JP2010034267A - ブロードエリア型半導体レーザ素子、ブロードエリア型半導体レーザアレイ、レーザディスプレイおよびレーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力動作時において電流狭窄構造の側面からの劣化を抑制することが可能なブロードエリア型半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】リッジ部２０の幅を共振器方向で一定とし、コンタクト層１９に、広領域３１と狭領域３２との変調構造２を形成する。広領域３１では、コンタクト層１９の幅はリッジ部２０と同じ幅とする。一方、狭領域３２では、コンタクト層１９に切込み１９Ａを設けることにより、コンタクト層１９の幅をリッジ部２０の幅よりも狭くする。狭領域３２では、電流が注入されず、利得が低下する。半導体積層構造１０Ａのコンタクト層１９以外の層の一部には、狭領域３２の切込み１９Ａに、第１不純物拡散領域３３を形成する。第１不純物拡散領域３３では、不純物拡散によりバンドギャップが拡大し、光吸収による発熱が抑えられ、リッジ部２０の側面からの劣化が抑制される。
【選択図】図４

Description

本発明は、ブロードエリア型半導体レーザ素子およびこれを有するブロードエリア型半導体レーザアレイに係る。また、本発明は、それらを用いたレーザディスプレイおよびレーザ照射装置に関する。

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、ブロードエリア型半導体レーザのＮＦＰ（Near Field Pattern）は多数の横モードの重ね合わせであって、リッジ（電流狭窄構造）下の光強度がほぼ一定になるトップハット型が理想とされている。光出力が一定の駆動条件ではトップハット型において端面における最大光子密度が最も低くなる。逆に、トップハット型が乱れてＮＦＰにいくつかのピークが現れる場合では、そのピークに光が集中するため最大光子密度が高くなる。ブロードエリア型半導体レーザにおけるＣＯＤは端面の一部のみで生じることが知られている。すなわち、ＮＦＰのピーク位置で局所的なＣＯＤが発生する（例えば、非特許文献１参照。）。

このようなブロードエリア型半導体レーザのＣＯＤ耐性を上げるひとつの手法として、ＮＦＰをよりトップハット型に近づけるという方法がある。ブロードエリア型半導体レーザでは、注入電流によるプラズマ効果によりリッジ中央部の屈折率が低下することが知られている（例えば特許文献２参照。）。従って、ストライプ幅が数μｍ程度のナローストライプ型半導体レーザのような無吸収の誘電膜埋め込みリッジ構造では、横方向の屈折率分布が低−高−低−高−低となるため、リッジ側部のＮＦＰが強くなるサイドピークが顕著になる。このようなサイドピークが現れると、部分的に光子密度が高くなりＣＯＤが生じやすくなる。そこで、ブロードエリア型半導体レーザにおいてトップハット型のＮＦＰを実現する手法として、金属埋め込みリッジ構造によるロスガイド構造が報告されている。この構造では、サイドピークが発生する部位の吸収損失を大きくすることによりピークの発生が抑制される。

ブロードエリア型半導体レーザのＣＯＤ耐性を上げる他の手法として、端面ＣＯＤを抑制するための不純物拡散窓構造を形成することも有効である。ナローストライプ型半導体レーザでは広く用いられている手法であり、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、端面およびその近傍にＺｎやＳｉ等の不純物を拡散させる（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。このように、不純物を端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端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。
M. Bou Sanayeh ，et al．、「Temperature-power dependence of catastrophic optical damage in AlGaInP laser diodes」、Applied Physics Letters 、２００７年、９１、０４１１１５ T.Asatsuma，et al.、Proc.SPIE 、２００６年、第６１０４巻、６１０４０Ｃ 特許第３７１８９５２号明細書 特開２００６−２９４８７９号公報

しかしながら、本発明者の実験の結果、ブロードエリア型半導体レーザに不純物拡散窓構造を採用したところ、高出力駆動時に別の箇所でＣＯＤが生じることが明らかになった。劣化したブロードエリア型半導体レーザの基板をエッチングにより除去し、リッジストライプ下の活性層をＣＬ（Cathode Luminescence）法により測定した結果、リッジ側面からＤＬＤ（Dark Line Defect）が発生していることが分かった。

