半導体レーザ素子及びその作製方法
【課題】 Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を有し、しかもしきい値電流が低く、量子効率が高い半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】 本半導体レーザ素子２０は、端面発光型であって、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、下部ｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ＡｌＩｎＡｓ層２５、上部ｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７からなる積層構造を備えている。積層構造のうち、ｎ−ＩｎＰクラッド層の上層部、活性層、下部ｐ−ＩｎＰクラッド層、ＡｌＩｎＡｓ層、上部ｐ−ＩｎＰクラッド層、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層は、ストライプ状リッジ３３として形成されている。ＡｌＩｎＡｓ層のリッジ側面部は、ＡｌＩｎＡｓ層２５中のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層２８となっている。活性層の形成面では、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層として、ＩｎＰ埋め込み層３４が、中央領域の活性層の側縁からリッジ側面まで連続して設けられている。
【解決手段】 本半導体レーザ素子２０は、端面発光型であって、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、下部ｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ＡｌＩｎＡｓ層２５、上部ｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７からなる積層構造を備えている。積層構造のうち、ｎ−ＩｎＰクラッド層の上層部、活性層、下部ｐ−ＩｎＰクラッド層、ＡｌＩｎＡｓ層、上部ｐ−ＩｎＰクラッド層、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層は、ストライプ状リッジ３３として形成されている。ＡｌＩｎＡｓ層のリッジ側面部は、ＡｌＩｎＡｓ層２５中のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層２８となっている。活性層の形成面では、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層として、ＩｎＰ埋め込み層３４が、中央領域の活性層の側縁からリッジ側面まで連続して設けられている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を有する半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、低しきい値電流、高量子効率等のレーザ特性が良好で、製品歩留りを高くできる構成を備えた半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ素子では、Ａｌを含む半導体層を発光領域の積層構造の一部として成膜し、Ａｌを含む半導体層中のＡｌを選択的に酸化させてＡｌ酸化層を形成し、そのＡｌ酸化層を電流ブロッキング層、即ち電流狭窄構造として用いることが行われている。
【０００３】ここで、図７を参照して、Ａｌ酸化層を電流ブロッキング層として用いた従来の半導体レーザ素子の構成を説明する。図７は従来の半導体レーザ素子の断面模式図である。従来の半導体レーザ素子１５は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図７に示すように、厚さ約１００μm のｎ−ＩｎＰ基板１と、ｎ−ＩｎＰ基板１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７からなる積層構造を備えている。積層構造のうち、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４の上層部、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ１２として形成されている。また、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５のリッジ側面部は、Ａｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層８となっている。
【０００４】リッジ上部の窓１３を除く領域上にＳｉＮX 膜９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極１０が、リッジ上部の窓１３の領域を含めてＳｉＮX 膜９上に、及びｎ側電極１１がｎ−ＩｎＰ基板裏面にそれぞれ形成されている。
【０００５】本半導体レーザ素子１５では、Ａｌ酸化層８が電気的絶縁特性を有すると共に光学的にも屈折率が低下しているので、Ａｌ酸化膜８により電流及び光の閉じ込めを行うことができる優れた閉じ込め構造が形成されている。
【０００６】次に、図８を参照して、従来の半導体レーザ素子１５の作製方法を説明する。図８（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の半導体レーザ素子１５を作製する際の工程毎の基板断面を示す縦断面図である。先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７を成膜して、図８（ａ）に示すように、積層構造を形成する。次に、ＳｉＯ2膜からなるマスク１４をコンタクト層７上に形成し、続いてマスク１４を使って、コンタクト層７、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５をエッチングして除去し、、更に、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４をその途中までエッチングして除去し、図８（ｂ）に示すように、幅１０μｍのストライプ状リッジ１２を形成する。次に、マスク１４を除去し、水蒸気中にて、約５００℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５のＡｌをリッジ側面から選択的に酸化させ、図８（ｃ）に示すように、Ａｌ酸化層８を形成する。
【０００７】次に、リッジ上部の窓１３を除く領域上にＳｉＮX 膜９を保護膜として形成する。続いて、ｎ−ＩｎＰ基板１の厚さが１００μｍ程度の厚さになるように基板裏面を研磨し、ｐ側電極１０をリッジ上部の窓１３の領域を含めてＳｉＮX 膜９上に、及びｎ側電極１１を基板裏面にそれぞれ形成する。これにより、図７に示す半導体レーザ素子１５を作製することができる。
【０００８】半導体レーザ素子の上述した作製方法は、閉じ込め構造の形成を除き、基本的には、通常のリッジ型の端面発光型半導体レーザ素子の作製方法と同じであるものの、次の利点を有する。即ち、上述した作製方法では、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５を結晶成長させ、次いで酸化させる、一回の結晶成長及び酸化工程にて、閉じ込め構造を形成することができるので、ｐ−半導体層とｎ−半導体層とを成膜して、リッジ構造を埋め込み、ｐ−ｎ接合分離により形成した通常の閉じ込め構造の形成方法に比べて、製造工程が簡単で、素子の歩留まり向上や低コスト化が期待できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有する上述した従来の半導体レーザ素子は、活性層を含むメサを埋め込むＢＨ型構造を有する半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が高く、また量子効率が低いという問題があった。
