(57)【要約】【課題】リッジとトレンチを有する構造の半導体レーザ素子において、発光出力を増加可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  リッジＲＧとトレンチＴＲを有する構造の半導体レーザ素子において、リッジＲＧの頂面の絶縁膜１１上に設けられ、その開口内において、絶縁膜１１の下のコンタクト層１０に接触した第１駆動電極Ｅ１を備え、第１駆動電極Ｅ１は、リッジＲＧの頂面から、トレンチＴＲの底面まで延びており、且つ、トレンチＴＲの外側の内壁に位置する絶縁膜１１の表面からは、距離Ｗだけ、離間していることを特徴とする。【選択図】図１
2017139319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、
前記活性層を挟むクラッド層と、
共振器長方向に延びたリッジと、
前記リッジに隣接し、前記リッジと平行に延びた一対のトレンチと、
前記リッジの頂面から、前記トレンチを介して、前記トレンチの外側領域まで這って延び、前記リッジの頂面においてコンタクト用の開口を有する絶縁膜と、
前記リッジにおける前記絶縁膜の下に位置するコンタクト層と、
前記リッジの頂面の前記絶縁膜上に設けられ、前記開口内において、前記絶縁膜下のコンタクト層に接触した第１駆動電極と、
前記第１駆動電極との間の駆動電流の通過経路内に前記活性層が位置するように設けられた第２駆動電極と、
を備えた半導体レーザ素子であって、
前記第１駆動電極は、
前記リッジの頂面から、前記トレンチの底面まで延びており、且つ、
前記トレンチ内の外側の内壁に位置する前記絶縁膜の表面からは離間している、
ことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記共振器長方向及び前記活性層の厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とし、
前記リッジにおける前記コンタクト層の幅は、１．５μｍ以上３．０μｍ以下であり、前記第１駆動電極の前記幅方向に沿った前記離間の距離は、１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に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。
【背景技術】
【０００２】
近年、測量や車載用の電子機器に搭載可能な半導体レーザ素子が期待されている。このような半導体レーザ素子は、屋外環境における各種探査に用いることができるが、レーザ光は減衰するため、高出力の製品が期待されている。もちろん、このような高出力の半導体レーザ素子には、レーザ加工など、計測用以外の他の用途もある。
【０００３】
従来、共振器長方向に延びたリッジを有するリッジ型の半導体レーザ素子が知られている。このような半導体レーザ素子においては、リッジの直下の領域が、発光領域として機能している。リッジと平行に、且つ、隣接して凹領域が延びている構造も知られている。このような構造は、トレンチ型構造を呼ばれ、近年、研究が行われている（特許文献１、特許文献２参照）。特許文献１又は特許文献２においては、リッジの頂面には、駆動電流供給用の電極層が位置しており、この電極層は、トレンチの凹領域を介して、凹領域の外側領域まで延びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０９３３９３号公報
【特許文献２】特開２００５−０６４３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の半導体レーザ素子は、発光出力が十分ではないという不具合があった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、リッジとトレンチを有する構造の半導体レーザ素子において、発光出力を増加可能な半導体レー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】
【０００６】
