JP2002111134A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2002111134A
JP2002111134A JP2000301435A JP2000301435A JP2002111134A JP 2002111134 A JP2002111134 A JP 2002111134A JP 2000301435 A JP2000301435 A JP 2000301435A JP 2000301435 A JP2000301435 A JP 2000301435A JP 2002111134 A JP2002111134 A JP 2002111134A
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gan
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laser device
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Masaaki Onomura
正明 小野村
Mariko Natori
真理子 名取
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正行 石川
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Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高密度型光ディスクシステムで要求されるビー
ム特性が得られる信頼性の高い窒化物系半導体レーザ装
置を提供する。 【解決手段】ＧａＮコンタクト層１１とＧａＡｌＮ／Ｇ
ａＮ超格子構造クラッド層１３との間にＧａ１−ｘＡｌ
ｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．０８）からなる格子不整合層
１２を挿入し、ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド
層１３上に形成された少なくとも活性層１６を含むコア
領域２４と、このコア領域２４上に形成されたＧａＡｌ
／ＧａＮ超格子構造クラッド層１９とを具備する半導体
レーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒素を含むIII−
Ｖ族化合物半導体からなる半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高密度光ディスクシステムにおけ
る光ディスクの読み出し書き込み手段として半導体レー
ザ装置が用いられており、記録密度を高めるために半導
体レーザ装置の短波長化、高出力化の開発が進められて
いる。現在ＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いた波長
６００ｎｍ帯光源の半導体レーザ装置が開発され、ＤＶ
Ｄ等の光ディスクシステムが実現されている。
【０００３】そして更に記録密度を高めるために、Ｉｎ
ＧａＡｌＢＮ系化合物半導体を用いたＧａＮ系半導体レ
ーザ装置の開発が盛んに行われている。ＧａＮ系半導体
レーザは、波長を３５０ｎｍ以下まですることが可能
で、信頼性に関しても数千時間以上の室温連続発振、Ｌ
ＥＤにおいては１万時間以上の信頼性が確認されるなど
有望である。すなわちＧａＮ系は材料的に次世代の光デ
ィスクシステム光源に必要な条件を満たすことのできる
優れた材料である。
【０００４】小型高性能化が望まれる光ディスクシステ
ムに用いられる半導体レーザ装置の要求される特性とし
て、基本モードで高光出力まで連続発振し、且つ小型
化、集積化のために低消費電力で発熱を抑制することが
重要となる。
【０００５】図５に、従来のＩｎＧａＡｌＢＮ系化合物
半導体を用いた半導体レーザ装置の断面図を示す。
【０００６】サファイア基板８０上にｎ型ＧａＮコンタ
クト層８１が形成され、このｎ型ＧａＮコンタクト層８
１上にｎ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮからなる超格子構造クラ
ッド層８３が形成されている。このｎ型ＧａＡｌＮ／Ｇ
ａＮ超格子構造クラッド層８３上には、下からｎ型Ｇａ
Ｎ導波層８４、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ）活性
層８６、ｐ型ＧａＡｌＮキャップ層８７、ｐ型ＧａＮ導
波層８８からなるコア領域９４が形成されている。符号
８５はｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層で、符号８
７はｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー防止層であり、それ
ぞれ電荷閉じ込めを行うために用いる。
【０００７】このコア領域９４上にはｐ型ＧａＡｌＮ／
ＧａＮからなる超格子構造クラッド層８９が形成され、
このｐ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮからなる超格子構造クラッ
