JP2004111689A - 窒化物半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】リッジ構造の窒化物半導体レーザにおいて、低閾値電流、低雑音特性のレーザを提供する。
【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の第２導電型半導体層と、前記第１の第２導電型半導体層上の一部に設けられ窒化ガリウム系化合物半導体からなるメサ型構造でストライプ状の第２の第２導電型半導体層と、を備え、前記メサ型構造の第２の第２導電型半導体層の両側にこの第２の第２導電型半導体層に並行して少なくとも前記第１の第２導電型半導体層と前記活性層とを貫くように一対の溝が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザを提供する。
【選択図】 図１
【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の第２導電型半導体層と、前記第１の第２導電型半導体層上の一部に設けられ窒化ガリウム系化合物半導体からなるメサ型構造でストライプ状の第２の第２導電型半導体層と、を備え、前記メサ型構造の第２の第２導電型半導体層の両側にこの第２の第２導電型半導体層に並行して少なくとも前記第１の第２導電型半導体層と前記活性層とを貫くように一対の溝が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザを提供する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、窒化物半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）は紫外領域から可視光緑色領域までの短波長半導体レーザの材料として注目されている。この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた窒化物半導体レーザにおいては、例えば、日亜化学の中村らが、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（２）．２１１（１９９８）に記載しているようにリッジ導波構造レーザが望ましい。窒化物半導体を用いたリッジ導波構造レーザでは、水平横モード制御のための活性層幅が２μｍ程度と広くすることができ、かつリソグラフィが容易な幅であるので歩留まりを高くすることができる。このため、光ディスク記録・再生装置のピックアップ光源として期待されている。
【０００３】
図２は、従来のリッジ構造の窒化物半導体レーザを示す図である。サファイア基板２００上には、バッファ層２１０、ＳｉＯ２マスク２１１、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１２、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるｎ型超格子クラッド層２１３、ＧａＮからなるｎ側ガイド層２１４、ＩｎＧａＮを含む量子井戸構造の活性層２１５、ＧａＮからなるｐ側ガイド層２１６、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるｐ型超格子クラッド層２１７、が順次形成されている。このｐ型超格子クラッド層２１７は、第１のｐ型クラッド層２１７Ａと、この第１のｐ型クラッド層２１７Ａ上の一部にエッチングによりリッジ型に形成された第２のｐ型クラッド層２１７Ｂと、からなる。この第２のｐ型クラッド層２１７Ｂ上には、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１８が形成されている。このｐ型コンタクト層２１８上を除いた上面部分と、側面の一部と、は絶縁膜２１９で覆われている。また、ｐ型コンタクト層２１８上には、一方側の電極であるｐ側電極２２１が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極２２０は、エッチングにより露呈されたｎ型コンタクト層２１２上に形成される。
【０００４】
上記の活性層２１５には、ｐ側電極２２１と、ｎ側電極２２０と、から電流が注入される。ここで、活性層２１５の図中左側の側面から右側の側面までの幅は約２００μｍである。これに対し、ｐ型コンタクト層２１８の幅は約２μｍと狭くしている。このため、ｐ側電極２２１からの電流は、活性層２１５の中央付近に注入される。これにより、活性層２１５の中央付近から光が放射され、この光が増幅されて、紙面に垂直な端面方向からレーザ光が出力される。
【０００５】
【非特許文献１】
中村修二、他，「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」，米国物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｕｃｓ），１９９８年１月１２日，第７２巻，第２号，ｐ．２１１−２１３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のリッジ構造の窒化物半導体レーザは、他の材料系のレーザに比べ、閾値電流が高く、雑音特性が悪い。すなわち、リッジ導波構造レーザは、ｐ側電極２２１からの電流がｐ型コンタクト層２１８の直下から横方向に広がりやすく、量子井戸活性層２１５の中央付近に高密度で高効率に電流を注入することが難しい。このため、閾値電流が高くなりやすい。また、窒化物半導体レーザは、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系レーザに比べて、導波路層２１４、２１５、２１６と、クラッド層２１３、２１７と、の屈折率差を大きくできないので光閉じ込めが弱い。このため、活性層２１５とガイド層２１４、２１６からなる導波面において、レーザ出射方向に垂直な方向、つまり図中横方向に、光が透過しやすい。これにより、図中横方向から自然放出光がチップ外部に漏れ、雑音特性が悪化しやすい。
【０００７】
また、この問題を解決するために、活性層２１５を含むｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を数十μｍ程度に狭くする方法を用いることも考えられるが、これは有効な対策とはならない。すなわち、ｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を数十μｍ程度に狭くすれば、活性層の中央付近に高密度で高効率に電流を注入することはできるようになり、動作電流を下げることはできる。しかし、ｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を狭くすれば、熱抵抗が上昇し、閾値電流はかえって上昇してしまう。また、横方向への漏洩光も増えてしまう。さらに、ｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を狭くすれば、ｐ側電極２２１から外部への配線をワイアを用いて形成するのが困難になる。
【０００８】
