JP4441085B2 - 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、通信用等に用いられる、低消費電力・高信頼性を必要とする半導体レーザ素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体レーザ素子、特にＢＨ構造（半導体レーザ素子の積層構造において、積層構造の上部から下クラッド層の途中までメサストライプ部が形成されており、メサストライプ部両側に光・電流狭窄層を設けている構造）やリッジ構造（半導体レーザ素子の積層構造において、積層構造の上部から上クラッドの途中までメサストライプ部が形成されており、メサストライプ部両側に光・電流狭窄層を設けている構造）をもつ素子は、ストライプ状に電流を流すように電流ブロック層（電流阻止領域）が存在する。
電流ブロック層へ電流を流れなくすることで、ストライプ状に電流を流すため、電流ブロック層に、ｐｎ逆接合をもたせたり、高抵抗の半導体層を利用したり、絶縁体膜を利用することで、電流阻止機能をもたせている。
【０００３】
図９に特許第２８１４１２４号に記載された従来の半導体レーザ素子の概略断面図を示す。簡単に図を説明する。基板５０１上には、下クラッド層５０３、下ガイド層５０４、活性層５０５、上ガイド層５０６、上クラッド層５０７、キャップ層５０８が順次積層されている。また、キャップ層５０８上部から下クラッド層５０３の途中までメサストライプ部５２１ａが形成され、該メサストライプ部５２１ａ両側が電流ブロック部５２１ｂ（電流ブロック層５０９及び５１０）によって埋めこまれている。この素子は、ＢＨ構造をもつ半導体レーザ素子である。更に、電流ブロック層５０９及び５１０上には、絶縁体膜５１２が積層され、更に全面に電極５１６が配されている。
【０００４】
ｐｎ逆接合による電流ブロック層や高抵抗層は、一般に半導体で形成されているものであり、上下クラッド層、活性領域及びコンタクト層と同様、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等の結晶成長法にて作成される。この成長法によれば半導体層を、メサストライプ状への加工後の半導体表面上へも比較的簡単に再成長させることができる。
また、絶縁体膜による電流ブロック層は、特に電流ブロック層がｐｎ逆接合をもっている場合に比べ、逆接合による狭窄部容量が生じることがなく、半導体レーザ素子の高速応答化に対して有用な電流ブロック層となりうる。
【０００５】
一方、発光素子である半導体レーザ素子は、連続動作時に活性領域で熱が生じる。素子温度によりレーザ素子の特性が大きく変動するために、発生した熱を効率よく放出する必要がある。
そのために、半導体レーザ素子の素子構造を積層した面をステムにマウントする、ジャンクションダウンという実装形態をとる。すると活性領域とステム及び電極とが近くなるため、活性領域で発生した熱を逃がしやすくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ジャンクションダウンでの実装形態の場合、電極である金属部分をステムにマウントするのだが、絶縁体膜上に金属を蒸着しても相互の密着性が弱く、マウントしても素子がはがれてしまう、という欠点があった。
また、メサストライプ部直上のみに金属電極を配しても、ステムへマウントする表面のうちほぼ全面が絶縁体膜になるため、同様に密着性が弱い、という欠点があった。
本発明は、かかる実情に鑑み、ジャンクションダウンの実装形態においても、マウント後に素子がはがれることのない半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、半導体基板上に下クラッド層、活性領域及び上クラッド層から少なくとも構成された積層構造を備え、該積層構造が、その全体に、又は積層構造の上部から下クラッド層もしくは上クラッド層の途中までの部分にメサストライプ部を有し、該メサストライプ部がその両側に電流阻止機能を有する電流ブロック層と、メサストライプ部直上以外の部分に絶縁体膜をそれぞれ有し、メサストライプ部及び絶縁体膜がキャップ層で覆われ、該キャップ層上に金属電極を備えていることにより、上記目的を達成する。
【０００８】
本発明のレーザ素子は、メサストライプ部上とキャップ層との間に、中間キャップ層を備えていることにより、上記目的を達成する。
本発明のレーザ素子は、中間キャップ層が、絶縁体膜上にも一部積層されていることにより、上記目的を達成する。
本発明のレーザ素子は、電流ブロック層が、ｐｎ逆接合構造を有することにより電流阻止機能をもつことにより、上記目的を達成する。
本発明のレーザ素子は、メサストライプ部及び電流ブロック層上に、第三のクラッド層を備えたことにより、上記目的を達成する。
