JPH05167186A

JPH05167186A - 半導体レーザ素子の製造方法

Info

Publication number: JPH05167186A
Application number: JP35192891A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tsunekane; 正樹常包
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】高出力で安定して動作する半導体レーザ素子
を提供する。【構成】本発明は量子井戸を活性層とする半導体レー
ザにおいて、Ａｌを含んだ半導体層上にＳｉＯ₂膜を堆
積させた領域１を形成した後、８００℃以上の高温で保
持し、領域１下の量子井戸を無秩序化させ、その無秩序
化させた領域に於てレーザ素子の共振器の反射面を構成
することにより、無秩序化された共振器面を含む領域の
活性層が、レーザ素子の反射器面近傍を除く、無秩序化
していないレーザ素子の中央部分の活性層に比べ、実効
的に大きなエネルギーギャップを有し、反射面近傍に於
けるレーザ発振光の吸収を少なくすることにより、従来
のレーザ素子より高い出力で安定して動作する半導体レ
ーザ素子の、簡便で生産性の高い製造方法を提供するも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】光情報処理システムあるいは光通
信システムの光源として期待される高出力半導体レーザ
素子の製造方法を提供する。

【０００２】

【従来の技術】発振波長０．７から０．８μｍ帯で５０
ｍＷ以上の高出力で、しかも単一横モードで安定して動
作する半導体レーザ素子が多方面で求められている。例
えば光情報処理の分野では光ディスクの光源として５０
ｍＷ以上の単一基本横モード出力で安定して動作する半
導体レーザ素子が求められている。また衛星間光通信の
光源としても同じ波長帯で１００ｍＷ以上の高出力で安
定した基本横モード出力で動作するレーザ素子が将来必
要とされている。またこのような高出力レーザは固体レ
ーザや第２高調波光の励起用光源としても注目されてい
る。この波長帯で用いられる半導体の活性領域の材料と
してはＡｌＧａＡｓの三元結晶が広く用いられている。
この材料を活性領域とするレーザの場合、共振器の反射
面を形成する端面に露出している活性層表面に於て多数
の表面準位が存在し、これを介したキャリヤーの非発光
再結合が多い。反射面近傍の活性層に注入されたキャリ
ヤーはこの再結合によって失われ、キャリヤー濃度は中
央部に比べて少なくなっている。その結果中央部の高い
注入キャリヤー密度によってつくられる最大利得波長す
なわち発振するレーザ光の波長に対して、反射面近傍の
活性層は吸収領域になる。高出力動作時に、活性層端面
での光密度が平方センチメートル当り数メガワット程度
にまで高まると、その吸収領域での局所的発熱によって
ついには反射面が、融解し破懐されレーザ素子が動作不
良になることが一般に知られている。また短時間で破壊
にまで至らなくても、長時間にわたる活性層端面での局
所的発熱により酸化反応が進み、素子特性の劣化の大き
な原因となる。安定した単一横モードを高出力まで維持
するためには横方向の導波路幅を５〜６ミクロンメート
ル以下の有限な値にしなければならなず、反射面に於け
る活性層端面の光密度を下げるには限界がある。このよ
うに反射面の活性層端面における表面準位はこれらの材
料とする単一横モードレーザの高出力動作及び高出力動
作時の信頼性に重大な影響を及ぼしている。

【０００３】このレーザ端面における光吸収を少なく
し、より高出力までの動作及び高出力時の安定動作を可
能にするレーザ構造として、ウィンドウと呼ばれる構造
を導入したレーザ素子が提案、試作されている。これは
レーザ素子の反射面となる端面近傍の活性層のバンドギ
ャップを選択的に中央部の活性層より広げ、レーザ素子
の発振光に対して反射面近傍での活性層での光の吸収を
なくした構造である。特に活性層に、組成の異なる半導
体薄膜を積層した量子井戸を用い、局所的に不純物を拡
散させることによってその薄膜間の原子配列を乱しすな
わち無秩序化し、組成を平均化または平均に近づけるこ
とによって、実効的にバンドギャップが広がることを利
用したウィンドウレーザの製造方法は、素子を製造する
過程で活性層を１度もエッチング等で大気に曝す必要が
ないため、素子の信頼性や製造歩留まりの点で有利であ
ると考えられる。

