JP2007059576A - モノリシック型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】結晶成長の回数を増やすことなく、高温高出力動作可能なモノリシック型半導体レーザを提供する。
【解決手段】半導体基板１上にｎ形クラッド層２ａ、活性層３ａ、リッジ部が形成されるｐ形クラッド層４ａを有する赤外発光層形成部９ａ、リッジ側部に赤外用の電流狭窄層５ａが少なくとも形成されたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａと、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａが形成されていない領域に、ｎ形クラッド層２ｂ、活性層３ｂ、リッジ部が形成されるｐ形クラッド層４ｂを有する赤色発光層形成部９ｂ、赤外用の電流狭窄層５ａと同一材料からなり、活性層３ｂのバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有する赤色用の電流狭窄層５ｂがリッジ側部に少なくとも形成されたＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子とを、同一の半導体基板上に形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク；digital versatile disk）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＤＶＤ−ＲなどのＤＶＤ装置と、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＣＤ−ＲなどのＣＤ装置との一体型光ディスク装置のピックアップ光源に用いるのに適したモノリシック型半導体レーザに関する。さらに詳しくは、製造プロセス工数を低減しつつ、高温高出力動作可能な構造のモノリシック型半導体レーザに関する。

近年、ＤＶＤとＣＤとの間に互換性のある光ディスク装置の普及に伴い、たとえばＩｎＧａＡｌＰ系の赤色半導体レーザ素子およびＡｌＧａＡｓ系の赤外半導体レーザ素子を同一半導体基板上に形成して、２波長のレーザ光を一定間隔で出射するモノリシック型半導体レーザが光源として用いられている（特許文献１参照）。

図３に示されるように、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子５０ａは、たとえばｎ形ＧａＡｓからなる半導体基板５１の上に、たとえばｎ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるｎ形クラッド層５２ａ、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる活性層５３ａ、ｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなるリッジ形状のｐ形クラッド層５４ａとからなる赤外発光層形成部５９ａ、リッジ形状の側面部にｎ形ＧａＡｓからなる赤外素子用の電流狭窄層５５ａとが形成されており、その上部に、たとえばｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層５６ａが設けられている。他方、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子５０ｂは、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子５０ａと同一の半導体基板５１上に、たとえばｎ形ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなるｎ形クラッド層５２ｂ、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる活性層５３ｂ、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなるｐ形クラッド層５４ｂとからなる赤色発光層形成部５９ｂ、リッジ形状の側面部には赤外素子用の電流狭窄層５５ａと同一の材料であるｎ形ＧａＡｓからなる赤色素子用の電流狭窄層５５ｂとが形成されており、その上部に、たとえばｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層５６ｂが設けられている。さらにコンタクト層５６ａ、５６ｂの上部にそれぞれｐ側電極５７ａ、５７ｂが形成され、半導体基板５１の裏面側にｎ側共通電極５８が形成され、両素子は電気的に分離されモノリシック型半導体レーザとなる。
特開２０００−１１４１７号公報（図９）

この点、従来の構造では、赤外素子用および赤色素子用の電流狭窄層としてＧａＡｓが用いられており、それぞれ電流狭窄層のバンドギャップエネルギーは活性層のバンドギャップエネルギーよりも小さい。したがって、活性層において発生した光を吸収する複素屈折率導波構造となり、導波路損失および閾値電流が大きく、その結果、高出力動作が不可能であり読み取り用の光源として使用できるにすぎず、書き込み用の光源として使用することができないという問題がある。

そこで、従来から書き込み用光源として開発されている電流狭窄層にバンドギャップの大きな材料を用いた実屈折構造を採用した半導体レーザが知られており、それらの半導体レーザ素子を単純に組み合わせモノリシック型半導体レーザとすることが考えられる。具体的には、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子側の赤外素子用の電流狭窄層にはＡｌＧａＡｓ系材料を、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子側の赤色素子用の電流狭窄層にはＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いることが考えられる。

しかし、従来の実屈折構造を採用した半導体レーザ素子により単純に組み合わせモノリシック化を図ろうとすると、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子とＩｎＧａＡｌＰ系の半導体レーザ素子の電流狭窄層がそれぞれ異なる材料を用いて形成されることになるため、それぞれの電流狭窄層を別々に結晶成長することが必要となる。さらに、それに伴いエッチングなどのプロセス工数が増加し、歩留まりが極端に低下してしまうという問題がある。

