JP4030260B2

JP4030260B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4030260B2
Application number: JP2000284545A
Authority: JP
Inventors: 良治廣山; 康彦野村; 浩太郎古沢; 邦生竹内; 重之岡本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2020-09-20
Also published as: JP2001274513A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクシステム等に用いて好適な半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットや電子メールが急速に普及し、これに対応してパーソナルコンピュータ市場が拡大を続けている。このパーソナルコンピュータの記憶媒体として、ＣＤ−ＲＯＭあるいはＤＶＤ−ＲＯＭ等のディスク状の光記録媒体を用いた光ディスクシステムが不可欠となっている。さらに、これらの光ディスクシステムは、再生専用型から書き込み型、更には書き換え型への移行が顕在化してきた。
【０００３】
半導体レーザ素子は、光ディスクシステムのキーデバイスであり、光ディスクシステムの書き込み速度向上のために、高出力化が強く要請されている。
【０００４】
従来の代表的なリッジ型の半導体レーザ素子の基本構造を図１８に示す。例えば、ＧａＡｓ系の半導体レーザ素子の場合、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型半導体基板７０１上に、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層７０２、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層７０３、ＡｌＧａＡｓからなる発光層７０４、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型クラッド層７０５が形成されている。
【０００５】
このｐ型クラッド層７０５は、半導体レーザ素子の横モード制御のために、素子中央部が両脇の平坦部に比して層厚が大きいストライプ状のリッジ部を有する。また、このｐ型クラッド層７０５のリッジ部側面および平坦面上には、電流注入領域を制限するためにのｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型ブロック層７０６が形成されている。
【０００６】
さらに、ｐ型クラッド層７０５およびｎ型ブロック層７０６上には、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層７０７が形成されている。また、ｎ型半導体基板の裏面にはｎ型電極７０８が、ｐ型コンタクト層７０７上にはｐ型電極７０９が形成されている。
【０００７】
ここで、ｐ型コンタクト層７０７のバンドギャップは、発光層７０４のバンドギャップよりも小さいため、発光層７０４で発生する光の一部はｐ型コンタクト層７０７で吸収される。この吸収により、レーザビームが半導体層の積層方向に強く閉じ込められ、レーザ出射端面における光密度が高くなる。
【０００８】
このような従来の半導体レーザ素子の場合、レーザ出射端面における光密度が高くなると、レーザ出射端面での破壊が生じやすくなる。このため、半導体レーザ素子の高出力化のためには、リッジ部の高さＨを高くし、更にはリッジ部の下部幅Ｗを大きくすることにより、レーザ出射面における光密度を低減することが考えられる。
【０００９】
しかしながら、図１８に示すようなリッジ部の幅が上方になる程、狭くなる順メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザでは、リッジ部の高さＨを高くすると、リッジ部の上面の幅が減少し、電流が流れ難くなるため、リッジ部の高さＨの増加に限界がある。
【００１０】
一方、リッジ部の下部幅Ｗを大きくすると横方向の光の閉じこめが困難となり、レーザビームの水平広がり角が急激に小さくなる。このため、レーザビームの水平広がり角と垂直広がり角との差が大きくなり、集光特性の劣化などの問題が発生する。また、幅Ｗを変化させた際の水平広がり角に変動が大きいため、水平広がり角の調整が困難であるという問題もある。
【００１１】
また、リッジ部の幅が上方になる程、広くなる逆メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザでは、リッジ部の高さを高くしても、リッジ部の上面の幅が減少するということは無いため、電流が流れ難いという問題は無くなるが、リッジ部の底面の幅を大きくした際の問題は、依然として存在する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来例の欠点に鑑み為されたものであり、レーザビームの高出力化を図った場合においても、レーザビームの水平広がり角度が小さくなることを抑制し、しかもレーザビームの水平広がり角度の調整が容易である半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【００１３】
また、本発明は、レーザビームの高出力化を図った場合においても、レーザビームの水平広がり角度が小さくなることを抑制し、しかもレーザビームの水平広がり角度の調整が容易である半導体レーザ素子を容易に製造することが出来る半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【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、基板上に第１導電型のクラッド層、発光層、III族元素としてＡｌを含有する第２導電型のクラッド層が順に積層され、前記第２導電型のクラッド層にはリッジ部が形成され、前記第２導電型のクラッド層上の前記リッジ部の周りにIII族元素としてＡｌを含有する電流ブロック層が形成された半導体レーザ素子において、前記発光層と前記第２導電型のクラッド層との間にはキャリアブロック層が形成されているとともに、前記基板の上面に対する前記リッジ部の側面の傾斜角度θが７０°以上、１１７°以下であり、前記第２導電型のクラッド層を構成するIII族元素中におけるＡｌの組成比をＸ１とし、前記電流ブロック層を構成するIII族元素中におけるＡｌの組成比をＸ２とし、前記発光層と前記電流ブロック層との離間距離をｔとした場合、ｔ≦０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））［μｍ］の関係を満たし、前記リッジ部の下部幅Ｗが２μｍ以上、５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
このような構成の半導体レーザ素子では、高出力化を図るために、リッジ部の下部幅Ｗを大きくしても、レーザビームの水平広がり角度の変化は小さい。また、レーザビームの水平広がり角度が急激に低下しない範囲に、発光層と電流ブロック層との離間距離が設定されている。しかも、動作電圧が急激に大きくならない範囲に、リッジ部の下部幅Ｗが設定されている。
【００１６】
尚、電流ブロック層が複数の層で形成されている場合は、リッジ部に最も近接している電流ブロック層のＡｌ組成比がＸ２となる。また、リッジ部の下部幅Ｗとはリッジ部の最下部における共振器方向と直交する方向の長さである。
【００１７】
また、傾斜角度θに関しては、先ず、８０°以上、１１０°以下である場合について、上述の効果が得られることが判り、その後、７０°以上、１１７°以下であれば、同様の効果が得られることが判った。
【００１８】
特に、前記第１導電型クラッド層はIII族元素としてＡｌとＧａを含有し、ＡｌとＧａの総和におけるＡｌの組成比がＸ１であり、前記電流ブロック層はIII族元素としてＡｌとＧａを含有し、ＡｌとＧａの総和におけるＡｌの組成比がＸ２である場合、本発明による上述の効果は顕著である。
【００１９】
更に、前記第２導電型のクラッド層がＡｌ_X1Ｇａ_1-X1Ａｓからなり、前記電流ブロック層がＡｌ_X2Ｇａ_1-X2Ａｓからなる場合、上述の効果は一層明らかである。
【００２０】
また、本発明の半導体レーザは、ｔ≦０．２５２／（１−（Ｘ２−Ｘ１））［μｍ］であることを特徴とする。
【００２１】
この場合、レーザビームの水平広がり角度は、水平広がり角度の低下は小さく、一定値以上の大きさを確保する。
【００２２】
特に、前記離間距離ｔが０．１５μｍ以上であれば、離間距離ｔが変動しても、水平広がり角度の変動幅は小さい。
【００２３】
更に、前記離間距離ｔが０．２μｍ以上であれば、離間距離ｔが変動した際の水平広がり角度の変動幅は更に小さい。
【００２４】
また、本発明の半導体レーザ素子は、前記基板の上面が｛１００｝面又は｛１００｝面から数度傾斜し、且つ前記リッジ部が＜０１１＞方向に延在しているか、或いは前記基板の上面が｛−１００｝面又は｛−１００｝面から数度傾斜し、且つ前記リッジ部が＜０−１１＞方向に延在していることを特徴とする。
【００２５】
このような面方位を有する半導体レーザ素子では、前記基板の上面に対する側面の傾斜角度θが７０°以上、１１７°以下であるリッジ部を容易に形成することが出来る。
【００２６】
また、本発明の半導体レーザの製造方法は、基板上に第１導電型のクラッド層及び発光層を形成し、該発光層上に所定の厚みを有するキャリアブロック層を形成し、該キャリアブロック層上に所定の厚みを有する第２導電型の第１クラッド層を形成し、該第１クラッド層上にエッチング停止層を介してIII族元素中におけるＡｌの組成比がＸ１である第２導電型の第２クラッド層を形成する工程と、前記第２クラッド層の一部を除去することにより、前記基板の上面に対する側面の傾斜角度θが７０°以上、１１７°以下であり、下部幅Ｗが２μｍ以上、５μｍ以下であるリッジ部を形成する工程と、前記リッジ部の両側に、III族元素中におけるＡｌの組成比がＸ２であり、前記リッジ部の周りに露出した前記第１導電型の第２クラッド層の上面から発光層までの距離をｔとした場合、ｔ≦０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））［μｍ］の関係を満足する電流ブロック層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００２７】
このような半導体レーザの製造方法では、高出力化を図るために、リッジ部の下部幅Ｗを大きくしても、レーザビームの水平広がり角度の変化は小さく、また、レーザビームの水平広がり角度が急激に低下しない範囲に、発光層と電流ブロック層との離間距離が設定されており、しかも、動作電圧が急激に大きくならない範囲に、リッジ部の下部幅Ｗが設定されている半導体レーザ素子を、容易に製造することが出来る。
【００２８】
更に、本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、前記基板の上面が｛１００｝面又は｛１００｝面から数度傾斜している場合、＜０１１＞方向に延在しているマスクを形成し、或いは前記基板の上面が｛−１００｝面又は｛−１００｝面から数度傾斜している場合、＜０−１１＞方向に延在しているマスクを形成し、次いで、前記マスクを用いてエッチングを行うことにより前記リッジ部を形成することを特徴とする。
【００２９】
この製造方法によれば、側面の傾斜角度θが７０°以上、１１７°以下であるリッジ部を容易に形成することが出来る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態である実施例の半導体レーザ素子の断面図である。
【００３２】
本実施例の半導体レーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型半導体基板１の上面に、ｎ型ＧａＡｓからなるｎ型第１バッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型第２バッファ層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型クラッド層４、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型キャリアブロック層５、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる光ガイド層６、およびアンドープの多重量子井戸構造の活性層７が順に形成されている。尚、ｎ型半導体基板１は、上面が（１００）面からその面における＜０−１１＞方向に数度（本実施例では［０−１１］方向に４°）傾斜している微傾斜基板である。
【００３３】
活性層７はアンドープのＡｌＧａＡｓからなる３つの量子井戸層７１とアンドープのＡｌＧａＡｓからなる２つの障壁層７２とが交互に積層されてなる。
【００３４】
活性層７の上には、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる光ガイド層８、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型キャリアブロック層９、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型第１クラッド層１０が順に形成されている。
【００３５】
本実施例の半導体レーザ素子では、光ガイド層６、活性層７及び光ガイド層８により発光層１００が構成されている。
【００３６】
ｐ型第１クラッド層１０上の中央部には、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるｐ型エッチング停止層１１を介して、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなる共振器方向に延びるストライプ状のｐ型第２クラッド層１２及びｐ型ＧａＡｓからなるｐ型第１コンタクト層１３が順に積層されてリッジ部２００が形成されている。ストライプ状のリッジ部２００は、ｎ型半導体基板１の上面における＜０１１＞方向に延在している。
【００３７】
リッジ部２００を構成するｐ型第２クラッド層１２及びｐ型第１コンタクト層１３の両側面、更にはリッジ部の両側のｐ型第１クラッド層１０の平坦面上には、アンドープのＡｌＧａＡｓからなる第１電流ブロック層１４、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるｎ型第２電流ブロック層１５及びｎ型ＧａＡｓからなるｎ型第３電流ブロック層１６が順に形成されている。
【００３８】
ｐ型第１コンタクト層１３上からｎ型第３電流ブロック層１６上に亘っては、ｐ型ＧａＡｓからなるｐ型第２コンタクト層１７及びｐ型ＧａＡｓからなるｐ型第３コンタクト層１８が順に形成されている。
【００３９】
ｐ型第３コンタクト層１８上にはｐ型電極１９が形成され、ｎ型半導体基板１の裏面にはｎ型電極２０が形成されている。
【００４０】
図２及び図３は第１実施例の半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【００４１】
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ型半導体基板１の（１００）面からその面における＜０−１１＞方向に数度（本実施例では［０−１１］方向に４°）傾斜している上面に、ｎ型第１バッファ層２、ｎ型第２バッファ層３、ｎ型クラッド層４、ｎ型キャリアブロック層５、光ガイド層６、活性層７、光ガイド層８、ｐ型キャリアブロック層９、ｐ型第１クラッド層１０、ｐ型エッチング停止層１１、ｐ型第２クラッド層１２およびｐ型第１コンタクト層１３を順に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的気相堆積法）またはＭＢＥ法（分子線エピタキシャル成長法）により成長温度７００〜９００℃で成長させる。また、各層２〜１３の材料、Ａｌ組成比、層厚およびキャリア濃度は表１に示す通りである。尚、Ａｌ組成比は、Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓにおけるＸ（ＡｌとＧａとの総量に対するＡｌの原子濃度比）である。また、ｎ型半導体基板１のキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００４２】
【表１】

