JP3778840B2

JP3778840B2 - 半導体レーザ素子とその製造方法

Info

Publication number: JP3778840B2
Application number: JP2001321241A
Authority: JP
Inventors: 良治 ▲広▼山; ▲高▼弘上谷; 潔太田; 幸司米田; 昌幸庄野; 晃茨木; 慶一吉年
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-03-25
Also published as: JP2002124736A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、発振波長が赤色域の半導体レーザ素子としてＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子が活発に研究開発されている。特に、このＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は６３０〜６８０ｎｍ帯の発振が可能であり、この波長帯は視感度が高いことから、斯る素子はレーザーポインターやラインマーカー等に使用されている他、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて発振波長が短いことから高密度記録用光源等として期待されている。
【０００３】
斯る半導体レーザ素子は、一般に電流ブロック層にはＧａＡｓ層が用いられるが、例えば、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL．１，NO．２，JUNE 1995 p723〜p727には電流ブロック層として、ＡｌＩｎＰ層（光閉じ込め層）とＧａＡｓ層からなる２層構造を採用したリッジ型の半導体レーザ素子の例が示されている。
【０００４】
この文献において、この２層構造の電流ブロック層を備えた半導体レーザ素子は電流ブロック層がＧａＡｓ層の１層構造である一般的な半導体レーザ素子より、発振しきい値電流及びスロープ効率が改善できることが報告されている。
【０００５】
このようなリッジ型半導体レーザ素子は、通常、ＳｉＯ₂膜等の誘電体材料からなるマスク膜を介した状態でエッチングを行ってリッジ部を形成した後、このマスク膜を残した状態で電流ブロック層を有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の気相成長法を用いて形成する工程を経て製造される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、製造装置にとって好ましくないＨＣｌなどの腐食性ガスを導入しないで、ＡｌＩｎＰ層等のＡｌ組成比の高い材料からなる電流ブロック層を成長する場合、成長条件を選択しても誘電体材料からなるマスク膜上に上記Ａｌ組成比の高い材料が点在して形成されてしまう。この結果、続いてＧａＡｓ層からなる電流ブロック層を成長すると、通常、誘電体材料上には成長しないＧａＡｓ層が前記点在してなるＡｌ組成比の高い材料を核としてマスク膜上の広範囲の領域に形成されるため、電流ブロック層形成後にマスク膜をウェットエッチングや反応性ガスを用いたドライエッチングで除去することが困難となる。この結果、完成した半導体レーザ素子中にマスク膜の一部が残存することに起因し、素子歩留まりが悪くなるといった問題が生じる。
【０００７】
また、上述の問題点を解決した場合でも、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子にかかわらず、半導体レーザ素子は発振しきい値電流及びスロープ効率を更に改善することが要求されている。
【０００８】
この中でも、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べ、材料固有の問題から発振しきい値電流及びスロープ効率の特性が劣り、更なる特性向上が求められている。
【０００９】
本発明は、上述の問題点を鑑み成されたものであり、腐食性ガスを用いず歩留まりのよい光閉じ込め層を有する半導体レーザ素子とその製造方法を提供することが目的であり、更なる目的としては良好な発振しきい値電流及びスロープ効率の特性を有す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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、一主面が｛１００｝面から＜０１１＞方向に５度〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる半導体基板と、該半導体基板の一主面上に形成された（Ａｌ _x1 Ｇａ _1-x1 ） _y1 Ｉｎ _1-y1 Ｐからなると共にＳｉがドープされている第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流通路となるストライプ状リッジ部を有する前記第１導電型とは逆導電型となる（Ａｌ _x2 Ｇａ _1-x2 ） _y2 Ｉｎ _1-y2 Ｐからなる第２導電型のクラッド層と、該リッジ部の側面上を覆うように前記第２導電型のクラッド層上に形成された該第２導電型のクラッド層より屈折率が小さく且つ発振光のエネルギー（ｈν：ｈはプランク定数、νは発振光の振動数）より大きなエネルギーのバンドギャップ（Ｅg：Ｅg＞ｈν）を有する（Ａｌ _x3 Ｇａ _1-x3 ） _y3 Ｉｎ _1-y3 Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１＞０、１≧ｘ３＞ｘ２＞０、１＞ｙ１＞０、１＞ｙ２＞０、１＞ｙ３＞０）からなると共にＳｅがドープされている光閉じ込め層と、該光閉じ込め層上に形成された酸化防止層としての第１導電型の電流ブロック層と、を備え、前記第１導電型の電流ブロック層の層厚が０．４μｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子は、製造工程において、リッジ部形成のための誘電体材料からなるマスク膜を介して光閉じ込め層を気相成長法により形成した際に、マスク膜上に光閉じ込め層の材料が点在して形成されても、その後に形成される電流ブロック層の層厚が０．４μｍ以下であるので、この電流ブロック層がマスク膜の広範囲を覆うことがない。従って、このマスク膜は通常のウェットエッチング又は反応性ガスを用いたドライエッチングで容易に取り除けるので、腐食性のガスを使用することなく、製造歩留まりを向上させることができる。
【００１２】
特に、前記電流ブロック層は、製造工程中において光閉じ込め層の酸化を防止し、その上での結晶成長を良好にすると共に、十分な電流阻止効果を得るために、光閉じ込め層上全域にわたって０．２μｍ以上の層厚で形成されるのが好ましい。
【００１３】
特に、前記光閉じ込め層は第１導電型であり、且つ該光閉じ込め層の少なくとも前記活性層側の不純物濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。
【００１４】
更に、前記光閉じ込め層は、全域にわたって不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。
【００１５】
斯る半導体レーザ素子では、発振しきい値電流とスロープ効率の特性が良好となる。
【００１６】
特に、前記不純物濃度は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。
【００１７】
この場合、発振しきい値電流とスロープ効率の特性がより良好になる。
【００１８】
更に、前記不純物濃度は、２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。
【００１９】
この場合、発振しきい値電流とスロープ効率の特性が更に良好になる。
【００２０】
また、前記不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。
【００２１】
この場合、光閉じ込め層全体又は光閉じ込め層の少なくとも活性層側を十分なキャリア濃度を有し得る低抵抗領域とすることが可能であり、よってこの低抵抗領域と第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合により電流阻止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電流とスロープ効率の特性を良好にできる。
【００２２】
更に、前記不純物濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。
【００２３】
この場合、光閉じ込め層全体又は光閉じ込め層の少なくとも活性層側をより十分なキャリア濃度を有しえる低抵抗領域とすることが可能であり、よってこの領域と第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合により電流阻止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電流とスロープ効率の特性を良好にできる。しかも、この１０¹⁷ｃｍ^-3台の濃度制御は１０¹⁶ｃｍ^-3台の濃度制御に比べて容易であるので、製造歩留まりが向上する。
【００２５】
また、基板として第１導電型のＧａＡｓ基板を用い、第１導電型のクラッド層、第２導電型のクラッド層、光閉じ込め層は、それぞれＧａＡｓ基板と略格子整合する（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる。
【００２６】
この場合、平坦部の厚みは０．０１〜０．１３μｍがよく、好ましくは０．０３〜０．０８μｍであり、光閉じ込め層の厚みは０．３〜１μｍがよく、好ましくは０．４〜０．８５μｍ、より好ましくは０．５〜０．７５μｍである。また、光閉じ込め層が（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_y3Ｉｎ_1-y3Ｐからなる場合には、４元系より３元系の方が熱伝導がよく、しかも屈折率が最大にできるので、Ａｌ組成比ｘ３は１が最も好ましい。
