JP2003174231A

JP2003174231A - ＧａＮ系半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2003174231A
Application number: JP2001373560A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kawakami; 俊之川上; Yukio Yamazaki; 幸生山崎; Shigetoshi Ito; 茂稔伊藤; Tomoteru Ono; 智輝大野; Susumu Omi; 晋近江
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】光ピックアップ等への応用に好適なＧａＮ系
レーザ素子を歩留まりよく提供する。【解決手段】順に積層された第１導電型半導体層１０
３〜１０５と半導体活性層１０６と第２導電型半導体層
１０７〜１１０とを含むＧａＮ系半導体レーザ素子は、
共振器の長手方向と交差する横方向に関して光を閉じ込
める屈折率差を生じるように設けられたリッジストライ
プ１１１と、このリッジストライプ１１１上に設けられ
た電流注入用窓部１１４とを含み、この電流注入用窓部
１１４はリッジストライプ１１１の幅に比べて部分的に
狭くされた狭隘部を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報機器などの
光源に適用して好適なＧａＮ系半導体レーザ素子の改善
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ、Ｇａ、およびＩｎ等のＩＩＩ族元
素と、Ｖ族元素であるＮとの化合物からなるＧａＮ系半
導体は、そのエネルギーバンド構造や化学的安定性の観
点から発光素子やパワーデバイス用半導体として期待さ
れ、その応用が試みられてきた。たとえば、サファイア
基板やＧａＮ基板上に複数のＧａＮ系半導体層を積層す
ることによって青色半導体レーザを作製する試みが盛ん
に行われている。

【０００３】これらの青緑色半導体レーザのうちで、リ
ッジ型導波路を形成して半導体接合面に平行な方向に対
して屈折率差を生じさせることにより光を閉じこめてレ
ーザ発振させる例が、図１１の模式的な斜視図に示され
ている（たとえばJpn. J. Appl. Phys., Vol.37 (1998)
pp.L309-L312およびJpn. J. Appl. Phys., Vol.39 (20
00) pp.L647-L650など参照）。

【０００４】図１１のＧａＮ系半導体レーザ５００にお
いては、（０００１）面サファイア基板（図示せず）上
にＧａＮ厚膜を形成してからサファイア基板を除去し、
そのＧａＮ厚膜が（０００１）面ＧａＮ基板５０１とし
て用いられている。ＧａＮ基板５０１上には、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層５０３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層５０
４、ｎ型ＧａＮガイド層５０５、ＩｎＧａＮを利用した
多重量子井戸活性層５０６、ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層
５０７、ｐ型ＧａＮガイド層５０８、ｐ型ＡｌＧａＮク
ラッド層５０９、およびｐ型ＧａＮコンタクト層５１０
が順次積層されている。

【０００５】この半導体レーザ５００においては、ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層５０９の上部とｐ型ＧａＮコンタ
クト層５１０を含むリッジストライプ５１１が形成され
ており、半導体接合面に平行な方向に対して屈折率差を
作りつけることにより水平横モードの閉じ込めを行うス
トライプ状導波路が設けられている。

【０００６】リッジストライプ５１１の両側面には活性
層５０６からの光を吸収しないＳｉＯ₂誘電体膜５１３
が形成され、リッジストライプ頂上のみから電流注入す
るための電流狭窄構造が形成されている。また、リッジ
ストライプ部５１１における屈折率がその両脇部に比べ
て高くなり、ステップ状の屈折率分布が半導体接合面に
平行な方向に作りつけられている。

【０００７】リッジストライプ５１１の頂面上およびＳ
ｉＯ₂誘電体膜５１３上にはｐ型電極５１５が形成さ
れ、また反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって一
部露出されたｎ型ＧａＮコンタクト層５０３上にｎ型電
極５１７が形成され、これらの電極が半導体レーザ５０
０に電流を注入する役割を果たしている。

【０００８】この半導体レーザ５００では、さらに共振
器端面をドライエッチングにより形成し、リッジストラ
イプ部５１１でのステップ状屈折率分布により光閉じ込
めを行い、低閾値電流で安定した水平横モード発振が得
られている。また、その半導体レーザの寿命も1万時間
以上に達し、レーザの長寿命化やそれに伴う信頼性の向
上という観点では、ほぼ技術が完成していると考えられ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１１
のような構造のレーザにおいて光出力の高い領域まで発
振させていけば、注入電流を増加させていく過程で電流
−光出力（Ｉ−Ｌ）特性の線形性が損なわれ、光出力が
電流の増加に比例しなくなって、キンクと呼ばれる光出
力の階段状変化が現れる場合があることが知られてい
る。レーザ素子がキンクを生ずる場合、レーザビームの
出射方向の移動や出力の揺らぎを伴い、レーザの実用上
重大な問題を引き起こす。そして、キンクは、水平横モ
ードの安定性と密接に関係していると考えられる。キン
クに関して考えうる原因として、たとえば下記の２つが
挙げられる。