【００１０】そこで、本発明の目的は、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を有し、しかもしきい値電流が低く、量子効率が高い半導体レーザ素子を提供し、その作製方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者は、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有する、上述の従来の端面発光型の半導体レーザ素子で、しきい値電流が高くなる原因を追求した結果、次のことが判った。すなわち、一般的なリッジ導波路型レーザを含めて、上述のようなリッジ構造を有する半導体レーザ素子では、図９に示すように、活性層３がリッジ幅全幅にわたり連続して延在しているものの、発光領域１６は、閉じ込め層の電気的開口部１８（ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５）から矢印のように広がって外側領域１７に注入された領域、すなわち、活性層３の中央領域にのみある。そして、発光領域１６の両脇にある外側領域１７の半導体層の組成は発光領域と同じ組成であることから、当然のこととして、光吸収が外側領域１７で発生し、光損失（α）が生じる。この光損失により、しきい値電流が高くなり、また量子効率が低下するということが判った。
【００１２】そこで、本発明者は、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層、即ち光吸収を行わない透明な半導体層で活性層３の発光領域１６の外側領域１７を構成することにした。そして、これにより、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有し、しかも活性層脇で光吸収が生じない構成を備え、従来の作製方法と比べて作製工程を増やすことなく作製できる半導体レーザ素子を実現することにした。
【００１３】上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子において、活性層の形成面では、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層が、形成面の中央領域に設けられた活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層に連続して設けられていることを特徴としている。
【００１４】本発明で、閉じ込め構造は、活性層のいずれの側、即ち活性層の半導体基板側又は半導体基板と反対側にあっても、また、その双方にあっても良い。活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層は、活性層よりバンドギャップ・エネルギーが大きく、かつ、半導体基板と格子整合する限りその種類を問わないが、好適には、バンドギャップ・エネルギーが活性層より少なくとも１００ｍｅＶ以上の大きな半導体層、例えばクラッド層と同じ組成の半導体による埋め込み層にする。
【００１５】本発明に係る半導体レーザ素子を作製する方法は、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させ、Ａｌ酸化層を生成する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴としている。
【００１６】本発明方法では、活性層のエッチングは、ウエットエッチング法、例えば硫酸系のエッチング液を使ってエッチングする。溝を埋め込む手法には制約はなく、通常のエピタキシャル成長法により溝を埋め込むことができるが、好適には、溝をバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で埋め込む工程では、マストランスポートにより溝を埋め込む。ここで、マストランスポートとは、Ｐ（リン）雰囲気下で熱処理を施すことにより、両側のクラッド層の結晶を溝内に移動されて溝を埋め込む手法を言う。
【００１７】また、本発明に係る半導体レーザ素子を作製する方法では、熱処理を施すことにより、Ａｌを含む半導体層を酸化させるとともに、同時に、マストランスポートにより、溝を埋め込むようにすることもできる。その際には、本発明に係る半導体レーザ素子を作製する方法は、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させＡｌ酸化層を生成すると共に、マストランスポートにより活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１本実施形態例は、ｎ−ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザ素子に、本発明に係る半導体レーザ素子を適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。本実施形態例の半導体レーザ素子２０は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ約１００μm のｎ−ＩｎＰ基板２１と、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７からなる積層構造を備えている。
【００１９】積層構造のうち、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２の上層部、活性層２３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ３３として形成されている。また、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５のリッジ側面部は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５中のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層２８となっている。活性層２３の形成面では、活性層２３よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層として、ＩｎＰ埋め込み層３４が、中央領域の活性層２３の側縁からリッジ側面まで連続して設けられている。
【００２０】リッジ上部の窓３０を除く領域上にＳｉＮX 膜２９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極３１が、リッジ上部の窓３０の領域を含めてＳｉＮX 膜２９上に、及びｎ側電極３２がｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面にそれぞれ形成されている。
【００２１】図２及び図３を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子の作製方法を示す。図２（ａ）から（ｃ）及び図３（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。先ず、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及び、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７を成膜して、図２（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
【００２２】次に、コンタクト層２７上にＳｉＯ2膜を成膜し、パターニングしてストライプ状のマスク３５を形成する。続いて、マスク３５を使って、コンタクト層２７、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、活性層２３をエッチングして除去し、更にｎ−ＩｎＰクラッド層２２をその途中までをエッチングして除去し、図２（ｂ）に示すように、幅Ｗが１０μｍのストライプ状リッジ３３を形成する。
