JPH0697589A - 半導体レーザアレイ素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便なプロセスで信頼性の高い半導体レーザ
アレイ素子を提供すること。 【構成】 ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓクラッド層２、アンドープＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ光閉じ込
め層、アンドープＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ量子井戸層、アンド
ープＡｌ_yＧａ_1-yＡｓ光閉じ込め層、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-x
Ａｓクラッド層６、ｐ−ＧａＡｓキャップ層７を順次積
層し、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層６の一部を化学
的エッチングにより除去して中心間距離１０〜３０μｍ
の間隔を持ち、互いに独立に駆動できる少なくとも２個
の活性領域１８ａ、ｂを持つ半導体レーザアレイ素子を
製造する。クラッド層６からエッチングでメサストライ
プ９を形成した後、ストライプ９の底部からシリコンを
拡散して量子井戸層４を含む活性層を無秩序化するため
の熱処理時間を短縮させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザアレイ素
子に関し、特に独立駆動可能な複数の発振部を備えた半
導体レーザアレイ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】独立駆動可能な複数のレーザ発振部を備
えた半導体レーザアレイ素子はレーザビームプリンター
あるいは光ディスク装置の光源として優れた特徴をも
つ。例えばレーザビームプリンターに使用した場合、ビ
ームスキャンに用いられるポリゴンミラーの回転速度を
変えることなく、単一ビームのものに比べ実質的なスキ
ャン速度をビーム数倍高めることができる。また、光デ
ィスク装置に使用した場合、複数のビームを同一トラッ
ク上に集光して、情報の記録・再生・消去を連続して同
時に処理したり、あるいは複数トラック上に集光して、
記録・再生を並行して、または同時に行うことにより、
情報の転送速度を単一ビームのものに比べ数倍高めるこ
とができる、などの利点である。

【０００３】ところで、半導体レーザアレイ素子から出
射される複数のレーザビームは、装置の構成が簡略で位
置精度が高く、熱などの外乱に対して安定であるために
同一のレンズを通して集光されることが望ましい。とこ
ろが、これに用いられるコリメートレンズの有効視野は
一般に２００〜３００μｍと狭く、レーザ発振部の間隔
が１００μｍ程度の半導体レーザアレイ素子ではビーム
数が２〜３と少ないものしか使用することができない。
そこで、近年、レーザ発振部の間隔が１０μｍ程度の半
導体レーザアレイ素子の開発が急がれている。

【０００４】図５は特開平２−３９５８３号公報に記載
されたレーザ発振部の間隔が狭いレーザアレイ素子の斜
視図である。レーザ基板はｎ−ＧａＡｓ基板３２上にＭ
ＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させたｎ−Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＡｓクラッド層３３、ダブルヘテロ構造の活性
層（あるいはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる量子井戸
構造の活性領域）３４、ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド
層３５、ｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層３６からなってい
る。ここではレーザアレイ素子を構成する２個以上の発
光部を形成するために「不純物拡散による半導体多層膜
の無秩序化（ＩＩＬＤ）」技術を用いている。最初に拡
散用マスクとして開口付きＳｉ₃Ｎ₄層（図示せず）がｐ
⁺−ＧａＡｓキャップ層３６上面に形成される。開口の
幅は５μｍ、間隔は１０μｍである。この開口からｎ形
不純物、例えばシリコンを選択的に拡散することにより
光および電流閉じ込め領域が作られる。活性領域３４ま
でシリコンが拡散すると、活性領域３４内のＡｌとＧａ
が混ざりあってＡｌＧａＡｓ合金が生成される。すなわ
ち、無秩序化領域３８が生じる。この時の拡散温度は８
００℃以上、典型的に８５０℃で水素雰囲気の石英管中
で１０時間程度の熱処理が行われる。

【０００５】この後ｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層３６全面
に渡ってｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層３６をわずかに超え
る程度の深さまで亜鉛の拡散を行い亜鉛拡散領域４２
（図５で二層に見えるキャップ層３６の下の部分は層で
はなく、亜鉛を拡散した跡を示す。すなわち、亜鉛がキ
ャップ層３６を突き抜けてクラッド層３５まで進入した
ことを示している。）を形成する。これにより良好なオ
ーム性接触が得られる。次に素子間を電気的に分離する
ためプロトン照射を亜鉛拡散領域を超える深さまで行っ
て絶縁性のバリア領域３７を形成する。最後に素子を独
立駆動させるため標準フォトリソグラフィ・リフトオフ
技術を使ってｐ側電極４０をパターニングし、裏面にも
ｎ側電極４１を蒸着する。

