(57)【要約】【課題】不純物拡散によるリーク電流の発生及び高出力動作時における信頼性の低下が生じることがない複数の共振器を備えた半導体レーザ装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体レーザ装置は、半導体基板１０の上に互いに間隔をおいて形成された第１の共振器１２及び第２の共振器１３を備えている。第１の共振器１２は、第１のバッファ層２１と第１の活性層２３を含む第１の半導体層２０とを有し、第２の共振器１３は、第２のバッファ層３１と第２の活性層３３を含む第２の半導体層３０とを有している。第１の半導体層２０及び第２の半導体層３０の端面近傍の領域には、それぞれ端面窓部２０ａ、３０ａが形成されている。第１のバッファ層２１のバンドギャップは、第１の活性層３３のバンドギャップよりも大きく、第２のバッファ層３１のバンドギャップは、第２の活性層３３のバンドギャップよりも大きい。【選択図】図１
2008205270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に互いに間隔をおいて形成された第１の共振器及び第２の共振器を備え、
前記第１の共振器は、第１のバッファ層と、該第１のバッファ層の上に形成された第１の下部クラッド層、第１の活性層及び第１の上部クラッド層を含み且つキャリアを注入するためのストライプ構造が形成された第１の半導体層とを有し、
前記第２の共振器は、第２のバッファ層と、該第２のバッファ層の上に形成された第２の下部クラッド層、第２の活性層及び第２の上部クラッド層を含み且つキャリアを注入するためのストライプ構造が形成された第２の半導体層とを有し、
前記第１の半導体層及び第２の半導体層の端面近傍の領域には、それぞれ不純物が拡散され無秩序化された端面窓部が形成されており、
前記第１のバッファ層のバンドギャップは、前記第１の活性層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２のバッファ層のバンドギャップは、前記第２の活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ層とｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に積層された積層体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装置。
【請求項３】
前記半導体基板はＧａＡｓからなり、
前記積層体における最も前記半導体基板側の層は前記ＡｌＧａＩｎＡｓ層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記ＡｌＧａＩｎＡｓ層は前記半導体基板と比べて格子定数が大きく且つ前記ＡｌＧａＩｎＰ層は前記半導体基板と比べて格子定数が小さいことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１の共振器及び第２の共振器はそれぞれ、赤色レーザ光を出射する共振器又は赤外レーザ光を射出する共振器であり、
前記第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、一般式がＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＡｓ（但し、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、ｂ≦−２．４ａ＋１．３２、ａ＋ｂ≦１）で表される化合物と、一般式がＡｌcＧａdＩｎ1-c-dＰ（但し、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、ｄ≧−ｃ＋０．５３、ｃ＋ｄ≦１）で表される化合物とからなることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、一般式がＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＡｓgＰ1-g（但し、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１、ｅ＋ｆ＜１、０＜ｇ＜１）で表される材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第１の共振器は赤色レーザ光を出射する共振器であり、
前記第２の共振器は赤外レーザ光を出射する共振器であり、
前記第１のバッファ層のバンドギャップは、前記第２のバッファ層のバンドギャップと等しいかより大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記第１の上部クラッド層及び第２の上部クラッド層は、いずれも一般式がＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＰ（但し、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１、ｅ＋ｆ＜１）で表される材料からなることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第１の下部クラッド層及び第１の上部クラッド層並びに前記第２の下部クラッド層及び第２の上部クラッド層のキャリア濃度は、１．０×１０17ｃｍ-3以上であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記第１の活性層は、一般式がＡｌgＧａhＩｎ1-g-hＰ（但し、０≦ｇ＜１、０＜ｈ≦１、ｇ＋ｈ＜１）で表される材料からなり、
前記第２の活性層は、一般式がＡｌiＧａ1-iＡｓ（但し、０≦ｉ＜１）で表される材料からなることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
