(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、前記半導体基板側から、第１導電型クラッド層、レーザ活性層および第２導電型クラッド層をこの順に含み、前記第２導電型クラッド層の表面に平坦面とリッジ状の突出部とが存在し、このリッジ状の突出部の側面および前記平坦面上に、前記第２導電型クラッド層よりも屈折率が小さい第１導電型の電流ブロック層が形成された半導体レーザであって、
前記電流ブロック層が、互いに組成が相違する、前記側面の上方に接する第１領域、前記側面の下方に接する第２領域、および前記平坦面に接する第３領域を有し、前記各領域における前記半導体基板に対する格子不整率をそれぞれε１、ε２およびε３としたときに、以下の関係が成立することを特徴とする半導体レーザ。
｜ε２｜＜｜ε１｜
｜ε２｜＜｜ε３｜
【請求項２】
さらに以下の関係が成立する請求項１に記載の半導体レーザ。
ε１＜ε２＜ε３
【請求項３】
さらに以下の関係が成立する請求項１または２に記載の半導体レーザ。
−０．１≦ε２≦０．２
【請求項４】
半導体基板がＧａＡｓ基板であり、電流ブロック層がＡｌＩｎＰ層またはＡｌＧａＩｎＰ層である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、前記半導体基板側から、第１導電型クラッド層、レーザ活性層および第２導電型クラッド層をこの順に含み、前記第２導電型クラッド層の表面に平坦面とリッジ状の突出部とが存在し、このリッジ状の突出部の側面および前記平坦面上に、前記第２導電型クラッド層よりも屈折率が小さい第１導電型の電流ブロック層が形成された半導体レーザであって、
前記電流ブロック層が、（Ａｌ1-yＧａy）xＩｎ1-xＰ層（ただし、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）であって、前記半導体基板が、ＧａＡｓ基板であり、かつ、
前記電流ブロック層が、互いに組成が相違する、前記側面の上方に接する第１領域、前記側面の下方に接する第２領域、および前記平坦面に接する第３領域を有し、前記各領域における前記ｘをそれぞれｘ１、ｘ２およびｘ３としたときに、以下の関係が成立することを特徴とする半導体レーザ。
｜ｘ２−０．５｜＜｜ｘ１−０．５｜
｜ｘ２−０．５｜＜｜ｘ３−０．５｜
【請求項６】
さらに以下の関係が成立する請求項５に記載の半導体レーザ。
ｘ１＞ｘ２＞ｘ３
【請求項７】
さらに以下の関係が成立する請求項５または６に記載の半導体レーザ。
０．４７≦ｘ２≦０．５２
【請求項８】
リッジ状の突出部の側面が、平坦部となす角度が実質的に一定である第１面と、前記角度よりも小さい角度を平坦部との間で形成する第２面とを有し、前記第１面と電流ブロック層の第１領域とが接し、前記第２面と電流ブロック層の第２領域とが接している請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関し、特に、光ディスクシステムの光源などに用いられる埋め込みリッジ型半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）や光磁気（ＭＯ）ディスク等の光ディスクシステムの光源等に用いられる埋め込みリッジ型赤色半導体レーザでは、その高性能化のために、電流ブロック層にＡｌＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰを用いた実屈折率導波型構造が積極的に開発されている。
【０００３】
図５を参照して上記半導体レーザの一般的な構造を説明する。この半導体レーザにおいては、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１０２、ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰによる歪量子井戸活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ内側クラッド層１０４、ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層１０５が順次形成されている。エッチング停止層の上には、リッジ状のｐ型ＡｌＧａＩｎＰ外側クラッド層１０６が形成され、この外側クラッド層上には、ｐ型ＧａＩｎＰバッファ層１０７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８が形成されている。また、リッジ状の外側クラッド層１０６を埋め込むように、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１１０およびｎ型ＧａＡｓキャップ層１１１が形成されている。さらに、これらの層の上にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１２が形成されている。各層の形成には、通常、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）が用いられる。
