(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  ｎ型の半導体基板１０１上に順に活性層１０６、ｐ型の第一半導体層１０９およびｐ型の第二半導体層１１０，１１１を少なくとも備える。さらに、第二半導体層１１１上にストライプ状のリッジ１３０をなすｐ型の第三半導体層１１２，１１３，１１４を備える。第一半導体層１０９のｐ型のドーピング濃度は層方向に関して実質的に均一である。第二半導体層１１０，１１１のリッジ直下部分１１０ａ，１１１ａはリッジ側方部分１１０ｃ，１１１ｃよりもｐ型のドーピング濃度が高い。リッジ１３０の頂部との間でオーミック接合をなす一方、第二半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃとの間でショットキー接合をなす電極層１１５を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型の半導体基板上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層され、第二導電型で実質的に均一なドーピング濃度を持つ第一半導体層と、
上記第一半導体層上に積層され、第二導電型で、かつ上方に形成されたストライプ状のリッジの直下に相当するリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度よりも高い第二半導体層と、
上記第二半導体層上に形成された上記ストライプ状のリッジをなす第二導電型の第三半導体層と、
上記リッジの頂部との間でオーミック接合をなす一方、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分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、
上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であり、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度が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３】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーパントが亜鉛（Ｚｎ）であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記第一半導体層の第二導電型のドーパントが炭素（Ｃ）であ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、
上記第一半導体層の第二導電型のドーピング濃度が、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度以上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、
上記第二半導体層が、上記第一半導体層側に配置されたＡｌを含む半導体層と上記第三半導体層側に配置されたＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層との積層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、
上記第二半導体層の厚みが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８】
請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
上記リッジの頂部の第二導電型のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層が形成され、
上記第二半導体層の上記リッジ側方部分のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物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９】
第一導電型の基板上に、活性層、第二導電型の第一半導体層、第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の第二半導体層、および第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上の第三半導体層を順次形成する工程と、
上記第三半導体層の一部を除去して上記第三半導体層の材料からなるストライプ状のリッジを形成する工程と、
熱処理を行って、上記第三半導体層の第二導電型のドーパントを上記第二半導体層のうち上記リッジの直下に相当するリッジ直下部分に拡散させて、そのリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3以上にする工程と、
上記リッジの表面および上記第二半導体層のうち上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分を覆う電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記リッジを形成する工程は、上記第三半導体層上に、無機絶縁膜からなるストライプ状のエッチングマスクを形成する工程と、上記無機絶縁膜をマスクにして上記第三半導体層のうち上記マスクの両側に相当する部分を除去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１１】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記リッジを形成した後、上記熱処理を行う前に、上記リッジの表面および上記第二半導体層の上記リッジ側方部分を覆う無機絶縁膜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１２】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第三半導体層を形成する時、上記第三半導体層のうち少なくとも最下層に上記第二導電型のドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）をドーピングすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第一半導体層を形成する時、上記第一半導体層に上記第二導電型のドーパントとして炭素（Ｃ）をドーピングすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第一半導体層の上記炭素（Ｃ）をドーパントとして用いた第二導電型のドーピング濃度を、上記熱処理によって上記第二半導体層の上記リッジ直下部分が達する第二導電型のドーピング濃度以上にすることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記熱処理を６００℃から８００℃の温度にて行うことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１６】
請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第三半導体層の最上層として第二導電型のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の半導体層を形成し、
上記電極層形成後に熱処理を行って、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層を形成する一方、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層を形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１７】
請求項１乃至８のいずれか一つ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１８】
請求項１乃至８のいずれか一つ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】
この発明は半導体レーザ素子およびその製造方法に関し、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およびその製造方法に関する。
【０００２】
また、この発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
