JP2000058973A

JP2000058973A - 半導体レーザ素子およびその製造方法

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Publication number: JP2000058973A
Application number: JP22175898A
Authority: JP
Inventors: Junichi Hashimoto; 順一橋本
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2000-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体レーザ素子の内部抵抗を抑えて、素子
の発熱を低減することが可能な半導体レーザ素子および
その製造方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体レーザ素子は、基板２上
に設けられた活性層８と、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活性
層８に沿って設けられた第１クラッド層２０と、活性層
８と第２のクラッド層２０との間に挟まれ、ＧａＩｎＡ
ｓＰ半導体を含む中間層２２と、中間層２２と活性層８
との間にに挟まれ、ＡｌＧａＩｎＰ半導体およびＧａＩ
ｎＰ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１２と、を備える。中間層は組成比を変化させる
ことによってバンドギャップを変化できるので、中間層
にＧａＡｓ半導体を使用する場合に比べて、第１のおよ
び第２のクラッド層と中間層との界面のヘテロ障壁が縮
小される。

Description

【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、光通信、光記録、
光情報処理等の分野において使用される。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、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ある
ので、この構造の代わりにリッジ導波路構造が採用され
る。このような半導体レーザ素子は、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レーザに
おいて使用される。

【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、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】しかしながら、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撹拌速
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均一
性および再現性を改善するために、クラッド層内にエッ
チング停止層を設ける手法があり、例えば特開平３−２
２２４８８号公報に開示されている。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高い選択
比を有する材料を用いて形成された薄い層である。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大
きな差を設けることができるので、エッチングレートの
変動または面内差が生じても、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
が達成される。

【０００７】短波系レーザ素子において使用されるクラ
ッド材料には、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ等の半導体
がある。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、ＧａＡｓ半導体が用いられ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】発明者は、このような
構造の半導体レーザ素子の発熱を低減するために検討を
続けてきた。このためには、素子内外の直列抵抗を低減
する必要がある。この検討において、発明者は、クラッ
ド層とエッチング停止層との界面にヘテロ障壁に起因す
る抵抗が存在し、これを低減することによって高出力特
性等の素子特性を改善できることを見いだした。

【０００９】そこで、本発明の目的は、高出力特性等の
改善のため半導体レーザ素子の内部抵抗を抑えて、素子
の発熱を低減することが可能な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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を解決するた
めに、発明者が更なる検討を進めた結果、以下の結論に
至った。

【００１１】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。

【００１２】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
るフェルミレベルは一致するので、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△Ｅ_c、△
Ｅ_vとなるため電気抵抗として作用する。実験的には△
Ｅ_c、△Ｅ_vは、ヘテロ接合を形成する半導体層のエネル
ギギャップの差に比例するものとして求められる。

【００１３】したがって、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
つクラッド層上に容易に結晶成長可能な材料を使用すれ
ばよいことを見出した。そこで、本発明を以下のような
構成とした。

【００１４】本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板
上に設けられた活性層と、活性層上に設けられ、ＡｌＧ
ａＩｎＰ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、第１のクラッド
層上に設けられ、ＧａＩｎＡｓＰ半導体を含む中間層
と、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、を備える。

【００１５】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、ＧａＩｎＡ
ｓＰ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ＧａとＩ
ｎ、およびＡｓとＰ、の組成比をそれぞれ変化させるこ
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のヘテロ
障壁が縮小される。

【００１６】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。

【００１７】中間層の厚さは薄いので、このような範囲
で格子が整合していれば、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５ｎ
ｍが好適である。

【００１８】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。

【００１９】このように中間層のバンドギャップを調整
すれば、ヘテロ障壁に起因する抵抗が更に低減される。

【００２０】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。

【００２１】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、ＧａＩｎＡｓＰ
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き、高出力特性が
大幅に改善される。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、Ｇ
ａＩｎＡｓＰ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。

【００２２】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、活性層上に第１のクラッド層を設ける工程
と、第１のクラッド層上に中間層を設ける工程と、中間
層上に第２のクラッド層を設ける工程と、を備え、第１
のクラッド層および第２のクラッド層は、ＡｌＧａＩｎ
Ｐ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、ＧａＩｎＡｓＰ半導体を含む。

【００２３】従来においては、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩ
ｎＰ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、Ｇａ
ＩｎＰ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。

【００２４】しかしながら、中間層を構成するＧａＩｎ
ＡｓＰ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。

【００２５】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。

【００２６】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、所定の深さのクラッ
ド層が均一性、再現性よく形成される。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】

【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。

【００３０】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Ｓ
ＣＨ層１０との間に設けられ、ＳＣＨ層６およびＳＣＨ
層１０のそれぞれの一の面は、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は活性
層８に対してキャリアを閉じ込めるように作用する。

【００３１】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のそれぞれの一の面は、中間
層部２２の対向する２つの面に接している。下部ＳＣＨ
層６の一の面と対向する他の面は下部クラッド層４の一
の面に接し、上部ＳＣＨ層１０の一の面と対向する他の
面は第１の上部クラッド層１２の一の面とそれぞれ接す
るので、これらのクラッド層４，１２は下部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は、上部及び下部ＳＣ
Ｈ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。

