JP4091529B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、ＣＤ、ＤＶＤ（デジタル多用途ディスク；digital versatile disk）、ＤＶＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＣＤ−Ｒ/ＲＷなどのピックアップ用光源に用いるのにとくに適した半導体レーザに関する。さらに詳しくは、高出力用でもＣＯＤレベルが高く、長寿命化できる半導体レーザに関する。

たとえば７８０ｎｍ波長の赤外用高出力半導体レーザは、図６に示されるような構造に形成されている。すなわち、たとえばｎ形ＧａＡｓからなる半導体基板２１の上に、たとえばｎ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる下部クラッド層２２、ノンドープまたはｎ形もしくはｐ形のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる活性層２３、ｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる上部第１クラッド層２４が順次積層され、さらにその上に、たとえばｐ形のＩｎＧａＰからなるエッチングストップ層２５、ｐ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる上部第２クラッド層２６およびＧａＡｓからなるキャップ層２７が積層されて、ウェットエッチングによりエッチングされてリッジ部２８が形成されている。その後、リッジ部２８の両側に選択成長により、たとえばｎ形ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなる電流ブロック層２９が形成され、下部クラッド層２２からキャップ層２７までの各層および電流ブロック層２９とにより発光層形成部３１が構成されている。その上に、たとえばｐ形ＧａＡｓからなるコンタクト層３０が設けられ、その上面にｐ側電極３２が、基板裏面にｎ側電極３３がそれぞれ設けられることにより形成されている。

この構造で、通常は半導体基板２１の厚さが５０μｍ程度、コンタクト層３０の厚さが１〜３μｍ程度に形成される。この半導体レーザは、通常上面電極であるｐ側電極３２をサブマウントなどに接着するフェースダウン（ジャンクションダウン）構造でマウントされ、発光層形成部３１で発生する熱量を放散しやすくしているため、コンタクト層３０の厚さは、前述のように、１〜３μｍ程度と余り厚くは形成されない。また、６０ｍＷ以上の高出力にするには、ニアフィールドパターンを大きくする必要があり、発光層形成部３１に形成されるビームスポットＰを大きくするため、主として下部および上部のクラッド層２２、２４、２６と活性層２３とからなる発光層形成部３１の厚さを４〜６μｍ程度にしなければならない。

一方、活性層から半導体基板裏面までの距離と、活性層からコンタクト層上面までの厚さとをほぼ同じにして、たとえばコンタクト層を５０μm程度で６０μm以下にすることにより、光学式ピックアップに用いたときに、戻り光による反射量を少なくして戻り光が再び光ディスクに達して受光素子に検出されることによる読取り信号のＳ／Ｎの悪化を防ぐことが開示されている（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−８６８８６号公報（図１）

前述のように、発光層形成部を厚くした高出力用の半導体レーザは、ＣＯＤ（破局的光学損傷）レベルが低く、長時間の動作（高温エージング試験）により破壊に至るものが多く、寿命が短くて信頼性が低いという問題がある。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、高出力用で、発光層形成部の厚さが４μｍ以上と厚い半導体レーザでも、ＣＯＤレベルを高くして、寿命を長くすることができる半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明者は、高出力用半導体レーザを高温（たとえば７５℃）で高出力（たとえば２００ｍＷ）の加速寿命試験をすると、１００〜２５０時間という短い時間で破壊する半導体レーザが発生する原因について、鋭意検討を重ねて調べた結果、半導体基板２１として一般に用いられるＧａＡｓと発光層形成部のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体とで、格子定数が若干異なり、材料の熱膨張係数も異なる上に、発光層形成部が厚いことから、発光層形成部の半導体層に歪みが発生し、その歪みのために、劈開の際に、たとえば図５（ａ）に示されるように、半導体層（下部クラッド層２２）に劈開段差Ｆが形成され、それが原因でＣＯＤレベルが低下し、寿命試験によりさらにＣＯＤレベルが低下することから、短時間で破壊に至るということを見出した。

そして、コンタクト層に半導体基板と格子定数および熱膨張係数がほぼ同じ半導体材料を用い、ある程度厚く形成することにより発光層形成部の半導体層にかかる応力が、半導体基板とコンタクト層との両側からかかるようにすることにより、一方向のみに引っ張られることがなく、劈開の際に劈開段差が生じることもなく、ＣＯＤレベルの低下を防止することができることを見出した。さらに、発光層形成部の厚さが薄ければ、応力は蓄積されず、その影響は殆どないが、発光層形成部の厚さが厚くなると応力が蓄積されて、その影響が大きくなることから、発光層形成部の応力を効果的に緩和するためには、発光層形成部の厚さに応じてコンタクト層の厚さを厚くする必要があることも見出した。