前記不純物はＺｎであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
半導体基板の上に互いに間隔をおいて形成された第１の共振器と第２の共振器とを備えた半導体レーザ装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上に第１のバッファ層を介在させて第１の活性層を含む第１の半導体層を形成すると共に、第２のバッファ層を介在させて第２の活性層を含む第２の半導体層を前記第１の半導体層と間隔をおいて形成する工程（ａ）と、
前記第１の半導体層及び第２の半導体層における共振器端面となる領域付近の上に不純物を拡散させるための不純物材料層を形成した後、熱処理を行うことにより前記不純物を前記第１の半導体層及び第２の半導体層に選択的に拡散させる工程（ｂ）とを備え、
前記第１のバッファ層のバンドギャップは前記第１の活性層のバンドギャップよりも大きく、
前記第２のバッファ層のバンドギャップは前記第２の活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の共振器を備えた半導体レーザ装置及びその製造方法に関し、特に、光ディスク装置をはじめとする電子装置及び情報処理装置等の光源として用いる多波長の半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、デジタル情報等の記録媒体として光情報記録媒体が広がっている。しかし、光情報記録媒体には様々な規格が存在しており、光情報記録媒体の種類によって異なる波長の光源が必要となる。例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）においては、赤外領域の波長が７８０ｎｍの光源が必要であり、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）においては、赤色の波長が６５０ｎｍの光源が必要である。このため、複数の波長のレーザ光を出射する、多波長の半導体レーザ装置が注目を集めている。
【０００３】
一方、光情報記録媒体の記録速度を向上させるために、半導体レーザ装置の高出力化が進められている。特に、ＤＶＤの読み出し及び書き込みを行うＤＶＤ装置に用いる赤色の半導体レーザ装置では、高出力化が望まれている。赤色半導体レーザの高出力化を制限する主要因の一つに半導体レーザ装置の共振器端面における劣化がある。この劣化はＣＯＤ(Catastrophic Optical Damage)劣化と称され、共振器端面付近の欠陥を介在して光吸収が生じることに起因する。すなわち、半導体レーザ装置を高出力動作させた場合、出射端面の表面再結合及び端面近傍の光吸収の増大にともない、出射端面の温度が上昇し端面破壊が発生する。
【０００４】
ＣＯＤ劣化を防止するために、例えば特許文献１においては、活性層におけるレーザ出射端面近傍の領域に亜鉛（Ｚｎ）等の不純物を拡散させ、端面窓構造を形成している。不純物の拡散により、活性層の端面近傍の領域が無秩序化されるので、端面近傍において活性層のバンドギャップが増大する。その結果、発熱により端面近傍において活性層のバンドギャップが縮小してもレーザ発振光に対してほぼ透明な状態を維持できるので、ＣＯＤ劣化を抑制することが可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１８６６５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のＣＯＤ劣化の防止方法を多波長の半導体レーザ装置に適用する際には以下のような問題がある。赤色半導体レーザ装置の活性層には、アルミニウムガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ）系の材料が用いられている。一方、赤外半導体レーザ装置の活性層には、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）系の材料が用いられている。ＡｌＧａＩｎＰ系の材料は、ＡｌＧａＡｓ系の材料と比べて、Ｚｎ等の不純物の拡散速度が大きい。このため、端面窓構造を形成するための不純物の拡散条件を赤外半導体レーザ装置に対して最適化すると、赤色半導体レーザ装置においては活性層の下側のｎ型クラッド層にまでＺｎが拡散してしまう。ＺｎはIII−Ｖ族化合物半導体に対してはｐ型の不純物となるため、ｎ型クラッド層がｐ型化し、ついにはｎ型である基板近傍のバッファ層との間でｐｎ接合が形成されてしまう。
【０００６】
クラッド層とバッファ層との間にｐｎ接合が形成されると、バッファ層のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも小さいために、最初に無秩序化された窓領域とｎ型バッファ層との間のｐｎ接合においてターンオンが生じてしまう。このため、順方向立ち上がり電圧が小さくなり、リーク電流が発生する原因となる。さらには、注入された電流が無秩序化されていない活性層に注入されなくなるため、発光効率が低下し、無効電流により動作電流値が増大し、温度特性が劣化する。このため数百ｍＷ以上の高出力の特性を得ることができなくなり、素子の信頼性が大きく低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題を解決し、不純物拡散によるリーク電流の発生及び高出力動作時における信頼性の低下が生じることがない複数の共振器を備えた半導体レーザ装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体レーザ装置を複数の共振器を備え、各共振器においてバッファ層のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きい構成とする。
【０００９】
