JP4423699B2 - 半導体レーザ素子及びその作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその作製方法に関し、更に詳細には、短絡現象による非発光不良の発生を防止した構造を備える半導体レーザ素子及びその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ基板を基板とし、その上にＡｌＧａＩｎＰ層又はＧａＩｎＰ層のクラッド層で活性層を挟んだ積層構造を形成してなる可視光系半導体レーザは、発振波長が６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲にあって、光ディスク装置で使用する光ピックアップの有力な光源として注目されている。
【０００３】
ここで、図９を参照して、従来のＡｌＧａＩｎＰ系の可視光半導体レーザ素子の構成及びその作製方法を説明する。図９はＡｌＧａＩｎＰ系の可視光半導体レーザ素子の構成を示す基板断面図である。
ＡｌＧａＩｎＰ系の可視系半導体レーザ素子１０は、ＧａＡs 基板１２上に、順次エピタキシャル成長させた、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs からなるコンタクト層２０からなる積層構造を備えている。
なお、上部クラッド層１８とコンタクト層２０との間には、光閉じ込め層等の別の化合物半導体層が形成されていることもある。また、ＧａＡs 基板１２と下部クラッド層１４との間には、化合物半導体層からなるバッファ層が設けてあることもある。
【０００４】
積層構造のうち上部クラッド層１８及びコンタクト層２０は、リッジストライプ状のメサ構造として形成されている。
メサ構造を形成する上部クラッド層１８及びコンタクト層２０の両側及び上部クラッド層１８上は、電流ブロッキング層として設けられたｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込まれ、電流狭窄されている。これにより、活性層１６の中央領域がレーザ光の発振領域１５となる。
ｎ−ＧａＡs 層２２及びコンタクト層２０上にはｐ側電極２４として、ＧａＡs 基板１２の裏面にはｎ側電極２６として、それぞれＡｕ、Ｎｉ等の金属膜、又は金属積層膜が設けてある。
【０００５】
半導体レーザ素子１０を作製するには、先ず、ＧａＡs 基板１２上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により順次下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８及びコンタクト層２０をエピタキシャル成長させる。
次いで、コンタクト層２０及び上部クラッド層１８をエッチングしてメサ構造を形成し、選択成長法によりｎ−ＧａＡs 層２２をメサ構造の両側及び上部クラッド層１８上に成長させる。
次いで、スパッタ法等によりｐ側電極２４及びｎ側電極２６を基板面及びＧａＡs 基板１２の裏面に形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＡｌＧａＩｎＰ層等をエピキシャル成長させ、積層構造を形成した際、ＧａＡｓ基板上にダストとかパーティクルとか、例えば細かいＧａＡｓ粒子等が付着している場合、又はエピタキシャル成長中に異質の中間生成物が基板上に形成された場合には、エピタキシャル成長層に成長欠陥が生ずる。
エピタキシャル成長後に、積層構造をエッチングしてメサ構造を形成する際、成長欠陥を有するエピタキシャル成長層を酸でエッチングすると、このような成長欠陥は、酸に対するエッチングレートが速くて、酸に侵され易く、図１０に示すように、ＧａＡs 基板１２に達する直径数μm から数十μm 程度のピット状の形状欠陥部２８が形成される。
【０００７】
この状態で、電極層２４を形成すると、図１０に示すように、形状欠陥部２８に形成された電極層２４とＧａＡｓ基板１２が接触し、短絡現象が生じる。このような形状欠陥部は、ウエットエッチングの際のみならず、酸洗浄又はアルカリ洗浄の際にも、同じ理由から、化合物半導体層の積層構造に生じる。
この結果、電極間に印加した注入電流の短絡が生じ、本来、レーザ発振する活性層の発振領域に注入される電流が減少し、レーザ発振が発生しない、或いは持続しないという非発光不良の不具合が生じる。
【０００８】
しかし、半導体レーザ素子の作製に際し、ＧａＡs 基板を十分に洗浄処理して、ＧａＡs 基板上にパーティクルが付着していないことを確認した後に、化合物半導体層をエピタキシャル成長させることは、現実には、難しい。
従って、従来の方法で半導体レーザ素子を作製する限り、短絡現象のために非発光不良が生じる可視光半導体レーザ素子が多かれ少なかれ作製され、製造歩留まりが低下する。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、非発光不良が生じないような構成を備えた半導体レーザ素子及びその作製方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ半導体レーザ素子において、電流ブロッキング層を貫通し、化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部が形成され、このピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部が、絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で、被覆され又は埋め込まれている構成としている。
また、本発明の他のレーザ素子は、化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ半導体レーザ素子において、電流ブロッキング層を貫通し、化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部が形成され、このピット状凹部が、電流ブロッキング層のキャリア濃度の低い化合物半導体層で埋め込まれている構成としている。
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子は、ピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部を、絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で被覆し、又は埋め込んだ構成にすることにより、電流注入領域を除き、化合物半導体基板と電極層とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
ピット状凹部は、必ずしも化合物半導体基板に達している必要はなく、電流ブロッキング層を貫通して上部クラッド層、活性層、又は下部クラッド層に達しているものであれば良い。また、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部だけでなく、例えば凹部の全部が絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で被覆、又は埋め込まれていても良い。
本発明の他の半導体レーザ素子は、ピット状凹部が、電流ブロッキング層のキャリア濃度の低い化合物半導体層で埋め込まれている構成にすることにより、電流注入領域を除き、化合物半導体基板と電極層とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
電流ブロッキング層は、比抵抗の高い化合物半導体層又はｐｎ接合分離による電流ブロッキング層で形成されている。
【００１２】
本発明は、化合物半導体基板及び化合物半導体層の組成に制約無く適用でき、例えばＧａＡs 基板上にＡｌＧａＩｎＰ系又はＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなるレーザ光発振構造を備えた半導体レーザ素子に好適に適用できる。また、本発明は、端面発光型半導体レーザ素子にも、また面発光型半導体レーザ素子にも適用できる。
また、レーザ光の発光構造は、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、コンタクト層の積層構造である必要はなく、基板と下部クラッド層との間にバッファ層があっても良く、また、コンタクト層と上部クラッド層との間には別の層、例えば光閉じ込め層等があっても良い。
【００１３】
本発明の好適な実施態様では、絶縁膜が、ＳｉＯ2 膜、Ａｌ2 Ｏ3 膜及びＳｉＮ膜の少なくともいずれかで形成されていて、膜厚は１００ｎｍ以上５０μｍ以下で良い。また、絶縁膜はそれらの積層膜でも良い。