【００１０】
本発明のレーザ素子は、キャップ層が、上記メサストライプ部上では単結晶であり、絶縁体膜上では多結晶であることにより、上記目的を達成する。
【００１１】
本発明のレーザ素子は、半導体基板上に、下クラッド層、活性領域及び上クラッド層から少なくとも構成された積層構造を形成する工程と、該積層構造の全体に、又は積層構造の上部から下クラッド層もしくは上クラッド層の途中までをメサストライプ状に形成する工程と、該メサストライプ部の両側に電流阻止機能を有する電流ブロック層を積層する工程と、メサストライプ部直上以外の部分に絶縁体膜を積層する工程と、更に表面全体を覆うようにキャップ層を積層する工程と、該キャップ層上に金属電極を配する工程とを含むことにより、上記目的を達成する。
【００１２】
本発明のレーザ素子は、絶縁体膜を積層する工程と、キャップ層を積層する工程との間に、メサストライプ部直上に選択的に中間キャップ層を積層する工程を含むことにより、上記目的を達成する。
本発明のレーザ素子は、中間キャップ層を絶縁体膜の一部の上にも積層することにより、上記目的を達成する。
本発明のレーザ素子は、電流ブロック層が、ｐｎ逆接合を有することにより電流阻止機能をもつことにより、上記目的を達成する。
本発明のレーザ素子は、電流ブロック層を積層する工程と、絶縁体膜を積層する工程との間に、メサストライプ部及び電流ブロック層上に第三のクラッド層を積層する工程を含むことにより、上記目的を達成する。
【００１４】
本発明のレーザ素子は、キャップ層が、メサストライプ部上では単結晶層として、絶縁体膜上では多結晶層として積層させることにより、上記目的を達成する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図４は、本発明の半導体レーザ素子の構造の一例を示したものである。この素子は、半導体基板表面に、バッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、活性領域、第二導電型半導体上クラッド層からなる積層構造を有し、該積層構造がメサストライプ部を有し、該メサストライプ部両側が第一及び第二導電型半導体電流ブロック層によって埋め込まれ、電流ブロック層及びメサストライプ部上全面に保護層が積層されており、上記メサストライプ部直上以外の部分に絶縁体膜が積層され、更に絶縁体膜及びメサストライプ部直上全体を覆うようにキャップ層が積層され、該キャップ層上に金属電極が配されてなる構造を有している。
【００１６】
以下、具体的な半導体レーザ構造の作製方法を図１〜３を用いて説明する。
まず、（１００）面をもつｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下クラッド層１０３（層厚２．０μｍ）、ＧａＡｓ下ガイド層１０４（層厚１５０Å）、Ｇａ_0.7Ｉｎ_0.3Ｎ_0.01Ａｓ_0.99井戸層（層厚７０Å、３層）とＧａＡｓバリア層（層厚５０Å、２層）を交互に配置してなる多重量子井戸活性層１０５、ＧａＡｓ上ガイド層１０６（層厚１５０Å）、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上クラッド層１０７（層厚２．０μｍ）、ＧａＡｓ保護層１０８（層厚２００Å）を順次分子線エピタキシー法にて結晶成長させる。
【００１７】
更に、ＳｉＯ₂絶縁膜を積層し、メサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向をもつように、写真工程により作製する。その後、レジストマスク以外の絶縁膜を取り除き、更にレジストマスクを除去することで、ストライプ状の絶縁膜マスク１３１を得る（図１）。
次に、該絶縁膜マスク１３１以外の部分をエッチングし、メサストライプ部１２１ａを形成する。エッチングはクエン酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、下クラッド層１０３の途中まで行う。エッチングの深さは約２μｍ、メサストライプ部の幅は活性領域で約１．５μｍである（図２）。
【００１８】
続いて、メサストライプ部１２１ａの側面及びメサストライプ部両側１２１ｂを、バッファードフッ酸（フッ化水素とフッ化アンモニウムを混合した溶液）にてそれらの表面に清浄処理を施した後、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓブロック層１０９（層厚１．０μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓブロック層１１０（層厚１．０μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、光・電流狭窄領域を形成する。