【００３２】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、この抵抗を実質的に
ゼロにできる。

【００３３】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。

【００３４】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１
２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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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ＧａＩ
ｎＡｓ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。

【００３８】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ＳＣ
Ｈ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ＧａＩｎ
ＡｓＰ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。

【００３９】次いで、ｐ型ＧａＩｎＰ上部第１のクラッ
ド層６２、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ中間層６４、ｐ型ＧａＩ
ｎＰ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ＧａＩｎＡｓＰ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ＧａＩｎＡｓＰ中間層６４を覆って堆積される半導
体層である。

【００４０】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 Pha
se 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ＧａＩ
ｎＡｓＰ中間層６４、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ＧａＩｎＡｓ
Ｐ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、約１％格子定数が異なる組成に決定さ
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。

【００４１】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、Ｇａ
ＩｎＰ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。

【００４２】ｐ型Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y中間層６４
は、本実施の形態ではｘ＝０．７８およびｙ＝０．５６
の組成で形成され、ＧａＡｓ基板の半導体層に格子整合
しており、バンドギャップ値が約１．５９ｅＶを有す
る。ＧａＡｓ基板の半導体層に格子整合する条件の下で
は、１．４１ｅＶ（ｘ＝１、ｙ＝１）から１．８８ｅＶ
（ｘ＝０．５２、ｙ＝０）までの範囲でバンドギャップ
値を選択できる。このため、ＧａＡｓ半導体のバンドギ
ャップ値よりも大きな半導体層を形成できる。

【００４３】また、ｐ型Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y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％程度以内であれば、ミスフィット転移
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、５ｎ
ｍ〜１０ｎｍ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＝０．８３程度、ｙ＝０．
３８程度にすると格子不整約−１％の半導体層を形成で
きる。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井戸効果によってＧａＩ
ｎＡｓＰのバンドギャップは多少変動するが、組成比
ｘ、ｙ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。

【００４４】更に、中間層を構成するＧａＩｎＡｓＰ半
導体は、ＡｓおよびＰの両方を含む。このため、ＡｌＧ
ａＩｎＰ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ＧａＩｎ
Ｐ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。

【００４５】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６
８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。

【００４６】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、隣酸、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％隣酸と純水との
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ＧａＩｎＡｓＰ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を例示的に示している。

【００４７】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。

【００４８】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、隣酸、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％隣酸と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ＧａＩ
ｎＡｓＰ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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】この後、第１の上部クラッド部６２上に第
２の上部ブロック層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。

【００５２】続いて、マスク材６８を除去して、ｐ型Ｇ
ａＡｓコンタクト層７６を形成する。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型コンタクト層７６上を覆ってオ
ーミック電極７８が形成し、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。

【００５３】これらの工程の結果、本発明に従う半導体
レーザ素子が製造される。

【００５４】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５
８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、Ｇ
ａＡｓ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。

【００５５】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、ＧａＩｎＡｓＰ半導体を含むこと
が好ましい。

【００５６】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
及びＧａＩｎＡｓＰの少なくとも何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り、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、
この効果と、ＧａＩｎＡｓＰ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効果と
が相乗的に作用し、半導体レーザの高出力特性の大幅な
改善が可能となる。

【００５７】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。

【００５８】

【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、ＧａＩｎＡｓＰ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ＧａとＩｎ、およびＡｓとＰ、の組成比をそれぞ
れ変化させることによって中間層のバンドギャップをＧ
ａＡｓ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
ヘテロ障壁が縮小される。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。

【００５９】また、結晶格子のわずかな不整に起因する
歪みを内包するＧａＩｎＡｓＰ中間層を利用するように
すれば、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
ップを有することができるので、ヘテロ障壁をほぼ除去
できる。このため、半導体レーザ素子の内部抵抗が更に
低減される。

【００６０】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ＧａＩｎＡｓＰ半導体
は、ＡｓおよびＰの両方を含む。このため、ＡｌＧａＩ
ｎＰ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。

【００６１】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半導体層とエッチング停止
層との間に緩衝層を挿入する必要性も無くなる。

【００６２】したがって、クラッド層上に直接ＧａＩｎ
ＡｓＰ半導体からなるエッチング停止層の形成が可能に
なると共に、製造上の条件検討が簡素化された半導体レ
ーザ素子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ＧａＩｎ
Ｐ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、６
０…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ＧａＩ
ｎＡｓＰ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ＧａＩ
ｎＰ第２の上部クラッド部、７２…ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ
中間層部、７４…ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層、
７６…ｐ型コンタクト層、７８、８０…オーミック電極

Claims

【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、ＧａＩｎＡｓＰ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、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】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〜請求
項３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】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、ＧａＩｎＡｓＰ半導体を含む、半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】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５に記載の半導体レーザ素子の製造方
法。