【０００４】従来、アプライド・フィジックス・レター
ズ誌（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒ
ｓ）、４９巻、２３号、１５７２〜１５７４頁（１９８
６年、１２月８日発行）に図２０，２１に示すような高
出力ウィンドウレーザ素子の製造方法が記載されてい
る。これはＧａＡｓ基板上に量子井戸活性層１１３をｐ
ｎの両ＡｌＧａＡｓクラッド層１１２、１１３で挟んだ
レーザ構造を一様に形成しておき、まずＳｉ₃Ｎ₄膜１３
０を一様に形成した後、フォトリソグラフィー技術とウ
ェットエッチングにより最終的に反射面を形成しようと
する領域１３４のＳｉ₃Ｎ₄膜を取り除き、半導体層すな
わちＧａＡｓコンタクト層１１５を露出させる。次にＳ
ｉ膜１３１を一様に形成する。これを８５０℃で７．５
時間加熱し、Ｓｉを量子井戸活性層まで熱拡散させ、原
子配列を乱して無秩序化し実効的にバンドギャップを広
げる。Ｓｉ及びＳｉ₃Ｎ₄膜を取り除いた後さらにＺｎを
一様に拡散して活性層を無秩序化したウィンドウ領域１
３４に電流が漏れないようにする。最後にレーザ発振が
高率良く行えるように図ｂに示すように素子の中央部に
ストライプ状にプロトンを注入し高抵抗領域１５０を形
成する。最後に上下に電極を形成し、先にＳｉを拡散さ
せた領域でへき開して反射面を形成し素子が完成すると
いうものである。ｂでは分かり易くするため上下に形成
する電極を省略してある。またウィンドウ部に選択的に
拡散させ、量子井戸活性層の原子配列を乱す不純物原子
としてはＳｉ以外にＺｎが用いられた例もある。エレク
トロニクス・レターズ誌（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬ
ｅｔｔｅｒｓ）２０巻、９号、３８３〜３８４頁（１９
８４年、４月２６日発行）やジャパニーズ・ジャーナル
・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃ
ｓ）２４巻、８号、Ｌ６４７〜Ｌ６４９頁（１９８５
年、８月発行）、最近では第５０回応用物理学会学術講
演会、講演予稿集、２７ｐ−ＺＧ−３、８７９頁（１９
８９年、９月２７日発行）にその例がある。これらのＺ
ｎの拡散はいずれも素子の全面にＳｉ₃Ｎ₄膜を形成した
後、反射面を形成しようとする領域にエッチングで窓を
開け、石英のアンプル内に固体のＺｎＡｓ₂と共に真空
内で封入し、６００℃程度の温度で加熱し、Ｚｎを含む
雰囲気ガスより拡散させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は次のような点である。従来の技術では、Ｓｉ
の拡散源としてＳｉ自体を真空中で蒸着し、熱拡散させ
ているが、量子井戸活性層まで拡散させるには、８５０
℃で７．５時間とかなり長い時間が必要である。このよ
うな高温で長い時間熱処理すると、結晶成長時にｐ及び
ｎの導伝型を形成するために添加した不純物が少なから
ず拡散し、再分布する。これが量子井戸活性層内まで拡
散した場合には、非発光再結合の準位を形成し、発振を
始めるのに必要な閾値電流の増加や電流から光への変換
効率の低下、さらには信頼性への悪影響を与える可能性
がある。またウィンドウ領域ではＳｉが、拡散させた半
導体表面から量子井戸活性層にかけ、かなり高濃度で導
入され、電子濃度の非常に高い、すなわち電気抵抗の低
いｎの導伝型が形成される。そのためＳｉ拡散後、レー
ザ素子の半導体表面から再度Ｚｎを高濃度で拡散してや
らないと、ｐ側電極より注入した電流がウィンドウ領域
からｎ側の半導体基板へかなり漏れてしまい、発振に寄
与しない無効電流が増加する心配がある。さらに拡散源
として形成したＳｉ膜はウェットエッチングで選択的に
取り除くことは難しいため、Ａｒイオンなどを用いたド
ライエッチングが必要であり、これらのプロセスはレー
ザ素子の生産性を大きく低下させる原因になる。

【０００６】また不純物としてＺｎを用いた場合、Ｚｎ
の半導体中での拡散係数が大きく拡散が速いために、Ｓ
ｉとは異なり６００℃程度の低い温度で十分深くまで拡
散させることができる。しかし逆にそのため拡散深さや
濃度の制御が難しい。拡散温度、拡散時間、Ａｓ圧、拡
散領域の表面状態等の微妙な違いによりＺｎ拡散プロフ
ァイルが大きく変化してしまう。このため例えばｎ−Ｇ
ａＡｓ基板にまでＺｎ拡散が及ぶとそこで接合電圧の低
いＧａＡｓのｐｎ接合が形成されるためそこに電流が漏
れてしまう可能性がある。また逆に拡散が浅いと無秩序
化が充分に行われず、良好な高出力特性が得られない可
能性がある。またレーザ素子の表面からＺｎを拡散させ
るために表面から活性層までの距離の許容範囲が狭く、
ウェハ内の層厚の不均一性により素子の歩留まりや特性
の均一性が低下してしまう心配がある。またＳｉの場合
と同様、ウィンドウ部は活性層を貫いて低抵抗のｐ型領
域となるため、ここを通して電流が漏れないために、レ
ーザ素子のウィンドウ上部に絶縁性の誘電体膜を設け
た、電極自体をエッチングで取り除くプロセスが必要で
ある。さらにＺｎの場合には、以上のような問題を除い
ても、拡散によって原子配列が平均化した活性層が、拡
散していない活性層からのレーザ発振光に対して、かな
り吸収損失が大きいことが一般的に言われており、高出
力レーザ素子のウィンドウ部を形成するための拡散不純
物としては、適しているとは言えない。

