JP2002124736A - 半導体レーザ素子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 腐食性ガスを用いずに歩留まりよく製造でき
る光閉じ込め層を有する半導体レーザ素子とその製造方
法を提供することが目的である。 【解決手段】 一主面が（１００）面から［０１１］方
向に５度〜１７度で傾斜したｎ型ＧａＡｓ半導体基板
と、このｎ型ＧａＡｓ半導体基板１の一主面上に形成さ
れたｎ型クラッド層３と、このｎ型クラッド層３上に形
成された活性層５と、活性層５上に形成されたリッジ部
７ｂを有するｐ型クラッド層７と、ｐ型クラッド層７上
に形成されたｎ型光閉じ込め層１０と、層厚０．４μｍ
以下のｎ型電流ブロック層１１と、を備える。

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と
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発振波長が赤色域の半導体レーザ
素子としてＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子が活発に
研究開発されている。特に、このＡｌＧａＩｎＰ系半導
体レーザ素子は６３０〜６８０ｎｍ帯の発振が可能であ
り、この波長帯は視感度が高いことから、斯る素子はレ
ーザーポインターやラインマーカー等に使用されている
他、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べて発振波長
が短いことから高密度記録用光源等として期待されてい
る。

【０００３】斯る半導体レーザ素子は、一般に電流ブロ
ック層にはＧａＡｓ層が用いられるが、例えば、IEEE J
OURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，
VOL．１，NO．２，JUNE 1995 p723〜p727には電流ブロ
ック層として、ＡｌＩｎＰ層（光閉じ込め層）とＧａＡ
ｓ層からなる２層構造を採用したリッジ型の半導体レー
ザ素子の例が示されている。

【０００４】この文献において、この２層構造の電流ブ
ロック層を備えた半導体レーザ素子は電流ブロック層が
ＧａＡｓ層の１層構造である一般的な半導体レーザ素子
より、発振しきい値電流及びスロープ効率が改善できる
ことが報告されている。

【０００５】このようなリッジ型半導体レーザ素子は、
通常、ＳｉＯ₂膜等の誘電体材料からなるマスク膜を介
した状態でエッチングを行ってリッジ部を形成した後、
このマスク膜を残した状態で電流ブロック層を有機金属
気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の気相成長法を用いて形
成する工程を経て製造される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、製造装
置にとって好ましくないＨＣｌなどの腐食性ガスを導入
しないで、ＡｌＩｎＰ層等のＡｌ組成比の高い材料から
なる電流ブロック層を成長する場合、成長条件を選択し
ても誘電体材料からなるマスク膜上に上記Ａｌ組成比の
高い材料が点在して形成されてしまう。この結果、続い
てＧａＡｓ層からなる電流ブロック層を成長すると、通
常、誘電体材料上には成長しないＧａＡｓ層が前記点在
してなるＡｌ組成比の高い材料を核としてマスク膜上の
広範囲の領域に形成されるため、電流ブロック層形成後
にマスク膜をウェットエッチングや反応性ガスを用いた
ドライエッチングで除去することが困難となる。この結
果、完成した半導体レーザ素子中にマスク膜の一部が残
存することに起因し、素子歩留まりが悪くなるといった
問題が生じる。

【０００７】また、上述の問題点を解決した場合でも、
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子にかかわらず、半導
体レーザ素子は発振しきい値電流及びスロープ効率を更
に改善することが要求されている。

【０００８】この中でも、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レー
ザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子に比べ、材
料固有の問題から発振しきい値電流及びスロープ効率の
特性が劣り、更なる特性向上が求められている。

【０００９】本発明は、上述の問題点を鑑み成されたも
のであり、腐食性ガスを用いず歩留まりのよい光閉じ込
め層を有する半導体レーザ素子とその製造方法を提供す
ることが目的であり、更なる目的としては良好な発振し
きい値電流及びスロープ効率の特性を有する半導体レー
ザ素子と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】本発明の半導体レーザ素
子は、一主面が｛１００｝面から＜０１１＞方向に５度
〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる半導
体基板と、該半導体基板の一主面上に形成された第１導
電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド層上に形
成された活性層と、該活性層上に形成された電流通路と
なるストライプ状リッジ部を有する前記第１導電型とは
逆導電型となる第２導電型のクラッド層と、該リッジ部
の側面上を覆うように前記第２導電型のクラッド層上に
形成された該第２導電型のクラッド層より屈折率が小さ
く且つ発振光のエネルギー（ｈν：ｈはプランク定数、
νは発振光の振動数）より大きなエネルギーのバンドギ
ャップ（Ｅg：Ｅg＞ｈν）を有するＡｌを含有してなる
光閉じ込め層と、該光閉じ込め層上に形成された酸化防
止層としての第１導電型の電流ブロック層と、を備え、
前記第１導電型の電流ブロック層の層厚が０．４μｍ以
下であることを特徴とする。

