(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に第１導電型の下部クラッド層と、活性層と、第２導電型の第１上部クラッド層と、リッジ形状を有する第２導電型の第２上部クラッド層が形成され、前記リッジを挟むようにして前記第２上部クラッド層より屈折率が低くかつＡｌを含む電流ブロック層が形成され、前記リッジと前記電流ブロック層の上に前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する第２導電型の第３上部クラッド層が形成された半導体レーザであって、
前記リッジが逆メサ断面形状であり、
前記電流ブロック層は前記リッジの高さよりも薄く、かつ、前記リッジの側面を覆うように形成されており、
前記リッジの側面に形成された前記電流ブロック層の端部と前記第３上部クラッド層との界面が、前記第３上部クラッド層における前記リッジ上端面の上部の電流通路となる領域と対向しないように形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記逆メサ断面形状は、前記基板に対して、前記リッジが第２上部クラッド層と接する面の前記リッジ側の角度が９０°より大きく１３５°以下の範囲である請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記電流ブロック層は前記リッジの上面よりも前記第１導電型の半導体基板側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。
【請求項４】
前記第２上部クラッド層がＡｌＧａＩｎＰを含み、前記電流ブロック層がＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰを含み、前記第３上部クラッド層がＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰを含む請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２上部クラッド層がＡｌＧａＡｓを含み、前記電流ブロック層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを含み、前記第３上部クラッド層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを含む請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスクシステムの光源などに用いられる埋め込みリッジ型半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、録再型ＤＶＤや高倍速ＣＤ―Ｒ／ＲＷ等の光ディスクシステムの光源として高出力埋め込みリッジ型半導体レーザが積極的に開発されている。
【０００３】
図４はその一般的な構造を示したもので、基板２０１上にバッファ層２０２、下部クラッド層２０３、活性層２０４、第１上部クラッド層２０５、エッチング停止層２０６がこの順に形成され、エッチング停止層２０６の上にリッジ型の第２上部クラッド層２０７と中間層コンタクト２０８が形成され、リッジの側面および底面に電流ブロック層２０９が形成され、リッジの上面および電流ブロック層２０９の上にＧａＡｓコンタクト層２１０が形成されている。この半導体レーザ装置を高出力に対応させる場合には、活性層から光をしみ出させることにより活性層に分布する光強度を低減するが、このとき活性層からしみ出された光が光吸収体であるＧａＡｓコンタクト層２１０に吸収されると動作電流が増大しレーザ特性が低下する。そこでリッジの膜厚を厚くすることで活性層からＧａＡｓコンタクト層２１０までの距離を大きくしＧａＡｓコンタクト層に光が達するのを防止している。
【０００４】
しかしながらこの構造には次のような問題がある。高出力動作が要求される半導体レーザの場合にはキンク発生光出力が十分高いことが求められることから、リッジの幅は通常数μｍ以下と制限がある。従ってリッジの膜厚が厚い場合は高抵抗となり素子の動作電圧が高くなる。特にリッジが順メサ（底辺が広い台形）の場合、リッジの膜厚を厚くするとリッジの上端幅（電流通路幅）が狭くなるため、素子の直列抵抗増加による動作電圧の増大が顕著になる。
【０００５】
図５はこの課題を回避する特開２０００−３１５８５号公報に提案された従来の埋め込みリッジ型半導体レーザの構造図である。一般的な構造である図４と比較すると、リッジ部（３０７）および電流ブロック層とＧａＡｓコンタクト層３１３の間に第３上部クラッド層３１１が形成されている点のみが異なる。
【０００６】
前記従来例の製造方法を図６（ａ）〜（ｄ）に従って説明する。まず１回目の有機金属気相成長法（以下ＭＯＣＶＤ成長という）によりｎ型のＧａＡｓ基板３０１上にｎ型のＧａＡｓバッファ層３０２、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層３０３（膜厚１．３〜１．８μｍ）、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＩｎＰ層からなる活性層３０４（膜厚５０〜１００ｎｍ）、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第１上部クラッド層３０５（膜厚２２０〜４００ｎｍ）、ｐ型のＧａＩｎＰからなるエッチング停止層３０６（膜厚１０〜３０ｎｍ）、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２上部クラッド層３０７（膜厚０．６〜１．５μｍ）、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間コンタクト層３０８（膜厚１０〜３０ｎｍ）を形成する（図６（ａ））。