このように、従来の窒化物半導体レーザでは、自然放出光の漏洩を抑制しつつ、活性層２１５に効率よく基本横モード利得に必要な高電流密度のキャリア注入をする構造を得ることは困難である。このため、従来の窒化物半導体レーザでは、レーザ駆動時でさえ発振に寄与しない自然放出光が共振器以外から放出されノイズが現れる。
【０００９】
以上のように、光ディスク等への実用に供する、低閾値電流、低電圧で動作し、基本横モードで連続発振する信頼性の高い窒化物半導体レーザを実現するためには、活性層へのキャリア注入を効率的に行うと共に漏洩光をカットする様な構造を形成することが重要であるが、未だこれらを満足する構成は得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、基本横モード制御構造の形成が容易であるばかりか、漏洩光が低減でき且つ活性層へ高密度でキャリア注入を行うことができる電流狭窄構造により、低閾値電流で且つ低雑音特性の窒化物半導体レーザを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザは、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の第２導電型半導体層と、前記第１の第２導電型半導体層上の一部に設けられ窒化ガリウム系化合物半導体からなるメサ型構造でストライプ状の第２の第２導電型半導体層と、を備え、前記メサ型構造の第２の第２導電型半導体層の両側にこの第２の第２導電型半導体層に並行して少なくとも前記第１の第２導電型半導体層と前記活性層とを貫くように一対の溝が形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成されＧａＮからなる第１導電型半導体コンタクト層と、前記第１導電型半導体コンタクト層上に形成され、ＡｌＧａＮを含む第１導電型半導体クラッド層と、前記第１導電型半導体クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＮを含み、電流注入により波長λの光を放射する多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成され、ＡｌＧａＮを含む第１の第２導電型半導体クラッド層と、前記第１の第２導電型半導体クラッド層上の一部に形成され、底部幅Ｗ１のストライプ状のメサ型構造からなり、ＡｌＧａＮを含む、第２の第２導電型半導体クラッド層と、前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体クラッド層上に形成されＧａＮからなる第２導電型半導体コンタクト層と、前記第１導電型半導体コンタクト層に電気的に接続して形成された第１電極と、前記第２導電型半導体コンタクト層に電気的に接続して形成された第２電極と、を備え、前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体クラッド層の両側に、この第２の第２導電型半導体クラッド層に並行しＷ２（Ｗ１≦Ｗ２）以上離れた位置に前記第１の第２導電型半導体クラッド層および前記活性層を貫いて前記第１導電型半導体クラッド層の途中に達するように、λ／２（λは前記活性層からの発光波長。）以上２μｍ以下の幅で溝が形成され、前記第１の第２導電型半導体クラッド層、前記第２の第２導電型半導体クラッド層および前記第１導電型半導体クラッド層よりも屈折率が低い材料からなり、かつＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＡｌＧａＮ、の少なくとも１つを含む材料で前記溝が埋め込まれてなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照にして、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の特徴の１つは、図１に示すように、リッジ構造の窒化物半導体レーザにおいて、溝１３０を形成した点である。これにより、低閾値電流で且つ低雑音特性の窒化物半導体レーザを提供することができる。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態に係わる窒化物半導体レーザの断面図である。厚さ１５０μｍのサファイア基板１００上には、バッファ層１１０、ＳｉＯ２マスク１１１、５×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ６μｍのｎ型（第１導電型）コンタクト層１１２、アンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０ＮとＳｉドープＧａＮとからなる厚さ１．５μｍのｎ型超格子クラッド層１１３、アンドープのＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ側ガイド層１１４、アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる厚さ３ｎｍの３層の量子井戸層と、この量子井戸層を挟みアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる厚さ６ｎｍの障壁層と、からなる多重量子井戸構造の活性層１１５、ＭｇドープのＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ側ガイド層１１６、アンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０ＮとＭｇドープＧａＮとからなる厚さ０．８μｍのｐ型（第２導電型）超格子クラッド層１１７、が順次形成されている。このｐ型超格子クラッド層１１７は、第１のｐ型クラッド層（第１の第２導電型半導体層）１１７Ａと、この第１のｐ型クラッド層１１７Ａ上の一部にストライプ状のメサ型構造に形成された第２のｐ型クラッド層（第２の第２導電型半導体層）１１７Ｂと、からなる。この第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの底部幅Ｗ１は、約２μｍである。この第２のｐ型クラッド層１１７Ｂ上には、１×１０１８ｃｍ−３のＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ１μｍのｐ型コンタクト層１１８が形成されている。このｐ型コンタクト層１１８上を除いた上面部分と、側面の一部と、はＺｒＯ２／ＳｉＯ２を多層に積層した絶縁膜１１９で覆われている。また、ｐ型コンタクト層１１８上には、Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極（第２電極）１２１が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極（第１電極）１２０は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなり、エッチングにより露呈されたｎ型コンタクト層１１２上に形成される。このエッチングで残った活性層１１５の横方向の幅は、２００μｍである。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にもＺｒＯ２／ＳｉＯ２を多層に積層した高反射コートを施している。なお、図１の素子は、基板１００の厚さが１５０μｍ、積層体１１１〜１１８の厚さが約１０μｍ、活性層２１５の幅が２００μｍ、第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの底部幅Ｗ１が２μｍ、であるが説明をしやすくするため縮尺を変えて示している。