【００４３】
ｎ型第１バッファ層２の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃およびＴＭＧを用い、ドーパントガスとしてＨ₂Ｓｅを用いる。ｎ型第２バッファ層３、ｎ型クラッド層４及びｎ型キャリアブロック層５の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃、ＴＭＧおよびＴＭＡを用い、ドーパントガスとしてＨ₂Ｓｅを用いる。光ガイド層６、活性層７及び光ガイド層８の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃、ＴＭＧおよびＴＭＡを用いる。ｐ型キャリアブロック層９、ｐ型第１クラッド層１０、ｐ型エッチング停止層１１およびｐ型第２クラッド層１２の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃、ＴＭＧおよびＴＭＡを用い、ドーパントガスとしてＤＥＺを用いる。ｐ型第１コンタクト層１３の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃およびＴＭＧを用い、ドーパントガスとしてＤＥＺを用いる。
【００４４】
ここで、ＡｓＨ₃はアルシンであり、ＴＭＧはトリメチルガリウムであり、ＴＭＡはトリメチルアルミニウムであり、Ｈ₂Ｓｅはセレン化水素であり、ＳｉＨ₄はモノシランであり、ＤＥＺはジエチルジンクである。
【００４５】
ところで、成長時におけるＴＭＧとＴＭＡとの供給量の比を種々変化させてＧａＡｓ基板上に種々のＡｌＧａＡｓ層を２μｍ成長させ、各ＡｌＧａＡｓ層についてＸ線回折法によりＡｌＧａＡｓ層からの（００４）反射角を計測し各ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成比を求めたところ、ＡｌＧａＡｓ層におけるＡｌ組成比はＴＭＧとＴＭＡとの供給量の比、即ちＴＭＡの供給量／（ＴＭＧ供給量＋ＴＭＡ供給量）に一致することが確認できた。このことから、上記の各層２〜１３におけるＡｌ組成比は、原料であるＴＭＧとＴＭＡとの供給量の比、即ちＴＭＡの供給量／（ＴＭＧ供給量＋ＴＭＡ供給量）に一致することが確認できた。
【００４６】
したがって、この場合においては、ＴＭＧとＴＭＡとの供給量の比を調整することにより各層２〜１３におけるＡｌ組成比の調整を行った。尚、ここでは、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）により原料ガスの供給量を制御して供給量の調整を行っている。
【００４７】
上記のようにして各層２〜１３を成長させた後、ｐ型第１コンタクト層１３上にＳｉＯ₂等の酸化膜を形成し、通常のフォトリソグラフィ技術により中央部のストライプ状の領域を除いて酸化膜を除去することにより、ｐ型第１コンタクト層１３上にストライプ状の酸化膜２１を形成する。この時、ストライプ状の酸化膜２１は、ｎ型半導体基板１の上面における＜０１１＞方向に延在するように形成される。
【００４８】
次に、図２（ｂ）に示すように、酸化膜２１をマスクとしてｐ型第１クラッド層１０が露出するまでエッチングによりｐ型第１コンタクト層１３、ｐ型第２クラッド層１２及びｐ型エッチング停止層１１を除去する。これにより、酸化膜２１の下方にはストライプ状のリッジ部２００が形成される。尚、ストライプ状のリッジ部２００は、ｎ型半導体基板１の上面における＜０１１＞方向に延在している。
【００４９】
尚、この時のエッチングは、湿式エッチングあるいはドライエッチングのいずれを用いても良い。また、エッチング停止層１１は、ｐ型第２クラッド層１２とのＡｌ組成比の差が一定以上あればよく、例えばＧａＡｓを用いることも出来る。
【００５０】
この時、ｎ型半導体基板１に対するリッジ部２００の側面の傾斜角度θ（本実施例では、リッジ部の側面とｐ型エッチング停止層１１の上面との為す角度に一致）は、半導体基板１の上面の面方位とリッジ部２００のストライプ方向との関係、湿式エッチングにおける過酸化水素及び水の含有量や温度、或いはリアクテイブイオンエッチングやリアクテイブイオンビームエッチングにおけるイオンのエネルギー等を制御することにより、下記に詳述する所定の角度に設定することが出来る。
【００５１】
尚、湿式エッチングの場合、ストライプ状の酸化膜２１の延在方向を＜０１１＞方向に選ぶと、リッジ部２００の側面の傾斜角度θを７０°以上に設定することが容易となる。また、ドライエッチングによりリッジ部２００を形成する場合は、酸化膜２１の延在方向に拘わらず、リッジ部２００の側面の傾斜角度θを７０°以上にすることが出来る。但し、ドライエッチングの場合においても、ストライプ状の酸化膜２１の延在方向を＜０１１＞方向に選ぶことにより、エッチング面に損傷が生じない条件でリッジ部２００の側面の傾斜角度θを７０°以上に設定することが可能となる。
【００５２】
また、リッジ部２００の下部幅Ｗは、ｐ型第２クラッド層１２の膜厚、酸化膜２１の幅、リッジ部の側面の傾斜角度θ、エッチング時間等により、下記に詳述する所定の値に設定することが出来る。
【００５３】
また、ｐ型キャリアブロック層９及びｐ型第１クラッド層１０との厚みの和は、図２（ａ）の工程におけるｐ型キャリアブロック層９及びｐ型第１ブロック層１０を形成する際の成長時間、更には図２（ｂ）の工程におけるエッチング停止層１１によるエッチング深さの制御により、下記に詳述する所定の値に設定される。そして、このｐ型キャリアブロック層９及びｐ型第１クラッド層１０との厚みの和が、発光層１００と、次の工程で形成される第１電流ブロック層１４との離間距離ｔとなる。
【００５４】
次に、図３（ｃ）に示すように、酸化膜２１をマスクとして、リッジ部の両側のｐ型第２クラッド層１０の平坦面上及びリッジ部の側面上に、アンドープの第１電流ブロック層１４、ｎ型第２電流ブロック層１５及びｎ型第３電流ブロック層１６を、成長温度６００〜９００℃で選択成長させる。この時、酸化膜２１上には、これらの層は結晶成長しない。尚、各層１４〜１６の材料、Ａｌ組成比、層厚及びキャリア濃度は表２に示す通りであり、第１電流ブロック層１４のＡｌ組成比は、下記に詳述する条件を満足する範囲に設定される。
【００５５】
【表２】