このような劣化は、ＮＦＰが多数の横モードの重ね合わせであるブロードエリア型半導体レーザに特有の現象である。上述したようにブロードエリア型半導体レーザはリッジ下の光強度がほぼ一定になるトップハット型が理想とされ、ロスガイド構造が採用されている。従って、リッジ側面の光吸収による発熱によりＤＬＤが発生したと考えられる。一方、横基本モード発振する無吸収の誘電膜埋め込みリッジ構造のナローストライプ型半導体レーザでは、リッジ中心で光子密度が最大になるため、サイドピークによるリッジ側面のＤＬＤは発生しない。

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、高出力動作時において電流狭窄構造の側面からの劣化を抑制することが可能なブロードエリア型半導体レーザ素子およびこれを有するブロードエリア型半導体レーザアレイ、並びにそれらを用いたレーザディスプレイおよびレーザ照射装置を提供することにある。

本発明のブロードエリア型半導体レーザ素子は、基板上に、活性層を含む複数の層を有すると共に、複数の層のうち最上層のコンタクト層を含む一部に、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が形成された半導体積層構造と、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端面とを備え、コンタクト層は、電流狭窄構造と同じ幅の広領域と、切込みが設けられることにより電流狭窄構造よりも幅が狭くなっている狭領域とを有し、半導体積層構造のうちコンタクト層以外の一部は、狭領域の切込みに形成され、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第１不純物拡散領域と、一対の端面のうち少なくとも一方およびその近傍に形成され、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第２不純物拡散領域とを有するものである。

本発明のブロードエリア型半導体レーザアレイは、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子を有するものであって、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子の各々は、上記本発明のブロードエリア型半導体レーザ素子により構成されているものである。

本発明のレーザディスプレイは、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子を有するブロードエリア型半導体レーザアレイを備えたものであって、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子の各々は、上記本発明のブロードエリア型半導体レーザ素子により構成されているものである。

本発明のレーザ照射装置は、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子を有するブロードエリア型半導体レーザアレイを備えたものであって、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子の各々は、上記本発明のブロードエリア型半導体レーザ素子により構成されているものである。

本発明によるブロードエリア型半導体レーザ素子では、コンタクト層が、電流狭窄構造と同じ幅の広領域と、切込みが設けられることにより電流狭窄構造よりも幅が狭くなっている狭領域とを有しているので、狭領域では、電流が注入されず、利得が低下する。また、半導体積層構造のうちコンタクト層以外の一部には、狭領域の切込みに第１不純物拡散領域が形成されているので、この第１不純物拡散領域では、不純物拡散によりバンドギャップが拡大し、光吸収による発熱が抑えられる。よって、高出力動作時において電流狭窄構造の側面からの劣化が抑制される。従って、このブロードエリア型半導体素子を用いてブロードエリア型半導体レーザアレイを構成すれば、少ない素子数で高出力を得ることが可能となり、高出力を必要とするレーザディスプレイまたはレーザ照射装置などの応用に極めて好適である。

本発明のブロードエリア型半導体レーザ素子によれば、コンタクト層に狭領域を設けると共に、この狭領域の切込みに第１不純物拡散領域を設けるようにしたので、狭領域への電流注入をなくして利得を低下させると共に、光吸収による発熱を抑え、高出力動作時において電流狭窄構造の側面からの劣化を抑制することができる。よって、このブロードエリア型半導体素子を用いてブロードエリア型半導体レーザアレイを構成すれば、少ない素子数で高出力を得ることが可能となり、高出力を必要とするレーザディスプレイまたはレーザ照射装置などの応用に極めて好適である。

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。

図１は、本発明の一実施の形態に係るブロードエリア型半導体レーザ素子１の概略構成を斜視的に表したものである。図２は、図１に示したブロードエリア型半導体レーザ素子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に示したブロードエリア型半導体レーザ素子１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視方向（共振器方向）の断面構成を表したものである。

このブロードエリア型半導体レーザ１素子は、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１０Ａを備えたものである。この半導体積層構造１０Ａ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には、ストライプ状のリッジ部２０が形成されている。リッジ部２０は、活性層１４へ注入される電流を狭窄する電流狭窄構造としての機能を有するものであり、ブロードエリア型半導体レーザ素子１においてはリッジ部２０の幅は１０μｍ以上、典型的には５０μｍ以上４００μｍ以下である。

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、例えばノンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる。活性層１４は、例えばノンドープの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、例えばノンドープの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からなり、リッジ部２０内で上部クラッド層１６Ｂとコンタクト層１９との間に設けられている。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、半導体積層構造１０Ａの最上層をなすものであると共に、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１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 から３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度と、高濃度となっている。

