JP2004111997A - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明に係る半導体レーザ素子は、第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域と両端にレーザ共振用の共振器面とを有する半導体レーザ素子において、積層構造体が、一端側に、共振器面とは別に活性層断面を含むように形成された非共振器面を有し、その非共振器面の活性層断面が遮光層により覆われている。
【選択図】図4
Description
そこで、本発明は、高出力動作時に、リップルがなく、ガウシア分布に近い良好なFFPを得ることができる半導体レーザ素子を提供することを第1の目的とする。
前記積層構造体は、一端側に、前記共振器面とは別に活性層断面を含むように形成された非共振器面を有し、その非共振器面の活性層断面が遮光層により覆われていることを特徴とする。
また、このようにすると、共振器面から出射される光が非共振器面によって遮られることもない。
また、本発明に係る第2の半導体レーザ素子は、第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域と両端にレーザ共振用の共振器面とを有する半導体レーザ素子において、
前記積層構造体の側面は、活性層断面を含む第1の側面と、該第1の側面より導波路領域の近くに位置しかつ活性層断面を含む第2の側面とを有してなり、
以上のように構成された本発明に係る第2の半導体レーザ素子は、活性層の側面から外部に放出される迷光を、より導波路領域に近い位置で遮断することができる。
また、本発明に係る第2の半導体レーザ素子では、このような第2の側面が光出射面の近傍に設けられていることで、より効果的に迷光を遮断することができ、優れたFFPを得ることができる。
前記積層構造体は、出射端側に、前記共振器面とは別に、少なくとも活性層断面を含むように形成された非共振器面を有し、
前記積層構造体の側面は、活性層断面を含む第1の側面と、該第1の側面より導波路領域の近傍でかつ前記出射端側に位置し、活性層断面を含む第2の側面とを有してなり、
ここで、遮光層は、非共振器面または第2の側面に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。これにより、端面側からの迷光と側面側からの迷光を遮断することができる。
また、本発明の第1〜第3の半導体レーザ素子においては、ストライプ状の導波路領域は、ストライプ状の凸部を形成することにより形成できる。これにより、屈折率型導波路領域を構成でき、優れた素子特性の半導体レーザ素子とすることができる。
また、本発明の半導体レーザ素子の遮光層は、積層構造体に接して形成されていてもよい。これにより、導波路領域からしみ出した迷光が外部に放出されるのを効率よく遮断することができる。
また、本発明の半導体レーザ素子の遮光層は、導体、半導体、絶縁体のいずれかからなるものを用いることができる。これにより、様々な材料の積層構造体にも対応することができる。
また、本発明の半導体レーザ素子の遮光層は、誘電体多層膜を用いてもよい。これにより、より効率よく迷光を遮断することができる。
また、本発明の半導体レーザ素子は、第1の導電型の半導体層にn型窒化物半導体を有し、前記第2の導電型の半導体層にp型窒化物半導体を有することを特徴とする。
また、本発明の半導体レーザ素子は、遮光層は、少なくともTiであり、前記絶縁層はSiO2であるのが好ましい。これにより、光が透過しにくく、かつ、反射の少ない層を容易に形成することができる。
また、本発明の半導体レーザ素子は、遮光層は、同一材料からなり組成比の異なる層からなる同一材料の多層膜とすることができる。これにより、同一材料でも膜質の異なる層を形成することができる。
前記積層構造体は、一方の端面の出射部近傍に遮光膜を有し、該遮光膜と前記積層構造体との間に、前記遮光膜を構成する元素と同一の元素からなり前記遮光膜よりも光透過率の高い透光膜が少なくとも1層設けられていることを特徴とする。
以上のように構成された本発明に係る第4の半導体レーザ素子は、光の透過を制御することが可能な遮光膜を、共振器面近傍に、密着性よく設けることができる。
本発明に係る第4の半導体レーザ素子において、遮光膜及び透光膜は、少なくともRhの酸化物を含むことが好ましい。
前記積層構造体は、少なくとも一方の端面に保護膜を有し、
該保護膜は第1の保護膜と、該第1の保護膜よりも光透過率の低い第2の保護膜とを有していることを特徴とする。
このような構成とすることにより、端面から出射される光を透過率差のある保護膜で制御することができるので、主ビームに主ビーム以外の光が混ざるのを防ぐことができ、良好なFFPを得ることができる。
また、本発明に係る第5の半導体レーザ素子は、前記第1の保護膜及び第2の保護膜は、同一平面上に位置する。これにより、主ビームの横方向の光の制御が可能となる。
また、本発明に係る第5の半導体レーザ素子は、第1の保護膜は、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Tiの酸化物、窒化物、フッ化物などの化合物から選択される少なくとも一種の単層又は多層膜で構成できる。これらの材料を用いることで、高い光透過率の保護膜とすることができる。
また、本発明に係る第5の半導体レーザ素子は、第1の保護膜は、積層構造体の屈折率の±10%以内の屈折率を有するものが好ましい。これにより、活性層からの光の特性を変えずに、素子を保護することができる。
また、本発明に係る第5の半導体レーザ素子は、第1の保護膜はNb2O5であり、第2の保護膜は不透光膜であるものが特に好ましい。
実施の形態1.
図1は、本発明に係る実施の形態1のレーザ素子の外形を示す斜視図であり、図2は、図1のII−II線についての断面図であり、図3は、図1のIII−III線についての断面図である。
本実施の形態1の半導体レーザ素子は、共振器面以外から放出される光を遮光層9によって遮断することで、優れたFFPを得るものである。具体的な形態としては、第1の導電型の半導体層1、活性層3、第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層2とが積層された積層構造体100に、ストライプ状の凸部(リッジ)8が設けられており(図2)、このストライプ状のリッジ8の直下の活性層の近傍にストライプ状の導波路領域が構成される。そして、このリッジ8の長手方向に垂直な両端面を共振器面とすることで、ストライプの長手方向を共振方向(光の導波方向)とする光共振器が形成されている。2つの共振器面のうち一方は主として光を外部に出射する機能を有する光出射側共振器面(光出射面)であり、他方は主として光を導波路領域内に反射する機能を有する光反射側共振器面(モニター面)である。また、ストライプ状の凸部8の側面及びこの側面から連続する積層構造体の表面(上面)には、第1の絶縁膜10が形成されており、この第1の絶縁膜10が形成されていない第2の導電型の半導体層の凸部8上面で第2の導電型の半導体層2とオーミック接触するストライプ状のオーミック電極5が設けられている。また、積層構造体100に沿って露出された第1の導電型の半導体層1上には、第1の導電型の半導体層1とオーミック接触するオーミック電極7がストライプ状に形成されている。両オーミック電極は、略平行になるように設けられている。本実施の形態1のレーザ素子ではさらに、これら電極の上にそれぞれ開口部を有する第2の絶縁膜11が素子全体を覆うように形成され、この第2の絶縁膜11を介してオーミック電極と接するようにパッド電極(n側パッド電極6、p側パッド電極4)がそれぞれ形成される。
絶縁体を用いる場合は、電極と接していても良いので扱い易いが、光遮断効果は導体に比べてやや劣る。このように本発明では、種々の材料を用いて遮光層を形成することができるので、これらの材料を素子の構造や製造工程、製造方法等に応じて、最も好ましいものを選択することができる。
遮光層9に用いられる具体的な材料としては、導体材料として、Ni、Cr、Ti、Cu、Fe、Zr、Hf、Nb、W、Rh、Ru、Mg、Al、Sc、Y、Mo、Ta、Co、Pd、Ag、Au、Pt、Gaの単体、合金、多層膜、更にはこれらの酸化物、窒化物等などの化合物から選ばれたいずれかを用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。好ましい材料としてはNi、Cr、Ti、Cu、Fe、Zr、Hf、Nb、W、Rh、Ru、Mg、Gaを用いた材料であり、より好ましくはNi、Cr、Ti、Ga、Rh、RhOを用いた材料である。また、半導体材料としてはSi、InGaN、GaAs、InPなどを用いることができる。絶縁体材料としては、TiO2、CrO2などを用いることができる。目的の位置に形成するためには、蒸着、スパッタ等様々な方法を用いることができる。
また、遮光層9は、実施の形態1に示すように積層構造体に直接接するように形成することが好ましい。これにより、光の積層構造体以外、例えば絶縁膜等の内部へ侵入を防ぐことができ、迷光が外部に放出されるのを効率よく遮ることができる。特に、非共振器面101bが素子分割面の近傍に設けられる場合、分割のし易さ等を考慮して分割面(端面)付近には表面に保護膜等が設けられずに、積層構造体の表面が露出されている場合が多いので、この端面近傍の積層構造体の露出した非共振器面の活性層表面に直接、遮光層を形成することが好ましい。
図5〜図8は、本実施の形態1の出射面側の端面構造の変形例を示すものである。
以下に、図4〜図8を参照しながら、変形例の非共振面及び遮光層について説明する。
本発明においては、光の導波方向と垂直な方向の面を端面とし、光の導波方向と平行な方向の面を側面としている。共振器面と異なる平面上に設けられる非共振器面101bは、実施の形態1では、光の導波方向と垂直な面でありその面には活性層の断面も露出している。ただし、共振器端面として機能は有していない。しかしながら、上述したように、導波路領域からしみ出した光を放出することが可能な面である。特に共振器面近傍においては、レーザ光ではない光を放出する場合が多い。本発明では共振器面と異なる平面上に位置する非共振器面に遮光層を設けることで、外部に迷光が放出されるのを防いでいる。
