(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に所定の材料を用いた発光層を有する第１の半導体レーザ共振器を形成する工程と、第１の共振器の近隣に半導体基板の主面に対して並列にストライプ状の溝を形成する工程と、そのストライプ状の溝内の壁面及び底面に高抵抗半導体層を形成する工程と、その高抵抗半導体層の一部に電流経路を形成する工程と、前記ストライプ状の溝内に第１の共振器とは異なる材料を用いた発光層を有する第２の半導体レーザ共振器を半導体基板の主面に対して並列に形成する工程を具備することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項２】
前記半導体基板がＧａＡｓ基板からなり、前記第１と第２の半導体レーザ共振器は、各発光層に互いに異なる５族の材料を含んでなる請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３】
前記５族の材料がＰ、Ａｓ、又はＮである請求項２記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１と第２の半導体レーザ共振器が、発振波長が赤色域の共振器と発振波長が赤外域の共振器からなる請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
前記半導体基板がＧａＡｓ基板からなり、前記発振波長が赤色域の共振器は、発光層がＩｎＧａＰ系の材料で形成され、前記発振波長が赤外域の共振器は、発光層がＧａＡｓ系の材料で形成されてなる請求項４記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１と第２の半導体レーザ共振器は、各発光層が、半導体基板の主面に対してほぼ同じ高さの位置に存在する請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項７】
前記第１と第２の半導体レーザ共振器が、それぞれ屈折率導波構造を有する請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
前記電流経路が、ストライプ状の溝内の底面に形成された高抵抗半導体層に形成されてなる請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項９】
前記高抵抗半導体層が、隣接する半導体レーザ共振器が電気的に分離されるのに十分な抵抗を有してなる請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１０】
前記高抵抗半導体層が、プロトン又はガリウムイオンの注入によって形成されてなる請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１１】
半導体レーザ共振器を形成する際、ダブルヘテロ構造の一部を除去してリッジ型導波路ストライプを形成することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１つに記載の製造方法で製造された半導体レーザ素子であって、ＣＤ及びＤＶＤの両方に対する記録、再生が可能な記録再生装置に組み込まれてな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】
この発明は、半導体レーザ素子及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、光情報記録再生装置に用いられる半導体レーザ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代光ディスクであるＤＶＤ（ディジタルヴァーサタイルディスク）は、映像記録として１３５分の動画を再生できること、また情報記録として４．７ギガバイトの容量を有すること等の特徴を有している。
【０００３】
ＤＶＤ再生装置では、ＤＶＤ（映像記録）、ＤＶＤ−ＲＯＭ（情報記録）、ＤＶＤ−Ｒ（一回書込みの情報記録）の再生・データの読み出しに加えて、従来から広く使用されてきたＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒの再生・データの読み出しが可能であることが要望されている。
【０００４】
しかし、ＤＶＤはＣＤと比較して次の２つの点で大きな相違があるためシステムの互換性を図るうえで障害となっている。
第１の点は、ディスクの基板厚さがＣＤでは１．２ｍｍであるのに対し、ＤＶＤでは０．６ｍｍになっていることである。これは記録密度を上げるため集光レンズのＮＡ（開口数）を大きくした時、ディスクの傾きに対する許容度を確保するためである。
【０００５】
第２の点は、ピックアップで使用する半導体レーザの発振波長である。ディスク上の集光スポット径は波長に比例するため、ＣＤでは７８０ｎｍ帯（赤外域）の半導体レーザを使用していたものが、ＤＶＤでは高密度記録を実現するために６５０ｎｍ帯（赤色域）の半導体レーザを使用している。
【０００６】
ディスク上の記録情報を読み取るピックアップにとって、基板厚さが異なる２種類のディスクがあるのは光学系の収差の点から障害となる。この解決策として、現在次のような方法が知られている。
【０００７】
ＣＤ用とＤＶＤ用の２つのレンズを切り換えて使用する方法、２焦点レンズを使用する方法、液晶シャッターを使用する方法等である（電子材料  １９９６年６月号  ３８ページ参照）。これらの方法を用いると、基板厚さが異なるディスクの情報読み出しが可能となり、ＤＶＤ再生装置でＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭの読み出しが可能となる。
【０００８】
しかしながら、上記方法では、７８０ｎｍ帯の光に反応する色素を記録方法に使用しているＣＤ−Ｒの情報は、６５０ｎｍ帯の光源を持つＤＶＤ装置で再生することはできない。そのため、ＣＤ−Ｒも再生可能なＤＶＤ用ピックアップとして以下のような方法が提案されている。
【０００９】
第１の方法は、再生装置内にＣＤ用ピックアップ（７８０ｎｍ帯レーザ使用）とＤＶＤ用ピックアップ（６５０ｎｍ帯レーザ使用）の２つを内蔵する方法である。しかしこの場合、装置の大型化とコストアップにつながる。
【００１０】
第２の方法は、１つのピックアップ内に２種類の波長の光を出す半導体レーザを組み込む事であり、次のような方式が考えられている。
