JP4598845B2 - 窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ装置に関するものである。

ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ等の窒化物半導体を用いた半導体レーザ装置は、緑色から青色までの光の発振が可能であり、高密度光ディスク装置の光源として期待されている。ここでは青色の窒化物半導体レーザ装置を例にあげて従来技術について述べる。

図１１に従来の窒化物半導体レーザ装置６００を示す。窒化物半導体レーザ装置６００において、サファイア基板６１の上にｎ型ＧａＮからなる電極形成層６２（下部６２ａおよび上部６２ｂを含む）、ｎ型ＧａＡｌＮからなるクラッド層６３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸活性層（以下、ＭＱＷ活性層という）６４、ｐ型ＧａＡｌＮからなるクラッド層６５、ｐ型ＧａＮからなる電極形成層６６が順次設けられている。下部電極形成層６２ａの上にはＴｉ／Ａｌの積層体からなるｎ型側の電極（以下ｎ型電極という）６７が、電極形成層６６の上にはＮｉ／Ａｕの積層体からなるｐ型側の電極（以下ｐ型電極という）６８がそれぞれ形成され、レーザダイオード（レーザ素子またはキャビティとも称される）６０が得られる。レーザ光を放射または反射するレーザダイオード６０の端面（以下、レーザ端面という）双方に、ＳｉＯ₂またはＳｉＮからなる保護層６９が設けられている。この保護層６９を設けることにより、両側のレーザ端面の劣化を防いでいる。ここで、ＳｉＯ₂またはＳｉＮは正確にこの化学量論比の化合物である必要は無く、ＳｉＯ₂またはＳｉＮと実質的に等しい比抵抗（絶縁性）と屈折率を有していればよい。

従来の窒化物半導体レーザ装置６００は以下の様な製造方法で製造される。まず、サファイア基板６１の上に電極形成層６２、クラッド層６３、ＭＱＷ活性層６４、クラッド層６５、電極形成層６６を順次結晶成長させる。その後、電極形成層６６の一部より電極形成層６２の途中までエッチングして下部電極形成層６２ａを露出させる。露出した電極形成層６２ａの上にｎ型電極６７を、電極形成層６６の上にｐ型電極６８をそれぞれ蒸着により形成する。その後、レーザ端面双方に、保護層６９をスパッタリング法や電子ビーム（ＥＢ）蒸着法で形成する。

他の従来の窒化物半導体レーザ装置７００を図１２Ａおよび図１２Ｂに示す。半導体レーザ装置７００は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、基板としてサファイア基板７２を用い、その上にｎ型ＧａＡｌＮのクラッド層７３、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのＭＱＷ活性層７４、ｐ型ＧａＡｌＮのクラッド層７５、ｐ型ＧａＮの電極形成層７６が順次結晶成長されている。この表面にＮｉ／Ａｕ電極７７が、裏面にＴｉ／Ａｌ電極７１がそれぞれ形成され、レーザダイオード７０が得られる。このレーザダイオード７０の動作電流を下げるために、レーザダイオード７０の後ろ側端面（後面）には、ＳｉＯ₂層９１とＴｉＯ₂層９２とが各々λ／４ｎ（ｎは各層の屈折率）の厚さで交互に４対形成された反射層９０が設けられ、レーザダイオード７０の前側端面（前面）にはＳｉＯ₂の保護層８０がλ／２ｎ（ｎは保護層の屈折率）の厚さで設けられ、前面から発振光が取り出される。ここで、λはレーザダイオード７０の発振波長である。前面の保護層８０および後面の反射層９０は、スパッタリング法や電子ビーム蒸着法で堆積されている。

後面に反射層９０を設けることにより、後面の反射率が９８％程度になり、発振光は殆どが前面から取り出せるので、後面に通常のλ／２ｎの厚さのＳｉＯ₂の保護層のみを形成した場合に比べ、約７０％にまで動作電流を削減することが出来る。

しかしながら、上述の従来の窒化物半導体レーザ装置６００および７００は、寿命、特に高出力時の寿命が短いという問題があった。本願発明者は、上述の窒化物半導体レーザ装置の寿命が短い原因が下記の点にあることを見い出した。

（１）レーザダイオード６０および７０は複数の結晶層から構成されているのに対し、レーザダイオード６０および７０の端面に形成される保護層６９、８０および反射層９０はＳｉＯ₂あるいはＴｉＯ₂で形成されているので、アモルファス層であり、且つアモルファス層を構成する材料の結合手（例えばＳｉ−Ｏ）の長さがレーザダイオードを構成している結晶層と格子定数と異なるので、これらの界面において格子不整合が起こり、結晶層中（特にＭＱＷ活性層中）に格子欠陥が生じる。また、レーザ端面に保護層６９、８０および反射層９０をスパッタリング法や電子ビーム蒸着法で形成すると、ターゲットから飛散した材料粒子が比較的高エネルギーでレーザ端面に衝突するので、この粒子の衝突エネルギーによってレーザ端面が損傷を受け、その結果、レーザダイオード６０および７０を構成する結晶層に格子欠陥が生じるという現象も起こっていると考えられる。

