JP5300996B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

この発明は、半導体レーザ素子に関する。

ハードディスク装置（ＨＤＤ；Hard disc Drive）の記憶容量を増大させるためには、ディスクの微小領域に信号を書き込む必要がある。信号の熱安定性を確保しつつ微小領域に信号を記録するためには、熱的に安定した記録媒体が必要となるが、そうすると書き換えには強い磁場が必要となるというジレンマが生じる。現行のＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）方式では記録密度が飽和しつつある今、「熱アシスト記録」方式の実現が希求されている。「熱アシスト記録」方式は、レーザダイオード（半導体レーザ素子）を熱源とすることで、一時的に磁界を保持する力を弱めて書き込みを行う方式である。

特開平７−１１１３６７号公報 特開２０１１−１８７１４９号公報

現行のスライダ作成工程と親和性を持たせるためには、「熱アシスト記録」方式の記録装置に用いられる半導体レーザ素子は、従来の光ピックアップ用の半導体レーザ素子とは異なり、小さいチップサイズで高い出力を得る必要がある。
また、半導体レーザ素子の実装空間には制限があるため、光学系設計によっては従来の半導体レーザ素子での一般的なＴＥ（Transverse Electric）偏光だけではなく、ＴＭ（Transverse Magnetic）偏光を実現する必要が生じる場合もある。たとえば、前記特許文献２には、特許文献２に開示されている熱アシスト磁気記録ヘッドに用いられるレーザダイオードとして、ＴＭモードの偏光を発生するチップであることが好ましいことが開示されている。

この発明の目的は、ＴＭモード発振が得られかつ信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することにある。

この発明の半導体レーザ素子は、熱アシスト記録方式のハードディスク装置に用いられ、ＴＭモードで発振する半導体レーザ素子であって、ＧａＡｓからなる基板と、前記基板上に形成された半導体積層構造とを含み、前記半導体積層構造は、ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層と、前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層に挟まれた活性層とを備え、前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、それぞれ（Ａｌ _ｘ１ Ｇａ _{（１−ｘ１）} ） _０．５１ Ｉｎ _０．４９ Ｐ層（０≦ｘ１≦１）からなり、前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層は、それぞれＡｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１−ｘ２）} Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）からなり、前記（Ａｌ _ｘ１ Ｇａ _{（１−ｘ１）} ） _０．５１ Ｉｎ _０．４９ Ｐ層は、ｘ１＞０．７を満たす組成を有しており、前記Ａｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１−ｘ２）} Ａｓ層は、０．４≦ｘ２≦０．８を満たす組成を有しており、前記活性層は、ＴＭモード発振を生じさせるための引っ張り歪みを有する少なくとも２つの量子井戸層と、隣接する前記量子井戸層に挟まれ、圧縮歪みを有する障壁層とを含み、前記量子井戸層が、Ａｌ_ｙ２Ｇａ_{（１−ｙ２）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ２＜１）からなり、前記障壁層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ層、（Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１−ｘ５）}）_{（１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｐ層（０＜ｘ５≦１，０．４９＜ｙ１＜１）層またはＩｎ_ｘ６Ｇａ_{（１−ｘ６）}Ｐ層（０．４９＜ｘ６＜１）層からなり、発振波長が７８０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である、半導体レーザ素子である。
この発明の構成では、量子井戸層は、ＴＭモード発振を生じさせるための引っ張り歪みを有しているので、半導体レーザ素子をＴＭモードで発振させることができる。また、障壁層は圧縮歪みを有しているので、活性層全体の歪みを緩和させることができる。これにより、通電中の結晶劣化が抑制されるので、半導体レーザ素子の信頼性を高めることができる。

前記量子井戸層の数をＭ（Ｍは２以上の自然数）とし、前記障壁層の数をＮ（Ｎは１以上の自然数）とし、前記各量子井戸層を一方端にあるものから順に、１番目、２番目、…、Ｍ番目の量子井戸層と呼び、前記各障壁層を一方端にあるものから順に、１番目、２番目、…、Ｎ番目の障壁層と呼び、ｍ（ｍは１からＭまでの自然数）番目の量子井戸層の膜厚および格子不整合率をそれぞれａ_ｍおよびα_ｍで表し、ｎ（ｎは１からＮまでの自然数）番目の障壁層の膜厚および格子不整合率をそれぞれｂ_ｎおよびβ_ｎで表し、前記活性層の平均歪量γを次式(i)で定義すると、平均歪量γが−１．０％以上１．０％以下であることが好ましく、−０．５％以上０．５％以下であることがより好ましく、−０．３％以上０．３％以下であることがさらに好ましい。

