(57)【要約】【課題】  低閾値電流・高出力動作とコスト低減とを両立できる半導体レーザ素子を提供すること。【解決手段】  第１導電型の半導体基板１０１上に順に積層された第１導電型の下クラッド層１０３,１０４、活性層１０６、第２導電型の第一上クラッド層１０８、および第２導電型の第二上クラッド層１０９を備える。ストライプ状のリッジ構造１３０をなす第２導電型の第三上クラッド層１１１と、第２導電型のコンタクト層１１３とを備える。第二上クラッド層１０９の第２導電型のドーピング濃度が、第一上クラッド層１０８および第三上クラッド層１１１の第２導電型のドーピング濃度よりも低く、１×１０17ｃｍ-3以下である。第一上クラッド層１０８と第二上クラッド層１０９の層厚の総和が０.３μｍ以上１.５μｍ以下である。コンタクト層１１３との間でオーミック接合をなす一方、第二上クラッド層１０９との間でショットキー接合をなす電極層１１４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に順に積層された第１導電型の下クラッド層、活性層、第２導電型の第一上クラッド層、および第２導電型の第二上クラッド層を備えるとともに、上記第二上クラッド層上に形成されたストライプ状のリッジ構造をなす第２導電型の第三上クラッド層と、上記リッジ構造の頂部に形成された第２導電型のコンタクト層とを備え、
上記第二上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が、上記第一上クラッド層および第三上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度よりも低く、１×１０17ｃｍ-3以下であり、
上記第一上クラッド層と第二上クラッド層の層厚の総和が０.３μｍ以上１.５μｍ以下であり、
上記コンタクト層との間でオーミック接合をなす一方、上記第二上クラッド層との間でショットキー接合をなす電極層を備えた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、
上記第二上クラッド層と電極層との間に、上記第三上クラッド層およびコンタクト層に対して選択的にエッチング可能な材料からなる第２導電型の半導体層を備え、
上記第２導電型の半導体層は、上記第一上クラッド層および第三上クラッド層よりも第２導電型のドーピング濃度が低く、上記第二上クラッド層に代わって上記電極層との間でショットキー接合をなしていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジ構造は順メサ形状の断面を有し、
上記電極層は、上記リッジ構造の頂部および側面並びに上記第二上クラッド層の上面を連なって被覆していることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ素子において、
上記電極層のうち、上記第二上クラッド層との間でショットキー接合をなす部分のみに、外部回路との電気的接続を得るための金属ワイヤがボンディングされていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第１導電型の半導体基板はｎ型にドーピングされたＧaＡsであり、上記第一上クラッド層、第二上クラッド層、第三上クラッド層、コンタクト層および半導体層の第２導電型のドーパントがそれぞれ炭素またはマグネシウムであ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、
上記基板をなす結晶材料がＧaＡsであり、
上記第一上クラッド層、第二上クラッド層および第三上クラッド層をなす結晶材料がＡlＧaＡs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、
上記第一上クラッド層および第二上クラッド層をなす結晶材料がＡlxＧa1-xＡsであり、そのＡlの混晶比ｘは０.４≦ｘ≦０.５５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、
上記第二上クラッド層の厚みが０.１μｍ以上０.４μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第二上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第一上クラッド層の厚みが０.２μｍ以上１.１μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第一上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１２】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＰを含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１３】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＩn1-xＧaxＡs1-yＰyであり、そのＰ組成比ｙは０.４≦ｙ≦０.７であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１４】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＩnＧaＡsＰであり、その厚みが５０Å以上であり、その第２導電型のドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記電極層はＰt層を最下層として有し、
上記Ｐt層の厚みが３０Å以上４００Å以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１６】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジ構造の両側に沿って、上記リッジ構造の側面と上記第二上クラッド層の上面と上記電極層とで囲まれた位置に、ストライプ状に絶縁体が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１７】
請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジ構造の両側に沿って、上記リッジ構造の側面と上記第２導電型の半導体層の上面と上記電極層とで囲まれた位置に、ストライプ状に絶縁体が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１８】
請求項１または２に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジ構造の両脇に、上記リッジ構造の最上部よりも最上部が高いストライプ状構造体を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体レーザ素子において、
上記ストライプ状構造体の最上部側が実装面であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２０】
請求項１８に記載の半導体レーザ素子において、
上記ストライプ状構造体は、上記第二上クラッド層上に順に積層された第三上クラッド層とコンタクト層および第２導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の電流遮断層を有し、
上記電極層が上記ストライプ状構造体を被覆しており、
上記電極層は、上記ストライプ状構造体の電流遮断層との間にショットキー接合をなすことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２１】
請求項１８に記載の半導体レーザ素子において、
上記ストライプ状構造体は、上記電極層上に形成された導電体であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２２】
請求項２１に記載の半導体レーザ素子において、
上記導電体が金または金を含む合金であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２３】
請求項１８に記載の半導体レーザ素子において、
上記ストライプ状構造体は、上記リッジ構造と同一の半導体層群の表面に絶縁体膜が形成され、
上記絶縁体膜を覆うように上記電極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２４】
請求項２３に記載の半導体レーザ素子において、
上記絶縁体膜が、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２５】
請求項１に記載の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする光ディスク装置。
【請求項２６】
請求項１に記載の半導体レーザ素子を備え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】
本発明は半導体レーザ素子に関し、典型的には、光ディスク装置や光伝送システム等に用いられる、高出力、低消費電力の半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
また、本発明は、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】
各種半導体レーザ素子の中で、リッジ埋め込み構造半導体レーザ素子は、その構造上レーザ発振に寄与しない無効電流を少なくでき、かつ、素子製造工程時の結晶再成長界面を活性層から離すことができるため、高い信頼性と低消費電力(低閾値電流)を両立しつつ、高温動作および横モード安定を実現できる構造として知られている。
【０００４】
リッジ埋め込み構造においては、製造工程中に大気にさらされる部分がレーザ発振時の活性領域から離れているために、余分な光吸収が低く抑えられ信頼性を確保できる。
【０００５】
また、リッジ部分の外側に屈折率の小さい電流ブロック層を設けることで、電流狭窄と実屈折率のみによる水平方向の光の閉じ込めを行うことができ、このいわゆる実屈折率ガイド型のレーザは水平方向の光閉じ込めに光吸収を用いていないため、レーザ発振時の導波路損失が小さく、消費電力を低く抑えることができる。
【０００６】
このようなリッジ埋め込み構造半導体レーザ素子の作製においては、一般に、あらかじめ活性層等を積層した半導体基板に対し、さらに２回の結晶(再)成長が行われている。
【０００７】
しかし、２度の結晶再成長を行うことは、半導体レーザ素子を作成する上で非常に大きなコストアップ要因となる。そのため、クラッド層とショットキー接合しコンタクト層とオーミック接合する電極を積層することにより製造工程を簡略化するアイデアがある(例えば、特許文献１(特開平４−１１１３７５号公報、特に第３頁、第１図)参照。)。
【０００８】
図２４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ＭＯＣＶＤ(有機金属化学気相成長)法により、ｎ-ＧaＡs基板７０１上にｎ-ＩnＧaＰクラッド層７０２、ＩnＧaＡs／ＧaＡs歪量子井戸活性層７０３、ｐ-ＩnＧaＰクラッド層７０４、ｐ-ＩnＧaＡsコンタクト層７０５を順次積層し、フォトリソグラフィなどの手法により、ｐ-ＩnＧaＰクラッド層７０４の途中までエッチングを行い、順メサ形状のリッジ部７０８を形成した後、ｐ側電極７０６としてＴi／Ｐt／Ａuを、ｎ側電極７０７としてＡu−Ｇe−Ｎi／Ａuを順次蒸着する。これにより、ｐ側電極７０６とｐ-ＩnＧaＰクラッド層７０４との間にはショットキー接合部が形成され、ｐ側電極７０６とｐ-ＩnＧaＡsコンタクト層７０５との間にはオーミック接合部が形成される。このようにして製作された素子のｐ側電極７０６とｎ側電極７０７との間に電流を流すと、上記オーミック接合部を通してのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。
【０００９】
このような構造とすることで、一般的なリッジ埋め込み構造における合計３度の結晶成長工程を１度にすることができ、その結果、大幅に製造工程を削減することができる。
【特許文献１】特開平４−１１１３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１のショットキー接合を用いて電流狭窄を行う半導体レーザ素子では、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子で実現されているような低閾値電流(例えば３０ｍＡ以下)、高出力(例えば１５０ｍＷを超える出力)動作を行うことができなかった。また、さまざまな用途に合わせて要求される光学特性仕様に合わせた素子設計をすることが困難であった。さらに、ショットキー接合部の信頼性に乏しく、長期信頼性を実現できていなかった。
【００１１】
低閾値電流、高出力動作を実現できていなかった原因としては、ショットキー接合部分の電流狭窄性が不十分であり、特に微細ストライプ構造としたときの漏れ電流を十分に低減できなかったことが挙げられる。
【００１２】
また、低素子抵抗と電流狭窄性を両立できる構成が開示されておらず、結果として素子抵抗が上昇し、このことも高出力動作を妨げる一因であった。
【００１３】
また、電流狭窄性を確保するためには、価電子帯のエネルギ不連続(障壁)ΔＥVの大きい(ＧaＡsに格子整合するような)ＩnＧaＰや高混晶のＡlＧaＡsに材料系をクラッド層に使用せざるを得ず、クラッド層の屈折率を変更する余地が小さかった。そのため光学特性を設計する際の自由度が制限されていた。さらに、ブレークダウンに強いショットキー接合の構成が開示されておらず、長期信頼性に欠けたものしかなかった。
【００１４】
その他にも、上述の特許文献１の半導体レーザ素子およびその製造方法では、途中までエッチングで除去したｐ-ＩnＧaＰクラッド層の層厚が変動することにより、レーザ素子の光学特性に大きく影響を与え、水平方向のファーフィールド・パターン(ＦＦＰ)がばらついたり、横モードの安定性が悪くなったりするという問題があった。さらに、ＩnＧaＰ層厚が変動することにより、その上に作成したショットキー接合特性も変動し、電流狭窄が十分に行えない場合がある。また、格子整合条件のＩnＧaＰ層の屈折率は一意に決定されるので、光学設計の際、ＩnＧaＰ膜厚を変更することでしか調整ができず、その自由度が小さい。さらに、ＩnＧaＰをｐクラッド側に用いることによりΔＥｖが大きくなり、活性層へのホールの注入効率が制限される等の問題がある。
【００１５】
そこで、本発明の課題は、低閾値電流・高出力動作が可能な上、長期の信頼性を有しており、さらに光学特性設計の自由度に富み、かつ安定した光学特性と製造工程の簡略化によるコスト低減とを両立した半導体レーザ素子を提供することにある。
【００１６】
さらに、本発明は、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ素子は、