そして、中間コンタクト層３０８の上にフォトリソグラフィ技術によりストライプ状のＳｉＯ２マスク３０９を形成し、このマスク３０９を用いて中間コンタクト層３０８および第２上部クラッド層３０７をエッチング停止層３０６までエッチングしてリッジを形成する（図６（ｂ））。次に２回目のＭＯＣＶＤ成長によりｎ型のＧａＡｓからなる電流ブロック層３１０をリッジの両側に選択的に成長する（図６（ｃ））。そしてＳｉＯ２マスク３０９を除去後、３回目のＭＯＣＶＤ成長によりリッジ部および電流ブロック層３１０の上にｐ型のＡｌＧａＩｎＰ（膜厚０．３〜１．０μｍ）からなる第３上部クラッド層３１１、ｐ型のＧａＩｎＰからなる中間バンドギャップ層３１２（膜厚３０〜１００ｎｍ）、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層３１３（膜厚０．５〜３．０μｍ）を成長する（図６（ｄ））。この第３上部クラッド層３１１が形成されていることにより、活性層とＧａＡｓコンタクト層の距離を十分に長く確保することができるので、図４の一般的な構造図のように、ＧａＡｓコンタクト層の光吸収を防止するためにリッジの膜厚を厚くする必要がない。従ってリッジ上端幅の狭小化は回避されるため、直列抵抗の増加による動作電圧の増大を招くことがないと報告されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の技術には次のような問題がある。すなわち、第３上部クラッド層は清浄な基板の上に成長を行う１回目の成長により形成されるのではなく、エッチング及び選択成長のプロセスを通過した後にリッジ上面および電流ブロック層の上に再成長により形成される。従ってその結晶性はリッジ上面および電流ブロック層の結晶性に影響を受ける。第３上部クラッド層の屈折率は光分布を活性層を中心としておおよそ対称にするために、下部クラッド層および第２上部クラッド層と同程度であることが望ましく、第３上部クラッド層のＡｌ組成は下部クラッド層および第２上部クラッド層と同程度である。よって、第３上部クラッド層はＡｌ組成が高いのでその結晶性はＧａＡｓコンタクト層の場合よりも、リッジ上面および電流ブロック層の結晶性に影響を受けやすいと考えられる。
【０００８】
実際に従来例では電流ブロック層としてｎ型のＧａＡｓが用いられているが、本発明者らは、電流ブロック層として導波路損失を低減しさらに低動作電流化を図るために、バンドギャップが活性層より大きいｎ型のＡｌＩｎＰを用いたところ、異常に動作電圧が大きくなりレーザ発振しないという問題が発生した。原因究明のため透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）解析を行った結果、図７（ａ）に示すようにｎ型のＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層のなかでリッジ側面上に成長している領域には転位が発生しており、その領域を起点としてｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第３上部クラッド層中へ向かって主に２方向に転位が発生していることが判明した。すなわちリッジ上端面の上部の電流通路となる領域内へ向かう方向と領域外へ向かう方向である。前者の方向に転位が発生したために、その領域での第３上部クラッド層のｐ型キャリアの活性化率が大幅に低下し高抵抗化したことがレーザ発振しない原因と考えられる。ｎ型のＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層のなかでリッジ側面上に成長している領域に転位が発生するのは、リッジの側面ではＡｌとＩｎの取り込まれる割合がリッジの底面とは異なるために、リッジの側面に形成されるＡｌＩｎＰはＧａＡｓと格子整合せず格子不整による歪が大きいためである。
【０００９】
一方、従来の一般的な構造と同様にリッジ上面および電流ブロック層の直上にｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第３上部クラッド層ではなくＧａＡｓコンタクト層を形成した場合は動作電圧は正常であった。
【００１０】
また従来例ではＡｌＧａＩｎＰからなる半導体レーザについて記述されているが、本発明者らが下部クラッド層、活性層、第１上部クラッド層、第２上部クラッド層、電流ブロック層および第３上部クラッド層をＡｌＧａＡｓとする半導体レーザを作製し動作させたところ、レーザ発振はするが動作電圧は大きくなる同様の問題が生じた。原因究明のためＴＥＭ解析を行った結果、図７（ｂ）に示すようにｎ型のＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層には転位は発生していないが、電流ブロック層とｐ型のＡｌＧａＡｓからなる第３上部クラッド層の界面付近を起点として第３上部クラッド層内でリッジ上端面の上部の電流通路となる領域内へ向かう方向に転位が発生していた。その領域での第３上部クラッド層のｐ型キャリアの活性化率が低下し高抵抗化したことが動作電圧増加の原因と考えられる。電流ブロック層とｐ型のＡｌＧａＡｓからなる第３上部クラッド層の界面付近に転位が発生するのは、Ａｌ組成の高い電流ブロック層が酸化されたためと考えられる。
【００１１】
一方、従来の一般的な構造と同様にリッジ上面および電流ブロック層の直上にｐ型のＡｌＧａＡｓからなる第３上部クラッド層ではなくＧａＡｓコンタクト層を形成した場合は動作電圧は正常であった。
【００１２】
