JP2008227551A - 半導体素子の製造方法および半導体素子 - Google Patents

半導体素子の製造方法および半導体素子 Download PDF

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Abstract

【課題】端面窓構造の半導体レーザ素子において、再現性のある安定なエッチングを可能にする不純物拡散方法を提供するとともに、導波損失を低減させ、製造歩留まりおよび信頼性を向上させることを目的とする。
【解決手段】不純物拡散領域１１１を形成する際、拡散制御薄膜としてｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を、拡散源であるＺｎＯ膜１１５とダブルヘテロ構造との間に設けることにより、ダブルヘテロ構造中のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６およびｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５内に存在するＺｎ濃度を低濃度に維持しながら、量子井戸構造の活性層１０３の無秩序化を容易に達成し得る。従って、リッジストライプを形成するエッチングの際、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５を貫通してエッチングが進行することなく、所望のリッジ形状を形成し得る。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、半導体レーザ素子の製造方法に関し、特に高出力動作可能な端面窓構造を備えた半導体レーザ素子の製造歩留まりの向上に係わる。
近年、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）等の光ディスクをはじめとした情報処理機器の光源として、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶を用いた６００ｎｍ帯の半導体レーザ素子が実用化されつつある。このような書き換え型の光ディスクにおいては３０ｍＷ以上の光出力が必要であり、今後の情報処理機器の高速化および小型化を実現するためには、５０ｍＷから１００ｍＷ程度の光出力が要望されている。
一般に、半導体レーザ素子の高出力化は、レーザ端面における結晶破壊による発光特性劣化で制限されており、ＡｌＧａＩｎＰ系混晶を用いた半導体レーザ素子においては切実な問題となっている。半導体レーザ素子の高出力化を実現する手段として、レーザ共振器端面にレーザ光に対して透明な材料を形成した端面窓構造を半導体レーザ素子内に設けることが有効である。このような方法の１つとして、例えば、スズキらの文献（エレクトロニクスレターズ、第２０巻、第３８３頁、１９８４年）に、量子井戸構造を活性層としたダブルヘテロ構造において、不純物を量子井戸構造に拡散させ、量子井戸構造を形成する原子を固相拡散させることによる量子井戸構造の無秩序化現象を利用した端面窓構造が開示されている。
図１６に、従来の半導体レーザ素子９００を示す。図１６は、半導体レーザ素子９００を示す斜視図である。半導体レーザ素子９００は、上記のような無秩序化現象に基づいて作製される端面窓構造を有する、横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系赤色半導体レーザ素子である。
半導体レーザ素子９００は、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９０２と、ＧａＩｎＰ井戸層（図示せず）とＡｌＧａＩｎＰ障壁層（図示せず）とから構成された量子井戸構造の活性層９０３と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９０４と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層９０５と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６と、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層９０７と、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層９０８と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９と、ｎ側電極９１１と、ｐ側電極９１２とを備える。
このような半導体レーザ素子９００においてレーザ光の横モード制御を実現するために、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６は、リッジ形状のストライプとして形成されている。また、レーザ端面の端面窓構造として、不純物拡散領域９１０がＺｎの固相拡散により形成されている。
次に、従来の半導体レーザ素子９００の製造方法について説明する。図１７Ａから図１７Ｆは、従来の半導体レーザ素子９００の製造方法を示す工程図である。図１７Ａから図１７Ｆにおいて、図１６に示される半導体レーザ素子９００の構成要素と同一の構成要素については同一の参照符号を付している。また、実際の製造工程においては複数の半導体レーザ素子９００が同時に作製され得るが、説明の簡便化のため、本明細書中では１つの半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
まず、図１７Ａに示すようにＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９０２、ＧａＩｎＰ井戸層（図示せず）とＡｌＧａＩｎＰ障壁層（図示せず）とから構成された量子井戸構造の活性層９０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９０４、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層９０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６およびｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層９０７を順次形成し、ダブルヘテロ構造を有する積層体９００ａが作製される。
次に、図１７Ｂに示すように、積層体９００ａの上面にＳｉＯ2膜９１３を堆積させ、ウエットエッチングによりＳｉＯ2膜９１３のパターニングを行い、数十μｍ幅のストライプ開口部をレーザの共振器となる方向と垂直方向に数百μｍ間隔で形成する。次に、スパッター法によりＺｎＯ膜９１４を、ＳｉＯ2膜９１３およびストライプ開口部の全面に堆積させ、ストライプ開口部以外のＺｎＯ膜９１４をウエットエッチングにより除去し、積層体９００ｂが作製される。
次に、図１７Ｃに示すように、ＳｉＯ2膜９１３およびＺｎＯ膜９１４の上面全体にＳｉＯ2膜９１５を堆積させる。その後、窒素雰囲気中で熱処理によるアニールにより、ストライプ開口部上のＺｎＯ膜９１４を拡散源として、ｐ型ＧａＩｎＰ層バンド不連続緩和層９０７の上面からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９０２まで達するようにＺｎを固相拡散させる。これにより、不純物拡散領域９１０が形成され、積層体９００ｃが作製される。
不純物拡散領域９１０内部において、ＧａＩｎＰ井戸層（図示せず）とＡｌＧａＩｎＰ障壁層（図示せず）とから構成された量子井戸構造の活性層９０３は無秩序化される。このような不純物拡散領域９１０内部の無秩序化された量子井戸のバンドギャップは、無秩序化されていない領域の量子井戸のバンドギャップより大きくなり、端面窓構造部として機能する。
次に、図１７Ｄに示すように、ＳｉＯ2膜９１３、ＺｎＯ膜９１４およびＳｉＯ2膜９１５をウエットエッチングにより除去した後の積層体の上面に、ＳｉＯ2膜９１６を堆積させる。ＳｉＯ2膜９１６はウエットエッチングによりパターニングされ、レーザの共振器となる方向を長手方向とした数μｍ幅のストライプ状に形成される。上述したように、実際の製造工程においては複数の半導体レーザ素子９００が同時に作製され得るので、複数のＳｉＯ2膜９１６がストライプ状に形成される。このストライプ状のＳｉＯ2膜９１６をマスクとして、ウエットエッチングによりｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層９０７をリッジ状に除去する。次に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６を選択的に除去できるウエットエッチング液（例えばＡｌＧａＩｎＰとＧａＩｎＰとでエッチング速度の著しく異なるエッチング液である硫酸）を用いて、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６をエッチングすることにより、リッジストライプ状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６が形成され、積層体９００ｄが形成される。積層体９００ｄにおいて、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６が完全に除去された領域では、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層９０５が表出している。
次に、図１７Ｅに示すように、ストライプ状のＳｉＯ2膜９１６を選択成長マスクとして用い、ＭＯＶＰＥ法により、リッジストライプ状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層９０６およびｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層９０７の側面に、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層９０８を埋込み成長させ、積層体９００ｅが形成される。
次に、図１７Ｆに示すように、ＳｉＯ2膜９１６をウエットエッチングにより除去し、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９を、ＳｉＯ2膜９１６が除去された積層体９００ｅの上面全体に形成させる。最後に、ｎ側電極９１１およびｐ側電極９１２とが形成され、積層体９００ｆが形成される。不純物拡散領域９１０内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体をへき開することにより、一対の共振器端面を有するレーザ共振器が形成され、半導体レーザ素子９００が得られる。
以上のように構成された従来の半導体レーザ素子９００の動作を以下に説明する。
再び図１６を参照して、ｐ側電極９１２をｎ側電極９１１に対して正にバイアスすると、活性層９０３に向かって両極から正孔および電子が注入される。その際、リッジ側面に形成されたｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層９０８により、電流はリッジ内部に制限されて集中し、リッジ内部でのみレーザ利得が生じてレーザ発振が生じる。
ここで、活性層９０３で生じた光は、特にリッジ側面の電流狭窄層９０８で吸収される。このことは、光の活性層９０３における有効な屈折率は、光の吸収に由来する虚数部分を有し、主としてその虚数部分がリッジを中心として横方向分布することを意味する。この分布により、レーザ光は横方向に閉じ込められ、光に良好な光ビーム特性が与えられる。
更に、高次モードは基本モードに比べてより横方向に広がるので、リッジ部分での漏れ光の吸収は高次モードに対してより強くなり、高次モードの発振が強く抑制される。このような構成では、光の吸収の効果は基本モードに対しても決して無視できない。従って、光閉じ込めおよび高次モードの抑制を強化しようとすると、必然的に基本モードに対する光損失の増加がもたらされ、レーザ動作のしきい値電流の増大や微分量子効率の低下を避けることが困難となる。