【００１０】第１に、ＧａＮ系レーザの活性層として頻
繁に使用されるＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）ではＩｎ
組成比の異なった領域が形成されやすく、これによりキ
ャリアが局在化してキンクを生ずる原因となる。第２
に、ＧａＮ系材料中ではキャリアの有効質量が大きいの
で、キャリアの局在化が起こってキンクを生ずる原因と
なる。したがって、キンクを防止するためには、ＧａＮ
系半導体ではその固有の物性を考慮して、他の半導体材
料と違った設計が必要となる。

【００１１】キンクの発生を防止するためにはストライ
プ状導波路の幅を狭くすることが有効であるが、同時に
電流流入経路も狭くなるので動作電圧が上昇し、それに
伴って熱をも生じるのでレーザの寿命や信頼性が悪化す
るという問題が生じる。したがって、できるだけ電流流
入経路を狭くせずに横モードの安定性を保つ構造が求め
られてきた。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上述の問題を解
決し、光ピックアップなどへの応用に好適なＧａＮ系レ
ーザ素子を歩留まりよく提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、順に積
層された第１導電型半導体層と半導体活性層と第２導電
型半導体層とを含むＧａＮ系半導体レーザ素子は、共振
器の長手方向と交差する横方向に関して光を閉じ込める
屈折率差を生じるように設けられた作りつけの高屈折率
領域と、この作りつけの高屈折領域の上方に設けられた
電流注入用窓部とを含み、この電流注入用窓部は作りつ
けの高屈折領域の幅に比べて部分的に狭くされた狭隘部
を含んでいることを特徴としている。

【００１４】なお、作りつけの高屈折領域を生じるため
にはリッジストライプを設けることが好ましく、電流注
入用窓部はリッジストライプ上に形成されていてそのス
トライプ幅に比べて部分的に狭くされた狭隘部を含んで
いることが好ましい。また、リッジストライプを埋め込
むように、リッジ埋め込み層がさらに積層されていても
よい。

【００１５】電流注入用窓部の狭隘部の数は、１から１
０の範囲内にあることが好ましい。また、作りつけの高
屈折率領域の幅Ｗ０は、１μｍ≦Ｗ０≦４μｍの範囲内
にあることが好ましい。さらに、電流注入用窓部におい
て狭隘部が幅Ｗ２を有しかつその狭隘部以外の部分が幅
Ｗ１を有し、１μｍ≦Ｗ１≦４μｍ、０．３μｍ≦Ｗ１
−Ｗ２≦０．３５μｍ、および０μｍ＜Ｗ２の条件を満
たしていることが好ましい。

【００１６】ＧａＮ系半導体レーザ素子中の活性層は、
Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなることが好まし
い。また、活性層においては、Ｎの一部がＡｓまたはＰ
で置換されてもよい。

【００１７】リッジストライプを含むＧａＮ系半導体レ
ーザ素子を製造する場合には、電流注入用窓部を形成し
た後にリッジストライプを形成することが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】（用語の定義）まず、本願明細書
において用いられているいくつかの用語の意義を明らか
にしておく。

【００１９】本願明細書において、「ＧａＮ系半導体」
とは、Ｖ族元素のＮとＩＩＩ族元素との化合物を含む六
方晶構造の窒化物系化合物半導体を意味し、Ａｌ_xＧａ_y
Ｉｎ _1-x-yＮ（０≦ｘ≦１；０≦ｙ≦１；０≦ｘ＋ｙ≦
１）の組成比で表される物質の他、そのＩＩＩ族元素の
一部（２０％程度以下）を他のＩＩＩ族元素（たとえば
Ｂ）で置換した物質や、そのＶ族元素の一部（２０％程
度以下）を他のＶ族元素（たとえばＰ、Ａｓなど）で置
換した物質をも含み、さらに数％程度のドーパント（た
とえばＺｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｅなど）を含んでいる物質
をも含む。

【００２０】「ＧａＮ系基板」とは、ＧａＮ系半導体か
らなる基板を意味する。また、ＧａＮ系半導体以外の物
質を主要成分とする異種基板上にＧａＮ系半導体厚膜を
堆積した後に所望の複数の半導体層を積層したウェハを
作製し、その後にこの異種基板を除去した場合に、その
ＧａＮ系半導体厚膜もＧａＮ系基板の範疇に含まれる。

【００２１】リッジストライプの「幅」とは、そのリッ
ジストライプの底部における幅を意味し、リッジストラ
イプの長手方向に直交する方向に沿って測定される。ま
た、リッジストライプの底部とは半導体層の堆積開始側
を指す。このように幅を規定するのは、製法上の都合な
どに起因して、リッジストライプにおける底部と頂部で
幅が違うことがあるからである。

【００２２】（実施形態１）まず、本発明者らは、図１
１の従来構造のレーザ素子でどの程度の問題が生じてい
るかを調査した。本発明者らが図１１と同様な構造のレ
ーザ素子を作製し、光出力の高い領域までレーザ発振さ
せていった場合に、光出力が０ｍＷ〜４０ｍＷの範囲内
でキンクが現れる素子が５〜６割もの頻度で発生した。
ＧａＮ系半導体レーザの応用商品の一つとして、光学情
報記録装置の光源が挙げられる。このような用途にレー
ザ素子を用いる場合には数ｍＷ〜４０ｍＷの光出力が必
要であり、４０ｍＷ以下の光出力範囲内でキンクを生じ
ない素子の歩留まりを向上させる必要があることがわか
った。

