JP2007258641A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】素子の信頼性の向上が可能な構造を有する半導体素子を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子は、半導体基板(101)上に、半導体基板(101)に近い側から順に、第１のクラッド層(103)、活性層(104)、及び第２のクラッド層(105)が積層されてなる積層構造を有する。第１のクラッド層(103)及び第２のクラッド層(105)のうちの少なくとも一方は、半導体基板(101)に対して圧縮性の歪を有し、且つ、第１のクラッド層(103)及び第２のクラッド層(105)のうちの少なくとも一方は、半導体基板(101)に対して引張性の歪を有する半導体層(106)を含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものであり、特に、光ディスク装置などの光源として好適に用いることのできる半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
半導体レーザ素子、特に、活性層とクラッド層との間でヘテロ接合の障壁の高さを十分に確保することができないAlGaInP系の半導体レーザ素子において、素子特性に対して重大な影響を与えるのが不純物のドーピングの制御技術である。
具体的には、従来より、製造の際に、不純物をドーピングする位置を制御することにより、活性層の近傍のクラッド層をアンドープとしたAlGaInP系の半導体レーザ素子が知られている。このような構造を有する従来のAlGaInP系の半導体レーザ素子によると、クラッド層の不純物が活性層中に拡散することを防止することができるという利点がある。
しかしながら、上述の従来のAlGaInP系の半導体レーザ素子においては、不純物をドーピングする位置が活性層から遠くなると、注入電流が光に変換される効率が低下して、動作電流が上昇するという問題が生じる。これに対して、不純物をドーピングする位置が活性層に近くなると、熱プロセスなどにより、不純物の拡散が活性層中にまで到達し、素子の劣化が数時間程度の短時間で発生するために素子寿命が低下し、ひいては、素子の信頼性が低下するという問題が生じる。
このように、従来のAlGaInP系半導体レーザは、不純物のドーピングを高精度に制御する必要があり、製造上かなりの困難を要していた。
ところで、下記の特許文献１では、半導体基板に対してクラッド層の格子不整合を制御することにより、活性層への不純物拡散を防止することができることに加え、発光効率の向上、並びに、動作電流の低減及び素子の信頼性低下の抑制を実現することができる構造を備えた半導体レーザ素子が提案されている。
特開平１１−８７８３１号公報
しかしながら、上述の半導体基板に対してクラッド層の格子不整合を制御する構造を有する半導体レーザ素子の場合、活性層への不純物の拡散を防止することができる一方で、活性層に結晶欠陥が発生し、長期間にわたる素子の信頼性を保証することができないという問題があった。また、当該半導体レーザ素子の構造の場合、リッジ型導波路を形成する際のプロセスの条件設定が困難であり、製造歩留が低いという問題があった。
前記に鑑み、本発明の目的は、素子の信頼性の向上が可能な構造を有する半導体素子及びその製造方法を提供することである。また、リッジ型導波路の形成が容易な構造を有するレーザ素子、及びリッジ型導波路を容易に形成可能なレーザ素子の製造方法を提供することである。
前記の課題に鑑み、本件発明者らが鋭意検討を重ねた結果、半導体基板に対するクラッド層が圧縮性の歪又は引張性の歪の一方向の歪みを有すると、活性層に結晶欠陥が発生し、素子の信頼性が低下することを見出した。本発明は、前記の知見に鑑みてなされたものであり、圧縮性の歪及び引張性の歪の双方を有するクラッド層を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子を提供するものである。
具体的に、本発明の第１の側面に係る半導体レーザ素子は、半導体基板上に、該半導体基板に近い側から順に、第１のクラッド層、活性層、及び第２のクラッド層が積層されてなる積層構造を有する半導体レーザ素子であって、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、半導体基板に対して圧縮性の歪を有し、且つ、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、半導体基板に対して引張性の歪を有する半導体層を含んでいる。
本発明の第１の側面に係る半導体レーザ素子によると、第１及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方が半導体基板に対して圧縮性の歪を有することにより、結晶の格子間隔が小さくなるので、活性層への不純物の拡散を効果的に防止することができる。また、圧縮性の歪を有する第１及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、内部に半導体基板に対して引張性の歪を有する半導体層を含んでいることにより、半導体基板に対する圧縮性の歪と引張性の歪みとが打ち消し合うので、活性層中の結晶欠陥の発生を抑制し、半導体レーザ素子の信頼性が向上する。
