JP2008047641A - 半導体レーザ素子とその製造方法、光ディスク装置、および光伝送モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高発振効率で低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】第１導電型半導体基板上に順次積層された第１導電型下クラッド層、活性層、第２導電型のＡｌ含有第１上クラッド層、ストライプ状リッジ形状の第２導電型の第２上クラッド層、および第２導電型コンタクト層を含むリッジ導波型半導体レーザ素子であって、第１上クラッド層の電子親和力がχ１で禁制帯幅がＥｇ１であり、コンタクト層の電子親和力がχ２で禁制帯幅がＥｇ２であるきに、第１導電型がｎ型で第２導電型がｐ型の場合には（χ１＋Ｅｇ１）＞（χ２＋Ｅｇ２）の関係を満たし、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合にはχ１＜χ２の関係を満たし、リッジ直下を除く領域には第１上クラッド層の表面酸化で形成された酸化物層が設けられており、リッジ頂部のコンタクト層、リッジ側面、および酸化物層の上に連なって直接被覆している金属電極層を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は半導体レーザ素子とその製造方法に関し、特に、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得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モジュールにも関する。

半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムなどに幅広く使用されている。特に、リッジ埋め込み型と呼ばれる半導体レーザ素子は高い信頼性を有し、しかも低消費電力動作が可能なレーザ素子として知られている。しかし、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半導体積層を形成するために行われる１回目の結晶成長工程に加えて、電流狭窄層を形成するための２回目の結晶成長工程と、コンタクト層を形成するための３回目の結晶成長工程を必要とし、さらに複雑なプロセスを経て製造しなければならない。したがって、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子においては、その歩留まりが悪くて製造コストが高いという問題がある。

そこで、より簡便かつ低コストで製造し得る半導体レーザ素子として、活性層上にリッジ部を有しかつ一回の結晶成長工程で製造し得るリッジ導波型半導体レーザ素子が先行技術において教示されている（例えば特許文献１の特開平４−１１１３７５号公報参照）。

図１６は、特許文献１によるリッジ導波型半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的断面図である。このリッジ導波型半導体レーザ素子６００は以下のようにして製造される。

まず、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法によって、ｎ−ＧａＡｓ基板６０１上にｎ−ＩｎＧａＰ下クラッド層６０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層６０３、ｐ−ＩｎＧａＰ上クラッド層６０４、およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６０５を順次積層する。そして、フォトリソグラフィなどの手法によって、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層６０５の上面からｐ−ＩｎＧａＰ上クラッド層６０４の途中の深さまでエッチングを行って、リッジ部となるメサを形成する。その後、ｐ型用金属電極層６０６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次蒸着し、ｎ型用金属電極層６０７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リッジ導波型レーザ素子において、上クラッド層６０４とｐ型用金属電極層６０６との間にショットキー接合部６０８が形成される。したがって、ｐ型用電極層６０６とコンタクト層６０５との間のみにおいて電流が流れることができ、これによって電流狭窄が行われ得る。

従来の慣用的なリッジ埋め込み型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、この特許文献１によるリッジ導波型半導体レーザ素子では必要とされる結晶成長工程が１回だけである。また、特許文献１のリッジ導波型半導体レーザ素子は、電流狭窄のために無機絶縁膜を使用することなくショットキー接合を利用するので、その素子構造が簡単であって非常に低コストで製造することができる。
特開平４−１１１３７５号公報（第１図）

しかしながら、特許文献１のリッジ導波型半導体レーザ素子では、低閾値電流と高出力動作を実現することができない。この最大の理由は、ショットキー接合部の信頼性に乏しくかつ電流狭窄性が不十分であって、特にリッジを微細ストライプにした場合に漏れ電流を十分に低減できないことによる。すなわち、単に半導体層と金属層とを接合させただけでは、その接合部に形成されるショットキー障壁は半導体レーザ素子の駆動に必要な電圧に対して十分に余裕のある耐圧を有するとは限らないからである。特許文献１による半導体レーザ素子ではその耐圧に余裕がないので、作製されるレーザ素子ごとに電流狭窄性が不安定となって生産歩留まりが低くなる。また、そのレーザ素子を長期間動作させれば、容易に電流リークが発生して素子特性が低下する。

上述のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、十分な電流狭窄能力を有することによって高い発振効率が得られかつ低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を低コストの製造方法で提供することを目的としている。さらに、本発明は、そのような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モジュールを提供することをも目的としている。

本発明の一つの態様によれば、第１導電型の半導体基板上に第１導電型の下クラッド層、活性層、Ａｌを含む第２導電型の第１上クラッド層、ストライプ状リッジを形成する第２導電型の第２上クラッド層、および第２導電型のコンタクト層が順次設けられたリッジ導波型半導体レーザ素子であって、第１上クラッド層の電子親和力をχ１として禁制帯幅をＥｇ１とし、コンタクト層の電子親和力をχ２として禁制帯幅をＥｇ２としたときに、第１導電型がｎ型で第２導電型がｐ型の場合には（χ１＋Ｅｇ１）＞（χ２＋Ｅｇ２）の関係を満たし、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合にはχ１＜χ２の関係を満たし、リッジの直下を除く領域には第１上クラッド層の上面を酸化することによって形成された酸化物層が設けられており、リッジの頂部のコンタクト層、そのリッジの少なくも一方の側面、および酸化物層の上に連なって直接被覆している金属電極層を備えることを特徴としている。

なお、コンタクト層における第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であって、第１上クラッド層のうちで酸化物層の直下に接する領域は第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度ドープ領域であることが好ましい。また、第１上クラッド層において、その低濃度ドープ領域と活性層との間には、１×１０¹⁷ｃｍ^-3より大きいドーピング濃度を有する第２導電型のドープ領域が形成されていることが好ましい。

コンタクト層の上面層は、Ａｌを含んでいないことが好ましい。第１上クラッド層の上面におけるＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は、０．４５より大きいことが好ましい。酸化物層の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。

第２上クラッド層は、第１上クラッド層に対して選択エッチング可能である材料で構成されていることが好ましい。

第１上クラッド層中において、第１上クラッド層に比べてＡｌ組成比の低いかまたはＡｌを含まない半導体からなる酸化停止層が挿入されていて、酸化物層は第１上クラッド層における酸化停止層より上側部分を酸化させることによって形成されていることが好ましい。第１上クラッド層の上面におけるＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は、０．９以上であることが好ましい。

本発明のもう一つの態様によれば、半導体レーザ素子の製造方法は、第１導電型の半導
体基板上に、第１導電型の下クラッド層、活性層、Ａｌを含む第２導電型の第１上クラッド層、第２導電型の第２上クラッド層、およびＡｌを含まない第２導電型のコンタクト層を順次形成する工程と、第２上クラッド層とコンタクト層の一部を除去してストライプ状のリッジを形成し、そのリッジを除く領域において第１上クラッド層の上面を部分的に露出させる工程と、リッジの直下を除く領域において第１上クラッド層の露出された上面から酸化させて酸化物層を形成する工程と、リッジの頂部のコンタクト層、そのリッジの少なくも一方側のリッジ側面、および酸化物層の上に連なって金属層を直接被覆させる電極層の形成工程とを含み、第１上クラッド層の電子親和力をχ１として禁制帯幅をＥｇ１とし、コンタクト層の電子親和力をχ２として禁制帯幅をＥｇ２としたときに、第１導電型がｎ型で第２導電型がｐ型の場合には（χ１＋Ｅｇ１）＞（χ２＋Ｅｇ２）の条件を満たし、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合にはχ１＜χ２の条件を満たすことを特徴としている。

