JP2009088441A

JP2009088441A - 半導体レーザ装置および半導体レーザ装置の製造方法

Info

Publication number: JP2009088441A
Application number: JP2007259762A
Authority: JP
Inventors: Saikurikaeshishi Matsumoto; 菜々子松本; Hiroyuki Hosoi; 浩行細井; Toshitaka Shimamoto; 敏孝嶋本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-23

Abstract

【課題】垂直性の高いリッジ上の電流狭窄層の膜剥がれを抑制し、電流狭窄層の光閉じ込めを正常に機能させ、信頼性の高いリッジストライプ型半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板１０２上に、ｎ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１０３、活性層１０４、ｐ型（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層１０５、ｐ型Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ中間層１０７、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を順次成長した後、リッジ形成を行い、絶縁膜１０６を形成し、最後にｐ型電極１０９とｎ型電極１０１を形成する。ｐ型コンタクト層１０８を、ストライプ方向に垂直な断面において、ｎ型基板１０２を下にして見たときに、ｐ型コンタクト層１０８の少なくとも一側面に該ｐ型コンタクト層１０８の下側面に対して傾斜を形成し、かつ該下側面の幅と、ｐ型コンタクト層１０８の直下に形成されるｐ型Ｐ中間層１０７の上側面との幅を略等しくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスク装置，情報処理装置，通信用装置などの光源として使用される半導体レーザ装置と、その製造方法に関する。

半導体レーザ装置は、ＣＤ，ＤＶＤなどの光ディスクを記録媒体とする光ディスクシステムにおける書き込み及び読み取りなどの情報処理用光源として、また光通信用光源として、広範囲に利用されている。高度情報社会の現在、光ディスクへの書き込み、あるいは光通信の光速度化が要望されており、これに対応するため、半導体レーザの高出力化が求められている。

半導体レーザは、発光層である活性層へ局所的に電流を注入し、光の閉じ込めを行うことによりレーザ発振を実現している。この光の閉じ込めが高い程、光伝搬ロスが少なく、高出力化が可能となる。

半導体レーザの高出力化の手段として、様々な提案がされているが、高効率な光閉じ込めを実現するために、活性層上部のクラッド層を垂直に加工することによって、より狭いストライプ導波路構造を形成し、垂直性が高いリッジ型ストライプを形成することや、電流ブロック層と半導体層の屈折率差とを高くすることが有効な手段として挙げられる。

前者はクラッド層の加工にドライエッチングを用いることで実現される。なお、リッジの垂直性，対称性が高いということは、リッジのストライプ方向に対して垂直な断面におけるリッジ側面のなす角度が半導体基板表面に対してほぼ垂直に近いこと、前記リッジ断面形状の左右が対称に近いことを意味する。

後者としては、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層に対して、ＡｌＩｎＰ電流ブロック層を用いる構造が提案されている。また、ＡｌＩｎＰ層に比べ、クラッド層との屈折率差を高くでき、高効率の光閉じ込めを実現する絶縁膜（例えば、ＳｉＮ）も用いられる。さらに、電流ブロック層を絶縁膜にすることによって製造コストを抑えることも可能となる。

図３に垂直リッジを有した従来の半導体レーザ装置の断面図を示す（特許文献１参照）。

図３において、ｎ型基板２０２上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層２０３，ＧａＩｎＰ系材料からなる活性層２０４，ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層２０５，ｐ型Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層２０７，およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０８が順次形成された後、リッジを形成し、絶縁体の電流ブロック層２０６を形成して、最後にｐ型電極２０９とｎ型電極２０１を形成した構造になっている。
特開２００３−６９１５４号公報

しかし、前記従来の構造、すなわち、半導体レーザ装置のリッジ形状を垂直とし、電流ブロック層に絶縁膜を用いた場合、リッジ上部の角で絶縁膜に応力が集中し、リッジ上部の角を起点として絶縁膜が剥がれやすいことが分った。

