JP4606809B2

JP4606809B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP4606809B2
Application number: JP2004239315A
Authority: JP
Inventors: 健中原; 努石川; 久義北嶋; 陽介中野
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP2006059960A

Description

本発明は、ＣＤ、ＤＶＤドライブなどの光ディスク機器および光通信などに用いられる半導体レーザに関する。さらに詳しくは、たとえば光ピックアップのように読取り用の低出力と書込み用の高出力の両方が必要で、かつ、書込みの高出力がパルス出力で１００ｍＷ程度以上の高出力の場合でも、端面破壊を防止しながら低出力と高出力との間で、ファーフィールドパターン（以下、ＦＦＰともいう）の差があまり変動しない構造の半導体レーザに関する。

光ピックアップでは、最近記録速度の向上が図られ、たとえばＣＤ−ＲドライブやＤＶＤＲ／ＲＷは、１６倍速の記録速度のものが実用化されるに至っている。このような記録速度の大きい光ピックアップにおいては、高出力のレーザ光が必要となる。また、光ピックアップにおいては、読取り用の低出力でノイズが少ないことが要求され、このような条件を満たすレーザとして、化合物半導体を用いたリッジ型半導体レーザが用いられている。このようなリッジ型半導体レーザは、ストライプ構造を作るためのエピタキシャル成長の中断部分が活性層から遠く、活性層近傍が空気に触れないこと、およびエピタキシャル成長中断部分を電気的につなぐために必要な高濃度アクセプタドープが活性層から遠く、活性層へのアクセプタ原子拡散による信頼性悪化が無いことなど、優れた特性を有している。とくに、記録型光ディスクで一般的に使用されている、市販の１００ｍＷ以上の高出力半導体レーザでは、この構造しか用いられていない。

このような高出力の半導体レーザは、レーザ光を出射する端面で発熱して破壊する光学損傷（ＣＯＤ；Catastrophic Optical Damage）という現象が生じやすく、そのＣＯＤを防止するため、端面およびその近傍を窓構造にしたり、端面に電流を注入しない端面非注入型の構造にしたり、その両方が行われたりしている。この端面非注入型でリッジ型の半導体レーザは、たとえば図３に端面およびその近傍の断面図（図３（ａ））とそれ以外の断面図（図３（ｂ））がそれぞれ示されるように、たとえばｎ形ＧａＡｓからなる半導体基板２１の上に、たとえばｎ形ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる下部クラッド層２２、アンドープまたはｎ形もしくはｐ形のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる障壁層とＩｎＧａＰ系化合物半導体からなる井戸層とによる多重量子井戸活性層２３、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる上部第１クラッド層２４が順次積層され、さらにその上に、たとえばｐ形のＩｎＧａＰからなるエッチングストップ層２５、ｐ形ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる上部第２クラッド層２６および図示しないＧａＡｓからなるキャップ層が積層されて、下部クラッド層２２から上部第２クラッド層の各層により発光層形成部２９が構成されている。そして、ＳｉＯ₂をマスク材として上部第２クラッド層２６までドライエッチングとウェットエッチングによりエッチングされてリッジ部４１が形成されている。

その後、リッジ部４１の両側に選択成長により、たとえばｎ形ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体からなる電流狭窄層２８が形成されている。この電流狭窄層２８を形成する際に、図３（ａ）に示されるように、端面およびその近傍の部分のみリッジ部４１の上面を低くしておいて、リッジ部４１の上面にも電流狭窄層２８を形成することにより端面非注入型にされている。端面近傍以外では、図３（ｂ）に示されるように、リッジ部４１の側壁側のみに電流狭窄層２８が設けられ、リッジ部４１が電流注入領域になっている。その上に、たとえばｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層３０が設けられ、その上面にｐ側電極４２が、基板裏面にｎ側電極４３がそれぞれ設けられることにより形成されている。これにより、端面近傍には逆導電形層の電流狭窄層２８が設けられているため、端面近傍は電流非注入領域となる（たとえば特許文献１参照）。

また、端面非注入型の他の構造例として、リッジ型ではなく低出力用のＳＡＳ構造ではあるが、電流狭窄層はストライプ状電流注入領域の側壁側のみに形成し、コンタクト層のうち、端面およびその近傍における電流注入領域のクラッド層上のコンタクト層を除去することにより、端面近傍では電流注入領域のクラッド層上に直接ｐ側電極が形成されることになり、オーミックコンタクトが得られないことを利用して端面非注入型とする構造も知られている（たとえば特許文献２参照）。

