JP5128604B2 - 半導体レーザ素子および半導体レーザ素子製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造の活性層を有する非窓領域とを備え、所定の原子を吸収しIII族空孔の拡散を促進する促進膜を窓領域上に設けて混晶化部分を形成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。

従来から、活性層内のキャリアの再結合によって発生した光を増幅してレーザ光を発振する半導体レーザ素子では、光出射端面が強い光密度のために劣化し、ＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）と呼ばれる損傷を引き起こす場合がある。この対策として、光出射端面におけるエネルギーバンドギャップを大きくすることによって、活性層内部に比してレーザ光吸収の少ない窓領域を設けることが提案されている。

近年、ＧａＡｓ系半導体レーザ素子の窓領域の形成について、窓領域に対応して形成されＧａの拡散を促進する促進膜と非窓領域に対応して形成されＧａの拡散を抑制する抑制膜とを堆積した後、所定の熱処理を行い窓領域に対応する領域を混晶化するＩＦＶＤ（Impurity Free Vacancy Disordering）法を用いた技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開平７−１２２８１６号公報

しかしながら、ＩＦＶＤ法を用いて混晶化させた窓領域であっても、高次のエネルギー発振に対応する波長のレーザ光を吸収してしまう場合があった。このため、過酷な条件下で半導体レーザ素子を駆動させた場合には、ＣＯＤの発生によって半導体レーザ素子が劣化してしまい、信頼性の高い半導体レーザ素子を得ることができないという問題があった。

この発明は、上記した従来技術の欠点に鑑みてなされたものであり、過酷な条件下で駆動させた場合であってもＣＯＤ発生を抑制し高い信頼性を有する半導体レーザ素子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、この発明にかかる半導体レーザ素子は、III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造の活性層を有する非窓領域とを備え、前記混晶化部分は、所定の原子を吸収し前記III族空孔の拡散を促進する促進膜を前記窓領域上に設けることにより形成された半導体レーザ素子において、前記窓領域におけるエネルギーバンドギャップと前記非窓領域におけるエネルギーバンドギャップとの差が５０ｍｅＶ以上であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造の活性層を有する非窓領域とを備え、前記混晶化部分は、所定の原子を吸収し前記III族空孔の拡散を促進する促進膜を前記窓領域上に設けることにより形成された半導体レーザ素子において、前記活性層の近傍側の層にＶ族サイトを優先的に置換する不純物がドーピングされたことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記混晶化部分形成時の熱処理温度において拡散係数が３×１０^−１４ｃｍ^２/ｓ以下であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記活性層の上側に形成されたガイド層の少なくとも前記活性層側にドーピングされることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記活性層の上側に形成されたクラッド層の少なくとも前記活性層側にドーピングされることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記活性層にキャリアを注入するために前記活性層の上側に形成されたコンタクト層の少なくとも前記活性層側にドーピングされることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、Ｃ（炭素）であることを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、当該半導体レーザ素子は、リッジ構造を有することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子は、前記クラッド層の中間または前記コンタクト層の中間に設けられ、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流非注入層を備え、前記クラッド層または前記コンタクト層は、前記電流非注入層がその上に形成される第１層と、前記電流非注入層形成後に６５０℃以上の表面清浄化処理を行ってから再成長される第２層、または、６５０℃以上の温度域における再成長を行って形成される第２層とを有することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子製造方法は、III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造の活性層を有する非窓領域とを備えた半導体レーザ素子の製造方法において、所定の原子を吸収し前記III族空孔の拡散を促進する促進膜を前記窓領域上に形成する促進膜形成工程と、前記活性層の近傍側にＶ族サイトを優先的に置換する不純物をドーピングした層を形成する不純物含有層形成工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子製造方法は、前記不純物含有層形成工程は、Ｃ（炭素）をドーピングした層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子製造方法は、前記不純物含有層形成工程は、前記活性層の上側に形成されるガイド層の少なくとも前記活性層側の一部を占める層と、前記活性層の上側に形成されるクラッド層の少なくとも前記活性層側の一部を占める層と、前記活性層にキャリアを注入するために前記活性層の上側に形成されるコンタクト層の少なくとも前記活性層側の一部を占める層との少なくともいずれかの層を形成することを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子製造方法は、前記クラッド層の中間または前記コンタクト層の中間に設けられ、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流非注入層を形成する電流非注入層形成工程を含み、前記不純物含有層形成工程は、電流非注入層がその上に設けられる前記クラッド層の第１層または電流非注入層がその上に設けられる前記コンタクト層の第１層を形成する第１層形成工程と、電流非注入層形成工程後に、６５０℃以上の表面清浄化処理後の再成長処理または６５０℃以上の温度域における再成長処理を行い、前記クラッド層の第２層または前記コンタクト層の第２層を形成する第２層形成工程と、を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかる半導体レーザ素子製造方法は、９００℃以上の熱処理温度で前記III族空孔を拡散して前記窓領域の混晶化を行う熱処理工程をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、活性層の近傍側の層にＶ族サイトを優先的に置換する不純物をドーピングすることによって、窓領域における混晶化の促進の劣化と非窓領域における混晶化の抑制の劣化とを防止し、窓領域におけるエネルギーバンドギャップと非窓領域におけるエネルギーバンドギャップとの差を大きくすることができるため、過酷な条件下で駆動させた場合であってもＣＯＤ発生を抑制し高い信頼性を有する半導体レーザ素子を実現することができる。

図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の斜視図である。 図２は、図１に示す半導体レーザ素子の横断面図である。 図３は、図１に示す半導体レーザ素子の縦断面図である。 図４は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図５は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図６は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図７は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図８は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図９は、従来技術にかかる半導体レーザ素子における空孔および格子間Ｚｎの拡散を説明する図である。 図１０は、従来技術にかかる半導体レーザ素子の窓領域および非窓領域における光吸収量の波長変化を示す図である。 図１１は、従来技術にかかる半導体レーザ素子におけるレーザ光の強度変化量の時間依存を示す図である。 図１２は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子における空孔およびＣの拡散を説明する図である。 図１３は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の窓領域および非窓領域における光吸収量の波長変化を示す図である。 図１４は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の窓領域と非窓領域におけるＲＴＡの熱処理温度とエネルギーシフト量との関係を示す図である。 図１５は、実施の形態１にかかる半導体レーザのパルス駆動における光出力特性を示した図である。 図１６は、本実施の形態１にかかる半導体レーザのエージング試験結果を示す図である。 図１７は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。 図１８は、図１７に示す半導体レーザ素子の窓領域と非窓領域におけるＲＴＡの熱処理温度とエネルギーシフト量との関係を示す図である。 図１９は、図１７に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図２０は、図１７に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図２１は、図１７に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図２２は、図１７に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図２３は、図１７に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図２４は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。 図２５は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の横断面図である。 図２６は、図１７に示す半導体レーザ素子における再成長界面の状態を説明する図である。 図２７は、図２５に示す半導体レーザ素子の窓領域と非窓領域における、ＲＴＡの熱処理温度とエネルギーシフト量との関係を示す図である。 図２８は、実施形態１におけるＣ、実施形態２におけるＺｎ、従来技術におけるＺｎの活性層からの距離と不純物のドーピング濃度との関係を示す図である。 図２９は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。 図３０は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。 図３１は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。 図３２は、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。 図３３は、実施の形態１，２にかかる半導体レーザ素子の横断面図の他の例を示す図である。