従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子９００では、上記で説明した製造方法のｐ型第２ＡｌＧａＩｎＰクラッド層９０６を選択的に除去する工程（図１７Ｄ参照）で問題が生じる。上述のように、不純物拡散領域９１０以外の領域では、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層９０５上でエッチングは停止され得る。しかし、不純物拡散領域９１０内では、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層９０５が無秩序化されて混晶化されているため、エッチング速度が早くなり、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＩｎＰとのエッチング選択性が低下する。従って、エッチングが停止せず、量子井戸構造の活性層９０３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層９０４内までエッチングが進行し得る。不純物拡散領域９１０においてこのようにエッチングが停止せずに進行すると、結果として不純物非散領域９１０と不純物非拡散領域とのリッジストライプ幅が異なることとなる。これにより、導波損失が増大し、しきい値電流および動作電流が増大し、ひいては信頼性を著しく損なうこととなる。
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、再現性のある安定なエッチングが可能な不純物拡散方法を提供するとともに、導波損失を抑制し、半導体レーザ素子の製造歩留まりおよび信頼性を向上させることを目的とする。
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第一導電型半導体基板上に半導体積層構造を形成する工程であって、上記半導体積層構造は、第一導電型クラッド層と、量子井戸活性層と、第一の第二導電型クラッド層と、を含む工程と、上記半導体積層構造上の所定の領域に拡散制御層を形成する工程と、上記拡散制御層上に不純物拡散源となる材料層を形成する工程と、第一の熱処理によって、上記拡散制御層を介して上記材料層から不純物を上記半導体積層構造中の少なくとも一部に拡散させて不純物拡散領域を形成する工程と、を包含し、少なくとも１つの共振器端面部に位置する上記量子井戸活性層の一部が、上記不純物の拡散により無秩序化されている。
上記半導体積層構造はダブルヘテロ構造を含んでもよい。
上記半導体積層構造は、上記第一導電型半導体基板上にエピタキシャル成長させることにより形成されてもよい。
上記量子井戸活性層は、上記第一導電型クラッド層と上記第一の第二導電型クラッド層との間に形成されてもよい。
上記量子井戸活性層は、少なくとも１つの井戸層と複数の障壁層とを含む量子井戸構造を含んでもよい。
上記量子井戸構造の厚さは約２０ｎｍ以下であってもよい
上記半導体積層構造の上面に上記拡散制御層が形成されてもよい
上記拡散制御層は、上記半導体積層構造の上面にエピタキシャル成長させることにより形成されてもよい
上記拡散制御層はＡｌＧａＡｓ混晶を含んでもよい。
上記拡散制御層は、上記不純物の拡散速度が上記量子井戸活性層よりも遅い材料を含んでもよい。
上記材料層上に誘電体膜を形成する工程を更に包含してもよい。
上記半導体積層構造はＡｌＧａＩｎＰ混晶を含んでもよい。
上記拡散制御層の導電型、組成および膜厚の内の少なくとも１つを制御することによって、上記半導体積層構造中へ拡散させる上記不純物の量が制御されてもよい。
上記第一の熱処理の温度および時間の少なくとも一方を制御することによって、上記半導体積層構造中へ拡散させる上記不純物の量が制御されてもよい。
上記拡散制御層は第一導電型であってもよい。
上記拡散制御層は第二導電型であってもよい。
上記拡散制御層は導電性を有さなくてもよい。
上記拡散制御層はＧａＡｓを含んでもよい。
上記拡散制御層の厚さが約５０ｎｍから約３００ｎｍであってもよい。好ましくは、この膜厚は５０ｎｍ以上であり、かつ２００ｎｍ以下であり得る。
上記第一の熱処理の温度が約６５０℃以下であってもよい。好ましくは、この熱処理の温度は５００℃以上であり、かつ６５０℃以下であり得る。
上記材料層は、ＺｎおよびＭｇの少なくとも一方を含んでもよい。
上記材料層はＺｎＯを含んでもよい。
上記材料層の厚さが約５０ｎｍ以下であってもよい。好ましくは、この膜厚は１０ｎｍ以上であり、かつ５０ｎｍ以下であり得る。
上記誘電体膜は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2およびＳｉＮの内の少なくとも１つを含んでもよい。
上記拡散制御層は、ＡｌＡｓ組成が約２０パーセント以上であるＡｌＧａＡｓを含んでもよい。
上記半導体積層構造が、第二導電型コンタクト層をさらに含んでもよい。
上記第二導電型コンタクト層は、ＡｌＡｓ組成が約２０パーセント以下であるＡｌＧａＡｓを含んでもよい。
上記第一導電型クラッド層と上記量子井戸活性層との間に、アンドープ半導体層が形成されてもよい。
上記アンドープ半導体層の厚さは約４０ｎｍ以上であってもよい。
上記少なくとも１つの共振器端面部に低反射率コーティング膜を形成する工程をさらに包含してもよい。
上記半導体積層構造が、上記第一の第二導電型クラッド層上に形成された第二導電型エッチング停止層と、上記第二導電型エッチング停止層上に形成された第二の第二導電型クラッド層と、をさらに含んでもよい。
上記第二の第二導電型クラッド層をリッジ形状にエッチングする工程と、上記第二の第二導電型クラッド層の側面に第一導電型電流狭窄層を形成する工程と、をさらに包含してもよい。
上記拡散制御層を除去する工程をさらに包含し、上記拡散制御層を除去する工程の後に、上記第二の第二導電型クラッド層がリッジ形状にエッチングされてもよい。
上記拡散制御層の導電型が第一導電型であってもよい。
上記第一導電型電流狭窄層を形成する工程の後に、第二の熱処理を行う工程をさらに包含してもよい。
上記量子井戸活性層は、少なくとも１つの井戸層と複数の障壁層とを含む量子井戸構造を含み、上記量子井戸構造の厚さは約７ｎｍ以下であってもよい。好ましくは、上記量子井戸構造の膜厚は３ｎｍ以上であり、かつ７ｎｍ以下であり得る。
上記第二導電型エッチング停止層の厚さは約１５ｎｍ以下であってもよい。好ましくは、上記第二導電型エッチング停止層の膜厚は３ｎｍ以上であり、かつ１５ｎｍ以下であり得る。
上記第一導電型電流狭窄層を形成する工程の後に、上記材料層を形成する工程が行われてもよい。
上記不純物拡散領域内に位置する上記第二の第二導電型クラッド層の一部の上記不純物の拡散濃度が、約１×１０18ｃｍ-3以下であってもよい。
上記半導体積層構造が、上記第一の第二導電型クラッド層上に形成された第二導電型エッチング停止層をさらに含み、上記半導体積層構造の上に第一導電型電流狭窄層を形成する工程と、上記第一導電型電流狭窄層に開口部を形成する工程と、上記第一導電型電流狭窄層上および上記開口部上に第二の第二導電型クラッド層を形成する工程と、をさらに包含し、上記第二の第二導電型クラッド層を形成する工程の後に、上記拡散制御層を形成する工程が行われてもよい。
本発明の半導体レーザ素子は、第一導電型半導体基板と、半導体積層構造と、を備え、上記半導体積層構造は、第一導電型クラッド層と、量子井戸活性層と、第一の第二導電型クラッド層と、第二導電型エッチング停止層と、リッジ形状の第二の第二導電型クラッド層と、上記第二の第二導電型クラッド層の側面に形成された第一導電型電流狭窄層と、を備える、半導体レーザ素子であって、上記第二の第二導電型クラッド層下部に位置し、かつ少なくとも１つの共振器端面部に位置する上記量子井戸活性層の一部が、不純物の拡散により無秩序化されている。
上記半導体積層構造はダブルヘテロ構造を含んでもよい。
上記量子井戸活性層は、上記第一導電型クラッド層と上記第一の第二導電型クラッド層との間に形成されてもよい。
上記量子井戸活性層は、少なくとも１つの井戸層と複数の障壁層とを含む量子井戸構造を含んでもよい。
上記半導体積層構造はＡｌＧａＩｎＰ混晶を含んでもよい。
上記半導体積層構造が、第二導電型コンタクト層をさらに含んでもよい。
上記少なくとも１つの共振器端面部に低反射率コーティング膜をさらに含んでもよい。
本発明の半導体レーザ素子は、第一導電型半導体基板と、半導体積層構造と、を備え、上記半導体積層構造は、第一導電型クラッド層と、量子井戸活性層と、第一の第二導電型クラッド層と、第二導電型エッチング停止層と、開口部を有する第一導電型電流狭窄層と、少なくとも上記開口部に設けられた第二の第二導電型クラッド層と、を備える、半導体レーザ素子であって、上記開口部下部に位置し且つ少なくとも１つの共振器端面部に位置する上記量子井戸活性層の一部が、不純物の拡散により無秩序化されている。
上記半導体積層構造はダブルヘテロ構造を含んでもよい。
上記量子井戸活性層は、上記第一導電型クラッド層と上記第一の第二導電型クラッド層との間に形成されてもよい。
上記量子井戸活性層は、少なくとも１つの井戸層と複数の障壁層とを含む量子井戸構造を含んでもよい。
上記半導体積層構造はＡｌＧａＩｎＰ混晶を含んでもよい。
上記半導体積層構造が、第二導電型コンタクト層をさらに含んでもよい。
以上のように、本発明によれば、端面窓構造の半導体レーザ素子の量子井戸構造の活性層を無秩序化する際に、不純物拡散源とダブルヘテロ構造との間に拡散制御薄膜としてＡｌＧａＡｓ混晶を設けることによって、量子井戸構造の活性層を無秩序化するとともに、ダブルヘテロ構造内に導入されるＺｎ濃度を低濃度に制御可能することができる。これにより、リッジストライプを形成するエッチングの際、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層を貫通してエッチングが進行することなく、所望のリッジ形状を形成することができるので、リッジ形状の制御が容易となり、また、自由キャリア吸収による導波損失の低減が可能となる。従って、本発明は、半導体レーザ素子の動作電流の低減および製造歩留まりの向上、ひいては信頼性の改善に極めて有用である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子１００およびその製造方法について説明する。図１Ａは、半導体レーザ素子１００の斜視図である。半導体レーザ素子１００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１００のような赤色半導体レーザ素子は、赤色もしくは赤外線領域のレーザ光を発振し得る。
半導体レーザ素子１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２と、量子井戸構造の活性層１０３と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６と、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８と、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０と、ｎ側電極１１２と、ｐ側電極１１３とを備える。
図１Ｂに、活性層１０３の構造を示す。図１Ｂは、半導体レーザ素子１００のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、活性層１０３およびｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４の領域を拡大した断面図である。図１Ｂに示されるように、活性層１０３は複数のＧａＩｎＰ井戸層１２０と複数のＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とから構成され得る。
レーザ光の横モード制御を実現するために、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６は、リッジ形状として形成されている。また、レーザ端面の端面窓構造として、不純物拡散領域１１１がＺｎの固相拡散により形成されている。
上記のように半導体レーザ素子１００の共振器端面部には、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６のリッジ形状方向と直行した方向にＺｎが固相拡散された、不純物拡散領域１１１（斜線部の領域）が形成されている。この不純物拡散領域１１１内の活性層１０３では、量子井戸構造が無秩序化されている。量子井戸構造の無秩序化とは、ＧａＩｎＰ井戸層１２０とＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とが平均組成化されることである。
