JP2005236024A

JP2005236024A - 半導体レーザ素子

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Publication number: JP2005236024A
Application number: JP2004043135A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Osato; 毅大郷
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02
Also published as: EP1566867A2; US20050185687A1; US7366216B2; EP1566867A3

Abstract

【課題】半導体レーザ素子を構成するＡｌＧａＩｎＰ層あるいはＧａＩｎＰ層の結晶品質を改善し、高性能で長寿命な半導体レーザを提供する。
【解決手段】ＡｌＧａＩｎＰ層あるいはＧａＩｎＰ層を積層するＧａＡｓ基板として、主面の結晶方位が（１００）面を基準として（１１１）面方向に傾いた基板を採用する。傾きの度合いは、ＡｌＧａＩｎＰ層やＧａＩｎＰ層の総層厚が１μｍ以下であれば８〜５４．７度、１μｍ以上であれば１３〜５４．７度とする。このような基板上にＡｌＧａＩｎＰ層やＧａＩｎＰ層を形成した場合、結晶欠陥が生じにくいため、その層の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層が悪い影響を受けることもなく、高性能で長寿命な半導体レーザが得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体レーザ（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）素子に関し、特に、発振波長が８００ｎｍ前後の半導体レーザ素子に関する。

レーザ加工技術は、複雑かつ微細な加工が可能であること、部材の強度を落とさず加工できることなど、他の加工技術に比べて利点が多いことから、自動車産業や電子機器産業はもとより、造船・重機、航空宇宙産業などでも、広く利用されている。

近年、そのようなレーザ加工に、半導体レーザを励起光源とする固体レーザ（以下、ＬＤ励起固体レーザ）が用いられるようになってきた。例えば波長が１０６４ｎｍの赤外光を出すＮｄ−ＹＡＧ固体レーザの場合、励起光源となる半導体レーザとして、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の８０８ｎｍ帯ＬＤが用いられることがある。

しかし、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザ素子は、酸化しやすいＡｌを活性層に含むため、レーザの特性が突然劣化してしまうという問題がある。この問題の解決策としては、Ａｌを含まない材料により発光領域を構成し、かつ温度特性の劣化を防止するためにクラッド層の材料としてはＡｌＧａＡｓを採用する方法が提案されている。

具体的には、活性層をＩｎＧａＡｓＰにより形成し、光導波層をＧａＩｎＰにより形成することで、Ａｌの酸化に起因するレーザの急激な特性劣化を防止する。レ−ザ構造としては、キャリア閉じ込め領域と光閉じ込め領域を別々に設けることによって高出力化を実現する、いわゆる分離閉じ込めヘテロ（ＳＣＨ）構造を採用する。

これにより、光密度が高く、出力特性、信頼性ともに優れた半導体レ−ザが得られるものと期待されている（非特許文献１参照）。
ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．９Ｂ，ｐ．Ｌ１１７５（１９９５）

非特許文献１に開示された半導体レーザ素子を作製する場合、ＧａＡｓ層の上にＧａＩｎＰ結晶をＭＯＣＶＤ法により成長させる過程で、ＧａＩｎＰ層に結晶欠陥が生じることがある。ＧａＩｎＰと同材料系であるＧａＡｌＩｎＰ結晶を成長させる場合も同様である。例えば、ＧａＡｓ結晶の（１００）面の上にＧａＩｎＰ結晶を成長させた場合、結晶表面に楕円上の***（ヒロック）からなる結晶欠陥が発生することが確認されている。

ヒロックがレーザ特性に与える影響については、現状十分な検討がなされていないが、組成制御が難しい４元混晶であるＩｎＧａＡｓＰ活性層を、ヒロックを有するＧａＩｎＰ層の上に成長させれば、ヒロックが活性層の品質に何らかの影響を及ぼすことも考えられる。

そこで、本発明は、結晶欠陥が少ないＧａＩｎＰ層を備えた、高性能かつ長寿命の半導体レ−ザ素子を提供することを目的とする。

発明者は、上記目的を達成しようと鋭意検討する過程で、光導波層表面における２次元核の成長の度合いが、ＧａＡｓ基板の主面の結晶方位に依存することを見出した。２次元核はヒロックの要因となるため、２次元核の成長の度合いを抑えられれば、光導波層の結晶品質、さらにはその上の活性層の結晶品質を向上することができる。本発明の半導体レーザ素子は、この知見に基づいて発明されたものである。