具体的に、本発明に係る半導体レーザ装置は、半導体基板の上に互いに間隔をおいて形成された第１の共振器及び第２の共振器を備え、第１の共振器は、第１のバッファ層と、該第１のバッファ層の上に形成された第１の下部クラッド層、第１の活性層及び第１の上部クラッド層を含み且つキャリアを注入するためのストライプ構造が形成された第１の半導体層とを有し、第２の共振器は、第２のバッファ層と、該第２のバッファ層の上に形成された第２の下部クラッド層、第２の活性層及び第２の上部クラッド層を含み且つキャリアを注入するためのストライプ構造が形成された第２の半導体層とを有し、第１の半導体層及び第２の半導体層の端面近傍の領域には、それぞれ不純物が拡散され無秩序化された端面窓部が形成されており、第１のバッファ層のバンドギャップは、第１の活性層のバンドギャップよりも大きく、第２のバッファ層のバンドギャップは、第２の活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
【００１０】
本発明の半導体レーザ装置によれば、第１のバッファ層のバンドギャップは、第１の活性層のバンドギャップよりも大きく、第２のバッファ層のバンドギャップは、第２の活性層のバンドギャップよりも大きいため、端面窓部における下部クラッド層とバッファ層との界面に生じるｐｎ接合の立ち上がり電圧が、活性層の立ち上がり電圧よりも大きくなる。従って、順方向立ち上がり電圧の低下による、リーク電流の増大を抑えることができる。また、発光効率の低下も抑えることができるので、高出力動作時においても信頼性が高い半導体レーザ装置を実現できる。
【００１１】
本発明の半導体レーザ装置において、第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ層とｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に積層された積層体であることが好ましい。
【００１２】
この場合において、半導体基板はＧａＡｓからなり、積層体における最も半導体基板側の層はＡｌＧａＩｎＡｓ層であることが好ましい。このような構成とすることにより、バッファ層と基板とは同じＶ族元素同士で界面形成されるため、成長界面のラフネス低減及び界面不純物準位の低減が可能となる。
【００１３】
この場合において、半導体基板はＧａＡｓであり、ＡｌＧａＩｎＡｓ層は半導体基板と比べて格子定数が大きく且つＡｌＧａＩｎＰ層は半導体基板と比べて格子定数が小さいことが好ましい。このような構成とすることにより、ＡｌＧａＩｎＰ層はＧａＡｓからなる基板に対し引張歪を有し、ＡｌＧａＩｎＡｓ層は圧縮歪を有するようになる。従って、バッファ層全体として歪がキャンセルされ、結晶欠陥の発生を抑制することが可能となる。
【００１４】
具体的には、第１の共振器及び第２の共振器はそれぞれ、赤色レーザ光を出射する共振器又は赤外レーザ光を射出する共振器であり、第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、一般式がＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＡｓ（但し、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、ｂ≦−２．４ａ＋１．３２、ａ＋ｂ≦１）で表される化合物と、一般式がＡｌcＧａdＩｎ1-c-dＰ（但し、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、ｄ≧−ｃ＋０．５３、ｃ＋ｄ≦１）で表される化合物とからなることが好ましい。
このような構成とすることにより、バッファ層のバンドギャップを活性層のバンドギャップと比べて確実に大きくすることができる。また、バッファ層の歪みも確実に小さくすることができる。
【００１５】
本発明の半導体レーザ装置において、第１のバッファ層及び第２のバッファ層は、一般式がＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＡｓgＰ1-g（但し、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１、ｅ＋ｆ＜１、０＜ｇ＜１）で表される材料により形成されていてもよい。このような構成であっても基板に格子整合したまま結晶成長ができるため、結晶欠陥の発生を抑制することができる。
【００１６】
本発明の半導体レーザ装置において、第１の共振器は赤色レーザ光を出射する共振器であり、第２の共振器は赤外レーザ光を出射する共振器であり、第１のバッファ層のバンドギャップは、第２のバッファ層のバンドギャップと等しいかより大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、第１の共振器におおいても第２の共振器においても、レーザ発振に寄与しない無効電流が不純物拡散により形成されたｐｎ接合を通じて流れことを抑制することが可能となる。
【００１７】
本発明の半導体レーザ装置において、第１の上部クラッド層及び第２の上部クラッド層は、いずれも一般式がＡｌeＧａfＩｎ1-e-fＰ（但し、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１、ｅ＋ｆ＜１）で表される材料からなることが好ましい。このような構成とすることにより、第１の共振器のリッジ形成と第２の共振器のリッジ形成とを同時に行うことが可能となり、素子作製工程数が削減され、素子作製の低コスト化を図ることができる。
【００１８】
本発明の半導体レーザ装置において、第１の下部クラッド層及び第１の上部クラッド層並びに第２の下部クラッド層及び第２の上部クラッド層のキャリア濃度は、１．０×１０17ｃｍ-3以上であることが好ましい。このような構成とすることにより、ヘテロ界面におけるスパイク形成を抑えることができ、電子の注入効率の低下を抑えることが可能となるため、８０℃以上の高温環境下においても良好な温度特性を得ることができる。
【００１９】