一方、コンタクト層を余り厚くし過ぎると、ジャンクションダウンでマウントしても発光層形成部で発熱した熱を充分に放散することができず、半導体レーザの寿命を短くすることになり、結局コンタクト層の厚さをｄ₁、発光層形成部の厚さをｄ₂とするとき、１.５≦（ｄ₁／ｄ₂）≦２.８の関係になるようにコンタクト層を形成することにより、発光層形成部が４μｍ以上と厚くても、下部クラッド層などに劈開段差などが形成されることなく、ＣＯＤレベルを高く維持することができ、加速寿命試験を５００時間以上の長時間行っても破損しないことを見出した。

本発明による半導体レーザは、半導体基板と、該半導体基板と格子定数および熱膨張係数の異なる材料からなり、該半導体基板上に積層される第１導電形クラッド層、活性層および第２導電形クラッド層を含む発光層形成部と、該発光層形成部の上に積層され、前記半導体基板と格子定数および熱膨張係数がほぼ同じ材料からなるコンタクト層とを有し、該コンタクト層の厚さをｄ₁、前記発光層形成部の厚さをｄ₂、前記半導体基板の厚さをｄ₃とするとき、１.５≦（ｄ₁／ｄ₂）≦２.８であり、ｄ₂が４〜６μｍであり、かつ、０.２ｄ₃≦ｄ₁≦１７μｍとなるように形成されることにより、前記発光層形成部が前記基板から受ける応力を前記コンタクト層により緩和するように、前記コンタクト層、発光層形成部および前記半導体基板が形成されている。

前記発光層形成部がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を主体とした半導体からなると共に、前記半導体基板および前記コンタクト層がＧａＡｓからなることが、高出力用の半導体レーザにとくに適している。なお、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体とは、ＡｌとＧａとの混晶比率が種々異なり得ることを意味し、「主体とした」とは、少なくともクラッド層、活性層がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体からなり、それ以外の半導体層が含まれてもよいという趣旨である。

本発明による半導体レーザの他の形態は、半導体基板と、該半導体基板と格子定数および熱膨張係数の異なる材料からなり、該半導体基板上に積層される第１導電形クラッド層、活性層および第２導電形クラッド層を含む発光層形成部と、該発光層形成部の上に積層されるコンタクト層とを有し、前記半導体基板およびコンタクト層がＧａＡｓからなり、前記発光層形成部がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を主体とした半導体からなり、前記発光層形成部が前記基板から受ける応力を前記コンタクト層により緩和するように、前記半導体基板の厚さｄ₃が４０〜６０μｍ、前記発光層形成部の厚さｄ₂が４〜６μｍ、前記コンタクト層の厚さｄ₁が７〜１７μｍに形成されている。

本発明の構造によれば、コンタクト層の厚さが従来の１〜３μｍ程度から７〜１７μｍ程度と厚くなっているため、半導体基板と発光層形成部との格子定数や熱膨張係数の差に基づく応力が発光層形成部に印加されても、発光層形成部の半導体基板と反対側には半導体基板と格子定数や熱膨張係数がほぼ同じ材料からなるコンタクト層が厚く形成されていることにより、発光層形成部には、基板と反対側からも同様の応力が働くことになる。そのため、発光層形成部は一方のみから応力を受けるのではなく、両側から同様の応力を受けることになり、バランスを保つことができる。その結果、劈開を行うような外力が加わる場合でも、応力に基づいて発光層形成部に劈開段差が形成されることがなく、ＣＯＤレベルを低下することがない。初期のＣＯＤレベルが高く保持されることにより、加速エージングを行ってＣＯＤレベルが徐々に下がっても、破壊レベルまでには充分に余裕があるため、非常に長時間エージング試験を行っても破損することが無く、信頼性の高い半導体レーザが得られる。

