JP2008078340A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】温度特性の向上。
【解決手段】ｎ型のＧａＡｓ基板上に設けたｎ型のクラッド層上に、ＭＱＷ構造の活性層、ｐ型の第２のクラッド層、ｐ型の第１のクラッド層を順次積層してなる半導体レーザ素子において、ｎ型のクラッド層及びｐ型の第１のクラッド層はＧａＡｓ基板と格子整合する構成になり、第１のクラッド層の中層にマイナス歪層が設けられ、マイナス歪層の両面または一面にプラス歪層が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体レーザ素子及びその製造方法に係わり、例えば、高温特性の改善に適用して有効な技術に関する。
情報用レーザではＡｌＧａＩｎＰ系の材料が使用されている。ＡｌＧａＩｎＰ系からなる半導体レーザ素子（レーザダイオード：ＬＤ）は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板の主面上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層を有する構造になっている。このような半導体レーザ素子では、前記両クラッド層のうちの少なくとも一方のクラッド層にエネルギーバンドギャップが大きくなる層を形成することによって、温度特性が改善されることが知られている。
一方、発光部分である活性層の格子定数を意識的に格子整合からずらした半導体レーザ素子が知られている。即ち、クラッド層を形成するＡｌＧａＩｎＰにおいて、部分的に格子定数が大きい組成として結晶に引っ張り応力を加えることでバンドギャップを大きくする半導体レーザ素子が提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示される半導体レーザ素子は、その発振波長が０．５μｍ帯となっている。
また、クラッド層のバンドギャップを大きくするため、クラッド層にマイナス歪を導入する半導体レーザ素子が提案されている（例えば、特許文献２）。
また、格子定数が異なる結晶の組み合わせによって所望の歪を形成する場合、歪の大きさに結晶の膜厚を乗じた数値が臨界値（臨界歪）を越えると結晶欠陥が発生することが知られている（例えば、非特許文献１）。
特開平５−４１５６０号公報 特開平７−２３５７３３号公報 J.W.Matthews and A.E.Blakeslee: Defects in Epitaxial Multi-layers, J.Cryst.Growth 27(1974)pp.118-125
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子は、発振波長に対応するエネルギーバンドギャップが大きいため、クラッド層とのバンドギャップ差を十分にとることができない。この結果、５０℃以上の高温度下では電子のオーバーフローにより特性（Ｉ−Ｌ特性）が悪化する。エネルギーバンドギャップ差を大きくするためクラッド層にマイナス歪を導入することは、前述のように知られている。
本発明者においてもエネルギーバンドギャップ差を大きくするためクラッド層にマイナス歪を導入する半導体レーザ素子について検討したが、クラッド層に引っ張り歪を導入するとクラッド層の結晶性が悪化し、良好な発光特性が得難いことを知見した。
図１８は本発明に先立って検討した波長が６３０ｎｍ帯の半導体レーザ素子５９の一部を示す模式的断面図である。
半導体レーザ素子５９は、図１８に示すように、１００μｍ程度の厚さのｎ型のＧａＡｓからなる半導体基板６０を基にして製造されている。半導体基板６０の主面には、厚さ１０００ｎｍのｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなるバッファ層６１が設けられている。このバッファ層６１上にはｎ型クラッド層６２、活性層６３、ｐ型第２クラッド層６４、ｐ型第１クラッド層６５及びコンタクト層６６が設けられている。
ｎ型クラッド層６２は厚さ５０ｎｍのｎ型の（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。活性層６３は、厚さ６ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなるバリア層と、厚さ１２ｎｍのＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｐからなるウェル層を交互に積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなっている。活性層６３はウェル層が２層となり、バリア層が３層になっている。ｐ型第２クラッド層６４は厚さ５０ｎｍのｐ型の（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。ｐ型第１クラッド層６５は厚さ２．０μｍのｐ型の（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。コンタクト層６６は厚さ０．２μｍのｐ型のＧａＡｓからなっている。
半導体基板６０の主面側には２本の溝７０が平行に設けられている。この溝７０はコンタクト層６６の表面からｐ型第１クラッド層６５の途中深さまで設けられている。この２本の溝７０によって挟まれる部分はメサ７１となる。また、メサ７１の側面、溝７０及び溝７０の外側のコンタクト層６６の上面部分（フィールド部７２）を覆う絶縁膜７３が設けられている。即ち、半導体レーザ素子５９は、半導体基板６０の第２の面側は絶縁膜７３で覆われ、メサ７１の上面、即ち、コンタクト層６６は露出する構造になっている。そして、露出するコンタクト層６６上にはアノード電極（ｐ型電極）７４が重ねて設けられている。このｐ型電極７４は溝７０を越えてフィールド部上にまで延在している。さらに、半導体基板６０の主面の反対面となる裏面にはカソード電極（ｎ型電極）７５が重ねて形成されている。