上述の課題を解決するため、この半導体レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟むクラッド層と、共振器長方向に延びたリッジと、前記リッジに隣接し、前記リッジと平行に延びた一対のトレンチと、前記リッジの頂面から、前記トレンチを介して、前記トレンチの外側領域まで這って延び、前記リッジの頂面においてコンタクト用の開口を有する絶縁膜と、前記リッジにおける前記絶縁膜の下に位置するコンタクト層と、前記リッジの頂面の前記絶縁膜上に設けられ、前記開口内において、前記絶縁膜下のコンタクト層に接触した第１駆動電極と、前記第１駆動電極との間の駆動電流の通過経路内に前記活性層が位置するように設けられた第２駆動電極と、を備えた半導体レーザ素子であって、前記第１駆動電極は、前記リッジの頂面から、前記トレンチの底面まで延びており、且つ、前記トレンチ内の外側の内壁に位置する前記絶縁膜の表面からは離間していることを特徴とする。
【０００７】
第１駆動電極が、トレンチ内の外側の内壁に位置する絶縁膜の表面から離間することにより、発光出力が際立って優れて向上することが確認された。これは、トレンチ内の絶縁膜の底面近くの外側の角部に、微小な欠陥が存在するため、この領域を避けて、第１駆動電極を配置することで、リーク電流などを抑制することができているためと考えられる。
【０００８】
また、この半導体レーザ素子は、前記共振器長方向及び前記活性層の厚み方向の双方に垂直な方向を幅方向とした場合、前記リッジにおける前記コンタクト層の幅は、１．５μｍ以上３．０μｍ以下であり、前記第１駆動電極の前記幅方向に沿った前記離間の距離は、１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、リッジにおけるコンタクト層の幅が、非常に大きな場合、上述のトレンチ内の底面における外側の角部を第１駆動電極が被覆した場合においても、特性の劣化は見られなかったが、リッジにおけるコンタクト層の幅が上限以下になると、トータル注入電流に対する上記リーク電流の占める割合が高くなり、発光出力の減少が顕在化する。また、リッジのおけるコンタクト層の幅は下限以上は、製造安定面および排熱面の観点から必要である。したがって、この範囲においては、特に、第１駆動電極の離間構造が好ましいと考えられる。この場合の離間距離が１μｍ以上１０μｍ以下である場合、特に顕著な効果があると考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体レーザ素子は、発光出力を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体レーザ素子（実施例）のＸＺ平面内の縦断面図である。
【図２】半導体レーザ素子（実施例）の斜視図である。
【図３】半導体レーザ素子を構成する各半導体層の材料、導電型、不純物濃度（相対値）、厚みを示す図表である。
【図４】半導体レーザ素子（比較例）のＸＺ平面内の縦断面図である。
【図５】実施例及び比較例に係る半導体レーザ素子の特性（光出力（規格化）と駆動電流（ｍＡ）との関係）を示すグラフである。
【図６】実施例に係る半導体レーザ素子の特性（ピーク光出力（Ｗ）と駆動電流（Ａ）との関係）を示すグラフである。
【図７】実施例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の水平方向の光出力分布（Ａ）、実施例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の垂直方向の光出力分布（Ｂ）、比較例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の水平方向の光出力分布（Ｃ）、比較例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の垂直方向の光出力分布（Ｄ）を示すグラフである。
【図８】半導体レーザ素子（実施例）の製造方法を説明するための図である。
【図９】半導体レーザ素子（実施例）の製造方法を説明するための図である。
【図１０】半導体レーザ素子（実施例）の製造方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態に係る半導体レーザ素子について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、半導体レーザ素子（実施例）のＸＺ平面内の縦断面図である。図２は、半導体レーザ素子（実施例）の斜視図、図３は、半導体レーザ素子を構成する各半導体層の材料、導電型、不純物濃度（相対値）、厚みを示す図表である。なお、図２の斜視図は、構造を若干簡略化して示してある。これらの図においては、活性層５の厚み方向をＺ軸とし、共振器長方向をＹ軸（幅方向）とし、これらの双方に垂直な幅方向をＸ軸とする三次元直交座標系を設定する。
