(57)【要約】【課題】  半導体レーザ素子間でのレーザ光の放射角の個体差が少なく、素子寿命が長い半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】  半導体レーザ素子として、半導体基板上１に、第１クラッド層３と、活性層４と、第２クラッド層５と、エッチングストップ層６とが順次積載され、エッチングストップ層６上に第３クラッド層７のみからなるストライプ状のリッジ７ａと、リッジ７ａの両側に形成されたブロック層１０と、リッジ７ａ及びブロック層１０上に形成された中間層１３とを有する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に順次形成された第１導電型の第１クラッド層，活性層，及び第２導電型の第２クラッド層と、
前記第２クラッド層上に形成され第２導電型の第３クラッド層のみからなるストライプ状のリッジ部と、
前記第２クラッド層上における前記リッジ部以外の領域に形成された第１導電型のブロック層と、
前記リッジ部及び前記ブロック層上に形成された第２導電型の中間層と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
半導体レーザ素子の製造方法において、
第１導電型の半導体基板上に、第１導電型の第１クラッド層，活性層，第２導電型の第２クラッド層，第２導電型の第３クラッド層，及び第１導電型のキャップ層を順次形成する第１成膜工程と、
パターン化されたフォトレジストマスクを用いて前記キャップ層を選択的にエッチングするキャップ層エッチング工程と、
前記エッチングされたキャップ層をマスクとして前記第３クラッド層をエッチングすることによりリッジ部を形成するリッジ形成工程と、
前記エッチングされたキャップ層の表面，前記リッジ部の表面，及び前記第２クラッド層の表面全体を覆うように前記ブロック層を形成するブロック層形成工程と、
前記リッジ部上の前記ブロック層をエッチングにより除去して前記エッチングされたキャップ層を露出させるブロック層エッチング工程と、
前記露出したキャップ層をエッチングして前記第３クラッド層からなるリッジ部を露出させるキャップ層除去工程と、
前記第３クラッド層からなる前記リッジ部の上面及び前記ブロック層の上面に、第２導電型の中間層を形成する第２成膜工程と、
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、リッジ構造を有する半導体レーザ素子に係り、特にレーザ光の放射角の個体差が少なく、素子寿命の長い半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
比較的単純な構造であって、光導波路での光の損失が少ない半導体レーザ素子として、リッジ構造を有するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子が知られている。
この半導体レーザ素子において、リッジ構造が複数の半導体層からなると共に、そのリッジ構造形成時のエッチングマスクに誘電体層を用いる半導体レーザ素子及びその製造方法が、特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献1には、おおむね以下のように記載されている。
図６に、そのＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子の構成を示し、内容を説明する。
まず、半導体であるＧａＡｓ基板２１上に、ｎ型ＧａＩｎＰからなるｎ型バッファ層２２，ｎ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型第１クラッド層２３，活性層２４，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第２クラッド層２５，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型エッチングストップ層２６，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型第３クラッド層２７，ｐ型ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層２８，及びｐ型ＧａＡｓからなるｐ型キャップ層２９をこの順序で結晶成長する。
次に結晶成長されたｐ型キャップ層２９上にＳｉＯ2からなる誘電体層をスパッタ法等のプラズマプロセスにより形成した後に、形成された誘電体層におけるリッジ構造形成領域以外の領域をフォトリソグラフィ法により除去し、誘電体層からなるエッチングマスク３０を形成する。
次に、このエッチングマスク３０を用いて、ｐ型キャップ層２９をエッチングした後、ｐ型中間層２８及びｐ型第３クラッド層２７を硫酸系のエッチング液にてエッチングすることにより、図６に示すようにｐ型キャップ層２９，ｐ型中間層２８，及びｐ型第３クラッド層２７からなるリッジ構造を形成する。
ここで、一般的に知られているようにｐ型エッチングストップ層２６は、ｐ型第３クラッド層２７と構成元素は同じであるが、Ａｌの含有比率を低くしてある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１０９００３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、一般的にリッジ構造を形成するための硫酸系のエッチング液は、エッチングされる材質によってエッチングレートが異なることが知られている。
