JP2022150208A - 半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】例えば、光学損傷を抑制することが可能な、より改善された新規な構成を有した半導体レーザ素子、および当該半導体レーザ素子の製造方法を得る。【解決手段】半導体レーザ素子は、例えば、第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、コンタクト層とが積層された積層構造であって、第一方向と交差した第二方向の端面であってレーザ光を出力する端面と、第二方向の少なくとも中央部に形成された非窓領域と、非窓領域と端面との間に形成され非窓領域より大きいバンドギャップを有した窓領域と、を有した積層構造と、第一導電型クラッド層と電気的に接続する第一電極と、コンタクト層上に形成され、第一電極との間で積層構造を介する電流経路を構成する第二電極と、端面上に形成され窓領域より大きいバンドギャップを有したパッシベーション層と、パッシベーション層の端面とは反対側を覆う誘電体反射膜と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法に関する。
端面出射型の半導体レーザ素子において、出射端面における光学損傷の抑制は、重要な課題である。光学損傷は、以下のような過程によって生じる。すなわち、出射端面に欠陥が生じた場合、当該欠陥を介して電子と正孔が結合することにより端面の温度が上昇し、それに伴い端面の半導体材料のバンドギャップが縮小し、その結果、光吸収が増大する。光吸収が増大すると、さらに端面の温度が上昇し、バンドギャップがさらに縮小し、光吸収がさらに増大する、という循環に陥り、最終的に半導体材料の溶融に至る場合もある。
このような光学損傷を抑制するため、不純物拡散や空孔拡散によって端面に窓領域を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１，２）。窓領域によって端面付近のバンドギャップを拡大することができるため、光吸収を抑制し、ひいては光学損傷を抑制することができる。
米国特許第５７０３８９４号公報 特許第４１２８８９８号公報
このような半導体レーザ素子において、光学損傷を抑制するための構成によって、例えば光出力が低下するような不都合な事象が生じるのは、好ましくない。
そこで、本発明の課題の一つは、例えば、光学損傷を抑制することが可能な、より改善された新規な構成を有した半導体レーザ素子、および当該半導体レーザ素子の製造方法を得ること、である。
本発明の半導体レーザ素子は、例えば、第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、コンタクト層とが積層された積層構造であって、前記第一方向と交差した第二方向の端面であってレーザ光を出力する端面と、前記第二方向の少なくとも中央部に形成された非窓領域と、前記非窓領域と前記端面との間に形成され前記非窓領域より大きいバンドギャップを有した窓領域と、を有した積層構造と、前記第一導電型クラッド層と電気的に接続する第一電極と、前記コンタクト層上に形成され、前記第一電極との間で前記積層構造を介する電流経路を構成する第二電極と、前記端面上に形成され前記窓領域より大きいバンドギャップを有したパッシベーション層と、前記パッシベーション層の前記端面とは反対側を覆う誘電体反射膜と、を有する。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記パッシベーション層は、前記積層構造と略格子整合された層であってもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記積層構造は、ＧａＡｓ系半導体材料で作られ、前記パッシベーション層は、層材料としてＧａＡｓを含んでもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記積層構造は、ＧａＡｓ系半導体材料で作られ、前記パッシベーション層は、層材料としてII－IV族化合物半導体材料を含んでもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記パッシベーション層は、層材料としてＺｎＳｅを含んでもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記パッシベーション層の厚さは、１０［ｎｍ］以上かつ１５０［ｎｍ］以下であってもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記パッシベーション層の厚さは、１０［ｎｍ］以上かつ５０［ｎｍ］以下であってもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記窓領域は、不純物が拡散されたものであってもよい。
前記半導体レーザ素子にあっては、前記窓領域は、空孔が拡散されたものであってもよい。
