JP4121494B2 - 半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、光ディスク装置および光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、光ディスク装置および光伝送システムに関し、特に、光ディスク装置や光伝送システムに用いられる半導体レーザ素子とその製造方法に関するものである。

活性層上にリッジ部を有し、１回の結晶成長工程で製造できるリッジ導波型半導体レーザ素子は、結晶成長工程が３回必要なリッジ埋め込み型半導体レーザ素子に比べて製造工程が簡便なため、低コストで半導体レーザ素子を製造できると言うメリットがある。

このようなリッジ導波型半導体レーザ素子の中でも、一般にエアリッジ型として知られる絶縁膜を用いた電流狭窄を行うリッジ導波型半導体レーザ素子に比べて、さらに低コストで製造可能なショットキー接合を用いて電流狭窄を行うリッジ導波型半導体レーザ素子の従来例を図７に示す(例えば、特開平４−１１１３７５号公報(特許文献１)参照)。

この半導体レーザ素子は次のようにして製造される。まず、図７に示すように、有機金属化学気相成長(ＭＯＣＶＤ)法により、ｎ−ＧaＡs基板４０１上に、ｎ−ＩnＧaＰクラッド層４０２、ＩnＧaＡs／ＧaＡs歪量子井戸活性層４０３、ｐ−ＩnＧaＰクラッド層４０４、ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層４０５を順次積層する。次に、フォトリソグラフィなどの手法により、ｐ−ＩnＧaＰクラッド層４０４の途中までエッチングを行い、メサを形成した後、ｐ電極４０６として下層から順にＴi／Ｐt／Ａuを、ｎ電極４０７としてＡu−Ｇe−Ｎi／Ａuを順次蒸着する。このようにして製作された素子に電流を流すと、ｐ−ＩnＧaＰクラッド層４０４とｐ電極４０６との間にはショットキー接合部４０８が形成され、ｐ電極４０６とｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層４０５との間にのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。

上記リッジ埋め込み型半導体レーザ素子の製造方法では３回の結晶成長工程を必要としていたものが、上述した従来のリッジ導波型半導体レーザ素子のような構成においては、１回の結晶成長工程だけで製造することができるようになり、さらに電流狭窄に絶縁膜等を用いることもないため、その製造工程が大幅に簡略化され、従来のリッジ埋め込み型半導体レーザ素子に比べて圧倒的に低コストで製造できるリッジ導波型半導体レーザ素子が提供される。

しかしながら、上述のリッジ導波型半導体レーザ素子には次のような課題があった。すなわち、上述の従来例のように絶縁膜を形成せずにショットキー接合を用いて電流狭窄を行うリッジ導波型半導体レーザ素子では、電極と半導体層の界面に絶縁膜を設けることで電流を流れないようにするエアリッジ型半導体レーザ素子と違って、リッジ部の側面およびリッジ部から外方へ延在するクラッド層表面に対して直接に電極が接している。この時、半導体レーザ素子を構成する半導体材料の屈折率と電極材料の屈折率の関係によっては、発振レーザ光分布が、リッジ部側面およびリッジ部近傍のクラッド層表面に形成された電極側に漏れやすい形状となってしまうことが分かった。

例えば、上記従来のリッジ導波型半導体レーザ素子で用いられた電極材料の屈折率は、半導体材料と接するＴiが、波長６００ｎｍから１.５μｍの範囲でおよそ３.０から３.６であり、Ｔiの上側に設けられているＰtが同じく波長７００ｎｍから１.５μｍの範囲で３.０から５.５である。一方、リッジ部より外側の垂直方向の実効的な屈折率も例えば３.２前後であり、両者の屈折率の値は非常に近しい関係にある。

このように、リッジ部外の垂直方向における実効屈折率と、半導体層上に直接形成される電極材料の屈折率の値が近接していると、ショットキー接合を利用した電流狭窄を行う上記従来のリッジ導波型半導体レーザ素子では、電極方向へ光が漏れやすくなることがある。

そして、電極にまで光が漏れてしまうと、一般に、金属材料は半導体材料に比べて光の吸収係数が１０^４倍から１０^５倍も高いため、電極を構成する金属材料が、発振するレーザ光の非常に大きな吸収成分となって内部損失を増加させ、半導体レーザ素子の発振閾値電流を上昇させたり、スロープ効率を低下させたりするという問題が発生することが分かった。
特開平４−１１１３７５号公報(第３頁、第１図)

本発明は、上記課題を克服し、光分布を電極側に漏れないような形状とし、電極での光吸収を抑制することによって、内部損失が増加せず、したがって低閾値電流発振と高効率動作が可能で、かつ、低コストで製造できる低消費電力の半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

さらに本発明は、上記課題を克服した半導体レーザ素子を用いた光ディスク装置および光伝送システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型の基板上に、少なくとも活性層と、リッジ部が形成された第２導電型の半導体層群とを有するリッジ導波型半導体レーザ素子であって、上記第２導電型の半導体層群上に形成され、上記第２導電型の半導体層群のリッジ部の側面、または、上記リッジ部を除く上記第２導電型の半導体層群の領域の上記リッジ部近傍の表面の少なくとも一方に接する上部電極を備え、上記上部電極は、上記第２導電型の半導体層群の表面に接する側から順に形成された高屈折率層と低屈折率層とを有し、上記高屈折率層の発振レーザ光の波長帯における屈折率が２.５以上でかつ厚みが１５ｎｍ以下であり、上記低屈折率層の上記屈折率が１.０以下であることを特徴とする。

ここで、「第１導電型」とはｎ型とｐ型のうち一方の導電型を指し、「第２導電型」とはｎ型とｐ型のうち他方の導電型を指す。

また、ここで「高屈折率層」とは、上記の通り、発振レーザ光の波長帯における屈折率が２.５以上である材料層のことであり、「低屈折率層」とは屈折率が１.０以下であるような材料層のことを指す。

また、上記高屈折率層の厚みとは、上記高屈折率層が１つ形成されている場合には、それ自身の厚みのことであり、高屈折率層が複数形成されている場合には、各々の厚みの和のことを指す。

上記構成の半導体レーザ素子によれば、上部電極を構成する材料層のうち半導体層群と接する側に設けられた屈折率が２.５以上の上記高屈折率層の厚みを７５ｎｍ以下とし、かつその高屈折率層上に屈折率が１.０以下の低屈折率層を有するような上部電極とすることによって、発振レーザ光の分布が、相対的に高い屈折率をもつ上記高屈折率層に影響されて電極側に引っ張られたような形状となることを防止できる。その結果、上部電極による光吸収を低減でき、内部損失の増加が抑制される。そのため、低い発振閾値電流と高いスロープ効率を有する低消費電力動作可能な半導体レーザ素子を低コストで提供することができる。

