(57)【要約】 【課題】  赤外レーザの動作電流の増大、ｎ型クラッド層によるＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生、さらに、Ｚｎの固相拡散による窓領域形成時のクラッド層から活性層へのＩｎ拡散などの問題を解消することができる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。【解決手段】  半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成される【選択図】      図１
2008311437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型ＧａＡｓ基板上に少なくとも、第１導電型第1クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、
前記第２導電型クラッド層が、ＡｌＧａＩｎＰから形成され、
前記活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成されることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
第１導電型ＧａＡｓ基板上に少なくとも、第１導電型クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、
前記第２導電型クラッド層が、ＡｌＧａＩｎＰから形成され、
前記活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成される第１積層体と、
前記基板上で前記第１積層体が形成された領域とは異なる領域に発振波長が赤色域の第２積層体と、を備えること特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
第１導電型ＧａＡｓ基板上に少なくとも、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層、およびＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型第２クラッド層がこの順に積層される第１積層体を形成する工程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４】
前記基板上で前記第１積層体が形成された領域とは異なる領域に、少なくとも、第１導電型第３クラッド層、発振波長が赤色域の光を放出する第２活性層、第２導電型第４クラッド層がこの順に積層される第２積層体を形成する工程と、を含む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製造方法。
【請求項５】
前記第１積層体の最上層としてコンタクト層を形成し、前記第１積層体を覆って前記基板上に、少なくとも前記第１導電型第３クラッド層、第２活性層、および第２導電型第４クラッド層を含む第２積層体の前駆体を形成した後に、前記コンタクト層を、エッチングを止めるためのマーカとして利用して、前記前駆体をエッチングして前記第２積層体を形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記活性層における光の出射方向の端部に不純物を拡散し、前記活性層の前記端部に、平均的なバンドギャップエネルギが、前記活性層における前記端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成する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製造方法。
【請求項７】
前記第１および第２積層体のうちの少なくともいずれか一方には、前記活性層における光の出射方向の端部に不純物を拡散し、前記活性層の前記端部に、平均的なバンドギャップエネルギが、前記活性層における端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成することを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
前記窓領域は、ＺｎＯ膜を用いたＺｎの固相拡散によって形成されることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項９】
前記Ｚｎの固相拡散における拡散温度は、少なくとも、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層、およびＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型第２クラッド層の結晶成長温度よりも低温であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１および第２積層体の一部をエッチングして除去することによって、第１積層体の上に第１電流狭窄部を形成するとともに、第２積層体の上に第２電流狭窄部を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１および第２電流狭窄部を形成する工程におけるエッチングエッチングを止めるためのマーカとして利用する層としてＧａＩｎＰ層を、前記第１積層体の第２導電型第２クラッド層および前記第２積層体の第２導電型第４クラッド層に形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１および第２電流狭窄部を形成した後に、前記第１および第２電流狭窄部の一部がそれぞれ露出するように、前記第１および第２電流狭窄部ならびに第１および第２積層体を前記基板とともに覆う誘電体膜を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスク、あるいは磁気ディスクシステムなどの光情報処理などに使われる半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、記録型のＣＤディスクおよびＤＶＤディスクの普及によって、高出力のレーザ光を照射できる赤外レーザおよび赤色レーザの需要が拡大し続けている。現在では、ＤＶＤの記録とＣＤの記録とが共にできるような記録装置が一般的となっている。さらに最近では、青色、蒼紫色レーザを含め一つの記録装置で３種類のレーザを搭載することが要求されており、記録装置の構造が複雑化しつつある。