なお、第１クラッド層を形成する工程では、第１上クラッド層中に、その第１上クラッド層よりもＡｌ組成比の低いかまたはＡｌを含まないＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる酸化停止層を設け、酸化物層を形成する工程では、第１上クラッド層中において酸化停止層より上側の層を酸化させることによってその酸化物層を形成することが好ましい。

リッジを形成して第１上クラッド層の上面を部分的に露出させる工程では、第１上クラッド層の上面が露出された時点において、その露出面に対して酸化性を有する液体または気体に接触させることによって酸化物層を形成することが好ましい。そのためには、第１上クラッド層の最上部におけるＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は、０．９以上であることが好ましい。

リッジを形成して第１上クラッド層の上面を部分的に露出させる工程では、コンタクト層の上にストライプ状のエッチングマスクを形成し、そのマスク以外の領域を上層から順次エッチングで除去していき、最後のエッチングでは過酸化水素水を含む液体のエッチング液を用いて第１上クラッド層の上面を露出させ、続いて、その露出面をそのままエッチング液に接触させることによって酸化物層を形成することが好ましい。

以上のような本発明による半導体レーザ素子を光源として利用することによって、長期動作においても故障が少ない光ディスク装置および光伝送モジュールを安価に提供することができる。

本発明のリッジ導波型半導体レーザ素子では、従来に比べて新規かつ簡易な構造的改変によって、リッジ以外の領域における電流阻止能力が向上し、安定してリッジ内に電流を狭窄することができる。したがって、本発明のリッジ導波型半導体レーザ素子は、低閾値電流で発振できかつ高い発振効率を有するので低消費電力で高出力動作が可能であり、少ない工程数で低コストの製造方法によって高い歩留で提供され得る。また、本発明の半導体レーザ素子を用いた光ディスク装置は、従来の光ディスク装置に比べて、より安価に構成されかつ長期動作において故障が少なくなる。さらに、本発明の半導体レーザ素子を用いた光伝送モジュールも、従来の光伝送モジュールに比べて、より安価に構成されかつ長期動作において故障が少なくなる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１によるリッジ導波型半導体レーザ素子の積層構造を模式的な断面図で示している。なお、本願の各図において同一の参照符号は同一部分または相当部分を表している。また、図面における厚さ、長さ、幅などの寸法関係は図面の明瞭化と
簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表してはいない。

図１の半導体レーザ素子１００においては、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ下クラッド層１０３、ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下ガイド層１０４、多重歪量子井戸活性層１０５、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上ガイド層１０６、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１上クラッド層１０７、および低ドープｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上クラッド層１０８が順次積層されている。

この低ドープ上クラッド層１０８上には、順メサストライプ形状のリッジ１２０を形成するように、ｐ−Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6エッチングストップ層１１１、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２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。

ここで、低ドープ上クラッド層１０８の上面層は、リッジ形成領域１２１ａ以外の領域１２１ｂにおいて酸化物層１０８ｂに変換されている。また、第２上クラッド層１１２のリッジ側面部も酸化物層１１２ｂに変換されている。そして、リッジ１２０の頂部と側面部および酸化物層１０８ｂ上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの多層金属薄膜からなるｐ型用電極層１１５が設けられている。

図２から図４の模式的な断面図において、図１のリッジ導波型半導体レーザ素子の製造方法が図解されている。

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（厚さ０．５μｍ、Ｓｉドーピング濃度７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｎ−Ａｌ_0.45Ｇａ_0.55Ａｓ下クラッド層１０３（厚さ１．８８μｍ、Ｓｉドーピング濃度５．４×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ下ガイド層１０４（厚さ０．０９μｍ、Ｓｉドーピング濃度５．４×１０¹⁷ｃｍ^-3）、多重歪量子井戸活性層１０５、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ上ガイド層１０６（厚さ０．０９μｍ、Ｚｎドーピング濃度１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１上クラッド層１０７（厚さ０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、低ドープｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ上クラッド層１０８（厚さ０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ−Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6エッチングストップ層１１１（厚さ４ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２上クラッド層１１２（厚さ１．２８μｍ、Ｚｎドーピング濃度２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−ＧａＡｓ第１コンタクト層１１３（厚さ０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3）、およびｐ⁺−ＧａＡｓ第２コンタクト層１１４（厚さ０．３μｍ、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）を順次にＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）で結晶成長させて半導体積層ウエハを形成する。

多重歪量子井戸活性層１０５においては、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ下部中間層（厚さ３．０ｎｍ）上に、Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ａｓ障壁層（基板１０１側から厚さ２１．５ｎｍ、７．９ｎｍ、および２１．５ｎｍの３層）とＩｎ_0.072Ｇａ_0.928Ａｓ圧縮歪量子井戸層（歪０．５１％、厚さ４．６ｎｍ、２層）とが交互に積層され、その上にＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ上部中間層（厚さ３．０ｎｍ）がさらに積層される。

次に、リッジ１２０を形成すべき領域１２１ａ（図１参照）上に、図２に示すようにレジストマスク１３０（マスク幅４．５μｍ）をフォトリソグラフィによって形成する。このレジストマスク１３０は、形成すべきリッジ１２０が延びる方向に対応して、基板結晶の＜０−１１＞方向に沿ってストライプ状に延びるように形成される。

そして、図３に示すように、レジストマスク１３０を用いたエッチングによって、第２上クラッド層１１２、第１コンタクト層１１３、および第２コンタクト層１１４のうちでレジストマスク１３０の両側のリッジ形成外領域１２１ｂ部分をエッチングにより除去して、レジストマスク１３０直下に順メサストライプ状のリッジ１２０を形成する。

このエッチングにおいては、まず、ＡｌＧａＡｓ系材料である第２上クラッド層１１２、第１コンタクト層１１３、および第２コンタクト層１１４をエッチングするがＩｎＧａＡｓＰ系であるエッチングストップ層１１１をエッチングしないエッチング液として、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いる。このとき、第２上クラッド層１１２のエッチング速度が第１コンタクト層１１３および第２コンタクト層１１４に比べて若干速いので、リッジ１２０の側面において第１コンタクト層１１３および第２コンタクト層１１４のオーバーハングができる。したがって、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液によって、第１コンタクト層１１３および第２コンタクト層１１４のオーバーハング部分を除去する。すなわち、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液は、ＧａＡｓである第１コンタクト層１１３および第２コンタクト層１１４をエッチングするが、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓである第２上クラッド層１１２やＩｎＧａＡｓＰ系であるエッチングストップ層１１１をエッチングしないエッチング液である。