【０００４】
ｐ型クラッド層１０６よりも屈折率が小さいｎ型電流ブロック層１１０は、電流をリッジ内のみに流す電流狭窄層およびレーザの横モードを安定化させる横モード制御層として機能している。また、電流ブロック層１１０は、活性層よりもバンドギャップが大きくレーザ光に対してほぼ透明である。このため、導波路損失が小さく、低しきい値で高効率でのレーザ発振が可能となっている。
【０００５】
このような構造を有する半導体レーザでは、通常、リッジ（外側クラッド層１０６）が存在しない平坦面上に形成されるＡｌＩｎＰ電流ブロック層１１０ｄが、ＧａＡｓ基板の（００１）面に格子整合するように、原料の供給量が決められる。具体的には、ＡｌxＩｎ1-xＰにおいて、ｘ＝０．５となるように原料が供給される。
【０００６】
しかし、（１１１）面で構成されるリッジの側面では、ＡｌおよびＩｎの取り込まれる割合が平坦面とは異なる。このため、平坦面において格子整合を図ると、リッジの側面に形成されるＡｌＩｎＰ電流ブロック層１１０ｅに格子不整による歪が生じる。この歪により、側面上の電流ブロック層１１０ｅに転位が生じ、レーザ発光部である活性層１０３に影響が及んでレーザの信頼性が低下する。
【０００７】
特開平７−２４９８３８号公報には  レーザの信頼性を確保するため、リッジ側面における歪の抑制を優先し、この側面に形成されるＡｌＩｎＰ層またはＡｌＧａＩｎＰ層がＧａＡｓと格子整合するように原料の供給量を決めたリアルガイド型半導体レーザが開示されている。また、同公報には、ＡｌＩｎＰ（またはＡｌＧａＩｎＰ）層の形成に際して、ＨＣｌガスを添加し、基板温度を６２０℃以下とすれば、ＡｌとＩｎとの取り込まれる割合の相違が小さくなることが報告されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＨＣｌガスを電流ブロック層の形成に使用することは、以下の理由から好ましくない。第１に、添加量の制御が困難である。第２に、腐食性を有するＨＣｌガスは、取り扱いが容易ではない。第３に、ＨＣｌガスの純度が低いために、電流ブロック層のドーパントの活性化率が低下する。これらの理由から、電流ブロック層の形成にＨＣｌガスを添加することは、一般には行われていない。したがって、特開平７−２４９８３８号公報に記載の方法は、電流ブロック層の格子不整によるレーザの信頼性低下に対する一般的な解決策を提示するものではない。
【０００９】
そこで、本発明は、ＨＣｌガスを必須とすることなく製造できる、電流ブロック層における格子不整による信頼性の低下を抑制した新たな半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第１の半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、前記半導体基板側から、第１導電型クラッド層、レーザ活性層および第２導電型クラッド層をこの順に含み、前記第２導電型クラッド層の表面に平坦面とリッジ状の突出部とが存在し、このリッジ状の突出部の側面および前記平坦面上に、前記第２導電型クラッド層よりも屈折率が小さい第１導電型の電流ブロック層が形成された半導体レーザであって、前記電流ブロック層が、互いに組成が相違する、前記側面の上方に接する第１領域、前記側面の下方に接する第２領域、および前記平坦面に接する第３領域を有し、前記各領域における前記半導体基板に対する格子不整率をそれぞれε１、ε２およびε３としたときに、以下の関係が成立することを特徴とする。
【００１１】
｜ε２｜＜｜ε１｜      （１）
｜ε２｜＜｜ε３｜      （２）
【００１２】
ここで、格子不整率は、以下の式により算出できる。
格子不整率（％）＝｛（ｄｎ−ｄｓ）／ｄｓ｝×１００    （３）
ただし、ｄｎは、第ｎ領域（ｎは、１、２または３）における電流ブロック層の格子定数であり、ｄｓは、半導体基板の格子定数である。
【００１３】