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、例えば、第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、コンタクト層とが積層された積層構造であって、非窓領域と、当該非窓領域と前記第一方向と交差した第二方向に隣接し前記非窓領域よりも大きいバンドギャップを有した窓領域と、が形成された積層構造を形成する工程と、大気中で、前記積層構造を前記窓領域において劈開し、前記第二方向の端面を形成する工程と、超高真空中で、前記端面を浄化する工程と、超高真空中で、前記浄化された前記端面上に、前記窓領域より大きいバンドギャップを有したパッシベーション層を形成する工程と、前記パッシベーション層の前記端面とは反対側に誘電体反射膜を形成する工程と、を備える。
前記半導体レーザ素子の製造方法にあっては、前記端面を浄化する工程では、前記端面にプラズマを照射して浄化してもよい。
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、例えば、半導体基板上に、第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、第二導電型不純物でドーピングされたコンタクト層とが積層された積層構造であって、非窓領域と、当該非窓領域と前記第一方向と交差した第二方向に隣接し前記非窓領域よりも大きいバンドギャップを有した窓領域と、が形成された積層構造を形成する工程と、超高真空中で、前記積層構造を前記窓領域において劈開し、前記第二方向の端面を形成する工程と、超高真空中で、前記端面上に、パッシベーション層を形成する工程と、前記パッシベーション層の前記端面とは反対側に誘電体反射膜を形成する工程と、を備える。
前記半導体レーザ素子の製造方法にあっては、前記パッシベーション層を形成する工程では、前記パッシベーション層を、エピタキシャル成長により形成してもよい。
前記半導体レーザ素子の製造方法にあっては、前記パッシベーション層を形成する工程と、前記誘電体反射膜を形成する工程とを、互いに連結されたチャンバ内で実行してもよい。
前記半導体レーザ素子の製造方法にあっては、前記パッシベーション層を形成する工程と、前記誘電体反射膜を形成する工程とを、それぞれ独立した別のチャンバ内で実行してもよい。
前記半導体レーザ素子の製造方法にあっては、前記積層構造を形成する工程では、不純物拡散または空孔拡散によって前記窓領域を形成してもよい。
本発明によれば、例えば、光学損傷を抑制することが可能なより改善された新規な構成を有した半導体レーザ素子、および当該半導体レーザ素子の製造方法を得ることができる。
図１は、実施形態の半導体レーザ素子の例示的かつ模式的な斜視図である。 図２は、図１のII－II断面図である。 図３は、図１のIII－III断面図である。 図４は、実施形態の非窓領域、窓領域、およびパッシベーション層のバンドギャップを示す説明図である。 図５は、実施形態の半導体レーザ素子の製造手順の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施形態の半導体レーザ素子の積層構造を含む複数のバーがマトリクス状に配置されたウエハ片を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図７は、実施形態の半導体レーザ素子の製造方法において、劈開により端面を形成する工程を示す例示的かつ模式的な斜視図である。 図８は、実施形態の半導体レーザ素子の製造方法において、一つの分子線生成部を用いてパッシベーション層を形成する工程の一例を示す例示的かつ模式的な斜視図である。 図９は、実施形態の半導体レーザ素子の製造方法において、二つの分子線生成部を用いてパッシベーション層を形成する工程の一例を示す例示的かつ模式的な斜視図である。 図１０は、実施形態の変形例の半導体レーザ素子の製造手順の一例を示すフローチャートである。 図１１は、実施形態の変形例の製造手順を実現可能な製造装置の一例を示す例示的かつ模式的な構成図である。
以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。
本明細書において、序数は、方向や、部位等を区別するために便宜上付与されており、優先順位や順番を示すものではない。
また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表す。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに互いに直交している。
［実施形態］
［半導体レーザ素子の構成］
図１は、本実施形態の半導体レーザ素子１の斜視図である。また、図２は、図１のII－II断面図であり、図３は、図１のIII－III断面図である。Ｘ方向は、半導体レーザ素子１からのレーザ光の出射方向である。また、Ｘ方向は、長手方向とも称され、Ｙ方向は、幅方向とも称されうる。