上記高屈折率層の厚みを１５ｎｍ以下とすれば内部損失を少なくとも２分の１以下にできるため、高いスロープ効率を実現できる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記高屈折率層が、密着性改善層または拡散防止層の少なくとも１つとして機能することが好ましい。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、密着性改善層を有することにより上部電極の剥がれが防止され、製造歩留まりが向上する。また、拡散防止層を備えることにより、低屈折率層を構成する金属材料が半導体層中へ拡散することを防止でき、拡散した金属元素に起因する内部散乱による効率の低下や、信頼性の低下の問題を防止することができる。

ここで、「密着性改善層」とは、その密着性改善層の上部に形成される材料層と、その密着性改善層の下地となる層(ここでは半導体層)の間の密着性を向上させるために形成される層のことであり、「拡散防止層」とは、拡散防止層よりも上部に形成された材料層が、拡散防止層を超えて下方へ拡散することを防止するために形成される層のことである。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記密着性改善層が、チタニウム,クロムまたはモリブデンのうちの少なくとも１つであることが好ましい。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、チタニウム,クロムまたはモリブデンのうちの少なくとも１つを密着性改善層に用いることで、下地層との間の密着性を大きく向上させることができる。ここで、チタニウム(Ｔi)またはクロム(Ｃｒ)またはモリブデン(Ｍｏ)は、およそ４００ｎｍから１.５μｍ程度の発振波長帯の光に対する屈折率が２.５以上である。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記拡散防止層が白金族元素のうちの少なくとも１つからなることが好ましい。

ここで白金族元素とは、ルテニウム(Ｒｕ)、ロジウム(Ｒｈ)、パラジウム(Ｐｄ)、オスミウム(Ｏｓ)、イリジウム(Ｉｒ)および白金(Ｐt)の総称のことである。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、白金族元素のうちの少なくとも１つを拡散防止層に用いることで、その上部に形成される材料層の拡散を十分に抑制することが可能となる。また、白金族元素を用いることで、およそ５００ｎｍから１.５μｍ程度の発振波長帯の光に対する屈折率が２.５以上の材料を得ることができる。

これらの高屈折率層を１５ｎｍ以下の厚みで形成することによって、上部電極側に光が漏れ出さないような形状とすることができ、上部電極による光吸収を従来の２分の１以下に低減することができるようになる。よって、内部損失の増加が抑制された低閾値電流でかつ高効率発振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。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記上部電極が、少なくとも、上記高屈折率層であって密着性改善層として機能する第１材料層と、上記高屈折率層であって拡散防止層として機能する第２材料層と、上記屈折率が１.０以下の低屈折率層である第３材料層とが上記第２導電型の半導体層群側から順に形成されていることが好ましい。

上記実施形態の半導体レーザ素子の構成によれば、第１材料層として密着性を改善する機能を有する高屈折率層を用いることで、半導体層に対する上部電極の密着性を向上させることができ、製造歩留まりを向上させ、ワイヤーボンディング時の電極剥がれ不良も低減させることができる。また、第２材料層として拡散防止層としての機能を有する高屈折率層を用いることで、第２材料層の上層に形成された第３材料層を構成する元素が第２材料層を超えて半導体層へ向かって拡散することを防止することができ、半導体レーザ素子の信頼性が向上すると共に、半導体層中に拡散した電極材料元素による発振レーザ光の散乱や吸収の問題が無くなり、内部量子効率が向上する。そのことによって高いスロープ効率と信頼性を兼ね備えた半導体レーザ素子を提供することができるようになる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第１材料層の厚みが１ｎｍ以上かつ２５ｎｍ以下であり、上記第２材料層の厚みが５ｎｍ以上かつ５０ｎｍ以下であって、上記第１材料層と第２材料層の厚みの和が７５ｎｍ以下であることが好ましい。

上記実施形態の半導体レーザ素子の構成によれば、第１材料層の厚みは少なくとも１ｎｍ以上であれば上部電極の密着性を向上させる効果がある。また、第１材料層は、２５ｎｍを超えて形成しても密着性をさらに向上させる効果は無いため、その厚みは２５ｎｍ以下で十分である。第３材料層の拡散を防止するために形成される第２材料層は、少なくとも５ｎｍ以上あればその効果が十分得られ、厚みが厚いほど拡散防止効果は高くなるが、光の吸収損失との兼ね合いで、その上限は５０ｎｍとした方が良い。また、第１材料層と第２材料層の合計の厚みが７５ｎｍ以下であれば、上部電極による光吸収が低減されることになり、内部損失の増加が抑制された半導体レーザ素子が得られる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記上部電極の上記第１材料層と上記第２導電型の半導体層群との界面に、チタニウム,クロム,モリブデンまたは白金族元素のうちの少なくとも１つの構成元素と上記第２導電型の半導体層群の構成元素からなる化合物層が形成されていることを特徴とする。

上記実施形態の半導体レーザ素子の構成によれば、上部電極と半導体層との界面に、チタニウム,クロム,モリブデンまたは白金族元素のうちの少なくとも１つの構成元素と第２導電型の半導体層群を構成する元素の化合物層を有することで、上部電極の密着性がさらに向上する。また、上部電極を構成する元素が化合物層を超えて、さらに深く半導体層へ拡散することを防止する効果がある。加えて、上部電極と半導体層との電気的接続もより強化されるという効果がある。

また、一実施形態の半導体レーザ素子の構成において、上記リッジ部の最上部と上記上部電極とがオーミック接合を形成しており、かつ、上記リッジ部の側面、または、上記リッジ部を除く上記第２導電型の半導体層群の領域の上記リッジ部近傍の表面の少なくとも一方と上記上部電極とがショットキー接合を形成していることを特徴とする。

上記実施形態の半導体レーザ素子の構成によれば、結晶成長工程が３回必要なリッジ埋込型半導体レーザ素子に比べて、１回の結晶成長工程で製造でき、かつ、リッジ部以外への電流狭窄に絶縁膜を設ける必要が無いため、その製造工程が大幅に簡略化される。その結果、低閾値電流、高効率動作が可能で、しかも低コストで製造できるリッジ導波型半導体レーザ素子が提供される。

また、一実施形態の半導体レーザ素子の構成において、上記第２導電型の半導体層群は、上記リッジ部の最上部に設けられたドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度半導体層と、少なくとも上記リッジ部の最上部以外の領域に設けられたドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層とを有し、上記上部電極と上記高濃度半導体層の界面に、上記上部電極の構成元素と上記高濃度半導体層の構成元素からなる高濃度側の化合物層が形成され、上記上部電極と上記低濃度半導体層の界面に、上記上部電極の構成元素と上記低濃度半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層が形成されていることが好ましい。