符号の説明

１、２０１ 半導体レーザ素子
２ 高反射膜
３ 低反射膜
４ レーザ光
１１ 基板
１２ ｎ−バッファ層
１３ ｎ−クラッド層
１４ ｎ−ガイド層
１５ 活性層
１５ａ 下部バリア層
１５ｂ 量子井戸層
１５ｃ 上部バリア層
１６ ｐ−ガイド層
１７ ｐ−クラッド層
１８ ｐ−コンタクト層
１９ 絶縁層
２０ 上部電極
２１ 下部電極
２３ 窓領域
２４ 非窓領域
２５ 促進膜
２６ 抑制膜
１１６ ｐ−ガイド層
１１７ ｐ−クラッド層
１１８ ｐ−コンタクト層
１３８ａ ｐ−第１コンタクト層
１３８ｂ ｐ−第２コンタクト層
１３９ 電流非注入層
１４０ ＳｉＯ_２膜
１４７ａ ｐ−第１クラッド層
１４７ｂ ｐ−第２クラッド層
２３８ａ ｐ−第１コンタクト層
２３８ｂ ｐ−第２コンタクト層
２４７ｂ ｐ−第２クラッド層
２４８ ｐ−コンタクト層
２５７ ｐ−クラッド層

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態であるＩＦＶＤ法を用いて形成された半導体レーザ素子について説明する。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、同一部分には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）
まず、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子について説明する。実施の形態１にかかる半導体レーザ素子は、活性層に対し正孔を注入するために形成された層に不純物としてＣ（炭素）がドーピングされている。図１は、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子の斜視図であり、図２は、図１に示す半導体レーザ素子１の横断面図であり、図３は、図１に示す半導体レーザ素子の縦断面図である。

図１に示すように、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１は、電流をストライプ状に狭窄するリッジ構造を有し、レーザ光４の反射側には高反射膜２が形成され、レーザ光の出射側には低反射膜３が形成される。半導体レーザ素子１内部で発生したレーザ光および高反射膜２に反射したレーザ光は、低反射膜３を透過し、外部に出射される。

つぎに、図２および図３を参照し、図１に示す半導体レーザ素子１の構造について説明する。図２および図３に示すように、半導体レーザ素子１は、ｎ型ＧａＡｓ基板である基板１１上に、ｎ−バッファ層１２、ｎ−クラッド層１３、ｎ−ガイド層１４、活性層１５、ｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−コンタクト層１８、絶縁層１９が順次積層されている。また、半導体レーザ素子１は、ｐ−コンタクト層１８の上部に上部電極２０が形成され、基板１１の下部に下部電極２１が形成される。また、活性層１５に対しｐ型のクラッドを積層する側、すなわち活性層１５の上側に形成されたｐ−ガイド層１６、活性層１５に対しｐ型のクラッドを積層する側に形成されたｐ−クラッド層１７および活性層１５に対し正孔を注入するために形成されたｐ−コンタクト層１８には、不純物としてＣがドーピングされている。図２および図３に示すように、半導体レーザ素子１は、活性層１５に注入される電流をストライプ状に狭窄し、かつ、ストライプに沿った光導波路として機能するリッジ構造を有しており、ｐ−クラッド層１７の上層およびｐ−コンタクト層１８を含む層領域のレーザ光出射方向と垂直方向の幅が狭まったメサ形状に加工されている。半導体レーザ素子１には、光出射端面に、非窓領域２４と比較しレーザ光の吸収が少ない窓領域２３が設けられている。窓領域２３は、III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含み、非窓領域２４は、量子井戸構造の活性層１５を有し混晶化部分を含まない。窓領域２３においては、混晶化することによって、非窓領域２４のエネルギーバンドギャップとの差が５０ｍｅＶ以上となるように窓領域２３のエネルギーバンドギャップを大きくしてレーザ光の吸収を抑制し、ＣＯＤの発生を防止している。

基板１１は、ｎ−ＧａＡｓを材料に含む。ｎ−バッファ層１２は、基板１１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に必要な緩衝層であり、ｎ−ＧａＡｓを層材料に含む。ｎ−クラッド層１３とｎ−ガイド層１４は、積層方向に対する任意の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さが決定され、ｎ−ＡｌＧａＡｓを層材料に含む。ｎ−ガイド層１４のＡｌ組成は、２０％以上４０％未満であることが望ましい。ｎ−クラッド層１３のＡｌ組成は、ｎ−ガイド層１４のＡｌ組成に比べ大きくすることで屈折率を小さくすることが普通である。本発明における窓領域を形成した大出力水平多モード発振素子においては、ｎ−ガイド層１４の膜厚は、２００ｎｍ以上、たとえば４００ｎｍ程度であることが望ましい。ｎ−クラッド層１３の厚さは、１μｍ以上、３μｍ程度がよい。ｎ−ガイド層１４は、故意にドーピングをしない高純度層が使用される場合もあるが、ｎ−ガイド層１４の厚さを１００ｎｍ以上に設定する場合は、残留不純物の影響が大きく、ドーピングを施すほうがよい。

活性層１５は、下部バリア層１５ａ、量子井戸層１５ｂ、上部バリア層１５ｃを備える。下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃは、量子井戸層１５ｂ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を材料として含む。量子井戸層１５ｂは、故意にドーピングをしない高純度のＩｎＧａＡｓを材料として含む。量子井戸層１５ｂのＩｎ組成および膜厚、下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃの組成によって決まるポテンシャル井戸の構造により、閉じ込められたキャリアの発光再結合エネルギーが決定される。上記は、単一の量子井戸層（ＳＱＷ）の構成について説明したが、量子井戸層１５ｂと下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃとの積層を所望の数だけ繰り返した多段量子井戸層（ＭＱＷ）の構成を有する場合もある。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１５ｂ、下部バリア層１５ａおよび上部バリア層１５ｃに故意にドナやアクセプタが添加される場合もある。さらに、下部バリア層１５ａとｎ−ガイド層１４とが同一の組成の場合があり、また、上部バリア層１５ｃとｐ−ガイド層１６とが同一の組成の場合があるため、下部バリア層１５ａ、上部バリア層１５ｃは必ずしも構成される必要はない。

ｐ−ガイド層１６とｐ−クラッド層１７とは、上述のｎ−クラッド層１３とｎ−ガイド層１４と対となり、積層方向に対する任意の光閉じ込め状態を実現するように、屈折率と厚さが決定される。ｐ−ガイド層１６とｐ−クラッド層１７とは、ｐ−ＡｌＧａＡｓを層材料に含む。ｐ−ガイド層１６のＡｌ組成は、２０％以上であることが一般的であり、３０％以上であることが望ましい。この理由は、窓領域２３において、混晶化の工程によって変化したエネルギーバンドギャップの変化量であるエネルギーシフトが大きくなり、窓領域２３における混晶化が高い選択性で適切に行われた結果が得られるためである。ｐ−クラッド層１７のＡｌ組成は、４０〜５０％程度が普通で、層中の光フィールドをｎ−クラッド層１３の方向にずらして導波路損失を小さくするためにｎ−クラッド層１３に比べ、ｐ−クラッド層１７のＡｌ組成は若干大きめに設定される。ｐ−ガイド層１６のＡｌ組成は、ｐ−クラッド層１７のＡｌ組成に比べ小さく設定される。本発明における窓領域を形成した大出力水平多モード発振素子においては、ｐ−ガイド層１６の膜厚は、２００ｎｍ以上、たとえば４００ｎｍ程度であることが望ましい。ｐ−クラッド層１７の厚さは、１〜２μｍ程度がよい。なお、ｐ−ガイド層１６は、故意にドーピングをしない高純度層が使用される場合もあるが、ガイド層の厚さを１００ｎｍ以上に設定する場合は、残留不純物による導電性変動の影響が大きいため、製造再現性を高めるためにも、故意のドーピングを施すほうがよい。

