JP2001057461A - 窒化物半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明のレーザ素子は、光学特性、特に遠視
野像におけるアスペクト比が改善され、光情報機器への
応用を容易にし、出力特性、素子信頼性は従来と同等に
良好なものとすることである。 【構成】 本発明のレーザ素子は、ｎ型窒化物半導体か
らなるｎ側光ガイド層７と、活性層８と、ｐ型窒化物半
導体からなるｐ側光ガイド層９とが積層された構造を有
し、前記ｐ側光ガイド層がｎ側光ガイド層の膜厚より厚
いこと、更にはｐ側光ガイド層にストライプ状の突出部
を有すると共に、該突出部の上にｐ型窒化物半導体層を
有し、該ｐ側光ガイド層の突出部の膜厚が１μｍ以下で
あることで、良好なストライプ状の導波路を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、短波長の半導体レーザ
に係り、特に光情報処理分野においてキンクのない高出
力での連続発振が可能な窒化物半導体レーザ素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の発展とともに、大量
の情報を記憶するファイ装置が必要とされ、短波長のレ
ーザ光源は、ＤＶＤ等の大容量メディアの光源として、
通信用等の光源として切望されている。また、本出願人
は、窒化物半導体レーザ素子で、波長４０３．７ｎｍの
シングルモードでの室温における連続発振１万時間以上
を達成したことを発表した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
なレーザ光源としての応用には、レーザ素子の更なる特
性向上、特に光学的な特性の向上が必要となる。それ
は、レーザ光のビーム形状のアスペクト比、遠視野像の
改善、光の漏れ防止など、半導体レーザの光導波路の改
善が必要となる。

【０００４】具体的には、上記長寿命のレーザ素子は、
リッジ導波路構造の屈折率導波型であり、横モードの制
御を高い精度で実現しなければならない。これは、リッ
ジ導波路構造は、エッチングの深さ、ストライプの高さ
などにより、実効屈折率が変化するため、このような構
造の変化は、素子特性に大きな影響を及ぼすこととな
る。上述した従来のレーザ素子では、上述したように、
その応用において、十分な光学特性を有しているとはい
えず、更にその特性を向上する必要がある。

【０００５】それは、レーザ光のビーム形状、すなわち
Ｆ．Ｆ．Ｐ．（ファー・フィールド・パターン）でのア
スペクト比の改善である。なぜなら、光ディスクシステ
ムやレーザプリンタへの応用には、レーザ光を各光学系
により補正・調整されるが、上記アスペクト比がある値
以上になければその補正光学系が大規模になり、その設
計、製造、またその光学系を経ることによる損失が大き
な問題となる。

【０００６】更には、窒化物半導体発光素子では、従来
から問題となっていた光の漏れ対策も必要であり、これ
はレーザ素子においてリップルとして現れ、レーザ素子
の応用において、雑音の問題を生み出すこととなる。

【０００７】加えて、レーザ素子の生産性の面から、更
なる歩留りの向上が必要である。これは、具体的にはス
トライプ形成時のエッチング深さの制御性に起因する問
題である。

【０００８】本発明では、上述したようなレーザ素子の
応用において、問題となる素子特性の向上を達成した窒
化物半導体レーザ素子を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記事情に
鑑み、ビーム形状の良好なレーザ素子を得るため、導波
路を構成する光ガイド層に着目して、ｐ側光ガイド層と
ｎ側光ガイド層の膜厚を異ならせることを見いだし、本
発明を完成するに至った。

【００１０】すなわち、本発明の窒化物半導体レーザ素
子は、基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体からなる
ｎ側光ガイド層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体からな
るｐ側光ガイド層とを有する窒化物半導体レーザ素子に
おいて、前記ｐ側光ガイド層が、ｎ側光ガイド層の膜厚
より厚いことを特徴とする。このことにより、閾値電流
を上昇させることなく、良好な光閉込め効果を実現し、
リップルを減少させる。また、製造においては、エッチ
ングによりストライプ状の導波路などを形成する際に、
ｐ側光ガイド層の位置までをエッチング深さとする場合
には、従来に比べて、エッチング精度が増すため好まし
い。

【００１１】前記ｐ側光ガイド層のストライプ状の突出
部を有すると共に、該突出部の上にｐ型窒化物半導体層
を有し、該ｐ側光ガイド層の突出部の膜厚が１μｍ以下
であることを特徴とする。このことにより、ストライプ
状の導波路領域が形成され、良好な横モードの制御が可
能となり、具体的には実効的な屈折率差が効果的に形成
されるため、取り出される光のビーム形状、特に接合面
に平行な方向でのファー・フィールド・パターンの光の
広がりが従来に比べて向上し、アスペクト比も素子の応
用において良好なものである。更に、このような光学特
性の向上は、従来と同程度以上の閾値電流を低く抑え、
長寿命での発振を可能とし、従来の発振に関する諸特性
を維持して、実現されるものである。

【００１２】前記ｐ側光ガイド層の突出部及び、該突出
部上のｐ型窒化物半導体層が、ｐ型窒化物半導体層側か
らエッチングすることにより形成されたストライプ状の
リッジ導波路であることを特徴とする。ｐ側光ガイド層
に形成されるリッジ導波路であることから、良好な閾値
電流の低減、長寿命、単一モードでの安定した発振を実
現し、且つ横モードの閉じ込めが良好で、アスペクト比
の良好なレーザ光得られるリッジ導波路構造のレーザ素
子である。

【００１３】前記ｐ側光ガイド層の膜厚が、２５００Å
（オングストローム）以上であることにより、レーザ光
の導波において、より効果的な実効屈折率が働き、水平
横モードの閉じ込めがより効果的となり、安定して良好
なアスペクト比のレーザ光が得られる。

【００１４】前記ｐ側光ガイド層は、突出部以外の領域
における膜厚が、５００Å以上１０００Å以下であるこ
と、安定してレーザ素子の製造され、素子ばらつきの少
なく、製造歩留りの向上が実現できる。

【００１５】前記突出部のストライプ幅が、１μｍ以上
３μｍ以下であることにより、良好な横モードの制御を
可能とし、特に単一モードでの発振を可能とし、高出力
でもキンクなどの発生を抑えられたものである。

【００１６】前記ｐ側光ガイド層は、ＩｎｘＧａ１−ｘ
Ｎ（０≦ｘ＜１）であることにより、良好な光導波路形
成され、より素子特性に優れたレーザ素子となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
に示す、具体例を用いて説明する。本発明の窒化物半導
体レーザ素子は、具体的には基板上に、ｎ型窒化物半導
体からなるｎ側光ガイド層と、活性層、ｐ型窒化物半導
体からなるｐ側光ガイド層とを積層した構造を有し、こ
の時ｐ側光ガイド層の膜厚がｎ側光ガイド層の膜厚より
厚いことである。

【００１８】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、活性
層をｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層とで挟み込む構造
で導波路を構成し、ｐ側光ガイド層がｎ側光ガイド層の
膜厚より厚いことで、良好なレーザ光を有するものであ
る。これは、活性層を挟むｐ側光ガイド層とｎ側光ガイ
ド層の膜厚が異なることにより、膜厚方向において光分
布が利得分布からずれ、従来とは横モードの制御におい
て変化を持たせることにより、良好なレーザ光を取り出
すことにある。また、光の閉じ込めにおいても、その効
果が増し、リップルの発生を抑制する。

【００１９】（ストライプ状の導波路領域）本発明の窒
化物半導体レーザ素子は、上述した光ガイド層の膜厚が
活性層を挟んで非対称であることに加えて、ストライプ
状の導波路領域を設けることでより横モードの制御され
た、屈折率導波型の構造を有するものである。すなわ
ち、基板上に、ｎ型窒化物半導体からなるｎ側光ガイド
層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体からなるｐ側光ガイ
ド層とが積層された構造で、ｐ側光ガイド層がストライ
プ状の突出部を有し、ストライプ状の導波路領域を有す
るものである。さらには本発明のレーザ素子は、その突
出部の上にｐ型窒化物半導体層が形成されたレーザ素子
である。具体的にはこのようにストライプ状の導波路領
域を有するものであり、屈折率導波型のレーザ素子であ
る。

