JP5378651B2 - 半導体レーザ素子及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体レーザ素子及びその製造方法に係わり、特に実屈折率導波（リアルガイド）型の半導体レーザ素子の製造技術に適用して有効な技術に関する。
６３０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ赤色半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）は、その視認性が良いという特徴を生かして、表示デバイスとしての応用が進められてきた。例えば、レベラやマーカといった表示デバイスに使用され、レーザ光を対象物に投射して視認することが重要な用途の一つとなっている。このような用途に使用する場合には、可搬性が高いことが必須条件となるため、電池駆動によって動作させることが主であり、長時間の動作が可能となるようにできるだけ消費電力の小さい半導体レーザ素子が必要とされている。また、表示デバイスとして使用する場合には、レーザ光のビーム（レーザビーム）の質も重要な要素となっている。
レーザダイオードの駆動電流を低減する方法としては、半導体レーザ素子内部（光導波路：共振器）での光損失が小さく発光効率が高い実屈折率導波型の半導体レーザ素子構造を用いることが有効となる。この構造には、従来の半導体レーザ素子のＧａＡｓ埋込層を、光吸収が非常に少ないＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰに代えた埋込リッジ型の半導体レーザ素子（例えば、特許文献１）、及び埋込層の替わりに誘電体層でリッジ側面を覆って保護層としたリッジ型の半導体レーザ素子が知られている（例えば、特許文献２、３）。
特許文献２に記載されている半導体レーザ素子は、レーザ光を出射する端面（前方出射面）、もしくは端面近傍に溝あるいは、凹部を設けて、リッジ部から漏れた光がレーザ外部に漏れることを抑える構造になっている。この結果、ＦＦＰ（遠視野像）の強度分布にリップル（凹凸）が発生することを防ぐことができ、ガウシアン形状のきれいなＦＦＰを得ることができる。
特許文献３に記載されている半導体レーザ素子は、共振器面とは異なる活性層断面を少なくとも含む端面を設け、その表面に遮光層を設けた構造とすることにより、ＦＦＰに発生するリップルを防ぎ、ガウシアン形状のきれいなＦＦＰを得るものとなっている。
特開２００２−３５３５６６号公報 特開２００６−１６５４０７号公報 ＷＯ０２／１０１８９４号国際公開公報
レベラ及びマーカ等の表示デバイスの光源としてのＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザでは、これまで埋込リッジ型の半導体レーザ素子（ロスガイド型）が一般的に用いられてきた。埋込層となる電流ブロック層には、比較的良質の結晶が成長しやすいＧａＡｓが一般的に用いられており、大多数の素子では電流ブロック層がレーザ光を吸収する材質で構成されていた。
図２３はロスガイド型の埋込リッジ型の半導体レーザ素子７０を示す模式図である。この半導体レーザ素子７０では、ｎ型ＧａＡｓ基板７１の上面に多層成長層が形成されている。この多層成長層は、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層７２、井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層７３、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層７４と順次重なる構造になっている。活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造でもよい。そして、ｐ型クラッド層７４はその上面からｐ型クラッド層の所定深さまで選択的に除去（エッチング除去）され、この除去によってｎ型ＧａＡｓ基板７１の上面中央に沿ってストライプ状に延在する１本のリッジ７５が形成される構造になっている。
また、リッジ７５の両側の残留するｐ型クラッド層７４部分上にはＧａＡｓからなるｎ型電流狭窄層７６が形成されている。この一対のｎ型電流狭窄層７６はリッジ７５を挟む構造になっている。また、リッジ７５及びｎ型電流狭窄層７６上にはＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層７７が設けられている。
半導体レーザ素子７０の両側はメサエッチングが施され、ｐ型コンタクト層７７からｎ型クラッド層７２に至る部分はメサ部を形成している。
また、ｐ型コンタクト層７７の上面にはｐ型電極７８が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板７１の下面にはｎ型電極７９が形成されている。さらに、図示しないが、リッジ７５の両端面側となる半導体レーザ素子７０の端面には、それぞれ反射膜が形成されている。半導体レーザ素子７０の両端面のうちの一方の端面である前方出射面には端面保護膜が形成されている。また、他方の端面である後方出射面には前方の保護膜よりも反射率が大きいかもしくは同等となる端面保護膜が形成されている。
このようなロスガイド型の埋込リッジ型半導体レーザ素子では、電流ブロック層での光吸収による損失のために、半導体レーザ素子の発光効率を向上させることが困難であり、低電流駆動を行うことで半導体レーザ素子の消費電力を抑制するというユーザの要求に応えることができなかった。特に、レベラやマーカといった用途では、製品を電池で駆動することが多く、消費電力の低減による駆動時間の長時間化が重要な課題となっており、半導体レーザ素子の駆動電流低減が必要であった。
一方、近年になって、電流ブロック層の材質をレーザ光を吸収し難いＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰに変えた実屈折率導波構造の埋込リッジ型半導体レーザ素子、実屈折率導波構造のリッジ型半導体レーザ素子が実用化され、駆動電流を大きく低減できるようになってきた。
図２４はリアルガイド型（実屈折率導波型）の埋込リッジ型半導体レーザ素子８５を示す模式図である。この埋込リッジ型半導体レーザ素子８５は、図２３で示す半導体レーザ素子７０と同じ構造となっているが、ｎ型電流狭窄層のみが材質が異なっている。即ち、半導体レーザ素子７０の場合ｎ型電流狭窄層７６はレーザ光を吸収し易いＧａＡｓで形成しているが、埋込リッジ型半導体レーザ素子８５の場合、ｎ型電流狭窄層８６はレーザ光を吸収し難いＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰで形成している。図２４では半導体レーザ素子７０と同じ名称及び材質のものは半導体レーザ素子７０の説明で使用した符号を使用することにする。
図２５はリアルガイド型（実屈折率導波型）のリッジ型半導体レーザ素子９０を示す模式図である。このリッジ型半導体レーザ素子９０では、ｎ型ＧａＡｓ基板９１の上面に多層成長層が形成されている。この多層成長層は、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ型クラッド層９２、井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層９３、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ型クラッド層９４、ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層９５と順次重なる構造になっている。活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造でもよい。そして、ｐ型コンタクト層９５の上面からｐ型クラッド層９４の所定深さまで選択的に除去（エッチング除去）され、この除去によってｎ型ＧａＡｓ基板９１の上面中央に沿ってストライプ状に延在する１本のリッジ９６が形成される構造になっている。
ｎ型ＧａＡｓ基板９１の上面側において、リッジ９６の両側の側面からｎ型ＧａＡｓ基板９１の周縁に至る部分には絶縁膜９７が形成されている。また、リッジ９６上及び絶縁膜９７上に亘ってｐ型電極９８が形成されている。ｐ型電極９８は下地電極９９と、下地電極９９に重なるメッキ膜１００とからなっている。リッジ９６の上面にはｐ型コンタクト層９５の上面が露出していることから、このｐ型コンタクト層９５とｐ型電極９８は電気的に接続される構造となる。また、ｎ型ＧａＡｓ基板９１の下面にはｎ型電極１０１
が形成されている。ｎ型電極１０１は下地電極１０２と、下地電極１０２に重なるメッキ膜１０３とからなっている。
ところで、図２４及び図２５に示すリアルガイド型の半導体レーザ素子は、駆動電流低減という面では有用であるものの、光吸収が少ない電流ブロック層を導入した図２４に示す埋込リッジ半導体レーザ素子や、光吸収がない誘電体膜でリッジ構造を覆っただけの図２５に示すリッジ型半導体レーザ素子では、レベラやマーカといった用途に使用する上で次の問題が発生することが分かってきた。
図２３〜図２５のリッジ構造をもつ半導体レーザ素子では、リッジ部に注入した電流がリッジの両側に広がり、リッジに対面する活性層部分の外側の活性層部分に流れて自然放出光が発生する。特に、図２４及び図２５に示すリアルガイド型半導体レーザ素子では、この自然放出光が大きな吸収損失を受けることなく屈折率が高い活性層を中心に伝播し、半導体レーザ素子の端面から外部に放出されることとなる。この結果、遠視野像（ＦＦＰ）の水平形状は、図１０（ｂ）に示すように、ＦＦＰのガウシアン形状に形状歪が発生したり、あるいはリップルと呼称される細かな波状の波形が現れる。
図１１（ｂ）はリアルガイド型の半導体レーザ素子を組み込んだ半導体レーザ装置１０４から出射（放出）されたレーザ光１０５をスクリーン１０６に投射した場合の楕円形として現れるＦＦＰ１０７を示す模式図である。リップルが発生する半導体レーザ素子の場合、スクリーン１０６に現れるＦＦＰ１０７の水平方向では楕円形のＦＦＰ１０７の外側に波状の投影像が現れてしまう。
そして、このような半導体レーザ素子をレベラやマーカの光源として使用する場合、出射したレーザ光をレンズ系を使用して平行光に近い状態として使用するが、自然放出光が発生するとスクリーン等の対象物体に現れる像に自然放出光が波状の像として現れてレーザ光の投射像が乱れてしまう。
図１２（ｂ）はレベラに半導体レーザ装置１０４を使用した場合の不具合を示す模式図である。図１２（ｂ）には、レベラ１０８に半導体レーザ装置１０４を組み込み、半導体レーザ装置１０４から出射されるレーザ光１０５をレンズ系１０９で調整して水平方向に延在する１本の線（ライン）１１０としてスクリーン１０６に映し出した状態を示す模式図である。また、図中下部の楕円内にはレベラ出力ラインである線（ライン）１１０をピックアップして拡大して示した図である。線（ライン）１１０は、例えば、高さの基準線として使用される。
リップルが発生する半導体レーザ素子を組み込んだ半導体レーザ装置１０４の場合、スクリーン１０６に現れるライン１１０は、拡大して観察すると、上下に複数本の細い線が現れたり、あるいは途切れたり、かすれたりした線が現れてしまう。そして、投射像を目視した場合、線（ライン）１１０は、線の幅が広くなったり、あるいは、境界が不明瞭になり、基準線としての位置が明確に判定確認できなくなるという不具合が生じる。