リッジ部２０の幅、すなわち中間層１８および上部クラッド層１６Ｂの幅は共振器方向で一定である。一方、コンタクト層１９は、図４に示したように、変調構造２を有しており、その幅が共振器方向で変化している。すなわち、コンタクト層１９は、幅の広い広領域３１と、幅の狭い狭領域３２とを有している。

広領域３１では、コンタクト層１９の幅はリッジ部２０の幅、すなわち中間層１８および上部クラッド層１６Ｂとほぼ同じ幅である。ここで「ほぼ同じ」というのは、選択ウェットエッチングによりリッジ部２０を形成した場合、なだらかな傾斜になり０．５μｍ程度の差が生じるからである。

一方、狭領域３２では、コンタクト層１９に切込み１９Ａが設けられることにより、コンタクト層１９の幅がリッジ部２０の幅よりも狭くなっている。更に、半導体積層構造１０Ａのコンタクト層１９以外の一部（例えば、中間層１８ないし下部ガイド層１３）には、狭領域３２の切込み１９Ａに、図５に示したように、亜鉛（Ｚｎ），マグネシウム（Ｍｇ），ケイ素（Ｓｉ）などの不純物が拡散された第１不純物拡散領域３３が形成されている。第１不純物拡散領域３３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。これにより、このブロードエリア型半導体レーザ素子１では、高出力動作時においてリッジ部２０の側面からの劣化を抑制することができるようになっている。

コンタクト層１９の最大幅Ｗ３１（広領域３１における幅）と最小幅Ｗ３２（狭領域３２における幅）との差ｄＷ（リッジ部２０両側の狭領域３２の合計幅）は、例えば、４μｍ以上であることが好ましく、４μｍ≦ｄＷ≦２０μｍであればより好ましい。４μｍ未満では、リッジ部２０内（例えば、上部クラッド層１６Ｂまたは上部ガイド層１５など）の電流拡散により狭領域３２に十分な利得が生じてしまい、ＮＦＰのサイドピークが十分に抑制されず、リッジ部２０の側面からの劣化が発生しやすくなってしまうからである。また、２０μｍよりも大きくなると、リッジ部２０の中央のＮＦＰが強くなりやすく、トップハット形状が得られにくくなるからである。

なお、切込み１９Ａは、リッジ部２０の幅方向（共振器方向および積層方向に直交する方向）の左右両側に、対称に設けられていることが望ましい。ＮＦＰの左右バランスを整えるためである。また、狭領域３２の幅は、リッジ部２０の両側で異なっていてもよい。ただし、その場合も、コンタクト層１９の最大幅Ｗ３１（広領域３１における幅）と最小幅Ｗ３２（狭領域３２における幅）との差ｄＷは、上述したように、例えば、４μｍ以上であることが好ましく、４μｍ≦ｄＷ≦２０μｍであればより好ましい。

狭領域３２は、リッジ部２０の延在方向における複数個所（図１では３箇所）に形成されていることが好ましい。その理由は、以下の通りである。狭領域３２を一箇所だけ形成した場合、狭領域３２の共振器方向における長さ（以下、単に長さという。）が短すぎると、リッジ部２０内の電流拡散により狭領域３２に十分な利得が生じてしまい、ＮＦＰのサイドピークが十分に抑制されず、リッジ部２０の側面からの劣化が発生しやすくなってしまうからである。一方、狭領域３２を一箇所だけ形成し、その長さを長くした場合には、狭領域３２への横モードの引き込みが強くなり、ＮＦＰがゲインガイド発振に近い形状になる。従って、適切な長さの狭領域３２を、リッジ部２０内の複数個所に形成することが望ましい。

具体的には、狭領域３２の長さは例えば１０μｍ以上２００μｍ未満であることが好ましい。１０μｍ未満では、後述する製造工程において制御性よく不純物拡散を行うことが難しくなるからである。また、２００μｍよりも長いと、上述したように狭領域３２への横モードの引き込みが強くなるからである。

更に、半導体積層構造１０Ａ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。埋め込み層２１は、例えば、ＳｉＯ2 ，ＳｉＮ，Ａｌ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 ，Ｔａ2 Ｏ3 ，ＺｒＯ2 などの誘電体により構成されている。これにより、リッジ部２０の側面には、誘電体よりなる埋め込み層２１により、吸収損失の低いリアルインデックスガイド構造が構成されており、上述した第１不純物拡散領域３３との相乗効果により、共振器方向に平均化したリッジ部２０の側面近傍の吸収損失を更に小さくし、ＮＦＰのリッジ部２０側面近傍のサイドピークを抑制できるようになっている。