本発明の第１の半導体レーザ素子は、結晶方位が（１００）面を基準として（１１１）面方向に８度以上５４．７度以下傾いた面を主面とするＧａＡｓ基板と、そのＧａＡｓ基板の前記主面の上に配置された少なくとも一層かつ総層厚が１μｍ以下の（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)と、その（Ａｌ_aＧａ_１−a）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の上に配置されたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層（ｘ≒０．４９ｙ、０＜ｙ≦１．０）とを備えている。（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層は、Ａｌを含む層のみでも、Ａｌを含まない層のみでも、Ａｌを含む層と含まない層の両方でもよい。

例えば、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の１つとしてＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ光導波層を備え、Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＡｓ（０．５７≦ｂ≦０．８）からなるクラッド層を備えた構造などが好ましい。

また、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層は、圧縮歪みまたは引っ張り歪みを有する歪活性層でもよく、その場合の組成はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦０．３）の範囲であることが好ましい。

本発明の第２の半導体レーザ素子は、結晶方位が（１００）面を基準として（１１１）面方向に１３度以上５４．７度以下傾いた面を主面とするＧａＡｓ基板と、そのＧａＡｓ基板の前記主面の上に配置された少なくとも一層かつ総層厚が１μｍ以上の（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)と、その（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の上に配置されたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層（ｘ≒０．４９ｙ、０＜ｙ≦１．０）とを備えている。第１の半導体レーザ素子と同様、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層は、Ａｌを含む層のみでも、Ａｌを含まない層のみでも、Ａｌを含む層と含まない層の両方でもよい。

例えば、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層として、Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ光導波層、および（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０．３≦ａ≦０．７）を備えた構造などが好ましい。

上記第１および第２の半導体レーザ素子により、発振波長が７６０ｎｍ以上８４０ｎｍ未満のレーザ光を安定出力することができる。

本発明の半導体レーザ素子は、所定の結晶方位面を主面とするＧａＡｓ基板上にレーザ構造を形成したものである。これにより、ＧａＡｓ基板上に形成されるＡｌＧａＩｎＰ層あるいはＧａＩｎＰ層の結晶欠陥の数を減らすことができるので、そのような結晶欠陥が上層の活性層に与える影響を軽減し、高性能かつ信頼性の高い半導体レ−ザ素子を提供することができる。

クラッド層の材料としてバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓを採用すれば、温度特性の劣化を防止することができ、素子の信頼性をさらに高めることができる。さらに、活性層に歪を与えれば、高い出力を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における半導体レーザ素子の構造を示す概略図である。この半導体レーザ素子は、通常の結晶方位面(（１００）面)よりも（１１１）Ａ面方向に８〜５４．７度傾いた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１と、そのｎ型ＧａＡｓ基板１上に積層された０．２μｍ厚のｎ型ＧａＡｓバッファ層２、２．０μｍ厚のｎ型Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ａｓ下部クラッド層３（０．５７≦ｚ１≦０．８）、０．４μｍ厚のｎ型あるいはｉ型Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ下部光導波層４、１００Å厚のＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ量子井戸活性層５（ｘ≒０．４９ｙ，０≦ｘ≦０．３）、０．４μｍ厚のｐ型あるいはｉ型Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ上部光導波層６、２．０μｍ厚のｐ型Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１-ｚ１Ａｓ上部クラッド層７および０．２μｍ厚のｐ^＋型ＧａＡｓコンタクト層８により構成される。

ｐ型Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１-ｚ１Ａｓ上部クラッド層７とｐ^＋型ＧａＡｓコンタクト層８には、幅約１０μｍの溝１２がストライプ状に２本形成されており、２本の溝の間に幅約５０μｍのリッジ形状部１３が形成されている。

リッジ形状部１３の上面以外の部分はＳｉＯ_２絶縁膜９で覆われ、さらにそのＳｉＯ_２絶縁膜の上にはｐ側電極１０が設けられている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極１１が設けられている。

