(57)【要約】【課題】  リッジ部周辺に懸かる応力変動を最小限に抑え、光導波層の屈折率の変動を低減し、横モードの広がり角度のばらつき範囲を小さくし、再現性よく安定的に製造できるリッジ型半導体レーザを得る。【解決手段】  Ｔｉ膜１２を含む金属膜群で構成されるｐ電極１１を形成する際、真空槽に所定の酸素量を導入して電子ビーム蒸着法により成膜し、半導体層群９に接するＴｉ膜１２に含有された酸素濃度を、熱処理後で１０ａｔ％〜４０ａｔ％となるように設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の表面に少なくとも第一のクラッド層、活性層、第二のクラッド層となる半導体層群が積層形成され、前記第二のクラッド層の一部がリッジ状に加工されてなる前記半導体層群と、
前記半導体層群に積層形成され、少なくとも前記半導体層群に接する金属膜に酸素が含有されてなる金属膜群で構成された第一の電極と、
前記半導体基板の裏面に形成された第二の電極と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
第一の電極がＴｉとＭｏを含む金属膜群で構成され、半導体層群に前記Ｔｉ膜が接していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
第一の電極が半導体層群側からＴｉ膜、Ｍｏ膜、Ｔｉ膜、Ａｕ膜の順に積層された金属膜群により構成された電極であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
半導体層群に接するＴｉ膜に含有される酸素濃度が１０から４０ａｔ％であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
半導体基板の表面に少なくとも第一のクラッド層、活性層、第二のクラッド層の半導体層群を積層、リッジ状に加工する工程と、
酸素を含む真空槽内で、金属群を順次蒸散させ、前記半導体層群の表面に固着させた金属膜群で構成される第一の電極を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面に第二の電極を形成する工程と
熱処理により前記金属層群内に取り込まれた酸素を前記金属層群に反応させる工程と、を備えたことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横モードの広がり角度を安定化させる電極を持つ半導体レーザおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザを使った光学機器において、レンズで集光されるレーザ光を所定の特性の範囲内に収めることは、光学機器の特性値のばらつきを低減し、歩留まりを向上させる上で重要である。ここでは、特に問題となる半導体レーザの横モードの広がり角度のばらつきをある一定の範囲に抑える必要がある。
通常、半導体レーザでは、基本横モードを制御して出力させる手段として、リッジ構造等の屈折率導波機構を利用する。このリッジ構造を形成するため、リッジストライプの両側のエピタキシャル層を上部クラッド層もしくはその下の光導波層の途中までエッチングするが、クラッド層もしくは光導波層の残し厚さにより屈折率が決定され、それにより発振特性（横モードの広がり角度）が決まるため、この残し厚さを制御することが非常に重要である。しかし、このリッジ構造による屈折率導波機構を利用しようとする場合、一般的に、エッチングを所定の位置で停止させ、クラッド層もしくは光導波層の残し厚さを制御することが非常に困難であるため、屈折率が安定しない。その結果、横モードの広がり角度が安定せず、ばらつきを生じる。
このため、従来のリッジ型（屈折率導波型）半導体レーザでは横モードの広がり角度を安定化させるために、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層、ｎ型ＩｎＡｌＧａＡｓＰ下部光導波層、ＩｎＧａＡｓＰ活性層、ｐ型ＩｎＡｌＧａＡｓＰ第１光導波層とｐ型ＧａＡｌＡｓ第２光導波層の２層からなる上部光導波層、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層の各半導体層を積層した後、リッジを形成するため、ｐ型クラッド層と第２光導波層を選択的にウェットエッチングし、第１光導波層の上面でエッチングを停止させることにより、高精度に残し厚さを制御している。さらに第１光導波層と第２光導波層との、発振波長の光に対する屈折率の差が、両屈折率のうち大きい方の屈折率の２％以内となるように設定することを提案している（例えば特許文献１。）。