【０００６】このようにして作製された半導体レーザア
レイ素子は、活性領域３４の非無秩序化領域３８により
屈折率の高い導波路領域が残るから光導波性が高められ
る。また無秩序化領域３８とｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラ
ッド層３５の境界面および亜鉛拡散領域４２とシリコン
拡散領域（図示せず）の境界面にはｐｎ接合が生じ、こ
のｐｎ接合は活性領域３４とｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラ
ッド層３５の境界面に存在するｐｎ接合に比べ高いター
ンオン電圧を有していることに加えて、ｐｎ接合を壊し
て電気的に絶縁するバリア領域３７も形成されているか
ら、ほとんど活性領域３４に存在するｐｎ接合の横方向
の広がりが狭められ、注入された電流はほとんど活性領
域３４に存在するｐｎ接合の方へ流れる。以上よりレー
ザ発振部の間隔が１０μｍ以下で、独立駆動可能な半導
体レーザアレイ素子が実現できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来技術
の方法では、活性領域にのみ効率良く電流を注入するた
め、亜鉛の拡散によってｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド
層３５中にｐｎ接合を形成し、さらに、このｐｎ接合の
横方向の広がりを狭めるため、プロトン照射によってｐ
ｎ接合を部分的に破壊するという手間のかかるプロセス
を行う必要があった。またｐ⁺−ＧａＡｓキャップ層３
６上面から活性領域３４までシリコンを拡散して無秩序
化を生じさせるにはレーザ基板を高温の石英管中で長時
間熱処理をしなければならず、シリコンを拡散しない活
性領域３４においても熱変成が生じて素子の特性が悪化
するなど、素子の信頼性に著しい問題があった。本発明
はかかる問題点を解消するためになされたもので、本発
明の目的は、簡便なプロセスで信頼性の高い半導体レー
ザアレイ素子を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的は次の
構成で達成することができる。すなわち、第１導電型半
導体基板上に第１導電型クラッド層と、この第１導電型
クラッド層上に量子井戸構造を含む活性層と、この活性
層上に第２導電型クラッド層とを備え、この第２導電型
クラッド層の一部を化学的エッチングにより除去して形
成された中心間距離１０〜３０μｍの間隔を持つ少なく
とも２個のメサ・ストライプの各々のストライプ底部か
ら第１導電型不純物を熱的に拡散して量子井戸を含む活
性層を無秩序化することで形成されたレーザ発振に寄与
する少なくとも２個の活性領域を持つ半導体レーザアレ
イ素子、または、第１導電型半導体基板上に第１導電型
クラッド層と、この第１導電型クラッド層上に量子井戸
構造を含む活性層と、この活性層上に第２導電型クラッ
ド層とを形成する工程と、第２導電型クラッド層の一部
を化学的エッチングにより除去して中心間距離１０〜３
０μｍの間隔で少なくとも２個のメサ・ストライプを形
成する工程と、前記メサストライプの各々のストライプ
底部から第１導電型不純物を熱的に拡散して量子井戸を
含む活性層を無秩序化することで、レーザ発振に寄与す
る少なくとも２個の活性領域を形成する工程を含む半導
体レーザアレイ素子の製造方法である。

【０００９】

【作用】本発明によれば、第２導電型クラッド層の一部
を化学的エッチングにより除去してメサストライプを形
成し、このメサストライプ底部からシリコンを拡散して
量子井戸構造を含む活性層を無秩序化するため、拡散に
要する熱処理時間を大幅に短縮させることができる。

【００１０】

【実施例】本発明の実施例を図面とともに説明する。図
１は本実施例の半導体レーザアレイ素子の斜視図、図
２、図３はその製造方法を説明するための工程断面図、
図４は得られた半導体レーザアレイ素子のシリコン拡散
領域の拡大図である。

【００１１】まず図２（ａ）に示すようにｎ−ＧａＡｓ
基板１（ｎ＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ３５０μｍ）上に
ｎ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層２（ｎ＝２×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、ｘ＝０．５、厚さ１．０μｍ）、アンドープＡｌ
_yＧａ_1-yＡｓ光閉じ込め層３（ｙ＝０．３、厚さ０．１
μｍ）、アンドープＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ量子井戸層４（ｚ
＝０．１、厚さ１００Å、）、アンドープＡｌ_yＧａ_1-y
Ａｓ光閉じ込め層５（ｙ＝０．３、厚さ０．１μｍ）、
ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層６（ｐ＝１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、ｘ＝０．５、厚さ１．０μｍ）、ｐ−ＧａＡｓキ
ャップ層７（ｐ＝１×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ０．２μｍ）
をＭＯＣＶＤ装置により順次エピタキシャル成長する
（上記ｘ，ｙ，ｚは基本的にダブルヘテロ構造を構成す
るための条件であり、１≧ｘ＞ｙ＞ｚである。）。

