JP7317049B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

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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）の記録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、そうすると書き込み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
現行のスライダ作製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。例えば、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、高出力で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。
この発明の一実施形態は、ＴＭモードで発振する半導体レーザ素子であって、基板と、前記基板の表面側に配置されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層の前記基板とは反対側に配置された活性層と、前記活性層の前記ｎ型クラッド層とは反対側に配置されたｐ型クラッド層とを有する半導体積層構造を含み、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量子井戸層を含み、前記ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層は、それぞれＡｌＧａＡｓ層からなる、半導体レーザ素子を提供する。
この構成では、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、この構成では、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層は、それぞれＡｌＧａＡｓ層からなる。ＡｌＧａＡｓは、ＴＭモードで発振する半導体レーザ素子のクラッド層として一般的に使用されるＩｎＧａＡｌＰに比べて抵抗が低い。このため、この構成では、クラッド層がＩｎＧａＡｌＰ層からなる半導体レーザ素子に比べて直列抵抗を低下させることができる。これにより、クラッド層がＩｎＧａＡｌＰ層からなる半導体レーザ素子に比べて、発熱を抑制することができるので、高出力でかつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
この発明の一実施形態では、レーザ共振器の端面部分に、前記活性層のバンドギャップを拡大する端面窓構造が形成されている。この構成では、レーザ共振器の端面部分においてレーザ光が吸収されるのを抑制することができる。これにより、端面光学損傷（COD; catastrophic Optical Damage）を抑制することができるので、半導体レーザ素子の延命化が図れる。
この発明の一実施形態では、前記活性層は、複数の前記量子井戸層と、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む。
この発明の一実施形態では、前記基板がＧａＡｓ基板からなり、前記量子井戸層が、ＧａＡｓＰ層からなる。
この発明の一実施形態では、前記基板がＧａＡｓ基板からなり、前記障壁層が、ＩｎＡｌＧａＡｓ層からなる。
この発明の一実施形態では、前記ｐ型クラッド層に対して前記活性層とは反対側に形成され、前記活性層に流れる電流を狭窄するための電流狭窄層をさらに含む。
この発明の一実施形態では、共振器長方向から見て、前記ｐ型クラッド層における前記活性層とは反対側の表面は、前記活性層の表面と平行な平坦部と、前記平坦部の両側にそれぞれ形成されかつ前記活性層の表面に対して傾斜した傾斜面とを含んでおり、前記ｐ型クラッド層の前記平坦部上には、ｐ型ＧａＡｓキャップ層が形成されており、前記電流狭窄層は、前記ｐ型クラッド層の前記傾斜面と前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の側面とを覆うように形成されている。
この発明の一実施形態では、前記電流狭窄層は、ＡｌＧａＡｓ層と、前記ＡｌＧａＡｓ層上に形成されたＧａＡｓ層との積層膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記電流狭窄層の表面および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の表面を覆うように形成されたＧａＡｓコンタクト層と、前記ＧａＡｓコンタクト層上に形成されたｐ側電極と、前記基板の裏面に形成されたＮ側電極を含む。
この発明の一実施形態では、前記半導体積層構造が、前記レーザ共振器の共振面を構成する一対の端面と、一対の側面と、前記一対の側面において、前記半導体積層構造の表面に連なる上縁領域に形成された第１分離溝痕とを有する。
この発明の一実施形態では、前記第１分離溝痕が、前記半導体積層構造の長さ方向全域にわたって形成されている。
この発明の一実施形態では、前記半導体積層構造が、前記一対の側面において、前記半導体積層構造の裏面に連なる下縁領域に形成された第２分離溝痕をさらに有する。
この発明の一実施形態では、前記第２分離溝痕が、前記半導体積層構造の長さ方向中間部に形成されている。
この発明の一実施形態は、基板と、前記基板の表面側に配置されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層に対して前記基板とは反対側に配置された活性層と、前記活性層に対して前記ｎ型クラッド層とは反対側に配置されたｐ型クラッド層とを有する半導体積層構造と、前記半導体積層構造における前記基板側とは反対側の表面の一部に形成された半導体レーザ用ｐ側電極と、前記半導体積層構造の前記表面の一部に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成されたヒータと、前記絶縁膜上に形成され、前記ヒータの一端に接続された第１ヒータ電極および前記ヒータの他端に接続された第２ヒータ電極とを含む、半導体レーザ素子を提供する。
この構成では、ヒータを備えているので、ヒータを駆動制御することによって、半導体レーザ素子の温度を制御することが可能となる。したがって、例えば、半導体レーザ素子の温度がほぼ一定となるように、半導体レーザ素子の温度を制御することが可能となる。
この発明の一実施形態では、前記第１ヒータ電極の主要部および前記第２ヒータ電極の主要部は、それぞれ、前記ヒータに対して、前記半導体レーザ用ｐ側電極とは反対側に配置されており、前記第１ヒータ電極の主要部、前記第２ヒータ電極の主要部および前記半導体レーザ用ｐ側電極は、それぞれ、前記ヒータの厚さよりも厚い部分を有している。
この発明の一実施形態では、前記ヒータの厚さよりも厚い部分は、前記ヒータの厚さの５倍以上の厚さを有している。
この発明の一実施形態では、前記ｐ型クラッド層は、直線状のリッジ部を有しており、前記半導体レーザ用ｐ側電極は、平面視において、前記リッジ部を含む領域に形成されている。
この発明の一実施形態では、前記ヒータは、平面視において、前記リッジ部と平行に配置されている。
この発明の一実施形態では、前記ヒータは、平面視において、直線状に延びている。
この発明の一実施形態では、前記ヒータは、平面視において、蛇行状に延びている。
この発明の一実施形態では、前記ヒータは、前記絶縁膜上に形成されたＴｉ膜と、前記Ｔｉ膜上に積層されたＰｔ膜との積層膜から構成されている。
この発明の一実施形態は、基板と、前記基板の表面側に配置されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層に対して前記基板とは反対側に配置された活性層と、前記活性層に対して前記ｎ型クラッド層とは反対側に配置されたｐ型クラッド層とを有する半導体積層構造を含み、前記半導体積層構造における前記基板側とは反対側の表面には、主半導体レーザとして使用される主半導体レーザ領域と、熱源用半導体レーザとして使用される熱源用半導体レーザ領域とを分離する領域分離溝が形成されており、前記主半導体レーザ領域において、前記半導体積層構造の前記表面には、前記主半導体レーザのための第１ｐ側電極が形成され、前記熱源用半導体レーザ領域において、前記半導体積層構造の前記表面には、前記熱源用半導体レーザのための第２ｐ側電極が形成されている、半導体レーザ素子を提供する。
この構成では、主半導体レーザと熱源用半導体レーザとを備えているので、熱源用半導体レーザを駆動制御することによって、主半導体レーザ（半導体レーザ素子）の温度を制御することが可能となる。したがって、例えば、主半導体レーザの温度がほぼ一定となるように、半導体レーザ素子の温度を制御することが可能となる。
