JP3648357B2

JP3648357B2 - 半導体レーザ素子の製造方法

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Publication number: JP3648357B2
Application number: JP22601197A
Authority: JP
Inventors: 慎一中塚; 悦子野本
Original assignee: 日本オプネクスト株式会社
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2017-08-22
Also published as: JPH1168217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に係り、特に高出力で高信頼度の素子構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体多層構造からなる発光領域（活性領域）を有する発光素子の製造方法において、素子端部に延伸した発光に係る半導体層（活性層又は量子井戸層と呼ばれる）に不純物を拡散し、当該半導体層の禁制帯幅を素子中央部に対して大きくし、素子中央部で発生した光が素子端部で吸収されないようにする技術は特公昭63-51557号公報（特表昭58-500681号公報）に記載されている。このような素子端部の加工は、半導体発光素子の発光出力向上に伴う端面損傷を抑止する上で有効である。
【０００３】
上記技術は、その後様々な検討が加えられ、近年においては例えばS. Arimoto他によるIEEE Journal of Quantum Electronics誌（Vol.29,pp1874-1879(1993)）の文献にて論じられている。この文献によれば、図１４のようにAlGaInP/GaInP系半導体レーザにおいてレーザ共振器の端面の近傍に亜鉛拡散を行いGaInP活性層（発光層）14を含む自然超格子を混晶化した窓領域（ハッチング部分140）を設けている。自然超格子を混晶化すると活性層の禁制帯幅が増加するため、端面破壊現象の原因であった端面における活性層のレーザ光に対する吸収がなくなる。即ち、当該混晶化領域140はレーザ光を透明なガラス窓の如く実質上無損失で通過させ、ファブリ・ペロー共振器を構成する素子端面（劈開面）に到達させる。これにより端面破壊現象が防止され、204mWという高出力の半導体レーザが実現されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、窓構造を形成するための不純物拡散は窓部の半導体層の不純物濃度を大幅に増加させる。この従来技術では、レーザ光を活性層104にストライプ状に閉じ込めて発振させる。即ち、活性層104上部に互いに離間し且つ対向して形成された電流ブロック層110により、活性層104における光閉じ込めが電流ブロック間に形成されたストライプ状の間隙に沿って生じるからである（この機能ゆえ、活性層を含めた上記光導波構造はストライプ状導波路と呼ばれる）。上記従来技術では、この素子機能に鑑み、電流ブロック層の間隙が形成される半導体領域上に不純物拡散源（ＺｎＯ）を形成し、当該間隙下方を中心に混晶化領域を形成している。
【０００５】
このため、活性層の禁制帯幅を十分に増大すべく不純物元素（Ｚｎ）拡散量を増やすと、却って半導体層中に導入された不純物元素が放出する荷電粒子による光吸収・散乱が大きくなり、導波路の光損失が大きくなる。その結果、活性層の局所的光吸収をなくす窓構造本来の効果を奏しながらも、一方では、動作電流の増大や発光効率の低下などの副作用が生じ、素子の出力が再現性よく向上できない問題が浮上した。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、半導体レーザの発光領域に直接不純物拡散を行わず、端面部の発光領域近傍に拡散を行い、広禁制帯幅領域が拡散領域から横方向広がる現象を発見し、これを利用した窓領域形成により上記課題を解決することを着想した。このような広禁制帯幅領域の横方向広がりは、ｎ型GaAs基板上にｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層をこの順に積層した構造においてp型クラッド層上にｎ型キャップ層を設けた領域に特に顕著に見られた。また、拡散する不純物、およびクラッド層にドーピングする不純物には亜鉛をもちいると１０分から３０分程度の短時間の熱処理により十分な禁制帯幅増大効果が得られた。
【０００７】
一般に、不純物拡散を用いて窓領域の禁制帯幅を広げる場合、拡散する不純物の濃度が大きすぎると窓部分に光損失が発生し、半導体レーザのしきい値電流の増大や効率の低下をまねいた。このため、窓領域への不純物導入の上限は５×10¹⁸cm^-3程度と考えられるが、実用上窓領域の不純物濃度をこの範囲に制御することは難しかった。これは、拡散した不純物の濃度プロファイルは拡散速度の濃度依存性のため拡散の先端において急激に増大する性質を持つことと、十分な拡散速度を得るためには10¹⁹cm^-3台の高い表面不純物濃度を必要とすることが原因であった。
【０００８】