【０００７】本発明は高出力で単一横モードで安定して
動作できる高出力半導体レーザ素子の簡便なプロセスに
よって生産性の高い製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の構成によ
れば、量子井戸を活性層とする半導体レーザにおいて、
ＡｌをIII族元素の混晶比で５０％以上含んだ半導体層
上にＳｉＯ₂膜を堆積させた領域１を形成した後、８０
０℃以上の高温で保持し、領域１下の量子井戸を無秩序
化させ、その無秩序化された領域に於てレーザ素子の共
振器面を構成することにより、無秩序化された共振器面
を含む領域の活性層が、レーザ素子の共振器面近傍を除
く、無秩序化していないレーザ素子の中央部分の活性層
に比べ、実効的に大きなエネルギーギャップを有するよ
うにすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法
が得られる。

【０００９】また本発明の第２の構成によれば、第１の
構成の半導体レーザ素子の製造方法において、領域１に
おける量子井戸活性層とＳｉＯ₂膜との間の半導体の層
厚を０．５μｍ以下に薄くし、８００℃以上の高温で保
持して領域１下の量子井戸を無秩序化させた後、ＳｉＯ
₂膜を除去し、さらに新たに半導体層をエピタキシャル
成長することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法
が得られる。

【００１０】また本発明の第３の構成によれば、第２の
構成の半導体レーザ素子の製造方法において、ＳｉＯ₂
膜を除去した後、領域１以外の領域ではIII族元素にお
けるＡｌの混晶比が３０％未満にした半導体層を表面に
露出させ、その上に新たに半導体層をエピタキシャル成
長することを特徴とする半導体レーザの製造方法が得ら
れる。

【００１１】また本発明の第４の構成によれば、第１又
は第２の構成の半導体レーザの製造方法において、領域
１以外の領域においては、最も表面にはＡｌを含まない
半導体層が露出しており、レーザ素子の全面にＳｉＯ₂
膜を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造
方法が得られる。

【００１２】さらに本発明の第５の構成によれば、第４
の構成の半導体レーザ素子の製造方法において、領域１
以外の領域に形成するＡｌを含まない半導体層の層厚
を、量子効果によってレーザの発振光を吸収しない程度
に薄くすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方
法が得られる。

【００１３】

【作用】量子井戸構造を有するＡｌを含む半導体上にＳ
ｉＯ₂膜を形成し、８００℃以上の高温で熱処理するこ
とによりＳｉＯ₂膜内のＳｉが半導体内に拡散し、量子
井戸構造の原子配列を平均化することがアプライド・フ
ィジックス・レターズ誌（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）４９巻、９号，５１０〜５１２
頁（１９８６年、９月１日発行）に記載されている。さ
らにＳｉＯ₂膜をＡｌを含む半導体表面に形成すること
により、半導体表面上にＳｉのみを形成した場合と比較
して、同じ熱処理条件に於いても、より深い領域にまで
Ｓｉが拡散する現象を見いだしたことがアプライド・フ
ィジックス・レターズ誌（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉ
ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ）５４巻、１３号、１２６５〜１
２６７頁（１９８９年、３月２７日発行）に記載されて
いる。すなわちＳｉＯ₂膜を拡散源とすることにより、
Ｓｉそのものを拡散源とするよりも、同じ熱処理温度で
も時間をより短くでき、レーザ素子に与える悪影響を少
なく抑えることができる。さらにこの論文によれば、Ｓ
ｉＯ₂膜を拡散源とした場合、Ｓｉが拡散した領域は高
抵抗になることを見いだし、これが膜から同時に拡散し
たＯによるキャリヤー補償であると推測している。また
ＳｉＯ₂膜をＡｌを含まない半導体表面に形成した場合
には、Ｓｉの拡散が起きないことがジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス誌（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）６１巻、４号、１３
７２〜１３７９頁（１９８７年、２月１５日発行）に記
載されている。