【００１１】本発明の半導体レーザ素子は、製造工程に
おいて、リッジ部形成のための誘電体材料からなるマス
ク膜を介して光閉じ込め層を気相成長法により形成した
際に、マスク膜上に光閉じ込め層の材料が点在して形成
されても、その後に形成される電流ブロック層の層厚が
０．４μｍ以下であるので、この電流ブロック層がマス
ク膜の広範囲を覆うことがない。従って、このマスク膜
は通常のウェットエッチング又は反応性ガスを用いたド
ライエッチングで容易に取り除けるので、腐食性のガス
を使用することなく、製造歩留まりを向上させることが
できる。

【００１２】特に、前記電流ブロック層は、製造工程中
において光閉じ込め層の酸化を防止し、その上での結晶
成長を良好にすると共に、十分な電流阻止効果を得るた
めに、光閉じ込め層上全域にわたって０．２μｍ以上の
層厚で形成されるのが好ましい。

【００１３】特に、前記光閉じ込め層は第１導電型であ
り、且つ該光閉じ込め層の少なくとも前記活性層側の不
純物濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴と
する。

【００１４】更に、前記光閉じ込め層は、全域にわたっ
て不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴
とする。

【００１５】斯る半導体レーザ素子では、発振しきい値
電流とスロープ効率の特性が良好となる。

【００１６】特に、前記不純物濃度は、３×１０¹⁷ｃｍ
^-3以下であることを特徴とする。

【００１７】この場合、発振しきい値電流とスロープ効
率の特性がより良好になる。

【００１８】更に、前記不純物濃度は、２×１０¹⁷ｃｍ
^-3以下であることを特徴とする。

【００１９】この場合、発振しきい値電流とスロープ効
率の特性が更に良好になる。

【００２０】また、前記不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ
^-3以上であることを特徴とする。

【００２１】この場合、光閉じ込め層全体又は光閉じ込
め層の少なくとも活性層側を十分なキャリア濃度を有し
得る低抵抗領域とすることが可能であり、よってこの低
抵抗領域と第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合により
電流阻止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電
流とスロープ効率の特性を良好にできる。

【００２２】更に、前記不純物濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上であることを特徴とする。

【００２３】この場合、光閉じ込め層全体又は光閉じ込
め層の少なくとも活性層側をより十分なキャリア濃度を
有しえる低抵抗領域とすることが可能であり、よってこ
の領域と第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合により電
流阻止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電流
とスロープ効率の特性を良好にできる。しかも、この１
０¹⁷ｃｍ^-3台の濃度制御は１０¹⁶ｃｍ^-3台の濃度制御に
比べて容易であるので、製造歩留まりが向上する。

【００２４】また、前記光閉じ込め層は、Ｓｅがドープ
されていることを特徴とする。

【００２５】前記第１導電型のクラッド層は（Ａｌ_x1Ｇ
ａ_1-x1）_y1Ｉｎ_1-y1Ｐからなると共に、前記第２導電型
のクラッド層は（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_y2Ｉｎ_1-y2Ｐからな
り、且つ前記光閉じ込め層は（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_y3Ｉｎ
_1-y3Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１＞０、１≧ｘ３＞ｘ２＞０、１
＞ｙ１＞０、１＞ｙ２＞０、１＞ｙ３＞０）からなるこ
とを特徴とし、ｘ３は１≧ｘ３≧０．９、ｘ１、ｘ２は
０．７≧ｘ１≧０．５、０．７≧ｘ２≧０．５がより好
ましく、更に好ましくは、基板として第１導電型のＧａ
Ａｓ基板を用い、第１導電型のクラッド層、第２導電型
のクラッド層、光閉じ込め層は、それぞれＧａＡｓ基板
と略格子整合する（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1）_{0. 5}Ｉｎ_0.5Ｐ、
（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ、（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）
_0.5 Ｉｎ_{0. 5}Ｐからなる。

【００２６】この場合、平坦部の厚みは０．０１〜０．
１３μｍがよく、好ましくは０．０３〜０．０８μｍで
あり、光閉じ込め層の厚みは０．３〜１μｍがよく、好
ましくは０．４〜０．８５μｍ、より好ましくは０．５
〜０．７５μｍである。また、光閉じ込め層が（Ａｌ_x3
Ｇａ_1-x3）_y3Ｉｎ_1-y3Ｐからなる場合には、４元系より
３元系の方が熱伝導がよく、しかも屈折率が最大にでき
るので、Ａｌ組成比ｘ３は１が最も好ましい。

【００２７】なお、この場合、活性層としては、ＡｌＧ
ａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる単一又は多重量子井戸
構造層やＡｌＧａＩｎＰ又はＧａＩｎＰからなる非量子
井戸層である単一層が用いれる。

