JP4904413B2 - 半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法 - Google Patents

半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窓領域および電流狭窄構造を有する半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
半導体レーザ素子において、光出力が増加すると、端面において光吸収により熱が発生する場合がある。この場合、発熱によって端面が溶融し、レーザ素子の機能が停止してしまうＣＯＤ(Catastrophic Optical Damage)と呼ばれる現象が発生するおそれがあり、信頼性上問題となる。この問題を解決するための技術として、端面透明化技術が開示されており、この技術の採用によってＣＯＤが発生する光出力限界を向上させることができる。
端面透明化技術とは、半導体レーザ素子の端面近傍の半導体領域のエネルギーバンドギャップを拡大することによって、端面近傍を発光波長に対して透明化し、光吸収を防止する技術である。この透明化した領域は窓領域と呼ばれている。また、窓領域に囲まれた透明化されていない領域は非窓領域と呼ばれている。端面透明化技術の具体的な方法としては、端面近傍の半導体領域に不純物や空孔などを拡散させて混晶化し、エネルギーバンドギャップを拡大させる方法が知られている（たとえば特許文献１〜４参照）。
また、半導体レーザ素子において、電流を活性層に高密度で注入するために、電流狭窄構造を採用したものが開示されている。電流狭窄構造とは、たとえばｐ型半導体層内に、所定の幅の開口領域を設けたｎ型半導体からなる電流狭窄層を埋め込んだ構造を有している。この電流狭窄構造によれば、ｐ型半導体層上部から注入されたホールキャリアは電流狭窄層の開口領域のみを通過するので、電流経路の幅が狭窄されて、電流密度が高められた状態で活性層に注入される。その結果、より効率の良い電流注入およびレーザ発振を実現できる（たとえば特許文献１、２参照）。なお、電流狭窄構造における電流の経路となる領域の幅は電流狭窄幅と呼ばれる。
特開２００７−２４２７１８号公報 特開平９−２３０３７号公報 特開平１０−２００１９０号公報 特開２００１−１５８５９号公報
しかしながら、特許文献１に開示される半導体レーザ素子は、光出力が期待される値よりも低くなる場合があるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より高い光出力を実現できる半導体レーザ素子および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。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、基板と、前記基板上に形成され、第１導電型半導体層領域と、前記第１導電型半導体層領域上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型半導体層領域と、前記活性層に注入する電流経路を狭窄するための電流狭窄領域を有する電流狭窄構造と、を有する半導体積層構造と、前記第１導電型半導体層領域と前記第２導電型半導体層領域とから前記活性層に電流を注入するための２つの電極と、を備え、前記半導体層積層構造は、前記電流狭窄領域とは幅中心が許容範囲内で一致するように形成された非窓領域と、前記非窓領域を囲むように形成され、前記活性層のバンドギャップエネルギーが前記非窓領域よりも大きい窓領域とを有し、前記電流狭窄領域の幅をＷ１、前記非窓領域の幅をＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１が成り立つことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記の発明において、Ｗ２−Ｗ１≦５０μｍが成り立つことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記の発明において、Ｗ１≦１０μｍが成り立つことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄領域の幅は、横シングルモード動作するように設定されていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記電流狭窄構造は、前記第２導電型半導体層領域内に介挿された第１導電型からなる電流狭窄層によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記窓領域を形成するための拡散種と、前記半導体層積層構造に添加された第１または第２導電型のドーパントの少なくとも１つとが、前記半導体層積層構造を構成する化合物半導体の同族サイトに優先的に置換することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記窓領域は空孔拡散によって形成したものであることを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に、第１導電型半導体層領域と、前記第１導電型半導体層領域上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型半導体層領域と、前記活性