JP2009146920A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることの可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】基板１０上に、バッファ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、上部ガイド層１５、上部クラッド層１６Ａ、ストップ層１７、上部クラッド層１６Ｂ、中間層１８およびコンタクト層１９を備える。上部クラッド層１６Ｂ、中間層１８およびコンタクト層１９がリッジ部２０を構成し、リッジ部２０の両端に前端面Ｓ１，後端面Ｓ２を有する。前端面Ｓ１，後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面およびその近傍に、活性層１４の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する不純物拡散領域３０を有し、少なくともリッジ部２０の幅方向の両端部との対向領域に、リッジ部２０の上面から少なくとも活性層１４にまで達する峰３１を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に高出力の用途に好適な半導体レーザに関する。

導波路の幅、すなわちストライプ幅を広げた、いわゆるブロードエリア型の半導体レーザは、小型・高信頼性で低コストの高出力レーザ光源として、ディスプレイ，印刷機器，光ディスク初期化装置、材料の加工または医療などさまざまな分野に利用されている。一般に、ブロードエリア型と呼ばれる半導体レーザでは、ストライプ幅が少なくとも５μｍ以上で、そのほとんどは１０μｍ以上、最大で数百μｍ程度となっている。

最近では、これらの応用分野においては出力の高いことが望ましい場合が多く、高出力半導体レーザに対する要望が高まっている。注入電流量を増やすことにより出力を高くすることは可能ではあるが、従来は、注入電流量を増やし過ぎると、蓄熱によって光出力が低下するなどレーザ特性に悪影響が生じることが問題となっていた。しかし、近年の量子効率の向上に伴い、光出力が低下する問題は解決されてきており、最近では、光共振器を構成しているへき開面における光子密度の増大によるＣＯＤ（Catastrophic Optical Damage）が問題となってきている。

ところで、ストライプ幅が数μｍ程度のナローストライプ型の半導体レーザでは、高出力化のためにＣＯＤ対策を施すことが必須であり、これまでに様々な手法が開発されてきた。近赤外域に発振波長を有するＡｓ系の活性層や、赤色帯に発振波長を有するＰ系の活性層を備えた半導体レーザでは、へき開面およびその近傍にＺｎやＳｉ等の不純物を拡散させる手法が一般的に行われている（例えば、特許文献１，２）。このように、不純物をへき開面およびその近傍に拡散させることにより、主としてＩＩＩ族原子を不純物と置換して活性層のディスオーダリングを行い、活性層のうち不純物が拡散された領域のバンドギャップを、活性層のうち不純物が拡散されていない領域（利得領域）のバンドギャップよりも大きくし、活性層の利得領域で発生したレーザ光がへき開面およびその近傍において吸収され、熱に変換される割合を低減している。

特許第３７１８９５２号公報 特開２００６−２９４８７９号公報

ところで、一般的に、ＺｎやＳｉ等の不純物を拡散させた領域では、バンドギャップの拡大によってレーザ光のバンド間吸収を抑制することができるが、その一方で、不純物順位に起因した吸収が増大する。ここで、不純物順位に起因した吸収の温度上昇に伴う増大量はバンド間吸収のそれよりも十分に小さいことから、へき開面およびその近傍に不純物を拡散させることは、ＣＯＤ値の向上の点では効果を有するものの、ＣＯＤ閾値以下で半導体レーザを駆動させた場合には単に吸収損失を増大させるだけである。特に、ブロードエリア型の半導体レーザでは、活性層の利得領域で発生した熱による影響が大きく、ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることが容易ではないという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることの可能な半導体レーザを提供することにある。

本発明の第１の半導体レーザは、半導体基板上に、活性層と、活性層へ注入される電流を狭窄する帯状の電流狭窄構造とを含み、かつ活性層および電流狭窄構造を間にして電流狭窄構造の延在方向に対向する一対のへき開面を含む積層構造を備えたものである。積層構造は、一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍に、活性層の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する不純物拡散領域を有している。この不純物拡散領域は、少なくとも電流狭窄構造の幅方向の両端部との対向領域に、電流狭窄構造の上面から少なくとも活性層にまで達する峰を有している。

本発明の第１の半導体レーザでは、不純物拡散領域において、一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍であって、かつ、少なくとも電流狭窄構造の幅方向の両端部との対向領域に、電流狭窄構造の上面から少なくとも活性層にまで達する峰が設けられている。通常、ブロードエリア型の半導体レーザでは、少なくとも電流狭窄構造の幅方向の両端部に対応して横モードのピークが発生することから、不純物拡散領域の峰がＣＯＤの発生し易い横モードのピークに対応して設けられていることになる。これにより、ＣＯＤの発生し易い領域のＣＯＤ値を向上させることができる。また、ＣＯＤの発生し易い領域に対応してＣＯＤ対策が施されているので、電流狭窄構造との対向領域全体に渡って、電流狭窄構造の上面から少なくとも活性層にまで達する不純物拡散領域を設けた場合と比べて、吸収損失の増大を抑制することができる。