【００２８】特に、前記光閉じ込め層上には、該光閉じ
込め層より不純物濃度、即ちキャリア濃度が大きい第１
導電型の電流ブロック層を有することを特徴とする。

【００２９】この場合、前記光閉じ込め層の電流ブロッ
ク層としての機能は、不純物濃度（キャリア濃度）が小
さいため、電流阻止効果が小さくなる恐れがあるが、不
純物濃度（キャリア濃度）が大きい電流ブロック層で十
分に電流阻止効果を補える。

【００３０】特に、前記電流ブロック層は、ＧａＡｓか
らなることを特徴とする。

【００３１】この場合、ＧａＡｓは酸化する恐れもな
く、製造上好ましい利点を有する上に、ＡｌＧａＩｎＰ
やＡｌＩｎＰ等に比べて熱伝導性もよいので、好まし
い。

【００３２】また、前記光閉じ込め層の少なくとも前記
活性層側のキャリア濃度は略５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であ
ることを特徴とする。

【００３３】この場合、光閉じ込め層の少なくとも活性
層側を低抵抗領域とでき、この領域と第２導電型のクラ
ッド層とのｐｎ接合により電流阻止効果が好ましく得ら
れるので、発振しきい値電流とスロープ効率の特性を良
好にできる。

【００３４】特に、前記光閉じ込め層は、低抵抗層であ
ることを特徴とする。

【００３５】この場合、光閉じ込め層は低抵抗層であ
り、第２導電型のクラッド層とのｐｎ接合による電流阻
止効果が好ましく得られるので、発振しきい値電流とス
ロープ効率の特性を著しく良好になる。なお、この低抵
抗層としてのキャリア濃度は好ましくは略５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3以上であり、より好ましくは略１×１０¹⁷ｃｍ^-3以
上である。

【００３６】また、本発明の半導体レーザ素子の製造方
法は、｛１００｝面から＜０１１＞方向に５度〜１７度
で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる半導体基板の
一主面上に、第１導電型のクラッド層、活性層、及び第
２導電型のクラッド層を成長する工程と、該第２導電型
のクラッド層上に誘電体材料からなるマスク膜を形成し
た後、該マスク膜を介した状態で前記第２導電型のクラ
ッド層をエッチングしてリッジ部を形成する工程と、前
記マスク膜を介した状態で前記リッジ部を有する第２導
電型のクラッド層上に、該第２導電型のクラッド層より
屈折率が小さく且つ発振光のエネルギーより大きなエネ
ルギーのバンドギャップを有するＡｌを含有してなる光
閉じ込め層を気相成長法により形成する工程と、該光閉
じ込め層上に酸化防止層としての層厚０．４μｍ以下の
第１導電型の電流ブロック層を気相成長法により形成す
る工程と、前記マスク膜をエッチング法により除去する
工程と、を備えることを特徴とする。尚、光閉じ込め層
の気相成長条件としては、マスク膜上に光閉じ込め層の
材料が離散的に点在形成されるか、好ましくは殆ど形成
されないように設定される。なお、半導体基板上に、第
１導電型のクラッド層、活性層、及び第２導電型のクラ
ッド層を成長する工程も通常、気相成長法が使用され
る。

【００３７】本発明の製造方法では、誘電体材料からな
るマスク膜を介して光閉じ込め層を形成した際に、光閉
じ込め層がＡｌを含有する材料であることに起因してマ
スク膜上に光閉じ込め層の材料が点在して形成されて
も、その後に形成される電流ブロック層の層厚が０．４
μｍ以下であるので、この電流ブロック層がマスク膜の
広範囲を覆うことがない。従って、このマスク膜は通常
のウェットエッチングや反応性ガスを用いたドライエッ
チングで容易に取り除けるので、腐食性ガスを用いるこ
となく、製造歩留まりを上げることができる。

【００３８】なお、このマスク膜は、例えば酸化ケイ素
膜や窒化ケイ素膜などであり、気相成長法としてはＭＯ
ＣＶＤ法やＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）などが用
いられる。

【００３９】また、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザ素子の
場合には、第１、第２導電型のクラッド層は好ましくは
Ａｌ組成比が０．４〜０．６に選択され、光閉じ込め層
のＡｌ組成比はこれより大きく且つ好ましくは０．４２
〜０．６２の中から選択される。

【００４０】このように第１、第２導電型のクラッド層
がＡｌを含有する場合には、光閉じ込め層のＡｌ組成比
は、これらクラッド層のＡｌ組成比よりも大きく選択さ
れ、このようにクラッド層のＡｌ組成比よりも大きく選
択されたＡｌ組成比の光閉じ込め層はマスク膜上に点在
成長してしまう。