また、無理矢理電流狭窄層を共通化しようとすると、発光波長の短い側の発光素子の光が電流狭窄層で吸収されて高出力化を達成できなくなるか、リッジ部の第２導電形半導体層と電流狭窄層との屈折率差が大きくなり過ぎてキンクが発生しやすいという問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、結晶成長の回数を増やすことなく、高温高出力動作可能なモノリシック型半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は結晶成長回数を増やすことなく高温高出力動作を可能としながら、キンクの発生を抑制し得る構造の半導体レーザを提供することにある。

本発明のモノリシック型半導体レーザは、同一半導体基板上に第１波長用半導体レーザ素子と、第２波長用半導体レーザ素子とを備えるモノリシック型半導体レーザであって、
前記第１波長用半導体レーザ素子は、前記半導体基板上に積層される第１導電形半導体層、活性層、リッジ部が形成される第２導電形半導体層からなる第１波長用発光層形成部と、前記第２導電形半導体層のリッジ部の側部に設けられた第１波長用の第１導電形電流狭窄層とを有し、
前記第２波長用半導体レーザ素子は、前記半導体基板上の前記第１波長用半導体レーザ素子が形成されていない領域に積層される第１導電形半導体層、活性層、リッジ部が形成される第２導電形半導体層からなる第２波長用発光層形成部と、前記第２導電形半導体層のリッジ部の側部に設けられる第２波長用の第１導電形電流狭窄層とを有し、
前記第１波長用の電流狭窄層と前記第２波長用の電流狭窄層を形成する材料が同一、かつ、発光波長の短い前記第２波長用の半導体レーザ素子の活性層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する材料からなることを特徴とする。

具体的には、 前記第１波長用の電流狭窄層および第２波長用の電流狭窄層が、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８）で表される材料からなることを特徴とする。また、前記第１波長用の電流狭窄層および第２波長用の電流狭窄層が、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐ（０.６≦ｘ≦１）で表わされる材料からなっている。

ここにＩｎと（Ｇａ_1-xＡｌ_x）の混晶の割合の０.５は、ＧａＡｓと格子整合をする割合であることを意味する。

さらに、発明者は鋭意検討の末、上述の構成に加え、各第２導電形半導体層のリッジ部を形成する材料として、前記電流狭窄層の屈折率との差が０.１以下となるような材料を用いることにより、同一材料の電流狭窄層を用いても安定した高出力特性を維持し得ることを見出した。

すなわち、第１波長用としての赤外素子用および第２波長用としての赤色素子用の電流狭窄層に同じ材料を用いた実屈折構造のモノリシック型半導体レーザを作製しようとすると、電流狭窄層の材料選択如何によって高温特性や高出力特性に影響を与えることがある。たとえば、一方の半導体レーザ素子に好ましい材料を他方の半導体レーザ素子の電流狭窄層として用いると、一方の半導体レーザ素子では高出力特性を維持し得るが、他方の半導体レーザ素子にとっては好ましい材料とはいえない場合があり、高出力特性、すなわち単一モード発振が困難となり、多モード発振が生じ、また高温動作特性が悪化してしまう場合がある。

そこで本発明者は、第１波長素子用および第２波長素子用の電流狭窄層を共通の材料を用いた上で、より電流狭窄層に用いることのできる材料の幅を広げるべく、種々の検討を行った。そして、それぞれの半導体レーザ素子の電流狭窄層と隣接するリッジ部の第２導電形半導体層の材料を、各電流狭窄層の屈折率の差が０.１以下となるような材料を用いることにより、このような不都合性を回避し、高温高出力動作し得る電流狭窄層として使用できる材料選択の幅を広げうることを見出したのである。

そこで、本発明のモノリシック型半導体レーザは、前記発明に加え、前記第１波長用半導体レーザ素子および第２波長用半導体レーザ素子の前記リッジ部を構成する第２導電形半導体層が、それぞれ第１波長用および第２波長用の電流狭窄層との屈折率の差が０.１以下となるような材料からなっている。