【０００３】
この問題を解決するために、従来技術においては、赤外レーザと赤色レーザを１つの半導体チップで構成する手法がある。
【０００４】
図１１（１）は、従来の赤外レーザ１０１および赤色レーザ１０２を搭載した半導体レーザ素子１００の構成を示す断面図である。図１１（２）は、赤外レーザ１０１の活性層１０６の拡大図である。赤外レーザ１０１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０３上にｎ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐクラッド層１０４、Ａｌ０.４６Ｇａ０.５４Ａｓガイド層１０５、活性層１０６、Ａｌ０.４６Ｇａ０.５４Ａｓガイド層１０７、ｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ第１クラッド層１０８、ｐ型(Ａｌ０.２Ｇａ０.８)０.５Ｉｎ０.５Ｐ第２クラッド層１０９、ｐ型第２クラッド層１０９とｐ型ＧａＡｓ層１１１のバンドキャップ差を緩和するためのｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層１１０、電極とコンタクトをとるためのｐ型ＧａＡｓ層１１１が、この順に積層されて構成されている。また、活性層１０６は、多重量子井戸構造を有しており、Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４Ａｓバリア層１２１（たとえばｘ４＝０.３５）、Ａｌｘ５Ｇａ１-ｘ５Ａｓ井戸層１２２（たとえばｘ５＝０.１１）、Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４Ａｓバリア層１２３（たとえばｘ４＝０.３５）、Ａｌｘ５Ｇａ１-ｘ５Ａｓ井戸層１２４（たとえばｘ５＝０.１１）、Ａｌｘ４Ｇａ１-ｘ４Ａｓバリア層１２５（たとえばｘ４＝０.３５）の順に積層されている。
【０００５】
赤色レーザ１０２は、前記基板上で前記赤外レーザ１０１が形成された領域とは異なる領域に形成されている。赤色レーザ１０２は、赤外レーザ１０１を形成したｎ型ＧａＡｓ基板１０３上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１４を結晶成長する。このクラッド層上に活性層となるＡｌＧａＩｎＰ層１１５を結晶成長する。さらにｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層１１６、ＩｎＧａＰエッチングマーカ層１１７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層１１８、ｐ型第２クラッド層１１８とｐ型ＧａＡｓ１２０層とのバンドギャップ差を緩和するためのｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層１１９、その上に電極とコンタクトをとるためのｐ型ＧａＡｓ層１２０を順次、結晶成長する。
【０００６】
第１の従来技術では、赤色レーザは、ｐ型およびｎ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層、またはＧａＩｎＰクラッド層で活性層を挟み込んだ構造が採用されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００７】
また、第２の従来技術のように、赤外レーザにおいても、赤色レーザと同様にｐ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層と、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層とで活性層を挟み込んだ構造が採用されることが多い（たとえば特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−５８４０２号公報
【特許文献２】特開２００４−３４９２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ｐ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層と、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層とで活性層を挟み込んだ構造の赤外レーザにおいては、以下の（１）〜（３）のような問題がある。
【００１０】
（１）ｎ型のＩｎＧａＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層とＡｌＧａＡｓバリア層との間に電子障壁が生じているため、動作電流が増大する。動作電流の増大を解消するためには、ＡｌＧａＡｓバリア層のＡｌ組成比を下げる方法も考えられるが、あわせて放射角を制限するか、または、ＡｌＧａＡｓバリア層とＡｌＧａＡｓ井戸層のバンドギャップ差を大きくして、電子がＡｌＧａＡｓ井戸層から漏れ出さないようにする必要があり、実際は困難である。
【００１１】
（２）赤外レーザの活性層は、ＧａＡｓと格子整合系のため、欠陥は発生しないが、ＡｌＧａＡｓ活性層のすぐ下のｎ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層は、Ｉｎ組成が格子整合からずれてしまうと欠陥および転位が発生し、それによって、その上のＡｌＧａＡｓ活性層にも欠陥が生じてしまう。したがって、ＡｌＧａＡｓ活性層のすぐ下のｎ型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層のＩｎ組成制御性が活性層の品質に与える影響は大きい。
【００１２】