本発明において、光の導波方向と平行な方向の面(側面)のうち、第2の側面は、より導波路領域に近い側の面であり、第1の側面102は第2の側面よりも外側に位置する面である。尚、図7及び図8の構成では、102c,102dの符号を付して第2の側面を示している。第1及び第2の側面は、とも活性層の断面を含んでいる。また、n電極形成面の側面や基板側面は、活性層を含まない面であって(露出していない)遮光層9を設ける必要のない面であるが、連続して形成されたとしても特に問題はない。活性層の断面を含む第1の側面及び第2の側面は、非共振器面と同様導波路領域からしみ出した光を放出することは可能である。特に、共振器面に近い部分では、迷光を放出しやすい。本発明では、共振器面の近傍でかつ導波路領域に近い位置にある第2の側面に遮光層9を形成することで迷光が外部に放出されるのを効果的に防いでいる。
本発明の半導体レーザ素子において、ストライプ状の導波路領域は、第1の導電型の半導体層、第2の導電型の半導体層に挟まれた活性層の近傍に主に形成されるものであり、このストライプ方向と共振器方向はほぼ一致している。ここで、導波路領域は、主として活性層及びその近傍において構成されるが、活性層を挟む光ガイド層を形成して、活性層を挟むガイド層までの領域を光導波層とし、これを導波路領域としてもよい。
導波路領域の両端に形成される一対の共振器面は、へき開又はエッチング等によって形成される平坦な面である。ヘキ開で形成する場合は、基板や積層構造体層がヘキ開性を有していることが必要であるが、ヘキ開性を利用すると優れた鏡面を容易に得ることができる。また、エッチングにより共振器面を形成する場合には、n電極形成面を露出させる際に同時に行うことで、エッチング回数を少なくできる。また、共振器面は、ストライプ状の凸部を形成するエッチング工程で同時に形成することもできる。このように各工程と同時に形成することで工程を少なくすることができるが、より優れた共振器面を得るためには、別工程を設けるのがよい。また、このようにヘキ開やエッチングによって形成した共振器面には、活性層の発光を効率良く反射させるため、又は反射率を調整するために、単一膜又は多層膜からなる反射膜を形成することもできる。共振器面の一方は比較的高反射率の面からなり主として光を導波路領域内に反射する光反射側共振器面として、もう一方は比較的低反射率の面からなり主として外部に光を出射する光出射側共振器面として機能している。
本発明の半導体レーザ素子では、ストライプ状の導波路領域は、積層構造体に凸部を設けることにより容易に形成することができる。具体的には、積層構造体の第2の導電型の半導体層において、中央部が峰状に残るようにその峰の両側をエッチング等により除去することでストライプ状の凸部を形成することによりそのストライプ状の凸部の直下の活性層近傍にストライプ状の導波路領域を形成することができる。凸部は、凸部の底面側の幅が広く上面に近づくに従ってストライプ幅が小さくなる順メサ形状に限らず、逆に凸部の底部に近づくにつれてストライプの幅が小さくなる逆メサ形状でもよく、また、積層方向の位置にかかわらず幅が一定になるように垂直な側面を有する凸部であってもよく、さらにこれらが組み合わされた形状でもよい。また、ストライプ状の導波路は、その幅が全長に亙って同じである必要はない。また、このような凸部を形成した後に凸部表面に半導体層を再成長させた埋め込み型のレーザ素子であってもよい。
ストライプ状の凸部と遮光層形成面は、どちらを先に形成してもよい。上述のように、先にストライプ状の凸部を形成し、その後に段差を設けるようにすることで、ストライプに対応したように形成しやすくなる。導波路領域はストライプ状の凸部に対応して形成されるので、先にストライプを形成しておくことで、遮光層形成面の導波路領域からの距離を精度よく制御することができる。
これにより、横方向の光をより強く閉じ込めることが可能となる。また、その場合、少なくとも細く形成したストライプ状の活性層の側面を埋め込むように、第2の側面の外側に適当な半導体層を成長させておくことで、劈開により共振器面を形成する際に、出射端面近傍が破損されるのを防ぐことができる。
本発明の半導体レーザ素子において、積層構造体の第1の導電型の半導体層、活性層、第2の導電型の半導体層として用いる半導体として、GaN、AlN、若しくはInNなどの窒化物半導体や、これらの混晶であるIII−V族窒化物半導体(InxAlyGa1−x−yN、0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いることができる。以下、本発明の半導体レーザ素子について、具体的に窒化物半導体を用いて好ましい例について説明する。ここで、窒化物半導体を用いたレーザ素子とは、第1の導電型の半導体層、活性層、第2の導電型の半導体層を順に積層した積層構造体の各層のいずれかに、窒化物半導体を用いたものであり、好ましくは、全ての層に窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子である。具体的には、第1の導電型の半導体層及び第2の導電型の半導体層においてそれぞれ、窒化物半導体を有するクラッド層が設けられて、活性層とその近傍に導波路が形成されているものである。、窒化物半導体を用いて構成された半導体レーザ素子(窒化物半導体レーザ素子)のより好ましい構成としては、第1の導電型の半導体層にn型窒化物半導体層を、第2の導電型の半導体層にはp型窒化物半導体層を、また、活性層にはInを含む窒化物半導体層を含む層を用いる。
本発明のレーザ素子に用いる窒化物半導体としては、GaN、AlN、もしくはInN、又はこれらの混晶であるIII−V族窒化物半導体(InbAldGa1−b−dN、0≦b、0≦d、b+d≦1)がある。加えて、III族元素としてBを用いたり、V族元素のNの一部を、As、Pで置換した混晶も用いることができる。また、このような窒化物半導体には各導電型の不純物を添加して、所望の導電型とできる。窒化物半導体に用いられるn型不純物としては、具体的にはSi、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、好ましくはSi、Ge、Snを、さらに最も好ましくはSiを用いる。また、p型不純物としては、具体的には、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Caなどが挙げられ、好ましくはMgが用いられる。以下、本発明のレーザ素子について、具体的に窒化物半導体を用いたレーザ素子について説明する。ここで、窒化物半導体を用いたレーザ素子とは、第1の導電型層、活性層、第2の導電型層を積層した積層構造体の各層のいずれかに、窒化物半導体を用いることであり、好ましくは、全ての層に用いることである。例えば、第1の導電型層、第2の導電型層にはそれぞれ、窒化物半導体からなるクラッド層が設けられて、それら2つのクラッド層の間に活性層設けることで導波路を形成する。より具体的には、第1の導電型層にn型窒化物半導体層を、第2の導電型層にp型窒化物半導体層を含み、活性層において、Inを含む窒化物半導体層を含むものとする。
以下、本発明に係る窒化物半導体レーザ素子における各層の好ましい構成について説明する。
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、n型クラッド層に用いる窒化物半導体としては、p型クラッド層と同様に、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Alを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、AlGaNとGaNとを交互に積層した超格子構造であっても良い。また、このn型クラッド層は、キャリアの閉込め層、及び光閉込め層として作用し、多層膜構造とする場合には、前述のように、Alを含む窒化物半導体、好ましくはAlGaNを成長させると良い。さらに、この層は、n型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも1つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の430〜550nmのレーザ素子では、このクラッド層はn型不純物をドープしたGaNが好ましい。また、膜厚としては、p型クラッド層と同様に、特に限定されるものではないが、100Å以上2μm以下で形成すること、好ましくは500Å以上1μm以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込め層として機能する。
本発明において、窒化物半導体を用いて本発明に係る半導体レーザ素子を構成する場合、活性層にInを含む窒化物半導体層を有することで、紫外域、可視域において青色系から赤色系の波長域のレーザ光を発生させることができるまた、Inを含む窒化物半導体層は、活性層が大気にさらされると、レーザ素子駆動において極めて重大な素子劣化を起こす場合があるが、本発明では出射部から離間する導波路領域は、活性層に達しない深さで設けられたリッジにより構成された導波路領域であるので、そのような素子劣化を最小限に抑えることが可能である。なぜなら、Inは融点が低いため、Inを含む窒化物半導体は、分解、蒸発が起こりやすい材料であり、エッチング時に損傷を受けやすく、また、活性層を露出させた後の加工において、その結晶性を保つことが困難となり、結果として、素子寿命の低下につながるからである。
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、積層構造体として、第1の導電型層にn型窒化物半導体を有すること、第2の導電型層にp型窒化物半導体を用いることが好ましく、具体的には、それぞれの導電型層に、n型クラッド層、p型クラッド層を設けて、導波路を構成するようにする。この時、各クラッド層と、活性層との間には、後述するようなガイド層、電子閉込め層などを設けても良い。
p型クラッド層と活性層との間に設けられるp型キャップ層としては、AlGaN等が好ましく用いることができ、これにより、活性層へのキャリア閉じ込め効果を有する層とすることができ、閾値電流を低下させるので、より容易に発振させることができる。AlGaNはp型不純物をドープしたものであっても、ノンドープであってもよい。また、膜厚としては、500Å以下が好ましい。