【００１４】
この半導体レーザ素子は、半導体基板１上に、バッファ層２、下部クラッド層３、下部光ガイド層４、活性層５、上部光ガイド層６、上部第１クラッド層７、エッチングストップ層８、上部第２クラッド層９、及びコンタクト層１０を、この順番で積層した構造を備えている。
【００１５】
この半導体レーザ素子は、リッジＲＧとトレンチＴＲを有する構造の半導体レーザ素子において、リッジＲＧの頂面の絶縁膜１１上に設けられ、その開口内において、絶縁膜１１の下のコンタクト層１０に接触した第１駆動電極Ｅ１を備えており、第１駆動電極Ｅ１は、リッジＲＧの頂面から、トレンチＴＲの底面まで延びており、且つ、トレンチＴＲの外側の内壁に位置する絶縁膜１１の表面からは、幅方向（Ｘ軸）に沿って、距離Ｗだけ、離間している。この構造により、発光出力を増加させることができる。
【００１６】
なお、図２を参照すると、リッジＲＧと同様にトレンチＴＲは、Ｙ軸に沿って延びており、リッジＲＧ及びトレンチＴＲの底面の一部分を被覆するように、第１駆動電極Ｅ１が設けられている。なお、デバイスの共振器長は１０００μｍとした。第１駆動電極Ｅ１は、Ｙ軸方向の一端に位置する光出射端面Ｓ１からは距離Ｌ（Ｌ＝１５μｍ、好適範囲は１０μｍ≦Ｌ≦３０μｍ）だけ離間しており、Ｙ軸方向の他方端に位置する光出射端面Ｓ２からも距離Ｌだけ離間している。これにより、注入キャリアの再結合を低減し、長期信頼性を確保することができる。このように、セットバックが形成された半導体レーザ素子において、更に、効果を発揮することができる。
【００１７】
なお、トレンチ構造は、チップの両端をエッチングしない構造とすることもできる。エッチングによるメサ構造は、組立て時の半田這い上がり等による電流リークパスの形成を防止するためのものであり、適切な組立て部材および条件にて組立てが実施される場合、当該メサ構造の導入は必ずしも必要ではない。
【００１８】
Ｘ軸方向の両端に位置する側面は、ＸＺ断面内においてメサ型になるように、エッチングされている。絶縁膜１１は、このエッチングされた側面、トレンチＴＲの外側に位置するコンタクト層１０の表面、トレンチＴＲの全ての内壁面及びリッジＲＧ上に位置するコンタクト層１０の表面を覆っているが、リッジＲＧ上には開口を有しており、この開口を介して、上部の第１駆動電極Ｅ１が、コンタクト層１０に接触し、電気的に接続されている。
【００１９】
なお、第２駆動電極Ｅ２は、活性層５にキャリアを供給できるものであれば、どこでもよいが、本例では、半導体基板１の裏面に設けられている。第１駆動電極Ｅ１と、第２駆動電極Ｅ２との間に順方向バイアスを印加すると、Ｐ型のコンタクト層１０から、Ｎ型の半導体基板１に向けて電流が流れ、活性層５内或いはその近傍のＰＮ接合界面近傍の空乏層内において、キャリアの再結合が生じ、発光が生じる。この発光は、誘導放出により、共振長方向で増幅されて、Ｙ軸方向に沿って、光出射端面から外部に出力される。
【００２０】
第１駆動電極Ｅ１は、ＸＺ平面内においては、コンタクト層１０に接すると共に、絶縁膜１１上を這って、トレンチＴＲの底面まで延びているが、トレンチＴＲ内の外側の無い壁面上に位置する絶縁膜１１の表面との間には、隙間Ｇが存在する。
【００２１】
この半導体レーザ素子は、リッジＲＧにおけるコンタクト層１０の幅Ｗｃは、１．５μｍ以上３．０μｍ以下であり、第１駆動電極Ｅ１の幅方向に沿った離間の距離Ｗは、１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。本例では、Ｗｃ＝１．８μｍ、トレンチＴＲの幅Ｗｔは５０μｍ、Ｗ＝５μｍである。
【００２２】
リッジＲＧにおけるコンタクト層１０の幅Ｗｃが、非常に大きな場合、上述のトレンチ内の底面における外側の角部Ｄｆ（図１参照）を第１駆動電極がＥ１被覆した場合においても、特性の劣化は見られなかったが、リッジのおけるコンタクト層の幅が上限以下になると、トータル注入電流に対する上記リーク電流の占める割合が高くなり、発光出力の減少が顕在化してくる。また、リッジＲＧのおけるコンタクト層１０の幅Ｗｃは下限以上は、製造安定面および排熱面の観点から必要である。したがって、この範囲においては、特に、第１駆動電極Ｅ１の離間構造が好ましいと考えられる。この場合の離間距離Ｗが１μｍ以上１０μｍ以下である場合、特に顕著な効果があると考えられる。