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層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１０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。まず有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上にｎ−ＩｎＧａＰクラッド層４０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層４０３、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層４０４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５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４０４の一部（図１０における両側の部分）を表面側から途中までエッチングして、順メサ形状のリッジ部４０８を形成した後、ｐ側電極４０６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを、ｎ側電極４０７としてＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ／Ａｕを順次蒸着する。これにより、ｐ側電極４０６とｐ−ＩｎＧａＰクラッド層４０４との間にはショットキー接合部が形成され、ｐ側電極４０６とｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５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４０６、ｎ側電極４０７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、製造工程を大幅に削減することができる。
【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以下で、１５０ｍＷを超えるような）、高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】
より具体的には、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、ｐ−ＩｎＧａＰクラッド層４０４のうち両側の部分（途中までエッチングされて残された部分）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。
【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】
【００１５】
そこで、この発明の課題は、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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、この発明の半導体レーザ素子は、
第一導電型の半導体基板上に積層された活性層と、
上記活性層上に積層され、第二導電型で実質的に均一なドーピング濃度を持つ第一半導体層と、
上記第一半導体層上に積層され、第二導電型で、かつ上方に形成されたストライプ状のリッジの直下に相当するリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度よりも高い第二半導体層と、
上記第二半導体層上に形成された上記ストライプ状のリッジをなす第二導電型の第三半導体層と、
上記リッジの頂部との間でオーミック接合をなす一方、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分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。
【００１７】
ここで、「第一導電型」とはｎ型とｐ型のうち一方の導電型を指し、「第二導電型」とはｎ型とｐ型のうち他方の導電型を指す。
【００１８】
「活性層」とはレーザ発振を行う層を指す。
【００１９】
第一半導体層の第二導電型のドーピング濃度が層方向に関して「実質的に均一」であるとは、製造ばらつきの範囲内で均一であることを意味する。
【００２０】
また、上記第二半導体層のうち第二導電型のドーピング濃度が高いのは、厳密な「リッジ直下部分」だけでなく、その近傍を含んでいても良い。ここで、「その近傍」とは、素子作成工程時の熱処理によって第二導電型のドーパントが「リッジ直下部分」を越えて「リッジ側方部分」に拡散する領域のことをさす。
【００２１】
この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。
【００２２】
この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、上記第二半導体層のリッジ側方部分と上記電極層との界面では電流が遮断され、上記リッジの頂部と電極層との界面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。
【００２３】
ここで、この発明の半導体レーザ素子では、上記第二半導体層のうち上記リッジの直下に相当するリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が、上記第二半導体層のうち上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度よりも高くなっている。つまり、上記第二半導体層のリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度は相対的に低くなっているため、上記第二半導体層のリッジ側方部分と上記電極層との界面で良好なショットキー接合が形成されて電流が遮断される。一方、上記第二半導体層のリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が高いため、電流注入経路となるリッジ直下の直列抵抗が低くなる。したがって、低閾値電流と高出力動作を両立した信頼性の高い半導体レーザ素子を提供することが可能となる。さらに、第二導電型の第一半導体層を有しているため、光学特性をあわせこむための設計自由度が高く、安定した光学特性を実現することが可能となる。
【００２４】
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。
【００２５】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であり、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００２６】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第二半導体層のリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下となっていることにより、リッジの側方において良好な電流狭窄性を信頼性よく発揮することができるため、低閾値電流発振が可能となる。また、第二半導体層のリッジ直下部分の第二導電型ドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上であることにより、電流注入経路の直列抵抗が低く保たれ、低消費電力動作が実現できる。
【００２７】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーパントが亜鉛（Ｚｎ）であることが好ましい。
【００２８】
亜鉛（Ｚｎ）は比較的拡散しやすい性質を有しているので、上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、第二半導体層のリッジ直下部分だけを選択的により高濃度の第二導電型にすることが可能となる。これにより、リッジ側方での電流狭窄性と、リッジ直下の低直列抵抗を両立できるようになる。
【００２９】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一半導体層の第二導電型のドーパントが炭素（Ｃ）であることが好ましい。
【００３０】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、拡散しにくい炭素（Ｃ）をドーパントとすることによって、第一半導体層から第二半導体層への第二導電型のドーパント拡散を防止でき、リッジの側方における第二半導体層の第二導電型ドーピング濃度を低く保つことができる。その結果、別途、結晶再成長工程などを加えることなく、良好な電流狭窄性を示す半導体レーザ素子を制御性良く提供することが可能となる。さらに、第一半導体層を自在に変更することにより、様々な要求仕様に合わせた光学設計が容易になる。