（３）ＺｎＯ膜を用いたＺｎの固相拡散によって窓領域を形成する場合において、クラッド層をＺｎ拡散温度である５７０℃より高い温度にすると、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層から活性層にＩｎ拡散が発生し、発光効率が低下するなどの問題がある。
【００１３】
したがって本発明の目的は、赤外レーザの動作電流の増大、ｎ型クラッド層によるＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生、さらに、Ｚｎの固相拡散による窓領域形成時のクラッド層から活性層へのＩｎ拡散などの問題を解消することができる半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、第１導電型ＧａＡｓ基板上に少なくとも、第１導電型第1クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、および第２導電型第２クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、
前記第２導電型クラッド層が、ＡｌＧａＩｎＰから形成され、
前記活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成されることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１５】
また本発明は、第１導電型ＧａＡｓ基板上に少なくとも、第１導電型クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層、および第２導電型クラッド層がこの順に積層されて構成され、
前記第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、
前記第２導電型クラッド層が、ＡｌＧａＩｎＰから形成され、
前記活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成される第１積層体と、
前記基板上で前記第１積層体が形成された領域とは異なる領域に発振波長が赤色域の第２積層体と、を備えること特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１６】
また本発明は、第１導電型ＧａＡｓ基板上に少なくとも、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層、およびＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型第２クラッド層がこの順に積層される第１積層体を形成する工程を含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。
【００１７】
また本発明は、前記基板上で前記第１積層体が形成された領域とは異なる領域に、少なくとも、第１導電型第３クラッド層、発振波長が赤色域の光を放出する第２活性層、第２導電型第４クラッド層がこの順に積層される第２積層体を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記第１積層体の最上層としてコンタクト層を形成し、前記第１積層体を覆って前記基板上に、少なくとも前記第１導電型第３クラッド層、第２活性層、および第２導電型第４クラッド層を含む第２積層体の前駆体を形成した後に、前記コンタクト層を、エッチングを止めるためのマーカとして利用して、前記前駆体をエッチングして前記第２積層体を形成することを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、前記活性層における光の出射方向の端部に不純物を拡散し、前記活性層の前記端部に、平均的なバンドギャップエネルギが、前記活性層における前記端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成することを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、前記第１および第２積層体のうちの少なくともいずれか一方には、前記活性層における光の出射方向の端部に不純物を拡散し、前記活性層の前記端部に、平均的なバンドギャップエネルギが、前記活性層における端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記窓領域は、ＺｎＯ膜を用いたＺｎの固相拡散によって形成されることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、前記Ｚｎの固相拡散における拡散温度は、少なくとも、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層、およびＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型第２クラッド層の結晶成長温度よりも低温であることを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、前記第１および第２積層体の一部をエッチングして除去することによって、第１積層体の上に第１電流狭窄部を形成するとともに、第２積層体の上に第２電流狭窄部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、前記第１および第２電流狭窄部を形成する工程におけるエッチングエッチングを止めるためのマーカとして利用する層としてＧａＩｎＰ層を、前記第１積層体の第２導電型第２クラッド層および前記第２積層体の第２導電型第４クラッド層に形成することを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、前記第１および第２電流狭窄部を形成した後に、前記第１および第２電流狭窄部の一部がそれぞれ露出するように、前記第１および第２電流狭窄部ならびに第１および第２積層体を前記基板とともに覆う誘電体膜を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、半導体レーザ素子は、第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成されるので、赤外レーザの動作電流の増大、ｎ型クラッド層上のＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生、およびＺｎの固相拡散によって高温で窓領域を形成する場合における、第１導電型クラッド層からの活性層へのＩｎ拡散による発光効率の低下を抑制することができる。