その後、上記絶縁膜マスク１３１を取り除き、ｐ−ＧａＡｓ保護層１１７（層厚０．１μｍ）、ＳｉＮ絶縁体膜１１２（層厚０．５μｍ）を順次積層する。そして上記メサストライプ部直上の部分の絶縁体膜をエッチングで取り除くために、写真工程を用いてメサストライプ部直上以外の部分をレジストマスク１３２でマスキングする（図３）。
【００１９】
エッチングによりレジストマスク１３２以外の部分の絶縁体膜を取り除いた後、レジストマスク１３２を取り除き、積層構造表面全体を覆うように、非選択的にｐ−Ａｌ_0.4ＧａＡｓ第一のキャップ層１１４（層厚０．１μｍ）を積層し、更にｐ−ＧａＡｓ第二のキャップ層１１５（層厚２．０μｍ）を積層し、金属電極１１６を配する。ここで、ＧａＡｓは絶縁体膜上には成長せず、ＡｌＧａＡｓは絶縁体膜上にも成長する性質を有している。そのため、本実施の形態のようにＧａＡｓを成長させる前にＡｌＧａＡｓを全面に積層させておくことで、ＧａＡｓの絶縁体膜上への積層が可能になる。またこのとき、第一のキャップ層は半導体層上及び絶縁体膜上に成長するが、半導体層上の領域では単結晶成長、及び絶縁体膜上では多結晶成長している。このようにして、図４に示す構造の半導体レーザ素子を作製することができる。なお、第二のキャップ層は、第一のキャップ層に含まれるＡｌが自然酸化されることを防ぐ役割も有している。図４中、１２２ａは単結晶領域、１２２ｂは多結晶領域を意味する。
【００２０】
上記手順により、本発明の半導体レーザ素子は、ＳｉＮ絶縁体膜１１２上に半導体層及び金属電極を積層する構造を有する。半導体層はメサストライプ部上では単結晶領域１２２ａ、ＳｉＮ絶縁体膜上では多結晶領域１２２ｂであるが、金属電極が半導体層上に積層されているため、絶縁体膜上に直接積層されている場合に比べ、金属との密着性の違いにより素子がはがれてしまうことなく、放熱性のよいジャンクションダウンでステムにマウントすることができる。また、絶縁体膜が存在することにより、電流が効率よくメサストライプ部に流れ、ｐｎ逆接合により生じる寄生容量を低減することができ、高速応答可能な半導体レーザ素子となりうる。
【００２１】
また、本実施の形態において、半導体レーザ素子はＢＨ構造を有しているが、リッジ構造を有していても同様の効果が得られる。
また、本実施の形態において、非選択的に成長させる第一のキャップ層のＡｌ混晶比を０．４としているが、Ａｌの混晶比が低いと非選択成長性が低くなる。しかし、メサストライプ部の幅が狭ければ、マイグレーションの影響によりＡｌ混晶比が低くても非選択成長をする場合がある。概ねＡｌ混晶比が０．４なら非選択成長し、０．３まではメサストライプ部の幅に依存し、０．２以下だと選択成長となる。従って、本実施の形態及び以下の実施の形態においてＡｌ混晶比を０．４としているが、メサストライプ部の幅によっては上記理由により０．４に限らない。
【００２２】
（実施の形態２）
図５は、本発明の半導体レーザ素子の構造の一例を示したものである。この素子は、半導体基板表面に、バッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、活性領域、第二導電型半導体上クラッド層からなる積層構造を有し、該積層構造がメサストライプ部を有し、該メサストライプ部両側が第一及び第二導電型半導体電流ブロック層によって埋め込まれ、電流ブロック層及びメサストライプ部上全面にクラッド層及び保護層が積層されており、上記メサストライプ部直上以外の部分に絶縁体膜が積層され、メサストライプ部直上に中間キャップ層が選択的に積層され、絶縁体膜及び中間キャップ層上全面に第一のキャップ層及び第二のキャップ層が非選択的に積層され、該第二のキャップ層上に金属電極が配されてなる構造を有している。
【００２３】
以下、具体的な半導体レーザ構造の作製方法を説明する。
まず、（１００）をもつｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０２（層厚０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下クラッド層２０３（層厚２．０μｍ）、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ下ガイド層２０４（層厚１５０Å）、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.58Ｉｎ_0.32Ｎ_0.019Ａｓ_0.981井戸層（層厚７０Å、３層）とＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓバリア層（層厚５０Å、２層）を交互に配置してなる多重量子井戸活性層２０５、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ上ガイド層２０６（層厚１５０Å）、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上クラッド層２０７（層厚１．０μｍ）、ＧａＡｓ保護層２０８（層厚２００Å）を順次分子線エピタキシー法にて結晶成長させる。