【００３１】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第一半導体層の第二導電型のドーピング濃度が、上記第二半導体層の上記リッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度以上であることが好ましい。
【００３２】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、第二導電型のドーパントとなる不純物の濃度が上記のような大小関係を有する時には、上記第二半導体層に含まれる第二導電型のドーパントは、上記第一半導体層側へは拡散することがなくなる。このことにより、活性層へのドーパント拡散による効率の低下や信頼性の低下のない良好な特性、信頼性を有する半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
【００３３】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層が、上記第一半導体層側に配置されたＡｌを含む半導体層と上記第三半導体層側に配置されたＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層との積層であることが好ましい。
【００３４】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、第二半導体層の表面に酸化されやすいアルミニウム（Ａｌ）を含まないため、酸化に起因する深い準位の生成がなくなり、その深い準位による光吸収がないため内部損失が減るとともに、長期の素子動作時にも電流狭窄性を低下させない。さらに、ＩｎＧａＡｓＰはＩｎＧａＰに比べてΔＥｖが小さく、ホールの注入効率を低下させることがない。その結果、良好な信頼性を有し、高効率動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができるようになる。
【００３５】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第二半導体層の厚みが０．１μｍ以上、０．４μｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第二半導体層の厚みが０．１μｍ以上、０．４μｍ以下であるから、リッジの側方において、良好なショットキー接合を示す。
【００３７】
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記リッジの頂部の第二導電型のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層が形成され、上記第二半導体層の上記リッジ側方部分のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であり、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層が形成されていることが好ましい。
【００３８】
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上のリッジ頂部と電極層とのオーミック接合では、上記高濃度側の化合物層によってより低コンタクト抵抗が得られると共に、第二半導体層においてドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下であるリッジ側方部分と電極層とのショットキー接合では、上記低濃度側の化合物層によって十分な電流狭窄が得られる。このようにオーミック接合性とショットキー接合性がともにより強化されるので、電流狭窄を行うための埋め込み層（電流ブロック層）の結晶再成長工程と、低コンタクト抵抗を得るためのコンタクト層の結晶再成長工程を別途行うことなく、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗を実現でき、熱的、電気的信頼性が向上する。したがって、低閾値電流でかつ高出力動作が可能で、長期信頼性が得られるとともに、製造工程に簡略化によりコストを低減でき、従来構造を有する半導体レーザ素子と同等以上の信頼性と高出力特性を低消費電力にて実現できる半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３９】
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、
第一導電型の基板上に、活性層、第二導電型の第一半導体層、第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の第二半導体層、および第二導電型のドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以上の第三半導体層を順次形成する工程と、
上記第三半導体層の一部を除去して上記第三半導体層の材料からなるストライプ状のリッジを形成する工程と、
熱処理を行って、上記第三半導体層の第二導電型のドーパントを上記第二半導体層のうち上記リッジの直下に相当するリッジ直下部分に拡散させて、そのリッジ直下部分の第二導電型のドーピング濃度を１×１０17ｃｍ-3以上にする工程と、
上記リッジの表面および上記第二半導体層のうち上記リッジの側方に相当するリッジ側方部分を覆う電極層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【００４０】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記第二半導体層のリッジ側方部分と上記電極層との界面ではショットキー接合をなし、電流が遮断され、上記リッジの頂部と電極層との界面ではオーミック接合をなす状態に仕上がる。第二半導体層のうちリッジ直下部分のドーピング濃度を選択的に高めることができるため、リッジ直下の半導体レーザ素子の直列抵抗を悪化させることなく、第二半導体層のリッジ側方部分と電極層との電流狭窄性を十分に大きくすることが可能となる。その結果、低コストで製造でき、かつ低閾値電流発振、高出力動作可能な半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
【００４１】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記リッジを形成する工程は、上記第三半導体層上に、無機絶縁膜からなるストライプ状のエッチングマスクを形成する工程と、上記無機絶縁膜をマスクにして上記第三半導体層のうち上記マスクの両側に相当する部分を除去する工程を含むことが好ましい。
【００４２】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、無機絶縁膜は、熱処理に対して良好な表面保護膜となるため、電流注入におけるオーミック接合を形成するリッジの頂部を熱処理時に露出することがなくなり、上記リッジ頂部の半導体層の結晶性の低下や第二導電型のドーパントの再蒸発が発生することによる素子の高抵抗化の問題を抑制することが可能となる。
【００４３】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記リッジを形成した後、上記熱処理を行う前に、上記リッジの表面および上記第二半導体層の上記リッジ側方部分を覆う無機絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。
【００４４】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、熱処理工程を実施する際に、上記リッジ側の半導体層の全ての表面が無機絶縁膜で被覆されているために、上述のリッジ頂部のみならず、他の半導体表面の結晶性低下やドーパントの再蒸発をも抑制することが可能となる。
【００４５】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第三半導体層を形成する時、上記第三半導体層のうち少なくとも最下層に上記第二導電型のドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）をドーピングすることが好ましい。
【００４６】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第二半導体層の直上である第三半導体層を形成する時、上記第三半導体層のうち少なくとも最下層に上記第二導電型のドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）をドーピングする。したがって、上記第三半導体層をパターン加工してリッジを形成した後、熱処理を加えることによって、第二半導体層のリッジ直下の領域だけに亜鉛を拡散させて、電流注入経路の抵抗を低減することが可能となる。