本発明の目的は、遠視野像（ＦＦＰ）の水平形状に乱れを発生させない実屈折率導波型半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、レベラ及びマーカ等の表示デバイスの投射像に乱れを発生させない実屈折率導波型半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の目的は駆動電流低減が達成できる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の目的は発光効率の向上が達成できる半導体レーザ素子及びその製造方法を提供することにある。
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）本発明の一つの半導体レーザ素子は、
第１導電型の半導体からなり、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する四角形の半導体基板と、
前記半導体基板の第１の面上に少なくとも第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層と順次半導体層を重ねて形成した多層成長層と、
前記第２導電型コンタクト層の上面から前記第２導電型クラッド層の所定深さまで選択的に除去することによって形成され、前記半導体基板の対向する一対の端面から端面に亘ってストライプ状に形成されるリッジと、
前記半導体基板の前記第１の面側に重ねて形成され、前記リッジの側面から前記半導体基板の周縁に至る部分に設けられる絶縁膜と、
前記リッジの前記第２導電型コンタクト層に重なり前記絶縁膜上に形成される第２の電極と、
前記半導体基板の前記第２の面に重ねて形成される第１の電極とを有し、
前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成、あるいは前記半導体基板と前記活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が前記半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成であり、
前記リッジの両端面のうちの一つの端面側には、前記端面に沿いかつ前記リッジの側縁から１〜１５μｍ離れた前記第２導電型クラッド層部分から前記活性層の側縁に至る位置まで前記第２導電型クラッド層から前記活性層を超えた深さになる溝が設けられ、
前記溝は前記絶縁膜で被われていることを特徴とする。
また、前記リッジの前記一つの端面側には端面保護膜が設けられ、前記リッジの他方の端面側には前記保護膜よりも反射率が大きいかもしくは同等となる端面保護膜が設けられている。前記リッジの前記一つの端面と前記溝の側縁との距離は３〜５０μｍである。前記溝の幅は１〜５０μｍである。前記リッジの側縁から前記溝の端縁までの距離は１〜１５μｍである。前記溝の最も深い部分において、前記溝上に形成される前記絶縁膜の上縁は前記活性層の下縁よりも深い位置に位置している。前記溝の内周面における前記活性層が露出する内周面部分は前記溝の深さ方向に進むに従って前記溝の幅が徐々に狭くなるような傾斜した面になっている。前記半導体レーザ素子は前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った前記構成であり、前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓであり、前記発光波長が６００〜６９０ｎｍ帯である。
このような半導体レーザ素子は、
（ａ）第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有し、かつ前記第１の面に四角形の半導体レーザ素子形成領域を縦横に複数整列配置する第１導電型の半導体基板を準備する工程、
（ｂ）前記半導体基板の第１の面に第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層、半導体層からなる活性層、第２導電型の半導体層からなる第２導電型クラッド層及び第２導電型の半導体層からなる第２導電型コンタクト層を有機金属気相成長法で順次形成する工程、
（ｃ）前記半導体基板の前記第１の面の前記各半導体層を選択的に除去し、一次元的に並ぶ一連の前記半導体レーザ素子形成領域の中央に沿い、かつ前記第２導電型コンタクト層の露出側の上面から前記第２導電型クラッド層の中層に至る厚さを有するストライプ状のリッジを形成する工程、
（ｄ）前記四角形の各半導体レーザ素子形成領域において、前記リッジに直交する方向に沿った一対の第１の辺の一方の辺に沿い、かつ前記一方の辺の内側に前記リッジから所定距離離れた位置から前記一対の第１の辺に直交する一対の第２の辺に至る位置まで、前記第２導電型クラッド層から活性層を超えた深さとなる溝を形成する工程、
（ｅ）前記各半導体レーザ素子形成領域において、前記リッジの中央に沿って露出する前記第２導電型コンタクト層を露出させ、かつ残りの前記半導体基板の前記第１の面側を被う絶縁膜を形成する工程、
（ｆ）前記各半導体レーザ素子形成領域において、前記第２導電型コンタクト層に重なりかつ前記絶縁層を選択的に被う第２の電極を形成する工程、
（ｇ）前記半導体基板の前記第２の面を所定厚さ除去する工程、
（ｈ）前記各半導体レーザ素子形成領域において、前記半導体基板の前記第２の面に第１の電極を形成する工程、
（ｉ）前記半導体基板を前記半導体レーザ素子形成領域の前記第１の辺でそれぞれ劈開して短冊体を形成する工程、
（ｊ）前記短冊体の前記溝に近接する前記劈開した面に前方側端面保護膜を形成し、前記短冊体の前記溝から遠い前記劈開した面に前記端面保護膜よりも反射率が大きいかもしくは同等の後方側端面保護膜を形成する工程、
（ｋ）前記短冊体を前記半導体レーザ素子形成領域の前記第２の辺でそれぞれ分割する工程、によって製造される。
また、前記工程（ｄ）では、前記第１の辺の前記一方の辺の内側の距離３〜５０μｍの位置から内側に前記溝を形成するとともに、前記リッジの側縁から前記溝の端までの距離を１〜１５μｍに形成する。前記工程（ｄ）では、前記溝の内周面における前記活性層が露出する内周面部分は前記溝の深さ方向に進むに従って前記溝の幅が徐々に狭くなるような傾斜した面に形成する。前記工程（ｄ）の前記溝の形成及び前記工程（ｅ）の前記絶縁膜の形成では、前記溝底に形成される前記絶縁膜の最も深い絶縁膜部分の上縁が前記活性層の下縁よりも深くなるように形成する。さらに、前記半導体レーザ素子は前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成となり、かつ発光波長が６００〜６９０ｎｍ帯となるようにするため、前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａＡｓ基板を準備し、前記工程（ｂ）では、前記第１導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記活性層を（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成し、前記第２導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記第２導電型コンタクト層をＧａＡｓで形成する。
（２）上記（１）の構成において、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰからなる単層構造または井戸層がＩｎＧａＡｓＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であることを特徴とする。
このような半導体レーザ素子は上記（１）の半導体レーザ素子の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａＡｓ基板を準備し、
前記工程（ｂ）では、前記第１導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記活性層をＩｎＧａＡｓＰからなる単層構造または井戸層がＩｎＧａＡｓＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成し、前記第２導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記第２導電型コンタクト層をＧａＡｓで形成することによって製造される。
（３）上記（１）の構成において、前記半導体基板と前記活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が前記半導体基板の屈折率の値よりも大きい前記構成であり、前記半導体基板はＧａ（Ａｓ）ｐ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓであり、前記発光波長が５６０〜６４０ｎｍ帯であることを特徴とする。
このような半導体レーザ素子は上記（１）の半導体レーザ素子の製造方法において、
前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａ（Ａｓ）ｐ基板を準備し、
前記工程（ｂ）では、前記第１導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記活性層を（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成し、前記第２導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記第２導電型コンタクト層をＧａＡｓで形成することによって製造される。
（４）本発明の一つの半導体レーザ素子は、
第１導電型の半導体からなり、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する四角形の半導体基板と、
前記半導体基板の第１の面上に少なくとも第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層と順次半導体層を重ねて形成した多層成長層と、
前記第２導電型クラッド層の上面から前記第２導電型クラッド層の所定深さまで選択的に除去することによって形成され、前記半導体基板の対向する一対の端面から端面に亘ってストライプ状に形成されるリッジと、
前記リッジの両側の残留する前記第２導電型クラッド層部分上に形成され、前記リッジを挟む第１導電型の半導体層からなる一対の第１導電型電流狭窄層と、
前記リッジ及び前記電流狭窄層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型コンタクト層と、
前記第２導電型コンタクト層上に重ねて形成される第２の電極と、
前記半導体基板の前記第２の面に重ねて形成される第１の電極とを有し、
前記第１導電型電流狭窄層は前記活性層の発光波長の光に対して透明となる禁制帯幅を持った構成であり、
前記リッジの両端面のうちの一つの端面側には、前記端面に沿いかつ前記リッジの側縁から所定距離離れた前記第２導電型コンタクト層部分から前記活性層の側縁に至る位置まで前記第２導電型コンタクト層から活性層を超えた深さになる溝が設けられ、
前記溝は絶縁膜で被われ、
前記第２の電極は前記溝部分では前記絶縁膜上に重なっていることを特徴とする埋込リッジ型半導体レーザ素子である。
