JP2010278131A - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザにおいて、高出力化のためのＣＯＤ抑制とキンク抑制とを両立する。
【解決手段】半導体レーザ素子１００において、第１導電型半導体基板１０１上に、第１導電型クラッド層１０２と、量子井戸構造の活性層１０３と、第１の第２導電型クラッド層１０４と、第２導電型エッチングストップ層１０５と、リッジストライプ形状の第２の第２導電型クラッド層１０６と、第２導電型コンタクト層１０７とが順次積層されている。前端面１４０及び後端面１４１を有する共振器の一対の共振器端面部において、第２の第２導電型クラッド層１０６から活性層１０３までＺｎが拡散された端面窓領域１２０及び１２１が形成されている。後端面の端面窓領域１２１における活性層１０３の発光波長は、前端面の端面窓領域１３０における活性層１０３の発光波長よりも長波長である
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ、特に、端面窓構造を備えた半導体レーザの特性向上及び製造方法に関するものである。

録画再生型ＤＶＤ、高倍速ＣＤ−Ｒ／ＲＷ等の光ディスクシステムにおける光源として用いられる半導体レーザには、高出力動作が要求されている。特に、録画再生型ＤＶＤに用いる光源としては、近年では３００ｍＷを超える出力が可能な赤色半導体レーザが商品化されており、今後もこのような高出力化への要望が引き続き求められていくと予想される。

図７（ａ）〜（ｃ）は、一般的な窓構造を用いた赤色半導体レーザ素子５０の断面構造図である。より具体的に、図７（ａ）は共振器方向の断面構造図、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるb-b 線、つまり窓領域における共振器に対して垂直な方向の断面構造図、図７（ｃ）は図７（ａ）におけるc-c 線、つまり利得領域における共振器に対して垂直な方向の断面構造図を示す。

赤色半導体レーザ素子５０において、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、量子井戸活性層３、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、エッチングストップ層（ＥＳ層）５、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６がこの順に積層されている。第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６は、リッジストライプ３０に加工されている。

第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６上の一部にｐ型ＧａＡｓコンタクト層７が形成され、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６上及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層７の一部上に電流狭窄層８が形成されている。更に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７上を覆うようにｐ側電極９、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏側にｎ側電極１０が形成されている。

また、レーザ素子の前端面４０（レーザ出射面）と、その反対側の後端面４１とを有する共振器において、一対の共振器端面部の両方に、不純物拡散により窓領域２０が形成されている（特許文献１、５参照）。

量子井戸活性層３は、ＧａＩｎＰウェル層（図示せず）とＡｌＧａＩｎＰバリア層（図示せず）とにより構成されている。エッチングストップ層５はｐ型ＧａＩｎＰ層により構成されている。

一般に、窓領域２０上においてｐ型ＧａＡｓコンタクト層７は除去され、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６上が電流狭窄層８により覆われている。このことによって、窓領域２０において量子井戸活性層３には電流が注入されないようになっている。

半導体レーザの高出力化を実現する上で重要なのは、（１）共振器端面におけるＣＯＤ（Catastrophic Optical damage ）による劣化を抑制すること、（２）キンク発生を抑制すること、である。

ＣＯＤは、発熱により共振器端面部付近の量子井戸活性層のバンドギャップが縮小し、レーザ光が端面で吸収されることによって生じる。

ＣＯＤ劣化抑制の手段として、共振器端面にレーザ光に対して透明な領域を形成した端面窓構造が広く用いられている（例えば特許文献１，２，３及び４）。

この構造は、共振器端面部の量子井戸活性層に不純物を拡散して無秩序化した領域（窓領域）を形成することにより、共振器端面部付近のおける活性層のバンドギャップを増大させているものである。このバンドギャップの増大により、端面部でレーザ光が吸収されるのを防ぐことができる。

一方、キンクは、例えば以下のようなメカニズムによって発生する。

まず、レーザの光強度は、活性層内に注入されるキャリア密度に比例して増大する。そのため、光強度が高くなった際にキャリアが不足するというホールバーニング効果を原因としてキンクが生じる場合がある。また、ストライプ幅が大きくなって横モードが広がり、モードの固定化が弱くなることで複数の横モードが発生することを原因としてキンクが生じる場合もある。