上記構成の半導体レーザ素子によれば、リッジ部の最上部に高濃度半導体層が設けられ、少なくともそのリッジ部の最上部以外の領域に低濃度半導体層が設けられた構造において、リッジ部の最上部であってドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度半導体層と上部電極とのオーミック接合では、上記高濃度側の化合物層によってより低コンタクト抵抗が得られると共に、リッジ部の最上部以外の領域であって、ドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層と上部電極とのショットキー接合では、上記低濃度側の化合物層によって十分な電流狭窄が得られる。このようにオーミック接合とショットキー接合がともにより強化されるので、電流狭窄を行うための埋め込み層(電流ブロック層)の結晶再成長工程と、低コンタクト抵抗を得るためのコンタクト層の結晶再成長工程を別途行うことなく、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗を実現でき、熱的、電気的信頼性が向上する。さらに、第２導電型の半導体層群の高濃度半導体層上と低濃度半導体層上に形成された同一の上部電極によって、電流狭窄を行うショットキー接合部と電流注入を行うオーミック接合部分を同時に形成できるため、製造コストを大幅に低減できる。したがって、低閾値電流、高効率動作が可能なため低消費電力であると共に、製造工程の簡略化によりコストを低減できる半導体レーザ素子を提供することができる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層が形成されていることが好ましい。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくともドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の第２導電型の半導体層をさらに形成することによって、良好なショットキー接合特性を実現するための制限を受けることなく、上記第２導電型の半導体層の層厚・組成等を要求される光学特性仕様に応じて自在に変更することができるようになるため、光学設計の自由度が増すと共に、素子抵抗の上昇を抑えることができ、一層の低消費電力化を図ることができる。

また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、上記活性層上に第２導電型の半導体層群を形成する工程と、上記第２導電型の半導体層群の一部を除去してリッジ部を形成する工程と、上記第２導電型の半導体層群上に上部電極を形成する工程とを含み、上記上部電極を形成する工程において、発振レーザ光の波長帯における屈折率が２.５以上の高屈折率層を合計の厚みが１５ｎｍ以下となるように１つまたは複数形成し、上記高屈折率層上に屈折率が１.０以下の低屈折率層を形成することを特徴とする。

上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記半導体レーザ素子の発振レーザ光の波長帯における屈折率が２.５以上の高屈折率層の厚みの和を１５ｎｍ以下とし、かつその高屈折率層上に屈折率が１.０以下の低屈折率層を形成することで、発振レーザ光の分布が相対的に高い屈折率をもつ高屈折率層に影響されて電極側に引っ張られたような形状となることが防止でき、上部電極による光吸収を低減することができるようになって、内部損失の増加が抑制される。

また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記上部電極を形成する工程において、上記高屈折率層として、チタニウム,クロムまたはモリブデンのうちの少なくとも１つからなり密着性改善層として機能する第１材料層を形成する工程と、白金族元素のうちの少なくとも１つからなり拡散防止層として機能する第２材料層を形成する工程と、屈折率が１.０以下の低屈折率層である第３材料層を形成する工程とを含むことを特徴とする。

上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、密着性改善層として機能する第１材料層と拡散防止層として機能する第２材料層の屈折率は２.５以上であり、その厚みが合計で７５ｎｍ以下となるように形成されるので、上部電極側に発振レーザ光が引っ張られないような光分布形状とすることができ、上部電極による光吸収を低減することができる。したがって、内部損失の増加が抑制された低閾値電流発振、高効率動作可能な半導体レーザ素子の製造方法が提供される。

また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記活性層上に第２導電型の半導体層群を形成する工程において、上記活性層上に、少なくともドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層とドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度半導体層を形成する工程を有し、上記上部電極を形成する工程の後に熱処理を行うことによって、上記第２導電型の半導体層群と上記上部電極の界面に化合物層を形成する工程を含むことを特徴とする。

上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、ドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層と上部電極とのショットキー接合において上記化合物層によって十分な電流狭窄が得られると共に、ドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度半導体層と上部電極とのオーミック接合において上記化合物層によってより低コンタクト抵抗が得られる。このようにショットキー接合性とオーミック接合性がより強化されるので、電流ブロック層の埋め込み再成長工程や電極コンタクト層の結晶再成長工程を行うことなしに、低閾値電流、高効率で、低消費電力動作が可能となると共に、製造工程の簡略化を図れてコストを低減できる。したがって、十分な電流狭窄性と優れた素子特性が得られ、かつ、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第２導電型の半導体層群を形成する工程において、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層を形成することが好ましい。

上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくともドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の第２導電型の半導体層をさらに形成することによって、良好なショットキー接合特性を実現するための制限を受けることなく、要求される光学特性仕様に応じて自在に第２導電型の半導体層の層厚・組成等を変更できるようになるため光学設計の自由度が増すと共に、素子抵抗の上昇を抑え、一層の低消費電力化を実現した半導体レーザ素子の製造方法を提供することができる。

また、本発明の光ディスク装置は、上記いずれか１つの半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする。

上記光ディスク装置によれば、従来の光ディスク装置に比べて、より安価で低消費電力動作が可能な光ディスク装置を提供することができる。

また、本発明の光伝送システムは、上記いずれか１つの半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする。

上記光伝送システムによれば、従来よりも安価で、低消費電力可能な光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化を図ることができる。

以上より明らかなように、本発明の半導体レーザ素子によれば、リッジ部側に設けた電極に対する光漏れによる内部損失の増加が抑制できるため、発振効率が高くかつ発振閾値電流を低くできる低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができる。

また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、低閾値電流発振、高効率動作可能な半導体レーザ素子を低コストで製造できる方法を提供することができる。

また、本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、従来の光ディスク装置に比べて、より安価で低消費電力動作が可能な光ディスク装置を提供することができる。

また、本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子をその光伝送モジュールに用いることで、従来よりも低消費電力動作が可能で低コストな光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化を図ることができる。

以下、この発明の半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、この発明の第１実施形態における半導体レーザ素子の構造を示したものである。なお、この第１実施形態では、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である。

この半導体レーザ素子は、図１に示すように、ｎ-ＧaＡs基板１０１上に、ｎ-ＧaＡsバッファ層１０２、ｎ-Ａl_0.453Ｇa_0.547Ａs第１下クラッド層１０３、ｎ-Ａl_0.5Ｇa_0.5Ａs第２下クラッド層１０４、Ａl_0.4278Ｇa_0.5722Ａs下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａl_0.4278Ｇa_0.5722Ａs上ガイド層１０７、第２導電型の半導体層の一例としてのｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第１上クラッド層１０８、および低濃度半導体層の一例としてのｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第２上クラッド層１０９を順次積層している。この第２上クラッド層１０９上に、順メサストライプ形状のリッジ部１３０をなすように、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０、ｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第３上クラッド層１１１、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２および高濃度半導体層の一例としてのｐ⁺-ＧaＡsコンタクト層１１３が設けられている。さらに、リッジ部１３０の頂部、側面部、および第２上クラッド層１０９の上面(リッジ部１３０の直下を除いた、リッジ部１３０の側方に相当する部分)を連なって被覆する態様で、上部電極の一例としてのＴi/Ｐt/Ａuの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるｐ側電極１１４が設けられている。