【特許文献１】特開平１１−１１２０８０号公報（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のリッジ型半導体レーザにあっては、光導波層の残し厚さ以外にも横モードの広がり角を変動させる原因が存在する。このため、光導波層の残し厚さの制御だけでは高い歩留まりで、再現性よく横モードの安定したレーザを作製するには不十分である。リッジ幅、リッジ形状や絶縁膜、電極厚さ等のばらつきなどによっても、リッジ部に懸かる応力が変動し、その結果、光導波層の屈折率が変動するため、光導波層の屈折率を所定の範囲内に収めることは困難である。特に、この応力による光導波層の屈折率の変動は、横モードの広がり角度のばらつきを増大させる要因となり、半導体レーザの特性歩留まりを低下させるという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、リッジ部に懸かる応力変動を最小限に抑え、光導波層の屈折率の変動を低減し、横モードの広がり角度のばらつき範囲を小さくし、再現性よく安定的に製造できる半導体レーザを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係わる半導体レーザにおいては、金属膜群で電極が構成され、そのうち少なくとも半導体層群に接する金属膜に酸素を一定の割合で含有させたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電極の金属膜に酸素を含有させた構成とすることにより、応力変動に伴う屈折率の変動を小さくすることができるため、横モードの広がり角度のばらつきを低減でき、横モードの広がり角度特性の揃った半導体レーザを再現性よく製造できるという効果を奏するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
半導体レーザにおける横モード（ＦＦＰｘ：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ、横遠視野像）の広がり角度は、リッジ幅やリッジ形状、絶縁膜、ｐ電極の厚さや寸法ばらつきに依存することが知られている。発明者らは、特にｐ電極による応力が光導波層（活性層）の屈折率変動に及ぼす影響が大きいことを見出した。そこで、このｐ電極による応力を制御することができれば、横モードの安定化すなわち広がり角度の再現性に優れた半導体レーザを製造することが可能である。
さらに、リッジ部に懸かる応力の値は、金属膜に含有された酸素濃度により決定されることを見出し、リッジ部に懸かる応力を制御できることが明らかになった。発明者らは、この点に着目し、リッジ部に懸かる応力を最適化することにより、半導体レーザから出射されるレーザ光の横モードの広がり角度のばらつきを抑制することを可能にした。
【０００８】
実施の形態１．
次に、実施の形態により横モード広がり角度のばらつきを低減した半導体レーザの構造と作製方法について、図１と図２および図３を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構造を示す断面図である。
図１において、ｎ型ＧａＡｓ基板１表面上に、第一のクラッド層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ＧａＩｎＰ活性層３、第二のクラッド層の一層目となるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４とＧａＩｎＰエッチングストッパ層５が順次形成され、さらにその上にリッジ６形状を有する第二のクラッド層の二層目となるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７とｐ型ＧａＡｓキャップ層８の半導体層群９とが形成されており、これら半導体層群９の表面全体を覆う絶縁層１０と、この絶縁層１０の一部を開口して第一の電極であるｐ電極１１が形成されている。このｐ電極１１は、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８側からＴｉ膜１２、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１４、Ａｕ膜１５の順に４層からなる金属膜群により構成されている。また、ｐ電極１１の上に厚いＡｕ膜１６が、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、第二の電極であるｎ電極のＡｕＧｅ１７が形成されている。なお、Ｔｉ膜１２、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１４には、酸素が含有されている。
【０００９】
