ層を備えている。このことにより、活性層に注入された電子のオーバーフローが確実に抑制され、活性層において高い発光再結合効率が得られる。したがって、閾値電流が小さく、且つ、優れた温度特性を有する半導体レーザ装置を実現できる。

また、上記の通り、活性層からスペーサ層への電子のオーバーフローが抑制されるので、スペーサ層の屈折率の変化が抑制され、面発光型レーザの共振波長が変化することがない。このため、活性層の利得が最大となる波長に対してずれを生じさせることがなく、共振波長での利得が低下しないので、高温環境下においても、十分な発光効率を得ることができる。さらに、発光効率の低下が原因となる面発光型レーザの発熱の増加が抑制され、活性層の利得の低下を防止して、面発光型レーザの特性を向上させることができる。

さらに、本発明によれば、Ｇａ組成の小さいＡｌＧａＩｎＰ層よりなる緩衝層がＡｌＧａＩｎＰ層上に形成されているため、ＡｌＧａＡｓからなる反射鏡の形成時における結晶欠陥の生成が抑制され、信頼性の高い半導体レーザ装置が得られる。また、メサ状構造を作製するためのドライエッチング工程において、ＡｌＧａＩｎＰ層がエッチング停止層の役割を果たすため、面内で均一なエッチング深さが得られ、その結果、表面の平坦性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザ装置について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する構成要素は、同一の符号が付されている。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置１０では、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１００の上に、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１、下部スペーサ層１０２、活性層１０３、上部スペーサ層１０４、電流狭窄層１０５、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及びｐ型コンタクト層１０７が下からこの順に形成されている。

ｎ型下部多層膜反射鏡１０１は、ｎ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ層とｎ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層とが交互に積層されてなる多層膜である。各層の膜厚はλ／４ｎ（λ：レーザ発振波長、ｎ：媒質の屈折率）であり、３４．５周期積層されている。ｎ型下部多層膜反射鏡１０１の最上層及び最下層は、ｎ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層によって構成されている。また、下部スペーサ層１０２は、Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓから構成されている。

活性層１０３は、量子井戸層１０３ａと該量子井戸層１０３ａの上下に形成されたＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓからなる光ガイド層１０３ｂとによって構成されている。量子井戸層１０３ａは、ＧａＡｓからなる井戸層とＡｌ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓからなる障壁層とが交互に積層されてなり、井戸層の数は３である。また、上部スペーサ層１０４は、（Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐによって構成されている。

電流狭窄層１０５は、ｐ型Ａｌ_0.98Ｇａ_0.02Ａｓからなる電流狭窄層１０５ａと、該電流狭窄層１０５ａの周辺部に形成された酸化アルミニウムからなるＡｌＧａＡｓ酸化物層１０５ｂとによって構成されており、この構成は電流経路をＡｌＧａＡｓ電流狭窄層１０５ａに限定する役割を有する。また、電流狭窄層１０５は上部多層膜反射鏡の一部として機能する。

ｐ型上部多層膜反射鏡１０６は、ｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ層とｐ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層とが交互に積層されてなる多層膜である。各層の膜厚はλ／４ｎ（λ：レーザ発振波長、ｎ：媒質の屈折率）であり、２２周期積層されている。ｐ型上部多層膜反射鏡１０６の最下層はｐ型Ａｌ_0.12Ｇａ_0.88Ａｓ層によって構成されており、最上層はｐ型Ａｌ_0.90Ｇａ_0.10Ａｓ層によって構成されている。また、ｐ型コンタクト層１０７は、ｐ型ＧａＡｓ層によって構成されている。

ここで、下部スペーサ層１０２、活性層１０３及び上部スペーサ層１０４における屈折率、膜厚、及び、屈折率と膜厚との積で与えられる光学膜厚を下記［表１］に示す。

［表１］に示すように、光学膜厚の総和が所望のレーザ発振波長である８５０ｎｍとなるようにスペーサ層の膜厚が調整されており、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１とｐ型上部多層膜反射鏡１０６との間で１波長分の共振器長を有するレーザ共振器が構成されている。なお、本実施形態のような反射鏡の構成においては、共振器中にできる定在波のエネルギー分布が最大となるのは共振器の中央部であるので、その位置に活性層を配置するために、下部スペーサ層１０２と上部スペーサ層１０４との光学膜厚が等しくなるように設定している。