一方、パルス出力で１００ｍＷ以上というような高出力になると、自己集束効果という、レーザビームが発光強度の中心部に自然に集まるという現象が顕著になる。そのため、たとえば１０ｍＷ以下の低出力と１００ｍＷ以上の高出力とで、半導体レーザの出射端面におけるレーザビームの形状（ニアフィールドパターンＮＦＰ）が異なり、それが原因で光ディスク上のパターン、すなわちＦＦＰ(Far Field Pattern)では、高出力の方が大きくなり、低出力と高出力とでビーム径が異なるという問題がある。光ディスクでは、書込みは１００ｍＷ以上の高出力で、読出しは１０ｍＷ以下の低出力で行われるため、両者のビームパターンが異なると、正確な読出しを行うことができなくなる。これを光学系で解決するのは、非常に複雑で、高価な光学系になる。
特開２００２−５７４０６号公報特開平７−３０１９４号公報

近年では、光ディスクの書込み速度アップ、および光学設計のコストダウンによる光利用効率の低下、などの要因により、半導体レーザの高出力化も増大の一途をたどり、２００〜３００ｍＷの高出力が当然のこととして要求されてきている。高出力化すればするほど前述の自己集束効果は顕著となるため、ＣＯＤの防止対策のみならず、読出し用の低出力と、書込み用の高出力とでビーム形状（ＦＦＰ）の変動抑制を満たした半導体レーザが強く要求されている。この場合、ビーム形状は完全な円形ではなく、この種の半導体レーザでは、半導体層の面方向である水平方向の径が、半導体層の面と垂直方向の径より小さく、一般的に光学系の設計はビーム形状の小さい方に合せて行われるため、この水平方向のビーム径の変動が問題になる。しかしながら、このような高出力化に伴うＦＦＰの変動を抑制する対策については、今まで一切行われていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、高出力化してもＣＯＤによる端面破壊を防止しながら、読出し用の低出力と書込み用の高出力とでＦＦＰの変動を抑制し、かつ、動作電流を増加させない構造の半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、ＦＦＰの変動を抑制したリッジ型で、簡単な構造でありながら、端面近傍には電流を流さない端面非注入構造を確実にした半導体レーザを提供することにある。

本発明者らは、読出し用の低出力と書込み用の高出力とでＦＦＰの変動を抑制するため鋭意検討を重ねた結果、前述の端面非注入構造で、電流狭窄層を端面およびその近傍に設けてその上にコンタクト層を設ける構造にすると、低出力と高出力とにおけるＦＦＰの変動を小さく抑制することができるが、高出力で必要な出力を得るのに動作電流を多くする必要があり、半導体レーザのドライバーに負荷がかかりすぎるという問題が生じ、端面およびその近傍でコンタクト層をすべて除去してしまうと、高出力における動作電流の問題は生じなくすることができるものの、低出力と高出力とでＦＦＰの変動が大きくなることを見出した。そして、端面および端面近傍において、リッジ部の上面側のコンタクト層を除去すると共にリッジ部の横に設けられる電流狭窄層が露出するようにコンタクト層を除去し、リッジ部以外の平端部においては、端面までコンタクト層をそのまま残すことにより、ＦＦＰの変動を小さく抑制しながら、動作電流の問題も招くことなく、高出力で高い発光効率の半導体レーザが得られることを見出した。

本発明による半導体レーザは、基板と、該基板上に積層される第１導電形半導体層、活性層およびストライプ状のリッジ部が形成される第２導電形半導体層を有する発光層形成部と、前記リッジ部の傾斜面側壁および前記リッジ部が形成されない平坦な半導体層表面に設けられ、第１導電形半導体により形成される電流狭窄層と、前記発光層形成部および前記電流狭窄層の上に設けられ、前記発光層形成部で発光する光を吸収する材料からなるコンタクト層とを有し、前記リッジ部のストライプ方向と交差する方向に形成される共振器端面から前記発光層形成部で発光する光を出射する半導体レーザであって、前記コンタクト層は、前記端面およびその近傍において、前記リッジ部上および前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層が露出するように除去され、かつ、前記平坦な半導体層表面に設けられる前記電流狭窄層上の前記コンタクト層は前記端面まで残存するように形成されている。ここに端面近傍とは、通常の窓構造や電流非注入領域が形成される程度の領域を意味する。