更には、絶縁膜が、ホウ素のドーピング又はイオン注入により形成された半絶縁体で形成されていてもよい。また、比抵抗の高い化合物半導体層は、キャリア濃度の低い、例えば１×１０ 16 ／ｃｍ 3 以上１×１０18／ｃｍ3 以下のＧａＡs 層である。
【００１４】
上部の半導体レーザ素子を作製する一つの方法（以下、第１の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成した後、この積層構造に酸又はアルカリ洗浄を施す工程と、基板全面に絶縁膜を成膜しつつ、酸又はアルカリ洗浄の際に、積層構造に形成された、化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面に絶縁膜を成膜する工程と、基板全面にフォトレジスト膜を成膜し、次いでフォトレジスト膜をパターニングして絶縁膜上にレジストマスクを形成し、かつピット状凹部をフォトレジスト膜で埋め込む工程と、レジストマスクをマスクにして絶縁膜をエッチングして絶縁膜マスクを形成し、次いで絶縁膜マスクをマスクにしてコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングし、リッジストライプ状のメサ構造を形成する工程と、更に、絶縁膜マスクをマスクにした選択成長法により電流ブロッキング層を成長させ、メサ構造の両側を埋め込む工程と、絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させ、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１５】
上部の半導体レーザ素子を作製する別の方法（以下、第２の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成し、絶縁膜マスクを使った選択成長法により電流ブロッキング層を成長させてメサ構造の両側を埋め込み、続いて絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させた後、基板全面に絶縁膜を成膜しつつ、電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面に絶縁膜を成膜し、次いでピット状凹部の壁面を除いた領域から絶縁膜を除去する工程と、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１６】
上部の半導体レーザ素子を作製する更に別の方法（以下、第３の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成した後、絶縁膜マスクを使った選択成長法によりキャリア濃度の低い電流ブロッキング層を成長させ、メサ構造の両側及び化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部を電流ブロッキング層で埋め込み、続いて絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させる工程と、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１７】
上部の半導体レーザ素子を作製する更に別の方法（以下、第４の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成し、更に絶縁膜マスクを使った選択成長法により電流ブロッキング層を成長させてメサ構造の両側を埋め込み、続いて絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させた後、コンタクト層上にレジストパターンを形成して基板全面にイオン注入し、電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面の表層を比抵抗の高い層を転化する工程と、レジストパターンを除去し、熱処理を施すことなく、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１８】
第１から第４の発明方法において、絶縁膜の成膜方法には制約は無いものの、好適には化学気相成長法（ＣＶＤ法）により成膜する。これにより、膜質の緻密な絶縁膜を形成することできる。また、電流ブロッキング層は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により成膜する。
第４の発明方法では、イオン種には制約はなく、例えばホウ素をイオン注入する。
第１、第２及び第４の発明方法で、ピット状凹部の壁面とは、側壁に加えて底壁も含む概念である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、第１の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図１（ａ）から（ｃ）及び図２（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子３８では、図２（ｆ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２（電流ブロッキング層）を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部３０のうち、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通する凹部部分の壁面が、絶縁膜３２で覆われている。
【００２０】
本実施形態例の半導体レーザ素子３８では、ピット状凹部３０が、絶縁膜３２で被覆され、電極層３７とＧａＡs 基板１２との間に絶縁膜３２が介在するので、短絡現象が発生するようなことはない。よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層３７とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
【００２１】
次に、図１及び図２を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子３８の作製方法を説明する。
本実施形態例では、先ず、従来と同様、図１（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、順次、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００２２】
積層構造に酸又はアルカリ洗浄等を施した際、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図１（ａ）に示すように、コンタクト層２０、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する直径数μm から数十μm のピット状凹部３０が形成されることがある。
そこで、本実施形態例では、選択成長用のマスクとして、ＳｉＯ2 膜、Ａｌ2 Ｏ3 膜、又はＳｉＮ膜からなる膜厚５０μｍの絶縁膜３２を基板全面に成膜する際、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜３２でピット状凹部３０を埋め込む。
次いで、絶縁膜３２上にフォトレジスト膜３４を成膜し、図１（ｃ）に示すように、絶縁膜３２をパターニングするためのレジストマスク３４を形成する。その際、ピット状凹部３０も、図１（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３４で埋め込む。
【００２３】
続いて、レジストマスク３４を使って、絶縁膜３２をパターニングして、図２（ｄ）に示すように、ピット状凹部３０には絶縁膜３２を残し、かつ、エッチング及び選択成長用の絶縁膜マスク３６を形成する。
次いで、レジストマスク３４を除去した後、絶縁膜マスク３６を使い、硫酸と過酸化水素水との混合液等をエッチャントとしたウエットエッチング法によりコンタクト層２０、上部クラッド層１８をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成する。
続いて、絶縁膜マスク３６を使った選択成長法により、図２（ｅ）に示すように、電流ブロッキング層としてｎ−ＧａＡs 層２２を選択成長させる。
そして、コンタクト層２０上の選択成長用の絶縁膜マスク３６を除去し、図２（ｆ）に示すように、ｐ側電極として電極層３７を成膜する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子３８を作製することができる。
【００２４】
