JP3801410B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子に関し、特に活性領域における不純物分布を制御した半導体レーザ素子の構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク用高出力レーザの光出射端面の劣化を抑制して、高出力で高信頼性を達成するために、端面及びその付近にレーザ光の吸収のない窓構造を設けた端面窓型レーザの開発が盛んに行われている。従来の端面窓型レーザの素子構造は、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．２９，ｐｐ．１８７４−１８７９，１９９３に開示されている。
【０００３】
図１６に従来の素子構造の斜視図を示す。また、図１７は図１６のＧ−Ｇ’における断面図であり、図１８は従来の半導体レーザ素子のリッジストライプ７内部のｐ型（以下、ｐ−と標記）上クラッド層６表面からｎ型（以下、ｎ−と標記）クラッド層２へのｐ型不純物（Ｚｎ）の濃度分布を示す図である。
【０００４】
図１６において、ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層２、アンドープガイド層３、ＤＱＷ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層４、ＭＱＢ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｂａｒｒｉｅｒ）層５、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上クラッド層６を成長する。その後、光出射端面及びその付近に相当する成長層表面に、ＺｎＯストライプ膜を選択的に形成し、それ以外の表面にはＳｉＮ膜を形成する。Ｎ₂雰囲気、６００℃で３時間の熱アニールを行うと、ＺｎＯからＺｎが結晶中に拡散し、活性層のバンドギャップが増大する。ＺｎＯ膜、ＳｉＮ膜を除去し、ＺｎＯストライプ方向に垂直方向にリッジストライプ７を形成し、そのリッジストライプをｎ−ＧａＡｓ電流阻止層８で埋め込み成長を行う。
【０００５】
同時に、Ｚｎ拡散によりバンドギャップが増大した領域のリッジ上部を覆うように電流阻止層８を形成する。その後、成長層表面にｐ−ＧａＡｓコンタクト層９を形成する。基板側と成長層側に電極１０、１１を形成し、Ｚｎ拡散によりバンドギャップが増大した活性層が出射端面になるように、劈開を行う。光出射端面及びその付近に活性層のバンドギャップが増大した窓領域２１と共振器内部の活性領域２２が形成される。ここで、ｎ−ドーパントにはＳｉを用い、ｐ−ドーパントにはＺｎを用いる。
【０００６】
図１７に示すように、共振器内部の活性領域２２では、リッジストライプ上部に電流阻止層は形成されておらず、共振器内部では活性層に電流が注入されてレーザ発振が起こる。
【０００７】
従来の半導体レーザ素子では、波長６７０ｎｍで最大光出力１５０ｍＷが得られ、窓効果により端面劣化が抑制される。さらに、５０℃、ＣＷ５０ｍＷの高出力で１５００ｈｒを超える信頼性が報告されている。
【０００８】
図１８に従来の半導体レーザ素子のリッジストライプ７内部のｐ−上クラッド層６表面からｎ−クラッド層２へのｐ−不純物（Ｚｎ）の濃度分布を示す。
【０００９】
図１８（ａ）に窓領域の濃度分布を、図１８（ｂ）に活性領域の濃度分布を示す。窓領域では、ＺｎＯ中のＺｎが活性層だけでなく、ｎ−クラッド層の途中まで大量に拡散している。このＺｎの活性層への拡散が、バンドギャップ増大を生じさせる。活性領域においても、窓形成時の熱アニールに伴い、ｐ−クラッド層６のＺｎが活性層４中、さらにｎ−クラッド層２中にまで拡散している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体レーザ素子においては以下に示すような問題点がある。
【００１１】
従来例の半導体レーザ素子では、窓領域を形成するため熱アニールを行うと、活性領域のｐ−クラッド層中のＺｎが活性層に拡散する。そのＺｎは活性層中に欠陥を生じるので、動作電流が増大するという問題が生じる。さらに、活性領域のｐ−クラッド層中のＺｎがｎ型クラッド層まで拡散すると、ｐｎ接合がｎ型クラッド層中に形成されて、動作電圧が増大するという問題が生じる。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、低温または短時間の熱アニールにより所望の窓領域を形成でき、動作電流と動作電圧の増大を防止して、高信頼性の端面窓型高出力レーザの素子構造及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体レーザ素子では、半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型キャップ層を有し、各半導体層に垂直な共振器端面を有し、共振器端面の少なくとも一方の端面付近における活性層のバンドギャップが共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きい窓領域を有する半導体レーザ素子であり、窓領域のｐ型クラッド層には第１ドーパントと第１ドーパントより拡散定数の大きい第２ドーパントとが混在し、該窓領域以外の活性領域のｐ型クラッド層には第１ドーパントが第２ドーパントより高濃度に存在し、該第１ドーパントと第２ドーパントの組み合わせが、各々ベリリウムと亜鉛、ベリリウムとマグネシウム、または、亜鉛とマグネシウム、であり、該窓領域上部のリッジ上部に電流阻止層を有し、その長さが窓領域の長さよりも長い構成としている。
【００１３】
【００１４】
【００１５】
また、本発明の半導体レーザ素子では、窓領域のｐ型クラッド層のキャップ層側付近には主として第２ドーパントが配設され、窓領域のｐ型クラッド層の活性層側付近には主として第１ドーパントが配設される構成としている。
【００１６】
【００１７】
また、本発明の半導体レーザ素子では、窓領域のｐ型クラッド層のキャップ層側付近における第２ドーパントの濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である構成としている。
【００１８】
また、本発明の半導体レーザ素子では、ｐ型クラッド層の活性層側付近における第１ドーパントの濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である構成としている。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
また、本発明の半導体レーザ素子では、半導体の構成材料が、インジウム、ガリウム、リンを少なくとも含む構成としている。
【００２２】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法では、半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、第１ドーパントを有するｐ型クラッド層とｐ型キャップ層を成長する工程、その上に共振器端面付近に相当する部分にのみ、第１ドーパントよりも拡散定数の大きな第２ドーパントとなる拡散源を形成する工程、次に熱アニールによりｐ型クラッド層に第２ドーパントを拡散して、ｐ型クラッド層中の第１ドーパントの活性層への拡散を促進させて、活性層のバンドギャップを共振器内部よりも増大させて窓領域を形成する工程、とを少なくとも含み、該第１ドーパントと第２ドーパントの組み合わせが、各々ベリリウムと亜鉛、ベリリウムとマグネシウム、または、亜鉛とマグネシウム、である構成としている。
【００２３】
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１〜図１５は本発明の一実施の形態に関する半導体レーザ素子の図である。
【００２５】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の構造の斜視図を図１に、また、図１のＡ−Ａ’断面図を図２に、図１のＢ−Ｂ’断面図を図３に、それぞれ示し、これを説明する。図から示されるように、図２はリッジストライプ中央部のリッジストライプの長手方向に平行な方向の断面図であり、図３は共振器中央部のリッジストライプの長手方向に垂直な方向の断面図である。
【００２６】
図１において、ｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１下クラッド層１０１（厚さ２μｍ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）、ノンドープ多重量子井戸活性層１０２、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１上クラッド層１０３（厚さ０．２μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐエッチング停止層１０４（厚さ５０Å、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）が形成されている。リッジストライプ１０５（幅５．０μｍ）は、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐよりなる第２上クラッド層１０６（厚さ１．２μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）と、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７（厚さ０．３μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ））とから構成されている。