ド層８９上にｐ型ＧａＮコンタクト層９０が形成され凸
形状のストライプ状にエッチバックされている。
【０００８】ｐ型ＧａＮコンタクト層９０上にはｐ側電
極９１、ｎ型ＧａＮコンタクト層８１上にはｎ側電極８
２が形成され、全体が絶縁膜９３で覆われている。符号
９５はｐ側電極９１上に形成された電極パッドである。
【０００９】図６は、このように形成されたＩｎＧａＡ
ｌＢＮ系化合物半導体レーザ装置の各層の屈折率を示し
たものである。
【００１０】このように構成された半導体レーザ装置
は、ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層８６において電子と
正孔が再結合し、レーザ発振する。このｎ型ＧａＡｌＮ
／ＧａＮ超格子構造クラッド層８３及びｐ型ＧａＡｌＮ
／ＧａＮ超格子構造クラッド層８９の屈折率はコア領域
の屈折率よりも低くなっているので光を閉じ込めること
ができる。
【００１１】しかしながらＩｎＧａＡｌＢＮ系化合物半
導体を用いた半導体レーザ装置では各層の格子不整合と
熱膨張係数の違いによるクラック発生を抑制するために
ｎ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド層８３を厚
くできないので、コア領域９４で発生した光が、ｎ型Ｇ
ａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド層８３から抜けて
下層のｎ型ＧａＮコンタクト層８１に漏れてしまうとい
う現象がある。一方、ｎ型ＧａＮコンタクト層８１の屈
折率は発振レーザ光の実効屈折率よりも大きいので反導
波構造になる。従って、高次の垂直横モードによるレー
ザ発振が起こりやすくなるために、基本モードを達成す
ることが困難であるという問題がある。
【００１２】また、基本モードを達成しようとしてｎ型
ＩｎＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド層８３を厚
く形成しようとすると、クラックが生じない場合でさ
え、転位などの結晶欠陥が多く生じ動作電流や光出力の
経時変化の問題、漏洩電流増大による消費電力の増大と
発熱の問題が顕在化してくるという問題がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】このように従来のＩｎ
ＧａＡｌＢＮ系半導体レーザ装置では、基本モードを達
成するためには活性層で発生した光の漏れを防ぐために
ｎ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド層を厚く形
成しなければならないが、ｎ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格
子構造クラッド層を厚く形成すると、転位などの結晶欠
陥が多く生じ、動作電流や光出力の経時変化の問題、漏
洩電流増大による消費電力の増大と発熱の問題が顕在化
するという問題がある。
【００１４】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、基本モードを達成し、且つ結晶欠陥の発生
を抑制して高光出力の連続発振を達成する窒化物系半導
体レーザ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ＧａＮ層と、前記ＧａＮ層上に形成さ
れ、前記ＧａＮ層と格子不整合する第１導電型格子不整
合層と、前記第１導電型格子不整合層上に形成された第
１導電型クラッド層と前記第１導電型クラッド層上に形
成された少なくとも活性層を含むコア領域と、前記コア
領域上に形成された第２導電型クラッド層とを具備し、
前記第１導電型格子不整合層、前記第１導電型クラッド
層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層は、窒
素を含む六方晶III−Ｖ族化合物半導体からなり、前記
第１導電型格子不整合層はＧａ１−ｘＡｌｘＮ（０．０
４≦ｘ≦０．０８）であることを特徴とする半導体レー
ザ装置を提供する。
【００１６】このとき、前記第１導電型格子不整合層の
組成比ｘが０．０４≦ｘ≦０．０７であることが好まし
い。
【００１７】また、前記第１導電型クラッド層は、Ｇａ
１−ｚＡｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）層を含むこと
が好ましい。Ａｌ組成比が０．０５を下回ると、クラッ
ド層として十分な屈折率を得られない可能性があり、
０．２を越えるとクラックが発生する可能性がある。ク
ラッド層は全体としての屈折率と、結晶性とのバランス
を考慮して設計すればよい。
【００１８】また、前記第１導電型クラッド層がＧａＡ
ｌＮ／ＧａＮ超格子構造であることが好ましい。
【００１９】この場合、前記超格子構造中のＧａＡｌＮ
がＧａ１−ｚＡｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）である
ことが好ましい。
【００２０】また、本発明は、ＧａＮ層と、前記ＧａＮ
層上に直接形成された第１導電型Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ
（０．０４≦ｘ≦０．０８）層と、前記第１導電型Ｇａ
１−ｘＡｌｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．０８）層上に直接
形成された第１導電型Ｇａ１−ｚＡｌｚＮ（０．０５≦
ｚ≦０．２）クラッド層と前記第１導電型Ｇａ１−ｚＡ
ｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）クラッド層上に形成さ
れた窒素を含む六方晶III−Ｖ族化合物からなる活性層
を含むコア領域と、前記コア領域上に形成され、窒素を
含む六方晶III-Ｖ族化合物からなる第２導電型クラッド
層とを具備することを特徴とする半導体レーザ装置を提
供する。
【００２１】本発明の好ましい態様では、ＧａＮ層とＧ
ａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド層との間に、発振
レーザ光の実効屈折率よりも低い屈折率を有するＧａＡ
ｌＮ格子不整合層を設ける構造となっている。
【００２２】このＧａＡｌＮ格子不整合層は、発振レー
ザ光の実効屈折率よりも低い屈折率を有しているので、
クラッド層と合わせて光を閉じ込めるための膜厚を厚く
でき、下層のＧａＮ層への光の染み出しを防ぐことがで
きるので高光出力にいたるまで基本モードでの連続発振
を実現できる。さらにこのＧａＡｌＮ格子不整合層は、
下層のＧａＮ層からの転位や熱、歪による応力をこの半
導体単結晶層の面方向に吸収することができ、上層のク
ラッド層への増長を抑制できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の好ま
しい実施形態について詳細に説明する。
【００２４】（実施形態１）図１は、本発明の実施形態
１に係る化合物半導体レーザ装置の断面図である。
【００２５】サファイア基板１０上にｎ型ＧａＮコンタ
クト層１１が形成され、このｎ型ＧａＮコンタクト層１
１上に、ｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層
１２が形成されている。このｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ
０．０５Ｎ格子不整合層１２上にはＧａ０．８５Ａｌ
０．１５Ｎ／ＧａＮからなる超格子構造クラッド層１３
が形成されている。このｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５
Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３上には、下からｎ
型ＧａＮ導波層１４、ｎ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ
オーバーフロー防止層１５、ＩｎＧａＮ多重量子井戸
（ＭＱＷ）活性層１６、ｐ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５
Ｎオーバーフロー防止層１７、ｐ型ＧａＮ導波層１８か
らなるコア領域２４が形成されている。
【００２６】このコア領域２４上にはｐ型Ｇａ０．８５
Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮからなる超格子構造クラッド層
１９が形成され、この超格子構造クラッド層１９上にｐ
型ＧａＮコンタクト層２０が形成され凸形状のストライ
プ状にエッチバックされている。
【００２７】ｐ型ＧａＮコンタクト層２０上にはｐ側電
極２１、ｎ型ＧａＮコンタクト層１１上にはｎ側電極２
２が形成され、全体が絶縁膜２３で覆われている。符号
２５はｐ側電極２１上に形成された電極パッドである。
【００２８】図２は、このように構成された化合物半導
体レーザ装置の各層の屈折率を示したものである。
【００２９】本実施形態では、発振レーザ光の実効屈折
率よりも屈折率が高いｎ型ＧａＮコンタクト層１１と発
振レーザ光の実効屈折率よりも屈折率が低いｎ型Ｇａ
０．８ ５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層
１３との間に、発振レーザ光の実効屈折率よりも屈折率
が小さいｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層
１２が挿入されている。
【００３０】このときｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ
／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３の膜厚は１．２μ
ｍ、ｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層１２
の膜厚は０．６μｍであり、合わせて膜厚が１．８μｍ
となっている。この構造の場合、ｎ型ＧａＮコンタクト
層１１とｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層
１２との格子不整に起因する残留歪は０．１％の引っ張
り歪であるため１０μｍ以上の成長が可能であるばかり
かｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層１２の
上部は歪量が緩和されてしまう。さらに、その上部のｎ
型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラ
ッド層１３とｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０ ５Ｎ格子不整
合層１２との格子不整に起因する残留歪は超格子構造で
あるが故に０．０２％程度とほぼ無視できる程度の引っ
張り歪量になるためにクラックが生じない。
【００３１】本実施形態の化合物半導体レーザ装置で
は、コア領域２４とｎ型ＧａＮコンタクト層１１の間に
発振レーザ光の実効屈折率よりも屈折率の小さい層が膜
厚１．８μｍ形成されることによって、コア領域２４で
発振したレーザ光がｎ型ＧａＮコンタクト層１１に漏れ
ないようにできる。このようにｎ型ＧａＮコンタクト層
１１に光が染み出さないことで半導体レーザ装置の基本
モードを達成することが可能となる。
【００３２】一方で、ｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ
格子不整合層１２の膜厚分（０．６μｍ）を挿入せず
に、コア領域２４とｎ型ＧａＮコンタクト層１１の間を
厚さ１．２μｍのｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／Ｇ
ａＮ超格子構造クラッド層１３のみにした場合は、コア
領域２４での光がｎ型ＧａＮコンタクト層１１に漏れて
しまうために、高次モードでの発振となる。
【００３３】これを防ぐためには、ｎ型Ｇａ０．８５Ａ
ｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３を膜厚
１．８μｍまで成長可能であればよいが、ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層１１の直上に成長可能なｎ型Ｇａ０．８５Ａ
ｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３は１．
２μｍが限界であり、これ以上の厚さの場合にはクラッ
クが発生する。これは下地のｎ型ＧａＮコンタクト層１
１に対するｎ型Ｇａ０ ．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超
格子構造クラッド層１３の残留歪が０．１６％の引っ張
り歪として存在するためである。即ち、下地層に対して
残留歪が０．１４％以上の引っ張り歪として存在する場
合には１．８μｍ以上のｎ型Ｇａ０．８ ５Ａｌ０．１５
Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３を形成することは
不可能であることがわかった。
【００３４】また、本実施形態において、発振波長４０
０ｎｍ前後を得るためにはＩｎＧａＮ量子井戸構造活性
層における井戸層のＩｎ組成が０．１程度であることが
好ましい。量子井戸構造レーザの場合、多重井戸構造で
あるほど実効屈折率が高くなる。実効屈折率が最も低い
単一量子井戸構造の場合でさえ、発振光の実効屈折率よ
りも屈折率が下回るためのｎ型ＧａＡｌＮ格子不整合層
１２のＡｌ組成は０．０４以上とすればよい。さらに、
ｎ型ＧａＮコンタクト層１１に光が染み出さないために
は、ｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構
造クラッド層１３とｎ型ＧａＡｌＮ格子不整合層１２の
厚さは合わせて１．８μｍ以上とすればよい。
【００３５】次に、図３は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１
１（厚さ３μｍ）上にｎ型Ｇａ１− ｘＡｌｘＮ格子不整
合層１２（厚さ０．６μｍ）を形成し、このｎ型Ｇａ
１−ｘＡｌｘＮ格子不整合層１２上にｎ型Ｇａ０．８５
Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３を形
成した場合に、ｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／Ｇａ
Ｎ超格子構造クラッド層１３にクラックが発生しないク
ラッド層１３の臨界膜厚と、ｎ型Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ格
子不整合層１２のＡｌ組成ｘの関係を実験的に求めた図
である。
【００３６】図３中、□印はＧａ１−ｘＡｌｘＮ格子不
整合層１２のＡｌ組成ｘがｘ＝０、即ち、ｎ型ＧａＮコ
ンタクト層１１（厚さ３μｍ）上に直接ｎ型Ｇａ
０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層
１３を形成した場合を示した。
【００３７】また、図３中矢印Ａに示す点線は、本実施
形態における半導体レーザ装置の基本モードを得るため
に必要なｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格
子構造クラッド層１３の最低限必要な膜厚を示してい