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の上面にあってもよいが、広領域３１または狭領域３２に関わらず、コンタクト層１９の縁から５μｍ以下であることが望ましい。埋め込み層２１とコンタクト層１９の重なり合いが５μｍ以上になると、後述する上部電極２２とコンタクト層１９との接触面積が低下することによりコンタクト抵抗が上昇したり、コンタクト層１９内における電流広がりが十分でないことによりリッジ部２０の中央でのＮＦＰの集中などの問題が生じるおそれがあるからである。

更に、このブロードエリア型半導体レーザ素子１は、活性層１４およびリッジ部２０間にして、リッジ部２０の延在方向に対向する一対の端面すなわち前端面Ｓ１，後端面Ｓ２を有している。すなわち、ブロードエリア型半導体レーザ素子１は、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２により構成された共振器を有する端面発光型の半導体レーザである。前端面Ｓ１および後端面Ｓ２は、誘電膜（図示せず）により覆われている。

前端面Ｓ１と後端面Ｓ２との少なくとも一方（図１ないし図３では両方）およびその近傍には、例えば亜鉛（Ｚｎ）などの不純物が拡散された第２不純物拡散領域３０が形成されている。第２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。

第２不純物拡散領域３０の近傍のコンタクト層１９は、広領域３１であることが望ましい。また、広領域３１の長さは５０μｍ以上であることが望ましい。第２不純物拡散領域３０近傍のコンタクト層１９が狭領域３２である場合、または広領域３１の長さが短い場合には、ＮＦＰの中央部が強くなったり、波面が湾曲するために非点収差が大きくなったりしてしまうからである。

なお、第２不純物拡散領域３０はコンタクト層１９を有していない。第２不純物拡散領域３０は、埋め込み層２１で覆われていてもよいし、別の誘電体膜で覆われていてもよい。あるいは、後述する上部電極２２に直接覆われていてもよい。

加えて、このブロードエリア型半導体レーザ素子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２０のコンタクト層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。

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１０Ａ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（ＳｉＨ4 ）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、図６に示したように、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。

次いで、図７に示したように、コンタクト層１９上に例えばレジストよりなるマスク層（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、リッジ部２０の形成予定領域２０Ａ（図７において点線で示した位置）を除き、コンタクト層１９を選択的に除去する。その際、リッジ部２０の形成予定領域２０Ａ内には、切込み１９Ａを設けて広領域３１および狭領域３２よりなる変調構造２を形成すると共に、後にへき開により前端面Ｓ１および後端面Ｓ２となる部分の近傍に溝４０を設ける。また、切込み１９Ａ内には、コンタクト層１９を残して島状部分１９Ｂを形成し、この島状部分１９Ｂの周囲に溝４１を設ける。コンタクト層１９が除去された部分は、中間層１８が露出する。図７では、露出した中間層１８に網掛けを付して示している。その後、マスク層を除去する。

続いて、図８に示したように、全面にＳｉＯ2 よりなるハードマスク層５０を形成し、このハードマスク層５０に、フッ酸系のエッチャントを用いて、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２となる部分と溝４０との間に開口５１を設けると共に、島状部分１９Ｂに対応して、島状部分１９Ｂよりも小さい開口５２を設ける。

そののち、全面に、ＺｎＯ膜（図示せず）を例えば１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の厚さで形成する。これにより、開口５１でＺｎＯ膜とコンタクト層１９とが接触すると共に、開口５２でＺｎＯ膜と島状部分１９Ｂとが接触する。

このとき、開口５１の縁は、前端面Ｓ１または後端面Ｓ２に接するコンタクト層１９と溝４０との間の境界線４０Ａから、前端面Ｓ１側または後端面Ｓ２側に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。また、開口５２の縁は、島状部分１９Ａの縁から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。後のアニール工程によるＺｎ固相拡散において、コンタクト層１９または島状部分１９ＢがＺｎ拡散のバッファ効果を有することにより、面内均一拡散を可能とすることができるからである。また、コンタクト層１９または島状部分１９Ｂの直下にＺｎ拡散されるため、Ｚｎ拡散形状を急峻にすることができるからである。特に、狭領域３２においてＺｎ拡散形状がなだらかになると、リッジ部２０の中央部までＺｎ拡散することになり、リッジ部２０の中央部における利得が低下してしまうおそれがある。一方、５０μｍ以上では、コンタクト層１９または島状部分１９Ｂ内でのＺｎ横拡散が十分できず、開口５１，５２の形状やＺｎＯのグレイン形状に依存した面内不均一拡散が生じる。このような不均一拡散が行われると、横モードの不均一や不安定性が誘発される。特にブロードエリア型半導体レーザでは、不均一拡散により、容易にＮＦＰのトップハット形状が乱れ、ＣＯＤ値が低下してしまう。また、Ｚｎ拡散形状がなだらかになるため利得が低下してしまう。