本発明の第２の半導体レーザは、半導体基板上に、活性層と、活性層へ注入される電流を狭窄する帯状の電流狭窄構造とを含み、かつ活性層および電流狭窄構造を間にして電流狭窄構造の延在方向に対向する一対のへき開面を含む積層構造を備えたものである。積層構造は、一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍に、活性層の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する不純物拡散領域を有している。この不純物拡散領域は、一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面から所定の距離だけ離れた領域に、電流狭窄構造の上面から少なくとも活性層にまで達すると共に電流狭窄構造の幅方向に延在する峰を有している。

本発明の第２の半導体レーザでは、一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍に不純物拡散領域が設けられている。これにより、ＣＯＤ値を向上させることができる。また、不純物拡散領域において、一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面から所定の距離だけ離れた領域に、電流狭窄構造の上面から少なくとも活性層にまで達する峰が設けられている。これにより、活性層の利得領域と、不純物拡散領域との境界面の傾きが急峻となるので、活性層の利得領域と、不純物拡散領域との境界面がなだらかになっている場合と比べて、吸収損失の増大を抑制することができる。

本発明の第１の半導体レーザによれば、不純物拡散領域の峰をＣＯＤの発生し易い横モードのピークに対応して設けるようにしたので、ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることができる。

本発明の第２の半導体レーザによれば、活性層の利得領域と、不純物拡散領域との境界面の傾きが急峻となるようにしたので、ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ１の概略構成を斜視的に表したものである。図２は、図１の半導体レーザ１の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２の平面構成を表したものである。図３は、図１の半導体レーザ１のＡ−Ａ矢視方向（共振器方向）の断面構成を表したものである。

この半導体レーザ１は、ストライプ状のリッジ部２０（電流狭窄構造）を、リッジ部２０の延在方向から挟み込む一対のへき開面（前端面Ｓ１，後端面Ｓ２）からなる共振器を備えた端面発光型の半導体レーザであり、リッジ部２０の幅が１０μｍ以上、典型的には５０μｍ以上４００μｍ以下のブロードエリア型の半導体レーザである。

半導体レーザ１は、基板１０上に、バッファ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、上部ガイド層１５、上部クラッド層１６Ａ、ストップ層１７、上部クラッド層１６Ｂ、中間層１８およびコンタクト層１９を基板１０側からこの順に積層してなる半導体積層構造を備えたものである。この半導体積層構造の上部、具体的には、上部クラッド層１６Ｂ、中間層１８およびコンタクト層１９がリッジ部２０を構成している。

ここで、基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓからなる。バッファ層１１は、例えばｎ型ＧａＩｎＰからなる。下部クラッド層１２は、例えばｎ型ＡｌＩｎＰからなる。ここで、上記各層に含まれるｎ型不純物としては、例えばケイ素（Ｓｉ）が挙げられる。

下部ガイド層１３は、例えばアンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる。活性層１４は、例えばアンドープのＧａＩｎＰからなる。この活性層１４において、リッジ部２０との対向領域が発光領域１４Ａとなる。この発光領域１４Ａは、リッジ部２０で狭窄された電流が注入される電流注入領域に対応している。上部ガイド層１５は、例えばアンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる。

上部クラッド層１６Ａ，１６Ｂは、例えばｐ型ＡｌＩｎＰからなり、上部クラッド層１６Ｂがリッジ部２０の底部に設けられている。ストップ層１７は、例えばｐ型ＧａＩｎＰからなり、後述の製造工程においてリッジ部２０を形成する際のエッチングストップ層として機能する。中間層１８は、例えばｐ型ＧａＩｎＰあるいはｐ型ＡｌＧａＩｎＰからなり、リッジ部２０内でコンタクト層１９の直下に設けられている。ここで、上記各層に含まれるｐ型不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が挙げられる。コンタクト層１９は、例えばｐ型ＧａＡｓからなり、リッジ部２０の最上部（上面）に設けられている。ここで、コンタクト層１９に含まれるｐ型不純物としては、上記各層に含まれる不純物とは異なる不純物、例えば亜鉛（Ｚｎ）が挙げられ、その濃度は、例えば１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３から３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度と、高濃度となっている。

半導体積層構造の上面（リッジ部２０の上面および両側面と、ストップ層１７の上面のうちリッジ部２０との対向部分以外の面）のうちリッジ部２０の中央部分以外の部分には、埋め込み層２１が形成されている。つまり、この埋め込み層２１は、リッジ部２０の中央部分との対向領域に開口（図示せず）を有している。この開口の端縁は、リッジ部２０の両側面に近接して（例えば両側面から０．５〜１０μｍ離れて）配置されていることが好ましいが、リッジ部２０の両側面に接して配置されていてもよい。この埋め込み層１４は、例えばポリイミドやＳｉＯ_２などの絶縁材料により構成されている。ただし、中間層１８と後述の上部電極２２との接触はショットキー接合となるので、中間層１８と上部電極２２との間に埋め込み層１４を設けなくてもよい。

また、この半導体レーザ１は、リッジ部２０の中央領域の上面および両側面を含む表面上に上部電極２２を有しており、基板１０の裏面に下部電極２３を有している。上部電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をリッジ部２０側からこの順に積層したものであり、リッジ部の中央領域の上面（コンタクト層１９）と電気的に接続されている。下部電極２３は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とを基板１０側からこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。

