(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを光エネルギーに変換するための活性層を有すると共に、一側へ突出するメサ構造部を有する半導体結晶成長部と、
前記メサ構造部の上面に電気的に接続されると共に、引張ひずみを有して前記メサ構造部の両側より側方へ延びるように形成された電極膜と、
前記電極膜より半導体結晶成長部側に形成された絶縁膜とを備えた半導体レーザ素子において、
前記電極膜及び前記絶縁膜は共に前記メサ構造部の両側より側方へ延びるように形成され、
前述したメサ構造部より側方へ延びる電極膜部分と絶縁膜部分との間における前記メサ構造部の根本部近傍の絶縁膜部分の上面で重合しかつ圧縮応力を有するひずみ抑制膜を形成したことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
電気エネルギーを光エネルギーに変換するための活性層を有すると共に、一側へ突出するメサ構造部を有する半導体結晶成長部と、
前記メサ構造部の上面に電気的に接続されると共に、前記メサ構造部の両側より側方へ延びるように形成された電極膜と、
前記電極膜より半導体結晶成長部側に形成された絶縁膜とを備え、
前記電極膜が引張ひずみを有すると共に、レーザ共振器の長手方向で劈開された垂直な端面を有する半導体レーザ素子において、
前述したメサ構造部より側方へ延びる電極膜部分の劈開された端面近傍の前記メサ構造部の根本部近傍で重合しかつ圧縮応力を有するひずみ抑制膜を前記絶縁膜及び前記電極膜部分の上に形成したことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
請求項２において、前記ひずみ抑制膜は前記メサ構造部の根本部近傍でレーザ共振器の長手方向の全幅にわたって形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項２において、前記ひずみ抑制膜は劈開された端面近傍部分のみに形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
電気エネルギーを光エネルギーに変換するための活性層を有すると共に、一側へ突出するメサ構造部を有する半導体結晶成長部と、
前記メサ構造部の上面に電気的に接続されると共に、前記メサ構造部の両側より側方へ延びるように形成された電極膜と、
前記電極膜より半導体結晶成長部側に形成されると共に、引張ひずみを有して前記メサ構造部の両側より側方へ延びるように形成された絶縁膜とを備え、
レーザ共振器の長手方向で劈開された垂直な端面を有する半導体レーザ素子において、
レーザ光出力側端面付近の前記電極膜の一部を除去すると共に、
前述したメサ構造部より側方へ延びる絶縁膜部分の上面における、前記電極膜の一部が除去された端面近傍部の前記メサ構造部の根本部近傍で重合しかつ圧縮応力を有するひずみ抑制膜を形成したことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項６】
請求項１、２、５の何れかにおいて、前記絶縁膜はシリコン酸化膜からなり、前記ひずみ抑制膜は窒化シリコンからなることを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に係り、特に半導体結晶成長部にメサ構造部を有する半導体レーザ素子に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体レーザ素子を図１８を用いて説明する。図１８は従来の半導体レーザ素子の要部を示す正面図である。なお、この図の端面部分におけるハッチングは、各部の区別を明確にするために付けたものであり、断面部分を示すものではない。
【０００３】
従来の半導体レーザ素子２０は、図１８に示すように、半導体基板上に、第一クラッド層、活性層３、第二クラッド層４、エッチングストップ層５を有している。エッチングストップ層５上には、第三クラッド層６、コンタクト層７を有するメサ構造部８が設けられている。なお、第一クラッド層、活性層３、第二クラッド層４、エッチングストップ層５、第三クラッド層６及びコンタクト層７は、半導体結晶成長部３０を構成する。そして、エッチングストップ層５上とメサ側面９には、例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０が設けられている。さらに絶縁膜１０上とメサ上面１１には電極膜１２が設けられている。この半導体レーザ素子２０は、レーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開された端面１４、１５を有している。
【０００４】
なお、係る従来技術に関連する文献としては、特開２００１−２４４５６８号公報及び特開２００１−２１０９１５号公報が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体レーザ素子２０は、共振器の光出力端面１４における光学損傷（ＣＯＤ：Catastrophic Optical Damage）が大きいために、半導体レーザ素子２０の高出力化を図ることができないという課題があった。従って、半導体レーザ素子２０の高出力化を可能にするためには、量子井戸活性層を有する共振器の光出力端面におけるＣＯＤを防止する必要がある。なお、ＣＯＤとは、光出力端面１４においてレーザ光が吸収され、その発熱により端面付近が溶融し、破壊される現象である。