更にＳｉＯ₂絶縁膜を積層し、メサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向をもつように、写真工程により作製する。その後、レジストマスク以外の絶縁膜を取り除き、更にレジストマスクを除去し、ストライプ状の絶縁膜マスクを得る。
【００２４】
次に、該絶縁膜マスク部以外の部分をエッチングし、メサストライプ部２２１ａを形成する。エッチングはクエン酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、下クラッド層２０３の途中まで行う。エッチングの深さは約２μｍ、メサストライプ部の幅は活性領域で約１．５μｍである。
続いて、メサストライプ部２２１ａ側面及びメサストライプ部両側２２１ｂを、バッファードフッ酸にてそれらの表面に清浄処理を施した後、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓブロック層２０９（層厚１．０μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓブロック層２１０（層厚１．０μｍ）を順次有機金属結晶成長させ、光・電流狭窄領域を形成する。
【００２５】
その後、上記絶縁膜マスクを取り除き、ｐ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓクラッド層２１１（層厚１．０μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ保護層２１７（層厚０．１μｍ）、ＳｉＮ絶縁体膜（層厚０．５μｍ）を順次積層する。そして、写真工程を用いてメサストライプ部２２１ａ直上以外の部分にレジストでマスキングを行い、メサストライプ部２２１ａ直上の部分の絶縁体膜をエッチングで取り除く。レジストを除去することで、メサストライプ部２２１ａ直上以外の部分に絶縁体膜２１２を形成する。
【００２６】
続いて、該絶縁体膜２１２を選択成長用マスクとして、上記メサストライプ部２２１ａ直上の部分にｐ−ＧａＡｓ中間キャップ層２１３（層厚０．５μｍ）を有機金属結晶成長させる。この工程は、絶縁体膜２１２のエッチングによる側面上に、次工程の非選択成長膜が成長することで多結晶領域が広くならないように、中間キャップ層によって側面を覆うために行われている。
続いて、非選択的にｐ−Ａｌ_0.4ＧａＡｓ第一のキャップ層２１４（層厚０．１μｍ）及びｐ−ＧａＡｓ第二のキャップ層２１５（層厚４．０μｍ）を順次成長させ、第二キャップ層２１５上に金属電極２１６を配する。このとき、第一のキャップ層は、半導体層上及び絶縁体膜上に成長するが、半導体層上では単結晶成長、及び絶縁体膜上では多結晶成長している。このようにして、図５に示す構造の半導体レーザ素子を作製することができる。図５中、２２２ａは単結晶領域、２２２ｂは多結晶領域を意味している。
【００２７】
上記手順により、本発明の半導体レーザ素子は、ＳｉＮ絶縁体膜２１２上に半導体層及び金属電極を積層する構造を有する。半導体層はメサストライプ部上では単結晶領域２２２ａ、ＳｉＮ絶縁体膜上では多結晶領域２２２ｂであるが、このことから得られる効果は、実施の形態１における効果と同様である。
また、本実施の形態において、中間キャップ層２１３を絶縁体膜２１２の層厚よりも厚く成長させようとすると、中間キャップ層２１３は絶縁体膜２１２の層厚を越えてから平面横方向へ成長する。このように成長させてから第一のキャップ層を積層させると、より第一及び第二のキャップ層の単結晶領域が広がる。そのため、導電性がより良好となり、特性のよい半導体レーザ素子が得られる（図６の参照番号２１３参照）。ここで、上記中間キャップ層の形状は、例えば、該絶縁体膜より１μｍ程度厚く、該絶縁体膜上の平面横方向への広がりが０．５μｍ程度ずつであれば効果が得られる。
【００２８】
また、本実施の形態において、半導体レーザ素子はＢＨ構造を有しているが、リッジ構造を有していても同様の効果が得られる。