【００２７】
なお、この場合、活性層としては、ＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる単一又は多重量子井戸構造層やＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる非量子井戸層である単一層が用いれる。
【００２８】
特に、前記光閉じ込め層上には、該光閉じ込め層より不純物濃度、即ちキャリア濃度が大きい第１導電型の電流ブロック層を有することを特徴とする。
【００２９】
この場合、前記光閉じ込め層の電流ブロック層としての機能は、不純物濃度（キャリア濃度）が小さいため、電流阻止効果が小さくなる恐れがあるが、不純物濃度（キャリア濃度）が大きい電流ブロック層で十分に電流阻止効果を補える。
【００３０】
特に、前記電流ブロック層は、ＧａＡｓからなることを特徴とする。
【００３１】
この場合、ＧａＡｓは酸化する恐れもなく、製造上好ましい利点を有する上に、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＩｎＰ等に比べて熱伝導性もよいので、好ましい。
【００３２】
また、前記光閉じ込め層の少なくとも前記活性層側のキャリア濃度は略５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることを特徴とする。
【００３３】
この場合、光閉じ込め層の少なくとも活性層側を低抵抗領域とでき、この領域と第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合により電流阻止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電流とスロープ効率の特性を良好にできる。
【００３４】
特に、前記光閉じ込め層は、低抵抗層であることを特徴とする。
【００３５】
この場合、光閉じ込め層は低抵抗層であり、第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合による電流阻止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電流とスロープ効率の特性を著しく良好になる。なお、この低抵抗層としてのキャリア濃度は好ましくは略５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であり、より好ましくは略１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上である。
【００３６】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、｛１００｝面から＜０１１＞方向に５度〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる半導体基板の一主面上に、（Ａｌ _x1 Ｇａ _1-x1 ） _y1 Ｉｎ _1-y1 Ｐからなると共にＳｉがドープされている第１導電型のクラッド層、活性層、及び（Ａｌ _x2 Ｇａ _1-x2 ） _y2 Ｉｎ _1-y2 Ｐからなる第２導電型のクラッド層を成長する工程と、該第２導電型のクラッド層上に誘電体材料からなるマスク膜を形成した後、該マスク膜を介した状態で前記第２導電型のクラッド層をエッチングしてリッジ部を形成する工程と、前記マスク膜を介した状態で前記リッジ部を有する第２導電型のクラッド層上に、該第２導電型のクラッド層より屈折率が小さく且つ発振光のエネルギーより大きなエネルギーのバンドギャップを有する（Ａｌ _x3 Ｇａ _1-x3 ） _y3 Ｉｎ _1-y3 Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１＞０、１≧ｘ３＞ｘ２＞０、１＞ｙ１＞０、１＞ｙ２＞０、１＞ｙ３＞０）からなると共にＳｅがドープされている光閉じ込め層を気相成長法により形成する工程と、該光閉じ込め層上に酸化防止層としての層厚０．４μｍ以下の第１導電型の電流ブロック層を気相成長法により形成する工程と、前記マスク膜をエッチング法により除去する工程と、を備えることを特徴とする。尚、光閉じ込め層の気相成長条件としては、マスク膜上に光閉じ込め層の材料が離散的に点在形成されるか、好ましくは殆ど形成されないように設定される。なお、半導体基板上に、第１導電型のクラッド層、活性層、及び第２導電型のクラッド層を成長する工程も通常、気相成長法が使用される。
【００３７】
本発明の製造方法では、誘電体材料からなるマスク膜を介して光閉じ込め層を形成した際に、光閉じ込め層がＡｌを含有する材料であることに起因してマスク膜上に光閉じ込め層の材料が点在して形成されても、その後に形成される電流ブロック層の層厚が０．４μｍ以下であるので、この電流ブロック層がマスク膜の広範囲を覆うことがない。従って、このマスク膜は通常のウェットエッチングや反応性ガスを用いたドライエッチングで容易に取り除けるので、腐食性ガスを用いることなく、製造歩留まりを上げることができる。