【００２０】（エッチング深さ）上記本発明のレーザ素
子は、具体的には、ｎ型窒化物半導体からなるｎ側光ガ
イド層、活性層、ｐ型窒化物半導体からなるｐ側光ガイ
ド層、更にその上にｐ型窒化物半導体層を積層した後、
ｐ型窒化物半導体層側からエッチングにより、ｐ型窒化
物半導体層、ｐ側光ガイド層の一部を除去して、ストラ
イプ構造を形成する。このとき、側光ガイド層の突出部
の高さは、エッチングする深さにより決定されるため、
後述するように、従来に比べてエッチング深さの制御性
が向上する。また、エッチングの深さは、活性層に達し
ない深さであることが重要であり、本発明においてはｐ
側光ガイド層の位置まで、エッチングする。

【００２１】本発明において、上記ｐ側光ガイド層の突
出部、若しくはストライプ状のリッジ導波路の形状とし
ては、順メサ型、逆メサ型形状に限定されないが、順メ
サ形状とすることで、良好な横モードの制御が実現でき
る傾向にあり好ましい。

【００２２】（エッチング手段）上述したｐ側光ガイド
層若しくはリッジ導波路の形成等、窒化物半導体をエッ
チングするには、ウエットエッチング、ドライエッチン
グ等の方法があり、例えばドライエッチングとして、反
応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビーム
エッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチン
グ（ＥＣＲ）、イオンビームエッチング等の装置があ
り、いずれもエッチングガスを適宜選択することによ
り、窒化物半導体をエッチングすることができる。

【００２３】（光ガイド層）ｎ側光ガイド層とｐ側光ガ
イド層とで活性層を挟み込む構造でもって、導波路を成
すものである。本発明のレーザ素子は、ｐ側光ガイド層
にストライプ状の突出部が設けられることにより、スト
ライプ状の導波路領域を有するものである。

【００２４】（ｐ側光ガイド層）本発明において、活性
層を挟むｎ側光ガイド層、ｐ側光ガイド層は、その膜厚
が異なり、ｐ側光ガイド層の膜厚を厚くすることにあ
る。更に好ましくは、ｐ側光ガイド層は、ストライプ状
の突出部を有するものであり、具体的にはこの突出部の
上に、ｐ型窒化物半導体層が形成され、ストライプ状の
導波路領域を有するレーザ素子を形成するものである。
具体的には、ｐ側光ガイド層でリッジ導波路を形成した
レーザ素子である。また、この突出部は上述したよう
に、具体的にはｐ型窒化物半導体層側からエッチングす
ることにより形成され、ｐ側光ガイド層の膜内で、エッ
チングストップすることで、形成する。ここで、ｐ側光
ガイド層の膜厚は、ｐ側光ガイド層を成長させる際の膜
厚に当たり、ｐ側光ガイド層形成後に上記エッチングに
より突出部を形成する場合には、所定の膜厚のｐ側光ガ
イド層の一部を除去して形成するため、突出部の膜厚が
ｐ側光ガイド層の膜厚となる。この時、ｐ側光ガイド層
が１μｍを超える膜厚であると、閾値が大幅に向上し、
レーザ発振が極めて困難となり、例え発振しても素子寿
命の極めて短いレーザ素子となるため、好ましくはｐ側
光ガイド層の膜厚を１μｍ以下とする。更に好ましく
は、ｐ側光ガイド層の膜厚、すなわち突出部の膜厚を、
１５００Å以上５０００Å以下の範囲とすることであ
る。なぜなら、１５００Åより薄いと、レーザ光のＦ．
Ｆ．Ｐ．が良好とはならず、また５０００Åを超える膜
厚であると、発振しきい電流が上昇する傾向にあるから
である。具体的には、１５００Åより薄いと、水平横モ
ードの制御が十分になされず、そのＦ．Ｆ．Ｐ．は、ｘ
方向に１０°以上のビーム形状となり、結果として、ア
スペクト比が２．０を超えるものとなる。この時、特に
本発明において、ｐ側光ガイド層の膜厚が、２５００Å
以上になると、活性層を挟むガイド層の膜厚が同じであ
る場合に比べて、閾値電流の上昇を低く抑える傾向が確
認され、本発明のようにｐ側光ガイド層の膜厚が厚く非
対称な導波路を有することが有利に働く傾向がある。

【００２５】また、エッチングにより、上記リッジ導波
路、突出部を形成する際には、生産性も考慮しなければ
ならない。これは、エッチングの深さがますにつれて、
その精度、例えばウェーハ内での素子間のばらつきが多
く発生するようになり、これをそれを回避する必要があ
る。具体的には、０．７μｍを超える深さでエッチング
して、上記ストライプ状の突出部（リッジ構造）を形成
すると、上記問題が急激に発生する傾向にあり、これよ
りも浅くエッチングすることが好ましい。すなわち、こ
れは、本発明において、リッジの高さを調整するもので
あり、上記範囲内でレーザ素子を形成することが好まし
い。ここで、突出部の高さとは、具体的には、上記突出
部以外の領域におけるｐ側光ガイド層の平面、すなわち
エッチングにより露出され突出部の側面に連続した平面
から、突出部まで、リッジの高さはその突出部の上に形
成されたｐ型窒化物半導体層までで、その膜厚方向での
高さを指し、ｐ型窒化物半導体層の最上面がエッチング
開始位置である。

【００２６】（突出部の高さ）更に、本発明の上記ｐ側
光ガイド層において、突出部の高さを高くすると、発振
しきい電流が下がる傾向にあり、好ましい。すなわち、
これは、エッチングが深くなるにつれて、出力の安定性
を増加させるものであり、レーザ素子の応用に多大に寄
与するものである。すなわち、出力が増加しても、単一
モードでの安定した発振を実現し、発振しきい電流が良
好なため素子劣化を大幅に抑制し、長寿命での連続発振
を実現する効果がある。前記ｐ側光ガイド層において、
突出部の高さが１００Å以上であることにより、良好な
ビーム形状有するレーザ素子が得られ、好ましくは、５
００Å以上であり、その出力において、高出力でも単一
モード発振が可能である。そのため、レーザ素子の応用
において必要とされる素子の信頼性を十分に確保された
ものである。

【００２７】以上に加えて、エッチングにより形成する
場合には、エッチングにより露出される表面の平坦性も
考慮すると、更に、好ましい。これは、エッチングによ
り、上記ストライプ状の突出部を形成する際に、そのエ
ッチングにより露出されたｐ側光ガイド層の表面の位置
が、膜厚方向であって、素子間のばらつきを生む程度の
領域において、ばらつきがあるため、それを考慮する必
要がある。具体的には、ｐ側光ガイド層を膜厚５００Å
以上、好ましくは５００以上１０００Å以下の範囲残す
深さでエッチングして、上記ｐ側光ガイド層の突出部を
形成することである。これは、膜厚５００Å以上の残る
深さであると、ｐ側光ガイド層よりも深くエッチングさ
れることが、ほぼなくなり、良好な精度で突出部が形成
される。また、１０００Å以上であると、上述した発振
しきい電流の上昇がみられ、さらに横モードの制御性に
劣る傾向にある。

【００２８】本発明において、ｐ側光ガイド層の組成と
しては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体か
らなり、導波路形成に十分なエネルギーバンドギャップ
を有していれば良く、単一の膜、多層膜のどちらでも良
い。例えば、波長３７０〜４８０nmではアンドープのＧ
ａＮを用い、それよりも長波長ではＩｎＧａＮ／ＧａＮ
の多層膜構造を用いることである。