図３に示す半導体レーザ装置の構成において、電流ブロック層２０６の膜剥がれが発生した場合、電流ブロック層の光閉じ込め分布が変化して光学特性不良が発生したり、ｐ型電極２０９がｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層２０５に接触することで、光吸収ロスが発生して動作電流の上昇を招くなどの特性不良に繋がる。

絶縁膜の剥がれを抑制するためには、絶縁膜とリッジ上部との重なりを多く取ることが好ましいが、その場合、ｐ型電極２０９とｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０８との接触面積が減少し、抵抗が上昇して半導体レーザ装置の動作電圧が上昇する。また応力集中を避けるため、絶縁膜とリッジ上部との重なりを無くした場合、製造工程のバラツキによってリッジ側壁の絶縁膜も消失してしまい、剥がれが発生した場合と同様に特性不良となる。

そこで、本発明は、リッジ型ストライプ構造の半導体レーザ装置において、動作電圧を上昇させることなく、絶縁膜の剥がれを抑制することができる半導体レーザ装置ならびにその製造方法を提供することを目的とし、特に、本発明では、ウェットエッチング技術を用いてリッジ最上部のｐ型ＧａＡｓコンタクト層の側面を傾斜させることにより、リッジ上部角での応力集中を緩和させ、さらにリッジ上部が傾斜することにより絶縁膜の接触面積が増加するという相乗効果によって、膜剥がれを抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の半導体レーザ装置は、基板上に少なくとも第１導電型クラッド層と、活性層と、一部がストライプ状のリッジに加工された第２導電型クラッド層と、第２導電型中間層と、第２導電型コンタクト層と、前記リッジ上の一部を除いて形成された誘電体からなる電流狭窄層とを備えた半導体レーザ装置であって、前記リッジのストライプ方向に垂直な断面形状において、前記基板が他層に対して下層であるとして、前記第２導電型コンタクト層の側面の少なくとも一部が該第２導電型コンタクト層の下層面に対して傾斜を有し、かつ前記第２導電型コンタクト層の下層面の幅と、前記第２導電型コンタクト層の直下に形成される前記第２導電型中間層の上層面との幅が略等しいことを特徴とする。

また、本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、基板上に少なくとも第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層と、第２導電型中間層と、第２導電型コンタクト層の半導体層を順次形成する工程と、前記第２導電型コンタクト層上にストライプ状の絶縁膜を形成する工程と、前記ストライプ状の絶縁膜をマスクとして、ウェットエッチングにより、前記第２導電型コンタクト層をエッチングし、前記第２導電型コンタクト層の側面の少なくとも一部に傾斜を持たせる工程と、前記ストライプ状の絶縁膜をマスクとして、ドライエッチングにより、前記第２導電型クラッド層と、前記第２導電型中間層と、前記第２導電型コンタクト層を、第２導電型クラッド層の途中までエッチングし、リッジを形成する工程と、前記ストライプ状の絶縁膜を除去する工程と、前記半導体層表面全体に電流狭窄層を形成する工程と、前記リッジ上に形成された前記電流狭窄層の少なくとも一部を除去する工程とを有することを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ装置とその製造方法によると、垂直性の高いリッジ上に形成された電流狭窄層の剥がれを抑制することができ、信頼性の高い半導体レーザ装置が実現する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

なお、本実施形態ではＡｌＧａＩｎＰ系リッジストライプ型赤色半導体レーザ装置を例にして詳細に説明するが、赤色半導体レーザ装置に限定されるものではなく、本発明は全てのリッジストライプ型半導体レーザ装置に適応可能である。

図１は本発明の実施形態におけるリッジストライプ型半導体レーザ装置の断面図であり、図２（ａ）〜（ｆ）は本実施形態の半導体レーザ装置における製造工程を示す断面図である。

なお、本説明において半導体レーザ装置の上方，下方とは、例えば、図１を基準に取ると、ｎ型電極１０１（ｎ型基板１０１）が存在する側を下方とし、ｐ型電極１０９の存在する側を上方として説明する。