【０００６】
このＣＯＤを防止するために、端面付近に不純物をドープし、端面近傍のバンドギャップを広くする構造（窓構造）が提案されている。端面付近のバンドギャップを広げることにより、レーザ光の吸収を押さえようとするものである。しかし、窓構造を実現するためには、適切な不純物元素を、適切な方法により導入することが求められるが、これらを決めることが極めて困難であった。そして、窓構造を実現する目的で導入した不純物によりレーザ光が吸収されてしまうという問題がある。また、窓構造だけでは、活性層端面付近のバンドギャップの収縮を十分に抑制することが困難な場合があった。
【０００７】
そこで、上記課題を解決するために鋭意研究を行い、半導体レーザ素子２０のＣＯＤレベルが低下するメカニズムを見いだした。そのメカニズムとは、活性層３上方に設けられた膜、例えば絶縁膜１０、電極膜１２の応力により、活性層３の活性領域１７の端面に引張ひずみが発生し、活性領域１７の端面のバンドギャップが収縮され、活性領域端部でのレーザ光の吸収を助長しているということである。半導体レーザ素子２０においては、その用途に応じて、出力光の波長を決めるために、活性層３のバンドギャップが決められる。そして、そのバンドギャップを得るために、半導体基板や、活性層３、クラッド層の材料構成が決められる。しかし、上記バンドギャップが、絶縁膜１０、電極膜１２の応力により変動してしまい、希望のバンドギャップの値を得られないことがある。これは、半導体レーザ素子内部に比べ、端部において顕著である。
【０００８】
上述した活性層３の活性領域１７の端面に引張ひずみが発生するメカニズムを図１８を参照しながらさらに具体的に説明する。
【０００９】
熱ＣＶＤで成膜した絶縁膜１０と蒸着で成膜した電極膜１２が引張応力を持つ場合について説明する。絶縁膜１０及び電極膜１２のメサ構造部８を覆わない領域の応力を引張応力Ａ、メサ構造部８の表面を覆う領域の応力を引張応力Ｂとする。引張応力Ａの反作用により、その下部の活性層３は圧縮され圧縮ひずみ状態となる。一方、メサ構造部８により、引張応力Ｂの膜部分と活性領域１７との距離が長くなっていため、活性領域１７を圧縮ひずみ状態とする引張応力Ｂの反作用は小さい。このため、活性領域１７の両側の活性層３に発生した圧縮ひずみの反作用により、活性領域１７には引張ひずみＣが発生する。これが、活性層３の上に引張応力の膜１０、１２が有る場合に、活性領域１７に引張ひずみＣが発生するメカニズムである。
【００１０】
本発明の目的は、活性領域の引張ひずみを低減してＣＯＤレベルを向上することにより、歩留まりが高く、高信頼性を有し、高出力化を図ることができる半導体レーザ素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体レーザ素子は、電気エネルギーを光エネルギーに変換するための活性層を有すると共に、一側へ突出するメサ構造部を有する半導体結晶成長部と、前記メサ構造部の上面に電気的に接続された電極膜と、前記電極膜より半導体結晶成長部側に形成された絶縁膜とを備え、前記電極膜及び前記絶縁膜の少なくとも一方が引張ひずみを有して前記メサ構造部より側方へ延びるように形成されている半導体レーザ素子において、前述したメサ構造部より側方へ延びる電極膜部分または絶縁膜部分に重合しかつ圧縮応力を有するひずみ抑制膜を形成したことにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施例の半導体レーザ素子を図を用いて説明する。
【００１３】
本発明の第１実施例の半導体レーザ素子を図１から図７を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図、図２は同半導体レーザ素子の正面図、図３は図２のＡ−Ａ’断面図、図４は同半導体レーザ素子の要部正面図、図５は同半導体レーザ素子のひずみ分布図である。さらに、図６及び図７は図１の半導体レーザ素子の異なる変形例を示す斜視図である。図１、図２、図６及び図７の端面部分におけるハッチングは、各部の区別を明確にするために付けたものであり、断面部分を示すものではない。このことは後述する図８、図９、図１１、図１３、図１４、図１７及び図１８においても同様である。なお、従来技術を含む各図における同一符号は同一物または相当物を示す。
【００１４】
半導体レーザ素子２０は、基板１、半導体結晶成長部３０、絶縁膜１０、電極膜１２、１６及びひずみ抑制膜１３を備えて構成され、レーザ共振器の長手方向で劈開された垂直な端面１４、１５を有している。基板１の一側には半導体結晶成長部３０が形成され、基板１の他側には電極膜１６が形成されている。
【００１５】
半導体結晶成長部３０は、電気エネルギーを光エネルギーに変換するための活性層３を有すると共に、一側へ突出するメサ構造部８を有している。具体的には、半導体結晶成長部３０は、基板１上に第一クラッド層２、活性層３、第二クラッド層４及びエッチングストップ層５の順に多層に形成されている。そして、エッチングストップ層５上の中央部には、共振器の長手方向に延びるメサ構造部８が形成されている。このメサ構造部８は第三クラッド層６及びコンタクト層７で形成されている。