【００５６】
第１電流ブロック層１４の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃、ＴＭＧおよびＴＭＡを用いる。ｎ型第２電流ブロック層１５の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃、ＴＭＧおよびＴＭＡを用い、ドーパントガスとしてＨ₂Ｓｅを用いる。ｎ型第３電流ブロック層１６の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃及びＴＭＧを用い、ドーパントガスとしてＨ₂Ｓｅを用いる。尚、この場合においても、前述の各層２〜１３の場合と同様、ＴＭＧとＴＭＡとの供給量の比を調整することによりＡｌ組成比の調整を行う。
【００５７】
次に、酸化膜２１を湿式エッチング又はドライエッチングにより除去した後、図３（ｄ）に示すように、ｐ型第１コンタクト層１３上およびｎ型第３電流ブロック層１６上に、ｐ型第２コンタクト層１７及びｐ型第３コンタクト層１８を、成長温度６００〜９００℃で結晶成長させる。尚、各層１７、１８の材料、Ａｌ組成、層厚及びキャリア濃度は表３に示す通りである。
【００５８】
【表３】

【００５９】
ｐ型第２コンタクト層１７及びｐ型第３コンタクト層１８の成長には、原料ガスとしてＡｓＨ₃及びＴＭＧを用い、ドーパントガスとしてＤＥＺを用いる。尚、ｐ型第１コンタクト層１３の厚さは、非常に薄くても素子特性上問題がなく、５ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下の範囲内であればよい。
【００６０】
最後に、ｐ型第３コンタクト層１８上に、厚さ約５０ｎｍのＣｒＡｕおよび厚さ約１．５μｍのＡｕからなるｐ型電極１９を形成し、ｎ型半導体基板１の裏面に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ型電極２０を形成する。
【００６１】
以上の工程により、図１に示した構造の半導体レーザ素子が形成される。
【００６２】
次に、図１に示した構造の半導体レーザ素子において、ｎ型半導体基板１の上面に対するリッジ部２００の側面の傾斜角度θ（本実施例では、リッジ部２００の側面とｐ型エッチング停止層１１の上面との為す角度θに一致）が、５５°、７０°、８０°、９０°、１００°、１１０°、１１７°、１２５°と異なる複数タイプの半導体レーザ素子を作製した。尚、傾斜角度θが５５°、７０°、８０°の場合は、図４に示すような順メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザ素子となり、傾斜角度θが１００°、１１０°、１１７°、１２５°の場合は、図５に示すような逆メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザ素子となる。また、傾斜角度θが９０°の場合は、図１に示すような側面が直立しているリッジ部を有する半導体レーザ素子となる。
【００６３】
尚、傾斜角度θの測定方法としては、素子作製後に素子のレーザ出射端面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、素子のレーザ出射端面の断面ＳＥＭ像（写真）を得る。この時の倍率は６０００倍程度とする。そして、得られたＳＥＭ像（写真）上のリッジ側壁と平坦部とのなす角を分度器により測定して傾斜角度θを求めた。
【００６４】
次に、上述した傾斜角度θが異なる各半導体レーザ素子において、リッジ部の下部幅Ｗを変化させた時のレーザビームの水平広がり角度を調べた。その結果を、図６、図７及び図８に示す。尚、この測定に用いた半導体レーザ素子のｐ型第２クラッド層１２の厚みは２０００ｎｍである。
【００６５】
傾斜角度θが５５°、１２５°の半導体レーザ素子では、図６から判るように、リッジ部の下部幅Ｗが大きくなると、レーザビームの水平広がり角度が大きく低下する。
【００６６】
これに対して、傾斜角度θが８０°、９０°、１００°、１１０°の半導体レーザ素子では、図７から判るように、リッジ部の下部幅Ｗが５μｍまでは、下部幅Ｗが大きくなっても、レーザビームの水平広がり角度の低下は殆ど見られない。
【００６７】
また、傾斜角度θが７０°、１１７°の半導体レーザ素子においても、図８から判るように、リッジ部の下部幅Ｗが５μｍまでは、下部幅Ｗが大きくなっても、レーザビームの水平広がり角度の低下は殆ど見られない。
【００６８】
次に、リッジ部の傾斜角度θが１００°、下部幅Ｗが４μｍである図５に示すような逆メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザ素子において、第１電流ブロック層１４及びｎ型第２電流ブロック層１５のＡｌ組成比Ｘ２が０．５５、０．６２、０．７５、０．８０である４タイプの半導体レーザ素子を作製し、この各タイプの半導体レーザ素子において、発光層と電流ブロック層との離間距離ｔ（ｐ型キャリアブロック層９とｐ型第１クラッド層１０の厚みの合計）と、レーザビームの水平広がり角度との関係を調べた。その結果を図９に示す。
【００６９】
図９から判るように、離間距離ｔが大きくなると、レーザビームの水平広がり角度は小さくなるが、離間距離ｔが０．１５μｍ以上になると、水平広がり角度の低下の傾きは小さくなり、更に、離間距離ｔが０．２μｍ以上になると、水平広がり角度の低下の傾きは更に小さくなる。更に、離間距離ｔがある値を越えると、水平広がり角度が急激に低下する第１の臨界離間距離ｔ１が存在することが判る。この第１の臨界離間距離ｔ１は、Ａｌ組成比Ｘ２が０．５５の時、０．３１であり、Ａｌ組成比Ｘ２が０．６２の時、０．３３であり、Ａｌ組成比Ｘ２が０．７５の時、０．３９であり、Ａｌ組成比Ｘ２が０．８０の時、０．４２である。
【００７０】
また、図９より、第１の臨界離間距離ｔ１よりも小さいところに、離間距離ｔが大きくなっても水平広がり角度の低下は小さく、安定している離間距離の上限値である第２の臨界離間距離ｔ２が存在することが判る。この第２の臨界離間距離ｔ２は、Ａｌ組成比Ｘ２が０．５５の時、０．２８であり、Ａｌ組成比Ｘ２が０．６２の時、０．３１であり、Ａｌ組成比Ｘ２が０．７５の時、０．３６であり、Ａｌ組成比Ｘ２が０．８０の時、０．３９である。
【００７１】
次に、第１電流ブロック層１４及びｎ型第２電流ブロック層１５のＡｌ組成比Ｘ２と、第１の臨界離間距離ｔ１との関係を調べるために、第１電流ブロック層１４及びｎ型第２電流ブロック層１５のＡｌ組成比Ｘ２とｐ型クラッド層のＡｌ組成比Ｘ１（本実施例では０．４５）との差を１から減じた値の逆数、即ち１／（１−（Ｘ２−Ｘ１））と、第１の臨界離間距離ｔ１との関係をグラフ化した。その結果を図１０に示す。
【００７２】
図１０から判るように、第１の臨界離間距離ｔ１は、Ａｌ組成比Ｘ２とＡｌ組成比Ｘ１との差を１から減じた値の逆数（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））に比例しており、その比例式はｔ１＝０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））である。即ち、離間距離ｔが０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））を超えると、水平広がり角度が急激に低下するため、水平広がり角度が急激に低下しないためには、離間距離ｔ≦０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））の関係を満足する必要がある。
【００７３】
また、リッジ部の側面の傾斜角度θが８０°、１１０°である場合についても、同様に調べた結果、図９と同様の結果が得られ、１／（１−（Ｘ２−Ｘ１））と、第１の臨界離間距離ｔ１との関係をグラフ化した結果、図１１、図１２に示すような結果が夫々得られた。
【００７４】
この図１１、図１２から判るように、リッジ部の側面の傾斜角度θが８０°、１１０°である場合においても、水平広がり角度が急激に低下しないためには、離間距離ｔ≦０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））の関係を満足する必要がある。
【００７５】
更に、リッジ部の側面の傾斜角度θが７０°、１１７°である場合についても、同様に調べた結果、図９と同様の結果が得られ、１／（１−（Ｘ２−Ｘ１））と、第１の臨界離間距離ｔ１との関係をグラフ化した結果、図１３、図１４に示すような結果が夫々得られた。
【００７６】
この図１３、図１４から判るように、リッジ部の側面の傾斜角度θが７０°、１１７°である場合においても、水平広がり角度が急激に低下しないためには、離間距離ｔ≦０．２７５／（１−（Ｘ２−Ｘ１））の関係を満足する必要がある。
【００７７】
次に、リッジ部の傾斜角度θが１００°の半導体レーザ素子において、電流ブロック層のＡｌ組成比Ｘ２が０．８０、離間距離ｔが０．１０μｍの場合、電流ブロック層のＡｌ組成比Ｘ２が０．７５、離間距離ｔが０．２０μｍの場合、電流ブロック層のＡｌ組成比Ｘ２が０．５８、離間距離ｔが０．２５μｍの場合について夫々、リッジ部の下部幅Ｗを変えた時のレーザビームの水平広がり角度を調べた。その結果を図１５に示す。
【００７８】
図１５から判るように、リッジ部の下部幅Ｗが１．５μｍ以上、５μｍ以下の場合、レーザビームの水平広がり角度は略一定であり、下部幅Ｗが５μｍを超えると、レーザビームの水平広がり角度は急激に小さくなる。
【００７９】
次に、リッジ部の傾斜角度θが１００°、電流ブロック層のＡｌ組成比Ｘ２が０．７５、離間距離ｔが０．２０μｍの半導体レーザ素子において、リッジ部の下部幅Ｗと動作電流が４０ｍＡの時の動作電圧を調べた。その結果を図１６に示す。
【００８０】
図１６から判るように、リッジ部の下部幅Ｗが２μｍよりも小さくなると、動作電圧が急激に大きくなるため、下部幅Ｗは２μｍ以上必要である。
【００８１】
即ち、図１５及び図１６から判るように、水平広がり角度と動作電圧との点を考慮すると、リッジ部の下部幅Ｗは、２μｍ以上、５μｍ以下が好ましい。
【００８２】
次に、第２の臨界離間距離ｔ２についても、第１の臨界離間距離ｔ１と同様に１／（１−（Ｘ２−Ｘ１））と、第２の臨界離間距離ｔ２との関係をグラフ化した。その結果を図１７に示す。
【００８３】
図１７から判るように、第２の臨界離間距離ｔ２は、Ａｌ組成比Ｘ２とＡｌ組成比Ｘ１との差を１から減じた値の逆数（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））に比例しており、その比例式はｔ２＝０．２５２／（１−（Ｘ２−Ｘ１））である。即ち、水平広がり角度の低下が少なく、一定以上の水平広がり角度（本実施例では５°以上）を確保するためには、離間距離ｔ≦０．２５２／（１−（Ｘ２−Ｘ１））の関係を満足する必要がある。尚、リッジ部の側面の傾斜角度θが８０°、１１０°、更には７０°、１１７°である場合においても、同様の結果が得られた。
【００８４】
尚、上述の実施例では、ｐ型第１クラッド層１０とｐ型第２クラッド層１２とは、Ａｌ組成比が等しいが、両者のＡｌ組成比は異なっても良い。この場合は、リッジ部２００を構成する第２クラッド層１２のＡｌ組成比がＸ１となる。
【００８５】
また、上述の実施例ではｎ型半導体基板１の上面としては、（１００）面からその面における＜０−１１＞方向に４°傾斜している微傾斜基板を用いたが、傾斜角度が０°以上、１３°以下である場合、上述の実施例と同様の結果が得られた。
【００８６】
また、ｎ型半導体基板１の上面の面方位としては、（１００）面を包含する｛１００｝又は｛１００｝面から数度傾斜していればよく、この場合、ストライプ状のリッジ部２００は＜０１１＞方向に延在していればよく、そのようなリッジ部を形成するためには＜０１１＞方向に延在しているストライプ状のマスクを形成すればよい。また、ｎ型半導体基板１の上面の面方位としては、｛−１００｝又は｛−１００｝面から数度傾斜していてもよく、この場合、ストライプ状のリッジ部２００は＜０−１１＞方向に延在していればよく、そのようなリッジ部を形成するためには＜０−１１＞方向に延在しているストライプ状のマスクを形成すればよい。
【００８７】
尚、上述の実施例では、III族元素としてＡｌとＧａとを含有する場合について説明したが、Ｉｎ等の他のIII族元素を含有する場合においても、本発明は適用可能である。また、Ｖ族元素としても、Ａｓ以外に、Ｐ、Ｎ等を含有した場合についても本発明は適用可能である。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザビームの高出力化を図った際においても、レーザビームの水平広がり角度が小さくなることを抑制、しかもレーザビームの水平広がり角度の調整が容易である半導体レーザ素子を提供し得る。
【００８９】
また、本発明によれば、レーザビームの高出力化を図った際においても、レーザビームの水平広がり角度が小さくなることを抑制、しかもレーザビームの水平広がり角度の調整が容易である半導体レーザ素子を容易に製造することが出来る半導体レーザ素子の製造方法を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子の製造方法を示す図である。
【図４】本発明の順メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図５】本発明の逆メサ構造のリッジ部を有する半導体レーザ素子の構成を示す図である。
【図６】レーザビームの水平広がり角度と、リッジ部の下部幅Ｗとの関係を示す図である。
【図７】レーザビームの水平広がり角度と、リッジ部の下部幅Ｗとの関係を示す図である。
【図８】レーザビームの水平広がり角度と、リッジ部の下部幅Ｗとの関係を示す図である。
【図９】レーザビームの水平広がり角度と、発光層と電流ブロック層との離間距離ｔとの関係を示す図である。
【図１０】第１の臨界離間距離ｔ１と、（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））との関係を示す図である。
【図１１】第１の臨界離間距離ｔ１と、（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））との関係を示す図である。
【図１２】第１の臨界離間距離ｔ１と、（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））との関係を示す図である。
【図１３】第１の臨界離間距離ｔ１と、（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））との関係を示す図である。
【図１４】第１の臨界離間距離ｔ１と、（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））との関係を示す図である。
【図１５】レーザビームの水平広がり角度と、リッジ部の下部幅Ｗとの関係を示す図である。
【図１６】動作電圧と、リッジ部の下部幅Ｗとの関係を示す図である。
【図１７】第２の臨界離間距離ｔ２と、（１／（１−（Ｘ２−Ｘ１）））との関係を示す図である。
【図１８】従来の半導体レーザの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ｎ型半導体基板
１０ｐ型第１クラッド層（第２導電型の第１クラッド層）
１１エッチング停止層
１２ｐ型第２クラッド層（第２導電型の第２クラッド層）
１４第１電流ブロック層
１００発光層
２００リッジ部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser element suitable for use in an optical disk system or the like and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the Internet and electronic mail have rapidly spread, and the personal computer market continues to expand accordingly. As a storage medium for this personal computer, an optical disk system using a disk-shaped optical recording medium such as a CD-ROM or a DVD-ROM is indispensable. Furthermore, in these optical disk systems, the shift from the read-only type to the write type and further to the rewritable type has become apparent.
[0003]
The semiconductor laser element is a key device of the optical disk system, and there is a strong demand for higher output in order to improve the writing speed of the optical disk system.