その後、リッジ形成外領域１２１ｂにおいてエッチングストップ層１１１をエッチングにより除去して、低ドープ上クラッド層１０８を露出させる。このエッチングでは、ＩｎＧａＡｓＰ系であるエッチングストップ層１０８をエッチングするがＡｌＧａＡｓ系である第２上クラッド層１１２、第１コンタクト層１１３、および第２コンタクト層１１４をエッチングをしないエッチング液として塩酸が用いられる。最終的に形成されるリッジ１２０の最下部の幅は約３μｍである。エッチングが終了すれば、レジストマスク１３０を除去し、半導体積層ウエハを水洗して窒素ブローなどで乾燥させる。

次に、このウエハが水蒸気を流した加熱炉の中に投入されて、５００℃で２時間の熱処理が行われる。これによって、図４に示すように、Ａｌを含んだ層である低ドープ上クラッド層１０８の表面から深さ３ｎｍ程度までを酸化させて酸化物層１０８ｂを形成する。このとき同時に、Ａｌを含んだ層である第２上クラッド層１１２のリッジ側面部にも同程度の厚さの酸化物層１１２ｂが形成される。

そして、電子ビーム蒸着法を用いて、Ｔｉ層（厚さ５０ｎｍ）、Ｐｔ層（厚さ５０ｎｍ）、およびＡｕ層（厚さ３００ｎｍ）の順に金属薄膜を積層して、ｐ型用電極層１１５を形成する（図１参照）。

続いて、基板１０１に対して、その下面側から所望の厚み（例えば約１００μｍ）になるまでラッピング法によって研削する。そして、抵抗加熱蒸着法を用いて、ＡｕＧｅ合金層（８８％Ａｕ−１２％Ｇｅ、厚さ１００ｎｍ）、Ｎｉ層（厚さ１５ｎｍ）、およびＡｕ層（厚さ３００ｎｍ）の順に積層して、基板下面側のｎ型用電極層１１６を形成する（図１参照）。さらに、Ｎ₂雰囲気中の３９０℃における１分間の加熱処理によって、ｎ型用金属電極層１１６のアロイ処理を行う。

その後、基板１０１を含む半導体積層ウエハは、劈開によって、所望の共振器長（例えば５００μｍ）を有する複数のバーに分割される。そして、各バーの劈開面において共振器の端面コーティングを行い、そのバーはさらにチップ（５００μｍ×２５０μｍ）に分割される。分割後のチップは、Ｉｎ糊剤を用いてステム（図示せず）上に固着される。そして、ｐ型用金属電極層１１５上に、外部回路との電気的接続を行うためのＡｕワイヤ（図示せず）がボンディングされ、これによってリッジ導波型半導体レーザ素子が完成する。

こうして作製されたリッジ導波型半導体レーザ素子のｐ型用電極１１５とｎ型用電極１１６との間に電流を流せば、リッジ１２０の両側領域１２１ｂにおける低ドープ上クラッド層１０８および酸化物層１０８ｂとｐ型用金属電極層１１５との間の接合がショットキー接合となって電流が遮断され、リッジ１２０の最上部に設けられた高濃度のドーピング層であるｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４とｐ型用金属電極層１１５との間のオーミック接合のみを通して電流が流れる。これによって電流狭窄が行われて、リッジ１２０直下にてレーザ光が発振して劈開面から出射される。

図１に示された本実施形態１の半導体レーザ素子１００では、ｐ型用電極層１１５と低ドープ上クラッド層１０８との間に酸化物層１０８ｂが形成されているので、リッジ１２０以外の領域１２１ｂで十分な電流阻止性を生じ、長期の熱的・電気的ストレスにも安定な電流狭窄構造を得ることができる。他方、図１６に示された特許文献１のレーザ素子構造では、ショットキー接合部６０８において製造上回避困難な界面欠陥準位などによってショットキー特性に不安定性が存在し、その接合部ではリーク電流が流れやすい。したがって、特許文献１のレーザ素子では、長期の熱的・電気的ストレスの影響によって、より低い電圧でブレークダウンしやすい。しかし、本実施形態１におけるようにｐ型用金属電極層１１５と低ドープ上クラッド層１０８との間に酸化物層１０８ｂを設けることによって、ショットキー接合部の電流リークを確実に防止することができ、安定した電流狭窄能力を得ることができる。このようなショットキー接合部における作用について、以下においてさらに詳細に説明する。

まず、図５（ａ）において、一般的な金属とｐ型半導体とのショットキー接合部における模式的なバンド構造図を示す。この図において、横軸は金属とｐ型半導体との界面に直交する方向における位置を表し、縦軸は電子エネルギを表す。また、φｍは金属の仕事関数、χｓは半導体の電子親和力、Ｅｇは半導体の禁制帯幅、Ｅｃは半導体の伝導帯の底、Ｅｖは半導体の価電子帯の頂上、そしてＥ_Fはフェルミ準位を表している。そして、φ_Bがショットキー障壁の高さを表し、φ_B＝χｓ＋Ｅｇ−φｍの関係にある。このようなバンド構造おいて、金属側が正でｐ型半導体側が負になるように電圧をかける場合、φ_Bが大きいほど高い電圧まで電流が流れない。

特許文献１におけるショットキー接合による電流狭窄構造では、ｐ型の上クラッド層６０４とコンタクト層６０５上にｐ型用金属電極層６０６を形成している（図１６参照）。したがって、リッジ頂部のコンタクト層６０５領域内に電流狭窄するためには、少なくとも上クラッド層６０４におけるショットキー障壁φ_Bがコンタクト層６０５におけるショットキー障壁φ_Bに比べて大きくなければならない。すなわち、コンタクト層６０５における（χｓ＋Ｅｇ）に比べて、上クラッド層６０４における（χｓ＋Ｅｇ）を大きくする必要がある。

しかし、ｐ型用金属電極層６０６と上クラッド層６０４との間にショットキー障壁を形成する場合に、リッジを形成してからｐ型用電極層６０６を蒸着するまでの間に、上クラッド層６０４の表面は大気などにさらされ、そこに不安定な酸化膜の形成や不純物の吸着が発生する。したがって、上クラッド層６０４の表面上にｐ型用金属電極層６０６を蒸着しても、ショットキー接合部６０８には製造上回避困難な界面欠陥準位が発生してしまう。そして、このショットキー部分６０８ではリーク電流が流れやすく、長期の熱的・電気的ストレスに起因して、レーザ素子がより低い電圧でブレークダウンしやすくなる。

他方、図１に示された本実施形態１の半導体レーザ素子１００においてもショットキー接合による電流狭窄構造を形成するので、低ドープ上クラッド層１０８における（χｓ＋Ｅｇ）が第２コンタクト層１１４における（χｓ＋Ｅｇ）よりも大きく設定される。これ
に加えて、半導体レーザ素子１００では、ｐ型用電極層１１５と低ドープ上クラッド層１０８との間に酸化物層１０８ｂが設けられる。