【００４７】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第一半導体層を形成する時、上記第一半導体層に上記第二導電型のドーパントとして炭素（Ｃ）をドーピングすることが好ましい。
【００４８】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、炭素（Ｃ）は、極めて拡散しにくいため、第一半導体層側から第二半導体層への第二導電型ドーパントの拡散を防止できる。したがって、上述の熱処理後も、第二半導体層のリッジ側方部分の第二導電型のドーピング濃度を高めてしまうことがなく、第二半導体層のリッジ側方部分の表面において、良好なショットキー接合を形成することが可能となる。
【００４９】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第一半導体層の上記炭素（Ｃ）をドーパントとして用いた第二導電型のドーピング濃度を、上記熱処理によって上記第二半導体層の上記リッジ直下部分が達する第二導電型のドーピング濃度以上にすることが好ましい。
【００５０】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第二半導体層の上記リッジ直下部分が達する第二導電型ドーピング濃度が、第一半導体層の第二導電型ドーピング濃度よりも低くなっているため、第三半導体層最下層の半導体層から拡散してきた亜鉛（Ｚｎ）ドーパントは、第一半導体層側には拡散しない。よって、活性層への不純物（亜鉛）拡散が防止できる。亜鉛が活性層にまで拡散すると非発光再結合中心が増加し、信頼性や発振効率が低下するが、そのような活性層への不純物拡散現象を阻止できた結果、良好な信頼性を有し、高効率発振が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。
【００５１】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記熱処理を６００℃から８００℃の温度にて行うことが好ましい。
【００５２】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、第三半導体層の最下層に形成された亜鉛をドーピングした半導体層から、リッジ直下の領域に亜鉛を拡散させることができるようになり、電流注入領域における素子抵抗を低減することが可能となる。
【００５３】
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、
上記第三半導体層の最上層として第二導電型のドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上の半導体層を形成し、
上記電極層形成後に熱処理を行って、上記電極層と上記リッジの頂部との界面に、上記電極層の構成元素と上記リッジ頂部の構成元素からなる高濃度側の化合物層を形成する一方、上記電極層と上記第二半導体層の上記リッジ側方部分との界面に、上記電極層の構成元素と上記第二半導体層の構成元素からなる低濃度側の化合物層を形成することが好ましい。
【００５４】
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、ドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下の第二半導体層のリッジ側方部分と電極層とのショットキー接合において上記低濃度側の化合物層によって十分な電流狭窄が得られるとともに、ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上のリッジ頂部と電極層とのオーミック接合において、上記高濃度側の化合物層によってより低コンタクト抵抗が得られる。このようにショットキー接合性とオーミック接合性がより強化されるので、電流ブロック層の埋め込み再成長工程や電極コンタクト層の結晶再成長工程を行うことなしに、低閾値電流でかつ高出力動作が可能で、長期信頼性が得られるとともに、製造工程の簡略化によりコストを低減できる。したがって、十分な電流狭窄性と優れた素子信頼性が得られ、かつ、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。
【００５５】
この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。
【００５６】
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、この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、この発明の光ディスク装置は、より安価に構成される。
【００５７】
この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。
【００５８】
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、この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、この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】
【００５９】
以上より明らかなように、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。
【００６０】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、電流ブロック層の埋め込み再成長工程や電極コンタクト層の結晶再成長工程を行うことなしに、十分な電流狭窄性を有し、素子信頼性に優れ、かつ低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することが可能となる。
【００６１】
本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることで、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。
【００６２】
また、本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子をその光伝送モジュールに用いることで、従来よりも圧倒的に安価でかつ信頼性を兼ね備えた光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６３】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００６４】
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。
【００６５】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものである。この半導体レーザ素子は、波長８９０ｎｍで発振して赤外線通信に用いられるものである。
【００６６】
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第一下クラッド層１０３、ｎ−Ａｌ0.422Ｇａ0.578Ａｓ第二下クラッド層１０４、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第一上ガイド層１０７、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ第二上ガイド層１０８、第一半導体層の一例としてのｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第一上クラッド層１０９と、ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第二上クラッド層１１０、ｐ−Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１が順次積層されている。
【００６７】
上記ｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第二上クラッド層１１０とｐ−Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１で第二半導体層群を構成している。詳しくは後述するが、第二半導体層群１１０，１１１のうちリッジ１３０の直下１１９ａに相当する部分（以下、「リッジ直下部分」という。）１１０ａおよび１１１ａとその近傍だけ、第二半導体層群１１０，１１１のうちリッジ１３０の側方１１９ｂに相当する部分（以下、「リッジ側方部分」という。）１１０ｃおよび１１１ｃに比して、ｐ型ドーピング濃度が高くなっている。なお、各半導体層は、特に断らない限り、層方向に関して均一なドーピング濃度になっている。
【００６８】