本発明の半導体レーザ装置において、第１の活性層は、一般式がＡｌgＧａhＩｎ1-g-hＰ（但し、０≦ｇ＜１、０＜ｈ≦１、ｇ＋ｈ＜１）で表される材料からなり、第２の活性層は、一般式がＡｌiＧａ1-iＡｓ（但し、０≦ｉ＜１）で表される材料からなることが好ましい。このような構成とすることにより第１の共振器は赤色レーザ光を出射する共振器とし、第２の共振器は赤外レーザ光を出射する共振器とすることができる。
【００２０】
本発明の半導体レーザ装置において、不純物はＺｎであることが好ましい。このような構成とすることにより、活性層の無秩序化を容易に行うことが可能となり、第１の共振器と第２の共振器との両方に、端面窓部を確実に形成することができる。
【００２１】
本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板の上に互いに間隔をおいて形成された第１の共振器と第２の共振器とを備えた半導体レーザ装置の製造方法を対象とし、半導体基板の上に第１のバッファ層を介在させて第１の活性層を含む第１の半導体層を形成すると共に、第２のバッファ層を介在させて第２の活性層を含む第２の半導体層を第１の半導体層と間隔をおいて形成する工程（ａ）と、第１の半導体層及び第２の半導体層における劈開面が形成される領域付近の上に不純物を拡散させるための不純物材料層を形成した後、熱処理を行うことにより不純物を第１の半導体層及び第２の半導体層に選択的に拡散させる工程（ｂ）とを備え、第１のバッファ層のバンドギャップは第１の活性層のバンドギャップよりも大きく、第２のバッファ層のバンドギャップは第２の活性層のバンドギャップよりも大きいことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る半導体レーザ装置の製造方法によれば、第１の半導体層及び第２の半導体層における劈開面が形成される領域付近の上に不純物を拡散させるための不純物材料層を形成した後、熱処理を行うことにより不純物を第１の半導体層及び第２の半導体層に選択的に拡散させる工程を備えているため、第１の共振器の端面窓部と第２の共振器の端面窓部とを１つの工程により形成できる。従って、半導体レーザ装置の製造コストを低減できる。また、第１のバッファ層のバンドギャップは第１の活性層のバンドギャップよりも大きく、第２のバッファ層のバンドギャップは第２の活性層のバンドギャップよりも大きいため、順方向立ち上がり電圧の低下による、リーク電流の増大を抑えることができる。また、発光効率の低下も抑えることができるので、高出力動作時においても信頼性が高い半導体レーザ装置を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る２波長半導体レーザ装置によれば、不純物拡散によるリーク電流の発生及び高出力動作時における信頼性の低下が生じることがない複数の共振器を備えた半導体レーザ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は一実施形態に係る半導体レーザ装置の共振器端面（出射端面）における構成を示している。本実施形態の半導体レーザ装置は、図１に示すようにｎ型のＧａＡｓからなる基板１０の上に、赤色レーザ光を出射する第１の共振器１２と、赤外レーザ光を出射する第２の共振器１３とが形成されている。
【００２５】
第１の共振器１２の構成は以下の通りである。基板１０の上に第１のバッファ層２１を介在させて第１の半導体層２０が形成されている。第１のバッファ層２１は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ層とｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に繰り返し積層されている。
【００２６】
第１の半導体層２０は、下側から順次形成された第１の下部クラッド層２２、第１の活性層２３、第１の上部クラッド層２４、第１の保護層２６及び第１のコンタクト層２７を含んでいる。
【００２７】
第１の下部クラッド層２２は、厚さが２μｍのｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる。第１の活性層２３は、歪量子井戸構造を有し、ＡｌＧａＩｎＰからなる第１の下部ガイド層とＡｌＧａＩｎＰからなる第１の上部ガイド層との間に、ＧａＩｎＰからなる第１のウェル層とＡｌＧａＩｎＰからなる第１のバリア層とが交互に積層されている。第１の上部クラッド層２４は、リッジストライプ部を有するｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる。第１の保護層２６は、厚さが５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＰからなり、第１の上部クラッド層２４におけるリッジストライプ部の上に形成されている。第１のコンタクト層は、厚さが４００ｎｍのｐ型のＧａＡｓからなる。
【００２８】
第１の上部クラッド層２４のリッジストライプ部における厚さは１．４μｍであり、リッジストライプ部を除く部分の厚さ（ｄｐ）は０．２μｍである。第１の上部クラッド層２４におけるリッジストライプ部の上面を除く領域は、厚さが７００ｎｍのｎ型のＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層４７により覆われている。
【００２９】
第１の半導体層２０における共振器端面近傍の領域には、端面窓部２０ａが形成されている。端面窓部２０ａは、亜鉛（Ｚｎ）を拡散させることにより無秩序化した領域である。
【００３０】
第２の共振器１３の構成は以下の通りである。基板１０の第１の共振器１２とは異なる領域の上に第２のバッファ層３１を介在させて第２の半導体層３０が形成されている。第２のバッファ層３１は、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ層とｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に繰り返し積層されている。
