(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された、リッジ構造内に設けられ、Ａｌを含む半導体層のＡｌを酸化させてなるＡｌ酸化層によりストライプ状の電流閉じ込め構造を構成する端面発光型の半導体レーザ素子において、
ストライプ状リッジを形成する半導体積層構造の一部としてＰ型クラッド層内に設けられ、前記電流閉じ込め構造を形成する、中央部分に溝状の開口部を有するＡｌ酸化層と、
前記Ａｌ酸化層の前記溝状の開口部を埋めており、前記Ａｌ酸化層に連続して延在し、かつ、電流注入のための電気的開口領域として機能する、前記Ａｌを含む半導体層とは異なる半導体層と、を備え、
前記Ａｌ酸化層の溝状の開口部に埋め込まれた前記半導体層は、前記Ａｌを含む半導体層の中央部分を溝状にエッチングした後に、前記半導体層を埋め込み形成された半導体層であり、
前記Ａｌ酸化層は、前記Ａｌを含む半導体層を前記エッチング処理した後、該Ａｌを含む半導体層とは異なる前記半導体層を埋め込んだ後に、前記リッジ側面から前記Ａｌを含む半導体層全体を酸化して形成した酸化層であり、
かつ、前記電気的開口領域の幅が上部から下部に向かって狭くなっていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
ｎ型半導体基板上に形成された、Ａｌを含む半導体層のＡｌを酸化させてなるＡｌ酸化層により電流閉じ込め構造を構成する端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法であって、
ｎ型半導体基板上に、順次、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型第一クラッド層、前記Ａｌを含む半導体層、及び保護層を積層する工程と、
前記保護層上にストライプ状の開口を有するマスクを堆積する工程と、
前記保護層及び前記Ａｌを含む半導体層をエッチング除去し、開口底に前記ｐ型第一クラッド層を露出させ、開口の幅が上部から下部に向かって狭くなっているストライプ状の溝形開口を形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記溝形開口を埋め込みつつ基板全面に、順次、ｐ型第二クラッド層、及びコンタクト層を成膜する工程と、
前記コンタクト層、前記ｐ型第二クラッド層、前記保護層、及び前記Ａｌを含む半導体層の一部をエッチング除去し、前記溝形開口よりも少なくとも幅の広いストライプ状リッジを形成する工程と、
前記Ａｌを含む半導体層全体をリッジ側面から酸化して前記Ａｌ酸化層を生成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ酸化層による電流狭窄構造を有する半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、レーザ特性が良好で、製品歩留りを高くできる構成を備えた半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子では、Ａｌを含む半導体層を発光領域の積層構造の一部として成膜し、Ａｌを含む半導体層中のＡｌを選択的に酸化させてＡｌ酸化層を形成し、そのＡｌ酸化層を電流ブロッキング層、即ち電流狭窄構造として用いることが行われている。
【０００３】
ここで、図３を参照して、Ａｌ酸化層を電流ブロッキング層として用いた従来の半導体レーザ素子の構成を説明する。図３は従来の半導体レーザ素子の断面模式図である。
従来の半導体レーザ素子１５は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図３に示すように、厚さ約１００μm のｎ−ＩｎＰ基板１と、ｎ−ＩｎＰ基板１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層４、ＡｌＩｎＡｓ層５、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７からなる積層構造を備えている。
積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層４の上層部、ＡｌＩｎＡｓ層５、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ１２として形成されている。
また、ＡｌＩｎＡｓ層５のリッジ側面部は、Ａｌが選択的に酸化されたＡｌ酸化層８となっている。
【０００４】
リッジ上部の窓１３を除く領域上にＳｉＮX 膜９が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極１０が、リッジ上部の窓１３の領域を含めてＳｉＮX 膜９上に、及びｎ側電極１１がｎ−ＩｎＰ基板裏面にそれぞれ形成されている。
【０００５】
本半導体レーザ素子１５では、Ａｌ酸化層８が電気的絶縁特性を有すると共に光学的にも屈折率が低下しているので、Ａｌ酸化膜８により電流及び光の閉じ込めを行うことができる、優れた閉じ込め構造が形成されている。
【０００６】
次に、図４を参照して、従来の半導体レーザ素子１５の作製方法を説明する。
図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の半導体レーザ素子１５を作製する際の工程毎の基板断面を示す縦断面図である。
先ず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、下部ｐ−ＩｎＰクラッド層４、ＡｌＩｎＡｓ層５、上部ｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層７を成膜して、図４（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