この半導体層１１１上に、順メサ形状の断面を持ち、図１の紙面に対して垂直にストライプ状に延在するリッジ１３０をなすように、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第三上クラッド層１１２、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３およびｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１４が設けられている。
【００６９】
上記ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第三上クラッド層１１２、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３およびｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１４で第三半導体層群を構成している。
【００７０】
さらに、リッジ１３０の頂部、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１１５が設けられている。なお、１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃがそれぞれ、リッジ１３０の頂部、側面部、半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃ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１１５ａとリッジ１３０の頂部（コンタクト層１１４）とはオーミック接合をなす一方、電極部分１１５ｃと半導体層１１１の上面とはショットキー接合をなしている。なお、詳しくは後述するが、１２０（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃを含む。）は、ｐ側電極１１５とそれが接する半導体層とが合金化した化合物層を表している。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１１６が形成されている。さらに、ｐ側電極１１５のうち半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃ上に形成された部分１１５ｃ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（図示せず）がボンディングされる。
【００７１】
次に図２〜図４を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。
【００７２】
まず図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の（１００）面上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚：０．５μｍ、Ｓｉドーピング濃度：７．２×１０17ｃｍ-3）、ｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第一下クラッド層１０３（層厚：２．０μｍ、Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０17ｃｍ-3）、ｎ−Ａｌ0.422Ｇａ0.578Ａｓ第二下クラッド層１０４（層厚：０．１μｍ、Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０17ｃｍ-3）、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ下ガイド層１０５（層厚３．０ｎｍ）、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第一上ガイド層１０７（層厚：３．０ｎｍ）、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ第二上ガイド層１０８（層厚：０．１μｍ）、第一半導体層の一例としてのｐ−Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第一上クラッド層１０９（層厚：０．２μｍ、Ｃドーピング濃度：１×１０18ｃｍ-3）、Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第二上クラッド層１１０（層厚：０．１μｍ、ｐ型キャリア濃度：２×１０16ｃｍ-3以下）、Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１（層厚：１５ｎｍ、ｐ型キャリア濃度：５×１０15ｃｍ-3以下）、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第三上クラッド層１１２（層厚：１．２８μｍ、Ｚｎドーピング濃度４×１０18ｃｍ-3）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：３×１０18ｃｍ-3）、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１４（層厚：０．３μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０20ｃｍ-3）を順次、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）にて結晶成長させる。上記多重歪量子井戸活性層１０６は、Ｉｎ0.1001Ｇａ0.8999Ａｓ圧縮歪量子井戸層（歪０．７％、層厚：４６Å、２層）とＩｎ0.238Ｇａ0.762Ａｓ0.5463Ｐ0.4537引張歪障壁層（歪０．１％、バンドギャップＥｇ≒１．６０ｅＶ、基板側から層厚：２１５Å、７９Å、２１５Åの３層であり、基板１０１に最も近いものが、ｎ側障壁層、最も遠いものがｐ側障壁層となる）を交互に配置して形成されている。
【００７３】
続いて、プラズマ−ＣＶＤ（化学気相成長）法を用いて、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１１４上に、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜１１８を３００ｎｍ形成する。
【００７４】
次に、リッジ１３０を形成すべき領域１１９ａ（図１参照）上に、図２中に示すようにレジストマスク１１９（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１１９は、形成すべきリッジ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。
【００７５】
このレジストマスク１１９をマスクにバッファードフッ酸を使用して、窒化珪素膜１１８をストライプ状にエッチング加工する。窒化珪素膜１１８をストライプ状に加工した後、レジストマスク１１９は除去する。
【００７６】
次に図３に示すように、半導体層１１４、１１３、１１２のうち上記窒化珪素膜１１８の両側に相当する部分をエッチングにより除去して、窒化珪素膜１１８の直下に、順メサストライプ状のリッジ１３０を形成する。このエッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて、半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃが露出するまで行う。続いて、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液で、ＧａＡｓコンタクト層１１３および１１４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１３０の最下部の幅は約３．２μｍである。
【００７７】
この後、高温に加熱できる密閉されたベーク炉（本実施形態では、結晶成長に使用したＭＯＣＶＤ装置のチャンバーを使った）を使用して、ＡｓＨ3を流すことで半導体層表面からの砒素の再蒸発を防止しながら、７５０℃で３０分加熱した。ベーク炉から取り出した後、バッファードフッ酸を再び使用して、ストライプ状の窒化珪素膜１１８を除去した。
【００７８】
上記の７５０℃における熱処理によって、リッジ１３０の最下層を構成するｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ第三上クラッド層１１２のＺｎドーピング濃度は、半導体層１１１側において熱処理前の４×１０18ｃｍ-3から１．５×１０18ｃｍ-3に低下した。これと同時に、Ａｌ0.456Ｇａ0.544Ａｓ第二上クラッド層１１０のリッジ直下部分１１０ａのドーピング濃度は、熱処理前に２×１０16ｃｍ-3以下であったものが、熱処理後は、第一上クラッド層１０９側が１．０×１０18ｃｍ-3であり、そこからほぼ直線的にドーピング濃度が増加しながら、Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１側で１．５×１０18ｃｍ-3となった。また、Ｉｎ0.1568Ｇａ0.8432Ａｓ0.4Ｐ0.6半導体層１１１のリッジ直下部分１１１ａのドーピング濃度は、熱処理前の５×１０15ｃｍ-3以下の状態から１．５×１０18ｃｍ-3まで上昇させることができた。