また、前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第１導電型電流狭窄層はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓである。
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
前記（１）の手段によれば、（ａ）遠視野像（ＦＦＰ）の水平形状に乱れを発生させない実屈折率導波型半導体レーザ素子を提供することができる。即ち、半導体レーザ素子のレーザ内部で発生した散乱光（リッジ構造近傍で発生）や自然放出光（主に光導波路外部で発生）は、屈折率が高い活性層を中心に伝播し、半導体レーザ素子の前方出射面及び後方出射面にまで至り、外部に放出される。半導体レーザ素子には、多層成長層の表面（上面）から活性層を超える深さにまで至る溝を、前方出射面側の端面寄りに設けて活性層を途切れさせる構造になっている。また、溝の表面は絶縁膜で覆われている。この結果、余分な散乱光及び自然放出光が溝によって遮断されるため、前方出射面から半導体レーザ素子外部へ自然放出光が放出されることがなく、レンズ系を介しておおよそ平行光としたレーザ光の投射像に漏れ出た自然放出光の影響が出ることを防止することが可能となる。
従って、可視光半導体レーザ素子の重要な用途である、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として本発明の半導体レーザ素子を使用した場合、レーザ光投射像の乱れによる不具合の発生を防止することが可能となる。なお、後方出射面から出射されるレーザ光は使用されるとしても光強度を検出するモニタ光であることから、散乱光及び自然放出光の発生の有無による支障は発生しない。
（ｂ）本発明の溝を有する半導体レーザ素子はリアルガイド型の半導体レーザ素子であることから、ロスガイド型の半導体レーザ素子に比較して、発光効率が高く、駆動電流の低減が達成できる。即ち、リアルガイド型のリッジ型半導体レーザ素子は、電流狭窄部に光を吸収する媒質がなく、発光効率の向上が達成できる。この結果、低電流駆動が可能になる。また、本発明の半導体レーザ素子は、自然放出光の外部への放射を溝によって阻止できることから、従来のＧａＡｓ埋込層を用いたロスガイド型の半導体レーザ素子と同等のビーム品質を実現することが可能となる。この結果、本発明の溝付きのリッジ型半導体レーザ素子をレベラ等の表示デバイスに搭載することによって、長時間駆動とビーム品質の両面において優れた表示デバイスを構成することができることとなる。
前記（２）の手段によれば、上記（１）の手段において、活性層の材質を変えただけの構造であり、前方出射面側に溝を有することから、上記（１）の手段によると同様に、前方出射面からの自然放出光の放射が抑止できる半導体レーザ素子を提供することができる。従って、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として適した半導体レーザ素子となる。
前記（３）の手段によれば、上記（１）の手段において、半導体基板と活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成としてあることから、自然放出光は屈折率の値が高い活性層及び前記半導体層を伝播し、前記溝の効果もあって自然放出光が前方出射面の外に放射されることがなく、良好なＦＦＰを得ることができる。
前記（４）の手段によれば、埋込リッジ型半導体レーザ素子においても前記（１）の手段と同様に前方出射面側の端面側に溝が設けられている。即ち、前方出射面側の端面に沿いかつリッジの側縁から所定距離離れた第２導電型コンタクト層部分から活性層の側縁に至る位置まで第２導電型コンタクト層から活性層を超えた深さになる溝が設けられている。また、溝は絶縁膜で被われている。このような構造によれば、上記（１）の手段によると同様に、前方出射面からの自然放出光の放射が抑止できる半導体レーザ素子を提供することができる。従って、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として適した半導体レーザ素子となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本実施例１では、６３０ｎｍ帯の赤色半導体レーザ（赤色レーザ）に本発明を適用した例について説明する。図１乃至図１２は本発明の実施例１である半導体レーザ素子に係わる図である。図１乃至図４は半導体レーザ素子の構造に係わる図であり、図５乃至図７は半導体レーザ素子の製造方法に係わる図である。図８乃至図１２は半導体レーザ素子の効果を説明する図である。本実施例１では第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型となる半導体レーザ素子について説明する。
半導体レーザ素子は、図１乃至図４に示すような構造になっている。図１は半導体レーザ素子の模式的平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図４は図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。なお、半導体レーザ素子を半導体レーザチップあるいは単にチップとも呼称する。
半導体レーザ素子１は、図２に示すように半導体基板２を基に形成されている。半導体基板２は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板となっている。そして、このｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面（図２では上面）上に、ＡｌＧａＩｎＰからなる第１導電型クラッド層（ｎ−クラッド層）３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性層４、ＡｌＧａＩｎＰからなる第２導電型クラッド層（ｐ−クラッド層）５、ＧａＡｓからなる第２導電型コンタクト層（ｐ−コンタクト層）６がＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法により積層形成された構造になっている。
活性層４は、障壁層（バリア層）をＡｌＧａＩｎＰ層で形成し、井戸層（ウエル層）をＧａＩｎＰ層で形成したＭＱＷ構造になっている。例えば、ウエル層は３層で膜厚が５ｎｍとなり、バリア層は４層で膜厚が６ｎｍとなっている。なお、活性層４は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造であってもよい。
ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面の中央には、ｎ−ＧａＡｓ基板２の対向する一対の端面から端面に亘ってストライプ状に延在するリッジ７が１本形成されている。このリッジ７はｐ−コンタクト層６の上面からｐ−クラッド層５の所定深さまで選択的にエッチングして除去することによって形成される。リッジ７は直線的に延在している。
半導体レーザ素子１の両側はｐ−クラッド層５の上面から活性層４を越えてｎ−クラッド層３の途中に亘ってメサ状にエッチングされている。このメサ状部分はＵ字状断面の分離溝２３をその中心部分で切断することによって形成されている。
ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側には絶縁膜８が重ねて形成されている。絶縁膜８はリッジ７の側面を覆うとともに側面からｎ−ＧａＡｓ基板２の周縁（含む側縁及び端縁）に至る部分に亘って設けられている。従って、一対の絶縁膜８間に位置するリッジ７の上面、即ち、ｐ−コンタクト層６の上面は絶縁膜８から露出している。絶縁膜８はＳｉＯ２，ＳｉＮｘ等の誘電体膜で形成されている。
絶縁膜８上には、図１にも示すようにｐ型電極９が形成されている。ｐ型電極９は絶縁膜８上に形成される下地電極１０と、この下地電極１０上に重ねて形成されるメッキ膜１１とからなっている。下地電極１０は図１において点々を施して示す部分であり、メッキ膜１１は実線で示す長方形部分である。
また、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面（図２では下面）側にはｎ型電極１２が重ねて形成されている。ｎ型電極１２はｎ−ＧａＡｓ基板２に重なる下地電極１３と、この下地電極１３に重ねて形成されるメッキ膜１４とからなっている。
リッジ７のほぼ真下の活性層４部分が共振器（光導波路）となり、その共振器の両端面（出射面）からそれぞれレーザ光が出射される。図１に示すように、一方の出射面には反射率３０％の端面保護膜１８が設けられ、他方の出射面には反射率９３％の端面保護膜１９が設けられている。端面保護膜１８は単層膜となるが、端面保護膜１９は多層膜（例えば、４層）となっている。端面保護膜１８が設けられた出射面が前方出射面２０となり、端面保護膜１９が設けられた出射面が後方出射面２１となる。
ｐ型電極９を構成するメッキ膜１１の端は前方出射面２０及び後方出射面２１からやや離れた位置（例えば、３０μｍ）となっている。
一方、これが本発明の特徴の一つであるが、図１に示すように、前方出射面２０に沿いかつリッジ７を挟んで一対の溝２２が同一直線上に並んで設けられている。溝２２は、図４に示すように、リッジ７の両側縁からそれぞれ距離ｗ離れた位置から、図１に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の両側縁まで設けられている。溝２２は、図３に示すように前方出射面２０から距離ａの位置に幅ｂで直線状に形成されている。
実施例では、前方出射面２０（端面）と溝２２の側縁との距離ａは、例えば、３〜５０μｍが採用され、例えば、２０μｍである。また、溝２２の幅ｂは１〜５０μｍが採用され、例えば、１０μｍである。
溝幅ｂの下限と上限は以下の理由によって定めたものである。溝幅の下限については、素子作製プロセスの精度によって決まり、通常のプロセスでは溝を途切れさせること無く均一に形成するためには１μｍ以上の幅が必要となる。また、上限については特に明確な限界はないが、リッジ構造部分のみが突出した領域が長くなり過ぎると、リッジの欠けが発生し易くなって素子の歩留が低下する為、５０μｍ程度が溝幅の上限の目安となる。
溝２２の表面はＳｉＯ２，ＳｉＮｘ等の誘電体膜からなる絶縁膜８で覆われている。溝２２上の絶縁膜８上にはｐ型電極９を構成する下地電極１０が設けられている。ｐ型電極９を構成するメッキ膜１１は溝２２から外れた位置にある。これは、Ａｕメッキ形成時のホトレジ工程でのパターニングを容易にする為に溝２２から離した構造としたものであるが、溝２２の上部をメッキ膜１１が覆っている構造としても良い。
溝２２の側縁と前方出射面２０との距離ａが３μｍより小さくなると、劈開によってレーザの共振器面（出射面）を形成する際に、位置ずれを起こし易くなり、ステップのない平坦な劈開面を安定して得ることが困難となる。また、溝２２の側縁と前方出射面２０との距離ａが５０μｍよりも大きくなると、前方出射面２０と溝２２の位置までの間で発生する自然放出光が素子外部に放射されやすくなるため、溝２２の位置は端面から５０μｍ以下とする必要がある。