これに対し、本発明で用いる広禁制帯幅領域の横方向広がりは窓領域への直接的不純物拡散ではなく、窓領域近傍への不純物拡散により誘発される結晶にドーピングされていた不純物の再分布によるものである。このため、広禁制帯幅領域の不純物濃度は高々結晶成長時のドーピング量にとどまり、半導体レーザの発光領域の中に素子特性に有害な高不純物濃度の領域を形成しない。従って、高不純物濃度による半導体レーザ特性の劣化を招かず広い工程裕度をもって窓構造レーザを形成できる特徴があった。
【０００９】
以上の議論に基づき、本発明では直接遷移型の半導体により構成される活性層と、該活性層を挟むように積層され且つ該活性層よりも広い禁制帯幅を有し且つ互いに異なる導電型を有する半導体層からなるクラッド層とを含み、活性層及びクラッド層を含めてなる積層構造の端部に当該積層方向に沿って設けた結晶面（端面）により共振器を構成し、少なくとも一の結晶面から共振器内部に向けて活性層に不純物を導入した領域（以下、便宜的に窓領域又は窓構造と呼ぶ）を設け、当該領域の活性層の禁制帯幅を他の領域の活性層よりも大きくした半導体レーザ素子において、上記窓領域を半導体レーザの発光領域となるストライプ状構造に隣接する領域に不純物を導入して形成する。
【００１０】
この構成上の特徴を、図１９に示す具体的な一例から説明する。この図は、半導体レーザ素子の共振器を横切る断面図を示し、クラッド領域ａ（クラッド層）を挟んで発光領域（活性層）と対向するように電流狭窄領域（クラッド領域ａと逆且つクラッド領域ｂと同じ導電型の半導体層）が形成され、発光領域及び電流狭窄領域の屈折率ｎ₀,ｎ₂がクラッド領域ａのそれｎ₁より大きくなるように夫々を構成する半導体材料が選択されている。電流狭窄領域は図示される如く共振器方向に延伸するストライプ状の間隙で離間されることにより、共振器を横断する方向に沿って発光領域に接合されるクラッド領域ａの厚みが変化し、これに応じ発光領域に閉じ込められる光強度にも分布が生ずる。このようにクラッド領域とは屈折率の異なる半導体領域を発光領域に対向させて光強度を局在させ、レーザ発振位置を上記ストライプ状間隙に対向させて制限する共振器構造を屈折率導波型という（この時、電流狭窄領域の導電型はクラッド領域ａと同じでも支障ない）。一方、クラッド領域ａとは逆導電型の電流狭窄領域により発光領域に注入される電流（キャリア）は進行を阻まれるため、ストライプ状の間隙で通路を制限された状態で発光領域に供給される。このようにして発光領域における電流密度に分布を持たせてレーザ光の発光強度を局在化させる共振器構造を利得導波型という。図１９に示す素子構造がこれらのいずれの構造であっても、発光領域におけるレーザ発振に寄与する部分は図面のＡ部である。これに対し、Ｂ部はレーザ発振に直接寄与しないといえよう。従って、上述の窓領域は共振器端面の少なくともＡ部を含めて形成せねばならない。
【００１１】
上記従来技術では、このＡ部の上方に形成される半導体層の上面に拡散源を形成していたが、本発明はＢ部の上方に拡散源を形成し、高濃度で不純物が導入されたＢ部の側方から当該不純物を、活性領域の禁制帯幅を広げるに必要且つ十分な量で、且つ上述のレーザ光の吸収・散乱が起こらない適正な範囲に抑えてＡ部に導入する。その手法の詳細は後述の実施例１にて説明するが、本発明による半導体レーザ素子の製造過程では、半導体の積層構造の上面に形成される不純物導入源の位置をストライプ状導波路（図１９における光導波部）の形成予定位置を介して離間させる。本発明者の発見によれば、Ｂ部に向けた積層方向の不純物拡散に対してＢ部からＡ部への不純物拡散の速度は約２桁速いため、上記不純物導入源はさらにクラッド領域ａに形成されるリッジ（丘陵部）の両側（両脇）迄、即ち図１９におけるストライプ部の幅、またはそれ以上離間させても支障ない。このリッジは、図１９において（ａ）に台形型（順メサ型）、（ｂ）に逆台形型（逆メサ型）をしめすが、上記光閉じ込め部はリッジ幅の狭い部分に、上記ストライプ部はリッジ幅の広い部分に夫々対応する。
【００１２】
本発明の半導体レーザ素子の特徴を図１９に示すストライプ状光導波路を有する素子構造の例から記せば、Ａ部における不純物濃度はＢ部より低く、その望ましき濃度範囲は前者において１×10¹⁷ｃｍ^-3以上且つ１×10¹⁸ｃｍ^-3未満、後者において１×10¹⁸ｃｍ^-3以上且つ１×10¹⁹ｃｍ^-3以下である。即ち、濃度のオーダから見れば両者の不純物濃度範囲には僅か１桁の違いしかないが、不純物導入によるレーザ光の吸収・散乱による損失で見ると２桁又はそれ以上の優位性が前者に認められた。ストライプ状光導波路を有する素子構造において、このような不純物の濃度の関係を有する前者（Ａ部）は例えば電流狭窄領域に設けられたストライプ状間隙部下方の発光領域と、後者（Ｂ部）はストライプ状リッジ部を有するクラッド領域ａの当該リッジ部両側の部分の下方に位置する発光領域と夫々記せよう。
【００１３】
以上の説明は、発光領域をクラッド層に挟まれた一活性層とした例に基づくが、発光領域を量子サイズ効果が現れる所謂量子井戸層とこれより禁制帯幅の大きい（但し、クラッド層より小さい）障壁層とを含み、この量子井戸層を障壁層で挟むように積層した所謂量子井戸構造としてもよい。量子井戸構造の発光領域は、１層の量子井戸層を２層の障壁層で挟む所謂単一量子井戸構造（ＳＱＷ）としてもｎ層（ｎは２以上の自然数）の量子井戸層と（ｎ＋１）層又は（ｎ−１）層の障壁層を交互に繰り返して積層する所謂多重量子井戸構造（ＭＱＷ）としてもよく、夫々の層厚は例えば２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に設定するとよい。なお、量子井戸構造の発光領域において上述の不純物濃度の関係を示す領域（換言すれば、実質的に発光に寄与するキャリア再結合が生じる「狭義の発光領域」）は量子井戸層に相当する。