実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、第２の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図３（ａ）から（ｃ）及び図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子４８では、図４（ｅ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２（電流ブロッキング層）、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部４０の壁面が、絶縁膜４２で覆われている。
【００２５】
本実施形態例の半導体レーザ素子４８では、ピット状凹部４０が絶縁膜４２で被覆され、電極層４６とＧａＡs 基板１２との間に絶縁膜４２が介在するので、短絡現象が発生するようなことは生じない。
よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層４６とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
【００２６】
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子４８の作製方法を説明する。
本実施形態例では、先ず、従来と同様、図３（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次いで、硫酸と過酸化水素水との混合液等をエッチャントとしたウエットエッチング法により、コンタクト層２０及び上部クラッド層１８をエッチングしてメサ構造を形成し、選択成長法によりｎ−ＧａＡs 層２２を上部クラッド層１８上及びメサ構造の両側に成長させる。
以上の工程を実施した積層構造では、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する、直径数μm から数十μm のピット状凹部４０が形成されることがある。
【００２７】
そこで、本実施形態例では、ＳｉＯ2 膜又はＡｌ2 Ｏ3 膜からなる膜厚５０μｍの絶縁膜４２を基板全面に成膜する際、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜４２でピット状凹部４０の壁面を被膜する。
次いで、基板全面にフォトレジスト膜４４を成膜しつつ、ピット状凹部４０を埋め込み、続いて図３（ｃ）に示すように、ピット状凹部４０の埋め込み領域を除いてフォトレジスト膜４４を除去する。
【００２８】
次に、図４（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜４４をマスクにして、ピット状凹部４０の領域を除く領域の絶縁膜４２をエッチングして除去して、コンタクト層２０及びｎ−ＧａＡs 層２２を露出させる。
続いて、フォトレジスト膜４４を除去し、図４（ｅ）に示すように、ｐ側電極として電極層４６を基板全面に成膜する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子４８を作製することができる。
【００２９】
実施形態例３
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、第３の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図５（ａ）から（ｃ）及び図６（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子５９では、図６（ｆ）に示すように、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部５０が、キャリア濃度の低い、例えば１×１０18／ｃｍ3 以下のｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込まれている。
【００３０】
本実施形態例の半導体レーザ素子５９では、ピット状凹部５０がｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込まれ、電極層５８とＧａＡs 基板１２との間にキャリア濃度の低いｎ−ＧａＡs 層２２が介在するので、短絡現象が発生しない。
よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層５８とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子で生じていたような非発光不良が生じるようなことはない。
【００３１】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子５９の作製方法を説明する。
本実施形態例では、先ず、従来と同様、図５（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
積層構造に酸又はアルカリ洗浄等を施した際、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図５（ａ）に示すように、コンタクト層２０、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する直径数μm から数十μm のピット状凹部５０が形成されることがある。
【００３２】
次いで、エッチング及び選択成長用のマスクを形成するために、図５（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2 膜又はＡｌ2 Ｏ3 膜からなる膜厚５０μｍの絶縁膜５２を基板全面に成膜する。
続いて、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜５２上にフォトレジスト膜５４を成膜し、絶縁膜５２をパターニングするためのレジストマスク５４を形成する。
この際、本実施形態例では、実施形態例１の方法とは異なり、ピット状凹部５０内にフォトレジスト膜５４が残らないようなエッチング条件で、フォトレジスト膜５４をエッチングしてレジストマスク５４を形成する。
【００３３】
次いで、図６（ｄ）に示すように、レジストマスク５４を使って、絶縁膜５２をエッチングして絶縁膜マスク５６を形成する。
続いて、絶縁膜マスク５６を使ってコンタクト層２０及びコンタクト層１８をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成し、更にマスク５６を使った選択成長法により、図６（ｅ）に示すように、メサ構造の両側及びピット状凹部５０をキャリア濃度の低い、例えば１×１０18／ｃｍ3 以下のｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込む。
次に、絶縁膜マスク５６を除去してコンタクト層１８を露出させて、続いてｎ−ＧａＡs 層２２及びコンタクト層２０上にｐ側電極層として電極層５８をスパッタ法等により形成する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子５９を作製することができる。
【００３４】
実施形態例４
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、第４の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図７（ａ）から（ｃ）及び図８は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子６６では、図８に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２（電流ブロッキング層）、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部４０の壁面の表層が、ホウ素イオンのイオン注入により、比抵抗が高くなった層６２になっている。
【００３５】
本実施形態例の半導体レーザ素子６６では、ピット状凹部４０内で、電極層６４とＧａＡs 基板１２との間に比抵抗の高い層６２が介在するので、短絡現象が発生するようなことは生じない。よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層６４とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子で発生したような非発光不良が生じるようなことはない。
【００３６】
次に、図７及び図８を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子６６の作製方法を説明する。
本実施形態例の方法では、先ず、実施形態例２と同様、図７（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次いで、硫酸と過酸化水素水との混合液等をエッチャントとしたウエットエッチング法により、コンタクト層２０及び上部クラッド層１８をエッチングしてメサ構造を形成し、選択成長法によりｎ−ＧａＡs 層２２を上部クラッド層１８上及びメサ構造の両側に成長させる。
