JP2004014818A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】GaN基板上にGaAlNクラッド層を有する半導体レーザ素子において、垂直方向の放射角の低減を図る。
【解決手段】n−GaNコンタクト層7、n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層8(厚さ1.5μm)、n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層9、nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層10、GaN障壁層11、Inx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層(0.5>x1>x2≧0)12、GaN障壁層13、p−Ga1−z2Alz2N光導波層14、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15(厚さ1.5μm)およびp−GaNコンタクト層16を成長する。p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の途中までエッチングを行い、リッジ部を形成する。ストライプ領域とストライプのそれぞれの端から20μm外側の領域を残して、n−GaNコンタクト層7が露出するまでエッチングを行う。その後、絶縁膜17、n電極19およびp電極18を形成する。
【選択図】 図2
【解決手段】n−GaNコンタクト層7、n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層8(厚さ1.5μm)、n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層9、nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層10、GaN障壁層11、Inx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層(0.5>x1>x2≧0)12、GaN障壁層13、p−Ga1−z2Alz2N光導波層14、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15(厚さ1.5μm)およびp−GaNコンタクト層16を成長する。p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の途中までエッチングを行い、リッジ部を形成する。ストライプ領域とストライプのそれぞれの端から20μm外側の領域を残して、n−GaNコンタクト層7が露出するまでエッチングを行う。その後、絶縁膜17、n電極19およびp電極18を形成する。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発振波長が400nm帯であるGaN系の半導体からなる半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
DVD対応可能な紫外400nm帯の次世代記録用半導体レーザ素子においては、記録精度を高めるために、真円に近いビーム放射角を有する半導体レーザ素子が要求されている。しかし、現状では、ビームの扁平比は約2.8〜3(水平方向の放射角が9°であり、垂直方向の放射角が25°である)と大きい。また、このような短波長の半導体レーザ素子は、通常、GaN基板とその上に形成されるAlGaNクラッド層およびInGaN活性層等から構成されるが、GaN基板の屈折率はAlGaNクラッド層の屈折率より大きいため、発生する光においてGaN基板への放射モードが生じ、発光効率が低下したり、しきい値電流が高くなるという欠点がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
また、従来のInGaN活性層を有する半導体レーザ素子に用いるGaN基板は、サファイア基板やSiC基板上にGaN層を成長させて得ているが、サファイア基板やSiC基板とGaN層との熱膨張係数の差が大きいため、成長過程でGaN結晶にクラックが入りやすいという問題がある。さらに、このようなGaN基板上に形成された半導体層、特に、クラッド層等に用いる高Al濃度のAlGaNにおいてはクラックが入り易く結晶を良好に成長できないため、素子の層構成の自由度が低く、放射角低減のための対策が十分にできないという問題がある。
【0004】
本発明は上記事情に鑑みて、GaN系の半導体レーザ素子において、垂直モードの放射角が低減された真円に近いビーム形状を有する半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、GaN基板上に、第一導電型GaNコンタクト層、第一導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層、該クラッド層より屈折率の低い第一導電型Ga1−z3Alz3N低屈折率層、第一導電型あるいはアンドープのGa1−z2Alz2N光導波層(ただし、0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層、InGaN活性層、GaN障壁層、第二導電型あるいはアンドープのGa1−z2Alz2N光導波層、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層および第二導電型GaNコンタクト層をこの順に備えたことを特徴とするものである。
