JP2005353678A - 半導体レーザ素子およびその製造方法、光ディスク装置、光伝送システム - Google Patents
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Abstract
【課題】高い発振効率を有し、低消費電力でかつ高出力動作が可能な半導体レーザ素子とその製造方法を提供する。
【解決手段】 電極115と低濃度半導体層であるp−InGaAsP半導体層111との間の合金層116を介したオーミック接合により低コンタクト抵抗を得る。上記電極115と高濃度半導体層であるp+−GaAsコンタクト層114との間の合金層116を介したショットキー接合により優れた電流狭窄性を得る。上記Niを含む合金層116が、Au原子の半導体層中への拡散を防止する共に、半導体層と電極115との界面の平坦性の悪化を防止して、半導体層111やコンタクト層114および半導体層と電極115との界面での内部散乱や吸収損失をなくす。
【選択図】図1
【解決手段】 電極115と低濃度半導体層であるp−InGaAsP半導体層111との間の合金層116を介したオーミック接合により低コンタクト抵抗を得る。上記電極115と高濃度半導体層であるp+−GaAsコンタクト層114との間の合金層116を介したショットキー接合により優れた電流狭窄性を得る。上記Niを含む合金層116が、Au原子の半導体層中への拡散を防止する共に、半導体層と電極115との界面の平坦性の悪化を防止して、半導体層111やコンタクト層114および半導体層と電極115との界面での内部散乱や吸収損失をなくす。
【選択図】図1
Description
この発明は、半導体レーザ素子に関し、典型的には、光ディスク装置や光伝送システムの光伝送モジュール部分などに好適に用いられる半導体レーザ素子とその製造方法に関する。
また、この発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置および光伝送システムに関する。
半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムに幅広く使用されている。その中でリッジ埋め込み型の半導体レーザ素子は、高い信頼性を有し、低消費電力(低閾値電流)動作が可能な半導体レーザ素子として知られている。しかしながら、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子は、その製造工程において、活性層やクラッド層を含む1回目の結晶成長工程に加えて、電流狭窄層を形成する2回目の結晶成長工程と、コンタクト層を形成する3回目の結晶成長工程を必要とし、複雑なプロセスを経て製造しなければならないため、歩留まりが悪く、また製造コストが高いという問題があった。
そこで、より簡便かつ低コストで製造できる従来の半導体レーザ素子として、活性層上にリッジ部を有し、一回の結晶成長工程で製造できるリッジ導波型の半導体レーザ素子がある(例えば特許文献1(特開平4−111375号公報)参照)。
図10は、上記リッジ導波型の半導体レーザ素子の断面模式図である。この従来の半導体レーザ素子は次のようにして製造される。
まず、MOCVD(有機金属化学気相成長)法により、n型GaAs基板401上に、n型InGaPクラッド層402、InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層403、p型InGaPクラッド層404、p型InGaAsコンタクト層405を順次積層し、フォトリソグラフィなどの手法により、p型InGaPクラッド層404の途中までエッチングを行って、メサを形成した後、p側電極406としてTi/Pt/Auを、n側電極407としてAu−Ge−Ni/Auを順次蒸着する。
このようにして製造された素子に電流を流すと、p型InGaPクラッド層404とp側電極406との間にはショットキー接合部408が形成され、p側電極406とp型InGaAsコンタクト層405との間にのみ電流が流れて、電流狭窄が行われる。
リッジ埋め込み型の半導体レーザ素子では、前述のように合計3回の結晶成長工程と複雑な製造プロセスを必要とするが、図10に示す従来の半導体レーザ素子では、1回の結晶成長工程を行うだけでよい。加えて、この従来の半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザ素子の中でも、エアリッジ型と一般に呼ばれるような電流狭窄に無機絶縁膜を使用する構成ではなく、ショットキー接合を用いて電流狭窄を実現させる構成となっているため、さらに構造が簡単であり、圧倒的に低コストで製造することができる。
しかしながら、上述した特許文献1に示される従来の半導体レーザ素子には、次のような問題があることが分かった。すなわち、リッジ埋め込み型の半導体レーザ素子やエアリッジ型のリッジ導波型半導体レーザ素子とは異なり、特許文献1に示される従来の半導体レーザ素子では、リッジ部の側面、およびp型クラッド層の表面に直接p側電極が形成されているため、特に電極を構成する材料の屈折率が、素子を構成する半導体層の屈折率と同程度に大きい場合、発振レーザ光の基板に垂直方向の光分布が若干、p型クラッド層上およびリッジ部側面に設けられた電極にまで漏れ出しやすくなることがある。こうなると電極材料の光吸収係数は、一般に半導体層の104から105倍程度も大きいため、内部損失が大幅に増加してしまう。上述の従来の半導体レーザ素子は、このことに起因して、発振効率が低下したり、発振閾値電流値が上昇したりしてしまうという問題があることがわかった。
特開平4−111375号公報
そこで、この発明の課題は、低コストで製造できて、かつ、リッジ部側に設けられた電極(特にリッジ部の最上部以外の領域の電極部分)にまで発振レーザ光が漏れないようにすることによって、高い発振効率を有し、低消費電力(低閾値電流)でかつ高出力動作が可能な半導体レーザ素子とその製造方法を提供することにある。
さらに、この発明の課題は、上記半導体レーザ素子を用いた光ディスク装置および光伝送システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の半導体レーザ素子は、第1導電型の基板と、上記第1導電型の基板上に形成された活性層と、リッジ部が設けられた第2導電型の半導体層群とを、少なくとも順に積層してなる半導体レーザ素子において、上記第2導電型の半導体層群は、少なくともGaを含んでおり、上記第2導電型の半導体層群は、少なくともドーピング濃度が1×1017cm-3以下の低濃度半導体層とドーピング濃度が1×1018cm-3以上の高濃度半導体層からなり、上記高濃度半導体層が上記リッジ部の最上部に設けられ、上記低濃度半導体層が少なくとも上記リッジ部の最上部以外の領域に設けられており、上記第2導電型の半導体層群上にAuを含む合金からなる電極が形成され、上記電極と上記低濃度半導体層との界面に、上記電極の構成元素と上記低濃度半導体層の構成元素のうちの少なくとも1つとNiからなる低濃度側の合金層が形成され、上記電極と上記高濃度半導体層との界面に、上記電極の構成元素と上記高濃度半導体層の構成元素のうちの少なくとも1つとNiからなる高濃度側の合金層が形成されていることを特徴とする。
ここで、「第1導電型」とはn型とp型のうち一方の導電型を指し、「第2導電型」とはn型とp型のうち他方の導電型を指す。
この発明の半導体レーザ素子は、特許文献1の半導体レーザ素子と同様に、製造段階での結晶成長工程を1度で済ませることができる。したがって、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子に比べて、大幅に製造工程が削減され、低コストで作成される。
上記構成の半導体レーザ素子によれば、リッジ部の最上部に設けられたドーピング濃度が1×1018cm-3以上の高濃度半導体層と少なくともAuを含む合金からなる電極とのオーミック接合では、上記高濃度側の合金層に少なくともNiを含んでいるために、電極に含まれるAu原子が上記合金層を超えて活性層側に拡散するのを防止することにより、高濃度半導体層とその上に設けられた電極との界面の平坦性を良好に保つことができると共に、より低いコンタクト抵抗を得ることが可能となる。