【００３７】
以上の工程を実施した段階で、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する、直径数μm から数十μm のピット状凹部４０が形成されることがある。
【００３８】
そこで、本実施形態例では、フォトレジスト膜を基板全面に成膜し、次いでパターニングして、図７（ｂ）に示すように、少なくともコンタクト層２０を覆うと共にピット状凹部４０の領域を開口するレジストマスク６０を形成する。
続いて、レジストマスク６０をマスクとして、イオン、例えばホウ素イオンを以下の条件でイオン注入し、図７（ｃ）に示すように、イオン注入したＧａＡs 基板１２、下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８及びｎ−ＧａＡs 層２２の表層を比抵抗の高い層６２に転化する。
注入エネルギー：１４０ｋｅＶ
ドーズ量 ：７×１０14ｃｍ]2
【００３９】
次いで、レジストマスク６０を除去してコンタクト層１８を露出させて、続いてイオン注入層に対する熱処理を行うことなく、図８に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２及びコンタクト層２０上にｐ側電極層として電極層６４をスパッタ法等により形成する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子６６を作製することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザ素子の作製過程で、電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部を絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で被覆し又は埋め込む構成にすることにより、電流注入領域を除き、化合物半導体基板と電極層とを絶縁状態に維持できるので、非発光不良が生じるようなことはない。
本発明方法は、本発明に係る半導体レーザ素子の好適な作製方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図２】図２（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図１（ｃ）に続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図４】図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、図３（ｃ）に続いて、実施形態例２の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例３の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図６】図６（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図５（ｃ）に続いて、実施形態例３の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例４の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図８】図８は、図７（ｃ）に続いて、実施形態例４の半導体レーザ素子を形成する際の工程の層構造を示す断面図である。
【図９】従来の可視光半導体レーザ素子の構成を示す基板断面図である。
【図１０】ピット状凹部を説明するための基板断面図である。
【符号の説明】
１０……ＡｌＧａＩｎＰ系の可視系半導体レーザ素子、１２……ＧａＡs 基板、１４……ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層、１５……発振領域、１６……活性層、１８……ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層、８、及びｐ−ＧａＡs からなるコンタクト層、２２……ｎ−ＧａＡs 層、２４……ｐ側電極、２６……ｎ側電極、２８……ピット状凹部、３０……ピット状凹部、３２……絶縁膜、３４……フォトレジスト膜、レジストマスク、３６……絶縁膜マスク、３７……電極層、３８……実施形態例１の半導体レーザ素子、４０……ピット状凹部、４２……絶縁膜、４４……フォトレジスト膜、４６……電極層、４８……実施形態例２の半導体レーザ素子、５０……ピット状凹部、５２……絶縁膜、５４……レジストマスク、５６……絶縁膜マスク、５８……電極層、５９……実施形態例３の半導体レーザ素子、６０……レジストマスク、６２……比抵抗の高い層、６４……電極層、６６……実施形態例４の半導体レーザ素子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ素子及びその作製方法に関し、更に詳細には、短絡現象による非発光不良の発生を防止した構造を備える半導体レーザ素子及びその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ基板を基板とし、その上にＡｌＧａＩｎＰ層又はＧａＩｎＰ層のクラッド層で活性層を挟んだ積層構造を形成してなる可視光系半導体レーザは、発振波長が６３０ｎｍから６９０ｎｍの範囲にあって、光ディスク装置で使用する光ピックアップの有力な光源として注目されている。
【０００３】
ここで、図９を参照して、従来のＡｌＧａＩｎＰ系の可視光半導体レーザ素子の構成及びその作製方法を説明する。図９はＡｌＧａＩｎＰ系の可視光半導体レーザ素子の構成を示す基板断面図である。
ＡｌＧａＩｎＰ系の可視系半導体レーザ素子１０は、ＧａＡs 基板１２上に、順次エピタキシャル成長させた、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs からなるコンタクト層２０からなる積層構造を備えている。
なお、上部クラッド層１８とコンタクト層２０との間には、光閉じ込め層等の別の化合物半導体層が形成されていることもある。また、ＧａＡs 基板１２と下部クラッド層１４との間には、化合物半導体層からなるバッファ層が設けてあることもある。
【０００４】
積層構造のうち上部クラッド層１８及びコンタクト層２０は、リッジストライプ状のメサ構造として形成されている。
メサ構造を形成する上部クラッド層１８及びコンタクト層２０の両側及び上部クラッド層１８上は、電流ブロッキング層として設けられたｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込まれ、電流狭窄されている。これにより、活性層１６の中央領域がレーザ光の発振領域１５となる。
ｎ−ＧａＡs 層２２及びコンタクト層２０上にはｐ側電極２４として、ＧａＡs 基板１２の裏面にはｎ側電極２６として、それぞれＡｕ、Ｎｉ等の金属膜、又は金属積層膜が設けてある。
【０００５】
半導体レーザ素子１０を作製するには、先ず、ＧａＡs 基板１２上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により順次下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８及びコンタクト層２０をエピタキシャル成長させる。
次いで、コンタクト層２０及び上部クラッド層１８をエッチングしてメサ構造を形成し、選択成長法によりｎ−ＧａＡs 層２２をメサ構造の両側及び上部クラッド層１８上に成長させる。
次いで、スパッタ法等によりｐ側電極２４及びｎ側電極２６を基板面及びＧａＡs 基板１２の裏面に形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＡｌＧａＩｎＰ層等をエピキシャル成長させ、積層構造を形成した際、ＧａＡｓ基板上にダストとかパーティクルとか、例えば細かいＧａＡｓ粒子等が付着している場合、又はエピタキシャル成長中に異質の中間生成物が基板上に形成された場合には、エピタキシャル成長層に成長欠陥が生ずる。
エピタキシャル成長後に、積層構造をエッチングしてメサ構造を形成する際、成長欠陥を有するエピタキシャル成長層を酸でエッチングすると、このような成長欠陥は、酸に対するエッチングレートが速くて、酸に侵され易く、図１０に示すように、ＧａＡs 基板１２に達する直径数μm から数十μm 程度のピット状の形状欠陥部２８が形成される。
【０００７】
この状態で、電極層２４を形成すると、図１０に示すように、形状欠陥部２８に形成された電極層２４とＧａＡｓ基板１２が接触し、短絡現象が生じる。このような形状欠陥部は、ウエットエッチングの際のみならず、酸洗浄又はアルカリ洗浄の際にも、同じ理由から、化合物半導体層の積層構造に生じる。