このような半導体レーザ素子５９においては、一対の電極であるｐ型電極７４とｎ型電極７５間に所定の電圧を印加することによって、メサ７１に対応する活性層６３部分が共振器となり、共振器の端面からレーザ光を出射するようになる。
図１９は半導体レーザ素子５９のバンド図である。図１９に示すように、障壁層（バリア層）間の井戸層（ウェル層）において、導電帯には電子が閉じ込められ、値電子帯にはホールが閉じ込められる。井戸層のエネルギーバンドギャップは、発光波長に対応したエネルギーバンドギャップになる。また、ｐ型第１クラッド層６５［ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ（１）］にマイナス歪を形成すると、点線で示すように、マイナス歪クラッド層のエネルギーバンドギャップは、マイナス歪を形成しない格子整合クラッドのエネルギーバンドギャップよりも大きくなる。
これにより、ｐ型第１クラッド層６５による電子の活性層６３への閉じ込め効果が増大し、発振しきい値電流が低減されるとともに、温度特性が改善される。
従来のクラッド層にマイナス歪を導入する方法では、クラッド層全体にマイナス歪を導入する。従来の方法で半導体レーザ素子を製造すると、図１９に示すように、２．０μｍの厚さのクラッド層に歪を入れることになる。この構造では、マイナス歪を形成した結晶の膜厚に歪の大きさを乗じた数値が臨界歪を越えて結晶欠陥が発生してしまい、半導体レーザ素子のＩ−Ｌ特性及び信頼性が悪化する。
本発明の目的は、活性層への電子の閉じ込め効果を良好とする半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、発振しきい値電流の低減が達成できる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、温度特性の良好な半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
半導体レーザ素子は、
第１導電型（ｎ型）からなる半導体基板と、
前記半導体基板の主面に形成される第１導電型からなるバッファ層と、
前記バッファ層の上面に形成される第１導電型からなるクラッド層と、
前記クラッド層の上面に形成される活性層と、
前記活性層の上面に形成される第２導電型（ｐ型）からなる第２のクラッド層と、
前記第２のクラッド層の上面に形成される第２導電型からなる第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層の上面に形成される第２導電型からなるコンタクト層と、
前記コンタクト層に重ねて形成され、前記第１導電型からなるクラッド層、前記活性層並びに前記第２のクラッド層及び前記第１のクラッド層によって形成される細長の共振器の端から端に亘って対応して設けられ、前記共振器の前記活性層部分に電流を注入する第２の電極と、
前記半導体基板の前記主面の反対面となる裏面に重ねて形成される第１の電極とを有し、
前記第１導電型のクラッド層及び前記第１クラッド層は前記半導体基板と格子整合する構成になり、
前記第１クラッド層の中層にマイナス歪層が設けられ、
前記マイナス歪層の両面または一面にプラス歪層が設けられていることを特徴とする。
半導体レーザ素子は、前記コンタクト層の表面から前記第１クラッド層の途中深さにまで到達するように設けられる２本の溝と、前記２本の溝に挟まれて形成される前記第１クラッド層及び前記コンタクト層からなるメサと、前記メサの上面を除いて前記溝及び前記コンタクト層を覆う絶縁膜とを有し、前記第２の電極は前記メサの上面に電気的に接続され、前記メサの下方部分が前記共振器を構成している。
半導体レーザ素子において、前記半導体基板はＧａＡｓからなり、前記第１導電型からなるクラッド層は厚さ５０ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。前記活性層は、厚さ６ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなるバリア層と、厚さ１２ｎｍのＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｐからなるウェル層が交互に積層（バリア層３層、ウェル層２層）された多重量子井戸構造である。前記第２のクラッド層は厚さ５０ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなり、前記第１のクラッド層は厚さ２．０μｍの（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなり、前記コンタクト層は厚さ０．２μｍのＧａＡｓからなっている。前記マイナス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成されている。前記プラス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の両面または一面の所定厚さ領域の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成されている。
半導体レーザ素子において、前記マイナス歪層は歪が−０．５〜−１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍであり、前記プラス歪層は歪が＋０．５〜＋１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍである。
このような半導体レーザ素子の製造方法は、
（ａ）第１導電型からなる半導体基板を準備する工程、
（ｂ）前記半導体基板の主面に第１導電型からなるバッファ層、第１導電型からなるクラッド層、活性層、第２導電型からなる第２のクラッド層、第２導電型からなる第１のクラッド層及び第２導電型からなるコンタクト層を順次積層形成する工程、