また、溝２２の内端（内端縁）とリッジ７の側縁との距離ｗは、例えば、１〜１５μｍが採用され、例えば、１０μｍである。即ち、溝２２の内端の位置での光強度が、導波モード光強度分布のピーク値の１／ｅ２（ｅは自然対数の底である）以下である必要がある。即ち、溝２２の内端の位置がリッジ７に近づいて、溝の端での光強度がピーク値の１／ｅ２よりも大きくなると、この溝によって導波モードが遮られるため、散乱光が発生してしまい、出射されるレーザビームに干渉パターンが生じてビーム品質を低下させるという問題が起こることになる。そこで、距離ｗの最小値として導波モード光強度分布のピーク値の１／ｅ２以下として１μｍを選択する。
一方、距離ｗが１５μｍよりも大きくなり、溝２２の内端がリッジ７から遠ざかると、溝２２とリッジ７の間隙を通り抜けた自然放出光が前方出射面２０から放出されて、ビームの投射像に自然放出光が視認されるようになってしまう。溝の位置を１５μｍ以下に抑えた場合には、この間隙を通り抜けた自然放出光が前方出射面２０から放出されても、自然放出光による像は出射ビームの投射像内に隠れてしまうため、ビーム品質を低下させることはない。
図３で示す溝２２の断面において、溝２２と後方出射面２１との間で発生した自然放出光が散乱されて、溝２２で遮られた対面側の活性層４に再度結合したり、あるいは再び溝２２と後方出射面２１との間の活性層４部分に戻ったりすることがないように溝２２を形成することが望ましい。そこで、図３に示すように、溝２２によって切断される活性層４の溝２２の面（内周面）に現れる活性層４の端面が光の授受を行うことがないように斜面に形成しておくことが望ましい。このため、実施例では、溝２２の内周面における活性層４が露出する内周面部分は溝２２の深さ方向に進むに従って溝２２の幅が徐々に狭くなるような傾斜した面としてある。
なお、溝２２の内周面に現れる活性層４の端面がｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面に対して垂直な面となっていても、図３及び図４に示すように、ｄ＞０としておけば、光の溝２２を横切っての活性層４と活性層４との間の光の授受は阻止できることになる。図３及び図４に示すｄとは、溝２２の最も深い部分において、溝２２の内周面に形成される絶縁膜８の上縁と活性層４の下縁との距離である。溝２２は活性層４を越えて形成されるが、この際、活性層４の下縁と溝２２の最も深い底との距離ｅが、絶縁膜８の厚さｆよりも大きく形成しておけば光の授受は阻止できる。
実施例１の半導体レーザ素子１は、半導体基板２が活性層４の発光波長（６３０ｎｍ）の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成になっている。このような構成になるようにするため、半導体基板はＧａＡｓ基板、第１導電型クラッド層（ｎ−クラッド層）３はＡｌＧａＩｎＰ、活性層４は井戸層がＧａＩｎＰで障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造、第２導電型クラッド層（ｐ−クラッド層）５はＡｌＧａＩｎＰ、第２導電型コンタクト層（ｐ−コンタクト層）６はＧａＡｓで形成してある。また、半導体レーザ素子１は、例えば、幅２００μｍ、長さ６００μｍ、高さ１００μｍとなる。
つぎに、実施例１の半導体レーザ素子１の製造方法について、図５乃至図７を参照しながら説明する。図５乃至図７は半導体レーザ素子の各工程における半導体基板の模式的断面図を示すものである。
最初に、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する第１導電型（ｎ型）のＧａＡｓからなる半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）２を準備する。このｎ−ＧａＡｓ基板２は、４５０μｍ程度の厚さになっている。また、このｎ−ＧａＡｓ基板２には各工程で処理を行い、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側に複数の半導体レーザ素子となる部分を整列形成する。この一つの半導体レーザ素子を形成する四角形部分を説明の便宜上製品形成部と呼称する。ｎ−ＧａＡｓ基板２は、製造の終了段階では、製品形成部の一辺側で順次劈開されて短冊体（バー）とされ、その後製品形成部の前記一辺に直交する辺で切断されて単一の半導体レーザ素子とされる。劈開前までのｎ−ＧａＡｓ基板２はウエハとも呼称される。
ｎ−ＧａＡｓ基板２のＸＹ平面において、共振器（光導波路）が延在する方向をＹ方向とする。半導体レーザ素子１は、その幅が２００μｍであり、長さが６００μｍであることから、製品形成部のＸ方向の長さは２００μｍに切断代を加えた長さとなり、Ｙ方向の長さは切断が結晶の劈開であることから６００μｍとなる。図５乃至図７において、図５（ｂ）、図５（ｄ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）の図を除いて各図は単一の製品形成部を示すことにする。Ｘ方向及びＹ方向は図５（ｂ）及び図７（ｂ）に示す。
ｎ−ＧａＡｓ基板２を準備した後、図５（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面上に多層成長層をＭＯＣＶＤ法によって形成する。多層成長層は、厚さ１．８μｍのＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層３、多重量子井戸構造（ＭＱＷ）からなる活性層４、厚さ１．８μｍのＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層５、厚さ０．５μｍのＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層６を順次重ねることによって形成される。
活性層４は、前述のように、図２に示すように、障壁層（バリア層）６をＡｌＧａＩｎＰ層で形成し、井戸層（ウエル層）７をＧａＩｎＰ層で形成したＭＱＷ構造になり、ウエル層７は３層とする。活性層４は、障壁層（バリア層）をＡｌＧａＩｎＰ層で形成し、井戸層（ウエル層）をＧａＩｎＰ層で形成したＭＱＷ構造になっている。例えば、ウエル層は３層で膜厚が５ｎｍとなり、バリア層は４層で膜厚が６ｎｍとなっている。なお、活性層４は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造であってもよい。
実施例では、ｎ−ＧａＡｓ基板２が活性層４の発光波長（６３０ｎｍ）の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成とするため前記多層成長層構造とする。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側全域に、ＣＶＤ（気相化学成長）法により熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）を形成した後、ホトレジスト工程によりストライプ状にパターニングを行い、図５（ｂ）に示すように、エッチング用マスク２５を形成する。このエッチング用マスク２５は各製品形成部の中央をＹ方向に沿って設けられる。また、エッチング用マスク２５は厚さが５００ｎｍ程度で幅が２μｍである。
つぎに、図５（ｃ）に示すように、ＨＣｌ系のエッチャントを用いた化学エッチングあるいはドライエッチングプロセスにより、エッチング用マスク２５をマスクとしてｐ−コンタクト層６からｐ−クラッド層５の途中深さまでをエッチングする。また、ドライエッチングの場合、表面のダメージ層を除去するために、ｐ−コンタクト層６の表面をＨ２Ｏ２を含むエッチャントにより０．１μｍ程度エッチングする。エッチング後、エッチング用マスク２５をＨＦ系のエッチャントで除去する。これにより、幅２μｍのリッジ７が形成される。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側に図示はしないが選択的にマスクを形成し、このマスクをエッチング用マスクとしてｎ−ＧａＡｓ基板２を等方性のエッチャントを用いた化学エッチングにより選択的にエッチングして、図５（ｄ）に示すように、溝２２及び分離溝２３を形成する。実施例１では、自然放出光を遮蔽する溝２２と分離溝２３を同時に形成しているが、各溝の深さを別個に調整するために２工程に分けて作製しても良い。
分離溝２３はＵ字状断面の溝となり、ウエハのＹ方向に沿い、かつ製品形成部の両側の辺に沿って設けられている。製品形成部を分割する際、この分離溝２３の中心に沿って切断される。分離溝２３は一部の図では省略する。
一方、本発明の特徴の一つである溝２２は、四角形の製品形成部のＹ方向に沿う一方の辺の内側に沿って形成され、隣接する一方のリッジ７の側縁から距離ｗ離れた位置から他方のリッジ７の側縁から距離ｗ離れた位置まで形成される（図４参照）。ｗは前述のように１０μｍが選択される。また、溝２２は製品形成部のＹ方向に沿う前記一方の辺から図３に示すように距離ａ程離れた位置に形成される。ａは前述のように２０μｍが選択される。溝２２の幅ｂは前述のように１０μｍが選択される。
また、溝２２は活性層４を横切るようにｎ−クラッド層３の途中深さまで形成される。実施例では溝２２はｎ−クラッド層３の途中深さまでとしたが、ｎ−ＧａＡｓ基板２まで到達するように設けても支障がない。
溝２２の内周面の側部がｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面に対して垂直な面になると、レーザ内を伝播してきた光が溝２２の側部の面で反射されて、レーザ光の導波路となるリッジ構造内に戻り干渉を起こすため、溝２２に露出する活性層部分が垂直の側面を持たないように形成することが重要となる。実施例では、溝２２の形成は等方性のエッチャントを用いた化学エッチングによって形成することから、溝２２の両側部分は溝の深さ方向に進むに従って幅が徐々に狭くなるような傾斜した面（円弧状の面）になる。この結果、図３に示すように、溝２２の深さを選択することによって、溝２２の内周面の側部に露出する活性層４の端面を円弧状の傾斜面に露出させることができ、溝２２に露出する活性層４の端面でのリッジ構造内への光の戻りが発生しなくなり、上述の戻り干渉の発生を防止することができる。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側全域にＣＶＤ法、あるいはスパッタ法等によって絶縁膜８を形成する。その後、各リッジ７の上面部分の絶縁膜８をエッチング除去する。これにより、図６（ａ）に示すように、リッジ７の上部を構成するｐ−コンタクト層６の上面のみが絶縁膜８から露出する構造が形成される。絶縁膜８は、各リッジ７間において隣接する一方のリッジ７の側面から他方のリッジ７の側面に亘って形成されることになる。絶縁膜８はＳｉＯ２，ＳｉＮｘ等の誘電体膜からなり、厚さは例えば、０．１μｍである。
また、溝２２によって分断された活性層４間において、溝２２を覆う絶縁膜８を介して光の伝播が行われないようにする必要がある。溝２２は活性層４を越えて深く形成するが、溝２２の形成及び絶縁膜８の形成においては、図３及び図４に示すように、活性層４の下縁と溝２２の最も深い底との距離ｅが絶縁膜８の厚さｆよりも厚くなるように、前記溝２２の深さ及び絶縁膜８の厚さを選択する。