この結果、電極間に印加した注入電流の短絡が生じ、本来、レーザ発振する活性層の発振領域に注入される電流が減少し、レーザ発振が発生しない、或いは持続しないという非発光不良の不具合が生じる。
【０００８】
しかし、半導体レーザ素子の作製に際し、ＧａＡs 基板を十分に洗浄処理して、ＧａＡs 基板上にパーティクルが付着していないことを確認した後に、化合物半導体層をエピタキシャル成長させることは、現実には、難しい。
従って、従来の方法で半導体レーザ素子を作製する限り、短絡現象のために非発光不良が生じる可視光半導体レーザ素子が多かれ少なかれ作製され、製造歩留まりが低下する。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、非発光不良が生じないような構成を備えた半導体レーザ素子及びその作製方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ半導体レーザ素子において、電流ブロッキング層を貫通し、化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部が形成され、このピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部が、絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で、被覆され又は埋め込まれている構成としている。
また、本発明の他のレーザ素子は、化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ半導体レーザ素子において、電流ブロッキング層を貫通し、化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部が形成され、このピット状凹部が、電流ブロッキング層のキャリア濃度の低い化合物半導体層で埋め込まれている構成としている。
【００１１】
本発明の半導体レーザ素子は、ピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部を、絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で被覆し、又は埋め込んだ構成にすることにより、電流注入領域を除き、化合物半導体基板と電極層とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
ピット状凹部は、必ずしも化合物半導体基板に達している必要はなく、電流ブロッキング層を貫通して上部クラッド層、活性層、又は下部クラッド層に達しているものであれば良い。また、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部だけでなく、例えば凹部の全部が絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で被覆、又は埋め込まれていても良い。
本発明の他の半導体レーザ素子は、ピット状凹部が、電流ブロッキング層のキャリア濃度の低い化合物半導体層で埋め込まれている構成にすることにより、電流注入領域を除き、化合物半導体基板と電極層とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
電流ブロッキング層は、比抵抗の高い化合物半導体層又はｐｎ接合分離による電流ブロッキング層で形成されている。
【００１２】
本発明は、化合物半導体基板及び化合物半導体層の組成に制約無く適用でき、例えばＧａＡs 基板上にＡｌＧａＩｎＰ系又はＧａＩｎＰ系の化合物半導体層からなるレーザ光発振構造を備えた半導体レーザ素子に好適に適用できる。また、本発明は、端面発光型半導体レーザ素子にも、また面発光型半導体レーザ素子にも適用できる。
また、レーザ光の発光構造は、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層、コンタクト層の積層構造である必要はなく、基板と下部クラッド層との間にバッファ層があっても良く、また、コンタクト層と上部クラッド層との間には別の層、例えば光閉じ込め層等があっても良い。
【００１３】
本発明の好適な実施態様では、絶縁膜が、ＳｉＯ2 膜、Ａｌ2 Ｏ3 膜及びＳｉＮ膜の少なくともいずれかで形成されていて、膜厚は１００ｎｍ以上５０μｍ以下で良い。また、絶縁膜はそれらの積層膜でも良い。
更には、絶縁膜が、ホウ素のドーピング又はイオン注入により形成された半絶縁体で形成されていてもよい。また、比抵抗の高い化合物半導体層は、キャリア濃度の低い、例えば１×１０ 16 ／ｃｍ 3 以上１×１０18／ｃｍ3 以下のＧａＡs 層である。
【００１４】
上部の半導体レーザ素子を作製する一つの方法（以下、第１の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成した後、この積層構造に酸又はアルカリ洗浄を施す工程と、基板全面に絶縁膜を成膜しつつ、酸又はアルカリ洗浄の際に、積層構造に形成された、化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面に絶縁膜を成膜する工程と、基板全面にフォトレジスト膜を成膜し、次いでフォトレジスト膜をパターニングして絶縁膜上にレジストマスクを形成し、かつピット状凹部をフォトレジスト膜で埋め込む工程と、レジストマスクをマスクにして絶縁膜をエッチングして絶縁膜マスクを形成し、次いで絶縁膜マスクをマスクにしてコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングし、リッジストライプ状のメサ構造を形成する工程と、更に、絶縁膜マスクをマスクにした選択成長法により電流ブロッキング層を成長させ、メサ構造の両側を埋め込む工程と、絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させ、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１５】
上部の半導体レーザ素子を作製する別の方法（以下、第２の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成し、絶縁膜マスクを使った選択成長法により電流ブロッキング層を成長させてメサ構造の両側を埋め込み、続いて絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させた後、基板全面に絶縁膜を成膜しつつ、電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面に絶縁膜を成膜し、次いでピット状凹部の壁面を除いた領域から絶縁膜を除去する工程と、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１６】
上部の半導体レーザ素子を作製する更に別の方法（以下、第３の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成した後、絶縁膜マスクを使った選択成長法によりキャリア濃度の低い電流ブロッキング層を成長させ、メサ構造の両側及び化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部を電流ブロッキング層で埋め込み、続いて絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させる工程と、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１７】
上部の半導体レーザ素子を作製する更に別の方法（以下、第４の発明方法と言う）は、化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、上部クラッド層の上層及びコンタクト層をリッジストライプ状のメサ構造として形成し、メサ構造の両側を電流ブロッキング層で埋め込んだ端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、化合物半導体基板上に、順次、下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成し、更に絶縁膜マスクを使った選択成長法により電流ブロッキング層を成長させてメサ構造の両側を埋め込み、続いて絶縁膜マスクを除去してコンタクト層を露出させた後、コンタクト層上にレジストパターンを形成して基板全面にイオン注入し、電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面の表層を比抵抗の高い層を転化する工程と、レジストパターンを除去し、熱処理を施すことなく、コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程とを備えている。