この場合の金属とｐ型半導体とのショットキー接合部における模式的なバンド構造図が図５（ｂ）に示されている。ここで、酸化物層１０８ｂは、前述のように低ドープ上クラッド層１０８を意図的に酸化させることによって形成されたものである。したがって、リッジ１２０の形成時に低ドープ上クラッド層１０８が大気にさらされることによって発生する界面準位の位置に比べて、低ドープ上クラッド層１０８の内部側まで酸化物層１０８ｂを形成することができる。すなわち、この酸化物層１０８ｂは、十分な酸化工程によって形成された安定な絶縁性膜であり、界面準位に起因するリーク電流はショットキー障壁のみが存在する場合に比べて流れにくくなる。また、低ドープ上クラッド層１０８の表面から酸化して形成される酸化物層１０８ｂとその低ドープ上クラッド層１０８との間は当然ながら大気にさらされることがなく、これら両者の界面における界面準位は非常に少ない。したがって、酸化物層１０８ｂと低ドープ上クラッド層１０８との間にあるショットキー障壁においてもリーク電流が低減される。

すなわち、界面準位の低減されたショットキー障壁と、界面準位に対してリーク電流の発生しにくい絶縁性の酸化物層による障壁との２つの組み合わせによって電流阻止能力が高められると考えられる。そして、これによってショットキー接合部における電流リークを確実に防止することができ、安定した電流狭窄能力を得ることができる。

また、本実施形態１の半導体レーザ素子１００においては、リッジ形成外領域１２１ｂにある低ドープ上クラッド層１０８について、ドーピング量が１×１０¹⁷ｃｍ^-3に低く設定されている。ショットキー接合においては、半導体側のドーピング量を少なくすることによって空乏層（図５参照）が厚くなり、これによってショットキー障壁部においてリーク電流をより発生しにくくすることができる。特に、ドーピング量を１×１０¹⁷ｃｍ^-3またはそれ以下に設定することによって、電流阻止能力が一段と向上し、長期の熱的・電気的ストレスにも安定な接合を得ることができる。また、リッジ頂部の第２コンタクト層１１４は、１×１０¹⁹ｃｍ^-3の高いドーピング濃度にされている。第２コンタクト層１１４においては、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上にドーピング濃度設定することにより、ｐ型用金属電極層１１５との間でより低いコンタクト抵抗を有する良好なオーミック接合を実現することができる。

さらに、本実施形態１の半導体レーザ素子１００においては、活性層１０５と低ドープ上クラッド層１０８との間にある上ガイド層１０６と第１上クラッド層１０７について、ドーピング量が低ドープ上クラッド層１０８に比べて高い１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3に設定されている。こここで、低ドープ上クラッド層１０８はリッジ直下においては電流通路に位置しているので、そのドーピング量を低く設定した方が素子抵抗を低く抑制することができる。したがって、低ドープ上クラッド層１０８は電流阻止特性のために必要十分な厚さに抑え、それより活性層側の層についてはドーピング量を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上にすることによって、素子抵抗の上昇を抑制して素子特性の悪化を防ぐことができる。

他方、本実施形態１の半導体レーザ素子１００の製造方法では、特許文献１の半導体レーザ素子６００の製造方法に比較して、酸化物層形成の工程を途中に付加するだけで、リーク電流が低減された半導体レーザを得ることができる。この酸化物層形成工程は、加熱水蒸気内に一定時間放置しておくだけの簡易な工程であり、これによって電流狭窄能力の安定化が図れるという大きな利点が得られる。

また、本実施形態１の半導体レーザ素子においては、リッジの頂部の第２コンタクト層１１４にはＡｌを含まないＧａＡｓが用いられている。この第２コンタクト層１１４は電
流注入経路であり、ｐ型用金属電極層１１５との間でにおける電気抵抗が低いことが望ましい。ところが、本実施形態１の酸化工程においては、第２コンタクト層１１４の表面も水蒸気にさらされる。したがって、第２コンタクト層１１４の表面においてできるだけ酸化物の発生を抑制するため、その第２コンタクト層にはＡｌを含まないＩＩＩ−Ｖ族半導体材料（本実施例１ではＧａＡｓ）を用いることが望ましい。これによって、第２コンタクト層１１４とｐ型用電極層１１５との間における電気抵抗を低く抑えることができる。

さらに、本実施形態１の半導体レーザ素子においては、酸化物層１０８ｂの形成の元材料になるＡｌ含有の低ドープ上クラッド層１０８は、そのＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が０．５に設定されている。仮に、この層１０８のＡｌ組成比が０．４５以下である場合には、その半導体層１０８の酸化が進行しにくく、均質な酸化物層１０８ｂの形成が困難となる。酸化物層１０８ｂの酸化状況が不均質であれば、均一な電流阻止能力を得ることができなくてリーク電流が発生してしまう。したがって、良好な電流阻止能力を得るためには、低ドープ上クラッド層１０８において０．４５以上のＡｌ組成比に設定することが有効である。なお、そのＡｌ組成比の上限についての限定は特になく、Ａｌ組成比１まで適用可能である。

酸化物層１０８ｂについては、わずかな層厚であっても酸化工程によって均質に形成されれば、特許文献１におけるようにショットキー障壁６０８のみで電流狭窄を行う構造に比較して、リーク電流を低減させることが可能である。しかし、当然ながら、酸化物層１０８ｂが厚いほど、それによる障壁の効果が顕著となる。酸化物層１０８ｂの厚さが少なくとも２ｎｍ以上あれば、その酸化物層による障壁の効果がより安定し、確実に電流リークが低減され得る。

他方、酸化物層１０８ｂは、高Ａｌ組成の半導体層１０８を酸化して形成したものである。半導体層は基板に対して格子整合して成長することが可能であるが、それを酸化させれば格子定数が大きく変わるので、その近傍の半導体層との間で歪が発生する。本実施形態１のレーザ素子１００では、半導体層１０８の一部を酸化物１０８ｂに変化させるので、半導体層１０８と酸化物層１０８ｂとの密着性が高くて歪の影響を受けやすい。この酸化物層１０８ｂから活性層１０５までの距離は比較的小さいので、その歪がレーザ素子の信頼性や特性に与える影響は大きい。したがって、その歪の影響をできるだけ小さくするために、酸化物層１０８ｂは電流狭窄に必要以上の厚を有しないようにすること望ましい。より具体的には、酸化物層１０８ｂの厚さを２０ｎｍ以下に設定することにより、活性層１０５に対する歪の影響を顕著に低減でき、長期にわたって劣化の少ない半導体レーザ素子が得られる。

また、本実施形態１の半導体レーザ素子１００においては、低ドープ上クラッド層１０８と第２上クラッド層１１２との間に、エッチングストップ層１１１を設けている。低ドープ上クラッド層１０８と第２上クラッド層１１２とは同じ組成のＡｌＧａＡｓであってエッチング特性も同じであるのに対して、エッチングストップ層１１１はＩｎＧａＡｓＰであってエッチング特性が異なっている。したがって、低ドープ上クラッド層１０８より上の層をリッジ形状に形成して、容易に低ドープ上クラッド層１０８の上面を露出させることが可能となる。

以上においてはｐ型半導体層と金属電極層との間に酸化物層を有する例が説明されたが、ｐ型とｎ型が反転されたレーザ素子において、ｎ型半導体層と金属電極層との間に酸化物層を有する場合であっても同様の効果が得られることはもちろんである。これに関して、図５に類似した図６では、ｎ型半導体層と金属電極層との接合におけるバンド構造が模式的に示されている。