さらに、前記第１波長用および第２波長用の電流狭窄層が、電気的に分断されており、かつ該電流狭窄層にＳｉが添加されたｎ形半導体層からなっている。

本発明によれば、第１波長素子用および第２波長素子用の電流狭窄層に第２波長用半導体積層部の活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する材料を用いているため、活性層で発生した光がそれぞれの電流狭窄層で吸収されることがなく、高出力動作を実現でき、かつ、電流狭窄層は同一材料が用いられているため、結晶成長回数を増やすことなく、歩留まりの低下を抑えた高温高出力可能なモノリシック型半導体レーザを作製することができる。

また、それぞれの第２導電形半導体層が、第１波長素子用および第２波長素子用の電流狭窄層の屈折率との差が０.１以下となる材料を用いることにより、電流狭窄層の材料の変更に伴い生じうる一方の半導体レーザ素子の多モード化による高出力動作不能となることを防ぎ、電流狭窄層の材料選択の幅を広げることができ、高温高出力まで単一モード発振し得るモノリシック型半導体レーザが得られる。

つぎに、図面を参照しながら本発明のモノリシック型半導体レーザについて説明をする。本発明によるモノリシック型半導体レーザは、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、半導体基板１上に第１導電形半導体層（たとえばｎ形クラッド層２ａ）、活性層３ａ、リッジ部が形成される第２導電形半導体層（たとえばｐ形クラッド層４ａ）を有する第１波長用（以下、赤外用またはＡｌＧａＡｓ系という）発光層形成部９ａ、リッジ側部に赤外用の電流狭窄層５ａが少なくとも形成されたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａと、半導体基板１上のＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａが形成されていない領域に、第１導電形半導体層（たとえばｎ形クラッド層２ｂ）、活性層３ｂ、リッジ部が形成される第２導電形半導体層（たとえばｐ形クラッド層４ｂ）を有する第２波長用（以下、赤色用またはＩｎＧａＡｌＰ系という）発光層形成部９ｂ、赤外用の電流狭窄層５ａと同一材料からなり、活性層３ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する赤色用の電流狭窄層５ｂがリッジ側部に少なくとも形成されたＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂとが、同一の半導体基板面１上に形成されている。

これらの半導体材料を積層するための半導体基板１としては、格子整合をとることができるＧａＡｓ基板が一般的に用いられるが、他の化合物半導体でも構わない。また、半導体基板１の導電形は、半導体レーザを組み込むセットとの関係で、基板側に望まれる導電形のｎ形またはｐ形のいずれかが用いられ、この基板１の導電形にしたがって、積層される半導体層の導電形も定まる。以下の具体例では、半導体基板１がｎ形の例で説明する。

図１に示される例では、それぞれ第２導電形半導体層４ａ、４ｂのリッジ部の両側に、同一の材料で、かつ、赤色用発光層形成部９ｂの活性層３ｂのバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する材料により赤外用および赤色用の電流狭窄層５ａ、５ｂがリッジ部の側部を埋めるように形成されている。

このように、それぞれの電流狭窄層の材料を同一とすることで、後述するように電流狭窄層を同時に結晶成長することができるとともに、リッジ形成プロセスの共通化、剥離プロセスの共通化などが可能となり、歩留まり低下を抑えることができる。また、赤色発光層形成部の活性層のバンドギャップエネルギーより大きなバンドギャップエネルギーを有する材料を用いれば、当然に赤外用発光層形成部の活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有することになるため、赤外、赤色の光いずれも吸収することがなくなる。したがって、赤外光、赤色光に対し、いずれも実屈折率構造が実現でき、高温高出力特性に優れたモノリシック型半導体レーザが得られる。

赤外用の電流狭窄層５ａ、赤色用の電流狭窄層５ｂを形成するためには、一般的に、ＡｌＧａＡｓ系材料やＩｎＧａＡｌＰ系材料が主として用いられる。ここで、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｚ≦１）で表される材料を、ＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐ（０≦ｘ≦１）で表わされる材料をそれぞれ意味している。