図２はリッジ部１３０の周辺および上部電極(ｐ側電極１１４)の拡大模式図である。図２に示すとおり、ｐ側電極１１４において、ＴiとＰtは高屈折率層であって、Ｔiは密着性改善層として機能する第１材料層１１４Ａ、Ｐtは拡散防止層として機能する第２材料層１１４Ｂ、Ａuが低屈折率層の第３材料層１１４Ｃである。なお、１１４ａ,１１４ｂ,１１４ｃがそれぞれ、上記リッジ部１３０の頂部、側面部、第２上クラッド層１０９の上面を被覆する部分(これを適宜「電極部分」と呼ぶ。)を表している。電極部分１１４ａとリッジ部１３０の頂部(コンタクト層１１３)との間のコンタクト抵抗は十分低い値となっている。一方、電極部分１１４ｃと第２上クラッド層１０９とがなす界面は、図１において下向きの電流を阻止する機能を有している。ｐ側電極１１４において、半導体と接するＴiからなる層を上部電極の最下層と呼ぶこととする。さらに、ｐ側電極１１４と接する各々の半導体層の界面には、それぞれ上部電極最下層のＴiと各々の半導体層材料とが合金化した化合物層１１５が形成されている。また、基板１０１の裏面には、ｎ側電極１１６として、ＡuＧe/Ｎi/Ａuの多層金属薄膜が形成されている。

前記ｐ-ＡlＧaＡs第１上クラッド層１０８,ｐ-ＡlＧaＡs第２上クラッド層１０９,ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０,ｐ-ＡlＧaＡs第３上クラッド層１１１,ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２およびｐ⁺-ＧaＡsコンタクト層１１３で第２導電型の半導体層群を構成している。

次に図３Ａ〜図３Ｄを参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。

まず、図３Ａに示すように、(１００)面を有するｎ-ＧaＡs基板１０１上に、ｎ-ＧaＡsバッファ層１０２(層厚：０.５μｍ、Ｓiドーピング濃度：８×１０¹⁷ｃｍ^-3)、ｎ-Ａl_0.453Ｇa_0.547Ａs第１下クラッド層１０３(層厚：３.０μｍ、Ｓiドーピング濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3)、ｎ-Ａl_0.5Ｇa_0.5Ａs第２下クラッド層１０４(層厚：０.２４μｍ、Ｓiドーピング濃度：５×１０¹⁷ｃｍ^-3)、Ａl_0.4278Ｇa_0.5722Ａs下ガイド層１０５(層厚０.１μｍ)、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａl_0.4278Ｇa_0.5722Ａs上ガイド層１０７(層厚：０.１μｍ)、ｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第１上クラッド層１０８(層厚：０.２μｍ、Ｃドーピング濃度：１×１０¹⁸ｃｍ^-3)、ｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第２上クラッド層１０９(層厚：０.１μｍ、Ｃドーピング濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3)、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０(層厚３ｎｍ、Ｃドーピング濃度：２×１０¹⁸ｃｍ^-3)、ｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第３上クラッド層１１１(層厚１.２８μｍ、Ｃドーピング濃度：２.７×１０¹⁸ｃｍ^-3)、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２(層厚：０.２μｍ、Ｃドーピング濃度：３.３×１０¹⁸ｃｍ^-3)、ｐ⁺-ＧaＡsコンタクト層１１３(層厚：０.３μｍ、Ｃドーピング濃度：１×１０²⁰ｃｍ^-3)を順次、ＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる。前記多重歪量子井戸活性層１０６は、Ｉn_0.2655Ｇa_0.7345Ａs_0.5914Ｐ_0.4086圧縮歪量子井戸層(歪０.４７％、層厚５ｎｍ、２層)とＩn_0.126Ｇa_0.874Ａs_0.4071Ｐ_0.5929障壁層(歪−１.２％、基板側から層厚９ｎｍ・５ｎｍ・９ｎｍの３層であり、基板に最も近いものがｎ側障壁層、最も遠いものがｐ側障壁層となる)を交互に配置している。

次に、図３Ａにおいて、リッジ部１３０(図１に示す)となるメサストライプ部を形成すべき領域１１８ａ(図１参照)に、レジストマスク１１７(マスク幅３.５μｍ)をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク１１７は、形成すべきリッジ部１３０が延びるストライプ方向に対応して、<０-１１>方向にストライプ状に延びるように形成される。

次に、図３Ｂ〜図３Ｄに示すように、半導体層１１３,１１２,１１１,１１０のうちレジストマスク１１７の側方に相当する部分１１８ｂ(図１参照)をエッチングして除去する(エッチング工程)。

具体的には、まず図３Ｂに示すように、深さ方向に関してｐ⁺−ＧaＡsコンタクト層１１３の上面側からｐ−ＧaＡsエッチングストップ層１１０の直上まで湿式(ウェット)エッチング法によりエッチングして除去する。この例では、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液とフッ酸を用いて２段階に行った。フッ酸を使用するとＧaＡsのエッチングレートが非常に遅いということを利用し、エッチング面の平坦化およびメサストライプの幅制御を可能にしている。続いて、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０を除去しつつ、ＧaＡsコンタクト層１１２および１１３のオーバーハング部分をとる。このときのエッチングの深さは１.７８μｍであり、順メサストライプの最下部の幅は約３.２μｍである。エッチング後、上記レジストマスク１１７を除去する。

続いて、図３Ｃに示すように、電子ビーム(ＥＢ)蒸着法を用いて、上部電極(ｐ側電極１１４)における密着性改善層であり第１材料層１１４Ａ(図２に示す)としてのＴi(厚さ：５ｎｍ)と拡散防止層であり第２材料層１１４Ｂ(図２に示す)としてのＰt(厚さ：１０ｎｍ)と低屈折率層であり第３材料層１１４Ｃ(図２に示す)としてのＡu(厚さ：４００ｎｍ)からなる金属薄膜を順に積層してｐ側電極１１４(上部電極)を形成する。

その後、基板１０１を裏面側から所望の厚み(ここでは、約１００μｍ)にまで、ラッピング法により研削し、裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、ＡuＧe合金(Ａu：８８％、Ｇe：１２％)を１００ｎｍ、続いてＮi(厚さ：１５ｎｍ)、Ａu(厚さ：３００ｎｍ)を積層して、ｎ側電極１１６(図１に示す)を形成する。

続いて、図３Ｄに示すように、Ｎ₂またはＨ₂雰囲気中で、３９０℃に１分間加熱して、ｐ側電極１１４およびｎ側電極１１６のための合金化処理を行う。その結果、ｐ側電極１１４と、ｐ側電極１１４と接する各々の半導体層の界面には、Ｔiと各々の半導体層材料とが合金化した化合物層１１５が形成される。