このエッチングレートは、特にＡｌ含有比率に大きく依存し、Ａｌ含有比率が高いとエッチングレートが速くなる傾向がある。従来のリッジ構造において、硫酸系エッチング液でエッチングするｐ型中間層２８及びｐ型第３クラッド層２７では、ｐ型中間層２８にはＡｌが含まれていない。
そのため、リッジ構造を形成するためのエッチングにおいて、ｐ型中間層２８のエッチングレートに比べＡｌを含むｐ型第３クラッド層２７のエッチングレートは速い。
【０００６】
また、エッチングレートは、エッチング液の温度，エッチング液の濃度及びエッチングマスク３０の形状等の影響により変化する。更に、通常半導体レーザ素子は、ウエハー上に複数個形成され、それを切出して形成される。そのため、ウエハー面内でのエッチング液の温度分布，エッチング液の濃度勾配及びエッチングマスク３０の形状等の影響により、ウエハー面内でのエッチング速度の分布が発生し、個々の半導体レーザ素子にてエッチングのムラが発生する。ｐ型中間層２８で発生したエッチングのムラは、エッチングレートの速いｐ型第３クラッド層２７のエッチングの際に大きくなり、ｐ型中間層２８よりもｐ型第３クラッド層２７の方の表面粗さが大きくなってしまう。
エッチングの終了時の、エッチング面の表面粗さは、半導体層の積層方向に関しては、Ａｌの含有比率が低くエッチングレートが遅いｐ型エッチングストップ層２６によって、小さくなる。また、リッジ構造の側面の表面粗さに関しては、特にエッチングレートの速いｐ型第３クラッド層２７で大きくなってしまう。
すなわち、ウエハー内でのエッチングのムラにより、エッチング終了時のリッジ構造側面のエッチング面の表面粗さが、各半導体レーザ素子でばらつく。
結果として、台形状のリッジ構造の下底の長さであるリッジ幅（Ｗｂ）（図６参照）は、各半導体レーザ素子間でばらつきが発生し、そのため、レーザ光の放射角の個体差が大きくなるという問題があった。
【０００７】
更に、特許文献１に記載されている、プラズマプロセスによって成膜された誘電体層を、リッジ構造形成のためのエッチングマスク３０として用いることにより、誘電体層成膜時のプラズマにてｐ型キャップ層２９の表面近傍へのダメージが与えられ、その表面近傍に格子欠陥が発生することがあった。
この格子欠陥の数量は、半導体レーザ素子形成後に通電し、レーザ光を発光した時の発熱によって増加する。その結果、発光効率が低下し、それに伴って光出力維持のための電流値が上昇し、その電流値の上昇により発熱が増大するという悪循環に陥り、素子寿命が短くなる虞があった。
さらに、一般的に知られているように、半導体膜と誘電体膜とでは膜応力が大きく異なるため、半導体であるｐ型キャップ層２９及び誘電体であるエッチングマスク３０の界面で応力差が発生し、それによってｐ型キャップ層２９の界面近傍で格子欠陥が発生する虞もあった。
その結果、半導体レーザ素子の素子寿命が短くなり、半導体レーザ素子は安定したレーザの発振をすることができないことがあった。
【０００８】
そこで、本発明は、レーザ光の放射角の個体差が少なく、素子寿命が長く安定したレーザの発振のできる半導体レーザ素子及びその製造方法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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、第１導電型の半導体基板１と、半導体基板１上に順次形成された第１導電型の第１クラッド層３，活性層４，及び第２導電型の第２クラッド層５と、第２クラッド層５上に形成され第２導電型の第３クラッド層７のみからなるストライプ状のリッジ部７ａと、第２クラッド層５上におけるリッジ部７ａ以外の領域に形成された第１導電型のブロック層１０と、リッジ部７ａ及びブロック層１０上に形成された第２導電型の中間層１３とを備えたことを特徴とする半導体レーザ素子を提供する。
【００１０】
更に、半導体レーザ素子の製造方法において、第１導電型の半導体基板１上に、第１導電型の第１クラッド層３，活性層４，第２導電型の第２クラッド層５，第２導電型の第３クラッド層７，及び第１導電型のキャップ層８を順次形成する第１成膜工程と、パターン化されたフォトレジストマスク９を用いてキャップ層８を選択的にエッチングするキャップ層エッチング工程と、エッチングされたキャップ層８ａをマスクとして第３クラッド層７をエッチングすることによりリッジ部７ａを形成するリッジ形成工程と、エッチングされたキャップ層８ａの表面，リッジ部７ａの表面，及び第２クラッド層５の表面全体を覆うようにブロック層１０を形成するブロック層形成工程と、リッジ部７ａ上のブロック層１０をエッチングにより除去してエッチングされたキャップ層８ａを露出させるブロック層エッチング工程と、露出したキャップ層８ａをエッチングして第３クラッド層７からなるリッジ部７ａを露出させるキャップ層除去工程と、第３クラッド層７からなるリッジ部７ａの上面及びブロック層１０の上面に、第２導電型の中間層１３を形成する第２成膜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を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、リッジ構造を複数の半導体層ではなく、第２導電型の第３クラッド層のみで形成することによって、それぞれの半導体レーザ素子のリッジ幅（Ｗｂ）が一定の長さになり、レーザ光の放射角の個体差を抑えることができる。