【0006】
光導波層のAl組成は、キャリアの漏れを防ぐため0.08より大きくし、クラッド層より小さくすることが望ましい。また、クラッド層のAl組成比z1と光導波層のAl組成比z2との差z1−z2は、0.08より小さいことが望ましい。
【0007】
本発明の半導体レーザ素子は、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えた構造であってもよい。あるいは、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層が活性層側から配置された第1クラッド層および第2クラッド層からなり、該第2クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、第1クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、さらに該構造が同時に屈折率導波機構を担っている構造としてもよい。
【0008】
電流の通路の幅は1μm以上であることが望ましい。
【0009】
なお、前記第一導電型と第二導電型においては、互いに逆極性を示すものであり、例えば、第一導電型がn型であれば、第二導電型はp型である。
【0010】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子によれば、GaN系の半導体レーザ素子において上記のような層構成、すなわち、基板側のGa1−z1Alz1Nクラッド層とGa1−z2Alz2N光導波層との間に該クラッド層より屈折率の低いGa1−z3Alz3N低屈折率層を設けることにより、基板への放射モードを低減させ、垂直方向(積層面に垂直な方向)の放射角を小さくすることができるので、真円に近いビーム形状を得ることができる。
【0011】
さらに、Ga1−z1Alz1Nクラッド層のAl組成比z1とGa1−z2Alz2N光導波層のAl組成比z2との差z1−z2を0.08より小さくすれば、光閉じ込めが弱くなり、近視野像のビーム径が大きくなるので、放射角を小さくするためにはより効果的である。
【0012】
本発明の半導体レーザ素子を、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えた構造とすることにより、水平方向の等価屈折率差を高くとることができるので、水平方向の光閉じ込めを良好に行うことができ高品質なレーザ光を得ることができる。
【0013】
あるいは、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層が活性層側から配置された第1クラッド層および第2クラッド層からなり、該第2クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、第1クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、さらに該構造が同時に屈折率導波機構を担っている構造とすることにより、水平方向の等価屈折率差の制御性が高く所望の等価屈折率差にできるので、高品質なレーザ光を得ることができる。さらに、内部電流狭窄構造は、第二導電型GaNコンタクト層とその上に形成する電極との接触面積を広くとることができるので、コンタクト抵抗を小さくすることができ、特性の向上を図ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0015】
本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図2に示し、その半導体レーザ素子に用いられる低欠陥なGaN基板の断面図を図1に示す。
【0016】
図1(a)に示すように、ハイドロクロライド気相成長法により、サファイア基板1上に、GaNの低温堆積層2を積層後、GaN層3を200μm程度積層する。その後、図1(b)に示すように、基板1を除去し、残ったGaN低温堆積層2とGaN層3とをGaN基板4とする。
【0017】
次に、図2に示すように、上記のようにして作製されたGaN基板4にSiO2膜5を形成し、通常のリソグラフィにより
【数1】
方向に、5μmの間隔で幅10μmのSiO2膜5が残るようにラインアンドスペースのパターンを形成する。次に、有機金属気相成長法により、GaN層6を厚さ10μm程度選択成長させる。このとき、露出しているGaN基板4上から成長が進みストライプ状になり、さらに横方向の成長により、SiO2膜5上でストライプが合体するようにGaNが形成され、最終的に表面が平坦化される。
【0018】