図６（ａ）はｎ型半導体層と金属電極層のみで形成されるバンド構造を表し、図６（ｂ）はｎ型半導体層と金属電極層の間に酸化物層が介在する場合のバンド構造を表している。図６中の各符号の意味は、図５の場合と同じである。ｎ型半導体層の場合でも、その表面を酸化させることによって多くの界面準位に対して有効な位置に酸化物層を形成することができるので、ｐ型半導体層の場合と同様の効果が得られる。ただし、ｎ型半導体層の場合には、ショットキー障壁の高さφ_Bは、φ_B＝φｍ−χｓの関係にある。したがって、ｐ型半導体層の場合と同様にｎ型のコンタクト層に比べてｎ型の第１上クラッド層に関するショットキー障壁φ_Bを大きくするためには、ｎ型の低ドープ上クラッド層１０８におけるχｓをｎ型の第２コンタクト層１１４におけるχｓよりも小さくする必要がある。

なお、本発明は本実施形態１において上述された構造に限られるものではなく、各層の厚さや材料の変更などを適宜に行うことができることは当然である。

（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２による半導体レーザ素子の積層構造を模式的な断面図で示している。この図７のレーザ素子２００は、図１のレーザ素子１００に比べて、低ドープ上クラッド層１０８と酸化物層１０８ｂが低ドープ上クラッド層下部２０８、酸化停止層２０９、および低ドープ上クラッド層上部２１０に置き換えられていることのみにおいて異なっている。なお、酸化停止層２０９としては、Ａｌを含まないかまたはその含有量の少ないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を利用することができる。

すなわち、本実施形態２においては、第１上クラッド層１０７上にＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ低ドープ上クラッド層下部２０８（厚さ０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ−Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6酸化停止層２０９（厚さ３ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3）、およびＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ低ドープ上クラッド層上部２１０（厚さ３ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を結晶成長させる。

その後、リッジ１２０の形成時に、低ドープ上クラッド層上部２１０がリッジ形成領域１２１ａ以外の領域１２１ｂにおいて露出させられる。そして、リッジ形成外領域１２１ｂにおいて、低ドープ上クラッド層上部２１０を酸化させて酸化物層２１０ｂ（厚さ３ｎｍ）に変換する。このとき、リッジ領域１２１ａ内では、低ドープ上クラッド層上面部２１０ａが酸化されずに残される。

こうして、屈折率の低い酸化物層２１０ｂを確実に所定の厚さに制御することができ、レーザ素子の改善された発光特性をより再現性よく得ることができる。また、歪の発生源である酸化物層２１０ｂに関して、下方へ向かう酸化の進行を確実に酸化停止層２０９の位置で止めることができ、その歪の影響を制御することができる。これは、酸化物層２１０ｂの形成工程時だけでなく、半導体レーザ素子２００を長期間動作させる場合においても、酸化物層２１０ｂから下方の活性層１０６へ向かう酸化の進行を防止することができ、レーザ素子の信頼性を向上させる効果を生じる。

なお、本実施形態２では、実施形態１に比較して、電流阻止を行う領域において酸化物層２１０ｂに接する層が、低ドープ下クラッド層１０８から酸化停止層２０９に変わっている。この酸化停止層２０９にはＧａＡｓ基板１０１に格子整合し、かつχｓ＋Ｅｇが大きい材料としてＩｎＧａＡｓＰを用いている。また、この酸化停止層２０９においては、低ドープ下クラッド層２０８と同様に、そのドーピング量も１×１０¹⁷ｃｍ^-3に低くしている。このことも、電流阻止能力を向上させるように作用し得る。こうして、本実施形態２では、電流阻止領域において十分な障壁が得られる。

（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３による半導体レーザ素子の積層構造を模式的な断面図で示している。図８のレーザ素子３００は、図７のレーザ素子２００に比べて、低ドープ上クラッド層上部２１０がＡｌ組成比のより高いＡｌＧａＡｓ層３１０に置き換えられ、エッチングストップ層１１１を省略し、そしてリッジ形成外領域１２１ｂにおいて高Ａｌ組成層３１０を酸化させることによって酸化物層３１０ｂを形成していることのみにおいて異なっている。

図９から図１１の模式的断面図を参照しつつ、本実施形態３による半導体レーザ素子３００の製造方法が以下において説明される。

まず、図２に類似した図９に示すように、本実施形態３においても、実施形態２の場合と同様にｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に複数の半導体層を順次にＭＯＣＶＤ法で結晶成長させる。ただし、この際に、本実施形態３においては、実施形態２における低ドープ上クラッド層上部２１０がｐ−ＡｌＡｓ層３１０（厚さ５ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０¹⁷ｍ^-3）に置き換えられる。そして、図９においても、図２の場合と同様に、レジストマスク１３０が形成される。

次に、図３に類似した図１０に示すように、このレジストマスク１３０を利用したエッチングによって、第２上クラッド層１１２、第１コンタクト層１１３、第２コンタクト層１１４がマスク１３０の両側のリッジ形成外領域１２１ｂにおいて除去されて、マスク１３０の直下に順メサストライプ状のリッジ１２０が形成される。

このエッチングでは、まず、ＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が０．６未満のＡｌＧａＡｓ系材料である第２上クラッド層１１２、第１コンタクト層１１３、および第２コンタクト層１１４をエッチングするがＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比が０．６以上のＡｌＧａＡｓ系材料である高Ａｌ組成層３１０をエッチングしないエッチング液として、酒石酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いる。形成されるリッジ１２０の最下部の幅は約３μｍである。エッチング終了後に、レジストマスク１３０は除去される。そして、基板１１０を含むウエハに対して水洗を行い、窒素ブローなどで乾燥させる。

以上のようなエッチング工程において、リッジ１２０が形成されて高Ａｌ組成層３１０がリッジ外領域１２１ｂで露出されてから水洗までの間に、高Ａｌ組成層３１０の露出部分が酸化されて図１１に示すように酸化物層３１０ｂとなる。これは、高Ａｌ組成層３１０がＡｌを非常に多く含む材料であるので、過酸化水素水を含むエッチング液や水分などと接することで容易に表面から酸化されることによる。高Ａｌ組成層３１０は約５ｎｍの薄さであるので、酸化は高Ａｌ組成層３１０の表面からその下の酸化停止層２０９との界面まで進行して停止する。

その後、本実施形態３においても、実施形態１の場合と同様に、ｐ型用金属電極１１５の形成、基板１０１の研削、ｎ型用金属電極１１６の形成とアロイ処理、ウエハからバーへの劈開、チップ分割、ステムへの固着、およびワイヤボンディングを行って半導体レーザ３００を完成させる。

作製された本実施形態３の半導体レーザ素子（図８参照）のｐ型用電極１１５とｎ型用電極１１６との間に電流を流せば、リッジ外領域１２１ｂにおける酸化停止層２０９および酸化物層３１０ｂとｐ型用電極層１１５との間での接合では電流が遮断され、リッジ１２０の最上部の高濃度半導体層である第２コンタクト層１１４とｐ型用金属電極層１１５との間のオーミック接合のみを通して電流が流れる。こうして電流狭窄が行われ、リッジ１２０直下にてレーザ光が発振して劈開面から射出される。