キンク発生を抑制するためには、ストライプ幅を細くする必要がある。これに対し、高出力動作を考慮してある程度広いスポットサイズを持たせるには、ストライプ幅を広くすることが有効である。このため、ストライプ幅が一定の場合、両方の要請に答えるのは困難である。

これに関し、特許文献５及び６では、レーザ光が出射される前端面側のストライプ幅が、反対側に位置する後端面でのストライプ幅よりも広くなるテーパストライプ構造が開示されている。この構造においては、前端面のストライプ幅を広くして光スポットを広げることにより、光密度を低減してＣＯＤによる劣化を抑制できる。これと共に、光密度が比較的小さい後端面でストライプ幅を狭くすることにより、横モードの安定化を図り、高出力動作を制限する主要因であるキンクの発生を抑制できる。その結果、横モードが安定な高出力レーザを高信頼性化が実現できる（図１１を参照）。

次に、一般的な窓構造を用いた赤色半導体レーザ素子の製造方法について、図面を用いて説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、量子井戸活性層３、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、エッチングストップ層５、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を順次エピタキシャル成長させる。これには、ＭＯ−ＶＰＥ法（metal organic vapar phase epitaxy）を用いる。

次に、図８（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜５１を堆積させ、所望の領域に開口部５４を設ける。その後、スパッタ法によりＺｎＯ膜５２を堆積し、更にシリコン窒化膜５３を堆積する。

次に、図８（ｃ）に示すように、窒素雰囲気中において熱処理によるアニールを行なう。これにより、開口部５４上のＺｎＯ膜を拡散源として、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７からｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２まで達するように、Ｚｎを固相拡散させる。このようにして不純物拡散領域（窓領域２０）が形成される。

窓領域２０において、ＧａＩｎＰウェル層とＡｌＧａＩｎＰバリア層から構成された量子井戸活性層３は平均組成化される。そのバンドギャップは、平均組成化されていない量子井戸のバンドギャップより大きくなり、端面窓構造として機能する。

その後、シリコン酸化膜５１、ＺｎＯ膜５２、シリコン窒化膜５３を除去する。

次に、図８（ｄ）、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、所望の領域をリソグラフィによりパターンを形成した後、ドライエッチング、ウェットエッチングによって、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６の所望の領域を除去し、共振器となるストライプ形状のリッジストライプ３０を形成する。

尚、図９（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、図８（ｄ）の工程断面図の窓領域２０及び利得領域における垂直方向の工程断面図である。上記したように、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６を加工したリッジストライプ３０は、半導体レーザ素子において共振器として働く。

本工程において、ドライエッチングにより第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６の途中までエッチングし、その後、ウェットエッチングが行なわれる。この際のウェットエッチング溶液としては、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６とエッチングストップ層５との間で選択比（第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層のエッチ速度／ＧａＩｎＰエッチングストップ層のエッチ速度）が十分確保できる希塩酸等が適宜選択される。

このようにすると、リッジの形成時にエッチングストップ層５によりエッチングを停止することができる。つまり、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、量子井戸活性層３、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４をエッチングすることなく、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６のみをリッジストライプ３０に加工することができる。

次に、図８（ｅ）に示すように、窓領域２０への電流注入を抑制するために、窓領域２０及びその周辺部のｐ型ＧａＡｓコンタクト層７を除去し、電流非注入領域２１を形成する。

次に、図８（ｆ）に示すように、電流狭窄層８を堆積した後、電流注入領域２２のパターニングを行なう。続いて、図８（ｇ）のようにｐ側電極９を形成した後、ｎ側電極１０を形成する。その後、窓領域２０内においてリッジストライプと垂直な面に沿ってへき開を行なうことにより、一対の共振器面を有する半導体レーザ素子が形成される。

また、一般には、窓領域２０は半導体レーザ素子の双方の端面部に形成されている（特許文献１、５）

特開２００７−８８１８８号公報 特許４１３６９８８号公報 特許３９２６３１３号公報 特開２００８−２２７５５１号公報 特開２００８−２８１９２号公報 特開２００５−１２１７８号公報

以上に説明した端面窓構造を有するテーパストライプ構造を用いる場合、数百ミリワット級の超高出力の光出力を目指してキンクの発生を安定的に抑制するためには、後端面に極めて狭いストライプ幅を形成すると共に、ストライプ幅をより再現性よく製造することが求められる。