【００２９】また、本発明において、ｎ側光ガイド層
と、ｐ側光ガイド層とで活性層を挟み込む構造により構
成される導波路は、その膜厚の総和、すなわち両ガイド
層で挟まれる領域の膜厚が、好ましくは５０００Å以
下、更に好ましくは、４５００Å以下とすることであ
る。なぜなら、上記導波路の膜厚の総和が、５０００Å
を超えると閾値が上昇し、更に７０００Åを超えると急
激に発振しきい電流が増大し、基本モードでの連続発振
が極めて困難になるためであり、４５００Å以下である
と、そのような発振しきい電流の上昇は抑えられ、基本
モード、且つ長寿命での連続発振が可能である。

【００３０】本発明において、ｎ側光ガイド層はｐ側光
ガイド層の膜厚より薄いこと以外には特に限定されるも
のでなく、両光ガイド層で活性層を挟み込む構造として
導波路とすることである。また、ｎ側光ガイド層として
具体的には、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを成長させることが望
ましく、具体的にはアンドープのＧａＮ、活性層に近づ
くに従いＩｎ混晶比を小さくしたＩｎＧａＮと、ＧａＮ
とを交互に積層した多層膜等がある。ここで、ＩｎＧａ
Ｎとは、ＧａＮにＩｎが含まれる三元混晶のことであ
る。

【００３１】本発明の窒化物半導体レーザ素子におい
て、上記ｐ側光ガイド層の上に形成されるｐ型窒化物半
導体層としては、具体的には、実施例に示すようにｐ側
クラッド層、ｐ側コンタクト層などを積層したものであ
る。そのため、本発明では、ｐ側光ガイド層の突出部の
上に形成されたｐ型窒化物半導体層は、ストライプ状に
形成されており、リッジ導波路を形成する。

【００３２】本発明において、光ガイド層と活性層との
間に、キャップ層を形成しても良い。例えば、活性層と
ｐ側光ガイド層との間に、ｐ型不純物をドープしたＡｌ
ｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）からなるｐ側キャップ層
を形成することである。この時、ストライプ状のリッジ
導波路を、ｐ側キャップ層に達する深さで形成される
と、素子寿命が低下する傾向にあり好ましくなく、この
ような場合にも上述したように、ｐ側光ガイド層にスト
ライプ状の突出部を設けるように、リッジ導波路を形成
することが好ましい。

【００３３】以上のような活性層と光ガイド層とで導波
路を形成する、若しくはそれにキャップ層を有する導波
路について、具体的な実施形態としては、後述の実施
例、変形例１〜３、図５〜７に示すものがある。光ガイ
ド層は、活性層を挟む構造で、ｐ型導電層側、ｎ型導電
層側にそれぞれ設けられ、この両光ガイド層で挟まれる
領域でもって、光導波路領域を成すものである。

【００３４】また、上述の活性層とｐ側クラッド層との
間、好ましくは活性層とｐ側光ガイド層との間に設けら
れるｐ側キャップ層は、閾値電流を低下させ、そのこと
による容易な発振に寄与し、加えて活性層へのキャリア
の閉込めとしても機能する層である。このｐ側キャップ
層にＡｌＧａＮを用いる場合には、好ましくはｐ型不純
物をドープしたものとすることで上記機能を有し得る
が、ノンドープであっても上記キャリアの閉込めとして
機能する傾向にある。また、膜厚としては、５００Å以
下で形成し、Ａｌ_xＧａ_1-xＮの組成としては、ｘが０よ
り大きく、好ましくは０．２以上とする事で上記効果が
十分に期待できる。

【００３５】本発明において、リッジ導波路のストライ
プ幅、若しくはｐ側光ガイド層においては突出部のスト
ライプ幅が、１μｍ以上３μｍ以下の範囲にあると、良
好な横モードの制御が可能となる。これは、上記範囲で
あると、単一横モードでの発振が比較的良好に実現さ
れ、また上記ｐ側光ガイド層でリッジ導波路が形成され
ることで、安定、且つ精度の良いビーム形状の制御（良
好なＦ．Ｆ．Ｐ．）を実現することができる。この時、
１μｍ未満であると、ストライプ状のリッジ構造若しく
は上記突出部の形成が製造上困難となり、歩留りが低下
し、３μｍを超えると水平横モードの制御が困難になる
傾向を示す。

【００３６】本発明における窒化物半導体レーザ素子を
構成する窒化物半導体としては、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−
ｘ−ｙＮ（０≦x≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）
で表され、窒化ガリウムの他に、３元系、４元系の混晶
などがある。本発明では、上記、基板上に積層するレー
ザ素子構造を、実施例で示すように、上記組成式で表さ
れる窒化物半導体からなるものとすることが、上述した
レーザ光の横モード、ビーム形状の制御が最も好ましく
なる傾向にある。

【００３７】ここで、Ｆ．Ｆ．Ｐ．における水平方向
（ｘ方向）とは、接合面（若しくはｐｎ接合面）に平行
な方向を示すものであり、図２における遠視野像（Ｆ．
Ｆ．Ｐ．）１０１のｘ方向１０２であり、その方向にお
ける横モードを水平横モードと記す。

【００３８】（作用・効果）本発明は、活性層を挟む光
ガイド層の内、ｐ側光ガイド層をｎ側光ガイド層との膜
厚より厚くした非対称な構造を有し、両光ガイド層で挟
まれる導波路領域内における光分布を、従来のレーザ素
子と比べてずらして、すなわち、光分布と利得分布をず
らすことで、横モードを従来とは異なる方法で制御し、
所望のビーム形状のレーザ光を得るものである。

【００３９】好ましくは、ｐ側光ガイド層がストライプ
状の突出部を有することであり、このことで、上述した
ようにストライプ状の導波路領域を形成し、実効的な屈
折率分布を形成するものである。具体的には、図２に観
るように、ストライプ状の突出部有するｐ側光ガイド層
９側に、出射光であるレーザスポット１０３が偏り、良
好な水平横モードの制御が実現されている。このことに
より、従来のストライプ構造のレーザ素子では、Ｆ．
Ｆ．Ｐ．の水平方向（ｘ方向）では狭く、アスペクト比
も３以上のものであったが、本発明ではこの水平方向の
横モードが良好に制御されているため、従来に比べて格
段にアスペクト比も良好なものとなる。

【００４０】また、本発明において、活性層がＩｎを含
む窒化物半導体、例えばＩｎＧａＮの三元混晶、である
場合には、活性層での発光が活性層内のＩｎにより、光
が散乱されることを考慮しなければならない。すなわ
ち、活性層からの光は、活性層内の光散乱物質であるＩ
ｎにより、損失を受け、これが出力の向上を妨げる原意
ともなる。本発明のレーザ素子では、上述したように、
活性層挟む光ガイド層の内、ｐ側光ガイド層の膜厚が厚
いことにより、従来とは異なった導波によりレーザ光が
得られるため、上記光散乱物質による損失が減少して、
光ガイド層の膜厚が厚くなることによる、閾値電流の上
昇を補填するようなレーザ素子となる。これは主に、膜
厚方向における導波路内での光分布が利得分布からずれ
ることで、上記光散乱物質に有する領域（活性層）から
ずれた所に、光が分布して導波することによる。このた
め、上記光の散乱による損失が減少し、結果として、従
来と同等若しくはそれ以下の閾値電流で発振が可能にな
るものと思われる。このことで、従来より光ガイド層の
膜厚、特にｐ側光ガイド層の膜厚が厚くなることにより
閾値電流の上昇する傾向を抑え、本発明では上記光散乱
の損失が減少することにより、閾値を従来と同程度の状
態で、レーザのビーム形状の良好なレーザ素子が得られ
る。