▲１▼半導体レーザパッケージ内部に発振波長の異なるレーザチップを２種類装備する（特開平１１−９７８０４号公報参照）。
▲２▼１つのレーザチップの隣接する共振器に対して、コーティング膜の厚さを変えることで、異なる波長で発振させる（特開平３−９５８９号公報参照）。
▲３▼１つのレーザチップの隣接する共振器に対して、活性層下部の溝幅を変え、活性層のＡｌ含有量を異ならせ、発振波長を変える（特開昭６１−１９１８６号公報参照）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、１つのピックアップ内に２種類の波長の光を出す半導体レーザを組み込む場合、上記の▲１▼においては、発光スポット間の距離が問題となる。すなわち、ピックアップの光学系では、同一のレンズを用いて２つの異なる波長の光を扱うためには、発光スポット間の距離が少なくとも１００μｍ以下でなければならない。しかしながら、通常、２つの独立したレーザチップをパッケージ内に配置するには、並べて配置する関係上、発光スポット間の距離を１００μｍ以下にすることは困難で、かつ配置時の誤差も数十μｍ程度生ずる。
【００１２】
また、上記の▲２▼及び▲３▼においては、活性層は１回の結晶成長工程で２つの発光点を同時に形成するため、その構成材料が同じである。そのためいずれの手法を用いても、２つの発光点の波長差は１０ｎｍ程度しか得られず、ＤＶＤとＣＤで必要とされる６５０ｎｍと７８０ｎｍの２つの発振波長を実現することはできない。
【００１３】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、単一の半導体レーザ素子を用いて、赤外域と赤色域のレーザ光を、近接した発光スポット間距離で発生させることができるようにした半導体レーザ素子及びその製造方法を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体基板上に所定の材料を用いた発光層を有する第１の半導体レーザ共振器を形成する工程と、第１の共振器の近隣に半導体基板の主面に対して並列にストライプ状の溝を形成する工程と、そのストライプ状の溝内の壁面及び底面に高抵抗半導体層を形成する工程と、その高抵抗半導体層の一部に電流経路を形成する工程と、前記ストライプ状の溝内に第１の共振器とは異なる材料を用いた発光層を有する第２の半導体レーザ共振器を半導体基板の主面に対して並列に形成する工程を具備することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。この製造方法においては、半導体レーザ共振器を形成する際、ダブルヘテロ構造の一部を除去してリッジ型導波路ストライプを形成することで、安定な横モード発振を実現することができる。
【００１５】
この製造方法によれば、半導体基板上に第１の半導体レーザ共振器を形成し、その近隣にストライプ状の溝を形成し、その溝内の壁面及び底面に高抵抗半導体層を形成し、高抵抗半導体層の一部に電流経路を形成し、ストライプ状の溝内に第１の共振器とは異なる材料を用いた発光層を有する第２の半導体レーザ共振器を形成し、高抵抗半導体層で第１と第２の半導体レーザ共振器を電気的に分離するようにしたので、互いに異なる材料を用いた発光層を有する発振波長の異なる２つの半導体レーザ共振器を近接して配置することができ、これにより、発振波長の異なる２つの共振器の近接した発光点間隔が精度良く実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明において、半導体基板としては、種々の基板を用いることができる。この半導体基板としては、例えばｎ型又はｐ型のＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ等の基板が挙げられる。
【００１７】
半導体レーザ共振器は、各発光層（活性層とも呼ばれる）に互いに異なる５族の材料を含んでいることが必要である。半導体レーザ共振器では、発光層は一般に３族と５族の材料で構成されるが、その内の５族の材料が異なっていればよい。３族の材料としては、例えはＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂ等が挙げられる。５族の材料としては、例えばＰ、Ａｓ、Ｎ、Ｓｂ等が挙げられる。
【００１８】
複数の半導体レーザ共振器は、どのような発振波長を有するものであってもよいが、発振波長が赤色域の共振器と発振波長が赤外域の共振器との２つの共振器から構成されることが望ましい。発振波長が赤外域であるとは、７８０ｎｍ程度の波長の光を発生させることを意味し、発振波長が赤色域であるとは、６００ｎｍ帯の波長の光を発生させることを意味する。
【００１９】
このような構成である場合には、半導体基板がＧａＡｓ基板であれば、発振波長が赤色域の共振器については発光層をＧａＩｎＰ系の材料で形成し、発振波長が赤外域の共振器については発光層をＧａＡｓ系の材料で形成すればよい。ここで、ＩｎＧａＰ系の材料とは、ＧａとＡｌとで等量の置換が可能であるため、ＩｎＧａX Ａｌ1-X Ｐ（０≦Ｘ≦１）の材料であることを意味する。また、ＧａＡｓ系の材料とは、ＧａX Ａｌ1-X Ａｓ（０≦Ｘ≦１）の材料であることを意味する。
【００２０】
また、例えば半導体基板がＩｎＰであれば、１つの共振器の発光層をＩｎＧａＡｓＰで形成し、他のもう１つの共振器の発光層をＩｎＧａＮＳｂで形成してもよい。あるいは、例えば半導体基板がＧａＮであれば、１つの共振器の発光層をＩｎＧａＮで形成し、他のもう１つの共振器の発光層をＩｎＢＰ又はＩｎＢＡｓで形成してもよい。発光層をＩｎＧａＡｓＰで形成した共振器は、出射波長が１．３〜１．５μｍであるので、光ファイバー通信用として利用することができる。また、発光層をＩｎＧａＮＳｂで形成した共振器は、出射波長が２μｍ以上であるので、長距離光ファイバー通信用として利用することができる。
【００２１】
発光層の材料を上記のように選定することにより、互いに異なる５族の材料を用いた発光層を有する複数の半導体レーザ共振器を、半導体基板に配置した構成とすることができる。
【００２２】
複数の半導体レーザ共振器は、各発光層が、半導体基板の主面に対してほぼ同じ高さの位置に存在する構成であることが望ましい。半導体基板の主面とは、複数の半導体レーザ共振器を形成するためのベースとなる共通面を意味する。また、複数の半導体レーザ共振器は、それぞれ屈折率導波構造を有したものであることが望ましい。