図１に示されるように、半導体レーザ素子１は、Ｚ方向の端部において、Ｙ方向の中央部からＺ方向に突出したリッジ６を有している。リッジ６は、Ｙ方向に略一定の幅で、Ｘ方向に延びている。
また、図１に示されるように、半導体レーザ素子１のＸ方向の端部には、Ｘ方向と交差して広がる低反射膜３が形成され、他方、半導体レーザ素子１のＸ方向の反対方向の端部には、Ｘ方向と交差して広がる高反射膜２が形成されている。低反射膜３および高反射膜２は、生成されたレーザ光４を反射し共振させる反射鏡として機能する。レーザ光４は、低反射膜３が形成されたＸ方向の端面からＸ方向に出力される。低反射膜３および高反射膜２は、誘電体反射膜の一例である。また、Ｘ方向は、第二方向の一例である。
図２および図３に示されるように、半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓ基板である半導体基板１１上に、III－V族系化合物により形成されたｎ－バッファ層１２、ｎ－クラッド層１３、ｎ－ガイド層１４、活性層１５、ｐ－ガイド層１６、ｐ－クラッド層１７、ｐ－コンタクト層１８、および絶縁層１９が、Ｚ方向にこの順に積層された積層構造１０を備えている。ｐ－コンタクト層１８の上部には、上部電極２０が形成され、半導体基板１１の下部には、下部電極２１が形成されている。活性層１５の上側に形成されたｐ－ガイド層１６、活性層１５に対しｐ型のクラッドを積層する側に形成されたｐ－クラッド層１７および、活性層１５に対し正孔を注入するために形成されたｐ－コンタクト層１８には、不純物としてＺｎがドーピングされている。また、図２，３に示されるように、半導体レーザ素子１は、活性層１５に注入される電流をストライプ状に狭窄し、かつ、ストライプに沿った光導波路として機能するリッジ６を有しており、ｐ－クラッド層１７の上層およびｐ－コンタクト層１８を含む層領域のレーザ光出射方向と垂直方向の幅が狭まったメサ形状に加工されている。Ｚ方向は、積層方向とも称されうる。Ｚ方向は、第一方向の一例である。
また、図３に示されるように、半導体レーザ素子１には、非窓領域２４と、当該非窓領域２４と比較してレーザ光の吸収が少ない窓領域２３と、が設けられている。非窓領域２４は、半導体レーザ素子１の少なくともＸ方向の中央部に形成されている。他方、窓領域２３は、Ｘ方向の端面１０ａと非窓領域２４との間に形成されている。端面１０ａは、レーザ光を出力する端面であり、出射端面とも称されうる。
さらに、下部電極２１と上部電極２０との間には、積層構造１０を介した電流経路が構成されている。下部電極２１は、第一電極の一例であり、上部電極２０は、第二電極の一例である。また、ｎ－クラッド層１３は、第一導電型クラッド層の一例であり、ｐ－クラッド層１７は、第二導電型クラッド層の一例である。
半導体基板１１は、ｎ－ＧａＡｓを材料に含む。ｎ－バッファ層１２は、半導体基板１１上に高品質のエピタキシャル層の積層構造を成長するために必要な緩衝層であり、ｎ－ＧａＡｓを層材料として含む。ｎ－クラッド層１３とｎ－ガイド層１４は、積層方向に対する任意の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さが設定され、ｎ－ＡｌＧａＡｓを層材料として含む。ｎ－ガイド層１４のＡｌ組成は、１５［％］以上かつ４５［％］未満であることが望ましい。また、ｎ－クラッド層１３のＡｌ組成は、ｎ－ガイド層１４のＡｌ組成に比べて高くすることで屈折率を小さくすることが一般的である。本実施形態の窓領域２３を有した大出力端面放出型多モード半導体レーザ素子においては、ｎ－ガイド層１４の膜厚は、２００［ｎｍ］以上、一例としては４００［ｎｍ］程度であることが望ましい。また、ｎ－クラッド層１３の厚さは、１［μｍ］以上、一例としては３［μｍ］程度であることが望ましい。ｎ－ガイド層１４は、故意にドーピングをしない層が使用される場合もあるが、ｎ－ガイド層１４の厚さを１００［ｎｍ］以上に設定する場合は、残留不純物の影響が大きく、ドーピングを施すほうがよい。また、本実施形態の構造および方法は、用途に応じて、端面放出型シングルモード半導体レーザ素子に適用することもできる。
活性層１５は、下部バリア層１５ａ、量子井戸層１５ｂ、および上部バリア層１５ｃを有している。下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃは、量子井戸層１５ｂにキャリアを閉じ込める障壁の機能を有し、意図的にドーピングをしないＡｌＧａＡｓを材料として含む。また、量子井戸層１５ｂは、意図的にドーピングをしないＩｎＧａＡｓを材料として含む。量子井戸層１５ｂのＩｎ組成および膜厚、ならびに下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃの組成によって決まるポテンシャル井戸の構造により、閉じ込められたキャリアの発光再結合エネルギーが決定される。なお、ここでは、活性層１５が単一の量子井戸層（ＳＱＷ）の構成を有した場合について説明したが、活性層１５は、これには限定されず、量子井戸層１５ｂと下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃとの積層が所定回数繰り返された多重量子井戸層（ＭＱＷ）の構成を有してもよい。また、ここでは、意図的にドーピングをしない層での構成を説明したが、量子井戸層１５ｂ、下部バリア層１５ａ、および上部バリア層１５ｃには意図的にドナーやアクセプタが添加されてもよい。さらに、下部バリア層１５ａとｎ－ガイド層１４とが同一の組成の場合があり、また、上部バリア層１５ｃとｐ－ガイド層１６とが同一の組成の場合があるため、下部バリア層１５ａ、上部バリア層１５ｃは必ずしも構成される必要はない。