量子井戸構造が無秩序化されている状態を図１Ｃに示す。図１Ｃは、活性層１０３を構成するＧａＩｎＰ井戸層１２０およびＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１それぞれのＡｌ濃度分布を示す図である。図１Ｃにおいて、実線で示される状態１３１は量子井戸構造が無秩序化されていない状態を、一点斜線で示される状態１３２はある程度無秩序化されている状態を、二点斜線で示される状態１３３は十分に無秩序化されている状態を示している。
状態１３２および状態１３３に示されるように、ＧａＩｎＰ井戸層１２０とＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とが平均組成化され、量子井戸構造が無秩序化されることにより、不純物拡散領域１１１のバンドギャップは不純物非拡散領域に比べて拡大する。例えば、上記構造における量子井戸構造からのフォトルミネッセンス波長は不純物非拡散領域で６５０ｎｍに対し、不純物拡散領域１１１では６１０ｎｍと４０ｎｍ程度短波長へシフトしている。このように、量子井戸構造の無秩序化によって、不純物拡散領域１１１のフォトルミネッセンス波長は、不純物非拡散領域のフォトルミネッセンス波長に対して変化する。このとき、活性層１０３の不純物非拡散領域から放出されるレーザ光は、不純物拡散領域１１１において透明であり、共振器端面部での光吸収が著しく抑制され、安定した高出力動作が達成される。
次に、本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。図２Ａから図２Ｆは、半導体レーザ素子１００の製造方法を示す工程図である。本実施の形態および後述する本発明の他の実施の形態の説明においては、同一の構成要素については、同一の参照符号を付している。また、実際の製造工程においては複数の半導体レーザ素子が同時に作製され得るが、説明を簡便化し本発明の特徴をより明確に開示するために、本実施の形態および後述する本発明の他の実施の形態の説明においては、１つの半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
まず、図２Ａに示すように、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、量子井戸構造の活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が順次形成され、ダブルヘテロ構造を有する積層体１００ａが作製される。ＡｌＧａＡｓ混晶であるｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８は、拡散制御薄膜として機能する。
次に、図２Ｂを参照して、積層体１００ａの上面にＳｉＯ2膜１１４を堆積させ、ウエットエッチングによりＳｉＯ2膜１１４のパターニングを行い、例えば５０μｍ幅のストライプ開口部をレーザの共振器となる方向と垂直方向に７００μｍ間隔で形成する。次に、スパッタ法によりＺｎＯ膜１１５を、ＳｉＯ2膜１１４およびストライプ開口部の全面に堆積させ、ストライプ開口部上以外のＺｎＯ膜１１５をウエットエッチングにより除去することにより、積層体１００ｂが形成される。ＺｎＯ膜１１５は、不純物拡散源として機能する材料薄膜である。
次に、図２Ｃを参照して、ＳｉＯ2膜１１４およびＺｎＯ膜１１５の上面全体に誘電体膜としてＳｉＯ2膜１１６を堆積させる。その後、窒素雰囲気中で熱処理によるアニールにより、ストライプ開口部上のＺｎＯ膜１１５を拡散源として、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の上面からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２まで達するようにＺｎを固相拡散させる。これにより、不純物拡散領域１１１（斜線部の領域）が形成され、積層体１００ｃが形成される。
不純物拡散領域１１１内部において、ＧａＩｎＰ井戸層１２０とＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とから構成された量子井戸構造の活性層１０３は無秩序化されている。活性層１０３の無秩序化された領域のバンドギャップは、活性層１０３の無秩序化されていない領域のバンドギャップより大きくなり、活性層１０３の無秩序化された領域は、端面窓構造として機能する。
次に、図２Ｄを参照して、ＳｉＯ2膜１１４、ＺｎＯ膜１１５およびＳｉＯ2膜１１６をウエットエッチングにより除去した後の積層体の上面に、ＳｉＯ2膜１１７を堆積させる。ＳｉＯ2膜１１７はウエットエッチングによりパターニングされ、レーザの共振器となる方向を長手方向とした例えば３μｍ幅のストライプ状に形成される。上述したように、実際の製造工程においては複数の半導体レーザ素子１００が同時に作製され得るので、複数のＳｉＯ2膜１１７がストライプ状に形成される。このストライプ状のＳｉＯ2膜１１７をマスクとして、ウエットエッチングによりｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８とｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７とをリッジ形状に除去する。次いで、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６を選択的に除去できるウエットエッチング液（例えば硫酸）を用いてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６をエッチングする。このことにより、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６が形成され、積層体１００ｄが形成される。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６が完全に除去された領域では、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が表出している。
次に、図２Ｅを参照して、ＳｉＯ2膜１１７を選択成長マスクとして用い、ＭＯＶＰＥ法により、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の側面に、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９を埋込み成長させ、積層体１００ｅが形成される。
次に、図２Ｆを参照して、ＳｉＯ2膜１１７をウエットエッチングにより除去し、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０を、ＳｉＯ2膜１１７が除去された積層体１００ｅの上面全体に形成させる。最後に、ｎ側電極１１２およびｐ側電極１１３が形成され、積層体１００ｆが形成される。不純物拡散領域１１１内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体１００ｆをへき開することにより、一対の共振器端面を有するレーザ共振器が形成され、半導体レーザ素子１００が形成される。
半導体レーザ素子１００において、不純物としてのＺｎを量子井戸構造の活性層１０３に固相拡散させることで、不純物拡散領域１１１内の量子井戸構造は無秩序化を誘発され、無秩序化された量子井戸構造は端面窓構造部として機能する。しかし、量子井戸構造にＺｎが過剰に存在すると、自由キャリア吸収の増大を招き、動作電流の増加や、ひいては信頼性の低下をもたらす。そこで、精度よく、また再現性よく不純物の拡散量を制御することが重要となる。以下に、本発明の製造方法における不純物の拡散量の制御方法を詳細に説明する。
図３に、Ｚｎ原子のＳＩＭＳプロファイルを示す。図３に示されるＺｎ原子のＳＩＭＳプロファイルは、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７上に厚さ２００ｎｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が存在する場合および存在しない場合における、ＺｎＯ膜１１５からダブルヘテロ構造内へのＺｎの拡散の様子を示している。
Ｚｎの拡散時のアニール温度はｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が存在する場合は６００℃で、アニール時間は３０分間および６０分間である。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が存在せずＧａＩｎＰ層のみの場合のアニール温度は６００℃で、アニール時間は３０分間である。
図３に示すように、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が存在しない場合には、短時間（３０分間）のＺｎの拡散にもかかわらず、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６中に１×１０19ｃｍ-3以上のＺｎの存在が観察される。これは、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７とＺｎＯ膜１１５とが反応し、短時間でｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７内に高濃度の格子間Ｚｎが発生し、この格子間Ｚｎがｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６へ瞬時に拡散するためであると考えられる。この場合、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６内のＺｎ濃度は、アニール時間およびｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７の厚さよりもむしろ、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７とＺｎＯ膜１１５との反応に律速される。従って、この場合、Ｚｎ拡散濃度の制御は困難である。
一方、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が存在する場合は、ＺｎＯ膜１１５との著しい反応はない。この場合、格子点を置換して移動する拡散による遅い拡散フロントと、格子間を移動する拡散による早い拡散フロントとが存在する。低濃度のＺｎの早い拡散フロントが、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６の上側界面に到達した時点でダブルヘテロ構造へのＺｎの拡散が開始される。この場合、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の導電型および膜厚、ならびにアニールの温度および時間を調節することによって、容易にダブルヘテロ構造中へのＺｎの拡散濃度を制御することができる。
具体的には、本発明では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の膜厚を約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下とすること、アニール温度を約６５０℃以下、特に約５００℃以上約６５０℃以下とすることの少なくとも一方、好ましくは両方の条件を満たすことによって、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６中のＺｎ濃度を、８×１０17ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3の範囲内で容易に制御することが出来る。
以上のように、本発明によれば、不純物拡散源であるＺｎＯ膜１１５とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６との間に、拡散制御薄膜としてのｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を導入することによって、容易にｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６内に低濃度のＺｎを拡散させることが可能となる。
拡散制御薄膜の材料としては、活性層１０３よりも不純物（例えばＺｎ）の拡散速度が遅い材料が用いられることが好ましい。具体的には、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８のように、ＧａＡｓ系の材料が用いられ得る。これは、半導体レーザ素子の基板の材料としてＧａＡｓ系の材料が用いられる場合は、拡散制御薄膜も基板と同様にＧａＡｓ系の材料で構成されるのが好ましいからである。