【００３１】
第２の半導体層３０は、下側から順次形成された第２の下部クラッド層３２、第２の活性層３３、第２の上部クラッド層３４、第２の保護層３６及び第２のコンタクト層３７を含んでいる。
【００３２】
第２の下部クラッド層３２は、厚さが２μｍのｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる。第２の活性層３３は、量子井戸構造を有し、ＡｌＧａＡｓからなる第２の下部ガイド層とＡｌＧａＡｓからなる第２の上部ガイド層との間に、ＧａＡｓからなるウェル層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層とが交互に繰り返し積層されている。第２の上部クラッド層３４は、リッジストライプ部を有するｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる。第２の保護層３６は、厚さが５０ｎｍのｐ型ＧａＩｎＰからなり、第２の上部クラッド層３４におけるリッジストライプ部の上に形成されている。第２のコンタクト層３７は、厚さが４００ｎｍのｐ型のＧａＡｓからなる。
【００３３】
第２の上部クラッド層３４のリッジストライプ部における厚さは１．４μｍであり、リッジストライプ部を除く部分の厚さ（ｄｐ）は０．２４μｍである。第２の上部クラッド層３４におけるリッジストライプ部の上面を除く領域は、厚さが７００ｎｍのｎ型のＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層４７により覆われている。
【００３４】
第２の半導体層３０における第２の共振器の端面近傍の領域には、端面窓部３０ａが形成されている。端面窓部３０ａは、亜鉛（Ｚｎ）を拡散させることにより無秩序化された領域である。
【００３５】
第１の共振器１２において、第１のコンタクト層２７から注入された電流は、電流ブロック層４７によりリッジストライプ部のみに狭窄され、第１の活性層２３におけるリッジストライプ部の下側の領域に集中して注入される。これにより、数十ｍＡという僅かの注入電流によりレーザ発振に必要なキャリアの反転分布状態が実現される。第１の活性層２３へ注入されたキャリアの再結合により発光した光のうち第１の活性層２３に対して垂直方向の光は、第１の下部クラッド層２２及び第１の上部クラッド層２４により閉じ込められる。第１の活性層２３に対して水平方向の光は、クラッド層よりも屈折率が低いＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層４７により閉じ込められる。
【００３６】
電流ブロック層４７はレーザ発振光に対して透明であるため光吸収がなく、低損失の導波路を実現することができる。導波路を伝播する光分布は電流ブロック層４７に大きくしみ出すことができるため、高出力動作に適した１０-3のオーダの屈折率差（Δｎ）を容易に得ることができ、さらにΔｎの大きさはｄｐを変化させることにより１０-3のオーダで精密に制御することができる。
【００３７】
また、第２の共振器１３においても第１の共振器１２と同様に、高出力動作に適した１０-3のオーダのΔｎを容易に得ることができ、Δｎの大きさはｄｐの大きさを変化させることにより１０-3のオーダで精密に制御することができる。このため、２つの異なる波長のレーザ光を出射し、光分布が正確に制御できる低動作電流の高出力半導体レーザ装置を実現できる。
【００３８】
本実施形態の半導体レーザ装置は、第１の共振器１２及び第２の共振器１３の共振器長を１７５０μｍとしている。これにより８０℃の高温動作をさせた場合においても十分な放熱性が確保できる。なお、３５０ｍＷ以上の高出力レーザ装置とする場合には共振器長は１５００μｍ以上とすることが好ましい。
【００３９】
本実施形態の半導体レーザ装置において、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層３１は、Ｖ族元素として砒素を含むIII−Ｖ族化合物であるＡｌＧａＩｎＡｓ層と、Ｖ族元素としてリンを含むIII−Ｖ族化合物であるＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に積層されている。ＡｌＧａＩｎＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層との積層順序は特に限定されないが、最も基板１０側の層をＡｌＧａＩｎＡｓ層とし、最上層をＡｌＧａＩｎＰ層とすることが好ましい。
【００４０】
このようにすれば、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層３１において、ＧａＡｓからなる基板１０と接する部分においては、基板と同じＡｓをＶ族元素として含む。また、ＡｌＧａＩｎＰからなる第１の下部クラッド層２２及び第２の下部クラッド層３２とそれぞれ接する部分においては、下部クラッド層と同じＰをＶ族元素として含むことになる。従って、成長界面におけるラフネスを低減すると共に、界面不純物準位の低減が可能となる。さらに、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層３１において積層する２つの層は、成長の核となるIII族元素がいずれもＡｌ、Ｇａ及びＩｎである。このため、半導体層を成長する際にＶ族元素を切り替えるだけで容易に交互に成長させることができる。また、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層３１の最上層が、それぞれ次に成長させる第１の下部クラッド層２２及び第２の下部クラッド層３２と同じＡｌＧａＩｎＰとなるため結晶成長がスムースに行えるというメリットを有する。
【００４１】