しかしながら、テーパストライプ構造について、レーザ出射面と反対側に位置する後端面におけるストライプ幅は、設計値通り仕上がらず非常にばらつきが大きくなる場合がある。このように後端面におけるストライプ幅を所望通りに制御できない場合、キンク発生を抑制することができなくなる。

また、ストライプ幅が所望の値よりも狭くなることに伴って、コンタクト抵抗が大きくなり、動作電圧の上昇が無視できなくなっている。

以上のような課題に鑑み、本発明の目的は、ＣＯＤ抑制のための窓領域の形成と、キンク発生を抑制するためのストライプ幅、特に後端面の窓領域部分のストライプ幅のばらつきを抑制し、高出力化を実現することのできる半導体レーザ素子とその製造方法を提供することである。

前記の目的を達成するため、本願発明者は、後端面におけるストライプ幅のばらつきが大きくなる原因について検討し、次のような点に着目した。

端面窓構造（窓領域２０）は、Ｚｎを拡散させることにより形成される。この際、Ｚｎの固相拡散により、量子井戸活性層３において平均組成化が進行する。このような平均組成化は、結晶中に固相拡散するＺｎが多いほど進行する。

窓領域の部分では、量子井戸活性層３に加えて、クラッド層中に配置された極薄膜であるエッチングストップ層５についても同様に平均組成化が進行する。この結果、エッチングストップ層５は混晶化され、エッチング耐性が劣化する。このため、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６のリッジ構造を形成するためのウェットエッチング時に、エッチングストップ層５ではエッチングが停止せず、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４及び量子井戸活性層３にまでエッチングが進行することになる。

この結果、窓領域２０では、エッチングがより深く進行するためにリッジストライプの下部が広がった形となることから、ストライプ幅が所望の設計値よりも広く仕上がってしまう。

また、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６自体のエッチング速度も早くなり、リッジのサイドエッチングが発生する。

前記の通り、窓領域２０は、レーザ光が出射される前端面とその反対側に位置する後端面の双方に形成されている。このため、窓領域２０におけるストライプ幅が制御できなくなると、後端面付近におけるストライプ幅が制御できなくなる。

窓領域２０以外の領域では、エッチングストップ層５が平均組成化されていないため、所望の通りエッチングストップ層５でエッチングが停止する。

尚、平均組成化の程度は、カソードルミネセンス波長により知ることができる。

図１０に、赤色半導体レーザ素子５０について、カソードルミネセンス波長の前端面４０から利得領域方向への波長分布を示す。不純物拡散によって形成された窓領域２０には、カソードルミネセンス波長が一定となる領域と、該波長が変化する領域（遷移領域）とが存在している。カソードルミネセンス波長が一定となる領域における波長を窓波長と呼ぶ。窓波長及び遷移領域の長さは、前端面とその反対側の端面とにおいてほぼ同程度になるように形成されている。端面窓として機能する不純物拡散領域（窓領域２０）のカソードルミネセンス発光波長は、Ｚｎ拡散の進行に依存する量子井戸活性層３の平均組成化の程度に依存する。

つまり、窓領域２０における第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６中のＺｎ濃度が高くなると、量子井戸活性層３の平均組成化が進み、バンドギャップが拡大してカソードルミネセンス発光波長は短くなる。逆に、窓領域２０における第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６中のＺｎ濃度が低くなると、量子井戸活性層３の平均組成化が進まず、カソードルミネセンス発光波長は長くなる。

以上の点に基づき、本発明に係る半導体レーザ素子は、第１導電型半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、量子井戸構造の活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチングストップ層と、リッジストライプ形状の第２の第２導電型クラッド層と、第２導電型コンタクト層とが順次積層され、前端面及び後端面を有する共振器の一対の共振器端面部において、第２の第２導電型クラッド層から活性層までＺｎが拡散された端面窓領域が形成され、後端面の端面窓領域における活性層の発光波長は、前端面の端面窓領域における活性層の発光波長よりも長波長である。