【００１５】
図１の窒化物半導体レーザでは、活性層１１４の上部に形成され該活性層１１３にキャリアを注入するための電流狭窄構造１１７Ｂがメサ型に形成されている。このため、電流は、活性層１１４の図中中央付近に注入される。そして、この電流注入により活性層１１４から光が放射され、この光が増幅されて、紙面と垂直方向にレーザ光が放射される。
【００１６】
図１の窒化物半導体レーザの特徴の１つは、帯状（ストライプ状）の第２のｐ型クラッド層１１７Ｂを挟んでその両側に、この第２のｐ型クラッド層１１７Ｂに並行して、第１のｐ型クラッド層１１７Ａおよび活性層１１４を貫くように形成された溝１３０を形成した点である。この溝１３０からメサ型の第２のｐ型クラッド層（メサ型電流狭窄構造）１１７Ｂまでの距離Ｗ２は５μｍであり、この溝１３０の幅は１μｍである。この溝１３０は、図１に示すように、レーザの実効屈折率よりも屈折率が低いＺｒＯ２／ＳｉＯ２からなる絶縁膜（埋め込み材）１１９で埋め込まれている。ここで溝１３０の深さはｎ型超格子クラッド層１１３の途中までとすることが好ましい。ｎ型超格子クラッド層１１３を貫通し、ｎ型コンタクト層１１２に達すると、ｎ型コンタクト層１１２が活性層１１５からの光に対して透明な材料であるため、ｎ型超格子クラッド層１１３の外側に光が染み出して、高次モードの発振が起こりやすくなってしまう。この溝１３０の側面形状は垂直で無い方が好ましい。また、この溝１３０の内側から第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの外側までの距離Ｗ２（５μｍ）と、第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの底部幅Ｗ１（２μｍ）と、の関係はＷ１≦Ｗ２となるようにすることが好ましい。すなわち、溝１３０の内側と、メサ型電流狭窄構造１１７Ｂの外側と、の距離Ｗ２（５μｍ）は少なくともメサ型電流狭窄構造１１７Ｂの幅Ｗ１（２μｍ）より離すこと、望ましくはできるだけ遠くに離すことで、水平横モードが安定な基本モードになり、水平方向遠視野像がノイズの無い単峰形状になる。
【００１７】
次に、上記窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。
【００１８】
（１）まず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で、サファイア基板１００上に、バッファ層１１０を形成し、次いで熱ＣＶＤ法などでＳｉＯ２膜を堆積する。このＳｉＯ２膜は、後に形成するレーザ共振器と平行な方向に、開口部幅４μｍ、ＳｉＯ２幅１０μｍのライン・アンド・スペースとなるようにパターニングし、ＳｉＯ２マスク１１１とする。
【００１９】
（２）次に、再度ＭＯＣＶＤ法を用い、ｎ型コンタクト層１１２からｐ型コンタクト層１１８までの積層体１１２〜１１８を成長する。
【００２０】
（３）次に、ＳｉＯ２マスク１１１に垂直で且つ共振器長（紙面に垂直な方向の長さ）５００μｍとなるようにエッチングマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板１００まで垂直エッチングし、レーザ出射端面を形成する。
【００２１】
（４）次に、ｐ型コンタクト層１１８上に、幅２μｍのストライプ状のエッチングマスクを、ＳｉＯ２マスク１１１上部でかつＳｉＯ２マスク１１１中心部がかからない位置に形成し、ドライエッチング法でｐ型超格子クラッド層１１７の途中までエッチングし、メサ型構造１１７Ｂを形成する。
【００２２】
（５）次に、漏洩光をカットするためにメサ型構造１１７Ｂの外側Ｗ２（５μｍ）の位置にｐ側ガイド層１１６からｎ側ガイド層１１４までを貫通する幅１μｍの溝１３０を形成する。
【００２３】
（６）次に、ｎ側電極１２０形成のために、結晶成長した半導体層の一部の領域をｎ型コンタクト層１１２までエッチングする。次いで、ウェハ全面にＺｒＯ２／ＳｉＯ２を４層に積層した絶縁膜１１９を堆積する。ここで、ＺｒＯ２とＳｉＯ２の夫々の膜厚は出射端面となる垂直エッチング面においてレーザ発振波長λの４分の１となるように設定する。次いで、ｎ型コンタクト層１１２の一部にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１２０を形成する。
【００２４】
（７）次に、ｐ型コンタクト層１１８の上部を露出させ、Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１２１を形成する。次いで、特に図示しないが、サファイア基板１００裏面を鏡面研磨し基板１００の厚さを１５０μｍとし、サファイア基板１００裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を蒸着し、劈開法またはスクライブ法でチップ化を施し、さらにＣｕ、立方晶窒化硼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層に対してＡｕＳｎ共晶半田を用いて熱圧着させる。尚、電流注入のための配線はＡｕ線を用いる。
【００２５】
以上の製造方法によって形成される、図１のレーザは、共振器長０．５ｍｍの場合、発振波長は４０５ｎｍ、動作電圧は４．２Ｖで室温連続発振した。出射ビームはＴＥ００モードで発振しており、遠視野像の半値全幅は垂直方向θ⊥＝８°、水平方向θ／／＝２０°でありアスペクト比２．５が得られた。また、５０℃、３０ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上であった。さらに、図１のレーザでは、閾値電流が２０ｍＡと極めて低くなった。これは、従来の約半分である。また、２０℃から８０℃における相対強度雑音は−１４０ｄＢ／Ｈｚ以下であり、従来よりも相対強度雑音特性が１０〜２０％程度向上した。
【００２６】
以上説明した図１の窒化物半導体レーザでは、溝１３０を設けたので、相対雑音強度を低減することができる。この理由の１つは、横方向の漏洩光を低減できるからであると解析される。すなわち、窒化物半導体レーザでは、前述のように、活性層１１５と、ガイド層１１４、１１６と、からなる導波面において、光が横方向に透過しやすい。そして、光は、屈折率が高い物質から低い物質に向かう場合に透過しやすくなる。このため、図１のレーザでも、活性層１１５で発生した光は、導波面（屈折率約２．５）から溝１３０内の絶縁膜１１９（屈折率＝約１．４〜２．１）には進行しやすい。しかし、図１のレーザでは、溝１３０内の絶縁膜１１９（屈折率＝約１．４〜２．１）からその外側の導波面（屈折率＝約２．５）には光が進行しにくい。つまり、溝１３０の外側で光が反射されやすい。このため、横方向からチップ外部に透過する光を低減し、漏洩光を低減できる。これにより、遠視野像のノイズとなる光の裾野が減り、基本モード光だけの単峰スペクトルが得られる。従って、アスペクト比が１に近づくばかりか、相対雑音強度を低減することができる。