前記端面およびその近傍で、前記リッジ部の上面に電気的絶縁膜が設けられていることにより、上面を下向きにして回路基板などに直接ハンダまたはＡｕ-Ｓｎ合金などによりマウントしてハンダまたはＡｕ-Ｓｎ合金などがリッジ部端面近傍の上面と接触しても、絶縁膜が介在されているため、完全に電流を阻止することができ、優れた端面非注入構造とすることができる。

具体的には、前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の露出部における前記コンタクト層の除去部分が、前記端面側からみた断面形状で、前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の傾斜面の底部を頂点、または前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の傾斜面と前記平坦な半導体層表面に設けられる電流狭窄層との交線を頂点とするほぼ逆三角形状に形成される。電流狭窄層の傾斜面とは、リッジ部側壁の傾斜面に沿って形成される面を意味する。

本発明によれば、端面およびその近傍のリッジ部上面および側面側の光吸収層であるコンタクト層が除去されているため、光の吸収が抑制されて所望の出力を得るのに動作電流を増加させる必要がなく、また、リッジ部の横側の平坦部上には発光する光を吸収する材料であるコンタクト層が設けられているため、ＮＦＰの大きさが光吸収層の存在で規定されてしまうため、ＦＦＰ変動を抑制する作用をする。すなわち、出力が大きくなっても、光学系の設計の際に基準とされる水平方向のビーム系の変化を小さくすることができ、ＦＦＰの出力依存性を低減されることができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体レーザについて説明をする。本発明による半導体レーザは、図１にその一実施形態の一部斜視の断面説明図および縦断面説明図が示されるように形成されている。なお、図１（ａ）では、上部電極１２が、リッジ部１４上の電気的絶縁層１５と完全に分離した状態で図示されているが、実際には図１（ｂ）に示されるように、上部電極１２が電気的絶縁層１５にかかっている。

すなわち、基板１上に第１導電形半導体層（たとえばｎ形クラッド層２）、活性層３およびストライプ状のリッジ部１４が形成される第２導電形半導体層（たとえばｐ形第１クラッド層４、エッチストップ層５、ｐ形第２クラッド層６）を有する発光層形成部９が積層されている。リッジ部１４の傾斜面側壁およびリッジ部１４が形成されない平坦な半導体層表面に、第１導電形（ｎ形）半導体により形成される電流狭窄層１０が設けられ、発光層形成部９および電流狭窄層１０の上に、発光層形成部９で発光する光を吸収する材料からなるコンタクト層（光吸収層）１１が設けられている。そして、リッジ部１４のストライプ方向と交差する方向に形成される共振器端面Ａから発光層形成部９で発光する光を出射するように形成されている。本発明では、コンタクト層１１が、端面Ａおよびその近傍において、リッジ部１４上およびリッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層１０の傾斜面１０ａが露出するように除去され、かつ、平坦な半導体層表面に設けられる電流狭窄層１０ｂ上のコンタクト層１１は端面Ａまで残存するように形成されている。

前述のように、本発明者らは、半導体レーザの高出力化に伴って、より顕著になる端面破壊（ＣＯＤ）の防止を図りながら、読取り用である１０ｍＷ以下の低出力と書込み用である１００ｍＷ以上の高出力とでＦＦＰの変動を抑制するため鋭意検討を重ねた結果、ＦＦＰの変動と動作電流の増大との間にも関係があることを見出し、動作電流の増大を殆ど来すことなく、ＦＦＰの変動を抑制するには、リッジ部１４の端面近傍において、発光層形成部９で発光する光を吸収するコンタクト層１１を、リッジ部１４上およびリッジ部１４側面（側壁面）に設けられる電流狭窄層１０ａが露出するように除去しながら、リッジ部１４横の平坦部の電流狭窄層１０ｂ上では、端面Ａまでコンタクト層１１が設けられる構造にすることにより達成できることを見出した。