【００４１】また、第２導電型のクラッド層中には、エ
ッチング阻止層等の他の層が含まれてもよい。

【００４２】なお、上記電流ブロック層は、発振光のエ
ネルギーよりエネルギーの小さなバンドギャップを有す
ることが好ましい。

【００４３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態であるＡｌ
ＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を図を用いて説明する。
尚、図１、及び図２は、それぞれ斯る半導体レーザ素子
の模式断面構造図、活性層乃至電流ブロック層近傍の模
式バンド構造図である。

【００４４】図中、１はｎ型ＧａＡｓ半導体基板で、そ
の一主面（結晶成長面）は（１００）面から［０１１］
方向に角度θ（θ＝５度〜１７度、好ましくは７度〜１
３度：以下この角度θをオフ角度θという）で傾斜した
面であり、この前記一主面上には層厚０．３μｍのｎ型
Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバッファ層２が形成されている。

【００４５】上記バッファ層２上には、層厚１．２μｍ
のｎ型（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1）_0.5Ｉｎ_{0 .5}Ｐ（本形態ではｘ
１＝０．７：Ｓｉドープ）からなるクラッド層３が形成
されている。

【００４６】図２に詳細を示すように、前記ｎ型クラッ
ド層３上には、層厚５００Åのアンドープの（Ａｌ_z1Ｇ
ａ_1-z1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態ではｚ１＝０．５）光ガ
イド層４が形成されている。

【００４７】この光ガイド層４上には、層厚１００Åの
引張り歪を有する（Ａｌ_pＧａ_1-p） _qＩｎ_1-qＰ（１＞ｐ
≧０，１＞ｑ＞０．５１：本形態ではｐ＝０、ｑ＝０．
６５）量子井戸層５ａ、５ａ、５ａと層厚４０Åの圧縮
歪みを有する（Ａｌ_rＧａ_1-r）_sＩｎ_1-sＰ（１≧ｒ＞
０，０＜ｓ＜０．５１：本形態ではｒ＝０．５、ｓ＝
０．４５）量子障壁層５ｂ、５ｂとが交互に積層されて
なるアンドープの歪補償型多重量子井戸構造からなる活
性層５が形成されている。

【００４８】この活性層５上には、層厚５００Åのアン
ドープの（Ａｌ_z2Ｇａ_1-z2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態では
ｚ２＝０．５）光ガイド層６が形成されている。

【００４９】この光ガイド層６上には、層厚ｔの平坦部
７ａとこの平坦部の略中央に紙面垂直方向（共振器長方
向）に延在する高さ０．５〜０．８μｍ、上部幅２．５
〜３．５μｍ、下部幅３．５〜４．５μｍのストライプ
状リッジ部７ｂで構成されるｐ型（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）
_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（本形態ではｘ２＝０．７：Ｚｎドープ）
からなるクラッド層７が形成されている。

【００５０】前記リッジ部７ｂ上面には、層厚０．１μ
ｍのｐ型Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐキャップ層（Ｚｎドープ）
８、及び層厚０．３μｍのｐ型ＧａＡｓキャップ層（Ｚ
ｎドーープ）９がこの順序で形成されている。

【００５１】これらｐ型キャップ層８、９、リッジ部７
ｂの側面上及び平坦部７ａ上には、層厚ｕμｍのｎ型
（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１，ｘ
２＞０：本実施形態ではｘ３＝１，Ｓｅドープ）からな
る不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ ^-3以下の電流ブロック層
としても機能し且つ光閉じ込め機能を有する光閉じ込め
層１０及びこの光閉じ込め層１０より熱伝導性がよく且
つ不純物濃度が大きく本実施形態では１×１０¹⁸ｃｍ^-3
である層厚０．４μｍ以下、例えば０．３μｍのｎ型Ｇ
ａＡｓ（Ｓｅドープ）からなる酸化防止層としての電流
ブロック層１１がこの順序で形成されている。なお、こ
の電流ブロック層１１の層厚は、製造工程中で光閉じ込
め層１０の酸化を防止すると共に、電流阻止効果を十分
に得るため、０．２μｍ以上が好ましい。

【００５２】前記キャップ層９及び電流ブロック層１１
上には、層厚５μｍのｐ型ＧａＡｓコンタクト層（Ｚｎ
ドープ）１２が形成されている。

【００５３】前記コンタクト層１２上面にはＡｕ−Ｃｒ
からなるｐ型側オーミック電極１３が、前記ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１下面にはＡｕ−Ｓｎ−Ｃｒからなるｎ型側オー
ミック電極１４が形成されている。

