(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含む第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられ、ＧａＡｓＰ半導体を含む中間層と、
前記中間層上に設けられ、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含む第２のクラッド層と、を備え、
前記中間層のバンドギャップは、前記第１および第２のクラッド層のバンドギャップの少なくとも一方と略同一である半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記中間層は、前記半導体基板に対して格子不整が±２％以内の範囲内にある、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記活性層は、ＧａＩｎＡｓ半導体及びＧａＩｎＡｓＰ半導体の少なくとも何れかを含み歪み量子井戸構造を有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
基板上に設けられた活性層上に第１のクラッド層および第２のクラッド層を備える半導体レーザ素子の製造方法であって、
前記活性層上に前記第１のクラッド層を設ける工程と、
前記第１のクラッド層上に中間層を設ける工程と、
前記中間層上に前記第２のクラッド層を設ける工程と、を備え、
前記中間層のバンドギャップは、前記第１および第２のクラッド層のバンドギャップの少なくとも一方と略同一であり、
前記第１のクラッド層および前記第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含み、
前記中間層は、ＧａＡｓＰ半導体を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２のクラッド層を前記中間層に対して選択的にエッチングする工程を更に備える、ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記中間層を前記第１のクラッド層に対して選択的にエッチングする工程を更に備える、ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、現在、光通信、光記録、光情報処理等の分野において広範に使用される。このような半導体レーザ素子の導波路構造の１つとして、リッジ導波路構造がある。リッジ導波路構造は、比較的簡単な作製工程で実用レベルの良好な特性が得られるため、従来から様々なタイプの半導体レーザ素子の構造として広く採用されている。
【０００３】
一方、ＩｎＰ基板を用いる長波長系のレーザ素子において多用される屈折率導波路構造は、活性層をストライプ状にエッチングした後に、その周囲を他の半導体層で埋め込んだ構造を有している。ＧａＡｓ基板を用いて作製される波長１μｍ以下の短波長系の半導体レーザ素子においてこの構造を採用すると、活性層のエッチング界面に起因する理由によって特性不良が生じる場合が多いので、この構造の代わりにリッジ導波路構造が多様される。このような半導体レーザ素子としては、例えば、赤色可視光レーザおよびエルビウム添加光ファイバアンプ励起用０．９８μｍ帯レーザが挙げられる。
【０００４】
リッジ導波路構造では、リッジ形成のためにクラッド層をメサ構造にエッチングする。このメサエッチングの際にクラッド層をエッチングする深さは、導波横モードの閉じ込めの強さを規定するので、レーザ素子特性を決定づける要因となる。このため、エッチング深さの再現性、およびエッチング深さの面内の均一性は、素子特性の均一性、および製造歩留まりに大きな影響を与える。このように、メサエッチングの深さは高い再現性および面内均一性を要求されるので、エッチング特性に影響するエッチング溶液の取扱いには十分な注意をはらっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このエッチング溶液は、溶液の温度、濃度、薬品の混合比等がわずかに変動すると、エッチングレートが影響を受けやすい。また、ウエハの中央部と周辺部とにおけるエッチング溶液の攪拌速度の差に起因して、ウエハ面内においてエッチングレートに無視できない差が生じる。
【０００６】
これらの理由によるエッチング深さの不均一性および再現性の悪さを改善するために、通常、クラッド層内の所望の位置にエッチング停止層を設ける手法が用いられる。このエッチング停止層は、クラッド層のエッチング溶液に対してエッチングレートが十分に小さい、すなわち高いエッチング選択比を有する材料を用いて形成された薄い半導体層である。エッチング停止層を挿入すると、エッチングされるクラッド層のエッチングレートに対して、エッチング停止層のエッチングレートに大きなレート差を設けることができる。このため、クラッド層のエッチングレートに変動および面内差が生じても、メサエッチングがエッチング停止層に達すると、エッチングレートが非常に遅くなるので、エッチングは実質的に停止する。その結果、エッチングの深さに関して良好な再現性、および面内均一性が得られる。
【０００７】
ＧａＡｓ基板を採用して作製される短波系レーザ素子において、代表的なクラッド材料の一つとして、ＧａＡｓ基板に対して格子整合することができるＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等の半導体が使用される。従来は、このようなクラッド材料のエッチング溶液（塩酸系エッチング溶液）に対して選択比が確保できるエッチング停止層の材料として、格子整合すること及び結晶成長の容易さを理由に、特開平３−２２２４８８号公報に記載されているようにＧａＡｓ半導体が専ら用いられていた。