層に注入する電流経路を狭窄するための電流狭窄領域を有する電流狭窄構造と、を有する半導体積層構造を形成する半導体積層構造形成工程と、前記半導体積層構造に、前記電流狭窄領域とは幅中心が許容範囲内で一致する非窓領域と、前記非窓領域を囲み、前記活性層のバンドギャップエネルギーが前記非窓領域よりも大きい窓領域とを形成する窓領域形成工程と、を含み、前記窓領域形成工程は、前記電流狭窄領域の幅をＷ１、前記非窓領域の幅をＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１が成り立つように前記窓領域を形成することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記窓領域形成工程は、Ｗ２−Ｗ１≦５０μｍが成り立つように前記窓領域を形成することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記窓領域形成工程において、前記窓領域を形成するための拡散種と、前記半導体層積層構造に添加された第１または第２導電型のドーパントの少なくとも１つとが、前記半導体層積層構造を構成する化合物半導体の同族サイトに優先的に置換することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザ素子の製造方法は、上記の発明において、前記窓領域形成工程は、空孔拡散によって前記窓領域を形成することを特徴とする。
本発明によれば、より光出力が高い半導体レーザ素子を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。 図２は、図１に示す半導体レーザ素子の素子本体の光出射方向に垂直な面における断面図である。 図３は、図２に示す半導体レーザ素子のｎ型電流狭窄層における水平断面図である。 図４は、Ｗ２−Ｗ１と、熱処理ありの場合と熱処理なしの場合とでの光出力比との関係を示す図である。 図５は、ｐ型ドーパントが拡散による電流経路の拡大を示す図である。 図６は、Ｗ２−Ｗ１と、熱処理ありの場合と熱処理なしの場合とでの、所定の駆動電流における駆動電圧比との関係を示す図である。 図７は、Ｗ２＝Ｗ１＋５０μｍで固定した場合の、Ｗ１と、熱処理ありの場合と熱処理なしの場合とでの光出力比との関係を示す図である。 図８は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図９は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１０は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１１は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１２は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１３は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１４は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１５は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。 図１６は、図１４に示す半導体レーザ素子の素子本体の光出射方向に垂直な面における断面図である。 図１７は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１８は、実施の形態２に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例を説明する図である。 図１９は、実施の形態２の変形例に係る半導体レーザ素子の素子本体の光出射方向に垂直な面における断面図である。
本発明者らは、特許文献１に開示される半導体レーザ素子において、光出力が設計値から期待される値よりも低くなる原因を精査した。その結果、非窓領域の幅と電流狭窄領域の幅との関係が光出力特性に影響することを確認し、これらの幅の関係を最適に設定することで光出力の低下が抑制され、光出力特性が向上することを見出し、本発明に想到したものである。
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実と異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。図１に示すように、この半導体レーザ素子１００は、素子本体１の光出射端面側に形成された反射率が例えば１０％以下の低反射率膜２と、光出射端面側と対向する後端面側に形成された反射率が例えば９０％以上の高反射率膜３とを有している。そして、半導体レーザ素子１００は低反射率膜２を介して横シングルモードのレーザ光Ｌを出射する。
図２は、図１に示す半導体レーザ素子１００の素子本体１の光出射方向に垂直な面における断面図である。図２に示すように、この半導体レーザ素子１００は、ｎ側電極である下部電極４を裏面に形成した第１導電型であるｎ型のＧａＡｓからなる基板５と、基板５上に順次形成された、ｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層７、ｎ型ガイド層８を有するｎ型半導体層領域９と、活性層１０と、第２導電型であるｐ型ガイド層１１、１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ型コンタクト層１４を有するｐ型半導体層領域１５と、ｐ型半導体層領域１５に介挿されたｎ型電流狭窄層１６とからなる半導体積層構造１７とを備えている。また、半導体レーザ素子１００は、ｐ型コンタクト層１４上に形成されたｐ側電極である上部電極１８を備えている。