【００１４】本発明は量子井戸を活性層とする半導体レ
ーザにおいて、Ａｌを含んだ半導体層上にＳｉＯ₂膜を
堆積させた領域１を形成した後、８００℃以上の高温で
保持し、領域１下の量子井戸を無秩序化させ、その無秩
序化させた領域に於てレーザ素子の共振器の反射面を構
成することにより、無秩序化された共振器面を含む領域
の活性層が、レーザ素子の反射面近傍を除く、無秩序化
していないレーザ素子の中央部分の活性層に比べ、実効
的に大きなエネルギーギャップを有し、反射面近傍に於
けるレーザ発振光の吸収を少なくすることにより、従来
のレーザ素子より高い出力でしかも単一横モードで安定
して動作する半導体レーザ素子の、簡便でしかも生産性
の高い製造方法を提供するものである。

【００１５】

【実施例】図１〜図６は、請求項１に記載の発明の実施
例を示す工程図であり、レーザ素子の製作手順を表すも
のである。まず、ｎ型＜１００＞ＧａＡｓ基板１１上に
ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（例えばｘ＝０．５）クラッド層
１２を１．５μｍ、続けて導伝型を形成する不純物をま
ったく含まないＧａＡｓとＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ（例えばｙ
＝０．３）を交互に積層した多重量子井戸活性層１３、
ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（例えばｚ＝０．５）クラッド層
１４、そしてオーミック抵抗を得るためのｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層１５を一様に形成する。形成する手法は気
相エピタキシャル成長法でもよいし、あるいは分子線エ
ピタキシャル成長法でもよい。量子井戸活性層１３内の
ＧａＡｓ層はすべて同じ層厚を持ち、また量子効果を得
るに十分な程度に薄くしておく（例えば７０Å）。また
ｐｎ両クラッドのＡｌ組成、すなわちｘとｚを同じ値に
しておけば、レーザ発振時の光強度が活性層１３で最大
値を取り、発振に必要な電流値を最小にすることができ
る。以上の層構造を形成後、レーザ素子の共振器形成方
向、例えば＜０，１，１＞方向に共振器を形成する場合
には、＜０，１，１＞方向に幅５０μｍでＧａＡｓコン
タクト層１５を、フォトリソグラフィ技術とエッチング
技術を利用して取り除き、ｐ型クラッド層１４を露出さ
せ、溝３を形成する。溝３は少なくとも２本以上平行に
形成し、溝と溝の間は適当な共振器長、例えば５００μ
ｍの幅でＧａＡｓコンタクト層が残るようにする。そし
て溝内に露出しているｐ型クラッド層１４上にＳｉＯ₂
膜１をスパッタリング法で４０００Å一様に形成する。
このＳｉＯ₂膜は他に真空蒸着法でも化学的気相堆積法
で形成してもよい。そして溝内以外のＳｉＯ₂膜をフォ
トリソグラフィ技術とウェットエッチングにより取り除
く。これをＡｓ雰囲気内で８００℃以上、例えば８５０
℃、３時間熱処理を行うと図１に示すように、溝内のＳ
ｉＯ₂膜１下の量子井戸活性層２３にＳｉが拡散し、Ｇ
ａＡｓとＡｌ_yＧａ_1-yＡｓの原子配列が乱れて無秩序
化し、溝間のもともとの活性層１３に比べ実効的にバン
ドギャップが広がる。

【００１６】次に図２に示すように溝３内のＳｉＯ₂膜
１をウェットエッチングで除去した後、新たにＳｉＯ₂
膜を３０００Å一様に形成し、フォトリソグラフィ技術
とエッチング技術を利用して共振器と平行な＜０，１，
１＞方向に１０μｍの幅でストライプ状のＳｉＯ₂膜２
を形成する。

【００１７】次に図３に示すように、このストライプ状
のＳｉＯ₂膜２を保護マスクとしてＳｉＯ₂膜２下以外
に露出しているＧａＡｓコンタクト層１５を選択的なウ
ェットエッチング技術、例えば過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）と
アンモニア（ＮＨ₃ ＯＨ）を主な成分とするエッチング
溶液を用いて取り除く。

【００１８】さらにこのストライプ状のＳｉＯ₂ 膜２を
保護マスクとして、燐酸（Ｈ₂ＰＯ₄）と過酸化水素（Ｈ
₂Ｏ₂）を主な成分とするエッチング溶液を用いて、ｐ型
クラッド層１４をエッチングしてＳｉＯ₂ 膜下のｐクラ
ッド層をメサ形状に加工する。その際ストライプ状のＳ
ｉＯ₂膜下から十分離れた位置において活性層上にｐク
ラッド層を０．２〜０．３μｍ残すようにメサを形成す
れば、高出力動作時でも安定した単一横モードが維持で
きる横方向の屈折率分布が得られる。これを気相エピタ
キシャル成長法を用いてメサ状のｐクラッド層の側部を
ｎ型ＧａＡｓ１６で埋め込み、電流をメサ領域以外に流
さないような電流狭窄構造が完成する。図４は埋め込み
成長直後の様子を示した図である。気相エピタキシャル
成長法ではＳｉＯ₂膜２上にＧａＡｓが形成されないの
で、埋め込み成長後でもＳｉＯ₂膜２はそのまま表面に
露出しており、これをウェットエッチング技術により選
択的に除去することは容易である。またｎ型ＧａＡｓの
代わりにｎ型Ｇａ_0.5Ｉｎ₀ _.5Ｐを用いても選択的な埋め
込み成長が可能である、しかもＧａＡｓで埋め込んだ場
合に比べて活性層からのレーザ発振光の吸収が少ないの
で、より高い効率でレーザ素子から光を取り出すことが
できる。