【００１２】次に図２（ｂ）に示すようにレーザ基板上
にフォトリソグラフィによって幅５μｍのストライプ状
のフォトレジスト８を間隔１０μｍで形成し、これをマ
スクとしてＨ₂ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂：Ｈ₂Ｏ＝１：８：１００
なる組成のエッチャントによりｐ−ＧａＡｓキャップ層
７並びにｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層６の一部をエ
ッチング除去してメサストライプ９を形成する。エッチ
ングの深さは後に述べるシリコン拡散の時間を短縮する
ことに大きく影響するのでメサストライプ９の底部から
量子井戸層４までの距離が０．１μｍ程度になるように
時間で制御する。

【００１３】つづいて図２（ｃ）に示すように電子ビー
ム蒸着装置を使って拡散源のシリコン１０（厚さ１００
Å）を蒸着する。この時シリコン１０はメサストライプ
９の底部とともに、メサストライプ９を形成後にメサス
トライプ９の頭部に残っているフォトレジスト８上にも
蒸着されるが、これはレジストはく離液によってリフト
オフする。

【００１４】つづいて図３（ａ）に示すようにＲＦスパ
ッタリングによって拡散保護膜のＳｉＮｘ層１１（厚さ
０．１μｍ）を堆積し、ヒ素粒１０ｍｇとともに石英ア
ンプル内に封入（真空度６×１０^-6Ｔｏｒｒ）し、８５
０℃／２０分間の熱処理を行う。これにより、メサスト
ライプ９の底部を中心にシリコン１０が拡散して拡散領
域１２を形成し、この領域の量子井戸層４は無秩序化さ
れる。前記従来技術がの無秩序化領域を形成するための
熱処理時間が１０時間であったのに対して、本実施例で
は、それが２０分で良い。すなわち、本実施例ではｐ−
ＧａＡｓキャップ層７並びにｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラ
ッド層６の一部を除去してメサストライプ９を形成した
後、このメサストライプ９の底部からシリコンを拡散し
て量子井戸層４を含む活性層を無秩序化するための拡散
を要する熱処理時間を短縮させることができる。

【００１５】つづいて図３（ｂ）に示すようにフォトリ
ソグラフィによってメサストライプ９の頭部に幅３μｍ
の開口を持つフォトレジスト１３を形成して、これをマ
スクとしてバッファードＨＦエッチャントによりＳｉＮ
ｘ層１１に開口をあけ、電流ブロック層とする。フォト
レジストをはく離した後、図３（ｃ）に示すようにフォ
トリソグラフィによってｐ側分離電極（Ｃｒ／Ａｕ）１
４ａ、１４ｂを形成し、裏面はｎ−ＧａＡｓ基板１を１
００μｍ程度まで研磨してからｎ側電極（Ａｕ−Ｇｅ／
Ａｕ）１５を蒸着する。これを標準チッ素（水素３％を
含む）中で３５０℃／５分間の熱処理をして電極アロイ
を行う。最後に得られたこの素子をジャンクションアッ
プでｃ−ＢＮヒートシンク上にダイボンディングし、直
径３０μｍの金線を各発光部毎にワイヤボンディングし
て半導体レーザアレイ素子が完成する。以上の説明にお
いてはメサストライプが２個の場合について説明した
が、３個以上の場合も主なプロセスは全く同様である。

【００１６】次に得られた半導体レーザアレイ素子の動
作について図１の部分拡大図である図４により説明す
る。図４においてｐ側電極１４に注入された電流は電流
ブロック層１１によって狭くされ、ｐ−ＧａＡｓキャッ
プ層７を通ってｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層６に流
れ込む。ｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層６と拡散領域
１２の境界面にはｐｎ接合１６が生じ、このｐｎ接合１
６は無秩序化していない活性領域１８（図１の活性領域
１８ａ、１８ｂ）に存在するｐｎ接合１７に比べ高いタ
ーンオン電圧を有しているから、注入された電流の大部
分は活性領域１８に存在するｐｎ接合１７の方へ流れ
る。さらに無秩序化された拡散領域１２はＡｌ組成比が
元の値よりも増加するため屈折率が低下し、従って無秩
序化されていない活性領域１８は相対的に高い屈折率を
有することになり、光導波性が高められる。こうして、
結局拡散領域１２によって挟まれた活性領域１８におい
てリーク電流が小さく低しきい値電流かつ高効率のレー
ザ発振が得られる。ｐ側電極１４ｂに電流を注入した場
合も同様の結果が得られる。