[0004]
A basic structure of a conventional typical ridge type semiconductor laser device is shown in FIG. For example, in the case of a GaAs-based semiconductor laser element, an n-type buffer layer 702 made of n-type GaAs, an n-type clad layer 703 made of n-type AlGaAs, and light emission made of AlGaAs on an n-type semiconductor substrate 701 made of n-type GaAs. A layer 704 and a p-type cladding layer 705 made of p-type AlGaAs are formed.
[0005]
The p-type cladding layer 705 has a stripe-shaped ridge portion whose layer thickness is larger at the center of the device than the flat portions on both sides in order to control the transverse mode of the semiconductor laser device. An n-type block layer 706 made of n-type AlGaAs for limiting the current injection region is formed on the side surface and the flat surface of the ridge portion of the p-type cladding layer 705.
[0006]
Further, a p-type contact layer 707 made of p-type GaAs is formed on the p-type cladding layer 705 and the n-type block layer 706. An n-type electrode 708 is formed on the back surface of the n-type semiconductor substrate, and a p-type electrode 709 is formed on the p-type contact layer 707.
[0007]
Here, since the band gap of the p-type contact layer 707 is smaller than the band gap of the light-emitting layer 704, part of the light generated in the light-emitting layer 704 is absorbed by the p-type contact layer 707. By this absorption, the laser beam is strongly confined in the stacking direction of the semiconductor layers, and the light density at the laser emission end face is increased.
[0008]
In the case of such a conventional semiconductor laser element, if the light density at the laser emission end face is increased, the laser emission end face is likely to be broken. Therefore, in order to increase the output of the semiconductor laser device, the light density at the laser emission surface can be reduced by increasing the height H of the ridge portion and further increasing the lower width W of the ridge portion. Conceivable.
[0009]
However, in a semiconductor laser having a ridge portion with a forward mesa structure that becomes narrower as the width of the ridge portion becomes higher as shown in FIG. 18, when the height H of the ridge portion is increased, the width of the upper surface of the ridge portion decreases. However, since it becomes difficult for current to flow, there is a limit to the increase in the height H of the ridge portion.
[0010]
On the other hand, when the lower width W of the ridge portion is increased, it becomes difficult to confine light in the lateral direction, and the horizontal divergence angle of the laser beam is rapidly decreased. For this reason, the difference between the horizontal spread angle and the vertical spread angle of the laser beam becomes large, and problems such as deterioration of the light collecting characteristics occur. There is also a problem that it is difficult to adjust the horizontal spread angle because the horizontal spread angle varies greatly when the width W is changed.
[0011]
Further, in a semiconductor laser having a ridge portion with an inverted mesa structure that becomes wider as the width of the ridge portion becomes higher, even if the height of the ridge portion is increased, the width of the upper surface of the ridge portion does not decrease. For this reason, the problem that current does not easily flow is eliminated, but there is still a problem when the width of the bottom surface of the ridge portion is increased.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the drawbacks of the conventional example described above, and even when the output of the laser beam is increased, the horizontal spread angle of the laser beam is suppressed from being reduced, and the horizontal spread of the laser beam is reduced. An object of the present invention is to provide a semiconductor laser device in which the angle can be easily adjusted.
[0013]
In addition, the present invention provides a semiconductor laser device that suppresses a decrease in the horizontal spread angle of the laser beam and can easily adjust the horizontal spread angle of the laser beam even when the output of the laser beam is increased. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor laser device that can be easily manufactured.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor laser device of the present invention, a first conductivity type cladding layer, a light emitting layer, and a second conductivity type cladding layer containing Al as a group III element are sequentially laminated on a substrate, and the second conductivity type cladding layer In the semiconductor laser device, a ridge portion is formed, and a current blocking layer containing Al as a group III element is formed around the ridge portion on the second conductivity type cladding layer. A carrier block layer is formed between the light emitting layer and the second conductivity type cladding layer, The inclination angle θ of the side surface of the ridge portion with respect to the upper surface of the substrate is 70 ° or more and 117 ° or less, and the composition ratio of Al in the group III element constituting the second conductivity type cladding layer is X1, The composition ratio of Al in the group III element constituting the current blocking layer is X2, and the separation distance between the light emitting layer and the current blocking layer is t. When In this case, the relationship of t ≦ 0.275 / (1- (X2-X1)) [μm] is satisfied, and the lower width W of the ridge portion is 2 μm or more and 5 μm or less.
[0015]
In the semiconductor laser device having such a configuration, even if the lower width W of the ridge portion is increased in order to increase the output, the change in the horizontal spread angle of the laser beam is small. In addition, the separation distance between the light emitting layer and the current blocking layer is set in a range where the horizontal spread angle of the laser beam does not rapidly decrease. In addition, the lower width W of the ridge portion is set in a range where the operating voltage does not increase rapidly.
[0016]
When the current block layer is formed of a plurality of layers, the Al composition ratio of the current block layer closest to the ridge portion is X2. The lower width W of the ridge portion is the length in the direction orthogonal to the resonator direction at the lowermost portion of the ridge portion.
[0017]
Regarding the inclination angle θ, it can be seen that the above-mentioned effect can be obtained first when the angle is 80 ° or more and 110 ° or less, and then the same effect can be obtained if the angle is 70 ° or more and 117 ° or less. It was found that
[0018]
In particular, the first conductivity type cladding layer contains Al and Ga as group III elements, the composition ratio of Al in the sum of Al and Ga is X1, and the current blocking layer contains Al and Ga as group III elements. However, when the composition ratio of Al in the sum of Al and Ga is X2, the above-described effect of the present invention is remarkable.
[0019]
Further, the second conductivity type cladding layer is made of Al. _X1 Ga _1-X1 Made of As, and the current blocking layer is made of Al. _X2 Ga _1-X2 In the case of As, the above-described effect is more obvious.
[0020]
The semiconductor laser of the present invention is characterized in that t ≦ 0.252 / (1- (X2-X1)) [μm].
[0021]