一方、コンタクト層が余り厚くなると、上面側をサブマウントなどにボンディングするフェースダウン（ジャンクションダウン）構造で実装しても、発光層形成部で発生する熱の逃げが悪く、発光特性が低下するが、本発明では、発光層形成部の厚さの２.８倍以下に抑えているため、たとえば発光層形成部の厚さが５μｍあっても、コンタクト層の厚さは１４μｍとなり、１４μｍ程度であれば充分に熱伝導により発光層形成部で発生する熱を放熱することができる。その結果、熱膨張係数や格子定数の差に基づく応力や発光に伴う熱の発生による発光層形成部の劣化を招くことが無く、高いＣＯＤレベルを維持して信頼性の高い半導体レーザが得られる。

さらに、半導体基板の厚さをｄ₃とするとき、０.２ｄ₃≦ｄ₁≦１７μｍとなるようにコンタクト層の厚さが設定されることにより、さらに信頼性を向上させることができる。すなわち、半導体基板の厚さが厚いほど発光層形成部に与える応力の関係が大きく、半導体基板の厚さが薄いほどその影響は小さい。そのため、半導体基板の厚さによってもコンタクト層の厚さが制限されることにより、半導体基板による応力の影響を緩和することができ、より一層ＣＯＤレベルの低下を防止し、信頼性を向上させることができる。この場合、半導体基板の厚さが厚くても、コンタクト層の上限を１７μｍとすることにより、発光層形成部で発生する熱を効率良く放散させることができ、発光層形成部の劣化を抑制することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体レーザについて説明をする。本発明による半導体レーザは、図１にその一実施形態の断面説明図が示されるように、半導体基板１上に第１導電形（以下、ｎ形とする）クラッド層２、活性層３および第２導電形（以下、ｐ形とする）クラッド層４、６を含む発光層形成部８が積層され、発光層形成部８の上に、半導体基板１と格子定数および熱膨張係数がほぼ同じ材料からなるコンタクト層９が積層されている。このコンタクト層９の厚さをｄ₁、発光層形成部８の厚さをｄ₂とするとき、１.５≦（ｄ₁／ｄ₂）≦２.８となるように、発光層形成部８およびコンタクト層９が形成されていることに特徴がある。

この種の半導体レーザとしては、発光層形成部８として、赤外光である７８０ｎｍ波長用のＡｌＧａＡｓ系化合物半導体や、赤色光である６５０ｎｍ波長発光用のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体が用いられ、これらの半導体材料を積層するための半導体基板１としては、ＧａＡｓ基板が一般的に用いられるが、他の化合物半導体でも構わない。また、半導体基板１の導電形は、半導体レーザを組み込むセットとの関係で、基板側に望まれる導電形のｎ形またはｐ形のいずれかが用いられ、この基板１の導電形にしたがって、積層される半導体層の導電形も定まる。以下の具体例では、半導体基板１がｎ形の例で説明する。この半導体基板１は、ウェハ処理の際は、２００〜４００μｍ程度の厚さがあるが、後述する電極を形成する前に、裏面が研磨されて、厚さｄ₃が４０〜６０μｍ程度にされる。基板の厚さは、劈開前の厚さで、この研磨後の厚さを意味する。

発光層形成部８としては、図１に示される例では、ｎ形クラッド層２、ノンドープまたはｎ形もしくはｐ形の活性層３およびｐ形の第１クラッド層４、ｐ形エッチングストップ層５、ｐ形の第２クラッド層６、キャップ層７、およびリッジ状にエッチングされたｐ形の第２クラッド層６の両側に埋め込まれたｎ形の電流ブロック層１３とからなっている。

具体的には、ｎ形ＧａＡｓ基板１を、たとえばＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に入れ、反応ガスのトリエチルガリウム（ＴＥＧ）もしくはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ホスフィン（ＰＨ₃）、アルシン（ＡｓＨ₃）および半導体層の導電形に応じて、ｎ形ドーパントガスとしてのＳｉＨ₄またはｐ形ドーパントとしてジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）もしくはシクロペンタジエニルベリリウム（Ｂｅ（ＭｅＣｐ）₂）の必要な材料をキャリアガスの水素（Ｈ₂）と共に導入し、５００〜７００℃程度で各半導体層をエピタキシャル成長することにより前述の各半導体層の積層構造が得られる。