【００２３】
高抵抗領域は、隣接する半導体レーザ共振器を電気的に分離するのに十分な抵抗を有するものであればよく、空気を介入させて絶縁するエアーギャップや、周辺の半導体よりも抵抗の高い高抵抗半導体層などで形成することができる。高抵抗半導体層は、プロトンやガリウムイオンの注入によって形成することができる。
【００２４】
本半導体レーザ素子は、通常、ＣＤ及びＤＶＤの両方に対する記録、再生が可能な記録再生装置内の光ピックアップに組み込まれて用いられる。
【００２５】
一つの態様によれば、本発明は、同一の半導体基板上に、発振波長が赤外域の半導体レーザ共振器と発振波長が赤色域の半導体レーザ共振器とを並列に形成したことを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００２６】
この態様の半導体レーザ素子は、半導体基板の半分の領域に、発振波長が赤外域（または赤色域）の第１の半導体レーザ共振器を形成し、次に同一の半導体基板の残り半分の領域に半導体基板の主面に対して並列にストライプ状の溝を形成し、その溝の中に発振波長が赤色域（または赤外域）の第２の半導体レーザ共振器を形成することで構成することができる。この場合、第１の共振器と第２の共振器の電流経路の分離は、第１の共振器と第２の共振器との間に、２つの共振器を電気的に分離するのに十分なエアーギャップのような高抵抗領域を設けることにより達成することができる。
【００２７】
高抵抗領域は、２つの共振器を電気的に分離するのに十分な抵抗を有する高抵抗半導体層で形成してもよい。高抵抗半導体層は、ストライプ状の溝の壁面（側面及び底面）を高抵抗層とし、その高抵抗層の一部に電流経路を設けた構成とすることが望ましい。この電流経路は、高抵抗半導体層の一部を不純物拡散で低抵抗化するか、又は高抵抗半導体層の一部を除去することにより形成することができる。
【００２８】
この場合、ストライプ状の溝内に設けた第２の共振器を屈折率導波型の構造にすることで、安定な横モード発振を実現することができる。
【００２９】
本発明の半導体レーザ素子は、表面を平坦にすることができるため、パッケージに実装する際、パッケージのヒートシンク（放熱）側を、第１の共振器と第２の共振器に対応する部分にそれぞれに分離することで、ジャンクションクダウン（junction-down ）の実装が可能となる。
【００３０】
もう１つの観点によれば、この発明は、半導体基板上に所定の材料を用いた発光層を有する第１の半導体レーザ共振器を形成する工程と、第１の共振器の近隣に半導体基板の主面に対して並列に開口部を形成する工程と、その開口部内に第１の共振器とは異なる材料を用いた発光層を有する第２の半導体レーザ共振器を半導体基板の主面に対して並列に形成する工程と、第１の共振器と第２の共振器との間に高抵抗領域を形成する工程を具備することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法である。
【００３１】
この製造方法によれば、半導体基板上に第１の半導体レーザ共振器を形成し、その近隣に開口部を形成し、その開口部内に第１の共振器とは異なる材料を用いた発光層を有する第２の半導体レーザ共振器を形成し、第１の共振器と第２の共振器との間に高抵抗領域を形成し、この高抵抗領域で第１と第２の半導体レーザ共振器を電気的に分離するようにしたので、互いに異なる材料を用いた発光層を有する発振波長の異なる２つの共振器を近接して配置することができ、これにより、発振波長の異なる２つの共振器の近接した発光点間隔が精度良く実現できる。
【００３２】
他のもう１つの観点によれば、この発明は、上述した特定の半導体レーザ素子の製造方法で製造された半導体レーザ素子であって、同一の半導体基板上に、互いに異なる材料を用いた発光層を有する複数の半導体レーザ共振器を、半導体基板の主面に対して並列に配置し、これら半導体レーザ共振器の間に高抵抗領域を設けてなる半導体レーザ素子である。
【００３３】
この発明によれば、互いに異なる材料を用いた発光層を有する複数の半導体レーザ共振器を、半導体基板の主面に対して並列に配置したので、異なる波長域の複数のレーザ光を近接した発光スポット間距離で平行に発生させることができる。
【００３４】
本発明においては、複数の半導体レーザ共振器の発光層は別々のエピタキシャル成長工程で形成されるため、結晶材料を独立して選択することができ、発振波長を７８０ｎｍと６５０ｎｍというように別々に設定することが容易に可能となる。
【００３５】
また、本発明においては、複数の半導体レーザ共振器が横方向に並んで配置され、かつ表面を平坦にすることが容易であるため、電気的に分離されたヒートシンクへのジャンクションダウン型の実装が可能となり、レーザ素子の高温動作に対しても有利である。また、半導体レーザ素子は剛性のない空気、または半導体レーザ素子と熱伝導率の同じ高抵抗半導体層で分離しているので、動作時の発熱による熱膨張等の影響を受けない。
【００３６】
以上のような半導体レーザ素子を使用した光ディスクピックアップは、１個の半導体レーザチップで７８０ｎｍ帯と６５０ｎｍ帯の光を出射することが可能であるため、ＤＶＤ用ディスクのみでなく、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ用ディスクの読み出しができる。
【００３７】
以下、図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。
【００３８】
実施例１
図１は本発明の半導体レーザ素子の実施例１の断面を示す説明図である。この半導体レーザ素子は、放熱作用を持つヒートシンク（サブマウント）１０２上に半導体レーザチップを融着した構成となっている。この半導体レーザチップは、７８０ｎｍで発振する共振器と６５０ｎｍで発振する共振器との２つを含んでいる。
【００３９】