ここで、半導体基板に対する圧縮性の歪とは、半導体基板に対する半導体層の格子不整合の大きさΔａ／ａがプラスであることを意味し、半導体基板に対する引張性の歪とは、半導体基板に対する半導体層の格子不整合の大きさΔａ／ａがマイナスであることを意味する。そして、半導体基板に対する半導体層の格子不整合の大きさΔａ／ａは、半導体基板の格子定数をａ１、半導体層の格子定数をａ２とした場合、Δａ／ａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１と表されるものである。
本発明の第１の側面に係る半導体レーザ素子において、圧縮性の歪を有する、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、半導体基板に対して、２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有し、且つ、引張性の歪みを有する半導体層は、半導体基板に対して、−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有することが好ましい。この好ましい形態によると、活性層への不純物の拡散を確実に防止することができる。
本発明の第１の側面に係る半導体レーザ素子において、第２のクラッド層は、引張性の歪を有する半導体層を有し、引張性の歪を有する半導体層は、エッチングによって第２のクラッド層にリッジ部を形成する際のエッチングストップ層として機能することが好ましい。
この好ましい形態によると、エッチングストップ層として機能する半導体層を用いて、第２のクラッド層にリッジ部を容易に形成することが可能となる。その結果、長期間にわたって信頼性を保証する素子の製造歩留が向上する。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子は、半導体基板上に、該半導体基板に近い側から順に、第１のクラッド層、活性層、及び第２のクラッド層が積層されてなる積層構造を有する半導体レーザ素子であって、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、半導体基板に対して、圧縮性の歪を有し、且つ、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、相対的に高濃度の不純物を含む高濃度不純物領域と相対的に低濃度の不純物を含む低濃度不純物領域とを有する。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子によると、第１及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方が半導体基板に対して圧縮性の歪を有することにより、結晶の格子間隔が小さくなるので、活性層への不純物の拡散を効果的に防止することができる。また、第１及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、不純物濃度差を有するので、活性層中の結晶欠陥の発生を抑制し、半導体レーザ素子の信頼性が向上する。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子において、高濃度不純物領域は、活性層に対して低濃度不純物領域が形成されている位置よりも遠い位置に形成されており、低濃度不純物領域は、活性層に対して高濃度不純物領域が形成されている位置よりも近い位置に形成されていることが好ましい。この好ましい形態によると、活性層への不純物の拡散を確実に防止できる。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子において、圧縮性の歪を有する、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、半導体基板に対して引張性の歪を有する半導体層を含んでいることが好ましい。この好ましい形態によると、活性層への不純物の拡散を確実に防止できる。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子において、第１のクラッド層及び第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、半導体基板に対して、２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有することが好ましい。この好ましい形態によると、活性層への不純物の拡散を確実に防止できる。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子において、引張性の歪みを有する半導体層は、半導体基板に対して、−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有することが好ましい。この好ましい形態によると、活性層への不純物の拡散を確実に防止できる。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子において、活性層を構成する井戸層は、半導体基板に対して圧縮性の歪を有し、且つ、井戸層の膜厚は、２０ｎｍ以上であることが好ましい。この好ましい形態によると、素子の信頼性の向上に効果的である。