次に、この半導体レーザ素子の作製方法について説明する。まず、（１００）面を基準として（１１１）Ａ面方向に８〜５４．７度傾斜した面を主面とするｎ型ＧａＡｓウエハ基板を用意する。このウエハ基板上に、有機金属化学気相成長法により、前述のｎ型ＧａＡｓバッファ層２となるＧａＡｓ膜、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層３となるＡｌＧａＡｓ膜、ｎ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ下部光導波層４となるＧａＩｎＰ膜、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５となるＩｎＧａＡｓＰ膜、ｐ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ上部光導波層６となるＧａＩｎＰ膜、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層７となるＡｌＧａＡｓ膜およびｐ^＋型ＧａＡｓコンタクト層８となるＧａＡｓ膜を形成する。

次に、フォトリソグラフィと硫酸系エッチング液を用いた化学エッチングにより、上層に形成されたＧａＡｓ膜、ＡｌＧａＡｓ膜の一部を除去し、前述のストライプ状の溝１２を２本形成する。これにより２本の溝の間にリッジ形状部１３が形成される。

その後、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ_２絶縁膜９を形成し、フォトリソグラフィと希釈したフッ酸を用いたエッチング処理によって、リッジ形状部１３の上面のＳｉＯ_２膜を除去する。さらに、ｐ側電極１０の材料（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。全体の厚みが１００μｍ程度になるまで、ＧａＡｓ基板１の研磨を行った後に、その研磨された面にｎ側電極１１の材料（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。

最後に、上記のように処理されたウエハ基板から、共振器長０．７５〜１．５ｍｍ程度のレーザバーを劈開により切り出し、劈開面の一方には低反射率光学膜を、他方には高反射率光学膜をコーティングする。さらに、各レーザバーを劈開によりチップに分離する。これにより図１に例示した半導体レーザ素子が完成する。

前述のように、本実施の形態の半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ基板１の主面は、図に示すように（１００）面を基準として（１１１）Ａ面方向に傾斜角α分だけ傾いた結晶方位を有する。前述のｎ型ＧａＡｓバッファ層２をはじめとする各層は、そのような傾いた結晶方位を有する主面上に積層される。

発明者は、上記傾斜角αが（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の結晶品質に与える影響を調べ、さらに、傾斜角αがレーザ特性に与える影響を調べることによって、上記好ましい傾斜角αの範囲を見出した。

まず、傾斜角αがＧａＩｎＰ下部光導波層４の結晶品質に与える影響を調べるために、主面の結晶方位が異なる複数種類のＧａＡｓ基板上に、図１に示すレーザ構造を形成し、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法による特性比較を行った。用意した基板の結晶方位面の傾き精度は、（１００）面を基準として（１１１）Ａ面方向に±０．３度以内である。

図２は、ＰＬ法による測定結果を表すグラフである。グラフの横軸は傾斜角αを表し、縦軸はＰＬ半値幅を表している。ＰＬ法による測定では、結晶品質の低下に伴いＰＬ半値幅が大きくなるため、ＰＬ半値幅を測定することによって結晶欠陥の多少を評価することができる。

図２において、上記測定の結果は、総膜厚１μｍ以下のグラフとして示されている。ここで、総膜厚とは、ＧａＡｓ基板と活性層の間に光導波層以外にもＧａＩｎＰ層あるいは同材料系のＡｌＧａＩｎＰからなる層がある場合の総膜厚を意味する。本実施の形態では、ＧａＡｓ基板と活性層の間にあるＧａＩｎＰ層あるいは同材料系のＡｌＧａＩｎＰからなる層はＧａＩｎＰ下部光導波層４のみであるため、総膜厚とはＧａＩｎＰ下部光導波層４の膜厚を指す。

なお、発明者は、後述するようにＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層をあわせた総膜厚が１μｍ以下の場合と１μｍ以上の場合に分けて結晶品質を評価した。総膜厚１μｍ以上の場合の測定結果については、後述する。

グラフが示すように、ＧａＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＰ層の総膜厚が１μｍ以下（詳細には０．４μｍ）の場合、傾斜角αが０度（すなわち、ＧａＡｓ基板の主面の結晶方位が[１００]の場合）のときのＰＬ半値幅は約４８ｍｅＶ、傾斜角８度では約３３ｍｅＶ、傾斜角１０度では３１ｍｅＶ、傾斜角１５度から（１１１）Ａ面に相当する傾斜角５４．７度の範囲では３０ｍｅＶという測定結果が得られた。この測定結果から、ヒロックの原因となる２次元核成長は、傾斜角αが大きいほど強く抑制されるものと考えられる。その抑制効果は傾斜角１０度付近で最大に達するが、傾斜角８度程度でも十分な結晶品質が得られることが確認されている。

