(57)【要約】【課題】半導体層と電極との界面の平坦性を悪化させることなくＡuの拡散を抑制でき、内部光散乱や吸収損失を低減して高い発振効率で低消費電力動作ができる半導体レーザ素子とその製造方法を提供する。【解決手段】ｎ−ＧaＡs基板１０１上に、ｎ−ＡlＧaＡs第１,第２下クラッド層１０３,１０４と、多重歪量子井戸活性層１０６と、ｐ−ＡlＧaＡs第１,第２上クラッド層１０９,１１１と、ｐ−ＧaＡsコンタクト層１１２およびｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３を備える。上記コンタクト層１１３と導通するｐ側電極１１５を設ける。上記コンタクト層１１３とｐ側電極１１５との界面に、ＮiとＡuとＺnおよびコンタクト層１１３を構成する元素とからなる合金層１２０を形成する。【選択図】図１
2006019705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を備え、上記ｐ型コンタクト層と導通する電極が形成されている半導体レーザ素子において、
上記ｐ型コンタクト層は、少なくともＧaとＡｓを含んでおり、
上記電極の上記ｐ型コンタクト層側は、少なくともＡuを含んでおり、
上記ｐ型コンタクト層と上記電極との界面に、上記電極を構成する元素と上記ｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記ｐ型コンタクト層がＧaＡsであり、上記電極がＡuＺnであることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層のドーパントがＺnであることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層の厚みが０.２μｍ以上であり、
上記合金層が、ＧaとＡsとＡuおよびＺnのうちの少なくとも１つとＮiからなることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体レーザ素子において、
上記合金層は、上記ｐ型コンタクト層側に形成されたＧaとＡsとＺnおよびＮiからなる第１の合金層と、上記電極側に形成されたＡuとＺnとＧaおよびＮiからなる第２の合金層とを有し、
上記電極は、上記第２の合金層上に形成されたＡuＺn層を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項６】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記ｐ型コンタクト層がＩnＧaＡsであり、上記電極がＡuＺnであることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項７】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記ｐ型クラッド層がＡlＧaＡsからなり、上記ＡlＧaＡsにおけるIII族元素中のＡl混晶比が０.６よりも大きくかつ０.７以下であって、上記ｐ型コンタクト層の下側領域の上記ｐ型クラッド層の層厚が０.５μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記ｐ型クラッド層がＡlＧaＡsからなり、上記ＡlＧaＡsにおけるIII族元素中のＡl混晶比が０.４以上かつ０.６以下であって、上記ｐ型コンタクト層の下側領域の上記ｐ型クラッド層の層厚が１μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項９】
ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を結晶成長により順に形成する工程と、
上記ｐ型コンタクト層上に、ＮiまたはＡuＺnの一方を堆積させた後にＮiまたはＡuＺnの他方を堆積させる工程と、
上記Ｎiおよび上記ＡuＺnを堆積させる工程の後、熱処理により、上記ｐ型コンタクト層上に、上記ｐ型コンタクト層を構成する元素とＡuおよびＺnのうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層を形成すると共に、上記合金層を介して上記ｐ型コンタクト層と導通する電極を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記ｐ型コンタクト層上に、上記Ｎiおよび上記ＡuＺnを堆積させる工程において、上記ＡuＺnよりも先にＮiを厚み５ｎｍ以上堆積させた後に上記ＡuＺnを堆積させ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１１】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において
上記熱処理により上記合金層と上記電極を形成する工程において、３５０℃以上かつ４５０℃以下の温度で熱処理を行うことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
少なくとも上記ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を形成する工程の後、上記ｐ型コンタクト層と、ｐ型クラッド層の一部を除去することによってリッジ部を形成する工程と、
上記リッジ部を形成する工程の後、上記ｐ型コンタクト層の頂部を除く領域に無機絶縁膜を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
ｐ型コンタクト層と上記ｐ型コンタクト層と導通する電極を有する半導体素子の電極構造において、
上記ｐ型コンタクト層は、少なくともＧaとＡｓを含んでおり、
上記電極の上記ｐ型コンタクト層側は、少なくともＡuを含んでおり、
上記ｐ型コンタクト層と上記電極との界面に、上記電極を構成する元素と上記ｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層が形成されていることを特徴とする半導体素子の電極構造。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体素子の電極構造において、
上記合金層は、ＧaとＡsとＺnおよびＮiからなる第１の合金層と、ＡuとＺnとＧaおよびＮiからなる第２の合金層とを有し、
上記電極は、上記第２の合金層上に形成されたＡuＺn層を有することを特徴とする半導体素子の電極構造。
【請求項１５】
請求項１乃至８の何れか一つに記載の半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光ディスク装置。
【請求項１６】
請求項１乃至８の何れか一つに記載の半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、半導体素子の電極構造に関する。典型的には、光ディスク装置や光伝送システムの光伝送モジュール部分などに好適に用いられる半導体レーザ素子とその製造方法および半導体素子の電極構造に関する。
【０００２】
また、この発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムに幅広く使用されている。その中で、リッジ導波型半導体レーザ素子は、簡便かつ制御性良く半導体レーザ素子を製造できる構造として知られている(例えば、特許文献１(特開平１１−１２１８５６号公報、特に第４頁、第２図(ｃ)参照)。
【０００４】
図１２(ａ)〜(ｃ),図１３(ａ)〜(ｃ)は、特許文献１に記載の半導体レーザ素子の断面構造を示している。この半導体レーザ素子は次のようにして製造される。まず、図１２(ａ)に示すように、ｎ−ＧaＡs基板５０１上にＭＯＣＶＤ(有機金属化学気相成長)法などにより、厚さ１.５μｍのｎ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５０２、厚さ０.１μｍのアンドープＧaＡs活性層５０３、厚さ１.５μｍのｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５０４、厚さ０.２μｍのｐ−ＧaＡsコンタクト層５０５を順次形成する。
【０００５】
ここで、「ｎ−」、「ｐ−」とは、それぞれ、ｎ型、ｐ型にドーピングされていることを表す。
【０００６】
次に、図１２(ｂ)に示すように、フォトリソグラフィにより、幅５μｍのストライプ状開口を有するフォトレジストパターン５０６を形成する。このフォトレジストパターンのエッジの断面形状は逆テーパになるようにする。その上から電子ビーム蒸着により、ｐ−オーミック電極５０７,５０８を堆積した後、同じく電子ビーム蒸着により、ＳiＯ2膜５０９,５１０を堆積する。ここで、ｐ−オーミック電極５０７,５０８の構成は、下から厚さ１００ｎｍのＡuＺn合金、厚さ１００ｎｍのＡuの積層構造とする。また、ＳiＯ2膜５０９,５１０の厚さは４００ｎｍとする。
【０００７】