【０００８】
クラッド層に使用されるＡｌＧａＩｎＰ半導体またはＧａＩｎＰ半導体のバンドギャップと、エッチング停止層に使用されるＧａＡｓ半導体のバンドギャップとの差が大きいので、ＧａＡｓ半導体層がエッチング停止層として使用されると、クラッド層とエッチング停止層のそれぞれの界面にそのバンドギャップ差に起因して発生する大きなヘテロ障壁が形成される。
【０００９】
つまり、バンドギャップの異なる２つの半導体層を結晶学的に結合させると、それぞれの層におけるフェルミレベルが一致するようなバンド構造が形成されるので、ヘテロ接合界面にバンド端エネルギの不連続が形成される。これらはスパイク、ノッチと呼ばれ、エネルギバンド図の伝導帯および価電子帯に向けて楔状に突き出しヘテロ障壁を形成して、この部分は、伝導帯においては電子に対して、また価電子帯においてはホールに対して、それぞれバリア△Ｅｃ、△Ｅｖとなるため電気抵抗として作用する。文献１（M. Ohkubo et.al. IEEE J.Quantum Electron.,vol.30, No.2, pp.408〜414, 1994）には、クラッドにＧａＩｎＰ半導体又はＡｌＧａＩｎＰ半導体を用いエッチング停止層にＧａＡｓ半導体を用いた場合、特にホールに対して大きなヘテロ障壁が生ずることが報告されている。
【００１０】
このような構造の半導体レーザ素子の更なる高出力化および高信頼化を図るために、このようなヘテロ障壁に起因する電気抵抗を低減する必要がある。このヘテロ障壁を低下させることが可能な材料として、ＧａＡｓ半導体よりもバンドギャップが大きい半導体材料が好ましい。このような材料として、特開平７ー１１１３６３号公報に記載されているＧａＩｎＡｓＰ半導体が考えられる。
【００１１】
しかしながら、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の場合、いわゆる非混和領域（miscibility gap）が存在する。非混和領域では、成長しようとする結晶の系が熱力学的に不安定であるので、その半導体結晶の成長中にその構成元素が一様には容易に融け合わない。文献２（K.Onabe, Japanese Journal of Applied Physics,vol.21, No.5, pp797-798, 1982）によると、ＧａＡｓ基板に格子整合するＧａＩｎＡｓＰ半導体の場合では、通常の結晶成長に用いられる６００〜７００℃の温度範囲において、エッチング停止層として最適なバンドギャップ１．６〜１．８ｅＶの範囲に非混和領域が存在する。したがって、このような範囲にバンドギャップを持つ良好なＧａＩｎＡｓＰ半導体結晶を形成することは、通常より困難であり、結晶成長時の温度、圧力、原料流量等の厳格な制御が求められる。このため、結晶成長の好適な条件を決定するために多大な労力を要する。また、ＧａＩｎＡｓＰ半導体は、構成元素が４元と多いので、構成元素の数に応じた多数のパラメータを結晶成長のために決定する必要がある。したがって、さらに成長条件の最適化に手間がかかった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、構成元素がＧａＩｎＡｓＰ半導体よりも少なく、且つ非混和領域に起因する制約がバンドギャップに関して存在しない半導体材料を含むエッチング停止層を備える半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成する半導体レーザ素子では、成長されるべき中間層の半導体材料の相図に非混和領域が存在しないので、非混和領域に起因する制限に関係なく形成できるバンドギャップの範囲が拡張されている。このため、このようなエッチング停止層を備える半導体レーザ素子では、バンドギャップ値の設定の自由度が増すので、ヘテロ障壁に起因する内部抵抗の低減が従来に比べて容易になる。故に、半導体レーザ素子の発熱を低減することが従来にも増して可能となる。
【００１４】
このような目的を達成しつつ且つヘテロ障壁を低くするためには、ＧａＡｓ半導体よりもバンドギャップが大きく、且つ非混和領域を持たずクラッド層上に容易に結晶成長可能な材料が必要である。
【００１５】
このような半導体材料として、従来においては、基板または下地の半導体と格子整合する組成を有する半導体材料を採用してきた。しかしながら、採用されるべき半導体材料に求められることは、使用される組成の範囲で格子整合する組成を有することよりは、半導体レーザ素子が必要とするバンドギャップを実用上ミスフィット転移等の格子不整合に起因する結晶欠陥を生じない組成の範囲内に有していることである。そこで、本発明を以下のような構成とした。
【００１６】
本発明の半導体レーザ素子は、(1)半導体基板上に設けられた活性層と、(2)活性層上に設けられ、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含む第１のクラッド層と、(3)第１のクラッド層上に設けられ、ＧａＡｓＰ半導体を含む中間層と、(4)中間層上に設けられＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含む第２のクラッド層と、を備え、中間層のバンドギャップは第１および第２のクラッド層のバンドギャップの少なくとも一方と略同一である。
【００１７】