次に、本実施の形態１による半導体レーザの作製方法について、図２および図３の製造工程を示す断面図を用いて説明する。まず、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ）により、ｎ型ＧａＡｓ基板１表面上に第一クラッド層であるｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ＧａＩｎＰ活性層（光導波層）３、第二のクラッド層の一層目であるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（１）４、ＧａＩｎＰエッチングストッパ層５、第二のクラッド層の二層目であるｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（２）７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層８の半導体層群９を順次成長、積層する（図２（ａ））。
この後、通常のフォトリソグラフィー法により形成されたストライプ状のレジストマスク（図示せず）によりｐ型ＧａＡｓキャップ層８とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（２）７をウェットエッチングによりリッジ６形状に加工する。この際、ＧａＩｎＰエッチングストッパ層５においてエッチングが停止する選択的ウェットエッチング液を使用する。これにより、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（２）７の厚さをリッジ６の高さとすることができ、正確に再現性よく制御することが可能になる（図２（ｂ））。
【００１０】
さらに、リッジ６の表面の一部をレジストマスク（図示せず）で覆い、プラズマＣＶＤ法により全面に絶縁膜ＳｉＮ膜１０を成膜する。次に、このレジストマスクを除去した後、電子ビーム蒸着法により、金属を蒸散させＴｉ膜１２を５０ｎｍ、Ｍｏ膜１３を５０ｎｍ、Ｔｉ膜１４を５０ｎｍ、Ａｕ膜１５を２５０ｎｍの厚さでそれぞれ順次成膜を行い、半導体層群９表面上にこれら金属膜群で構成される第一の電極となるｐ電極１１を形成する。ここで、Ｔｉ膜１２、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１４の成膜は、真空槽を排気した後、流量制御器により真空槽内に所定の量の酸素ガスを導入した状態で行い、これらＴｉ膜１２、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１４中に酸素を取り込ませる（図示せず）。Ｔｉ膜１４はその上に積層するＡｕ膜１５との密着性を確保するために挿入されている（図３（ｃ））。その後、ｐ電極１１の表面上にメッキ法により厚いＡｕ膜１６を形成する。さらに、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には電子ビーム蒸着法により、第二の電極であるｎ電極ＡｕＧｅ１７を形成、オーミックコンタクトをとるために熱処理を実施してウエハプロセスを完了する（図３（ｄ））。Ｔｉ膜１２に酸素と反応、含有させるための熱処理は、このオーミックコンタクトの熱処理で併せて実施している。最後に、へき開とダイシングにより分離して、半導体レーザ１８を作製する。
【００１１】
図４は、Ｔｉ膜１２、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１４を電子ビーム蒸着法で成膜する際に、真空槽を１ｘ１０−４Ｐａ以下にまで排気した後、真空槽に導入されたＯ２の分圧を２．０〜９．０ｘ１０−５Ｐａとした場合におけるＴｉ膜１２中の酸素濃度との関係を示す。横軸はＯ２分圧を、縦軸はＴｉ膜１２中の酸素濃度（ａｔ％）を示す。Ｔｉ膜１２中の酸素濃度は、成膜時のＯ２分圧にほぼ比例し、上記Ｏ２分圧の範囲に対して、Ｔｉ膜１２中の酸素濃度は、５〜５０ａｔ％の値となる。なお、これらの酸素濃度は熱処理後の値を示している。図５（ａ）、図５（ｂ）に熱処理前後におけるｐ電極１１の深さ方向における元素濃度分布の測定結果をそれぞれ示す。横軸は左が表面で右が深さ方向を、縦軸は元素の濃度をそれぞれ表している。いずれの場合も元素濃度の測定には、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）を使用した。図５において、左側から順に最表層のメッキＡｕ膜１６とＡｕ膜１５、Ｔｉ膜１４、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１２での酸素と他の元素濃度を表している。
成膜終了時は、Ｔｉ膜１２、Ｍｏ膜１３、Ｔｉ膜１４中にほぼ均等に酸素が取り込まれているのに対して、熱処理後は、Ｍｏ膜１３中の酸素が、Ｔｉ膜１２とＴｉ膜１４に移動していることが分かる。この結果、熱処理によりＴｉ膜１２，Ｔｉ膜１４中の酸素量は増加することになり、Ｔｉ膜１２に体積膨張が発生する。一方、Ｍｏ膜１３中の酸素量は減少するために、Ｍｏ膜１３では体積収縮が起こる。これらの体積変化によりリッジ６に側面から応力が加わるが、リッジ６に最も近いＴｉ膜１２の体積膨張が最も影響し、リッジ６に加わる応力は引っ張り応力であることが有限要素法による解析から明らかになっている。