次に、図１２(ｃ)に示すように、フォトレジストパターン５０６を溶剤で除去することにより、フォトレジスト開口部以外に堆積したｐ−オーミック電極５０８、ＳiＯ2膜５１０をリフトオフした後、残ったＳiＯ2膜５０９をエッチングマスクとして、Ｃｌ2を用いたＲＩＥ(反応性イオンエッチング)などのドライエッチングにより、ｐ−ＧaＡsコンタクト層５０５、及びｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５０４の途中までをエッチングして、リッジ部を形成する。ここで、ドライエッチングを用いるようにしたので、サイドエッチングが生じない。また、ｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａsクラッド層５０４を残す厚さは０.４μｍとする。
【０００８】
次に、ＳiＯ2膜５０９をフッ化水素酸により除去した後、図１３(ａ)に示すように、ＣＶＤ(化学気相成長)法により厚さ３０００ÅのＳiＮ膜５１１を堆積する。
【０００９】
次に、図１３(ｂ)に示すように、フォトリソグラフィにより、リッジ部上面に幅３μｍのストライプ状開口を有するフォトレジストパターン５１２を形成し、これをエッチングマスクとして、ＣＦ4を用いたＲＩＥなどにより、ｐ−オーミック電極５０７上のＳiＮ膜５１１を除去する。
【００１０】
次に、フォトレジストパターン５１２を溶剤で除去した後、図１３(ｃ)に示すように、電子ビーム蒸着によりボンディング電極５１３を堆積し、さらに、ｎ−ＧaＡs基板５０１下面に、ｎ−オーミック電極５１４を堆積する。このｎ−オーミック電極５１４の構成は、基板側から厚さ１００ｎｍのＡuＧeＮi層、厚さ３００ｎｍのＡu層の積層構造とする。
【００１１】
なお、ここでは図示していないが、その後、へき開により光共振器反射面を形成してリッジ導波型半導体レーザ素子を得る。
【００１２】
このように上記半導体レーザ素子の製造方法によれば、ストライプ状のｐ−オーミック電極と、リッジ形成のエッチングマスクとなるストライプ状のＳiＯ2膜が同じフォトレジストパターンを用いたリフトオフで形成されるようにしたので、両者の位置と幅は自己整合的に正確に一致する。
【００１３】
さらに、ドライエッチングによりリッジ部が形成されるようにしたので、サイドエッチングが生じないために、リッジ部幅を精密に制御することができ、かつ、リッジ部上面の全体に均一なｐ−オーミック電極コンタクトを形成することができる。
【００１４】
上記ｐ−オーミック電極に関して、他の従来のリッジ導波型半導体レーザ素子がＴiとＰtとＡuを積層した熱処理を要しないノンアロイ電極を使用しているのに対して、特許文献１の半導体レーザ素子では、熱処理を必要とするＡuＺn合金を使用している。このＡuＺn合金は、熱処理(アロイ処理)を行うことにより、Ｔi系を用いたノンアロイ電極よりも低抵抗なオーミック電極が得られるという利点がある。
【００１５】
しかしながら、上述した特許文献１に示される従来の半導体レーザ素子には、次のような問題があることが分かった。
【００１６】
すなわち、リッジ導波型半導体レーザ素子のように、活性層からｐ−オーミック電極までの距離が近い構造においてリッジ部上に設ける電極の材料としてＡuＺn合金を使用した場合は、アロイ処理によって生じるｐ−コンタクト層とｐ−オーミック電極との界面の平坦性の悪化に伴う界面での光散乱の増加と、ＡuＺn合金中のＡu原子が、リッジ部を構成する半導体層中へ深く拡散してしまうことによって生じる半導体内部の光散乱や吸収損失の増加によって、発振効率が低下してしまうという問題があることが分かった。
【特許文献１】特開平１１−１２１８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
そこで、この発明の課題は、半導体層と電極との界面の平坦性を悪化させず、かつＡuの拡散を抑制でき、内部光散乱や吸収損失を低減して高い発振効率で低消費電力動作ができる半導体レーザ素子とその製造方法を提供することにある。特に、活性層に近い領域にＡuＺn合金を用いてｐ−オーミック電極を形成した場合においても高い発振効率を有する半導体レーザ素子とその製造方法を提供することにある。
【００１８】
また、この発明の課題は、半導体レーザ素子等の電極に用いられる半導体素子の電極構造を提供することにある。
【００１９】
さらに、この発明の課題は、上記半導体レーザ素子を用いた光ディスク装置および光伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するため、この発明の半導体レーザ素子は、ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を備え、上記ｐ型コンタクト層と導通する電極が形成されている半導体レーザ素子において、上記ｐ型コンタクト層は、少なくともＧaとＡｓを含んでおり、上記電極の上記ｐ型コンタクト層側は、少なくともＡuを含んでおり、上記ｐ型コンタクト層と上記電極との界面に、上記電極を構成する元素と上記ｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記少なくともＧaとＡｓを含むｐ型コンタクト層と上記電極との界面に、電極を構成する元素とｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層が形成されているため、電極中に含まれるＡu原子がスパイク状に異常拡散することを防止でき、かつ、電極とｐ型コンタクト層との界面の平坦性が保たれるようになる。さらに、Ａuを含む電極はその屈折率が、半導体層の屈折率に比べて非常に小さいため、発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が大きくなる。一般に、金属は半導体層に比べて光の吸収係数が１０４倍から１０５倍も大きく、発振したレーザ光が金属からなる電極に漏れてしまうと発振効率が著しく低下する。しかしながら、上記構成によれば、このような発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が大きいことと、コンタクト層と電極との界面での内部散乱や、半導体層内部に深く拡散したＡu原子による内部光散乱や吸収損失が抑制できるようになることによって、高い発振効率で低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【００２２】
なお、上記ｎ型基板の、上記各層が積層された面とは反対側の面に、この面とオーミック接合をなす別の電極が設けられるのが望ましい。これにより、上記二つの電極間で上記活性層を通して容易に通電が行われ、レーザ発振が実現される。
【００２３】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ｐ型コンタクト層がＧaＡsであり、上記電極がＡuＺnであることが好ましい。
【００２４】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、ｐ型ＧaＡsコンタクト層に対してＡuＺnからなる電極を用いることによって、高い発振効率を有しながら、低いコンタクト抵抗を両立でき、低消費電力で動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができるようになる。
【００２５】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層のドーパントがＺnであることを特徴とする。
【００２６】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、電極中に含まれるＺnと同じ材料をドーパントに用いることによって、オーミック接合を形成するための熱処理において電極からＺnがｐ型コンタクト層に拡散して、電極とｐ型コンタクト層との間の接触抵抗をより低減することができる。
【００２７】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層の厚みが０.２μｍ以上であり、上記合金層が、ＧaとＡsとＡuおよびＺnのうちの少なくとも１つとＮiからなることが好ましい。
【００２８】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層の厚みが０.２μｍ以上となるように形成し、かつ、上記ＧaとＡsとＡuおよびＺnのうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層をｐ型コンタクト層と電極との界面に設けることによって、上記電極に含まれるＡu原子がｐ型コンタクト層を超えて拡散することを防止できる。
【００２９】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記合金層が、上記ｐ型コンタクト層側に形成されたＧaとＡsとＺnおよびＮiからなる第１の合金層と、上記電極側に形成されたＡuとＺnとＧaおよびＮiからなる第２の合金層とを有し、上記電極が、上記第２の合金層上に形成されたＡuＺn層を有することが好ましい。