【００１８】
第１から第４の発明方法において、絶縁膜の成膜方法には制約は無いものの、好適には化学気相成長法（ＣＶＤ法）により成膜する。これにより、膜質の緻密な絶縁膜を形成することできる。また、電流ブロッキング層は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により成膜する。
第４の発明方法では、イオン種には制約はなく、例えばホウ素をイオン注入する。
第１、第２及び第４の発明方法で、ピット状凹部の壁面とは、側壁に加えて底壁も含む概念である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の一例であって、第１の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図１（ａ）から（ｃ）及び図２（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子３８では、図２（ｆ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２（電流ブロッキング層）を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部３０のうち、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通する凹部部分の壁面が、絶縁膜３２で覆われている。
【００２０】
本実施形態例の半導体レーザ素子３８では、ピット状凹部３０が、絶縁膜３２で被覆され、電極層３７とＧａＡs 基板１２との間に絶縁膜３２が介在するので、短絡現象が発生するようなことはない。よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層３７とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
【００２１】
次に、図１及び図２を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子３８の作製方法を説明する。
本実施形態例では、先ず、従来と同様、図１（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、順次、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
【００２２】
積層構造に酸又はアルカリ洗浄等を施した際、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図１（ａ）に示すように、コンタクト層２０、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する直径数μm から数十μm のピット状凹部３０が形成されることがある。
そこで、本実施形態例では、選択成長用のマスクとして、ＳｉＯ2 膜、Ａｌ2 Ｏ3 膜、又はＳｉＮ膜からなる膜厚５０μｍの絶縁膜３２を基板全面に成膜する際、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜３２でピット状凹部３０を埋め込む。
次いで、絶縁膜３２上にフォトレジスト膜３４を成膜し、図１（ｃ）に示すように、絶縁膜３２をパターニングするためのレジストマスク３４を形成する。その際、ピット状凹部３０も、図１（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３４で埋め込む。
【００２３】
続いて、レジストマスク３４を使って、絶縁膜３２をパターニングして、図２（ｄ）に示すように、ピット状凹部３０には絶縁膜３２を残し、かつ、エッチング及び選択成長用の絶縁膜マスク３６を形成する。
次いで、レジストマスク３４を除去した後、絶縁膜マスク３６を使い、硫酸と過酸化水素水との混合液等をエッチャントとしたウエットエッチング法によりコンタクト層２０、上部クラッド層１８をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成する。
続いて、絶縁膜マスク３６を使った選択成長法により、図２（ｅ）に示すように、電流ブロッキング層としてｎ−ＧａＡs 層２２を選択成長させる。
そして、コンタクト層２０上の選択成長用の絶縁膜マスク３６を除去し、図２（ｆ）に示すように、ｐ側電極として電極層３７を成膜する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子３８を作製することができる。
【００２４】
実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の別の例であって、第２の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図３（ａ）から（ｃ）及び図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子４８では、図４（ｅ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２（電流ブロッキング層）、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部４０の壁面が、絶縁膜４２で覆われている。
【００２５】
本実施形態例の半導体レーザ素子４８では、ピット状凹部４０が絶縁膜４２で被覆され、電極層４６とＧａＡs 基板１２との間に絶縁膜４２が介在するので、短絡現象が発生するようなことは生じない。
よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層４６とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子のように非発光不良が生じるようなことはない。
【００２６】
次に、図３及び図４を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子４８の作製方法を説明する。
本実施形態例では、先ず、従来と同様、図３（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次いで、硫酸と過酸化水素水との混合液等をエッチャントとしたウエットエッチング法により、コンタクト層２０及び上部クラッド層１８をエッチングしてメサ構造を形成し、選択成長法によりｎ−ＧａＡs 層２２を上部クラッド層１８上及びメサ構造の両側に成長させる。
以上の工程を実施した積層構造では、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する、直径数μm から数十μm のピット状凹部４０が形成されることがある。
【００２７】
そこで、本実施形態例では、ＳｉＯ2 膜又はＡｌ2 Ｏ3 膜からなる膜厚５０μｍの絶縁膜４２を基板全面に成膜する際、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜４２でピット状凹部４０の壁面を被膜する。
次いで、基板全面にフォトレジスト膜４４を成膜しつつ、ピット状凹部４０を埋め込み、続いて図３（ｃ）に示すように、ピット状凹部４０の埋め込み領域を除いてフォトレジスト膜４４を除去する。
【００２８】
次に、図４（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜４４をマスクにして、ピット状凹部４０の領域を除く領域の絶縁膜４２をエッチングして除去して、コンタクト層２０及びｎ−ＧａＡs 層２２を露出させる。
続いて、フォトレジスト膜４４を除去し、図４（ｅ）に示すように、ｐ側電極として電極層４６を基板全面に成膜する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子４８を作製することができる。
【００２９】
実施形態例３
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、第３の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図５（ａ）から（ｃ）及び図６（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子５９では、図６（ｆ）に示すように、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部５０が、キャリア濃度の低い、例えば１×１０18／ｃｍ3 以下のｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込まれている。
【００３０】