続いて、所望の共振器長(ここでは、８００μｍ)のバーに基板１０１を分割してから端面コーティング(図示せず)を行い、さらにチップ(８００μｍ×２５０μｍ)に分割することで、この発明の第１実施形態の半導体レーザ素子が完成する。

この第１実施形態においては、発振波長７８０ｎｍ帯の光ディスク装置用の半導体レーザ素子を例にとって説明しているが、本発明はこれに限るものではなく、他の発振波長帯や、他の用途に用いる半導体レーザ素子に適用できることはいうまでもない。

上記第１実施形態の半導体レーザ素子において、上部電極(ｐ側電極１１４)を構成する密着性改善層としての第１材料層１１４Ａ(Ｔi)と拡散防止層としての第２材料層１１４Ｂ(Ｐt)の発振波長７８０ｎｍの光に対する屈折率は、それぞれおよそ３.０８と２.９６である。

一方、この第１実施形態の半導体レーザ素子において、リッジ部１３０の外方の垂直方向の実効屈折率は３.３５４である。この値は、この種の半導体レーザ素子の構造においては極めて一般的なものであり、通常、３.０〜３.５程度である。したがって、上述のように上部電極(ｐ側電極１１４)のうち、半導体層側に形成された第１材料層１１４Ａと第２材料層１１４Ｂの屈折率が３前後となると、発振するレーザ光の分布は上部電極の屈折率の影響が無視できなくなり、上部電極側に漏れた形状となりがちである。従来Ｔi／Ｐt／Ａuからなる電極構成を用いる場合、ＴiおよびＰtの膜厚としてはそれぞれ５０ｎｍ以上、トータルで１００ｎｍ以上形成するのが一般的であった。しかしながら、本第１実施形態においては、屈折率が２.５以上である第１材料層１１４Ａと第２材料層１１４Ｂの厚みの和を１５ｎｍ以下としていることによって、相対的に高屈折率である第１材料層１１４Ａと第２材料層１１４Ｂの影響が小さくなって、上部電極による光吸収を従来の半分以下にすることができたため、内部損失の増加を抑制することが可能となった。

したがって、上記第１実施形態の半導体レーザ素子およびその製造方法によれば、低い発振閾値電流と高いスロープ効率を有する低消費電力動作可能な半導体レーザ素子を低コストで実現することができる。

図３Ｅに本発明の第１実施形態の上部電極(ｐ側電極１１４)における高屈折率層としての第１材料層(Ｔi)と第２材料層(Ｐt)の厚みの和を変更させた時の０次モードの内部損失を計算した結果を示す。図３Ｅから分かるように、第１材料層と第２材料層の厚みの和が７５ｎｍ以下となるところで、内部損失が低減されるようになってくる。さらに、１５ｎｍ以下となると、従来の約２分の１以下まで、大きく０次モードの内部損失が低下することが分かる。このように、およそ２.５以上の屈折率を有する材料が上部電極として半導体層に接している場合、その上部電極の高屈折率層の厚みを７５ｎｍ以下とすることによって、従来に比べて内部損失を低下させることができるようになり、１５ｎｍ以下とすることによって内部損失を半減以下とすることが可能となる。

密着性改善層として機能させる第１材料層１１４Ａとしては、チタニウム,クロムまたはモリブデンが好ましい。これらの材料はＥＢ蒸着法などによって容易に形成することができると共に、第２材料層１１４Ｂ以降の上部電極(ｐ側電極１１４)材料の密着性を向上させる効果が高い。このことによって、製造歩留まりが改善され、またワイヤーボンディング時の電極剥がれ不良も抑制できる。

また、拡散防止層として機能させる第２材料層１１４Ｂとしては、白金族元素が好ましい。これらの材料もＥＢ蒸着法などにより容易に形成できる上に、第３材料層として用いられる金、銀、銅などに対する良好な拡散防止層となる。白金族元素のうち、ロジウムは波長によっては屈折率が２.５以下となることがあるが、半導体層の実効屈折率との兼ね合いから、むしろ低屈折率であるほうが好ましいため、第２材料層としてロジウムは好適である。ただし現状ではロジウムは非常に高価であるという難点がある。

この時、第２材料層上には、屈折率が１.０以下であるような低屈折率層である第３材料層があることが好ましい。また、この第３材料層は低抵抗であることも重要である。第１材料層、第２材料層の厚みを薄くすると、第３材料層の影響が大きくなるが、第３材料層として屈折率が１.０以下の材料層を形成することによって、発振レーザ光の光分布が上部電極(ｐ側電極１１４)側に漏れ出さないようにできる。屈折率と抵抗値を両立できる材料としては、金(Ａu)、銀(Ａｇ)、銅(Ｃｕ)などがあるが、酸化の問題などから第３材料層としては、特に金が好ましい。金の７８０ｎｍ帯の光に対する屈折率は、１.０よりも十分小さく、約０.１６程度である。

発振レーザ光に対する屈折率が１よりも小さい材料を上部電極(ｐ側電極１１４)の最下層に用いることによって、発振レーザ光の分布を上部電極側に漏れ出さないようにするというアプローチも考えられるが、密着性や材料の拡散による信頼性の低下と散乱の増加に起因する効率の低下が発生する場合があり、好ましくないことがある。

上記第１実施形態の半導体レーザ素子においては、上部電極(ｐ側電極１１４)と第２導電型の半導体層群の界面には、電流狭窄を行うための電流ブロック層や絶縁膜が形成されておらず、リッジ部の最上部を除いた領域においては、電極と半導体層の界面にショットキー接合を形成させることで電流狭窄を行っている。Ｔi／Ｐt／Ａuからなるｐ側電極１１４は、３５０〜４５０℃の熱処理を行うことで、ＧaＡs系半導体材料と合金化した化合物層１１５を形成する。この化合物層１１５は、ｐ型半導体層のドーピング濃度に応じて、ｐ型半導体層に対して良好なオーミック接合を形成したり、安定なショットキー接合を形成したりする。このことを利用し、この第１実施形態の半導体レーザ素子では、メサストライプ部１１８a(図１に示す)において、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上のドーピング濃度を有する高濃度半導体層の一例としてのｐ⁺-ＧaＡsコンタクト層１１３とｐ側電極１１４との界面に、良好なオーミック接合を実現するＴiまたはＰtとＧaＡsの高濃度側の化合物層を形成させ、かつ、メサストライプ外領域１１８ｂ(図１に示す)において、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のドーピング濃度を有する低濃度半導体層の一例としてのｐ-Ａl_0.4885Ｇa_0.5115Ａs第２上クラッド層１０９とｐ側電極１１４との界面に、安定なショットキー接合性を示すＴiまたはＰtとＡlＧaＡsの低濃度側の化合物層を形成させる。３５０℃未満および４５０℃以上の熱処理では、良好なオーミック接合が得られず、ショットキー接合性も悪化してしまう。この第１実施形態では、ｎ側電極であるＡuＧe／Ｎi／Ａuの合金化処理の最適条件に合わせて３９０℃で１分間の熱処理工程を加えている。