つぎに、図６（ｂ）に示すように、リッジ７上及び絶縁膜８上に下地電極１０を形成する。下地電極１０は、例えばＴｉ，Ｐｔ，Ａｕを順次積層した構造となり、厚さは０．３μｍ程度となる。製品形成部は図１で示す半導体レーザ素子１の大きさにおいて、長手方向（Ｙ方向）の寸法は一致し、幅員方向（Ｘ方向）はｎ−ＧａＡｓ基板２を切断する切断代がある分だけ大きい。下地電極１０は、図１に示すように、長手方向（Ｙ方向）にはその寸法は劈開部分で狭くなるが一列の製品形成部を通して連続的に繋がって設けられる。しかし、下地電極１０は、幅員方向（Ｘ方向）では、図１に示すように、行方向に並ぶ隣接する製品形成部間で途切れる構造となる。
つぎに、図６（ｃ）に示すように、下地電極１０上に選択的にメッキ膜１１が形成される（図１参照）。メッキ膜１１は、厚さ３μｍの金メッキで形成される。
つぎに、図６（ｄ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面（図中下面）を所定厚さ除去し、全体の厚さを約１００μｍ程度とする。
つぎに、図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面（図中下面）にｎ型電極１２を形成する。ｎ型電極１２はｎ−ＧａＡｓ基板２に直接形成される下地電極１３と、下地電極１３に重ねて形成されるメッキ膜１４とからなる。下地電極１３は、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面にＡｕＧｅＮｉ，Ｐｔ，Ａｕを順次積層した後、所定部分をエッチング除去することによって形成される。下地電極１３は、例えば、厚さ０．９μｍ程度となる。また、メッキ膜１４は下地電極１３上に選択的に形成される。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２をリッジ７の延在方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）に一定間隔（６００μｍ）で劈開する。これにより、図７（ｂ）に示すように、短冊体（バー）２６が複数形成される。図７（ｂ）では一つの短冊体２６を示す。図７（ｂ）の図において、上辺及び下辺がそれぞれ劈開面であり、この劈開面に直交する方向にそれぞれリッジ７が延在している。また、上辺側の劈開面側に溝２２が設けられている。この溝２２が設けられる側の劈開面が前方出射面２０となり、反対側の他方の劈開面が後方出射面２１となる。図中上下方向に延在する一点鎖線で示す線が切断線２７であり、個片化工程ではこの切断線２７で切断が行われる。図示はしないが、切断線２７部分には分離溝２３が形成されている。
つぎに、短冊体２６の両側の劈開面にスパッタリング法によりそれぞれ保護膜を兼ねる反射膜を形成する。前方出射面２０には反射率３０％の端面保護膜１８を形成し、後方出射面２１には反射率９３％の端面保護膜１９を形成する。前方端面保護膜１８は単層膜となるが、後方端面保護膜１９は多層膜（例えば、４層）となっている。
つぎに、短冊体２６を図７（ｂ）に示す切断線２７で切断し、図７（ｃ）に示す半導体レーザ素子１を製造する。切断は、ダイシングブレードによる切断、またはスクライバによるキズ入れとその後のクラッキングによって行う。キズ入れとその後のクラッキングによって個片化を行う場合、分離溝２３の底中心にスクライバによってキズ入れができるためキズ入れが容易になる。この個片化工程によって、図１乃至図４に示すような半導体レーザ素子１を複数製造することができる。
以上のような構造・作製プロセスを用いて半導体レーザ素子１を作製し、特性を評価した結果、発光効率が高いリッジ型の素子構造を採用したことによって、素子の駆動電流を従来のＧａＡｓ埋込のレーザに比べて３０〜５０％低減することができた。また、レベラの光学系に組み込んだ際にも、自然放出光によるビームの品質低下が発生することもなく、従来品と同等の投射像を得ることができた。
実施例によれば以下の効果を有する。
（１）実施例１の半導体レーザ素子１は、リアルガイド型のリッジ型半導体レーザ素子であるが、図１０（ａ）に示すように遠視野像（ＦＦＰ）の水平形状に乱れを発生させることがない。従来のリアルガイド型の半導体レーザ素子の場合、レーザ内部で発生した散乱光（リッジ構造近傍で発生）や自然放出光（主に光導波路外部で発生）は、屈折率が高い活性層を中心に伝播し、半導体レーザ素子の前方出射面から外部に放出されるため、図１０（ｂ）に示すように、ＦＦＰのガウシアン形状が一部で歪んだり、あるいはリップルと呼称される細かな波状の波形が現れる。しかし、実施例１の半導体レーザ素子１は、多層成長層の表面（上面）から活性層４を超える深さにまで至る溝２２を、前方出射面２０の端面寄りに設けて活性層４を途切れさせる構造になっている。従って、余分な散乱光及び自然放出光が溝２２によって遮断されるため、前方出射面２０から半導体レーザ素子外部へ自然放出光が放出されることがない。この結果、実施例１の半導体レーザ素子１のＦＦＰの水平形状は、図１０（ａ）に示すように、リップル等乱れがないガウシアン形状となる。
図９（ａ）はＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザの多層成長層の構成と、多層成長層を構成する半導体層の屈折率及び吸収係数を示す模式図である。また、図９（ｂ）はＧａＮ系青色レーザの多層成長層の構成と、多層成長層を構成する半導体層の屈折率及び吸収係数を示す模式図である。
図９（ｂ）に示すように、ＧａＮ系青色レーザは、ＧａＮ基板上に、ＧａＮバッファ層，ＡｌＧａＮクラッド層，ＭＱＷ活性層，ＡｌＧａＮクラッド層，超格子界面層，ＧａＮコンタクト層と順次積層される多層成長層を有している。各半導体層の屈折率はＭＱＷ活性層が最も大きく、ＧａＮ層（ＧａＮ基板，ＧａＮバッファ層及びＧａＮコンタクト層）がついで大きくなり、残りＡｌＧａＮ層が低い構成になっている。そして、光の吸収係数はいずれも零に近い。このように屈折率が高く、光吸収もない半導体レーザ素子は各半導体層に光が引き込まれ易く導波モードが乱れる。即ち、図１０（ｂ）のように、ＦＦＰの水平形状にリップルや形状歪が発生し易くなる。
一方、図９（ａ）に示すＡｌＧａＩｎＰ系赤色レーザは、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層，ＡｌＧａＩｎＰクラッド層，ＭＱＷ活性層，ＡｌＧａＩｎＰクラッド層，ＧａＩｎＰ界面層，ＧａＡｓコンタクト層と順次積層される多層成長層を有している。各半導体層の屈折率はＧａＡｓ（ＧａＡｓ基板，ＧａＡｓバッファ層及びＧａＡｓコンタクト層）が最も大きく、ついでＭＱＷ活性層及びＧａＩｎＰ界面層が大きく、ＡｌＧａＩｎＰ層は低い構成になっている。そして、光の吸収係数はＧａＡｓ層及びＧａＩｎＰ層が大きく、残りの半導体層はいずれも零になる。このような半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ層及びＧａＩｎＰ層は吸収層になることから、屈折率が高くても光が入り込まないようになる。従って、このように半導体基板が活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成の半導体レーザ素子に、本発明を適用することが、リップルや形状歪の発生がないＦＦＰを得ることになる。
実施例１の半導体レーザ素子１は、図９（ａ）の半導体レーザ素子のようにＧａＡｓバッファ層及びＧａＩｎＰ界面層がないが、屈折率及び吸収係数の関係は同様である。実施例１の半導体レーザ素子１において、ＧａＡｓバッファ層及びＧａＩｎＰ界面層を設けても本発明の効果は変わらない。実施例１の半導体レーザ素子１において、さらに他の半導体層を設けても、屈折率及び吸収係数の関係が変わらない限り本発明の効果は得られることになる。
（２）実施例１の半導体レーザ素子１は発光効率が良好であり、駆動電流の低減を図ることができる。図８は実施例１のリッジ型半導体レーザ素子、後述する実施例４の埋込リッジ型半導体レーザ素子及び従来のロスガイド型半導体レーザ素子の光出力−電流特性を示すグラフである。図８において、Ａが実施例１のリッジ型半導体レーザ素子の特性を示し、Ｂが実施例４の実施例１と同様の溝２２を有する埋込リッジ型半導体レーザ素子の特性を示し、Ｃが従来のロスガイド型半導体レーザ素子の特性を示すものである。
電流狭窄層を有する半導体レーザ素子では、電流狭窄層に用いる結晶（半導体層）によって素子（半導体レーザ素子）の特性が大きく異なる。レベラ用途に用いられている半導体レーザ素子では、電流狭窄層にＧａＡｓを用い、電流狭窄層での吸収損失によってレーザ内部の導波モードを制御するロスガイド型の構造をとっているのが一般的である。このようなロスガイド型では、レーザ内部の光損失αｉがどうしても大きくなってしまうため、図８のＣで示すように、光出力−電流特性の傾きｄＬ／ｄＩ（Ｌ：光出力、Ｉ：電流）を高めることができない。また、素子の特性を確保するためには、電流を注入するリッジ部分の幅を大きく（一般的には、５μｍ程度）して、電流狭窄層内への光の染み出しを抑えるように設計する必要があり、電流を注入する領域のサイズが大きくなってしまい電流量が増大するという問題がある。
図８のＢの特性を有する埋込リッジ型半導体レーザ素子の場合、ロスガイド型半導体レーザ素子において、ＧａＡｓからなる電流狭窄層をＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰに変えた構造になっている。Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰは光吸収がほとんど無い結晶であることから、電流狭窄が効果的に行われ、光損失αｉを小さくできる。この結果、図８のＢに示すように、ロスガイド型半導体レーザ素子に比較して低閾値・高効率の光出力−電流特性を得ることができる。
実施例１の半導体レーザ素子１は、ｐ−クラッド層５及びｐ−コンタクト層６をリッジ７とし、かつリッジ７の両側を光吸収がほとんど無い媒質、即ち、誘電体（絶縁膜８）で覆って電流狭窄を行う構造である。この構造では、Ａの特性を示すリアルガイド型の埋込リッジ型半導体レーザ素子よりもさらに光損失αｉを小さくでき、発光効率を向上させることができる。また、この構造では、レーザ内部の導波モード制御のためにリッジの幅が２μｍ程度としていることから、図８のＡに示すように光出力−電流特性は、ロスガイド型半導体レーザ素子の光出力−電流特性Ｃに比較して良好になる。実施例１の半導体レーザ素子１によれば、閾値が小さくできる。この結果、駆動電流の低減が達成できる。また、実施例１の半導体レーザ素子１によれば、光出力−電流特性の傾きｄＬ／ｄＩを高めることができ、発光特性の向上を達成することができる。
（３）可視光半導体レーザ素子の重要な用途である、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として実施例１の半導体レーザ素子を使用した場合、レーザ光投射像の乱れによる不具合の発生を防止することが可能になる。図１１（ａ）は、実施例１の半導体レーザ素子１を組み込んだ半導体レーザ装置３０から出射されたレーザ光３１をスクリーン３２に投射した場合の楕円形として現れるＦＦＰ３３を示す模式図である。ＦＦＰにリップル及び形状歪が発生しない実施例１の半導体レーザ素子１の場合、スクリーン３２に現れる楕円形のＦＦＰ３３には、図１１（ｂ）で示すような乱れは発生しない。
そして、このような実施例１の半導体レーザ素子１をレベラやマーカ等の表示デバイスの光源として使用した場合、出射したレーザ光３１をレンズ系を使用して平行光として使用するが、自然放出光が溝２２で阻止されることからレーザ光中に自然放出光が入り込まない。この結果、スクリーン等の対象物体に現れる投射像の乱れが発生しなくなる。