ｐ－ガイド層１６およびｐ－クラッド層１７は、ｎ－クラッド層１３およびｎ－ガイド層１４と対となり、積層方向に対する任意の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さとが設定されている。ｐ－ガイド層１６とｐ－クラッド層１７とは、ｐ－ＡｌＧａＡｓを層材料として含む。ｐ－ガイド層１６のＡｌ組成は、２０［％］程度である。ｐ－クラッド層１７のＡｌ組成は、一般的にｐ－ガイド層１６のＡｌ組成に比べて高く設定される。また、層中の光フィールドをｎ－クラッド層１３の方向にずらして導波路損失を小さくするため、ｐ－クラッド層１７のＡｌ組成は、ｎ－クラッド層１３に比べて若干高めに設定される。また、ｐ－ガイド層１６のＡｌ組成は、ｐ－クラッド層１７のＡｌ組成に比べ低く設定される。
本実施形態のような窓領域２３を有した大出力端面放出型多モード半導体レーザ素子においては、ｐ－ガイド層１６の膜厚は、２００［ｎｍ］以上であることが望ましく、ｐ－クラッド層１７の厚さは、１～２［μｍ］程度であることが望ましい。なお、ｐ－ガイド層１６として、意図的にドーピングをしない層が構成される場合もあるが、ガイド層の厚さを厚く設定する場合は、残留不純物による導電性変動の影響が大きいため、製造再現性を高めるため、意図的なドーピングを施すほうがよい。ｐ－クラッド層１７は、ｎ型の半導体層によって形成されている。ｐ－コンタクト層１８は、活性層１５に対し正孔を注入するために電極とコンタクトを取る必要があるため、ｐ型不純物が高濃度でドーピングされている。なお、ｐ－クラッド層１７には、注入電流を狭窄して活性層１５における電流密度を高める電流狭窄層が形成されてもよい。
本実施形態の半導体レーザ素子１においては、積層構造１０の一部が加工されて形成されたリッジ６により、上部電極２０と下部電極２１から注入された電流が活性層１５の一部に集中し、レーザ光４が半導体レーザ素子１の外部に取り出されることになる。出射領域５（図１参照）から出射されるレーザ光４の光密度は高密度であるため、半導体レーザ素子１においては、光出射端面を含む所定の領域に、レーザ光の吸収が少ない窓領域２３を設け、それ以外の領域を非窓領域２４とすることにより、光学損傷の抑制を図っている。
窓領域２３では、当該窓領域２３の積層構造１０を構成する半導体層の少なくとも一部が混晶化されている。図２において、混晶化された領域には、ハッチングが施されている。混晶化によって窓領域２３のバンドギャップが大きくなる結果、非窓領域２４のバンドギャップと窓領域２３のバンドギャップとに大きな差が生じる。これにより、半導体レーザ素子１においては、光出射端面領域のレーザ光の吸収を抑制し、光学損傷の抑制を図ることができる。
窓領域２３には、不純物または空孔が拡散されている。不純物は、例えば、Ｚｎ、Ｓｉ、およびＭｇのうち少なくともいずれか一つである。窓領域２３のＸ方向の長さは、不純物拡散の場合には、数μｍ程度とし、空孔拡散の場合には、数１０μｍ程度とするのが、一般的である。
また、本実施形態では、窓領域２３が形成された端面１０ａ上に、端面成長によって、窓領域２３よりもさらにバンドギャップの大きい材料を積層することにより、パッシベーション層３０を形成している。パッシベーション層３０は、窓領域２３よりもさらにバンドギャップが大きい層であり、これにより、光学損傷の抑制効果のさらなる向上を図ることができる。図４は、本実施形態の非窓領域２４、窓領域２３、およびパッシベーション層３０のバンドギャップを示す説明図である。ここに、非窓領域２４のバンドギャップは、活性層１５におけるバンドギャップであり、窓領域２３のバンドギャップは、活性層１５に対応した層におけるバンドギャップである。図４に示されるように、窓領域２３のバンドギャップＶ２は、非窓領域２４のバンドギャップＶ１よりも大きく、パッシベーション層３０のバンドギャップＶ３は、窓領域２３のバンドギャップＶ２よりも大きい。
そして、本実施形態では、パッシベーション層３０の端面１０ａとは反対側を覆うように、誘電体反射膜としての低反射膜３が設けられている。