次に、n−GaNコンタクト層7、n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層8(厚さ1.5μm)、n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層9、nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層10(0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層11、Inx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層(0.5>x1>x2≧0)12、GaN障壁層13、p−Ga1−z2Alz2N光導波層14、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15(厚さ1.5μm)、p−GaNコンタクト層16を成長する。引き続き、SiO2膜(図示せず)およびレジスト(図示せず)を形成し、通常のリソグラフィ技術により、1〜2.5μmの幅よりなるストライプ領域以外のレジストとSiO2膜を除去する。RIE(反応性イオンエッチング)装置で、選択エッチングにより、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の途中までエッチングを行い、リッジ部を形成する。このエッチングによる、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の残し厚は基本横モード発振が達成できる厚さとする。
【0019】
次に、前述のSiO2膜およびレジストを除去し、新たにSiO2膜(図示せず)およびレジスト(図示せず)を形成し、ストライプ領域とストライプのそれぞれの端から20μm外側の領域とが残るように、その領域以外のSiO2膜およびレジストを除去し、RIEでn−GaNコンタクト層7が露出するまでエッチングを行う。この後、SiO2膜およびレジストを除去する。
【0020】
次に、絶縁膜17を形成し、通常のリソグラフィ技術を用いて、リッジ上およびn−GaNコンタクト層7上を開口し、ストライプ状にNi/Auからなるp電極18およびTi/Alからなるn電極19を形成する。その後、基板を研磨し、試料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射コート、他方に低反射コートを行い、その後チップ化して半導体レーザ素子を作製する。
【0021】
また、リッジ両脇の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnAとし、リッジ部の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnBとすると、等価屈折率差はnB−nAで表され、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の厚さを制御することにより、等価屈折率差を、3×10−3<nB−nA<1×10−2に制御することができる。これにより高出力まで基本横モード発振を得ることができる。
【0022】
Ga1−z1Alz1Nクラッド層のAl組成比z1と、Ga1−z2Alz2N光導波層のAl組成比z2との組成比差z1−z2は0.08より小さくなるように設定することが、垂直方向の放射角の低減に、より効果的である。
【0023】
p−Ga1−z2Alz2N光導波層14は、i−Ga1−z2Alz2Nであってもよい。
【0024】
本実施の形態による半導体レーザ素子においては、さらにGa1−z1Alz1Nクラッド層の厚さを1.5μmにすることにより、GaN基板への放射モードを抑制している。
【0025】
次に、本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図3に示す。
【0026】
図3に示すように、GaN基板4上に、SiO2膜25を形成し、通常のフォトリソグラフィ技術により、
【数2】
方向に、5μm程度の間隔で、10μm幅のSiO2膜25が残るようにラインアンドスペースのパターンを形成する。次に、有機金属気相成長法により、GaN層26を10μm程度成長させる。このとき、露出しているGaN基板4上から成長が進みストライプ状になり、さらに横方向の成長により、SiO2膜25上でストライプが合体するようにGaNが形成され、最終的に表面が平坦化される。
【0027】
次に、n−GaNコンタクト層27、n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層28(厚さ1.5μm)、n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層29、nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層30(0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層31、nx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層32(0.5>x1>z2≧0)、GaN障壁層33、p−Ga1−z2Alz2N光導波層34、p−Ga1−z1Alz1N第一クラッド層35、n−Ga1−z4Alz4N電流狭窄層36(z4>z1、厚さ0.5μm)を形成する。引き続き、SiO2膜とレジストを形成し、通常のリソグラフィ技術により1〜2.5μmの幅よりなるストライプ領域のレジストとSiO2膜を除去する。RIE(反応性イオンエッチング)による選択エッチングにより、p−Ga1−z1Alz1N第一クラッド層35が露出するまでエッチングする。レジストとSiO2膜とを除去した後、p−Ga1−z1Alz1N第二クラッド層37およびp−GaNコンタクト層38を成長する。このエッチングのn−Ga1−z4Alz4N電流狭窄層36の組成は基本横モード発振が達成できる厚さとする。
【0028】