（２）レーザダイオード６０および７０を構成する複数の結晶層の熱膨張係数、保護層６９、８０および反射層９０の熱膨張係数が異なるために、保護層６９、８０および反射層９０を形成後室温まで冷却する過程や、動作中（特に高出力動作中）に、結晶層（特にＭＱＷ活性層）に歪みが発生し、結晶欠陥が発生または増加する。例えば、上述のＭＱＷ活性層６４の熱膨張係数（３．１５×１０^-6Ｋ^-1）と保護層６９の熱膨張係数（１．６×１０^-7Ｋ^-1）とは大きく異なる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来のよりも寿命が長い高信頼性を有する窒化物半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の窒化物半導体レーザ装置は、窒化物半導体レーザダイオードと、前記窒化物半導体レーザダイオードのレーザ端面に設けられた保護層とを有し、前記保護層は、前記窒化物レーザダイオードが発振する光に対して透明であるＡｌ_1-x-y-zＧａ_xＩｎ_yＢ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、且つ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、そのことによって上記目的が達成される。

前記保護層の屈折率をｎ、前記窒化物レーザダイオードが発振する光の波長をλとするとき、前記保護層の厚さが、λ／２ｎの整数倍であってもよい。

前記窒化物半導体レーザダイオードは、Ｉｎ_uＧａ_1-uＮ／Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｕ、ｖ≦１）からなる多重量子井戸活性層を有する構成とすることが好ましい。

前記保護層はＭＯ−ＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法で形成されていることが好ましい。

前記保護層に接して、前記窒化物レーザダイオードが発振する光を反射する反射層を更に有する構成としてもよい。

前記反射層は、屈折率が互いに異なる第１および第２層が交互に積層された積層構造を有してもよい。

前記第１層の屈折率をｎ₁、前記第２層の屈折率をｎ₂、前記窒化物レーザダイオードが発振する光の波長をλとすると、前記第１層および第２層の厚さは、それぞれλ／４ｎ₁およびλ／４ｎ₂の関係を満足する構成としてもよい。

前記保護層の厚さは、前記保護層の屈折率をｎ、前記窒化物レーザダイオードが発振する光の波長をλとしたとき、λ／２ｎの整数倍の厚さであってもよい。

前記保護層の厚さが、前記保護層の屈折率をｎ、前記窒化物レーザダイオードが発振する光の波長をλとしたとき、λ／４ｎの厚さであってもよい。

前記保護層がＧａＮであり、前記第１層および第２層は、それぞれ、ＳｉＯ₂およびＴｉＯ₂、または前記窒化物レーザダイオードが発振する光に対して透明であり、且つ屈折率が互いに異なる２種類のＡｌ_1-a-b-cＧａ_aＩｎ_bＢ_cＮ（０≦ａ、ｂ、ｃ≦１、且つ、０≦ａ＋ｂ＋ｃ≦１）からなってもよい。

前記第１層と第２層との間に第３層をさらに有し、前記第１層、第２層および第３層は結晶層であって、前記第１層と前記第３層との格子定数の差は、前記第１層と前記第２層との格子定数の差よりも小さい構成とすることが好ましい。

前記保護層がＧａＮ層であり、前記第１層／第３層／第２層からなる前記反射層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ積層構造を有する構成としてもよい。

前記保護層および前記反射層が、ＭＯ−ＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法で形成されていることが好ましい。

本発明の窒化物半導体レーザ装置の窒化物半導体レーザダイオードのレーザ端面に設けられた保護層は、窒化物レーザダイオードが発振する光に対して透明であるＡｌ_1-x-y-zＧａ_xＩｎ_yＢ_zＮからなっているので、窒化物半導体レーザダイオードと十分な格子整合をとることが可能である。従って、窒化物半導体レーザダイオード、特に活性層内の欠陥発生を抑制することが可能で、窒化物半導体レーザ装置の長寿命化できる。さらに、保護層と窒化物半導体レーザダイオードとの熱膨張係数の整合をとることができるので、熱応力による欠陥発生を抑制することができる。さらに、ＭＯ−ＣＶＤ法やＭＢＥ法を用いて保護層を窒化物半導体レーザダイオード端面に堆積すると、保護層の堆積工程においてレーザダイオード端面が損傷を受けることを抑制することができる。保護層上に反射層を設けることによって、反射率を高めることができる。

本発明によれば、低出力時は勿論のこと、歪みや欠陥の影響が大きい高出力発振時においても高信頼性の長寿命の窒化物半導体レーザ装置を得ることが出来る。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態にかかる青色の窒化物半導体レーザ装置１００の斜視図である。

窒化物半導体レーザ装置１００は、窒化物半導体レーザダイオード１０と、両側のレーザ端面に形成されたＧａＮからなる保護層２０ａおよび２０ｂを有している。ＧａＮからなる保護層２０ａおよび２０ｂは、窒化物半導体レーザダイオード１０の発振する光に対して透明である。すなわち、保護層２０ａおよび２０ｂを形成するＧａＮは、窒化物半導体レーザダイオード１０が発振する光の光エネルギーよりも大きなバンドギャップを有している。保護層２０ａおよび２０ｂを形成する半導体材料は、ＧａＮに限られず、窒化物半導体レーザダイオード１０の発振する光に対して透明であればよい。