【００３０】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記合金層が電極側から順にＡuを含む第２の合金層と、Ａuを含まない第１の合金層とを有し、第１の合金層、第２の合金層ともにＧaとＺnとＮiを共通に含んでおり、さらに上記電極が第２の合金層上にＡuＺn層を有することによって、電極に含まれるＡuが上記ｐ型コンタクト層を超えてｐ型クラッド層側に異常拡散することを防止でき、かつ電極とコンタクト層との間の界面平坦性が保たれるとともに、電極とｐ型コンタクト層との間の接触抵抗の低減を実現できる。さらに、ＡuＺnからなる電極層は、その屈折率がＧaＡsなどの半導体層の屈折率の半分以下と小さいため、発振したレーザ光を半導体層材料中に閉じ込める力が非常に大きい。そのことによって、界面や半導体層内部での光散乱や吸収損失の増加、さらには電極での吸収損失を抑制し、低い素子抵抗と高い発振効率を有する良好な特性の半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【００３１】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ｐ型コンタクト層がＩnＧaＡsであり、上記電極がＡuＺnであることを特徴とする。
【００３２】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、ｐ型ＩnＧaＡsコンタクト層に対してＡuＺnからなる電極を用いることによって、高い発振効率を有しながら、低いコンタクト抵抗を両立でき、低消費電力で動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３３】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ｐ型クラッド層がＡlＧaＡsからなり、上記ＡlＧaＡsにおけるIII族元素中のＡl混晶比が０.６よりも大きくかつ０.７以下であって、上記ｐ型コンタクト層の下側領域の上記ｐ型クラッド層の層厚が０.５μｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ｐ型クラッド層がＡlＧaＡsから構成され、上記ＡlＧaＡsにおけるIII族元素中のＡl混晶比が０.６よりも大きくかつ０.７以下であるとき、上記ｐ型コンタクト層の下側領域(例えば、リッジ構造を有する半導体レーザ素子ではリッジ部の下側の領域)における上記ｐ型コンタクト層(ＡlＧaＡs)の層厚を０.５μｍ以上とすることによって、基板に垂直な方向における発振レーザ光の光分布が上記ｐ型コンタクト層側にまでほとんど漏れ出ない様にすることができる。上述の電極の構成を用いているために、上記電極を構成するＡuは、ｐ型クラッド層まで拡散することはない。そのため、上記電極の材料に起因する内部散乱、吸収損失の影響を受けないようにでき、高い発振効率を有する半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【００３５】
ここで、リッジ構造とは、活性層上に設けられた、クラッド層、コンタクト層および電極を少なくとも有する構造体であって、半導体レーザ素子を動作させるための電流を注入させる経路になるとともに、基板に平行な方向の発振レーザ光の閉じ込めを担うために設けられるもののことである。
【００３６】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記ｐ型クラッド層がＡlＧaＡsからなり、上記ＡlＧaＡsにおけるIII族元素中のＡl混晶比が０.４以上かつ０.６以下であって、上記ｐ型コンタクト層の下側領域の上記ｐ型クラッド層の層厚が１μｍ以上であることが好ましい。
【００３７】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ＡlＧaＡsにおけるIII族元素中のＡl混晶比が０.４以上かつ０.６以下のとき、上記ｐ型コンタクト層の下側領域(例えば、リッジ構造を有する半導体レーザ素子ではリッジ部の下側の領域)における上記ｐ型コンタクト層(ＡlＧaＡs)の層厚を１μｍ以上とすることによって、基板に垂直な方向における発振レーザ光の光分布が上記ｐ型コンタクト層側にまでほとんど漏れ出ない様にすることができる。上記実施形態においても上述の電極構成を用いているために、上記電極を構成するＡuはｐ型クラッド層まで拡散することはない。そのため、上記電極の材料に起因する内部散乱、吸収損失の影響を受けないようにでき、高い発振効率を有する半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【００３８】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、ｎ型基板上に、少なくともｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を結晶成長により順に形成する工程と、上記ｐ型コンタクト層上に、ＮiまたはＡuＺnの一方を堆積させた後にＮiまたはＡuＺnの他方を堆積させる工程と、上記Ｎiおよび上記ＡuＺnを堆積させる工程の後、熱処理により、上記ｐ型コンタクト層上に、上記ｐ型コンタクト層を構成する元素とＡuおよびＺnのうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層を形成すると共に、上記合金層を介して上記ｐ型コンタクト層と導通する電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００３９】
上記半導体レーザ素子の製造方法によれば、Ｎiを堆積させた後にＡuＺnを堆積させたときは、熱処理により合金層が形成された後、堆積させたＡuＺnの一部が、上記ｐ型コンタクト層と合金層を介して導通する電極として残る。一方、ＡuＺnを堆積させた後にＮiを堆積させたときは、熱処理により合金層が形成された後、堆積させたＡuＺnの一部が、上記ｐ型コンタクト層と合金層を介して導通する電極として残る。こうして形成されたＮiを含む合金層によって、上記電極に含まれるＡuの異常拡散がなくなるため、ｐ型コンタクト層と電極との界面の平坦性が保たれ、内部散乱や吸収損失の増加を防止でき、かつ低い素子抵抗を有する半導体レーザ素子の製造方法が得られる。そのことによって、高い発振効率と低消費電力動作を両立できる半導体レーザ素子の製造方法を提供することができる。
【００４０】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記ｐ型コンタクト層上に、上記Ｎiおよび上記ＡuＺnを堆積させる工程において、上記ＡuＺnよりも先にＮiを厚み５ｎｍ以上堆積させた後に上記ＡuＺnを堆積させることが好ましい。
【００４１】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記ｐ型コンタクト層上に、最初にＮiをその厚みが５ｎｍ以上となるように堆積した後にＡuＺnを堆積し、その後に熱処理を行うことによって、Ｎiを含む合金層を形成する。このＮiを含む合金層により、ＡuＺnに含まれるＡu原子の異常拡散を防止し、かつ、ｐ型コンタクト層と電極との界面の平坦性を良好に保つことが可能となる。よって、高効率発振、低消費電力動作を行うことのできる半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
【００４２】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記熱処理により上記合金層と上記電極を形成する工程において、３５０℃以上かつ４５０℃以下の温度で熱処理を行うことが好ましい。
【００４３】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、３５０℃以上の温度で熱処理を実施することによって、Ｎiを含む合金層を形成することが可能となる。また、４５０℃を超える温度になると、ｐ型コンタクト層と電極との界面の平坦性が悪化し、また、上記合金層を超えてＡuが異常拡散し始めるので好ましくない。
【００４４】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、少なくとも上記ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層を形成する工程の後、上記ｐ型コンタクト層と、ｐ型クラッド層の一部を除去することによってリッジ部を形成する工程と、上記リッジ部を形成する工程の後、上記ｐ型コンタクト層の頂部を除く領域に無機絶縁膜を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００４５】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、高い発振効率と低消費電力動作を両立した半導体レーザ素子が、電流狭窄のための結晶再成長を行うことなく製造できる方法が提供される。
【００４６】
また、この発明の半導体素子の電極構造は、ｐ型コンタクト層と上記ｐ型コンタクト層と導通する電極を有する半導体素子の電極構造において、上記ｐ型コンタクト層は、少なくともＧaとＡｓを含んでおり、上記電極の上記ｐ型コンタクト層側は、少なくともＡuを含んでおり、上記ｐ型コンタクト層と上記電極との界面に、上記電極を構成する元素と上記ｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層が形成されていることを特徴とする。