ここで、ｐ−クラッド層１７およびｐ−ガイド層１６には、アクセプタ不純物として炭素（Ｃ）がドーピングされている。ｐ−ガイド層１６のＣ濃度は、０．１〜１．０×１０^１７ｃｍ^−３に設定され、０．５〜１.０×１０^１７ｃｍ^−３程度が好適である。ｐ−クラッド層１７は、１．０×１０^１７ｃｍ^−３以上に設定される。

ｐ−コンタクト層１８は、ｐ−クラッド層１７と上部電極２０とをオーミック接触させるためのものである。ｐ−コンタクト層１８は、ｐ−ＧａＡｓを層材料に含む。ｐ−コンタクト層１８には高濃度のＣがドープされており、これによりオーミック接触を実現している。

つぎに、図４〜図８を参照して、半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。まず、図４に示すように、エピタキシャル成長によって、基板１１上に、ｎ−バッファ層１２、ｎ−クラッド層１３、ｎ−ガイド層１４、活性層１５、ｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−コンタクト層１８を形成する。なお、ｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−コンタクト層１８には、不純物としてＣ（炭素）がドーピングされている。

そして触媒ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いてｐ−コンタクト層１８上にＳｉＮ_ｘをたとえば１００ｎｍ堆積する。このＳｉＮ_ｘは、ストイキオメトリ組成よりＮの比率が高いものであり、原料であるシランとアンモニアガスとの流量をアンモニアリッチにした状態で成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い窓領域２３に対応する領域以外のＳｉＮ_ｘを除去することによって、図５に示すように、促進膜２５を形成する。促進膜２５は、Ｎリッチ条件で成膜したＳｉＮ_ｘであるため、疎な膜となる。なお、促進膜２５は、レーザ光が出射される端面を含んで形成される必要があり、レーザ光出射側から見て活性層１５を覆うように、半導体レーザ素子１平面においては格子状、ストライプ状となるように形成される。そして、触媒ＣＶＤ法を用いてｐ−コンタクト層１８および促進膜２５上にＳｉリッチ条件で成膜したＳｉＮ_ｘをたとえば３０ｎｍ堆積し、抑制膜２６を形成する。このＳｉＮ_ｘは、ストイキオメトリ組成よりＳｉの比率が高いものである。抑制膜２６は、触媒ＣＶＤ法によって形成されるため、緻密な膜となる。なお、促進膜２５よりも先に抑制膜２６を形成するＳｉＮ_ｘを成膜し窓領域２３に対応するＳｉＮ_ｘを除去して抑制膜２６を形成してから、促進膜２５を形成してもよい。

つぎに、たとえば９１５℃、３０秒間の短時間熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Anneal）を行う。促進膜２５は疎な膜であるため、拡散したＧａを吸収することができる。このため、このＲＴＡによって促進膜２５下方に位置する各層のＧａが促進膜２５に吸収され、促進膜２５の下方で接するｐ−コンタクト層１８の表面上に空孔が発生し、この空孔が活性層１５に拡散する。そして、促進膜２５の下方に位置する量子井戸層１５ｂが混晶化され、図６に示すように、窓領域２３が形成される。このように、促進膜２５は、Ｇａを吸収し空孔の拡散を促進して、窓領域２３における混晶化を促進する機能を有する。これに対し、促進膜２５が形成されていない領域においては、ｐ−コンタクト層１８に接するように抑制膜２６が形成されている。抑制膜２６は、緻密な膜であるため、Ｇａを吸収することがなく、Ｇａの拡散を抑制している。この結果、促進膜２５が形成されていない領域においては、空孔が発生しないため混晶化が行われず、混晶化部分を含まない非窓領域２４となる。このように、抑制膜２６は、非窓領域２４における混晶化を抑制する機能を有する。

そして、促進膜２５、抑制膜２６を除去した後、図７に示すように、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２０に接触する領域以外のｐ−コンタクト層１８とｐ−クラッド層１７の上層を除去し、リッジ構造を形成する。絶縁層１９を形成後、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、図８に示すように、上部電極２０に接触する領域以外の絶縁層１９を除去する。そして、上部電極２０および下部電極２１を形成後、半導体ウェハを劈開し、劈開面に高反射膜２および低反射膜３を形成した後、半導体レーザ素子１ごとにカッティングすることによって、最終的な半導体レーザ素子１となる。

上述したように、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１においては、活性層１５の近傍側の層であるｐ−ガイド層１６、ｐ−ガイド層１６の上層であるｐ−クラッド層１７およびｐ−コンタクト層１８に不純物としてＣがドーピングされている。

ここで、図９に示す従来技術にかかる半導体レーザ素子においては、ｐ−ガイド層１１６、ｐ−クラッド層１１７、ｐ−コンタクト層１１８には、不純物としてIII族サイトを優先的に置換するＺｎがドーピングされている。Ｚｎは、大きな拡散係数を有し不純物拡散しやすいことに加え、格子間原子を発生しやすく、発生した格子間原子の拡散速度が大きい特性を有する。ここで、促進膜２５の促進機能が適切に機能する場合には、図９の矢印Ｙ０に示すように、III族を占めるＧａの拡散によって発生したIII族空孔３１ａが活性層１５に到達して窓領域が形成される。しかし、図９の矢印Ｙ２に示すように、発生した格子間Ｚｎ３０ｂがIII族空孔３１ｂと再結合する場合がある。格子間Ｚｎ３０ｂがIII族空孔３１ｂとは、ともにIII族系であるため、再結合しやすい傾向がある。特にＺｎは、格子間原子を発生しやすく、発生した格子間原子の拡散速度が大きいため、格子間ＺｎとIII族空孔とが多量に再結合するものと考えられる。この場合、空孔濃度が低下し、活性層１５に十分な空孔が到達しない。この結果、促進膜２５の促進機能が劣化し、窓領域２３において大きなエネルギーバンドギャップを得ることができない。

また、Ｚｎは拡散しやすいため、図９の矢印Ｙ１に示すように、発生した格子間Ｚｎ３０ａがＩＦＶＤ法におけるＲＴＡによって活性層１５に到達する場合がある。この場合、活性層１５における量子井戸層１５ｂのレーザ発振性能が阻害される。さらに、格子間Ｚｎ３０ａの発生によって、抑制膜２６による混晶化の抑制機能の劣化が発生し、非窓領域２４のエネルギーバンドギャップが大きくなる。このように、従来技術においては、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差が十分に得られなかった。