【００２７】
ここに、ノンドープ多重量子井戸活性層１０２は、２層のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐウエル層（厚さ８０Å）とその間の１層の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層（厚さ５０Å）とそれらを挟む（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層（厚さ３００Å）で構成されている。
【００２８】
光出射端面及びその付近は、活性層のバンドギャップが共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きくなるように構成されている。
【００２９】
リッジストライプ１０５の側面は、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層１０８（厚さ１．２μｍ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）で埋め込まれており、光出射端面及びその付近ではリッジストライプの上部にｎ−ＧａＡｓ電流阻止層１０８が形成されていてる。しかし、共振器内部のリッジストライプ上部には電流阻止層１０８が形成されていない。
【００３０】
これらのリッジストライプ上部と電流阻止層の上部にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０９（厚さ３μｍ、キャリヤ濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）が形成されている。なお、本発明の半導体レーザ素子の共振器の長さは６００μｍである。また、基板側表面と成長層側表面には電極１１０、１１１が形成されている。
【００３１】
また、本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子は、図１に示されるように、半導体の各層に対して垂直方向に、窓領域１２１と、活性領域１２２と、窓領域１２１とにわけることができる。
【００３２】
従って、本発明の窓領域１２１に対しては、半導体の各層に窓領域を示すＷを付与して、窓領域におけるｎ−第１下クラッド層１０１Ｗ、窓領域における量子井戸活性層１０２Ｗ、窓領域におけるｐ−第１上クラッド層１０３Ｗ、窓領域におけるリッジストライプ１０５Ｗ、窓領域におけるｐ−第２上クラッド層１０６Ｗ、窓領域におけるｐ−キャップ層１０７Ｗ、と呼ぶことにする。
【００３３】
同様に、本発明の活性領域１２２に対しては、半導体の各層に活性領域を示すＡを付与して、活性領域におけるｎ−第１下クラッド層１０１Ａ、活性領域における量子井戸活性層１０２Ａ、活性領域におけるｐ−第１上クラッド層１０３Ａ、活性領域におけるリッジストライプ１０５Ａ、活性領域におけるｐ−第２上クラッド層１０６Ａ、活性領域におけるｐ−キャップ層１０７Ａ、と呼ぶことにする。
【００３４】
窓領域１２１は、端面窓型半導体レーザ素子の端面付近の領域のことであり、窓領域１２１の活性層（１０２Ｗ）のバンドギャップは、活性領域１２２の活性層（１０２Ａ）のバンドギャップより大きく構成されている。
【００３５】
従って、量子井戸活性層（活性層）１０２は、窓領域１２１の活性層（１０２Ｗ）と活性領域１２２の活性層（１０２Ａ）と窓領域１２１の活性層（１０２Ｗ）とから構成される。
【００３６】
また、活性層１０２に隣接する第１下クラッド層１０１は、窓領域１２１の第１下クラッド層（１０１Ｗ）と活性領域１２２の第１下クラッド層（１０１Ａ）と窓領域１２１の第１下クラッド層（１０１Ｗ）とから構成される。
【００３７】
同様に、活性層１０２に隣接する第１上クラッド層１０３は、窓領域１２１の第１上クラッド層（１０３Ｗ）と活性領域１２２の第１上クラッド層（１０３Ａ）と窓領域１２１の第１上クラッド層（１０３Ｗ）とから構成される。
【００３８】
ここに、活性領域１２２は主として、第１下クラッド層（１０１Ａ）と活性層（１０２Ａ）と第１上クラッド層（１０３Ａ）と、及び、リッジストライプ１０５とから構成される言葉として用いられる。
【００３９】
また、窓領域１２１は主として、第１下クラッド層（１０１Ｗ）と活性層（１０２Ｗ）と第１上クラッド層（１０３Ｗ）と、及び、リッジストライプ１０５とら構成される言葉として用いられる。図１〜図３では、この窓領域１２１は活性領域１２２の両側に配設されているが、少なくとも一方の端面にあれば、窓領域を有する半導体レーザ素子として機能する。
【００４０】
図２に示すように、窓領域１２１の上部に窓領域を覆うように、窓領域よりも長く電流阻止層１０８が第２上クラッド層１０６の上に形成されている。
【００４１】
図３に示すように、共振器内部の活性領域１２２では、リッジストライプ上部１０５（１０６及び１０７）に電流阻止層は形成されていない。
【００４２】
また、図１〜図３において、窓領域のｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７Ｗには、拡散定数の小さい第１ドーパントＢｅと拡散定数の大きい第２ドーパントＺｎとが混在し、Ｂｅの濃度は〜１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、Ｚｎの濃度は〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、（Ｚｎの濃度）＞（Ｂｅの濃度）の関係にあり、（拡散定数の大きい第２ドーパントの濃度）＞（拡散定数の小さい第１ドーパントの濃度）なる関係にある。
【００４３】
また、図１〜図３において、窓領域以外の共振器内部のｐ−クラッド層１０６Ａには、拡散定数の小さい第１ドーパント（例えば、Ｂｅ）と拡散定数の大きい第２ドーパント（例えば、Ｚｎ）とが混在し、且つ、第１ドーパントの濃度が優位的に存在し、（Ｂｅの濃度）＞（Ｚｎの濃度）の関係にあり、（拡散定数の小さい第１ドーパントの濃度）＞（拡散定数の大きい第２ドーパントの濃度）なる関係にある。
【００４４】
次に、用語として、「量子井戸活性層」や「活性層」や「量子井戸活性層の無秩序化」等について、説明する。
【００４５】
本発明の端面窓型半導体レーザ素子においては、共振器端面付近の活性層のバンドギャップを共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きい構成としている。活性層が量子井戸活性層（各層の厚み０．０２μｍ以下（２００Å以下））の場合、活性層を変化させてバンドギャップを変化させることができるので、本発明では、主として、量子井戸活性層が用いられる。
【００４６】
量子井戸活性層よりも厚みが厚いバルク活性層（厚み０．０２μｍより大）の場合、不純物等の拡散だけではバンドギャップは変化しない。しかし、活性層の組成を変化させるとバンドギャップは変化し、本発明の活性層として、バルク活性層を用いることも可能である。
【００４７】
量子井戸活性層は、厚み０．０２μｍ以下の量子井戸層と、量子井戸層と組成の異なるバリヤ層とを交互に積層する構造による得られる。この組成、または原子が秩序を有して配列している構造を秩序構造と呼ぶ。そして、不純物（例えば、ｐ−ドーパントＢｅ、Ｚｎ、Ｍｇ等）や空孔等の拡散や原子配列の変化等により、この秩序構造の破壊を「量子井戸活性層の無秩序化」と呼ぶ。量子井戸活性層の無秩序化により、活性層のバンドギャップは増大し、窓領域が形成される。バンドギャップ増大領域を共振器端面に配置することにより、端面劣化のない高信頼の高出力レーザが実現できる。
【００４８】
また、バルク活性層においても組成が秩序を有して配列していたものを、組成を変化させてその秩序を崩すことを「活性層の無秩序化」と呼ぶことは可能である。
【００４９】
次に、本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の製造方法を図４に示し、これを説明する。図４（ａ）は、ｎ−ＧａＡｓ基板からｐ−キャップ層までの工程を示し、図４（ｂ）は、ＺｎＯ_Xストライプの形成からＳｉＯ₂キャップを形成するまでの工程を示し、図４（ｃ）は、窓領域及び活性領域を形成工程を示し、図４（ｄ）は、リッジストライプを形成する工程を示す図である。
【００５０】