ｎ形クラッド層２は、たとえばＡｌ_x1Ｇａ_1-x1Ａｓ（０.４≦ｘ１≦０.７、たとえばｘ１＝０.５）からなり、１〜４μｍ程度に形成され、活性層３は、Ａｌ_y1Ｇａ_1-y1Ａｓ（０.０５≦ｙ１≦０.２、たとえばｙ１＝０.１５）のバルク構造またはＡｌ_y2Ｇａ_1-y2Ａｓ（０.０４≦ｙ２≦０.２、たとえばｙ２＝０.１）からなるウェル層とＡｌ_y3Ｇａ_1-y3Ａｓ（０.１≦ｙ３≦０.５、ｙ２＜ｙ３、たとえばｙ３＝０.３）からなるバリア層とのシングルもしくはマルチの量子井戸（ＳＱＷまたはＭＱＷ）構造により、全体で０.０４〜０.２μｍ程度に形成され、ｐ形第１クラッド層４は、Ａｌ_x2Ｇａ_1-x2Ａｓ（０.４≦ｘ２≦０.７、たとえばｘ２＝０.５）を０.１〜０.５μｍ程度に形成されている。なお、活性層３とクラッド層２、４との間に光ガイド層を設ける構造など、他の半導体層がいずれかの層間に介在されてもよい。

さらに、エッチングストップ層５が、ｐ形第１クラッド層４上にｐ形またはアンドープの、たとえばＩｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐにより０.０１〜０.０５μｍ程度に形成され、ｐ形第２クラッド層６が、Ａｌ_x3Ｇａ_1-x3Ａｓ（０.４≦ｘ３≦０.７、たとえばｘ３＝０.５）により、１〜３μｍ程度形成され、その上にｐ形ＧａＡｓからなるキャップ層７が０.０５〜０.２μｍ程度設けられ、キャップ層７およびｐ形第２クラッド層６の両側がエッチングされてリッジ部１１が形成され、その両側に、たとえばＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０.５≦ｚ≦０.８、たとえばｚ＝０.６）からなる電流ブロック層１３がリッジ部１１の横を埋めるように形成されることにより、発光層形成部８が形成されている。前述のように、高出力の半導体レーザでは、クラッド層の厚さを厚くする必要があり、発光層形成部８全体の厚さｄ₂は、４〜６μｍと厚く形成されている。

なお、エッチングストップ層５は、Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐに限定されるものではなく、たとえばＩｎ_0.49（Ｇａ_0.8Ａｌ_0.2）_0.51Ｐなどを使用することもできるし、キャップ層７は、後の工程でコンタクト層を成長する際に、半導体積層部１０の表面に酸化膜などが形成されて、汚れるのを防止するもので、他の半導体層でもよく、また、コンタクト層形成前にサーマルクリーニングにより除去されたり、表面の汚れさえ防止することができれば最初から設けなかったりしてもよい。また、リッジ部１１を形成するためのエッチングは、たとえばＣＶＤ法などにより、ＳｉＯ₂またはＳｉＮ_xなどからなるマスクを形成し、たとえばドライエッチングなどによりキャップ層７を選択的にエッチングし、引き続きＨＣｌのようなエッチング液により、ｐ形第２クラッド層６をエッチングすることにより、図に示されるようにリッジ部１１が帯状（紙面と垂直方向）に形成される。なお、さらに露出したエッチングストップ層５を除去する場合もある。

コンタクト層９は、発光層形成部８および電流ブロック層１３上に、たとえばｐ形ＧａＡｓ層により、その厚さｄ₁が７〜１７μｍ程度に形成されている。すなわち、従来の構造では、１〜３μｍ程度と薄くして、サブマウントなどに搭載された場合に、発光層形成部８で発生する熱を放散しやすくしていたが、本発明では、熱放散をある程度確保しながら、発光層形成部８の厚さが厚くなることに起因して発生する半導体基板との間に生じる応力をコンタクト層９により緩和させるようにコンタクト層９が厚く形成されている。そのため、コンタクト層９としては、半導体基板１と格子定数が近く、かつ、熱膨張係数も近い材料、具体的には、半導体基板１と同じ材料の半導体が好ましく、半導体基板１がＧａＡｓの場合には、コンタクト層９もＧａＡｓにより前述の厚さに形成されている。なお、このコンタクト層９の表面に、Ｔｉ／Ａｕなどからなるｐ側電極１５が、また、半導体基板１の裏面には、前述のように、研磨により薄くされた後に、Ａｕ／Ｇｅ／ＮｉまたはＴｉ／Ａｕなどからなるｎ側電極１６がそれぞれ形成されている。この電極形成後に劈開などにより、ウェハからチップ化されている。