本発明において、活性層を挟むn型及びp型のガイド層をクラッド層より内側(活性層側)に設けて光導波路を形成することで、優れた導波路を形成することができる。この時、導波路(活性層とそれを挟み込む両ガイド層)の膜厚としては、6000Å以下が好ましく、これ以下の膜厚であると発振閾値電流の急激な増大を抑制することができる。更に好ましくは、4500Å以下とすることで、低く抑えられた発振閾値電流で、基本モード、長寿命での連続発振が可能となる。また、両ガイド層はほぼ同じ膜厚で形成され、100Å以上1μm以下が好ましく、更に好ましくは500Å以上2000Å以下である。ガイド層に用いられる窒化物半導体としては、その外側に設けられるクラッド層と比較して、導波路を形成するために適切な屈折率が選択され、単一膜若しくは多層膜のいずれでも良い。具体的には、発振波長が370nm〜470nmではアンドープのGaNが好ましく、比較的長波長な領域(450nm以上)では、InGaN/GaNの多層膜構造を用いることが好ましい。
本発明の窒化物半導体を用いたレーザ素子において、第2の導電型層若しくは第1の導電型層として、p型窒化物半導体(第1のp型窒化物半導体)を含むp型クラッド層を設けることが好ましい。このとき、p型クラッド層が設けられた導電型層とは異なる導電型層に、n型窒化物半導体を含むn型クラッド層を設けて、積層構造体に導波路を形成する。また、このp型クラッド層に用いられる窒化物半導体としては、光を閉じ込めるのに十分な屈折率差が設けられていれば良く、Alを含む窒化物半導体層が好ましく用いられる。また、この層は、単一若しくは多層膜であっても良く、具体的には実施例に示すように、AlGaNとGaNとを交互に積層した超格子構造であっても良く、超格子構造とすると結晶性を良好なものとでき好ましい。さらに、この層は、p型不純物がドープされていても良いし、アンドープであっても良く、実施例に示すように多層膜層において、それを構成する少なくとも1つの層にドープしたものであっても良い。なお、発振波長が長波長の430〜550nmのレーザ素子では、このクラッド層はp型不純物をドープしたGaNが好ましい。また、膜厚としては、特に限定されるものではないが、100Å以上2μm以下で形成すること、好ましくは500Å以上1μm以下の範囲で形成することで、十分な光の閉込め層として機能する。
また、活性層とp型クラッド層との間、好ましくは活性層とp型光ガイド層との間に設けられるp型電子閉込め層は、活性層へのキャリアの閉込めとしても機能する層であり、閾値電流を低下させることにより容易な発振に寄与し、、具体的にはAlGaNを用いる。特に、第2の導電型層に、p型クラッド層、p型電子閉込め層を設ける構成とすることで、より効果的な電子閉じ込め効果が得られる。このp型電子閉込め層に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より確実に前記機能を発揮し得るが、ノンドープであっても前記キャリアの閉込めとして機能を有する。膜厚の下限としては、少なくとも10Åで好ましくは20Åである。また、膜厚としては、500Å以下で形成し、AlxGa1-xNの組成としては、xが0以上、好ましくは0.2以上とする事で前記効果が十分に期待できる。また、n型層側にも、ホールを活性層内に閉じ込めるn側キャリア閉込め層を設けても良い。ホールの閉込めは、電子を閉じ込める場合ほどオフセット(活性層とのバンドキャップの差)を設けなくても、閉込めが可能である。具体的には、p側電子閉込め層と同様の組成を適用できる。また、結晶性を良好なものとするためには、Alを含まない窒化物半導体により形成しても良く、具体的には、活性層の障壁層とほぼ同じ組成を用いることができ、この場合には、キャリア閉込めとなるn側障壁層を、活性層内で最もn型層側に配置させることが好ましく、若しくは活性層に接して、n型層内に配置しても良い。このように、p側、n側のキャリア閉込め層は、好ましくは活性層に接して設けることで、効率良く活性層若しくは井戸層内にキャリアを注入でき、別の形態としては、活性層内において、p側、n側の層と接する層をキャリア閉込め層とすることもできる。
本発明の半導体レーザ素子において、ストライプ状の凸部の上に形成されるp側電極、及びn側層(n型コンタクト層)に設けられるn側電極としては、特に限定されるものではなく、窒化物半導体と良好なオーミック接触得られる材料を好ましく用いることができる。導波路領域となるストライプ状の凸部に対応して形成することで、キャリアの注入を効率よく行うことが出来る。また、後述する絶縁膜を介して窒化物半導体を接するように設けることも出来る。また、半導体と接するように設けられるオーミック電極と、ボンディングに適した材料からなるパッド電極とを設けてもよい。本実施の形態においては、第1の絶縁膜を形成後、開口部を設けてオーミック電極形成し、その上に更に開口部を有する第2の絶縁膜を形成し、その上にパッド電極を形成された構造である。具体的な材料としては、p側電極では、Ni、Co、Fe、Ti、Cu、Rh、Au、Ru、W、Zr、Mo、Ta、Pt、Ag及びこれらの酸化物、窒化物等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。また、n側電極では、Ni、Co、Fe、Ti、Cu、Rh、Au、Ru、W、Zr、Mo、Ta、Pt、Ag等があげられ、これらの単層、合金、或いは多層膜を用いることができる。
本発明の半導体レーザ素子は、ストライプ状の凸部の側面及びその側面に連続する露出面(平面)に保護膜を形成することが好ましい。凸部を保護する部分にだけ形成するのであれば絶縁性は問わないが、絶縁性の保護膜を用いることで、電極間ショートを防ぐ絶縁膜としての機能と、露出された層を保護する保護膜としての機能とを併せ持った膜とすることができる。具体的には、SiO2、TiO2、ZrO2などの単一膜或いは多層膜を好ましく用いることができる。また、上記で述べたように、電極を介して多層膜に形成してもよい。
本発明に係る実施の形態2の半導体レーザ素子は、実施の形態1と同様、共振器面近傍に遮光膜を設けることで、導波路領域から漏れだした光(迷光)が外部に放出されるのを防ぐものであり(図13A〜図13C)、遮光膜を剥がれにくく形成するために、遮光膜を構成する元素と同一の元素からなる透光膜9aを、遮光膜と積層構造体との間に設けた以外は実施の形態1と同様に構成されている。
本実施の形態2のレーザ素子は、同一の元素から構成される化合物であっても、組成比が異なれば物理的性質及び化学的性質が異なることを利用して、目的とする遮光性の膜を積層構造体の表面に接着性よく形成したものである。例えば特定の金属の酸化膜を遮光膜として用いる場合、遮光膜と積層構造体の間にある透光膜として遮光膜とは酸素の比率が異なる酸化物を用いることをいい、より具体的には、透光膜として透光性の高い酸素を多く含む酸化物を用い、遮光膜として金属を多く含む遮光性の高い酸化物を用いたものをいう。このように、金属の含有量の少ないものから、金属の含有量の多いものへと変化させると、光の透過率が大きく変化するものがあり、本実施の形態2ではこのような性質を有するものを用いることができる。また、このような膜は、成膜時の条件を変化させることで容易に得られるものである。変更する成長時の条件は、用いるガスの流量及び組成比、ガスの供給方向、或いは、装置内の真空度、雰囲気、温度等の、成膜に用いる装置において変更可能な条件である。
また、透光膜の総膜厚としては、100Å〜1000Åが好ましく、更に好ましくは200Å〜600Åである。膜厚が200Åより薄いと、透光膜自体が剥がれやすくなるので好ましくない。また、あまり厚く設けるのは、量産性を考慮すると好ましくない。
また、遮光膜と透光膜をあわせた保護膜としての膜厚は、間に中間層が設けられる場合も含めて、総膜厚500Å〜20000Åが好ましい。
本発明に係る実施の形態3の半導体レーザ素子は、光の共振方向と垂直な方向の端面に、少なくとも2つの光透過率の異なる保護膜(第1の保護膜109と、第1の保護膜109よりも透過率の低い第2の保護膜110)を有するものであり、この光透過率の異なる2つの保護膜を端面に設けることで、端面から放出される光の放出を制御するものである。具体的な形態を図14A〜図14Cに示す。尚、実施の形態3の図において、実施の形態1と同様のものには同様の符号を付して示している。図14Cは図14AのXIVC−XIVC断面図である。本実施の形態3は、図14Cに示すように、基板12上に、第1の導電型の半導体層(n型窒化物半導体層)1、活性層3、第2の導電型の半導体層(p型窒化物半導体層)2が積層された積層構造体に、ストライプ状の凸部(リッジ)8が設けられており、このストライプの長手方向と垂直な両端面に共振器端面を設けることで、ストライプ方向を導波方向(共振方向)とする導波路領域が形成されている。共振器端面のうち一方は主として光を外部に出射する機能を有する光出射側共振器端面(光出射面)であり、他方は主として光を導波路領域内に反射する機能を有する光反射側共振器端面(モニター面)である。ストライプ状の凸部(リッジ)8の側面及びこの側面に連続する積層構造体の上面には第1の絶縁膜10が形成されている。第1の絶縁膜10を介してp型窒化物半導体層2の凸部8の上面にp型窒化物半導体層とオーミック接触するストライプ状のp側オーミック電極5が設けられている。また、積層構造体に沿って露出させたn型窒化物半導体層には、n型窒化物半導体層とオーミック接触するn側オーミック電極7がストライプ状に形成されている。両電極は、略平行になるように設けられている。これら電極の上に更には開口部を有する第2の絶縁膜11が形成され、この第2の絶縁膜11を介してオーミック電極と接するようにp側パッド電極4及びn側パッド電極6がそれぞれ形成される。
また、共振器面から出射されるレーザ光のリップルが少ない場合は、出射側の共振器面に光透過率の高い第1の保護膜109を設け、第2の保護膜110として第1の保護膜109と同じものを用いてもよい。
本実施の形態4の半導体レーザ素子は、図17A,図17B及び図18A及び図18Bに示すように、光出射側共振器面近傍において、共振器端面の両側が活性層より下まで除去されて、積層構造体の角部が除去された、実施の形態2で説明したものと同様の端面構造を有する半導体レーザ素子に実施の形態3の第1の保護膜109と第2の保護膜110を適用したものである。すなわち、実施の形態4の半導体レーザ素子では、積層構造体のストライプ状の導波路領域の光の導波方向と垂直な方向の端面が単一の面ではなく、光出射面である共振器端面と、共振器端面とは異なる平面上に位置する非共振器端面から構成される。また、積層構造体のストライプ状の導波路領域の光の導波方向と平行な面(側面)から見ても、導波路領域から離れた活性層断面を有する第1の側面と、それよりも導波路領域に近い位置に形成された活性層断面を有する第2の側面が形成されている。そして、出射面である共振器面に第1の保護膜109が設けられる(図17B)とともに、非共振器面と第2の側面とに第2の保護膜110が設けられている(図17A)。具体的には、共振器端面と同一平面上にない活性層断面を含む非共振器面と、より導波路領域に近い第2の側面とに少なくとも第2の保護膜110が設けられ、共振器端面と第2の保護膜110の両方を覆うように第1の保護膜109が設けられている。