（ｃ）前記コンタクト層の表面から前記第１のクラッド層の途中深さにまで到達する２本の溝を所定間隔に形成して前記活性層上に前記２本の溝に挟まれる突出した１本のメサを複数形成し、前記メサの下に共振器を形成する工程、
（ｄ）前記メサの上面を除いて前記半導体基板の上面側を覆う絶縁膜を形成する工程、
（ｅ）前記絶縁膜上に選択的に形成し、一部は前記メサ上に重なる第２の電極を形成する工程、
（ｆ）前記半導体基板の前記主面の反対面となる裏面に第１の電極を形成する工程、
（ｇ）前記半導体基板及びその上の各層を前記メサとメサとの間で分断するとともに、前記メサに直交する方向に一定間隔で劈開して四角形の半導体レーザ素子を複数形成する工程、
とを有し、
前記工程（ｂ）では、
前記第１導電型のクラッド層及び前記第１クラッド層は前記半導体基板と格子整合するように形成し、
前記第１クラッド層の中層にマイナス歪層を設け、
前記マイナス歪層の両面または一面にプラス歪層を設けることを特徴とする。
前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａＡｓ基板を準備し、
前記工程（ｂ）では、前記第１導電型からなる厚さ５０ｎｍのクラッド層を（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐで形成し、前記活性層を、厚さ６ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなるバリア層と、厚さ１２ｎｍのＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｐからなるウェル層を交互に積層（バリア層３層、ウェル層２層）して多重量子井戸構造に形成し、前記第２のクラッド層を厚さ５０ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐで形成し、前記第１のクラッド層を厚さ２．０μｍの（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐで形成し、前記コンタクト層を厚さ０．２μｍのＧａＡｓで形成する。前記マイナス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成する。前記プラス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の両面または一面の所定厚さ領域の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成する。
また、前記工程（ｂ）では、歪が−０．５〜−１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍとなる前記マイナス歪層を形成し、歪が＋０．５〜＋１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍとなる前記プラス歪層を形成する。
（２）上記（１）の構成において、前記第１導電型の第１クラッド層の中層に、前記マイナス歪層と前記プラス歪層が交互に周期的に複数設けられている構成になっている。
このような半導体レーザ素子は、上記（１）の半導体レーザ素子の製造方法において、前記工程（ｂ）では、前記マイナス歪層とプラス歪層を交互に周期的に複数形成することとを特徴とする
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
前記（１）の手段によれば、（ａ）ｐ型の第１クラッド層（（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ）の中層にマイナス歪層を設け、その両面または一面にプラス歪層を設けてある。マイナス歪層は歪が−０．５〜−１．５％であり、厚さが５〜３０ｎｍである。また、プラス歪層は歪が＋０．５〜＋１．５％であり、厚さが５〜３０ｎｍである。
ｐ型の第１クラッド層のエネルギーバンドギャップは、ｐ型の第１クラッド層ではＧａＡｓ基板と格子整合を図ってあることから歪は±０％になる。これに対して、マイナス歪層を形成した部分では歪が−０．５〜−１．５％になり、このマイナス歪層の両面側に設けられたプラス歪層では歪が＋０．５〜＋１．５％になるため、エネルギーギャップは大きくなり、活性層内の電子がオーバーフローし難くなり、特性（Ｉ−Ｌ特性）が向上し、温度特性が向上する。特に、５０℃以上の高温度下では特性（Ｉ−Ｌ特性）が良好になる。
（ｂ）格子定数が異なる結晶の組み合わせによって所望の歪を形成する場合、歪の大きさに結晶の膜厚を乗じた数値が臨界歪を越えると結晶欠陥が発生することが知られている。本発明では、２．０μｍの厚さを有するｐ型の第１クラッド層において、マイナス歪層の厚さは５〜３０ｎｍであり、マイナス歪層の両面にそれぞれ設けられるプラス歪層の厚さは５〜３０ｎｍであり、三者の膜厚を加算しても全体で１５〜９０ｎｍで１００ｎｍにも満たない。この結果、本発明では、結晶欠陥を発生させることなく半導体レーザ素子を製造することができる。
前記（２）の手段によれば、半導体レーザ素子は、ｐ型の第１クラッド層に、マイナス歪層とプラス歪層が交互に周期的に複数設けられている。前記（１）の手段の効果の欄で説明したように、マイナス歪層とその両面側のプラス歪層とによって、障壁はより高くなり、電子がオーバーフローするにはより多くのエネルギーが必要になっている。そして、この障壁は、マイナス歪層とプラス歪層が交互に周期的に複数設けられることから、電子はさらにオーバーフローし難くなる。この結果、温度特性が向上する。