本実施形態例の半導体レーザ素子５９では、ピット状凹部５０がｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込まれ、電極層５８とＧａＡs 基板１２との間にキャリア濃度の低いｎ−ＧａＡs 層２２が介在するので、短絡現象が発生しない。
よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層５８とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子で生じていたような非発光不良が生じるようなことはない。
【００３１】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子５９の作製方法を説明する。
本実施形態例では、先ず、従来と同様、図５（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
積層構造に酸又はアルカリ洗浄等を施した際、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図５（ａ）に示すように、コンタクト層２０、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する直径数μm から数十μm のピット状凹部５０が形成されることがある。
【００３２】
次いで、エッチング及び選択成長用のマスクを形成するために、図５（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2 膜又はＡｌ2 Ｏ3 膜からなる膜厚５０μｍの絶縁膜５２を基板全面に成膜する。
続いて、図５（ｃ）に示すように、絶縁膜５２上にフォトレジスト膜５４を成膜し、絶縁膜５２をパターニングするためのレジストマスク５４を形成する。
この際、本実施形態例では、実施形態例１の方法とは異なり、ピット状凹部５０内にフォトレジスト膜５４が残らないようなエッチング条件で、フォトレジスト膜５４をエッチングしてレジストマスク５４を形成する。
【００３３】
次いで、図６（ｄ）に示すように、レジストマスク５４を使って、絶縁膜５２をエッチングして絶縁膜マスク５６を形成する。
続いて、絶縁膜マスク５６を使ってコンタクト層２０及びコンタクト層１８をエッチングしてリッジストライプ状のメサ構造を形成し、更にマスク５６を使った選択成長法により、図６（ｅ）に示すように、メサ構造の両側及びピット状凹部５０をキャリア濃度の低い、例えば１×１０18／ｃｍ3 以下のｎ−ＧａＡs 層２２で埋め込む。
次に、絶縁膜マスク５６を除去してコンタクト層１８を露出させて、続いてｎ−ＧａＡs 層２２及びコンタクト層２０上にｐ側電極層として電極層５８をスパッタ法等により形成する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子５９を作製することができる。
【００３４】
実施形態例４
本実施形態例は、本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態の更に別の例であって、第４の発明方法に係る作製方法で作製した半導体レーザ素子である。図７（ａ）から（ｃ）及び図８は、それぞれ、本実施形態例の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子６６では、図８に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２（電流ブロッキング層）、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達するピット状凹部４０の壁面の表層が、ホウ素イオンのイオン注入により、比抵抗が高くなった層６２になっている。
【００３５】
本実施形態例の半導体レーザ素子６６では、ピット状凹部４０内で、電極層６４とＧａＡs 基板１２との間に比抵抗の高い層６２が介在するので、短絡現象が発生するようなことは生じない。よって、電流注入領域を除き、ＧａＡs 基板１２と電極層６４とを絶縁状態に維持できるので、従来の半導体レーザ素子で発生したような非発光不良が生じるようなことはない。
【００３６】
次に、図７及び図８を参照して、本実施形態例の半導体レーザ素子６６の作製方法を説明する。
本実施形態例の方法では、先ず、実施形態例２と同様、図７（ａ）に示すように、ＧａＡs 基板１２上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等により、順次、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層１４、活性層１６、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層１８、及びｐ−ＧａＡs 層からなるコンタクト層２０をエピタキシャル成長させ、積層構造を形成する。
次いで、硫酸と過酸化水素水との混合液等をエッチャントとしたウエットエッチング法により、コンタクト層２０及び上部クラッド層１８をエッチングしてメサ構造を形成し、選択成長法によりｎ−ＧａＡs 層２２を上部クラッド層１８上及びメサ構造の両側に成長させる。
【００３７】
以上の工程を実施した段階で、前述したエピタキシャル成長中の成長欠陥によって、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２、上部クラッド層１８、活性層１６及び下部クラッド層１４を貫通してＧａＡs 基板１２に達する、直径数μm から数十μm のピット状凹部４０が形成されることがある。
【００３８】
そこで、本実施形態例では、フォトレジスト膜を基板全面に成膜し、次いでパターニングして、図７（ｂ）に示すように、少なくともコンタクト層２０を覆うと共にピット状凹部４０の領域を開口するレジストマスク６０を形成する。
続いて、レジストマスク６０をマスクとして、イオン、例えばホウ素イオンを以下の条件でイオン注入し、図７（ｃ）に示すように、イオン注入したＧａＡs 基板１２、下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８及びｎ−ＧａＡs 層２２の表層を比抵抗の高い層６２に転化する。
注入エネルギー：１４０ｋｅＶ
ドーズ量 ：７×１０14ｃｍ]2
【００３９】
次いで、レジストマスク６０を除去してコンタクト層１８を露出させて、続いてイオン注入層に対する熱処理を行うことなく、図８に示すように、ｎ−ＧａＡs 層２２及びコンタクト層２０上にｐ側電極層として電極層６４をスパッタ法等により形成する。これにより、本実施形態例の半導体レーザ素子６６を作製することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体レーザ素子の作製過程で、電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部を絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で被覆し又は埋め込む構成にすることにより、電流注入領域を除き、化合物半導体基板と電極層とを絶縁状態に維持できるので、非発光不良が生じるようなことはない。
本発明方法は、本発明に係る半導体レーザ素子の好適な作製方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図２】図２（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図１（ｃ）に続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例２の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図４】図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、図３（ｃ）に続いて、実施形態例２の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例３の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図６】図６（ｄ）から（ｆ）は、それぞれ、図５（ｃ）に続いて、実施形態例３の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例４の半導体レーザ素子を形成する際の工程毎の層構造を示す断面図である。
【図８】図８は、図７（ｃ）に続いて、実施形態例４の半導体レーザ素子を形成する際の工程の層構造を示す断面図である。
【図９】従来の可視光半導体レーザ素子の構成を示す基板断面図である。
【図１０】ピット状凹部を説明するための基板断面図である。
【符号の説明】
