JP4869582B2 - 半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関し、例えば、典型的には、光ディスク装置や、光伝送システムの光伝送モジュール部分などに好適に用いられる半導体レーザ素子に関する。

また、本発明は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置または光伝送システムに関する。

半導体レーザ素子は、光ディスク装置や光伝送システムなどに幅広く使用されており、近年、その需要は増加の一途をたどっている。その中でも、リッジ埋め込み型と呼ばれる半導体レーザ素子は高い信頼性を有し、しかも低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子として知られている。

しかしながら、上記リッジ埋め込み型半導体レーザ素子は、その製造工程において基板上に活性層やクラッド層を含む半導体層を形成するために行われる１回目の結晶成長工程に加えて、電流狭窄層を形成するための２回目の結晶成長工程と、コンタクト層を形成するための３回目の結晶成長工程を必要とし、さらに、複雑な製造プロセスを経て製造しなければならないため、製造コストが高く、かつ歩留まりも悪いという問題があった。

そこで、より低コストで簡便に製造できる従来の半導体レーザ素子として、活性層上にリッジ部を有し、一回の結晶成長工程で製造できるリッジ導波型半導体レーザ素子がある（例えば特許文献１（特開平４−１１１３７５号公報）参照）。

図９に、上記リッジ導波型半導体レーザ素子の断面を模式的に示す。このリッジ導波型半導体レーザ素子は次のようにして製造される。

まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属化学気相成長）法により、ｎ型ＧａＡｓ基板４０１上に、ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層４０２、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層４０３、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５を順次積層し、フォトリソグラフィなどの手法により、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４の一部を基板４０１の反対側から途中までエッチングして、リッジ部となるメサを形成した後、ｐ側電極４０６としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを順次蒸着すると共に、ｎ側電極４０７としてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを順次蒸着する。

このようにして製造されたリッジ導波型半導体レーザ素子に電流を流すと、ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層４０４とｐ側電極４０６との間にはショットキ接合部４０８が形成され、ｐ側電極４０６とｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０５との間にのみ電流が流れ、電流狭窄が行われる。

上述のようにリッジ埋め込み型半導体レーザ素子では合計３回の結晶成長工程と複雑な製造プロセスを必要とするが、上記リッジ導波型半導体レーザ素子では１回の結晶成長工程を行うだけでよい。加えて、上記リッジ導波型半導体レーザ素子は、リッジ導波型半導体レーザの中でも、一般にエアリッジ型と呼ばれるような電流狭窄に際し無機絶縁膜を使用するタイプではなく、ショットキ接合を用いて電流狭窄を実現させる構成となっているため、構造がさらに簡単であり、より低コストで製造することができるというメリットがある。

しかしながら、上記リッジ導波型半導体レーザ素子には次のような問題点があることが分かった。

すなわち、上記リッジ導波型半導体レーザ素子は、リッジ埋め込み型半導体レーザ素子やエアリッジ型のリッジ導波型半導体レーザ素子とは異なり、リッジ部の側面に対して直接電極が接していると共に、リッジ部から外方へ延在するクラッド層の表面とに対しても直接に電極が接している。この場合、上記リッジ導波型半導体レーザ素子を構成する半導体材料の屈折率と、上記電極を構成する金属材料の屈折率との関係によっては、発振したレーザ光分布が、上記リッジ部側面およびリッジ部近傍のクラッド層の表面に形成された電極にまで漏れてしまうという問題点があることが分かった。

例えば、上記特許文献１のリッジ導波路型半導体レーザ素子において、リッジ部側に形成される電極に用いられている金属材料の屈折率は、半導体層と接するＴｉが、波長６５０ｎｍから１．５μｍの範囲でおよそ３．０から３．６であり、Ｔｉの上側に設けられているＰｔが同じく波長６６８ｎｍから１．５μｍの範囲で２．９から５．５である。一方、上記リッジ部の外方の基板に垂直な方向における実効屈折率も例えば３．２前後であり、両者の値は非常に近い関係にある。

このように上記実効屈折率と、半導体層上に直接形成された電極材料の屈折率とが近接しているときには、発振したレーザ光が電極方向へ漏れやすくなることがある。

そして、上記レーザ光が電極方向へ漏れてしまうと、電極を構成する金属材料は、半導体材料に比べて一般に光吸収係数が１０⁴倍から１０⁵倍程度も高いため、電極を構成する金属材料が、発振したレーザ光の非常に大きな吸収成分となって内部損失を大幅に増加させてしまう。その結果、上記リッジ導波路型半導体レーザ素子においては、スロープ効率が低下したり、発振閾値電流値が上昇してしまうという問題が発生することが分かった。
特開平４−１１１３７５号公報（第１図参照）

そこで、本発明の課題は、スロープ効率を高めることができ、かつ、消費電力を低減できる半導体レーザ素子を提供することにある。

また、本発明の他の課題は、そのような半導体レーザ素子を備えた光ディスク装置または光伝送システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザ素子は、
少なくとも、第１導電型の基板と、上記第１導電型の基板上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２導電型の半導体層群とを有する本体を備えた発振波長λの半導体レーザ素子において、
上記第２導電型の半導体層群上に形成され、上記発振波長の光の屈折率がｎ_Eである電極を備え、
上記電極は、以下の式
ｎ_EFF−ｎ_E＜１
ｄ＜λ／（４πｋ）
ｎ_EFF：上記本体全体の上記発振波長λの光の実効屈折率
ｄ：上記電極の厚み［ｎｍ］
ｋ：上記電極の上記発振波長λの光の消衰係数
を満たすように形成されていることを特徴としている。

ここで、「第１導電型」とはｎ型とｐ型のうち一方の導電型を指し、「第２導電型」とはｎ型とｐ型のうち他方の導電型を指す。

また、「実効屈折率」とは、リッジ部が伸びる方向における発振レーザ光の位相速度（＝ｃ／ｎ_EFF）を定める量であり、「消衰係数」とは、複素屈折率Ｎ＝ｎ−ｉｋにおける虚部である。また、４πｋ／λは一般に吸収係数と呼ばれる。なお、上記ｃは光速である。

上記構成の半導体レーザ素子によれば、上記ｎ_EFF−ｎ_E＜１の式を満たす電極を第２導電型の半導体層群上に形成し、かつ、電極の厚みｄを、電極の吸収係数の逆数より小さいｄ＜λ／（４πｋ）と設定することによって、電極による波長λの光の吸収量が１−１／ｅより小さくなるので、電極への発振レーザ光の漏れが発生したとしても、電極によるレーザ光の吸収損失を十分小さくできる。なお、上記ｅは自然対数の底である。

したがって、スロープ効率を高め、かつ、消費電力を低減することができる。すなわち、高いスロープ効率を有し、低消費電力（低閾値電流）動作が可能な半導体レーザ素子を提供することができる。