さらに、この半導体レーザ１は、一対のへき開面（前端面Ｓ１，後端面Ｓ２）のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍（図１〜図３では両へき開面）に、例えばＺｎなどの不純物が拡散された不純物拡散領域３０を有している。

この不純物拡散領域３０は、活性層１４の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有している。そのため、この不純物拡散領域３０は、活性層１４の中央領域（利得領域）で発生したレーザ光がへき開面（前端面Ｓ１，後端面Ｓ２）およびその近傍において吸収され、熱に変換される割合を低減する機能を有している。

ところで、この不純物拡散領域３０は、へき開面に複数の峰３１を有している。これらの峰３１は、リッジ部２０の幅方向の両端部（リッジ部２０の両側面の下部）との対向領域に設けられており、リッジ部２０の両側面の下部から少なくとも活性層１４（図１、図２では下部クラッド層１２）にまで達する深さを有している。それぞれの峰３１は、へき開面（前端面Ｓ１，後端面Ｓ２）からリッジ部２０の延在方向（共振器方向）に延在する尾根３１Ａを有しており、峰３１と峰３１との間（リッジ部２０の幅方向の中央部分との対向領域）は谷となっている。

ここで、一般に、ブロードエリア型の半導体レーザでは、図４に示したように、少なくともリッジ部２０の幅方向の両端部に対応して横モードのピークＰが発生する。そのため、不純物拡散領域３０の峰３１は、ＣＯＤの最も発生し易い横モードの両端部のピークＰに対応して設けられており、一方、峰３１と峰３１との間の谷の部分は、ＣＯＤの最も発生し易い横モードの両端部のピークＰ以外の部分に対応して設けられているといえる。

このような構成の半導体レーザ１は、例えば次のようにして製造することができる。

上記の構成で例示した化合物半導体で半導体レーザ１を製造するためには、基板１０上の半導体積層構造を、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ；有機金属化学気相成長）法により形成する。この際、化合物半導体の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧa）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、フォスフィン（ＰＨ3 ）、アルシン（ＡｓＨ3 ）を用い、ドナー不純物の原料としては、例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）を用い、アクセプタ不純物の原料としては、例えばビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）や、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いる。

まず、基板１０上に、バッファ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、上部ガイド層１５、上部クラッド層１６Ａ、ストップ層１７、上部クラッド層１６Ｂ、中間層１８およびコンタクト層１９をこの順に積層する（図５）。

次に、コンタクト層１９上にマスク層（図示せず）を形成し、例えば燐酸系のエッチャントを用いて、コンタクト層１９を選択的に除去する。これにより、コンタクト層１９のうち後にへき開面となる部分およびその近傍であって、かつ後にリッジ部２０の幅方向の両端部（リッジ部２０の両側面の下部）となる部分に開口１９Ａが形成され、その開口１９Ａから中間層１８が露出する（図６（Ａ），（Ｂ））。その後、マスク層を除去する。

次に、コンタクト層１９のうち開口１９Ａで挟まれた部分の上面に、ＺｎＯ膜４０を例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の厚さで形成する（図７（Ａ），（Ｂ））。このとき、ＺｎＯ膜４０の端縁を、コンタクト層１９の端縁（開口１９Ａの端縁）から５０μｍ以下に形成することが好ましく、１０μｍ以下に形成することがより好ましい。

次に、ＺｎＯ膜４０を含む表面全体に渡って、例えばＳｉＯ_２からなるキャップ層４１を形成する（図８）。このキャップ層４１は、後のアニール工程においてＺｎ原子が気相中に脱離するのを防止する役割を有している。

次に、例えばＮ_２雰囲気中で５００℃から６００℃程度の温度で３０分程度、アニールを行う。これにより、ＺｎＯ膜４０に含まれるＺｎ原子がコンタクト層１９を介して活性層１４、更には下部クラッド層１２にまで拡散するので、Ｚｎ原子の拡散した領域において、主としてＩＩＩ族原子がＺｎ原子と置換されて活性層１４のディスオーダリングが行われ、活性層１４のうちＺｎ原子が拡散された領域のバンドギャップが、活性層１４のうちＺｎ原子が拡散されていない領域（利得領域）のバンドギャップよりも大きくなる。これにより、不純物拡散領域３０が形成される（図９）。

ここで、ＭｇがドープされているＡｌＧａＩｎＰ層におけるＺｎ拡散速度と、高濃度（例えば１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３から３×１０^１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度）のＺｎがドープされているＧａＡｓ層におけるＺｎ拡散速度とを比べると、前者の方が後者の方よりも小さい。このことから、本実施の形態において、上部クラッド層１６Ａ、ストップ層１７、上部クラッド層１６Ｂおよび中間層１８をＡｌＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰなどのＰ系化合物半導体で形成し、かつ、これらの層に対してｐ型不純物としてＭｇをドープすると共に、コンタクト層１９をＧａＡｓで形成し、かつ、コンタクト層１９に対してｐ型不純物として高濃度のＺｎをドープした場合には、上部クラッド層１６Ａ、ストップ層１７、上部クラッド層１６Ｂおよび中間層１８におけるＺｎ拡散速度がコンタクト層１９におけるＺｎ拡散速度よりも小さくなることがわかる。そのため、上記したように、固層拡散法を用いてＺｎＯ膜４０に含まれるＺｎ原子を半導体積層構造中に拡散させた場合には、ＺｎＯ膜４０に含まれるＺｎ原子がコンタクト層１９直下の中間層１８に拡散しにくいので、コンタクト層１９内を横拡散していく。その結果、コンタクト層１９が、拡散していくＺｎ原子のバッファとして機能するので、ＺｎＯ膜４０がグレイン形状となっていた場合であっても、コンタクト層１９の中央部分（端部以外の部分）の直下に対してＺｎ原子を均一に拡散させることができる。