また、リッジ形成工程でのエッチングマスクとして、プラズマプロセスで形成した誘電体層ではなく、半導体からなる第１導電型のキャップ層を用いることによって、プラズマによるダメージと応力差とにより発生していた、第１導電型のキャップ層表面近傍の格子欠陥を無くすことができ、素子寿命の低下を抑えることができる。
その結果、レーザ光の放射角の個体差が少なく、素子寿命が長く安定したレーザの発振のできる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る半導体レーザ素子及びその製造方法の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体レーザ素子の製造方法の１実施例を示すフローチャートである。図２は、本発明の半導体レーザ素子の構造及び製造方法のうちリッジ構造形成の１実施例について説明する模式的断面図である。図３は、本発明の半導体レーザ素子の構造及び製造方法のうち電流狭窄構造形成の１実施例について説明する模式的断面図である。図４は、本発明の半導体レーザ素子の構造及び製造方法のうち第２成膜工程以降の工程の１実施例について説明する模式的断面図である。図５は、本発明の半導体レーザ素子のリッジ構造の１実施例を示す模式的断面図である
【００１３】
（第１成膜工程）Ｓ１（図２（Ａ）参照）
初めに、半導体であるｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＧａＩｎＰ膜よりなるｎ型バッファ層２，ｎ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるｎ型第１クラッド層３，ＧａＩｎＰよりなる歪多重量子井戸構造を持つレーザ光を発生する活性層４，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるｐ型第２クラッド層５，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるｐ型エッチングストップ層６，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰよりなるｐ型第３クラッド層７，及びｎ型ＧａＡｓよりなるｎ型キャップ層８をこの順序で結晶成長する。
それぞれの層は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成するが、必ずしもその成膜方法は限定されない。
ここで、ｎ型キャップ層８は、後述するリッジ形成工程Ｓ４においてエッチングマスクとして利用する。更に、ｎ型キャップ層８は、結晶成長終了後の降温過程において、ｐ型第３クラッド層に不純物として導入されているＺｎ（亜鉛）とチャンバー内雰囲気のＨ（水素）とが結合して、Ｚｎがドーパントとして不活性化することを抑制する作用を持つ。
【００１４】
（フォトリソグラフィ工程）Ｓ２
次に、ｎ型キャップ層８上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法により、図２（Ｂ）に示すようにストライプ状のレジストパターン９を形成する。ストライプ状のレジストパターン９は、後述するキャップ層エッチング工程Ｓ３にてｎ型キャップ層８をエッチングする際のエッチングマスクとなるものである
【００１５】
（キャップ層エッチング工程）Ｓ３
次に、フォトリソグラフィ工程Ｓ２で形成されたストライプ状のレジストパターン９をマスクとして、燐酸と過酸化水素水と水との混合液（３：１：５０ ｗｔ％，２５℃）を用いて、図２（Ｃ）に示すように、ｎ型キャップ層８をストライプ状にエッチングをおこない、幅Ｗｔのストライプ状にエッチングされたｎ型キャップ層８ａを形成する。（図５参照）
ｎ型キャップ層８をエッチングした後、レジストパターン９を、図２（Ｄ）に示すように、有機溶剤により除去する。
【００１６】
（リッジ形成工程）Ｓ４
次に、キャップ層エッチング工程Ｓ３にてストライプ状にエッチングされたｎ型キャップ層８ａをエッチングマスクとして、ｐ型第３クラッド層７をエッチングし、図２（Ｅ）に示すように、リッジ７ａを形成する。
この際、エッチング液としては、硫酸と水との混合液である硫酸系エッチング液を用い、ｐ型第３クラッド層７のみを選択的にエッチングする。
ここで、ｐ型第３クラッド層７に比べてＡｌの含有比率が低いｐ型エッチングストップ層６により、半導体膜の積層方向の停止位置でのエッチング面６Ｓは、エッチングのムラの影響が少なく表面粗さが小さくなる。
また、リッジ７ａの側面７ａＳの表面粗さに関しては、リッジ７ａがｐ型第３クラッド層７のみで形成されるため、エッチングレートが一定であり表面粗さは大きくなることはないため、図５に示すように、安定したリッジ幅（Ｗｂ）が形成できる。
【００１７】
（ブロック層形成工程）Ｓ５
次に、ｐ型エッチングストップ層６の露出している面と、リッジ形成工程Ｓ４で形成されたリッジ７ａの露出している面と、ストライプ状にエッチングされたｎ型キャップ層８ａの露出している面とに、図３（Ａ）に示すように、ｎ型ＡｌＩｎＰからなるｎ型ブロック層１０をＭＯＣＶＤ法にて結晶成長する。
【００１８】
（アッシング工程）Ｓ６
次に、ブロック層形成工程Ｓ５で形成されたｎ型ブロック層１０上の全面に、図３（Ｂ）に示すように、上面が平坦になるようにフォトレジスト１１を形成する。
その後、ｎ型ブロック層１０のうちリッジ７ａの上方に位置する部分が露出するまで、図３（Ｃ）に示すように、フォトレジスト１１をアッシング処理によって除去する。