【００１４】
狭義の発光領域となる半導体層を３種類以上の構成元素からなる化合物半導体層（ｎ元系の混晶半導体層：ｎは構成元素の種類数）で形成する場合の望ましき条件を記せば、当該半導体層中には更なる組成の周期的変動が積層方向に沿って存在させることが望ましい。この周期的な組成変動は自然超格子と呼ばれ、通常超格子構造と呼ばれる積層構造に比べて組成の変動繰り返しが短い特徴を有し、具体的には電子のド・ブロイ波長よりも短い周期の組成の変動を有する。このため、例えば上述の２ｎｍの量子井戸層をIn_0.5Ga_0.5Asで構成しても、この層は更に細かいInAs層とGaAs層の繰り返しを含み、且つInAs層ともGaAs層とも異なる物性を有する。自然超格子に関しては実施例１において更に具体的に言及する。
【００１５】
上記窓領域形成のために導入される不純物としては、亜鉛（Ｚｎ）を用いることが望ましく、その拡散方法は例えば亜鉛の酸化物（ＺｎＯ）膜を拡散源として半導体層表面に形成して当該半導体層中に固相拡散させるとよい。不純物元素は、また珪素（Ｓｉ）やカドミウム（Ｃｄ）を用いても本発明の実施は可能であり、前者においてはＳｉ膜を、後者においては酸化物（ＣｄＯ）膜を拡散源として用いるとよい。
【００１６】
このような固相拡散をストライプ状導波路の側方に行う際、ストライプ状リッジが形成されるクラッド層（クラッド層となる半導体層）の上面のリッジ形成予定部分上方にクラッド層を構成する半導体層より不純物の拡散速度の遅い半導体材料からなる膜を形成し、上記拡散源を当該半導体膜を跨ぐように当該クラッド層上面に形成するとよい。当該半導体膜として推奨される材料は、Ｇａ含有量の高いIII−Ｖ族化合物半導体が挙げられ、例えばＡｌＧａＩｎＰでクラッド層を構成する場合は半導体膜をＧａＡｓで構成すると効果的である。また、当該クラッド層をｐ型とした場合、半導体膜の導電型をｎ型とするとプロセス上有利である。ストライプ状導波路の側方において半導体多層膜の積層方向に沿って拡散した不純物は、上述の半導体膜下方に位置する半導体層に向けて横方向拡散により導入できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましき実施の形態を実施例１乃至３及びその関連図面を用いて詳細に説明する。なお、同一又は類似の構成要素には同じ参照番号を付してある。
【００１８】
＜実施例１＞
本発明第１の実施例の半導体レーザの構造を図１から図４を用いて説明する。
【００１９】
まず図１及び２を参照して半導体レーザ素子の発光領域の共振器端面となる部分及びその近傍部分に不純物を導入して所謂窓構造を形成するまでのプロセスを説明する。図１及び図２は窓構造形成が終了した段階での一形態を模式的に示し、図1は半導体基板上に成長された半導体膜の積層構造をその上面（成長表面）から見た図であり、図２は図１に示すａ−ａの一点破線に沿った断面を示す。図２において、１０１はＧａＡｓ基板を示しており、このＧａＡｓ基板１０１の面方位は（１００）面である。この基板上にｎ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐからなる厚さ1.8μｍ程度のｎ型クラッド層１０２、アンドープＩｎ_0.5（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｐからなる光ガイド層１０３で挾持されているＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ活性層１０４、ｐ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐからなる厚さ1.5μｍ程度のｐ型クラッド層１０５、ｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ層１０６、およびｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７を順次結晶成長した。
【００２０】
活性層は如何なる発光層でも良く、例えば、ダブルヘテロ構造のように均一な構造のものでも、多重量子井戸構造のようにエネルギー的に変調を受けている構造のものでも用いることが可能であるが、結晶成長時にInとGaの周期的な組成ゆらぎ、いわゆる自然超格子を生じるように形成されていることが必要である。
【００２１】