このような半導体レーザ素子は、以下に説明するように、キンク発生及びＣＯＤを抑制すると共に高出力化を実現する。

まず、発光波長が長い後端面の端面窓領域では、前端面の端面窓領域に比べて平均組成化が進行しておらず、エッチング速度も遅い。このため、リッジストライプ形状を得るためのエッチングの制御、ひいてはストライプ幅の制御が前端面側に比べて容易であり、ばらつきは抑制される。このため、ＣＯＤを抑制するための端面窓領域を備えるリッジストライプ型の半導体レーザ素子において、後端面側において幅の狭いリッジストライプが安定して形成されており、高出力化及びキンク発生の抑制が実現可能である。

更に、後端面の窓領域においてストライプ幅を所望の値に制御することができるため、コンタクト面積についても制御でき、コンタクト抵抗及びそれに影響される動作電圧の変動を抑制することもできる。

尚、後端面の端面窓領域における第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度は、前端面の端面窓領域における第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度よりも低いことが好ましい。

端面窓領域におけるＺｎ濃度が低いほど、平均組成化の程度は低く、エッチングを制御しやすい。このため、後端面側において、前端面側よりもストライプ幅のばらつきを抑えることができる。

また、リッジストライプ形状の第２の第２導電型クラッド層は、ストライプ幅が前端面の側から後端面の側に向けて減少する領域を有し、後端面の端面窓領域におけるストライプ幅は、前端面の端面窓領域におけるリッジ幅よりも狭いことが好ましい。

キンク発生の抑制及び高出力化に適したこのような構造の半導体レーザ素子において、後端面側のストライプ幅のばらつきを抑制する効果を顕著に得ることができる。

前記の目的を達成するため、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第１導電型半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、量子井戸構造の活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチングストップ層と、第２の第２導電型クラッド層と、第２導電型コンタクト層とを順次エピタキシャル成長させる工程（ａ）と、前端面及び後端面を有する共振器の一対の共振器端面部において、第２導電型コンタクト層上に、Ｚｎを含む不純物拡散源を形成する工程（ｂ）と、熱処理により、第２の第２導電型クラッド層上部から第１導電型クラッド層にまで達するように不純物拡散源のＺｎを拡散させて、端面窓領域を形成する工程（ｃ）と、工程（ｃ）の後に、第２導電型コンタクト層及び第２の第２導電型クラッド層をリッジストライプ形状に加工する工程（ｄ）とを備え、工程（ｃ）において、後端面の端面窓領域における第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度は、前端面の端面窓領域における第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度よりも低くする。

このような半導体レーザ素子の製造方法によると、工程（ｃ）において後端面の端面窓領域における第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度を低くすることにより、工程（ｄ）において、後端面の端面窓領域のリッジストライプ形状を安定して形成することができる。つまり、Ｚｎ濃度が低いほど平均組成化の程度が低くなり、第２導電型エッチングストップ層のエッチング耐性劣化が起りにくくなると共に、第２の第２導電型クラッド層自体のエッチング速度が遅くなる。この結果、エッチングを制御しやすくなり、ストライプ幅のばらつきを抑制することができる。

この結果、製造される半導体レーザ素子について、キンク発生及びＣＯＤを抑制すると共に高出力化を実現する。

尚、工程（ｂ）の前に、前端面側の共振器端面部において、第２導電型コンタクト層の少なくとも一部を除去する工程（ｅ）を更に備えることが好ましい。

また、工程（ｅ）において、後端面側の共振器端面部において、第２の第２導電型クラッド層の一部を除去することが好ましい。

このようにすると、工程（ｃ）において、前端面の端面窓領域についてＺｎが拡散しやすくなる。結果として、後端面の端面窓領域におけるＺｎ濃度を前端面の端面窓領域におけるＺｎ濃度よりも低くすることができる。

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、後端面の端面窓領域において、ストライプ幅のばらつきを抑制することができる。このため、端面窓領域を備えることによりＣＯＤを抑制した構造の半導体レーザ素子において、高出力化及びキンク発生の抑制を実現することができる。

