JP2009088207A - 半導体レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】モノリシックに形成された高出力二波長レーザを備えた半導体レーザ装置において、レーザの高出力動作中のCODレベルの低下を抑制する。
【解決手段】半導体基板1の一主面の一部である第1領域上に、半導体基板側より順に積層された第1下部クラッド層3、第1量子井戸構造を有する第1活性層4、および第1上部クラッド層5、7を有し、第1共振器を形成する第1半導体レーザ構造10が形成され、半導体基板の一主面の第1領域とは異なる第2領域上に、半導体基板側より順に積層された第2下部クラッド層13、第2量子井戸構造を有する第2活性層14、および第2上部クラッド層15、17を有し、第2共振器を形成する第2半導体レーザ構造20が形成されている。第1及び第2共振器の端面には、端面コート膜31、32が形成され、第1及び第2共振器の端面と端面コート膜との間に、窒素含有層30が形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体レーザに関し、特に複数の発光点を有するモノリシック型の半導体レーザ装置及びその製造方法に関するものである。
光ディスク装置のピックアップ用光源、並びに光情報処理、光通信、及び光計測の光源として、半導体レーザ装置が用いられている。例えば、CD(コンパクトディスク)やMD(ミニディスク)の再生や記録を行うためのピックアップ用光源として、波長780nm帯の赤外レーザが、また、更に高密度なDVD(デジタルビデオディスク)の再生や記録を行うためのピックアップ用光源として、波長650nm帯の赤色レーザが用いられている。
CD、MDとDVDに対応するためには、1つのドライブに赤外レーザと赤色レーザとの双方が必要であり、このため双方の光集積ユニットを備えたドライブが一般的に普及している。一方で近年では、ドライブの小型化及び低コスト化、並びに光学調整や組立工程の簡素化等の要請により、光集積ユニット自体の更なる簡素化が求められている。このため、同一基板上に波長780nm帯の赤外レーザと波長650nm帯の赤色レーザが集積された構成を有する、二波長レーザ装置が実用化され、光集積ユニットの大幅な簡素化に貢献している。
また、光ディスク市場の動向として、CD用赤外レーザを用いてメディアのラベルに絵や文字を描くLS(ライトスクライブ)への対応や、DVDの高倍速化への対応要請も強く、二波長レーザの高出力化と高信頼性の両立が必須となっている。
実用レベルの高出力駆動を妨げる代表的な原因の一つとして、共振器端面における溶融破壊、すなわちCOD(Catastrophic Optical Damage)劣化が挙げられる。この故障モードは、半導体レーザの共振器端面近傍がレーザ内部で発生した光に対して吸収領域になっていることに起因して発生する。共振器端面の半導体表面には、酸素の吸着や表面の酸化によって発生する特有な深い準位、半導体表面に存在する欠陥に起因した深い準位が生じており、端面のバンドギャップが実質的に狭くなっている。この深い準位を介した非発光再結合による発熱により、更なるバンドギャップ縮小が発生し、より光吸収を引き起こす正帰還となって、端面の温度が急激に上昇し、端面の溶解による劣化を引き起こすことになる。
CODレベルの抑制に関しては、固相拡散により不純物を拡散させる事で端面部の活性層を無秩序化させ、バンドギャップを広げる方法が一般的に用いられている。
更に、プラズマ処理を用いてバンドギャップを広げる方法も以下の特許文献1〜5で紹介されている。
特許文献1には、AlGaInP系レーザにおいて、劈開端面のPをNと置換して、端面の表面近傍をGaInNおよびAlGaInNに改質することでバンドギャップを広げて、CODレベルを向上させる技術が提案されている。その製造方法によれば、PからNへの置換を行うために、まず600℃〜800℃の高温状態で、Pの脱離を発生させ、同時に、ECRプラズマにより活性化されたNH3ガスを試料表面に供給することで、脱離したサイトにNを結合させる。
特許文献2には、化合物半導体レーザ端面から、電子サイクロトロン共鳴プラズマ(ECRプラズマ)などの磁場とマイクロ波の相互作用を利用したプラズマにより元素を導入する技術が提案されている。それにより、端面近傍の半導体層のバンドギャップを、構成している半導体層のバンドよりも広くすることができ、ウインド領域として機能させることができる。また、前述の技術により形成された半導体層は、低表面準位密度の良質な高抵抗層であるため、端面へのリーク電流を抑制でき、界面における非発光再結合中心の低減によりCOD劣化の抑制効果を確保できる。