すなわち、端面近傍におけるコンタクト層１１を完全に除去した場合と、全く除去しない場合（電流狭窄層などを介して電流は端面非注入構造とする）と、本発明のように、リッジ部１４の近傍のみを除去した場合とで、半導体層の面と平行方向のＦＦＰの変動幅、および動作電流の変化をそれぞれサンプル４個で調べた結果を表１および表２に示す。ＦＦＰの変動幅は、通常の検査方法である、ホトダイオードをエピタキシャル成長面と平行方向にスキャンすることにより、発光点を基準としてＦＦＰの水平方向の端から端までの角度で調べる方法で、ＣＷ動作で５ｍＷと８０ｍＷで動作させた場合における両者の差を角度（°）で示されており、動作電流（Ｉop）は、これも通常の検査方法である、７０ｎｓｅｃのパルス幅、デューティ５０％の入力で、７５℃での動作のときの出力が２４０ｍＷにおける動作電流（Ｉop）をｍＡで示されている。

表１から明らかなように、端面近傍におけるコンタクト層１１を完全に除去すると、５ｍＷと８０ｍＷにおける水平方向における変動幅が１.４５°〜２.０５°と、１.５°以下という要求を殆ど満たすことができないのに対して、本発明の構造によれば、全く除去しない場合（０.７２°〜０.９６°）に比べて若干劣るものの、０.９８°〜１.３５°で、１.５°以下という光学設計上望ましい値を完全に満たすことができる。

また、表２から明らかなように、端面近傍におけるコンタクト層１１を全く除去しないと、７５℃で２４０ｍＷのパルス動作における動作電流Ｉopが４５３.０〜４７５.７ｍＡと非常に大きくなるのに対して、本発明によれば、３８９.２〜４１１.８ｍＡと非常に下がり、完全に除去した場合（３９６.６〜４２５.４ｍＡ）と何ら変わらないか、むしろ良いくらいである。動作電流が増加すると、ますます発熱が大きくなり、半導体レーザの特性上不利になるのみならず、ドライバーＩＣの能力からも制約を受けるため、現在では、４２０ｍＡ以下程度が望ましく、コンタクト層１１を除去しない構造では、要求を満たすことができないが、本発明によれば、その要求を完全に満たすことができる。すなわち、本発明の構造にすることにより、ＦＦＰの水平方向の出力変化による変動幅および動作電流の増加抑制の両方を満たすことができることが分る。

なお、端面近傍とは、半導体レーザの端面Ａからストライプ方向に沿って、通常のＣＯＤ防止のために窓構造を形成したり端面非注入構造にしたりする場合と同程度の範囲を意味し、半導体レーザによっても異なるが、通常の１００〜３００ｍＷ程度の半導体レーザでは、ストライプ方向に沿って端面から２０〜４０μｍ程度の距離ｄの領域を意味する。

また、ストライプ方向と直交する方向のコンタクト層１１が除去される範囲は、リッジ部１４の底部、すなわち電流狭窄層１０の傾斜部１０ａと平坦部１０ｂとの境界部Ｂで挟まれる範囲ｗが少なくとも除去されていればよい。具体的には、後述するように、リッジ部１４の傾斜面に積層される半導体層は、結晶面が完全には揃っていないため、ポリクリスタル化しており、リッジ部１４上面の端部には、後述するようにＳｉＯ₂などの電気的絶縁膜１５が設けられているため、コンタクト層１１は殆ど積層されないか、積層されても同様にポリクリスタル化されているため、平坦部１０ｂ上の結晶がきれいに揃ったコンタクト層１１より遥かに早くエッチングされることを利用して除去することができる。この場合、平坦部１０ｂ上のコンタクト層１１はその結晶面に沿って成長するため、図１（ａ）に示されるように、ある角度をもって成長し、ポリクリスタル化される部分は図に示されるように、断面形状が電流狭窄層１０の傾斜部１０ａと平坦部１０ｂとの境界部Ｂを頂点とする逆三角形（活性層側が頂点となり、上部のｐ側電極側が底面となる三角形）の形状に除去される。

図１に示される例では、上記構成と、端面近傍のリッジ部１４上に絶縁膜１５が設けられていること、および電流狭窄層１０が発光層形成部で発光する光を吸収しない、たとえばＩｎＧａＡｌＰ系化合物により形成されていること、以外は一般的な光ディスク用で、１００ｍＷ以上程度の高出力半導体レーザの構成と同じである。

