(57)【要約】【課題】  半導体レーザ素子を構成するＡｌＧａＩｎＰ層の結晶品質を改善し、信頼性が高く、寿命の長い半導体レーザを提供する。  【解決手段】  半導体レーザ素子の構造を、ＧａＡｓ基板の上にＡｌＧａＩｎＰの層を１層以上含むレーザ構造が形成された構造で、二次イオン質量分析法により測定されるＧａＡｓ基板のＡｓ２次イオン強度を１００としたときに、ＡｌＧａＩｎＰの層内に、Ａｓの２次イオン強度が０．１以下となる領域が存在するような構造とする。ＡｌＧａＩｎＰの層に含まれるＡｓの濃度を低くすることにより、結晶欠陥が生じにくくなる。【選択図】          図２
2005236023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＧａＩｎＰの層を１層以上含むレーザ構造が形成された半導体レーザ素子であって、
二次イオン質量分析法により測定される前記ＧａＡｓ基板のＡｓ２次イオン強度を１００としたときに、前記ＡｌＧａＩｎＰの層のうち少なくともいずれかの層内に、Ａｓの２次イオン強度が０．１以下となる領域が存在することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記領域の前記Ａｓの２次イオン強度が０．０５以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子は、
第１導電型のＧａＡｓ基板、
前記ＧａＡｓ基板の上に配置された第１導電型のＧａＡｓバッファ層、
前記ＧａＡｓバッファ層の上に配置された第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層、
前記第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に配置された活性層、
前記活性層の上に配置された第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層、
前記第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に配置された第２導電型のヘテロバッファ層、および
前記へテロバッファ層の上に配置された第２導電型のＧａＡｓキャップ層
を備えた構造であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
【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する。詳しくは、ＡｌＧａＩｎＰ混晶を発光素子材料として用いる赤色半導体レ−ザ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振波長６３０〜６８０ｎｍの赤色半導体レーザは、光記録（ＤＶＤ：デジタル・バーサタイル・ディスクなど）、光センサ（バーコードリーダなど）、印刷／表示（レーザプリンタやディスプレイ）、その他（レーザポインタなど）様々な分野において、広く利用されている。
【０００３】
特に光記録の分野では、ＤＶＤ−Ｒ／ＲＷをはじめとする大容量記録媒体の普及に伴い、データ記録速度の向上が求められている。高速記録の実現には、記録媒体上に高速かつ高密度にピットを形成する技術が必要不可欠であり、光源として用いられる赤色半導体レーザには、高い出力と信頼性が要求されている。
【０００４】
赤色半導体レーザの寿命特性は、発光材料として用いられるＡｌＧａＩｎＰ混晶の結晶品質に大きく影響されることが知られている。ＡｌＧａＩｎＰ層内に生じる結晶欠陥は、非発光再結合の中心となって半導体レーザの発光効率を低下させ、赤色半導体レーザの劣化を速める要因となる。また、発光効率が低下すれば、半導体レ−ザの駆動電圧は上昇する。駆動電圧の上昇は素子の劣化を速めるため、半導体レーザの寿命特性はさらに悪化する。
【０００５】
結晶欠陥が生じる要因としては、例えば特許文献１に記載されているように、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＡｓ基板の格子定数の違いが大きいと、ミスフィット転位が生じたり、ストレスの発生による欠陥の伸張が促進されることが知られている。
【特許文献１】特開平５−６３２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みて、ＡｌＧａＩｎＰ層の結晶品質がよく、高性能、長寿命かつ信頼性の高い半導体レ−ザ素子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】
【０００７】
発明者は、ＡｌＧａＩｎＰ層の結晶品質を向上させるべく鋭意検討する過程で、半導体レーザ素子のＡｌＧａＩｎＰ層に、本来含まれていないはずのＡｓが僅かながら含まれていることを発見した。さらに発明者は、そのＡｓがＡｌＧａＩｎＰ層に結晶欠陥を生じさせる要因の１つとなっていることを見出した。本発明の半導体レーザ素子は、この新たな知見に基づいて発明されたものである。
【０００８】
本発明の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＧａＩｎＰの層を１層以上含むレーザ構造が形成された素子であって、二次イオン質量分析法により測定されるＧａＡｓ基板のＡｓ２次イオン強度を１００としたときに、ＡｌＧａＩｎＰの層のうち少なくともいずれかの層内に、Ａｓの２次イオン強度が０．１以下となる領域が存在することを特徴とする。
【０００９】
上記知見によれば、ＡｌＧａＩｎＰの層に含まれるＡｓが少ないほど、結晶欠陥は生じにくくなる。よって、Ａｓの２次イオン強度が０．１以下となる領域は、ＡｌＧａＩｎＰの層内のできるだけ広い範囲にわたって存在することが好ましい。また、その領域のＡｓの２次イオン強度は、０．０５以下であれば、さらに好ましい。
【００１０】