本発明の第２の側面に係る半導体レーザ素子において、当該半導体レーザ素子が、高温環境下での動作電流が高い自励発振特性を有する場合であっても、素子の信頼性が向上する。
本発明の一側面に係る半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板上に、半導体基板に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有する第１のクラッド層を形成する工程と、第１のクラッド層の上に活性層を形成する工程と、活性層の上に、半導体基板に対して−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有する半導体層を内部に含む、半導体基板に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有する第２のクラッド層を形成する工程と、半導体層をエッチングストップ層として用いて、第２のクラッド層をエッチングすることにより、リッジ部を形成する工程とを備える。
本発明の一側面に係る半導体レーザ素子の製造方法によると、活性層中に結晶欠陥を発生させることを抑制でき、長期間にわたって信頼性が保証される素子を容易に製造できると共に、エッチングストップ層を用いることにより、その製造歩留を向上させることができる。
本発明によると、素子の信頼性に優れた構造を有する半導体素子及びその製造方法を提供できる。
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。
図１に示すように、ｎ型GaAsよりなる基板１０１の上には、厚さ５００ｎｍのｎ型GaAsよりなるバッファ層１０２、厚さ１２００ｎｍのｎ型AlGaInPよりなる下層クラッド層１０３、GaInPよりなる量子井戸構造を有する活性層１０４、厚さ４００ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる第１の上層クラッド層１０５ａ、厚さ６ｎｍのｐ型GaInPよりなるエッチングストップ層１０６、厚さ６００ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる第２の上層クラッド層１０５ｂ、厚さ５０ｎｍのｐ型GaInPよりなる中間層１０７、厚さ２００ｎｍのｐ型GaAsよりなるコンタクト層１０８が下から順に形成されている。また、第２の上層クラッド層１０５ｂ、中間層１０７及びコンタクト層１０８は、ストライプ状のリッジ型導波路を構成している。また、該ストライプ状のリッジ型導波路の側面及びエッチングストップ層１０６の上面には、厚さ４００ｎｍのｎ型GaAsよりなる電流ブロック層１０９が形成されており、コンタクト層１０８及び電流ブロック層１０９の上には、ｐ型電極１１０が形成されており、基板１０１の裏面には、ｎ型電極１１１が形成されている。
以下に、上述の構成を有する本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の具体的な製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明するための工程断面図である。
まず、図２（ａ）に示すように、有機金属気相成長法を用いて、ｎ型GaAsよりなる基板１０１上に、厚さ５００ｎｍのｎ型GaAsよりなるバッファ層１０２、厚さ１２００ｎｍのｎ型AlGaInPよりなる下層クラッド層１０３、GaInPよりなる量子井戸構造の活性層１０４、厚さ４００ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる第１の上層クラッド層１０５ａ、厚さ６ｎｍのｐ型GaInPよりなるエッチングストップ層１０６、厚さ６００ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる第２の上層クラッド層１０５ｂ、厚さ５０ｎｍのｐ型GaInPよりなる中間層１０７、及び、厚さ２００ｎｍのｐ型GaAsよりなるコンタクト層１０８を下からこの順に積層する。
ここで、第１の上層クラッド層１０５ａ及び第２の上層クラッド層１０５ｂを構成する上層クラッド層１０５は、基板１０１に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有するように設定されており、エッチングストップ層１０６は、基板１０１に対して−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有するように設定されている。また、下層クラッド層１０３、並びに、上層クラッド層１０５の不純物濃度は、３×１０17ｃｍ-3〜１．５×１０18ｃｍ-3程度に設定されている。