【００４７】
上記構成の半導体素子の電極構造によれば、上記少なくともＧaとＡｓを含むｐ型コンタクト層と上記電極との界面に、電極とｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層が形成されているため、電極中に含まれるＡu原子がスパイク状に異常拡散することを防止でき、そのことによって、界面の平坦性が保たれるので、コンタクト抵抗が良好でかつ信頼性の高い電極構造が得られる。
【００４８】
また、一実施形態の半導体素子の電極構造は、上記合金層が、ＧaとＡsとＺnおよびＮiからなる第１の合金層と、ＡuとＺnとＧaおよびＮiからなる第２の合金層とを有し、上記電極が、上記第２の合金層上に形成されたＡuＺn層を有することを特徴とする。
【００４９】
また、この発明の光ディスク装置は、上記いずれか一つの半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする。
【００５０】
上記光ディスク装置によれば、従来の光ディスク装置に比べて、より低消費電力で高速書き込みができる上、より安価に構成される光ディスク装置を提供することができる。
【００５１】
また、この発明の光伝送システムは、上記いずれか一つの半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする。
【００５２】
上記光伝送システムによれば、上記半導体レーザ素子を用いることによって、従来よりも安価でかつ低消費電力、高速データ通信が可能な光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化と高性能化を図ることができる。
【発明の効果】
【００５３】
以上より明らかなように、この発明の半導体レーザ素子によれば、ｐ型コンタクト層と電極との界面に、電極を構成する元素とｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層を形成することによって、電極中に含まれるＡu原子がスパイク状に異常拡散することを防止でき、かつ、ｐ型コンタクト層と電極との界面の平坦性が保たれるようになる。そのため、ｐ型コンタクト層と電極との界面での内部散乱や、半導体層内部に深く拡散したＡu原子による内部光散乱や吸収損失を低減することができる。さらに、Ａuを含む電極は、その屈折率が半導体層の屈折率に比べて非常に小さいため、発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が大きくなり、金属からなる電極による吸収損失を抑制できる。これらのことによって、高い発振効率で低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【００５４】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、Ａuの異常拡散を防止しつつ低いコンタクト抵抗を実現できる半導体レーザ素子の製造方法が提供される。それによって、高い発振効率を有し、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することができる。
【００５５】
また、本発明の半導体素子の電極によれば、ｐ型コンタクト層と電極との界面に、電極を構成する元素とｐ型コンタクト層を構成する元素のうちの少なくとも１つとＮiからなる合金層を形成することによって、電極中に含まれるＡuがスパイク状に異常拡散することを防止でき、界面の平坦性が保たれるので、コンタクト抵抗が良好でかつ信頼性の高い電極構造が得られる。
【００５６】
また、本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることによって、従来の光ディスク装置に比べて、低消費電力で高速なデータ書き込みができる上、より安価に構成される。
【００５７】
また、本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子をその光伝送モジュールに用いることによって、従来よりも安価でかつ低消費電力、高速データ通信が可能な光伝送モジュールが得られ、光伝送システムの低価格化と高性能化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の半導体レーザ素子、半導体レーザ素子の製造方法、半導体素子の電極構造、光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５９】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものである。この半導体レーザ素子は、波長８９０ｎｍで発振して赤外線通信に用いられるものである。
【００６０】
以下、「ｎ−」、「ｐ−」とは、それぞれ、ｎ型、ｐ型にドーピングされていることを表す。
【００６１】
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧaＡs基板１０１上に、ｎ−ＧaＡsバッファ層１０２、ｎ−Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第１下クラッド層１０３、ｎ−Ａl0.422Ｇa0.578Ａs第２下クラッド層１０４、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs第１上ガイド層１０７、Ａl0.4Ｇa0.6Ａs第２上ガイド層１０８、ｐ−Ａl0.456Ｇa0.544Ａs第１上クラッド層１０９、ｐ−Ｉn0.1568Ｇa0.8432Ａs0.4Ｐ0.6半導体層１１０が順次積層されている。
【００６２】
この半導体層１１０上に、順メサストライプ形状のリッジ部１３０をなすように、ｐ−Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第２上クラッド層１１１、ｐ−ＧaＡsコンタクト層１１２およびｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３が順に設けられている。
【００６３】
上記リッジ部１３０の頂部を除く、リッジ部１３０の側面部および半導体層１１０の上面には、ＳiＮ膜１１４が形成され、さらにその上に、Ｎi層１１５a、ＡuＺn層１１５ｂ、Ａu層１１５ｃの順に積層して形成された多層金属薄膜が、リッジ部１３０の頂部においてｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３と導通するｐ側電極１１５として設けられている。この時、上記リッジ部１３０の頂部の領域においてｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３とＡuＺn層１１５ｂとの界面には、ＮiとＡuとＺnおよびｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３を構成する元素とからなる合金層１２０が形成されている。また、ＳiＮ膜１１４とＡuＺn層１１５ｂとの界面には、合金化されなかったＮi層１１５ａが形成されている。
【００６４】
また、基板１０１の裏面には、別の電極として、ＡuＧe／Ｎi／Ａuの多層金属薄膜からなるｎ側電極１１６が形成されている。
【００６５】
次に、図２から図５を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。また、図６に上記半導体レーザ素子のリッジ構造周辺の拡大模式図を示す。
【００６６】
まず、図２に示すように、ｎ−ＧaＡs基板１０１の(１００)面上に、ｎ−ＧaＡsバッファ層１０２(層厚：０.５μｍ、Ｓiドーピング濃度：７.２×１０17ｃｍ-3)、ｎ−Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第１下クラッド層１０３(層厚：２.０μｍ、Ｓiドーピング濃度：５.４×１０17ｃｍ-3)、ｎ−Ａl0.422Ｇa0.578Ａs第２下クラッド層１０４(層厚：０.１μｍ、Ｓiドーピング濃度：５.４×１０17ｃｍ-3)、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs下ガイド層１０５(層厚３.０ｎｍ)、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs第１上ガイド層１０７(層厚：３.０ｎｍ)、Ａl0.4Ｇa0.6Ａs第２上ガイド層１０８(層厚：０.１μｍ)、ｐ−Ａl0.456Ｇa0.544Ａs第１上クラッド層１０９(層厚：０.２μｍ、Ｚnドーピング濃度：１×１０18ｃｍ-3)、Ｉn0.1568Ｇa0.8432Ａs0.4Ｐ0.6半導体層１１０(層厚：１５ｎｍ、Ｚnドーピング濃度：２×１０18ｃｍ-3)、ｐ−Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第２上クラッド層１１１(層厚：１.２８μｍ、Ｚnドーピング濃度４×１０18ｃｍ-3)、ｐ−ＧaＡsコンタクト層１１２(層厚：０.２μｍ、Ｚnドーピング濃度：３×１０18ｃｍ-3)、ｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３(層厚：０.３μｍ、Ｚnドーピング濃度：１×１０20ｃｍ-3)を順次、ＭＯＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)にて結晶成長させる。