特許文献3、特許文献4では、共振器端面の半導体層をN2プラズマ照射により窒化することにより、端面近傍をワイドギャップ化し、活性層に量子井戸を含む場合には共振器端面の活性層を無秩序化できワイドギャップ化することができるとしている。さらに、窒化された領域は高抵抗化されていることから、端面領域の無効電流の影響を抑えることができるため、高出力で長寿命な半導体レーザが実現できるとされている。
特許文献5には、GaAs、GaAlAs、InGaAsP及びInGaAsを含む群から選択された材料系で構成されたGaAs系半導体レーザ上の任意の構造上に、窒化物層を形成するための製造方法がいくつか提案されている。上記に挙げた特許文献と同様にして、窒素を含むプラズマ処理により、表面の汚染物除去、界面再結合速度の低減を目的とする方法である。
特開平3−89585号公報 特開平10−84161号公報 特開平10−223978号公報 特開平10−223979号公報 特表2004−538652号公報
上述したようなプラズマ処理による無秩序化は、出射端面のバンドギャップを大きくすることは可能である。しかしながら、AlGaAs系赤外レーザとAlGaInP系赤色レーザが同一基板上にモノリシックに形成された高出力二波長レーザにおいて、上述の特許文献に記載されたような先行技術では、エージング中のCODレベル低下の課題を抱えることになる。
まず、特許文献1〜5においては、不純物拡散による窓形成による無秩序化技術について適用、あるいは記載されておらず、いずれも窒素元素を含むプラズマを利用して、出射端面領域に窒化物系半導体層を形成してワイドギャップ化し、窓構造の役割を果たすものとしている。上述の高出力二波長レーザ(AlGaAs系赤外レーザ/AlGaInP系赤色レーザ)に対し、特許文献1〜5に記載のいずれかの技術を適用して、出射端面領域に、窒化物半導体であるAlGaN、GaN、AlGaInN、GaInNなどが形成された場合、端面のバンドギャップの拡大により、初期のCODレベルを向上させることは可能である。
しかしながら、窓構造の役割をも果たすほどの窒化物半導体層を形成した場合、利得領域の半導体層と窒化物半導体層との格子不整が大きく、端面には大きな歪がかかることになる。この状態でエージングをかけ続けると、光エネルギー密度の高い領域で歪に起因した欠陥が発生し、欠陥が侵食するにつれてエージング中に徐々にCODレベルが低下していくものと考えられる。
また、プラズマ処理による活性相の無秩序化は、高いエネルギーでのプラズマドープが必要である。そのため、不純物のチャネリングにより、発光に寄与する活性層へも不純物が入り、その結果、信頼性が低下する可能性がある。
また、不純物ドープ後には端面部の結晶性が低下しているため、高温での熱処理が必要であるが、端面に反射膜を形成した後では、高温でのアニールが困難である。
さらに、固相拡散による端面窓構造においては近年、固相拡散領域が広がり角に影響する事が明らかになってきている。すなわち、レーザ利得部の光閉じ込めを強くしなくても、固相拡散領域の幅を制御する事で低アスペクトな広がり角が得られるため、高出力でも信頼性を確保できるようになってきている。
これに対して、プラズマドープを用いた端面窓構造の形成は、レーザ利得部の光閉じ込めを強くし、かつ端面反射膜形成後の狭い温度マージンでの回復アニールが必要なため、高出力化で十分な信頼性を得るのが困難である。
一方、固相拡散による端面窓構造においても、近年の高出力化に伴い新たな課題が発生している。すなわち、不純物を拡散させて活性層の無秩序化する窓形成工程において、活性層の無秩序化によるバンドギャップ拡大効果や端面の高抵抗化により初期のCODレベルの向上を図ることは可能となるが、エージング中においては、CODレベルが低下していく現象が起きている。
これは、通電による発熱に伴う、不純物の拡散によるボンドの切断、空孔の発生などによる点欠陥に起因する影響と考えられる。それゆえ、窓形成などによって初期のCODレベルの向上が図れたとしても、エージング中のCODレベル低下が加速されるため、通電後には大きくCODレベルが劣化していることになる。このような劣化は、高出力化に対して大きな妨げとなる。