この発明の一実施形態では、前記領域分離溝は、前記基板に達している。
この発明の一実施形態では、前記半導体積層構造における前記表面とは反対側の裏面には、前記主半導体レーザおよび前記熱源用半導体レーザのためのｎ側電極が形成されている。
この発明の一実施形態では、前記主半導体レーザ領域において、前記ｐ型クラッド層は、直線状の第１リッジ部を有しており、前記熱源用半導体レーザ領域において、前記ｐ型クラッド層は、直線状の第２リッジ部を有している。
この発明の一実施形態では、前記第２リッジ部は、平面視において、間隔をおいて直線状に配置された複数の矩形リッジ部から構成されている。
本発明における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、この発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す斜視図である。 図２は、図１の半導体レーザ素子の正面図である。 図３は、図１の半導体レーザ素子の平面図である。 図４は、図１の半導体レーザ素子の底面図である。 図５は、図３のV-V線に沿う図解的な断面図である。 図６は、図３のV1-VI線に沿う図解的な断面図である。 図７は、図１の半導体レーザ素子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８は、半導体レーザ素子の製造工程を示す図解的な断面図である。 図９は、半導体レーザ素子の製造工程を示す図解的な断面図である。 図１０は、半導体レーザ素子の製造工程を示す図解的な断面図である。 図１１は、半導体レーザ素子の製造工程を示す図解的な断面図である。 図１２は、半導体レーザ素子の製造工程を示す図解的な断面図である。 図１３は、半導体レーザ素子の製造工程を示す平面図である。 図１４は、複数の個別素子が形成された状態のウエハの一部を示す図解的な平面図である。 図１５は、半導体積層構造の表面に形成された第１分離溝を示す図解的な平面図である。 図１６Ａは、図１５のXVI-XVI線に沿う部分拡大断面図である。 図１６Ｂは、第１分離溝の断面形状の変形例を示す断面図である。 図１７は、一次劈開によって得られるバー状体を示す図解的な斜視図である。 図１８は、バー状体の裏面に形成された第２分離溝を示す図解的な底面図である。 図１９は、二次劈開によりバー状体から得られる個別素子を示す図解的な斜視図である。 図２０Ａは、第１実施形態の印加電流－光出力特性を示すグラフである。 図２０Ｂは、比較例の印加電流－光出力特性を示すグラフである。 図２１は、この発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子の図解的な断面図であって、図６の切断面に対応する断面図である。 図２２は、この発明の第３実施形態に係る半導体レーザ素子の図解的な断面図であって、図６の切断面に対応する断面図である。 図２３は、この発明の第４実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す図解的な斜視図である。 図２４は、図２３の半導体レーザ素子の図解的な平面図である。 図２５は、図２４のXXV- XXV線に沿う図解的な断面図である。 図２６Ａは、図２３の半導体レーザ素子の製造工程の一例を示す図解的な平面図である。 図２６Ｂは、図２６Ａの次の工程を示す図解的な平面図である。 図２６Ｃは、図２６Ｂの次の工程を示す図解的な平面図である。 図２６Ｄは、図２６Ｃの次の工程を示す図解的な平面図である。 図２６Ｅは、図２６Ｄの次の工程を示す図解的な平面図である。 図２６Ｆは、図２６Ｅの次の工程を示す図解的な平面図である。 図２７Ａは、図２３の半導体レーザ素子の製造工程の一例を示す図解的な断面図である。 図２７Ｂは、図２７Ａの次の工程を示す図解的な断面図である。 図２７Ｃは、図２７Ｂの次の工程を示す図解的な断面図である。 図２７Ｄは、図２７Ｃの次の工程を示す図解的な断面図である。 図２７Ｅは、図２７Ｄの次の工程を示す図解的な断面図である。 図２７Ｆは、図２７Ｅの次の工程を示す図解的な断面図である。 図２８は、ヒータの他の例を示す図解的な平面図である。 図２９は、この発明の第５実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す図解的な斜視図である。 図３０は、図２９の半導体レーザ素子の図解的な平面図である。 図３１は、図２９のXXXI- XXXI線に沿う図解的な断面図である。 図３２は、熱源用半導体レーザ領域に形成されているリッジの他の例を示す図解的な平面図である。
［１］第１実施形態
図１は、この発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す斜視図である。図２は、図１の半導体レーザ素子の正面図である。図３は、図１の半導体レーザ素子の平面図である。図４は、図１の半導体レーザ素子の底面図である。図５は、図３のV-V線に沿う図解的な断面図である。図６は、図３のV1-VI線に沿う図解的な断面図である。
この半導体レーザ素子６０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（狭義の半導体積層構造）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側電極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側電極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）面である。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側電極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ＡｌＧａＡｓクラッド層１５（例えば２００００Å～３５０００Å厚）を形成して構成されている。ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５は、例えば、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（０≦ｘ≦１）層からなる。
一方、ｐ型半導体層１４は、ｐ側ガイド層１２上に、第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６（例えば１０００Å～２０００Å厚）、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１７（例えば５０Å～３００Å厚）、第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１８（例えば８０００Å～１２０００Å厚）、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１９（例えば５０Å～３００Å厚）、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０（例えば１０００Å～３０００Å厚）およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１（例えば３００００Å～６００００Å厚）を積層して構成されている。
第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６は、例えば、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（０≦ｘ≦１）層からなる。第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１８は、例えば、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１７上に形成されたｐ型ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（０≦ｘ≦１）層（例えば８０００Å～１２０００Å厚）層からなる。