図１２（ａ）はレベラ３５に実施例１の半導体レーザ素子１を組み込んだ半導体レーザ装置３０を使用した場合の投射像を示す模式図である。半導体レーザ装置３０から出射されるレーザ光３１をレンズ系３６で調整して水平方向に延在する１本の線（ライン）３７としてスクリーン３２に映し出す。また、図中下部の楕円内にはレベラ出力ラインである線（ライン）３７をピックアップして拡大して示した図である。
リップル及び形状歪が発生しない実施例１の半導体レーザ素子１を組み込んだ半導体レーザ装置３０の場合、スクリーン３２に現れるライン３７は、拡大して観察してみても、図１２（ｂ）に示すような複数本の線あるいは途切れたり、かすれたりした線等が現れることがなく、投射像を目視した場合、線（ライン）３７は、一定の幅を有する明瞭な直線と認められ、線（ライン）３７は有効な基準線として位置が明確に判定確認できるようになる。
従って、実施例１の半導体レーザ素子１を光源とする表示デバイスは、長時間駆動とビーム品質の両面において優れた表示デバイスとなる。
（４）溝２２は従来形成していた分離溝２３の形成と同時に形成することから、溝２２を採用する実施例においては、半導体レーザ素子の製造工程は増大せず、工程増加による製造コスト高騰は抑止できる。
（５）実施例１の半導体レーザ素子１と特許文献２、３の相違について説明する。特許文献２、３には、主にＧａＮ系の窒化物半導体レーザ素子が開示されている。
ＧａＮ系の半導体レーザでは、半導体基板としてクラッド層よりも屈折率が高いＧａＮを用いており、この屈折率が高い基板に引き込まれたレーザ光が、メインビームと干渉を起こすことでＦＦＰにリップルが発生して形状が乱れやすいというこの系特有の問題点があることが知られている。これらの構成は、ＧａＮ系特有のこの問題に対処するために考案された構造であり、既に説明した問題である投射像の乱れに対しては、有効な手段となりえない。
特許文献２に記載されている方法では、レーザの出射側端面に溝を設ける、あるいは、端面近傍に凹部を複数設けるといった構造が記載されている。しかしながら、端面に設けた溝の表面をどのようにするかについては記述されていない。このような構造に従って、溝あるいは凹部を設けた構造としても、活性層を伝わって伝播してきた自然放出光は外部に放出されてしまうため、結局はメインの投射像を乱す不要な像が現れてしまうことになる。また、実施例においては複数の凹部を設けた構造が示されているように、この構造の目的は、自然放出光の放出を完全に抑えることを考慮しておらず、リッジ構造から散乱されて放射されてきたレーザ光が、メインの出射光と干渉を起こすことを防ぐために主にリッジ近傍に出てくる散乱光に対処する構造となっている事が、本発明と大きく異なる点である。
特許文献３では、レーザの共振器となる面とは異なる活性層断面を含む側面を設け、その表面に遮光層を設けた構造としているが、遮光層を設ける位置がリッジ構造の近傍付近だけであったり、遮光層がある程度の光の透過率をもつ層でも良いとしており、レーザ内からの光の漏れを完全に抑制する構造とはなっていない。また、特許文献３では、実施例によると導波路構造のすぐ脇に遮光層を設けた構造となっているが、このような構成とすると、導波路構造の屈折率が急峻に変化するため、導波路を伝播してきたレーザ光が遮光層を設けた部分の境界で屈折率の変化を感じて散乱されるため、発生した散乱光と導波光との干渉によって出射ビームの品質が低下することになってしまう。これらの理由によって、特許文献２あるいは特許文献３の構成を採用しても、前述の自然放出光に起因する問題に対しては解決することができず、本発明で述べた構成を用いることが有効な手段となるのである。
図１３は本発明の実施例２である半導体レーザ素子の模式的平面図、図１４は図１３のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
実施例２は実施例１の半導体レーザ素子１において、リッジ７の両側にリッジ部を保護するダミーリッジ４０を設けた構造である。実施例１の半導体レーザ素子１は、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側の中央に１本の突出したストライプ状のリッジ７を有する構造であり、チップの端面部分においてリッジ部のみが突出した状態となっている。このため、ウエハを劈開する工程、短冊体（バー）を切断するチップ化（個片化）の工程、チップの組立工程等において、端面部が搬送用治具やその他の部材に接触すると、リッジ部のみに強い力がかかり、リッジ部の欠損が生じてしまうこととなる。これを防ぐために保護用のダミーリッジを設けた構成とした。
実施例２の半導体レーザ素子１は、その製造方法は実施例１の場合と同様であるが、リッジ７の形成工程において、ｐ−コンタクト層６及びｐ−クラッド層５をエッチングするパターンを変更することによって形成できる。
実施例２の半導体レーザ素子１は、その取り扱い時にリッジ７の端部の損傷を防止することができる。
図１５乃至図１７は本発明の実施例３である半導体レーザ素子に係わる図である。図１５は半導体レーザ素子の模式的平面図、図１６は図１５のＥ−Ｅ線に沿う断面図、図１７は半導体レーザ素子における多層成長層の構成と、各半導体層の屈折率及び吸収係数を示す模式図である。
図１５及び図１６に示す実施例３の半導体レーザ素子１は、その構造は実施例１の半導体レーザ素子１と同一になっている。また、図１７は実施例３の半導体レーザ素子１の半導体層の重ね構造を示すものであり、かつ半導体基板とｎ−クラッド層との間にバッファ層を追加させた例である。図１７の半導体層の重ね構造による半導体レーザ素子であっても、実質的に図１５及び図１６で示す半導体レーザ素子１と作用効果は変わらない。図１７は図９（ａ）に対応するものであり、半導体層の重ね構造と、各半導体層の屈折率及び吸収係数を示すものである。従って、実施例３の説明においては、材料が異なるものは実施例１で説明した符号にａを付加して説明する。
実施例３の半導体レーザ素子１は、半導体基板と活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成になっている（図１７参照）。半導体基板と活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成にするために各半導体層はつぎのようになっている。半導体基板はＧａ（Ａｓ）ｐ基板２ａ、ｎ−クラッド層３はＡｌＧａＩｎＰ、活性層４は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造、ｐ−クラッド層５はＡｌＧａＩｎＰ、ｐ−コンタクト層６はＧａＡｓである。実施例３の半導体レーザ素子１は、各半導体層の材料・組成を変えることによって発光波長が５６０（黄色）〜６４０ｎｍ（橙色）のレーザ光を出射する半導体レーザ素子となる。
実施例３の半導体レーザ素子１は実施例１の半導体レーザ素子１の製造方法において、半導体基板としてＧａ（Ａｓ）ｐ基板２ａを準備し、その後、このＧａ（Ａｓ）ｐ基板２ａ上に多層成長層を形成することによって製造される。多層成長層はいずれも実施例１と同様に、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層３、井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層４、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層５、ＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層６を順次形成することによって形成される。
実施例３の半導体レーザ素子１は、半導体基板（Ｇａ（Ａｓ）ｐ基板２ａ）と活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成としてあることから、自然放出光は屈折率の値が高い活性層及び前記半導体層を伝播し、前記溝の効果もあって自然放出光が前方出射面の外に放射されることがなく、良好なＦＦＰを得ることができる。
図１８乃至図２２は本発明の実施例４である半導体レーザ素子に係わる図である。図１８は半導体レーザ素子の模式的斜視図、図１９は図１８のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。図２０乃至図２２は半導体レーザ素子の製造に係わる図である。
実施例４の半導体レーザ素子１は、図２４に示す従来のリアルガイド型の埋込リッジ型半導体レーザ素子に本発明を適用して溝２２を設けたものである。
実施例４の半導体レーザ素子１は、図１８に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板２の上面に多層成長層が形成されている。この多層成長層は、ＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層３、井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層４、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層５と順次重なる構造になっている。活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造でもよい。そして、ｐ−クラッド層５はその上面からｐ型クラッド層の所定深さまで選択的に除去（エッチング除去）され、この除去によってｎ−ＧａＡｓ基板２の上面中央に沿ってストライプ状に延在する１本のリッジ７が形成される構造になっている。
また、リッジ７の両側の残留するｐ−クラッド層５部分上にはＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰからなるｎ−電流狭窄層４５が形成されている。この一対のｎ−電流狭窄層４５はリッジ７を挟む構造になっている。ｎ−電流狭窄層４５は活性層４の発光波長の光に対して透明となる禁制帯幅を持った構成である。また、リッジ７及びｎ−電流狭窄層４５上にはＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層６が設けられている。
半導体レーザ素子１の両側はメサエッチングが施され、ｐ−コンタクト層６からｎ−クラッド層３に至る部分はメサ部を形成している。メサ部は分離溝２３の中心を切断することによって形成される。
また、ｐ−コンタクト層６の上面にはｐ型電極９が形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板２の下面にはｎ型電極１２が形成されている。さらに、図示しないが、リッジ７の両端面側となる半導体レーザ素子１の端面には、それぞれ反射膜が形成されている。半導体レーザ素子１の両端面のうちの一方の端面である前方出射面にはＡＲコーティング膜が形成されている。また、他方の端面である後方出射面にはＡＲコーティング膜よりも反射率が大きいＨＲコーティング膜が形成されている。