【００４１】また、図２において、従来は、出射面にお
けるスポット形状１０３が、接合面に平行な方向に広が
っており、Ｆ．Ｆ．Ｐ．でのｘ方向１０２は、１０°以
下と狭く、アスペクト比も悪いものであった。しかし、
本発明では、図に示すように、スポット形状の長手方向
は従来と同様に水平方向にあるが、その長手方向の広が
りは、狭くなり、Ｆ．Ｆ．Ｐ．１０１のｘ方向は従来よ
り広く、具体的には１２°〜２０°と良好で、アスペク
ト比も２．０前後と良好なものとなる。このように、出
力特性、素子信頼性を悪化させずに、光学特性を改善す
るのは、上述したように、ストライプ状の突出部が設け
られたｐ側光ガイド層により、良好な実効屈折率を有す
るストライプ状の導波路領域がレーザ素子に形成された
ことによるものである。更にまた、上述したように、従
来に比べて、ｐ側光ガイド層の膜厚、若しくはそれにｎ
側光ガイド層の膜厚を加えた両ガイド層のトータル膜厚
が増すことにより、図における接合面に垂直な方向（ｙ
方向）のビーム広がりが、回折効果の減少により抑制さ
れ、このことも本発明のレーザ素子における光学特性、
特にアスペクト比の改善に寄与している。すなわち、上
述したような水平横モードの制御だけでなく、従来に比
べて、Ｆ．Ｆ．Ｐ．でのｙ方向の光の広がりが抑えられ
たことで、従来のような垂直方向に扁平したファー・フ
ィールド・パターン１０１からより真円に近づいたレー
ザ光が得られる。このように、ｐ側光ガイド層がｎ側光
ガイド層より膜厚が厚いことで、Ｆ．Ｆ．Ｐ．における
ｘ方向だけでなく、ｙ方向へのビーム形状改善への寄与
も、本発明の効果を奏するのに重要である。

【００４２】

【実施例】以下に示す、エッチング深さ、若しくはｐ側
光ガイド層のストライプ状の突出部の高さに対する素子
特性変化（図４）は、実施例１のレーザ素子をもとに測
定されたものであり、活性層を挟む両光ガイド層の内、
ｐ側光ガイド層の膜厚が厚い場合におけるものである。

【００４３】図４は、エッチング深さ、ｐ側キャップ
層、ｐ側ガイド層、ｐ側光ガイド層とが積層された構造
に対する、閾値電流変化、アスペクト比変化を示すもの
である。図４から明らかなように、ｐ側光ガイド層に届
く深さまで、エッチングしてリッジ構造を形成するこ
と、すなわちｐ側光ガイド層がストライプ状の突出部を
有することにより、良好な閾値電流でもって発振が可能
であり、得られるレーザ光のアスペクト比も１に近づく
傾向にあることを示している。このことは、図２で示す
ように、ｐ側光ガイド層のストライプ状の突出部側に、
出射光が移動するような状態になり、良好な実効屈折率
が形成される。このことにより、水平横モードの閉じ込
め有効に働き、結果として、Ｆ．Ｆ．Ｐ．におけるｘ方
向のビーム形状が、１０°以上、好ましくは１２°〜２
０°の良好なレーザ光得られ、アスペクト比も良好であ
るレーザ素子が得られることを示すものである。また、
ｐ側光ガイド層の突出部以外の領域における膜厚が薄く
なるにつれて、すなわち突出部の高さが高くなるにつれ
て、閾値電流、アスペクト比共に、低下する傾向も現れ
ているため、好ましくは上述した範囲に突出部の高さと
することである。

【００４４】［実施例１］図１は本発明の一実施例に係
るレーザ素子の構造を示す模式的な断面図でありストラ
イプ状の突出部に垂直な面で切断した際の積層構造を示
すものである。以下、この図を基に実施例１について説
明する。

【００４５】ここで、本実施例では、基板として窒化物
半導体と異なる異種基板を用いているが、ＧａＮ基板な
どの窒化物半導体からなる基板を用いても良い。ここ
で、異種基板としては、例えば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面
のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ
１₂Ｏ₄のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ
を含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化
物半導体と格子整合する酸化物基板等、窒化物半導体を
成長させることが可能で従来から知られており、窒化物
半導体と異なる基板材料を用いることができる。好まし
い異種基板としては、サファイア、スピネルが挙げられ
る。また、異種基板は、オフアングルしていてもよく、
この場合ステップ状にオフアングルしたものを用いると
窒化ガリウムからなる下地層の成長が結晶性よく成長さ
せるため好ましい。更に、異種基板を用いる場合には、
異種基板上に素子構造形成前の下地層となる窒化物半導
体を成長させた後、異種基板を研磨などの方法により除
去して、窒化物半導体の単体基板として素子構造を形成
してもよく、また、素子構造形成後に、異種基板を除去
する方法でも良い。

【００４６】基板として、（０００１）Ｃ面を主面とす
るサファイア基板を用いた。この時、オリフラ面はＡ面
であった。窒化物半導体を成長させる基板としては、サ
ファイア（主面がＣ面、Ｒ面、Ａ面）の他、ＳｉＣ、Ｚ
ｎＯ、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、ＧａＡｓ等、窒化
物半導体を成長させるために知られている、窒化物半導
体と異なる材料よりなる機種基板を用いることができ
る。また、窒化物半導体からなる基板上に直接積層して
も良い。

【００４７】（バッファ層２）１インチφ、Ｃ面を主面
とするサファイアよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応
容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチル
ガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、Ｇ
ａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させ
る。

【００４８】（下地層３）バッファ層成長後、温度を１
０５０℃にして、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドー
プＧａＮよりなる下地層３を４μｍの膜厚で成長させ
る。この層は、素子構造を形成する各層の成長において
基板として作用する。このように、異種基板上に、窒化
物半導体の素子構造を形成する場合には、低温成長バッ
ファ層、窒化物半導体の基板となる下地層を形成すると
良い。

【００４９】（ｎ側コンタクト層４）次に、アンモニア
とＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒化物
半導体基板１の上に、１０５０℃でＳｉを３×１０１８
／cm３ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層５を
４μｍの膜厚で成長させる。

【００５０】（クラック防止層５）次に、ＴＭＧ、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度
を８００℃にしてＩｎ０．０６Ｇａ０．９４Ｎよりなる
クラック防止層６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
なお、このクラック防止層は省略可能である。

【００５１】（ｎ側クラッド層６）続いて、１０５０℃
でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、アンモ
ニアを用い、アンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよ
りなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止
めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０１９／cm３ド
ープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長さ
せる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、
総膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層７を
成長させる。

【００５２】（ｎ側光ガイド層７）続いて、シランガス
を止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側光
ガイド層８を１０００Åの膜厚で成長させる。このｎ側
光ガイド層８にｎ型不純物をドープしても良い。

【００５３】（活性層８）次に、温度を８００℃にし
て、ＳｉドープＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障
壁層を１００Åの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、
アンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎよりなる井戸層を４
０Åの膜厚で成長させる。障壁層と井戸層とを２回交互
に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜厚３８０Åの多
重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性
層は本実施例のようにアンドープでもよいし、またｎ型
不純物及び／又はｐ型不純物をドープしても良い。不純
物は井戸層、障壁層両方にドープしても良く、いずれか
一方にドープしてもよい。なお障壁層にのみｎ型不純物
をドープすると閾値が低下しやすい。

【００５４】（ｐ側キャップ層９）次に、温度を１０５
０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇ
（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ側光
ガイド層１１よりもバンドギャップエネルギーが大き
い、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ０．
３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層７を３００Åの
膜厚で成長させる。

【００５５】（ｐ側光ガイド層１０）続いてＣｐ２Ｍ
ｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ側キャップ層１０よりも小さい、アンドープ
ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１１を２５００Åの膜厚
で成長させる。このｐ側光ガイド層１０は、アンドー
プ、すなわち意図的にドープしない状態で成長させる
が、ｐ側キャップ層、ｐ側クラッド層の隣接する層から
のＭｇ拡散が起こり、実際にはＭｇ濃度が５×１０¹⁶／
cm³となり、Ｍｇがドープされた層となる。