以上のように電流ブロック層がＡｌを含む場合は、第３上部クラッド層の結晶性が劣化し動作電圧が大きくなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、動作電圧が低く高効率な埋込リッジ型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の半導体レーザは、第１導電型の半導体基板上に第１導電型の下部クラッド層と、活性層と、第２導電型の第１上部クラッド層と、リッジ形状を有する第２導電型の第２上部クラッド層が形成され、前記リッジを挟むようにして前記第２上部クラッド層より屈折率が低くかつＡｌを含む電流ブロック層が形成され、前記リッジと前記電流ブロック層の上に前記活性層よりも大きなバンドギャップを有する第２導電型の第３上部クラッド層が形成された半導体レーザであって、前記リッジが逆メサ断面形状であり、前記電流ブロック層は前記リッジの高さよりも薄く、かつ、前記リッジの側面を覆うように形成されており、前記リッジの側面に形成された前記電流ブロック層の端部と前記第３上部クラッド層との界面が、前記第３上部クラッド層における前記リッジ上端面の上部の電流通路となる領域と対向しないように形成されていることを特徴とする。
【００１５】
前記半導体レーザーにおいては、逆メサ断面形状は、前記基板に対して、前記リッジが第２上部クラッド層と接する面の前記リッジ側の角度が９０°より大きく１３５°以下の範囲が好ましい。
【００１６】
また、前記電流ブロック層は前記リッジの上面よりも前記第１導電型の半導体基板側に形成されていることが好ましい。
【００１７】
また、前記第２上部クラッド層がＡｌＧａＩｎＰを含み、前記電流ブロック層がＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰを含み、前記第３上部クラッド層がＡｌＧａＩｎＰまたはＡｌＩｎＰを含むか、あるいは、前記第２上部クラッド層がＡｌＧａＡｓを含み、前記電流ブロック層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを含み、前記第３上部クラッド層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを含むことが好ましい。
また前記第２上部クラッド層がＡｌＧａＡｓを含み、前記電流ブロック層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを含み、前記第３上部クラッド層がＡｌＧａＡｓまたはＡｌＡｓを含むことが好ましい。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１及び図２（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例の半導体レーザの模式的断面図および製造方法を示す説明図である。１回目のＭＯＣＶＤ成長により、ｎ型のＧａＡｓ基板１０１上にｎ型のＧａＡｓからなるＧａＡｓバッファ層１０２と、ｎ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる下部クラッド層１０３（ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚２．５μｍ）と、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ層（膜厚５ｎｍ）とＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層（膜厚８ｎｍ）の量子井戸構造からなる活性層１０４と、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる第１上部クラッド層１０５（ｐ＝７×１０１７ｃｍ−３、膜厚０．１μｍ）と、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層からなるエッチングストッパ層１０６（ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚１０ｎｍ）と、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる第２上部クラッド層１０７（ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚０．８μｍ）と、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層からなる中間コンタクト層１０８（ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚５ｎｍ）とを成長させた（図２（ａ））。
【００２０】
その後、フォトリソグラフィによりストライプ状のＳｉＮマスク１０９を逆メサ形状（底辺が短い台形）のリッジストライプが形成可能な方向、例えば［０１１］方向に形成し、フッ酸系のエッチャントによりエッチング停止層１０６までエッチングして逆メサ形状のリッジを形成した（図２（ｂ））。逆メサ形状は、基板に対して、リッジが第２上部クラッド層と接する面のリッジの角度が９０°より大きく１３５°以下の範囲が好まかった。
【００２１】
そして２回目のＭＯＣＶＤ成長でｎ型のＡｌ０．５６Ｇａ０．４４Ａｓからなる電流ブロック層１１０（ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚０．７μｍ）とｎ型ＧａＡｓキャップ層１１１（ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚０．１μｍ）を選択成長させた（図２（ｃ））。
【００２２】