次に、発明者は、傾斜角αに依存した２次元核成長の抑制効果が、ＧａＩｎＰ下部光導波層４において生じる効果なのか、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５において生じる効果なのかを確認するために、主面の結晶方位が異なる複数種類のＧａＡｓ基板の上に、０．５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ単層膜を成長させ、ＰＬ法による同様の測定を行った。その結果、ＧａＡｓ基板上に直接ＩｎＧａＡｓＰ単層膜を形成した構造では、傾斜角αに依存したＰＬ半値幅の変化は観察されなかった。この測定結果によれば、ＧａＡｓ基板１の主面の結晶方位は、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５の結晶品質に、直接的には影響しないものと考えられる。すなわち、ＧａＡｓ基板１の主面の結晶方位はＧａＩｎＰ光導波層４の結晶品質に影響し、ＧａＩｎＰ光導波層４の結晶品質がＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５の結晶品質に影響していると考えられる。

発明者は次に、傾斜角αがレーザ特性に与える影響を調べるために、上記傾斜角αが０度のＧａＡｓ基板と傾斜角αが１５度のＧａＡｓ基板上に、それぞれ図１に例示したレーザ構造を形成し、電流−光出力特性を測定した。図３は、その測定結果を表すグラフであり、横軸はレーザの駆動電流値、縦軸はレーザの光出力を表している。グラフが示すように、ＧａＡｓ基板の主面の結晶方位を、［１００］から、［１１１］方向に１５度傾斜した方位とすることにより、効率は１割程度向上する。

発明者は、さらに、傾斜角αが２、５、８、１０、１２度のＧａＡｓ基板を用意して、同様の測定を行った。図４は、その測定結果を、傾斜角α（横軸）と、６００ｍＷの光出力を得るために必要な駆動電流（縦軸）の関係として表したグラフである。図４において、上記測定の結果は、総膜厚１μｍ以下のグラフとして示されている。総膜厚１μｍ以上の場合については、後述する。

グラフが示すように、６００ｍＷの光出力を得るために必要な駆動電流について、傾斜角αが０度のとき約８２０ｍＡ、傾斜角２度で８００ｍＡ弱、傾斜角５度で７６５ｍＡ、傾斜角８度で７４５ｍＡ、傾斜角１０度で７３５ｍＡ、傾斜角１２度で７３０ｍＡ、傾斜角１５度で約７２５ｍＡという測定結果が得られた。この測定により、傾斜角αが大きいＧａＡｓ基板上に形成されたレーザ構造ほど、駆動電流値が低下することが判明した。すなわち、傾斜角αを大きくすることで、ＧａＩｎＰ光導波層の結晶品質（ＰＬ特性）が向上するのみならず、レーザ特性も向上することが確認された。

次に、図２および図４の総膜厚１μｍ以上の場合について説明する。発明者は（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚がＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層５の結晶品質に与える影響を調べるために、図１に例示した半導体レーザ素子と積層構造が同じで、下部クラッド層が厚さ２．０μｍの（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層、下部光導波層が厚さ０．４μｍのＧａＩｎＰ層である半導体レーザ素子を作製し、総膜厚が１μｍ以下の場合と同様、ＰＬ半値幅、および６００ｍＷの光出力を得るために必要な駆動電流の測定を行った。その測定結果は、図２および図４において、それぞれ総膜厚１μｍ以上のグラフとして示されている。

図２のグラフに示されるように、ＰＬ半値幅の値として、傾斜角αが０度で約５５ｍｅＶ、傾斜角１０度で約４０ｍｅＶ、傾斜角１５度で３１ｍｅＶ、傾斜角２５度から（１１１）面に相当する傾斜角５４．７度の範囲では３０ｍＶという測定結果が得られた。総膜厚１μｍ以下の場合のグラフとの比較からわかるように、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚を厚くした場合には、傾斜角αをより大きくしないと、２次元核成長の抑制効果が最大に達しないことが判明した。膜全体に含まれる２次元核の数は膜厚が厚いほど多いため、その２次元核の成長を抑制するためには、より大きな傾斜角αが必要であると考えられる。なお、グラフに示されるように、２次元核成長の抑制効果は傾斜角２５度付近で最大に達するが、傾斜角１３度程度でも十分な結晶品質が得られることが確認されている。