このように、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方の材料により第１および第２のクラッド層を形成して、ＧａＡｓＰ（ＧａＡｓxＰ1-x）半導体を含む中間層を第１および第２のクラッド層の間に設けるようにした。このため、中間層のＡｓとＰ、の組成比ｘを変化させることによって中間層のバンドギャップをＧａＡｓ半導体のバンドギャップより大きくすることができる。したがって、中間層にＧａＡｓ半導体を使用する場合に比べて、第１および第２のクラッド層と中間層との界面に形成されるヘテロ障壁が低減される。
【００１８】
加えて、中間層に用いられたＧａＡｓＰ半導体には、例えば文献１に記載されているように、２００℃以上の温度範囲ではＧａＩｎＡｓＰ半導体に見られるような非混和領域が存在しない。ＧａＡｓＰ半導体の形成は、２００℃未満で行われることはないので、中間層に好適なバンドギャップを採用するに際して、ＧａＩｎＡｓＰ半導体に見られた非混和領域に起因する制約は存在しない。したがって、ＧａＩｎＡｓＰ半導体に比べて、良好な結晶を得るための条件出しが格段に容易となる。
【００１９】
本発明の半導体レーザ素子では、中間層は、半導体基板に対して格子不整が±２％以内の範囲内にあるようにしてもよい。
【００２０】
中間層の厚さは薄いので、このような範囲に中間層の格子定数が含まれれば、格子不整合に起因する結晶欠陥の発生を抑制できる。この場合、格子整合条件がかかる範囲に緩和されるので、中間層のバンドギャップ値の選択の自由度がさらに増大する。例えば、このような中間層の厚さは、５〜１０ｎｍ程度が望ましく、特に５ｎｍ程度が好適である。
【００２１】
例えば、短波系半導体レーザ素子においては、ＧａＡｓ半導体が基板として用いられる。ＧａＡｓxＰ1-x半導体は、ｘ＝１を除いて、ＧａＡｓ半導体に比べて格子定数は小さい。このため、ＧａＡｓ半導体に対してマイナス（引っ張り）の歪量を有する。−２％以内の歪量の範囲で、ＧａＡｓＰ半導体は約１．４２から約２ｅＶまでの広範なバンドギャップ値を取り得るので、中間層のバンドギャップ値の選択の自由度が増大する。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子では、中間層のバンドギャップは、第１および第２のクラッド層のバンドギャップの少なくとも一方と略同一であるようにしてもよい。
【００２３】
このように中間層のバンドギャップを調整すれば、ヘテロ障壁を０近くまで小さくすることができるので、この障壁に起因する抵抗が更に低減される。
【００２４】
本発明の半導体レーザ素子では、活性層は、ＧａＩｎＡｓ半導体及びＧａＩｎＡｓＰ半導体の少なくとも何れかを含み歪み量子井戸構造を有するようにしてもよい。
【００２５】
このように、活性層をＧａＩｎＡｓ半導体の歪量子井戸構造によって構成すると、エルビウム添加光ファイバアンプ励起用として高出力が不可欠な波長０．９８μｍ帯の半導体レーザにも本発明が適用可能になる。この半導体レーザにおいては、ＧａＩｎＡｓ半導体に加わる圧縮歪みの効果によって、閾値利得等のレーザ発振条件が改善される。この改善は、ＧａＡｓＰ半導体を中間層に用いることによるクラッド−中間層間のヘテロ障壁低減の作用と相乗的に働くので、出力特性が大幅に改善され、半導体レーザ素子の高出力化が図られる。また、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の歪量子井戸構造を用いる場合には、同様の作用に加えて、ＧａＩｎＡｓＰ半導体では構成元素の数がＧａＩｎＡｓ半導体に比べて多いため、ＧａＩｎＡｓ半導体の場合に比べて歪み量を目的に応じて大きく変化させることができる。このため、設計の自由度を更に増すことができる。
【００２６】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、基板上に設けられた活性層上に第１のクラッド層および第２のクラッド層を備える半導体レーザ素子の製造方法であって、(1)活性層上に第１のクラッド層を設ける工程と、(2)第１のクラッド層上に中間層を設ける工程と、(3)中間層上に第２のクラッド層を設ける工程と、を備え、中間層のバンドギャップは第１および第２のクラッド層のバンドギャップの少なくとも一方と略同一であり、第１のクラッド層および第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含み、中間層は、ＧａＡｓＰ半導体を含む。
【００２７】
従来においては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等の半導体からなるクラッド層上にエッチング停止層としてＧａＡｓ層を、例えばＯＭＶＰＥ成長装置を用いてそれぞれ成長すると、燐系のＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ半導体層上に砒素系のＧａＡｓ半導体層を直接に成長することになるため、ＧａＡｓエッチング停止層を成長開始する際に、原料元素を燐から砒素へ不連続的に切り替える必要が生じる。このため、いわゆる表面白濁等の結晶性の劣化が生じやすく、また、結晶性の良好な半導体層を得るために成長温度、原料切り替えのタイミングといった成長条件を十分に検討しなければならなかった。あるいは、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ半導体層とＧａＡｓ半導体層との間に緩衝層を挿入し結晶性の劣化を防止しなければならなかった。
【００２８】