In this case, the horizontal spread angle of the laser beam is such that the decrease in the horizontal spread angle is small, and a magnitude of a certain value or more is ensured.
[0022]
In particular, if the separation distance t is 0.15 μm or more, even if the separation distance t varies, the fluctuation range of the horizontal spread angle is small.
[0023]
Furthermore, if the separation distance t is 0.2 μm or more, the fluctuation range of the horizontal spread angle when the separation distance t changes is even smaller.
[0024]
In the semiconductor laser device of the present invention, the upper surface of the substrate is inclined several degrees from the {100} plane or {100} plane, and the ridge portion extends in the <011> direction, The upper surface is inclined several degrees from the {-100} plane or {-100} plane, and the ridge portion extends in the <0-11> direction.
[0025]
In the semiconductor laser device having such a plane orientation, a ridge portion having a side surface inclination angle θ of 70 ° or more and 117 ° or less with respect to the upper surface of the substrate can be easily formed.
[0026]
In the method of manufacturing a semiconductor laser according to the present invention, a first conductivity type cladding layer and a light emitting layer are formed on a substrate, A carrier block layer having a predetermined thickness is formed on the carrier block layer A second conductivity type first cladding layer having a predetermined thickness is formed, and a second conductivity type first cladding layer having an Al composition ratio of X1 in the group III element is formed on the first cladding layer via an etching stop layer. The step of forming the two clad layers and the removal of a part of the second clad layer, the inclination angle θ of the side surface with respect to the upper surface of the substrate is 70 ° or more and 117 ° or less, and the lower width W is 2 μm or more. A step of forming a ridge portion of 5 μm or less, and a composition ratio of Al in a group III element is X2 on both sides of the ridge portion, and the second conductivity type second exposed around the ridge portion. Forming a current blocking layer satisfying a relationship of t ≦ 0.275 / (1- (X2-X1)) [μm] where t is the distance from the upper surface of the cladding layer to the light emitting layer. It is characterized by.
[0027]
In such a semiconductor laser manufacturing method, even if the lower width W of the ridge portion is increased in order to increase the output, the change in the horizontal spread angle of the laser beam is small, and the horizontal spread angle of the laser beam is small. A semiconductor laser device in which the separation distance between the light emitting layer and the current blocking layer is set within a range in which the ridge portion is not rapidly decreased, and the lower width W of the ridge portion is set in a range in which the operating voltage does not increase rapidly. Can be manufactured easily.
[0028]
Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, when the upper surface of the substrate is inclined by several degrees from the {100} plane or the {100} plane, a mask extending in the <011> direction is formed. Alternatively, when the upper surface of the substrate is inclined by several degrees from the {-100} plane or the {-100} plane, a mask extending in the <0-11> direction is formed, and then the mask is used. Etching is performed to form the ridge portion.
[0029]
According to this manufacturing method, it is possible to easily form a ridge portion whose side surface inclination angle θ is 70 ° or more and 117 ° or less.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.
[0032]
In the semiconductor laser device of this embodiment, an n-type first buffer layer 2 made of n-type GaAs, an n-type second buffer layer 3 made of n-type AlGaAs are formed on the upper surface of an n-type semiconductor substrate 1 made of n-type GaAs, n An n-type cladding layer 4 made of type AlGaAs, an n-type carrier block layer 5 made of n-type AlGaAs, an optical guide layer 6 made of undoped AlGaAs, and an active layer 7 having an undoped multiple quantum well structure are formed in this order. The n-type semiconductor substrate 1 is a slightly inclined substrate whose upper surface is inclined from the (100) plane by several degrees in the <0-11> direction on the surface (4 ° in the [0-11] direction in this embodiment). It is.
[0033]
The active layer 7 is formed by alternately stacking three quantum well layers 71 made of undoped AlGaAs and two barrier layers 72 made of undoped AlGaAs.
[0034]
On the active layer 7, a light guide layer 8 made of undoped AlGaAs, a p-type carrier block layer 9 made of p-type AlGaAs, and a p-type first cladding layer 10 made of p-type AlGaAs are formed in this order.
[0035]
In the semiconductor laser device of this embodiment, the light guide layer 6, the active layer 7, and the light guide layer 8 constitute the light emitting layer 100.
[0036]
In the central portion on the p-type first cladding layer 10, a striped p-type second cladding layer 12 extending in the resonator direction made of p-type AlGaAs via a p-type etching stop layer 11 made of p-type AlGaAs, and A p-type first contact layer 13 made of p-type GaAs is sequentially stacked to form a ridge portion 200. The stripe-shaped ridge portion 200 extends in the <011> direction on the upper surface of the n-type semiconductor substrate 1.
[0037]
On both side surfaces of the p-type second cladding layer 12 and the p-type first contact layer 13 constituting the ridge portion 200, and on the flat surfaces of the p-type first cladding layer 10 on both sides of the ridge portion, undoped AlGaAs is formed. The first current blocking layer 14, the n-type second current blocking layer 15 made of n-type AlGaAs, and the n-type third current blocking layer 16 made of n-type GaAs are sequentially formed.
[0038]
From the p-type first contact layer 13 to the n-type third current blocking layer 16, a p-type second contact layer 17 made of p-type GaAs and a p-type third contact layer 18 made of p-type GaAs are sequentially arranged. Is formed.
[0039]
A p-type electrode 19 is formed on the p-type third contact layer 18, and an n-type electrode 20 is formed on the back surface of the n-type semiconductor substrate 1.
[0040]
2 and 3 are views showing a method of manufacturing the semiconductor laser device of the first embodiment.
[0041]
First, as shown in FIG. 2A, several degrees from the (100) plane of the n-type semiconductor substrate 1 to the <0-11> direction on the plane (4 ° in the [0-11] direction in this embodiment). On the inclined upper surface, the n-type first buffer layer 2, the n-type second buffer layer 3, the n-type cladding layer 4, the n-type carrier block layer 5, the light guide layer 6, the active layer 7, the light guide layer 8, The p-type carrier block layer 9, the p-type first cladding layer 10, the p-type etching stop layer 11, the p-type second cladding layer 12 and the p-type first contact layer 13 are sequentially formed by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Method) or MBE method (molecular beam epitaxial growth method) at a growth temperature of 700 to 900 ° C. The materials, Al composition ratio, layer thickness, and carrier concentration of each layer 2 to 13 are as shown in Table 1. The Al composition ratio is Al _X Ga _1-X It is X in As (the atomic concentration ratio of Al to the total amount of Al and Ga). The carrier concentration of the n-type semiconductor substrate 1 is 2 × 10. ¹⁸ cm ^-3 It is.
[0042]
[Table 1]