かかる材料は、格子定数が基板と近似する材料であり、結晶成長が比較的容易であり半導体層の品質を向上させることができる。また、特にＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いることが、電流狭窄効果を維持するのが容易であることから好ましい。すなわち、電流狭窄層中のＡｌの比率が高くなるにつれて、電流狭窄層中に原料となる有機金属に含まれる炭素が混入する割合が増加しｐ形化する。そしてｎ形の電流狭窄層を形成する場合、できる限りＡｌの比率を落とさなければｐ形化により電流狭窄効果が低下し漏れ電流などが発生することになる。そこで、電流狭窄効果を維持しやすいという点からＡｌの比率の少ないＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いることがより好ましい。さらに、より確実な電流狭窄効果を維持すべく、ｎ形の電流狭窄層を用いる場合には、Ｓｉをドーピングすることが、Ａｌの比率が大きくなった場合でも十分な電流狭窄効果を維持し得る点でより好ましい。なお、ｐ形の場合には、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅなどをドーピングすることにより得られる。

また、赤外用および赤色用の電流狭窄層５ａ、５ｂ上に電流狭窄効果や光閉じ込め効果を調整する働きや保護層としての働きを有するｎ形ＧａＡｓなどからなる層がさらに積層されてもよい。

また、ＩｎＧａＡｌＰ系材料やＡｌＧａＡｓ系材料を用いる説明をしているが、これら以外の材料を用いた場合であっても、上述の条件を満たすものであれば構わない。

赤外用発光層形成部９ａ、赤色用発光層形成部９ｂは、図１に示されるように、少なくとも第１導電形半導体層（ｎ形クラッド層２ａ、２ｂ）、活性層３ａ、３ｂ、リッジ部が形成される第２導電形半導体層（ｐ形クラッド層４ａ、４ｂ）を有している。

赤外用発光層形成部９ａを形成するためには、ＡｌＧａＡｓ系材料が、赤色用発光層形成部９ｂを形成するためには、一般的に、ＩｎＧａＡｌＰ系材料が主として用いられる。赤外用および赤色用の発光層形成部の一部に他の系の材料を用いて形成してもよい。また、第１導電形半導体層２ａ、２ｂとしてｎ形クラッド層以外に、バッファー層などを設けてもよい。第２導電形半導体層４ａ、４ｂとして、ｐ形クラッド層を二分し、その間にエッチングストップ層などを設けてもよいし、ｐ形クラッド層上にキャップ層などを設けてもよい。また、活性層３ａ、３ｂは、Ｚｎ拡散などにより共振器端面を無秩序化するような構造の場合（窓構造を有する場合）には、量子井戸構造でないと無秩序化しないため量子井戸構造であることが好ましいが、バルク構造であってもよい。また、量子井戸構造は単一量子井戸構造でも多重量子井戸構造であってもよい。

また、コンタクト層６ａ、６ｂは、発光層形成部９ａ、９ｂおよび電流狭窄層５ａ、５ｂ上に、たとえばｐ形ＧａＡｓ層などにより形成される。ｐ側電極７ａ、７ｂは、コンタクト層６ａ、６ｂの表面にスパッタや蒸着によりＴｉ／Ａｕなどが形成される。また、ｎ側電極８は、半導体基板１の裏面に、研磨などにより薄くされた後、Ａｕ-Ｇｅ／Ｎｉなどが形成される。膜厚や材料は適宜選択できる点は従来と同様である。

上記構成の詳細について図２を用いてさらに説明する。図２で示されるように、ｎ形ＧａＡｓ基板１上に１〜１０μｍ程度のｎ形Ａｌ_z2Ｇａ_1-z2Ａｓ（０.４≦ｚ２≦０.７、たとえばｚ２＝０.５）からなるｎ形クラッド層２ａが設けられ、その上には図示しないＡｌ_z3Ｇａ_1-z3Ａｓ（０.０４≦ｚ３≦０.２、たとえばｚ３＝０.１）からなる井戸層とＡｌ_z4Ｇａ_1-z4Ａｓ（０.１≦ｚ４≦０.５、ｚ３＜ｚ４、たとえばｚ４＝０.３）からなる障壁層とのシングルもしくは多重量子井戸構造により形成され、全体で０.０４〜０.２μｍ程度の活性層３ａが設けられている。そして、活性層上に０.０５〜０.５μｍ程度のＡｌ_z5Ｇａ_1-z5Ａｓ（０.４≦ｚ５≦０.７、たとえばｚ５＝０.５）からなるｐ形第１クラッド層４１ａ、０.００５〜０.０５μｍ程度のＡｌ_z6Ｇａ_1-z6Ａｓ（０≦ｚ６≦０.４、たとえばｚ６＝０.２）からなるｐ形エッチングストップ層４２ａ、０.５〜３μｍ程度のＡｌ_z7Ｇａ_1-z7Ａｓ（０.４≦ｚ７≦０.７、たとえばｚ７＝０.５）からなるｐ形第２クラッド層４３ａ、０.０１〜０.３μｍ程度のｐ形ＧａＡｓからなるキャップ層４４ａにより、リッジ状のｐ形半導体層４ａからなる赤外発光層形成部９ａが形成されている。