なお、上記第１導電型の基板に関して活性層とは反対側の面には、この面とオーミック接合をなす別の電極を設けるのが望ましい。この別の電極を設けることにより、二つの電極間で活性層を通して容易に通電が行われ、レーザ発振が実現される。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記電極が、
上記発振波長の光の実効屈折率がｎ_E1である第１の電極層と、
上記第１の電極層上に形成され、上記発振波長の光の屈折率がｎ_E2である第２の電極層と
を有し、
上記第１，第２の電極層は、以下の式
ｎ_EFF−ｎ_E1＜１
ｎ_EFF−ｎ_E2≧１
ｄ₁＜λ／（４πｋ₁）
ｄ₂≧λ／（４πｋ₂）
ｎ_EFF：上記本体全体の上記発振波長λの光の実効屈折率
ｄ₁：上記第１の電極層の厚み［ｎｍ］
ｋ₁：上記第１の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
ｄ₂：上記第２の電極層の厚み［ｎｍ］
ｋ₂：上記第２の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
を満たすように形成されている。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ｎ_EFF−ｎ_E1＜１の式を満たす第１の電極層上に、上記ｎ_EFF−ｎ_E2≧１の式を満たす第２の電極層を形成し、かつ、第２の電極層の厚みｄ₂を、ｄ₂≧λ／（４πｋ₂）となるように設定することによって、発振レーザ光を本体中に閉じ込める効果をより大きくすることができるので、発振レーザ光の上記電極へ漏れをさらに低減することができる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第２導電型の半導体層群の上記基板と反対側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接する。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記電極が、リッジ部の頂部に接するだけでなく、リッジ部の側面と、第２導電型の半導体層群のリッジ部を除く領域であってリッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接することにより、リッジ部の側方でのレーザ光の吸収損失を抑制することができる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第１の電極層は２層以上の積層構造からなり、
上記第１の電極層の各層Ａｎ（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）は、夫々、上記発振波長の光の屈折率がｎ_E1n（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）であり、
上記第１の電極層の各層は、それぞれが以下の式
ｎ_EFF−ｎ_E1n＜１
を満たし、
上記第１の電極層は、以下の式
ｄ_tot＜λ／（４πｋ_avg）
ｋ_avg：上記第１の電極層の各層の上記発振波長λの光の消衰係数の平均値
ｄ_tot:上記第１の電極層の全層を合わせた厚み［ｎｍ］
を満たすように形成されている。

ここで、上記第１の電極層を構成する層Ａｎの屈折率ｎ_E1n、消衰係数をｋ_n（ｎ＝１、２、・・・）とすると、上記第１の電極層を構成する層の発振波長λの光の消衰係数の平均値ｋ_avgは、次式で与えられると定義する。

ｋ_avg＝（ｄ₁ｋ₁＋ｄ₂ｋ₂＋・・・＋ｄ_nｋ_n）／ｄ_tot
上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第１の電極層が２層以上の積層構造からなっていても、第１の電極層の各層は、それぞれが上記ｎ_EFF−ｎ_E1n＜１の式の関係を満たし、かつ、上記第１の電極層を構成する層を全て合わせた厚みｄ_totが、ｄ_tot＜λ／（４πｋ_avg）の式を満たすように設定することにより、第１の電極層に起因する発振レーザ光の吸収損失の増加を抑制し、高いスロープ効率と低い発振閾値電流との効果を維持できる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第１の電極層は、
上記第２の電極層を構成する金属材料が、上記第１の電極層を越えて、上記第２導電型の半導体層群にまで拡散することを防止する機能と、
上記第２の電極層に対する密着性を向上させる機能と
を有する。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第１の電極層が、第２の電極層の金属材料が第１の金属層を越えて上記第２導電型の半導体層群に拡散するのを防止する機能と、第２の電極層に対する密着性を向上させる機能とを有することによって、電極の電気的・光学的特性を長期間維持しながら、製造工程における電極剥離不良を抑制することができ、素子特性および歩留まりを向上できる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記リッジ部の頂部が上記電極とオーミック接合を形成し、
上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキ接合を形成している。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部が電極とオーミック接合を形成し、かつ、リッジ部の側面と、第２導電型の半導体層群のリッジ部を除く領域であってリッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、電極とショットキ接合を形成することにより、例えば、電流狭窄層となる半導体埋め込み層の再成長工程や、絶縁膜形成工程を行わなくても、リッジ部の側方の領域から電流が活性層へ向かって流れるのを防ぐ構造が得られる。その結果、上記リッジ部の頂部に形成されたオーミック接合を通してのみ電流が活性層へ流れ、極めて簡単な構成で電流狭窄を実現できる。

また、上記再成長工程や絶縁膜形成工程をなくすことにより、上記特許文献１の半導体レーザ素子と同様に、製造段階での結晶成長工程を１度で済ませることができる。したがって、上記リッジ埋め込み型半導体レーザ素子に比べて、製造工程を大幅に削減できるので、製造コストを大幅に下げることができる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記リッジ部の頂部は、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０²¹ｃｍ^-3以下の高濃度半導体層からなり、
上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層からなり、
上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の半導体層が形成されている。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記リッジ部の頂部における第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることにより、良好なオーミック接合が実現できる。そして、上記リッジ部の頂部における第２導電型のドーピング濃度が１×１０²¹ｃｍ^-3以下であることにより、過剰なドーピングによるリッジ部の頂部の結晶性の悪化や活性層へのドーパントの拡散による素子特性や信頼性の低下を防止することができる。

また、上記リッジ部の側面と、半導体層群のリッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方における第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることにより、素子抵抗の極端な増大を防止しつつ、良好な電流狭窄性を実現できる。そして、上記リッジ部の側面と、半導体層群のリッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方における第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることにより、電流狭窄性と信頼性に優れたショットキ接合を得ることができる。

さらに、上記第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である低濃度半導体層と活性層との間に、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の半導体層を形成することによって、光学設計の際には、この第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の半導体層の層厚・組成を変更することにより、ショットキ接合特性を維持するための制約無しに、素子に要求される仕様を満たす設計ができるようになる。しかも、上記第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の半導体層は、低濃度半導体層の第２導電型のドーピング濃度以上の１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上にドーピングされているために、素子抵抗の上昇を抑制でき、一層の低消費電力化を図ることができる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記基板がＧａＡｓからなり、
上記第２導電型の半導体層群が、少なくとも、ＡｌＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを有し、
上記第２導電型の半導体層群に関して上記ショットキ接合を形成する部分が上記ＩｎＧａＡｓＰ層を含む。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記ＧａＡｓからなる基板上にＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、そのＡｌＧａＡｓ層を光閉じ込め層（クラッド層）として用いることができる。

また、上記ＧａＡｓからなる基板上にＩｎＧａＡｓＰ層を形成することにより、ショットキ接合を形成するための層としてそのＩｎＧａＡｓＰ層を用いることができる。

また、上記ＡｌＧａＡｓ層をＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ層で被覆することにより、酸化しやすいＡｌＧａＡｓ層が大気中に露出されることがないので、Ａｌの酸化に起因する深い準位の発生を抑制でき、長期の信頼性を向上でき、さらに、深い準位に起因する吸収を削減できる。

また、上記ＡｌＧａＡｓ層をＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ層で被覆し、そのＩｎＧａＡｓＰ層に対して直接電極を形成してショットキ接合させることによって、ショットキ接合の漏れ電流をより大きく減少させることができる。

Ａｌを含まない半導体層であってＩｎＧａＡｓＰ層と同様の効果が期待できる半導体層としてはＩｎＧａＰ層があるが、ＩｎＧａＰはホール（正孔）に対するバリアが大きく、また、自然超格子化により屈折率が変動しやすいなどのデメリットがあるため、ＩｎＧａＰ層よりＩｎＧａＡｓＰ半導体層の方が好ましい。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第１の電極層を構成する金属材料が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも１つの元素を含む。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第１の電極層の金属材料が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも１つの元素を含むことにより、ｎ_EFF−ｎ_E1＜１の式を満たす第１の電極層を形成することと、第２の電極層に対する第１の電極層の密着性を向上させることと、第２の電極層の金属材料が第２導電型の半導体層群に拡散するのを防止することとが容易になる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第２の電極層を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された少なくとも１つの元素を含む。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２の電極層の金属材料が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された少なくとも１つの元素を含むことにより、ｎ_EFF−ｎ_E2≧１の式を満たす第２の電極層を形成することと、発振レーザ光を本体中に閉じ込める効果を向上させることとが容易になる。