上記のように拡散制御薄膜の材料としてＧａＡｓが用いられる場合、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６がＡｌＧａＡｓ混晶であれば、そのＡｌの組成にかかわらず、上記と同様の効果が得られ得る。このようなＡｌＧａＡｓ混晶の組成を調節することによっても、ダブルヘテロ構造中への不純物の拡散濃度を制御できる。
不純物拡散源として用いたＺｎＯ膜１１５の厚さは、ＳｉＯ2膜１１６やダブルヘテロ構造との密着性を確保し再現性よくＺｎの拡散を行うために、約５０ｎｍ以下が好ましい。不純物拡散源としてはＺｎＯの他に、ＭｇＯまたはＺｎＳｅ等が用いられ得る。
また、誘電体膜としてはＳｉＯ2膜１１６を用いたが、ＳｉＯ2の他に、ＳｉＮ、ＴｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3等が用いられ得る。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２として、実施の形態１と異なる製造条件下における、半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
実施の形態１では、拡散制御薄膜として、ＡｌＧａＡｓ混晶のｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を用いて、Ｚｎを拡散させる方法について示した。本実施の形態の製造方法は基本的には実施の形態１の製造方法と同一であるが、本実施の形態では、特にｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６内のＺｎ濃度を約１×１０18ｃｍ-3以下とすることを特徴とする。
ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５は、レーザ光に対し吸収層として働く。このため、半導体レーザ素子１００の特性に多大な影響を与えないように、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５の膜厚は約数ｎｍから約２０ｎｍ程度と、量子井戸構造の活性層１０３中のそれぞれのＧａＩｎＰ井戸層１２０と同程度の膜厚に設定され得る。このとき、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６のＺｎ濃度が１×１０18ｃｍ-3以上になると、活性層１０３のみならずｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５も無秩序化されることになる。
本来、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５はエッチングを停止させるべく、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６に対しエッチングの選択比が高い層が設けられる。しかし、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が無秩序化されると、エッチングの選択比が著しく低下し、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５は、エッチング停止層として機能し難くなる。
このような場合、不純物拡散領域１１１においては、エッチングによりｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が貫通するまで除去され、それにより、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４までもがエッチングにより除去されてしまう。結果として、リッジ形状の制御が困難となったり、不純物拡散領域１１１と不純物非拡散領域との間でリッジ幅が異なることとなり、結合損失等の導波損失が増大し得る。これにより、動作電流の増大や拡がり角のバラツキなどの弊害が生じる。
そこで、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５の機能を損なうことなく、活性層１０３の無秩序化を促進させることが重要となる。以下に、本実施の形態における好適な活性層１０３の無秩序化について詳細に説明する。
本発明者らの研究によれば、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６中のＺｎ濃度を約１×１０18ｃｍ-3以下に制御すると、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５の無秩序化は抑制され、かつ活性層１０３内には約２×１０18ｃｍ-3程度のＺｎが蓄積されて活性層１０３の無秩序化は進行し、実用に耐えうる端面窓構造が形成できることがわかった。
なお、活性層１０３内のＧａＩｎＰ井戸層１２０の膜厚をそれぞれ約７ｎｍ以下、およびｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５の膜厚を約９ｎｍ以上約１５ｎｍ以下とすることによって、半導体レーザ素子１００の特性を低下させることなく、活性層１０３の無秩序化と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５のエッチング停止層としての機能とを十分確保することができる。
また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の膜厚を約２００ｎｍとし、アニール条件を約６００℃で約３０分間としたとき、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６のＺｎ濃度は約９×１０17ｃｍ-3、活性層１０３内のＺｎ濃度は約２×１０18ｃｍ-3程度となる。このとき、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５の界面での組成変化は観測されるが、完全に無秩序な状態とならない。このような状態でエッチングを実施すると、不純物拡散領域１１１においてもエッチングによりｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が貫通することなく、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５でエッチングを停止させることが可能である。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における半導体レーザ素子２００およびその製造方法について説明する。図４は、半導体レーザ素子２００の斜視図である。半導体レーザ素子２００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。
実施の形態１および２における半導体レーザ素子１００（図１）に対し、半導体レーザ素子２００ではｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が除去されている。それ以外の構成要素は半導体レーザ素子１００と同一である。
実施の形態１および２の半導体レーザ素子１００の製造工程においては、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６を形成する際に、高濃度にＺｎが拡散したｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８上にＳｉＯ2膜１１７を形成した（図２Ｄ）。本実施の形態では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を除去した後にＳｉＯ2膜１１７を形成することを特徴とする。
実施の形態１および２の半導体レーザ素子１００の製造工程では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が除去されなかった。このように高濃度にＺｎが拡散したｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を残しておくことは、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６の側面にｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９を埋込み成長させる工程時（図２Ｅ）、ならびにｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０を積層体の上面全体に成長させる工程時（図２Ｆ）に、Ｚｎの活性層１０３への拡散を促進させ、活性層１０３の無秩序化の促進に極めて有利である。しかし、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の存在は、エッチングの際にｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６の横方向に異常エッチングが生じる原因となり得、所望のリッジ幅を再現性良く得ることが困難になる場合がある。従って、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６を形成する前に、予めｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を除去することで、リッジ幅の再現性を著しく改善させることができる。
本実施の形態における半導体レーザ素子２００の製造方法は、実施の形態１において説明した半導体レーザ素子１００の製造工程の積層体１００ｃが形成される工程（図２Ｃ）までは同一である。したがって、積層体１００ｃが形成されるまでの工程の説明は省略する。
本実施の形態では、図２Ｃに示される積層体１００ｃが得られた後、図５Ａを参照して、積層体１００ｃのＳｉＯ2膜１１４、ＺｎＯ膜１１５、ＳｉＯ2膜１１６およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８をエッチングにより除去した後のｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７の上面に、ＳｉＯ2膜１１７が堆積される。ＳｉＯ2膜１１７はウエットエッチングによりパターニングされ、レーザの共振器となる方向を長手方向とした例えば３μｍ幅のストライプ状に形成される。実際の製造工程においては複数の半導体レーザ素子２００が同時に作製され得るので、複数のＳｉＯ2膜１１７がストライプ状に形成される。このストライプ状のＳｉＯ2膜１１７をマスクとして、ウエットエッチングによりｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７をリッジ状に除去する。次いで、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６を選択的に除去できるウエットエッチング液（例えば硫酸）を用いてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６をエッチングする。このことにより、リッジ状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６が形成され、積層体２００ａが形成される。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６が完全に除去された領域では、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が表出している。
次に、図５Ｂを参照して、ＳｉＯ2膜１１７を選択成長マスクとして用い、ＭＯＶＰＥ法により、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６およびｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７の側面に、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９を埋込み成長させ、積層体２００ｂが形成される。