次に、ＳｉＮマスク１０９をエッチング除去した後、３回目のＭＯＣＶＤ成長によりｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる第３上部クラッド層１１２（ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３、膜厚１．６μｍ）、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１３を成長させた（ｐ＝１×１０１９ｃｍ−３、膜厚３．０μｍ）（図２（ｄ））。
【００２３】
本実施例のリッジ付近のＴＥＭ解析結果を図３に示す。電流ブロック層１１０に起因する転位はリッジ上端面の上部の電流通路となる領域外へ向かっていることがわかる。これはリッジが逆メサ形状であるためリッジ側面に成長した電流ブロック層１１０の結晶方位が順メサの場合と異なるためである。よって第３上部クラッド層のうちリッジ上端面の上部の電流通路となる領域のｐ型キャリアの活性化率が順メサの場合よりも向上するので動作電圧を低減することができた。実際に、本素子の動作電圧はリッジが順メサ形状の場合は光出力９０ｍＷで２．５Ｖ以上であったが、本実施例では１．９Ｖと大幅に動作電圧を低減できた。これにより活性層付近での発熱を低減できた結果、発熱によるレーザの熱飽和が改善され、光出力を９０ｍＷから１２０ｍＷまで高めることができた。また、第３上部クラッド層のうちリッジ上端面の上部の電流通路となる領域の転位をより抑制するためには、電流ブロック層がリッジ上端面よりも基板側にのみ形成されていることが望ましい。これは、電流ブロック層がリッジ上端面よりもｐ型ＧａＡｓコンタクト層側にも形成されているとその領域を起点として第３上部クラッド層のうちリッジ上端面の上部の電流通路となる領域に転位が発生するためである。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、リッジが逆メサ形状であるので第３上部クラッド層に発生する転位の方向をリッジの外部へと向かわせることができる。従って第３上部クラッド層のうちリッジ上端面の上部の電流通路となる領域の結晶性を向上することができる。よって動作電圧が低く高効率な埋込リッジ型半導体レーザを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における半導体レーザの模式的断面図
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示す半導体レーザの製造方法を示す工程断面図
【図３】図１に示す半導体レーザの転位発生方向を示す説明断面図
【図４】従来の一般的な半導体レーザの模式的断面図
【図５】従来の半導体レーザの模式的断面図
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、図５に示す半導体レーザの製造方法を示す工程断面図
【図７】従来例の転位の発生方向を示す説明断面図
【符号の説明】
１０１，３０１    ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２，３０２    ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０３    ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
１０４，２０４，３０４    活性層
１０５    ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１上部クラッド層
１０６，２０６，３０６    エッチング停止層
１０７    ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２上部クラッド層
１０８    ｐ型ＡｌＧａＡｓ中間コンタクト層
１０９    ＳｉＮマスク
１１０    ｎ型ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層
１１１    ｎ型ＧａＡｓキャップ層
１１２    ｐ型ＡｌＧａＡｓ第３上部クラッド層
１１３    ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２０１    基板
２０２    バッファ層
２０３    下部クラッド層
２０５    第１上部クラッド層
２０７    第２上部クラッド層
２０８    中間コンタクト層
２０９    電流ブロック層
２１０    ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３０３    ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層
３０５    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１上部クラッド層
３０７    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２上部クラッド層
３０８    ｐ型ＧａＩｎＰ中間コンタクト層
３０９    ＳｉＯ２マスク
３１０    ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
３１１    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第３上部クラッド層
３１２    ｐ型ＧａＩｎＰ中間バンドギャップ層
【図１】
0003615499.tif 000002
【図２】
0003615499.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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