【００１６】
絶縁膜１０は、例えば熱ＣＶＤで成膜されたシリコン酸化膜で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、この絶縁膜１０は、メサ構造部側面（以下、メサ側面と称する）９からその側方に位置するエッチングストップ層５の上面に延びて形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００１７】
電極膜１２は、例えば蒸着で成膜された金で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、この電極膜１２は、メサ構造部上面（以下、メサ上面と称する）１１から絶縁膜１０の側面及び上面に延びて形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。なお、この電極膜１２はメサ上面１１の上面に電気的に接続されている。
【００１８】
ひずみ抑制膜１３は、メサ構造部周辺部（以下、メサ周辺部と称する）３１上に形成されており、例えば窒化シリコンからなり、電極膜１２表面に絶縁膜１０及び電極膜１２の引張ひずみを相殺するように圧縮応力を有する状態で成膜されている。このひずみ抑制膜１３は、メサ周辺部における電極膜１２の下面に形成されている。従って、電極膜１２は、ひずみ抑制膜１３に直接的に重合されていると共に、絶縁膜１０と間接的に重合されている。ひずみ抑制膜１３はメサ構造部８の根本部近傍で絶縁膜１０に重合され、また電極膜１２の下面に直接的に接しているので、より効果的に活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみを減少することができる。
【００１９】
ここで、波長１．３μｍ帯半導体レーザに適用した一例の詳細を説明する。基板１にｎ型半導体を用いる場合には、基板１はSiドープｎ型InP（厚さ５００μｍ程度）、第１クラッド層２はSiドープInP（厚さ２０００ｎｍ程度）、活性層３はInGaAlAs多重量子井戸活性層（厚さ８０ｎｍ程度）、第２クラッド層４はZnドープInP（厚さ４００ｎｍ程度）、エッチングストップ層５はInGaAlP（厚さ２０ｎｍ程度）、第３クラッド層６はZnドープInP（厚さ１０００ｎｍ）、コンタクト層７はZnドープInGaAsP層（厚さ２００ｎｍ程度）を有機金属気相成長法により形成し、レジスト膜をマスクとしてエッチングすることによりメサ構造部８（メサ幅１．６μｍ、メサ高さ２μｍ程度）を形成する。さらに、半導体結晶成長部表面に、絶縁膜１０として、熱CVD法によりシリコン酸化膜（厚さ２００μｍ程度）を成膜し、ひずみ抑制膜１３として、スパッタ法により窒化シリコン膜を厚さ２００ｎｍ程度成膜する。ただし、メサ上面１１は、電気的導通を取るためエッチングする。そして、電極膜１２として、チタン、白金を下地膜とする金（厚さ１００ｎｍ程度）を成膜する。次に、基板１の底面（半導体結晶成長部３０の反対面）を、研磨により、基板厚さが１００〜１５０μｍ程度になるまで薄くする。次に、電極１６（ＡｕＧｅ/Ｎｉ/Ａｕ、厚さ１００ｎｍ）を蒸着および熱処理によって形成する。さらに、半導体レーザ素子２０はレーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開し（共振器長２００μｍ）、端面を形成する。
【００２０】
上記以外の製法で成膜した絶縁膜１０及び電極膜１２でも、金以外の材料の電極膜１２でも本実施例に適用可能である。すなわち、本実施例では、活性層３より上層の膜１０あるいは１２が引張応力を持つ場合について、適用可能である。
【００２１】
半導体レーザ素子２０の劈開された端面１４、１５には、図示しない保護膜が形成されている。一方の端面１４の表面には低反射率の保護膜が形成され、他方の端面１５の表面には高反射率の保護膜が形成されている。これらの端面保護膜は、例えば酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、アモルファスシリコン膜や、これらの積層膜からなる。ここで、端面保護膜の膜厚ｄは、レーザ発振波長をλとし、端面膜の屈折率をｎとしたとき、低反射率膜はｄ＝λ／（４ｎ）、高反射率膜はｄ＝λ／（２ｎ）とする。
【００２２】
而して、電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（Ｐ型基板を用いている場合には電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ上面１１のみと電気的に接続されているので、電流はほとんどメサ上面１１を通って活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。低反射率の保護膜が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００２３】