次に、図５Ｃを参照して、ＳｉＯ2膜１１７をウエットエッチングにより除去し、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０を、積層体２００ｂのＳｉＯ2膜１１７が除去された後の上面全体に形成させる。最後に、ｎ側電極１１２およびｐ側電極１１３が形成され、積層体２００ｃが形成される。不純物拡散領域２１１内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体２００ｃをへき開することにより、一対の共振器端面を有するレーザ共振器が形成され、半導体レーザ素子２００が得られる。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４として、実施の形態３と異なる製造条件下における、半導体レーザ素子２００の製造方法について説明する。
実施の形態１および２では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の導電型はｐ型である。これは、半導体レーザ素子１００の動作時における不純物非拡散領域への電流注入を容易とするためである。
また、実施の形態３においても、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の導電型はｐ型である。しかし、実施の形態３では、Ｚｎの拡散の後にｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８はエッチング除去されるので、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の導電型がｐ型に制限される必要は無い。
従って、本実施の形態では、実施の形態３における半導体レーザ素子２００の製造方法において、拡散制御薄膜として、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の代わりにｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’またはアンドープＧａＡｓキャップ層１０８”を用いることを特徴とする。実施の形態３と同様に、本実施の形態においても、Ｚｎの拡散の後にｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’またはアンドープＧａＡｓキャップ層１０８”はエッチング除去されるので、最終的には半導体素子２００（図４）が得られる。本実施の形態における半導体レーザ素子２００の製造方法は、実施の形態３で示した半導体レーザ素子２００の製造方法において、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の代わりにｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’またはアンドープＧａＡｓキャップ層１０８”が用いられる。なお、このような拡散制御薄膜の材料の差異以外は、実施の形態３で示した半導体レーザ素子２００の製造方法と同様であるので、本実施の形態における半導体レーザ素子２００の製造方法の詳細な説明は省略する。
図３を参照すると、Ｚｎはｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２内で拡散速度が著しく低下し、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２内の拡散フロントでＺｎ濃度は急峻に低下していることが分かる。これは、電子の存在するｎ型半導体層（すなわちｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２）内においては、格子間のＺｎが格子点に捕獲され、その後Ｚｎはほとんど動かなくなるためであると考えられる。電子の数、すなわちキャリア濃度が高いとＺｎは格子点に捕獲されやすい。従って、拡散フロントのＺｎ濃度は、ｎ型半導体層のキャリア濃度で容易に制御することが可能である。この現象は、ＡｌＧａＡｓ混晶においても同様に起こる。
従って、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’を用いることによって、Ｚｎの速い拡散は抑制され、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’のキャリア濃度制御によって拡散フロントでのＺｎ濃度を任意に制御することができる。従って、より高い精度でダブルヘテロ構造内に拡散するＺｎの濃度を制御することができる。ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’を用いる場合、その膜厚の範囲は好ましくは約５０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下であり、アニール温度は好ましくは約５００℃以上約６５０℃以下である。
アンドープＧａＡｓキャップ層１０８”を用いた場合は、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０８’を用いた場合のような顕著な効果は得られないが、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８を用いた場合よりもＺｎ濃度制御が容易となる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５における半導体レーザ素子３００およびその製造方法について説明する。図６は、半導体レーザ素子３００の斜視図である。半導体レーザ素子３００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。
図１Ａおよび図４に示される半導体レーザ素子１００および２００では、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２に接するように活性層１０３が形成されていた。本実施の形態の半導体レーザ素子３００は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２と量子井戸活性層１０３との間にアンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１が設けられることを特徴とする。アンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１の膜厚は約４０ｎｍ以上である。それ以外の半導体レーザ素子３００の構造は、半導体レーザ素子１００の構造と同様である。また、半導体レーザ素子３００は、半導体レーザ素子２００と同様に、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が除去された構造であってもよい。
例えば、５０ｎｍのアンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１をｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２と量子井戸活性層１０３との間に挿入した場合、Ｚｎの拡散はｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２に到達するまで急速に拡散する。このことから、アンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１が設けられない場合に比べて、ダブルヘテロ構造中より下方までＺｎの拡散は進行する。
ダブルヘテロ構造中より下方までＺｎが拡散する過程で、活性層１０３はより無秩序化される。これにより、アンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１が設けられない場合に比べ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６でのＺｎ濃度が同じであっても、活性層１０３の無秩序化がより進むので、不純物拡散領域１１１の端面窓構造としての機能はより高まる。このような効果は、アンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１の膜厚が５０ｎｍ以上の場合に特に顕著である。アンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１の膜厚の上限は特に制限されないが、約２００ｎｍ以下が好ましい。
本実施の形態の半導体レーザ素子３００の製造方法は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２と量子井戸活性層１０３との間にアンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１が設けられること以外は、図２Ａ〜図２Ｆを参照して説明した実施の形態１の半導体レーザ素子１００の製造方法と同様である。
図７Ａから図７Ｆは、半導体レーザ素子３００の製造方法を示す工程図である。まず、図７Ａに示すように、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、アンドープＡｌＧａＩｎＰ層３０１、量子井戸構造の活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が順次形成され、ダブルヘテロ構造を有する積層体３００ａが作製される。
次に、図２Ｂに示される積層体１００ｂの形成と同様の工程を経て、図７Ｂに示される積層体３００ｂが形成される。
次に、図７Ｃを参照して、ＳｉＯ2膜１１４およびＺｎＯ膜１１５の上面全体に誘電体膜としてＳｉＯ2膜１１６を堆積させる。その後、窒素雰囲気中の熱処理によるアニールにより、ストライプ開口部上のＺｎＯ膜１１５を拡散源として、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の上面からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２まで達するようにＺｎを固相拡散させる。これにより、不純物拡散領域３１１が形成され、積層体３００ｃが形成される。
次に、図２Ｄに示される積層体１００ｄの形成と同様の工程を経て、図７Ｄに示される積層体３００ｄが形成される。
次に、図２Ｅに示される積層体１００ｅの形成と同様の工程を経て、図７Ｅに示される積層体３００ｅが形成される。
次に、図２Ｆに示される積層体１００ｆの形成と同様の工程を経て、図７Ｆに示される積層体３００ｆが形成される。不純物拡散領域３１１内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体３００ｆをへき開することにより、一対の共振器端面を有するレーザ共振器が形成され、半導体レーザ素子３００が得られる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６における半導体レーザ素子４００について説明する。図８Ａは、半導体レーザ素子４００の斜視図である。半導体レーザ素子４００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。
図１Ａに示される実施の形態１の半導体レーザ素子１００では、両側の共振器端面に不純物拡散領域１１１が形成されている。本実施の形態の半導体レーザ素子４００では、実際にレーザ光の出射側として用いられる共振器端面のみに不純物拡散領域１１１が形成されている。レーザ光の出射側として用いられる共振器端面には低反射率コーティング膜４０１（図８Ａのドット部）が施される。低反射率コーティング膜４０１の反射率は数パーセント（例えば４パーセント）で有り得る。もう一方の共振器端面には高反射率コーティング膜（図示せず）が形成され得る。高反射率コーティング膜の反射率は約８０〜９０パーセントで有り得る。
非対称コーティングを施した半導体レーザ素子のレーザ端面における結晶破壊は、低反射率コーティング膜が施された端面で発生する。従って、本実施の形態では、結晶破壊の発生する端面のみに不純物拡散領域１１１を形成する。不純物拡散領域１１１では高濃度のＺｎが存在するため、自由キャリア吸収による導波損失が無視できず、光出力の低下や動作電流の増大が引き起こされる。本実施の形態の半導体レーザ素子４００では、必要最小限の端面のみに不純物拡散領域１１１を形成することにより、光出力の低下や動作電流の増大を抑制することが出来る。
本実施の形態における半導体レーザ素子４００の製造方法は、実施の形態１において説明した半導体レーザ素子１００の製造工程の積層体１００ａが形成される工程（図２Ａ）までは同一である。したがって、積層体１００ａが形成されるまでの工程の説明は省略する。