しかしながら、中間層を構成するＧａＡｓＰ半導体は、ＡｓおよびＰの両方を含む。このため、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体のいずれか一方を含むクラッド層上に中間層の形成を開始する際、および中間層上にクラッド層の形成を開始する際に、燐および砒素の原料の不連続的な切り替えが不要になり、これに伴う前述のような結晶劣化が生じなくなる。したがって、上記緩衝層の挿入といった面倒なプロセスを採用することなく、クラッド層上に直接に中間層を形成することが容易になる。また、ＧａＡｓＰ半導体には、ＧａＩｎＡｓＰ半導体で問題になる非混和領域が、通常の成長温度範囲に存在しないので、好適な結晶成長条件の決定をより簡素に行うことができる。さらに、ＧａＡｓＰ半導体の構成元素の数は、ＧａＩｎＡｓＰ半導体に比べて少ないので、結晶成長時に制御すべきパラメータが少なくなるので、成長条件の決定が容易になる。
【００２９】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、第２のクラッド層を中間層に対して選択的にエッチングする工程を更に備えるようにしてもよい。
【００３０】
このように、第２のクラッド層を中間層に対して選択的にエッチングすると、所定の深さの、例えばメサストライプ形状のクラッド層が均一性、再現性よく形成される。
【００３１】
また、中間層を第１のクラッド層に対して選択的にエッチングする工程を更に備えても良い。
【００３２】
このように、中間層をエッチングすると、第２の上部クラッド層を通って注入されるキャリアが中間層を介して中央のメサストライプ領域以外に漏れることが防止される。このため、発光領域となるストライプ部分に向けて良好な電流狭窄が実現される。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、半導体基板上に半導体レーザ素子を形成する場合を示しながら、本発明を詳細に説明する。本実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。なお、可能な場合には、同一部分には同一参照番号を付して、重複する説明を省略する。
【００３４】
図１は、本発明に従う半導体レーザ素子１の構造を表す一実施の形態を図示す斜視図である。図１を参照すると、第１導電型半導体基板（以下、基板という）２上には第１導電型下部クラッド層４が設けられ、第１導電型下部クラッド層４上にはアンドープ第１の分離閉じ込めヘテロ構造層（以下、下部ＳＣＨ層という）６が設けられ、下部ＳＣＨ層６上にはアンドープ活性層８が設けられ、活性層８上にはアンドープ第２の分離閉じ込めヘテロ構造層（以下、上部ＳＣＨ層という）１０が設けられている。活性層８は、下部ＳＣＨ層６と上部ＳＣＨ層１０との間に設けられ、ＳＣＨ層６およびＳＣＨ層１０のそれぞれの一表面は、活性層の対向する２つの面のそれぞれに接するので、両ＳＣＨ層６，１０は、それぞれのバンドギャップによって活性層８に対してキャリア（電子およびホール）を閉じ込めるように作用する。
【００３５】
また、活性層８上には、第２導電型第１の上部クラッド層１２、第２導電型第２の上部クラッド部２０、および第２導電型中間層部２２が、それぞれ設けられている。第１の上部クラッド層１２は活性層８上に設けられ、中間層部２２は第１の上部クラッド層１２上に設けられ、第２の上部クラッド部２０は中間層部２２上に設けられている。第１の上部クラッド層１２および第２の上部クラッド部２０のそれぞれの一表面は、中間層部２２の対向する一対の表面に接している。下部ＳＣＨ層６の一表面に対向する他の表面は、下部クラッド層４の一表面に接する。上部ＳＣＨ層１０の一表面に対向する他の表面は、第１の上部クラッド層１２の一表面と接する。このため、クラッド層４，１２は、これらの層４、１２に挟まれる層（下部ＳＣＨ層６、活性層８、上部ＳＣＨ層１０）に比べて屈折率が小さいので、これらの下部ＳＣＨ層６、活性層８、および上部ＳＣＨ層１０に対して光の閉じ込めるように作用する。活性層８では、上部及び下部ＳＣＨ層６，１０を介して上部及び下部クラッド層４、１２から注入される電子とホールが再結合して光を発生する。
【００３６】
中間層部２２の材料は、ＧａＡｓ半導体のバンドギャップ値より大きいので、中間層部２２とこれを挟む第１の上部クラッド層１２および第２の上部クラッド部２０とのヘテロ障壁は、ＧａＡｓ半導体を中間層の材料として使用した場合に比べて縮小される。このため、これらの界面に起因する抵抗が低減される。中間層部２２のバンドギャップ値が第１の上部クラッド層１２および第２の上部クラッド部２０のバンドギャップ値と同じ値になる場合が特に好ましく、この抵抗をゼロ近くまで低減できる。
【００３７】
更に、第２の上部クラッド部２０および中間層部２２は、活性層８に対してキャリアを注入すべき層に沿って延び、且つ第１の上部クラッド層１２上にメサ形状に設けられている。つまり、これらの部分２０、２２は、注入キャリアの再結合によって光が発生する導波路上に半導体レーザ素子１の出射端面４０からこの端面に対向する反射端面４２に達する軸に沿って設けられ、この軸はそれぞれの端面４０、４２に直交している。出射端面４０および反射端面４２は、半導体レーザ素子の光共振器を構成する。
【００３８】
このようにストライプ状に延びた第２の上部クラッド部２０および中間層部２２は、上記軸方向に延び活性層８に対面する面と異なる対向する二面において、第１導電型電流ブロック層２４と接している。第１導電型電流ブロック層２４は、第１の上部クラッド層１２上に設けられている。第２の上部クラッド部２０および電流ブロック層２４上には、第２導電型コンタクト層２６が設けられている。コンタクト層２６上には第２導電型半導体層に対するオーミック電極２８が設けられている。第１導電型基板２の裏面には、第１導電型半導体層に対するオーミック電極３０が設けられている。
【００３９】