第１導電型の半導体基板上に順に積層された第１導電型の下クラッド層、活性層、第２導電型の第一上クラッド層、および第２導電型の第二上クラッド層を備えるとともに、上記第二上クラッド層上に形成されたストライプ状のリッジ構造をなす第２導電型の第三上クラッド層と、上記リッジ構造の頂部に形成された第２導電型のコンタクト層とを備え、
上記第二上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が、上記第一上クラッド層および第三上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度よりも低く、１×１０17ｃｍ-3以下であり、
上記第一上クラッド層と第二上クラッド層の層厚の総和が０.３μｍ以上１.５μｍ以下であり、
上記コンタクト層との間でオーミック接合をなす一方、上記第二上クラッド層との間でショットキー接合をなす電極層を備えたことを特徴とする。
【００１８】
ここで、「第１導電型」とはｎ型とｐ型のうち一方の導電型を指し、「第２導電型」とはｎ型とｐ型のうち他方の導電型を指す。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子は、特許文献１の半導体レーザ素子と同様に、製造段階で結晶成長工程を１度で済ませることができる。したがって、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子に比して、大幅に製造工程が削減され、低コストで作製される。
【００２０】
本発明の半導体レーザ素子の電極層と基板との間に電流を流すと、上記リッジ構造の側方のショットキー接合では電流が遮断され、上記リッジ構造の頂部のオーミック接合を通してのみ電流が流れる。これにより、電流狭窄が行われる。
【００２１】
ここで、本発明の半導体レーザ素子では、上記第二上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が、上記第一上クラッド層および第三上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度よりも低く、１×１０17ｃｍ-3以下であり、かつ、上記第一上クラッド層と第二上クラッド層の層厚の総和が０.３μｍ以上１.５μｍ以下になっている。これにより、電流狭窄性と信頼性に優れ、低消費電力(低閾値電流)で高出力動作が可能になる(後にデータを示して詳述する。)。また、リッジ形状に加工しない第一および第二上クラッド層部分をドーピング濃度が異なる２層構造としているので、光学特性の設計自由度が大きくなる。
【００２２】
なお、上記半導体基板の、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層が設けられるのが望ましい。これにより、上記二つの電極層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】
一実施形態の半導体レーザ素子は、
上記第二上クラッド層と電極層との間に、上記第三上クラッド層およびコンタクト層に対して選択的にエッチング可能な材料からなる第２導電型の半導体層を備え、
上記第２導電型の半導体層は、上記第一上クラッド層および第三上クラッド層よりも第２導電型のドーピング濃度が低く、上記第二上クラッド層に代わって上記電極層との間でショットキー接合をなしていることを特徴とする。
【００２４】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、製造段階における上記第三上クラッド層およびコンタクト層をリッジ形状に加工する工程で、上記第２導電型の半導体層がエッチングストップ層として働く。これにより、製造工程の制御性が良くなる。例えば、上記第一上クラッド層と第二上クラッド層の層厚の総和が精度良く設定される。この結果、半導体レーザ素子の特性が安定し製造歩留りが向上する効果がある。しかも、上記第２導電型の半導体層は、上記第一上クラッド層および第三上クラッド層よりも第２導電型のドーピング濃度が低く、上記第二上クラッド層に代わって上記電極層との間でショットキー接合をなしているので、上述の電流狭窄性が損なわれることがない。
【００２５】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記リッジ構造は順メサ形状の断面を有し、上記電極層は、上記リッジ構造の頂部および側面並びに上記第二上クラッド層の上面を連なって被覆していることを特徴とする。
【００２６】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記電極層は、上記リッジ構造の頂部および側面並びに上記第二上クラッド層の上面を連なって被覆しているので、上記リッジ構造の頂部に形成されたコンタクト層からの電極引き出しが容易になる。これにより、製造工程を簡略化できるため、プロセスコストを低減し、製造歩留りを向上させることができる。
【００２７】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記電極層のうち、上記第二上クラッド層との間でショットキー接合をなす部分のみに、外部回路との電気的接続を得るための金属ワイヤがボンディングされていることを特徴とする。
【００２８】
ここで「外部回路」とは、この半導体レーザ素子の外部に存する回路、例えばこの半導体レーザ素子に電流を供給するための電源回路を指す。
【００２９】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、金属ワイヤがボンディングされているのは、上記電極層のうち、上記第二上クラッド層との間でショットキー接合をなす部分のみであるから、金属ワイヤのボンディング工程で上記リッジ構造およびその積層構造がボンディングによって損傷を受けることがない。したがって、素子の製造歩留りが向上する効果がある。
【００３０】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第１導電型の半導体基板はｎ型にドーピングされたＧaＡsであり、上記第一上クラッド層、第二上クラッド層、第三上クラッド層、コンタクト層および半導体層の第２導電型のドーパントがそれぞれ炭素またはマグネシウムであることを特徴とする。
【００３１】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、第２導電型のドーパントとしてＣ(炭素)またはＭg(マグネシウム)を用いることで、そのドーピングプロファイルの制御性と安定性が良くなる。したがって、製造歩留りと素子信頼性を両立した半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３２】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記基板をなす結晶材料がＧaＡsであり、上記第一上クラッド層、第二上クラッド層および第三上クラッド層をなす結晶材料がＡlＧaＡsであることを特徴とする。
【００３３】
ここで「結晶材料」とは、ドーパントを除いた本来の結晶をなす材料を意味する。
【００３４】
この一実施形態の半導体レーザ素子は、基板をなす結晶材料としてＧaＡsを用い、さらに上記第一上クラッド層、第二上クラッド層および第三上クラッド層をなす結晶材料としてＡlＧaＡsを用いることで、光学特性の設計自由度が大きく、かつ電流狭窄性に優れたものとなる。
【００３５】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一上クラッド層および第二上クラッド層をなす結晶材料がＡlxＧa1-xＡsであり、そのＡlの混晶比ｘは０.４≦ｘ≦０.５５であることを特徴とする。
【００３６】
この一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一上クラッド層および第二上クラッド層をなすＡlxＧa1-xＡsのＡl混晶比ｘが０.４以上０.５５以下であるから、光学特性と電流狭窄性を両立した良好なものとなる。
【００３７】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二上クラッド層の厚みが０.１μｍ以上０.４μｍ以下であることを特徴とする。
【００３８】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第二上クラッド層の厚みが０.１μｍ以上０.４μｍ以下であるから、電流狭窄性を最大にできる。
【００３９】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００４０】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第二上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下であるから、素子抵抗と電流狭窄性とを適切にバランスさせることができる。
【００４１】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一上クラッド層の厚みが０.２μｍ以上１.１μｍ以下であることを特徴とする。
【００４２】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第一上クラッド層の厚みが０.２μｍ以上１.１μｍ以下であるから、上記電極層への光漏れを抑制でき、かつ半導体レーザ素子に要求される光学特性に合わせた素子の構造設計が可能となる。
【００４３】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であることを特徴とする。
【００４４】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第一上クラッド層の第２導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であるから、素子抵抗の上昇を抑え、低消費電力化が可能になる。
【００４５】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＰを含むことを特徴とする。
【００４６】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＰを含むので、上記第２導電型の半導体層と上記第二上クラッド層や第三上クラッド層との間に良好なエッチング選択性を持たせることができる。これにより、製造工程上の制御性を改善し、歩留りを向上させることができる。
【００４７】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＩn1-xＧaxＡs1-yＰyであり、そのＰ組成比ｙは０.４≦ｙ≦０.７であることを特徴とする。
【００４８】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＩn1-xＧaxＡs1-yＰyであり、そのＰ組成比ｙは０.４≦ｙ≦０.７であるから、正孔注入に対する注入効率を向上させ、閾値電流を下げることができる。これと共に、上記半導体層を良好なエッチング選択性を有するエッチングストップ層として使用することができる。さらに、このようなＩnＧaＡsＰ半導体層を低ドーピングの第二上クラッド層上に設けることにより、Ａlの酸化に起因するような準位の発生を抑制し、長期の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層をなす結晶材料がＩnＧaＡsＰであり、その厚みが５０Å以上であり、その第２導電型のドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下であることを特徴とする。
【００５０】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、ＩnＧaＡsＰを結晶材料とする上記第２導電型の半導体層の厚みが５０Å以上であるから、表面保護層として十分な効果を有し、ＧaＡs、ＡlＧaＡsに対してのエッチング選択性も十分である。また、その第２導電型のドーピング濃度が１×１０16ｃｍ-3以上１×１０17ｃｍ-3以下であるから、その電流狭窄性を最大にすることができる。
【００５１】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記電極層はＰt層を最下層として有し、上記Ｐt層の厚みが３０Å以上４００Å以下であることを特徴とする。
【００５２】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記電極層はＰt層を最下層として有し、上記Ｐt層の厚みが３０Å以上４００Å以下であるから、この電極層が上記第二上クラッド層となすショットキー接合がより安定になり、かつこの電極層が上記コンタクト層となすオーミック接合の抵抗が低減される効果がある。
【００５３】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記リッジ構造の両側に沿って、上記リッジ構造の側面と上記第二上クラッド層の上面と上記電極層とで囲まれた位置に、ストライプ状に絶縁体が設けられていることを特徴とする。
【００５４】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記リッジ構造の両側に沿って、上記リッジ構造の側面と上記第二上クラッド層の上面と上記電極層とで囲まれた位置に、ストライプ状に絶縁体が設けられているので、上記リッジ構造の近傍で上クラッド層からの光漏れが光学設計上避けられない場合であっても、上記電極層での光吸収による損失を防止でき、低消費電力動作が可能となる。
【００５５】
また、上記第二上クラッド層と電極層との間に、上記第三上クラッド層およびコンタクト層に対して選択的にエッチング可能な材料からなる上記第２導電型の半導体層を備える場合は、上記リッジ構造の両側に沿って、上記リッジ構造の側面と上記第２導電型の半導体層の上面と上記電極層とで囲まれた位置に、ストライプ状に絶縁体が設けられるのが望ましい。この場合も同様に、上記リッジ構造の近傍で上クラッド層(および上記第２導電型の半導体層)からの光漏れが光学設計上避けられない場合であっても、上記電極層での光吸収による損失を防止でき、低消費電力動作が可能となる。
【００５６】
なお、上記絶縁体の材料としては、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜、あるいはポリイミドなどが挙げられる。
【００５７】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記リッジ構造の両脇に、上記リッジ構造の最上部よりも最上部が高いストライプ状構造体を有することを特徴とする。
【００５８】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記リッジ構造の最上部よりも最上部が高いストライプ状構造体がリッジ構造の両脇に形成され、そのストライプ状構造体がリッジ構造に対する保護構造体として作用するため、リッジ構造の破損を防止し、歩留りを向上させることができる。特に、半導体レーザ素子製造の後半工程において、チップ状態の半導体レーザ素子をハンドリングしたり、リッジ構造側に設けられた電極をステムや放熱体にダイボンドするいわゆるジャンクションダウン型の実装を行う際にも、リッジ構造が破損したりすることを防止する効果がある。