本実施の形態では、図２Ａに示される積層体１００ａが得られた後、図８Ｂを参照して、積層体１００ａの上面にＳｉＯ2膜１１４を堆積させ、ウエットエッチングによりＳｉＯ2膜１１４のパターニングを行い、例えば５０μｍ幅の開口部をレーザの共振器となる方向と垂直方向に形成する。次に、スパッタ法によりＺｎＯ膜１１５を、ＳｉＯ2膜１１４および開口部の全面に堆積させ、開口部上以外のＺｎＯ膜１１５をウエットエッチングにより除去することにより、積層体４００ｂが形成される。
次に、図８Ｃを参照して、ＳｉＯ2膜１１４およびＺｎＯ膜１１５の上面全体に誘電体膜としてＳｉＯ2膜１１６を堆積させる。その後、窒素雰囲気中で熱処理によるアニールにより、開口部上のＺｎＯ膜１１５を拡散源として、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の上面からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２まで達するようにＺｎを固相拡散させる。これにより、不純物拡散領域１１１が形成され、積層体４００ｃが形成される。
積層体４００ｃが形成された後、図８Ｄ、図８Ｅおよび図８Ｆに示される積層体４００ｄ、４００ｅおよび４００ｆが形成される。積層体４００ｄ、４００ｅおよび４００ｆの形成工程は、図２Ｄ、図２Ｅおよび図２Ｆに示される積層体１００ｄ、１００ｅおよび１００ｆの形成工程と同様であるので、詳細な説明は省略する。
本実施の形態の半導体レーザ素子４００の製造方法では、さらに図８Ｆに示される積層体４００ｆの一対の共振器端面に、それぞれ低反射率コーティング膜４０１および高反射率コーティング膜を形成させる。不純物拡散領域１１１内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体４００ｆをへき開することにより、半導体レーザ素子４００が得られる。
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７として、実施の形態１と異なる製造条件下における、半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。
実施の形態１では、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８をリッジ形状にエッチングする前にのみ、アニールを実施した。本実施の形態では更に、実施の形態１において説明した図２Ｅに示されるｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９の埋込成長後にもアニールが実施される。
実施の形態２で説明したようにｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６内のＺｎ濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に制限した場合、活性層１０３の膜厚によっては、１回のアニールでは十分に活性層１０３が無秩序化されない場合が発生し得る。従って、上述のように本実施の形態では複数回アニールを行うことによって、活性層１０３の無秩序化を促進させる。また、本実施の形態により以下の効果も得られる。
図９に、温度６００℃の窒素雰囲気中で再度のアニールを行う場合と行わない場合とにおける、それぞれの電流−光出力特性の一例を示す。図９から、再度のアニールを行うことにより、高温（７０℃）下におけるＩｏｐ（動作電流）が低減されていることがわかる。これは、エピタキシャル成長中にダブルヘテロ構造中に侵入した水素が、再度のアニールにより除去されるためであると考えられる。
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８における半導体レーザ素子５００およびその製造方法について説明する。図１０は、半導体レーザ素子５００の斜視図である。半導体レーザ素子５００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。
実施の形態１における半導体レーザ素子１００の製造方法（図２Ａから図２Ｆ）では、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が形成される前に不純物拡散領域１１１が形成される。
本実施の形態では、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の形成時におけるエッチング不均一に係わる課題を解消するために、これらのリッジ形状が形成された後に不純物拡散領域５０２を形成することを特徴とする。
図１０に示すように半導体レーザ素子５００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２と、量子井戸構造の活性層１０３と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６と、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７と、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８と、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０と、ｎ側電極１１２と、ｐ側電極５１３とを備える。図１Ｂに示したように、活性層１０３は、複数のＧａＩｎＰ井戸層１２０と複数のＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とから構成され得る。
レーザ光の横モード制御を実現するために、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６は、リッジ形状として形成されている。また、レーザ端面の端面窓構造として、不純物拡散領域５０２がＺｎの固相拡散により形成されている。
次に、本実施の形態における半導体レーザ素子５００の製造方法について説明する。図１１Ａから図１１Ｅは、半導体レーザ素子５００の製造方法を示す工程図である。
まず、図１１Ａを参照して、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、量子井戸構造の活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が順次形成され、ダブルヘテロ構造を有する積層体５００ａが形成される。
次に、図１１Ｂを参照して、積層体５００ａの上面にＳｉＯ2膜１１７を堆積させる。次に、ウエットエッチングによりＳｉＯ2膜１１７のパターニングを行い、ＳｉＯ2膜１１７は、レーザの共振器となる方向を長手方向とした例えば数μｍ幅のストライプ状に形成される。上述したように、実際の製造工程においては複数の半導体レーザ素子５００が同時に作製され得るので、複数のＳｉＯ2膜１１７がストライプ状に形成される。このストライプ状のＳｉＯ2膜１１７をマスクとして、ウエットエッチングによりｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８とｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７とをリッジ形状に除去する。次いで、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６を選択的に除去できるウエットエッチング液（例えば硫酸）を用いてｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６をエッチングする。このことにより、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６が形成され、積層体５００ｂが形成される。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６が完全に除去された領域では、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が表出している。
次に、図１１Ｃを参照して、ＳｉＯ2膜１１７を選択成長マスクとして用い、ＭＯＶＰＥ法により、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の側面に、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９を埋込み成長させる。その後、ＳｉＯ2膜１１７からなるストライプをウエットエッチングにより除去する。次に、もう一度ＳｉＯ2膜を堆積させ、そのＳｉＯ2膜のパターニングをウエットエッチングにより行い、約５０μｍ幅のストライプ状のＳｉＯ2膜５０３をレーザの共振器となる方向と垂直方向に約７００μｍ間隔で形成する。次いで、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１を、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８およびｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９のＳｉＯ2膜５０３上を除く上面全体に選択的に形成させ、積層体５００ｃが得られる。
次に、図１１Ｄを参照して、ＳｉＯ2膜５０３をウエットエッチングにより除去する。その後、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１全面にＳｉＯ2膜（図示せず）を堆積させ、そのＳｉＯ2膜をウエットエッチングによりパターニングし、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１上のみにそのＳｉＯ2膜を残す。次に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１の形成されていない部分に開口部を形成する。その後、ＺｎＯ膜５０４を、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１上面のＳｉＯ2膜上に堆積させた後、開口部を残して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１上面のＳｉＯ2膜とＺｎＯ膜５０４とを除去する。さらにＳｉＯ2膜５０５を開口部に堆積させ、積層体５００ｄが得られる。
次に、図１１Ｅを参照して、窒素雰囲気中でアニールを行い、開口部上のＺｎＯ膜５０４を拡散源として、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８の上面からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２まで達するようにＺｎを固相拡散させる。これにより、不純物拡散領域５０２が形成される。
不純物拡散領域５０２内部において、ＧａＩｎＰ井戸層１２０とＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とから構成された量子井戸構造の活性層１０３は無秩序化されている。また、活性層１０３はｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５を備え得る。このような不純物拡散領域５０２内部の無秩序化された量子井戸のバンドギャップは、無秩序化されていない領域の量子井戸のバンドギャップより大きくなり、活性層１０３の無秩序化された領域は端面窓構造部として機能する。
次に、ＺｎＯ膜５０４およびＳｉＯ2膜５０５をウエットエッチングにより除去する。次に、ｎ側電極１１２およびｐ側電極５１３を形成し、積層体５００ｅが得られる。不純物拡散領域５０２内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体５００ｅをへき開することによりレーザ共振器を形成し、半導体レーザ素子５００が得られる。