一方、これが本発明の特徴の一つであるが、実施例１と同様に一対の溝２２が設けられている。即ち、図１８及び図１９に示すように、リッジ７の両端面のうちの一つの端面（前方出射面２０）側には、前方出射面２０に沿いかつリッジ７の側縁から所定距離離れたｐ−コンタクト層６部分から活性層４の側縁に至る位置まで溝２２が設けられている。また、溝２２はｐ−コンタクト層６から活性層４を超えた深さまで設けられている。この溝２２は、図１９に示すように、絶縁膜４６によって覆われている。そして、絶縁膜４６上には前記ｐ型電極９が形成されている。溝２２はｎ−ＧａＡｓ基板２にまで到達してもよい。
実施例４の半導体レーザ素子１は、図２０及び図２１に示すようにして製造される。図２０は半導体レーザ素子の製造において、多層成長層形成から溝形成までの工程を示す工程断面図、２１は半導体レーザ素子の製造において、絶縁膜形成からｐ型電極形成までの工程を示す工程断面図である。また、図２２は図２１の絶縁膜の形成領域を示す半導体レーザ素子部分の模式的平面図である。
最初に、ｎ−ＧａＡｓ基板２を準備した後、ｎ−ＧａＡｓ基板２上にＡｌＧａＩｎＰからなるｎ−クラッド層３、井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造の活性層４、ＡｌＧａＩｎＰからなるｐ−クラッド層５を順次重ねて形成して多層成長層を形成する。
つぎに、図２０（ａ）に示すように、実施例１と同様に２μｍ幅のエッチング用マスク２５を各製品形成部の中央に沿ってＹ方向に設ける。その後、ｎ−クラッド層３の途中深さまでエッチングしてエッチング用マスク２５の下方にストライプ状のリッジ７を形成する。
つぎに、エッチング用マスク２５を除去した後、図示はしないがリッジ７上にＳｉＯ２膜を形成し、このＳｉＯ２膜をマスクとしてＭＯＣＶＤ法により選択成長を行い、リッジ７の両側の薄いｎ−クラッド層３上にＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰからなるｎ−電流狭窄層４５を形成する（図２０（ｂ）参照）。ｎ−電流狭窄層４５はｎ−電流狭窄層４５の上面がリッジ７の上面と同じ程度となるように形成する。その後、ＳｉＯ２膜を除去する。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側全体にｐ−コンタクト層６を形成する（図２０（ｂ）参照）。
つぎに、図２０（ｂ）に示すように、製品形成部のＹ方向に沿う辺の位置に分離溝２３を形成する。
つぎに、実施例１と同様にリッジ７の両側に溝２２を形成する。このため、図２０（ｃ）に示すように、ｐ−コンタクト層６上に選択的にエッチング用マスク４７を形成した後、実施例１と同様にエッチングを行って溝２２を形成する（図１８参照）。溝２２の形成位置及び寸法等は実施例１と同様である。
つぎに、図２１（ａ）に示すように、一対の溝２２で挟まれたｐ−コンタクト層６の表面（上面）を露出させる状態で溝２２の表面を絶縁膜４６で覆う。図２２はほぼ製品形成部を示す模式的平面図であり、点線で示す部分が溝２２である。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第１の面側には、図２１（ｂ）及び図１８に示すようにｐ型電極９が形成される。ｐ型電極９のパターンは図１８に示すようなパターンになる。ｐ型電極９と、溝２２の表面に露出する活性層４及びｎ−クラッド層３等が電気的に接触しないように前記絶縁膜４６は、図２２に示すようにリッジ７に沿って短い長さ形成される。なお、図１８では絶縁膜４６は省略してある。
以後の工程は図を用いて説明しないが、つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面を所定厚さ除去し、全体の厚さを約１００μｍ程度とする。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２の第２の面にｎ型電極１２を形成する。
つぎに、ｎ−ＧａＡｓ基板２をリッジ７の延在方向に直交する方向に一定間隔（６００μｍ）で劈開し、複数の短冊体（バー）を形成する。
つぎに、各短冊体（バー）の前方出射面側にＡＲコーティング膜を形成するとともに、後方出射面にＨＲコーティング膜を形成する。
つぎに、各短冊体（バー）を製品形成部の境界部分で切断して、図１８に示すような半導体レーザ素子１を複数形成する。
実施例４によれば、埋込リッジ型半導体レーザ素子においても、実施例１の半導体レーザ素子１と同様に前方出射面２０側の端面側に溝２２が設けられていることから、前方出射面２０からの自然放出光等の放射が抑止できる半導体レーザ素子１を提供することができる。従って、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として適した半導体レーザ素子となる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、実施例１の半導体レーザ素子１において、活性層４をＩｎＧａＡｓＰからなる単層構造または井戸層がＩｎＧａＡｓＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成しても、波長６００〜６９０ｎｍ帯の良好なＦＦＰを有する半導体レーザ素子を得ることができる。
このような半導体レーザ素子は実施例１の半導体レーザ素子１の製造方法において、ｎ−ＧａＡｓ基板２上に多層成長層を形成する際の活性層４の形成時、活性層４をＩｎＧａＡｓＰからなる単層構造または井戸層がＩｎＧａＡｓＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造に形成することによって製造できる。
このような半導体レーザ素子は、実施例１の半導体レーザ素子１において、活性層の材質を変えただけの構造であり、前方出射面側に溝を有することから、実施例１と同様に、前方出射面からの自然放出光等の放射が抑止できる半導体レーザ素子を提供することができる。従って、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として適した半導体レーザ素子となる。
以上のように、本発明の各実施例による半導体レーザ素子はＦＦＰが乱れることがないことと、動作電流の低減が可能なリアルガイド型の半導体レーザ素子であることから、レベラやマーカといった表示デバイスの光源として適した半導体レーザ素子となる。
即ち、表示デバイスの光源としては、電池駆動時にも長時間動作が可能なように消費電力が小さいことが要請され、かつ投射したレーザ光の像が乱れたり、ぼやけたりすることなく明瞭であることが望まれるが、本発明の半導体レーザ素子はこれらの要求を充分満たすものとなる。
本発明の実施例１である半導体レーザ素子の模式的平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 実施例１の半導体レーザ素子の製造において、多層成長層形成から溝形成までの工程を示す工程断面図である。 実施例１の半導体レーザ素子の製造において、絶縁膜形成から半導体基板の裏面研磨までの工程を示す工程断面図である。 実施例１の半導体レーザ素子の製造において、ｎ電極形成から個片化による半導体レーザ素子の取得までの工程を示す工程断面図である。 半導体レーザ素子の光出力と電流との相関を示すグラフである。 各種半導体レーザ素子の多層成長層の構成と、多層成長層を構成する半導体層の屈折率及び吸収係数を示す模式図である。 半導体レーザ素子の水平方向のＦＦＰ形状を示す模式図である。 半導体レーザ素子における投射像の水平方向の乱れの有無を示す模式図である。 半導体レーザ素子をレベラに用いた際のレベラ出力ラインの乱れの有無を示す模式図である。 本発明の実施例２である半導体レーザ素子の模式的平面図である。 図１３のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 本発明の実施例３である半導体レーザ素子の模式的平面図である。 図１５のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。 実施例３の半導体レーザ素子における多層成長層の構成と、各半導体層の屈折率及び吸収係数を示す模式図である。 本発明の実施例４である半導体レーザ素子の模式的斜視図である。 図１８のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。 実施例４の半導体レーザ素子の製造において、多層成長層形成から溝形成までの工程を示す工程断面図である。 実施例４の半導体レーザ素子の製造において、絶縁膜形成からｐ型電極形成までの工程を示す工程断面図である。 図２１の絶縁膜の形成領域を示す半導体レーザ素子部分の模式的平面図である。 従来のロスガイド型の埋込リッジ型半導体レーザ素子の模式的断面図である。 従来のリアルガイド型の埋込リッジ型の半導体レーザ素子の模式的断面図である。 従来のリアルガイド型のリッジ半導体レーザ素子の模式的断面図である。
符号の説明
１…半導体レーザ素子、２…半導体基板（ｎ−ＧａＡｓ基板）、２ａ…Ｇａ（Ａｓ）Ｐ基板、３…第１導電型クラッド層（ｎ−クラッド層）、４…活性層、５…第２導電型クラッド層（ｐ−クラッド層）、６…第２導電型コンタクト層（ｐ−コンタクト層）、７…リッジ、８…絶縁膜、９…ｐ型電極、１０…下地電極、１１…メッキ膜、１２…ｎ型電極、１３…下地電極、１４…メッキ膜、１８…ＡＲコーティング膜、１９…ＨＲコーティング膜、２０…前方出射面、２１…後方出射面、２２…溝、２３…分離溝、２５…エッチング用マスク、２６…短冊体（バー）、２７…切断線、３０…半導体レーザ装置、３１…レーザ光、３２…スクリーン、３３…ＦＦＰ、３５…レベラ、３６…レンズ系、３７…線（ライン）、４０…ダミーリッジ、４５…ｎ型電流狭窄層、４６…絶縁膜、４７…エッチング用マスク。

Claims (13)

  1. 第１導電型の半導体からなり、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する四角形の半導体基板と、
    前記半導体基板の第１の面上に少なくとも第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層及び第２導電型コンタクト層と順次半導体層を重ねて形成した多層成長層と、
    前記第２導電型コンタクト層の上面から前記第２導電型クラッド層の所定深さまで選択的に除去することによって形成され、前記半導体基板の対向する一対の端面から端面に亘ってストライプ状に形成されるリッジと、
    前記半導体基板の前記第１の面側に重ねて形成され、前記リッジの側面から前記半導体基板の周縁に至る部分に設けられる絶縁膜と、
    前記リッジの前記第２導電型コンタクト層に重なり前記絶縁膜上に形成される第２の電極と、
    前記半導体基板の前記第２の面に重ねて形成される第１の電極とを有し、
    前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成、あるいは前記半導体基板と前記活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が前記半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成であり、
    前記リッジの両端面のうちの一つの端面側には、前記端面に沿いかつ前記リッジの側縁から１〜１５μｍ離れた前記第２導電型クラッド層部分から前記活性層の側縁に至る位置まで前記第２導電型クラッド層から前記活性層を超えた深さになる溝が設けられ、
    前記溝は前記絶縁膜及び前記絶縁膜上に形成された前記第２の電極で被われており、かつ前記溝の幅は１〜５０μｍであり、