【００７９】
図５は、上記熱処理工程による、リッジ１３０周辺のドーピング濃度の変化を説明するための図である。図５（ａ）は、リッジ１３０周辺を拡大して示している。また、図５（ａ）中において、断面Ａ−Ａ’およびＢ−Ｂ’の各断面での第二導電型濃度の模式的なプロファイルを図５（ｂ）に示し、図５（ａ）中の断面Ｃ−Ｃ’の断面での第二導電型濃度の模式的なプロファイルを図５（ｃ）に示した。
【００８０】
図５（ｂ）において、太実線は、熱処理工程後の断面Ａ−Ａ’における第二導電型濃度プロファイルを示し、一点破線からＢ−Ｂ’へと続く実線は、熱処理工程前の断面Ａ−Ａ’における第二導電型濃度プロファイルを示している。また、熱処理前後において、断面Ｂ−Ｂ’の第二導電型濃度プロファイルは変化しない。
【００８１】
図５（ｃ）において、断面Ｃ−Ｃ’の第二導電型濃度プロファイルから分かるように、半導体層１１１のリッジ直下部分１１１ａの第二導電型濃度は領域１１１ａに対応して高くなっている。なお、半導体層１１１のうち厳密な「リッジ直下部分１１１ａだけでなく、その近傍部分１１１ｂも第二導電型のドーピング濃度が高くなっている。上記熱処理によって第二導電型のドーパントがリッジ直下部分１１１ａを越えてリッジ側方部分１１１ｃに拡散するからである。本実施形態においては、その近傍部分１１１ｂは、リッジ端部から外方に向かって、およそ０．１５μｍ程度の幅の領域が相当する。
【００８２】
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１１５としてＴｉ（層厚：５０ｎｍ）／Ｐｔ（層厚：５０ｎｍ）／Ａｕ（層厚：４００ｎｍ）の順に金属薄膜を積層形成する。
【００８３】
その後、図１に示したように、基板１０１を裏面側から所望の厚み（ここでは、約１００μｍ）にまで、ラッピング法により研削する。そして、裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、ｎ側電極１１６としてＡｕＧｅ合金（Ａｕ８８％とＧｅ１２％との合金、層厚：１００ｎｍ）、Ｎｉ（層厚：１５ｎｍ）、Ａｕ（層厚：３００ｎｍ）を積層形成する。
【００８４】
その後、Ｎ2雰囲気中で、４００℃１分間加熱し、アロイ処理を行う。その結果、ｐ側電極１１５と、ｐ側電極１１５に接する各々の半導体層との界面には、Ｔｉと各々の半導体層材料とが合金化した化合物層１２０が形成される。１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、それぞれ化合物層１２０のうちリッジ頂部、リッジ側面、半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃに対応する部分を表している。
【００８５】
この基板１０１を、所望の共振器長（ここでは、５００μｍ）を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーをチップ（５００μｍ×２５０μｍ）に分割する。分割後のチップを、Ｉｎ糊剤を用いてステム（図示せず）上に固着する。そして、ｐ側電極１１５のうち半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃに対応する部分１２０ｃ上に、外部回路との電気的接続を行うためのＡｕワイヤ（図示せず）をボンディングする。これで、半導体レーザ素子が完成する。
【００８６】
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１１５、ｎ側電極１１６間に電流を流すと、リッジ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。そして、活性層１０６のうちリッジ１３０のほぼ直下に相当する部分が通電されて、レーザ発振を行う。
【００８７】
本実施形態の半導体レーザ素子では、活性層１０６上に設けられた第二半導体層群１１０，１１１のリッジ直下部分１１０ａおよび１１１ａのｐ型ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3以上であり、第二半導体層群１１０，１１１のリッジ側方部分１１０ｃおよび１１１ｃではｐ型ドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下（この例では、リッジ側方部分１１０ｃ，１１１ｃのｐ型ドーピング濃度はそれぞれ２×１０16ｃｍ-3、１×１０15ｃｍ-3である）となっているため、第二半導体層群１１０，１１１のリッジ直下部分１１０ａおよび１１１ａの電気抵抗を低く保ちながら、リッジの外側に設けられた電極部分１２０ｃと半導体層１１１のリッジ側方部分１１１ｃとの間のショットキー接合による電流狭窄性を非常に大きくすることができるようになった。よって、漏れ電流が少ないことによる低閾値電流での発振動作と、低直列抵抗による低消費電力、高出力動作を両立させることができた。
【００８８】
上述のような構成を実現するために本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、リッジ１３０をエッチングにより形成した後に、一旦熱処理を加えることによって、リッジ１３０直下の低ドーピングな半導体層だけを選択的に高ドーピング化している。上述のリッジエッチングの工程では、リッジ頂部のコンタクト層を確実に被覆・保護し、高温にも耐えうる窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜をエッチングマスクとして使用した。
【００８９】
リッジ１３０を構成する半導体層のうちの最下層１１２（半導体層１１１と接している層）から、加熱によって亜鉛（Ｚｎ）を第二半導体層群１１１，１１０に拡散させ、第二半導体層群のリッジ直下部分のｐ型ドーピング濃度を選択的に高めているため、リッジ形成工程によって露出した領域、つまり第二半導体層群のリッジ側方部分のｐ型ドーピング濃度は、低いままである。本工程において、亜鉛ドーパントは濃度勾配を有する場合、加熱により容易に拡散させることができるので特に好ましい。また、その熱処理工程は、本実施形態では７５０℃にて実施した。このとき、温度が高い程深く拡散する傾向にあるが、６００〜８００℃程度が本拡散工程には好ましい。６００℃未満では、十分な拡散が起こらず、また８００℃以上では、拡散は進むが半導体層表面からのＡｓの再蒸発等による荒れがひどくなってくる。前述のＡｓの再蒸発を防ぐため、本実施形態では、ＡｓＨ3雰囲気中での加熱処理を行った。
【００９０】
本実施形態の半導体レーザ素子の製造方法においては、熱処理を行うに際して、リッジ１３０を形成する時にエッチングマスクとして使用した窒化珪素膜をリッジ頂部に残した状態で行った。このことにより、コンタクト層となるリッジ頂部の半導体層１１４のＡｓの再蒸発による結晶性の低下や第二導電型ドーパントである亜鉛の再蒸発を抑制することができた。リッジ１３０の頂部のみならず、リッジ１３０の側面や第二半導体層群の表面のＡｓの再蒸発による結晶性の低下やドーパントの再蒸発を抑制するためには、熱処理工程を実施する前に、例えば窒化珪素膜のような無機絶縁膜を再度形成する工程を追加すればよい。しかしながら、本実施形態では、そのような工程を追加することはコストアップにつながることと、ＡｓＨ3雰囲気にて熱処理を行っているので、Ａｓの再蒸発は防止できており、リッジ１３０の頂部以外のショットキー接合による電流狭窄領域については、ドーパントの再蒸発が発生して、そのキャリア濃度が低下しても構わないことから、リッジ１３０の頂部のみを窒化珪素膜で被覆する工程を採用している。
【００９１】
本実施形態の半導体レーザ素子においては、既述のように、第二半導体層群１１０，１１１のリッジ側方部分１１０ｃおよび１１１ｃではｐ型ドーピング濃度が１×１０17ｃｍ-3以下（この例では、リッジ側方部分１１０ｃ，１１１ｃのｐ型ドーピング濃度はそれぞれ２×１０16ｃｍ-3、１×１０15ｃｍ-3である）となっているので、リッジ外領域においてショットキー接合を形成した際の電流狭窄性は非常に大きい。この部分の電流狭窄性は、１×１０17ｃｍ-3以下のドーピング濃度になると急激に大きくなり、ドーピング濃度が低いほどさらに良好になる。また、通電時の安定性も良くなることが分かった。一方、第二上クラッド層１１０のリッジ直下部分はｐ型ドーピング濃度が１×１０18ｃｍ-3にドーピングされているが、この領域は、少なくとも１×１０17ｃｍ-3以上にドーピングされていることが望ましい。より大きなドーピング濃度のほうが、素子の直列抵抗は減少するが、クラッド層として1×１０19ｃｍ-3以上ドーピングすると結晶性低下による素子の諸特性の悪化が懸念されるようになる。