図１０を参照して、半導体レーザ素子５００では、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６の上面には、ｐ型層（ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８）が、またその側部にはｎ型層（すなわちｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９）が設けられている。本発明者らの研究によれば、上記ｐ型層領域においては、Ｚｎの固相拡散が活性層１０３に到達するように進行し、また一方で、上記ｎ型の層領域においては、実施の形態４で説明したように、著しくＺｎの拡散速度が低下することが分かった。本発明者らの実験においては、６００℃でのアニールでは、Ｚｎの拡散の上記ｎ型層領域を貫通する時間が１時間である。上記ｎ型層領域におけるＺｎの拡散速度は、Ｚｎが上記ｐ型層領域から活性層１０３に達する時間５分に対し、その１／１２の拡散速度となり著しく遅いため、電流狭窄効果を保存したまま、選択的なＺｎの拡散が可能となる。なお、ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９の上面付近の限られた領域は、Ｚｎの拡散により、不純物拡散領域５０２の一部を形成し得る。
以上のように、本実施の形態によれば、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６の側部での電流狭窄効果を失うことなく、容易に端面窓構造を形成することが出来る。端面窓構造部では高濃度のＺｎが存在するため、自由キャリア吸収による導波損失の増大は無視できないが、端面窓構造部のＡｌＧａＩｎＰ層は電気的に不活性となるために、発光に寄与しない無効な電流を抑制することができる。
（実施の形態９）
本発明の実施の形態９における半導体レーザ素子６００およびその製造方法について説明する。図１２は、半導体レーザ素子６００の斜視図である。半導体レーザ素子６００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。
実施の形態８における半導体レーザ素子５００（図１０）に対し、本実施の形態の半導体レーザ素子６００では、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８およびｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９の上面全体にＡｌＧａＡｓ混晶層６０８が形成され、ＡｌＧａＡｓ混晶層６０８上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０１が形成されている。不純物拡散領域６０２はＡｌＧａＡｓ混晶層６０８の一部を含んでいる。それ以外の構成要素は半導体レーザ素子５００と同一である。本実施の形態における半導体レーザ素子６００の製造方法を以下に示す。
本実施の形態における半導体レーザ素子６００の製造方法は、実施の形態８において説明した半導体レーザ素子５００の製造工程の積層体５００ｂが形成される工程（図１１Ｂ）までは同一である。したがって、積層体５００ｂが形成されるまでの工程の説明は省略する。
実施の形態８における半導体レーザ素子５００の製造方法では、図１１Ｃを参照して、ＳｉＯ2膜５０３を選択マスクとして選択的にｐ型ＧａＡｓコンタクト層５０１が形成される。
本実施の形態における半導体レーザ素子６００の製造方法では、図１１Ｂに示される積層体５００ｂが形成された後の工程として、図１３Ａを参照して、ＳｉＯ2膜５０３を形成せずに、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８およびｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９の上面全体に、ＡｌＧａＡｓ混晶層６０８およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０１を形成させる。次に、不純物拡散領域６０２（図１２）が形成される領域上面のｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０１の部分をウェットエッチングにより選択的に除去することによりＡｌＧａＡｓ混晶層６０８の一部が表出され、積層体６００ａが形成される。
次に、図１３Ｂを参照して、ＡｌＧａＡｓ混晶層６０８の表出した部分にＺｎＯ膜６０４が堆積される。さらにＳｉＯ2膜６０５をＺｎＯ膜６０４上に堆積させ、積層体６００ｂが形成される。
次に、図１３Ｃを参照して、窒素雰囲気中でアニールを行い、ＺｎＯ膜６０４を拡散源として、ＡｌＧａＡｓ混晶層６０８上面からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２まで達するようにＺｎを固相拡散させる。これにより、不純物拡散領域６０２が形成される。
次に、ＺｎＯ膜６０４およびＳｉＯ2膜６０５をウエットエッチングにより除去する。次に、ｎ側電極１１２およびｐ側電極５１３を形成し、積層体６００ｃが得られる。不純物拡散領域６０２内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体６００ｃをへき開することによりレーザ共振器を形成し、半導体レーザ素子６００が得られる。
本実施の形態における半導体レーザ素子６００の製造方法では、ＡｌＧａＡｓ混晶層６０８を介してＺｎを拡散させることによって、活性層１０３内のＺｎ濃度を低くすることができる。従って、活性層１０３でのキャリア散乱による導波損失を抑制することができる。また、ＡｌＧａＡｓ混晶層６０８の組成を適切に選択すれば、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層６０１の選択的なエッチングは容易であり、端面窓構造を容易に形成することができる。
（実施の形態１０）
本発明の実施の形態１０における半導体レーザ素子７００およびその製造方法について説明する。図１４は、半導体レーザ素子７００の斜視図である。半導体レーザ素子７００は、端面窓構造を有する横モード制御型ＡｌＧａＩｎＰ系高出力赤色半導体レーザ素子である。
実施の形態１では、リッジ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１０６側面に成長させたｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層１０９を用い、半導体レーザ素子１００の端面窓構造が形成されている。それに対し、本実施の形態の半導体レーザ素子７００は、内部埋込型端面窓構造を有することを特徴とする。
図１４に示すように、半導体レーザ素子７００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２と、量子井戸構造の活性層１０３と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４と、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ埋込第２クラッド層７０１と、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層７０２と、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング停止層７０３と、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４と、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５と、ｎ側電極１１２と、ｐ側電極７１３とを備える。ｐ型ＡｌＧａＡｓはエッチング停止層７０３はＡｌＧａＡｓ混晶であり、本発明の拡散制御薄膜として機能する。図１Ｂに示したように、活性層１０３は、複数のＧａＩｎＰ井戸層１２０と複数のＡｌＧａＩｎＰ障壁層１２１とから構成され得る。
レーザ光の横モード制御を実現するために、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１は、メサ形状として形成されている。また、レーザ端面の端面窓構造として、不純物拡散領域７０６がＺｎの固相拡散により形成されている。
上記のように構成された半導体レーザ素子７００について、以下その動作を説明する。半導体レーザ素子７００の構造はいわゆる実屈折率導波構造である。半導体レーザ素子７００に注入された電流は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５によってメサ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１下部の活性層１０３に集中する。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５の屈折率はｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１の屈折率に対して小さい。従って、図１４の半導体レーザ素子７００の構造においては横方向に屈折率分布が生じ、光は横方向に閉じ込められる。また、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５のバンドギャップは活性層１０３より大きいため、レーザ光は吸収されず、光損失は発生しない。
従って、本実施の形態の半導体レーザ素子７００は、従来の損失導波構造に比べて、しきい値電流の低減および微分量子効率の増大が可能となり、半導体レーザ素子の高出力動作にとっては有利となる。一方、端面での劣化は回避できず、実施の形態１で示した端面窓構造と同様な端面窓構造が必要である。このとき、ダブルヘテロ構造に端面窓構造を形成した後にｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１を再成長させることは容易ではない。
本実施の形態における半導体レーザ素子７００の製造方法について説明する。図１５Ａから図１５Ｅは、半導体レーザ素子７００の製造方法を示す工程図である。
まず、図１５Ａに示すように、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５およびｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５を順次形成し、ダブルヘテロ構造を有する積層体７００ａが形成される。
次に、図１５Ｂを参照して、積層体７００ａ上にフォトレジストを塗布し、例えば３μｍ幅のストライプ開口部をレーザの共振器となる方向に形成する。ついで、硫酸系エッチャントを用いて、ストライプ開口部のｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５を選択的に除去し、積層体７００ｂが形成される。
次に、図１５Ｃを参照して、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５およびｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５の上面に、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ埋込クラッド層７０１、ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層７０２、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング停止層７０３およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４を順次結晶成長させ、積層体７００ｃが形成される。
次に、図１５Ｄを参照して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４上にＳｉＯ2膜７０７を形成し、ＳｉＯ2膜７０７の共振器端面部となる領域上の部分に数十μｍ幅の開口部を形成し、その開口部領域のｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４をウエットエッチングにより除去する。この時、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング停止層７０３のＡｌＡｓ組成を約２０パーセント以上とすることで、容易にｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４を選択的にエッチングすることができる。このとき、ｐ型コンタクト層７０４はＡｌＡｓ組成が約２０パーセント以下のＡｌＧａＡｓ混晶で有り得る。なお、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４が完全に除去されず、膜厚３００ｎｍ以下の薄膜として残存する実施の形態も可能である。このような場合、残存するｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４も拡散制御薄膜の一部を構成し得る。この後、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング停止層７０３およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層７０４の上面にスパッタによりにＺｎＯ膜７０８およびＳｉＯ2膜７０９を堆積させ、積層体７００ｄが形成される。