前記各量子井戸層の格子不整合率が−０．４％以下であることが好ましい。格子不整合率が−０．４％より大きい（引っ張り歪の大きさが小さい）と、ＴＭモードでの発振が起こりにくくなるからである。
前記各障壁層の格子不整合率が０より大きく４．０％以下であることが好ましい。格子不整合率が４．０％より大きい（圧縮歪の大きさが大きい）と、障壁層の結晶成長時に、結晶に割れが生じるおそれがあるからである。

図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための平面図である。 図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。 図３は、図１のIII−III線に沿う断面図である。 図４は、前記半導体レーザダイオードの活性層の構成を説明するための図解的な断面図である。 図５は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 図６は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 図７は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 図８は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 図９は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す断面図である。 図１０は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す平面図である。 図１１は、半導体レーザダイオードの製造工程を示す平面図である。 図１２Ａは２００個分のサンプルａに対する動作電流の経時的変化を示すグラフであり、図１２Ｂは２００個分のサンプルｂに対する動作電流の経時的変化を示すグラフであり、図１２Ｃは２００個分のサンプルｃに対する動作電流の経時的変化を示すグラフである。 図１３は、活性層の平均歪量に対するＭＴＢＦの関係および活性層の平均歪量に対する偏光比の関係を表すグラフである。

以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体レーザダイオードの構成を説明するための平面図であり、図２は図１のII-II線に沿う断面図であり、図３は図１のIII-III線に沿う断面図である。
この半導体レーザダイオード７０は、基板１と、基板１上に結晶成長によって形成された半導体積層構造２と、基板１の裏面（半導体積層構造２と反対側の表面）に接触するように形成されたｎ型電極３と、半導体積層構造２の表面に接触するように形成されたｐ型電極４を備えたファブリぺロー型のものである。

基板１は、この実施形態では、ＧａＡｓ単結晶基板で構成されている。ＧａＡｓ基板１の表面の面方位は、（１００）面に対して、１０°のオフ角を有している。半導体積層構造２を形成する各層は、基板１に対してエピタキシャル成長されている。エピタキシャル成長とは、下地層からの格子の連続性を保った状態での結晶成長をいう。下地層との格子不整合は、結晶成長される層の格子の歪によって吸収され、下地層との界面での格子の連続性が保たれる。

半導体積層構造２は、活性層１０と、ｎ側ガイド層１１と、ｐ側ガイド層１２と、ｎ型半導体層１３と、ｐ型半導体層１４とを備えている。ｎ型半導体層１３は活性層１０に対して基板１側に配置されており、ｐ型半導体層１４は活性層１０に対してｐ型電極４側に配置されている。ｎ側ガイド層１１はｎ型半導体層１３と活性層１０との間に配置され、ｐ側ガイド層１２は活性層１０とｐ型半導体層１４との間に配置されている。こうして、ダブルヘテロ接合が形成されている。活性層１０には、ｎ型半導体層１３からｎ側ガイド層１１を介して電子が注入され、ｐ型半導体層１４からｐ側ガイド層１２を介して正孔が注入される。これらが活性層１０で再結合することにより、光が発生するようになっている。

ｎ型半導体層１３は、基板１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５（たとえば５０ｎｍ〜１００ｎｍ厚、この例では１００ｎｍ厚）およびｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０≦ｘ１≦１）１６（たとえば２０００ｎｍ〜３０００ｎｍ厚、この例では２５００ｎｍ厚）を積層して構成されている。
一方、ｐ型半導体層１４は、ｐ型ガイド層１２上に、第１ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０≦ｘ１≦１）１７（たとえば２５０ｎｍ〜４００ｎｍ厚、この例では３００ｎｍ厚）、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１８（たとえば５ｎｍ〜１０ｎｍ厚、この例では５ｎｍ厚）、第２ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０≦ｘ１≦１）１９（たとえば１０００ｎｍ〜１５００ｎｍ厚、この例では１０００ｎｍ厚）、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０（たとえば５０ｎｍ〜１００ｎｍ厚、この例では１００ｎｍ厚）およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１（たとえば１０００ｎｍ〜２０００ｎｍ厚、この例では１０００ｎｍ厚）を積層して構成されている。

ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５は、ＧａＡｓ基板１とｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１６との接着性を高めるために設けられた層である。ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５は、ＧａＡｓにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１は、ｐ型電極４とオーミックコンタクトをとるための低抵抗層である。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１は、ＧａＡｓにたとえばｐ型ドーパントとしてのＺｎをドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。