【００２３】次に、水蒸気中にて約４５０℃から５２０℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、図２（ｃ）に示すように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５をリッジ３３の側面から酸化させ、中央領域に幅Ｗａのｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５を残留させつつ、その外側のＡｌＩｎＡｓ層のＡｌを選択に酸化してＡｌ酸化層２８を形成する。
【００２４】次いで、硫酸系のエッチング液にて活性層２３を側面からエッチングして、図３（ｄ）に示すように、中央領域に幅Ｗl の活性層２３を残すと共に、活性層２３の側縁からリッジ側面まで活性層２３の膜厚と同じ溝幅の溝３６を形成する。
【００２５】続いて、ＰＨ3 雰囲気中にて熱処理を積層構造に施すことにより、上下のＩｎＰクラッド層２２、２４からＩｎＰ結晶のマストランスポートが起こり、図３R>３（ｅ）に示すように、活性層２３の両脇の溝３６をＩｎＰ埋め込み層３４で埋め込む。そして、活性層２３ではｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５の開口幅Ｗａよりも電流が広がるので、活性層２３の幅をＷl 、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５の開口幅をＷａとしたとき、これを考慮して、Ｗl ＞Ｗａとすることが望ましい。尚、電流の広がり量は、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４の厚さと電気抵抗率でほぼ決まる。
【００２６】次に、図１に示すように、リッジ上部を除く領域にＳｉＮｘ膜２９を形成する。更に、ｎ−ＩｎＰ基板２１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、ＳｉＮｘ膜２９上にｐ型電極３１、ｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面にｎ側電極３２をそれぞれ形成する。これにより、図１に示す本実施形態例の半導体レーザ素子２０を作製することができる。
【００２７】本実施形態例の半導体レーザ素子では、活性層２３の形成面では、活性層２３からなる発光領域以外の部分が、バンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層、即ちレーザ発振光に対して透明なＩｎＰ層３４で置き換えられているので、従来の半導体レーザ素子で問題となっていた光吸収が生じない。即ち、作製工程を複雑化することなしに、従来の半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が低く、量子効率の高い半導体レーザ素子を作製することができる。尚、本実施形態例では、マストランスポートの工程を独立して設けて行ったが、工程を簡略化するために、ＡｌＩｎＡｓ層の酸化処理する際の熱処理と同時に行っても良い。この時には、活性層のエッチング、すなわち溝３６の形成はリッジ３３を形成した後に行う。そして、酸化工程では、前記基板上にフェイス・ツウ・フェイス（Face to Face）にして、他のＩｎＰ基板をダミー基板として被せることにより、熱処理時に前記ダミー基板からｐが抜けるので、ｐ圧をかけることができ、マストランスポートを生じさせることができる。
【００２８】実施形態例２本実施形態例は、ｐ−ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザ素子に、本発明に係る半導体レーザ素子を適用した実施形態の一例であって、図４は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ約１００μm のｐーＩｎＰ基板４１と、ｐーＩｎＰ基板４１上に順次形成された、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層４５、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、及びｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７からなる積層構造を備えている。
【００２９】積層構造のうち、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２の上層部、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、活性層４５、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、及びｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ５３として形成されている。また、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３のリッジ側面部は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３中のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層４８となっている。活性層４５の形成面では、活性層４５よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層として、ＩｎＰ埋め込み層５４が、中央領域の活性層４５の側縁からリッジ側面まで連続して設けられている。
【００３０】リッジ上部の窓５０を除く領域上にＳｉＮX 膜４９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極５１がリッジ上部の窓５０の領域を含めてＳｉＮX 膜４９上に、及びｎ側電極５２がｐーＩｎＰ基板４１の裏面にそれぞれ形成されている。
【００３１】図５及び図６を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子の作製方法を示す。図５（ａ）から（ｃ）及び図６（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。先ず、ｐーＩｎＰ基板４１上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層４５、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、及び、ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７を成膜して、図５（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
【００３２】次に、コンタクト層４７上にＳｉＯ2膜を成膜し、パターニングしてストライプ状のマスク５５を形成する。続いて、マスク５５を使って、コンタクト層４７、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、活性層４５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３をエッチングして除去し、更に第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２をその途中までエッチングして除去し、図５（ｂ）に示すように、幅Ｗが１０μｍのストライプ状リッジ５３を形成する。
【００３３】次に、水蒸気中にて約４５０℃から５２０℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、図５（ｃ）に示すように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３をリッジ５３の側面から酸化させ、中央領域に幅Ｗａのｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３を残留させつつ、その外側のＡｌＩｎＡｓ層のＡｌを選択に酸化してＡｌ酸化層４８を形成する。
【００３４】次いで、硫酸系のエッチング液にて活性層４５を側面からエッチングして、図６（ｄ）に示すように、中央領域に幅Ｗl の活性層４５を残すと共に、活性層４５の側縁からリッジ側面まで活性層４５の膜厚と同じ溝幅の溝５６を形成する。