図において、１０１はｐ−ＧａＡｓ基板、１１１はｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層、１１１ａはＶ溝ストライプ、１１２はｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１３はＡｌＧａＡｓ活性層、１１４はｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１５はｎ−ＧａＡｓキャップ層、１６０はＵ型のストライプ状の溝、１４１は高抵抗層、１４２は低抵抗層、１２１はｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１２２はＧａＩｎＰ活性層、１２３はｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、１２４はｎ−ＧａＡｓキャップ層、１０３は共通ｐ型電極、１３１，１５１はｎ型電極、１３２は電極１３１に接続されたリード線、１５２は電極１５１に接続されたリード線である。
【００４０】
半導体レーザチップ上面の電極は、赤外領域である７８０ｎｍ発光用の電極１３１と、赤色領域である６５０ｎｍ発光用の電極１５１との２つに分割されており、下側の共通電極１０３との間に電流を流すことにより、それぞれの波長で発光させることが可能である。
【００４１】
図２および図３は実施例１の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図であり、これらの図に基づいて、実施例１の半導体レーザ素子の製造方法を工程順に説明する。なお、図面は、一枚のウェーハ中での一組の半導体レーザに対応する部分のみを示している。
【００４２】
まず、ｐ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層１１１をＭＯＣＶＤ法（metal organic chemical vapor deposition ：有機金属気相成長法）で形成した後、フォトリソグラフィーと化学エッチング法でＶ溝ストライプ１１１ａを形成する。次いでＬＰＥ（液相成長）法でｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１１２、ＡｌＧａＡｓ活性層１１３、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１１４、ｎ−ＧａＡｓキャップ層１１５を積層し（図２（ａ）参照）、ダブルヘテロ構造を有する第１の半導体レーザ共振器を形成する。この構造のレーザ共振器では７８０ｎｍで発光する。
【００４３】
次に、第１の共振器上にＡｌ2 Ｏ3 膜１７０をＥＢ蒸着で形成し、フォトリソグラフィーと化学エッチング法により、Ｖ溝ストライプ１１１ａに近接し、ｐ−ＧａＡｓ基板１０１に達する深さをもつＵ型のストライプ状の溝１６０を形成する（図２（ｂ）参照）。
【００４４】
そして、プロトン照射を行うことで、この溝１６０の側壁及び底面を高抵抗層１４１とする（図２（ｃ）参照）。高抵抗層１４１は、プロトン照射のかわりにガリウムイオンを注入しても形成することができる。
【００４５】
次いでＳｉＮｘ膜１７１をｐ（プラズマ）−ＣＶＤ法で成膜し、フォトリソグラフィーおよび化学エッチング技術を用いて溝１６０の底面部のＳｉＮｘ膜１７１を除去し、不純物拡散を行って溝１６０の底面部のみを低抵抗化し、低抵抗層１４２とする（図３（ｄ）参照）。
【００４６】
その後ＳｉＮｘ膜１７１を除去し、Ａｌ2 Ｏ3 膜１７０をマスクとして、ＭＯＣＶＤ法により、溝１６０内にｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２１、ＧａＩｎＰ活性層１２２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２３、ｎ−ＧａＡｓキャップ層１２４からなるダブルヘテロ構造の第２の半導体レーザ共振器を形成する（図３（ｅ）参照）。この構造のレーザ共振器は６５０ｎｍで発光する。
【００４７】
そして、Ａｌ2 Ｏ3 膜１７０を除去し、ｐ−ＧａＡｓ基板１０１側には共通ｐ型電極１０３を、ｎ−ＧａＡｓキャップ層１１５，１２４側には、リフトオフ手法で分離されたｎ型電極１３１，１５１を形成し、各電極にリード線１３２，１５２をそれぞれ接続する（図３（ｆ）参照）。
【００４８】
このようにして作成されたウェーハを分割し、端面コーティング、パッケージ実装を施すことにより、半導体レーザ素子を得る。
【００４９】
本実施例で示した半導体レーザ素子では、７８０ｎｍ発光部がしきい値電流４０ｍＡ、６５０ｎｍ発光部がしきい値電流７０ｍＡで発振し、いずれの波長においても７０℃、５ｍＷの条件下で、動作時間２，５００時間が得られた。
【００５０】
実施例２
次に、本発明の半導体レーザ素子の実施例２について説明する。図４は実施例２の半導体レーザ素子の断面を示す説明図である。
【００５１】
この半導体レーザ素子は、ヒートシンク２０２上に半導体レーザチップをジャンクションダウンで融着した構成となっている。ジャンクションダウンとは、クラッド層で挟まれた活性層（ジャンクション）の部分がヒートシンク２０２に近づくように、半導体レーザチップのキャップ層の側をヒートシンク２０２に接続することである。
ヒートシンク２０２は、絶縁性ＳｉＣで構成され、凹部２０５が形成されているため、表面は電気的に分離された２つの区画を有する構成となっている。
【００５２】
図において、２０１はｎ−ＧａＡｓ基板、２１２はｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２１３はＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層、２１４はｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、２１５はｐ−ＧａＡｓキャップ層、２１６はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層、２５０はストライプ状の溝、２４１は高抵抗層、２４２は電流経路、２２１はｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、２２２はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層、２２３はｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、２２４はｐ−ＧａＡｓキャップ層、２２５はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層、２０３，２３１，２５１は電極、２０４は電極２０３に接続されたリード線、２３２は電極２３１に接続されたリード線、２５２は電極２５１に接続されたリード線である。