図１（ａ）〜（ｄ）は、本開示の第１の実施形態における例示的半導体レーザ素子の断面構造を模式的に示す図である。 図２は、例示的半導体レーザ素子の平面構造を模式的に示す図である。 図３（ａ）及び（ｂ）は、例示的半導体レーザ素子の前端面窓領域及び後端面窓領域におけるカソードルミネセンス波長について示す図である。 図４（ａ）〜（ｆ）は、例示的半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図５は、例示的半導体レーザ素子と比較例とについて、後端面窓領域におけるストライプ幅のばらつきを示す図である。 図６は、後端面窓領域におけるカソードルミネセンス波長と、半導体レーザ素子のキンク特性歩留りとの関係を示す図である。 図７（ａ）〜（ｃ）は、従来の半導体レーザ素子の構造を模式的に示す図である。 図８（ａ）〜（ｇ）は、従来の半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図９（ａ）及び（ｂ）は、従来の半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図１０は、従来の半導体レーザ素子の窓領域におけるカソードルミネセンス波長について示す図である。 図１１は、従来の半導体レーザ素子の平面構造を模式的に示す図である。

以下では、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下はいずれも本発明の構成及びそれによって得られる作用・効果を分かり易く説明するための一例であって、本発明は、効果を得るための本質的部分以外について、例示内容に何ら限定を受けるものではない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における例示的半導体レーザ素子１００について説明する。図１（ａ）は、半導体レーザ素子１００の共振器方向の断面を模式的に示す図である。図１（ｂ）、図１（ｃ）及び図１（ｄ）は、順に、図１（ａ）におけるb-b 線、c-c 線及びd-d 線による断面であり、前端面の端面窓領域、利得領域及び後端面の端面窓領域における共振器方向に垂直な断面を模式的に示す図である。また、図２は、半導体レーザ素子１００の上面の構造を模式的に示す図である。

図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、半導体レーザ素子１００において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、量子井戸活性層１０３、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４、ＧａＩｎＰエッチングストップ層（ＥＳ層）１０５、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６がこの順に積層されている。第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６はストライプ形状に加工され、リッジストライプ１３０となっている。

また、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６（リッジストライプ１３０）上の一部にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７が形成され、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６上及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の一部上に電流狭窄層１０８が形成されている。更に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７上を覆うようにｐ側電極１０９、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏側にｎ側電極１１０が形成されている。

また、半導体レーザ素子１００のレーザ出射面である前端面１４０と、その反対側の端面である後端面１４１とを有する共振器において、一対の共振器端面部の両方に、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６の上部から量子井戸活性層１０３にまで達するようにＺｎが拡散されている。これにより、前端面１４０側の前端面窓領域１２０及び後端面１４１側の後端面窓領域１２１が形成されている。ここで、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４の後端面窓領域１２１におけるＺｎ濃度は、前端面窓領域１２０におけるＺｎ濃度よりも低くなっている。

また、図１（ｂ）〜（ｄ）に示すように、少なくとも後端面窓領域１２１において、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６の一部が除去されて形成されたリッジストライプ１３０の両側の領域に、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５が露出した状態になっている。つまり、リッジストライプ１３０の両側には、エッチングストップ層１０５上の第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６は残っていない。

次に、図３（ａ）及び（ｂ）は、半導体レーザ素子１００におけるカソードルミネセンス波長について示すものである。より具体的に、図３（ａ）は、前端面窓領域１２０における前端面１４０から利得領域方向への波長分布、図３（ｂ）は後端面窓領域１２１における後端面１４１から利得領域方向への波長分布を示している。いずれについても、カソードルミネセンス波長が一定（この波長を窓波長と呼ぶ）である端面側の領域と、窓波長から利得領域におけるカソードルミネセンス波長まで連続して波長が変化する領域（遷移領域）とを有する。

前記の通り、後端面窓領域１２１における第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４のＺｎ濃度は、前端面窓領域１２０における第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４のＺｎ濃度よりも低い。この結果、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５及び量子井戸活性層１０３における平均組成化の程度の違いから、後端面窓領域１２１の量子井戸活性層１０３におけるカソードルミネセンス波長は、前端面窓領域１２０の量子井戸活性層１０３におけるカソードルミネセンス波長よりも長波長化している。

つまり、前端面窓領域１２０及び後端面窓領域１２１において、カソードルミネセンス波長が一定となる領域における波長を順に前端面窓波長λ１及び後端面窓波長λ２とすると、
前端面窓波長λ１ ＜ 後端面窓波長λ２
の関係が成立している。