【００１７】次に図１に示すｐ側電極１４ａ、ｂに独立
に電流が注入された場合について考えると、それぞれの
メサストライプ９の間は拡散領域１２によって電気的・
光学的に分離されている。さらに、電流ブロック層１１
によっても電気的分離が図られているからこれらに起因
するクロストークは極めて小さい。また図５に示すよう
な通常のプレーナ形半導体レーザアレイ素子で問題にな
る熱的クロストークについても、メサストライプ９によ
って発光部周辺のｐ−ＧａＡｓキャップ層７、並びにｐ
−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓクラッド層６の一部が除去されてい
るから、発光部から放出される熱の拡散が良く、蓄積し
にくい。したがって一方の素子のレーザ発振によって発
生した熱は容易は他方の素子に伝わらない。このことは
特に素数が３個以上に増えたとき効果が大きい。

【００１８】また、２０分間という前記従来技術の３０
分の１程度の短時間の熱処理で済ませることで、発光部
となる活性領域１８ａ、１８ｂにおける熱変成を抑制す
ることができる。さらに素子間で熱が伝わりにくい構造
であるため、従来の方式で最大の問題点であった熱的ク
ロストークが本質的に小さく、高性能・高信頼性の独立
駆動型半導体レーザアレイ素子を提供することができ
る。

【００１９】以上の実施例ではＡｌＧａＡｓ系半導体レ
ーザアレイ素子について示したが、ＡｌＧａＩｎＰ系や
ＩｎＧａＡｓＰ系材料よりなる半導体レーザアレイ素子
についても適用でき、同様の効果を得ることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、従来の方式では亜鉛の
拡散、プロトン照射といった手間のかかるプロセスを行
う必要があったのを省略でき、かつ短時間熱処理を行う
のみであるので、発光部となる活性領域における熱変成
を抑制することができる。さらに素子間で熱が伝わりに
くい構造であるため、従来の方式で最大の問題点であっ
た熱的クロストークが本質的に小さく、高性能・高信頼
性の独立駆動型半導体レーザアレイ素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の半導体レーザアレイ素子
を示す斜視図である。

【図２】 図１の半導体レーザアレイ素子の製造工程を
示す図である。

【図３】 図１の半導体レーザアレイ素子の製造工程を
示す図である。

【図４】 図１の半導体レーザアレイ素子の要部拡大図
である。

【図５】 従来のレーザー発振部の間隔が狭い半導体レ
ーザアレイ素子の斜視図である。

【符号の説明】

１…ｎ−ＧａＡｓ基板、２…ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド
層、３、５…アンドープＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層、４
…アンドープＡｌＧａＡｓ量子井戸層、６…ｐ−ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層、７…ｐ−ＧａＡｓキャップ層、８、
１３…フォトレジスト、９…メサストライプ、１０…シ
リコン、１１…ＳｉＮｘ層、１２…拡散領域、１４…ｐ
側電極、１５…ｎ側電極、１６、１７…ｐｎ接合、１８
…活性領域

フロントページの続き (72)発明者 乙間 広己 神奈川県海老名市本郷2274番地 富士ゼロ ックス株式会社海老名事業所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型半導体基板上に第１導電型ク
   ラッド層と、この第１導電型クラッド層上に量子井戸構
   造を含む活性層と、この活性層上に第２導電型クラッド
   層とを備え、この第２導電型クラッド層の一部を化学的
   エッチングにより除去して形成された中心間距離１０〜
   ３０μｍの間隔を持つ少なくとも２個のメサ・ストライ
   プの各々のストライプ底部から第１導電型不純物を熱的
   に拡散して量子井戸を含む活性層を無秩序化することで
   形成されたレーザ発振に寄与する少なくとも２個の活性
   領域を持つことを特徴とする半導体レーザアレイ素子。
2. 【請求項２】 第１導電型半導体基板上に第１導電型ク
   ラッド層と、この第１導電型クラッド層上に量子井戸構
   造を含む活性層と、この活性層上に第２導電型クラッド
   層とを形成する工程と、第２導電型クラッド層の一部を
   化学的エッチングにより除去して中心間距離１０〜３０
   μｍの間隔で少なくとも２個のメサ・ストライプを形成
   する工程と、前記メサストライプの各々のストライプ底
   部から第１導電型不純物を熱的に拡散して量子井戸を含
   む活性層を無秩序化することで、レーザ発振に寄与する
   少なくとも２個の活性領域を形成する工程を含むことを
   特徴とする半導体レーザアレイ素子の製造方法。