また、非共振器面及び第2の側面は、実施の形態1で説明した種々の変形が可能である。
以下、実施の形態3及び4における、第1の保護膜109及び第2の保護膜110の好ましい材料について述べる。
また、第1の保護膜として誘電体多層膜を用いることもできる。これにより、光を透過させ易くなり、露出された端面、特に活性層を保護するという機能も付随させることができる。
従って、実施の形態3及び4のレーザ素子では、第1の保護膜及び第2の保護膜の材料として、少なくとも第1の保護膜の透過率が第2の保護膜の透過率より大きいという条件を満足するように種々の材料を選択することが可能である。
第1の保護膜の好ましい材料としては、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Tiの酸化物、窒化物、フッ化物などの化合物から選ばれたいずれか一種、又は多層膜を用いることができる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。好ましい材料としてはSi、Mg、Al、Hf、Zr、Y、Gaを用いた材料である。また、半導体材料としてはAlN、AlGaN、BNなどを用いることができる。絶縁体材料としてはSi、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、Bの酸化物、窒化物、フッ化物等などの化合物を用いることができる。
また、本発明において、出射面の保護に主眼を置く場合は、第1の保護膜は、積層構造体の屈折率の±10%以内の屈折率差の材料を用いて構成することが好ましい。また、導波路領域を構成する半導体層(主として活性層)の屈折率に近い値の屈折率を有する材料により第1の保護膜を形成することで、第1の保護膜の膜厚を多少変化させても光の反射率や透過率が変化しない膜(不在層)とすることができる。
図19Aからわかるように、第1の保護膜が形成されていない場合は、素子端面において、電界強度が最大になっている。これは、素子の端面が屈折率の低い層(空気層:屈折率1)に接しているためであり、このような場合はその界面で電界強度が最大になる。そのため共振器面には過大な負荷がかかるので、結果としてCODが発生し易くなるという問題が生じる。
また、保護膜は屈折率と膜厚とによって、様々な特性を有するので、第1の保護膜の膜厚としてはλ/4n及びその奇数倍とすることが好ましく、これにより共振器面が受けるダメージを低減することができる。先に述べたようにこれに屈折率をも考慮することでAR膜とすることができるが、屈折率によらず膜厚をλ/4nとすることが好ましい。単層の場合はλ/4nでよいが、多層膜の場合はλ/2n+λ/4n及びそれらの実数倍としてもよい。これにより、積層構造体端面と保護膜との界面において、定在波の電界強度が最小値を取る膜厚とすることができるので(図19C参照)、共振器端面がダメージを受けるのを抑制し、素子寿命を向上させることができる。
第2の保護膜の好ましい材料としてはNi、Cr、Ti、Cu、Fe、Zr、Hf、Nb、W、Rh、Ru、Mg、Ga、Pt、Au、Si、Pd、V、Ta、Mo、C等を用いた材料であり、より好ましくはNi、Cr、Ti、Siを用いた材料である。また、半導体材料としてはSi、InGaN、GaAs、InPなどを用いることができる。絶縁体材料としては、TiO2、CrO2などを用いることができる。これらを用いて、光をほとんど通さない不透光膜として形成するのが好ましい。具体的な好ましい材料としては、Ti、TiO2、SiO2、RhO、ZrO2などが好ましく、これらは単層膜、或いは多層膜として形成することができる。これらを目的の位置に形成するには、蒸着、スパッタ等様々な方法を用いることができる。
また、第1の保護膜と第2の保護膜の好ましい組合せとして、共振器面の出射面に第1の保護膜としてNb2O5を用い、出射面を除く共振器面近傍に第2の保護膜として不透光膜を用いる。不透光膜としては、金属材料やその化合物が好ましい。具体的な材料としては、Ti、TiO2、SiO2、RhO、ZrO2などが好ましく、これらは単層膜、或いは多層膜として形成することができる。このような材料を選択することで、共振器面の劣化を抑制しリップルが少ない半導体レーザ素子とすることができる。
尚、導波路領域は実施の形態1等と同様に形成することができる。
さらに、積層構造体及びそれを構成する半導体層も実施の形態1等で説明したもの等種々のものを用いることができる。
またさらに、実施の形態1と同様の出射端面側の構造を適用する場合には、非共振器面及び第2の側面の形成方法についても、実施の形態1〜3で説明したものを適用できる。
以下、実施例として窒化物半導体を用いた半導体レーザ素子について説明するが、本発明の半導体レーザ素子は、これに限らず、本発明の技術的思想において、様々な半導体レーザ素子に適用できることは言うまでもない。
以下、実施例1の半導体レーザ素子について製造工程順に説明する。
(バッファ層)
2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、GaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させる。
バッファ層形成後、温度を1050℃にして、TMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体層を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下地層(成長基板)として作用する。成長基板としてこの他にELOG(Epitaxially Laterally Overgrowth)成長させた窒化物半導体を用いると結晶性が良好な下地層(成長基板)が得られる。ELOG成長層の具体例としては、以下のような方法が挙げられる。
異種基板上に、窒化物半導体層を成長させ、その表面に窒化物半導体が全く又はほとんど成長しない材料からなる保護膜を一定間隔で開口部が形成されるように、例えばストライプ状に設ける。このようにしてマスクが形成されたマスク領域と、窒化物半導体を成長させるために窒化物半導体表面を露出させた非マスク領域とを交互に設け、その非マスク領域から窒化物半導体を成長させることで、膜厚方向への成長に加えてマスクを覆うように横方向への成長が成されることにより、マスク領域にも窒化物半導体を成長させ全体を覆うように成膜する。
異種基板上に成長させた窒化物半導体層に一定間隔で開口部を設け、その開口部側面の窒化物半導体から横方向に成長させて全体を覆う窒化物半導体層を形成する。
次に、窒化物半導体からなる下地層の上に、積層構造体を構成する各層を形成する。
(n型コンタクト層)
下地層(窒化物半導体基板)上にTMG、アンモニア、不純物ガスとしてのシランガスを用い、1050℃でSiを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなるn型コンタクト層を4.5μmの膜厚で成長させる。
(クラック防止層)
次に、TMG、TMI(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。
(n型クラッド層)
次に、温度を1050℃にして、原料ガスとしてTMA(トリメチルアルミニウム)、TMG及びアンモニアを用い、アンドープのAlGaNよりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたGaNよりなるB層を25Åの膜厚で成長させる。そしてこの操作をそれぞれ160回繰り返してA層とB層を交互に積層し、総膜厚8000Åの多層膜(超格子構造)よりなるn型クラッド層を成長させる。この時、アンドープAlGaNのAlの混晶比としては、0.05以上0.3以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する屈折率差を設けることができる。
次に、同様の温度で原料ガスとしてTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるn型光ガイド層を0.1μmの膜厚で成長させる。この層は、n型不純物をドープさせてもよい。
(活性層)
次に、温度を800℃にして、原料としてTMI(トリメチルインジウム)、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを5×1018/cm3ドープしたIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層を100Åの膜厚で成長させる。続いてシランガスを止め、アンドープのIn0.1Ga0.9Nよりなる井戸層を50Åの膜厚で成長させる。この操作を3回繰り返し、最後に障壁層を積層させて総膜厚550Åの多重量子井戸構造(MQW)の活性層を成長させる。
次に、同様の温度で、原料ガスとしてTMA、TMG及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてCp2Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1019/cm3ドープしたAlGaNよりなるp型電子閉じ込め層を100Åの膜厚で成長させる。
(p型光ガイド層)
次に、温度を1050℃にして、原料ガスとしてTMG及びアンモニアを用い、アンドープのGaNよりなるp型光ガイド層を750Åの膜厚で成長させる。このp型光ガイド層はアンドープとして成長させるが、Mgをドープさせてもよい。
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TMGを止め、Cp2Mgを用いてMg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型クラッド層を成長させる。p型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、不純物はいずれも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よくなる傾向にあるが、両方に同じようにドープさせてもよい。
(p型コンタクト層)