る。ここで、図３中矢印Ａで示す点線がＡｌ組成５％付
近で折れ曲がるのはそれより高いＡｌ組成領域ではＧａ
１−ｘＡｌｘＮ格子不整合層１２の屈折率が半導体レー
ザの発振における実効屈折率より低くなるために光閉じ
込め効果が急激に増大するためである。
【００３８】図３に示すように、ｎ型Ｇａ１−ｘＡｌｘ
Ｎ格子不整合層１２のＡｌ組成ｘが０．０４以上０．０
８以下となる範囲において、ｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ
０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３の臨界膜
厚は、基本モードを得るために必要な厚さを超えてい
る。したがってこのＡｌの組成（０．０４≦ｘ≦０．０
８）の範囲においてクラックが発生せず基本モードを達
成できる化合物半導体レーザ装置を形成することができ
る。
【００３９】一方で、ｎ型Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ格子不整
合層１２のＡｌ組成ｘが０．０７＜ｘ≦０．０８におい
ては、ｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子
構造クラッド層１３へのSiドープ量を５ｘ１０１８ｃｍ
−３以上に増やした積層の場合クラックが生じ易くなる
ばかりか、さらにその上部に積層されるコア領域２４及
びｐ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造
クラッド層１９には限界膜厚とのマージンが狭くクラッ
クが発生してしまうことがある。したがってｎ型Ｇａ
１−ｘＡｌｘＮ格子不整合層１２のＡｌ組成ｘは、限界
膜厚のマージンを考慮すると０．０４≦ｘ≦０．０７で
あることが望ましい。この組成範囲であれば、超格子構
造クラッド層１３のＡｌ平均組成を高くしても容易に形
成できる。
【００４０】以上の知見に鑑みて、化合物半導体からな
る各層は、窒素を含む六方晶III−Ｖ族化合物半導体で
あり、特にＧａ１−ｘＡｌｘＮ格子不整合層１３は、屈
折率が発振レーザの実効屈折率よりも低く設定され、且
つＡｌの組成ｘが０．０４≦ｘ≦０．０８を満たし格子
定数をこの組成に対して実質的に変化させない程度のＩ
ｎやＢを含んでも問題ない。
【００４１】次に、この半導体レーザ装置に形成方法に
ついて説明する。
【００４２】ここでは窒素を含む六方晶ＩＩＩ−Ｖ族化
合物半導体層各層をＭＯＣＶＤ法によって成長した例を
示すが、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いて成
長しても良い。
【００４３】先ず、（０００１）面を主面とするサファ
イア基板１０に単結晶ＧａＮ層が形成できるための洗浄
処理等の前処理工程を行い、水素と窒素を含むキャリア
ガスの雰囲気中で１０８０℃の温度環境に設定し、ｎ型
ＧａＮコンタクト層１１（厚さ３μｍ）、ｎ型Ｇａ
０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層１２（厚さ０．６
μｍ）、ｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格
子構造クラッド層１３（厚さ１．２μｍ）、ｎ型ＧａＮ
導波層１４（厚さ０．１μｍ）、ｎ型Ｇａ０．７ ５Ａｌ
０．２５Ｎオーバーフロー防止層１５（２０ｎｍ）のｎ
型層を有機金属化学的気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により
連続して成長する。
【００４４】これらのＭＯＣＶＤ法による結晶成長には
Ｇａを含む有機金属化合物として例えばトリメチルガリ
ウム（第１原料ガス）、Ａｌを含む有機金属化合物とし
て例えばトリメチルアルミニウム（第２原料ガス）及び
Ｎを含む原料ガスとして例えばアンモニア（第３原料ガ
ス）を用いた。またこのときＡｌとＧａとの組成比の調
整は第１原料ガス及び第２原料ガスの流量を増減するこ
とで行うことができる。以後窒化ガリウム系化合物半導
体からなる各層は、これら第１原料ガス、第２原料ガス
及び第３原料ガスを用いてＭＯＣＶＤ法で成長し、Ａｌ
とＧａの組成比は第１原料ガス及び第２原料ガスの流量
比を調整することによって行う。
【００４５】ｎ型の不純物としてはＳｉを用い、Ｓｉ不
純物原料ガスとしてシラン、またはテトラエチルシラン
等の有機シランを用いる。
【００４６】次に、チャンバー内の温度を８００℃まで
降温して窒素ガス雰囲気中でＩｎＧａＮ多重量子井戸
（ＭＱＷ）活性層１６を形成する。このとき上記第１、
第３の原料ガスに加えて、Ｉｎを含む有機金属化合物と
してトリメチルインジウム（第４の原料ガス）を用い
た。
【００４７】このＩｎＧａＮ多重量子井戸構造は、Ｉｎ
０．１１Ｇａ０．８９Ｎ井戸層（３層、厚さ４ｎｍ）と
Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ障壁層（４層、厚さ８ｎ
ｍ）を交互に形成した構造となっている。
【００４８】次に、チャンバー内の温度を１０８０℃ま
で昇温して水素を含まないキャリアガス雰囲気（純粋窒
素キャリアガス雰囲気）で、ｐ型Ｇａ０．７５Ａｌ