一方、少なくともリッジ部の最上部以外の領域に設けられたドーピング濃度が1×1017cm-3以下の低濃度半導体層と電極とのショットキー接合では、上記低濃度側の合金層に少なくともNiを含んでいるために、電極に含まれるAu原子が上記合金層を超えて拡散するのを防止することにより、低濃度半導体層とその上に設けられた電極との界面の平坦性を良好に保つことができると共に、その電流狭窄性をより高めることが可能となる。
このようにオーミック接合性とショットキー接合性がともにより強化されるので、電流狭窄を行うための埋め込み層(電流ブロック層)の結晶再成長工程と、低コンタクト抵抗を得るためのコンタクト層の結晶再成長工程を別途行わずとも、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗が実現でき、熱的,電気的信頼性が向上する。
さらに、この発明の半導体レーザ素子においては、上記電極がAuを含む合金となっているために、その屈折率は半導体層を構成する材料の屈折率に比べて非常に小さく、発振レーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が極めて大きい。その結果、リッジ部側に設けられた電極(特にリッジ部の最上部以外の領域の電極部分)にまで光が漏れ出すことが無いようにできる。しかも、少なくともNiを含む合金層が、Au原子の半導体中への拡散と、半導体層と電極との界面の平坦性の悪化を防止しているため、半導体層中や上記界面での内部散乱や吸収損失の増加が無くなり、低閾値電流でかつ高効率なレーザ発振動作が可能となる。
したがって、低消費電力でかつ高出力動作が可能で、長期信頼性を有する低コストで製造可能な半導体レーザ素子を提供することができるようになる。
なお、上記第1導電型の基板の、上記各層が積層された面とは反対側の面に、この面とオーミック接合をなす別の電極が設けられるのが望ましい。これにより、上記二つの電極間で上記活性層を通して容易に通電が行われ、レーザ発振が実現される。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも1×1017cm-3以上のドーピング濃度を有する第2導電型の半導体層が形成されていることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくともドーピング濃度が1×1017cm-3以上の第2導電型の半導体層をさらに形成することによって、ショットキー接合特性を考慮した制限を受けることなく、この第2導電型の半導体層によって、素子に要求される光学特性仕様に応じた層厚・組成等の変更を自在に行うことができるようになる。しかも、この第2導電型の半導体層は、上記低濃度半導体層よりも高濃度にドーピングされているために、素子抵抗の上昇を抑えることができ、一層の低消費電力化を図ることができるようになる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記低濃度半導体層の厚みが0.2μm以上であることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記低濃度半導体層の厚みを0.2μm以上とすることによって、上記低濃度側に形成される合金層の厚みが上記低濃度半導体層の厚みを超えることが無くなり、十分な電流狭窄性と熱的,電気的信頼性を両立した半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記低濃度半導体層が少なくとも2層の半導体層からなり、上記電極側に設けられた半導体層がInGaAsPからなることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記低濃度半導体層のうちの電極側に設けられる半導体層中に、酸化し易いAlを含まないために深い準位が形成されにくく、かつAuを含む電極を上部に形成した際の電流狭窄性がよいため、良好な信頼性を有する半導体レーザ素子を提供することができる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第1導電型がn型であり、上記第2導電型がp型であり上記電極が少なくともAuとZnの合金からなることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第1導電型をn型とし、上記第2導電型をp型としたとき、上記電極が少なくともAuとZnの合金からなることによって、上記リッジ部の最上部に設けられた高濃度半導体層と電極との良好なコンタクト抵抗と、電極への発振レーザ光の漏れの防止を両立できるようになり、より一層の低消費電力動作化が可能となる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記AuとZnの合金のZnの含有量が1%以上かつ20%以下であることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、良好なコンタクト抵抗と、屈折率の観点からの基板に垂直な方向の発振レーザ光分布への影響を与えないことの両方を兼ね備えた電極材料を提供することができる。上記AuとZnの合金のZnの含有量が1%を下回るとコンタクト抵抗が上昇し、かつ、熱的、電気的な信頼性が低下する。一方、上記AuとZnの合金のZnの含有量が20%を超えると、電極の形成方法にも大きく依存するが、その屈折率が1を大幅に越えて、半導体層を構成する材料の屈折率に近づいてくるため好ましくない。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記合金層が、上記第2導電型の半導体層群側に形成された少なくともZnとNiとGaを含む第1の合金層と、上記電極側に形成された少なくともAuとZnとNiとGaを含む第2の合金層とを有することが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記合金層が電極側から順にAuを含む第2の合金層と、Auを含まない第1の合金層とを有することにより、電極に含まれるAuが上記第2導電型の半導体層群側に拡散することを防止できるようになる。そのことによって、内部散乱や吸収損失の増加を抑制した、良好な特性を有する半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記合金層が電極側から順にAuを含む第2の合金層と、Auを含まない第1の合金層とを有することにより、電極に含まれるAuが上記第2導電型の半導体層群側に拡散することを防止できるようになる。そのことによって、内部散乱や吸収損失の増加を抑制した、良好な特性を有する半導体レーザ素子を提供することが可能となる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子は、上記第1導電型がp型であり、上記第2導電型がn型であり、上記電極が少なくともAuとGeの合金からなることを特徴とする。
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第1導電型をp型とし、上記第2導電型をn型としたとき、上記電極が少なくともAuとGeの合金からなることによって、上記リッジ部の最上部に設けられた高濃度半導体層と電極との良好なコンタクト抵抗と、電極への発振レーザ光の漏れの防止を両立できるようになり、より一層の低消費電力動作化が可能となる。