【００６７】
上記多重歪量子井戸活性層１０６は、Ｉn0.1001Ｇa0.8999Ａs圧縮歪量子井戸層(歪０.７％、層厚：４.６ｎｍ、２層)とＩn0.238Ｇa0.762Ａs0.5463Ｐ0.4537引張歪障壁層(歪０.１％、バンドギャップＥｇ≒１.６０ｅＶ、基板側から層厚：２１.５ｎｍ、７.９ｎｍ、２１.５ｎｍの３層であり、基板１０１に最も近いものが、ｎ側障壁層、最も遠いものがｐ側障壁層となる)を交互に配置して形成されている。
【００６８】
次に、リッジ部１３０を形成すべきリッジ部形成領域１１７ａ(図１参照)上に、図２中に示すようにレジストマスク１１７(マスク幅３.５μｍ)をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク１１７は、形成すべきリッジ部１３０が延びる方向に対応して、＜０−１１＞方向にストライプ状に延びるように形成される。
【００６９】
次に、図３に示すように、このレジストマスク１１７をマスクにして、コンタクト層１１３、コンタクト層１１２、第２上クラッド層１１１のうちの上記レジストマスク１１７の両側に相当するリッジ部形成外領域１１７ｂ部分をエッチングにより除去して、レジストマスク１１７の直下に、順メサストライプ状のリッジ部１３０を形成する。このエッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて、半導体層１１０直上まで行う。続いて、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でＧaＡsコンタクト層１１２および１１３のオーバーハング部分をとる。エッチングの深さは１.７８μｍ、リッジ部１３０の最下部の幅は約３.２μｍである。エッチング終了後に、レジストマスク１１７は除去する。
【００７０】
続いて、図４に示すように、プラズマ−ＣＶＤ(化学気相成長)法を用いて、リッジ部１３０の頂部と側面部および半導体層１１０上に、窒化珪素(ＳiＮｘ)膜１１４を３００ｎｍ形成した後、リッジ部１３０の頂部のみを開口させたレジストマスク(図示せず)をフォトリソグラフィ工程を用いて作製し、フッ酸を用いて、リッジ部１３０の頂部に形成されたＳiＮ膜を除去する。その後、レジストマスク(図示せず)は除去する。
【００７１】
続いて、図５に示すように、抵抗加熱蒸着法を用いて、ｐ側電極１１５としてＮi層１１５ａ(層厚：１０ｎｍ)、ＡuＺn層１１５ｂ(Ａu９５％とＺn５％との合金、層厚：１００ｎｍ)、Ａu層１１５ｃ(層厚：３００ｎｍ)の順に金属薄膜を積層形成する。
【００７２】
その後、図１に示したように、基板１０１を裏面側から所望の厚み(ここでは、約１００μｍ)にまで、ラッピング法により研削する。そして、裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、ｎ側電極１１６としてＡuＧe層(Ａu８８％とＧe１２％との合金、層厚：１００ｎｍ)、Ｎi層(層厚：１５ｎｍ)、Ａu層(層厚：３００ｎｍ)を積層形成する。
【００７３】
その後、Ｎ2雰囲気中で、４００℃１分間加熱し、アロイ処理を行う。その結果、図６に示すように、ＳiＮ膜１１４上を除く、ｐ側電極１１５とｐ側電極１１５の接するｐ型コンタクト層１１３との界面では、Ｎi層１１５ａが完全に反応して消失し、ＮiとＡuＺn層１１５ｂとｐ型コンタクト層１１３を構成する半導体層材料とが合金化した合金層１２０が形成される。
【００７４】
上記合金層１２０は、図６の右側の拡大図に示すように、ｐ型コンタクト層１１３側に形成されたＧaとＡsとＺnおよびＮiからなる第１の合金層１２０aと、電極１１５側に形成されたＡuとＺnとＧaおよびＮiからなる第２の合金層１２０bとを有している。
【００７５】
この基板１０１を、所望の共振器長(ここでは、５００μｍ)を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーをチップ(５００μｍ×２５０μｍ)に分割する。分割後のチップを、Ｉn糊剤を用いてステム(図示せず)上に固着する。そして、ｐ側電極１１５上に、外部回路との電気的接続を行うためのＡuワイヤ(図示せず)をボンディングする。これで、半導体レーザ素子が完成する。
【００７６】
この第１実施形態の半導体レーザ素子においては、ｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３とｐ側電極１１５(とくにＡuＺn層１１５ｂ)との界面に、少なくともＮiを含みＡuとＺnとＧaとＡsからなる合金層１２０が形成されているために、活性層１０６から比較的近い距離にＡuＺn層を形成しているにもかかわらず、ｐ型コンタクト層１１３とｐ側電極１１５との界面の平坦性が悪化しておらず、また、ｐ型コンタクト層１１３,１１２を超えて、ｐ型クラッド層１１１に到達するまでＡu原子が異常拡散していることもなかった。
【００７７】
このことは、Ｎiを含む合金層１２０を、ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層１１３とＡuＺn層を含むｐ側電極１１５との界面に形成していることによる。
【００７８】
ここで、活性層から比較的近い距離とは、およそ３μｍ程度以内の距離のことを指し、数１０μｍのコンタクト層を有する半導体レーザ素子の場合と区別している。
【００７９】
Ｎiを含む合金層を設けない従来のＡuＺn合金を用いた電極とｐ型コンタクト層の構成の場合、特にＧaＡsまたはＧaＡsを主成分とする半導体層、例えばＩnＧaＡsなどに対して、Ａuを主体とするＡuＺn合金を堆積させ、アロイ(合金化)処理を実施すると、良好なコンタクト抵抗が得られるものの、まず、コンタクト層に含まれるＧaがＡu系電極中に吸い上げられる反応が起きる。その後、Ｇaが抜けた跡にＡuが深く拡散し、一般的には「アロイ・スパイク」などと称されるスパイク状のＡu原子の異常拡散現象が生じていた。また、Ａuを主体とするＡuＺn合金は、ＧaＡs系半導体層に対する密着性がそれほどよくなく、半導体層と電極との界面が荒れて平坦性が悪くなる傾向があった。この平坦性に欠ける界面は、その後に熱処理を行うことによって、さらにその平坦性が悪化してしまう。
【００８０】
このような界面の平坦性の悪化や、Ａu原子の異常拡散現象は、上述の厚いコンタクト層を有する半導体レーザ素子の場合には、活性層から十分離れた所で発生するために問題になることは無かったが、この第１実施形態のように、活性層に対して比較的近い距離である３μｍ以内の位置に電極が設けられている場合、従来の構成では素子特性が低下する。さらに、活性層からの距離が２μｍ以下であるような場合には、効率や閾値電流値などの静特性の低下と信頼性の悪化が非常に顕著となる。
【００８１】
しかしながら、この第１実施形態の半導体レーザ素子の製造方法のように、ＡuＺn層を堆積させる前に、まずＮi層を堆積させることによって、上述した半導体層と電極との界面の平坦性を大きく改善することができた。また、この界面の平坦性は、熱処理によっても悪化しないことも分かった。さらに、Ｎiを含む合金層が形成された後は、その合金層を越えて、さらに活性層側へＡuが異常拡散することもなくなることが分かった。
【００８２】
この時、堆積させるＮiの膜厚は、５ｎｍ以上であることが好ましい。Ｎiの膜厚が５ｎｍ未満の場合、十分な合金層を形成するにはＮiの量が不足であり、またｐ型コンタクト層と電極との界面の平坦性を保つ効果も小さかった。一方、２５ｎｍを超えて堆積させた場合、熱処理を行った後も、一部のＮiは合金化されずに残ってしまい好ましくないことがある。すなわち、Ｎiが単体の層として残った場合、ＡuＺn合金やＡuに比べて屈折率が高いため、基板に垂直な方向の発振レーザ光の分布に影響を与える可能性がある。この第１実施形態においては、１０ｎｍのＮiを堆積させた。その結果、Ｎi層は、後述する温度範囲の熱処理によって全て反応し、電極を構成する元素およびｐ型コンタクト層を構成する元素と共に合金層１２０となった。
【００８３】
また、Ｎi層は、ＡuＺn層を堆積させる前に形成することによって、界面の平坦性の改善とＡu原子の異常拡散のどちらに対しても効果が大きくなるが、場合によっては、ＡuＺnを堆積させた後、Ｎiを堆積させる工程の順としても良い。この場合、上述の効果はどちらに対しても若干小さくなる。
【００８４】