「ＧａＡｓ基板の上に、ＡｌＧａＩｎＰの層を１層以上含むレーザ構造が形成された」とは、レーザを構成する層のうち、例えばクラッド層など少なくとも１つの層がＡｌＧａＩｎＰからなる層であることを意味する。具体的には、例えば、少なくとも第１導電型（ｐ型あるいはｎ型）のＧａＡｓ基板、そのＧａＡｓ基板の上に配置された第１導電型のＧａＡｓバッファ層、そのＧａＡｓバッファ層の上に配置された第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層、その第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に配置された活性層、およびその活性層の上に配置された第２導電型（ｎ型あるいはｐ型）のＡｌＧａＩｎＰクラッド層、その第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に配置された第２導電型のヘテロバッファ層、およびへテロバッファ層上に配置された第２導電型のＧａＡｓキャップ層を備えた構造の素子などが、これに該当する。但し、ここで「上に配置された」とは、層のすぐ上に配置される場合に限らず、間に他の層が形成されている場合も含むものとする。また、層の全体を覆うように配置された場合に限らず、層の一部の上に配置された場合も含むものとする。
【００１１】
この構造では、第１導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層および第２導電型のＡｌＧａＩｎＰクラッド層が、前述のＡｌＧａＩｎＰの層に相当する。また、活性層にＡｌＧａＩｎＰ層が含まれる場合には、その層も前述のＡｌＧａＩｎＰの層に相当する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体レーザ素子では、レーザ構造を構成するＡｌＧａＩｎＰ層内に、二次イオン質量分析法により測定されるＧａＡｓ基板のＡｓ２次イオン強度を１００としたときに、Ａｓの２次イオン強度が０．１以下となるような領域が存在する。Ａｓ含有量が小さい領域では結晶欠陥が生じにくいため、本発明の半導体レーザ素子は、そのような領域が無い構造の素子に比べ、寿命特性に優れる。
【００１３】
特に、クラッド層、活性層を構成するＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度が小さい場合に、優れた寿命特性が得られる。また、ＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度が０．０５以下の構造では、さらに優れた寿命特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本実施の形態における赤色半導体レーザ素子の構造を示す概略図である。この赤色半導体レーザ素子は、通常の結晶方位面(（１００）面)に対し（１１１）Ａ面方向に５〜１５度傾斜した面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１と、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層されたｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐクラッド層３、活性層４、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ第１クラッド層５およびｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐエッチングストップ層６と、さらにその上に形成されたリッジ形状部１４と、リッジ形状部１４を挟みこむように形成された電流ブロック層１０と、リッジ形状部１４および電流ブロック層１０を覆うように形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１とにより構成される。
【００１６】
活性層４は、１００Å以下の極薄膜からなる量子井戸層と障壁層が交互に複数積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造をしている。多重量子井戸活性層は、組成が異なるＧａＩｎＰ層を、量子井戸層および障壁層として交互に積層した構造をしている。または、ＧａＩｎＰ量子井戸層とＡｌＧａＩｎＰ障壁層が交互に積層された構造でもよい。あるいは、量子井戸層に圧縮歪みまたは引っ張り歪みを与えた歪み活性層、もしくは量子井戸層には圧縮歪みを、障壁層に引っ張り歪みを与えた歪補償型の活性層としてもよい。
【００１７】
リッジ形状部１４は、図に示すように、ｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ第２クラッド層７、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐヘテロバッファ層８およびｐ型ＧａＡｓキャップ層９が積層された構造を有する。ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極１２が、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１の上部にはｐ側電極１３が設けられている。
【００１８】
以下、図１の赤色半導体レーザ素子の具体的な作製プロセスを、順を追って説明する。まず、通常の結晶方位面(（１００）面)に対し（１１１）Ａ面方向に５〜１５度傾斜した面を主面とするｎ型ＧａＡｓウエハ基板を、結晶成長装置にセットし、その主面上に有機金属化学気相成長法により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２となるＧａＡｓ膜、ｎ型クラッド層３となるｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、多重量子井戸活性層４を構成する薄膜積層構造、ｐ型第１クラッド層５となるｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜を形成する。
【００１９】
次に、後述する工程においてエッチングストップ層６として機能するｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜を形成し、その上に、ｐ型第２クラッド層７となる（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、ヘテロバッファ層８となるｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜およびキャップ層９となるｐ型ＧａＡｓ膜を形成する。