また、この発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第1導電型の基板上に、活性層を形成する工程と上記活性層上に、少なくともGaを含み、かつ、少なくともドーピング濃度が1×1017cm-3以下の低濃度半導体層とドーピング濃度が1×1018cm-3以上の高濃度半導体層からなる第2導電型の半導体層群を積層形成する工程と、上記第2導電型の半導体層群の一部を除去してリッジ部を形成する工程と、上記リッジ部が形成された上記第2導電型の半導体層群上に、少なくともAuを含む合金材料またはNiの一方を堆積させた後、上記合金材料またはNiの他方を堆積させる工程と、上記少なくともAuを含む合金材料および上記Niを堆積させる工程の後、熱処理により、上記第2導電型の半導体層群上に、上記少なくともAuを含む合金材料の構成元素と上記第2導電型の半導体層群の構成元素のうちの少なくとも1つとNiからなる合金層を形成すると共に、上記合金層を介して上記第2導電型の半導体層群と導通する電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
上記構成の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記合金層に少なくともNiを含んでいるため、上記少なくともAuを含む合金材料のAuの異常拡散がなくなり、半導体層と電極との界面の平坦性が保たれ、内部散乱や吸収損失の増加を防止でき、かつ低い素子抵抗と十分な電流狭窄性を有する半導体レーザ素子を製造することができる。そのことによって、高い発振効率と低消費電力動作を両立できる半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第2導電型の半導体層群を形成する工程において、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも1×1017cm-3以上のドーピング濃度を有する第2導電型の半導体層を形成することが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくともドーピング濃度が1×1017cm-3以上の第2導電型の半導体層をさらに形成することによって、ショットキー接合特性を考慮した制限を受けることなく、この第2導電型の半導体層によって、素子に要求される光学特性仕様に応じた層厚・組成等の変更を自在に行うことができる。また、この第2導電型の半導体層は、上記低濃度半導体層よりも高濃度にドーピングされているために、素子抵抗の上昇を抑えることができ、一層の低消費電力化を図ることができる半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記第2導電型がp型であり、上記電極が少なくともAuとZnの合金からなることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、p型の半導体層群に対して少なくともAuZn合金からなる電極を用いることによって、良好なオーミック接合性と、十分な電流狭窄性を両立した電極構成を得ることができる。しかも、電極中に含まれるAu原子の拡散が防止され、また半導体層と電極との界面の平坦性も良好に保つことが可能となるため、高い発振効率を有しながら低いコンタクト抵抗が得られる。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記少なくともAuを含む合金材料またはNiの一方を堆積させた後、少なくともAuを含む合金材料またはNiの他方を堆積させる工程において、上記少なくともAuを含む合金材料よりも先にNiを厚み5nm以上堆積させた後に上記少なくともAuを含む合金材料を堆積させることが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、先に、Niをその厚みが5nm以上となるように堆積し、続いて、少なくともAuを含む合金材料を堆積させ、その後に熱処理を行うことによって、少なくともAuを含む合金材料中に含まれるAu原子の異常拡散を防止し、かつ半導体層と電極との界面の平坦性を良好に保つことのできるNiを含む合金層を形成することが可能となる。よって、内部散乱や吸収損失の増加を防止できるため、高効率発振、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子の製造方法が提供される。
また、一実施形態の半導体レーザ素子の製造方法は、上記熱処理により上記合金層と上記電極を形成する工程において、350℃以上かつ450℃以下で熱処理を行うことが好ましい。
上記実施形態の半導体レーザ素子の製造方法によれば、上記Niを含む合金層を形成する工程において、350℃以上の温度で熱処理を実施することによって、信頼性に優れたショットキー接合と、十分に低抵抗なオーミック接合を得ることができる。したがって、十分な電流狭窄性を有し、素子信頼性に優れ、かつ電極に含まれるAu原子の拡散による内部散乱や吸収損失が無いために、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子を製造することができる。なお、350℃以下の熱処理では、十分な合金化反応が起こらず、450℃を超える温度になると、p型コンタクト層と電極との界面の平坦性が悪化し、また、上記合金層を超えてAuが異常拡散し始めるので好ましくない。
また、この発明の光ディスク装置は、上記いずれか一つの半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする。
上記光ディスク装置によれば、従来の光ディスク装置に比べて、より低消費電力で書き込みができる上、より安価に構成される光ディスク装置を提供することができる。
また、この発明の光伝送システムは、上記いずれか一つの半導体レーザ素子を用いていることを特徴とする。
上記光伝送システムによれば、従来よりも安価でかつ低消費電力動作が可能な光伝送モジュールを提供することができ、光伝送システムの低価格化と高性能化を図ることができる。
以上より明らかなように、この発明の半導体レーザ素子によれば、リッジ側に設けられた電極(特にリッジ部の最上部以外の領域に設けられた電極部分)に発振レーザ光が漏れ出さないようにでき、かつ電極に含まれるAu原子の異常拡散を防止できるために内部散乱や吸収損失の増加をなくすことができる。したがって、高い発振効率を有し、低閾値電流で発振できるため、低消費電力で高出力動作が可能で、かつ圧倒的に安価に製造できる半導体レーザ素子を提供することができる。
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、高い発振効率、低消費電力(低閾値電流)動作が可能な半導体レーザ素子を、簡便にかつ低コストで製造できる方法が提供される。
本発明の光ディスク装置によれば、本発明の半導体レーザ素子を用いることによって、従来の光ディスク装置に比べて、低消費電力でデータ書き込みができる上、より安価に構成される。
本発明の光伝送システムによれば、本発明の半導体レーザ素子をその光伝送モジュールに用いることによって、従来よりも安価でかつ低消費電力動作が可能な光伝送モジュールが得られ、光伝送システムの低価格化と高性能化を図ることができる。
以下、この発明の半導体レーザ素子およびその製造方法および光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。
なお、以下の説明では、「n−」は第1導電型としてのn型を表し、「p−」は第2導電型としてのp型を表す。
〔第1実施形態〕
図1は、本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものである。
図1は、本発明の第1実施形態の半導体レーザ素子の構造を示したものである。
この半導体レーザ素子は、n−GaAs基板101上に、n−GaAsバッファ層102、n−Al0.5Ga0.5As第1下クラッド層103、n−Al0.422Ga0.578As第2下クラッド層104、Al0.25Ga0.75As下ガイド層105、多重歪量子井戸活性層106、Al0.25Ga0.75As第1上ガイド層107、p−Al0.4Ga0.6As第2上ガイド層108、p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109、低濃度半導体層の一例としてのp−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110と低濃度半導体層の一例としてのp−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111が順次積層されている。