このような半導体レーザ素子１の動作について以下に説明する。オーミック電極２８からのキャリアは、電流ブロック層２４が第２の上部クラッド部２０を挟んで設けられ、且つ第１の上部クラッド層１２および第２の上部クラッド部２０の導電型と逆の導電型であるので、半導体レーザ素子１の順方向バイアス条件の下において、幅数μｍの第２の上部クラッド層２０の領域を通過して活性層８に至る。つまり、電流狭窄を実現するように、リッジ構造が採用されている。このため、第２の上部クラッド部２０の厚さは、半導体レーザ素子１の特性に応じて決定される。
【００４０】
このような半導体レーザ素子１の主要な半導体層の厚さを例示的に以下に示すと、
下部クラッド層４        ：  １．５μｍ
活性層８                ：  ８ｎｍ
下部ＳＣＨ層６          ：  ４７ｎｍ
上部ＳＣＨ層１０        ：  ４７ｎｍ
第１の上部クラッド層１２：  ０．６μｍ
第２の上部クラッド部２０：  ０．９μｍ
中間層部２２            ：  ５ｎｍ
である。
【００４１】
次に、本発明に従う半導体レーザ素子１の製造方法を図１のＡ−Ａ‘断面線における図２〜図４に示される工程断面図を参照しながら詳述する。以下の説明はｎ型ＧａＡｓ基板、および活性層材料としてＧａＩｎＡｓ半導体を使用する場合について行われるが、本発明はこれに限られるものではない。
【００４２】
ｎ型ＧａＡｓ基板５２上に半導体層の積層構造を形成する（半導体層堆積工程）。図２（ａ）を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板５２上にｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層５４を形成する。下部クラッド層５４は、基板５２を覆って堆積される半導体層である。この下部クラッド層５４上にアンドープＧａＩｎＡｓＰ下部ＳＣＨ層５６、アンドープＧａＩｎＡｓ活性層５８、アンドープＧａＩｎＡｓＰ上部ＳＣＨ層６０を順次に形成する。アンドープＧａＩｎＡｓＰ下部ＳＣＨ層５６は下部クラッド層５４を覆って堆積される半導体層であり、アンドープＧａＩｎＡｓ活性層５８は下部ＳＣＨ層５６を覆って堆積される半導体層であり、アンドープＧａＩｎＡｓＰ上部ＳＣＨ層６０は活性層５８を覆って堆積される半導体層である。
【００４３】
次いで、ｐ型ＧａＩｎＰ上部第１のクラッド層６２、ｐ型ＧａＡｓＰ中間層６４、ｐ型ＧａＩｎＰ上部第２のクラッド層６６を順次に形成する。上部第１のクラッド層６２は上部ＳＣＨ層６０を覆って堆積される半導体層であり、ｐ型ＧａＡｓＰ中間層６４は上部第１のクラッド層６２を覆って堆積される半導体層であり、ｐ型ＧａＩｎＰ上部第２のクラッド層６６はｐ型ＧａＡｓＰ中間層６４を覆って堆積される半導体層である。
【００４４】
これらの半導体層は、例えば有機金属気相エピタキシ法（ＯＭＶＰＥ、Organometallic Vapor Phase Epitaxy）を用いて成長される。ｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層５４、アンドープＧａＩｎＡｓＰ下部ＳＣＨ層５６、アンドープＧａＩｎＡｓＰ上部ＳＣＨ層６０、ｐ型ＧａＩｎＰ第１の上部クラッド層６２、ｐ型ＧａＩｎＰ第２の上部クラッド層６６は、それぞれＧａＡｓ基板に対して格子定数が整合していることが好ましい。このようにすれば、良好な結晶性の半導体を得ることができる。一方、アンドープＧａＩｎＡｓ活性層５８は、アンドープＧａＩｎＡｓＰ下部ＳＣＨ層５６およびアンドープＧａＩｎＡｓＰ上部ＳＣＨ層６０のそれぞれの半導体層に対して圧縮歪みが加わるように、ｎ型ＧａＡｓ基板５２に対して約１％格子定数が大きくなる組成に決定されている。このようにすれば、歪単一量子井戸構造の活性層が形成されるため、０．９８μｍ帯のレーザ光発振波長を得ることができる。また、多重量子井戸構造の活性層を形成してもよい。なお、活性層５８を基板に対して格子整合しているように形成することもできる。
【００４５】
ｐ型ＧａＡｓＰ中間層６４は、エッチング停止層として必要なバンドギャップ値に対応して−２％までの歪みを含む組成に決定される。エッチング停止層は、薄い厚さの半導体層、例えば５ｎｍの半導体層、であるので、±２％以内の歪みであれば格子不整合に起因する結晶欠陥を生じない。故に、この格子不整の範囲において形成可能なバンドギャップ値の半導体層が形成される。
【００４６】
上記の実施の形態では、クラッド層の半導体材料として、ＧａＩｎＰ半導体を使用する場合を例示したが、ＡｌＧａＩｎＰ半導体も使用することができる。ＧａＩｎＰ半導体を使用すると構成元素が３元と少ないので、成長の条件出しが簡素、かつ容易になり、通常の結晶成長装置を用いて比較的容易に良好な結晶性を有する半導体層が得られる。加えて、既に可視光半導体レーザ等に広範に用いられており、材料としての実績もある。また、ＡｌＧａＩｎＰ半導体を使用すると、ＧａＩｎＰ半導体と比較してさらに大きなバンドギャップを実現できるので、これをクラッド材に用いると発光領域へのキャリアの閉じ込めがさらに良くなり、高出力化等といったレーザ特性のさらなる向上が期待される。加えて、既に可視光半導体レーザ等に広範に用いられており、材料としての実績もある。
【００４７】
ｐ型ＧａＡｓxＰ1-x中間層６４は、本実施の形態ではｘ＝０．７８において約−０．８％の引っ張り歪みを有し、格子歪み及び量子サイズ効果を無視すれば、バンドギャップ値は約１．６８ｅＶとなる。実際には、格子不整によるバンドギャップ値の減少（引っ張り効果による減少）と、中間層が薄膜であることに起因するバンドギャップ値の増加（量子サイズ効果による増加）という相反する作用によってバンドギャップ値に多少の変動が生じるけれども、従来、中間層に用いられていたＧａＡｓ半導体に比べて大きなバンドギャップ値の半導体層が形成される。故に、クラッド層−中間層間に生じるヘテロ障壁を大幅に低減することができる。