【００２０】
次に、そのｐ型ＧａＡｓ膜の上に、リッジ形状部が形成される部分のみを覆うようにＳｉＯ２膜を形成し、そのＳｉＯ２膜をマスクとして、ｐ型ＧａＡｓ膜、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜、（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ膜をエッチングする。この際、エッチングストップ層６の機能により、エッチングストップ層６より下の層がエッチングされることはない。これにより、エッチングストップ層６の上に、メサストライプ上のリッジ構造、すなわち前述のリッジ形状部１４が形成される。
【００２１】
その後、ＳｉＯ２マスクを用いて、選択成長法によりエッチングストップ層６上のリッジ形状部１４がない部分に、電流ブロック層１０となるｎ型ＧａＡｓ膜を結晶成長により形成する。さらに、ＳｉＯ２マスクを除去した後に、リッジ形状部１４と電流ブロック層１０の両方を覆うように、コンタクト層１１となるｐ型ＧａＡｓ膜を形成する。
【００２２】
次に、コンタクト層１１の上にｐ側電極１３の材料（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。さらに、全体の厚みが１００μｍ程度になるまで、ＧａＡｓ基板１の研磨を行った後に、その研磨された面にｎ側電極１２の材料（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。
【００２３】
最後に、上記のように処理されたウエハから、共振器長０．７５〜１．５ｍｍ程度のレーザバーを劈開により切り出し、劈開面の一方には低反射率光学膜を、他方には高反射率光学膜をコーティングする。さらに、各レーザバーを劈開によりチップに分離する。これにより図１に示したような半導体レーザ素子が完成する。
【００２４】
本実施の形態の赤色半導体レーザ素子の特徴は、クラッド層３，５，７と活性層４に含まれるＡｓの量が少ない点にある。以下、この特徴について、詳細に説明する。
【００２５】
発明者は、従来の赤色半導体レーザ素子を構成するＡｌＧａＩｎＰの層に本来含まれていないはずのＡｓが含まれているのは、結晶成長装置内にＡｓを含む原料が残留しており、その結晶成長装置を用いてＡｌＧａＩｎＰ層を形成する際にその残留物がＡｌＧａＩｎＰ層に混入するためであると考えた。
【００２６】
そこで、まず、結晶成長装置を改良して、ウエハを設置するトレイおよびその周辺部品を簡単に取り外せるような構造とし、１回の結晶成長プロセスを行うごとに、そのトレイなどを取り外して王水などの強酸により洗浄することとした。これにより、ＡｌＧａＩｎＰ層を形成する際にその残留物がＡｌＧａＩｎＰ層に混入する可能性を軽減できる。
【００２７】
また、一般に結晶膜の成長温度を高めに設定すれば、Ａｓの含有量を低減できることが知られている。そこで、ＡｌＧａＩｎＰ結晶膜の成長に悪影響を及ぼさない範囲で、できるだけ高めの温度として、成長温度を７３５℃近辺に設定することとした。
【００２８】
図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、ＡｌＧａＩｎＰ層の成長条件（洗浄、成長温度）がＡｓ含有量に与える影響を評価した結果を示す。評価は３種類の構造サンプルを作製して行った。各構造サンプルは、ＧａＡｓ基板上に、異なる成長条件でＡｌＧａＩｎＰ膜を形成し、さらにその上にＧａＡｓ層を形成したものである。サンプルＸは、結晶成長装置の洗浄を行い、さらに成長温度を高めに設定して作製されたものである。サンプルＹは、成長温度を高めに設定して作製されたものであるが、結晶成長装置の洗浄は特に行っていない。サンプルＺは、従来と同様の方法により作製したものである。
【００２９】
図２（ａ）はサンプルＸについて、図２（ｂ）はサンプルＹについて、図２（ｃ）はサンプルＺについて、それぞれ二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて深さ方向の測定を行った結果を表すグラフである。グラフの横軸は、サンプル表面からの深さを表し、グラフの縦軸は各深さにおけるＡｓの２次イオン強度を表している。２次イオン強度は、ＧａＡｓ層の２次イオン強度を１０２としたときの相対値で表す。
【００３０】
グラフが示すように、ＧａＡｓ層の２次イオン強度を１０２とすると、サンプルＸのＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度は１０−１以下であり、平均値は約０．０４である。また、サンプルＹのＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度は、ＡｌＧａＩｎＰ層の下部（ＧａＡｓ基板に近い側）では１０−１を多少超えているものの、ほぼ１０−１であり、平均値は約０．１１である。サンプルＺのＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度の平均値は約０．２７である。サンプルＺでは、ＡｌＧａＩｎＰ層中に、Ａｓの２次イオン強度が１０−１を下回る領域は存在しない。
【００３１】
次に、半導体レーザのＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓ含有量がレーザ特性に与える影響を評価した結果を示す。評価は、図１に示した構造の半導体レーザ素子で、クラッド層などのＡｌＧａＩｎＰ層をサンプルＸと同じ成長条件で形成した半導体レーザ素子Ｘ、サンプルＹと同じ成長条件で形成した半導体レーザ素子Ｙ、サンプルＺと同じ成長条件で形成した半導体レーザ素子Ｚを用意し、そのそれぞれについて推定寿命を調べた。ここで、半導体レーザ素子の推定寿命は、動作温度５０℃、出力５ｍＷの条件にて、ＡＰＣ駆動させたときに、素子の駆動電流値が初期の２０％増に達する予定時間を表す。Ａｓ含有量は、半導体レーザ素子のＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度として表す。各半導体レーザ素子のＡｌＧａＩｎＰ層はサンプルＸ，Ｙ，Ｚとそれぞれ同じ成長条件で形成されたものであるため、Ａｓの２次イオン強度の平均値はサンプルＸ，Ｙ、Ｚと同じ０．０４、０．１１、０．２７と推定することができる。