【００２３】
図３の厚みは好適範囲を示し、括弧内は、実施例における具体例を示している。また、本例の半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる。ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体においては、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーが１．４７ｅＶ，ＡｌＡｓのバンドギャップエネルギーが２．１６ｅＶであるところ、Ａｌの組成比Ｘを増加させることで、バンドギャップエネルギーが大きくなる。
【００２４】
ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓにおける各層のＡｌの組成比Ｘの大小関係は、バンドギャップエネルギーの大小関係と同一となる。また、原子半径の大きなＩｎを結晶構造中に含む場合、バンドギャップエネルギーは小さくなる。Ａｌの組成比Ｘが最も小さいのは、ＧａＡｓからなる半導体基板１及びコンタクト層１０であり、Ｘ＝０であるが、若干のＡｌを含んでいてもよい。また、バンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓにＩｎを含んだ方が更に小さくなり、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層のバンドギャップエネルギーが最も小さい。次に、活性層５における障壁層、光ガイド層（下部光ガイド層４及び上部光ガイド層６）、クラッド層（下部クラッド層３、上部第１クラッド層７、上部第２クラッド層９、エッチングストップ層８）の順番に、Ａｌ組成比が大きくなる。
【００２５】
なお、一般に、Ａｌ組成比Ｘが増加する、又は、Ｉｎ組成比が減少して、バンドギャップエネルギーが大きくなると、材料の誘電率ε及び屈折率ｎが低下する。レーザ光を層方向に閉じ込めるためには、屈折率ｎを増加させることが好まく、換言すれば、Ａｌの組成比Ｘを下げることが好ましい。なお、屈折率は、特に、説明がない限り、波長９８０ｎｍの光に対する屈折率とする。
【００２６】
以下、詳説する。
【００２７】
半導体基板１は、ＧａＡｓからなり、導電型はＮ型、活性層近傍の半導体層と比較して、相対的には不純物濃度は高く、厚みは好適には、８０×１０３ｎｍ〜３５０×１０３ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、１５０×１０３ｎｍとした。
【００２８】
バッファ層２は、ＧａＡｓからなり、導電型はＮ型、活性層近傍の半導体層と比較して、相対的には不純物濃度は高く、厚みは好適には、０．４×１０３ｎｍ〜０．６×１０３ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、０．５×１０３ｎｍとした。バッファ層２は、結晶成長の際の結晶性を向上させるのに有用である。
【００２９】
下部クラッド層３は、ＡｌＧａＡｓからなり、導電型はＮ型、活性層近傍の半導体層とバッファ層２との中間の不純物濃度を有し、厚みは好適には、１．９×１０３ｎｍ〜２．１×１０３ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、２．０×１０３ｎｍとした。下部クラッド層３は、活性層５よりも実効屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが大きいため、活性層５内にキャリアを蓄積し、光を閉じ込めるために有用である。
【００３０】
下部光ガイド層４は、ＡｌＧａＡｓからなり、アンドープであるが、導電型はＰ型、下部クラッド層３よりも相対的に低い不純物濃度を有し、厚みは好適には、２１５ｎｍ〜２４５ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、２３０ｎｍとした。下部光ガイド層４は、活性層５よりも実効屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが大きいため、活性層５内にキャリアを蓄積し、光を閉じ込めるために有用である。下部光ガイド層４は、下部クラッド層３よりは、実効屈折率が高く、バンドギャップエネルギーが小さいので、活性層５内にキャリアを導くことができる。