図４（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板１００上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法にて、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１下クラッド層１０１（キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層と２層のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐウエル層とその間の１層の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層と（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層で構成されるノンドープ多重量子井戸活性層１０２、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１上クラッド層１０３（キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐエッチング停止層１０４（キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２上クラッド層１０６（キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）とｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７（厚さ０．３μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）を成長する。
【００５１】
図４（ｂ）において、ＺｎＯ_X膜をｐ−キャップ層１０７表面に蒸着し、フォトリソグラフィとリフトオフにより、周期６００μｍで長さ５０μｍのＺｎＯ_Xストライプ１３１を形成し、その上にＳｉＯ₂キャップ１３２を形成する。
【００５２】
図４（ｃ）において、５００℃で３時間のアニールを行い、ＺｎＯ_Xストライプ列１３１直下の量子井戸活性層１０２に、第１上クラッド層１０３及び第２上クラッド層１０６のドーパントＢｅを拡散して、活性層のバンドギャップ増大領域、即ち窓領域１２１を形成する。同時にＺｎＯストライプ列のない部分には活性領域１２２が形成される。
【００５３】
ドーパントＢｅ（第１ドーパント）を活性層に拡散することにより、活性層のバンドギャップは増大する。ドーパントＺｎ（第１ドーパントより拡散定数の大きい第２ドーパント）はドーパントＢｅ（第１ドーパント）の活性層への拡散を促進する働きをなしていると考えられる。
【００５４】
この工程により、活性層１０２は、窓領域１２１の活性層（１０２Ｗ）と活性領域１２２の活性層（１０２Ａ）と窓領域１２１の活性層（１０２Ｗ）となる。同様に、活性層１０２に隣接する第１上クラッド層１０３は、窓領域１２１の第１上クラッド層（１０３Ｗ）と活性領域１２２の第１上クラッド層（１０３Ａ）と窓領域１２１の第１上クラッド層（１０３Ｗ）となる。同様に、活性層１０２に隣接する第１下クラッド層１０１は、窓領域１２１の第１下クラッド層（１０１Ｗ）と活性領域１２２の第１下クラッド層（１０１Ａ）と窓領域１２１の第１下クラッド層（１０１Ｗ）となる。
【００５５】
図４（ｄ）において、ＺｎＯ_Xストライプ１３１とＳｉＯ₂キャップ１３２を除去し、フォトリソグラフィとエッチングにより、リッジストライプ１０５を形成する。
【００５６】
リッジストライプの側面及び窓領域のリッジストライプ上部に、ｎ−ＧａＡｓ電流阻止層１０８を第２回目のＭＢＥ法で埋め込み成長を行い、それら上部にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０９（厚さ３μｍ）を第３回目のＭＢＥ法で成長を行い、基板側とコンタクト層表面に電極を形成する（ここでは、これらの製造方法の詳細は図示せず。）。
【００５７】
窓領域が共振器端面になるように、リッジストライプに直交した面で劈開を行い、光出射側端面に反射率８％のコーティングと裏面側に９５％のコーティングを行う。ここで、共振器長は６００μｍ、窓領域の長さは２５μｍである。
【００５８】
本発明の半導体レーザ素子のｎ−電極１１１とｐ−電極１１２に、電圧を印加して、活性領域１２２のリッジストライプ内部とそれに相当する活性層に電流を注入することにより、光出射端面からレーザ発振光が得られる。波長６５５ｎｍで、最大光出力２５０ｍＷが得られ、窓効果により端面劣化が抑制される。さらに、動作温度６０℃、連続発振７０ｍＷの高出力で５０００ｈを超える高信頼性が得られた。
【００５９】
従来の半導体レーザ素子の発振閾値電流が５３ｍＡであるのに対して、本発明の半導体レーザ素子の発振閾値電流は４５ｍＡに低減できた。また、従来の半導体レーザ素子の光出力５０ｍＷの動作電圧が２．５Ｖに対して、本発明の半導体レーザ素子の動作電圧は２．３Ｖまで低減できた。電流低減と電圧低減により、本発明の半導体レーザ素子では従来の半導体レーザ素子以上の高出力で高信頼性が達成できた。
【００６０】
図５に、本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子のｐ−キャップ層１０７表面からｎ−クラッド層１０１へのｐ−不純物（Ｚｎ、Ｂｅ）の濃度分布を示す。図５において、縦軸はｐ−不純物（Ｚｎ、Ｂｅ）の濃度、横軸は各層の領域を示す。図５（ａ）に窓領域１２１の各層の濃度分布を、図５（ｂ）に活性領域１２２の各層の濃度分布を示す。
【００６１】
図５（ａ）の窓領域において、Ｚｎ（第２ドーパント）は、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７Ｗ表面（５×１０¹⁸ｃｍ^-3）からｐ−クラッド層１０６Ｗ中へと拡散分布し、〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下となっている。
【００６２】
また、Ｂｅ（第１ドーパント）は、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７Ｗ表面（１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3）から、第２上クラッド層１０６Ｗ、第１上クラッド層１０３Ｗ、ノンドープ多重量子井戸活性層１０２Ｗ、第１下クラッド層１０１Ｗへと及び、各層において、Ｂｅ濃度は１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度でほぼ一定の濃度分布となっている。このＢｅ拡散により、窓領域１２１の活性層１０２Ｗのバンドギャップ増大せさている。
【００６３】
図５（ｂ）の活性領域において、Ｚｎは、ほとんど拡散分布せず、一方、Ｂｅは、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７Ａ表面（〜１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3）から、第２上クラッド層１０６Ａ、第１上クラッド層１０３Ａ、まで拡散分布し、ノンドープ多重量子井戸活性層１０２Ａ、第１下クラッド層１０１へは、ほとんど拡散していないこと（〜１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であること）が示されている。
【００６４】
図５（ａ）、図５（ｂ）の結果から、次のことが明察される。本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の窓領域には、ｐ−ドーパントのＢｅ（第１ドーパント）とｐ−ドーパントのＺｎ（第２ドーパント）とが混在している。一方、活性領域では、ｐ−ドーパントのＢｅ（第１ドーパント）がｐ−ドーパントのＺｎ（第２ドーパント）より高濃度に存在する。また、窓領域のｐ−クラッド層の活性層側付近には主として第１ドーパントが存在する。
【００６５】
図５（ａ）、図５（ｂ）の結果から、次のことが明察される。本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の活性領域のｐ−クラッド層には、第１ドーパントの濃度が優位的に存在する。また、活性領域の活性層またはｎ−クラッド層に、第１ドーパントがほとんど存在しない。
【００６６】
Ｚｎの拡散定数は、例えば、ＧａＡｓ中において、７００℃では、４×１０^-14ｃｍ^-2／ｓ程度であり、Ｂｅの拡散定数は、例えば、ＧａＡｓ中において、７２５℃では、４×１０^-16ｃｍ^-2／ｓ程度であり、Ｚｎの拡散定数は、Ｂｅの拡散定数より２桁程度大きい。また、この拡散定数の大小関係は、インジウム、ガリウム、リンを少なくとも含む半導体材料においても同じであると考えられる（特開平８−１０２５６７号公報参照）言い換えれば、本発明のＡｌ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｐ系の半導体層１０７、１０６、１０３、１０２、１０１、の各層においても、第２ドーパントＺｎの拡散定数は、第１ドーパントＢｅの拡散定数よりも大きい。また、この系において、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅの拡散定数の大小関係は、Ｍｇ＞Ｚｎ＞Ｂｅであると推察される。