ｎ型バッファ層６は、ＧａＡｓからなり、基板５上に高品質のエピタキシャル層の積層構造を成長するための緩衝層である。ｎ型クラッド層７とｎ型ガイド層８とは、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。なお、ｎ型ガイド層８のＡｌ組成は、２０％以上４０％未満であることが望ましい。また、ｎ型クラッド層７は、ｎ型ガイド層８よりも屈折率が小さくなっている。また、ｎ型ガイド層８の厚さは、５０ｎｍ以上、たとえば４００ｎｍ程度であることが望ましい。ｎ型クラッド層７の厚さは、１μｍ以上、３μｍ程度が望ましい。また、これらのｎ型半導体層領域９は、ｎ型ドーパントとしてたとえば珪素（Ｓｉ）を含む。
活性層１０は、下部バリア層１０ａ、量子井戸層１０ｂ、上部バリア層１０ｃを備え、単一の量子井戸（ＳＱＷ）構造を有する。下部バリア層１０ａおよび上部バリア層１０ｃは、量子井戸層１０ｂにキャリアを閉じ込める障壁の機能を有し、故意にドーピングをしない高純度のＡｌＧａＡｓからなる。量子井戸層１０ｂは、故意にドーピングをしない高純度のＩｎＧａＡｓからなる。量子井戸層１０ｂのＩｎ組成および膜厚、下部バリア層１０ａおよび上部バリア層１０ｃの組成は、所望の発光中心波長（たとえば０．９８μｍ）に応じて設定される。なお、活性層１０の構造は、量子井戸層とその上下に形成されたバリア層の積層構造を所望の数だけ繰り返した多重量子井戸層（ＭＱＷ）構造でもよいし、下部バリア層１０ａおよび上部バリア層１０ｃの無いバルク構造としてもよい。また、上記では、故意にドーピングをしない高純度層での構成を説明したが、量子井戸層１０ｂ、下部バリア層１０ａおよび上部バリア層１０ｃに故意にドナーやアクセプタが添加される場合もある。
ｐ型ガイド層１１、１２およびｐ型クラッド層１３は、上述のｎ型クラッド層７およびｎ型ガイド層８と対になり、積層方向に対する所望の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さが設定されたＡｌＧａＡｓからなる。ｐ型ガイド層１１、１２のＡｌ組成は、２０％以上４０％未満であることが望ましい。ｐ型クラッド層１３はｐ型ガイド層１１、１２よりも屈折率が小さくなっている。層中の光のフィールドをｎ型クラッド層７の方向にずらして導波路損失を小さくするために、ｐ型クラッド層１３のＡｌ組成はｎ型クラッド層７に比べて若干大きめに設定される。そして、ｐ型ガイド層１１、１２のＡｌ組成は、ｐ型クラッド層１３のＡｌ組成に比べ小さく設定される。また、ｐ型ガイド層１１、１２の厚さは、合わせて５０ｎｍ以上、あることが望ましい。ｐ型クラッド層１３の厚さは、１〜２μｍ程度が望ましい。また、これらのｐ型半導体層領域１５は、ｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を含む。
また、ｎ型電流狭窄層１６はｐ型ガイド層１２に埋め込まれるように介挿されている。ｎ型電流狭窄層１６は、ＡｌＧａＡｓからなり、開口部により形成された電流狭窄領域１６ａを有する。また、ｐ型コンタクト層１４は、Ｚｎが高濃度にドーピングされたＧａＡｓからなる。また、下部電極４および上部電極１８は、それぞれ半導体材料とオーミック接触する金属材料からなる。このように、半導体レーザ素子はＩＩＩ−Ｖ系化合物半導体材料からなる。
また、半導体積層構造１７は、非窓領域１７ａと、活性層１０のバンドギャップエネルギーが非窓領域１７ａよりも大きい窓領域１７ｂとを有している。図３は、図２に示す半導体レーザ素子１００のｎ型電流狭窄層１６における水平断面図である。図２、３に示すように、非窓領域１７ａは、光出射方向Ａｒ１に垂直な幅方向において、電流狭窄領域１６ａと幅中心が一致するように形成されている。窓領域１７ｂは、非窓領域１７ａを囲むように、半導体レーザ素子１００の四方の端面領域に形成されている。なお、この窓領域１７ｂは、熱処理によるＩＩＩ族空孔の拡散によって混晶化された領域であり、混晶化によって非窓領域１７ａの活性層１０のエネルギーバンドギャップとの差がたとえば１０ｍｅＶ以上とされている。なお、１ｅＶは約１．６０×１０ −１９ ジュールである。なお、窓領域とは、活性層の中央付近の、電流を注入されて発光するべき領域のバンドギャップエネルギーよりもバンドギャップエネルギーが大きい領域であって、混晶化している領域である。また、非窓領域とは、窓領域でない領域である。
ここで、図３に示すように、非窓領域１７ａは幅（非窓幅）１７ａａを有し、電流狭窄領域１６ａは幅（電流狭窄幅）１６ａａを有するものとする。なお、この半導体レーザ素子１００は、ＳＡＳ（Self Alignment Structure：自己整合型）構造であり、活性層１０において発生した光は幅方向においては電流狭窄領域１６ａの直下の領域に閉じ込められる。そのため、この半導体レーザ素子１００が横シングルモード動作するように、電流狭窄幅１６ａａはたとえば３μｍに設定されている。