【００５９】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体の最上部側が実装面であることを特徴とする。
【００６０】
ここで、実装面とは、半導体レーザ素子を実装するステムや放熱体に対して、半導体レーザチップが接触する面のことを指す。
【００６１】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体の少なくとも表面が導電体であって、その最上部側が実装面となっているために、上記半導体レーザ素子を上記ジャンクションダウン型実装する際にも上記ストライプ状構造体が上記リッジ構造を保護し、リッジ構造の破損を防止することができる。
【００６２】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体は、上記第二上クラッド層上に順に積層された第三上クラッド層とコンタクト層および第２導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の電流遮断層を有し、上記電極層が上記ストライプ状構造体を被覆しており、上記電極層は、上記ストライプ状構造体の電流遮断層との間にショットキー接合をなすことを特徴とする。
【００６３】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体の頂部であって上記電極層と接する半導体層のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3以下とすることによって、別途絶縁体等を設けることなく、一貫した結晶成長工程によって、上記電極層と上記ストライプ状構造体との界面で電流を遮断できる構造を作成可能となる。したがって、半導体レーザ素子のリッジ構造に対して良好なオーミック接合を実現する一方、ショットキー接合による電流狭窄が可能で、かつジャンクションダウン型実装時のリッジ構造の破損防止に効果のあるストライプ状構造体が低コストで形成可能となる。
【００６４】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体は、上記電極層上に形成された導電体であることを特徴とする。
【００６５】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体は、上記電極層上に形成され、かつ導電体であることにより、ステムや放熱体と電極層との導通をとりつつ、リッジ構造の破損を防止する構成とすることができる。このとき、活性層で発生した熱をより効率的に外部に放出できる効果もある。さらに、電流遮断を行うための絶縁体膜やドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の半導体層を形成する必要がないため、製造工程がより簡略化でき、歩留りがよく製造コストの安い半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
【００６６】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記導電体が金または金を含む合金であることを特徴とする。
【００６７】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記導電体が金または金を含む合金であることにより、低い電極抵抗と良好な放熱特性を両立し、かつ上述したジャンクションダウン型実装が容易なストライプ状構造体の構成を提供することが可能となる。
【００６８】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体は、リッジ構造と同一の半導体層群の表面に絶縁体膜が形成され、さらにその上に、上記リッジ構造の頂部とオーミック接合をなす一方、上記第二上クラッド層とショットキー接合をなす電極層が形成されていることを特徴とする。
【００６９】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記ストライプ状構造体と上記電極層との界面に絶縁体膜が挿入されているために、上記ストライプ状構造体を介して上記電極層から下地半導体層へ電流が流れることがない。したがって、余分なリーク電流を生じさせることがなく、低い閾値電流値を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
【００７０】
一実施形態の半導体レーザ素子では、上記絶縁体膜が、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜であることを特徴とする。
【００７１】
この一実施形態の半導体レーザ素子では、上記絶縁体膜として酸化シリコン(ＳiＯ2)膜または窒化シリコン(ＳiＮx)膜を使用することにより、絶縁体膜が成膜しやすく、加工が容易であり、さらに十分な電流狭窄性を有する絶縁体膜を形成することが可能となる。よって、余分なリーク電流を生じさせることがなく、低い閾値電流値を有する半導体レーザ素子をより安価に歩留りよく提供することができるようになる。
【００７２】
本発明の光ディスク装置は、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする。
【００７３】
既述のように、本発明の半導体レーザ素子は低閾値電流・高出力動作が可能であるから、本発明の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、低消費電力で高速なデータ書き込みが可能になる。また、本発明の光ディスク装置は、より安価に構成される。
【００７４】
本発明の光伝送システムは、本発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする。
【００７５】
既述のように、本発明の半導体レーザ素子は低閾値電流・高出力動作が可能であるから、本発明の光伝送システムによれば、従来の光伝送システムに比べて、低消費電力で高速なデータ伝送が可能となる。また、本発明の光伝送システムは、より安価に構成される。
【発明の効果】
【００７６】
本発明の半導体レーザ素子は、低閾値電流・高出力動作が可能な上、長期の信頼性を有しており、さらに光学特性設計の自由度に富み、かつ安定した光学特性と製造工程の簡略化によるコスト低減とを両立できる。
【００７７】
また、本発明の光ディスク装置は、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。
【００７８】
また、本発明の光伝送システムは、従来の光伝送システムに比べて、低消費電力で高速なデータ伝送ができる上、より安価に構成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７９】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００８０】
なお、以下の説明では、「ｎ-」は第１導電型としてのｎ型を表し、「ｐ-」は第２導電型としてのｐ型を表す。
【００８１】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態の、光ディスク用(発振波長７８０ｎｍ)の半導体レーザ素子の構造を示したものである。
【００８２】
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-Ａl0.453Ｇa0.547Ａs第一下クラッド層１０３、ｎ-Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第二下クラッド層１０４、Ａl0.4278Ｇa0.5722Ａs下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａl0.4278Ｇa0.5722Ａs上ガイド層１０７、ｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第一上クラッド層１０８、およびｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第二上クラッド層１０９が順次積層されている。この第二上クラッド層１０９上に、順メサストライプ形状のリッジ構造１３０をなすように、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０、ｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第三上クラッド層１１１、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２およびｐ+-ＧaＡsコンタクト層１１３が設けられている。さらに、リッジ構造１３０の頂部と側面部および第二上クラッド層１０９の上面を連なって被覆する態様で、電極層としてＰt／Ｔi／Ｐt／Ａuの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるｐ側電極１１４が設けられている。なお、１１４ａ,１１４ｂ,１１４ｃがそれぞれ、上記リッジ構造１３０の頂部、側面部、第二上クラッド層１０９の上面を被覆する部分(これを適宜「電極部分」と呼ぶ。)を表している。電極部分１１４ａとリッジ構造１３０の頂部(コンタクト層１１３)とはオーミック接合をなす一方、電極部分１１４ｃと第二上クラッド層１０９の上面とはショットキー接合をなしている。また、基板１０１の裏面には、別の電極層として、ＡuＧe／Ｎi／Ａuの多層金属薄膜からなるｎ側電極１１５が形成されている。さらに、ｐ側電極１１４のうちの第二上クラッド１０９上に形成された部分１１４ｃに対して、外部回路との電気的接続を行うためのＡuワイヤ１１６がボンディングされている。
【００８３】
この半導体レーザ素子は、次のようにして作製される。
【００８４】
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：８×１０17ｃｍ-3)、ｎ-Ａl0.453Ｇa0.547Ａs第一下クラッド層１０３(層厚：３.０μｍ、Ｓiドーピング濃度：５×１０17ｃｍ-3)、ｎ-Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第二下クラッド層１０４(層厚：０.２４μｍ、Ｓiドーピング濃度：５×１０17ｃｍ-3)、Ａl0.4278Ｇa0.5722Ａs下ガイド層１０５(層厚０.１μｍ)、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａl0.4278Ｇa0.5722Ａs上ガイド層１０７(層厚：０.１μｍ)、ｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第一上クラッド層１０８(層厚：０.２μｍ、Ｚnドーピング濃度：１×１０18ｃｍ-3)、ｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第二上クラッド層１０９(層厚：０.１μｍ、Ｚnドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０(層厚３０Å、Ｚnドーピング濃度：２×１０18ｃｍ-3)、ｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第三上クラッド層１１１(層厚１.２８μｍ、Ｚnドーピング濃度：２.７×１０18ｃｍ-3)、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２(層厚：０.２μｍ、Ｚnドーピング濃度：３.３×１０18ｃｍ-3)、ｐ+-ＧaＡsコンタクト層１１３(層厚：０.３μｍ、Ｚnドーピング濃度：１×１０21ｃｍ-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。上記多重歪量子井戸活性層１０６は、Ｉn0.2655Ｇa0.7345Ａs0.5914Ｐ0.4086圧縮歪量子井戸層(歪０.４７％、層厚５０Å、２層)とＩn0.126Ｇa0.874Ａs0.4071Ｐ0.5929障壁層(歪−１.２％、基板側から層厚９０Å・５０Å・９０Åの３層であり、基板に最も近いものが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。
【００８５】
次に、リッジ構造１３０を形成すべき領域１１８ａ(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、形成すべきリッジ構造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。
【００８６】
次に、図３に示すように、半導体層１１３,１１２,１１１,１１０のうちの上記レジストマスク１１７の両側に相当する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構造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およびフッ酸を用い二段階で行い、エッチングストップ層１１０直上まで行う。ＧaＡsはフッ酸によるエッチングレートが非常に遅いということを利用し、エッチング面の平坦化およびメサストライプの幅制御を可能にしている。最後に、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０を除去しつつ、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、リッジ構造１３０の最下部の幅は約３.２μｍである。エッチング終了後、上記レジストマスク１１７を除去する。
【００８７】
続いて、図４に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、ｐ側電極１１４としてＰt(層厚：２００Å)／Ｔi(層厚：５００Å)／Ｐt(層厚：５００Å)／Ａu(層厚：４０００Å)の順に金属薄膜を積層形成する。
【００８８】
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１１５としてＡuＧe合金(Ａu８８％とＧe１２％との合金、層厚：１０００Å)、Ｎi(層厚：１５０Å)、Ａu(層厚：３０００Å)を積層形成する。その後、Ｎ2雰囲気中で、３９０℃１分間加熱して、ｐ側電極１１４とｎ側電極１１５との両方の材料のためのアロイ処理を行う。この基板１０１を、所望の共振器長(ここでは、８００μｍ)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(８００μｍ×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１１４のうちの第二上クラッド層１０９に接する部分(リッジ構造１３０の側方に相当する領域１１８ｂ)上に、外部回路との電気的接続を行うためのＡuワイヤ１１６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。