上記合金層１２０は、この第１実施形態の半導体レーザ素子の製造方法のように、３５０℃以上かつ４５０℃以下で熱処理を行った場合、その厚みは最大でも０.２μｍを超えることがなかった。そのため、この第１実施形態のようにｐ型コンタクト層の厚みを０.２μｍ以上に設定しておくことによって、ｐ型クラッド層にまで、ｐ側電極を構成する金属薄膜のＡu原子が異常拡散することがなくなり、内部散乱や吸収損失の増加を防止することができた。ただし、この熱処理の温度を３５０℃未満では、十分なアロイ反応が起こらず、低いコンタクト抵抗を得ることができない一方、４５０℃を超える温度では、Ｎiを含む合金層がＡu原子の異常拡散を阻止できない。
【００８５】
上記第１実施形態の半導体レーザ素子では、ＧaＡsからなるｐ型コンタクト層のドーパントがＺnである。このように、ｐ側電極中に含まれるＺnと同じ材料をコンタクト層のドーパントに用いることによって、オーミック接合を形成するための熱処理を行った際に、電極に含まれるＺnがコンタクト層側に拡散し、コンタクト層のドーピング濃度をエピ成長後に増加させることができる。そのことによって、電極とｐ型コンタクト層との間の接触抵抗をより低減することができる。
【００８６】
また、この第１実施形態のｐ側電極１１５は、Ａuを主たる成分としているために、ｐ側電極１１５の屈折率は、一般に半導体層の屈折率に比べて半分以下である。そのために、例えば半導体層と同程度の屈折率を有するＴi系の電極を使用した場合に比べて、発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果を非常に大きくできる。加えて、前述したようにＮiを含む合金層１２０を形成することによって、電極と半導体層との界面の平坦性がよく、半導体層中へのＡu原子の異常拡散も防止することができるので、内部散乱や吸収損失の増大の無い、高い発振効率を有する半導体レーザ素子を作成することができる。
【００８７】
また、この第１実施形態の半導体レーザ素子のように、Ｎiを含む合金層１２０を有するＡuを主たる成分とするｐ側電極１１５が形成され、かつｐ型クラッド層１１１がＡlＧaＡsからなるとき、III族元素中のＡl混晶比が０.６よりも大きくかつ０.７以下である場合には、ｐ型クラッド層１１１の厚みは０.５μｍ以上とすることによって、ｐ型クラッド層１１１上に設けられたｐ型コンタクト層１１２,１１３への発振レーザ光の漏れがほとんど無いようにできる。よって、上述のようにｐ型クラッド層１１１へのＡu原子の異常拡散を防止したことと、発振レーザ光の漏れがほとんど無いようにしたこととが相まって、内部散乱や吸収損失の増加を防止することができる。但し、Ａl混晶比が大きいほど、酸素が取り込まれる率が高くなり、それに起因する深い準位が非発光再結合中心となって、効率を低下させたり、信頼性を悪化させたりすることがあるため、Ａl混晶比の上限は０.７とした方がよく、また、このような高混晶のＡlＧaＡsの場合、その膜厚は１μｍよりも小さくした方が信頼性面を考えると好ましい。
【００８８】
また、ＡlＧaＡsからなるｐ型クラッド層１０９,１１１のIII族におけるＡl混晶比が０.４以上かつ０.６以下の場合は、その厚みが１μｍ以上であるときに、ｐ型クラッド層１０９,１１１上に設けられたｐ型コンタクト層１１２,１１３への発振レーザ光の漏れがほとんど無いようにできる。この第１実施形態では、ＡlＧaＡsからなるｐ型クラッド層１０９,１１１のIII族元素中のＡl混晶比は、およそ０.４５から０.５であり、総層厚は１.４８μｍ(＝０.２μｍ＋１.２８μｍ)とした。また、光閉じ込めの観点からは、Ａl混晶比が０.４以上かつ０.６以下の場合のｐ型クラッド層の厚みは２.０μｍもあれば十分である。
【００８９】
尚、上記ｐ型クラッド層の厚みは、リッジ部１３０のｐ型クラッド層１１１およびその下の領域のｐ型クラッド層１０９の層厚のトータルを指す。
【００９０】
上述のように、本発明は、コンタクト層がＧaＡsもしくはＧaＡsを主たる成分とする半導体層(例えばＩnＧaＡsなど)であって、ｐ側電極としてＡuを主たる成分とする合金を用いる場合に効果が大きい。なお、外部との電気的導通を図るために設ける金属ワイヤとの良好な接合のために、Ａuを主たる成分とする合金上には、ある程度(典型的には、１００ｎｍ以上)の厚みを有するＡu層をさらに設けた方が良い。Ａu層を設けることにより、金属(ＡuまたはＡlなどが使用される)ワイヤの接続抵抗を低減し、また密着性を向上させることができる。この第１実施形態では、ＡuＺn層１１５b上に、厚さ３００ｎｍのＡu層１１５cを形成した。
【００９１】
この第１実施形態においては、ｐ側電極として、ＡuＺn層上に、Ａuからなる低抵抗層を設けた後、これらを一体にアロイ処理を行っている。場合によっては、ＡuＺn層とＡu層との間に、Ａu層の密着性を改善するための材料層や、Ａu層がＡuＺn層を介して拡散していくことを防止するための材料層を設けても良い。これらの目的のためには、ＴiやＭo、あるいは白金族元素または白金族元素化合物を用いることが好ましい。ＴiやＭoをＡuＺn層とＡu層との界面に設ける場合には、(Ｎi層と)ＡuＺn層までを蒸着した後、一旦アロイ処理を行い、その後再度、ＴiやＭo層の蒸着工程に続いてＡu層を蒸着する工程としても良い。
【００９２】
ここで、白金族元素とは、ルテニウム(Ｒu)、ロジウム(Ｒh)、パラジウム(Ｐd)、オスミウム(Ｏs)、イリジウム(Ｉr)および白金(Ｐt)の総称であり、白金族元素化合物とは、Ｒu、Ｒh、Ｐd、Ｏs、ＩrおよびＰtのうちの少なくとも１つを含む化合物のことである。
【００９３】
また、この第１実施形態においては、Ａuを主たる成分とする電極材料としてＡuＺnを用いたが、その他に適用できる材料としては、ＡuＭnやＡuＣrなどがある。これらの材料を用いた場合であっても、Ｎiを含む合金層はＡｕ原子の異常拡散を防止する効果を有し、低い接触抵抗と散乱・吸収損失の抑制を両立することができる。しかしながら、例えばＡuＣr材料は、Ｃrを含むことから環境面への影響を考えると適当でないことがある。また、ＡuＭnよりもＡuＺnの方が、ｐ型のコンタクト層に対してより低いコンタクト抵抗を実現しやすい。
【００９４】
また、この第１実施形態の半導体レーザ素子においては、ｐ+−ＧaＡsコンタクト層１１３まで結晶成長させた後、リッジ部１３０を形成し、上記リッジ部１３０の頂部を除いてＳiＮ(窒化珪素)による電流狭窄層を形成したものに対して、上述のコンタクト層・電極構成を適用している。
【００９５】
そのことによって、簡便な製造方法でありながら、高い発振効率と低い素子抵抗が得られ、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子の製造方法を得ることができる。ここで、電流狭窄層としては、この第１実施形態で使用した窒化珪素膜の他、酸化珪素膜も使用できる。また、耐熱性を有するポリイミド等の有機絶縁膜を使用しても良い。
【００９６】
この第１実施形態においては、活性層とクラッド層との間に、ガイド層を有するＳＣＨ(Separate Confinement Heterostructure)構造を用いたが、もちろん本発明はこれに限られるものではない。例えば、結晶成長を円滑に行うための中間層を追加するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各々の層厚、材料の変更等を加え得ることは当然である。
【００９７】
また、上記第１実施形態では、リッジ構造の半導体レーザ素子について説明したが、リッジ構造を有しない半導体レーザ素子にこの発明を適用してもよい。
【００９８】
また、上記第１実施形態では、半導体レーザ素子の電極構造について説明したが、半導体レーザ素子に限らず、ｐ型コンタクト層とそのｐ型コンタクト層と導通する電極を有する全ての半導体素子(例えば、発光ダイオードやヘテロ接合バイポーラトランジスタなど)に適用することができる。
【００９９】
〔第２実施形態〕
図７に、本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す。この半導体レーザ素子は、波長６５０ｎｍ帯で発振してＤＶＤ(デジタル・ビデオ・ディスク)用の光源として使用するものである。
【０１００】
図７に示すように、ｎ−ＧaＡs基板２０１上に、ｎ−(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.51Ｉn0.49Ｐ下クラッド層２０２(層厚：１.５μｍ、Ｓiドーピング濃度：５×１０17ｃｍ-3)、ＧaＩnＰ活性層２０３、ｐ−(Ａl0.7Ｇa0.3)0.51Ｉn0.49Ｐ上クラッド層２０４(層厚：１.５μｍ、Ｂeドーピング濃度：５×１０17ｃｍ-3)、ｐ−ＧaＩnＰ中間層２０５、ｐ−ＧaＡsコンタクト層２０６(層厚：０.３μｍ、Ｂｅドーピング濃度：１×１０19ｃｍ-3）がＭＢＥ(分子線エピタキシー)法により順次エピタキシャル成長され、上記コンタクト層２０６から上クラッド層２０４の上側の一部にかけてエッチング加工によりストライプ状のリッジ部２０７が形成されている。リッジ部２０７領域外の上クラッド層２０４の層厚は０.３μｍである。
【０１０１】
電流注入領域となるリッジ部２０７の上面を除いて、上クラッド層２０４の上面及びリッジ部２０７の側面には、ＳiＮ膜からなる絶縁膜２０８が形成されている。上記絶縁膜２０８上および絶縁膜２０８から露出した上記コンタクト層２０６上には、ｐ側電極２０９としてＡuＺn層 (Ａu９５％とＺn５％との合金、層厚：１００ｎｍ)とＡu層(層厚：３００ｎｍ)が積層形成されており、さらに、コンタクト層とＡｕＺｎ層の界面には、Ｎｉを含む合金層が形成されている。