次に、ＳｉＯ2膜からなるマスク１４をコンタクト層７上に形成し、続いてマスク１４を使って、コンタクト層７、上部ｐ−ＩｎＰクラッド層６、及びＡｌＩｎＡｓ層５をエッチングして除去し、、更に、下部ｐ−ＩｎＰクラッド層４をその途中までエッチングして除去し、図４（ｂ）に示すように、幅１０μｍのストライプ状リッジ１２を形成する。
次に、マスク１４を除去し、水蒸気中にて、約５００℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、ＡｌＩｎＡｓ層５のＡｌをリッジ側面から選択的に酸化させ、図４（ｃ）に示すように、Ａｌ酸化層８を形成する。
【０００７】
次に、リッジ上部の窓１３を除く領域上にＳｉＮX 膜９を保護膜として形成する。続いて、ｎ−ＩｎＰ基板１の厚さが１００μｍ程度の厚さになるように基板裏面を研磨し、ｐ側電極１０をリッジ上部の窓１３の領域を含めてＳｉＮX 膜９上に、及びｎ側電極１１を基板裏面にそれぞれ形成する。
【０００８】
半導体レーザ素子の上述した作製方法は、閉じ込め構造の形成を除き、基本的には、通常のリッジ型の端面発光型半導体レーザ素子の作製方法と同じであるものの、次の利点を有する。
即ち、上述した作製方法では、ＡｌＩｎＡｓ層５を結晶成長させ、次いで酸化させる、一回の結晶成長及び酸化工程にて、閉じ込め構造を形成することができるので、ｐ−半導体層とｎ−半導体層とを成膜して、リッジ構造を埋め込み、ｐ−ｎ接合分離により形成した通常の閉じ込め構造の形成方法に比べて、製造工程が簡単で、素子の歩留まり向上や低コスト化が期待できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の半導体レーザ素子では、被酸化層となるＡｌＩｎＡｓ層を通して電流注入を行う必要があるにもかかわらず、ＡｌＩｎＡｓはＩｎＰよりも若干バンドギャップが大きいことから、バンド不連続による電気抵抗の上昇が電流注入領域に生じ、レーザ素子の動作電圧の上昇を招いている。
ところで、通常は、ＡｌＩｎＡｓ層にｐ型ドーパントを高濃度でドーピングすることにより、電気電気抵抗を低下させることができるものの、ＡｌＩｎＡｓ層を酸化させたＡｌ酸化層により閉じ込め構造を形成する場合には、ＡｌＩｎＡｓ層を酸化させる際に長時間の高温での熱処理を行うので、ドーパントの種類にもよるが、一般的に用いられるＺｎの場合、Ｚｎが活性層まで拡散し、レーザ特性の劣化を引き起こしてしまう。従って、高濃度でドーパントをドーピングして電気抵抗を低下させることは、採用し難い。
また、従来の半導体レーザ素子の構造では、ＡｌＩｎＡｓ層の酸化を適所で停止させる停止機能が設けられていないために、酸化層の幅を制御する制御性に乏しく、電流注入領域の寸法、即ち閉じ込め構造の寸法を確実に制御することが難しかった。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、閉じ込め構造の寸法を確実に制御できるようにしたＡｌ酸化層による閉じ込め構造を備え、しかも動作電圧の低い半導体レーザ素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体基板上に形成された、リッジ構造内に設けられ、Ａｌを含む半導体層のＡｌを酸化させてなるＡｌ酸化層によりストライプ状の電流閉じ込め構造を構成する端面発光型の半導体レーザ素子において、
ストライプ状リッジを形成する半導体積層構造の一部としてＰ型クラッド層内に設けられ、前記電流閉じ込め構造を形成する、中央部分に溝状の開口部を有するＡｌ酸化層と、
前記Ａｌ酸化層の前記溝状の開口部を埋めており、前記Ａｌ酸化層に連続して延在し、かつ、電流注入のための電気的開口領域として機能する、前記Ａｌを含む半導体層とは異なる半導体層と、を備え、
前記Ａｌ酸化層の溝状の開口部に埋め込まれた前記半導体層は、前記Ａｌを含む半導体層の中央部分を溝状にエッチングした後に、前記半導体層を埋め込み形成された半導体層であり、
前記Ａｌ酸化層は、前記Ａｌを含む半導体層を前記エッチング処理した後、該Ａｌを含む半導体層とは異なる前記半導体層を埋め込んだ後に、前記リッジ側面から前記Ａｌを含む半導体層全体を酸化して形成した酸化層であり、
かつ、前記電気的開口領域の幅が上部から下部に向かって狭くなっていることを特徴としている。
【００１２】
本発明は、Ａｌを含む半導体層のＡｌを選択的に酸化させてなるＡｌ酸化層により閉じ込め構造を構成する限り、半導体レーザ素子を構成する半導体層の材料、組成に制約無く適用でき、例えばＩｎＰ系の半導体レーザ素子、Ｇa Ａs 系の半導体レーザ素子に好適に適用できる。
本発明で、ＩｎＰ系の半導体レーザ素子の場合、Ａｌを含む半導体層とは、例えばＡｌＩｎＡｓ層であり、Ａｌを含む半導体層とは異なる半導体層とはＩｎＰ、Ｇa ＩｎＡｓＰ層である。また、Ｇa Ａs 系の半導体レーザ素子の場合、Ａｌを含む半導体層とは、ＡｌＧa Ａｓ、ＡｌＰ層であり、Ａｌを含む半導体層とは異なる半導体層とは、ＩｎＧa Ｐ、Ｇa ＩｎＡｓＰ層である。
【００１３】
ｎ型半導体基板上に形成された、Ａｌを含む半導体層のＡｌを酸化させてなるＡｌ酸化層により電流閉じ込め構造を構成する端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法であって、
ｎ型半導体基板上に、順次、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型第一クラッド層、前記Ａｌを含む半導体層、及び保護層を積層する工程と、
前記保護層上にストライプ状の開口を有するマスクを堆積する工程と、