【００２３】以上の調査に基づく実施形態１について、
以下において図面を参照しつつ説明する。なお、本願の
各図において、同一部分または相当部分には同一の参照
符号が付されている。図１の斜視図、図２の平面図、お
よび図３の断面図において、本実施形態１によるＧａＮ
系半導体レーザ素子が模式的に図解されている。図１中
の点線は、ｐ電極１１５の下に隠れている誘電体膜１１
３を表している。図２では、メサ部１１６に対応する部
分のみが示され、これに隣接する領域は図示が省略され
ている。また、本実施形態１の特徴をわかりやすくする
ために、図２において、ｐ電極１１５はｐ−ＧａＮコン
タクト層１１０に接触している部分のみが描かれてい
る。

【００２４】この実施形態１のレーザ素子の作製に際し
ては、まず結晶成長用の（０００１）主面を有する厚さ
１００〜５００μｍ（たとえば４００μｍ）のＧａＮ基
板１０１を洗浄し、さらにＭＯＣＶＤ装置内において水
素（Ｈ₂）雰囲気中で約1１００℃の高温クリーニングを
行う。その後に降温して、Ｈ₂のキャリアガスと、シラ
ン（ＳｉＨ₄）、アンモニア（ＮＨ₃）、およびトリメチ
ルガリウム（ＴＭＧ）とを反応室内に導入し、約６００
℃の基板温度の下で１０ｎｍから１０μｍ（たとえば１
００ｎｍ）の厚さのｎ−ＧａＮバッファ層１０２を成長
させる。なお、バッファ層１０２は、ＧａＮ基板１０１
の表面歪の緩和および表面モフォロジや凹凸の改善（平
坦化）を目的に設けるので、ＧａＮ基板１０１の結晶性
が優れている場合には省略されてもよい。

【００２５】次に、Ｎ₂とＮＨ₃を導入しながら基板温度
を約１０５０℃まで上げ、その後にキャリアガスをＮ₂
からＨ₂に代えてＴＭＧとＳｉＨ₄を導入して、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１０３を０．１〜１０μｍ（たとえば４
μｍ）の厚さに成長させる。

【００２６】その後、ＴＭＧとトリメチルアルミニウム
（ＴＭＡ）を一定割合で導入して、厚さ０．５〜１．０
μｍ（たとえば０．９μｍ）のｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層
を堆積することによって、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１
０４を形成する。そして、ＴＭＡの供給を停止してＴＭ
Ｇを導入し、ｎ型ＧａＮガイド層１０５を５０〜２００
ｎｍ（たとえば１００ｎｍ）の厚さに成長させる。

【００２７】次に、ＴＭＧの供給を停止し、キャリアガ
スをＨ₂から再びＮ₂に代えて基板温度を７００℃まで降
下させ、トリメチルインジュウム（ＴＭＩ）とＴＭＧを
導入して、Ｉｎ_vＧａ_1-vＮ（０≦ｖ≦１）からなる障壁
層（図示せず）を成長させる。続いて、ＴＭＩの供給を
所定量まで増加させ、Ｉｎ_wＧａ_1-wＮ（０≦ｗ≦１）か
らなる量子井戸層（図示せず）を成長させる。これを繰
り返してＩｎＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との交互
積層構造（障壁層／井戸層／・・・井戸層／障壁層）か
らなるＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層１０６を形成す
る。障壁層と井戸層を形成するＩｎＧａＮの組成比と膜
厚は、発光波長が３７０〜４３０ｎｍの範囲内になるよ
うに設計し、２〜６層の井戸層（３層が最も好ましい）
を形成する。

【００２８】ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層１０６の形
成後、ＴＭＩとＴＭＧの供給を停止して再び基板温度を
１０５０℃まで上げ、キャリアガスをＮ₂から再びＨ₂に
代えて、ＴＭＧ、ＴＭＡ、およびｐ型ドーピング剤であ
るビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍ
ｇ）を導入し、０〜２０ｎｍ（たとえば１０ｎｍ）の厚
さのｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎを堆積することによって、ｐ
−ＡｌＧａＮ蒸発防止層１０７を形成する。この蒸発防
止層は、場合によって省略され得るものである。次に、
ＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの供給量を調整し、５０
〜２００ｎｍ（たとえば１００ｎｍ）の厚さのｐ−Ｇａ
Ｎ光ガイド層１０８を成長させる。続いて、ＴＭＡを一
定割合で導入してＴＭＧの流量を調整し、厚さ０．５〜
１．０μｍ（たとえば０．５μｍ）のｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ
_0.9Ｎ層を堆積することによって、ｐ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層１０９を形成する。

【００２９】その後にＴＭＡの供給を停止してＴＭＧの
供給量を調整し、０．０１〜１０μｍ（たとえば０．１
μｍ）の厚さのｐ−ＧａＮコンタクト層１１０の成長さ
せる。この成長が終了すれば、ＴＭＧとＣｐ₂Ｍｇの供
給を停止して基板温度を室温まで下げて、得られたウエ
ハをＭＯＣＶＤ装置から取り出す。