【００８９】
このようにして作製された半導体レーザ素子のｐ側電極１１４とｎ側電極１１５との間に電流を流すと、リッジ構造１３０の側方のショットキー接合では電流が遮断され、リッジ構造１３０の頂部のオーミック接合を通してのみ電流が流れる。これにより、電流狭窄が行われる。
【００９０】
図５は、このようにして作製された光ディスク用途の半導体レーザ素子(発振波長７８０ｎｍ)の電流−光出力特性を示している。本素子の場合、レーザ発振閾値電流Ｉｔｈ＝２７.３ｍＡ、スロープ効率ＳＥ＝０.９３Ｗ／Ａ、光出力８０ｍＷ時の動作電流は１１２ｍＡであった(周囲温度２５℃のとき)。この値は、従来のショットキー接合を使用した電流狭窄による半導体レーザでは成し得なかったものであり、合計３回の結晶成長を必要とするリッジ埋め込み構造を有する半導体レーザ素子と遜色の無いものである。また、光学特性としては、縦方向放射角１７.５度、横方向放射角９度でキンクフリーを実現した。さらに、７０℃、２６０ｍＷパルスの信頼性試験において３０００時間以上の安定動作を確認できた。
【００９１】
従来例では、ショットキー接合直下の上クラッド層が均一なドーピング濃度を持つ１層であったが、この第１実施形態の半導体レーザ素子においては、上クラッド層内のドーピング濃度に高低をつけ、リッジ構造１３０の側方に相当する領域では、ショットキー接合をなすドーピング濃度が低い第二上クラッド層１０９と、その直下で活性層１０６側に配されたドーピング濃度の高い第一上クラッド層１０８との２層構成とした。このことにより、ショットキー接合部の電流狭窄性が大幅に向上し、かつ必要以上の素子抵抗の上昇を抑えることができた。
【００９２】
このような構成は、発明者による次のような検討によって導かれた。すなわち、発明者の検討によると、ショットキー接合を形成するための上クラッド層は、光学特性の設計上(屈折率)の都合と、電流狭窄性の兼ね合いから、そのＡl混晶比は、０.４以上０.５５以下が好ましいことが分かった。また、そのドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3程度より小さくなると、急激に電流狭窄性が向上し、また通電時の安定性も良くなることも判明した。図６に、ショットキー接合直下の上クラッド層のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3と１×１０18ｃｍ-3で作り比べた時の、電流狭窄性および通電安定性の比較グラフを示す。この第１実施形態の半導体レーザ素子において、発振動作時の電圧は＋２Ｖ前後(この例では２.１７Ｖ)であったが、その時のリーク電流は、図６から分かるように、１×１０17ｃｍ-3ドーピングの上クラッド層の場合、２×１０-4Ａ程度であり、複数回(この例では５回)通電しても、リーク電流値に変化はなかった。一方、１×１０18ｃｍ-3ドーピングの上クラッド層では、＋２Ｖにおける初期(通電１回目)のリーク電流値は１７乗ドーピング時の約１００倍であり、通電を重ねると(通電２回目)、さらに１０倍以上増大してしまった。以上のように、上クラッド層のドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3以下が望ましい。しかしながら、上クラッド層の混晶比が０.４〜０.５５程度の時に、その層全部を１×１０17ｃｍ-3以下の低ドーピング状態とすると、上クラッド層の抵抗が増し素子特性が悪化してしまう。さらに検討を続けた結果、上クラッド層のショットキー接合を形成する側(第二上クラッド層１０９)のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3以下とし、かつそのドーピングが成された領域の膜厚を０.１μｍ以上０.４μｍ以下とすれば、上クラッド層の残りの活性層１０６側の領域(第一上クラッド層１０８)のドーピング濃度を１×１０18ｃｍ-3程度に高めてもその電流狭窄性が保たれることを見出した。逆に、１×１０17ｃｍ-3以下のドーピング濃度である第二上クラッド層の層厚は、最大でも０.４μｍあれば十分であり、これ以上厚くすると素子抵抗の上昇が無視できなくなる。このように上クラッド層のショットキー接合形成側(第二上クラッド層１０９)をドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下、かつ、その膜厚が０.１μｍ以上０.４μｍ以下である構成とすることで、その層(第二上クラッド層１０９)よりも活性層１０６側(第一上クラッド層１０８)、およびその層(第二上クラッド層１０９)よりもコンタクト層側(エッチングストップ層１１０および第三上クラッド層１１１)の材料選択上の制限が無くなり、光学設計の自由度が大幅に増した。さらに、必要以上の素子抵抗の上昇を抑制し、素子特性の悪化を防ぐことができた。なお、ｐ側電極側への光漏れ防止を含めた光学設計の制約から、第一上クラッド層１０８と第二上クラッド層１０９の層厚の総和は、０.３μｍ以上必要である。これ以下の層厚しかない場合、光を十分に活性層内に閉じ込めることができない。また、第一上クラッド層１０８と第二上クラッド層１０９の層厚の総和の最大は、１.５μｍあれば十分であり、より好ましくは１.０μｍ以下であればよい。これ以上厚くなると、第一上クラッド層１０８のドーピング濃度を高めたことによる素子抵抗低減の効��が小さくなり、素子特性の低下を招く。
【００９３】
高出力特性が要求される光ディスク用途では、動作時の電流・電圧が大きくなる傾向にあり信頼性的により厳しい状態となる。そこで、動作時の電流・電圧を低減すべく、電流狭窄性をより高めるために第二上クラッド層１０９のＡl混晶比を０.４５以上にすることが好ましい。これは、混晶比を高めることで価電子帯のエネルギ不連続ΔＥｖを大きくして電流狭窄性を向上させることに対応する。しかしながら、Ａl混晶比が大きすぎると、Ａlの酸化に起因する劣化が発生しやすくなるため、その混晶比は０.５を上限とした方がよい。また、同じく電流狭窄性を高めるため、第二上クラッド層１０９のドーピング濃度は１×１０16ｃｍ-3程度まで低めても良い。これ以上低くすると、低ドーピング濃度の領域の抵抗が非常に高くなって、それによる動作時の発熱が信頼性に悪い影響を与える。また、上述したように第二上クラッド層１０９の厚みは最大でも０.４μｍ程度あれば十分で、それ以上は電流狭窄性向上に対して効果が無いことも分かった。
【００９４】
さらに、この第１実施形態では、ｐ側電極１１４の最下層としてＰt層を用いたことにより、安定したショットキー接合の実現を果すことに成功した。Ｐt層を用いることで、活性なＡlＧaＡs表面に対するショットキー接合が安定になり、動作中の突発的なブレークダウン(ショットキーバリアの破壊)が抑制された。半導体上に形成されたＰt材料は４００℃前後の熱処理によってその膜厚の２倍程度の深さまで熱拡散することが知られている。この第１実施形態においては、その程度の熱処理を受けても第二上クラッド層１０９を突き抜けないような厚みにＰtを蒸着した後、裏面側のＡuＧe／Ｎi電極と同時にアロイ処理(熱処理)を行った。このＰt最下層の厚みは、ショットキー接合を安定に形成する観点、および後述するエッチングストップ層１１０を除去しない場合において、エッチングストップ層１１０を突き抜けて第二上クラッド層１０９にまで確実に拡散させるという観点から３０Å以上であるのが望ましく、また、上述の熱処理を受けても第二上クラッド層１０９を突き抜けないという観点から４００Å以下であるのが望ましい。
【００９５】
最下層としてＰt層を用いた効果は、高出力動作時の信頼性向上に特に顕著である。このＰt最下層の上には、よく知られているＴi／Ｐt／Ａuの組合せを積層してｐ側電極１１４を構成した。アロイ後のｐ側電極１１４、ｎ側電極１１５のコンタクト抵抗は、別途ＴＬＭ法(Transmission Line Modeling；伝送線行列法)による評価で、それぞれ５×１０-7Ωｃｍ2、１×１０-7Ωｃｍ2と非常に良好であった。
【００９６】
また、この第１実施形態においては、第二上クラッド層１０９上のＧaＡsからなるエッチングストップ層１１０をｐ側電極１１４蒸着前にエッチングにより除去しているが、Ｐtの拡散を用いたショットキー接合を利用する場合、必ずしもエッチングストップ層１１０を除去する必要は無い。その場合、エッチングストップ層１１０の膜厚を勘案して、Ｐt蒸着時にＰtの層厚を、Ｐtがエッチングストップ層１１０内を拡散して第二上クラッド層１０９まで到達するような値に設定する。すなわち、Ｐtの層厚をエッチングストップ層１１０の層厚の少なくとも半分以上の値に設定する。さらに、その際にはＧaＡsエッチングストップ層１１０のドーピング濃度は、１×１０17ｃｍ-3程度以下にした方が良い。しかし、この第１実施形態では、ＧaＡsエッチングストップ層１１０を除去する工程で、同時にＧaＡsからなるコンタクト層１１２および１１３のひさしを取り去り、オーバーハングの無い順メサストライプ構造のリッジ構造１３０を被覆するようにｐ側電極１１４を形成しているので、極めて厚膜の電極構造とせずとも、また、段差解消のための何らかの埋め込み処理工程を追加せずとも、ｐ側電極１１４の各部分１１４ａ,１１４ｂ,１１４ｃを連なった状態に形成できる。つまり、リッジ構造１３０の頂部とオーミック接合をなす電極部分１１４ａと、第二上クラッド層１０９の上面とショットキー接合をなす電極部分１１４ｃとの間で、電極材料の段切れの発生を無くした。その結果、別途段切れ防止用の対策を行うことなくストライプ直上を避けて、ショットキー接合をなす電極部分１１４ｃ上のみにワイヤボンディングすることを可能とした。この第１実施形態のような順メサストライプ構造を用いることで、厚い電極を形成せず、トータル０.５μｍ程度以下の膜厚の電極を形成しても段切れによる不良を起こさないので、蒸着時の金属材料の消費量を低減できるという効果がある。また、この第１実施形態の構成では、ストライプ構造のリッジ構造１３０から活性層１０６が近く、またストライプ幅が微小であるためオーミック接合をなす電極部分１１４ａ上にワイヤをボンディングすることが困難であるが、ショットキー接合をなす電極部分１１４ｃ上にボンディングすることで外部回路との電気的接続を可能にした。しかも、この第１実施形態のような第二上クラッド層１０９の構成とすれば、ワイヤボンディング時の熱や超音波による衝撃に対しても電流狭窄性は保たれることが分かった。なお、電極部分１１４ｃの直下(半導体層との界面)に、ＳiＮ膜などからなる絶縁体膜を挿入すれば当然ながら十分な電流狭窄が得られるが、製造工程が増えてコストアップ要因となるし、絶縁体膜と電極材料との密着性が良くないためワイヤボンディング時に電極剥がれが生じる場合がある。この第１実施形態のような構成とすることで、絶縁体膜を形成せずとも十分に電流狭窄でき、かつ絶縁体膜に起因する電極剥がれの発生を抑制できるため、より低コスト、高歩留りで製造できる半導体レーザ素子を提供することができる。
【００９７】
この第１実施形態のように、第一上クラッド層１０８の厚みを０.２μｍ、第二上クラッド層１０９の厚みを０.１μｍ、第一上クラッド層１０８のドーピング濃度を１×１０18ｃｍ-3、第二上クラッド層のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3とし、第三上クラッド層１１１の厚みを１.２８μｍ、そのストライプ幅を３.２μｍとすれば、ｐ側電極１１４への光漏れ、換言するとｐ側電極１１４での光の吸収による損失(ロス)は、無視できるほど小さくなる。そのため、図５中に示したように、良好なスロープ効率ＳＥを実現できている。第一上クラッド層１０８と第二上クラッド層１０９の層厚の総和(これを適宜「トータル層厚」と呼ぶ。)が厚いほどｐ側電極１１４への光漏れは抑えられるが、前述したように少なくとも０.３μｍ以上あれば、実用上問題ないレベルとなることが検討の結果分かった。第一上クラッド層１０８と第二上クラッド層１０９のトータル層厚を厚くしていくと、そのままでは注入される電流の広がりが無視できなくなる。この第１実施形態のように、第二上クラッド層１０９のドーピング濃度を低くすることで、第二上クラッド層１０９内での電流広がりが抑えられ、第一上クラッド層１０８のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3以上、より望ましくは５×１０17ｃｍ-3以上とすることで、必要以上の素子抵抗の上昇を防ぐことができる。この結果として第一上クラッド層１０８と第二上クラッド層１０９のトータル層厚を従来例のものより厚くしても、発振閾値電流を低く保つことができた。
【００９８】
なお、一般的に言って、図２５(ｂ)に示すように、活性層８０３、上クラッド層８０４、リッジ構造８０８が設けられ、活性層８０３のうちのリッジ構造８０８直下に相当する部分８０３ａがレーザ発振する場合、レーザ光の分布８４０がリッジ構造８０８の側面と上クラッド層８０４の上面とが作るコーナを越えて広がる場合がある(その部分を領域Ａで示す。)。そして、要求される光学特性によっては、半導体積層構造(組成・層厚)の設計による調整だけでは、リッジ構造８０８の近傍で上クラッド層８０４から、それらの上に被覆されるｐ側電極への光漏れが無視できなくなる場合がある。その際には、リッジ構造８０８の両側に沿ってストライプ状に、図２５(ａ)に示すようにＳiＯ2、ＳiＮxやポリイミド等の絶縁体８０９を形成することで、ｐ側電極による吸収を抑制することができる。
【００９９】
〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものであり、第１実施形態の半導体レーザ素子をｐ側電極による吸収を抑制するように改変された例を示す断面模式図である。図７に示す半導体レーザ素子では、順メサストライプ状のリッジ構造１３０の両側に沿ってストライプ状に、絶縁体としてのＳiＮ膜(厚さ：１５００Å)１１９,１１９が設けられている。ＳiＮ膜１１９は、第三上クラッド層１１１の側面、ＧaＡsエッチストップ層１１０の側面、および第二上クラッド層１０９の上面の一部(リッジ構造脇３μｍ)を被覆するように形成され、その上を被覆するようにｐ側電極１１４が形成されている。つまり、ＳiＮ膜１１９は、リッジ構造１３０の側面と第二上クラッド層１０９の上面とｐ側電極１１４とで囲まれた位置に設けられている。
【０１００】
この半導体レーザ素子の製造工程では、図３で説明したリッジ構造１３０を形成し、レジストマスク１１７を除去した後、基板表面全面に対して、プラズマＣＶＤ(プラズマ化学気相堆積法)を用いて、Ｓi3Ｎ4膜１１９を成膜する。続いて、レジストを用いたフォトリソグラフィ法にて不要なＳiＮ膜をバッファードＨＦ(ふっ酸)にてエッチング除去する。その後、ｐ側電極１１４としてＰt／Ｔi／Ｐt／Ａuを電子ビーム蒸着法により形成することで、図７に示す構成を得る。電極１１４への光漏れの程度により、ＳiＮ膜１１９の膜厚および第二上クラッド層１０９上の幅は変更されうるが、一般的な光学特性に対しては、ＳiＮ膜１１９の膜厚としては５００Å〜５０００Å程度、幅としては、１μｍ以上あれば十分である。この図７の例では、ＳiＮ膜のエッチングのしやすさと、サイドエッチングによる幅の細りを考慮して、厚みを１５００Å、幅については余裕を見て１０μｍとした。また、外部回路との電気的接続のためのＡuワイヤ１１６は、ショットキー接合をなす電極部分１１４ｃ上のみで、ＳiＮ膜１１９が存在しない領域にボンディングされている。したがって、半導体・電極層界面にＳiＮ膜のような絶縁体が挿入されることによる電極材料の密着性の低下に起因するワイヤボンディング時の電極剥がれの問題は生じない。