この結果、従来技術においては、窓領域における光吸収量の波長変化を示す図１０の曲線ｌｓｐに示すように、窓領域では、光吸収量の波長変化が設定よりも長波長側にシフトする場合があり、発振されるレーザ光の波長近傍の光を吸収する場合がある。また、非窓領域における光吸収量の波長変化を示す図１０の曲線ｌｄｐに示すように、非窓領域では、光吸収量の波長変化が、設定されたレーザ光の波長よりも短波長側にシフトする場合がある。

このため、図１０に示すように、従来技術においては、窓領域と非窓領域とにおける吸収光の波長差Δλ_ｐは小さな値となり、窓領域におけるレーザ光の吸収が発生し、ＣＯＤによる半導体レーザ素子の劣化が起こる場合があった。特に、過酷な条件下で半導体レーザ素子を駆動させた場合には、設定されたレーザ光の波長であって第１の量子準位に対応する波長λ_１よりも短い波長である第２の量子準位に対応する波長λ_２のレーザ光が発振される場合がある。従来技術においては、曲線ｌｓｐに示すように、窓領域において、この波長λ_２のレーザ光が吸収されてしまい、ＣＯＤが発生していた。また、窓領域においては、波長λ_２のみならず、第１の量子準位に対応する波長λ_１よりも短い波長であって、ライトホールなどに起因する高次のエネルギー発振に対応する波長のレーザ光が発振された場合も、この波長の光が吸収されてしまっていた。この結果、従来技術においては、図１１におけるレーザ光の強度（Ｐｆ）変化量の時間依存に示すように、短時間でレーザ光の強度が低下してしまい、信頼性の高さを維持した長寿命の半導体レーザ素子を得ることができないという問題があった。

これに対し、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１においては、ｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−コンタクト層１８には、不純物としてＶ族サイトを優先的に置換するＣがドーピングされている。このＣは、拡散係数が非常に小さい。例えば９５０℃の熱処理下におけるＣの拡散係数は、３×１０^−１４ｃｍ^２／ｓ以下である。ここで、不純物の拡散係数をＤとし、拡散時間をｔとした場合、不純物の拡散長は（Ｄｔ）^１／２である。具体的には、あるＲＴＡ温度で３×１０^−１４ｃｍ^２／ｓの拡散係数をもつ不純物を３０秒間熱処理した場合には、この不純物の拡散長は、（Ｄｔ）^１／２を用いて計算した結果、約９．５ｎｍとなる。通常、活性層１５を基準とした約９．５ｎｍの範囲にある材料層には不純物がドーピングされることがないことから、３×１０^−１４ｃｍ^２／ｓの拡散係数をもつ不純物は、活性層１５に到達することはない。よって、３×１０^−１４ｃｍ^２／ｓの拡散係数をもつＣは、ＲＴＡを行った場合であっても、図１２の矢印Ｙ５に例示するような活性層１５への移動を行うことがない。このため、半導体レーザ素子１のように、活性層１５の上層であるｐ−ガイド層１６にＣをドーピングした場合であっても、このドーピングしたＣによって、量子井戸層１５ｂのレーザ発振機能および抑制膜２６の抑制機能が阻害されることもない。したがって、非窓領域においては、エネルギーバンドギャップの増加が適切に抑制されることとなる。

また、Ｃは、IV族の原子であるが、ＧａＡｓなどのＶ族元素がＡｓであるIII−Ｖ族化合物半導体中では、Ｖ族サイトに入ってアクセプタになる。Ｃは、ＧａＡｓ中においては、促進膜２５に吸収されるIII族を占めるＧａとは異なる族であるＶ族サイトを優先的に置換する。このため、Ｖ族サイトを占めるＣは、促進膜２５へのＧａの拡散によって生じたIII族空孔３１ｃ，３１ｄと再結合しにくい。したがって、窓領域に対応する領域においては、再結合によって空孔濃度が低下することがなく、矢印Ｙ６，Ｙ７に示すように、発生したIII族空孔３１ｃ，３１ｄが活性層１５に円滑に到達し窓領域が適切に形成される。この結果、不純物として用いられたＣによって促進膜２５の促進機能が阻害されることがないため、窓領域２３において大きなエネルギーバンドギャップを得ることができる。

図１３は、半導体レーザ素子１の窓領域および非窓領域における光吸収量の波長変化を示す図である。図１３において、曲線ｌｄｎは非窓領域における光吸収量の波長変化を示し、曲線ｌｓｎは窓領域における光吸収量の波長変化を示す。本実施の形態１においては、不純物としてＣを用いた結果、促進膜２５の促進機能が適切に機能し、窓領域における混晶化が十分に行われるとともに、抑制膜２６の抑制機能も適切に機能する。この結果、窓領域と非窓領域とにおける吸収光の波長差Δλnは、従来技術と比較し、大きな値を得ることができる。言い換えると、半導体レーザ素子１においては、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差を十分に得ることができる。さらに、曲線ｌｓｎに示すように、窓領域では、第２の量子準位に対応する波長λ_２など高次のエネルギー発振に対応する波長のレーザ光の吸収が発生しない。したがって、過酷な条件下で駆動させ高次のエネルギー発振が発生した場合であっても、窓領域においては、この高次のエネルギー発振に対応する波長のレーザ光も吸収せず、ＣＯＤを発生することがない。また、抑制膜２６の抑制機能も適切に機能するため、非窓領域では、曲線ｌｄｎに示すように、設定どおりの吸収特性を示すこととなり、設定された波長のレーザ光を精度よく発振することができる。

実際に、半導体レーザ素子１の窓領域および非窓領域におけるエネルギーバンドギャップについて説明する。図１４は、半導体レーザ素子１の窓領域と非窓領域における、混晶化のために行われるＲＴＡの熱処理温度とエネルギーシフト量との関係を示す図である。エネルギーシフト量は、混晶化の工程によって変化したエネルギーバンドギャップの変化量である。図１４は、ｐ−ガイド層１６における活性層１５側のＣのドーピング量は、５×１０^１６ｃｍ^−３であり、ｐ−クラッド層１７における活性層１５側のＣのドーピング量は、５×１０^１７ｃｍ^−３であり、ｐ−コンタクト層１８における活性層１５側のＣのドーピング量は、３×１０^１９ｃｍ^−３である半導体レーザ素子１についての結果を示すものである。

混晶化の促進が適切に行われた場合、窓領域では、混晶化される前と比較し混晶化された後にはエネルギーバンドギャップが大きくなるため、大きなエネルギーシフト量を示す。前述したように、本実施の形態１においては、Ｃを不純物としてドーピングすることによって、窓領域における混晶化の促進を適切に行うことができる。図１４に示すように、窓領域においては、９００℃以上の熱処理温度でＲＴＡを行った場合、エネルギーシフト量が６０ｍｅＶ以上となり、エネルギーバンドギャップを大きくすることができる。

一方、混晶化の抑制が適切に行われた場合、非窓領域では、混晶化される前後におけるエネルギーバンドギャップに大きな変化は生じないため、少ないエネルギーシフト量を示す。前述したように、本実施の形態１においては、Ｃを不純物としてドーピングすることによって、非窓領域における混晶化の抑制を適切に行うことができる。このため、図１４に示すように、非窓領域においては、ＲＴＡの熱処理温度が９００℃の場合には、エネルギーシフトはほとんど認められず、ＲＴＡの熱処理温度が９５０℃と高温であっても２０ｍｅＶ程度のエネルギーシフト量を示すにすぎない。