【００３０】続いて、得られたウェハをレーザ素子にす
るために加工する。まず、ｐ電極部分の形成に際し、Ｇ
ａＮ基板１０１の＜１−１００＞方向に沿って幅４μｍ
のストライプ状のレジストパターンをｐ型コンタクト層
１１０上に形成し、ＲＩＥによってリッジストライプ部
１１１を形成する。

【００３１】その後に一旦レジストを剥離し、電流注入
用窓部１１４の幅広部の幅Ｗ１＝３μｍと狭隘部の幅Ｗ
２＝１．９μｍを含むレジストパターンを新たにリッジ
ストライプ１１１上に形成し、ＳｉＯ₂膜を堆積するこ
とによって電流狭窄用の誘電体膜１１３を形成する。次
いでレジストを剥離して誘電体膜１１３に窓部１１４を
設けてｐ型ＧａＮコンタクト層１１０を部分的に露出さ
せ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕの順序で蒸着してｐ電極１１５を
形成する。ｐ電極材料としては、他にＰｄ／Ｐｔ／Ａ
ｕ、Ｐｄ／Ａｕ、またはＮｉ／Ａｕを用いてもよい。次
に、レジストの保護膜を形成した後に、ドライエッチン
グ法を用いてメサ部１１６を形成してｎ型ＧａＮコンタ
クト層１０２の一部を露出させ、その露出部上にＴｉ／
Ａｌの順序で蒸着してｎ電極１１７を形成する。ｎ電極
材料としては、他にＨｆ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｍｏ、またはＨ
ｆ／Ａｕを用いてもよい。

【００３２】ｎ電極まで作製したウェハを劈開すること
により共振器端面を作製し、さらに共振器の長手方向に
に平行に分割してレーザ素子チップを得る。この時、共
振器長は、たとえば６５０μｍにされる。

【００３３】本実施形態１の図１と図２では、たとえ
ば、リッジストライプ１１１の幅Ｗ０が４μｍにされ、
電流注入用窓部１１４における幅広部の幅Ｗ１が３μｍ
で狭隘部の幅Ｗ２が１．９μｍにされる。電流注入用窓
部１１４の狭隘部の数は３であり、この狭隘部の長さＬ
１を３０μｍにし、幅広部から狭隘部への遷移部の長さ
Ｌ２を１０μｍにする。

【００３４】図３に示されているようなＧａＮ系レーザ
素子１００では、リッジストライプ１１１に対応する部
分とその両側の部分との間の実効屈折率差によって、水
平方向の光場がリッジストライプ１１１に対応する部分
に閉じ込められ、いわゆる実屈折率導波路が実現され
る。そして、このＧａＮ系レーザでは、発振波長４０５
ｎｍの水平横モード発振が得られる。さらに、リッジス
トライプ１１１上に設けられた電流注入用窓部１１４に
狭隘部が形成されていることにより、従来に比べてキン
クレベルを約１０ｍＷ以上高めることが可能である。

【００３５】電流注入用窓部１１４の狭隘部を設けない
場合には、レーザの光出力を大きくした際にピーク波長
がずれたり複数のピーク波長を含むモードが立つ。しか
し、電流注入用窓部１１４の狭隘部においては、その窓
部と導波路側端との間の大きな隙間でゲインが得られず
に光が吸収されるので、導波路の幅方向の中央部で単一
のピークを持つ基本モードしか立ち得ず、導波路全体と
しても基本モードが安定して立ちやすくなる。このこと
によって、４０ｍＷまでキンクが発生しないレーザ素子
の歩留まりを８割程度にまで高めることが可能である。

【００３６】さらにこのＧａＮ系レーザ素子の閾値電圧
は、同様のキンクレベルを持つようにストライプ状導波
路を狭くしかつ均一幅の窓部を持つＧａＮ系レーザ素子
に比べて１０％程度低くすることが可能である。

【００３７】このような効果を持つＧａＮ系レーザ素子
とするためには、電流注入用窓部１１４の狭隘部の長さ
の合計が共振器長の１／２以下になるように設計する。
狭隘部がこれ以上の長さになれば、素子の動作電圧が狭
隘部の影響によって高くなるので好ましくない。なお本
実施形態では各狭隘部の長さを一定のＬ１にしている
が、各狭隘部の長さを互いに異ならせてもよい。また、
狭隘部の長さの合計が共振器長の１／２以下という条件
を満たす限り、狭隘部の長さＬ１と遷移部の長さＬ２の
割合を変化させてもよい。極端な場合、Ｌ２＝０であっ
てもよい。さらに、幅広部から狭隘部への遷移部は直線
である必要はなく、曲線であってもよい。

【００３８】リッジストライプ１１１の幅Ｗ０は、１μ
ｍ≦Ｗ０≦４μｍになるように設計する。Ｗ０が１μｍ
未満であれば、電流注入部として取り得る面積が最初か
ら小さく制限されて、動作電圧上昇の要因となる。逆
に、Ｗ０を４μｍより大きくすれば、リッジ導波路の幅
が広くなって複数のピークを含むモードが立ちやすくな
る。