窒化物半導体レーザダイオード１０は以下の構造を有している。ｎ型ＧａＮからなる基板１２の下には、Ｔｉ／Ａｌ積層体からなるｎ型電極１１が設けられている。基板１２の上には、Ｓｉドープのｎ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎからなるクラッド層１３、アンドープのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ／Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎの積層体からなるＭＱＷ活性層１４、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎからなるクラッド層１５、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなる電極形成層１６およびＮｉ／Ａｕ積層体からなるｐ型電極１７が順次設けられている。さらに、窒化物半導体レーザダイオード１０の両側の端面にはＧａＮからなる保護層２０ａおよび２０ｂが設けられている。

次に、この青色の窒化物半導体レーザ装置の製造方法を図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄを参照しながら説明する。

図２Ａに示すように、ｎ型ＧａＮからなる基板１２の上に、有機金属化学気相成長法（以下、ＭＯ−ＣＶＤ法という）によって、各半導体層を結晶成長させる。

まず、成長温度約１０５０℃にてＳｉドープのｎ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎからなるクラッド層１３を約０．５μｍ堆積する。次に、成長温度を約８００℃に下げて、アンドープのＩｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ／Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎの積層体からなるＭＱＷ活性層１４を約０．１μｍ（各層の厚さは約５ｎｍとする）堆積する。再び成長温度を約１０５０℃にして、Ｍｇドープのｐ型Ｇａ_0.9Ａｌ_0.1Ｎからなるクラッド層１５を約０．５μｍ堆積した後、約１０５０℃の成長温度のままで、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮからなる電極形成層１６を約１μｍ堆積する。

次に図２Ｂに示すように、基板１２から電極形成層１６までの全体の厚さが約１５０μｍとなるように、基板１２を研磨する。その後、電極形成層１６上にＮｉ／Ａｕの積層体よりなるｐ型電極１７を、基板１２の下にＴｉ／Ａｌの積層体よりなるｎ型電極１１を蒸着法によってそれぞれ形成する。得られた積層体を劈開またはドライエッチングすることによって、約５００μｍの幅の直方体とした窒化物半導体レーザダイオード１０’が得られる。

次に、図２Ｃに示すように、窒化物半導体レーザダイオード１０’の両側のレーザ端面に、ＧａＮよりなる保護層２０ａおよび２０ｂを厚さが約０．１６μｍとなるように形成する。保護層２０ａおよび２０ｂの形成はＭＯ−ＣＶＤ法を用い、約１０００℃の温度で行う。保護層２０ａおよび２０ｂは、ＭＯ−ＣＶＤ法で形成されているため、高い運動エネルギーを有する材料粒子がレーザ端面に衝突することが無いので、レーザ端面が損傷を受けることがない。従って、保護層２０ａおよび２０ｂを堆積する工程において、基板１２の上に成長させた結晶に格子欠陥が生じることがない。保護層２０ａおよび２０ｂをＭＯ−ＣＶＤ法のかわりに、分子線エピタキシャル成長法（以下、ＭＢＥ法という）を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。

また、保護層２０ａおよび２０ｂを形成するＧａＮの熱膨張係数は３．１７×１０^-6Ｋ^-1であり、ＭＱＷ活性層１４の熱膨張係数（３．１５×１０^-6Ｋ^-1）と非常に近いので、室温に冷却したときや動作中にＭＱＷ活性層１４と保護層２０ａおよび２０ｂとの間には熱応力による歪みがほとんど生じない。

なお、保護層２０ａおよび２０ｂの厚さは、ＧａＮの屈折率ｎ＝２．６、レーザ発振波長λ＝４２０ｎｍとしてλ／２ｎ＝０．０８μｍの２倍、すなわち０．１６μｍに設定しているが、λ／２ｎの整数倍に設定しておけばよい。保護層２０ａおよび２０ｂの厚さをλ／２ｎの整数倍に設定することにより、保護層２０ａおよび２０ｂを形成していない場合と同じようにレーザの発振特性が変わらないようにすることができる。生産性の観点から、保護層２０ａおよび２０ｂの厚さはλ／２ｎまたはλ／ｎであることが好ましい。

最後に、図２Ｄに示すように、所定のピッチ（例えば約４００μｍ）で切断することにより所定の窒化物半導体レーザダイオード１０の大きさにして窒化物半導体レーザ装置１００は完成する。

上記実施形態においては、レーザ端面に設けたＧａＮよりなる保護層２０ａおよび２０ｂの禁制帯幅は３．４５ｅＶであり、ＭＱＷ活性層１４から放射されるレーザ光（発振波長４２０ｎｍ）のエネルギー（２．９５ｅＶ）に比べて大きいため、レーザ光は保護層２０ａおよび２０ｂで吸収されることはなくすべて透過される。また、アンドープで成長させているので保護層２０ａおよび２０ｂの比抵抗は１０⁹Ω・ｃｍ以上となり、保護層２０ａおよび２０ｂを介してリーク電流が流れることはほとんどない。

図３は、本実施形態による青色の窒化物半導体レーザ装置１００と図１１に示した従来のＳｉＯ₂よりなる保護層を用いた窒化物半導体レーザ装置６００の寿命試験の結果であり、動作電流の変化率（△ＩOP）の経時変化を示している。直線Ｅ１は本実施形態１による窒化物半導体レーザ装置１００の結果であり、曲線Ｃ１は従来の窒化物半導体レーザ装置６００の結果である。寿命試験は、周囲温度を５０℃、発振波長４２０ｎｍとし、レーザ出力が５０ｍＷで一定となるように動作電流を制御しながら行った。