なお、ここでは、上層クラッド層１０５の格子不整合がｐ型のみである場合について説明しているが、ｎ型のみである場合であってもよい。また、上層クラッド層１０５のみならず、下層クラッド層１０３が格子不整合を有するように設定してもかまわない。さらに、上層クラッド層１０５及び下層クラッド層１０３が格子不整合を有する場合、ｎ型及びｐ型のいずれであっても、層内で格子不整合がほぼ一様になるように設定してもよいし、変化するように設定してもよい。
また、活性層１０４は、厚さ５ｎｍのGaInPよりなる井戸層と厚さ５ｎｍのAlGaInPよりなる障壁層とが交互に５回積層されて形成されている。
なお、本実施形態では、活性層１０４が量子井戸構造である場合について説明しているが、バルクを用いて活性層１０４を構成してもよい。また、活性層１０４の導電型は特に示していないが、ｐ型、ｎ型及びアンドープのうちのいずれであってもよい。
なお、エッチングストップ層１０６は、ｎ型及びアンドープのいずれであってもよい。ここでは、エッチングストップ層１０６が、上層クラッド層１０５の間（第１の上層クラッド層１０５ａと第２の上層クラッド層１０５ｂとの間）に形成されている場合について説明したが、下層クラッド層１０３内に形成されている場合であってもよく、また、その形成位置は上層クラッド層１０５又は下層クラッド１０３内にあればどの位置でもよく、さらに、エッチングストップ層１０６は一層だけではなく複数層あってもよい。
次に、図２（ｂ）に示すように、幅ｗ（例えば３μｍ）のストライプ状のレジストマスク（図示せず）を作製した後に、ウェットエッチング又はドライエッチング法により、エッチングストップ層１０６に到達するまでエッチングを行うことにより、ストライプ状のリッジ型導波路を形成する。なお、図２（b）では、ストライプ状が延びる方向に対して垂直な方向における断面図が示されている。
ここで、図２（ｂ）に示した工程では、上層クラッド層１０５中にエッチングストップ層１０６が形成されているので、選択的エッチング法を用いて、リッジ型導波路を形成する際のエッチング条件を厳密にコントロールすることが可能となる。具体的には、エッチングストップ層１０６は、上述したように、マイナスの格子不整合を有している、つまりIII族原子の中で、Ga原子の配分をIn原子よりも多くする(Gaリッチにする)ことにより、エッチング時の選択性が向上する。このようにエッチング時の選択性が向上する理由は、AlGaAs系材料では、Alを含むAlGaAs層よりもGaAs層のエッチングレートが遅いことから、AlGaAs層よりもマイナスの格子不整合を有するGaAs層がエッチングストップ層として用いられていることと同様である。このように、図２（ｂ）に示した工程では、GaInPよりなるエッチングストップ層１０６を利用した選択的エッチングを行なうことによって、ストライプ状のリッジ型導波路を形成するので、製造工程の管理が容易となり、等価屈折率差を容易に制御することができるので、高歩留を実現することができる。
次に、図２（ｃ）に示すように、エッチングストップ層１０６の上面、並びに、第２の上層クラッド層１０５ａ、中間層１０７、及びコンタクト層１０８の側面に、厚さ４００ｎｍのｎ型GaAsよりなる電流ブロック層１０９を形成する。続いて、コンタクト層１０８及び電流ブロック層１０９の上に、例えば、Ti、Pt、及びAuが下から順に積層されてなるｐ型電極１１０を形成する。一方、基板１０１の裏面に、例えばAuGe、Ni及びAuが下から順に積層されてなるｎ型電極１１１を形成する。以上のようにして、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子が形成される。
ここで、上層クラッド層１０５中（第１の上層クラッド層１０５ａと第２の上層クラッド層１０５ｂとの間）に形成したエッチングストップ層１０６が有する格子不整合による効果について、図３を参照しながら説明する。
図３は、上層クラッド層１０５の格子不整合とエッチングストップ層１０６の格子不整合とが下記のケース３ａ〜３ｃであるときの素子をそれぞれ作製し、ロット毎に素子の動作電流の上昇が少ない場合を合格とする通電試験（試験条件９０度、５ｍＷ）を実施した場合について、各ケース３ａ〜３ｃにおける通電時間（時間）と電流変化率（％）との関係を示している。
また、上述した通り、半導体基板の格子定数をａ１とし、半導体層の格子定数をａ２とすると、格子不整合の大きさΔａ／ａは、Δａ／ａ＝（ａ２−ａ１）／ａ１と表され、ケース３ａは、基板１０１に対して、上層クラッド層１０５の格子不整合の大きさΔａ／ａ＝０である場合の関係を示しており、ケース３ｂは、上層クラッド層１０５の格子不整合の大きさΔａ／ａ＝５．０×１０-4である場合（つまり、上層クラッド層１０５が５．０×１０-4の格子不整合を有する）の関係を示している。一方、ケース３ｃは、本実施形態の場合に対応し、上層クラッド層１０５の格子不整合の大きさΔａ／ａ＝５．０×１０-4であり（つまり、上層クラッド層１０５が５．０×１０-4の格子不整合を有する）、且つ、エッチングストップ層１０６の格子不整合の大きさΔａ／ａ＝−３．０×１０-4である場合（つまり、エッチングストップ層１０６が−３．０×１０-4の格子不整合を有する）の関係を示している。