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお、発明の実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１乃至図１６は本発明の実施例１である半導体レーザ素子及びその製造方法に係わる図である。図１乃至図３は半導体レーザ素子の構造に係わる図、図４乃至図８は歪に係わる図、図９乃至図１６は半導体レーザ素子の製造方法に係わる図である。
本実施例１では、０．６μｍ帯（発振波長が６３０〜６４０ｎｍ）の半導体レーザ素子（赤色半導体レーザ）の製造に本発明を適用した例について説明する。
本実施例１の半導体レーザ素子１は、図１及び図２に示す構造になっている。図１は半導体レーザ素子１の外観を示す模式的斜視図、図２（ａ）〜（ｃ）は、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う各断面図である。
半導体レーザ素子（半導体レーザチップ）１は、図１及び図２に示すように、１００μｍ程度の厚さの半導体基板２を基にして製造されている。半導体基板２は、例えば、第１導電型（ｎ型）のＧａＡｓ基板２である。ｎ−ＧａＡｓ基板２の主面（図１及び図２においては上面）には、図３に示すように、ｎ型のバッファ層３、ｎ型のクラッド層４、活性層５、第１導電型（ｐ型）の第２のクラッド層６、ｐ型の第１のクラッド層７及びｐ型のコンタクト層８が形成されている。前記バッファ層３からコンタクト層８に至る多層成長層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成される。
ｎ型のバッファ層３は厚さ１．０μｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。ｎ型のクラッド層４は厚さ５０ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。活性層５は、厚さ６ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなるバリア層と、厚さ１２ｎｍのＩｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｐからなるウェル層が交互に積層された多重量子井戸構造となっている。実施例では、バリア層は３層、ウェル層は２層になっている。第２のクラッド層６は厚さ５０ｎｍの（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。第１のクラッド層７は厚さ２．０μｍの（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなっている。また、コンタクト層８は厚さ０．２μｍのＧａＡｓからなっている。
また、図３に示すように、第１のクラッド層７の中層にマイナス歪層１０が設けられるとともに、マイナス歪層１０の両面にプラス歪層１１、１２が設けられている。プラス歪層１１は第２のクラッド層６に重ねて形成されている。マイナス歪層１０は、第１のクラッド層７を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの中層のＩｎの成分量を所定の量に選択することによって形成することができる。プラス歪層１１、１２は第１のクラッド層７を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐのマイナス歪層１０の両面の所定厚さ領域のＩｎの成分量を所定の量に選択することによって形成することができる。例えば、マイナス歪層１０は歪が−０．５〜−１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍである。また、プラス歪層１１、１２は歪が＋０．５〜＋１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍである。図４は半導体レーザ素子１のバンド図である。マイナス歪層１０のエネルギーバンドギャップは、ＧａＡｓ基板２に対して格子整合した第１のクラッド層７のエネルギーバンドギャップよりも大きく、プラス歪層１１、１２のエネルギーバンドギャップは、ＧａＡｓ基板２に対して格子整合した第１のクラッド層７のエネルギーバンドギャップよりも小さくなり、電子はオーバーフローし難くなっている。
なお、図１及び図２では、多層成長層は活性層５に符号を付け、他の層は一部省略し、かつ符号も省略する。また、製造方法の一部の図も同様である。
一方、多層成長層の上面（ＧａＡｓ基板２の主面側）には、図１及び図２（ｃ）に示すように、平行に２本の溝１５ａ，１５ｂが設けられている。この溝１５ａ，１５ｂは、図３に示すように、第１のクラッド層７の途中深さにまで到達する構造になっている。一対の溝１５ａ，１５ｂに挟まれる部分はｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる突出したメサ（突条）１６となる。メサ１６の幅は２μｍ程度となり、溝１５ａ，１５ｂの幅はそれぞれ１０μｍ程度になっている。
半導体レーザ素子１の上面には絶縁膜１７が設けられている。この絶縁膜１７は、図２（ｃ）に示すように、メサ１６の側面及び溝１５ａ，１５ｂ並びに溝１５ａ，１５ｂの外側に位置するコンタクト層を覆っている。従って、図２（ｃ）及び図３に示すように、メサ１６の上面側は絶縁膜１７から露出する。
また、絶縁膜１７上には、所定パターンに導体層が設けられている。導体層は、図１では点々を施した領域で示してある。導体層の一つは、図１に示すように、メサ１６の上面に重なり、メサ１６に電気的に接続された状態になる第１の電極（ｐ電極）１９を形成する。第１の電極（ｐ電極）１９は一対の溝１５ａ，１５ｂの外側の縁上にまで延在している。また、溝１５ｂの外側の平坦部分（フィールド部）にも広い面積で導体層が設けられている。この広い面積の導体層は、ワイヤを接続するボンディングパッド２０を構成する。このボンディングパッド２０と第１の電極１９は細い連結部２１で電気的に接続されている接続されている。また、溝１５ａから外れた左側の絶縁膜１７上にも独立した固定用導体部２２が形成されている。この固定用導体部２２と第１の電極１９は、半導体レーザ素子１をジャンクションダウン（ｐｎ接合を下側にする状態）でヒートシンク等の基板に固定する際、固定用の導体層として使用される。