【００６７】
従来の半導体レーザ素子が６００℃３時間のアニールであったのに対し、本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の窓領域形成は、５００℃３時間のアニールと、低温アニールで形成することができた。こはれ、キャップ層表面から拡散定数の大きなＺｎがｐ−クラッド層中に拡散し、それがｐ−クラッド層中のドーパントＢｅの活性層への拡散を促進するように作用したためと推察される。このＢｅの活性層への拡散に伴い、活性層のバンドギャップが増大し、窓領域が形成される。
【００６８】
本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子では、従来の半導体レーザ素子よりも低温アニールで窓領域を形成できるので、活性領域において、ｐ−クラッド層中のドーパント（Ｂｅ）の活性層への拡散を抑制でき、動作電流及び動作電圧の増大を防止でき、高信頼性の高出力レーザが得られる。
【００６９】
さらに、活性領域のｐ−クラッド層のドーパントに拡散定数の小さなＢｅを配設することにより、窓領域形成時の熱アニールで活性領域のＢｅが活性層に拡散することを防止でき、動作電流及び動作電圧増大に対して、さらに効果的である。本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子では、窓領域におけるｐ−ドーパントのＺｎ濃度が、ｐ−クラッド層のドーパントのＢｅ濃度よりも高く設定されている。本構成により、Ｚｎ拡散がｐ−クラッド層中のＢｅ拡散を促進する効果がさらに大きくなる。
【００７０】
また、本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の窓領域におけるキャップ層、または、ｐ−クラッド層のキャップ層側付近のＺｎ濃度が、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である。Ｚｎ濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3よりも小さいと、ｐ−クラッド層のＢｅ拡散を促進する効果が小さくなる。
【００７１】
また、Ｚｎ濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3よりも大きいと、ｐ−キャップ層付近のｐ−クラッド層に大量のＺｎが拡散してキャリヤを生成する。そのために、レーザ光に対するｐ−クラッド層のフリーキャリヤ吸収が増大する。また、大量のＺｎ拡散はｐ−クラッド層中に結晶欠陥を生じやすくなり、そのためにレーザ光の吸収が生じる。
【００７２】
また、ｐ−クラッド層中のＢｅ濃度は素子抵抗を低減し、且つ、フリーキャリヤ吸収を低減するために、通常、１〜３×１０¹⁸ｃｍ^-3程度に設定される。従って、キャップ層側付近のＺｎ濃度が、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上に設定すれば、Ｚｎ濃度はＢｅ濃度と同等以上の濃度になるので、Ｚｎがｐ−クラッド層中に拡散しやすくなり、それが、ｐ−クラッド層中のＢｅの活性層への拡散を促進し、窓領域の活性層のバンドギャップを増大させることができる。
【００７３】
また、本発明の半導体レーザ素子のｐ−クラッド層の活性層付近におけるＢｅ濃度は〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である。Ｂｅ濃度が〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3よりも小さくなると、窓領域における活性層へのＢｅの拡散が少なくなり、窓領域の活性層のバンドギャップ増大効果が低減する。Ｂｅ濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-3よりも大きくなると、活性領域における活性層へのＢｅ拡散が増大して、動作電流及び動作電圧が増大する。
【００７４】
窓領域の上部における電流阻止層の長さは窓領域を覆うように、窓領域よりも長くなるように設定されるのが望ましい。これは、窓領域ではｐ−キャップ層からｐ−クラッド層に第２ドーパントが拡散されて第１ドーパントとの混在領域が形成されている。電流阻止層の長さを窓領域の長さよりも長くすることにより、この混在領域に電流を流すことを抑制できる。この混在領域に電流を流すと素子動作中に拡散がさらに促進し、素子特性の変動を生じる。従って、安定動作のために電流阻止層の長さを最適化することが望ましい。
【００７５】
また、本発明の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の材料系はＩｎ、Ｇａ、Ｐを少なくとも含有する。この場合、窓領域形成時の熱アニールで、第２ドーパントの拡散が第１ドーパントの拡散増大に特に有効に作用し、所望の窓領域形成に対して好適である。
【００７６】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の構造の斜視図を図６に、また、図６のＣ−Ｃ’断面図を図７に、図６のＤ−Ｄ’断面図を図８に、それぞれ示し、これを説明する。図から示されるように、図７はリッジストライプ中央部のリッジストライプの長手方向に平行な方向の断面図であり、図８は共振器中央部のリッジストライプの長手方向に垂直な方向の断面図である。
【００７７】
第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子では、拡散定数の小さい第１ドーパントにＢｅ、拡散定数の大きい第２ドーパントにＺｎ選択したが、本発明の第２の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子では、拡散定数の小さい第１ドーパントにＢｅ、拡散定数の大きい第２ドーパントにＭｇを選択した点が、主な相違点である。この相違点に着目して、説明する。
【００７８】
図６において、ｎ−ＧａＡｓ基板２００上に、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１下クラッド層２０１（厚さ２μｍ、、キャリヤ濃度１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）、ノンドープ多重量子井戸活性層２０２、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１上クラッド層２０３（厚さ０．２μｍ、キャリヤ濃度１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐエッチング停止層２０４（厚さ５０Å、キャリヤ濃度１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）がある。リッジストライプ２０５（幅２．５μｍ）はｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２上クラッド層２０６（厚さ１．２μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）とｐ−ＧａＡｓキャップ層２０７（厚さ０．３μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）で構成されている。
【００７９】
ここに、ノンドープ多重量子井戸活性層２０２は、２層のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐウエル層（厚さ８０Å）とその間の１層の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層（厚さ５０Å）とそれらを挟む（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層（厚さ３００Å）で構成されている。
【００８０】
光出射端面及びその付近では、活性層のバンドギャップが共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きくなっている。リッジストライプ２０５の側面は、ｎ−Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ電流阻止層２０８（厚さ１．２μｍ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）で埋め込まれており、光出射端面及びその付近ではリッジストライプの上部に電流阻止層２０８を有し、共振器内部のリッジストライプ上部には電流阻止層が形成されていない。これらのリッジストライプ上部と電流阻止層の上部には、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０９（厚さ３μｍ、キャリヤ濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）が形成されている。なお、本発明の半導体レーザ素子の共振器の長さは６００μｍである。