【００３８】
なお、このマスク膜は、例えば酸化ケイ素膜や窒化ケイ素膜などであり、気相成長法としてはＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）などが用いられる。
【００３９】
また、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の場合には、第１、第２導電型のクラッド層は好ましくはＡｌ組成比が０．４〜０．６に選択され、光閉じ込め層のＡｌ組成比はこれより大きく且つ好ましくは０．４２〜０．６２の中から選択される。
【００４０】
このように第１、第２導電型のクラッド層がＡｌを含有する場合には、光閉じ込め層のＡｌ組成比は、これらクラッド層のＡｌ組成比よりも大きく選択され、このようにクラッド層のＡｌ組成比よりも大きく選択されたＡｌ組成比の光閉じ込め層はマスク膜上に点在成長してしまう。
【００４１】
また、第２導電型のクラッド層中には、エッチング阻止層等の他の層が含まれてもよい。
【００４２】
なお、上記電流ブロック層は、発振光のエネルギーよりエネルギーの小さなバンドギャップを有することが好ましい。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を図を用いて説明する。尚、図１、及び図２は、それぞれ斯る半導体レーザ素子の模式断面構造図、活性層乃至電流ブロック層近傍の模式バンド構造図である。
【００４４】
図中、１はｎ型ＧａＡｓ半導体基板で、その一主面（結晶成長面）は（１００）面から［０１１］方向に角度θ（θ＝５度〜１７度、好ましくは７度〜１３度：以下この角度θをオフ角度θという）で傾斜した面であり、この前記一主面上には層厚０．３μｍのｎ型Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバッファ層２が形成されている。
【００４５】
上記バッファ層２上には、層厚１．２μｍのｎ型（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態ではｘ１＝０．７：Ｓｉドープ）からなるクラッド層３が形成されている。
【００４６】
図２に詳細を示すように、前記ｎ型クラッド層３上には、層厚５００Åのアンドープの（Ａｌ_z1Ｇａ_1-z1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態ではｚ１＝０．５）光ガイド層４が形成されている。
【００４７】
この光ガイド層４上には、層厚１００Åの引張り歪を有する（Ａｌ_pＧａ_1-p）_qＩｎ_1-qＰ（１＞ｐ≧０，１＞ｑ＞０．５１：本形態ではｐ＝０、ｑ＝０．６５）量子井戸層５ａ、５ａ、５ａと層厚４０Åの圧縮歪みを有する（Ａｌ_rＧａ_1-r）_sＩｎ_1-sＰ（１≧ｒ＞０，０＜ｓ＜０．５１：本形態ではｒ＝０．５、ｓ＝０．４５）量子障壁層５ｂ、５ｂとが交互に積層されてなるアンドープの歪補償型多重量子井戸構造からなる活性層５が形成されている。
【００４８】
この活性層５上には、層厚５００Åのアンドープの（Ａｌ_z2Ｇａ_1-z2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態ではｚ２＝０．５）光ガイド層６が形成されている。
【００４９】
この光ガイド層６上には、層厚ｔの平坦部７ａとこの平坦部の略中央に紙面垂直方向（共振器長方向）に延在する高さ０．５〜０．８μｍ、上部幅２．５〜３．５μｍ、下部幅３．５〜４．５μｍのストライプ状リッジ部７ｂで構成されるｐ型（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態ではｘ２＝０．７：Ｚｎドープ）からなるクラッド層７が形成されている。
【００５０】
前記リッジ部７ｂ上面には、層厚０．１μｍのｐ型Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐキャップ層（Ｚｎドープ）８、及び層厚０．３μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（Ｚｎドーープ）９がこの順序で形成されている。
【００５１】
これらｐ型キャップ層８、９、リッジ部７ｂの側面上及び平坦部７ａ上には、層厚ｕμｍのｎ型（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１，ｘ２＞０：本実施形態ではｘ３＝１，Ｓｅドープ）からなる不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の電流ブロック層としても機能し且つ光閉じ込め機能を有する光閉じ込め層１０及びこの光閉じ込め層１０より熱伝導性がよく且つ不純物濃度が大きく本実施形態では１×１０¹⁸ｃｍ^-3である層厚０．４μｍ以下、例えば０．３μｍのｎ型ＧａＡｓ（Ｓｅドープ）からなる酸化防止層としての電流ブロック層１１がこの順序で形成されている。なお、この電流ブロック層１１の層厚は、製造工程中で光閉じ込め層１０の酸化を防止すると共に、電流阻止効果を十分に得るため、０．２μｍ以上が好ましい。