【００３１】
活性層５は、多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の化合物半導体層群からなり、障壁層間に井戸層を備え、これらを交互に積層してなる。障壁層はＡｌＧａＡｓ、井戸層はＩｎＧａＡｓからなる。光ガイド層よりも不純物濃度は低く、アンドープであり、真性半導体に近い不純物濃度を有する。各障壁層の厚みは、好適には、７．５ｎｍ〜８．５ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、８．０ｎｍとした。同様に、各井戸層の厚みは、好適には、７．５ｎｍ〜８．５ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、８．０ｎｍとした。なお、活性層５内には、格子不整合により、歪多重量子井戸構造により、０．７〜０．８％の圧縮歪が導入される。
【００３２】
上部光ガイド層６は、ＡｌＧａＡｓからなり、導電型はＰ型、下部クラッド層３よりも相対的に低い不純物濃度を有し、厚みは好適には、７５ｎｍ〜８５ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、８０ｎｍとした。上部光ガイド層６は、活性層５よりも実効屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが大きいため、活性層５内にキャリアを蓄積し、光を閉じ込めるために有用である。上部光ガイド層６は、上部第１クラッド層７よりは、実効屈折率が高く、バンドギャップエネルギーが小さいので、活性層５内にキャリアを導くことができる。
【００３３】
上部第１クラッド層７は、ＡｌＧａＡｓからなり、導電型はＰ型、活性層よりも相対的に高い不純物濃度を有し、厚みは好適には、９５ｎｍ〜１０５ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、１００ｎｍとした。下部クラッド層３は、活性層５よりも実効屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが大きいため、活性層５内にキャリアを蓄積し、光を閉じ込めるために有用である。
【００３４】
エッチングストップ層８は、Ａｌの組成を上部のクラッド層よりも高くしたものであり、クエン酸系エッチャントに対する耐性が高くなり、エッチングがされにくくなる。エッチングストップ層８は、ＡｌＧａＡｓからなり、導電型はＰ型、活性層よりも相対的に高い不純物濃度を有し、厚みは好適には、２８ｎｍ〜３２ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、３０ｎｍとした。エッチングストップ層８は、上部第２クラッド層９よりも実効屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが大きいため、キャリアのブロック機能を有するため、活性層５内にキャリアを蓄積し、光を閉じ込めるのに有用である。
【００３５】
上部第２クラッド層９は、ＡｌＧａＡｓからなり、導電型はＰ型、活性層よりも相対的に高い不純物濃度を有し、厚みは好適には、１．１×１０３ｎｍ〜１．４×１０３ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、１．３×１０３ｎｍとした。上部第２クラッド層９は、活性層５よりも実効屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが大きいため、活性層５内にキャリアを蓄積し、光を閉じ込めるために有用である。
【００３６】
コンタクト層１０は、ＧａＡｓからなり、導電型はＰ型、活性層近傍の半導体層と比較して、相対的には不純物濃度は高く、厚みは好適には、１９０ｎｍ〜２１０ｎｍのものを採用することができるが、実施例では、２００ｎｍとした。
【００３７】
なお、各化合物半導体層の不純物は、Ｎ型にはＳｉを用い、Ｐ型にはＺｎを用いたが、不純物濃度は、以下の通りである。
【００３８】