レーザ発光部である活性層に最も大きな影響を及ぼしうるのは、リッジ側面の下方に形成された電流ブロック層の歪である。そこで、上記半導体レーザでは、第１および第３領域とは別に生成させた第２領域における格子不整率の絶対値を最小とした。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の第２の半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された多層膜とを含み、前記多層膜が、前記半導体基板側から、第１導電型クラッド層、レーザ活性層および第２導電型クラッド層をこの順に含み、前記第２導電型クラッド層の表面に平坦面とリッジ状の突出部とが存在し、このリッジ状の突出部の側面および前記平坦面上に、前記第２導電型クラッド層よりも屈折率が小さい第１導電型の電流ブロック層が形成された半導体レーザであって、前記電流ブロック層が、（Ａｌ1-yＧａy）xＩｎ1-xＰ層（ただし、０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１、好ましくは０＜ｘ＜１かつ０≦ｙ≦０．３）であって、前記半導体基板が、ＧａＡｓ基板であり、かつ、前記電流ブロック層が、互いに組成が相違する、前記側面の上方に接する第１領域、前記側面の下方に接する第２領域、および前記平坦面に接する第３領域を有し、前記各領域における前記ｘをそれぞれｘ１、ｘ２およびｘ３としたときに、以下の関係が成立することを特徴とする。
【００１５】
｜ｘ２−０．５｜＜｜ｘ１−０．５｜    （４）
｜ｘ２−０．５｜＜｜ｘ３−０．５｜    （５）
【００１６】
上記半導体レーザでは、第２領域における組成比ｘを、ＧａＡｓ基板との格子整合を図る上で好ましい値（０．５）に最も近づけることとした。
【００１７】
本発明の半導体レーザでは、さらに以下の関係が成立することが好ましい。
第１および第２の半導体レーザにおいて、それぞれ
ε１＜ε２＜ε３      （６）
ｘ１＞ｘ２＞ｘ３      （７）
【００１８】
式（１）、（２）および（６）より、ε１＜０かつε３＞０である。また、式（７）は、特開平７−２４９８３８号公報の記載とは反対の傾向を示している。この理由は、現時点では必ずしも明らかではないが、ＨＣｌガスの添加の有無が影響しているとも考えられる。後述するように、製造上好ましくないＨＣｌガスの添加を行わない場合には、上記式（７）の関係が成立する。
【００１９】
本発明の半導体レーザでは、さらに以下の関係が成立することが好ましい。
第１および第２の半導体レーザにおいて、それぞれ
−０．１≦ε２≦０．２    （８）
０．４７≦ｘ２≦０．５２  （９）
ε２およびｘ２は、それぞれ、
０．０５≦ε２≦０．１    （１０）
０．４８≦ｘ２≦０．５１  （１１）
が特に好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１は、本発明の半導体レーザの一形態の断面図である。
この半導体レーザは、ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）２、活性層３、およびｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）の積層構造を含んでいる。ｐ型クラッド層は、内側クラッド層４、エッチング停止層５および外側クラッド層６から構成されている。ｐ型クラッド層の表面には、平坦部と、外側クラッド層によるリッジ状の突出部とが存在する。この表面に接している電流ブロック層１０は、リッジ側面の上方に接している第１領域１０ａ、リッジ側面の下方に接している第２領域１０ｂ、平坦部に接している第３領域１０ｃにおいて、互いに異なった組成を有する。
【００２１】
図２を参照して、この半導体レーザの製造方法の一例を説明する。
まず、１回目のＭＯＣＶＤ成長により、ｎ型ＧａＡｓ基板１の（００１）面上に、順次、ｎ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐクラッド層２（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3、膜厚１．２μｍ；ｎ，ｐの数値は、その導電型のキャリア濃度を示す。以下、同様。）、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ層（膜厚５ｎｍ）とＧａＩｎＰ層（膜厚５ｎｍ、圧縮歪０．５％）の歪量子井戸構造からなる活性層３、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ内側クラッド層４（ｐ＝４×１０17ｃｍ-3、膜厚０．２μｍ）、ｐ型ＧａＩｎＰエッチングストッパ層５（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3、膜厚１０ｎｍ）、ｐ型（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐ外側クラッド層６（ｐ＝１×１０18ｃｍ-3、膜厚０．９μｍ）、ｐ型ＧａＩｎＰバッファ層７（ｐ＝２×１０18ｃｍ-3、膜厚０．０５μｍ）、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０８（ｐ＝２×１０18ｃｍ-3、膜厚０．２μｍ）を成長させた（図２（ａ））。なお、ＧａＡｓおよびＡｌＩｎＰ（ＡｌＧａＩｎＰ）は、同一の結晶構造（閃亜鉛鉱型；zinc blende structure）を有する。