このp−InGaAsP半導体層111上に、順メサストライプ形状のリッジ部130をなすように、p−Al0.5Ga0.5As第3上クラッド層112、p−GaAsコンタクト層113およびp+−GaAsコンタクト層114が設けられている。
そのリッジ部130の頂部と側面部およびp−InGaAsP半導体層111上部にAuZn層115b、Au層115cの順に積層して形成された多層金属薄膜からなるp側電極115を有する。さらに、p側電極115と接する各々の半導体層との界面には、それぞれNiとAuとZnと各々の半導体層を構成する元素とが合金化した合金層116が形成されている。
詳しくは、リッジ部130の頂部において1×1018cm-3以上のドーピング濃度を有する高濃度半導体層の一例としてのp+−GaAsコンタクト層114とp側電極115との界面に、良好なオーミック接合を実現し、p側電極115に含まれるAu原子を活性層106側まで拡散させることの無いNiとAuとZnとGaAsの高濃度側の合金層116を形成させる。また、リッジ部130以外の領域において、1×1017cm-3以下のドーピング濃度を有する低濃度半導体層の一例としてのp−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111およびp−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110とp側電極115との界面に、通電時にも安定なショットキー接合性を示し、p側電極115に含まれるAu原子を活性層106側まで拡散させることの無いNiとAuとZnと低濃度半導体層を構成する元素との低濃度側の合金層116を形成させる。
また、基板101の裏面には、別の電極層として、AuGe/Ni/Auの多層金属薄膜からなるn側電極117が形成されている。
上記p−Al0.4Ga0.6As第2上ガイド層108、p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109、p−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110、p−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111、p−Al0.5Ga0.5As第3上クラッド層112、p−GaAsコンタクト層113およびp+−GaAsコンタクト層114で第2導電型の半導体層群を構成している。
次に、図2から図4を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。また、図5に上記半導体レーザ素子のリッジ構造周辺の拡大模式図を示す。
まず図2に示すように、n−GaAs基板101の(100)面上に、n−GaAsバッファ層102(層厚:0.5μm、Siドーピング濃度:7.2×1017cm-3)、n−Al0.5Ga0.5As第1下クラッド層103(層厚:2.0μm、Siドーピング濃度:5.4×1017cm-3)、n−Al0.422Ga0.578As第2下クラッド層104(層厚:0.1μm、Siドーピング濃度:5.4×1017cm-3)、Al0.25Ga0.75As下ガイド層105(層厚3.0nm)、多重歪量子井戸活性層106、Al0.25Ga0.75As第1上ガイド層107(層厚:3.0nm)、p−Al0.4Ga0.6As第2上ガイド層108(層厚:0.1μm、Znドーピング濃度:1.35×1018cm-3)、p−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:1.35×1018cm-3)、p−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:1×1017cm-3)、p−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111(層厚:15nm、Znドーピング濃度:1×1017m-3)、p−Al0.5Ga0.5As第3上クラッド層112(層厚:1.28μm、Znドーピング濃度:2.4×1018cm-3)、p−GaAsコンタクト層113(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:3×1018cm-3)、p+−GaAsコンタクト層114(層厚:0.3μm、Znドーピング濃度:1×1019cm-3)を順次、MOCVD法(有機金属化学気相成長法)にて結晶成長させる。
上記多重歪量子井戸活性層106は、In0.1001Ga0.8999As圧縮歪量子井戸層(歪0.7%、層厚:4.6nm、2層)とIn0.238Ga0.762As0.5463P0.4537引張歪障壁層(歪0.1%、バンドギャップEg≒1.60eV、基板側から層厚:21.5nm、7.9nm、21.5nmの3層であり、基板101に最も近いものが、n側障壁層、最も遠いものがp側障壁層となる)を交互に配置して形成されている。
次に、リッジ部130を形成すべきリッジ部形成領域118a上に、図2中に示すようにレジストマスク118(マスク幅3.5μm)をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク118は、形成すべきリッジ部130(図1に示す)が延びる方向に対応して、<0−11>方向にストライプ状に延びるように形成される。
次に、図3に示すように、このレジストマスク118をマスクにして、コンタクト層114,113と第3上クラッド層112のうち上記レジストマスク118の両側に相当するリッジ部形成外領域118b部分をエッチングにより除去して、レジストマスク118の直下に、順メサストライプ状のリッジ部130を形成する。このエッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて、p−InGaAsP半導体層111の直上まで行う。続いて、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でGaAsコンタクト層113および114のオーバーハング部分をとる。エッチングの深さは1.78μm、リッジ部130の最下部の幅は約3.2μmである。エッチング終了後に、レジストマスク118は除去する。
続いて、図4に示すように、抵抗加熱蒸着法を用いて、p側電極115としてNi層115a(層厚:10nm)/AuZn層115b(Au95%とZn5%との合金、層厚:100nm)/Au層115c(層厚:300nm)の順に金属薄膜を積層形成する。
その後、図1に示したように、基板101を裏面側から所望の厚み(ここでは、約100μm)にまで、ラッピング法により研削する。そして、裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、n側電極117としてAuGe層(Au88%とGe12%との合金、層厚:100nm)、Ni層(層厚:15nm)、Au層(層厚:300nm)を積層形成する。
その後、N2雰囲気中で、400℃1分間加熱し、アロイ処理を行う。その結果、図5に示すように、p側電極115と、p側電極115の接する各々の半導体層との界面には、少なくともNiとAuが各々の半導体層を構成する元素と合金化した合金層116が形成される。
上記合金層116は、図5の右側の拡大図に示すように、下側に形成された少なくともZnとGaおよびNiからなる第1の合金層116aと、上側(電極115側)に形成された少なくともAuとZnとGaおよびNiからなる第2の合金層116bとを有している。
この基板101を、所望の共振器長(ここでは、500μm)を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーをチップ(500μm×250μm)に分割する。分割後のチップを、In糊剤を用いてステム(図示せず)上に固着する。そして、p側電極115上に、外部回路との電気的接続を行うためのAuワイヤ(不図示)をボンディングする。これで、半導体レーザ素子が完成する。