また、図１に示すように、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１の一部、下部スペーサ層１０２、活性層１０３、上部スペーサ層１０４、電流狭窄層１０５、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及びｐ型コンタクト層１０７は、メサ状構造体を形成している。メサ状構造体の側面、及びメサ状構造体の周辺部におけるｎ型下部多層膜反射鏡１０１の表面上には、ＳｉＯ₂ からなる第１の保護層１０８、ＢＣＢからなる樹脂膜１０９が下から順に形成されており、樹脂膜１０９によって半導体レーザ装置の表面は平坦化されている。樹脂膜１０９の上には、ＳｉＯ₂ からなる第２の保護層１１０が形成されている。ｐ型コンタクト層１０７及び第２の保護層１１０の上には、光出射窓１１３を有するｐ側電極１１２が形成されている。一方、基板１００の下側には、ｎ側電極１１１が形成されている。

ｎ型下部多層膜反射鏡１０１には、ｎ型不純物としてシリコンが１０¹⁸ｃｍ^-3 台の濃度にてドーピングされており、ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層１０５ａ及びｐ型上部多層膜反射鏡１０６には、ｐ型不純物としてカーボンが１０¹⁸ｃｍ^-3 台の濃度にてドーピングされている。ｐ型コンタクト層１０７には、ｐ側電極１１２との接触抵抗を低減する目的で、カーボンが１０¹⁹ｃｍ^-3 以上の高い濃度にてドーピングされている。

以下、本発明の半導体レーザ装置の動作について説明する。

ｐ側電極１１２とｎ側電極１１１とに電圧を印加すると、ｐ側電極１１２から注入された正孔は、電流狭窄層１０５におけるＡｌＧａＡｓ電流狭窄層１０５ａを通過して活性層１０３に到達し、ｎ側電極１１１から注入された電子と活性層１０３において再結合し発光する。注入電流が閾値電流を超えると、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１及びｐ型上部多層膜反射鏡１０６によって構成される共振器によりレーザ発振を生じ、ｐ側電極１１２の開口部である光出射窓１１３からレーザ光が出射する。

図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における活性層１０３の周辺での伝導帯のバンドラインナップを示している。

図２に示すように、本実施形態では、上部スペーサ層１０４が電子に対して障壁となる組成を有するＡｌＧａＩｎＰによって構成されており、活性層１０３と上部スペーサ層１０４との間におけるバンド不連続量ΔＥｃが大きいという特徴を有している。具体的には、上部スペーサ層１０４が従来のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ系である場合、量子井戸層１０３ａのＧａＡｓと上部スペーサ層１０４との間のΔＥｃは、Ａｌ組成ｘが０．４３であるときに最大値の３５０ｍｅＶとなる。これに対して、上部スペーサ層１０４が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ系の場合、量子井戸層１０３ａのＧａＡｓと上部スペーサ層１０４との間のΔＥｃは、Ａｌ組成ｘが０．７０であるときに最大値の４００ｍｅＶとなる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置においては、下部スペーサ層１０２側から活性層１０３に注入された電子に対するヘテロ障壁が大きいため、上部スペーサ層１０４側への電子のオーバーフローが確実に抑制され、活性層１０３において高い発光再結合効率が得られる。したがって、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、閾値電流が小さく且つ優れた温度特性を有する。

また、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置においては、下部スペーサ層１０２側から活性層１０３に注入された電子に対するヘテロ障壁が大きいため、上部スペーサ層１０４側への電子のオーバーフローが確実に抑制され、上部スペーサ層１０４の屈折率の変化を小さくすることができる。このため、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１及びｐ型上部多層膜反射鏡１０６によって構成される共振器が有する共振波長の設計値からのずれが小さくなることにより、半導体レーザ装置の歩留まり率を向上させることができる。なお、スペーサ層１０４の屈折率の変化が小さくなるのは、キャリアのオーバーフローが抑制されることにより、半導体レーザ装置の発熱が小さくなってスペーサ層１０４の温度変化が小さくなったこと、スペーサ層１０４へのキャリアの拡散が抑制されてスペーサ層１０４のキャリアによる屈折率変化（プラズマ効果）が抑制されたことなどが原因である。