【００２２】
次いで、フォトリソグラフィ法により、ストライプ状のＳｉＯ2マスク９を形成し、硫酸系のエッチャントによりエッチングストッパ層５までエッチングしてリッジ状の突起を形成させた（図２（ｂ））。
【００２３】
引き続き、２回目のＭＯＣＶＤ成長により、ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層１０（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3、膜厚０．３μｍ）およびｎ型ＧａＡｓキャップ層１１（ｎ＝１×１０18ｃｍ-3、膜厚０．１μｍ）を選択成長させた。なお、電流ブロック層の成長は、ＨＣｌガスを添加しない雰囲気中で行った。さらに、ＳｉＯ2マスク９を除去し、３回目のＭＯＣＶＤ成長により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１２を成長させた（ｐ＝１×１０19ｃｍ-3、膜厚３．０μｍ）（図２（ｃ））。
【００２４】
電流ブロック層１０に、互いに組成が相違する３つの領域１０ａ〜１０ｃを形成する方法の一つは、エッチングによるリッジ状の突起の形成の際に、エッチング条件、特にエッチング時間を適切に調整することにより、リッジ側面の下方に、傾斜角が側面上方よりも小さい面を形成することである。この下方側面２０ｂは、例えば、図１に示すように、リッジの側面の下方をその傾斜が緩やかになるように外側に広げた面として形成すればよい。図３は、後述する透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope）による観察結果の一例を簡略化して示したものである。図３に示すように、典型的には、リッジの上方側面２０ａは、平坦面２０ｃに対してほぼ一定の傾斜角（底角）θａを有し、下方側面２０ｂは、その傾斜角θｂがθａよりも小さい連続した複数の面、場合によっては曲面として観察され、θａよりも小さい底角θｂをもって平坦面２０ｃと接している。
【００２５】
下方側面２０ｂは、（００１）面や（１１１）面よりも高次の面であり、この面から成長するＡｌＩｎＰ層におけるＡｌの取り込み比率は、（００１）面および（１１１）面とは相違し、その中間の値をとる。このため、下方側面２０ｂから成長する電流ブロック層の組成は、上方側面２０ａおよび平坦面２０ｃから成長する層の組成とは同一にならない。したがって、下方側面２０ｂが、この面から層が成長する程度に広ければ、図３に示したように、第１領域１０ａおよび第３領域１０ｃの間に第２領域１０ｂが形成される。
【００２６】
なお、特に制限されないが、図３のように断面観察した場合において、第２領域の面積は、第１領域の面積の２０％以上であることが好ましく、特に３０％以上がより好ましい。上記条件で作製した場合、第２領域の面積は、第１領域の面積の約４０％となった。
【００２７】
こうして電流ブロック層１０に第２領域１０ｂを新たに形成し、さらに上記の工程において、従来から一般に行われてきたように、平坦面上の電流ブロック層で格子整合を図ることとした。具体的には、第３領域１０ｃにおけるＡｌの比率ｘ１が０．５となるように原料を供給したところ、第２領域１０ｂにおけるＡｌの比率ｘ２は０．５３となり、第１領域１０ａにおけるＡｌの比率ｘ１は０．６となった。このとき、第３領域１０ｃの格子不整率ε３は０％、第２領域１０ｂの格子不整率ε２は−０．２３％、第１領域１０ａの格子不整率ε１は−０．７６％となった。しかし、リッジ側面上の第１領域１０ａには転位が発生した。
【００２８】
一方、第１領域１０ａにおけるＡｌの比率ｘ１を０．５として格子整合を行うと（ε１＝０％）、第２領域１０ｂにおける格子不整率ε２は０．５３％となり、第３領域１０ｃにおける格子不整率はさらに大きく０．７６％となった。さらに、第２領域１０ｂにおけるＡｌの比率ｘ１を０．５として格子整合を行うと（ε２＝０％）、第１領域１０ａにおける格子不整率ε１は−０．５３％（ｘ１＝０．５７）となり、第３領域１０ｃにおける格子不整率ε３は０．２３％（ｘ３＝０．４７）となった。
【００２９】
上記のように、第１〜第３領域１０ａ〜１０ｃの各領域において格子不整を解消した各半導体レーザについて、寿命試験を行ったところ、第２領域１０ｂにおいて格子不整を解消した半導体レーザの寿命が最も長くなった。