【００５４】斯る半導体レーザ素子は、活性層５のバン
ドギャップ（即ち発振光のエネルギー（ｈν））よりエ
ネルギーの大きいバンドギャップのクラッド層３、７で
挟まれると共に、発振光のエネルギー（ｈν）よりバン
ドギャップが大きく（即ち、発振光の吸収が殆どなく）
且つクラッド層７より屈折率の小さい光閉じ込め層１０
と該光閉じ込め層１０より熱伝導性に優れる電流ブロッ
ク層１１を備えている。なお、この光閉じ込め層１０
は、クラッド層７と同じ導電型であったり、アンドープ
である場合には、電流阻止効果や電流挟窄効果が薄れ、
発振しきい値電流やスロープ効率が悪くなるので、これ
らに設定しない。

【００５５】そして、本実施形態の半導体レーザ素子
は、上記発振光に対して透明な光閉じ込め層１０の構成
により実屈折率導波型レーザ素子として動作するもので
あるが、このように実屈折率導波型として動作するため
には、上記リッジ部７ｂ領域下と該リッジ部７ｂ領域外
下における活性層５に対する実屈折率差は所定値以上が
必要であり、実屈折率導波型として良好に動作するため
には、好ましくは上記屈折率差は３×１０^-3以上が要求
される。

【００５６】図３は、上記平坦部７ａの層厚ｔと、リッ
ジ部７ｂ領域下とリッジ部７ｂ外領域下での活性層５に
対する実屈折率差の関係を計算により求めた結果を示
す。

【００５７】この図３から、本実施形態では、実屈折率
差が３×１０^-3以上となるように、平坦部７ａの層厚ｔ
は１３００Å以下が選択され、好ましくは５×１０^-3以
上となる８００Å以下が選択される。そして、活性層５
又は光ガイド層６に直接光閉じ込め層１０が接する構造
では、製造においてこれら層が大気に晒されるといった
不都合が生じるので、層厚ｔは例えば略１００Åを下限
とした方がよい。

【００５８】図４は、実験によって求めた本実施形態の
半導体レーザ素子の光閉じ込め層１０の層厚ｕと発振し
きい値電流の関係を示す。尚、この特性は、光閉じ込め
層１０の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3、共振器長Ｌ＝
４００μｍ、端面非コート、室温の条件で連続発振させ
て得た。

【００５９】この図４から、光閉じ込め層１０の層厚ｕ
は０．３μｍ以上１μｍ以下がよく、更に好ましいのは
０．４μｍ以上０．８５μｍ以下、より好ましいのは
０．５μｍ以上０．７５μｍ以下であることが判る。

【００６０】このように、光閉じ込め層１０がある程度
の厚みが必要なのは次の理由による。即ち、本実施形態
では、電流ブロック層１１が光吸収を行なえる材料で構
成されるため、光閉じ込め層１０の厚みが小さいと、電
流ブロック層１１によって強く光吸収が行われ、厚すぎ
ると、光閉じ込め層１０は放熱性が悪く、素子の放熱特
性が悪くなるためである。

【００６１】図５は、本実施形態の半導体レーザ素子と
従来の電流ブロック層がＧａＡｓ層の１層構造であるロ
スガイド型のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の電流
−光出力特性図（Ｉ−Ｌ特性図）を示す。尚、この特性
も、光閉じ込め層１０の不純物濃度を１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3、共振器長Ｌ＝４００μｍ、ｕ＝０．５μｍ、ｔ＝
０．０５μｍ、端面非コート、室温の条件で連続発振さ
せて得た。

【００６２】この図５から、本実施形態の素子が従来の
素子に比べて、発振しきい値電流値が小さく、且つスロ
ープ効率も良好であることが判る。

【００６３】次に、図６に光閉じ込め層１０の不純物濃
度（ドーパント濃度）と、発振しきい値電流、スロープ
効率との関係を示す。

【００６４】この図６から、光閉じ込め層１０は不純物
濃度が小さくなる程、発振しきい値電流が小さくなると
共に、スロープ効率が大きくなることが理解できる。

【００６５】特に、光閉じ込め層１０の不純物濃度が５
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合に、従来の電流ブロック層が
ＧａＡｓ層の１層構造であるロスガイド型のＡｌＧａＩ
ｎＰ系半導体レーザ素子の発振しきい値電流よりも小さ
な４０ｍＡ以下にできると共に、スロープ効率を従来の
素子よりも大きな０．３Ｗ／Ａ以上にできる。

【００６６】更に、この不純物濃度が３×１０¹⁷ｃｍ^-3
以下の場合、発振しきい値電流を３０ｍＡより小さくで
き、スロープ効率も０．４Ｗ／Ａよりも大きくできるの
でより好ましく、更に２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合、発
振しきい値電流を２５ｍＡより小さく、スロープ効率も
０．４５Ｗ／Ａよりも大きくできるのでより望ましく、
加えて１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の場合には、発振しきい値
電流が著しく小さくなり、スロープ効率も０．５Ｗ／Ａ
以上となるので、非常に好ましい。