以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法について、図３〜図５を参照しながら説明する。なお、図３〜図５は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

まず、図３に示すように、有機金属気相成長法、又は分子線エピタキシーなどの結晶成長法を用いて、基板１００上にｎ型下部多層膜反射鏡１０１、下部スペーサ層１０２、活性層１０３、上部スペーサ層１０４、電流狭窄層１０５、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及びｐ型コンタクト層１０７を下からこの順で形成する。

次に、ＣＶＤ法又はスパッタリング法を用いて、ＳｉＯ₂ 膜（図示せず）を基板１００上の全面に形成した後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、当該ＳｉＯ₂ 膜を所望のパターン形状に加工する。続いて、加工後のＳｉＯ₂ 膜１１５をマスクとしたドライエッチング法を用いて、ｐ型コンタクト層１０７、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、電流狭窄層１０５、上部スペーサ層１０４、活性層１０３、下部スペーサ層１０２、及びｎ型下部多層膜反射鏡１０１の一部までをエッチング除去することにより、図４に示すメサ状構造体１１４を形成する。

次に、メサ状構造体１１４を４００℃の水蒸気雰囲気中に約１５分間晒すことにより、メサ状構造体１１４を外周部から酸化する。この時の酸化速度は、メサ状構造体１１４を構成する各層のＡｌ含有量によって異なるが、Ａｌ含有量が大きいほど酸化速度は速くなる。ここで、電流狭窄層１０５におけるＡｌ含有量は大きく設定されているので、電流狭窄層１０５がメサ状構造体１１４におけるその他の層よりも高速に酸化されて、図４に示すように、電流狭窄層１０５の周縁部には、ＡｌＧａＡｓ酸化物層１０５ｂが形成される。これにより、該ＡｌＧａＡｓ酸化物層１０５ｂによって囲まれる領域がＡｌＧａＡｓ電流狭窄層１０５ａとなる。

次に、図５に示すように、メサ状構造体１１４の表面、メサ状構造体１１４の側面、及びｎ型下部多層膜反射鏡１０１における露出した表面に、ＳｉＯ₂ からなる第１の保護層１０８を形成する。続いて、第１の保護層１０８の上に、ＢＣＢからなる樹脂膜１０９を塗布した後、樹脂膜１０９のうちメサ状構造体１１４上に存在する部分を露光及び現像し、さらにドライエッチング法による選択的エッチングを行うことにより、メサ状構造体１１４の上面に存在している第１の保護層１０８を露出させる。続いて、基板１００上の全面を覆うようにＳｉＯ₂ からなる第２の保護層１１０を形成する。

次に、メサ状構造体１１４上における第２の保護層１１０、第１の保護層１０８、及びＳｉＯ₂ 膜１１５をウェットエッチングを用いて除去することによって形成された開口部内に、フォトレジストを用いてマスクを形成する。続いて、ｐ型コンタクト層１０７にオーミック接触する金属（例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を全面に形成した後に、リフトオフ法を用いて、フォトレジスト及びその上部に形成された金属を除去することにより、光出射部１１３となる開口を有するｐ側電極１１２を形成する。

最後に、研磨及びエッチングを用いて、任意の膜厚に調整した基板１００の下面に、基板１００とオーミック接触する金属（例えばＡｕ、Ｇｅ、又はＮｉよりなる合金）を形成した後に、窒素雰囲気中で約４００℃、１０分間の熱処理を行うことによって、ｎ側電極１１１と基板１００及びｐ側電極１１２とｐ型コンタクト層１０７と合金化を行う。

以上のような製造方法により、図１に示した本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置を製造することができる。

なお、本実施形態においては、上部スペーサ層１０４のみが（Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐによって構成されている場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、下部スペーサ層１０２も（Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐによって構成されていてもよい。このようにすると、下部スペーサ層１０２と活性層１０３との間の価電子帯のヘテロ障壁を大きく設定することができる。したがって、活性層に注入された正孔の下部スペーサ層１０２側へのオーバーフローが確実に抑制されるので、活性層１０３において高い発光再結合効率が得られ、閾値電流が小さく且つ温度特性に優れた半導体レーザ装置が実現できる。