ＺｎＯ膜を形成したのち、このＺｎＯ膜を含む表面全体に渡って、例えばＳｉＯ2 からなるキャップ層（図示せず）を形成する。このキャップ層は、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。

キャップ層を形成したのち、例えばＮ2 雰囲気中で５００℃から６００℃程度の温度で１０分から２時間程度、アニールを行う。これにより、ＺｎＯ膜に含まれるＺｎ原子がコンタクト層１９または島状部分１９Ｂ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族原子とＺｎ原子との置換を経由してＩＩＩ族原子の相互置換による活性層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、第１不純物拡散領域３３および第２不純物拡散領域３０が形成される。

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１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 から３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 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、固相拡散法を用いてＺｎＯ膜に含まれるＺｎ原子を半導体積層構造１０Ａ中に拡散させた場合には、ＺｎＯ膜に含まれる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膜がグレイン形状となっていた場合であっても、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２となる部分と溝４０との間に挟まれたコンタクト層１９の直下で、または島状部分１９Ｂの直下でＺｎ原子を均一に拡散させることができる。

アニールを行ったのち、例えばフッ酸系のエッチャントでキャップ層を除去し、続いて、例えば塩酸系のエッチャントでＺｎＯ膜を除去し、そののち、例えばフッ酸系のエッチャントでハードマスク層５０を除去する。

キャップ層，ＺｎＯ膜およびハードマスク層５０を除去したのち、図９に示したように、例えばリン酸系のエッチャントを用いて、前端面Ｓ１および後端面Ｓ２となる部分と溝４０との間に挟まれたコンタクト層１９と、島状部分１９Ｂとを除去し、これらの部分にも中間層１８を露出させる。このとき除去されたコンタクト層１９および島状部分１９Ｂには、Ｚｎ固相拡散により格子間Ｚｎが多量に含有されている場合があり、従って、除去しない場合にはレーザ駆動時に欠陥を誘発するなど寿命を低下させる要因になるからである。また、このほか、後述する再アニールにおいて、周囲に拡散して素子特性を悪化させるおそれがあるからである。

そののち、必要に応じて、例えばＮ２，ＡｓＨ3 またはＰＨ3 雰囲気中で５００℃から７５０℃程度の温度で１０分〜２時間程度、再アニールを行ってもよい。これにより、半導体積層構造１０Ａ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１０Ａ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。

再アニールを行ったのち、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、図１０に示したように、ストライプ状のリッジ部２０が形成される。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、第１不純物拡散領域３３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。

次に、本実施の形態のブロードエリア型半導体レーザ素子１の作用および効果について説明する。

このブロードエリア型半導体レーザ素子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およびコンタクト層１９の変調構造２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第２不純物拡散領域３０が設けられている。これにより、活性層１４の中央領域（利得領域）で発生したレーザ光が、前端面Ｓ１，後端面Ｓ２およびその近傍において吸収されて熱に変換される割合が低減される。よって、第２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、コンタクト層１９は、リッジ部２０と同じ幅の広領域３１と、切込み１９Ａが設けられることによりリッジ部２０よりも幅が狭くなっている狭領域３２との変調構造２を有しているので、狭領域３２には電流が注入されず、リッジ部２０の側面近傍での利得が低くなる。よって、共振器方向で積算したリッジ部２０内の利得分布は、図１１に示したように、リッジ部２０の側面近傍で利得が下がる。

更に、半導体積層構造１０Ａのコンタクト層１９以外の一部（例えば、中間層１８ないし下部ガイド層１３）には、狭領域３２の切込み１９Ａに、第１不純物拡散領域３３が形成されているので、この第１不純物拡散領域３３では、不純物拡散により活性層１４のバンドギャップが拡大しており、レーザ波長における吸収損失が小さくなる。そのため、活性層１４の中央領域（利得領域）で発生したレーザ光が狭領域３２において吸収されて熱に変換される割合が低減される。よって、光吸収による発熱が抑えられ、高出力動作時においてリッジ部２０の側面からの劣化が抑制される。