ｎ型クラッド層１６と、第１および第２ｐ型クラッド層１７，１９とは、活性層１０にキャリア（電子および正孔）を閉じ込めるキャリア閉じ込め効果と、活性層１０からの光をそれらの間に閉じ込める光閉じ込め効果とを生じるものである。ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１６は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。第１および第２ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７，１９は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐにたとえばｐ型ドーパントとしてのＺｎをドープすることによって、ｐ型半導体層とされている。

クラッド層１６，１７，１９のドーパント濃度は、０．７×１０^１８ｃｍ^−３以上２．０×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが好ましい。ドーパント濃度が０．７×１０^１８ｃｍ^−３より低いと活性層１０にキャリアが注入されにくくなるからである。一方、ドーパント濃度が２．０×１０^１８ｃｍ^−３より高いと、活性層１０にキャリアが過剰に注入され、余剰分が光吸収源となって、発振効率が悪くなるからである。

ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１６は、ｎ側ガイド層１１よりもバンドギャップが広く、第１および第２ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７，１９は、ｐ側ガイド層１２よりもバンドギャップが広い。これにより、良好なキャリア閉じ込めおよび光閉じ込めを行うことができ、高効率の半導体レーザダイオードを実現できる。

高出力化を可能とするためには、端面光学損傷を抑制することが重要である。そこで、後述するように、レーザ共振器端面部分に亜鉛などの不純物を拡散することにより、活性層１０のバンドギャップを拡大する端面窓構造４０を作製することが好ましい。端面窓構造４０を作製するために、亜鉛等の不純物を拡散する場合、不純物を拡散すべき領域が燐を含んでいれば拡散速度が速い。この実施形態では、ｎ型クラッド層１６および第１および第２ｐ型クラッド層１７，１９は、それぞれ燐を含む（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層からなる。したがって、亜鉛等の不純物を拡散させやすいので、端面窓構造４０の作製が容易である。これにより、高出力化に適した半導体レーザダイオードを実現できる。

また、この実施形態におけるｎ型クラッド層１６およびｐ型クラッド層１７，１９は、（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）の組成に対するＩｎの組成の比を、０．４９／０．５１としているので、ＧａＡｓ基板１と格子整合するため、高品質の結晶を得ることができる。この結果、信頼性の高い半導体レーザダイオードが得られる。
ｎ側ガイド層１１は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）層（たとえば２０ｎｍ〜３０ｎｍ厚、この例では２０ｎｍ厚）からなり、ｎ型半導体層１３上に積層されることにより構成されている。ｐ側ガイド層１２は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）層（たとえば２０ｎｍ〜３０ｎｍ厚、この例では２０ｎｍ厚）からなり、活性層１０上に積層されることにより構成されている。

ｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１１およびｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１２は、活性層１０に光閉じ込め効果を生じる半導体層であり、かつ、クラッド層１６，１７，１９とともに、活性層１０へのキャリア閉じ込め構造を形成している。これにより、活性層１０における電子および正孔の再結合の効率が高められるようになっている。

この実施形態では、クラッド層１６，１７，１９が（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層（０≦ｘ１≦１）から形成されているのに対し、ガイド層１１，１２がＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ（０≦ｘ２≦１）から形成されている。このため、クラッド層１６，１７，１９とガイド層１１，１２との間のバンドギャップ差が大きくすることができる。この結果、温度上昇により活性層１０からキャリアがクラッド層１６，１７，１９等の周囲の層に溢れ出すいわゆるキャリアオーバーフローを抑制または防止することができる。したがって、キャリアオーバーフローに起因する特性劣化を抑制または防止できる。

クラッド層１６，１７，１９を形成している（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層は、ｘ１＞０．７を満たす組成を有していることが好ましい。また、ガイド層１１，１２を形成しているＡｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓ層は、０．４≦ｘ２≦０．８を満たす組成を有していることが好ましい。この理由について説明する。
クラッド層１６，１７，１９およびガイド層１１，１２のバンドギャップは、Ａｌ組成が多くなるほど大きくなる。前述したように、活性層１０からキャリアが周囲の層に溢れ出すキャリアオーバーフローを防止するためには、ガイド層１１，１２とクラッド層１６，１７，１９との間のバンドギャップ差を所定値以上にすることが好ましい。そこで、ｘ１を０．７よりも大きく、ｘ２を０．８以下とすることによって、前記バンドギャップ差を前記所定値以上にすることができる。