【００３９】電流注入用窓部１１４における幅広部の幅
Ｗ１と狭隘部の幅Ｗ２に関しては、１μｍ≦Ｗ１≦４μ
ｍ、０．３μｍ≦Ｗ１−Ｗ２≦３．５μｍ、および０μ
ｍ＜Ｗ２の条件を満たすように設計する。キンク防止の
効果を得るためには、Ｗ１−Ｗ２の値は０．３μｍ程度
は必要であるが、Ｗ２が０になってしまえばモードが立
たなくなる。また、上述の光の吸収効果を大きくするこ
とと共に素子の動作電圧の上昇防止とを考慮して、狭隘
部の合計長さが長い場合にはＷ１−Ｗ２の値を小さく設
定し、逆の場合はＷ１−Ｗ２の値を大きく設定すればよ
い。この際に、狭隘部の数を増やすことで狭隘部の合計
長さを長くするようにしてもよいが、狭隘部の数が多く
なればリッジストライプの単位長さあたりのリッジスト
ライプ幅の変化が大きくなり、伝播するモードが散乱さ
れて閾値電圧が上昇する。この閾値の上昇を伴う狭隘部
の数は１０程度以上であるので、狭隘部の数は１０程度
以下に設定すればよい。

【００４０】なお、図１と図２では、電流注入用窓部１
１４の幅広部とリッジストライプ１１１側面との間に隙
間があるように描かれているが、この隙間が無くてもよ
い。また、図１と図３においてリッジストライプ１１１
側面がＧａＮ系半導体層の主面に対して垂直であるよう
に描かれているが、その側面が傾斜を持つようにしても
よい。

【００４１】また、ＡｓまたはＰを活性層に混入したＧ
ａＮ系レーザ素子では、ＡｓまたはＰの組成比が局所的
に揺らぐことによって横モードが乱れやすくなるが、こ
の場合にも電流注入用窓部１１４の狭隘部の存在によっ
てキンクレベルを上昇させることが可能である。

【００４２】（実施形態２）図４は、図２に類似してい
るが、実施形態２によるＧａＮ系半導体レーザ素子２０
０を模式的に図解している。なお、ＧａＮ系半導体レー
ザ素子２００の断面図としては、図３を参照することが
できる。

【００４３】本実施形態２が実施形態１と異なっている
第１の点は、リッジストライプ幅が２．５μｍで形成さ
れていることである。この場合、実施形態１に比べてリ
ッジストライプ幅が狭いので、キンクレベルの向上にい
っそう効果がある。

【００４４】実施形態２が実施形態１と異なっている第
２の点は、電流注入用窓部１１４が、幅広部の幅Ｗ１＝
２．５μｍと狭隘部の幅Ｗ２＝１．２μｍで作製されて
いることである。また、本実施形態２では、図４に示さ
れるようにレーザ光出射面側および反射面側にｐ電極１
１５に実効狭隘部が設けられている。狭隘部の長さＬ１
は５０μｍで、幅広部からこの狭隘部への遷移部の長さ
Ｌ２は２０μｍである。

【００４５】実施形態２が実施形態１と異なっている第
３の点は、レーザの共振器端面がドライエッチング法に
より形成されていることである。

【００４６】実施形態２が実施形態１と異なっている第
４の点は、レーザの共振器長が４５０μｍに設定されて
いることである。

【００４７】以上のように構成されたＧａＮ系レーザ素
子２００のキンクレベルは、実施形態１の場合と同様で
あり、４０ｍＷまでキンクが発生しない素子の歩留まり
も実施形態１の場合と同様に８割程度以上になる。ま
た、実施形態２の素子の閾値電圧も、実施形態１の場合
と同様である。さらに、本実施形態２の素子では光出射
端面に電流注入用窓部１１４の狭隘部が存在するので、
出射レーザ光の水平方向ファー・フィールド・バターン
（ＦＦＰ）が広くなる。このようなレーザ素子は、光記
録再生装置などにおいて好ましく用いられ得る。

【００４８】一般に、レーザ光出射面において活性領域
の端面が垂直方向よりも半導体接合面に平行方向に非常
に広いことに起因して、ＦＦＰが垂直方向に長い楕円形
になることが知られている。しかし、電流が注入される
部分を共振器端面付近で絞り込むことによって電流注入
により利得が生じる領域も絞り込まれるので、接合面に
平行な方向において活性層の実質的な幅を狭めることが
でき、楕円形のＦＦＰパターンの水平方向が広がって円
形に近づくことができる。

【００４９】なお本実施形態２では電流注入用窓部１１
４の狭隘部がレーザ光の出射側と反射側の二個所に設け
られているが、さらに多い複数個所に設けられてもよい
し、出射面側のみに設けてられてもよい。

【００５０】（実施形態３）図５と図６は、それぞれ図
２と図３に類似しているが、実施形態３によるＧａＮ系
半導体レーザ素子３００を模式的に図解している。

【００５１】本実施形態３が実施形態１および２と異な
っている第１の点は、幅Ｗ０＝３μｍのリッジストライ
プ１１１が埋め込み層１１８で埋め込まれ、リッジスト
ライプ上の誘電体膜１１３における電流注入用窓部１１
４が電流狭窄の役割を果たし、さらにその上に第２のｐ
−ＧａＮコンタクト層１１９とｐ電極１１５が形成され
ていることである。