また、半導体レーザ素子１の両端近傍には、三角形状のマーク２３が設けられている。このマーク２３も導体層で形成されている。このマーク２３は、半導体レーザ素子１の製造において、半導体ウエハを劈開して半導体レーザ素子１を製造するときの目安として使われる。
また、半導体基板２の主面の反対面となる裏面には第２の電極（ｎ電極）２４が形成されている。
メサ１６に対応するクラッド層４部分，活性層５部分，第２のクラッド層部分によって形成される細長い領域が共振器を形成することになる。従って、ｐ電極１９とｎ電極２４間に所定の電圧を印加することによって、図２（ａ）に示すように、共振器の両端面（出射面）からレーザ光２５を出射する。図示しないが、一般に両出射面には所定の屈折率の膜がそれぞれ形成され、出射されるレーザ光の出力が異なるようになっている。出力の大きい側を前方出射面とし、出力の小さい側を後方出射面としてレーザ光強度をモニターする光を取り出す面として使用している。
ここで、マイナス歪層１０及びプラス歪層１１、１２についてさらに説明する。半導体レーザ素子１が、図４のバンド構造を有するように、マイナス歪層１０は、その厚さを５〜３０ｎｍとし、かつ歪が−０．５〜−１．５％となるようにする。また、プラス歪層１１、１２は、その厚さが５〜３０ｎｍとし、歪が＋０．５〜＋１．５％となるようにする。
図５はＡｌ混晶比を０．６及び０．７にした場合における歪とＩｎ組成との相関を示すグラフである。図６はＡｌ混晶比を０．６及び０．７にした場合における歪とエネルギーギャップとの相関を示すグラフである。また、図７はＡｌ混晶比が０．６０の場合の歪と組成の計算結果を示す表であり、図８はＡｌ混晶比が０．７０の場合の歪と組成の計算結果を示す表である。
マイナス歪層１０の歪を−０．５〜−１．５％となるようにするには、図５のグラフ及び図８から分かるように、（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ層におけるＩｎの組成（混晶比）を０．４３９程度から０．３７程度の範囲にすることによって、図６のグラフから分かるように、マイナス歪層１０のエネルギーバンドギャップは２．２５８ｅＶ程度から２．３５１ｅＶ程度とすることができる。なお、図５のグラフにおいて、Ａｌの組成を０．７とする場合の歪とＩｎ組成との相関を示すグラフと、Ａｌの組成を０．６にした場合の歪とＩｎ組成との相関を示すグラフは略同じグラフとなる。
また、プラス歪層１１、１２の歪を＋０．５〜＋１．５％となるようにするには、図５のグラフ及び図８から分かるように、（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ層におけるＩｎの組成を０．５０８程度から０．５７６程度の範囲にすることによって、図６のグラフから分かるように、プラス歪層１１、１２のエネルギーバンドギャップは２．１７５ｅＶ程度から２．０６２程度とすることができる。
つぎに、半導体レーザ素子１の製造方法について、図９乃至図１６を参照しながら説明する。半導体レーザ素子１の製造においては、半導体基板３０が準備される。この半導体基板３０は、その主面に多層成長層が形成され、かつ各加工処理がなされ、製造の最終段階において分割と劈開がなされる。この分割と劈開によって複数の半導体レーザ素子１が製造される。このような半導体基板３０は、一般に半導体ウエハ３１と呼称される。半導体ウエハ３１は最初は半導体基板３０そのものであるが、製造各工程を経た段階では多層成長層等を有する構造となる。しかし、分割と劈開がなされるまで半導体ウエハ３１と呼称される。また、以下の説明では、半導体ウエハ３１の単一の半導体レーザ素子部分について説明する。
最初に半導体ウエハ３１を準備する。この半導体ウエハ３１は、厚さ数百μｍのｎ導電型（第１導電型）のＧａＡｓ基板（半導体基板）３０で構成されている。このｎ型ＧａＡｓ基板３０はＳｉを不純物とし、不純物濃度が２．０×１０１８ｃｍ−３程度となっている。ｎ型ＧａＡｓ基板３０の主面は（１００）結晶面となっている。
つぎに、ウエハ２０の主面（上面）側にＭＯＣＶＤ（Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy)法で順次半導体層を形成し、多層成長層を形成する。これら半導体層は、図９に示すように、前述のバッファ層３，クラッド層４，活性層５，第２のクラッド層６，第１のクラッド層７，コンタクト層８である。また、図１２に示すように、第１のクラッド層７にはマイナス歪層１０及びプラス歪層１１、１２も形成されている。マイナス歪層１０及びプラス歪層１１、１２の形成においては、ｐ型の（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなる第１のクラッド層７の形成の段階で、Ｉｎの組成を制御して形成する。即ち、ｐ型の（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなる第２のクラッド層６を形成した後、ｐ型の（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなる第１のクラッド層７を形成する際、第２のクラッド層６の形成に引き続いてＩｎの組成（混晶比）を０．４３９程度から０．３７程度の範囲に制御して厚さ５〜３０ｎｍのプラス歪層１１を形成する。その後、Ｉｎの組成（混晶比）を０．５０８程度から０．５７６程度の範囲に制御して厚さ５〜３０ｎｍのマイナス歪層１０を形成し、ついでＩｎの組成（混晶比）を０．４３９程度から０．３７程度の範囲に制御して厚さ５〜３０ｎｍのプラス歪層１２を形成する。図９ではマイナス歪層１０及びプラス歪層１１、１２は省略してある。