本実施形態の半導体レーザ素子１００のような高出力レーザの場合、前端面１４０には低反射膜コート、後端面１４１には高反射膜コートが施されている。このため、後端面１４１における光密度は、前端面１４０における光密度に比べて格段に小さい。このことから、要求される光出力レベルに応じて適宜後端面窓領域１２１におけるＺｎ濃度を低減し、量子井戸活性層１０３における平均組成化を抑制しても、問題にはならない。更に、後端面窓領域１２１においてＺｎ濃度を低減すると、結晶欠陥の発生及びキャリア吸収を低減する効果があり、半導体レーザ素子１００の特性及び信頼性を向上することができる。

以上のように、後端面窓波長λ２の方が前端面窓波長λ１よりも長い場合、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５の平均組成化は、後端面窓領域１２１の方が進行していないことになる。平均組成化が進行すると、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５のエッチング耐性が劣化する。このため、平均組成化の進行していない後端面窓領域１２１において、前端面窓領域１２０に比べてＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５のエッチング耐性が高く、エッチング速度が小さい。

例えば、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６の一部を除去してリッジストライプ１３０を形成する際にウェットエッチングを行なったとすると、後端面窓領域１２１において、エッチングはＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５によって停止する。つまり、それより下層の第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４、量子井戸活性層１０３及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２がエッチングされることはない。

更に、後端面窓波長λ２の方が前端面窓波長λ１よりも長い場合、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６についても同様に、後端面窓領域１２１において前端面窓領域１２０よりもＺｎ濃度が低くなっている。このため、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６のエッチング速度も小さくなり、サイドエッチ量も低減される。

このように、本実施形態の構成によると、後端面窓領域１２１における第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５に拡散されたＺｎ濃度が低くなっている。このことにより、後端面窓領域１２１において、リッジストライプ１３０形成工程におけるＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５のエッチング耐性を向上させることができる。また、後端面窓領域１２１において、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６のサイドエッチ量が低減され、リッジ加工を所望の通りに仕上げることができ、リッジストライプ１３０のストライプ幅のばらつきを低減することができる。

以上の結果、窓領域によりＣＯＤを抑制した構造の半導体レーザ素１００子において、高出力化及びキンク発生の抑制を実現することができる。また、リッジストライプ１３０のストライプ幅を所望の値に制御することができるために、コンタクト面積についても制御でき、コンタクト抵抗とそれに影響される動作電圧についても制御する（変動を抑制する）ことができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、第１の実施形態にて説明した半導体レーザ素子１００の製造方法について図面を参照しながら説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は、半導体レーザ素子１００の製造工程を共振器方向の断面として模式的に示す図である。

まず、図４（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、量子井戸活性層１０３、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４、ＧａＩｎＰエッチングストップ層（ＥＳ層）１０５、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を順次積層するようにエピタキシャル成長させる。これには、ＭＯ−ＶＰＥ法（metal organic vapar phase epitaxy）を用いることができる。

次に、前端面窓領域１２０となる領域において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の一部領域１２３をエッチングにより除去する。この例では、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の厚さの二分の一程度の深さまでエッチングを行なっている。

次に、図４（ｂ）の工程を行なう。まず、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７上に、シリコン酸化膜１５１を形成し、前端面窓開口部１６０及び後端面窓開口部１６１を開口する。続いて、シリコン酸化膜１５１上及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７上を覆うように、不純物であるＺｎの拡散源としてＺｎＯ膜１５２をスパッタ法等により堆積する。更に、ＺｎＯ膜１５２上に、シリコン窒化膜１５３を形成する。

次に、図４（ｃ）に示す工程を行なう。つまり、窒素雰囲気中において熱処理によるアニールを行なう。これにより、前端面窓開口部１６０及び後端面窓開口部１６１上のＺｎＯ膜１５２を拡散源として、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５及び第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４を介して量子井戸活性層１０３に達するように、Ｚｎを固層拡散させる。

この結果、前端面窓領域１２０及び後端面窓領域１２１が形成される。これらの領域において、ＧａＩｎＰウェル層とＡｌＧａＩｎＰバリア層から構成された量子井戸活性層１０３は平均組成化され、平均組成化されていない部分（利得領域）におけるバンドギャップよりも大きくなるため、端面窓構造として機能する。