【００５２】
前記キャップ層９及び電流ブロック層１１上には、層厚５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層（Ｚｎドープ）１２が形成されている。
【００５３】
前記コンタクト層１２上面にはＡｕ−Ｃｒからなるｐ型側オーミック電極１３が、前記ｎ型ＧａＡｓ基板１下面にはＡｕ−Ｓｎ−Ｃｒからなるｎ型側オーミック電極１４が形成されている。
【００５４】
斯る半導体レーザ素子は、活性層５のバンドギャップ（即ち発振光のエネルギー（ｈν））よりエネルギーの大きいバンドギャップのクラッド層３、７で挟まれると共に、発振光のエネルギー（ｈν）よりバンドギャップが大きく（即ち、発振光の吸収が殆どなく）且つクラッド層７より屈折率の小さい光閉じ込め層１０と該光閉じ込め層１０より熱伝導性に優れる電流ブロック層１１を備えている。なお、この光閉じ込め層１０は、クラッド層７と同じ導電型であったり、アンドープである場合には、電流阻止効果や電流挟窄効果が薄れ、発振しきい値電流やスロープ効率が悪くなるので、これらに設定しない。
【００５５】
そして、本実施形態の半導体レーザ素子は、上記発振光に対して透明な光閉じ込め層１０の構成により実屈折率導波型レーザ素子として動作するものであるが、このように実屈折率導波型として動作するためには、上記リッジ部７ｂ領域下と該リッジ部７ｂ領域外下における活性層５に対する実屈折率差は所定値以上が必要であり、実屈折率導波型として良好に動作するためには、好ましくは上記屈折率差は３×１０^-3以上が要求される。
【００５６】
図３は、上記平坦部７ａの層厚ｔと、リッジ部７ｂ領域下とリッジ部７ｂ外領域下での活性層５に対する実屈折率差の関係を計算により求めた結果を示す。
【００５７】
この図３から、本実施形態では、実屈折率差が３×１０^-3以上となるように、平坦部７ａの層厚ｔは１３００Å以下が選択され、好ましくは５×１０^-3以上となる８００Å以下が選択される。そして、活性層５又は光ガイド層６に直接光閉じ込め層１０が接する構造では、製造においてこれら層が大気に晒されるといった不都合が生じるので、層厚ｔは例えば略１００Åを下限とした方がよい。
【００５８】
図４は、実験によって求めた本実施形態の半導体レーザ素子の光閉じ込め層１０の層厚ｕと発振しきい値電流の関係を示す。尚、この特性は、光閉じ込め層１０の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3、共振器長Ｌ＝４００μｍ、端面非コート、室温の条件で連続発振させて得た。
【００５９】
この図４から、光閉じ込め層１０の層厚ｕは０．３μｍ以上１μｍ以下がよく、更に好ましいのは０．４μｍ以上０．８５μｍ以下、より好ましいのは０．５μｍ以上０．７５μｍ以下であることが判る。
【００６０】
このように、光閉じ込め層１０がある程度の厚みが必要なのは次の理由による。即ち、本実施形態では、電流ブロック層１１が光吸収を行なえる材料で構成されるため、光閉じ込め層１０の厚みが小さいと、電流ブロック層１１によって強く光吸収が行われ、厚すぎると、光閉じ込め層１０は放熱性が悪く、素子の放熱特性が悪くなるためである。
【００６１】
図５は、本実施形態の半導体レーザ素子と従来の電流ブロック層がＧａＡｓ層の１層構造であるロスガイド型のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の電流−光出力特性図（Ｉ−Ｌ特性図）を示す。尚、この特性も、光閉じ込め層１０の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3、共振器長Ｌ＝４００μｍ、ｕ＝０．５μｍ、ｔ＝０．０５μｍ、端面非コート、室温の条件で連続発振させて得た。
【００６２】
この図５から、本実施形態の素子が従来の素子に比べて、発振しきい値電流値が小さく、且つスロープ効率も良好であることが判る。
【００６３】
次に、図６に光閉じ込め層１０の不純物濃度（ドーパント濃度）と、発振しきい値電流、スロープ効率との関係を示す。
【００６４】
この図６から、光閉じ込め層１０は不純物濃度が小さくなる程、発振しきい値電流が小さくなると共に、スロープ効率が大きくなることが理解できる。
【００６５】
特に、光閉じ込め層１０の不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合に、従来の電流ブロック層がＧａＡｓ層の１層構造であるロスガイド型のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の発振しきい値電流よりも小さな４０ｍＡ以下にできると共に、スロープ効率を従来の素子よりも大きな０．３Ｗ／Ａ以上にできる。
【００６６】