【００３５】続いて、ＰＨ3 雰囲気中にて熱処理を積層構造に施すことにより、上下ＩｎＰクラッド層４４、４６からＩｎＰ結晶のマストランスポートが起こり、図６（ｅ）に示すように、活性層４５の両脇の溝５６をＩｎＰ埋め込み層５４で埋め込む。そして、活性層４５では、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３の開口幅Ｗａよりも電流が広がるので、活性層４５の幅をＷl 、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３の開口幅をＷａとしたとき、これを考慮して、Ｗl ＞Ｗａとすることが望ましい。尚、電流の広がり量は、ｐ−ＩｎＰクラッド層４４の厚さと抵抗率でほぼ決まる。
【００３６】次に、図４に示すように、リッジ上部を除く領域にＳｉＮｘ膜４９を形成する。更に、ｐーＩｎＰ基板４１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、ＳｉＮｘ膜４９上にｐ型電極５１、ｐーＩｎＰ基板４１の裏面にｎ側電極５２をそれぞれ形成する。これにより、図４に示す本実施形態例の半導体レーザ素子４０を作製することができる。
【００３７】本実施形態例の半導体レーザ素子では、活性層４５の形成面では、活性層４５からなる発光領域以外の部分が、バンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層、即ちレーザ発振光に対して透明なＩｎＰ層５４で置き換えられているので、従来の半導体レーザ素子で問題となっていた光吸収が生じない。即ち、作製工程を複雑化することなしに、従来の半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が低く、量子効率が高い半導体レーザ素子を実現することができる。尚、本実施形態例では、マストランスポートの工程を独立して設けて行ったが、工程を簡略化するために、酸化処理の熱処理と同時に行っても良い。この時には、活性層のエッチング、すなわち溝３６の形成は、リッジ３３を形成した後に行う。そして、酸化工程では、前記基板上にフェイス・ツウ・フェイス（Face to Face）にして、他のＩｎＰ基板をダミー基板として被せることにより、熱処理時に前記ダミー基板からｐが抜けるので、ｐ圧をかけることができ、マストランスポートを生じさせることができる。
【００３８】上述の実施形態例では、リッジを有する端面発光型半導体レーザ素子を例にして説明しているが、メサポストを有する面発光型半導体レーザ素子に適用する際には、リッジ形に加工することに代えて、メサポスト形に加工すれば良い。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、中央領域に設けられた活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層に連続して、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層を設けて、発光領域脇で光吸収が生じないようにすることにより、しきい値電流が低く、量子効率の高い半導体レーザ素子を実現している。また、本発明方法は、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有し、しかもレーザ特性の良好な半導体レーザ素子を、作製工程を複雑化させることなしに、作製する方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図３】図３（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、図２（ｃ）に続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図４】実施形態例２の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図６】図６（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、図５（ｃ）に続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図７】従来の面発光型半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の面発光型レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図９】従来の端面発光型の半導体レーザ素子で、しきい値電流が高くなる原因を説明する図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
３ 活性層
４ 第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
５ ＡｌＩｎＡｓ層
６ 第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８ Ａｌ酸化層
９ ＳｉＮX 膜
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１２ リッジ
１３ 窓
１４ マスク
１５ 従来のＩｎＰ系の端面発光型半導体レーザ素子
２０ 実施形態例１の半導体レーザ素子
２１ ｎ−ＩｎＰ基板
２２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
２３ ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
２４ 第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
２５ ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層
２６ 第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
２７ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
２８ Ａｌ酸化層
２９ ＳｉＮX 膜
３０ 窓
３１ ｐ側電極
３２ ｎ側電極
３３ リッジ
３４ ＩｎＰ埋め込み層
３５ マスク
３６ 溝
４０ 実施形態例２の半導体レーザ素子
４１ ｐ−ＩｎＰ基板
４２ 第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
４３ ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層
４４ 第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
４５ ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
４６ ｎ−ＩｎＰクラッド層
４７ ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
４８ Ａｌ酸化層
４９ ＳｉＮX 膜
５０ 窓
５１ ｎ側電極
５２ ｐ側電極
５３ リッジ
５４ ＩｎＰ埋め込み層
５５ マスク
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を有する半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、低しきい値電流、高量子効率等のレーザ特性が良好で、製品歩留りを高くできる構成を備えた半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ素子では、Ａｌを含む半導体層を発光領域の積層構造の一部として成膜し、Ａｌを含む半導体層中のＡｌを選択的に酸化させてＡｌ酸化層を形成し、そのＡｌ酸化層を電流ブロッキング層、即ち電流狭窄構造として用いることが行われている。