また、本実施形態においては、上部スペーサ層１０４がＡｌＧａＡｓよりも酸化されにくいＡｌＧａＩｎＰによって構成されている場合について説明したが、このようにすると、ＡｌＧａＡｓ酸化物層１０５ｂを形成する工程において、上部スペーサ層１０４が酸化されにくいという特長を得ることができる。

なお、本実施形態においては、上部スペーサ層１０４が（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐによって構成される場合について説明したが、ＡｌとＧａとの組成の和を０．５１よりも大きく且つＩｎ組成を０．４９よりも小さくすることにより、以下の効果を得ることができる。すなわち、本実施形態において、上部スペーサ層１０４以外の層を構成する材料であるＡｌＧａＡｓはＧａＡｓにほぼ格子整合する材料ではあるが、実際は、ＡｌＧａＡｓの格子定数はＧａＡｓの格子定数よりもわずかに大きく、ＡｌＧａＡｓにおけるＡｌ組成が大きくなる程、ＡｌＧａＡｓの格子定数とＧａＡｓの格子定数との差は大きくなる。特に、面発光型半導体レーザにおいては、反射鏡としてＡｌ組成の高い層が何層も形成されているので、格子定数差による結晶歪みが無視できなくなり、結晶品質の劣化又はデバイス特性の劣化の原因となる。一方、本実施形態においては、上部スペーサ層としてＡｌＧａＩｎＰを用いて、Ｉｎ組成を０．４９よりも小さく設定することにより、ＡｌＧａＩｎＰの格子定数をＧａＡｓの格子定数よりも小さくすることができる。これにより、ＡｌＧａＡｓによって構成された層の歪みを補償できるので、半導体レーザ装置１０の全体に内包される結晶歪みを低減することができる。

また、本実施形態において、上部スペーサ層１０４がアンドープである場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、ｐ型にドーピングされていてもよい。上部スペーサ層１０４をｐ型にドーピングすることによって半導体レーザ装置１０の直列抵抗を低減することができる。この場合、上部スペーサ層１０４を構成するＡｌＧａＩｎＰ材料のドーパントとして、Ｍｇ又はＺｎを用いることによってｐ型伝導が得られる。また、スペーサ層１０４は活性層１０３に隣接した層であるので、拡散しにくいＭｇをドーパントとして用いることが好ましい。また、ドーピング濃度としては、活性層１０３への拡散が生じずに低抵抗化が可能な１×１０¹⁷ｃｍ^-3 以上であって且つ２×１０¹⁸ｃｍ^-3 以下とすることが好ましい。

また、本実施形態において、上部スペーサ層１０４の全体がＡｌＧａＩｎＰによって構成されている場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、上部スペーサ層１０４の一部がＡｌＧａＩｎＰによって構成され、残りの部分がＡｌＧａＡｓによって構成されていても構わない。ＡｌＧａＩｎＰとＡｌＧａＡｓとのヘテロ界面付近では、ＰとＡｓとの組成が大きく異なるために、ＰとＡｓとの相互拡散が生じた領域が生じやすく、活性層１０３における発光効率の低下が起きる。これに対して、上部スペーサ層１０４の活性層１０３側をＡｌＧａＡｓによって構成することにより、ＡｌＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの界面から活性層１０３までの距離を大きく設定することができるので、活性層１０３における発光効率の低下を抑制することができる。

図６は、上部スペーサ層１０４の活性層１０３側をＡｌＧａＡｓによって構成した場合における伝導帯のバンドラインナップを示している。ここでは、上部スペーサ層１０４は、活性層１０３側に形成された膜厚４０ｎｍのＡｌＧａＡｓ層１１７と、電流狭窄層１０５側に形成された膜厚５０ｎｍのＡｌＧａＩｎＰ層１１８とによって構成されており、ＡｌＧａＡｓ層１１７及びＡｌＧａＩｎＰ層１１８の各膜厚は、上部スペーサ層１０４の全体の光学膜厚が下部スペーサ層１０２の光学膜厚と等しくなるように設定している。

図６から明らかなように、上部スペーサ層１０４を構成する活性層１０３側のＡｌＧａＩｎＰ層１１７が障壁層として機能し、活性層１０３からの電子のオーバーフローを抑制することが分かる。