また、一実施形態の半導体レーザ素子では、
上記第１の電極層が、ＴｉまたはＣｒまたはＭｏからなる第１の金属層と、この第１の金属層上に形成され、ＰｔまたはＰｄまたはＲｄまたはＯｓからなる第２の金属層とからなり、
上記第２の電極層がＡｕからなり、
上記第１の金属層が、上記第２の電極層に対する密着性を向上させる機能を有し、
上記第２の金属層が、上記第２の電極層を構成する上記Ａｕが、上記第１の電極層を越えて、上記第２導電型の半導体層群にまで拡散することを防止する機能を有する。

上記実施形態の半導体レーザ素子によれば、上記第２の電極層をＡｕで構成することにより、第２の電極層の電気抵抗を低くすることができ、第２の電極層の酸化を極めて確実に防ぐことができ、第２の電極層の屈折率を低くすることができる。

また、上記第２の電極層と第２導電型の半導体層群との間に、ＴｉまたはＣｒまたはＭｏからなる第１の金属層を形成することにより、第１の電極層に対する第２の電極層の密着性を向上できる。

また、上記第２の電極層と第１の金属層との間に、ＰｔまたはＰｄまたはＲｄまたはＯｓからなる第２の金属層を形成することにより、第２の電極層のＡｕが第２導電型の半導体層群に拡散するのを十分に抑制することができる。その結果、上記第１，第２の電極層を有する電極は、素子特性を悪化させず、長期間にわたって低いコンタクト抵抗を維持できる。

本発明の光ディスク装置は、上記発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴としている。

上記構成の光ディスクによれば、上記半導体レーザ素子を備えることにより、従来の光ディスク装置に比べて、より低消費電力で書き込みができ、より安価に構成することができる。

本発明の光伝送システムは、上記発明の半導体レーザ素子を備えたことを特徴としている。

上記構成の光伝送システムによれば、上記半導体レーザ素子を光伝送モジュールに用いることにより、従来の光伝送システムに比べて、価格および消費電力を下げることができる。

本発明の半導体レーザ素子は、上記第２導電型の半導体層群上に、ｎ_EFF−ｎ_E＜１およびｄ＜λ／（４πｋ）の式を満たすように電極を形成することによって、電極によるレーザ光の吸収を抑制できるから、スロープ効率を高め、かつ、消費電力を低減することができる。

本発明の光ディスク装置によれば、上記半導体レーザ素子を用いるので、従来の光ディスク装置に比べて、データ書き込み時の消費電力を低くすることができる上に、安価に製造することができる。

本発明の光伝送システムによれば、上記半導体レーザ素子を用いるので、従来の光伝送システムに比べて、安価に製造することができ、かつ、消費電力を低くすることができる。

以下、本発明の半導体レーザ素子および光ディスク装置および光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。

なお、以下の説明では、「ｎ−」は第１導電型としてのｎ型を表し、「ｐ−」は第２導電型としてのｐ型を表している。

〔第１実施形態〕
図１に、本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の模式断面図を示す。

この半導体レーザ素子は、本体１００と、本体１００上に形成されたｐ側電極１１５と、本体１００下に形成されたｎ側電極１１６とを備え、発振波長λが８９０ｎｍになっている。

上記本体１００は、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１と、このｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に順次積層されたｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１下クラッド層１０３、ｎ−Ａｌ_0.422Ｇａ_0.578Ａｓ第２下クラッド層１０４、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ下ガイド層１０５、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ第１上ガイド層１０７、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第２上ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０およびｐ−Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6半導体層１１１からなっている。なお、上記多重歪量子井戸活性層１０６が活性層の一例であり、また、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０およびｐ−Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6半導体層１１１が低濃度半導体層の一例である。

上記半導体層１１１上には、順メサストライプ形状のリッジ部１３０をなすように、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３上クラッド層１１２、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３およびｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４が設けられている。そのリッジ部１３０の頂部および側面部と、半導体層１１１の上部とに対して、Ｔｉ層１１５ａ、Ｐｔ層１１５ｂおよびＡｕ層１１５ｃが順に積層されている。このＴｉ層１１５ａ、Ｐｔ層１１５ｂおよびＡｕ層１１５ｃからなる多層金属薄膜がｐ側電極１１５である。なお、上記リッジ部１３０がリッジ部の一例であり、また、上記ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４が高濃度半導体層の一例であり、また、上記Ｔｉ層１１５ａは第１の金属層の一例であり、また、上記Ｐｔ層１１５ｂは第２の金属層の一例であり、また、上記Ｔｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとが第１の電極層の一例を構成し、また、上記Ａｕ層１１５ｃが第２の電極層の一例である。以下、Ｔｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとからなる層は「第１の電極層」と言い、Ａｕ層１１５ｃは「Ａｕ層１１５ｃ」または「第２の電極層」と言う。

上記本体１００の上記発振波長λ（＝８９０ｎｍ）の光の実効屈折率ｎ_EFFは、３．２７３である。

上記第１の電極層に関して、上記発振波長λ付近の光の屈折率ｎ_E1はｎ_EFF−ｎ_E1＜１の式を満たしている。具体的には、上記Ｔｉ層１１５ａは、上記発振波長λ付近の光の屈折率ｎ_Tiが３．２５を示すＴｉからなっている。一方、上記Ｐｔ層１１５ｂは、上記発振波長λ付近の光の屈折率ｎ_Ptが３．１６を示すＰｔからなっている。

上記Ａｕ層１１５ｃの上記発振波長λ付近の光の屈折率ｎ_E2はｎ_EFF−ｎ_E2≧１の式を満たしている。具体的には、上記Ａｕ層１１５ｃは、上記発振波長λ付近の光の屈折率ｎ_E2が０．１６６であるＡｕからなっている。

上記ｎ側電極１１６は、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層およびＡｕ層とからなる多層金属薄膜である。

なお、上記ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第２上ガイド層１０８、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０、ｐ−Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6半導体層１１１、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３上クラッド層１１２、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３およびｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４で第２導電型の半導体層群の一例を構成している。

また、図１において、１１７はリッジ形成領域であり、１１８はリッジ形成外領域である。

次に、図２から図４を参照しながら、上記半導体レーザ素子の製造方法を説明する。

まず、図２に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１’の（１００）面上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１０２（層厚：０．５μｍ、Ｓｉドーピング濃度：７．２×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１下クラッド層１０３（層厚：２．０μｍ、Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｎ−Ａｌ_0.422Ｇａ_0.578Ａｓ第２下クラッド層１０４（層厚：０．１μｍ、Ｓｉドーピング濃度：５．４×１０ｃｍ^-3）、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ下ガイド層１０５（層厚３．０ｎｍ）、多重歪量子井戸活性層１０６、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ第１上ガイド層１０７（層厚：３．０ｎｍ）、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ第２上ガイド層１０８（層厚：０．１μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第１上クラッド層１０９（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−Ａｌ_0.456Ｇａ_0.544Ａｓ第２上クラッド層１１０（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3）、Ｉｎ_0.1568Ｇａ_0.8432Ａｓ_0.4Ｐ_0.6半導体層１１１（層厚：１５．０ｎｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０¹⁷ｃｍ^-3）、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３上クラッド層１１２’（層厚：１．２８μｍ、Ｚｎドーピング濃度：２．４×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１３’（層厚：０．２μｍ、Ｚｎドーピング濃度：３×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４’（層厚：０．３μｍ、Ｚｎドーピング濃度：１×１０¹⁹ｃｍ^-3）を順次、ＭＯＣＶＤ法を用いて結晶成長させる。