上記第１実施形態の半導体レーザ素子では、第１材料層１１４ＡであるＴiの厚みが５ｎｍと薄いため、熱処理工程後の半導体層との界面にはＴiだけではなくＰtを含む化合物層が形成される。しかしながら、Ｐtを含む化合物層は、Ｐtの厚みに依存したある深さ(一般には、Ｐｔの厚みに対して最大２倍程度といわれる)まで拡散した後、拡散が停止して安定となり、しかも第２材料層１１４ＢとしてのＰtとＰtを含む化合物層の両方が、第３材料層１１４ＣであるＡuの拡散を防止するため、上記第２材料層１１４Ｂおよび化合物層１１５よりも活性層１０６側へのＡuの拡散は無い。そのため、Ａuが半導体層中へ深く拡散することによる信頼性の低下や散乱の増加に起因する効率の低下を防止できる。

さらに、上記第１実施形態の半導体レーザ素子では、第２上クラッド層１０９と多重歪量子井戸活性層１０６との間に、第２上クラッド層１０９よりもドーピング濃度の高い第１上クラッド層１０８を設けていることと、第１上クラッド層１０８と第２上クラッド層１０９の層厚を最適化することによって、必要以上の素子抵抗の上昇を抑えることに成功している。第２上クラッド層１０９の層厚は、化合物層１１５の厚みよりも大きくなるように設定する。本発明では、第２上クラッド層１０９の層厚０.１μｍに対し、化合物層１１５の厚みは１ｎｍ程度である。十分な電流狭窄を行うために、化合物層１１５の直下には、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のドーピング濃度を有する半導体層が必要となる。素子抵抗を考慮すると、リッジ部１３０直下に低ドーピング濃度の層が厚く存在することは好ましくないため、化合物層１１５はあまり厚くない方がよい。発明者らの検討によると、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のドーピング濃度を有する半導体層の厚みは、最大で０.３μｍ程度以下が良い。また、化合物層１１５の厚みは最大でも０.２μｍあればよく、それ以上になると１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下のドーピング濃度を有する半導体層が厚くなったことによる素子抵抗増大の影響が大きくなってしまう。

これらの結果、この第１実施形態の半導体レーザ素子は、電極コンタクト層の結晶再成長工程を行うことなしに、良好な素子抵抗を実現し、かつ電流ブロック層の埋め込み再成長工程を追加することなしに、十分な電流狭窄を行うことを可能にした。

また、上記第１実施形態の半導体レーザ素子においては、光学設計の自由度が大きい。この光学設計の自由度の大きさは、活性層１０６の上側に形成されるクラッド層を複数に分割し、主にショットキー接合による電流狭窄を受け持つ第２上クラッド層１０９と、主に光学特性の調整に充てる第２導電型の半導体層としての第１上クラッド層１０８に分離したことによる。主にショットキー接合による電流狭窄を受け持つ第２上クラッド層１０９のドーピング濃度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とし、かつ厚みは化合物層１１５より厚い範囲でできるだけ薄い層厚とすることで、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の層を追加したことによる素子抵抗の増大を必要最小限にとどめている。

このような構成とすることにより第１上クラッド層１０８は、ショットキー接合性を考慮した何らかの制限を受けることなく、要求される光学特性仕様に応じて自在に層厚・組成等を変更することができるようになった。そのため、光学設計の自由度が大幅に増した。

この第１実施形態の半導体レーザ素子では、その発振レーザ光の波長を７８０ｎｍとしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、ＤＶＤ用に用いられる波長６５０ｎｍ帯のＩnＧaＡlＰ/ＧaＡs系半導体レーザ素子や、波長４０５ｎｍ帯のＩnＧaＮ/ＧaＮ系半導体レーザ素子にも適用しうる。その際には、上部電極(ｐ側電極１１４)の最下層として図３Ｅを参照して、最適な金属材料を選択すればよい。

また、材料系の異なる半導体層間の界面に、この第１実施形態中で明示していないような界面保護層の類の半導体層を設けていても良い。また、この第１実施形態では、リッジ部の形成に際しウエットエッチング法を用いたが、もちろん、ドライエッチング法を用いても良い。さらに、ドライエッチングとウエットエッチングを組み合わせてリッジ部を形成しても良い。

また、上記第１実施形態では、上部電極としてのｐ側電極１１４を、高屈折率層の密着性改善層として機能する第１材料層１１４Ａと、高屈折率層の拡散防止層として機能する第２材料層１１４Ｂと、低屈折率層の第３材料層１１４Ｃの積層構造としたが、高屈折率層は密着性改善層と拡散防止層の少なくとも１つとして機能するものでもよい。また、上記部電極は、第２導電型の半導体層群の表面と接する側から順に、屈折率が２.５以上でかつ合計の厚みが７５ｎｍ以下である高屈折率層と、屈折率が１.０以下の低屈折率層とを有するものであればよい。

また、上記第１実施形態では、ｐ⁺-ＧaＡsコンタクト層１１３とｐ側電極１１４との界面に、良好なオーミック接合を形成し、ｐ-ＡlＧaＡs第２上クラッド層１０９とｐ側電極１１４との界面にショットキー接合を形成したが、ショットキー接合は、リッジ部の側面、または、リッジ部を除く第２導電型の半導体層群の領域のリッジ部近傍の表面の少なくとも一方と上部電極との間に形成されていればよい。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態における光ディスク装置２００の構造を示したものである。本光ディスク装置２００は、光ディスク２０１にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際に用いられる発光素子として、先に説明した本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子２０２を備えている。

この光ディスク装置２００についてさらに詳しく説明する。書き込みの際は、半導体レーザ素子２０２から出射された信号光がコリメートレンズ２０３によって平行光とされ、ビームスプリッタ２０４を透過し、λ／４偏光板２０５で偏光状態が調整された後、対物レンズ２０６で集光され、光ディスク２０１に照射される。読み出し時には、データ信号が載っていないレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク２０１に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク２０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ２０６、λ／４偏光板２０５を経た後、ビームスプリッタ２０４で反射されて９０°角度を変えた後、受光素子用対物レンズ２０７で集光され、信号検出用受光素子２０８に入射する。そして、信号検出用受光素子２０８内で入射したレーザ光の強弱によって記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路２０９において元の信号に再生される。

上記第２実施形態の光ディスク装置は、従来よりも内部損失が低下した低閾値電流発振と高効率動作が可能で、なおかつ低コストで製造できる半導体レーザ素子を用いているため、低消費電力動作が可能な光ディスク装置を低価格で提供できる。