本発明は、モノリシックに形成された高出力二波長レーザを備え、レーザの高出力動作中のCODレベルの低下を抑制することが可能な半導体レーザ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板と、前記半導体基板の一主面の一部である第1領域上に形成され、前記半導体基板側より順に積層された第1下部クラッド層、第1量子井戸構造を有する第1活性層、および第1上部クラッド層を有し、第1共振器を形成する第1半導体レーザ構造と、前記半導体基板の前記一主面の前記第1領域とは異なる第2領域上に形成され、前記半導体基板側より順に積層された第2下部クラッド層、第2量子井戸構造を有する第2活性層、および第2上部クラッド層を有し、第2共振器を形成する第2半導体レーザ構造と、前記第1及び第2共振器の端面に形成された端面コート膜と、前記第1及び第2共振器の端面と前記端面コート膜との間に形成された窒素含有層とを備える。
また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板の一主面上に、第1導電型の第1下部クラッド層、第1量子井戸構造を有する第1活性層、及び第2導電型の第1上部クラッド層を順に積層して第1半導体レーザ構造を形成する第1工程と、前記第1半導体レーザ構造の前記半導体基板の一主面上における一部をエッチングにより除去する第2工程と、前記半導体基板上の前記第1半導体レーザ構造を除去した領域に、第1導電型の第2下部クラッド層、第2量子井戸構造を有する第2活性層、及び第2導電型の第2上部クラッド層を順に積層して第2半導体レーザ構造を形成する第3の工程と、前記第2半導体レーザ構造における前記第1半導体レーザ構造上に形成された部分を除去する第4の工程と、前記第1上部クラッド層および前記第2クラッド層をエッチングしてそれぞれ第1ストライプ構造および第2ストライプ構造を形成する第5の工程と、以上の工程により形成された構造を劈開して、前記第1及び第2半導体レーザ構造により各々第1及び第2共振器の端面を形成する第6の工程と、前記第1及び第2共振器の端面に対し窒素を導入して窒素含有層を形成する第7の工程と、前記窒素含有層を形成する工程の後、前記第1及び第2共振器の端面に対し端面コート膜を形成する第8の工程とを有する。
上記構成の本発明の半導体レーザ装置によれば、共振器の端面と端面コート膜との間に窒素含有層を有することにより不純物拡散が抑制されるので、不純物拡散に起因する欠陥増殖や欠陥伸長速度を抑制することができ、レーザの高出力動作中のCODレベルの低下を抑制することが可能である。
また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法によれば、第7の工程において共振器端面の端面コート膜との界面における表面層に対し窒素処理を行っているので、その後の工程による欠陥増殖や欠陥の伸長を抑制することができる。
本発明は上記構成を基本として、以下のような種々の態様をとることができる。
すなわち本発明の半導体レーザ装置において、前記第1及び第2共振器の少なくとも一方の端面には、前記第1量子井戸構造または前記第2量子井戸構造が無秩序化された端面窓構造が形成されていることが好ましい。
また、前記無秩序化は不純物により行われ、前記不純物はZnまたはSiからなる構成とすることができる。
また、前記第1活性層の構成材料がAlxGa1-xAs(0≦x≦1)であり、前記第2活性層の構成材料が(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)である構成とすることができる。
また、前記第1および前記第2上部クラッド層がAlxGa1-xAs(0≦x≦1)、あるいはAlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)からなる構成とすることができる。
前記窒素含有層の層厚は、0.1μm以下であることが好ましい。
また、前記窒素含有層における窒素濃度は、1×19cm-3以下であることが好ましい。
また、前記端面コート膜は、前記第1及び第2半導体レーザ構造に対して共通に形成され、出射端面における前記端面コート膜の反射率は、第1半導体レーザ構造の発振波長に対して3%以上6%以下の範囲であり、第2半導体レーザ構造の発振波長に対して5%以上9%以下の範囲であることが好ましい。
また、前記端面コート膜は、前記窒素含有層に最も近い膜がAl23膜であることが好ましい。
また、前記端面コート膜と前記端面窓構造の境界付近のFe、Cr、Ni、Cuのパイルアップ量が、3×1017atoms/cm3以下であることが好ましい。