【００８１】
また、基板側表面と成長層側表面には電極２１０、２１１が形成されている。ここで、端面付近の活性層バンドギャップの大きな領域を窓領域２２１、共振器内部の活性層バンドキャップの小さな領域を活性領域２２２とする。
【００８２】
本発明の第１の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の窓領域１２１、共振器内部の活性層バンドキャップの小さな領域を活性領域１２２で述べたと同様に、活性層２０２、第１下クラッド層２０１、第１上クラッド層２０３等は、窓領域２２１及び活性領域２２２に対応して、符号が付与される。
【００８３】
活性層２０２は、窓領域２２１の活性層（２０２Ｗ）と活性領域２２２の活性層（２０２Ａ）と窓領域２２１の活性層（２０２Ｗ）とから構成される。
【００８４】
また、活性層２０２に隣接する第１下クラッド層２０１は、窓領域２２１の第１下クラッド層（２０１Ｗ）と活性領域２２２の第１下クラッド層（２０１Ａ）と窓領域２２１の第１下クラッド層（２０１Ｗ）とから構成される。
【００８５】
活性層２０２に隣接する第１上クラッド層２０３は、窓領域２２１の第１上クラッド層（２０３Ｗ）と活性領域２２２の第１上クラッド層（２０３Ａ）と窓領域２２１の第１上クラッド層（２０３Ｗ）とから構成される。
【００８６】
図７に示すように、窓領域２２１の上部に窓領域を覆うように、電流阻止層２０８が形成されている。図８に示すように、共振器内部の活性領域では、リッジストライプ上部に電流阻止層は形成されていない。
【００８７】
次に、本発明の第２の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の製造方法を図９に示し、これを説明する。図９（ａ）は、ｎ−ＧａＡｓ基板からｐ−キャップ層までの工程を示し、図９（ｂ）は、ＳｉＯ₂マスクを形成するまでの工程を示し、図９（ｃ）は、窓領域及び活性領域を形成工程を示し、図９（ｄ）は、リッジストライプを形成する工程を示す図である。
【００８８】
図９（ａ）において、ｎ−ＧａＡｓ基板２００上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法にて、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１下クラッド層２０１（キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層と２層のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐウエル層とその間の１層の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層と（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層で構成されるノンドープ多重量子井戸活性層２０２、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１上クラッド層２０３（キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐエッチング停止層２０４（キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２上クラッド層２０６（キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）とｐ−ＧａＡｓキャップ層２０７（厚さ０．３μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＢｅ）を成長する。
【００８９】
図９（ｂ）において、ＳｉＯ₂マスク２３１をｐ−キャップ層２０７表面に蒸着し、フォトリソグラフィとリフトオフにより、周期６００μｍで長さ５６０μｍのＳｉＯ２マスク２３１を形成する。
【００９０】
図９（ｃ）において、次に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法または液相成長（ＬＰＥ）法にて、ＳｉＯ₂マスク以外に選択的に高濃度のｐ−ＧａＡｓ拡散層２３２（厚さ２μｍ、キャリヤ濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＭｇまたはＺｎ）を成長する。
【００９１】
図９（ｄ）において、５００℃で２．５時間のアニールを行い、ＧａＡｓ拡散層２３２直下にＭｇを拡散し、その拡散によりｐ−クラッド層２０３、２０６のドーパントＢｅの量子井戸活性層２０２への拡散を促進して、活性層のバンドギャップ増大領域、即ち窓領域２２１を形成する。同時にＧａＡｓ拡散層２３２のない部分は活性領域２２２となる。最後に、ＧａＡｓ拡散層、ＳｉＯ₂マスクを除去し、フォトリソグラフィとエッチングによりリッジストライプ２０５を形成する。
【００９２】
リッジストライプの側面及び窓領域のリッジストライプ上部に、ｎ−Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ電流阻止層２０８を第２回目のＭＢＥ法で埋め込み成長を行い、それら上部にｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０９（厚さ３μｍ）を第３回目のＭＢＥ法で成長を行い、基板側とコンタクト層表面に電極を形成する（ここでは、これらの製造方法の詳細は図示せず。）。
【００９３】
窓領域が共振器端面になるように、リッジストライプに直交した面で劈開を行い、光出射側端面に反射率８％のコーティングと裏面側に９５％のコーティングを行う。ここで、共振器長は６００μｍ、窓領域の長さは２０μｍである。
【００９４】
本発明の半導体レーザ素子の電極２１０と２１１に電圧を印加して、活性領域２２２のリッジストライプ内部とそれに相当する活性層に電流を注入することにより、光出射端面からレーザ発振光が得られる。波長６５０ｎｍで最大光出力３００ｍＷが得られ、窓効果により端面劣化が抑制される。さらに、動作温度６０℃、連続発振８５ｍＷの高出力で５０００ｈを超える高信頼性が得られた。
【００９５】
従来の半導体レーザ素子の発振閾値電流が５３ｍＡであるのに対して、本発明の半導体レーザ素子の発振閾値電流は３５ｍＡに低減できた。また、従来の半導体レーザ素子の光出力５０ｍＷの動作電圧が２．５Ｖに対して、本発明の半導体レーザ素子の動作電圧は２．２Ｖまで低減できた。電流低減と電圧低減により、本発明の半導体レーザ素子では従来の半導体レーザ素子以上の高出力で高信頼性が達成できた。
【００９６】
図１０に本発明の半導体レーザ素子のｐ−キャップ層２０７表面からｎ−クラッド層２０１へのｐ−不純物（Ｍｇ、Ｂｅ）の濃度分布を示す。図１０（ａ）に窓領域の濃度分布を、図１０（ｂ）に活性領域の濃度分布を示す。
【００９７】
窓領域において、キャップ層表面からＭｇがｐ−クラッド層中に拡散している。一方、ｐ−クラッド層のＢｅは活性層だけでなく、ｎ−クラッド層の途中まで大量に拡散している。このＢｅ拡散が、窓領域の活性層のバンドギャップを増大させる。これに対して、活性領域では、ｐ−クラッド層のＢｅが活性領域の活性層にはほとんど拡散していない。
【００９８】
本発明の第２の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の窓領域にはｐ−ドーパントのＭｇ（第２ドーパント）とｐ−クラッド層のドーパンのＢｅ（第１ドーパント）が混在している。活性領域ではｐ−クラッド層のドーパントのＢｅが存在する。ここで、ドーパントの拡散定数はＭｇの方がＢｅよりも大きい。
【００９９】
本発明の半導体レーザ素子で従来の半導体レーザ素子よりも低温かつ短時間のアニールで窓領域が形成されたのは、キャップ層表面から拡散定数の大きなＭｇがｐ−クラッド層中に拡散し、それがｐ−クラッド層中のドーパントＢｅの活性層への拡散を促進するように作用すると推定される。このＢｅの活性層への拡散に伴い、窓領域の活性層のバンドギャップが増大し、窓領域が形成される。
【０１００】
本発明の第２の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子では、活性領域において、ｐ−クラッド層中のドーパント（Ｂｅ）の活性層への拡散を抑制でき、電流及び電圧の増大を防止でき、高信頼性の高出力レーザが得られる。
【０１０１】
さらに、活性領域のｐ−クラッド層のドーパントに拡散定数の小さなＢｅを配置することにより、窓領域形成時の熱アニールで活性領域のＢｅが活性層に拡散することをさらに防止でき、電流及び電圧増大に対して効果的である。
【０１０２】
本発明の第１及び第２の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子では、ｐ−ＧａＡｓ拡散層（ＺｎＯ_Xストライプ１３１、ＳｉＯ₂キャップ１３２等）のドーパントがＭｇ、Ｚｎの場合に同様の効果が得られた。特にドーパントがＭｇの場合には、より低温かつ短時間のアニールで窓領域の形成が可能となった。これは、Ｍｇの方がＺｎよりも、ｐ−クラッド層中のＢｅの活性層への拡散促進効果が大きいためと推測される。