また、本実施の形態において、中間キャップ層を有機金属結晶成長させるとき、Ａｌ_0.4ＧａＡｓ第一のキャップ層の成長条件に、雰囲気ガスとしてＨＣｌを添加することで、中間キャップ層をｐ−ＧａＡｓにて選択成長させることができ、該中間キャップ層成長終了後、ＨＣｌ添加を止めることにより、非選択成長にて第一のキャップ層を積層させることができる。すなわち、ＨＣｌの導入により、中間キャップ層と第一のキャップ層を、Ａｌ_0.4ＧａＡｓの成長条件で兼ねることができる。このような手法を用いて半導体レーザ素子を作成しても、本実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２９】
（実施の形態３）
図７は、本発明の半導体レーザ素子の構造の一例を示したものである。この素子は、半導体基板表面に、バッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、活性領域、第二導電型半導体上クラッド層からなる積層構造を有し、該上クラッド層がメサストライプ部を有し、該メサストライプ部両側が絶縁体層によって埋め込まれ、絶縁体層及びメサストライプ部上全面に第一のキャップ層及び第二のキャップ層が積層され、該第二のキャップ層上に金属電極が配されてなる構造を有している。
【００３０】
以下、具体的な半導体レーザ構造の作製方法を説明する。
まず、（１００）をもつｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ＧａＡｓバッファ層３０２（層厚０．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ下クラッド層３０３（層厚１．５μｍ）、ＧａＡｓ下ガイド層３０４（層厚４００Å）、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ井戸層（層厚７５Å、２層）とＧａＡｓバリア層（層厚５０Å、１層）を交互に配置してなる多重量子井戸活性層３０５、ＧａＡｓ上ガイド層３０６（層厚４００Å）、Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ上クラッド層３０７（層厚１．５μｍ）、ＧａＡｓ保護層３０８（層厚０．５μｍ）を、有機金属気相成長法で順次結晶成長させる。
【００３１】
更に、ＳｉＯ₂絶縁膜を積層し、メサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向をもつように、写真工程により作製する。その後、レジストマスク以外の絶縁膜を取り除き、更にレジストマスクを除去することで、ストライプ状の絶縁膜マスクを得る。
次に、該絶縁膜マスク部以外の部分をエッチングし、メサストライプ部３２１ａを形成する。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、上クラッド層３０７の途中まで行う。エッチングの深さは約１．７５μｍ、メサストライプ部の幅は底で約２．５μｍである。
【００３２】
続いて、メサストライプ部３２１ａ側面及びメサストライプ部両側３２１ｂを、バッファードフッ酸にてそれらの表面に清浄処理を施す。このとき上記絶縁膜マスクは除去される。その後、表面全体にＳｉＮ絶縁体層３１２を積層させ、光・電流狭窄領域を形成する。
その後、上記絶縁体層３１２のうち、上記メサストライプ部直上の絶縁体層をレジストによるマスキング及びウェットエッチングにより取り除き、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第一のキャップ層３１４（層厚０．１μｍ）、ｐ−ＧａＡｓ第二のキャップ層３１５（層厚４．０μｍ）を順次積層する。更に、第二のキャップ層３１５上に金属電極３１６を配する。このとき、第一のキャップ層は半導体層上及び絶縁体膜上に成長するが、半導体層上３２２ａの領域では単結晶成長、及び絶縁体膜上３２２ｂでは多結晶成長している。このようにして、図７に示す構造の半導体レーザ素子を作成することができる。
【００３３】
上記手順により、本発明の半導体レーザ素子は、絶縁体膜ＳｉＮ４１２上に半導体層及び金属電極４１６を積層する構造を有する。このことから得られる効果は、実施の形態１における効果と同様である。
また、本実施の形態において、半導体レーザ素子はリッジ構造を有しているが、ＢＨ構造を有していても同様の効果が得られる。
【００３４】
（実施の形態４）
図８は、本発明の半導体レーザ素子の構造の一例を示したものである。この素子は、半導体基板表面に、バッファ層、第一導電型半導体下クラッド層、活性領域、第二導電型半導体上クラッド層からなる積層構造を有し、該上クラッド層がメサストライプ部を有し、該メサストライプ部両側が絶縁体層によって埋め込まれ、メサストライプ部直上に第一のキャップ層が選択的に積層され、絶縁体層及び第一のキャップ層全面に第二のキャップ層が非選択的に積層されており、該第二のキャップ層上に金属電極が配されてなる構造を有している。