また、図４のグラフに示されるように、６００ｍＷの光出力を得るために必要な駆動電流については、傾斜角αが２度のとき約８４５ｍＡ、傾斜角５度で８０５ｍＡ、傾斜角８度で７７５ｍＡ、傾斜角１０度で７５５ｍＡ、傾斜角１２度で７４５ｍＡ、傾斜角１５度で７３５ｍＡという測定結果が得られた。傾斜角αが大きいＧａＡｓ基板上に形成されたレーザ構造ほど効率が良い点は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚が１μｍ以下の場合と同様である。但し、膜厚が１μｍ以上の場合、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚が１μｍ以下の場合と同程度の特性を実現するには、傾斜角αをより（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚が１μｍ以下の場合よりも大きくする必要がある。

以上に説明した測定から、発明者は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚を１μｍ以下にする場合には、主面の結晶方位が、（１００）面を基準として（１１１）面方向に８度以上５４．７度以下傾いているＧａＡｓ基板上にレーザ構造を形成するのがよく、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の総膜厚を１μｍ以上にする場合には、１３度以上５４．７度以下傾いているＧａＡｓ基板上にレーザ構造を形成するのがよいとの結論を得た。

前述の測定結果が示すとおり、本実施の形態の半導体レーザ素子は、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)の結晶品質がよく、また十分な出力特性を有する。このような半導体レーザ素子を用いれば、高性能で長寿命な半導体レーザ装置を提供することができる。

なお、本発明は、ＧａＡｓ層の上にＡｌＧａＩｎＰ層またはＧａＩｎＰ層、あるいはその両方が形成され、その上に活性層が形成された構造のレーザ素子であれば、上記図１に例示した構造に限らず有用な発明である。したがって、例えば、次に例示する構造の半導体レーザ素子にも適用することができる。

図５は、本発明の他の実施の形態における半導体レーザ素子の構造を示す概略図である。この半導体レーザ素子は、（１００）面よりも（１１１）Ａ面方向に８〜５４．７度傾いた面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板１４の上に、次のレーザ構造を形成したものである。

ｎ型ＧａＡｓ基板１４上には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１５、ｎ型Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１−ｚ１Ａｓ下部クラッド層１６（０．５７≦ｚ１≦０．８）、ｎ型あるいはｉ型Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ下部光導波層１７、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ量子井戸活性層１８（ｘ≒０．４９ｙ，０≦ｘ≦０．３）、ｐ型あるいはｉ型Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ上部光導波層１９、ｐ型Ａｌ_ｚ２Ｇａ_１-ｚ２Ａｓ上部第１クラッド層２０、１０ｎｍ厚のｐ型Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ第１エッチングストップ層２１が積層されている。

ＧａＩｎＰ第１エッチングストップ層２１の上には、幅１〜４μｍのストライプ形状部２９を備えたｐ型Ｇａ_１−ｚ３Ａｌ_ｚ３Ａｓ上部第２クラッド層２５の前記ストライプ形状部２９と、そのストライプ形状部２９を挟み込むように配置された１０ｎｍ厚のｐ型ＧａＡｓ第２エッチングストップ層２２、膜厚１０００〜６０００Åのｎ型（Ａｌ_ｚ４Ｇａ_１−ｚ４）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ電流ブロック層２３（０．１５≦ｚ４≦１）、１０ｎｍ厚のｎ型Ｇａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ第１キャップ層２４が積層されている。

上部第１クラッド層２０および電流ブロック層２３の厚みと組成は、基本横モード発振が高出力まで維持できる厚み、組成とする。具体的には等価屈折率段差が１．５×１０^−３〜７．０×１０^−３となる厚み、組成とする。

ＧａＡｌＡｓ上部第２クラッド層２５は、ストライプ形状部２９を有するとともに、ＧａＩｎＰ第１キャップ層２４を覆うように形成され、その上にはさらに、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２６が形成されている。

また、ｎ型ＧａＡｓ基板１４の裏面にはｎ側電極２８が設けられている。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２６の上にはｐ側電極２７が設けられている。