更に、この不純物濃度が３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合、発振しきい値電流を３０ｍＡより小さくでき、スロープ効率も０．４Ｗ／Ａよりも大きくできるのでより好ましく、更に２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合、発振しきい値電流を２５ｍＡより小さく、スロープ効率も０．４５Ｗ／Ａよりも大きくできるのでより望ましく、加えて１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合には、発振しきい値電流が著しく小さくなり、スロープ効率も０．５Ｗ／Ａ以上となるので、非常に好ましい。
【００６７】
上述のように、光閉じ込め層１０は不純物濃度が小さくなる程、発振しきい値電流及びスロープ効率が改善されることが判る。
【００６８】
このことは、従来素子では、電流ブロック層がこの層と隣接するクラッド層等と逆導電型となすことにより形成されるｐ−ｎ接合により電流をブロックするため、電流ブロック層は不純物濃度が高いことが望ましいと考えられていた点とは全く逆の現象である。
【００６９】
この理由は十分でないが、本発明の半導体レーザ素子の場合、クラッド層７に比べてバンドギャップが大きい（Ａｌ組成比が大きい）光閉じ込め層１０は不純物（ドーパント）が動きやすく、この層１０からの不純物が（ドーパント：本実施形態ではＳｅ）が活性層５側へ拡散してしまうからであると考えられる。しかも、本発明の素子は、従来に比べて平坦部の層厚ｔが従来の半導体レーザ素子に比べて小さくなっている点も原因の１つであろうと考えられる。
【００７０】
また、この光閉じ込め層１０の不純物濃度（キャリア濃度）が非常に小さくなる場合には、クラッド層７とのｐｎ接合による電流阻止効果や電流挟窄効果が薄れ、発振しきい値電流やスロープ効率が悪くなるので、この不純物濃度は２×１０¹⁶ｃｍ^-3より大がよく、好ましくは５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である。尚、上述の実施形態では、ドーパントの活性化率は略１００％であるので、上記不純物濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合のキャリア濃度は略２×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、不純物濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合のキャリア濃度は略５×１０¹⁶ｃｍ^-3、不純物濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3の場合のキャリア濃度は略１×１０¹⁷ｃｍ^-3に対応する。
【００７１】
次に、斯る半導体レーザ素子の製造方法の一例を以下に示す。
【００７２】
最初に、図７（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ板１上に、ｎ型バッファ層２、ｎ型クラッド層３、光ガイド層４、活性層５、光ガイド層６、ｐ型クラッド層７、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層８、ｐ型ＧａＡｓキャップ層９をこの順序でＭＯＣＶＤ法により連続成長した後、ｐ型ＧａＡｓキャップ層９上に膜厚０．２μｍのＳｉＯ2膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法、又は電子ビーム蒸着法等の薄膜形成方法により形成し、これをフッ酸系エッチング液を用いてストライプ状のマスク膜２１に形成する。
【００７３】
次に、図７（ｂ）に示すように、前記マスク膜２１を介した状態でウェットエッチングによりｐ型クラッド層７を平坦部７ａ、リッジ部７ｂからなる形状にエッチングした後、前記マスク膜２１を介した状態でＭＯＣＶＤ法によりｎ型光閉じ込め層１０、ｎ型電流ブロック層１１をこの順序で連続成長する。尚、この工程において、ｎ型光閉じ込め層１０の成長条件は、マスク膜２１上に光閉じ込め層１０の材料の堆積を低減するように設定されるが、マスク膜２１上にこの材料が離散的に点在することとなる。
【００７４】
その後、マスク膜２１をフッ酸系エッチング液を用いたウェットエッチングで除去した後、ｐ型コンタクト層１２をＭＯＣＶＤ法により形成し、ｐ型側、ｎ型側オーミック電極１３、１４を形成して、図１に示す半導体レーザ素子を完成する。
【００７５】
この製造方法においては、不所望な材料が離散的に点在した状態のマスク膜２１上にｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１１を形成するので、前記点在した材料を核としてＧａＡｓが若干結晶成長する。しかしながら、ｎ型電流ブロック層１１は層厚が０．４μｍ以下としているので、マスク膜２１上に存在するＧａＡｓ層はマスク膜２１の半分の領域に達することがない。この結果、マスク膜２１をウェットエッチングで除去する際、エッチング液が十分にゆき渡ってマスク膜２１が容易に除去される。
【００７６】
一方、ｎ型電流ブロック層１１の層厚を０．５μｍ以上とした場合には、マスク膜２１上の半分を遥かに越えた広範囲の領域にＧａＡｓ層が形成され、マスク膜２１を完全に除去することが困難となる。この結果、マスク膜２１の一部が残存した特性の劣化した半導体レーザ素子が製造されることとなる。