次に、レジスト(図示せず)およびSiO2膜(図示せず)を形成し、ストライプ領域とストライプ領域の両端から20μm外側の領域とが残るように、その領域以外のSiO2膜とレジストを除去し、RIEでn−GaNコンタクト層27が露出するまでエッチングを行う。マスクに用いたレジストとSiO2膜を除去した後、絶縁膜39を形成し、通常のリソグラフィ技術により、p−GaNコンタクト層38上およびn−GaNコンタクト層27上を開口し、Ni/Auよりなるp電極40およびTi/Alよりなるn電極41を形成する。その後、基板を研磨する。上記のようにして作製されて試料をへき開して形成した共振器端面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを施し、チップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【0029】
電流の通路の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnBとし、電流狭窄層の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnAとすると、等価屈折率差はnB−nAで表され、電流狭窄層の厚さを制御することにより、3×10−3<nB−nA<1×10−2に制御することができ、高出力まで基本横モード発振を可能とすることができる。これにより高出力まで基本横モード発振を得ることができる。
【0030】
さらに本実施の形態による半導体レーザ素子は、内部に電流狭窄層を設けているので、p−GaNコンタクト層38とp電極40の接触面積が広く、コンタクト抵抗を低減できるので、特性の向上が図られる。
【0031】
Ga1−z1Alz1Nクラッド層のAl組成比z1と、Ga1−z2Alz2N光導波層のAl組成比z2との組成比差z1−z2は0.08より小さくなるように設定することが、垂直方向の放射角の低減に、より効果的である。
【0032】
p−Ga1−z2Alz2N光導波層34は、i−Ga1−z2Alz2Nであってもよい。
【0033】
上記第1および第2の実施の形態による半導体レーザ素子が発振する波長帯λに関しては、上記活性層の組成より360<λ<550(nm)の範囲で制御が可能である。
【0034】
上記第1および第2の実施の形態では、リッジ構造の屈折率導波型レーザ、および内部に電流狭窄構造を有する屈折率導波型レーザについて説明したが、本発明は、リッジ構造を埋め込んだ屈折率導波機構を作りつけたレーザにも適用することができる。
【0035】
また、上記実施の形態においては、GaN基板4を作製するための基板1はサファイアを用いたが、SiC(0001)基板、ZnO、LiGaO2、LiAlO2、GaAs、GaP、GeあるいはSi等を用いてもよい。
【0036】
また、GaN基板として、サファイア基板1上のGaN層3上にさらに導電性GaN層を形成しサファイア基板1からGaN層3までを除去して形成した導電性GaN基板を用いてもよい。導電性のGaN基板を用いれば、GaN基板の裏面に電極を形成することができるので、電極を形成するためにn−GaNコンタクト層が露出するまでエッチングする必要がないので、工程を簡略化することができる。さらに電極を互いに対向する位置に形成できるので、ビームの変形が無く、高品質なビームを得ることができる。
【0037】
上記実施の形態では、ストライプ幅(電流の通路の幅)が1〜2.5μmの基本横モード発振する半導体レーザ素子について説明したが、ストライプ幅を2.5μmより大きくしてもよく、これにより、低雑音な幅広の半導体レーザ素子を得ることができる。この幅広半導体レーザ素子を波長変換素子あるいはファイバーレーザの励起光源として用いることができる。
【0038】
(実施例)
上記第1の実施の形態による半導体レーザ素子の層構成において、発振波長が410nmとなるように、各障壁層の厚さをそれぞれ15nmとし、光導波層においてz2=0.1、厚さをそれぞれ15nmとし、活性層の厚さを30nmとし、クラッド層の組成比z1=0.5とし、低屈折率層において、z3=0.35とし、厚さを100nm程度とした半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の垂直方向の放射角の半値幅は16゜であった。比較例として同様の層構成であって低屈折率層が無い半導体レーザ素子を作製した。比較例の半導体レーザ素子では、垂直方向の放射角の半値幅は27゜であった。本発明の半導体レーザ素子は比較例に比べて、垂直方向のビーム放射角の半値幅が9゜程度減少した。これに伴い、放射角の扁平比も2と小さい値が得られた。
【0039】
本発明による半導体レーザ素子は、GaN基板側のクラッド層と光導波層との間に該クラッド層より屈折率が低い低屈折率層を設けたことにより、垂直方向の放射角が小さいので、DVD対応可能な次世代記録用の光源として、あるいは光ファイバや固体レーザの励起光源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ素子に用いる基板を示す断面図
【図2】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【図3】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 GaNの低温堆積層
3 GaN層
4 GaN基板
5 SiO2膜
6 GaN層
7 n−GaNコンタクト層
8 n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層
9 n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層