図３より、本実施形態１の窒化物半導体レーザ装置１００は、１０，０００時間でも動作電流の変化率が変化しておらず、劣化していないことがわかる。一方、従来の窒化物半導体レーザ装置６００は、動作時間が５００時間を超えると急激に動作電流の変化率が大きくなり劣化している。本実施形態１の窒化物半導体レーザ装置１００の寿命は、従来の窒化物半導体レーザ装置６００の寿命に比べて約２０倍以上となっていることがわかる。この結果から、ＧａＮよりなる保護層２０ａおよび２０ｂによりレーザ端面の劣化が抑えられているとともに、保護層２０ａおよび２０ｂを堆積するときに、ＭＱＷ活性層１４中に格子欠陥が生じることがほとんどないために長寿命が得られたと考えられる。

なお、上記実施形態１では保護層２０ａおよび２０ｂの材料としてＧａＮを用いたが、この保護層２０ａおよび２０ｂの材料としては、Ａｌ_1-x-y-zＧａ_xＩｎ_yＢ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、且つ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）を好適に使用することができ、これらの層がレーザの発振光に対して透明になるようにｘ、ｙおよびｚを選べばよい。保護層２０ａおよび２０ｂの材料として、Ａｌ、Ｉｎ、Ｂを含有した窒化物半導体材料を用いることによって、良好な格子整合が得られる材料の組み合わせが広がる。

上述したように、保護層２０ａおよび２０ｂの材料としては、半導体レーザダイオードを構成する窒化物半導体の結晶層との格子整合をとるために、窒化物半導体材料を用いることが好ましい。しかしながら、半導体レーザダイオードを構成する窒化物半導体の結晶層との格子整合がとれ、且つレーザが発振する光に対する透明性を有していれば、他の材料を用いても良い。もちろん、上述したように、熱膨張係数の整合および高い電気抵抗を有している材料を用いることが好ましい。さらに、保護層２０ａおよび２０ｂは、ＭＯ−ＣＶＤ法やＭＢＥ法で形成されることが好ましい。

また、ＭＱＷ活性層１４としては、例えば、Ｉｎ_uＧａ_1-uＮ／Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｕ≦１，０≦ｖ≦１）の積層構造を好適に使用することができる。窒化物半導体レーザダイオード１０の構成および作製方法は公知のものを広く採用することができる。参考のために特開平９−２１９５５６号公報を本願明細書に援用する。

保護層２０ａおよび２０ｂの組成およびＭＱＷ活性層１４の組成は、上述したように、レーザの発振光に対して透明であるように選択するとともに、保護層２０ａおよび２０ｂの格子定数とＭＱＷ活性層１４の格子定数との差が、ＭＱＷ活性層１４の格子定数の約３％以下となるように、選択することが好ましい。上記格子定数の差が約３％を超えると、保護層２０ａおよび２０ｂとＭＱＷ活性層１４との界面に格子不整合が生じ、ＭＱＷ活性層１４中に格子欠陥が生じ、窒化物半導体レーザ装置の寿命が低下することがある。なお、保護層２０ａおよび２０ｂの厚さが十分に厚い場合には、保護層２０ａおよび２０ｂが応力を吸収できるので、約３％を超える格子不整合があっても、寿命が低下しない場合がある。

また、保護層２０ａおよび２０ｂの熱膨張係数とＭＱＷ活性層１４の熱膨張係数との差がＭＱＷ活性層１４の熱膨張係数の約２０％以下となるように、選択することが好ましい。

また、上述の例では、保護層２０ａおよび２０ｂを高抵抗にするために、ＭＯ−ＣＶＤ法またはＭＢＥ法でアンドープの半導体層を成長させているが、さらに抵抗を上げるには、半導体層中に存在する窒素の空孔を補償するだけのＶ族原子（例えば、約１０¹⁵ｃｍ^-3程度の砒素原子やリン原子）を注入しても良い。保護層２０ａおよび２０ｂを高抵抗化することによって、保護層２０ａおよび２０ｂを介して電流がリークするのを防止することができる。保護層２０ａおよび２０ｂの比抵抗は１０⁵Ω・ｃｍ以上が好ましく、１０⁹Ω・ｃｍ以上が更に好ましい。 上記実施形態１ではｎ型ＧａＮからなる基板上にクラッド層や活性層を設けた例を示したが、逆導電型のｐ型ＧａＮからなる基板を用いて、この上にｐ型ＧａＡｌＮからなるクラッド層、アンドープのＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮの積層体からなるＭＱＷ活性層、ｎ型ＧａＡｌＮからなるクラッド層、ｎ型ＧａＮからなる電極形成層およびＴｉ／Ａｌの積層体からなるｎ型電極が順次設けられ、ｐ型ＧａＮからなる基板の下にＮｉ／Ａｕの積層体からなるｐ型電極が設けられた窒化物半導体レーザダイオードに、Ａｌ_1-x-y-zＧａ_xＩｎ_yＢ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、且つ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）の薄層を設けた場合でも、上記実施形態１と同様の効果を得ることができる。