つぎに、この半導体レーザ素子１００の動作について説明する。まず、下部電極４と上部電極１８の間に電圧を印加して、ｎ型半導体層領域９とｐ型半導体層領域１５とから活性層１０にキャリアを注入する。このとき、上部電極１８からｐ型半導体層領域１５を介して注入されるホールキャリアは、その電流経路がｎ型電流狭窄層１６の電流狭窄領域１６ａにより狭窄されて、電流密度が高められた状態で効率よく活性層１０に注入される。電流を注入された活性層１０は所定の発光中心波長を有する光を発光する。発光した光は、活性層１０に閉じ込められて導波しながら、活性層１０の光増幅作用と、低反射率膜２と高反射率膜３とが形成する光共振器によってレーザ発振する。これによって、図１に示すように半導体レーザ素子１００は横シングルモードのレーザ光Ｌを出射する。
ここで、この半導体レーザ素子１００は、窓領域１７ｂによって端面におけるレーザ光Ｌの吸収が抑制されるため、ＣＯＤの発生が防止されている。
さらに、この半導体レーザ素子１００では、電流狭窄幅１６ａａをＷ１、非窓幅１７ａａをＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１が成り立つように設定されている。このように、非窓幅１７ａａを電流狭窄幅１６ａａよりも３μｍ以上広くすることによって、窓領域１７ｂを形成するための熱処理時に、拡散種であるＩＩＩ族空孔が、電流を注入されて発光すべき活性層１０の領域に拡散することを防止できるので、レーザ光Ｌの光出力の低下が防止され、より高い光出力を実現することができる。
また、この半導体レーザ素子１００では、拡散種である空孔がＩＩＩ族サイトを占めるが、これに対して、ｐ型ドーパントの一つとして、ＩＩＩ族サイトを占めるＺｎを用いている。このように、ｐ型ドーパントの少なくとも１種類と拡散種とが、同族サイトを優先的に置換するように、ｐ型ドーパントを選択することが好ましい。拡散種と同族サイトを占めるｐ型ドーパントを選択することで、窓領域１７ｂの拡散種は、このｐ型ドーパントによって拡散を抑制されるため、非窓領域１７ａが設計どおりの幅となる。また、同族サイトを占めるｐ型ドーパントの意図しない拡散を抑制できる。なお、本実施の形態１のように、窓領域１７ｂの拡散種として空孔を用いれば、ｐ型ドーパントの意図しない拡散をより効果的に抑制できるのでより好ましい。その理由は、原子の抜け穴である空孔の方が、拡散種に不純物原子を用いた場合に比べて同族サイトを占めるｐ型ドーパントと再結合し易いためである。
つぎに、実験結果をもとに、電流狭窄幅１６ａａと非窓幅１７ａａとの好ましい関係をさらに具体的に説明する。以下では、本実施の形態１に係る半導体レーザ素子と同じ構成であり、電流狭窄幅は３μｍであるが非窓幅は様々に変化させた半導体レーザ素子において、窓領域を形成するための熱処理を行ったものと行わなかったものとを作製し、所定の駆動電流でその光出力を測定した。
図４は、非窓幅と電流狭窄幅との差（Ｗ２−Ｗ１）と、熱処理ありの場合と熱処理なしの場合とでの光出力比との関係を示す図である。図４に示すように、Ｗ２−Ｗ１が０μｍおよび２μｍの場合は、光出力比が０．９４〜０．９５と小さく、窓領域を形成するための熱処理によって光出力が低下している。一方、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１の場合は、光出力比が０．９８以上であり、窓領域を形成するための熱処理による光出力の低下がほとんど発生していなかった。
また、図４に示すように、Ｗ２―Ｗ１が５０μｍと１５０μｍとでは光出力比はほぼ同一であるが、Ｗ２―Ｗ１≦５０μｍであればＷ２―Ｗ１が減少するにしたがって光出力比が０．９８から徐々に上昇するので好ましい。また、Ｗ２―Ｗ１≦１２μｍであれば光出力比が急激に上昇するので好ましい。さらに、Ｗ２―Ｗ１≦７μｍであれば光出力比がさらに顕著に上昇するので好ましい。
なお、このようにＷ２―Ｗ１が約５μｍ以上で光出力比が減少する理由は、窓領域形成のための熱処理によって、図５に示すように、ｐ型半導体層領域１５においてｐ型ドーパントが拡散し、窓領域１７ｂと重畳するｎ型の電流狭窄層１６の直下領域においてｐ型ドーパントの濃度が高くなって電気抵抗が下がり、電流経路が広がるためであると考えられる。
つぎに、図６は、Ｗ２−Ｗ１と、熱処理ありの場合と熱処理なしの場合とでの、所定の駆動電流における駆動電圧比との関係を示す図である。図６に示すように、Ｗ２―Ｗ１≦１２μｍであれば、駆動電圧比が顕著に低下し、特にＷ２―Ｗ１≦７μｍにおいて低くなるため好ましい。このように駆動電圧の上昇を抑制することで、消費電力を低減することができるので好ましい。なお、上記の駆動電圧の上昇の原因は、ドーパント拡散によってコンタクト層と上部電極とのコンタクト抵抗が上昇するためと考えられる。
つぎに、図７は、Ｗ２＝Ｗ１＋５０μｍで固定した場合の、Ｗ１と、熱処理ありの場合と熱処理なしの場合とでの光出力比との関係を示す図である。図７は、上述したＷ２―Ｗ１が大きい場合に光出力比が減少する影響と、Ｗ１との関係を示している。図７に示すように、Ｗ１≦１０μｍの場合に、光出力比の減少が顕著になる。したがって、Ｗ１≦１０μｍの場合に、Ｗ２―Ｗ１を５０μｍ以下、１２μｍ以下、さらには７μｍ以下にすることが特に好ましく、これによって光出力比の減少の影響を抑制することができる。
以上説明したように、本実施の形態１に係る半導体レーザ素子１００は、電流狭窄幅１６ａａをＷ１とし、非窓幅１７ａａをＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１が成り立つように設定したことによって、より高い光出力を実現することができる。