加えて、リッジ部２０の側面に誘電体よりなる埋め込み層２１が形成されたリアルインデックスガイド構造とされているので、吸収損失が低くなっている。よって、共振器方向に平均化したリッジ部２０の側面近傍の吸収損失が更に小さくなり、これによりＮＦＰのリッジ部２０の側面近傍のサイドピークが抑制される。

これに対して、第１不純物拡散領域３３が形成されていない場合、狭領域３２における活性層１４のバンドギャップが拡大されていないため、レーザ波長に対して可飽和吸収特性を示す。活性層１４はリッジ部２０の側面における発熱に対してバンドギャップが収縮するため、レーザ波長に対して吸収係数が非線形に増加する。すなわち、第１不純物拡散領域３３が形成されている場合に比べて劣化しやすくなる。

一方、上述した従来構造（以下、従来構造Ａという。）のように、コンタクト層の幅が均一であると共に、リッジ部の側面が誘電体で埋め込まれたリアルインデックスガイド構造では、注入電流に起因したリッジ中央部のプラズマ効果により、中央部の屈折率が低下し、ＮＦＰにサイドピークが顕著に現れてしまう。ＮＦＰにこのようなサイドピークがあると、光学機器や光学部品との結合係数が低下するほか、ピーク位置の光子密度が高くなるので端面またはリッジ側面で損傷が発生しやすくなる。

また、他の従来構造（以下、従来構造Ｂという。）のように、コンタクト層の幅を均一とすると共に、リッジ部の側面を金属で埋め込んだロスガイド構造では、図１２に示したように、リッジ部の側面における光吸収により、サイドピークは抑制された。しかしながら、高出力動作時に、リッジ部の側面での光吸収により発熱が大きくなり、端面と同様に、リッジ部の側面でＣＯＤが発生する。

このことを明らかにするため、本発明者は、従来構造Ｂを有すると共に第２不純物拡散領域を有しないブロードエリア型半導体レーザ素子（リッジ部の幅６０μｍ、共振器長７００μｍ）を急速劣化させたのち、リッジ直下の活性層をＣＬ測定により調査した。図１３は、その結果を表したものであり、リッジ直下の活性層全域のＣＬ画像を模写したものである。図１３から分かるように、後端面Ｓ２を起点として黒い線が延びている。この黒い線は、ＤＬＤと呼ばれる欠陥を表すものである。すなわち、第２不純物拡散領域を有しない場合には、端面のＣＯＤにより急速劣化が起こることが分かる。

また、本発明者は、従来構造Ｂを有すると共に前端面および後端面に第２不純物拡散領域を設けたブロードエリア型半導体レーザ素子（リッジ部の幅６０μｍ、共振器長７００μｍ）についても、上記と同様の調査を行った。図１４は、その結果を表したものであり、得られたＣＬ画像を模写したものである。図１４から分かるように、前端面および後端面からはＤＬＤは観測されず、リッジ部の側面を起点とするＤＬＤが観測された。なお、ＣＯＤ光出力は、第２不純物拡散領域を有しない場合と比較して１．５倍〜数倍であった。

これに対して、本実施の形態のブロードエリア型半導体レーザ素子１では、同等の光出力でＣＯＤが発生しない。このように、リッジ部２０の側面での吸収損失を抑えつつ、ＮＦＰのサイドピークを抑制することにより、リッジ部２０の側面からの劣化を抑制することができる。

このように本実施の形態では、コンタクト層１９に狭領域３２を設けると共に、半導体積層構造１０Ａのうちコンタクト層１９以外の一部に、狭領域３２の切込み１９Ａに、第１不純物拡散領域３３を設けるようにしたので、狭領域３２への電流注入をなくして利得を低下させると共に、光吸収による発熱を抑え、高出力動作時においてリッジ部２０の側面からの劣化を抑制することができる。よって、このブロードエリア型半導体素子１を用いてブロードエリア型半導体レーザアレイを構成すれば、少ない素子数で高出力を得ることが可能となり、高出力を必要とするレーザディスプレイまたはレーザ加工装置などの応用に極めて好適である。