この種の半導体レーザとしては、発光層形成部９として、赤外光である７８０ｎｍ波長用のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体や、赤色光である６５０ｎｍ波長発光用のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体が用いられ、これらの半導体材料を積層するための基板１としては、格子整合をとることができるＧａＡｓ基板が一般的に用いられる。ここで、ＩｎＧａＡｌＰ系材料とは、Ｉｎ_y（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_1-yＰで表わされる材料（０≦ｘ≦１、ｙは約０.５）を、ＡｌＧａＡｓ系材料とは、Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓで表される材料（０≦ｚ≦１）をそれぞれ意味している。また、基板１として半導体を用いる場合の導電形は、半導体レーザを組み込むセットとの関係で、基板側に望まれる導電形のｎ形またはｐ形のいずれかが用いられ、この基板１の導電形にしたがって、積層される半導体層の導電形も定まる。以下の具体例では、基板１としてｎ形の半導体の例で説明する。

発光層形成部９は、少なくとも第１導電形半導体層（ｎ形クラッド層２）、活性層３、リッジ部１４が形成される第２導電形半導体層が設けられていればよいが、図１に示される例では、活性層３の両側にｎ側ガイド層３１およびｐ側ガイド層３２が設けられ、第２導電形（ｐ形）半導体層として、ｐ形第１クラッド層４、エッチングストップ層５、ｐ形第２クラッド層、およびコンタクト層とオーミックコンタクトさせるための、たとえばＩｎＧａＰからなる緩衝層７により形成されている。たとえばＧａＡｓからなるキャップ層８は、プロセスダメージからの保護のためのもので、最終的には除去されるので、導電形は余り関係ない。端面近傍では、絶縁膜１５の下にあるため、そのまま残存する。

具体的には、ｎ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-pＡｌ_p）_0.5Ｐ（０.３≦ｐ≦０.９、たとえばｐ＝０.７）からなり、キャリア濃度が８×１０¹⁷ｃｍ^-3程度のｎ形クラッド層２が１〜３μｍ程度（たとえば２.５μｍ）設けられ、その上にアンドープで、Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-qＡｌ_q）_0.5Ｐ（０.４≦ｑ≦０.６、たとえばｑ＝０.５）からなるｎ側ガイド層３１が２〜１０ｎｍ（たとえば５ｎｍ）、図示しない３〜９ｎｍ程度、好ましくは、６ｎｍ程度のＩｎ_0.5（Ｇａ_1-rＡｌ_r）_0.5Ｐ（０≦ｒ≦０.１、たとえばｒ＝０）からなるウェル層とアンドープの図示しない３〜９ｎｍ程度、好ましくは、４ｎｍ程度のＩｎ_0.5（Ｇａ_1-sＡｌ_s）_0.5Ｐ（０.１≦ｓ≦０.５、好ましくはｓ＝０.５）からなるバリア層との多重量子井戸構造（たとえばウェル層を３層、バリア層を２層）により形成される活性層３、アンドープで、５〜１５ｎｍ（たとえば１０ｎｍ）程度のＩｎ_0.5（Ｇａ_1-qＡｌ_q）_0.5Ｐ（０.４≦ｑ≦０.６、たとえばｑ＝０.５）からなるｐ側ガイド層３２が、それぞれ順次設けられている。

そして、ｐ側ガイド層３２上に、０.１〜０.４μｍ、たとえば０.２４μｍ程度で、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のｐ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-tＡｌ_t）_0.5Ｐ（０.３≦ｔ≦０.９、たとえばｔ＝０.７）により形成されるｐ形第１クラッド層４、１〜５ｎｍ程度、たとえば２ｎｍ程度でキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のｐ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-uＡｌ_u）_0.5Ｐ（０≦ｕ≦０.５、たとえばｕ＝０.１）と３〜１０ｎｍ程度、たとえば５ｎｍ程度でキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のｐ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-vＡｌ_v）_0.5Ｐ（０≦ｖ≦０.５、たとえばｖ＝０.４）をそれぞれ３層と２層の積層構造としたエッチングストップ層５、１〜１.７μｍ、たとえば１.２５μｍ程度で、キャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のｐ形Ｉｎ_0.5（Ｇａ_1-tＡｌ_t）_0.5Ｐ（０.３≦ｔ≦０.９、好ましくはｔ＝０.７）によりリッジ状に形成されるｐ形第２クラッド層６、その上に０.０１〜０.１μｍ程度、たとえば０.０３μｍ程度で、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度のｐ形Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐで、ＧａＡｓ層（コンタクト層１１）とのオーミックコンタクトの機能を果たす緩衝層７、０.０５〜０.２μｍ、たとえば０.１μｍ程度の厚さで、たとえばｎ形のＧａＡｓからなるキャップ層８が順次積層されている。このキャップ層８は、後の工程でコンタクト層を成長する際に、発光層形成部９の表面に酸化膜などが形成されて、汚れるのを防止するものである。