【００５６】（ｐ側クラッド層１１）続いて、１０５０
℃でアンドープＡｌ０．１６Ｇａ０．８４Ｎよりなる層
を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＣｐ２Ｍｇ、ＴＭＡ
を止め、アンドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で
成長させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側ク
ラッド層１２を成長させる。ｐ側クラッド層は少なくと
も一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバン
ドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層し
た超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に
多くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が
良くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても
良い。クラッド層１２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、
好ましくはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜X＜１）を含む超
格子構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａ
ＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側ク
ラッド層１２を超格子構造とすることによって、クラッ
ド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラ
ッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャッ
プエネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で
非常に有効である。さらに、超格子としたことにより、
クラッド層自体に発生するピットが超格子にしないもの
よりも少なくなるので、ショートの発生も低く抑えるこ
とができる。

【００５７】（ｐ側コンタクト層１２）最後に、１０５
０℃で、ｐ側クラッド層１１の上に、Ｍｇを１×１０２
０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト
層１２を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト
層はｐ型のＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦X、０
≦Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭ
ｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ま
しいオーミック接触が得られる。コンタクト層１２は電
極を形成する層であるので、１×１０１７／cm３以上の
高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０１７／
cm３よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが
難しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧ
ａＮとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られ
やすくなる。

【００５８】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コン
タクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガ
スによりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形
成すべきｎ側コンタクト層４の表面を露出させる。この
ように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜と
してＳｉＯ２が最適である。

【００５９】次にストライプ状のリッジ導波路を形成す
る方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すよう
に、最上層のｐ側コンタクト層１２のほぼ全面に、ＰＶ
Ｄ装置により、Ｓｉ酸化物（主として、ＳｉＯ２）より
なる第１の保護膜６１を０．５μｍの膜厚で形成した
後、第１の保護膜６１の上に所定の形状のマスクをか
け、フォトレジストよりなる第３の保護膜６３を、スト
ライプ幅２μｍ、厚さ１μｍで形成する。ここで、第１
の保護膜６１は、特に絶縁性は問わず、窒化物半導体の
エッチング速度と差がある材料であればどのような材料
でも良い。例えばＳｉ酸化物（ＳｉＯ２を含む）、フォ
トレジスト等が用いられ、好ましくは、後に形成する第
２の保護膜との溶解度差を設けるために、第２の保護膜
よりも酸に対して溶解されやすい性質を有している材料
を選択する。酸としてはフッ酸を好ましく用い、そのた
めフッ酸に対して溶解しやすい材料として、Ｓｉ酸化物
を好ましく用いる。

【００６０】次に、図３（ｂ）に示すように第３の保護
膜６３形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置
により、ＣＦ４ガスを用い、第３の保護膜６３をマスク
として、前記第１の保護膜をエッチングして、ストライ
プ状とする。その後エッチング液で処理してフォトレジ
ストのみを除去することにより、図３（ｃ）に示すよう
にｐ側コンタクト層１２の上にストライプ幅２μｍの第
１の保護膜６１が形成できる。

【００６１】さらに、図３（ｄ）に示すように、ストラ
イプ状の第１の保護膜６１形成後、再度ＲＩＥによりＳ
ｉＣｌ４ガスを用いて、ｐ側コンタクト層１２、および
ｐ側クラッド層１１、ｐ側光ガイド層１０をエッチング
して、ｐ側光ガイド層のエッチングされた領域（突出部
以外の領域）における膜厚が１０００Åとなる深さのス
トライプ状の導波路領域として、リッジストライプを形
成する。

【００６２】リッジストライプ形成後、ウェーハをＰＶ
Ｄ装置に移送し、図３（ｅ）に示すように、Ｚｒ酸化物
（主としてＺｒＯ２）よりなる第２の保護膜６２を、第
１の保護膜６１の上と、エッチングにより露出されたｐ
側光ガイド層１１の上（突出部以外の領域）に０．５μ
ｍの膜厚で連続して形成する。

【００６３】ここで、第２の保護膜の材料としてはＳｉ
Ｏ２以外の材料、好ましくはＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈ
ｆ、Ｔａよりなる群から選択された少なくとも一種の元
素を含む酸化物、ＳｉＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮの内の
少なくとも一種で形成することが望ましく、その中でも
Ｚｒ、Ｈｆの酸化物、ＢＮ、ＳｉＣを用いることが特に
好ましい。これらの材料はフッ酸に対しても多少溶解す
る性質を有しているものもあるが、レーザ素子の絶縁層
にすれば埋め込み層としてＳｉＯ２よりもかなり信頼性
が高くなる傾向にある。またＰＶＤ、ＣＶＤのような気
相で成膜した酸化物系薄膜は、その元素と酸素とが当量
反応した酸化物となりにくいので、酸化物系薄膜の絶縁
性に対する信頼性が不十分となりにくい傾向にあるが、
本発明で選択した前記元素のＰＶＤ、ＣＶＤによる酸化
物、ＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮはＳｉ酸化物よりも絶縁性に
対して信頼性に優れている傾向にある。しかも酸化物の
屈折率を窒化物半導体よりも小さいもの（例えばＳｉＣ
以外のもの）を選択すると、レーザ素子の埋め込み層と
して非常に都合がよい。さらにまた、第１の保護膜６１
をＳｉ酸化物とすると、Ｓｉ酸化物に対して、フッ酸に
よる選択性を有しているため、図３（ｅ）に示すように
ストライプ導波路の側面、そのストライプが形成されて
いる平面（エッチストップ層）、及び第１の保護膜６１
の表面に連続して形成すると、リフトオフ法により、第
１の保護膜６１のみを除去すると、図３（ｆ）に示すよ
うな、平面に対して膜厚が均一な第２の保護膜６２を形
成することができる。

【００６４】第２の保護膜６２形成後、ウェーハを６０
０℃で熱処理する。このようにＳｉＯ２以外の材料を第
２の保護膜として形成した場合、第２の保護膜成膜後
に、３００℃以上、好ましくは４００℃以上、窒化物半
導体の分解温度以下（１２００℃）で熱処理することに
より、第２の保護膜が第１の保護膜の溶解材料（フッ
酸）に対して溶解しにくくなり、この工程を加えること
がさらに望ましい。

【００６５】次に、ウェーハをフッ酸に浸漬し、図３
（ｆ）に示すように、第１の保護膜６１をリフトオフ法
により除去する。

【００６６】次に図３（ｇ）に示すように、ｐ側コンタ
クト層１２の上の第１の保護膜６１が除去されて露出し
たそのｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ
電極２０を形成する。但しｐ電極２０は１００μｍのス
トライプ幅として、この図に示すように、第２の保護膜
６２の上に渡って形成する。第２の保護膜形成後、既に
露出させたｎ側コンタクト層５の表面にはＴｉ／Ａｌよ
りなるｎ電極２１をストライプと平行な方向で形成す
る。

【００６７】次に、ｎ電極を形成するためにエッチング
して露出された面でｐ，ｎ電極に、取り出し電極を設け
るため所望の領域にマスクし、ＳｉＯ２とＴｉＯ２より
なる誘電体多層膜６４を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ
−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）
よりなる取り出し（パット）電極２２，２３をそれぞれ
設けた。

【００６８】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面（（１１−００）面、六方晶
系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。こ
の共振器面にＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜
を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断し
て図１に示すようなレーザ素子とする。なおこの時の共
振器長は８００μｍであった。

【００６９】このレーザ素子をヒートシンクに設置し、
それぞれのパット電極をワイヤーボンディングして、室
温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２
０ｎｍ、発振しきい電流密度２．９ｋＡ／cm２において
単一横モードでの室温連続発振を示した。次に、レーザ
光のＦ．Ｆ．Ｐ．を測定したところ、水平方向で１６°
〜２０°の良好な水平横モードが得られた。また、水平
横モードは、比較例１とほぼ同程度に良好で、アスペク
ト比は、２であった。加えて、厚膜の光ガイド層によ
り、光の閉じ込めが良好となり、比較例１に比べてリッ
プルの発生を大幅に抑制できた。