レーザ共振器端面部分に活性層１０のバンドギャップを拡大する端面窓構造４０を作製した場合、共振器端面部分での活性層１０のバンドギャップは、共振器中央部分のバンドギャップとガイド層１１，１２のバンドギャップとの平均値となる。したがって、端面窓構造４０を作製することによって端面部分での活性層１０のバンドギャップを十分に拡大するためには、ガイド層１１，１２のバンドギャップが所定値（具体的には、１．８ｅＶ程度）以上であることが必要となる。そこで、ｘ２を０．４以上とすることによって、ガイド層１１，１２のバンドギャップを前記所定値以上とすることができる。

活性層１０は、多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple-quantum well）構造を有しており、電子と正孔とが再結合することにより光が発生し、その発生した光を増幅させるための層である。
活性層１０は、この実施形態では、図４に示すように、アンドープのＧａＡｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３≦１）からなる量子井戸（well）層２２１とアンドープの（Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}）_{（１−ｙ）}Ｉｎ_ｙＡｓ層（０＜ｘ４≦１，０＜ｙ＜１）からなる障壁(barrier）層２２２とを交互に複数周期繰り返し積層して構成された多重量子井戸構造を有している。量子井戸（well）層２２１の膜厚は、たとえば９ｎｍ〜１２ｎｍ厚に形成されている。各障壁層２２２の膜厚は、４ｎｍより大きく形成されている。

無歪の状態でのＧａＡｓＰ層の格子定数はＧａＡｓ基板１の格子定数より小さいので、ＧａＡｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層からなる量子井戸層２２１には引っ張り応力（引っ張り歪）が生じている。これにより、半導体レーザダイオード７０は、ＴＭモードで発振することが可能となる。本明細書では、半導体レーザダイオードの出力光の偏光比が１０［ｄＢ］以上となる場合に、半導体レーザダイオードがＴＭモードで発振しているというものとする。ただし、偏光比は、偏光比＝１０LOG（ＴＭ成分光出力／ＴＥ成分光出力）［ｄＢ］として定義される。なお、ＴＭモードの出力光は、光伝搬方向に対して磁界方向が垂直（光伝搬方向に対して電界方向が平行）となるＴＭ波となる。

一方、無歪の状態でのＡｌＧａＩｎＡｓ層の格子定数はＧａＡｓ基板１の格子定数より大きいので、（Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}）_{（１−ｙ）}Ｉｎ_ｙＡｓ層からなる障壁層２２２には圧縮応力（圧縮歪）が生じている。このように、量子井戸層２２１に引っ張り歪が生じているが、障壁層２２２には圧縮歪が生じているため、活性層１０全体の歪み緩和される。これにより、通電中の結晶劣化が抑制されるので、半導体レーザダイオードの信頼性を高めることができる。

活性層１０の平均歪量γを次のように定義する。量子井戸層２２１の数をＭ（Ｍは２以上の自然数）とし、障壁層２２２の数をＮ（Ｎは１以上の自然数）とし、各量子井戸層２２１を一方端にあるもの（例えば基板１に近いもの）から順に、１番目、２番目、…、Ｍ番目の量子井戸層と呼び、各障壁層２２２を一方端にあるもの（例えば基板１に近いもの）から順に、１番目、２番目、…、Ｎ番目の障壁層と呼ぶことにする。そして、ｍ（ｍは１からＭまでの自然数）番目の量子井戸層２２１の膜厚、格子定数および格子不整合率をそれぞれａ_ｍ、Ａ_ｍおよびα_ｍで表し、ｎ（ｎは１からＮまでの自然数）番目の障壁層の膜厚、格子定数および格子不整合率をそれぞれｂ_ｎ、Ｂ_ｎおよびβ_ｎで表すことにする。また、基板１の格子定数をＤで表すことにする。

ｍ番目の量子井戸層２２１の格子不整合率α_ｍは、次式(1)で表される。
α_ｍ＝｛（Ａ_ｍ−Ｄ）／Ｄ｝×１００［％］ …(1)
ｎ番目の障壁層２２２の格子不整合率β_ｎは、次式(2)によって表される。
β_ｎ＝｛（Ｂ_ｎ−Ｄ）／Ｄ｝×１００［％］ …(2)
活性層１０の平均歪量γ［％］は、次式(3)によって定義される。

活性層１０の平均歪量γは、−１．０％以上１．０％以下であることが好ましく、−０．５％以上０．５％以下であることがより好ましく、−０．３％以上０．３％以下であることがさらに好ましい。つまり、量子井戸層２２１の組成比（ｘ３）、膜厚および数Ｍと、障壁層２２２の組成比（ｘ４，ｙ）、膜厚および数Ｎは、活性層１０の平均歪量γが−１．０％以上１．０％以下であることが好ましく、活性層１０の平均歪量γが−０．５％以上０．５％以下となるように設定されることがより好ましく、活性層１０の平均歪量γが−０．３％以上０．３％以下となるように設定されることがさらに好ましい。