また、本発明の半導体レーザ装置において、前記第4の工程と前記第5の工程との間に、前記第1および第2活性層の一部領域に不純物を導入して無秩序化する第9の工程を有し、前記第6の工程において、前記第1及び第2半導体レーザ構造を前記第1および第2活性層の無秩序化された一部領域で劈開して、第1及び第2共振器の端面を形成することが好ましい。
また、前記第9の工程における不純物による活性層の無秩序化は、前記第1及び第2上部クラッド層の上の一部領域に不純物を含む層を形成し、前記第1及び第2上部クラッド層へ向けて前記不純物を拡散させることにより行うことができる。
また、前記第7の工程における前記窒素を導入する工程は、窒素元素を含むガスによるプラズマ照射により行うことができる。
また、前記プラズマ照射は、電子サイクロトロン共鳴プラズマにより行うことができる。その場合、前記電子サイクロトロン共鳴プラズマは、Alターゲットが備えられたチャンバーにより行うことができる。
以下、本発明の実施の形態における半導体レーザ装置、およびその製造方法について詳細に説明する。
図1は、本実施の形態に係る半導体レーザの斜視図を示す。図2A、2Bはそれぞれ、図1におけるA−A、B−B線に沿った断面図を示す。まず、半導体レーザ装置の構造について説明する。本半導体レーザ装置は、発振波長780nm付近の赤外レーザ10と、発振波長650nm付近の赤色レーザ20が、共通のn型GaAs基板1上にモノリシックに形成された構成を有する。赤外、赤色レーザ10、20の双方に、不純物拡散による窓構造9、19が形成されている。
赤外レーザ10は、順次積層されたn型GaAs赤外バッファ層2、n型AlGaInP赤外下部クラッド層3、GaAs/AlGaAs赤外活性層4(発振波長780nm)、p型AlGaInP赤外第1上部クラッド層5、p型GaInP赤外エッチングストップ層6、p型AlGaInP赤外第2上部クラッド層7、及びp型AlGaAs赤外コンタクト層8を備える。
赤色レーザ20は、順次積層されたn型GaAs赤色バッファ層12、n型AlGaInP赤色下部クラッド層13、GaInP/AlGaInP赤色活性層14(発振波長650nm)、p型AlGaInP赤色第1上部クラッド層15、p型GaInP赤色エッチングストップ層16、p型AlGaInP赤色第2上部クラッド層17、及びp型AlGaAs赤色コンタクト層18を備える。
赤外第2上部クラッド層7、赤色第2上部クラッド層17は、表面から赤外エッチングストップ層6、赤色エッチングストップ層16まで形成された溝により分割されて、リッジ21を形成している。
窓構造9、19が形成された領域では、p型赤外コンタクト層8、p型赤色コンタクト層18が除去されている。p型赤外コンタクト層8、p型赤色コンタクト層18の上面、およびp型赤外コンタクト層8、p型赤色コンタクト層18の除去により露出した赤外第2上部クラッド層7、赤色第2上部クラッド層17の上面に亘って、電流ブロック層22が形成されている。
リッジ21の上部の電流ブロック層22には、開口(図示せず)が形成され、電流ブロック層22上に形成されたp側赤外電極23、p側赤色電極24が、開口を通してp型赤外コンタクト層8、p型赤色コンタクト層18に接合されている。n型GaAs基板1の裏面には、n側電極25が形成されている。
上述のように二波長半導体レーザが形成された基板1を、所定の光共振器長の間隔で劈開して得られた窓構造9、19を有する光共振器端面の表面に、窒素を含有した窒素含有層30が形成されている。なお、窒素含有層30は、図1においては図示の都合上記載が省略されている。更に、レーザ光の出射される側の共振器端面には、低反射率コート膜31を備え、出射面とは反対側の共振器端面には高反射率コート膜32を備える。図1において低反射率コート膜31が破線で示されるのは、図の見易さを考慮したためである。
上述のように、赤外レーザ10と赤色レーザ20の、窓構造9、19を有する光共振器端面の表面に、窒素含有層30を設けることによる作用効果については、後述する。
次に、上記構成の半導体レーザの製造方法について、図3、図4A、及び図4Bを参照して説明する。
図3は、赤外/赤色素子構造を形成するまでの工程を示す。まず、有機金属気相成長法(MOCVD法)による結晶成長技術により、図3(a)に示すように、n型基板1上に、n型GaAsからなる赤外バッファ層2、(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)から成るn型の赤外下部クラッド層3、AlxGa1-xAs(0≦x≦1)層を含む多重量子井戸からなる赤外活性層4、(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)から成るp型の赤外第1上部クラッド層5、p型赤外エッチングストップ層6、p型赤外第2上部クラッド層7、およびp型赤外コンタクト層8を備える赤外レーザ素子構造を形成する。次に図3(b)に示すように、赤色レーザを形成する領域を、エッチングによりストライプ状に除去する。