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２１は、ｐ側電極４とオーミック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に例えばｐ型ドーパントとしてのＢｅ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１５と、第１および第２ｐ型クラッド層１６，１８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ＡｌＧａＡｓクラッド層１５は、ＡｌＧａＡｓに例えば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ＡｌＧａＡｓクラッド層１６，１８は、ＡｌＧａＡｓに例えばｐ型ドーパントとしてのＢｅ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ＡｌＧａＡｓクラッド層１５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ＡｌＧａＡｓクラッド層１６，１８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素子を実現できる。
延命化および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３５を作製することが好ましい。
ｎ側ガイド層１１は、ＡｌＧａＡｓ層（例えば２００Å～５００Å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、ＡｌＧａＡｓ（例えば２００Å～５００Å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側ガイド層１１およびｐ側ガイド層１２は、それぞれ、例えば、ＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（０≦ｘ≦１）層からなる。
ｎ側ＡｌＧａＡｓガイド層１１およびｐ側ＡｌＧａＡｓ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１５，１６，１８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。
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７に示すように、アンドープのＧａＡｓＰ層（例えば６０Å～１２０Å厚）からなる量子井戸（well）層２２１とアンドープのＩｎＡｌＧａＡｓ層からなる障壁(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。この実施形態では、活性層１０は、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））（１－ｙ)ＩｎｙＡｓ障壁層２２２（例えば２０Å～９０Å厚）と、ＧａＡｓ（１－ｘ）Ｐｘ量子井戸層２２１（例えば６０Å～１２０Å厚）と、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））（１－ｙ)ＩｎｙＡｓ障壁層２２２（例えば４０Å～１００Å厚）と、ＧａＡｓ（１－ｘ）Ｐｘ量子井戸層２２１（例えば６０Å～１２０Å厚）と、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））（１－ｙ)ＩｎｙＡｓ障壁層２２２（例えば２０Å～９０Å厚）とが、下から順に積層された積層膜からなる。
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－ｘ）Ｐｘ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、半導体レーザ素子６０は、ＴＭモードで発振することが可能となる。本明細書では、半導体レーザ素子の出力光の偏光比が５［ｄＢ］以上となる場合に、半導体レーザ素子が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モードでは、電界はヘテロ接合面に垂直な方向に偏っている。
一方、ＩｎＡｌＧａＡｓ層の格子定数はＧａＡｓ基板１の格子定数より大きいので、（ＡｌｘＧａ（１－ｘ））（１－ｙ)ＩｎｙＡｓ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全体の歪みが緩和される。これにより、通電中の結晶劣化が抑制されるので、半導体レーザ素子の信頼性を高めることができる。
図６に示すように、ｐ型半導体層１４内の、第２ｐ型クラッド層１８、ｐ型エッチングストップ層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、直線状のリッジ３０を形成している。より具体的には、第２ｐ型クラッド層１８、ｐ型エッチングストップ層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３０が形成されている。したがって、第２ｐ型クラッド層１８は、活性層１０の表面と平行な幅中央部の平坦部と、平坦部の両側にそれぞれ形成され外側方に向かって下方に傾斜する傾斜面とを含んでいる。
リッジ３０の側面には、電流狭窄層（埋め込み層）５（例えば８０００Å～１５０００Å厚）が形成されている。より具体的には、ｐ型キャップ層２０の側面と、ｐ型エッチングストップ層１９の側面と、第２ｐ型クラッド層１８の露出面と、ｐ型エッチングストップ層１７の露出面は、電流狭窄層５によって覆われている。そして、電流狭窄層５およびｐ型キャップ層２０の露出面がコンタクト層２１によって覆われている。
電流狭窄層５は、ｐ型エッチングストップ層１７上に形成された下部層５Ａと、下部層上に形成された上部層５Ｂとからなる。下部層５Ａは、例えばＡｌｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ層（例えば５０００Å～１００００Å厚）からなり、上部層５Ｂは、例えばＧａＡｓ層（例えば１５００Å～７０００Å厚）からなる。なお、電流狭窄層５の上部層５Ｂとコンタクト層２１との境界は、明確ではないため、一点鎖線で示している。
半導体積層構造２は、リッジ３０の長手方向両端における劈開面により形成された鏡面からなる一対の端面（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。
また、基板１、半導体積層構造２および電流狭窄層５を含む半導体積層構造５０（広義の半導体積層構造）は、リッジ３０に平行な一対の側面３３，３４を有している。これらの一対の側面３３，３４において、表面側の上縁領域には、元基板としてのウエハ（正確には後述するバー状体１１０（図１７参照））から半導体積層構造５０を劈開して分割するために形成される第１分離溝（第１分割ガイド溝）８０（図１５、図１６Ａ参照）に起因する第１分離溝痕８が長さ方向全域にわたって形成されている。上縁領域とは、半導体積層構造５０の表面（ｐ型半導体層１４側の表面）に連なる領域である。また、長さ方向とは、リッジ３０の長手方向（共振器長方向）である。半導体積層構造５０は、本発明の半導体積層構造の一例である。
さらに、一対の側面３３，３４において、裏面側の下縁領域の長さ方向中間部には、元基板としてのウエハ（正確には後述するバー状体１１０（図１７参照））から半導体積層構造５０を劈開して分割するために形成される第２分離溝（第２分割ガイド溝）９０（図１８参照）に起因する第２分離溝痕９が長さ方向全域にわたって形成されている。下縁領域とは、基板１の裏面に連なる領域である。
ｎ側電極３は、例えばＡｕＧｅＮｉ／Ｔｉ／Ａｕ合金からなり、そのＡｕＧｅＮｉ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側電極４は、ｐ型コンタクト層２１上に形成された第１電極膜と、第１電極膜上に形成された第２電極膜（とからなる。第１電極膜は、例えば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。第２電極膜は、例えばＡｕメッキからなる。
図３、図４および図５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３５が形成されている。この端面窓構造３５は、例えば、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。
なお、図１～図６においては、図示が省略されているが、共振器端面には、共振器端面を保護するための反射膜が形成されている。
このような構成によって、ｎ側電極３およびｐ側電極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、例えば、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８～図１３は、図１～図６に示す半導体レーザ素子６０の製造方法を示す図解的な断面図である。ただし、図８、図１０～図１２は、図６に対応する中央部の図解的な断面図であり、図９は端部付近の図解的な断面図である。図１３は、平面図である。