上記多重歪量子井戸活性層１０６は、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ圧縮歪量子井戸層（歪：０．７％、層厚：４．６ｎｍ×２層）とＩｎ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ_0.55Ｐ_0.45引張り歪障壁層（歪：０．１％、バンドギャップＥｇ≒１．６０ｅＶ、基板側から膜厚：２１．５ｎｍ、７．９ｎｍ、２１．５ｎｍの３層であり、基板１０１に最も近いものが、ｎ側障壁層、最も遠いものがｐ側障壁層となる）とを交互に配置して形成されている。

次に、上記リッジ部１３０を形成すべきリッジ形成領域１１７（図１参照）上に、レジストマスク１１９（マスク幅：５μｍ）をフォトリソグラフィ工程により作製する。このレジストマスク１１９は、形成すべきリッジ部１３０が延びる方向に対応して＜０−１１＞方向にストライプ状に延びるように形成される。

次に、上記レジストマスク１１９をマスクにして、第３上クラッド層１１２’、コンタクト層１１３’，１１４’に関してリッジ形成外領域１１８（図１参照）と重なる部分を、エッチングにより除去する。これにより、上記レジストマスク１１９の直下に、図３に示すように、第３上クラッド層１１２およびコンタクト層１１３，１１４が得られる。つまり、上記レジストマスク１１９の直下に、順メサストライプ状のリッジ部１３０が得られる。

上記エッチングは、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液を用いて半導体層１１１まで行った後、続いて、アンモニアと過酸化水素水の混合水溶液でコンタクト層１１３’，１１４’のオーバーハング部分を取る。上記エッチングの深さは１．７８μｍ、リッジ部１３０の最下部の幅は約３．５μｍである。

続いて、上記レジストマスク１１９を除去した後、図４に示すように、電子ビーム蒸着法を用いて、Ｔｉ層１１５ａ（層厚：５ｎｍ）、Ｐｔ層１１５ｂ（層厚：８ｎｍ）およびＡｕ層１１５ｃ（層厚：３００ｎｍ）をこの順で蒸着することにより、ｐ側電極１１５を形成する。

上記ｐ側電極１１５を構成する各層の膜厚は、各々の金属材料の上記発振波長λ付近の光の消衰係数ｋ_Ti（＝３．８４），ｋ_Pt（＝５．３８），ｋ_Au（＝５．３３５）から算出したλ／（４πｋ_Ti），λ／（４πｋ_Pt），λ／（４πｋ_Au）の値（吸収係数α_Ti，α_Pt，α_Auの逆数値）を考慮して、上記第１の電極層（Ｔｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとからなる層）の厚みｄ₁がｄ₁＜λ／（４πｋ₁）を満たすように、また、上記第２の電極層（Ａｕ層１１５ｃ）の厚みｄ₂がｄ₂≧λ／（４πｋ₂）を満たすよう設定する。上記ｋ₁は上記第１の電極層の上記発振波長λ付近の光の消衰係数であり、上記ｋ₂は上記第２の電極層の上記発振波長λ付近の光の消衰係数である。上記吸収係数α_Ti，α_Pt，α_Auの逆数値は、１／α_Tiが１８．４４ｎｍ）であり、１／α_Ptが１３．１６ｎｍであり、１／α_Auが１３．２８ｎｍである。また、上記第１の電極層はＴｉとＰｔとの２種の金属材料で形成するので、つまり、上記第１の電極層はＴｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとからなるので、Ｔｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとのトータルの厚みｄ_totは、Ｔｉ層１１５ａおよびＰｔ層１１５ｂの上記発振波長λの光の消衰係数の平均値ｋ_avgを用い、λ／（４πｋ_avg）から算出した１４．７９ｎｍを超えないようにする。具体的には、上記ｋ_avgは、（５×３．８４＋８×５．３８）／（５＋８）＝４．７９となっている。

次に、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１’を裏面側から所望の厚み（ここでは約１００μｍ）にまでラッピング法により研削する。

そして、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１の裏面側から抵抗加熱蒸着法を用いて、ＡｕＧｅ合金（Ａｕ：８８％とＧｅ：１２％との合金、層厚１００ｎｍ）、Ｎｉ（層厚：１５ｎｍ）およびＡｕ（層厚：３００ｎｍ）をこの順で蒸着することにより、ｎ側電極１１６を形成する。

続いて、Ｎ₂雰囲気中で３９０℃１分間加熱し、ｎ側電極１１６のアロイ処理を行う。

次に、上記ｎ−ＧａＡｓ基板１０１’を裏面側から所望の厚みに研磨したものを、所望の共振器長（ここでは、５００μｍ）を有する複数のバーに分割した後、上記バーに端面コーティングを行い、さらに上記バーを５００μｍ×２５０μｍのチップに分割する。上記分割後のチップを、Ｉｎ糊剤を用いてステム（図示せず）上に固着させ、ｐ側電極１１５上に外部回路との電気的接続を行うためのＡｕワイヤー（図示せず）をボンディングして、本発明の半導体レーザ素子が完成する。

このようにして作製された半導体レーザ素子において、ｐ側電極１１５とｎ側電極１１６との間に電流を流すと、リッジ部１３０の側方下の半導体層１１１とｐ側電極１１５との間でショットキ接合が形成されて電流が遮断され、リッジ部１３０の頂部を構成するコンタクト層１１４とｐ側電極１１５との間でのオーミック接合を通してのみ電流が流れる。このようにして電流狭窄が実現される。そして、上記活性層１０６のうちリッジ部１３０のほぼ直下に相当する部分に電流が注入されて、レーザ発振が行われる。

上述したように、本実施形態の半導体レーザ素子は、製造段階での結晶成長工程を１度で済ますことができるため、一般的なリッジ埋め込み型の半導体レーザ素子に比べて大幅に製造工程が削減され、低コストで作製することが可能となった。

さらに、本実施形態の半導体レーザ素子では、本体１００の上記発振波長λの光に対する実効屈折率をｎ_EFFとし、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１に対して多重歪量子井戸活性層１０６側に設けられるｐ側電極１１５の上記発振波長λの光に対する屈折率をｎ_E、消衰係数をｋとしたとき、ｐ側電極１１５を構成する金属層のうち、ｎ_EFF−ｎ_E＜１の式を満たす金属層は、その厚みｄ［ｎｍ］がｄ＜λ／（４πｋ）の式を満たすように形成している。

すなわち、本実施形態の半導体レーザ素子では、ｎ_EFF−ｎ_E1n＜１（ｎ＝１，２）の式を満たす上記第１の電極層（Ｔｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとからなる層、ｎ_E11：Ｔｉ層１１５ａの発振波長λの光に対する屈折率、ｎ_E12：Ｐｔ層１１５ｂの発振波長λの光に対する屈折率）の全層を合わせた厚みのｄ［ｎｍ］がｄ＜λ／（４πｋ）を満たしている。

一方、ｎ_EFF−ｎ_E2≧１の式を満たす上記第２の電極層（Ａｕ層１１５ｃ、発振波長λの光に対する屈折率：ｎ_E2）は、その厚みｄ［ｎｍ］がｄ≧λ／（４πｋ）を満たす。