各量子井戸層２２１の格子不整合率は、−０．４％以下であることが好ましい。格子不整合率が−０．４％より大きい（引っ張り歪の大きさが小さい）と、ＴＭモードでの発振が起こりにくくなるからである。
各障壁層２２２の格子不整合率は、０．０１％以上４．０％以下であることが好ましく、０．５％以上２．０％以下であることがより好ましい。格子不整合率が０．０１％より小さい（圧縮歪の大きさが小さい）と、活性層１０全体の歪みを緩和させる効果が小さくなり、格子不整合率が４．０％より大きい（圧縮歪の大きさが大きい）と、障壁層２２２の結晶成長時に、結晶に割れが生じるおそれがあるからである。

量子井戸層２２１を形成しているＧａＡｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層は、Ａｓの組成（１−ｘ３）に対するＰの組成Ｘ３の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が、１／９以上を満たす組成を有していることが好ましい。この理由について説明する。半導体レーザダイオード７０をＴＭモードで発振させるためには、量子井戸層２２１に引っ張り歪が生じることが必要である。量子井戸層２２１の格子定数が小さいほど、量子井戸層２２１に大きな引っ張り歪を生じさせることができる。量子井戸層２２１を形成しているＧａＡｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３３層の格子定数は、Ａｓの組成に対するＰの組成の比Ｘ３／（１−Ｘ３）が大きいほど小さくなる。つまり、比Ｘ３／（１−Ｘ３）が大きいほど、量子井戸層２２１に大きな引っ張り歪を生じさせることができる。

比Ｘ３／（１−Ｘ３）が１／９以上であることが好ましい理由は、ＴＥ成分光出力に対するＴＭ成分光出力の比率を大きくするためである。
また、量子井戸層２２１の数は、２以上５以下であることが好ましい。量子井戸層２２１の数が２より少ないと、１つの量子井戸層２２１の膜厚を大きくする必要があるため、結晶欠陥が発生しやすくなるからである。一方、量子井戸層２２１の数が５より多いと、界面が多くなるため、結晶欠陥が発生しやすくなるからである。

図３に示すように、ｐ型半導体層１４内の、第２ｐ型クラッド層１９およびｐ型キャップ層２０は、その一部が除去されることによって、リッジストライプ３０を形成している。より具体的には、第２ｐ型クラッド層１９およびｐ型キャップ層２０の一部がエッチング除去され、横断面視が略台形形状（メサ形）のリッジストライプ３０が形成されている。

リッジストライプ３０の側面には、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層（埋め込み層）６（たとえば３００ｎｍ〜４５０ｎｍ厚、この例では４００ｎｍ厚）が形成されている。より具体的には、両端面３１，３２よりの両端部分を除く中間部領域においては、ｐ型キャップ層２０の側面と、第２ｐ型クラッド層１９の露出面と、ｐ型エッチングストップ層１８の露出面は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６によって覆われている。一方、両端部領域においては、ｐ型キャップ層２０の上面および側面と、第２ｐ型クラッド層１９の露出面と、ｐ型エッチングストップ層１８の露出面は、ｎ型電流狭窄層６によって覆われている。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層６は、ＡｌＧａＩｎＰにたとえばｎ型ドーパントとしてのＳｉをドープすることによって、ｎ型半導体層とされている。

そして、中間部領域においては、ｎ型電流狭窄層６およびｐ型キャップ層２０の露出面がコンタクト層２１によって覆われ、両端部領域においては、ｎ型電流狭窄層６の露出面がコンタクト層２１によって覆われている。
半導体積層構造２は、リッジストライプ３０の長手方向両端における劈開面により形成された一対の端面（劈開面）３１，３２を有している。この一対の端面３１，３２は、互いに平行である。こうして、ｎ側ガイド層１１、活性層１０およびｐ側ガイド層１２によって、前記一対の端面３１，３２を共振器端面とするファブリペロー共振器が形成されている。すなわち、活性層１０で発生した光は、共振器端面３１，３２の間を往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、増幅された光の一部が、共振器端面３１，３２からレーザ光として素子外に取り出される。