上記の実施形態では、レーザダイオード１０の両側に保護層２０ａおよび２０ｂを設けたが、片側だけに設けてもよい。また、保護層２０ａおよび２０ｂの厚さは、λ／２ｎの整数倍に限られず、λ／４ｎの奇数倍として保護層２０ａおよび２０ｂで反射するようにして反射層をかねてもよい。

上述した保護層の材料および半導体レーザダイオード構成のバリエーションは、以下の実施形態についても同様に適用できる。

（実施形態２）
本発明による実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００を図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。図４Ａは実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００の斜視図であり、図４Ｂは図４Ａの４Ｂ−４Ｂ’線に沿った断面図である。

実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００は、実施形態１の半導体レーザダイオード１０の後面に形成された保護層２０ｂの外側に、さらに反射層３０ａを有している点、および、半導体レーザダイオード１０の前面（出射面）側に設けた保護層２０ａの厚さが約０．０８μｍであり、後面側に設けられた保護層２０ｂの厚さ約０．１６μｍである点において、実施形態１の窒化物半導体レーザ１００と異なる。窒化物半導体レーザ装置２００のその他の構成は、窒化物半導体レーザ１００の構成と実質的に同じであるので、実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、その詳細な説明は省略する。

窒化物半導体レーザ装置２００の反射層３０ａは、図４Ｂに示したように、ＡｌＮ層３１（厚さ：約０．０５μｍ）／ＧａＮ層３２（厚さ：約０．０４μｍ）の屈折率が互いに異なる２種類の窒化物半導体層が交互に８対積層された構造を有している。これらの窒化物半導体層３１および３２の厚さは、それぞれ、レーザの発振光（例えばλ＝４２０ｎｍ）に対してλ／４ｎ（ｎ：それぞれの層の屈折率）の厚さになっており、これにより後面の反射率は約９３％となっている。また、これらの窒化物半導体層３１および３２はアンドープの半導体層なのでその比抵抗は１０⁹Ω・ｃｍ以上あり、これらの窒化物半導体層３１および３２を通してリーク電流が流れる心配は無い。

窒化物半導体レーザ装置２００は、以下のようにして作製される。

実施形態１と同様にして、図２Ｂに示すように半導体レーザダイオード１０’を形成する。

得られた半導体レーザダイオード１０’の後面に、実施形態１と同様にして、ＧａＮからなる保護層２０ｂを約０．１６μｍの厚さに形成する。この保護層２０ｂの形成は、ＭＯ−ＣＶＤ法を用いて半導体レーザダイオード（ダブルヘテロ構造）の成長温度より若干低い１０００℃で行う。この厚さは、ＧａＮの屈折率ｎ＝２．６、レーザ発振波長λ＝４２０ｎｍとして得られるλ／２ｎ＝０．０８μｍの２倍の厚さに設定したものである。保護層２０ｂの厚さはそれほど厳密でなくてもよい。なぜなら、保護層２０ｂ上に成長させるＡｌＮ層３１と保護層２０ｂとの界面がキャビティ面となるため、保護層２０ｂの厚さ分だけキャビティ長が長くなるに過ぎず、動作電流等のレーザ発振特性には殆ど影響を与えないからである。

次に、保護層２０ｂ上にＡｌＮ層３１（厚さ：約０．０５μｍ）／ＧａＮ層３２（厚さ：約０．０４μｍ）の２種類の窒化物半導体層を交互に８対堆積し、反射層３０ａを形成する。ＡｌＮ層３１およびＧａＮ層３２の厚さは、それぞれの屈折率をｎ（ＡｌＮの屈折率２．０、ＧａＮの屈折率２．６）として、それぞれ発振波長λ＝４２０ｎｍに対してλ／４ｎの厚さになっている。この反射層３０ａを設けることにより、半導体レーザダイオード１０’の後面での反射率は約９３％になる。また、ＡｌＮ層３１およびＧａＮ層３２はアンドープ状態で成長しているので、それぞれの比抵抗は１０⁹Ω・ｃｍ以上あり、ＡｌＮ層３１およびＧａＮ層３２層を通してリーク電流が流れる心配は無い。

続いて、半導体レーザダイオード１０’の前面に、実施形態１と同様にＧａＮからなる保護層２０ａを形成する。但し、ここでは保護層２０ａの厚さをλ／２ｎである０．０８μｍとしている。なお、半導体レーザダイオード１０’の後面への保護層２０ｂおよび反射層３０ａの堆積と、半導体レーザダイオード１０’の前面への保護層２０ａの堆積の順番は逆にしてもよい。

得られた積層体を実施形態１と同様に、例えば約４００μｍのピッチに劈開することにより、所定の半導体レーザダイオード１０の大きさにして実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００が完成する。

実施形態２では、実施形態１と同様に半導体レーザ装置の寿命が延びる効果が得られるとともに、さらに、高い反射率が得られる。

なお、反射層３０ａの材料として、窒化物半導体材料を用いる場合には、実施形態１の保護層２０ａおよび２０ｂの材料と同様に、種々の窒化物半導体材料を用いることができる。特に、Ａｌ_1-x-y-zＧａ_xＩｎ_yＢ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、且つ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）を好適に使用することができ、この層がレーザの発振光に対して透明になるようにｘ、ｙおよびｚを選べばよい。このことは、以下の実施形態についても同様である。