つぎに、このコンタクト層９を半導体基板１と格子定数および熱膨張係数がほぼ同じ材料を用いて、７〜１７μｍ程度に形成しなければならない理由について、以下に詳説する。前述のように、本発明者は、高出力半導体レーザは、加速寿命試験により短時間で破損しやすいという現象を改善するため、鋭意検討を重ねた。その結果、発光層形成部８と半導体基板１との間の格子定数や熱膨張係数の違いに基づき、発光層形成部８に歪みが生じ、その歪みが原因で、ウェハからチップ化する際の劈開による外力で、半導体基板１の近くの下部クラッド層２などに、図５にＦで示されるような劈開段差（クラック）が形成され、この段差によりＣＯＤレベルを下げていることが、寿命試験で破損する原因であることを見出した。

すなわち、たとえば７８０ｎｍ波長の半導体レーザでは、発光層形成部８の半導体材料としてＡｌＧａＡｓ系化合物が用いられ、半導体基板１のＧａＡｓの格子定数は０.５６５３ｎｍ、線膨張係数は６.０３（１０^-6／Ｋ）であるのに、たとえばＡｌ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓの格子定数は、０.５６５７ｎｍ、線膨張係数は５.０４（１０^-6／Ｋ）と、共に異なっており、さらに高出力半導体レーザでは、前述のように、クラッド層２、４、６を厚くする必要があり、発光層形成部８の厚さが５μｍ程度になるため、半導体基板１からの応力が大きく作用して劈開段差Ｆが形成されるものと考えられる。

この半導体基板と発光層形成部との間の歪みは、発光層形成部が高出力用ではない３μｍ程度の厚さの場合には、格子定数や熱膨張係数の差が少々あっても、劈開段差が形成されるような歪みの蓄積にはならないため、殆ど問題になっていなかったが、高出力用で、発光層形成部の厚さが４μｍ程度以上と厚くなると、歪みが蓄積されるため、従来構造のコンタクト層の薄い半導体レーザでは、図５（ｂ）に応力関係が模式的に示されるように、半導体基板２１に引っ張られて発光層形成部３１に歪みが蓄積され、コンタクト層３０が薄いと、コンタクト層３０も半導体基板２１の応力に対向することができず、発光層形成部３１に一方的な応力が加わった状態になる。この状態で劈開などの外力が加わると、図５（ａ）に示されるように、発光層形成部３１の半導体層に劈開段差Ｆが形成されてしまう。

そして、本発明のように、コンタクト層９に半導体基板１と格子定数および熱膨張係数がほぼ同じである半導体材料、たとえばＧａＡｓ基板の場合、コンタクト層９としてＧａＡｓを用い、ある程度厚く形成することにより、図４に図５（ｂ）と同様の応力関係の模式図が示されるように、発光層形成部８の半導体層にかかる応力が、半導体基板１とコンタクト層９との両側から反対方向にかかり、一方向のみに引っ張られることがなく、劈開の際に劈開段差が生じることもなく、ＣＯＤレベルが低下しないことを見出した。

前述の図１に示される構造（発光層形成部の厚さｄ₂＝５μｍ）で、コンタクト層９以外は同じ構造で、コンタクト層９の厚さのみを種々変化させて、そのときの初期のＣＯＤを調べた結果が図２（ａ）のＡに示されている。なお、各厚さに対するＣＯＤの値は、それぞれの厚さで、サンプル３０個づつでの平均値である。また、前述のように、発光層形成部８の厚さが薄ければ、応力による劈開段差は殆ど起らず、コンタクト層９の厚さは、発光層形成部８の厚さｄ₂が厚くなるほど基板との関係で応力の影響が大きくなることが窺えるため、ニアフィールドパターンを一定にしてクラッド層の厚さを変えることにより、発光層形成部８の厚さｄ₂を４μｍと６μｍにして同様にコンタクト層の厚さを変えたときのＣＯＤの変化を調べた結果を、図２（ａ）に、発光層形成部８の厚さｄ₂が４μｍのときをＢ、６μｍのときをＣとして同様に示してある。