他方、ｎ形ＧａＡｓ基板１上の赤外発光層形成部９ａの形成されていない領域に、１〜１０μｍ程度のｎ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-x2Ａｌ_x2）_0.5Ｐ（０.３≦ｘ２≦０.９、たとえばｘ２＝０.７）からなるｎ形クラッド層２ｂが設けられ、その上に図示しないＩｎ_y3（Ｇａ_1-x3Ａｌ_x3）_1-y3Ｐ（０≦ｘ３≦０.１、０≦ｙ３≦０.５５、たとえばｘ３＝０、ｙ３＝０.５３）からなる圧縮歪み井戸層とＩｎ_0.5（Ｇａ_1-x4Ａｌ_x4）_0.5Ｐ（０.１≦ｘ４≦０.５、たとえばｘ４＝０.５）からなる障壁層とのシングルもしくは多重量子井戸構造により形成され、全体で０.０４〜０.２μｍ程度の活性層３ｂが設けられている。そして、活性層上に０.０５〜０.５μｍ程度のＩｎ_0.5（Ｇａ_1-x5Ａｌ_x5）_0.5Ｐ（０.３≦ｘ５≦０.９、たとえばｘ５＝０.７）からなるｐ形第１クラッド層４１ｂ、０.００５〜０.０５μｍ程度のＩｎ_y6（Ｇａ_1-x6Ａｌ_x6）_1-y6Ｐ（０≦ｘ６≦０.５、０≦ｙ６≦０.５、たとえばｘ６＝０、ｙ６＝０.３５）からなるｐ形エッチングストップ層４２ａ、０.５〜３μｍ程度のＩｎ_0.5（Ｇａ_1-x7Ａｌ_x7）_0.5Ｐ（０.３≦ｘ７≦０.９、たとえばｘ７＝０.７）からなりリッジ状に形成されるｐ形第２クラッド層４３ｂ、その上に０.０１〜０.３μｍ程度のｐ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-x8Ａｌ_1-x8）_1-wＰ（０≦ｘ７≦０.５、たとえばｘ８＝０）からなるキャップ層４４ｂにより、リッジ状のｐ形半導体層４ｂからなる赤色用発光層形成部９ｂが形成されている。

そして、ｐ形第２クラッド層４３ａ、４３ｂ、キャップ層４４ａ、４４ｂの両側に、たとえば０.１〜３μｍ程度、たとえば０.４μｍ程度のＳｉが添加されたｎ形のＡｌ_z1Ｇａ_1-z1Ａｓ（０.５≦ｚ１≦０.８、たとえばｚ１＝０.６）や、Ｉｎ_y1（Ｇａ_1-x1Ａｌ_x1）_1-y1Ｐで表わされる材料（０.６≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、たとえばｘ１＝０.７５、ｙ１＝０.５）からなる赤外素子用の電流狭窄層５ａ、赤色素子用の電流狭窄層５ｂが形成される。また、それぞれの電流狭窄層上に０.０１〜３μｍ程度、たとえば０.５μｍ程度のｎ形ＧａＡｓからなる保護層１１ａ、１１ｂが設けられる。

さらに、キャップ層および保護層上に、たとえば０.１〜１０μｍ程度のｐ形のＧａＡｓからなるコンタクト層６ａ、６ｂ、コンタクト層上には、Ｔｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極７ａ、７ｂが、ＧａＡｓ基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉなどからなるｎ側電極８が設けられている。