【００２７】
これに対し、従来のレーザ（図２）では、活性層２１５で発生した光は、導波面（屈折率＝約２．５）、空気（屈折率＝１）の順に進行するので、チップ外部に光が透過しやすかった。
【００２８】
もっとも、単に漏洩光を減らすだけでは、必ずしもノイズを低減することができない。このため、図１のような溝１３０を形成することによりノイズが低減できることは、通常の技術者にとっては予期できないことである。すなわち、漏洩光を減らす方法としては、従来のレーザ（図２）の図中左右の面に高反射コート膜を形成する方法がある。あるいは、図１のレーザの溝１３０を高反射コート膜で埋め込む方法も考えられる。しかし、このような高反射コート膜を形成すれば、横方向に共振モードが出現してしまう。そして、この共振モードによりノイズが発生してしまう。このため、漏洩光を低減することと、ノイズを低減することと、は必ずしも一致しない。しかしながら、本発明者の実験によれば、図１のレーザでは、漏洩光を低減することにより、ノイズを低減することができた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、図１のレーザでは、レーザ出射方向に対して垂直方向（図中横方向）に放出された光の多くは、溝部１３０の外側で内側方向に反射される。この反射された光は、溝部１３０の低屈折率層に閉じこめられるか、または溝部１３０で曲げられクラッド層１１４、１１６で閉じ込められる。従って、溝部１３０に入射された自然放出光は発振に寄与しないばかりか、チップ外部へ漏洩しない。
【００２９】
また、図１の窒化物半導体レーザでは、量子井戸活性層２１５の中央付近に高密度で高効率に電流を注入することができる。このため、閾値電流を低くすることができる。
【００３０】
また、図１の窒化物半導体レーザでは、活性層１１５の全体の幅は従来と同じ２００μｍにすることができる。このため、従来のレーザと比べて熱抵抗が上昇することはほとんどない。
【００３１】
また、図１の窒化物半導体レーザでは、１０ＧＨｚ程度まで直接変調することができる。これは、溝１３０の形成により、ｐ−ｎ接合面積が狭くなり接合容量を減らすことができたためである。また、ｐ−ｎ接合面積が狭く制約されるためにレーザ発振時に高キャリア注入されるメサ構造からの漏洩電流防止に寄与するので、動作電流低減や長寿命化が可能になる。
【００３２】
次に、溝１３０の幅について検討する。すなわち、図１の窒化物半導体レーザでは、溝１３０の幅を１μｍとしたが、これを他の幅にして製造することもできるので、この幅について検討する。前述のように、溝部１３０が高反射コート膜で埋められた場合は、出射方向に対して垂直方向（図中横方向）に共振モードが出現してノイズの原因となるので、好ましくない。従って、溝１３０の幅は、活性層１１５からの自然放出光の中心波長をλとすると、反射しにくい厚さ、すなわち漏洩光を吸収しやすいλ／２以上であることが好ましい。また、溝１３０の幅が広すぎると、溝１３０の埋め込み工程と端面高反射コート膜形成工程を同時に行う場合には、溝１３０側面に高反射コート膜が形成されてしまうおそれがある。このため、溝１３０の幅は、２μｍ以下が望ましい。ただし、溝を被覆する材料が単層である場合または高反射コート膜では無い場合には、λ／２以上であれば２μｍ以上あっても構わない。
【００３３】
以上説明した窒化物半導体レーザは、溝１３０の埋め込み材としてＺｒＯ２／ＳｉＯ２絶縁膜１１９を用いたが、この埋め込み材として、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｒＯ２、ＡｌＧａＮ、の少なくとも１つを含むものを用いることもできる。また、溝１３０を埋め込まずに、溝１３０の部分を空気または真空にして使用することもできる。
【００３４】
また、以上説明した窒化物半導体レーザは、本実施例に限られるものではなく、各半導体層の組成や膜厚を変化させることもできる。例えば、ｎ型コンタクト層１１２を、ＧａＮではなく、ＡｌＧａＮによって構成することもできる。この場合には、溝１３０を、ｎ型コンタクト層１１２の途中まで形成することができる。なぜなら、ｎ型コンタクト層をＡｌＧａＮにした場合には、ｎ型コンタクト層１１２が活性層１１５に対してクラッド層となるので反導波構造になりにくくなるためであり、従ってｎ型コンタクト層１１２の途中まで溝１３０を形成しても、光が図中下側に染み出さないからである。ただし、言うまでもないが、溝１３０は、ｎ型コンタクト層１１２を貫通してはならない。ｎ型コンタクト層を貫通すれば、ｎ側電極１２０と活性層１１５は電気的に切断されてしまうからである。また、例えば、ｎ型超格子クラッド層１１３やｐ型超格子クラッド層は、超格子構造に限定されず、ＡｌＧａＮを含むクラッド層にすることもできる。
【００３５】
また、以上説明した窒化物半導体レーザは、導電性が逆の構造であっても構わない。また、エッチングの順序などの工程は本実施形態に限られるものではない。また、基板はサファイアに限らず、ＧａＮ基板であっても構わないばかりか、将来ＧａＮ基板の入手が容易になればＧａＮ基板のほうが好ましい。また、端面出射型レーザに限られるものではなく、面発光レーザなどの他の構造のレーザでも構わない。さらに、発光素子以外にも、受光素子などの光デバイスに適用が可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、リッジ構造の窒化物半導体レーザにおいて、活性層を貫く溝を設けたので、低閾値電流、低雑音特性のレーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる窒化物半導体レーザの断面図。
【図２】従来の窒化物半導体レーザの断面図。
【符号の説明】
１００ サファイア基板
１１０ バッファ層
１１１ ＳｉＯ２マスク
１１２ ｎ型コンタクト層
１１３ ｎ型超格子クラッド層（第１導電型半導体層）
１１４ ｎ側ガイド層
１１５ 活性層
１１６ ｐ側ガイド層
１１７ ｐ型超格子クラッド層
１１７Ａ 第１のｐ型クラッド層（第１の第２導電型半導体層）
１１７Ｂ 第２のｐ型クラッド層（第２の第２導電型半導体層）
１１８ ｐ型コンタクト層
１１９ ＺｒＯ２／ＳｉＯ２絶縁膜
１２０ ｎ側電極（第１電極）
１２１ ｐ側電極（第２電極）
１３０ 溝
【発明の属する技術の分野】
本発明は、窒化物半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体（ＩｎｘＧａｙＡｌｚＮ、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）は紫外領域から可視光緑色領域までの短波長半導体レーザの材料として注目されている。この窒化ガリウム系化合物半導体を用いた窒化物半導体レーザにおいては、例えば、日亜化学の中村らが、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（２）．２１１（１９９８）に記載しているようにリッジ導波構造レーザが望ましい。窒化物半導体を用いたリッジ導波構造レーザでは、水平横モード制御のための活性層幅が２μｍ程度と広くすることができ、かつリソグラフィが容易な幅であるので歩留まりを高くすることができる。このため、光ディスク記録・再生装置のピックアップ光源として期待されている。