【００６７】上述のように、光閉じ込め層１０は不純物
濃度が小さくなる程、発振しきい値電流及びスロープ効
率が改善されることが判る。

【００６８】このことは、従来素子では、電流ブロック
層がこの層と隣接するクラッド層等と逆導電型となすこ
とにより形成されるｐ−ｎ接合により電流をブロックす
るため、電流ブロック層は不純物濃度が高いことが望ま
しいと考えられていた点とは全く逆の現象である。

【００６９】この理由は十分でないが、本発明の半導体
レーザ素子の場合、クラッド層７に比べてバンドギャッ
プが大きい（Ａｌ組成比が大きい）光閉じ込め層１０は
不純物（ドーパント）が動きやすく、この層１０からの
不純物が（ドーパント：本実施形態ではＳｅ）が活性層
５側へ拡散してしまうからであると考えられる。しか
も、本発明の素子は、従来に比べて平坦部の層厚ｔが従
来の半導体レーザ素子に比べて小さくなっている点も原
因の１つであろうと考えられる。

【００７０】また、この光閉じ込め層１０の不純物濃度
（キャリア濃度）が非常に小さくなる場合には、クラッ
ド層７とのｐｎ接合による電流阻止効果や電流挟窄効果
が薄れ、発振しきい値電流やスロープ効率が悪くなるの
で、この不純物濃度は２×１０¹⁶ｃｍ^-3より大がよく、
好ましくは５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である。尚、上述の実
施形態では、ドーパントの活性化率は略１００％である
ので、上記不純物濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合のキャ
リア濃度は略２×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、不純物濃度が５
×１０¹⁶ｃｍ^-3の場合のキャリア濃度は略５×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3、不純物濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3の場合のキャリア
濃度は略１×１０¹⁷ｃｍ^-3に対応する。

【００７１】次に、斯る半導体レーザ素子の製造方法の
一例を以下に示す。

【００７２】最初に、図７（ａ）に示すように、ｎ型Ｇ
ａＡｓ板１上に、ｎ型バッファ層２、ｎ型クラッド層
３、光ガイド層４、活性層５、光ガイド層６、ｐ型クラ
ッド層７、ｐ型ＧａＩｎＰキャップ層８、ｐ型ＧａＡｓ
キャップ層９をこの順序でＭＯＣＶＤ法により連続成長
した後、ｐ型ＧａＡｓキャップ層９上に膜厚０．２μｍ
のＳｉＯ2膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法、又は電子
ビーム蒸着法等の薄膜形成方法により形成し、これをフ
ッ酸系エッチング液を用いてストライプ状のマスク膜２
１に形成する。

【００７３】次に、図７（ｂ）に示すように、前記マス
ク膜２１を介した状態でウェットエッチングによりｐ型
クラッド層７を平坦部７ａ、リッジ部７ｂからなる形状
にエッチングした後、前記マスク膜２１を介した状態で
ＭＯＣＶＤ法によりｎ型光閉じ込め層１０、ｎ型電流ブ
ロック層１１をこの順序で連続成長する。尚、この工程
において、ｎ型光閉じ込め層１０の成長条件は、マスク
膜２１上に光閉じ込め層１０の材料の堆積を低減するよ
うに設定されるが、マスク膜２１上にこの材料が離散的
に点在することとなる。

【００７４】その後、マスク膜２１をフッ酸系エッチン
グ液を用いたウェットエッチングで除去した後、ｐ型コ
ンタクト層１２をＭＯＣＶＤ法により形成し、ｐ型側、
ｎ型側オーミック電極１３、１４を形成して、図１に示
す半導体レーザ素子を完成する。

【００７５】この製造方法においては、不所望な材料が
離散的に点在した状態のマスク膜２１上にｎ型ＧａＡｓ
電流ブロック層１１を形成するので、前記点在した材料
を核としてＧａＡｓが若干結晶成長する。しかしなが
ら、ｎ型電流ブロック層１１は層厚が０．４μｍ以下と
しているので、マスク膜２１上に存在するＧａＡｓ層は
マスク膜２１の半分の領域に達することがない。この結
果、マスク膜２１をウェットエッチングで除去する際、
エッチング液が十分にゆき渡ってマスク膜２１が容易に
除去される。

【００７６】一方、ｎ型電流ブロック層１１の層厚を
０．５μｍ以上とした場合には、マスク膜２１上の半分
を遥かに越えた広範囲の領域にＧａＡｓ層が形成され、
マスク膜２１を完全に除去することが困難となる。この
結果、マスク膜２１の一部が残存した特性の劣化した半
導体レーザ素子が製造されることとなる。