また、本実施の形態において、中間層１８をＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰで形成すると共に、コンタクト層１９をＧａＡｓで形成した場合には、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分に局所的に歪が発生する。そのため、上記したように、固層拡散法を用いてＺｎＯ膜４０に含まれるＺｎ原子を拡散させた場合には、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分におけるＺｎの拡散速度が速くなり、後にリッジ部２０となる部分の幅方向の両端部（リッジ部２０の両側面の下部）との対向領域に、上面から少なくとも活性層１４にまで達する峰３１が形成される（図９）。一方で、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁以外の部分の直下の部分におけるＺｎの拡散速度は、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分におけるＺｎの拡散速度よりも相対的に遅いので、峰３１と峰３１との間（リッジ部２０の幅方向の中央部分との対向領域）が谷となる（図９）。なお、ＺｎＯ膜４０の端縁とコンタクト層１９の端縁（開口１９Ａの端縁）との距離を過度に広げると、歪が局所的に発生している部位へのＺｎ拡散量が低減し、峰と谷の差が減少する。従って、この距離を５０μｍ以下にすることが好ましく、１０μｍ以下にすることがより好ましい。

次に、例えばフッ酸系のエッチャントでキャップ層４１を除去したのち、例えば塩酸系のエッチャントでＺｎＯ膜４０を除去する（図１０）。

次に、必要に応じて、例えばＡｓＨ_３およびＰＨ_３の雰囲気中、あるいはＡｓＨ_３およびＰＨ_３のいずれか一方の雰囲気中で６５０℃から７５０℃程度の温度で１０分〜１２０分程度、アニールを行う。これにより、半導体積層構造内に拡散したＺｎ原子がＩＩＩ族サイトに確実に納まり、半導体積層構造の結晶性が向上する。なお、結晶性の向上の有無は、ＰＬ（フォトルミネッセンス）を測定し、長波長域にブロードに広がる深い準位からの発光が抑制されているか否かを観察することにより確認することが可能である。

次に、コンタクト層１９を含む表面上にマスク層（図示せず）を形成し、例えば塩酸系のエッチャントを用いて、中間層１８および上部クラッド層１６Ｂを選択的に除去する。このとき、ストップ層１７がエッチングストップ層として機能するので、エッチングはストップ層１７が露出した段階で停止する。これにより、ストライプ状のリッジ部２０が形成される（図１１）。その後、マスク層を除去する。

その後、埋め込み層２１、上部電極２２、下部電極２３を形成したのち、へき開により前端面Ｓ１および後端面Ｓ２を形成する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ１が製造される。

なお、不純物拡散領域３０は、他の方法を用いても形成可能である。例えば、図６（Ａ），（Ｂ）に示したように、コンタクト層１９に開口部１９Ａを形成したのち、コンタクト層１９のうちＺｎＯ膜４０を接触させたい部分（開口部１９Ａで挟まれた部分）にだけ開口を有するマスク層４２を例えば誘電体または半導体により例えば５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度の厚さで形成し、その上にＺｎＯ膜４０を全面に形成する（図１２）。

ここで、マスク層４２は、後のアニール工程において、ＺｎＯ膜４０中のＺｎ原子がマスク層４２の開口以外の部分から半導体積層構造中に拡散するのを防止するためのものである。そのため、マスク層４２の厚さを５０ｎｍ以上にすることが好ましい。もっとも、マスク層４２の厚さをあまり厚くすると、半導体積層構造にクラックが生じ易くなるので、マスク層４２の厚さを３００ｎｍ以下にすることが好ましい。

次に、ＺｎＯ膜４０上に、例えばＳｉＯ_２からなるキャップ層４３を形成する（図１３）。このキャップ層４３は、上記したキャップ層４１と同様、後のアニール工程においてＺｎ原子が気相中に脱離するのを防止する役割を有している。その後、例えばＮ_２雰囲気中で５００℃から６００℃程度の温度で３０分程度、アニールを行う。このようにしても、不純物拡散領域３０を形成することが可能である（図１４）。

また、不純物拡散領域３０は、リッジ部２０を形成した後に形成することも可能である。

また、本実施の形態の半導体レーザ１は、ＭＯＣＶＤ法以外の方法、例えば、電子ビーム蒸着法や、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法、レーザアブレーション法などを用いても製造することが可能である。