以上のように、本実施形態３の半導体レーザ素子も、金属電極層と半導体層との間に酸化物層を含んでいる。このような構成を有することによって、本実施形態３においても、実施形態１および２と同様の効果によって、リッジ外領域で十分な電流阻止性を有し、長期の熱的・電気的ストレスにも安定な電流狭窄構造を得ることができる。すなわち、金属電極層と半導体層との間に薄い酸化物層を設けることによって、電流のリークを確実に防止することができ、安定した電流狭窄能力を得ることができる。

なお、本実施形態３の半導体レーザ素子においては、実施形態２に比べて、酸化させる半導体層３１０がＡｌＡｓであってＡｌ組成比が非常に大きい。したがって、本実施形態３では、極めて容易かつ均一に半導体層３１０の酸化が行われ、電流阻止能力がより安定に発揮され得るようになる。また、高Ａｌ組成層３１０の下には酸化停止層２０９が設けられているので、両者の界面で酸化が確実に停止する。

さらに、本実施形態３では、リッジ１２０の形成の際に、高Ａｌ組成層３１０をエッチングストップ層としても利用する。酒石酸系のエッチャントはＡｌ組成比の低い層をエッチングするがＡｌ組成比の高い層をエッチングしない特性があるので、第２上クラッド層１１２のＡｌ組成比を高Ａｌ組成層３１０にくらべて低く設定することによって、リッジ１２０の形成時のエッチングを高Ａｌ組成層３１０で確実に停止させることができる。すなわち、高Ａｌ組成層３１０がリッジ形成時にエッチングを停止させる機能をも兼ねるので、リッジ１２０の形成の完了と同時に、高Ａｌ組成層３１０のうちで酸化されるべき領域が露出され、レーザ素子の作製工程が簡略化され得る。また、このような選択エッチングを行うことによって、リッジ導波型半導体レーザ素子の光分布に大きな影響を与える活性層とリッジ領域外の表面との距離を再現性よく制御することができ、レーザ素子の遠視野像特性を安定化させることができる。

上述のように、本実施形態３における高Ａｌ組成層３１０の酸化は、リッジ１２０の形成工程において過酸化水素水を含むエッチング液や水分との接触を利用して行われる。すなわち、ＡｌＡｓである高Ａｌ組成層３１０が非常に酸化しやすい層であってその厚さも５ｎｍで薄いので、本実施形態３におけるように過酸化水素水や水を用いるエッチング工程と酸化工程を実質的に同時進行させて酸化物層３１０ｂを形成することが可能である。これによって、特許文献１の場合に比べて実質的にほぼ同一の工程数で、高い電流狭窄能力を有する半導体レーザ素子を得ることができる。

当然ながら、本実施形態３の場合に限らず、酸化させるべき半導体層をリッジ形成工程で露出させた時点以後においては、その露出された半導体層はエッチング液、エッチングガス、水、空気などの液体や気体と接触する。したがって、これらの液体または気体のいずれかによって酸化されやすい材料を選定してその露出半導体層を形成しておくことによって、リッジ形成工程と酸化工程を実質的に同時に進行させることができ、実質的に特許文献１の場合とほぼ同じ工程数で半導体レーザ素子を作製することができる。特に、高Ａｌ組成層３１０としてＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比を０．９以上にすることによって、酸化性を有する液体または気体の接触による酸化をより均質に行うことができ、形成された酸化物層によって顕著に安定で高い電流阻止能力を得ることができる。また、過酸化水素水はＡｌを含む半導体層を酸化させる能力が高いので、過酸化水素水を含むエッチング液をリッジ形成時の最後のエッチングに用いることによって、酸化させるべき半導体層をエッチングで露出させた時点でそのエッチング液でそのまま酸化を行うことができる。すなわち、リッジ形成工程と酸化工程を容易にほぼ同時進行させることができる。

もちろん、露出半導体層をより確実かつ均一に酸化させるために、リッジ形成終了後に酸化のための専用の工程を設けることも可能である。例えば、水蒸気を流した３００℃の加熱炉中にウエハを５分投入して熱処理してもよい。本実施形態３では露出半導体層がＡ
ｌＡｓであり、実施形態１の露出半導体層であるＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓに比べてＡｌ組成比が非常に高くて容易に酸化し得る。したがって、本実施形態３における露出半導体層の酸化のためには、実施形態１の露出半導体層に比べて、はるかに低温で短時間の熱処理で十分である。そして、ＡｌＡｓ半導体層３１０は、直下の酸化停止層２０９との界面まで、より均一に酸化させられ得る。

ところで、上述のような方法で高Ａｌ組成層３１０の酸化を行った場合、酸化は活性層１０５に近づく厚さ方向だけでなく、リッジ領域１２１ａ内ヘ向かう水平方向へも進行する。しかし、非常に薄いＡｌＡｓ半導体層３１０が水平方向に酸化されていくので、本実施形態３の場合のようにエッチング液や水分を用いる酸化はそれほど深く進行せず、その深さはリッジ１２０の端から約１０〜２０ｎｍ程度までである。また、上述のように水蒸気を流した３００℃の加熱炉の中にウエハを５分投入して熱処理した場合でも、リッジ領域１２１ａ内ヘの酸化の深さは約５０ｎｍ程度である。これはリッジの幅３μｍに比べて１／５０以下であって非常に小さく、リッジ領域１２１ａ内を通って活性層１０５へ流れ込む電流の分布に対して実質的影響を与えない範囲である。

仮に上述の熱処理をさらに高温で長時間行えば、水平方向へも酸化が長く進行し、リッジ領域１２１ａ内でより狭い電流狭窄領域を作ることになる。この水平方向への酸化では、酸化を高温で長時間行った場合には同じ条件で行っても酸化の長さを一定にすることが難しく、リッジ領域１２１ａ内の電流狭窄領域の幅が素子ごとに変動し、安定したレーザ素子特性が得られない。したがって、本実施形態３においてより確実な酸化のために熱処理を利用する場合には、リッジ外領域１２１ｂでの電流阻止に必要十分な厚さの酸化物層３１０ｂが形成される時点で熱処理による酸化を終了させ、リッジ領域１２１ａ内へ伸び込む水平方向への酸化を実質的に防止する。

（実施形態４）
図１２は、本発明の実施形態４による光ディスク装置の一例を模式的なブロック図で示している。この光ディスク装置４００は、光ディスク４０１にデータを書き込みかつ書き込まれたデータを再生することができ、半導体レーザ素子４０２を備えている。この半導体レーザ素子４０２は実施形態３の半導体レーザ素子に類似しており、その活性層とガイド層にＡｌＧａＡｓ系半導体が用いられていて波長７８０ｎｍ帯で発振することのみにおいて異なっている。

この光ディスク装置４００における書き込みの際には、半導体レーザ素子４０２から射出された信号光がコリメートレンズ４０３によって平行光にされる。その平行光は、ビームスプリッタ４０４を透過してλ／４偏光板４０５で偏光状態が調節された後に、対物レンズ４０６で集光されて光ディスク４０１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４０１に照射され、データ記録された光ディスク４０１の表面で反射される。その反射光は、レーザ光照射用対物レンズ４０６とλ／４偏光板４０５を経た後にビームスプリッタ４０４で反射されて角度が９０°変えられ、その後に受光素子用対物レンズ４０７で集光されて信号検出用受光素子４０８に入射する。信号検出用受光素子４０８内において入射レーザ光の強弱に対応して読み出しデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路４０９において元の信号に再生される。