前記保護層及び前記Ａｌを含む半導体層をエッチング除去し、開口底に前記ｐ型第一クラッド層を露出させ、開口の幅が上部から下部に向かって狭くなっているストライプ状の溝形開口を形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記溝形開口を埋め込みつつ基板全面に、順次、ｐ型第二クラッド層、及びコンタクト層を成膜する工程と、
前記コンタクト層、前記ｐ型第二クラッド層、前記保護層、及び前記Ａｌを含む半導体層の一部をエッチング除去し、前記溝形開口よりも少なくとも幅の広いストライプ状リッジを形成する工程と、
前記Ａｌを含む半導体層全体をリッジ側面から酸化して前記Ａｌ酸化層を生成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ素子の作製方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子２０は、端面発光型の半導体レーザ素子であって、図１に示すように、厚さ約１００μm のｎ−ＩｎＰ基板２１と、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に順次形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層２４、Ａｌ酸化層２９、ｐ−ＩｎＰ保護層２６、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層２７、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２８からなる積層構造を備えている。
積層構造のうち、Ａｌ酸化層２９、ｐ−ＩｎＰ保護層２６、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層２７、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２８は、幅が約１０μｍのストライプ状リッジ３７として形成されている。
更に、Ａｌ酸化層２９及びｐ−ＩｎＰ保護層２６は、チャンネル状の電気的開口部３５（以下、簡単にチャンネル３５と言う）を形成するように、リッジの幅方向中央で、幅３μm でチャンネル状に除去されて、開口底でｐ−ＩｎＰ第一クラッド層２４を露出させている。Ａｌ酸化層２９は、ＡｌＩｎＡｓ層のＡｌが選択的に酸化されてなるＡｌ酸化層である。
【００１８】
リッジ上部の窓３３を除く領域上にＳｉＮX 膜３０が保護膜として形成されている。そして、ｐ側電極３１が、リッジ上部の窓３３の領域を含めてＳｉＮX 膜３０上に、及びｎ側電極３２がｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面にそれぞれ形成されている。
【００１９】
次に、図２を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子の作製方法を説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面を示す断面図である。
まず、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に、順次、ｎ−ＩｎＰクラッド層２２、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２３、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層２４、ＡｌＩｎＡｓ層２５、及び、ｐ−ＩｎＰ保護層２６を成膜して、図２（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
次いで、ｐ−ＩｎＰ保護層２６上にＳｉＯ2 膜を成膜して中央を開口したマスク３４を形成し、そのマスク３４を使って、ｐ−ＩｎＰ保護層２６及びＡｌＩｎＡｓ層２５をエッチング除去し、図２（ｂ）に示すように、幅３μｍのストライプ状のチャンネル３５を形成する。
【００２０】
マスク３４を除去し、続いて、ＭＯＣＶＤ法により、図２（ｃ）に示すように、基板全面に、順次、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層２７、及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層２８を積層する。
次いで、ＳｉＯ2膜を成膜してパターニングしてマスク３６とし、コンタクト層２８、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層２７、ｐ−ＩｎＰ保護層２６、及び、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５をエッチング除去して、図２（ｄ）に示すように、幅１０μｍのストライプ状リッジ３７を形成するとともにリッジ脇にｐ−ＩｎＰ第一クラッド層２４を露出させる。
次に、水蒸気中にて、約５００℃の温度で１５０分間熱処理を施すことにより、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ層２５を側面から酸化させ、全層をＡｌ酸化層２９に転化する。
【００２１】
次に、図１に示すように、リッジ上部の窓３３を除く部分に、ＳｉＮX 膜３０を形成した後、１００μｍ程度の厚さになるようにｎ−ＩｎＰ基板２１の裏面を研磨し、次いで窓３３を含めてＳｉＮX 膜３０上にｐ側電極３１を、基板２１の裏面にｎ側電極３２をそれぞれ形成する。
【００２２】
本実施形態例の半導体レーザ素子２０の構成では、ＡｌＩｎＡｓ層２５が電流注入領域に存在していないので、従来の半導体レーザ素子で問題となっていた動作電圧の上昇を防ぐことができる。