10 nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層
11 GaN障壁層
12 Inx2Ga1−x2N/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層
13 GaN障壁層
14 p−Ga1−z2Alz2N光導波層
15 p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層
16 p−GaNコンタクト層
17 絶縁膜
18 n電極
19 p電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、発振波長が400nm帯であるGaN系の半導体からなる半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
DVD対応可能な紫外400nm帯の次世代記録用半導体レーザ素子においては、記録精度を高めるために、真円に近いビーム放射角を有する半導体レーザ素子が要求されている。しかし、現状では、ビームの扁平比は約2.8〜3(水平方向の放射角が9°であり、垂直方向の放射角が25°である)と大きい。また、このような短波長の半導体レーザ素子は、通常、GaN基板とその上に形成されるAlGaNクラッド層およびInGaN活性層等から構成されるが、GaN基板の屈折率はAlGaNクラッド層の屈折率より大きいため、発生する光においてGaN基板への放射モードが生じ、発光効率が低下したり、しきい値電流が高くなるという欠点がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
また、従来のInGaN活性層を有する半導体レーザ素子に用いるGaN基板は、サファイア基板やSiC基板上にGaN層を成長させて得ているが、サファイア基板やSiC基板とGaN層との熱膨張係数の差が大きいため、成長過程でGaN結晶にクラックが入りやすいという問題がある。さらに、このようなGaN基板上に形成された半導体層、特に、クラッド層等に用いる高Al濃度のAlGaNにおいてはクラックが入り易く結晶を良好に成長できないため、素子の層構成の自由度が低く、放射角低減のための対策が十分にできないという問題がある。
【0004】
本発明は上記事情に鑑みて、GaN系の半導体レーザ素子において、垂直モードの放射角が低減された真円に近いビーム形状を有する半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子は、GaN基板上に、第一導電型GaNコンタクト層、第一導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層、該クラッド層より屈折率の低い第一導電型Ga1−z3Alz3N低屈折率層、第一導電型あるいはアンドープのGa1−z2Alz2N光導波層(ただし、0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層、InGaN活性層、GaN障壁層、第二導電型あるいはアンドープのGa1−z2Alz2N光導波層、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層および第二導電型GaNコンタクト層をこの順に備えたことを特徴とするものである。
【0006】
光導波層のAl組成は、キャリアの漏れを防ぐため0.08より大きくし、クラッド層より小さくすることが望ましい。また、クラッド層のAl組成比z1と光導波層のAl組成比z2との差z1−z2は、0.08より小さいことが望ましい。
【0007】
本発明の半導体レーザ素子は、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えた構造であってもよい。あるいは、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層が活性層側から配置された第1クラッド層および第2クラッド層からなり、該第2クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、第1クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、さらに該構造が同時に屈折率導波機構を担っている構造としてもよい。
【0008】
電流の通路の幅は1μm以上であることが望ましい。
【0009】
なお、前記第一導電型と第二導電型においては、互いに逆極性を示すものであり、例えば、第一導電型がn型であれば、第二導電型はp型である。
【0010】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ素子によれば、GaN系の半導体レーザ素子において上記のような層構成、すなわち、基板側のGa1−z1Alz1Nクラッド層とGa1−z2Alz2N光導波層との間に該クラッド層より屈折率の低いGa1−z3Alz3N低屈折率層を設けることにより、基板への放射モードを低減させ、垂直方向(積層面に垂直な方向)の放射角を小さくすることができるので、真円に近いビーム形状を得ることができる。
【0011】
さらに、Ga1−z1Alz1Nクラッド層のAl組成比z1とGa1−z2Alz2N光導波層のAl組成比z2との差z1−z2を0.08より小さくすれば、光閉じ込めが弱くなり、近視野像のビーム径が大きくなるので、放射角を小さくするためにはより効果的である。
【0012】