【００２７】
また本発明によれば、半導体レーザ素子は、第１導電型ＧａＡｓ基板上に、第１導電型クラッド層が、ＡｌＧａＡｓから形成され、活性層が、ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかから形成される第１積層体と、前記基板上で第１積層体が形成された領域とは異なる領域に発振波長が赤色域の第２積層体とを備えるので、赤外レーザと赤色レーザを１つの半導体チップで構成する場合においても、赤外レーザの動作電流の増大、第１導電型クラッド層上のＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生、およびＺｎの固相拡散によって高温で窓領域を形成する場合における、第１導電型クラッド層からの活性層へのＩｎ拡散による発光効率の低下を抑制することができる。
【００２８】
また本発明によれば、半導体レーザの製造方法は、第１導電型ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層がこの順に積層される第１積層体を形成する工程とを含むので、赤外レーザの動作電流の増大、第１導電型クラッド層上のＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生を改善することができる。さらに、Ｚｎの固相拡散によって高温で窓領域を形成する場合における第１導電型クラッド層からの活性層へのＩｎ拡散による閾値電流の増大、発光効率の低下を抑制することができる半導体レーザ素子を製造することができる。
【００２９】
また本発明によれば、半導体レーザの製造方法は、基板上で第１積層体が形成された領域とは異なる領域に、少なくとも、第１導電型第３クラッド層、発振波長が赤色域の光を放出する第２活性層、第２導電型第４クラッド層がこの順に積層される第２積層体を形成する工程とを含むので、赤外レーザにおける動作電流の増大、第１導電型クラッド層上のＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生を改善し、Ｚｎの固相拡散によって高温で窓領域を形成する場合の第１導電型クラッド層から活性層へのＩｎ拡散による閾値電流の増大、発光効率の低下を抑制することができる２波長モノシリックの半導体レーザを製造することができる。
【００３０】
また本発明によれば、半導体レーザ素子の製造方法は、第１積層体の最上層としてコンタクト層を形成し、第１積層体を覆って前記基板上に、第２積層体の前駆体を形成した後に、コンタクト層を、エッチングを止めるためのマーカとして利用して、前駆体をエッチングして第２積層体を形成するので、１つの基板上に第１積層体と第２積層体を異なる領域に、少ない工程数で精度良く形成することができる。
【００３１】
また本発明によれば、活性層における光の出射方向の端部に不純物を拡散し、活性層の端部に、平均的なバンドギャップエネルギが、活性層における端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成するので、端面でレーザ光の一部が吸収され、熱に変わることによる端面破壊現象を抑制することができる。
【００３２】
また本発明によれば、第１および第２積層体のうちの少なくともいずれか一方には、活性層における光の出射方向の端部に不純物を拡散し、前記活性層の前記端部に、平均的なバンドギャップエネルギが、前記活性層における端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成する端面でレーザ光の一部が吸収され、熱に変わることによる端面破壊現象を防止することができる。
【００３３】
また本発明によれば、窓領域は、ＺｎＯ膜を用いたＺｎの固相拡散によって形成されるので、所望の窓領域の形成を実現することができる。
【００３４】
また本発明によれば、Ｚｎの固相拡散における拡散温度は、少なくとも、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層、およびＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型第２クラッド層の結晶成長温度よりも低温であるので、Ｚｎの固相拡散中において、活性層に他層から原子が相互拡散することを抑制することができ、活性層に他層から原子が相互拡散することによる発振波長の変動を防止することができる。
【００３５】
また本発明によれば、第１および第２積層体の一部をエッチングして除去することによって、第１積層体の上に第１電流狭窄部を形成するとともに、第２積層体の上に第２電流狭窄部を形成する工程とを含むので、第１積層体および第２積層体上に、少ない工程数で電流狭窄部を形成することができる。
【００３６】
また本発明によれば、第１および第２電流狭窄部を形成する工程におけるエッチングエッチングを止めるためのマーカとして利用する層としてＧａＩｎＰ層を、第１積層体の第２導電型第２クラッド層および第２積層体の第２導電型第４クラッド層に形成するので、エッチングを正確に行うことが可能である。
【００３７】
また本発明によれば、第１および第２電流狭窄部を形成した後に、前記第１および第２電流狭窄部の一部がそれぞれ露出するように、前記第１および第２電流狭窄部ならびに第１および第２積層体を前記基板とともに覆う誘電体膜を形成するので、電流をブロックすることができ、電流の損失を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