【００７７】
なお、上記ウェットエッチングに代えて反応性ガスを用いたドライエッチングでも類似の結果が得られた。
【００７８】
このように、ｎ型電流ブロック層１１の層厚を０．４μｍ以下とすることにより、マスク膜２１上に形成されるＧａＡｓ層の面積が非常に小さくなる理由は明確ではないが、通常、マスク膜２１上に形成されないＧａＡｓ層が形成されるためには、上述の核の存在の他に、層厚を０．５μｍ以上として付着強度をますようにしなければならないからと考えられ、よって、層厚を０．４μｍ以下とすると、核が存在しても、十分に層が延存方向に成長できないと考えられる。なお、このような現象は、ＳｉＯ₂膜以外のＳｉＮ膜等からなる誘電体材料からなるマスク膜においても見られる。
【００７９】
また、上述では、歪補償型の量子井戸構造の活性層について主に説明したが、引っ張り歪みや圧縮歪のものでも、無歪のものでもよく、勿論バルク構造でもよい。また、上述の活性層は量子井戸層に光閉じ込めをよくするために光ガイド層を備えたが、これら光ガイド層はない構成も可能である。
【００８０】
更に、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１とｎ型クラッド層３の間に設けたｎ型Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバッファ層２に代えてｎ型ＧａＡｓバッファ層を用いてもよく、またバッファ層はなくともよい。
【００８１】
また、上述のようにリッジ部と平坦部で構成されるクラッド層中には、例えば両部の間にエッチング停止層や、平坦部又はリッジ部中に可飽和光吸収層等の他の層が含まれる構成とすることもできる。
【００８２】
また、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_vＩｎ_1-vＰ（ｘ≧０）結晶は、ｖ＝０．５１の場合に正確にＧａＡｓ半導体基板と格子整合して歪が生じないが、ｖ＝０．５１の近傍であっても殆ど歪が生じないので、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐと略記しているものは、組成比ｖは０．５１近傍であればよい。特に、本発明では、クラッド層、ブロック層は略無歪みのものが好ましい。
【００８３】
更に、上記実施形態では、ＧａＡｓ半導体基板１の一主面が（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面であったが、これらと等価な関係にあるものが望ましい。即ち、ＧａＡｓ基板の一主面（結晶成長面）は、（１００）面から［０−１−１］方向に傾斜した面、（０１０）面から［１０１］又は［−１０−１］方向に傾斜した面、（００１）面から［１１０］又は［−１−１０］方向に傾斜した面でもよく、即ち｛１００｝面から＜０１１＞方向に傾斜した面であればよい。
【００８４】
加えて、上記実施形態では、層全体にわたり不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である光閉じ込め層を用いたが、少なくとも活性層側の不純物濃度を５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とする光閉じ込め層も使用可能である。更に、光閉じ込め層の層中で不純物濃度が漸次的、段階的に変化するようにもでき、また、光閉じ込め層を異なる組成比の複数層からなるようにしてもよい。
【００８６】
【発明の効果】
腐食性ガスを用いずに歩留まりよく製造できる光閉じ込め層を有する半導体レーザ素子とその製造方法を提供できる。
【００８７】
更に、良好な発振しきい値電流及びスロープ効率の特性を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である半導体レーザ素子の模式断面構造図である。
【図２】上記実施の一形態である半導体レーザ素子の活性層乃至電流ブロック層近傍の模式バンド構造図である。
【図３】ｐ型クラッド層の平坦部の層厚ｔと実屈折率差の関係を示す図である。
【図４】光閉じ込め層の層厚ｕと発振しきい値電流の関係を示す図である。
【図５】上記実施形態の半導体レーザ素子と従来の半導体レーザ素子の光出力−電流特性の関係を示す図である。
【図６】光閉じ込め層の不純物濃度と、発振しきい値電流、スロープ効率の関係を示す図である。
【図７】上記半導体レーザ素子の製造工程図である。
【符号の説明】
１ｎ型ＧａＡｓ半導体基板
３ｎ型（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
５活性層
７ｐ型（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層
７ａ平坦部
７ｂリッジ部
１０光閉じ込め層（ｎ型（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層）
１１電流ブロック層（ｎ型ＧａＡｓ層）

Claims