【０００３】
図２は、従来のリッジ構造の窒化物半導体レーザを示す図である。サファイア基板２００上には、バッファ層２１０、ＳｉＯ２マスク２１１、ＧａＮからなるｎ型コンタクト層２１２、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるｎ型超格子クラッド層２１３、ＧａＮからなるｎ側ガイド層２１４、ＩｎＧａＮを含む量子井戸構造の活性層２１５、ＧａＮからなるｐ側ガイド層２１６、ＡｌＧａＮ／ＧａＮからなるｐ型超格子クラッド層２１７、が順次形成されている。このｐ型超格子クラッド層２１７は、第１のｐ型クラッド層２１７Ａと、この第１のｐ型クラッド層２１７Ａ上の一部にエッチングによりリッジ型に形成された第２のｐ型クラッド層２１７Ｂと、からなる。この第２のｐ型クラッド層２１７Ｂ上には、ＧａＮからなるｐ型コンタクト層２１８が形成されている。このｐ型コンタクト層２１８上を除いた上面部分と、側面の一部と、は絶縁膜２１９で覆われている。また、ｐ型コンタクト層２１８上には、一方側の電極であるｐ側電極２２１が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極２２０は、エッチングにより露呈されたｎ型コンタクト層２１２上に形成される。
【０００４】
上記の活性層２１５には、ｐ側電極２２１と、ｎ側電極２２０と、から電流が注入される。ここで、活性層２１５の図中左側の側面から右側の側面までの幅は約２００μｍである。これに対し、ｐ型コンタクト層２１８の幅は約２μｍと狭くしている。このため、ｐ側電極２２１からの電流は、活性層２１５の中央付近に注入される。これにより、活性層２１５の中央付近から光が放射され、この光が増幅されて、紙面に垂直な端面方向からレーザ光が出力される。
【０００５】
【非特許文献１】
中村修二、他，「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」，米国物理学会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｕｃｓ），１９９８年１月１２日，第７２巻，第２号，ｐ．２１１−２１３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のリッジ構造の窒化物半導体レーザは、他の材料系のレーザに比べ、閾値電流が高く、雑音特性が悪い。すなわち、リッジ導波構造レーザは、ｐ側電極２２１からの電流がｐ型コンタクト層２１８の直下から横方向に広がりやすく、量子井戸活性層２１５の中央付近に高密度で高効率に電流を注入することが難しい。このため、閾値電流が高くなりやすい。また、窒化物半導体レーザは、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料系レーザに比べて、導波路層２１４、２１５、２１６と、クラッド層２１３、２１７と、の屈折率差を大きくできないので光閉じ込めが弱い。このため、活性層２１５とガイド層２１４、２１６からなる導波面において、レーザ出射方向に垂直な方向、つまり図中横方向に、光が透過しやすい。これにより、図中横方向から自然放出光がチップ外部に漏れ、雑音特性が悪化しやすい。
【０００７】
また、この問題を解決するために、活性層２１５を含むｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を数十μｍ程度に狭くする方法を用いることも考えられるが、これは有効な対策とはならない。すなわち、ｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を数十μｍ程度に狭くすれば、活性層の中央付近に高密度で高効率に電流を注入することはできるようになり、動作電流を下げることはできる。しかし、ｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を狭くすれば、熱抵抗が上昇し、閾値電流はかえって上昇してしまう。また、横方向への漏洩光も増えてしまう。さらに、ｎ型クラッド層２１３からｐ型クラッド層２１７までの幅を狭くすれば、ｐ側電極２２１から外部への配線をワイアを用いて形成するのが困難になる。
【０００８】
このように、従来の窒化物半導体レーザでは、自然放出光の漏洩を抑制しつつ、活性層２１５に効率よく基本横モード利得に必要な高電流密度のキャリア注入をする構造を得ることは困難である。このため、従来の窒化物半導体レーザでは、レーザ駆動時でさえ発振に寄与しない自然放出光が共振器以外から放出されノイズが現れる。
【０００９】
以上のように、光ディスク等への実用に供する、低閾値電流、低電圧で動作し、基本横モードで連続発振する信頼性の高い窒化物半導体レーザを実現するためには、活性層へのキャリア注入を効率的に行うと共に漏洩光をカットする様な構造を形成することが重要であるが、未だこれらを満足する構成は得られていないのが現状である。
【００１０】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、基本横モード制御構造の形成が容易であるばかりか、漏洩光が低減でき且つ活性層へ高密度でキャリア注入を行うことができる電流狭窄構造により、低閾値電流で且つ低雑音特性の窒化物半導体レーザを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物半導体レーザは、窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層と、前記活性層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の第２導電型半導体層と、前記第１の第２導電型半導体層上の一部に設けられ窒化ガリウム系化合物半導体からなるメサ型構造でストライプ状の第２の第２導電型半導体層と、を備え、前記メサ型構造の第２の第２導電型半導体層の両側にこの第２の第２導電型半導体層に並行して少なくとも前記第１の第２導電型半導体層と前記活性層とを貫くように一対の溝が形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の窒化物半導体レーザは、基板と、前記基板上に形成されＧａＮからなる第１導電型半導体コンタクト層と、前記第１導電型半導体コンタクト層上に形成され、ＡｌＧａＮを含む第１導電型半導体クラッド層と、前記第１導電型半導体クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＮを含み、電流注入により波長λの光を放射する多重量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成され、ＡｌＧａＮを含む第１の第２導電型半導体クラッド層と、前記第１の第２導電型半導体クラッド層上の一部に形成され、底部幅Ｗ１のストライプ状のメサ型構造からなり、ＡｌＧａＮを含む、第２の第２導電型半導体クラッド層と、前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体クラッド層上に形成されＧａＮからなる第２導電型半導体コンタクト層と、前記第１導電型半導体コンタクト層に電気的に接続して形成された第１電極と、前記第２導電型半導体コンタクト層に電気的に接続して形成された第２電極と、を備え、前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体クラッド層の両側に、この第２の第２導電型半導体クラッド層に並行しＷ２（Ｗ１≦Ｗ２）以上離れた位置に前記第１の第２導電型半導体クラッド層および前記活性層を貫いて前記第１導電型半導体クラッド層の途中に達するように、λ／２（λは前記活性層からの発光波長。）