[0043]
For the growth of the n-type first buffer layer 2, AsH is used as a source gas. _Three And TMG and H as the dopant gas ₂ Se is used. For the growth of the n-type second buffer layer 3, the n-type cladding layer 4 and the n-type carrier block layer 5, the source gas is AsH. _Three , TMG and TMA, and H as dopant gas ₂ Se is used. For the growth of the light guide layer 6, the active layer 7 and the light guide layer 8, AsH is used as a source gas. _Three , TMG and TMA are used. For the growth of the p-type carrier block layer 9, the p-type first cladding layer 10, the p-type etching stop layer 11 and the p-type second cladding layer 12, the source gas is AsH. _Three , TMG and TMA, and DEZ as a dopant gas. For the growth of the p-type first contact layer 13, the source gas is AsH. _Three And TMG and DEZ as the dopant gas.
[0044]
Where AsH _Three Is arsine, TMG is trimethylgallium, TMA is trimethylaluminum, H ₂ Se is hydrogen selenide and SiH _Four Is monosilane and DEZ is diethyl zinc.
[0045]
By the way, various AlGaAs layers are grown on the GaAs substrate by changing the ratio of the supply amounts of TMG and TMA during growth to 2 μm, and each AlGaAs layer is subjected to (004) reflection angle from the AlGaAs layer by X-ray diffraction. When the Al composition ratio of each AlGaAs layer was measured, the Al composition ratio in the AlGaAs layer coincided with the ratio of the supply amount of TMG and TMA, that is, the supply amount of TMA / (TMG supply amount + TMA supply amount). Was confirmed. From this, it can be confirmed that the Al composition ratio in each of the above layers 2 to 13 coincides with the ratio of the supply amount of the raw materials TMG and TMA, that is, the supply amount of TMA / (TMG supply amount + TMA supply amount). It was.
[0046]
Therefore, in this case, the Al composition ratio in each of the layers 2 to 13 was adjusted by adjusting the ratio of the supply amounts of TMG and TMA. Here, the supply amount is adjusted by controlling the supply amount of the source gas by a mass flow controller (MFC).
[0047]
After the layers 2 to 13 are grown as described above, SiO 2 is formed on the p-type first contact layer 13. ₂ A striped oxide film 21 is formed on the p-type first contact layer 13 by removing the oxide film except for the central striped region by a normal photolithography technique. . At this time, the stripe-shaped oxide film 21 is formed to extend in the <011> direction on the upper surface of the n-type semiconductor substrate 1.
[0048]
Next, as shown in FIG. 2B, the p-type first contact layer 13, the p-type second cladding layer 12, and the p-type are etched by using the oxide film 21 as a mask until the p-type first cladding layer 10 is exposed. The etching stop layer 11 is removed. As a result, a striped ridge portion 200 is formed below the oxide film 21. The stripe-shaped ridge portion 200 extends in the <011> direction on the upper surface of the n-type semiconductor substrate 1.
[0049]
Note that either wet etching or dry etching may be used for the etching at this time. The etching stopper layer 11 only needs to have a certain difference in Al composition ratio with the p-type second cladding layer 12 or more, and for example, GaAs can be used.
[0050]
At this time, the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion 200 with respect to the n-type semiconductor substrate 1 (in this embodiment, coincides with the angle formed between the side surface of the ridge portion and the upper surface of the p-type etching stop layer 11). By controlling the relationship between the surface orientation of the upper surface and the stripe direction of the ridge 200, the content and temperature of hydrogen peroxide and water in wet etching, or the ion energy in reactive ion etching and reactive ion beam etching, etc. The angle can be set to a predetermined angle described in detail below.
[0051]
In the case of wet etching, if the extending direction of the stripe-shaped oxide film 21 is selected as the <011> direction, the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion 200 can be easily set to 70 ° or more. When the ridge portion 200 is formed by dry etching, the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion 200 can be set to 70 ° or more regardless of the extending direction of the oxide film 21. However, even in the case of dry etching, by selecting the extending direction of the stripe-shaped oxide film 21 as the <011> direction, the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion 200 is set to 70 ° under the condition that the etching surface is not damaged. It becomes possible to set above.
[0052]
The lower width W of the ridge portion 200 is a predetermined value that will be described in detail below, depending on the film thickness of the p-type second cladding layer 12, the width of the oxide film 21, the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion, the etching time, and the like. Can be set.
[0053]
The sum of the thicknesses of the p-type carrier block layer 9 and the p-type first cladding layer 10 is the same as that when forming the p-type carrier block layer 9 and the p-type first block layer 10 in the step of FIG. By controlling the growth time and further the etching depth by the etching stop layer 11 in the step of FIG. The sum of the thicknesses of the p-type carrier block layer 9 and the p-type first cladding layer 10 is the separation distance t between the light emitting layer 100 and the first current blocking layer 14 formed in the next step.
[0054]
Next, as shown in FIG. 3C, the undoped first current block is formed on the flat surface of the p-type second cladding layer 10 on both sides of the ridge portion and on the side surface of the ridge portion using the oxide film 21 as a mask. The layer 14, the n-type second current blocking layer 15, and the n-type third current blocking layer 16 are selectively grown at a growth temperature of 600 to 900 ° C. At this time, these layers do not grow on the oxide film 21. The materials, Al composition ratio, layer thickness, and carrier concentration of each layer 14-16 are as shown in Table 2, and the Al composition ratio of the first current blocking layer 14 is within a range that satisfies the conditions detailed below. Is set.
[0055]
[Table 2]