【０１０１】
〔第３実施形態〕
図８は、本発明の第３実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものであり、第１実施形態の半導体レーザ素子の改変例を示す断面模式図である。この第３実施形態においては、リッジ構造１３０の両脇にストライプ状構造体１３１が形成されている点が第１実施形態とは異なっており、リッジ構造１３０側のｐ側電極のうちのストライプ状構造体１３１上の領域を実装面としてダイボンドするジャンクションダウン型の実装を行っているという特徴がある。
【０１０２】
以下、特にこのリッジ構造の両脇に形成されたストライプ状構造体の構成および製造方法について説明し、第１実施形態と共通の構成要素については説明を省略する。
【０１０３】
この第３実施形態の半導体レーザ素子は、第１実施形態と同じくｎ-ＧaＡs基板１０１上に、ｎ-ＧaＡsバッファ層１０２、ｎ-Ａｌ0.453Ｇa0.547Ａs第一下クラッド層１０３、ｎ-Ａｌ0.5Ｇa0.5Ａs第二下クラッド層１０４、Ａｌ0.4278Ｇa0.5722Ａs下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ0.4278Ｇa0.5722Ａs上ガイド層１０７、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第一上クラッド層１０８、およびｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第二上クラッド層１０９が順次積層されている。この第二上クラッド層１０９のリッジ構造形成領域１１８a上に、順メサストライプ形状のリッジ構造１３０をなすように、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第三上クラッド層１１１、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２およびｐ+-ＧaＡsコンタクト層１１３が設けられている。一方、上記リッジ構造１３０の両脇の第二上クラッド層１０９のストライプ状構造体形成領域１１８c上に、ストライプ状構造体１３１をなすように、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第三上クラッド層１１１、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２、ｐ+-ＧaＡsコンタクト層１１３に加えて、ｐ-Ａｌ0.5Ｇa0.5Ａs電流遮断層１２０が設けられている。さらに、リッジ構造１３０の頂部、側面部、第二上クラッド層１０９の上面(メサストライプ外領域１１８b)およびストライプ状構造体１３１の表面を連なって被覆する態様で、電極層の一例としてＰt／Ｔi／Ｐt／Ａuの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるｐ側電極１１４が設けられている。ｐ側電極１１４とリッジ構造１３０の頂部(コンタクト層１１３)とはオーミック接合をなす一方、ｐ側電極１１４と第二上クラッド層１０９の上面およびストライプ状構造体１３１の最上層である電流遮断層１２０とはショットキー接合をなしている。また、基板１０１の裏面には、別の電極層として、ＡuＧｅ／Ｎｉ／Ａuの多層金属薄膜からなるｎ側電極１１５が形成されている。
【０１０４】
この半導体レーザ素子は、次のようにして作製される。
【０１０５】
まず、ｎ-ＧaＡs基板１０１の(１００)面上に、ｎ-ＧaＡsバッファ層１０２、ｎ-Ａｌ0.453Ｇa0.547Ａs第一下クラッド層１０３、ｎ-Ａｌ0.5Ｇa0.5Ａs第二下クラッド層１０４、Ａｌ0.4278Ｇa0.5722Ａs下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ0.4278Ｇa0.5722Ａs上ガイド層１０７、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第一上クラッド層１０８、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第二上クラッド層１０９、ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層１１０、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第三上クラッド層１１１、ｐ-ＧaＡsコンタクト層１１２、ｐ+-ＧaＡsコンタクト層１１３、ｐ-Ａｌ0.5Ｇa0.5Ａs電流遮断層１２０(層厚０.３μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)を順次、ＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる。
【０１０６】
次に、ストライプ状構造体１３１を形成すべき領域上に、エッチング用のレジストマスクを作成し、ＨＦを用いてそれ以外の領域のｐ-Ａｌ0.5Ｇa0.5Ａs電流遮断層１２０をエッチングにより除去した後、レジストマスクを剥離する。
【０１０７】
次に、リッジ構造１３０およびストライプ状構造体１３１を形成すべき領域上に、エッチングマスクとしてのレジストマスク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は、形成すべきリッジ構造１３０およびストライプ状構造体１３１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。
【０１０８】
次に、半導体層１１３,１１２,１１１および１１０のうちのレジストマスクの側方に相当する部分をエッチングして除去し、ｐ-Ａｌ0.4885Ｇa0.5115Ａs第二上クラッド層１０９を露出させる。
【０１０９】
ｐ側電極１１４の形成工程以降は、上述した第1実施形態の製造方法と同一である。
【０１１０】
この第３実施形態の半導体レーザ素子は、ｐ側電極１１４のうちのストライプ状構造体１３１の最上部側の領域の面をステムに対して実装するジャンクションダウン型の実装を行っている。
【０１１１】
この半導体レーザ素子においては、上述のようにレーザ発振が起こる活性層１０６に近いリッジ構造１３０側のｐ側電極１１４をステムにダイボンドするジャンクションダウン型実装を行っているため、活性層１０６で発生した熱を放熱させやすく、以って素子信頼性を向上させることができる。この時、この第３実施形態においては、リッジ構造１３０よりも電流遮断層１２０の分だけその最上部が高いストライプ状構造体１３１をリッジ構造１３０の両脇に設けた構成としているために、ジャンクションダウン型実装を行った際にもリッジ構造１３０に余分な応力がかからず、リッジ構造１３０は破損することがない。リッジ構造１３０の最上部とストライプ状構造体１３１の最上部の高さの差は０.１μｍ以上あれば、十分なリッジ構造保護の効果があり、プロセスばらつきなどの変動要因を考えても０.２５μｍ以上であれば十分である。
【０１１２】
また、一連の結晶成長工程として、コンタクト層１１３に引き続いて電流遮断層１２０を形成する構成としたため、別途電流遮断用の絶縁体膜等を形成する工程を行う場合に比べて、製造工程を簡略化することができる。上記電流遮断層１２０としては、その不純物ドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下となるように形成することによって、その上に直接ｐ側電極１１４を設けても、界面に形成されるショットキーバリアのために十分な電流遮断を実現することができる。
【０１１３】
電流遮断層として上記第３実施形態においてはＡｌＧaＡsを用いた例を示したが、その他にＩnＧaＰやＩnＧaＡsＰを好適に使用することができる。これらを用いた場合もそのドーピング濃度は１×１０17ｃｍ-3以下とすることによって、十分な電流遮断を実現することが可能となる。また、電流遮断層の膜厚としては、ショットキーバリアの観点からは少なくとも０.１μｍ以上必要である。また、リッジ構造に対する高さの差を出すためにも０.１μｍ以上あることが好ましい。ショットキーバリア性およびリッジ構造保護の面からは膜厚の上限はないが、結晶成長の時間や材料消費の面からは０.３μｍから０.４μｍ程度を上限とした方が経済的である。
【０１１４】
上記第３実施形態においては、リッジ構造１３０の最上部よりも最上部が高いストライプ状構造体１３１上にｐ側電極１１４が形成されているために、上述のジャンクションダウン型実装の際、ステムや放熱体の導電体に対して、上記ストライプ状構造体１３１上のｐ側電極１１４との間で電気的な導通を取る構成となり、レーザ発振に必要な電流注入を容易に行うことができる。
【０１１５】
これらのことによって、放熱性が良く素子信頼性を向上させることのできるジャンクション型実装をリッジ構造を破損させることなく実現でき、かつ安価な製造コストで製造可能な半導体レーザ装置とその製造方法を提供することができるようになる。
【０１１６】
上述した第１〜第３実施形態においては、レーザ発振の波長は７８０ｎｍとしたが、これに限るものではないことは当然である。本発明は、例えば、ＤＶＤ用に用いられる波長６５０ｎｍのＩnＧaＡlＰ／ＧaＡs系半導体レーザ素子(第４実施形態)や、４０５ｎｍ帯の材料であるＩnＧaＮ／ＧaＮ系材料を用いた半導体レーザ素子にも適用しうる。また、材料系の異なる半導体層間の界面、すなわち上ガイド層−障壁層の間、下ガイド層−障壁層の間に、たとえばＧaＡsからなる界面保護層を設けてもよい。
【０１１７】
〔第４実施形態〕
図９は、本発明の第４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。
【０１１８】
この半導体レーザ素子は、ｎ-ＧaＡs基板２０１上に、ｎ-Ｉn0.5(Ｇa0.3Ａl0.7)0.5Ｐ下クラッド層２０２、Ｉn0.5(Ｇa0.5Ａl0.5)0.5Ｐ光ガイド層２０３、多重量子井戸活性層２０４、Ｉn0.5(Ｇa0.5Ａl0.5)0.5Ｐ光ガイド層２０５、ｐ-Ｉn0.5(Ｇa0.3Ａl0.7)0.5Ｐ第一上クラッド層２０６、第一上クラッド層２０６に比べて第二導電型のドーピング濃度を低めたｐ-Ｉn0.5Ｇa0.3Ａl0.7Ｐ0.5第二上クラッド層２０７、第２導電型の半導体層としてのｐ-Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐエッチングストップ層２０８が順次積層されている。このｐ-ＩnＧaＰエッチングストップ層２０８のリッジ構造形成領域２１８a上に、順メサストライプ状のリッジ構造２３０をなすように、ｐ-Ｉn0.5(Ｇa0.3Ａl0.7)0.5Ｐ第三上クラッド層２０９、ｐ-Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐ中間バンドギャップ層２１０およびｐ-ＧaＡsコンタクト層２１１が設けられている。さらに、リッジ構造２３０の頂部、側面部およびｐ-Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐエッチングストップ層２０８の上面(メサストライプ外領域２１８b)を連なって被覆する態様で、電極層としてＴi／Ｐt／Ａuの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるｐ側電極２１２が設けられている。なお、２１２ａ,２１２ｂ,２１２ｃがそれぞれ、リッジ構造２３０の頂部、側面部、エッチングストップ層２０８の上面を被覆する部分(これを適宜「電極部分」と呼ぶ。)を表している。電極部分２１２ａとリッジ構造２３０の頂部(コンタクト層２１１)とはオーミック接合をなす一方、電極部分２１２ｃとエッチングストップ層２０８とはショットキー接合をなしている。ｎ-ＧaＡs基板２０１の裏面側には、別の電極層として、ＡuＧe／Ｎi／Ａuを順次積層してなるｎ側電極２１３が形成されている。さらに、ｐ側電極２１２のうちのｐ-ＩnＧaＰエッチングストップ層２０８上に形成された電極部分２１２ｃに対して、外部回路との電気的接続を行うためのＡuワイヤ２１４がボンディングされている。
【０１１９】
この半導体レーザ素子は、次のようにして作製される。
【０１２０】
まず、図１０Ａに示すように、ｎ-ＧaＡs基板２０１上に、ｎ-Ｉn0.5(Ｇa0.3Ａl0.7)0.5Ｐ下クラッド層２０２(層厚：１μｍ、Ｓiドーピング濃度：５×１０17ｃｍ-3)、Ｉn0.5(Ｇa0.5Ａl0.5)0.5Ｐ光ガイド層２０３(層厚：５０ｎｍ)、多重量子井戸活性層２０４、Ｉn0.5(Ｇa0.5Ａl0.5)0.5Ｐ光ガイド層２０５(層厚：５０ｎｍ)、ｐ-Ｉn0.5Ｇa0.3Ａl0.7Ｐ0.5第一上クラッド層２０６(層厚：０.３μｍ、Ｂeドーピング濃度：１×１０18ｃｍ-3)、ｐ-Ｉn0.5(Ｇa0.3Ａl0.7)0.5Ｐ第二上クラッド層２０７(層厚：０.１μｍ、Ｂeドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)、ｐ-Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐエッチングストップ層２０８(層厚：５０Å、Ｂeドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)、ｐ-Ｉn0.5(Ｇa0.3Ａl0.7)0.5Ｐ第三上クラッド層２０９(層厚：０.５μｍ、Ｂeドーピング濃度：１.５×１０18ｃｍ-3)、ｐ-Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐ中間バンドギャップ層２１０(層厚：５０Å、Ｂeドーピング濃度：２×１０18ｃｍ-3)およびｐ-ＧaＡsコンタクト層２１１(層厚：０.３μｍ、Ｂeドーピング濃度：１×１０19ｃｍ-3)をＭＢＥ法(分子線エピタキシ法)にて順次積層成長する。
【０１２１】
なお、上記多重量子井戸活性層２０４は、厚さ３０ÅのＩn0.5Ｇa0.5Ｐ井戸層を３層、厚さ４０ÅのＩn0.5Ｇa0.5Ａl0.5Ｐ0.5障壁層を４層積層した多重量子井戸構造である。
【０１２２】
次に、リッジ構造２３０(図９参照)を形成すべきリッジ構造形成領域２１８a上に、図１０Ｂに示すように、ストライプ状のレジストマスク２１５を形成する。そして、半導体層２１１,２１０,２０９のうちの上記レジストマスク２１５の両側に相当する部分をエッチングにより除去して、レジストマスク２１５の直下に、順メサストライプ状のリッジ構造２３０を形成する。エッチング終了後、図１０Ｃに示すように、レジストマスク２１５を除去する。
【０１２３】