図１は、本発明の第１の実施の形態である２波長の半導体レーザ素子５０の赤外レーザとなる第１積層体５１および赤色レーザとなる第２積層体５２を形成するまでの工程を示す断面図である。図１（１）は、第１前駆体１の構成を示す断面図であり、図１（２）は、赤外レーザ５１の活性層５の拡大図である。図１（３）は、第１前駆体１から形成された第１積層体５１の構成を示す断面図である。また、図２（４）は、第２前駆体２の構成を示す断面図であり、図２（５）は、第１積層体５１、および第２前駆体２から形成された第２積層体５２の構成を示す断面図である。
【００３９】
最初に、第１導電型であるｎ型ＧａＡｓ基板３上に第１前駆体１を形成する。
図１（１）〜（３）に示すように、第１前駆体１は、ｎ型ＧａＡｓ基板３上にｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層４を厚さが３.５μｍ、第１活性層５、第２導電型であるｐ型(Ａｌｘ１Ｇａ１-ｘ１)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層６(ｘ１=０.１３)を厚さが０.１２μｍ、エッチングマーカ層として用いるｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層７を厚さが０.０１μｍ、ｐ型(Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層８(ｘ１=０.１３)を厚さが１.３μｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８とｐ型ＧａＡｓ層１０のバンドキャップ差を緩和するためのＩｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層９を厚さが０.０５μｍ、その上に電極とコンタクトをとるためのｐ型ＧａＡｓ層１０を厚さが０.５μｍを有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、順次結晶成長した層である。
【００４０】
第１活性層５は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ａｓバリア層１１(ｘ２＝０.３５)を厚さが０.０５μｍ、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ａｓ井戸層１２(ｘ３＝０.１１)を厚さが０.００７４μｍ、Ａｌｘ２Ｇａ１-ｘ２Ａｓバリア層１３(ｘ２＝０.３５)を厚さが０.０５μｍ、Ａｌｘ３Ｇａ１-ｘ３Ａｓ井戸層１４(ｘ３＝０.１１)を厚さが０.００７４μｍ、Ａｌｘ３Ｇａ１-ｘ３Ａｓバリア層１５(ｘ２＝０.３５)を厚さが０.０５μｍを順次積層したもので（０.４８＞ｘ２＞ｘ３）、多重量子井戸構造を有する。多重量子井戸構造を有することによって、閾値電流の低減、発光効率の向上を図ることができる。
【００４１】
次に、図１（３）に示すように、第１前駆体１を幅８０μｍ〜１２０μｍのストライプ状に結晶成長膜が残るようエッチングして第１積層体５１を形成する。
【００４２】
この後、第２前駆体２を形成する。図１(４)および（５）に示すように、第２前駆体２は、第１積層体１を形成したｎ型ＧａＡｓ基板３上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１６を厚さが３.５μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ層からなる第２活性層１７を厚さが０.０７μｍ、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層１８を厚さが０.１２μｍ、ＩｎＧａＰエッチングマーカ層１９を厚さが０.０１μｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０を厚さが１.３μｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０とｐ型ＧａＡｓ層２２のバンドギャップ差を緩和するためのｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層２１を厚さが０.０５μｍ、その上に電極とコンタクトをとるためのｐ型ＧａＡｓ層２２を厚さが０.５μとなるように有機金属気相成長法によって、順次結晶成長した層である。
【００４３】
次に、第２前駆体２をエッチングして第２積層体５２を形成する。図１（４）に示すように、第２前駆体２は、第１積層体５１と隣り合うように、幅８０μｍ〜１２０μｍで結晶成長膜が残るようにエッチングする。エッチングにおいては、エッチング液にＨＣｌを用い、第１積層体５１の最上部のｐ型ＧａＡｓ層１０をエッチングマーカ層としてエッチングを停止することができる。第１積層体５１と第２積層体５２とは、底辺が約５０〜２００μｍ離間して形成される。
【００４４】
次に、第１積層体５１の第１活性層５および第２積層体５２の第２活性層１７の光の出射方向の端部に不純物を拡散し、各活性層の平均的なバンドギャップエネルギが、各活性層における端部を除く残余の部分の平均的なバンドギャップエネルギよりも大きな窓領域を形成する。
【００４５】
図２は、窓領域を形成する工程を示す図である。図２（１）は、ＺｎＯ膜２４およびＳｉＯ２膜２５形成後の第１積層体５１および第２積層体５２の構成を示す断面図である。また、図２（２）は、Ｚｎ拡散後の第１積層体５１および第２積層体５２の構成を示す断面図であり、図２（３）は、ＺｎＯ膜２４およびＳｉＯ２膜２５除去後の第１積層体５１および第２積層体５２の構成を示す断面図である。図３は、図２（２）の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た断面図である。図４は、図２（３）を切断面線ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。
【００４６】
図２(１)に示すように、まず窓領域を形成すべき部分に積層してＺｎＯ膜２４を形成し、熱処理時の表面荒れ防止膜としてＳｉＯ２膜２５をウェハ全体に成膜する。
【００４７】
第１積層体５１および第２積層体５２の共振器方向の長さは、８００μｍ以上２０００μｍ未満であるが、ＺｎＯ膜２４は、端面から１０μｍ以上１００μｍ未満の範囲で形成される。