本発明の半導体レーザ素子を、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えた構造とすることにより、水平方向の等価屈折率差を高くとることができるので、水平方向の光閉じ込めを良好に行うことができ高品質なレーザ光を得ることができる。
【0013】
あるいは、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層が活性層側から配置された第1クラッド層および第2クラッド層からなり、該第2クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、第1クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、さらに該構造が同時に屈折率導波機構を担っている構造とすることにより、水平方向の等価屈折率差の制御性が高く所望の等価屈折率差にできるので、高品質なレーザ光を得ることができる。さらに、内部電流狭窄構造は、第二導電型GaNコンタクト層とその上に形成する電極との接触面積を広くとることができるので、コンタクト抵抗を小さくすることができ、特性の向上を図ることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
【0015】
本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図2に示し、その半導体レーザ素子に用いられる低欠陥なGaN基板の断面図を図1に示す。
【0016】
図1(a)に示すように、ハイドロクロライド気相成長法により、サファイア基板1上に、GaNの低温堆積層2を積層後、GaN層3を200μm程度積層する。その後、図1(b)に示すように、基板1を除去し、残ったGaN低温堆積層2とGaN層3とをGaN基板4とする。
【0017】
次に、図2に示すように、上記のようにして作製されたGaN基板4にSiO2膜5を形成し、通常のリソグラフィにより
【数1】
方向に、5μmの間隔で幅10μmのSiO2膜5が残るようにラインアンドスペースのパターンを形成する。次に、有機金属気相成長法により、GaN層6を厚さ10μm程度選択成長させる。このとき、露出しているGaN基板4上から成長が進みストライプ状になり、さらに横方向の成長により、SiO2膜5上でストライプが合体するようにGaNが形成され、最終的に表面が平坦化される。
【0018】
次に、n−GaNコンタクト層7、n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層8(厚さ1.5μm)、n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層9、nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層10(0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層11、Inx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層(0.5>x1>x2≧0)12、GaN障壁層13、p−Ga1−z2Alz2N光導波層14、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15(厚さ1.5μm)、p−GaNコンタクト層16を成長する。引き続き、SiO2膜(図示せず)およびレジスト(図示せず)を形成し、通常のリソグラフィ技術により、1〜2.5μmの幅よりなるストライプ領域以外のレジストとSiO2膜を除去する。RIE(反応性イオンエッチング)装置で、選択エッチングにより、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の途中までエッチングを行い、リッジ部を形成する。このエッチングによる、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の残し厚は基本横モード発振が達成できる厚さとする。
【0019】
次に、前述のSiO2膜およびレジストを除去し、新たにSiO2膜(図示せず)およびレジスト(図示せず)を形成し、ストライプ領域とストライプのそれぞれの端から20μm外側の領域とが残るように、その領域以外のSiO2膜およびレジストを除去し、RIEでn−GaNコンタクト層7が露出するまでエッチングを行う。この後、SiO2膜およびレジストを除去する。
【0020】
次に、絶縁膜17を形成し、通常のリソグラフィ技術を用いて、リッジ上およびn−GaNコンタクト層7上を開口し、ストライプ状にNi/Auからなるp電極18およびTi/Alからなるn電極19を形成する。その後、基板を研磨し、試料をへき開して形成した共振器面の一方に高反射コート、他方に低反射コートを行い、その後チップ化して半導体レーザ素子を作製する。
【0021】
また、リッジ両脇の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnAとし、リッジ部の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnBとすると、等価屈折率差はnB−nAで表され、p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層15の厚さを制御することにより、等価屈折率差を、3×10−3<nB−nA<1×10−2に制御することができる。これにより高出力まで基本横モード発振を得ることができる。