【０００３】ここで、図７を参照して、Ａｌ酸化層を電流ブロッキング層として用いた従来の半導体レーザ素子の構成を説明する。図７は従来の半導体レーザ素子の断面模式図である。従来の半導体レーザ素子１５は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図７に示すように、厚さ約１００μm のｎ−ＩｎＰ基板１と、ｎ−ＩｎＰ基板１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７からなる積層構造を備えている。積層構造のうち、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４の上層部、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ１２として形成されている。また、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５のリッジ側面部は、Ａｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層８となっている。
【０００４】リッジ上部の窓１３を除く領域上にＳｉＮX 膜９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極１０が、リッジ上部の窓１３の領域を含めてＳｉＮX 膜９上に、及びｎ側電極１１がｎ−ＩｎＰ基板裏面にそれぞれ形成されている。
【０００５】本半導体レーザ素子１５では、Ａｌ酸化層８が電気的絶縁特性を有すると共に光学的にも屈折率が低下しているので、Ａｌ酸化膜８により電流及び光の閉じ込めを行うことができる優れた閉じ込め構造が形成されている。
【０００６】次に、図８を参照して、従来の半導体レーザ素子１５の作製方法を説明する。図８（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の半導体レーザ素子１５を作製する際の工程毎の基板断面を示す縦断面図である。先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７を成膜して、図８（ａ）に示すように、積層構造を形成する。次に、ＳｉＯ2膜からなるマスク１４をコンタクト層７上に形成し、続いてマスク１４を使って、コンタクト層７、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５をエッチングして除去し、、更に、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４をその途中までエッチングして除去し、図８（ｂ）に示すように、幅１０μｍのストライプ状リッジ１２を形成する。次に、マスク１４を除去し、水蒸気中にて、約５００℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５のＡｌをリッジ側面から選択的に酸化させ、図８（ｃ）に示すように、Ａｌ酸化層８を形成する。
【０００７】次に、リッジ上部の窓１３を除く領域上にＳｉＮX 膜９を保護膜として形成する。続いて、ｎ−ＩｎＰ基板１の厚さが１００μｍ程度の厚さになるように基板裏面を研磨し、ｐ側電極１０をリッジ上部の窓１３の領域を含めてＳｉＮX 膜９上に、及びｎ側電極１１を基板裏面にそれぞれ形成する。これにより、図７に示す半導体レーザ素子１５を作製することができる。
【０００８】半導体レーザ素子の上述した作製方法は、閉じ込め構造の形成を除き、基本的には、通常のリッジ型の端面発光型半導体レーザ素子の作製方法と同じであるものの、次の利点を有する。即ち、上述した作製方法では、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５を結晶成長させ、次いで酸化させる、一回の結晶成長及び酸化工程にて、閉じ込め構造を形成することができるので、ｐ−半導体層とｎ−半導体層とを成膜して、リッジ構造を埋め込み、ｐ−ｎ接合分離により形成した通常の閉じ込め構造の形成方法に比べて、製造工程が簡単で、素子の歩留まり向上や低コスト化が期待できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有する上述した従来の半導体レーザ素子は、活性層を含むメサを埋め込むＢＨ型構造を有する半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が高く、また量子効率が低いという問題があった。
【００１０】そこで、本発明の目的は、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を有し、しかもしきい値電流が低く、量子効率が高い半導体レーザ素子を提供し、その作製方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明者は、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有する、上述の従来の端面発光型の半導体レーザ素子で、しきい値電流が高くなる原因を追求した結果、次のことが判った。すなわち、一般的なリッジ導波路型レーザを含めて、上述のようなリッジ構造を有する半導体レーザ素子では、図９に示すように、活性層３がリッジ幅全幅にわたり連続して延在しているものの、発光領域１６は、閉じ込め層の電気的開口部１８（ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層５）から矢印のように広がって外側領域１７に注入された領域、すなわち、活性層３の中央領域にのみある。そして、発光領域１６の両脇にある外側領域１７の半導体層の組成は発光領域と同じ組成であることから、当然のこととして、光吸収が外側領域１７で発生し、光損失（α）が生じる。この光損失により、しきい値電流が高くなり、また量子効率が低下するということが判った。
【００１２】そこで、本発明者は、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層、即ち光吸収を行わない透明な半導体層で活性層３の発光領域１６の外側領域１７を構成することにした。そして、これにより、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有し、しかも活性層脇で光吸収が生じない構成を備え、従来の作製方法と比べて作製工程を増やすことなく作製できる半導体レーザ素子を実現することにした。
【００１３】上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子において、活性層の形成面では、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層が、形成面の中央領域に設けられた活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層に連続して設けられていることを特徴としている。
【００１４】本発明で、閉じ込め構造は、活性層のいずれの側、即ち活性層の半導体基板側又は半導体基板と反対側にあっても、また、その双方にあっても良い。活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層は、活性層よりバンドギャップ・エネルギーが大きく、かつ、半導体基板と格子整合する限りその種類を問わないが、好適には、バンドギャップ・エネルギーが活性層より少なくとも１００ｍｅＶ以上の大きな半導体層、例えばクラッド層と同じ組成の半導体による埋め込み層にする。
【００１５】本発明に係る半導体レーザ素子を作製する方法は、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させ、Ａｌ酸化層を生成する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴としている。
【００１６】本発明方法では、活性層のエッチングは、ウエットエッチング法、例えば硫酸系のエッチング液を使ってエッチングする。溝を埋め込む手法には制約はなく、通常のエピタキシャル成長法により溝を埋め込むことができるが、好適には、溝をバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で埋め込む工程では、マストランスポートにより溝を埋め込む。ここで、マストランスポートとは、Ｐ（リン）雰囲気下で熱処理を施すことにより、両側のクラッド層の結晶を溝内に移動されて溝を埋め込む手法を言う。