次に、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層３１のバンドギャップの大きさについて考察する。図２は図１のII−II線における断面を示している。つまり、第１の共振器１２の共振器方向の断面を示している。
【００４２】
図２に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層とが積層された第１のバッファ層２１を用いている場合には、端面窓部２０ａを形成するためのＺｎの拡散は、第１のバッファ層２１と第１の下部クラッド層２２との界面で通常は停止する。これは、以下のような理由による。ＡｌＧａＩｎＰ系材料ではＺｎの拡散速度が速くＡｌＧａＩｎＡｓ系材料では遅い。このため、たとえ拡散時間を長くしたり、Ｚｎ拡散の際の処理温度を高くすることにより拡散速度を大きくしたりしたとしても、ＡｌＧａＩｎＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層とが積層されたバッファ層にＺｎの拡散が到達すると、ＡｌＧａＩｎＡｓ層を通じた拡散速度が相対的に遅くなり、バッファ層とクラッド層との界面においてＺｎの深さ方向の拡散が停止する。なお、図示は省略するが第２の共振器１３の共振器方向の断面もほぼ同じ構成となり、Ｚｎの拡散は第２のバッファ層３１と第２の下部クラッド層３２との界面で停止する。
【００４３】
端面窓部において下部クラッド層は、不純物拡散によりｐ型化されるため、ｎ型のバッファ層と下部クラッド層との界面にはｐｎ接合が形成される。一方、端面窓部を形成するためにＺｎを拡散させた場合、端面窓部における不純物濃度は１×１０18ｃｍ-3程度以上の高濃度となる。このため、端面窓部におけるｐｎ接合の立ち上がり電圧は、バッファ層のバンドギャップに大きく依存する。端面窓部におけるｐｎ接合の立ち上がり電圧が、端面窓部を除く利得領域におけるｐｎ接合の立ち上がり電圧よりも低い場合には、立ち上がり電圧が低い端面窓部を電極から注入された電流が通過することになる。このような状態が生じると、リーク電流が発生し、発光効率が低下するため、発振しきい電流及び動作電流の値が増大する。
【００４４】
本実施形態の半導体レーザ装置において、端面窓部を除く活性層部分におけるｐｎ接合の立ち上がり電圧を、半導体レーザ素子の窓領域を劈開により除去し、利得領域のみのレーザダイオード（ＬＤ）バー状態にしてから、組立評価することにより測定した。その結果、赤色レーザ光を出射する第１の共振器及び赤外レーザ光を出射する第２の共振器における端面窓部を除く活性層部分のｐｎ接合の立ち上がり電圧は、１．７Ｖ及び１．４５Ｖであった。これは、端面窓部を除く活性層部分のｐｎ接合の立ち上がり電圧は、ほぼ活性層のバンドギャップにより決まることを示している。
【００４５】
図３（ａ）及び（ｂ）はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料とＡｌＧａＩｎＰ系材料の組成とバンドギャップとの関係であり、（ａ）はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料を示し、（ｂ）はＡｌＧａＩｎＰ系材料を示している。
【００４６】
図３に示すように、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料のバンドギャップは、０．３６ｅＶ〜２．１６ｅＶの範囲である。また、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料は、基板であるＧａＡｓと比べて格子定数が大きく、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を有している。
【００４７】
一方、ＡｌＧａＩｎＰ系材料のバンドギャップは１．３５ｅＶ〜２．４５ｅＶの範囲である。また、ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、組成により格子定数が基板であるＧａＡｓと比べて小さい領域から大きい領域まである。このため、ＧａＡｓに対して圧縮歪を有する状態とすることも、引張歪を有する状態とすることも可能である。
【００４８】
このため、ＡｌＧａＩｎＰ層として用いるＡｌＧａＩｎＰ系材料として、ＧａＡｓに対して引っ張り歪みを有する組成のものを用いれば、ＡｌＧａＩｎＡｓ層が有する圧縮歪みを打ち消し、歪みがほとんどないバッファ層を得ることができる。
【００４９】
従って、赤色レーザ光を出射する第１の共振器においては、ＡｌＧａＩｎＡｓ層に用いるＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の組成は、バンドギャップが１．７ｅＶよりも大きくなる範囲を選択し、ＡｌＧａＩｎＰ層に用いるＡｌＧａＩｎＰ系材料の組成は、バンドギャップが１．７ｅＶよりも大きく且つ引っ張り歪みを有する範囲とすればよい。つまり、図３（ａ）及び（ｂ）においてそれぞれハッチングを施した範囲とすればよい。
【００５０】
また、赤外レーザ光を出射する第２の共振器においては、ＡｌＧａＩｎＡｓ層に用いるＡｌＧａＩｎＡｓ系材料の組成は、バンドギャップが１．４５ｅＶよりも大きくなる範囲を選択し、ＡｌＧａＩｎＰ層に用いるＡｌＧａＩｎＰ系材料の組成は、バンドギャップが１．４５ｅＶよりも大きく且つ引っ張り歪みを有する範囲とすればよい。つまり、図３（ａ）及び（ｂ）においてそれぞれ２点鎖線により囲まれた範囲とすればよい。
【００５１】
具体的には、ＡｌＧａＩｎＡｓ層の組成は、図３（ａ）に示すように一般式をＡｌaＧａbＩｎ1-a-bＡｓとした場合に、０＜ａ＜１、０＜ｂ＜１、ｂ≦−２．４ａ＋１．３２を満たす範囲とし、ＡｌＧａＩｎＰ層の組成は、図３（ｂ）に示すように一般式をＡｌcＧａdＩｎ1-c-dＰとした場合に、０＜ｃ＜１、０＜ｄ＜１、ｄ≧−ｃ＋０．５３を満たす範囲とすればよい。
【００５２】