このようにして作成された半導体レーザ素子のp側電極115とn側電極117との間に電流を流すと、リッジ部130の側方の低濃度半導体層であるp−InGaAsP半導体層111とp側電極115との間のショットキー接合では電流が遮断され、リッジ部130の最上部に設けられた高濃度半導体層であるp+−GaAsコンタクト層114とp側電極115との間でのオーミック接合を通してのみ電流が流れる。これにより電流狭窄が行われる。
上述したように、この第1実施形態の半導体レーザ素子は、製造段階での結晶成長工程を1度で済ませることができたため、一般的なリッジ埋め込み構造の半導体レーザ素子に比べて、大幅に製造工程が削減され、低コストで作成することが可能となった。
この第1実施形態の半導体レーザ素子においては、p側電極115として、AuZn層115bとAu層115cを積層したものが使用され、また低濃度半導体層(111)とp側電極115、高濃度半導体層(114)とp側電極115、それぞれの界面にNiを含む合金層116が形成されている。このことによって、低い素子抵抗と高い発振効率を両立し、長期の熱的、電気的信頼性を有する半導体レーザ素子を実現することができた。
一般に、p型コンタクト層に対する電極材料として、アロイ(合金化)処理を行うことによって良好なオーミック接合を得ることができるAuZn合金が多用されている。その一方で、Auを主たる成分とする材料を合金化させてオーミック接合を得た場合、Au原子の拡散が急速、かつスパイク状に進行することが知られている。このようなスパイク状のAu原子の拡散が起きると、半導体層と電極との界面の荒れが発生するため、例えば発振したレーザ光が半導体層と電極との界面付近にまで分布するような形状を持つ場合、当該界面での内部散乱が増加し、発振効率を低下させてしまう。さらに、スパイク状に深く拡散したAu原子に起因する内部散乱や吸収損失の増加、加えて拡散の進行に伴う結晶性の悪化に起因する信頼性の低下も懸念される。そのため、活性層が比較的近い場合(電極から活性層がおよそ1から3μm程度の距離のとき)には、AuZn合金を電極に用いずに、合金化を必要としない一般に「ノンアロイ電極」と呼ばれる、Ti/Pt/Au系電極が用いられることが多い。
しかしながら、従来のTi/Pt/Au系電極を、上述のようなショットキー接合を用いた電流狭窄を行う半導体レーザ素子に適用した場合、別の問題が発生することが分かってきた。すなわち、TiやPtの屈折率の値が、半導体レーザ素子を構成する半導体層の屈折率の値と極めて近しいため、特にリッジ部脇近傍に形成された電極の屈折率が、発振するレーザ光の光分布に大きく影響し、電極側に光分布形状が引っ張られる状態になる傾向がある。電極材料の吸収係数は、半導体の吸収係数に比べて一般に104から105倍も大きいため、このように電極にまで光が漏れてしまうと、大きな吸収損失が発生してしまう。
これに対して、Auを主体とするAuZn合金は、そのZn含有量にも依存するが、屈折率は非常に小さく、常用波長帯で屈折率を1以下とすることが容易であり、これは、半導体層の典型的な屈折率である3前後に比べて十分に小さい。このために、発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が非常に強くなり、その結果、電極にまで光が漏れることを無くすことができる。
上記第1実施形態の半導体レーザ素子は、これらを勘案して考案されたものであり、屈折率が小さいAuを主体とする合金を電極材料に用い、さらにそのAuを主たる成分とする電極115と半導体層との界面に、Niを含む合金層116を設けることによって、Au原子がその合金層116を超えて拡散することを無くすことができたため、内部散乱や吸収損失の増加を伴わずに低コンタクト抵抗と高信頼性を有する半導体レーザ素子を実現できたというものである。
また、Niを含む合金層116を設けることによって、Au原子の拡散が防止でき、また、電極115と半導体層(111,114)との界面の平坦性が悪化することも無かったため、内部散乱や吸収損失の増加が無くなった。さらに、リッジ部130脇近傍に設けられた電極115の屈折率が、概略1以下であるので、発振レーザ光分布を半導体層中に強く閉じ込めることができ、発振した光は電極115まで漏れ出なかった。
このように界面の平坦性が改善したことによって、オーミック接合を、より安定して低コンタクト抵抗で得ることができるようになった。
また、ショットキー接合性に関しても、通電時の接合の安定性が増し、長期の信頼性が向上する効果があった。
よって、上述のようにオーミック接合性とショットキー接合性がともにより強化されたので、電流狭窄を行うための埋め込み層(電流ブロック層)の結晶再成長工程と、低コンタクト抵抗を得るためのコンタクト層の結晶再成長工程を別途行わずとも、十分な電流狭窄性と低コンタクト抵抗をもつ半導体レーザ素子を製造することが可能となった。
上記第1実施形態の半導体レーザ素子では、低濃度半導体層としてのp−Al0.456Ga0.544As第2上クラッド層110とp−In0.1568Ga0.8432As0.4P0.6半導体層111のZnドーピング濃度を1×1017cm-3とすることによって、十分な電流狭窄性を得ることができた。これらのトータルの厚みは0.215μmである。上記Niを含む合金層116の厚みは、この第1実施形態で行った400℃の熱処理のように、350℃以上かつ450℃以下の熱処理条件を用いることにより、0.2μmに満たないようにできる。上述の1×1017cm-3以下の半導体層(110,111)の厚みは、この合金層116よりも厚くなるように設定すればよく、0.2μm以上である必要がある。
また、この第1実施形態では、1×1017cm-3以下の半導体層(110,111)を2層構造としたが、もちろん1層であっても、あるいは3層以上であっても良い。しかしながら、その最上層は、この第1実施形態のようにInGaAsPであることが好ましい。InGaAsP半導体層は、Alを含まないため酸化されにくく、長期の電流狭窄性の維持(信頼性)に大きな効果がある。さらに、GaAsやAlGaAsなどに対してエッチング特性が異なるため、選択エッチングを利用した高精度なリッジ部形成が可能となると言うメリットもある。なお、Alを含まないと言う点では、InGaPを用いることもできるが、特にこの第1実施形態のようにp型に適用する場合、InGaPよりもInGaAsPの方が、ホールに対するバリアが低く、ホール注入効率を向上させることができると言う効果がある。
この第1の実施形態の半導体レーザ素子では、第2上クラッド層と組成は同一であるが、第2導電型の半導体層の一例としてのドーピング濃度を高めたp−Al0.456Ga0.544As第1上クラッド層109(層厚:0.2μm、Znドーピング濃度:1.35×1018cm-3)を第2上クラッド層110と活性層106との間に設けており、この層の厚みを変更することによって、所望の光学特性が得られるように調整している。もちろん、厚みだけでなく組成について変更しても良い。
上記第1実施形態のように、良好な電流狭窄のために設けた1×1017cm-3以下の半導体層(110,111)に対して、より活性層106側に、ドーピング濃度を高めた半導体層(109)を形成する構成を採用することによって、必要以上の素子抵抗の抑制し、素子特性の悪化を防ぐことができた。
また、上記第1実施形態の半導体レーザ素子のように、基板101がn型であり、リッジ部130を形成する第2導電型の半導体層群がp型であるような場合には、p側に設ける電極115としては、上述の通りAuZn合金が好ましい。逆に、基板をp型とし、リッジ部側をn型とする場合には、AuGe合金が好適に使用される。