次に、積層体７００ｄを５６０℃で１時間アニールする。これによって、図１５Ｅに示すように、開口部直下の活性層１０３内にＺｎが拡散し、量子井戸構造の活性層１０３の一部が無秩序化される。
この際、メサ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１上には、それを含みｐ型の層のみが存在するが、メサ形状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１の側部にはｎ型層（即ちｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層７０５）が存在する。本発明者らの研究によれば、上記ｐ型の層部分においては活性層１０３に到達するようにＺｎの固相拡散が進行するが、他方、上記ｎ型層部分においては、実施の形態８で説明したように、著しくＺｎの拡散速度が低下することが分かった。本発明者らの実験においては、６００℃でのアニールでは、Ｚｎの拡散の上記ｎ型層領域を貫通する時間が１時間である。上記ｎ型層領域におけるＺｎの拡散速度は、Ｚｎが上記ｐ型層領域から活性層１０３に達する時間５分に対し、その１／１２の拡散速度となり著しく遅いため、電流狭窄効果を保存したまま、選択的なＺｎの拡散が可能となる。なお、上記ｎ型層の材料はＡｌＧａＩｎＰに限定されない。
これにより、不純物拡散領域７０６内の量子井戸構造の活性層１０３は無秩序化される。活性層１０３の無秩序化された領域のバンドギャップは、活性層１０３の無秩序化されていない領域のバンドギャップより大きくなり、活性層１０３の無秩序化された領域は、端面窓構造として機能する。
図１５Ｅを参照して、不純物拡散領域７０６の形成後、ＳｉＯ2膜７０７、ＺｎＯ膜７０８およびＳｉＯ2膜７０９をウエットエッチングにより除去する。最後にｎ側電極１１２およびｐ側電極７１３が形成され、積層体７００ｅが得られる。不純物拡散領域７０６内のリッジストライプと垂直方向の面に沿って積層体７００ｅをへき開することにより、レーザ共振器が形成され、半導体レーザ素子７００が得られる。
上記のように、半導体レーザ素子７００の製造方法において、不純物拡散源であるＺｎＯ膜７０８とｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７０１との間に、ＡｌＧａＡｓ混晶であるｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング停止層７０３を介することにより、活性層１０３内のＺｎの濃度の低くすることができるので、活性層１０３でのキャリア散乱による導波損失を抑制することが出来る。
上述した本発明の各実施の形態においては、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子を例に説明した。本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子に絶大な効果が発揮されるが、本発明の半導体レーザ素子の構造および材料はそれに限定されない。例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系およびＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等の半導体レーザ素子にも本発明は適用することが出来る。
本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の量子井戸構造を示す図である。 本発明の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の量子井戸構造が無秩序化されている状態を示す図である。 本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 ＧａＡｓ層の存在または不在下に、ダブルヘテロ構造にＺｎを拡散したときのＺｎのＳＩＭＳプロファイルを示す図である。 本発明の実施の形態３における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の実施の形態３における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態３における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態３における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態５における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態６における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の実施の形態６における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態６における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態６における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態６における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態６における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 アニールの有無による電流−光出力特性の比較結果を示す図である。 本発明の実施の形態８における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の実施の形態８における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態８における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態８における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態８における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態８における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態９における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の実施の形態９における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態９における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態９における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１０における端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 本発明の実施の形態１０における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１０における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１０における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１０における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 本発明の実施の形態１０における端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。 従来の端面窓構造を有する半導体レーザ素子の製造工程を示す図である。
符号の説明
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０３ 量子井戸構造の活性層
１０４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
１０５ ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層
１０６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
１０７ ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層
１０８ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１０９ ｎ型ＧａＡｓ電流狭窄層
１１０ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１１ 不純物拡散領域
１１２ ｎ側電極
１１３ ｐ側電極
１１４ ＳｉＯ2膜
１１５ ＺｎＯ膜
１１６ ＳｉＯ2膜
１１７ ＳｉＯ2膜
５０１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
５０２ 不純物拡散領域
５０３ ＳｉＯ2膜
５０４ ＺｎＯ膜
５０５ ＳｉＯ2膜
７０１ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ埋込第２クラッド層
７０２ ｐ型ＧａＩｎＰバンド不連続緩和層
７０３ ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチング停止層
７０４ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
７０５ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層
７０６ 不純物拡散領域
７０７ ＳｉＯ2膜
７０８ ＺｎＯ膜
７０９ ＳｉＯ2膜

Claims (5)

  1. ＧａＡｓからなる第一導電型半導体基板と、
    ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰからなる半導体積層構造と、
    を備え、
    該半導体積層構造は、
    第一導電型クラッド層と、
    量子井戸活性層と、
    第一の第二導電型クラッド層と、
    リッジ形状の第二の第二導電型クラッド層と、
    Ｚｎを該半導体積層構造中の少なくとも一部の領域に拡散させて形成した不純物拡散領域と、を備える、半導体レーザ素子であって、
    該第二の第二導電型クラッド層下部に位置し、かつ少なくとも１つの共振器端面部に位置する該量子井戸活性層の一部が、Ｚｎの拡散により無秩序化された前記不純物拡散領域であって、該第二の第二導電型クラッド層の上面におけるＺｎの濃度が下面におけるＺｎの濃度より大きく、該量子井戸活性層に含まれるＺｎの濃度が２×１０１８ｃｍ−３より大きい、半導体レーザ素子。
  2. 前記半導体積層構造はダブルヘテロ構造を含む、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記量子井戸活性層は、少なくとも１つの井戸層と複数の障壁層とを含む量子井戸構造を含む、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記半導体積層構造が、第二導電型コンタクト層をさらに含む、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記少なくとも１つの共振器端面部に低反射率コーティング膜をさらに含む、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
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