ここで、上記Ｔｉ層１１５ａ，Ｐｔ層１１５ｂ，Ａｕ層１１５ｃの上記発振波長λの光の消衰係数をｋ_Ti，ｋ_Pt，ｋ_Auとすると、Ｔｉ層１１５ａの厚みｄ_Tiがｄ_Ti＜λ／（４πｋ_Ti）の式を満たし、Ｐｔ層１１５ｂの厚みｄ_Ptがｄ_Pt＜λ／（４πｋ_Pt）の式を満たし、Ａｕ層１１５ｃの厚みｄ_Auがｄ_Au≧λ／（４πｋ_Au）を満たしている。そして、上述のように、本実施形態においては、上記第１の電極層がＴｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとからなる２層構造を有するので、上記第１の電極層の消衰係数は、Ｔｉ層１１５ａとＰｔ層１１５ｂとの上記発振波長λの光の消衰係数の平均値をｋ_avg（＝（ｋ_Ti＋ｋ_Pt）／２）と定義し、そのとき第１の電極層の厚みｄ₁（＝ｄ_Ti＋ｄ_Pt＝ｄ_tot）がｄ₁＜λ／（４πｋ_avg）の関係をも満たしている。

具体的には、本体１００の上記発振波長λの光の実効屈折率ｎ_EFFは３．２７３であり、Ｔｉ層１１５ａの上記発振波長の光の屈折率は３．２５であり、Ｐｔ層１１５ｂの屈折率は３．１６であり、Ａｕ層１１５ｃの上記発振波長の光の屈折率ｎ_E2は０．１６６である。また、上記Ｔｉ層１１５ａの上記発振波長λの光の消衰係数ｋ_Tiは３．８４であり、Ｐｔ層１１５ｂの上記発振波長λの光の消衰係数ｋ_Ptは５．３８であり、Ａｕ層１１５ｃの上記発振波長λの光の消衰係数ｋ_Auは５．３３５である。そして、上記Ｔｉ層１１５ａの上記発振波長λの光の消衰係数と、Ｐｔ層１１５ｂの上記発振波長λの光の消衰係数との平均値ｋ_avgが、４．７９である。したがって、上記Ｔｉ層１１５ａ，Ｐｔ層１１５ｂ，Ａｕ層１１５ｃの厚みｄ_Ti，ｄ_Pt，ｄ_Auは、ｄ_Ti＜１８．４ｎｍ、ｄ_Pt＜１３．２ｎｍ、ｄ_Au≧１３．３ｎｍを満たし、かつ、Ｔｉ層とＰｔ層とからなる第１の電極層の厚みｄ₁（＝ｄ_Ti＋ｄ_Pt）は、ｄ₁＜１４．７９ｎｍを満たすように、Ｔｉ層の厚みｄ_Tiを５ｎｍに設定し、Ｐｔ層の厚みｄ_Ptを８ｎｍに設定し、Ａｕ層の厚みをｄ_Auを３００ｎｍと設定した。

上述のように、ｎ_EFF−ｎ_E＜１の式を満たす金属層を、その厚みｄ［ｎｍ］がｄ＜λ／（４πｋ）の式を満たすように形成することによって、ｐ側電極１１５への発振レーザ光の漏れが発生したとしても、ｐ側電極１１５による発振レーザ光の吸収損失を十分に小さくすることができる。さらに、ｎ_EFF−ｎ_E≧１を満たす金属層を、その厚みｄ［ｎｍ］がｄ≧λ／（４πｋ）を満たすように形成することによって、発振したレーザ光を半導体層中に閉じ込める効果をより大きくすることができる。

このような半導体レーザ素子は、本体１００の上記発振波長λの光の実効屈折率ｎ_EFFに近い屈折率を有する第１の電極層（厚み：ｄ₁、消衰係数：ｋ_avg）を、第１の電極層の上記発振波長λの光の吸収係数の逆数よりも小さいｄ₁＜λ／（４πｋ_avg）となるように形成することによって、上記第１の電極層を構成する金属材料に波長λの光が吸収される量を１−１／ｅより小さくできることと、上記実効屈折率ｎ_EFFよりも十分に小さい上記屈折率ｎ_E2を有する厚みｄ₂の第２の電極層を、第２の電極層の上記発振波長λの光の吸収係数の逆数以上のｄ₂≧λ／（４πｋ₂）となるように形成することによって、発振レーザ光の分布形状における裾部分を電極にまで漏れ出さないようにする効果を高めることができることとで実現できている。このようにして、低い発振閾値電流と高いスロープ効率の両方を有し、低消費電力動作と低コストでの製造とが可能な半導体レーザ素子を提供することができる。なお、上記ｅは自然対数の底である。また、言うまでもないが、上記ｋ₂は第２の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数である。

上述の電極に関する形成条件の効果は、本実施形態のように、リッジ導波型の半導体レーザ素子であって、しかもリッジの側面と上クラッド層の表面とに対して直接に電極が形成されている場合に特に大きい。このように効果が大きいのは、発振レーザ光の吸収体として作用する電極がより発光領域に近い所に形成されているためであり、さらに、上述のようなリッジ側方と上クラッド層の表面とに直接電極が形成されたリッジ導波型の半導体レーザ素子においては、発振レーザ光の分布が電極にまで漏れ出さないような半導体層構造の設計が困難な場合が多々あるためである。

また、本実施形態の半導体レーザ素子では、Ｔｉ層１１５ａは、Ａｕ層１１５ｃの半導体層に対する密着性を向上させる目的で形成されている。一方、上記Ｐｔ層１１５ｂは、Ａｕ層１１５ｃのＡｕが拡散により半導体層にまで拡散し、半導体レーザ素子の閾値電流値・効率・抵抗などの特性や、信頼性を悪化させてしまうことを防止するための拡散防止の目的で形成されている。このような構成とすることによって、上記Ｔｉ層１１５ａ、Ｐｔ層１１５ｂおよびＡｕ層１１５ｃで構成するｐ側電極１１５の電気的・光学的特性を長期間維持しながら、製造工程における電極剥離不良を抑制することができ、素子特性と歩留まりのよさを両立した半導体レーザ素子を提供することが可能となっている。このように、異なる複数の金属で第１の電極層を構成する効果は、第２の電極層として用いる金属材料が、密着性に乏しいものであったり、あるいは、拡散しやすいものであったりするときに特に大きい。例えば、第２の電極層の電極材料として好適に用いられるＡｕは、密着性・拡散性ともに悪いものの代表であり、また、Ｃｕは、拡散しやすく、その際のデバイス特性の悪化が激しいことで知られている。

本実施形態では、上述のように、５ｎｍ厚のＴｉ層１１５ａと８ｎｍ厚のＰｔ層１１５ｂとを使用しているが、Ｔｉ層１１５ａやＰｔ層１１５ｂのように、およそ１０ｎｍ以下の金属薄膜を蒸着法などにより形成する際には、その金属薄膜の形成レート（蒸着レート）を０．１〜０．２ｎｍ／秒程度に設定するのが適当である。上記金属薄膜の形成レートを０．２ｎｍ／秒程度より早くした場合、Ｔｉ層の密着性向上やＰｔ層の拡散防止の効果が小さくなることがある。

また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部１３０の頂部を構成するｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４に対してｐ側電極１１５がオーミック接合しており、リッジ部１３０の側方およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１に対して、上記電極がショットキ接合している。このことによって、別途電流狭窄層となる半導体埋め込み層の再成長工程や、絶縁膜形成工程を要さずにリッジ頂部以外への電流が遮断できる構造を得ることが可能となり、上述のリッジ部１３０の頂部に形成されたオーミック接合を通してのみ電流が流れ、極めて簡単な構成で電流狭窄が実現された半導体レーザ素子を提供できるようになる。