【００１７】また、本発明に係る半導体レーザ素子を作製する方法では、熱処理を施すことにより、Ａｌを含む半導体層を酸化させるとともに、同時に、マストランスポートにより、溝を埋め込むようにすることもできる。その際には、本発明に係る半導体レーザ素子を作製する方法は、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させＡｌ酸化層を生成すると共に、マストランスポートにより活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１本実施形態例は、ｎ−ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザ素子に、本発明に係る半導体レーザ素子を適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。本実施形態例の半導体レーザ素子２０は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ約１００μm のｎ−ＩｎＰ基板２１と、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７からなる積層構造を備えている。
【００１９】積層構造のうち、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２の上層部、活性層２３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ３３として形成されている。また、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５のリッジ側面部は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５中のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層２８となっている。活性層２３の形成面では、活性層２３よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層として、ＩｎＰ埋め込み層３４が、中央領域の活性層２３の側縁からリッジ側面まで連続して設けられている。
【００２０】リッジ上部の窓３０を除く領域上にＳｉＮX 膜２９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極３１が、リッジ上部の窓３０の領域を含めてＳｉＮX 膜２９上に、及びｎ側電極３２がｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面にそれぞれ形成されている。
【００２１】図２及び図３を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子の作製方法を示す。図２（ａ）から（ｃ）及び図３（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。先ず、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、及び、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２７を成膜して、図２（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
【００２２】次に、コンタクト層２７上にＳｉＯ2膜を成膜し、パターニングしてストライプ状のマスク３５を形成する。続いて、マスク３５を使って、コンタクト層２７、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層２６、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層２４、活性層２３をエッチングして除去し、更にｎ−ＩｎＰクラッド層２２をその途中までをエッチングして除去し、図２（ｂ）に示すように、幅Ｗが１０μｍのストライプ状リッジ３３を形成する。
【００２３】次に、水蒸気中にて約４５０℃から５２０℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、図２（ｃ）に示すように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５をリッジ３３の側面から酸化させ、中央領域に幅Ｗａのｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５を残留させつつ、その外側のＡｌＩｎＡｓ層のＡｌを選択に酸化してＡｌ酸化層２８を形成する。
【００２４】次いで、硫酸系のエッチング液にて活性層２３を側面からエッチングして、図３（ｄ）に示すように、中央領域に幅Ｗl の活性層２３を残すと共に、活性層２３の側縁からリッジ側面まで活性層２３の膜厚と同じ溝幅の溝３６を形成する。
【００２５】続いて、ＰＨ3 雰囲気中にて熱処理を積層構造に施すことにより、上下のＩｎＰクラッド層２２、２４からＩｎＰ結晶のマストランスポートが起こり、図３R>３（ｅ）に示すように、活性層２３の両脇の溝３６をＩｎＰ埋め込み層３４で埋め込む。そして、活性層２３ではｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５の開口幅Ｗａよりも電流が広がるので、活性層２３の幅をＷl 、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５の開口幅をＷａとしたとき、これを考慮して、Ｗl ＞Ｗａとすることが望ましい。尚、電流の広がり量は、ｐ−ＩｎＰクラッド層２４の厚さと電気抵抗率でほぼ決まる。
【００２６】次に、図１に示すように、リッジ上部を除く領域にＳｉＮｘ膜２９を形成する。更に、ｎ−ＩｎＰ基板２１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、ＳｉＮｘ膜２９上にｐ型電極３１、ｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面にｎ側電極３２をそれぞれ形成する。これにより、図１に示す本実施形態例の半導体レーザ素子２０を作製することができる。
【００２７】本実施形態例の半導体レーザ素子では、活性層２３の形成面では、活性層２３からなる発光領域以外の部分が、バンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層、即ちレーザ発振光に対して透明なＩｎＰ層３４で置き換えられているので、従来の半導体レーザ素子で問題となっていた光吸収が生じない。即ち、作製工程を複雑化することなしに、従来の半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が低く、量子効率の高い半導体レーザ素子を作製することができる。尚、本実施形態例では、マストランスポートの工程を独立して設けて行ったが、工程を簡略化するために、ＡｌＩｎＡｓ層の酸化処理する際の熱処理と同時に行っても良い。この時には、活性層のエッチング、すなわち溝３６の形成はリッジ３３を形成した後に行う。そして、酸化工程では、前記基板上にフェイス・ツウ・フェイス（Face to Face）にして、他のＩｎＰ基板をダミー基板として被せることにより、熱処理時に前記ダミー基板からｐが抜けるので、ｐ圧をかけることができ、マストランスポートを生じさせることができる。
【００２８】実施形態例２本実施形態例は、ｐ−ＩｎＰ基板上に形成された半導体レーザ素子に、本発明に係る半導体レーザ素子を適用した実施形態の一例であって、図４は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。本実施形態例の半導体レーザ素子４０は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ約１００μm のｐーＩｎＰ基板４１と、ｐーＩｎＰ基板４１上に順次形成された、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層４５、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、及びｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７からなる積層構造を備えている。