ｎ型電極３は、たとえばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ａｕ合金からなり、そのＡｕＧｅ側が基板１側に配されるように、基板１にオーミック接合されている。ｐ型電極４は、たとえばＴｉ／Ａｕ合金からなり、そのＴｉ側がｐ型コンタクト層２１側に配されるように、ｐ型コンタクト層２１にオーミック接合されている。
図１および図２に示すように、共振器の端面部分には、活性層１０のバンドギャップを拡大する端面窓構造４０が形成されている。この端面窓構造４０は、たとえば、共振器の端面部分に亜鉛（Ｚｎ）を拡散することによって形成される。

このような構成によって、ｎ型電極３およびｐ型電極４を電源に接続し、ｎ型半導体層１３およびｐ型半導体層１４から電子および正孔を活性層１０に注入することによって、この活性層１０内での電子および正孔の再結合を生じさせ、たとえば、発振波長が７８０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下の光を発生させることができる。この光は、共振器端面３１，３２の間をガイド層１１，１２に沿って往復しながら、誘導放出によって増幅される。そして、レーザ出射端面である共振器端面３１から、より多くのレーザ出力が外部に取り出されることになる。

図５〜図１１は、図１〜図３に示す半導体レーザダイオード７０の製造方法を示す横断面図である。ただし、図５、図７〜図９は、図３に対応する中央部の横断面図であり、図６は端部付近の横断面図である。図１０および図１１は、平面図である。
まず、図５に示すように、ＧａＡｓ基板１上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５、ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１６、ｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１１、活性層１０、ｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層１２、第１ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１７、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１８、第２ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層１９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層２０を順に成長させる。なお、活性層１０は、ＧａＡｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層からなる量子井戸層２２１と、（Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}）_{（１−ｙ）}Ｉｎ_ｙＡｓ層からなる障壁層２２２とを交互に複数周期繰り返し成長させることによって形成される。

次に、図６および図１０に示すように、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域において、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０上にＺｎＯ（酸化亜鉛）５１をパターニングする。そして、たとえば、５００〜６００°Ｃで約２時間、アニール処理を行うことにより、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域にＺｎを拡散させる。これにより、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域に、端面窓構造４０が形成される。

次に、ＺｎＯ層５１を除去する。それから、図７および図１１に示すように、ストライプ状のＳｉＯ_２絶縁膜をマスク層５２として、エッチングにより、ｐ型キャップ層２０および第２ｐ型クラッド層１９の一部を除去する。そうすると、頂面にマスク層５２が積層されたリッジストライプ３０が形成される。リッジストライプ３０の形成後に、マスク層５２全体のうち、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域にある部分５２ａ（図１１参照）のみを除去する。

次に、図８に示すように、表面にｎ型電流狭窄層６を成膜させる。このとき、マスク層５２がマスクとして機能する。そのため、半導体レーザダイオード７０の両端部間の中間部分に相当する領域では、図８に示すように、リッジストライプ３０の頂面（ｐ型キャップ層２０の上面）はｎ型電流狭窄層６によって覆われない。一方、半導体レーザダイオード７０の端面近傍に相当する領域では、マスク層５２が存在しないため、リッジストライプ３０の頂面（ｐ型キャップ層２０の上面）はｎ型電流狭窄層６によって覆われる。

この後、マスク層５２を除去する。そして、図９に示すように、表面にｐ型コンタクト層２１を成長させる。
最後に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１にオーミック接触するｐ型電極４を形成する。また、ＧａＡｓ基板１にオーミック接触するｎ型電極３を形成する。
障壁層２２２の格子不整合率（圧縮歪量）［％］と偏光比［ｄＢ］との関係について説明する。ここで、偏光比は、偏光比＝１０LOG（ＴＭ成分光出力／ＴＥ成分光出力）として定義される。障壁層２２２の格子不整合率（活性層１０の平均歪量）が異なる複数の実験サンプルを用いて実験を行った。