次に、本実施の形態の半導体レーザ１の作用および効果について説明する。

本実施の形態の半導体レーザ１では、上部電極２２と下部電極２３との間に所定の電圧が印加されると、リッジ部２０によって電流狭窄され、活性層１４の電流注入領域（発光領域１４Ａ）に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光は、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２により反射され、所定の波長でレーザ発振を生じ、レーザビームとして外部に射出される。

ところで、本実施の形態では、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面およびその近傍に不純物拡散領域３０が設けられている。これにより、不純物拡散領域３０を設けていない場合と比べて、ＣＯＤ値を向上させることができる。

また、不純物拡散領域３０において、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面およびその近傍であって、かつ、リッジ部２０の幅方向の両端部との対向領域に、リッジ部２０の幅方向の両端部から少なくとも活性層１４にまで達する峰３１が設けられている。通常、ブロードエリア型の半導体レーザでは、図４に示したように、少なくともリッジ部２０の幅方向の両端部に対応して横モードのピークＰが発生することから、不純物拡散領域３０の峰３１がＣＯＤの発生し易い横モードの両端部のピークＰに対応して設けられていることになる。これにより、ＣＯＤの発生し易い領域のＣＯＤ値を向上させることができる。

また、ＣＯＤの発生し易い領域に対応してＣＯＤ対策が施されているので、リッジ部２０との対向領域全体に渡って、リッジ部２０の上面から少なくとも活性層１４にまで達する不純物拡散領域を設けた場合と比べて、吸収損失の増大を抑制することができる。

従って、本実施の形態では、ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることができる。

また、本実施の形態では、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分に局所的に発生する歪を利用して、不純物拡散領域３０の峰３１を形成しているので、その歪の大きさや、アニールの条件などを調整することにより、例えば、図１５に例示したように、不純物拡散領域３０の谷の部分の拡散深さを活性層１４よりも浅くすることも可能である。このようにした場合には、主に、ＮＦＰの空間的な強度差が大きい場合や、駆動時の熱飽和の影響が大きく、不純物拡散領域３０を設けていないときであってもＣＯＤの閾値を超えてレーザ光を出力させることが容易ではないような場合（例えば高温で動作させる場合）などに、吸収損失の増大をより一層、抑制することができる。

また、本実施の形態では、峰３１を設ける場所を、コンタクト層１９の開口１９Ａの端縁の位置で調整するようにしたので、コンタクト層１９の開口１９Ａの端縁の位置を変えることにより、峰３１を設ける場所を自由に調整することが可能である。

また、本実施の形態では、峰３１をリッジ部２０の幅方向の両端部との対向領域に設けた場合について説明していたが、例えば、図１６に示したように、リッジ部２０のうちそれ以外の部分との対向領域にも設けるようにしてもよい。このように峰３１を多数設ける場合には、峰３１を、図４に示したような横モードの両端部以外の部分に発生しているピークＰに対応して設けることが好ましい。また、このように峰３１を多数設ける際には、例えば、図１７（Ａ），（Ｂ）に示したように、製造工程において、コンタクト層１９の開口１９Ａを適宜、増やせばよい。

また、本実施の形態では、リッジ部２０の中央部分との対向領域に開口を有する埋め込み層２１が設けられているので、この開口の端縁をリッジ部２０の両側面に近接して配置した場合には、リッジ部２０の両側面において光損失を生じさせることができる。これにより、リッジ部２０の幅方向の中央部の屈折率が電流注入によって低下するプラズマ効果の影響によりリッジ部２０の両側面にモードが集中するのを抑制することができる。

［第２の実施の形態］
図１８は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ２の概略構成を斜視的に表したものである。図１９は、図１８の半導体レーザ２のＡ−Ａ矢視方向（共振器方向）の断面構成を表したものである。

この半導体レーザ２は、上記第１の実施の形態の半導体レーザ１と同様、ストライプ状のリッジ部２０（電流狭窄構造）を、リッジ部２０の延在方向から挟み込む一対のへき開面（前端面Ｓ１，後端面Ｓ２）からなる共振器を備えた端面発光型の半導体レーザであり、リッジ部２０の幅が１０μｍ以上、典型的には５０μｍ以上４００μｍ以下のブロードエリア型の半導体レーザである。

この半導体レーザ２は、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２の少なくとも一方の端面に不純物拡散領域を備えている点で、上記第１の実施の形態の半導体レーザ１の構成と共通するが、この半導体レーザ２の不純物拡散領域５０は、端面に複数の峰を有していない、つまり単峰である点で、端面に複数の峰を有する上記第１の実施の形態の不純物拡散領域３０の構成と主に相違する。そこで、以下では、上記第１の実施の形態との相違点について主に説明し、上記第１の実施の形態との共通点についての説明を適宜省略するものとする。

この不純物拡散領域５０は、不純物拡散領域３０と同様、活性層１４の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有している。そのため、この不純物拡散領域５０は、活性層１４の中央領域（利得領域）で発生したレーザ光がへき開面（前端面Ｓ１，後端面Ｓ２）およびその近傍において吸収され、熱に変換される割合を低減する機能を有している。