【００１９】埋め込み成長後、ＳｉＯ₂膜２をウェット
エッチングにより取り除き、ｐｎ両半導体面上に電極１
０１、１０２を形成し、先に原子の配列を乱した活性層
の領域４で＜０，１，−１，＞方向にへき開し、レーザ
素子が完成する。図５は完成したレーザ素子を示した図
である。

【００２０】図６には完成したレーザ素子の構造をより
分かり易く説明するための断面構造を示す。この図より
分かるようにこのレーザ素子は共振器の反射面近傍の活
性層２３が素子中央部の活性層１３に比べバンドギャッ
プが広く、中央部の活性層で発生するレーザ発振光に対
して透明になる。そのため高出力動作時でも反射面近傍
の活性層における発熱が少なく、安定動作が可能にな
る。また反射面近傍の活性層２３のバンドギャップの拡
大に加え、反射面近傍のｐクラッド層はＳｉと同時に拡
散したＯによるキャリヤー補償効果により高抵抗化して
おり、加えて反射面近傍では先の製造プロセスによって
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５が除去され、ｐ型ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層１４上に電極１０２が形成されている
ためオーミック抵抗が大きく、反射面近傍にはきわめて
電流が流れにくい構造になっている。このため活性層２
３やその露出している表面準位を通して流れる無効電流
は抑えられ、高出力動作時の信頼性をより高めることが
できる。また従来例に比べ、熱処理時間が約半分に短縮
されたこと、Ｓｉの拡散源であるＳｉＯ₂膜がウェット
エッチングによって容易に除去できる点でレーザ素子の
生産性が大幅に向上する。

【００２１】図７〜図１０は請求項２に記載の発明の実
施例を示す工程図であり、レーザ素子の製造方法を示し
た図である。この実施例では量子井戸活性層とＳｉＯ₂
膜との距離、すなわち間のｐクラッド層厚を薄くするこ
とにより、従来例及び請求項１の実施例に比べ、より短
い時間あるいは低い温度でＳｉ拡散による活性層の無秩
序化を起こさせ、レーザ素子を作製する実施例を示した
ものである。まず図７に示すようにｎ型ＧａＡｓ基板１
１上にｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層１２を１．５μ
ｍ、ＧａＡｓとＡｌ_yＧａ_1-yＡｓの積層からなる量子井
戸活性層１３、さらにｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓクラッド層
１４を０．５μｍ形成する。ｐ型クラッド層１４上にＳ
ｉＯ₂膜１を４０００Å一様に形成し、フォトリソグラ
フィ技術とウェットエッチングにより、＜０，１，−１
＞方向に５０μｍの幅で、少なくとも２本以上のＳｉＯ
2 膜のストライプ１を形成する。ＳｉＯ₂膜のストライ
プ１とストライプ１の間は５００μｍ離しておく。これ
をＡｓ雰囲気の中で８５０℃、１時間熱処理することに
より、ＳｉＯ₂膜ストライプ１の下の量子井戸活性層２
３は、Ｓｉの拡散により原子配列が乱れて無秩序化し、
ＳｉＯ₂膜１の形成されていない領域の活性層１３に比
べ、実効的に大きなバンドギャップを有する。実験によ
れば、ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓクラッド層（ｚ＝０．５の
場合）の層厚を０．５μｍ以下とすることにより、８５
０℃で１時間以下の熱処理で、レーザの発振光に対して
透明となるのに十分な、活性層のバンドギャップの拡大
が可能であることが分かっており、さらに薄くすればよ
り短い時間であるいは低い温度で、同じ効果を得ること
ができることがわかっている。

【００２２】次に図８に示すように熱処理後、ＳｉＯ₂
膜のストライプ１をウェットエッチングによりすべて取
り除き、気相エピタキシャル成長法によりｐ型クラッド
層１４と同じＡｌ組成を持つｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ層２
４を１μｍ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１５を１μｍ形
成する。