次に、この半導体レーザ素子の作製方法について説明する。まず、（１００）面を基準として（１１１）Ａ面方向に８〜５４．７度傾斜した面を主面とするｎ型ＧａＡｓウエハ基板を用意する。このウエハ基板上に、有機金属化学気相成長法により、前述のｎ型ＧａＡｓバッファ層１５となるＧａＡｓ膜、ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層１６となるＡｌＧａＡｓ膜、ｎ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ下部光導波層１７となるＧａＩｎＰ膜、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層１８となるＩｎＧａＡｓＰ膜、ｐ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ上部光導波層１９となるＧａＩｎＰ膜、ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部第１クラッド層２０となるＡｌＧａＡｓ膜、ｐ型ＧａＩｎＰ第１エッチングストップ層２１となるＧａＩｎＰ膜、ｐ型ＧａＡｓ第２エッチングストップ層２２となるＧａＡｓ膜、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層２３となるＡｌＧａＩｎＰ膜、ｎ型ＧａＩｎＰ第１キャップ層２４となるＧａＩｎＰ膜、および図示されないｎ型ＧａＡｓ第２キャップ層となる厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ膜を形成する。

次に、第２キャップ層の上に図示されないＳｉＯ_２膜を形成し、フォトリソグラフィによりストライプ形状部２９を形成する領域のみＳｉＯ_２膜を除去する。このＳｉＯ_２膜をマスクとして、硫酸系エッチング液によりＧａＡｓ第２キャップ層をエッチングする。その後、ＳｉＯ_２膜をフッ酸系のエッチング液により除去し、引き続き、ＧａＡｓ第２キャップ層をマスクとして、塩酸系エッチング液により、ＧａＩｎＰ第１キャップ層２４、ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層２３をエッチングし、底部でＧａＡｓ第２エッチングストップ層２２が露出している１〜４μｍ幅の溝を形成する。

次に、溝の底部に露出しているＧａＡｓ第２エッチングストップ層２２と、マスクとして用いたＧａＡｓ第２キャップ層を硫酸系のエッチング液を用いたエッチング処理により除去する。その後、前述のＡｌＧａＡｓ上部第２クラッド層２５と、ＧａＡｓコンタクト層２６を形成する。

さらに、ｐ側電極２７の材料（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。全体の厚みが１００μｍ程度になるまで、ＧａＡｓ基板１の研磨を行った後に、その研磨された面にｎ側電極２８の材料（Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ）を蒸着し、熱処理する。

最後に、上記のように処理されたウエハ基板から、共振器長０．７５〜１．５ｍｍ程度のレーザバーを劈開により切り出し、劈開面の一方には低反射率光学膜を、他方には高反射率光学膜をコーティングする。さらに、各レーザバーを劈開によりチップに分離する。これにより図５に例示した半導体レーザ素子が完成する。

図５に示した半導体レーザ素子は、図１に示した半導体レーザ素子とは、構造、作製方法ともに異なるが、ＧａＡｓ基板の上に（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)が形成され、その上に活性層が形成されている点は同じである。このように。本発明は、ＧａＡｓ基板、（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)、活性層の位置関係が同じである、あらゆる半導体レーザ素子に適用可能な発明である。

例えば、図５に例示した半導体レーザ素子において、４μｍ以上の幅の広いストライプ形状部を備えることによってノイズを軽減したマルチモード発振する屈折率導波型半導体レーザなどに適用してもよい。この場合、等価屈折率段差は、１．５×１０^−３以上に設定すればよい。また、利得導波型のもの、回折格子を備えたもの、一次元バーレーザや二次元アレイレーザにも適用可能である。

活性層は、圧縮歪みまたは引っ張り歪みを有する歪み活性層としてもよい。但し、スピノーダル分解を起こす組成領域である相分離領域（ミシビリティ・ギャップ）を避けるため、歪み活性層の組成はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦０．３）であることが好ましい。

また、活性層は、薄膜からなる量子井戸層と障壁層が交互に複数積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造の活性層でもよい。障壁層の材料を光導波層と同じ材料（ＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰ）とした場合、ＧａＩｎＰ層あるいはＡｌＧａＩｎＰ層の上に量子井戸層が形成されることになるので、その部分についても本発明の効果が発揮される。