図３に示すように、上記のケース３ａの場合には、数十時間以内で動作電流値が上昇する素子がほとんどであり、合格率はほぼ０％であった。また、上記のケース３ｂの場合には、数百時間以内で動作電流値が上昇する素子が出てきており、合格率は約７０％であった。一方、本実施形態の場合に対応する上記のケース３ｃの場合には、数千時間以上も動作電流値が上昇することのない素子ばかりであり、合格率はほぼ１００％に近いものであった。
このような実験結果が得られた理由としては、上層クラッド層１０５が基板１０１に対してプラスの格子不整合を有していることにより、結晶の格子間隔が小さくなるので、活性層１０４中への不純物の拡散が防止され、且つ、エッチングストップ層１０６が基板１０１に対して上層クラッド層１０５とは反対のマイナスの格子不整合を有していることにより、基板１０１に対する歪が打ち消し合うため（つまり、プラスの格子不整合による歪とマイナスの格子不整合による歪とが打ち消し合う）、結晶欠陥の発生が抑制されるからである。
図４は、上層クラッド層１０５の格子不整合及びエッチングストップ層１０６の格子不整合を種々変化させた場合の各素子を作製し、それぞれの素子に対する信頼性評価結果を示している。なお、各素子の信頼性の評価条件として９０℃、５ｍＷとしている。
図４に示すように、上層クラッド層１０５がプラスの格子不整合を有する一方でエッチングストップ層１０６が格子不整合を有さない（又はエッチングストップ層が存在しない）場合（図上：４ｅの場合）には、信頼性は向上するものの、適正な範囲よりも格子不整合が小さいとき及び大きいときは、活性層１０４への不純物の拡散が生じて、活性層１０４内に結晶欠陥が生じ、信頼性が低下することが分かる。これに対して、上層クラッド層１０５がプラスの格子不整合を有し、且つ、エッチングストップ層１０６がマイナスの格子不整合を有する場合（図上：４ａ〜４ｄの場合）には、適正な範囲内の格子不整合であるときには、信頼性が大幅に向上することが分かる。
本件発明者らは、素子の平均寿命ＭＴＴＦとして、５０００時間以上を合格基準とし、上層クラッド層１０５の格子不整合及びエッチングストップ層１０６の格子不整合の適正な範囲を調べたところ、上層クラッド層１０５の格子不整合は２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の範囲、エッチングストップ層１０６の格子不整合は−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の範囲が適正であることを見出した。
ここで、上層クラッド層１０５の不純物濃度について説明する。
本実施形態における上層クラッド層１０５の不純物濃度は、３×１０17ｃｍ-3以上であることが望ましい。
このようにすると、活性層１０４内に結晶欠陥が発生することを抑制することができると共に、９０℃以上の高温環境下においても、良好な温度特性を維持することができるため、長期間の信頼性を保証することができる。
すなわち、本件発明者らは、これまで、クラッド層１０５の不純物濃度を１×１０17ｃｍ-3以上とすることで、７５℃までの環境下において、良好な温度特性及び信頼性を実現してきた。しかしながら、車載用途などの更なる高温な環境下(８５℃以上)においてAlGaInP系の半導体レーザ素子の応用を考えた場合、不純物濃度を３×１０17ｃｍ-3以上にすることにより、良好な温度特性を実現することができるという知見は得ていたが、その一方で、上層クラッド層１０５のみに格子不整合を持たせている段階では、上述の図３のケース３ｂ及び図４の４ｅに示すように、活性層１０４内に結晶欠陥が発生して信頼性の点で問題があった。そこで、本件発明者らは、上述したように、上層クラッド層１０５内にマイナスの格子不整合をもつエッチングストップ層１０６を形成することにより、活性層内の結晶欠陥の発生を抑制することに加えて、上層クラッド層１０５の不純物濃度を３×１０17ｃｍ-3以上に設定しても、９０℃以上の高温環境下においても、良好な温度特性を維持しつつ、長期間の信頼性を保証することができることを見出したのである。
以上により、上層クラッド層１０５が基板１０１に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有し、上層クラッド層１０５内に形成されたエッチングストップ層１０６が基板１０１に対して−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有することにより、下層クラッド層１０３及び上層クラッド層１０５中の不純物の拡散を防止して活性層１０４中の結晶欠陥の発生を抑制することができると共に、９０℃以上の高温環境下においても良好な温度特性を維持することができるので、素子の信頼性を向上させることができる。