半導体基板１は１．５×１０１８〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）、バッファ層２は１．５×１０１８〜２．５×１０１８（／ｃｍ３）、下部クラッド層３は１．０×１０１８〜２．０×１０１８（／ｃｍ３）、下部光ガイド層４は１．０×１０１７（／ｃｍ３）以下、活性層５はアンドープであるが１．０×１０１７（／ｃｍ３）以下、上部光ガイド層６は１．０×１０１７（／ｃｍ３）以下、上部第１クラッド層７は１．８×１０１８〜３．２×１０１８（／ｃｍ３）、エッチングストップ層８は１．８×１０１８〜３．２×１０１８（／ｃｍ３）、上部第２クラッド層９は１．８×１０１８〜３．２×１０１８（／ｃｍ３）、コンタクト層１０は５．０×１０１９（／ｃｍ３）以上である。
【００３９】
なお、絶縁膜１１は、シリコン窒化物からなり、第１駆動電極Ｅ１はＡｕ系金属からなり、第２駆動電極Ｅ２も金系金属からなるが、本発明は、これらに限定されるものではない。なお、一例として、Ｐ側のＡｕ系電極としては、Ｔｉ層とＰｔ層とＡｕ層を積層した積層電極を用いることができる。Ｎ側のＡｕ系電極としては、Ａｕ層とＡｕ層の間にＡｕＧｅ層を用いた積層電極を用いることができる。
【００４０】
図４は、半導体レーザ素子（比較例）のＸＺ平面内の縦断面図である。
【００４１】
比較例では、図１に示した第１駆動電極が、トレンチＴＲ内の外側の内壁面にも到達し、さらに、トレンチＴＲの幅方向の外側に位置する絶縁膜１１上の領域まで、延びている点が、異なり、その他の点は、同一である。
【００４２】
図５は、実施例及び比較例に係る半導体レーザ素子の特性（規格化した光出力と駆動電流（ｍＡ）との関係）を示すグラフである。駆動電流は直流（連続波：ＣＷ）として測定を行った。結晶は同一ウェハから切り出されたものを使用した。
【００４３】
同グラフから分かるように、実施例の光出力は、最大で、比較例の２．５以上に到達しており、実施例の構造により、極めて有利な効果が生じていることが分かる。さらに、熱的な影響の少ない、すなわち線形性の良好な低注入領域の傾きから、実施例のスロープ効率が、比較例に比べ２倍以上の増加となっていることが分かる。
【００４４】
図６は、実施例に係る半導体レーザ素子の特性（ピーク光出力（Ｗ）と駆動電流（Ａ）との関係）を示すグラフである。
【００４５】
半導体レーザ素子をパルス駆動した時のピーク光出力（Ｗ）は、駆動電流の増加と共に、高い線形性を維持しながら増加していることが分かる。このように、第１駆動電極Ｅ１が、トレンチＴＲ内の外側の内壁に位置する絶縁膜１１の表面から離間することにより、発光出力が際立って優れて向上することが確認された。これは、トレンチＴＲ内の絶縁膜１１の底面近くの外側の角部Ｄｆ（図１参照）に、微小な欠陥が存在するため、この領域を避けて、第１駆動電極Ｅ１を配置することで、リーク電流などを抑制することができているためと考えられる。パルス駆動において、確かに１Ｗ以上の出力を達成できた。
【００４６】
図７は、実施例に係る半導体レーザ素子の遠視野像（ＦＦＰ）の水平方向の光出力分布（Ａ）、実施例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の垂直方向の光出力分布（Ｂ）、比較例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の水平方向の光出力分布（Ｃ）、比較例に係る半導体レーザ素子の遠視野像の垂直方向の光出力分布（Ｄ）を示すグラフである。電流を変化させて、光出力を測定した。ＦＦＰ−Ｈの横軸は水平方向の発散角、ＦＦＰ−Ｖの横軸は垂直方向の発散角を示す。
【００４７】
水平方向、垂直方向、いずれの場合も、実施例の方が、比較例よりも、スペクトルの半値幅が狭くなることが確認された。ＦＦＰ−Ｖを比較すると、実施例と比較例は、概ね同等の発散角であることがわかる。これは、結晶成長方向の情報を与える数値であり、比較例と実施例が確かに同一のウェハから切り出されていることを示している。実施例と比較例のＦＦＰ−Ｈには、大きな違いが認められる。比較例では、低電流域からステアリング、つまりＦＦＰ形状の対称性が崩れながら、発散角が拡大していく傾向が見られている。これは、注入キャリアが空間的に不均一となり、それに伴い結晶内部の屈折率の実部が変動し、結果として導波モードがＸ方向に対して変動している状態を示すものである。これは、組立て補強部での微小リークが発生し、活性層に均一にキャリアが注入されないことが起点となっていると考えられる。これに対し、実施例のＦＦＰ−Ｖはステアリングがなく、安定した挙動をしめしており、電流が空間的に均一に流れていることが分かる。
【００４８】