【００７０】［実施例２］ｎ側光ガイド層の膜厚が、２
０００Åであることを除いて、実施例１と同様に、レー
ザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べ
て、横モードの制御に僅かに劣り、Ｆ．Ｆ．Ｐ．のｘ方
向は、１４°で、アスペクト比は２であるが、比較例１
に比べて大幅に向上しているものである。アスペクト比
が２．５以下であるため、光情報機器への応用がより簡
単なものとなる。また、光の閉じ込めについては、実施
例１と同様に良好で、リップルの発生も大幅に減少して
いた。出力特性については、ｐ側光ガイド層とｎ側光ガ
イド層に挟まれる導波路領域の膜厚が、５０００Å以上
となるため、実施例１に比べて閾値電流が上昇してお
り、素子も実施例１に比べて劣るものであった。

【００７１】［実施例３］ｐ側光ガイド層の膜厚を、３
０００Å、突出部以外の領域における膜厚が１０００
Å、すなわちエッチングをｐ側光ガイド層の膜厚が１０
００Åとなる深さで実施する他は実施例１と同様にし
て、レーザ素子を得る。得られるレーザ素子は、実施例
１に比べて、同程度に良好なレーザ光が得られ、Ｆ．
Ｆ．Ｐ．のｘ方向のビームの広がりは、１８°であり、
アスペクト比も１．４と実用に十分なものであった。更
に、ｐ側光ガイド層の膜厚を３５００Åとして、ｐ側光
ガイド層の突出部の高さを２５００Å（突出部以外の領
域の膜厚を１０００Å）としたところ、閾値電流の上昇
があり、素子寿命も低下する傾向にあったが、出射され
る光のビーム形状については、ほぼ同程度のものであっ
た。これは、活性層を挟む両光ガイド層の膜厚の総和
が、５０００Åを超えたことによる影響と思われる。

【００７２】［実施例４］ｐ側光ガイド層の突出部のス
トライプ幅、すなわちストライプ状のリッジ導波路の幅
を３μｍとする他は、実施例１と同様にして、レーザ素
子を得る。得られるレーザ素子は、実施例１に比べて、
実施例１に比べて、水平横モードの制御が劣るものとな
り、Ｆ．Ｆ．Ｐ．のアスペクト比は２と、実施例１に比
べて劣るものであった。また、実施例１に比べて単一横
モードでの発振の安定性に劣り、キンクの発生する不良
品となる素子の割合が高くなる傾向にあった。このた
め、更に好ましくはストライプ幅は２μｍ±０．５μｍ
（１．５μｍ以上２．５μｍ以下）の範囲にあること
で、横モードの制御性に素子ばらつきが少なく、レーザ
光のアスペクト比も良好で、単一モード発振のレーザ素
子が得られる。

【００７３】［実施例６］本発明の一実施形態として、
実施例１よりも長波長、具体的には４８０nm以上の長波
長のレーザ素子について以下説明する。Ｃ面を主面とす
るサファイアよりなる異種基板１の上に、実施例１と同
様にＧａＮよりなるバッファ層２を２００Å、アンドー
プＧａＮよりなる下地層３を４μｍを成長させ、その上
にＳｉを１×１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなる
ｎ側コンタクト層４を４．５μｍ、ＳｉドープのＩｎ
０．３Ｇａ０．７Ｎよりなる中間層５を成長させる。こ
の時、中間層は、省略が可能である。

【００７４】（ｎ側クラッド層６）次に、ＴＭＧ、アン
モニア、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を流し、１
０５０℃にしてアンドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ
よりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを
止めて、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０１９／cm３
ドープしたｎ型ＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長
させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成
し、総膜厚０．２μｍ〜１．５μｍ、好ましくは０．７
μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層６を成長させる。
ｎ側クラッド層は、Ａｌを含む窒化物半導体層、好まし
くはＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ＜１）を含む超格子構
造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮとＡ
ｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。超格子とした
場合、不純物はいずれか一方の層に多くをドープして、
いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良くなる傾向にあ
るが、両方に同じようにドープしても良い。

【００７５】（ｎ側光ガイド層７）続いて、シランガス
を止め、ＴＭＩを流し、８５０℃〜９５０℃、好ましく
は８８０℃でアンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりな
る層を１０Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＩを止め
て、アンドープＧａＮよりなる層を１０Åの膜厚で成長
させる。それらの層を交互に積層して超格子層を構成
し、総膜厚５０Å〜２５００Å、好ましくは５００Å〜
８００Å、更に好ましくは７５０Åの超格子よりなるｎ
側光ガイド層７を成長させる。

【００７６】（活性層８）続いて、ＴＭＩを流し、７５
０℃〜８５０℃、好ましくは８２０℃でアンドープＩｎ
０．４Ｇａ０．６Ｎからなる井戸層を３０Å、アンドー
プＩｎ０．３Ｇａ０．７Ｎからなるキャップ層を１０
Å、続いて８５０℃〜９５０℃、好ましくは８８０℃で
アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるバリア層
を６０Å成長させ、これを１ペアとして合計６ペア積層
した活性層８を成長させる。

【００７７】（ｐ側キャップ層９）次にＴＭＩを止め、
ＴＭＡを流し、８５０℃〜９５０℃、好ましくは８８０
℃で、Ｍｇを１×１０２０／cm３ドープしたｐ型Ａｌ
０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるキャップ層９を１０Å以
上、０．１μｍ以下、好ましくは１００Åの膜厚で成長
させる。

【００７８】（ｐ側光ガイド層１０）続いて、ＴＭＡを
止め、ＴＭＩを流し、８５０℃〜９５０℃、好ましくは
８８０℃で、アンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりな
る層を１０Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＩを止め
て、Ｍｇを１×１０１８〜３×１０１８／cm３ドープし
たＧａＮよりなる層を１０Åの膜厚で成長させる。それ
らの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚５０
Å〜２５００Å、好ましくは５００Å〜８００Å、更に
好ましくは７５０Åの超格子よりなるｐ側光ガイド層１
０を成長させる。

【００７９】（ｐ側クラッド層１１）続いて、ＴＭＡを
流して、８５０℃〜１０５０℃でアンドープＡｌ０．１
５Ｇａ０．８５Ｎよりなる層を２５Åの膜厚で成長さ
せ、続いてＴＭＡを止めて、Ｍｇを３×１０１８〜５×
１０１８／cm３ドープしたＧａＮよりなる層を２５Åの
膜厚で成長させる。それらの層を交互に積層して超格子
構造を構成し、総膜厚０．２μｍ〜１．５μｍ、好まし
くは０．７μｍの超格子よりなるｐ側クラッド層１１を
成長させる。

【００８０】（ｐ側コンタクト層１２）最後に、８５０
℃〜１０５０℃でｐ側クラッド層１０の上に、Ｍｇを１
×１０２０／cm３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コ
ンタクト層１２を１５０オングストロームの膜厚で成長
させる。ｐ側コンタクト層はｐ型のＩｎＸＧａＹＡｌ１
−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で構成する
ことができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＮとすれば、ｐ電極と最も好ましいオーミック接触
が得られる。コンタクト層１２は電極を構成する層であ
るので、１×１０１８／cm３以上の高キャリア濃度とす
ることが望ましい。１×１０１８／cm３より低いと、電
極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にあ
る。さらにコンタクト層の組成をＧａＮ、ＩｎＧａＮ若
しくは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮを含む超格子とすると、電
極材料と好ましいオーミックが得られやすくなる。