まず、図８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ＡｌＧａＡｓクラッド層１５、ｎ側ＡｌＧａＡｓガイド層１１、活性層１０、ｐ側ＡｌＧａＡｓガイド層１２、第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１７、第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１８、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１９およびｐ型ＧａＡｓキャップ層２０を順に成長させる。
活性層１０は、ＩｎＡｌＧａＡｓ層からなる障壁層２２２と、ＧａＡｓＰ層からなる量子井戸層２２１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９および図１３に示すように、半導体レーザ素子６０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）７１をパターニングする。そして、例えば、アニール処理を行うことにより、半導体レーザ素子６０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、半導体レーザ素子６０の端面近傍に相当する領域に、端面窓構造３５が形成される。
次に、ＺｎＯ層７１を除去する。それから、図１０に示すように、ストライプ状のＳｉＯ２絶縁膜をマスク層７２として、エッチングにより、ｐ型キャップ層２０、ｐ型エッチングストップ層１９および第２ｐ型クラッド層１８の一部を除去する。そうすると、頂面にマスク層７２が積層されたリッジストライプ３０が形成される。
次に、図１１に示すように、表面に電流狭窄層５の下部層５Ａおよび上部層５Ｂを順次成膜させた後、マスク層７２を除去する。そして、図１２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側電極４を形成する。また、ＧａＡｓ基板１にオーミック接触するｎ側電極３を形成する。
図８～図１３では、１つの半導体レーザ素子に対する製造方法が図示されているが、電極３，４が形成された時点では、図１４に示すように、複数の個別素子１００（６０）が形成された状態のウエハ６が作製されることになる。
各個別素子１００は、ウエハ６上の碁盤目状の仮想的な切断ライン７によって区画される各矩形領域に形成される。切断ライン７は、リッジストライプ３０の長手方向（共振器長方向）に直交する方向に沿う端面切断ライン７ａと、リッジストライプ３０の長手方向に沿う側面切断ライン７ｂを有する。このような切断ライン７に沿って、ウエハ６が各個別素子１００へと分割される。すなわち、ウエハ６を、切断ライン７に沿って劈開することにより、各個別素子１００が切り出される。
次に、ウエハ６を各個別素子１００に分割する方法について、具体的に説明する。
図１５に示すように、半導体積層構造５０の表面に、エッチングによって、側面切断ライン７ｂに沿う第１分離溝（第１分割ガイド溝）８０が形成される。図１５においては、ｎ側電極３およびｐ側電極４は省略されている。
第１分離溝８０の深さは、電流狭窄層５、ｐ型半導体層１４、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１７、第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１６、ｐ側ガイド層１２、活性層１０、ｎ側ガイド層１１およびｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１５を貫通して、基板１に達する深さであることが好ましい。
図１６Ａは、図１５のXVI-XVI線に沿う部分拡大断面図であり、第１分離溝８０の断面形状を示している。第１分離溝８０は、共振器長方向から見て、半導体積層構造５０の表面から下方に向かって互いの間隔が徐々に小さくなる一対の第１テーパ状側面８１と、これらのテーパ状側面８１に繋がりかつ下方に向かって互いの間隔が徐々に小さくなる一対の第２テーパ状側面８２と、一対の第２テーパ状側面８２の下縁どうしを連結する底面８３とを有する。第２テーパ状側面８２の勾配（半導体積層構造５０の表面に対する傾斜角）は、第１テーパ状側面８１の勾配よりも大きい。
第１分離溝８０の深さＤは、１２μｍ程度である。第１分離溝８０の開口部における一対の第１テーパ状側面８１の間隔Ｗ１は、８μｍ程度である。第１分離溝８０の底面部における一対の第２テーパ状側面８２の間隔Ｗ２は、４μｍ程度である。
第１分離溝８０が形成された後に、ウエハ６は、共振器長方向に直交する端面切断ライン７ａに沿って劈開される。これを「一次劈開」ということにする。この一次劈開は、例えば、半導体積層構造５０の裏面に端面切断ライン７ａに沿う分離溝（分割ガイド溝）を形成し、この分離溝を起点としてウエハ６をブレークすればよい。端面切断ライン７ａに沿う分離溝の形成には、レーザ加工の他、ダイヤモンドカッタによる罫書き、ダイサーによる溝形加工等を適用することができる。
この一次劈開により、図１７に示すバー状体１１０が複数得られる。各バー状体１１０の両側面１１１は、レーザ共振面３１，３２となる結晶面である。このバー状体１１０の両側面１１１に、反射膜が形成される。
次に、図１８に示すように、バー状体１１０の裏面に、各側面切断ライン７ｂの長さ方向中間部に沿う第２分離溝（第２分割ガイド溝）９０が形成される。バー状体１１０の裏面における各側面切断ライン７ｂの両端部に対応する領域には、第２分離溝９０は形成されない。側面切断ライン７ｂに沿う第２分離溝９０の形成には、レーザ加工の他、ダイヤモンドカッタによる罫書き、ダイサーによる溝形加工等を適用することができる。
そして、バー状体１１０の裏面側から、第２分離溝９０に沿ってブレード（図示略）をあてがい、バー状体１１０に対して外部応力を加える。これにより、第１分離溝８０から亀裂が発生して、バー状体１１０が側面切断ライン７ｂに沿って劈開される。これを「二次劈開」ということにする。この二次劈開により、図１９に示すように、バー状体１１０が個別素子１００毎に分割され、複数のチップが得られる。
二次劈開によって、個別素子１００の側面３３，３４の上縁領域には、側面切断ライン７ｂに沿って第１分離溝痕８が形成され、個別素子１００の側面３３，３４の下縁領域の長さ方向中間部には、側面切断ライン７ｂに沿って第２分離溝痕９が形成される。
第１分離溝痕８は、第１分離溝８０を長手方向に沿って半割した形状（部分溝形状）となる。このため、第１分離溝痕８は、図２に示すように、第１分離溝８０における一対の第１テーパ状側面８１のうちの一方の側面８１と、一対の第２テーパ状側面８２のうちの一方の側面８２と、第１分離溝８０の底面８３の一部８３ａとを含む。第２分離溝痕９は、第２分離溝９０を長手方向に沿って半割した形状（部分溝形状）となる。
前述の第１実施形態では、量子井戸層２２１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６０をＴＭモードで発振させることができる。
また、前述の第１実施形態では、ｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１６，１８が、それぞれＡｌＧａＡｓ層から構成されているので、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層がＩｎＧａＡｌＰ層から構成された半導体レーザ素子に比べて、直列抵抗を低減することができる。これにより、クラッド層がＩｎＧａＡｌＰ層からなる半導体レーザ素子に比べて、発熱を抑制することができるので、高出力でかつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られる。
前述の第１実施形態に係る半導体レーザ素子６０に対して、図１に示す半導体レーザ素子６０におけるｎ型クラッド層１５およびｐ型クラッド層１６，１８を、ＩｎＧａＡｌＰ層によって構成した半導体レーザ素子を比較例ということする。
第１実施形態および比較例を、それぞれパッケージに内蔵した。そして、第１実施形態および比較例それぞれに対して、パッケージ温度が２５℃、４５℃、６５℃および８５℃であるときの印加電流－光出力特性を測定した。パッケージ温度は、パッケージを加熱装置によって加熱することによって上昇させた。
図２０Ａは、第１実施形態に対する印加電流－光出力特性の測定結果を示すグラフである。図２０Ｂは、比較例に対する印加電流－光出力特性の測定結果を示すグラフである。
図２０Ｂに示すように、比較例では、パッケージ温度が８５℃である場合には、印加電流の増加に伴って光出力が約３３ｍＷまでは上昇するが、３３ｍＷを超えると印加電流を大きくしても光出力は低下する。言い換えれば、比較例では、パッケージ温度が８５℃である場合には、光出力が約３３ｍＷを超えると、印加電流－光出力特性が線形性を保持できなくなる。