なお、プロセスの簡略化を考えると、第１のバッファ層２１と第２のバッファ層３１とは同一の組成とすることが好ましい。従って、第１のバッファ層２１及び第２のバッファ層３１のいずれにおいても、バンドギャップが１．７ｅＶよりも大きくなる組成を選択することが好ましい。また、ＡｌＧａＩｎＰ系材料の場合、引っ張り歪みを有するようにしようとすると必然的にバンドギャップが１．７ｅＶ以上となるため、この点からも、第１のバッファ層２１と第２のバッファ層３１とで組成を同一にすることが好ましい。
【００５３】
本実施形態においては、赤色レーザ光を出射する第１の共振器の第１のバッファ層２１と、赤外レーザ光を出射する第２の共振器の第２のバッファ層３１とを、Ａｌ0.45Ｇａ0.40Ｉｎ0.15Ａｓからなる層と、Ａｌ0.36Ｇａ0.18Ｉｎ0.46Ｐからなる層とにより形成した。その結果、８０℃の温度において、パルス幅が５０ｎｓでパルスデューティ比が４０％の動作をさせた場合、赤色光を出射する第１の共振器は、光出力が４００ｍＷまでキンクが発生しなかった。また、赤外光を出射する第２の共振器は、電流−光出力特性の線形が極めて良好であり、キンクレベルは５００ｍＷ以上であった。
【００５４】
以下に、本実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法について図面を参照して説明する。図４は本実施形態における半導体レーザ装置の製造方法を工程順に示している。
【００５５】
まず、図４（ａ）に示すようにｎ型のＧａＡｓからなる基板１０の上に、有機金属気相成長(ＭＯＣＶＤ)法を用いて、ｎ型のＡｌＧａＩｎＡｓ層とｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層とを交互に複数回積層することにより第１のバッファ層２１を形成する。続いて、厚さが２μｍのｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなる第１の下部クラッド層２２と、第１の活性層２３と、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第１の上部クラッド層２４と、厚さが５０ｎｍのｐ型のＧａＩｎＰからなる第１の保護層２６と、厚さが４００ｎｍのｐ型のＧａＡｓからなる第１のコンタクト層２７と、厚さが５０ｎｍのｐ型のＧａＩｎＰからなる境界層４１とを形成する。なお、各層をエピタキシャル成長させる際には、ＭＯＣＶＤ法に代えて分子線エピタキシ法等を用いてもよい。
【００５６】
第１の活性層２３は、ＡｌＧａＩｎＰからなる第１の下部ガイド層を形成した後、ＧａＩｎＰからなる第１のウェル層とＡｌＧａＩｎＰからなる第１のバリア層を交互に２．５周期積層し、続いてＡｌＧａＩｎＰからなる第１の上部ガイド層を形成する。本実施形態では、第１の活性層２３を歪量子井戸構造としたが、無歪の量子井戸又はバルクとしてもよい。また活性層の導電型は特に記載していないが、ｐ型であっても、ｎ型であっても、アンドープであっても構わない。
【００５７】
次に、図４（ｂ）に示すように、基板をＭＯＣＶＤ反応炉から取り出した後、フォトリソグラフィによりレジストパターン４２を形成し、このパターンをマスクとして硫酸系又は塩酸系のエッチング液を用いて露出部分を除去する。これにより、第１の半導体層２０が形成される。
【００５８】
レジストパターン４２を除去した後、図４（ｃ）に示すように再びＭＯＣＶＤ法を用いて、第２のバッファ層３１、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２の下部クラッド層３２、第２の活性層３３、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰからなる第２の上部クラッド層３４、ｐ型のＧａＩＮＰからなる第２の保護層３６、ｐ型のＧａＡｓからなる第２のコンタクト層３７を形成する。
【００５９】
第２の活性層３３は、ＡｌＧａＡｓからなる第２の下部ガイド層を形成した後、ＧａＡｓからなるウェル層とＡｌＧａＡｓからなるバリア層とを２．５周期積層し、続いて、ＡｌＧａＡｓからなる第２の上部ガイド層を形成する。
【００６０】
次に、図５（ａ）に示すようにフォトリソグラフィによりレジストパターン４３を形成し、このパターンをマスクとして硫酸系又は塩酸系のエッチング液を用いて露出部分を除去する。これにより、露出部分に形成された第２のバッファ層３１から第２のコンタクト層３７までが除去され第２の半導体層３０が形成される。また、第１の半導体層２０において第１のコンタクト層２７の上面が露出する。
【００６１】
次に、レジストパターン４３を除去した後、大気圧熱ＣＶＤ法（３７０℃）を用いて第１のコンタクト層２７及び第２のコンタクト層３７の上にＺｎからなる不純物拡散源４４とキャップ膜４５とを堆積し、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いて、設定した窓長となるようパターニング行う。その後、図５（ｂ）に示すように、熱処理によりＺｎを拡散させて、半導体層の無秩序化を行うことにより端面窓部２０ａ及び端面窓部３０ａを形成する。
【００６２】
次に、不純物拡散源４４及びキャップ膜４５を除去した後、図５（ｃ）に示すように、大気圧熱ＣＶＤ法（３７０℃）を用いて第１のコンタクト層２７及び第２のコンタクト層３７の上に厚さが０．３μｍのシリコン酸化（ＳｉＯ2）膜を堆積した後、フォトリソグラフィとドライエッチングとによりパターニングして、ストライプ状のマスク４６を形成する。マスク４６をエッチングマスクとして、第１のコンタクト層２７、第１の保護層２６及び第１の上部クラッド層２４の一部と第２のコンタクト層３７、第２の保護層３６及び第２の上部クラッド層３４の一部とをそれぞれ選択的に除去する。これにより、第１の共振器１２及び第２の共振器１３にメサ状のリッジストライプ部を形成する。
【００６３】