【００５３】
レーザ共振器は、７８０ｎｍで発振するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層２２２と、６５０ｎｍで発振するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層２１３との２つがあり、それぞれ独立した電極２５１，２３１を持つため、共通電極２０３との間に電流を流すことで、７８０ｎｍ発光と６５０ｎｍ発光とを独立して制御可能である。
【００５４】
図５および図６は実施例２の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図であり、これらの図に基づいて、実施例２の半導体レーザ素子の製造方法を工程順に説明する。
【００５５】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２１２、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層２１３、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２１４、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２１５をＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法で積層した後、リッジ型導波路ストライプとなる部分以外の部分をｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２１４の途中までエッチングで除去する。次いでエッチングで除去した部分にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２１６をＭＢＥ法で形成する（図５（ａ）参照）。これによりダブルヘテロ構造で、かつリッジ型導波路ストライプを有する屈折率導波型構造の第１の半導体レーザ共振器を形成する。この構造のレーザ共振器は６５０ｎｍで発光する。
【００５６】
次いで実施例１と同様に、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１に達する深さのストライプ状の溝２５０を形成し（図５（ｂ）参照）、その溝２５０の側壁及び底面を高抵抗層２４１化する（図５（ｃ）参照）。
【００５７】
次いでフォトレジスト２７１で溝２５０の底面以外の部分を保護して、化学エッチング法により溝２５０の底面の高抵抗層２４１を除去し、電流経路２４２を形成する（図５（ｄ）参照）。この電流経路２４２は、実施例１と同様に、不純物拡散を行って溝２５０の底面部のみを低抵抗化することで形成してもよい。
【００５８】
その後、溝２５０の内部に、ＭＯＣＶＤ法でｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２１、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層２２２、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２３、ｐ−ＧａＡｓキャップ層２２４を積層する（図６（ｅ）参照）。
【００５９】
そして、ＳｉＮｘ膜２７２をマスクとして、溝２５０内に積層したＡｌＧａＡｓ系タブルヘテロ構造の一部を、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層２２３の途中までドライエッチング法により除去する。つまり、溝２５０内のリッジ型導波路ストライプとなる部分以外の部分をエッチングで除去し（図６（ｆ）参照）、その除去した部分にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２２５を形成する（図６（ｇ）参照）。これによりダブルヘテロ構造で、かつリッジ型導波路ストライプを有する屈折率導波型構造の第２の半導体レーザ共振器を形成する。この構造のレーザ共振器は７８０ｎｍで発光する。
【００６０】
そして、実施例１と同様に、電極２０３，２３１，２５１を形成し、各電極にリード線２０４，２３２，２５２をそれぞれ接続して（図６（ｈ）参照）、ウェーハを分割し、端面コーティング、パッケージ実装を施すことにより、半導体レーザ素子を得る。
【００６１】
この実施例の半導体レーザ素子では、ストライプ状の溝２５０内に形成した第２の半導体レーザ共振器も屈折率導波型構造を有するので、安定した光モードが実現できる。本実施例では、６５０ｎｍ発光部がしきい値電流４５ｍＡで発振し、７８０ｎｍ発光部がしきい値電流４１ｍＡで発振した。また、ジャンクションダウンでヒートシンク２０２上に融着しているので、熱の発生する活性層の部分がヒートシンク２０２に近くなり、このため高温動作性能が向上し、７０℃、５ｍＷの条件下で、８，０００時間の動作が実現できた。
【００６２】
なお、本実施例では、ストライプ状の溝２５０内にリッジ型導波路ストライプを有する屈折率導波型構造の第２の半導体レーザ共振器を形成したが、実施例１においても、ストライプ状の溝１６０内にリッジ型導波路ストライプを有する屈折率導波型構造の第２の半導体レーザ共振器を形成するようにしてもよい。
【００６３】
また、本実施例では、半導体レーザ素子をジャンクションダウンでヒートシンク２０２上に融着したが、実施例１の半導体レーザ素子においても、ジャンクションダウンでヒートシンク１０２上に融着することができる。その場合には、ヒートシンク１０２を絶縁性ＳｉＣで構成し、ヒートシンク１０２の表面に、凹部を設けて電気的に分離した２つの電極を形成し、それらの電極にそれぞれ電極１３１，１５１を対応させて融着し、ヒートシンク１０２側の電極にリード線１３２，１５２をそれぞれ接続すればよい。
【００６４】
このようにして、半導体基板上に積層された第１のダブルヘテロ構造を有する半導体レーザ共振器に対して平行にストライプ状の溝を形成し、そのストライプ状の溝内の壁面及び底面を高抵抗化し、その高抵抗化した部分の一部に電流経路を形成し、ストライプ状の溝内に第２のダブルヘテロ構造の半導体レーザ共振器を形成して、同一の半導体基板上に、発振波長が赤外域の半導体レーザ共振器と発振波長が赤色域の半導体レーザ共振器とを並列に形成する。