以上２μｍ以下の幅で溝が形成され、前記第１の第２導電型半導体クラッド層、前記第２の第２導電型半導体クラッド層および前記第１導電型半導体クラッド層よりも屈折率が低い材料からなり、かつＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＡｌＧａＮ、の少なくとも１つを含む材料で前記溝が埋め込まれてなることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照にして、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の特徴の１つは、図１に示すように、リッジ構造の窒化物半導体レーザにおいて、溝１３０を形成した点である。これにより、低閾値電流で且つ低雑音特性の窒化物半導体レーザを提供することができる。
【００１４】
図１は本発明の実施の形態に係わる窒化物半導体レーザの断面図である。厚さ１５０μｍのサファイア基板１００上には、バッファ層１１０、ＳｉＯ２マスク１１１、５×１０１８ｃｍ−３のＳｉがドープされたＧａＮからなる厚さ６μｍのｎ型（第１導電型）コンタクト層１１２、アンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０ＮとＳｉドープＧａＮとからなる厚さ１．５μｍのｎ型超格子クラッド層１１３、アンドープのＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｎ側ガイド層１１４、アンドープのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎからなる厚さ３ｎｍの３層の量子井戸層と、この量子井戸層を挟みアンドープのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎからなる厚さ６ｎｍの障壁層と、からなる多重量子井戸構造の活性層１１５、ＭｇドープのＧａＮからなる厚さ０．１μｍのｐ側ガイド層１１６、アンドープＡｌ０．１０Ｇａ０．９０ＮとＭｇドープＧａＮとからなる厚さ０．８μｍのｐ型（第２導電型）超格子クラッド層１１７、が順次形成されている。このｐ型超格子クラッド層１１７は、第１のｐ型クラッド層（第１の第２導電型半導体層）１１７Ａと、この第１のｐ型クラッド層１１７Ａ上の一部にストライプ状のメサ型構造に形成された第２のｐ型クラッド層（第２の第２導電型半導体層）１１７Ｂと、からなる。この第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの底部幅Ｗ１は、約２μｍである。この第２のｐ型クラッド層１１７Ｂ上には、１×１０１８ｃｍ−３のＭｇがドープされたＧａＮからなる厚さ１μｍのｐ型コンタクト層１１８が形成されている。このｐ型コンタクト層１１８上を除いた上面部分と、側面の一部と、はＺｒＯ２／ＳｉＯ２を多層に積層した絶縁膜１１９で覆われている。また、ｐ型コンタクト層１１８上には、Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極（第２電極）１２１が形成されている。他方側の電極であるｎ側電極（第１電極）１２０は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなり、エッチングにより露呈されたｎ型コンタクト層１１２上に形成される。このエッチングで残った活性層１１５の横方向の幅は、２００μｍである。また、特に図示していないが、レーザ光出射端面にもＺｒＯ２／ＳｉＯ２を多層に積層した高反射コートを施している。なお、図１の素子は、基板１００の厚さが１５０μｍ、積層体１１１〜１１８の厚さが約１０μｍ、活性層２１５の幅が２００μｍ、第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの底部幅Ｗ１が２μｍ、であるが説明をしやすくするため縮尺を変えて示している。
【００１５】
図１の窒化物半導体レーザでは、活性層１１４の上部に形成され該活性層１１３にキャリアを注入するための電流狭窄構造１１７Ｂがメサ型に形成されている。このため、電流は、活性層１１４の図中中央付近に注入される。そして、この電流注入により活性層１１４から光が放射され、この光が増幅されて、紙面と垂直方向にレーザ光が放射される。
【００１６】
図１の窒化物半導体レーザの特徴の１つは、帯状（ストライプ状）の第２のｐ型クラッド層１１７Ｂを挟んでその両側に、この第２のｐ型クラッド層１１７Ｂに並行して、第１のｐ型クラッド層１１７Ａおよび活性層１１４を貫くように形成された溝１３０を形成した点である。この溝１３０からメサ型の第２のｐ型クラッド層（メサ型電流狭窄構造）１１７Ｂまでの距離Ｗ２は５μｍであり、この溝１３０の幅は１μｍである。この溝１３０は、図１に示すように、レーザの実効屈折率よりも屈折率が低いＺｒＯ２／ＳｉＯ２からなる絶縁膜（埋め込み材）１１９で埋め込まれている。ここで溝１３０の深さはｎ型超格子クラッド層１１３の途中までとすることが好ましい。ｎ型超格子クラッド層１１３を貫通し、ｎ型コンタクト層１１２に達すると、ｎ型コンタクト層１１２が活性層１１５からの光に対して透明な材料であるため、ｎ型超格子クラッド層１１３の外側に光が染み出して、高次モードの発振が起こりやすくなってしまう。この溝１３０の側面形状は垂直で無い方が好ましい。また、この溝１３０の内側から第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの外側までの距離Ｗ２（５μｍ）と、第２のｐ型クラッド層１１７Ｂの底部幅Ｗ１（２μｍ）と、の関係はＷ１≦Ｗ２となるようにすることが好ましい。すなわち、溝１３０の内側と、メサ型電流狭窄構造１１７Ｂの外側と、の距離Ｗ２（５μｍ）は少なくともメサ型電流狭窄構造１１７Ｂの幅Ｗ１（２μｍ）より離すこと、望ましくはできるだけ遠くに離すことで、水平横モードが安定な基本モードになり、水平方向遠視野像がノイズの無い単峰形状になる。
【００１７】
次に、上記窒化物半導体レーザの製造方法について説明する。
【００１８】
（１）まず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で、サファイア基板１００上に、バッファ層１１０を形成し、次いで熱ＣＶＤ法などでＳｉＯ２膜を堆積する。このＳｉＯ２膜は、後に形成するレーザ共振器と平行な方向に、開口部幅４μｍ、ＳｉＯ２幅１０μｍのライン・アンド・スペースとなるようにパターニングし、ＳｉＯ２マスク１１１とする。