この不純物拡散領域５０は、図１９に示したように、一対のへき開面（前端面Ｓ１および後端面Ｓ２）のうち少なくとも一方のへき開面から所定の距離だけ離れた領域に、峰５１を一つ有している。この峰５１は、リッジ部２０の上面から少なくとも活性層１４（図１８、図１９では下部クラッド層１２）にまで達する深さを有している。また、この峰５１は、リッジ部２０の幅方向に延在して形成されており、活性層１４の共振器方向の中央領域（利得領域）と、不純物拡散領域５０との境界面の傾きが急峻となっている。

本実施の形態において、コンタクト層１９は、一対のへき開面（前端面Ｓ１および後端面Ｓ２）のうち不純物拡散領域５０の形成されている方のへき開面から所定の距離だけ離れた領域に溝１９Ｂを有している。この溝１９Ｂは、リッジ部２０の幅方向に延在して形成されており、不純物拡散領域５０の峰５１とほぼ対向する位置に形成されている。また、この溝１９Ｂは、コンタクト層１９のうちリッジ部２０の共振器方向の中央部分に対応する部分と、コンタクト層１９のうちリッジ部２０の端部に対応する部分とを分離絶縁している。

また、本実施の形態において、埋め込み層２１は、上記実施の形態と同様、リッジ部２０の中央部分との対向領域に開口（図示せず）を有している。この埋め込み層２１は、コンタクト層１９の溝１９Ｂを埋め込むと共に、コンタクト層１９のうちリッジ部２０の端部に対応する部分を覆っており、その部分と、上部電極２２とを互いに電気的に分離している。

このような構成の半導体レーザ２は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、基板１０上に、バッファ層１１、下部クラッド層１２、下部ガイド層１３、活性層１４、上部ガイド層１５、上部クラッド層１６Ａ、ストップ層１７、上部クラッド層１６Ｂ、中間層１８およびコンタクト層１９をこの順に積層する（図２０）。

次に、コンタクト層１９上にマスク層（図示せず）を形成し、例えば燐酸系のエッチャントを用いて、コンタクト層１９を選択的に除去する。これにより、コンタクト層１９のうち後にへき開面となる部分の近傍に開口１９Ｃが形成され、その開口１９Ｃから中間層１８が露出する（図２１（Ａ），（Ｂ））。その後、マスク層を除去する。

次に、コンタクト層１９のうち開口１９Ｃと後にへき開面となる部分とで挟まれた部分の上面に、ＺｎＯ膜６０を例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の厚さで形成する（図２２（Ａ），（Ｂ））。このとき、ＺｎＯ膜４０の端縁が、コンタクト層１９の端縁（開口１９Ｃの端縁）からあまり遠ざからないようにすることが好ましい。

次に、ＺｎＯ膜６０を含む表面全体に渡って、例えばＳｉＯ_２からなるキャップ層６１を形成する（図２３）。このキャップ層６１は、後のアニール工程においてＺｎ原子が気相中に脱離するのを防止する役割を有している。

次に、例えばＮ_２雰囲気中で５００℃から６００℃程度の温度で３０分程度、アニールを行う。これにより、ＺｎＯ膜６０に含まれるＺｎ原子がコンタクト層１９を介して活性層１４、更には下部クラッド層１２にまで拡散するので、Ｚｎ原子の拡散した領域において、主としてＩＩＩ族原子がＺｎ原子と置換されて活性層１４のディスオーダリングが行われ、活性層１４のうちＺｎ原子が拡散された領域のバンドギャップが、活性層１４のうちＺｎ原子が拡散されていない領域（利得領域）のバンドギャップよりも大きくなる。これにより、不純物拡散領域５０が形成される（図２４）。

ここで、本実施の形態において、中間層１８をＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰで形成すると共に、コンタクト層１９をＧａＡｓで形成した場合には、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分に局所的に歪が発生する。そのため、上記したように、固層拡散法を用いてＺｎＯ膜６０に含まれるＺｎ原子を拡散させた場合には、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分におけるＺｎの拡散速度が速くなり、後にへき開面となる部分から所定の距離だけ離れた部分に、上面から少なくとも活性層１４にまで達する峰５１が形成される（図２４）。一方で、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁以外の部分の直下の部分におけるＺｎの拡散速度は、中間層１８のうちコンタクト層１９の端縁の直下の部分におけるＺｎの拡散速度よりも相対的に遅いので、峰３１と、後にへき開面となる部分との間が若干へこむ（図２４）

次に、例えばフッ酸系のエッチャントでキャップ層６１を除去すると共に、例えば塩酸系のエッチャントでＺｎＯ膜６０を除去したのち、必要に応じてアニールを行い、リッジ部２０、埋め込み層２１、上部電極２２、下部電極２３、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２を順次形成する。このようにして、本実施の形態の半導体レーザ２が製造される。なお、不純物拡散領域５０は、上記実施の形態と同様、他の様々な方法を用いて形成可能である。

本実施の形態の半導体レーザ２では、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面およびその近傍に不純物拡散領域５０が設けられている。これにより、不純物拡散領域５０を設けていない場合と比べて、ＣＯＤ値を向上させることができる。