さらに、本発明者は上記電流狭窄層を有する構成の種々のモノリシック型半導体レーザを実際に試作してみた。そして、その試作過程で電流狭窄層の材料選択如何によって高出力特性に影響を与えることがあることが判明した。たとえば、ＡｌＧａＡｓ系高出力半導体レーザ素子単体として以前から赤外用の電流狭窄層５ａとして用いられてきた材料（たとえば、ＡｌＧａＡｓ系材料）をそのまま赤外用の電流狭窄層にも用いた場合、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａの特性は当然維持されることになる。しかし、赤色用の電流狭窄層５ｂにも同様の材料を用いると、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂの特性は、従前の電流狭窄層と材料（たとえば、ＩｎＧａＡｌＰ系材料）が異なるため、従前の高出力特性を維持するのができない場合も生じ得た。他方、たとえば、ＩｎＧａＡｌＰ系高出力半導体レーザ単体として以前から用いられてきた材料（たとえばＩｎＧａＡｌＰ系材料）をそのまま用いた場合、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂの特性は維持されるが、ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子１０ａは、リッジ部と電流狭窄層との屈折率差が大きくなり、キンクの発生など高出力特性が悪化することもある。

このように、電流狭窄層を共通の材料を用いることで高出力半導体レーザ素子のモノリシック化が実現し得るが、材料選択の仕方によっては一方の半導体レーザ素子の特性が維持し得ないことがあり、両半導体レーザ素子の特性を維持するためには、それぞれの電流狭窄層に用いられる材料は必然的に限定されることになる。

そこで本発明者は、赤外用および赤色用の電流狭窄層に共通の材料を用いた上で、より電流狭窄層に用いることのできる材料の幅を広げるべく、種々の検討を行った。そして電流狭窄層の材料選択による特性の悪化を防止するため、電流狭窄層の組成や膜厚の最適化を図り特性を維持するという従来の発想に変え、電流狭窄層の組成や膜厚を固定し、電流狭窄層と隣接する第２導電形半導体層（リッジ部を構成するクラッド層）の材料を電流狭窄層の屈折率に従い、組成を変更することにより材料選択の幅を広げることが可能となることを見出したのである。具体的には、種々の実験の結果、第２導電形半導体層の材料として、第２導電形半導体層の屈折率と前記電流狭窄層の屈折率との差が０.１以下、より好ましくは０.０５となるような材料を用いることで、電流狭窄層の材料変更がなされたとしても、十分に特性を維持しえることを見出した。

より具体的には、たとえば従前のＩｎＧａＡｌＰ系材料を赤外用、赤色用の電流狭窄層５ａ、５ｂに用いた場合、屈折率は３.２４〜３.３０程度であるから、その場合に高出力特性を維持するために、電流狭窄層に隣接する第２導電形半導体層４ａ、４ｂの屈折率を３.２９〜３.３９程度にすることが好ましい。また、ＡｌＧａＡｓ系材料を赤外用、赤色用の電流狭窄層５ａ、５ｂに用いる場合、屈折率は３.３４〜３.３９程度であるから、第２導電形半導体層の屈折率は、３.３９〜３.４４程度にすることが好ましい。これにより従前の各半導体レーザ素子の特性を損なうことなく、両半導体レーザ素子の高出力特性を維持しえる。

さらに、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａとＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂとの高温高出力特性を比較すると、一般的にＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子のほうが困難であることから、できる限り、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子は従来の単体としての構造を維持することが好ましい。すなわちＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いて赤外用の電流狭窄層および赤色用の電流狭窄層を形成し、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の第２導電形半導体層４ａの材料を変更し、屈折率差を維持するように設計することがより好ましい。

前述の図１および図２の構造の半導体レーザを製造するには、まず、基板１上に、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａを作製するため、活性層３ａを含む発光層形成部９ａをまず形成する。たとえば、ｎ形ＧａＡｓ基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）および半導体層の導電形に応じて、ｎ形ドーパントガスとしてのＳｉＨ₄、ｐ形ドーパントとしてジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ビスメチルシクロペンタジエニベリリウム（ＭｅＣｐ）₂Ｂｅ、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）などの必要な材料をキャリアガスの水素（Ｈ₂）と共に導入し、５００〜７００℃程度で各半導体層をエピタキシャル成長することにより、ｎ形クラッド層２ａ、多重量子井戸構造からなる活性層３ａ、ｐ形第１クラッド層４１ａ、エッチングストップ層４２ａ、ｐ形第２クラッド層４３ａおよびキャップ層４４ａを順次成長し赤外用発光層形成部９ａを形成する。