【００９２】
従来の半導体レーザ素子では、第二半導体層群１１１，１１０に相当する半導体層において、活性層１０６に平行な方向でのドーピング濃度分布が均一であったため、上述のような低直列抵抗と高電流狭窄性を両立することが困難であった。
【００９３】
また、本実施形態の半導体レーザ素子のように第二半導体層群の最表面（リッジ形成工程において露出される半導体層１１１）は、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓＰが好ましい。このようにＩｎＧａＡｓＰを第二半導体層群の表面に用いることで、Ａｌを含む半導体層を用いた場合に比べて、Ｚｎの熱拡散工程によっても顕著な酸化反応が起こらず、素子信頼性を向上させる効果がある。また、酸化に起因する深い非発光準位の発生もないため、発振効率も悪化しないという効果がある。同様にＡｌを含まないＩｎＧａＰは、ΔＥｖが大きくなるためホール注入効率が低下することと、成長条件によっては、自然超格子化しやすく、その際に屈折率が大きく変動してしまうため、発振効率の面や、光学特性の安定性の面からＩｎＧａＡｓＰに比べると好ましくない。
【００９４】
またＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰは、ＭＯＣＶＤ法を用いた結晶成長時に、自然にｐ型化するレベルがＡｌを含む半導体層に比べて小さく、容易に５×１０15ｃｍ-3以下のノンドープ状態を実現することができる。このように低キャリア濃度状態を容易に得ることができる点でも、ＩｎＧａＡｓＰを用いることが好ましい。一方、ＡｌＧａＡｓは、そのＡｌ混晶比や成長条件にも依存するが、ノンドープ状態では、２×１０16ｃｍ-3以下程度に形成される。すなわち、上述の半導体レーザ素子の製造工程においては、第二半導体層群１１０，１１１は、ＭＯＣＶＤ法によるノンドープ（ドーパントを加えない状態）での結晶成長を行った。第二半導体層群１１０，１１１の結晶成長時のｐ型キャリア濃度は、上述のように、小さいほど素子完成後の電流狭窄性が増すために好ましい。したがって、そのような低キャリア濃度の結晶成長が実現できるようなＭＯＣＶＤ法における成長条件設定を行うことが望ましい。
【００９５】
本実施形態の半導体レーザ素子において、第二半導体層群１１０，１１１の厚みは、０．１１５μｍである。十分な電流狭窄性を得るために、低ドーピング濃度の第二半導体層群１１０，１１１の厚みは、少なくとも０．１μｍ以上必要である。またその最大値は、リッジ直下の抵抗増大の観点からは上限がないが、０．４μｍより厚くても電流狭窄性をそれ以上向上させることはないことが分かった。
【００９６】
また、本実施形態の半導体レーザ素子のように、第一半導体層１０９は、炭素（Ｃ）がドーピングされていることが好ましい。炭素は加熱工程によっても拡散されにくいので、上述の加熱工程の際に、第二半導体層群１１０，１１１に対して下側からのドーパント拡散がなく、リッジ直下だけｐ型ドーピング濃度が高まった所望の構造を容易に得ることができる。また、リッジ直下におけるＺｎ拡散後のドーピング濃度よりも第一半導体層１０９の炭素のドーピング濃度を高くなるようにしておくことによって、ドーパントの濃度勾配の関係から、第二半導体層群１１０，１１１へ拡散してきたＺｎがさらに第一半導体層１０９へ拡散することを防止できるようになる。炭素は、本実施形態のようにＭＯＣＶＤ法にて結晶成長を行う際には、成長条件を適切に設定することによって、新たにドーパントガス供給ラインを追加することなく結晶原料となるＭＯ（有機金属）材料からドーピングすることが可能となる。したがって、装置製造コストや原料コストをさらに削減することができるため、特に好ましい。もちろん、新たなドーパントガス供給ラインを追加し、炭化臭素（ＣＢｒ4）などの材料を用いて炭素をドーピングしてもよい。また、ガス供給ラインを追加する場合、炭素と同様に熱拡散しにくいマグネシウム（Ｍｇ）をドーパントとして使用することもできる。
【００９７】
また、本実施形態の半導体レーザ素子は、上述のようにショットキー接合を用いて電流狭窄を行う場合、電極を形成した後、熱処理を行うことによって、図５に示したように、電極層１１５を構成する最下層の電極材料と、それが接する半導体層との界面に化合物層１２０を形成しているため、リッジ１３０の側方の電流狭窄領域におけるショットキー接合性とコンタクト層１１４におけるオーミック接合性がより強化され、リッジ１３０のみにさらに低抵抗で電流注入できるようになった。
【００９８】
これらの結果、本実施形態の半導体レーザ素子とその製造方法では、低い発振閾値電流を有し、高出力動作可能な半導体レーザ素子を非常に低コストで提供することができるようになった。
【００９９】
また、レーザ発振の波長は８９０ｎｍ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、ＣＤ用に用いられる波長７８０ｎｍのＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体レーザ素子や、ＤＶＤ用に用いられる波長６５０ｎｍのＩｎＧａＡｌＰ／ＧａＡｓ系半導体レーザ素子、および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。
【０１００】
〔第２実施形態〕
図６は、本発明にかかる光ディスク装置２００の構造の一例を示したものである。これは光ディスク２０１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実施形態の構成を使用した波長７８０ｎｍ帯で発振する半導体レーザ素子２０２を備えている。
【０１０１】
この光ディスク装置２００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２０２から出射された信号光がコリメートレンズ２０３により平行光とされ、ビームスプリッタ２０４を透過しλ／４偏光板２０５で偏光状態が調節された後、対物レンズ２０６で集光されて光ディスク２０１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２０１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２０１の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ２０６、λ／４偏光板２０５を経た後、ビームスプリッタ２０４で反射されて９０°角度を変えた後、受光素子用対物レンズ２０７で集光され、信号検出用受光素子２０８に入射する。信号検出用受光素子２０８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２０９において元の信号に再生される。
【０１０２】
この第２実施形態の光ディスク装置２００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２０２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２０１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２０２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。
【０１０３】
なお、ここでは第１実施形態の構成を使用した半導体レーザ素子２０２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。
【０１０４】
〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第３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３００を示す断面図である。また、図８は光伝送モジュール３００の光源の部分を示す斜視図である。この第３実施形態では、光源として第１実施形態で説明した発振波長８９０ｎｍのＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ素子（レーザチップ）３０１を、また受光素子３０２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３００を備えることにより、双方の光伝送モジュール３００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。
【０１０５】