【０１０３】
［第３の実施の形態実施］
図１１は本発明の第３の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザの素子構造の斜視図である。また、図１２は図１１のＥ−Ｅ’に示すようにリッジストライプ中央でリッジストライプに平行方向の断面図、図１３は図１１のＦ−Ｆ’に示すように共振器中央部でのリッジストライプに垂直方向の断面図である。
【０１０４】
本発明の第１〜第３の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の主な相違点は、第１の実施の形態では、拡散定数の小さい第１ドーパントにＢｅ、拡散定数の大きい第２ドーパントにＺｎを選択した点であり、第２の実施の形態では、第１ドーパントにＢｅ、第２ドーパントにＭｇを選択した点であり、第３の実施の形態では、第１ドーパントにＺｎ、第２ドーパントにＭｇを選択した点である。図１１において、ｎ−ＧａＡｓ基板３００上に、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１下クラッド層３０１（厚さ２μｍ、キャリヤ濃度１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）、２層のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐウエル層（厚さ８０Å）とその間の１層の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層（厚さ５０Å）とそれらを挟む（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層（厚さ３００Å）で構成されるノンドープ多重量子井戸活性層３０２、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１上クラッド層３０３（厚さ０．２μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＺｎ）、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐエッチング停止層３０４（厚さ５０Å、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＺｎ）がある。リッジストライプ３０５（幅２．５μｍ）はｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２上クラッド層３０６（厚さ１．２μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＺｎ）とｐ−ＧａＡｓキャップ層３０７（厚さ０．３μｍ、キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＭｇ）で構成されている。光出射端面及びその付近では、活性層のバンドギャップが共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きくなっている。リッジストライプ３０５の側面は、ｎ−Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ電流阻止層２０８（厚さ１．２μｍ、キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）で埋め込まれており、光出射端面及びその付近ではリッジストライプの上部に電流阻止層３０８を有し、共振器内部のリッジストライプ上部には電流阻止層が形成されていない。これらのリッジストライプ上部と電流阻止層の上部にはｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０９（厚さ３μｍ、キャリヤ濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＺｎ）が形成されている。なお、本発明の半導体レーザ素子の共振器の長さは６００μｍである。また、基板側表面と成長層側表面には電極３１０、３１１が形成されている。ここで、端面付近の活性層バンドギャップの大きな領域を窓領域３２１、共振器内部の活性層バンドキャップの小さな領域を活性領域３２２とする。
【０１０５】
図１２に示すように、窓領域３２１の上部に窓領域を覆うように、電流阻止層３０８が形成されている。図１３に示すように、共振器内部の活性領域では、リッジストライプ上部に電流阻止層は形成されていない。
【０１０６】
図１４に、本発明の第３の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の製造方法を示し、これを説明する。
【０１０７】
図１４（ａ）において、本発明の半導体レーザ素子の製造方法について次に述べる。図１４に素子製造方法を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板３００上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法にて、ｎ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１下クラッド層３０１（キャリヤ濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＳｉ）、（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層と２層のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐウエル層とその間の１層の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐバリヤ層と（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐガイド層で構成されるノンドープ多重量子井戸活性層３０２、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第１上クラッド層３０３（キャリヤ濃度１．５×１０１８ｃｍ−３、ドーパントＺｎ）、ｐ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐエッチング停止層３０４（キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＺｎ）、ｐ−（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ第２上クラッド層３０６（キャリヤ濃度１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＺｎ）と高濃度ｐ−ＧａＡｓキャップ層３０７（厚さ３μｍ、キャリヤ濃度６×１０¹⁸ｃｍ^-3、ドーパントＭｇ）を成長する。
【０１０８】
図１４（ｂ）において、ＳｉＯ₂マスク３３１をｐ−キャップ層３０７表面に蒸着し、フォトリソグラフィとリフトオフにより、周期６００μｍで長さ６０μｍのＳｉＯ₂マスク３３１を形成し、エッチングによりマスク以外の部分のｐ−キャップ層厚を０．２μｍまで薄くする。
【０１０９】
図１４（ｃ）において、６００℃で２時間のアニールを行い、ｐ−キャップ層の厚い部分のＭｇを拡散し、その拡散によりｐ−クラッド層３０３、３０６のドーパントＺｎの量子井戸活性層２０２への拡散を促進して、活性層のバンドギャップ増大領域、即ち窓領域３２１を形成する。同時にｐ−キャップ層の薄い部分はＭｇの拡散が少なく、そのためにｐ−クラッド層のＺｎの活性層への拡散も少なくなり、活性層のバンドギャップはほとんど変化しない活性領域３２２となる。
【０１１０】
図１４（ｄ）において、ＳｉＯ₂マスク３３１を除去し、ｐ−キャップ層３０７厚を調整して、フォトリソグラフィとエッチングによりリッジストライプ３０５を形成する。
【０１１１】
リッジストライプの側面及び窓領域のリッジストライプ上部に、ｎ−Ａｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ電流阻止層３０８を第２回目のＭＯＣＶＤ法で埋め込み成長を行い、それら上部にｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０９（厚さ３μｍ）を第３回目のＭＯＣＶＤ法で成長を行い、基板側とコンタクト層表面に電極を形成する。（ここでは、これらの製造方法の詳細は図示せず。）窓領域が共振器端面になるように、リッジストライプに直交した面で劈開を行い、光出射側端面に反射率８％のコーティングと裏面側に９５％のコーティングを行う。ここで、共振器長は６００μｍ、窓領域の長さは２０μｍである。
【０１１２】