【００８１】以上の各層を積層した後、実施例１と同様
に、エッチングして、ｎ側コンタクト層４の表面を露出
させ、更にストライプ状のリッジ導波路を形成して、ｎ
電極２１，ｐ電極２０、誘電体多層膜６４、取り出し電
極２２，２３を形成して、レーザ素子を得る。得られる
レーザ素子は、閾値電流密度２．０ｋＡ／cm２、閾値電
圧４．０Ｖで、発振波長４８０ｎｍの連続発振が確認さ
れ、１０００時間以上の寿命を示した。また、そのレー
ザ光は、Ｆ．Ｆ．Ｐ．において、ビーム形状の水平方向
（ｘ方向）が広く１７°程度であり、アスペクト比も
１．５程度と良好なものであった。長波長のレーザ素子
でも、良好なレーザ光で、発振しきい電流も低く良好な
もので、寿命特性も良好なものが得られる。

【００８２】［比較例１］ｐ側光ガイド層、及びｎ側光
ガイド層の膜厚が、１０００Åであることを除いて、実
施例１と同様にレーザ素子を形成した。得られたレーザ
素子は、同程度の発振しきい電流であったが、Ｆ．Ｆ．
Ｐ．において、ｘ方向の広がりが狭く８°程度であり、
そのアスペクト比も３．２程度であった。

【００８３】［参考例１]参考例として、基板の上に表
１に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層までの各
層を順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導
波路を形成し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これ
らのコンタクト層にｐ，ｎ電極を形成して、図５に示す
レーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形
成する際のエッチング深さとしては、ｐ側クラッド層の
膜厚が０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方
向）で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）とな
る深さである。

【００８４】

【表１】

【００８５】得られるレーザ素子は、光ガイド層とｐ側
キャップ層を有しているレーザ素子に比べて、駆動電流
が大幅に上昇する傾向にあり、１００ｍＡ近傍のものも
あった。

【００８６】［参考例２］参考例として、基板の上に表
２に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層まで順に
積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波路を形
成し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これらのコン
タクト層にｐ，ｎ電極を形成して、図６に示すレーザ素
子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成する際
のエッチング深さとしては、ｐ側クラッド層の膜厚が
０．１μｍとなる位置より下（活性層に近づく方向）
で、活性層よりも上（活性層に達しない深さ）となる深
さである。

【００８７】

【表２】

【００８８】得られるレーザ素子は、参考例１に比べ
て、駆動電流が１０〜２０ｍＡ程度低くなる傾向にあ
る。

【００８９】［変形例１］変形例として、基板の上に表
３に示すｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層までの各
層順に積層し、エッチングにより、ストライプ状の導波
路を形成し、更にｎ側コンタクト層を露出させ、これら
のコンタクト層にｐ，ｎ電極を形成して、図７に示すレ
ーザ素子を得る。この時、ストライプ状の導波路を形成
する際のエッチング深さとしては、具体的にはｐ側クラ
ッド層の膜厚が０．１μｍとなる位置より下（活性層に
近づく方向）で、活性層よりも上（活性層に達しない深
さ）となる深さである。好ましくは、上述したように、
ストライプ状のリッジ導波路がｐ側光ガイド層２１０に
達する深さで形成し、さらに具体的には実施例１と同様
に、膜厚１０００Åとなる深さで形成する。

【００９０】

【表３】

【００９１】得られるレーザ素子は、ｐ側キャップ層を
有するレーザ素子に比べて、駆動電圧Ｖｆが、下がる傾
向にあるものの、閾値電流が５〜６倍に上昇する傾向に
あり、得られるレーザ素子の多くがレーザ発振を示さな
い傾向にある。また、ｐ側光ガイド層の膜厚を２．５μ
ｍ、ｎ側光ガイド層の膜厚を１．５μｍとして、ｐ側光
ガイド層をｎ側よりも厚くして得られるレーザ素子は、
上記に加えて、ストライプ状の導波路による横モードの
制御が良好なものとなり、アスペクト比などの光学特性
に優れるレーザ素子が得られる。このように、両光ガイ
ド層の膜厚差が、１μｍであると、上述した光分布がｐ
側光ガイド層側に偏らせることによるモード制御性向上
の効果が、十分に得られる傾向にある。この両光ガイド
層の膜厚差としては、５００Å以上であれば前記傾向が
みられる。

【００９２】（長波長域のレーザ素子）本発明のレーザ
素子において、４５０ｎｍ以上、具体的には４５０以上
５２０ｎｍ以下の、青色〜緑色の長波長領域では、以下
の層構成とすることが好ましい。ただし、本発明は、こ
の波長域に限定されるものではない。長波長域におい
て、活性層として、井戸層、障壁層に加えて、その間に
中間層を設けることが発振特性の向上につながり好まし
い。

【００９３】短波長域、具体的には４５０ｎｍ以下の波
長域、に用いる活性層では、ＩｎＧａＮからなる井戸
層、その井戸層よりバンドギャップエネルギーの大きい
障壁層で挟んだ量子井戸構造で、具体的にはＩｎＧａＮ
からなる井戸層とその井戸層とは混晶比若しくは組成の
異なるＡｌＧａＩｎＮからなる障壁層を用いる。このよ
うな構造として、障壁層／井戸層／障壁層の単一量子井
戸構造（ＳＱＷ）、井戸層と障壁層とを繰り返し積層し
た多重量子井戸構造（ＭＱＷ）が用いられている。しか
し、この井戸層と障壁層とは、混晶比もしくは組成が異
なるため、それぞれの層成長時に適した温度が異なるこ
ととなり、その成長が困難な傾向になる。この場合、井
戸層の上に、それよりも成長温度を高くして障壁層を成
長することとなる。これは、Ｉｎを有する井戸層におい
て、障壁層成長時の昇温過程で、Ｉｎの分解が発生し、
発光ピークの鋭いものが得られなくなる。また、障壁層
を井戸層とほぼ同じ温度で形成したとしても、活性層の
形成後に続く、他の層（クラッド層、ガイド層）を形成
する際にも、良好な結晶成長のためには昇温過程が必要
となる。このような成長困難性は、発振波長が長くなる
につれて、顕著なものとなる傾向にあり、上記長波長域
では中間層を設けることが好ましい。

【００９４】このため、上記中間層を介することで、上
記昇温による問題を解決できる。この中間層を設けるこ
とで、上記Ｉｎの分解を部分的なものとして観察される
傾向にあり、また中間層そのもののが凹凸を呈する表面
形態として観察される傾向にあり、これらのことが駆動
電圧や閾値電圧の大幅な低下に寄与しているものと考え
られる。この中間層は、井戸層と障壁層との間に設ける
ものであり、そのバンドギャップエネルギーが、障壁層
よりも大きいものである。この中間層は、活性層がＭＱ
Ｗである場合には、少なくとも１層の井戸層上に設ける
必要があり、全ての井戸層の上に設けることで、井戸層
上の障壁層の全てについて上記問題が解決でき好まし
い。

【００９５】また、中間層の膜厚としては、障壁層の膜
厚より薄くして、１原子層以上１００Å以下の範囲とす
ることが好ましい。これは膜厚が１００Å以上となるこ
とで、中間層と障壁層との間にミニバンドが形成され、
発振特性が悪化する傾向にあるためである。この時の障
壁層としては、１０Å以上４００Å以下の範囲とする。
更に、中間層の組成として、好ましくはＡｌ_uＧａ_1-uＮ
（０≦ｕ≦１）とすることで、上記Ｉｎの部分的な分
解、中間層の表面形態による駆動電圧や閾値電圧の低下
傾向を示し、更に好ましくは、Ａｌ_vＧａ_1-vＮ（０．３
≦ｖ≦１）とすることで上記各電圧の低下を大きくする
ことができる。