【００１９】
（２）次に、再度ＭＯＣＶＤ法を用い、ｎ型コンタクト層１１２からｐ型コンタクト層１１８までの積層体１１２〜１１８を成長する。
【００２０】
（３）次に、ＳｉＯ２マスク１１１に垂直で且つ共振器長（紙面に垂直な方向の長さ）５００μｍとなるようにエッチングマスクを形成し、ドライエッチング法でサファイア基板１００まで垂直エッチングし、レーザ出射端面を形成する。
【００２１】
（４）次に、ｐ型コンタクト層１１８上に、幅２μｍのストライプ状のエッチングマスクを、ＳｉＯ２マスク１１１上部でかつＳｉＯ２マスク１１１中心部がかからない位置に形成し、ドライエッチング法でｐ型超格子クラッド層１１７の途中までエッチングし、メサ型構造１１７Ｂを形成する。
【００２２】
（５）次に、漏洩光をカットするためにメサ型構造１１７Ｂの外側Ｗ２（５μｍ）の位置にｐ側ガイド層１１６からｎ側ガイド層１１４までを貫通する幅１μｍの溝１３０を形成する。
【００２３】
（６）次に、ｎ側電極１２０形成のために、結晶成長した半導体層の一部の領域をｎ型コンタクト層１１２までエッチングする。次いで、ウェハ全面にＺｒＯ２／ＳｉＯ２を４層に積層した絶縁膜１１９を堆積する。ここで、ＺｒＯ２とＳｉＯ２の夫々の膜厚は出射端面となる垂直エッチング面においてレーザ発振波長λの４分の１となるように設定する。次いで、ｎ型コンタクト層１１２の一部にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ側電極１２０を形成する。
【００２４】
（７）次に、ｐ型コンタクト層１１８の上部を露出させ、Ｐｔ／Ａｕからなるｐ側電極１２１を形成する。次いで、特に図示しないが、サファイア基板１００裏面を鏡面研磨し基板１００の厚さを１５０μｍとし、サファイア基板１００裏面にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜を蒸着し、劈開法またはスクライブ法でチップ化を施し、さらにＣｕ、立方晶窒化硼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層に対してＡｕＳｎ共晶半田を用いて熱圧着させる。尚、電流注入のための配線はＡｕ線を用いる。
【００２５】
以上の製造方法によって形成される、図１のレーザは、共振器長０．５ｍｍの場合、発振波長は４０５ｎｍ、動作電圧は４．２Ｖで室温連続発振した。出射ビームはＴＥ００モードで発振しており、遠視野像の半値全幅は垂直方向θ⊥＝８°、水平方向θ／／＝２０°でありアスペクト比２．５が得られた。また、５０℃、３０ｍＷ駆動における素子寿命は５０００時間以上であった。さらに、図１のレーザでは、閾値電流が２０ｍＡと極めて低くなった。これは、従来の約半分である。また、２０℃から８０℃における相対強度雑音は−１４０ｄＢ／Ｈｚ以下であり、従来よりも相対強度雑音特性が１０〜２０％程度向上した。
【００２６】
以上説明した図１の窒化物半導体レーザでは、溝１３０を設けたので、相対雑音強度を低減することができる。この理由の１つは、横方向の漏洩光を低減できるからであると解析される。すなわち、窒化物半導体レーザでは、前述のように、活性層１１５と、ガイド層１１４、１１６と、からなる導波面において、光が横方向に透過しやすい。そして、光は、屈折率が高い物質から低い物質に向かう場合に透過しやすくなる。このため、図１のレーザでも、活性層１１５で発生した光は、導波面（屈折率約２．５）から溝１３０内の絶縁膜１１９（屈折率＝約１．４〜２．１）には進行しやすい。しかし、図１のレーザでは、溝１３０内の絶縁膜１１９（屈折率＝約１．４〜２．１）からその外側の導波面（屈折率＝約２．５）には光が進行しにくい。つまり、溝１３０の外側で光が反射されやすい。このため、横方向からチップ外部に透過する光を低減し、漏洩光を低減できる。これにより、遠視野像のノイズとなる光の裾野が減り、基本モード光だけの単峰スペクトルが得られる。従って、アスペクト比が１に近づくばかりか、相対雑音強度を低減することができる。
【００２７】
これに対し、従来のレーザ（図２）では、活性層２１５で発生した光は、導波面（屈折率＝約２．５）、空気（屈折率＝１）の順に進行するので、チップ外部に光が透過しやすかった。
【００２８】
もっとも、単に漏洩光を減らすだけでは、必ずしもノイズを低減することができない。このため、図１のような溝１３０を形成することによりノイズが低減できることは、通常の技術者にとっては予期できないことである。すなわち、漏洩光を減らす方法としては、従来のレーザ（図２）の図中左右の面に高反射コート膜を形成する方法がある。あるいは、図１のレーザの溝１３０を高反射コート膜で埋め込む方法も考えられる。しかし、このような高反射コート膜を形成すれば、横方向に共振モードが出現してしまう。そして、この共振モードによりノイズが発生してしまう。このため、漏洩光を低減することと、ノイズを低減することと、は必ずしも一致しない。しかしながら、本発明者の実験によれば、図１のレーザでは、漏洩光を低減することにより、ノイズを低減することができた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。すなわち、図１のレーザでは、レーザ出射方向に対して垂直方向（図中横方向）に放出された光の多くは、溝部１３０の外側で内側方向に反射される。この反射された光は、溝部１３０の低屈折率層に閉じこめられるか、または溝部１３０で曲げられクラッド層１１４、１１６で閉じ込められる。従って、溝部１３０に入射された自然放出光は発振に寄与しないばかりか、チップ外部へ漏洩しない。
【００２９】
また、図１の窒化物半導体レーザでは、量子井戸活性層２１５の中央付近に高密度で高効率に電流を注入することができる。このため、閾値電流を低くすることができる。
【００３０】
また、図１の窒化物半導体レーザでは、活性層１１５の全体の幅は従来と同じ２００μｍにすることができる。このため、従来のレーザと比べて熱抵抗が上昇することはほとんどない。
【００３１】
また、図１の窒化物半導体レーザでは、１０ＧＨｚ程度まで直接変調することができる。これは、溝１３０の形成により、ｐ−ｎ接合面積が狭くなり接合容量を減らすことができたためである。また、ｐ−ｎ接合面積が狭く制約されるためにレーザ発振時に高キャリア注入されるメサ構造からの漏洩電流防止に寄与するので、動作電流低減や長寿命化が可能になる。
【００３２】
次に、溝１３０の幅について検討する。すなわち、図１の窒化物半導体レーザでは、溝１３０の幅を１μｍとしたが、これを他の幅にして製造することもできるので、この幅について検討する。前述のように、溝部１３０が高反射コート膜で埋められた場合は、出射方向に対して垂直方向（図中横方向）に共振モードが出現してノイズの原因となるので、好ましくない。従って、溝１３０の幅は、活性層１１５からの自然放出光の中心波長をλとすると、反射しにくい厚さ、すなわち漏洩光を吸収しやすいλ／２以上であることが好ましい。また、溝１３０の幅が広すぎると、溝１３０の埋め込み工程と端面高反射コート膜形成工程を同時に行う場合には、溝１３０側面に高反射コート膜が形成されてしまうおそれがある。このため、溝１３０の幅は、２μｍ以下が望ましい。ただし、溝を被覆する材料が単層である場合または高反射コート膜では無い場合には、λ／２以上であれば２μｍ以上あっても構わない。