【００１９】
（ブロック層エッチング工程）Ｓ７
次に、アッシング工程Ｓ６にて露出したｎ型ブロック層１０をフッ酸と水との混合液（１：１ ｗｔ％，２５℃）でエッチングし、図３（Ｄ）に示すように、リッジ７ａ部上方に開口部１２を設ける。
これにより、リッジ７ａの側面をｎ型ブロック層１０で挟み込んだ電流狭窄構造が形成される。
【００２０】
（キャップ層除去工程）Ｓ８
次に、開口部１２にあるストライプ状にエッチングされたｎ型キャップ層８ａを、燐酸と過酸化水素水と水との混合液（３：１：５０ ｗｔ％，２５℃）を用いて、図４（Ａ）に示すように、除去する。
なお、ブロック層エッチング工程Ｓ７においては、エッチング液として燐酸と過酸化水素水と水との混合液（１０：３：３ ｗｔ％，３０℃）を用いることによって、ｎ型ブロック層１０とストライプ状にエッチングされたｎ型キャップ層８ａとを、エッチング液を変えることなく連続してエッチングすることもできる。
【００２１】
（レジスト除去工程）Ｓ９
次に、アッシング工程Ｓ６で残ったフォトレジストマスク１１を有機溶剤にて除去することにより、図４（Ｂ）に示すように、表面を平坦にする。
【００２２】
（第２成膜工程）Ｓ１０
次に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＧａＩｎＰからなるｐ型中間層１３及びｐ型ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層１４を、図４（Ｃ）に示すように、リッジ７ａ及びｎ型ブロック層１０の露出した面上に結晶成長させる。
【００２３】
（電極形成工程）Ｓ１１
次に、図４（Ｄ）に示すように、ｐ型コンタクト層１４上にｐ側電極１５を形成すると共に、ｎ型ＧａＡｓ基板１における第１成膜工程Ｓ１にて半導体膜を結晶成長させた面とは反対の面に、ｎ型電極１６を形成し半導体レーザ素子を得る。
電極の形成は、スパッタ法や真空蒸着法等の周知の成膜方法を用いることができる。
【００２４】
以上、説明したように、従来、リッジ構造を複数の組成の半導体膜で構成することにより生じていた、半導体レーザ素子間のリッジ幅（Ｗｂ）のばらつきを抑えるために、実施例では、リッジ７ａをｐ型第３クラッド層７のみで構成している。
これにより、リッジ形成工程でのエッチングレートが一定になり、リッジ幅（Ｗｂ）のばらつきを少なくすることができる。そしてその結果として、各半導体レーザ素子間でのレーザ光の放射角の個体差が減少する。
また、従来、リッジ形成工程でのエッチングマスクとして、プラズマプロセスで形成した誘電体層を用いることにより発生していた、半導体膜へのプラズマによるダメージ及び半導体膜と誘電体膜との応力差をなくすため、実施例では、リッジ形成工程でのエッチングマスクとしてｎ型ＧａＡｓキャップ層８を用いている。これにより、プラズマによるダメージと誘電体膜の使用による応力差とが無くなり、ｎ型キャップ層８表面近傍の格子欠陥の発生が抑えられる。結果として、素子寿命の短縮がなく、安定したレーザの発振をすることができる。
ここでは、第１導電型としてｎ型を用い、第２導電型としてｐ型を用いた場合を例として説明したが、これらの導電型が逆（第１導電型としてｐ型を用い、第２導電型としてｎ型）の場合もよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の製造方法の１実施例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の半導体レーザ素子の構造及び製造方法のうちリッジ構造形成の１実施例について説明する模式的断面図である。
【図３】本発明の半導体レーザ素子の構造及び製造方法のうち電流狭窄構造形成の１実施例について説明する模式的断面図である。
【図４】本発明の半導体レーザ素子の構造及び製造方法のうち第２成膜工程以降の工程の１実施例について説明する模式的断面図である。
【図５】本発明の半導体レーザ素子のリッジ構造の１実施例を示す模式的断面図である。
【図６】従来の半導体レーザ素子の構成について説明する模式的断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１…ｎ−ＧａＡｓ半導体基板、２…ｎ型ＧａＩｎＰバッファ層、３…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層、４…ＧａＩｎＰ歪多重量子井戸活性層、５…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層、６…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰエッチングストップ層、７…ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ第３クラッド層、７ａ…リッジ、８…ｎ型ＧａＡｓキャップ層、８ａ…ストライプ状にエッチングされたｎ型キャップ層、９…フォトレジストマスク、１０…ｎ型ＡｌＩｎＰブロック層、１１…フォトレジスト、１２…開口部、１３…ｐ型ＧａＩｎＰ中間層、１４…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層、１５…ｐ側電極、１６…ｎ側電極
【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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