なお、上記説明において例示したＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＰの組成比率は、ＧａＡｓ基板に格子整合する組成比率を示しているにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。もしくは格子整合から外れた歪層であっても、その厚さが臨界膜厚に達しなければよい。

また、上記説明において例示したｎ型の層をｐ型に置き換え、ｐ型の層をｎ型の層に置き換えた構造でも同様の効果が得られることは明らかであり、上記例と導電型が反対の場合も本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

また、上記説明では、ＧａＡｓ基板の主面の面方位を、（１００）面を基準にして（１１１）Ａ面方向への傾きにより表わしたが、結晶工学的に等価な方向に傾いた面方位であれば同様の効果が得られることは明らかである。

また、上述したように、本発明は、マルチ横モードレーザ、基本横モードレーザのいずれにも適用可能である。

上記各形態における半導体レーザ素子を用いれば、発振波長が７６０ｎｍ以上８４０ｎｍ未満の高出力半導体レーザ装置を提供することができる。この波長帯のレーザは、レーザ加工のほか、画像処理、通信、計測、医療、印刷など、あらゆる分野で利用可能であり、本発明の有用性が高いことは明らかである。

本発明の一実施の形態における半導体レ−ザ素子の構造を示す概略図ＧａＡｓ基板の主面の結晶方位と結晶品質の関係を示すグラフＧａＡｓ基板の主面の結晶方位と半導体レ−ザの電流-光出力特性の関係を示すグラフＧａＡｓ基板の主面の結晶方位と駆動電流値の関係を示すグラフ本発明の他の実施の形態における半導体レ−ザ素子の構造を示す概略図

符号の説明

１ｎ型ＧａＡｓ基板
２ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
４ｎ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ下部光導波層
５ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
６ｐ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ上部光導波層
７ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
８ｐ^＋型ＧａＡｓコンタクト層
９ＳｉＯ_２絶縁膜
１０ｐ側電極
１１ｎ側電極
１２溝
１３リッジ形状部
１４ｎ型ＧａＡｓ基板
１５ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１６ｎ型ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層
１７ｎ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ下部光導波層
１８ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
１９ｐ型あるいはｉ型ＧａＩｎＰ上部光導波層
２０ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部第１クラッド層
２１ｐ型ＧａＩｎＰ第１エッチングストップ層
２２ｐ型ＧａＡｓ第２エッチングストップ層
２３ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ電流ブロック層
２４ｎ型ＧａＩｎＰ第１キャップ層
２５ｐ型ＧａＡｌＡｓ上部第２クラッド層
２６ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２７ｐ側電極
２８ｎ側電極
２９ストライプ形状部

Claims

結晶方位が（１００）面を基準として（１１１）面方向に８度以上５４．７度以下傾いた面を主面とするＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の前記主面の上に配置された少なくとも一層かつ総層厚が１μｍ以下の（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)と、
前記（Ａｌ_aＧａ_１−a）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の上に配置されたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層（ｘ≒０．４９ｙ、０＜ｙ≦１．０）とを備えた半導体レーザ素子。
前記（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の１つであるＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ光導波層と、
Ａｌ_ｂＧａ_１−ｂＡｓ（０．５７≦ｂ≦０．８）からなるクラッド層を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層が圧縮歪みまたは引っ張り歪みを有する歪活性層であり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦０．３）からなることを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ素子。
結晶方位が（１００）面を基準として（１１１）面方向に１３度以上５４．７度以下傾いた面を主面とするＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板の前記主面の上に配置された少なくとも一層かつ総層厚が１μｍ以上の（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層(０≦ａ≦１)と、
前記（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の上に配置されたＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層（ｘ≒０．４９ｙ、０＜ｙ≦１．０）とを備えた半導体レーザ素子。
前記（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ層の１つであるＧａ_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐ光導波層、および（Ａｌ_ａＧａ_１−ａ）_０．５１Ｉｎ_０．４９Ｐクラッド層（０．３≦ａ≦０．７）を備えたことを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ素子。
前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ活性層が圧縮歪みまたは引っ張り歪みを有する歪活性層であり、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦０．３）からなることを特徴とする請求項４または５記載の半導体レーザ素子。
請求項１から６のいずれか１項記載の半導体レーザ素子であって、発振波長が７６０ｎｍ以上８４０ｎｍ未満のレーザ素子。