さらに、本実施形態の半導体レーザ素子においては、リッジ部１３０の頂部に形成されたｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４のｐ型のドーピング濃度を、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である１×１０¹⁹ｃｍ^-3と設定することにより、良好なオーミック接合を実現させた。なお、過剰なドーピングによる結晶性の悪化や、活性層方向へのドーパントの拡散を防止する観点から、上記ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層１１４のｐ型のドーピング濃度の上限は、１×１０²¹ｃｍ^-3以下とした方が良い。また、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０のｐ型のドーピング濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3と設定することにより、電流狭窄性と長期の信頼性に優れたショットキ接合を得ることができる。このｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０のｐ型のドーピング濃度の範囲は、良好な電流狭窄性の実現と必要以上の素子抵抗の悪化を防ぐことを両立させるため、１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下が好ましい。さらに、本実施形態の半導体レーザ素子においては、上記ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０からなる低濃度半導体層と多重歪量子井戸活性層１０６との間に、ｐ型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であるｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８（Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）とｐ型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であるｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９（Ｚｎドーピング濃度：１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3）とを形成し、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９の組成・層厚を調整することによって、ショットキ接合特性を悪化させること無しに、要求される光学特性仕様にあった半導体レーザ素子を提供することを可能にする。しかも、上記ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９のｐ型ドーピング濃度は、上記低濃度半導体層のｐ型ドーピング濃度よりも大きい１．３５×１０¹⁸ｃｍ^-3であるので、素子抵抗の上昇を抑制でき、一層の低消費電力化を図ることを可能にする。このｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層１０８およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層１０９のｐ型ドーピング濃度は、少なくとも上記ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層１１０のｐ型のドーピング濃度の上限である１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、でかつ、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の範囲で調整することが適当である。

また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、上述のように、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１およびＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層の２層が積層された構造としており、リッジ部１３０の側方に形成されるｐ側電極１１５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層１１１に対してショットキ接合をなしている。また、上述のように、ＧａＡｓからなるｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に形成されたＡｌＧａＡｓ層は、ＡｌＧａＡｓ層の屈折率やバンドギャップから光閉じ込め層（クラッド層）として適当であり、さらに、そのＡｌＧａＡｓ層の上層（基板と反対側の層）にＩｎＧａＡｓＰ層の２層が積層された構造とすることによって、リッジ形成工程後も酸化しやすいＡｌＧａＡｓ層が大気中に露出されることがないので、Ａｌの酸化に起因する深い準位の発生を抑制し、長期の信頼性をより向上させ、また深い準位に起因する吸収を削減することができる。また、上記ＡｌＧａＡｓ層をＩｎＧａＡｓＰ層で被覆し、そのＩｎＧａＡｓＰ層に対して直接電極を形成してショットキ接合させる本実施形態の構成とすることによって、ショットキ接合の漏れ電流をより大きく減少させることができ、半導体レーザ素子の閾値電流値の低減に顕著な効果があった。これらの結果、低い閾値電流値と高いスロープ効率を有し、長期の信頼性に優れた半導体レーザ素子を提供することが可能となる。

なお、本実施形態においては、ショットキ接合を形成させる半導体層をＩｎＧａＡｓＰとＡｌＧａＡｓとからなる２層構造としたが、もちろん１層であっても、あるいは３層以上であってもよい。その際の最上層としては、本実施形態のようにＡｌを含まないＩｎＧａＡｓＰ層であることが好ましく、そうすることによって、信頼性の向上と、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓに対するエッチング選択性を利用した高精度なリッジ形成を可能にするという効果を発揮させることができる。

なお、Ａｌを含まないという点では、ＩｎＧａＰ半導体層を用いることもできるが、特に本実施形態のようにｐ型半導体層として使用する場合、ＩｎＧａＰよりもＩｎＧａＡｓＰの方が、ホール（正孔）に対するバリアが低く、ホール注入効率を向上させる効果があるとともに、ＩｎＧａＰは結晶成長条件によっては屈折率の変動を伴う自然超格子化しやすく、好ましくないという面がある。

また、本実施形態においては、上記第１の電極層の材料としてＴｉおよびＰｔを使用し、上記第２の電極層の材料としてＡｕを使用していたが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではなく、半導体レーザ素子の発振波長と実効屈折率を勘案して、ｎ_EFF−ｎ_E1＜１を満たす材料であれば第１の電極層の材料として使用することができ、また、ｎ_EFF−ｎ_E2≧１を満たす材料であれば第２の電極層の材料として使用することができる。このとき、上記屈折率条件を満たすものであれば、単体の金属元素からなる層である必要はなく、複数の元素からなる合金や化合物であってもよい。また、ＧａＡｓ、ＧａＮおよびＩｎＰのいずれか１つからなる基板を使用した半導体レーザ素子においては、第１の電極層を構成する金属材料として、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、ＴｉおよびＷの中から選択された元素、または、その元素を含む化合物を好適に使用することができる。また、上記第２の電極層を構成する金属材料としては、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された元素、または、その元素を含む化合物を好適に使用することができる。上記第２の電極層は必ずしも設ける必要はないが、ワイヤーボンディングを行ったり、外部への長い配線電極を形成する際には、ボンディング性の向上や配線抵抗の低下のために設けたほうがよく、また、上述したようにｎ_EFF−ｎ_E2≧１を満たす第２の電極層を形成することで、発振レーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が向上し、より一層の低閾値電流、高スロープ効率を有する半導体レーザ素子を提供することが可能になる。

特に上記第２の電極層としてＡｕを使用する際には、第１の電極層として密着性を改善させる効果のあるＴｉまたはＣｒまたはＭｏからなる金属層と、Ａｕの拡散を防止する効果のあるＰｔまたはＰｄまたはＲｄまたはＯｓからなる金属層の２層構造を用いることが好ましく、これらの金属材料を上述の膜厚形成条件に適合するように形成することによって、低抵抗かつ低屈折率で発振レーザ光を半導体層中に閉じ込める効果が高く、また、酸化しにくいために圧接によるワイヤーボンディングが容易なＡｕを、その良好な特性を長期間維持し、製造上の歩留まりを低下させること無しに使用することができるようになる。

これまでの説明においては、本発明の電極構成をｐ型半導体層に対するオーミック接合およびショットキ接合に適用した場合を例にとって示してきたが、もちろんｎ型半導体層に対して適用しても同様の効果が得られる。

すなわち、上記実施形態においては、ｎ−基板上に、ｎ−半導体層、半導体層およびｐ−半導体層を順次積層していたが、ｐ−基板上に、ｐ−半導体層、半導体層およびｎ−半導体層を順次積層してもよい。つまり、本発明の半導体レーザ素子は、本実施形態の半導体レーザ素子の各層の導電型を逆にしたものであってもよい。

また、本実施形態の半導体レーザ素子においては、活性層とクラッド層との間に光ガイド層を有するＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造を用いたが、もちろん本発明は上述した構造に限られるものではない。例えば、結晶成長を円滑に行うための中間層を追加するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での各々の層厚、材料の追加・変更等を加えうることは当然である。

〔第２実施形態〕
図５に、本発明の第２実施形態の光ディスク装置２００の構成を模式的に示す。なお、図５においては、レーザ光の光路を点線で図示している。

上記光ディスク装置２００は、例えばＣＤ−Ｒ（書き込み可能なコンパクトディスク）などの光ディスク２０１にデータを書き込んだり、光ディスク２０１に書き込まれたデータを再生したりするための発光素子として、上記第１実施形態の半導体レーザ素子と同様の構成を有して波長７８０ｎｍ帯で発振するように活性層の組成・層厚を調整した半導体レーザ素子２０２を備えている。