【００４８】
また、ｐ型ＧａＡｓxＰ1-x中間層６４は非常に薄くてよいので、ＧａＡｓ基板に対する格子不整合が−２％以内であれば、ミスフィット転位等の結晶欠陥の発生を誘引することなく、良好な結晶性が維持される。このような中間層の厚さとしては、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲が好ましく、特に５ｎｍ程度が好適である。このような範囲で格子不整合を許容すれば、中間層のバンドギャップ値の設計の自由度が増加する。このため、ＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＩｎＰに対してほぼ同一のバンドギャップ値を実現できる。ＧａＩｎＰクラッド層と同じバンドギャップ値１．８８ｅＶを実現するための組成を例示すれば、ｘ＝０．６１程度にすると格子不整約−１．４％の半導体層が形成される。このため、クラッド層と中間層との間のヘテロ障壁を実質的に消失させることができる。したがって、半導体レーザ素子内の直列抵抗を更に低減できる。実際の製造上、引っ張り歪み及び量子サイズ効果によってＧａＡｓＰのバンドギャップ値は多少変動するが、組成比ｘを調整することによってクラッド層とほぼ同じバンドギャップを実現することができる。
【００４９】
中間層を構成するＧａＡｓＰ半導体は、ＡｓおよびＰの両方を含む。このため、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体のいずれか一方を含むクラッド層上に中間層の形成を開始する際、および中間層上にクラッド層の形成を開始する際に、原料元素である燐および砒素の不連続的な切り替えが不要になる。このため、従来ＧａＡｓ半導体層を中間層として用いた場合に生じていた、いわゆる表面白濁等の結晶性の劣化の発生、結晶性の良好な半導体層を得るために成長温度および原料切り替えのタイミングといった成長条件の十分な検討、あるいはＡｌＧａＩｎＰおよびＧａＩｎＰ半導体層とＧａＡｓ半導体層との間に緩衝層の挿入、といった欠点が解消される。また、ＧａＡｓＰ半導体には、非混和領域が存在しないので、中間層に必要とされるバンドギャップ値に対する制約がない。この点において、ＧａＩｎＡｓＰ半導体とはより優れている。更に、ＧａＡｓＰ半導体では、ＧａＩｎＡｓＰ半導体に比べて構成元素の数が少ないので、結晶成長時に制御すべきパラメータが少なくなる。このため、最適化された成長条件の決定が容易になるという利点を有する。
【００５０】
次いで、第２の上部クラッド層６６上にエッチングマスク層６８を形成する（マスク形成工程）。図２（ｂ）を参照すると、エッチングマスク層６８は、第２の上部クラッド層６６上を覆ってマスク材を堆積し、このマスク材をフォトリソグラフィ技術によって所定形状にエッチングすることによって形成される。マスク層６８は、活性層５８の電流注入領域に沿ってレーザ光の出射端面からレーザ光の反射端面に達する短冊形に形成される。マスク材として、引き続くリッジ形成工程において十分な耐エッチング特性を有すると共に、電流ブロック層の結晶成長時の環境に耐え得る材料が採用される。例示すれば、二酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）または窒化シリコン（ＳｉＮ）等を使用できる。
【００５１】
このマスク層６８を利用してリッジ構造を形成する（リッジ形成工程）。図３（ａ）を参照すると、第２の上部クラッド層６６がエッチングされた後の工程が示されている。このリッジ構造は、以下のように形成される。まず、第２の上部クラッド層６６をエッチングする。このエッチングでは、第２の上部クラッド層６６のエッチングレートが中間層６４のエッチングレートに対して十分に大きくできるエッチング方法を採用する。このような方法として、例えば塩酸、燐酸、および水を含むエッチング溶液を使用することが好ましく、重量百分率で表される３６％塩酸と８５％燐酸と純水との容量比が４：２：３で混合されるエッチング溶液を用いることが特に好ましい。このエッチング溶液を採用すると、ｐ型ＧａＡｓＰ半導体に対するｐ型ＧａＩｎＰ半導体のエッチングの選択比は、１３０倍以上となる。このため、中間層６４は、エッチング停止層として機能する。したがって、メサストライプ形状の第２の上部クラッド部分７０の深さは、エッチングの条件に関係なく、第２の上部クラッド層６６の堆積された半導体層の厚さによって決定される。メサ形状が順メサになるか、または逆メサになるかは
、使用される結晶の面方位等に依存して決まる。なお、図３（ａ）には、逆メサ形状の第２の上部クラッド部分７０が例示的に示されている。
【００５２】
このように、中間層６４は、エッチング停止層として機能する程度の厚さに形成されることが好ましく、さらに、第１および第２のクラッド層の厚さよりも薄いことが好ましい。
【００５３】
次いで、図３（ｂ）を参照すると、中間層６４をエッチングした後の工程が示されている。中間層６４のエッチングでは、中間層６４のエッチングレートが第１の上部クラッド層６２のエッチングレートに対して十分に大きくできるエッチング方法を採用する。このような方法として、例えば、燐酸、過酸化水素、および水を含むエッチング溶液を使用することが好ましく、重量百分率で表される８５％燐酸と３０％過酸化水素と純水との容量比が５：１：４０で混合されるエッチング溶液を用いることが特に好ましい。このエッチング溶液を採用すると、ｐ型ＧａＩｎＰ半導体に対するｐ型ＧａＡｓＰ半導体のエッチングの選択比は、１００倍以上となる。このため、第１の上部クラッド層６２は、エッチング停止層として機能する。したがって、第２の上部クラッド部分７０のエッチングは進まず、中間層６４の一部分がエッチングされて第１の上部クラッド層６２に達しても、クラッド層６２はエッチングされない。