したがって、本実施形態に係る半導体レーザ素子によると、製造時における不純物のドーピングの制御が容易となり、活性層１０４に対して極めて近い位置に不純物をドーピングした場合であっても、注入された不純物が活性層１０４中に拡散することを効果的に防止することができる。このため、半導体レーザ素子の発光効率を向上させて、動作電流の低減を図ることができると共に、素子の信頼性の向上を図ることができる。
また、以上においては、マイナスの格子不整合を有する半導体層がエッチングストップ層１０６のみである場合について説明したが、エッチングストップ層１０６以外の半導体層にマイナスの格子不整合を持たせた場合であっても、上記と同様の効果を得ることができる。ここで、図５は、素子の平均寿命ＭＴＴＦとして、５０００時間以上を合格基準とし、クラッド層にプラスの格子不整合を持たせた場合であって、マイナスの格子不整合を有するのがエッチングストップ層１０６であるときの素子と、マイナスの格子不整合を有するのがエッチングストップ層１０６以外の半導体層であるときの素子とを作製して、上述と同様の信頼性評価条件の下で実験を行った。図５から明らかなように、プラスの格子不整合を有するクラッド層内にマイナスの格子不整合を有する半導体層が少なくとも一層含まれていると、合格基準をクリアして信頼性が向上することが分かる。なお、プラスの格子不整合を有するクラッド層内にプラスの格子不整合を有するエッチングストップ層が形成されている場合についても同様の信頼性実験を行ったが、その信頼性は向上しないことが確認されているので、プラスの格子不整合を有するクラッド層内には、マイナスの格子不整合を有する半導体層を形成することが望ましいことは明確になっている。
−変形例−
本実施形態の変形例に係る半導体レーザ素子は、活性層１０４の構成の点で、上述の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子と異なっており、その他は同様である。
すなわち、本実施形態の変形例に係る半導体レーザ素子における活性層１０４は、厚さ５ｎｍのGaInPよりなる井戸層と厚さ５ｎｍのAlGaInPよりなる障壁層とを交互に５回積層することによって形成されている点は、上述の第１の実施形態と同様であるが、活性層１０４は自励発振特性を有しており、且つ、活性層１０４を構成するGaInPよりなる井戸層が、ｎ型GaAsよりなる基板１０１に対して３．０×１０-4以上であって且つ５．０×１０-3以下のプラスの格子不整合を有する一方、AlGaInPよりなる障壁層は基板１０１に対して格子整合している点に特徴がある。
本実施形態の変形例に係る半導体レーザ素子によると、GaInPよりなる井戸層の総数が多く、且つ高温環境下での動作電流が高い自励発振特性を有する半導体レーザ素子においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。特に、活性層１０４を構成するGaInPよりなる井戸層の総膜厚が２０ｎｍ以上である場合には、信頼性の向上にとって効果的であることがわかった。
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図を示している。
図６に示すように、ｎ型GaAsよりなる基板５０１の上には、厚さ５００ｎｍのｎ型GaAsよりなるバッファ層５０２、厚さ１２００ｎｍのｎ型AlGaInPよりなる下層クラッド層５０３、GaInPよりなる量子井戸構造を有する活性層５０４、厚さ５０ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる低濃度上層クラッド層５０５、厚さ３５０ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる第１の高濃度上層クラッド層５０６ａ、厚さ６ｎｍのｐ型GaInPよりなるエッチングストップ層５０７、厚さ６００ｎｍのｐ型AlGaInPよりなる第２の高濃度上層クラッド層５０６ｂ、厚さ５０ｎｍのｐ型GaInPよりなる中間層５０８、厚さ２００ｎｍのｐ型GaAsよりなるコンタクト層５０９が下から順に形成されている。また、第２の高濃度上層クラッド層５０６ｂ、中間層５０８及びコンタクト層５０９は、第１の実施形態と同様に、ストライプ状のリッジ型導波路を構成しており、エッチングストップ層５０７のエッチング選択性を利用して形成されている。また、該ストライプ状のリッジ型導波路の側面及びエッチングストップ層５０７の上面には、厚さ４００ｎｍのｎ型GaAsよりなる電流ブロック層５１０が形成されており、コンタクト層５０９及び電流ブロック層５１０の上には、ｐ型電極５１１が形成されており、基板５０１の裏面には、ｎ型電極５１２が形成されている。