【００３２】
図３は、各半導体レーザ素子Ｘ，Ｙ、Ｚについて、半導体レーザ素子のＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度の平均値を横軸、半導体レーザ素子の推定寿命を縦軸とするグラフに、各サンプルの測定値をプロットした結果を表したものである。図３に示すように、半導体レーザ素子Ｘ，Ｙは、経時変化が小さく長時間にわたり安定して動作した。半導体レーザ素子Ｘ，Ｙともに、推定寿命は１万時間を超え、半導体レーザ素子Ｙよりも半導体レーザ素子Ｘのほうが寿命特性は優れていた。一方、半導体レーザ素子Ｚは、製造ロットが同じチップでも特性が大きくばらつくことがあり、寿命も１１００時間程度と芳しくなかった。
【００３３】
この評価結果は、Ａｓ含有量が少ないほど寿命特性に優れることを示している。また、この評価結果から、実用上十分な寿命特性を得るためには、ＡｌＧａＩｎＰ層のＡｓの２次イオン強度が基板のＡｓ２次イオン強度を１００としたときに概ね０．１以下であればよいこともわかる。但し、必ずしもＡｌＧａＩｎＰ層全体にわたって２次イオン強度が０．１以下である必要はなく、発光層、すなわち活性層とクラッド層のＡｓ２次イオン強度が０．１以下であれば、発光層の結晶品質が確保され、ある程度良い寿命特性が得られるものと考えられる。
【００３４】
以上に説明したように、ｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐヘテロバッファ層からｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ第１クラッド層にかけての層内に、Ａｓの２次イオン強度が０．１以下となる領域が多く存在するような半導体レーザ素子を用いれば、長時間にわたり安定して動作することができる信頼性の高い半導体レーザ装置を提供することができる。
【００３５】
赤色半導体レーザ装置は、レーザ加工、情報・画像処理、通信、計測、医療、印刷など様々な分野で光源として利用されており、本発明の有用性が極めて高いことを明らかである。
【００３６】
なお、上記説明において例示したＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰの組成比率は、ＧａＡｓ基板に格子整合する組成比率を示しているにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰの組成比率は、ＧａＡｓと格子整合する組成比率であれば、どのような組成比率であってもよい。もしくは格子整合から外れた歪層であっても、その厚さが臨界膜厚に達しなければよい。
【００３７】
また、上記説明において例示したｎ型の層をｐ型に置き換え、ｐ型の層をｎ型の層に置き換えた構造でも同様の効果が得られることは明らかであり、上記例と導電型が反対の場合も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。本発明の特徴は、レーザ構造を構成するＡｌＧａＩｎＰの層に含まれるＡｓの量が少ないことであり、したがって上記層構造はあくまでも一例にすぎない。
【００３８】
また、半導体レーザ素子は、Ａｓの含有量を低減できる方法であれば、上記例と異なる作製方法により作製してもよい。
【００３９】
また、本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ層を１層以上含むレーザ構造を有する半導体レーザ素子であれば、上記実施の形態として例示したロスガイド型半導体レーザに限らず適用可能である。本発明を適用し得るレーザ構造としては、例えば、実屈折率導波型の半導体レーザ、利得導波型の半導体レーザ、回折格子を備えた構造の半導体レーザなどがあげられる。ストライプ幅が広くマルチモードで発振する半導体レーザや、一次元バーレーザ、二次元アレイレーザへの応用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態における半導体レーザ素子の構造概要を示す図
【図２】ＡｌＧａＩｎＰ層を備えたサンプルの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による深さ方向の測定結果を表すグラフ
【図３】本発明の一実施の形態における半導体レーザ素子の寿命特性の評価結果を表すグラフ
【符号の説明】
【００４１】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
２  ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３  ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４  活性層
５  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
６  ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストップ層
７  ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
８  ｐ型ＧａＩｎＰヘテロバッファ層
９  ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１０  ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
１１  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１２  ｎ側電極
１３  ｐ側電極
１４  リッジ形状部
【図１】
2005236023.tif 000003
【図２】
2005236023.tif 000004
【図３】
2005236023.tif 000005