図７において、回路基板３０６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３０６ａが設けられている。この凹部３０６ａに、レーザチップ３０１を搭載したレーザマウント（マウント材）３１０をはんだで固定する。レーザマウント３１０の正電極３１２の平坦部３１３は、回路基板３０６上のレーザ駆動用正電極部（図示せず）とワイヤ３０７ａによって電気的に接続される。凹部３０６ａ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。
【０１０６】
受光素子３０２は、やはり回路基板３０６に実装され、ワイヤ３０７ｂにより電気信号が取り出される。この他に、回路基板３０６上にレーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ回路３０８が実装されている。
【０１０７】
次いで、はんだで凹部に固定されたレーザマウント３１０を搭載した部分に液状のシリコン樹脂３０９を適量滴下する。シリコン樹脂３０９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３０９は表面張力のために凹部内に留まり、レーザマウント３１０を覆い凹部３０６ａに固定する。この第３実施形態では、回路基板３０６上に凹部３０６ａを設け、レーザマウント３１０を実装したが、上述のように、シリコン樹脂３０９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３０６ａは必ずしも設ける必要はない。
【０１０８】
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３０３により被覆する。レーザチップ３０１の上方には、放射角制御のためのレンズ部３０４が、また、受光素子３０２の上方には信号光を集光するためのレンズ部３０５がそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。
【０１０９】
次に、レーザマウント３１０について、図８を用いて説明する。図８に示すように、Ｌ字型のヒートシンク３１１にレーザ素子３０１がＩｎ糊剤を用いてダイボンドされている。レーザチップ３０１は、第１実施形態で説明したＩｎＧａＡｓ系の半導体レーザ素子であり、そのチップ下面３０１ｂ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３０１ａ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。
【０１１０】
ヒートシンク３１１の基部３１１ｂには正電極３１２が、ヒートシンク３１１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３１２とレーザチップ３０１の表面のショットキー接合部上に設けられた電極領域３０１ｃとは、金ワイヤ３０７ｃ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３１０を、図７の回路基板３０６の負電極（図示せず）にはんだ固定して、正電極３１２の上部の平坦部３１３と回路基板３０６の正電極部（図示せず）とをワイヤ３０７ａで接続する。このような配線の形成により、レーザビーム３１４を発振により得ることができる光伝送モジュール３００が完成する。
【０１１１】
この第３実施形態の光伝送モジュール３００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。
【０１１２】
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３００を備えることにより、双方の光伝送モジュール３００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９は、この光伝送モジュール３００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３１６に上記光伝送モジュール３００を備えるとともに、パーソナルコンピュータ３１５に上記と同じ光伝送モジュール（区別のために符号３００’で表す。）を備えている。パーソナルコンピュータ３１５側の光伝送モジュール３００’の光源から情報を持って発した光信号は、基地局３１６側の光伝送モジュール３００の受光素子によって受信される。また、基地局３１６側の光伝送モジュール３００の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ３１５側の光伝送モジュール３００’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。
【０１１３】
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】
【０１１４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザ素子の、ストライプ状のリッジに対して垂直な面の断面を示す図である。
【図２】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を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる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を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる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を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザ素子のｐ型ドーピング濃度分布を説明するための図である。
【図６】本発明の第２実施形態の光ディスク装置の概略図である。
【図７】本発明の第３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８】本発明の第３実施形態の光伝送システムにかかる光源の斜視図である。
【図９】本発明の第３実施形態の光伝送システムの構成例を示す斜視図である。
【図１０】従来例にかかる半導体レーザ素子の断面を示す図である。
【符号の説明】
【０１１５】
１０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３  ｎ−ＡｌＧａＡｓ第一下クラッド層
１０４  ｎ−ＡｌＧａＡｓ第二下クラッド層
１０５  ＡｌＧａＡｓ下ガイド層
１０６  多重歪量子井戸活性層
１０７  ＡｌＧａＡｓ第一上ガイド層
１０８  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第二上ガイド層
１０９  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第一上クラッド層
１１０  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第二上クラッド層
１１１  ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
１１２  ｐ−ＡｌＧａＡｓ第三上クラッド層
１１３  ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１１４  ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層
１１５  ｐ側電極
１１６  ｎ側電極
１１８  窒化珪素膜
１１９  レジストマスク
１１９ａ  メサストライプ
１１９ｂ  メサストライプ外領域
１２０  化合物層
１１０ａ、１１１ａ  リッジ直下部分
１１０ｃ、１１１ｃ  リッジ側方部分
１３０  リッジ
２００  光ディスク装置
２０１  光ディスク
２０２  半導体レーザ素子
２０３  コリメートレンズ
２０４  ビームスプリッタ
２０５  λ／４偏光板
２０６  対物レンズ
２０７  受光素子用対物レンズ
２０８  信号検出用受光素子
２０９  信号光再生回路
３００、３００’  光伝送モジュール
３０１  半導体レーザ素子（レーザチップ）
３０１ａ  低反射膜
３０１ｂ  高反射膜
３０１ｃ  ショットキー接合している電極領域
３０２  受光素子
３０３  エポキシ樹脂モールド
３０４、３０５  レンズ部
３０６  回路基板
３０６ａ  凹部
３０７ａ、３０７ｂ、３０７ｃ  ワイヤ
３０８  ＩＣ回路
３０９  シリコン樹脂
３１０  レーザマウント
３１１  ヒートシンク
３１１ｂ  基部
３１２  正電極
３１３  平坦部
３１４  レーザビーム
３１５  パーソナルコンピュータ
３１６  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１０】
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