ここで、低濃度上層クラッド層５０５、並びに第１及び第２の高濃度上層クラッド層５０６ａ及び５０６ｂによって構成される高濃度上層クラッド層５０６は、基板５０１に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有するように設定している。また、エッチングストップ層５０７は基板５０１と格子整合している。さらに、下層クラッド層５０３、低濃度上層クラッド層５０５、及び高濃度上層クラッド層５０６の不純物濃度は、それぞれ、３×１０17ｃｍ-3〜１．５×１０18ｃｍ-3程度、１×１０17ｃｍ-3〜３×１０17ｃｍ-3程度、及び、４×１０17ｃｍ-3〜１．５×１０18ｃｍ-3程度に設定している。
なお、本実施形態では、低濃度上層クラッド層５０５及び高濃度上層クラッド層５０６の格子不整合がｐ型のみである場合について説明しているが、ｎ型のみである場合であってもよい。また、低濃度上層クラッド層５０５及び高濃度上層クラッド層５０６に加えて、下層クラッド層５０３も格子不整合を有する場合であってもよい。さらに、低濃度上層クラッド層５０５、高濃度上層クラッド層５０６、及び下層クラッド層５０３が格子不整合を有する場合において、格子不整合は層内においてほぼ一様であってもよいし、変化していてもよい。
なお、エッチングストップ層５０７はアンドープであってもよい。
以上の構成を有する本実施形態に係る半導体レーザ素子によると、低濃度上層クラッド層５０５及び高濃度上層クラッド層５０６が、ｎ型GaAsよりなる基板５０１に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下のプラスの格子不整合を有しており、且つ、低濃度上層クラッド層５０５と高濃度上層クラッド層５０６との間で不純物濃度差を有していることにより、マイナスの格子不整合を有する半導体層を上層のクラッド層（５０５、５０６）内に形成することなく、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。但し、マイナスの格子不整合を有する半導体層を上層のクラッド層（５０５、５０６）内に形成した場合であっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の第１及び第２の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、素子構造、基板、プロセス、成長方法などはあくまでも一実施例に過ぎないものであり、必要に応じて該一実施例とは異なる数値、素子構造、プロセス、及び成長方法などを用いることもできる。具体的には、上述の実施形態においては、有機金属気相成長法を用いているが、例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法を用いてもよい。また、上述の実施形態においては、本発明に係る半導体レーザ素子の実施例として赤色単色の半導体レーザ素子である場合についてのみ説明したが、青色半導体レーザ素子、及び赤色/赤外光の二波長半導体レーザ素子などにも本発明を適用することができる。また、AlGaAs系の半導体発光素子、II-VI族化合物半導体を用いた半導体発光素子、及び窒化物系III-V族化合物半導体を用いた発光素子などにも本発明は適用可能である。
本発明に係る半導体レーザ素子及びその製造方法によると、素子の信頼性の向上を図ることができ、しかも、製造が容易な構造を有しているために、素子の歩留が向上できる点で、産業上の利用可能性は高い。特に、車載用途などの高温な環境下において高信頼性を要求されるレーザへの利用性が高い。
本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の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す断面図である。 本発明の第１の実施形態における半導体レーザ素子に対する通電試験を実施した場合の通電時間と電流変化率との関係図である。 本発明の第１の実施形態における半導体レーザ素子におけるクラッド層の格子不整合と信頼性との関係図である。 本発明の第１の実施形態における半導体レーザ素子の構造の組み合わせに対する信頼性結果を示す一覧図である。 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
符号の説明
１０１、５０１ ｎ型GaAsよりなる基板
１０２、５０２ ｎ型GaAsよりなるバッファ層
１０３、５０３ ｎ型AlGaInPよりなる下層クラッド層
１０４、５０４ GaInPよりなる量子井戸構造を有する活性層
１０５、５０６ ｐ型AlGaInPよりなる上層クラッド層
１０５ａ ｐ型AlGaInPよりなる第１の上層クラッド層
１０５ｂ ｐ型AlGaInPよりなる第２の上層クラッド層
５０５ ｐ型AlGaInPよりなる低濃度上層クラッド層
５０６ ｐ型AlGaInPよりなる高濃度上層クラッド層
５０６ａ ｐ型AlGaInPよりなる第１の高濃度上層クラッド層
５０６ｂ ｐ型AlGaInPよりなる第２の高濃度上層クラッド層
１０６、５０７ ｐ型GaInPよりなるエッチングストップ層
１０７、５０８ ｐ型GaInPよりなる中間層
１０８、５０９ ｐ型GaAsよりなるコンタクト層
１０９、５１０ ｎ型GaAsよりなる電流ブロック層