次に、リッジストライプ部の上を覆う酸化シリコンマスクを形成した後、ＭＯＣＶＤ法により厚さが７００ｎｍのｎ型のＡｌＩｎＰからなる電流ブロック層４７を選択成長する。次に、図５（ｄ）に示すように、弗酸系エッチング液を用いて酸化シリコンマスクを除去する。
【００６４】
なお、電流ブロック層は誘電体膜により形成してもよい。この場合は、リッジストライプ部を形成した後、基板上の全面に誘電体膜を形成し、形成した誘電体膜を第１のコンタクト層２７及び第２のコンタクト層３７の上面を露出するようにフッ酸系の薬液によりエッチングを行えばよい。なお、誘電体膜は、クラッド層との屈折率差をつけるために、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）、酸化チタン膜（ＴｉＯ2）、酸化アルミニウム膜（Ａｌ2Ｏ3）若しくは水素化アモルファスＳｉからなる膜又はこれの多層膜とすればよい。
【００６５】
本実施形態の半導体レーザ装置の製造方法は、赤色レーザ光を出射する第１の共振器１２の端面窓部２０ａ及び赤外レーザ光を出射する第２の共振器１３の端面窓部３０ａを同一の熱処理により形成している。このため、素子作製工程を低減することが可能となり素子作製コストを削減することが可能となる。
【００６６】
なお、第１の下部クラッド層２２及び第２の下部クラッド層３２のキャリア濃度は、本実施形態においては５．３×１０17ｃｍ-3としたが、１．０×１０17ｃｍ-3以上であればよく、好ましくは３．０×１０17ｃｍ-3以上、さらに好ましくは５．０×１０17ｃｍ-3以上とする。このようにすれば、ヘテロ界面においてスパイクが形成されることによる電子の注入効率の低下が生じにくくなり、８０℃以上の高温環境下においても良好な温度特性を得ることができる。
【００６７】
また、本実施形態においては、端面窓部を形成した後でリッジストライプ部を形成したが、リッジストライプ部を形成した後に端面窓部を形成してもよい。
【００６８】
本実施形態においては、第１のバッファ層及び第２のバッファ層を、ＡｌＧａＩｎＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層とが交互に積層された構造とした。しかし、端面窓部によるリーク電流の増大を抑えるためには、バッファ層のバンドギャップが活性層のバンドギャップよりも大きければよい。従って、結晶欠陥の発生が観察されない範囲において、ＡｌＧａＩｎＡｓ層又はＡｌＧａＩｎＰ層を単独で用いてもよい。但し、この場合には、Ｚｎの拡散がバッファ層と下部クラッド層との界面で停止するように、Ｚｎの拡散を行う際の温度及び時間等を調整する必要がある。また、基板に格子整合したまま結晶成長ができるように、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＡｓzＰ1-z（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）系の材料を用いてもよい。
【００６９】
なお、実施形態において示した、半導体層の組成及び寸法等は例であり、必要に応じて変更してかまわない。また、ＧａＡｓからなる基板を用いた例を示したが、半導体層を成長させることができ、半導体レーザ装置が形成できる基板であればどのようなものを用いてもよい。また、半導体レーザ装置が、赤色レーザ光を出射する第１の共振器と赤外レーザ光を出射する第２の共振器とを有する例を示したが、第１の共振器及び第２の共振器はどのようなものであってもよい。また、３つ以上の共振器が基板に形成されていてもよい。また、同一の波長のレーザ光又は同一帯域のレーザ光を出射する共振器同士が組み合わされていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明に係る半導体レーザ装置及びその製造方法は、不純物拡散によるリーク電流の発生及び高出力動作時における信頼性の低下が生じることがない複数の共振器を備えた半導体レーザ装置を実現でき、特に、光ディスク装置をはじめとする電子装置及び情報処理装置等の光源として用いる多波長の半導体レーザ装置及びその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置を示し、図１のII−II線における断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）はIII−Ｖ族化合物の組成とバンドギャップとの関係を示すグラフであり、（ａ）はＡｌＧａＩｎＡｓ系材料であり、（ｂ）はＡｌＧａＩｎＰ系材料である。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体レーザ装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１０      基板
１２      第１の共振器
１３      第２の共振器
２０      第１の半導体層
２０ａ    端面窓部
２１      第１のバッファ層
２２      第１の下部クラッド層
２３      第１の活性層
２４      第１の上部クラッド層
２６      第１の保護層
２７      第１のコンタクト層
３０      第２の半導体層
３０ａ    端面窓部
３１      第２のバッファ層
３２      第２の下部クラッド層
３３      第２の活性層
３４      第２の上部クラッド層
３６      第２の保護層
３７      第２のコンタクト層
４１      境界層
４２      レジストパターン
４３      レジストパターン
４４      不純物拡散源
４５      キャップ膜
４６      マスク
４７      電流ブロック層
【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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