【００４８】
その後、約５７０℃以上で、１２０分加熱する熱処理を行うことによって、図２(２)および図３に示すように、ＺｎＯ膜２４からＺｎが拡散してＺｎ拡散領域２３を形成することによって、活性層のエネルギーバンドが実効的に大きくなる。また、Ｚｎの固相拡散における拡散温度は、少なくとも、ＡｌＧａＡｓからなる第１導電型第１クラッド層、バリア層の間に井戸層が介在されてなる活性層であってＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓのうちの少なくともいずれかからなる活性層、およびＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型第２クラッド層の結晶成長温度よりも低温であるので、Ｚｎの固相拡散中において、活性層に他層から原子が相互拡散することを抑制することができ、活性層に他層から原子が相互拡散することによる発振波長の変動を防止することができる。
【００４９】
次に図２(３)および図４に示すように、熱拡散を行った後、ＳｉＯ２膜２５とＺｎＯ膜２４を除去する。
【００５０】
次に、電流狭窄部を作成する。
図５は、第１積層体５１の第１電流狭窄部２９の形成から電極２８の形成完了までを示す図である。図５（１）は、ＳｉＯ２からなる電流狭窄部形成用マスク２６を形成した後の第１積層体５１の構成の一部を示す断面図である。図５（２）は、第１積層体５１の上に第１電流狭窄部２９を形成した構造を示す断面図であり、図５（３）は、誘電体膜を形成後の第１積層体５１の構造の一部を示す断面図である。また、図５（４）は、電極２８まで形成が完了した第１積層体５１の構造の一部を示す断面図である。
【００５１】
図５(１)に示すように、ｐ型ＧａＡｓ層１０の結晶成長後、第１電流狭窄部の作成のため、第１積層体５１の上部に赤外レーザ用のＳｉＯ２からなる電流狭窄部形成用マスク２６を形成する。電流狭窄部形成用マスク２６の成膜はプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor  Deposition：化学気相成長）、ＥＢ（Electron Beam）などの方法で行う。電流狭窄部形成用マスク２６は、第１積層体５１の各層と平行に配置され、１μｍ〜３μｍ程度の幅に設定される。
【００５２】
図５(２)に示すように、電流狭窄部形成用マスク２６を形成した後は、ドライエッチングによって第１電流狭窄部２９を形成する。ドライエッチングを止めるタイミングとして、エッチングマーカ層であるｐ型ＩｎＧａＰ層７を用いる。エッチングマーカ層とは、エッチング終点の層の区別をできる層をいう。エッチングマーカ層を、エッチングを止めるためのマーカとして利用することによって、エッチングを正確に行うことが可能である。エッチングマーカ層を検知する方法としては、エッチング部にレーザ光を照射しながら光の干渉をモニターする方法によって層の変わり目を検知する方法がある。また、ドライエッチングのプラズマ光を波長分析することによって、プラズマ中に含まれるＡｌ原子でモニタリングすることによって、Ａｌ原子がない層であるｐ型ＩｎＧａＰ層７でエッチングを止めることが可能であり、また、エッチングがどこまで進んだかをモニターすることも可能である。
【００５３】
次に、電流狭窄部形成用マスク２６を除去した後、誘電体膜２７を形成する。図５(３)に示すように、第１電流狭窄部２９を形成した後は、ｎ型ＧａＡｓ基板３上の第１積層体５１を誘電体膜２７で覆う。誘電体膜２７は、主にＳｉＮまたはＳｉＯ２が用いられる。誘電体膜２７を形成することによって、電流をブロックし、電流の損失を抑えることができる。第１電流狭窄部２９が誘電体膜２７に完全に覆われたままの場合、電流が流れる経路を確保できないので、第１電流狭窄部２９のｐ型ＧａＡｓ層１０の上部の誘電体膜２７を除去し、電流経路を確保する。
【００５４】
次に、図５(４)に示すように、電解メッキでＡｕを１．５〜３．０μm積層して電極２８を形成する。
【００５５】
電極２８を形成して工程を終了した後は、Ｚｎ拡散領域の中央付近で導波路に対し垂直に壁開し、共振器を作成する。
【００５６】
第２積層体５２の第２電流狭窄部形成から電極形成完了までの工程も、前記第１積層体５１と同様に行い、２波長半導体レーザ素子５０の製造工程は完了する。
【００５７】
また、本発明の第２の実施の形態として、第１の実施の形態と同様に第１積層体を形成した後、第１の実施の形態と同様にＺｎＯ膜を用いてＺｎの固相拡散による窓形成を行い、ｐ型ＩｎＧａＰ層をエッチングマーカ層として第１電流狭窄部を作成した後、電極を形成して単一の赤外レーザ素子を製造することも可能である。
【実施例】
【００５８】
以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
（実施例１）
前記第１の実施形態の製造方法によって、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層を厚さが３.５μｍ、活性層、ｐ型(Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層を厚さが０.１２μｍ、ｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐエッチングストップ層を厚さが０.０１μｍ、ｐ型(Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層を厚さが１.３μｍ、Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層を厚さが０.０５μｍ、ＧａＡｓコンタクト層を厚さが０.５μｍを順次、結晶成長して第１積層体を形成した。活性層は、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓバリア層(０.０５μｍ)、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ井戸層(０.００７４μｍ)、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓバリア層(０.０５μｍ)、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８８Ａｓ井戸層(０.００７４μｍ)、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓバリア層(０.０５μｍ)の多層膜からなる多重量子井戸構造とした。