つぎに、この半導体レーザ素子１００の製造方法について説明する。図８〜図１４は、半導体レーザ素子１００の製造方法の一例を説明する図である。
はじめに、図８（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、基板５上にｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層７、ｎ型ガイド層８、活性層１０、ｐ型ガイド層１１をエピタキシャル成長する。
つぎに、図８（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ工程によるパターニングを経て、設計通りの電流狭窄幅の電流狭窄領域１６ａを有するｎ型の電流狭窄層１６を形成する。その後、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ガイド層１２、ｐ型クラッド層１３、ｐ型コンタクト層１４を成長させて、図８（ｃ）に示すようなＳＡＳ構造の半導体積層構造１７を形成する。
つぎに、空孔拡散によって混晶化を行い、窓領域を形成する。この方法は、ＩＦＶＤ（Impurity Free Vacancy Disordering）法とも呼ばれる。すなわち、図９に示すように、半導体積層構造１７の上面に、疎なＳｉＮ絶縁膜である混晶化促進膜２２を形成する。図１０は、図９に示す混晶化促進膜２２を上方から見た図である。図１０において、符号２３、２４、２５、２６は、それぞれ半導体レーザ素子１００において光出射端面、後端面、左右の側端面となる位置を示している。
つぎに、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、非窓領域１７ａを形成すべき領域の混晶化促進膜２２を除去して開口部２２ａを形成する。その後、緻密なＳｉＮ絶縁膜である混晶化抑制膜２７を形成する（図１１参照）。図１２は、図１１に示す混晶化抑制膜２７を上方から見た図である。図１２において、符号２３、２４、２５、２６は、それぞれ半導体レーザ素子１００において光出射端面、後端面、左右の側端面となる位置を示しており、開口部２２ａの幅２２ａａが非窓幅に対応する。したがって、この幅２２ａａが電流狭窄幅１６ａａよりも３μｍ以上広くなるように開口部２２ａを形成する。
つぎに、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）により短時間の熱処理を行う。ここで、混晶化促進膜２２は疎な膜であるためＧａを吸収できる。したがって、ＲＴＡによる熱処理を行うと、混晶化促進膜２２の下方の半導体積層構造１７の構成元素であるＧａが混晶化促進膜２２に吸収されて、混晶化促進膜２２の直下のｐ型コンタクト層１４の表面上にＩＩＩ族空孔が発生し、このＩＩＩ族空孔が拡散種として拡散し、各半導体層、特に活性層１０が混晶化され、図１３に示すように窓領域１７ｂが形成される。
これに対し、ｐ型コンタクト層１４に接するように混晶化抑制膜２７が形成されている領域においては、混晶化抑制膜２７は、緻密な膜であるためＧａを吸収することがなく、Ｇａの拡散を抑制する。その結果、混晶化抑制膜２７が形成されている領域においては、ＩＩＩ族空孔が発生しないため混晶化が起こらず、混晶化部分を含まない非窓領域１７ａとなる。
また、混晶化促進膜２２の開口部２２ａの幅２２ａａが電流狭窄幅１６ａａよりも３μｍ以上広いので、熱処理の際に、ＩＩＩ族空孔はｐ型ドーパントであるＺｎによって拡散が抑制される。そのため、ＩＩＩ族空孔が活性層１０の発光すべき領域へ拡散することが防止される。また、ＩＩＩ族サイトを占めるＺｎも意図しない拡散が抑制される。
つぎに、図１４に示すように、混晶化促進膜２２、混晶化抑制膜２７を除去する。
その後、上部電極１８と、基板５の裏面の下部電極４とを形成し、基板をへき開してそのへき開面に低反射率膜２と高反射率膜３とを形成し、さらに素子ごとにカッティングすることによって、半導体レーザ素子１００が完成する。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子について説明する。本実施の形態２に係る半導体レーザ素子は、リッジ構造を有しており、これによって光の幅方向の閉じ込めと電流狭窄構造とを実現するものである。
図１５は、本実施の形態２に係る半導体レーザ素子の模式的な斜視図である。図１５に示すように、この半導体レーザ素子２００は、半導体レーザ素子１００と同様に、素子本体２９の光出射端面側に形成された低反射率膜３０と、光出射端面側と対向する後端面側に形成された高反射率膜３１とを有している。そして、半導体レーザ素子２００は低反射率膜３０を介して横シングルモードのレーザ光Ｌを出射する。