【００３０】
なお、半導体レーザの寿命試験は、以下の条件で行った。
・７０℃、パルス幅０．５μｓ、デューティ５０％のパルス出力７０ｍＷ
【００３１】
また、上記において、Ａｌ組成は、電子プローブ微小分析（ＥＰＭＡ；Electron Probe Microanalysis）で測定し、この値より求まる電流ブロック層の格子定数を上記式（３）に代入して、格子不整率を算出した。転位の発生は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で確認した。ＴＥＭによる観察では、電流ブロック層１０の第１〜第３領域１０ａ〜１０ｃの境界を確認できた。この観察により、第２領域１０ｂは、図３に示したように、リッジ側面の下方２０ｂのみならず、平坦面２０ｃの一部にも接するように形成される場合があることも確認された。
【００３２】
さらに、電流ブロック層の組成を連続的に変化させながら、半導体レーザの寿命試験を行った。図４は、この試験から得られた半導体レーザの寿命時間を、電流ブロック層の第２領域１０ｂにおける格子不整率に対してプロットしたものである。図４からも明らかなように、レーザの寿命に最も大きな影響を及ぼすのは、活性層の発光領域に最も近い第２領域における格子の整合性である。したがって、この領域を第２領域として第１および第３領域から独立させ、かつ第２領域における格子整合を図れば、合理的にレーザ特性の向上を達成できる。
【００３３】
また、図４に示したように、第２領域における格子不整率ε２が−０．１〜０．２％の範囲にあれば、レーザ寿命時間が１万時間以上となることが確認された。−０．１〜０．２％のε２に対応するｘ２は０．４７〜０．５２であった。
【００３４】
図４より、さらに好ましい格子不整率ε２の範囲は、−０．０５〜０．１％（これに対応するｘ２は０．４８〜０．５１）であることも確認できる。
【００３５】
以上では、本発明の一形態を説明したが、本発明は、上記形態に限られるものではない。例えば、電流ブロック層は、ＡｌＩｎＰ層に限らず、ＡｌＧａＩｎＰなどその他の層であってもよい。また、リッジ状の突起の形状など、半導体レーザの断面形状は図示した形状に限られない。例えば、電流ブロック層は、上記３領域に相当する領域を含む限り、それ以上の領域を含んでいても構わない。さらに、電流ブロック層は、上記理由から、ＨＣｌガスを添加せずに成長させることが好ましいが、ＨＣｌガスを添加しても本発明を実施することは可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザの信頼性を低下させる、電流ブロック層の半導体基板に対する格子不整を抑制することができる。本発明は、例えば、従来の製造工程の大きな変更を伴うことなく、信頼性の高いＡｌＧａＩｎＰ系実屈折率導波型赤色半導体レーザを提供するものであって、当該技術分野において極めて大きな利用価値を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体レーザの一形態の断面図である。
【図２】  図１に示す半導体レーザの製造方法を示す工程図である。
【図３】  図１に示す半導体レーザのリッジ状突出部近傍の透過型電子顕微鏡を用いた観察結果を簡略化して示す図である。
【図４】  格子不整率とレーザ寿命との関係を示す図である。
【図５】  従来の半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１      ｎ型ＧａＡｓ基板
２      ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３      歪量子井戸活性層
４      ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ内側クラッド層
５      ｐ型ＧａＩｎＰエッチング停止層
６      ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ外側クラッド層
７      ｐ型ＧａＩｎＰバッファ層
８      ｐ型ＧａＡｓキャップ層
９      ＳｉＯ2マスク
１０    ｎ型ＡｌＩｎＰ電流ブロック層
１１    ｎ型ＧａＡｓキャップ層
１２    ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
【図１】
0003886325.tif 000002
【図２】
0003886325.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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