最後に1050℃でp型クラッド層の上にMgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層を150Åの膜厚で成長させる。p型コンタクト層はp型のInxAlyGa1−x−yN(x≦0、y≦0、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。反応終了後、反応容器内において窒素雰囲気中でウエハを700℃でアニーリングして、p型層を更に低抵抗化する。
以上のようにして窒化物半導体を成長させて積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型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、n電極を形成するn型コンタクト層の表面を露出させる。この時、共振器面となる活性層端面を露出させてエッチング端面を共振器面としてもよい。エッチングガスとしては、SiCl4ガスに代えて他のガス、例えばCl2を用いてもよい。
(ストライプ状凸部及び遮光層形成面の形成)
上記の保護膜及びレジストマスクはそのままで、光非共振器面と、第2の側面と、n型層の露出面とに連続する遮光層をスパッタにより形成する。遮光層はSiよりなり、膜厚4000Åである。この遮光層は、後工程の第1の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。また、オーミック電極を形成した後、第2の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。
(第1の絶縁膜)
SiO2マスクをつけたまま、p型層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜を形成する。この第1の絶縁膜は、n側オーミック電極形成面をマスクして半導体層の全面に設けてもよい。また、後に分割され易いように絶縁膜を形成させない部分を設ける。この部分は、10μmのストライプ状で、凸部と直交するよう設けられる。第1の絶縁膜形成後、バッファード液に浸漬して、ストライプ状凸部の上面に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共に、p型コンタクト層上(更にはn型コンタクト層上)にあるZrO2を除去する。これにより、ストライプ状凸部の上面は露出され、凸部の側面はZrO2で覆われた構造となる。
次に、p型コンタクト層上の凸部最表面の第1の絶縁膜上にp側オーミック電極を形成する。このp側オーミック電極は、AuとNiからなる。また、エッチングにより露出されたn型コンタクト層の表面にもストライプ状のn側オーミック電極を形成する。n側オーミック電極はTiとAlからなる。これらを形成後、それぞれを酸素:窒素が80:20の割合の雰囲気中で、600℃でアニーリングすることで、p側、n側とものオーミック電極を合金化し、良好なオーミック特性を得る
(第2の絶縁膜)
次いで、ストライプ状凸部上のp側オーミック電極とn側オーミック電極の一部にレジストを塗布し、Si酸化物(主としてSiO2)からなる第2の絶縁膜を分割位置を除いた全面に形成して、リフトオフによりp側オーミック電極とn側オーミック電極の一部を露出させる。尚、分割位置とは、先に対向するように形成させた非共振器面の間で、かつストライプ状凸部と直交する位置である。この部分を劈開することによって素子が分割される。この分割位置を挟んで幅10μm程度のストライプ状の範囲には第1及び第2の絶縁膜や電極は形成されていないようにすることで、劈開し易くなり、共振器面を鏡面とし易くなる。
次に、上記の絶縁膜を覆うようにp側パッド電極及びn側パッド電極がそれぞれ形成される。電極は、Ni−Ti−Auからなる。このパッド電極は、露出されたオーミック電極とストライプ状に接している。
(劈開及び共振器面形成)
ウエ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ヘキ開し、ヘキ開面(11−00面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)に共振器面を作製した。この共振器面は、エッチングにより形成してもよい。
上記のように形成された共振器面にミラーとしてSiO2とZrO2よりなる誘電体多層膜を形成する。光反射側の共振器面には、スパッタ装置を用い、ZrO2からなる保護膜を形成し、次いでSiO2とZrO2とを交互に3ペア積層して高反射膜を形成した。ここで、保護膜と、高反射膜を構成するSiO2膜とZrO2膜の膜厚は、それぞれ活性層からの発光波長に応じて好ましい厚さに設定することができる。また、光出射側の共振器面は、何も設けなくてもいいし、スパッタ装置を用いてZrO2よりなる第1の低反射膜とSiO2よりなる第2の低反射膜を形成させてもよい。このとき、非共振器面上にミラーが形成されてもよい。次いで、最後にストライプ状凸部に平行な方向でバーを切断して本発明の半導体レーザ素子を得る。
上記のようにして得られた半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られた。
このようにして得られた窒化物半導体を有する基板を用いて、続いてウエハをHVPE装置に載置して下地層の上に更にアンドープのGaNを約100μmの膜厚で成長させる(この約100μmの膜厚で成長させた層を厚膜層という。)
(下地層)
窒化物半導体基板の上に窒化物半導体基板を作製する際の下地層と同様にストライプ状のSiO2マスクを用いて横方向成長を伴うように窒化物半導体を成長させることにより、下地層を15μmの膜厚で成長させる。
(遮光層形成面の形成)
下地層以降は、実施例1と同様に行い半導体層を積層させる。p側コンタクト層まで積層させた後、n型層露出工程の後、幅1.6μmのストライプ状の凸部(リッジ)を形成する。次いで、遮光層形成面を形成する際に、リッジよりも幅の広いマスクを設けてn型層までエッチングすることで、リッジ側面と異なる面上の第2の側面を形成することができる。ここでは、リッジがほぼ中央になるようなマスクを幅約7μmで設けて活性層よりのn型層までエッチングすることで、出射面の共振器面の活性層の幅が約7μmである共振器面を形成する。これにより形成されるエッチング面が非共振器面と第2の側面であり、この両者を遮光層形成面とする。
上記のようにして形成された第2の側面及び非共振器面及び、n型層の露出面に遮光層をスパッタにより形成する。まず、Rh酸化物を膜厚500Åで形成させ、その上に同じRh酸化物をスパッタ条件を変えて膜厚1500Åで形成する。このようにして、同一材料を異なるスパッタ条件で積層させて多層膜とすることで、密着性及び遮光性の両方の特性に優れた遮光層とすることができる。実施例2では、遮光層形成面の形成時に用いたマスクをそのまま用いているため、遮光層は第2の側面、非共振器面、及びn型層の露出面に形成されているが、マスクを変更してp型層の表面にまで延長するように設けられていても問題はない。p型層の表面(上面)の一部にまで遮光層が形成されることで、上方向への光の漏れをも防ぐことができる。また、端面と上面との縁部に遮光層の端部が形成されることで剥がれやすくなる場合があるが、このように、上面にも連続するように設けることで、密着性よく遮光層を形成することができ、安定したビーム特性を得ることができる。
その後、パッド電極を形成するまでは実施例1と同様に行い、劈開する前にサファイア基板、低温成長バッファ層、下地層、厚膜層の一部を除去してGaN基板とする。GaN基板は膜厚が約80μmとなるようにする。ここで、HVPEによる厚膜層は、GaN以外の他の窒化物半導体を用いてもよいが、本発明においては、良好な結晶性でかつ厚膜の窒化物半導体を容易に成長できるGaN又はAlNを用いることが好ましい。また、異種基板等の除去は、以上のような素子構造を形成する前に、厚膜層の一部を除去してもよく、また、導波路を形成した後、電極を形成した後、いずれの段階で行ってもよい。また。ウエハをバー状、チップ状に切断する前に異種基板を除去することで、チップ状に切断する際に、窒化物半導体の劈開面(六方晶系で近似した{11−00}M面、{1010}A面、(0001)C面)を用いて切断・劈開できる。ついで、裏面にTi−Pt−Auからなる共晶用メタルを形成させた後、実施例1と同様にしてミ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割り共振器面を形成し、モニター側にミラーを形成して、本発明の半導体レーザ素子を得る。
上記のようにして得られる半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいてリップルのない良好なビームが得られる。
さらに、横方向成長させた第1の窒化物半導体の側面及び上面より、常圧でMOCVD方により温度1050℃にし、原料ガスとしてTMG、アンモニア、シランガス、Cp2Mgを用い、GaNよりなる第2の窒化物半導体を15μmの膜厚で成長させる。尚、常圧でなく、減圧で第2の窒化物半導体を成長させてもよい。このようにして得られる基板の上に、実施例2と同様に厚膜層〜p側コンタクト層まで成長させ、その後、各工程も同様に行って本発明の半導体レーザ素子を得る。上記のようにして得られる半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られる。
(n型層露出及び共振器面形成)
積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型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、n電極を形成するn型コンタクト層を露出させるとともに、共振器面となる面も露出させる。すなわち、実施例1では、ストライプ状の凸部は、最後に劈開されるまではウエハ上の複数の素子に渡って連続しているが、実施例2では、n型層露出時に、ストライプ状の凸部と直交する面もエッチングして共振器面を同時に形成する。このとき、素子2つ分のストライプ状凸部が連続するようにされていてもよい。尚、エッチングガスとしては、例えば、Cl2等の他のガスを用いてもよい。
次に、ストライプ状の導波路を形成するために、最上層のp型コンタクト層と先の工程で露出された共振器面と含むほぼ前面にCVD装置を用いてSiO2よりなる保護膜を0.5μmの膜厚で形成した後、保護膜の上に所定の形状のマスクをかけ、RIE装置によりCF4ガスを用いたフォトリソグラフィー技術によりストライプ状の保護膜を形成して、活性層よりも上にストライプ状の凸部が形成される。ストライプ状の凸部は共振器面と直交するように形成されている。