これに対して、第１実施形態では、図２０Ａに示すように、パッケージ温度が８５℃である場合においても、印加電流の増加に伴って光出力が約６０ｍＷまで上昇する。言い換えれば、第１実施形態では、パッケージ温度が８５℃である場合には、光出力が少なくとも５０ｍＷを超える範囲まで、印加電流－光出力特性が線形性を保持できる。このため、第１実施形態では、高出力でかつ信頼性の高い半導体レーザ素子が得られることがわかる。
また、前述の第１実施形態では、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３５が作製されているので、レーザ共振器端面部分においてレーザ光が吸収されるのを抑制することができる。これにより、端面光学損傷を抑制することができるので、半導体レーザ素子の延命化が図れる。
図１６Ｂは、第１分離溝８０の断面形状の変形例を示す断面図であり、図１６に対応する部分拡大断面図である。この第１分離溝１８０は、共振器長方向から見て、半導体積層構造５０の表面から下方に向かって互いの間隔が徐々に小さくなる一対のテーパ状側面１８１と、一対のテーパ状側面１８１の下縁どうしを連結する底面１８２とを有する。
第１分離溝１８０の深さＤは、１２μｍ程度である。第１分離溝１８０の開口部における一対のテーパ状側面１８１の間隔Ｗ１は、８μｍ程度である。第１分離溝１８０の底面部におけるテーパ状側面１８１の間隔Ｗ２は、４μｍ程度である。
［２］第２実施形態
図２１は、この発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図であって、図６の切断面に対応する断面図である。図２１において、前述の図６の各部に対応する部分には図６と同じ符号付して示す。
この半導体レーザ素子６０Ａでは、図１～図６の半導体レーザ素子６０に比べて、半導体レーザ素子６０におけるｐ型コンタクト層２１が設けられていない点のみが異なっている。つまり、この半導体レーザ素子６０Ａは、キャップ層２０および電流狭窄層５の表面に、ｐ側電極４が形成されている。
［３］第３実施形態
図２２は、この発明の第３実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図であって、図６の切断面に対応する断面図である。図２２において、前述の図６の各部に対応する部分には図６と同じ符号付して示す。
この半導体レーザ素子６０Ｂでは、図１～図６の半導体レーザ素子６０に比べて、半導体レーザ素子６０におけるｐ型コンタクト層２１が設けられていない。さらに、この半導体レーザ素子６０Ｂでは、電流狭窄層５が、半導体レーザ素子６０の電流狭窄層５と異なっている。
電流狭窄層５は、ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層１７の表面に沿う第１部分５１と、リッジ３０の側面に沿う第２部分５２とからなる。電流狭窄層５は、ＳｉＮ層からなり、その厚さは、例えば１０００Å～２０００Å程度である。キャップ層２０および電流狭窄層５の表面に、ｐ側電極４が形成されている。
［４］第４実施形態
半導体レーザ素子の電流－光出力特性は、温度依存性を有している。したがって、半導体レーザ素子の温度が変動すると、光出力が変動する。また、半導体レーザ素子の出力波長は、温度依存性を有している。したがって、半導体レーザ素子の温度が変動すると、出力光の波長が変動する。
第４実施形態の目的は、半導体レーザ素子の温度を制御することが可能となる半導体レーザ素子を提供することにある。
図２３は、本発明の第４実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す図解的な斜視図である。図２４は、図２３の半導体レーザ素子の図解的な平面図である。図２５は、図２４のXXV- XXV線に沿う図解的な断面図である。図２５において、前述の図６の各部に対応する部分には、図６と同じ符号を付して示す。
半導体レーザ素子３００は、図１～図７に示した半導体レーザ素子６０の広義の半導体積層構造５０と同様な構成の半導体積層構造５０を含む。説明の便宜上、図２３および図２４においては、半導体積層構造５０の構成を簡略化して図示している。以下において、半導体積層構造５０における基板１とは反対側の表面を表面といい、半導体積層構造５０における基板１側の表面を裏面ということにする。
半導体レーザ素子３００は、半導体積層構造５０の表面の一部に形成されたｐ側電極４と、導体積層構造５０の裏面のほぼ全域に形成されたｎ側電極３とをさらに含む。
半導体レーザ素子３００は、半導体積層構造５０の表面の一部に形成された絶縁膜３０１と、絶縁膜３０１上に形成されたヒータ３０２と、絶縁膜３０１上に形成されかつヒータ３０２の一端に接続された第１ヒータ電極３０３と、絶縁膜３０１上に形成されかつヒータ３０２の他端に接続された第２ヒータ電極３０４とをさらに含む。
図２３および図２４においては、半導体積層構造５０の厚さに比べて、ｐ側電極４、ヒータ３０２、第１ヒータ電極３０３および第２ヒータ電極３０４の厚さが誇張して描かれている。
以下において、「前」とは図２４の紙面の下側を、「後」とは図２４の紙面の上側を、「左」とは図２４の紙面の左側を、「右」とは図２４の紙面の右側を、それぞれいうものとする。
半導体積層構造５０は、平面視で前後左右の４つの辺を有し、かつ左右方向に長い矩形である。半導体積層構造５０の左右方向の長さＷは、３００μｍ～５００μｍ程度である。半導体積層構造５０の前後方向の長さＬは、２００μｍ～３５０μｍ程度である。半導体積層構造５０の構成は、図６の半導体積層構造５０の構成と同様であるので、その説明を省略する。
リッジ３０は、前後方向に延びている。リッジ３０は、半導体積層構造５０の左右の幅中央よりも右側寄りに形成されている。リッジ３０は、図６に示されるように、ｐ型クラッド層１６，１８におけるリッジ部（第２ｐ型クラッド層）１８と、ｐ型エッチングストップ層１９と、ｐ型キャップ層２０とを含んでいる。
ｐ側電極４は、平面視において、リッジ３０を覆うように、導体積層構造５０の表面の右側部の領域に形成されている。ｐ側電極４は、半導体積層構造５０の表面の右側部に形成された第１金属膜４０１と、第１金属膜４０１の表面のほぼ全域に積層された第２金属膜４０２と、第２金属膜４０２表面の左側部を除く領域のほぼ全域に形成された第３金属膜４０３とからなる。
第１金属膜４０１は、平面視において、半導体積層構造５０表面の、リッジ３０より所定距離（例えば１０μｍ～５０μｍ程度）だけ左側位置から半導体積層構造５０の右辺よりも所定距離（例えば１０μｍ～２０μｍ程度）だけ左側位置までの領域全域に形成されている。第１金属膜４０１は、この実施形態では、Ｔｉからなる。第１金属膜４０１は、平面視で前後方向に長い矩形である。第１金属膜４０１の左右方向の長さは、１００μｍ～１８０μｍ程度である。第１金属膜４０１の前後方向の長さは、半導体積層構造５０の前後方向の長さＬと同じである。第１金属膜４０１の厚さは、０．０５μｍ～０．２μｍ程度である。
第２金属膜４０２は、この実施形態では、Ａｕからなる。第２金属膜４０２は、平面視で、第１金属膜４０１と同じ矩形形状に形成されている。第２金属膜４０２の厚さは、０．１μｍ～０．３μｍ程度である。
第３金属膜４０３は、この実施形態では、めっき法によって形成されたＡｕからなる。第３金属膜４０３は、平面視で前後方向に長い矩形である。第３金属膜４０３の左右方向長さは、５０μｍ～１５０μｍ程度であり、第２金属膜４０２の左右方向長さよりも短い。第３金属膜４０３の前後方向長さは、第２金属膜４０２の前後方向長さよりも若干短い。第３金属膜４０３の右辺は、平面視において、第２金属膜４０２の右辺と一致している。第３金属膜４０３の厚さは、１μｍ～５μｍ程度である。
絶縁膜３０１は、半導体積層構造５０の表面のうち第１金属膜４０１よりも左側の領域において、半導体積層構造５０の周縁部を除く領域に形成されている。絶縁膜３０１は、前後方向に長い矩形である。絶縁膜３０１の左右方向長さは、１５０μｍ～３５０μｍ程度である。絶縁膜３０１の前後方向長さは、１８０μｍ～３３０μｍ程度である。絶縁膜３０１の厚さは、０．１μｍ～０．３μｍ程度である。絶縁膜３０１は、この実施形態では、ＳｉＮからなる。絶縁膜３０１は、ＳｉＯ２や、Ｎ型にドープしたエピ層であってもよい。
ヒータ３０２は、平面視において、リッジ３０と平行に延びた直線状である。ヒータ３０２は、平面視において、第１金属膜４０１の左辺より所定距離（例えば１５μｍ～１００μｍ程度）だけ左側位置に形成されている。平面視において、ヒータ３０２とリッジ３０との間隔は、１０μｍ～７０μｍ程度である。ヒータ３０２は、絶縁膜３０１の前辺近くから絶縁膜３０１の後辺近くまで延びている。ヒータ３０２の幅は、５μｍ～２０μｍ程度である。
ヒータ３０２は、絶縁膜３０１上に形成されたＴｉ膜４１１と、Ｔｉ膜４１１上に積層されたＰｔ膜４１２との積層膜からなる。Ｔｉ膜４１１の厚さは、０．０５μｍ～０．２μｍ程度である。Ｐｔ膜４１２の厚さは、０．０５μｍ～０．３μｍ程度である。なお、Ｐｔ膜４１２の代わりに、Ｗ膜またはＭｏ膜を用いてもよい。