また、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差は、５０ｍｅＶ以上であれば窓領域におけるレーザ光の吸収を抑制し、ＣＯＤの発生を防止することができる。ところで、窓構造を採用し端面の光吸収を抑制した場合であっても、端面領域は局所的温度上昇が起こりやすい領域であり、発光強度の上昇にともない部分的な温度上昇が避け得ない場合が多い。温度が上昇すると半導体のエネルギーバンドギャップは（−０．５）ｍｅＶ／℃程度で小さくなるので、作りこまれた窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差が相殺されてしまう。このため、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差を７０ｍｅＶとすることができれば、非窓領域と窓領域の温度差をΔＴｗとすると、ΔＴｗが２０℃程度であっても許容される。さらに、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差を１００ｍｅＶとすることができれば、ΔＴｗが５０℃程度に大きくなっても許容される。したがって、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差を大きく設定することができるほど高出力の素子を実現することができる。このように、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差は、５０ｍｅＶ以上であることが必要であるが、７０ｍｅＶであることがより好ましく、さらに１００ｍｅＶであることがより好ましい。図１４に示すように、半導体レーザ素子１においては、９００℃以上の熱処理温度でＲＴＡを行うことによって、窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差は、５０ｍｅＶ以上とすることができる。また、エネルギーバンドギャップのエネルギー差が、７０ｍｅＶ、１００ｍｅＶに相当する熱処理温度は、図１４の例では、それぞれ９０５℃、９２５℃程度の熱処理により実現していることがわかる。

したがって、本実施の形態１においては、ＲＴＡを９００℃以上で行うことによって、５０ｍｅＶ以上の窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差を得ることができ、ＣＯＤの発生を防止することができる。

実際に本実施の形態１における半導体レーザ素子１のレーザ光の出力特性について説明する。図１５は、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１であって窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差が６５ｍｅＶの窓構造レーザと、リファレンスとして窓領域なしレーザのパルス駆動における光出力特性を示した図である。図１５は、図１４の結果を示す半導体レーザ素子１のうち９００℃３０秒でＲＴＡ処理を行なった半導体レーザ素子１についての結果である。図１５に示すように、過酷な条件となるように駆動電流を徐々に上げた場合、窓領域なしレーザにおいては駆動電流が１７Ａ近傍において、ＣＯＤが発生し、破壊を起こしている。これに対し、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１である窓構造レーザにおいては、測定限界である３０Ａまで駆動電流を上げた場合であっても、ＣＯＤが生じず、正常にレーザ光を出力することが可能である。

また図１６は、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１であって窓領域のエネルギーバンドギャップと非窓領域のエネルギーバンドギャップとの差が６０ｍｅＶの窓構造レーザと、リファレンスの窓領域なしレーザのエージング試験結果を示す図である。図１６は、図１４の結果を示す半導体レーザ素子１のうち９００℃３０秒でＲＴＡ処理を行なった半導体レーザ素子１についての結果である。図１６は、駆動電流を６Ａ、７Ａ、８Ａ、９Ａと階段状に上げた場合の、光出力の変化率の時間依存性を示す。図１６のように、より過酷な条件となるように駆動電流を上げた場合、窓領域なしレーザにおいては、短時間でレーザ光の強度が低下してしまい、高い信頼性を維持した長寿命の半導体レーザ素子を得ることができなかった。これに対し、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１である窓構造レーザは、より過酷な条件となるように駆動電流を上げた場合であっても、テスト終了までの長時間の間、レーザ光の強度を高く維持することが可能であった。すなわち、本実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１である窓構造レーザは、高い信頼性を維持しながら長い寿命を維持することができる。

このように、本実施の形態１においては、活性層に対しｐ型のクラッドを積層する側に形成された層にＺｎではなくＣを不純物としてドーピングすることによって、窓領域における混晶化の促進および非窓領域における混晶化の抑制を適切に行うことができる。この結果、本実施の形態１においては、過酷な条件下で駆動させた場合であっても、ＣＯＤの発生を防止した信頼性の高い半導体レーザ素子を実現することができる。

なお、本実施の形態１として、いわゆるリッジ構造の半導体レーザ素子１について説明したがこれに限らず、電流狭窄機能を有する層を備えた半導体レーザ素子でもよい。この場合、図１７に示すように、不純物としてＣがドーピングされたｐ−第１コンタクト層１３８ａと不純物としてＣがドーピングされたｐ−第２コンタクト層１３８ｂとの間に電流非注入層１３９が設けられている。そして、ｐ−第１コンタクト層１３８ａおよび電流非注入層１３９上には、ｐ−第１コンタクト層１３８ａよりも高い濃度でＣがドーピングされたｐ−第２コンタクト層１３８ｂおよび上部電極２０が形成されている。すなわち、Ｖ族サイトを優先的に置換するＣは、活性層１５にキャリアを注入するために活性層１５の上側に形成されたｐ−第１コンタクト層１３８ａとｐ−第２コンタクト層１３８ｂとの活性層１５側にドーピングされる。ｐ−第１コンタクト層１３８ａおよびｐ−第２コンタクト層１３８ｂは、ｐ−ＧａＡｓを層材料に含む。電流非注入層１３９は、上部電極２０を介して外部から注入された電流を狭窄して活性層１５に供給する層であり、水平方向に関して量子井戸層１５ｂにおけるキャリア密度を向上させるためのものである。上部電極２０から注入された電流が内部を通過することを防止するため、電流非注入層１３９は、導電型がｎ型であるｎ−ＧａＡｓを層材料に含む。

図１７に示すように、電流狭窄機能を有する層を備えた半導体レーザ素子とした場合も同様に、活性層１５に対しｐ型のクラッドを積層する側に形成された層にＺｎではなくＣを不純物としてドーピングすることによって、窓領域における混晶化の促進および非窓領域における混晶化の抑制を適切に行うことができる。この結果、図１８に示すように、窓領域２３においては、大きなエネルギーシフト量を得ることができ、非窓領域２４においては、エネルギーシフト量を低減することができる。この場合、図１８に示すように、ＲＴＡを９１５℃以上で行うことによって、５０ｍｅＶ以上の窓領域２３のエネルギーバンドギャップと非窓領域２４のエネルギーバンドギャップとの差を得、半導体レーザ素子１と同様に、ＣＯＤの発生を防止した信頼性の高い半導体レーザ素子を実現することができる。なお、エネルギーバンドギャップのエネルギー差は、５０ｍｅＶ以上であることが必要であるが、７０ｍｅＶであることがより好ましく、さらに１００ｍｅＶであることがより好ましい。図１８の例では、９３０℃付近でエネルギー差７０ｍｅＶを実現し、９５０℃付近でエネルギー差１００ｍｅＶを実現している。ただし、図１８の例では、９５０℃付近でエネルギー差１００ｍｅＶを実現しているが、非窓領域のシフト量が２０ｍｅＶに達しており、素子性能がやや劣化する場合がある。