続いて、図１０Ｄに示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、ｐ側電極２１２としてＴi(層厚：５００Å)／Ｐt(層厚：５００Å)／Ａu(層厚：３０００Å)の順に金属薄膜を積層形成する。
【０１２４】
その後、図９に示したように、基板２０１を裏面側から約１００μｍの厚みにまでエッチングにより薄くする。そして、裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、ＡuＧe(層厚：１５００Å)／Ｎi(層厚：１５０Å)／Ａu(層厚：３０００Å)からなるｎ側電極２１３を積層形成した後、アロイ処理を行う。この後、第１実施形態におけるのと同様に、所望のチップサイズに分割後、分割後のチップをステムにマウントし、Ａuワイヤ２１４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。
【０１２５】
この第４実施形態の半導体レーザ素子においても、第１実施形態の半導体レーザ素子と同様に、従来のリッジ埋め込み構造に匹敵する初期特性を示した。また、７０℃、６０ｍＷの信頼性試験において１０００時間以上の安定動作を確認できた。
【０１２６】
この第４実施形態では、第１実施形態とは異なり、ｐ-Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐエッチングストップ層２０８のうちのリッジ構造２３０の両側に相当する部分を除去せず、その上にｐ側電極２１２を形成している。この第４実施形態における層構造では、Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐエッチングストップ層２０８上よりもｐ-Ｉn0.5Ｇa0.3Ａl0.7Ｐ0.5第二上クラッド層２０７(層厚：０.１μｍ、Ｂeドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)上に直接ｐ側電極２１２を形成した方がより電流狭窄性は増す。しかし、Ｉn0.5Ｇa0.5Ｐエッチングストップ層２０８がなすショットキー接合による電流狭窄性で実用上十分であるから、この第４実施形態のように、エッチングストップ層２０８を部分的に除去する工程を省略することによって、さらにコスト低減が可能となる。
【０１２７】
〔第５実施形態〕
図１１は、本発明の第５実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものであり、上述したジャンクションダウン型実装として好適な第４実施形態の半導体レーザ素子の改変例を示す断面模式図である。
【０１２８】
図１１に示した半導体レーザ素子においては、上述した第４実施形態の半導体レーザ素子の構造に加えて、リッジ構造２３０の両脇に金メッキ法によって形成された導電体からなるストライプ状構造体２３２を備えていることを特徴とする。なお、図１１において、２１８aはリッジ構造形成領域、２１８bはメサストライプ外領域、２１８cはストライプ状構造体形成領域である。
【０１２９】
この第５実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、第４実施形態の半導体レーザ素子のｐ側電極２１２を形成工程までは同一である。その後、基板エッチング工程に先立ってストライプ状構造体２３２の形成領域以外をフォトレジストによりマスクし、上記ｐ側電極２１２を給電メタルとして使用した金の電解メッキ法により、リッジ構造２３０の最上部よりも最上部が高いストライプ状構造体２３２を形成する。このとき、ストライプ状構造体２３２の高さを１.５μｍとし、上記ストライプ状構造体２３２の最上部がリッジ構造２３０の最上部の高さ(０.８０５μｍ)よりも高くなるようにしている。メッキが終了した後、上記フォトレジストは除去する。
【０１３０】
その後、基板エッチング、ｎ側電極蒸着・アロイを行い、所望のチップサイズに分割する。
【０１３１】
この第５実施形態の以下の製造工程は、上述の第４実施形態とは異なりチップ状態の半導体レーザ素子に対してワイヤボンディングは行わず、代わって上記ストライプ状構造体２３２の最上部側をステムに対する実装面としたジャンクションダウン型の実装を行った。
【０１３２】
この半導体レーザ素子においても、上述のようにレーザ発振が起こる活性層２０４側に形成された導電体からなるストライプ状構造体２３２をステムにダイボンドするジャンクションダウン型実装を行っているため、活性層２０４で発生した熱を放熱させやすく、以って素子信頼性を向上させることができる。この時、上記ストライプ状構造体２３２は、リッジ構造２３０の最上部よりもその最上部が高くなるよう形成したために、ジャンクションダウン型実装を行った際にもリッジ構造２３０に余分な応力がかからず、リッジ構造２３０は破損することがない。
【０１３３】
さらに、この第５実施形態の半導体レーザ素子においては、活性層２０４からステムあるいは放熱体の間の放熱経路に形成されるストライプ状構造体２３２が熱伝導に優れた導電体からなるため、特に放熱性がよく、信頼性を向上させる効果が大きい。
【０１３４】
また、この第５実施形態の構成によれば、上述した第３実施形態における電流遮断層やあるいはそれに代わる絶縁体を形成する工程が不要となるという効果もある。
【０１３５】
上記第５実施形態の半導体レーザ素子においては、ストライプ状構造体２３２を金メッキを用いて形成する構成としたが、もちろんそれに限られるものではない。ステムや放熱体への電気的導通および放熱の観点からは導電体であればよい。
【０１３６】
しかし、酸化しにくく、他の金属との接触抵抗を低くできるという点から、金または金を含んだ合金であることが好ましい。金または金を含んだ合金をストライプ状構造体の材料として用いる場合、その柔らかいという材料特性から実装時、変形により高さが減じやすく、リッジ構造に対する高さの差は０.５μｍ程度以上とった方がよい。
【０１３７】
また、この第５実施形態においてはリッジ構造２３０の両脇に導電体からなるストライプ状構造体２３２を形成することで、良好な歩留りと放熱性を有するジャンクションダウン型実装を実現したが、第３実施形態で用いた構成を代わりに使用することも可能であることは言うまでもない。
【０１３８】
〔第６実施形態〕
図１２は、本発明の第６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。
【０１３９】
この半導体レーザ素子は、ｎ-ＧaＡs基板３０１上に、ｎ-ＧaＡsバッファ層３０２、ｎ-Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第一下クラッド層３０３、ｎ-Ａl0.422Ｇa0.578Ａs第二下クラッド層３０４、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs下ガイド層３０５、多重歪量子井戸活性層３０６、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs第一上ガイド層３０７、ｐ-Ａl0.4Ｇa0.6Ａs第二上ガイド層３０８、ｐ-Ａl0.456Ｇa0.544Ａs第一上クラッド層３０９、ｐ-Ａl0.456Ｇa0.544Ａs第二上クラッド層３１０、ｐ-Ｉn0.1568Ｇa0.8432Ａs0.4Ｐ0.6半導体層３１１が順次積層されている。この半導体層３１１上に、順メサストライプ形状のリッジ構造３３０をなすように、ｐ-Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第三上クラッド層３１２、ｐ-ＧaＡsコンタクト層３１３およびｐ+-ＧaＡsコンタクト層３１４が設けられている。さらに、リッジ構造３３０の頂部、側面部および半導体層３１１の上面を連なって被覆する態様で、電極層としてＴi／Ｐt／Ａuの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるｐ側電極３１５が設けられている。なお、３１５ａ,３１５ｂ,３１５ｃがそれぞれ、リッジ構造３３０の頂部、側面部、半導体層３１１の上面を被覆する部分(これを適宜「電極部分」と呼ぶ。)を表している。電極部分３１５ａとリッジ構造３３０の頂部(コンタクト層３１４)とはオーミック接合をなす一方、電極部分３１５ｃと半導体層３１１の上面とはショットキー接合をなしている。また、基板３０１の裏面には、別の電極層として、ＡuＧe／Ｎi／Ａuの多層金属薄膜からなるｎ側電極３１６が形成されている。さらに、ｐ側電極３１５のうちの半導体層３１１上に形成された部分３１５ｃに対して、外部回路との電気的接続を行うためのＡuワイヤ３１７がボンディングされている。
【０１４０】
この半導体レーザ素子は、次のようにして作製される。
【０１４１】
まず図１３に示すように、ｎ-ＧaＡs基板３０１の(１００)面上に、ｎ-ＧaＡsバッファ層３０２(層厚：０.５μｍ、Ｓiドーピング濃度：７.２×１０17ｃｍ-3)、ｎ-Ａl0.5Ｇa0.5Ａs第一下クラッド層３０３(層厚：２μｍ、Ｓiドーピング濃度：５.４×１０17ｃｍ-3)、ｎ-Ａl0.422Ｇa0.578Ａs第二下クラッド層３０４(層厚：０.１μｍ、Ｓiドーピング濃度：５.４×１０17ｃｍ-3)、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs下ガイド層３０５(層厚：３０Å)、多重歪量子井戸活性層３０６、Ａl0.25Ｇa0.75Ａs第一上ガイド層３０７(層厚：３０Å)、ｐ-Ａl0.4Ｇa0.6Ａs第二上ガイド層３０８(層厚：０.１μｍ、Ｃドーピング濃度：１.３５×１０18ｃｍ-3)、ｐ-Ａl0.456Ｇa0.544Ａs第一上クラッド層３０９(層厚：０.４μｍ、Ｃドーピング濃度：１.３５×１０18ｃｍ-3)、ｐ-Ａl0.456Ｇa0.544Ａs第二上クラッド層３１０(層厚：０.１μｍ、Ｃドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)、ｐ-Ｉn0.1568Ｇa0.8432Ａs0.4Ｐ0.6半導体層３１１(層厚：１５０Å、Ｃドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)、ｐ-Ａl0.4885Ｇa0.5115Ａs第三上クラッド層３１２(層厚１.２８μｍ、Ｃドーピング濃度：２.４×１０18ｃｍ-3)、ｐ-ＧaＡsコンタクト層３１３(層厚：０.２μｍ、Ｃドーピング濃度：３×１０18ｃｍ-3)、ｐ+-ＧaＡsコンタクト層３１４(層厚：０.３μｍ、Ｃドーピング濃度：１×１０20ｃｍ-3)を順次、ＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる。上記多重歪量子井戸活性層３０６は、Ｉn0.1001Ｇa0.8999Ａs圧縮歪量子井戸層(歪０.７％、層厚：４６Å、２層)とＩn0.238Ｇa0.762Ａs0.5463Ｐ0.4537障壁層(歪０.１％、バンドギャップＥｇ≒１.６０ｅＶ、基板側から層厚：２１５Å、７９Å、２１５Åの３層であり、基板３０１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。
【０１４２】
次に、リッジ構造３３０を形成すべきリッジ構造形成領域３１９a(図１２参照)上に、図１３中に示すようにレジストマスク３１８(マスク幅４.５μｍ)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３１８は、形成すべきリッジ構造３３０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。
【０１４３】
次に図１４に示すように、半導体層３１４,３１３,３１２のうちの上記レジストマスク３１８の両側に相当する部分をエッチングにより除去して、レジストマスク３１８の直下に、順メサストライプ状のリッジ構造３３０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でｐ-ＩnＧaＡsＰ半導体層３１１が露出するまで行い、フッ酸および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３１３および３１４がｐ-ＡlＧaＡs第三上クラッド層３１２に対してオーバーハング形状にならないような順メサの形状に整える。エッチングの深さは１.７８μｍ、リッジ構造３３０の最下部の幅は約３.５μｍである。エッチング終了後、上記レジストマスク３１８を除去する。
【０１４４】
続いて図１５に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、ｐ側電極３１５としてＴi(層厚：１０００Å)／Ｐt(層厚：５００Å)／Ａu(層厚：４０００Å)の順に金属薄膜を積層形成する。
【０１４５】
その後、図１２に示したように、基板３０１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３１６としてＡuＧe合金(Ａu８８％とＧe１２％との合金、層厚：１０００Å)、Ｎi(層厚：１５０Å)、Ａu(層厚：３０００Å)を積層形成する。その後、Ｎ2雰囲気中で、３９０℃１分間加熱して、アロイ処理を行う。この基板３０１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×２００μｍ)に分割する。このチップに分割する際、リッジ構造３３０がチップ中央から所定距離だけずれた(オフセットさせ)配置にして、後のワイヤボンディングのための領域３１９ｂを確保する。この例では、リッジ構造３３０の位置をチップ端から約５０μｍ(反対側のワイヤボンディング領域３１９ｂの幅は約１５０μｍ)とした。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３１５のうちの半導体層３１１に接する部分(リッジ構造３３０の側方に相当する領域３１９ｂ)上に、外部回路との電気的接続を行うためのＡuワイヤ３１７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。
【０１４６】
この第６実施形態の半導体レーザ素子は、波長８９０ｎｍの赤外線通信用半導体レーザ素子である。第１実施形態におけるのと同様の構成については説明を省略し、相違点について以下に述べる。
【０１４７】
この第６実施形態では、第二上クラッド層３１０とｐ側電極３１５との間に半導体層３１１として、Ｖ族元素中のＰ組成比が６０％であるようなＩnＧaＡsＰ(層厚１５０Å、Ｃドーピング濃度：１×１０17ｃｍ-3)を設けている。そして、第二上クラッド層３１０を露出させずに、そのＩnＧaＡsＰ半導体層３１１がｐ側電極３１５との間でショットキー接合をなす構成としている。この構成によれば、ＩnＧaＡsＰ材料からなる半導体層３１１が第二上クラッド層３１０を被覆し、表面保護層として働いて、次に述べるような３つの新しい効果が出た。
【０１４８】