実験サンプルとして、次のａ〜ｃの３種類サンプルを用意した。各サンプルａ〜ｃの量子井戸層２２１の数（障壁層２２２の数）は同じである。
ａ（比較例）：量子井戸層２２１の膜厚が９ｎｍ〜１２ｎｍで、量子井戸層２２１の格子不整合率（引っ張り歪量）が−０．９％で、障壁層２２２の膜厚が４ｎｍ〜８ｎｍで、障壁層２２２の格子不整合率（圧縮歪量）が０％で、活性層１０の平均歪量が−０．６％の半導体レーザダイオード
ｂ：量子井戸層２２１の膜厚が９ｎｍ〜１２ｎｍで、量子井戸層２２１の格子不整合率が−０．９％で、障壁層２２２の膜厚が４ｎｍ〜８ｎｍで、障壁層２２２の格子不整合率が０．８％で、活性層１０の平均歪量が−０．４％の半導体レーザダイオード
ｃ：量子井戸層２２１の膜厚が９ｎｍ〜１２ｎｍで、量子井戸層２２１の格子不整合率が−０．９％で、障壁層２２２の膜厚が４ｎｍ〜８ｎｍで、障壁層２２２の格子不整合率（圧縮歪量）が１．２％で、活性層１０の平均歪量が−０．２％の半導体レーザダイオード
サンプルａでは障壁層２２２の圧縮歪量は０％で活性層１０の平均歪量が−０．６％であり、サンプルｂでは障壁層２２２の圧縮歪量は０．８％で活性層１０の平均歪量が−０．４％であり、サンプルｃでは障壁層２２２の圧縮歪量は１．２％で活性層１０の平均歪量が−０．２％ある。したがって、障壁層２２２の圧縮歪量はａ＜ｂ＜ｃとなり、活性層１０の平均歪量の絶対値はａ＞ｂ＞ｃとなる。通電条件は、２５°Ｃで６０ｍＷとした。

各サンプルａ〜ｃに対する偏光比［ｄＢ］の測定結果を表１に示す。なお、量子化井戸層２２１の引っ張り歪み量［％］が０％のときの偏光比［ｄＢ］は−３５程度である。

全てのサンプルに対する偏光比［ｄＢ］が正となっており、全てのサンプルにおいて、ＴＭ成分光出力がＴＥ成分光出力よりも大きくなっていることが分かる。つまり、量子井戸層２２１が所定量以上の引っ張り歪みを有していれば、障壁層２２２に圧縮歪を持たせても、半導体レーザダイオードをＴＭモードで発振させることができることがわかる。
また、前記各サンプルａ，ｂ，ｃに対する平均故障時間（ＭＴＢＦ：Mean Time Between Failure）を測定した。具体的には、各サンプルａ，ｂ，ｃをそれぞれ２００個ずつ用意し、８０°Ｃ、６０ｍＷの通電条件で、６００時間の通電試験を行なった。この際、各サンプルの光出力が一定値（６０ｍＷ）となるように、各サンプルの通電電流（動作電流（Ｉop））を制御した。

図１２Ａは２００個分のサンプルａに対する通電電流（動作電流）の経時的変化を示すグラフであり、図１２Ｂは２００個分のサンプルｂに対する通電電流（動作電流）の経時的変化を示すグラフであり、図１２Ｃは２００個分のサンプルｃに対する通電電流（動作電流）の経時的変化を示すグラフである。図１２Ａ〜図１２Ｃにおいて、横軸は経過時間を表し、縦軸は通電電流（動作電流（Ｉop））を示している。通電電流（動作電流）が大幅に増加しているものは、故障したことを示している。

通電試験結果から各サンプルａ，ｂ，ｃの故障数を求めた。サンプルａに対する故障数は１１であり、サンプルｂに対する故障数は４であり、サンプルｃに対する故障数は０であった。そして、次式(4)により、各サンプルａ，ｂ，ｃのＭＴＢＦを算出した。この例では、通電時間は６００時間であり、投入数は２００である。
ＭＴＢＦ＝（通電時間×投入数）／故障数 …(4)
各サンプルａ〜ｃに対するＭＴＢＦの算出結果を表２に示す。

サンプルｃでは故障数が０であるためＭＴＢＦを算出できなかったが、サンプルｃに対するＭＴＢＦは、故障数が１である場合のＭＴＢＦの１２００００時間より大きくなることは明らかである。
表２から、ＭＴＢＦは、活性層１０の平均歪量の絶対値が小さいほど、大きくなっていることがわかる。つまり、活性層１０の平均歪量の絶対値が小さいほど、通電時の結晶劣化の度合いが小さいことがわかる。

前記２つの試験結果から、活性層１０の平均歪量に対するＭＴＢＦの関係および活性層１０の平均歪量に対する偏光比の関係をグラフで表わすと図１３に示すようになる。
図１３から、ＭＴＢＦを大きくするためには、活性層１０の平均歪量の絶対値が０．５以下（平均歪量が−０．５以上０．５以下）であることが好ましく、活性層１０の平均歪量の絶対値が０．３以下（平均歪量が−０．３以上０．３以下）であることがより好ましいことがわかる。