[0056]
For the growth of the first current blocking layer 14, the source gas is AsH. _Three , TMG and TMA are used. For the growth of the n-type second current blocking layer 15, the source gas is AsH. _Three , TMG and TMA, and H as dopant gas ₂ Se is used. For the growth of the n-type third current blocking layer 16, the source gas is AsH. _Three And TMG and H as the dopant gas ₂ Se is used. Also in this case, the Al composition ratio is adjusted by adjusting the ratio of the supply amounts of TMG and TMA as in the case of the above-described layers 2 to 13.
[0057]
Next, after removing the oxide film 21 by wet etching or dry etching, the p-type first contact layer 13 and the n-type third current blocking layer 16 are formed on the p-type first contact layer 13 and the n-type third current blocking layer 16 as shown in FIG. The two contact layer 17 and the p-type third contact layer 18 are crystal-grown at a growth temperature of 600 to 900 ° C. The materials, Al composition, layer thickness, and carrier concentration of the

layers

17 and 18 are as shown in Table 3.
[0058]
[Table 3]

[0059]
For the growth of the p-type second contact layer 17 and the p-type third contact layer 18, AsH is used as a source gas. _Three And TMG, and DEZ as the dopant gas. The thickness of the p-type first contact layer 13 may be very thin as long as there is no problem in device characteristics and may be in the range of 5 nm or more and 1000 nm or less.
[0060]
Finally, a p-type electrode 19 made of CrAu having a thickness of about 50 nm and Au having a thickness of about 1.5 μm is formed on the p-type third contact layer 18, and AuGe / Ni is formed on the back surface of the n-type semiconductor substrate 1. An n-type electrode 20 made of / Au is formed.
[0061]
Through the above steps, the semiconductor laser device having the structure shown in FIG. 1 is formed.
[0062]
Next, in the semiconductor laser device having the structure shown in FIG. 1, the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion 200 with respect to the upper surface of the n-type semiconductor substrate 1 (in this embodiment, the side surface of the ridge portion 200 and the p-type etching stopper layer 11). A plurality of types of semiconductor laser devices having a difference of 55 °, 70 °, 80 °, 90 °, 100 °, 110 °, 117 °, and 125 ° with respect to the angle θ formed with the upper surface of the substrate were fabricated. When the tilt angle θ is 55 °, 70 °, or 80 °, the semiconductor laser element has a ridge portion having a forward mesa structure as shown in FIG. 4, and the tilt angle θ is 100 °, 110 °, 117 °, In the case of 125 °, a semiconductor laser device having a ridge portion having an inverted mesa structure as shown in FIG. When the inclination angle θ is 90 °, the semiconductor laser device has a ridge portion with the side surfaces standing upright as shown in FIG.
[0063]
As a method for measuring the tilt angle θ, the laser emission end face of the element is observed with a scanning electron microscope (SEM) after the element is manufactured, and a cross-sectional SEM image (photograph) of the laser emission end face of the element is obtained. The magnification at this time is about 6000 times. Then, the angle formed by the ridge side wall and the flat portion on the obtained SEM image (photograph) was measured with a protractor to determine the tilt angle θ.
[0064]
Next, the horizontal spread angle of the laser beam when the lower width W of the ridge portion was changed in each of the semiconductor laser elements having the different inclination angles θ was examined. The results are shown in FIG. 6, FIG. 7 and FIG. The thickness of the p-type second cladding layer 12 of the semiconductor laser element used for this measurement is 2000 nm.
[0065]
In the semiconductor laser device having the inclination angles θ of 55 ° and 125 °, as can be seen from FIG. 6, when the lower width W of the ridge portion is increased, the horizontal spread angle of the laser beam is greatly reduced.
[0066]
On the other hand, in the semiconductor laser device having the inclination angle θ of 80 °, 90 °, 100 °, and 110 °, as can be seen from FIG. 7, the lower width W becomes large until the lower width W of the ridge portion is 5 μm. However, almost no decrease in the horizontal spread angle of the laser beam is observed.
[0067]
Further, in a semiconductor laser device having an inclination angle θ of 70 ° and 117 °, as can be seen from FIG. 8, the laser beam is spread horizontally even when the lower width W is increased up to 5 μm. There is almost no decrease in angle.
[0068]
Next, in the semiconductor laser device having the ridge portion having the inverted mesa structure as shown in FIG. 5 in which the inclination angle θ of the ridge portion is 100 ° and the lower width W is 4 μm, the first current blocking layer 14 and the n-type second Four types of semiconductor laser elements in which the Al composition ratio X2 of the current blocking layer 15 is 0.55, 0.62, 0.75, 0.80 are manufactured. In each type of semiconductor laser element, the light emitting layer and the current The relationship between the separation distance t from the block layer (the total thickness of the p-type carrier block layer 9 and the p-type first cladding layer 10) and the horizontal spread angle of the laser beam was examined. The result is shown in FIG.
[0069]
As can be seen from FIG. 9, when the separation distance t is increased, the horizontal spread angle of the laser beam is reduced. However, when the separation distance t is 0.15 μm or more, the slope of the decrease in the horizontal spread angle is reduced, and further, the separation distance is increased. When the distance t is 0.2 μm or more, the slope of the decrease in the horizontal spread angle is further reduced. Furthermore, it can be seen that when the separation distance t exceeds a certain value, there exists a first critical separation distance t1 at which the horizontal spread angle rapidly decreases. The first critical separation distance t1 is 0.31 when the Al composition ratio X2 is 0.55, 0.33 when the Al composition ratio X2 is 0.62, and the Al composition ratio X2 is 0. When .75, the ratio is 0.39, and when Al composition ratio X2 is 0.80, the ratio is 0.42.
[0070]
Further, as shown in FIG. 9, the second critical distance, which is the upper limit value of the stable separation distance, is small even when the separation distance t is increased, and the decrease in the horizontal spread angle is small even when the separation distance t is larger. It can be seen that there is a separation distance t2. The second critical separation distance t2 is 0.28 when the Al composition ratio X2 is 0.55, 0.31 when the Al composition ratio X2 is 0.62, and the Al composition ratio X2 is 0. When .75, the ratio is 0.36, and when Al composition ratio X2 is 0.80, the ratio is 0.39.
[0071]
Next, in order to examine the relationship between the Al composition ratio X2 of the first current blocking layer 14 and the n-type second current blocking layer 15 and the first critical separation distance t1, the first current blocking layer 14 and the n-type second current blocking layer 15 are examined. The reciprocal of the value obtained by subtracting the difference between the Al composition ratio X2 of the two-current blocking layer 15 and the Al composition ratio X1 of the p-type cladding layer (0.45 in this embodiment) from 1, that is, 1 / (1- (X2- The relationship between X1)) and the first critical separation distance t1 was graphed. The result is shown in FIG.
[0072]
As can be seen from FIG. 10, the first critical separation distance t1 is the reciprocal of the value obtained by subtracting the difference between the Al composition ratio X2 and the Al composition ratio X1 from 1 (1 / (1- (X2-X1))). The proportional expression is t1 = 0.275 / (1- (X2-X1)). That is, when the separation distance t exceeds 0.275 / (1- (X2-X1)), the horizontal spread angle rapidly decreases. Therefore, in order to prevent the horizontal spread angle from rapidly decreasing, the separation distance t ≦ 0. .275 / (1- (X2-X1)) must be satisfied.
[0073]
Further, in the case where the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion is 80 ° and 110 °, as a result of the same investigation, the same result as in FIG. 9 is obtained, and 1 / (1- (X2-X1)) As a result of graphing the relationship with the first critical separation distance t1, the results shown in FIGS. 11 and 12 were obtained.
[0074]
As can be seen from FIGS. 11 and 12, even when the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion is 80 ° and 110 °, the separation distance t ≦ 0.275 in order to prevent the horizontal spread angle from rapidly decreasing. / (1- (X2-X1)) needs to be satisfied.
[0075]
Further, when the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion is 70 ° and 117 °, the same results as in FIG. 9 were obtained as a result of the same investigation, and 1 / (1- (X2-X1)) As a result of graphing the relationship with the first critical separation distance t1, the results shown in FIGS. 13 and 14 were obtained.
[0076]
As can be seen from FIGS. 13 and 14, even when the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion is 70 ° and 117 °, the separation distance t ≦ 0.275 in order to prevent the horizontal spread angle from rapidly decreasing. / (1- (X2-X1)) needs to be satisfied.
[0077]
Next, in the semiconductor laser device in which the ridge portion tilt angle θ is 100 °, when the Al composition ratio X2 of the current block layer is 0.80 and the separation distance t is 0.10 μm, the Al composition ratio X2 of the current block layer is When the separation distance t is 0.75 and the separation distance t is 0.20 μm, the Al composition ratio X2 of the current blocking layer is 0.58 and the separation distance t is 0.25 μm. The horizontal spread angle of the laser beam was investigated. The result is shown in FIG.
[0078]
As can be seen from FIG. 15, when the lower width W of the ridge is 1.5 μm or more and 5 μm or less, the horizontal spread angle of the laser beam is substantially constant, and when the lower width W exceeds 5 μm, the horizontal spread of the laser beam is increased. The angle decreases rapidly.
[0079]
Next, in the semiconductor laser device in which the inclination angle θ of the ridge portion is 100 °, the Al composition ratio X2 of the current blocking layer is 0.75, and the separation distance t is 0.20 μm, the lower width W of the ridge portion and the operating current are 40 mA. The operating voltage at that time was examined. The result is shown in FIG.
[0080]
As can be seen from FIG. 16, when the lower width W of the ridge portion becomes smaller than 2 μm, the operating voltage increases rapidly, so the lower width W needs to be 2 μm or more.
[0081]
That is, as can be seen from FIGS. 15 and 16, the lower width W of the ridge portion is preferably 2 μm or more and 5 μm or less in consideration of the horizontal spread angle and the operating voltage.
[0082]
Next, regarding the second critical separation distance t2, the relationship between 1 / (1- (X2-X1)) and the second critical separation distance t2 is graphed in the same manner as the first critical separation distance t1. . The result is shown in FIG.
[0083]
As can be seen from FIG. 17, the second critical separation distance t2 is the reciprocal of the value obtained by subtracting the difference between the Al composition ratio X2 and the Al composition ratio X1 from 1 (1 / (1- (X2-X1))). The proportional expression is t2 = 0.252 / (1- (X2-X1)). That is, in order to secure a horizontal spread angle that is less than a certain level (5 ° or more in this embodiment) with a small decrease in the horizontal spread angle, the separation distance t ≦ 0.252 / (1- (X2-X1)). It is necessary to satisfy the relationship. Similar results were obtained when the inclination angle θ of the side surface of the ridge portion was 80 °, 110 °, 70 °, and 117 °.
[0084]
In the above-described embodiment, the p-type first cladding layer 10 and the p-type second cladding layer 12 have the same Al composition ratio, but the Al composition ratio may be different. In this case, the Al composition ratio of the second cladding layer 12 constituting the ridge portion 200 is X1.
[0085]
In the above-described embodiment, the top surface of the n-type semiconductor substrate 1 is a slightly inclined substrate that is inclined by 4 ° from the (100) plane in the <0-11> direction on the surface. When the angle is not less than 13 ° and not more than 13 °, the same result as in the above-described example was obtained.
[0086]
Further, the plane orientation of the upper surface of the n-type semiconductor substrate 1 may be inclined by several degrees from the {100} or {100} plane including the (100) plane. In this case, the striped ridge portion 200 is What is necessary is just to extend in the <011> direction, and in order to form such a ridge portion, a stripe mask extending in the <011> direction may be formed. Further, the plane orientation of the upper surface of the n-type semiconductor substrate 1 may be inclined by several degrees from the {-100} or {-100} plane. In this case, the stripe-shaped ridge portion 200 is <0-11>. In order to form such a ridge portion, a stripe-shaped mask extending in the <0-11> direction may be formed.
[0087]
In addition, although the above-mentioned Example demonstrated the case where Al and Ga were contained as a III group element, this invention is applicable also when other III group elements, such as In, are contained. The present invention can also be applied to a case where P, N, etc. are contained in addition to As as a group V element.
[0088]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a semiconductor laser device that suppresses a decrease in the horizontal divergence angle of the laser beam and can easily adjust the horizontal divergence angle of the laser beam even when the output of the laser beam is increased. Can do.
[0089]
In addition, according to the present invention, even when the output of the laser beam is increased, the semiconductor laser element that suppresses the reduction of the horizontal spread angle of the laser beam and can easily adjust the horizontal spread angle of the laser beam. It is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor laser device that can be manufactured easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser device having a ridge portion having a forward mesa structure according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a semiconductor laser device having a ridge portion having an inverted mesa structure according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a horizontal spread angle of a laser beam and a lower width W of a ridge portion.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a horizontal spread angle of a laser beam and a lower width W of a ridge portion.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between a horizontal spread angle of a laser beam and a lower width W of a ridge portion.
FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a horizontal spread angle of a laser beam and a separation distance t between a light emitting layer and a current blocking layer.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a first critical separation distance t1 and (1 / (1- (X2-X1))).
FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship between a first critical separation distance t1 and (1 / (1- (X2-X1))).
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between a first critical separation distance t1 and (1 / (1- (X2-X1))).
FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between a first critical separation distance t1 and (1 / (1- (X2-X1))).
FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between a first critical separation distance t1 and (1 / (1- (X2-X1))).
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a horizontal spread angle of a laser beam and a lower width W of a ridge portion.
FIG. 16 is a diagram illustrating a relationship between an operating voltage and a lower width W of a ridge portion.
FIG. 17 is a diagram illustrating a relationship between a second critical separation distance t2 and (1 / (1- (X2-X1))).
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
1 n-type semiconductor substrate
10 p-type first cladding layer (second conductivity type first cladding layer)
11 Etching stop layer
12 p-type second cladding layer (second conductivity type second cladding layer)
14 First current blocking layer
100 light emitting layer
200 Ridge