【００５４】
これによって、マスク層６８を用いて第２の上部クラッド層６６および中間層６４をエッチングすると、第２の上部クラッド部７０およひ中間層部７２からなるリッジ構造が形成される。
【００５５】
中間層６４は、高濃度に不純物が導入されたｐ型半導体であるので、低抵抗の半導体層である。これをメサ形状にエッチングすると、注入キャリアが、この低抵抗の層を通してメサストライプ領域（つまり、発光領域）以外へ拡がることを防止できる。このため、キャリアの良好な狭窄が実現できる。
【００５６】
この後、第１の上部クラッド層６２上に第２の上部クラッド部７０を挟んでｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層７４を形成する（電流ブロック層形成工程）。図４（ａ）を参照すると、この半導体層７４は、マスク材６８上には堆積されず、第１の上部クラッド層６２上のみに選択的に成長し、第２の上部クラッド部７０および中間層部７２の両側面を覆う。電流ブロック層７４は、エッチングされるた中間層６４および第２の上部クラッド層６６の深さの和に相当するを厚さを有する。このため、エッチングで残された部分は埋め込まれて、平坦化された表面が提供される。
【００５７】
続いて、マスク材６８を除去して、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７６を形成する。図４（ｂ）を参照すると、コンタクト層７６は、第２のクラッド部７０および電流ブロック層７４を覆って堆積される半導体層である。基板５２の裏面は、基板の厚さ１００μｍ程度になるまで化学的にエッチングされる。この後、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７６上を覆ってオーミック電極７８を形成し、また基板５２の裏面を覆ってオーミック電極８０を形成する。
【００５８】
これらの工程の結果、本発明に従う半導体レーザ素子が基板上に製造される。
【００５９】
以上、本発明に従う実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明したように、本発明による半導体レーザ素子は、半導体基板５２上に設けられた活性層５８と、活性層５８上に設けられた第１のクラッド層６２と、第１のクラッド層６２上に設けられた中間層部７２と、中間層部７２上に設けられた第２のクラッド層部分７０と、を備え、中間層部７２のバンドギャップは、ＧａＡｓ半導体のバンドギャップよりも大きく、且つ第１のクラッド層６２および第２のクラッド層部７０の半導体のバンドギャップ以下の値である。第２のクラッド層部７０は、中間層部分７２に対して選択的にエッチング可能な材料で構成され、中間層部７２は、第１のクラッド層６２に対して選択的にエッチング可能な材料で構成されている。
【００６０】
第１のクラッド層６２および第２のクラッド層部７０は、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方を含むことが好ましい。中間層部７２は、ＧａＡｓＰ半導体を含むことが好ましい。
【００６１】
本発明は、エルビウム添加光ファイバアンプ励起用の波長０．９８μｍ帯の半導体レーザに適用すると、特に、大きな効果が期待できる。すなわち、波長０．９８μｍ帯の半導体レーザにおいて、ＧａＩｎＡｓ半導体及びＧａＩｎＡｓＰ半導体の少なくともいずれかの半導体の歪量子井戸構造を活性層に採用すると、活性層を構成する半導体領域に加わる圧縮歪みの作用によって、閾値利得等のレーザ発振条件が改善されるという効果がある。また、この効果は、ＧａＡｓ半導体を中間層に用いることによるヘテロ障壁（クラッド−中間層間のヘテロ障壁）低減の効果と相乗的に作用し、半導体レーザの高出力特性及び長期信頼性の大幅な改善が可能となる。
【００６２】
また、ＧａＡｓＰ中間層は薄膜なので、―２％程度以内の許容できる格子不整合の範囲においては結晶欠陥を生じず、良好な結晶性が維持される。この場合、ＧａＡｓＰ中間層の歪みを上記範囲内で適宜に制御することによって、そのバンドギャップ値の選択の自由度がさらに増大する。、特に、ＧａＡｓＰ中間層の歪み量を制御して、そのバンドギャップ値が、クラッド層として使用しているＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体とほぼ同一のバンドギャップ値となるようにした場合は、ヘテロ障壁をゼロ近くにまで除去できる。このため、半導体レーザの内部抵抗がさらに低減される。
【００６３】
ＧａＩｎＡｓＰ半導体を用いて歪量子井戸構造の活性層を構成する場合には、上記の効果に加えて、ＧａＩｎＡｓＰ半導体はＧａＩｎＡｓ半導体に比べて構成元素の数が多いので、歪み量を目的に応じて大きく変化させることができるので、半導体レーザの設計の自由度が更に増すという効果がある。
【００６４】
加えて、実施の形態において示したエッチング溶液を用いることによって、第２の上部クラッド層であるＰ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＰ型ＧａＩｎＰ半導体を中間層であるＰ型ＧａＡｓＰ半導体に対して、選択的にエッチングすることが可能になるので、Ｐ型ＧａＡｓＰ半導体はエッチング停止層として機能し、所定の深さのメサストライプ形状の第２の上部クラッド部が均一性および再現性よく形成される。