一主面が｛１００｝面から＜０１１＞方向に５度〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる半導体基板と、該半導体基板の一主面上に形成された（Ａｌ _x1 Ｇａ _1-x1 ） _y1 Ｉｎ _1-y1 Ｐからなると共にＳｉがドープされている第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電流通路となるストライプ状リッジ部を有する前記第１導電型とは逆導電型となる（Ａｌ _x2 Ｇａ _1-x2 ） _y2 Ｉｎ _1-y2 Ｐからなる第２導電型のクラッド層と、該リッジ部の側面上を覆うように前記第２導電型のクラッド層上に形成された該第２導電型のクラッド層より屈折率が小さく且つ発振光のエネルギーより大きなエネルギーのバンドギャップを有するＡｌ _x3 Ｇａ _1-x3 ） _y3 Ｉｎ _1-y3 Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１＞０、１≧ｘ３＞ｘ２＞０、１＞ｙ１＞０、１＞ｙ２＞０、１＞ｙ３＞０）からなると共にＳｅがドープされている光閉じ込め層と、該光閉じ込め層上に形成された酸化防止層としての第１導電型の電流ブロック層と、を備え、前記第１導電型の電流ブロック層の層厚が０．４μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
前記電流ブロック層の層厚は０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記光閉じ込め層は第１導電型であり、且つ該光閉じ込め層の少なくとも前記活性層側の不純物濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子。
前記光閉じ込め層は、全域にわたって不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
前記不純物濃度は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項３、又は４記載の半導体レーザ素子。
前記不純物濃度は、２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ素子。
前記不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項３、４、５、又は６記載の半導体レーザ素子。
前記不純物濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であることを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ素子。
前記電流ブロック層は、前記光閉じ込め層より不純物濃度が大きいことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の半導体レーザ素子。
前記電流ブロック層は、ＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、又は９記載の半導体レーザ素子。
前記光閉じ込め層の少なくとも前記活性層側のキャリア濃度は略５×１０ ¹⁶ ｃｍ ^-3 以上であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の半導体レーザ素子。
前記光閉じ込め層は、低抵抗層であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又は１１記載の半導体レーザ素子。
｛１００｝面から＜０１１＞方向に５度〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる半導体基板の一主面上に、（Ａｌ _x1 Ｇａ _1-x1 ） _y1 Ｉｎ _1-y1 Ｐからなると共にＳｉがドープされている第１導電型のクラッド層、活性層、及び（Ａｌ _x2 Ｇａ _1-x2 ） _y2 Ｉｎ _1-y2 Ｐからなる第２導電型のクラッド層を成長する工程と、該第２導電型のクラッド層上に誘電体材料からなるマスク膜を形成した後、該マスク膜を介した状態で前記第２導電型のクラッド層をエッチングしてリッジ部を形成する工程と、前記マスク膜を介した状態で前記リッジ部を有する第２導電型のクラッド層上に、該第２導電型のクラッド層より屈折率が小さく且つ発振光のエネルギーより大きなエネルギーのバンドギャップを有する（Ａｌ _x3 Ｇａ _1-x3 ） _y3 Ｉｎ _1-y3 Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１＞０、１≧ｘ３＞ｘ２＞０、１＞ｙ１＞０、１＞ｙ２＞０、１＞ｙ３＞０）からなると共にＳｅがドープされている光閉じ込め層を気相成長法により形成する工程と、該光閉じ込め層上に酸化防止層としての層厚０．４μｍ以下の第１導電型の電流ブロック層を気相成長法により形成する工程と、前記マスク膜をエッチング法により除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。