ここで自然超格子とは、ｎ種類（ｎは３以上の自然数）の元素で化合物半導体層（ｎ元系の混晶半導体層とも呼ぶ）を形成するとき、人為的には当該半導体層の全域においてｎ種類の元素の存在比率を一定にしようと形成条件を調整しながらも、形成された半導体層においてｎ種類の構成元素の夫々が周期的に局在してしまう状態を指す。即ち、本実施例の活性層で論じれば、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐという３種類の元素から構成される３元系化合物半導体層で作製した活性層内にＩｎＰ層とＧａＰ層とが周期的に積層されてしまい、その結果、当該活性層の禁制帯幅がＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐの混晶半導体の値より小さくなる（換言すれば、発光波長値が混晶半導体としてよそうした値より長くなる）という物性的な特徴を示す。即ち、自然超格子では人為的に形成された超格子構造の一例に見られるような、周期的に積層された２種類の半導体層の夫々の禁制帯幅に応じて一方が他方に電子又は正孔を閉じ込めるという現象は起こらず、あくまでも積層構造が一つのバルク材料であるかのように振る舞う。この物理的な性質は、自然超格子の積層周期（交互に繰り返される２種類の半導体層の夫々の厚み）が人為的に形成される通常の超格子構造より薄く、その厚みは例えば１原子層から１０原子層程度であるといえよう。本実施例では、活性層の上下面にこれとは組成の異なる光ガイド層を接合したもっとも単純なダブルヘテロ構造について説明する。
【００２２】
つぎに、このような半導体積層構造を持ったウエハのｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７をホトリソグラフ技術を用いて幅２０μmのストライプ状の形状に加工する。次に、スパッタ法によりＺｎＯ膜１０８の堆積を行った上で、ホトリソグラフ技術を用いてＺｎＯ膜１０８をｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプに直交する幅５０μmのストライプ状に加工する。この段階でのウエハの上面図を図１に示す。このようなウエハを摂氏６００度において約１５分加熱することによりＺｎＯ膜１０８からの亜鉛拡散を行った。
【００２３】
ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のない領域ではＺｎＯ膜１０８から直接亜鉛が拡散され亜鉛濃度が約１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の高濃度ドープ領域１０９が形成される。一方、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプとＺｎＯ膜１０８のストライプが交差した領域ではｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７中の亜鉛の拡散速度がｐ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐクラッド層１０５中の亜鉛の拡散速度の２５％以下と遅いため、ＺｎＯ膜１０８からの直接的亜鉛拡散は活性層には到達しない。
【００２４】
しかし、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の存在する領域においては前記高濃度ドープ領域に誘発された不純物の再拡散が発生し自然超格子の混晶化が進行して禁制帯幅の広がった領域１１０が形成される。このような不純物の再拡散はｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のある領域にそって毎分約２０μmの速さで横方向に広がる。このため拡散領域の亜鉛拡散が活性層に到達してから約３０秒で禁制帯幅が広がった領域１１０はｎ−ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプとＺｎＯ膜１０８ストライプの交差した領域の中央まで進行する。
【００２５】
このような禁制帯幅が広がった領域１１０は外部より導入された不純物ではなく、もともとクラッド層にドーピングされていた不純物の再分布により自然超格子の混晶化が起こるものであるため、不純物濃度の不必要な増加は起こらず窓領域の不純物吸収による損失は発生しない。以上の工程により形成された窓領域のｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプに直交する断面を図２に示す。この段階で、不純物導入による窓構造形成プロセスは終了する（但し、窓構造を有する共振器端面は未だ劈開されていない）。
【００２６】
ここで、本実施例に基づく半導体レーザ素子の量産イメージ、即ちＧａＡｓウエハ上に複数の素子を形成し、これらを劈開又はスクライブで個々のチップに分離する場合の説明図を図１５乃至１８に示し、以下のプロセス説明に援用する。図１５は窓構造形成プロセスが終了した段階のウエハを半導体層の成長面側から見た図であり、図１のイメージに相当する。但し、図１では窓構造を共振器端面の一方のみに形成する（ａ−ａ線に沿って劈開する）のに対し、図１５では共振器両端面に窓構造を形成する点が異なる。120はウエハの位置合わせのために設けられたオリエンテーション・フラット部を、131はホトリソグラフ用の位置合わせマークを示し、後者はｎ型ＧａＡｓキャップ層107と同じプロセスで形成される。図１５に示したｘ_n−ｘ_n線及びｙ_n−ｙ_n線（ｎ＝１〜６）はウエハ上に形成された複数の素子を個々のチップに分離するときの劈開又はスクライブの予定線であり、共振器端面は後者の線に沿った劈開により形成される。
【００２７】