【０１０２】
この第２実施形態においては、予め膜厚１５ｎｍのＮi層を堆積させた後、上述のＡuＺn層およびＡu層を形成し、熱処理を行うことによってコンタクト層とＡuＺn層との界面にＮiを含む合金層を形成した。また、絶縁膜２０８とＡuＺn層との界面には、合金化されなかったＮi層(層厚：１５ｎｍ、図示せず)が残っている。さらに、ＧaＡs基板２０１の裏面には、ｎ側電極２１０として、例えばＡuＧe／Ｎi／Ａuの多層金属薄膜が形成されている。
【０１０３】
上述の第２実施形態に示したようなＤＶＤ用の赤色半導体レーザ素子は、記録時間をより短縮化したいという要求にこたえるため、更なる高出力化への対応が盛んに検討されている。
【０１０４】
そのために重要な対策は、特に次の３点であると考えられる。
一つは、高出力時の発振横モードを安定化させるため、リッジ部の底部の幅をより狭めること。
二つには、高出力を得るために大電流を注入した際、リッジ部の底部の幅を狭めたことによってリッジ部側電極が高抵抗化してしまうのをできる限り抑制・改善すること。
三つには、リッジ部側での光吸収材料となるコンタクト層の影響をできる限り排除することである。
【０１０５】
しかしながら、例えば一つ目の対策を実行すると、リッジ部側電極の幅も狭まるので、結果として素子抵抗が増大してしまうというデメリットが発生する。しかも、二つ目にあるように、より高出力を得るためには従来以上の大電流を注入する必要があるので、その結果、リッジ部側電極での電気的ロスがさらに増加して消費電力や信頼性を悪化させてしまうというデメリットが併発する。
【０１０６】
一方、コンタクト層として用いられるＧaＡs材料はクラッド層よりも屈折率が大きいために発振したレーザ光を引き寄せ、光分布をコンタクト層側に偏らせてしまう。これを防止するため、これまではリッジ部を構成する上クラッド層の厚みを厚くすることによって、活性層からコンタクト層までの距離を少しでも離し、発振したレーザ光に対するコンタクト層の影響が小さくなるようにしていた。この結果、リッジ部の高さはさらに高くなり、電極の幅もさらに狭くなるという悪循環に陥ってしまっていた。
【０１０７】
これに対して本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子によれば、コンタクト層と電極との界面にＮiを含む合金層を形成した上で、リッジ部側電極材料としてＡuＺnを用いることによって、上述した目的のために狭められたリッジ部幅の上に形成されたコンタクト層に対しても、従来のＴi系電極に対して、より低抵抗な電極が実現できるようになる。さらに、Ｎiを含む合金層がＡu原子の活性層側への拡散を防止するため、信頼性の低下もない。
【０１０８】
また、半導体材料に対して非常に小さな屈折率を有するＡuを主体とする電極をコンタクト層上に形成しているために、発振したレーザ光を活性層側に閉じ込める力が大きくなってコンタクト層への光漏れを抑制することができるようになる。そのため、クラッド層厚を大きくする必要もなくなり、さらに無用な電極幅の低下もなくなる。このときＮi合金層が形成されていることにより、電極とコンタクト層との界面の平坦性が保たれ、かつＡu原子の拡散が抑制されているので、上記界面やＡu原子に起因する内部散乱による損失もない。
【０１０９】
コンタクト層にまで光が漏れないのであるから、当然電極材料自体への光漏れも防止できるようになり、吸収損失・散乱損失の極めて少ない、高い発振効率を有する半導体レーザ素子を実現できるようになる。
【０１１０】
これらによって高出力発振を実現した際の消費電力を低減できるようになる。その結果、より少ない電流で同じ光出力を得ることができるようになることから、相乗効果として信頼性についてもより向上するというメリットも生ずる。
【０１１１】
なお、この第２実施形態におけるリッジ部のエッチング加工は、ウエット法またはドライ法のどちらでもよい。ドライエッチングを用いたほうが、リッジ部の側面の垂直性を容易に向上させることができるため、リッジ部の底部の幅を狭めつつコンタクト層の幅を確保でき、その結果より電極のコンタクト抵抗を低減できるという効果がある。しかしながら、この第２実施形態の構成を用いれば、ウエットエッチング法を用いてリッジ形成を行い、リッジ部が順テーパとなってコンタクト層の幅が狭まってしまった場合にも、従来のＴi系電極よりも低抵抗な電極が実現できるというメリットが発生する。
【０１１２】
〔第３実施形態〕
図８は、本発明にかかる光ディスク装置３００の構造の一例を示したものである。これは光ディスク３０１にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際に用いられる発光素子として、先に説明した第１実施形態の構成を使用した波長７８０ｎｍ帯で発振する半導体レーザ素子３０２を備えている。
【０１１３】
この光ディスク装置についてさらに詳しく説明する。書き込みの際は、半導体レーザ素子３０２から出射された信号光がコリメートレンズ３０３により平行光とされ、ビームスプリッタ３０４を透過し、λ／４偏光板３０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ３０６で集光されて光ディスク３０１に照射される。読み出し時には、データ信号がのっていないレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク３０１に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク３０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ３０６、λ／４偏光板３０５を経た後、ビームスプリッタ３０４で反射されて９０°角度を変えた後、受光素子用対物レンズ３０７で集光され、信号検出用受光素子３０８に入射する。信号検出用受光素子３０８内で入射したレーザ光の強弱によって記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路３０９において元の信号に再生される。
【０１１４】
この第３実施形態の光ディスク装置では、従来よりも高い発振効率で動作し、しかも低い素子抵抗を有する半導体レーザ素子３０２を用いているため、消費電力を大幅に削減することが可能となる。従って、より環境に対する負荷の少ない光ディスク装置を安価に提供することができる。
【０１１５】
なお、ここでは第１実施形態の構成を使用した半導体レーザ素子３０２を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長７８０ｎｍ帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置や、他の波長帯(例えば第２実施形態に示した６５０ｎｍ帯)の半導体レーザ素子を使用した光ディスク装置にも適用可能であることはいうまでもない。
【０１１６】
〔第４実施形態〕
図９は、本発明の第４実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール４００を示す断面図である。また、図１０は光源の部分を示す斜視図であり、図１１は、光伝送システムの概略図である。この第４実施形態では、光源として第１実施形態で説明した発振波長８９０ｎｍのＩnＧaＡs系半導体レーザ素子(レーザチップ) ４０１を、また受光素子４０２としてシリコン(Ｓi)のｐｉｎフォトダイオードを用いている。詳しくは後述するが、通信を行う双方の側(例えば、端末とサーバ)にそれぞれ同じ光伝送モジュール４００を備えることにより、双方の光伝送モジュール４００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。
【０１１７】
図９において、回路基板４０６上には、半導体レーザ駆動用の正負両電極のパターンが形成され、図示のとおり、レーザチップ４０１を搭載する部分には深さ３００μｍの凹部４０６ａが設けられている。この凹部４０６ａに、レーザチップ４０１を搭載したレーザマウント(マウント材) ４１０をはんだで固定する。レーザマウント４１０の正電極４１２の平坦部４１３(図１０に示す)は、回路基板４０６上のレーザ駆動用正電極部(図示せず)とワイヤ４０７ａによって電気的に接続される。また、上記凹部４０６ａは、レーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっており、また、面の粗さが放射角に影響を与えないようにされている。
【０１１８】
また、受光素子４０２は、やはり回路基板４０６に実装され、ワイヤ４０７ｂにより電気信号が取り出される。この他に、回路基板４０６上にレーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ回路４０８が実装されている。
【０１１９】