上述したように、半導体レーザ素子２０には、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３が設けられている。このひずみ抑制膜１３の圧縮応力により、活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみが減少され、バンドギャップの収縮が抑制される。そして、活性領域端面付近１８における光吸収が抑制されＣＯＤレベルが向上し、高出力可能な半導体レーザ素子２０を提供することができる。また、本実施例の半導体レーザ素子２０においては、ＣＯＤレベルが向上することにより、歩留まりを向上することができる。
【００２４】
ここで、活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみとは、絶縁膜１０、電極膜１２などの半導体結晶成長部３０以外の材料が付加される前において、活性領域１７に発生しているひずみ値を基準とする。このことは、他の実施例についても同様である。
【００２５】
活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみが減少されるメカニズムを図４を参照しながらさらに説明する。引張応力を有する絶縁膜１０及び電極膜１２において、活性層３上部に形成されメサ構造部８を覆わない領域の応力をそれぞれ引張応力Ａ１及び引張応力Ａ２とする。さらに、メサの表面を覆う領域の応力を引張応力Ｂとする。ひずみ抑制膜１３が形成されていない場合には、上述したように、引張応力Ａ１、引張応力Ａ２の反作用により、その下部の活性層３は引張応力に対応する大きな圧縮応力を有する圧縮ひずみ状態となるが、本実施例では、引張応力Ａ１を有する電極膜１２の下側（すなわち半導体結晶側）で引張応力Ａ２を有する絶縁膜１０上側に、圧縮応力Ａ３を有するひずみ抑制膜１３が形成されているため、上記引張応力と圧縮応力が相殺しあって、引張応力Ａ１及びＡ２による活性層３の圧縮ひずみ状態が弱められる。あるいは、弱い引張ひずみ状態となる。その結果、上記圧縮ひずみの反作用で活性領域１７に発生する引張ひずみＣを低減することが可能となる。あるいは、活性領域１７を弱い圧縮ひずみ状態とすることも可能となる。これにより、活性領域端面付近１８のバンドギャップの収縮が抑制でき、活性領域端面付近１８における光吸収が抑制されＣＯＤレベルが向上する。
【００２６】
なお、活性層３上に成膜された絶縁膜１０及び電極膜１２の引張応力の大きさに対応して、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３の厚さや材料、製作方法などを調整し、圧縮応力値を最適化することにより、活性領域１７に発生する引張ひずみＣを最小化することができる。あるいは、活性領域１７に発生するひずみを弱い圧縮状態にすることもできる。特に、レーザ光が出力される端面では光密度が上がるため、端面領域を圧縮ひずみ状態としバンドギャップを広くすることは、CODを防止するうえで効果的である。
【００２７】
また、図１では、ひずみ抑制膜１３はメサ周辺部３１に形成され、メサ側面９には形成されていないが、図６の半導体レーザ素子２０の様に、ひずみ抑制膜１３はメサ側面９まで伸びていても活性領域１７の引張りひずみを低減する効果がある。
【００２８】
半導体レーザ素子２０に発生するひずみ分布を図５を参照しながら説明する。図５は有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）解析より得られた計算結果である。ここで、ＦＥＭ解析で用いる材料定数は、基板１、第一クラッド層２、活性層３、第二クラッド層４、エッチングストップ層５そして第三クラッド層６については、インジウムリンの材料定数（ヤング率、ポアソン比、線膨張係数）を用いた。実際には、クラッド層２、４、６、活性層３、エッチングストップ層５は、三元系あるいは四元系等の材料で構成されるが、これらの材料定数として二元系のインジウムリンのものを用いても、解析結果の一般性は失わない。また、絶縁膜１０は酸化シリコン、電極は金とし、絶縁膜１０と電極膜１２が引張応力の初期応力を有する場合について解析した。また、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３は窒化シリコンとした。
【００２９】
ＦＥＭ解析に用いた材料定数を次の表１に示す。なお、表１において、矢印は同上のことを表わしている。
【００３０】
【表１】
0004090768.tif 000002
また、基板１をガリウム砒素とし、第一クラッド層２、活性層３、第二クラッド層４、エッチングストップ層５そして第三クラッド層６等の半導体薄膜が他の材料定数を有する材料であってもよい。上記の半導体薄膜２から６、電極膜１２、絶縁膜１０の材料を変え、あるいは材料定数を変えた場合、ひずみ値は変化するが、大まかなひずみ分布は変わらない。すなわち、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３を付加することにより、活性領域１７の引張りひずみＣが減少することには変わりない。
【００３１】
また、本発明の半導体レーザ素子２０は、ひずみ抑制膜１３として窒化シリコン膜をシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０上に形成しているので、シリコン酸化膜が無い場合に比べ、上記窒化シリコンの応力が半導体結晶に直接的に伝わることによる結晶のダメージの発生を防止することができる。また、絶縁膜１０としてシリコン酸化膜が形成されているのでメサ周辺部において良好な絶縁特性が得られる。