ここで、前端面窓開口部１６０において、Ｚｎの拡散係数が小さいｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の一部が除去されている。このため、前端面側においてＺｎがｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２のより深くまで拡散し、前端面窓領域１２０は後端面窓領域１２１に比べて深く形成される。また後端面窓領域１２１における第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４及び量子井戸活性層１０３に拡散されたＺｎの濃度は、前端面窓領域１２０の場合に比べて低くなる。よって、後端面窓領域１２１における量子井戸活性層１０３の平均組成化は、前端面窓領域１２０におけるほどには進まない。よって、後端面窓領域１２１におけるカソードルミネセンス波長は、前端面窓領域１２０におけるカソードルミネセンス波長よりも長くなる。

次に、図４（ｄ）に示す工程を行なう。まず、シリコン酸化膜１５１、ＺｎＯ膜１５２及びシリコン窒化膜１５３を除去する。次に、所望の領域にリソグラフィ等によりレジストパターンを形成した後、ドライエッチング、ウェットエッチングにより、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６の所望の領域を除去し、共振器となるリッジストライプ１３０を形成する（図１（ｂ）〜（ｄ）及び図２を参照）。

この工程において、ドライエッチングにより第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６の途中までエッチングし、その後、ウェットエッチングを行なう。この際のウェットエッチング液としては、第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６とＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５との間の選択比（第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６のエッチング速度／ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５のエッチング速度）を十分に確保することのできるエッチング液を適宜選択する。例えば、塩酸水溶液を用いることができる。

前記の通り、後端面窓領域１２１においては、前端面窓領域１２０に比べてＺｎの拡散が進んでいない。

このため、量子井戸活性層１０３だけではなく、ＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５についても、後端面窓領域１２１の部分では平均組成化は進行していない。このため、後端面窓領域１２１におけるＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５のウェットエッチング速度は、前端面窓領域１２０におけるエッチング速度よりも小さい。よって、ウェットエッチングの際、後端面窓領域１２１では、より確実にＧａＩｎＰエッチングストップ層１０５においてエッチングを停止することができる。つまり、第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０４及び量子井戸活性層１０３にまでエッチングが進行するのをより確実に避けることができる。

更に、後端面窓領域１２１における第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６のＺｎ濃度についても、前端面窓領域１２０における第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６のＺｎ濃度よりも低い。このため、ウェットエッチングの際のエッチング速度自体も小さく、サイドエッチ量を低減することができる。よって、後端面窓領域１２１におけるストライプ幅のばらつきを低減し、所望のストライプ幅を得ることができる。

図５には、後端面の窓領域におけるストライプ幅のばらつきについてヒストグラムを示す。実線が本実施形態の場合、破線が比較例（前端面及び後端面に同じように窓領域を設けている場合）を示している。図５にも示す通り、本実施形態の半導体レーザ素子１００において、ストライプ幅のばらつきは大幅に低減されている。

次に、図４（ｅ）に示す工程を行なう。ここでは、前端面窓領域１２０及び後端面窓領域１２１への電流注入を抑制するために、これらの窓領域とその周辺部とにおけるｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を除去し、電流非注入領域１７０及び１７１を形成する。

次に、図４（ｆ）に示すように、電流狭窄層１０８を堆積すると共にパターニングし、電流注入領域１７２を形成する。続いて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７上にｐ側電極１０９、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏側（ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２とは反対側）にｎ側電極１１０を形成する。

この後、リッジストライプ１３０と垂直な面に沿って、前端面窓領域１２０及び後端面窓領域１２１内にてへき開を行なうことにより、一対の共振器端面を有する半導体レーザ素子１００が形成される。

図６に、後端面窓領域１２１におけるカソードルミネセンス波長と、半導体レーザ素子のキンク特性歩留りとの関係を示す。ここに示す通り、長波長化するに従ってキンク特性歩留りが向上することが分かる。

尚、本実施形態の場合、図４（ａ）に示す工程において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の一部領域１２３について、二分の一程度の深さまでエッチングにより除去した。しかしながら、これには限らず、例えば一部領域１２３においてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７を全て除去しても良い。

また、一部領域１２３において、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７に加え、その下方の第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０６の一部についても除去してもよい。このようにすることによっても、前端面窓領域１２０と後端面窓領域１２１との深さを変えることができる。