（第２の実施の形態）
以下に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置ついて図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態の半導体レーザ装置の断面構造のうち、第１の実施形態の半導体レーザ装置の断面構造と共通する部分は、第１の実施形態における説明と同様である。したがって、以下では、第２の実施形態の半導体レーザ装置の構造うち、第１の実施形態の半導体レーザ装置の構造とは異なる部分について説明することとする。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図を示している。

図７に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は、ＡｌＧａＩｎＰからなる上部スペーサ層１０４と電流狭窄層１０５との間に、ＡｌＩｎＰからなる緩衝層１１６が形成されている点で、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と異なる。

ＡｌＧａＩｎＰ層上に、Ｖ族元素が異なるＡｌＧａＡｓ層を結晶成長させる際には、ＡｌＧａＩｎＰ層のＧａ組成を小さくすることにより、結晶欠陥の少ないＡｌＧａＡｓ層を得ることができる。これは、ＡｌＧａＩｎＰ層におけるＧａＰ成分とＡｌＧａＡｓ層におけるＡｌＡｓ成分との相互作用が小さくなり、ＡｌＧａＡｓ層の形成時にＡｌＡｓ成分のマイグレーションがより促進されるためである。

図８は、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ 層上にＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層を形成した場合における結晶欠陥密度のＡｌ組成ｘに対する依存性を示したものである。

図８に示するように、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層におけるＡｌの組成ｘが大きいほど結晶欠陥密度は小さい。すなわち、Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ（ｘ＝０）層の上にＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層を形成した場合には結晶欠陥密度は約２．７×１０⁷ 個／ｃｍ² であるが、（Ａｌ_0.30Ｇａ_0.70）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ （ｘ＝０．３０）層上に形成する場合には結晶欠陥密度は約４．０×１０⁶ 個／ｃｍ² 程度になり、（Ａｌ_0.70Ｇａ_0.30）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ（ｘ＝０．７０）層上に形成する場合には結晶欠陥密度は１×１０⁵ 個／ｃｍ² 程度にまで減少していることが分かる。さらに、Ａｌ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ（ｘ＝１）層の上にＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層を形成した場合には、結晶欠陥はほとんど観察されず、１平方センチメートル当たり２桁のオーダーである。

本実施形態では、ＡｌＧａＩｎＰからなる上部スペーサ層１０４上にＡｌＩｎＰからなる緩衝層１１６を形成し、その上にＡｌＧａＡｓからなる電流狭窄層１０５を形成するため、電流狭窄層１０５の結晶欠陥を著しく小さくすることができる。

なお、本実施形態では緩衝層１１６を形成する場合について説明したが、上部スペーサ層１０４のＧａ組成を小さくすることにより、ＡｌＧａＡｓからなる電流狭窄層１０５の結晶欠陥を小さくすることも可能である。但し、前述したように、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ系の材料においてはｘ＝０．７０においてΔＥｃが最大となり、それ以上のＡｌ組成すなわちＧａ組成が０．３０以下となる場合にはΔＥｃが低下してしまう。このため、本実施形態のように、緩衝層１１６を配置して、該緩衝層１１６のＧａ組成を小さくすることにより、活性層１０３と上部スペーサ層１０４との間で大きなΔＥｃを設定することができると同時に、電流狭窄層１０５の結晶欠陥を少なくすることができる。

このように、本実施形態に係る半導体レーザ装置は低結晶欠陥を実現できるので、信頼性がに優れている。

（第３の実施の形態）
以下に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置ついて図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態の半導体レーザ装置の断面構造のうち、第１の実施形態の半導体レーザ装置の断面構造と共通する部分は、第１の実施形態における説明と同様である。したがって、以下では、第３の実施形態の半導体レーザ装置の構造うち、第１の実施形態の半導体レーザ装置の構造とは異なる部分について説明することとする。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図を示している。

図９に示すように、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置では、電流狭窄層１０５、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及びｐ型コンタクト層１０７によってメサ状構造体が構成されており、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１の一部、下部スペーサ層１０２、活性層１０３、及び上部スペーサ層１０４はメサ状構造体を構成していない点で、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置と異なっている。