【００６５】
このような構成の半導体レーザ素子であれば、異なるダブルヘテロ構造を有する半導体レーザ共振器を近接して形成しているため、発振波長を大きく異ならせることが可能であり、７８０ｎｍ帯と６５０ｎｍ帯の波長を実現でき、その発光スポット間隔を１００μｍ以下にすることが可能となる。
【００６６】
実施例３
次に、本発明の半導体レーザ素子の実施例３について説明する。図７は実施例３の半導体レーザ素子の断面を示すす説明図である。
【００６７】
この半導体レーザ素子は、ヒートシンク３０２上に半導体レーザチップをジャンクションダウンで融着した構成となっている。ヒートシンク３０２は、絶縁性ＳｉＣで構成され、凹部３０７が形成されているため、表面は電気的に分離された２つの区画を有する構成となっている。
【００６８】
図において、３０１はｎ−ＧａＡｓ基板、３１２はｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、３１３はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層、３１４はｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、３１５はｐ−ＧａＡｓキャップ層、３１６はｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層、３５０は絶縁のための分離溝、３２１はｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、３２２はＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層、３２３はｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、３２４はｐ−ＧａＡｓキャップ層、３２５はｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層、３０３，３３１，３５１は電極、３０５，３０６はヒートシンク３０２上に形成されたＭｏ／Ａｕ電極、３０４は電極３０３に接続されたリード線、３３２は電極３３１に接続されたリード線、３５２は電極３５１に接続されたリード線である。
【００６９】
実施例２と同様に、レーザ共振器は、第１の半導体レーザ共振器である７８０ｎｍで発振するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層３１３と、第２の半導体レーザ共振器である６５０ｎｍで発振するＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層３２２との２つがあり、これら２つのレーザ活性層は、それらの間に存在する分離溝３５０により分離されている。すなわち、２つのレーザ活性層は、高抵抗の空気により絶縁され、それぞれ独立した電極３３１，３５１を持つため、共通電極３０３との間に電流を流すことで、７８０ｎｍ発光と６５０ｎｍ発光とを独立して制御可能である。
【００７０】
図８および図９は実施例３の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図であり、これらの図に基づいて、実施例３の半導体レーザ素子の製造方法を工程順に説明する。
【００７１】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１２、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層３１３、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１４、ｐ−ＧａＡｓキャップ層３１５をＭＯＣＶＤ法で積層した後、リッジ型導波路ストライプとなる部分以外の部分をｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１４の途中までエッチングで除去する。次いでエッチングで除去した部分にｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層３１６をＭＯＣＶＤ法で形成する（図８（ａ）参照）。ここで、ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層３１６での発振波長における吸収がないため、レーザ発振光は、電流ブロック層による吸収を受けない。
【００７２】
これによりダブルヘテロ構造で、かつリッジ型導波路ストライプ構造を有する実屈折率導波型の第１の半導体レーザ共振器の部分が完成する。この構造のレーザ共振器は７８０ｎｍで発光する。
【００７３】
次に第２の半導体レーザ共振器を形成するための準備を行う。まず、リッジ型導波路ストライプ３１９の隣に、基板３０１に達する深さの共振器形成用の開口部３４９を形成する（図８（ｂ）参照）。その方法は以下のようにして行う。
【００７４】
まず、第１の共振器の上を含むウェーハ全面にＡｌ2 Ｏ3 膜３７０をＥＢ蒸着で形成する。次にＡｌ2 Ｏ3 膜３７０上にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィーにより、開口部３４９に相当する部分のフォトレジストを除去する。次にウエットエッチング法により、開口部３４９に相当する部分のＡｌ2 Ｏ3 膜３７０、ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層３１６、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１４、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層３１３、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１２を除去する。表面のＡｌ2 Ｏ3 膜３７０を溶かさずにｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３１２とｎ−ＧａＡｓ基板３０１との界面でエッチングをストップさせるために、エッチャントとして塩酸系のエッチャントを用いる。これにより開口部３４９が形成される。
【００７５】