【００３２】
また、半導体結晶上にまず絶縁膜１０としてシリコン酸化膜を形成し、その後ひずみ抑制膜１３として窒化シリコン膜を形成することで、半導体結晶上に直接的に窒化シリコン膜を形成する場合に比べ、窒化シリコン膜の密着性が向上し、膜のはく離を防止することが可能である。
【００３３】
図５において、横軸は端面１４からの距離を、縦軸は活性領域１７に発生するひずみを表す。ひずみ成分は、図２及び図３に示した座標系でのＹ方向の垂直ひずみεｙである。ここで、ひずみが正であることは、引張ひずみを示す。図６では、図１に示すひずみ抑制膜１３の膜厚が３６０nmと２４０nmの場合（メサ側面９のひずみ抑制膜１３の膜厚は０nm）と、図６のようにメサ側面９にもひずみ抑制膜１３が伸びており、その膜厚が３６０nmと２４０nmの場合の構造について計算した結果を示す。さらに比較のために圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３が形成されていない構造についても示す。
【００３４】
図５で明らかなように、ひずみ抑制膜１３が無い構造では、活性領域１７には引張ひずみが発生し、特に端面近傍において大きな引張ひずみが発生している。これに対しひずみ抑制膜１３を有する構造では、引張ひずみは抑制され、端面近傍においては、圧縮ひずみ状態を示している。特に、メサ側面９にひずみ抑制膜１３が無い構造では、端面近傍の圧縮ひずみは、より大きくなり、端面近傍のバンドギャップを広くするうえでより効果的である。また、上記の例では、メサ側面９とメサ構造周辺のひずみ抑制膜１３の厚さがともに等しい場合について示したが、異なっていても良い。さらに、図７に示す半導体レーザ素子２０の様にメサ側面９のひずみ抑制膜１３の高さｈ１は、メサ高さｈ２に比べ小さくても良い。図５に示したメサ側面９のひずみ抑制膜１３の膜厚の効果と同様に、メサ側面９のひずみ抑制膜１３の高さｈ１を低くすることで、端部付近のひずみをより圧縮側に変化させることが可能である。
【００３５】
本実施例の半導体レーザ素子２０の活性領域１７に発生する引張ひずみは、抑制され圧縮応力を有する膜が無い従来構造に比べて小さい。これにより、活性領域端面付近１８のバンドギャップの収縮が抑制され、活性領域端面付近１８におけるにおける光吸収が抑制されてＣＯＤレベルが向上することが明らかである。
【００３６】
次に、本発明の第２実施例の半導体レーザ素子を図８から図１２を参照しながら説明する。図８は本発明の第２実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図、図９は同半導体レーザ素子の正面図、図１０は図９のＢ−Ｂ’断面図、図１１は同半導体レーザ素子の要部正面図、図１２は同半導体レーザ素子及び従来例のひずみ分布図である。
【００３７】
半導体レーザ素子２０は、基板１、半導体結晶成長部３０、絶縁膜１０、電極膜１２、１６及びひずみ抑制膜１３を備えて構成され、レーザ共振器の長手方向で劈開された垂直な端面１４、１５を有している。基板１の一側には半導体結晶成長部３０が形成され、基板１の他側には電極膜１６が形成されている。
【００３８】
半導体結晶成長部３０は、電気エネルギーを光エネルギーに変換するための活性層３を有すると共に、一側へ突出するメサ構造部８を有している。具体的には、半導体結晶成長部３０は、基板１上に第一クラッド層２、活性層３、第二クラッド層４及びエッチングストップ層５の順に多層に形成されている。そして、エッチングストップ層５上の中央部には、共振器の長手方向に延びるメサ構造部８が形成されている。このメサ構造部８は第三クラッド層６及びコンタクト層７で形成されている。
【００３９】
絶縁膜１０は、例えば熱ＣＶＤで成膜されたシリコン酸化膜で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、この絶縁膜１０は、メサ構造部側面（以下、メサ側面と称する）９からその側方に位置するエッチングストップ層５の上面に延びて形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。
【００４０】
電極膜１２は、例えば蒸着で成膜された金で形成され、引張応力を有する状態で成膜されている。また、この電極膜１２は、メサ構造部上面（以下、メサ上面と称する）１１から絶縁膜１０の側面及び上面に延びて形成され、共振器の長手方向の全幅にわたって形成されている。なお、この電極膜１２はメサ上面１１の上面に電気的に接続されている。
【００４１】
ひずみ抑制膜１３は、例えば窒化シリコンで形成され、電極膜１２表面に絶縁膜１０及び電極膜１２の引張ひずみを相殺するように圧縮応力を有する状態で成膜されている。このひずみ抑制膜１３は、メサ上面１１、メサ側面９及びメサ構造部８より側方に延びる部分における電極膜１２の表面に形成されている。従って、ひずみ抑制膜１３は、電極膜１２に直接的に重合されていると共に、絶縁膜１０と間接的に重合されている。このひずみ抑制膜１３は、電極膜１２全体を覆うのでは無く、外部との電気的導通をとるために一部エッチングされている。これにより、電極膜１２の一部が露出され、この露出部を通して容易に電極膜１２に電力を供給することができる。ひずみ抑制膜１３はメサ構造部８の根本部近傍で電極膜１２及び絶縁膜１０に重合されているので、より効果的に活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみを減少することができる。