この半導体積層部のチップにしたときの端面近傍に発光した光を吸収しないようにして端面破壊を防止するための窓層を形成するため、図示しないＺｎの拡散が行われている。そして、ｐ形第２クラッド層６、緩衝層７、およびキャップ層８がストライプ状にエッチングされることにより、リッジ部１４が形成され、そのリッジ部１４の側面およびリッジ部１４のない平坦部の半導体層上に、たとえばｎ形のＩｎ_0.5（Ｇａ_1-aＡｌ_a）_0.5Ｐ（０.３≦ａ≦０.９、たとえばａ＝０.８）が、０.１５〜０.５μｍ程度（たとえば０.２５μｍ）の厚さに設けられることにより、電流狭窄層１０がリッジ部１４の横を埋めるように形成されている。このリッジ部１４の形成は、後述するように、たとえばストライプ状に形成された、たとえばＳｉＯ₂などの絶縁膜をマスクとして選択エッチングをすることにより形成される。また、電流狭窄層１０は、電流をリッジ部１４に狭窄すると共に、発光する光を殆ど吸収しないで閉じ込めることにより、高出力用に適した実屈折率導波構造に形成されている。

図１に示される例では、端面の近傍のみに、電気的絶縁膜１５が残されて、電流非注入を確実に行えるようになっている。端面近傍以外の領域では、ＳｉＯ₂などのマスクが除去され、第３のエピタキシャル成長工程に供され、コンタクト層１１が全面に形成された後に、前述のように、端面Ａの近傍でリッジ部１４の上面および側面のみのコンタクト層１１が除去されている。この第３のエピタキシャル成長工程の始めに、端面近傍以外のキャップ層８はエッチングし、リッジ部１４上の緩衝層８表面と電流狭窄層１０上にコンタクト層１１が形成される。そして、端面近傍では、コンタクト層１０が除去され、図１に示されるような前述の構造に形成されている。そして、コンタクト層１１の表面にＴｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極１２が、また、半導体基板１の裏面にＡｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕなどからなるｎ側電極１３が、それぞれ真空蒸着などにより形成され、劈開などにより、ウェハからチップ化されて図１に示される構造になっている。

端面近傍のリッジ部１４上に、電気的絶縁膜１５が形成されている理由について説明をする。この電気的絶縁膜１５は、元々リッジ部１４を形成するため、半導体積層部上にストライプ状のマスクとして形成されていたものであるが、リッジ部１４を形成した後に、端面近傍のみに残されたものである。この絶縁膜１５が存在することにより、端面近傍でコンタクト層１１がたとえ絶縁膜上に積層されても単結晶層としては成長することができず、ポリクリスタル化するため、前述のリッジ部１４側面と同様に、他の単結晶層として成長した部分と区別して選択的に簡単に除去することができると共に、フェースダウンで回路基板などに実装する場合に、ハンダ材やＡｕ-Ｓｎ合金などの接合材が付着しても、電気的絶縁膜であるため、完全に電気的に分断され、端面非注入を確実に行えるという効果がある。すなわち、絶縁膜が無くても、コンタクト層がないことによりオーミックコンタクトを得にくくなり、端面非注入の効果をある程度は得ることができるものの、完全には電流を阻止することはできないのに対して、電気的絶縁膜１５が設けられていることにより、端面近傍を確実に電流非注入とすることができる。その結果、２００ｍＷ以上という非常に高出力に対しても、端面破壊を防止することができる。

前述の半導体積層部の構造は、この例に限定されるものではなく、前述の層以外の半導体層が介在されてもよい。また、活性層３は、Ｚｎ拡散などにより共振器端面を無秩序化するような構造の場合（窓構造を有する場合）には、量子井戸構造でないと無秩序化しないため量子井戸構造であることが好ましいが、バルク構造であってもよい。また、量子井戸構造は単一量子井戸構造でも多重量子井戸構造であってもよい。