従来、積層構造１０のＸ方向の端部において不純物拡散によって混晶化領域（窓領域）が形成され、さらに当該混晶化領域のＸ方向の端面上に、本実施形態のようなパッシベーション層が形成されることなく、誘電体反射膜が形成された、半導体レーザ素子が、知られている。当該構成においては、混晶化領域では光損失が生じるため、当該混晶化領域はＸ方向に長くし難い。これに伴って、混晶化領域に対してＸ方向における中央側に隣接した活性層のＸ方向の長さが長くなってしまい、活性層には、混晶化領域と隣接して電流が流れない区間が生じてしまう。このような電流が流れない区間では、光が吸収されるため、光出力の低下やエネルギロスの増大の要因となる。
また、従来、活性層のＸ方向の端部に、窓領域が形成されることなく、パッシベーション層が形成された半導体レーザ素子が知られている。当該構成においては、パッシベーション層と活性層との界面に電流を流すことができないため、活性層には、パッシベーション層と隣接して電流が流れない区間を設ける必要がある。上述したように、当該電流が流れない区間では、光が吸収されるため、光出力の低下やエネルギロスの増大の要因となる。
この点、本実施形態では、図３，４に示されるように、非窓領域２４、窓領域２３、パッシベーション層３０、および低反射膜３が、Ｘ方向に、この順に形成されているため、活性層１５において電流が流れない区間をより短くすることができるかあるいは無くすことができ、ひいては光出力の低下やエネルギロスの増大を抑制するかあるいは回避することができる。特に、空孔が拡散した窓領域２３の場合には、活性層１５において電流が流れない区間をより一層短くすることができるかあるいは無くすことができる確率がより高まる。また、このような観点から、パッシベーション層３０の厚さは、１０［ｎｍ］以上かつ１５０［ｎｍ］以下であるのが好ましく、１０［ｎｍ］以上かつ５０［ｎｍ］以下であるのがより好ましいことが判明している。
［製造方法］
図５は、本実施形態の半導体レーザ素子１の製造手順を示すフローチャートである。図５に示されるように、まずは、上述した積層構造１０が形成される（Ｓ１１）。
図６は、Ｓ１１において、半導体レーザ素子１の積層構造１０を含む複数のバー１０１がマトリクス状に配置されたウエハ片１００を示す平面図である。ウエハ片１００は、ウエハ（不図示）から切り出された当該ウエハの一部である。
Ｓ１１では、公知の半導体プロセスにより、ウエハ（ウエハ片１００）上に、上述した積層構造１０、窓領域２３、および非窓領域２４をそれぞれ含む複数のバー１０１が形成される。言い換えると、積層構造１０、窓領域２３、および非窓領域２４は、ウエハ（ウエハ片１００）に対して形成されることにより、複数のバー１０１について一括して形成される。
窓領域２３は、ウエハ片１００に対し、スクライブ１００ａ（傷）が設けられた位置（仮想的な線ＰＬ）を中心として、Ｘ方向に略一定の幅ｗで、Ｙ方向に延びるよう形成されている。線ＰＬは、後の工程Ｓ１２において、バー１０１の長手方向の端部となる位置である。
図５に示されるように、Ｓ１１の後、本実施形態では、ウエハ片１００の大気中での劈開により、アレイ１０２に含まれる各バー１０１において、Ｘ方向の端面１０ａが形成される（Ｓ１２）。
図７は、劈開により端面１０ａを形成する工程（Ｓ１２）を示す斜視図である。図７に示されるように、ウエハ片１００を、ブレードＢ等を用いて劈開することにより、複数のアレイ１０２を形成する。この際、ブレードＢは、予め設けられているスクライブ１００ａ（図６参照）に位置合わせされる。これにより、ウエハ片１００は、当該スクライブ１００ａが設けられた位置、すなわち、線ＰＬで劈開され、複数のアレイ１０２に分割される。ここで、スクライブ１００ａおよび線ＰＬは、窓領域２３の幅ｗの略中央部に位置しているため、端面１０ａは、窓領域２３において形成されることになる。また、図７に示されるように、分割された複数のアレイ１０２は、Ｚ方向に積み重ねられる。
図５に示されるように、Ｓ１２の後、本実施形態では、超高真空中で、端面１０ａが浄化される（Ｓ１３）。Ｓ１３では、積み重ねられた複数のアレイ１０２の端面１０ａに対し、例えば、水素プラズマのようなプラズマが照射される。
図５に示されるように、Ｓ１３の後、本実施形態では、超高真空中で、端面１０ａ上に、パッシベーション層３０が形成される（Ｓ１３）。
パッシベーション層３０は、積層構造１０と略格子整合された層である。パッシベーション層３０の形成は、エピタキシャル成長により行われる。上述したように、積層構造１０は、ＧａＡｓ系半導体材料で作られている。これに対応して、パッシベーション層３０は、層材料（半導体材料）として、例えば、ＧａＡｓのようなIII－V属化合物や、ＺｎＳｅのような、II－IV属化合物を含んでいる。
パッシベーション層３０の形成は、超高真空状態とされた端面成長チャンバ１００３（図１１参照）内で行われる。複数のアレイ１０２は、端面成長チャンバ１００３に設けられたヒータ等により、例えば、３００［℃］程度の処理温度となるよう加熱される。
図８は、パッシベーション層３０を形成する工程（Ｓ１３）の一例を示す斜視図である。図８に示されるように、パッシベーション層３０の形成は、端面１０ａがＺ方向に略面一に並んだ状態に積層された複数のアレイ１０２に対して、一括して行われる。