また、不純物拡散領域５０において、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面から所定の距離だけ離れた領域に、リッジ部２０の上面から少なくとも活性層１４にまで達する峰５１が設けられている。これにより、活性層１４の利得領域と、不純物拡散領域５０との境界面の傾きが急峻となるので、活性層１４の利得領域と、不純物拡散領域５０との境界面がなだらかになっている場合と比べて、吸収損失の増大を抑制することができる。

従って、本実施の形態では、ＣＯＤ値の向上と、吸収損失の増大の抑制とを両立させることができる。

また、本実施の形態では、コンタクト層１９のうちリッジ部２０の共振器方向の中央部分に対応する部分と、コンタクト層１９のうちリッジ部２０の端部に対応する部分とを溝１９Ｂによって分離絶縁し、かつ、埋め込み層２１によって、溝１９Ｂを埋め込むと共に、コンタクト層１９のうちリッジ部２０の端部に対応する部分を覆い、その部分と、上部電極２２とを互いに電気的に分離するようにしたので、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち溝１９Ｂの形成されている側の端面およびその近傍において、暗電流による発熱を防止することができる。これにより、ＣＯＤ値がさらに向上する。

[第２の実施の形態の変形例]
上記第２の実施の形態では、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面から所定の距離だけ離れた領域に峰５１を設けていたが、さらに、上記第１の実施の形態のように、不純物拡散領域５０において、一対の前端面Ｓ１および後端面Ｓ２のうち少なくとも一方の端面およびその近傍であって、かつ、リッジ部２０の幅方向の両端部との対向領域に、リッジ部２０の幅方向の両端部から少なくとも活性層１４にまで達する峰(図示せず)を設けるようにしてもよい。このようにした場合には、上記第２の実施の形態の効果に加えて、上記第１の実施の形態の効果も加わるので、ＣＯＤ値が格段に向上すると共に、吸収損失の増大を大幅に抑制することができる。また、このようにした場合に、例えば、図１６に示したように、リッジ部２０のうちそれ以外の部分との対向領域にも峰を設けるようにしてもよい。

なお、このように、峰５１の他に、リッジ部２０の幅方向の両端部との対向領域に、リッジ部２０の幅方向の両端部から少なくとも活性層１４にまで達する峰を設ける際には、例えば、図２５（Ａ），（Ｂ）に示したように、製造工程において、Ｕ字型の開口１９Ｄをコンタクト層１９に設け、コンタクト層１９のうち開口１９Ｄで囲まれた部分の上にＺｎＯ膜を設けた上で、アニールしてやればよい。

以上、実施の形態およびその変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。

例えば、上記実施の形態等では、半導体レーザ１または半導体レーザ２はリッジ部２０を１つだけ備えていたが、複数備えていてもよい。例えば、図２６に示したように、複数のリッジ部２０を共通の基板１０上にモノリシックに形成し、半導体レーザアレイ３を構成することも可能である。

このとき、図２７に示したように、半導体レーザアレイ３を、ジャンクションダウンでＳｉＣなどの高熱伝導率を有するサブマウント７０に半田（図示せず）を介して接合し、このサブマウント７０を金属製のヒートシンク８０に半田（図示せず）を介して接合することが好ましい。ただし、半導体レーザアレイ３のように、リッジ部２０（エミッタ）を共通の基板１０上にモノリシックに形成した場合には、隣接するエミッタ間で熱相互作用が生じ易いので、エミッタ間隔を４００μｍ程度とすることが好ましい。なお、図２７には、半導体レーザアレイ３の光射出側とは反対側に、下部電極２３とワイヤ８５を介して電気的に接続された電極部材８１が設けられている場合が例示されている。この電極部材８１は、ヒートシンク８０と絶縁分離する絶縁板８３上にネジ８２によって固定されており、さらに、電極部材８１の上には、ワイヤ８５を外部から保護する保護部材８４がネジ８２によって固定されている。

ここで、同一の駆動条件では、半導体レーザアレイ３の各エミッタからの出力は、リッジ部２０との対向領域全体に渡って、リッジ部２０の上面から少なくとも活性層１４にまで達する不純物拡散領域を設けた場合や、活性層１４の利得領域と、不純物拡散領域５０との境界面がなだらかになっている場合など、従来タイプのレーザアレイの各エミッタからの出力よりも大きくなる。そのため、各エミッタからのレーザ光を合成して高出力化する際に、従来よりもエミッタの数を少なくすることが可能となる。これにより、半導体レーザアレイと光学結合する光学素子の小型化や、光学素子の数量の削減を実現することができる。また、各エミッタからのレーザ光をレンズなどでコリメートし、光学素子（例えば液晶や、ＤＬＰ（Digital Light Processing）やＧＬＶ（Grating Light Valve）などの光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））で２次元画像情報に対応して空間的に変調し、スクリーンに照射するレーザーディスプレイにおいて、画素ごとの輝度を大きくすることができる。

また、上記実施の形態等では、ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体レーザを例にして本発明を説明したが、他の化合物半導体レーザ、例えば、ＧａＩｎＡｓＰ系などの赤色半導体レーザ、ＧａＩｎＮ系およびＡｌＧａＩｎＮ系などの窒化ガリウム系の半導体レーザ、ＺｎＣｄＭｇＳＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族の半導体レーザにも適用可能である。また、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＰ系、ＧａＩｎＡｓＮＰ系などの、発振波長が可視域とは限らないような半導体レーザにも適用可能である。