【００７７】なお、上記ウェットエッチングに代えて反
応性ガスを用いたドライエッチングでも類似の結果が得
られた。

【００７８】このように、ｎ型電流ブロック層１１の層
厚を０．４μｍ以下とすることにより、マスク膜２１上
に形成されるＧａＡｓ層の面積が非常に小さくなる理由
は明確ではないが、通常、マスク膜２１上に形成されな
いＧａＡｓ層が形成されるためには、上述の核の存在の
他に、層厚を０．５μｍ以上として付着強度をますよう
にしなければならないからと考えられ、よって、層厚を
０．４μｍ以下とすると、核が存在しても、十分に層が
延存方向に成長できないと考えられる。なお、このよう
な現象は、ＳｉＯ₂膜以外のＳｉＮ膜等からなる誘電体
材料からなるマスク膜においても見られる。

【００７９】また、上述では、歪補償型の量子井戸構造
の活性層について主に説明したが、引っ張り歪みや圧縮
歪のものでも、無歪のものでもよく、勿論バルク構造で
もよい。また、上述の活性層は量子井戸層に光閉じ込め
をよくするために光ガイド層を備えたが、これら光ガイ
ド層はない構成も可能である。

【００８０】更に、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１とｎ型ク
ラッド層３の間に設けたｎ型Ｇａ_{0. 5}Ｉｎ_0.5Ｐバッファ
層２に代えてｎ型ＧａＡｓバッファ層を用いてもよく、
またバッファ層はなくともよい。

【００８１】また、上述のようにリッジ部と平坦部で構
成されるクラッド層中には、例えば両部の間にエッチン
グ停止層や、平坦部又はリッジ部中に可飽和光吸収層等
の他の層が含まれる構成とすることもできる。

【００８２】また、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_vＩｎ_1-vＰ（ｘ≧
０）結晶は、ｖ＝０．５１の場合に正確にＧａＡｓ半導
体基板と格子整合して歪が生じないが、ｖ＝０．５１の
近傍であっても殆ど歪が生じないので、（Ａｌ_xＧ
ａ_1-x）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐと略記しているものは、組成比ｖ
は０．５１近傍であればよい。特に、本発明では、クラ
ッド層、ブロック層は略無歪みのものが好ましい。

【００８３】更に、上記実施形態では、ＧａＡｓ半導体
基板１の一主面が（１００）面から［０１１］方向に傾
斜した面であったが、これらと等価な関係にあるものが
望ましい。即ち、ＧａＡｓ基板の一主面（結晶成長面）
は、（１００）面から［０−１−１］方向に傾斜した
面、（０１０）面から［１０１］又は［−１０−１］方
向に傾斜した面、（００１）面から［１１０］又は［−
１−１０］方向に傾斜した面でもよく、即ち｛１００｝
面から＜０１１＞方向に傾斜した面であればよい。

【００８４】加えて、上記実施形態では、層全体にわた
り不純物濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である光閉じ込め
層を用いたが、少なくとも活性層側の不純物濃度を５×
１０ ¹⁷ｃｍ^-3以下とする光閉じ込め層も使用可能であ
る。更に、光閉じ込め層の層中で不純物濃度が漸次的、
段階的に変化するようにもでき、また、光閉じ込め層を
異なる組成比の複数層からなるようにしてもよい。

【００８５】さらには、上述では、ＡｌＧａＩｎＰ系半
導体レーザ素子について述べたが、他の材料系、例えば
ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子にも適宜適用でき
る。

【００８６】

【発明の効果】腐食性ガスを用いずに歩留まりよく製造
できる光閉じ込め層を有する半導体レーザ素子とその製
造方法を提供できる。

【００８７】更に、良好な発振しきい値電流及びスロー
プ効率の特性を有する半導体レーザ素子を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態である半導体レーザ素子
の模式断面構造図である。

【図２】上記実施の一形態である半導体レーザ素子の活
性層乃至電流ブロック層近傍の模式バンド構造図であ
る。

【図３】ｐ型クラッド層の平坦部の層厚ｔと実屈折率差
の関係を示す図である。

【図４】光閉じ込め層の層厚ｕと発振しきい値電流の関
係を示す図である。

【図５】上記実施形態の半導体レーザ素子と従来の半導
体レーザ素子の光出力−電流特性の関係を示す図であ
る。

【図６】光閉じ込め層の不純物濃度と、発振しきい値電
流、スロープ効率の関係を示す図である。

【図７】上記半導体レーザ素子の製造工程図である。

【符号の説明】

１ ｎ型ＧａＡｓ半導体基板 ３ ｎ型（Ａｌ_x1Ｇａ_1-x1）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層 ５ 活性層 ７ ｐ型（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐクラッド層 ７ａ 平坦部 ７ｂ リッジ部 １０ 光閉じ込め層（ｎ型（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_0.5Ｉｎ
_0.5Ｐ層） １１ 電流ブロック層（ｎ型ＧａＡｓ層）