更に、Ｚｎの拡散源であるＺｎＯ膜１５２の膜厚、アニール時のＺｎＯ膜１５２に対するキャップ膜となるシリコン窒化膜１５３の膜厚を調整することによっても、同様の効果を得ることができる。

以上のように、前端面１４０におけるストライプ幅Ｗ１が後端面１４１におけるストライプ幅Ｗ２よりも広いテーパストライプ構造（図２参照）を備える半導体レーザ素子において、後端面窓領域１２１におけるリッジストライプ１３０のストライプ幅を精度良く形成することができる。このため、レーザ素子の高出力化に要求されるＣＯＤ抑制とキンク抑制とを両立した半導体レーザ素子を製造することができる。

尚、本実施形態においては、テーパストライプ構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を説明した。しかし、以上に例示したストライプ構造及び材料に限定されることはない。

本発明に係る半導体レーザ素子とその製造方法は、高出力化に要求されるＣＯＤ抑制とキンク抑制の両立することができ、より高出力のレーザとしても有用である。

１００ 半導体レーザ素子
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０３ 量子井戸活性層
１０４ 第１ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０５ ＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０６ 第２ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０７ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０８ 電流狭窄層
１０９ ｐ側電極
１１０ ｎ側電極
１２０ 前端面窓領域
１２１ 後端面窓領域
１２３ 一部領域
１３０ リッジストライプ
１４０ 前端面
１４１ 後端面
１５１ シリコン酸化膜
１５２ ＺｎＯ膜
１５３ シリコン窒化膜
１６０ 前端面窓開口部
１６１ 後端面窓開口部
１７０ 電流非注入領域
１７１ 電流非注入領域
１７２ 電流注入領域

Claims (6)

1. 第１導電型半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、量子井戸構造の活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチングストップ層と、リッジストライプ形状の第２の第２導電型クラッド層と、第２導電型コンタクト層とが順次積層された半導体レーザ素子において、
   前端面及び後端面を有する共振器の一対の共振器端面部において、前記第２の第２導電型クラッド層から前記活性層までＺｎが拡散された端面窓領域が形成され、
   前記後端面の端面窓領域における前記活性層の発光波長は、前記前端面の端面窓領域における前記活性層の発光波長よりも長波長であることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１において、
   前記後端面の前記端面窓領域における前記第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度は、前記前端面の前記端面窓領域における前記第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度よりも低いことを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項１又は２において、
   前記リッジストライプ形状の第２の第２導電型クラッド層は、ストライプ幅が前記前端面の側から前記後端面の側に向けて減少する領域を有し、
   前記後端面の端面窓領域におけるストライプ幅は、前記前端面の端面窓領域におけるリッジ幅よりも狭いことを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 第１導電型半導体基板上に、第１導電型クラッド層と、量子井戸構造の活性層と、第１の第２導電型クラッド層と、第２導電型エッチングストップ層と、第２の第２導電型クラッド層と、第２導電型コンタクト層とを順次エピタキシャル成長させる工程（ａ）と、
   前端面及び後端面を有する共振器の一対の共振器端面部において、前記第２導電型コンタクト層上に、Ｚｎを含む不純物拡散源を形成する工程（ｂ）と、
   熱処理により、前記第２の第２導電型クラッド層上部から前記第１導電型クラッド層にまで達するように前記不純物拡散源のＺｎを拡散させて、端面窓領域を形成する工程（ｃ）と、
   前記工程（ｃ）の後に、前記第２導電型コンタクト層及び前記第２の第２導電型クラッド層をリッジストライプ形状に加工する工程（ｄ）とを備え、
   前記工程（ｃ）において、前記後端面の前記端面窓領域における前記第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度は、前記前端面の前記端面窓領域における前記第１の第２導電型クラッド層のＺｎ濃度よりも低くすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
5. 請求項４において、
   前記工程（ｂ）の前に、前記前端面側の共振器端面部において、前記第２導電型コンタクト層の少なくとも一部を除去する工程（ｅ）を更に備えることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
6. 請求項５において、
   前記工程（ｅ）において、前記後端面側の共振器端面部において、前記第２の第２導電型クラッド層の一部を除去す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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