次に、上述の半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【００４９】
半導体レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層の成長には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いることができる。この結晶成長においては、最初に、半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、ＡｌＧａＡｓを用いた半導体レーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ３（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ２Ｈ６（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）などを用いることができる。
【００５０】
半導体結晶はＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により、成長温度７００℃、ＳｉドープＧａＡｓ基板上に作製する。平坦化を目的として、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層２を成長後、ＳｉドープＡｌ０．３３Ｇａ０．６７Ａｓ（Ｎ型クラッド層３）、アンドープＡｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ下部光ガイド層４、アンドープＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ／Ａｌ０．２３Ｇａ０．７３Ａｓ歪み導入型多重量子井戸層（活性層５）、アンドープＡｌ０．２３Ｇａ０．７７Ａｓ上部光ガイド層６、ＺｎドープＡｌ０．３３Ｇａ０．６７Ａｓ（上部第１クラッド層７）、ＺｎドープＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ａｓ（エッチングストップ層８）、ＺｎドープＡｌ０．３３Ｇａ０．６７Ａｓ（上部第２クラッド層９）、ＺｎドープＧａＡｓコンタクト層１０を順次成長する。
【００５１】
この構造は、いわゆる非対称型分離閉じ込めヘテロ構造である。安定した高出力特性を得るためには、電子とホールがバランスよく量子井戸に供給される必要がある。そのために、両キャリアの移動度差を考慮し、量子井戸層はＰ側に寄せ、移動度の小さいホールが量子井戸に到達しやすいようにした。本例では、幅１．８μｍ程度のリッジＲＧを、エッチングストップ層８までのトレンチ構造にて形成した場合、高次モードのカットオフを実現する構造となっている。
【００５２】
次に、トレンチ構造の作製ステップについて説明する。なお、図８〜図１０では、半導体レーザ素子（実施例）の製造方法を説明するための図であるが、説明の明瞭化のため、図１に示した幾つかの層を図２の例に倣って省略している。
【００５３】
まず、コンタクト層１０の露出表面上に、エッチング保護膜Ｍ１としてＳｉＮ絶縁膜をプラズマＣＶＤ法にて成膜し、リソグラフィを用いてパターニングする（図８（ａ））。リッジＲＧの幅は２μｍ、リッジＲＧを中心に両側のトレンチＴＲの幅はそれぞれ５０μｍに設定する。エッチング保護膜Ｍ１が成膜されていないトレンチ部をＩＣＰドライエッチングによって、深さ約１．４μｍまで除去し、さらにクエン酸系エッチャントを用いたウェットエッチングにより、エッチングストップ層８まで除去する。ドライエッチングとウェットエッチングを併用することにより、矩形のリッジ形状と、良好な深さ均一性を両立することができる。当該ウェットエッチング工程により、リッジ部は若干内側に削られ、実効的なリッジ幅は１．８μｍ程度となる（図８（ｂ））。なお、図８（ｂ）では、エッチングストップ層８は図示しておらず、上部第２クラッド層９が、上部第１クラッド層７と一緒のものとして示されている。同様に、半導体基板１とバッファ層２は共通のものとして、バッファ層は示されていない。活性層５と、下部光ガイド層４及び上部光ガイド層６も、共通のものとして、活性層５のみが示されている。
【００５４】
次に、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、エッチング保護膜Ｍ１を除去し（図８（ｃ））、トレンチ構造全面にレジストを塗布し、リソグラフィによって、Ｘ軸方向のデバイス両端が開口したマスクＭ２を形成する（図８（ｄ））。このマスクＭ２の開口は、メサ構造形成に用いられる。
