(57)【要約】【課題】  低雑音特性を有し、非点隔差が小さく、しかも製造が容易な構造を有する半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  エッチングストップ層を２重に形成して、出射端面近傍領域における活性層１０４と導波路リッジ部１１２との間隔ｄ１を所定の間隔より小さくし、これ以外の領域における活性層１０４と導波路リッジ部１１２との間隔ｄ０を所定の間隔より大きくすることにより、製造が容易な構造で、出射端面近傍領域では非点隔差を小さくすることができ、出射端面近傍領域以外では光の分布幅は広がり、自励発振を容易に実現して低雑音特性を確保することができる。【選択図】図１
2007067122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リッジ型導波路を備える自励発振型の半導体レーザ素子であって、
活性層とリッジ型導波路の間隔を所定の間隔より大きくしながら、出射端面近傍領域のみについて活性層とリッジ型導波路の間隔を所定の間隔より小さくすることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板と、
前記基板に積層された第１導電型のクラッド層と、
前記第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された第２導電型の第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に形成された第２導電型の第１のエッチングストップ層と、
前記第１のエッチングストップ層上に形成された第１導電型の電流ブロック層と、
前記第１のエッチングストップ層上における前記第１導電型の電流ブロック層中の出射端面近傍領域に形成されたリッジ型導波路の一部となる第２導電型の第２のクラッド層と、
前記第１導電型の電流ブロック層中に前記第２のクラッド層上部と接するように形成された第２導電型の第２のエッチングストップ層と、
前記第１導電型の電流ブロック層中に前記第２のエッチングストップ層をはさんで形成されたリッジ型導波路の一部となる第２導電型の第３のクラッド層と、
第１導電型の電極と、
第２導電型の電極と
を有し、前記活性層と前記リッジ型導波路の間隔を所定の間隔より大きくしながら、出射端面近傍領域のみについて前記活性層と前記リッジ型導波路の間隔を所定の間隔より小さくすることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２のエッチングストップ層は、前記活性層からの発光に対し、少なくとも吸収成分を含有することを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
第１導電型の半導体基板に第１導電型のクラッド層，活性層，所定の膜厚の第２導電型の第１のクラッド層，第２導電型の第１のエッチングストップ層，所定の膜厚の第２導電型の第２のクラッド層，第２導電型の第２のエッチングストップ層および第２導電型の第３のクラッド層を順に積層する工程と、
前記第２導電型の第３のクラッド層を前記第２導電型の第２のエッチングストップ層まで選択的にエッチングしてリッジ型導波路の上部を形成する工程と、
出射端面近傍領域における前記第２のクラッド層および前記第２のエッチングストップ層の前記リッジ型導波路周辺部を前記第１のエッチングストップ層まで選択的にエッチングして出射端面近傍領域に前記リッジ型導波路の下部を形成する工程と、
第１導電型の電流ブロック層を積層する工程と、
第１導電型の電極および第２導電型の電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法に関するものであり、特に、光ディスク装置などの光源として好適に用いることのできる半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクなどの光源として使用される半導体レーザには、極めて低雑音であることが要求される。このような低雑音特性の要求に対して、自励発振現象を利用した半導体レーザがしばしば用いられる。自励発振現象を利用すれば、発振スペクトルがマルチ縦モード化する。さらに、各縦モードのスペクトル幅が広くなり、低雑音特性が得られる。このような自励発振型の半導体レーザ素子に関する提案がいくつかなされている。
【０００３】
図４は従来の自励発振型の半導体レーザ素子の構造を例示する図である。この半導体レーザ素子は、ＶＳＩＶ（Ｖ−ｃｈａｎｎｅｌｅｄ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｉｎｎｅｒ  Ｓｔｒｉｐｅ）構造を有する。ｐ型ＧａＡｓ基板４０１上にｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層４０２が形成され、その表面から基板４０１に達するＶ字溝４１０が形成されている。その上方にｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４０３、ＡｌＧａＡｓ活性層４０４、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層４０５、ｎ型ＧａＡｓキャップ層４０６がエピタキシャル成長によって形成され、さらにｎ型電極４０７、ｐ型電極４０８が設けられている。自励発振現象は電流狭窄のためのＶ字溝４１０における両外側のクラッド層４０３の膜厚ｄを大きくして屈折率導波機構を弱め、発光スポットを大きくすることによって起こされる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
さらに、上記とは異なる方法として、図５の従来のテーパー領域を有する自励発振型の半導体レーザ素子の構成を示す概略図に示すように、半導体レーザ素子のリッジストライプ部５０７が共振長方向の両端部に共振器長方向の中央部から共振器長方向の両端部に向かう方向に幅が減少するテーパー領域を有しており、この構造により安定して自励発振を得ることができる（例えば、特許文献２参照）。
【非特許文献１】林他、信学技報ＭＷ８４−２４，  ｐ．  ６５（１９８４）
【非特許文献２】鈴木他、信学技報ＯＱＥ８４−５７，  ｐ．  ３９（１９８４）
【特許文献１】特公平６−５６９１０号公報
【特許文献２】特開平１０−７５０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のＶ字溝４１０を形成した従来構造の半導体レーザ素子の場合、光の分布が大きくなること、およびこれによってｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層４０２による光吸収が大きくなることにより、発振しきい値電流値が大きくなってしまうという欠点があった。また、この半導体レーザでは屈折率導波機構が弱いために、非点隔差が大きくなる欠点もあった。