（実施形態３）
本発明による実施形態３の窒化物半導体レーザ装置３００の断面図を図５に示す。窒化物半導体レーザ装置３００は、反射層３０ｂの構成が実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００と異なる。窒化物半導体レーザ装置３００のその他の構成は、窒化物半導体レーザ装置２００と同様なので、実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、その詳細な説明は省略する。

窒化物半導体レーザ装置３００は、半導体レーザダイオード１０の後面に設けられた保護層（ＧａＮ）２０ｂ上に、厚さがλ／４ｎ（ｎ：各層の屈折率 、λ：レーザ発振波長 ）のＳｉＯ₂層３３およびＴｉＯ₂層３４の２種類の絶縁層が交互に５対積層されて反射層３０ｂが形成されている。半導体レーザダイオード１０の前面には、厚さがλ／２ｎの保護層２０ａが形成されている。

この窒化物半導体レーザ装置３００の製造方法について説明する。図２Ｃに示すように、半導体レーザダイオード１０’の後面に保護層２０ｂを０．１６μｍの厚さに形成するまでは、実施形態２と同様である。

次に、保護層２０ｂ上にＳｉＯ₂層３３（厚さ：０．０７μｍ）／ＴｉＯ₂層３４（厚さ：０．０４μｍ）の互いに屈折率が異なる２種類の絶縁層を交互に５対形成する。これらの層厚は各々発振波長λ＝４２０ｎｍに対してλ／４ｎの厚さになっており、これにより裏面の反射率は約９８％になる。これらのＳｉＯ₂層３３／ＴｉＯ₂層３４は、保護層２０ｂ上に形成されるため、堆積工程において半導体レーザダイオード１０’の活性層１４の端面に直接の影響は与えないので、スパッター法や電子線蒸着法を用いて形成してもよい。しかしながら、半導体レーザダイオード１０’の結晶層へのダメージを最小にするために、ＭＢＥ法で成長する方が好ましい。

その後、λ／２ｎの厚さの保護層（ＧａＮ）２０ａ（厚さ：０．０８μｍ）を半導体レーザダイオード１０’の前面に形成する。以下、先の実施形態と同様にして窒化物半導体レーザ装置３００が得られる。

実施形態３では、実施形態１と同様に半導体レーザ装置の寿命が延びる効果が得られるとともに、さらに高い反射率が得られる。

（実施形態４）
本発明による実施形態４の窒化物半導体レーザ装置４００の断面図を図６に示す。窒化物半導体レーザ装置４００は、半導体レーザダイオード１０の後面に形成されている保護層２０ｃの構成が実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００と異なる。窒化物半導体レーザ装置４００のその他の構成は、窒化物半導体レーザ装置２００と同様なので、実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、その詳細な説明は省略する。

半導体レーザダイオード１０の後面に形成された保護層（ＧａＮ）２０ｃは、λ／４ｎ（ｎ：保護層の屈折率 、λ：レーザ発振波長 ）の厚さを有している。保護層２０ｃ上に、厚さがλ／４ｎのＡｌＮ層３１とＧａＮ層３２の２種類の窒化物半導体層が交互に８対堆積された反射層３０ａが形成されている。半導体レーザダイオード１０の前面には、厚さがλ／２ｎの保護層（ＧａＮ）２０ａが形成されている。

窒化物半導体レーザ装置４００の保護層２０ｃは、反射層として機能するので、実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００よりも、後面の反射率が上がり、約９５％の反射率が得られる。保護層２０ｃの厚さは、λ／４ｎに限られず、λ／４ｎの奇数倍であればよい。生産性の観点から、保護層２０ｃの厚さはλ／４ｎであることが好ましい。

図７に、実施形態２〜４の窒化物半導体レーザ装置２００と４００（図７中のＥ２）および３００（図７中のＥ３）と、図１２Ａおよび１２Ｂに示した従来の窒化物半導体レーザ装置７００（図７中のＣ２）の５０℃における５０ｍＷ出力での動作電流の変化率ΔＩｏｐの時間変化（寿命試験）の結果を示す。

図７より、本発明による窒化物半導体レーザ装置２００と４００および３００は、１０００時間の高出力動作でも劣化しておらず、保護層により端面劣化が抑えられていると同時に活性層中の欠陥導入が極めて少ないために長寿命が得られたことがわかる。

上述したように、実施形態２〜４では、実施形態１と同様に半導体レーザ装置の寿命が延びる効果が得られるとともに、さらに高い反射率が得られる。

（実施形態５）
本発明による実施形態５の窒化物半導体レーザ装置５００の断面図を図８に示す。窒化物半導体レーザ装置５００は、半導体レーザダイオード１０の後面に形成されている反射層４０の構成が実施形態２の窒化物半導体レーザ装置２００と異なる。窒化物半導体レーザ装置５００のその他の構成は、窒化物半導体レーザ装置２００と同様なので、実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、その詳細な説明は省略する。