前述した実施形態では、障壁層２２２として、（Ａｌ_ｘ４Ｇａ_{（１−ｘ４）}）_{（１−ｙ）}Ｉｎ_ｙＡｓ層（０＜ｘ４≦１，０＜ｙ＜１）が用いられているが、障壁層２２２として、（Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１−ｘ５）}）_{（１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｐ層（０＜ｘ５≦１，０．４９＜ｙ１＜１）、Ｉｎ_ｘ６Ｇａ_{（１−ｘ６）}Ｐ層（０．４９＜ｘ６＜１）等を用いることができる。

また、前述した実施形態では、量子井戸層２２１としてＧａＡｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３≦１）が用いられているが、量子井戸層２２１としてＡｌ_ｙ２Ｇａ_{（１−ｙ２）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３≦１，０≦ｙ２≦１）を用いることができる。
この発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 基板
２ 半導体積層構造
３ ｎ型電極
４ ｐ型電極
６ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流狭窄層
１０ 活性層
１１ ｎ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層
１２ ｐ側Ａｌ_ｘ２Ｇａ_{（１−ｘ２）}Ａｓガイド層
１３ ｎ型半導体層
１４ ｐ型半導体層
１５ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１６ ｎ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
１７ 第１ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
１８ ｐ型エッチングストップ層
１９ 第２ｐ型（Ａｌ_ｘ１Ｇａ_{（１−ｘ１）}）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層
２０ ｐ型キャップ層
２１ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
４０ 端面窓構造
７０ 半導体レーザダイオード
２２１ 量子井戸層
２２２ 障壁層

Claims (4)

1. 熱アシスト記録方式のハードディスク装置に用いられ、ＴＭモードで発振する半導体レーザ素子であって、
   ＧａＡｓからなる基板と、
   前記基板上に形成された半導体積層構造とを含み、
   前記半導体積層構造は、
   ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層と、
   前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層に挟まれたｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層と、
   前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層に挟まれた活性層とを備え、
   前記ｐ型クラッド層およびｎ型クラッド層は、それぞれ（Ａｌ _ｘ１ Ｇａ _{（１−ｘ１）} ） _０．５１ Ｉｎ _０．４９ Ｐ層（０≦ｘ１≦１）からなり、
   前記ｐ側ガイド層およびｎ側ガイド層は、それぞれＡｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１−ｘ２）} Ａｓ層（０≦ｘ２≦１）からなり、
   前記（Ａｌ _ｘ１ Ｇａ _{（１−ｘ１）} ） _０．５１ Ｉｎ _０．４９ Ｐ層は、ｘ１＞０．７を満たす組成を有しており、
   前記Ａｌ _ｘ２ Ｇａ _{（１−ｘ２）} Ａｓ層は、０．４≦ｘ２≦０．８を満たす組成を有しており、
   前記活性層は、
   ＴＭモード発振を生じさせるための引っ張り歪みを有する少なくとも２つの量子井戸層と、
   隣接する前記量子井戸層に挟まれ、圧縮歪みを有する障壁層とを含み、
   前記量子井戸層が、Ａｌ_ｙ２Ｇａ_{（１−ｙ２）}Ａｓ_{（１−ｘ３）}Ｐ_ｘ３層（０＜ｘ３＜１，０≦ｙ２＜１）からなり、
   前記障壁層が、ＡｌＧａＩｎＡｓ層、（Ａｌ_ｘ５Ｇａ_{（１−ｘ５）}）_{（１−ｙ１）}Ｉｎ_ｙ１Ｐ層（０＜ｘ５≦１，０．４９＜ｙ１＜１）層またはＩｎ_ｘ６Ｇａ_{（１−ｘ６）}Ｐ層（０．４９＜ｘ６＜１）層からなり、
   発振波長が７８０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である、半導体レーザ素子。
2. 前記量子井戸層の数をＭ（Ｍは２以上の自然数）とし、前記障壁層の数をＮ（Ｎは１以上の自然数）とし、前記各量子井戸層を一方端にあるものから順に、１番目、２番目、…、Ｍ番目の量子井戸層と呼び、前記各障壁層を一方端にあるものから順に、１番目、２番目、…、Ｎ番目の障壁層と呼び、ｍ（ｍは１からＭまでの自然数）番目の量子井戸層の膜厚および格子不整合率をそれぞれａ_ｍおよびα_ｍで表し、ｎ（ｎは１からＮまでの自然数）番目の障壁層の膜厚および格子不整合率をそれぞれｂ_ｎおよびβ_ｎで表し、前記活性層の平均歪量γを次式(i)で定義すると、平均歪量γが−１．０％以上１．０％以下である、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
   

   
3. 前記各量子井戸層の格子不整合率が−０．４％以下である、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記各障壁層の格子不整合率が０より大きく４．０％以下である、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。

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