図２（ａ）から明らかなように、コンタクト層９の厚さを厚くするほど、ＣＯＤレベルが高くなることが分る。なお、一般的にエージングをすると、図２（ｂ）に示されるように、ＣＯＤレベルが下がることが知られており、たとえば図２（ｂ）に示される例では、７５℃、２００ｍＷ出力でエージングを行っているため、ＣＯＤレベルが２００ｍＷまで低下すると、直ちに破壊することになる。そのため、初期のＣＯＤレベルを高くしておくことが必要で、図２（ａ）に示されるように、ＣＯＤレベルを４００ｍＷ以上に形成しておくことにより、５００時間以上の加速エージングを行っても、破損することはない。図２（ａ）のＡ、Ｂ、Ｃより、（コンタクト層の厚さｄ₁）／（発光層形成部の厚さｄ₂）が、ほぼ１.５以上であれば、初期のＣＯＤが４００ｍＷ以上のレベルになる。

一方、コンタクト層を余り厚くし過ぎると、フェースダウンでマウントしても発光層形成部で発熱した熱を充分に放散することができず、半導体レーザの寿命を短くすることになる。すなわち、コンタクト層の厚さｄ₁と放熱の悪さにより、半導体レーザの高温特性（動作電流Ｉ_op）への影響を調べた結果が図３に示されるように、ｄ₁を１８μｍ以上に厚くすると、半導体レーザの特性が劣化する。そのため、格子定数や熱膨張係数の差に基づく応力の影響を除去するためには、コンタクト層９が厚いほど好ましいが、放熱特性の影響も考慮するとコンタクト層９の厚さは１７μｍ以下にする必要がある。

以上の検討結果を纏めると、結局コンタクト層の厚さをｄ₁、発光層形成部の厚さをｄ₂とするとき、１.５≦（ｄ₁／ｄ₂）≦２.８の関係になるようにコンタクト層を形成することにより、発光層形成部が４μｍ以上と厚くても、下部クラッド層などに劈開段差などが形成されることなく、ＣＯＤレベルを高く維持することができ、加速寿命試験を５００時間以上の長時間行っても破損しなかった。

前述のように、発光層形成部に劈開段差が生成されるのは、発光層形成部の厚さに依存しているが、このことは、半導体基板の厚さにも依存することが予想され、本発明者がさらに検討を重ねた結果、半導体基板１の厚さｄ₃は、ウェハ工程でのハンドリング時における破損防止の観点から、少なくとも４０μｍ以上は必要であり、発光層形成部８の厚さｄ₂が４〜６μｍ程度であれば、半導体基板１の厚さｄ₃の０.２倍以上あれば、前述のＣＯＤレベルを４００ｍＷ以上にすることができることを見出した。すなわち、前述の放熱特性を考慮すると、０.２ｄ₃≦ｄ₁≦１７μｍを満たすように前述のコンタクト層や半導体基板の厚さが設定されることが好ましい。

前述の検討結果より、好ましい半導体レーザとしては、半導体基板１およびコンタクト層９がＧａＡｓからなり、発光層形成部８がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体（バリア層などいずれかの層はＡｌの混晶比率が０の層も含む）を主体とした（ＩｎＧａＰなどの層が含まれてもよい趣旨）半導体からなり、半導体基板１の厚さｄ₃が４０〜６０μｍ、発光層形成部８の厚さｄ₂が４〜６μｍ、コンタクト層９の厚さｄ₁が７〜１７μｍに形成されていることが、７８０ｎｍ近傍の赤外領域で、８０ｍＷ以上の高出力の半導体レーザを製造するのに好ましい。

しかし、本発明は、発光層形成部がＡｌＧａＡｓ系化合物からなる場合に限らず、赤色系のＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体（（Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-wＡｌ_w）_0.51Ｐの構成で、ＡｌとＧａの混晶比率が種々変化し得るもの）からなる場合でも、同様に本発明を適用することができる。すなわち、ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体は、格子定数は比較的ＧａＡｓの格子定数に接近させやすいが、それでも完全には一致させることができず、また、線膨張係数は（Ｉｎ_0.49（Ｇａ_0.3Ａｌ_0.7）_0.51Ｐの場合で、５.１（１０^-6／Ｋ）であり、前述のＧａＡｓの線膨張係数６.０３（１０^-6／Ｋ）と異なっており、同様の問題が生じる。しかし、本発明のコンタクト層を一定の厚さに厚く形成することにより、このような問題を解消することができる。