    前記リッジの前記一つの端面と前記溝の側縁との距離は３〜５０μｍであり、
    前記溝の最も深い部分において、前記溝上に形成される前記絶縁膜の上縁は前記活性層の下縁よりも深い位置に位置していることを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 前記リッジの前記一つの端面側には端面保護膜が設けられ、前記リッジの他方の端面側には前記端面保護膜よりも反射率が大きいかもしくは同等となる端面保護膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  3. 前記溝の内周面における前記活性層が露出する内周面部分は前記溝の深さ方向に進むに従って前記溝の幅が徐々に狭くなるような傾斜した面になっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  4. 前記半導体レーザ素子は前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った前記構成であり、前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓであり、前記発光波長が６００〜６９０ｎｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  5. 前記半導体レーザ素子は前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った前記構成であり、前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層はＩｎＧａＡｓＰからなる単層構造または井戸層がＩｎＧａＡｓＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓであり、前記発光波長が６００〜６９０ｎｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  6. 前記半導体基板と前記活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が前記半導体基板の屈折率の値よりも大きい前記構成であり、前記半導体基板はＧａ（Ａｓ）Ｐ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓであり、前記発光波長が５６０〜６４０ｎｍ帯であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
  7. 第１導電型の半導体からなり、第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有する四角形の半導体基板と、
    前記半導体基板の第１の面上に少なくとも第１導電型クラッド層、活性層及び第２導電型クラッド層と順次半導体層を重ねて形成した多層成長層と、
    前記第２導電型クラッド層の上面から前記第２導電型クラッド層の所定深さまで選択的に除去することによって形成され、前記半導体基板の対向する一対の端面から端面に亘ってストライプ状に形成されるリッジと、
    前記リッジの両側の残留する前記第２導電型クラッド層部分上に形成され、前記リッジを挟む第１導電型の半導体層からなる一対の第１導電型電流狭窄層と、
    前記リッジ及び前記電流狭窄層上に形成される第２導電型の半導体層からなる第２導電型コンタクト層と、
    前記第２導電型コンタクト層上に重ねて形成される第２の電極と、
    前記半導体基板の前記第２の面に重ねて形成される第１の電極とを有し、
    前記第１導電型電流狭窄層は前記活性層の発光波長の光に対して透明となる禁制帯幅を持った構成であり、
    前記リッジの両端面のうちの一つの端面側には、前記端面に沿いかつ前記リッジの側縁から１〜１５μｍ離れた前記第２導電型コンタクト層部分から前記活性層の側縁に至る位置まで前記第２導電型コンタクト層から活性層を超えた深さになる溝が設けられ、
    前記溝は絶縁膜で被われ、
    前記第２の電極は前記溝部分では前記絶縁膜上に重なっており、かつ前記溝の幅は１〜５０μｍであり、
    前記リッジの前記一つの端面と前記溝の側縁との距離は３〜５０μｍであり、
    前記溝の最も深い部分において、前記溝上に形成される前記絶縁膜の上縁は前記活性層の下縁よりも深い位置に位置していることを特徴とする半導体レーザ素子。
  8. 前記半導体基板はＧａＡｓ基板であり、前記第１導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記活性層は（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造であり、前記第２導電型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰであり、前記第１導電型電流狭窄層はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰであり、前記第２導電型コンタクト層はＧａＡｓであることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. （ａ）第１の面及びこの第１の面の反対面となる第２の面を有し、かつ前記第１の面に四角形の半導体レーザ素子形成領域を縦横に複数整列配置する第１導電型の半導体基板を準備する工程、
    （ｂ）前記半導体基板の第１の面に第１導電型の半導体層からなる第１導電型クラッド層、半導体層からなる活性層、第２導電型の半導体層からなる第２導電型クラッド層及び第２導電型の半導体層からなる第２導電型コンタクト層を有機金属気相成長法で順次形成する工程、
    （ｃ）前記半導体基板の前記第１の面の前記各半導体層を選択的に除去し、一次元的に並ぶ一連の前記半導体レーザ素子形成領域の中央に沿い、かつ前記第２導電型コンタクト層の露出側の上面から前記第２導電型クラッド層の中層に至る厚さを有するストライプ状のリッジを形成する工程、
    （ｄ）前記四角形の各半導体レーザ素子形成領域において、前記リッジに直交する方向に沿った一対の第１の辺の一方の辺に沿い、かつ前記一方の辺の内側に前記リッジから１〜１５μｍ離れた位置から前記一対の第１の辺に直交する一対の第２の辺に至る位置まで、前記第２導電型クラッド層から活性層を超えた深さとなる溝を形成する工程、
    （ｅ）前記各半導体レーザ素子形成領域において、前記リッジの中央に沿って露出する前記第２導電型コンタクト層を露出させ、かつ前記溝を含む残りの前記半導体基板の前記第１の面側を被う絶縁膜を形成する工程、
    （ｆ）前記各半導体レーザ素子形成領域において、前記第２導電型コンタクト層に重なりかつ前記溝に形成された前記絶縁膜を含む前記絶縁膜を選択的に被う第２の電極を形成する工程、
    （ｇ）前記半導体基板の前記第２の面を所定厚さ除去する工程、
    （ｈ）前記各半導体レーザ素子形成領域において、前記半導体基板の前記第２の面に第１の電極を形成する工程、
    （ｉ）前記半導体基板を前記半導体レーザ素子形成領域の前記第１の辺でそれぞれ劈開して短冊体を形成する工程、
    （ｊ）前記短冊体の前記溝に近接する前記劈開した面に端面保護膜を形成し、前記短冊体の前記溝から遠い前記劈開した面に前記保護膜よりも反射率が大きいかもしくは同等の反射率となる端面保護膜を形成する工程、
    （ｋ）前記短冊体を前記半導体レーザ素子形成領域の前記第２の辺でそれぞれ分割する工程、
    を有し、
    前記工程（ｄ）では、前記第１の辺の前記一方の辺の内側の距離３〜５０μｍの位置から内側であり、かつ幅が１〜５０μｍである前記溝を形成し、
    前記工程（ｄ）の前記溝の形成及び前記工程（ｅ）の前記絶縁膜の形成では、前記溝底に形成される前記絶縁膜の最も深い絶縁膜部分の上縁が前記活性層の下縁よりも深くなるように形成することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
  10. 前記工程（ｄ）では、前記溝の内周面における前記活性層が露出する内周面部分は前記溝の深さ方向に進むに従って前記溝の幅が徐々に狭くなるような傾斜した面に形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  11. 前記半導体レーザ素子は前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成となり、かつ発光波長が６００〜６９０ｎｍ帯となるように、
    前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａＡｓ基板を準備し、
    前記工程（ｂ）では、前記第１導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記活性層を（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成し、前記第２導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記第２導電型コンタクト層をＧａＡｓで形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  12. 前記半導体レーザ素子は前記半導体基板が前記活性層の発光波長の光に対して吸収層となる禁制帯幅を持った構成となり、かつ発光波長が６００〜６９０ｎｍ帯となるように、
    前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａＡｓ基板を準備し、
    前記工程（ｂ）では、前記第１導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記活性層をＩｎＧａＡｓＰからなる単層構造または井戸層がＩｎＧａＡｓＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成し、前記第２導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記第２導電型コンタクト層をＧａＡｓで形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
  13. 前記半導体基板と前記活性層の間の全ての半導体層の屈折率の値が前記半導体基板の屈折率の値よりも大きい構成となり、かつ発光波長が５６０〜６４０ｎｍ帯となるように、
    前記工程（ａ）では、前記半導体基板としてＧａ（Ａｓ）ｐ基板を準備し、
    前記工程（ｂ）では、前記第１導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記活性層を（Ａｌ）ＧａＩｎＰからなる単層構造または井戸層がＧａＩｎＰとなり障壁層がＡｌＧａＩｎＰからなる多重量子井戸構造で形成し、前記第２導電型クラッド層をＡｌＧａＩｎＰで形成し、前記第２導電型コンタクト層をＧａＡｓで形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
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