半導体レーザ素子の共振器端面には、互いに反射率の異なる膜が形成され、レーザ光は反射率の低い膜が形成された端面から光学系に取り出される。この端面に形成される膜はＡＲ（Anti-Refletion）コート膜と呼ばれ、これに対して他端面に形成される膜はＨＲ（High-Reflection）コート膜と呼ばれる。ＡＲコートされたレーザ光出射端面に対し、ＨＲコートされた端面においては吸収される光のエネルギーは１／２乃至１／３程度と低く、レーザ光出射端面に比べて高出力発振時の損傷のリスクは低い。そこで、図１５におけるＺｎＯ膜108のうちｙ₂−ｙ₂線、ｙ₄−ｙ₄線、及びｙ₆−ｙ₆線に沿った膜の形成を省き、窓構造を共振器端面の一方のみに形成してもよい。
【００２８】
窓構造形成終了後のプロセスについて更に説明を続ける。図１６に示す如くＺｎＯ膜１０８を除去した後、通常の熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を堆積し、ホトリソグラフ技術を用いてｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプの中央付近にｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプと平行な幅約５μmのＳｉＯ２ストライプ１２２を形成する。このＳｉＯ２ストライプをマスクとしてｐ型クラッド層１０５の途中までをリッジ状に加工し、再度ＳｉＯ２ストライプをマスクとしてｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１の選択成長を行った（図１７参照）。
【００２９】
ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７を取り除いた後、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１およびｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ層１０６上に、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１１２を介してＡｕ・Ｚｎ合金からなるｐ側電極１１３が設けた（図１８参照）。そして、ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、Ａｕ・Ｇｅ合金からなるｎ側電極１１４が設けた。このような構造のウエハを、上述の劈開予定線に沿って長さ約６００μｍにへき開してレ−ザチップとした。へき開の位置はＺｎＯ膜１０８のストライプを設けた領域となるようにへき開位置の制御を行った。以上の工程により作成した半導体レーザの窓部および窓以外の部分の断面構造を図３および図４に示す。図１８には、劈開で得られたチップ単体の上面図を右下に示すが、この図において図３はＣ₁−Ｃ₁及びＣ₃−Ｃ₃の断面に、図４はＣ₂−Ｃ₂の断面に夫々相当する。図３において、不純物が高濃度に導入された領域１０９はｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１の下方に位置するため、ここで発生した荷電粒子がレーザ光を吸収・散乱することはなく、また活性層に流れるべき電流がここをバイパスすることもない。一方、不純物導入領域１１０へのバイパス電流を遮断するために、窓構造上部に位置するｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７をそのまま残してもよい。
【００３０】
なお、本実施例において、亜鉛の拡散により量子井戸を混晶化する際、亜鉛拡散時間が長すぎると窓領域のホトルミネッセンス発光強度が低下することに留意する必要がある。これは、長時間の亜鉛拡散により結晶欠陥が発生することが原因と考えられる。このような発光強度の低下を起こした素子では窓構造の効果が損なわれ、端面破壊レベルの増加が少なくなる傾向があった。図２０に発光強度と端面破壊レベルの関係を示すが、端面破壊レベルは発光強度の平方根に比例して変化し、発光強度の低下がまったく無い窓では窓構造の無い場合の約４倍の端面破壊レベルが得られることがわかった。これより、窓構造の効果を得るためには最低限窓形成前の５％以上の発光強度を保つように不純物拡散の条件を選択する必要があることがわかった。
【００３１】
本実施例の半導体レーザは波長６８０ｎｍ、しきい値電流約５０ｍＡで室温連続発振し、最大光出力は約３００ｍＷで、光出力１００ｍＷにおいて５０００時間以上の連続動作が可能であった。
【００３２】
＜実施例２＞
本発明第２の実施例の半導体レーザの構造を図５から図８に示す。２０１はＧａＡｓ基板を示しており、このＧａＡｓ基板２０１は、（１００）面から［０１１］方向に７度傾斜した面方位を有している。この基板上にｎ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐからなる厚さ1.8μｍ程度のｎ型クラッド層１０２、多重量子井戸活性層２０２、ｐ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐからなる厚さ1.5μｍ程度のｐ型クラッド層１０５、ｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ層１０６、およびｎ−ＧａＡｓキャップ層１０７を順次結晶成長した。
【００３３】
活性層２０２は厚さ５ｎｍのＩｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐ層２０３と厚さ５ｎｍのＩｎ_0.45（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.55Ｐ層２０４が４周期積層した多重量子井戸構造となっている。