なお、ここでは第１実施形態の半導体レーザ素子２０２を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長７８０ｎｍ帯を用いる光ディスク再生装置、光ディスク記録装置や、他の波長帯(例えば６５０ｎｍ帯)の光ディスク装置にも適用可能であることはいうまでもない。

〔第３実施形態〕
図５Ａは、本発明の第３実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール３００を示す断面図である。また、図５Ｂは、光伝送モジュール３００における光源部分を拡大した斜視図である。この第３実施形態では、光源として第１実施形態で説明した構成、製造方法を使用した発振波長８９０ｎｍのＩnＧaＡs系半導体レーザ素子(レーザチップ３０１)を、また、受光素子３０２として、シリコン(Ｓi)ｐｉｎフォトダイオードを用いている。詳しくは後述するが、通信を行う双方の側(例えば、端末とサーバ)にそれぞれ同じ光伝送モジュール３００を備えることにより、双方の光伝送モジュール３００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。

図５Ａにおいて、回路基板３０６上には、半導体レーザ素子を駆動するための正負両電極パターンが形成され、図示の通り、レーザチップを搭載する部分には深さ３００μｍの凹部３０６ａが設けられている。この凹部３０６ａに、レーザチップ３０１を搭載したレーザマウント３１０をはんだで固定する。レーザマウント３１０の正電極３１２の平坦部３１３(図５Ｂに示す)は、回路基板３０６上のレーザ駆動用正電極部(図示せず)とワイヤー３０７ａによって電気的に接続される。凹部３０６ａはレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっており、また、面の粗さが放射角に影響を与えないようにされている。

受光素子３０２は、やはり回路基板３０６に実装され、ワイヤー３０７ｂにより電気信号が取り出される。この他に回路基板３０６上には、レーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ回路３０８が実装されている。

次いで、はんだを用いて凹部３０６ａに固定されたレーザマウント３１０が搭載された部分に、液状のシリコン樹脂３０９を適量滴下する。シリコン樹脂３０９中には、光を拡散させるフィラーが混入されている。シリコン樹脂３０９は表面張力のために凹部内に留まり、レーザマウント３１０を覆って凹部３０６ａに固定される。この第３実施形態では、回路基板３０６上に凹部３０６ａを設けてレーザマウント３１０を実装したが、上述のように、シリコン樹脂３０９は表面張力のためにレーザチップ３０１表面およびその近傍に留まるので、凹部３０６ａは必ずしも設ける必要はない。

この後、８０℃で約５分間加熱して、シリコン樹脂３０９がゼリー状になるまで硬化させる。次いで、透明なエポキシ樹脂モールド３０３により被覆する。レーザチップ３０１の上方には、放射角制御のためのレンズ部３０４が、また、受光素子３０２の上方には信号光を集光するためのレンズ部３０５がそれぞれ一体にモールドレンズとして形成される。

次に、レーザマウント３１０について、図５Ｂを用いて説明する。図５Ｂに示すように、Ｌ字型のヒートシンク３１１にレーザチップ３０１がインジウム(Ｉn)糊材などを用いてダイボンドされている。レーザチップ３０１は、上記第１実施形態で説明した構成のＩnＧaＡs系半導体レーザ素子であり、そのレーザチップ下面３０１ｂには高反射膜がコーティングされており、一方、レーザチップ上面３０１ａには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜はレーザチップ端面の保護も兼ねている。

ヒートシンク３１１の基部３１１ｂには、ヒートシンク３１１と導通しないように絶縁物により正電極３１２が固着されている。この正電極３１２とレーザチップ３０１の表面のｐ電極３０１ｃとは、金ワイヤー３０７ｃによって接続されている。上述のように、このレーザマウント３１０を、図５Ａの回路基板３０６の負電極(図示せず)にはんだで固定して、正電極３１２の上部の平坦部３１３と回路基板３０６の正電極部(図示せず)とをワイヤー３０７ａで接続する。このような配線の形成により、レーザビーム３１４を発振により得ることができる光伝送モジュール３００が完成する。

この第３実施形態の光伝送モジュール３００は、前述の低コストで製造できる１回成長タイプの半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュール単価を従来に比べて大幅に低く抑えることができる。また、高効率で低閾値電流動作が可能な半導体レーザ素子を用いているため、光伝送モジュール３００の低消費電力化を図ることができる。

上述したように、通信を行う双方の側にそれぞれ同じ光伝送モジュール３００を備えることにより、双方の光伝送モジュール３００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。

図６は、この光伝送モジュール３００を用いた光伝送システムの構成例を示している。この光伝送システムは、部屋の天井に設置された基地局３１５に上記光伝送モジュール３００を備えると共に、パーソナルコンピュータ３１６に上記と同じ光伝送モジュール(区別のために符号３００´で表す。)を備えている。パーソナルコンピュータ３１６側の光伝送モジュール３００´の光源から情報をもって発した光信号は、基地局３１５側の光伝送モジュール３００の受光素子によって受信される。また、基地局３１５側の光伝送モジュール３００の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ３１６側の光伝送モジュール３００´の受光素子によって受信される。このようにして、光(赤外線)によるデータ通信を実現することができる。

この第３実施形態の光伝送モジュール３００は、前述のように安価で製造でき、かつ従来よりも内部損失が低下した半導体レーザ素子を用いているため、低価格で低消費電力な光伝送システムを提供することが可能となる。本光伝送システムを携帯機器に搭載した場合、消費電力が小さいことによって従来の発光素子を搭載した場合に比べて連続動作時間を伸ばすことができ、より便利な携帯型光伝送システムを安価に構築することが可能となる。

尚、本発明の半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、例えば多重歪量子井戸活性層１０６を構成する井戸層、障壁層の層厚や層数など、本発明を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得ることは勿論である。

図１は本発明の第１実施形態における半導体レーザ素子の断面模式図である。 図２は上記半導体レーザ素子の上部電極を説明する模式図である。 図３Ａは上記半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面模式図である。 図３Ｂは図３Ａに続く半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面模式図である。 図３Ｃは図３Ｂに続く半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面模式図である。 図３Ｄは図３Ｃに続く半導体レーザ素子の製造工程を説明する断面模式図である。 図３Ｅは第１材料層と第２材料層の厚みの和に対する０次モードの内部損失の関係を示したグラフである。 図４は本発明の第２実施形態における光ディスク装置を説明する模式図である。 図５Ａは本発明の第３実施形態における光伝送モジュールを説明する模式図である。 図５Ｂは上記光伝送モジュールを説明する模式図である。 図６は上記光伝送モジュールを用いた光伝送システムを説明する模式図である。 図７は従来の半導体レーザ素子を説明する断面模式図である。