まず、図１，図２（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２（厚さ４００〜５００μｍ）上に、ＭＯＣＶＤ法により、第１導電型クラッド層であるｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０３（厚さ２〜３μｍ）、ＧａＩｎＰ系材料からなる活性層１０４（厚さ５〜６ｎｍ）、第２導電型クラッド層であるｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０５（厚さ１〜２μｍ）、第２導電型中間層であるｐ型Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層１０７（厚さ２〜３ｎｍ）、および第２導電型コンタクト層であるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８（厚さ０．１〜０．３μｍ）を順次形成する。

なお、ｎ型ＧａＡｓ基板１０２は、例えば、発振波長６５０ｎｍ帯の可視光半導体レーザ装置の場合、ＧａＩｎＰ層の自然超格子（秩序化構造）形成を抑制するため、基板方位を（００１）面から［１１０］方向に１０°程度傾斜させたオフ角を有する半導体基板を用いることが一般的であり、本実施形態でもオフ基板を用いているが、これに限ることでなく、適宜選定すればよい。また、ＧａＩｎＰ系材料の活性層１０４は、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系多重量子井戸構造の活性層であってもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８上に、ＳｉＯ_２膜１１０（厚さ０．２〜０．６μｍ）を形成し、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術により、ＳｉＯ_２マスク１１０を形成する。

次に、ＳｉＯ_２マスク１１０を用いたウェットエッチング技術により、ＧａＡｓコンタクト層を、図２（ｃ）に示すような傾斜を持たせた構造にエッチングする。

ここで、本実施形態ではＧａＡｓコンタクト層のエッチャントに硫酸と過水と水の混合溶液を用いており、薬液中の硫酸の体積含有率は０．１〜１５％、過酸化水素水の体積含有率は０．１〜１５％であるが、これに限るものではなく、ＳｉＯ_２マスク１１０、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０５、およびｐ型Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層１０７に対して高選択比を有するエッチャントを適宜選定すればよい。

次に、ＳｉＯ_２マスク１１０を用いて、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０５、ｐ型Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層１０７、およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を、ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層１０５の途中までドライエッチングし、図２（ｄ）に示すような略垂直な側面を有するリッジを形成する。

ここで、前記リッジのストライプ方向に垂直な断面形状において、リッジ側面とＧａＩｎＰ系材料からなる活性層１０４とのなす角度は８０〜９５°であることが好ましい。また、リッジ高さの上から５０％以上の範囲で略垂直であることがさらに望ましい。このような形状とすることによって、より狭いストライプ導波路構造とすることができ、高効率に光閉じ込めが行えて、半導体レーザ装置の高出力化が図れる。

本実施形態において垂直性の高いリッジを得るためのドライエッチング技術としては、異方性のプラズマエッチングであればよく、例えば、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）やエレクトロン・サイクロトロン・レゾナンス（ＥＣＲ）プラズマを用いた方法が挙げられる。

また、エッチングガスとしては、ＳｉＣｌ_４とＡｒの混合ガスやＳｉＣｌ_４ガス成分の代わりに、塩素ガスもしくは三塩化ホウ素ガスなどを用いてもよい。

次に、図２（ｅ）に示すように、フッ酸系薬液を用いてＳｉＯ_２マスク１１０を除去した後、電流ブロック層である絶縁膜１０６を０．１〜０．３μｍ形成する。

ここで、本実施形態において絶縁膜としてＳｉＮを用いているが、これに限るものではなく、所望の特性に対応する絶縁膜を適宜選定すればよい。

次に、図２（ｆ）に示すように、絶縁膜のＳｉＮ電流ブロック１０６上にフォトリソグラフィー技術により、フォトレジストパターン１１１を形成する。続けて、フォトレジストパターン１１１をマスクとして、ドライエッチング技術を用い、ＳｉＮ電流ブロック層１０６の一部をエッチングし、電流注入領域を形成する。

ここで、本実施形態においてドライエッチング技術はＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いているが、これに限らずウェットエッチング技術など所望の形状や特性から適宜選定すればよい。