【０００６】
一方、テーパー領域を有する従来構造の半導体レーザ素子の場合、ストライプ中央部でマルチ縦モード性を確保しつつ、ストライプ端面部で単一横モードを確保する最適な条件が非常に狭いため、条件出しが非常に困難であり、歩留りが低い欠点があった。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、低雑音特性を有し、非点隔差が小さく、しかも製造が容易な構造を有する半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１記載の半導体レーザ素子は、リッジ型導波路を備える自励発振型の半導体レーザ素子であって、活性層とリッジ型導波路の間隔を所定の間隔より大きくしながら、出射端面近傍領域のみについて活性層とリッジ型導波路の間隔を所定の間隔より小さくすることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の半導体レーザ素子は、第１導電型の半導体基板と、前記基板に積層された第１導電型のクラッド層と、前記第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された第２導電型の第１のエッチングストップ層と、前記第１のエッチングストップ層上に形成された第１導電型の電流ブロック層と、前記第１のエッチングストップ層上における前記第１導電型の電流ブロック層中の出射端面近傍領域に形成されたリッジ型導波路の一部となる第２導電型の第２のクラッド層と、前記第１導電型の電流ブロック層中に前記第２のクラッド層上部と接するように形成された第２導電型の第２のエッチングストップ層と、前記第１導電型の電流ブロック層中に前記第２のエッチングストップ層をはさんで形成されたリッジ型導波路の一部となる第２導電型の第３のクラッド層と、第１導電型の電極と、第２導電型の電極とを有し、前記活性層と前記リッジ型導波路の間隔を所定の間隔より大きくしながら、出射端面近傍領域のみについて前記活性層と前記リッジ型導波路の間隔を所定の間隔より小さくすることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の半導体レーザ素子は、請求項２記載の半導体レーザ素子において、前記第２のエッチングストップ層は、前記活性層からの発光に対し、少なくとも吸収成分を含有することを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の半導体レーザ素子の製造方法は、第１導電型の半導体基板に第１導電型のクラッド層，活性層，所定の膜厚の第２導電型の第１のクラッド層，第２導電型の第１のエッチングストップ層，所定の膜厚の第２導電型の第２のクラッド層，第２導電型の第２のエッチングストップ層および第２導電型の第３のクラッド層を順に積層する工程と、前記第２導電型の第３のクラッド層を前記第２導電型の第２のエッチングストップ層まで選択的にエッチングしてリッジ型導波路の上部を形成する工程と、出射端面近傍領域における前記第２のクラッド層および前記第２のエッチングストップ層の前記リッジ型導波路周辺部を前記第１のエッチングストップ層まで選択的にエッチングして出射端面近傍領域に前記リッジ型導波路の下部を形成する工程と、第１導電型の電流ブロック層を積層する工程と、第１導電型の電極および第２導電型の電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
以上により、低雑音特性を有し、非点隔差が小さく、しかも製造が容易な構造を有する半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子は、通常用いられる直線状のリッジ導波路を有し、エッチングストップ層を２重（２層）に形成して、出射端面近傍領域における活性層と導波路リッジ部との間隔を所定の間隔より小さくし、これ以外の領域における活性層と導波路リッジ部との間隔を所定の間隔より大きくすることにより、製造が容易な構造で、出射端面近傍領域では非点隔差を小さくすることができ、出射端面近傍領域以外では光の分布幅は広がり、自励発振を容易に実現して低雑音特性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について、図面を参照して以下に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１，図２を参照して以下に説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の断面図であり、図１（ａ）および図１（ｂ）はそれぞれ、出射端面近傍以外の領域、および出射端面近傍領域における断面図である。図２は本発明の実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法を示す工程断面図である。
【００１６】
以下、製造工程にしたがって説明する。
まず、有機金属気相成長法を用いてｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０３、ＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５を順次積層する。図２（ａ）は前述の積層工程が終了した段階を示す断面図である。
【００１７】
なお、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７はアンドープであってもよい。また、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７は、ＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４からの発光に対し、少なくともわずかな吸収成分（０．１ｃｍ−１以上）を有することが望ましい。この吸収成分により、高温動作時まで安定してマルチモード発振を得ることができる。
【００１８】
次に、幅Ｗ（例えば３ｕｍ）のストライプ状のレジストマスクを作製し、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７に達するまでエッチングを行い、リッジ部１１２の上部を形成する。図２（ｂ）はリッジ部１１２のストライプ方向に垂直な断面図である。
【００１９】