次に、赤外レーザ素子構造が除去された領域に、MOCVD法により、図3(c)に示すように、n型基板1上に、n型GaAsからなる赤色バッファ層12、n型の赤色下部クラッド層13、(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)を含む多重量子井戸からなる赤色活性層14、p型赤色第1上部クラッド層15、p型赤色エッチングストップ層16、p型赤色第2上部クラッド層17、およびp型赤色コンタクト層18を備えた赤色レーザ素子構造を形成する。
本実施の形態に基づく実施例では、p型赤外コンタクト層8、p型赤色コンタクト層18共に、x=0のGaAsとし、膜厚を0.2μmとした。
また、赤外レーザと赤色レーザのp型第2上部クラッド層7、17は(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)層から成り、一実施例では、共にx=0.7、y=0.3とし、膜厚を1.6μmとした。
また、赤外エッチングストップ層6の材料は、AlxGa1-xAs(0≦x≦1)とし、赤色エッチングストップ層16の材料は、(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)とした。一実施例では、赤外エッチングストップ層6をAl0.4Ga0.6Asとし、赤色エッチングストップ層16をGa0.5In0.5Pとした。
次に、図3(d)に示すように、赤外レーザ素子構造上に形成された赤色レーザ素子構造を除去し、赤外/赤色レーザ素子構造を電気的に分離する素子分離溝28、及び劈開用の溝(図示せず)を形成するために、エッチングを行う。
図4A及び図4Bは、上述のように形成された赤外/赤色レーザ素子構造に対する以降の加工の工程を示す。図4A及び図4Bにおける(a1)〜(d1)は、図1に一点鎖線C−Cで示した利得領域断面を示す。(a2)〜(d2)は、図1に一点鎖線DーDで示した窓領域断面を示す。(a3)〜(d3)は、平面図を示す。但し、この平面図は、上述の工程で形成された、赤外/赤色レーザ素子構造の単位領域のみを抽出して示したものである。
まず、端面窓構造を形成する。図示しないが、レーザ端面部となる領域の上面に、Zn拡散源をスパッタによりパターン形成し、キャップ膜を堆積する。その後、熱処理を行ってZnを拡散させ、赤外レーザと赤色レーザの活性層の平均組成化を行い、図4A(a2)及び(a3)に示すように、窓構造領域(ドットで示される)を形成する。
次に、赤外レーザ、及び赤色レーザのリッジを形成するために、SiO2膜26を堆積し、ストライプパターンをフォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術を用いて形成する。さらに、ストライプ状のSiO2膜26をマスクとして、赤外第2上部クラッド層7、及び赤色第2上部クラッド層17を、赤外エッチングストップ層6、及び赤色エッチングストップ層16に至るまでエッチングを行い、図4A(b1)〜(b3)に示すように、リッジ21を形成する。
エッチングは、誘導結合型プラズマもしくは、反応性イオンプラズマを用いたドライエッチングとウエットエッチングを併用して行うことができる。ここで、赤外第2上部クラッド層7、赤色第2上部クラッド層17と、p型赤外コンタクト層8、p型赤色コンタクト層18は、上述のような膜厚と組成を設定しているため、同一条件のドライエッチとウエットエッチ条件にて同時にリッジ21形成が可能である。
次に、フォトリソグラフィー技術を用いて、リッジ21上部のZn拡散させた領域におけるp型赤外コンタクト層8及びp型赤色コンタクト層18上のみをエッチングするためのパターンを形成し、フッ酸系のエッチャントを用いてエッチングを行う(図示せず)。次に、SiO2膜26を全て除去し、電流ブロック層22としての誘電体膜、例えばSiN膜を形成する。次に図4B(c1)、(c3)に示すように、コンタクト形成のため、利得領域のリッジ21頂部における電流ブロック層22に、開口27を形成する。次に、図4B(d1)〜(d3)に示すように、金メッキによりp側赤外電極23、p側赤色電極24を形成し、さらに、n側電極25を形成する。