【0022】
Ga1−z1Alz1Nクラッド層のAl組成比z1と、Ga1−z2Alz2N光導波層のAl組成比z2との組成比差z1−z2は0.08より小さくなるように設定することが、垂直方向の放射角の低減に、より効果的である。
【0023】
p−Ga1−z2Alz2N光導波層14は、i−Ga1−z2Alz2Nであってもよい。
【0024】
本実施の形態による半導体レーザ素子においては、さらにGa1−z1Alz1Nクラッド層の厚さを1.5μmにすることにより、GaN基板への放射モードを抑制している。
【0025】
次に、本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ素子についてその製造方法に沿って説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図3に示す。
【0026】
図3に示すように、GaN基板4上に、SiO2膜25を形成し、通常のフォトリソグラフィ技術により、
【数2】
方向に、5μm程度の間隔で、10μm幅のSiO2膜25が残るようにラインアンドスペースのパターンを形成する。次に、有機金属気相成長法により、GaN層26を10μm程度成長させる。このとき、露出しているGaN基板4上から成長が進みストライプ状になり、さらに横方向の成長により、SiO2膜25上でストライプが合体するようにGaNが形成され、最終的に表面が平坦化される。
【0027】
次に、n−GaNコンタクト層27、n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層28(厚さ1.5μm)、n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層29、nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層30(0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層31、nx2Ga1−x2N(Siドープ)/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層32(0.5>x1>z2≧0)、GaN障壁層33、p−Ga1−z2Alz2N光導波層34、p−Ga1−z1Alz1N第一クラッド層35、n−Ga1−z4Alz4N電流狭窄層36(z4>z1、厚さ0.5μm)を形成する。引き続き、SiO2膜とレジストを形成し、通常のリソグラフィ技術により1〜2.5μmの幅よりなるストライプ領域のレジストとSiO2膜を除去する。RIE(反応性イオンエッチング)による選択エッチングにより、p−Ga1−z1Alz1N第一クラッド層35が露出するまでエッチングする。レジストとSiO2膜とを除去した後、p−Ga1−z1Alz1N第二クラッド層37およびp−GaNコンタクト層38を成長する。このエッチングのn−Ga1−z4Alz4N電流狭窄層36の組成は基本横モード発振が達成できる厚さとする。
【0028】
次に、レジスト(図示せず)およびSiO2膜(図示せず)を形成し、ストライプ領域とストライプ領域の両端から20μm外側の領域とが残るように、その領域以外のSiO2膜とレジストを除去し、RIEでn−GaNコンタクト層27が露出するまでエッチングを行う。マスクに用いたレジストとSiO2膜を除去した後、絶縁膜39を形成し、通常のリソグラフィ技術により、p−GaNコンタクト層38上およびn−GaNコンタクト層27上を開口し、Ni/Auよりなるp電極40およびTi/Alよりなるn電極41を形成する。その後、基板を研磨する。上記のようにして作製されて試料をへき開して形成した共振器端面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを施し、チップ化して半導体レーザ素子を完成させる。
【0029】
電流の通路の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnBとし、電流狭窄層の垂直方向に伝搬する光の等価屈折率をnAとすると、等価屈折率差はnB−nAで表され、電流狭窄層の厚さを制御することにより、3×10−3<nB−nA<1×10−2に制御することができ、高出力まで基本横モード発振を可能とすることができる。これにより高出力まで基本横モード発振を得ることができる。
【0030】
さらに本実施の形態による半導体レーザ素子は、内部に電流狭窄層を設けているので、p−GaNコンタクト層38とp電極40の接触面積が広く、コンタクト抵抗を低減できるので、特性の向上が図られる。
【0031】
Ga1−z1Alz1Nクラッド層のAl組成比z1と、Ga1−z2Alz2N光導波層のAl組成比z2との組成比差z1−z2は0.08より小さくなるように設定することが、垂直方向の放射角の低減に、より効果的である。
【0032】
p−Ga1−z2Alz2N光導波層34は、i−Ga1−z2Alz2Nであってもよい。
【0033】
上記第1および第2の実施の形態による半導体レーザ素子が発振する波長帯λに関しては、上記活性層の組成より360<λ<550(nm)の範囲で制御が可能である。
【0034】
上記第1および第2の実施の形態では、リッジ構造の屈折率導波型レーザ、および内部に電流狭窄構造を有する屈折率導波型レーザについて説明したが、本発明は、リッジ構造を埋め込んだ屈折率導波機構を作りつけたレーザにも適用することができる。