つぎに、図１０及び図１１に示すように、常用のホトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって２条の溝１５ａ，１５ｂを所定間隔に形成して、溝１５ａ，１５ｂによって挟まれるメサ１６を形成する。図１１は図１０のＤ−Ｄ線に沿う模式的拡大断面図、図１２は図１１のメサを含む一部の拡大断面図である。
溝１５ａ，１５ｂの底は活性層５に近接し、図１２に示すように、第１のクラッド層７の途中深さまで延在している。溝１５ａ，１５ｂの底面の第１のクラッド層７の厚さは、例えば、３００ｎｍ程度の厚さになっている。例えば、メサ１６の幅は２μｍ、溝５ａ，５ｂの幅は１０μｍである。
つぎに、図１３に示すように、半導体ウエハ３１の主面側全域にＳｉＯ２ からなる絶縁膜１７を形成する。絶縁膜１７の厚さは０．１〜０．３μｍである。
つぎに、半導体ウエハ３１の主面側全域にホトレジスト膜を形成した後、メサ１６上のホトマスクを除去する。その後、ホトレジスト膜をエッチングマスクとして絶縁膜１７をエッチングする。これにより、図１４に示すように、メサ１６は絶縁膜１７から露出するようになる。
つぎに、半導体ウエハ３１の主面全域に導体層を形成するとともに、この導体層を常用のホトリソグラフィ技術とエッチング技術によってパターン化する。このパターニングによって、図１５に示すように、前述した第１の電極（ｐ電極）１９，ボンディングパッド２０，連結部２１，固定用導体部２２及びマーク２３（図１参照）が形成される。第１の電極（ｐ電極）１９はメサ１６と電気的に接続されることになる。
つぎに、図示はしないが、半導体ウエハ３１の主面の反対面となる裏面を所定厚さ除去して半導体ウエハ３１を１００μｍ程度の厚さとした後、半導体ウエハ３１の裏面、即ち、ｎ型ＧａＡｓ基板３０の裏面全域に第２の電極（ｎ電極）２４を形成する。
つぎに、半導体ウエハ３１を縦横に分断して複数の半導体レーザ素子１を製造する。この分断において、例えば、メサ１６とメサ１６との中間をダイシングブレード等によって切断して短冊体を形成し、その後、この短冊体を劈開によって分断して半導体レーザ素子１を製造する。
本実施例１によれば以下の効果を有する。
（１）ｐ型の第１クラッド層（（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ）７の中層にマイナス歪層１０を設け、その両面にプラス歪層１１、１２を設けてある。マイナス歪層１０は歪が−０．５〜−１．５％であり、厚さが５〜３０ｎｍである。また、プラス歪層１１、１２は歪が＋０．５〜＋１．５％であり、厚さが５〜３０ｎｍである。
ｐ型の第１クラッド層７のエネルギーバンドギャップは、ｐ型の第１クラッド層７ではＧａＡｓ基板２と格子整合を図ってあることから歪は±０％になる。これに対して、マイナス歪層１０を形成した部分では歪が−０．５〜−１．５％になり、このマイナス歪層１０の両面側に設けられたプラス歪層１１、１２では歪が＋０．５〜＋１．５％になるため、エネルギーギャップは大きくなり、活性層５内の電子がオーバーフローし難くなり、特性（Ｉ−Ｌ特性）が向上し、温度特性が向上する。特に、５０℃以上の高温度下では特性（Ｉ−Ｌ特性）が良好になる。
（２）格子定数が異なる結晶の組み合わせによって所望の歪を形成する場合、歪の大きさに結晶の膜厚を乗じた数値が臨界値（臨界歪）を越えると結晶欠陥が発生することが知られている。実施例では、２．０μｍの厚さを有するｐ型の第１クラッド層７において、マイナス歪層１０の厚さは５〜３０ｎｍであり、マイナス歪層１０の両面にそれぞれ設けられるプラス歪層１１、１２の厚さは５〜３０ｎｍであり、三者の膜厚を加算しても全体で１５〜９０ｎｍで１００ｎｍにも満たない。この結果、実施例では、結晶欠陥を発生させることなく半導体レーザ素子１を製造することができる。
実施例２の半導体レーザ素子は、図示はしないが、実施例１の半導体レーザ素子１において、第１のクラッド層７にマイナス歪層１０とプラス歪層を交互に周期的に複数設ける構造になっている。図１７は実施例２である半導体レーザ素子のバンド構造を示す図である。図１７のバンド構造は、実施例１の半導体レーザ素子１の図４のバンド構造において、マイナス歪層が２層設けられる構造になっている。即ち、第２のクラッド層６上にプラス歪層１１、マイナス歪層１０、プラス歪層１２、マイナス歪層１０と重ねて形成されたものでてある。マイナス歪層１０及びプラス歪層１１、１２の構造は実施例１の半導体レーザ素子１と同じ構造である。
このような実施例２の半導体レーザ素子は、多層成長層の形成段階における第１のクラッド層７の形成時、プラス歪層、マイナス歪層、プラス歪層、マイナス歪層、第１のクラッド層形成と順次Ｉｎの組成を制御して形成する。実施例２では、マイナス歪層を２層としたが、さらに多くしてもよい。
実施例１の半導体レーザ素子の効果説明で既に説明したように、マイナス歪層とその両面側のプラス歪層とによって、障壁はより高くなり、電子がオーバーフローするにはより多くのエネルギーが必要になっている。そして、この障壁は、マイナス歪層とプラス歪層が交互に周期的に複数設けられることから、電子はさらにオーバーフローし難くなる。この結果、温度特性が向上する。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。実施例ではマイナス歪層１０の両面側にプラス歪層１１、１２を設けたが、マイナス歪層１０のいずれか一方の面側にプラス歪層を形成しても、マイナス歪層１０とプラス歪層との間の障壁高さが大きいことから電子のオーバーフローを抑止でき、半導体レーザ素子１の温度特性の向上を図ることができる。