（ブロードエリア型半導体レーザアレイ）
次に、図１５および図１６を参照して、複数のブロードエリア型半導体レーザ素子１を備えたブロードエリア型半導体レーザアレイについて説明する。このブロードエリア型半導体レーザアレイ３は、レーザディスプレイ，レーザ加工または医療応用などに用いられるものであり、例えば図１５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することにより、ワットクラスの光出力を得られるようにしたものである。

このブロードエリア型半導体レーザアレイ３は、例えば図１６に示したように、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）を介して接合され、このサブマウント７０は、金属製のヒートシンク８０に半田（図示せず）を介して接合されている。半導体レーザアレイ３の光射出側とは反対側には、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。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いる。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。

このようなブロードエリア型半導体レーザアレイ３では、隣接するエミッタ（一つのブロードエリア型半導体レーザ素子１に相当。）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。従って、一つのエミッタからの光出力が大きくなるとエミッタ数を減らすことができ、ブロードエリア型半導体レーザアレイ３と光学結合する光学素子の小型化や数量削減が可能となる。

更に、図１６に示したブロードエリア型半導体レーザアレイ３は、必要に応じて窒素雰囲気のモジュール（図示せず）に組み込まれ、レーザディスプレイまたはレーザ照射装置の光源として適用される。例えばレーザディスプレイでは、モジュールから出射されるレーザ光は、レンズなどでコリメートされ、光学素子で２次元画像情報に対応して空間的に変調されてスクリーンに照射される。これらの光学素子としては、例えば、液晶や、ＤＬＰ（Digital Light Processing）やＧＬＶ（Grating Light Valve ）などの光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems））が用いられる。

（レーザディスプレイ）
図１７は、本実施の形態のブロードエリア型半導体レーザアレイ３をレーザディスプレイに適用した適用例を表したものである。このレーザディスプレイ装置２００は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）各色の光を出射する光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃを備えており、赤色の光を出射する光源２０１ａとして上記本実施の形態のブロードエリア型半導体レーザアレイ３が配置されている。このレーザディスプレイ装置２００は、更に、各光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃに対応して設けられたビーム成形光学系２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃおよび液晶パネル２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ、ダイクロックプリズム２０４、プロジェクション２０５および投射スクリーン２０６を備えている。

このレーザディスプレイ装置２００では、ＲＧＢ各色の光源２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃから出射された光が、それぞれビーム成形光学系２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃを経由したのち、液晶パネル２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃに入射されＲＧＢの画像情報に空間変調される。そののちダイクロックプリズム２０４で合波され、プロジェクション２０５を経由して投射スクリーン２０６に投射される。

（レーザ照射装置）
図１８は、レーザ照射装置の一例として、レーザ加工装置の光源に本実施の形態のブロードエリア型半導体レーザアレイ３を適用した適用例を表したものである。このレーザ照射装置３００では、光源３０１から出射されたレーザ光３０４は、光学系３０２を経由して、加工対象物３０３の表面に結合され、加工が行われる。リッジ部２０の幅の広いブロードエリア型半導体レーザのＮＦＰは長方形であるため、加工対象物３０３表面に結合されたビームパターンも長方形になる。従って、矩形やライン形状の加工の場合には、ビーム利用効率が高くなる。なお、このレーザ照射装置３００は、レーザ加工だけでなく、表面改質や検査などにも適用可能である。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態において説明した各層の材料および厚み、または成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の成膜方法および成膜条件としてもよい。

また、上記実施の形態では、ブロードエリア型半導体レーザ素子１およびブロードエリア型半導体レーザアレイ３の構成を具体的に挙げて説明したが、全ての層を備える必要はなく、また、他の層を更に備えていてもよい。

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。

本発明の一実施の形態に係るブロードエリア型半導体レーザ素子の全体構成を表す斜視図である。 図１に示したブロードエリア型半導体レーザ素子を前端面または後端面の側から見た側面図である。 図１に示したブロードエリア型半導体レーザ素子のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視方向の断面図である。 図１に示したコンタクト層およびリッジ部の平面的位置関係を表す平面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図１に示したブロードエリア型半導体レーザ素子の製造方法を工程順に説明するための断面図である。 図６に続く工程について説明するための上面図である。 図７に続く工程について説明するための上面図である。 図８に続く工程について説明するための上面図である。 図９に続く工程について説明するための上面図である。 コンタクト層が狭構造を有する場合の利得分布を表す図である。 従来のロスガイド構造の利得分布を表す図である。 実験結果を表す図である。 他の実験結果を表す図である。 ブロードエリア型半導体レーザアレイの全体構成を表す斜視図である。 図１５に示したブロードエリア型半導体レーザアレイの実装例を表す斜視図である。 本発明の適用例であるレーザディスプレイ装置の構成を表す図である。 本発明の適用例であるレーザ照射装置の構成を表す図である。