このストライプ上の凸部の端部である共振器面の近傍を活性層が露出するまで更にエッチングすることで、第2の側面及び非共振器面を形成する。この時、光出射側共振器面となる方の共振器面の近傍に形成するが、両方に形成されていてもよい。
上記の保護膜はそのままで、光非共振器面と、第2の側面と、n型層の露出面とに連続する遮光層をスパッタにより形成する。遮光層はSiよりなり、膜厚5000Åである。この遮光層は、後工程の第1の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。また、オーミック電極を形成した後、第2の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。
(第1の絶縁膜)
SiO2マスクをつけたまま、p型層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜を形成する。第1の絶縁膜形成後、バッファード液に浸漬して、ストライプ状の凸部の上面に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共にp型コンタクト層上にあるZrO2を除去する。これによりストライプ状凸部の上面はp型層が露出され、凸部の側面からp型層上面がZrO2で覆われた構造となる。
次に、p型コンタクト層上にp側オーミック電極を形成する。このオーミック電極はAu−Niからなり、p型コンタクト層上の第1の絶縁膜上にも渡って形成されている。また、n型コンタクト層上面にもオーミック電極を形成する。n側オーミック電極はTi−Alからなり、ストライプ状の凸部と平行で、かつ同程度の長さのストライプ状に形成されている。これらを形成後、酸素:窒素が80:20の割合の雰囲気中で600℃でアニーリングすることでp側及びn側オーミック電極を合金化し、良好なオーミック特性を有するオーミック電極とする。
次いで、ストライプ状凸部上のp側オーミック電極とn側オーミック電極の一部と光出射側の共振器面とにレジストを塗布して、SiO2及びZrO2からなる多層膜を第2の絶縁膜を光出射側共振器面を除いてほぼ全面に形成し(SiO2とZrO2は交互に2ペア積層させる)、リフトオフによりそれぞれの電極の一部と光出射側の共振器面とを露出させる。遮光層上面にも第2の絶縁膜が形成されている。さらに、光反射側の共振器面も覆うようにして形成させているので、この第2の絶縁膜が光反射膜(ミラー)としても機能するようにしている。このように、共振器面の少なくとも一方を絶縁膜形成工程よりも先にエッチングにより形成させてあることで、光反射膜(ミラー)を分割する前にウエハ状態のままで、回り込むように形成することができる。これにより、光出射側共振器面と光反射側共振器面とが異なる材料や、異なる膜厚の反射膜からなるように形成することができる。
次に、上記の第2の絶縁膜を覆うようにp側パッド電極及びn側パッド電極を形成する。このパッド電極は、Ni−Ti−Auからなり、第2の絶縁膜を介してp側オーミック電極及びn側オーミック電極にそれぞれストライプ状に接している。また、本例では、p側パッド電極4は、図11に示すように、第2の側面で挟まれたストライプ状の凸部上面にも、第2の絶縁膜を介して形成されている。
(分割及び光出射側保護膜形成)
先に露出させてあったn型層を更に基板が露出するまでエッチングする。これにより分割位置には基板だけが残り、図12に示すように、共振器面とn型層端面とがエッチングによって形成される。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割る。次いで、光出射側の共振器面にZrO2を形成させ、それを覆うようにSiO2を形成して保護膜とする。最後にストライプ状の電極に平行な方向でバーを切断して本発明の半導体レーザ素子を得る。この例では、図12に示すように、共振器面より基板の端面が突出することになるが、その突出長はレーザビーム形状に影響を与えない程度に小さく押さえることができるので、問題はない。
上記のようにして得られる半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られる。
(透光膜9a)
実施例1と同様にして、ストライプ状凸部及び遮光膜形成面を形成した後、その形成に用いた保護膜はそのままにして、光非共振器面と、第2の側面と、n型層の露出面とに連続する透光膜をスパッタにより形成する。透光膜9aはRh酸化物よりなり、膜厚500Åである。
さらに、上記の透光膜の上に、スパッタにより遮光膜を形成する。この遮光膜も、透光膜と同様、Rh酸化物よりなり、膜厚1500Åである。この遮光膜は、上記透光膜を成膜するときのスパッタ条件を、真空度を低くすることでRhと酸素の組成比を変化させて形成することで得ることができる。装置はそのままで、真空度のみ変化させて膜質、特に光の透過率の異なる層を形成することができる。この透光膜及び遮光膜は、後工程の第1の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。また、オーミック電極を形成した後、第2の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。
以降、第1の絶縁膜の形成から、ミラー形成までは、実施例1と同様にして、半導体レーザ素子を作製する。
上記のようにして得られた半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られた。
(遮光膜及び透光膜形成面の形成)
p側コンタクト層まで積層させた後、n型層露出工程の後、幅1.6μmのストライプ状の凸部(リッジ)を形成する。次いで、透光膜を形成する出射側の共振端面近傍に、リッジよりも幅の広いマスクを設けてn型層までエッチングすることで、リッジ側面と異なる面上の第2の側面を形成する。このリッジよりも幅の広いマスクによって活性層の幅を制御できるが、図13Aのように、出射側の共振器面の近傍の活性層だけを除去するためには、共振器面近傍以外のほぼ全面にマスクを設け、さらに共振器面近傍にリッジの幅よりも広い幅のマスクを設けることで、共振器面近傍という限られた部分において活性層が除去された構造とすることができる、また、リッジよりも幅の広いマスクは、リッジの全てにわたって設けることもできる。ここでは、リッジがほぼ中央になるようなマスクを幅約7μmで設けて活性層よりのn型層までエッチングすることで、出射面の共振器面の活性層の幅が約7μmである共振器面を形成する。これにより形成されるエッチング面が非共振器面と第2の側面であり、この両者に透光膜及び遮光膜を設けるものとする。
上記のようにして形成された第2の側面及び非共振器面及び、n型層の露出面に透光膜をスパッタにより形成する。まず、下層の透光膜として、Rh酸化物を膜厚500Åの厚さに形成し、その上に中間層として透光膜と同じRh酸化物をスパッタ条件を変えて膜厚500Åで形成し、さらにその上に上層の遮光膜として同じRh酸化物をスパッタ条件を変えて膜厚1500Åの厚さに形成する。スパッタ条件は、下層の透光膜、中間膜、上層の遮光膜を、それぞれ一定にして3層構造としてもよいし、透光膜及び遮光膜は一定の条件で行い、中間膜だけを真空度を徐々に低くしていくように変化させてもよい。これによって組成比の異なるRh酸化物を容易に形成することができる。実施例2では、透光膜形成面の形成時に用いたマスクをそのまま用いているため、透光膜及び遮光膜は第2の側面、非共振器面、及びn型層の露出面に形成されているが、マスクを変更してp型層の表面にまで延長するように設けられていても問題はない。p型層の表面(上面)の一部にまで透光膜及び遮光膜が形成されることで、上方向への光の漏れをも防ぐことができる。また、端面と上面との縁部に遮光膜の端部が形成されることで剥がれやすくなる場合があるが、このように、上面にも連続するように設けることで、密着性よく遮光膜を形成することができ、安定したビーム特性を得ることができる。
以上のようにして得られる実施例9の半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいてリップルのない良好なビームが得られる。
以上のようにして作製した実施例10の半導体レーザ素子は、実施例3の半導体レーザ素子と同様の特性が得られる。
(n型層露出及び共振器面形成)
積層構造体を形成した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のp型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、n電極を形成するn型コンタクト層を露出させるとともに、共振器面となる面も露出させる。すなわち、実施例9では、ストライプ状の凸部は、最後に劈開されるまではウエハ上の複数の素子に渡って連続しているが、実施例4では、n型層露出時に、ストライプ状の凸部と直交する面もエッチングして共振器面を同時に形成する。このとき、素子2つ分のストライプ状凸部が連続するようにされていてもよい。エッチングガスとしては、Cl2等を用いても良い。
(ストライプ状凸部及び遮光層形成面の形成)
このストライプ上の凸部の端部である共振器面の近傍を活性層が露出するまで更にエッチングすることで、第2の側面及び非共振器面を形成する。この時、光出射側共振器面となる方の共振器面の近傍に形成するが、両方に形成されていてもよい。
上記の保護膜はそのままで、光非共振器面と、第2の側面と、n型層の露出面とに連続する透光膜及び遮光膜をスパッタにより形成する。透光膜として、Rh酸化物を膜厚600Åで形成させ、その上に同じRh酸化物をスパッタ条件を変えて膜厚600Åで形成し、さらにその上に同じRh酸化物をスパッタ条件を変えて膜厚2000Åで形成する。スパッタ条件は、各層は一定の条件で行い、上の層にいくに従って真空度を低くしていくようにしている。これによって組成比の異なるRh酸化物を容易に形成することができる。この透光膜及び遮光膜は、後工程の第1の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。また、オーミック電極を形成した後、第2の絶縁膜を形成させた後に形成することもできる。
SiO2マスクをつけたまま、p型層表面にZrO2よりなる第1の絶縁膜を形成する。第1の絶縁膜形成後、バッファード液に浸漬して、ストライプ状の凸部の上面に形成したSiO2を溶解除去し、リフトオフ法によりSiO2と共にp型コンタクト層上にあるZrO2を除去する。これによりストライプ状凸部の上面はp型層が露出され、凸部の側面からp型層上面がZrO2で覆われた構造となる。