本発明の実施例１である半導体レーザ素子の模式的斜視図である。 図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 前記半導体レーザ素子のメサ部分の拡大断面図である。 前記半導体レーザ素子のバンド構造を示す模式図である。 Ａｌ混晶比を０．６及び０．７にした場合における歪とＩｎ組成との相関を示すグラフである。 Ａｌ混晶比を０．６及び０．７にした場合における歪とエネルギーギャップとの相関を示すグラフである。 Ａｌ混晶比が０．６０の場合の歪と組成の計算結果を示す表である。 Ａｌ混晶比が０．７０の場合の歪と組成の計算結果を示す表である。 本発明の実施例１である半導体レーザ素子の製造において、ＧａＡｓ基板の主面に順次結晶層を多層に成長形成した半導体ウエハの一部を示す断面図である。 実施例１の半導体レーザ素子の製造において、結晶成長及びメサエッチングが終了した半導体ウエハの模式的平面図である。 図１０のＤ−Ｄ線に沿うメサ部分の拡大断面図である。 図１１における結晶各層を示す拡大断面図である。 主面側全域に絶縁膜を形成した半導体ウエハにおけるメサ部分の拡大断面図である。 前記絶縁膜を選択的に除去してメサ部分の最上層の結晶層を露出させた拡大断面図である。 半導体ウエハの主面に所定パターンの電極を形成した製品形成部の断面図である。 半導体ウエハの裏面に所定パターンの電極を形成した製品形成部の断面図である。 本発明の実施例２である半導体レーザ素子のバンド構造を示す模式図である。 本発明に先立って検討した半導体レーザ素子の一部分を示す模式的断面図である。 本発明に先立って検討した前記半導体レーザ素子のバンド構造を示す模式図である。
符号の説明
１…半導体レーザ素子（半導体レーザチップ）、２…半導体基板（ＧａＡｓ基板）、３…バッファ層、４…クラッド層、５…活性層、６…第２のクラッド層、７…第１のクラッド層、８…コンタクト層、１０…マイナス歪層、１１、１２…プラス歪層、１５ａ，１５ｂ…溝、１６…メサ、１７…絶縁膜、１９…第１の電極（ｐ電極）、２０…ボンディングパッド、２１…連結部、２２…固定用導体部、２３…マーク、２４…第２の電極（ｎ電極）、２５…レーザ光、３０…半導体基板（ｎ型ＧａＡｓ基板）、３１…半導体ウエハ、５９…半導体レーザ素子、６０…半導体基板、６１…バッファ層、６２…ｎ型クラッド層、６３…活性層、６４…ｐ型第２クラッド層、６５…ｐ型第１クラッド層、６６…コンタクト層、７０…溝、７１…メサ部、７２…フィールド部、７３…絶縁膜、７４…ｐ型電極、７５…ｎ型電極。

Claims (13)

  1. 第１導電型からなる半導体基板と、
    前記半導体基板の主面に形成される第１導電型からなるクラッド層と、
    前記クラッド層の上面に形成される活性層と、
    前記活性層の上面に形成される第２導電型からなる第２のクラッド層と、
    前記第２のクラッド層の上面に形成される第２導電型からなる第１のクラッド層と、
    前記第１のクラッド層の上面に形成される第２導電型からなるコンタクト層と、
    前記コンタクト層に重ねて形成され、前記第１導電型からなるクラッド層、前記活性層並びに前記第２のクラッド層及び前記第１のクラッド層によって形成される細長の共振器の端から端に亘って対応して設けられ、前記共振器の前記活性層部分に電流を注入する第２の電極と、
    前記半導体基板の前記主面の反対面となる裏面に重ねて形成される第１の電極とを有し、
    前記第１導電型のクラッド層及び前記第１クラッド層は前記半導体基板と格子整合する構成になり、
    前記第１クラッド層の中層にマイナス歪層が設けられ、
    前記マイナス歪層の両面または一面にプラス歪層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 前記コンタクト層の表面から前記第１クラッド層の途中深さにまで到達するように設けられる２本の溝と、
    前記２本の溝に挟まれて形成される前記第１クラッド層及び前記コンタクト層からなるメサと、
    前記メサの上面を除いて前記溝及び前記コンタクト層を覆う絶縁膜とを有し、
    前記第２の電極は前記メサの上面に電気的に接続され、
    前記メサの下方部分が前記共振器を構成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素子。
  3. 前記半導体基板はＧａＡｓからなり、
    前記第１導電型からなるクラッド層は（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなり、前記活性層は、（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなるバリア層と、Ｉｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｐからなるウェル層が交互に積層された多重量子井戸構造であり、
    前記第２のクラッド層は（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなり、
    前記第１のクラッド層は（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなり、
    前記コンタクト層はＧａＡｓからなり、
    前記マイナス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成され、
    前記プラス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の両面または一面の所定厚さ領域の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成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素子。
  4. 前記第１導電型からなるクラッド層は厚さが５０ｎｍであり、