上記第1実施形態において、AuZn合金のZnの含有量を1%以上かつ20%以下とすることによって、抵抗加熱蒸着法を用いた場合に、その屈折率を1.0以下に容易にすることができ、かつ十分に低いコンタクト抵抗を実現することができる。屈折率の調整は、Znの含有量を変える以外に、膜形成速度や、基板温度を変更することによって可能となる。この第1実施形態では、基板加熱は特に行わず、AuZn合金の膜形成速度は、1.5nm/secで行い、波長500nmから1.0μmにかけて、屈折率1.0以下を実現した。なお、屈折率の測定には、分光エリプソメータを使用した。
上記AuZn合金のZnの含有量が1%未満であっても、屈折率は1.0以下となるが、Znの含有量が少ないために、p側電極115とp+−GaAsコンタクト層114との間のコンタクト抵抗が十分に低下しない場合がある。また、Znの含有量が20%を超えると上記屈折率が1.0を超え、さらにコンタクト抵抗も逆に悪化する傾向を示す。
このように、屈折率が1.0以下の電極材料を用いることにより、前述したように発振レーザ光の光分布が電極側にまで漏れ出さないようにすることができた。なお、この第1実施形態においては、AuZn層115bの上に、Au層115cを設け、外部との導通をとるために形成されるAu製金属ワイヤとの密着性や、接触抵抗を改善した。この第1実施形態のように、AuZn層上に直接Au層を設けてもよく、あるいは、AuZn層とAu層との間にTiやMoのような密着性を改善させる効果のある材料層を挿入しても良い。
この第1の実施形態における半導体レーザ素子のように、Niを含む合金層を形成するためには、まずNi層を堆積させた後、AuZn層を堆積させる順としたほうが良い。この時、界面の平坦性を悪化させずに、良好なNiを含む合金層が形成される。Ni層とAuZn層の堆積順序を逆にしてもNiを含む合金層は形成されるが、界面の平坦性は若干悪化する傾向にある。
なお、堆積させるNi層の膜厚は、5nm以上であることが好ましい。Ni層の膜厚が5nm未満の場合、十分な合金層を形成するにはNiが不足であり、またp型コンタクト層と電極との界面の平坦性を保つ効果も小さかった。一方、25nmを超えて堆積させた場合、熱処理を行った後も、一部のNiは合金化されずに残ってしまい好ましくないことがある。Niが単体の層として残った場合、AuZnやAuに比べて屈折率が高いため、基板に垂直な方向の発振レーザ光の分布に影響を与える可能性がある。この第1実施形態においては、10nmのNi層115aを堆積させた。その結果、Ni層は、前述した温度範囲の熱処理によって全て反応し、電極115を構成する他の元素および半導体層(114,111)を構成する元素と共に合金層116となった。
また、Niを合金化させるための熱処理温度は、上述の通り350℃以上かつ450℃以下が好ましい。この熱処理温度が350℃未満では、十分なアロイ反応が起こらず、低いコンタクト抵抗を得ることができない一方、450℃を超える温度では、Niを含む合金層がAu原子の異常拡散を阻止できない。
上述のような構造および製造方法とすることによって、この第1の実施形態における半導体レーザ素子は、リッジ部130側に設けられた電極115(特にリッジ部の最上部以外の領域に設けられた電極部分)に発振レーザ光が漏れ出さないようにでき、かつ電極に含まれるAu原子の異常拡散を防止できるため、内部散乱や吸収損失の増加をなくすことができる。したがって、高い発振効率を有し、低閾値電流で発振できるため低消費電力、高出力動作が可能な半導体レーザ素子を、従来に比べて圧倒的に安価に製造することができる。
なお、上記第1実施形態においては、活性層とクラッド層との間にガイド層を有するSCH(Separate Confinement Heterostructure)構造を用いたが、もちろん本発明はこれに限られるものではない。例えば、結晶成長を円滑に行うための中間層を追加するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各々の層厚、材料の変更等を加え得ることは当然である。
〔第2実施形態〕
図6は、本発明にかかる光ディスク装置200の構造の一例を示したものである。これは光ディスク201にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際に用いられる発光素子として、先に説明した第1実施形態の構成を使用した波長780nm帯で発振する半導体レーザ素子202を備えている。
図6は、本発明にかかる光ディスク装置200の構造の一例を示したものである。これは光ディスク201にデータを書き込んだり、書き込まれたデータを再生したりするためのものであり、その際に用いられる発光素子として、先に説明した第1実施形態の構成を使用した波長780nm帯で発振する半導体レーザ素子202を備えている。
この光ディスク装置についてさらに詳しく説明する。書き込みの際は、半導体レーザ素子202から出射された信号光がコリメートレンズ203により平行光とされ、ビームスプリッタ204を透過し、λ/4偏光板205で偏光状態が調節された後、対物レンズ206で集光されて光ディスク201に照射される。読み出し時には、データ信号がのっていないレーザ光が書き込み時と同じ経路をたどって光ディスク201に照射される。このレーザ光がデータの記録された光ディスク201の表面で反射され、レーザ光照射用対物レンズ206、λ/4偏光板205を経た後、ビームスプリッタ204で反射されて90°角度を変えた後、受光素子用対物レンズ207で集光され、信号検出用受光素子208に入射する。信号検出用受光素子208内で入射したレーザ光の強弱によって記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路209において元の信号に再生される。
この第2実施形態の光ディスク装置では、低コストで製造でき、かつ高い発振効率で動作し、しかも低い素子抵抗を有する半導体レーザ素子202を用いているため、消費電力を大幅に削減することが可能となる。従って、より環境に対する負荷の少ない光ディスク装置を安価に提供することができる。
なお、ここでは第1実施形態の構成を使用した半導体レーザ素子202を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長780nm帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置や、他の波長帯(例えば650nm帯)の光ディスク装置にも適用可能であることはいうまでもない。
〔第3実施形態〕
図7は、本発明の第3実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール300を示す断面図である。また、図8は光源の部分を示す斜視図であり、図9は、光伝送システムの概略図である。この第3実施形態では、光源として第1実施形態で説明した発振波長890nmのInGaAs系半導体レーザ素子(レーザチップ)301を、また受光素子302としてシリコン(Si)のpinフォトダイオードを用いている。詳しくは後述するが、通信を行う双方の側(例えば、端末とサーバ)にそれぞれ同じ光伝送モジュール300を備えることにより、双方の光伝送モジュール300間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。
図7は、本発明の第3実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール300を示す断面図である。また、図8は光源の部分を示す斜視図であり、図9は、光伝送システムの概略図である。この第3実施形態では、光源として第1実施形態で説明した発振波長890nmのInGaAs系半導体レーザ素子(レーザチップ)301を、また受光素子302としてシリコン(Si)のpinフォトダイオードを用いている。詳しくは後述するが、通信を行う双方の側(例えば、端末とサーバ)にそれぞれ同じ光伝送モジュール300を備えることにより、双方の光伝送モジュール300間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。