また、この際、ＳｉＮの電流ブロック層１０６の少なくとも一部がｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８の傾斜部、あるいは傾斜部と上方とを覆う構造にする必要がある。

最後にフォトレジストパターン１１１を除去し、蒸着法とメッキ法を用いてｐ型電極１０９を、また、蒸着法を用いてｎ型電極１０１を形成して、本実施形態の半導体レーザ装置が完成する。

本実施形態では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０８を傾斜させることで、垂直性の高いリッジ上部の角において、絶縁膜で形成された電流狭窄層の応力集中を緩和させ、かつ、コンタクト層上に接触する電流狭窄層の接触面積を増加させることができる。これにより電流狭窄層の膜剥がれを抑制することが可能となる。

なお、本実施形態ではＡｌＧａＩｎＰ系からなる赤色半導体レーザ装置を用いて説明したが、これに限るものではなく、化合物半導体を利用した全てのリッジストライプ型半導体レーザ装置での適応が可能であり、言うまでもなく、単波長レーザ装置だけでなく二波長レーザ装置にも適応可能である。

本発明によれば、垂直性の高いリッジ上の電流狭窄層の膜剥がれを抑制することができる。これにより、電流狭窄層の光閉じ込めを正常に機能させ、光吸収による伝搬ロスや動作電流の上昇を抑制し、信頼性の高いリッジストライプ型半導体レーザ装置を提供することができる。

本発明の実施形態である半導体レーザ装置の構成を示す断面図（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施形態である半導体レーザ装置の製造方法を示す断面図従来の半導体レーザ装置の構成を示す断面図

符号の説明

１０１，２０１ｎ型電極
１０２，２０２ｎ型ＧａＡｓ基板
１０３，２０３ｎ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層
１０４，２０４活性層
１０５，２０５ｐ型（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層
１０６，２０６絶縁膜
１０７，２０７ｐ型Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層
１０８，２０８ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０９，２０９ｐ型電極
１１０ＳｉＯ_２マスク
１１１フォトレジストパターン

Claims

基板上に少なくとも第１導電型クラッド層と、活性層と、一部がストライプ状のリッジに加工された第２導電型クラッド層と、第２導電型中間層と、第２導電型コンタクト層と、前記リッジ上の一部を除いて形成された誘電体からなる電流狭窄層とを備えた半導体レーザ装置であって、
前記リッジのストライプ方向に垂直な断面形状において、前記基板が他層に対して下層であるとして、前記第２導電型コンタクト層の側面の少なくとも一部が該第２導電型コンタクト層の下層面に対して傾斜を有し、かつ前記第２導電型コンタクト層の下層面の幅と、前記第２導電型コンタクト層の直下に形成される前記第２導電型中間層の上層面との幅が略等しいことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記リッジのストライプ方向に垂直な断面形状において、前記第２導電型クラッド層と前記第２導電型中間層の側面と、前記基板となす角度が前記リッジの高さの上から５０％以上の範囲で略垂直であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
基板上に少なくとも第１導電型クラッド層と、活性層と、第２導電型クラッド層と、第２導電型中間層と、第２導電型コンタクト層の半導体層を順次形成する工程と、
前記第２導電型コンタクト層上にストライプ状の絶縁膜を形成する工程と、
前記ストライプ状の絶縁膜をマスクとして、ウェットエッチングにより、前記第２導電型コンタクト層をエッチングし、前記第２導電型コンタクト層の側面の少なくとも一部に傾斜を持たせる工程と、
前記ストライプ状の絶縁膜をマスクとして、ドライエッチングにより、前記第２導電型クラッド層と、前記第２導電型中間層と、前記第２導電型コンタクト層を、第２導電型クラッド層の途中までエッチングし、リッジを形成する工程と、
前記ストライプ状の絶縁膜を除去する工程と、
前記半導体層表面全体に電流狭窄層を形成する工程と、
前記リッジ上に形成された前記電流狭窄層の少なくとも一部を除去する工程と、
を有することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。