０．２５Ｎオーバーフロー防止層１７（厚さ２０ｎｍ）
を成長する。次に、連続してｐ型ＧａＮ導波層１８（厚
さ０．１μｍ）、ｐ型ＧａＮ、ｐ型Ｇａ０．８５Ａｌ
０． １５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１９（１μ
ｍ）、ｐ型コンタクト層２０（２０ｎｍ）を成長する。
【００４９】このときｐ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎ
オーバーフロー防止層１７の形成工程において、キャリ
アガスを窒素のような不活性ガスのみとし水素ガスを流
さない条件下で温度を８００℃から１０８０℃へ昇温し
てもＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層１６が熱エッチング
されなかった。
【００５０】また、ｐ型ＧａＮ導波層１８、ｐ型Ｇａ
０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層
１９、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０の連続成長のとき
は、窒素のみの雰囲気が望ましいが、水素が含まれても
かまわない。
【００５１】また、本実施形態では、Ｉｎ０．１１Ｇａ
０．８９Ｎ井戸層／Ｉｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎ障壁層
からなる多重量子井戸活性層１６の両面に、Ｇａ
０．７５Ａｌ０．２５Ｎオーバーフロー防止層１５、１
７及びＧａＮ導波層１４、１８を設けたＳＣＨ（Ｓｅｐ
ａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓ
ｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造からなるコア領域となってい
る。
【００５２】次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２０及びｐ
型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラ
ッド層１９を幅２μｍのストライプ部分を残すように、
ｐ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造ク
ラッド層１９の途中までエッチング除去する。こうして
ストライプ上のリッジ部を形成する。ここでｐ型Ｇａ
０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層
１９のエッチングによって残された薄い部分の膜厚は、
ｐ型ＧａＮ導波層１８との界面から０．２μｍ以下とす
ることが望ましく、これにより水平横モードが基本モー
ドになるための屈折率差を得られる。
【００５３】次に、ｐ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ／
ＧａＮ超格子構造クラッド層１９からｎ型Ｇａ０．９５
Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層１２まで部分的にエッチン
グ除去する。そしてｎ型ＧａＮコンタクト層１１が露出
した上にｎ側電極２２を形成し、ｐ型ＧａＮコンタクト
層２０上にはｐ側電極２１を形成する。
【００５４】次に、ｐ側電極２１からｎ側電極２２へ側
面に沿ってリーク電流が流れないように絶縁膜９３で覆
う。
【００５５】次に、共振器長が６００μｍとなるように
チップ化し、光出射端面には強誘電体多層薄膜からなる
高反射率膜を皮膜する。さらにＣｕ、立方晶窒化砒素ま
たはダイアモンド等の熱伝導性の高いヒートシンク上に
Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等をメタライズした膜に対してＡｕＳ
ｎ共晶半田を用いて熱圧着する。電流注入のための配線
はＡｕ配線などを用いる。
【００５６】以上のようにして作成した半導体レーザ装
置では、同じ成長温度且つ同じ雰囲気ガスの環境下で、
ｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層１２（厚
さ０．６μｍ）を、ｎ型ＧａＮコンタクト層１１上に形
成し、連続してｎ型Ｇａ０． ８５Ａｌ０．１５Ｎ／Ｇａ
Ｎ超格子構造クラッド層１３を厚さ１．２μｍ成長して
もクラックが発生していなかった。しかも下地のｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層１１に発生していた１×１０１０ｃｍ
−２以上の密度で存在していた転位はｎ型Ｇａ ０．９５
Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合層１２中で緩和されていた。
更に縦方向に伸張した転位はｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ
０．０５Ｎ格子不整合層１２とｎ型Ｇａ０． ８５Ａｌ
０．１５Ｎ／ＧａＮ超格子構造クラッド層１３の界面
で、この界面に沿って横方向に伸張する傾向にあり、こ