【００３４】
つぎに、このような半導体積層構造を持ったウエハのｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７をホトリソグラフ技術を用いて図５のような幅２０μmのストライプと幅５０μmのストライプが交差した十字形の形状に加工する。次に、スパッタ法によりＺｎＯ膜１０８の堆積を行った上で、ホトリソグラフ技術を用いてＺｎＯ膜１０８をｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の幅５０μmのストライプ上に幅４０μmのストライプじょうに残るように加工する。
【００３５】
このようなウエハを摂氏６００度において約３０分加熱することによりＺｎＯ膜１０８からの亜鉛拡散を行った。ＺｎＯ１０８を残した領域ではＺｎＯ膜１０８から直接亜鉛が拡散され亜鉛濃度が約１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の高濃度ドープ領域１０９が形成される。
【００３６】
一方、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプが交差した領域ではＺｎＯ膜１０８からの直接的亜鉛拡散は活性層には到達しない。
【００３７】
しかし、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の存在する領域においては高濃度ドープ領域に誘発された不純物の再拡散が発生し超格子の混晶化が進行する。このような不純物の再拡散はｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のある領域にそって毎分約２０μmの速さで横方向に広がるため拡散領域の亜鉛拡散が活性層に到達してから約３０秒で禁制帯幅が広がった領域１１０はｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプの交差した領域の中央まで進行する。
【００３８】
このような短波長化領域は外部より導入された不純物ではなく、もともとクラッド層にドーピングされていた不純物の再拡散により超格子の混晶化が起こるために生じるものであるため、不純物濃度の不必要な増加は起こらず窓領域の不純物吸収による損失は発生しない。以上の工程により形成された窓領域のｎ−ＧａＡｓキャップ層１０７の幅２０μmのストライプに直交する断面を図６に示す。
【００３９】
ＺｎＯ膜１０８を除去した後、通常の熱ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を堆積し、ホトリソグラフ技術を用いてｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の幅２０μmのストライプの中央付近にｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプと平行な幅約５μmのＳｉＯ２ストライプを形成する。このＳｉＯ２ストライプをマスクとしてｐ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐクラッド層１０５の途中までをリッジ状に加工し、再度ＳｉＯ２ストライプをマスクとしてｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層１１１の選択成長を行った。
【００４０】
ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７を取り除いた後、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１１およびｐ型InGaP層１０６上には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１１２を介してＡｕ・Ｚｎ合金からなるｐ側電極１１３が設けられている。そして、ＧａＡｓ基板２０１の裏面には、Ａｕ・Ｇｅ合金からなるｎ側電極１１４が設けられている。このような構造のウエハを長さ約６００μｍにへき開してレ−ザチップとした。へき開の位置はＺｎＯ膜１０８のストライプを設けた領域となるようにへき開位置の制御を行った。以上の工程により作成した半導体レーザの窓部および窓以外の部分の断面構造を図３および図４に示す。
【００４１】
本実施例の半導体レーザは波長６５０ｎｍ、しきい値電流約５０ｍＡで室温連続発振し、最大光出力は約２００ｍＷで、光出力８０ｍＷにおいて５０００時間以上の連続動作が可能であった。
【００４２】
＜実施例３＞
本発明第３の実施例の半導体レーザの構造を図９から図１３に示す。１０１はＧａＡｓ基板を示しており、このＧａＡｓ基板１０１は、（１００）方向の面方位を有している。この基板上にｎ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐからなる厚さ1.8μｍ程度のｎ型クラッド層３０１、多重量子井戸活性層３０２、ｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐからなる厚さ1.5μｍ程度のｐ型クラッド層３０３、ｐ型Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層３０４、およびｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７を順次結晶成長した。