本発明の第３の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の電極３１０と３１１に電圧を印加して、活性領域のリッジストライプ内部とそれに相当する活性層に電流を注入することにより、光出射端面からレーザ発振光が得られる。波長６５０ｎｍで最大光出力３００ｍＷが得られ、窓効果により端面劣化が抑制されている。さらに、動作温度６０℃、連続発振７５ｍＷの高出力で、５０００ｈを超える高信頼性が得られた。
【０１１３】
従来の半導体レーザ素子の発振閾値電流が５３ｍＡであったのに対して、本発明の第３の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子の発振閾値電流は約４０ｍＡであり、発振閾値電流を約１３ｍＡ低減することができた。また、従来の半導体レーザ素子の光出力５０ｍＷの動作電圧が２．５Ｖに対して、本発明の端面窓型半導体レーザ素子の動作電圧は２．３Ｖであり、２．３Ｖまで低減することができた。電流低減と電圧低減により、本発明の端面窓型半導体レーザ素子では、従来の半導体レーザ素子以上の高出力と高信頼性とを達成することができた。図１５に、本発明の第３の実施の形態に関する端面窓型半導体レーザ素子のｐ−キャップ層３０７表面からｎ−クラッド層３０１へのｐ−不純物（Ｍｇ、Ｚｎ）の濃度分布を示す。図１５（ａ）に窓領域の濃度分布を、図１５（ｂ）に活性領域の濃度分布を示す。窓領域において、キャップ層表面からＭｇがｐ−クラッド層中に拡散している。ｐ−クラッド層のＺｎが活性層だけでなく、ｎ−クラッド層の途中まで大量に拡散している。このＺｎ拡散が、バンドギャップ増大を生じさせる。これに対して、活性領域では、ｐ−キャップ層のＭｇの拡散はすくなく、ｐ−クラッド層のＺｎが活性層にはほとんど拡散していない。
【０１１４】
本実施の形態では１回目の結晶成長により形成したｐ−キャップ層の厚みを変化させることにより、窓領域と活性領域を形成でき、製造上簡易であるという特徴がある。
【０１１５】
以上、本実施の形態では、ＩｎＧａＡｌＰ系材料について述べたが、それ以外にＡｌＧａＡｓ系材料の場合にも同様の効果が得られる。
【０１１６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の半導体レーザ素子によれば、半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型キャップ層を有し、各半導体層に垂直な共振器端面を有し、共振器端面の少なくとも一方の端面付近における活性層のバンドギャップが共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きい窓領域を有する半導体レーザ素子であり、窓領域のｐ型クラッド層には第１ドーパントと第１ドーパントより拡散定数の大きい第２ドーパントとが混在し、窓領域以外の活性領域のｐ型クラッド層には第１ドーパントが第２ドーパントより高濃度に存在する構成としている。
【０１１７】
従って、窓領域形成時に、拡散定数の大きいｐ型ドーパント（第２ドーパント）が拡散定数の小さいｐ型ドーパント（第１ドーパント）の拡散を促進して活性層を無秩序化するので、比較的低温または短時間のアニールで所望の窓領域を形成できる。その結果、活性領域でｐ型ドーパントが活性層に拡散することによる動作電流及び動作電圧の増大を防止でき、高出力で高信頼性の半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１１８】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、窓領域のｐ型キャップ層における第２ドーパントの濃度が第１ドーパントの濃度より高く配設する構成としている。従って、窓領域形成時に、拡散定数の大きいｐ型ドーパント（第２ドーパント）が拡散定数の小さいｐ型ドーパント（第１ドーパント）の拡散を促進するので、比較的低温または短時間のアニールで所望の窓領域を形成できる。その結果、活性領域でｐ型ドーパントが活性層に拡散することによる動作電流及び動作電圧の増大を防止でき、高出力で高信頼性の半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１１９】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、窓領域以外の共振器内部のｐ型クラッド層には第１ドーパントの濃度が優位的に存在する構成としている。
【０１２０】
従って、活性領域に拡散定数の小さなドーパント（第１ドーパント）を配設することにより、窓領域形成時の熱アニールで、ｐ型第２ドーパントが活性領域の活性層に拡散することを防止できる。その結果、動作電流及び動作電圧の増大を防止でき、高出力で高信頼性の半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１２１】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、窓領域のｐ型クラッド層のキャップ層側付近には主として第２ドーパントが配設され、窓領域のｐ型クラッド層の活性層側付近には主として第１ドーパントが配設される構成としている。
【０１２２】
従って、窓領域形成時の熱アニールで、拡散定数の大きな第２ドーパントが拡散定数の小さな第１ドーパントの活性層への拡散を効果的に促進する。従って、アニール温度のさらなる低温化を図ることができ、動作電流及び動作電圧の増大を防止できる。その結果、動作電流及び動作電圧の増大を防止でき、高出力で高信頼性の半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１２３】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、活性領域の活性層またはｎ型クラッド層に、第１ドーパントがほとんど存在しない構成としている。
【０１２４】
従って、窓領域形成時の熱アニールで、活性領域での第１ドーパントの活性層またはｎ型クラッド層への拡散を抑制することにより、動作電流及び動作電圧の増大を防止でき、高出力で高信頼性の半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１２５】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、窓領域のｐ型クラッド層のキャップ層側付近における第２ドーパントの濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下である構成としている。
【０１２６】
従って、第２ドーパントの濃度を所定の範囲に設定することにより、窓領域形成時の熱アニールに伴う特性悪化を防止することができる。
【０１２７】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、ｐ型クラッド層の活性層側付近における第１ドーパントの濃度が５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、３×１０¹⁸ｃｍ^-3以下である構成としている。
【０１２８】
従って、第１ドーパントの濃度を所定の範囲に設定することにより、窓領域形成時の熱アニールに伴う特性悪化を防止することができる。
【０１２９】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、第１ドーパントと第２ドーパントの組み合わせが、各々ベリリウムと亜鉛、ベリリウムとマグネシウム、または、亜鉛とマグネシウム、である構成としている。
【０１３０】
従って、第１ドーパントと第２ドーパントの組合せを必要に応じて選択することができ、所望の窓領域を制御よく形成することができる。
【０１３１】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、窓領域上部のリッジ上部に電流阻止層を有し、その長さが窓領域の長さよりも長い構成としている。
【０１３２】
従って、窓領域のｐ型クラッド層への電流リークによる半導体レーザ素子の特性悪化を抑制でき、特性安定化に好適である。
【０１３３】
また、本発明の半導体レーザ素子によれば、半導体の構成材料が、インジウム、ガリウム、リンを少なくとも含む構成としている。
【０１３４】
従って、半導体の構成材料の選択の幅が大きくなり、所望の発振波長を持つ半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１３５】
また、本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、第１ドーパントを有するｐ型クラッド層とｐ型キャップ層を成長する工程、その上に共振器端面付近に相当する部分にのみ、第１ドーパントよりも拡散定数の大きな第２ドーパントとなる拡散源を形成する工程、次に熱アニールによりｐ型クラッド層に第２ドーパントを拡散して、ｐ型クラッド層中の第１ドーパントの活性層への拡散を促進させて、活性層のバンドギャップを共振器内部よりも増大させて窓領域を形成する工程、とを少なくとも含み、該第１ドーパントと第２ドーパントの組み合わせが、各々ベリリウムと亜鉛、ベリリウムとマグネシウム、または、亜鉛とマグネシウム、である構成としている。