１０……ＡｌＧａＩｎＰ系の可視系半導体レーザ素子、１２……ＧａＡs 基板、１４……ｎ−ＡｌＧａＩｎＰからなる下部クラッド層、１５……発振領域、１６……活性層、１８……ｐ−ＡｌＧａＩｎＰからなる上部クラッド層、８、及びｐ−ＧａＡs からなるコンタクト層、２２……ｎ−ＧａＡs 層、２４……ｐ側電極、２６……ｎ側電極、２８……ピット状凹部、３０……ピット状凹部、３２……絶縁膜、３４……フォトレジスト膜、レジストマスク、３６……絶縁膜マスク、３７……電極層、３８……実施形態例１の半導体レーザ素子、４０……ピット状凹部、４２……絶縁膜、４４……フォトレジスト膜、４６……電極層、４８……実施形態例２の半導体レーザ素子、５０……ピット状凹部、５２……絶縁膜、５４……レジストマスク、５６……絶縁膜マスク、５８……電極層、５９……実施形態例３の半導体レーザ素子、６０……レジストマスク、６２……比抵抗の高い層、６４……電極層、６６……実施形態例４の半導体レーザ素子。
Claims (8)
- 化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、前記上部クラッド層の上層及び前記コンタクト層がリッジストライプ状のメサ構造として形成され、前記メサ構造の両側が電流ブロッキング層で埋め込まれている半導体レーザ素子において、
前記電流ブロッキング層を貫通し、前記化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部が形成され、前記ピット状凹部のうち、少なくとも、電流ブロッキング層を貫通する部分を除く凹部が、絶縁膜又は比抵抗の高い化合物半導体層で、被覆され又は埋め込まれている半導体レーザ素子。 - 絶縁膜が、ＳｉＯ2 膜、Ａｌ2 Ｏ3 膜及びＳｉＮ膜の少なくともいずれかで形成されている請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 絶縁膜が、ホウ素のドーピング又はイオン注入により形成された半絶縁体で形成されている請求項１に記載の半導体レーザ素子。
- 化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、前記上部クラッド層の上層及び前記コンタクト層がリッジストライプ状のメサ構造として形成され、前記メサ構造の両側が電流ブロッキング層で埋め込まれている半導体レーザ素子において、
前記上部クラッド層と前記活性層と前記下部クラッド層とを貫通し、前記化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部が形成され、前記ピット状凹部が、前記電流ブロッキング層のキャリア濃度の低い化合物半導体層で埋め込まれている半導体レーザ素子。 - 化合物半導体基板上に少なくとも下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、前記上部クラッド層の上層及び前記コンタクト層がリッジストライプ状のメサ構造として形成され、前記メサ構造の両側が電流ブロッキング層で埋め込まれた半導体レーザ素子の作製方法において、
前記化合物半導体基板上に、順次、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層及び前記コンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成した後、
前記積層構造に酸又はアルカリ洗浄を施す工程と、
基板全面に絶縁膜を成膜しつつ、前記酸又はアルカリ洗浄の際に、前記積層構造に形成された、前記化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面に前記絶縁膜を成膜する工程と、
基板全面にフォトレジスト膜を成膜し、次いで前記フォトレジスト膜をパターニングして、前記絶縁膜上にレジストマスクを形成し、かつ前記ピット状凹部を前記フォトレジスト膜で埋め込む工程と、
前記レジストマスクをマスクにして前記絶縁膜をエッチングして絶縁膜マスクを形成し、次いで前記絶縁膜マスクをマスクにして前記コンタクト層及び前記上部クラッド層をエッチングし、リッジストライプ状の前記メサ構造を形成する工程と、
更に、前記絶縁膜マスクをマスクにした選択成長法により前記電流ブロッキング層を成長させ、前記メサ構造の両側を埋め込む工程と、
前記絶縁膜マスクを除去して前記コンタクト層を露出させ、前記コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程と
を備えている半導体レーザ素子の作製方法。 - 化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、前記上部クラッド層の上層及び前記コンタクト層がリッジストライプ状のメサ構造として形成され、前記メサ構造の両側が電流ブロッキング層で埋め込まれた端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、
前記化合物半導体基板上に、順次、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層及び前記コンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いで前記コンタクト層及び前記上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状の前記メサ構造を形成し、絶縁膜マスクを使った選択成長法により前記電流ブロッキング層を成長させて前記メサ構造の両側を埋め込み、続いて前記絶縁膜マスクを除去して前記コンタクト層を露出させた後、
基板全面に絶縁膜を成膜しつつ、前記電流ブロッキング層を貫通し化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面に絶縁膜を成膜し、次いで前記ピット状凹部の壁面を除いた領域から前記絶縁膜を除去する工程と、
前記コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程と
を備えている半導体レーザ素子の作製方法。 - 化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、前記上部クラッド層の上層及び前記コンタクト層がリッジストライプ状のメサ構造として形成され、前記メサ構造の両側が電流ブロッキング層で埋め込まれた端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、
前記化合物半導体基板上に、順次、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層及びコンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いでコンタクト層及び前記上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状の前記メサ構造を形成した後、
絶縁膜マスクを使った選択成長法によりキャリア濃度の低い前記電流ブロッキング層を成長させ、前記メサ構造の両側及び前記化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部を前記電流ブロッキング層で埋め込み、続いて前記絶縁膜マスクを除去して前記コンタクト層を露出させる工程と、
前記コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程と
を備えている半導体レーザ素子の作製方法。 - 化合物半導体基板上に下部クラッド層、活性層、上部クラッド層及びコンタクト層を備え、前記上部クラッド層の上層及び前記コンタクト層がリッジストライプ状のメサ構造として形成され、前記メサ構造の両側が電流ブロッキング層で埋め込まれた端面発光型の半導体レーザ素子の作製方法において、
前記化合物半導体基板上に、順次、前記下部クラッド層、前記活性層、前記上部クラッド層及び前記コンタクト層をエピタキシャル成長させて積層構造を形成し、次いで前記コンタクト層及び前記上部クラッド層をエッチングしてリッジストライプ状の前記メサ構造を形成し、更に絶縁膜マスクを使った選択成長法により前記電流ブロッキング層を成長させて前記メサ構造の両側を埋め込み、続いて前記絶縁膜マスクを除去して前記コンタクト層を露出させた後、
前記コンタクト層上にレジストパターンを形成して基板全面にイオン注入し、前記電流ブロッキング層を貫通し前記化合物半導体基板に向かって延在するピット状凹部の壁面の表層を比抵抗の高い層に転化する工程と、
前記レジストパターンを除去し、熱処理を施すことなく、前記コンタクト層上を含む基板面に電極層を形成する工程と
を備えている半導体レーザ素子の作製方法。
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