【００４３】
活性層３０２は厚さ５ｎｍのＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層３０５と厚さ５ｎｍのＧａＡｓ層３０６が２周期積層した多重量子井戸構造となっている。
【００４４】
つぎに、このような半導体積層構造を持ったウエハのｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７をホトリソグラフ技術を用いて幅２０μmのストライプと幅５０μmのストライプが交差した図９のような形状に加工する。この形状は図５に示した実施例２の場合と類似しているが、幅２０μmのストライプが幅５０μmのストライプと交わる部分に幅５μmの間隙を設けてあることが特徴である。次に、スパッタ法によりＺｎＯ膜１０８の堆積を行った上で、ホトリソグラフ技術を用いてＺｎＯ膜１０８をｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の５０μmのストライプ上の幅４０μmのストライプ状に加工する。この段階でのウエハの上面図を図９に示す。
【００４５】
このようなウエハを摂氏６００度において約３０分加熱することによりＺｎＯ膜１０８からの亜鉛拡散を行った。ＺｎＯ膜１０８を残した領域ではＺｎＯ膜１０８から直接亜鉛が拡散され亜鉛濃度が約１ｘ１０¹⁹ｃｍ^-3の高濃度ドープ領域１０９が形成される。
【００４６】
一方、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプが交差した領域ではＺｎＯ膜１０８からの直接的亜鉛拡散は活性層には到達しない。
【００４７】
しかし、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の存在する領域においては高濃度ドープ領域に誘発された不純物の再拡散が発生し超格子の混晶化が進行する。このような不純物の再拡散はｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のある領域にそって毎分約２０μmの速さで横方向に広がるため拡散領域の亜鉛拡散が活性層に到達してから約３０秒で禁制帯幅が広がった領域１１０はｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプとＺｎＯ膜１０８のストライプの交差した領域の中央まで進行する。
【００４８】
この時、禁制帯幅の広がった領域はｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のある領域のみに広がるため、ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の間隙を超えて幅２０μmのストライプまで進行することはない。
【００４９】
このような再拡散領域は外部より導入された不純物ではなく、もともとクラッド層にドーピングされていた不純物により超格子の混晶化が起こるために生じるものであるため、不純物濃度の不必要な増加は起こらず窓領域の不純物吸収による損失は発生しない。以上の工程により形成された窓領域のｎ−ＧａＡｓキャップ層１０７のそれぞれのストライプに直交する断面を図１０および図１１に示す。
【００５０】
ＺｎＯ膜１０８を除去した後、通常の熱化学気相堆積法によりＳｉＯ₂膜を堆積し、ホトリソグラフ技術を用いてｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７の幅２０μmのストライプの中央付近にｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７のストライプと平行な幅約５μmのＳｉＯ₂ストライプを形成する。このＳｉＯ２ストライプをマスクとしてｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐクラッド層３０４の途中までをリッジ状に加工し、再度ＳｉＯ₂ストライプをマスクとしてｎ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ電流ブロック層３０７の選択成長を行った。
【００５１】
ｎ型ＧａＡｓキャップ層１０７を取り除いた後、ｎ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ電流ブロック層３０７およびｐ型Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層３０４上には、ｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１１２を介してＡｕ・Ｚｎ合金からなるｐ側電極１１３が設けられている。そして、ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、Ａｕ・Ｇｅ合金からなるｎ側電極１１４が設けられている。このような構造のウエハを長さ約６００μｍにへき開してレ−ザチップとした。へき開の位置はＺｎＯ膜１０８のストライプを設けた領域となるようにへき開位置の制御を行った。以上のようにして作成した半導体レーザの構造を図７に示す。
【００５２】