(オーミック電極)
次いで、SiO2及びTiO2からなる多層膜多層膜を第2の絶縁膜を光出射側共振器面を除いてほぼ全面に形成する。SiO2とTiO2は交互に2ペア積層させる。ストライプ状凸部上のp側オーミック電極とn側オーミック電極の一部以外にレジストを塗布し、ドライエッチングすることでそれぞれの電極の一部を露出させる。遮光層上面にも第2の絶縁膜が形成されている。さらに、光反射側の共振器面も覆うようにして形成させているので、この第2の絶縁膜が光反射膜(ミラー)としても機能するようにしている。このように、共振器面の少なくとも一方を絶縁膜形成工程よりも先にエッチングにより形成させてあることで、光反射膜(ミラー)を分割する前にウエハ状態のままで、回り込むように形成することができる。これにより、光出射側共振器面と光反射側共振器面とが異なる材料や、異なる膜厚の反射膜からなるように形成することができる。
次に、上記の第2の絶縁膜を覆うようにp側パッド電極及びn側パッド電極を形成する。このパッド電極は、Ni−Ti−Auからなり、第2の絶縁膜を介してp側オーミック電極及びn側オーミック電極にそれぞれストライプ状に接している。また第2の側面で挟まれたストライプ状の凸部上面にも形成されている。
先に露出させてあったn型層を更に基板が露出するまでエッチングする。これにより分割位置には基板だけが残り、共振器面とn型層端面とがエッチングによって形成される。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割る。次いで、光出射側の共振器面にSiO2を形成させ、それを覆うようにZrO2を形成させてミラーとする。最後にストライプ状の電極に平行な方向でバーを切断して本発明の半導体レーザ素子を得る。
上記のようにして得られる実施例11の半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られる。
そして、そのAlGaNからなるn型コンタクト層の上に、実施例1と同様よにして、クラック防止層、n型クラッド層、n型光ガイド層活性層、p型キャップ層、p型光ガイド層、p型クラッド層を及びp型コンタクト層を成長させる。さらに、実施例1と同様にして、n型層を露出させ、共振器面を形成し、以下のようにして、凸部を形成する。
本実施例12では、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のp型コンタクト層のほぼ全面にCVD装置により、Si酸化物(主としてSiO2)よりなる保護膜を0.5μmの膜厚で形成した後、保護膜の上に所定の形状のマスクをかけ、RIE装置によりCF4ガスを用いたフォトリソグラフィー技術によりストライプ状の保護膜を形成して、活性層よりも上にストライプ状の凸部が形成される。尚、RIE装置において、CF4ガスに代えて、CHF3を用いることもできる。
凸部を形成した後、実施例1と同様にして、第1の絶縁膜とp及びn側のオーミック電極を形成し、さらに、以下の工程を経て半導体レーザ素子を作製する。
次いで、ストライプ状凸部上のp側オーミック電極とn側オーミック電極の一部にレジストを塗布し、Si酸化物(主としてSiO2)からなる第2の絶縁膜を分割位置を除いた全面に形成し、リフトオフすることでp側オーミック電極とn側オーミック電極の一部を露出させる。
(パッド電極)
次に、上記の第2の絶縁膜の開口部を介してp側オーミック電極とn側オーミック電極と接するようにp側パッド電極及びn側パッド電極がそれぞれ形成される。電極は、Ni−Ti−Auからなる。このパッド電極は、露出されたオーミック電極とストライプ状に接している。
次に、SiO2をウエハ前面に形成した後、その上にn型コンタクト層の露出面を除いてレジスト膜を形成し、基板が露出するまでエッチングする。共振器面など側面にもレジスト膜が形成されているので、エッチング後には、先に形成させた共振器面などの側面(p型層と、活性層と、n型層の一部と、を含む)と、共振器面と基板との間のn型層との2段になった端面が形成されることになる。
(第2の保護膜)
次いで、第2の保護膜を形成する。光出射側の共振器面にレジスト膜などでマスクし、SiO2(1350Å)/Ti(2250Å)からなる第2の保護膜をスパッタによって形成する。尚、この第2の保護膜の透過率は約0.01%であり、ほぼ100%の遮光効果が得られる。
(バ−状に分割)
以上のようにしてp側オーミック電極及びn側オーミック電極を形成した後、基板を研磨して基板を含めた総膜厚を200μmとし、裏面にTi−Pt−Auからなるバックメタルを形成させた後、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割る。このとき、バー状に分割させる前に基板の裏面側から分割位置に対応してスクライブを入れおくと、後工程で分割しやすくなる。
以上のようにしてバー状に分割された半導体は、バーの一方には光出射側の共振器面が並び、反対側には光反射側の共振器面が並んでいる。このような数本のバーを、光出射側の共振器面、及び光反射側の共振器面が同一の方向に向くように角度を変える。次いで、各バー間にスペーサーを介して隙間がないように成膜治具に並べる。このようにスペーサーを介することで、素子に形成された電極等に保護膜が形成されないようにできる。まず、光反射側の共振器面にはZrO2と(SiO2/ZrO2)の6ペアが形成されてミラーとなる。次いで、光出射側には、第1の保護膜としてNb2O5を400Åの厚さに成膜する。このNb2O5は共振器面の光出射面と、その光出射面の近傍に設けられている第2の保護膜の上とに亙って設けられる。
尚、このNb2O5からなる第2の保護膜の光の透過率は約82%である。
最後にストライプ状凸部に平行な方向でバーを切断して本発明の半導体レーザ素子を得る。
以上のようにして得られた半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られた。
具体的には、以下のようにする。
(バッファ層)
まず、窒化物半導体基板の下地層の上に、Al混晶比が0.01のアンドープAlGaNからなるバッファ層を形成する。このバッファ層は省略可能であるが、横方向成長を用いた基板がGaNである場合、若しくは横方向成長させて形成した下地層がGaNである場合に、それよりも熱膨張係数の小さい窒化物半導体、すなわち、AlaGa1−aN(0<a≦1)等からなるバッファ層を用いることで、ピットを低減させることができるため、バッファ層を形成することが好ましい。すなわち、下地層のように、横方向成長を伴って成膜された窒化物半導体層上に別の窒化物半導体を成長させるとピットが発生しやすいが、このバッファ層は、ピットの発生を防ぐ効果がある。
バッファ層の上に、膜厚4μm、Siを3×1018/cm3ドープしたAl0.01Ga0.99Nからなるn側コンタクト層を形成する。
(クラック防止層)
n側コンタクト層の上に膜厚0.15μmのIn0.06Ga0.94Nからなるクラック防止層を形成する。
(n側クラッド層)
クラック防止層の上に、総膜厚1.2μmの超格子構造のn側クラッド層を形成する。
具体的には、膜厚25ÅのアンドープAl0.05Ga0.95N層と、膜厚25Å、Siを1×1019/cm3ドープしたGaN層と、を交互に積層することにより、n側クラッド層を形成する。
(n側光ガイド層)
n側クラッド層の上に膜厚0.15μmのアンドープGaNからなるn側光ガイド層を形成する。
n側光ガイド層の上に、総膜厚550Åの多重量子井戸構造の活性層を形成する。
具体的には、Siを5×1018/cm3ドープした膜厚140ÅのSiドープIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層(B)と、膜厚50ÅのアンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる井戸層(W)とを、(B)−(W)−(B)−(W)−(B)の順に積層することにより、活性層を形成する。
(p側電子閉込め層)
活性層の上に膜厚100Å、Mgを1×1020/cm3ドープしたp型Al0.3Ga0.7Nからなるp側電子閉込め層を形成する。
(p側光ガイド層)
p側電子閉込め層の上に膜厚0.15μmのMgを1×1018/cm3ドープしたp型GaNからなるp側光ガイド層を形成する。
(p側クラッド層)
p側光ガイド層の上に総膜厚0.45μmの超格子構造のp側クラッド層を形成する。
具体的には、膜厚25ÅのアンドープAl0.05Ga0.95Nと、膜厚25ÅでMgを1×1020/cm3ドープしたp型GaNと、を交互に積層するすることにより、p側クラッド層を形成する。
p側クラッド層の上に、膜厚150Å、Mgを2×1020/cm3ドープしたp型GaNからなるp側コンタクト層を形成する。
(n型層露出、ストライプ状凸部形成)
以上のように、n側コンタクト層〜p側コンタクト層までの素子構造を形成した後、実施例12と同様にして、n型コンタクト層を露出させた後、ストライプ状の凸部(リッジ)をエッチングにより形成する。
(第2の側面及び非共振器面形成)
次いで、上記の第2の保護膜を形成する面である第2の側面及び非共振器面を形成する。共振器面の近傍の端面以外にマスクを形成してエッチングすることで、第2の側面及び非共振器面が形成される。ここでは、第2の側面はリッジ側面よりも素子の端面に近くなるように形成されているので、図17に示すように、リッジに垂直な方向の端面において、活性層の幅がリッジの幅よりも広い幅になっている。
次いで、上記のようにして形成された第2の側面及び非共振器面に、第2の保護膜を形成する。上記のマスクをそのまま用い、第2の保護膜としてSiO2/Tiからなる多層膜をスパッタにより形成する。
(第1の絶縁膜〜第2の絶縁膜)
次いで、実施例12と同様に、ZrO2からなる第1の絶縁膜、オーミック電極、SiO2/TiO2からなる第2の絶縁膜までを形成する。
(パッド電極)
次いで、p側パッド電極としてRhO−Pt−Auを、n側パッド電極としてNi−Ti−Auを形成する。
(異種基板剥離)