フロントページの続き (72)発明者 太田 潔 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 米田 幸司 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 庄野 昌幸 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 茨木 晃 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 吉年 慶一 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA13 AA45 AA74 CA13 CB11 DA05 DA35 EA23

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一主面が｛１００｝面から＜０１１＞方
   向に５度〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓから
   なる半導体基板と、該半導体基板の一主面上に形成され
   た第１導電型のクラッド層と、該第１導電型のクラッド
   層上に形成された活性層と、該活性層上に形成された電
   流通路となるストライプ状リッジ部を有する前記第１導
   電型とは逆導電型となる第２導電型のクラッド層と、該
   リッジ部の側面上を覆うように前記第２導電型のクラッ
   ド層上に形成された該第２導電型のクラッド層より屈折
   率が小さく且つ発振光のエネルギーより大きなエネルギ
   ーのバンドギャップを有するＡｌを含有してなる光閉じ
   込め層と、該光閉じ込め層上に形成された酸化防止層と
   しての第１導電型の電流ブロック層と、を備え、前記第
   １導電型の電流ブロック層の層厚が０．４μｍ以下であ
   ることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記電流ブロック層の層厚は０．２μｍ
   以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レー
   ザ素子。
3. 【請求項３】 前記光閉じ込め層は第１導電型であり、
   且つ該光閉じ込め層の少なくとも前記活性層側の不純物
   濃度は、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする
   請求項１又は２記載の半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 前記光閉じ込め層は、全域にわたって不
   純物濃度が５×１０ ¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とす
   る請求項３記載の半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 前記不純物濃度は、３×１０¹⁷ｃｍ^-3以
   下であることを特徴とする請求項３、又は４記載の半導
   体レーザ素子。
6. 【請求項６】 前記不純物濃度は、２×１０¹⁷ｃｍ^-3以
   下であることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ
   素子。
7. 【請求項７】 前記不純物濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3以
   上であることを特徴とする請求項３、４、５、又は６記
   載の半導体レーザ素子。
8. 【請求項８】 前記不純物濃度は、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以
   上であることを特徴とする請求項７記載の半導体レーザ
   素子。
9. 【請求項９】 前記光閉じ込め層は、Ｓｅがドープされ
   ていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、
   ６、７又は８記載の半導体レーザ素子。
10. 【請求項１０】 前記第１導電型のクラッド層は（Ａｌ
    _x1Ｇａ_1-x1）_y1Ｉｎ _1-y1Ｐからなると共に、前記第２導
    電型のクラッド層は（Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2）_y2Ｉｎ_1-y2Ｐか
    らなり、且つ前記光閉じ込め層は（Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3）_y3
    Ｉｎ_1-y3Ｐ（１≧ｘ３＞ｘ１＞０、１≧ｘ３＞ｘ２＞
    ０、１＞ｙ１＞０、１＞ｙ２＞０、１＞ｙ３＞０）から
    なることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、
    ７、８又は９記載の半導体レーザ素子。
11. 【請求項１１】 前記電流ブロック層は、前記光閉じ込
    め層より不純物濃度が大きいことを特徴とする請求項
    １、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の半
    導体レーザ素子。
12. 【請求項１２】 前記電流ブロック層は、ＧａＡｓから
    なることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、
    ７、８、９、１０又は１１記載の半導体レーザ素子。
13. 【請求項１３】 前記光閉じ込め層の少なくとも前記活
    性層側のキャリア濃度は略５×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である
    ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
    ８、９、１０、１１又は１２記載の半導体レーザ素子。
14. 【請求項１４】 前記光閉じ込め層は、低抵抗層である
    ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、
    ８、９、１０、１１、１２又は１３記載の半導体レーザ
    素子。
15. 【請求項１５】 ｛１００｝面から＜０１１＞方向に
    ５度〜１７度で傾斜した第１導電型のＧａＡｓからなる
    半導体基板の一主面上に、第１導電型のクラッド層、活
    性層、及び第２導電型のクラッド層を成長する工程と、
    該第２導電型のクラッド層上に誘電体材料からなるマス
    ク膜を形成した後、該マスク膜を介した状態で前記第２
    導電型のクラッド層をエッチングしてリッジ部を形成す
    る工程と、前記マスク膜を介した状態で前記リッジ部を
    有する第２導電型のクラッド層上に、該第２導電型のク
    ラッド層より屈折率が小さく且つ発振光のエネルギーよ
    り大きなエネルギーのバンドギャップを有するＡｌを含
    有してなる光閉じ込め層を気相成長法により形成する工
    程と、該光閉じ込め層上に酸化防止層としての層厚０．
    ４μｍ以下の第１導電型の電流ブロック層を気相成長法
    により形成する工程と、前記マスク膜をエッチング法に
    より除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体
    レーザ素子の製造方法。