図１６は、図１５に示す半導体レーザ素子２００の素子本体２９の光出射方向に垂直な面における断面図である。図１６に示すように、この半導体レーザ素子２００は、ｎ側電極である下部電極４を裏面に形成した第１導電型であるｎ型のＧａＡｓからなる基板５と、基板５上に順次形成された、ｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層７、ｎ型ガイド層８を有するｎ型半導体層領域９と、活性層１０と、第２導電型であるｐ型ガイド層１１、ｐ型クラッド層３２、ｐ型コンタクト層３３を有するｐ型半導体層領域３４とからなる半導体積層構造３５とを備えている。ここで、ｐ型コンタクト層３３は断面が台形であり、光出射方向に延伸したストライプ形状を有している。これによって半導体レーザ素子２００はリッジ構造となっている。また、半導体レーザ素子２００は、ｐ型半導体層領域３４上に形成された絶縁膜３６と、絶縁膜３６が形成されていないリッジ構造の台形の上底を介してｐ型コンタクト層３３に接触するｐ側電極である上部電極３７とを備えている。
ｐ型コンタクト層３３は、Ｚｎが高濃度にドーピングされたＧａＡｓからなる。また、絶縁膜３６はたとえばＳｉＮｘからなる。また、上部電極３７は、半導体材料とオーミック接触する金属材料からなる。
ここで、この半導体レーザ素子２００は、絶縁膜３６により上部電極３７とｐ型半導体層領域３４の接触面積を制限することによって電流狭窄構造が実現されている。すなわち、上部電極３７からｐ型半導体層領域３４を介して注入されるホールキャリアは、その電流経路がｐ型コンタクト層３３の上底である電流狭窄領域３３ａにより狭窄されて、電流密度が高められた状態で効率よく活性層１０に注入され、レーザ光Ｌのレーザ発振に利用される。
また、半導体積層構造３５は、非窓領域３８ａと、活性層１０のバンドギャップエネルギーが非窓領域３８ａよりも大きい窓領域３８ｂとを有している。半導体レーザ素子１００と同様に、この非窓領域３８ａは、光出射方向に垂直な幅方向において、電流狭窄領域３３ａと幅中心が一致するように形成されている。窓領域３８ｂは、非窓領域３８ａの周囲を囲むように、半導体レーザ素子２００の四方の端面領域に形成されている。窓領域３８ｂは、熱処理によるＩＩＩ族空孔の拡散によって混晶化された領域であり、混晶化によって非窓領域３８ａの活性層１０のエネルギーバンドギャップとの差がたとえば１０ｍｅＶ以上とされている。
本実施の形態２に係る半導体レーザ素子２００も、図１６に示すように、非窓領域３８ａは非窓幅３８ａａを有し、電流狭窄領域３３ａは電流狭窄幅３３ａａを有している。電流狭窄幅３３ａａは、この半導体レーザ素子２００が横シングルモード動作するように、たとえば３μｍ設定されている。
そして、この半導体レーザ素子２００では、窓領域３８ｂによって端面におけるレーザ光Ｌの吸収が抑制されるため、ＣＯＤの発生が防止されている。さらに、半導体レーザ素子２００では、電流狭窄幅３３ａａをＷ１、非窓幅３８ａａをＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１が成り立つように設定されている。これによって、半導体レーザ素子１００と同様に、窓領域３８ｂを形成するための熱処理時に、空孔が拡散するのを防止できるので、レーザ光Ｌの光出力の低下が防止され、より高い光出力を実現することができる。
つぎに、この半導体レーザ素子２００の製造方法について説明する。図１７、図１８は、半導体レーザ素子２００の製造方法の一例を説明する図である。
はじめに、図１７（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により、基板５上にｎ型バッファ層６、ｎ型クラッド層７、ｎ型ガイド層８、活性層１０、ｐ型ガイド層１１、ｐ型クラッド層３２、ｐ型コンタクト層３３をエピタキシャル成長し、フォトリソグラフィ工程によってｐ型コンタクト層３３上にレジストからなるリッジ構造形成のためのストライプパターンＰ１を形成する。つぎに、図１７（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｐ型コンタクト層３３を台形状にエッチングし、その後ストライプパターンＰ１を除去する。これによって、コンタクト層３３を、上底面である電流狭窄領域３３ａが所望の電流狭窄幅３３ａａを有するリッジ構造に形成する。
つぎに、空孔拡散によって混晶化を行い、窓領域を形成する。すなわち、図１８（ａ）に示すように、半導体積層構造３５の上面に、疎なＳｉＮ絶縁膜である混晶化促進膜４０を形成する。つぎに、フォトリソグラフィ工程、エッチング工程を経て、非窓領域３８ａを形成すべき領域の混晶化促進膜４０を除去して開口部４０ａを形成する。その後、緻密なＳｉＮ絶縁膜である混晶化抑制膜４１を形成する（図１８（ｂ）、（ｃ）参照）。なお、開口部４０ａの幅４０ａａが電流狭窄幅３３ａａよりも３μｍ以上広くなるように開口部４０ａを形成する。
つぎに、ＲＴＡにより短時間の熱処理を行ない、図１８（ｃ）に示すように、混晶化促進膜４０の直下に窓領域３８ｂを形成する。また、混晶化抑制膜４１の直下は非窓領域３８ａとなる。
なお、混晶化促進膜４０の開口部４０ａの幅４０ａａが電流狭窄幅３３ａａよりも３μｍ以上広いので、熱処理の際に、ＩＩＩ族空孔はｐ型ドーパントであるＺｎによって拡散が抑制される。そのため、ＩＩＩ族空孔が活性層１０の発光すべき領域へ拡散することが防止される。また、ＩＩＩ族サイトを占めるＺｎも意図しない拡散が抑制される。
つぎに、混晶化促進膜４０、混晶化抑制膜４１を除去した後に、絶縁膜３６を形成し、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行って、上部電極３７がｐ型コンタクト層３３に接触するための開口部３６ａを形成する。
その後、上部電極３７と、基板５の裏面の下部電極４とを形成し、基板をへき開してそのへき開面に低反射率膜３０と高反射率膜３１とを形成し、さらに素子ごとにカッティングすることによって、半導体レーザ素子２００が完成する。