【０１３６】
従って、高出力で高信頼性の半導体レーザ素子を得るための制御性に優れた製造方法を得ることができる。
【０１３７】
【０１３８】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に関する半導体レーザ素子の斜視図である。
【図２】 本発明の図１のＡ−Ａ’断面図であり、リッジストライプ中央部のリッジストライプの長手方向に平行な方向の断面図である。
【図３】 本発明の図１のＢ−Ｂ’断面図であり、共振器中央部のリッジストライプの長手方向に垂直な方向の断面図である。
【図４】 本発明の第１の実施の形態に関する半導体レーザ素子の製造方法に関する図であり、（ａ）はｎ−ＧａＡｓ基板からｐ−キャップ層までの工程を示す図、（ｂ）はＺｎＯ_Xストライプの形成からＳｉＯ₂キャップを形成するまでの工程を示す図、（ｃ）は窓領域及び活性領域を形成工程を示す図、（ｄ）はリッジストライプを形成する工程を示す図、である。
【図５】 本発明の第１の実施の形態に関する半導体レーザ素子のｐ−キャップ層１０７表面からｎ−クラッド層１０１へのｐ型不純物（Ｚｎ、Ｂｅ）の濃度分布を示す図であり、（ａ）は窓領域１２１の各層の濃度分布を示す図であり、（ｂ）は活性領域１２２の各層の濃度分布を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態に関する半導体レーザ素子の斜視図である。
【図７】 本発明の図６のＣ−Ｃ’断面図であり、リッジストライプ中央部のリッジストライプの長手方向に平行な方向の断面図である。
【図８】 本発明の図６のＤ−Ｄ’断面図であり、共振器中央部のリッジストライプの長手方向に垂直な方向の断面図である。
【図９】 本発明の第２の実施の形態に関する半導体レーザ素子の製造方法に関する図であり、（ａ）はｎ−ＧａＡｓ基板からｐ−キャップ層までの工程を示す図、（ｂ）はＺｎＯ_Xストライプの形成からＳｉＯ₂キャップを形成するまでの工程を示す図、（ｃ）は窓領域及び活性領域を形成工程を示す図、（ｄ）はリッジストライプを形成する工程を示す図、である。
【図１０】 本発明の第２の実施の形態に関する半導体レーザ素子のｐ−キャップ層２０７表面からｎ−クラッド層２０１へのｐ型不純物（Ｍｇ、Ｂｅ）の濃度分布を示す図であり、（ａ）は窓領域２２１の各層の濃度分布を示す図であり、（ｂ）は活性領域２２２の各層の濃度分布を示す図である。
【図１１】 本発明の第３の実施の形態に関する半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１２】 本発明の図６のＣ−Ｃ’断面図であり、リッジストライプ中央部のリッジストライプの長手方向に平行な方向の断面図である。
【図１３】 本発明の図６のＤ−Ｄ’断面図であり、共振器中央部のリッジストライプの長手方向に垂直な方向の断面図である。
【図１４】 本発明の第３の実施の形態に関する半導体レーザ素子の製造方法に関する図であり、（ａ）はｎ−ＧａＡｓ基板からｐ−キャップ層までの工程を示す図、（ｂ）はＺｎＯ_Xストライプの形成からＳｉＯ₂キャップを形成するまでの工程を示す図、（ｃ）は窓領域及び活性領域を形成工程を示す図、（ｄ）はリッジストライプを形成する工程を示す図、である。
【図１５】 本発明の第３の実施の形態に関する半導体レーザ素子のｐ−キャップ層３０７表面からｎ−クラッド層３０１へのｐ型不純物（Ｍｇ、Ｚｎ）の濃度分布を示す図であり、（ａ）は窓領域３２１の各層の濃度分布を示す図であり、（ｂ）は活性領域３２２の各層の濃度分布を示す図である。
【図１６】 従来例の半導体レーザ素子の斜視図である。
【図１７】 従来例の図１６のＧ−Ｇ’における断面図である。
【図１８】 従来例の半導体レーザ素子のリッジストライプ７内部のｐ−上クラッド層６表面かｎ−クラッド層２へのｐ型不純物（Ｚｎ）の濃度分布を示す図であり、（ａ）は窓領域のＺｎの濃度分布を示す図であり、（ｂ）は活性領域のＺｎの濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０１、２０１、３０１ ｎ−第１下クラッド層
１０１Ａ、２０１Ａ、３０１Ａ 活性領域におけるｎ−第１下クラッド層
１０１Ｗ、２０１Ｗ、３０１Ｗ 窓領域におけるｎ−第１下クラッド層
１０２、２０２、３０２ 量子井戸活性層（活性層）
１０２Ａ、２０２Ａ、３０２Ａ 活性領域における量子井戸活性層（活性層）
１０２Ｗ、２０２Ｗ、３０２Ｗ 窓領域における量子井戸活性層（活性層）
１０３、２０３、３０３ ｐ−第１上クラッド層
１０３Ａ、２０３Ａ、３０３Ａ 活性領域におけるｐ−第１上クラッド層
１０３Ｗ、２０３Ｗ、３０３Ｗ 窓領域におけるｐ−第１上クラッド層
１０４、２０４、３０４ ｐ−エッチング停止層
１０５、２０５、３０５ リッジストライプ
１０５Ａ、２０５Ａ、３０５Ａ 活性領域におけるリッジストライプ
１０５Ｗ、２０５Ｗ、３０５Ｗ 窓領域におけるリッジストライプ
１０６、２０６、３０６ ｐ−第２上クラッド層
１０６Ａ、２０６Ａ、３０６Ａ 活性領域におけるｐ−第２上クラッド層
１０６Ｗ、２０６Ｗ、３０６Ｗ 窓領域におけるｐ−第２上クラッド層
１０７、２０７、３０７ ｐ−キャップ層
１０７Ａ、２０７Ａ、３０７Ａ 活性領域におけるｐ−キャップ層
１０７Ｗ、２０７Ｗ、３０７Ｗ 窓領域におけるｐ−キャップ層
１０８、２０８、３０８ ｎ−電流阻止層
１０９、２０９、３０９ ｐ−コンタクト層
１１０、２１０、３１０ ｎ−電極
１１１、２１１、３１１ ｐ−電極
１２１、２２１、３２１ 窓領域
１２２、２２２、３２２ 活性領域
１３１ ＺｎＯストライプ
１３２ ＳｉＯ₂キャップ
２３１、３３１ ＳｉＯ₂マスク
２３２ 拡散層

Claims (6)

1. 半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、ｐ型キャップ層を有し、各半導体層に垂直な共振器端面を有し、該共振器端面の少なくとも一方の端面付近における活性層のバンドギャップが共振器内部の活性層のバンドギャップよりも大きい窓領域を有する半導体レーザ素子において、
   該窓領域のｐ型クラッド層には第１ドーパントと第１ドーパントより拡散定数の大きい第２ドーパントとが混在し、
   該窓領域以外の活性領域のｐ型クラッド層には第１ドーパントが第２ドーパントより高濃度に存在し、
   該第１ドーパントと第２ドーパントの組み合わせが、各々ベリリウムと亜鉛、ベリリウムとマグネシウム、または、亜鉛とマグネシウム、であり、
   該窓領域上部のリッジ上部に電流阻止層を有し、その長さが窓領域の長さよりも長いことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１記載の半導体レーザ素子において、
   前記窓領域のｐ型クラッド層のキャップ層側付近には主として第２ドーパントが配設され、前記窓領域のｐ型クラッド層の活性層側付近には主として第１ドーパントが配設されることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項２記載の半導体レーザ素子において、
   前記窓領域のｐ型クラッド層のキャップ層側付近における第２ドーパントの濃度が１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以上、１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項２記載の半導体レーザ素子において、
   ｐ型クラッド層の活性層側付近における第１ドーパントの濃度が５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上、３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
5. 請求項１記載の半導体レーザ素子において、
   前記半導体の構成材料が、インジウム、ガリウム、リンを少なくとも含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
6. 半導体基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、第１ドーパントを有するｐ型クラッド層とｐ型キャップ層を成長する工程、その上に共振器端面付近に相当する部分にのみ、第１ドーパントよりも拡散定数の大きな第２ドーパントとなる拡散源を形成する工程、次に熱アニールによりｐ型クラッド層に第２ドーパントを拡散して、ｐ型クラッド層中の第１ドーパントの活性層への拡散を促進させて、活性層のバンドギャップを共振器内部よりも増大させて窓領域を形成する工程、とを少なくとも含み、
   該第１ドーパントと第２ドーパントの組み合わせが、各々ベリリウムと亜鉛、ベリリウムとマグネシウム、または、亜鉛とマグネシウム、であることを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。

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