【００２９】積層構造のうち、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２の上層部、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、活性層４５、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、及びｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ５３として形成されている。また、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３のリッジ側面部は、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３中のＡｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層４８となっている。活性層４５の形成面では、活性層４５よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層として、ＩｎＰ埋め込み層５４が、中央領域の活性層４５の側縁からリッジ側面まで連続して設けられている。
【００３０】リッジ上部の窓５０を除く領域上にＳｉＮX 膜４９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極５１がリッジ上部の窓５０の領域を含めてＳｉＮX 膜４９上に、及びｎ側電極５２がｐーＩｎＰ基板４１の裏面にそれぞれ形成されている。
【００３１】図５及び図６を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子の作製方法を示す。図５（ａ）から（ｃ）及び図６（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。先ず、ｐーＩｎＰ基板４１上に、ＭＯＣＶＤ法により、順次、第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層４５、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、及び、ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層４７を成膜して、図５（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
【００３２】次に、コンタクト層４７上にＳｉＯ2膜を成膜し、パターニングしてストライプ状のマスク５５を形成する。続いて、マスク５５を使って、コンタクト層４７、ｎ−ＩｎＰクラッド層４６、活性層４５、第二のｐ−ＩｎＰクラッド層４４、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３をエッチングして除去し、更に第一のｐ−ＩｎＰクラッド層４２をその途中までエッチングして除去し、図５（ｂ）に示すように、幅Ｗが１０μｍのストライプ状リッジ５３を形成する。
【００３３】次に、水蒸気中にて約４５０℃から５２０℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、図５（ｃ）に示すように、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３をリッジ５３の側面から酸化させ、中央領域に幅Ｗａのｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３を残留させつつ、その外側のＡｌＩｎＡｓ層のＡｌを選択に酸化してＡｌ酸化層４８を形成する。
【００３４】次いで、硫酸系のエッチング液にて活性層４５を側面からエッチングして、図６（ｄ）に示すように、中央領域に幅Ｗl の活性層４５を残すと共に、活性層４５の側縁からリッジ側面まで活性層４５の膜厚と同じ溝幅の溝５６を形成する。
【００３５】続いて、ＰＨ3 雰囲気中にて熱処理を積層構造に施すことにより、上下ＩｎＰクラッド層４４、４６からＩｎＰ結晶のマストランスポートが起こり、図６（ｅ）に示すように、活性層４５の両脇の溝５６をＩｎＰ埋め込み層５４で埋め込む。そして、活性層４５では、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３の開口幅Ｗａよりも電流が広がるので、活性層４５の幅をＷl 、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層４３の開口幅をＷａとしたとき、これを考慮して、Ｗl ＞Ｗａとすることが望ましい。尚、電流の広がり量は、ｐ−ＩｎＰクラッド層４４の厚さと抵抗率でほぼ決まる。
【００３６】次に、図４に示すように、リッジ上部を除く領域にＳｉＮｘ膜４９を形成する。更に、ｐーＩｎＰ基板４１を１００μｍ程度の厚さに研磨し、ＳｉＮｘ膜４９上にｐ型電極５１、ｐーＩｎＰ基板４１の裏面にｎ側電極５２をそれぞれ形成する。これにより、図４に示す本実施形態例の半導体レーザ素子４０を作製することができる。
【００３７】本実施形態例の半導体レーザ素子では、活性層４５の形成面では、活性層４５からなる発光領域以外の部分が、バンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層、即ちレーザ発振光に対して透明なＩｎＰ層５４で置き換えられているので、従来の半導体レーザ素子で問題となっていた光吸収が生じない。即ち、作製工程を複雑化することなしに、従来の半導体レーザ素子に比べて、しきい値電流が低く、量子効率が高い半導体レーザ素子を実現することができる。尚、本実施形態例では、マストランスポートの工程を独立して設けて行ったが、工程を簡略化するために、酸化処理の熱処理と同時に行っても良い。この時には、活性層のエッチング、すなわち溝３６の形成は、リッジ３３を形成した後に行う。そして、酸化工程では、前記基板上にフェイス・ツウ・フェイス（Face to Face）にして、他のＩｎＰ基板をダミー基板として被せることにより、熱処理時に前記ダミー基板からｐが抜けるので、ｐ圧をかけることができ、マストランスポートを生じさせることができる。
【００３８】上述の実施形態例では、リッジを有する端面発光型半導体レーザ素子を例にして説明しているが、メサポストを有する面発光型半導体レーザ素子に適用する際には、リッジ形に加工することに代えて、メサポスト形に加工すれば良い。
【００３９】
【発明の効果】本発明によれば、中央領域に設けられた活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層に連続して、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層を設けて、発光領域脇で光吸収が生じないようにすることにより、しきい値電流が低く、量子効率の高い半導体レーザ素子を実現している。また、本発明方法は、Ａｌ酸化層による閉じ込め構造を有し、しかもレーザ特性の良好な半導体レーザ素子を、作製工程を複雑化させることなしに、作製する方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図３】図３（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、図２（ｃ）に続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図４】実施形態例２の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図６】図６（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ、図５（ｃ）に続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図７】従来の面発光型半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の面発光型レーザ素子を作製する際の工程毎の積層構造を示す基板断面図である。