（変形例）
図１９は、実施の形態２の変形例に係る半導体レーザ素子の素子本体の光出射方向に垂直な面における断面図である。本変形例に係る半導体レーザ素子３００は、実施の形態２の構成から絶縁膜３６を削除したものであり、その他の点では実施の形態２と同様の構成を有する。この半導体レーザ素子３００の場合は、ｐ型コンタクト層３３のリッジ構造の台形の下底が電流狭窄領域３３ａであり、その幅が電流狭窄幅３３ａａである。このように、絶縁層がない半導体レーザ素子３００も、上記半導体レーザ素子２００と同様の作用、効果を奏するものとなる。
なお、上記実施の形態では、非窓領域が、光出射方向に垂直な幅方向において、電流狭窄領域と幅中心が一致するように形成されている。しかしながら、本発明はこれに限られない。すなわち、製造誤差等によって、非窓領域の幅中心と電流狭窄領域の幅中心とが一致せずにずれていたとしても、この２つの幅中心が許容範囲内で一致するように形成されていれば、本発明の効果を奏する半導体レーザ素子となる。ここで、許容範囲とは、図４にも示した熱処理の有無における光出力比の値が０．９６よりも大きくなり、本発明の効果が発揮されるような幅中心のずれの範囲である。
ここで、幅中心がずれた半導体レーザ素子における光出力比は、図４に示す幅方向が一致する場合の光出力比から見積もることができる。たとえば、Ｗ２−Ｗ１が４μｍであって、幅中心が１μｍだけずれている場合に、光出力比は約０．９７８であり、本発明の効果を奏するものとなるが、この値は、図４に示す結果において、Ｗ２−Ｗ１が６μｍの場合の光出力比である約１．００５と、Ｗ２−Ｗ１が２μｍの場合の光出力比である約０．９５との平均値にほぼ一致している。この結果から、Ｗ２−Ｗ１の値がＸ[μｍ]であり、幅中心のずれがＹ[μｍ]の場合の光出力比は、幅中心が一致している場合のＷ２−Ｗ１が（Ｘ＋２Ｙ）[μｍ]の光出力比とＷ２−Ｗ１が（Ｘ−２Ｙ）[μｍ]の光出力比との平均値として、見積もることができる。
また、上記実施の形態では、第１導電型をｎ型とし、第２導電型とｐ型としているが、第１導電型をｐ型とし、第２導電型をｎ型としてもよい。また、各基板や半導体積層構造を構成する半導体材料は、所望のレーザ発振波長に応じてＩｎＰ等の他の材料を用いてもよい。
また、上記実施の形態では、半導体レーザ素子は横シングルモード動作するものであるが、本発明は横マルチモード動作する半導体レーザ素子にも適用できる。上記実施の形態の場合は、活性層が光を横マルチモードで導波するように電流狭窄幅を適宜設定することによって、所望の横マルチモード動作を実現できる。
また、上記実施の形態では、拡散種としてＩＩＩ族空孔を用いたが、ｐ型不純物であるＺｎ、Ｍｇ、ＢｅまたはＣｄ、ｎ型不純物であるＳｉ、ＳｅまたはＳｎ、界面不純物であるＯ、Ｃ、ＨまたはＳを１つまたは適宜組み合わせて用いてもよい。また、拡散種とともに、ＩＩＩ族サイトに優先的に置換するドーパントとして、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｓｉ、ＳｅまたはＳｎを適宜選択することができる。
また、電流狭窄構造は、上記実施の形態のものに限らず、誘電体膜やイオン注入によって形成してもよい。また、上記の製造方法においては、混晶化プロセスにおいて、混晶化促進膜を形成し、つぎに、混晶化抑制膜を形成しているが、この順番は逆でもよく、混晶化抑制膜を形成してから混晶化促進膜を形成してもよい。
また、本発明は上記実施の形態に限定されない。たとえば、半導体レーザ素子の構造はＳＡＳ構造やリッジ構造に限定されず、窓領域の構造や形成方法も上記実施の形態のものに限定されない。また、上記実施の形態の各構成要素を適宜組み合わせたものも本発明に含まれる。
１、２９ 素子本体
２、３０ 低反射率膜
３、３１ 高反射率膜
４ 下部電極
５ 基板
６ ｎ型バッファ層
７ ｎ型クラッド層
８ ｎ型ガイド層
９ ｎ型半導体層領域
１０ 活性層
１０ａ 下部バリア層
１０ｂ 量子井戸層
１０ｃ 上部バリア層
１１、１２ ｐ型ガイド層
１３、３２ ｐ型クラッド層
１４、３３ ｐ型コンタクト層
１５、３４ ｐ型半導体層領域
１６ ｎ型電流狭窄層
１６ａ、３３ａ 電流狭窄領域
１６ａａ、３３ａａ 電流狭窄幅
１７、３５ 半導体積層構造
１７ａ、３８ａ 非窓領域
１７ａａ、３８ａａ 非窓幅
１７ｂ、３８ｂ 窓領域
３６ 絶縁膜
２２ａ、４０ａ 開口部
１８、３７ 上部電極
２２、４０ 混晶化促進膜
２２ａａ、４０ａａ 幅
２３〜２６ 端面の位置
２７、４１ 混晶化抑制膜
１００〜３００ 半導体レーザ素子
Ａｒ１ 光出射方向
Ｌ レーザ光
Ｐ１ ストライプパターン

Claims (8)

  1. 第１導電型の基板（５）と、
    前記基板（５）上に順次形成された、第１導電型の第１半導体層領域（９）と、活性層（１０）と、第２導電型の第２半導体層領域（１５）と、前記活性層に注入する電流経路を狭窄するために前記第２半導体層領域（１５）に介挿された第１導電型の電流狭窄層（１６）とからなる半導体積層構造（１７）と、
    前記第１導電型半導体層領域（９）と前記第２導電型半導体層領域（１５）とから前記活性層（１０）に電流を注入するための２つの電極（４、１８）と、
    を備えた半導体レーザ素子（１００）であって、