ここで、後に成長させるｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３２１のモホロジーを良くするために、硫酸（４０℃１５ｓ）によりｎ−ＧａＡｓ基板３０１の表面リンスを行う。
【００７６】
次に、開口部３４９及びＡｌ2 Ｏ3 膜３７０の上に、ＭＢＥ法により、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３２１、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層３２２、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３２３、ｐ−ＧａＡｓキャップ層３２４を形成する（図８（ｃ）参照）。このときＡｌ2 Ｏ3 膜３７０の上には、多結晶の層である不要層３２７が成長するが、この不要層３２７はエッチングにより除去する。このエッチングによる除去では、不要層３２７以外の部分にフォトレジストを形成し、硫酸系エッチャント、飽和臭素水系エッチャント、及びアンモニア系エッチャントを使用して、Ａｌ2 Ｏ3 膜３７０が露出するまで不要層３２７をエッチングで除去し、その後、Ａｌ2 Ｏ3 膜３７０を除去する。
【００７７】
次に、第２の半導体レーザ共振器の部分を形成する。まず、ウェーハ表面にＳｉＮｘ膜３７１をスパッタリング法で形成する（図８（ｄ）参照）。次いでフォトリソグラフィーによりＳｉＮｘ膜３７１をマスクとして、ＡｌＧａＩｎＰ系ヘテロ構造の一部をｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３２３の途中までドライエッチング法により除去し、電流ブロック層形成用の開口部３７４，３７６を形成する（図９（ｅ）参照）。
【００７８】
次に、ＭＢＥ法により、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３２３上にｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層３２５を成長させる（図９（ｆ）参照）。このときＳｉＮｘ膜３７１の上には不要層（多結晶のＧａＡｓ）３２８が成長するが、この不要層３２８はエッチングにより除去する。このエッチングによる除去では、不要層３２８以外の部分にフォトレジストを形成し、アンモニア系エッチャントを使用して不要層３２８を除去する。これにより第２の半導体レーザ共振器の部分が完成する。この構造の第２の共振器の部分は、６５０ｎｍで発光し、電流ブロック層３２５がＧａＡｓであるため複素屈折率型の光導波構造となる。
【００７９】
次に、ＭＢＥ法でコンタクト層３３９を形成し、その上にＥＢ蒸着法でＡｌ2 Ｏ3 膜３７２を形成する（図９（ｇ）参照）。
【００８０】
そして、フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、第１の共振器の部分と第２の共振器の部分との間に絶縁のための分離溝３５０を形成する（図９（ｈ）参照）。この分離溝３５０がＧａＡｓ基板３０１まで至っているので、第１の共振器と第２の共振器との間は、高抵抗である空気により電気的に絶縁される。
【００８１】
最後に、電極３０３，３３１，３５１を形成し、各電極にリード線３０４，３３２，３５２をそれぞれ接続する。このようにして作製されたウェーハを分割し、端面コーティングを行い、ヒートシンク３０２の上にジャンクションダウンで実装することにより、半導体レーザ素子を得る。このようにヒートシンク３０２の上にジャンクションダウンで実装した場合には、放熱が良いので高出力の場合に有利である。なお、半導体レーザ素子は、ヒートシンク３０２の上にジャンクションアップ（junction-up ）で実装してもよい。
【００８２】
図１０は半導体レーザ素子をジャンクションアップで実装した場合の例を示す説明図である。
このように、半導体レーザ素子をヒートシンク３０２の上にジャンクションアップで実装した場合には、ヒートシンク３０２に配線パターンが不要となるので、リード線３０４，３３２，３５２のボンディングが容易となり、これにより素子の組み立てが容易となる。また、第１と第２の共振器で半導体基板３０１から上部電極３３１，３５１までの高さが異なっていても、ヒートシンク３０２への実装が容易である。
【００８３】
このようにして得た半導体レーザ素子では、第１の共振器はＡｌＧａＡｓの埋め込みにより実屈折率型の共振器となり、この共振器からは、導波ロスが小さく、しきい値の低いレーザ発振が得られる。また第２の共振器はＧａＡｓの埋め込みにより複素屈折率型の共振器となり、この共振器は屈折率による光閉じ込めを行うため、この共振器からは、活性層における水平方向の光の安定性の高いレーザ発振が得られる。
【００８４】
本実施例で示した半導体レーザ素子では、６５０ｎｍ発光部がしきい値電流４５ｍＡで発振し、７８０ｎｍ発光部がしきい値電流３８ｍＡで発振した。信頼性試験は、７０℃、５ｍＷの条件下で９，０００時間の動作が実現できた。
【００８５】
本実施例では、第１の共振器の部分と第２の共振器の部分との絶縁を分離溝で行うようにしており、この分離溝は、プロトン照射などの大掛かりな装置を必要とせず、実績のあるフォトリソグラフィーとドライエッチングを使用して形成することができるので、作製が容易である。また、第１と第２の共振器で、電流ブロック層を異なる材料で形成できるため、それぞれの共振器で最適な導波構造を選択することができる。
【００８６】
なお、本実施例では、リッジ型導波路ストライプのリッジ部分を形成する際にエッチストップ層を使用していないが、より正確な厚さに制御するためにエッチストップ層を導入してもよい。
【００８７】
また、動作電圧を下げるために、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３２１とｐ−ＧａＡｓキャップ層３２４との間に中間バンドギャップ層を設けてもよい。
【００８８】
本実施例では、第１と第２の共振器の電流ブロック層が異なる材料で構成された例を示したが、双方の電流ブロック層を同じＡｌＧａＡｓで構成することも可能である。その場合には、第１の共振器と第２の共振器との双方が実屈折率導波型となるため、より低い発振しきい値を得ることができる。
【００８９】