本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法では、前述した図４に示すメサ状構造体１１４を形成する工程において、ドライエッチング法により除去する層が、ｐ型コンタクト層１０７、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及び電流狭窄層１０５までであって、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１の一部、下部スペーサ層１０２、活性層１０３、及び上部スペーサ層１０４は除去しない点が第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なっている。すなわち、本実施形態においては、ＡｌＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１０７から、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及び電流狭窄層１０５までをエッチングによって除去し、Ｖ族材料の異なったＡｌＧａＩｎＰからなる上部スペーサ層１０４が表面に露出した時点でエッチングを停止する。このようにして、電流狭窄層１０５、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及びｐ型コンタクト層１０７によって構成されるメサ状構造体を形成することができる。

ここで、Ｖ族材料の異なる材料に対しては、同じエッチング条件を用いてもドライエッチングの速度が異なり、ある条件においてはＡｌＧａＡｓよりもＡｌＧａＩｎＰのエッチング速度が小さくなる。したがって、適切なエッチング条件を用いれば、上部スペーサ層１０４において容易にエッチングを停止することができる。この場合、エッチングの選択比が高いので、上部スペーサ層１０４の露出面は、平坦なエッチング表面となる。これにより、樹脂膜１０９を用いて半導体レーザ装置の平坦化が容易となる。また、大口径のウエハにおいてもエッチングの面内ばらつきを小さくすることが可能となる。

なお、本実施形態は、緩衝層１１６を備えた第２の実施形態の構造の場合であっても適用可能である。この場合には、本実施形態と同様に、上部スペーサ層１０４を露出させるまでエッチングを行ってメサ状構造を形成してもよいし、緩衝層１１６を露出させるまでエッチングを行ってメサ状構造を形成することも可能である。

（その他の実施形態）
なお、第１から第３の実施の形態においては、ｎ型ＧａＡｓからなる基板１００上に、ｎ型下部多層膜反射鏡１０１、ｐ型上部多層膜反射鏡１０６、及びｐ型コンタクト層１０７を下からこの順に形成し、基板１００側をｎ型とした場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではい。すなわち、ｐ型ＧａＡｓからなる基板上に、ｐ型下部多層膜反射鏡、ｎ型上部多層膜反射鏡、及びｎ型コンタクト層を下からこの順に形成し、基板側をｐ型にすることも可能である。

また、樹脂膜１０９の材料としてＢＣＢを用いた場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、樹脂材料として例えばＳｉＬＫ又はＦＬＡＲＥ（登録商標）を用いることも可能である。

また、発振波長が約８５０ｎｍの半導体レーザ装置である場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。すなわち、各実施形態による効果は発振波長により限定されるものではなく、いかなる波長の半導体レーザ装置においても同様の効果が得られる。特に、発振波長が短波長となるほど活性層のバンドギャップを大きくする必要があり、この場合、スペーサ層とのバンド不連続量ΔＥｃは小さくなるため、ΔＥｃを大きく設定することができる本発明の効果は、発振波長が短波長であるほどより顕著なものとなる。

本発明に係る半導体レーザ装置は温度特性に優れ、光記録や光通信などの光源として有用である。特に、高温での動作が要求される自動車内などの環境において利用価値が高い。

本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の活性層周辺における伝導帯のバンドラインナップを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る半導体レーザ装置の活性層周辺における伝導帯のバンドラインナップを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。 （Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層上にＡｌ_0.6Ｇａ_0.4Ａｓ層を形成した場合における結晶欠陥密度のＡｌ組成ｘに対する依存性を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ装置の断面図である。 従来の面発光型半導体レーザの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ 半導体レーザ装置
１００ 基板
１０１ ｎ型下部多層膜反射鏡
１０２ 下部スペーサ層
１０３ 活性層
１０３ａ 量子井戸層
１０３ｂ 光ガイド層
１０４ 上部スペーサ層
１０５ 電流狭窄層
１０５ａ ＡｌＧａＡｓ電流狭窄層
１０５ｂ ＡｌＧａＡｓ酸化物層
１０６ ｐ型上部多層膜反射鏡
１０７ ｐ型コンタクト層
１０８ 第１の保護層
１０９ 樹脂膜
１１０ 第２の保護層
１１１ ｎ側電極
１１２ ｐ側電極
１１３ 光出射窓
１１４ メサ状構造体
１１５ ＳｉＯ₂ 膜
１１６ 緩衝層
１１７ ＡｌＧａＡｓ層
１１８ ＡｌＧａＩｎＰ層
８０１ ｎ型半導体基板
８０２ ｎ型ミラー
８０３ａ アンドープスペーサ層
８０３ｂ アンドープスペーサ層
８０４ 活性層
８０５ ｐ型ＡｌＡｓ層
８０５ａ ｐ型ＡｌＡｓ層の酸化領域
８０５ｂ ｐ型ＡｌＡｓ層の非酸化領域
８０６ ｐ型ミラー
８０７ ｐ型ＧａＡｓ層
８０８ ｎ側電極
８０９ コンタクト電極
８１０ 層間絶縁膜
８１１ 配線電極
８１２ 開口部
８１３ ポスト構造