１１０、５１１ ｐ型電極
１１１、５１２ ｎ型電極

Claims (11)

  1. 半導体基板上に、前記半導体基板に近い側から順に、第１のクラッド層、活性層、及び第２のクラッド層が積層されてなる積層構造を有する半導体レーザ素子であって、
    前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、前記半導体基板に対して圧縮性の歪を有し、且つ、
    前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、前記半導体基板に対して引張性の歪を有する半導体層を含んでいることを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 前記圧縮性の歪を有する、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、前記半導体基板に対して、２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有し、且つ、
    前記引張性の歪みを有する半導体層は、前記半導体基板に対して、−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有す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. 前記第２のクラッド層は、前記引張性の歪を有する半導体層を有し、
    前記引張性の歪を有する半導体層は、エッチングによって前記第２のクラッド層にリッジ部を形成する際のエッチングストップ層として機能することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 半導体基板上に、前記半導体基板に近い側から順に、第１のクラッド層、活性層、及び第２のクラッド層が積層されてなる積層構造を有する半導体レーザ素子であって、
    前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、前記半導体基板に対して、圧縮性の歪を有し、且つ、
    前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、相対的に高濃度の不純物を含む高濃度不純物領域と相対的に低濃度の不純物を含む低濃度不純物領域とを有することを特徴とする半導体レーザ素子。
  5. 前記高濃度不純物領域は、前記活性層に対して前記低濃度不純物領域が形成されている位置よりも遠い位置に形成されており、
    前記低濃度不純物領域は、前記活性層に対して前記高濃度不純物領域が形成されている位置よりも近い位置に形成され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素子。
  6. 前記圧縮性の歪を有する、前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、前記半導体基板に対して、２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層のうちの少なくとも一方は、前記半導体基板に対して引張性の歪を有する半導体層を含んでいることを特徴とする請求項４〜６のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記引張性の歪みを有する半導体層は、前記半導体基板に対して、−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記活性層を構成する井戸層は、前記半導体基板に対して圧縮性の歪を有し、且つ、
    前記井戸層の膜厚は、２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  10. 当該半導体レーザ素子は、自励発振特性を有していることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。
  11. 半導体基板上に、前記半導体基板に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有する第１のクラッド層を形成する工程と、
    前記第１のクラッド層の上に活性層を形成する工程と、
    前記活性層の上に、前記半導体基板に対して−２．０×１０-3以上であって且つ−２．０×１０-4以下の格子不整合を有する半導体層を内部に含む、前記半導体基板に対して２．０×１０-4以上であって且つ３．０×１０-3以下の格子不整合を有する第２のクラッド層を形成する工程と、
    前記半導体層をエッチングストップ層として用いて、前記第２のクラッド層をエッチングすることにより、リッジ部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。
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