窒化物半導体レーザ装置５００は、半導体レーザダイオード１０の後面に設けられた保護層（ＧａＮ）２０ｂ上に、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１（０．０１μｍ）／ＡｌＮ層４２（０．０３μｍ）／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１（０．０１μｍ）/ＧａＮ層４３（０．０４μｍ）の４層積層体を１６対堆積されている。半導体レーザダイオード１０の前面には、厚さがλ／２ｎの保護層（ＧａＮ）２０ａが形成されている。

この窒化物半導体レーザ装置５００の製造方法について説明する。図２Ｃに示すように半導体レーザダイオード１０’の後面に保護層２０ｂを０．１６μｍの厚さに形成するまでは、実施形態２と同様である。

保護層２０ｂの上に、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１（０．０１μｍ）／ＡｌＮ層４２（０．０３μｍ）／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１（０．０１μｍ）／ＧａＮ層４３（０．０４μｍ）の４層積層体をＭＯ−ＣＶＤ法またはＭＢＥ法によって１６対堆積する。これらの窒化物半導体層は、Ａｌ_1-x-y-zＧａｘＩｎ_yＢ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、且つ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）の内、レーザの発振光に対して透明となるよう、ｘ、ｙ、ｚが選択されたものが用いられる。また、格子定数や熱膨張係数の整合性と高電気抵抗を有することが好ましい。

Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１／ＡｌＮ層４２／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１/ＧａＮ層４３の各層の厚さは、各層の屈折率ｎ、発振波長（λ＝４２０ｎｍ）に対して、各々λ／２０ｎ、３λ／２０ｎ、λ／２０ｎ、およびλ／４ｎになっている。Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１／ＡｌＮ層４２／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１の合計の厚さがλ／４ｎとなるように設定すればよく、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１の厚さはλ／２０ｎに限られない。この構成によってレーザキャビティ後面の反射率を９９％にすることができる。また、反射層４０を構成する各窒化物半導体層は、アンドープ状態で成長しているので、それぞれの比抵抗は１０⁹Ω・ｃｍ以上であり、この反射層４０を通してリーク電流が流れる心配はない。

その後、λ／２ｎの厚さの保護層（ＧａＮ）２０ａ（厚さ：０．０８μｍ）を半導体レーザダイオード１０’の前面に形成する。以下、先の実施形態と同様にして窒化物半導体レーザ装置５００が得られる。

図９に、反射層４０の各波長に対する端面反射率の計算値を示す。図９から分かるように、４２０ｎｍの波長のところで反射率は約９９％になるのがわかる。反射層４０を構成する積層体の構成（層数）は、必要な反射率が得られるように適宜設定すればよい。

なお、上述した反射層４０の代わりに、それぞれλ／４ｎの層厚のＡｌＮ層４２とＧａＮ層４３との積層体であるＡｌＮ層４２（０．０５μｍ）／ＧａＮ層４３(０．０４μｍ)の２層積層体を周期的に一対以上形成してもほぼ同程度の反射率が得られる。しかし、この２層層の場合、室温ではその格子定数の差が２％弱あり、その影響を受けて特にＡｌＮ層４２に引張り応力がかかり歪みが生じる。ＡｌＮ層４２とＧａＮ層４３との中間の格子定数を有するＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１をＡｌＮ層４２とＧａＮ層４３との間に入れることによって、格子不整合に起因する歪みを緩和することができるので、半導体レーザ装置の寿命を更にのばすことがきる。

また、格子不整合による歪みをさらに緩和するために、ＡｌＮ層４２とＧａＮ層４３との間に、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１に代えて、Ａｌ_qＧａ_1-qＡｓ層（０≦ｑ≦１）を多層として挿入しても良いし、ｑの値が１から０まで連続的に変化する層を用いても良い。

（実施形態６）
本発明の実施形態６は、実施形態５の窒化物半導体レーザ装置５００において、半導体レーザダイオード１０の後面に設けられた保護層（ＧａＮ）２０ｂを省略し、半導体レーザダイオード１０の後面にＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１（０．０１μｍ）／ＡｌＮ層４２（０．０３μｍ）／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層４１（０．０１μｍ）/ＧａＮ層４３（０．０４μｍ）の４層積層体を１６対堆積する。この構成によっても、高い反射率を有する反射層を得ることができる。

なお、半導体レーザダイオード１０の後面に直接形成される保護層として、Ｉｎ_0.02Ｇａ_0.98Ｎ層を用いてもよい。また、保護層の厚さをλ／４ｎの奇数倍として、反射層として機能するようにしても良い。

図１０は、実施形態５および実施形態６の窒化物半導体レーザ装置（それぞれ図１０中のＥ４およびＥ５）と、図１２Ａおよび１２Ｂに示した従来の窒化物半導体レーザ装置７００（図１０中のＣ３）の５０℃における５０ｍＷ出力での動作電流の変化率ΔＩｏｐの時間変化（寿命試験）の結果を示す。

図１０より、実施形態５および６の窒化物半導体レーザ装置は、１０００時間の高出力動作でも劣化しておらず、保護層により端面劣化が抑えられていると同時に活性層中の欠陥導入が極めて少ないために長寿命が得られたことがわかる。