【００２３】次に図９に示すように、コンタクト層１５
上に一様にＳｉＯ₂膜を形成した後、フォトリソグラフ
ィ技術とウェットエッチングにより、＜０，１，１＞方
向に幅１０μｍのＳｉＯ₂膜のストライプ２を形成し、
そのＳｉＯ₂膜のストライプ２をマスクとしてウェット
エッチング技術によりｐ型コンタクト層１５及びｐ型Ａ
ｌＧａＡｓ層２４、１４をメサ状に加工し最後にメサ側
面をｎ型ＧａＡｓ１６で埋め込むことによりレーザ構造
が完成される。このエッチング及び埋め込み成長の詳細
については先の請求項１の実施例と同じである。

【００２４】最後にＳｉＯ₂膜２を除去した後、ｐｎ両
電極１０１、１０２を形成し、活性層にＳｉを拡散させ
た領域４で＜０，１，−１＞方向にへき開して、反射面
を形成することにより高出力半導体レーザ素子が完成す
る。図１０は完成した素子を示した図である。量子井戸
活性層の無秩序化の際にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層を
０．５μｍ以下に薄くすることにより、熱処理時間が従
来例及び請求項１の実施例に比べ、大幅に短縮できるた
め、熱処理によるレーザ素子の特性の悪化や信頼性への
悪影響を最小限に抑えることができ、また生産性もいっ
そう向上することができる。

【００２５】図１１〜図１４は請求項３に記載の発明の
実施例の工程図であり、高出力レーザ素子の製造方法を
示した図である。まず図１１に示すようにｎ型ＧａＡｓ
基板１１上にｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層１２を
１．５μｍ、ＧａＡｓとＡｌ_yＧａ_1-yＡｓの積層から
なる量子井戸活性層１３、さらにｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ
クラッド層１４を０．５μｍ形成し、最後にｐ型Ａｌ_r
Ｇａ_1-rＡｓ層３４を０．１μｍ形成する。最後に形成
したＡｌＧａＡｓ層３４のＡｌ組成は０．３以下とし、
例えばここではｒ＝０．３としたが活性層からの発振光
を吸収しない大きなバンドギャップを持つ組成の範囲内
で値を下げてもよい。フォトリソグラフィ技術とウェッ
トエッチング技術により＜０，１，−１＞方向に５０μ
ｍの幅で最後に形成したｐ型ＡｌＧａＡｓ層３４を取り
除き、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１４を露出させた溝
３を形成する。全面にＳｉＯ₂膜を形成し、フォトリソ
グラフィ技術とウェットエッチングにより、溝内のＳｉ
Ｏ₂膜２を残してＡｌＧａＡｓ層３４上のＳｉＯ₂膜を
除去する。８５０℃、１時間の熱処理により溝３内のＳ
ｉＯ₂膜２下の量子井戸活性層２３にＳｉを拡散させ、
原子配列を乱し実効的にバンドギャップを拡大する。

【００２６】次に図１２に示すように溝３内のＳｉＯ₂
膜をウェットエッチングにより取り除き、気相エピタキ
シャル成長法によりｐ型クラッド層１４と同じＡｌ組成
のｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４を１μｍ、ｐ型ＧａＡｓコン
タクト層１５を１μｍ形成する。従来より、酸素雰囲気
中、例えば大気中に露出させたＡｌＧａＡｓ上に新たに
半導体層を成長する場合、表面に露出したＡｌ原子が酸
化しているために成長界面における電気抵抗の増大やキ
ャリヤーの再結合、表面形状の悪化が避けられず、レー
ザ素子に限らずデバイス作製の際の大きな障害になって
いる。ＧａやＡｓの酸化に比べ、ＡｌとＯとは結合力が
強く、エピタキシャル成長時の条件を工夫しても、例え
ば成長時の加熱温度を上げても、Ｏとの結合を切り、良
好な表面状態を作り出すことは難しい。しかし下地とな
るＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成を下げることにより、先に
あげた障害が改善される。特にＡｌ組成を０．３以下に
下げることにより、ＧａＡｓ上に成長した場合と遜色の
ない電気的特性の得られることを実験によって確かめて
いる。

【００２７】次に図１３に示すように、ＧａＡｓコンタ
クト層１５上に一様にＳｉＯ₂膜を形成した後、フォト
リソグラフィ技術とウェットエッチングにより＜０，
１，１＞方向に幅１０μｍのＳｉＯ₂膜のストライプ２
を形成し、そのＳｉＯ₂膜のストライプ２をマスクとし
てウェットエッチング技術によりｐ型ＧａＡｓコンタク
ト層１５及びｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４、３４をメサ状に
加工し最後にメサ側面をｎ型ＧａＡｓ１６で埋め込むこ
とによりレーザ構造が完成される。このエッチング及び
埋め込み成長の詳細については先の請求項１の実施例と
同様である。