第１ヒータ電極３０３は、絶縁膜３０１表面の前側半分の領域内に配置されている。第１ヒータ電極３０３は、電極部（主要部）３０３Ａと、電極部３０３Ａと一体的に形成された接続部３０３Ｂとを有している。電極部３０３Ａは、ヒータ３０２に対して、ｐ側電極４とは反対側に配置されている。電極部３０３Ａは、平面視で、左右方向に長い矩形である。電極部３０３Ａの前後方向長さは、１００μｍ～１５０μｍ程度であり、絶縁膜３０１の前後方向長さの半分よりも少し短い。電極部３０３Ａの左右方向長さは、１００μｍ～２５０μｍ程度であり、絶縁膜３０１の左右方向長さよりも短い。電極部３０３Ａは、平面視において、その前辺が絶縁膜３０１の前辺と一致しかつその左辺が絶縁膜３０１の左辺と一致するように形成されている。電極部３０３Ａの右辺とヒータ３０２との間隔は、２０μｍ～８０μｍ程度である。
接続部３０３Ｂは、電極部３０３Ａの右辺の前部から右方に延びている。接続部３０３Ｂの先端は、ｐ側電極４の第１金属膜４０１の左辺近くまで延びている。接続部３０３Ｂの長さ中間部は、ヒータ３０２の前端部を覆っており、ヒータ３０２の前端部に機械的かつ電気的に接続されている。
第１ヒータ電極３０３の電極部３０３Ａおよび接続部３０３Ｂは、絶縁膜３０１表面に形成された第１金属膜４２１と、第１金属膜４２１表面の全域に積層された第２金属膜４２２と、第２金属膜４２２の表面の全域に積層された第３金属膜４２３との積層膜からなる。
第１金属膜４２１は、この実施形態では、Ｔｉからなる。第１金属膜４２１の厚さは、０．０５μｍ～０．３μｍ程度である。第２金属膜４２２は、この実施形態では、Ａｕからなる。第２金属膜４２２の厚さは、０．１μｍ～０．４μｍ程度である。第３金属膜４２３は、この実施形態では、めっき法によって形成されたＡｕからなる。第３金属膜４２３の厚さは、１μｍ～３μｍ程度である。
第２ヒータ電極３０４は、絶縁膜３０１表面の後側半分の領域内に配置されている。第２ヒータ電極３０４は、電極部（主要部）３０４Ａと、電極部３０４Ａと一体的に形成された接続部３０４Ｂとを有している。電極部３０４Ａは、ヒータ３０２に対して、ｐ側電極４とは反対側に配置されている。電極部３０４Ａは、平面視で、左右方向に長い矩形である。電極部３０４Ａの前後方向長さは、１００μｍ～１５０μｍ程度であり、絶縁膜３０１の前後方向長さの半分よりも少し短い。電極部３０４Ａの左右方向長さは、１００μｍ～２５０μｍ程度であり、絶縁膜３０１の左右方向長さよりも短い。電極部３０４Ａは、平面視において、その後辺が絶縁膜３０１の後辺と一致しかつその左辺が絶縁膜３０１の左辺と一致するように形成されている。電極部３０４Ａの右辺とヒータ３０２との間隔は、２０μｍ～８０μｍ程度である。
接続部３０４Ｂは、電極部３０４Ａの右辺の後部から右方に延びている。接続部３０４Ｂの先端は、ｐ側電極４の第１金属膜４０１の左辺近くまで延びている。接続部３０４Ｂの長さ中間部は、ヒータ３０２の後端部を覆っており、ヒータ３０２の後端部に機械的かつ電気的に接続されている。
第２ヒータ電極３０４の電極部３０４Ａおよび接続部３０４Ｂは、絶縁膜３０１表面に形成された第１金属膜４３１と、第１金属膜４３１表面の全域に積層された第２金属膜４３２と、第２金属膜４３２の表面の全域に積層された第３金属膜４３３との積層膜からなる。
第１金属膜４３１は、この実施形態では、Ｔｉからなる。第１金属膜４３１の厚さは、０．０５μｍ～０．３μｍ程度である。第２金属膜４３２は、この実施形態では、Ａｕからなる。第２金属膜４３２の厚さは、０．１μｍ～０．４μｍ程度である。第３金属膜４３３は、この実施形態では、めっき法によって形成されたＡｕからなる。第３金属膜４３３の厚さは、１μｍ～５μｍ程度である。
なお、第１ヒータ電極３０３と第２ヒータ電極３０４とは、例えば、次のように形成されていもよい。すなわち、第２ヒータ電極３０４は、絶縁膜３０１上において、ヒータ３０２の後端部上から絶縁膜３０１の後辺および左辺に沿って延びた平面視Ｌ字状に形成される。一方、第１ヒータ電極３０３は、ヒータ３０２と第２ヒータ電極３０４とに囲まれた絶縁膜３０１上の領域において、ヒータ３０２の前端部上から左方向に延びた後、後方に延びるように形成される。
図２６Ａ～図２６Ｆは、前述の半導体レーザ素子３００の製造工程の一例を説明するための図解的な平面図である。図２６Ａ～図２６Ｆの平面図は、図２４の平面図に対応する平面図である。図２７Ａ～図２７Ｆは、前述の半導体レーザ素子３００の製造工程の一例を説明するための図解的な断面図である。図２７Ａ～図２７Ｆの断面図は、図２５の切断面に対応する断面図である。
まず、半導体積層構造５０を用意する。そして、図２６Ａおよび図２７Ａに示すように、半導体積層構造５０の表面全域に、絶縁膜３０１の材料膜である絶縁材料膜５０１が形成される。この実施形態では、絶縁材料膜５０１はＳｉＮ膜である。絶縁材料膜５０１は、ＳｉＯ２や、Ｎ型にドープしたエピ層であってもよい。
次に、図２６Ｂおよび図２７Ｂに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、絶縁材料膜５０１がパターニングされる。これにより、半導体積層構造５０の表面の右側部および周縁部を除く領域に、平面視矩形状の絶縁膜３０１が形成される。
次に、図２６Ｃおよび図２７Ｃに示すように、真空蒸着法によって、絶縁膜３０１表面の右辺寄りに、前後方向に延びたヒータ３０２を形成する。ヒータ３０２は、絶縁膜３０１上に形成されたＴｉ膜４１１と、Ｔｉ膜４１１上に積層されたＰｔ膜４１２との積層膜からなる。
次に、図２６Ｄおよび図２７Ｄに示すように、半導体積層構造５０表面の露出面および絶縁膜３０１の表面に、一部の領域を残して、真空蒸着法によって、第１金属膜４０１，４２１，４３１の材料膜である第１金属材料膜５１１および第２金属膜４０２，４２２，４３２の材料膜である第２金属材料膜５１２が順次形成される。第１金属材料膜５１１および第２金属材料膜５１２が形成されない一部の領域は、平面視において、絶縁膜３０１上の領域のうち、ヒータ３０２の両端部を除いた長さ中間領域およびその両側近傍部分を含む矩形領域である。この実施形態では、第１金属材料膜５１１はＴｉ膜からなり、第２金属材料膜５１２はＡｕ膜からなる。
次に、図２６Ｅおよび図２７Ｅに示すように、めっき法によって、第２金属材料膜５１２上に、第３金属膜４０３，４２３，４３３を形成する。
次に、図２６Ｆおよび図２７Ｆに示すように、第１金属材料膜５１１および第２金属材料膜５１２をパターニングする。これにより、第１金属材料膜５１１からなる第１金属膜４０１，４２１，４３１および第２金属材料膜５１２からなる第２金属膜４０２，４２２，４３２が得られる。
これにより、第１金属膜４０１と第２金属膜４０２と第３金属膜４０３とを備えたｐ側電極４と、第１金属膜４２１と第２金属膜４２２と第３金属膜４２３とを備えた第１ヒータ電極３０３と、第１金属膜４３１と第２金属膜４３２と第３金属膜４３３とを備えた第２ヒータ電極３０４とが得られる。第１ヒータ電極３０３は、電極部３０３Ａと、ヒータ３０２の前端に機械的および電気的に接続された接続部３０３Ｂとからなる。第２ヒータ電極３０４は、電極部３０４Ａと、ヒータ３０２の後端に機械的および電気的に接続された接続部３０４Ｂとからなる。
最後に、半導体積層構造５０の裏面に、ｎ側電極３が形成されることにより、図２３～図２５に示される半導体レーザ素子３００が得られる。
前述の半導体レーザ素子３００では、ヒータ３０２を備えているので、ヒータ３０２を駆動制御することによって、半導体レーザ素子３００の温度を制御することが可能となる。
例えば、以下のようにヒータ３０２をオンオフ制御することにより、半導体レーザ素子３００の温度がほぼ一定となるように、半導体レーザ素子３００の温度を制御することが可能となる。
半導体レーザ素子３００がオンとオフとを繰り返すように制御される場合、半導体レーザ素子３００が最初にオンされる所定時間前に、ヒータ３０２をオンさせて半導体レーザ素子３００を加熱する。そして、半導体レーザ素子３００がオンされると、ヒータ３０２をオフさせる。これ以後は、半導体レーザ素子３００がオフされるとヒータ３０２をオンさせ、半導体レーザ素子３００がオンされるとヒータ３０２をオフさせる。
また、半導体レーザ素子３００の温度を検出し、半導体レーザ素子３００の温度が所定温度範囲内となるように、ヒータ３０２をオンオフ制御するようにしてもよい。
また、半導体レーザ素子３００では、第１ヒータ電極３０３の電極部（主要部）３０３Ａおよび第２ヒータ電極３０４の電極部（主要部）３０４Ａ部は、それぞれ、ヒータ３０２に対して、ｐ側電極４とは反対側に配置されている。そして、第１ヒータ電極３０３の電極部３０３Ａ、第２ヒータ電極３０４の電極部３０４Ａおよびｐ側電極４は、それぞれ、ヒータ３０２の厚さよりも厚い部分を有している。