図８の例では、パッシベーション層３０は、アレイ１０２の端面１０ａに一つの分子線生成部１０３１で生成した分子線を照射することにより、形成される。
II－IV属化合物としてのＺｎＳｅ化合物を含むパッシベーション層３０を形成する場合、分子線生成部１０３１は、例えば、クヌーセンセルを用いて実現されうる。この場合、分子線生成部１０３１は、内部に保持したＺｎＳｅ化合物原料をもとにＺｎと低分子Ｓｅの分子線を生成し、当該分子線を複数のアレイ１０２の端面１０ａに向けて照射する。これにより、端面１０ａ上に、エピタキシャル成長によって、ＺｎＳｅ膜が形成される。エピタキシャル成長のレートは、分子線の構成元素のうち、分子線強度が小さい方で決まるため、一つの分子線生成部１０３１を用いたエピタキシャル成長においても、高品質なＺｎＳｅ膜を得ることができる。
図９は、パッシベーション層３０を形成する工程（Ｓ１３）の別の一例を示す斜視図である。図９に示されるように、この場合も、パッシベーション層３０の形成は、端面１０ａがＺ方向に略面一に並んだ状態に積層された複数のアレイ１０２に対して、一括して行われる。
図９の例では、パッシベーション層３０は、アレイ１０２の端面１０ａに二つの分子線生成部１０３１で生成した分子線を照射することにより、形成される。
II－IV属化合物としてのＺｎＳｅ化合物を含むパッシベーション層３０を形成する場合、二つの分子線生成部１０３１は、クヌーセンセル、またはバルブドセルを用いて実現することができる。一例として、一つの分子線生成部１０３１は、Ｚｎの分子線を生成して照射し、もう一つの分子線生成部１０３１は、Ｓｅの分子線を生成して照射する。これにより、端面１０ａ上に、エピタキシャル成長によって、ＺｎＳｅ膜が形成される。なお、Ｓｎの分子線を照射する分子線生成部１０３１は、Ｓｅを低分子化するために、バルブドクラッキングセルを用いて実現するのが好ましい。
ＺｎＳｅ化合物を含むパッシベーション層３０を形成する場合における、二つの分子線生成部１０３１の組み合わせは、上述した組み合わせには限定されず、種々に設定することができる。例えば、一つの分子線生成部１０３１が、ＺｎＳｅの分子線を照射し、もう一つの分子線生成部１０３１が、ＺｎおよびＳｅのうちいずれかの分子線を照射してもよい。また、二つの分子線生成部が、それぞれ、ＺｎＳｅの分子線を照射してもよい。
また、ＺｎＳｅ化合物を含むパッシベーション層３０を形成する場合、端面１０ａ上には、まずは、分子線生成部１０３１からＺｎの分子線のみを照射してもよい。これにより、ＧａＡｓ系半導体材料で作られた積層構造１０とＺｎＳｅ化合物を含むパッシベーション層３０との界面で、貫通転移が生じるのを抑制することができ、半導体レーザ素子１の信頼性をより一層高めることができる。
二つの分子線生成部１０３１を用いてIII－V属化合物としてのＧａＡｓ化合物を含むパッシベーション層３０を形成する場合、一つの分子線生成部１０３１は、Ｇａの分子線を照射し、もう一つの分子線生成部１０３１は、Ａｓの分子線を照射する。この場合、一例として、Ｇａの分子線を照射する分子線生成部１０３１は、クヌーセンセルを用いて実現することができ、Ａｓの分子線を照射する分子線生成部１０３１は、バルブドクラッキングセルを用いて実現することができる。分子線生成部１０３１からの分子線の照射により、端面１０ａ上に、エピタキシャル成長によって、ＧａＡｓ膜が形成される。
複数の分子線生成部１０３１を用いることにより、分子線生成部１０３１を用いた場合に比べて、端面１０ａの場所によるパッシベーション層３０の成分や厚さのばらつきを減らすことができる。なお、分子線生成部１０３１の数は、二つには限定されず、三つ以上であってもよい。
パッシベーション層３０は、アレイ１０２のＸ方向の端面１０ａ上に形成されるとともに、アレイ１０２のＸ方向の反対方向の端面１０ａ上にも形成される。両方の端面１０ａ上にパッシベーション層３０を形成するため、支持装置１０３２には、例えば、Ｚ方向に延びる中心軸Ｃ周りに少なくとも１８０°回転することが可能なターンテーブルが装備される。
図５に示されるように、Ｓ１４の後、本実施形態では、Ｘ方向の端面１０ａに形成されたパッシベーション層３０上には、低反射膜３が形成され、Ｘ方向の反対方向の端面１０ａに形成されたパッシベーション層３０上には、高反射膜２が形成される（Ｓ１５）。低反射膜３および高反射膜２は、エピタキシャル成長が行われた端面成長チャンバ１００３とは別に設けられたスパッタ装置あるいはプラズマＣＶＤ装置などによって、形成することができる。なお、Ｓ１４において形成されたパッシベーション層３０によって端面１０ａは保護されているため、Ｓ１４からＳ１５への移行に際し、アレイ１０２が大気中に晒されたとしても、端面１０ａの劣化は生じ難い。
以上、説明したように、本実施形態では、窓領域２３に設けられた端面１０ａ上に、当該窓領域２３よりもバンドギャップの大きいパッシベーション層３０が形成され、当該パッシベーション層３０に対して端面１０ａとは反対側に低反射膜３（誘電体反射膜）が形成される。