次に、以上の工程によりモノリシック二波長レーザが形成された半導体レーザウエハを、劈開により所定の共振器長間隔でバー状態にして、光共振器端面を形成する。その後、光共振器端面に対して、ArガスとN2ガスとの混合ガスを用いたプラズマ照射を実施して、窒素含有層30を形成する(図2参照)。本実施の形態では、プラズマ照射は電子サイクロトロン共鳴スパッタリング装置(ECRスパッタリング装置)を用いて行うことができる。
引き続き、ECRスパッタリング装置内にて、出射端面にはAl23/SiO2の2層コートにより低反射率コート膜31を形成して、赤色レーザ20、赤外レーザ10の反射率をそれぞれ、5〜9%、3〜6%とする、後方端面には、Al23/SiO2/アモルファスSi/SiO2/アモルファスSiの多層膜をコートして高反射率コート膜32を形成し、赤色レーザ20、赤外レーザ10ともに90%以上の反射率とする。より好ましくは、赤色レーザ20、赤外レーザ10の出射端面の反射率は、7%、5%とする。
以上のように構成することで、初期のCODレベルを保ちつつ、エージング後のCOD低下の抑制が可能である。
なお、本実施の形態では、窓構造形成のための不純物としてZnを拡散しているが、Siを不純物として用いることもできる。
また、本実施の形態で行ったArガスとN2ガスとの混合ガスを用いたプラズマ照射は、過剰に窒素処理を行うと結晶性が悪化し、COD低下の影響になるため適度な処理が必要である。Arのみの処理だとスパッタ効果による半導体層のスパッタダメージが発生するため、N2ガスはプラズマ雰囲気の中に10%以上含むことが好ましい。
2プラズマ照射による窒素は、半導体層の内部に深く入れすぎると半導体表面にダメージを与えるため、0.1μm以内に含ませるようにドープすることが好ましい。過剰に窒素をドープすると、点欠陥としてCODレベル低下を招くため、窒素は1019cm-3以内でドープすることが好ましい。
なお、ECRプラズマを用いた処理に限らず、端面に対して低ダメージでプラズマ照射できるものであれば、例えばヘリコン波プラズマを用いてもよい。
また、光共振器端面へのプラズマ照射を行った後に、引き続き真空中にてコーティングを施すことが好ましい。
さらに、重金属汚染に起因して、共振器端面に深い準位を形成してCODレベル低下や、信頼性低下を引き起こす可能性があるため、反射コート膜と共振器端面の半導体層との境界近傍については、重金属などによる汚染が無いことが望ましい。具体的には、Fe、Cr、Ni、Cuのパイルアップ量が、3×1017atoms/cm3以下であることが望ましい。
不純物汚染の影響を最大限に抑制するためには、ECRスパッタ装置によるプラズマ処理は、Alターゲットが備えられているチャンバー内で実施することが望ましい。
上記のようにして作製された本実施の形態の半導体レーザ装置と、比較のためにプラズマ処理を行わなわなかった半導体レーザ装置について、初期状態でのCODレベル測定と、エージング後でのCODレベル測定を行った結果を以下に示す。
エージングの条件は、赤色レーザにおいては、温度25℃、出力CW145mW、エージング時間140時間、APC駆動であり。また、赤外レーザにおいては、温度25℃、出力160mW、エージング時間140時間、APC駆動である。CODレベルの測定条件はいずれも、室温、連続発振(CW)測定である。このエージング条件は、評価にかかる時間を抑えるために、それぞれの半導体レーザ装置に対して劣化の加速性の高い条件で実施している。
CODレベル測定の結果を、図5に示す。図5(a)は赤色レーザの結果であり、図5(b)は赤外レーザの結果である。横軸がエージング時間(時間)、縦軸がCODレベルを示す。また●印は、本実施の形態によりプラズマ処理を行ったもの、◆印は、プラズマ処理を行わなかったものについての結果である。
赤色レーザにおいては、初期のCODレベルは、どちらの条件においても同等レベルである。一方、エージング後のCODレベルについては、プラズマ処理を行わなかったものは、大きく低下しているのに対し、本実施の形態の半導体レーザ装置は、エージング後のCODレベルの低下が抑制されている。
また、赤外レーザにおいては、本実施の形態では初期状態のCODレベルが低くなっているが、エージング後のCODレベル低下量は抑えられている。