【００２８】最後にＳｉＯ₂膜２を除去した後、ｐｎ両
電極１０１、１０２を形成し、活性層にＳｉを拡散させ
た領域４で＜０，１，−１＞方向にへき開を行い、反射
面を形成することにより高出力半導体レーザ素子が完成
する。図１４は完成したレーザ素子の構造を分かり易く
説明するために素子断面の層構造を示した図である。

【００２９】図１５は請求項４に記載の発明の実施例と
して、高出力レーザ素子の製造工程を示した図である。
ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッ
ド層１２を１．５μｍ、量子井戸活性層１３、ｐ型Ａｌ
_zＧａ_1-zＡｓクラッド層１４を１．５μｍ、ｐ型ＧａＡ
ｓコンタクト層１５を１μｍ、一様に形成した後、フォ
トリソグラフィ技術とウェットエッチング技術により＜
０，１，−１＞方向に５０μｍの幅でＧａＡｓコンタク
ト層１５を取り除いて溝３を形成し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
クラッド層１４を露出させる。全面にＳｉＯ₂膜１を一
様に形成した後、８５０℃、３時間熱処理することによ
り、溝３下の量子井戸活性層２３のみにＳｉが拡散し、
原子配列が乱れ実効的にバンドギャップが広がる。これ
はＳｉＯ₂膜１に直接接触しているＧａＡｓコンタクト
層１５がＳｉＯ₂膜１からのＳｉの拡散を抑えるためで
あり、コンタクト層１５下は熱処理後でも量子井戸活性
層１３は元の原子配列を維持している。請求項１の実施
例と異なる点は、ＳｉＯ₂膜１を全面に形成した状態で
熱処理していることであり、ＧａＡｓ、ここではコンタ
クト層１５を拡散を抑えるマスクとしても利用している
点である。

【００３０】熱処理を行った後、フォトリソグラフィ技
術とウェットエッチングにより全面に形成したＳｉＯ₂
膜を、＜０，１，１＞方向に１０μｍの幅を残して取り
除き、ＳｉＯ₂膜のストライプを形成すれば、レーザ素
子は請求項の実施例に関する図２、図３、図４の工程と
まったく同じ工程でレーザ素子を作製することができ
る。

【００３１】図１６〜図１８は請求項５に記載の発明の
実施例として、高出力半導体レーザ素子の製造工程を示
した図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にｎ型Ａｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓクラッド層１２を１．５μｍ、量子井戸活性
層１３、ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓクラッド層１４を０．５
μｍ、最後に薄いｐ型ＧａＡｓ層４４を成長する。ｐ型
ＧａＡｓ層４４の層厚はここでは例として５０Åとす
る。成長後フォトリソグラフィ技術とウェットエッチン
グ技術により＜０，１，−１＞方向に５０μｍの幅で表
面のＧａＡｓ層４４を取り除いてｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ
クラッド層１４を露出させた溝３を形成する。全面にＳ
ｉＯ₂膜１を一様に形成した後、８５０℃、１時間熱処
理することにより、ｐクラッド層１４を露出させた溝３
下の量子井戸活性層２３のみにＳｉが拡散し、原子配列
が乱れ実効的にバンドギャップが広がる（図１６）。Ｓ
ｉＯ₂膜１下のＧａＡｓ層４４は５０Åと薄くても、そ
の下のＡｌＧａＡｓ層１４にＳｉが拡散しないことは実
験的に確かめている。

【００３２】次に図１７に示すように全面のＳｉＯ₂膜
をウェットエッチングにより取り除いた後、気相エピタ
キシャル成長法を用いてｐ型クラッド層１４と同じＡｌ
組成のｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ層２４を１μｍ、ｐ型Ｇａ
Ａｓコンタクト層１５を１μｍ形成する。

【００３３】次に図１８に示すようにＧａＡｓコンタク
ト層１５上に一様にＳｉＯ₂膜を形成した後、フォトリ
ソグラフィ技術とウェットエッチングにより、＜０，
１，１＞方向に幅１０μｍのＳｉＯ₂膜のストライプ２
を形成し、そのＳｉＯ₂膜のストライプ２をマスクとし
てウェットエッチング技術によりｐ型コンタクト層１５
及びｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４、４４をメサ状に加工し、
最後にメサ側面をｎ型ＧａＡｓ１６で埋め込むことによ
りレーザ構造が完成される。このエッチング及び埋め込
み成長については先の請求項１の実施例に詳細に述べら
れている。