具体的には、この実施形態では、ヒータ３０２の厚さが０．１５μｍであるのに対し、ｐ側電極４の第３金属膜４０３が形成されている部分の厚さ、第１ヒータ電極３０３の厚さおよび第２ヒータ電極３０４の厚さは、１．３０μｍである。このため、半導体レーザ素子３００を取り扱う際に、ヒータ３０２へ触れてキズが付くことを抑制できる。これにより、ヒータ３０２の劣化を抑制できる。このような観点から、第１ヒータ電極３０３の電極部３０３Ａ、第２ヒータ電極３０４の電極部３０４Ａおよびｐ側電極４は、ヒータ３０２の厚さの５倍以上の厚みを有している部分を備えていることが好ましい。
また、半導体レーザ素子３００の半導体積層構造５０の構成は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子６０の半導体積層構造５０の構成と同様であるので、半導体レーザ素子３００は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子６０と同様な効果を奏する。
なお、半導体レーザ素子３００の半導体積層構造５０は、図２１の半導体レーザ素子６０Ａの半導体積層構造５０または図２２の半導体レーザ素子６０Ｂの半導体積層構造５０と同様な構成であってもよい。
また、半導体レーザ素子３００の半導体積層構造５０は、半導体レーザ光を出力できる構成であれば、前述した構成以外の構成であってもよい。半導体レーザ素子３００の半導体積層構造５０は、ＴＭモードの偏光を発生させる構成に限らず、ＴＥモードの偏光を発生させる構成であってもよい。
前述の第４実施形態に係る半導体レーザ素子３００では、ヒータ３０２は直線状であったが、図２８に示すように、ヒータ３０２は、平面視で蛇行状の形状を有していてもよい。
［５］第５実施形態
図２９は、本発明の第５実施形態に係る半導体レーザ素子の外観を示す図解的な斜視図である。図３０は、図２９の半導体レーザ素子の図解的な平面図である。図３１は、図３０のXXXI- XXXI線に沿う図解的な断面図である。図３１において、前述の図６の各部に対応する部分には、図６と同じ符号を付して示す。
半導体レーザ素子６００は、図１～図７に示した半導体レーザ素子６０の広義の半導体積層構造５０と同様な構成の半導体積層構造５０を含む。説明の便宜上、図２９および図３１においては、半導体積層構造５０の構成を簡略化して図示している。以下において、半導体積層構造５０における基板１とは反対側の表面を表面といい、半導体積層構造５０における基板１側の表面を裏面ということにする。
以下において、「前」とは図３０の紙面の下側を、「後」とは図３０の紙面の上側を、「左」とは図３０の紙面の左側を、「右」とは図３０の紙面の右側を、それぞれいうものとする。
半導体積層構造５０は、平面視で前後左右の４つの辺を有し、かつ左右方向に長い矩形である。半導体積層構造５０の表面の幅中央部には、略右半部の主半導体レーザ領域Ｅ１と、略左半部の熱源用半導体レーザ領域Ｅ２とを分離する領域分離溝６０３が形成されている。領域分離溝６０３は、平面視において、半導体積層構造５０の表面を前後方向に縦断している。領域分離溝６０３は、半導体積層構造５０内の基板１に達している。主半導体レーザ領域Ｅ１は、主半導体レーザ６０１として使用され、熱源用半導体レーザ領域Ｅ２は、熱源用半導体レーザ６０２として使用される。
この半導体レーザ素子６００においては、主半導体レーザ領域Ｅ１および熱源用半導体レーザ領域Ｅ２のそれぞれに、リッジ３０が形成されている。以下において、主半導体レーザ領域Ｅ１に形成されているリッジ３０を第１リッジ３０Ａといい、熱源用半導体レーザ領域Ｅ２に形成されているリッジ３０を第２リッジ３０Ｂということにする。各リッジ３０Ａ，３０Ｂは、図６に示されるように、ｐ型クラッド層１６，１８におけるリッジ部（第２ｐ型クラッド層）１８と、ｐ型エッチングストップ層１９と、ｐ型キャップ層２０とを含んでいる。
主半導体レーザ領域Ｅ１において、半導体積層構造５０における基板１の上側部分（狭義の半導体積層構造２）は、平面視で矩形である。
主半導体レーザ領域Ｅ１において、第１リッジ３０Ａは、前後方向に延びている。第１リッジ３０Ａは、主半導体レーザ領域Ｅ１の左右方向の中央（幅中央）よりも左側寄りに形成されている。第１リッジ３０Ａは、最下層にｐ型クラッド層１６，１８のリッジ部（第１リッジ部）１８を含んでいる。
主半導体レーザ領域Ｅ１において、半導体積層構造５０の表面には、主半導体レーザ６０１のための第１ｐ側電極４Ａが形成されている。第１ｐ側電極４Ａは、例えば、半導体積層構造５０の表面に形成されたＴｉ膜と、Ｔｉ膜に積層された第１Ａｕ膜と、第１Ａｕ膜に積層された第２Ａｕ膜とからなる。Ｔｉ膜および第１Ａｕ膜は、例えば真空蒸着法によって形成され、第２Ａｕ膜は、例えば、めっき法によって形成される。
熱源用半導体レーザ領域Ｅ２において、半導体積層構造５０における基板１の上側部分（狭義の半導体積層構造２）は、平面視で矩形である。
熱源用半導体レーザ領域Ｅ２において、第２リッジ３０Ｂは、前後方向に延びている。第２リッジ３０Ｂは、熱源用半導体レーザ領域Ｅ２の左右方向の中央（幅中央）よりも右側寄りに形成されている。第２リッジ３０Ｂは、最下層にｐ型クラッド層１６，１８のリッジ部（第２リッジ部）１８を含んでいる。
熱源用半導体レーザ領域Ｅ２において、半導体積層構造５０の表面には、熱源用半導体レーザ６０２のための第２ｐ側電極４Ｂが形成されている。第２ｐ側電極４Ｂは、例えば、半導体積層構造５０の表面に形成されたＴｉ膜と、Ｔｉ膜に積層された第１Ａｕ膜と、第１Ａｕ膜に積層された第２Ａｕ膜とからなる。Ｔｉ膜および第１Ａｕ膜は、例えば真空蒸着法によって形成され、第２Ａｕ膜は、例えば、めっき法によって形成される。
半導体積層構造５０の裏面には、主半導体レーザ領域Ｅ１および熱源用半導体レーザ領域Ｅ２に跨るように、ｎ側電極３が形成されている。ｎ側電極３は、主半導体レーザ６０１および熱源用半導体レーザ６０２に共通したｎ側電極である。
つまり、半導体レーザ素子６００は、主半導体レーザ６０１と、主半導体レーザ６０１に隣接して配置された熱源用半導体レーザ６０２とを備えている。主半導体レーザ６０１は、半導体積層構造５０における主半導体レーザ領域Ｅ１に対応した部分と、第１ｐ側電極４Ａと、ｎ側電極３とから構成されている。熱源用半導体レーザ６０２は、半導体積層構造５０における熱源用半導体レーザ領域Ｅ２に対応した部分と、第１ｐ側電極４Ａと、ｎ側電極３とから構成されている。主半導体レーザ６０１と、熱源用半導体レーザ６０２とは、共通した基板１を有している。
主半導体レーザ６０１は半導体レーザとして使用される。熱源用半導体レーザ６０２は主半導体レーザ６０１の温度を制御するための熱源として使用される。この熱源は、半導体レーザを駆動すると、光変換されないエネルギーが熱に変換されることを利用したものである。
このような半導体レーザ素子６００は、例えば、次のようにして製造される。まず、第１リッジ部３０Ａおよび第２リッジ部３０Ｂを有する半導体積層構造５０を用意する。次に、半導体積層構造５０の表面に、第１ｐ側電極４Ａおよび第２ｐ側電極４Ｂを形成する。次に、半導体積層構造５０の表面に、主半導体レーザ領域Ｅ１と熱源用半導体レーザ領域Ｅ２を分離するための領域分離溝６０３を形成する。最後に、半導体積層構造５０の裏面に、第ｎ側電極３を形成する。
前述の半導体レーザ素子６００は、主半導体レーザ６０１と熱源用半導体レーザ６０２とを備えているので、熱源用半導体レーザ６０２を駆動制御することによって、主半導体レーザ６０１（半導体レーザ素子６００）の温度を制御することが可能となる。
例えば、以下のように熱源用半導体レーザ６０２をオンオフ制御することにより、半導体レーザ素子６００（主半導体レーザ６０１）の温度がほぼ一定となるように、半導体レーザ素子６００の温度を制御することが可能となる。
主半導体レーザ６０１がオンとオフとを繰り返すように制御される場合、主半導体レーザ６０１が最初にオンされる所定時間前に、熱源用半導体レーザ６０２をオンさせて主半導体レーザ６０１を加熱する。そして、主半導体レーザ６０１がオンされると、熱源用半導体レーザ６０２をオフさせる。これ以後は、主半導体レーザ６０１がオフされると熱源用半導体レーザ６０２をオンさせ、主半導体レーザ６０１がオンされると熱源用半導体レーザ６０２をオフさせる。
また、主半導体レーザ６０１の温度を検出し、主半導体レーザ６０１の温度が所定温度範囲内となるように、熱源用半導体レーザ６０２をオンオフ制御するようにしてもよい。
また、半導体レーザ素子６００の半導体積層構造５０の構成は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子６０の半導体積層構造５０の構成と同様であるので、半導体レーザ素子６００は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子６０と同様な効果を奏する。