【００５５】
次に、マスクＭ２の開口内に半導体層に、リン酸系エッチャントを接触させ、約８μｍの深さのメサ構造を形成する（図８（ｅ））。メサ構造は通電時のリーク防止が目的である。
【００５６】
しかる後、マスクＭ２を除去することで、半導体結晶の加工工程が完了する（図８（ｆ））。
【００５７】
次に、電極形成工程に移る。トレンチ構造全面に窒化シリコンからなる絶縁膜１１を約１５０ｎｍ成膜し、さらにその上にレジストを塗布し、リソグラフィにてリッジ直上とデバイスのＸ軸方向両端に開口部を有するマスクＭ３を形成する（図８（ｇ））。しかる後、ＲＩＥにてマスクＭ３の開口内の絶縁膜１１を除去する。（図８（ｈ））、
【００５８】
次に、マスクＭ３を除去し（図８（ｉ））、露出表面上に再びレジストを塗布し、今度は組立て補強部（第１駆動電極形成予定領域よりもＸ軸方法の外側の領域）のみにレジストが残るようにリソグラフィによりマスクＭ４をパターニングする。このとき、組立て補強部内側端は、トレンチにわずかにかかるよう調整する。トレンチにかかる量は１０μｍ以下が望ましい（図８（ｊ））。レジストをリッジ近傍まで延ばすと、最終的に電極面積が小さくなり排熱性が低下する場合がある。
【００５９】
次に、全体にＰ側の第１駆動電極Ｅ１として、Ａｕ系電極を蒸着する（図８（ｋ））。アセトンなどの有機溶剤による剥離処理により、マスクＭ４を除去すると、マスクＭ４上の電極材料がリフトオフにより除去され、第１駆動電極Ｅ１が完成する。
【００６０】
次に、ＧａＡｓからなる半導体基板１の裏面を研磨し、研磨面にＡｕ系電極を蒸着後、合金化処理を施し、第２駆動電極Ｅ２を形成する（図８（ｌ））。
【００６１】
上記プロセス工程の終了後、ウェハを劈開し、スパッタ法により、光出射端面と、これに対向する面に、端面コーティングが施される。光出射面と、これに対向する面の反射率はそれぞれ２±１％、９５±３％となるよう、誘電体多層膜にてコーティングされる。コーティング処理後、各種の装置に組み込むことができる。
【００６２】
以上、説明したように、上述の半導体レーザ素子は、活性層５と、活性層５を挟むクラッド層（上部第１クラッド層７、上部第２クラッド層９）と、共振器長方向に延びたリッジＲＧと、リッジＲＧに隣接し、リッジＲＧと平行に延びた一対のトレンチＴＲと、リッジＲＧの頂面から、トレンチＴＲを介して、トレンチＴＲの外側領域まで這って延び、リッジＲＧの頂面においてコンタクト用の開口を有する絶縁膜１１と、リッジＲＧにおける絶縁膜１１の下に位置するコンタクト層１０と、リッジＲＧの頂面の絶縁膜１１上に設けられ、前記開口内において、絶縁膜１１下のコンタクト層１０に接触した第１駆動電極Ｅ１と、第１駆動電極Ｅ１との間の駆動電流の通過経路内に活性層５が位置するように設けられた第２駆動電極Ｅ２とを備えた半導体レーザ素子であって、第１駆動電極Ｅ１は、リッジＲＧの頂面から、トレンチＴＲの底面まで延びており、且つ、トレンチＴＲ内の外側の内壁に位置する絶縁膜１１の表面からは離間しており、かかる構造において、発光出力が際立って優れて向上することが確認された。
【００６３】
なお、上述の実施形態において、Ｐ型及びＮ型の導電型は互いに置換可能であり、他の化合物半導体も用いることが可能であるが、マウント基板上に、半導体レーザ素子を配置する場合は、上下を反転し、Ｐ型のコンタクト層１０の方を下にして、ボンディングすることが好ましい。この場合、排熱性を高めることができる。また、発光幅２μｍ以下において、ピークパワーを１Ｗ以上で、シングルモードの光出力を成し得たのは、この半導体レーザ素子が初めてであると思われる。また、本発明は、ストライプ型電極構造に関わるものであるため、端面発光レーザだけでなく、スーパールミネッセントダイオードや再生増幅器、さらにはマルチチャンネル型のレーザアレイなど、光半導体素子全般に適用可能と考えられる。
【符号の説明】
【００６４】
ＲＧ…リッジ、ＴＲ…トレンチ、１１…絶縁膜、１０…コンタクト層、Ｅ１…第１駆動電極、Ｅ２…第２駆動電極。
【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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