符号の説明

１…ブロードエリア型半導体レーザ素子、２…変調構造、３…ブロードエリア型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…切込み、１９Ｂ…島状部分、２０…リッジ部、２１…埋め込み層、２２…上部電極、２３…下部電極、３０…第２不純物拡散領域、３１…広領域、３２…狭領域、３３…第１不純物拡散領域、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

Claims (7)

1. 基板上に、活性層を含む複数の層を有すると共に、前記複数の層のうち最上層のコンタクト層を含む一部に、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が形成された半導体積層構造と、
   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端面と
   を備え、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄構造と同じ幅の広領域と、切込みが設けられることにより前記電流狭窄構造よりも幅が狭くなっている狭領域とを有し、
   前記半導体積層構造のうち前記コンタクト層以外の一部は、
   前記狭領域の切込みに形成され、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第１不純物拡散領域と、
   前記一対の端面のうち少なくとも一方およびその近傍に形成され、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第２不純物拡散領域と
   を有するブロードエリア型半導体レーザ素子。
2. 前記電流狭窄構造の側面に、誘電膜よりなる埋め込み層を有する
   請求項１記載のブロードエリア型半導体レーザ素子。
3. 前記狭領域および前記第１不純物拡散領域は、前記電流狭窄構造の延在方向における複数個所に形成されている
   請求項１または２記載のブロードエリア型半導体レーザ素子。
4. 前記コンタクト層の広領域における幅と、前記狭領域における幅との差は、４μｍ以上である
   請求項３記載のブロードエリア型半導体レーザ素子。
5. 複数のブロードエリア型半導体レーザ素子を有するブロードエリア型半導体レーザアレイであって、
   前記複数のブロードエリア型半導体レーザ素子の各々は、
   基板上に、活性層を含む複数の層を有すると共に、前記複数の層のうち最上層のコンタクト層を含む一部に、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が形成された半導体積層構造と、
   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端面と
   を備え、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄構造と同じ幅の広領域と、切込みが設けられることにより前記電流狭窄構造よりも幅が狭くなっている狭領域とを有し、
   前記半導体積層構造のうち前記コンタクト層以外の一部は、
   前記狭領域の切込みに形成され、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第１不純物拡散領域と、
   前記一対の端面のうち少なくとも一方およびその近傍に形成され、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第２不純物拡散領域と
   を有するブロードエリア型半導体レーザアレイ。
6. 複数のブロードエリア型半導体レーザ素子を有するブロードエリア型半導体レーザアレイを備えたレーザディスプレイであって、
   前記複数のブロードエリア型半導体レーザ素子の各々は、
   基板上に、活性層を含む複数の層を有すると共に、前記複数の層のうち最上層のコンタクト層を含む一部に、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が形成された半導体積層構造と、
   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端面と
   を備え、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄構造と同じ幅の広領域と、切込みが設けられることにより前記電流狭窄構造よりも幅が狭くなっている狭領域とを有し、
   前記半導体積層構造のうち前記コンタクト層以外の一部は、
   前記狭領域の切込みに形成され、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第１不純物拡散領域と、
   前記一対の端面のうち少なくとも一方およびその近傍に形成され、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第２不純物拡散領域と
   を有するレーザディスプレイ。
7. 複数のブロードエリア型半導体レーザ素子を有するブロードエリア型半導体レーザアレイを備えたレーザ照射装置であって、
   前記複数のブロードエリア型半導体レーザ素子の各々は、
   基板上に、活性層を含む複数の層を有すると共に、前記複数の層のうち最上層のコンタクト層を含む一部に、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が形成された半導体積層構造と、
   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端面と
   を備え、
   前記コンタクト層は、前記電流狭窄構造と同じ幅の広領域と、切込みが設けられることにより前記電流狭窄構造よりも幅が狭くなっている狭領域とを有し、
   前記半導体積層構造のうち前記コンタクト層以外の一部は、
   前記狭領域の切込みに形成され、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第１不純物拡散領域と、
   前記一対の端面のうち少なくとも一方およびその近傍に形成され、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第２不純物拡散領域と
   を有するレーザ照射装置。

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