次に、レジストマスクを除去した後、リッジ部１１２に対して直交する幅Ｌ−Ｄ（例えば２８０ｕｍ）のストライプ状の領域にレジストマスクを作製する。レジストマスクはリッジ部１１２の共振器方向における端面部の一方をＤだけ開口してリッジ部１１２をマスクする。ここで、半導体レーザ素子の共振器長をＬ（この例では３００ｕｍ）とする。レジストマスクが堆積しない開口部は、後に出射端面近傍の領域となる。その後、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６に達するまでエッチングを行い、レジストマスクを除去する。図２（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、このエッチングが行われた後の端面近傍の領域におけるストライプ方向に垂直な断面図および上面図である。
【００２０】
なお、図２（ｃ）に示す端面近傍の領域は、半導体レーザ端面の両方にあってもよい。また、端面近傍の領域Ｄは、０≦Ｄ≦Ｌ/３の範囲であることが望ましい。
次に、ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層１０８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０９を同様に積層する。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０９の上には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極のようなｐ型電極１１０を形成する。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極のようなｎ型電極１１１を形成する。図２（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ、この工程が終了した後の端面近傍以外の領域および端面近傍の領域の断面図である。
【００２１】
上述のように、リッジ部１１２以外の領域および出射端面近傍の領域は二回のエッチングが行われることになる。そのため、リッジ部１１２以外の領域において、出射端面近傍の領域でのＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５の界面からｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６の表面までの厚さをｄ１とし、出射端面近傍以外の領域におけるＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５の界面からｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７の表面までの厚さをｄ０とすると、ｄ０＞ｄ１となる。また、リッジ部１１２の内部においては全くエッチングが行われないため、出射端面近傍におけるリッジ部の内側の厚さをＩ１とし、出射端面近傍以外の領域におけるリッジ部の内側の厚さをＩ０とすると、Ｉ０＜Ｉ１となる。ここで、本実施の形態における例では、各ｄ０、ｄ１、Ｉ０、Ｉ１の厚さを、ｄ０＝０．５５ｕｍ、ｄ１＝０．２５ｕｍ、Ｉ０＝０．７０ｕｍ、Ｉ１＝１．００ｕｍとする。なお、ｄ０の最低値とｄ１の最大値は、０．３０ｕｍであり、この数値を目安としてｄ０、ｄ１を設定することが望ましい。
【００２２】
本実施の形態における半導体レーザ素子の出射端面近傍領域以外の領域では、リッジ部１１２の外側でのＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５の界面からｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０７の表面までの層厚ｄ０＝０．５５ｕｍであり、大きく設定されているため、リッジ部１１２の存在する領域とその外側のリッジ部１１２の存在しない領域との間の等価屈折率差が小さくなっている。そのため、ＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４に注入されるキャリア分布が広がり、光の分布幅は広がる。リッジ部１１２の幅Ｗは光の分布より小さくなるように設定されているので、ＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４での利得の得られる幅よりも光の分布の方が大きくなる。このように自励発振を容易に実現できる。
【００２３】
また、出射端面の近傍領域では、リッジ部１１２の外側でのＧａＩｎＰ量子井戸活性層１０４とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０５の界面からｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層１０６の表面までの層厚ｄ１が小さいので、リッジ部１１２の存在する領域とその外側のリッジ部１１２の存在しない領域との間の等価屈折率差が大きくなっている。等価屈折率差が大きくなると、導波光の等位相面がそろい、非点隔差を小さくすることができる。
【００２４】
また、前述のように本実施の形態における半導体レーザ素子の製造方法では、出射端面近傍の領域のエッチングとリッジ部１１２を形成するためのエッチングとが別々のエッチングストップ層を用いて行われる。そのため、選択的エッチングの手法を用いれば、エッチングの条件を厳密にコントロールすることが可能となる。すなわち、製造工程の管理が容易となり、等価屈折率差を容易に制御できるとともに、高い歩留りで製造できる。
【００２５】
本実施の形態における半導体レーザ素子によると、非点隔差は１５ｕｍ以下であり、１２０℃の高温までマルチモード発振することを確認することができた。
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の断面図であり、図３（ａ）および図３（ｂ）はそれぞれ、出射端面近傍以外の領域、および出射端面近傍領域における断面図である。
【００２６】