【００５２】実施形態３が実施形態１および２と異なっ
ている第２の点は、電流注入用窓部１１４が、幅広部の
幅Ｗ１＝２．２μｍと狭隘部の幅Ｗ２＝１．３μｍで作
製されていることである。また、実施形態３では、図５
に示されるようにレーザ光出射面側および反射面側に電
流注入用窓部１１４の狭隘部が設けられている。狭隘部
の長さＬ１は６０μｍで、幅広部から狭隘部への遷移部
の長さＬ２は３０μｍである。

【００５３】実施形態３のレーザ素子を作製するために
は、リッジストライプ１１１の形成までは、実施形態１
の場合と同様のプロセスによる。その後、リッジストラ
イプ１１１を覆うＳｉＯ₂マスク（図示せず）を付けた
まま、再びＭＯＣＶＤ法によって、ｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎ埋め込み層１１８はその上面がリッジストライプ１１
１の頂面と一致する厚さになるまで堆積される。この
時、埋め込み層１１８の上面は、リッジストライプ１１
１の頂面から±０．１μｍ以内の位置に来るように調整
する。この範囲に調整すれば、その後の窓部１１４の形
成が容易になる。

【００５４】次に、リッジストライプ１１１を覆うＳｉ
Ｏ₂マスクを剥離し、リッジストライプ１１１の頂面上
に幅広部の幅Ｗ１＝２．２μｍと狭隘部の幅Ｗ２＝１．
３μｍを有するレジストパターンを形成し、ＳｉＯ₂を
堆積させて電流狭窄のための誘電体膜１１３を形成す
る。さらに、ＭＯＣＶＤ法により第２のｐ−ＧａＮコン
タクト層１１９を０．２μｍの厚さに成長させ、その上
にｐ電極１１５を形成する。その後に、得られたウェハ
を擬似劈開して共振器端面を形成し、ダイシングにより
素子チップを分割すればよい。

【００５５】実施形態３が実施形態１および２と異なっ
ている第３の点は、レーザの共振器長が５５０μｍに設
定されていることである。

【００５６】以上のように構成されたＧａＮ系レーザ素
子３００のキンクレベルは、実施形態１の場合と同様で
あり、４０ｍＷまでキンクが発生しない素子の歩留まり
も実施形態１の場合と同様に８割程度以上になる。ま
た、実施形態３においても、光出射端面に電流注入用窓
部の狭隘部が存在するので、実施形態２と同様の効果が
得られる。なお、実施形態２の場合と同様に、実施形態
３では電流注入用窓部の狭隘部がレーザ光出射側と反射
側の二個所に設けられているが、さらに複数個所に設け
てもよいし、出射面側のみに設けてもよい。

【００５７】（実施形態４）図７、図８、および図９
は、それぞれ図１、図２、および図３に類似している
が、実施形態４によるＧａＮ系レーザ素子４００を模式
的に図解している。

【００５８】本実施形態４が実施形態１、２、および３
と異なっている第１の点は、ＧａＮ系半導体レーザの基
板として、（０００１）面を主面に有するｎ型の導電性
ＧａＮ基板２０１が使用されていることである。さら
に、バッファ層も省略されている。

【００５９】実施形態４が実施形態１、２、および３と
異なっている第２の点は、ｎ電極１１７がｎ−ＧａＮ基
板２０１の裏面上に形成されていることである。ｎ電極
１１７は、ｐ電極１１５を形成してからウェハの全厚を
５０〜１６０μｍに調整した後に形成すればよい。この
結果、図７からわかるように、レーザ動作に必要な電流
は、レーザ素子の表面側と裏面側とから注入されること
になる。

【００６０】実施形態４が実施形態１、２、および３と
異なっている第３の点は、リッジストライプ１１１が幅
Ｗ０＝３μｍで形成され、電流注入用窓部１１４が幅広
部の幅Ｗ１＝２．２μｍと狭隘部の幅Ｗ２＝１．８μｍ
で形成されていることである。

【００６１】実施形態４が実施形態１、２、および３と
異なっている第４の点は、電流注入用窓部１１４の狭隘
部の長さＬ１が２０μｍで、幅広部から狭隘部への遷移
部の長さＬ２が８０μｍに設定されていることである。
なお、実施形態４においても、電流注入用窓部１１４の
狭隘部を設ける位置は実施形態２の場合と同様である。

【００６２】実施形態４が実施形態１、２、および３と
異なっている第５の点は、劈開により形成される共振器
が５００μｍの長さを有することである。

【００６３】以上のような実施形態４のＧａＮ系レーザ
素子では、実施形態１の場合と同様な水平横モード発振
が得られる。また、リッジストライプ１１１上に電流注
入用窓部１１４が設けられていてｎ−ＧａＮ基板２０１
を用いているので、電流経路がリッジストライプの横方
向に関して対称となることとによりキンクレベルを従来
に比べて１５ｍＷ程度上昇させることが可能であり、出
力４０ｍＷまでキンクが発生しないレーザの歩留まりを
実施形態１の場合に比べてさらに高めることができる。
この実施形態４のＧａＮ系レーザの閾値電圧に関して
は、実施形態１と同様の効果が得られる。さらに、出射
レーザ光の水平方向ファー・フィールド・バターン（Ｆ
ＦＰ）については、実施形態２と同等の効果が得られ
る。