続いて、サファイア基板、低温成長バッファ層、下地層、厚膜層の一部を除去して厚膜層のみとし(単体化)、GaN基板の膜厚が80μmとなるようにする。ここで、HVPEによる厚膜層は、GaN以外に他の窒化物半導体を用いても良いが、本発明では、良好な結晶性でかつ厚膜の窒化物半導体を容易に成長できるGaN又はAlNを用いることが好ましい。また、異種基板等の除去は、以上のような素子構造を形成する前に、厚膜層の一部を除去してもよく、また、導波路を形成した後、電極を形成した後、いずれの段階で行っても良い。また、ウエハをバー状、チップ状に切断する前に異種基板等を除去することで、チップ状に切断する際に、窒化物半導体の劈開面(六方晶系で近似した{11−00}M面、{1010}A面、(0001)C面)を用いて切断・劈開できる。
次いで、裏面にTi−Pt−Auからなる共晶用メタルを形成させた後、実施例1と同様にして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割り、共振器面を形成する。
(光反射側ミラー及び第1の保護膜)
次いで、光反射側の共振器面にはZrO2と(SiO2/ZrO2)の6ペアからなるミラーを形成し、光出射側には、第1の保護膜としてNb2O5を成膜させる。このNb2O5は光出射側の共振器面と、共振器面近傍に設けられている第2の保護膜の上とに設けられる。更にそのバーを各素子間において劈開されたM面に垂直なA面で共振器方向に平行に劈開して、レーザチップを得る。
以上のようにして得られる得られるレーザ素子は、室温で閾値電流密度2.5kA/cm2、閾値電圧4.5Vで、発振波長は405nmであり、出射されるレーザビームのアスペクト比1.5である。また、30mWの連続発振で、1000時間以上の長寿命の高出力のレーザ素子が得られる。また、本レーザ素子は、5mW〜80mWの出力域で連続発振が可能で、その出力域において、光ディスクシステムの光源として適したビーム特性を有する。
(n型層露出)
実施例12と同様にn型層露出させるが、この時、共振器面は形成しないようにする。
(ストライプ状凸部形成と、非共振器面及び第2の側面形成)
ストライプ状凸部形成後、同じマスクを用いて素子分割面近傍のストライプ状の凸部の側面を更に活性層より下までエッチングして、図5のように素子の角部が除去されるようにし、非共振器面及び第2の側面を形成する。この面に第2の保護膜を形成する。第2の保護膜としては、ZrO2/RhOを用いる。
出射側ミラー形成前にウエ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ヘキ開し、ヘキ開面(11−00面、六角柱状の結晶の側面に相当する面=M面)とし、共振器面を形成する。次いで、共振器面の出射側の共振器面に、第1の保護膜を設ける。第1の保護膜としては、Nb2O5を用いる。
上記のようにして得られる半導体レーザ素子は、室温において閾値2.0kA/cm2、30mWの高出力において発振波長405nmの連続発振が確認され、また、広がり角が実施例より広く、FFPにおいて、リップルのない良好なビームが得られる。
2 第2の導電型の半導体層
3 活性層
4 p型パット電極
5、7 オーミック電極
6 n型パット電極
8 ストライプ状の凸部(リッジ)
9、103 遮光層
9a 透光膜
10、11 絶縁膜
71,72 矩形の溝
100 積層構造体
101a 共振器面
101b、101c、101d 非共振器面
102a、102e 第2の側面
109、110 保護膜
Claims (30)
- 第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域と両端にレーザ共振用の共振器面とを有する半導体レーザ素子において、
前記積層構造体は、一端側に、前記共振器面とは別に活性層断面を含むように形成された非共振器面を有し、その非共振器面の活性層断面が遮光層により覆われていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記共振器面は、前記非共振器面より突出している請求項1記載の半導体レーザ素子。
- 前記共振器面は、光出射面である請求項1または請求項2記載の半導体レーザ素子。
- 第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域と両端にレーザ共振用の共振器面とを有する半導体レーザ素子において、
前記積層構造体の側面は、活性層断面を含む第1の側面と、該第1の側面より導波路領域の近くに位置しかつ活性層断面を含む第2の側面とを有してなり、
前記第2の側面の活性層断面に遮光層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第2の側面は、光出射側に設けられている請求項4記載の半導体レーザ素子。
- 第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域と両端にレーザ共振用の共振器面とを有する半導体レーザ素子において、
前記積層構造体は、出射端側に、前記共振器面とは別に、少なくとも活性層断面を含むように形成された非共振器面を有し、
前記積層構造体の側面は、活性層断面を含む第1の側面と、該第1の側面より導波路領域の近でかつ前記出射端側に位置し、活性層断面を含む第2の側面とを有してなり、
前記非共振器面及び前記第2の側面のうちの少なくとも一方の活性層断面に遮光層が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記非共振器面と、前記第2の側面は連続している請求項6記載の半導体レーザ素子。
- 前記積層構造体には、ストライプ状の凸部が形成され、そのストライプ状の凸部により前記導波路領域が形成されている請求項1乃至7のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層は、前記積層構造体に接して形成されている請求項1乃至8のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層は、前記積層構造体に設けられた絶縁層上に形成されている請求項1乃至8のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層は、導体、半導体、絶縁体のいずれかからなる請求項1乃至10のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層は、誘電体多層膜からなる請求項11記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の導電型の半導体層、活性層、第2の導電型の半導体層に、窒化物半導体が用いられている請求項1乃至12のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の導電型の半導体層にn型窒化物半導体を有し、前記第2の導電型の半導体層にp型窒化物半導体を有する請求項13記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層はTiであり、前記絶縁層はSiO2である請求項14記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層は、少なくともRh酸化物を有してなる請求項1乃至14のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記遮光層は、同一材料からなり組成比の異なる複数の層からなる多層膜である請求項1乃至16のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域を有する半導体レーザ素子において、
前記積層構造体は、一方の端面の出射部近傍に遮光膜を有し、該遮光膜と前記積層構造体との間に、前記遮光膜を構成する元素と同一の元素からなり前記遮光膜よりも光透過率の高い透光膜が少なくとも1層設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記遮光膜及び前記透光膜は、少なくともRhの酸化物を含む請求項18記載の半導体レーザ素子。
- 第1の導電型の半導体層と、活性層と、該第1の導電型と異なる第2の導電型の半導体層とが順に積層された積層構造体を備え、その積層構造体が一方向に光を導波させる導波路領域を有する半導体レーザ素子において、
前記積層構造体は、少なくとも一方の端面に保護膜を有し、
該保護膜は第1の保護膜と、該第1の保護膜よりも光透過率の低い第2の保護膜とを有していることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記第1の保護膜は、出射側端面の出射部に設けられ、前記第2の保護膜は、前記出射部の近傍に設けられている請求項20記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の保護膜及び第2の保護膜は、同一平面上に位置する請求項20又は21記載の半導体レーザ素子。
- 前記出射部を含む共振器面は、突出して設けられている請求項20又は21記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の保護膜は、Si、Mg、Al、Hf、Nb、Zr、Sc、Ta、Ga、Zn、Y、B、Tiの酸化物、窒化物、フッ化物からなる群から選択される少なくとも一種からなる単層又は多層膜である請求項20乃至23のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の保護膜は、反射防止膜である請求項20乃至24のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の保護膜は、前記積層構造体を構成する活性層の屈折率の±10%以内の屈折率を有する請求項20乃至25のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第2の保護膜は、不透光膜である請求項20乃至26のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の保護膜はNb2O5であり、前記第2の保護膜は不透光膜である請求項20乃至27のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の導電型の半導体層、活性層、第2の導電型の半導体層に、窒化物半導体が用いられている請求項20乃至28のうちのいずれか1つに記載の半導体レーザ素子。
- 前記第1の導電型の半導体層にn型窒化物半導体を有し、前記第2の導電型の半導体層にp型窒化物半導体を有する請求項29記載の半導体レーザ素子。
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