【００５９】
この後、第２前駆体を形成する。第２前駆体は、第１積層体を形成したｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を厚さが３.５μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ層からなる活性層を厚さが０.０７μｍ、ｐ型ＡｌＩｎＧａＰクラッド層を厚さが０.１２μｍ、ＩｎＧａＰエッチングマーカ層を厚さが０.０１μｍ、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を厚さが１.３μｍ、ｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層を厚さが０.０５μｍ、ｐ型ＧａＡｓ層を厚さが０.５μｍとなるように順次結晶成長した。
【００６０】
次に、第２前駆体をエッチングして第２積層体を形成し、ＺｎＯ膜を用いてＺｎの固相拡散による窓形成を行った後、ｐ型ＩｎＧａＰ層をエッチングマーカ層として、第１積層体および第２積層体に電流狭窄部を形成した。電流狭窄部を形成した後は、電流狭窄部のＧａＡｓ部分を除いて電流狭窄部を誘電体膜で覆った後、電極を形成し、共振器を作成し、赤色レーザを形成して２波長レーザ素子を製造した。
【００６１】
（実施例２）
前記第２の実施形態の製造方法によって、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層を厚さが３.５μｍ、活性層、ｐ型(Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層を厚さが０.１２μｍ、ｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐエッチングストップ層を厚さが０.０１μｍ、ｐ型(Ａｌ０．１３Ｇａ０．８７)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層を厚さが１.３μｍ、Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層を厚さが０.０５μｍ、ＧａＡｓコンタクト層を厚さが０.５μｍとなるように、順次結晶成長して積層体を形成した。活性層は、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓバリア層(０.０５μｍ)、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８９Ａｓ井戸層(０.００７４μｍ)、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓバリア層(０.０５μｍ)、Ａｌ０．１１Ｇａ０．８８Ａｓ井戸層(０.００７４μｍ)、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓバリア層(０.０５μｍ)の多層膜からなる多重量子井戸構造とした。
【００６２】
また、次にＺｎＯ膜を用いてＺｎの固相拡散による窓形成を行った後、ｐ型ＩｎＧａＰ層をエッチングマーカ層として、積層体に電流狭窄部を作成した。電流狭窄部を形成した後は、電流狭窄部のＧａＡｓ部分を除いて電流狭窄部を誘電体膜で覆った後、電極を形成し、共振器を作成し、赤外レーザを形成してレーザ素子を製造した。
【００６３】
（比較例１）
実施例１の赤外レーザにおける活性層の下のｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層の代わりにｎ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐクラッド層を厚さが３.５μｍとなるように積層した。その他の層、窓形成および電流狭窄部形成については、実施例１の赤外レーザと同様とした。
【００６４】
表１は、実施例１および２、比較例１においてＺｎの固相拡散による窓形成時の各Ｚｎ拡散温度における閾値電流および発光効率を比較したものである。
【００６５】
【表１】
2008311437.tif 000003
【００６６】
表１で、「Ｚｎ拡散温度[℃]」は、ＺｎＯ膜を用いたＺｎの固相拡散による窓形成を行う場合のＺｎ拡散温度であり、「閾値電流[ｍＡ]」は、反転分布キャリア密度がレーザ発振を起こすために必要な値を超えて誘導放出が起きるとともに、放出された光子の互いの位相がそろえあって急速に出力が増加する電流値である。「発光効率[Ｗ／Ａ]」は、発光強度１００ｍＷおよび１０ｍＷとなる閾値電流の差を求め、発光強度の差９０ｍＷを前記閾値電流の差で除した値、すなわち、発光強度１００ｍＷ，１０ｍＷとなる閾値電流をそれぞれＩ（１００ｍＷ），Ｉ（１０ｍＷ）とすると、発光効率[Ｗ／Ａ]＝９０／Ｉ（１００ｍＷ）−Ｉ（１０ｍＷ）である。たとえば、実施例１の場合では、Ｚｎ拡散温度「５５５℃」の場合、閾値電流は、「４４．６７ｍＡ」、発光効率は「０．９２７Ｗ／Ａ]」が記載されている。
【００６７】
表１の結果から、従来技術である比較例１と比較して、本発明半導体レーザ素子である実施例１および２の閾値電流は大幅に低減できており、発光効率が改善されていることがわかる。なお、実施例および比較例の共振器長は同じ１２６０μｍにしている。
【００６８】
従来では、活性層のすぐ下のｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層またはＧａＩｎＰクラッド層のＩｎ組成が格子整合からずれてしまうと、ＩｎＧａＰ層の欠陥および転移が発生し、それによって、その上の活性層にも欠陥が生じていた。一方、本発明においては、活性層にの下部の層は全てＡｌＧａＡｓという格子整合系であるため、格子不整合が発生しないことによって、Ｚｎ拡散による窓形成を実施していない場合においても、表１に示すように、実施例１および２ならびに比較例１の間で閾値電流、発光効率に差が生じている。