図7において、回路基板306上には、半導体レーザ駆動用の正負両電極のパターンが形成され、図示のとおり、レーザチップ301を搭載する部分には深さ300μmの凹部306aが設けられている。この凹部306aに、レーザチップ301を搭載したレーザマウント(マウント材)310をはんだで固定する。レーザマウント310の正電極312の平坦部313(図8に示す)は、回路基板306上のレーザ駆動用正電極部(図示せず)とワイヤ307aによって電気的に接続される。また、上記凹部306aはレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっており、また、面の粗さが放射角に影響を与えないようにされている。
また、受光素子302は、やはり回路基板306に実装され、ワイヤ307bにより電気信号が取り出される。この他に、回路基板306上にレーザ駆動用/受信信号処理用のIC回路308が実装されている。
次いで、はんだで凹部306aに固定されたレーザマウント310を搭載した部分に液状のシリコン樹脂309を適量滴下する。シリコン樹脂309中には、光を拡散させるフィラーが混入されている。シリコン樹脂309は表面張力のために凹部内に留まり、レーザマウント310を覆い凹部306aに固定する。この第3実施形態では、回路基板306上に凹部306aを設け、レーザマウント310を実装したが、上述のように、シリコン樹脂309は表面張力のためにレーザチップ表面およびその近傍に留まるので、凹部306aは必ずしも設ける必要はない。
この後、80℃で約5分間加熱して、ゼリー状になるまで硬化させる。次いで、透明なエポキシ樹脂モールド303により被覆する。レーザチップ301の上方には、放射角制御のためのレンズ部304が、また、受光素子302の上方には信号光を集光するためのレンズ部305がそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。
次に、レーザマウント310について、図8を用いて説明する。図8に示すように、L字型のヒートシンク311にレーザチップ301がIn糊剤を用いてダイボンドされている。レーザチップ301は、第1実施形態で説明したInGaAs系の半導体レーザ素子であり、そのチップ下面301bには高反射膜がコーティングされており、一方、レーザチップ上面301aには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜は、レーザチップ端面の保護も兼ねている。
ヒートシンク311の基部311bには、ヒートシンク311と導通しないように絶縁物により正電極312が固着されている。この正電極312とレーザチップ301の表面のショットキー接合部上に設けられた電極領域301cとは、金ワイヤ307cによって接続されている。上述のように、このレーザマウント310を、図7の回路基板306の負電極(図示せず)にはんだ固定して、正電極312の上部の平坦部313と回路基板306の正電極部(図示せず)とをワイヤ307aで接続する。このような配線の形成により、図8に示すように、レーザビーム314を発振により得ることができる光伝送モジュール300が完成する。
この第3実施形態の光伝送モジュール300は、前述の低コストで製造でき、高効率、低素子抵抗な半導体レーザ素子を使用しているため、そのモジュールの消費電力を従来に比べて大幅に低く抑えることができるとともに、モジュール単価を下げることができる。この光伝送モジュール300を用いた光伝送システムは、低消費電力で動作するため、環境に対する負荷を小さくでき、また低価格で構成できる。また、携帯機器にこの光伝送システムを搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯機器を使用することができるようになる。
上述したように、通信を行う双方の側にそれぞれ同じ光伝送モジュール300を備えることにより、双方の光伝送モジュール300間で光信号を送受信する光伝送システムが構成される。図9は、この光伝送モジュール300を用いた光伝送システムの構成例を示している。この光伝送システムは、部屋の天井に設置された基地局315に上記光伝送モジュール300を備えるとともに、パーソナルコンピュータ316に上記と同じ光伝送モジュール(区別のために符号300’で表す。)を備えている。パーソナルコンピュータ316側の光伝送モジュール300’の光源から情報を持って発した光信号は、基地局315側の光伝送モジュール300の受光素子によって受信される。また、基地局315側の光伝送モジュール300の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ316側の光伝送モジュール300’の受光素子によって受信される。このようにして、光(赤外線)によるデータ通信を実現することができる。
尚、本発明の半導体レーザ装置、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではない。たとえば井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
101…n−GaAs基板
102…n−GaAsバッファ層
103…n−AlGaAs第1下クラッド層
104…n−AlGaAs第2下クラッド層
105…AlGaAs下ガイド層
106…多重歪量子井戸活性層
107…AlGaAs第1上ガイド層
108…p−AlGaAs第2上ガイド層
109…p−AlGaAs第1上クラッド層
110…p−AlGaAs第2上クラッド層
111…p−InGaAsP半導体層
112…p−AlGaAs第2上クラッド層
113…p−GaAsコンタクト層
114…p+−GaAsコンタクト層
115…p側電極
115a…Ni層
115b…AuZn層
115c…Au層
116…合金層
116a…第1の合金層
116b…第2の合金層
117…n側電極
118…フォトレジスト
118a…リッジ部形成領域
118b…リッジ部形成外領域
130…リッジ部
200…光ディスク装置
201…光ディスク
202…半導体レーザ素子
203…コリメートレンズ
204…ビームスプリッタ
205…λ/4偏光板
206…対物レンズ
207…受光素子用対物レンズ
208…信号検出用受光素子
209…信号光再生回路
300,300’…光伝送モジュール
301…半導体レーザ素子(レーザチップ)
301a…低反射膜
301b…高反射膜
301c…ショットキー接合している電極領域
302…受光素子
303…エポキシ樹脂モールド
304,305…レンズ部
306…回路基板
306a…凹部
307a,307b,307c…ワイヤ
308…IC回路
309…シリコン樹脂
310…レーザマウント
311…ヒートシンク
311b…基部
312…正電極
313…平坦部
314…レーザビーム
315…基地局
316…パーソナルコンピュータ
401…n型GaAs基板
402…n型InGaPクラッド層
403…InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層
404…p型InGaPクラッド層
405…p型InGaAsコンタクト層
406…p側電極
407…n側電極
408…ショットキー接合部
102…n−GaAsバッファ層
103…n−AlGaAs第1下クラッド層
104…n−AlGaAs第2下クラッド層
105…AlGaAs下ガイド層
106…多重歪量子井戸活性層
107…AlGaAs第1上ガイド層
108…p−AlGaAs第2上ガイド層
109…p−AlGaAs第1上クラッド層
110…p−AlGaAs第2上クラッド層
111…p−InGaAsP半導体層
112…p−AlGaAs第2上クラッド層
113…p−GaAsコンタクト層
114…p+−GaAsコンタクト層
115…p側電極
115a…Ni層
115b…AuZn層
115c…Au層
116…合金層
116a…第1の合金層
116b…第2の合金層
117…n側電極
118…フォトレジスト
118a…リッジ部形成領域
118b…リッジ部形成外領域
130…リッジ部
200…光ディスク装置
201…光ディスク
202…半導体レーザ素子