Claims (15)

1. 基板上に形成されたＡｌＧａＡｓ層を含む活性層と、
   前記活性層の上方及び下方のうちの少なくとも一方に形成されたＡｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ（但し、０≦ａ≦１，０≦ｂ≦１，０≦ａ＋ｂ≦１である。）層とを備え、
   前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、前記活性層に注入される電子の障壁層として機能する組成を有していることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記基板は第１導電型であり、
   前記活性層の上方に形成された第２導電型の第１の反射鏡と、
   前記活性層の下方に形成された第１導電型の第２の反射鏡とをさらに備え、
   前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、前記第１の反射鏡と前記活性層との間、及び前記第２の反射鏡と前記活性層との間のうちの少なくとも一方に介在していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記第１の反射鏡と前記活性層との間に形成された第１のスペーサ層と、
   前記第２の反射鏡と前記活性層との間に形成された第２のスペーサ層とをさらに備え、
   前記第１のスペーサ層及び前記第２のスペーサ層の各々の膜厚は、所望のレーザ発振波長が得られるような膜厚を有していることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、前記第１のスペーサ層及び前記第２のスペーサ層のうちの少なくとも一方における一部の層を構成していることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第１の反射鏡における少なくとも一部の層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、
   前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層におけるアルミニウムの組成比ａは、０．１５よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記第１の反射鏡における少なくとも一部の層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、
   前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層と前記ＡｌＧａＡｓ層との間に形成されたＡｌ_cＧａ_dＩｎ_1-c-dＰ（但し、０≦ｃ≦１，０≦ｄ≦１，０≦ｃ＋ｄ≦１である。）層よりなる緩衝層をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層におけるインジウムの組成比ａは、０．４９以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、Ｍｇがドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層は、Ｓｉ又はＳｅがドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層のドーピング濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3 以上であって且つ２×１０¹⁸ｃｍ^-3 以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記第１のスペーサ層及び前記第２のスペーサ層の各々は、少なくとも２層よりなり、
    前記第１のスペーサ層及び前記第２のスペーサ層の各々における前記活性層側の一方の層が、ＡｌＧａＡｓ層であり、
    前記第１のスペーサ層及び前記第２のスペーサ層の各々における他方の層が、前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層であることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記第１の反射鏡の少なくとも一部、前記第１のスペーサ層、前記活性層、前記第２のスペーサ層、及び前記第２の反射鏡によって構成されるメサ状構造を有していることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記第１の反射鏡における少なくとも一部の層は、ＡｌＧａＡｓ層であり、
    前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層よりも上に存在する層によって構成されるメサ状構造を有しており、
    前記メサ状構造における底部の縁部近傍には、前記Ａｌ_aＧａ_bＩｎ_1-a-bＰ層の表面が露出していることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記メサ状構造には、電流狭窄領域として機能する、選択的に酸化された領域又はプロトンが注入された領域が含まれていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の半導体レーザ装置。
15. 前記メサ状構造の側面に接して形成された第１の保護層と、
    前記第２の保護層に接して形成された樹脂膜と、
    前記樹脂膜の上に接して形成された第２の保護層と、
    前記メサ状構造の上部の一部を覆うと共に前記メサ状構造の表面の一部を露出する開口部を有する電極とをさらに備えていることを特徴とする請求項１２〜１４に記載の半導体レーザ装置。
    

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