ここで、図１９〜図２３を参照して、図１７に示す半導体レーザ素子の製造方法を説明する。まず、図１９に示すように、基板１１上に、エピタキシャル成長によって、ｎ−バッファ層１２、ｎ−クラッド層１３、ｎ−ガイド層１４、活性層１５、ｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−第１コンタクト層１３８ａ、電流非注入層１３９を形成するｎ−ＧａＡｓ層を形成する。そして、ＳｉＯ_２膜１４０を形成した後、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程を行い電流非注入層１３９に対応する領域以外のＳｉＯ_２膜１４０を除去し、図２０に示すように、ＳｉＯ_２膜１４０をエッチングマスクとして、エッチング工程を行い、電流非注入層１３９を形成する。なお、エッチングマスクは、必ずしもＳｉＯ_２膜でなくてもよく、次工程において形成する促進膜２５をエッチングマスクとしてもよい。また、ＳｉＯ_２膜を形成せず、レジストのみを形成しエッチングしてもよい。その後、図２１に示すように、図５および図６に示す方法と同様に促進膜２５および抑制膜２６を形成後ＲＴＡ処理によって混晶化し、窓領域２３および非窓領域２４とを形成する。そして、図２２に示すように、促進膜２５および抑制膜２６を除去し、ｐ−第１コンタクト層１３８ａおよび電流非注入層１３９の表面に対して表面清浄化処理を行った後、図２３に示すように、ｐ−ＧａＡｓを再成長させてｐ−第２コンタクト層１３８ｂを形成し、上部電極２０および下部電極２１を形成する。なお、再成長界面には、電流非注入層１３９におけるエッチング後の表面酸化防止のためにＧａＡｓ薄膜層を設けてもよい。なお、図２１に示す促進膜２５形成、抑制膜２６形成、ＲＴＡ処理および促進膜２５および抑制膜２６除去工程は、電流非注入層形成後に限らず、たとえば、電流非注入層１３９を形成するｎ−ＧａＡｓ層形成後に行ってもよく、ｐ−第２コンタクト層１３８ｂ形成後に行ってもよい。上述した工程は、上部電極２０を形成する前であり、活性層１５を混晶化できるタイミングであれば足りる。

また、図１７において、電流狭窄機能を有する層を備えた半導体レーザ素子として、水平光モードが多モード（以下、「マルチモード」と称する。）の半導体レーザ素子について説明したが、もちろん図２４に示すように、水平光モードが単一モード（以下、「シングルモード」と称する。）の半導体レーザ素子でもよい。この場合、図２４に示すように、Ｃをドーピングされたｐ−第１クラッド層１４７ａとＣをドーピングされたｐ−第２クラッド層１４７ｂとの間に電流非注入層１３９が設けられる。すなわち、Ｖ族サイトを優先的に置換するＣは、活性層１５の上側に形成されたｐ−第１クラッド層１４７ａとｐ−第２クラッド層１４７ｂとの活性層１５側にドーピングされる。図２４に示すシングルモードタイプの半導体レーザ素子である場合も同様に、活性層１５に対しｐ型のクラッドを積層する側に形成された層にＣをドーピングすることによって、窓領域２３のエネルギーバンドギャップと非窓領域２４のエネルギーバンドギャップとの差を十分に得ることができ、ＣＯＤの発生を防止した信頼性の高い半導体レーザ素子を実現することができる。

（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２について説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、活性層の近傍側の層にＣがドーピングされるとともに、Ｃがドーピングされた層よりも上部電極側に形成された層にＺｎがドーピングされる。

図２５は、本実施の形態２にかかる半導体レーザの横断面図である。図２５に示すように、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子２０１は、電流狭窄機能を有する層を備えた半導体レーザ素子であり、ｐ−第１コンタクト層１３８ａおよび電流非注入層１３９上に、不純物としてＺｎがドーピングされたｐ−第２コンタクト層２３８ｂが形成されている。半導体レーザ素子２０１においては、図１９および図２０に示す方法と同様の方法を用いて、電流非注入層１３９が形成される。その後、ｐ−第１コンタクト層１３８ａおよび電流非注入層１３９に対して表面清浄化処理を行った後、ｐ−ＧａＡｓを再成長させて、Ｚｎをドーピングしたｐ−第２コンタクト層２３８ｂが形成される。そして、図２１および図２２に示す方法と同様の方法を用いて、窓領域２３および非窓領域２４が形成される。その後、上部電極２０および下部電極２１が形成される。

このように、図２５に示す半導体レーザ素子２０１は、実施の形態１に係る図１７に示す半導体レーザ素子におけるｐ−第２コンタクト層１３８ｂに代えて、Ｚｎを不純物としてドーピングしたｐ−第２コンタクト層２３８ｂが形成された構造を有する。

ところで、図１７に示す半導体レーザ素子では、Ｃが不純物としてドーピングされたｐ−第２コンタクト層１３８ｂがｐ−第１コンタクト層１３８ａおよび電流非注入層１３９上に再成長されることによって形成される。この場合、ＣＣｌ_４、ＣＢｒ_４などのハロゲン化炭素の添加や、ＴＭＧａやＴＭＡｓなどの半導体構成材料の有機金属起源の炭素の使用によって、ＧａＡｓへのＣのドーピングが行われる。ここで、上部電極とのオーミック接触を実現するためには、ｐ−第２コンタクト層１３８ｂに高濃度のＣをドーピングする必要がある。たとえば、ｐ−第１コンタクト層１３８ａのキャリア濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３であるのに対し、ｐ−第２コンタクト層１３８ｂのキャリア濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３である。このような高濃度のＣをＧａＡｓに円滑にドーピングするためには、６００℃以下程度の比較的低温域で再成長を行ってｐ−第２コンタクト層１３８ｂを形成する必要がある。

しかしながら、電流狭窄機能を有する層を備えた半導体レーザ素子の場合、電流非注入層１３９の形成工程を経るため、図２６に示すように、再成長界面Ｂには不純物２３０が残留しやすく結晶品質が悪化しやすい。さらに、６００℃以下の低温域における再成長では、アンチサイトやクラスタなどに起因する点欠陥２３１が含まれやすい。この点欠陥２３１に起因し、ｐ−第１コンタクト層１３８ａとＣが不純物としてドーピングされたｐ−第２コンタクト層１３８ｂとの界面である再成長界面Ｂの結晶品質が不安定となる場合がある。このため、促進膜２５によるＧａの吸収や空孔の活性層１５への拡散が阻害され、窓領域２３の形成が円滑に行われない場合がある。さらに、点欠陥２３１に加え、再成長界面Ｂに空孔が発生する場合があり、発生した空孔の活性層１５への拡散によって、抑制膜２６における混晶化の抑制機能が適切に機能しない場合がある。

これに対し、実施の形態２にかかる半導体レーザ素子２０１においては、ＧａＡｓに高濃度のＺｎをドーピングしてｐ−第２コンタクト層２３８ｂを形成している。ここで、Ｚｎをドーピングする場合、Ｃをドーピングする場合よりも高い温度域、たとえば６５０℃以上の高温域において再成長を行っている。このように半導体レーザ素子２０１では、高温域で再成長を行っていることから、点欠陥の発生が抑制されるものと考えられるため、半導体レーザ素子２０１においては、点欠陥に起因する促進膜２５の促進機能の劣化および抑制膜２６の抑制機能の劣化の発生は低いものと考えられる。また、Ｚｎは、Ｃに比べて拡散しやすい特性を有する。しかし、半導体レーザ素子２０１は、Ｚｎをドーピングしたｐ−第２コンタクト層２３８ｂと活性層１５との間に、ｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−第１コンタクト層１３８ａを有する。特に、ｐ−クラッド層１７は、１μｍ〜２μｍもの厚い膜厚で形成されている。このため、半導体レーザ素子２０１においては、ｐ−第２コンタクト層２３８ｂと活性層１５との間には、ＲＴＡによってＺｎが拡散した場合であってもＺｎが活性層１５に到達しない程度の距離が設けられている。したがって、ＲＴＡを行った場合であっても、Ｚｎが活性層１５に到達せず、非窓領域２４における量子井戸層１５ｂのレーザ発振性能は、阻害されないものと思われる。