以上のとおり、本実施の形態による端面部への窒素処理を実施した場合に、エージング後のCODレベルの低下が抑制されている理由は、次のように考えることができる。すなわち、エージングによる発熱が原因となる端面窓部の不純物拡散領域において、最も発熱が起こる半導体界面と反射膜界面の表面層に対して窒素処理を行うことで、窓構造を形成した不純物の拡散が抑制され、それにより、エージング中の欠陥増殖速度あるいは欠陥伸長速度を低減してためである。
なお、赤外レーザを構成するAlGaAs系材料の場合に初期のCODが下がっている理由は、窒素を低組成で含ませると巨大バンドギャップボーイング効果が現れ、バンドギャップ縮小が起こっているためと考えられる。
しかしながら、本発明では、端面窓形成により巨大バンドギャップボーイングによるバンドギャップ縮小効果を不純物拡散による窓構造にて補償しているため、実用レベルの高いCODレベルを実現している。そのため、高出力動作と高信頼性動作を両立した半導体レーザ装置を実現することができる。
なお、本実施の形態では、AlGaInP系、AlGaAs系材料の半導体レーザについて説明したが、本発明は、前記以外の材料系からなる半導体レーザ装置にも適用することが可能である。
さらに、本実施の形態では、不純物のZnの熱拡散による窓形成について説明したが、Siを用いた不純物やイオン注入による窓形成を適用した半導体レーザ装置にも適用することが可能である。
本発明の集積化半導体レーザ装置は、例えば、高出力二波長レーザ装置を必要とする光記録装置等の光源として有用であり、また、その他、レーザ医療等への応用にも有用である。
本発明の実施の形態におけるモノリシックに形成された二波長レーザを備えた半導体レーザ装置の斜視図 同半導体レーザ装置のA−A断面図 同半導体レーザ装置のB−B断面図 同半導体レーザ装置の製造方法における赤外/赤色レーザ素子構造を形成するまでの工程を示す断面図 同半導体レーザ装置の製造方法における図3に示した工程以降の工程を示す断面図 図4Aに続く工程を示す断面図 本発明の実施の形態における半導体レーザ装置の、エージング前後のCOD評価結果を示す図
符号の説明
1 n型GaAs基板
2 n型GaAs赤外バッファ層
3 n型AlGaInP赤外下部クラッド層
4 赤外活性層
5 p型AlGaInP赤外第1上部クラッド層
6 p型GaInP赤外エッチングストップ層
7 p型AlGaInP赤外第2上部クラッド層
8 p型AlGaAs赤外コンタクト層
9 窓構造
10 赤外レーザ
12 n型GaAs赤色バッファ層
13 n型AlGaInP赤色下部クラッド層
14 赤色活性層
15 p型AlGaInP赤色第1上部クラッド層
16 p型GaInP赤色エッチングストップ層
17 p型AlGaInP赤色第2上部クラッド層
18 p型AlGaAs赤色コンタクト層
19 窓構造
20 赤色レーザ
21 リッジ
22 電流ブロック層
23 p側赤外電極
24 p側赤色電極
25 n側電極
26 SiO2
27 開口
28 素子分離溝
30 窒素含有層
31 低反射率コート膜
32 高反射率コート膜

Claims (16)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の一主面の一部である第1領域上に形成され、前記半導体基板側より順に積層された第1下部クラッド層、第1量子井戸構造を有する第1活性層、および第1上部クラッド層を有し、第1共振器を形成する第1半導体レーザ構造と、
    前記半導体基板の前記一主面の前記第1領域とは異なる第2領域上に形成され、前記半導体基板側より順に積層された第2下部クラッド層、第2量子井戸構造を有する第2活性層、および第2上部クラッド層を有し、第2共振器を形成する第2半導体レーザ構造と、
    前記第1及び第2共振器の端面に形成された端面コート膜と、
    前記第1及び第2共振器の端面と前記端面コート膜との間に形成された窒素含有層とを備えた半導体レーザ装置。
  2. 前記第1及び第2共振器の少なくとも一方の端面において、前記第1量子井戸構造または前記第2量子井戸構造が無秩序化された端面窓構造が形成されている請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記無秩序化は不純物により行われ、前記不純物はZnまたはSiからなる請求項2に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記第1活性層の構成材料がAlxGa1-xAs(0≦x≦1)であり、前記第2活性層の構成材料が(AlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)である請