この実施形態４の光ディスク装置では、低コストで製造できかつ電流狭窄能力の安定した半導体レーザ素子４０２を用いているので、従来の光ディスク装置に比べて、長期動作においても故障が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、ここでは活性層とガイド層以外は実施形態３と同様の構成を有する半導体レーザ
素子４０２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および光ディスク再生装置や他の波長帯（例えば６５０ｎｍ帯）を利用する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。

（実施形態５）
図１３は、本発明の実施形態５による光伝送システムに使用される光伝送モジュール５００を模式的断面図で示している。また、図１４はこの光伝送モジュール５００の光源付近を示す拡大図であり、図１５はその光伝送モジュール５００を用いた光伝送システムを模式的斜視図で示している。

本実施形態５では、実施形態３による発振波長８９０ｎｍのＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ素子（レーザチップ）３００を光源として用い、またシリコン（Ｓｉ）のｐｉｎフォトダイオード素子を受光素子５２１として用いている。そして、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５００を備えることによって、双方の光伝送モジュール５００間で光信号を送受信する光伝送システムが構成され得る。

図１３に示されているように、光伝送モジュール５００は、データ送信のための発光部５１０とデータ受信のための受光部５２０を含んでいる。発光部５１０は、半導体レーザ素子３００とその上方において送信光を整形する送信用レンズ５１２とを含んでいる。また、受光部５２０は、フォトダイオード素子５２１と外部からの受信光を集光する受信用レンズ５２２とを含んでいる。半導体レーザ素子３００とフォトダイオード素子５２１は回路基板５０１上に実装され、それぞれワイヤ５１７と５２６によって回路基板５０１上の配線パターン（図示せず）に接続されている。また、発光部５１０と受光部５２０との間の位置には、光伝送モジュール５００を動作させるための集積回路素子５３０が組み込まれている。

回路基板５０１の上面は、半導体レーザ素子３００、フォトダイオード素子５２１、および集積回路素子５３０が覆われるように、波長８５０〜９００ｎｍの光に対して透明なエポキシ樹脂モールド５０２によって被覆されている。ここで、エポキシ樹脂モールド５０２自体が、その形状に基づいて、送信用レンズ５１２と受信用レンズ５２２を含んでいる。すなわち、エポキシ樹脂モールド５０２は、半導体レーザ素子３００の上方には送信用レンズ５１１が配置されてフォトダイオード５２１の上方には受信用レンズ５２２が配されるように一体的に成形される。

発光部５１０を拡大して示す図１４を参照して、回路基板５０１上には深さ約３００μｍの凹部５１３が形成され、その表面には金属膜である実装面５１４が形成されている。凹部５１３の横には、回路基板５０１上の配線パターンの１部として、ワイヤボンドパッド５１５が形成されている。凹部５１３の底では、半導体レーザ素子３００がその下面のｎ型用電極を実装面５１４に接するようにマウントされている。そして、半導体レーザ素子３００の上面のｐ型用電極は、ワイヤ５１７によってワイヤボンドパッド５１５へ電気的に接続されている。

凹部５１３内では、液状シリコーン樹脂５１６が充填されて、光拡散部として硬化させられている。このシリコーン樹脂５１６中には、光を拡散させるフィラー（例えば、ポリスチレン製粒子、平均粒径１μｍ（図示せず））が混入されている。すなわち、液状シリコーン樹脂５１６が凹部５１３内に適量滴下され、その表面張力に起因して凹部５１３内に留まって半導体レーザ素子３００を覆う。その滴下後の液状シリコーン樹脂５１６は、８０℃で約５分間加熱されて、ゼリー状になるまで硬化させられる。そして、その硬化されたシリコーン樹脂５１６上にエポキシ樹脂モールド５０２を被覆することによって、送信用レンズ５１２を形成している。

この発光部５１０において半導体レーザ素子３００を駆動させれば、図１５中の矢印で示されているようにレーザ素子３００の端面から水平方向に発光し、出射された光はシリコーン樹脂５１６内に入射して、その樹脂内のフィラーによって拡散されながら進む。そして、凹部５１３の側面部にある金属膜の実装面５１４で反射され上方に向かう。その後、光はシリコーン樹脂５１６の上面から透明なエポキシ樹脂モールド５０２内に入り、さらに送信用レンズ５１２で整形されて外部へ放出される。

ここで、半導体レーザ素子３００の発光点は数μｍ径と非常に小さくかつ発光強度が高いので、レーザ光をそのまま外部へ放射させれば眼に対する安全上の問題があるが、本発明ではフィラーによってレーザ光が拡散され、外部から見た発光点はシリコーン樹脂５１６の上面部に広がって見えるので、安全上の問題が生じることはない。このような発光部５１０の構成を採用することによって、従来の発光ダイオード素子に替えて半導体レーザ素子３００を用いることが可能となる。

すなわち、本実施形態５の光伝送モジュールは、本発明の半導体レーザ素子を用いることによって安価に製造可能となりかつ長期動作においても故障が少ないものとなる。また、通信を行う双方の側に一対の同じ光伝送モジュール５００を備えることによって、双方の光伝送モジュール５００間で光信号を送受信する光伝送システムを構成することができる。

図１５は、一対の光伝送モジュール５００ａ、５００ｂを利用した光伝送システムの一例を模式的斜視図で示している。この光伝送システムは、部屋の天井に設置された基地局５４１に光伝送モジュール５００ａを備えるとともに、パーソナルコンピュータ５４２に同種の光伝送モジュール５００ｂを備えている。パーソナルコンピュータ５４２側の光伝送モジュール５００ｂの光源から情報を伴って発せられた光信号は、基地局５４１側の光伝送モジュール５００ａの受光素子によって受信される。また、基地局５４１側の光伝送モジュール５００ａの光源から発せられた光信号は、パーソナルコンピュータ５４２側の光伝送モジュール５００ｂ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。

以上のように、本発明によれば、十分な電流狭窄能力を有することによって高い発振効率を生じかつ低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子を低コストの製造方法で提供することができる。また、本発明によれば、そのような半導体レーザ素子を利用した光ディスク装置および光伝送モジュールを提供することをもできる。