【００６９】
図６は、実施例および比較例のＺｎ拡散温度と閾値電流との関係を示すグラフである。グラフの横軸はＺｎ拡散温度（℃）を表し、グラフの縦軸は閾値電流（ｍＡ）を表す。
【００７０】
図７は、実施例および比較例のＺｎ拡散温度と発光効率との関係を示すグラフである。グラフの横軸はＺｎ拡散温度（℃）を表し、グラフの縦軸は発光効率（Ｗ／Ａ）を表す。
比較例１では、Ｚｎ拡散温度が高くなるにつれて、閾値電流が増大するとともに、発光効率が低下しているが、実施例１および２では、Ｚｎ拡散温度が増大しても、閾値電流の増大および発光効率の低下が抑えられている。この閾値電流の増大および発光効率の低下は、クラッド層から活性層へのＩｎ拡散が原因である。
【００７１】
図８は、実施例および比較例のＺｎ拡散温度とｎ型クラッド層からのＩｎの拡散距離との関係を示すグラフである。グラフの横軸はＺｎ拡散温度（℃）を表し、グラフの縦軸はｎ型クラッド層からのＩｎの拡散距離(μｍ)を表す。図９は、実施例および比較例のＺｎ拡散温度とｐ型クラッド層からのＩｎの拡散距離との関係を示すグラフである。グラフの横軸はＺｎ拡散温度（℃）を表し、グラフの縦軸はｐ型クラッド層からのＩｎの拡散距離(μｍ)を表す。
【００７２】
図８において、比較例１は、ｎ型クラッド層がＩｎを含んでいるため、窓形成時においてｎ型クラッド層からＩｎ拡散が起こり、Ｚｎ拡散温度が高くなるにつれて、Ｉｎ拡散の度合いが大きくなっている。一方、実施例１および２においては、ｎ型クラッド層がＩｎを含まないため、窓形成時においてｎ側の層からのＩｎ拡散は起こらない。また、図９では、実施例１、実施例２、および比較例において、Ｚｎ拡散温度が高くなるにつれて、ｐ型クラッド層からのＩｎ拡散の度合いが大きくなっているが、実施例では、ｎ型クラッド層からのＩｎ拡散は起こらないため、Ｚｎ拡散温度が上昇しても、全体的には閾値電流の増大および発光効率の低下が抑えることが可能になる。
【００７３】
図１０は、実施例１および２のｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層および活性層のエネルギーバンドを示す図である。図１０（１）は、実施例１におけるエネルギーバンドを示し、図１０（２）は、実施例２におけるエネルギーバンドを示している。
【００７４】
図１０において、ＥＣは伝導体下端のエネルギー、ＥＶは荷電子帯上端のエネルギーである。図１０（１）の矢印Ａおよび図１０（２）の矢印Ｂで示しているのは、ｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層とＡｌＧａＡｓバリア層の間にあるＥＣの壁（電子注入における障壁）である。表１において、実施例１および２の発光効率が改善されているのは、実施例１および２において、ｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０.５２Ａｓクラッド層のＥＣからＡｌＧａＡｓバリア層のＥＣへ向けて小さくなっており、電子注入における障壁がないことによると考えられる。
【００７５】
このように、本発明の半導体レーザ素子は、赤外レーザの動作電流の増大、ｎ型クラッド層によるＡｌＧａＡｓ活性層の欠陥の発生、さらに、Ｚｎの固相拡散による窓領域形成時のクラッド層から活性層へのＩｎ拡散などの問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】２波長半導体レーザ素子５０の第１積層体５１および第２積層体５２形成までの工程を示す断面図である。
【図２】窓領域を形成する工程を示す図である。
【図３】図２（２）をＩＩＩ−ＩＩＩ切断面線から見た断面図である。
【図４】図２（３）をＩＶ−ＩＶ切断面線から見た断面図である。
【図５】第１積層体５１の電流狭窄部形成から電極形成完了までを示す図である。
【図６】実施例および比較例のＺｎ拡散温度と閾値電流との関係を示すグラフである。
【図７】実施例および比較例のＺｎ拡散温度と発光効率との関係を示すグラフである。
【図８】実施例および比較例のＺｎ拡散温度とｎ型クラッド層からのＩｎの拡散距離との関係を示すグラフである。
【図９】実施例および比較例のＺｎ拡散温度とｐ型クラッド層からのＩｎの拡散距離との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例１および２のエネルギーバンドを示す図である。
【図１１】従来の半導体レーザ素子１００の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
３  ｎ型ＧａＡｓ基板
４  ｎ型Ａｌ０.４８Ｇａ０．５２Ａｓクラッド層
５  活性層
６  ｐ型(Ａｌx’’Ｇａ１-x’’)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層
７  ｐ型Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層
８  ｐ型(ＡｌxＧａ１-x)０.５Ｉｎ０.５Ｐクラッド層
９  Ｉｎ０.５Ｇａ０.５Ｐ層９
１０  ｐ型ＧａＡｓ層
１１，１３，１５  ＡｌxＧａ１-xＡｓバリア層
１２，１４  ＡｌxＧａ１-xＡｓ井戸層
２３  Ｚｎ拡散領域
２４  ＺｎＯ膜
２７  誘電体膜
２９  第１電流狭窄部
５０  半導体レーザ素子
５１  第１積層体
５２  第２積層体
【図１】
2008311437.tif 000004
【図２】
2008311437.tif 000005
【図３】
2008311437.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2008311437.tif 000009
【図７】
2008311437.tif 000010
【図８】
2008311437.tif 000011
【図９】
2008311437.tif 000012
【図１０】
2008311437.tif 000013
【図１１】
2008311437.tif 000014