【００６４】（実施形態５）図１０は、図２に類似して
いるが、実施形態５によるＧａＮ系半導体レーザ６００
を模式的に図解している。なお、ＧａＮ系レーザ素子６
００の斜視図および断面図として、図１および図３をそ
れぞれ参照することができる。ただし、その場合に、図
１と図３における符号１０１は４０１に読み替えられる
べきである。

【００６５】本実施形態５が実施形態１、２、３、およ
び４と異なっている第１の点は、（０００１）面の主面
と４００μｍの厚さを有するサファイア基板４０１を使
用していることである。これに伴い、リッジストライプ
１１１の長手方向は、サファイア基板の＜１１−２０＞
方向または＜1−１００＞方向に平行に形成される。

【００６６】実施形態５が実施形態１、２、３、および
４と異なっている第２の点は、リッジストライプ１１１
が幅Ｗ０＝２．０μｍで形成され、電流注入用窓部１１
４が幅広部の幅Ｗ１＝２．０μｍと狭隘部の幅Ｗ２＝
１．５μｍで形成されていることである。

【００６７】実施形態５が実施形態１、２、３、および
４と異なっている第３の点は、電流注入用窓部１１４の
狭隘部の長さＬ１が８０μｍで、幅広部から狭隘部への
遷移部の長さＬ２が２０μｍに設定されており、狭隘部
の数が２に設定されていることである。

【００６８】実施形態５が実施形態１、２、３、および
４と異なっている第４の点は、レーザ素子の作製方法が
異なっていることである。まず、ｐ電極部分の形成に際
して、サファイア基板の＜１−１００＞または＜１１−
２０＞方向に沿って、幅広部の幅Ｗ１＝２．０μｍで狭
隘部の幅Ｗ２＝１．５μｍの第１のレジストパターンを
形成し、ＳｉＯ₂を堆積させて電流狭窄のための誘電体
膜１１３を形成する。この後、幅２．０μｍの均一幅の
第２のレジストパターンを上記第１のレジストパターン
上に重なるようにアライメントして形成し、酸処理で誘
電体膜１１３の所定部を除去後に、ドライエッチングに
より幅２μｍのリッジストライプ部１１１を形成する。
続いて、電流リーク防止のために誘電体膜１１３を再度
堆積後にリッジストライプ１１１を覆う第１と第２のレ
ジストを除去してｐ電極１１５を形成する。なお、上述
以外に言及されなかった作製方法は、実施形態１の場合
と同様である。

【００６９】以上のような実施形態５のＧａＮ系レーザ
素子６００では、実施形態１の場合と同様な水平横モー
ド発振が得られる。また、ＧａＮ系レーザ素子６００の
キンクレベルは実施形態１の場合と同様であり、４０ｍ
Ｗまでキンクが発生しない素子の歩留まりも実施形態１
の場合と同様に８割程度以上になる。また、実施形態５
の素子の閾値電圧も、実施形態１の場合と同様である。

【００７０】以上、本発明の実施形態について具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。たとえば、上述の実施形態では半導体
レーザ素子の光導波路構造としてリッジストライプ構造
および埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造が説明されたが、セ
ルフ・アラインド・ストラクチャ（ＳＡＳ）構造、チャ
ネルド・サブストレイト・プレイナ（ＣＳＰ）構造など
を有するレーザ素子においても、本発明を適用し得るこ
とが当業者に明らかであろう。

【００７１】また、上述の実施形態ではＧａＮ系半導体
レーザ素子の基板としてＧａＮ基板、ｎ型ＧａＮ基板、
およびサファイア基板が説明されたが、スピネル基板、
ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、ＧａＰ基板などを用いてもよ
く、またはこれらの基板上にＧａＮ系半導体下地層を成
長させた基板、あるいはこれらの基板上にＧａＮ系半導
体厚膜を成長させた後にその基板を除去したＧａＮ系半
導体厚膜基板、さらにはＧａおよびＮ以外の元素をも含
むＧａＮ系半導体基板などを用いてもよい。

【００７２】さらに、上述の実施形態では誘電体膜材料
としてＳｉＯ₂が説明されたが、ＴｉＯ₂、ジルコニア、
Ｔａ₂Ｏ₅、またはＡｌ₂Ｏ₃などを用いることもでき、あ
るいはその誘電体膜が接する導電型ＧａＮ系半導体と逆
の導電型の半導体層でその誘電体膜の代用が可能であ
る。