次いで、はんだで凹部４０６ａに固定されたレーザマウント４１０を搭載した部分に液状のシリコン樹脂４０９を適量滴下する。シリコン樹脂４０９中には、光を拡散させるフィラーが混入されている。シリコン樹脂４０９は表面張力のために凹部内に留まり、レーザマウント４１０を覆い凹部４０６ａに固定する。この第４実施形態では、回路基板４０６上に凹部４０６ａを設け、レーザマウント４１０を実装したが、上述のように、シリコン樹脂４０９は表面張力のためにレーザチップ表面およびその近傍に留まるので、凹部４０６ａは必ずしも設ける必要はない。
【０１２０】
この後、８０℃で約５分間加熱して、ゼリー状になるまで硬化させる。次いで、透明なエポキシ樹脂モールド４０３により被覆する。レーザチップ４０１の上方には、放射角制御のためのレンズ部４０４が、また、受光素子４０２の上方には信号光を集光するためのレンズ部４０５がそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。
【０１２１】
次に、レーザマウント４１０について、図１０を用いて説明する。図１０に示すように、Ｌ字型のヒートシンク４１１にレーザチップ４０１がＩn糊剤を用いてダイボンドされている。レーザチップ４０１は、第１実施形態で説明したＩnＧaＡs系の半導体レーザ素子であり、そのチップ下面４０１ｂには高反射膜がコーティングされており、一方、レーザチップ上面４０１ａには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜は、レーザチップ端面の保護も兼ねている。
【０１２２】
ヒートシンク４１１の基部４１１ｂには、ヒートシンク４１１と導通しないように絶縁物により正電極４１２が固着されている。この正電極４１２とレーザチップ４０１の表面の電極領域４０１ｃとは、金ワイヤ４０７ｃによって接続されている。上述のように、このレーザマウント４１０を、図９の回路基板４０６の負電極(図示せず)にはんだ固定して、正電極４１２の上部の平坦部４１３と回路基板４０６の正電極部(図示せず)とをワイヤ４０７ａで接続する。このような配線の形成により、図１０に示すように、レーザビーム４１４を発振により得ることができる光伝送モジュール４００が完成する。
【０１２３】
この第４実施形態の光伝送モジュール４００は、前述の高効率、低素子抵抗な半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュールの消費電力を従来に比べて大幅に低く抑えることができる。この光伝送モジュール４００を用いた光伝送システムは、低消費電力で動作するため、環境に対する負荷を小さくできる。また、携帯機器にこの光伝送システムを搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯機器を使用することができるようになる。
【０１２４】
上述したように、通信を行う双方の側にそれぞれ同じ光伝送モジュール４００を備えることにより、双方の光伝送モジュール４００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。図１１は、この光伝送モジュール４００を用いた光伝送システムの構成例を示している。この光伝送システムは、部屋の天井に設置された基地局４１５に上記光伝送モジュール４００を備えるとともに、パーソナルコンピュータ４１６に上記と同じ光伝送モジュール(区別のために符号４００’で表す。)を備えている。パーソナルコンピュータ４１６側の光伝送モジュール４００’の光源から情報を持って発した光信号は、基地局４１５側の光伝送モジュール４００の受光素子によって受信される。また、基地局４１５側の光伝送モジュール４００の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ４１６側の光伝送モジュール４００’の受光素子によって受信される。このようにして、光(赤外線)によるデータ通信を実現することができる。
【０１２５】
尚、本発明の半導体レーザ装置、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではない。たとえば井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の断面模式図である。
【図２】図２は上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、結晶成長後に、リッジ部形成用のフォトマスクを設けた状態を表す。
【図３】図３は上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、リッジ部形成のためのエッチング工程後の状態を表す。
【図４】図４は上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、電流狭窄用のＳiＮ膜形成工程後の状態を表す。
【図５】図５は上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図であり、ｐ側電極の蒸着工程後の状態を表す。
【図６】図６は上記半導体レーザ素子のリッジ構造周辺の拡大模式図である。
【図７】図７は本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子の断面模式図である。
【図８】図８は本発明の第３実施形態の光ディスク装置の概略図である。
【図９】図９は本発明の第４実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュールの概略図である。
【図１０】図１０は上記光伝送システムにかかる光源の斜視図である。
【図１１】図１１は上記光伝送システムの構成例を示す斜視図である。
【図１２】図１２は従来の半導体レーザ素子とその製造方法を説明するための断面模式図である。
【図１３】図１３は図１２に続く半導体レーザ素子の製造方法を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１０１…ｎ−ＧaＡs基板
１０２…ｎ−ＧaＡsバッファ層
１０３…ｎ−ＡlＧaＡs第１下クラッド層
１０４…ｎ−ＡlＧaＡs第２下クラッド層
１０５…ＡlＧaＡs下ガイド層
１０６…多重歪量子井戸活性層
１０７…ＡlＧaＡs第１上ガイド層
１０８…ｐ−ＡlＧaＡs第２上ガイド層
１０９…ｐ−ＡlＧaＡs第１上クラッド層
１１０…ｐ−ＩnＧaＡsＰ半導体層
１１１…ｐ−ＡlＧaＡs第２上クラッド層
１１２…ｐ−ＧaＡsコンタクト層
１１３…ｐ+−ＧaＡsコンタクト層
１１４…ＳiＮ膜
１１５…ｐ側電極
１１５a…Ｎi層
１１５b…ＡuＺn層
１１５c…Ａu層
１１６…ｎ側電極
１１７…レジストマスク
１１７ａ…リッジ部形成領域
１１７ｂ…リッジ部形成外領域
１２０…合金層
１２０a…第１の合金層
１２０b…第２の合金層
１３０…リッジ部
２０１…ｎ−ＧaＡs基板
２０２…ｎ−ＡlＧaＩnＰ下クラッド層
２０３…ＧaＩnＰ活性層
２０４…ｐ−ＡlＧaＩnＰ上クラッド層
２０５…ＧaＩnＰ中間層
２０６…ｐ−ＧaＡsコンタクト層
２０７…リッジ部
２０８…絶縁膜
２０９…ｐ側電極
２１０…ｎ側電極
３００…光ディスク装置
３０１…光ディスク
３０２…半導体レーザ素子
３０３…コリメートレンズ
３０４…ビームスプリッタ
３０５…λ／４偏光板
３０６…対物レンズ
３０７…受光素子用対物レンズ
３０８…信号検出用受光素子
３０９…信号光再生回路
４００,４００’…光伝送モジュール
４０１…半導体レーザ素子(レーザチップ)
４０１ａ…低反射膜
４０１ｂ…高反射膜
４０１ｃ…ショットキー接合している電極領域
４０２…受光素子
４０３…エポキシ樹脂モールド
４０４,４０５…レンズ部
４０６…回路基板
４０６ａ…凹部
４０７ａ,４０７ｂ,ｃ４０７…ワイヤ
４０８…ＩＣ回路
４０９…シリコン樹脂
４１０…レーザマウント
４１１…ヒートシンク
４１１ｂ…基部
４１２…正電極
４１３…平坦部
４１４…レーザビーム
４１５…基地局
４１６…パーソナルコンピュータ
５０１…ｎ−ＧaＡs基板
５０２…ｎ−ＡlＧaＡsクラッド層
５０３…アンドープＧaＡs活性層
５０４…ｐ−ＡlＧaＡsクラッド層
５０５…ｐ−ＧaＡsコンタクト層
５０６,５１２…フォトレジストパターン
５０７,５０８…ｐ−オーミック電極
５０９,５１０…ＳiＯ2膜
５１１…ＳiＮ膜
５１３…ボンディング電極
５１４…ｎ−オーミック電極
【図１】
2006019705.tif 000003
【図２】
2006019705.tif 000004
【図３】
2006019705.tif 000005
【図４】
2006019705.tif 000006
【図５】
2006019705.tif 000007
【図６】
2006019705.tif 000008
【図７】
2006019705.tif 000009
【図８】
2006019705.tif 000010
【図９】
2006019705.tif 000011
【図１０】
2006019705.tif 000012
【図１１】
2006019705.tif 000013
【図１２】
2006019705.tif 000014
【図１３】
2006019705.tif 000015