この半導体レーザ素子２０１の窓領域および非窓領域におけるエネルギーバンドギャップ差について説明する。図２７は、半導体レーザ素子２０１の窓領域と非窓領域における、ＲＴＡの熱処理温度とエネルギーシフト量との関係を示す図である。図２７に示すように、ＲＴＡを９００℃で行うことによって、５０ｍｅＶ以上の窓領域２３のエネルギーバンドギャップと非窓領域２４のエネルギーバンドギャップとの差を得ることができる。さらに、ＲＴＡの熱処理温度を９００℃以上、たとえば、９４０℃で行った場合であっても、非窓領域２４におけるエネルギーシフト量が低く抑えられているうえに、窓領域２３においては、大きなエネルギーシフト量が得られている。半導体レーザ素子２０１においては、活性層１５とｐ−第２コンタクト層２３８ｂとの間にｐ−ガイド層１６、ｐ−クラッド層１７およびｐ−第１コンタクト層１３８ａが形成されているため、ＲＴＡによってｐ−第２コンタクト層２３８ｂからＺｎが拡散した場合であっても、拡散したＺｎは活性層１５に到達していないものと考えられる。言い換えると、半導体レーザ素子２０１においては、活性層１５とＺｎをドーピングしたｐ−第２コンタクト層２３８ｂとの間の距離を、ｐ−第２コンタクト層２３８ｂから拡散したＺｎが活性層１５に到達できない距離に設定していることとなる。特に、ｐ−クラッド層１７は、１μｍ〜２μｍもの厚さであるため、ｐ−第２コンタクト層２３８ｂから拡散したＺｎは活性層１５に到達できないものと考えられる。なお、エネルギーバンドギャップのエネルギー差は、５０ｍｅＶ以上であることが必要であるが、７０ｍｅＶであることがより好ましく、さらに１００ｍｅＶであることがより好ましい。エネルギー差、５０ｍｅＶ、７０ｍｅＶ、１００ｍｅＶに相当する熱処理温度は、図２７の例では、それぞれ９０５℃、９１２℃、９３０℃程度の熱処理により実現していることがわかる。

実際に、図２８に、実施形態１におけるＣ、実施形態２におけるＺｎ、従来技術におけるＺｎの活性層からの距離と不純物のドーピング濃度との関係を示す。従来技術にかかる半導体レーザにおいてドーピングされたＺｎの活性層からの距離が１０００ｎｍ程度と短いのに対し、実施の形態２においては、ドーピングされたＺｎの活性層からの距離は、１４００ｎｍ程度と長いものである。さらに、実施の形態２においては、ドーピングされたＺｎの活性層からの距離を、２３００ｎｍ程度まで広げることによって、Ｚｎのドーピング濃度を、実施の形態１における半導体レーザ素子１においてドーピングされたＣのドーピング濃度と同程度の１．０×１０^１９ｃｍ^−３台まで高くすることができる。したがって、実施の形態２における半導体レーザ素子２０１においては、ドーピングされたＺｎの活性層からの距離をＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上に広げることによって、Ｚｎのドーピング濃度を半導体レーザ素子２０１の用途などに合わせて柔軟に設定することが可能である。このように、実施の形態２においては、図２８に示すように、活性層から不純物であるＺｎを遠ざけることで、活性層へのＺｎの到達を阻止できることから、信頼性の高い半導体レーザ実現のための不純物としてＣに加えＺｎを選択することが可能になる。

このように、本実施の形態２では、活性層１５とＺｎをドーピングした層との間の距離を、ＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上とすることによって、Ｚｎを不純物として選択した場合であってもＣＯＤの発生を防止した信頼性の高い半導体レーザ素子を実現している。また、本実施の形態２では、活性層１５とＺｎをドーピングした層との間の距離をＲＴＡ時のＺｎの拡散距離に対応させて設定することによって、不純物としてＺｎを選択できるため、各層にドーピングする不純物の選択性を広めることが可能になる。

なお、前述したように、Ｃのドーピングのため６００℃以下程度の低温域で再成長を行ってｐ−第２コンタクト層１３８ｂを形成する半導体レーザ素子１においては、ｐ−第１コンタクト層１３８ａとｐ−第２コンタクト層１３８ｂとの間の再成長界面における結晶品質の不安定化が発生するおそれがある。しかしながら、ｐ−第２コンタクト層１３８ｂの再成長前の表面清浄化処理を高温域で行うことによって、再成長界面における結晶品質の不安定化を防止することができるものと思われる。たとえば、アルシン中での表面清浄化処理を、６５０℃以上の高温域において行うことによって、不純物の残留を防ぎ、再成長界面の結晶品質を安定化させる。この結果、促進膜２５によるＧａの吸収や空孔の活性層１５への拡散および抑制膜２６による混晶化の抑制機能が適切に行われ、さらに信頼性の高い半導体レーザ素子を実現できるものと考えられる。

また、実施の形態２においては、マルチモードタイプの半導体レーザ素子２０１について説明したが、もちろん、図２９に示すように、シングルモードタイプの半導体レーザ素子でもよい。図２９に示す半導体レーザ素子は、図２４に示した実施の形態１にかかるシングルモードタイプの半導体レーザ素子におけるｐ−コンタクト層１８に代えて、Ｚｎが不純物としてドーピングされたｐ−コンタクト層２４８を有する。この場合も、ｐ−ガイド層１６、ｐ−第１クラッド層１４７ａおよびｐ−第２クラッド層１４７ｂの膜厚を調整し、活性層１５とＺｎをドーピングしたｐ−コンタクト層２４８との間の距離を、ＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上とすればよい。特に、ｐ−第１クラッド層１４７ａおよびｐ−第２クラッド層１４７ｂの合計膜厚を１μｍ〜２μｍに設定することによって、ｐ−コンタクト層２４８から拡散したＺｎは活性層１５に到達できないものと考えられる。

また、活性層１５とＺｎをドーピングした層との間の距離をＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上と設定した場合には、図３０に示すように、図２５に示す半導体レーザ素子２０１におけるｐ−第１コンタクト層１３８ａに代えて、Ｚｎを不純物としてドーピングしたｐ−第１コンタクト層２３８ａを形成してもよい。この場合、ｐ−クラッド層１７の膜厚は、１μｍ〜２μｍもの厚さであるため、ｐ−第１コンタクト層２３８ａおよびｐ−第２コンタクト層２３８ｂから拡散したＺｎは活性層１５に到達できないものと考えられる。