【００７３】さらにまた、上述の各実施形態において、
レーザ構造を形成する各半導体層の導電型を逆にしても
よいことは言うまでもない。

【００７４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ＧａＮ
系半導体レーザ素子のストライプ状導波路の幅を狭くし
て動作電圧を上昇させることなく、活性層への電流注入
経路の一部に狭隘部が設けることにより横モード発振の
安定化を図ることができる。そして、光ピックアップな
どへの応用に好適なＧａＮ系レーザ素子を歩留まりよく
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によるＧａＮ系半導体レ
ーザ素子の模式的な斜視図である。

【図２】図１のＧａＮ系半導体レーザ素子に対応する
模式的な平面図である。

【図３】図１のＧａＮ系半導体レーザ素子に対応する
模式的な断面図である。

【図４】本発明の実施形態２によるＧａＮ系半導体レ
ーザ素子の模式的な平面図である。

【図５】本発明の実施形態３によるＧａＮ系半導体レ
ーザ素子の模式的な平面図である。

【図６】図５のＧａＮ系半導体レーザ素子に対応する
模式的な断面図である。

【図７】本発明の実施形態４によるＧａＮ系半導体レ
ーザ素子の模式的な斜視図である。

【図８】図７のＧａＮ系半導体レーザ素子に対応する
模式的な平面図である。

【図９】図７のＧａＮ系半導体レーザ素子に対応する
模式的な断面図である。

【図１０】本発明の実施形態５によるＧａＮ系半導体
レーザ素子の模式的な平面図である。

【図１１】従来技術に基づくＧａＮ系半導体レーザ素
子の模式的な斜視図である。

【符号の説明】

１００、２００、３００、４００、５００、６００Ｇ
ａＮ系半導体レーザ素子、１０１ＧａＮ基板、２０１
ｎ−ＧａＮ基板、４０１、５０１サファイア基板、
１０２、５０２ｎ−ＧａＮバッファ層、１０３、５０
３ｎ−ＧａＮコンタクト層、１０４、５０４ｎ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層、１０５、５０５ｎ−ＧａＮガイド
層、１０６、５０６ＩｎＧａＮ多重量子井戸活性層、
１０７、５０７ｐ−ＡｌＧａＮ蒸発防止層、１０８、
５０８ｐ−ＧａＮ光ガイド層、１０９、５０９ｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層、１１０、５１０ｐ−ＧａＮコ
ンタクト層、１１１、５１１リッジストライプ、１１
３、５１３誘電体膜、１１４窓部、１１５、５１５
ｐ電極、１１６メサ、１１７、５１７ｎ電極、１
１８埋め込み層、１１９第２のｐ−ＧａＮコンタク
ト層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤茂稔大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者大野智輝大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内 (72)発明者近江晋大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号シャープ株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA13 AA45 AA51 AA55 AA74 AA89 BA06 CA02 CA07 CA17 CB02 CB05 CB07 DA05 DA24 DA31 DA32 EA16 EA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】順に積層された第１導電型半導体層と、
半導体活性層と、第２導電型半導体層とを含むＧａＮ系
半導体レーザ素子であって、共振器の長手方向と交差する横方向に関して光を閉じ込
める屈折率差を生じるように設けられた作りつけの高屈
折率領域と、この作りつけの高屈折領域の上方に設けら
れた電流注入用窓部とを含み、前記電流注入用窓部は前記作りつけの高屈折領域の幅に
比べて部分的に狭くされた狭隘部を含んでいることを特
徴とするＧａＮ系半導体レーザ素子。
【請求項２】前記作りつけの高屈折領域を生じるよう
にように設けられたリッジストライプを含み、前記電流
注入用窓部は前記リッジストライプ上に形成されていて
そのストライプ幅に比べて部分的に狭くされた狭隘部を
含んでいることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系
半導体レーザ素子。
【請求項３】前記リッジストライプを埋め込むように
積層されたリッジ埋め込み層をさらに含むことを特徴と
する請求項２に記載のＧａＮ系半導体レーザ素子。
【請求項４】前記狭隘部の数は１から１０の範囲内に
あることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に
記載のＧａＮ系半導体レーザ素子。
【請求項５】前記作りつけの高屈折率領域の幅Ｗ０は
１μｍ≦Ｗ０≦４μｍの範囲内にあることを特徴とする
請求項１から４のいずれかの項に記載のＧａＮ系半導体
レーザ素子。
【請求項６】前記電流注入用窓部において前記狭隘部
が幅Ｗ２を有しかつその狭隘部以外の部分が幅Ｗ１を有
し、１μｍ≦Ｗ１≦４μｍ、０．３μｍ≦Ｗ１−Ｗ２≦
０．３５μｍおよび０μｍ＜Ｗ２の条件を満たしている
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかの項に記載
のＧａＮ系半導体レーザ素子。
【請求項７】前記活性層はＩｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦ｘ≦
１）からなることを特徴とする請求項１から６のいず
れかの項に記載のＧａＮ系半導体レーザ素子。
【請求項８】前記活性層中のＮの一部が少なくともＡ
ｓとＰのいずれかで置換されていることを特徴とする請
求項７に記載のＧａＮ系半導体レーザ素子。
【請求項９】請求項３に記載のＧａＮ系半導体レーザ
素子を製造するための方法であって、前記電流注入用窓
部を形成した後に前記リッジストライプを形成すること
を特徴とする製造方法。