また、Ｔｉ膜１２中の酸素濃度が増加すると、リッジ６にかかる引っ張り応力が増大することになり、リッジ６に近接する活性層３の実効屈折率が増大し、その結果、リッジ６の両側の活性層３との実効屈折率の差Δｎが大きくなるために、ＦＦＰｘの広がり角は大きくなる。リッジ６にかかる引っ張り応力の値が１６ＭＰａ大きくなるとＦＦＰｘの広がり角は約０．５°大きくなることがデバイスシミュレーション結果からも確認されている。
【００１２】
図６は、Ｔｉ膜１２中に含有される酸素濃度とＦＦＰｘの広がり角度との関係について測定した結果を示したものである。この図６からＴｉ膜１２中の酸素濃度を１０ａｔ％〜４０ａｔ％の範囲に設定することにより、ＦＦＰｘの広がり角度の変動幅を±０．５°以内に抑制できることがわかる。さらに、図４と図６から、Ｔｉ膜１２中の酸素濃度を１０ａｔ％〜４０ａｔ％にするためには、Ｔｉ膜１２の成膜時のＯ２分圧を３．２〜８．０ｘ１０−５Ｐａに設定すればよいことが分かる。ここでは、リッジ幅を２μｍとした場合について示している。このように、Ｔｉ膜１２の成膜時の真空槽内の酸素量を制御して作製すれば、Ｔｉ膜１２中に含有される酸素濃度を所定の値にすることができ、その結果、目的とするＦＦＰｘの広がり角度を持った半導体レーザを再現性よく作製することができ、また、広がり角度のばらつきも抑制することができる。
【００１３】
実施の形態２．
本実施の形態２の半導体レーザの断面構造図は実施の形態１の図１と同様である。また、その作製方法も、ｐ電極１１の成膜時の酸素添加方法を除いて実施の形態１と同様である。本実施の形態２では、電子ビーム蒸着によるｐ電極１１の成膜時の真空槽の真空度を制御することにより、Ｔｉ膜１２中の酸素濃度が所定の値となるように設定したものである。具体的には、ｐ電極１１の成膜時の真空槽の真空度を１．６〜４ｘ１０−４Ｐａの範囲になるよう真空槽の排気量を設定する。なお、ここでの真空度は、実施の形態１において導入されるＯ２分圧に対する大気中のＯ２分圧比に相当するものである。このように真空度をこの範囲内に設定して成膜すれば、ｐ電極１１のＴｉ膜１２中に含有される酸素濃度を１０ａｔ％〜４０ａｔ％範囲内で設定することができ、実施の形態１で示したように真空槽に酸素を導入した場合と同等の効果が得られる。真空槽を排気する真空度を制御して成膜するので、高真空度まで排気する時間が短縮され、実施の形態１に比べ、プロセスに要する時間を低減できる効果がある。
【００１４】
上記実施の形態１および２では、電子ビーム蒸着法により電極膜を形成する例を示したが、スパッタガスのＡｒに所定の酸素ガスを加えて行うスパッタ法によって成膜しても同様の効果が得られる。さらに、スパッタ法では、断面形状に凹凸があっても、表面へのスパッタ原子の付着カバレッジが向上する効果も期待できる。
また、上記実施の形態１および２では、ｐ電極１１の構成例として、Ｔｉ膜／Ｍｏ膜／Ｔｉ膜／Ａｕ膜とする場合について示したが、半導体層群９と接する面にＴｉ膜があればよく、Ｔｉ膜／Ｐｔ膜／Ａｕ膜であってもよく、また、Ｍｏ膜の替わりにＴａ膜を使用して、酸素量を最適化すればよく、同様の効果が期待できる。
さらに、上記実施の形態１および２では、ｎ型半導体基板を用いた半導体レーザについて示したが、ｐ型半導体基板を用いて、ｎ電極の金属に酸素を添加してリッジに懸かる応力を制御することにより、同様にＦＦＰｘの広がり角度を安定化させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１における半導体レーザの構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１における半導体レーザの製造工程の前半を示す断面図である。
【図３】実施の形態１における半導体レーザの製造工程の後半を示す断面図である。
【図４】実施の形態１におけるｐ電極の成膜時のＯ２分圧とＴｉ膜中の酸素濃度の関係を示す図である。
【図５】実施の形態１におけるオージェ電子分光法により測定したｐ電極中の元素濃度分布図である。
【図６】実施の形態１におけるＴｉ膜中の酸素濃度とＦＦＰｘの変動幅の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３  ＧａＩｎＰ活性層
４  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（１）
６  リッジ
７  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層（２）
９  半導体層群
１１  ｐ電極
１２、１４  Ｔｉ膜
１３  Ｍｏ膜
１５  Ａｕ膜
１７  ｎ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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