【００３５】
以下、具体的な半導体レーザ構造の作製方法を説明する。
まず、（１００）をもつｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、ＧａＡｓバッファ層４０２（層厚０．５μｍ）、ｎ−Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ下クラッド層４０３（層厚２．０μｍ）、Ｉｎ_0.106Ｇａ_0.894Ａｓ_0.786Ｐ_0.214下ガイド層４０４（層厚４００Å）、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ井戸層（層厚８５Å、２層）とＩｎ_0.106Ｇａ_0.894Ａｓ_0.786Ｐ_0.214バリア層（層厚５０Å、１層）を交互に配置してなる多重量子井戸活性層４０５、Ｉｎ_0.106Ｇａ_0.894Ａｓ_0.786Ｐ_0.214上ガイド層４０６（層厚４００Å）、Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐ上クラッド層４０７（層厚１．５μｍ）、ＧａＡｓ保護層４０８（層厚０．５μｍ）を、有機金属気相成長法で順次結晶成長させる。
【００３６】
更に、ＳｉＯ₂絶縁膜を積層し、メサストライプ部を形成する部分に、レジストマスクをストライプ方向が（０１１）方向をもつように、写真工程により作製する。その後、レジストマスク以外の絶縁膜を取り除き、更にレジストマスクを除去することで、ストライプ状の絶縁膜マスクを得る。
次に、該絶縁膜マスク部以外の部分をエッチングし、メサストライプ部４２１ａを形成する。エッチングは硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用い、上クラッド層４０７の途中まで行う。エッチングの深さは約１．７５μｍ、メサストライプ部の幅は底で約２．５μｍである。
【００３７】
続いて、メサストライプ部４２１ａ側面及びメサストライプ部両側４２１ｂを、バッファードフッ酸にてそれら表面に清浄処理を施す。このとき上記絶縁膜マスクは除去される。その後、表面全体にＳｉＮ絶縁体層を積層させ、光・電流狭窄領域を形成する。そして、写真工程を用いてメサストライプ部４２１ａ直上以外の部分をレジストでマスキングする。
メサストライプ部４２１ａ直上の部分の絶縁体膜をエッチングで取り除いた後、レジストを除去することで、絶縁体膜４１２を得る。
【００３８】
続いて、該絶縁体膜４１２を選択成長用マスクとして、上記メサストライプ部４２１ａ直上の部分にｐ−ＧａＡｓ中間キャップ層４１３（層厚１．０μｍ）を有機金属結晶成長させ、続いて非選択的にｐ−Ａｌ_0.4ＧａＡｓ第一のキャップ層４１４（層厚０．１μｍ）及びｐ−ＧａＡｓ第二のキャップ層４１５（層厚３．０μｍ）を順次成長させ、金属電極４１６を配する。このとき、該第一のキャップ層は半導体層上及び絶縁体膜上に成長するが、半導体層上の領域では単結晶成長、及び絶縁体膜上では多結晶成長している。このようにして、図８に示す構造の半導体レーザ素子を作製することができる。図８中、４２２ａは単結晶領域、４２２ｂは多結晶領域を意味している。
【００３９】
上記手順により、本発明の半導体レーザ素子は、ＳｉＮ絶縁体膜４１２上に半導体層及び金属電極を積層する構造を有する。半導体層はメサストライプ部上では単結晶領域４２２ａ、ＳｉＮ絶縁体膜上では多結晶領域４２２ｂであるが、このことから得られる効果は、実施の形態１における効果と同様である。
また、本実施の形態において、上記中間キャップ層４１３を絶縁体膜４１２の上部で平面横方向へ成長する。このように成長させてから第一のキャップ層４１４を積層させると、より第一及び第二のキャップ層の単結晶領域が広がる。このことから得られる効果は、実施の形態２における効果と同様である。ここで、上記中間キャップ層の形状は、例えば、絶縁体膜より１μｍ程度厚く、絶縁体膜上の平面横方向への広がりが０．５μｍ程度ずつであれば効果が得られる。
【００４０】
また、本実施の形態において、半導体レーザ素子はリッジ構造を有しているが、ＢＨ構造を有していても同様の効果が得られる。
また、本実施の形態において、第一のキャップ層を有機金属結晶成長させるとき、第二のキャップ層の成長条件に、雰囲気ガスとしてＨＣｌを添加することで、第一のキャップ層をｐ−Ａｌ_0.4ＧａＡｓにて選択成長させることができ、第一のキャップ層成長終了後、ＨＣｌ添加を止めることにより、非選択成長にて第二のキャップ層を積層させることができる。このような手法を用いて半導体レーザ素子を作成しても、本実施の形態と同様の効果が得られる。