203…コリメートレンズ
204…ビームスプリッタ
205…λ/4偏光板
206…対物レンズ
207…受光素子用対物レンズ
208…信号検出用受光素子
209…信号光再生回路
300,300’…光伝送モジュール
301…半導体レーザ素子(レーザチップ)
301a…低反射膜
301b…高反射膜
301c…ショットキー接合している電極領域
302…受光素子
303…エポキシ樹脂モールド
304,305…レンズ部
306…回路基板
306a…凹部
307a,307b,307c…ワイヤ
308…IC回路
309…シリコン樹脂
310…レーザマウント
311…ヒートシンク
311b…基部
312…正電極
313…平坦部
314…レーザビーム
315…基地局
316…パーソナルコンピュータ
401…n型GaAs基板
402…n型InGaPクラッド層
403…InGaAs/GaAs歪量子井戸活性層
404…p型InGaPクラッド層
405…p型InGaAsコンタクト層
406…p側電極
407…n側電極
408…ショットキー接合部
Claims (15)
- 第1導電型の基板と、上記第1導電型の基板上に形成された活性層と、リッジ部が設けられた第2導電型の半導体層群とを、少なくとも順に積層してなる半導体レーザ素子において、
上記第2導電型の半導体層群は、少なくともGaを含んでおり、
上記第2導電型の半導体層群は、少なくともドーピング濃度が1×1017cm-3以下の低濃度半導体層とドーピング濃度が1×1018cm-3以上の高濃度半導体層からなり、
上記高濃度半導体層が上記リッジ部の最上部に設けられ、上記低濃度半導体層が少なくとも上記リッジ部の最上部以外の領域に設けられており、
上記第2導電型の半導体層群上にAuを含む合金からなる電極が形成され、
上記電極と上記低濃度半導体層との界面に、上記電極の構成元素と上記低濃度半導体層の構成元素のうちの少なくとも1つとNiからなる低濃度側の合金層が形成され、
上記電極と上記高濃度半導体層との界面に、上記電極の構成元素と上記高濃度半導体層の構成元素のうちの少なくとも1つとNiからなる高濃度側の合金層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも1×1017cm-3以上のドーピング濃度を有する第2導電型の半導体層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
上記低濃度半導体層の厚みが0.2μm以上であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
上記低濃度半導体層が少なくとも2層の半導体層からなり、上記電極側に設けられた半導体層がInGaAsPからなることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
上記第1導電型がn型であり、上記第2導電型がp型であり、
上記電極が少なくともAuとZnの合金からなることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項5に記載の半導体レーザ素子において、
上記AuとZnの合金のZnの含有量が1%以上かつ20%以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項5に記載の半導体レーザ素子において、
上記合金層は、上記第2導電型の半導体層群側に形成された少なくともZnとNiとGaを含む第1の合金層と、上記電極側に形成された少なくともAuとZnとNiとGaを含む第2の合金層とを有することを特徴とする半導体レーザ素子。 - 請求項1に記載の半導体レーザ素子において、
上記第1導電型がp型であり、上記第2導電型がn型であり、
上記電極が少なくともAuとGeの合金からなることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 第1導電型の基板上に、活性層を形成する工程と、
上記活性層上に、少なくともGaを含み、かつ、少なくともドーピング濃度が1×1017cm-3以下の低濃度半導体層とドーピング濃度が1×1018cm-3以上の高濃度半導体層からなる第2導電型の半導体層群を積層形成する工程と、
上記第2導電型の半導体層群の一部を除去してリッジ部を形成する工程と、
上記リッジ部が形成された上記第2導電型の半導体層群上に、少なくともAuを含む合金材料またはNiの一方を堆積させた後、上記合金材料またはNiの他方を堆積させる工程と、
上記少なくともAuを含む合金材料および上記Niを堆積させる工程の後、熱処理により、上記第2導電型の半導体層群上に、上記少なくともAuを含む合金材料の構成元素と上記第2導電型の半導体層群の構成元素のうちの少なくとも1つとNiからなる合金層を形成すると共に、上記合金層を介して上記第2導電型の半導体層群と導通する電極を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 請求項9に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第2導電型の半導体層群を積層形成する工程において、上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、少なくとも1×1017cm-3以上のドーピング濃度を有する第2導電型の半導体層を形成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9に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記第2導電型がp型であり、上記電極が少なくともAuとZnの合金からな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9に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記少なくともAuを含む合金材料またはNiの一方を堆積させた後、少なくともAuを含む合金材料またはNiの他方を堆積させる工程において、上記少なくともAuを含む合金材料よりも先にNiを厚み5nm以上堆積させた後に上記少なくともAuを含む合金材料を堆積させ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9に記載の半導体レーザ素子の製造方法において、
上記熱処理により上記合金層と上記電極を形成する工程において、350℃以上かつ450℃以下で熱処理を行うことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。 - 請求項1乃至8の何れか一つに記載の半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光ディスク装置。
- 請求項1乃至8の何れか一つに記載の半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光伝送システム。
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JP2004170069A JP2005353678A (ja) | 2004-06-08 | 2004-06-08 | 半導体レーザ素子およびその製造方法、光ディスク装置、光伝送システム |
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JP2009277931A (ja) * | 2008-05-15 | 2009-11-26 | Sharp Corp | 窒化物半導体発光素子の製造方法 |
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- 2004-06-08 JP JP2004170069A patent/JP2005353678A/ja active Pending
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