なお、半導体レーザ素子６００の半導体積層構造５０は、図２１の半導体レーザ素子６０Ａの半導体積層構造５０または図２２の半導体レーザ素子６０Ｂの半導体積層構造５０と同様な構成であってもよい。
また、半導体レーザ素子６００の半導体積層構造５０は、半導体レーザ光を出力できる構成であれば、前述した構成以外の構成であってもよい。半導体レーザ素子６００の半導体積層構造５０は、ＴＭモードの偏光を発生させる構成に限らず、ＴＥモードの偏光を発生させる構成であってもよい。
前述の第５実施形態に係る半導体レーザ素子６００では、熱源用半導体レーザ領域Ｅ２に形成されているリッジ３０（第２リッジ３０Ｂ）は、直線状であったが、図３２に示すように、第２リッジ３０Ｂは、平面視において、間隔をおいて直線状に配置された複数の矩形リッジ３０ｂから構成されていてもよい。なお、各矩形リッジ３０ｂは、最下層に第１ｐ型クラッド層１８からなる矩形リッジ部を含んでいる。
本発明の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本発明の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本発明はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
この出願は、２０１８年１２月２８日に日本国特許庁に提出された特願２０１８－２４８０２９号および２０１９年２月１８日に日本国特許庁に提出された特願２０１９－０２６８２１号に対応しており、その出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。
１ 基板
２ 半導体積層構造（狭義）
３ ｎ側電極
４，４Ａ，４Ｂ ｐ側電極
５ 電流狭窄層
６ ウエハ
７ 切断ライン
７ａ 端面切断ライン
７ｂ 側面切断ライン
８ 第１分離溝痕跡
９ 第２分離溝痕跡
１０ 活性層
１１ ｎ側ガイド層
１２ ｐ側ガイド層
１３ ｎ型半導体層
１４ ｐ型半導体層
１５ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１６ 第１ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１７ ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層
１８ 第２ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１９ ｐ型ＩｎＧａＰエッチングストップ層
２０ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
２１ ｐ型コンタクト層
３０，３０Ａ，３０Ｂ リッジ
３０ｂ 矩形リッジ
３１，３２ 共振器端面
３３，３４ 側面
３５ 端面窓構造
４１ 第１電極膜
４２ 第２電極膜
５０ 半導体積層構造（広義）
６０ 半導体レーザ素子
７１ ＺｎＯ層
７２ マスク層
８０ 第１分離溝
８１ 第１テーパ状側面
８２ 第２テーパ状側面
８３ 底面
９０ 第２分離溝
１００ 個別素子
１１０ バー状体
２２１ 量子井戸層
２２２ 障壁層
３００，６００ 半導体レーザ素子
３０１ 絶縁膜
３０２ ヒータ
３０３ 第１ヒータ電極
３０３Ａ 電極部
３０３Ｂ 接続部
３０４ 第２ヒータ電極
３０４Ａ 電極部
３０４Ｂ 接続部
４０１，４２１，４３１ 第１金属膜
４０２，４２２，４３２ 第２金属膜
４０３，４２３，４３３ 第３金属膜
４１１ Ｔｉ膜
４１２ Ｐｔ膜
５０１ 絶縁材料膜
５１２ 第１金属材料膜
６０１ 主半導体レーザ
６０２ 熱源用半導体レーザ
６０３ 領域分離溝

Claims (11)

  1. 基板と、前記基板の表面側に配置されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層に対して前記基板とは反対側に配置された活性層と、前記活性層に対して前記ｎ型クラッド層とは反対側に配置されたｐ型クラッド層とを有する半導体積層構造と、
    前記半導体積層構造における前記基板側とは反対側の表面の一部に形成された半導体レーザ用ｐ側電極と、
    前記半導体積層構造の前記表面の一部に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に形成されたヒータと、
    前記絶縁膜上に形成され、前記ヒータの一端に接続された第１ヒータ電極および前記ヒータの他端に接続された第２ヒータ電極とを含み、
    前記第１ヒータ電極の主要部および前記第２ヒータ電極の主要部は、それぞれ、前記ヒータに対して、前記半導体レーザ用ｐ側電極とは反対側に配置されており、
    前記第１ヒータ電極の主要部、前記第２ヒータ電極の主要部および前記半導体レーザ用ｐ側電極は、それぞれ、前記ヒータの厚さよりも厚い部分を有しており、
    前記ヒータの厚さよりも厚い部分は、前記ヒータの厚さの５倍以上の厚さを有している、半導体レーザ素子。
  2. 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量子井戸層を含み、
    前記ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層は、それぞれＡｌＧａＡｓ層からなる、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記ｐ型クラッド層は、直線状のリッジ部を有しており、
    前記半導体レーザ用ｐ側電極は、平面視において、前記リッジ部を含む領域に形成されている、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記ヒータは、平面視において、前記リッジ部と平行に配置されている、請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記ヒータは、平面視において、直線状に延びている、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記ヒータは、平面視において、蛇行状に延びている、請求項４に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記ヒータは、前記絶縁膜上に形成されたＴｉ膜と、前記Ｔｉ膜上に積層されたＰｔ膜との積層膜から構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
  8. 基板と、前記基板の表面側に配置されたｎ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層に対して前記基板とは反対側に配置された活性層と、前記活性層に対して前記ｎ型クラッド層とは反対側に配置されたｐ型クラッド層とを有する半導体積層構造を含み、
    前記半導体積層構造における前記基板側とは反対側の表面には、主半導体レーザとして使用される主半導体レーザ領域と、熱源用半導体レーザとして使用される熱源用半導体レーザ領域とを分離する領域分離溝が形成されており、
    前記主半導体レーザ領域において、前記半導体積層構造の前記表面には、前記主半導体レーザのための第１ｐ側電極が形成され、
    前記熱源用半導体レーザ領域において、前記半導体積層構造の前記表面には、前記熱源用半導体レーザのための第２ｐ側電極が形成されており、
    前記主半導体レーザ領域において、前記ｐ型クラッド層は、直線状の第１リッジ部を有しており、
    前記熱源用半導体レーザ領域において、前記ｐ型クラッド層は、直線状の第２リッジ部を有しており、
    前記第２リッジ部は、平面視において、間隔をおいて直線状に配置された複数の矩形リッジから構成されている、半導体レーザ素子。
  9. 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量子井戸層を含み、
    前記ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層は、それぞれＡｌＧａＡｓ層からなる、請求項８に記載の半導体レーザ素子。
  10. 前記領域分離溝は、前記基板に達している、請求項８または９に記載の半導体レーザ素子。
  11. 前記半導体積層構造における前記表面とは反対側の裏面には、前記主半導体レーザおよび前記熱源用半導体レーザのためのｎ側電極が形成されている、請求項８～１０のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
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