図３に示すように、ｎ型ＧａＮ基板３０１上にＧａＮバッファ層３０２、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層３０３、ＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸活性層３０４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０５、ｐ型ＡｌＧａＮエッチングストップ層３０６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０５、ｐ型ＡｌＧａＮエッチングストップ層３０７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０５、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８とを有している。また、ｐ型ＧａＮコンタクト層３０８の上には、Ｎｉ／ＡｕやＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ等からなるｐ型電極３０９が設けられている。一方、ｎ型ＧａＮ基板３０１の裏面には、Ｔｉ／Ａｌ等からなるｎ型電極３１０が設けられている。ここで、リッジ部３１１以外の領域において、出射端面近傍の領域でのＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸活性層３０４とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０５の界面からｐ型ＡｌＧａＮエッチングストップ層３０６の表面までの厚さをｄ１とし、出射端面近傍以外の領域におけるＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸活性層３０４とｐ型ＡｌＧａＮクラッド層３０５の界面からｐ型ＡｌＧａＮエッチングストップ層３０７の表面までの厚さをｄ０とすると、ｄ０＞ｄ１となっている。このような関係にすることで、本実施の形態における半導体レーザ素子の出射端面近傍領域以外の領域では、リッジ部３１１の存在する領域とその外側のリッジ部３１１の存在しない領域との間の等価屈折率差が出射端面の近傍領域よりも小さくなっているため、自励発振を容易に実現できるとともに、非点隔差を小さくすることができる。
【００２７】
以上のように、通常用いられる直線状のリッジ導波路を有し、出射端面近傍領域における活性層と導波路リッジ部の間隔を所定の間隔より小さくし、これ以外の領域における活性層と導波路リッジ部の間隔を所定の間隔より大きくすることにより、出射端面近傍領域では活性層と導波路リッジ部の間隔が狭いので、クラッド層におけるリッジ部下部領域とそれ以外の領域の等価屈折率差が大きくなり、導波光の等位相面がそろうため、非点隔差を小さくすることができ、出射端面近傍領域以外では活性層と導波路リッジ部の間隔が広いので、クラッド層におけるリッジ部下部領域とそれ以外の領域の等価屈折率差が小さくなり、活性層に注入されるキャリア分布が広がるため、光の分布幅は広がり、自励発振を容易に実現して低雑音特性を確保することができる。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施の形態において挙げた数値、素子構造、基板、プロセス、成長方法などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、素子構造、プロセス、成長方法などを用いてもよい。具体的には、上述の実施の形態においては、有機金属気相成長法を用いているが、例えば分子線エピタキシー法などの他のエピタキシャル成長法を用いてもよい。また、上述の実施の形態においては、発明を赤色あるいは青色単色の半導体レーザ素子に適用する場合についてのみ説明したが、赤色／赤外光の二波長半導体レーザ素子にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、低雑音特性を有し、非点隔差が小さく、しかも製造が容易な構造を有し、光ディスク装置などの光源として好適に用いることのできる半導体レーザ素子および半導体レーザ素子の製造方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の構造を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１における半導体レーザ素子の製造方法を示す工程断面図
【図３】本発明の実施の形態２における半導体レーザ素子の構造を示す断面図
【図４】従来の自励発振型の半導体レーザ素子の構造を例示する図
【図５】従来のテーパー領域を有する自励発振型の半導体レーザ素子の構成を示す概略図
【符号の説明】
【００３１】
１０１    ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２    ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１０３    ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０４    ＧａＩｎＰ量子井戸活性層
１０５    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０６    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０７    ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層
１０８    ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
１０９    ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１０    ｐ型電極
１１１    ｎ型電極
１１２    リッジ部
３０１    ｎ型ＧａＮ基板
３０２    ｎ型ＧａＮバッファ層
３０３    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０４    ＩｎＧａＮ/ＧａＮ量子井戸活性層
３０５    ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
３０６    ｐ型ＡｌＧａＮエッチングストップ層
３０７    ｐ型ＡｌＧａＮエッチングストップ層
３０８    ｐ型ＧａＮコンタクト層
３０９    ｐ型電極
３１０    ｎ型電極
３１１    リッジ部
４０１    ｐ型ＧａＡｓ基板
４０２    ｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層
４０３    ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４０４    ＡｌＧａＡｓ活性層
４０５    ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４０６    ｎ型ＧａＡｓキャップ層
４０７    ｎ型電極
４０８    ｐ型電極
４１０    Ｖ字溝
５０７    リッジ部
【図１】
2007067122.tif 000003
【図２】
2007067122.tif 000004
【図３】
2007067122.tif 000005
【図４】
2007067122.tif 000006
【図５】
2007067122.tif 000007