以上に示す実施の形態１〜４において使用した半導体レーザ素子を構成する材料以外の、例えばＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＡｌＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ系等の化合物半導体材料をいずれも使用することができる。
【００４１】
また、各半導体層を形成する成長方法も各実施の形態に示す以外のもの、たとえばガスソースや有機金属ソースの分子線エピタキシー法でもよい。
更に、絶縁体膜としてＳｉＮを用いているが、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等でもよい。
また、リッジ構造やＢＨ構造だけでなく、ブロードエリア構造でもよい。
更に、メサストライプ部を作製する際のマスクとしてＳｉＯ₂を用いているが、電流ブロック層を選択成長にて積層する必要のない場合等は、レジストマスクを用いてもよい。
【００４２】
また、キャップ層の厚さは、上記実施の形態中の特定の厚さに限定されず、構成する材料、素子の特性等を考慮して適宜設定することができる。例えば、２．０〜５．０μｍの範囲であることが好ましい。この範囲が好ましいのは、２．０μｍより薄い場合、マウント時のＩｎ等の金属の拡散を防ぐことが困難であり、５．０μｍより厚い場合、キャップ層上に形成される金属電極の表面が荒れる恐れがあるからである。このキャップ層は、１層又は複数層の積層体であってもよい。ここで、キャップ層が、第一及び第二の２層からなる場合、第一のキャップ層の厚さは、０．０５〜０．５μｍの範囲、第二のキャップ層の厚さは、２．０〜４．５μｍの範囲であることが好ましい。ここで、第一のキャップ層の厚さにおいて、前記範囲が好ましいのは、第一のキャップ層は薄い方がよいが、０．０５μｍより薄い場合、メサストライプ上に成長させることが困難であり、０．５μｍより厚い場合、第一のキャップ層自体が抵抗成分になるためである。
更に、任意層である中間キャップ層及び第三のクラッド層の厚さは、それぞれ０．５〜１．５μｍ及び１．０〜２．０μｍであることが好ましい。
なお、本発明は半導体レーザ素子の構造の改良に関しているが、絶縁体膜と金属電極間の密着力の不足による両者の剥がれが問題となる用途であれば、本発明の絶縁体膜−半導体膜−金属電極の構成を適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子及び製造方法によれば、絶縁体膜上に半導体層及び金属電極を積層した構造を有し、半導体層はメサストライプ部上では単結晶の形態、絶縁体膜上では多結晶の形態であるが、金属電極が半導体層上に積層されているため、絶縁体膜上に直接積層されている場合に比べ、金属の密着性の違いにより素子がはがれてしまうことなく、放熱性のよいジャンクションダウンでステムにマウントすることができる。
また、絶縁体膜が存在することにより、電流が効率よくストライプ領域に流れ、ｐｎ逆接合により生じる寄生容量を低減することができ、高速応答可能な半導体レーザ素子を作製することができる。
【００４４】
更に、本発明の半導体レーザ素子及び製造方法によれば、中間キャップ層が絶縁体膜の上部で平面横方向へ成長するので、このように成長させてから第一のキャップ層及び第二のキャップ層を積層させると、より第一のキャップ層の単結晶領域が広がるため、導電性がより良好となり、特性のよい半導体レーザ素子を得ることができる。
また、本発明の半導体レーザ素子及び製造方法によれば、中間キャップ層を有機金属結晶成長させるとき、Ａｌ_0.4ＧａＡｓ第一のキャップ層の成長条件に、雰囲気ガスとしてＨＣｌを添加することで、中間キャップ層をｐ−ＧａＡｓにて選択成長させることができ、該中間キャップ層成長終了後、ＨＣｌ添加を止めることにより、非選択成長にて第一のキャップ層を積層させることができる。すなわち、ＨＣｌの導入により、中間キャップ層と第一のキャップ層を、Ａｌ_0.4ＧａＡｓの成長条件で兼ねることができるので、より容易に半導体レーザ素子を作製できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の半導体レーザ素子の概略工程断面図である。
【図２】実施の形態１の半導体レーザ素子の概略工程断面図である。
【図３】実施の形態１の半導体レーザ素子の概略工程断面図である。
【図４】実施の形態１の半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図５】実施の形態２の半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図６】実施の形態２の半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図７】実施の形態３の半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図８】実施の形態４の半導体レーザ素子の概略断面図である。