この光ディスク装置２００についてさらに詳しく説明する。上記光ディスク２０１にデータを書き込む際には、データ信号がのったレーザ光が半導体レーザ素子２０２から出射される。このレーザ光は、コリメートレンズ２０３により平行光にされて、ビームスプリッタ２０４を透過して、λ／４偏光板２０５で偏光状態が調整された後、レーザ光照射用対物レンズ２０６で集光されて光ディスク２０１の記録面に照射される。また、上記光ディスク２０１のデータを読み出す際には、データ信号がのっていないレーザ光が半導体レーザ素子２０２から出射される。このレーザ光は、光ディスク２０１にデータを書き込む際と同じ経路をたどって光ディスク２０１の記録面に照射される。そして、この光ディスク２０１の記録面で反射されたレーザ光は、レーザ光照射用対物レンズ２０６、λ／４偏光板２０５を通過した後、光軸が９０°曲がるようにビームスプリッタ２０４で反射されて、受光素子用対物レンズ２０７で集光されて信号検出用受光素子２０８に入射する。この信号検出用受光素子２０８内に入射したレーザ光の強弱に基づいて、光ディスク２０１に記録されたデータ信号が電気信号に変換され、信号光再生回路２０９において元の信号に再生される。

上記光ディスク装置２００では、低コストで製造でき、かつ、高いスロープ効率と低い閾値電流で動作する半導体レーザ素子２０２を用いているため、装置の消費電力を大幅に削減することが可能である。したがって、より環境に対する負荷の少ない光ディスク装置を従来よりも安価に提供することができた。

上記第２実施形態では、上記第１実施形態の構成を有する半導体レーザ素子２０２を記録再生型の光ディスク装置に適用した例について説明したが、同じ波長７８０ｎｍ帯を用いる光ディスク記録装置、光ディスク再生装置や、他の波長帯（例えば６５０ｎｍ帯）の光ディスク装置にも適用可能であることは言うまでもない。

〔第３実施形態〕
図６に、本発明の第３実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュール３００の断面を模式的に示す。また、図７に、光源の部分の斜視図を模式的に示す。また、図８に、上記光伝送システムの構成を模式的に示す。詳しくは後述するが、上記光伝送システムは、通信を行う双方の側（例えば、端末とサーバ）にそれぞれ同じ光伝送モジュール３００を備えることにより、双方の光伝送モジュール３００間で光（赤外線）信号を送受信することができる。
上記光伝送モジュール３００は、図６に示すように、上記第１実施形態で説明した８９０ｎｍ帯で発振するＩｎＧａＡｓ系半導体レーザ素子３０１を光源の一例として備えると共に、シリコン（Ｓｉ）のｐｉｎフォトダイオードである受光素子３０２を備えている。

上記半導体レーザ素子３０１は回路基板３０６に実装されている。この回路基板３０６の表面には、半導体レーザ素子３０１を駆動するための正負両電極のパターンと、半導体レーザ素子３０１を搭載するための凹部３０６ａとが形成されている。この凹部３０６ａの深さは３００μｍに設定されている。上記凹部３０６ａの底面には、半導体レーザ素子３０１が取り付けられたレーザマウント（マウント材）３１０がはんだで固定されている。上記凹部３０６ａは半導体レーザ素子３０１によるレーザ光の放射を妨げない程度の深さとなっている。また、上記凹部３０６ａの底面は、上記レーザ光の放射角に悪影響を与えないように粗さが調整されている。

上記受光素子３０２は、回路基板３０６に実装され、ワイヤ３０７Ｂにより電気信号が取り出される。

また、上記回路基板３０６にはレーザ駆動用／受信信号処理用のＩＣ（集積回路）回路３０８が実装されている。

また、上記凹部３０６ａの底面にレーザマウント３１０を固定した後、凹部３０６ａに、光を拡散するフィラーを混入した液状のシリコン樹脂３０９を適量滴下する。そうすると、上記シリコン樹脂３０９は表面張力のために凹部３０６ａ内に留まり、レーザマウント３１０を覆って凹部３０６ａに固定する。この第３実施形態では、回路基板３０６の表面に凹部３０６ａを形成し、その凹部３０６ａの底面にレーザマウント３１０を固定しているが、上述のように、シリコン樹脂３０９は表面張力のためにレーザチップ表面およびその近傍に留まるので、凹部３０６ａは必ずしも形成する必要はない。

上記シリコン樹脂３０９は、凹部３０６ａに滴下した後、８０℃で約５分間加熱して、ゼリー状になるまで硬化させている。また、上記シリコン樹脂３０９は透明なエポキシ樹脂モールド３０３により被覆している。このエポキシ樹脂モールド３０３には、レーザ光の放射角制御のためのレンズ部３０４と、信号光を集光するためのレンズ部３０５とがそれぞれ一体的にモールドレンズとして形成される。上記レンズ部３０４は半導体レーザ素子３０１の上方に位置する一方、レンズ部３０５は受光素子３０２の上方に位置している。

以下、上記レーザマウント３１０について、図７を用いて説明する。

上記レーザマウント３１０はＬ字型のヒートシンク３１１を有している。このヒートシンク３１１に半導体レーザ素子３０１がＩｎ糊剤を用いてダイボンドされている。上記半導体レーザ素子３０１の下面３０１ｂには高反射膜がコーティングされている一方、レーザチップの上面３０１ａには低反射膜がコーティングされている。これらの反射膜は、レーザチップ端面の保護も兼ねて形成されている。

上記ヒートシンク３１１の基部３１１ｂには正電極３１２が固定されている。この正電極３１２と基部３１１ｂとの間には絶縁物を介挿して、正電極３１２がヒートシンク３１１と導通しないようにしている。また、上記正電極３１２と、半導体レーザ素子３０１の表面のショットキ接合部上に設けられた電極領域３０１ｃとは、ワイヤ３０７Ｃによって接続されている。

上記レーザマウント３１０は回路基板３０６上のレーザ駆動用負電極部（図示せず）にはんだ固定されている。また、上記正電極３１２の平坦部３１３は回路基板３０６上のレーザ駆動用正電極部（図示せず）にワイヤ３０７Ａを介して電気的に接続されている。このような配線の形成により、レーザビーム３１４を発振により得ることができる光伝送モジュール３００が完成する。

上記光伝送モジュール３００は、上述の低コストで製造でき、高効率、低消費電力動作が可能な半導体レーザ素子３０１を使用しているため、そのモジュール消費電力を従来に比べて低く抑えることができると共に、モジュール単価を大幅に下げることができる。この光伝送モジュール３００を用いた光伝送システムは、低消費電力で動作するため、環境に対する負荷を小さくでき、また低価格で構成できる。例えば、上記光伝送モジュール３００を携帯機器に搭載した際には、バッテリー駆動時間を従来よりも長くでき、より快適に携帯機器を使用することができるようになる。

上記光伝送システムは、図８に示すように、部屋の天井に設置された基地局３１６に光伝送モジュール３００を備えると共に、パーソナルコンピュータ３１５に、上記光伝送モジュール３００と同じ光伝送モジュール３５０を備えている。上記パーソナルコンピュータ３１５側の光伝送モジュール３５０の光源から情報を持って発した光信号は、基地局３１６側の光伝送モジュール３００の受光素子によって受信される。また、上記基地局３１６側の光伝送モジュール３００の光源から発した光信号は、パーソナルコンピュータ３１５側の光伝送モジュール３５０の受光素子によって受信される。このようにして光（赤外線）によるデータ通信を実現することができる。

なお、本発明の半導体レーザ素子、光ディスク装置および光伝送システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではない。例えば半導体レーザ素子についてはその井戸層・障壁層の層厚や層数など、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得ることは勿論である。