【００６５】
さらに、実施の形態において示したエッチング溶液を用いることによって、中間層っであるＰ型ＧａＡｓＰ半導体を第１の上部クラッド層である、Ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ半導体またはＰ型ＧａＩｎＰ半導体に対して選択的にエッチングすることが可能になるので、第２の上部クラッド層を通って注入されるキャリアが中間層を介して中央のメサストライプ領域以外に漏れることが防止される。このため、発光領域となるストライプ部分に向けて良好な電流狭窄が実現される。
【００６６】
【発明の効果】
以上、図面を参照しながら詳細に説明したように、本発明に係わる半導体レーザ素子によれば、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体の少なくともいずれか一方の材料により第１および第２のクラッド層を形成して、ＧａＡｓＰ半導体を含む中間層を第１および第２のクラッド層で挟むようにしたので、中間層のＡｓおよびＰの組成比を変化させることによって中間層のバンドギャップをＧａＡｓ半導体のバンドギャップに比べて大きくできる。このため、中間層にＧａＡｓ半導体を使用する場合に比べて、第１および第２のクラッド層と中間層との界面のヘテロ障壁が低減される。
【００６７】
また、ＧａＡｓＰ半導体にはＧａＩｎＡｓＰ半導体で問題となる非混和領域が通常の成長温度範囲に存在しないので、構成元素の組成を任意に変更することによって、中間層として好適なバンドギャップ値を有するエッチング停止層が得られる。
【００６８】
したがって、半導体レーザ素子の内部抵抗を低減できるので、素子の発熱が抑制されると共に、高光出力特性や信頼性が向上された半導体レーザ素子を提供できる。
【００６９】
本発明に係わる半導体レーザ素子の製造方法によれば、中間層を構成するＧａＡｓＰ半導体は、ＡｓおよびＰの両方を含む。このため、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩｎＰ半導体のいずれか一方を含むクラッド層上に中間層の形成を開始する際、および中間層上にクラッド層の形成を開始する際に、燐および砒素の原料の不連続的な切り替えが不要になる。
【００７０】
このため、いわゆる表面白濁等の結晶性の劣化の発生が抑制され、また、結晶性の良好な半導体層を得るために成長温度、原料切り替えのタイミングといった成長条件に関して十分な検討も不要になり、更に、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ半導体層と中間層との間に緩衝層を挿入する必要性も無くなる。
【００７１】
また、ＧａＡｓＰ半導体には、ＧａＩｎＡｓＰ半導体で問題となる非混和領域が通常の成長温度範囲に存在しないので、好適な結晶成長条件の決定を簡素に行うことができる。
【００７２】
さらに、ＧａＡｓＰ半導体は３元の半導体であり、ＧａＩｎＡｓＰ半導体の構成元素の数に比べて少ないので、結晶成長条件の最適化がより容易になる。
【００７３】
したがって、非混和領域に起因する制約がバンドギャップに関して存在しない半導体材料を含むエッチング停止層を備える半導体レーザ素子およびその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従う半導体レーザ素子の構造を表す一実施の形態を図示する斜視図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１に示した半導体レーザ素子の製造方法の一実施の形態を図示する工程断面図である。
【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、図１に示した半導体レーザ素子の製造方法の一実施の形態を図示する工程断面図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）は、図１に示した半導体レーザ素子の製造方法の一実施の形態を図示する工程断面図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ素子、２…第１導電型ＧａＡｓ基板、４…第１導電型下部クラッド層、６…アンドープ第１の分離閉じ込めヘテロ構造層（下部ＳＣＨ層）、
８…アンドープ活性層、１０…アンドープ第２の分離閉じ込めヘテロ構造層（上部ＳＣＨ層）、１２…第２導電型第１の上部クラッド層、
２０…第２導電型第２の上部クラッド部、２２…第２導電型中間層部、２４…第１導電型電流ブロック層、２８、３０…オーミック電極
、４０…半導体レーザ素子の出射端面、４２…半導体レーザ素子の反射端面、
５２…ｎ型ＧａＡｓ基板、５４…ｎ型ＧａＩｎＰ下部クラッド層、
５６…アンドープＧａＩｎＡｓＰ下部ＳＣＨ層、５８…アンドープＧａＩｎＡｓ活性層、６０…アンドープＧａＩｎＡｓＰ上部ＳＣＨ層、
６２…ｐ型ＧａＩｎＰ上部第１のクラッド層、６４…ｐ型ＧａＡｓＰ中間層、
６６…ｐ型ＧａＩｎＰ上部第２のクラッド層、６８…エッチングマスク層、
７０…ｐ型ＧａＩｎＰ第２の上部クラッド部、７２…ｐ型ＧａＡｓＰ中間層部
７４…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層、７６…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、
７８、８０…オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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