また、上記実施の形態等では、インデックスガイド構造の半導体レーザを例に挙げて、本発明について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の構造、例えば、ゲインガイド構造の半導体レーザに対しても適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。 図１の半導体レーザの端面図である。 図１の半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面図である。 横モードについて説明するための模式図である。 図１の半導体レーザの製造方法の一例について説明するための断面図である。 図５に続く工程について説明するための断面図および上面図である。 図６に続く工程について説明するための断面図および上面図である。 図７に続く工程について説明するための断面図である。 図８に続く工程について説明するための断面図である。 図９に続く工程について説明するための断面図である。 図１０に続く工程について説明するための断面図である。 図１の半導体レーザの製造方法の他の例について説明するための断面図である。 図１２に続く工程について説明するための断面図である。 図１３に続く工程について説明するための断面図である。 図１の半導体レーザの一変形例の端面図である。 図１の半導体レーザの他の変形例の端面図である。 図１６の半導体レーザの製造方法の一例について説明するための断面図および上面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの斜視図である。 図１８の半導体レーザのＡ−Ａ矢視方向の断面図である。 図１８の半導体レーザの製造方法の一例について説明するための断面図である。 図２０に続く工程について説明するための断面図および上面図である。 図２１に続く工程について説明するための断面図および上面図である。 図２２に続く工程について説明するための断面図である。 図２３に続く工程について説明するための断面図である。 図１８の半導体レーザの一変形例の製造方法の一例について説明するための断面図および上面図である。 図１または図１８の半導体レーザをアレイ化してなる半導体レーザアレイの斜視図である。 図２６の半導体レーザアレイをヒートシンクに実装した半導体レーザ装置の斜視図である。

符号の説明

１，２半導体レーザ、３…半導体レーザアレイ、１０…基板、１１…バッファ層、１２…下部クラッド層、１３…下部ガイド層、１４…活性層、１４Ａ…発光領域、１５…上部ガイド層、１６Ａ，１６Ｂ…上部クラッド層、１７…ストップ層、１８…中間層、１９…コンタクト層、１９Ａ，１９Ｃ，１９Ｄ…開口、１９Ｂ…溝、２０…リッジ部、２１…埋め込み層、２２…上部電極、２３…下部電極、３０，５０…不純物拡散領域、３１，５１…峰、３１Ａ，５１Ａ…尾根、４０，６０…ＺｎＯ膜、４１，３２，６１…キャップ層、４２…マスク層、７０…サブマウント、８０…ヒートシンク、８１…電極部材、８２…ネジ、８３…絶縁板、８４…保護部材、８５…ワイヤ、Ｓ１…前端面、Ｓ２…後端面、Ｐ…ピーク。

Claims (8)

1. 半導体基板上に、活性層と、前記活性層へ注入される電流を狭窄する帯状の電流狭窄構造とを含み、かつ前記活性層および前記電流狭窄構造を間にして前記電流狭窄構造の延在方向に対向する一対のへき開面を含む積層構造を備え、
   前記積層構造は、前記一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍に、前記活性層の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する不純物拡散領域を有し、
   前記不純物拡散領域は、少なくとも前記電流狭窄構造の幅方向の両端部との対向領域に、前記電流狭窄構造の上面から少なくとも前記活性層にまで達する峰を有する
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記不純物拡散領域のうち前記電流狭窄構造の幅方向の中央部との対向領域は、前記電流狭窄構造の上面と前記活性層との間に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記不純物拡散領域は、前記電流狭窄構造の幅方向の中央部との対向領域において、前記電流狭窄構造の上面から少なくとも前記活性層にまで達する１または複数の峰を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記各峰の尾根は、前記へき開面から前記電流狭窄構造の延在方向に延在している
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
5. 前記不純物拡散領域は、前記へき開面から所定の距離だけ離れた領域において、前記電流狭窄構造の上面から少なくとも前記活性層にまで達すると共に前記電流狭窄構造の幅方向に延在する峰を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
6. 前記電流狭窄構造は、その上面にＧａＡｓを含むコンタクト層を有すると共に、前記コンタクト層の直下にＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰを含む中間層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
7. 半導体基板上に、活性層と、前記活性層へ注入される電流を狭窄する帯状の電流狭窄構造とを含み、かつ前記活性層および前記電流狭窄構造を間にして前記電流狭窄構造の延在方向に対向する一対のへき開面を含む積層構造を備え、
   前記積層構造は、前記一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面およびその近傍に、前記活性層の発光波長に相当するエネルギーよりも大きなバンドギャップを有する不純物拡散領域を有し、
   前記不純物拡散領域は、前記一対のへき開面のうち少なくとも一方のへき開面から所定の距離だけ離れた領域に、前記電流狭窄構造の上面から少なくとも前記活性層にまで達すると共に前記電流狭窄構造の幅方向に延在する峰を有する
   ことを特徴とする半導体レーザ。
8. 前記電流狭窄構造は、その上面にＧａＡｓを含むコンタクト層を有すると共に、前記コンタクト層の直下にＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰを含む中間層を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ。

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