また、マルチモードタイプの半導体レーザ素子に限らず、図３１に示すように、図２９に示す半導体レーザ素子におけるｐ−第２クラッド層１４７ｂに代えて、Ｚｎを不純物としてドーピングしたｐ−第２クラッド層２４７ｂを形成したシングルモードタイプの半導体レーザ素子でもよい。この場合、ｐ−ガイド層１６およびｐ−第１クラッド層１４７ａの膜厚を調整して、活性層１５とＺｎをドーピングしたｐ−第２クラッド層２４７ｂとの距離をＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上と設定すればよい。たとえば、ｐ−第１クラッド層１４７ａの膜厚を１μｍ〜２μｍに設定することによって、拡散したＺｎは活性層１５に到達できないものと考えられる。

また、電流狭窄機能を有する層を備えた半導体レーザ素子に限らず、リッジ構造の半導体レーザ素子に適用してもよい。たとえば、実施の形態１の例として図２に示した半導体レーザ素子１におけるｐ−コンタクト層１８に代えて、図３２に示すようにＺｎを不純物としてドーピングしたｐ−コンタクト層２４８を形成する。この場合、ｐ−ガイド層１６およびｐ−クラッド層１７の膜厚を調整して、活性層１５とＺｎをドーピングしたｐ−コンタクト層２４８およびｐ−クラッド層２５７との距離をＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上と設定すればよい。たとえば、ｐ−クラッド層１７の膜厚を１μｍ〜２μｍに設定することによって、拡散したＺｎは活性層１５に到達できないものと考えられる。さらに、図２に示した半導体レーザ素子１におけるｐ−クラッド層１７に代えて、図３２に示すようにＺｎを不純物としてドーピングしたｐ−クラッド層２５７を形成する。この場合、ｐ−ガイド層１６の膜厚の調整に加えＲＴＡの熱処理温度の低温化、ＲＴＡの熱処理時間の短縮化およびＺｎの濃度分布調整を行うことによって、活性層１５とＺｎをドーピングしたｐ−コンタクト層２４８およびｐ−クラッド層２５７との距離をＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上にする。このように、本実施の形態２にかかる半導体レーザ素子は、活性層１５とＺｎをドーピングした層との間の距離を、ＲＴＡの熱処理温度に応じたＺｎの拡散距離以上とし、活性層１５の近傍側の層にＣをドーピングされた構造とすることによって、Ｚｎを不純物として選択した場合であっても、ＣＯＤの発生を防止することができるものと考えられる。

また、Ｃを不純物としてドーピングしたｐ型半導体膜層を活性層上に形成した場合について説明したが、活性層上にｎ型半導体膜層を形成する場合には、たとえば図３３に示すように、Ｓｅを不純物とドーピングすることが好ましい。Ｓｅは、VI族の原子であり、III−Ｖ族化合物半導体中では、Ｖ族サイトに入ってドナになる。Ｓｅは、ＧａＡｓ中においては、促進膜２５に吸収されるIII族を占めるＧａとは異なる族であるＶ族サイトを優先的に置換する。さらに、Ｓｅは、Ｃと同様に拡散係数が非常に小さいため、ＲＴＡを行った場合であっても、促進膜の促進機能の劣化および抑制膜の抑制機能の劣化の発生が低減されるものと考えられる。なお、図３３に示す半導体レーザ素子における基板３１１、ｐ−バッファ層３１２、ｐ−クラッド層３１３、ｐ−ガイド層３１４、下部バリア層３１５ａ、上部バリア層３１５ｃ、ｎ−ガイド層３１６、ｎ−クラッド層３１７、ｎ−コンタクト層３１８は、図２に示す基板１１、ｎ−バッファ層１２、ｎ−クラッド層１３、ｎ−ガイド層１４、下部バリア層１５ａ、上部バリア層１５ｃ、ｐ−ガイド１６、ｐ−クラッド層１７、ｐ−コンタクト層１８のそれぞれ積層方向における積層箇所が同一の層とｎ型あるいはｐ型が逆の層材料で形成されている。また、ｎ−ガイド層３１６、ｎ−クラッド層３１７、ｎ−コンタクト層３１８には、Ｓｅがドーピングされている。

以上のように、本発明は、III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造を有する非窓領域とを備えた半導体レーザに有用であり、特にＣＯＤ発生を抑制したい場合に適している。

Claims (13)

1. III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造の活性層を有する非窓領域とを備え、前記混晶化部分は、所定の原子を吸収し前記III族空孔の拡散を促進する促進膜を前記窓領域上に設けることにより形成された半導体レーザ素子において、
   前記活性層の近傍側の層にＶ族サイトを優先的に置換する不純物がドーピングされたことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記混晶化部分形成時の熱処理温度において拡散係数が３×１０^−１４ｃｍ^２/ｓ以下であ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Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記活性層の上側に形成されたガイド層の少なくとも前記活性層側にドーピングされることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記活性層の上側に形成されたクラッド層の少なくとも前記活性層側にドーピングされ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. 前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、前記活性層にキャリアを注入するために前記活性層の上側に形成されたコンタクト層の少なくとも前記活性層側にドーピングされることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
6. 前記Ｖ族サイトを優先的に置換する不純物は、Ｃ（炭素）であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
7. 当該半導体レーザ素子は、リッジ構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
8. 前記クラッド層の中間または前記コンタクト層の中間に設けられ、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流非注入層を備え、
   前記クラッド層または前記コンタクト層は、前記電流非注入層がその上に形成される第１層と、前記電流非注入層形成後に６５０℃以上の表面清浄化処理を行ってから再成長される第２層、または、６５０℃以上の温度域における再成長を行って形成される第２層とを有することを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
9. III族空孔の拡散によって形成された混晶化部分を含む窓領域と、量子井戸構造の活性層を有する非窓領域とを備えた半導体レーザ素子製造方法において、
   所定の原子を吸収し前記III族空孔の拡散を促進する促進膜を前記窓領域上に形成する促進膜形成工程と、
   前記活性層の近傍側にＶ族サイトを優先的に置換する不純物をドーピングした層を形成する不純物含有層形成工程と、
   を少なくとも含むことを特徴とする半導体レーザ素子製造方法。
10. 前記不純物含有層形成工程は、Ｃ（炭素）をドーピングした層を形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子製造方法。
11. 前記不純物含有層形成工程は、
    前記活性層の上側に形成されるガイド層の少なくとも前記活性層側の一部を占める層と、前記活性層の上側に形成されるクラッド層の少なくとも前記活性層側の一部を占める層と、前記活性層にキャリアを注入するために前記活性層の上側に形成されるコンタクト層の少なくとも前記活性層側の一部を占める層との少なくともいずれかの層を形成することを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体レーザ素子製造方法。
12. 前記クラッド層の中間または前記コンタクト層の中間に設けられ、外部から注入された電流を狭窄して前記活性層に供給する電流非注入層を形成する電流非注入層形成工程を含み、
    前記不純物含有層形成工程は、
    電流非注入層がその上に設けられる前記クラッド層の第１層または電流非注入層がその上に設けられる前記コンタクト層の第１層を形成する第１層形成工程と、
    電流非注入層形成工程後に、６５０℃以上の表面清浄化処理後の再成長処理または６５０℃以上の温度域における再成長処理を行い、前記クラッド層の第２層または前記コンタクト層の第２層を形成する第２層形成工程と、
    を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子製造方法。
13. ９００℃以上の熱処理温度で前記III族空孔を拡散して前記窓領域の混晶化を行う熱処理工程をさらに含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子製造方法。

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