このような構成および方法によれば、例えば、活性層１５において電流の流れない区間をより短くすることができるか、あるいは無くすことができるため、従来構造において活性層１５において電流の流れない区間があることによる、例えば光出力の低下やエネルギロスの増大といった不都合な事象が生じるのを、抑制するかあるいは回避することができる。すなわち、本実施形態によれば、光学損傷を抑制可能な、より改善された新規な構成の半導体レーザ素子１、および当該半導体レーザ素子１の製造方法を、得ることができる。
［変形例］
図１０は、本実施形態の変形例の半導体レーザ素子１の製造手順を示すフローチャートである。図１０を図５と比較すれば明らかとなるように、本変形例では、実施形態のＳ１１，Ｓ１２に替えて、超高真空中において窓領域２３においてウエハ片１００を劈開することにより端面１０ａを形成する（Ｓ２２）。このような手順によれば、超高真空中において端面１０ａを浄化する処理を行うことなく、端面１０ａにおける自然酸化膜の形成や、端面１０ａに対するパーティクルの付着等を抑制し、さらなる信頼性の向上を図ることができる。
図１１は、変形例の製造手順を実現可能な製造装置１０００の一例を示す構成図である。製造装置１０００は、ロードロックチャンバ１００１、劈開チャンバ１００２、端面成長チャンバ１００３、およびコーティングチャンバ１００４、を備えている。
また、各チャンバ間には、チャンバ間を開閉するとともに、閉状態において気密シールするゲートバルブ１００５が設けられている。製造装置１０００には、チャンバ間でウエハ片１００やアレイ１０２を搬送する搬送機構１００６が設けられている。搬送機構１００６は、例えば、搬送トロリーや、搬送アーム等として構成されうる。
ロードロックチャンバ１００１は、不図示の開閉扉を有している。ロードロックチャンバ１００１では、ウエハ片１００の搬入およびアレイ１０２の搬出が行われる。
劈開チャンバ１００２内では、超高真空状態において、図７に例示されたような劈開（Ｓ１２）が行われる。
端面成長チャンバ１００３は、エピタキシャル成長装置である。端面成長チャンバ１００３内では、図８や図９に示されたようなパッシベーション層３０の形成、すなわち端面成長（Ｓ２２）が行われる。端面成長チャンバ１００３には、分子線生成部１０３１、およびヒータおよびターンテーブルを有した支持装置１０３２が設けられる。
コーティングチャンバ１００４では、低反射膜３および高反射膜２の形成（Ｓ１５）が行われる。なお、本変形例では、端面成長チャンバ１００３と、コーティングチャンバ１００４とが、互いに連結されているが、これには限定されず、端面成長チャンバ１００３と、コーティングチャンバ１００４とは、互いに独立していてもよい。この場合、端面成長チャンバ１００３と、コーティングチャンバ１００４との間において、アレイ１０２は、大気中に晒されてもよい。
以上、本発明の実施形態および変形例が例示されたが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。
例えば、半導体レーザ素子は、リッジを有さなくてもよい。
１…半導体レーザ素子
２…高反射膜（誘電体反射膜）
３…低反射膜（誘電体反射膜）
４…レーザ光
５…出射領域
６…リッジ
１０…積層構造
１０ａ…端面
１１…半導体基板
１２…ｎ－バッファ層
１３…ｎ－クラッド層（第一導電型クラッド層）
１４…ｎ－ガイド層
１５…活性層
１５ａ…下部バリア層
１５ｂ…量子井戸層
１５ｃ…上部バリア層
１６…ｐ－ガイド層
１７…ｐ－クラッド層（第二導電型クラッド層）
１８…ｐ－コンタクト層
１９…絶縁層
２０…上部電極（第二電極）
２１…下部電極（第一電極）
２３…窓領域
２４…非窓領域
３０…パッシベーション層
１００…ウエハ片
１００ａ…スクライブ
１０１…バー
１０２…アレイ
１０００…製造装置
１００１…ロードロックチャンバ
１００２…劈開チャンバ
１００３…端面成長チャンバ
１００４…コーティングチャンバ
１００５…ゲートバルブ
１００６…搬送機構
１０３１…分子線生成部
１０３２…支持装置
Ｂ…ブレード
Ｃ…中心軸
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…バンドギャップ
ｗ…幅
Ｘ…方向（第二方向）
Ｙ…方向
Ｚ…方向（第一方向）

Claims (16)

  1. 第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、コンタクト層とが積層された積層構造であって、前記第一方向と交差した第二方向の端面であってレーザ光を出力する端面と、前記第二方向の少なくとも中央部に形成された非窓領域と、前記非窓領域と前記端面との間に形成され前記非窓領域より大きいバンドギャップを有した窓領域と、を有した積層構造と、
    前記第一導電型クラッド層と電気的に接続する第一電極と、