本発明の実施形態１による半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的断面図である。 図１の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式的断面図である。 図２に続く製造工程を説明するための模式的断面図である。 図３に続く製造工程を説明するための模式的断面図である。 金属とｐ型半導体とのショットキー接合部における模式的なエネルギバンド構造図である。 金属とｎ型半導体とのショットキー接合部における模式的なエネルギバンド構造図である。 本発明の実施形態２による半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態３による半導体レーザ素子の積層構造を示す模式的断面図である。 図８の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式的断面図である。 図９に続く製造工程を説明するための模式的断面図である。 図１０に続く製造工程を説明するための模式的断面図である。 本発明の実施形態４による光ディスク装置を示す模式的ブロック図である。 本発明の実施形態５による光伝送システムに使用される光伝送モジュールを示す模式的断面図である。 図１３の光伝送モジュール中における半導体レーザ素子の近傍を拡大表示する模式的断面図である。 本発明の実施形態５による光伝送システムの一例を示す模式的斜視図である。 特許文献１による半導体レーザ素子の積層構造とその製造方法を説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板、１０２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層、１０３ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層、１０４ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下ガイド層、１０５ 多重歪量子井戸活性層、１０６ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上ガイド層、１０７ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層、１０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ低ドープ上クラッド層、１０８ｂ 酸化物層、１１１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストップ層、１１２ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層、１１２ｂ 酸化物層、１１３ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、１１４ ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層、１１５ ｐ型用金属電極層、１１６ ｎ型用金属電極層、１２０ リッジ、１２１ａ リッジ形成領域、１２１ｂ リッジ形成外領域、１３０ レジストマスク、２０８
ｐ−ＡｌＧａＡｓ低ドープ上クラッド層下部、２０９ 酸化停止層、２１０、２１０ａ
ｐ−ＡｌＧａＡｓ低ドープ上クラッド層表面部、２１０ｂ 酸化物層、３１０、３１０ａ ＡｌＡｓ高Ａｌ組成層、３１０ｂ 酸化物層、４００ 光ディスク装置、４０１ 光ディスク、４０２ 半導体レーザ素子、４０３ コリメートレンズ、４０４ ビームスプリッタ、４０５ λ／４偏光板、４０６ 対物レンズ、４０７ 受光素子用対物レンズ、４０８ 信号検出用受光素子、４０９ 信号光再生回路、５００、５００a、５００ｂ 光伝送モジュール、５０１ 回路基板、５１０ 発光部、５１２ 送信用レンズ、５１３
凹部、５１６ シリコーン樹脂、５１７ ワイヤ、５２０ 受光部、５２１ フォトダイオード、５２２ 受信用レンズ、５２６ ワイヤ、５３０ 集積回路素子、５１４ 実装面、５１５ ワイヤボンドパッド、５４１ 基地局、５４２ パーソナルコンピュータ、６０１ ｎ−ＧａＡｓ基板、６０２ ｎ−ＩｎＧａＰ下クラッド層、６０３ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層、６０４ ｐ−ＩｎＧａＰ上クラッド層、６０５ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層、６０６ ｐ型用金属電極層、６０７ ｎ型用金属電極層、６０８ ショットキー接合部。

Claims (16)

1. 第１導電型の半導体基板上に、第１導電型の下クラッド層、活性層、Ａｌを含む第２導電型の第１上クラッド層、ストライプ状リッジを形成する第２導電型の第２上クラッド層、および第２導電型のコンタクト層が順次設けられたリッジ導波型半導体レーザ素子であって、
   前記第１上クラッド層の電子親和力をχ１として禁制帯幅をＥｇ１とし、前記コンタクト層の電子親和力をχ２として禁制帯幅をＥｇ２としたときに、前記第１導電型がｎ型で前記第２導電型がｐ型の場合には（χ１＋Ｅｇ１）＞（χ２＋Ｅｇ２）の関係を満たし、前記第１導電型がｐ型で前記第２導電型がｎ型の場合にはχ１＜χ２の関係を満たし、
   前記リッジの直下を除く領域には前記第１上クラッド層の上面を酸化することによって形成された酸化物層が設けられており、
   前記リッジの頂部の前記コンタクト層、そのリッジの少なくも一方の側面、および前記酸化物層の上に連なって直接被覆している金属電極層を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記コンタクト層における第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であり、前記第１上クラッド層のうちで前記酸化物層の直下に接する領域は第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度ドープ領域で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。
3. 前記第１上クラッド層において、前記低濃度ドープ領域と前記活性層との間には、１×１０¹⁷ｃｍ^-3より大きいドーピング濃度を有する第２導電型のドープ領域が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記コンタクト層の最上表面層はＡｌを含んでいないことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
5. 前記第１上クラッド層の上面におけるＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は０．４５より大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
6. 前記酸化物層の厚さは２ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
7. 前記第２上クラッド層は前記第１クラッド層に対して選択エッチング可能である材料で構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
8. 前記第１上クラッド層中において、前記第１上クラッド層に比べてＡｌ組成比の低いかまたはＡｌを含まない半導体からなる酸化停止層が挿入されており、前記酸化物層は前記第１上クラッド層における前記酸化停止層より上側部分を酸化させることによって形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
9. 前記第１上クラッド層の上面におけるＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は０．９以上であることを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザ素子。
10. 第１導電型の半導体基板上に、第１導電型の下クラッド層、活性層、Ａｌを含む第２導電型の第１上クラッド層、第２導電型の第２上クラッド層、およびＡｌを含まない第２導電型のコンタクト層を順次形成する工程と、
    前記第２上クラッド層と前記コンタクト層の一部を除去してストライプ状のリッジを形成し、そのリッジを除く領域において前記第１上クラッド層の上面を部分的に露出させる
    工程と、
    前記リッジの直下を除く領域において前記第１上クラッド層の前記露出された上面から酸化させて酸化物層を形成する工程と、
    前記リッジの頂部の前記コンタクト層、そのリッジの少なくも一方の側面、および前記酸化物層の上に連なって金属層を直接被覆させる電極層の形成工程とを含み、
    前記第１上クラッド層の電子親和力をχ１として禁制帯幅をＥｇ１とし、前記コンタクト層の電子親和力をχ２として禁制帯幅をＥｇ２としたときに、第１導電型がｎ型で第２導電型がｐ型の場合には（χ１＋Ｅｇ１）＞（χ２＋Ｅｇ２）の条件を満たし、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型の場合にはχ１＜χ２の条件を満たすことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
11. 前記第１クラッド層を形成する工程では、前記第１上クラッド層中に、その第１上クラッド層よりもＡｌ組成比の低いかまたはＡｌを含まないＩＩＩ−Ｖ族半導体からなる酸化停止層を設け、
    前記酸化物層を形成する工程では、前記第１上クラッド層中において前記酸化停止層より上側の層を酸化させることによってその酸化物層を形成することを特徴とする請求項１０に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
12. 前記リッジを形成して前記第１上クラッド層の上面を部分的に露出させる工程では、前記第１上クラッド層の上面が露出された時点において、その露出面に対して酸化性を有する液体または気体に接触させることによって前記酸化物層を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
13. 前記第１上クラッド層の最上部におけるＩＩＩ族元素中のＡｌ組成比は０．９以上であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
14. 前記リッジを形成して前記第１上クラッド層の上面を部分的に露出させる工程では、前記コンタクト層の上にストライプ状のエッチングマスクを形成し、そのマスク以外の領域を上層から順次エッチングで除去していき、最後のエッチングでは過酸化水素水を含む液体のエッチング液を用いて前記第１上クラッド層の上面を露出させ、続いて、その露出面をそのまま前記エッチング液に接触させることによって前記酸化物層を形成することを特徴とする請求項１２または１３に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
15. 請求項１から９のいずれか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。
16. 請求項１から９のいずれかの半導体レーザ素子を用いたことを特徴とする光伝送モジュール。

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