この構造の半導体レーザを製造するには、まず、まず図２（ａ）に示されるように、第１のエピタキシャル成長工程により、基板１上に、活性層３を含む発光層形成部９を形成する。たとえば、ｎ形ＧａＡｓ基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）および半導体層の導電形に応じて、ｎ形ドーパントガスとしてのＳｉＨ₄またはｐ形ドーパントとしてジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）の必要な材料をキャリアガスの水素（Ｈ₂）と共に導入し、５００〜７００℃程度で前述の構成の各半導体層をエピタキシャル成長することにより、ｎ形クラッド層２、ｎ側ガイド層３１、多重量子井戸構造からなる活性層３、ｐ側ガイド層３２、ｐ形第１クラッド層４、エッチングストップ層５、ｐ形第２クラッド層６、ｐ形緩衝層７およびｎ形キャップ層８を順次成長し、それぞれ前述の厚さに形成する。

つぎに、端面近傍に窓構造を形成する。すなわち、高出力半導体レーザでは、とくに端面での破壊（ＣＯＤ）が生じやすいため、破壊しやすい半導体レーザチップ端面およびその近傍にＺｎ拡散領域を形成して、端面で光を吸収させない窓構造とする方法が一般的に採用されている。そのため、半導体ウェハの状態で、チップに劈開する領域に予めＺｎを拡散して、無秩序化する。具体的には、発光層形成部９上の劈開する領域の近傍にＺｎＯ層を帯状に形成した後、ＳｉＯ₂層を２００ｎｍ程度被せて、４００〜６００℃で６０〜２４０分程度アニールすることにより、帯状のＺｎＯ層から劈開領域近傍にＺｎを活性層にまで到達させる。このＺｎの拡散は、元の活性層のフォトルミネッセンスピーク波長より１０ｎｍ以上短くなるように行う。その後、ＺｎＯ層およびＳｉＯ₂層などをフッ酸などで除去する。その結果、劈開後に共振器端面およびその近傍にＺｎ拡散領域Ｃ（図２（ａ）参照）が形成され、Ｚｎ拡散領域Ｃでは、活性層３の量子井戸構造がＺｎにより無秩序化され、バンドギャップが大きくなっており、共振器端面では、内部からの光を吸収することがなくなり温度上昇は極力抑えられ、ＣＯＤ破壊を防止することができる。

つぎに、図２（ｂ）に示されるように、リッジ部１４を形成する。具体的には、たとえばＣＶＤ法などにより、ＳｉＯ₂またはＳｉＮ_xなどの電気的絶縁膜からなるストライプ状のマスク１５ａを形成し、たとえば塩素系のドライエッチングなどにより５０〜３００ｎｍ程度残してエッチングし、残りをＨＣｌ系のようなウェットエッチング液により、ダメージ層を除去してｐ形第２クラッド層６をエッチングすることにより、図に示されるように凸形状のストライプ状リッジ部１４がストライプ状に形成される。

つぎに、第２の成長工程により、図２（ｃ）に示されるように、ｎ形の電流狭窄層１０をリッジ部１４の側面側に埋め込む。電流狭窄層１０の埋込みは、たとえば、前述の絶縁膜からなるマスクを利用した選択成長などにより行う。なお、選択成長とは、マスク上に電流狭窄層１０を形成させることなく、リッジ部１４の側面および平坦な半導体層（エッチングストップ層）上のみに選択的に電流狭窄層１０を成長する手法であり、成長条件、たとえば成長温度、圧力などを通常の成長条件と変えることで達成される。その後、図２（ｄ）に示されるように、マスク１５ａを端面近傍のみ残して、フッ素系ドライエッチングにより剥離することにより、電気的絶縁層１５とする。

引き続き、第３の成長工程により、図２（ｅ）に示されるように、たとえばＧａＡｓのような発光層形成部で発光する光を吸収する半導体によりｐ形のコンタクト層１１を１μｍ程度の厚さに成長する。その後、端面およびその近傍におけるリッジ部１４上およびリッジ部１４の側面（側壁）に設けられる電流狭窄層１０が露出するようにコンタクト層１１を選択的に除去して、図１（ａ）に示されるような構造にする。