【００９６】［変形例２］基板上に、以下の表４に示す
ｎ側コンタクト層〜ｐ側コンタクト層を順に積層して、
レーザ素子構造を形成した。次に、ストライプ幅１．８
μｍ、ｐ側コンタクト層側からｐ側光ガイド層の膜厚が
５００Åとなる深さまで、エッチングすることで、スト
ライプ状のリッジ導波路を形成し、その他は実施例と同
様に、更にエッチングによりｎ側コンタクト層を露出さ
せ、各コンタクト層の上に、ｐ，ｎ電極を形成して、チ
ップを取り出して図８に示すようなレーザ素子を得た。
なお、図中２０８ａは中間層、２０８ｂは井戸層、２０
８ｃは障壁層を示すものであり、図８は、活性層２０８
の構造を拡大して模式的に示している。

【００９７】

【表４】

【００９８】得られたレーザ素子は、波長４５０nmであ
り、室温において閾値電流密度２．０ｋＡ／cm²、で１
０００時間以上の連続発振が確認された。これは、スト
ライプ状の導波路形成時のエッチング深さが、ｐ側光ガ
イド層に達しない深さのレーザ素子に比べても、横モー
ドの制御性、Ｆ．Ｆ．Ｐ．におけるアスペクト比に優れ
たものが得られる。また、ｐ側光ガイド層を１３００Å
として、ｎ側光ガイド層との膜厚差を十分なものとする
ことで、更に好ましいレーザ素子を得ることができる。

【００９９】［変形例３］基板上に積層する素子構造
が、以下の表５の通りであることを除いて、変形例２と
同様にして、レーザ素子を得る。

【０１００】

【表５】

【０１０１】得られるレーザ素子は、発振波長が510nm
であり、良好なレーザ素子が得られる。変形例２に比べ
て、活性層をＭＱＷからＳＱＷとしたことによる素子特
性の低下は僅かなものとなる傾向にあるが、活性層中の
中間層がＧａＮであることにより、中間層を設けること
による効果が低くなる傾向がみられる。しかしながら、
変形例２と同様に、本発明のストライプ状の導波路を有
することで、横モードの安定性、素子寿命に優れたレー
ザ素子が得られ、長波長域にも本発明は適用できる。ま
た、ｐ側光ガイド層を１３００Åとして、ｎ側光ガイド
層との膜厚差を十分なものとすることで、更に好ましい
レーザ素子を得ることができる。

【０１０２】［変形例４］実施例１と同様に、異種基板
上にバッファ層、下地層を形成した後、Ｓｉを１×１０
¹⁸／cm²ドープしたＧａＮを１００μｍの膜厚で成長さ
せる。続いて、ウエハの裏面、すなわち、窒化物半導体
を成長させた異種基板の主面に対向する面側から、研磨
して、基板を除去し、窒化物半導体のみとする。次に、
基板除去した面とは反対側の面の窒化物半導体２０４を
主面として、図９に示すように、実施例１と同様の、ｎ
側クラッド層２０６、ｎ側光ガイド層２０７、活性層２
０８、ｐ側キャップ層２０９、ｐ側光ガイド層２１０、
ｐ側クラッド層２１１、ｐ側コンタクト層２１２を順に
積層する。続いても、実施例１と同様に、７００℃でア
ニールを行いｐ型導電層を更に低抵抗化し、反応容器か
らウェーハを取り出し、ＲＩＥ装置に移して、エッチン
グにより幅約３μｍのストライプ状の導波路を形成す
る。この時、エッチング深さは、ｐ側光ガイド層の膜厚
に達する深さで、その膜厚が５００Åとなる位置となる
深さで形成する。つづいて、ｐ側コンタクト層２１２の
最上面にＮｉ／Ａｕからなるｐ電極２２０を形成し、こ
のｐ電極２２０を除くエッチング露出面に、ＳｉＯ₂よ
りなる絶縁膜２６４を形成し、ｐ電極２２０に電気的に
接続する取り出し電極２２２を絶縁膜２６４にまたがっ
て形成し、ウェーハの裏面（ｎ側コンタクト層表面）に
Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極２２１、その上にヒートシン
クとのメタライゼーション用にＡｕ／Ｓｎよりなる薄膜
を形成する。最後に、ｎ電極２２１が設けられたウェー
ハ面側からスクライブし、ＧａＮのＭ面［（１１−０
０）面］でウェーハを劈開してバー状とした後、共振面
を作製する。互いに対向する一対の共振面の内、少なく
とも一方にＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜のミ
ラーを設け、最後に共振器方向にほぼ垂直に切断して、
レーザ素子チップ得る。得られるレーザ素子は、実施例
１に比べて、ストライプ幅が広いために、横モードの安
定性に少し劣るものの、電流―光出力曲線において、キ
ンクの発生のない良好な特性を有している。このこと
は、本発明がこのような設計変更に影響されず、良好な
素子特性の向上を奏しうることを示唆するものである。

【０１０３】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体レーザ素子は、従
来の出力特性を確保しながら、レーザ素子の光学特性、
特にレーザ光のＦ．Ｆ．Ｐ．を良好なものが得られ、ア
スペクト比も大幅に改善された。また、光の閉じ込め効
果が増大させることができたため、良好な導波路の形成
が可能となり、素子寿命の向上も確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ素子を説明する断面模式図。

【図２】本発明のレーザ素子を説明する一部拡大した模
式図。

【図３】本発明の一実施形態の製造方法を説明する模式
図。

【図４】本発明のレーザ素子におけるエッチング深さと
素子特性の関係を説明する図。

【図５】本発明の変形例１に係るレーザ素子の模式断面
図。

【図６】本発明の変形例２に係るレーザ素子の模式断面
図。

【図７】本発明の変形例３に係るレーザ素子の模式断面
図。

【図８】本発明の変形例４，５に係るレーザ素子の模式
断面図。

【図９】本発明の変形例６に係るレーザ素子の模式断面
図。

【符号の説明】

１，２０１・・・異種基板 ２，２０２・・・バッファ層 ３，２０３・・・下地層 ４，２０４・・・ｎ側コンタクト層 ５，２０５・・・クラック防止層 ６，２０６・・・ｎ側クラッド層 ７，２０７・・・ｎ側光ガイド層 ８，２０８・・・活性層 ９，２０９・・・ｐ側キャップ層 １０，２１０・・・ｐ側光ガイド層 １１，２１１・・・ｐ側クラッド層 １２，２１２・・・ｐ側コンタクト層 ６１，２６１・・・第１の保護膜 ６２，２６２・・・第２の保護膜 ６３，２６３・・・第３の保護膜 ２０，２２０・・・ｐ電極 ２１，２２１・・・ｎ電極 ２２，２２２・・・ｐパッド電極 ２３，２２３・・・ｎパッド電極

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Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体か
   らなるｎ側光ガイド層と、活性層と、ｐ型窒化物半導体
   からなるｐ側光ガイド層とを有する窒化物半導体レーザ
   素子において、 前記ｐ側光ガイド層が、ｎ側光ガイド層の膜厚より厚い
   ことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】前記ｐ側光ガイド層のストライプ状の突出
   部を有すると共に、該突出部の上にｐ型窒化物半導体層
   を有し、該ｐ側光ガイド層の突出部の膜厚が１μｍ以下
   であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体レ
   ーザ素子。
3. 【請求項３】前記ｐ側光ガイド層の突出部及び、該突出
   部上のｐ型窒化物半導体層が、ｐ型窒化物半導体層側か
   らエッチングすることにより形成されたストライプ状の
   リッジ導波路であることを特徴とする請求項１又は２記
   載の窒化物半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】前記ｐ側光ガイド層の膜厚が、２５００Å
   以上であることを特徴とする請求項１乃至３記載の窒化
   物半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】前記ｐ側光ガイド層は、突出部以外の領域
   における膜厚が、５００Å以上１０００Å以下であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至４記載の窒化物半導体レー
   ザ素子。
6. 【請求項６】前記突出部のストライプ幅が、１μｍ以上
   ３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５記載
   の窒化物半導体レーザ素子。
7. 【請求項７】前記ｐ側光ガイド層は、ＩｎｘＧａ１−ｘ
   Ｎ（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１乃至
   ６記載の窒化物半導体レーザ素子。