【図９】従来の端面発光型の半導体レーザ素子で、しきい値電流が高くなる原因を説明する図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
３ 活性層
４ 第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
５ ＡｌＩｎＡｓ層
６ 第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８ Ａｌ酸化層
９ ＳｉＮX 膜
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１２ リッジ
１３ 窓
１４ マスク
１５ 従来のＩｎＰ系の端面発光型半導体レーザ素子
２０ 実施形態例１の半導体レーザ素子
２１ ｎ−ＩｎＰ基板
２２ ｎ−ＩｎＰクラッド層
２３ ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
２４ 第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
２５ ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層
２６ 第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
２７ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
２８ Ａｌ酸化層
２９ ＳｉＮX 膜
３０ 窓
３１ ｐ側電極
３２ ｎ側電極
３３ リッジ
３４ ＩｎＰ埋め込み層
３５ マスク
３６ 溝
４０ 実施形態例２の半導体レーザ素子
４１ ｐ−ＩｎＰ基板
４２ 第一のｐ−ＩｎＰクラッド層
４３ ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層
４４ 第二のｐ−ＩｎＰクラッド層
４５ ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
４６ ｎ−ＩｎＰクラッド層
４７ ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
４８ Ａｌ酸化層
４９ ＳｉＮX 膜
５０ 窓
５１ ｎ側電極
５２ ｐ側電極
５３ リッジ
５４ ＩｎＰ埋め込み層
５５ マスク
【特許請求の範囲】
【請求項１】 活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子において、活性層の形成面では、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層が、形成面の中央領域に設けられた活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層に連続して設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】 形成面の中央領域に設けられた活性層の横断寸法は、閉じ込め構造の電気的開口部の横断寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】 活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子の作製方法であって、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させ、Ａｌ酸化層を生成する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項４】 バンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程が、マストランスポートにより行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項５】 活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子の作製方法であって、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させＡｌ酸化層を生成すると共に、マストランスポートにより活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項１】 活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子において、活性層の形成面では、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体層が、形成面の中央領域に設けられた活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層に連続して設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】 形成面の中央領域に設けられた活性層の横断寸法は、閉じ込め構造の電気的開口部の横断寸法より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】 活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子の作製方法であって、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させ、Ａｌ酸化層を生成する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項４】 バンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程が、マストランスポートにより行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子の作製方法。
【請求項５】 活性層と、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層によって、活性層の少なくとも一方の側に形成された閉じ込め構造とを有し、ストライプ状リッジ形又はメサポスト形に形成された積層構造を半導体基板上に有する半導体レーザ素子の作製方法であって、半導体基板上に、少なくとも、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、及び、Ａｌを含む半導体層を結晶成長させて積層構造を形成する工程と、積層構造をストライプ状リッジ形又はメサポスト形に加工する工程と、活性層をリッジ側面又はメサポスト側面からエッチングして、中央領域に活性層を残すと共に、活性層の側縁からリッジ側面又はメサポスト側面まで活性層の膜厚と同じか又は幅広の溝を積層構造に形成する工程と、熱処理を施して、Ａｌを含む半導体層を酸化させＡｌ酸化層を生成すると共に、マストランスポートにより活性層よりもバンドギャップ・エネルギーの大きい半導体で溝を埋め込む工程とを備えていることを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０００−１５１０１７（Ｐ２０００−１５１０１７Ａ）
【公開日】平成１２年５月３０日（２０００．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−３１４２０７
【出願日】平成１０年１１月５日（１９９８．１１．５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年５月３０日（２０００．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年１１月５日（１９９８．１１．５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]