この端面近傍のコンタクト層１１を選択的に除去するには、端面近傍以外の表面をレジストなどで覆って、たとえばＮａＯＨとＨ₂Ｏ₂の混合溶液によるウェットエッチングにより、選択的に除去することができる。すなわち、端面近傍のリッジ部１４上面には、ＳｉＯ₂などの電気的絶縁膜１５が残されており、コンタクト層１１は単結晶層としては成長せず、完全にポリクリスタル（多結晶）化しており、また、リッジ部１４の側壁も結晶面は揃っておらず、完全な結晶層として電流狭窄層およびコンタクト層１１は成長しておらず、多結晶化している。そのため、平坦面に完全な単結晶層として成長した半導体層とは結晶構造が異なり、たとえば上記エッチング液を用いてエッチングすることにより、多結晶化した層は簡単にエッチングすることができ、また、コンタクト層１１と電流狭窄層１０とは半導体の組成が異なるため、コンタクト層１１の多結晶化したリッジ部１４の上面および側面部分のみを選択的にエッチング除去することができる。

その後、たとえばコンタクト層１１の表面にＴｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極１２を、また、半導体基板１の裏面にＡｕ-Ｇｅ／Ｎｉなどからなるｎ側電極１３を、それぞれ真空蒸着などにより形成する。このｐ側電極１２を蒸着する際に、前述のエッチングした端面近傍をレジスト膜などでマスクして行う。その結果図１（ｂ）に示されるように、電気的絶縁層１５上に一部かかるようにｐ側電極１２が形成される。その後、ウェハからチップ化し、さらにその劈開面に、図示しない誘電体膜を単層または複層で所望の反射率になるように設けて、端面コーティングすることにより、レーザチップが形成されている。

前述の例では、半導体として赤色発光用のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体の例が示されていたが、赤外光用のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いる場合でも同様に、リッジ部上面および側面に光吸収層が設けられず、かつ、リッジ部横の平坦な半導体層上には光を吸収する半導体層であるコンタクト層が設けられることにより、高出力にしても、自己集束効果を抑制することができ、書込み用の１００ｍＷ以上の高出力と、１０ｍＷ以下の低出力とのＦＦＰの変動を１.５°以下と小さく抑えながら、動作電流を低く抑えることができる。

本発明の半導体レーザの一実施形態を示す一部斜視の断面説明図である。図１の半導体レーザの製造工程を示す断面説明図である。従来のハイパワー用半導体レーザの構造を示す断面説明図である。

符号の説明

１基板
２ｎ形クラッド層
３活性層
４ｐ形第１クラッド層
６ｐ形第２クラッド層
９発光層形成部
１０電流狭窄層
１１コンタクト層（光吸収半導体層）
１４リッジ部
１５電気的絶縁膜

Claims

基板と、該基板上に積層される第１導電形半導体層、活性層およびストライプ状のリッジ部が形成される第２導電形半導体層を有する発光層形成部と、前記リッジ部の傾斜面側壁および前記リッジ部が形成されない平坦な半導体層表面に設けられ、第１導電形半導体により形成される電流狭窄層と、前記発光層形成部および前記電流狭窄層の上に設けられ、前記発光層形成部で発光する光を吸収する材料からなるコンタクト層とを有し、前記リッジ部のストライプ方向と交差する方向に形成される共振器端面から前記発光層形成部で発光する光を出射する半導体レーザであって、前記コンタクト層は、前記端面およびその近傍において、前記リッジ部上および前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層が露出するように除去され、かつ、前記平坦な半導体層表面に設けられる前記電流狭窄層上の前記コンタクト層は前記端面まで残存するように形成されてなる半導体レーザ。
前記端面およびその近傍で、前記リッジ部の上面に電気的絶縁膜が設けられてなる請求項１記載の半導体レーザ。
前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の露出部における前記コンタクト層の除去部分が、前記端面側からみた断面形状で、前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の傾斜面の底部を頂点とするほぼ逆三角形状に形成されてなる請求項１または２記載の半導体レーザ。
前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の露出部における前記コンタクト層の除去部分が、前記端面側からみた断面形状で、前記リッジ部の側壁に設けられる電流狭窄層の傾斜面と前記平坦な半導体層表面に設けられる電流狭窄層との交線を頂点とするほぼ逆三角形状に形成されてなる請求項１または２記載の半導体レーザ。