れより上層の各化合物半導体層中では、転位密度が１×
１０４ｃｍ−２以下まで低減できた。これは電極からの
金属やドーパントが通電時の発熱によって拡散すること
を抑制できまた漏洩電流が低下できるので動作電流の経
時変化を抑制できることを示している。
【００５７】このようにして形成した本実施形態におけ
る半導体レーザ装置のレーザ特性を測定したところ、閾
値電流１２ｍＡ、発振波長４０５ｎｍ、動作電圧４．２
Ｖで室温連続発振した。このときの最大光出力は２００
ｍＷを超え、しかもキンクがない基本モードＴＥ００で
発振した。遠視野像は垂直方向半値幅２２°、水平方向
半値幅１０°の単峰ピークが得られた。さらに５０℃、
５０ｍＷ駆動における素子寿命は１００００時間以上、
０℃から９０℃における相対強度雑音は−１３５ｄＢ／
Ｈｚ以下であった。このように基本モードを達成し、且
つ高光出力の連続発振を達成する窒化物系半導体レーザ
を得ることができた。
【００５８】（実施形態２）図４は、本発明の実施形態
２に係る化合物半導体レーザ装置の断面図である。
【００５９】本実施形態による化合物半導体レーザ装置
と、実施形態１にかかる化合物半導体レーザ装置との異
なる点は、サファイア基板１０のかわりに（０００１）
面を主面とするｎ型ＧａＮ半導体基板３０を用い、ｎ側
電極４２をｎ型ＧａＮ半導体基板３０の下部に形成した
ところである。本実施形態による化合物半導体レーザ装
置においてｎ型ＧａＮ半導体基板３０は（０００１）面
を主面とする基板を用いたが、Ａ面ＧａＮ基板やＭ面Ｇ
ａＮ基板、さらには傾斜Ｃ面ＧａＮ基板等であっても良
い。
【００６０】したがって本実施形態による半導体レーザ
装置は、ｎ型ＧａＮ半導体基板３０上にｎ型ＧａＮコン
タクト層３１が形成され、このｎ型ＧａＮコンタクト層
３１上に、ｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ０．０５Ｎ格子不整合
層３２が形成されている。このｎ型Ｇａ０．９５Ａｌ
０．０５Ｎ格子不整合層３２上にはＧａ０．８５Ａｌ０
．１５Ｎ／ＧａＮからなる超格子構造クラッド層３３が
形成されている。このｎ型Ｇａ０．８５Ａｌ０．１５Ｎ
／ＧａＮ超格子構造クラッド層３３上には、下からｎ型
ＧａＮ導波層３４、ｎ型Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５Ｎオ
ーバーフロー防止層３５、ＩｎＧａＮ多重量子井戸（Ｍ
ＱＷ）活性層３６、ｐ型Ｇａ０．７５Ａｌ ０．２５Ｎオ
ーバーフロー防止層３７、ｐ型ＧａＮ導波層３８からな
るコア領域４４が形成されている。
【００６１】このコア領域４４上にはｐ型Ｇａ０．８５
Ａｌ０．１５Ｎ／ＧａＮからなる超格子構造クラッド層
３９が形成され、この超格子構造クラッド層３９上にｐ
型ＧａＮコンタクト層４０が形成され凸形状のストライ
プ状にエッチバックされている。
【００６２】ｐ型ＧａＮコンタクト層４０上にはｐ側電
極４１、ｎ型ＧａＮ半導体基板３０の裏面上にはｎ側電
極４２が形成されている。４５はｐ側電極４１上に形成
された電極パッドである。４３は絶縁膜である。
【００６３】このような化合物半導体レーザ装置におい
ても、実施形態１と同様の発振波長、最大光出力、基本
モードＴＥ００発振、遠視野像が得られた。
【００６４】また、本実施形態では、閾値電流が１０ｍ
Ａとなり、実施形態１よりも更に低減されていた。これ
は素子分離をへき開法により容易にしかも歩留まりよく
光出射端面が形成できるようになったことが起因してい
る。
【００６５】また素子寿命もｎ型ＧａＮ半導体基板３０
を用いることで、実施形態１よりも更に伸びていた。
【００６６】本実施形態では、ｎ側電極４２の接触抵抗
が低減され動作電圧は４．１Ｖと実施形態１よりも低く
なっていた。
【００６７】なお、本発明は上記実施形態１、２に限ら
れるものではなく、基板としてＳｉ、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ
２Ｏ４やＧａＡｓなどの他のIII−Ｖ族化合物半導体な
どが適用可能である。
【００６８】さらに構造、膜厚、組成などにおいては、
本発明の主旨に逸脱しない限り種々選択して適用でき
る。特に、ＩｎｓＧａｔＡｌｕＢ１−ｓ−ｔ−ｕＮ（０
≦ｓ，ｔ，ｕ，ｓ＋ｔ＋ｕ≦１）を格子不整層として用
いる場合に、下地層に対して残留歪量が０．１４％以下
の引っ張り歪であって且つレーザ発振の実効屈折率より
屈折率が低い組成であれば適用可能であることは言うま
でもない。
【００６９】また上記実施形態では、クラッド層として
ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造を示したが、例えばＧａ
ＡｌＮ単体の層にしても良い。
【００７０】また半導体レーザ装置のマウント例とし
て、Ｃｕ、ＡｌＮ，ＢＮ、ダイアモンド等、熱伝導率の
高い材料を用いると効果的である。
【００７１】さらに、マウント面として基板側のみなら
ず、活性層に近い面を用いることでさらなる放熱性の改
善を図ることができる。
【００７２】また、光ピックアップモジュールの小型化
に対応した半導体集積回路やミラー面を有する半導体集
積回路基板へマウントすることも可能である。