本実施例の半導体レーザは波長９８０ｎｍ、しきい値電流約５０ｍＡで室温連続発振し、最大光出力は約５００ｍＷで、光出力２００ｍＷにおいて５０００時間以上の連続動作が可能であった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば半導体レーザの出力を出力以外の特性を劣化させずに大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１の実施例のｎ型ＧａＡｓキャップ層とＺｎＯのストライプ配置図。
【図２】本発明第１の実施例の拡散領域の断面図。
【図３】本発明第１の実施例の半導体レーザの窓領域の断面構造図。
【図４】本発明第１の実施例の半導体レーザの窓以外の領域の断面構造図。
【図５】本発明第２の実施例のｎ型ＧａＡｓキャップ層とＺｎＯのストライプ配置図。
【図６】本発明第２の実施例の拡散領域の断面図。
【図７】本発明第２の実施例の半導体レーザの窓領域の断面構造図。
【図８】本発明第２の実施例の半導体レーザの窓以外の領域の断面構造図。
【図９】本発明第３の実施例のｎ型ＧａＡｓキャップ層とＺｎＯのストライプ配置図。
【図１０】本発明第３の実施例の拡散領域の幅２０μmのストライプに沿った断面図。
【図１１】本発明第３の実施例の拡散領域の幅５０μmのストライプに沿った断面図。
【図１２】本発明第３の実施例の半導体レーザの窓領域の断面構造図。
【図１３】本発明第３の実施例の半導体レーザの窓以外の領域の断面構造図。
【図１４】従来の窓構造半導体レーザの構造図。
【図１５】本発明第１の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図１６】本発明第１の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図１７】本発明第１の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図１８】本発明第１の実施例における半導体レーザ素子の量産イメージの説明図。
【図１９】本発明における不純物導入位置の一例の説明図。
【図２０】半導体レーザ素子の端面におけるＰＬ（ホトルミネッセンス）強度の低下率と当該端面のＣＯＤ（カタストロフ・光学劣化）との相関関係を示す図。
【符号の説明】
１０１…ＧａＡｓ基板、１０２…ｎ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐクラッド層、１０３…アンドープＩｎ_0.5（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.5Ｐ光ガイド層、１０４…アンドープＩｎ0.5Ｇａ0.5Ｐ活性層、１０５…ｐ型Ｉｎ_0.5（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.5Ｐクラッド層、１０６…ｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐクラッド層、１０７…ｎ型ＧａＡｓキャップ層、１０８…ＺｎＯ膜、１０９…高濃度ドープ領域、１１０…禁制帯幅が広がった領域、１１１…ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層、１１２…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１１３…Ａｕ・Ｚｎ電極、１１４…Ａｕ・Ｇｅ電極、２０１…ＧａＡｓ基板、２０２…活性層、２０３…Ｉｎ_0.55Ｇａ_0.45Ｐクラッド層、２０４…Ｉｎ_0.45（Ｇａ_0.5Ａｌ_0.5）_0.55Ｐクラッド層、３０１…ｎ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐクラッド層、３０２…活性層、３０３…ｐ型Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐクラッド層、３０５…ｐ型Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層、３０６…Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ_0.6Ｐ_0.4層、３０７…ＧａＡｓ層。

Claims

第１導電型の半導体基板上に第１導電型のクラッド層、活性層および第２導電型のクラッド層を順次形成し、
前記クラッド層上にストライプ状に第１導電型のキャップ層を設け、ストライプ状の前記キャップ層の下の活性層が半導体レーザの発光領域となるようにし、
前記キャップ層を横切るようにZnOからなる拡散源を有する層を設け、
前記拡散源を加熱することにより前記拡散源から拡散される不純物である第１のZnを活性層の両脇に拡散させて導入し、
前記第１のZnが前記活性層の両脇に拡散導入されることに誘発されて、前記キャップ層の下であって、かつ、前記第２導電型のクラッド層に予め導入されている第２のZnが前記キャップ層の下の前記活性層へ拡散され、それにより前記第２のZnが拡散された部分の前記活性層のバリア層とウエル層とが混晶化され、その後、前記第２のZnを拡散させた活性層の領域を劈開してその劈開面をレーザ共振器の反射鏡とすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。