    前記多重量子井戸構造の活性層は、厚さ６ｎｍの３層の前記バリア層と、厚さ１２ｎｍの２層の前記ウェル層で形成され、
    前記第２のクラッド層は厚さが５０ｎｍであり、
    前記第１のクラッド層は厚さが２．０μｍであり、
    前記コンタクト層は厚さが０．２μｍであることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記マイナス歪層は歪が−０．５〜−１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍであり、
    前記プラス歪層は歪が＋０．５〜＋１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記マイナス歪層と前記プラス歪層が交互に周期的に複数設けら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素子。
  7. 前記半導体基板と前記第１導電型からなるクラッド層との間に第１導電型からなるバッファ層が設けら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素子。
  8. （ａ）第１導電型からなる半導体基板を準備する工程、
    （ｂ）前記半導体基板の主面に第１導電型からなるクラッド層、活性層、第２導電型からなる第２のクラッド層、第２導電型からなる第１のクラッド層及び第２導電型からなるコンタクト層を順次積層形成する工程、
    （ｃ）前記コンタクト層の表面から前記第１のクラッド層の途中深さにまで到達する２本の溝を所定間隔に形成して前記活性層上に前記２本の溝に挟まれる突出した１本のメサを複数形成し、前記メサの下に共振器を形成する工程、
    （ｄ）前記メサの上面を除いて前記半導体基板の上面側を覆う絶縁膜を形成する工程、
    （ｅ）前記絶縁膜上に選択的に形成し、一部は前記メサ上に重なる第２の電極を形成する工程、
    （ｆ）前記半導体基板の前記主面の反対面となる裏面に第１の電極を形成する工程、
    （ｇ）前記半導体基板及びその上の各層を前記メサとメサとの間で分断するとともに、前記メサに直交する方向に一定間隔で劈開して四角形の半導体レーザ素子を複数形成する工程、
    とを有し、
    前記工程（ｂ）では、
    前記第１導電型のクラッド層及び前記第１クラッド層は前記半導体基板と格子整合するように形成し、
    前記第１クラッド層の中層にマイナス歪層を設け、
    前記マイナス歪層の一面または両面にプラス歪層を設けることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  9. 前記工程（ａ）では前記半導体基板としてＧａＡｓ基板を準備し、
    前記工程（ｂ）では、
    前記第１導電型からなるクラッド層を（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐで形成し、
    前記活性層を、（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐからなるバリア層と、Ｉｎ０．３８Ｇａ０．６２Ｐからなるウェル層を交互に積層して多重量子井戸構造に形成し、
    前記第２のクラッド層を（Ａｌ０．６０Ｇａ０．４０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐで形成し、
    前記第１のクラッド層を（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐで形成し、
    前記コンタクト層をＧａＡｓで形成し、
    前記マイナス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成し、
    前記プラス歪層は、前記第１のクラッド層を構成する（Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０）０．５３Ｉｎ０．４７Ｐの前記中層の両面または一面の所定厚さ領域の前記Ｉｎの成分量を所定の量に選択することによって形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  10. 前記第１導電型からなるクラッド層は厚さ５０ｎｍに形成し、
    前記多重量子井戸構造の活性層は、厚さ６ｎｍの３層の前記バリア層と、厚さ１２ｎｍの２層の前記ウェル層で形成し、
    前記第２のクラッド層は厚さ５０ｎｍに形成し、
    前記第１のクラッド層は厚さ２．０μｍに形成し、
    前記コンタクト層は厚さ０．２μｍに形成す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. 前記工程（ｂ）では、
    歪が−０．５〜−１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍとなる前記マイナス歪層を形成し、
    歪が＋０．５〜＋１．５％となり、厚さが５〜３０ｎｍとなる前記プラス歪層を形成す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。
  12. 前記工程（ｂ）では、前記マイナス歪層とプラス歪層を交互に周期的に複数形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  13. 前記工程（ｂ）では、前記半導体基板の主面に第１導電型からなるバッファ層を形成した後前記バッファ層上に前記クラッド層を形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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