【図９】従来の半導体レーザ素子の概略断面図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ 基板
１０２、２０２、３０２、４０２ バッファ層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３ 下クラッド層
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４ 下ガイド層
１０５、２０５、３０５、４０５ 多重量子井戸活性層
１０６、２０６、３０６、４０６、５０６ 上ガイド層
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７ 上クラッド層
１０８、１１７、２０８、２１７、３０８、４０８ 保護層
１０９、１１０、２０９、２１０ ブロック層
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ 絶縁体膜
１１４、２１４、３１４、４１４ 第一のキャップ層
１１５、２１５、３１５、４１５ 第二のキャップ層
１１６、２１６、３１６、４１６ 金属電極
１２１ａ、２２１ａ、３２１ａ、４２１ａ、５２１ａ メサストライプ部
１２１ｂ、２２１ｂ、３２１ｂ、４２１ｂ メサストライプ部両側
１２２ａ、２２２ａ、３２２ａ、４２２ａ 単結晶領域
１２２ｂ、２２２ｂ、３２２ｂ、４２２ｂ 多結晶領域
１３１ 絶縁膜マスク
１３２ レジストマスク
２１１ クラッド層
２１３、４１３ 中間キャップ層
５０５ 活性層
５０８ キャップ層
５０９、５１０ 電流ブロック層
５１６ 電極
５２１ｂ 電流ブロック部

Claims (12)

1. 半導体基板上に下クラッド層、活性領域及び上クラッド層から少なくとも構成された積層構造を備え、該積層構造が、その全体に、又は積層構造の上部から下クラッド層もしくは上クラッド層の途中までの部分にメサストライプ部を有し、該メサストライプ部がその両側に電流阻止機能を有する電流ブロック層と、メサストライプ部直上以外の部分に絶縁体膜をそれぞれ有し、メサストライプ部及び絶縁体膜がキャップ層で覆われ、該キャップ層上に金属電極を備えていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. メサストライプ部直上とキャップ層との間に、中間キャップ層を備えている請求項１に記載の素子。
3. 中間キャップ層が、絶縁体膜上にも一部積層されている請求項２に記載の素子。
4. 電流ブロック層が、ｐｎ逆接合構造を有することにより電流阻止機能をもつ請求項１〜３のいずれか１つに記載の素子。
5. メサストライプ部及び電流ブロック層上に、第三のクラッド層を備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の素子。
6. キャップ層が、上記メサストライプ部上では単結晶であり、絶縁体膜上では多結晶である請求項１〜５のいずれか１つに記載の素子。
7. 半導体基板上に、下クラッド層、活性領域及び上クラッド層から少なくとも構成された積層構造を形成する工程と、該積層構造の全体に、又は積層構造の上部から下クラッド層もしくは上クラッド層の途中までをメサストライプ状に形成する工程と、該メサストライプ部の両側に電流阻止機能を有する電流ブロック層を積層する工程と、メサストライプ部直上以外の部分に絶縁体膜を積層する工程と、更に表面全体を覆うようにキャップ層を積層する工程と、該キャップ層上に金属電極を配する工程とを含むことを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
8. 絶縁体膜を積層する工程と、キャップ層を積層する工程との間に、メサストライプ部直上に選択的に中間キャップ層を積層する工程を含む請求項７に記載の製造方法。
9. 中間キャップ層を絶縁体膜の一部の上にも積層する請求項８に記載の製造方法。
10. 電流ブロック層が、ｐｎ逆接合を有することにより電流阻止機能をもつ請求項７〜９のいずれか１つに記載の製造方法。
11. 電流ブロック層を積層する工程と、絶縁体膜を積層する工程との間に、メサストライプ部及び電流ブロック層上に第三のクラッド層を積層する工程を含む請求項７〜１０のいずれか１つに記載の製造方法。
12. キャップ層が、メサストライプ部上では単結晶層として、絶縁体膜上では多結晶層として積層させる請求項７〜１１のいずれか１つに記載の製造方法。

Images