【００４２】
ここで、波長１．３μｍ帯半導体レーザに適用した一例の詳細を説明する。基板１にｎ型半導体を用いる場合には、基板１はSiドープｎ型InP（厚さ５００μｍ程度）、第１クラッド層２はSiドープInP（厚さ２０００ｎｍ程度）、活性層３はInGaAlAs多重量子井戸活性層（厚さ８０ｎｍ程度）、第２クラッド層４はZnドープInP（厚さ４００ｎｍ程度）、エッチングストップ層５はInGaAlP（厚さ２０ｎｍ程度）、第３クラッド層６はZnドープInP（厚さ１０００ｎｍ）、コンタクト層７はZnドープInGaAsP層（厚さ２００ｎｍ程度）を有機金属気相成長法により形成し、レジスト膜をマスクとしてエッチングすることによりメサ構造部８（メサ幅１．６μｍ、メサ高さ２μｍ程度）を形成する。さらに、半導体結晶成長部表面に、絶縁膜１０として、熱CVD法によりシリコン酸化膜（厚さ２００μｍ程度）を成膜する。ただし、メサ上面１１は、電気的導通を取るためエッチングする。そして、電極膜１２として、チタン、白金を下地膜とする金（厚さ１００ｎｍ程度）を成膜し、ひずみ抑制膜１３はとして、スパッタ法により窒化シリコン膜を厚さ２００ｎｍ程度成膜し、一部電気的導通を取るために、エッチングする。次に、基板１の底面（半導体結晶成長部３０の反対面）を、研磨により、基板厚さが１００〜１５０μｍ程度になるまで薄くする。次に、電極１６（ＡｕＧｅ/Ｎｉ/Ａｕ、厚さ１００ｎｍ）を蒸着および熱処理によって形成する。さらに、半導体レーザ素子２０はレーザの共振器の長手方向に対して垂直に劈開し（共振器長２００μｍ）、端面を形成する。なお、ひずみ抑制膜１３が圧縮ひずみを有することを確認する方法としては、基板１裏面を研磨し、研磨前後の素子表面の形状変化から確認する。研磨によって素子表面が上に凸に変形すれば、ひずみ抑制膜１３は圧縮ひずみを有していることになる。
【００４３】
上記以外の製法で成膜した絶縁膜１０及び電極膜１２でも、金以外の材料の電極膜１２でも本実施例に適用可能である。すなわち、本実施例では、活性層３より上層の膜１０、１２が引張応力を持つ場合について、適用可能である。
【００４４】
半導体レーザ素子２０の劈開された端面１４、１５には、図示しない保護膜が形成されている。一方の端面１４の表面には低反射率の保護膜が形成され、他方の端面１５の表面には高反射率の保護膜が形成されている。これらの端面保護膜は、例えば酸化アルミニウム膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜、アモルファスシリコン膜や、これらの積層膜からなる。ここで、端面保護膜の膜厚ｄは、レーザ発振波長をλとし、端面膜の屈折率をｎとしたとき、低反射率膜はｄ＝λ／（４ｎ）、高反射率膜はｄ＝λ／（２ｎ）とする。
【００４５】
ひずみ抑制膜１３は、圧縮応力を有する端面保護膜を回り込ませて形成しても良い。このように、端面保護膜をひずみ抑制膜１３として形成することにより、その製作が極めて容易になり、安価なものとすることができる。ただし、活性層の引張りひずみを抑制するために、回り込む量は、共振器の長手方向に長さ１０μｍ程度、膜厚は２００μｍ程度が好ましい。
【００４６】
而して、電極膜１２から、半導体基板１裏面に設けられた電極膜１６へ（Ｐ型基板を用いている場合には電極膜１６から電極膜１２へ）電流を供給するとき、電極膜１２はメサ上面１１のみと電気的に接続されているので、電流はほとんどメサ上面１１を通って活性領域１７を流れる。この電流による電気的エネルギーは、活性層３の活性領域１７で光に変換され、対面する劈開端面１４、１５で共振される。低反射率の保護膜が形成された光出力端面１４からレーザ光として出力される。
【００４７】
上述したように、半導体レーザ素子２０には、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３が設けられている。このひずみ抑制膜１３の圧縮応力により、活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみが減少され、バンドギャップの収縮が抑制される。そして、活性領域端面付近１８における光吸収が抑制されＣＯＤレベルが向上し、高出力可能な半導体レーザ素子を提供することができる。また、本実施例の半導体レーザ素子２０においては、ＣＯＤレベルが向上することにより、歩留まりを向上することができる。
【００４８】
活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみが減少されメカニズムを図１１を参照しながらさらに説明する。引張応力を有する絶縁膜１０及び電極膜１２において、活性層３上部に形成されメサ構造部８を覆わない領域の応力を引張応力Ａ、メサの表面を覆う領域の応力を引張応力Ｂとする。ひずみ抑制膜１３が形成されていない場合には、上述したように、引張応力Ａの反作用により、その下部の活性層３は引張応力に対応する大きな圧縮応力を有する圧縮ひずみ状態となるが、本実施例では、引張応力を有する電極膜１２上に圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３が形成されているため、この引張応力と圧縮応力が相殺しあって、引張応力Ａによる活性層３の圧縮ひずみが弱められる。その結果、この圧縮ひずみの反作用で活性領域１７に発生する引張ひずみＣを低減することが可能となる。これにより、活性領域端面付近１８のバンドギャップの収縮が抑制でき、活性領域端面付近１８における光吸収が抑制されＣＯＤレベルが向上する。