また、ＡｌＩｎＡｓ層２５をエッチング除去して電流注入領域、即ちチャンネル３５を形成しているので、ＡｌＩｎＡｓ層の酸化は、ＡｌＩｎＡｓ層の存在しないチャンネル３５で確実に停止することができる。従って、電流注入領域の寸法制御を確実に行うことができる。
また、作製工程においても、結晶成長の回数が一回増えるものの、選択成長のような複雑な成長ではないから、コスト面及び品質管理面で不利になるようなことはない。
【００２３】
上述の実施形態例では、端面発光型半導体レーザ素子を例にして説明したが、チャンネルを孔形開口に代えることにより、本発明を面発光型半導体レーザ素子に容易に適用することができる。
【００２４】
また、上述の実施形態例では、ｎ型半導体基板上に半導体レーザ素子を形成する例を説明したが、ｐ型半導体基板上に半導体レーザ素子を形成する場合も、図示しないが、次に説明するように、基本的には、上述の実施形態例とほぼ同様である。
先ず、ｐ−ＩｎＰ基板上に、順次、ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層、ＡｌＩｎＡｓ層、ｐ−ＩｎＰ保護層を積層する。次いで、ｐ−ＩｎＰ保護層およびＡｌＩｎＡｓ層をエッチング除去し、開口底にｐ−ＩｎＰ第一クラッド層を露出させたストライプ状の溝形開口を形成する。続いて、溝形開口を埋め込みつつ基板全面に、順次、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層、ｎ−ＩｎＰクラッド層、ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層を成膜する。次に、ｎ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層、ｎ−ＩｎＰクラッド層、ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層、ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層、ｐ−ＩｎＰ保護層、ＡｌＩｎＡｓ層をエッチング除去し、少なくとも溝形開口よりも幅の広いストライプ上のリッジを形成する。更に、ＡｌＩｎＡｓ層をリッジ側面から全層にわたり酸化してＡｌ酸化層を生成する。
最後に、リッジ上部の窓を除く部分に、ＳｉＮX 膜を形成した後、１００μｍ程度の厚さになるようにｐ−ＩｎＰ基板の裏面を研磨し、次いで窓を含めてＳｉＮX 膜上にｎ側電極を、基板裏面にｐ側電極をそれぞれ形成すると、所望の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、ストライプ状リッジ又はメサポストを形成する半導体積層構造の一部として活性層の基板とは反対側に延在し、かつ、Ａｌを含む半導体層を酸化してなるＡｌ酸化層と、Ａｌ酸化層に連続して延在し、かつ、電流注入のための電気的開口領域として機能する、前記Ａｌを含む半導体層とは異なる半導体層とで閉じ込め構造を構成することにより、閉じ込め構造の寸法を確実に制御することができる。本発明を適用することにより、動作電圧が低く、レーザ特性が良好でかつ均一な半導体レーザ素子を実現できる。
また、本発明方法によれば、本発明方法は、本発明に係る半導体レーザ素子の好適な作製方法を実現していて、Ａｌを含む半導体層を酸化させる工程において、開口幅の制御を容易に行うことができるので、生産性の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面を示す断面図である。
【図３】従来の端面発光型半導体レーザ素子の積層構造を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、従来の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の基板断面を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ｎ−ＩｎＰ基板
２  ｎ−ＩｎＰクラッド層
３  ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
４  ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層
５  ＡｌＩｎＡｓ層
６  ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層
７  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
８  Ａｌ酸化層
９  ＳｉＮX 膜
１０  ｐ側電極
１１  ｎ側電極
１２  リッジ
１３  窓
１４  マスク
１５  従来の半導体レーザ素子
２０  実施形態例の半導体レーザ素子
２１  ｎ−ＩｎＰ基板
２２  ｎ−ＩｎＰクラッド層
２３  ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
２４  ｐ−ＩｎＰ第一クラッド層
２５  ＡｌＩｎＡｓ層
２６  ｐ−ＩｎＰ保護層
２７  ｐ−ＩｎＰ第二クラッド層
２８  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
２９  Ａｌ酸化層
３０  ＳｉＮX 膜
３１  ｐ側電極
３２  ｎ側電極
３３  窓
３４  マスク
３５  チャンネル状の電気的開口部
３６  マスク
３７  リッジ
【図１】
0004652493.tif 000002
【図２】
0004652493.tif 000003
【図３】
0004652493.tif 000004
【図４】
0004652493.tif 000005