【００７３】
【発明の効果】本発明は、基本モードを達成し、且つ結
晶欠陥の発生を抑制して高光出力の連続発振を達成する
窒化物系半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１に係る化合物半導体レー
ザ装置の断面図。
【図２】 本発明の実施形態１に係る化合物半導体レー
ザ装置における各層の屈折率の関係を示す図。
【図３】 Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ格子不整合層のＡｌ組成
とＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子クラッド層の限界膜厚との
関係を示す図。
【図４】 本発明の実施形態２に係る化合物半導体レー
ザ装置の断面図。
【図５】 従来の化合物半導体レーザ装置の断面図。
【図６】 従来の化合物半導体レーザ装置における各層
の屈折率の関係を示す図。
【符号の説明】
１０・・・サファイア基板 １１・・・ｎ型ＧａＮコンタクト層 １２・・・ｎ型Ｇａ１−ｘＡｌｘ格子不整合層 １３・・・ｎ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド
層 １４・・・ｎ型ＧａＮ導波層 １５・・・ｎ型ＧａＡｌＮオーバーフロー層 １６・・・ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層 １７・・・ｐ型ＧａＡｌＮオーバーフロー層 １８・・・ｐ型ＧａＮ導波層 １９・・・ｐ型ＧａＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造クラッド
層 ２０・・・ｐ型ＧａＮコンタクト層 ２１・・・ｐ側電極 ２２・・・ｎ型電極 ２３・・・絶縁層 ２４・・・コア領域 ２５・・・電極パッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 正行 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA13 AA45 AA51 AA74 AA77 CA07 CB05 DA21 DA35

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ＧａＮ層と、 前記ＧａＮ層上に形成され、前記ＧａＮ層と格子不整合
    する第１導電型格子不整合層と、 前記第１導電型格子不整合層上に形成された第１導電型
    クラッド層と 前記第１導電型クラッド層上に形成された少なくとも活
    性層を含むコア領域と、 前記コア領域上に形成された第２導電型クラッド層とを
    具備し、 前記第１導電型格子不整合層、前記第１導電型クラッド
    層、前記コア領域及び前記第２導電型クラッド層は、窒
    素を含む六方晶III−Ｖ族化合物半導体からなり、 前記第１導電型格子不整合層はＧａ１−ｘＡｌｘＮ
    （０．０４≦ｘ≦０．０８）であることを特徴とする半
    導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】前記第１導電型格子不整合層の組成比ｘが
    ０．０４≦ｘ≦０．０７であることを特徴とする請求項
    １記載の半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】前記第１導電型クラッド層は、Ｇａ１−ｚ
    ＡｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）層を含むことを特徴
    とする請求項１或いは請求項２記載の半導体レーザ装
    置。
  4. 【請求項４】前記第１導電型クラッド層がＧａＡｌＮ／
    ＧａＮ超格子構造であることを特徴とする請求項１或い
    は請求項２記載の半導体レーザ装置。
  5. 【請求項５】前記超格子構造中のＧａＡｌＮがＧａ
    １−ｚＡｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）であることを
    特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
  6. 【請求項６】ＧａＮ層と、 前記ＧａＮ層上に直接形成された第１導電型Ｇａ１−ｘ
    ＡｌｘＮ（０．０４≦ｘ≦０．０８）層と、 前記第１導電型Ｇａ１−ｘＡｌｘＮ（０．０４≦ｘ≦
    ０．０８）層上に直接形成された第１導電型Ｇａ１−ｚ
    ＡｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）クラッド層と前記第
    １導電型Ｇａ１−ｚＡｌｚＮ（０．０５≦ｚ≦０．２）
    クラッド層上に形成された窒素を含む六方晶III−Ｖ族
    化合物からなる活性層を含むコア領域と、 前記コア領域上に形成され、窒素を含む六方晶III-Ｖ族
    化合物からなる第２導電型クラッド層とを具備すること
    を特徴とする半導体レーザ装置。
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