【００３３】
以上説明した窒化物半導体レーザは、溝１３０の埋め込み材としてＺｒＯ２／ＳｉＯ２絶縁膜１１９を用いたが、この埋め込み材として、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｒＯ２、ＡｌＧａＮ、の少なくとも１つを含むものを用いることもできる。また、溝１３０を埋め込まずに、溝１３０の部分を空気または真空にして使用することもできる。
【００３４】
また、以上説明した窒化物半導体レーザは、本実施例に限られるものではなく、各半導体層の組成や膜厚を変化させることもできる。例えば、ｎ型コンタクト層１１２を、ＧａＮではなく、ＡｌＧａＮによって構成することもできる。この場合には、溝１３０を、ｎ型コンタクト層１１２の途中まで形成することができる。なぜなら、ｎ型コンタクト層をＡｌＧａＮにした場合には、ｎ型コンタクト層１１２が活性層１１５に対してクラッド層となるので反導波構造になりにくくなるためであり、従ってｎ型コンタクト層１１２の途中まで溝１３０を形成しても、光が図中下側に染み出さないからである。ただし、言うまでもないが、溝１３０は、ｎ型コンタクト層１１２を貫通してはならない。ｎ型コンタクト層を貫通すれば、ｎ側電極１２０と活性層１１５は電気的に切断されてしまうからである。また、例えば、ｎ型超格子クラッド層１１３やｐ型超格子クラッド層は、超格子構造に限定されず、ＡｌＧａＮを含むクラッド層にすることもできる。
【００３５】
また、以上説明した窒化物半導体レーザは、導電性が逆の構造であっても構わない。また、エッチングの順序などの工程は本実施形態に限られるものではない。また、基板はサファイアに限らず、ＧａＮ基板であっても構わないばかりか、将来ＧａＮ基板の入手が容易になればＧａＮ基板のほうが好ましい。また、端面出射型レーザに限られるものではなく、面発光レーザなどの他の構造のレーザでも構わない。さらに、発光素子以外にも、受光素子などの光デバイスに適用が可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、リッジ構造の窒化物半導体レーザにおいて、活性層を貫く溝を設けたので、低閾値電流、低雑音特性のレーザを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる窒化物半導体レーザの断面図。
【図２】従来の窒化物半導体レーザの断面図。
【符号の説明】
１００ サファイア基板
１１０ バッファ層
１１１ ＳｉＯ２マスク
１１２ ｎ型コンタクト層
１１３ ｎ型超格子クラッド層（第１導電型半導体層）
１１４ ｎ側ガイド層
１１５ 活性層
１１６ ｐ側ガイド層
１１７ ｐ型超格子クラッド層
１１７Ａ 第１のｐ型クラッド層（第１の第２導電型半導体層）
１１７Ｂ 第２のｐ型クラッド層（第２の第２導電型半導体層）
１１８ ｐ型コンタクト層
１１９ ＺｒＯ２／ＳｉＯ２絶縁膜
１２０ ｎ側電極（第１電極）
１２１ ｐ側電極（第２電極）
１３０ 溝
Claims (7)
- 窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる活性層と、
前記活性層上に形成され窒化ガリウム系化合物半導体からなる第１の第２導電型半導体層と、
前記第１の第２導電型半導体層上の一部に設けられ窒化ガリウム系化合物半導体からなるメサ型構造でストライプ状の第２の第２導電型半導体層と、
を備え、
前記メサ型構造の第２の第２導電型半導体層の両側にこの第２の第２導電型半導体層に並行して少なくとも前記第１の第２導電型半導体層と前記活性層とを貫くように一対の溝が形成されてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ。 - 前記活性層が多重量子井戸構造の活性層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。
- 前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体層の底部幅Ｗ１と、前記第２の第２導電型半導体層から前記溝までの距離Ｗ２と、の関係が、
Ｗ１ ≦ Ｗ２
となることを特徴とする請求項１または請求項２記載の窒化物半導体レーザ。 - 前記溝が、前記第１導電型半導体層および前記第１の第２導電型半導体層よりも屈折率が低い材料で埋め込まれていることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記埋め込み材が、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＡｌＧａＮ、の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体レーザ。
- 前記溝の幅が、前記活性層からの発光波長の２分の１以上で且つ２μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体レーザ。
- 基板と、
前記基板上に形成されＧａＮからなる第１導電型半導体コンタクト層と、
前記第１導電型半導体コンタクト層上に形成され、ＡｌＧａＮを含む第１導電型半導体クラッド層と、
前記第１導電型半導体クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＮを含み、電流注入により波長λの光を放射する多重量子井戸構造の活性層と、
前記活性層上に形成され、ＡｌＧａＮを含む第１の第２導電型半導体クラッド層と、
前記第１の第２導電型半導体クラッド層上の一部に形成され、底部幅Ｗ１のストライプ状のメサ型構造からなり、ＡｌＧａＮを含む、第２の第２導電型半導体クラッド層と、
前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体クラッド層上に形成されＧａＮからなる第２導電型半導体コンタクト層と、
前記第１導電型半導体コンタクト層に電気的に接続して形成された第１電極と、
前記第２導電型半導体コンタクト層に電気的に接続して形成された第２電極と、を備え、
前記ストライプ状の第２の第２導電型半導体クラッド層の両側に、この第２の第２導電型半導体クラッド層に並行しＷ２（Ｗ１≦Ｗ２）以上離れた位置に前記第１の第２導電型半導体クラッド層および前記活性層を貫いて前記第１導電型半導体クラッド層の途中に達するように、λ／２（λは前記活性層からの発光波長。）以上２μｍ以下の幅で溝が形成され、
前記第１の第２導電型半導体クラッド層、前記第２の第２導電型半導体クラッド層および前記第１導電型半導体クラッド層よりも屈折率が低い材料からなり、かつＺｒＯ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＡｌＧａＮ、の少なくとも１つを含む材料で前記溝が埋め込まれてなることを特徴とする窒化物半導体レーザ。
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