    前記コンタクト層上に形成され、前記第一電極との間で前記積層構造を介する電流経路を構成する第二電極と、
    前記端面上に形成され前記窓領域より大きいバンドギャップを有したパッシベーション層と、
    前記パッシベーション層の前記端面とは反対側を覆う誘電体反射膜と、
    を有した、半導体レーザ素子。
  2. 前記パッシベーション層は、前記積層構造と略格子整合された層である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記積層構造は、ＧａＡｓ系半導体材料で作られ、前記パッシベーション層は、層材料としてＧａＡｓを含む、請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記積層構造は、ＧａＡｓ系半導体材料で作られ、前記パッシベーション層は、層材料としてII－IV族化合物半導体材料を含む、請求項２に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記パッシベーション層は、層材料としてＺｎＳｅを含む、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記パッシベーション層の厚さは、１０［ｎｍ］以上かつ１５０［ｎｍ］以下である、請求項１～５のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記パッシベーション層の厚さは、１０［ｎｍ］以上かつ５０［ｎｍ］以下である、請求項６に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記窓領域は、不純物が拡散された、請求項１～７のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記窓領域は、空孔が拡散された、請求項１～８のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  10. 第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、コンタクト層とが積層された積層構造であって、非窓領域と、当該非窓領域と前記第一方向と交差した第二方向に隣接し前記非窓領域よりも大きいバンドギャップを有した窓領域と、が形成された積層構造を形成する工程と、
    大気中で、前記積層構造を前記窓領域において劈開し、前記第二方向の端面を形成する工程と、
    超高真空中で、前記端面を浄化する工程と、
    超高真空中で、前記浄化された前記端面上に、前記窓領域より大きいバンドギャップを有したパッシベーション層を形成する工程と、
    前記パッシベーション層の前記端面とは反対側に誘電体反射膜を形成する工程と、
    を備えた、半導体レーザ素子の製造方法。
  11. 前記端面を浄化する工程では、前記端面にプラズマを照射して浄化する、請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  12. 半導体基板上に、第一方向に、第一導電型クラッド層と、活性層と、第二導電型クラッド層と、第二導電型不純物でドーピングされたコンタクト層とが積層された積層構造であって、非窓領域と、当該非窓領域と前記第一方向と交差した第二方向に隣接し前記非窓領域よりも大きいバンドギャップを有した窓領域と、が形成された積層構造を形成する工程と、
    超高真空中で、前記積層構造を前記窓領域において劈開し、前記第二方向の端面を形成する工程と、
    超高真空中で、前記端面上に、パッシベーション層を形成する工程と、
    前記パッシベーション層の前記端面とは反対側に誘電体反射膜を形成する工程と、
    を備えた、半導体レーザ素子の製造方法。
  13. 前記パッシベーション層を形成する工程では、前記パッシベーション層を、エピタキシャル成長により形成する、請求項１０～１２のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  14. 前記パッシベーション層を形成する工程と、前記誘電体反射膜を形成する工程とを、互いに連結されたチャンバ内で実行する、請求項１０～１３のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  15. 前記パッシベーション層を形成する工程と、前記誘電体反射膜を形成する工程とを、それぞれ独立した別のチャンバ内で実行する、請求項１０～１４のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  16. 前記積層構造を形成する工程では、不純物拡散または空孔拡散によって前記窓領域を形成する、請求項１０～１５のうちいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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