符号の説明

１０１…ｎ−ＧaＡs基板
１０２…ｎ−ＧaＡsバッファ層
１０３…ｎ−ＡlＧaＡs第１下クラッド層
１０４…ｎ−ＡlＧaＡs第２下クラッド層
１０５…ＡlＧaＡs下ガイド層
１０６…多重歪量子井戸活性層
１０７…ＡlＧaＡs上ガイド層
１０８…ｐ−ＡlＧaＡs第１上クラッド層
１０９…ｐ−ＡlＧaＡs第２上クラッド層
１１０…ｐ−ＧaＡsエッチングストップ層
１１１…ｐ−ＡlＧaＡs第３上クラッド層
１１２…ｐ−ＧaＡsコンタクト層
１１３…ｐ⁺−ＧaＡsコンタクト層
１１４…ｐ側電極
１１４Ａ…密着性改善層としての第１材料層
１１４Ｂ…拡散防止層としての第２材料層
１１４Ｃ…低屈折率層としての第３材料層
１１５…化合物層
１１６…ｎ側電極
１１７…レジストマスク
１１８ａ…メサストライプ部
１１８ｂ…メサストライプ外領域
１３０…リッジ部
２００…光ディスク装置
２０１…光ディスク
２０２…半導体レーザ素子
２０３…コリメートレンズ
２０４…ビームスプリッタ
２０５…λ／４偏光板
２０６…対物レンズ
２０７…受光素子用対物レンズ
２０８…信号検出用受光素子
２０９…信号光再生回路
３００,３００’…光伝送モジュール
３０１…レーザチップ
３０１ａ…レーザチップ上面
３０１ｂ…レーザチップ下面
３０１ｃ…ｐ電極
３０２…受光素子
３０３…エポキシ樹脂モールド
３０４…レンズ部
３０５…レンズ部
３０６…回路基板
３０６ａ…凹部
３０７ａ,３０７ｂ,３０７ｃ…ワイヤー
３０８…レーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ回路
３０９…シリコン樹脂
３１０…レーザマウント
３１１…ヒートシンク
３１１ｂ…基部
３１２…正電極
３１３…平坦部
３１４…レーザビーム
３１５…基地局
３１６…パーソナルコンピュータ
４０１…ｎ−ＧaＡs基板
４０２…ｎ−ＩnＧaＰクラッド層
４０３…歪量子井戸活性層
４０４…ｐ−ＩnＧaＰクラッド層
４０５…ｐ−ＩnＧaＡsコンタクト層
４０６…ｐ電極
４０７…ｎ電極
４０８…ショットキー接合部

Claims (16)

1. 第１導電型の基板上に、少なくとも活性層と、リッジ部が形成された第２導電型の半導体層群とを有するリッジ導波型半導体レーザ素子であって、
   上記第２導電型の半導体層群上に形成され、上記第２導電型の半導体層群のリッジ部の側面、または、上記リッジ部を除く上記第２導電型の半導体層群の領域の上記リッジ部近傍の表面の少なくとも一方に接する上部電極を備え、
   上記上部電極は、上記第２導電型の半導体層群の表面に接する側から順に形成された高屈折率層と低屈折率層とを有し、上記高屈折率層の発振レーザ光の波長帯における屈折率が２.５以上でかつ厚みが１５ｎｍ以下であり、上記低屈折率層の上記屈折率が１.０以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
   上記高屈折率層が、密着性改善層または拡散防止層の少なくとも１つとして機能することを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
   上記密着性改善層が、チタニウム,クロムまたはモリブデンのうちの少なくとも１つからなることを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
   上記拡散防止層が白金族元素のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする半導体レーザ素子。
5. 請求項２から４までのいずれか１つに記載の半導体レーザ素子において、
   上記上部電極は、少なくとも、上記高屈折率層であって密着性改善層として機能する第１材料層と、上記高屈折率層であって拡散防止層として機能する第２材料層と、上記屈折率が１.０以下の低屈折率層である第３材料層とが上記第２導電型の半導体層群側から順に形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
6. 請求項５に記載の半導体レーザ素子において、
   上記第１材料層の厚みが１ｎｍ以上かつ２５ｎｍ以下であり、上記第２材料層の厚みが５ｎｍ以上かつ５０ｎｍ以下であって、上記第１材料層と第２材料層の厚みの和が７５ｎｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
7. 請求項６に記載の半導体レーザ素子において、
   上記上部電極の上記第１材料層と上記第２導電型の半導体層群との界面に、チタニウム,クロム,モリブデンまたは白金族元素のうちの少なくとも１つの構成元素と上記第２導電型の半導体層群の構成元素からなる化合物層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
8. 請求項１乃至７に記載の半導体レーザ素子において、
   上記リッジ部の最上部と上記上部電極とがオーミック接合を形成しており、かつ、上記リッジ部の側面、または、上記リッジ部を除く上記第２導電型の半導体層群の領域の上記リッジ部近傍の表面の少なくとも一方と上記上部電極とがショットキー接合を形成していることを特徴とする半導体レーザ素子。
9. 請求項１から８までのいずれか１つに記載の半導体レーザ素子において、
   上記第２導電型の半導体層群は、上記リッジ部の最上部に設けられたドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度半導体層と、少なくとも上記リッジ部の最上部以外の領域に設けられたドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層とを有し、
   上記上部電極と上記高濃度半導体層の界面に、上記上部電極の構成元素と上記高濃度半導体層の構成元素からなる高濃度側の化合物層が形成され、
   上記上部電極と上記低濃度半導体層の界面に、上記上部電極の構成元素と上記低濃度半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
10. 請求項９に記載の半導体レーザ素子において、
    上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
11. 第１導電型の基板上に活性層を形成する工程と、
    上記活性層上に第２導電型の半導体層群を形成する工程と、
    上記第２導電型の半導体層群の一部を除去してリッジ部を形成する工程と、
    上記第２導電型の半導体層群上に上部電極を形成する工程とを含み、
    上記上部電極を形成する工程において、発振レーザ光の波長帯における屈折率が２.５以上の高屈折率層を合計の厚みが１５ｎｍ以下となるように１つまたは複数形成し、上記高屈折率層上に屈折率が１.０以下の低屈折率層を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
12. 請求項１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記上部電極を形成する工程において、上記高屈折率層として、チタニウム,クロムまたはモリブデンのうちの少なくとも１つからなり密着性改善層として機能する第１材料層を形成する工程と、白金族元素のうちの少なくとも１つからなり拡散防止層として機能する第２材料層を形成する工程と、屈折率が１.０以下の低屈折率層である第３材料層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
13. 請求項１１または１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記活性層上に第２導電型の半導体層群を形成する工程において、上記活性層上に、少なくともドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層とドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の高濃度半導体層を形成する工程を有し、
    上記上部電極を形成する工程の後に熱処理を行うことによって、上記第２導電型の半導体層群と上記上部電極の界面に化合物層を形成する工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
14. 請求項１３に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
    上記第２導電型の半導体層群を形成する工程において、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上のドーピング濃度を有する第２導電型の半導体層を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
15. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする光ディスク装置。
16. 請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする光伝送システム。

Images