【００３４】そしてｐｎ両電極１０１、１０２を形成
し、Ｓｉ拡散により実効的にバンドギャップの広がった
活性層２３の領域で、＜０，１，−１＞方向にへき開し
反射面を形成することによりレーザ素子が完成する。図
１９は本実施例により製造されたレーザ素子の構造をよ
り分かり易く説明するための断面構造を示している。通
常、活性層上０．５μｍと近い位置にＧａＡｓ層を形成
すると、活性層からの発振光を吸収してしまいレーザ素
子の発振特性が悪化するが、本実施例のようにＧａＡｓ
の層厚を５０Å程度に薄くすることにより量子効果が現
れて実効的にバンドギャップが広がり、発振光を吸収し
ない。このように薄いＧａＡｓ層を拡散マスクとして用
いることにより、レーザ素子を作製する過程において、
特にマスクとしたＧａＡｓ層が活性層に近く、その上に
さらに半導体層を形成する場合でも、ＧａＡｓ層を除去
する必要がない。さらにＧａＡｓ層上の成長となるた
め、その再成長界面がレーザ素子に与える電気的悪影響
を最小限に抑えることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明により単一横モードで安定した高
出力動作が可能な高出力半導体レーザ素子を生産性よく
製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図２】請求項１に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図３】請求項１に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図４】請求項１に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図５】請求項１に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図６】請求項１に記載した発明の一実施例で製造され
た半導体レーザ素子の構造を示す部分破断斜視図であ
る。

【図７】請求項２に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図８】請求項２に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図９】請求項２に記載した発明の一実施例の一工程で
形成される構造を示す斜視図である。

【図１０】請求項２に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１１】請求項３に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１２】請求項３に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１３】請求項３に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１４】請求項３に記載した発明の一実施例で製造さ
れた半導体レーザ素子の構造を示す部分破断斜視図であ
る。

【図１５】請求項４に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１６】請求項５に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１７】請求項５に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１８】請求項５に記載した発明の一実施例の一工程
で形成される構造を示す斜視図である。

【図１９】請求項５に記載した発明の一実施例で製造さ
れた半導体レーザ素子の構造を示す部分破断斜視図であ
る。

【図２０】従来の高出力ウィンドウレーザ素子の製造方
法における一工程で製造された構造を示す斜視図であ
る。

【図２１】従来の高出力ウィンドウレーザ素子の製造方
法における一工程で製造された構造を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ＳｉＯ₂膜２ＳｉＯ₂膜３溝４量子井戸活性層が無秩序化した領域１１ｎ型ＧａＡｓ基板１２ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層１３ＧａＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ量子井戸活性層１４ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓクラッド層１５ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１６ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層２３無秩序化したＧａＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ量子
井戸活性層２４ｐ型Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ層３４ｐ型Ａｌ_rＧａ_1-rＡｓ層４４ｐ型ＧａＡｓ層１０１ｎ側電極１０２ｐ側電極１１１ｎ型ＧａＡｓ基板１１２ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１３量子井戸活性層１１４ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１１５ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２３無秩序化した量子井戸活性層１２４Ｚｎ拡散したｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１４０Ｓｉ拡散領域１５０プロトン注入高抵抗領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子井戸を活性層とする半導体レーザに
おいて、ＡｌをIII族元素の混晶比で５０％以上含んだ
半導体層上にＳｉＯ₂膜を堆積させた領域１を形成した
後、８００℃以上の高温で保持し、領域１下の量子井戸
を無秩序化させ、その無秩序化させた領域に於てレーザ
素子の共振器面を構成することにより、無秩序化された
共振器面を含む領域の活性層が、レーザ素子の共振器面
近傍を除く無秩序化していないレーザ素子の中央部分の
活性層に比べ、実効的に大きなエネルギーギャップを有
するようにすることを特徴とする半導体レーザ素子の製
造方法。
【請求項２】請求項１に記載の半導体レーザ素子の製
造方法において、領域１における量子井戸活性層とＳｉ
Ｏ₂膜との間の半導体の層厚を０．５μｍ以下に薄く
し、８００℃以上の高温で保持して領域１下の量子井戸
を無秩序化させた後、ＳｉＯ₂膜を除去し、その上に新
たに半導体層をエピタキシャル成長することを特徴とす
る半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】請求項２に記載の半導体レーザ素子の製
造方法において、ＳｉＯ₂膜を除去した後、領域１以外
の領域ではIII族元素におけるＡｌの混晶比を３０％未
満にした半導体層を表面に露出させ、その上に新たに半
導体層をエピタキシャル成長することを特徴とする半導
体レーザの製造方法。
【請求項４】請求項１又は２に記載の半導体レーザの
製造方法において、領域１以外の領域においては、最も
表面にＡｌを含まない半導体層を形成しておき、レーザ
素子の全面にＳｉＯ₂膜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。
【請求項５】請求項４に記載の半導体レーザ素子の製
造方法において、領域１以外の領域に形成するＡｌを含
まない半導体層の層厚を、量子効果によってレーザの発
振光を吸収しない程度に十分薄くすることを特徴とする
半導体レーザ素子の製造方法。