    前記電流狭窄層（１６）は、当該半導体レーザ素子（１００）の光出射方向に沿って前記第２半導体層領域（１５）の両側に埋め込まれるように介挿され、中央の開口部によりストライプ状の電流狭窄領域（１６ａ）を形成し、
    前記半導体層積層構造（１７）は、前記光出射方向に沿って前記電流狭窄領域（１６ａ）の一部を囲みかつ該電流狭窄領域（１６ａ）とは幅中心が許容範囲内で一致するように形成された非窓領域（１７ａ）と、前記活性層（１０）および前記電流狭窄層（１６）において、前記非窓領域（１７ａ）を囲むように形成され、前記活性層（１０）のバンドギャップエネルギーが前記非窓領域（１７ａ）よりも大きい窓領域（１７ｂ）とを有し、
    前記電流狭窄領域（１６ａ）の幅をＷ１、前記非窓領域（１７ａ）の幅をＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１≦１２μｍが成り立ち、前記電流狭窄領域（１６ａ）の幅Ｗ１は、Ｗ１≦１０μｍが成り立ち、かつ当該半導体レーザ素子（１００）が横シングルモード動作するように設定されており、前記許容範囲は、前記窓構造を形成するための熱処理をした場合としない場合との光出力比が０．９６より大きくなる幅中心のずれの範囲であることを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 前記非窓領域（１７ａ）と前記電流狭窄領域（１６ａ）とは幅中心が一致することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記窓領域（１７ｂ）は熱処理によるＩＩＩ族空孔を拡散種として用い、混晶化された領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記窓領域（１７ｂ）を形成するための拡散種である前記ＩＩＩ族空孔と、前記半導体積層構造（１７）に添加された第１または第２導電型のドーパントの少なくとも１つとが、前記半導体積層構造（１７）を構成する化合物半導体の同族サイトを優先的に置換することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  5. 第１導電型の基板（５）と、
    前記基板（５）上に順次形成された、第１導電型の第１半導体層領域（９）と、活性層（１０）と、第２導電型の第２半導体層領域（１５）と、前記活性層に注入する電流経路を狭窄するために前記第２半導体層領域（１５）に介挿された第１導電型の電流狭窄層（１６）とからなる半導体積層構造（１７）と、
    を備えた半導体レーザ素子（１００）の製造方法であって、
    前記半導体積層構造（１７）を形成する半導体積層構造形成工程と、
    前記半導体積層構造（１７）に、前記光出射方向に沿って前記電流狭窄領域（１６ａ）の一部を囲みかつ該電流狭窄領域（１６ａ）とは幅中心が許容範囲内で一致するように形成された非窓領域（１７ａ）と、前記活性層（１０）および前記電流狭窄層（１６）において、前記非窓領域（１７ａ）を囲むように形成され、前記活性層（１０）のバンドギャップエネルギーが前記非窓領域（１７ａ）よりも大きい窓領域（１７ｂ）とを形成する窓領域形成工程と、
    を含み、
    前記半導体積層構造形成工程は、前記電流狭窄層（１６）を当該半導体レーザ素子（１００）の光出射方向に沿って前記第２半導体層領域（１５）の両側に埋め込まれるように介挿し、中央の開口部によりストライプ状の電流狭窄領域（１６ａ）を形成し、
    前記窓領域形成工程は、前記電流狭窄領域（１６ａ）の幅をＷ１、前記非窓領域（１７ａ）の幅をＷ２とすると、３μｍ≦Ｗ２−Ｗ１≦１２μｍが成り立ち、前記電流狭窄領域（１６ａ）の幅Ｗ１は、Ｗ１≦１０μｍが成り立ち、かつ当該半導体レーザ素子（１００）が横シングルモード動作するように設定し、前記許容範囲を、前記窓構造を形成するための熱処理をした場合としない場合との光出力比が０．９６より大きくなる幅中心のずれの範囲として、前記非窓領域（１７ａ）および前記窓領域（１７ｂ）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。
  6. 前記窓領域形成工程において、前記非窓領域（１７ａ）と前記電流狭窄領域（１６ａ）との幅中心を一致させることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  7. 当該半導体レーザ素子（１００）は、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体材料からなり、
    前記窓領域形成工程は、熱処理によるＩＩＩ族空孔を拡散種として用いて混晶化することによって、前記窓領域（１７ｂ）を形成することを特徴とする請求項５または６に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  8. 前記窓領域形成工程において、前記窓領域（１７ｂ）を形成するための拡散種である前記ＩＩＩ族空孔と、前記半導体層積層構造（１７）に添加された第１または第２導電型のドーパントの少なくとも１つとが、前記半導体層積層構造（１７）を構成する化合物半導体の同族サイトを優先的に置換することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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