【0035】
また、上記実施の形態においては、GaN基板4を作製するための基板1はサファイアを用いたが、SiC(0001)基板、ZnO、LiGaO2、LiAlO2、GaAs、GaP、GeあるいはSi等を用いてもよい。
【0036】
また、GaN基板として、サファイア基板1上のGaN層3上にさらに導電性GaN層を形成しサファイア基板1からGaN層3までを除去して形成した導電性GaN基板を用いてもよい。導電性のGaN基板を用いれば、GaN基板の裏面に電極を形成することができるので、電極を形成するためにn−GaNコンタクト層が露出するまでエッチングする必要がないので、工程を簡略化することができる。さらに電極を互いに対向する位置に形成できるので、ビームの変形が無く、高品質なビームを得ることができる。
【0037】
上記実施の形態では、ストライプ幅(電流の通路の幅)が1〜2.5μmの基本横モード発振する半導体レーザ素子について説明したが、ストライプ幅を2.5μmより大きくしてもよく、これにより、低雑音な幅広の半導体レーザ素子を得ることができる。この幅広半導体レーザ素子を波長変換素子あるいはファイバーレーザの励起光源として用いることができる。
【0038】
(実施例)
上記第1の実施の形態による半導体レーザ素子の層構成において、発振波長が410nmとなるように、各障壁層の厚さをそれぞれ15nmとし、光導波層においてz2=0.1、厚さをそれぞれ15nmとし、活性層の厚さを30nmとし、クラッド層の組成比z1=0.5とし、低屈折率層において、z3=0.35とし、厚さを100nm程度とした半導体レーザ素子を作製した。この半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の垂直方向の放射角の半値幅は16゜であった。比較例として同様の層構成であって低屈折率層が無い半導体レーザ素子を作製した。比較例の半導体レーザ素子では、垂直方向の放射角の半値幅は27゜であった。本発明の半導体レーザ素子は比較例に比べて、垂直方向のビーム放射角の半値幅が9゜程度減少した。これに伴い、放射角の扁平比も2と小さい値が得られた。
【0039】
本発明による半導体レーザ素子は、GaN基板側のクラッド層と光導波層との間に該クラッド層より屈折率が低い低屈折率層を設けたことにより、垂直方向の放射角が小さいので、DVD対応可能な次世代記録用の光源として、あるいは光ファイバや固体レーザの励起光源として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ素子に用いる基板を示す断面図
【図2】本発明の第1の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【図3】本発明の第2の実施の形態による半導体レーザ素子を示す断面図
【符号の説明】
1 サファイア基板
2 GaNの低温堆積層
3 GaN層
4 GaN基板
5 SiO2膜
6 GaN層
7 n−GaNコンタクト層
8 n−Ga1−z1Alz1Nクラッド層
9 n−Ga1−z3Alz3N低屈折率層
10 nあるいはi−Ga1−z2Alz2N光導波層
11 GaN障壁層
12 Inx2Ga1−x2N/Inx1Ga1−x1N多重量子井戸活性層
13 GaN障壁層
14 p−Ga1−z2Alz2N光導波層
15 p−Ga1−z1Alz1Nクラッド層
16 p−GaNコンタクト層
17 絶縁膜
18 n電極
19 p電極
Claims (5)
- GaN基板上に、第一導電型GaNコンタクト層、第一導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層、該クラッド層より屈折率の低い第一導電型Ga1−z3Alz3N低屈折率層、第一導電型あるいはアンドープのGa1−z2Alz2N光導波層(ただし、0.08<z2<z1≦1)、GaN障壁層、InGaN活性層、GaN障壁層、第二導電型あるいはアンドープのGa1−z2Alz2N光導波層、第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層および第二導電型GaNコンタクト層をこの順に備えたことを特徴とする半導体レーザ素子。
- 前記各クラッド層のAl組成比z1と前記各光導波層のAl組成比z2との差z1−z2が、0.08より小さいことを特徴とする請求項1記載の半導体レーザ素子。
- 前記第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層の電流の通路となる領域がリッジ状に形成されてなる屈折率導波機構を備えたことを特徴とする請求項1または2記載の半導体レーザ素子。
- 前記第二導電型Ga1−z1Alz1Nクラッド層が前記活性層側から配置された第1クラッド層および第2クラッド層からなり、該第2クラッド層において、電流の通路となる領域以外の領域であって、前記第1クラッド層に接する領域に第一導電型の電流狭窄層を備えてなる内部電流狭窄構造を備え、該構造が同時に屈折率導波機構を担っていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体レーザ素子。
- 前記電流の通路の幅が1μm以上であることを特徴とする請求項1、2、3または4記載の半導体レーザ素子。
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-
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