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記第1および前記第2上部クラッド層がAlxGa1-xAs(0≦x≦1)、あるいはAlxGa1-xyIn1-yP(0≦x≦1、0≦y≦1)からなる請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記窒素含有層の層厚は0.1μm以下である請求項1に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記窒素含有層における窒素濃度は、1×19cm-3以下である請求項1または6に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記端面コート膜は、前記第1及び第2半導体レーザ構造に対して共通に形成され、
    出射端面における前記端面コート膜の反射率は、第1半導体レーザ構造の発振波長に対して3%以上6%以下の範囲であり、第2半導体レーザ構造の発振波長に対して5%以上9%以下の範囲である請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記端面コート膜は、前記窒素含有層に最も近い膜がAl23膜である請求項1または8に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記端面コート膜と前記端面窓構造の境界付近のFe、Cr、Ni、Cuのパイルアップ量が、3×1017atoms/cm3以下である請求項1、8または9記載の半導体レーザ装置。
  11. 半導体基板の一主面上に、第1導電型の第1下部クラッド層、第1量子井戸構造を有する第1活性層、及び第2導電型の第1上部クラッド層を順に積層して第1半導体レーザ構造を形成する第1工程と、
    前記第1半導体レーザ構造の前記半導体基板の一主面上における一部をエッチングにより除去する第2工程と、
    前記半導体基板上の前記第1半導体レーザ構造を除去した領域に、第1導電型の第2下部クラッド層、第2量子井戸構造を有する第2活性層、及び第2導電型の第2上部クラッド層を順に積層して第2半導体レーザ構造を形成する第3の工程と、
    前記第2半導体レーザ構造における前記第1半導体レーザ構造上に形成された部分を除去する第4の工程と、
    前記第1上部クラッド層および前記第2クラッド層をエッチングしてそれぞれ第1ストライプ構造および第2ストライプ構造を形成する第5の工程と、
    以上の工程により形成された構造を劈開して、前記第1及び第2半導体レーザ構造により各々第1及び第2共振器の端面を形成する第6の工程と、
    前記第1及び第2共振器の端面に対し窒素を導入して窒素含有層を形成する第7の工程と、
    前記窒素含有層を形成する工程の後、前記第1及び第2共振器の端面に対し端面コート膜を形成する第8の工程とを有する半導体レーザ装置の製造方法。
  12. 前記第4の工程と前記第5の工程との間に、前記第1および第2活性層の一部領域に不純物を導入して無秩序化する第9の工程を有し、
    前記第6の工程において、前記第1及び第2半導体レーザ構造を前記第1および第2活性層の無秩序化された一部領域で劈開して、第1及び第2共振器の端面を形成する請求項11に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  13. 前記第9の工程における不純物による活性層の無秩序化は、
    前記第1及び第2上部クラッド層の上の一部領域に不純物を含む層を形成し、前記第1及び第2上部クラッド層へ向けて前記不純物を拡散させることにより行われる請求項12記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  14. 前記第7の工程における前記窒素を導入する工程は、窒素元素を含むガスによるプラズマ照射により行われる請求項11に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  15. 前記プラズマ照射が電子サイクロトロン共鳴プラズマによるものである請求項14に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
  16. 前記電子サイクロトロン共鳴プラズマは、Alターゲットが備えられたチャンバーにより行われる請求項15に記載の半導体レーザ装置の製造方法。
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