また、活性層にＡｌＧａＡｓ系の材料を用いた共振器を先に形成し、その後、その共振器に隣接して、活性層にＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いた共振器を形成するようにしたが、この順序は逆でもよく、活性層にＡｌＧａＩｎＰ系の材料を用いた共振器を先に形成し、その後、その共振器に隣接して、活性層にＡｌＧａＡｓ系の材料を用いた共振器を形成するようにしてもよい。
【００９０】
このようにして、発振波長が赤外域の第１の半導体レーザ共振器を形成した後、それに隣接して開口部を形成し、その開口部内に、発振波長が赤色域の第２の半導体レーザ共振器を形成し、双方の共振器の間に分離溝を形成することにより、同一の半導体基板上に、発振波長が赤外域の半導体レーザ共振器と発振波長が赤色域の半導体レーザ共振器とを並列に形成する。
【００９１】
このような構成の半導体レーザ素子であれば、双方の活性層を異なる材料で形成することができるので、発振波長を大きく異ならせることが可能であり、７８０ｎｍ帯と６５０ｎｍ帯の波長を実現でき、その発光スポット間隔を１００μｍ以下にすることが可能となる。そのため本発明による半導体レーザ素子を使用した光ピックアップでは、単一のピックアップでＤＶＤディスクとＣＤ／ＣＤ−ＲＯＭ／ＣＤ−Ｒディスクとの双方の情報の読み出し及び書き込みが可能となる。また、本発明の半導体レーザ素子は表面が平坦であるため、ジャンクションダウンの実装が可能となり、高温条件下でのレーザ素子の信頼性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
この発明によれば、単一の半導体レーザ素子を用いて、赤外域と赤色域のレーザ光を、近接した発光スポット間距離で発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の実施例１の断面を示す説明図である。
【図２】実施例１の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図である。
【図３】実施例１の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図である。
【図４】本発明の半導体レーザ素子の実施例２の断面を示す説明図である。
【図５】実施例２の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図である。
【図６】実施例２の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図である。
【図７】本発明の半導体レーザ素子の実施例３の断面を示す説明図である。
【図８】実施例３の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図である。
【図９】実施例３の半導体レーザ素子の製造方法を示す説明図である。
【図１０】実施例３の半導体レーザ素子をジャンクションアップで実装した場合の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１  ｐ−ＧａＡｓ基板
１０２，２０２，３０２  ヒートシンク
１０３  共通ｐ型電極
１１１  ｎ−ＧａＡｓ電流狭窄層
１１１ａ  Ｖ溝ストライプ
１１２  ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１１３  ＡｌＧａＡｓ活性層
１１４  ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
１１５  ｎ−ＧａＡｓキャップ層
１２１  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１２２  ＧａＩｎＰ活性層
１２３  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１２４  ｎ−ＧａＡｓキャップ層
１３１，１５１  ｎ型電極
１３２，１５２  リード線
１４１  高抵抗層
１４２  低抵抗層
１６０  ストライプ状の溝
２０１，３０１  ｎ−ＧａＡｓ基板
２０３，２３１，２５１，３０３，３３１，３５１  電極
２０４，２３２，２５２，３０４，３３２，３５２  リード線
２０５，３０７  凹部
２１２，３２１  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２１３，３２２  ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰのＭＱＷ活性層
２１４，３２３  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２１５，２２４，３１５，３２４  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
２１６，２２５，３２５  ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
２２１，３１２  ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
２２２，３１３  ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＭＱＷ活性層
２２３，３１４  ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層
２４１  高抵抗層
２４２  電流経路
２５０  ストライプ状の溝
３０５，３０６  Ｍｏ／Ａｕ電極
３１６  ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層
３４９  共振器形成用の開口部
３５０  分離溝
３７４，３７６  電流ブロック層形成用の開口部
【図１】
0003818815.tif 000002
【図２】
0003818815.tif 000003
【図３】
0003818815.tif 000004
【図４】
0003818815.tif 000005
【図５】
0003818815.tif 000006
【図６】
0003818815.tif 000007
【図７】
0003818815.tif 000008
【図８】
0003818815.tif 000009
【図９】
0003818815.tif 000010
【図１０】
0003818815.tif 000011