【００４９】
なお、活性層３上に成膜された絶縁膜１０及び電極膜１２の引張応力の大きさに対応して、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３の厚さや材料、製作方法などを調整し、圧縮応力値を最適化することにより、活性領域１７に発生する引張ひずみＣを最小化することができる。
【００５０】
半導体レーザ素子２０に発生するひずみ分布を図１２を参照しながら説明する。図１２は有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）解析より得られた計算結果である。ここで、ＦＥＭ解析で用いる材料定数は、第１実施例と同様である。
【００５１】
図１２において、横軸は端面１４からの距離を、縦軸は活性領域１７に発生するひずみを表す。ひずみ成分は、図９及び図１０に示した座標系でのＸ、Ｙ方向の垂直ひずみεｘ、εｙである。ここで、ひずみが正であることは、引張ひずみを示す。図１２では、比較のために圧縮応力の膜が無い構造について計算した結果も示す。
【００５２】
図１２で明らかなように、本実施例の半導体レーザ素子２０の活性領域１７に発生する引張ひずみＣは、圧縮応力を有する膜が無い従来構造に比べて小さい。これにより、活性領域端面付近１８のバンドギャップの収縮が抑制され、活性領域端面付近１８におけるにおける光吸収が抑制されてＣＯＤレベルが向上することが明らかである。
【００５３】
次に、本発明の第３実施例を図１３を用いて説明する。図１３は本発明の第３実施例の半導体レーザ素子の斜視図である。本実施例は、次に述べる通り第２実施例と相違するものであり、その他の点については第２実施例と基本的には同一である。
【００５４】
本実施例では、電極膜１２上の端面１４、１５周辺にのみ圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３が設けられている。半導体レーザ素子２０のＣＯＤレベルの低下は上述したように活性領域端面付近１８のバンドギャップの収縮により発生し、その原因となる活性領域端面付近１８のひずみは前記図１２で明らかなように他よりも特に大きい。従って、電極膜１２上の端面１４、１５周辺にのみ圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３を設けることにより、効果的に活性領域端面付近１８のひずみを低減してＣＯＤレベルの向上を図ることができると共に、電極膜１２の露出部分を増大して電極膜１２への電力供給をより一層容易に行なうことができる。
【００５５】
なお、片方の端面１４または１５付近のみにひずみ抑制膜１３を形成してもＣＯＤレベルが向上する効果はある。ただし、より一層のＣＯＤレベルの向上効果を得るためには、本実施例のように両端面１４、１５について圧縮応力を有する膜１６を付加することが好ましい。
【００５６】
次に、本発明の第４実施例を図１４から図１６を用いて説明する。図１４は本発明の第４実施例の半導体レーザ素子の斜視図、図１５は図１４のＣ−Ｃ’断面図、図１６は同半導体レーザ素子及び従来例のひずみ分布図である。本実施例は、次に述べる通り第２実施例と相違するものであり、その他の点については第２実施例と基本的には同一である。
【００５７】
本実施例では、半導体レーザ素子２０の端面１４付近において電極膜１２の一部が除去されている。また、メサ構造部８の端面１４付近を内包するように圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３が設けられている。このひずみ抑制膜１３は、端面１４付近で、絶縁膜１０のメサ下部周辺部１９上に設けられている。このひずみ抑制膜１３は、例えばスパッタ法で成膜した窒化シリコン膜で構成されている。スパッタ法による窒化シリコン膜は、低圧力、高エネルギーで成膜することにより、初期応力として圧縮応力を有するようにすることができる。係るひずみ抑制膜１３とすることにより、さらに効果的に活性領域端面付近１８のひずみを低減してＣＯＤレベルの格段の向上を図ることができる。
【００５８】
本実施例の半導体レーザ素子２０の活性領域１７に発生するひずみ分布を図１６を参照しながら説明する。このひずみ分布は、ＦＥＭ解析によって求めたものである、ここで、ＦＥＭ解析で用いる材料定数は、第２実施例と同様に表１に示す通りである。図１６の横軸は端面１４からの距離、縦軸はひずみ値を示す。ひずみ成分は、図１５に示す座標系でのＹ方向の垂直ひずみεｙである。ここで、ひずみが正であることは、引張ひずみを示す。
【００５９】
図１６では、圧縮応力の膜を有し電極を端面から４.５μm除去した構造、圧縮応力の膜を有し電極を端面から２０μm除去した構造についての解析結果を示す。また比較として、圧縮応力の膜を有し電極を端面から除去していない構造、圧縮応力の膜が無く電極を端面から除去していない構造についても計算結果を示す。