まず一つは、長期信頼性試験時におけるショットキーバリアの破壊に起因する素子寿命が延びたことである。これは、ＡlＧaＡs層直上にショットキー電極を設けた場合(第１実施形態に相当)と比較して考えると分かりやすい。ＡlＧaＡs層直上にショットキー電極を設けた場合、非常に薄いＡlの自然酸化膜を介したＭＯＳ(Metal-Oxide-Semiconductor)構造が作られる。このＭＯＳ構造はシリコンデバイスにおけるＳiＯ2を用いたＭＯＳ構造とは比較にならないほど不安定であり、その理由としてＡl自然酸化膜が均質に形成されにくく、ＳiＯ2に比べて障壁として強固ではないことが挙げられる。それに対し、ＡlＧaＡs層の表面に、ＡlＧaＡsよりも安定で自然酸化膜が形成されにくく、フェルミ準位のピニングが生じにくいＩnＧaＡsＰ層を設けた場合(第６実施形態に相当)、キャリアの表面再結合が抑制され無効電流を抑制することができる。この結果、動作電流の低減と信頼性の向上の両立を図ることができ、ショットキーバリアの安定性が大幅に向上した。図１６は、ＩnＧaＡsＰ材料からなる半導体層３１１を設けた場合(図１６中に「１×１０17層＋ＩnＧaＡsＰ保護層」と表す)と設けなかった場合(図１６中に「１×１０17層剥き出し」と表す)の、電流狭窄性および通電安定性の違いを比較したグラフを示す。図１６から明白なように、電流狭窄性については、ＩnＧaＡsＰ半導体層３１１を設けた場合、＋３Ｖ程度まで印加してもほとんどリーク電流は見られず、１０-6Ａのオーダに留まった。これはＩnＧaＡsＰ半導体層を設けなかった場合の約１００分の１である(なお、図１６は、図６と比較すると非常に微小な領域のリーク電流を見ていることに注意。)。一方、通電安定性についても、ＩnＧaＡsＰ半導体層３１１を設けた場合は初期特性(通電１回目)と複数回通電時(この例では通電９回目)の特性がほぼ重なっており、ほとんど変化が見られなかった。これに対して、ＩnＧaＡsＰ半導体層３１１を設けなかった場合は、図１６の縦軸のスケールで細かく比較すると、少しではあるがリーク電流が増大していることが分かる。
【０１４９】
このように、安定性が向上したことを受け、この第６実施形態では、ｐ側電極３１５として一般的に良く知られているＴi／Ｐt／Ａuを使用したが、十分な電流狭窄性と長期信頼性を実現できた。Ｔi／Ｐt／Ａuを用いた場合のコンタクト抵抗は、第１実施形態と同様のＴＬＭ法を用いた評価によると、７×１０-7ｃｍ-3であり、Ｐt層を最下層とした第１実施形態とほぼ同程度の値になった。ただし、Ｔi層を最下層としたこの第６実施形態の方が電極材料の密着性が若干良く、それに伴いワイヤボンディング時の電極剥がれによる不良がさらに減るという効果があった。
【０１５０】
第二に、リッジ構造３３０を形成する工程で、半導体層３１１よりも上層の半導体層３１４,３１３,３１２(Ｐを含まないＧaＡs、ＡlＧaＡs、さらに本実施形態では使用しなかったが、例えばＩnＧaＡs)をエッチングする際、結晶材料としてＰを含むＩnＧaＡsＰ半導体層３１１に対する選択エッチングとなるので、エッチャント選択の自由度が増し、より容易にオーバーハングの無い順メサ形状を実現できた。その結果、ｐ側電極３１５の段切れ(導通不良)に起因する歩留り低下の問題を解消できた。
【０１５１】
第三に、この第６実施形態におけるＩnＧaＡsＰ半導体層３１１と同様のエッチング特性を有するＩnＧaＰ材料との比較になるが、ＩnＧaＡsＰ材料を用いた場合、ＩnＧaＰを用いた時に比べて、ＧaＡs基板３０１に対するΔＥｖの差｜ΔＥｖ｜を小さくできるため、量子井戸活性層３０６へのホールの注入効率を大幅に改善できる。このことにより、この第６実施形態では、第二上クラッド層上の半導体層材料としてＩnＧaＰを用いた場合(それ以外は第６実施形態におけるのと同じ構成とする。)に比べて、抵抗の改善と閾値電流の低減による低消費電力動作が可能になった。この時、上記Ｉn1-xＧaxＡs1-yＰy材料におけるＰ組成比ｙは、０.４≦ｙ≦０.７とすることが望ましい。Ｐ組成比を上記範囲内に設定することによってホールの注入効率を高く保ちつつ、上記ＩnＧaＡsＰ半導体層を良好なエッチング選択性を有するエッチングストップ層として使用することができるようになる。さらに、ＩnＧaＡsＰ半導体層はその厚みを５０Å以上とすることによって、ＡlＧaＡsからなる第二上クラッド層の表面保護層として十分な効果を発揮できるようになり、かつそのドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3以下とすることによって電流狭窄性をより向上させることができた。なお、不要な素子抵抗の増大を防ぐため、ＩnＧaＡsＰ半導体層のドーピング濃度の下限は１×１０16ｃｍ-3以上とした方がよい。また、第１実施形態で使用したＧaＡs材料(Ｅｇ＝１.４ｅＶ)と比較すると、半導体層３１１のＩnＧaＡsＰ材料(この第６実施形態では、Ｅｇ＝１.９ｅＶ)はそれよりも大きなバンドギャップＥｇを持つことから、半導体レーザ素子の発振波長をより短波長化しても光吸収成分とならない。したがって、７００ｎｍ以下で発振するような半導体レーザ素子において、閾値電流を上昇させる要因を排除できるというメリットがある。
【０１５２】
また、この第６実施形態の半導体レーザ素子では、ｐ型ドーパントとしてＣ(炭素)を用いた。このことにより、次の２つの利点が生ずる。まず、エピ成長時のドーパントの拡散が少ないため、電流狭窄性と低コンタクト抵抗を両立する構造が制御性よく安定に作製できるという利点が生ずる。これにより製造歩留りを向上させることができた。仮にＺnをｐ型ドーパントとして使用する場合、成長時のドーパント拡散のために、各層のドーピング濃度が他の層のドーピング濃度にも影響を与える。このため、エピ成長後のドーピング状態を考慮して成長中のドーピングを制御する必要があり、電流狭窄性を低下させずに低コンタクト抵抗を実現するためには、条件出しが煩雑になることがあった。それに対して、Ｃをｐ型ドーパントとして用いることでドーパント拡散を抑制できた結果、成長時のドーピングプロファイルがそのまま維持され、より容易に設計した構造を実現することができた。また、Ｃドープにしたことによりｐ側コンタクト層のドーピング濃度を１×１０21ｃｍ-3から１×１０20ｃｍ-3まで低下させても前述のように十分低いコンタクト抵抗が得られた。もう一つの利点は、半導体レーザ素子動作時のドーパントの拡散も防止できるため、素子の信頼性が向上したことである。上述のＣドープと全く同様の効果がＭg(マグネシウム)をｐ型ドーパントとして用いた場合にも得られる。
【０１５３】
図１７は、この第６実施形態の半導体レーザ素子の電流−光出力特性を示している。本素子の場合、レーザ発振閾値電流Ｉｔｈ＝１０.０ｍＡ、スロープ効率ＳＥ＝０.８３Ｗ／Ａ、光出力５０ｍＷ時の動作電流は６９ｍＡであった(周囲温度２５℃のとき)。また、ＣＯＤ(端面破壊)レベルは、２００ｍＷ以上であった。このように、リッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子と遜色の無い低閾値、高出力レーザが実現できた。さらに、この第６実施形態の半導体レーザ素子を用いた７０℃、１２０ｍＷの信頼性試験において、５０００時間以上の安定動作を確認でき、赤外線通信用途として十分な信頼性を有することが分かった。
【０１５４】
〔第７実施形態〕
図１８は、本発明の第７実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものであり、第６実施形態の半導体レーザ素子の改変例を示す断面模式図である。この第７実施形態の半導体レーザ素子は、ｐ側電極３１５への光漏れが生じる際に、図７の第３実施形態と同様に好適に改変された半導体レーザ素子の構成例である。
【０１５５】
図１８に示す半導体レーザ素子は、上述の順メサストライプ状のリッジ構造３３０に代えて、逆メサストライプ状のリッジ構造３３０′を備えている。このリッジ構造３３０′の両側に沿ってストライプ状に、絶縁体としてのポリイミド樹脂３２０,３２０が設けられている。ポリイミド樹脂３２０は、リッジ構造３３０′の側面とｐ型半導体層３１１の上面とｐ側電極３１５とで囲まれた位置にある。
【０１５６】
逆メサ形状のリッジ構造３３０′を用いることで、ｐ側電極３１５から活性層３０６へ注入される電流の広がりが順メサリッジに比べて抑えられるので発振閾値電流低減が期待できる。しかし、逆メサ形状のリッジ構造３３０′を被覆するようにｐ側電極３１５を形成した場合、逆メサ形状に起因するオーバーハングにより、リッジ構造３３０′の頂部と半導体層３１１の上面との間でｐ側電極３１５が段切れしてしまう。また、リッジ構造３３０′の底部の幅が狭い分、リッジストライプ構造近傍において半導体層３１１の外への光漏れが起こりやすい。そこで、この例では、リッジ構造３３０′の両側に沿ってストライプ状に、絶縁体としてのポリイミド樹脂３２０,３２０が設けられている。ポリイミド樹脂３２０は、図１８中に示すようにリッジ構造３３０′の頂部にあるｐ+-ＧaＡsコンタクト層３１４とｐ-ＩnＧaＡsＰ半導体層３１１の上面とをなだらかに連続させている。したがって、それらの上に形成されたｐ側電極３１５は段切れすることが無い。さらに、リッジ構造３３０′の両側にポリイミド樹脂３２０,３２０を埋め込んだことにより、電極３１５への光漏れが無くなる。したがって、吸収によるロスに起因する閾値電流の上昇やスロープ効率の低下もなかった。
【０１５７】
この半導体レーザ素子の製造工程では、図１３で説明したフォトリソグラフィ工程でレジストマスクを＜０１１＞方向にストライプ状に設けることによって、リッジ構造３３０′を＜０１１＞方向にストライプ状に延びるように形成する。すると、エッチング後にリッジ構造３３０′は、図１８中に示すように逆メサ形状となる。逆メサ形状のリッジ構造３３０′形成後に、ポジ型の感光性ポリイミド前駆体をスピン塗布法にて、基板上に厚さ約２μｍに塗布し、８０℃３０分のプリベーク後、マスクを使ったフォトリソグラフィ法を用いて、リッジ構造脇５μｍの領域にポリイミドパターンを形成する。その後、３００℃３０分＋３５０℃３０分のポストベークを加えてイミド化させる。その時、ポリイミド樹脂３２０,３２０の厚みは塗布時より約１０％減少し、ほぼリッジ構造３３０′の高さと等しくなるとともに角が丸まり、図１８中に示すようななだらかな断面形状を持つに至る。その後、電子ビーム蒸着法を用いて、Ｔi／Ｐt／Ａuを蒸着してｐ側電極３１５を形成することにより、図１８に示す構造を得る。
【０１５８】
また、外部回路との電気的接続のためのＡuワイヤ３１７は、図１２に示した第６実施形態と同様にショットキー接合をなす電極部分上のみで、ポリイミド樹脂３２０が存在しない領域にボンディングされている。これにより、ボンディング時の電極剥がれの問題を回避している。
【０１５９】
もちろん、ｐ側電極３１５は、上述したＴi／Ｐt／Ａu系材料や第１〜第３実施形態のＰt／Ｔi／Ｐt／Ａu系材料に限定されるものではなく、半導体層のドーピング濃度に応じてオーミック接合からショットキー接合へその接触抵抗が変化するものであれば何でも良い。例えば、ＰdやＡl、あるいはＣrやＭoなどを使用することができる。
【０１６０】
〔第８実施形態〕
図１９は、本発明の第８実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものであり、上記第６実施形態の半導体レーザ素子をジャンクションダウン型実装する場合に好適な改変例を示したものである。なお、図１９において、３１９aはリッジ構造形成領域、３１９bはメサストライプ外領域、３１９cはストライプ状構造体形成領域である。
【０１６１】
この第８実施形態の半導体レーザ素子は、リッジ構造３３０と同一の半導体層(ｐ-Ａｌ0.5Ｇa0.5Ａs第三上クラッド層３１２、ｐ-ＧaＡsコンタクト層３１３およびｐ+-ＧaＡsコンタクト層３１４)を有し、その表面に窒化シリコン(ＳiＮx)からなる絶縁体膜３２１が２０００Åの厚みで形成されたストライプ状構造体３３３をリッジ構造３３０の両脇に形成した構成となっている。このストライプ状構造体３３３は、リッジ構造３３０と比較して絶縁体膜３２１が形成されている分、そのストライプ状構造体３３３の最上部が高い。さらに、リッジ構造３３０上とストライプ状構造体３３３上および半導体層３１１の露出領域上にｐ側電極３１５が設けられている。
【０１６２】
ジャンクションダウン型実装の際には、上記ストライプ状構造体３３３の最上部側の面を実装面とし、ワイヤボンディングを行う代わりにサブマウントと呼ばれる放熱体にダイボンドする形態とした。このサブマウント上にジャンクションダウン型実装されたチップをステムにさらにマウントすることでこの第８実施形態の半導体レーザ素子が完成する。リッジ構造３３０の最上部よりその最上部が高いストライプ状構造体３３３をリッジ構造３３０の両脇に設けていることによって、リッジ構造３３０の破損を防止することができる。
【０１６３】
上記第８実施形態では、ストライプ状構造体３３３を構成する半導体層とｐ側電極３１５との界面に絶縁体膜３２１が挿入されているために、ｐ側電極３１５からストライプ状構造体３３３を介して活性層３０６側へ電流が流れることがない。したがって、余分なリーク電流を生じさせることがなく、よって低い閾値電流値を有し、リッジ構造３３０が破損することなくジャンクションダウン型実装を行うことのできる半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【０１６４】
この場合、当然ながら第３実施形態で説明したような半導体層からなる電流遮断層は形成する必要がない。
【０１６５】
また、この第８実施形態では、絶縁体膜３２１として窒化シリコン膜を使用したが、これに代わるものとして酸化シリコン膜も好適に使用できる。有機系の絶縁体膜材料に対して、これらの絶縁体膜は比較的簡単に形成でき、膜形成後の加工も容易で、かつ、信頼性に優れるという利点がある。
【０１６６】
また、ストライプ状構造体上に形成する絶縁体膜の厚みは、リッジ構造との高さの差を確保するため、少なくとも１０００Å以上が好ましい。しかし、膜形成時間や厚膜化したときの応力発生の兼ね合いもあり、その上限は２５００Å以下とした方がよい。この第８実施形態では厚さは２０００Åとしたが、電流リークに対する絶縁性やジャンクションダウン型実装時のリッジ構造保護性は十分であった。
【０１６７】
なお、この第８実施形態においては、リッジ構造脇にワイヤボンディングを行わないため、第６実施形態の半導体レーザ素子の例のようにリッジ構造をオフセットさせる必要はなく、逆にリッジ構造両脇の２つのストライプ状構造体それぞれに対して実装時に均等に力が加わるよう、チップの中央にリッジ構造が形成されているほうが好ましい。
【０１６８】
また、これまで上述してきたそれぞれの実施形態の構成要素は相互に入れ替えられることは当然である。
【０１６９】
〔第９実施形態〕
図２０は、本発明にかかる光ディスク装置４００の構造の一例を示したものである。これは光ディスク４０１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、その際用いられる発光素子として、先に説明した第１〜第３実施形態の半導体レーザ素子(波長７８０ｎｍ帯)４０２を備えている。
【０１７０】