ＩｎＧａＡｌＰ系化合物で構成する場合には、前述のｎ形およびｐ形クラッド層として、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-uＡｌ_u）_0.51Ｐ（０.４５≦ｕ≦０.８、たとえばｕ＝０.７）を、活性層として、Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-v1Ａｌ_v1）_0.51Ｐ（０≦ｖ１≦０.２５、たとえばｖ１＝０）／Ｉｎ_0.49（Ｇａ_1-v2Ａｌ_v2）_0.51Ｐ（０.３≦ｖ２≦０.７、たとえばｖ２＝０.４）による多重量子井戸（ＭＱＷ）構造などで、また、電流ブロック層として、ＩｎＡｌＰまたはＧａＡｓを用いることにより形成する以外は、前述の例と同様に構成することができる。

本発明によれば、前述のように、高出力用で発光層形成部が厚くなっても、コンタクト層が１.５≦（ｄ₁／ｄ₂）≦２.８の関係を満たすように厚く形成されているため、半導体基板のみの一方からの応力ではなく、両側から応力が働き、一方的な歪みが生じない。そのため、劈開をする場合でも、その外力により発光層形成部に劈開段差が生成されることがなく、ＣＯＤを低下させることもない。一方、コンタクト層の厚さはその上限も定められており、動作時に発光層形成部で発生する熱は、フェースダウンでサブマウントなどにマウントされることにより、充分に熱放散をすることができ、熱による発光層形成部の劣化は無く、半導体レーザの高特性を維持すると共に、長寿命化を達成することができる。

前述の各例では、リッジ構造の半導体レーザであったが、電流ブロック層をクラッド層の間に積層して電流注入領域とするストライプ溝をエッチングにより除去するＳＡＳ構造など、他の構造の半導体レーザでも同様であることは言うまでもない。

本発明は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、データ書き込み可能なＣＤ−Ｒ/ＲＷなどのピックアップ用光源に用いることができ、パーソナルコンピュータなどの電機機器に用いることができる。

本発明の半導体レーザの一実施形態を示す断面説明図である。 コンタクト層の厚さに対するＣＯＤの変化およびエージングによるＣＯＤの変化を示す図である。 コンタクト層の厚さに対する高温特性の変化を示す図である。 図１に示される構造による発光層形成部と半導体基板およびコンタクト層の応力の関係を模式的に示す図である。 従来の構造の半導体レーザで劈開段差が形成される様子およびそのときの各層における応力の関係を模式的に示す図である。 従来のリッジ構造の半導体レーザを示す断面説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ ｎ形クラッド層
３ 活性層
４ ｐ形第１クラッド層
６ ｐ形第２クラッド層
８ 発光層形成部
９ コンタクト層
１１ リッジ部
１３ ｎ形電流ブロック層

Claims (3)

1. 半導体基板と、該半導体基板と格子定数および熱膨張係数の異なる材料からなり、該半導体基板上に積層される第１導電形クラッド層、活性層および第２導電形クラッド層を含む発光層形成部と、該発光層形成部の上に積層され、前記半導体基板と格子定数および熱膨張係数がほぼ同じ材料からなるコンタクト層とを有し、該コンタクト層の厚さをｄ₁、前記発光層形成部の厚さをｄ₂、前記半導体基板の厚さをｄ₃とするとき、１.５≦（ｄ₁／ｄ₂）≦２.８であり、ｄ₂が４〜６μｍであり、かつ、０.２ｄ₃≦ｄ₁≦１７μｍとなるように形成されることにより、前記発光層形成部が前記基板から受ける応力を前記コンタクト層により緩和するように、前記コンタクト層、発光層形成部および前記半導体基板が形成されてなる半導体レーザ。
2. 前記発光層形成部がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を主体とした半導体からなると共に、前記半導体基板および前記コンタクト層がＧａＡｓからなる請求項１記載の半導体レーザ。
3. 半導体基板と、該半導体基板と格子定数および熱膨張係数の異なる材料からなり、該半導体基板上に積層される第１導電形クラッド層、活性層および第２導電形クラッド層を含む発光層形成部と、該発光層形成部の上に積層されるコンタクト層とを有し、前記半導体基板およびコンタクト層がＧａＡｓからなり、前記発光層形成部がＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を主体とした半導体からなり、前記発光層形成部が前記基板から受ける応力を前記コンタクト層により緩和するように、前記半導体基板の厚さｄ₃が４０〜６０μｍ、前記発光層形成部の厚さｄ₂が４〜６μｍ、前記コンタクト層の厚さｄ₁が７〜１７μｍに形成されてなる半導体レーザ。

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