【００６０】
図１６で明らかなように、本実施例の半導体レーザ素子２０の活性領域端面付近１８に発生する引張ひずみは、端面付近の電極膜１２を除去し、かつ圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３を形成したことにより、活性領域端面付近１８の引張りひずみが著しく減少されていることがわかる。活性層端面付近１８の引張りひずみが減少することにより、その領域におけるバンドギャップの収縮が抑制できる。これにより、活性領域端面付近１８におけるにおける光吸収が抑制され、ＣＯＤレベルが格段に向上し、高出力が可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【００６１】
上記の計算結果は、メサ構造部８の幅が１．６μmの場合についてのものであるが、メサ幅が変わっても、ひずみ値は変化するが、大まかなひずみ分布は変わらない。すななち、圧縮応力を有するひずみ抑制膜１３を付加することにより、活性領域の引張りひずみが大幅に減少することには変わりない。
【００６２】
なお、図示例では、電極膜１２の端面１４側のみを除去してあるが、電極膜１２の端面１５側も除去してもよく、このようにすることによりさらにＣＯＤレベルを低減することができる。また、端面付近の電極膜１２を一部除去する代わりに、端面付近の電極膜１２を薄く、例えば膜厚は３０ｎｍ程度にすることによっても同様の効果が得られる。
【００６３】
次に、本発明の第５実施例を図１７を用いて説明する。図１７は本発明の第５実施例の半導体レーザ素子の斜視図である。本実施例は、次に述べる通り第２実施例と相違するものであり、その他の点については第２実施例と基本的には同一である。
【００６４】
本実施例では、絶縁膜１０が引張応力を有するように成膜されているのに対し、電極膜１２が圧縮応力を有するように成膜されている。これにより、絶縁膜１０の引張応力と電極膜１２の圧縮応力とが相殺しあって、絶縁膜１０の引張応力による活性層３の圧縮ひずみが弱められる。その結果、この圧縮ひずみの反作用で活性領域１７に発生する引張ひずみを低減することが可能となる。これにより、活性領域端面付近１８のバンドギャップの収縮が抑制でき、活性領域端面付近１８における光吸収が抑制されＣＯＤレベルが向上する。本実施例では、絶縁膜１０及び電極膜１２に相反する応力が発生するように材料や成膜方法に制約を受けるが、ひずみ抑制膜１３が不要なために安価に製作することができる。
【００６５】
なお、絶縁膜１０が圧縮応力を有するように成膜され、電極膜１２が引張応力を有するように成膜される場合も同様の効果を奏することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、活性領域の引張ひずみを低減してＣＯＤレベルを向上することにより、歩留まりが高く、高信頼性を有し、高出力化を図ることができる半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図２】同半導体レーザ素子の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ’断面図である。
【図４】同半導体レーザ素子の要部正面図である。
【図５】同半導体レーザ素子及び従来例のひずみ分布図である。
【図６】図１の半導体レーザ素子の変形例を示す斜視図である。
【図７】図１の半導体レーザ素子の異なる変形例を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施例の半導体レーザ素子を示す斜視図である。
【図９】同半導体レーザ素子の正面図である。
【図１０】図９のＢ−Ｂ’断面図である。
【図１１】同半導体レーザ素子の要部正面図である。
【図１２】同半導体レーザ素子及び従来例のひずみ分布図である。
【図１３】本発明の第３実施例の半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１４】本発明の第４実施例の半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１５】図１４のＣ−Ｃ’断面図である。
【図１６】同半導体レーザ素子及び従来例のひずみ分布図である。
【図１７】本発明の第５実施例の半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１８】従来の半導体レーザ素子の要部を示す正面図である。
【符号の説明】
１…基板、２…第一クラッド層、３…活性層、４…第二クラッド層、５…エッチングストップ層、６…第三クラッド層、７…コンタクト層、８…メサ構造部、９…メサ側面（メサ構造部側面）、１０…絶縁膜、１１…メサ上面（メサ構造部上面）、１２…電極膜、１３…ひずみ抑制膜、１４、１５…端面、１６…電極膜、１７…活性領域、１８…活性領域端面付近、１９…メサ下部周辺部、２０…半導体レーザ素子、３０…半導体結晶成長部。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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