つぎに、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂの形成を予定する箇所に既に積層されたＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの赤外用発光層形成部９ａを硫酸と過酸化水素水の混合液などのエッチング液を用いウェットエッチングなどにより除去し半導体基板１を露出させる。ついで、ＭＯＣＶＤ装置内に再びＧａＡｓ基板を入れ、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子の発光層形成部９ｂを作製するためｎ形クラッド層２ｂ、多重量子井戸構造からなる活性層３ｂ、ｐ形第１クラッド層４１ｂ、エッチングストップ層４２ｂ、ｐ形第２クラッド層４３ｂおよびキャップ層４４ｂを順次成長し、赤色用発光層形成部９ｂを形成する。

ついで、赤外用発光層形成部９ａ上に積層された赤色用発光層形成部９ｂを塩酸などのエッチング液を用いウェットエッチングなどにより除去する。

つぎに、赤色用発光層形成部９ｂの端面に窓構造を形成する。すなわち、赤色用高出力半導体レーザでは、とくに端面での破壊（ＣＯＤ）が生じやすいため、破壊しやすい半導体レーザチップ端面にＺｎ拡散領域を形成して、端面での発振をさせなくする構造が一般的に採用されている。そのため、半導体ウェハの状態で、チップに劈開する領域に予めＺｎを拡散して、無秩序化する。具体的には、赤色用発光層形成部９ｂ上の劈開する領域にＺｎＯ層などのＺｎ拡散源を５０ｎｍ程度スパッタに法より形成し、４００〜７００℃で１０〜２４０分程度アニールすることなどにより、Ｚｎ拡散源中のＺｎを活性層にまで到達させる。その後、ＺｎＯなどをフッ酸などで除去する。その結果、Ｚｎ拡散領域では、活性層の量子井戸構造がＺｎにより無秩序化され、バンドギャップが大きくなっており、劈開後に共振器端面にＺｎ拡散領域が形成され、共振器端面では、内部からの光を吸収することがなくなり温度上昇は極力抑えられ、ＣＯＤ破壊を防止することができる。

つぎに、赤外用発光層形成部９ａ、赤色用発光層形成部９ｂ、それぞれのリッジ部を形成するため、たとえばＣＶＤ法などにより、ＳｉＯ₂またはＳｉＮ_xなどからなるマスクを形成し、たとえばドライエッチングなどによりキャップ層４４ａ、４４ｂを選択的にエッチングし、引き続き酒石酸と過酸化水素水の混合液のようなエッチング液により、赤外用発光層形成部のｐ形第２クラッド層４３ａを、塩酸などのようなエッチング液により、赤色用発光層形成部のｐ型第２クラッド層４３ｂを順次エッチングすることにより、凸形状のリッジ部が形成される。なお、凸形状の形成は、エッチングストップ層や活性層に達するまで除去して形成してもよい。さらに除去する方法は、ウェットエッチング以外にドライエッチングでもよい。

後述するように赤外用、赤色用の電流狭窄層５ａ、５ｂは同時に埋め込んで形成されることになるため、本発明のモノリシック型半導体レーザではリッジ部の形成も一連のプロセスで行えることになる。すなわち、それぞれの電流狭窄層を別の材料を用いて形成する場合には同時に電流狭窄層を埋め込むことができないため、埋め込み成長の前段階として、それぞれ別個の機会にリッジ部を形成する必要がある。したがって、リッジ形成プロセスが別個に２回必要となるが、本発明のモノリシック型半導体レーザでは１回の連続したプロセスで作製することができ、さらにリッジ形成プロセスに伴う不要部分の除去などの剥離プロセスも１回で済ませることができる。

つぎに、両凸形状の幅狭部の少なくとも側部に赤外用および赤色用の電流狭窄層５ａ、５ｂを同時に埋め込む。電流狭窄層の埋込みは、たとえば、絶縁膜からなるマスクを利用した選択成長などにより行う。この電流狭窄層は、ｎ形とするためにＳｉをドーピングし、また、出来る限りＡｌの比率を低下すべくＩｎＧａＡｌＰ系材料を用いて形成する。なお、選択成長とは、マスク上に赤外用および赤色用の電流狭窄層を形成させることなく、凸形状のリッジ部の側部にのみ選択的に電流狭窄層を埋め込む手法であり、成長条件、たとえば成長温度、圧力などを通常の成長条件と変えることで達成される。