Claims

A first conductivity type cladding layer, a light emitting layer, and a second conductivity type cladding layer made of Al _X1 Ga _1-X1 As are sequentially laminated on the substrate, and a ridge portion is formed in the second conductivity type cladding layer. In the semiconductor laser device in which a current blocking layer made of Al _X2 Ga _{1 -X2} As is formed around the ridge portion on the second conductivity type cladding layer, the light emitting layer and the second conductivity type cladding layer together with the carrier block layer is formed between, the inclined angle of the side surface of the ridge portion θ is 70 ° or more with respect to the upper surface of the substrate, and at 117 ° or less, and the previous SL-emitting layer and the current blocking layer If the distance is t, and satisfies the relation of t ≦ 0.275 / (1- (X2 -X1)) [μm], wherein the lower width W of the ridge portion above 2 [mu] m, is 5μm or less Semiconductor Laser element.

It said first conductivity type cladding layer contains Al and Ga as group III elements, the semiconductor laser device according to claim 1, wherein the composition ratio of Al in the sum of Al and Ga is characterized X1 der Rukoto.

t ≦ 0.252 / (1- (X2 -X1)) semiconductor laser device according to claim 1 or 2, wherein the a [[mu] m].

The semiconductor laser device according to claim 1, 2 or 3, wherein said distance t is 0.15μm or more.

The semiconductor laser device according to claim 1, 2 or 3, wherein said distance t is 0.2μm or more.

The upper surface of the substrate is inclined by several degrees from the {100} plane or {100} plane, and the ridge portion extends in the <011> direction, or the upper surface of the substrate is a {-100} plane or {- inclined several degrees from 100} plane, and the semiconductor laser device according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein said ridge portion characterized in that it extends in the <011> direction.

A cladding layer and a light emitting layer of a first conductivity type are formed on a substrate, a carrier block layer having a predetermined thickness is formed on the light emitting layer , and a second conductivity type having a predetermined thickness is formed on the carrier block layer . Forming a first cladding layer and forming a second conductivity type second cladding layer made of Al _X1 Ga _1-X1 As on the first cladding layer via an etching stop layer;
By removing a part of the second cladding layer, a ridge portion having a side surface inclination angle θ of 70 ° to 117 ° and a lower width W of 2 μm to 5 μm is formed. And the process of
On both sides of the ridge portion, the composition ratio of Al in the group III element is X2, and the distance from the upper surface of the first conductivity type second cladding layer exposed around the ridge portion to the light emitting layer is t. Forming a current blocking layer made of Al _X2 Ga _1-X2 As that satisfies the relationship of t ≦ 0.275 / (1- (X2-X1)) [μm]. Manufacturing method of semiconductor laser device.

When the upper surface of the substrate is inclined by several degrees from the {100} plane or the {100} plane, a mask extending in the <011> direction is formed, or the upper surface of the substrate is the {-100} plane or When inclined several degrees from the {-100} plane, a mask extending in the <0-11> direction is formed, and then the ridge portion is formed by etching using the mask. A method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 7 .