上述したように、実施形態５および６では、実施形態１と同様に半導体レーザ装置の寿命が延びる効果が得られるとともに、さらに高い反射率が得られる。

なお、実施形態５および実施形態６における反射層４０を構成する各窒化物半導体層の電気抵抗を十分に高くするために、ＭＯ−ＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法でアンドープの層を成長すればよい。さらに抵抗を上げるには、上述したように、各半導体層中に存在する窒素の空孔を補償するだけのＶ族原子（例えば砒素やリン原子を１０¹⁵ｃｍ^-3程度）を注入すればよい。

また、２種類以上の絶縁層あるいは高抵抗の半導体層の積層構造において、相隣り合っている２層の室温での格子定数の差が大きい場合には、隣接する２層の室温での格子定数の差が小さくなるように、第３の層を挿入した構造にすることにより、活性層に殆ど歪みを生じさせること無く、反射層を形成することが出来る。更に、これらの層をＭＯ−ＣＶＤ 法またはＭＢＥ法で堆積することによって、堆積工程におけるレーザ端面の損傷を抑制することができ、活性層と熱膨張係数も極めて近い材料を用いることによって、室温での歪みを低減することができる。

なお、上述の実施形態においては、反射層を半導体レーザダイオードの後方端面にもうけた例を示したが、レーザ出力を犠牲にしても低しきい値が必要な場合等には、出射側にも反射層を設けてもよい。各反射層の反射率は、用途に応じて適宜設定するればよい。

本発明の窒化物半導体レーザ装置によれば、低出力時は勿論のこと、歪みや欠陥の影響が大きい高出力発振時においても高信頼性の長寿命の窒化物半導体レーザ装置を得ることができ、高密度光ディスク装置等の光源にも好適に利用さできる。

本発明による実施形態１の窒化物半導体レーザ装置の斜視図である。 実施形態１の窒化物半導体レーザ装置の製造工程を示す図である。 実施形態１の窒化物半導体レーザ装置の他の製造工程を示す図である。 実施形態１の窒化物半導体レーザ装置の他の製造工程を示す図である。 実施形態１の窒化物半導体レーザ装置の他の製造工程を示す図である。 実施形態１の窒化物半導体レーザ装置と従来の窒化物半導体レーザ装置の寿命試験結果を示すグラフである。 本発明による実施形態２の窒化物半導体レーザ装置の斜視図である。 図４Ａの４Ｂ−４Ｂ’線に沿った断面図である。 本発明による実施形態３の窒化物半導体レーザ装置の断面図である。 本発明による実施形態４の窒化物半導体レーザ装置の断面図である。 実施形態２〜４の窒化物半導体レーザ装置と従来の窒化物半導体レーザ装置の寿命試験結果を示すグラフである。 本発明による実施形態５の窒化物半導体レーザ装置の断面図である。 実施形態５の窒化物半導体レーザ装置における反射層の各波長に対する端面反射率の計算値を示すグラフである。 実施形態５および６の窒化物半導体レーザ装置と従来の窒化物半導体レーザ装置の寿命試験結果を示すグラフである。 従来の窒化物半導体レーザ装置を示す斜視図である。 従来の他の窒化物半導体レーザ装置を示す斜視図である。 図１２Ａに示した従来の他の窒化物半導体レーザ装置の断面図である。

符号の説明

１０、１０’ 窒化物半導体レーザダイオード（レーザ素子）
１１ ｎ型電極
１２ 基板
１３、１５ クラッド層
１４ ＭＱＷ活性層
１６ 電極形成層
１７ ｐ型電極
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 保護層
３０ａ、３０ｂ、４０ 反射層
３１ ＡｌＮ層
３２ ＧａＮ層
３３ ＳｉＯ₂層
３４ ＴｉＯ₂層
４１ Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層
４２ ＡｌＮ層
４３ ＧａＮ層
６０、７０ レーザダイオード
６１、７２ サファイア基板
６２ 電極形成層
６２ａ 下部電極形成層
６２ｂ 上部電極形成層
６３、６５、７３、７５ クラッド層
６４、７４ ＭＱＷ活性層
６６ 電極形成層
６７ ｎ型電極
６８ ｐ型電極
６９ 保護層
７６ Ｎ電極形成層
７７ Ｎｉ／Ａｕ電極
９０ 反射層
９１ ＳｉＯ₂層
９２ ＴｉＯ₂層
１００、２００、３００、４００、５００ 窒化物半導体レーザ装置
６００、７００ 窒化物半導体レーザ装置

Claims (2)

1. 窒化物半導体レーザダイオードと、前記窒化物半導体レーザダイオードのレーザ端面に設けられた保護層とを有し、
   前記保護層は、前記窒化物レーザダイオードが発振する光に対して透明であるＡｌ1-x-y-zＧａxＩｎyＢzＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、且つ、０≦ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）からなり、
   前記保護層はＡｌを含み、
   前記保護層は前記窒化物半導体レーザダイオードと熱膨張係数の整合をとるように設けられており、
   前記保護層に接して、前記窒化物レーザダイオードが発振する光を反射する反射層を更に有し、
   前記反射層は、屈折率が互いに異なる第１および第２層が交互に積層された積層構造を有し、
   前記第１層と第２層との間に第３層をさらに有し、前記第１層、第２層および第３層は結晶層であって、前記第１層と前記第３層との格子定数の差は、前記第１層と前記第２層との格子定数の差よりも小さいことを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
2. 前記第１層／第３層／第２層からなる前記反射層がＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ積層構造を有する請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。

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