このように本発明のモノリシック型半導体レーザでは、従来の実屈折率型の高出力レーザ素子を単に組み合わせるのではなく、高出力特性を維持しつつ赤外用および赤色用の電流狭窄層を同一材料、かつ活性層で発生した光を吸収しない材料を同時に埋め込んでいるため、同時に選択成長が可能としプロセス工数が増えることなく、高出力動作可能なモノリシック型半導体レーザが得られる。

その後、絶縁膜からなるマスクをフッ酸などで除去する。引き続き、たとえばＧａＡｓコンタクト層６ａ、６ｂを成長することで、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａ、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂが形成される。さらにＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子１０ａとＩｎＧａＡｌＰ系半導体レーザ素子１０ｂを電気的に分離するため、分離領域以外をレジストなどによりマスクし、分離領域を塩酸または硫酸と過酸化水素水の混合液などのようなエッチング液を用い、半導体基板に到達するまでエッチングする。

最後に、たとえばコンタクト層６ａ、６ｂの表面にそれぞれＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉなどからなるｐ側電極７ａ、７ｂを、また、半導体基板１の裏面にＴｉ／Ａｕなどからなるｎ側電極８を、それぞれ真空蒸着などにより形成する。この電極形成後に劈開などにより、ウェハからチップ化することにより、レーザチップが形成されている。

本発明のモノリシック型半導体レーザの一実施形態を示す断面説明図である。 本発明のモノリシック型半導体レーザの詳細を示す断面説明図であるである。 従来のモノリシック型半導体レーザの断面説明図である。

１ 半導体基板
５ａ 赤外用の電流狭窄層
５ｂ 赤色用の電流狭窄層
９ａ 赤外用発光層形成部
９ｂ 赤色用発光層形成部

Claims (5)

1. 同一半導体基板上に第１波長用半導体レーザ素子と、第２波長用半導体レーザ素子とを備えるモノリシック型半導体レーザであって、
   前記第１波長用半導体レーザ素子は、前記半導体基板上に積層される第１導電形半導体層、活性層、リッジ部が形成される第２導電形半導体層からなる第１波長用発光層形成部と、前記第２導電形半導体層のリッジ部の側部に設けられた第１波長用の第１導電形電流狭窄層とを有し、
   前記第２波長用半導体レーザ素子は、前記半導体基板上の前記第１波長用半導体レーザ素子が形成されていない領域に積層される第１導電形半導体層、活性層、リッジ部が形成される第２導電形半導体層からなる第２波長用発光層形成部と、前記第２導電形半導体層のリッジ部の側部に設けられる第２波長用の第１導電形電流狭窄層とを有し、
   前記第１波長用の電流狭窄層と前記第２波長用の電流狭窄層を形成する材料が同一、かつ、発光波長の短い前記第２波長用の半導体レーザ素子の活性層よりも大きいバンドギャップエネルギーを有する材料からなることを特徴とするモノリシック型半導体レーザ。
2. 前記第１波長用の電流狭窄層および第２波長用の電流狭窄層が、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８）で表される材料からなる請求項１記載のモノリシック型半導体レーザ。
3. 前記第１波長用の電流狭窄層および第２波長用の電流狭窄層が、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.5Ｐ（０.６≦ｘ≦１）で表わされる材料からなる請求項１記載のモノリシック型半導体レーザ。
4. 前記第１波長用半導体レーザ素子および第２波長用半導体レーザ素子の前記リッジ部を構成する第２導電形半導体層が、それぞれ第１波長用および第２波長用の電流狭窄層との屈折率の差が０.１以下となるような材料からなる請求項１乃至３のいずれか１項記載のモノリシック型半導体レーザ。
5. 前記第１波長用および第２波長用の電流狭窄層が、電気的に分断されており、かつ該電流狭窄層にＳｉが添加されたｎ形半導体層からなる請求項１乃至４のいずれか１項記載のモノリシック型半導体レーザ。

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