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４０２から出射された信号光がコリメートレンズ４０３により平行光とされ、ビームスプリッタ４０４を透過しλ／４偏光板４０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ４０６で集光されて光ディスク４０１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４０１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４０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ４０６、λ／４偏光板４０５を経た後、ビームスプリッタ４０４で反射されて９０°角度を変えた後、受光素子用対物レンズ４０７で集光され、信号検出用受光素子４０８に入射する。信号検出用受光素子４０８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４０９において元の信号に再生される。
【０１７１】
この第９実施形態の光ディスク装置では、従来よりも高い光出力で動作する半導体レーザ素子４０２を用いているため、ディスクの回転数を従来より高速化してもデータの読み書きが可能となった。従って、特に書き込み時に問題となっていたディスクへのアクセス時間が従来の半導体レーザ素子を用いた装置よりも格段に短くなった。また、半導体レーザ素子４０２が従来よりも低いコストで作製可能であるから、より快適に操作できる光ディスク装置を安価に提供することができた。
【０１７２】
なお、ここでは第１〜第３実施形態の半導体レーザ素子４０２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４または第５実施形態の半導体レーザ素子を用いた６５０ｎｍ帯)の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。
【０１７３】
〔第１０実施形態〕
図２１は、本発明の第１０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５００を示す断面図である。また、図２２は光源の部分を示す斜視図である。この第１０実施形態では、光源として第６または第７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)５０１を、また受光素子５０２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５００を備えることにより、双方の光伝送モジュール５００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。
【０１７４】
図２１において、回路基板５０６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、レーザチップを搭載する部分には深さ３００μｍの凹部５０６ａが設けられている。この凹部５０６ａに、レーザチップ５０１を搭載したレーザマウント(マウント材)５１０をはんだで固定する。レーザマウント５１０の正電極５１２の平坦部５１３は、回路基板５０６上のレーザ駆動用正電極部(図示せず)とワイヤ５０７ａによって電気的に接続される。凹部５０６ａ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。
【０１７５】
受光素子５０２は、やはり回路基板５０６に実装され、ワイヤ５０７ｂにより電気信号が取り出される。この他に、回路基板５０６上にレーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ回路５０８が実装されている。
【０１７６】
次いで、はんだで凹部５０６ａに固定されたレーザマウント５１０を搭載した部分に液状のシリコン樹脂５０９を適量滴下する。シリコン樹脂５０９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５０９は表面張力のために凹部５０６ａ内に留まり、レーザマウント５１０を覆い凹部５０６ａに固定する。この第１０実施形態では、回路基板５０６上に凹部５０６ａを設け、レーザマウント５１０を実装したが、上述のように、シリコン樹脂５０９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５０６ａは必ずしも設ける必要はない。
【０１７７】
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５０３により被覆する。レーザチップ５０１の上方には、放射角制御のためのレンズ部５０４が、また、受光素子５０２の上方には信号光を集光するためのレンズ部５０５がそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。
【０１７８】
次に、レーザマウント５１０について、図２２を用いて説明する。図２２に示すように、Ｌ字型のヒートシンク５１１にレーザ素子５０１がＩn糊剤を用いてダイボンドされている。レーザチップ５０１は、第６または第７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５０１ｂ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５０１ａ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。
【０１７９】
ヒートシンク５１１の基部５１１ｂには正電極５１２が、ヒートシンク５１１と導通しないように絶縁物により固着されている。この正電極５１２とレーザチップ５０１の表面のショットキー接合部上に設けられた電極領域５０１ｃとは、金ワイヤ５０７ｃ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５１０を、図２１の回路基板５０６の負電極(図示せず)にはんだ固定して、正電極５１２の上部の平坦部５１３と回路基板５０６の正電極部(図示せず)とをワイヤ５０７ａで接続する。このような配線の形成により、レーザビーム５１４を発振により得ることができる光伝送モジュール５００が完成する。
【０１８０】
この第１０実施形態の光伝送モジュール５００は、前述の低コストで製造できる１回成長タイプの半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュール単価を従来に比べて大幅に低く抑えることができる。
【０１８１】
なお、光伝送モジュール５００の光源（レーザチップ）としては、上述した第６または第７実施形態の半導体レーザ素子だけでなく、第８実施形態の半導体レーザ素子を使用することもできる。その場合、レーザチップ５０１はヒートシンク５１１に対してジャンクションダウン型実装されるので、回路基板５０６上の正負両電極のパターンを変更し、上記実施形態の場合とは正電極と負電極が逆につながるような構成とすればよい。
【０１８２】
第８実施形態の半導体レーザ素子を使用することで、レーザ発振時の発熱がより効果的に放熱できるようになるため、さらに信頼性に優れた光伝送モジュールを実現することができる。
【０１８３】
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５００を備えることにより、双方の光伝送モジュール５００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２３は、この光伝送モジュール５００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６１６に上記光伝送モジュール５００を備えるとともに、パーソナルコンピュータ６１５に上記と同じ光伝送モジュール(区別のために符号６００で表す。)を備えている。パーソナルコンピュータ６１５側の光伝送モジュール６００の光源から情報を持って発した光信号は、基地局６１６側の光伝送モジュール５００の受光素子によって受信される。また、基地局６１６側の光伝送モジュール５００の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ６１５側の光伝送モジュール６００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。
【０１８４】
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】
【０１８５】
【図１】図１は本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザ素子の、ストライプ方向に対して垂直な面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、ストライプ形成用マスクプロセス終了後の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図３】図３は上記半導体レーザ素子の、メサストライプ形成エッチングプロセス終了後の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図４】図４は上記半導体レーザ素子の、ｐ側電極形成工程終了後の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図５】図５は上記半導体レーザ素子の電流−光出力特性をあらわすグラフである。
【図６】図６はショットキー接合直下の上クラッド層のドーピング濃度による電流狭窄性および通電安定性を示すグラフである。
【図７】図７は本発明の第２実施形態にかかる半導体レーザ素子の構成例を示す断面模式図である。
【図８】図８は本発明の第３実施形態にかかる半導体レーザ素子の構成例を示す断面模式図である。
【図９】図９は本発明の第４実施形態にかかる半導体レーザ素子の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは上記半導体レーザ素子の製造工程を説明する図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは図１０Ａに続く上記半導体レーザ素子の製造工程を説明する図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは図１０Ｂに続く上記半導体レーザ素子の製造工程を説明する図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは図１０Ｃに続く上記半導体レーザ素子の製造工程を説明する図である。
【図１１】図１１は本発明の第５実施形態にかかる半導体レーザ素子の構成例を示す断面模式図である。
【図１２】図１２は本発明の第６実施形態にかかる半導体レーザ素子の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図１３】図１３は上記半導体レーザ素子の、ストライプ形成用マスクプロセス終了後の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図１４】図１４は上記半導体レーザ素子の、メサストライプ形成エッチングプロセス終了後の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図１５】図１５は上記半導体レーザ素子の、ｐ、ｎ側電極形成、ｐ側ワイヤボンディング工程終了後の、ストライプ方向に対して垂直な面の断面模式図である。
【図１６】図１６は上クラッド層上にＩnＧaＡsＰ半導体層を設けた場合と設けなかった場合の電流狭窄性と通電安定性を比較したグラフである。
【図１７】図１７は本発明の第５実施形態にかかる半導体レーザ素子の電流−光出力特性をあらわすグラフである。
【図１８】図１８は図１２の半導体レーザ素子を改変した構成例を示す断面模式図である。
【図１９】図１９は本発明の第８実施形態にかかる半導体レーザ素子の構成例を示す断面模式図である。
【図２０】図２０は本発明の第９実施形態の光ディスク装置の概略図である。
【図２１】図２１は本発明の第１０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２２】図２２は上記光伝送システムにかかる光源の斜視図である。
【図２３】図２３は上記光伝送システムの構成例を示す斜視図である。
【図２４】図２４は従来例にかかる半導体レーザ素子の断面模式図である。
【図２５】図２５(ａ)はリッジ構造の両側に沿って絶縁体を設ける着想を説明する図であり、図２５(ｂ)はレーザ光の分布の広がりを示す図である。
【符号の説明】
【０１８６】
１０１,２０１,３０１…ｎ-ＧaＡs基板
１０２,３０２…ｎ-ＧaＡsバッファ層
１０３,３０３…ｎ-ＡlＧaＡs第一下クラッド層
１０４,３０４…ｎ-ＡlＧaＡs第二下クラッド層
１０５,３０５…ＡlＧaＡs下ガイド層
１０６,３０６…多重歪量子井戸活性層
１０７…ＡlＧaＡs上ガイド層
１０８,３０９…ｐ-ＡlＧaＡs第一上クラッド層
１０９,３１０…ｐ-ＡlＧaＡs第二上クラッド層
１１０…ｐ-ＧaＡsエッチングストップ層
１１１,３１２…ｐ-ＡlＧaＡs第三上クラッド層
１１２,３１３…ｐ-ＧaＡsコンタクト層
１１３,３１４…ｐ+-ＧaＡsコンタクト層
１１４,２１２,３１５…ｐ側電極
１１５,２１３,３１６…ｎ側電極
１１６,２１４,３１７…Ａuワイヤ
１１７,２１５,３１８…レジストマスク
１１８ａ,２１８a,３１９ａ…リッジ構造形成領域
１１８ｂ,２１８b,３１９ｂ…メサストライプ外領域
１１８c,２１８c,３１９c…ストライプ状構造体形成領域
１１９…ＳiＮ膜
１３０,２３０,３３０,３３０′…リッジ構造
１３１,２３２,３３３…ストライプ状構造体
２０２…ｎ-ＩnＧaＡlＰ下クラッド層
２０３,２０５…ＩnＧaＡlＰ光ガイド層
２０４…多重量子井戸活性層
２０６…ｐ-ＩnＧaＡlＰ第一上クラッド層
２０７…ｐ-ＩnＧaＡlＰ第二上クラッド層
２０８…ｐ-ＩnＧaＰエッチングストップ層
２０９…ｐ-ＩnＧaＡlＰ第三上クラッド層
２１０…ｐ-ＩnＧaＰ中間バンドギャップ層
２１１…ｐ-ＧaＡsコンタクト層
３０７…ＡlＧaＡs第一上ガイド層
３０８…ｐ-ＡlＧaＡs第二上ガイド層
３１１…ｐ-ＩnＧaＡsＰ半導体層
３２０…ポリイミド樹脂
３２１…絶縁体膜
４００…光ディスク装置
４０１…光ディスク
４０２…半導体レーザ素子
４０３…コリメートレンズ
４０４…ビームスプリッタ
４０５…λ／４偏光板
４０６…対物レンズ
４０７…受光素子用対物レンズ
４０８…信号検出用受光素子
４０９…信号光再生回路
５００,６００…光伝送モジュール
５０１…半導体レーザ素子(レーザチップ)
５０１ａ…低反射膜
５０１ｂ…高反射膜
５０１ｃ…ショットキー接合している電極領域
５０２…受光素子
５０３…エポキシ樹脂モールド
５０４,５０５…レンズ部
５０６…回路基板
５０６ａ…凹部
５０７ａ,５０７ｂ,５０７ｃ…ワイヤ
５０８…ＩＣ回路
５０９…シリコン樹脂
５１０…レーザマウント
５１１…ヒートシンク
５１１ｂ…基部
５１２…正電極
５１３…平坦部
５１４…レーザビーム
６１５…パーソナルコンピュータ
６１６…基地局
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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