なお、上記ワイヤ３０７Ａ，３０７Ｂ，３０７ＣはＡｕワイヤであってもよい。

図１は本発明の第１実施形態の半導体レーザ素子の模式断面図である。 図２は本発明の上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式断面図である。 図３は本発明の上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式断面図である。 図４は本発明の上記第１実施形態の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式断面図である。 図５は本発明の第２実施形態の光ディスク装置の模式構成図である。 図６は本発明の第３実施形態の光伝送システムに使用される光伝送モジュールの模式断面図である。 図７は本発明の上記第３実施形態の光伝送モジュールの光源部分の模式斜視図である。 図８は本発明の上記第３実施形態の光伝送システムの模式構成図である。 従来のリッジ導波型半導体レーザ素子の模式断面図である。

符号の説明

１００ 本体
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１０３ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第１下クラッド層
１０４ ｎ−ＡｌＧａＡｓ第２下クラッド層
１０５ ＡｌＧａＡｓ下ガイド層
１０６ 多重歪量子井戸活性層
１０７ ＡｌＧａＡｓ第１上ガイド層
１０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上ガイド層
１０９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１上クラッド層
１１０ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２上クラッド層
１１１ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ半導体層
１１２ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３上クラッド層
１１３ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１１４ ｐ⁺−ＧａＡｓコンタクト層
１１５ ｐ側電極
１１５ａ Ｔｉ層
１１５ｂ Ｐｔ層
１１５ｃ Ａｕ層
１１６ ｎ側電極
１１７ リッジ形成領域
１１８ リッジ形成外領域
１１９ レジストマスク（フォトレジスト）
１３０ リッジ部
２００ 光ディスク装置
２０１ 光ディスク
２０２ 半導体レーザ素子
２０３ コリメートレンズ
２０４ ビームスプリッタ
２０５ λ／４偏光板
２０６ 対物レンズ
２０７ 受光素子用対物レンズ
２０８ 信号検出用受光素子
２０９ 信号光再生回路
３００，３５０ 光伝送モジュール
３０１ 半導体レーザ素子
３０１ａ 低反射膜
３０１ｂ 高反射膜
３０１ｃ ショットキ接合しているｐ側電極領域
３０２ 受光素子
３０３ エポキシ樹脂モールド
３０４，３０５ レンズ部
３０６ 回路基板
３０６ａ 凹部
３０７Ａ，３０７Ｂ，３０７Ｃ ワイヤ
３０８ ＩＣ回路
３０９ シリコン樹脂
３１０ レーザマウント
３１１ ヒートシンク
３１１ｂ 基部
３１２ 正電極
３１３ 平坦部
３１４ レーザビーム
３１５ パーソナルコンピュータ
３１６ 基地局
４０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
４０２ ｎ型ＩｎＧａＰクラッド層
４０３ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸活性層
４０４ ｐ型ＩｎＧａＰクラッド層
４０５ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０６ ｐ側電極
４０７ ｎ側電極
４０８ ショットキ接合部

Claims (13)

1. 少なくとも、第１導電型の基板と、上記第１導電型の基板上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２導電型の半導体層群とを有する本体を備えた発振波長λの半導体レーザ素子において、
   上記第２導電型の半導体層群上に形成され、上記発振波長の光の屈折率がｎ_Eである電極を備え、
   上記電極は、以下の式
   ｎ_EFF−ｎ_E＜１
   ｄ＜λ／（４πｋ）
   ｎ_EFF：上記本体全体の上記発振波長λの光の実効屈折率
   ｄ：上記電極の厚み［ｎｍ］
   ｋ：上記電極の上記発振波長λの光の消衰係数
   を満たすように形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ素子において
   上記電極が、
   上記発振波長の光の実効屈折率がｎ_E1である第１の電極層と、
   上記第１の電極層上に形成され、上記発振波長の光の屈折率がｎ_E2である第２の電極層と
   を有し、
   上記第１，第２の電極層は、以下の式
   ｎ_EFF−ｎ_E1＜１
   ｎ_EFF−ｎ_E2≧１
   ｄ₁＜λ／（４πｋ₁）
   ｄ₂≧λ／（４πｋ₂）
   ｎ_EFF：上記本体全体の上記発振波長λの光の実効屈折率
   ｄ₁：上記第１の電極層の厚み［ｎｍ］
   ｋ₁：上記第１の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
   ｄ₂：上記第２の電極層の厚み［ｎｍ］
   ｋ₂：上記第２の電極層の上記発振波長λの光の消衰係数
   を満たすように形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項１に記載の半導体レーザ素子において、
   上記第２導電型の半導体層群の上記基板と反対側の一部がストライプ状のリッジ部を構成し、
   上記電極が、上記リッジ部の頂部に接すると共に、上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方に接することを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
   上記第１の電極層は２層以上の積層構造からなり、
   上記第１の電極層の各層Ａｎ（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）は、夫々、上記発振波長の光の屈折率がｎ_E1n（ｎ＝１，２，…，ｑ、ただしｑは２以上の自然数）であり、
   上記第１の電極層の各層は、それぞれが以下の式
   ｎ_EFF−ｎ_E1n＜１
   を満たし、
   上記第１の電極層は、以下の式
   ｄ_tot＜λ／（４πｋ_avg）
   ｋ_avg：上記第１の電極層の各層の上記発振波長λの光の消衰係数の平均値
   ｄ_tot:上記第１の電極層の全層を合わせた厚み［ｎｍ］
   を満たすように形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
5. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
   上記第１の電極層は、
   上記第２の電極層を構成する金属材料が、上記第１の電極層を越えて、上記第２導電型の半導体層群にまで拡散することを防止する機能と、
   上記第２の電極層に対する密着性を向上させる機能と
   を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
6. 請求項３に記載の半導体レーザ素子において、
   上記リッジ部の頂部が上記電極とオーミック接合を形成し、
   上記リッジ部の側面と、上記第２導電型の半導体層群の上記リッジ部を除く領域であって上記リッジ部近傍の表面とのうちの少なくとも一方が、上記電極とショットキ接合を形成していることを特徴とする半導体レーザ素子。
7. 請求項３に記載の半導体レーザ素子において、
   上記リッジ部の頂部は、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０²¹ｃｍ^-3以下の高濃度半導体層からなり、
   上記リッジ部の側面と、上記半導体層群の上記リッジ部を除く表面領域とのうちの少なくとも一方が、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下の低濃度半導体層からなり、
   上記低濃度半導体層と上記活性層との間に、第２導電型のドーピング濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の半導体層が形成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。
8. 請求項６に記載の半導体レーザ素子において、
   上記基板がＧａＡｓからなり、
   上記第２導電型の半導体層群が、少なくとも、ＡｌＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓＰ層とを有し、
   上記第２導電型の半導体層群に関して上記ショットキ接合を形成する部分が上記ＩｎＧａＡｓＰ層を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
9. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
   上記第１の電極層を構成する金属材料が、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＷおよびＺｎの中から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
10. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記第２の電極層を構成する金属材料が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｄ、Ｐｂ、ＲｈおよびＴａの中から選択された少なくとも１つの元素を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
11. 請求項２に記載の半導体レーザ素子において、
    上記第１の電極層が、ＴｉまたはＣｒまたはＭｏからなる第１の金属層と、この第１の金属層上に形成され、ＰｔまたはＰｄまたはＲｄまたはＯｓからなる第２の金属層とからなり、
    上記第２の電極層がＡｕからなり、
    上記第１の金属層が、上記第２の電極層に対する密着性を向上させる機能を有し、
    上記第２の金属層が、上記第２の電極層を構成する上記Ａｕが、上記第１の電極層を越えて、上記第２導電型の半導体層群にまで拡散することを防止する機能を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
12. 請求項１に記載の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする光ディスク装置。
13. 請求項１に記載の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とする光伝送システム。

Images